【電池はなぜ発火する?】リチウムイオン電池が発火のメカニズム(原理)

【電池はなぜ発火する?】リチウムイオン電池が発火のメカニズム(原理)

 

最近、スマホ向けや飛行機向けなどのリチウムイオン電池の発火事故が大きく取り上げられるようになってきましたよね。

 

リチウムイオン電池が発火した場合の対処・消火方法についてはこちらで解説していますが、そもそもリチウムイオン電池はなぜ発火するのでしょうか?

 

こちらのページでは、

 

・リチウムイオン電池発火のメカニズム(原理)と対処方法 機械的な要因がトリガーの場合

 

・リチウムイオン電池発火のメカニズム(原理)と対処方法 電気的な要因(過充電)がトリガーの場合

 

というテーマで解説しています。

 

 

リチウムイオン電池発火のメカニズム(原理)と対処方法 機械的な要因がトリガーの場合

リチウムイオン電池発火のメカニズム(原理)には、大きく分けて、機械的な要因がトリガー(きっかけ)となる場合と電気的な要因がトリガーとなる場合に分けられます。

 

まず、機械的な要因がトリガーの場合のリチウムイオン電池発火のメカニズムについて解説します。

 

リチウムイオン電池は、正極、負極、電解液セパレータ、ケース(ラミネートや缶ケース(大型の角型電池用))などから構成されます。

 

ここでスマホのような薄い製品に機械的な要因、例えば強い衝撃や圧迫、はさみなどの鋭利なものが刺さったりした場合などに電池構成部材のセパレータが破れ、正極と負極が短絡してしまう場合があります。

 

短絡すると短絡部に非常に大きな電流が流れ、大きく発熱します

 

すると、次いで負極と電解液との反応(140℃付近から)、電解液自体の分解反応、正極と電解液との反応、短絡時のスパークと正極の結晶構造崩壊による酸素の放出による酸素燃焼反応等々、様々な発熱反応が次々と起こることで、最終的に熱暴走、発火に至ります

 

ここで、一般的なリチウムイオン電池にはコバルト酸リチウムが使用されており、結晶構造が崩壊する際に酸素を放出することが熱暴走へ至る大きな要因となっています。

 

そのため、結晶構造、熱安定性がより高い、マンガン酸リチウム、さらに高いリン酸鉄リチウムを使用することで安全性を大きく向上、発火に至りにくい電池に近づきます。

 

ただし、上記の材料を使用したからといって、電池の放熱性が材料選定や構造面から放熱性が悪い電池の場合、発火に至る場合もあります。

 

一般ユーザーがこの機械的な要因からのリチウムイオン電池の発火を起こさないためには、電池に強い衝撃を与えないように大事に扱うこと、きちんとケースに入れることなど、管理方法を見直す方法が発火に至らない対処方法と言えるでしょう。

 

関連記事

 

リチウムイオン電池が発火した場合の対処・消火方法は?水をかけっても大丈夫?
電解液とは?電解液(溶媒)の材料化学
セパレータの材料化学
ラミネート型電池とは?
大型の角型電池の構成と特徴
短絡とは?
コバルト酸リチウムの反応と特徴
マンガン酸リチウムの反応と特徴
リン酸鉄リチウムの反応と特徴

 

 

リチウムイオン電池発火のメカニズム(原理) 電気的な要因がトリガーの場合

 

次に、電気的な要因がトリガーの場合のリチウムイオン電池発火のメカニズムについて解説します。

 

電気的な要因のトリガーとしましては、電池の過充電や過放電となる場合が挙げられます。

 

特に過充電は過放電よりも危険な状態となる場合が多く、一般的なコバルト酸リチウムを正極活物質に、黒鉛を負極活物質に使用する電池では破裂・発火に至る場合が多くあります

 

組電池においてシステムが故障し各々の電池のバランスが崩れた場合や対応していない充電器を使用してしまった場合などに過充電となる場合があります。

 

そして、過充電となると正極の電位が上昇し、電解液の電位窓をこえると電解液が酸化分解され、それに伴い発熱が生じます。

 

電池温度が徐々に上昇し始め、温度が70℃あたりになると徐々にセパレータが縮み始めます。

 

すると、電極の端部分のセパレータが無くなり、微小短絡が起きます。すると電解液の酸化分解に加えて、さらに発熱が進み、セパレータの縮む速度が上昇(100℃あたりから)し、機械的な要因がトリガーの場合と同様に負極と電解液との反応(140℃付近から)、電解液自体の分解反応、正極と電解液との反応、短絡時のスパークと正極の結晶構造崩壊による酸素の放出による酸素燃焼反応等々、様々な発熱反応が次々と起こることで、最終的に熱暴走、発火に至ります

 

電気的な要因においても、結晶構造が崩壊時酸素を放出してしまうコバルト酸リチウムなく、結晶構造、熱安定性がより高い、マンガン酸リチウム、さらに高いリン酸鉄リチウムを使用することで安全性を大きく向上、発火に至りにくい電池に近づきます。

 

機械的な要因と同様に、上記の材料を使用したからといって、電池の放熱性が材料選定や構造面から放熱性が悪い電池の場合、発火に至る場合もあります。

 

一般ユーザーがこの電気的な要因、特に過充電によるリチウムイオン電池の発火を起こさないためには、対応していない充電器を使用しないことや古い電池と新しい電池を混ぜて使用しないこと、あとは取扱い説明書に記載の内容を意外と見落としている場合があるためきちんと取扱説明書を読み、取扱いに気を付けることが挙げられるでしょう。

 

また、高温になっていたり、膨れている場合はすぐに購入場所もしくは製造メーカー様に連絡し対処してもらうことも重要です。

 

 

関連記事

 

リチウムイオン電池が発火した場合の対処・消火方法は?水をかけても大丈夫?
電解液とは?電解液(溶媒)の材料化学
セパレータの材料化学
ラミネート型電池とは?
大型の角型電池の構成と特徴
短絡とは?
コバルト酸リチウムの反応と特徴
マンガン酸リチウムの反応と特徴
リン酸鉄リチウムの反応と特徴
古い電池と新しい電池を混ぜて使用するとどうなる?
過充電とは?過充電と安全性

 

【電池はなぜ発火する?】リチウムイオン電池が発火のメカニズム(原理) 関連ページ

容量(Ah,mAh容量),組電池の容量,SOC,DODとは?
【電池の容量】mAh,AhからWhに変換する方法【飛行機持ち込み160Wh以下かどうか判定する方法】
放電終止電圧、充電上限電圧とは?
【電池設計の基礎】電池設計シートを作ろう!1 容量の設計
【エネルギー密度の計算】多孔度と真密度から電極の厚みを計算してみよう!
SOH(電池の基礎用語)とは?
電池の容量の計算方法
組電池とは?組電池の容量と電圧の計算方法
Wh容量、SOC-OCV曲線、充放電曲線とは?○
電池の評価に使われている1C,2Cとは何のこと?時間率とは?○
電池の充放電効率(クーロン効率)とは?
容量維持率とは?サイクル試験時の容量維持率
サイクル試験とは何?一般的なサイクル試験条件と結果○
サイクル試験と温度の関係性は?サイクル試験とSOCの幅の関係性
フロート試験とは何?一般的なフロート試験条件と結果○
【電池発火時の対処・消火方法】リチウムイオン電池が発火した際、水はかけるべき?
トリクル充電とは?○
CC充電とは?
CCCV充電とは?○
パルス充電とは?鉛蓄電池に使用すると寿命が延びる?
【図積分】CC充電、CCCV充電時の充電電気量の計算方法
電池はどうやって捨てる?電池の廃棄方法は?○
SOC-OCV曲線から充放電曲線をシミュレーションする方法
リチウムイオン電池の取扱い上の注意点○
リチウムイオン電池を長持ちさせる方法
リチウムイオン電池の充電時に対応していない充電器を使用した時の危険性
外部温度と電池の容量の関係(寒い方が容量小さい?)
質量エネルギー密度、体積エネルギー密度とは?
電池の分類
マンガン乾電池の構成と反応、特徴○
アルカリマンガン乾電池の構成と反応、特徴
マンガン乾電池、アルカリマンガン乾電池の構造詳細
マンガン乾電池、アルカリマンガン乾電池の放電曲線
乾電池の残量を測定する方法(マンガン電池、アルカリ電池)
アルカリマンガン乾電池表面に付着した白い粉の対処方法
ニッケル・水素電池の構成と反応、特徴
リチウムイオン電池の構成と反応、特徴○
鉛蓄電池の構成と反応、特徴
ニッケル・カドミウム電池(ニッカド電池)の構成と反応、特徴
ナトリウム硫黄(NAS)電池の構成と反応、特徴
レドックスフロー電池の構成と反応、特徴
二次電池の性能比較 作動電圧、エネルギー密度、寿命、作動温度範囲、安全性の比較
メモリー効果とは?メモリー効果と作動電圧
オームの法則、作動電圧と内部抵抗、出力とは?
電池の劣化係数とは?
交流抵抗と直流抵抗の違い(電池における内部抵抗)
通電時間と直流抵抗の関係
電池の端子電圧と正極電位、負極電位の関係
電池の知識 分極と過電圧、充電方法、放電方法
比熱と熱容量
電池の知識 電池通電時の自己発熱
電池の知識 電池の常温時と低温時の内部抵抗の変化
リチウムイオン電池の安全性
過充電とは?過充電すると何が起こる?
【スマホの過充電?】過充電という言葉の誤った使い方
アノード、カソードって何?酸化体と酸化剤、還元体と還元剤の違いは?
電析とは何?電析と安全性
電析が起こる原因と条件 起こさないための対応策は?
電気二重層キャパシタとは?電池との違いは?
キャパシタとコンデンサ−は厳密には異なる!?EDLCの原理
【充電式電池】新しい電池と古い電池を同時に使用するとどうなる!?
コイン電池の種類と頭文字の記号
電池と燃料電池の違いは?固体高分子形燃料電池の構造と反応
電池の回路図の記号は?長い方が+? ○
単位Nとkgfの違いは? NやJをkg,m,sで表そう
電池の短絡とは?短絡が起こる場合と対策
コイン電池とボタン電池の違いは?
乾電池に記載のAAやDなどの記号は何?乾電池の大きさとパワーの違い
バイポーラ電池(バイポーラ電極使用電池)とは?メリットとデメリット
瞬低とは?瞬時電圧低下とは?
ヒューズとは?単電池や組電池におけるヒューズの役割
シャント抵抗とは?
自己放電(電池の用語)とは?
OCV(開回路電圧、開放電圧)とは?
コイン電池、ボタン電池の構造詳細、残量の測定方法
公称電圧とは?作動電圧との関係性
平均作動電圧とは?作動電圧との関係性
リチウムイオン電池とリチウム金属電池は違うもの?
リチウムイオン電池とリチウムポリマー電池は違うもの?
リチウムイオン電池の活性化過電圧、濃度過電圧、IR損とは?
電池の対向容量比とは?利用容量とは?電池設計の基礎
CC充電とCCCV充電 定電流充電と定電流定電圧充電は同じもの??
バッテリー記載のCCAとは?【バイク用バッテリー】
【大きいほど低抵抗?】リチウムイオン電池の容量と内部抵抗の関係
【内部抵抗の計算】リチウムイオン電池の内部抵抗と反応面積から予想してみよう!
【リチウムイオン電池の接触抵抗低減】Al箔やCu箔の接触抵抗を下げる方法

HOME プロフィール お問い合わせ