【リポバッテリーの発火事故】リポバッテリー(リチウムポリマー電池)の発火事故のメカニズム(原理)は?

【リポバッテリーの発火事故】リポバッテリー(リチウムポリマー電池)の発火事故のメカニズム(原理)は?

 

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(やリポバッテリー)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(リポバッテリー)はなぜ発火するのでしょうか?

 

ここでは、リポバッテリーの発火事故が起こるメカニズム(原理)など安全性に関する以下の内容を解説していきます。

 

 

・リポバッテリー発火のメカニズム(原理)と対処方法 機械的な要因がトリガーの場合

 

・リポバッテリー発火のメカニズム(原理) 電気的な要因がトリガーの場合

 

・リチウムポリマーの用途例は?自然発火は起こるのか?発火時の対処方法は?

 

・リポバッテリーの扱いに特に注意した方がいい場面と異常が起きたリポバッテリーの処分方法

 

 

というテーマで解説しています。

 

 

リポバッテリー発火のメカニズム(原理)と対処方法 機械的な要因がトリガーの場合

リポバッテリーの発火事故に関して解説する前に、簡単に似たような用語であるリチウムイオン電池とリポバッテリー(リチウムポリマー電池)の違いについて解説します。

 

一般的なリチウムイオン電池では、正極材にコバルト酸リチウムのような酸化物系材料を使用し、負極に黒鉛を使用し、電解液には有機溶媒LiPF6の塩を溶かしたものを、ケース(ラミネートや缶ケース(大型の角型電池用))に入れ構成されています。

 

一方でリチウムポリマー電池(リポバッテリー)では、構成材料はリチウムイオン電池と似ており、大きく異なるところはポリマーとついているように電解質にゲル状の物質を使用していることです。電解液よりも固体に近い分、燃えにくく若干安全性が上がる方法にいきます。

 

原理的にリチウムイオン電池とほぼ同じであるため、リチウムイオン電池の一部としてリポバッテリーがあるともいえます。

 

ただ、電池の内部短絡などが起こり、異常状態となった場合は、リチウムイオン電池でもリポバッテリーでも同様に破裂・発火(爆発)するリスクがあります。そして、リチウムイオン電池でもリポバッテリー発火のメカニズム(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。

 

ここでは、まず、機械的な要因がトリガーの場合のリポバッテリーの発火事故のメカニズム(原理)について解説します。

 

スマホ搭載電池に代表されるような薄いリポばテリーでは機械的な要因、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が破損し、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

 

ついで、電解質の分解や各電極と電解質との反応など、さまざまな発熱反応が混ざって起こり、最終的に熱暴走し、破裂・発火(爆発)に至るケースがあります。

 

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。

 

いま普及しているリポバッテリーをさらに反応が起こらないように工夫された次世代電池が全固体電池(固体電解質に無機系の材料を使用)であるといえ、非常に安全性が高まることが期待されます。

 

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リポバッテリー発火のメカニズム(原理) 電気的な要因がトリガーの場合

 

電気的な要因がトリガーの場合でも、リチウムイオン電池とリポバッテリーの発火に至るメカニズム(原理)はほぼ同じような原理です。

 

以下にリチウムイオン電池の発火原因(メカニズム)にて解説した内容を一部修正した文章を引用します。

 

(※以下一部引用)

 

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材に、黒鉛を負極材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リポバッテリーに使用のポリマー電解質が酸化分解され、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、電解質の分解や各電極と電解質との反応など、さまざまな発熱反応が混ざって起こり、最終的に熱暴走し、破裂・発火(爆発)に至るケースがあります。

 

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ではなく、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ポバッテリー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、リチウムイオン電池が熱い状態(60℃以上などの高温)になっていたり、膨れていたり、濡れたりした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。

 

場合によっては熱暴走につながることもあります。

 

(※引用終わり)

 

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リチウムポリマーの用途例は?自然発火は起こるのか?発火時の対処方法は?

リポバッテリーの用途としては、スマホバッテリーやドローン用バッテリーなどが挙げられます。

 

ただ、リポバッテリーの発火事故が急増しているように(リチウムイオン電池も含め)、リポバッテリーの自然発火などに対する危険性(安全性)がより注目されています。

 

リポバッテリーが自然発火する危険性はどの程度かご存知ですか? 実はリポバッテリーが自然発火する確率は非常に低いです。これは、リポバッテリーを製造し、出荷する段階で、不良品をはじく工程(エージング工程)などで異常がおこるリスクが高い製品は除去されているためです。

 

製造業であれば、どのような製品においても出荷品の品質管理(3σなど)を行う工程が入っているため、不良品が入っていたとしても稀です。

 

それでもスマホバッテリー(リポバッテリー)の発火事故が起こることを考えると、やはりセルレベルでの安全性を高めるしかないと言えるでしょう

 

リチウムイオン電池よりは若干安全性が高くなる傾向のリポバッテリーですが、発火事故の原因(トリガー)となる、内部短絡(ショート)や過充電などが発生してしまった場合は破裂・発火(爆発)が起こるリスクは存在します。

 

ちなみにリポバッテリーの過放電では発火に至ることはほとんどありません。

 

そして、発火時の対処・消火方法として最も適切な方法は大量の水をかけることです。リチウムは水と激しく反応するために消火時にしようしてはいけないといった間違いを良く見かけますが、水をかけても大丈夫です。

 

実際に電池メーカーの安全性試験時の消火用には大量の水を使用する場合がほとんどです。あまりにもひどい発火の場合には、消火器を使用するというようなレベルです。

 

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リポバッテリーの扱いに特に注意した方がいい場面と異常が起きたリポバッテリーの処分方法

 

リポバッテリーが故障などにより充電できない場合、膨らみを生じて保管ケースから飛び出てきている場合、高温になっている場合などは特に気を付けましょう。

 

いまの状態では発火に至っていなくても、何かしらの拍子に激しい破裂・発火に至るリスクがあります。

 

購入したメーカーに問い合わせて、処分してもらう方法もありますが、どうしても早く自分で処理し、安全な状態にしたい時もあるでしょう。

 

自分自身でリポバッテリーを廃棄処理をする方法は以下の通りです。

 

①バケツなどの容器を用意する
②水または塩水を用意する
③バケツ内にリポバッテリーを静置させ、リポバッテリーが穴が開いていたり、破損が確認できている場合はそこから水または塩水を入れる

 

(※以下工事中)

 

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