リチウムイオン電池の安全性

リチウムイオン電池の安全性

 

リチウムイオン電池は他の二次電池と比較した際に、高電圧、高容量、高エネルギー密度、長寿命などのがあるため先にものべたようなさまざまな製品に使用されています。例えば、スマホ向けバッテリー、電気自動車搭載電池、家庭用蓄電池などが挙げられます。

 

IOT化が今後進むにつれ、リチウムイオン電池の重要性がより増していきます。

 

ただ、いまではスマホ用電池パックや飛行機搭載バッテリーなどリチウムイオン電池の発火事故が急増しており、危険性(安全性の低さ)が認識されるようになってきました。

 

そのため、リチウムイオン電池や電池を搭載する最終製品側の安全性設計が重要です。

 

ここでは、「リチウムイオン電池の安全性」に関する以下の内容を解説していきます。

 

・リチウムイオン電池の安全性 安全性が低い理由

 

・リチウムイオン電池や電池搭載最終製品が発火事故につながる原因

 

・リチウムイオン電池や電池搭載最終製品の安全性を高める方法

 

というテーマで解説していきます。

 

 

リチウムイオン電池の安全性 安全性が低い理由

 

各種性能が高いリチウムイオン電池ですが、鉛蓄電池やニッケル水素電池など他の二次電池と比べて、なぜ安全性が低いのでしょうか。

 

以下でリチウムイオン電池の「安全性が低い」原因について解説していきます。

 

①正極活物質に酸素を放出する材料を使用している

 

リチウムイオン電池が熱暴走(破裂・発火)につながるメカニズムの詳細についてはこちら で解説していますが、主に「電池内部での短絡」「電池外部での短絡」「過充電」などの発生により、電池が発熱し、熱暴走にいたる可能性がでてきます。

 

上述したトリガーが起こると、負極と電解液や正極と電解液の反応などのさまざまな発熱反応を引き起こします。

 

ただ、リチウムイオン電池であっても構成材料によって種類が多くあり、各種発熱反応がおこっても発火にいたるものとそうでないものに分かれます。発火に至らない方が「安全性が高い電池」です。

 

以下に安全性の低い電池の発火時のイメージを示します。

 

 

 

安全性に与える影響度が大きい電池の構成部材は正極活物質です。

 

「正極活物質が熱的・電気的な力により分解されやすく、分解時に酸素を放出するものである」と爆発が起きやすくなります。基本的にいま普及しているリチウムイオン電池の正極活物質はこの安全性が低い材料が使用されています。

 

例えば、コバルト酸リチウムマンガン酸リチウム(コバルト酸リチウムよりは安定)、NMC系(三元型)などの正極材が代表的です。

 

一方で、オリビン系構造をもつリン酸鉄リチウムは、作動電圧が低いものの結晶構造の安定性が高く、安全性が高いです。

 

 

②低温での急速充電時にLi金属の電析がおこる

 

リチウムイオン電池(一般的な電池では負極材に黒鉛を使用)では、低温下において急速充電を行うとリチウム金属が負極表面に析出する「電析」とよばれる現象が起こるときがあります。

 

以下のようなイメージです。

 

 

 

電析がおこると活性が高いLi金属が電池内部に存在するため、発熱などの異常がおこると危険な状態となるリスクが高まります。結果として、リチウムイオン電池の安全性を低下させます。

 

ただ、電析がおこると、安全性を議論する前に、急激な容量低下や内部抵抗の上昇が起こると電池として機能しなくなります。そのため、電池設計の評価の段階で、電析が起こらないように最適化されていることがほとんどです。

 

そのため、出荷品での負極由来の電析による事故よりも、先にも述べたような正極の設計由来の発火事故の方が起きやすいです。つまり、正極の方が安全性への寄与率が高いといえます。

 

③電解液に危険物を使用している

 

リチウムイオン電池の電解液として、有機溶媒系の材料をしようしていることから、発熱時に電解液が燃えやすいです。

 

基本的に、電解液はエチレンカーボネート(EC)などの環状のカーボネートと、ジエチルカーボネート(DEC)やエチルメチルカーボネート(EMC)などの鎖状カーボネートを混ぜたものを使用します。これは、リチウムイオン電池が高電圧で作動すること耐えられる設計となっていることが理由です。

 

鉛蓄電池などに使用される水溶性の電解液をリチウムイオン電池に使用すると、すぐに分解され、電池として機能しなくなります。

 

これら混合物は有機溶媒であり、消防法における危険物であるため引火性が高いのです。

 

関連記事

 

二次電池の性能比較
リチウムイオン電池が熱暴走(破裂・発火)につながるメカニズム
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
電池の評価試験・評価項目
リチウムイオン電池の含まれる危険物

 

 

リチウムイオン電池や電池搭載最終製品が発火事故につながる原因

 

このようにリチウムイオン電池単体では、異常状態となると破裂発火につながるリスクがあることを解説しました。また、発火に至らないまでも電池が膨れたり、高温になる事故も多く発生しています。

 

それでは、具体的にリチウムイオン電池やバッテリーを搭載する最終製品としてどのような使用状況において、異常状態となりやすいのでしょうか?

 

リチウムイオン電池やバッテリー搭載製品のトラブル発生の仕組みを以下で確認していきます。

 

リチウムイオン電池の不良品が出荷されること

 

リチウムイオン電池の製造時に不良品が含まれており、これを各種検査工程ではじけないときに、、トラブルが発生する場合があります。

 

発火事故を引き起こす代表的な不良品の項目としては、電池の電極作成時やエレメント作製時に異物が混入することがあります。

 

すると電池を使用している内に電池構成部材のセパレータを貫通、正極と負極が触れ、内部短絡を起こす場合があります。結果として、電池の発火事故へつながる場合があります。

 

もともとの電池設計が悪いケース

 

他にもリチウムイオン電池単体の問題点としては、電池設計のミスが挙げられます。ミスというと語弊がありますが、例えばエネルギー密度を上げるために電池設計として無理をする場合があるのです。

 

具体的には、ラミネート電池などをはじめとして電極を積層式によって作製し、エレメントを作ったとします。この際、電析を防ぐために負極を正極よりも大きくすることが基本ですが、ぎりぎりまで正極を大きくし過ぎる設計のときがあります。

 

以下のようなイメージです。

 

※※

 

これは正極が大きいほど電池のエネルギー密度を上げることができるためです。

 

他にも、リチウムイオン電池のセパレータを極限まで薄くすることなど、エネルギー密度は上がるが、安全性が下がる傾向にあります。電池の安全性とエネルギー密度はトレードオフの関係にあるともいえます。

 

このように、リチウムイオン電池の設計によって、電池の安全性を損ねることがありますので、気を付けましょう。

 

リチウムイオン組電池におけるシステムの不具合

 

基本的に最終製品としてリチウムイオン電池を使用する場合は、単電池として使用することは少ないです。
単電池を並列接続もしくは直列接続させた組電池として使用することが多いです。

 

そのため、セルバランスとよばれる電池ごとのSOC(充電率)を調整する必要がでてきます。セルバランスが崩れると一つにセルのみの充電状態がおかしくなるケースがあり、過充電過放電となります。

 

以下のようなイメージです。

 

 

そのため、外部からの衝撃などの機械的な力、高温などの熱的な力が原因でシステムが破損すると、組電池の安全性が低下します。結果として、爆発につながる可能性もでてきます。

 

関連記事

 

リチウムイオン電池の検査工程・検査方法
リチウムイオン電池のエレメント作製工程
セパレータの材料化学
セルバランスとは
過充電とは
過放電とは

 

 

リチウムイオン電池や電池搭載最終製品の安全性を高める方法

 

①リチウムイオン電池設計レベル(電池の材料)から安全性を高める。

 

使用する材料や電池の構成により、安全性は変化します。

 

一般的に正極ではオリビン構造と呼ばれる結晶構造を有する活物質(代表的なものにリン酸鉄リチウム)が、負極ではチタン酸リチウムという活物質を使用した電池が安全性が高い傾向にあります。

 

先にも述べた理由から、リチウムイオン電池の安全性を高める最も簡単な方法は、正極活物質をリン酸鉄リチウム等のオリビン系を使用することです。

 

ただ、作動電圧は3.2V程度と他の種類のリチウムイオン電池よりは低いです。

 

他にも、耐熱性の高いセパレータや分解反応が起こりにくい電解液を使用すること等でも安全性は向上します。

 

リチウムイオン電池の構造面からは「通電時電池内部の電流分布がより均一であること(局所発熱しないような構造)」「放熱性が高いケース材料と使用すること」などにより、安全性の向上につなげることが可能です。

 

②リチウムイオン電池の製造プロセスや検査工程を見直す

 
原因の項目にも述べた通り、電池の組み立てラインや検査方法を見直すことで、不良品の出荷を防ぐことが可能です。

 

混練・塗工といった電極作製工程、エレメントの組み付け工程、注液工程、エージング工程など各種プロセスにおいて適切な検査方法を実施するといいです。

 

また、品質管理手法である3σでの管理であったり、工程能力指数のCP,CPK値のチェックを行い、電池の作製工程を見直していきましょう。

 

③システムやPTC素子により最終製品としての安全性を高める。

 

システム(制御基板)により電池の電圧や動作温度を高精度で管理することで、リチウムイオン電池システムとしての安全性を高めています。

 

また、PTC素子(positive temperature coefficient of resistance)と呼ばれる、内部に正の温度係数となる抵抗を有しており、温度が上昇する(異常発熱)と抵抗が上昇し、通電電流を低下・遮断する素子を電池に組み込むことで安全性を高めています。

 

他にもリチウムイオン電池単体の安全性が損なわれたとしても、周囲を強固な金属・樹脂ケースで覆うことで「電池ユニットとして安全性を確保していれば問題ない」という考え方もあります。

 

上記のように、各工夫によりリチウムイオン電池の高エネルギー密度化と安全性を両立させるための努力により、現在リチウムイオン電池が商品化、普及しています。

 

関連記事

 

リチウムイオン電池における動作温度
リン酸鉄リチウムの反応と特徴
電極作製工程
エージング工程
適リチウムイオン電池製造における検査方法
工程能力指数のCP,CPK値
リチウムイオン電池における動作温度

リチウムイオン電池の安全性 関連ページ

電池関連の用語まとめ
容量(Ah,mAh容量),組電池の容量,セルバランス,SOC,DODとは?
【電池の容量】mAh,Ah(アンペアアワー)からWh(ワットアワー)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
リチウムイオン電池の組電池とは?組電池の接続方法と容量、電圧
Wh容量、SOC-OCV曲線、充放電曲線とは?【リチウムイオン電池の用語】
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?一般的なリチウムイオン電池のサイクル試験条件と結果【リチウムイオン電池などの二次電池の用語】
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?
【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)
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(捨て方)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?)
【リチウムイオン電池とエネルギー密度】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 電池の種類と電圧の関係は?
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
電池の残量を測定する方法(マンガン電池、アルカリ電池からリチウムイオン電池まで)
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【リチウムイオン電池の動作原理・仕組み】
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?【リチウムイオン電池の用語】
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 計算・変換方法は?
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
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、カソードとは何?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+? 2個にした時はどう記載する?
単位N(ニュートン)とkgf(キログラムフォース)の違いと変換方法 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?誤飲してしまったらどうなる?
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?OCP(開回路電位、開放電位)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?【リポバッテリー】
リチウムイオン電池の活性化過電圧、濃度過電圧、IR損(IRドロップ)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
リチウムイオン電池のドライアップとは?
電動ドライバー用バッテリーの特徴【リチウムイオン電池と二カド電池の違い】
リチウムイオン電池とアルカリ電池の違いは?
冬にスマホは電池の減りが早くなるのか?リチウムイオンバッテリーが寒さに弱い理由は?【スマホ用バッテリー】
リチウムイオン電池の特徴まとめ
リチウムイオン電池に穴が開いたらどうなるのか?対処方法は?
リチウムイオン電池に含まれる危険物のまとめ
リチウムイオン電池から匂いがした場合の対処方法は?【甘い匂い】
リチウムイオン電池を並列接続すると容量が上がる?電圧は変化する?【並列接続時の問題】
リチウムイオン電池を直列接続すると容量は上がる?電圧は変化する?【直列接続時の問題】
リチウムイオン電池の検査工程、充放電検査装置
リチウムイオン電池の評価項目・評価試験【求められる特性は?】
リチウムイオン電池の長期保存(保管)方法は?満充電状態が良いのか?放電状態が良いのか?
【鉛蓄電池の代替鉛蓄電池】リチウムイオン電池と鉛蓄電池の違い
リチウムイオン電池のUPSとは?
リチウムイオン電池の有害性は?
リチウムイオン電池のリフレッシュ方法は存在するのか?【リチウムイオン電池の復活】
リチウムイオン電池のセルとは?6セルなどの表記されているセル数とは何を表している?
リチウム含有量の計算方法【リチウムイオン電池やリチウム金属電池に使用?】
リチウムイオン電池におけるサーミスターとは?サーミスタ-の役割は?
リチウムイオン電池が膨らむ原因と対処方法は?
電動アシスト自転車(電動自転車)用のバッテリーを長持ちさせる方法は?リフレッシュ方法はあるのか?
電池の逆接続とは?逆接続と危険性
【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?
リポバッテリーとリフェバッテリーの違いは?【リチウムイオン電池との関係性】
リチウムイオン電池の異常時に発生するガスの成分は?吸うと危険?
電池におけるガスケットとは?【リチウムイオン電池のガスケット】
電池におけるハイレート特性とは?【リチウムイオン電池のハイレート】
電池における低温特性とは?【リチウムイオン電池の低温特性】
18650リチウムイオン電池とは?
電池における高温特性とは?【リチウムイオン電池の高温特性】
電池における温度範囲とは?【リチウムイオン電池の動作温度範囲】
リチウムイオン電池とその種類【コバルト系?マンガン系?オリビン系?】
【電池はなぜ劣化する?】リチウムイオン電池の劣化のメカニズム(原理)
リチウムイオン電池におけるIV試験・IV特性とは?
燃料電池(PEFC)の活性化過電圧、濃度過電圧、IR損とは?
燃料電池(PEFC)におけるIV試験・IV特性とは?
リチウムイオン電池におけるインターカレーションとは?
電池切れとはどのような状態のことか?
リチウムイオン電池を落下させたら危険なのか?
リチウムイオン電池は使い始めの慣らしは必要なのか?【活性化工程】
電池における放電特性とは?【リチウムイオン電池の放電】
電池におけるモジュールとは?【リチウムイオン電池のモジュール】
電池における充電特性とは?【リチウムイオン電池の充電】
電池切れの乾電池を温めると一時的に復活するのは本当なのか【裏ワザ?】
リチウムイオン電池を冷凍させると復活するという噂は本当なのか?【裏ワザ】
リチウムイオン電池関連の用語のLIBとは何のこと?
リチウムイオン電池とノーベル賞の関係
全固体電池で急速充電が可能な理由
スマホバッテリーを充電するタイミングはいつからがいいののか【充電時の残量】
リチウムイオン電池における導電パスの意味
乾電池の並べ方
電池切れの乾電池を振ると一時的に復活するのは本当なのか【裏ワザ?】
電池が熱いときの対処方法【急に熱くなる理由】
電池における転極とは【リチウムイオン電池の転極】
リチウムイオン電池に含まれるレアメタルとは?
電池から漏れている液が目に入ると失明することがあるのか?
リチウムイオン電池とリチウムイオン二次電池は違うものなのか
電池の保管時にラップやビニールやテープで巻いた方がいいのか?【電池の保管・保存の方法と容器の選定】
猛暑での車内の温度は?リチウムイオン電池を車内に放置してしまっても大丈夫なのか【モバイルバッテリーやタブレットの社内放置】
ヒートシンクとは?リチウムイオン電池とヒートシンク
リチウムイオン電池を急速充電すると劣化が速くなるのか?【急速充電のメリット・デメリット】
電池が腐ることはあるのか?電池についている白い粉は危険なのか?
リチウムイオン電池は充電回数が増えると劣化しやすいのか【iphoneなどのスマホ】
電池につないだ豆電球は直列つなぎと並列つなぎではどっちが明るくなるのか

HOME プロフィール お問い合わせ