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】

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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は高電圧、高容量、高エネルギー密度、長寿命などのメリットがあるためスマホバッテリーや電気自動車搭載電池、家庭用蓄電池などの採用されています。

 

ただ近年ではスマホなどのリチウムイオン電池の発火事故が急増しており、リチウムイオン電池の安全性(危険性)が認識されるようになり、この安全性の向上がリチウムイオン電池普及のための課題の一つであるといえます。

 

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くるため、リチウムイオン電池に関する知識を増やすとより快適な生活を送れるでしょう。

 

特にリチウムイオン電池では、高温時や低温時などの通常使用するときの温度より、大きく外れた状況下では性能が劣化しやすいことがわかっており、高温や低温下などの過酷な状況下でも動作できるような設計になっていることが基本です。

 

このようにリチウムイオン電池が使用できる温度のことを動作温度範囲もしくは単純に温度範囲などとよび、ここではリチウムイオン電池の動作温度範囲に関する「高温環境や低温環境での電池の劣化の仕方」「動作温度範囲を広げるための工夫」について解説しています。

 

・リチウムイオン電池の動作温度範囲の上限値とは?

 

・リチウムイオン電池の動作温度範囲の下限値とは?

 

・リチウムイオン電池の温度範囲を広げる方法

 

・※補足 リチウムイオン電池の温度特性とは?

 

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動作温度範囲の上限値とは?

リチウムイオン電池の動作温度範囲の上限値は、主に高温での容量劣化や内部抵抗が進みず、かつ電池が爆発などの危険な状態にならないような温度として決められています。

 

こちらのリチウムイオン電池の高温特性のページでも記載しましたが、一般的なリチウムイオン電池では負極での化学反応(SEI被膜の成長)などが主な原因として、容量の劣化や内部抵抗の上昇などが起こります。

 

この劣化反応は化学反応であるために、アレニウスの式と呼ばれる式に従い、高温環境下では劣化が速くなるという特徴があります。

 

つまり、高温環境下では一度劣化がおきてしまうとリフレッシュ(復活)することができない劣化形態をとります。そのため、リチウムイオン電池を長持ちさせるためには、高温においてはいけません。

 

他にも動作温度範囲を超えた温度になると、基本的にリチウムイオン電池の構成部材であるセパレータが縮小しはじめ、正極と負極が直接触れる短絡という現象が起こります。

 

短絡が起こると発熱反応が進み、これが元となり、さらにセパレータが縮み、更なる短絡を招くリスクがあります。

 

すると温度がどんどん上昇し、電解液と負極の反応の発生、電解液の分解反応の発生等々、あらゆる発熱反応を引き起こし、最終的には熱暴走から破裂・発火にいたるリスクがあります。

 

リチウムイオン電池を構成する正極材、負極材、電解液などにもよりますが、上述の反応が起こるために、動作温度範囲の上限値はおおよそ60℃程度であるケースが多いです。

 

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リチウムイオン電池の動作温度範囲の下限値とは?

 

これに対して、リチウムイオン電池における動作温度範囲の下限値は、低温時に出力が下がりすぎないことや低温での急速充電時におこる電析という現象がおこらないようにするための温度になっています。

 

こちらの外部温度と容量・内部抵抗の関係でも解説していますが、リチウムイオン電池をはじめとした電池では、低温下ではあらゆる電池内部での抵抗値があがる傾向にあります。(金属のオーミックな抵抗は温度が下がると逆にあがりますが

 

電池の内部抵抗があがると、出力が下がるために、製品に電池を搭載した場合、製品を動かすことができない状況になるリスクがあります。

 

他に動作温度範囲の下限値を規定ときは、低温下で急速充電を行うと負極で電析と呼ばれる現象がおき、電池の容量や出力が大きく劣化するため、これがおこらないように動作温度範囲の下限値が設定されています。

 

これらの要因からリチウムイオン電池の温度範囲の下限値は製品にもよりますが、-20~0℃程度であるケースが多いです。

 

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リチウムイオン電池の温度範囲を広げる方法

それでは、そのようにするとリチウムイオン電池の温度範囲(動作温度範囲)を広げることができるのでしょうか?

 

 

高温側では、負極の表面での負極材と電解液の反応による堆積物(SEI)の生成が劣化の大きな原因となっています。

 

特に電解液の成分に、添加剤であるVC(ビニレンカーボネート)やFECの添加することや他のエチレンカーボネート(EC)やジエチルカーボネート(DEC)などの割合を最適化することで、リチウムイオン電池の高温時の劣化が大きく軽減されるケースもあります。

 

そのため、電解液の最適化が高温での温度範囲を広げるために重要です。(もちろん正極材や負極材の種類や組成、電極構造が適切でないとそちらの方が先に劣化するケースもありますが、基本は電解液由来であるケースが多いです。)

 

 

また、低温時では電析がおこりにくい材料であるチタン酸リチウムを使用することや黒鉛負極を使用する場合でも負極の利用容量をさげることなどで対処するといいです。

 

動作温度範囲の下限値をさげる方法としては、PC(プロピレンカーボネート)などの融点が氷点下以下といった非常に低いものを少量まぜても使用してもいいです。

 

ただ、PCの組成を上げ過ぎると黒鉛負極ではSEIがうまく形成されず、電池性能が大幅に劣化するためにこちらも材料組成をきちんと検討したうえで採用しましょう。

 

結局は、電解液や正極材・負極材といった材料の最適化とその組み合わせの最適化が必要であり、各種評価して検討をすすことが大切です。

 

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※補足 リチウムイオン電池の温度特性とは?

先にリチウムイオン電池の温度範囲について解説しましたが、温度範囲と似た言葉に温度特性という言葉があります。

 

リチウムイオン電池における温度特性という言葉の温度範囲と同様にあいまいな用語であり、基本的には「動作温度範囲が広いこと」であったり、「最終製品に使用する際の温度(高温や低温)での出力や容量などの要求値を満たしているかどうか」を表す指標として使用されています。

 

高温特性や低温特性といった全般を表す用語としてもいいかえられます。

 

動作温度範囲と合わせて、温度特性という用語も理解しておくといいです。

 

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