リチウムイオン電池の内部短絡試験とは?

内部短絡試験とは?電池の安全性試験

 

最近では、リチウムイオン電池の発火事故なども多く発生し、電池の安全性への関心がみなさん高まっているかと思います。

 

リチウムイオン電池の安全性試験の概要、位置づけについてはこちらで解説しており、代表的な安全性試験としては、過充電試験外部短絡試験過放電試験、内部短絡試験などが挙げられ、こちらのページでは内部短絡試験について解説しています。

 

このページでは、リチウムイオン電池の安全性試験である

 

・内部短絡試験とは?

 

・内部短絡試験の方法

 

・内部短絡試験の結果例

 

について解説します。

 

 

内部短絡試験とは?

 

電池設計において安全性も重要なパラメータの一つです。

 

電池の安全性試験の中でも「内部短絡試験」と呼ばれる内部短絡に対する耐性を評価する試験があります。

 

別名、強制内部短絡試験とも呼びます。

 

内部短絡試験とは、電池内部において外部からの力、例えば折り曲げたり圧迫などによりセパレータが破れた場合や製造時に金属異物が電池内部に入り込み、正極と負極が接触し電池内部で短絡した場合を模擬した試験です。

 

従来の内部短絡試験(JIS規格など)では、Ni(ニッケル)片を電池内部(電極とセパレータの間)に入れ、加圧することでその状況を模擬した試験があります。

 

内部短絡させると直接電気エネルギーを持った正極、負極がつながっているため、短絡電流により電池が高温になり、膨れたり、程度が大きい場合は破裂・発火に至る場合もあります。

 

条件にもよりますが、一般的には内部短絡の方が外部短絡よりも危険性が増すと考えてよいでしょう。

 

そのため、内部短絡に対する耐性も安全性全般の中でも重要な耐性の一つと言えるでしょう。

 

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内部短絡試験の方法

 

内部短絡に対する耐性を評価する内部短絡試験の内容は、各認証機関や電池を採取製品に組み込むメーカ-の要求により内容やその厳しさに程度の差があります。

 

その中でも試験に使用する電池や試験方法の一般的な例を下記で解説しています。

 

 

①評価する電池の準備

 
過充電試験のページでも用いた以下のような一般的なリチウムイオン電池を使用するとしましょう。

 

正極活物質にコバルト酸リチウム負極活物質に黒鉛電解液に通常の有機系電解液、外装材にラミネート材を用いた容量が10Ah(10000mAh)のラミネート型電池を評価するとします。

 

通常使用時の充電上限電圧は4.2Vと設定されているとして、4.2V ,1C CCCV充電 で 3時間充電することで満充電(SOC100%)にしたとします。

 

そして、充電状態の電池を一部解体し、電極とセパレータの間にNi片を配置させます。

 

解体時やNi片挿入時に電極同士が接触しますと短絡が起きてしまい、破裂・発火の可能性がありますので、非常に注意して作業を行いましょう。

 

また、電池は一定の水分が混入すると使用できなくなってしまうため、ドライルームやグローブボックス内で作業を行いましょう。

 

もう一度、組み立て、シール等を行いましたら試験用電池の完成です。

 

この電池を内部短絡試験にかけます。

 

 

②内部短絡を行う装置、測定する装置の準備

 

こちらも過充電を始めとしました他の安全性試験同様、大前提としまして、万が一電池が破裂・発火したとしても大丈夫な場所で試験を行いましょう。

 

プレス機に設置された平板により、電池を13kNに達するまで、もしくは電圧が初期値の1/3まで低下するまで試験を続けます。

 

破裂・発火の有無を合否判定基準としていることが一般的です。

 

また、破裂・発火の有無とは別にデータロガーにより、電池の電圧、表面温度、外気温度などを測定することが一般的です。

 

 
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内部短絡試験の結果例

 

内部短絡試験の結果例①(セパレータのシャットダウン機能が作動する場合)

 

内部短絡試験を開始し、Ni片(数mm×数mm程度)がセパを貫通すると同時に短絡電流が流れます。

 

ただし、Ni片の大きさが非常に小さいため、短絡してもNi片が溶けるか多くの電池では若干電圧が低下する程度で破裂・発火に至るケースはあまりありません。

 

そのため、最近ではこの内部短絡の状況に近いと考えられる釘刺し試験をこの強制内部短絡試験として採用するケースも増えつつあるようです。

 

以下に内部短絡試験の結果例のプロファイルイメージを示します。

 

 

 

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