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外部短絡試験とは？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。
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リチウムイオン電池の外部短絡試験に関する
・外部短絡試験とは？
・外部短絡試験の方法
・外部短絡試験の結果例
というテーマでついて解説します。
外部短絡試験とは？
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「外部短絡試験」と呼ばれる外部短絡に対する耐性を評価する試験があります。
外部短絡試験とは、言葉の通り電池の＋端子と－端子を短絡（ショート）させた時の電池の発熱挙動や破裂発火の有無を評価する試験といえます（短絡の詳細はこちらで解説しています。）
電池にうっかり金属部材等を落として短絡させてしまった状態を模擬した試験です。
外部短絡させると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。
そのため、外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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外部短絡試験の方法
外部短絡に対する耐性を評価する外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。
この電池を外部短絡試験にかけます。
②外部短絡を行う装置、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。
外部抵抗と電池の内部抵抗を含めた抵抗全体が5mΩとなる外部短絡試験を行うとします。
スイッチ、電池、外部抵抗、シャント抵抗（通電電流測定用の抵抗）を準備し、以下のよう接続します。
そして、解析時に必要な外部短絡時の通電電流や電池の電圧、温度を測定するためのデータロガーを準備しましょう。
ロガーで電流や電圧を測定するための電圧計測線や温度を測定するための熱電対を準備することも忘れないようにしましょう。
上図のようセットできましたら試験開始です。
③試験の条件例
上述の通り、過充電試験の試験条件は認証機関により様々であり、厳しめの条件である外部抵抗と電池の内部抵抗を合わせた合計が5mΩである外部短絡試験を25度下で行うとします。
満充電状態から5mΩ外部短絡試験をスイッチをONにして開始します。
試験終了の条件は、熱暴走が起こるか、熱暴走が起こらず温度上昇が収まったところで試験を終了するとしましょう。
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外部短絡試験の結果例
外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しなかった場合）
外部短絡試験が開始すると同時に短絡電流が流れます。
オームの法則により、V=IRの計算を行うと、4.2= Ｉ×0.005より、Ｉ=840Aとなります。
つまり、通電開始時は840Aという大きい電流が流れることになり、今回は抵抗値が5mΩという値と仮定しましたが、抵抗値が大きければその短絡電流値が小さくなり試験条件としては緩くなります。
この時の発熱エネルギーはI^2 Rで表され、この自己発熱により電池の温度が大きく上昇していきます。
（初期値ではW = 840 × 840 × 0.005 = 3528Wが瞬間的に発生）
大きい電流が流れるということは容量もすぐに減るため、SOC-OCV曲線よりSOCが減る側、つまり電圧が下がっていき、それに応じて通電電流も時間経過とともに小さくなります。
その影響だけでなく、通常電池温度が上昇するとセパレータのシャットダウン機能が働き、抵抗が上昇することで通電電流が絞られていきます。
しかし、発熱速度の方が大きく、熱暴走に至るケースもあり、下イメージ図では、シャットダウンがうまく作動せずに熱暴走に至った場合の例を示しました。
外部短絡試験の結果例②（セパレータのシャットダウン機能が作動した場合）
逆に、セパレータのシャットダウン機能がうまく作動した場合は下のように温度がある地点で折り返します。
過充電試験や他の安全性試験と同様に、折り返し温度が100℃以上となり電解液が沸騰、蒸気が発生のみで反応が収まる（熱暴走が起こらない）場合もあります。
ラミネート電池では上記ケースなどの異常時にガスが発生した場合は、シール部が破れ内圧が下がることで破裂を防ぐ機構になっています。
また、ラミネートでない缶ケースの場合は、内圧が上昇しないように電池に安全弁と呼ばれるある一定の圧力がかかると開く弁を設け、これが作動することで破裂を防ぐ機構をとっています。
外部短絡試験における判定基準も各メーカ－や認証機関によって様々ですが、破裂・発火なきことを合格条件としているところが多いでしょう。
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