リチウムイオン電池の振動試験とは?

チウムイオン電池の振動試験とは?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、安全性試験は電気的な安全性試験と機械的な安全性な試験に分けられます。

 

電気的な安全性試験の代表としては、過充電試験外部短絡試験過放電試験内部短絡試験釘刺し試験などが挙げられ、機械的な安全性試験としては振動試験や圧壊試験、衝突試験などが挙げられ、こちらのページでは振動試験について解説しています。

 

・振動試験とは?

 

・振動試験の方法

 

・振動試験の結果例

 

について解説します。

 

 

振動試験とは?

 

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「振動試験」と呼ばれる電池輸送時、たとえば航空輸送等を想定した際や電池を搭載の最終製品に要求される振動を模擬した試験があります。

 

言葉の通り、単電池もしくは組電池を振動させた際に電池に破裂・発火がないか、部材の損傷により電池として機能しなくなっていないかを検討します。

 

また、振動試験の条件はその製品を搭載する最終製品に要求される値を評価するのか、単純に電池輸送時を想定するのか等により、大きく変わります。

 

例えば、移動体向けの電池(例えばモトクロスのような激しく衝撃がかかる場合)として使用する場合は振動試験の条件も厳しくなり、単純な輸送の場合はそれほど厳しい要求はされません。

 

移動体向けなどの電池としては搭載する最終製品を製造する会社様の要求であるため条件はバラバラになりますが、輸送時の条件、例えば国連輸送(UN)試験の規格では定められた条件(詳細は以下に記載)があります。

 

基本的には、低い周波数から高い周波数まで対数掃引(ログスイープ)もしくは直線掃引(リニアスイープ)することで周波数を変化させて試験します。

 

振動により、電池内部のエレメント構造が壊れたりすると内部短絡が発生、破裂・発火に至る場合があります。

 

また、例えば大型の角型電池の振動試験では、内部のエレメントと端子をつなぐ集電体が切れ、電池として機能しなくなる場合もあります。

 

このように振動に対する耐性もリチウムイオン電池の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。

 

関連記事

 

リチウムイオン電池の構成材料の危険物の分類
電池の安全性試験の位置づけ
短絡とは?短絡させないための対策
過充電試験とは?
外部短絡試験とは?
過放電試験とは?
内部短絡試験とは?
リチウムイオン電池の発火事故 発火時水をかけても大丈夫?
組電池とは?組電池の容量の計算方法
エレメントとは?エレメントの製造工程
対数掃引(ログスイープ)とは?振動試験時の掃引方法
振動試験時の共振とは?【リチウムイオン電池の安全性】

 

 

振動試験の方法例

 

上述のよう、振動に対する耐性を評価する振動試験の内容は、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(今回は国連(UN)勧告試験で行う例)を下記で解説しています。

 

 

@評価する電池の準備

 
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、外装材に金属缶ケース(アルミ)を用いた容量が100Ah(100000mAh)の角型大型電池を評価するとします。

 

国連(UN)勧告試験において、大型電池と小型電池では試験条件が異なり、大型電池とはWh容量(ワット時定格量)が150Wh以上のものを指します。

 

上述の電池では、100Ah×平均作動電圧3.7V=370Whとなるため、大型電池に分類されます。
mAh,AhからWhに変換する方法の詳細はこちらで解説しています。)

 

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。

 

この電池を振動試験にかけていきましょう。

 

 

A釘刺しを行う装置、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。

 

また、振動試験は正確に振動試験を行える外部機関や校正が効いた振動試験装置を用いて行いましょう。

 

装置に単電池、組電池をセットしましら治具を用いて動かないように固定しましょう。

 

振動試験の条件としましては、7Hz→200Hz→7Hzと15minで掃引し、これを1セットとしたものを12セット繰り返します。

 

これを電池の3軸方向で行います。

 

また、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。

 

さらに、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。

 

また、振動がきちんと行われたかどうかを確認するためにピックアップと呼ばれる振動時の周波数を測定する装置も取り付けるとより正確な測定ができます。

 

関連記事

 

リチウムイオン電池の構成材料の危険物の分類
電池の安全性試験の位置づけ
短絡とは?短絡させないための対策
過充電試験とは?
外部短絡試験とは?
過放電試験とは?
内部短絡試験とは?
リチウムイオン電池の発火事故 発火時水をかけても大丈夫?
mAh,AhからWhに変換する方法
対数掃引(ログスイープ)とは?振動試験時の掃引方法
振動試験時の共振とは?【リチウムイオン電池の安全性】

 

振動試験の結果例

 

振動試験の結果例@(内部短絡、集電体の切れがない場合)

 
振動試験を開始し、特に内部短絡や集電体の切れがない場合のプロファイルは以下の通りとなります。

 

まとめ方としては、振動試験時の周波数の経時変化、電圧の経時変化などをまとめることが一般的です。

 

以下にプロファイルイメージを示します。

 

このように周波数変化が指定した通りに行われていたか、そしてその際の電圧挙動はどうなっているかを確認していきましょう。

 

また、試験後は電池を解体し集電体の切れがないかや、エレメントの異常がないかなど確認していきましょう。

 

 

関連記事

 

リチウムイオン電池の構成材料の危険物の分類
電池の安全性試験の位置づけ
短絡とは?短絡させないための対策
過充電試験とは?
外部短絡試験とは?
過放電試験とは?
リチウムイオン電池の発火事故 発火時水をかけても大丈夫?
対数掃引(ログスイープ)とは?振動試験時の掃引方法
振動試験時の共振とは?【リチウムイオン電池の安全性】
]

 

 

リチウムイオン電池の振動試験とは? 関連ページ

リチウムイオン電池の正極活物質とコバルト酸リチウムの反応と特徴
【容量の算出】コバルト酸リチウムの理論容量を算出する方法
リン酸鉄リチウム(LFP)の反応と特徴 Li-Fe(リチウムフェライト)電池とは?鉛蓄電池の置き換えに適している?
【容量の算出】マンガン酸リチウムの理論容量を算出する方法
リン酸鉄リチウム(LFP)の合成方法
【容量の算出】リン酸鉄リチウムの理論容量を算出する方法
マンガン酸リチウムの反応と特徴
リチウムイオン電池における導電助剤の位置づけ VGCF(気相成長炭素)の特徴
正極の電極構造
黒鉛の反応と特徴
難黒鉛化炭素の反応と特徴
易黒鉛化炭素の反応と特徴
チタン酸リチウムの反応と特徴
電解液(溶媒)の材料化学
電解液(溶媒)に入れる添加剤の役割と種類(VC,FECなど)
電解液(塩)の材料化学 なぜ市販品ではLiPF6が採用されているか?
リチウムイオン電池におけるセパレータの位置づけと材料化学
リチウムイオン電池におけるバインダーの位置づけと材料化学
【リチウムイオン電池材料の評価】セパレータの透気度とは?
リチウムイオン電池のセパレータに求められる特性
リチウムイオン電池の寿命予測方法(ルート則)
リチウムイオン電池の寿命予測方法(内部抵抗の上昇の予測)
リチウムイオン電池の劣化後の放電曲線(作動電圧)の予測方法
【アレニウスの式使用問題演習】リチウムイオン電池の寿命予測をExcelで行ってみよう!
【続アレニウスの式使用問題演習】リチウムイオン電池の寿命予測をExcelで行ってみよう!その2
【サイクル試験の寿命予測、劣化診断】リチウムイオン電池の寿命予測(サイクル試験)をExcelで行ってみよう!
リチウムイオン電池の寿命予測方法 ルート則とべき乗則
【リチウムイオン電池の解析】XRDとは?測定原理と得られる情報、X線回折装置
【リチウムイオン電池の解析】XRDなどに使用されるKα線とは?
【リチウムイオン電池の解析】XPSとは?測定原理と得られる情報
【リチウムイオン電池の解析】ラマン分光法とは?測定原理と得られる情報
【リチウムイオン電池の解析】IR(赤外分光法)とは??測定原理と得られる情報
【リチウムイオン電池の解析】ICP-MS(ICP質量分析法)とは??測定原理と得られる情報
【リチウムイオン電池の解析】SEMとは?測定原理と得られる情報
【解析関連用語】化学におけるinsituとはどういう意味?読み方は?【リチウムイオン電池の解析】
【演習問題】ランベルトベールの法則と計算・演習問題【リチウムイオン電池の解析】
DSCとは?測定原理と得られる情報は?
ヘンリーの吸着等温式とは?導出過程は?
ラングミュア(langmuir)の吸着等温式とは?導出過程は?
化学吸着と物理吸着の違いは?活性炭と物理吸着【電気二重層キャパシタ材料としても使用】
【演習問題】比表面積を求める方法【BET吸着_ラングミュア吸着】
【比表面積の計算】BET吸着とは?導出過程は?【リチウムイオン電池の解析】
【材料力学】弾性係数とは?求め方と使用方法【リチウムイオン電池の構造解析】
【材料力学】ポアソン比とは?求め方と使用方法【リチウムイオン電池の構造解析】
【材料力学】応力-ひずみ線図とは?【リチウムイオン電池の構造解析】
【材料力学】材料のたわみ計算方法は?断面二次モーメント使用【リチウムイオン電池の構造解析】
【材料力学】断面二次モーメントとは?断面係数とは?【リチウムイオン電池の構造解析】
【材料力学】剥離強度とは?電極の剥離強度【リチウムイオン電池の構造解析】
電池の安全性試験の種類
電池の安全性試験の位置づけと過充電試験
過充電試験の反応詳細
リチウムイオン電池の外部短絡試験とは?
リチウムイオン電池の内部短絡試験とは?
リチウムイオン電池の釘刺し試験とは?
リチウムイオン電池の熱衝撃試験とは?
リチウムイオン電池の過放電試験とは?
【演習問題】表面張力とは?原理と計算方法【リチウムイオン電池パックの接着】
接着剤が付く理由は?アンカー効果とは?【リチウムイオン電池パックの接着】
弾性接着剤とは?特徴は?シリコーンと変成シリコーンの違いは?【リチウムイオン電池パックの接着】
ホットメルト系接着剤とは?特徴は?【リチウムイオン電池パックの接着】
PPやPEは接着が難しい?理由と解決策は?【リチウムイオン電池パックの接着】
エポキシ接着剤とは?特徴は?【リチウムイオン電池パックの接着】
接着と粘着、接着剤と粘着剤の違いは?
接着剤における1液型と2液型(1液系と2液系)の違いは?
【角型電池】リチウムイオン電池における安全弁とは?
振動試験における対数掃引とは?直線掃引との違いは?
振動試験時の共振とは?【リチウムイオン電池の安全性】
【リチウムイオン電池の熱衝撃試験】熱膨張係数の違いによる応力の計算方法
【演習問題】金属の電気抵抗と温度の関係性 温度が上がると抵抗も上がる?
図積分とは?Excelで図積分を行ってみよう!
多孔度とは何?多孔度の計算方法は?電極の多孔度と電池性能の関係
正極にはなぜAl箔を使用?負極はなぜCu箔を使用?
真密度、見かけ密度(粒子密度)、タップ密度、嵩密度の違いは?
負極のCu箔の作製方法 圧延銅箔
負極のCu箔の作製方法 電解銅箔
【リチウムイオン電池の水分測定】カールフィッシャー法の原理と測定方法
【演習問題】細孔径を求める方法【水銀圧入法】
mmHgとPa,atmを変換、計算する方法【リチウムイオン電池の解析】
蒸着とは?CVDとPVDの違いは?
【次世代電池】全固体電池とは?反応や特徴、メリット、デメリットは?
【リチウムイオン電池の材料】シリコン系負極の反応と特徴、メリット、デメリットは?【次世代電池の材料】
【全固体電池】ガラスとは何か?ガラス転移点(TG)oha全固体電池とは?反応や特徴、メリット、デメリットは?(コピー)
【次世代電池】イオン液体とは?反応や特徴、メリット、デメリット(課題)は?
プレドープ、プレドープ電池とは?リチウムイオン電池や電気二重層キャパシタとの違いは?
粘度とは?粘度と動粘度の違い
エネルギー変換効率とは?燃料電池の理論効率・理論起電力の計算方法【演習問題】
電位、電圧、電位差、電圧降下の違い【リチウムイオン電池関連の用語】
SBR(スチレンブタジエンゴム)とは?ゴムにおける加硫とは?【リチウムイオン電池の材料】
フィラーとは何か?剤と材の違いは?【リチウムイオン電池の材料】
有機酸とは?有機酸に対する耐性とは?【リチウムイオン電池の材料】
潜熱と顕熱とは?潜熱と顕熱の違いは?
ポリオレフィンとは何か?【リチウムイオン電池の材料】
エンプラ、スーパーエンプラとは何か?エンプラとスーパーエンプラの違いは?【リチウムイオン電池の材料】
化学におけるドープとは?プレドープとの違いは?
エクセルギ−とは?エクセルギ−の計算問題【演習問題】
エマルジョン・ラテックスとは?ラテックス系バインダーとは?【リチウムイオン電池の材料】
電池におけるプラトーの意味は?【リチウムイオン電池の用語】
単位のrpmとは?rmpの変換・計算方法【演習問題】
平均自由行程とは?式と導出方法は?【演習問題】
弾性衝突と非弾性衝突の違いは?【演習問題】
浮力とは何か?浮力の計算方法
シーリングとコーキングの違いは?

HOME プロフィール お問い合わせ