【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

【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

 

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、熱衝撃試験などが挙げられ、こちらのページでは熱衝撃試験時に起こる材料の熱膨張係数の違いによる応力の計算方法について解説しています。

 

・熱膨張係数の違いによる応力の計算方法

 

・熱衝撃試験に対する電池設計にどう活かすか?

 

というテーマで解説します。

 

 

熱膨張係数の違いによる応力の計算方法

 

リチウムイオン電池の熱衝撃試験時、急激な温度変化により部材に負担がかかることで部材にひびが入ったり、損傷する場合があります。

 

中でも例えば大型の角型電池において、端子と周辺の絶縁素材が一体成型により作製され、金属(例えば銅)と絶縁素材(例えばPPS)が密着して接合されているとします。

 

この際、素材が異なると熱膨張係数も異なるため、温度が上昇、または下降した場合、その膨張(または収縮)分に差が出るはずですが一体となっているために、実際は応力がかかってしまい、損傷に至る場合があります。

 

他にはラミネート型電池をいくつか接続し組電池を作製する際に、正極のアルミタブリード負極の銅のタブリードを超音波溶着する場合があります。

 

例えば直列接続する場合は正極のアルミと負極の銅を超音波溶着するため、温度が上昇した場合にアルミと銅の熱膨張係数の差から応力がかかり、超音波溶着部のはずれや破損する場合も考えられます。

 

 

問題

 

常温(25℃)でラミネート型電池を直列接続するために、アルミと銅のタブリードを超音波溶着しました。

 

そして、電池の通電試験を行い30C(Cレート)の大電流を流し、タブリードの温度が80℃まで上昇しました。

 

この際、超音波溶着部のはずれ、破損はなく、応力がかかった状態となりました。

 

かかる応力はいくつでしょうか?

 

ここで、アルミの熱膨張係数は23.0×10^-6 [K^-1]とし、銅の熱膨張係数は16.8×10^-6 [K^-1]とします。

 

 

解法
 
膨張収縮時の関係式L=L0(1+αt)を使用します。

 

ここで、各々が超音波溶着されておらず膨張したと考えますと、

 

アルミと銅の膨張の差分⊿L=L0(23.0×10^-6-16.8×10^-6)×(80-25)=L0×3.41×10^-4となります。

 

つまり、ε(歪み)=⊿L/L0=3.41×10^-4となります。

 

ここでアルミ側にかかる応力を考えるとしますと、アルミの弾性係数(弾性率)E=76GPaを使用しまして、

 

ここで、歪みと応力の関係式σ=E×ε=76×10^9×3.41×10^-4となり、≒25.7MPaとなりました。

 

 

まとめ

 

このように、熱膨張や収縮時にかかる応力の計算の手順は、

 

①各々の部材の膨張、収縮を考える(熱膨張係数が必要)

 

②歪みεを計算する

 

③対象材料の弾性係数(弾性率)を使用し、かかる応力を計算する。

 

というステップで対応できます。

 

関連記事

 

組電池とは?組電池の容量の計算方法
リチウムイオン電池の発火時の対処・消化方法
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?
振動試験とは?
大型の角型電池とは?角型電池の構成、構造、製造工程
ラミネート型電池とは?ラミネート型電池の構成、構造、製造工程
タブリードとは?バスバーとの違い

 

 

熱衝撃試験に対する電池設計にどう活かすか?

 

熱衝撃試験では、電池や組電池の急な温度変化に対する構成部材や組み立て品の耐久性を評価しています。

 

ただし、電池や組電池には熱的特性だけでなく、耐薬品性や耐油性、耐振動性等々あらゆる関連からの設計が必要となります。

 

その中で部材の材質等を選定し、熱的特性を満たしているかどうかを判断する際に上述のような計算、シミュレーションを活用していきましょう。

 

ただし、電池通電時の熱分布など詳細な解析が必要な場合はきちんとシミュレーションソフトを使用し、CAEを行っていきましょう。

 

関連記事

 

組電池とは?組電池の容量の計算方法
リチウムイオン電池の発火時の対処・消化方法
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?
振動試験とは?
大型の角型電池とは?角型電池の構成、構造、製造工程
ラミネート型電池とは?ラミネート型電池の構成、構造、製造工程
タブリードとは?バスバーとの違い

 

 


【記事作成者募集中】


【募集】記事作成者募集


いつも当サイトへご訪問、ご閲覧頂き誠にありがとうございます。


当サイトでは、電池の役に立つ知識から、電池の研究・開発に役立つ学術知識について解説しています。


学術知識では、電気化学や統計学、Excelの使用方法、電池の材料化学などを主に解説しています。


2018年現在おかげさまで、月数万アクセス以上をご閲覧いただけるようになりましたが、
さらに有益な情報、詳しい情報をお届けするためには、管理人、副管理人では、
カバーしきれない分野もあり(例えば高分子化学等)、現在記事作成者の募集をしています


もちろん現在私達が解説している分野でも、さらに詳しく書ける!という方がいらっしゃいましたら、
気軽にこちらまで連絡いただければ幸いです


自分の知識を活かし情報提供することでの、社会への貢献、自己実現を一緒に行ってみませんか(^_^)/?


お問い合わせはこちらにお願いいたします。


【記事の内容例】


・身近な乾電池やモバイルバッテリーに関する情報


・電気化学の知識(現在記載していない内容)


・統計学の知識(現在記載していない内容)


・化学工学の知識(現在記載していない内容)


・電池の材料化学の知識(現在記載していない内容)


などなど募集しています。


興味がある方はお気軽に、まずはこちらにご一報ください



【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 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
リチウムイオン電池の負極活物質 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
リチウムイオン電池の電解液(溶媒)の材料化学
リチウムイオン電池の電解液(溶媒)に入れる添加剤の役割と種類(VC,FECなど)
リチウムイオン電池の電解液(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
溶媒和・脱溶媒和とは?【リチウムイオン電池の反応と溶媒和・脱溶媒和)
【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】熱ひずみ・熱応力とは?導出と計算方法は?
【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】クリープとは 材料のクリープ
【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】
【材料力学】トルクと動力・回転数 導出と計算方法【演習問題】
【材料力学】馬力と動力の変換方法【演習問題】
【材料力学】公差とは?公差の計算と品質管理
寸法収縮・成型収縮とは?計算問題を解いてみよう【演習問題】
【材料力学】固体の体積膨張率(体積膨張係数)とは?固体の体積膨張率の計算を行ってみよう【演習問題】
【材料力学】気体の体積膨張率(体積膨張係数)とは?気体の体積膨張率の計算を行ってみよう【演習問題】
ダイキャスト(ダイカスト)と鋳造(ちゅうぞう)の違いは?
絶縁距離とは?沿面距離と空間距離の違いは?
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振動試験とは?
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】
【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?
粉体における一次粒子・二次粒子とは?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?rpm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?
固体高分子形燃料電池(PEFC)における電解質膜の役割は?種類は?
固体高分子形燃料電池(PEFC)における電極触媒とは?役割や種類は?
固体高分子形燃料電池(PEFC)における酸素還元活性(ORR)とは?
固体高分子形燃料電池(PEFC)におけるECSA(白金有効利用面積)とは?
固体高分子形燃料電池(PEFC)におけるフラッディング・ドライアウトとは?
固体高分子形燃料電池(PEFC)におけるクロスオーバー(ガスクロスオーバー)とは?
固体高分子形燃料電池(PEFC)におけるアイオノマー(イオノマー)とは?役割は?
wt%(重量パーセント)・mass(質量パーセント)とは?計算方法は?【演習問題】
放射能の半減期 計算方法と導出方法は?【反応速度論】
ストークス半径とイオン半径
ファントホッフの式とは?導出と計算方法は【演習問題】
化学的安定性 HOMO-LUMO
遠心分離と遠心効果 計算と導出方法【演習問題】
rpmをGに変換する方法 計算問題を解いてみよう【演習問題】
w/w%・w/v%・v/v% 定義と計算方法【演習問題】
分子式・組成式・化学式 見分け方と違いは?【演習問題】
テルミット反応 リチウムイオン正極材のリサイクル
誘電率と比誘電率 換算方法【演習問題】
誘電体(絶縁体)と誘電分極(イオン分極・電子分極・配向分極)
導体と静電誘導 静電誘導と誘電分極との違いは?
屈折率と比誘電率の関係 計算問題を解いてみよう【演習問題】
双極子と双極子モーメント 意味と計算方法
回折格子における格子定数とは?格子定数の求め方
引火点と発火点(着火点)の違いは?【危険物取扱者乙4・甲種などの考え方】
燃焼範囲とは【危険物取扱者乙4・甲種などの考え方】
危険物における自然発火とは【危険物取扱者乙4・甲種などの考え方】
危険物における指定数量 指定数量と倍数の計算方法【危険物取扱者乙4・甲種などの考え方】
危険物における保安距離や保有空地とは【危険物取扱者乙4・甲種などの考え方】
光速と音速はどっちが早いのか 光速と音速のマッハ数は?雷におけるの光と音の関係は?
マッハ数の定義は?計算問題を解いてみよう【演習問題】
1光年の意味とその距離は 地球何周分?ロケットでは何年かかる?新幹線では?
アンモニアの分子の形(立体構造)が三角錐(四面体)になる理由は?三角錐と正四面体の違いは?アンモニアの結合角は107度?
アンモニアの分子式・構造式・電子式・イオン式・分子量は?イオン反応式は?
水分子(H2O)の形が直線型ではなく折れ線型となる理由 水分子の形が直線型ではなく折れ線型となる理由 水の結合角が104.5度となる理由
二酸化炭素(CO2)の形が折れ線型ではなく直線型である理由
メタン(CH4)の形が正四面体である理由 結合角は109.5度(°)?

HOME プロフィール お問い合わせ