【角型電池】リチウムイオン電池における安全弁とは?

【角型電池】リチウムイオン電池における安全弁とは?安全弁の役割

 

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ます。

 

そして、リチウムイオン電池の安全性を向上させるために角型電池では安全弁というものが設けられています。

 

こちらのページでは、

 

・リチウムイオン電池における安全弁とは?

 

・安全弁に求められる特性は?

 

というテーマで解説しています。

 

 

リチウムイオン電池における安全弁とは?

 

リチウムイオン電池、特に角型のリチウムイオン電池(大型)には、電池ケースの天面に安全弁と呼ばれる電池異常時に内圧が上がった際に電池が破裂することを防ぐために、開きやすく設計された弁が付いていることが一般的です。

 

電池の異常時とは、内部短絡や過充電により電池内部で様々な反応(例えば、電解液の蒸発反応、電解液の酸化分解や負極と電解液での反応等々)が起きることで発熱やガス発生が起こることを指します。

 

安全弁が設けられていなく、ガス発生が起こったとすると電池内部で発生する圧力を逃がす場所がなく、電池が非常に高い内圧を持ち、それに耐えきれなくなると電池が破裂してしまいます

 

つまり、弁作動することは電池の安全性を保つ上で非常に重要です。弁が作動することを別名ベント(Vent)ともよびます。

 

ただし、スマホや電気自動車用の電池に採用されているラミネート型電池では内圧が上がるとラミネート材のシール部分が裂けることで安全弁のような役割を持っているため、安全弁は設けられていないことが多いです。

 

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安全弁に求められる特性は?

 

安全弁に求められる特性は以下のことが挙げられます。

 

①弁の作動圧(ベント圧)が一定であること

 

弁の作動圧のバラつきが大きいと高い圧力となっても弁が作動せず、上述のように破裂する場合があります。

 

そのため、不良品率がppmオーダー以下であることなど品質管理を厳しくする必要があります。

 

バラつきを小さくするためには精密な加工技術を有する企業様でないと対応できないため、安全弁メーカーも限れています。

 

 

②気密サイクル試験に基準を達していること

 

安全弁の評価を行う際には、気密サイクル試験という試験を行います。

 

これは、電池が異常状態とならないまでも、電池の経年劣化により徐々に電池内部で化学反応が起こり(例えば、負極のSEI被膜の成長の副反応など)、内部の圧力が若干上がり、安全弁に負担が若干かかった状態が続いた場合の耐性を評価する加速劣化試験の一つといえます。

 

一言でいうと、安全弁の疲労特性を評価する試験がこの気密サイクル試験です。

 

そして、家庭用蓄電池などでは角型電池が多く採用されており、また保証期間が10年程度としている場合が多いため、安全弁も10年耐えられる設計である必要があります。

 

10年耐えられると判断するための基準は各企業により評価されます。

 

 

③天面に溶接しやすいこと、または一体成型で作製されること
 
安全弁自体が作製でき、またその品質が良かったとしても、電池の一部材として使用するためにはケース天面に溶接またはケース天面に一体成型されるものでないといけません。

 

溶接に関しては一般的にはケース天面の材質と同じものを使用していれば基本的に問題なく(おおよそケースはステンかアルミであるため)、一体成型で作製される場合は加工メーカー様の技術によるため加工メーカー様の選定をきちんと行う必要があります。

 

 

あとはどの部材にも言える事ですが、コストが安いことが挙げられます。

 

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