リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、寿命が長く、軽量であるため、家庭用電化製品、電気自動車、エネルギー貯蔵システムに広く使用されています。しかし、使用シナリオの多様化に伴い、バッテリーの安全性の問題、特に火災や爆発につながる可能性のある熱暴走現象がますます顕著になり、個人の安全や財産に深刻な脅威をもたらす可能性があります。したがって、構造設計を通じて熱暴走をどのように防止するかは、バッテリー技術の開発における中核的な問題の1つとなっています。リチウムイオン電池 用途別設計
熱暴走とは、バッテリー内部の過熱によって引き起こされる連鎖反応を指し、その結果温度が急激に上昇し、最終的には火災や爆発につながる可能性があります。香港消防局の統計によると、2022年に香港で発生した熱暴走リチウムイオン電池による火災事故は合計15件発生し、そのうち8件は電気自動車の電池に関連しており、5件は家電製品に関連していました。これらの事故は物的損害を引き起こすだけでなく、公共の安全に深刻な脅威をもたらします。
バッテリーの安全性は、内部短絡、過充電/過放電、高温環境、機械的損傷など、さまざまな要因の影響を受けます。これらの要因は、個別に、または一緒になって、バッテリーのパフォーマンスの低下や故障につながる可能性があります。例えば媒体では、小さなほこりや金属粒子が内部短絡を引き起こし、熱暴走を引き起こす可能性があります。したがって、材料の選択から構造設計に至るまで、すべてのリンクを厳密に管理する必要があります。
この記事では、バッテリープロテクター、電極材料、電解液、セパレーター、シェルなどの主要コンポーネントの安全設計を熱暴走メカニズムの観点から分析し、それらを通過させる方法を実際の例と組み合わせて議論しますバッテリー全体の安全性が向上します。
熱暴走は、多くの場合、複数のメカニズムの相互作用から発生します。以下は、主に4つの側面から分析されます。
内部短絡は、熱暴走の最も一般的な引き金の 1 つです。バッテリー内部の正極と負極が直接接触すると、大きな電流が発生し、局所的な過熱につながります。例えばセパレーターの欠陥や電極コーティングの不均一さは、内部短絡の隠れた危険を埋める可能性があります。香港科技大学の調査によると、熱暴走事故の約40%は内部短絡に関連しています。
過充電または過放電は、電極材料の構造的破損を引き起こし、熱暴走を引き起こす可能性があります。過充電すると、正極材料は酸素を放出し、電解液と激しく反応する可能性があります。過放電により、負の銅集電体が溶解し、ダイヤフラムを貫通する樹状突起が形成される可能性があります。したがって、バッテリー管理システム (BMS) を正確に監視することが重要です。
高温環境はバッテリー内部の化学反応を促進し、熱安定性を低下させます。実験データによると、周囲温度が 60°C を超えると、バッテリー内の熱暴走のリスクが大幅に高まります。これは、放熱設計や材料の改良に対処する必要がある電気自動車などのアプリケーション シナリオで特に顕著です。
衝突やパンクなどの機械的損傷は、バッテリーの構造を直接破壊し、内部短絡や電解液の漏れにつながる可能性があります。たとえば、電気自動車では、交通事故時にバッテリーパックが圧縮され、熱暴走を引き起こす可能性があります。したがって、バッテリーケーシングの機械的強度と保護設計は非常に重要です。
熱暴走を防ぐために、最新のリチウムイオン電池には通常、さまざまな保護装置が装備されており、主に 3 つの技術があります。
PTC は温度に敏感なコンポーネントであり、バッテリーの温度が上昇すると抵抗値が大幅に増加し、電流の流れが制限されます。この設計により、過熱時の電流過負荷を効果的に防止し、家電製品に広く使用されています。
CIDは、バッテリーの内圧がしきい値を超えると電流を自動的に遮断する機械的保護装置です。テストデータによると、CIDは熱暴走の初期段階で事故の拡大を効果的に防ぐことができ、成功率は95%以上です。
圧力リリーフバルブは、バッテリー内に蓄積したガスを放出し、ケーシングの破裂を防ぐために使用されます。そして圧力リリーフバルブの開度圧力と位置は、安全性と性能のバランスをとるために、アプリケーションシナリオに応じて慎重に設計する必要があります。
電極材料はバッテリーの中核部品であり、その安全設計は熱暴走のリスクに直接影響します。
従来のコバルト酸リチウム (LCO) と比較して、LFP 正極材料は熱安定性が高く、酸素放出リスクが低く、300°C の高温でも構造安定性を維持します。 香港の電気バス事業者のデータによると、LFPバッテリーを使用した車両の熱暴走事故率はNMCバッテリーよりも70%低い。
電極材料の表面にアルミナなどの不活性層をコーティングすることで、電解液との副反応を低減し、熱安定性を向上させることができます。この研究では、コーティングされたNMC622正極材料の熱放出が250°Cで40%減少することが示されました。
気孔率や厚さなどの電極構造設計を最適化すると、イオン伝導と熱拡散特性を改善できます。たとえば、勾配気孔率を備えて設計された電極は、充電および放電中の応力集中を効果的に低減し、サイクル寿命を延ばすことができます。
イオン伝導媒体として、熱暴走を防ぐためには電解液の安全設計が重要です。
従来の炭酸塩電解質は可燃性ですが、新しいリンベースまたはイオン性液体電解質は引火点と熱安定性が高くなります。実験によると、一部のリン電解質の自己消火時間は従来の電解質の自己消火時間のわずか 1/10 です。
難燃剤(リン酸キシレンなど)を添加すると、電解液の耐火性を向上させることができます。皮膜形成剤(エチレンカーボネートなど)は、電極表面に安定したSEI膜を形成し、副反応を減らすことができます。香港科学技術園の企業からのテストデータによると、5%の難燃剤を含む電解液は熱暴走の開始温度を30°C上昇させる可能性があることが示されました。
固体電解質は可燃性有機溶剤を完全に排除し、電解質の燃焼の問題を根本的に解決します。現在では高価ですが、次世代の高安全性バッテリーのキー技術と考えられています。
セパレーターの性能は、バッテリーの内部短絡リスクと熱安定性に直接影響します。
従来のポリオレフィンセパレーターは約 160°C で溶けて収縮しますが、アラミドまたはポリイミドセパレーターは 300°C を超える高温に耐えることができます。 このタイプのダイヤフラムは、処理要件は高くなりますが、安全性は大幅に向上します。電池製造 クリーンルーム
ダイヤフラムの表面をアルミナやシリカなどのセラミック層でコーティングすると、耐熱性と機械的強度を向上させることができます。テストでは、セラミックコーティングされたセパレーターがニードルパンチテストにおける内部短絡の防止に効果的であることが示されています。
高強度ダイヤフラムは、樹状突起の貫通や機械的ストレスに耐えます。基板とプロセスパラメータを調整することで、セパレーターの引張強度を200MPa以上に高めることができ、短絡のリスクを大幅に軽減できます。
エンクロージャはバッテリーの最後の防御線であり、その設計では保護と熱放散の両方を考慮する必要があります。
方向性圧力解放構造により、内圧が上昇したときの発破方向とエネルギー放出を制御し、周辺バッテリーの損傷を防ぎます。香港の電気自動車メーカーのデータによると、最適化された防爆設計により、熱の拡散率を60%削減できます。
フィン、ヒートパイプ、または液体冷却システムによって熱放散が強化され、バッテリーが安全な温度範囲内で動作できるようになります。特に高出力アプリケーションでは、熱設計が特に重要です。
ハウジングの材質は、優れた機械的強度、耐食性、軽量性を備えている必要があります。アルミニウム合金とステンレス鋼が一般的な選択肢ですが、新しい複合材料はさらに大幅な軽量化を実現します。
BMS はバッテリーの安全性の「頭脳」であり、リアルタイム監視と多層保護を通じてシステムの安定した動作を保証します。
各セルの電圧を正確に監視し、過充電/過放電を防ぎます。高度なBMSは、従来のシステムの±5mVをはるかに上回る±5mVの測定精度を達成します。
充放電電流をリアルタイムで監視し、異常な状態(短絡など)でタイムリーにループを遮断します。香港のエネルギー貯蔵プロジェクトのデータによると、高精度の電流監視を備えた BMS は、障害応答時間を 10 ミリ秒に短縮できます。
多点温度センサーネットワークを通じて、バッテリーパックの熱状態の全体像を提供します。赤外線熱画像技術の応用により、温度監視の空間分解能がさらに向上しました。
アクティブまたはパッシブのイコライゼーション技術により、セル間の不一致が排除され、寿命が延び、熱暴走のリスクが軽減されます。テストでは、適切なバランス管理により、バッテリーパックの寿命を 20% 以上延ばすことができることが示されています。
2019年、香港の電気バス事業者はセラミックセパレーターと液冷システムを備えたLFPバッテリーの完全採用を開始し、バッテリー寿命を8年/4,000サイクルに延長しながら、3年以内に熱暴走事故ゼロを達成した。このケーススタディでは、統合セキュリティ設計の実際的な効果を示します。
将来的には、全固体電池の商業化、インテリジェントBMSとAI早期警報システムの組み合わせ、新しい難燃性材料の応用など、バッテリー安全技術は多方向に発展するでしょう。特に標準が上がるにつれて、プロセス管理はより洗練されます。
リチウムイオン電池の安全性は、材料、構造、プロセスから管理システムに至るまで、考慮する必要がある体系的なプロジェクトです。通る、さまざまなアプリケーションシナリオに合わせてセキュリティポリシーを最適化し、パフォーマンスとセキュリティのバランスを実現します。技術の進歩により、熱暴走の問題が完全に解決され、クリーンエネルギー用途の導入が促進されることが期待されています。
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