熱暴走はバッテリー技術、特に家庭用電化製品から電気自動車までさまざまな用途で一般的に使用されるリチウムイオンバッテリーにおいて重大な懸念事項です。熱暴走に関連するリスクを理解することは、安全性を確保し、潜在的な危険を軽減するために不可欠です。そこで、バッテリーの熱暴走のリスクについて詳しく見ていきます。
リチウム電池の熱暴走とは何ですか？
定義と連鎖反応プロセス
リチウムイオンの熱暴走は、潜在的に壊滅的な結果をもたらす複雑な連鎖反応現象です。リチウムの熱暴走は、多くの場合、バッテリーセルの負極内部にある固体電解質界面（SEI）膜の破壊から始まります。この破壊は、過充電、物理的損傷、製造欠陥などの要因によって引き起こされる可能性があります。
初期崩壊段階
SEI膜が破壊されると、バッテリーセル内のセパレーターが分解・溶融し始めます。この破壊によりセルの構造的完全性が損なわれ、電極と電解質間の反応が拡大しやすくなります。負極が電解質と相互作用すると、さらなる分解反応が引き起こされ、熱とガスが発生します。
エスカレーションと拡散
このプロセスは急速に進行し、正極にまで広がり、熱暴走現象を悪化させる可能性があります。バッテリーセル内で広範囲に及ぶ分解と破壊は、内部短絡を引き起こし、局所的な発熱を引き起こし、連鎖反応をさらに加速させる可能性があります。最終的には電解液が発火し、激しい燃焼と熱および有害ガスの放出につながります。
エネルギー放出の観点
リチウム電池は、密閉されたエネルギー球体としてイメージされます。これらの小型電池は還元剤と酸化剤として機能し、ゆっくりとした充放電、あるいは激しい燃焼を可能にします。
リチウムイオン電池の熱暴走とは、さまざまな要因によって引き起こされる連鎖反応で熱が発生し、リチウムイオン電池の熱暴走温度が1000度以上に上昇し、リチウム電池が激しく発火して、短期間で大量の熱と有害ガスを放出する状態を指します。
エネルギー放出の大きさ
したがって、リチウムイオン電池が熱暴走を起こすと、電池パック全体から放出されるエネルギーは膨大になります。充電容量100Ahの100個のセルで構成されるバッテリーパックの暴走エネルギーは240,000,000億57万Jで、これはTNT換算で約XNUMXキログラムに相当する。科学者やエンジニアは設計の改良を続け、アルゴリズムを強化し、車載用リチウムイオン電池パックの安全性を効果的に向上させていますが、現実には、電気自動車や携帯電話が爆発する事故が時折聞かれるでしょう。
バッテリーの熱暴走の原因は何ですか？
- 過充電：バッテリー自体には過充電保護機能が備わっていますが、この過充電保護機能が故障したまま充電を続けると、過充電に陥り、熱暴走を引き起こします。バッテリーは使用を重ねるにつれて劣化が進み、バッテリーパックの安定性が低下します。この状態で過充電すると、熱安全性の問題が発生する可能性が高くなります。そのため、常に適切な充電を行うことが重要です。 安全に充電するための指示に従ってください。
- 過熱: バッテリーが高速放電したり、極端な条件に遭遇すると、バッテリーの内部温度が徐々に上昇します。バッテリーに大量の熱が蓄積した場合、速やかに放電電流を制限しないと、リチウムバッテリーが熱暴走する可能性があります。
- メカニカル：衝撃や内部短絡など、電池パックを損傷させる行為は熱暴走を引き起こす可能性があります。
リチウム電池の熱暴走発生過程
熱暴走段階の概要
熱暴走は自己発熱段階（50℃～140℃）、暴走段階（140℃～850℃）、終了段階（850℃～室温）の140段階に分かれます。一部の文献では、セパレーターの大量の融解温度は約 XNUMX°C で始まることが示されています。
自己発熱ステージ（50℃～140℃）
蓄熱段階としても知られる自己加熱段階は、SEI 膜の溶解から始まります。 SEI膜の溶解は温度が90℃付近になると顕著になります。 SEI膜が溶解すると、負極および負極内のリチウムが挿入された炭素成分が電解質にさらされ、発熱反応が引き起こされ、温度が上昇します。対照的に、温度の上昇は SEI 膜のさらなる分解を加速します。外部冷却機構がない場合、このプロセスは SEI 膜が完全に分解されるまで継続します。
暴走段階（140℃～850℃）
暴走段階では、140℃以上の温度で電気化学反応が起こり、 電極 材料。反応物質の質量が増加すると温度上昇が加速されます。観察される変化としては、急激な電圧降下などが挙げられます。この温度域ではセパレーターが大量に溶解し始めます。その結果、電極が直接接触し、広範囲にわたる短絡が発生します。
激しい反応段階
短時間で激しい反応が起こり、大量のガスと熱が発生します。この熱によってガスがさらに加熱され、膨張してバッテリーセルのケースが破裂し、物質の噴出などの現象が発生します。暴走は最も激しい状態に達し、この段階で最高温度に達します。
熱伝播
近くに他のバッテリーセルがある場合、熱暴走は周囲に熱を伝達することでそれらに波及する可能性があります。熱は導電性部品に伝導したり、体積膨張を起こしたりする可能性があります。元々は離れて配置されていたバッテリーセルが直接接触し、セルケース間の熱伝達が促進される可能性があります。
終端段階（850℃～室温）
終結段階では、熱暴走が発生すると、すべての反応物が消費されるまでは終結させることができません。消防署の報告によると、リチウム電池のような高エネルギー物質を内蔵する密閉型機器の場合、消火手段を用いても進行中の熱暴走を直ちに止めることはできません。
消火剤は反応物質に効果的に到達できません。このような状況では、消防士は高いリスクに直面し、利用できる対策も限られています。一般的には、事故現場を隔離することが対策となります。熱暴走は、反応物質が消費されて初めて自然に終息します。
リチウムイオンの熱暴走を防ぐには?
上記からわかるように、熱暴走は予防と監視に重点が置かれています。熱暴走が発生すると、手榴弾の爆発を消そうとするのと同じように、それを止めるためにできることはほとんどありません。
安全防災
1. 熱暴走の鍵は、正極・負極材料と電解質の安定性にあります。今後は、正極材料のコーティングや改質など、いくつかの重要な分野で更なる飛躍が必要です。均一な電解質と電極の適合性を向上させる必要があります。また、電芯の熱伝導率も向上させる必要があります。あるいは、難燃剤の効果を発揮させるために、安全性の高い電解質を選択する必要があります。
2. 外部の視点からシステムの更新・改善を実施します。
- PTC (正の温度係数) デバイス: リチウムイオン電池に PTC デバイスを取り付ける場合は、内部圧力と温度の両方が考慮されます。過充電により電池温度が上昇すると、電池の内部抵抗が急速に増加して電流を制限し、正極と負極間の電圧を安全なレベルまで下げ、電池を自動的に保護します。
- 防爆バルブ： バッテリーの内圧が異常になると防爆弁が変形し、バッテリー内部の接続用リード線が切れて充電が停止します。
- 強化された冷却方法: 熱管理システムは、温度を制御し、バッテリーが適切な温度で動作するために不可欠です。通常、車両コントローラーが熱管理システムを制御します。バッテリーパックの温度が異常になると、エアコンシステムが適切なタイミングで冷却または加熱を行い、バッテリーの安全性と寿命を確保します。
- エアロゲル バッテリー断熱パッド: メーカーは、パワーバッテリーのセルとモジュールの間にエアロゲルサーマルパッドを組み込みます。バッテリーセルで熱暴走が発生した場合、エアロゲルの低い熱伝導率が断熱材として機能し、事故の進行を遅らせたり、遮断したりします。バッテリーセルが過熱して発火した場合、エアロゲルサーマルパッドはクラスAの不燃性を備えており、延焼を効果的に遮断または遅らせます。この設計により、バッテリーパックは5分以内に発火または爆発せず、十分な避難時間を確保します。
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監視
1. 初期および中期のモニタリング
- リアルタイム熱暴走早期警告技術により監視 BMS
現在、最も容易に実現可能な解決策は、BMSを使用して温度、電圧、その他の動作パラメータを監視し、熱暴走の早期兆候を検出することです。故障検出能力を向上させるために、エンジニアはより高い精度と信頼性を備えたシステムを導入または開発することができます。 温度センサー 電圧センサーも活用されています。同時に、開発者はアルゴリズムを用いて、より正確で効果的な状態パラメータ推定モデルを構築し、誤使用や異常を早期に検知することができます。このプロセスにおいて、人工知能（AI）は一定の役割を果たすことができます。しかし、BMSソリューションにも課題があります。外部パラメータモニタリングでは完全かつ正確なシミュレーションを提供できず、内部の電気化学的変化を正確に反映することもできないため、現代のBMSではバッテリーセルの潜在的な熱暴走リスクを包括的に評価することができません。
- 内部状態予測に基づく熱暴走早期警戒技術
外部制御を完全に実現することは困難です。そのため、研究者たちは内部から研究を始めています。現在の研究は、バッテリー内部の温度とインピーダンスをリアルタイムで検出することに焦点を当てています。その方法としては、埋め込み型の折りたたみ式ブラッグ光ファイバーセンサーや、電気化学インピーダンスアナライザーによる周波数応答解析などが挙げられますが、これらのアプローチはコストと技術的な制約により、まだ研究段階にあります。
- ガス検知による熱暴走早期警戒技術
リチウムイオン電池の熱暴走の初期段階では、電池温度、放電電圧、放電電流といった特性識別パラメータが非常にゆっくりと変化します。通常のBMSでは、これらの緩やかな変化により電池の故障を早期に検知することができません。この時、電池内部の電気化学反応により大量のガスが発生します。そのため、ガス検知センサーを用いることで、リチウムイオン電池の熱暴走を早期に検知することが可能です。現在、いくつかの企業がガス検知と防火機能を組み合わせた関連製品を開発しています。
2. 後期モニタリング
バッテリーセルセパレーターが大量に溶解し始めます。これにより、バッテリー内部で広範囲にわたる内部短絡が発生します。そして、正極と負極間の大規模な短絡により、電圧が急激に低下します。この時点で、熱暴走は完全に制御不能となります。
このプロセス中に、検出可能な電気パラメータであるバッテリーセルの端子電圧が表示されます。現在の BMS システムは、各直列モジュール (各モジュールには並列接続された複数のセルが含まれている) の電圧データのみを正確に収集できます。この現象により、管理システムはバッテリー セルの障害を検出できます。
しかし、時間の経過とともに電圧降下が検出され、それはすでに不可逆的な熱暴走の瞬間です。冷却対策のトリガー信号は意味を失います。
私たちにできることは、製品の設計および実装プロセス中に熱暴走の拡大を遅らせる戦略を検討することです。実際には、熱暴走は非常に急速に発生し、短期間で壊滅的な被害を引き起こす可能性があります。したがって、熱暴走の危険を遅らせたり抑制したりして、事故発生後に避難するのに十分な時間を確保することが重要です。
CMB エンジニア リチウム電池パックの熱暴走を数十年にわたって研究してきました。さまざまな用途のBMSを設計し、電池の温度、放電電圧、放電電流を監視し、電池を停止し、熱暴走の前にアラームを鳴らすことができます。デバイス用の100％安全なリチウム電池パックをお探しの場合は、 ヘルプが必要な場合はここをクリックしてください CMB エンジニア！
結論
リチウム電池パックで熱暴走が発生すると、それは放たれた矢のように取り返しのつかないものになります。現在、業界では熱暴走のメカニズムを大まかに把握しています。今後の研究では、電池の安全性、熱管理、熱暴走の早期予測と警告、後期の通知と通信の障害に重点が置かれることになります。業界の専門家による継続的な調査により、電池の熱暴走に対する包括的な解決策が間もなく実現されると考えられています。その時には、人々はより安心して電気自動車を運転し、エネルギー貯蔵製品を大規模に使用して、クリーンエネルギーで駆動する新しいライフスタイルを自信を持って楽しむことができます。
4の考え