リチウムイオン電池のリスクと安全技術（１）

1. リチウムイオン電池の危険性

リチウムイオン電池は、その化学的特性とシステム構成により、潜在的に危険な化学電源です。

（1）高い化学活性

リチウムは周期表の第 2 周期の主要な I 族元素であり、非常に活性な化学的性質を持っています。

（2） 高いエネルギー密度

リチウムイオン電池の比エネルギーは非常に高く (≥ 140 Wh/kg)、ニッケルカドミウム、ニッケル水素、その他の二次電池の数倍です。熱暴走反応が発生すると高熱が発生し、危険な動作を引き起こしやすくなります。

（3） 有機電解液方式を採用

有機電解質システムの有機溶媒は炭化水素であり、分解電圧が低く、酸化しやすく、可燃性の溶媒です。液漏れが発生した場合、バッテリーが発火し、さらには燃焼、爆発する可能性があります。

（4） 副作用の可能性が高い

リチウムイオン電池の通常の使用過程では、内部で電気エネルギーと化学エネルギーの相互変換という化学正反応が起こります。ただし、過充電、過放電、過電流動作などの特定の条件下では、バッテリー内部で化学副反応が発生しやすくなります。副反応が悪化すると、電池の性能や寿命に重大な影響を与えるほか、大量のガスが発生し、電池内の圧力が急激に上昇して爆発や発火を引き起こし、安全上の問題を引き起こす可能性があります。

（5）電極材料の構造が不安定である

リチウムイオン電池の過充電反応により、正極材料の構造が変化し、材料に強い酸化作用が生じ、電解液中の溶媒が強力に酸化されます。そして、この影響は不可逆的です。反応による熱が蓄積すると熱暴走を引き起こす恐れがあります。

2. リチウムイオン電池製品の安全性問題の分析

30 年間の産業発展を経て、リチウムイオン電池製品は安全技術において大きな進歩を遂げ、電池内の副反応の発生を効果的に制御し、電池の安全性を確保しました。しかし、リチウムイオン電池の使用範囲が広がり、そのエネルギー密度がますます高くなるにつれ、近年、潜在的な安全上の危険による爆発事故や製品リコールなどの事故が依然として多発しています。リチウムイオン電池製品の安全上の問題の主な理由は次のとおりであると結論付けています。

（1） 芯材の問題

電気コアに使用される材料には、正極活物質、負極活物質、隔膜、電解質、シェルなどがあり、材料の選択と組成系のマッチングによって電気コアの安全性能が決まります。メーカーが正極活物質、負極活物質、隔膜材料の選定に際し、原材料の特性やマッチングについて一定の評価を行っていなかったため、電池の安全性に先天的に欠陥があった。

（2） 製造工程上の問題

セルの原材料は厳密に検査されておらず、生産環境も劣悪であるため、製造中に不純物が発生します。これはバッテリーの容量に有害であるだけでなく、バ​​ッテリーの安全性にも大きな影響を与えます。また、電解液に水分が多すぎると副反応が発生して電池の内圧が上昇し、安全性に影響を与える可能性があります。製造プロセスレベルの制限により、電気コアの製造中に、電極マトリックスの平坦性の低下、電極活物質の脱落、電極中の他の不純物の混入など、製品の良好な一貫性を達成することができません。活物質、電極ラグの溶接が不安定、溶接温度が不安定、電極片の端にバリ、主要部分に絶縁テープが使用されていないため、電気コアの安全性に悪影響を及ぼす可能性があります。 。

（3）電気コアの設計欠陥により安全性能が低下する

構造設計に関しては、安全性に影響を与える多くの重要な点がメーカーによって考慮されていませんでした。例えば、要部に絶縁テープがない、ダイアフラム設計に余裕が無い、または余裕が無い、正極と負極の容量比の設計に無理がある、正極と負極のアクティブ面積比の設計などが挙げられます。物質の使用量が不合理であり、ラグの長さの設計も不合理であり、バッテリーの安全性に潜在的な危険が潜んでいる可能性があります。また、セルの製造工程において、一部のセルメーカーでは、コスト削減や性能向上を目的として、振動板の面積を小さくしたり、銅箔やアルミ箔を減らしたり、セルを使用しないなど、原材料の節約や圧縮を図っています。圧力リリーフバルブや絶縁テープを使用すると、バッテリーの安全性が低下します。

（4）エネルギー密度が高すぎる

現在、市場はより高容量の電池製品を追求しています。製品の競争力を高めるために、メーカーはリチウムイオン電池の体積比エネルギーを向上させ続けていますが、これにより電池のリスクが大幅に高まります。