重要なポイント:
- 蔓延と運用: リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、メモリー効果がないため、広く使用されています。それらは、カソードとアノードの間のリチウムイオンの可逆的な移動によって動作します。
- 失敗の原因: バッテリー故障の一般的な原因には、有機電解質の蒸発、セパレーターの溶解、酸素の放出、制御されていない充電、低温での急速充電、完全な放電、製造上の欠陥などが含まれます。
- 予防戦略: バッテリの寿命を確保するには、高品質のセルの使用、効果的なバッテリ パック設計、および信頼性の高いバッテリ管理システム (BMS) が必要です。
- BMS の重要性と特徴: BMS は、電圧、温度、セルバランスの監視に不可欠です。セルについては UL 1642 および IEC 62133、BMS ソフトウェアについては UL 991 または UL 1998 などの安全規格に準拠する必要があります。
リチウムイオン電池 スマートフォン、ラップトップ、電気自動車、再生可能エネルギー貯蔵システムに電力を供給している、私たちの周りのいたるところに存在します。
この記事では、バッテリーの仕組み、その利点、一般的な故障の原因、予防方法など、バッテリーの基本について説明します。
リチウムイオン電池を使用する理由
リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高いため人気が高まっています。体積ベースのエネルギー密度と質量ベースのエネルギー密度の両方において、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池よりも優れています。
ニッケルカドミウム電池からニッケル水素電池への移行により、リチウムイオン電池が広く使用されるようになりました。これらのバッテリーは最高のエネルギー密度を提供するだけでなく、メモリー効果もありません。これは、完全または部分的な充電または放電によって容量が影響を受けないことを意味します。
さらに、リチウムイオン電池は毒性が低いです。特に リン酸鉄リチウム電池、コバルトのような重金属は含まれていません。また、代替化学薬品よりも寿命が長く、さまざまな用途での信頼性が保証されます。
リチウムイオン電池はどのように機能するのでしょうか?
リチウムイオン電池に関する安全性への懸念を理解するには、リチウムイオン電池がどのように機能するかを理解することが重要です。他の電気化学セルと同様に、リチウムイオン電池はカソードとアノードで構成されます。通常、カソードには酸化リチウムやリン酸リチウムなどのリチウム塩が含まれており、アノードは通常グラファイトでできています。
リチウムイオン電池を充電すると、リチウムイオン (黒い点で表されます) が酸化リチウム塩からグラファイトアノードに移動します。インターカレーションとして知られるこの動きには、イオンと電子の間の直接の相互作用は含まれません。代わりに、電子はカソードからアノードに流れ、そこでグラファイト内の炭素と反応します。
再充電できないリチウム金属電池とは異なり、リチウムイオン電池はリチウムイオンの可逆的な挿入が可能であることは言及する価値があります。この画期的なイノベーションにより、ジョン・グッドイナフとスタン・ウィニンガムにノーベル化学賞が授与されました。リチウムイオンは有機電解液を通じて拡散し、アノードとカソードの間を行き来できるようになります。
次のパートでは、有機電解質と、リチウムイオン電池のスムーズな動作を助けるその機能について詳しく掘り下げていきます。
LCO、LMO、NCA
まずは、リチウムイオン電池で通常使用される正極とリチウム塩について説明しましょう。最初に研究するのは、ラップトップ、電動工具、携帯電話に広く普及しているコバルト酸リチウムです。バッテリーが放電すると、リチウムがコバルト酸リチウムから分離し、電子が放出され、充電器を通ってアノードに移動します。この手順により、カソード上に酸化コバルトが残ります。
正極材料として使用される別の塩は、リチウムマンガン酸化物である。このタイプのカソードは日産リーフに使用されており、モデル S、モデル 3、モデル X などのさまざまなテスラ モデルにも使用されています。
最後に、質量および体積当たりのエネルギー容量が最も高いリチウム ニッケル コバルト アルミニウム酸化物があります。
リチウムイオン電池の故障の原因
リチウムイオン電池の故障を防ぐには、そのような問題を引き起こす可能性のある要因を認識することが重要です。いくつかの一般的な原因を詳しく見てみましょう。
有機電解質の蒸発
リチウムイオン電池が高温になりすぎると、内部の有機電解質が蒸発する可能性があります。この蒸発により、セル内の圧力と温度が上昇します。その結果、バッテリーが膨らむ可能性があり、危険な状態の存在を示します。
セパレータの溶融
リチウムイオン電池は通常、ポリエチレンまたはポリプロピレン製のセパレーターを使用します。摂氏 80 度 (華氏 170 ～ 180 度) 付近の温度にさらされると、このセパレーターが溶ける可能性があります。セパレータが溶けるとアノードとカソードが接触し、内部短絡が発生して追加の熱が発生します。
酸素の放出と制御されない反応
リチウムイオン電池が高温に達すると、コバルト酸リチウム、酸化マンガンリチウム、酸化ニッケルコバルトアルミニウムリチウムなどの正極材料に存在する酸素が放出される可能性があります。この放出された酸素は蒸発した電解質と反応し、制御不能な化学反応を引き起こす可能性があります。継続的な短絡は状況をさらに悪化させるため、迅速に対処することが重要になります。
制御されていない充電
バッテリーを過充電したり、制御されていない充電にさらしたりすると、アノードにリチウム金属が形成される可能性があります。過剰な電子はリチウムイオンと結合し、電解質を通ってカソードに成長する樹枝状結晶を形成します。これらの樹状突起は内部短絡を引き起こし、重大なリスクを引き起こす可能性があります。
急速充電と低温
非常に高い電流または低温でバッテリーを充電すると、負極へのリチウムイオンの移動が妨げられる可能性があります。その結果、過剰な電子がアノードに蓄積し、リチウム金属メッキや潜在的な内部短絡を引き起こす可能性があります。
完全放電
リチウムイオン電池を完全に放電させないでください。過放電により、アノードの銅コレクターが電解液に溶解する可能性があります。再充電すると、銅が再形成される可能性がありますが、元の箔状の構造にはなりません。これにより、銅めっきが発生し、内部短絡が発生する可能性があります。
細胞の生産不良と汚染
リチウムイオン電池の故障は、製造上の欠陥や製造時の不純物の存在によっても発生する可能性があります。これらの不純物はバッテリーに汚染物質や微粒子を侵入させ、内部短絡や容量劣化を促進する望ましくない反応を引き起こす可能性があります。
リチウムイオン電池の故障のこれらの原因を理解して対処することで、さまざまな用途における電池の安全性、信頼性、寿命の向上に取り組むことができます。
バッテリーの故障を防ぐ
バッテリー業界の問題を防ぐことは、バッテリー業界の継続的な成長と成功にとって重要です。問題の発生を効果的に最小限に抑えるために実行できる重要な手順が 3 つあります。
何よりもまず、バッテリーセルの品質を確保することが最も重要です。産業の急速な拡大に伴い、特に中国では多数のセル製造施設が出現しました。信頼できるメーカーから高品質のセルを慎重に選択することが重要です。一部の施設は最先端のハイテク自動プロセスを誇っていますが、他の施設は同じ基準を満たしていない場合があります。セルの品質の選択は、全体的なパフォーマンスと信頼性に直接影響します。
バッテリーパックの設計も事故を防ぐ上で重要な役割を果たします。バッテリー パックは、直列および並列構成で配置された複数のセルで構成され、必要な電圧と電流容量を生成します。パックを設計する際には、予期せぬ事態が発生した場合に備えて効果的な放熱を考慮することが不可欠です。電池の潜在的な問題にパックがどのように対応するかを理解することは、安全性を維持するために不可欠です。さらに、システムが大量の電流を供給する必要がある場合は、信頼性の高い接点と回路基板を介して効率的に分配することが最も重要になります。
すべての核心はバッテリー管理システム (BMS) です。このデバイスはバッテリーの守護者として機能し、電圧、電流、温度を継続的に監視して、セルが安全な制限内で動作していることを確認します。どのリチウムイオン バッテリー パックでも、セルを保護するには内蔵または外部 BMS の存在が重要です。 BMS は安全性を確保するだけでなく、バッテリーの寿命も延ばします。リチウムイオン電池が従来の蓄電装置よりも大幅に長持ちすることを考えると、長期使用のために電池の保護を優先することが不可欠になります。
バッテリー業界での問題を防ぐには、セルの品質、パックの設計、信頼性の高いバッテリー管理システムの実装に細心の注意を払う必要があります。これらの総合的な対策は、リチウムイオン電池の全体的な安全性と耐久性に貢献し、潜在的なリスクを最小限に抑えながら業界の繁栄を可能にします。
バッテリー管理システムの重要性
バッテリー管理システム (BMS) は、バッテリーの電圧、電流、温度を監視および制御する上で重要な役割を果たします。その主な機能は、バッテリーが安全な制限内で動作することを保証することです。 BMS が異常を検出した場合、またはセルの制限を超えた場合、充電または放電プロセスを中断する機能があります。
簡単に言うと、BMS はバッテリーのバイタルサインを監視します。電圧レベル、電流、温度を常にチェックして、すべてが適切に機能していることを確認します。過剰な熱や異常な電圧などの問題を検出した場合、バッテリーを保護するための措置を講じることができます。
BMS の重要なタスクの 1 つは、バッテリーの過充電または過放電を防止することです。過充電はバッテリーセルに損傷を与え、寿命を縮める可能性があり、過放電は性能の低下につながる可能性があります。 BMS は、バッテリーが適切な量の充電を受けられるようにし、バッテリーが満杯になりすぎたり空になりすぎたりすることを防ぎます。
BMS はバッテリーの番人だと考えてください。常に監視しており、いつでも介入して潜在的な危害からバッテリーを保護します。 BMS は、バッテリーのパラメータを監視および調整することで、バッテリー全体の寿命を延ばし、最適なパフォーマンスを維持するのに役立ちます。
BMS にはどのような機能が必要ですか?
バッテリー パックの保護と寿命を確保するための BMS の最小要件について、私の意見を共有したいと思います。
まず、電圧保護が不可欠です。バッテリーの過充電や過放電を防ぐことが重要です。セルの損傷を避け、寿命を最大限に延ばすためには、安全な電圧範囲を維持する必要があります。ちなみに、セルレベルだけでなくパック全体で、パックがその容量を超える電流を流さないようにすることも考慮する必要があります。
温度保護も重要な要素です。温度が上昇しすぎると、潜在的なリスクや故障につながる可能性があります。したがって、高温を監視および制御するメカニズムを導入することが重要です。同様に、過度の低温条件によるアノードのリチウム金属メッキなどの問題を防ぐために、低温充電保護機能を備えることが重要です。
さらに、絶対に必要というわけではありませんが、便利な機能の 1 つは、一連のセルのバランスをとる機能です。並列のセルは当然電流と電圧を共有しますが、直列のセルは共有しません。セル間で均一な充電状態 (SOC) を維持するには、バランス機構または追加の電流共有機能が必要です。
最後に、サードパーティのテストの特定の基準については説明しませんでしたが、サードパーティのテスト機関がコンプライアンス評価に使用できる既存の標準があることは言及する価値があります。
規格
セル、バッテリーパック、バッテリー管理システムの異なるリストに関して混乱が生じることがよくあります。もう少し明確にしましょう。リチウムイオン電池は、UL 1642 または IEC 62133 規格に従ってテストおよびリストされます。
一方、バッテリーパックには独自のリストがあります。これらは UL 2050 または UL 1973 のいずれかに登録されており、どちらも前提条件として UL 1642 への準拠が必要です。 UL 1642 自体はパック リストではなく、これらのパック リストの前提条件であることに注意することが重要です。
セルとパックの両方に適用されるリストを作成する試みとして、IEC は IEC 62133 を導入しました。ただし、バッテリー管理システム (BMS) にも独自の個別のリストがあることは言及する価値があります。
ハードウェアの場合、BMS は UL 991 にリストされ、ソフトウェアの場合、BMS は UL 1998 または IEC 60730-1 にリストされます。 UL 991 および UL 1998 は UL 2054 または UL 1973 リストの前提条件ではないことに注意することが重要です。
ただし、BMS がこれらの規格に準拠していない場合は、障害条件を使用してテストを実施し、障害が発生した場合でも危険な状況が生じないことを確認する必要があります。
これは規格の完全なリストではないことを覚えておくことが重要ですが、規格の存在を強調し、いくつかの説明を提供したいと思いました。
結論
リチウムイオン電池の動作原理を理解し、セルの品質、パック設計、堅牢な電池管理システムなどの要素を考慮することで、電池の安全性と信頼性を高めることができます。関連規格を遵守し、徹底的なテストを実施することは、リチウムイオン電池の安全かつ効率的な利用にさらに貢献します。
技術の継続的な進歩と安全性の重視により、リチウムイオン電池は、リスクを軽減しながらさまざまなアプリケーションに電力を供給し、電化社会において重要な役割を果たし続けるでしょう。
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