リチウム電池の安全性

リチウム電池は携帯性や充電の速さなどのメリットがあるのに、なぜ鉛蓄電池などの二次電池が市場に出回っているのでしょうか。
コストの問題や応用分野の違いに加えて、もう1つの理由はセキュリティです。
リチウムは世界で最も活性な金属です。その化学的特性があまりにも活発であるため、リチウム金属が空気にさらされると、酸素との酸化反応が激しくなり、爆発、燃焼などの現象が発生しやすくなります。また、充放電時にリチウム電池内部でも酸化還元反応が起こります。爆発と自然発火は、主に加熱後のリチウム電池の蓄積、拡散、および放出によって引き起こされます。つまり、リチウム電池は充電と放電の過程で大量の熱を発生し、電池の内部温度が上昇し、個々の電池間の温度が不均一になり、電池の性能が不安定になります。
熱暴走リチウム イオン バッテリーの危険な動作 (バッテリーの過充電と過放電、急速充電と放電、短絡、機械的虐待条件、高温の熱衝撃などを含む) は、バッテリー内部で危険な副反応を引き起こし、熱を発生させる可能性があります。負極および正極表面の不動態被膜を直接損傷します。
リチウムイオン電池の熱暴走事故を引き起こす原因はさまざまです。トリガーの特徴によると、機械的虐待トリガー、電気的虐待トリガー、熱的虐待トリガーに分けることができます。機械的虐待：車両の衝突による鍼治療、押し出し、重い物体の衝突を指します。電気的乱用: 一般に、不適切な電圧管理または電気部品の故障 (短絡、過充電、過放電など) によって引き起こされます。熱中症：不適切な温度管理による過熱が原因。

これら 3 つのトリガー方法は相互に関連しています。機械的な乱用は、一般にバッテリーのダイアフラムの変形または破裂を引き起こし、バッテリーの正極と負極が直接接触して短絡し、電気的な乱用を引き起こします。しかし、電気の乱用条件下では、ジュール熱などの発熱が増大し、電池温度が上昇して熱乱用に発展し、さらに電池内部で連鎖的な発熱副反応を引き起こし、最終的には発熱に至るバッテリーの熱暴走。
バッテリーの熱暴走は、バッテリーの熱発生率が熱放散率よりもはるかに高く、熱が大量に蓄積されるが時間内に放散されないという事実によって引き起こされます。本質的に、「熱暴走」は正のエネルギー フィードバック サイクル プロセスです。温度が上昇するとシステムが熱くなり、システムが熱くなった後に温度が上昇し、システムがさらに熱くなります。
熱暴走のプロセス: バッテリーの内部温度が上昇すると、SEI フィルムの表面にある SEI フィルムが高温下で分解し、グラファイトに埋め込まれたリチウム イオンが電解質およびバインダーと反応し、バッテリーの温度がさらに上昇します。 150℃まで上昇し、この温度で新たな激しい発熱反応が起こります。バッテリーの温度が 200 ℃ を超えると、正極材料が分解して大量の熱とガスが放出され、バッテリーが膨らみ始め、継続的に加熱されます。リチウムを埋め込んだアノードは、250～350℃で電解液と反応し始めました。充電された正極材料は激しい分解反応を開始し、電解液は激しい酸化反応を起こし、大量の熱を放出し、高温と大量のガスを発生させ、バッテリーの燃焼と爆発を引き起こします。
過充電時のリチウムデンドライト析出の問題：コバルト酸リチウム電池は満充電後、正極に大量のリチウムイオンが残存します。つまり、カソードは、カソードに付着したリチウム イオンをこれ以上保持することはできませんが、過充電状態では、カソード上の過剰なリチウム イオンは依然としてカソードに移動します。それらは完全に封じ込めることができないため、金属リチウムが陰極に形成されます。この金属リチウムが樹枝状結晶であることから、デンドライトと呼ばれています。デンドライトが長すぎると、ダイアフラムを突き破りやすくなり、内部短絡が発生します。電解液の主成分は炭酸塩であるため、発火点や沸点が低く、高温になると発火したり爆発したりします。

ポリマーリチウム電池の場合、電解質がコロイド状になるため、より激しく燃焼しやすくなります。この問題を解決するために、科学者はより安全なカソード材料を置き換えようとしています。マンガン酸リチウム電池の材料には、特定の利点があります。コバルト酸リチウムのように正極に特定の残留物を持たせる代わりに、完全充電状態で正極のリチウムイオンを負極の炭素孔に完全に埋め込むことができます。樹状突起。マンガン酸リチウムの安定した構造により、その酸化性能はコバルト酸リチウムよりもはるかに低くなります。（内部短絡ではなく）外部短絡があっても、リチウム金属の析出による燃焼・爆発は基本的に回避できます。リン酸鉄リチウムは、熱安定性が高く、電解液の酸化能力が低いため、安全性が高いです。
リチウム イオン電池の経年劣化は、容量の減退と内部抵抗の増加によって現れます。内部の経年劣化メカニズムには、正と負の活物質の損失と利用可能なリチウム イオンの損失が含まれます。正極材料が経年劣化し、正極の容量が不足すると、正極からリチウムが放出される危険性が高くなります。過放電状態では、リチウムに対するカソードの電位が 3V を超えて上昇し、銅の溶解電位よりも高くなり、銅の集電体が溶解します。溶解した銅イオンはカソード表面に沈殿し、銅のデンドライトを形成します。銅のデンドライトがダイヤフラムを通過し、内部短絡を引き起こし、バッテリーの安全性能に深刻な影響を与えます。
さらに、経年劣化したバッテリーの過充電抵抗は、主に内部抵抗の増加と正と負の活性物質の減少により、ある程度低下し、バッテリーの過充電プロセス中にジュール熱が増加します。過充電が少ないと、副反応が引き起こされ、バッテリーの熱暴走を引き起こす可能性があります。熱安定性に関しては、カソードからのリチウムの放出は、バッテリーの熱安定性の急激な低下につながります。
一言で言えば、劣化したバッテリーの安全性能は大幅に低下し、バッテリーの安全性が著しく損なわれます。最も一般的なソリューションは、バッテリー エネルギー貯蔵システムにバッテリー管理システム (BMS) を装備することです。たとえば、Tesla Model S で使用されている 8000 個の 18650 バッテリーは、バッテリーのさまざまな物理的パラメーターのリアルタイム監視を実現し、バッテリーの使用状況を評価し、バッテリー管理システムを通じてオンライン診断と早期警告を実行できます。同時に、放電およびプリ充電制御、バッテリーバランス管理、熱管理も実行できます。