【自動車用語辞典:電動部品「リチウムイオン電池の安全性」】発火などの危険性をどうやって防ぐのか

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■各セルと電池全体を制御するバッテリーコントローラーを装備

●今後も改良が進み安全性は向上する

2010年頃にPCやスマホのリチウムイオン電池の発火が相次ぎ、2013年にはボーイング787のリチウムイオン電池が発火して大きな社会問題になりました。現在ほとんどの電動車はリチウムイオン電池を使っていますが、どのように電池の安全性を確保しているのでしょうか。

リチウムイオン電池の安全性確保の現状について、解説していきます。

●リチウムイオン電池の作動原理

リチウムイオン電池は、軽量で高性能(エネルギー密度がニッケル水素電池の約2倍)なので、HEVやPHEV、EVのほとんどが採用しています。

正極にリチウム系材料、負極にカーボン系材料、電解質としてリチウムイオンを含む電解質を用います。正極と負極の間をリチウムイオンが移動することによって、充電や放電を行います。

リチウムイオン電池の充放電原理を、正極にコバルト酸リチウム、負極に炭素、電解質に有機電解液を使用した場合を例に示します。

放電) 6C + LiCoO2 → LinC6 + Li(1-X)CoO2  

充電) 6C + LiCoO2 ← LinC6 + Li(1-X)CoO2

放電時にはイオン化したリチウムイオンが負極から正極へ、充電時にはリチウムイオンが正極から負極へ移動して、充放電を繰り返します。

リチウムイオン電池の作動原理
リチウムイオン電池の作動原理

●リチウムイオン電池の発火メカニズム

リチウムイオン電池の発熱、発火の原因は、本体(機械的)不良と充放電に関わる(電気的)機能不具合に大別できます。

本体不良としては、生産時の金属粉などの異物混入や衝撃による筐体の変形などによる電極間の内部短絡です。内部短絡すると、大電流が流れて両電極と電解液間の発熱反応が連鎖的に起こります。この発熱がセルからセルに伝わり、最終的に熱暴走して発火に至ります。

充放電に関わる不具合としては、電池制御の不良や不具合によって発生する過充電や過放電による発熱や発火です。特に過充電は、急激な熱暴走が発生しやすいので細心の注意が必要です。

●電池の発熱、発火の防止

まず本体不良の対策としては、衝撃に強いパッケージング技術が求められます。衝突時に衝撃を緩和するような搭載レイアウトなど車両側の対策も必要です。また、万一どこかのセルで発熱が起こっても、隣のセルに熱が伝わらないような断熱化対策も重要です。

充放電を適切に制御するために、ひとつひとつの電池セルと電池全体を高精度に制御するバッテリコントローラーが装備されています。バッテリコントローラーの主要な機能は、以下の通りです。

・各セルの電流と電圧、温度のモニター

・充電率(SOC:State of Charge)と劣化率(State of Health)の推定

・充放電許容電力(SOP:State of Power)の推定と充放電制御

・バッテリの診断とセルバランス制御

電池の過充電や過放電を防止するためには、精度の高い充放電許容電力(SOP)が必要です。上記のセル情報やSOC、SOHから推定されるSOPを使って、安全な充放電ができるのです。

●セルバランス制御

各セルの電圧が不均一だと、特定のセルが過充電や過放電になるリスクが発生します。また特定のセルの劣化が進むと、電池全体の劣化も加速します。

これを防止するために、高い電圧のセルを放電させて、各セルのバランスを取る「セルバランス制御」を行います。

バッテリーコントローラーによる充放電制御
バッテリーコントローラーによる充放電制御
セルバランス機能
セルバランス機能

PCや携帯の発火の影響でリチウムイオン電池を搭載しているEVは、火災のリスクが高いと言われることがあります。一方で根拠があると思えませんが、引火点の低い危険物のガソリンを搭載しているガソリン車の方が危険だという人もいます。

言えることは、既に成熟しているガソリン車に対して、電動車のリチウムイオン電池は今後も改良が進み、さらに安全性が向上するということです。

(Mr.ソラン)

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