リチウムイオン電池の熱暴走と材料分析

現在、様々な自動車メーカーが動力電池にリチウム電池を大規模に採用しており、エネルギー密度はますます高くなっています。しかし、人々は依然として動力電池の安全性に囚われており、電池の安全性に対する良い解決策とは言えません。熱暴走は動力電池の安全性における主要な研究対象であり、注力する価値があります。

まず、熱暴走とは何かを理解しましょう。熱暴走は、さまざまなきっかけによって引き起こされる連鎖反応現象であり、短時間にバッテリーから大量の熱と有害ガスが発生し、深刻な場合にはバッテリーが発火したり爆発したりすることもあります。熱暴走の発生原因は、過熱、過充電、内部短絡、衝突など、多岐にわたります。バッテリーの熱暴走は、多くの場合、バッテリーセル内の負極SEIフィルムの分解から始まり、続いてダイヤフラムが分解・溶融し、負極と電解液が分解します。さらに、正極と電解液の両方が分解し、大規模な内部短絡を引き起こします。これにより、電解液が燃焼し、他のセルに燃え広がり、深刻な熱暴走を引き起こし、バッテリーパック全体が自然発火することがあります。

熱暴走の原因は、内部原因と外部原因に分けられます。内部原因は多くの場合、内部短絡が原因であり、外部原因は機械的損傷、電気的損傷、熱的損傷などが原因です。

内部短絡は、バッテリーの正極と負極が直接接触する現象ですが、接触の程度とその後の反応は大きく異なります。通常、機械的または熱的過酷な使用によって発生する大規模な内部短絡は、熱暴走を直接引き起こします。一方、自然に発生する内部短絡は比較的軽微で、発生する熱も非常に小さいため、すぐに熱暴走を引き起こすことはありません。内部短絡の発生には、製造上の欠陥、内部抵抗の増加など、バッテリーの経年劣化による各種特性の劣化、長期にわたる軽度の誤使用によるリチウム金属の堆積などが挙げられます。時間の経過とともに、このような内部原因による内部短絡のリスクは徐々に高まります。

機械的損傷とは、リチウム電池モノマーと電池パックが外力の作用下で変形し、電池内の異なる部品が相対的に変位することを指します。電池セルに生じる主な損傷形態には、衝突、押し出し、穿刺などがあります。例えば、高速走行中の車両が異物に接触すると、電池内部のダイヤフラムが直接破損し、電池内部で短絡が発生し、短時間で自然発火を引き起こすことがあります。

リチウム電池の電気的過負荷には、一般的に外部短絡、過充電、過放電といった様々な形態があり、過充電から熱暴走へと発展する可能性が最も高いです。外部短絡は、差圧のある2本の導体がセルの外部で接続されたときに発生します。バッテリーパックの外部短絡は、車両衝突、浸水、導体の汚染、メンテナンス中の感電などによる変形が原因で発生することがあります。通常、外部短絡から発生する熱は、穴が開いた場合とは異なり、バッテリーを加熱しません。外部短絡と熱暴走の重要な関連性は、過熱点に達する温度です。外部短絡によって発生した熱が十分に放散されないと、バッテリーの温度が上昇し、熱暴走を引き起こします。したがって、短絡電流を遮断するか、過剰な熱を放散させることは、外部短絡によるさらなる損傷を抑制する方法です。過充電は、そのエネルギー密度が高いため、電気的過負荷における最も危険な状態の一つです。過充電プロセスでは、熱とガスの発生が2つの一般的な特徴です。発熱は抵抗熱と副反応によって発生します。まず、過剰なリチウムの埋め込みにより、負極表面にリチウムデンドライトが成長します。