リチウムイオン電池の熱暴走と材料分析

今日、様々な自動車メーカーがパワーバッテリーにリチウムイオン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まっているものの、パワーバッテリーの安全性については依然として懸念が残っており、バッテリーの安全性に対する適切な解決策とは言えない。熱暴走はパワーバッテリーの安全性に関する主要な研究対象であり、注目に値する。

まず、熱暴走とは何かを理解しましょう。熱暴走は、さまざまなトリガーによって引き起こされる連鎖反応現象で、短時間のうちにバッテリーから大量の熱と有害ガスが放出され、深刻な場合にはバッテリーが発火して爆発することさえあります。熱暴走が発生する原因は、過熱、過充電、内部短絡、衝突など、数多くあります。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膜の分解から始まり、続いて隔膜の分解と溶融が起こり、負極と電解質が分解し、続いて正極と電解質の両方が分解し、大規模な内部短絡が引き起こされ、電解質が燃焼し、それが他のセルに広がり、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可能性があります。

熱暴走の原因は、内部原因と外部原因に分けられます。内部原因は内部短絡によるものが多く、外部原因は機械的損傷、電気的損傷、熱的損傷などによるものです。

内部短絡とは、バッテリーの正極と負極が直接接触する現象であり、接触の程度やそれに伴う反応は大きく異なります。通常、機械的・熱的要因による大規模な内部短絡は、直接的に熱暴走を引き起こします。一方、自然発生する内部短絡は比較的軽微で、発生する熱も小さいため、すぐに熱暴走を引き起こすことはありません。内部で自然発生する短絡には、製造上の欠陥、バッテリーの経年劣化による各種特性の劣化（内部抵抗の増加など）、長期間の軽微な誤使用によるリチウム金属の析出などが挙げられます。時間が経過するにつれて、こうした内部要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、外部からの力によってリチウム電池の単電池や電池パックが変形し、各部品が相対的に変位する状態を指します。電池への主な損傷形態としては、衝突、押し出し、穿孔などがあります。例えば、高速走行中の車両が異物に接触すると、電池内部の隔膜が直接破損し、電池内部で短絡が発生して短時間のうちに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損傷には、一般的に外部短絡、過充電、過放電などいくつかの形態があり、過充電は熱暴走に発展する可能性が最も高いです。外部短絡は、セルの外側で圧力差のある2本の導体が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、車両の衝突による変形、水没、導体の汚染、またはメンテナンス中の感電が原因で発生する可能性があります。通常、外部短絡から放出される熱は、穴あきとは異なり、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、温度が過熱点に達することです。外部短絡によって発生した熱がうまく放散されないときにバッテリーの温度が上昇し、高温が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、余分な熱を放散することは、外部短絡によるさらなる損傷を防ぐ方法です。過充電は、エネルギーが満ちているため、電気的損傷の中で最も危険なものの1つです。熱とガスの発生は、過充電プロセスの2つの一般的な特徴です。発熱は、オーム熱と副反応によって生じる。まず、過剰なリチウムの埋め込みにより、陽極表面にリチウムデンドライトが成長する。