リチウム電池の安全技術を材料、設計、プロセスの3つの側面から理解する
リチウムイオン電池の危険性
リチウムイオン電池は、その化学的特性とシステム構成により、潜在的に危険な化学電源です。
（１）高い化学活性
リチウムは、元素周期表の第二周期における第I族の主要元素であり、極めて活性な化学的性質を持っています。
（２）高エネルギー密度
リチウムイオン電池は比エネルギーが非常に高く（140 Wh/kg 以上）、ニッケルカドミウムやニッケル水素などの二次電池の数倍にもなります。熱暴走反応により熱が放出され、危険な動作につながる可能性があります。
（３）有機電解質システムの使用
有機電解液システムの有機溶媒は炭化水素であり、分解電圧が低く、酸化しやすい性質があります。また、溶媒は可燃性であるため、漏れが発生するとバッテリーが発火、燃焼、または爆発します。
（４）副反応の可能性が高い
リチウムイオン電池の通常の使用中、内部では電気エネルギーと化学エネルギーが相互に変換される化学正反応が行われます。しかし、過充電、過放電、過電流操作などの特定の条件下では、電池内部で化学副反応が発生しやすくなります。この副反応が激しくなると、電池の性能と寿命に重大な影響を及ぼします。大量のガスが発生し、電池内部の圧力が急激に上昇して爆発、発火する可能性があり、安全上の問題を引き起こします。
（５）電極材料の構造が不安定である
リチウムイオン電池の過充電反応により、正極材料の構造が変化し、材料に強い酸化作用が生じ、電解液中の溶媒が強い酸化を受けます。この作用は不可逆的であり、反応によって発生した熱が蓄積すると、熱暴走の危険があります。
リチウムイオン電池製品の安全性問題の原因分析
リチウムイオン電池製品の産業発展の30年を経て、安全技術は大きく進歩し、電池の副反応の発生を効果的に抑制し、電池の安全性を確保しています。しかし、リチウムイオン電池の使用がますます広まり、エネルギー密度がますます高くなるにつれて、近年、安全上の問題による爆発や負傷、製品リコールなどの事故が頻繁に発生しています。リチウムイオン電池製品の安全上の問題を引き起こす主な原因を以下にまとめます。
1. バッテリーコア材料の問題
バッテリーコアに使用される材料には、正極活物質、負極活物質、セパレーター、電解質、シェルなどがあり、材料の選択と構成システムのマッチングによってバッテリーコアの安全性能が決まります。メーカーは正極活物質と負極活物質、セパレーター材料を選択する際に、原材料の特性とマッチングについて一定の評価を行っていなかったため、バッテリーセルの安全性に固有の欠陥が生じていました。
2. 生産プロセスの問題
バッテリーセルの原材料は厳密にテストされていません。生産環境が劣悪で、生産中に不純物が混入し、バッテリーの容量に大きな不利益をもたらすだけでなく、バッテリーの安全性にも大きな影響を及ぼします。また、電解質に水分が多すぎると、副反応が発生してバッテリーの内圧が上昇し、安全性に影響を及ぼします。生産プロセスレベルの制限により、バッテリーセルの製造プロセス中に製品は良好な一貫性を実現できず、たとえば電極ベースの平坦性が悪い、電極活物質の脱落、活物質へのその他の不純物の混入、タブ溶接の弱さ、溶接温度の不安定さ、ポールピースのエッジのバリ、主要部品に絶縁テープを使用していないなどの問題があり、すべてバッテリーコアの安全性に悪影響を及ぼす可能性があります。
3. バッテリーコアの設計欠陥と安全性能の低下
構造設計の面では、主要部品に絶縁テープがないこと、セパレータの設計に余裕がないか余裕が足りないこと、正負極の容量比設計が無理であること、正負極の活性物質面積比設計が無理であること、タブ長さ設計が無理であることなど、安全性に影響を与える多くの重要な点がメーカーによって真剣に考慮されておらず、バッテリーの安全性に隠れた危険をもたらす可能性があります。また、バッテリーセルの製造プロセスでは、コストを節約し、性能を向上させるために、一部のバッテリーメーカーは、ダイヤフラム面積を減らしたり、銅箔やアルミ箔を薄くしたり、圧力逃し弁や絶縁テープを使用しないなど、原材料の節約と圧縮を試みていますが、これらはバッテリーの安全性を低下させます。
4. エネルギー密度が高すぎる
市場はより高容量のバッテリー製品を追求しており、製品競争力を高めるために、メーカーはリチウムイオンバッテリーの体積当たりのエネルギーを増加させ続けており、バッテリーのリスクが大幅に増加しています。
セキュリティ技術
リチウムイオン電池には多くの潜在的危険性がありますが、特定の使用条件と特定の対策を講じることで、セル内での副反応や激しい反応の発生を効果的に制御し、安全性を確保することができます。以下では、リチウムイオン電池で一般的に使用されているいくつかの安全技術を簡単に紹介します。
安全係数の高い原材料を選択する
安全係数の高い正極活物質、負極活物質、セパレーター材料、電解質を選択してください。
a) 正極材料の選択
正極材料の安全性は主に次の 3 つの側面に基づいています。
1. 材料の熱力学的安定性。
2. 材料の化学的安定性
3. 材料の物理的性質。
b) ダイヤフラム材料の選択
セパレータの主な機能は、電池の正極と負極を分離して、正極と負極が接触して短絡するのを防ぐことです。同時に、電解質イオンを通過させる能力、つまり電子絶縁性とイオン伝導性を備えています。リチウムイオン電池のセパレータを選択するときは、次の点に注意する必要があります。
1. 電子絶縁性を備え、正極と負極の機械的分離を保証します。
2. 一定の細孔サイズと多孔度を持ち、低抵抗と高いイオン伝導性を確保します。
3. ダイヤフラム材料は十分な化学的安定性を持ち、電解質腐食に耐えなければなりません。
4.ダイヤフラムには自動シャットダウン保護機能が必要です。
5. ダイヤフラムの熱収縮と変形は可能な限り小さくする必要があります。
6 ダイヤフラムには一定の厚みが必要です。
7 ダイヤフラムは、物理的強度が強く、十分な耐穿刺性を備えていなければなりません。
c) 電解質の選択
電解質はリチウムイオン電池の重要な構成要素であり、電池の正極と負極の間で電流を輸送および伝導する役割を果たします。リチウムイオン電池に使用される電解質は、適切なリチウム塩を有機非プロトン性混合溶媒に溶解して形成された電解液です。通常、次の要件を満たす必要があります。
1. 化学的安定性が良好で、電極活物質、集電体、セパレーターとの化学反応がありません。
2. 優れた電気化学的安定性と広い電気化学ウィンドウ。
3 リチウムイオンは導電性は高いが電子伝導性は低い。
4. 液体温度範囲が広い。
5. 安全、無毒、環境に優しい。
バッテリーセルの全体的な安全設計を強化
バッテリーコアは、バッテリー内のさまざまな材料を組み合わせるリンクです。正極、負極、セパレーター、タブ、包装フィルムを統合します。バッテリーコアの構造設計は、さまざまな材料の性能だけでなく、バッテリーの全体的な性能にも影響します。電気化学性能と安全性能は重要な影響を及ぼします。材料の選択とバッテリーコアの構造設計は、部分的かつ全体的な関係にあります。バッテリーコアの設計では、材料の特性を組み合わせて、合理的な構造モデルを策定する必要があります。
さらに、リチウム電池の構造には、いくつかの追加の保護装置も考慮できます。一般的な保護機構の設計には、次のものがあります。
1. スイッチング素子を使用すると、バッテリー内の温度が上昇すると、それに応じて抵抗も上昇します。温度が高すぎる場合は、電源供給が自動的に停止します。
2. 安全弁（バッテリー上部の通気孔）を設置します。バッテリーの内部圧力が一定値まで上昇すると、安全弁が自動的に開き、安全性を確保します。
以下に、バッテリーセル構造の安全設計の例を示します。
a) 正極と負極の容量比とチップの設計サイズ
正極と負極の材料の特性に基づいて、適切な正極と負極の容量比を選択します。電池コアの正極と負極の容量比は、リチウムイオン電池の安全性に関わる重要なリンクです。正極容量が大きすぎると、負極の表面に金属リチウムが析出し、負極が大きすぎると電池容量の損失が大きくなります。一般的には、N/P=1.05〜1.15であり、実際の電池容量と安全要件に基づいて適切な選択が行われます。負極ペースト（活物質）の位置が正極ペーストの位置を覆う（より大きくなる）ようにピースのサイズを設計します。一般的に、幅は1〜5 mm大きく、長さは5〜10 mm大きくする必要があります。
b) ダイヤフラム幅の許容範囲
セパレータの幅の設計の全体的な原則は、正極と負極の直接接触によって引き起こされる内部短絡を防ぐことです。バッテリーの充放電プロセス中および熱衝撃などの環境でのセパレータの熱収縮により、セパレータは長さ方向と幅方向に変形し、セパレータのしわのある領域は正極と負極の間の距離の増加により分極を増加させます。セパレータの伸張領域はセパレータの薄化によるマイクロショートの可能性を高めます。セパレータのエッジ領域の収縮により、正極と負極が直接接触して内部短絡が発生し、熱暴走によりバッテリーが危険にさらされる可能性があります。したがって、バッテリーを設計するときは、セパレータの収縮特性を考慮して、面積と幅を使用する必要があります。セパレータは、アノードとカソードよりも大きいです。プロセスエラーを考慮すると、隔離フィルムはポールピースの外縁よりも少なくとも 0.1mm 長くする必要があります。
c) 絶縁処理
内部短絡は、リチウムイオン電池の安全上の危険における重要な要素です。 電池セルの構造設計では、多くの潜在的に危険な部品が内部短絡を引き起こす可能性があります。 したがって、異常な状況下で内部短絡が発生しないように、これらの重要な場所で必要な対策または絶縁を実施する必要があります。 たとえば、電池内で短絡が発生した場合は、正極と負極の電極耳の間に必要な距離を保ち、中央に糊のない仕上げ片面に絶縁テープを貼り、露出部分をすべて覆い、正極アルミ箔と負極活物質の間に絶縁テープを貼り、タブの溶接部分をすべて絶縁テープで覆い、電池コアの上部に絶縁テープを使用します。
d) 安全弁（圧力開放装置）を設置する
リチウムイオン電池は、内部の温度や圧力が高すぎて爆発や火災を引き起こす危険にさらされることがよくあります。適切な圧力解放装置を設置すると、危険が発生したときに電池内の圧力と熱をすばやく解放し、爆発のリスクを軽減できます。適切な圧力解放装置は、通常動作中に電池の内部圧力を満たし、内部圧力が危険限界に達すると自動的に開いて圧力を解放する必要があります。圧力解放装置の位置を設定するときは、電池シェルの内部圧力の上昇の影響を考慮する必要があります。変形特性に基づいて設計され、ラメラ、エッジ、シーム、ノッチを通じて安全弁を設計できます。
技術レベルの向上
バッテリーセルの生産工程の標準化に努めるべきである。混合、コーティング、焼成、圧縮、スリット、巻き取りの各工程において、標準化（隔膜幅、電解液注入量など）と工程方法の改善（低圧注入法、遠心荷重法、シェル法など）、工程管理をしっかり行い、工程品質を確保し、製品間の差異を狭める。安全性に影響を与える重要な工程（電極板のバリ取り、粉体の掃き取り、異なる材料に異なる溶接法を使用するなど）に特別な工程を設け、標準化された品質モニタリングを実施し、不良品を排除し（ポールピースの変形、隔膜の穴あき、活物質の脱落、電解液の漏れなど）、生産現場を清潔に保ち、5S管理とシグマ品質管理を実施して、生産中の不純物や水分の混入を防ぎ、生産中の事故による安全への影響を最小限に抑える。
