リチウム電池の膨張と爆発の原因分析
May 16, 2025リチウム電池の膨張と爆発の原因分析
リチウムイオン電池の動作原理
リチウムは化学周期表上で最小かつ最も活性な金属です。その小型さと高容量密度から、消費者や技術者に人気があります。しかし、その化学的性質は非常に活性が高く、非常に高い危険性を伴います。リチウム金属は空気にさらされると酸素と激しく酸化反応を起こし、爆発します。安全性と電圧を向上させるために、科学者はリチウム原子を貯蔵するためにグラファイトやコバルト酸リチウムなどの材料を発明しました。これらの材料の分子構造は、リチウム原子を貯蔵するために使用できるナノスケールの小さな貯蔵グリッドを形成します。このようにして、たとえ電池シェルが破損して酸素が侵入したとしても、酸素分子はこれらの小さな貯蔵グリッドに入り込むには大きすぎるため、リチウム原子は酸素と接触せず、爆発を回避します。このリチウムイオン電池の原理により、高容量密度を実現しながら安全性を実現することができます。
リチウムは化学周期表上で最小かつ最も活性な金属です。その小型さと高容量密度から、消費者や技術者に人気があります。しかし、その化学的性質は非常に活性が高く、非常に高い危険性を伴います。リチウム金属は空気にさらされると酸素と激しく酸化反応を起こし、爆発します。安全性と電圧を向上させるために、科学者はリチウム原子を貯蔵するためにグラファイトやコバルト酸リチウムなどの材料を発明しました。これらの材料の分子構造は、リチウム原子を貯蔵するために使用できるナノスケールの小さな貯蔵グリッドを形成します。このようにして、たとえ電池シェルが破損して酸素が侵入したとしても、酸素分子はこれらの小さな貯蔵グリッドに入り込むには大きすぎるため、リチウム原子は酸素と接触せず、爆発を回避します。このリチウムイオン電池の原理により、高容量密度を実現しながら安全性を実現することができます。
リチウムイオン電池を充電すると、正極のリチウム原子は電子を失い、リチウムイオンに酸化されます。リチウムイオンは電解液を通って負極に移動し、負極の蓄電池に入り、電子を得てリチウム原子に還元されます。放電時には、この逆のプロセスが繰り返されます。電池の正極と負極が直接接触してショートするのを防ぐため、多数の細孔を持つ隔膜紙が電池に挿入され、ショートを防止します。また、良質の隔膜紙は、電池の温度が高すぎると自動的に細孔を閉じ、リチウムイオンが通過できないようにすることで危険を防ぎます。
リチウム電池セルを4.2Vを超える電圧まで過充電すると、副作用が発生し始めます。過充電電圧が高いほど、危険性も高まります。リチウム電池セルの電圧が4.2Vを超えると、正極材料に残存するリチウム原子の数は半分以下になり、この時に蓄電池セルが崩壊することが多く、電池容量が永久的に低下します。充電を続けると、負極の蓄電池セルは既にリチウム原子で満たされているため、後続のリチウム金属が負極材料の表面に蓄積します。これらのリチウム原子は、負極表面からリチウムイオンに向かって樹枝状結晶を成長させます。これらのリチウム金属結晶は隔膜紙を通過し、正極と負極の短絡を引き起こします。短絡が発生する前に電池が爆発する場合もあります。これは、過充電プロセス中に電解液などの材料が分解してガスが発生し、電池ケースまたは圧力弁が膨張して破裂し、酸素が侵入して負極表面に蓄積されたリチウム原子と反応し、爆発するためです。したがって、リチウム電池を充電する際には、電池寿命、容量、安全性を同時に考慮して、上限電圧を設定する必要があります。最も理想的な充電電圧の上限は4.2Vです。
リチウム電池の放電には下限電圧があります。電池電圧が2.4Vを下回ると、一部の材料が損傷し始めます。電池は自己放電するため、放電時間が長くなるほど電圧が低下します。そのため、2.4Vで放電を止めない方が良いでしょう。リチウム電池が3.0Vから2.4Vまで放電する間、放出されるエネルギーは電池容量の約3%に過ぎません。したがって、3.0Vは理想的な放電カットオフ電圧です。
充放電時には、電圧制限に加えて電流制限も必要です。電流が大きすぎると、リチウムイオンが蓄電池セル内に入り込む時間がなく、材料表面に集まります。これらのリチウムイオンが電子を受け取ると、リチウム原子が材料表面で結晶化し、過充電と同様に危険な状態になります。電池ケースが破損すると、爆発につながります。
したがって、リチウムイオン電池の保護には、少なくとも充電電圧の上限、放電電圧の下限、および電流の上限が含まれている必要があります。
一般的に、リチウム電池パックにはリチウム電池セルに加えて保護板が内蔵されており、主に上記の3つの保護機能を果たします。しかし、保護板によるこれらの3つの保護機能は明らかに不十分であり、リチウム電池の爆発事故は依然として世界中で頻発しています。電池システムの安全性を確保するためには、電池爆発の原因をより綿密に分析する必要があります。
バッテリーコアの爆発の種類は、外部短絡、内部短絡、過充電の3つに大別されます。ここで言う外部とは、バッテリーセルの外部を指し、バッテリーパック内部の絶縁設計不良に起因する短絡も含まれます。
バッテリーセルの外部で短絡が発生し、電子部品が回路を遮断できない場合、バッテリーセル内部で高熱が発生し、電解液の一部が蒸発してバッテリーシェルが膨張します。バッテリー内部の温度が135℃に達すると、良質の隔膜紙が細孔を閉じ、電気化学反応が終了またはほぼ終了し、電流が急激に低下し、温度が徐々に低下して爆発を回避します。しかし、細孔閉鎖率が低すぎる場合、または隔膜紙の細孔がまったく閉じていない場合は、バッテリー温度が上昇し続け、より多くの電解液が蒸発し、最終的にバッテリーシェルが破損し、バッテリー温度が材料の燃焼爆発に至るまで上昇します。
内部短絡は主に、銅箔やアルミ箔のバリがダイヤフラムを貫通したり、リチウム原子のデンドライトがダイヤフラムを貫通したりすることで発生します。これらの微細な針状の金属がマイクロショートを引き起こします。針は非常に細く、一定の抵抗値を持つため、電流はそれほど大きくありません。銅箔やアルミ箔のバリは製造工程で発生します。観察可能な現象として、バッテリーの液漏れが急激に進行することが挙げられますが、そのほとんどはバッテリーセル工場や組立工場で除去できます。また、バリは小さいため、場合によっては焼失し、バッテリーは正常な状態に戻ることもあります。そのため、バリによるマイクロショートが爆発を引き起こす可能性は高くありません。
この主張は、各電池工場で充電直後に電圧が低い不良電池が頻繁に発生しているものの、爆発は少ないという事実によって統計的に裏付けられます。したがって、内部短絡による爆発は、主に過充電によって引き起こされます。過充電後は、電極が針状のリチウム金属結晶で満たされ、至る所に刺さり点があり、至る所に微小短絡が発生します。そのため、電池の温度は徐々に上昇し、最終的には高温によって電解液がガス化します。この場合、温度が高すぎて材料が燃焼爆発を引き起こすか、または先にシェルが破損し、空気が侵入してリチウム金属と激しく酸化することで、爆発に至ります。
しかし、過充電による内部短絡によるこの爆発は、必ずしも充電時に発生するわけではありません。バッテリーの温度が材料の燃焼に十分な温度に達しておらず、発生したガスもバッテリーシェルを破損させるほど高くない場合、消費者は充電を中止し、携帯電話を取り出します。この時、多数の微小短絡によって発生した熱によってバッテリーの温度が徐々に上昇し、しばらく経ってから爆発が発生します。消費者は、携帯電話を手に取ると非常に熱く、捨てた後に爆発することが多いと述べています。
上記の爆発の種類を踏まえると、爆発防止においては、過充電防止、外部短絡防止、そしてバッテリーセルの安全性向上という3つの側面に焦点を絞ることができます。このうち、過充電防止と外部短絡防止は電子保護に属し、バッテリーシステムの設計とバッテリーの組み立てに密接に関連しています。バッテリーセルの安全性向上の鍵となるのは、化学的および機械的な保護であり、バッテリーセルメーカーと密接に関連しています。
世界には数億台の携帯電話が存在するため、安全を実現するためには、安全保護の故障率を1億分の1未満に抑える必要があります。回路基板の故障率は一般的に1億分の1をはるかに上回るため、バッテリーシステムを設計する際には、2つ以上の安全防御線が必要です。よくある設計ミスは、充電器（アダプター）を使用してバッテリーパックを直接充電することです。このようにすると、過充電保護の責任はバッテリーパック上の保護基板に完全に委ねられます。保護基板の故障率は高くありませんが、たとえ故障率が100万分の1と低い場合でも、世界中で毎日爆発事故が発生する可能性があります。
バッテリーシステムが過充電、過放電、過電流のそれぞれに2つの安全保護を提供できれば、各保護の故障率が1万分の1であれば、2つの保護によって故障率を1億分の1にまで下げることができます。一般的なバッテリー充電システムのブロック図は次のとおりです。充電器とバッテリーパックの2つの主要部分で構成されています。充電器には、アダプタ（アダプター）と充電コントローラの2つの部分が含まれています。アダプタはAC電源をDC電源に変換し、充電コントローラはDC電源の最大電流と最大電圧を制限します。バッテリーパックは、保護ボードとバッテリーセルの2つの部分と、最大電流を制限するPTCで構成されています。
携帯電話のバッテリーシステムを例に挙げると、過充電保護システムは、充電器の出力電圧を約4.2Vに設定することで第一段階の保護を実現します。これにより、バッテリーパックの保護基板が故障しても、バッテリーが過充電されて危険な状態になることはありません。第二段階の保護は、保護基板の過充電保護機能で、通常は4.3Vに設定されています。これにより、保護基板は充電電流を遮断する必要がなく、充電器の電圧が異常に高くなった場合にのみ作動します。過電流保護は、保護基板と電流リミッターが担います。これらは、過電流と外部短絡を防ぐための二つの保護機能です。過放電は電子製品の使用中にのみ発生するため、一般的な設計では、電子製品の回路基板が第一保護を提供し、バッテリーパックの保護基板が第二保護を提供します。電子製品は、電源電圧が3.0Vを下回っていることを検出すると、自動的にシャットダウンする必要があります。製品設計時にこの機能が設計されていない場合、電圧が 2.4V まで低下すると保護ボードが放電回路を閉じます。
つまり、バッテリーシステムを設計する際には、過充電、過放電、過電流の3つの電子保護装置を備える必要があります。保護基板は2つ目の保護装置です。保護基板を取り外した際にバッテリーが爆発した場合、それは設計不良を意味します。
上記の方法は2つの保護手段を提供しますが、消費者は充電器が故障した後に非純正充電器を購入して充電することが多く、充電器メーカーはコスト削減のために充電コントローラを取り外すことがよくあります。その結果、悪貨は良貨を駆逐し、低品質の充電器が市場に多く出回っています。これにより、過充電保護は第一かつ最も重要な防御線を失ってしまいます。過充電はバッテリー爆発の最も重要な要因であるため、低品質の充電器はバッテリー爆発の犯人とみなされる可能性があります。
もちろん、すべてのバッテリーシステムが上図のようなソリューションを採用しているわけではありません。バッテリーパック自体に充電コントローラが内蔵されている場合もあります。例えば、多くのノートパソコン用外付けバッテリーには充電コントローラが搭載されています。これは、ノートパソコンは一般的に充電コントローラを本体に内蔵しており、消費者にはアダプタのみを提供しているためです。そのため、ノートパソコンの外付けバッテリーパックには、アダプタで充電する際の安全性を確保するために、充電コントローラが搭載されている必要があります。また、車のシガーソケットで充電する製品では、バッテリーパックに充電コントローラが内蔵されている場合もあります。
すべての電子保護対策が機能しなくなった場合、最後の防御線はバッテリーセルとなります。バッテリーセルの安全レベルは、外部短絡と過充電に耐えられるかどうかによって大きく分けられます。バッテリーが爆発する前に、内部の材料表面にリチウム原子が蓄積すると、爆発の威力が増すからです。さらに、消費者が粗悪な充電器を使用しているため、過充電に対する保護は1つの防御線しか残されていないことがよくあります。そのため、バッテリーセルの過充電耐性は、外部短絡耐性よりも重要です。
アルミシェルバッテリーとスチールシェルバッテリーの安全性を比較すると、アルミシェルの方がスチールシェルよりも安全性の面で優れています。
エーシーインテリジェント は、リチウムイオン電池用のハイエンド機器の研究と製造に特化しています。 当社の事業範囲：
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