発火や劣化等の危険性はあるのか?公開noteのまとめ↑公開しているnote(電子書籍)の内容のまとめています。一方で近年では、リチウムイオン電池の発火事故が急増しており、リチウムイオン電池の安全性(危険性)が認識されるようになってきました。この安全性の向上が「リチウムイオン電池普及のための課題の一つ」といえます。リチウムイオン電池において過放電という現象が発生することがしばしばあります。この過放電が起こると電池に悪影響を与えることは一般的に知られていますが、発火や大幅な劣化などにつながる危険性はあるのでしょうか。ここでは「過放電の定義」「過放電と判断される電圧」「過放電での発火などの危険性はあるのか」「過放電で大幅な劣化が起こるのか」「過放電からの復活方法はあるのか」について解説していきます。・リチウムイオン電池における過放電の原理(メカニズム)・リチウムイオン電池の過放電で発火・爆発の危険性はあるのか・過放電による劣化の状態というテーマで解説していきます。リチウムイオン電池の過放電の原因リチウムイオン電池における過放電とは、電池における放電終止電圧(カットオフ電圧)を下回った状態となることを指します。バッテリーの放電時、通常は放電終止電圧まで放電すると、放電が止まる放電方式を採用しています(CC放電)。放電時の設定電圧がシステム異常などによりおかしくなると、放電終止電圧を切っても放電し続けるケースがあります。すると過放電領域に入ることがあります。以下で、コバルト酸リチウムを正極材に、黒鉛を負極材に使用したセルの放電曲線と過放電の関係を示します。他にも放電末期の状態で長期間保存している場合では、リチウムイオン電池の自己放電により徐々に放電が進行し、気づいたら過放電になっていることがあります。組電池として直列や並列に単電池がつながっている場合、セルバランス(電池の充電率のバランス)が崩れていると、一部のセルが過放電となることがあります。3つのセルを直列にした組電池があり、組電池全体の放電終止電圧を7.5Vに設定しているとします(1セルあたり2.5Vとする)。このとき、セルバランスが非常に悪くなっていると、放電末期の状態ではセルごとに、0.5V、3.5V、3.5Vの合計で7.5Vとなる可能性があります。すると、0.5Vに達している単電池は過放電状態になっているというわけです。このような様々な原因によって、リチウムイオン電池の過放電は発生します。関連記事リチウムイオン電池の過放電試験とは?リチウムイオン電池の発火メカニズム過放電となる電圧の目安このようにして過放電は発生することがあるのですが、リチウムイオン電池にも種類があり放電終止電圧も種類によって異なります。過放電となる電圧はリチウムイオン電池の種類によります。これは後に詳しく解説しますが、これは「電池の動作原理」や「過放電のメカニズム(負極の銅の溶出電位)」との関係が強いです。正極材にコバルト酸リチウム(LCO)やマンガン酸リチウム、負極材に黒鉛を使用の電池では、およそ2.5V~3Vを放電終止電圧とし、それ以下となったら過放電と判断するケースが多いです。一方で、正極材にリン酸鉄リチウム(LFP)、負極材に黒鉛を使用の電池では、およそ1.8V~2.5Vを放電終止電圧とする場合がほとんどです。このようにリチウムイオン電池の種類によっても、過放電と判断する目安の電圧は違ってきます。程度にもよりますが、この電圧を下回ったとしてもすぐに電池が機能しなくなるわけではありません。これは後に詳しく解説していますが、この領域を超えると負極で使用される銅の基材の溶出が徐々に発生していることと関係しています。簡単にいいますと「電圧が低くなる」「その時間が長くなる」ほどこの銅箔の溶出が進み、より深刻な過放電となるわけです。上述のLFP使用の電池において、1時間程度1.7Vとなったからといって、特に劣化しないケースも多いのです。転極が発生するレベル(例えば-1Vなど)の過放電となるのであれば、すぐに電池が異常となる場合があるため、作成電池の評価を適切に行っておく必要があります。関連記事リチウムイオン電池の転極とは?コバルト酸リチウム(LCO)の特徴と反応マンガン酸リチウムの特徴と反応リン酸鉄リチウム(LFP)リチウムイオン電池における過放電の原理(メカニズム)続いて、上述のような過放電領域に入ると発生する現象について確認していきます。この過放電の原理を解説するためには、まず電池の端子電圧と正負極の電位の関係性について理解しておく必要があります。電池の端子電圧は正極電位と負極電位の差に相当し、放電が進むとその数値は小さくなります。正極電位も放電とともに下がりますが、負極電位は反応が進行するほどに上昇していきます。通常なら、放電終止電圧でストップするため、特に異常事態には陥りません。過放電領域に入ると負極の電位が急上昇していきます。すると、銅の溶解析出電位を超えるため、負極の構成部材の銅箔が溶出しだすのです。以下は負極電位のみを抽出したグラフです。続いて、溶出した銅イオンが電解液中を移動し、正極の方にも流れていきます。すると、正極において今度は銅が析出する現象が発生することがあります。正極と負極はセパレータで挟まれているものの、その距離間は長くて数十μmと非常に近いため、析出した銅を介して正極と負極の微小短絡が発生します。微小短絡が起こっていると、充電しても短絡部を通して放電が常に行われることとなるために、電池として機能しなくなってしまうのです。これらがリチウムイオン電池における過放電の原理(メカニズム)といえます。電池の端子電圧と正負極の電位セパレータの材料化学リチウムイオン電池の過放電で発火・爆発の危険性はあるのかこのような原理のもと、リチウムイオン電池の過放電は起こっているのです。銅による微小短絡が原因で過放電が起こっているだけであるため、基本的には発火や爆発などの危険性はほとんどありません。電池としての機能は無くなるだけといえます。過放電自体では危険になるリスクはほとんどないですが、組電池などでは一部のセルのみが過放電に入った後に充電を行ったときに過充電となる可能性が出てきます。過充電では、破裂・発火になる可能性が高いため、十分に気をつける必要があるのです。この原理について詳しく解説していきます。4直の組電池があり、満充電ではトータル16.8Vとなるとします(1セル4.2V×4)。ここで、1つのセルのみが何かしらの影響で過放電となり、電池として機能しなくなるとします。ただの導体と同じような状態となっているのです。この状況下で満充電にすると、3セルで16.8Vにする必要があり、1セルあたりの電圧は約5.3Vと過充電状態となるのです。このように過放電だけでは破裂・発火に至ることはほぼないが、その後の対処方法により過充電等が発生することで発火や爆発が起こる可能性があるということを認識しておきましょう。?組電池とは?過放電による劣化の状態また、先にも述べたようにリチウムイオン電池が過放電になったときには、明らかな劣化が起こります。過放電の程度が大きければ短絡部分が多く発生することとなるため、「充電してもすぐに放電される」という電池としての機能が全くない状態となります。そのため、容量の減少や内部抵抗の上昇といった劣化以前の問題と考えるといいです。一時的に過放電領域に入っただけの場合は、ほとんど劣化しておらず、顕著な容量の減少や自己放電速度の上昇も起こらないため、そのまま使用できるケースも多いです。計算問題を解いてみよう【1hPaは何MPa?1MPaは何hPa?】Twitter始めました!サイトの記事や更新情報等つぶやいていきます。よろしければフォローのほどよろしくお願いいたします。Reserved.サイト内検索:。