1. 電解液の難燃剤
電解質難燃剤は電池の熱暴走のリスクを軽減するのに非常に有効な方法ですが、これらの難燃剤はリチウムイオン電池の電気化学的性能に重大な影響を与えることが多いため、実際に使用するのは困難です。この問題を解決するために、カリフォルニア大学サンディエゴ校のYuQiaoチーム[1]は、マイクロカプセルの内部に難燃剤DbA（ジベンジルアミン）を貯蔵し、電解液中に分散させたカプセル包装方法を開発しました。通常時はリチウムイオン電池の性能に影響を与えませんが、押し出しなどの外力によりセルが破壊されると、カプセル内の難燃剤が放出され、電池に毒を与えて故障を引き起こすため、警告が発せられます。熱暴走に至る。 2018年、YuQiaoのチーム[2]は上記の技術を再度利用し、エチレングリコールとエチレンジアミンを難燃剤として使用し、カプセル化してリチウムイオン電池に挿入したところ、使用中のリチウムイオン電池の最高温度が70%低下しました。ピンピンテストにより、リチウムイオンバッテリーの熱制御のリスクが大幅に軽減されます。
上記の方法は自己破壊的です。つまり、難燃剤を使用すると、リチウムイオン電池全体が破壊されてしまいます。しかし、日本の東京大学の山田篤夫氏のチーム [3] は、リチウムイオン電池の性能に影響を与えない難燃性電解質を開発しました。この電解液では、高濃度のNaN(SO2F)2(NaFSA)またはLiN(SO2F)2(LiFSA)をリチウム塩として使用し、一般的な難燃剤であるリン酸トリメチルTMPを電解液に添加することで、熱安定性が大幅に向上しました。リチウムイオン電池のこと。さらに、難燃剤の添加はリチウムイオン電池のサイクル性能に影響を与えませんでした。電解液は 1000 サイクル以上使用できます (1200 C/5 サイクル、容量保持率 95%)。
添加剤によるリチウムイオン電池の難燃特性は、リチウムイオン電池の制御不能な発熱を警告する方法の 1 つです。また、底部を取り除くという目的を達成し、制御不能な熱の発生を完全に排除するために、外力によって引き起こされるリチウムイオン電池の短絡の発生を根元から警告しようとする新しい方法を見つける人もいます。使用中のパワーリチウムイオン電池の激しい影響の可能性を考慮して、米国のオークリッジ国立研究所の GabrielM.Veith は、せん断増粘特性を備えた電解質を設計しました [4]。この電解質は非ニュートン流体の特性を利用しています。通常の状態では、電解質は液体です。しかし、突然の衝撃にさらされると固体状態を呈し、非常に強くなり、防弾効果も得られる。動力用リチウムイオン電池が衝突した際のバッテリーショートによる熱暴走の危険性を根本から警告します。
2. 電池の構造
次に、電池セルのレベルから熱暴走にブレーキをかける方法を見てみましょう。現在、リチウムイオン電池の構造設計においては、熱暴走の問題が考慮されている。たとえば、通常、18650 バッテリーの上部カバーには圧力リリーフバルブがあり、熱暴走時にバッテリー内の過剰な圧力を適時に解放できます。第二に、バッテリーカバーには正の温度係数を持つ材料であるPTCが使用されます。熱暴走温度が上昇すると、PTC 材料の抵抗が大幅に増加して電流が減少し、発熱が減少します。さらに、単電池の構造設計では、正極と負極間の短絡防止設計も考慮する必要があり、誤操作、金属残留物およびその他の要因により電池が短絡し、安全事故が発生するため注意してください。
電池の二次設計時には、高温時に自動閉気孔の三層複合膜を採用するなど、より安全な隔膜を使用する必要がありますが、近年、電池のエネルギー密度の向上に伴い、薄膜化の傾向にあります。三層複合ダイヤフラムは徐々に時代遅れになり、ダイヤフラムのセラミックコーティングに置き換えられました。ダイヤフラムサポートの目的にセラミックコーティングを施し、高温でのダイヤフラムの収縮を減らし、リチウムイオン電池の熱安定性を向上させ、故障のリスクを減らします。リチウムイオン電池の熱暴走。
3. バッテリーパックの熱安全設計
リチウムイオン電池は、多くの場合、直列および並列接続された数十、数百、さらには数千個の電池で構成されます。たとえば、Tesla ModelS のバッテリー パックは 7,000 個を超える 18650 バッテリーで構成されています。バッテリーの 1 つが熱制御を失うと、バッテリー パック内に熱が広がり、重大な結果を引き起こす可能性があります。たとえば、2013年1月に米国ボストンで日本企業のボーイング787型機のリチウムイオン電池が火災に見舞われた。国家運輸安全委員会の調査によると、電池パック内の75Ah角形リチウムイオン電池が隣接する電池の熱暴走を引き起こした。事件後、ボーイング社はすべてのバッテリーパックに制御不能な熱拡散を防ぐための新たな対策を講じることを要求した。
リチウムイオン電池内部での熱暴走の拡大を防ぐために、AllcellTechnology は相変化材料をベースとしたリチウムイオン電池用の熱暴走絶縁材料 PCC を開発しました [5]。モノマーリチウムイオン電池の間にPCC材料が充填されており、リチウムイオン電池パックの通常動作の場合、リチウムイオンの熱暴走時に、熱にさらされた電池パックはPCC材料を素早く通過して電池パックの外側に排出されます。バッテリーの場合、PCC 材料は内部のパラフィンワックスが溶けることにより多くの熱を吸収し、バッテリー温度のさらなる上昇を防ぎ、バッテリーパック内部の拡散で制御不能な熱を警告します。ピンプリック テストでは、PCC 材料を使用せずに 4 列と 10 列の 18650 バッテリー パックで構成されるバッテリー パック内の 1 つのバッテリーの熱暴走が、最終的にバッテリー パック内の 20 個のバッテリーの熱暴走を引き起こし、一方、1 つのバッテリーの熱暴走が発生しました。 PCC素材を使用したバッテリーパックのバッテリーは、他のバッテリーパックの熱暴走を引き起こしませんでした。
投稿日時: 2022 年 2 月 25 日