この記事では、リチウムイオン電池の安全性に関するHoneywellのウェビナー「The Sensor Approach - Ensuring Lithium-ion Battery Safety in the Era of Electrification」の主な要点とよくある質問について説明します。経験豊富なプロフェッショナルの方でも、好奇心旺盛な初心者の方でも、本ウェビナーから多くの貴重な情報を得ることができます。ウェビナー、資料、および関連コンテンツへのリンクは記事の最後にあります。ウェビナーの録画視聴に登録をされたお客様には、PowerPointプレゼンテーションのコピーが提供されます。
すべての資料および抜粋はHoneywell Sensing and Safety Technologiesの提供によるものです。
ウェビナーのご案内
会社名： Honeywell Sensing and Safety Technologies
トレーニング開催日： 3/29/2023
ウェビナー発表者：
Ajibola (AJ) Fowowe、Honeywell Sensing and Safety Technologiesのシニアオファリングマネージャー
- Ajibola (AJ) Fowoweは、Honeywell Sensing and Safety Technologiesのシニアオファリングマネージャーで、電気自動車向けのセンサ開発を主導しています。
Fan Yang博士（Ph.D.）、Honeywell Sensing and Safety Technologiesのシニアアドバンスドシステムエンジニア
- Fan Yang博士は、Honeywell Sensing and Safety Technologiesのシニアアドバンスドシステムエンジニアです。機械電気工学の博士号を持ち、バッテリの安全性に関して豊富な経験を有しています。
主な要点
LFP（リン酸リチウム）の特徴
- コストが低い
- 充電可能回数が多く、熱暴走リスクが低い
- エネルギー密度が低い
- 低温に弱い
NMC（リチウム、ニッケル、マンガン、コバルト）の特徴
- エネルギー密度が高い
- 寒冷地での充電性能が良い
- コストが高い
- 充電可能回数が少なく、熱暴走リスクが高い
このウェビナーの焦点は、電気自動車（EV）や電池電力貯蔵システム（BESS）で一般的に使用されているリチウムイオン電池の熱暴走のピーク検出です。固体電池やフロー電池などの電池技術の進歩により、今や電池は車両総コストの30～50%という大きな割合を占めています。高いコストに対処するため、研究者たちは電池の寿命を延ばし、過熱に関する安全上の懸念を軽減する方法を模索しています。
電子機器、ノートパソコン、携帯電話、EV、再生可能エネルギー貯蔵システム、ポータブル電源など、小型電池で高いエネルギー密度を必要とする用途では、適切な電池タイプを選択する場合、NMC電池がより良い選択肢となる可能性があります。これらの電池の充電可能回数は約2000～2500回です。一方、LFP電池は、通常5000回の充電可能回数であり、劣化までに7～10年間使用することができます。EV、ソーラーシステム、およびキャンピングカーやボートなどのレジャー用乗り物などのように、多い充電可能回数、熱安定性、あるいはより高い品質を必要とする蓄電池用途には、LFP電池はより良い選択です。
また、NMC電池は-20°Cのような低温で容量の70%を放出する傾向があるのに対し、LFP電池は55%しか放出しないことも注目に値します。しかし、NMC電池は電池の化学的性質により火災や爆発を引き起こしやすいため、安全性の観点からはLFP電池の方が優れています。
では、リチウムイオン電池の熱暴走とはどのようなものでしょうか？
熱暴走とは、電池セル内で起こりうる制御不能なプロセスのことで、一連の発熱反応によってセル内の温度と圧力が急激に上昇し、最終的に電池が破壊します。このプロセスは数カ月以内に起こることもあれば、即時に起こることもあり、電池が制御不能な自己発熱状態に陥ります。過充電、高温への暴露、セルへの物理的損傷/穿刺、不純物や製造上の欠陥の存在など、さまざまな要因によって引き起こされる可能性があります。一旦熱暴走が始まると、その制御や停止は困難であり、電池パック内の他のセルにも急速に広がる可能性があります。
Honeywellのウェビナーでは、異常なレベルの粒子状物質を検出する（BASエアロゾルセンサ）と、熱暴走の兆候を示す圧力の変動を観察する（BPS圧力センサ）を採用することで、熱暴走を早期段階で検出するセンサへのアプローチについて説明します。
このプレゼンテーションを受講すると、熱暴走と現在の電池アプリケーションで採用されているさまざまな安全対策について、より明確にご理解いただけると思います。さらに、どのセンサが特定のアプリケーションに適しているかについての知識を得ることができます。
Q&A
電池パックの設計では、BPSとBASセンサを組み合わせて使う必要がありますか？
両方のセンサの組み合わせは、電池パックの設計で効果的です。しかし、BAS1つまたはBPS1つで十分な場合もあります。電池設計チームは、どのセンサのタイプと数量が最も理想的かを決定するために、電池パックの構造を検討する必要があります。
BASおよびBPSセンサは、自動車以外のアプリケーションに使用できますか？
BASとBPSセンサは主に自動車用に設計されましたが、自動車以外の用途にも使用できます。現在、定置型エネルギー貯蔵システムでこれらのセンサを使用しているお客様がおられます。
プレゼンテーションでは、熱暴走の第1段階でガスが放出されることを強調されていました。この場合、どのようなガスセンサが推奨されますか？
ガス発生には2つの原因があります。（1）溶剤（DMC、EMC、DEC、EC など）の気化。溶剤の沸点まで温度が上昇すると、溶剤は気化し、セルから放出されます。（2）セル構成部品の分解によって発生するガス。
このシナリオでは、揮発性有機化合物（VOC）を監視する光イオン化検出器、特殊な吸収スペクトルを持つガスを監視するNDIRセンサ、還元性ガスを検出するMOS型センサなど、さまざまなガスセンサを使用できます。
このウェビナーはもっと小型の電池に関するものだと思っていました。7.2V 3300mAHのようなリチウムイオン電池の充電中の危険な温度はどのくらいですか？
リチウムイオン電池はどれも似たような構造をしています。一般的な電池セルタイプ（NMCとLFP）は、不安定になり、熱暴走する可能性がある温度がそれぞれ異なります。NMCの熱暴走の閾値は210°Cと低く、100°Cで不安定になる可能性があります。LFPの場合、熱暴走の閾値は270°Cと高めであり、170°Cで不安定になる可能性があります。そのため、エンジニアは通常、電池セルの温度がこのような不安定な閾値に達するのを防ぐために、さまざまな冷却手段（液冷または空冷）を使用します。
このような爆発リスクは、充電電流によってわずかながら増加するのでしょうか？
つまり、0.5Cの充電電流と比較して、0.75Cや1Cの充電電流を流すと、温度が上昇し、その結果、爆発リスクが増加するのでしょうか？
熱暴走は主に温度によって引き起こされます。そして、ご指摘の通り、充電電流が大きくなると温度が高くなり、適切に冷却されないと熱暴走につながる可能性があります。現在、電池メーカーは電池パック内部の高効率冷却システム設計に注力しています。
小型電池でも熱暴走は問題になりますか？プログラムメモリの保存に使用される電池などには、2032電池がよく使用されています。問題となる場合、小型電池用に設計された安全センサはありますか？
熱暴走はすべてのリチウムイオン電池に発生し、安全性は常に考慮しなければなりません。2032電池はサイズが小さく、設計が成熟しています。通常、信頼性は高いですが、過度の熱にさらされると、電池が熱暴走を起こします。サイズを考慮すると、また、2032電池のアプリケーションのほとんどは単一セルしか必要としないので、他のセルへの熱伝導はなく、爆発はそれほど壊滅的なものにはならないかもしれません。
BPSの試験情報はどこで入手できますか？
BPSの試験情報は後日発表されます。
電池のリサイクル性に関して、どのように比較できますか?
LFP電池はNMC電池に比べてリサイクルが比較的簡単です。LFP電池は無毒で無害な材料を使用し、正極材料が単純であるため、リサイクルプロセスがより簡単です。
NMC電池の正極材料にはコバルト、ニッケル、およびマンガンが含まれており、これらは回収して再利用できる貴重な金属です。しかし、これらの金属を回収するプロセスはより複雑で、より専門的な装置を必要とします。
規制はLFPのNMCに対する安全上の優位性を認めていますか（つまり、安全要求事項が異なるか、少ないか）？
現時点では、LFPとNMCを特別に考慮した規則はありません。ほとんどの規制では同じ扱いです。
電池や電池パックを出荷する際のリスクを軽減するためにセンサを活用できますか？
電池を使用していない場合、熱暴走のリスクは低くなります。電池または電池パックの輸送中の安全性は興味深いトピックであり、理論的には、このシナリオではBASまたは定置型ガス測定器を使用することができます。
熱暴走時のセンサのデータログはありますか？それを見ることができますか？
BASおよびBPSセンサにはデータログはありません。データはCANBUS経由で電池管理システムに送信されます。
どのようなVOCを想定していますか？現在、TVOC（Total VOC）センサを使用していると思いますが？
この実験では、Honeywellの電池安全エアロゾルセンサを使用しました。Honeywellは、熱暴走検出用のエアロゾルセンサと圧力センサを販売しています。さらに、Honeywellは最近、Nexcerisとライセンス契約を結び、同社のLi-ion Tamer技術にアクセスできるようになりました。今年後半には、初期排出時、つまり水素、一酸化炭素、炭化水素、エステルなどの他の副生成物よりも先に放出されるVOCを測定する、Li-ion tamer技術を採用したセンサも発売予定です。
Chevy Boltでは、電池の問題はどのように検出されますか？
これは良い質問です。お使いのChevy Boltの電池パックに使用されている安全センサを理解するために、車両メーカーにご確認いただくことをお勧めいたします。メーカーには参考としてHoneywellのBASおよびBPSセンサをご紹介ください。
リソースと関連コンテンツ：
ウェビナー：The Sensor Approach — Ensuring Lithium-ion Battery Safety in the Era of Electrification
ウェビナーセンター：無料のライブ、オンデマンドウェビナー
サプライヤセンター：Honeywell Sensing & Productivity Distributor
Honeywellの安全圧力センサ：