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リチウムイオン電池の安全性は?製造の流れと安全管理を解説

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リチウムイオン電池の安全性は?製造の流れと安全管理を解説

2019年、リチウムイオン電池の開発に貢献したとしてノーベル化学賞を受賞したリチウムイオン電池の父・吉野彰氏。彼の開発したリチウムイオン電池は世界中のインフラに関わるだけでなく、何十億人の生活を便利にした画期的なアイテムであり、ノーベル化学賞受賞を皮切りに一般の方々にも注目されることとなりました。
 
将来性のあるリチウムイオン電池は、いまやなくてはならないものですが、その一方で安全性を危惧する声が囁かれているのも事実です。リチウムイオン電池の事故はゼロではないため、製造工程における安全性への考慮が求められています。
そこで今回は、リチウムイオン電池の概要や事故の一例、電池作製の流れ、安全管理などについてご紹介します。
 

 

リチウムイオン電池とは?


リチウムイオン電池とは、リチウムイオンが電解液を介して正極(プラス)と負極(マイナス)を行ききすることで充放電を行う電池のことです。一般的に使用される使い切りの電池は放電のみ可能な一次電池ですが、リチウムイオン電池は繰り返し充放電できる二次電池にあたります。
 
軽量・小型化しやすいリチウム電池は、パソコンやスマートフォン、バッテリーなど、身近なものに使われています。また、大容量の電力を蓄えられることから産業用としても活躍しており、工場やロボット、電気自動車の電池など、さまざまなものに利用されているのです。
今後は、太陽光発電や風力発電の蓄電池としても活躍の幅を広げることが期待されています。
 
なお、リチウムイオン電池といっても種類はさまざま。電池の形状や電極に使用する素材などによって性能は異なります。
 

 

リチウムイオン電池は安全なのか?


多くの業界から注目されるリチウムイオン電池ですが、安全性については不安の声も聞かれます。
こちらでは、モバイルバッテリーの発火に着目して、リチウムイオン電池の安全性について解説します。
 
 
 
 
 
 

モバイルバッテリーの発火


モバイルバッテリーの発火による事故がたびたび報告されていますが、発火の原因はバッテリーに内蔵されたリチウムイオン電池です。
 
リチウムイオン電池が劣化すると電解質が酸化し、ガスが発生。これにより、バッテリー内部が膨張してしまいます。膨張するだけでは発火や爆発の危険性は低いですが、落としたりぶつけたりと衝撃が加わることで事故につながってしまうのです。
 
 
また、リチウムイオン電池そのものの品質に問題があるケースもあります。例えば、一般的に多く流通している円形筒状のリチウムイオン電池の場合、電極体の巻きズレが起きていたり、内部のリード線が変形していたりと、ショートを起こすリスクを抱えたものも確認されています。本来であれば検査工程で排除されるべき不良品ですが、検査基準の不充分さなどから見落とされているケースもあるのです。
 
モバイルバッテリーは精密機器ですが、その全てに高品質な部品が使われているとは限りません。安価なモバイルバッテリーの場合、品質が低い部品を使っていたり、給電スピードと温度を調節する安全装置が機能しなかったりするケースもあります。中には、リチウムイオン電池の放電容量の規定を満たしていないものも少なくありません。モバイルバッテリーを製造する側にも責任がありますが、選ぶ消費者側にも注意が必要と言えるでしょう。
 
 
参考:J-STAGE「リチウムイオン電池の信頼性と安全性について

 

リチウムイオン電池作製の流れ


 
こちらでは、リチウムイオン電池作製の流れについて解説します。

正極の作製

正極の作製では、スラリーの合成から電極加工までを行います。
(正極スラリーの混錬→正極スラリーの集電箔への塗工・乾燥→正極の電極加工)
 
まず、正極の構成材料である正極活物質、導電助剤、バインダー、有機溶剤を混ぜ合わせて正極スラリー(粘度のある液体状の溶剤)を作ります。集電箔と呼ばれる基材(正極だとアルミ(Al)が一般的)に正極スラリーを塗工し、乾燥。合剤部分の厚みをプレス機で調整し、電池容器に収まるようにサイズ加工をしたら正極の完成です。
 
なお、正極材の材質として使用されているのは以下の5種類です。
 

コバルト系 コバルト酸リチウム(LiCoO2)
ニッケル系 ニッケル酸リチウム(LiNiO2)
マンガン系 マンガン酸リチウム(LiMn2O4)
リン酸鉄系 リン酸鉄リチウム(LiFePO4)
三元系 (Li(Ni-Mn-Co)O2)
※コバルト酸リチウムの一部をニッケルとマンガンで置換

 

負極の作製

負極の作製では、スラリーの合成から電極加工までを行います。
(負極スラリーの混錬→負極スラリーの集電箔への塗工・乾燥→負極の電極加工)
 
負極の構成材料である負極活物質、バインダー、有機溶剤を混ぜ合わせて負極スラリーを作ります。集電箔(負極だと銅(Cu)が一般的)に負極スラリーを塗工し、乾燥。合剤部分の厚み調整とサイズ加工をしたら負極の完成です。
 
なお、一般的に負極材には炭素系の材料(おもに黒鉛:LiC6)が使用されています。
 

 

エレメント作製

正極と負極が触れないようにセパレータ(ポリオレフィンからできた膜)で絶縁状態にし、エレメントを作製します。
エレメントの方式には巻回式と積層式があり、前者は正極・負極・セパレータを重ねてロール状にしたもの、後者はシート状にカットした正極・負極とロール状のセパレータを組み合わせたものです。
 
巻回式は巻くだけなので作製時間がかかりませんが、形が円筒状に限定されます。組電池にしたときに隙間ができやすいので、エネルギー密度が下がりやすい傾向にあります。
一方、積層式は重ねて作るため作業時間がかかりやすいですが、形が角型なので組電池にしたとき隙間が少なく、エネルギー密度が高くなりやすい傾向にあります。
 

 

電解質の注液

エレメントにリードを取りつけて電池容器内に入れたら、有機溶剤系の電解液を注入します。封止し、一定時間のエイジングと充放電を行うことで電池として使用することが可能になるのです。
電池の材料によっては注液後の充電時に膨らんでしまう恐れがありますが、その際はガス抜きを行い、再度封止・充電を行うこともあります。

 

リチウムイオン電池を作るときの安全管理方法とは?

リチウムイオン電池の製造工程では、どのような点に気をつけるべきなのでしょうか。
こちらでは、リチウムイオン電池の安全管理方法について解説します。
 
 
 
 
 
 
 
 
 

酸素濃度の計測

天然ガスのような可燃性ガスを使用する現場では、ガス漏えいの危険性を考慮しなくてはなりません。工場・現場の作業員の安全確保のためにも、定期的に酸素濃度計などを用いて計測を行い、漏えい箇所の発見・防止につとめることが大切です。
 
酸素濃度計について詳しく知りたい方は、こちらのブログ記事をご参照ください。
工業用酸素計とは。酸素計の種類と特長を解説, MIL21-04

 

金属粒子の混入や電極変形などのリスクを排除する

リチウムイオン電池ならではの高エネルギーの密度化を安全下で行うためには、金属粒子の混入や電極変形などのリスクを排除することが大切です。
しかし、リチウムイオン電池製造では、製造装置の摺動(滑らせながら動かすこと)や電池缶の加工などを行うため、金属粒子の混入や電極変形などのリスクを完全にゼロにすることは難しいと言えます。
そのため、上記の不具合がある電池ができてしまった場合、市場へ流出しないよう予防策を講じることが現実的でしょう。厳しい品質チェックを設けることはもちろん、仮に市場に出てしまったとしても事故が発生しないように、セパレート部分など内部の保護機構の耐性を充分に高めるよう工夫することが重要です。

 

低湿度環境で製造を行う

リチウムイオン電池の製造では、水分の混入は厳禁です。空気中の水分にも注意が必要で、少しの水分が性能低下や劣化をもたらすため、湿度がほぼ0%の低湿度環境(ドライルーム・グローブボックス)にて製造します。
 
ドライルーム内の露点温度が-30℃以下(通常の処理温度は-50℃から-40℃)になるように調節しなくてはならないため、露点計などの計測器を用いてチェックします。
なお、湿度が低いと静電気の発生率が高まるため、静電気対策も合わせて行うことが大切です。
 
 
露点計・水分計について詳しく知りたい方は、こちらのブログ記事がお勧めです。
水分から品質を守る。湿度と露点と水蒸気の基本を解説
露点測定の代表的なトラブル事例, MIL21-03
露点とは。露点計の種類と測定原理を簡単に解説, MIL21-05

 

リチウムイオン電池の安全性を高める努力が重要

リチウムイオン電池は、今後ますます必要性を増すでしょう。安全性の高いリチウムイオン電池の需要は高まることが予想されるため、製造工程における安全管理が必要不可欠です。金属粒子や水分の混入、電極変形などのリスク軽減などを徹底し、事故につながらない安全安心なリチウムイオン電池の製造を目指しましょう。
 
露点計測・酸素濃度計測などでお困りの際は、ミッシェルジャパン株式会社までご相談ください。

 

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