【乾物】リポバッテリー5sの危険性と安全技術

本日、リチウム電池メーカーのCNHLが、lipo battery 5s の危険性とその安全技術について紹介します。この記事では、lipo battery 5sの危険の原因を分析し、lipo battery 5s 製品の安全を確保するための関連技術を提供します。
リチウム電池の安全性については、前回の記事cnhl 6s lipo battery の安全問題と予防策でも紹介しました。ご興味のある方はクリックしてご覧ください。

lipo battery 5s の危険性

その化学的特性とシステム構成から、lipo battery 5s は潜在的に危険な化学電源であると判断されます。
1 高い化学活性
リチウムは周期表の第2周期の主族I元素であり、極めて活性な化学特性を持っています。
2 高いエネルギー密度
リポバッテリー5sの比エネルギーは非常に高く（≥140 Wh/kg）、ニッケルカドミウム、ニッケル水素などの二次電池の数倍に達します。熱暴走反応が発生すると、高熱を放出し、安全でない挙動を引き起こしやすくなります。
3 有機電解質系の使用
有機電解質系の有機溶媒は炭化水素であり、分解電圧が低く酸化されやすく、溶媒は可燃性です。漏れがあれば、リポバッテリー5sが発火し、さらには燃焼や爆発を引き起こす可能性があります。
4 副反応の高い発生確率
通常使用の過程で、リポバッテリー5sは電気エネルギーと化学エネルギーが相互に変換される化学的正反応を行います。しかし、過充電や過放電、または過電流作業などの特定の条件下では、リポバッテリー5s内部で化学的副反応が起こりやすくなります。副反応が激化すると、リポバッテリー5sの性能と寿命に深刻な影響を及ぼし、大量のガスを発生させ、内部圧力が急激に上昇して爆発や発火を引き起こし、安全問題を生じさせる可能性があります。
5 電極材料の構造的不安定性
リポバッテリーの5s過充電反応は正極材料の構造を変化させ、材料に強い酸化作用を持たせ、電解液中の溶媒を強く酸化させます。この効果は不可逆的であり、反応によって発生する熱が蓄積すると熱暴走の危険があります。

リポバッテリー5s製品の安全問題分析

30年の産業発展を経て、リポバッテリー5s製品は安全技術において大きな進歩を遂げ、バッテリー内の副反応の発生を効果的に制御し、バッテリーの安全性を確保しています。しかし、リポバッテリー5sの使用が増加し、エネルギー密度が高まるにつれて、近年では爆発や負傷、製品リコールなどの安全上の問題が頻発しています。リポバッテリー5s製品の安全問題の主な原因は以下の通りと結論づけられます。

1 リポバッテリー5sのバッテリーコア材料の問題

バッテリーに使用される材料には、リポバッテリー5sの正極活物質、負極活物質、セパレーター、電解液、外装などがあります。材料の選択と構成システムの組み合わせがバッテリーの安全性能を決定します。リポバッテリー5sの正負極活物質およびセパレーター材料を選択する際、メーカーは原材料の特性と適合性について一定の評価を行わず、その結果セルの安全性に先天的な欠陥が生じています。

2 リポバッテリー5sの製造プロセスの問題

バッテリーセルの原材料が厳密に検査されず、製造環境が悪いために不純物が混入し、これがバッテリーの容量に大きな悪影響を及ぼすだけでなく、安全性にも大きな影響を与えます。
さらに、リポバッテリー5sの電解液に水分が多く混入すると副反応が起こり、バッテリー内部の圧力が上昇し、安全性に影響を与える可能性があります。
製造技術レベルの制約により、リポバッテリー5sセルの製造過程で製品の良好な一貫性が達成できず、例えば電極基板の平坦性が悪い、電極活物質の剥離、活物質中の他の不純物の混入、タブの溶接の堅牢性不足、溶接温度の不安定、極片の縁のバリ、重要部分に絶縁テープがないことなどがリポバッテリー5sセルの安全性に悪影響を及ぼす可能性があります。

3 リポバッテリー5sのバッテリーセル設計欠陥、安全性能の低下

構造設計の面では、安全性に影響を与える多くの重要なポイントがメーカーによって注意されていません。例えば、重要な部分に絶縁テープがない、セパレーター設計に余裕がないまたは不足している、リポバッテリー5sの正極と負極の容量比（11.1vリポバッテリーの容量は？）の設計が不合理、正負の活物質の面積比の設計が不合理、タブの長さの設計が不合理など、これらはリポバッテリー5sの安全性に隠れた危険をもたらす可能性があります。さらに、バッテリーセルの製造過程では、コスト削減と性能向上のために、一部のバッテリーセルメーカーは原材料の節約や圧縮を試みており、例えばセパレーターの面積を減らす、銅箔やアルミ箔を薄くする、圧力解放弁や絶縁テープを使用しないなどがあり、これによりバッテリーの安全性が低下します。

4 リポバッテリー5sのエネルギー密度が高すぎる

現在、市場はより大容量のバッテリー製品を追求しています。製品の競争力を高めるために、メーカーはリポバッテリー5sの体積比エネルギーを継続的に向上させており、これによりバッテリーの危険性が大幅に増加しています。

Lipo battery 5sの安全技術

lipo battery 5sには多くの潜在的な危険がありますが、特定の使用条件下で一定の対策を講じることで、バッテリー内の副反応や激しい反応の発生を効果的に制御し、安全な使用を確保できます。以下はlipo battery 5sで一般的に使用されるいくつかの安全技術の簡単な紹介です。

1 より高い安全係数を持つlipo battery 5sの原材料を使用する:

より高い安全係数を持つlipo battery 5sの正極および負極の活物質、ダイアフラム材料、電解質を使用します。
lipo batteryの正極・負極活物質、ダイアフラム材料、電解質については、以下の記事で詳しく紹介しています。興味のある方はクリックしてご覧ください:
リポバッテリー3sのための4つの重要な材料！
a) lipo battery 5sの正極材料の選択
正極材料の安全性は主に以下の3つの側面に基づいています:
1 材料の熱力学的安定性;
2 材料の化学的安定性;
3 材料の物理的特性。
b) lipo battery 5sのダイアフラム材料の選択

セパレーターの主な機能は、バッテリーの正極と負極を分離し、正極と負極が接触して短絡するのを防ぐことです。同時に、電解質イオンを通す能力、すなわち電子絶縁とイオン伝導性を持っています。lipo battery 5sのダイアフラムを選ぶ際には、以下の点に注意すべきです:
1 電子絶縁があり、正極と負極の機械的な分離を確保します;
2 低抵抗と高いイオン伝導性を確保するために一定の孔径と多孔性を持つ；
3 セパレーター材料は十分な化学的安定性を持ち、電解質腐食に耐える必要があります；
4 セパレーターは自動遮断保護機能を持たなければなりません；
5 セパレーターの熱収縮と変形性はできるだけ小さくすべきです；
6 セパレーターは一定の厚さを持つべきです；
7 セパレーターは強い物理的強度と十分な耐穿刺性を持つべきです。
c) リポバッテリー5s電解質の選択
電解質はリポバッテリー5sの重要な部分であり、バッテリーの正極と負極間で電流を輸送・伝導する役割を果たします。リポバッテリー5sで使用される電解質は、有機非プロトン性混合溶媒に適切なリチウム塩を溶解して形成された電解液であり、一般的に以下の要件を満たすべきです：
1 良好な化学的安定性を持ち、電極活物質、集電体、セパレーターと化学反応しない；
2 良好な電気化学的安定性と広い電気化学ウィンドウ；
3 リチウムイオンの導電率は高く、電子の導電率は低い；
4 広い液体温度範囲；
5 安全で無毒、環境に優しい。

2 lipo battery 5sセルの全体的な安全設計を強化する:

バッテリーセルはバッテリーの様々な物質を結合するリンクであり、リポバッテリー5sの正極、負極、セパレーター、タブ、包装フィルムの統合体です。バッテリーセルの構造設計は各材料の性能に影響を与えるだけでなく、リポバッテリー5sの全体的な電気化学性能と安全性能にも重要な影響を及ぼします。材料の選択とセル構造の設計は部分と全体の関係そのものであり、セル設計では材料特性と組み合わせて合理的な構造モデルを策定すべきです。
さらに、リポバッテリー5sの構造には追加の保護装置も検討できます。一般的な保護機構の設計は以下の通りです：
1 スイッチング素子を使用し、リポバッテリーの温度が5秒以内に上昇すると抵抗が上がり、温度が高すぎる場合は自動的に電源供給を停止します；
2 安全弁（すなわち、リポバッテリー5sの上部のベントホール）を設定します。バッテリー内部の圧力が一定値に達すると、安全弁が自動的に開き、リポバッテリー5sの安全を確保します。
以下はセル構造の安全設計のいくつかの例です：
a) 正負容量比と設計寸法
正極と負極の容量比は、正負材料の特性に応じて適切に選択します。バッテリーの正負容量比はリポバッテリー5sの安全性に関わる重要な要素です。正極容量が大きすぎると負極表面に金属リチウムが発生し、負極容量が大きすぎるとバッテリー容量が大幅に失われます。一般的にはN/P=1.05～1.15とし、実際のバッテリー容量と安全要件に応じて適切に選択します。大きい小さい極片を設計し、負極のペースト（活物質）の位置が正極のペースト位置を覆う（大きい）ようにします。幅は一般的に1～5mm大きく、長さは5～10mm大きくします。
b) セパレーター幅に余裕を持たせる
ダイアフラム幅設計の一般原則は、正極と負極が直接接触して内部短絡を引き起こすのを防ぐことです。lipo battery 5sは充放電過程および熱衝撃環境下で、ダイアフラムの熱収縮により長さと幅方向に変形します。 

ダイアフラムの折りたたまれた部分は、正極と負極間の距離が増加するため分極を増加させます。伸ばされた部分はダイアフラムの薄化により微小短絡の可能性を高めます。ダイアフラムの端部の収縮は、正極と負極の直接接触による内部短絡を引き起こし、熱暴走によってバッテリーが危険になる可能性があります。

したがって、lipo battery 5sを設計する際には、セパレーターの収縮特性を使用領域と幅で考慮し、セパレーターは陽極と陰極よりも大きくなければなりません。工程誤差を考慮し、絶縁膜は極片の外縁より少なくとも0.1mm長くする必要があります。
c) 絶縁処理
リポバッテリー5sの内部短絡は潜在的な安全リスクをもたらす重要な要因です。バッテリーセルの構造設計には内部短絡を引き起こす多くの潜在的に危険な部分があります。したがって、異常状態を防ぐためにこれらの重要な位置に必要な対策や絶縁を施すべきです。例えば、バッテリーで短絡が発生した場合には、リポバッテリー5sの正極と負極の耳の間に必要な距離を保つこと、端部に貼られていない片側の中央に絶縁テープを貼り、露出している部分をすべて覆うこと、正極のアルミ箔と負極の活物質の間に絶縁テープを貼ること、タブのすべての溶接部分を絶縁テープで覆うこと、セルの上部に絶縁テープを使用することなどが挙げられます。

d) 安全弁（圧力解放装置）を設置する
リポバッテリー5sの危険は、内部温度や圧力の過剰上昇による爆発や火災が原因であることが多いです。合理的な圧力解放装置を設置することで、危険が発生した際にバッテリー内部の圧力と熱を迅速に放出し、爆発のリスクを低減できます。合理的な圧力解放装置の要件は、リポバッテリー5sの通常運転時の内部圧力に耐えるだけでなく、内部圧力が危険限界に達した際に自動的に開いて圧力を逃がすことができることです。圧力解放装置の位置は、バッテリーケースの内部圧力上昇による変形の特性を考慮して設計する必要があります。安全弁の設計は、ラメラ、エッジ、シーム、切り欠きなどの方法で実現できます。

3 技術レベルの向上:

lipo battery 5sには多くの潜在的な危険がありますが、特定の使用条件下で一定の対策を講じることで、バッテリー内の副反応や激しい反応の発生を効果的に制御し、安全な使用を確保できます。以下はlipo battery 5sで一般的に使用されるいくつかの安全技術の簡単な紹介です。
1 より高い安全係数を持つlipo battery 5sの原材料を使用する
より高い安全係数を持つlipo battery 5sの正極および負極の活物質、ダイアフラム材料、電解質を使用します。
a) lipo battery 5sの正極材料の選択
正極材料の安全性は主に以下の3つの側面に基づいています:
1 材料の熱力学的安定性;
2 材料の化学的安定性;
3 材料の物理的特性。
b) lipo battery 5sのダイアフラム材料の選択
セパレーターの主な機能は、バッテリーの正極と負極を分離し、正極と負極が接触して短絡するのを防ぐことです。同時に、電解質イオンを通す能力、すなわち電子絶縁とイオン伝導性を持っています。lipo battery 5sのダイアフラムを選ぶ際には、以下の点に注意すべきです:
1 電子絶縁があり、正極と負極の機械的な分離を確保します;
2 低抵抗と高いイオン伝導性を確保するために一定の孔径と多孔性を持つ；
3 セパレーター材料は十分な化学的安定性を持ち、電解質腐食に耐える必要があります；
4 セパレーターは自動遮断保護機能を持たなければなりません；
5 セパレーターの熱収縮と変形性はできるだけ小さくすべきです；
6 セパレーターは一定の厚さを持つべきです；
7 セパレーターは強い物理的強度と十分な耐穿刺性を持つべきです。
c) リポバッテリー5s電解質の選択
電解質はリポバッテリー5sの重要な部分であり、バッテリーの正極と負極間で電流を輸送・伝導する役割を果たします。リポバッテリー5sで使用される電解質は、有機非プロトン性混合溶媒に適切なリチウム塩を溶解して形成された電解液であり、一般的に以下の要件を満たすべきです：
1 良好な化学的安定性を持ち、電極活物質、集電体、セパレーターと化学反応しない；
2 良好な電気化学的安定性と広い電気化学ウィンドウ；
3 リチウムイオンの導電率は高く、電子の導電率は低い；
4 広い液体温度範囲；
5 安全で無毒、環境に優しい。
2 リポバッテリー5sセルの全体的な安全設計を強化する
バッテリーセルはバッテリーの様々な物質を結合するリンクであり、リポバッテリー5sの正極、負極、セパレーター、タブ、包装フィルムの統合体です。バッテリーセルの構造設計は各材料の性能に影響を与えるだけでなく、リポバッテリー5sの全体的な電気化学性能と安全性能にも重要な影響を及ぼします。材料の選択とセル構造の設計は部分と全体の関係そのものであり、セル設計では材料特性と組み合わせて合理的な構造モデルを策定すべきです。

さらに、リポバッテリー5sの構造には追加の保護装置も検討できます。一般的な保護機構の設計は以下の通りです：
1 スイッチング素子を使用し、リポバッテリーの温度が5秒以内に上昇すると抵抗が上がり、温度が高すぎる場合は自動的に電源供給を停止します；
2 安全弁（すなわち、リポバッテリー5sの上部のベントホール）を設定します。バッテリー内部の圧力が一定値に達すると、安全弁が自動的に開き、リポバッテリー5sの安全を確保します。
以下はセル構造の安全設計のいくつかの例です：
a) 正負容量比と設計寸法
正極と負極の容量比は、正負材料の特性に応じて適切に選択します。バッテリーの正負容量比はリポバッテリー5sの安全性に関わる重要な要素です。正極容量が大きすぎると負極表面に金属リチウムが発生し、負極容量が大きすぎるとバッテリー容量が大幅に失われます。一般的にはN/P=1.05～1.15とし、実際のバッテリー容量と安全要件に応じて適切に選択します。大きい小さい極片を設計し、負極のペースト（活物質）の位置が正極のペースト位置を覆う（大きい）ようにします。幅は一般的に1～5mm大きく、長さは5～10mm大きくします。
b) セパレーター幅に余裕を持たせる
セパレーター幅設計の一般原則は、正極と負極が直接接触して内部短絡を引き起こすのを防ぐことです。リポバッテリー5sは充放電の過程や熱衝撃の環境下で、セパレーターの熱収縮により長さ方向および幅方向に変形します。折りたたまれた部分は正負極間の距離が増加するため分極が増加し、伸びた部分はセパレーターが薄くなることで微小短絡の可能性が高まります。セパレーターの端部の収縮は正負極の直接接触による内部短絡を引き起こし、熱暴走による危険をもたらします。したがって、リポバッテリー5sの設計時にはセパレーターの収縮特性を考慮し、使用面積と幅を決定し、セパレーターは正極および負極より大きく、工程誤差を考慮して極片の外縁より少なくとも0.1mm長くする必要があります。
c) 絶縁処理
リポバッテリー5sの内部短絡は潜在的な安全リスクをもたらす重要な要因です。バッテリーセルの構造設計には内部短絡を引き起こす多くの潜在的に危険な部分があります。したがって、異常状態を防ぐためにこれらの重要な位置に必要な対策や絶縁を施すべきです。例えば、バッテリーで短絡が発生した場合には、リポバッテリー5sの正極と負極の耳の間に必要な距離を保つこと、端部に貼られていない片側の中央に絶縁テープを貼り、露出している部分をすべて覆うこと、正極のアルミ箔と負極の活物質の間に絶縁テープを貼ること、タブのすべての溶接部分を絶縁テープで覆うこと、セルの上部に絶縁テープを使用することなどが挙げられます。
d) 安全弁（圧力解放装置）を設置する
リポバッテリー5sの危険は、内部温度や圧力の過剰上昇による爆発や火災が原因であることが多いです。合理的な圧力解放装置を設置することで、危険が発生した際にバッテリー内部の圧力と熱を迅速に放出し、爆発のリスクを低減できます。合理的な圧力解放装置の要件は、リポバッテリー5sの通常運転時の内部圧力に耐えるだけでなく、内部圧力が危険限界に達した際に自動的に開いて圧力を逃がすことができることです。圧力解放装置の位置は、バッテリーケースの内部圧力上昇による変形の特性を考慮して設計する必要があります。安全弁の設計は、ラメラ、エッジ、シーム、切り欠きなどの方法で実現できます。
3 技術レベルの向上
リポバッテリー5sセルの生産工程の標準化と規格化に努めています。混合、コーティング、焼成、圧縮、スリット、巻き取りの各工程で標準化（例えば、セパレーターの幅、電解液注入量など）を策定し、工程方法（例えば、低圧注入法、遠心シェル法など）を改善し、工程管理を徹底して工程品質を確保し、製品間の差異を減らします。安全に影響を与える重要工程（例えば、バリ取り、粉掃き、材料ごとの異なる溶接方法など）には特別な工程を設け、標準化された品質監視を実施し、リポバッテリー5sの不良部品を排除し、不良品（例えば、極板の変形、セパレーターの穴あき、活物質の剥離、電解液漏れなど）を除外します。生産現場は整頓・清掃を保ち、5S管理と6シグマ品質管理を実施して生産中の異物や湿気の混入を防ぎ、リポバッテリー5s生産における予期せぬ事態の安全への影響を最小限に抑えます。
上記は、プロのリチウムバッテリー会社であるCNHLが本日お届けするリポバッテリー5sの安全問題に関する全内容であり、リポバッテリー5sの安全問題の原因を理解し、リチウムバッテリーの安全性を向上させるための対応策を取るのに役立つことを願っています。

リチウムバッテリーに関する詳細情報は以下をご覧ください：
スクエア6s 22.2v リポバッテリーについてどれくらい知っていますか？

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