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ふさこあきくぼ
4 years ago
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1 リチウムイオンバッテリーについて

2 電池の種類一般社団法人電池工業会

3 電池の特徴比較比較項目鉛蓄電池ニッカド電池ニッケル水素電池リチウムイオン電池サイズ重量メモリー効果大電流放電 * コスト環境性 : 特に優れる : 優れる : 平均的 : 劣る : 特に劣る * 一時的に 6C が取り出せるが継続的に流すと寿命が極端に短くなる通常 0.2~0.5C C レート的にはリチウムの方が大きい

4 電池のエネルギー比較電池の種類公称電圧体積エネルギー密度重量エネルギー密度リチウムイオン 3.7V 520Wh/L 201Wh/kg 鉛蓄電池 12V(2V x 6) 82Wh/L 40Wh/kg ニッカド 1.2V 172Wh/L 55Wh/kg ニッケル水素 1.2V 390Wh/L 100Wh/kg アルカリ乾電池 1.5V 142Wh/L 47Wh/kg

5 リチウムイオンバッテリーの特徴最も小さく最も軽い二次電池電圧は乾電池 NiCd NiMH の単セル 1.2V に対してほぼ 3 倍の 3.7V メモリー効果がなく継ぎ足し充電が可能 ( 鉛バッテリーも同様 ) 充放電効率が高いため環境に良い ( 鉛バッテリー :50%~90% リチウムイオンバッテリー :80%~95%) 複数セル BMS 電解液に溶剤

6 リチウムイオンバッテリーの用途身近なさまざまなものに展開

7 リチウムイオンバッテリーの種類セルの形状による分類角型 ( 鉄缶アルミ缶 ) 円筒型ノートパソコン電動工具アシスト自転車ラジコン機器携帯電話携帯テレビ携帯ゲーム機ポータブル非常電源ラミネート型金属缶の代わりにアルミラミネートフィルムサイズ容量は多種多様アシスト自転車放送用撮影機器ロボットポータブル非常電源日産 EV 車

8 リチウムイオンバッテリーの種類正負極材料による分類セルの + 極 - 極材料によっても分類される Ex. コバルト系ニッケル系マンガン系三元系 ( コバルトニッケルマンガン ) リン酸鉄系チタン酸系

9 リチウムイオンバッテリーの構成リチウムイオン電池の特徴として複数セルの場合電池内に BMS 回路が搭載されているものが多いセル +BMS 各セルは BMS を介してつながっており制御されている

10 リチウムイオンバッテリーの構成 Ex. 鉛バッテリーの場合各セルを直列につないであるだけセル鉛バッテリーの場合は BMS はない

11 リチウムイオンバッテリーの構成リチウムイオン電池の特徴として複数セルの場合電池内に BMS 回路が搭載されているものが多いセル +BMS 各セルは BMS を介してつながっており制御されている

12 リチウムイオンバッテリーの構成ラミネート型セル +BMS 各セルは BMS を介してつながっており制御されている BMS セルバッテリーの構成単位の一つで単電池とも呼ばれる一定の出力電圧容量を得られるように複数のセルを接続してパッケージングしたものが一般にバッテリーと呼ばれる

13 リチウムイオンバッテリーの構成円筒型も同様に組電池になると BMS で制御

14 BMS の働き BMS : Battery Management System BMS 回路ソフトウェア = + Ex. パソコン本体 + ソフトバッテリーを高度に管理保護機能バランシング機能

15 BMS の働き保護機能過充電時の充電の停止各セル電圧を監視 1 本のセルでも過充電であれば停止過放電時の放電の停止各セル電圧を監視 1 本のセルでも過放電であれば停止外部短絡等の大電流放電の停止外部短絡等により大電流が流れ続けることを阻止温度保護による充放電の停止バッテリー内温度を監視し適正範囲を超えると停止低電圧時の動作停止充放電にかかわらず電圧を監視適正外で停止

16 BMS の働き保護機能停止後停止後非復帰自動復帰原因除去検知復帰復帰信号検知復帰

17 BMS の働きバランシング機能電池内部放電 ( 自己放電 ) ゼロにすることはできない速度はセルごとに異なるセル毎の電圧のバラツキ過放電過充電の原因修正を行う完全には困難劣化したセルはさらに困難

18 9A リチウムイオンバッテリーの特性セルバランスの崩れリチウムイオンバッテリーは安全の為過充電や過放電にならないように容量ギリギリまで使用しないよう設定されているセル上限下限充電後放電後

19 9A リチウムイオンバッテリーの特性バッテリーパックの中にセルが 2 本使われている場合セルの性能が全く同じなら放電する速度も同じセル 2 本の場合

20 9A リチウムイオンバッテリーの特性リチウムイオンバッテリーは 2 本のセルのどちらか一つでも下限値もしくは上限値に達したら放電もしくは充電を停止するよって B のセルの放電速度が若干速いとした場合 A は少し電力を残した状態で止まる A B A B A B ここから充電すると A は少し電気が残っているので B より先に満充電となり全体の充電が止まるこれで見かけの容量が少し減ってしまうことになる

21 6A 9A リチウムイオンバッテリーの特性充放電を繰り返すと A と B の差はどんどん開いてしまい見かけの容量はどんどん下がってしまう

22 リチウムイオンバッテリーの特性 TDK HP より

23 9A リチウムイオンバッテリーの特性 BMS のバランシング機能により充電量の少ないセルに多めに充電されバランスの崩れがある程度解消される放電速度の違いで崩れが発生した場合などには有効だがセルの劣化でそのセルの容量そのものが下がってしまっている場合は効果がない

24 リチウムイオンバッテリーの特性サイクル特性電池は充放電を繰り返せば当然劣化通常サイクル数は製品では記載されるケースはまれ使用状況及び保管状態によってサイクル数はかなり影響を受ける 18650に代表される丸型円筒形 300~500サイクル (LS626N,LV9N) 携帯電話用角型 300~400サイクルマンガン系三元系ラミネートタイプ 300~500サイクル (LS626,LV626,LV925,LV14) 燐酸鉄系 1000~2000サイクル東芝 SCiB 3000~6000サイクル ( マイティメイド4000) ( 新品時の容量が70%~80% になった時の充放電回数 ) サイクル性能に及ぼす影響は充電電流が大きい ( 急速充電 LV925 LV14) 放電電流が大きい保管状態が 20 以上で高温多湿連続使用でバッテリー温度が高い深放電 ( 空になるまで使用する ) 上記の場合はサイクル性能に大きく影響がでる場合がある

25 リチウムイオンバッテリーの特性他社サイクル特性例 P 社 HP より抜粋

26 リチウムイオンバッテリーの特性 P 社 HP より抜粋

27 リチウムイオンバッテリーの特性サイクル特性他のバッテリー資料リチウムイオンバッテリーに限らず他のバッテリーでもサイクル寿命を明確にするのは困難 P 社 HP より抜粋ニッケル水素充電池は JIS の規格上は数 100 回から数 1000 回の充放電くり返し寿命をうたっておりますが実際には充電器やご使用の機器が異なる条件下では JIS の試験規格と同じ条件で何 100 回もくり返し使用することはほとんど不可能でありますダメージの二大要素過放電放置 : 使い切った状態で充電せず長期放置すると内部の電極に大きなダメージが加わり短寿命となります高温さらし : 高温状態での大電流使用などでは膨張により内部圧力が上がり液漏れを促進させ短寿命となります

28 リチウムイオンバッテリーの特性リチウムイオンバッテリーの寿命例容量使用回数サイクル試験例 LS626

29 リチウムイオンバッテリーの管理保管高温多湿を避ける劣化を少しでも少なくするには 50% 充電で保管するのがベターだがそのまま放置すると自然放電して使えなくなるリスクを考えると使用後すぐに満充電し保管するのがおすすめ火のそばは絶対さける中身は可燃性なので危険ショートの危険性がある水金属小片のあるところに置かない

30 リチウムイオンバッテリーの安全性代表的な発火のメカニズム 1. ショートが危険リチウムに限らず鉛などの他バッテリー AC コンセントなど全てにおいて電極をショートさせるとバチバチと火花が飛び近くにあるものに引火する危険がある外部ショート

ショートしないよう特殊なフィルムで仕切られているフィルム : セパレータ事故の中で最も多いのは製品自体の不良去年 11 月

31 リチウムイオンバッテリーの安全性 2. 内部でも起こるショート NHK 解説アーカイブス急増! リチウムイオン電池の事故 2017 年 09 月 21 日 ( 木 ) 抜粋プラス極とマイナス極の間は特殊な液体に浸されショートしないよう特殊なフィルムで仕切られているフィルム : セパレータ事故の中で最も多いのは製品自体の不良去年 11 月大阪で女性がベッドでモバイルバッテリーを充電中発火する事故調査の結果製造の過程で電池内部に金属片が混入し電極同士を分けていたフィルムが破れてショートし発火したことがわかった

32 リチウムイオンバッテリーの安全性 3. 内部ショートの主要因機械的な原因電気的な原因セル不良 (1) 機械的な原因強い衝撃や圧迫はさみなどの鋭利なものが刺さったりした場合などに電池構成部材のセパレータが破れ正極と負極がショートしてしまうショート部に非常に大きな電流が流れ大きく発熱する熱により電解液自体の分解反応正極と電解液との反応ショートのスパーク燃焼反応等々様々な発熱反応が次々と起こり最終的に熱暴走発火に至る

33 リチウムイオンバッテリーの安全性 (2) 電気的な原因過充電は過放電よりも危険な状態となる場合が多い 1 2 BMS が故障し各々のセルバランスが崩れた場合や対応していない充電器を使用してしまった場合などに過充電となる場合がある過充電で異常に電圧が上がると電解液が分解され発熱によって電池温度が上昇しセパレータが縮み始める 3 電極の端の方のセパレータが無くなり微小なショートが発生さらに発熱が進みセパレータの縮む速度が上昇し機械的原因の場合と同様に熱暴走発火に至る

34 リチウムイオンバッテリーの安全性 (3) セル不良異物混入製造の過程で電池内部に金属片など異物が混入しセパレータが破れてショートし発火に至る * 異物が充放電を繰り返すうちに成長していく場合もあるもともと強度が十分でない振動や衝撃によってセパレータが破れやすいリチウムイオン電池からの火災にご注意を _ 東京消防庁

35 リチウムイオンバッテリーの安全性 4. 安全性実績のある信頼性の高いメーカー入念なBMS 保護の設定メーカーの信頼性試験による確認社内での数百回の繰返し充放電その他試験

36 リチウムイオンバッテリーの安全性リチウムイオンバッテリーの膨らみ基本的にラミネート型経年劣化の場合経年使用による若干の膨らみは直ちに深刻な危険性はない不具合異常使用の場合一目でわかるくらいの膨らみ急速な膨らみは危険な場合ありメーカーへ連絡

37 トラブルシューティング急に動かなくなったスイッチをゆっくり入れなおす端子のチェックバッテリーを手でさわって熱い場合は温度保護が働いている場合があるので送風で冷やしてみる 6A バッテリー用充電器に挿してみる充電する放置していたら動かなくなった外観に膨れ液漏れなどチェックあれば使用不可端子のチェック充電する 6A バッテリー用充電器に挿してみる

38 トラブルシューティング充電できない充電器のスイッチを入れなおす充電器のLEDが点灯していなければコードヒューズをチェックする外観の膨れ液漏れなどチェックあれば使用不可端子のチェック使用後すぐの場合バッテリーを手でさわって熱い場合は温度保護がはたらいている場合があるので送風で冷やしてみる 6Aバッテリー用充電器に挿してみる

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スライド 1 Li ion バッテリー資料電池の種類電池の特徴比較比較項目鉛蓄電池ニッカド電池ニッケル水素電池リチウムイオン電池サイズ重量メモリー効果大電流放電コスト環境性 : 特に優れる : 優れる : 平均的 : 劣る : 特に劣る電池のエネルギー比較電池の種類サイズ重量容量公称電圧リチウムイオンニッカドニッケル水素鉛蓄電池ニッカドニッケル水素アルカリ乾電池リチウム一次