リチウムイオン電池関連製品の製造と安全性製品安全センター技術業務課神山敦

発表内容 1 リチウムイオン電池 (LIB) 普及の歴史 2 LIBを用いた製品の構成例 3 LIBの構造電極セパレーター 4 LIBの製造工程と各工程における安全性に関わる不具合要素 5 LIB 搭載製品設計 / 取り扱い上の注意点 6 LIBの不安全時の挙動 7 LIBと製品とのマッチング 8 LIB 搭載製品を扱う皆様へ 2

発表内容 1 リチウムイオン電池 (LIB) 普及の歴史 2 LIBを用いた製品の構成例 3 LIBの構造電極セパレーター 4 LIBの製造工程と各工程における安全性に関わる不具合要素 5 LIB 搭載製品設計 / 取り扱い上の注意点 6 LIBの不安全時の挙動 7 LIBと製品とのマッチング 8 LIB 搭載製品を扱う皆様へ

リチウムイオン電池 (LIB) 普及の歴史二次電池電気エネルギーを貯めて使いたいときに使うことができる電子部品 1990 2000 2010 携帯電話ノートパソコン携帯音楽プレーヤースマートフォンタブレット PC モバイルバッテリー xev アプリケーション使用時間使用時の電流モバイル製品長時間小電動工具短時間大電動自動車短時間大長時間小電力貯蔵短時間大長時間小ビデオカメラ電動工具電動アシスト自転車蓄電システム 3

LIB を用いた製品の構成リチウムイオン電池セル配線基板外郭負荷 ( 端子から先 ) LIB セルニッケルタブリード配線類製品外郭回路基板入出力端子例 : モバイルバッテリー 4

セパレータ - 正極負極リチウムイオン電池セル円筒形金属缶 LIB の構造 ( 概略 ) 引用 : 一般社団法人電池工業会 (BAJ) 負極正極正極集電体アルミ箔正極合剤負極集電体銅箔負極合剤セパレーター正極合剤負極合剤 5

LIB の電極溶媒 ( 糊接着剤 ) 正極 (+ 電極,+ 極 ) 炭素粉末黒鉛 ( グラファイト ) 難黒鉛化炭素 ( ハードカーボン ) シリコン錫チタン酸リチウム等溶媒 ( 糊接着剤 ) 負極 (- 電極,- 極 ) 6

セパレーター材料と構造セパレーターポリエチレンポリプロピレン等のフィルム製造方法に工夫セパレーターの走査型電子顕微鏡 (SEM) 観察像微多孔が形成されていてそこをリチウムイオンが行き来するフィルムの融点に達すると孔が閉じてイオンの行き来ができなくなるシャットダウン機能さらに温度が上昇するとフィルムが溶融して正負極がショートメルトダウン諸特性の向上を目的として無機物 ( アルミナ等 ) がコーティングされているものも 7

LIB の製造工程 ( 円筒形の例 ) + 電極正極セパレーター ( ポリエチレンポリプロピレン等 ) 電極体 - 電極負極電解液 ( 有機溶媒 ) 露点管理されたドライルームで製造水分が苦手ケース ( 缶 ) ケースへ電極体挿入絶縁板挿入溝入れガスケット挿入封口体溶接電解液注液封止参考 : リチウムイオン電池ー材料と応用 - 第二版芳尾真幸 / 小沢昭弥, 日刊工業出版社,P175 8

LIBの電極製造工程溶媒溶媒を蒸発させるリールに巻き取り次の工程へ引用リチウムイオン電池ー材料と応用第二版芳尾真幸小沢昭弥日刊工業出版社 P173 9

LIB 電極体の巻き取り電極体 ( 積層タイプ ) + 電極正極セパレーター電極体 - 電極負極摺動磨耗粉静電気による異物の吸い寄せ電極体巻き取り装置イメージ引用 :http://www.ckd.co.jp/company/giho/pdf/vol03/ckdgh_vol3_05.pdf 10

LIB 電極体の巻きずれ長さ方向位置関係幅方向位置関係 11

LIB 電極体の巻きずれ事例 12

LIB 電極体の巻きずれ事例正極が負極からはみ出していない正極が負極からはみ出している 12

電極体を缶に挿入電極体電極体が缶 ( 電池ケース ) に挿入される際電極体の端部が缶のふちに当たるなどして電極が変形するとその部分でセパレーターが損傷して内部短絡に至ることがある電極体の端部が缶のふちに当たる缶 ( ケース ) 缶へ電極体挿入 13

缶への溝入れ缶上部を固定するジグと缶が擦れると摩耗粉が缶内に混入する缶への溝入れ 14

正極リードと封口体の溶接溶接によるスパークが発生すると溶融した金属粒がガスケットに付着し電池の封口体と缶の絶縁性を低下させるガスケット挿入封口体溶接 15

初充電エージング出荷検査電池セル電圧 (V) 4.5 4.0 初充電エージングエージングと検査の目的不具合品を検出排除する負極活物質表面に皮膜 SEI を形成させる 3.5 SEI(Solid-Electrolyte Interface) 3.0 2.5 時間測定項目電圧 LIB の初充電とエージングの電圧変化イメージインピーダンス初充電規格値外れは不具合品として廃棄 16

LIB 搭載製品設計 / 取り扱い上の注意点電子部品タブ溶接配線並列直列接続回路基板乾電池実装運用保管, 輸送電子部品としての対応可能範囲乾電池よりシビア引用 :BAJ 電圧電流温度外力充放電時の上限充電電圧及び放電下限電圧最大充放電電流使用保存時の許容温度範囲電極の変形を伴うような圧迫振動衝撃印加を避ける 17

LIB 不安全時の挙動発煙発火焼損爆発熱暴走モバイルバッテリー ( リチウムイオン電池内蔵 ) 事故時のイメージ https://www.nite.go.jp/jiko/chuikanki/poster/kaden/17072701.html 18

LIB 不安全時の挙動モバイルバッテリー ( リチウムイオン電池内蔵 ) 事故時のイメージ https://www.nite.go.jp/jiko/chuikanki/poster/kaden/17072701.html 18

LIB 熱暴走のイメージ熱暴走 LIB セルにおいて, 発熱が更なる発熱を招くという正のフィードバックによって, 温度の制御ができなくなる現象, またはその状態 LIB セルの温度上昇が止まらない内部物質の熱分解反応が急激に起こっている状態継続的な可燃性ガスを噴出するような弁作動破裂発火熱暴走後の電極 LIB セルの熱暴走イメージ引用元 :JIS C 8715-2 リチウムイオン電池の安全性と要素技術鳶島真一, 科学情報出版株式会社,P38 19

LIB 事故発生時のイメージ LIB が熱暴走にいたるプロセスきっかけ ( トリガー ) 内部短絡外部短絡過充電過放電加熱 ( 基板からの発火による ) 上記複合要因温度上昇放熱圧力解放温度低下蓄熱温度上昇熱暴走 20

LIB の事故を防ぐにはきっかけ ( トリガー ) きっかけ ( トリガー ) 外部短絡外部短絡過充電過放電内部短絡外部加熱外部応力を排除するには対策例保護回路保護素子 ( ヒューズ PTC) 回路に大電流が流れないよう保護機能を設ける過充電保護回路保護機構 ( 電池ブロックごとに必要 ) 過放電保護回路 ( 電池ブロックごとに必要 ) 内部短絡加熱 ( 基板からの発火による ) 外力充放電制御及び保護の機能を有した回路基板を設ける製造工程での異物混入対策検査工程の最適化製造工程における異物混入対策等異物混入した短絡しても熱暴走しにくい安全技術の追加 LIB を検査工程で可能な限り排除する熱影響を受けにくい機器設計製品内外からの熱影響を受けにくい設計を施す火災等のもらい火による焼損を避けることは困難基板外郭の難燃化搭載機器内で圧迫振動落下等の衝撃といった外部応力を受けにくい機器構造設計をする製品内での圧迫振動落下衝撃の影響を受けにくい構造製品への組み込み作業時にかかりうる外力への配慮 21

LIB に対する配慮リチウムイオン電池 (LIB) エネルギー密度高い繰り返しの総充放電容量多い精密繊細な構造電子部品としての取り扱い製品への実装方法安全設計充放電制御外力からの保護 LIB そのもの安全設計技術基準への適合内部短絡対策安全技術製造品質工程での不具合対策検査工程の適正化様々な配慮が必要引用 :BAJ 22

LIBセルと製品とのマッチング電池セルの特性電子部品製品必要な制御保護 LIB 製造事業者電圧電流温度外力電池セル機器製造事業者製品マッチングが必要不十分 OK 最低限の安全性の担保事故に至る可能性電池セルの製造事業者や関係業界 LIB単体他社製バッテリーパック注意喚起購入しない使用しないマッチングを無視した電池セルの使用製造品質が安定していない製品充放電制御保護電圧バランスずれ内部短絡要因同じ型式の1つの製品に複数種の電池セルが使用されている流通及び販売事業者このような電池セル製造事業者や業界の意図を理解する必要がある 23

LIB 関連製品の輸入販売に際して把握しておきたい内容製品が事故を起こした際その製品を製造したときの状況を確認することができるよう製造時の品質管理記録を作成保存しているか電池セルの仕様電池セルと機器の仕様のマッチング製品の充放電制御 ( 機器が電池セルをどのように運用しているか ) 落下に対する注意使用環境 ( 温湿度範囲等 ) に対する注意喚起製造事業者に対する確認内容 < 製造工程の品質管理記録 > 製品および電池セル < 電池セルの仕様書 > 充電上限電圧放電下限電圧充放電時の最大電流使用温度領域 < 製品の仕様書 > 電池セルの仕様書との比較 < 製品の仕様書 > 充電制御 ( 充電電圧 ) 保護充電上限電圧放電制御 ( 放電終止電圧 ) 保護放電下限電圧異常時にどうやって充電及び放電を止めるか機器の取り扱い説明書落下試験後の製品の確認 24

ご清聴ありがとうございました https://www.nite.go.jp/jiko/

リチウムイオン電池関連製品の 製造と安全性 製品安全センター技術業務課神山敦

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