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Jul 02, 2023

熱暴走とそれに伴うバッテリー火災は、顧客、バッテリー設計者、電気自動車メーカーにとって重大な懸念事項であることが判明しています。 多くの車両でバッテリー火災が発生し、数十万台がリコールされています。 このような出来事はまれではありますが、非常に深刻な事態になる可能性があるため、これらの車両内および周囲の人々に最大限の安全を提供することが重要です。 よくある質問は、今後の全固体電池技術はより安全になるのか、またこれにより熱管理や防火材料が不要になるのか、というものです。

IDTechEx の新しいレポート「固体電池とポリマー電池 2023 ～ 2033 年: 技術、予測、主要企業」では、全固体電池の技術、主要企業、安全性、採用について考察しています。

一見すると、全固体電池にはさまざまな安全上の利点があります。 可燃性の液体電解質を排除し、不燃性の固体電解質に置き換えることができます。 また、一般に動作温度範囲が広いため、セルの過熱による熱暴走の発生が起こりにくくなる可能性があります。 外部加熱障害によって発生する熱も通常は減少します。

ただし、これですべてがわかるわけではありません。 全固体電池という用語は、実際には多くの電池技術を指します。 場合によっては、バッテリーはイオン交換に液体成分 (半固体) を引き続き使用します。これは、揮発性成分がまだ存在していることを意味します。 一部のポリマー固体電解質は完全には可燃性ではなく、システムが十分に高温になるとどの電解質も溶ける可能性があります。

2022年、パリの公共交通機関は2件のバス火災を受けて電気バス149台を一時撤退させた。 ここで使用される電池は、LFP カソード、Li 金属アノード、および固体ポリマー電解質を備えた電池を使用すると述べられています。 サプライヤーは自社のバッテリーについて「液体成分、ニッケル、コバルトを含まない完全な固体」と説明している。

もう 1 つの例は、2022 年にサンディア国立研究所が実施したシミュレーションベースの調査研究 (Hewson et. al., Joule, Vol.6, Issue 4, 742-755) によるもので、全固体電池、固体電池の安全性を比較したものです。正極に液体電解質を加えた状態の電池と、従来の液体ベースのリチウムイオン電池です。 この研究では、外部加熱による故障の場合、少量の液体電解質を含む全固体電池は、一般的なリチウムイオン電池よりも少ない熱を発生しますが、全固体電池よりは多くの熱を発生することがわかりました。 短絡故障の場合、放出される熱はセルの容量のみに依存します。 全固体電池のエネルギー密度が高い可能性があることを考えると、より多くの熱が発生する可能性があります。 通常のリチウムイオン電池について言われている典型的な熱暴走温度は約 1000 ～ 1200 ℃です。 この研究のいくつかのシナリオでは、全固体電池の温度上昇が 1800℃近くに達しました。

全固体電池の開発はまだ進行中ですが、結論としては、ほとんどの場合、全固体電池の方が安全である可能性があるということです。 それでも、100% 安全なバッテリー システムは存在しません。 したがって、パックの外への火の伝播を遅らせるための最終層を提供するために、熱管理および防火材料が常に必要となります。

ソリッドステートに使用される防火材料の種類は、従来のリチウムイオン電池に使用されるものとほぼ同様であり、セルの形状因子 (円筒形、角形、パウチ)、およびパックの全体的なデザインは、より優れたものになります。素材の選択に影響を与えます。 現在、受動的防火に一般的に使用されている材料は、雲母シート、セラミックブランケット、カプセル化フォーム、および難燃性コーティングなどです。 エアロゲルは市場で注目を集めており、膨張性コーティングや相変化材料などのオプションへの関心が高まっています。

これらの材料の多くは 1500℃ を超える温度に対処するのが困難です。 それでも、最終目標は必ずしも伝播を完全に停止することではなく、できるだけ長く伝播を遅らせることです。 これらの材料は、高温性能に加えて、細胞との適合性、圧縮性能、コストなどの他の機能への対応もますます求められています。 急速に成長する EV 市場は、防火安全性への関心が高まっており、防火材料にさまざまな機会をもたらすでしょうが、全固体電池などの代替電池技術によって防火材料が排除されることはありません。

このレポートは、IDTechEx の主席テクノロジー アナリストである James Edmondson 博士によって執筆されました。