Thermal Runaway Mechanism and High Safety Technology of Lithium Ion Battery

Abstract

1 ．はじめに 我々の生活の必需品となった二次電池は，電子機器から電 気自動車や電力貯蔵等の大型用途へと拡大している。なかで もリチウムイオン電池は，2018 年における世界の電池生産 量が約 100 GWh で，販売金額が約 2 兆 6,000 億円と見込ま れている。2020 年頃には約 140 GWh となり，約 3 兆 6,000 億円の巨大な基幹産業に成長することが期待されている。こ の背景には，自動車を取り巻く世界情勢が各国の厳しい環境 規制に対応するために，これまでガソリン自動車を中心とす る市場からクリーン自動車に移行をせざるを得なくなってき たことが挙げられる。 2018 年 （3 月期） のトヨタ自動車，日産自動車，本田技研工 業，マツダ，スバル，スズキ，三菱自動車の 7 社の研究開発 投資金額は，約 2 兆 8,000 億円で，電気自動車 （EV） やプラ グインハイブリッド自動車 （PHV） ，燃料電池自動車 （FCV） な どのクリーン自動車の開発が大きく進展している。自動車の 駆動システムは， 「ガソリンエンジン」から「モーター＋電池」 へと確実にシフトしつつある。 しかし，電池は電気容量が大きくなるほど，熱暴走を起こ すリスクが高まり，また使用する電流値が大きくなるほど発 熱する傾向にある。特に自動車用の電池では，電池の安全性 確保の未熟さがクリーン自動車の本格的な普及を遅らせるこ とに繋がる。このため，電池の高性能化と低コスト化だけで なく，安全性や信頼性を確保しようとする意識が，日本や韓 国，中国，台湾といったアジア圏だけでなく，米国や欧州で も加わって高まっている。 筆者らは，従来の電極材料と比べて，数倍の高容量化が可 能なシリコン （Si） 系材料や硫黄系材料などに着目して，電池 の高性能化と安全性の両立を図るために，研究開発を進めて きた。本稿では，リチウムイオン電池の基本構成と熱暴走メ カニズムについて紹介するとともに，Si 系負極や硫黄系正極， 耐熱性セパレータなどを組み合わせて電池を作製することで，-20～80 ℃の幅広い温度範囲で充放電することができ，か つ釘刺し安全性試験や過充電試験にも耐えうる安全性を確保 した新しいリチウムイオン電池を開発したので紹介する 。 2 ．リチウムイオン電池の基本構成と熱暴走リスクの 低減 リチウムイオン電池が商品化される前までは，携帯電話な どの小型民生機器用電源として，ニッケル・水素 （Ni-MH） 電 池やニッケル・カドミウム （Ni-Cd） 電池が広く用いられていた。 しかし，携帯電話に内蔵される RF（Radio Frequency） 回路や CPU（Central Processing Unit） などの電気回路を安定に動作さ せるには，3.2 V 以上の電圧が求められた。このため，起電 力が 1.2 V 系の Ni-MH 電池や Ni-Cd 電池では直列接続や昇圧 回路などが必要であった。 1992 年頃，我が国から単電池で 3.6 V 以上の起電力を有す るリチウムイオン電池が商品化され，携帯電話の世界的な普 及を牽引するとともに，その主流の電源となった。この電池 は，層状酸化物系正極とグラファイト系負極，ポリオレフィ ン系微多孔膜セパレータ，エチレンカーボネート （EC） 系電 解液， 安全回路などから構成され， 今日までの基本構成となっ ている。 電池の充電時には正極から電気伝導を担うリチウムイオン （キャリア） を放出して負極に挿入され，放電時には負極から リチウムイオンを放出して正極に挿入される （インターカ レーション反応） 。ただ，過充電されると負極上にリチウム デンドライトが析出するため，厳密な充電制御が求められる。 グラファイト系負極は，グラファイト粉末を樹脂系バイン リチウムイオン電池の熱暴走メカニズムと高安全性技術 向井 孝志 a, c ，境 哲男 b, c ，柳田 昌宏 c a ATTACCATO