バッテリー の故障は、最近テクノロジーニュースでよく取り上げられる話題になっています。Samsung Galaxy Note 7はこれまでに2回のリコールを経て生産中止となり、事実上製品全体が廃盤となっている。結局のところ、サムスンが被る損害はブランドへのダメージを考慮に入れずとも50億ドルを超える可能性がある。
人々はおそらくこれらのバッテリーの故障を許すか忘れるでしょうが、電子機器の設計では、これらの不安定な部品をシステムに追加する際には常に警戒を怠らないようにする必要があります。この記事では、バッテリーが故障する理由、故障の仕組み、そしてサムスンのNote 7の問題の根本原因についての推測をいくつか紹介します。
私たちの世界はますますモバイル化しており、 バッテリー はほぼあらゆるものに搭載されています。リチウムイオン電池の驚異的な電力密度により、現代の生活に不可欠と考えられる多くのものが実現可能になりました。さまざまな大学の研究室では、有望な代替品がときどき登場しますが、それらは本当に素晴らしいものですが、まともな量で生産されるまでには至らないものはほとんどなく、リチウムがすぐになくなることはないと思います。また、 リチウムイオン電池 が興味深い故障や大規模なリコールの対象になったのは今回が初めてではありません。HPとSonyは2016年6月にバッテリー パックをリコールしたばかりで、Sonyは2006年に960万個のセルをリコールし、Lenovoは2014年、富士通は2015年にリコールしました。このリストのポイントは、バッテリーには以前にも問題があったが、これらの問題のリスクを負うことは潜在的な問題に見合う価値があるということです。完全な保護機能と製造時の強力な品質管理を備えて適切に設計されている場合、リチウムイオン電池セルの問題は比較的少ないですが、故障した場合は静かな音や激しい衝撃音が発生する可能性があります。
バッテリーが消耗する原因は何ですか?
では、なぜバッテリーは故障するのでしょうか?それは、電流や電圧などの電気的な要素や、温度や物理的衝撃などの外部の影響によってバッテリーセルにかかるストレスに関するものです。製造時にセルに固有の欠陥がある場合、ストレス要因はそれほど大きな問題にはなりませんが、この記事ではその点については考慮しません。
● 過電圧
○ 推奨セル範囲を超える充電電圧はリチウム メッキを引き起こし、容量の低下と過熱の原因となります。
● 低電圧/過放電
○ 推奨セル電圧以下で放電すると、陽極が破壊され、自己放電が増加し、短絡が発生する可能性があります
○ 極度の過放電はセルを完全に破壊し、使用できなくなります
● 低温
○ 出力低下とリチウムメッキによる容量低下
● 高温
○ 熱が十分に速く逃げないと、熱暴走とセルの破壊が発生します
○ セルの表面温度が90°C (194°F) に近づくと、ヒューズが電流を遮断します。（デザインに存在する場合のみ）
● 熱暴走
○ 固体電解質界面層が80℃で破壊°○
炭化水素ガスが110℃で放出 または最低70℃で放出°■°圧力が上昇し、これを逃がさないと急速に分解する
○ セパレーターが135℃で破壊
■°電極間の短絡
○ 電解質が破壊され、カソードから酸素が放出される200
C ■°極端な温度と圧力で非常に発熱する
● 充電または放電中の過電流
○ セル温度の上昇
リチウムイオン電池はなぜ寿命を迎えるのでしょうか?
リチウムイオン電池は不安定なデバイスであり、さまざまな状況で故障する可能性があります。故障の原因に応じて、バッテリーは静かに消耗状態になる場合もあれば、突然燃え尽きる場合もあります。通常、過放電や低温動作によりセルが故障すると、静かになり、充電を受け付けなくなるか、設計されたシステムに必要な容量よりも容量が少なくなります。セルが、短絡などの過電流状況や極端な環境温度によって高温障害の被害を受けた場合、通常はより極端な形で障害が発生します。セルが通気口と適切な温度シャットダウンを備えて設計されている場合、セルは熱くなり通気口を開く可能性が高くなります。
バッテリーが「膨らんだ」状態は、リモート コントロール車両コミュニティではよくあることです。これは、ガスによる内部圧力の上昇によりバッテリーが安全に使用できなくなったことを示す確かな兆候です。反応が通気口の処理能力よりも速い場合、または通気口がない場合、セルは膨張し始め、最終的には爆発します。セルが到達する温度によっては、特にカソードが分解すると200°C以上の温度になるため、一部の部品が発火する可能性があります。この温度をわかりやすく説明すると、紙は233°Cで発火します。
Samsung Galaxy Note 7のバッテリー問題
さて、 バッテリー とその問題点について見てきましたが、Note 7のバッテリーにこのような問題があると考えられるのはなぜでしょうか?いくつかの問題を説明できる2つの要因が明らかになりました。サムスン独自のバッテリーグループが製造した当初のバッテリーセルは大きすぎたため、Note 7のシェルに押し込まなければならなかった。携帯電話内部の回路についてより深い知識を持つサプライヤー数名との会話の中で、携帯電話には過電圧、過電流、過放電に対する保護機能が備わっているが、充電システムに接続されたサーマルヒューズやPTCサーミスタなどの熱保護機能は組み込まれていないと言われました。バッテリーの処理に使用された TI BQ25898 にはバッテリー温度を監視するための入力がありますが、以下に示す Vishayのような サーミスタが接続されていない場合、バッテリーをシャットダウンする原因を判断できません。
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圧縮によってバッテリーが故障するのはなぜですか?圧縮はリチウムイオンパウチセルに2つの方法で影響を及ぼします。プリンストン大学の研究によると、圧縮によりセル電圧が上昇し、さらに重要なことにセパレーターのクリープも減少するという。セル電圧が高くなると回路に負担がかかり、バッテリーの発熱も増加しますが、それが完全な説明ではないと思います。セパレーターはバッテリーの内部短絡を防ぐものであるため、セパレーターのクリープは非常に興味深い情報です。このセパレーターが故障すると、バッテリーは熱暴走状態に陥り、発火または爆発する可能性があります。この考え方は、サムスンが英国のウェブサイトで「調査の結果、バッテリーセルに問題があることが判明しました」と自ら声明を出したことにより、支持を集めています。「アノードとカソードが接触したときにバッテリーセルの過熱が発生しました これは非常にまれな製造工程のエラーです。」私は、セパレーターの問題を裏付ける声明の部分を強調しました。サムスンは、これは製造上のミスの一部だと考えているが、それは事実かもしれない。しかし、私は、大きすぎるセルを小さすぎるスペースに押し込もうとして、あらゆる保護策を講じなかったことによるエンジニアリング上の失敗だと考えている。
これが単なる製造上の失敗ではなく、エンジニアリング上の失敗であると私が考える大きな理由は、熱保護が欠如していることです。適切な保護対策を講じていれば、熱暴走を起こしそうなバッテリーをシャットダウンすることで、事故件数を減らすことができた可能性があります。この保護は、PTCとバイメタル回路ブレーカーを内蔵した、 Littelfuse の MHP-TA シリーズのようなものを組み込むことで実現できたはずです。セパレーターがすでに破損していた場合、熱保護は役に立たなかったでしょうが、多くのバッテリーがその状態に達するのを防げたことを願っています。
というわけで、これで終わりです。リチウムイオン電池は揮発性があります。リチウムベースのセルを扱うときは、安全性と保護のあらゆる側面に最大限の注意を払わなければ、重大な問題が発生するリスクがあります。幸いなことに、Note 7の問題によって人命が失われたり、甚大な物的損害 (車1台が燃えた可能性あり) が発生したりしていないようです。そのため、この事件全体がサムスンにとって悪いように思えるかもしれませんが、事態はもっと悪かった可能性もあります。