テクノロジーが文字通りスポーツ会場やアスリート自身に組み込まれるようになるにつれ、リチウムイオン電池の安全性と保護に関する懸念が当然生じます。バッテリーの構造は物理的な力によって損傷を受ける可能性があり、リチウムイオンセルが壊滅的に故障して発熱、火災、さらには爆発が発生すると、ユーザーは重傷を負う危険にさらされます。これらの影響を軽減するために、バッテリーメーカーはこれらのデバイスに幅広い保護メカニズムを組み込み続けています。
軽量でエネルギー容量が大きいことから、 リチウムイオン電池 は電気自動車からスポーツやフィットネス活動トラッカーまで、さまざまな用途で中心的な役割を担っています。実際、リチウムイオンセルは、従来のバッテリー技術の性能を上回る高い比エネルギーと電力を供給するように設計できます。
リチウムイオン技術の安全性に関する懸念は、テスラの電気自動車やボーイングの最新の主力航空機である787ドリームライナーにおける注目度の高いリチウムイオン電池の故障によって浮き彫りになった。ドリームライナーの飛行中にバッテリー火災が発生したため、世界中のすべてのドリームライナー機が運航停止となりました。ボーイングにとって、この出来事は787のバッテリー設計の詳細な検討のきっかけとなった。一般大衆にとっては、あらゆる消費者向けアプリケーションにおけるリチウムイオン電池の安全性について、より広範な疑問が生じました。実際、リチウムイオン電池は消費者向けデバイスに広く使用されており、推奨範囲内で動作すれば安全かつ信頼性の高いパフォーマンスを発揮します。ボーイング社の場合、再設計されたリチウムイオン電池システムのおかげで、787は飛行を再開することができました。リチウムイオン電池は、ステンレススチール製の密閉キャビネットに収められ、圧力逃し弁から、航空機自体の加圧された胴体を通るチューブへと通気されていました。
スポーツやフィットネス用のバッテリーには、787の堅牢なバッテリー システム設計のような大胆な対策を講じる必要はありません (もちろん、講じることもできません)。しかし、内部保護メカニズムとパッケージング方法の組み合わせにより、これらのコンポーネントは、最もアクティブなスポーツやフィットネス活動でもデバイスに確実に電力を供給することができます。
リチウムイオンセル構造
リチウムイオン電池は、放電時にはリチウムイオンが負極と正極から非水電解質を通って移動し、充電時にはその逆方向に移動するというシンプルな構造です。たとえば、一般的な18650バッテリーは、正極板、セパレーター層、負極板からなる3層構造として構築されています。この構造は巻かれて、おなじみのバッテリー「ジェリーロール」を形成します。
図2: 典型的な18650円筒形バッテリーは、特徴的な「ゼリーロール」に巻かれ、保護ケースにパッケージ化された3層のLi-ionセル構造で構成されています。
（ソース： パナソニック）
リチウムイオン セルは、単一セル デバイスとして使用する場合でも、複数セルのバッテリー パックとして組み合わせて使用する場合でも、狭い温度領域 (図3) 内で動作します。通常の動作では、バッテリーが人体に密着していてもこの安全動作領域内に留まるため、ユーザーにとって本質的な危険はありません。リチウムイオン電池は、最適温度範囲より数度高い温度でも安全ですが、劣化が加速し、それに伴うエネルギー容量の損失が現れ始めます。
図3: リチウムイオン セルは、周囲温度の狭い範囲内で動作し、マルチセル スタック内の個々のセル間の温度差が最小限である場合に、最適なパフォーマンスを発揮します。（出典：オックスフォード大学、エネルギー・電力グループ）
しかし、継続的な体温、高い周囲温度、太陽熱、換気の悪さ、その他の要因の組み合わせにより、リチウムイオンセルが高温に達すると、深刻な問題が発生します。最適な温度範囲を超えると、化学反応が劇的に加速し、内部の温度と圧力が急激に上昇して熱暴走に陥る可能性があります。
熱暴走の緩和
のプロセス 熱 暴走は、電気的な故障、機械的な乱用、または熱暴走サイクルでさらに進んでいる隣接セルなどの外部熱源の存在により、セル内の温度が上昇することで徐々に始まります。セル内の温度が上昇すると、化学反応によってセルのコンポーネントが発熱分解し、セルの温度がさらに上昇します。最終的には電極が壊れ、可燃性ガスが放出されます。セル内の温度と圧力が高まると、セパレーターが分解してセルが短絡し、さらに多くの熱が放出されます。異なるバッテリーの化学組成とセルの設計により閾値がシフトし、不可逆的な破壊と熱暴走につながりますが、最終的にはセル温度が数百℃まで急上昇する可能性があります (図4)。この時点で、バッテリーは壊滅的な故障を起こし、筐体が破裂し、放出されたガスが周囲の酸素と反応して通常は火災により焼失します。
図4: 研究者は、市販の3種類のリチウムイオン電池 (青、緑、赤) を使用して、電池が予測可能なプロファイルで熱破壊スパイクを示すことを発見しました。ただし、しきい値は電池の種類、外部熱 (1対2)、または単に類似のデバイス間のばらつきによって変化します。（出典：王立化学協会）
リチウムイオン電源は、過電圧や低電圧状態、過剰な充電電流、高温から保護しながら、個々のセルを管理し、マルチセル パック内の充電をバランスさせることができる専用回路を使用して設計されています。統合された電子保護機能に加えて、リチウム電池は、熱暴走につながる要因を軽減するように設計された多数の組み込みの機械的安全装置を備えて製造されています (図5)。バッテリーのコンポーネントは通常、高い内部圧力下では故障するように設計されたガスケットまたは溶接で密封されています。さらなる保護のため、バッテリー キャップには切り込みが入れられていたり、圧力を解放するために開くことを目的とした特別な破裂ディスクが組み込まれていることがよくあります。充電遮断装置 (CID) は、過充電、過放電、過熱、または内部短絡に応じて、セルと外部回路間の接続を物理的に切断します。
図5: 一般的な円筒形の電池キャップには、壊滅的な故障や熱暴走につながる可能性のある状態を防ぐように設計されたいくつかの機械構造が含まれています。
(出典: 米国エネルギー省国立再生可能エネルギー研究所)
市販のリチウムイオン電池におけるより効果的な緩和方法の1つは、電流制限正温度係数 (PTC) 構造を使用することです。PTCデバイスは、バッテリー キャップを内部で鳴らし (図5を参照)、バッテリーが短絡した場合に外部電流を制限します。バッテリーPTCは通常、導電性粒子を含浸させた結晶性ポリエチレンのマトリックスから構築されており、温度の上昇とともに抵抗が急激に増加します。バッテリーがショートすると、電流が急激に増加し、PTCデバイスが自己発熱します。その結果、PTCデバイスの抵抗が急速に増加し、電流の流れが減少します。バッテリーが短絡している間は、PTCデバイスの抵抗は高いままであり、短絡状態が解消されるまで電流が制限されます。バッテリーが安全な動作状態に戻ると、PTCデバイスの抵抗は正常に戻り、バッテリーに保護用のリセット可能なヒューズが提供されます。
物理的保護
長期にわたる動作では、セルの電極が徐々に劣化し、分離して全体的な容量が失われる可能性があります。場合によっては、これらの電極の破損や、電極内の単なる不純物によって、金属リチウムがバッテリーのアノード上で結晶化するデンドライト形成が発生する可能性があります。時間の経過とともに、金属リチウムがデンドライト上に蓄積し続けると、デンドライトはスパイク状に成長する可能性があります。最終的に、樹状突起は十分な長さに達し、電極間のセパレーターを突き破り、セル内で短絡を引き起こします。
図6: デンドライト形成の顕微鏡写真は、これらの金属リチウムスパイクのサイズが急速に増加し、ランダムに成長していることを示しています。これにより、最終的に内部構造が損なわれ、Liイオンセルの短絡が発生する可能性があります。(出典: 米国エネルギー省国立再生可能エネルギー研究所)
デンドライトの形成は長期的な影響となる可能性がありますが、振動や急加速などの外力によって電極が損傷し、デンドライトが形成される可能性が高まります。また、バッテリーの物理的構造の構造的完全性が低下して保護が損なわれる可能性があり、さらには電気接続が切断されてバッテリーが故障する可能性もあります。
リチウムイオン電池に突然の外部機械的外傷が加わると、文字通り電池が熱暴走の危険にさらされる可能性があります。スポーツやフィットネスでは、ラケット、ホッケーのスティック、スパイクなどの器具による穴が外部パッケージを突き破り、セパレーターを破壊して、電極間に導電経路を形成する可能性があります。さらに悪いことに、損傷したバッテリーがすでに化学的に劣化し始めている場合は、穴が開くと非水電解液が漏れ、可燃性ガスが放出される可能性もあります。
同様に、リチウム電池が押しつぶされると、電極が損傷し、最悪の場合、電池の性能が低下する可能性があります。最悪の場合、バッテリー構造が押しつぶされてセパレーターが貫通すると、ショートが発生し、熱暴走の危険があります。
メーカーは、アプリケーションに適したバッテリーエンクロージャを使用してこれらの懸念を予測します。一般的な消費者向けデバイスでは、バッテリー パックは硬い金属またはプラスチックの筐体に密封されている場合があります。また、重量要件が要求され、安全上の考慮により最小限のパッケージが許される場合は、シュリンク ラップで包まれることもあります。
iTECH や Nuvation などのカスタム バッテリー パッケージ メーカーは、特定のリチウムイオン セル設計に合わせて材料と製造方法を組み合わせて、これらのデバイスに適したエンクロージャを作成します。一般的な円筒形のセルは、通常、ステンレススチール製のパッケージに依存しており、ウェアラブルスポーツやフィットネス用途には大きすぎる場合があります。これらの用途では、製造業者は多くの場合、コンパクトな層状構造を使用してセルの形状を薄くし、通常は金属容器にパッケージ化された角柱型セル設計を採用します。超小型設計のポーチセル設計は、電解質と電極が薄い密閉ポーチ内に収められ、接続部が電極に溶接された導電性箔タブとして引き出されたシンプルな構造です。
リチウムイオン技術は、従来のバッテリー技術よりも大幅に高いエネルギー密度を実現します。適切な筐体にパッケージ化され、推奨される動作条件内で使用されるリチウムイオンセルは、スポーツやフィットネス用途の物理的およびエネルギー的需要を満たすことができる効率的なエネルギー源を提供します。