保管中のリチウム電池の自己放電を最小限に抑える方法

ロボット工学、医療機器、計測システムなどの産業用途では、リチウム電池の自己放電を最小限に抑え、良好な状態で保管することが極めて重要です。リチウムイオン電池は通常、毎月2～8%の充電量を失い、劣化を早め、交換コストの増加につながる可能性があります。この問題を軽減するために、電池は40～50%の充電量で涼しく乾燥した環境（15～25℃）で保管することをお勧めします。この方法は、運用開始時の即応性を確保するだけでなく、電池の寿命を延ばすことにもつながります。

重要なポイント

• 電力損失を減らして寿命を延ばすには、リチウム電池を 40 ～ 50% 充電した状態に保ちます。

• 損傷を防ぎ安全を保つために、15°C ～ 25°C の涼しく乾燥した場所に保管してください。

• 電池が完全に消耗するのを防ぎ、良好な動作を維持するために、3 ～ 6 か月ごとに充電を確認してください。

パート1：自己放電の理解とリチウム電池パックの保管方法

1.1 リチウム電池の自己放電とは何ですか?

自己放電とは、リチウムイオン電池が使用されていないときに徐々に充電量が減っていく現象を指します。この現象は、電池セル内の化学反応によって発生します。すべての電池は自己放電を起こしますが、リチウムイオン電池は通常、温度、電池の化学的性質、保管条件などの要因に応じて、1ヶ月あたり2～8%の充電量を失います。例えば、エネルギー密度が160～270Wh/kgのNMCリチウム電池は、エネルギー密度が100～180Wh/kgと低いものの、サイクル寿命が優れているLiFePO4リチウム電池と比較して、自己放電率がわずかに高い場合があります。

Journal of Power Sourcesに掲載された研究では、自己放電率に基づいてリチウムイオン電池セルを分類する新しい手法が紹介されています。この研究は、バッテリーの性能を最適化するために自己放電を理解することの重要性を強調しています。

1.2 産業用途において自己放電が重要な理由

ロボット工学、医療機器、計測システムなどの産業用途では、自己放電が運用効率に重大な影響を与える可能性があります。適切な予防措置を講じずにリチウム電池を長期間保管すると、過放電状態（ディープディスチャージ）に陥り、充電量が低下する可能性があります。これは不可逆的な損傷につながり、電池パックの寿命を縮める可能性があります。例えば、信頼性が極めて重要な医療機器では、リチウムイオン電池の保管状態が適切でないと、患者の安全が損なわれ、メンテナンスコストが増加する可能性があります。

これらのリスクを軽減するには、リチウム電池を適切な充電レベル（40～50%）で管理された環境で保管する必要があります。これにより自己放電が最小限に抑えられ、電池をいつでも使用できる状態に保つことができます。さらに、用途に適した電池の化学組成を選択することも重要です。例えば、LiFePO4リチウム電池はサイクル寿命が2000～5000サイクルと長く、産業用途での長期保管に最適です。

パート2：リチウム電池の最適な保管充電レベル

2.1 保管時の推奨充電レベル（40～50%）

リチウムバッテリーを最適な充電レベルである40～50%で保管することは、その性能と寿命を維持するために不可欠です。この範囲にすることで、バッテリーの電極への負担が最小限に抑えられ、化学的劣化のリスクが低減します。チャルマース工科大学の研究によると、保管中に50%の充電レベルを維持することで、リチウムイオン車載バッテリーの寿命が44～130%延長されることが示されています。同様に、専門家は、劣化の加速や深放電による損傷を防ぐために、この充電レベルを推奨しています。

ヒント：保管前に必ずリチウムイオンバッテリーの充電レベルを確認してください。バッテリー管理システム（BMS）を使用して、推奨充電範囲を監視し、維持してください。

リチウム電池を 40 ～ 50% 充電した状態で保管する利点は次のとおりです。

• 電極へのストレスの軽減: 充電レベルが低いと、カソードとアノードへの負担が軽減され、構造的完全性が維持されます。

• 過電圧のリスクを最小限に抑える: 充電を 50% 未満に保つことで、熱暴走につながる過電圧を防止します。

• 強化された保管寿命: このレベルで保管されたバッテリーは容量の低下が遅くなり、より長期間動作し続けることができます。

2.2 保管中の過充電と過放電のリスク

過充電や深放電といった不適切な保管方法は、リチウム電池の性能と安全性に深刻な影響を与える可能性があります。過充電は、電池の電圧が最大閾値を超えたときに発生し、過度の発熱と熱暴走につながる可能性があります。一方、深放電は、電池の充電量が安全下限値を下回ったときに発生し、電極に不可逆的な損傷を与えます。

過剰請求に関連するリスクは次のとおりです。

• 熱暴走: 過度の熱により連鎖反応が引き起こされ、壊滅的な故障につながる可能性があります。

• 電解液の分解：過充電により電解液の分解が促進され、バッテリーの容量が減少します。

• 寿命の短縮: 過充電を長時間続けると内部抵抗が増加し、劣化が早まります。

深放電は同様に重大なリスクをもたらします。

• 電極の劣化: 充電レベルが低いと電極に構造的な負担がかかり、電極の有効性が低下します。

• 容量の減衰の増加: 深放電サイクルにさらされたバッテリーは、容量がより急速に失われます。

• システム障害: 深放電により、バッテリー管理システム (BMS) とインバータがシャットダウンし、動作が中断される可能性があります。

次の表は、深放電の影響に関するさまざまな研究の結果をまとめたものです。

これらのリスクを回避するには、リチウム電池を推奨充電レベル（40～50%）で保管し、信頼性の高いBMSを使用して状態を監視する必要があります。これにより、医療機器、ロボット工学、計測システムなどの重要なアプリケーションで電池を安全に使用できるようになります。

パート3：リチウム電池を保管するための理想的な条件

3.1 保管時の温度ガイドライン

リチウムイオン電池の性能と寿命を維持するには、温度が非常に重要です。不適切な温度条件では、容量の低下、安全上のリスク、寿命の短縮につながる可能性があります。最適な保管のためには、以下のガイドラインを遵守してください。

• 極寒を避ける：バッテリーを凍結状態で保管すると、リチウムメッキが発生し、永久的な容量低下につながる可能性があります。これは、信頼性が最優先されるロボット工学や医療機器などの用途では特に重要です。

• 高温を避ける：高温は一時的にパフォーマンスを向上させる可能性がありますが、劣化を早め、熱暴走のリスクを高めます。例えば、許容範囲を1℃超えるごとに、バッテリー寿命は約2ヶ月短くなります。

• 最適な温度範囲を維持：リチウムイオンバッテリーの理想的な保管温度は15℃～25℃です。この温度範囲であれば、バッテリー内部の部品を劣化させる化学反応を最小限に抑えることができます。

ヒント：温度管理された保管施設を利用して、状態を効果的に監視・調整してください。適切なバッテリー管理についてスタッフをトレーニングすることで、安全性とパフォーマンスをさらに向上させることができます。

3.2 湿度と環境要因

湿度は、保管中のリチウムイオン電池の状態に影響を与えるもう一つの重要な要素です。過剰な水分は有害な化学反応を引き起こし、容量低下や安全上の危険につながる可能性があります。湿度がバッテリーの性能に及ぼす影響と、これらのリスクを軽減する方法を以下に示します。

• 水分誘起反応：湿気は電解液と反応し、フッ化水素酸（HF）を生成する可能性があります。これにより固体電解質界面層（SEI層）が損傷し、電解液の分解とリチウムの活性消費につながります。

• 安定した状態: 湿度レベルの低い管理された環境を維持することで、これらの反応を防ぎ、自己放電率を最小限に抑えます。

• 包括的なモニタリング：湿度は、バッテリーの充電状態（SOC）予測に影響を与える8つの要因の1つです。その他の要因には、パックセル温度、周囲温度、パック電圧などがあります。

注：保管エリアでは除湿器を使用し、適切な換気を確保して乾燥した環境を維持してください。これは、計測機器など、精度と信頼性が不可欠な産業用途では特に重要です。

3.3 保管場所の選択に関するベストプラクティス

リチウムイオン電池の安全な保管と長寿命を確保するには、適切な保管場所の選択が不可欠です。保管条件を最適化するために、以下のベストプラクティスに従ってください。

電池の点検：保管前に、物理的な損傷や欠陥がないか確認してください。損傷した電池は安全上のリスクをもたらす可能性があるため、慎重に取り扱う必要があります。

バッテリーを部分的に充電する：保管する前に、バッテリーを40～50%の容量まで充電してください。これにより、電極への負担が最小限に抑えられ、過放電のリスクが軽減されます。

涼しく乾燥した場所に保管してください。湿度の高い場所や極端な温度の場所は避けてください。理想的な保管温度は15℃～25℃です。

適切な換気を確保する: 良好な空気の流れは熱の蓄積を防ぎ、湿度レベルを制御します。

直射日光を避ける: 日光にさらすと過熱し、バッテリーの内部コンポーネントが劣化する可能性があります。

注意：リチウム電池は必ずラックに保管し、空気の循環を確保してください。これにより熱の蓄積を防ぎ、安定した性能を維持できます。エネルギー貯蔵システムなどの産業用途では、これらの方法を遵守することで、電池の寿命と信頼性を大幅に向上させることができます。

パート4：保管中のリチウム電池パックのメンテナンス方法

4.1 定期的な充電レベルのチェックと再充電

保管中のリチウムイオンバッテリーの充電レベルを定期的にチェックすることは、バッテリーの健全性と性能を維持するために不可欠です。長期間保管されたバッテリーは自己放電を起こす可能性があり、放置すると深放電につながる可能性があります。自己放電を最小限に抑えるには、3～6ヶ月ごとに充電状態（SOC）を点検し、必要に応じて推奨の40～50%レベルまでバッテリーを再充電してください。この方法により過放電を防ぎ、医療機器やロボット工学などの重要な用途においてバッテリーの動作を維持できます。

改良ランダムフォレスト（IRF）などの機械学習アルゴリズムを活用した予知保全フレームワークは、このプロセスを強化することができます。これらのフレームワークは、リアルタイム診断とSOC推定を提供し、プロアクティブな介入を可能にします。こうしたテクノロジーを活用することで、リチウムイオン電池の寿命を延ばし、メンテナンスコストを削減できます。

4.2 長期保管時のサイクリング推奨事項

リチウムイオン電池を長期保管する場合、定期的なサイクリングは容量維持と劣化防止に役立ちます。サイクリングとは、制御された範囲内で電池を放電および再充電することです。Al2O3コーティングされたNCM正極に関する研究では、定期的なサイクリングが表面劣化やひび割れを防ぎ、安定性を向上させることが実証されています。このアプローチは、エネルギー密度が160～270Wh/kg、サイクル寿命が1000～2000サイクルのNMCリチウム電池に特に効果的です。

サイクリングを効果的に導入するには:

• 6 か月ごとにバッテリーを 30 ～ 40% まで放電し、50 ～ 60% まで再充電します。

• バッテリー管理システム (BMS) を使用して、サイクリング プロセスを監視および制御します。

• 完全放電や過充電は容量の減少を早める可能性があるため、避けてください。

4.3 メンテナンス中の安全な取り扱いと検査

リチウムイオン電池の損傷を防ぎ、長寿命を確保するには、安全な取り扱いと定期的な点検が不可欠です。メンテナンスを行う前に、電池に物理的な損傷、腐食、膨張がないか点検してください。損傷した電池は安全上のリスクを伴うため、慎重に取り扱う必要があります。メンテナンス中は、以下のベストプラクティスに従ってください。

事故報告書では、安全な取り扱い手順の重要性が強調されています。例えば、ワシントン大学のガイドラインでは、火災や怪我を防ぐため、適切な保管と取り扱いの重要性が強調されています。これらの手順を遵守することで、バッテリーパックの安全性と信頼性を確保できます。

リチウムイオン電池の性能を維持し、寿命を延ばすには、適切な保管とメンテナンスが不可欠です。重要な対策としては、40～50%の充電状態で保管すること、最適な温度と湿度を維持すること、定期的な点検を行うことなどが挙げられます。研究によると、室温で3年間保管したリチウムイオン電池は容量の低下が最小限に抑えられており、これらの対策の有効性が示されています。

これらの対策を講じることで、運用準備が確実に整うだけでなく、早期のバッテリー交換に伴うコストも削減されます。例えば、運用状況を綿密に管理することで、特に公益事業規模のエネルギー貯蔵システムにおいて、交換費用を最小限に抑えることができます。企業は、これらの実証済みのリチウムバッテリー保管戦略を実施することで、長期的なコスト削減と信頼性を実現できます。

よくある質問

1. 保管中のリチウム電池の充電レベルはどのくらいの頻度で確認する必要がありますか?

3～6ヶ月ごとに充電レベルを点検してください。これにより、過放電を防ぎ、バッテリーの動作状態を維持できます。

ヒント: 保管中のリチウム電池の充電レベルに関する専門家のガイダンスについては、 Large Power をご覧ください。

2. 保管中に極端な温度によりリチウム電池が損傷する可能性はありますか?

はい、極端な温度はリチウムバッテリーに悪影響を与える可能性があります。高温は劣化を加速させ、凍結状態はリチウムメッキを引き起こし、永久的な容量低下につながります。

3. バッテリーを 40 ～ 50% 充電した状態で保管することが重要なのはなぜですか?

バッテリーを 40 ～ 50% 充電した状態で保管すると、電極へのストレスが最小限に抑えられ、化学的劣化が減り、寿命が延びて、いつでも使用できる状態を保つことができます。