防爆リチウム電池の設計に関する総合ガイド

防爆型リチウム電池は、危険な環境における操業の安全確保において重要な役割を果たしています。石油・ガス、鉱業、製造業といった業界では、厳格な安全基準を満たすために、これらの電池への依存度が高まっています。規制要件の厳格化と技術の進歩により、過熱、ガス漏れ、構造破損などのリスクを防ぐ上で、防爆設計の重要性がさらに高まっています。

重要なポイント

• 防爆型リチウム電池は、石油、ガス、鉱業、製造業など、様々な産業における安全確保に重要な役割を果たします。過熱やガス漏れなどの危険を防ぎます。

• 優れた熱制御システムは非常に重要です。熱を管理し、熱暴走を防ぎます。これにより、バッテリーの寿命が延び、性能が向上します。

• IECExやATEXといった国際的な安全規則に従うことは必須です。これらの認証は、バッテリーが危険な環境でも安全であることを証明します。

パート1：防爆リチウム電池の基本要件

1.1 バッテリーの外装とシール技術

防爆リチウム電池において、バッテリーエンクロージャとシーリング技術は最前線の防御線を形成します。これらのエンクロージャには、高温・高圧などの過酷な条件に耐えられるよう、高強度・難燃性材料が使用されています。精密なシーリング技術により、可燃性物質の侵入やガスの漏洩を防ぎ、爆発のリスクを低減します。

主な特徴として、高圧下で作動する防爆バルブが挙げられます。これらのバルブは、熱的事象発生時に内部圧力を解放し、バッテリーの損傷を防ぎます。このような機構は、軽微な故障でも壊滅的な結果につながる可能性のある危険な環境において、安全性を維持するために不可欠です。

1.2 安全のための熱管理

防爆リチウム電池には、効果的な熱管理と過熱保護が不可欠です。熱事象が発生すると、セル温度は150℃を超える可能性があり、100Ahセル1個あたり最大2Lの高温ガスが放出される可能性があります。高度な冷却システムと放熱技術により、バッテリー事故の一般的な原因である過熱を防止します。温度変動を制御することで、バッテリーの信頼性と寿命を向上させることができます。

1.3 ガス抜きと圧力管理

ガスベントおよび圧力開放システムは、防爆設計において極めて重要な役割を果たします。これらのシステムは、熱暴走時に発生するガスを安全に排出し、圧力上昇を防ぎます。例えば、圧力作動式分割プレートベント機構や個別セル排出通路などの設計は、ガスを分離・再分配することで、他のセルを損傷から保護します。これらのシステムを統合することで、爆発のリスクを最小限に抑え、運用上の安全性を確保します。

1.4 耐久性と安全性を考慮した材料の選択

材料の選択は、防爆リチウム電池の耐久性と安全性に直接影響します。高強度合金や難燃性ポリマーなどの先進材料は、爆発に対する強固なバリアを形成します。これらの材料は熱管理システムを強化し、過熱を防ぎ、構造の完全性を確保します。さらに、防爆回路とバルブは、熱事象発生時の内部圧力を効果的に管理することで、安全性をさらに向上させます。

バッテリーの化学組成と材料選定を優先することで、性能と保護性能のバランスを実現できます。材料科学の継続的な進歩は、より安全で信頼性の高いバッテリー設計に貢献し、危険な環境の要求を満たします。

第2部：防爆リチウム電池の主要技術ソリューション

2.1 本質安全のためのセル選択

リン酸鉄リチウム（LiFePO4） ：

利点：高い熱安定性（分解温度 > 200°C）、熱暴走時の酸素放出が最小限に抑えられ、サイクル寿命が長い。Zone 1/2環境（例：鉱山設備）に最適です。

制限事項: 三元化学物質に比べてエネルギー密度が低い (約 160 Wh/kg)。

チタン酸リチウム（LTO）：

利点：「ゼロストレイン」構造により、サイクリング中の体積変化を防ぎ、機械的堅牢性を高めます。極端な温度（-50℃～65℃）でも安全に動作し、穿刺や過充電にも耐性があるため、Zone 0/1の危険区域（石油精製所など）に適しています。

課題: 高コスト (約 400 ドル/kWh) および低エネルギー密度 (約 80 Wh/kg)。

リチウムポリマー電池セル：

メリット：液体電解質が不要になり、漏洩や熱暴走のリスクを低減します。新しい固体電解質（例：硫化物ベースのLi₁₀GeP₂S₁₂）は5mS/cmを超えるイオン伝導率を実現し、Zone 0用途におけるより安全な高エネルギー設計を可能にします。

2.2 バッテリー管理システム（BMS）の機能

堅牢なバッテリー管理システム（BMS）は、防爆設計に不可欠です。高度なBMS機能には、電圧、電流、温度のリアルタイム監視が含まれます。これらのシステムは異常を早期に検知し、熱暴走につながる可能性のある状態を防止します。過充電および過放電保護機能も搭載することで、BMSはバッテリーの長期的な品質と性能を保証します。

さらに、BMSは国際規格および業界固有の規格への準拠をサポートし、産業機器とのシームレスな統合を促進し、危険な環境下でも信頼性の高い動作を保証します。

2.3 物理的保護と構造設計

鉱業をはじめとする産業向けの防爆リチウム電池には、物理的な保護と構造設計が不可欠です。高強度で難燃性の材料は、外部からの衝撃に対する耐久性の高いバリアを形成します。特殊な技術によりリチウムイオンを分離・保護し、過酷な環境下でも安全性を確保します。コンパクトで軽量な設計により、輸送と設置が簡素化されるだけでなく、高い性能と信頼性も維持されます。

主な利点としては、10年を超える長寿命と、高温環境下でも有害ガスの排出リスクがないことが挙げられます。これらの特性により、防爆型リチウム電池は産業用途に最適です。

2.4 高度な熱管理技術

リチウム電池の爆発を防ぐには、熱管理が不可欠です。高度な技術には、内蔵温度センサーや放熱を制御する冷却機構などが含まれます。サーモグラフィーを用いた研究では、これらのシステムが機械的強度を維持し、応力下での破損を防止する上で有効であることが実証されています。例えば、最大発熱量が低い材料は優れた熱挙動を示し、電池の構造的完全性を確保します。

これらのソリューションを組み込むことで、厳格な安全基準と認証を満たすと同時に、バッテリーの全体的な品質とパフォーマンスを向上させることができます。

パート3：国際安全規格と認証

3.1 主要規格の概要（IECExおよびATEX）

IECExやATEXといった国際安全規格は、防爆リチウム電池を危険な環境下で安全に運用するために不可欠です。これらの規格は、厳格な安全要件を満たす電池の設計、試験、認証のための枠組みを提供します。56か国で採用されているIECExは、世界規格の調和を図り、重複した評価を削減し、市場投入までの時間を40%短縮します。主に欧州で使用されているATEXは、爆発性雰囲気における機器の安全性を重視し、地域の規制への準拠を確保します。

しかし、更新サイクルの相違や規制基準の進化により、課題が生じています。例えば、メーカーの42%は、地域ごとの要件の不一致に対応するために複数の認証を取得しています。こうした複雑さは、コストのかかる再認証やコンプライアンスのギャップを回避するために、バッテリー設計をこれらの基準に適合させることの重要性を浮き彫りにしています。

3.2 防爆リチウム電池のATEX認証

EU市場への参入にはATEX認証が必須です。リチウム電池は以下の要件を満たす必要があります。

EN 60079シリーズ

• EN 60079-0 : IEC 60079-0 に準拠していますが、EU 固有の適応が含まれています。

• EN 60079-11 : 本質的に安全な（「i」）回路に対する厳格なエネルギー制限規則。

• EN 60079-7/18 : バッテリーエンクロージャの安全性の向上またはカプセル化に関する要件。

ATEX指令

• 2014/34/EU (機器指令) : EU 認定機関 ( TÜVなど) による設計、製造、テストを義務付けます。

• 1999/92/EC (職場指令) : バッテリーの配置に関して危険ゾーン (ゾーン 0/1/2) を分類します。

分類とマーキング

• 機器カテゴリ: リチウム電池はグループ II (非鉱業用) に分類され、サブグループは IIA (プロパン)、IIB (エチレン)、または IIC (水素) です。

• 温度クラス (例: T4) : 表面温度が可燃性物質の自然発火閾値未満に保たれることを保証します。

主な特徴: ATEX は EU 市場に対して厳格なコンプライアンスを強制し、詳細なマーキングとより長い認証タイムラインを要求します。

3.3 防爆リチウム電池のIECEx認証

IECEx認証システムは、国際電気標準会議（IEC）規格に基づいており、爆発性雰囲気下におけるリチウム電池の安全要件を規定しています。主な規格は以下のとおりです。

IEC 60079シリーズ

• IEC 60079-0 : 爆発性雰囲気における機器に対する一般要件。すべての防爆装置のテストおよび設計基準を網羅しています。

• IEC 60079-11 : 本質的に安全な（「i」）保護に関する規格。故障状態でも発火を防止するようにリチウム電池回路が設計されていることを保証します。

• IEC 60079-7 (安全性の向上「e」) およびIEC 60079-18 (カプセル化「m」): 内部の短絡や熱暴走を防ぐために、バッテリー エンクロージャの設計に適用されます。

ISO/IEC 80079 シリーズ

• ISO/IEC 80079-34 : 爆発保護基準への準拠を保証するための製造プロセスの品質管理要件。

• ISO 80079-36/37 : 非電気機器の防爆(例:リチウム電池を備えた統合システム)。

その他の関連規格

• IEC 61241 シリーズ: 可燃性粉塵環境に対する要件 (例: 穀物加工施設で使用されるリチウム電池)。

主な特徴: IECEx は世界的な調和を重視し、中国やオーストラリアなどの市場向けの冗長なテストを削減します。

リチウム電池の特別な要件

1. エネルギー制限: 障害(例: 短絡)発生時の発火を防止するための本質的安全性 (「i」) 認証。

2. 熱管理: 可燃性物質の発火点を超えないように表面温度をテストします。

3. 構造保護: 筐体は、内部の故障を防ぐために、耐火性 (「d」) またはカプセル化 (「m」) の規格を満たす必要があります。

防爆型リチウム電池の設計は、危険な環境における安全性確保に不可欠です。国際規格に準拠し、高度な技術ソリューションを導入することで、信頼性とコンプライアンスが向上します。複雑な要件を効果的に満たすために、専門家によるコンサルティングを優先してください。そうすることで、業界の要求に自信を持って応える、より安全で高性能な電池を提供できます。

よくある質問

防爆リチウム電池から最も恩恵を受ける産業はどれですか?

石油・ガス、鉱業、化学製造などの業界が最も恩恵を受けています。これらのバッテリーは、爆発や危険な状況の危険性が高い環境において、安全性と信頼性を確保します。

防爆リチウム電池はどのようにして熱暴走を防ぐのでしょうか?

冷却機構や温度センサーを含む高度な熱管理システムを採用しています。これらの機能により、放熱を制御し過熱を防ぎ、重要なアプリケーションにおける安全な動作を保証します。

防爆リチウム電池は特定の用途に合わせてカスタマイズできますか?

はい、メーカーはこれらのバッテリーをカスタマイズできます。お客様の業界や用途の固有の要件に合わせて、設計、容量、安全機能をカスタマイズすることも可能です。