リチウムイオン電池の火災の危険性と関連する研究の進歩

Lithium-ionBatteryは、一種の高性能充電式バッテリーです。リチウムイオン電池は「リチウム電池」とは異なります

（リチウム電池）、後者の陽極材料は二酸化マンガンまたは塩化チオニルであり、陰極は、内部短絡電池を引き起こす充電および放電サイクルの過程で、リザーバーの完成後の充電なしのリチウム電池アセンブリです。リチウム結晶化であり、通常は充電が禁止されているため、略してリチウムイオン電池「リチウム電池」とすべきではありません。

放電にリチウムを使用するという当初のアイデアは、19世紀にアメリカの発明家エジソンがLi + MnO2 = LiMnO2が放電のREDOX反応であると提案したことに端を発しています。しかし、リチウムの化学的性質は非常に活発であるため、処理、保管、要件の使用は非常に高く、長い間使用されていませんでした。 1980年代、ベル研究所は最初の充電式リチウムイオングラファイト電極電池の開発に成功しました。 1991年ソニー株式会社初の商用リチウムイオン電池を発売。リチウムイオン電池技術の急速な発展以来、エネルギー密度が高いため（ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池と同じ容量で50％以上削減できる質量と体積、エネルギー密度は540〜720 kj / Kg）、高い開回路電圧（3.3 V〜4.2 Vのモノマー電圧、ニッケルカドミウムまたはニッケル水素電池の3つのシリーズに相当）、大きな出力（300〜1500 / Kg）、汚染なし（このような有害な重金属を含まない）カドミウム、鉛、水銀）、高サイクル寿命、メモリー効果なし、急速充電、広い動作温度範囲（20〜60℃）などの利点として、家電製品、軍用製品、航空製品などの分野で広く使用されています。 。電気自動車技術の急速な発展に伴い、リチウムイオン電池は電気自動車やハイブリッド電気自動車の重要な動力源になりました。リチウムイオン電池市場は毎年20％拡大すると見込まれています。 2011年に世界のリチウムイオン電池市場は80億米ドルに達し、2020年には180億米ドルに達するでしょう。

2.リチウムイオン電池火災の概要

リチウムイオン電池の普及に伴い、リチウムイオン電池の火災リスクが徐々に浮上しています。国内外で多くの影響力のある火災事故が発生し、関連製品の大規模なリコールが引き起こされています。

2.1リチウムイオン電池の使用と輸送の分野での火災

2006年、アメリカのエクスプレス会社のdc-8貨物機は、ラップトップのバッテリーが発火した後、緊急着陸を余儀なくされました。

2010年、リチウムイオン電池が発火した後、ボーイング747貨物機の1機がドバイで墜落しました。この目的のために、米国連邦航空局（FAA）は、リチウムイオン電池の航空輸送プロセスの安全性に関する警告を繰り返し、国際民間航空業界もリチウムイオン電池の輸送に厳しい制限を課しています。

2.2リチウムイオン電池リサイクル野火

2009年11月7日、カナダのトレイルで開催されたリチウムイオン電池リサイクル倉庫の火災は、この種の火災事故の最大の影響です。ブリティッシュコロンビア州南部のコロンビア川のほとりにある6,500m2の倉庫は、カリフォルニア州アナハイムに本拠を置くTOXCOIncが所有しています。 2009年8月、同社はリチウムイオン電池のリサイクル技術を開発するために、米国エネルギー省から950万ドルの特別助成金を受け取りました。

火災が発生した場合、倉庫には小型携帯電話、ノートパソコンの電池、電気自動車に使用される高出力電池など、大量のリサイクルリチウム電池とリチウムイオン電池があります。火災が発生した後、すぐに激しい燃焼段階に入り、地方自治体は地域の緊急対応連携メカニズムを開始しました。火は非常に激しく、水酸化リチウムと水素が水と反応してさらに激しく燃えるのではないかとの懸念から、消防士は水をあまり発射しませんでしたが、延焼を防ぐために周辺で火を保ちました。火は翌日の午後まで完全に燃え尽きず、地域の環境にいくらかの損害を与えました。火災の原因は特定されておらず、倉庫内のリチウム電池の保管は、燃焼による高温での短絡過熱と推定されています。

2.3車両用リチウムイオン電池の火災の危険性は大きな懸念事項です

新エネルギーの開発を促進する重要な部分として、各国は電気自動車とハイブリッド車技術を非常に重要視しています。米国の電気自動車の台数は2015年に100万台に達し、中国で生産・販売される電気自動車の台数は50万台に達すると推定されています。リチウムイオン電池は、電気自動車で最も広く使用されているエネルギーです。近年、国内外でリチウムイオン電池に関連する電気自動車の火災が多く発生しています。

2010年1月7日、ウルムチバス会社のガレージで、「デュアルエレクトリック」スーパーキャパシタとリチウムイオン電池のブランドが混合された純粋な電気バスで火災が発生しました（寒さのために車は保管されました） 2009年12月23日に発火し、15日後に発火しました。）

2011年4月11日、杭州での運転中に電気タクシーが発火しました。 2011年7月18日、上海の純粋な電気バスがリン酸鉄リチウム電池の過熱により自然発火しました。

2011年5月以降、アメリカの自動車会社が製造した電気自動車用リチウムイオン電池の潜在的な火災の危険性は、国際的な自動車産業と防火産業から大きな注目を集めています。

国道交通安全局（NHTSA）による4つの前面および側面衝突試験による、リン酸鉄リチウムイオンバッテリープラグインガソリン-電気ハイブリッドの世界初のアプリケーションの会社生産は、5つ星の安全評価を取得しますが、3週間後6月6日、倉庫内での衝突試験のプロトタイプ、バッテリーコンパートメント内での火災。衝突時には、運転席下の横方向の剛性部品がバッテリーコンパートメントに侵入し、リチウムイオンバッテリーの冷却水循環システムに損傷を与え、液漏れ、短絡、火災を引き起こしました。

2011年9月、NHTSAは5日から自動車衝突試験を実施しましたが、異常は見つかりませんでした。特に、車両のリチウムイオンバッテリーパックの6回の試験では、衝突試験後1週間以内に2つのセルグループが連続して発火しました。 3番目のバッテリーアーク放電と発火が発生し、4番目のグループのバッテリー接触過熱現象、5つのセルが遅い放電を示し（衝突とは関係がないことを確認した後）、6つのバッテリーが発火します。

2011年11月、NHTSAと米国エネルギー省は、車両の製品欠陥調査を正式に開始し、3回のテストで、さらに2台のプロトタイプ車両が発火しました。この結果、NHTSAは2011年にこの車のリチウムイオンバッテリーパックの特別調査を開始しました。自動車会社はすぐにバッテリーコンパートメントを保護するために横方向の剛性コンポーネントを調整する改善計画を提案し、冷却液レベルセンサーをバッテリーパック、および販売された8,000台以上の車両のリコールと改造。

2011年12月、改良されたサンプルカーは異常なく衝突試験に合格しました。

2012年1月、下院監視委員会の小委員会は、米国政府の経済改革委員会との合同聴聞会を開催しました。

2012年3月、同社は月19日から4月23日までの5週間、自動車の生産を停止すると発表した。実際に使用された火災の報告はありません。

3.リチウムイオン電池の火災リスクに関する国際研究の現状

これまで、各国はリチウムイオン電池の安全保管基準と火災救助活動手順を開発していません。このギャップを埋めるために、多くの国や組織が関連する基礎理論と応用技術の研究を行っています。

全米防火協会（NFPA）は、リチウムイオン電池の火災安全性について長い間懸念してきました。米国エネルギー省の支援を受けて、米国自動車技術者協会（SAE）などの機関や、ゼネラルモーターズなどの企業との間で、数多くの特別な研究およびトレーニングプログラムを実施してきました。 2010年10月21〜22日、SAEとNFPAは共同で最初の電気自動車安全基準サミットを主催し、電気自動車とハイブリッド車の安全基準の3つの主要分野である車両、生産環境、緊急対応を特定しました。バッテリーの安全性が最重要課題として挙げられました。 2011年9月27日から28日まで、第2回電気自動車安全基準サミットの焦点の1つは、車載バッテリーと商用輸送および蓄電池の安全性であり、6つの主要な研究の方向性が細分化されました。

バッテリーの火災の危険性と安全性能。

大規模な商業的に保管されたバッテリー用の固定および移動式消火システムの要件。国際輸送の分野におけるバッテリー輸送の制限の再評価。

バッテリー損傷後の再点火のリスク;

バッテリー火災に適した消火剤。

通常および緊急時の放電基準。

2011年、NFPA消防研究財団（FPRF）の財産保険研究ユニット（PIRG）は、リチウムイオン電池の保管と消火方法の危険性に関する研究を開始しました。研究の第一段階で、文献検索によって形成されたリチウムイオン電池のリスクと使用の評価は、リチウムイオン電池の火災リスクは主にその構造、特に高エネルギー密度と高エネルギー密度によって引き起こされる電解質ガス化に起因することを指摘しました不適切な充電時の温度;一方、バッテリーの設計不良や原材料の欠陥による短絡、過充電、水汚れは、火災の原因となる可能性があります。報告書は、エネルギー熱暴走の急速な放出が電解質燃焼の主な原因であると信じています。熱暴走が発生すると、バッテリーの温度が急速に上昇し、バッテリー材料の燃焼爆発、またはバッテリーシェルの破裂後の空気とリチウムの間の激しい酸化反応によって引き起こされる爆発のいずれかに直接つながります。

実施される試験の数と規模が限られているため、熱暴走のメカニズムは現在よく理解されていません。特に、リチウムイオン電池の大規模燃焼や消火方法の特徴をさらに研究する必要があります。 2011年8月、PIRGは、実物大火災シミュレーション実験の次の研究方向を決定するためのシンポジウムを開催しました。プロジェクト全体の第2フェーズの主な内容として、2012年の研究と実験では、大規模な保管条件下での2種類のリチウムイオン電池の火災リスクの調査に焦点が当てられました。1つは小型製品で、もう1つは小型製品です。電気自動車などに使用できる大型商品です。財産保険チームは、米国消防協会と協力し、リチウムイオン電池について共有して、火災危険階層の研究成果を保存し、NFPA13に従って、自動スプリンクラーシステムの設置仕様に基づいて関連するテストを実行します。自動消火システムパラメータの設計におけるリチウムイオン電池の保管スペースを決定するためのNFPA13専門技術委員会。

2011年7月、NFPAは、電気自動車事故の安全な取り扱いについて緊急対応者を訓練するための電気自動車安全訓練プログラムを開始しました。このプログラムは、米国の回収および再投資法に基づく米国エネルギー省からの440万ドルの助成金によって資金提供されました。 NFPAはNHTSAと協力して、世界の主要な自動車メーカーの参加を得て、純粋な電気自動車とハイブリッド電気自動車の緊急対応手順を開発しています。これまでに、このプログラムは20の州で約800人のトレーナーをトレーニングし、15,000人以上が電気自動車の安全性に関するオンライントレーニングに登録しました。 NFPAは、訓練への救急医療支援および法執行機関の参加を求めています。

フランスの産業環境リスク研究所（INERIS）は、家庭用品や工業製品の安全性能を専門とする研究所として、2010年に電気自動車電気自動車エネルギー貯蔵研究所（STEEVE）を設立し、特に火災のメカニズムを理解するためのリチウムイオン電池の性能。同庁の研究者たちは、リチウムイオン電池の火災リスクを真に理解し、適切な安全対策を決定するためには、本格的な破壊試験が必要であると考えています。 STEEVEは、2012年6月27日にパリで開催される高リスク倉庫保護シンポジウムで最新の調査報告書を発表し、保管施設内の高リスク商品の火災リスクを分析し、新しい防火対策を提案する予定です。

近年、我が国では、リチウムイオン電池の材料とその相互の速度論的および熱力学的特性、化学動力学の使用、熱分析動力学を明らかにするために、「突然変異および爆発動力学研究のリチウムイオン電池熱ハザードメカニズム」を実施しました。 、熱自発燃焼理論、突然変異理論、リチウムイオン電池の典型的な熱生成法則、リチウムイオン電池爆発の内部突然変異パターン分析を調査し、リチウムイオン電池の開発のために必要な科学的根拠と技術的サポートを提供し、防止するリチウムイオン電池の火災は、理論的および実用的に重要な意味を持っています。

近年、中国の学者は、リチウムイオン電池材料の熱的危険性、リチウムイオン電池の熱暴走のメカニズム、およびリチウムイオン電池の熱暴走を防ぐための電解質の難燃技術に関する関連研究を実施しました。リチウムイオン電池の一般的な電解質の熱安定性、異なる充電状態でのアノードとカソードの材料の熱安定性、電解質とアノードとカソードの間の熱安定性を、C80マイクロ熱量計などを使用して詳細に調べました。結果は、電解質中のPF5の強いルイス酸作用が電解質の熱安定性を低下させる主な要因であることを示しています。 LixCOo2とその電解質との共存システムの熱安定性は、電気度の増加とともに低下しますが、リチウム注入の程度は、電解質とLixC6の共存システムの熱安定性にほとんど影響を与えません。これに基づいて、リチウムイオン電池材料の動的および熱力学的特性とそれらの相互作用が明らかになります。

火の角度のダイナミクス研究、熱爆発理論、化学反応動力学および熱力学理論の統合使用、リチウムイオン電池材料の作用下での熱電気結合とそれらの化学反応熱力学および実験研究の動力学特性、リチウムの研究者イオン電池を分析し、火災と爆発の可能性を分析し、セメノフのリチウムイオン電池の火災三角理論と電池爆発理論を提案します。突然変異理論に基づいて、リチウムイオン電池の爆発過程を分析し、ダブテール突然変異を首尾よく取得した。この研究では、火災科学理論、電気化学理論、突然変異理論の組み合わせにより、リチウムイオン電池の制御されていない熱爆発の本質的な法則が完全に明らかになりました。

研究によると、熱暴走熱は主に内部化学反応熱に起因し、これに基づいて、リチウムとして3つのイソプロピルベンゼンエステルホスフェート（IPPP）およびトルエンジフェニルホスフェートエステル（CDP）などを研究する実験システムがあります。電池電解質用のイオン電池難燃剤添加剤、正、負、全セル性能、熱安定性の影響則、および提唱された難燃剤は、熱暴走の内部メカニズムを阻害します。研究によると、IPPPとCDPの追加は、リチウムイオン電池の安全性を効果的に向上させるだけでなく、電池全体の電気化学的性能にわずかな影響を与えるため、リチウムイオン電池の安全性を向上させる方法を提供します。上記の研究は、リチウムイオン電池の開発に必要な科学的根拠と技術的サポートを提供し、リチウムイオン電池の火災と爆発を防ぐための重要な理論的および実用的な重要性を持っています。

4.まとめ

リチウムイオン電池の用途の拡大、特に大容量リチウムイオン電池の電気自動車用途の分野では、リチウムイオン電池の火災事故が大幅に増加し、基礎研究の火災危険性に関して実施され、安全用途を開発し、輸送、リチウムイオン電池のリサイクル、規格と手順、および消火技術の研究により、効率的かつ実用的です。

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