新エネルギー分野において、リチウムイオン電池システムの安全性能は極めて重要です。中でも、熱暴走は安全性を左右する重要な要素です。熱暴走によるリスクに効果的に対処するため、熱保護設計と熱暴走抑制技術が重要な研究課題となっており、主にセル、モジュール、そして電池パック全体のレベルで検討されています。
I. セル間の熱保護設計
セルの種類によって熱保護構造が異なります。
- 円筒形電池：A（カプセル化構造）を採用し、セルは熱伝導性接着剤PCMで接合されています。この方法により、セル間の熱伝導を効果的に制御し、熱拡散を抑制できるため、セルの安定した動作が保証されます。
- ソフトパックバッテリー：接続部にはエアロゲルフォームとマイカプレートが使用されています。エアロゲルフォームは優れた断熱性能を備え、マイカプレートは熱伝達を効果的に遮断することで、セル間の熱保護を実現します。
- 角形電池：エアロゲルをシリコンゴムフレームとPETフィルムと組み合わせ、さらに断熱インサートを追加することで熱保護構造を形成します。エアロゲルが断熱性を高め、シリコンゴムフレームが密閉性を高め、PETフィルムと断熱インサートが熱の伝播をさらに抑制することで、セルの熱安定性を高めます。
II. バッテリーモジュールの熱保護設計
バッテリーモジュールの熱保護の目標は、熱暴走の規模を最小限に抑えることです。モジュールレベルでは、マイカ板、ガラス繊維、セラミック化シリコンゴム、エアロゲルなどの材料と構造が熱保護設計に採用されています。これらの材料は、モジュール間の熱拡散を効果的に遅延または防止し、モジュール間の熱相互作用を低減することで、熱暴走のリスクを低減し、バッテリーモジュールの安全な動作を確保します。
III. バッテリーシステム全体の熱保護設計
- 上部シェル保護：バッテリーパックの上部シェルには、耐火コーティングを施したシート材を使用しています。この設計により、上部シェルの耐火性が向上し、炎の延焼を防ぎ、バッテリーパックの基本的な保護を実現します。
- 冷却回路保護：バッテリーパックの冷却回路には、ナイロン製の水道管保護スリーブとセラミックシリコンテープが採用されており、冷却液の漏れや絶縁不良を防止します。冷却回路の確実な動作は、バッテリーシステムの熱管理に不可欠であり、冷却液がバッテリーから発生する熱を効果的に放散することを保証します。
- 電気接続保護：マイカテープとセラミックシリコンテープは、バッテリーパック内の銅バスなどの電気接続部を保護するために使用され、アークによるシェルの穿孔と火災の発生を防ぎます。同時に、この保護は漏液による絶縁不良も防止し、電気接続の安全性を確保します。
IV. バッテリーシステムの熱暴走抑制技術
- 緊急冷却システム：車両全体の冷却回路を活用し、水タンク、ウォーターポンプなどで構成されるシステムで、熱暴走を起こしたセルを緊急冷却します。空冷システムもこのプロセスに関与します。循環冷却によりセルの温度を急速に下げ、熱暴走の発生を効果的に抑制します。セル間の良好な熱保護は緊急冷却を実行するための前提条件であり、冷却システムの稼働時間を延長します。
- 消火システム：熱暴走の状況では、ヘプタフルオロプロパンなどの気体消火物質、パーフルオロアセトンなどの液体消火物質、エアロゲル粉末やカリウム塩などの固体消火物質など、様々な種類の消火物質が使用されます。これらの消火物質は、熱暴走の状況に応じて、火災を効果的に消火し、熱暴走による被害を軽減する役割を果たします。
結論として、リチウムイオン電池システムの熱保護設計は、セル、モジュール、そして電池パック全体といった複数のレベルを総合的に考慮し、セルの熱暴走の特性と拡散経路に基づいて的確な設計を行う必要がある。合理的な熱保護設計と熱暴走抑制技術を組み合わせることで、熱暴走の範囲と影響を効果的に制御し、リチウムイオン電池システムの安全な運用を強力に保証し、新エネルギー産業の健全な発展を促進することができる。
