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リチウム・イオン・バッテリーはどれだけ安全か？

by Matthew Larkin, Product Safety Specialist, TUV Product Service

翻訳: T.Sato

最近、消費者と消費者向け電子製品製造業者が、 リチウム・イオン・バッテリーに関するいや増す懸念を示している。 現在、消費者と製造業者は、リチウム・イオン・バッテリーの利点、 軽量性と高容量を享受している。 だが、特に、遥かに悪い宣伝効果を持つ、彼らの製品の安全関連の問題を最近経験した ラップ・トップ・コンピュータやモバイル・ハンドセットの製造業者によって、 この利点に疑問が持たれている。

歴史

リチウム・イオン・バッテリーは、 アメリカの物理化学者、Gilbert Newton の仕事により 1912年まで遡ることができるが、 リチウム・イオン一次バッテリーが市販されるようになったのは 1970年台であり、 リチウム・イオン二次バッテリーが入手できるようになるにはさらに 20年を要した。 これは、John Goodenough や彼と同時期の人々の仕事による。 John Goodenough1) は、 軽量な二次バッテリーの開発のために重要な材料の発見というその卓越した功績によって、 1991年に国際科学技術財団から日本国際賞を授与された。

基本的構造 2) 3) 4)

Figure 1
イラストは Mpower Solutions Ltd の好意による

Figure 2
イラストは Scansupply Energy ApS の好意による

Figure 3
イラストは Scansupply Energy ApS の好意による

リチウム・イオン・バッテリーには主に３つのタイプがある： 円筒型、角型、そしてリチウム・ポリマー「ポーチ」デザイン； だが、それらのタイプの基本構造はほぼ同一である。

現在では、その生来の不安定性のため、 リチウム・イオン・バッテリーは実際にはリチウム金属は含んでいない。 初期の二次バッテリーはリチウム・ベースの電極を含んでいたが、 1980年台に、バッテリー再充電のサイクリング機能が、 電極の変質、そして熱安定性の低下をもたらすことが見出された。 この不安定性は、リチウムの融点に達する急激な温度上昇を伴うセル内の熱暴走を、 そしてその結果として激しい噴出と火炎をもたらす。 今日では、その電極は、リチウム・コバルト (陰極用) とグラファイト (陽極用) などの、 代替材料で作られている。 その電解質 (リチウム・イオンを運び、電流の流れを作る機能を持つ) は、 そのバッテリーの高い電圧 (4V) のために必要となる非水有機溶媒である、リチウム塩である。 リチウム塩は、その高い電圧のためにその水の電気分解が起きるであろう水溶液 (例えばニッケル・カドミウム・バッテリーで用いられている鉛酸) の代わりに用いられている。 リチウム塩には、高導電性、電気化学的安定性 (4V を超える電圧における)、 化学的／熱的安定性、そして広温度範囲を持つという特徴による利点がある。 そのバッテリーのもう１つの重要な構成要素はセパレータである； セパレータの主な機能は、陽極と陰極を絶縁し、電解質を保持し、 そしてイオンを通すことである。 この構成要素のために用いられる典型的な材料は、 ポリエチレンとポリプロピレンの多孔質の薄いフィルムである。 これらの材料は、良好な絶縁と機械的強度を与え、 (電解質に対して) 化学的や熱的に安定であり、電解質を保持することができ、 そして多孔質であってリチウム・イオンの移動を可能とする。 その材料の細孔が熱で溶けてリチウム・イオンの移動を阻止するという事実のため、 セパレータは・バッテリーの安全にとって重要な役目を果たす。 「カン」としても知られている外郭は、その「ポーチ」の材料が典型的には プラスチックや金属箔であるリチウム・イオン・ポリマー・バッテリーを除いて、 典型的にはニッケルめっきされた鉄やアルミニウム合金で作られている。

リチウム・イオン (Li-ion) とリチウム・イオン・ポリマー (Li-Ion Polymer) バッテリーの違い 4)

その主な違いは、リチウム・イオン・ポリマー・バッテリーは、 乾いた固体のポリマー電解質を用いることである。 その電解質はプラスチック様のフィルムの外観を持ち、 電気を伝導させないがイオンの交換を可能とする。 そのポリマーは、リチウム・イオン・バッテリーで用いられている多孔質のセパレータを置き換える。 だが、室温におけるその導電率の低さのため、ゲル状の電解質を含んでいて イオン伝導度を向上するハイブリッド・リチウム・イオン・ポリマー・バッテリーが、 モバイル・ハンドセット用途でしばしば用いられる。

これは、より頑丈で、薄く、そして安全なバッテリーをもたらす。 その安全性の向上は、用いられる液状やゲル状の電解質が最小限とされ、 バッテリー内の可燃物の量が減ることによって達成される。

設計に含まれる安全機能 3)

過剰な熱や圧力に対して保護するために、 リチウム・イオン (Li-ion) やリチウム・イオン・ポリマー (Li-ion polymer) バッテリーの製造業者は、 バッテリー・パック全体の中の保護回路に加えて、内部保護デバイスを内蔵させている。 典型的な保護デバイスは：

  1. 安全弁 (vent plate / vent tear away tab)
    バッテリーセル内の圧力の過度の上昇は、主に過度の異常発熱や過充電によって引き起こされる。 安全弁はガスの安全な放出を可能とする。

  2. 正温度特性デバイス (PTC)
    PTC は、過大電流が PTC の抵抗を流れる時、PTC の抵抗が増加し、発熱の増加をもたらすように、 電流ヒューズと温度ヒューズの双方として振る舞う。 PTC の抵抗は、あらかじめ決定された電流でトリップが生じるように選択される。

  3. セパレータ
    セパレータが所定の温度 (典型的には 130℃) に達すると、 その細孔はその材質の熔融によって塞がれ、電極の間を電流が流れるのを妨げる。 そのセパレータは、シャットダウン・セパレータとしても知られている。

  4. 温度ヒューズ
    一部の角形バッテリーは、追加の機能、故障状態における電流を制限する温度ヒューズを持つ。

バッテリー・パック内の保護

Figure 4
保護回路は、通常はバッテリー・パック内に取り付けられ、 セルを監視して、過充電 (＞ 4.3V)、過放電 (＜ 2.3V)、そして過電流を防止する、 カスタム設計の集積回路 (IC) から成る。 これと２つの電界効果トランジスタ (FET) デバイスを組み合わせたものが、 その充電と放電を制御する。 また、加熱シナリオにおいてその制御 IC を介して保護アクションを起こすように設計された 温度検出デバイス (サーミスタ) も存在する。

リチウム・イオン・バッテリーの利点と欠点 2) 3) 4)

利点

  1. 高エネルギー密度
    ニッケル・カドミウム (Ni-Cd) などの他のバッテリー技術と比較して、 リチウム・イオン (Li-ion) バッテリーのエネルギー密度は大きく、 例えば陰極のニッケルの量を増やすことによって容量を増やす機会を持つ。

  2. 小型、軽量
    リチウム・イオン (Li-ion) バッテリーは、ポータブルな消費者向け製品に理想的である。 設計者は、典型的には 19mm よりも薄い角形パッケージ、 あるいは典型的には 5mm よりも薄い Li-ion ポリマー・ポーチを利用する選択肢を持つ。 寸法上の利点に加え、 使用されている化学 (例えば電解液ではなく固体やゲル状の電解質) や パッケージ (例えば箔) による重量の低減がある。

  3. メモリー効果
    ニッケル・カドミウム (Ni-Cd) バッテリーとは異なり、 リチウム・イオン (Li-ion) バッテリーは「メモリー効果」を持たない。 メモリー効果は、時とともに、 バッテリーがいつも部分的に使われてから完全に再充電される場合に生じ、 急激な放電の見掛けを生じる。 現代的なバッテリーにおいては、これは内部抵抗を増加させ、従ってバッテリーの電圧を低下させる、 プレートの閉塞をもたらす過充電の反復の結果による電圧低下によって生じ勝ちである。

  4. 低放電率
    他の二次バッテリーと比較して、リチウム・イオン (Li-ion) は低い自己放電率を持ち、 これはそれをより長く使用しないままとできることを意味する。

欠点

  1. 保護
    リチウム・イオン・バッテリーは温度に敏感で、その化学は複雑であるので、 過充電、過放電、そして過熱に対してバッテリーを保護するための回路が必要である。

  2. 早期老化
    リチウム・イオン・バッテリーは、時と共に容量低下を生じる； だが、涼しい環境でのバッテリーの保存は、その影響を低減できる。 バッテリーが製造業者によって出荷されたならば、 エンド・ユーザーがそれをできる限り長く使用できるように、 できる限り早く利用することが重要である。

  3. 化学
    リチウムの性質のため、厳しい温度や機械的衝撃は、ガス放出や熱暴走を引き起こし得る。 これは、最終的なバッテリー製品の安定性、 そして可能性のある予期される誤使用に対する保護を実証するために、 他の種類のバッテリー技術よりも徹底的な試験を必要とする。

  4. 生産コスト
    他のタイプの二次バッテリーと比較して、生産コストは高くなり得る。

最近の悪いバブリシティの原因 2) 5) 6)

消費者向け電子デバイスは、電力を食う多くの機能を持ちながらより小さくなっており、 バッテリー・パック自身が小さく、だがより大きな容量を持つことが必要となっている。 今日のモバイル・ハンドセットは往々にして人々のポケットに入れて持ち運ばれ、 これはこれらのバッテリーがかつてよりもユーザーに近く、 潜在的な安全上のハザードと人への障害のリスクを増していることを意味する。 近年、バッテリーに関係するインシデントが劇的に増加している； 2002年の統計は、UK 内の 14歳以下の子供 1,100人以上がバッテリーに関係するインシデント、 通常は持続的な化学的火傷や熱傷によって傷つけられたことを示している。 これは、世界の主導的な消費者向け電子製品企業のいくつかに関係する 最近のヘッドライン・ニュースで頂点に達した。

では、これらのインシデントの背景にある原因は何だろうか？

今日のバッテリーの容量の増加がその原因の１つであり、 より大きなプレッシャーを設計許容度にもたらしているというのは正しい； だが、その生産プロセスにも疑問が持たれている。 ラップトップ・コンピュータが関係する最近のインシデントの多くに、 生産中の汚染の防止に関係する潜在的に不適切な手続きに関連付けられた； 金属粒子がセパレータを貫通し、陰極と陽極のあいだの短絡を引き起こし、 熱暴走を引き起こしたことが疑われている。 もう１つの懸念は、モバイル・ハンドセットと共に使用することが意図された、 非純正のバッテリーと充電器である； 消費者は、潜在的な安全への影響に気付くことなしに、その安い価格に引き付けられている。 これは、バッテリー・パック、充電、そしてエンド・ユーザー製品のあいだの通信のために SMBus プロトコルを用いた「スマート・バッテリー」と呼ばれるものにおいて、特に重要である。 電話と共に供給された純正品の充電器が SMBus プロトコルの「レベル 2」に適合しており、 充電アルゴリズム要求の判断のために純正のバッテリー・パックに依存しているという シナリオが存在し得る。 非純正のバッテリーが取り付けられたならば、それはこの保護を持たず、過充電状況をもたらし得る。 同じことは、非純正の充電器についても言える。

何をできるか？ ―― 包括的なバッテリー試験

消費者の教育は、 非純正のバッテリーや充電器の購入をためらわせることによって、 そしてバッテリーの安全な使用に関連して、 バッテリーの安全性の向上の重要なパートを演じるものの、 他にもやるべきことがあるということが認識されている。 第一に、セルと・バッテリー・パックの試験と品質管理は改善しなければならない。 これは、UL 1642 「Lithium Batteries」、 IEEE 1725 「IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Cellular Telephones」、 そして「UN Recommendations on the Transport of Dangerous Goods Manual of Tests and Criteria」 (ST/SG/AC.10/11) などの規格の適用によって対処されている。

  1. UL 1642
    この規格はリチウム・バッテリーに対する要求を扱い、大きく３つのセクションに分けられる。
    1. 短絡、異常充電、そして強制放電などの電気的試験；
    2. 押し潰し (水圧ラムによって 13kN が加えられる)、 インパクト (610mm の距離からの 9.1kg)、衝撃／振動；
    3. 乾燥高温、温度サイクル、高度シミュレーション (6時間の 1.68psi の印加)、 そして飛散試験 (バッテリーが金属のメッシュの試験用ボックスに入れられて下にバーナーが置かれ、 試験はバッテリーが爆発するか発火して燃え尽きるまで続けられる； バッテリーやセルの一部がメッシュを貫通しないならば、適合が実証される) を含む環境試験。

  2. IEEE 1725
    この規格はシステム・レベルのアプローチを考慮することを必要とするので、 多くの面で異なっている； すなわち、セルラー・システム内のそれぞれのサブ・アセンブリは、 その全システムとの相互作用を含み、セル、バッテリー・パック、 ホスト (モバイル・ハンドセット)、そして AC や DC の充電器をカバーする、 所定の要求に適合しなければならない。 さらに、それはシステム・インテグレーション、信頼性、セキュリティの考慮、 そして検証を導入する。

    その規格は、モバイル・ハンドセットとその電源の信頼性と安全な動作を確かとするための 設計アプローチにも焦点を当てる。 適合性を実証するために、 FMEA (故障モード・影響分析) のような設計分析ツールの適用が必要となる。

    さらに、それぞれのサブ・アセンブリは、UL 1642 や EN/IEC/UL 60950-1 などの、 任意の適用可能な規格に適合しなければならない。

    セルの考慮事項： バリ管理、絶縁プレートの配置、そしてタブと電極の整列などの構造上の要求と共に、 生産トレーサビリティ (製造業者が、彼らが「セル・トーレサビリティ計画」を持つことを実証できるように) などの監査の手続きを含む。

    バッテリー・パックの考慮事項： 漏液保護、回路レイアウト、熱的保護、過充電、過放電、そして過電流保護を含む。 パックの設計がその製品の生涯にわたるパックとセルの双方の収縮と膨張を考慮すべき、 セル寸法許容差などの課題も考慮しなければならない。 インテグレーションは、パックの設計が安全弁の正しい動作を、 従ってセルのガスの放出に干渉しないことを確認するために、 セルの安全弁機構に関する節でさらに調査される。

    ホストの考慮事項： ホストが規定された充電時間を超過した時の安全上のハザードがないことを実証するための、 ホストが取り付けられたバッテリー・パックを識別し、 正しい充電アルゴリズムとタイマー・フォールトを実行できることを確かとするための、 アルゴリズム検証を含む。 規格のこの章で扱われているその他の課題は、頑強性、コネクタ強度、静電気放電、衝撃／振動を含む。

    システム信頼性の考慮事項： 安全な使用を確かとするための使用者向け警告の要求を含む。

    システム・セキュリティの考慮事項： 製造業者がサプライ・チェーンに投入した製品、サブ・システム、そしてコンポーネントが適切であり、 最終製品の安全や機能を損なわないであろうことを手続きと監査の使用を通して確かとしなければならない、 サプライ・チェーン・セキュリティを含む。

    その最後の章はバリデーションに関係しており、 記録の保管、品質システム、工程能力、プロセス監視、 そして不適合製品への対応などの面をカバーする。

  3. UN Recommendations on the Transport of Dangerous Goods Manual of Tests and Criteria (ST/SG/AC.10/11)
    高度シミュレーション、温度、振動、衝撃、外部短絡、衝突、過充電、 そして強制放電をカバーする試験を詳述する。

産業界主導の認証スキーム

産業界主導のイニシアチブの一部として、 CTIA (Cellular Telecommunications and Internet Association) は、 IEEE 1725 規格に基づいたモバイル・ハンドセットの認証スキームを導入した。 この認証スキームが、 2007年中に モバイル・ハンドセットを北米で販売しようと思う全ての者に必要となる PTCRB 認定を得るために必須となることが予期される。 さらに、近い将来に類似の認証スキームの基礎として用いられることが予期される、 ラップトップ・コンピュータのバッテリーに関係するもう１つの規格、 IEEE 1625 がある。

「CTIA Battery Certification Programme」は、 Cingular や Verizon などの主導的なセルラー・ネットワーク運用事業者、 そしてバッテリー産業の専門家らの協力関係のもとで考えられた。 そのプログラムは２段階で導入され、 ネットワーク運用事業者は IEEE 1725 に基づいて CTIA 登録されたセルラー製品を選択するであろう。

「登録段階」として知られている認証プログラムの最初の段階は、 完全なセルラー製品システム (セル、バッテリー・パック、セルラー製品 (ホスト)、電源アダプタ、及び／もしくは充電クレードル) に関係し、システム・ベンダ (ハンドセット製造業者) から提出された、 このプログラムの目的は、 IEEE 1725 規格、及び関係する CTIA 文書 CRD (Certification Requirements for Battery System Compliance) 及び CRSL (Certification Requirements Status List) に従って、 セルラー製品の適合性を検証することである。

そのプロセスでは、システム・ベンダが、 セルラー製品システムのそれらの要求への適合を評価し、 裏付けとなる文書を含む「適合性ファイル」を作ることが必要となる。 この「適合性ファイル」は、 レビューのために BCRO (Battery Compliance Review Organisation) に送付される。 現在、４つの指定された BCRO がある： TUV Product Service / BABT は、北米以外に基盤を置く唯一のものである。

その「適合性ファイル」は、典型的には以下のものを含む：

全ての該当する要求が満足され、充分に文書化されているかどうかを判断するのは、 その BCRO の責任である。 そして、その BCRO は評価報告書と完成した BCRO ワークシートを CTIA に出し、 そのセルラー製品システムを CTIA 認証データベースに登録することを勧告する。 この登録段階のもとで、適合性は システム・ベンダが提出したデータと結果の独立評価によって立証される； 強制的な第三者試験や監査の要求はない。

そのプログラムの２番目の段階は、必須の第三者試験と監査の要素を含み、 セル、バッテリー・パック、及び電源アダプタ (recognised)、 そして完全なセルラー製品システム (listed) をカバーする認証カテゴリを導入するであろう。

参考文献

1) www.uspto.gov
2) Gold Peak Industries Ltd Lithium Ion Technical Handbook
3) www.sanyo.com
4) www.buchmann.ca
5) Scientific American Magazine December 2006
6) www.gloucestershire.gov.uk

Copyright (C) 2007 Nutwood UK Ltd.

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2007-06-12