リチウム電池の自己放電: 原因、検査方法、および予防

リチウムイオン電池は、電気自動車、エネルギー貯蔵システム、電動工具、ラップトップ、ポータブル電子機器に広く使用されています。ほとんどの用途では、個々のセルが直列または並列に接続されて、バッテリーモジュールおよびパックを形成します。

しかし、バッテリーパックの場合、最終的なパックの性能は、最高の性能を発揮するセルだけによって決まるわけではありません。セルの均一性は、バッテリーの容量、寿命、安全性に影響を与える重要な要因の1つです。セルの均一性を低下させる可能性のある重要な要因の1つは、自己放電です。

完全に充電されたリチウムイオンセルを外部負荷なしで保管すると、電圧と充電状態（SOC）が徐々に低下する場合があります。この現象は自己放電として知られています。同じバッテリーパック内のセルで自己放電率が大きく異なる場合、保管中にSOCがますます不均衡になり、パックの容量、サイクル寿命、安全性に影響を与える可能性があります。この記事では、リチウムバッテリーの自己放電の主な原因、一般的な自己放電試験方法、およびリチウムバッテリー製造中の自己放電を制御するための実践的なアプローチについて説明します。電極とセパレーター間の局所的な欠陥

リチウムバッテリーの自己放電とは、バッテリーが外部負荷に接続されていないときに蓄積されたエネルギーが徐々に失われることを指します。

理想的には、バッテリーは保管中に比較的安定した開放電圧（OCV）を維持する必要があります。実際には、内部化学反応とわずかな漏れ電流が活性リチウムを徐々に消費し、バッテリーの蓄積エネルギーを低下させる可能性があります。

バッテリーの化学組成と電極材料

充電状態（SOC）

保管温度

• 電解質と電極の副反応
• 湿気と不純物
• セパレーターの状態
• 製造上の欠陥
• 内部マイクロショート回路
• バッテリーメーカーにとって、最も重要な問題は、セルに自己放電があるかどうかだけでなく、異なるセルで自己放電率が大きく異なるかどうかであることがよくあります。
• これが、自己放電試験がリチウムバッテリーセルのグレーディングとバッテリーパックの均一性と密接に関連している理由です。
• リチウムバッテリーの自己放電の原因は何ですか？

リチウムイオンバッテリーの自己放電は、一般的に2つの主要なメカニズムに関連付けることができます。内部漏れまたはマイクロショート回路と電気化学的副反応です。1.内部漏れとマイクロショート回路電極とセパレーター間の局所的な欠陥

潜在的な原因には以下が含まれます：

切断中に生成された電極のバリ電極の粉塵または破片セル組み立て中に侵入した異物セパレーターの損傷電極とセパレーター間の局所的な欠陥

内部マイクロショートの影響を受けたセルは、通常のセルよりも保管中に大幅に高い電圧降下を示す可能性があります。

2.電気化学的副反応

• 2番目の主要なメカニズムは、セル内で発生する化学反応に関連しています。
• 例には以下が含まれます：
• 電解質の酸化または還元
• SEI層の継続的な形成と修復
• 湿気と電解質成分を含む反応
• カソード/電解質界面反応

電極材料の劣化

湿気はリチウムイオンバッテリーの製造において特に重要です。過剰な水は電解質成分と反応し、酸性種の形成を促進する可能性があり、界面の劣化を加速し、活性リチウムを消費する可能性があります。

自己放電がバッテリーパックにとって重要な理由

多くのセルが一緒に接続されている場合、自己放電は特に重要になります。

• 初期容量は同じでも自己放電率がわずかに異なる複数のセルを想像してみてください。一定期間保管した後、それらのSOCレベルは等しくなくなる可能性があります。
• これは以下につながる可能性があります：
• 1.SOCの不均衡
• 異なるセルは、保管後に異なる電圧とSOCレベルに達する可能性があります。
• 直列接続されたバッテリーパックでは、最も弱いまたは最も放電したセルが、充電および放電中に制限セルになる可能性があります。

2.使用可能な容量の低下

バッテリーパックの使用可能な容量は、それを組み立てるために使用されたセルの均一性に強く影響されます。

3.バッテリーパックテスト要件の増加

バッテリーメーカーは、いくつかのテストプロセスを組み合わせる必要がある場合があります。これには以下が含まれます：

セル形成 → 容量グレーディング → 自己放電/保管テスト → OCV/IRソーティング → バッテリーパックスポット溶接 → パック組み立て → パックテスト → エージング

4.長期保管の問題

自己放電は、バッテリーが数週間または数ヶ月保管されると特に顕著になる可能性があります。

リチウムバッテリーの自己放電はどのようにテストされますか？

一般的なアプローチの1つは、制御された保管期間の前後にバッテリーの電気パラメータを比較することです。

充電 → 休止 → OCV測定 → 保管 → OCV再測定 → 電圧変化計算 → セル分類

1.初期SOCの制御

異なるSOCポイントは異なる電圧応答を生成する可能性があるため、メーカーはバッテリーの化学組成とテスト目標に応じて適切なSOCを選択する必要があります。

さらに重要なのは、比較されるすべてのセルが同じ条件下でテストされる必要があることです。

充電直後、測定された電圧は分極の影響を受ける可能性があります。

したがって、初期OCV測定の前に、通常は定義された期間休止させる必要があります。

3.安定した温度の維持

このため、自己放電テストは制御された環境条件下で実行する必要があります。

重要なパラメータには以下が含まれます：

周囲温度

SOC

初期電圧

最終電圧

測定機器の精度

4.保管前後の電圧測定

指定された保管期間の後、セル電圧が再度測定されます。

• 単純な比較は次のように表すことができます：
• 電圧降下 = 初期OCV - 最終OCV
• より詳細な分析のために、メーカーは定義された保管期間中の電圧変化を計算できます：
• 自己放電インジケータ = 電圧降下 / 保管時間
• この値は、普遍的な合格/不合格の制限として使用するのではなく、バッテリーの化学組成、SOC、温度、およびテスト条件と組み合わせて解釈する必要があります。
• 金属汚染の制御
• 自己放電テストとセルグレーディングは関連していますが、まったく同じプロセスではありません。

容量

充電性能

電圧

目的は、同様の電気的特性を持つセルを同じグレードに分類することです。

たとえば、ACEYのリチウムセルグレーディング装置は、独立したチャンネル制御、充電/放電テスト、データ記録、およびセル分類をサポートしています。一部のモデルは、放電テスト中のエネルギー消費を削減するためにエネルギーフィードバックもサポートしています。

円筒形バッテリーパックを組み立てるメーカーの場合、5V 20A 256チャンネルのリチウムセルグレーディングマシンを使用して、直径約18〜32 mm、長さ65〜140 mmのセルの充電/放電テストと容量分類を行うことができます。角形リチウムバッテリーの場合、ACEYは、角形セルの容量グレーディングおよび充電/放電テスト用に設計された5V 30A 128チャンネルのバッテリー充電放電テスターも提供しています。

• 形成とエージングの最適化
• したがって、これらのシステムは、より広範なバッテリーセル品質管理プロセスの一部として重要な役割を果たすことができます。
• メーカーはリチウムバッテリーの自己放電をどのように削減できますか？
• 最も効果的なアプローチは、最終検査だけに頼るのではなく、製造段階で自己放電を制御することです。
• 1.金属汚染の制御

金属汚染は、原材料の準備および電極製造全体で制御する必要があります。

潜在的な制御措置には以下が含まれます：原材料検査磁性金属汚染検出

スラリーろ過

電極表面検査

設備清掃異物管理セル内部に導電経路を作成する可能性のある金属粒子には特別な注意を払う必要があります。

2.電極のバリと粉塵の削減

電極の切断と取り扱いは、バリと粒子を生成する可能性があります。

スリッティングパラメータ

電極の取り扱い

巻き取りまたは積層プロセス

• 集塵
• 生産ラインの清潔さ
• 粒子とバリを減らすことは、内部欠陥の可能性を最小限に抑えるのに役立ちます。
• 3.湿気の制御
• 湿気制御は、リチウムバッテリー製造のもう1つの重要な部分です。
• 推奨される措置には以下が含まれます：

適切な電極乾燥

ドライルームの湿度制御

乾燥後の暴露時間の最小化

• 電解質充填条件の制御
• 不要なWIP保管の削減
• 組み立て前の材料の湿気モニタリング
• 一貫した湿気制御は、不要な電解質と電極の副反応を減らすのに役立ちます。
• 4.セル形成およびエージングプロセスの改善
• 形成およびエージングは、安定した電気化学的特性を確立するための重要な段階です。

製造中に、メーカーは以下を監視できます：

充電電流

放電電流

• セル温度
• 休止時間
• OCV変化
• 容量
• 内部抵抗
• これらの段階で特定された異常なセルは、バッテリーパック組み立てプロセスに入る前に分離できます。
• 5.容量グレーディングと電圧およびIRソーティングの組み合わせ

容量だけでは、セルの均一性の完全な全体像は得られません。

容量グレーディング → OCV/IRソーティング → セルマッチング → パック組み立て

このアプローチは、セルの均一性がパックの性能に直接影響を与える円筒形および角形バッテリーパックに特に役立ちます。

• 結論
• リチウムバッテリーの自己放電は、内部漏れ、マイクロショート欠陥、および電気化学的副反応の組み合わせによって引き起こされます。問題の深刻さは、バッテリーの化学組成、材料、製造品質、SOC、温度、および保管条件によって異なります。
• バッテリーメーカーにとって、自己放電の制御は、保管後の電圧を測定するだけの問題ではありません。より完全な戦略には以下を含める必要があります：
• 金属汚染の制御
• 電極のバリと粒子の削減
• 湿気の制御
• 形成とエージングの最適化
• 正確な充電/放電テストの実施

電気的特性に応じたセルのグレーディング

信頼性の高いリチウムセルグレーディングマシンは、制御された充電/放電テスト、正確なデータ収集、および自動化されたセル分類を提供することにより、このプロセスで重要な役割を果たすことができます。

製造プロセス制御と体系的なバッテリーテストを組み合わせることで、メーカーはセルの均一性を向上させ、EV、ESS、電動工具、その他のアプリケーション向けのより信頼性の高いリチウムイオンバッテリーパックを構築できます。

リチウムバッテリーの自己放電とは何ですか？

リチウムバッテリーの自己放電はどのようにテストしますか？

一般的な方法の1つは、セルを制御されたSOCまで充電し、分極回復を許可し、初期OCVを測定し、セルを制御された条件下で保管し、その後OCVを再度測定することです。保管期間中の電圧変化は、自己放電挙動の指標として使用できます。

• バッテリーセルグレーディングマシンは自己放電をテストできますか？
• セルグレーディングマシンは、主に専用の長期自己放電テストを置き換えるのではなく、制御された充電/放電および容量テストを実行します。ただし、その正確な電圧、電流、容量、およびデータ記録機能は、より広範なセル均一性および品質管理プロセスの一部として重要になる可能性があります。
• バッテリーパックにとってセルの均一性が重要なのはなぜですか？
• 容量、内部抵抗、または自己放電特性が異なるセルは、直列または並列に接続されたときにますます不均衡になる可能性があります。より良いセルマッチングは、バッテリーパックの性能、使用可能な容量、および長期的な信頼性の向上に役立ちます。