「蓄電池発火の画像診断　～安全な次世代蓄電池の普及に向けて～」

2022年9月13-15日、米デトロイトTHE BATTERY SHOWにて最新成果を公開

 

　

• 背景

　発電されたエネルギーを蓄電する目的で多くの分野で蓄電池が活躍しています。蓄電池は出荷前にエージング試験を行い良品のみが市場に流通しますが、これらの安全性試験をすり抜けたものが発火などの事故を起こしています。これらの原因として、蓄電池内部の電流密度が空間的に不均一であり、その度合いが蓄電池の充放電とともに次第に大きくなることも挙げられます。これらの異常を抱えたまま出荷される蓄電池を不良品としてふるい落とすような高度な良否判別が求められています。
 

• 概要

　我々が開発した蓄電池内部の電流密度分布の映像化システムでは、電流が流れる際に周囲に発生する磁場の空間分布を測定することにより、構造内部の電流密度分布を映像化することができます。この技術における重要な理論として、世界で初めて導出した磁場の空間分布の計測データから蓄電池内部の電流密度分布を導く逆問題の解析解があります。この理論に基づいて行われる非破壊検査では、計測時に電圧を印加しているものの実用の水準と比較すると非常に低く影響を与えないため、電流密度分布の観点から良品と判定された蓄電池はそのまま出荷することが可能です。

• 実績 

　多くの車載蓄電池メーカに受託検査サービスを利用いただき、これまでに多くの故障箇所解析や良否判定に貢献してきました　(図1) 。映像化の結果、自己放電箇所が明るく示されています。さらに電流密度映像化システムの販売も行っています。

 

図1. 劣化箇所の可視化.
1.5 Ahのリチウムイオンポリマーバッテリーの劣化箇所を映像化した結果. 画像上の赤く映った箇所が電流密度の高い領域であり、劣化箇所として検出される. より大きいレベルの自己放電領域を有するセル(右図)は、充放電サイクルを繰り返した際、より早くサイクル劣化が見られた.

図2.サイクル試験による蓄電池の劣化箇所の可視化.

図3. Li-NMR結果との整合性の確認.
　自社の開発結果として、サイクル劣化に伴う導電率分布異常の可視化 (図2) および解体検査によるLi-NMRによる解析の結果、故障箇所では電極の劣化、金属の析出等が確認されております (図3) 。また、磁気センサの開発や測定システムの開発など検査技術の更なる向上に向けた研究開発も行っています。

• 今後の展開​

今後も受託検査、蓄電池検査機器関連の開発を継続するとともに、インライン検査の開発、導入が非常に重要と考えています。この電流分布可視化技術による次世代品質管理システムが安全性試験として導入されれば、電池事業のリスクが低減され、より安全が保障された蓄電池が流通すると考えています。
　また、2020年度から電子機器用蓄電池や家庭用蓄電池の検査依頼等も増加してきており、今後蓄電池の多様な役割に合わせて、限定した使用とせず、様々な電池、リサイクル電池に対応することが可能な装置の基本設計を調整していきたいと考えています。
　さらに、蓄電池の検査は国内にとどまらず、世界的にも必要なのは確実で、海外への展開も考えており、これまでに韓国やドイツ、アメリカでPR活動を行っています。直近では、アメリカの展示会に参加する予定です（THE BATTERY SHOW、日程 : 9月13日～15日、場所 : ミシガン州ノバイSuburban Collection Showplace、ブース番号 : #1250）。
■参考文献

1. Shogo Suzuki, Hideaki Okada, Kai Yabumoto, Seiju Matsuda, Yuki Mima, Noriaki Kimura, and Kenjiro Kimura, “Non-destructive visualization of short circuits in lithium-ion batteries by amagnetic field imaging system”, Japanese Journal of Applied Physics, 60 056502(2021).
2. Seiju Matsuda, Shogo Suzuki, Kai Yabumoto, Hideaki Okada, Yuki Mima, Noriaki Kimura, Kenjiro Kimura, “Real-time imaging of the electric conductivity distribution inside a rechargeable battery cell, Electrochemistry”, Vol. 89, No. 5, 2021.