リチウムイオン電池の発熱・劣化メカニズムと熱マネージメント

リチウムイオン電池の熱マネージメントは、化学系、機械系、電気系の3つの学際的な分野である。この熱マネージメント行うためには、電気化学 (化学系) だけでなく、電気工学 (電気系) 、伝熱工学 (機械系) について、相当レベルの学際的な知識とスキルが求められる。本講座では、実務者としてバッテリ・マネージメント・システムの設計と応用をする立場の方の役に立つように、熱・温度を中心に、EV向けリチウムイオン電池のマネージメントに関する実用基礎的なことがらを、主に工学的な側面から、解説を行う。 　特に冬季におけるEVにまつわるトラブルの多発や電池発火事故。これらは、学際的な統合エンジニアリングの欠如が背景にあると言わざるを得ない。 　本講座においては、電気化学的な特性、電池の構成と構造、充放電などの電池の基礎特性をスタートに、電池の発熱と劣化メカニズム、劣化評価のための加速度試験、電池パックにおける発熱と伝熱のモデル化、および、強制空冷システムの内容をカバーする。実用において重要となる再利用におけるボトルネックもふまえ講義する。 　電池パックの開発や販売、あるいは電池の応用機器の開発と営業しても、学際的な知識とスキルが要求される。その中で、学際的な知識な知識やそれに基づく、業界間で通用する間違いの無い情報発信と判断力を習得することは、業務の遂行に有効かつ不可欠である。

1. 熱の基礎
   • 化学では、人間が計測可能なマクロ的な世界と、化学反応式で表される分子や原子の挙動を現わすミクロ的な世界と連携が欠かせない。
     本章では、温度や熱といったマクロ的な量が、どのような分子や原子の挙動を表しているかを明確化する
   1. マクロ的な世界観とミクロ的な世界観
   2. 熱とエネルギの関係
   3. エネルギ等分配の法則
   4. Maxwell分布
2. 電池の役割
   • 電池がただ存在するだけは、置物に過ぎない。
     本章では、電池が自動車等に使用されるために必要なシステム構成を明確化する
   1. 電源からモータまで
   2. 直流と交流、実効値、実効電力
3. Li-ion電池の構成と発熱
   • これまでは、電池をブラックボックスとみなし、温度管理が重要だと強調される場合が大半であった。
     本章では、Li-ion電池の発熱が起きるミクロ的なメカニズムに基づき、電池の温度が変化したときのミクロ的な挙動を明確化する。
   1. ミクロな視点によるLi-ion電池の特性
   2. 電気二重層とファラディインピーダンス
   3. 化学反応と活性化エネルギ
   4. ファラディインピーダンスの温度特性
   5. 低温による出力低下
   6. 熱暴走
4. 熱管理に適した電池のアーキテクチャ
   • 電池単独では、温度変化に対する安定性を確保することは難しい。
     本章では、温度変化に対するfeedback機能を追加するために電池のアーキテクチャについて述べる。
   1. 電池全体への加熱&冷却の問題点
   2. 電池の電解質への熱アクセス
   3. 追加回路による発熱feedback機能の追加
5. Li-ion電池のマクロ的な劣化と加速度試験
   • 本章では、これまで行われてきたマクロ的な劣化評価と、その限界について述べる。
   1. SOH (State of Health) の減少
   2. calendar 劣化
   3. 充放電劣化 (サイクル劣化)
   4. アーレニウスの方法 (従来の劣化評価法)
   5. 加速度試験のコンセプト
6. ミクロな視点によるLi-ion電池の劣化
   • これまでは、マクロ的な劣化評価のみが行われていたため、せいぜい、SOHの評価にとどまり、金属Li析出については、推定を行うことでさえ難しかった。
     本章では、ミクロな視点によるLi-ion電池の劣化評価法と、その拡張性について述べる。
   1. 電池の劣化のミクロ的要因 (SEI型とデンドライト型)
   2. 交流抵抗によるSOHの評価
   3. 金属Li析出の検出法の提案