新技術を用いてコインセルバッテリーの安全性と熱安定性を評価

電池は温度変化や過充電／過放電によって劣化する可能性があるため、コインセルDSCは反応の引き金となる事象と、それに伴う熱現象を捉えるように設計されています。専用設計のコインセルカプセルは、全温度範囲にわたる熱流信号を完全に捉え、温度変化がバッテリー内部でどのような反応を引き起こすかを明らかにします。一体型の配線接続により、セルの熱故障時に電圧を監視できるため、熱プロセスと電気化学データを関連付けることができます。

以下の実験では、コインセルDSCから得られた主なバッテリー安全性の測定値を示します。

熱暴走とは、臨界的な高温が発熱反応を引き起こし、それがさらなる温度上昇につながる現象です。故障の発生温度とそれに伴う反応を特定することは、故障を予測し、より安全なバッテリーを設計する上で極めて重要です。

次の例では、NMCコインセルバッテリーを600℃まで昇温したところ、反応の4つの段階が明らかになりました。

1. 不可逆的なセル分解の開始温度
2. セパレータの溶融およびコインセルガスケットの溶融により、発生気体分析のためにガスを排出します。
3. 電解質および活物質の熱分解と相互反応
4. ガスケットの熱劣化および活物質との高温反応

コインセルバッテリー全体の温度上昇測定は、コインセルDSCの高感度センサーによって実現されました。このテクノロジーにより、より正確な開始温度分析および複雑な反応機構の特性評価が可能となります。

バッテリーがいつ短絡し、機能を失うかを正確に特定することは、エンジニアリングおよび設計において極めて重要です。電圧監視機能は、バッテリーの充電状態を測定し、内部短絡や電圧降下が発生した際に電気化学信号を検出し、変化を引き起こす反応を関連付けます。

下図は、短絡が発生し始める時点を示しています。この急激な電圧低下は短絡を示しており、その後、セルが完全に故障し、電圧が0Vまで低下します。バッテリーの短絡箇所を特定することで、バッテリー開発者は、設計が通常の使用条件下で安全かどうか、あるいはより高い温度に耐えられるように再設計する必要があるかどうかを判断できます。挿入図は、約119℃付近で反応熱流が発生し、130℃で電圧が低下したことを示しており、劣化の初期兆候が明らかになりました。

上記のように短絡や熱暴走の開始温度を特定することに加えて、バッテリー開発者は、バッテリーが安全基準値を超えた場合の反応や発生ガスの組成についても理解する必要があります。オフガス分析では、二酸化炭素、酸素、炭化水素、その他の分解生成物など、反応中に放出されるガスが明らかになります。これらのガスを特定することは、バッテリーが故障した際に、より大きな安全上のリスクや火災リスクをもたらすかどうかを判断するために不可欠です。

そして最後に、これらのデータはすべて、それを分析するあなたの能力次第でしかその真価を発揮しないのです。コインセルDSCのTRIOSソフトウェアは、装置制御、データ解析、およびレポート作成で、優れたユーザーエクスペリエンスを提供します。内蔵テンプレートにより、一般的なコインセル安全性試験方法を容易に行うことができます。TRIOSは、電圧監視、オフガス解析、熱流測定など、さまざまな試験モードからのデータを効率的に組み合わせる機能も備えています。

コインセルDSCの詳細については、Waters Materials Sciencesのバッテリー専門家にお問い合わせください。