リチウムイオン電池の発熱の早期発見と火災防止

温室効果ガス排出による気候変動は、地球規模の課題です。技術の進歩により、効率性を高めたクリーンで再生可能なエネルギー変換プロセスが実現しました。しかし、再生可能エネルギーの課題はその不安定さにあり、信頼性を確保するためには効果的なエネルギー貯蔵システムが必要です。このようなクリーンエネルギーへの転換の中で、電気化学システム、特にリチウムイオン（Li-ion）電池の役割は非常に重要です。これらの電池は輸送機器や電力の排出量削減に貢献し、輸送、暖房、産業部門の脱炭素化や電化の基盤となっています。

リチウムイオン電池の一般的な組成には、LiMn2O4（LMO）、LiCoO2（LCO）、および LiFePO4（LFP）が含まれます。これらの電池は、高いエネルギー密度と出力密度、低い自己放電率、長い寿命が特徴で、広く使用されています。電池のコストが下がり、エネルギー密度が向上するにつれて、数多くの用途に使われるようになりました。

バッテリーのエネルギー密度とは、重量またはサイズと比較したバッテリーに含まれるエネルギーの量を指し、比エネルギー密度（重量）および体積エネルギー密度（サイズ）と呼ばれることがよくあります。コンパクトで強力なバッテリーが求められる用途では、高いエネルギー密度が有利です。しかし、エネルギーを詰め込むほど、リチウムの反応性と熱感受性のため、熱暴走による火災リスクも高まります。リチウムイオン電池の電解質は揮発性が高く、発火や爆発の危険性があります。安全機能が組み込まれていても、製造、保管、リサイクルの段階で火災リスクが依然として存在します。特に近年、保管施設や充電ステーション、リサイクルセンターでの火災事故が増加しており、企業にとって重大なリスクとなっています。

熱暴走は、製造上の欠陥や過充電、過熱、穴あけ、圧壊などの使用方法の誤りによって引き起こされます。バッテリーが臨界温度に達すると、連鎖的な化学反応が発生し、火災につながることがあります。この現象は、バッテリー内部の構造を不安定化させ、劣化を引き起こします。内部要因としては、電極表面のコーティング不良、異物混入、溶接不良などが挙げられ、短絡や発熱を引き起こします。外部要因としては、過充電による電気的負荷、圧壊や穴あけによる機械的負荷、高温環境による熱負荷が含まれます。また外部要因により内部要因が引き起こされることもあります。

現在、早期警報や施設監視のために、さまざまな火災検知システムやセンサーが利用されています。これらのシステムは、火災からの煙の吸引、熱を測定して異常を通知します。ただし、これらのシステムは、火災が発生する前ではなく、バッテリーが発火して火災になった後にのみ異常を検出します。さらに屋外や換気のいい空間では、センサーの配置が最適でない場合、火災を検知できない場合があります。

最も効果的な対策は、火災が発生する前に欠陥のあるバッテリーセルを特定して取り除くことで予防的に対応することです。この対策では、欠陥のあるバッテリーを早期に冷却することができ、熱暴走を防ぐことができます。さらに、危険なバッテリーを他の問題のないバッテリーから隔離することで、異常が発生した際の被害を最小限に抑えることができます。このようにリスクを最小限に抑えるには、予防措置と継続的なモニタリングが重要です。

赤外線サーモグラフィが熱暴走を早期に検出しバッテリー火災を防止

熱暴走は一度に起こるのではなく、いくつかの段階に分かれて起こります。最初の段階は過熱の始まりです。この温度の急速な上昇により、一連の化学反応が引き起こされ、急激な発熱が起こり、発火、火災に至ります。この初期段階の発熱反応は、約70 ～ 100℃で始まります。消火が遅れるとバッテリーの内部構造が分解、溶解し、より多くの化学反応が発生し、より多くの熱が生成されます。加熱が継続し、温度上昇率が増加すると、急速な熱暴走段階に入ります。熱暴走とは、１分あたり10℃以上の自己発熱速度です。加速すると熱暴走により温度が制御不能になり、有毒ガスが発生します。温度が100 ～ 200℃、あるいはそれ以上に達すると、電池は破裂、発火、爆発する可能性があります。特にバッテリーセルをグループ化して梱包する場合、従来の接触式の温度測定は困難になり、また生産される数多くのバッテリーの温度をすべて監視することは現実的ではなくなります。

赤外線サーモグラフィは、煙粒子や炎が発生する前に真っ先に警報を発し、火災発生プロセスの初期段階でバッテリーから発生する熱を検出します。熱暴走の初期段階で時間の経過に伴うゆっくりとした温度の上昇を測定するには、単純な赤外線監視カメラではなく、正確に温度校正されたサーモグラフィが必要です。

さらに、バッテリーはパッケージ化されていることが多く、セルが直接見えないため、正常なバッテリーと問題のあるバッテリーの温度差が小さくなります。これらの温度差を正確に判断することは、致命的な故障を防ぐために重要です。

Optris社のサーモグラフィの優れた光学品質と測定の細かさにより、ホットスポットの温度情報を正確に解決できます。また、堅牢な設計は、耐久性と設置の容易さを保証し、ほこりや水から保護するIP67定格を備えているため、厳しい産業環境に適しています。広角レンズを備えたサーモグラフィカメラは、広い視野を一度に監視できます。

火災を防ぐ鍵となるサーモグラフィの自動ホットスポット検出機能

熱暴走のリスクを軽減するには、サーモグラフィを含む予防的な火災検知対策が不可欠です。最も効果的なアプローチは、火災が発生する前に、過熱して欠陥のあるバッテリーセルを特定することです。欠陥のあるバッテリーを早期に冷却し、可燃性バッテリーから分離することで、損傷の程度を抑えることができます。

Optris社のサーモグラフィXi410シリーズはアラーム出力を備えた自動ホットスポット検出機能を有しており、PCなしのスタンドアロンで動作するため、専用のソフトウェアを準備しなくても問題に即座に対応できます。ホットスポット自動検出機能は熱くなり始めたバッテリーを早期に発見して火災や爆発のリスクを減らし、これに伴う健康被害、ダウンタイム、リソースの損失を回避します。また施設の監視自動制御および消火システムに統合することで、火災検知の応答時間を向上させ、安全性を向上させることができます。

Xi410シリーズはイーサネット接続でも使うことができ、既存のネットワークに簡単に統合できます。堅牢な設計だけでなく、小型で、レンズ選択肢も豊富なため、様々な監視要件、設置環境へ適応します。フェールセーフ信号を備えた自己監視システムにより信頼性の高い動作が保証されます。製品に付属する専用ソフトウェアは複数のサーモグラフィの熱画像を同時に表示する機能を備えており、広いエリアや複数のバッテリーユニットを包括的に監視できます。

ただ、このようなサーモグラフィの利用は既存の検知および対応プロトコルを補完するものであることに注意することが重要です。これらサーモグラフィは早期警報システムとして機能し、施設内の発火の可能性のあるエリアを既存のシステムに通知することで、ユーザーの迅速な対応が可能になります。Xi410シリーズのようなスマートな火災検知システムによる継続的な監視は、火災の安全と予防に不可欠です。このような監視方法は、保管、廃棄、試運転、生産、輸送、消火対策などのさまざまな段階に適しています。