【創作育成プログラム】「短気」なリチウム電池をどうやって飼い慣らすか？

リチウム電池は現代文明の一大プロジェクトと言えるでしょう。身の回りにリチウム電池を搭載したものがいくつあるかを数えると、このことがより深く理解できるようになります。しかし一方で、リチウム電池は、放置されて制御不能になると、たちまち悪魔と化します。火災、爆発、毒ガスはただただ恐ろしいものでした。リチウム電池による事故のニュースは時々耳にします。例えば、最初は道路を走っていた電動自転車が次の瞬間に突然炎上し、私たちを安全な場所まで運んでくれるツールが、人命を奪う凶器に変わってしまうのです。エレベーター内での電気自動車の爆発事故や、充電中の電気自動車による火災事故なども発生しています。

では、リチウム電池はなぜ燃えやすいのでしょうか。また、どうすれば不燃性にできるのでしょうか。今日はそれについて話しましょう。

実際、リチウムは非常に活性な金属です。どれくらい活発ですか?非常に活性が高いため、水と激しく反応して水素を生成するため、接触したものはすべて燃えてしまいます。水素は簡単に燃える燃料ではなく、それ自体が熱くなりやすい燃料です。したがって、いったん自然発火が起こると、それは火に燃料を注ぐようなものであり、火は燃え尽きるまでどんどん激しく燃え続けます。そのため、エジソンは100年以上前にリチウム電池を発明したにもかかわらず、実際に使用されるまで1990年代まで待たなければなりませんでした。なぜなら、これまで人間にはこの獣を飼いならす方法がなかったからです。

その後どのように飼いならされたのでしょうか?実際には飼いならされていたわけではなかったが、科学者たちは突然それに気づいた。あなたのリチウム金属は非常に強力ですが、私はあなたを分離して独立したリチウムイオンに変えることができます。まだそんなに傲慢でいられるの？案の定、消えてしまいました。

したがって、現在リチウム電池について話すとき、実際にはリチウムイオン電池について言及しています。このタイプのバッテリーには金属リチウムは含まれていません。正極材料は通常リチウム含有金属化合物であり、負極材料は通常グラファイトです。これら 2 つは電解質によって接続されていますが、隔膜によってブロックされています。接続とブロックはどちらも次の理由で重要です。

正極と負極はともにリチウムイオン専用に建てられたホテルと想像できます。バッテリーを充電する際、リチウムイオンは正極から出て電解液を通過し、負極にチェックインするが、荷物を持ち運ぶと負担が増えるため、持ち運ぶ予定はない。つまり、この荷物は実際には彼によって放出された電子であり、外部回路から負極に移動することになります。

放電中は、プロセスが逆になります。負極にあるリチウムイオンは、電解質だけを通って正極に戻り、その荷物である電子は再び外部回路を通過して出発点に戻ります。

このプロセスにより電流が生成され、モーターを駆動して携帯電話を点灯させることができます。調和が取れているように見えますね。前後に移動するこれらのリチウムイオンは非常にゆっくりと動いているようで、まったく脅威を与えません。はい。彼らが脅威をもたらさない理由は、主に横隔膜のためです。

この素材を過小評価しないでください。パワーアップはしませんが、リチウム電池の核心です。リチウム電池の充電および放電プロセス中に正極と負極を分離するため、短絡の発生を回避し、異常な熱の発生を防ぎ、リチウムイオンが元の激しい性質に戻って燃焼や爆発を引き起こすことを防ぎます。ダイヤフラムはリチウム電池内部の防爆壁ともいえます。

この時点で、危険なリチウム電池の問題の避けられない原因が過熱であることを推測できるでしょう。

リチウム電池の設計者は安全性の向上に多大な努力を払っていますが、過充電、短絡、衝突などの外部または内部の要因により、電池が過熱、発火、爆発する可能性があります。例えば、過剰に充電されたリチウムイオンが正極から負極に流れすぎても、それを収容する余地がない場合は、ホテルの外に集まるしかありません。このような凝集や堆積により、リチウムデンドライトが継続的に成長し、ダイヤフラムに穴が開き、局所的な短絡が発生し、大量の熱が放出されて危険が生じます。たとえば、短絡はより直接的です。不適切に使用したり、回路を独自に改造したりすると、ショート後にバッテリーが異常に発熱します。例えば、衝突により外力の作用でリチウム電池の内部構造、特に隔膜のバリア機能が損傷し、短絡や発熱を引き起こし、燃焼につながる可能性があります。

実際に非常に重要なもう 1 つの点は、使用される正極材料の違いによっても、バッテリーの高温耐性が影響を受けるということです。

一般的に、リチウム化合物の分子式では、リチウム含有量が多いほど、その分解反応、つまり燃焼に必要な温度が低くなります。たとえば、三元リチウム材料は摂氏 200 度で分解しますが、リン酸鉄リチウムは約 800 度で分解します。比較すると、後者は前者よりも安全です。しかし、前者の方がリチウム含有量が多いため、バッテリーのエネルギー密度が高くなり、同じ重量でバッテリー寿命がはるかに長くなるという矛盾があります。完璧なものなど存在しないことがわかります。

安全性を確保するためには、一方では上記電池​​の常識を理解し、他方では私たち自身の安全使用の常識を強化する必要があります。

著者: ガン・シュドン

レビュアー: 劉新華