高SOCはバッテリー熱暴走リスクを高める
電気自動車（EV）の普及が世界中で加速する中、リチウムイオン電池の安全性は依然として業界最大の課題の一つである。2023年に世界中で販売された新エネルギー車は1465万台を超え、その64.8%が中国市場で占められた。この急成長に伴い、バッテリー発火事故の報道も後を絶たず、消費者の安心と信頼を揺るがす事態となっている。特に「熱暴走（thermal runaway）」と呼ばれる現象は、ある一つのセルの故障が連鎖反応を起こし、モジュール全体、あるいはパック全体が短時間で燃え尽きるという極めて危険なプロセスであり、自動車メーカー、電池ベンダー、そして規制当局にとっての最優先課題である。
このような中、武漢交通職業学院と東風汽車公司技術センターの研究チームが、電池の「充電状態（State of Charge, SOC）」が熱暴走の伝播に与える影響について、画期的な研究結果を発表した。この研究は、商用シミュレーションソフトウェアCOMSOLを使用し、実際の外部試験から得られたデータを基に、複数のセルからなるバッテリーモジュール全体の熱暴走プロセスを仮想的に再現したものである。その結果、SOCが高くなるほど、熱暴走が隣接セルに伝播する速度が速くなり、その規模と深刻度が著しく増大することが明確に示された。この発見は、EVのバッテリーマネジメントシステム（BMS）の設計、安全対策の強化、さらには日常的な充電習慣の見直しまで、幅広い分野に影響を与える可能性を秘めている。
熱暴走のメカニズム：連鎖反応の恐怖
熱暴走とは、ある一つの電池セルが外部要因（衝突、過充電、内部短絡など）により急激に加熱され、セル内部の化学物質が分解し、大量の熱と可燃性ガスを放出する現象である。この反応は自己発熱性であり、一度始まると、放出された熱が周囲のセルを加熱し、それらもまた熱暴走を起こすという「連鎖反応」に陥る。このプロセスは非常に高速で、数分以内にモジュール全体が炎上する可能性がある。
従来の安全性評価は、主に物理的な破壊試験（針刺し試験、圧潰試験など）に依存してきた。これらの試験は非常に貴重なデータを提供するが、コストが高く、危険を伴い、かつ試験ごとに再現性が難しいという課題がある。また、一つのセルの挙動を詳細に観察することはできても、数十、数百のセルからなる複雑なパック全体での「伝播プロセス」をリアルタイムで追跡するのは極めて困難である。
そこで注目されているのが、コンピュータシミュレーション技術である。武漢の研究チームが採用したアプローチは、「集約モデル（lumped-parameter model）」と呼ばれるものである。これは、セル内部の複雑な電気化学反応（リチウムイオンの移動、電極反応など）を、外部から測定可能なパラメータ（開回路電圧、内部抵抗、発熱量など）に集約して表現する方法だ。この手法の最大の利点は、電池メーカーが外部に公開しないような極秘の内部データを必要としない点にある。自動車メーカーは、調達したセルの仕様書に記載されたデータや、比較的容易に実施できる外部試験の結果を用いることで、自社のバッテリーパックの安全性を仮想的に検証できるのだ。
シミュレーションが明かすSOCの影響
研究チームは、正極材にNCM111（ニッケル・コバルト・マンガン酸リチウム）を用いた商用角型リチウムイオン電池を対象に、6つのモジュール（合計30セル）からなるバッテリーパックのモデルを構築した。シミュレーションの条件として、ある一つのセル（セル1）がすでに熱暴走を起こしている状態を仮定し、その熱が周囲のセルに伝播する様子を、SOCが20%、30%、50%、70%、90%、100%の6つの異なる条件下で20分間にわたり観察した。
その結果は、SOCと熱暴走の危険性の間に明確な相関関係があることを示している。
まず、SOCが20%と30%の低レベルでは、シミュレーションの20分間の終了時まで、セル1の熱暴走は周囲のセルに伝播しなかった。隣接するセル2の温度は、20% SOCでは最高81℃、30% SOCでは最高93℃にとどまり、熱暴走を引き起こす閾値（通常200℃以上）には達しなかった。これは、低SOCの状態では、セル内に貯蔵されている化学エネルギーが少なく、外部からの熱を吸収する「熱的余裕」が大きいことを意味している。言い換えれば、部分充電状態のバッテリーは、事故時の「安全バッファー」が大きいと言える。
しかし、SOCが50%に達すると状況は一変する。このレベルでは、セル内に十分な化学エネルギーが存在しており、セル1から放出された熱が、セル2を熱暴走の閾値まで加熱するのに十分な「燃料」となる。シミュレーションでは、50% SOCと70% SOCの条件下で、熱暴走が周囲の3〜4つのセルに伝播し、モジュール全体が危機的な状態に陥ることが確認された。
そして、最も深刻な結果がSOC 90%および100%の条件下で得られた。この状態では、熱暴走の伝播は爆発的なスピードで進行する。特にSOC 100%の条件下では、隣接するセル2の温度が200秒（約3分20秒）という極めて短い時間で694℃にまで急上昇した。この速度は、実際に事故が発生した場合、乗員が安全に車外へ避難する時間さえ確保できないほどである。さらに、シミュレーションは、熱が単に直線的に伝播するだけでなく、横方向にも広がり、最終的にはモジュールの側面にあるセルにも影響を及ぼす可能性を示唆しており、これはパック全体の完全な破壊につながる危険な兆候である。
電圧の落とし穴：BMSの盲点
もう一つの重要な発見は、電圧の挙動に関するものだ。多くのバッテリーマネジメントシステム（BMS）は、セルの電圧が急激に低下することを、セルに異常が発生しているサインとして検知する。しかし、このシミュレーションは、SOCが低い場合（20%、30%）には、セル2の電圧が時間とともに明確に低下するのに対し、SOCが高い場合（90%、100%）には、電圧の低下が非常に緩やかであることを示している。
これは極めて重要な示唆である。つまり、バッテリーが満充電に近い状態で事故に遭った場合、BMSは「電圧は正常」と判断してしまい、セルがすでに危険なほど加熱されているにもかかわらず、警告を発しない可能性がある。これは、現在のBMSアルゴリズムに深刻な盲点があることを意味しており、電圧監視に加えて、より高密度な温度センサーの配置や、温度上昇率をリアルタイムで監視する新しいアルゴリズムの開発が急務であることを示している。
未来のEV設計への示唆
この研究の成果は、自動車産業の未来に多大な影響を与える。まず、バッテリーの充電戦略に変化を迫る可能性がある。日常的な使用では、満充電（100% SOC）まで充電するのではなく、80%や90%で充電を停止する「部分充電」が、安全性を大幅に向上させる有効な手段であることが科学的に裏付けられた。これは、航続距離にわずかな犠牲を払う代わりに、事故時のリスクを劇的に低下させる「リスクマネジメント」の一種である。
次に、バッテリーパックの物理的設計にも影響を与える。研究結果は、高SOC時の熱伝導が非常に効率的であることを示しているため、セルとセルの間、モジュールとモジュールの間に、より高性能な熱バリアや断熱材を配置する必要性が高まる。また、熱を迅速に外部に逃がすための冷却チャネルの設計や、熱暴走時に作動する受動的消火システムの開発も、より切実な課題となる。
さらに、規制と安全基準の見直しも促されるだろう。現在の安全試験は、特定のSOC条件下で行われることが多いが、この研究はSOCがリスク評価に決定的な影響を与えることを示している。今後、規制当局は、満充電状態での耐久性試験や、熱暴走伝播試験をより重視するようになるかもしれない。
結論として、程露（Cheng Lu）、柳亮（Liu Liang）、葉国駿（Ye Guojun）、唐瓊（Tang Qiong）らの研究は、EVの安全性に関する理解を深めるだけでなく、実用的な設計指針を提供する重要な一歩である。彼らのシミュレーション手法は、高価な物理試験に代わる強力なツールとなり、より安全なバッテリー技術の開発を加速させるだろう。電気自動車の未来は、単に航続距離や充電速度の競争ではなく、こうした「見えない安全」をいかに高めていくかにかかっている。
程露、柳亮、葉国駿、唐瓊. 高SOCはバッテリー熱暴走リスクを高める. 武漢工程職業技術学院学報, 2024. DOI: 10.13542/j.cnki.1671-3524.2024.01.001