リチウム電池の火災を予測する新技術の最前線

電気モーターの轟音が内燃機関の唸りを急速に置き換えつつある。これはより清潔で持続可能な未来の象徴である。しかし、これらの現代の驚異的な製品の洗練された外観の下には、絶え間なくくすぶる不安が潜んでいる。それはバッテリーの発火に対する恐怖である。電気自動車革命の原動力であるリチウムイオン電池には、悪魔のような側面がないわけではない。エネルギー密度が上昇して航続距離が延びるにつれ、熱暴走の脅威もまた高まっている。熱暴走とは、車両を数秒で地獄と化す壊滅的な連鎖反応のことだ。長年にわたり、業界の安全ネットであるバッテリー管理システム（BMS）は、表面温度や端子電圧といった大まかな外部測定値に依存して、これらの悪魔を食い止めてきた。これはまるで、分厚い冬の帽子を通して誰かの額を触り、高熱を診断しようとするようなものだ。警報が鳴るときには、往往にして手遅れになっている。しかし、画期的な研究の波が今、その核心に直接迫ろうとしており、バッテリーの安全性を反応的な被害制御から、積極的で命を救う予防へと変革することを約束している。

この問題は、根本的には物理学と化学の問題である。リチウムイオン電池は積層構造の工学の驚異だが、この構造そのものが、いざという時に弱点となる。陽極、陰極、セパレーターで構成される密に巻かれた、または積層された内部では、激しい衝撃、過剰な充電、または単に極度の熱暴露などによる虐待によって、一連の暴力的で自己加速的な化学反応が引き起こされる可能性がある。初期段階は、騙されるほど静かだ。摂氏70度から90度程度で、陽極上の脆弱な固体電解質界面（SEI）層が分解し始め、最初のわずかなガスを放出する。120度まで達すると、この保護層は消失し、反応性の高いリチウムが電解液に露出し、可燃性炭化水素の奔流を解き放つ。セル内部の圧力が蓄積し始める。金属ケース内に閉じ込められた無言の悲鳴である。

そして、引き返せないポイントが訪れる。温度が135度を超えると、陽極と陰極を分離するように設計されたプラスチック製のセパレーターが溶けて収縮する。これにより内部短絡が発生し、電池に蓄えられた全エネルギーが一瞬で放出され、温度が急上昇する。陰極材料自体は170度前後で分解し始め、純粋な酸素を放出する。これは、これから起こる火災嵐にとって完璧な促進剤である。200度まで達すると、この酸素が電解液との激しい反応を促進し、有毒な一酸化炭素とさらなる熱を発生させ、セルを風船のように膨張させる。そしてそれだけでは済まない。260度以上では、電極を固定するバインダー材料が分解し始め、セル内に爆発性の高い水素ガスを充満させる。最終段階は、純粋な制御不能のカオスである。温度は摂氏500度を超え、内部圧力は膨大になり、セルは破裂し、恐ろしい轟音とともに引火する可燃性および毒性ガスのカクテルを噴出する。この一連の連鎖反応はわずか数分で展開し、乗員に逃げるための貴重な時間をほとんど残さない。

従来のBMSは、セルの外皮のみを監視するため、まったく太刀打ちできない。研究によれば、熱暴走時には、バッテリーの中心部は表面よりも驚異的な500度も高温になる可能性があることが示されている。内部深くで発生した熱は、バッテリーの伝導性の低い層を通じて十分な速さで外部に伝導することができない。これにより危険なタイムラグ、すなわち誤った安全感が生じる。外部センサーが「過熱」を警告するときには、内部の地獄はすでに十分に進行しており、介入の窓は完全に閉ざされているのである。必要なのは、災害の最初の震えを感知できる、バッテリー自体の内部、最前線に直接配置された見張り役である。

ここで、内部信号監視の分野がゲームチェンジャーとして登場する。研究者たちは、小さくて頑丈なセンサーをバッテリーのコアに直接埋め込み、セルをブラックボックスから透明な自己報告システムへと変える独創的な方法を開発している。目標は単純だ。外部に現れるはるか前に、警告サイン——上昇する内部温度、高まる圧力、特定のガスの最初の噴出——を捉えることである。主に2つのアプローチがこの分野をリードしている。高度な電気化学的分析と、直接的な物理センサーの埋め込みである。

最初のアプローチである電気化学インピーダンス分光法（EIS）は、非侵襲的な技術で、バッテリーを複雑な電気回路のように扱う。さまざまな周波数で小さな交流電流を印加し、バッテリーがその電流をどのように抵抗し、位相をシフトさせるかを測定することにより、科学者はその内部状態を推測できる。驚くべきことに、インピーダンスの特性は内部温度に応じて予測可能に変化する。ある説得力のある研究では、EISは従来の表面温度センサーよりもかなり早く熱暴走の開始を検出した。これは、発熱が始まる前に患者の心拍の微妙な変化を聞き取って病気を診断するようなものだ。しかし、EISには欠点がある。必要な装置はかさばり高価なため、すべての車両に搭載するのは非現実的である。より市場向けというよりも、実験室での診断や高級で特殊なアプリケーションに適している。

自動車産業にとって真の可能性があるのは、2番目のアプローチ、つまり物理センサーをバッテリーセル内部に直接埋め込むことである。これは敵陣の内部に小さくて不滅のスパイを配置するようなものだ。課題は計り知れない。センサーは、腐食性化学物質、破壊的な圧力、ほとんどの金属を溶かす温度という地獄のような環境に耐えなければならない。まさに防ごうとしている短絡を引き起こさないように、完全に絶縁されていなければならない。極めて重要なのは、バッテリーの性能——その容量、寿命、または電力供給——を低下させてはならないことだ。そして、既存の高速バッテリー製造プロセスに、コストのかかる混乱を引き起こすことなく統合できるほど、小さくて柔軟でなければならない。これらの障害にもかかわらず、主に4つの重要な分野——温度、ひずみ、圧力、ガス感知——で顕著な進歩がみられている。

温度に関しては、主力となっているのは抵抗温度検出器（RTD）、熱電対、そして新星の光ファイバーセンサーである。白金などの材料の電気抵抗の変化を追跡して温度を測定するRTDは、応答時間が速く、精度が高い。研究者たちは、それらを薄い化学不活性のポリイミドフィルムで包んだり、電極の後ろにきちんと収まり損傷を最小限に抑えるカスタムメイドの3D印刷ポリマー基板に取り付けたりすることで、それらの埋め込みに成功している。ある研究では、内部RTDが短絡試験中のピーク温度を外部センサーの7～10倍速く検出したことが示された。2つの異種金属間の温度差に基づいて小さな電圧を生成する熱電対は、頑丈で安価であり、最高1200度という極限温度まで測定できる。科学者たちはそれらをポーチ型、角型、円筒型のセルに挿入し、18650セル内部の複雑な半径方向の温度勾配さえマッピングしている。しかし、その応答時間はRTDよりも遅く、市販のセルに物理的に挿入するにはしばしば穴を開ける必要があり、セルの気密封止を損なうリスクがある。

しかし、光ファイバーセンサーは最先端技術を代表する。これらのセンサーは電気ではなく光を使用するため、電磁干渉の影響を受けず、本質的に爆発性環境でも安全である。それらは小さく、柔軟で、極度の熱や化学腐食に耐えることができる。その真の優れた点は多機能性にある。特別に処理された光ファイバーを通る光の伝わり方を分析することにより、温度だけでなく、ひずみや圧力も同時に測定できる。研究者たちは、ポーチセルに中空コアファイバーを挿入し、ラマン分光法を実行して、バッテリーの充放电中にリアルタイムで電解液の化学組成を実質的に「嗅ぎ分け」ている。他の研究者は18650セルにファイバー Bragg グレーティングを統合し、SEI層の形成を追跡し、さらには充放電中の総発熱量さえ推定することに成功している。最も印象的な成果は、市販の18650セル内部の熱暴走事象の全力に耐えられるコンパクトな多機能ファイバーセンサーを開発したチームによるものである。それは爆発の瞬間まで内部温度と圧力を記録しただけでなく、無傷で再利用可能な状態で現れた。この技術は非常に有望であるため、ボルボなどの企業はすでに車載バッテリー監視システムへのその使用を検討しており、産業サプライヤーは市販の光ファイバーセンサーソリューションを市場に投入している。

温度は重要な指標であるが、圧力はさらに早期の警告サインとして浮上している。ガスの発生は熱暴走の連鎖反応における最初期の事象の1つであり、温度が劇的に急上昇する前でさえも発生する。内部圧力の急激で鋭い上昇は、温度の徐々の上昇よりも差し迫った破滅の前触れとなりうる。前述の高度な光ファイバーセンサーは、熱暴走中に発生する2つの異なる圧力ピーク——1つ目は安全弁が圧力を解放するために開くとき、2つ目は壊滅的な故障の直前に発生するより激しいピーク——を検出できることが実証されている。他の研究者は、数百回の充電サイクルにわたって圧力変化を正確に記録し、それを特定のガス種の発生と相関させることができる高度なマルチチャネルシステムを構築している。ここでの課題は小型化である。既存の圧力センサーの多くは、量産セルにシームレスに統合するにはまだ大きすぎる。

これは最も興味をそそる最先端技術、すなわちガス検知につながる。圧力が初期の兆候であるならば、発生している特定のガスは決定的な証拠である。熱暴走の独特な化学的指紋——バインダー分解による水素、電解液分解による一酸化炭素、または特定の揮発性有機化合物——を検出することは、可能な限り最も敏感で特異的な早期警告を提供しうる。いくつかの研究では、ガス信号が他の手段によって検出可能な重大な温度または圧力変化が生じる前でさえ現れることが示されている。しかし、これは最も未開発の分野である。バッテリーの過酷な内部環境に耐え、室温で確実に動作し、汚染や交差汚染されることなく異なるガスを区別できるマイクロスケールのガスセンサーを作成することは、非常に大きな工学的課題である。先駆的な研究は、酸化スズを感応層として、白金を触媒として使用する、別のタイプのバッテリーに埋め込まれたマイクロ水素センサーを実証した。リチウムイオン用ではないが、必要な材料と製造技術に関する重要な青写真を提供する。現在、リチウムイオンセル内部に埋め込むことができる真の多機能ガス「鼻」を開発する競争が行われている。

前進への道筋は明らかだが、障害がないわけではない。あらゆる異物をバッテリーセルに統合することは、リスクを伴う侵襲的な手順である。どれほどよく設計されていても、すべてのセンサーはセルのエネルギー密度をわずかに低下させたり、長期的なサイクル寿命安定性に影響を与えたりする可能性がある。製造プロセスは適応させなければならず、新しい装置と品質管理対策が必要となり、コストが追加される。光ファイバーの場合、外部読み出し装置への正確な位置合わせと接続の必要性が複雑さを増す。そしてガスセンサーの場合、技術はまだ初期段階にあり、重要な基礎研究が必要である。

これらの課題にもかかわらず、潜在的な報酬は無視するには大きすぎる。バッテリー安全監視の未来は、おそらく、複数の相補的なセンサーが協調して働くシンフォニーとなるだろう。バッテリーセルの核心を走る1本の小さな光ファイバーを想像してほしい。それは温度、ひずみ、圧力を継続的に報告する。トラブルの最初の化学的兆候を嗅ぎ分けるマイクロガスセンサーと組み合わされれば、この多パラメータアプローチは、堅牢で冗長性のある安全ネットを創り出すだろう。これらの内部監視役からのデータは、単純な警報を引き起こすだけではない。それは高度な人工知能（AI）アルゴリズムに取り込まれる。正常および異常なバッテリー挙動の膨大なデータセットで訓練されたこれらのAIシステムは、熱暴走事象を驚くほどの精度で予測し、無害な温度スパイクと真の災害の開始とを区別できるだろう。そしてそれらは、正確で多層的な対応——即座に充電速度を絞る、標的型冷却システムを起動する、または最悪の場合、故障セルが隣接セルに引火する前に安全に隔離する——を調整できるだろう。

これはSFではない。これはバッテリー技術の論理的で必要な進化である。電気自動車がより重く、より速く、より遍在するようになるにつれ、単一のバッテリー火災の結果はより深刻になる。この変革的な技術に対する一般の信頼は、その知覚された安全性にかかっている。外部の遅行指標から内部の予測的監視へ移行することは、その信頼を解き放つ鍵である。それは故障の管理からその完全な予防へとパラダイムを転換することについてなのである。

王裕婷（Yuting Wang）、李秋彤（Qiutong Li）、胡一鳴（Yiming Hu）、郭新（Xin Guo）らが華中科技大学材料科学・工程学院で主導した研究は、『Energy Storage Science and Technology』に掲載され、この旅における重要なロードマップを提供している。彼らの熱暴走メカニズムと内部信号監視の最先端技術に関する包括的な概要は、世界の科学技術コミュニティに対する基礎と行動の呼びかけの両方としての役割を果たしている。メッセージは明確である。電気モビリティの未来を真に確保するためには、内部を見なければならない。悲鳴になる前にささやきに耳を傾けなければならない。そうするための技術は研究室から出現しつつあり、私たちの車への到着は早すぎることはない。

王裕婷、李秋彤、胡一鳴、郭新華中科技大学材料科学・工程学院 Energy Storage Science and Technology 掲載 doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0093