バッテリー火災は公共の安全に対する懸念が高まっています。リスクを軽減する方法は次のとおりです

今日の電子時代では、充電可能なリチウムイオン電池が至る所に普及しています。何十年にもわたってバッテリー市場を支配してきた鉛蓄電池と比較して、リチウムイオンバッテリーはより速く充電でき、同じ重量でより多くのエネルギーを蓄えることができます。

これらのデバイスにより、電子機器や電気自動車は軽量化され、寿命が長くなりますが、欠点もあります。それらには大量のエネルギーが含まれており、発火すると、蓄えられたエネルギーがすべて放出されるまで燃え続けます。大量のエネルギーが突然放出されると、生命や財産を脅かす爆発が発生する可能性があります。

研究する科学者として エネルギー生成, ストレージ そして 変換, 、 そして 自動車工学, 、私たちはエネルギー密度が高く安全なバッテリーの開発に強い関心を持っています。そして、バッテリーメーカーがこの重大な技術的問題の解決に向けて前進しているという心強い兆候が見られます。

新たな火災の危険

都市交通は電化への変革期を迎えています。世界中の都市で気候変動と大気の質に対する懸念が高まる中、 電気自動車 が中心舞台に立っています。

同時に、電動自転車と電動スクーターは、混雑した道路を移動し、交通渋滞を軽減するための便利で低炭素な方法を提供することで、都市交通を変革しています。2010 年から 2022 年まで、レンタル ネットワークが所有する共有電動自転車と電動スクーターが占める割合を占めました。 5億回以上の旅行 アメリカで都市。個人所有の電動自転車がこの合計に追加されます。2021年には、 米国では88万台以上の電動自転車が販売されました。, 、電気自動車とトラックの60万8,000台と比較して。

バッテリー駆動車両が占める割合 小さなシェア 車の火災ですが、 EV火災の制御は難しい. 。通常、EV の火災は華氏約 5,000 度 (摂氏 2,760 度) で燃えますが、火災が発生したガソリン車は華氏 1,500 度 (摂氏 815 度) で燃えます。燃えているガソリン車を消すには約 2,000 ガロンの水が必要です。EVの火災を消すには時間がかかる 10倍以上.

これは、電気自動車が普及している大都市では大きな懸念事項です。ニューヨーク市とサンフランシスコの消防署の通報処理 660件以上の火災 2019年からリチウムイオン電池が関与している。ニューヨーク市では、これらの火災が原因で 12人が死亡、260人以上が負傷 2021 年から 2023 年初頭まで。バッテリーの技術的改善だけでなく、より安全な取り扱いと充電方法が必要であることは明らかです。

EVにはたくさんのバッテリーが搭載されている

リチウムイオン電池の火災を理解するには、いくつかの基本を知っておくことが重要です。バッテリーには、正極と負極の間にセパレーターがあり、エネルギーを含む化学物質が保持されています。それはによって動作します このエネルギーを電気に変換する.

バッテリー内の 2 つの電極は、電解質 (2 つの端子間を電荷が流れることを可能にする物質) で囲まれています。たとえば、リチウムイオン電池では、リチウムイオンが電荷を運びます。デバイスがバッテリーに接続されると、電極上で化学反応が発生し、外部回路に電子の流れが生成され、デバイスに電力が供給されます。

携帯電話やデジタルカメラは単一のバッテリーで動作しますが、電気自動車はさらに多くのエネルギーと電力を必要とします。EV の設計によっては、次のものが含まれる場合があります。 数十から数千の単電池, 、細胞として知られています。セルはモジュールと呼ばれるセットにクラスター化され、モジュールはパックにまとめられます。標準的な EV には、多数のセルを備えた大きなバッテリー パックが 1 つ含まれています。

バッテリー火災の原因

通常、バッテリー火災 単一のセルから始まります より大きなバッテリーパックの中にあります。バッテリーが発火する主な理由は次の 3 つです。車両衝突時の粉砕や貫通などの機械的損傷。外部または内部からの電気的危害 短絡;または過熱。

バッテリーの短絡は、外部からの取り扱いの誤りやバッテリーセル内の望ましくない化学反応によって引き起こされる可能性があります。リチウムイオン電池の充電が速すぎると、化学反応により、電池のアノード（マイナス電荷を帯びた電極）上にデンドライトと呼ばれる非常に鋭いリチウムの針が生成されることがあります。最終的にはセパレーターを突き抜けてもう一方の電極に到達し、バッテリーを内部で短絡させます。

このような短絡により、バッテリーセルが 212 F (100 C) 以上に加熱されます。バッテリーの温度は最初はゆっくりと上昇し、その後一気に上昇し、約 1 秒で最高温度に達します。

リチウムイオン電池火災の対処を困難にするもう 1 つの要因は、酸素の発生です。バッテリーのカソード、つまり正に帯電した電極内の金属酸化物が加熱されると、 分解して酸素ガスを放出する. 。火が燃えるには酸素が必要なので、酸素を生成できるバッテリーがあれば火を維持できます。

電解液の性質により、リチウムイオン電池の温度が 20% 上昇すると、不要な化学反応がより早く発生し、過剰な熱が放出されます。この過剰な熱によりバッテリーの温度が上昇し、反応が加速されます。バッテリー温度が上昇すると反応速度が上昇し、と呼ばれるプロセスが発生します。 熱暴走. 。これが起こると、バッテリー内の温度が 1 秒間に 212 F (100 C) から 1,800 F (1000 C) まで上昇する可能性があります。

熱暴走問題の管理

バッテリーの安全性を確保する方法は、バッテリーの外部または内部の状態に焦点を当てることができます。外部保護には通常、温度センサーや圧力バルブなどの電子デバイスを使用して、バッテリーが事故を引き起こす可能性のある熱や力にさらされないようにすることが含まれます。

ただし、これらのメカニズムによりバッテリーが大きく重くなり、電力を供給するデバイスのパフォーマンスが低下する可能性があります。また、自動車事故で発生するような極端な温度や圧力の下では信頼できない可能性があります。

内部保護戦略は、バッテリーコンポーネントに本質的に安全な材料を使用することに重点を置いています。このアプローチは、潜在的な危険の根源に対処する機会を提供します。

バッテリーパックの熱暴走を軽減するには、次のことを組み合わせる必要があります。 ソフトウェアとハ​​ードウェアの改善. 。科学者たちは、故障時に放出される酸素の量が少ない陰極の開発に取り組んでいます。不燃性電解質。 固体電解質, 発火せず、樹状突起の成長を軽減するのにも役立ちます。およびセパレータを使用できる 溶けずに高温に耐える.

別のソリューションがすでに使用されています。 バッテリー管理システム. 。これらは、バッテリ パックに組み込まれたハードウェアおよびソフトウェア パッケージで、充電状態、内部圧力、バッテリ パック内のセルの温度などの重要なバッテリ パラメータを監視できます。

医師が患者の症状を利用して病気を診断し、治療するのと同じように、バッテリー管理システムはバッテリーパック内の状態を診断し、ホットスポットのあるバッテリーを遮断したり、個々のバッテリーが故障しないように負荷分散を変更したりする自律的な決定を下すことができます。暑くなりすぎる。

バッテリーの化学的性質は急速に進化しているため、新しい設計には新しいバッテリー管理システムが必要になります。多くのバッテリーメーカーは、 パートナーシップの形成 この課題に取り組むために、補完的なバッテリーの専門知識を持つメーカーを結集します。

ユーザーは次の手順を実行することもできます 安全性を最大限に高める. 。メーカーが推奨する充電機器とコンセントを使用し、過充電したり、EV を一晩接続したままにしたりしないでください。バッテリーに損傷や過熱の兆候がないか定期的に検査してください。車を駐車する 極端に暑いまたは寒い環境から遠ざける – たとえば、熱波の間は日陰に駐車して、バッテリーへの熱ストレスを防ぎます。

最後に、EV が関与する衝突や事故が発生した場合は、火災や感電の危険を最小限に抑えるために、メーカーの安全手順に従い、可能であればバッテリーを取り外してください。