Liイオン電池モジュールの熱連鎖
予測技術（実測編）

電池が熱暴走した際の発生ガスは、次の①～④のような特徴を持つため、一般的にもちいられるガス流量測定手法では測定が困難である（第１図）。

1. ①　高流速（数百m/s）
2. ②　高温（数百度）
3. ③　噴出状況が刻々と変化する
4. ④　多量の粉塵を含む

これらへの対応として、当社ではピトー管をもちいた流量測定手法を検討した。ピトー管の原理を第２図に示す。ピトー管は金属製であることから、強度面・耐熱面で上記①、②の問題をクリアできる。③は、高応答の圧力計の選定および高速の温度変化に追従する温度センサの選定により解決可能である。④については、解決のハードルが高く、電池の熱暴走時の流量測定をもっとも困難としている事象と思われる。当社では、装置構成をはじめとしたさまざまな検討により課題解決をおこなった。

LIBの形状には、円筒型、ラミネート型、角型の3 種類がある（写真１）。円筒型、角型には安全機構として安全弁が備わっている。これは、何らかの要因で電池内部の圧力が上昇した際に、電池が破裂することを避けるためのものである。これにより、熱暴走時のガス噴出の方向が限定される。一方、ラミネート型には同様の機構はなく、周囲の接合部が開裂することでガス噴出が起こる。そのため、特段の措置がない限り、ガス噴出の場所を事前に予測することは困難である。以上のことから、ガス噴出箇所が固定されている角型LIBを対象に測定手法の検討をおこなった。

測定装置の構成例を第３図に示す。電池の固定と治具との接続を容易にするため、セルを箱型の容器内に設置した。容器の上面（安全弁の上方）には穴が開いており、そこに配管を接続した。これにより、発生したガスの流路を限定した。また、配管にピトー管と温度センサを設置することで、動圧、ガス温度を測定し流速、流量を算出した。ここで、算出に必要となる流体密度は、別途ガス分析をおこない評価した。

本手法では、測定精度に関わるパラメータとして治具の構成やピトー管の設置位置などが挙げられる。ここでは、ピトー管の設置位置を検討した結果を紹介する。設置位置は、粉塵の影響を左右する要素であると思われるほか、セルからの距離による測定値の確からしさやバラつきの点からも検証する必要がある。そこで、セルからの距離を３水準とし、設置位置と流量の傾向について調査した（第４図）。セルは25Ah角型リチウムイオン電池を使用し、ヒータ加熱により熱暴走を発生させた。測定結果を第５図に示す。B 位置については、再現性確認のため二回測定をおこなった。セルに近い箇所（A 位置）では流量が増加するのに対して、ある一定程度離した場合は、B 位置、C 位置ともに同等の測定結果がえられた。また、B 位置では良好な再現性が確認された。A 位置で流量が増大する要因として、ピトー管が電池に近すぎるとガスの流れが安定していないことや、粉塵の直撃を受けることでピトー管が根詰まりしやすい ことから、過大な数値となっている可能性が考えられる。

実際の流量測定事例を第６図に示す。試験条件は１．２と同様である。開弁後、電池電圧の低下にしたがい流量が増加した。流量は約100L/sで極大値を示し急激に減少した。流量の極大値前後で発煙の色が白から黒に変化し、この時点が観察上も、もっとも勢いよくガスが噴出していた。このように本手法においては、実際の噴出挙動と測定された流量波形がよく一致しており、外乱因子となる粉塵の影響などを排除できていることがわかる。なお、当社ではピトー管以外の測定方法も同時検討しており、そこでえられた値とピトー管で計測した流量は同様の数値であることを確認している。

車載用バッテリは電池パックとして筐体内に格納されている。セルに熱暴走が発生した際に放出されるガスは、数百度におよび、これが電池パック内に充満することで熱連鎖を助長する可能性がある。熱連鎖に至る熱移動の支配的要因は、熱暴走したセルから隣接するセルへの熱伝導と考えられるが、高温ガスからの入熱がどの程度影響するかは、これまで知見はなかった。高温ガスの影響は熱連鎖が進展するほど大きくなると考えられるほか、熱伝導により加熱されていないセルにもその影響が届くため、実測とシミュレーションの双方において重要な因子と推定される。

熱暴走時のガスによる受熱が熱連鎖におよぼす影響を調べるため、模擬電池パックを作製して検証をおこなった。セルはこれまで同様に25Ah角型リチウムイオン電池をもちいた。これを3つ並べヒータ、断熱材とともにステンレス板で拘束することで簡易的なモジュールを作製した（第７図）。ヒータ加熱により最初に熱暴走させるセルを以降トリガーセルと称する。

試験容器の構造を（第８図）に示す。容器は厚み10mmのステンレス製とし、蓋を設置することで密閉となる構造とした。蓋には安全上の観点からリリーフバルブを設置した。モジュールはリリーフバルブとは反対側の短辺に沿うように設置した。試験は2 水準とし、噴出ガスの受熱影響を調査した。

A） 密閉容器/ 蓋あり：電池パックを模擬した噴出ガスの影響を受ける環境（写真２）

B） 開放容器/ 蓋なし：噴出ガスの影響をほとんど受けない環境（写真３）

A）密閉容器（噴出ガスの影響あり）の試験結果を第９図に示す。トリガーセルの熱暴走から200 秒後に隣接セルが熱暴走した。さらに500 秒後に最外セルが熱暴走した。おのおのの温度履歴から200℃以上への温度上昇が熱暴走に至る条件と考えられる。容器内温度はガス噴出時に160 ～ 210℃まで上昇した。ガス噴出が収まった後も比較的高温（40℃～ 70℃）で推移した。

B）開放容器（噴出ガスの影響がほとんどない）の試験結果を第10 図に示す。隣接セルの温度が最大190℃まで上昇したが熱暴走には至らなかった。最外セルも同様に熱暴走に至らなかった。容器内温度は開放系のため、ほとんど上昇することはなかった。

以上から今回の検証では、噴出ガスの影響を受ける環境とそうでない環境で明確に熱連鎖の発生有無に差が生じた。