自己放電試験 - 初期故障の検出

はじめに

世界的なエネルギー転換を背景として、リチウムイオン電池は電気自動車およびエネルギー貯蔵システムにおける中核的な電源として位置付けられています。市場において電池の高エネルギー密度化や急速充電性能に対する要求が継続的に高まる中で、電池の安全性に関する問題はますます顕在化しています。近年、電気自動車の火災やエネルギー貯蔵システムにおける事故が相次いで発生しており、その多くが電池内部の欠陥に起因するものであることから、業界全体に警鐘を鳴らしています。こうした潜在的な安全リスクの多くは、電池製造工程において完全に回避することが困難な内部微小短絡や材料汚染といった欠陥に由来しています。自己放電試験技術は、これらの潜在的な欠陥を初期段階で高精度に特定するための有効な手段です。

本稿では、まず自己放電試験の概要を簡単に紹介し、いくつかの試験方法を列挙したうえで、定電位法について詳しく説明します。最後に、自己放電試験の利点を分析するとともに、その他の応用シーンについても言及します。

自己放電試験の重要性

自己放電とは、充電されたエネルギー貯蔵デバイスが、負荷に接続されていないにもかかわらず、時間の経過とともに自然にその電荷を失う現象でございます[1, 2]。自己放電のメカニズムは、エネルギー貯蔵デバイスを高い自由エネルギーの状態から低い自由エネルギーの状態へと駆動させます（図1）。

図1　自己放電過程におけるギブズ自由エネルギー変化の模式図［1］

すべてのリチウムイオン電池は、ある程度の自己放電を示します。これは通常、月に約1%から5%の容量損失であり、避けることはできません。しかし、電池が内部のマイクロショート、不純物、または構造的欠陥を有している場合、その自己放電率は著しく増加いたします。このような種類の電池は、正常な自己放電率の電池と比較して、その後の使用中に故障する可能性がはるかに高くなります。

したがって、自己放電率を正確に測定することにより、電池の組み立て前に潜在的に欠陥のある単一セルを効果的に特定し、問題のあるこれらの電池が実用段階に入るのを未然に防ぐことができます。

要するに、自己放電試験の根本的な意義は、電池の一貫性と信頼性を保証する鍵となる役割を果たす点にあると言えます。

自己放電試験方法

開回路電圧法

開放電圧法（Open-Circuit Voltage：OCV法）は、比較的伝統的な試験方法でございます。この方法は、保存中の電池の開回路電圧の変化を測定し、電圧降下の速度に基づいて自己放電特性を評価いたします。

電池を水で満たされたコップに例えるならば、水面の変化を測定することで水分の損失量を判断できます。同様に、開回路電圧の変化を観察することで、電池の自己放電特性を得ることができます（図2）。

図2：開回路電圧法の概念図（水コップモデル）

この方法は、操作が簡単で設備コストも低いという利点がございますが、非常に長い時間を要するという欠点がございます。試験が長期にわたることで発生する電池の保管コストの増大は無視できません。

欠陥のある電池の自己放電プロセスを加速させるために、電池保管環境の温度を適切に上昇させることがあっても、信頼できる結果を得るには、数週間、あるいは数ヶ月かかることがしばしばございます。

定電位法

定電位法は、より高度な試験方法でございます。その原理は、ポテンショスタットを使用して、直流電源を電池の開回路電圧（OCV）に精密に一致させ、その上で電池の自己放電電流を測定するというものでございます。

この方法により、試験時間を数日、あるいは数時間にまで短縮することが可能となります。具体的な試験方法としては、電圧源を精密に制御し、電池のOCVと一致させます。このとき、電圧源から電池に流れ込む電流が、電池の自己放電電流となるのです。この電流の試験カーブに基づいて、電池の自己放電特性を分析することができます。

簡単に申し上げますと、電池を「水が満たされ、底に小さな穴があって常に水が漏れているコップ1」に例えることができます。漏れている水は自己放電電流に相当します。定電位法は、「コップ1と常に同じ量の水を維持しているコップ2」からコップ1に水を注ぎ続け、コップ1を常に満水に保つことに似ています。コップ2からコップ1に注がれた水の量を正確に測定することで、コップ1から漏れた水の量、すなわち電池の自己放電電流を知ることができるのです。この原理を図3にご覧いただけます。

図3：定電位法の原理図（水コップモデル）

このように説明すると、この方法が単純に聞こえるかもしれませんが、実際の運用においては極めて複雑でございます。なぜなら、電池の電圧は常に変動しているためです。試験環境におけるわずかな温度変化や微細な振動でさえ、小さな電圧変動を引き起こす可能性がございます。

定電位法では、電流を調整するために電池電圧をリアルタイムで検出し続ける必要があり、非常に高い精度と高いサンプリングレートを備えたポテンショスタット、および電流の大きさを精密に調整できる電源が必要となります。比較的正確な電池の自己放電特性を得るためには、その精度は7桁程度が求められることがしばしばございます。

これは、定電位法が正確な試験のために追加の機器を必要とすることを意味しております。もちろん、このような機器は通常、高価であり、例えばKeysight社製の自己放電試験機は数万ドル程度のコストがかかります。しかし、削減可能な電池の保管コストと比較すれば、機器の価格はしばしば取るに足らないものに見えるでしょう。

定電位法を採用しているNEWARE製自己放電試験機は、より低価格でありながら、優れた性能を提供いたします。開発は完了しており、まもなく量産体制に入る予定でございます。

定電流法

前のセクションで、定電位法が電位を制御し、電流を測定することで自己放電電流を迅速に決定できることに言及いたしましたので、同様に、電流を制御し、電圧変化を測定して電池の自己放電特性を得ることも可能でございます。

ARBIN社が採用する定電流法は、この手法を利用しており、電気化学的平衡を乱す要因を回避するための特別な計算式を提案しています。しかし、実際の運用においては、定電位法と同様に精密な制御が必要とされます。

自己放電試験がもたらすメリット

これは、電池メーカーが最も重視しているポイントです。まず結論から述べると、その効果は試験装置そのものの価値をはるかに上回ります。仮に、ある企業が自己放電試験の導入によって、電池の実使用段階における事故発生確率を90％以上低減できたとしたら、どれほど大きな経済的効果が生まれるでしょうか。消費者にとっても、そのような高い安全性を備えた電池は、より魅力的な選択肢となります。

近年、電気自動車の電池火災による死亡事故は増加傾向にあり、初期の頃と比べると、消費者の純電気自動車に対する熱意はやや低下しています。実際に事故現場（図4）を目にした人ほど、電池の安全性に対する不安を強めている可能性があります。

確かに、多くの電池火災事故は想定外の衝突によって引き起こされており、これは耐衝突保護構造を追加することで、発火までの時間を遅らせるなど、一定程度の対策が可能です。しかし、電池自体に内部欠陥が存在する場合、衝突がなくても、通常走行中に突然発火する可能性があります。その際、高速道路走行中など、すぐに停車することが難しい状況であれば、結果は極めて深刻なものとなり得ます。

このような不良電池を早期段階で排除できれば、電池全体の安全性に対する信頼性と受容度は大きく向上し、その結果として、製品価値および市場競争力の向上につながり、より大きな利益を生み出すことが期待されます。

図4　電気自動車火災事故の現場

さらに、自己放電試験は、電池の製造から組み立てまでの工程に限らず、さまざまな場面で応用することが可能です。例えば、電池輸送時に定期的に自己放電試験を実施することで、輸送中の軽微な振動や衝撃によって発生した不良電池を検出することができます。また、その後の電池パック使用段階においても、自己放電のモニタリングを行うことで、電池の状態を把握し、異常の早期警告を行うとともに、異常電池の継続使用を未然に防止することが可能となります。

まとめ

自己放電試験は、電池の安全性および品質を確保するうえで不可欠な工程です。定電位法は、従来の開放電圧法と比較して大きな進歩を示しており、試験時間の大幅な短縮や保管コストの削減を実現するだけでなく、自己放電試験をサンプリング検査から全数検査へと移行させることを可能にし、試験結果の信頼性を一層高めます。さらに、人工知能技術の発展に伴い、自己放電試験データを電池のライフサイクル全体の性能と関連付け、電池の健全性状態をより高精度に予測するモデルを構築できる可能性も期待されています。

参考文献

[1] Babu B. Self-discharge in rechargeable electrochemical energy storage devices[J]. Energy Storage Materials, 2024, 67: 103261.

[2] Liao H, Huang B, Cui Y, et al. Research on a fast detection method of self-discharge of lithium battery[J]. Journal of Energy Storage, 2022, 55: 105431.