電池セルが 4.2V を超える電圧に過充電されると、リチウム電池セルの電圧が 4.2V を超えると、プラス側に残存するリチウム原子の数が増加し、副反応が発生し始めます。電極材料が半分以下であり、蓄電格子が崩壊することが多く、充電を続けると負極の蓄電格子がすでにリチウム原子で満たされているため、その後のリチウム金属が負極の表面に蓄積します。これらのリチウム原子は、負極表面からリチウムイオンの方向に向かって樹枝状結晶を成長させ、これらのリチウム金属樹枝状結晶がセパレータを突き破り、場合によっては、電池が爆発する前に、正極と負極との間で短絡を引き起こす可能性がある。短絡は、過充電プロセス中に電解液やその他の材料が分解してガスを発生し、電池ケースや圧力バルブが膨らんで破損し、酸素が侵入して負極表面に蓄積されたリチウム原子と反応するために発生します。したがって、リチウムイオン電池を充電する場合は、電池の寿命、容量、安全性を確保するために上限電圧を設定することが重要です。理想的な最大充電電圧は 4.2V です。

リチウム電池を放電する際も、下限電圧が必要です。電池電圧が 2.4V を下回ると、一部の材料が損傷し始めます。電池には自己放電があるため、放電時間が長くなるほど電圧が低くなるため、2.4V まで放電しない方がよいでしょう。リチウムイオン電池を 3.0V から 2.4V に放電する際、放出されるエネルギーは電池容量の約 3% にすぎません。したがって、3.0V は放電の理想的なカットオフ電圧です。

電圧の制限に加えて、充放電中にも電流制限が必要になります。電流が高すぎると、リチウムイオンが時間内に蓄積格子に入ることができず、リチウムイオンが電子を獲得した後、材料の表面に蓄積します。過充電と同様に材料の表面に結晶が現れ、電池ケースが破裂する可能性があり、危険です。

したがって、リチウムイオン電池の保護には、充電電圧の上限、放電電圧の下限、電流の上限という少なくとも 3 つの側面が含まれている必要があります。一般に、リチウムイオン電池セルに加えて、保護も必要です。リチウムイオン電池パックにはこれら 3 つの保護を提供する回路基板が組み込まれていますが、リチウムイオン電池の爆発事故が世界中で発生し続けているため、保護基板によるこれら 3 つの保護だけでは明らかに不十分です。システムを使用するには、電池の爆発の原因をより注意深く分析する必要があります。

電池の設計仕様

世界中に数十億台の携帯電話が存在することを考えると、安全を確保するには、安全保護の故障率を 1 億分の 1 未満に抑える必要があります。回路基板の故障率は一般に 1 億分の 1 よりはるかに高いため、電池 システムの設計には 2 つ以上の安全防御ラインが必要です。設計でよくある間違いは、電池 パックを充電器 (アダプター) で直接充電することです。これにより、過充電保護の責任はすべて電池 パックの保護ボードに委ねられます。保護ボードの故障率は高くありませんが、たとえ 10 万分の 1 と低くても、統計的には世界中で毎日爆発事故が発生しています。

電池 システムが過充電、過放電、過電流の 2 つの安全保護ラインを提供し、各防御ラインの故障率が 1 万分の 1 であれば、2 つの防御ラインで故障率を 1 億分の 1 に減らすことができます。一般的な電池充電システムのブロック図は次のとおりです。充電器と電池 パックの 2 つの主要部分が含まれています。充電器はアダプターと充電コントローラーで構成されています。アダプターは交流を直流に変換し、充電コントローラーは直流の最大電流と電圧を制限します。電池パックには、保護ボードと電池セル、および最大電流を制限する PTC (正温度係数) デバイスが含まれています。

携帯電話の電池システムを例にとると、過充電に対する最初の防御線は、充電器の出力電圧を約 4.2V に設定することで実現されます。つまり、電池パックの保護ボードが故障しても、電池は過充電されず、危険を及ぼすことはありません。2 番目の防御線は、保護ボードの過充電保護機能で、通常は 4.3V に設定されています。つまり、保護ボードは通常、充電電流を遮断する必要はなく、充電器の電圧が異常に高い場合にのみ機能します。過電流保護は保護ボードとヒューズの役割であり、過電流と外部短絡を防ぐための 2 つの防御線も提供します。過放電は電子製品の使用中にのみ発生するため、通常、第一の防御線は製品の回路基板によって提供され、第二の防御線は電池パックの保護基板によって提供されます。電子製品は、3.0V未満の供給電圧を検出すると、自動的にシャットダウンする必要があります。製品がこの機能を備えて設計されていない場合、電圧が2.4Vに低下すると、保護基板が放電回路を遮断します。

要約すると、電池システムを設計するときは、過充電、過放電、過電流に対する2つの電子保護を提供することが不可欠です。保護基板は第二の防御線です。充電中に保護基板を取り外した後に電池が爆発した場合、それは設計が悪いことを示しています。

上記の方法は2つの保護線を提供しますが、消費者は、元の充電器が故障した後、デバイスを充電するために非純正の充電器を購入することがよくあります。充電器メーカーは、コストを考慮して、コストを削減するために充電コントローラを省略することがよくあります。その結果、市場には多くの粗悪な充電器が溢れ、過充電に対する最初の、そして最も重要な防御線が損なわれています。過充電は電池爆発を引き起こす最も重要な要因であるため、粗悪な充電器は電池爆発事故の主な原因であると考えられます。

場合によっては、電池パックに充電コントローラも含まれることがあります。たとえば、多くのラップトップコンピューターの外部電池バーには充電コントローラがあります。これは、ラップトップでは通常、充電コントローラがコンピューター自体に統合されており、ユーザーにはアダプターしか提供されないためです。したがって、ラップトップ用の外部電池パックには、アダプターで充電する際の安全性を確保するために充電コントローラが必要です。さらに、車のシガーライターを使用して充電する製品では、電池パックに充電コントローラが組み込まれている場合があります。

電池の最後の防衛線

すべての電子保護対策が失敗した場合、最後の防御線は電池セル自体によって提供される必要があります。電池セルの安全レベルは、外部短絡と過充電に耐える能力によって大まかに区別できます。電池が爆発する前に、内部の材料の表面にリチウム原子が蓄積されていれば、爆発力は大きくなります。さらに、消費者が低品質の充電器を使用しているため、過充電に対する保護は防御ラインの 1 つだけに限定されることがよくあります。したがって、電池 セルの過充電に対する耐性は、外部の短絡に対する耐性よりも重要です。