抽象的な
電気自動車やプラグインハイブリッド車の台頭により、二次電池の耐用年数は10年以上が目標となっており、今後普及が進むことが予想されます。非ポータブル電池にも長寿命が求められており、二次電池の加速試験が非常に期待されています。本稿では、半導体、電子部品、電子機器の加速試験を比較し、リチウムイオン二次電池の加速試験の現状と課題について詳しく解説します。
1. はじめに
リチウムイオン二次電池の研究と製造は急速に進歩し、性能が向上しています。リチウムイオン二次電池は安全性の確保が最重要課題ですが、成長が期待される電気自動車やプラグインハイブリッド車に使用されるリチウムイオン二次電池の寿命目標は10～15年です。非ポータブルバッテリーの場合、最低 6 年の耐用年数が必要です。こうした需要により、今後数年間の加速試験への期待はますます高まるでしょう。一方、電子部品やデバイスの加速試験の分野では、半導体・はんだ接合やプリント基板の絶縁などのパラメータの劣化メカニズムや加速要因を解明することで、寿命予測技術の発展に貢献します。電子部品やデバイスとは異なり、二次電池には劣化・寿命の予測や加速試験を行うための十分な例やシステム理論がありません。本稿では、リチウムイオン二次電池の加速試験の現状と課題について、半導体、電子部品、電子機器の加速試験と比較しながら説明します。
2. 劣化の定義
JIS C 8711 (携帯機器用リチウム二次電池を対象) には、二次電池の寿命評価の例が記載されており、充放電サイクル中に容量が初期容量の 60% に低下した時点を電池寿命の終了と定義しています。所定の方法で充電後、一定温度で保管した電池の劣化についても、単電池の場合は70％、電池パックの場合は60％という値が定められています。メーカーの劣化評価基準は通常、80% などの値を使用するなど、この値よりも厳しいです。電池の長期保存による劣化速度は充電状態（SOC）に比例するため、二次電池は使用環境に合わせて設計されており、低いSOCを維持して長期使用に耐えることができます。バッテリーの劣化値が定められた基準を満たしていれば、正常に動作しているとみなされます。バッテリーは消耗品であり、必然的に容量が低下するという考えが一般的です。図1にリチウムイオン二次電池の放電曲線の例を示します。
3. 劣化要因とメカニズム
リチウムイオン二次電池の各構成要素にはいくつかの劣化要因があり、単純に分類することは困難です。この理由としては、電池を内部状態に影響を与えずに分解することが難しく、故障解析の事例が少ないことや、具体的な劣化メカニズムと電池寿命との関係が必ずしも明確ではないことが考えられます。対照的に、電子部品の状況はまったく異なります。電子部品の故障解析事例は数多くあり、解析技術の向上に伴い信頼性技術や寿命予測技術も開発されています。
図2にリチウムイオン二次電池の構造を示します。リチウムイオン二次電池の代表的な劣化要因として、電極表面の膜成長による内部抵抗の増加が報告されています。他に考えられる現象としては、活物質の結晶構造の変化、電極材料や集電体の界面での剥離などが考えられます。劣化現象には電解質や膜に起因するものがあるため、特性評価や材料構造から原因を推定する必要があります。これらのタイプの劣化は、充電放電サイクル中に共存する可能性があります。内部抵抗の増加を測定する方法には、直流抵抗法（DC-IR）と交流インピーダンス法があります。故障解析事例が限られているため、劣化現象と劣化部位との因果関係はまだ明らかではありません。しかし、AC インピーダンス法は、前述の要因に関連するバッテリー内部現象を測定するための有望な技術です。
4. リチウムイオン二次電池の使用環境が電池寿命に与える影響
保管温度の影響:保管温度はリチウムイオン二次電池の重要な劣化要因です。屋内の使用環境温度は最高約40℃に達すると予想されていますが、屋外やモバイル機器のバッテリーはさらに過酷な環境にさらされます。現在のリチウムイオン二次電池の長期特性は40-60℃で急速に劣化するため、JIS 8711やIEC62660-1（電気自動車の単電池の性能試験に使用される）などの試験規格が使用されています。長期寿命試験の温度は 40-45 ℃の間にあるべきであると規定されています。バッテリーの寿命を延ばすために、車両のバッテリーはバッテリー温度を 45 ℃以下に維持する冷却機構を備えて設計されています。車両のバッテリーは依然として、 ～の低温に適応する-20 ℃以下。通常、この温度では二次電池の内部抵抗が増加し、容量が大幅に減少します。しかし現在、低温特性に優れた電池の開発を進めています。
充電速度と放電速度の影響:車両のバッテリーは使用中に充電速度と放電速度が異なり、充電速度と放電速度の違いが劣化プロセスに影響を与える可能性があります。 IEC 62660-1 は、使用中の車両バッテリーの充電および放電レート モードを指定します。一方、家電製品のバッテリーは継続的に充電された状態で使用されることが多く、高いSOCを維持することも劣化を促す要因となります。市場環境は電池寿命に大きく影響するため、市場環境を予測した加速試験条件を検討する必要があります。
5. 二次電池寿命試験と加速モデル
テスト特性と加速モデルの概要:二次電池の寿命試験では、主に保存寿命 (カレンダー寿命) と充放電サイクル寿命という 2 つの基本特性に焦点を当てます。保管寿命は温度に関連した劣化に関係します。加速度モデルとしてはアレニウスモデルを使用します。保存寿命は、電極表面上のフェイシャルマスクの成長によって引き起こされる内部抵抗の増加によって決まると考えられています。膜の成長は化学反応によって引き起こされます。加速試験温度は使用温度よりも高くなりますが、リチウムイオン二次電池の最高温度は通常55-60℃に制限されており、それを超えるとさまざまな化学反応が進行するため加速効果が発生しません。 。線形経年劣化に基づく外挿法は、長期寿命予測（経年劣化時間の平方根と線形関係がある場合など）に使用されます。しかし、実際の使用においては充放電サイクル寿命を考慮する必要があり、保存寿命と充放電サイクル寿命の比が9:1の場合や、充放電サイクル寿命が9:1の場合など、アレニウスモデルだけでは実態を完全に表現できません。保管温度は大きな影響を与えます。電子部品の加速モデルにはアレニウスモデル以外にもさまざまなモデルがあり、劣化要因によって使い分けや組み合わせが決まります。加速モデルを作成する場合は、湿度や繰り返しの機械的ストレスなどの劣化要因を特定することが重要です。
加速モデルの限界とバッテリー寿命予測の課題:加速度モデルを寿命予測に使用する場合、要因が主要因として単純化されるため、計算結果に大きな誤差が生じます。電子部品では、安全マージンの評価としてトリプル計算結果を使用することがあります。しかし、電池製品の性能は必要な電池寿命余裕に比べて相対的に小さいため、正確な予測が必要です。現在、10- 年の耐用年数を決定する予測方法を作成することは非常に困難です。しかし、開発者は寿命性能マージンが市場の需要を確実に上回るように努力しているため、バッテリーの性能はさらに向上すると予想されます。
6. まとめ
二次電池の加速試験が難しい理由
電子部品やデバイスの同様の試験と比較して、二次電池の長期加速試験は現在、主に以下の要因によりより困難です。
- バッテリー寿命の予測は、通常、より過酷な環境のシミュレーションや、電子コンポーネントやデバイスなどの安全係数の乗算に基づいていません。これは、市場の需要に対して現在のバッテリー寿命性能に十分なマージンが不足しているためと考えられます。
- 劣化した電池の故障解析は困難であり、事例も限られているため、劣化現象と劣化要因との因果関係は未だ不明な点が多い。
- 電池の開発スピードの速さ、材料構造の変化、前述の故障解析の難しさなどにより、市場劣化データ間の相関関係の検証作業は十分に行われていません。