バッテリーの熱暴走

山で小さな火種がひとつ落ち葉に燃え移ると、まわりの空気が熱くなります。温度がさらに上がると、湿っていた枝までカラカラに乾いて燃え出し、炎は手がつけられないほど大きくなりますよね。

スマートフォンや電気自動車に使われるリチウムイオン電池の中でも、これと同じことが起こります。強い衝撃を受けたり過充電になったりして内部の温度が約80~100度以上になると、負極の表面を覆って守っていた微細な膜(SEI)が分解を始めます。

すると電池内部の物質どうしが触れ合って激しい化学反応を起こし、その過程で大量の熱を出します。問題は、この熱が電池の温度をさらに数百度まで押し上げてしまうことです。温度が上がるほど反応は一気に速くなり、もっと多くの熱が噴き出します。こうして自分で熱を育てていく悪循環に陥り、短時間で数百度、ときには1,000度近くまで跳ね上がる状態が、まさに熱暴走です。

ふつうの木や紙の火事なら、水をたっぷりかけたり、消火器で空気を遮ったりすれば比較的かんたんに消せます。火が燃えるには酸素が必要なので、まわりの空気をふさいでしまえば息ができなくなるからです。

ところが熱暴走を起こした電池は、外側からどれだけ丁寧に酸素を遮っても、なかなか火が消えません。内部では熱が新しく作られ続けているうえ、ニッケル系などの正極材(エネルギーをためておく中心の素材)は高温で分解されるときに自分から酸素を放出してしまうからです。つまり、炎を大きくする酸素を電池自身が出しているわけです。

さらに、電池の中の液体の電解液(イオンが移動する通り道)が沸き立って、大量の可燃性ガスを作り出します。密閉された電池の容器がこの圧力に耐えきれずに破裂すると、激しい炎と有毒ガスが爆発するように周囲へ噴き出してしまいます。

もう少し正確にいうと、熱暴走は、正極と負極が直接触れないように隔てている薄いフィルム、つまりセパレーターが破れたり溶けたりして始まることが多いです。電池の内部に微細なショートが起き、ある一点が先に熱くなるのです。

これを防ぐため、バッテリーパックには「バッテリー管理システム(BMS)」という賢い電子の頭脳が入っています。各セルの温度・電圧・電流の状態をいつも見張り、過熱の兆しが見えたら充放電の電流を遮断して危険を減らします。ただし、セル内部のショートから始まった熱暴走は、電流を止めても収まらないことがあります。

また電池メーカーは、ひとつのセルが燃えても隣のセルに熱が広がらないよう、特殊な断熱材を詰め込んでいます。最近では、燃えない固体の電解質を使う全固体電池や、衝撃に強い安全設計の研究も盛んに進められています。