試作リチウム電池は、実験室での安全試験において、どのような環境および機械的ストレス条件にさらされる必要がありますか？安全性を確認するための必須試験

試作リチウム電池は、漏液、破裂、発火、爆発、構造的完全性の喪失に耐えられることを確認するため、管理された環境および機械的な乱用条件にさらす必要があります。主な評価には、温度サイクルおよび熱衝撃、高温保管、低圧および高圧への曝露、振動、機械的衝撃または衝突、圧壊、穿刺、さらに一部の認証プログラムでは、火炎および浸漬試験が含まれます。正確な温度、力、時間、および合否判定基準は、適用される規格、セル形式、化学系、想定用途によって異なります。

実験室での安全試験では、電池が動作中、輸送中、誤使用時、および故障時に遭遇する可能性のある環境的・機械的ストレスを再現する必要があります。目的は通常の性能を確認するだけではなく、セルが加熱、減圧、圧壊、振動、衝撃、または内部短絡を受けた際に、制御された挙動を示すことを実証することです。

電池が耐える必要のある環境条件

温度サイクルおよび熱衝撃

セルを低温と高温の間で繰り返し移行させ、シール、溶接部、セパレーター、電極、パッケージの弱点を明らかにします。認証プログラムでは、急速な温度変化によって熱機械的ストレスを発生させることを目的として、−40°Cから70°Cの範囲などが使用される場合があります。

熱衝撃は、緩やかな温度変化よりも厳しい試験です。これは、セルを構成する異なる材料が異なる速度で膨張・収縮するためです。試験では、電圧、温度、漏液、変形、ベント作動、およびその他の損傷の兆候を監視する必要があります。

高温曝露

完全に充電されたセルまたは所定の条件に調整されたセルを、高い周囲温度で保持するか、管理された加熱試験に配置する場合があります。例として、約55°Cで数週間保管する試験や、モジュールレベルの乱用試験で約130°Cまで加熱する試験があります。

これらの試験では、加速劣化、シールの耐久性、ガス発生、熱安定性、および熱暴走の可能性を評価します。高温保管は、自己放電の増加や長期的な容量低下を特定するうえでも重要です。

低圧および高度シミュレーション

航空輸送または高高度での動作をシミュレーションするため、セルを減圧環境にさらす場合があります。代表的な認証条件には、手順に応じて、6時間にわたり約11.6 kPa、または高度約15,000メートルに相当するシミュレーションが含まれます。

圧力試験は、不十分なシール、電解液の漏れ、ベントの異常、筐体の弱点を明らかにすることを目的としています。また、外部圧力の低下によって膨張や破裂のリスクが高まるかどうかを判断するのにも役立ちます。

高圧曝露

一部の高信頼性電池プログラムでは、約90～120 psiの外圧を加えます。これにより、筐体、シール、ベント、および内部構造の機械的堅牢性を評価します。

この試験は、電池が加圧システム内で動作する可能性がある場合や、取り扱い・展開中に圧力変動を受ける可能性がある場合に特に関連します。

火炎、浸漬、その他の環境曝露

特定の安全プログラムでは、セルが発火するか、火炎を伝播するか、または直接的な熱的乱用を受けた際に破裂するかを評価するため、開放火炎への曝露を実施します。モジュールレベルの試験には、所定の時間、3.5%塩化ナトリウム水溶液などに浸す海水浸漬が含まれる場合もあります。

これらの試験は、すべての試作品に共通するものではなく、用途および規格に依存します。電池の輸送分類、設置環境、および想定用途に応じて選定する必要があります。

評価が必要な機械的条件

圧壊および変形

圧壊試験では、定められたプレート形状と所定の速度を用いて、セルまたはモジュールに管理された力を加えます。代表的なモジュール手順では、半円筒形のプレートを使用し、30%などの規定変形量、または指定された力に達するまで試験を継続します。

圧壊によってセパレーターが損傷し、電極層が押しつぶされ、内部短絡が発生する可能性があります。主な安全基準は通常、発火および爆発がないことであり、これに加えて漏液、ベント作動、変形、温度に関する記録済みの限界値が設定されます。

振動

セルを振動台に固定し、管理された正弦波振動または広帯域振動を加えます。代表的なプログラムでは、約5～5,000 Hzを対象とする場合がありますが、各軸に沿って固定サイクルを指定する手順もあります。

振動試験では、溶接部、端子、集電体、シール、内部支持部品、およびパックの相互接続部を評価します。電気試験に合格したセルでも振動試験に不合格となる場合、間欠的な接続、内部摩耗、漏液、または最終的な内部短絡が発生する可能性があります。

機械的衝撃および衝突

衝撃試験では、落下、取り扱い時の事象、車両の動き、または機器の衝突を再現するため、突然の加速度を加えます。用途に応じて、高信頼性認証プログラムでは1,000 gに近いレベルを含む厳しい衝撃を使用する場合があります。

試験では、セルが構造的完全性を維持し、遅れて発生する故障を生じないことを確認する必要があります。損傷が直ちに目に見える漏液や電圧異常として現れない場合があるため、試験後の確認が重要です。

穿刺および釘貫通

鋼製のピンまたは釘をセルに貫通させ、重大な内部短絡を強制的に発生させます。代表的な手順では、規定のピン径と貫通速度を使用し、ピンを所定の時間そのまま残す場合もあります。

この試験では、セパレーターの破損、局所的な発熱、ガス放出、およびセルが熱伝播を抑制する能力を評価します。期待される安全上の結果は通常、爆発または発火がないことですが、セルは恒久的に損傷する可能性があります。

落下および取り扱い時の乱用

落下試験は、輸送または取り扱い中の偶発的な衝撃を再現するため、規格および認証プログラムで使用されます。振動および衝撃試験を補完し、より局所的で不規則な機械的事象を加えます。

評価には、筐体の亀裂、端子の変形、漏液、内部抵抗の変化、電気的絶縁の喪失など、直ちに現れる影響と遅れて現れる影響の両方を含める必要があります。

これらの試験を組み合わせて実施する理由

環境ストレスと機械的ストレスは相互に作用する

熱によって弱くなった電池は、圧壊や穿刺に対してより脆弱になる可能性があります。同様に、振動によって発生した欠陥が、セルが後に高温または急速放電にさらされた際に初めて危険になることもあります。

このため、試作品の認証では各試験を独立したチェック項目として扱うべきではありません。試験の順序、前処理、充電状態、および試験後の検査が結果に大きな影響を与える可能性があります。

計測機器は安全試験の一部である

実験室システムでは、セル電圧、表面温度、電流、該当する場合は圧力、変形、および目視可能な故障事象をリアルタイムで記録する必要があります。危険な状態を中断し、保護装置が意図したしきい値内で作動することを確認するには、保護監視回路と試験治具が必要です。

環境チャンバー、振動システム、圧壊治具、穿刺装置は、セルのエネルギーレベルと故障モードに適したものを選定する必要があります。高出力レートのセルは相当量の熱とガス圧力を発生させる可能性があるため、試験には適切な遮蔽、換気、遠隔操作、および緊急制御が必要です。

規格が試験範囲を定める

一般的な参照規格には、一次リチウム電池向けのIEC 60086-4、二次電池セル向けのIEC 61960、およびUN 38.3、IEC 62133、UL 2054、GB 31241などの用途別または輸送関連規格があります。

これらの規格は、すべて同一の手順を定めているわけではありません。実験室では、対象となる化学系、セルまたはモジュール構成、市場、輸送分類に適用される版および試験方法を使用する必要があります。

トレードオフを理解する

厳しい試験と無制御な試験は同じではない

乱用条件は故障モードを明らかにできるほど厳しい必要がありますが、再現可能で測定可能でなければなりません。無制御な試験は、機器を損傷し、故障メカニズムを不明瞭にし、認証の信頼性を高めることなく不要な危険を生じさせる可能性があります。

セル、モジュール、パックの試験は異なる

セル単体では穿刺試験や圧壊試験に合格しても、隣接セル間の伝播によってモジュールでは不合格となる場合があります。逆に、パックレベルの保護電子回路によって、個々のセルレベルでは防止できない電気的故障を防げる場合もあります。

したがって、試験は電池が使用されるレベル、すなわち該当する場合はセル、モジュール、完全なパックを対象に実施する必要があります。

1つの試験に合格しても、全体的な安全性は証明できない

温度サイクルは圧壊試験の代わりにはならず、振動は圧力試験の代わりにはなりません。各試験は異なる弱点を対象とするため、信頼できる認証計画では、1つの厳しい試験に依存せず、定義された試験マトリクスを使用します。

正確なパラメータを一般化してはならない

温度範囲、圧力、加速度、貫通速度、試験時間などの値は代表的な例であり、普遍的な要件ではありません。誤った手順を適用すると、無効な結果が得られるか、不必要に危険な試験になる可能性があります。

プロジェクトへの適用方法

適用される規格を使用して正確な条件を定義し、環境曝露と機械的乱用の両方を含む試験マトリクスを作成します。

• 主な焦点がセルの安全性である場合：温度サイクルおよび高温曝露、圧力変動、圧壊、振動、衝撃、穿刺を優先し、発火、爆発、漏液、温度上昇、電圧変化をリアルタイムで監視します。
• 主な焦点が輸送認証である場合：低圧高度シミュレーション、振動、衝撃、熱曝露、およびUN 38.3または適用される地域規格で要求される手順を重視します。
• 主な焦点が高信頼性または医療・航空宇宙用途である場合：長時間の高温保管、厳しい圧力試験、高g衝撃、広帯域振動、および試験後の遅延故障検査を追加します。
• 主な焦点がモジュールまたはパックの検証である場合：セル間の伝播と筐体性能を評価するため、機械的変形、釘貫通、加熱、振動、電気的保護を組み合わせて試験します。
• 主な焦点が実験室の安全性である場合：遠隔制御式の治具、環境チャンバー、保護遮蔽、緊急停止装置、および急速な熱的・電気的事象を記録できる計測機器を使用します。

適切に設計された環境および機械的試験プログラムは、現実的かつ予測可能なストレス下で電池が制御状態を維持できることを示す証拠へと、試作品の乱用試験結果を変換します。

概要表：

リチウム電池試作品が厳格な安全規格に適合することを確認してください。KINTEKは、環境チャンバーから圧壊・振動システムまで、電池の研究開発向け最先端試験装置を提供しています。当社のソリューションは、故障モードを早期に特定し、リスクを低減し、市場投入までの時間を短縮するのに役立ちます。製品の信頼性と安全性を確保するため、今すぐお問い合わせください。専門家にお問い合わせください。