バッテリーの安全性テストに携わったことがある方は、おそらく 82L バッテリー熱暴走ガス発生チャンバーを目にしたことがあるでしょう。これは、コンパクトで、リチウムイオン電池の熱暴走 (TR) 時のガス排出量を測定するためのよく引用される主力製品です。特殊なバッテリー試験装置のサプライヤーとして、私はこのチャンバーがその小さな設置面積と対象を絞った試験能力に惹かれ、研究室、EV OEM、バッテリー材料メーカーなどで同様に使用されているのを見てきました。しかし、私は何年にもわたってクライアントをサポートし、自社の製品ラインナップを改良してきた中で、テストデータを歪め、拡張性を制限し、考慮されなければ安全上のリスクを引き起こす可能性がある、あまり議論されていない一貫した欠点も観察してきました。この投稿では、これらの欠点を分析し、実際の顧客エクスペリエンスを共有し、より大型の 10MW バッテリー熱放出テスト システムからガス クロマトグラフィー分析システムのような小型の特殊ユニットに至るまで、バッテリー熱テスト ツールのより広範な状況にそれらがどのように適合するかを説明します。
まず、これを 82L チャンバーの設計内容に基づいて説明します。チャンバーは、熱暴走が起きたときに個々のリチウムイオン セル (通常は 18650、21700、または小さなパウチ セル) を保持できるサイズの密閉された剛性のエンクロージャです。目標は、TR 中に生成されるすべてのガスを捕捉し、その量と組成を測定し、その可燃性を評価することです。これは、バッテリー パックの設計、爆発の防止、UN 38.3 や SAE J2464 などの規格への準拠に重要なデータです。コンパクトなサイズがセールスポイントです。ベンチトップに設置でき、不活性ガスの使用量が少なく、本格的なパックテストセットアップよりも運用コストが安価です。しかし、そのコンパクトさこそが最大の欠陥の始まりです。
最初の大きな欠点は、ガスの混合と濃度勾配が一貫していないことであり、チャンバーの容積が小さいことで問題がさらに大きくなります。熱暴走中、セルはミリ秒単位でガスのバーストを放出します。これは、多くの場合、1 つの 21700 セルで 1 ～ 5 リットルに達し、高温高圧のジェットに集中します。 82L チャンバーでは、このバーストは、サンプリング ポートまたはガス センサーが読み取りを行う前に均一に分散するのに十分なスペースがありません。私はかつてクライアントである小規模なバッテリー研究開発ラボに、10 個の同一の 21700 NMC セルでテストを実行してもらいました。メタンやエチレンなどの可燃性成分については、ガス組成の測定値が最大 18% 変動しました。データを詳しく調べたところ、サンプリングポートがセルの通気口の位置から2インチの位置にあることがわかりました。そのため、チャンバーの残りの部分にはまだ希釈されたガスが残っている一方で、最初に流出したガスはほぼ純粋な濃度で測定されたことになります。 1MW バッテリー放熱試験システムのような大きなチャンバーでは、混合時間が長くなり、これらの勾配を解消するための内蔵撹拌ファンが備えられていますが、82L にファンを後付けすることは現実的ではありません。その小さな内部には、セルの配置を妨げたり、不均一な圧力を生じさせずにファンを設置することはできません。この不一致は、82L チャンバーからのテスト結果が異なるラボ間で比較できないことが多く、同じラボでの繰り返しテストでさえも比較できないことを意味しており、一貫性のある監査対応データを必要とするメーカーにとっては大きな問題です。
第二に、82L チャンバーには、より大きなセルやバッテリー コンポーネントをテストするための拡張性と柔軟性が欠けています。小型の円筒形セルでは問題なく動作しますが、最近のほとんどすべての EV およびエネルギー貯蔵バッテリー パックは、熱暴走時に 20 リットル以上のガスを生成する可能性がある大型セル (100Ah、200Ah、またはそれ以上) を使用しています。これは、82L のチャンバーに安全に収容できる量の 2 倍以上です。私は、クライアントが大きなパウチセルを 82L チャンバーに押し込もうとしたことがありますが、チャンバーの圧力リリーフバルブが途中で作動し、分析前に貴重なガスを排出してしまいました。中型セルの場合でも、82L チャンバーでは複数のセルを並行してテストすることは (パックレベルの TR 動作を模倣するために) 不可能です。 2 つの 10Ah パウチセルを追加すると、内部の半分以上を占めることになり、ガスサンプリングラインや温度センサーを設置するスペースがなくなります。この制限により、研究者は単一細胞データをパックレベルに推定することを余儀なくされますが、これはしばしば安全システムの過小設計につながる飛躍です。パックレベルのガス検査が必要なお客様は、82L チャンバーを Battery Pack Fire Jet Test Machine などの補完ツールと組み合わせる必要がありますが、コストとワークフローの複雑さが追加されます。これは、より大きなフォーマットのセル用のサイズのチャンバーを使用すれば回避できる問題です。
3 番目の重大な欠点は、ガス分析の統合が制限されていることです。これは 82L の小型設計に直接関係しています。 82L チャンバーを使用するほとんどのラボは、捕捉されたガスを分析するために外部ツールに依存していますが、チャンバーのサンプリング ポートが少なすぎるため、ガス クロマトグラフィー分析システムのような高精度システムにデータを供給するには小さすぎます。最近 82L チャンバーからより大型の 500L ユニットにアップグレードしたお客様は、82L には 1/8 インチのサンプリング ポートが 1 つしかないため、総テスト時間の 30% を 82L の収集バッグから GC に手動でガス サンプルを移すのに費やしたと話しました。また、ポートが小さいとガスの流れが遅くなります。つまり、サンプルが GC に到達するまでに、より軽くて揮発性のガス (水素など) がすでに分散しており、可燃性の値が過小報告されることになります。爆発下限の基本的なテストであっても、82L チャンバーの小さな容積では結果に偏りが生じます。爆発下限 (LEL) の標準テストでは正確なガス濃度制御が必要ですが、82L では過圧の危険を冒さずにガス混合物を調整できないため、これを達成できません。正確な LEL データを必要とするクライアントの場合、多くの場合、放出ガス爆発限界試験機などの別個のユニットを使用し、試験ワークフローに別の機器と別のステップを追加する必要があります。
安全性も見落とされがちな欠点です。 82L チャンバーは小型セル向けに設計されていますが、小型セルであっても熱暴走により 10 bar 以上の圧力と 800°C を超える温度が発生する可能性があり、チャンバーの硬い壁と圧力リリーフ バルブがこの条件に耐えられるように設計されています。ただし、そのコンパクトなサイズは、テストセル、発熱体、およびチャンバーの内壁の間に緩衝ゾーンがないことを意味します。 2022 年、当社の顧客は、18650 セルの通気口がチャンバーの温度センサーに直接当たって破裂し、センサーが溶けてチャンバーのシールが損傷するという軽微な事故を報告しました。大きなチャンバーでは壁が厚くなり、テストセットアップとチャンバーコンポーネント間の距離が長くなりますが、82L の狭い内部ではこれが許容されません。さらに、82L チャンバーの不活性ガス充填システムは小型です。高電圧セルをテストする場合、二次燃焼を防ぐために酸素をパージする必要がありますが、チャンバーが小さいため、アルゴンの充填に 1 分もかからず、パージが不完全になるリスクが高くなります。そのリスクは仮説ではありません。別の顧客は、82L チャンバー内のセルで残留酸素が原因で二次爆発を経験しました。この問題は、専用のパージ タイマーと酸素センサーを備えた大きなチャンバーではほとんど発生しません。
最後の欠点は、長期的なコストと標準準拠の一貫性です。多くの世界的な安全基準では、ガス発生試験では精度を確保するために最小容積閾値のチャンバーを使用することが求められています。たとえば、UN 38.3 (リチウムイオン電池輸送用) の最新改訂版では、ガス放出試験では、熱暴走中に放出されるガス量の少なくとも 5 倍を保持するのに十分な大きさのチャンバーを使用する必要があると規定しています。 5Ah パウチセルの場合、これは 25L のチャンバーに相当します。したがって、82L のチャンバーは技術的には単一の小型セルのテストには大きすぎますが、より大きなセルをテストする場合や、EV バッテリー用の中国の GB 38031 などのより厳しい地域基準を満たす場合に問題が発生します。 82L チャンバーのみを使用するラボでは、多くの場合、大規模な準拠セットアップでテストをやり直す必要があり、時間とリソースを無駄にします。バッテリーメーカーが、82L チャンバーのデータが UN 38.3 の新しい容量要件を満たしておらず、最終認証のために 10MW バッテリー熱放出テスト システムのような本格的なテスト システムを使用することを余儀なくされたため、再作業に 12 万ドルを費やしているのを見てきました。
もちろん、これは 82L バッテリーの熱暴走ガス発生チャンバーがまったく役に立たないと言っているわけではありません。小型セルの初期段階の研究開発にとって、ベースライン データを取得するための迅速かつコスト効率の高い方法です。しかし、トレードオフを比較検討するときは、特にバッテリー技術がセルの大型化とパックレベルのテストに移行している中で、どこが不足しているかを考慮することが重要です。サプライヤーとして、私はクライアントと協力して、82L チャンバーと補完ツールを組み合わせることで、これらのギャップに対処してきました。正確なガス組成データが必要な場合は、ガスクロマトグラフィー分析システムに接続する専用のサンプリング ラインを追加することで、手動によるサンプル転送エラーを減らすことができます。拡張性を高めるために、チャンバーをバッテリー パック ファイア ジェット テスト マシンと組み合わせると、すべてのテストをやり直すことなく、単一セルのガス データをパック レベルの動作に推定できます。 LEL テストの場合、82L のデータとともに放出ガス爆発限界テスターを使用すると、安全設計に必要な正確な可燃性指標が得られます。
結局のところ、最適なテスト設定はユースケースによって異なります。プロトタイプの研究開発用に小型セルをテストしている場合は、82L チャンバーが確実な出発点となります。しかし、市販のバッテリー パックや認証用に監査対応のスケーラブルなデータが必要な場合、多くの場合、そのコンパクトな利点よりも欠点の方が大きくなります。完全な試験ワークフローのアップグレードまたは構築を検討しているチームのために、当社は、スモールセルガス試験ツールから本格的なパック試験装置まで、これらのギャップに対処する一連の補完システムを提供します。現在のセットアップを評価したい場合、または精度、拡張性、コストのバランスをとったテスト プロセスの構築方法について話し合いたい場合は、ニーズに合わせた無料のコンサルティングをお気軽にお問い合わせください。
参考文献
- SAEインターナショナル。 （2021年）。 SAE J2464: 電気自動車およびハイブリッド車のバッテリーの安全規格。
- 国連。 （2022年）。 UN 38.3: 危険物の輸送に関するテストマニュアルと基準。
- Wang, Y. 他（2020年）。熱暴走時のリチウムイオン電池のガス発生特性: テストチャンバー容積の影響。ジャーナル・オブ・パワーソース、478、228976。
- 国際電気標準会議。 （2023年）。 IEC 62660-2: 牽引用二次リチウムイオン電池 - パート 2: 安全要件。