バッテリーの膨張 - EVバッテリーに最適な試験方法は？
パウチ型セルと角柱型リチウムイオンセルは、経年劣化により膨張（バッテリースウェリング）します。これによりバッテリーパック内の圧力が上昇し、電気性能が低下します。従来のバッテリー管理システム（BMS）では、この圧力やその影響を検知できないため、バッテリーの経年劣化に伴う充電状態（SOC）と劣化状態（SOH）の予測精度が低下します。
ツビックローエルとMBTSが開発したテストベンチは、将来のバッテリーパック開発を大きく向上させるでしょう。
バッテリースウェリングの動画 現在の課題 新しく開発されたテストシステムに関する動画気候制御室とツビックローエル/MBTS試験ベンチの比較 利点 お問い合わせ
バッテリーテストへの注目：安全性、効率性、進歩
リチウムイオン電池は、輸送・交通分野の電動化における重要なコンポーネントです。研究開発と包括的な品質保証は、電池セル部品、電池セル、電池パック、そして高電圧蓄電システム全体のさらなる開発において重要な役割を果たします。したがって、使用される材料の特性を評価するための バッテリーテスト、中間製品の特性の決定、およびセルの動作の分析は、進歩のための重要な前提条件です。
バッテリー部品の機械的試験に加えて、セルおよびセルシステムに対する多機能試験または多物理試験も重要です。これらの試験は、高電圧ストレージ開発における動作の信頼性と安全性を確保します。この試験は、充放電プロセス中のバッテリーの挙動を特性評価するために使用できます。この試験手順により、バッテリー管理システム（BMS）のさらなる開発に役立つ貴重なデータが得られる場合があります。
リチウムイオン電池の開発、製造、品質保証における現在の課題
LIB（リチウムイオン電池）技術では、通常、パウチセルと角柱セルが、セル対パックまたはセル対モジュール構成で電池パックに搭載されます。最適な電気性能を確保するために、製造時に一定の機械的事前圧縮が行われます。この制御された圧力は非常に重要です。圧縮が不十分だと、容量、電気性能が低下し、劣化が早まります。逆に、圧力が大きすぎると、同様に悪影響が生じます。
機械的圧力は、電池パックのライフサイクルにとって重要です。理由：セルは充放電プロセス中に膨張と収縮を繰り返します。このプロセスは「ブリージング」とも呼ばれます。経年劣化により、時間の経過とともに徐々に膨張（バッテリースウェル）します。これらの変化により、バッテリーパック内の内部圧力が上昇し、理想的な動作条件を超える可能性があります。したがって、この機械的圧力を正確に制御することは、バッテリーの効率と寿命を維持するために重要です。したがって、バッテリーパックを設計する際には、セルに最適な状態を提供するために、例えば単一セルテスト [1, 2] を用いてセルにとって理想的な状態を決定するなど、この点に注意を払うことが非常に重要です。
しかしながら、温度と圧力を同時に測定・制御し、電気的プロトコルを実行できるテストシステムは、現在市場に出回っていません。このため、バッテリーセルの特性評価のための新しいテストシステムが開発されました。
革新的な多機能試験システムと、気候制御室を備えた最先端ソリューションの比較
これまで、LIB動作中の温度と圧力の同期制御は技術的な制約により困難でした。気候制御室は、室内の空気温度を調節することで、LIBの温度を間接的に制御することしかできません。さらに、セルへの機械的な圧力制御は受動的なシステムによってのみ実現可能です。能動的な圧力制御にはより大きな気候制御室が必要となり、温度条件が最適でない場合に問題が発生する可能性があるためです。
そこで、ツビックローエルとMBTSの研究者は、充放電プロセス中にポーチ型セルと角柱型セルの表面温度と機械的な圧力を高精度に制御・測定できる新しい方法を開発しました。[3] この革新的なシステムは、機械的、熱的、電気的パラメータを正確に測定すると同時に、温度と圧力が性能に与える影響を分離することを可能にします。図1は、気候制御チャンバーと新しい試験技術の技術的な違いと利点を示しています。
アクティブ温度調節機能を内蔵した圧縮プラテンは、MBTS GmbHの特許取得済みシステムです。このシステムは、セルに機械的圧力をかけるとともに、セルの表面温度を制御します。電熱機械システム全体は完全に自動化されており、高速かつ高精度なプロトコルを可能にします。同時に、ユーザーの影響も軽減します。
マルチフィジカル感度解析の新しい手法
ZwickRoell と MBTS による最近の研究では、機械的圧力、温度、放電率がポーチ型リチウムイオンセルの電力損失に与える影響を定量化しようと試みました。[2]この目的のために、LGe66 セルはさまざまな C レート、圧力、温度条件で放電されました。この結果は、バッテリーパックの設計を最適化し、エネルギー貯蔵システムの長期的な信頼性を確保するための貴重な知見を提供します。本研究は制御された条件下で実施され、3つの温度（5℃、25℃、45℃）、4つの圧力レベル（0.2MPa、0.5MPa、0.8MPa、1.2MPa）、3つの放電率（0.5℃、1.5℃、3.0℃）が検討されました。
本研究によって、最新の科学的研究から得られた以下の知見が確認されました。
圧力の上昇は性能に悪影響を及ぼします。温度の上昇は容量を増加させます。ただし、これらの影響の程度は具体的な動作条件によって異なります。例えば、温度5℃、放電率0.5℃の場合、圧力が0.2MPaから1.2MPaに上昇すると、放電容量は5.84%減少します。一方、45℃では低下率はわずか2.17%です。同様に、0.5℃、0.2MPaで温度が25℃から45℃に上昇すると、放電容量は4.27%向上します。放電率が1.5℃上昇すると、同じ温度変化で放電容量は43.04%と大幅に増加しました。
図2に示すように、異なる温度および圧力レベルにおいて、放電容量とCレートの間には相関関係があります。圧力の上昇は、Cレートや温度の変化とすぐに同じ容量低下を引き起こすわけではありません。これは、これらのパラメータ間に多物理的相関関係があることを示しています。
表1は、テストされたすべての充電ケースにおけるこの放電容量の数値を示しています。興味深い観察結果は、低温（5℃）および高Cレートでは、圧力の影響が無視できるように見えることです。調査対象のセルの公称放電容量は66Ahです。
これらの結果は、リチウムイオン電池の性能における温度、圧力、放電レートの複雑かつ非線形な相互作用を示しています。これらの結果は、最適な効率と信頼性を確保するために、電池の動作中に温度と圧力を積極的に管理することの重要性を強調しています。
新しく開発された試験システムにより、Cレート、圧力、温度間の相関関係を高精度で定量化することが可能になりました。以下に説明するように、電池パックの開発と管理への影響は甚大です。
バッテリー管理システムの技術的利点
単セル試験から得られた新たな知見に基づき、高電圧ストレージ開発の焦点は、セルパック内の最適な圧力を実現することに移っています。これにより、性能低下や経年劣化の影響を回避できます。しかしながら、バッテリーの膨張により、圧力変動は依然として発生します。この現象に起因する圧力挙動は、開発段階で計算し、事前計算としてBMSに転送することができます。このアプローチにより、バッテリーパックに追加の圧力センサーを設置する必要がなくなります。
その結果、セルの充電状態と健全性に基づいてスタック圧力を推定できるため、BMSの動作がより効果的になります。これにより、バッテリーパックの電気的性能をより正確に予測できるようになります。図3は、この手順の概略図を示しています。
高電圧ストレージ開発における技術的および経済的メリット
バッテリーパックの開発では、標準バージョンのシミュレーションテストループが実施されます。このループは、以下の複数の段階で構成されています:
- 単一セルのテストとモデリング
- モジュールおよびパックレベルでの均一な手順のシミュレーション
- プロトタイピングとテスト
テストに失敗した場合、プロセスを繰り返す必要があり、追加のリソースが必要になります。よくある例としては、バッテリーパックの容量不足により運転サイクルを完了できない場合が挙げられます。これは多くの場合、過剰なスタック圧力が原因であり、セルの劣化につながります。
開発されたモデルは、単一セルの膨張の変化を 1 µm の精度で正確に測定し、特定の圧力条件下での電気的性能を評価することで、設計が不十分な性能や故障につながるかどうかを予測できます。
この予測機能により、図 5 に示すように、より効率的な設計プロセスが可能になり、反復的な開発サイクルが短縮されます。
レファレンス
[1] Mussa, A.S.; Klett, M.; Lindbergh, G.; Lindström, R.W. 単層リチウムイオンパウチセルの性能と劣化に対する外部圧力の影響。 J. Power Sources 2018, 385, 18–26.
[2] Li, R.; Li, W.; Singh, A.; Ren, D.; Hou, Z.; Ouyang, M. 外部圧力と内部応力のバッテリー性能と寿命への影響。エネルギー貯蔵装置 2022, 52, 395–429.
[3] Aiello, L.; Ruchti, P.; Vitzthum, S.; Coren, F. 市販のポーチ型リチウムイオン電池の電気性能に対する圧力、温度、放電率の影響。バッテリー 2024, 10, 72.
著者について：
ツビックローエル グローバルインダストリーマネジメント責任者
グローバルインダストリーマネジメント責任者として、電動化・Eモビリティ分野における試験ソリューションの戦略的開発を担当しています。自動車産業における機械材料および部品試験の専門家として、ミュンヘン工科大学の成形技術・鋳造工学科（UTG）で長年の研究経験を積んでいます。同大学では、大手自動車メーカーとの数多くの二国間研究プロジェクトを主導し、2023年には高強度鋼の弾塑性特性評価に関する博士号を取得しました。専門は板金材料の特性評価とin-situ回折実験です。