スマートフォンや自動車をはじめとする多様な製品に広く用いられているリチウムイオン電池は、適切な保管や充電が行われている限り、極めて高い安全性を有していると言える。
Lithium-ion batteries are widely used in various products such as smartphones and automobiles, and it can be said that they are extremely safe if stored and charged properly.
しかし、現実には世界中で数千件にも及ぶ発火事故が報告されており、時には死傷者を伴う深刻な事態に至ることも少なくない。
However, in reality, thousands of fires have been reported around the world, and it is not uncommon for these incidents to result in serious situations involving casualties.
リチウムイオン電池には可燃性の電解質が含まれており、これはリチウム塩を有機溶剤に溶かした溶液で、電荷の移動を可能にする役割を果たしている。
Lithium-ion batteries contain a flammable electrolyte, which is a solution of lithium salt dissolved in an organic solvent, serving to enable the transfer of charge.
物理的損傷や過充電、極端な温度、さらには製造上の欠陥など、さまざまな要因によって電池が不安定化した場合、急激な発熱とともに発火し、「熱暴走」と呼ばれる連鎖的な危険反応が生じることがある。
If a battery becomes unstable due to factors such as physical damage, overcharging, extreme temperatures, or manufacturing defects, it can suddenly generate heat or catch fire, potentially leading to a chain reaction of hazardous events known as thermal runaway.
特に航空業界においては、機内に多数の電池搭載機器が持ち込まれていることから、客室や貨物室での火災が機体全損に直結する恐れがある。
Especially in the aviation industry, many devices equipped with batteries are brought on board, so if a fire breaks out in the cabin or cargo hold, there is a risk of losing the entire aircraft.
実際、今年1月に韓国・釜山で炎上したエアバスA321の事故では、頭上収納棚に保管されていたモバイルバッテリーが発火源であった可能性が高いとされ、この事例を受けて一部の航空会社では同様の機器の持ち込みを制限する措置が取られている。
In fact, in the case of the Airbus A321 fire accident that occurred in Busan, South Korea this January, it is highly likely that the source of the fire was a spare battery stored in the overhead compartment. Following this incident, some airlines implemented measures to restrict the carrying of similar devices.
こうした状況を踏まえ、香港中文大学の研究チームは、リチウムイオン電池の安全性を飛躍的に高めるための設計変更を提案した。
In response to that situation, a research team at the Chinese University of Hong Kong proposed design changes to significantly improve the safety of lithium-ion batteries.
従来の電解液に含まれる化学物質を新たなものに置き換えることで、既存の製造プロセスに大きな変更を加えることなく、迅速に導入可能である点が注目される。
By replacing the chemicals in conventional electrolytes with new ones, rapid application is possible without making major changes to the current manufacturing process.
研究を主導したスン・ユエ氏(現バージニア工科大学博士研究員)によれば、「室温で高い性能を確保しつつ、高温環境下でも優れた安定性を発揮する温度感応性材料の設計」によって、安全性と性能の両立が困難であった従来の課題を克服することができたという。
According to Dr. Yue Sun currently a postdoctoral researcher at Virginia Tech, By designing temperature-sensitive materials, we can ensure high performance at room temperature while maintaining excellent stability even in high-temperature environments. The group has thus overcome the previously challenging issue of balancing safety and performance.
具体的には、2種類の溶媒を含む新規電解液を用いることで、室温では第一の溶媒が電池の化学構造を安定化させ性能を最適化し、一方で過熱時には第二の溶媒が主導的に作用し、構造を緩めて熱暴走に繋がる反応を遅延させる仕組みとなっている。
Specifically, by using a new electrolyte containing two types of solvents, the first solvent stabilizes the battery’s chemical structure and optimizes performance at room temperature, while the second solvent takes the lead during overheating, loosening the structure and delaying reactions that could lead to thermal runaway.
実験室における試験では、釘による貫通試験後の温度上昇がわずか3,5度にとどまり、従来型電池で観察された555度という急激な温度上昇は認められなかった。
In laboratory tests, the temperature increase after the nail penetration test was limited to 3.5 degrees, and there was no sudden temperature spike up to 555 degrees as seen in conventional batteries.
さらに、電池の性能や耐久性についても、1000回の充電サイクル後で80%以上の容量を維持するなど、従来と遜色ない水準が確認された。
Furthermore, regarding battery performance and durability, the battery retains more than 80% of its capacity even after 1,000 charge cycles, reaching a level comparable to current products.
この新たな電解質は液体であるため、既存の製造ラインに大きな変更を加える必要がなく、容易に導入できると香港中文大学の機械・自動化工学教授であるルー・イーチュン氏は述べている。
Since the new electrolyte is in liquid form, it can be easily introduced without requiring major changes to existing production lines, says Professor Liu Yizhong from the Department of Mechanical and Automation Engineering at the Chinese University of Hong Kong.
電極の製造が最も難しい工程である一方、電解質は液体であるがゆえに、新たな設備投資や工程追加を必要としない点も大きな利点である。
While the manufacturing of electrodes is the most difficult process, the electrolyte is in liquid form, so there is no need to introduce new equipment or add processes, which is also a major advantage.
新手法の導入により製造コストは若干上昇するものの、大量生産が実現すれば現行製品とほぼ同等の価格水準に収束する見通しだと指摘されている。
By introducing the new method, there is a possibility that manufacturing costs may increase slightly, but it is expected that the price will be almost the same as the current product during mass production.
現在、研究チームは商用化に向けて電池メーカーと協議を進めており、実用化までには3~5年を要する可能性があるとされる。
The research team is currently in talks with battery manufacturers about commercialization, and it may take three to five years before practical implementation.
また、試験段階ではタブレット端末を駆動させるための電池が製造されたが、自動車向けなどさらなる大型化には追加的な検証が不可欠であるという。
In addition, during the testing phase, batteries were produced to operate tablet devices, but further verification is necessary to apply them to automobiles and larger equipment.
このように、リチウムイオン電池の安全性向上をめぐる今回の研究成果は、今後の産業界にとって極めて大きな意義を持つものと言える。
In this way, the research results on improving the safety of lithium-ion batteries have great significance for the future of the industry.