新しいアルゴリズムはリチウムイオン電池をより安全にするかもしれません

2019-09-12 18:06:40

リチウムイオン電池は本質的に危険です。短絡、機械的誤用、バッテリーの過充電、設計および製造上の欠陥はすべて、火災または爆発を引き起こす可能性があります。 2017年、連邦航空局は、飛行機で10日ごとに1回のリチウムイオンバッテリーの火災があったと報告しました。しかし、リチウムイオン電池は、携帯電話、医療機器、電気自動車、再生可能電力網の主要なエネルギー貯蔵装置にもなっています。それがなぜ失敗するのか、なぜ失敗するのかを理解することが個人的および国家安全保障の問題である理由です。


コロラド大学デンバー校と国立再生可能エネルギー研究所(NREL)の研究者たちは、バッテリーが発火する前に故障を検出することにより、リチウムイオンバッテリーをより安全にする方法を発見したかもしれません。新しいリアルタイムのアルゴリズムを使用して、研究者はバッテリー内の個々の電極の充電と健康状態を推定することができます。アルゴリズムは、発生した電極レベルの障害を追跡し、障害が壊滅的になる前に修正措置(たとえば、バッテリーのシャットダウン)を実行する機会を提供します。


この研究は、IEEE Transactions on Industrial Electronics誌に掲載されました。


「私たちの最大の課題は、バッテリーの内部で何が起こっているのか誰にも分からないことです」と、CU Denverの工学・設計・コンピューティング大学の電気工学の助教授であるSatadru Dey博士は述べました。 「リアルタイムのバッテリー管理アルゴリズムに関するほとんどの研究は、セルレベルの観点からバッテリーを調査しました。ただし、バッテリー内部で何が起こっているかを具体的に知るには、さらにズームインして、個々の電極に焦点を当てる必要があります。」


リチウムイオンバッテリーの故障が早い


それは、リチウムイオンバッテリーが故障すると、すぐに故障するためです。バッテリーが充電または放電すると、リチウムイオンは、ゲル状の非常に可燃性の高い電解質を通ってバッテリーの2つの電極間を移動します。故障の瞬間–設計が悪いか熱が多すぎるかにかかわらず–通常は「熱暴走」を開始します。制御されない正のフィードバックループで発生する熱の蓄積により、火災または爆発で終わり、場合によっては数秒以内に停止します初期不良。


自動車やその他の大規模システムによく見られるバッテリー管理システム(BMS)は、アルゴリズムを使用して、バッテリーに充電または放電の方法、残りの充電量を監視し、場合によってはバッテリーの全体的な状態を追跡します。現時点では、内部バッテリー障害の問題に対応することはほとんどできません。


「私たちの目標は、バッテリーに障害が発生した最初の瞬間に、何らかの修正措置を講じるためにシステムをどのように装備するかを理解することです。これを達成するための最初のステップは、非常に早い段階で障害を検出することです。


バッテリーの安全性はイノベーションに遅れをとっている


この研究では、研究者らは電極間の電圧を測定し、2つの間の差を決定しました。次に、個別の電極情報を推測するリアルタイム推定のスキームを作成し、研究者に各電極の容量と充電の感覚を提供しました。


「個々の電極に関する情報が多いほど、より適切な修正措置をとることができます」とDey氏は述べています。 「負の電極が正の電極より早く死んでいるか、どちらの電極が故障しているかがわかっている場合、そのような故障を遅くする可能性のある修正措置を考えることができます。一方、電池の電極の故障メカニズムについて学ぶほど、より良い電池を製造できる可能性が高くなります。」


今のところ、推定では100秒以内に障害を検出できますが、将来的にはより高速にする必要があると、Dey氏は述べています。最終的には、障害の最初の瞬間に一種の内部修正アクションをトリガーしてバッテリーが熱暴走状態になるのを防ぐことができる高度なBMSを開発することが目標です。バッテリーの安全性は常にイノベーションに遅れを取っていると彼は信じているため、これはDeyにとって重要です。


「人々がバッテリーについて話すとき、それはしばしば効率、エネルギーと電力出力を改善する方法についてです」とDeyは言いました。 「しかし、安全は常により重要です。爆発する可能性のある効率の良い車を運転したいと思う人はいないでしょう。」