エネルギー
リチウム電池の安全性と関連リスクの再評価 – ゲル電解質は解決策か？
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リチウムイオン電池の需要は、驚異的な速度で増加する見込みです。 2022年から2030年の間の予測では、世界の需要は最大で7倍に増え、4.7テラワット時に達すると予測されています。
この需要は、携帯電子機器やエネルギー貯蔵、電気自動車などでのこれらの電池の広範な使用によって牽引されています。しかし、これらの電池はリスクがないわけではありません。火災や爆発の危険性があります。
これらの脆弱性への一つの解決策は、半固体電池です。液体電解質を使用した従来のリチウムイオン電池と固体電池の中間に位置することで、リスクを低減します。
ゲル状電解質は部品として使用され、電池の安定性と寿命を向上させます。しかし、これらのゲル電解質は高温での長時間の熱処理により著しい劣化が起こり、性能低下と製造コストの増加を招く可能性があります。また、半固体電解質と電極間の界面抵抗が原因で、製造プロセスにも課題があります。
最近、朴秀珍教授、博士課程の南瑞河氏、そして浦項工科大学（POSTECH）化学科の孫慧斌博士は、安定かつ商業的に実用可能なゲル電解質ベースの電池を開発することで、これらの課題に対処する有効な方法を考案しました。
次のセクションでは、電池のメカニズムについてさらに詳しく掘り下げます。
リチウム電池向けの安全で商業的に実用可能なゲル電解質
劣化した電解質、性能低下、コスト上昇という課題に取り組むため、研究チームは二官能性の架橋添加剤（CIA）とジペンタイエリスリトールヘキサアクリレート（DPH）を電子ビーム（e-beam）技術と組み合わせました。
研究者は、電極の準備、電解質の注入、組み立て、活性化、脱ガスという従来の製造プロセスとは異なる手法を取ります。
代わりに、脱ガス工程の後に追加のe-beam照射ステップを導入し、DPHの二重機能性を強化しました。一方、CIAは活性化時に正極と負極表面間の安定した界面を促進する添加剤として、またe-beam照射中にポリマー構造を形成する架橋剤として機能しました。
この溶液は、初回の充放電プロセスにおける電池の副反応から発生するガス生成を顕著に削減できました。その削減率は従来の電池と比較して最大25.5倍でした。また、電極とゲル電解質間の高い相性により、界面抵抗を安定的に維持することも可能です。
しかし、研究者はこれらの成果にとどまらず、1.2アンペア時の高容量電池を開発し、55℃という電解質が分解し始める温度でテストしました。55℃以上では、従来の電解質使用電池は容量が大幅に低下し、50サイクル後に膨張が見られます。
一方、新しい電池は、ガスを生成せずに200サイクル後でも1アンペア時の容量を維持し、安全性と耐久性の基準を向上させました。
この科学的発見の有用性について述べる中で、POSTECHの朴秀珍教授は次のように語りました：
「この安定性と商業的実用性の達成は、電気自動車業界における画期的な突破口になると期待されています。この進歩が電気自動車だけでなく、リチウムイオン電池に依存する幅広い用途にも大きく貢献することを願っています。」
以下のセクションでは、リチウムイオン電池のいくつかの応用例を簡単に見ていきます。
安全なリチウム電池の応用
最近では電気自動車での使用が注目されていますが、リチウムイオン電池は他の幅広い用途でも安全に利用されています。これらの用途の多くは日常生活に不可欠で、商業的実用性と耐久性が求められます。例えば、再充電可能なリチウム電池はペースメーカーに一般的に使用され、30グラム未満の重量で7〜8年の寿命を提供する必要があります。
デジタルカメラ、特に一眼レフは、コンパクトなサイズと高出力容量のリチウムイオン電池に依存しており、他の電池種より優れた性能を発揮します。同様に、デジタルアシスタント、スマートフォン、ノートパソコンも、耐久性・高エネルギー密度・軽量設計・簡単な充電・低コストのメンテナンスといった利点を持つ安全で信頼性の高い電池に依存しています。
さらに、3ボルトの小型リチウムイオン電池は時計のような極小デバイスにも使用され、最大で10年持続します。これらの電池は、個人用スクーター、ゴルフカート、トロリーなどのモビリティソリューションにも電力を供給し、電荷の効率的な蓄積と放出が可能です。この特性により、UPSシステム、緊急電源バックアップ、太陽光エネルギー貯蔵などの用途に最適です。さらに、海洋・レジャー車両やウェアラブル型医療機器など、新興分野でも利用が拡大しています。
リチウム電池の採用拡大に伴い、生産・製造も増加しています。しかし、これらのプロセスも電池自体と同様に安全で実用的であることが重要です。この懸念は、最近の韓国のリチウム電池工場での悲劇的な火災（22名の労働者が死亡）によって強調されています。
バッテリーメーカーが増大する需要に対応しようと奔走している様子をご覧ください。
韓国のリチウム電池工場での火災
6月24日、韓国のリチウム電池工場で多数の電池爆発が原因となる壊滅的な火災が発生し、22名の労働者が死亡しました。この施設は主要バッテリーメーカーのAricellが運営し、ソウル西南部の工業地域である華城（Hwaseong）に位置しています。
火災が発生した直後、有毒ガスが工場全体に急速に拡散しました。当時、工場には最大35,000個の電池が保管されていました。火災が致命的になった可能性について、大田大学の防災学教授、金在浩氏は次のように述べました：
「ニッケルなどの電池材料は燃えやすく、他の材料による火災に比べて対応時間が十分に取れないことが多いです。」
専門家は、死亡者数が多かったのは燃焼によるものではなく、有毒物質が使用されていたことが主因であると指摘しています。
このような事例は防げるか？
リチウムイオン電池はエネルギー貯蔵装置の中で最高の体積エネルギー密度を持つため、取り扱いには常に注意が必要です。米国労働安全衛生局（OSHA）は、小型・ウェアラブルなリチウム電池駆動デバイスにおける火災や爆発事故を防止するための詳細な指示を公表しています。
世界で最も評価の高い技術系教育機関の一つであるマサチューセッツ工科大学（MIT）も、リチウムイオン安全ガイダンスを公表しています。彼らの指示によれば、これらの電池を取り扱う作業エリアは、非導電性かつ耐火性の素材で表面が構成されている必要があります。
導電性の表面で作業せざるを得ない場合は、絶縁材で覆うことが推奨されます。また、作業エリアは木製テーブル、カーペット、ガソリン、セルの絶縁スリーブを穿孔させる可能性のある鋭利な物体など、可燃性・燃焼性の素材がない状態にすべきです。作業に適した温度は15〜35℃で、環境温度は60℃を超えてはいけません。
適切な保管は、火災や爆発リスクを低減する上で重要な役割を果たします。報告書では、多くのリチウムイオン電池火災が不適切な保管場所に起因すると指摘しています。最高の安全基準を維持するためには、保管エリアはセル設計、化学組成、温度、充電状態、保管期間などの要因を考慮しなければなりません。
バッテリー製造施設は、火災自体だけでなく、発生する有毒ガスによっても壊滅的な被害が出るため、厳格な安全対策を講じる必要があります。
製造における安全性は継続的に向上させることができますが、電池自体も本質的に安全である必要があります。一部の企業は安全なリチウム電池の生産に着実に投資しています。次のセクションでは、そうした企業を検証します。
#1. パナソニックエナジーのリチウムイオン電池
パナソニックは、バッテリー容量が増大する中で安全性の確保に注力し、先進的なバッテリー材料の開発、プロセスの最適化、制御技術の創出に取り組んで、安全で信頼できるバッテリー使用を保証しています。
同社の電池は、100℃以上に加熱されると爆発リスクが高まるため、高い耐熱性を備えています。しかし、パナソニックは電池の積み重ねや混在が外部短絡、熱生成、火災、爆発を引き起こす可能性があることも認識しています。
同社は厳格な取扱・保管ガイドラインに従い、梱包時にバッテリー端子が互いに、または他の金属に接触しないようにしています。輸送中の振動、衝撃、落下、積み重ねから製品を保護するために強固な包装材を使用しています。また、パナソニックはバッテリーを常温で保管し、約30〜50％の容量まで充電することを厳格に推奨しています。
同社は円筒形電池、角形電池、パウチ型電池、ピン型電池など、さまざまなリチウム電池製品を製造しています。
同社の最新の統合報告書によると、2023年の売上高は8,378.9億円でした。
#2. LGエナジーソリューションズ
LGエナジーソリューションズは、リチウムイオンバッテリーパック製造において明確なガイドラインを遵守する、もう一つの世界的リーディングブランドです。落下したリチウムイオン電池セルの使用をパック製造において禁止しています。
電気的短絡を防止するため、リチウムイオン電池セルは金属物から遠ざけ、損傷や汚染を防ぐ環境で取り扱う必要があります。
さらに、リチウムイオン電池セルの表面に直接溶接を行うべきではなく、溶接工程中に高熱や高圧にさらすことも避けるべきです。
2023年、LGは84,228億ウォンの売上高を記録し、2022年の83,467億ウォンから増加、2021年の73,908億ウォンからは大幅に増加しました。
リチウムイオン電池の安全性懸念：包括的レビュー
リチウムイオン電池の安全性懸念を広範に調査した研究は、脅威やリスクとなり得るいくつかの潜在的問題を指摘しています。
熱暴走は、リチウムイオン電池における最も有害な安全問題の一つで、副反応から生じます。これらの反応は電解質内部、正極と負極間、電極表面やリチウム析出の界面で起こり得ます。このような熱暴走は、機械的、熱的、電気的な乱用によってしばしば引き起こされます。
機械的乱用はリチウムイオン電池の安全問題を引き起こし、電気的乱用も同様にその完全性を損ないます。同様に、熱ショックや過度の高温にさらされる熱的乱用も重大なリスクをもたらします。
研究はまた、内部・外部の両面で安全性を向上させる戦略を示しています。リチウムイオン電池（LIB）の安全性向上に不可欠な要素は、適切に設計された内蔵冷却システムです。さらに、セル間のバランスを保つことが重要で、各充電サイクル後に全セルの電圧、容量、または充電状態（SOC）を測定・比較する必要があります。
メーカーは、生産の安全性を確保するために複数のフレームワークに従うことができます。実際、多くの国が既に中国規格、米国自動車技術者協会（SAE）規格、国際電気標準会議（IEC）規格、国連（UN）規格、日本工業規格（JIS）などの標準を公表しています。
全体として、我々は電子機器が支配する時代に生きており、リチウム電池への依存はますます高まっています。技術の効率性と速度を追求する中で、安全性を最優先にしなければなりません。最近の韓国での事故は、このバランスの重要性を痛感させるものであり、将来的に同様の不幸な事故を防ぐ必要性を強調しています。
