リチウムイオン電池の性能評価・安全試験とは？ CT解析で再試験コストを削減する方法

リチウムイオン電池における性能評価と試験の重要性

リチウムイオン電池は、多様な産業分野で不可欠な動力源として位置づけられています。当該デバイスが要求仕様を満たすためには、開発段階から市場投入後に至るまで、厳密な性能評価および試験が必須となります。
 
電池の性能を正確に把握して品質を担保することは、製品の安全性や利便性の向上につながります。さらに、次世代技術の開発や市場競争力の強化にも直結します。ここでは社会実装に向けて、リチウムイオン電池試験や性能評価が重要となる理由について解説します。

バッテリー開発に不可欠な基本性能の定義と評価指標

リチウムイオン電池は、電子機器や電動モビリティの電源として広く適用されています。性能向上を図るには基本性能を明確に定義し、適切な指標でリチウムイオン電池の性能評価を実施する必要があります。
 
電池性能を規定する基本的な指標として、エネルギーの貯蔵量を示す容量が挙げられます。容量はデバイスの連続稼働時間や、モビリティの航続距離を決定する重要な要素です。また、電力の供給能力を示す出力の指標も重要となります。高出力特性を有する電池は、短時間での急速充電や駆動モーターへの大電力供給を可能とします。
 
さらに、充放電サイクルを反復した際の耐久性を示すサイクル特性の評価も必須です。長期運用を前提とする用途では、早期の性能劣化がシステム障害を引き起こすためです。これらの特性は、電池内部の材料種や構造設計によって大きく変動します。したがって、開発の初期段階から量産プロセスに至るまで、継続的かつ精緻な評価が求められます。

リチウムイオン電池の性能評価における主要な測定項目

電池の潜在的な特性を把握するには、多岐にわたる測定項目を評価する必要があります。主要な測定項目の一つとして、電気的な入出力を行って挙動を確認する充放電試験が挙げられます。
 
具体的には、極低温や極高温などの温度環境下における充放電特性を評価します。また、電流値である放電レートを変動させた際の電圧推移や放電容量を精緻に測定します。これらの測定を実施して、多様な動作環境下における動作の安定性を確認します。
 
他の重要な測定項目として、電池内部の電気抵抗を測定する手法が存在します。具体的には交流インピーダンス測定や、直流内部抵抗測定が該当します。長期運用に伴う性能劣化が生じた際、これらの測定を適用して内部抵抗増大の要因箇所を詳細に特定します。
 
これらの測定は、単電池単位での評価にとどまりません。複数セルで構成されるモジュールやパックなどのシステム形態においても実施され、システム全体としての正常動作が厳格に検証されます。

継続的な電池試験が製品品質と市場競争力に及ぼす影響

リチウムイオン電池試験は、開発段階における単発の実施で完結するものではありません。量産プロセスでは材料ロットの差異や製造環境の変動に起因し、完成品の性能にばらつきが生じる可能性があります。こうしたばらつきを抑制し、製品品質を一定に維持するためには、継続的な電池試験の実施が必須となります。
 
また、高サイクル特性および高レート充放電特性を有する電池開発の国際競争において、自社製品の優位性を立証するためには信頼性の高い試験データが不可欠です。
 
さらに、市場で長期運用された回収電池の劣化状態を詳細に解析することで、次世代電池開発に資する重要な知見を獲得できます。継続的なバッテリー試験によるデータ蓄積は、高品質な製品の安定供給および市場競争力向上のための要因となります。

グローバル展開に必須となるバッテリー安全規格

リチウムイオン電池搭載製品をグローバル市場へ展開するにあたり、優れた基本性能の実現とともに安全性の確実な担保が優先事項となります。高エネルギー密度を有するリチウムイオン電池は、不適切な取り扱いや設計上の瑕疵により重大事故を誘発するリスクが存在します。安全性を担保するため、国際的に厳格な安全基準が規定されています。
 
ここでは、製品の安全な輸送および各国の市場参入において準拠が必須となるバッテリー安全規格について詳述します。

国連勧告の輸送試験（UN38.3）をはじめとする国際的な安全規格の基礎

リチウムイオン電池は小型かつ高エネルギー密度の特性を有する一方、運用条件を逸脱した場合、内部短絡や熱暴走による発火などの危険性を内包しています。そのため、電池内蔵製品を安全に輸送および販売するには、国際的に制定された厳格なバッテリー安全規格を遵守し、認証を取得することが必須条件となります。
 
基本となる規格として、国連勧告に基づく輸送試験であるUN38.3が挙げられます。リチウムイオン電池を航空機や船舶などで輸送する際は、本試験への適合が求められます。
 
輸送試験は、低気圧環境や急激な温度変化、物理的な振動や衝撃など、輸送過程で想定される過酷な環境条件を模擬して実施されます。全試験項目において、電池の発火や破裂、および漏液が発生しないことが厳格に要求されます。

車載用および民生用リチウムイオン電池における適用規格の違い

リチウムイオン電池の用途において、遵守すべきリチウムイオン電池の安全性試験の要求水準は適用分野によって大きく異なります。民生用機器向け電池においては、主としてエンドユーザーの通常使用時に想定される過充電や落下などの異常事態に対する安全性を担保する規格が適用されます。
 
一方、電気自動車等の車載用バッテリーは事故発生時に乗員の生命に関わるため、民生用と比較してより高度な規格が要求されます。車載用規格では、単電池の安全性評価に加え、バッテリーパック全体としての安全性や車両衝突時の耐衝撃性が審査されます。
 
さらに、単一の電池の熱暴走が隣接する電池へ波及することを防止する熱伝播防止試験など、システム全体としての安全性が厳密に評価されます。

各種安全規格への準拠が法規制と市場参入において不可欠な理由

安全規格への準拠は単なる品質のアピールにとどまらず、対象国や地域における販売認可を得るための法的義務であり市場参入の必須要件です。国別や地域別の法規制および認証制度を遵守せずに製品を展開した場合、大規模な製品回収の発生や、製造者としての法的責任を問われる事態を招きます。
 
近年、リチウムイオン電池に起因する熱暴走事故の報告が散見される背景から、安全性に関する規制要件は年々厳格化の傾向にあります。したがって、安全規格の厳格な遵守は企業のコンプライアンス上の責務であると同時に、グローバルな事業展開を支える基盤条件となります。

リチウムイオン電池の安全性試験における具体的な種類

リチウムイオン電池の安全性を確実かつ客観的に評価するためには、想定される異常状態を意図的に模擬し、電池の挙動を検証するプロセスが必要です。ここでは、実施される主要な安全性試験について、3つの物理的・電気的アプローチに分類して解説します。

過充電試験・短絡試験など電気的負荷をかける試験手法

異常状態を模擬した評価の一つに、過剰な電気的負荷をかける試験手法が存在します。代表的な項目である過充電試験は、充電制御システムの故障を想定した試験です。規定値を超える電圧または電流を連続して印加します。過充電状態では電解液の分解によるガス発生を伴うため、熱暴走に至る前に内蔵の保護機構が作動して通電を遮断できるかを評価します。
 
また、正極と負極を低抵抗で接続して強制的に短絡状態を形成する外部短絡試験も重要な項目です。短絡発生時には瞬時に大電流が流れ、内部温度が急激に上昇します。このような過酷な電気的ストレス下においても、発火や破裂などの異常が発生せず安全性を維持できるかを確認します。バッテリーの試験において電気的な耐性を証明する必須のプロセスです。

圧壊・釘刺し・落下など物理的ダメージを与える機械的試験

機械的試験は、外部から物理的な応力が加えられた際の安全性を検証するものです。車両の衝突による変形や機器の落下といった事象を想定して実施されます。圧壊試験は、試験機を用いて電池に物理的な圧縮荷重を加えます。側面衝突などの外力で電池の構成単位が変形した際に、内部短絡による発火が発生しないかを確認する目的があります。
 
安全性試験の中でとくに過酷な条件とされるのが釘刺し試験です。金属製の釘を製品の中央部に貫通させ、強制的に内部短絡を誘発させます。短絡部のジュール熱により局所的な高温状態が形成されますが、発火や周囲への熱伝播を抑制できるかが厳しく評価されます。そのほか、規定の高さからの自由落下による構造破壊や電解液漏洩の有無を確認する落下試験なども規定されています。

加熱試験・熱衝撃試験など極端な温度環境下で行う試験

温度環境に関する試験は、高温曝露や急激な温度変化に対する熱的耐久性および安全性を検証するものです。加熱試験は、恒温槽を用いて対象物を高温環境下に一定時間保持します。正極と負極を絶縁するポリオレフィン等の樹脂製セパレータは、高温下で熱収縮や溶融を起こす特性があります。セパレータの収縮は大規模な内部短絡を引き起こすため、高温環境下での構造維持能力が評価されます。
 
熱衝撃試験は、マイナス40度から85度といった極端な温度勾配を短時間で反復して与える試験です。電池を構成する各材料における熱膨張係数の差異を利用して応力を発生させます。熱サイクルの反復によって内部部材の機械的破損が生じないかを確認します。また、封口部のシーリング劣化に伴う電解液漏洩が発生しないかも併せて検証されます。

電池試験が抱える課題

リチウムイオン電池の試験を実施して安全性を実証することは不可欠ですが、開発および製造のプロセスにおいては複数の技術的・経済的な課題が存在します。試験の過酷さゆえに発生する物理的な負担や、不適合時の原因究明の困難さが開発の障壁となるケースも少なくありません。ここでは、開発から実用化のプロセスにおいて電池試験が抱える主な課題について解説します。

安全性試験の項目の多さと破壊試験による物理的・経済的負担

安全性を証明するためには、前述した多岐にわたる試験項目をすべて満たす必要があります。これらの安全性試験の大半は、被験体である電池を機能不全に至らせる破壊試験に分類されます。釘刺しや圧壊あるいは過充電などの試験を経た製品は不可逆的な損傷を受け、再利用が不可能です。
 
新規開発プロセスにおいてはプロトタイプの製作が反復されます。とくに車載用大型バッテリーのプロトタイプ製作には多大なコストが発生します。バッテリー 安全 規格の認証取得プロセスでは、これらの高価なプロトタイプを多数用意して破壊試験に供する必要があります。そのためメーカー側にとって物理的かつ経済的な負荷が増大する傾向にあります。

試験失敗時に発生する再試験コストと開発スケジュールの遅延

破壊試験の実施はコストの増大のみならず、開発スケジュールの遅延リスクを内包しています。高コストなプロトタイプを用いた試験の最終段階において、発煙等の不適合事象が発生するケースも想定されます。その場合、原因究明や設計変更を行い、プロトタイプを再製作してすべての試験項目を再評価しなければなりません。
 
試験不適合の発生は、再試験に伴う多額の追加コストと数ヶ月単位の工数損失を引き起こします。製品の市場投入時期の遅延は市場競争力の低下に直結します。開発プロセスにおいては試験不適合の未然防止が極めて重要な課題となります。試験を確実に一回で通過させるための事前評価体制の構築が急務とされています。

従来の破壊調査のみに依存する評価プロセスが持つ限界

試験において不適合が生じた際、原因究明のために破壊された電池を解体して内部を観察する解体調査が行われてきました。しかし、この手法には技術的な限界が存在します。熱暴走を伴う内部短絡が発生したセルは内部温度が数百度に達し、主要な構成部材が溶融または炭化してしまいます。
 
鎮火後に解体調査を実施しても、短絡の起点となった微小な金属異物や電極の微細な折れ曲がりなどの痕跡は熱で消失しているケースが大半です。事後的な解体調査では根本原因を特定するための物証が失われています。推論に基づいた設計変更と再試験を余儀なくされるため、同様の不適合を繰り返すリスクが高いという構造的な問題が存在していました。

内部欠陥の初期排除に貢献する非破壊検査（CT解析）

破壊調査の限界やコスト増大の課題を解決する手法として、非破壊検査の導入が進んでいます。製品の分解を伴わずに内部構造を解析することで、開発プロセスの最適化を図ります。中でもX線CTを用いた解析は、外部から見えない異常を事前に検出する有用な技術として位置づけられています。CT解析を活用した内部欠陥の初期排除について解説します。

リチウムイオン電池内部を可視化するX線CT解析の原理

破壊調査の限界を突破する手法として、昨今の電池開発プロセスにおいてX線CTを活用した非破壊検査が注目されています。X線CT解析は対象物の電池に対して外部からX線を照射し、透過データを計算機で処理する技術です。
 
電池内部は金属箔や活物質および電解液など、材質と密度の異なる部材が積層または捲回された構造を持ちます。各材料のX線吸収係数の差異を利用することで、製品を解体せずに内部構造を高精度な3Dデータとしてデジタル空間上に再構築します。外部からは不可視である電池内部の三次元的な構造を、任意の座標における断面または三次元で詳細に観察および解析することが可能となります。

試験前の初期段階で微小な内部欠陥や異物混入を特定するメリット

CT解析を開発プロセスに組み込む利点は、安全性試験に供する前の段階で初期欠陥や異常状態を特定できる点にあります。製造の各工程において、微小な金属異物の混入や電極およびセパレータのシワ、端部の折れ曲がりといった不良が発生するリスクがあります。
 
これらの微小な不良は、将来的な内部短絡を引き起こす直接的な起点となります。X線CTを活用して微小欠陥や異物の位置座標および体積を、非破壊で3Dデータ上から高精度に検出します。リチウムイオン電池性能評価の精度を高めるうえで、内部構造の完全性を試験前に担保できることは製品の信頼性向上に大きく寄与します。

事前評価による試験失敗の回避と再試験コストの大幅な削減

試験実施前の事前CTスクリーニングは、開発プロセスに多大な経済的合理性をもたらします。従来は作製したプロトタイプを無作為に試験へ投入していました。内部欠陥を内包する不良個体が混入していた場合、試験中の熱暴走による不適合判定と再試験コストの発生を招いていました。
 
試験対象の全個体に対して事前のCTスキャンを実施し、初期欠陥のある個体を排除します。内部構造の完全性が確認された良品のみを試験に投入することが可能となります。異物に起因する突発的な試験失敗を回避できるため、試験の成功率が飛躍的に向上します。原因不明の不適合による手戻りが解消され、再試験コストを削減するとともに市場投入までのリードタイムを短縮します。

VGSTUDIO MAXを活用した高度な内部解析と性能評価

バッテリー試験における破壊調査の限界やコスト増大を解決する手段として、非破壊検査が導入されています。X線CTデータを用いた内部解析は、不可視の異常を事前に検出して開発プロセスを最適化する有効な手法です。ここでは取得したCTデータを活用し、高度な解析を実現する当社のソフトウェアについて解説します。

CTデータからの精緻な3D再構築と電極・内部構造の可視化

CTスキャナから得られた膨大なボリュームデータを可視化し、定量的な評価を行うには高度な解析ソフトウェアが必要です。当社が開発および提供する「VGSTUDIO MAX」は、当該分野で広く活用されている解析ソフトウェアです。
 
本ソフトウェアをご利用いただくと、取得したCTデータから精緻なボクセルベースの3Dモデルを構築できます。外装ケースを透過処理することによる内部構造の視認性向上や、特定の構成部材のカラーマッピングに対応しています。さらに、検出された金属異物のハイライト表示といった高度なレンダリング処理も可能です。
 
エンジニアは物理的な切断工程を経ることなく、非破壊で内部の微細構造や部品配置を任意の視点から詳細に観察できます。観察結果を用いて設計要件との整合性を確認し、リチウムイオン電池の性能評価の精度を向上させます。

アノードオーバーハング・寸法評価・幾何公差等の高度な定量評価

VGSTUDIO MAXの特長は可視化にとどまらず、3Dデータ上での高精度な寸法測定など高度な定量評価が可能な点です。
 
リチウムイオン電池の安全性試験における重要指標の一つに、正極と負極の対向面積における寸法マージンのためのアノードオーバーハングが存在します。設計上、リチウム析出による短絡リスクを回避するため、負極面は正極面よりも一定幅広く設計される必要があります。本ソフトウェアの専用解析モジュールを用いると、捲回または積層された全層にわたってオーバーハング量を自動で算出し、基準値を逸脱する箇所をカラーマップで視覚的に特定します。
 
また、CAD設計データと実際のCTスキャンデータを重ね合わせた設計値比較も可能です。内部の空隙解析や各部材の幾何公差の測定など、品質保証に不可欠な多岐にわたる定量評価を単一のプラットフォームで実行します。

解析プロセスの自動化とレポート作成による検査業務の効率化

量産工程や多数の試作品に対して、手動で解析作業を行うことは工数的に非現実的です。この課題に対し、VGSTUDIO MAXはマクロによる解析プロセスの自動化機能を搭載しています。
 
アノードオーバーハングの測定や異物検出といった一連のワークフローをマクロとして定義できます。以降は新規のCTデータが入力されるたびに、マクロを実行することで内部解析や寸法測定、規定の公差に基づく合否判定をソフトウェアが自動で実行します。
 
さらに、異常箇所の断層画像や測定値の統計データを含む検査レポートの生成も自動化されます。自動解析パイプラインの構築は検査スループットを向上させ、ヒューマンエラーによる見落としリスクを排除します。効率的かつ信頼性の高い検査体制を確立し、安全な製品の市場供給に貢献します。

まとめ

モバイルデバイスから電動モビリティに至るまで、リチウムイオン電池の世界的需要が拡大しています。高性能と高度な安全性の両立は、すべてのバッテリーメーカーにとって重要な課題です。安全性を実証するためにはバッテリーの安全規格に準拠し、厳格な安全性試験を通過する必要があります。
 
しかし従来の破壊を伴うリチウムイオン電池試験では、プロトタイプの消費による経済的負担が大きいという問題がありました。不適合発生時の原因究明も困難であり、手戻りに伴う追加の再試験コストや開発期間の損失を招いていました。
 
これらの課題を解決する手段が、X線CTおよび当社の「VGSTUDIO MAX」を活用した非破壊検査プロセスです。試験の事前段階で微小異物やアノードオーバーハングの偏差といった内部欠陥をスクリーニングします。構造的な完全性が担保された良品のみを試験に投入することが可能となります。事前の解析評価は不要な手戻りを防止して再試験コストを削減し、製品の迅速な市場投入を実現します。