電池相關的各種知識與展望（１８） 會讓鋰離子電池燃燒起來的過程

（１６）從短路開始到起火為止，鋰離子電池中到底發生了甚麼？

鋰離子電池會起火的導火線就是「短路」。本篇就想來介紹短路發生之後，一直到真正起火為止，電池裡面具體上到底發生了甚麼事情？

近年來，鋰離子電池被使用在日常生活中的各種用途上，而更貼近我們身邊而成為不可或缺的存在。

不過，在電池越來越便利的同時，因為操作失誤而導致重大事故的危險性，也是不能忽略忘記的。隨著鋰離子電池的普及，也越來越常看到失火事故出現的案例。

電池相關的各種知識與展望（１７） 半固態電池與全固態電池

（１５）半固態與全固態有何不同？

以汽車產業為首的各家企業目前都在推動次世代電池的開發。好比說，Ｎｉｓｓａｎ在２０２２年四月的全固態電池的開發狀況記者會中，該公司的副社長中畔邦雄先生就說明了該公司的態度是：「為了活用安全性等優點，本公司並非選擇半固態電池，而是以全固態電池的開發與實用化為最優先」。

然而，這裡提到的「半固態電池」到底是怎樣的電池呢？

至今為止，關於電池的相關報導中，出現「半固態電池」或「全固態電池」、或是直接簡單說成「固態電池」這種專有名詞的機會是越來越多了。而且如果去看英語圈世界的報導或文獻，也不只會看到「全固態（all-solid state）」、「半固態（semi-solid state）」這兩種名詞，還會看到「準固態（quasi-solid state）」或「固液混合（hybrid）」等等表現類似意義的名詞存在。

這次就想要針對這些看起來似懂非懂的「固態電池」，將其材料構成整理起來並加以說明。

電池相關的各種知識與展望（１６） 鋰資源之開發與對環境之影響

（１４）埋藏量很多的鋰元素、現實上是否能配合需求供應出足夠的產能？

前面分別針對評估電池影響環境的幾個重要因素，如「可回收」、「可重複使用」與「ＬＣＡ」等等內容。

說到對環境的影響，現今無論如何最容易被注目、討論的話題當然就是「去碳化」，但千萬不可忘記除了ＣＯ２排放以外，還有其他因素有可能對環境產生影響。考慮對環境影響時的一個重點，就是資源消耗、特別是在鋰離子電池中不可或缺的「鋰」元素之重要性非常值得注目。

電池相關的各種知識與展望（１５） 電池生產中的二氧化碳排放評估

（１３）ＥＶ真的對環境比較友善嗎？以電池壽命週期的觀點來思考其二氧化碳的排放量

前一篇介紹過了如何評價對環境影響的指標之一的「ＬＣＡ（Life Cycle Assessment）」。

那麼這種「Life Cycle Assessment」，其對於環境影響的定量評價方式其內容到底為何？

電池相關的各種知識與展望（１４） 電池壽命週期評價

（１２）何謂定量評估對環境影響的「電池壽命週期評價」？

前兩篇分別提到了解決環境問題的鋰離子電池的「資源回收」與「再利用」方法。這一篇則是要重新思考到底何謂對環境有利的行為。

電池相關的各種知識與展望（１３） 車用電池之再利用

（１１）從車用轉為其他用途，鋰離子電池再利用的「論點」

前一篇提到了鋰離子電池的「資源回收」，而電池的資源回收隨著電動車或儲能用電池的需求增加，是越來越重要、越需要考慮的技術；另一方面大型電池包的資源回收，現狀是尚無確立的手法，因此還處於各公司各自研究、檢討的階段。

這次同樣為了「永續開發目標」，則是要來說明和「資源回收」同樣重要的「電池再利用」。

電池相關的各種知識與展望（１２） 電池的資源回收

（１０）現今之使用後鋰離子電池資源回收狀況

誰在回收鋰離子電池？

近年來，就在全世界都朝著ＳＤＧｓ（永續發展目標）政策前進中，汽車產業也轉移到電動車的方向上，對於再生能源、儲電技術的應用、或電池技術的關心也日益增高，當然使用鋰離子電池的量也越來越大。

鋰離子電池的正極材料因為含有鈷、鎳、鋰等等稀有金屬資源，隨著未來鋰離子電池的需求越來越大，從長期觀點來看，就令人擔心這些原料的供給是否會越來緊迫。

電池相關的各種知識與展望（１１） 無模組化技術

多個電芯當作一個電池來使用

因為以上各種電芯的不同特性，使用時就必須考慮清楚其優缺點，也會造成保管處理方法有所不同。好比說，如果想要最大程度發揮電池特性、或是確保安全性的話，裝入產品中的電芯往往就會設計成有比較強的拘束性。一般來說，根據外殼強度與電芯形狀來判斷，薄片型電芯會需要比圓筒形電芯有更強的拘束設計。除此之外，根據製造方法與用途的不同，其保管處理方式與設計思想，各種電芯也會有不一樣的考量，但這個部分就留待有機會再介紹。

電池相關的各種知識與展望（１０） 各種不同的電芯形式

（０９）學習電池的「電芯」、「模組」、「包」的差異

突然想問大家一個問題：在表示乾電池大小時，經常會看到「單１」、「單２」這樣的名稱，這個「單」到底是甚麼意思呢？

答案是「單位」。單就是單位的略稱。

這個「單」是從英文的「Unit Cell」（單電池或單電芯）而來，意思是這個電池單體可以在單一、單獨的狀態下完成電池的功能，是最小的「電池構成單位」，所以就略稱為「單」。在鋰離子電池上，最小構成單位通常是叫做一個「電芯（Cell）」或是「單芯（單Cell）」，但是根據其形狀不同，還分為「圓筒形電芯」、「（長）方形電芯」、「薄片型（Laminate）電芯」，差別其實很大。

圓筒形電芯顧名思義是一種圓筒狀的電池。大家平常經常看到的乾電池就是圓筒形，可以說是一種大家最熟悉的電池形狀。是將正極／負極／隔絕片（Separater）層層捲起來成為圓柱狀的構造（捲繞體），再封入圓筒形的金屬外殼中。

就鋰離子電池而言，主流的「單芯」是比乾電池大一輪左右的尺寸。最具代表性、也最常被人聽到的則是「１８６５０」（外徑約１８ｍｍ、長約６５ｍｍ）的型號。不論是筆記型電腦、手機、電動工具、一部份的電動車都有用到這種尺寸的電芯。

下圖就是圓筒形電芯的各種大小比較：

圓筒形的構造要比其他形狀的電芯容易生產，可以做出比較便宜的量產版本。另一方面，如果是大量堆疊圓筒形的電芯，會因為圓筒的形狀，而出現很多空隙，造成使用空間效率惡化的問題。此外，當電池容量增大時，要重複捲的層數也會增加，讓圓筒直徑變得更大，會使得直徑太大時，造成電芯中心的部分特別容易積熱的問題點。

電動車大廠特斯拉公司在２０２０年９月舉行的電池開發進展報告大會「電池日（Battery Day）」上，發表了大直徑的圓筒形電芯「４６８０」（如下圖，外徑約４６ｍｍ、長約８０ｍｍ）。顯然是在電芯廠（Panasonic）的協助下，一面克服直徑增大的種種問題、一面期待持續增大電池的容量，所開發出來的結果。

除了圓筒形以外，還有長方形或（薄片）袋形（Pouch）

（長）方形電芯也如字面的意義一樣，是使用四方形的外殼，然後將扁平狀的捲繞體封裝於其中。這種電芯因為是扁平四方體，尺寸上比較容易做得輕薄小巧，好比說大家身邊常用的數位相機等小型電子機器的交換型電池，通常就是使用這種電芯。此外，四方型在機械強度、單位體積下的能量密度的角度上也很適合汽車使用，因此在電動車上也很容易看到各種使用實例。

相對於圓筒型電芯或方形電芯是使用金屬罐殼體，薄片（袋）型電芯是使用「薄層膜（Laminate Film）」來作為外袋，所以外觀上與其說是像電池，更像是食品調理包一樣的銀色袋子，所以也被稱為袋型（Pouch）電芯。

作為外帶的薄層膜，因為材料特性與形狀自由度，會有更容易輕量化、薄型化、省空間的有利之處，而且散熱型也會比較優異，因此以智慧型手機為首的小型電子產品到大型的電動車，有相當廣泛的應用實例。相反地，因為封入外袋中的構造體通常是切成葉片狀的電極片夾入隔絕片、層層堆疊起來的層積體，相對於捲繞體而言，在生產與品質管理上的難度也提高不少。

下圖是村田製作所生產的鋰離子電池的薄片狀電芯

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相關系列文章：

電池相關的各種知識與展望（０９） 使用鋰電的原則

（０８）希望鋰離子電池更持久一些需要注意的事項

在網路上經常可以看到關於電池各式各樣的資訊，其中最常看到的話題之一就是「電池壽命」相關的討論。

好比說：有沒有延長電池壽命的方法？充電方法有沒有甚麼需要注意的地方．．．等等。這次就想針對電池壽命與電池劣化的各種訊息，以參與電池評價人員的立場把我所看到的事項整理出來。此外，由於近來手機與電動車等等產品使用的電池大多是「鋰離子電池」，所以本文就會以這種電池作為討論的前提來往下介紹。

電池相關的各種知識與展望（０８） 雙極型電池

（０７）豐田也採用的「雙極型電池」，其提升輸出電能的機制為何？

２０２１年７月１９日豐田汽車開始發售ＡＱＵＡ型油電混合車（ＨＥＶ）的完整改款版本。這個新款的ＡＱＵＡ是世界首創使用「雙極型鎳氫電池」的車型，因此媒體爭相報導而在各地引起了很大的話題。此外，在２０２１年９月７日舉辦的豐田汽車「電池．碳中和說明會」上，他們也公開宣示未來還會增加使用雙極型鎳氫電池的車型。

電池相關的各種知識與展望（０７） 電解質與全固態電池

（０６）因為全固態電池而備受注目的「電解質」，不過只講固態沒有意義？！

至此，我們已經介紹了解說過鋰離子電池的代表性正極材料與負極材料。其實鋰離子電池為了具備二次電池（可以重複使用）的功能，就必須讓鋰離子成為電荷載體（Carrier）而在充放電時能在正極與負極之間移動。在這個移動的過程中，有個名為「電解質」的重要材料存在。近年來深受注目的「全固態電池」，就是一種電解質擁有很大特色的電池。

這次就要來介紹在鋰離子電池的正極與負極之間的電解質、以及全固態電池。

電池相關的各種知識與展望（０６） 負極材料介紹

（０５）左右鋰離子電池性能的「活性物質」為何？【負極篇】

［前言］

如前一篇介紹過的一樣，活性物質是左右容量或起始電力等電池基本特性的重要材料。從底下所列、本專欄也介紹過幾次的反應式來做例子的話，正極是使用LiCoO2（鈷酸鋰）這樣的活性物質，而負極用的則是Ｃ（碳／石墨）這樣的活性物質。

電池相關的各種知識與展望（０５） 正極材料介紹

（０４）左右鋰離子電池性能的「活性物質」為何？【正極篇】

［前言］

如前一篇所提，簡單複習一下，所謂鋰離子電池就是一種鋰離子有參與充放電的二次電池（可重複充電的電池）的總稱；所以不管使用怎樣的材料、怎樣的構造、具有怎樣的特性，全部可以稱呼為「鋰離子電池」。

從本篇開始會用數篇來解說用在鋰離子電池上的代表性材料是怎樣的物質、以及這些物質又怎麼左右電池的特性。

電池相關的各種知識與展望（０４） 何謂鋰離子電池

（０３）只要鋰離子和充放電有關，不管是甚麼材料都可以叫做「鋰離子電池」？！

［前言］

至今筆者已經解說過了關於鋰離子電池的「為何電池會膨脹？」、「為何會發熱或起火？」等安全性相關的問題。然而，其實這個「所謂的鋰離子電池，到底是怎樣的電池？」的提問，看起來好像很單純，回答起來卻很麻煩。

在ＮＨＫ很受歡迎的節目「會被小智子罵！（チコちゃんに叱られる！）」於２０２０年３月１３日播放的那一集中，也有人問「鋰離子電池到底是甚麼？」，而就連那個刁鑽的小智子也都回答：「這個問題真是一言難盡，希望諾貝爾獎得主吉野彰先生能夠花一個小時的時間，用簡單淺顯的方式來幫大家解說」。

電池相關的各種知識與展望（０３） 從案例與實際驗證中找解答

與前述在電池之外發生的「外部短路」不同，在電池中引起的短路就稱為「內部短路」。會有內部短路的問題產生，其要因可除了前述外部衝擊造成的電池內部構造被破壞以外，還能推斷為「隔絕部分不良」或是「異物」、或「金屬析出」等等因素。

「隔絕部分（Separater）」是夾在電池正極與負極之間，防止兩者接觸或短路的隔膜。但隨著製造不良或是長期使用之後造成的劣化，會損害隔絕部分原本應有的功能，而引起內部短路。

其次是「異物（contamination）」。對製造業來說混入異物時常見、司空見慣的問題，但從電池原料或製造裝置上混入電池中的異物，可能會刺破隔絕部分，引起短路。

在電池中析出金屬之要因

再來則是要來看「金屬析出」，這裡可以在大致分成「鋰金屬」析出與其他的金屬析出兩大類。

鋰以外的其他金屬析出的原因，大致可以考量為「異物由來」、「活物質由來」與「過放電」三種問題。好比說，成為異物的金屬片，就算是不到可以刺破隔絕部分、尺寸上非常微小，還是可能會因為電池使用中析出了不純物體而逐漸長大。此外，就算製造時沒有混入金屬異物，使用在活物質（構成電池容量的電極材料）之中的金屬成分還是可能會造成析出的問題。

然後，「過放電」也是金屬析出的原因。雖然可能容易被誤會，但基本上鋰離子電池中並不會在電池中直接使用「鋰金屬」，只是以「鋰離子」（Li+）的形態存在，並且參與電池的反應。不過，在某些條件下，鋰金屬會從電池內部析出。

鋰金屬的析出主要可以認為是電極塗布不均勻或積層偏移等製造上的不良，也有跟電極厚度、面積、組合件等等設計問題有關，當然也跟電解液劣化、周邊溫度、通過電池的電流值等等電池使用環境有關。在這之中，鋰金屬析出最重大的要因，說的比較直接一點的話，就是「負極中鋰離子的濃度分布不均勻」。換句話說，就是因為什麼因素讓鋰離子集中在某個局部，就容易造成鋰金屬析出。

製造上的不良或是設計上的問題等等因素，都是實際上在使用產品的使用者無法對應的領域，但是因為電解液劣化產生分解物堆積在電極表面、灌入大電流的急速充電或是在低溫環境下使用等等用法，都很容易造成這個鋰離子濃度分布不均勻，因此使用者還是要特別小心注意各製造商推薦的電池使用規格，不要對電池造成太大的負擔。

在這些電池異常發熱的要因當中，關於電池製造不良的部分，雖然的確是有便宜的粗製濫造品流通於市場上造成的結果，但隨著各家公司導入提升品質管理進步方法來看，現狀是越來越難造成太大的問題了。由於大部分的產品其製造品質有達到一定的水準，也有防止過充電等等電池管理技術、並且使用考慮過電池劣化的運用方法，這些對於抑制電池發熱的問題有更大的貢獻。

不僅是防止起火，也必須考慮抑制被害程度到最小限度的對策

至於前面介紹過的「波音７８７電池問題」在之後，由美國國家運輸安全委員會（ＮＴＳＢ）負責進行事故調查。根據ＮＴＳＢ在２０１４年９月下旬公開的最終報告書中，明確指出相關事件是鋰離子電池內部短路才會造成發熱冒煙的問題。至於內部短路的原因，則是列舉了因為異物或是低溫環境下造成金屬析出的幾種可能性，但因為出示的電池都已經造成重大損傷、焦炭化了，所以無法特別鎖定是哪一種原因造成的。

從這事例來看，因為鋰離子電池而發生的起火事故，大多在事後驗證時很難特別鎖定出是哪一種原因造成的。因此，要能特別抓出甚麼原因、從「該怎麼做才能防止問題的發生？」的角度來看待電池安全問題的態度當然很重要，但是為了防止出現甚麼萬一的事態的安全機構或是事態發生之後能夠迅速反應的措施也是必須的；換句話說，從「怎麼樣才能將已經發生的問題被害抑制到最小限度」的角度來看，其對策也非常重要。

２０１９年３月，一場關於鋰離子電池的異常發熱問題的訴訟，成為了媒體注目的焦點。這場訴訟是因為筆記型電腦的電池包起火、導致燒傷的事件被認為是產品缺陷造成，被消費者要求製造商根據產品責任法提出損害賠償。最後東京地方法庭也認定這是產品缺陷問題，而命令被告的製造商支付損害賠償。

負責判決的法官認為雖然事故後的調查無法鎖定明顯的起火原因，但使用者的使用方法本身並無問題，因此可以推定「沒有預想起火可能性的電池包卻突然燃燒起來，顯然欠缺通常該有的安全性」。

換句話說，法官給了「即便是無法究明發生原因，在產品責任法上也會認定是產品缺陷，必須負起賠償責任」的判決，所以對產品製造方而言，如果在原因不明的狀況下就直接實施召回．更換產品的措施，可以說是異常發熱問題發生之後不夠徹底的對策。（單純無腦交換，而沒有從根本上解決問題，有可能再度發生同樣的問題）

今後，內建電池的產品出現異常發熱而造成訴訟的狀況下，沿用這個判例的可能非常之高，所以從事電池相關產品製造或銷售的人與公司，必須要更加重視異常發熱以及隨著而來的起火問題。在現況下只會做事後召回．交換對策，肯定是不夠充分的作法，生產製造端必須重新整理預想可能發生的問題，並在產品設計製造上加入對付預想文提的安全機構才行。

從過去的案例與實機驗證中學習抑制損害的方法

在思考上述問題的對策時，必須要有「過去的案例」與「實績的驗證」。在「過去的案例」上，活用相關的資料庫是非常有效的做法。好比說，在日本發生的各種產品事故或召回的資訊都有公開在日本產品評價技術基盤機構（ＮＩＴＥ）的官網上。

此外，考量到在產品上施加的對策是否有效？會不會有出現沒有預想到的問題？等等狀況，因此「實機驗證」也很重要。不過，這樣的驗證實驗也伴隨著危險，或者廠商要單獨實施可能也會遇到實務上的困難。而筆者服務的日本Carlit危險性評價試驗所，就能提供實施產品就算起火或爆炸也不會危險的安全設備與實驗環境。

雖然老話重提，但筆者還是想強調，在鋰離子電池普及的現在，異常發熱以及隨之而來的起火事故，只要出現一次就能引起很大的問題。不過，另一方面，這些起火事件往往在事後要鎖定發生原因都很困難。因此製造內建電池產品的製造商就必須透過「過去的案例」與「實機驗證」的方法來好好思考這些問題的對應手段。

此外，對於使用產品的使用者而言，遵守製造商推薦的正確使用方法、不要用超過必要以上的方式嚴苛使用電池，這也非常之重要。還有，壽命已至的電池不要混在一般的垃圾之中，也請使用適切的方法來處理電池回收。

起火或爆炸這種景象是非常容易引人注目，的確給人帶來過度危險的印象，不過各種電池已經是我們日常生活中不可或缺之物，所以請大家不要只是過度恐慌，而是嚴守適當的使用方法，來和電池好好相處。

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相關系列文章：

電池相關的各種知識與展望（０２） 電池發熱起火的原因

（０２）鋰離子電池會發熱或起火的要因整理

［前言］

小型電器或手機電池的起火事故、垃圾收集車與回收場的火災、電動汽車發火燃燒等等，都是伴隨著鋰離子電池的普及，因其造成的事件，而變成很大的問題。發熱、起火、甚至爆炸等事故，是不問用途，都一定會變成很大的問題。因此這次想來解說一下「鋰離子電池異常發熱問題」。

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電池相關的各種知識與展望（０１） 過充與過放

譯自：ＭＯＮＯＩＳＴ

就是現在才更需要認識的電池相關的各種知識與展望

文：川邊裕

作者簡介：

任職於日本Carlit公司生產本部群馬工廠電池試驗所，從事電池充放電委託試驗。希望透過委託評價對於電池產業有所貢獻，而每日努力堅守崗位。

［前言］

從事電池特性評價試驗工作的筆者，常常感受到一般世人對電池不太了解的地方，因此希望透過此系列文介紹電池，望周之。在日常生活中不管是誰都會用到的電池，就是因為和我們很親近，所以更應該認識它。

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