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SCPとは——リチウムイオンバッテリーを過充電・過電流などの異常から保護する二次保護素子の基礎知識

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リチウムイオンバッテリーの優れた特性

スマートフォンやノートPCなどの電源として使われるリチウムイオンバッテリー。技術の進歩により小型化や大容量化が進み、ドローンや電動バイクなどにも搭載されるようになっています。「現代の生活に不可欠」と言っても過言ではないほどリチウムイオンバッテリーが多様な用途で使われるのは、他の電池にはない次の3つの優れた特性があるからです。

  1. 高電圧・高密度エネルギー
    リチウムイオンバッテリーからは、同サイズの一個あたりでニカドバッテリーやニッケル水素バッテリー(いずれも公称電圧 1.2V)の約3倍の高電圧(公称電圧 3.7V)が得られます。すなわち、従来の電池よりも少ない電池(セル)数で同じ電圧を生むことが可能。また他の電池と比べてエネルギー密度も高いため、製品の小型化・軽量化につながっています。
  2. 自己放電特性
    リチウムイオンバッテリーのひと月あたりの自己放電率は5%程度。ニカドバッテリーやニッケル水素バッテリーの自己放電率と比較すると5分の1以下で、数ヶ月間そのままにしておいても1ヶ月放置したこれらの電池とほぼ同じ量のエネルギーを取り出すことができる。
  3. 非メモリー効果
    従来のニカドバッテリーやニッケル水素バッテリーの場合、浅い充電を繰り返すと電池そのものの放電容量が下がり(メモリー効果と呼ばれる現象)、リチウムイオンバッテリーにはメモリー効果がなく、これにより「継ぎ足し充電」が可能となります。

リチウムイオンバッテリーの安全上の課題

下図に電池の分類を示します。本稿に登場する電池は化学電池に分類される2次電池(充電して繰り返し使える電池)になります。中でもリチウムイオンバッテリーは高出力で小型化・軽量化ができるバッテリーで、エレクトロニクス機器のバッテリーとして従来のバッテリーの性能を大きく上回っています。しかし一方で、その実用化と普及のためには、解決しなくてはならないさまざまな課題があり、その一つが「充電しすぎると危険」というものです。

まず、以下に身近な二次電池(鉛バッテリー、ニカドバッテリー、ニッケル水素バッテリー、リチウムイオンバッテリー)を構成する正極・負極の活物質と電解質の代表例を示します。電解質の中で、溶媒に注目するとリチウムイオンバッテリー以外は「水」が使われていて、リチウムイオンバッテリーのみ「有機溶媒」が使われています。これは水の電気分解電圧(1.23V)を超える公称電圧を実現するためです。

ニッケル水素バッテリーやニカドバッテリーを充電する場合、充電の進行により徐々に電池電圧が上昇、満充電付近で電池電圧はピークを迎え、その後平衡状態となります。その一方、電池温度は上昇は続きますがそれほど大きくならず、電池の大きさの割に電池容量が小さく、電解質も水溶液(不燃)であることを考えると比較的安全な電池と言えます。

これに対して、リチウムイオンバッテリーは、何の対策もなく充電を続けると、満充電を過ぎても電池電圧・電池温度ともに上昇を続けます(下図参照)。

小さな空間に大きなエネルギーが閉じ込められていてしかも高温、そこに有機溶媒(引火性液体)が同居していることを考えれば「充電しすぎると危険」な電池と言えます。とは言え前述のとおりエネルギー密度が高いなど、優れた特性を持つ電池であることには間違いなく、これまでさまざまな工夫が性能面・安全面でなされ現在の普及につながっています。

リチウムイオンバッテリーの二次保護思想

充放電をともなうバッテリーにはバッテリー保護のためにBMS(Battery Management System)と呼ばれる保護機能が備わっています。BMSはリチウムイオンバッテリーとデバイス(或いは充電器)の間に組み込まれ、充放電の制御を担っています。一次保護は半導体を利用して電流や電圧、温度を常に監視、電子回路的な制御で行われることが一般的で、ほとんどの異常はこの一次保護で回避できます。

しかし電子回路の保護動作も、ごくまれに半導体の異常や故障により動作しないことがあります。リチウムイオンバッテリーの場合は、異常がもたらす結果が破裂、発火など重大となるため、その万が一に備える必要から二次保護が組み込まれています。この保護思想から二次保護にはより高い確実性が求められます。

セルフコントロールプロテクター(SCP)

デクセリアルズが開発した「セルフコントロールプロテクター(以降、SCP)」は、リチウムイオンバッテリーの二次保護回路において、物理的に充放電回路の不可逆的な遮断を行うヒューズ部品です。二次保護のためのヒューズ素子である「SCP」が動作する段階では原則、一次保護であるBMSが既に正常に機能しておらず、リチウムイオンバッテリー全体としても正常な状態にはありません。充放電の制御が不安定なリチウムイオンバッテリーが動作し続けることがないよう、あえて回路を遮断し、安全に使えなくすることが「SCP」の役割です。

一般にヒューズは、回路に過大な負荷(電流)がかかった際にジュール熱でエレメントが溶断するようになっていて、回路を物理的に遮断して過電流から機器を守る部品です。しかしながらリチウムイオンバッテリーの場合、過電流だけでなく過電圧(=過充電)にも対応する必要があります。これを可能にしたのが「SCP」になります。1994年の発売以来、リチウムイオンバッテリーの二次保護用ヒューズの標準的な部品として認知され、20億個以上(2020年3月現在)を出荷しています。

以下にSCPの構造を示す概念図と等価回路図を示します。

「SCP」もヒューズですのでヒューズエレメントが溶断することで回路遮断を行います。過電流に対しては一般のヒューズと同じ動作になります。ポイントとなるのは過電圧に対してで、過電圧が検知されるとエレメント下にあるヒーターに電流が流れ発熱、この熱によってエレメントが溶断され回路が遮断されます。

こちらの図と写真は、上が過電流によって切断された「SCP」、下が過電圧によって切断された「SCP」になります。

SCPの可能性とこれから

デクセリアルズは約30年前のリチウムイオンバッテリーの黎明期から保護機能の研究・開発に携わってきました。私たちのSCPはリチウムイオンバッテリーの二次保護用ヒューズとして世界に広まり、二次保護の搭載が義務づけられているノートPC用途では、現在までに発売された多くの製品に組み込まれています。リチウムイオンバッテリーの高性能化は目覚ましく、デジカメなどの小型機器からスマートフォンやタブレット、電動工具などのパワーツール、電気自動車などへ、その活躍のフィールドを広げています。最近では「急速充電」といった黎明期には想定していなかったニーズも生まれてきており、SCPにもさらなる進歩が求められています。私たちはこれからも研究開発に取り組み、より安全で便利なリチウムイオンバッテリーの実現をサポートしていきます。

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