Challenges and Strategies for Lithium-ion Batteries in Low-Temperature Environments

低温環境におけるリチウムイオン電池の課題と戦略

**導入：**

新エネルギー源の急速な発展に伴い、リチウムイオン電池は様々な分野で広く利用されています。しかし、低温環境下では、放電容量の低下、内部抵抗の上昇、充放電効率の低下など、様々な性能上の課題に直面しています。本稿では、低温環境下におけるリチウムイオン電池の課題を掘り下げ、リチウムイオン電池の予熱技術の研究開発に焦点を当て、いくつかの対策を紹介します。

**I. バッテリー温度の低下がバッテリー性能に与える影響**

1. **バッテリー放電容量の低下:**
バッテリー容量は最も重要なパラメータの一つですが、低温環境では著しく低下します。温度-容量曲線を観察すると、-20℃では容量が15℃の約60%に低下することがわかります。これは主に、正極材料の活性が低下し、リチウムイオンの移動が遅くなり、結果として容量が低下するためです。

2. **内部抵抗の増加:**
電池の内部抵抗と温度の間には明確な関係があり、低温では内部抵抗が大幅に増加します。これは、正極および負極材料における荷電イオンの拡散・移動能力が低下し、内部抵抗が増加するためです。電極と電解液の間に不動態膜が形成されることで、イオンの自由な移動が阻害されます。

3. **充電・放電効率の低下:**
バッテリー温度が低い場合、充電効率は著しく低下します。-20℃では、充電効率は15℃の時の65%にまで低下します。これは、電気化学的特性の変化により、かなりの量の電気エネルギーが内部抵抗で熱として消費され、充電効率が低下するためです。

**II. 低温におけるリチウムイオン電池内部の二次反応**

リチウムイオン電池は、低温下では性能低下に加え、様々な二次反応を起こし、電池容量の低下や性能劣化を引き起こします。これらの反応は主にリチウムイオンと電解液の間で起こり、不可逆的な反応を形成します。

1. **負極反応:**
負極材料の電位は正極材料の電位よりもはるかに低いため、負極で不可逆反応が発生し、問題となる固体電解質界面（SEI）膜が形成されます。SEI膜に亀裂が生じると、電解質と電極の間に直接接触する経路が形成され、継続的な内部反応と性能低下を引き起こします。

2. **正極反応:**
正極材料の活性が低下すると、正極におけるリチウムイオンの拡散と移動が阻害されます。サイクルを繰り返すと電極の膨張と収縮が起こり、SEI膜の破裂につながり、バッテリー性能にさらなる悪影響を及ぼします。

**III. リチウムイオン電池低温予熱技術の研究開発**

低温環境におけるリチウムイオン電池の課題に直面して、技術者は電池の放電容量と長期寿命を向上させるために充電や予熱などの戦略を提案してきました。

1. **予熱方法:**
予熱方法は、外部加熱と内部加熱に分類できます。外部加熱と比較して、内部加熱は長距離熱伝導と局所的なホットスポットの形成を回避し、バッテリーをより均一に加熱するため、加熱効率が向上します。

2. **内部交流（AC）予熱アプローチ：**
研究は加熱速度と効率に焦点を当てており、予熱中のリチウム析出などの二次反応を防止する必要があります。バッテリー管理システム（BMS）は、リチウム析出の条件をリアルタイムで推定・制御する必要があり、モデルベースの低温制御バッテリー加熱技術が求められています。