UPQ Phone A01Xの焼損についての告知なお同社は消費者庁への報告が期限を超過するという不手際があり、同庁から厳重注意を受けている

バッテリーは何故発火・爆発するのか ~リチウムイオン電池を考える~

  • このエントリーをはてなブックマークに追加

by [2017年7月03日]

UPQ Phone A01Xの焼損についての告知

UPQ Phone A01Xの焼損についての告知

つい先日、UPQの発売しているスマートフォンでバッテリー発火の不具合があり、それを監督官庁に届け出るのが遅れ大問題となったことや、またトランプ政権になって以降、順次規制が厳しくなりつつあった航空機内での電子機器の取り扱いについて、遂にアメリカ発着の航空機全便でノートPCなどの電子機器の機内持ち込みを禁止する措置が採られる可能性が合衆国政府高官から示唆されるなど、ここしばらくの間にモバイル機器のバッテリーに関わる話題が相次いで報じられています。

前者はともかく後者については、バッテリーそのものの不具合や問題というよりも、ノートパソコンなどに搭載されている比較的大型のバッテリーパックが、その容積の大きさ故に卑劣なテロリストによる爆弾テロで用いられる爆弾の偽装対象として選ばれていることへの対応という意味合いが強いのですが、ともあれ昨年夏のサムスン Galaxy Note 7での発火・爆発頻発によるリコール以降もバッテリーが原因の発火・爆発事故が少なからず発生・表面化しており、テロの問題を抜きにしてもモバイル機器搭載のバッテリーの安全性については改めて検討が必要な状況となりつつあります。

ノートパソコンでのバッテリーパック交換・回収だけで見ると、ここ12年ほどの間に日本国内で販売されたもので各社が自主回収・無償交換の社告を出したものに限っても

東芝製ノートパソコン用バッテリーパックの交換・回収の告知ページ。再三に渡って告知内容・交換対象の追加が繰り返されており、調査が進むにつれ対象が拡大していった状況を物語る

東芝製ノートパソコン用バッテリーパックの交換・回収の告知ページ。再三に渡って告知内容・交換対象の追加が繰り返されており、調査が進むにつれ対象が拡大していった状況を物語る

 東芝:
  2006年9月29日
  2007年7月19日
  2008年10月31日
  2016年1月28日
  2016年11月10日

 パナソニック:
  2006年8月18日
  2014年5月28日
  2014年11月13日
  2015年2月23日
  2015年11月13日
  2016年1月28日
  2017年5月16日

 ソニー:
  2008年10月31日
  2014年4月11日
  2016年3月2日
  2016年11月24日

 富士通:
  2015年8月27日
  2016年2月10日
  2016年4月28日

 ヒューレット・パッカード
  2005年10月14日
  2006年4月20日
  2008年10月30日
  2011年5月27日
  2016年6月15日
  2017年1月25日

 Lenovo
  2014年3月28日
  2015年4月22日

とかなりの数が告知されています。

この中には、同じ機種のバッテリーで当初一部を対象としてリコールを発表した後、さらなる調査や不具合発生などで複数回に渡って対象範囲が拡大されたケースや、バッテリー製造元として回収に協力したケースなどが含まれ、また同じ製造元のバッテリーを使用していたために連鎖的に各社で回収することになったケースもあるため、実際に起きた不具合そのものの件数はそれほど多くないと言えます。

しかし、そのことを勘案しても4~5年に1件程度は確実に何某かの大きな問題が各社製ノートPCのバッテリーで発生してリコール決定に至っており、これは決して無視できる数ではありません。

また、これらはあくまでもバッテリーパックの形態で電池が搭載されていて容易に交換可能な機種が多いノートPCでの告知状況であり、実質電池のみの交換を最初から排除したような構造のタブレットやスマートフォン、モバイルバッテリーなどでの案件を加えると、その数は更に増大します。

そこで今回は、この種のモバイル機器用バッテリーが何故発火したり爆発したりするのか、それを防ぐ手立ては無いのかについて考えてみたいと思います。

バッテリーがなぜ発火し爆発するのか

現在のモバイル機器用バッテリーが煙を噴いたり発火したり、はたまた爆発したりするのは、一体何故でしょうか?

理由の1つとして挙げられるのは、現在のモバイル機器用バッテリーの容量、つまりそこに蓄えられるエネルギー量が、容積と重量から考えて結構危ないレベルの高密度になっていること。

今のスマートフォン用リチウムイオン二次電池パックでは、一般に定格電圧3.7Vで2000~3000mAh程度の容量がありますから、そのエネルギーは単純計算で概ね10Wh前後となります。

また、ノートパソコン用のバッテリーパックだと、内蔵するバッテリーセル数によって異なりますが最近の機種だと概ね25Wh~75Wh程度のエネルギー量となっています。

これだけだと、その凄さは理解出来ないかもしれません。

しかし、ガソリンのエネルギーが約1cc少々で10Whで、その1ccのガソリンを完全燃焼(爆発)させれば計算上、質量1tの物体を約1m持ち上げるほどの仕事ができると言えば、ノートパソコンの大容量バッテリーがどれだけのエネルギーを閉じ込めているかが判るのでは無いかと思います。

厄介なのは、現在モバイル機器で広く使用されているリチウムイオン二次電池の場合、危ないのは中に閉じ込められているエネルギーだけではないということです。

リチウムイオン二次電池はその正極にコバルト酸リチウムを、負極に炭素系の材料を使用することで比較的安全に充放電が行える様になっているのですが、水と激しく反応し水素ガスを発生させる金属リチウムの性質から、現状ではその電解質に可燃性の有機溶媒、具体的にはポリアセチレンやポリエチレンオキシドなどを使用する必要があります。

電解液をそのまま使うよりも重合してポリマーとした方が、つまりリチウムポリマー二次電池とした方が着火しにくく安全性を高くできるため、特にスマートフォンなどではこの方式が多用されています。

それでも、何らかの事情で電極部分で発火するような事態となると、これら有機溶媒を使用した電解質に着火することになり、条件によっては派手に炎上・爆発してしまうのです。

厳重を極めた爆発・発火対策

当然ながら、こうした特性はリチウムイオン二次電池開発の初期段階から周知の事実でした。

そもそも、これまでの二次電池で水溶液を電解質として利用してきたのは、ショート時の発火などを抑止する目的が少なからず含まれていましたから、ここに可燃性の有機溶媒を使用するのは1つの賭けであったと言えます。

そのため、化学反応により正極・負極に金属リチウムが析出して発火するような事態にならないよう、当初から様々な研究開発が行われました。

先に挙げた正極:コバルト酸リチウム、負極:炭素系材料という組み合わせはその研究開発の過程で最適解の1つとして見出されたもので、またその構造についても衝撃が加わって短絡することがないように形状や正極・負極の位置関係、あるいは電解質を正極側と負極側で区分するセパレータと呼ばれる部品などについて、各社で慎重な検討が行われています。

しかしこれは、言い替えるとそうした正極・負極回りの構造などについて設計で衝撃対策を充分講じなかったり、求められた性能を確保するために無理をしたり、製造工程で何らかの手違いにより異物が混入したり、あるいは設計の安全性検証について何らかの見落としがあったりすると、簡単に発火事故に至る恐れがあるということです。

実際、これまで起きたリチウムイオン二次電池の発火・爆発事故は、大半の事例でこれらが原因となっています。

ただし、これらが発火・爆発事故の原因の全てという訳でもありません。リチウムイオン二次電池には、電解質と正極・負極の構造や材質以外にもう一つ、大きな弱点があるためです。

充放電制御の難しさ

それは過充電・過放電に弱く出力電圧の制御にひどくデリケートなこと。

従来のニッケルカドミウム二次電池やニッケル水素二次電池の場合、充電の際には概ね一定の電流を正負極間にかけることで、10時間~30時間程度の時間をかけて充電を行い、バッテリー本体にダメージを与える可能性があるニッケル水素二次電池の急速充電を別にすれば、特に満充電を検出せず充電しっ放しでも利用が可能と大変ルーズな充電仕様となっています。

これに対しリチウムイオン二次電池の場合、充電を止めずに過充電状態に陥ると、正極のコバルト酸リチウム(LiCoO2)などのリチウム酸化化合物から金属リチウムを負極側に析出させて酸素が遊離し、電解液を酸化させたり発熱させたりしてしまい、バッテリーパックそのものが急速に膨張してしまいます。

バッテリーパック本体とその周辺の間にこうした膨張を見込んだ空きスペースを確保してあれば、このスペースが膨張分を吸収してバッテリーパックの正極・負極・セパレータといったデリケート極まる部品を損傷せずに済むのですが、もしそうでなければ圧力で部品が変形、ショートしてしまうことになります。

この状態になると、酸素と燃料である電解質(有機化合物)が電池内に揃い、しかも金属リチウムの析出によってバッテリーセル内での回路短絡で過熱が発生する恐れが強く、そのまま放置するとほぼ間違いなく発火・爆発に至ってしまいます。

一方、出力電圧・電流を監視・制御しない場合に起きる過放電が続くと、正極に用いられるコバルトや負極側の銅が析出し、これらが接触・ショートして発火に至る危険性があります。

特に怖いのは前者の過充電で、物質の燃焼に必要な要素が全て揃ってしまいますから、そうならないよう、何としてでも過充電そのものを阻止せねばなりません。

また、過充電も過放電も共にバッテリーパックそのものの性能を著しく劣化させてしまいますから、いずれにせよ過充電・過放電の阻止はリチウムイオン二次電池の至上命題であると言えます。

こうした事情から、一般にリチウムイオン二次電池によるバッテリーパックでは電池を構成する正極・負極・セパレータ・電解質などは硬いケースでは無く、膨張・収縮に強いアルミバッグやアルミ缶に収められ、その外側を一定の隙間を持たせた樹脂製のケースで覆う構造とし、さらに正極・負極の間に過放電・過充電を阻止するため保護回路の制御基板が搭載されています。

仮にどれだけ過充電が行われようとも、この制御基板が規定値以上の充電を阻止し、また過放電に対しても出力電圧が既定値に達した所で回路を切断することで安全性を確保している訳です。

このように大変な手間をかけて充放電制御を行っていても、その制御基板の設計が間違っていたり制御そのものが手抜きをされていると、発火・爆発することがあり得ます。

実際、かつてとあるメーカーの純正バッテリーパックの模造品でバッテリーセルは純正と同様の適切なものが内蔵されているにもかかわらず、制御基板(およびその制御プログラム)が適切に機能しなかったがために発火・爆発してしまったことがありました。

この種の制御基板はその搭載製品の性能や機能に合わせて最適化した制御プログラムを搭載しているのが通例なのですが、そこで手抜きをしたか適切な制御プログラムが書けなかったかすると、バッテリーパックはあっという間にただの発煙筒と化してしまいます。

そしてその模造品では、適切で無い制御基板が搭載されていて、過充電・過放電状態となって発火にいたっていました。

この種のバッテリーパックを使用する製品を製造販売するメーカー各社が、神経質なほど執拗に純正バッテリーパック以外の利用を警告・禁止し、また利用出来ないよう正規品か否かをチェックする機能を機器本体側に搭載したりしているのは、正にこうした過去の模造品を巡るトラブルがあったためなのです。

※こうした製品においては、バッテリーパックの制御基板にROMチップを搭載し、ここに規定のデータを書き込んでおいて、それを機器側がチェックして正規品か否かを確認する機能が搭載されるケースが珍しくありません。この機能は単に模造品対策だけでなく、充放電制御を最適化するためにも利用されています。もっとも、このROMチップに書き込まれている情報を解析・複製することで正規品と同様に振る舞う模造品バッテリーも一部で出回っており、このあたりの対策はいたちごっこ状態となっています。

事実上メーカー公認のショップでなければバッテリー交換ができないスマートフォンの場合はこのあたりの模造品問題を意識する必要はありませんが、ノートパソコンの場合少し古い機種になると純正バッテリーの販売が終了していてこの種の模造・互換品に頼らざるを得ない場合がありえます。

このあたりはライフサイクルが比較的長いノートパソコン故の悩みですが、以前使っていたある機種の純正バッテリーパックが手に入らず、やむを得ず互換品を購入した筆者は、パック外装の形状・寸法が正規品と完全に一致しておらず装着時にガタが生じる、真っ直ぐなはずの部品がしなっていて本来生じない段差が生じるといった不具合に見舞われました。

幸い、バッテリーパックにストレスをかけるようなことにはなっていないため発火事故などは今のところ起きていませんが、こうして形状が正しくない模造品を無理して押し込んで使い続けると、そのストレスで発火・爆発事故が起きる可能性があります。

このあたりは模造品・互換品を製造販売している業者の技術力がストレートに反映される部分で、「当たり」を引けば純正品と何ら変わらない使用感が得られる一方で、「外れ」を引くと大変なトラブルに巻き込まれるリスクを背負うことになるのです。

遺憾ながら、この辺の業者の技術力についてはAmazon等の場合先に買った他の人の評価を参考にするしかなく、また製品の品質にばらつきのある業者だとその評価すら当てにできないため、本当におみくじ状態となってしまいます

※筆者はこの一件を通じて、メーカー純正バッテリーパックがただ高価なのではなく、その価格に見合った品質・信頼性を保証されているが故の価格設定なのだと嫌と言うほど思い知らされました。ノートパソコンのバッテリーパックは容量が大きく発火事故に至った場合の被害も甚大であるため、また事故が発生した際の保証にも関わってくるため、これだけは高くとも可能な限り純正品を買うべきだというのが筆者の教訓です。

発火しないよう、長持ちするよう使うためには

さて、何やら脅迫めいた話になってしまいましたが、現状、他に有力な選択肢が市場に無いため、モバイル機器を使うにはどれほど怖くてもリチウムイオン二次電池と付き合う必要があります。

そこで考えるべきはどのようにして使用すればバッテリーを劣化させず、安全に使えるのかということです。

まず何より重要なのは、充電です。

特にまずいのはACアダプタなどにつないだまま充電状態で放置すること。

先にも触れたとおりリチウムイオン二次電池ではバッテリーパック内の制御回路で過充電とならないよう厳格な制御が行われている訳ですが、それはつまり、100%充電となったところで充電を一旦打ち切り、その後自然放電などで充電率が閾値を切るところまで下がったところで再度100%まで充電する、というのこぎり状の充放電プロセスがその放置期間中ずっと繰り返されている事を意味します。

つまりこれは、意識せずに自分でバッテリーパックの劣化を促進しているようなものなのです。

バッテリーの充放電が化学反応に依るものであり、その回数も概ね定まっている事を考えると、これがいかにバッテリーパックを傷める行為であるかは明らかでしょう。

筆者自身、かつて使っていたガラケーで仕事の都合などからやむを得ずこのような使い方を繰り返したことがあったのですが、果たして想定されるよりもずっと短期間でバッテリーパックの容量が低下し、パック自体も内部で発生したガスによってぱんぱんに膨れあがる、いわゆる「妊娠」状態となってしまいました。

ちなみにそうして100%充電状態にした後、充電器から外したバッテリーパックを使用せず長期間保存し、それを後日取り出して使うというのも良くなく、この場合下手をするとバッテリーが完全に死んでしまう恐れがあります
※防災用の緊急時に使用する機器ではリチウムイオン二次電池は使用されず、原則的にニッケル水素二次電池が使用されるのですが、これは自己放電が少なく満充電状態にすれば比較的長期間の放置に耐えるニッケル水素電池と比較して、リチウムイオン二次電池の満充電放置時の自己放電が大きく、長期保管後の非常時に役に立たない恐れが強いためです。

次にまずいのは高温の環境で使用することです。

高発熱の機器の近隣に置きっ放しにしていたノートパソコンのバッテリーパックがこれまたあっという間に劣化してしまったことがありました。

この種の電池内部では、電解質を介して正極と負極の間で電子がやりとりされている訳ですが、その電解質の粘性・流動性が温度上昇によって低下することで電池内の分子運動の活性化が促進され、結果としてこの状態での電池容量が増えることになります。

これ自体は結構なことなのですが、問題はこの活性化促進で電池そのものの劣化速度も加速されてしまうことです。つまり、電池の温度が上昇すると、容量が増えるもののそれを上回る速度で劣化が進行して容量が減少するため、差し引きマイナスでどんどん電池性能が落ちてしまうのです。

このため、熱風が当たるような場所でリチウムイオン二次電池を使用するのは極力避けねばなりません。

また、充電しながら放電、つまりACアダプタなどをつないだままでその機器を使用するのも好ましいことではありません。

リチウムイオン二次電池の場合、充電しながら放電することはできないからです。そして、一般的なスマートフォンなどのモバイル機器の場合、ACアダプタからの電力は一旦バッテリーに給電されて充電され、そこからの放電が機器の動作に使用される仕組みになっています。

つまり、充電しながら機器を使うと、極端に小刻みに充放電を繰り返すということで、バッテリーパックに大きな負担をかけることになります。

実際、この種の使い方をするとスマートフォン本体のバッテリーパック搭載位置あたりが高発熱することがあるのですが、これはそれだけ内部で激しい化学反応が起きている=劣化が急速に進行しているということなのです。そのため、バッテリー保護・延命対策の観点からは充電しながら使うことは厳禁で、一定時間充電してその間は動作させず、その後一定時間動作させて充電率が充電を必要とするところまで低下したら再度一定時間充電、というサイクルを繰り返すのが望ましいと言えます。

まぁ、ゲームなどを熱中しながらプレイしていて気がついたら充電率10%で充電を促され、そこでプレイを中断したくなくてACアダプタなどをつなぎ、充電しながらプレイを続行するというのはよくあることですが、これがバッテリーの寿命には一番まずい訳です。

この他にも、充電率0パーセント近くで長期間放置しない、充電率10~80%程度の範囲で使用する、過度の衝撃を与えない、小刻みな充電の繰り返しは行わない、など他の二次電池とも共通する注意点がありますが、いずれにせよバッテリーパックに無理をさせずほどほどの線でコンスタントに使うのに勝る延命・安全対策はないようです。

リスクが大きいが、それを承知で付き合い続けるほかない

以上、リチウムイオン二次電池について、あれこれ見てきました。

過去のリチウムイオン二次電池の発火・爆発事故を調べてみると、決して良くない使い方を続けていたと推定できるケースが少なからずあって、そうしたケースではリコール対象となった不良・欠陥が、あぶり出されてしまった可能性が高いようです。

もちろん、本当に製品の欠陥が原因で、普通に使っていて突然発火・爆発した不幸なケースも見受けられるため、望ましいと考えられる使い方をすればそうしたトラブルに巻き込まれる可能性が皆無になる訳ではありません。

しかし、一般的な傾向としてみるとそうした使い方をしていてトラブルの被害に遭う可能性は低いといえそうです。

いずれにせよ、例えどんなに大きなリスクがあろうとも、現状でこのサイズ・この重量でこれだけの容量を実現でき、しかも充電時間も充分短くできる二次電池が他にない以上、また実生活においてスマートフォンなどのモバイル電子機器を手放せない以上、こうしたトラブルを避けるには上に挙げたような自衛策を講じるより他ありません。

問題は、いつまでこうした発火・爆発事故やリコールの発表と付き合い続けなければならないのか、先の見通しが立たないことなのですが…。

PageTopへ