第１回　身近な科学と工学：モバイルバッテリーの発火事故

はじめに

このシリーズは、ニュースで端折られた部分などで誤解が起きそうな話題や個人的に書きたくなった話題について、不定期に綴っていきたいと思います。

第１回は最近よくニュースなどで目にするモバイルバッテリーの発火事故に関するお話です。

発火の原因と、その原因を作るさらに前段階の原因についても見ていきたいと思います。

①私たちが電気と呼んでいるもの

私たちが普段「電気が流れる」と呼んでいる現象は、金属の中で電子が移動していることを意味します。

私たちが使うスマートフォンなどの中では、この電子を半導体を使って緻密にコントロールして計算をしたり、そのエネルギーを光や音、電波に変換しています。

②リチウムイオン電池の構造

リチウムイオン電池は主に、正極（プラス極）材、負極（マイナス極）材、電解液、セパレーター（間仕切り）、そして回路で構成されています。

電解液の中に正極材と負極材を配置して、正極と負極の間をセパレーターで隔てています。

正極と負極が直接触れると、大電流が流れ急激な反応が起こります。
これが起きないようにセパレーターがあるのです。

更にこのセパレーターは、電子を通さないが、イオンは通すという性質を持っています。

回路は正極と負極を橋渡しするように配置され、電子はこの回路の中を移動します。

③放電するとはどういうこと？

負極材が酸化反応し、正極材が還元反応することにより、電子が回路を通って移動します。ここでいう酸化とは分子に酸素が結合することではなく、電子を失う反応を指します。

まず、負極材（黒鉛とリチウムの化合物）からリチウムイオンが溶け出します。リチウム原子が電子を放出してリチウムイオンになるのです。
そして、リチウムイオンはセパレーターを通り抜けて正極側に移動します。

放出された電子は回路を通って正極側へ移動します。この電子の移動によって電流が流れます。

正極側に移動したリチウムイオンと電子は再び結合し、コバルトとリチウムの化合物になります。

そもそもなぜこの流れが起きるのか。これは黒鉛とリチウムの化合物より、コバルトとリチウムの化合物の方が安定して存在できる形だから（結合が強いから）です。
前者は電子を放しやすく、後者は電子を掴みやすいのです。

そして電流が流れる回路の間に電化製品を挟むことで、私たちはその製品に「電気を供給」しているのです。

④充電するとはどういうこと？

充電とは、本来自然に進む放電反応を、外部からエネルギーを与えて逆方向へ進める操作です。
言い換えれば、自然の流れに逆らう作業です。

ここではモバイルバッテリーの話をしていて、呼び方が分かりにくくなるのを防ぐために言葉を整理します。

電池：リチウムイオン電池。
充電器：リチウムイオン電池に充電するための装置。通常はモバイルバッテリーに組み込まれています。

電池の正極には充電器の正極を、電池の負極には充電器の負極を接続します。

充電器からは、電池の出力（電圧）よりも高い電圧を電池の端子間に加えることで、正極と負極の電位差を逆転させます。
こうすることで、負極から正極に移動していた電子が正極から負極に移動するようになるのです。

結果的に放電とは反対の化学反応が起き、放電前の元の状態に戻ります。

⑤破損の種類（短絡）

モバイルバッテリーにおいて、電子は本来、回路を通って適正な量だけ流れるように設計されています。

通常、短絡というと、回路の途中をショートカットして電流が流れることを言いますが、モバイルバッテリーの短絡の主な原因はセパレーターの破損です。

正極と負極を仕切る素材はとても薄いフィルムのようなものなので、外的な要因でこれが破れた場合は正極と負極が直接接触し、大量の熱が発生、電池内部で急激な化学反応（熱暴走）が始まります。
これも短絡と呼ばれる現象です。

⑥破損の種類（発熱による気化）

電子が流れると熱が発生しますが、特に充電時は電池にエネルギーを押し込むため、放電時より発熱しやすい条件になることがあります。

負荷がかかるような使い方や、熱がこもるような場所で長時間使用しているとモバイルバッテリー本体の温度が上昇します。

モバイルバッテリー内の電解液は70〜80℃程度の温度で気化し始めると言われており、一度気化すると、電池内部では元の状態に戻りにくく、膨張が残る原因になります。

この気化が進んでしまったものがよく耳にする膨張したバッテリーです。

この膨張が進むと膨張していない時のサイズで作られているセパレーターは破れ、短絡が発生して激しい反応が起こります。

⑦破損の種類（素材の結晶化）

「結晶化（デンドライト現象）」とは、「電池の内部で、金属がトゲのように成長して壁を突き破る現象」のことです。

負極側には「③放電するとはどういうこと？」の項でお話ししたように、黒鉛が主な素材です。
通常は、黒鉛の層にリチウムイオンが入り込み、更に電子と化合することにより黒鉛とリチウムの化合物ができます。これが「元の状態」です。

しかし、黒鉛層にリチウムイオンが入り込む前にリチウムイオンと電子が結合し金属のリチウムになる場合があります。
これを「結晶化」といい、結晶化したリチウムが鋭い枝のように成長して、セパレーターを突き破ることがあります。
これにより短絡が起き、激しい酸化反応が起きるのです。

電子機器やバッテリーの充電は正規品を使って下さいとよく説明書に書かれています。
メーカーは安全マージンを残しつつ最大限の充電速度を実現できるように設計・テストしています。
他社製品ではテストできない、安全性を保証できないからこのように書かれているのですね。
結晶化は外からだと分かりにくく、突然現れる現象なので、普段から気をつけて使用していなければなりません。

ちなみに、安いモバイルバッテリー（もちろんPSEマーク付きです）は、充電の入力を動的に制御しないものがほとんどです。しかし、入力のパワーを最小限に固定化することにより安全性を保っていることが多いのです。充電に異常に時間がかかることをコストにして安全性を担保しているのですね。

⑧高出力のリチウムイオン電池

リチウムイオン電池といっても1種類ではありません。
スマートフォン充電用の比較的パワーを抑えたタイプから、一気に電力を放出するハイパワーなものまであります。

先日、航空ラジコン用のバッテリーが原因で爆発事故が起きたというニュースがありました。報道では詳細なメカニズムまで触れられていないことも多いですが、技術的な視点で見ると、1つの可能性として「結晶化」が引き金になったと考えられます。

結晶化による短絡（ショート）から激しい反応と膨張が起こり、外装のアルミラミネートフィルムが破裂。そこから漏れ出した可燃性ガスに火花などで引火することにより甚大な被害をもたらす爆発に至る……という連鎖です。

航空ラジコン用のバッテリーは、パワーと軽量化が最優先されるため、保護材が薄いフィルム状であるにもかかわらず、極めて高い出力を持ちます。また、一般的なモバイルバッテリーと異なり安全機構が充電器側に依存していることが多いため、専用ではない充電器の使用による過充電のリスクも高まります。

⑨全固体電池

従来の液体の電解質を使ったバッテリーはその便利さとは裏腹に製品として不安定という欠点がありました。
その不安定さを克服するために研究されているのが全固体電池です。

元々は自動車業界で研究が進められてきたものなのですが、最近ではこれが使われているモバイルバッテリーも見かけるようになりました。

ここまでの話を聞くと完全な蓄電装置のように感じますが、まだ弱点があります。電解質が固体なので「割れる」可能性があることです。

破裂こそしませんが、電解質が固体なので衝撃により割れると、接合していた部分が離れてしまうので、性能が大きく損なわれる可能性があるのです。

⑩こんなのあったら良いな

このコーナーは毎回設けようと思っています。
皆さんだったらどんなものを考えますか？一緒に想像していきましょう。

どうすれば発火の被害を最小限に抑えられるか。

よく缶ケースに入れて保管していれば被害を最小限に抑えられると言います。

ではこんなのはどうでしょうか。

プラスチック筐体のモバイルバッテリーに金属のケースを被せてそのまま携行可能にする。

この金属のケース内部には、モバイルバッテリーのサイズをある程度許容するための空間とガタつき防止のためのコイル型、板状のバネを全方位に配置します。

少しの遊び空間だったとしても、だいぶ大きくなる可能性が高いですが、バネによる衝撃吸収効果も期待でき、発火時に炎を外に漏らさない安全構造になると期待します。

内部に圧力を溜めると爆発する危険があるので、これは早期に外に逃すような隙間や穴があった方が良いのではないでしょうか。

インテグラルに基礎設計から組み込めばそれなりにスマートにもできそうです。

最後に

私たちが毎日何気なく使っているモバイルバッテリー。その中では、電子やリチウムイオンが物理や化学の法則に従いながら絶えず行き来しています。充電とは、その自然な流れを外からのエネルギーで逆向きに進める、とても繊細な操作です。次に充電するときは、そんな見えない世界に少しだけ思いを馳せて、丁寧に使ってあげてくださいね。