バッテリーは大きなエネルギーを内在している - ある組込みソフトエンジニアの日記

sessamian2006-10-01

ソニーエナジー・デバイス製のリチウムイオンバッテリの回収が話題になっている。回収の規模は200億円、バッテリの数は590万個にも上るそうだ。

2006年6月に大阪で開催された Dell laptop explodes at Japanese conference で、会議中に突如 Dell 製のノート・パソコンが発火、炎上したとのこと。

この事故が今回の回収につながった。パソコン関係のリコールというと、「メーカから交換の連絡を待っていればいいかな」という軽い気持ちで受け止めていたが、写真のように発火する可能性があるとなると、対象機種のユーザーなら、さすがに心穏やかにはしていられないだろう。

海外の航空会社では飛行機の中ではノートパソコンはバッテリでの使用を禁じており、バッテリなしのAC電源で使用できない場合はノートパソコンは使えないようにしているところもあるらしい。

なぜ、バッテリが燃えるのかについて、日経エレクトロニクス 2006年9月11日号の「視点焦点」の記事に書いてあった。その内容をもとになぜバッテリが発火するのかについて考えてみたい。

まず、電池がなぜ電気を貯めておけるのかについて考えてみよう。

銅と亜鉛を電解液となる希硫酸や食塩水などに入れると、銅は原子がほとんど溶けず反対に亜鉛は原子が溶け出して電子が出る。そして、銅と亜鉛をつなぐと銅から亜鉛に電気が流れる。これがボルタの電池の基本だ。

要するに正極と負極を二つに分け、この二つの極の間を電荷を付帯したイオンが移動することで電流が流れる。リチウムイオン電池の場合はLi+イオンが正極と負極の間を行き来する。

バッテリが蓄えられる電力が大きければ大きいほど正極に蓄えられるLi+イオンが多いということになる。ノートパソコンが低消費電力になったとはいえ、6時間も8時間も連続で使用できるようになったということは、リチウムイオン電池やニッケル水素電池の蓄電量は非常に大きいということだ。

だから、リチウムイオン電池やニッケル水素電池の正極と負極を電気的な負荷なしに短絡させたりするととんでもないことになる。爆発するかもしれない。

だから、このような大容量のバッテリではショートしたときのための不可逆的なヒューズや発生したガスを逃がすための安全弁が用意されている。

ではこのような安全装置が施されているにもかかわらずバッテリが燃えてしまうのはなぜか。

【バッテリが発火するメカニズム】

1. 電池セルの製造工程で微少な金属粉がセルに混入する。
2. 金属粉が正極部に付着する。
3. 充放電を繰り返す。
4. 正極に付着した金属粉が金属イオンを放出する。
5. 金属イオンが樹枝状に析出し、正極と負極を隔てているセパレータを破り両極を短絡する。
6. 短絡による電流漏洩でセル内部の温度が上昇する。
7. 200℃ほどで正極材料の結晶が崩壊して酸素放出し、さらに熱を発する。（熱暴走）
8. セルの内圧が一気に高まり可燃物である電解液が気化して安全弁から放出され発火に至る。

このような内部短絡にはセル外部に搭載したヒューズや温度管理用のサーミスタは何も意味をなさない。内部が短絡しているから、ヒューズで電流の流れを切っても内部の短絡から電流は流れてしまうのだ。

したがって、製造工程での金属片の混入はもっとも注意を払わなければいけないらしい。金属片の混入の可能性としては、製造ラインを循環する空気の洗浄が不十分であるということも考えられるそうだ。

ただ、金属粉が原因で短絡しても、150℃前後でセパレータが溶解してLiイオンが通過する穴がふさがり、科学反応が止まる仕組みになっているので、金属粉の混入だけが原因ではなく、いくつかの製造工程上のミスが重なったのではないかと予想されている。

リチウムイオン電池やニッケル水素電池は取り扱いに注意しなければいけないということは、ずいぶん前から知っていた。かつてリチウムイオン電池を使った製品のバッテリ充電のソフトウェアの状態遷移について分析したことがあるからだ。

リチウムイオン電池やニッケル水素電池の取扱説明書にはおびただしい数の警告文が書かれている。バッテリを火の中に投入したり、五寸釘で打ち抜いたりしては絶対にいけない。

今回のリチウムイオン電池の事故でよく考えなければいけないのは、大きなエネルギーを持つデバイスはどんなに安全装置を施しても危険が近くにあるということだ。

組込み機器メーカーやデバイスメーカーは危険が表面にでないように幾重にも安全装置を施すので、ユーザー側はそんなリスクをまったく感じることなく機器を日常的に使用している。だからこそ、日常的ではない何かがあったときに危ないのだ。

身の回りにある機器が危ないか危なくないかは人を傷つけるほどのエネルギーを制御するものかどうかで判断できる。

たとえば、車、電車などはもちろんだが、エレベータや自動ドアだって大きなエネルギーを制御する。車や電車がなく、徒歩で目的地まで行ったらどれだけエネルギーを消費するかわかる。エレベータを使わず8階まで階段で上がったら、どれだけの位置エネルギーをエレベータが肩代わりしてくれているのかがわかる。バッテリは一見たいしたエネルギーを持っていそうにもないが、ノートパソコンを連続で8時間動かすエネルギーを一気に放出するような場合は傷害を起こしうる。

逆に言えば、単4電池2本くらいで動いている電子機器は人を傷つけるほどのエネルギーをもともと持っていないので、どんな故障の仕方をしても安全性は高いと言える。

AC電源は大きな電流を取り出すことができるので、AC電源から電流を取り出す電子機器の電源の安全性は非常に高いものが要求されている。

組込みソフトはハードウェアデバイスをコントロールすることができるため、設計の仕方によっては巨大なエネルギーの制御を誤り人を傷つけるような事故を起こしかねない。

組込みソフトエンジニアは、自分が関わっている組込み機器が扱うエネルギーの大きさに注意を払い、取り扱うエネルギーが大きければ大きいほど、慎重にソフトウェアを設計し、ハードウェアデバイスを制御し、検証や妥当性確認を納得がいくまで実施しなければならない。

今回のバッテリ事故は、ソフトウェアが絡んだ事故ではないが、AC電源につながれていない機器でも大きなエネルギー源を抱えていて危険と隣り合わせにあることがわかったと思う。

世の中がネットワークでどんどんつながれていくと、大きなエネルギーを制御するソフトウェアと、たいしたエネルギーも制御しないソフトウェアが通信するようになり、何かの間違いで大きなエネルギーを制御するソフトウェアの中に眠っていたバグを呼び覚まし、大きな事故を起こすような事態が起こるかもしれない。

ユビキタスの時代になると、組込みソフトエンジニアは自分のプロダクトだけでなく、自分のプロダクトが通信によって流す情報にも責任を持つ必要がでてくる。

高密度のバッテリ開発など世の中が便利になればなるほど、そのような利便性とは対照的に組込み機器を取り巻く環境の危険度は増し、逆に安全に対する要求は高くなるのだ。バッテリの事故は対岸の火事ではない。