内部短絡についての備忘録まとめ

機械の「内部短絡（内部ショート）」とは、機器や部品の内部において
本来は絶縁されているはずの正極と負極（あるいは異なる相の配線）が
意図しない経路で直接つながってしまう現象を指す。

特にリチウムイオン電池などの蓄電デバイスや、モーター
変圧器などの電気機械において非常に重要な故障モードのこと。

内部短絡と外部短絡の違い

外部短絡

機器の外側（端子間やコードの破損など）で電線同士が触れること。
ブレーカーやヒューズで保護しやすいのが特徴。

内部短絡

機器やセル（電池の最小単位）の「中」で発生すること。
外側から遮断することが難しく、エネルギーが内部で一気に解放されるため、非常に危険。

内部短絡が発生する主なメカニズム

内部短絡は
主に「絶縁体（セパレータや被覆）」の破壊によって起こる。

① リチウムイオン電池の場合

電池内部には、正極と負極を分ける「セパレータ」という薄い膜がある。
これが何らかの理由で破れると短絡が発生する。

主な破損の原因

• デンドライト（樹枝状結晶）の成長
  充放電を繰り返すと、負極表面にリチウムが結晶化してトゲのように伸び
  セパレータを突き破ることがある。
  
• 金属異物の混入
  製造工程で微細な金属粉が混入すると
  それが電極間をつなぐ「橋」となる。
  
• 物理的衝撃
  外部からの圧力や釘刺しなどにより内部構造が潰れ
  電極同士が接触する。

② 電気機械（モーター・変圧器）の場合

• 絶縁劣化
  コイルの巻き線（エナメル線）の被覆が
  熱や振動、経年劣化で剥がれ、隣り合う線同士が接触する。
  
• トラッキング現象
  内部に埃や水分が侵入し、微弱な電流が流れ続けることで
  炭化導電路（トラック）が形成され、短絡に至る。

内部短絡によるリスク：熱暴走

内部短絡が起きると、電気抵抗が極めて小さい状態（短絡状態）で電流が流れるため
ジュール熱が発生する。

生成される熱量 Qは以下の式で表される。

• I : 短絡電流
• R : 接触抵抗
• t : 通電時間

電池の場合、この熱がさらなる化学反応を呼び、「熱暴走（Thermal Runaway）という現象を引き起こす。
一度熱暴走が始まると、数秒から数分で数百℃に達し、発火や破裂に至る恐れがある。

内部短絡の主な発生原因まとめ

原因の分類	具体的な内容
製造上の欠陥	金属バリの残存、不純物の混入、セパレータのピンホール
物理的要因	落下、衝突、振動による内部構造のズレや破損
電気的要因	過充電、過放電による電極の変質（デンドライト成長）
環境的要因	高温環境での使用（絶縁体の融解）、湿気による腐食

内部短絡の対策について

内部短絡を完全にゼロにするのは難しいため、多重の防御策が取られている。

材料の改良

熱で溶けて穴を塞ぐ「シャットダウン機能付きセパレータ」や
不燃性の電解液の研究が進んでいる。

BMS（電池管理システム）

電圧や温度の微小な変化を検知し、異常があれば回路を遮断して
致命的な事故になる前に停止させる。

品質管理

製造工程でのX線検査やCTスキャンによる内部構造のチェックが徹底されている。