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🌡️ 📆 令和6年5月29日
機能界面設計工学特論
リチウムイオン二次電池の構造と材料設計の考え方

材料から見た電池の構造設計と工程設計


 3-1 材料が同じでも電池性能は変わる?

  1   電池材料 1 )
分類 材料 特徴
電極材料 正極材料 活物質 極性固体、 酸化物、 イオン結合絶縁体
負極材料 (活物質) 極性固体(金属やグラファイト)/非極性固体(酸化物)
導電材 非極性固体 炭素材料
分散剤 界面活性剤
バインダー 界面活性剤
CMC・増粘剤 極性材料
集電体 (金属) 非極性固体
電解質 電解液、添加剤*
セパレータ
その他 外包材・リードタブ

界面は、 極性どうし、あるいは非極性どうし、だとなじみがいい。 異なる界面では、なじみが悪いので、界面活性剤などを検討する。

小麦粉と卵があれば、スポンジケーキができます。 小麦粉と卵を焼くだけでは、スポンジケーキはできません。 スポンジケーキには構造があり、その構造を作るための工程が工夫されているからです。


電池を動物に例えるなら

  1 電池を動物に例えるなら
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 3-2 充電式電池に求められる材料と形状の可逆性

  2 186
ダニエル電池
© K.Tachibana

ガルバーニ電池、 ボルタ電堆、 ダニエル電池と発展します。

ダニエル電池では、正極も負極もカタチが変形するのです。 しかも、カタチの変形可逆でないのです。 可逆でないカタチの変形は、充電式電池(二次電池)にとって、致命的です。


 3-3 スラリー塗工工程と乾燥工程による電極と導電ネットワークの形成

2-6
291
炭素材料のエッジ部分
©F.Sato

 3-4 過充電時におけるバインダー樹脂と炭素粒子界面破壊

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電解液の分解によるボイドの生成
©K. Kawada

 3-5 バインダー樹脂が種々の界面に与える影響


誘電率の異なるバインダー樹脂と電解液の分解電圧の関係


 3-6 分散剤や界面活性剤の残存や異物が電池性能に与える影響

界面活性剤・分散剤

  2 界面活性剤・分散剤
種類 構造 特徴 用途
アニオン界面活性剤
(陰イオン界面活性剤)
親油性(非極性)のはじっこがアニオンの親水性(極性) 石鹸 親水基がイオン 洗剤
カチオン界面活性剤
親油性(非極性)のはじっこがカチオンの親水性(極性) (陽イオン界面活性剤)
両性界面活性剤
ノニオン界面活性剤
(非イオン界面活性剤)
高級アルコール系 親水基と疎水基のバランスを変える

界面活性剤は、懸濁液などをつくるときに大きな役割を果たします。

HLB、クラフト点、曇り点などが指標として使われます 2 )


 3-7 導電助剤と集電体との接触抵抗が電池性能に与える影響

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接触抵抗と電荷移動抵抗
©K.Tachibana

240
集電体|導電助剤の界面
©K.Tachibana

242
キャリアのドナーまたはアクセプターとして働く有機分子
©K.Tachibana

 3-8 電解質がマイクロショートやデンドライド形成に与える影響

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炭素材料中に混入した鉄の微粒子
©T.Ito

セパレータを貫通した析出物


 3-9 活物質の表面やSEIが電池性能にに与える影響

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反応サイトとしての三相界面
©K.Tachibana

表面積よりコンタクトラインの長さ

  6 43 244
表面積よりコンタクトラインの長さ
© K.Tachibana

245
活物質表面の脱溶媒和過程
©K.Tachibana

 3-10 タブリードやパッケージが電池性能にに与える影響

電池関連材料(Iwatani)

腐食の形式と様式



リチウムイオン二次電池の電気化学測定と材料設計の考え方
~材料と構造と電池性能の関係性とは!?~