2. 電池（セル）の性能

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。

表   2 .  ファラデー定数

数値（概数）	単位	説明
96485.332	C/mol
26.801	Ah/mol
26801.481	mAh/mol
0.027	kAh/mol

96485.332 〔 C/mol 〕 は、アボガドロ数×電気素量で、それらはＳＩで定められた 定義定数 です。

工業的には、 26.801 〔 Ah/mol 〕をよく使います。

銀、 銅、 爆鳴気などで、電気量を較正します。

ファラデー定数は、 エネルギー密度や理論容量の計算にも使います。

© K.Tachibana

正極活物質の反応は、 大きく均一固相反応と二相反応に分類されます。 MnO2やLCOは、均一固相反応と言えます。NiOOHやLFOは二相反応と言えます。 均一固相反応の放電曲線はＳ字型を描き、二相反応の放電曲線はＬ字型を描きます。 放電深さにおける起電力はネルンストの式で議論でいます。 バッテリーマネジメント の立場から言うと、Ｓ字型の放電曲線は、電圧だけで 残量管理ができるメリットがあります。 しかし負荷からすれば電池の電圧が変動してしまうデメリットもあります。

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合材電極内部の活物質表面には、導電助剤、電解液、活物質の三相界面がある。 充電時には、電子が電子パスの導電助剤へ、リチウムイオンがイオンパスの電解液へ、そして空孔（ベーカンシー）が活物質バルクへと移動する。

導電率は、 物性値です。 ベクトル量なので、導電異方性があれば、方向依存性があります。

導電率は、電流密度を電界の強さの比です。 電界の強さは電位勾配であり、電位勾配を見るには位置に対して電位を示した電位プロファイルが便利です。

また 導電率は、 移動度 と電荷密度の積です。 移動度は粘度に反比例し、 電荷密度は、イオンの濃度に比例します。

材料	導電率 / S/m	抵抗率 / Ω･m
1M KCl aq	11.00	0.09
0.1M NaOH aq 2 )	2.20	0.45
1M LiPF6/PC+DME(1:1mol) 3 )	1.59	0.63
35wt%食塩水（ 🏞 海水） 4 )	4.00	0.25
水道水 5 )	0.01	100.00

電解液( 電解質) はイオン電導です。自由電子による 金属の電子伝導に較べて導電率は8桁ほど小さくなります。 電池の内部抵抗を減らすには、 電極面積を増やし、電極間距離を縮め、導電率の高い電解液を使います。

導電率は 物性値なので、材料の形状によりません。 かたや形状のない材料などありません。

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^{6 )}

アセチレンブラックは、リチウムイオン電池の正極導電助剤としてよく使われます。粒径が小さく、充填効率が良いのでエネルギー密度の向上が期待されるからです。ＡＢの導電機構は、基本的にはグラファイトと同じです。六角網面が球状に重なったオニオン構造をとり、それがクラスターを作り、ＡＢの一次粒子となっています。

カーボン材料の表面はほとんど水素です。 官能基は、解放型とラクトン型に分類されます。 官能基の分析は、熱分析などによりますが、精度を上げることは困難です ^{7 )} 。

🏞アセチレンブラック

09 エネルギー化学特論 gome1025 20110830

^{8 )}

抵抗率は、 物性値です。 金属は、電流を流す用途で使うので、電気抵抗から損失を計算しやすいように抵抗率で表現し、 半導体や電解液は、キャリア濃度との関係から 導電率で表現することが多いです。

金属	元素	導電率 /108S/m	抵抗率 /10-8Ω･m
⚛ 🜛 銀	Ag [5s1]	0.63	1.59
⚛ 🜠 銅	Cu[4s1]	0.60	1.68
⚛ 🜚 金	Au [6s1]	0.41	2.44
⚛ 🜀 アルミニウム	Al[3p1]	0.38	2.65
⚛ 亜鉛	Zn [4s2]	0.17	6.02
真鍮 （黄銅）	Cu,Zn	0.14	7.00

電線ばかりでなく、 電池の集電体にも使われます。 リチウムイオン電池の 集電体には、銅とアルミニウムが使われます。

金属は、 電解液 に較べると8桁ほど 導電率が大きいです。

https://www.hata-cu.com/blog/post-309/

ダニエル電池の 電池式は上のようです。

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©T.Ito

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平板電極モデルでは、溶液抵抗と抵抗率の関係は、溶液の長さと断面積で決まり、表面積ではない。

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固体粒子の接触は、点接触です。面積を見積もるのがとても大変です。界面の電流密度がわかりません。 接触抵抗は電流集中（ 集中抵抗）を伴うので、圧縮などの影響を受けやすいのです。活物質や炭素材料、固体電解質などの取り扱いが難しいのはそのためです。

たとえば、 炭素導電助剤粒子間は、 固固接触 であり、 点接触です。

リチウムイオン二次電池の基礎とバインダーの役割

• 1. 電池の基礎の基礎
  • 1.1 直流と 交流、電気抵抗と 静電容量 ―電気回路の描き方―
  • 1.2 回路計とオシロスコープ―電圧、電流、波形の読み取り―
  • 1.3 電池の仕組みと電気の流れ ― 電池式の書き方と電極の種類と呼び方 ―
  • 1.4 電池の起電力と化学平衡― 心電図にも使われる 銀塩化銀電極―
  • 1.5 分解電圧、過電圧と反応速度 ―エネルギーの効率と損失―
  • 1.6 ボルタ電堆からリチウムイオン二次リチウム電池へ－電池の進化と複雑化－
  • 1.7 リチウムイオン二次リチウム電池―材料と構造―
  • 1.8 電池内部における電場と電流密度、電気力線
• 2. 電池（セル）の性能
  • 2.1 バッテリーを構成する材料
  • 2.2 活物質―反応場となる界面、その極性―
  • 2.3 電解液―電子絶縁体、液回り―
  • 2.4 導電助剤―電子パス、その極性―
  • 2.5 集電体―固体と固体の接触抵抗―
  • 2.6 セパレータ―電子短絡を防ぐ―
  • 2.7 外装材―ガスバリア性―
  • 2.8 バインダー―固体同士をを結着させる―
• 3. バインダーが電池で果たす役割
  • 3.1バインダーの働き―電子パスの維持―
  • 3.2バインダーの種類―溶液系（PVDF）と水分散系（SBR）
  • 3.3界面と表面―面接触と点接触―
  • 3.4固体粒子の結着―空隙充填の最適化―
  • 3.5集電体との接着、付着―密着性と接触抵抗―
  • 3.6電極製造とバインダー―塗工、プレス、乾燥―
  • 3.7注液、充放電ととバインダー―膨潤、膨張収縮、ガス発生―
  • 3.8電池性能とバインダー―内部抵抗（出力特性）とサイクル寿命―