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令和6年11月21日 (木)
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

調合・混合・攪拌・分散・塗布・乾燥・プレス・注液


分散と解砕のイメージ


乾燥速度曲線

  5 乾燥特性曲線
© 2009 K.Tachibana * , C1 Lab.

乾燥速度は、含水率の時間変化である。乾燥速度と含水率の関係をグラフで表したものを 乾燥特性曲線(drying caracteristic curve)という 4 )

定率乾燥期間の乾燥速度は、空気の温度と湿球温度の差、および固体の表面積に比例する。 したがって乾燥速度を大きくするためには、高温・低湿度の空気を使って、表面積を大きくし、対流による物質移動を促すのがよい。

減率乾燥期間の乾燥速度は、固体内部の水分の移動に支配される。 よって材料の大きさを小さくするか暑さを薄くし、温度を高くするのが有効である。 しかし温度が高すぎたり乾燥速度が大きすぎると乾燥が付近位置になり 湾曲やひび割れの原因となる。

乾燥は、日常の洗濯、食器洗いだけでなく、 半導体、印刷、製紙など重要かつもっとも時間のかかる単位操作である。


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 5 )


 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

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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


参考文献


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!?~

QRコード
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