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令和6年11月21日 (木)
電極材料の塗布・乾燥プロセスと電極評価、電池性能評価

3. 材料からバッテリーまで


3.1 電極スラリーの調整分散


電極スラリーの構成材料と相互作用

  1 電極スラリーの構成材料と相互作用
©2024 K.Tachibana * , C1 Lab.

合材スラリーは、 活物質導電助剤 といった 電極材料 を、バインダーを溶解した分散媒に 分散して調整します。


分散と解砕のイメージ

  2 分散と解砕のイメージ
© 2023 K.Tachibana * , C1 Lab.

1 )


接着と結着

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接着と結着
©K.Tachibana

3.2 電極スラリーの塗布乾燥


調合・混合・攪拌・分散・塗布・乾燥・プレス・注液

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調合・混合・攪拌・分散・塗布・乾燥・プレス・注液
© K.Tachibana * , C1 Lab.

スラリーやインクの 塗工には、 混合、撹拌、分散、 乾燥と言った工程が含まれます 2 )

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乾燥速度曲線

  4 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 3 )

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。


スラリー乾燥過程のアドミタンス

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スラリー乾燥過程のアドミタンス
© F.Sato

バインダーのスプリングバック

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バインダーのスプリングバック
©K.Tachibana

樹脂で被覆しない、電子伝導の阻害

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樹脂で被覆しない、電子伝導の阻害
©M.Yaginuma, C1

3.3 過充電や過放電と材料の関係


電池の内部抵抗とSOC- OCV曲線

  8 198 🖱 電池の内部抵抗とSOC- OCV曲線
© K.Tachibana * , C1 Lab.

電池の内部抵抗 が大きくなると、カットオフ電圧に到達する時間が短くなり、電池の容量が小さくなります。 電池の内部抵抗 は、溶液抵抗( 抵抗過電圧)と接触抵抗からなります。 接触抵抗は、オーミックコンタクトでは、固体間接触の集中抵抗からなり、 またショットキーコンタクトでは、反応抵抗( 活性化過電圧)や皮膜抵抗となります。 SOCの推定に使われます。


炭素材料とバインダー

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炭素材料とバインダー
©K.Kawada

アノード分極による剥離

  10 アノード分極による剥離
© M.Morita , C1 Lab.
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誘電率の異なるバインダー樹脂の種類と電解液の分解電位

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バインダー樹脂の種類と電解液の分解電位
© 2010 F. Sato

3.4 電池とバッテリー-組電池―

バッテリー、セル、電極

  12 158 バッテリー、セル、電極
© K.Tachibana * , C1 Lab.

電源装置としての電池はバッテリーと言います。

ストリングの接続には、モノポーラとバイポーラがあります。

有機電解液は導電率が小さいため内部抵抗の増大の課題がありますが、 起電力の大きなリチウム電池では、同じ電圧を得るのに直列につなぐセルの数が少ないため、バッテリーとしては内部抵抗を下げるのに有利です。


3.5 バッテリマネジメントシステム(BMS)


BMSの機能

  1  BMSの機能
項目 説明
セルの過充電、過放電を防ぐ機能 電位検出
セルの過電流を防ぐ機能 短絡検出、発熱検出、過電流保護、過電圧保護
セルの温度管理を行う機能( BTMS 発熱検出、加熱、冷却
電池残量(SOC)・充電状態を算出する機能 積算電気量、電位
健康状態(SOH)を算出する機能 サイクルごとの内部抵抗
セル電圧の均等化(セルバランス)を行う機能

リチウムイオン電池には、過充電および過放電を防止する保護回路が必要である。24 V系の電源では、リチウムイオン電池を7 セル直列に接続して、各セルの電圧を監視し、正常な電圧範囲を逸脱した場合、回路を遮断する保護装置が必要である 4 )

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* 経済産業省、蓄電池産業の競争力強化に向けて

参考文献


電極材料の塗布・乾燥プロセスと電極評価、電池性能評価

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