🏠
🏠
◇ 機能界面設計工学特論 Web Class 📆 3-3308
電池は、 活物質を 容器に詰めたエネルギーデバイスです。効率よく電気が取り出せるよう、 正極 合材、負極合材を工夫して詰め込みます。
ジェリーロール構造は、スパイラル電極構造とか捲回型とも言われます。 円筒型電池には、出力重視のスパイラル電極構造のほかに容量重視のボビン電極構造もあります。 * さらに出力重視では、ラミネート型電池に使われる枚葉積層型があります。 * * 電極面積を大きくし、電極間距離を小さくして、電解液による溶液抵抗を減らし、 内部抵抗を小さくします。
リチウムイオン二次電池には、磁気テープで培われた、合材の塗布技術が応用されています。
✍ 233 燃料電池とリチウムイオン二次電池の設計コンセプトの違いについて議論しよう
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 1 ) 。
360 ✍ 236 リチウムイオン二次電池の合材設計について議論しよう
粉体の粒径を表すには、残留率曲線、通過率曲線、頻度分布曲線、あるいは ヒストグラムが使われます。 残留率および通過率が50％になる粒径をメジアン径（中央値）、頻度分布が最大になる粒径をモード径（最頻値）と言います。 メジアン径やモード径は、平均径代表値として使われます 2 ) 。
| 粉体の例 | 粒径 /μm | 説明 | |
|---|---|---|---|
| 0.01 | エーロゾル | ||
| アセチレンブラック | 0.1 | アセチレンを不完全燃焼させて作る炭素材料（気相合成） 電池の 導電助剤に使う | |
| フライアッシュ | 0.5 | 石炭火力発電所で微粉炭を燃焼した際に発生する石炭灰のうち、 集塵器で採取された灰のこと * セメントの原料として再利用する。 | |
| タルク | 1 | ||
| 白亜（チョーク） | 1 | ||
| PM2.5 | 2.5 | ||
| 噴霧スズ粉 | 10 | ||
| 還元鉄粉 | 100 |
固体の微粒子の集まりを 粉体と言います。 セメント 工業や薬品工業などで粉体を取り扱います。 固体と粉体がかかわる製造工程は、 固体の 粉砕、固体の 混合、固体と固体の反応、固体と液体の反応、固体と液体の分離（乾燥）などからなります 3 ) 。
単位質量の 粉体 の全表面積を、 粉体 の 比表面積Ap〔m2/kg〕と言います。 一定量の固体を粉砕すると、 その表面積は粒径にほぼ反比例して増加します 4 ) 。
電極は、活物質、導電助剤、バインダーを混錬し、塗工して作られます。異なる粒子サイズのもので、電池として動作できるように設計しなければなりません。 図は、活物質、導電助剤、バインダーの粒子サイズを３Ｄ-ＣＡＤアプリ、 ソリッドワークスで、３Ｄ表示したものです。
実習端末の CADソフト SOLIDWORKS（ソリッドワークス）は、教育のためのみに利用できます。 実習室以外で、 授業の課題等でSOLIDWORKSを使う場合は、 指導教員を通じて 学術情報基盤センター にお問い合わせください。
✍ 182 活物質と導電助剤の接触状態を３D表示してみましょう
電極は不均一混合物です。 電流密度や電界は複雑です。 固体粒子と固体粒子の接触は、点接触になるため、電流が集中します。 そこでは電流密度が大きくなり、集中抵抗が大きな 過電圧を生じます。 ひいては電池の内部抵抗の支配的な要因となり得ます。 よって、電極中の 電流密度や電界の分布 をイメージすることは、電池を設計する上で大切です。
学術情報基盤センターの 実習端末では、有限要素法ソフトADINAが利用できます。 ADINAを使うときは、指導教員を通じて 学術情報基盤センター にお問い合わせください。
本講義では、界面・表面現象や光イメージングといった物理化学的な現象の工学分野における役割を学ぶ。そこでは、化粧品、医薬品および食品を開発する上で重要な、皮膚、毛髪および粘膜上で起こる界面現象から、電池やコンデンサなどのエネルギーデバイスを中心の機能を効率よく発現させるための界面設計、そして、粉体の分散・凝集に関する粉体表面の物性およびその測定法，さらに様々な表面処理方法等について論ずる。また、光学顕微鏡を用いた光イメージングについて、光学素子の役割、イメージの結像、光の回折限界と空間分解能などについて解説する。多重染色によりさまざまな物質を識別できる蛍光顕微鏡において重要となる蛍光色素および蛍光タンパク質などの蛍光プローブとその利用法について解説するとともに、レーザーマニピュレーション法や近年実用化されたナノメートルの空間分解能を持つ超解像蛍光顕微鏡等の応用例を紹介する。
本講義では、物質の有効活用の観点から、物質や生体が有する情報の取得・解析法に関する内容について解説する。そこでは、物質の分離法および機能発現に関するアプローチ他、呼吸，循環に関する生体情報の計測法や生体計測技術により運動中に得られた生体情報を応用生理学的解釈へ導くための解析法についても紹介する。また、工学分野で生産管理や品質管理で使用される分析機器について、ハードウェアおよびソフトウェア，AD変換などの計測技術について解説し、工場などで使われているライフサイクル管理システムにおける分析機器や分析化学の位置づけ，ラインモニタリング技術に対する理解を深める。小型・軽量化が進むセンサーやその周辺の電子回路，AD変換器，マイコン制御についても解説し，IoT(Internet of Things)やIoE(Internet of Everything)を目指した周辺技術など最近のトピックも紹介する。
