HOME 教育状況公表 令和4年5月28日

09. 金属材料~負極活物質と集電体の働き~

山形大学  工学部  化学・バイオ工学科  仁科辰夫


金属材料

金属 材料は大きく 鉄鋼 非鉄金属 に分類されます。 ガルバニ系列(現代の電気化学p.95)の活性な方は電池の負極活物質として使われます。


負極活物質

金属はよく電気を流します。 だから卑な金属は、それだけで集電体の機能も兼ね備えた負極活物質になります。 とはいっても、水溶液系の電池では保存特性の都合、 水素過電圧が大きなものが好まれます。 水銀、亜鉛、カドミウム。水素過電圧の大きな金属の御三家ですね。 環境負荷が社会問題となる前に水銀法がさかんに使われたのはその水素過電圧の大きさによります。 乾電池の負極に使う亜鉛にも水銀を添加してアマルガムにすると自己放電がぴたりととまります。 これを水銀なしでやるために流した血と汗と涙と言ったら。

負極活物質に求められること


イオン化傾向

Example fillrule-evenodd - demonstrates fill-rule:evenodd -3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.02.53.0 Al Fe Zn Cu Li
  1
イオン化傾向
©K.Tachibana

電位が卑なほど、 腐食しやすく、 還元しにくくなります。 電位が貴なほど、 腐食 しにくく、還元しやすいです。


  1   負極活物質 負極材料 1 )
アルカリ乾電池 ダニエル電池
略号 理論容量 /mAh/g 実効容量 /mAh/g 用途 特徴
H
Zn 819.7
Li 3861.3
水素吸蔵合金
C 371.9 密度2.2 * リチウムイオン電池スマホ

負極活物質は、主に 電池負極で使われる還元剤です。 充電式電池(二次電池)では、充電前の 電池材料 である負極材料も活物質と呼ばれることがあります。 金属(亜鉛やリチウム)や金属イオンを取り込める層状化合物(グラファイトなど)が使われます *正極には酸化剤が使われます。

09.エネルギー化学特論 04機能
F=96485.33212331

集電体

伝導性のある金属

  2 導電率 の大きな 金属 材料
金属 元素
🜛 Ag [5s1]
🜠 Cu[4s1]
🜚 Au [6s1]
🜀 アルミニウム Al[3p1]
亜鉛 Zn [4s2]
真鍮 (黄銅) Cu,Zn
電線ばかりでなく、電池の集電体にも使われます。
05, 08.無機工業化学 09.エネ特 0517 20170210 20161124
https://www.hata-cu.com/blog/post-309/
Example fillrule-evenodd - demonstrates fill-rule:evenodd 10-810-610-410-21001021041061081010101210141016 Al Cu Ge Si
  2 導体(金属)・半導体・不導体(絶縁体)
©K.Tachibana

アルミニウムは両性金属です。 酸の中では水素を出して溶けますが、アルカリの中では テトラヒドロキシドアルミン酸イオンとなってゲル状になります。

リチウム電池の正極活物質は多かれ少なかれ還元剤として働くので、水と反応してアルカリとなりアルミニウムを腐食します。しかしその場合は、ゲル状となるので、いわゆる孔食とは異なる腐食が進行します。

リチウムイオン二次電池用の正極集電体アルミニウムについて
立花和宏、東北大学博士論文、(2003).

リチウム電池駆動用電解液中におけるアルミニウムの不働態化
立花和宏、佐藤幸裕、仁科辰夫、遠藤孝志、松木健三、小野幸子, Electrochemistry, Vol. 69, No.9, pp.670-680, (2001).

機能界面設計工学特論
静電誘導 (本田アンドレイstl
静電分極 (本田アンドレイstl
金属のポテンシャル (本田アンドレイ 3mf stl
3D-CAD

集電体と電極合材との接触抵抗

拡面処理した集電体と炭素の接触状態について
表面処理を施したアルミニウム集電体と電極合材との接触抵抗の発現要因 加藤 直貴, 小野寺 伸也, 伊藤 知之, 伊藤 智博, 立花 和宏, 仁科 辰夫, 科学・技術研究 , 3, 157-164, (2015).

メタルジャケット

次回

有機材料 ~リチウム電池の電解液~ http://c1.yz.yamagata-u.ac.jp/Education/Energy.html
エネルギー化学特論
  1. はじめに
  2. エネルギーの種類と物質

    「椅子を高く持ち上げたときに消費するエネルギーは、椅子の位置エネルギーに時間をかけて求めることができる」はほんとうか??

  3. 電解工業と電気化学

    銅の電解精錬に使う電力は何のためか?それを節電するにはどうしたらいいか?注意すべき点は何か??

  4. 電池の起電力と分解電圧
  5. 電気エネルギーと物質~電池の系譜~
  6. 電池の内部抵抗と過電圧
  7. 二次電池とキャパシタ
  8. リチウムイオン二次電池の構造
  9. セラミックス材料~正極活物質と導電助材の働き~
  10. 金属材料~負極活物質と集電体の働き~
  11. 有機材料~リチウム電池の電解液~
  12. 高分子材料~リチウム電池のバインダーやセパレータの働き~
  13. 化学工学とリチウム電池~分散・スラリーの作成と塗布乾燥~
  14. サイクリックボルタンメトリーによる電池やキャパシタの評価
  15. 交流インピーダンス法による電池やキャパシタの評価
  16. 電池やキャパシタのマネジメント~BMSやスマートグリッド~


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