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🌡️ 📆 令和6年5月29日

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~

山形大学  理工学研究科(工学系)  物質化学工学専攻  🔋 C1 立花和宏

  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。


プラスチックの種類と用途

  2 プラスチックの種類と用途
種類 略号 樹脂名 用途
熱可塑性樹脂 PE ポリエチレン 包装材
PP ポリプロピレン
PVC ポリ塩化ビニル
PVdC ポリ塩化ビニリデン
PVdF ポリフッ化ビニリデン 2 ) LIB 正極 バインダー
熱硬化性樹脂 FF フェノール樹脂 プリント基板
MF メラミン樹脂 食卓用品
3 )

プラスチック材料は、 非金属材料です。 非金属材料には、ガラスなどの無機高分子材料、やセルロースやたんぱく質など天然高分子材料があります。 エンジニアリングプラスチックとして、導電性高分子などもあります。


ゴムの種類と用途

  3 ゴムの種類と用途
略号 ゴム名 用途
天然ゴム
IR イソプレンゴム
BR ブタジエンゴム
SBR スチレンブタジエンゴム LIB 負極 バインダー
NBR アクリロニトリル-ブタジエンゴム O-リング
🔷 ゴムとタイヤの博物館「ブリヂストン TODAY」@東京都小平市 🔷 協和合成株式会社@埼玉県鳩ヶ谷市

蓄電ゴム

  1 蓄電ゴム
©K.Tachibana
4 )

バインダー

電池の動作原理 電子伝導とイオン電導 電子伝導と化学結合 電極の電子抵抗と溶液抵抗 バインダー
63 高分子材料の結晶化
©Copyright Takahiro Suzuki, C1 Laboratory all rights reserved.
2022 リチウムイオン二次電池電極内部での接着・接合技術 接着・接合技術コンソーシアム
材料設計 情報機構
電気
シラバス
高電圧印加時のN-メチルピロリドンに溶解したポリフッ化ビニリデンの劣化の可視化
○阿部友香,兼子佳奈, 小森至, 後藤武, 伊藤智博, 立花和宏, 仁科辰夫. 正極スラリー中に含まれる異物金属の検出に関する研究 . 第59回電池討論会, 大阪府立国際会議場(グランキューブ大阪). 2018.
レゾナック日立化成 ダイキン 日本ゼオン シリコン材料は体積膨張

溶剤系バインダーと水分散系バインダーがあります。 溶剤系バインダーとしてPVDF+NMPの組み合わせが知られています。 重合の方法によって微妙に電池性能の影響が現れます。 PVDFの極性はとても大事で、なかなかほかのバインダーの追従を許しません。 ただ、極性があるがために結晶性があるので、機械的な折り曲げに対して柔軟性に乏しくなることが懸念されます。 水分散系バインダーは粘度の調整のために増粘剤が使われます。 SBR+CMC+水の組み合わせが知られていますが、SBRはその内部の共役二重結合のせいか若干電流のリークが見られます。 そのせいでSBRが酸化するのか、それとも接している電解液が酸化するのかはさだかではありませんが、 あまり正極には向いていないようです。

バインダーの種類

  2 374 バインダーの種類
© K.Tachibana
溶剤系バインダーと水分散系バインダー

炭素材料とバインダー

  3 389
炭素材料とバインダー
©K.Kawada

配向分極(電気二重層)

  4 351
配向分極(電気二重層)
©2017 K.Tachibana

接着と結着

362
接着と結着
©K.Tachibana

  5 PVDF
©赤間未行

5 )


SBR (©黒澤大輝

接着の様式、点接着と面接着

  6 379
接着の様式、点接着と面接着
©2007 K.Tachibana

  7 238
バインダー樹脂の種類と電解液の分解電位
© 2010 F. Sato

分散剤

合材は極性の活物質、非極性の導電助剤は混錬するため、分散剤が使われます。 界面活性剤には、アニオン、カチオン、ノニオンなどが知られていますが、 電池では電解液にイオンが溶け出して悪さするのが懸念されるため、 主に高分子系の分散剤が使われます。 粒子表面に吸着した静電的な反発力よりも分子のかさ高さを利用した分散といえます。 できれば乾燥時に熱分解よって揮発していなくなってくれるものがありがたいです。

界面活性剤・分散剤

  4 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 6 )


セパレータ

内部抵抗を下げるには薄い方がいいのですが、 そうすると短絡のリスクが高まります。 一般的に多孔性のフィルムが使われますが、 製法によって穴の開き方が異なります。 穴の開き方によってはマイクロショートによる金属析出に対して脆性となることもあります。 正極活物質は酸化剤なので、活物質に触れるところは耐酸化性が要求されます。


セパレータを貫通した析出物


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セパレータを貫通した析出物
©T.Ito

パッケージ

ラミネートパッケージの内装にも高分子フィルムが使われます。 もちろん、有機電解液に溶解したり膨潤したりしないことが前提となりますが、 ヒートシール性などが重要となります。 タブの取り出し口のところはとくに電解液のリークの原因となりますので、 タブに使用する金属との密着性が期待できる高分子材料を選びましょう。


腐食の形式と様式

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腐食の形式と様式
© 2016 K.Tachibana

導電性高分子

導電性高分子という材料があります。 電気を流すのだから、導電助剤に使ったらよさそうなものですが、 分子内を電気をよく流すということと、分子間で電気が流れるということをいっしょにしてはいけません。 コンデンサのように高い周波数で一時的に電気を流すのであればよいのですが、 電池のように継続的に直流電流を流すのであれば、分子間でも連続的に電流が流れる必要があります。 極性の強い導電性高分子は一般的にアルミニウム集電体の接触抵抗を増大させるため、 コンデンサには向いていますが、電池にはあまり向いていません。


PEDOT

  10 ポリチオフェン ©2016 関口 理希

ポリスチレンスルホン酸(空間充填モデルスペースフィリングモデル) ©関口 理希
学会発表

立花研究室(要認証)


参考文献


エネルギー化学特論
✍ 平常演習
💯 課外報告書 Web Class


QRコード
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/56307/56307_11.asp
名称: 教育用公開ウェブサービス
URL: 🔗 https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/
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URL: 🔗 http://amenity.yz.yamagata-u.ac.jp/
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