導電剤が混合粉末と電極の電子伝導性に与える影響

正極および負極の粉末材料、セパレーター、電解質、導電剤、バインダー、集電体などがリチウムイオン電池製造の主原料です。リチウムイオン電池の製造は、これらの原料を最適なプロセス条件で電池に加工することです。最適な電気的性能を備えたリチウムイオン電池を得るには、これらの原材料のパラメータを変更する必要があり、プロセス条件を的を絞った最適化および調整する必要があります。リチウムイオン電池の正極と負極のパラメータ設計は、活物質の充填量、空隙率、厚さ、活物質、導電剤、バインダーの比率など、リチウム電池技術開発の鍵となります。その中でも、種類、内容、

実際の電極シートのプロセス設計では、活物質、特に正極材料の電子伝導性は比較的低く、電子輸送経路は主に導電剤経路によって実現されます。図1は、理想的な状態のリチウム電極シートの微細構造の模式図です。ポールピースの電子伝導性は、バッテリーセルの出力性能に限定されず、バッテリーの基本性能に影響を与えるだけでなく、バ​​ッテリーセルの信頼性や安全性能にも影響を与えます。電極シート抵抗は、電極製造プロセス中の電子伝導ネットワークの性能や電極微細構造の均一性をより適切に評価することができ、電極配合や混合、コーティング、圧延プロセスの制御パラメータの研究と改善に役立ちます。現在のリチウム電池の研究では、磁極片レベルの電子伝導性に注目する研究者が増えており、またリチウム電池粉末材料の電子伝導性に注目し、両者の相関関係を探ろうとする研究者も増えています。粉末材料レベルから電極層の電子伝導性を直接予測します。

図 1. 理想的な電極微細構造の模式図

この記事では、主に NCM523 シリーズのリチウムイオン電池粉末材料を結合剤 PVDF および導電剤 SP と組み合わせて、粉末レベルでの予混合後の混合粉末の電子伝導性を評価します。同時に、スラリーの調製と粉末のコーティングを実行します。同じ比率で、完成した磁極片の電子伝導性を評価し、各層の伝導性に及ぼす導電剤の影響を明らかにし、その相関関係を最初に調査します。

1.  試験方法

1.1  試験装置: PRCD3100 (IEST) シリーズ粉体抵抗計を使用して、粉体材料の導電率を測定および評価します。ポールピースの導電率を評価するには、BER2500 (IEST) シリーズポールピース抵抗計を使用します。

図 2. (a) PRCD シリーズの外観と構造の概略図。(b) BER シリーズの外観と構造の概略図。

1.2 サンプルの準備とテスト

1.2.1 NCM:PVDF=19:1、NCM:SP:PVDF=18:1:1 に従い、NCM 比率の異なる混合粉末を十分に混合し調製し、10～200MPa の範囲で粉体抵抗試験を実施します。

1.2.2 表 1 の比率パラメータに従ってスラリーを調製し、200μm スクレーパーを使用して手動でコーティングし、電極の抵抗をテストします。

表 1. 極電極調製用のスラリー比率

2. 試験結果

粉体耐性試験は、SP、NCM、混合粉体NCM+PVDF、NCM+SP+PVDFに対してそれぞれ実施されました。 表２および図３の試験結果から、低圧または高圧に関係なく、ＮＣＭ活性粉末に結合剤ＰＶＤＦを添加した後、電子伝導性が明らかに低下することが分かる。しかし、より導電性の高いSPを添加した後、混合粉末の電子導電性は大幅に向上しました。リチウムイオン電池の正極活物質粉末の電子伝導性を評価するプロセスでは、電子伝導の大部分は粒子間の接触伝導です。電子伝導性の悪いPVDF粉末を添加すると、PVDF粉末は粒子間の接触の割合を減少させます。元の活性粒子が変化し、その結果、全体的な伝導経路が変化し、その結果、全体的な電子伝導性が低下します。

リチウムイオン電池の電極における導電剤の役割は、電子伝達のチャネルを提供することです。導電剤の含有量が適切な量であれば、比較的高い放電容量と良好なサイクル特性を得ることができるが、導電剤の含有量が多すぎても少なすぎても、電気的性能に影響を与える。導電剤の含有量が多すぎると、活物質の相対含有量が減少し、電池の比容量が低下します。含有量が低すぎると、電子伝導チャネルがほとんどなくなり、高電池には不利になります。電流の充放電が少なく、電極内の活物質の利用率が比較的低い。耐粉体性の試験結果から、

表2.耐粉体性試験結果の比較表

図3. 10MPaと200MPaの圧力条件下での粉体抵抗試験結果

材料間の電子伝導性の相関をさらに明確にするために、異なる粉末に対して表 1 の比率に従ってスラリーを調製し、スクレーパーを使用して同じ条件で手動コーティングを行いました。表 3 と図 4 に電極抵抗の試験結果を示します。電極の電子伝導性は、比率が異なるとまったく異なります。表 2 と図 3 の混合粉末抵抗結果と比較すると、磁極片レベルでの導電性も導電剤 SP の添加後に急速に向上しています。さらに、予混合粉末レベルまたは磁極片レベルでの導電剤の添加により、電子伝導経路を効果的に強化できることが明らかになった。実際の電極プロセスの開発段階では、導電剤の比率の最適化も重要です。導電剤の量は、導電剤材料の粒径や活物質の比率と密接な関係がある。活物質の比表面積が大きいほど、導電剤の粒径は大きくなり、導電剤の量が多くなります。最適な比率は、活物質の理論モデルに基づいた体系的な実験を通じて決定する必要があります。導電ネットワークの浸透。

表3 電極抵抗試験結果の比較表

図 4. 異なる計算式での電極抵抗テスト結果の平均値の比較

3. まとめ

本稿では、粉末抵抗試験装置 PRCD シリーズとポールピース抵抗試験装置 BER シリーズを用いて、混合粉末と電極の 2 つのレベルから抵抗性能を系統的に評価し、導電剤の役割と影響を明らかにし、異なるレベル間の傾向の相関関係を把握し、これに基づいてシステム式をさらに最適化し、粉末の性能から電極層の性能を事前に推定することができ、リチウムイオン電池技術の開発に新しいアイデアを提供します。

4. 参考資料

1. BG ウェストファル ら。エネルギー貯蔵ジャーナル 11 (2017) 76–85。

2. 倉谷健太郎ほか 電気化学協会ジャーナル、166 (2019) (4) A501-A506。

3. チェン YH、王 CW、リュウ G、他、リチウムイオン電池カソードにおける導電性添加剤の選択[J]、ジャーナル の の 電気化学 社会、2007、154(10):A978。

4. ミランダ D、ゴレン A、コスタ CM、他。リチウムイオン電池正極の活物質、バインダー、導電性添加剤間の最適な関係の理論シミュレーション[J]。エネルギー、2019、172(4月.1):68 -78。

5.ミコウー@理想の生活。リチウムイオン電池のポールピースの理論と技術の基礎。