バッテリー電極の安定性と均一性を監視する新しい方法

携帯電話、コンピュータ、自動車、エネルギー貯蔵などの分野でのリチウムイオン電池の幅広い用途に伴い、電池の安全性、エネルギー密度、電力密度性能に対する人々の要求が高まっています。リチウム イオン電池のエネルギー密度と電力密度を向上させるために、リチウム電池用のいくつかの新しい材料と技術を早急に開発する必要があります。リチウムイオン電池の製造は、複数の工程で構成されています。安全性・信頼性が高く、性能の安定性に優れた電池を得るためには、製造工程ごとに厳格な監視を行い、不良品が市場に流出しないようにする必要があります。生産コストを節約し、生産効率を向上させるために、バッテリー会社は、前工程段階で異常を迅速に特定し、対応する改善策を適時に行うことができることを望んでいます。前のプロセスでほとんどのバッテリー会社が一般的に使用する監視方法には、主に次のパラメーターの監視が含まれます。スラリーの粘度、スラリーの固形分、コーティングの品質、および圧縮密度です。これらの方法は、プロセスの変動をある程度監視することはできますが、十分ではありません。完成したバッテリーの一貫性を監視する要件を満たすため。バッテリー電極は、バッテリーのフロントエンド プロセスの重要なアウトプットです。バッテリー電極の電子抵抗（導電率）は、バッテリー全体のパワー、信頼性、安全性に影響を与えます。同時に、撹拌、塗布、圧延工程とも密接に関係しています。したがって、

現在、バッテリー電極の電子抵抗をテストするための 2 つの主な原則があります: 4 プローブ法と 2 プローブ法です。4 プローブ法では、バッテリー電極の表面のコーティングの抵抗のみを特徴付けることができ、コーティングと集電体の界面抵抗は無視されます。これは、バッテリー内のバッテリー電極の実際の使用と一致しないため、リチウム イオン電池の電池電極の抵抗をテストするために使用されません。^1-2. 2 プローブ法は、コーティング抵抗、コーティングと集電体界面の抵抗、および集電体自体の抵抗、試験中の電子伝導経路、および電池電極が電池で実際に使用されているときの電子 伝導経路は同じであり、ほとんどの企業や科学研究者はこの方法を使用して電池電極の抵抗を特徴付けています^2-4. この記事で使用する方法は、2 プローブ法に基づいてさらに改良することです。4 線法を使用して、制御可能な電圧ダブルディスク電極を追加して、バッテリー電極の電子抵抗をテストし、コーティングおよび圧延プロセスにおけるバッテリー電極抵抗の変化を監視します。バッテリーセルのリスク管理は、バッテリー電極の端まで進められ、それによってリチウムイオンバッテリーの研究開発と生産をエスコートします。

1.実験装置と試験方法

1.1 実験装置: モデル BER1300 (IEST イニシャル エネルギー 化学 &アンプ ; テクノロジー )、電極径 14mm、加圧力 25MPa、保持時間 25 秒。  ;

装置を図 1(a) および 1(b) に示します。

図 1.(a) BER1300 の外観図。(b) BER1300 構造図

1.2 テスト方法: 巻かれたバッテリー電極を約 5cm×10cm の長方形サイズに切断し、バッテリー電極抵抗計の 2 つの電極の間に配置し、MRMS ソフトウェアでテスト圧力と保持時間パラメーターを設定し、テストを開始します。ソフトウェアは、バッテリー電極の厚さ、抵抗、抵抗率、導電率などのデータを自動的に読み取ります。

各バッテリー電極は、10 の位置でテストするためにランダムに選択され、式に従って変動係数 COV が計算されます。

(1) COV が大きいほど、電池電極の均一性が悪くなります。

(1)ここで、n はテストの数を表し、R は すべてのテスト抵抗の平均を表します。

2.プロセスモニタリング事例

2.1 バッテリー電極のバッチ安定性モニタリング

バッテリー電極の抵抗は、導電剤の分散、コーティング重量、コールドプレスパラメータなどのさまざまな要因の影響を受け、抵抗に対する導電剤の影響は非常に重要です³. 正極導電剤の分散は、スラリーの配合、攪拌条件、コーティング/乾燥条件など、多くの複雑なプロセス制御パラメーターに関連しています。導電剤の不均一な分散は、バッテリーの動的性能を大幅に低下させますが、不均一は、合格が難しい フィルムの外観や接着強度などの従来の監視方法は見過ごされがちで、取り返しのつかない損失を引き起こします。

セルの研究開発の初期段階では、三元電池の電極抵抗の広範なテストと監視を通じて、0.2〜0.4Ωの通常の電池電極抵抗範囲が最初に確立されました。セルが大量生産に導入された後、バッテリー電極の異なるバッチの抵抗モニタリングが実行されました。図 2(a) は、6 バッチの電池電極で行った電池電極抵抗試験です。黒のデータ ポイントは単一のテスト抵抗値を表し、赤のデータ ポイントは平均抵抗を表し、緑のデータ ポイントは抵抗 COV を表します。抵抗データから、0.4Ωを超える抵抗を持つセル電池電極のバッチが 3 つあることがわかります。これは明らかに仕様を超えています。図 2(b) および 2(c) に示すように、正常なバッチと異常なバッチの電池電極に対してさらに SEM 形態分析が実行されます。正常なバッチの電池電極における導電性炭素の分布はより均一であり、導電性炭素は異常なバッチのバッテリー電極では、明らかな凝集現象があります。バッテリー電極の抵抗をテストするとき、バッテリー電極はさまざまな位置でランダムに選択されるため、導電性カーボンが偏在すると、導電性カーボンが存在しない位置でのバッテリー電極の抵抗が大幅に増加します。したがって、電池電極の抵抗変化を監視することにより、異常な電池電極を電池電極端で迅速に特定することができ、

図 2.(a) 6 バッチのバッテリー電極抵抗。(b) バッチ 1 バッテリー電極 SEM 画像。(c) バッチ 4 バッテリー電極 SEM 画像。

2.2 バッテリー電極コーティングの均一性モニタリング

電池のエネルギー密度を向上させるために、リチウムイオン電池の負極材料としてシリコンと炭素の混合材料に関する研究が徐々に増加しています。電池電極内のシリコンと炭素の混合材料の分布の均一性をどのように制御するかは、負極の膨張と電位分布に大きな影響を与えます。さまざまなプロセス パラメーターの下でバッテリー電極抵抗の変化を監視することで、シリコン カーボン材料の混合の均一性を評価できます。

図 3は、2 つの混合プロセスの電池電極の電池電極抵抗試験と SEM 形態特性評価の結果を示しています。図 3(a) から、混合 1 の電池電極抵抗と COV の平均値は、混合 2 よりも大幅に高く、混合 1 の均一性が混合 2 よりも悪いことがわかります。図 3(b) および 3(c) の SEM 形態学的分析と組み合わせると、混合 1 の電極内のシリコンと炭素の混合が均一ではなく、より多くの個々のシリコン粒子が存在することがわかります。電極抵抗の平均値が増加し、異なる位置の電池電極の抵抗が大きいため、抵抗COVが大きく、

図 3.(a) 2 種類の混合電極抵抗。(b) 混合 1 電池電極の SEM 画像。(c) 混合 2 バッテリー電極の SEM 画像。

3.まとめ

この論文では、4線式と制御可能な電圧のダブルディスク電極法を使用して、バッテリー電極の抵抗をテストします。これは、バッテリー電極プロセスの安定性と均一性を監視するために使用するのに適しています。バッテリー電極抵抗データBISまたはMESシステムにリアルタイムで接続できます。記録可能で追跡可能なデータを実現するため。現在、多くの材料およびバッテリー会社がこの方法を生産ラインプロセス監視に導入して、プロセスパラメーターとプロセス安定性を迅速かつ効果的に評価し、バッテリーコアのリスク管理をバッテリー電極端まで進め、リチウムの開発を加速しています。 -市場のニーズを満たすイオン電池。

参考文献

1. 徐 ジエル , リー ホン , ら アル ., リチウム電池研究における導電率測定と分析方法 エネルギー貯蔵科学と技術, 2018, 7(5) 926-955.

2.近藤浩樹 他 リチウムイオン電池の正極の電子伝導性に対する活物質の影響。電気化学会誌、2019、166 (8) A1285-A1290

3.BGウェストファルら。高度な 2 点アプローチによって決定された相対電極抵抗率に対する高強度乾式混合およびカレンダー加工の影響。ジャーナル オブ エネルギー ストレージ 2017, 11, 76–85

4.ニルス・マイヌシュ他 バッテリー電極の電気抵抗を測定するための新しい接触プローブと方法 エネルギー 技術 . 2016年4月号 1550-1557