粉体抵抗率と圧縮密度の品質管理への応用に関する研究
リチウムイオン電池の電気化学的性能は、正極および負極の粉末材料の性能と密接に関係しています。中でも、正極材料中の金属異物不純物の含有量、過剰な水分、バッチの一貫性不良などの問題の存在は、リチウムイオン電池の故障の原因となったり、場合によっては安全上の問題を引き起こす可能性があります。バッテリー会社にとって、受入検査はバッテリー製造プロセスにおける重要なリンクです。受入検査において、正極粉末材料のバッチ間の差異が小さいほど、完成した電池の一貫性が向上し、安定性が高くなります。正極材料のバッチ安定性管理では、粒子径、タップ密度、圧縮密度、比表面積、水分、pH値、抵抗率などを管理します。標準監視指標として厳格に監視されています。この論文では、IEST PRCD 3100粉末抵抗率と圧縮密度の長期安定性をテストするために使用され、粉末材料の性能の一貫性を監視する方法を提供します。
1. 指標と監視方法
1.1 同じ NCM 材料の異なるバッチが個別に梱包され、1 つのパッケージが毎日開梱され、3 セットの反復テストが行われ、合計 30 日間のテストが行われます。
1.2 PRCD3100 (IEST ) を使用して、材料の抵抗率と圧縮密度をそれぞれテストします。試験装置を図 2 に示します。
テストパラメータ：圧力範囲12～20MPa、間隔2MPa、保持圧力10秒。80～180MPa、インターバル50MPa、圧力保持10秒。
図 2. (a) PRCD3100 の外観。(b) PRCD3100の構造
2. 試験結果
2.1 試験前の注意事項
抵抗率と圧縮密度の安定性試験に影響を与える要因には、人間、機械、材料、方法、環境など、担当者の操作方法の習熟度、主要な詳細の管理、試験装置の安定性、試験対象のサンプルなどがあります。状態、試験原理の選択の合理性、および試験環境の安定性はすべて、抵抗率と圧縮密度の安定性試験における重要な要素です。全体的なテストデータの信頼性を確保するために、実験テストの前に、装置の主要モジュールを体系的にテストおよび校正する必要があります。これには、主に圧力モジュール、厚さモジュール、抵抗モジュールの校正が含まれ、精度を確保します。機器の全体的なテスト。&注意 ;
実際の試験は25℃±2℃の温度管理された環境下で実施されます。サンプルの選択により、サンプルの状態が一貫しており、異常な凝集や凝集がないことが保証されます。時間の経過によるサンプルの変化を最小限に抑えるため、異なるバッチを個別に包装し、合計 30 個のパッケージを用意しています。 環境の影響を受け、吸湿が発生した場合、実際の試験プロセスでは 1 日あたり 1 つのパッケージを開梱し、3 セットの反復試験を繰り返します。PRCD3100 は抵抗率と圧縮密度の二重機能デバイスであるため、2 つのパラメータは同じパラメータ セットから出力されます。テストが完了したら、要約平均、変動係数、範囲、統計などの 30 日間のデータを系統的に要約して分析します。
2.2 抵抗率試験の結果
抵抗率は、材料の抵抗特性を特徴付ける物理量です。リチウムイオン電池粉末の抵抗率の測定は、材料の改質評価、プロセス条件の評価、品質監視に使用できます。リチウムイオン電池産業の発展に伴い、材料の種類はより多様化し、製造プロセスはより複雑になり、材料の破損リスクも増大するため、その品質管理に対する要求も高まっています。この実験は、粉末材料の抵抗率の長期安定性モニタリングに基づいており、品質管理におけるアプリケーションにおける粉末抵抗率検出の使用を検討しています。
表 1. 30 日間の抵抗率試験データ分析の要約表
表 1 に、NCM サンプルの 30 日間の抵抗率試験データの分析集計表を示します。試験データから、粉末サンプルの抵抗率は圧力の増加とともに減少することがわかり、その変動係数 COV の分析結果は、低圧での 30 日間の試験データの COV は 4.13 であることを示しています。 12MPaの強圧力では%、180MPaの高圧では2.28%。全体的なテストの再現性は良好なレベルにありますが、厳密に比較すると、低圧での再現性 COV が大きすぎます。主な理由は、実際の抵抗率測定プロセスでは、低圧条件下では粉末の充填が緊密ではなく、粉末間の空隙率が低いためです。粒子が大きく、再現性テストの一貫性が比較的劣ります。&注意 ;
圧力が増加すると、粉末粒子が滑り、再配列して密に積み重ねられた状態になり、粒子間の空隙率が減少し、再現性テストの一貫性が向上します。同時に、大きな圧力によりテストプロセス中の接触抵抗の一部を低減できるため、テスト全体の再現性と一貫性が向上します。これは実際のテストでもあります。テストに高圧条件を使用することが推奨される理由の 1 つです。
図 3. 12MPa および 180Mpa の圧力下での 30 日間の抵抗率試験データの全体的な変動の概要
シグマは標準偏差の測定単位であり、ギリシャ文字 (σ) で表されます。リチウムイオン電池の入荷材料の品質監視において、シグマは重要な指標です。通常、長期データモニタリングの平均値の2～3σが標準仕様となります。図3は、12MPaと180MPaの圧力下での30日間の抵抗率試験データの全体的な変動をまとめたグラフです。表 1 の分析データを組み合わせると、材料の 30 日間データはすべて平均値±3σ の範囲を満たすことが明確にわかります。実際の品質監視では、比抵抗が重要な指標として使用されます。初期段階でのサンプルのさまざまなバッチの抵抗率試験の実際の状況と組み合わせて、変動係数、平均値、シグマなどの変動を系統的に分析します。
2.3 圧縮密度試験結果
リチウムイオン電池の発展に伴い、より高性能なリチウムイオン電池の開発を追求するため、高容量、高電圧、高密度材料の研究開発や生産に着手する企業が増えています。より多くの消費者のニーズに応えます。業界における圧縮密度の評価は、主に電極端にとどまります。実験により、圧縮密度が比容量、効率、内部抵抗、バッテリーサイクル性能に密接に関係していることが証明されました。&注意 ;
ある程度、圧縮密度が高くなるほど、バッテリーの比容量は高くなります。したがって、圧縮密度を効果的に評価することは、電池の最適化と改善にとって非常に重要です。電極端での圧縮密度の評価と比較して、粉末材料端からの密度を迅速に評価することも、材料評価およびスクリーニングの有効な手段として使用することができる。同時に、品質監視の側面も非常に重要です。
表 2. 30 日間の圧縮密度試験データ分析の要約表
たとえば、表 2 は、NCM サンプルの 30 日間の圧縮密度データの全体的な概要表です。データの観点から見ると、圧縮密度は圧力の増加とともに増加し、データ全体の再現性 COV は 0.5% 未満であり、再現性テストは非常に高くなります。その差は 0.06g/cm3 未満で、全体的なテストの安定性とデータの再現性は良好です。さらに、圧縮密度の±3σ範囲を体系的に分析し、30日間のデータと組み合わせて圧縮密度の変動を系統的に集計しました。仕様範囲±3σを満たしていますが、12MPa時のデータ変動に比べて180MPa時のデータ変動が小さく、&注意 ;
さらに、圧縮密度の全体的な変動は、サンプルの状態、装置の安定性、試験金型の安定性などの試験の重要なポイントの制御にも密接に関係しています。実際のテストプロセスでは、影響要因を最小限に抑えるために、これらの主要な要因を合理的に制御することも必要です。実際の品質モニタリングでは、比抵抗の適用と同様に、研究開発の初期段階で、さまざまなサンプルテスト要件やテストシナリオに合わせて、圧縮密度に関連する多数のパラメーターを収集できます。
図 4. 12MPa および 180Mpa の圧力下での 30 日間の圧縮密度試験データの全体的な変動の概要
3. まとめ
この論文では、PRCD3100 同じ材料の抵抗率と圧縮密度を 30 日間テストします。データの体系的な分析を通じて、品質監視の方向でのアプリケーションシナリオを示し、サンプルバッチの安定性監視とリチウム電池材料の方法を提供します。安定した生産と新しいプロセスの最適化をサポートします。
4. 参考文献
[1] 梁 華美 、曾 ヨン 、黄 石建 、他。リチウム電池正極材料の圧縮密度試験条件に関する研究[J]。広東化学工業、2021、48(19):3。
[2] 朱潔、何静元、王京。粉体抵抗率の測定結果に影響を与える要因[J]。カーボンテクノロジー、2002(3):3。
[3] 李夏。青色コークス粉末の比抵抗の測定結果に影響を与える要因の分析 [J]。中国塩産業、2020(9): 4.
[4] 賈紅英。リチウムイオン電池正極材の品質管理 [J]。科学技術イノベーションヘラルド、2017、14(17): 2.