カソード

結言:

レオロジー測定により、研究者は、性能と製造性が向上した新規の調合物を開発するための、信頼性の高い分析ツールを得ることができます。スラリーレオロジーを理解し、制御することで、適切な製造プロセス（ロールツーロールコーティング、スロットダイコーティングなど）の選択が容易になるほか、コーティング膜重量が均一で、電極との接触が良好な、バラツキ・欠陥のないフィルムが製造され、生産量も最大化することになります。操作者の習練時間を短縮し、生産性が向上する、DHRの高度に直感的なユーザーインターフェースの利点を活かして、これらの測定をR&Dおよび製造の現場の両方に適用することができます。

バッテリーにおける熱暴走過程はまだ十分に解明されていませんが、現時点での理解は、以下の一連の事象が熱暴走の引き金になることを示唆しています。バッテリーの温度が上昇し続けるにつれて、熱暴走の原因となる発熱反応がリチウムイオンバッテリー（LIB）のすべての内部構成要素と破壊的に相互作用します。素子の一部は初期に故障するものの、大部分は破損しながら蓄熱を直接加速します。
最初に破壊し始める構成要素は固体電解質相間界面（SEI）であり、一般的に80～120℃（176～248℉）前後で破壊し始めます。この時点で、熱暴走を減速させることは可能ですが、アノードが一旦電解質に曝露されると、熱暴走は不可逆的になってしまいます。反応性のアノード表面に生じる発熱反応は、次の臨界温度に達するまで、さらに熱を系内に付加します。
次に影響を受ける構成要素はセパレーターであり、2つの段階を介して破損します。120～150℃（248～302℉）前後で、セパレーターは溶解し始め、小規模な短絡を引き起こします。これに続いて、セパレーターが220～250℃（428～482℉）付近で分解すると、より重大な内部短絡が起こります。
次の反応は前記温度範囲の直後で急速に起こり、カソード材、バインダー、および電解質のすべてが分解し始めます。その結果、バッテリーセルの温度が約 800℃（1472℉）まで大幅に上昇します。これらの反応にはガス生成物が伴い、これにより、LIBの内圧が上昇します。
急速な発熱とは別に、カソード反応には、可燃性で壊滅的な酸素の副産物も伴います。直接の結果は、実際の条件に応じて、「熱＋酸素＝火災」または「熱＋ガス＝破裂／爆発」のいずれかです。当然ながら、すべての材料が等しく作られていることはなく、これらの範囲の上側あるいは下側、将来的には範囲外にも、当てはまる可能性があります。したがって、適切な試験により、所定のバッテリーの材料について可能な限り安全な選択をすることが不可欠です。

黒鉛アノード材の熱不安定性を強調するTGAサーモグラム

熱暴走を回避し、最高の耐熱性を持つバッテリー材料を選択するために、研究者は示差走査熱量測定法（DSC）および熱重量分析法（TGA）を頼みにしています。

DSC：DSCは、材料内外へのヒートフローを、温度または時間の関数として測定します。相転移は、温度変化と吸熱または放熱との間の熱容量関係を中断するものであり、グラフ出力上で見ることができます。DSCは、安全な動作温度から熱乱用に及ぶ多様な条件での試験を実現します。

TGA: TGAは、サンプルの質量を温度または時間の関数として測定します。一般論として、より熱的に安定した材料の方が、質量にいかなる変化が生じる前に、より高い温度に達することができます。

あなたのDSCから得られた結果を使用して、次の問題に回答してください：

• 材料の融点、Tm
• 材料のガラス転移温度、Tg
• バッテリーを構成する各種材料の中で、最も低い相転移温度

あなたのTGAから得られた結果を使用して、次の問題に回答してください：

• 材料が分解し始める温度
• ある温度での熱分解または酸化分解に対するサンプル質量損失の量
• ある温度における分解反応（酸化反応および熱誘導反応の両方）の速度
• バッテリーを構成する各種材料の熱安定性最高温度

リチウムイオンバッテリー（LIB）の製作において、電極の作製には、溶媒中の固体導電粒子を高分子バインダーおよび活性成分と一緒に懸濁させた、「電極スラリー」というものを作製する工程が含まれます。このスラリーの性質は、寿命の質に重要な要素であり、性能および存続期間に影響を及ぼします。有効な電極スラリーの作製における主な矛盾は、スラリーの粘度と粘弾性が、均質な生成物という最終的な目標の下で、狭い範囲内になければならず、その一方で、いくつかの工程のために十分高く、別の工程のために十分低くなければならないことです。

初期混合では、粘度は、均一な混合を実現するために十分低くなければなりません。混合後、粘度は、導電性固体が均一に懸濁された状態を維持し、凝結を避けるために十分高くなければなりません。さらに、スラリーは、均一に塗布することができ、乾燥中平らな状態を維持し、剥離が生じないよう十分な粘着力を持っていなければなりません。非ニュートン流体は、粘度に関して単一で一定の測定値を持たないことから、最適なソリューションです。