最も重要なバッテリー構成要素の一つに電解質があります。これは、放電プロセスにおいて、正に帯電したイオンをカソードからアノードへ輸送する導電性の溶液です。リチウムイオンバッテリーの電解質は、通常、有機溶媒の混合液に溶かしたリチウム塩を原材料としています。バッテリー形成の過程で、電解質の溶媒と塩成分がアノードで還元され、その結果として、固体電解質相間界面（SEI）が生成されます。SEIは、バッテリーの動作および安全性において不可欠な役割を果たします。
現在のバッテリー研究者は、液体・ゲル・ポリマー・固体状態電解質のさまざまな調合物を使用して実験を行っています。好結果が得られる電解質の設計では、粘度、導電性、電気化学的安定性、およびコストのバランスを取ることが不可欠です。大多数の電解質は、低温では良好に機能することができますが、たとえ中温でも限定的な熱安定性を持っています。
バッテリー開発者は、熱分析に頼って、電解質の熱安定性を測定し、設計により火災の可能性や劣化が回避されることを確実にしています。電解質の熱安定性は、示差走査熱量測定法（DSC）および熱重量分析法（TGA）によって調査することができます。また、これらの手法を組み合わせることで、電解質の熱特性の包括的な分析が実現します。レオロジーにより、技術者は、製造の過程で、粘度を測定し、最高のポンプ圧送性を有する電解質溶媒を作製することができます。
機器および試験パラメーター
材料：非水溶媒
材料の例：炭酸塩および電解液、六フッ化リン酸リチウム（LiPF6）
電解質および添加剤の分子分解
- 熱安定性
- 分解温度
- 組成同定
- 揮発性物質含有量
- 不純物の特定
- 発生ガス分析, TGA-MS, TGA-FTIR, TGA-GCMS
- 大気分析
- グローブボックス内操作対応
- アルゴン＆窒素によるパージ環境
- ポンプ能力、輸送
- 降伏応力
- 粘度（ニュートン、シアシニング、シアシックニング）
- 粘弾性
- 充放電サイクルの伝導率への効果
- 粘度
- エレクトロレオロジー
- 大気分析
- グローブボックス内操作対応
- アルゴン＆窒素によるパージ環境
適用例
熱暴走の原因となる熱事象とは？
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。
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。
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
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。
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。
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