リチウムイオン電池の熱分－アプリケーションガイド

熱分析向けの革新的な分析ソリューションを使用して、アノード/カソード電極材料、セパレータ、電解質など、個々のバッテリー構成要素を試験できます。バッテリーの熱安定性、発熱反応、エンタルピーを調査するための重要なツールには、示差走査熱量測定(DSC)、熱重量分析(TGA)、熱機械分析(TMA)、動的機械分析(DMA)などがあります。

過熱や爆発の可能性など、熱暴走状態に関連するリスクは、EVアプリケーションでリチウムイオン電池（LIB）の使用にとって、特に重要です。バッテリーの安全性は、日常生活でバッテリー技術をより活用するための重要な要素です。

このアプリケーションガイドでは、リチウムイオン電池技術の概要を示し、研究開発や品質管理アプリケーションを支えるためのさまざまな熱分析手法を導入する方法を説明します。

以下のアプリケーション例を説明します。

電解質中LiFePO4カソード材料の熱安定性
電解質混合物の特性評価
TGAとTMAによる微孔性セパレータの分析
TGAとDSCによるPVDFの品質管理
酸化グラフェンからグラフェンへの変換(アノード材料)

バッテリー容器向けの熱分析手法の一般的なアプリケーション

1回の実験から劣化成分に関するより多くの情報を取得するために、メトラー・トレドのTGAまたはTGA/DSCを適切なガス分析システムに連携することができます。新しいシステムでは、発生ガス分析（EGA）を実行できるようになりました。TGAは、フーリエ変換赤外線分光法、質量分析法、ガスクロマトグラフィー質量分析法、またはマイクロガスクロマトグラフィー質量分析法（それぞれFTIR分光測定/FTIR分光法、MS、GC / MS;マイクロGC（/MS））に接続できます。

リチウムイオン電池の基本的な動作原理

LIBは、正極（カソード）、負極（アノード）、電解標準液で構成されています。充電時には、カソード（通常はコバルト酸リチウム）が酸化され、アノード（通常はグラファイト）が還元されます。セルが放電しているとき、逆のことが起こります。Li+イオンは電気化学反応全体には関与せず、酸化状態のままになります。有機溶媒、リチウム塩、およびさまざまな添加剤からなる液体電解質を介した拡散によってアノードとカソードの間を移動します。セパレータは、アノードとカソードが電気的に隔離された状態に保たれることを保証しますが、十分な多孔性を持つため、電解質とLi+イオンはセパレータを簡単に通過できます。

電極（アノードとカソード）

電極の性能と安全性は、充放電に起因する経年変化とカソード活性材料の劣化に大きく影響されます。熱容量、分解温度、エンタルピー測定を正確に測定できる熱分析技術は、熱安定性研究の基本的な助けとなります。

バッテリーセパレーター

リチウムイオン電池のセパレータは、バッテリーの性能と寿命、信頼性と安全性に重大な影響を与えます。Li+イオンがアノードとカソードの間ですばやく移動できるように薄くする必要がありますが、劣化すると内部短絡につながる可能性があるため、セパレーターの構造的完全性も重要です。

セパレータの熱特性の評価には熱分析が用いられ、一般的にはセパレータはポリオレフィン（PPやPEなど）で作られています。このような膜の技術的限界には、貫通抵抗、収縮、およびメルトダウンなどがあります。これらの特性は、熱重量分析（TGA）、示差走査熱量測定（DSC）、および熱機械分析（TMA）によって調べることができます。

電解液

示差走査熱量測定（DSC）は、リチウムイオン電池のサイクル安定性、エネルギー密度、および安全性に重要な意味を持つ電解液中のカーボネイトの組成と含有量を研究するために、品質管理プロセスで使用できます。またDSCでは、充放電プロセスの最低温度を決定するための電解質の融解と結晶化に関する情報を提供します。