リチウム電池正極材料におけるレーザー粒度分布測定装置の応用
2021-03-23Application Note
高いエネルギー貯蔵性能、安定性、安全性を実現するためには、リチウム電池正極材料の粒度分布を厳密に管理する必要があります。そのため、電池メーカーにとって、ベターサイザー2600レーザー粒度分布測定装置で電極材料の粒度分布を迅速かつ簡単に測定することが重要です。
| 製品 | ベターサイザー2600 |
| 産業分野 | 電池およびエネルギー |
| サンプル | リチウム電池正極 |
| 測定タイプ | 粒子径 |
| 測定技術 | レーザー回折 |
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はじめに
新しいエネルギーの急速な発展、特に自動車産業とスマートウェアラブルデバイスの発展に伴い、リチウム電池用正極材料の研究と生産が徐々に世界的に注目されるようになってきた。中でも、高容量、長寿命、高い安全性、低価格を実現するリチウムイオン電池正極材料の開発が重要な研究分野となっている。この分野への取り組みは電池産業の主流となり、急速な発展を遂げている。統計によると、2021年1月初め、自動車業界ではリチウムイオン電池がフル生産体制となり、年末の注文が急増した。このため、川上の高性能原料、特にリチウムイオン電池の正極材の供給が不足した。
一般に、リチウムイオン電池正極材料には、リン酸鉄リチウム、コバルト酸リチウム、炭酸リチウム、高ニッケル三元系材料などがある。すべての正極材料の粒子径と粒子径分布は、これらの電池の充放電性能に直接影響する。したがって、リチウムイオン電池正極材料の粒度分布を測定することは、これらの電池の開発および製造において極めて重要である。
リン酸鉄リチウムは、リチウムイオン電池の正極材料として一般的に使用されている。その粒度分布は、リチウムイオン電池におけるリン酸鉄リチウムの加工および応用性能を決定します。このアプリケーションノートでは、Bettersizer 2600レーザー粒度分布計を使用して、5種類のリン酸鉄リチウムサンプルの粒度分布を測定しました。
ベータサイザー2600レーザー粒度分布測定装置
リン酸鉄リチウム粒子の粒度分布
図1.リン酸鉄リチウム粒子の粒度分布
リン酸鉄リチウム粒子の代表的な粒径値
表1.リン酸鉄リチウムの代表的な粒度値
| サンプル | D10 (μm) | D50 (μm) | D90 (μm) |
| B | 0.370 | 0.991 | 2.790 |
| D | 0.973 | 4.228 | 11.150 |
| A | 0.388 | 1.057 | 3.126 |
| C | 0.387 | 0.956 | 2.970 |
| E | 0.985 | 10.190 | 18.330 |
一般的に、リン酸鉄リチウムの平均粒子径は、リチウムイオン電池の電気化学特性に大きな影響を与える。小さな粒子は、リチウムイオン電池の活物質の比表面積を増加させ、電池内のリチウムイオンの拡散経路を短くすることができるため、リチウムイオン電池の電気化学反応性を促進することができる。[1].
しかし、リン酸鉄リチウムの粒子径が小さすぎると、粒子が凝集しやすくなる。その結果、電子伝導度と固相拡散係数が低下し、リチウムイオン電池の内部抵抗が増大する。高い内部抵抗の影響で、電流の一部が熱エネルギーに変換される。このため、リチウムイオン電池からの熱損失が大きくなり、最終的に電池の容量と放電性能に影響を与える。
有名なリン酸鉄リチウムメーカーからのフィードバックによると、リン酸鉄リチウム製品のD50のほとんどは1μm～2.5μmの範囲にある。このサイズ範囲では、リチウムイオン電池の効果的な放電性能が最適なレベルに達するため、電気化学的特性が最も優れていることが分かっています。また、少量のリン酸鉄リチウム粒子のD50は、試料DやEのように3.5μm〜8μmの範囲にあり、内部抵抗が高く、電気化学的特性が劣るため、リチウムイオン電池の期待寿命、使用可能容量、充放電速度、安全性が低下する。
表1からわかるように、リン酸鉄リチウムA、B、Cの平均粒子径は約1μmであり、D、Eの平均粒子径は4μmから10μmであった。試料Eでは、粒径が大きすぎるために活物質中のリチウムイオンの固相拡散係数が低下し、内部抵抗が増加して有効電荷が減少する可能性がある。
同一リン酸鉄リチウム試料の複数回測定
図2.試料Aの繰り返し測定
図2から、ベターサイザー2600によるリン酸鉄リチウムの複数回測定は、良好な結果の再現性を示していることがわかります。D10、D50、D90の再現性の値はそれぞれ0.13%、0.07%、0.09%で、ISO 13320[2]の要件をはるかに下回っています。[2].したがって、ベターサイザー2600を用いたリン酸鉄リチウムの粒度分布測定は高い再現性を有する。
結論
リチウムイオン電池の正極材料の粒度分布は、電池の性能に影響する重要なものです。与えられた負極材料とセルサイズに対して、正極材料の粒度分布を調整することで、リチウム電池のエネルギーと電力を最適化することができる。高いエネルギー貯蔵、安定性、安全性能を達成するためには、リチウム電池正極材料の粒度分布を厳密に制御する必要がある。そのため、電池メーカーにとって、ベターサイザー2600レーザー粒度分布測定装置で電極材料の粒度分布を迅速かつ簡単に測定できることが重要です。
参考文献
[1] Battery materials for ultrafast charging and discharging, B Kang, G Ceder, Nature, 12 March 2009, vol 458.
[2] ISO 13320 (2009) 粒度分析 - レーザー回折法.
著者について
 | 張 方芳 アプリケーションエンジニア |
| 高性能リチウムイオン・バッテリーの秘密を、7つのバッテリー・アプリケーション・ノートで解き明かしてください。(pdf) |  |
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