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リチウムイオン二次電池研究開発におけるソリューション

電池の分類

 

 

電池は、われわれが日常的によく使用している化学電池、半導体を利用して、光エネルギーを直接的に電力に変換する太陽電池のような物理電池、酵素や微生物を用いた酵素電池のような生物電池に分類されます。リチウムイオン二次電池は、化学電池の中の二次電池に分類されます。一次電池には、マンガン電池、アルカリ電池、水銀電池などがあり、汎用的に利用されています。一次電池 (Primary Battery) が使い捨てであるのに対して、二次電池 (Secondary Battery/Rechargeable Battery) は充電することで繰り返し使用することができます。二次電池として最もポピュラーなのは自動車に使用されている鉛蓄電池でしたが、充電式の乾電池としてニッカド電池 (NiCd) が紹介され、環境安全性などの観点から、ニッケル水素(NiMH)電池、リチウムイオン(Li-ion)二次電池へと進化し続けています。

 

リチウムイオン二次電池の特長
1世紀近い歴史を有する二次電池である鉛蓄電池は、現在でも自動車用をはじめ、無停電電源などに広く活用されています。電気容量あたりのコストが他の二次電池に対して圧倒的に低く、かつ大電流放電が可能である鉛畜電池には、設置スペース(大容積)、高い重量、低温特性が悪いなどの弱点があります。 ニッカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池は、個々の特長を有していますが、今後はリチウムイオン二次電池に収束されていく方向にあるかと思われます。ニッカド電池は、大電流放電が可能な二次電池として、鬚そり用、電気ドリル等電動工具に使用されました。しかし、カドミウムが環境汚染物質であるなどのネガティブなイメージや、ヨーロッパにおける回収の義務化などの課題があります。その後開発されたニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池と比較すると、容量あたり重量が重く、メモリ効果などの問題から普及にはいたりませんでした。また、携帯電話、ノート型PCの普及を受けて、1990年代に登場したリチウムイオン電池は、重量容量密度が優れています。また、浅い放電と充電を繰り返すことが原因で発生する放電容量の減少(メモリ効果)もなく、継ぎ足し充電が可能な特長を有しています。

  • 高いエネルギー密度
    同じ容積のニッカド(NiCd)電池、ニッケル水素(NiMH)電池に比べて、
    重量エネルギー密度は、2.0~5倍
    体積エネルギー密度は、1.5~3倍
  • 高い動作電圧
    ニッカド電池、ニッケル水素電池で得られる約3倍の高電圧
    直列接続する電池の使用本数を1/3にすることが可能
    電池使用機器の小形・軽量化を容易にする
  • メモリ効果がない
    継ぎ足し充電が可能
  • 環境に優しく安全性が高い
    カドミウム・鉛・水銀等の環境規制物質が未使用
    過充電に強い
    高い熱的安定性
  • 急速充電が可能・充電放電に伴う高いリサイクル特性

 

 

リチウムイオン二次電池の機構

 

 

リチウムイオン二次電池の構成部品

 

 

電解液劣化機構解析事例
Xevo G2-XS Tof による充放電後の電解液中の生成成分および電極付着有機物の構造推定

 


Reference : Journal of The Electrochemical Society,151(8) A1202-A1209 (2004), “Identification of Li-Based Electrolyte Degradation Products Through DEI and ESI High-Resolution Mass Spectrometry” , S.Laruelle, S.Pilard, P.Grugeon, S.Grugeon, and J.-M.Tarascon.

 

加速劣化試験および劣化機構解析
新規材料・物質の安定性評価・性能変動などの試験では、その変動要因の解析が求められます。劣化試料中の不純物の構造解析は、主成分の分解、重合などの劣化プロセスを解明し、有効な安定化添加剤の選定基準となります。劣化前後の比較分析には、MarkarLynxによる多変量解析 (OPLSモデル)が有効です。多くの成分情報の中から差異成分を容易に特定し、抽出することが可能です。
加速劣化試験および劣化機構解析におけるワークフロー劣化機構解析では、加速劣化または経時変化前後の試料をUPLC/飛行時間型質量分析計でn≧3で測定し、網羅的に検出した成分情報(保持時間、精密質量、ピーク面積)を自動的にテーブル化します。この成分情報をOPLSモデルで解析すると、S-Plotが得られます。 S-Plotでは、視覚的に劣化前後での増減成分を容易に抽出することができます。S-Plotにおける各プロットは、精密質量、保持時間で特定される各成分(ピーク)に対応します。赤でマーキングした2つのプロットは劣化前後で最も増減の多かった成分を示しています。このプロットをクリックすると、トレンドプロットが表示でき、劣化前後におけるその成分の増減を確認することができます。この2つの成分は劣化において酸化・還元・分解・重合などの関係にあると推定されます。

 

電解液劣化機構解析におけるシステムソリューション

 

UPLC/Xevo G2-XS Tof (UPLC/四重極・飛行時間型質量分析計)
■ IntelliStartによるオートキャリブレーション機能
■ LockSpray機能による高精度精密質量測定
■ i-Fitによる高精度の組成解析
■ 超高速高分離LCに最適
■ ESCi,APCI/APPI,ASAP,APGCに対応

UPLC/SYNAPT G2-Si (UPLC/四重極・IMS・飛行時間型質量分析計)
■ イオンモビィリティー機能搭載
■ TAP フラグメンテーション(フラグメントイオン間帰属)
■ IntelliStartによるオートキャリブレーション機能
■ LockSpray機能による高精度精密質量測定
■ i-Fitによる高精度の組成解析
■ 超高速高分離LCに最適
■ ESCi,APCI/APPI,ASAP,APGC,MALDIに対応

 


リチウムイオン二次電池の充電放電の機構では、充放電によってリチウムイオンが正極と負極との間をセパレータを介して行き来するだけです。そのため、正極材料と負極材料の形態変化は本質的にありません。

 

 

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