リチウムイオン電池の負極における粒子径と粒子形状がエネルギー密度に与える影響の検討
2022-04-15Application Note
リチウムイオン電池（LIB）の負極材料において、粒子径と粒子形状は、エネルギー貯蔵性能に大きく影響する重要なパラメーターです。製造プロセスの効率を高めるためには、これらの特性を最適な範囲で管理・制御することが求められます。グラファイトの粒子径はレーザー回折法で、粒子の円形度は動的画像解析法で測定することが推奨されています。これまで、粒子径と形状をそれぞれ別の装置で測定する必要がありましたが、Bettersizer S3 Plusは、1台で両方の測定技術を搭載しており、1回の測定で粒子径と形状のデータを同時に取得することが可能です。
| 製品 | Bettersizer S3 Plus |
| 産業分野 | 電池・エネルギー |
| サンプル | グラファイト（黒鉛） |
| 測定項目 | 粒子径・粒子形状 |
| 測定技術 | レーザー回折法・動的画像解析法 |
はじめに
近年、リチウムイオン電池はその長寿命、メモリー効果なし、低自己放電率といった特長から、多くの分野で幅広く利用されています。特に電動工具や電気自動車などの用途拡大に伴い、より高エネルギー密度のバッテリーが求められるようになっています。
エネルギー密度を向上させる上で、負極に使用されるグラファイトの粒子径と粒子形状の最適化は欠かせません。粒子径は一般的に約20µmが最適とされ、この範囲で最も効率的にエネルギーを蓄えることができます。粒子の円形度も重要な因子であり、円形度が高い粒子は**タップ密度（かさ密度）**を高め、より多くのエネルギーを同体積内に蓄えることが可能になります。製造現場では、タップ密度1g/mL以上が理想的とされており、粒子の形状管理が製品性能に直結します。本アプリケーションノートでは、Bettersizer S3 Plusを用いて、粒子径および粒子形状の測定を実施し、LIB負極材料におけるエネルギー密度への影響を評価した事例をご紹介いたします。
図1.Bettersizer S3 Plusの光学系
実験結果
粒子径分布
Bettersizer S3 Plusのレーザー回折法を用いて、グラファイト試料の粒子径と粒子径分布を測定しました。図2に3種類の試料の粒子径分布を示し、代表的な粒子径を表1に示します。図2から、試料AからCにかけて粒子径が徐々に大きくなっていることがわかります。中央値（D50）は、それぞれ6.804 µm（試料A）、15.98 µm（試料B）、23.72 µm（試料C）でした。
図2. グラファイト試料3種の粒子径分布
表1. グラファイト試料の代表粒子径
|
Sample |
D10 (μm) |
D50 (μm) |
D90 (μm) |
|
Sample A |
4.264 |
6.804 |
10.49 |
|
Sample B |
9.220 |
15.98 |
27.18 |
|
Sample C |
11.60 |
23.72 |
39.98 |
粒子径は、リチウム挿入特性（初期可逆容量、不可逆容量、サイクル性能）に影響を与えます。研究によると、粒子径が増加すると初期不可逆容量が減少し、可逆容量は20μm付近で最大になる傾向があります。[1]このため、20 µm付近の粒子径を持つ試料BおよびCは、試料Aよりも高いエネルギー蓄積性能が期待されます。
粒子形状
Bettersizer S3 Plusは動的画像解析法により粒子の形状パラメータを測定可能です。3種類のグラファイト試料について円形度（Circularity）を測定し、結果を表2に示します。中央値（C50）はそれぞれ0.862（A）、0.896（B）、0.876（C）で、タップ密度（かさ密度）はBが最も高く1.01 g/mLでした。
表2. グラファイト試料の円形度およびタップ密度
|
Sample |
円形度 |
タップ密度 (g/mL) |
||
|
C10 |
C50 |
C90 |
||
|
Sample A |
0.813 |
0.862 |
0.917 |
0.85 |
|
Sample B |
0.842 |
0.896 |
0.950 |
1.01 |
|
Sample C |
0.774 |
0.876 |
0.924 |
0.95 |
負極材の体積エネルギー密度を高めるためには、高いタップ密度が望ましく、球状グラファイトの場合1 g/mL以上が理想とされています。[2]一般的に、粒子径が大きくなるとタップ密度も上昇します。さらに、タップ密度は粒子形状（特に円形度）にも強く影響され、円形度が高いほどタップ密度が高くなる傾向があります。 [3]以上より、試料Bは粒子径と形状の両面で、3試料中で最も優れたエネルギー蓄積性能を有すると予想されます。
再現性
粒子径測定において、再現性は非常に重要な指標です。図3は試料Cを3回繰り返し測定した際の粒子径分布で、結果は非常に近く、優れた再現性を示しています。
図3. 試料Cの粒子径測定における再現性
|
Samples |
D10 (μm) |
D50 (μm) |
D90 (μm) |
|
Sample C-1 |
11.60 |
23.72 |
39.98 |
|
Sample C-2 |
11.55 |
23.74 |
40.09 |
|
Sample C-3 |
11.54 |
23.76 |
40.24 |
|
Repeatability |
0.28% |
0.08% |
0.33% |
表3. 試料Cの代表粒子径における再現性
これらの結果から、Bettersizer S3 Plusは高い信頼性と再現性を持つ測定が可能であることが示されました。
結論
リチウムイオン電池の負極材において、粒子径と粒子形状はエネルギー密度に直結する重要なパラメータであり、製造プロセス全体を通じて最適な管理が必要です。中国国家標準GB/T 38887-2020では、粒子径はレーザー回折法、円形度は動的画像解析法で測定すべきとされています。[4]従来は複数の機器を使用する必要がありましたが、Bettersizer S3 Plusは1台で両方の測定技術を搭載しており、一度の測定で粒子径と形状の両方を把握可能です。製品開発や製造工程の効率化・品質向上を目指す現場において、極めて有効なツールです。
参考文献
[1] Chen, J., Zhou, H., Chang, W., & Ci, Y. (2003). Effect of Particle Size on Lithium Intercalation Performance of Graphite Anode. Acta Physico-Chimica Sinica, 19(03), 278-282.
[2] Yan, C., Zhang, M., & Lin, Y. (2015). Effect of Graphite Particle Size on Tap Bulk Density. Non-Metallic Mines, 38(3).
[3] Teng, D., Li, P., Yuan, N., Lyu, J., Chen, J., Lin, L., & Chen, H. (2021). Process para meters optimization of natural graphite spheroidization. China Powder Science and Technology, 27(4).
[4] GB/T 38887-2020 - spherical graphite.
著者について
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Xiurong Qiu Application Engineer @ Bettersize Instruments |
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高性能リチウムイオン電池の秘訣を解き明かす！ 製造効率やエネルギー密度の向上に役立つ、 粒子径・粒子形状解析の最新事例をこの1冊に。 |
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