AutoPore Vは、リチウムイオン電池のセパレーターや電極の特性評価に使用できる水銀ポロシメトリーを採用しています。このユニークで価値ある技術は、安全性、エネルギー密度、サイクル寿命の延長に不可欠な特性を迅速かつ正確に評価します。MicroActiveソフトウェアは、データを簡単に含めたり除外したり、インタラクティブに実験的に取得したデータポイントの希望する範囲に当てはめたり、計算バーを移動させたりすることで、インタラクティブにデータを評価することができます。

このアプリケーションノートでは、AutoPore VとそのMicroActiveソフトウェアを使用して、リチウムイオン電池セパレータの細孔構造を特性評価する試験方法について説明します。

リチウムイオン（Li-ion）電池は先進的なエネルギー貯蔵技術であり、電化を伴う再生可能で持続可能な産業ソリューションのトレンドにおいて重要な役割を果たす。リチウムイオン電池は高エネルギー密度、高出力密度、長サイクル寿命を持ち、これがリチウムイオン電池の採用を後押ししている。セパレーターはリチウムイオン電池の中で重要な部品であり、リチウムイオンを含む電解液のイオン伝導性を最大限に高めながら、負極と正極を機械的に分離します。その設計と性能は、電池の容量、サイクル寿命、安全性能に直接影響します。

セパレーターは、電解液を保持するのに十分な気孔率を持たなければならないが、気孔率が高すぎると、過熱した電池をシャットダウンする気孔の閉鎖能力が妨げられる。気孔のサイズは電極成分の粒子サイズよりも小さく、均一に分布していなければならない。これにより均一な電流分布が確保され、負極上でのリチウムデンドライトの成長を抑制することができます。このアプリケーションノートでは、革新的なバッテリーセパレーターの気孔率と気孔径分布の両方を測定するために、水銀圧入を用いたAutoPoreの使用方法を紹介します。

バッテリーセパレーターの特性評価技術

隔膜とも呼ばれるセパレータの気孔率は、一般的に水銀圧入法で直接測定され、気孔率の結果は一般的に約40％～60％です。セパレーターは厚さ100 µm以下の薄いフィルムであり、測定の統計的信頼性を向上させるために、試験サンプルは、サンプルホルダーまたはペネトロメーター内に収まるサイズの複数のピースで構成されます。しかし、ダイアフラムの気孔率を調べるために水銀圧入法を用いると、これらのサンプル試験片の隙間に水銀が圧入される可能性が高い。

試料片間の間隙へのこの侵入は、材料の特徴ではない非常に大きな孔の充填を示すように見える。ペネトロメーターは、分析開始前に気孔を満たさないように、最初は非常に低い圧力で水銀が充填されています。

圧力は、より小さいサイズの細孔を充填するように、小さなステップで増加するので、実際の細孔の充填よりも先に間隙が充填されることになる。その結果、見かけの細孔容積分布に誤差が生じる。このアプリケーションノートでは、セパレーターの気孔率分析への間隙充填の寄与を特定し、排除する方法について説明します。

リチウムイオン電池セパレーターの気孔率を理解する

未知の細孔構造を持つ新しいセパレータ設計を開発する場合、細孔への侵入が発生する圧力範囲も不明である。この場合、Washburn の式に基づき、約180 µm に相当する 1.0 psia のような低い充填圧力でセパレーターの分析を行う。

D = -4γcosθ /P
γ=485dyne/cm（水銀表面張力）
θ=130°（水銀とセパレータの接触角）

完全水銀圧入結果に対する累積圧入量とログ差分圧入量

図2aと図2bは、それぞれセパレーターの印加圧力と孔径の関数としての累積侵入量と対数差分侵入量を示している。ほとんどのセパレーターでは、孔の大きさは通常数百ナノメートル以下である。この例では、細孔容積のほとんどは10,000nm（10μm）より大きいサイズにあるようで、細孔容積は約6mL/gである。これはバッテリーセパレーターの隔膜として予想されるよりもはるかに大きい。セパレーターの厚みが小さいため、統計的に適切な孔径分布を得るためには、複数の破片を分析する必要がある。積層片の分析では、試験中のセパレーターの層間の空間が充填されたことに起因する見かけ上の空隙が生じる。この間隙容積は、セパレーターの実際の気孔容積の一部ではない。

図2bの全解析結果をもう一度見ると、数千nmより大きい孔径とそれより小さい孔径の2つの領域で、見かけ上孔が侵入しているように見える。AutoPoreソフトウェアのMicroActive機能を使用すると、細孔充填を表す侵入だけを含むようにレポートを編集することができる。コンピュータのマウスを使って範囲バーを動かすだけで、含める範囲をすばやく調整でき、その結果、気孔径分布、密度、気孔率の変化がリアルタイムで表示されます。さらに、材料の圧縮率や細孔構造の統計量（屈曲率や透水率など）を調整することもできます。

図3では、約2µm（2000nm）を超える空間への侵入を除外するよう、レポートが編集されている。その結果、ポリエチレン製リチウム電池のセパレーター隔膜に予想されるように、比気孔容積が0.7 cm³/g、気孔径の中央値が0.132 µm（132nm）、気孔率パーセントが40%となり、その結果算出された屈曲度が表1に示されています。

累積湧出量と対数差分湧出量と孔径の関係

間質充填を削除

表1：間充満を除去するために編集した後のまとめ。

侵入データと間隙構造の概要

検証結果

結論

したがって、AutoPore VソフトウェアのMicroActive機能を使用し、セパレータの全空隙率に関して何が予想されるかについて少し知識を得ることで、分析前に水銀充填が発生する領域が不明な場合でも、間質性水銀充填を除去するために細孔容積分布を最適化することができる。

累積侵入量プロットと対数差分プロットの出現は、ともに間隙充填と間隙充満の分裂がどこで起こるかを示すのに役立つ。累積曲線はほぼ平坦になり、対数差分は同じ圧力範囲で相対的な最小値を示す。セパレーターの骨格密度に基づく細孔容積と空隙率パーセントは、間隙充填領域と細孔充填領域の間の分岐点の選択を確認するのに役立つ。

この技術により、偽の細孔情報を排除し、空隙率、細孔容積、迷路度などの細孔特性を直接測定することができる。