【ドライルーム、グローブボックス】露点とは?

【ドライルーム、グローブボックス】露点とは?露点の計測方法は?【リチウムイオン電池の製造】

 

スマホ向けのバッテリーや電気自動車向けバッテリーを始めとしたリチウムイオン電池において、更なる高容量化、高電圧化、高エネルギー密度化に向けて、各企業で様々な研究開発が進められています。

 

ただし、リチウムイオン電池製造時は水分の混入が厳禁であり、ドライルームやグローブボックスと呼ばれる湿度がほぼ0%である環境下で製造します。

 

このドライルームやグローブボックスの性能を表す指標の一つの「露点」と呼ばれるものがあります。

 

こちらのページでは、

 

・露点とは?

 

・露点の計測方法とは?静電容量式露点計

 

というテーマで解説しています。

 

 

露点とは?

ドライルーム内では低湿度を保つ必要がありますが、ドライルームの性能を表す指標として露点があげられます。

 

この露点とは、空気中に含まれる水蒸気が液体の水になる温度のことを指します

 

冬では窓に水滴が多くつきますよね。

 

これは温度と空気中の水蒸気の溶ける量(飽和量)は関係があり、温度が下がるほど飽和量が低下する傾向にあるからです。

 

そして、温度を徐々に下げていき、水分が出始める(結露する)温度が露点にあたります。

 

リチウムイオン電池製造時は水分が厳禁であるため、低湿度に保つ必要があり、この露点が-30℃以下になるようなドライルームやグローブボックスと呼ばれる設備において製造されることが一般的です。

 

つまり、露点が低いほどより低湿度に保てていると考えてよく、ドライルームの性能を表す指標の一つとしても露点が挙げられます。

 

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露点の計測方法とは?静電容量式露点計

 

露点の計測には、露点計と呼ばれる計測器が使用されることが一般的です。

 

露点計の一つとして、静電容量式露点計と呼ばれるものがあります。

 

形状やサイズは多々ありますが、携帯できる露点計としては片手で持てるサイズ(15cm × 20cm × 10cm程度)が一般的です。

 

この露点計の検出部は、円筒形をしており、3層構造をとります。

 

内側からアルミ、酸化アルミ(アルミナ)、金の蒸着膜で構成され、その外径は1~数mm程度です。

 

通常アルミは空気中では表面が酸化され、酸化アルミとなっているため、実際は2部品で構成されているともとらえることが出来るでしょう。

 

リチウムイオン電池の正極基材にもアルミが使用されていますが、表面は酸化され酸化アルミとなっています。酸化アルミは絶縁体であるため、接触抵抗が高くなり、表面を粗くすることなどにより内部抵抗を下げる工夫がされています。)

 

ここで、最表面の金の蒸着層と再内部のアルミは露点計のシステムの内部で回路として成り立っており(キャパシタと似たような仕組み)、間の酸化アルミが絶縁層となっています。

 

つまりキャパシタなどと同じように、二つの電極とセパレータで構成されていることになります。

 

この検出部には交流電圧は印加されているため、内部抵抗(交流インピーダンス)を測定することができます。

 

そして、水分が最表面から入ることでこの内部抵抗と絶縁体の静電容量が変化します。
(水分が多いほど内部抵抗が小さく、静電容量が大きくなります)。

 

この変化を測定し、変換することで露点が算出されるという仕組みになっています。

 

特に、最表面の金の蒸着層や酸化アルミ層は多孔質となっており、水分が検知しやすい仕組みをとっています。

 

このように、静電容量を検知することで水分量、露点を算出する計測器であるため、静電容量式露点計と呼ばれるのです。

 

電池や電気二重層キャパシタにおける、電気二重層の形成もこの静電容量の考え方が適用されます。

 

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