電池の劣化係数とは?

電池の劣化係数とは?

 

リチウムイオン電池を始めとした充電可能な電池(二次電池)では、使用するにあたり容量が減ったり、内部抵抗が大きくなったりと劣化(劣化状態のことをSOHとも呼びます)していきます。

 

そして、経過時間などと劣化状態を結びつけるものとして劣化係数というものが用いられます。

 

こちらのページでは、電池の基礎用語である

 

・劣化係数とは?

 

というテーマで解説しています。

 

 

劣化係数とは?フロート試験における劣化係数

 

劣化係数とは、電池の寿命評価試験であるフロート試験やサイクル試験を行った場合の容量維持率の低下量とフロート時間やサイクル数を関係づける指標のことを指します。

 

つまり、電池の劣化は主に容量低下と内部抵抗の上昇に分けられますが、その中でも容量低下との関係を結びつけるための指標が劣化係数とも言えます。

 

劣化係数が大きいほど容量低下が大きいことを表しており、同条件で試験した場合、劣化係数が小さいほど劣化が小さくなり、良い電池であるといえます。

 

 

以下にフロート試験を行った場合の劣化係数Kfの概要を解説します。

 

Kの後の小文字はフロート(Float)試験のFをとったものです。

 

まず、一般的なリチウムイオン電池の構成は正極活物質にコバルト酸リチウムを使用し、負極活物質に黒鉛を使用、電解液に有機系溶媒を使用します。

 

この電池においてフロート試験を行ったとします。

 

0℃、25℃、60℃で充電上限電圧付近でCCCV充電をかけ、試験を行い、縦軸に容量維持率、横軸にフロート試験時間を摂ったとします(架空のデータです)。

 

フロート試験における劣化(容量低下)は負極に黒鉛のSEI被膜の成長が主な原因であり、ルート則と呼ばれるモデルで劣化予測(寿命予測)を行うことが一般的です。

 

ルート則とはフロート試験時間のルートをとったものと容量維持率の低下量が直線関係になるという法則であり、以下の式が成り立ちます。

 

 

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サイクル試験における劣化係数

 

同様にフロート試験だけでなく、サイクル試験においても劣化係数があり、Kcで表すことが一般的です。

 

サイクル試験における容量低下量はフロート試験より少し複雑になり、以下の式で表されます。

 

 

サイクル試験における容量の低下量は、フロート試験同様に化学反応である負極でのSEIの成長時の容量低下分と(フロートでは充電上限電圧付近に保つためこの値はサイクルの方が小さい場合が多いです)、サイクルによりLiイオンの出し入れが起きることでの正極、負極の膨張収縮による容量低下分の和で表されます。

 

また、サイクルによる容量低下分の劣化係数Kcは放電深度(DOD)の影響があり、DODが小さい試験ほどKcが小さくなることが知られています。

 

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