電池の対向容量比とは?利用容量とは?電池設計の基礎

リチウムイオン電池における対向容量比とは?電極の利用容量とは?

 

リチウムイオン電池の設計を行う際に使用する材料だけでなく、電極の構造的な要因、例えば電極の塗工質量であったり、正・負極の反応面積、エレメントの数などのパラメータがあり、これらにより電池の容量出力性能、サイクル特性やフロート特性といった寿命も大きく変化します。

 

この電極の構造的な要因の一つに対向容量比、もしくは正、負極の利用容量と呼ばれるパラメータがあり、
こちらのページではこの対向容量比について解説しています。

 

・対向容量比(正・負極の利用容量)とは?1 正極の利用容量を考える

 

・対向容量比(正・負極の利用容量)とは?2 負極の利用容量を考える

 

というテーマで電池設計の基礎を交えつつ、解説しています。

 

 

対向容量比(正・負極の利用容量)とは?1 正極の利用容量を考える

 

対向容量比は若干複雑なパラメータですので、順を追って解説していきますね。

 

電気自動車用リチウムイオン電池などに使用されている電池には、ラミネート型電池が主に採用されています。

 

そして、ラミネート電池のエレメントには主に積層式と呼ばれる電極を一枚、一枚切り出し(シートカットし)たものを積み重ねる形式で作られるものが採用されていることが多いです。

 

ここで、正極一枚-負極一枚の間をセパレータで挟み、電解液を入れたラミネート電池を作製するとしましょう。

 

正極は活物質にコバルト酸リチウムを、導電助剤にアセチレンブラック、バインダーにPVdFが使用されているとし、その組成は90:5:5であるとします。

 

ここで、コバルト酸リチウムの理論容量は274mAh/gですが、理論容量のすべてを使用すると充電時にLiが引き抜かれ、コバルト酸リチウムの結晶構造が崩壊するため、その半分程度までを使用することが一般的です。

 

今回130mAh/g分を使用するとします。

 

この130mAh/gのことを正極活物質の利用容量と呼びます。

 

そして、不可逆容量は0であるとします。

 

さらに、合剤の塗工質量は1.5g/100cm2であるとします。

 

すると、100cm2あたりの容量を考えますと、1.5g/100cm2 × 100cm2 × 0.9(活物質の割合) ×130mAh/g = 175.5 mAhとなります。

 

そして、今回も10cm×10cm分合剤が塗られているとしましょう。

 

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対向容量比(正・負極の利用容量)とは?2 負極の利用容量を考える

 

同様に負極の方も考えていきましょう。

 

負極は活物質に黒鉛を、バインダーにSBRを、増粘剤としてCMCが使用されているとし、その組成は90:5:5であるとします。

 

ここで、黒鉛の理論容量は372mAh/gですが、理論容量のすべてを使用すると充電時に負極の電位が低下しすぎ電析する場合があるため300mAh/g程度まで使用することが一般的です。

 

ただし、この300mAh/gという量は初回充電時のSEI被膜生成による不可逆容量を含んでいないため、それを加えた量が入るように設計します。

 

また、この300mAh/gのことを負極の利用容量と呼びます。

 

不可逆容量が30mAh/gであるとすると、330mAh/gの量が初回充電で入るようにします。

 

ここで、正極から出るLiイオンに対応する電気量と負極に入るLiイオンに対応する電気量は一致するため、負極にも175.5mAh分入ることになります。

 

実際は充電時に電析が起こらないようにするため、負極の方が若干大きく作りますが、今回は計算を簡単にするため10cm×10cmでまったく同じであるとします。

 

すると、負極の塗工質量をxとすると、x g/100cm2 × 100cm2 × 0.9(活物質の割合) ×330mAh/g = 175.5 mAhという等式が成り立ち 、x ≒ 0.59g/100cm2となります。

 

最後になりましたが、対向容量比とはこの言葉を使用する企業の定義にもより若干変わりますが、対向容量比=負極の利用容量/正極の利用容量=300/130=2.31となります。

 

正・負極の利用容量と電池設計の考え方については別ページにて解説しています。
 
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