【リチウムイオン電池の接触抵抗低減】Al箔やCu箔の接触抵抗を下げる方法

【リチウムイオン電池の接触抵抗低減】Al箔やCu箔の接触抵抗を下げる方法

 

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。

 

また、一般的に内部抵抗の低い電池の方が作動電圧が高く保て良い電池ですが、この内部抵抗の一つとして接触抵抗と呼ばれるものがあります。

 

接触抵抗の中でも、正極や負極の基材として使用される集電箔(Al箔やCu箔)の接触抵抗を下げる方法について、こちらのページで解説しています。

 

・正極や負極の基材として使用される集電箔(Al箔やCu箔)の接触抵抗を下げる方法

 

というテーマで解説しています。

 

 

リチウムイオン電池の内部抵抗と接触抵抗の概要

 

リチウムイオン電池の内部抵抗はこちらのページで詳細を解説していますが、

 

@正極、負極の電荷移動抵抗(活性化過電圧とも呼びます)

 

A固体内拡散抵抗(濃度過電圧とも呼びます)

 

BLiイオンの電解液中の移動抵抗

 

Cタブリードやバスバーなどのリード抵抗に分類できます。

 

 

さらに細かく考えますと、正極・負極の基材と活物質間の接触も抵抗となっており、ここの抵抗を下げることも内部抵抗の低減に非常に重要となります。

 

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基材と活物質間の接触抵抗を下げる方法

 

@基材の表面を粗くする

 

接着理論などでも有名な話なのですが、基材の表面を粗くすることで活物質と基材の表面積を増やすことができ、より密接に接触することで接触抵抗を下げることができます。

 

表面を粗くする方法としては、化学的な処理から物理的な処理まで多々検討されているようです。

 

 

A基材に炭素アンダーコート処理を施す(特に正極Al側)

 

基材特に正極のAl側は空気中では最表面が酸化アルミ層(アルミナ)となっており、このアルミナは絶縁体であるために、接触抵抗が大きくなっています。

 

ここで、Al基材に炭素アンダーコート処理を施すことにより、活物質が持つ大きい表面電荷がこのアルミナの対して働きかけ電荷の偏りから生じる接触抵抗の増大を遮断することができ、結果として接触抵抗を低減させることができるためです。

 

 

B活物質に炭素被覆を施す

 

Aと同様の理由から、基材と活物質間の間に電荷の偏りを遮断するカーボンのような層が入れば接触抵抗が下げられるため、活物質側にカーボンコートをすることも方法の一つとして挙げられます。

 

特に、カーボンは正極中に導電助剤としても添加することが一般的ですので、コートする材料としては問題ありません。

 

また、リン酸鉄リチウムなどの活物質ではその導電性が低いため、製品として元からカーボンコートされた材料が一般的なものもあります。

 

 

C正極の材料(特にバインダー)、組成や混練条件を最適化する

 

電極は主に活物質、導電助剤、バインダーなどから構成されますが、その材料や組み合わせによっても大きく性能が関係してきます。

 

組成はおよそ、90:5:5程度をベースに各企業により最適化がされていますが、極端に活物質を多くし98:1:1のような組成で作ると容量[Ah,mAh]は大きくなりますがバインダーがうまく機能せず、基材にうまく合剤が付かずぼろぼろと剥離しやすい電極になり、接触抵抗が非常に大きく、またサイクル特性も悪い電池となってしまいます。

 

そのため、材料自体や組成、さらには電極作成時の混練、塗工条件も見直していきましょう。

 

 

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