リチウムイオン電池のセパレータに求められる特性

リチウムイオン電池のセパレータに求められる特性

 

最近では、リチウムイオン電池の発火事故なども多く発生し、電池の安全性への関心がみなさん高まっているかと思います。

 

リチウムイオン電池の安全性試験の概要、位置づけについてはこちらで解説しており、安全性試験は電気的な安全性試験と機械的な安全性な試験に分けられます。

 

電気的な安全性試験の代表としては、過充電試験外部短絡試験過放電試験内部短絡試験釘刺し試験などが挙げられ、機械、熱的な安全性試験としては振動試験や圧壊試験、衝突試験、熱衝撃試験(熱冷サイクル試験)などが挙げられます。

 

これら全般の安全性と関わるリチウムイオン電池の構成材料の一つとして、セパレータが挙げられます。

 

また、安全性だけでなく、内部抵抗の一つにであるセパレータ中の電解液中のLiイオンの移動抵抗の低減も電池の設計として重要であり、この低減にもセパレータの選定が影響します。

 

 

こちらのページではリチウムイオン電池におけるセパレータに関する以下の内容を解説しています。

 

・セパレータに求められる特性

 

にというテーマで解説しています。

 

 

 セパレータに求められる特性

現在リチウムイオン電池のセパレータとして主流であるPPやPEといったポリオレフィン系セパレータなどでは下記のような特性を満たしたものが市販されています。

 

もちろん、各特性を高めるための研究開発が進んでいる最中です。

 

 

①内部抵抗の低減(電解液中のLiイオンの移動抵抗)

 

電池の出力密度を上げるためには内部抵抗の低減が必要です。

 

セパレータではLiイオンの移動抵抗を低減することが可能です。

 

 まず、上述しましたように乾式、湿式の選択、また条件の最適化により孔の長さを短く、安全性を損なわない範囲で孔径を大きくすることで、Liイオンの移動抵抗を小さく出来ます。また、セパレータの厚み自体を薄くすることで、移動抵抗は小さく出来ますが、こちらも安全性とトレードオフな関係です。

 

 

②電位窓が広いこと、耐電解液性を有していること

 

電解液等の他の部材と同様に、セパレータも電位窓が広いこと(こちらで解説しています)や他の部材との相性(たとえば耐電解液性を有していること)が良いことが求められます。

 

これらを満たしていないと、セパレータが分解され電池として成り立たなくなってしまいます。

 

 

③機械的強度が高いこと

 

製造段階で正極、負極とセパレータを合わせてエレメントを形成していきます(こちらで解説)。この段階で、巻き取りもしくはスタックしていくのですが、どちらの方式でも正極や負極の位置がずれないように、張力をかけます。そのため、この張力に耐えられるレベル以上の機械的強度が求められます。

 

 

④安全性、耐熱性が高いこと

 

 ①でも解説したように、セパレータを薄くすると内部抵抗の低減につながるのですが、薄くし過ぎると異常時の発熱でセパレータに穴が開くことで安全性の低下につながります。厚いほど安全性が高いと言えるでしょう。

 

また、70℃~100℃を超える範囲での使用を想定している場合は通常のポリオレフィン系でなく、耐熱性セパレータが必要です。現段階では通常のPP,PEセパ表面にセラミックスを薄くコートしたコーティングセパや、材質自体を変えたアラミド、ポリアミドイミドセパなどが研究されていますが、大きなシェアは取れていません。

 

あとはどの部材でもいえますが、コストが安いことが求められるでしょう。

 

 

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