正極電極スラリーの安定性に及ぼす電池原料の影響
電池スラリーは高粘度の固液二相懸濁系であり、この系の安定性を評価するための最初のステップは、その組成と機能特性を研究することです。 リチウム産業の多くは、活物質、結着剤、導電剤、溶剤などを一定の割合・順序で混合・分散させた混合物である油性スラリーを使用しています。
正極活物質
正極スラリーの主な電気化学活性成分として、正極活物質は電圧、エネルギー密度、および電池のその他の基本特性を決定し、スラリーシステムの中核となります。 活物質の粒度分布、比表面積、pHまたは残留アルカリ値、およびその他の特性は、スラリーの安定性に影響を与えます。
粒度分布:
活物質の粒径と粒径分布は、スラリー製造プロセスにおける重要な要素です。 活物質の粒子が小さいほど、連続相の粘度は大きくなり、重力によって引き起こされるスラリーの層化現象は弱くなり、懸濁系の安定性が向上します。 しかし、ある程度粒子径を小さくすると、粒子間の結合力が主体となり、粒子間に凝集が生じて系の安定性が損なわれます。 したがって、スラリーの分散においては、粒子径は細ければ細かいほどよいのではなく、吸引力と反発力の相互のバランスを考慮して狭い範囲に粒子を分散させることが、スラリー系の安定性を確保するために必要となる。
比表面積:
これはセルの性能に影響を与える重要な要素です。 比表面積が大きいほど、セルの電気化学的性能が向上します。これは、セルの内部抵抗の低下、容量の性能の向上、サイクル性能と乗数性能の向上に直接反映されます。 ただし、比表面積が大きすぎると、スラリー中でのサンプルの付着力が高まり、粒子間の分散が促進されなくなります。
pHまたは残留アルカリ値:
pH 値自体はスラリーの安定性に影響を与えませんが、アルカリ環境はバインダーに大きな影響を与え、バインダー自体の構造の変化を引き起こす可能性があります。 特に正極三元材料の場合、その合成プロセスで過剰なリチウム塩が存在するため、高温焼成後に過剰なリチウム塩は酸化リチウム (Li) を生成し、これが空気中の水 (H2O) および二酸化炭素 (CO2) と反応して再び水酸化リチウム (LiOH) および炭酸リチウム (Li2CO3) を生成します。これらは材料表面に残り、材料の pH 値が高くなります。
バインダー
スラリー中のバインダーの主な役割は、活物質、導電剤および集電体を結合し、電極活物質と導電剤および集電体間の電子接触を強化し、スラリー系に安定した支持の役割を提供することです。 現在、ポリフッ化ビニリデン (PVDF) は、優れた加工性能、熱安定性 (長期使用温度 -40 ~ 150 度)、電解液への適応性と安定性を備えているため、リチウム産業のバインダーとして一般的に使用されています。 バインダーは窒素メチルピロリドン（NMP）に溶解後、機械的撹拌により活物質に巻き付けられ、水素結合力やファンデルワールス力などにより結合します。バインダーの結合強度に影響を与える要因は主に分子間極性、分子量、溶媒含有量などです。
導電剤
正極スラリー中の導電剤の主な役割は、電池の内部抵抗を低減し、容量の揮発性を改善することです。一般に、主な導電剤としてCNTスラリーを含む導電性カーボン粉末を選択します。 粒径が小さく（1-5mm クラスターを形成しやすい）、比表面積が大きい（約 60m2/g）ため、スラリー中に均一に分散することが難しく、混合プロセスの要件が非常に高くなります。
分散剤
カソードスラリーにおける分散剤の主な役割は、バインダーを溶解し、活物質をより均一に分散させるための良好な担体を提供することです。 塗布段階における分散剤には、金属基材に対する濡れ性、流動性が良く、乾燥時の揮発性が良好であることが要求される。 H2O、NMP、DMAC (ジメチルアセトアミド)、DMF (ジメチルホルムアミド) などの他の分散剤と比較して、NMP は高溶解性、低粘度、低揮発性、良好な安定性、容易な回収という利点があるため、業界では一般に NMP-PVDF システムが採用されています。 逆に、ＮＭＰの割合が少ないと、スラリーの粘度が高くなり、粉末の分散が悪く、スラリーの流動性が低くなる。 したがって、NMP の添加量には厳密な管理要件はありません。最も重要なことは、NMP を均一にコーティングできることを保証することです。
水分
油性スラリー中には水分が不純物として存在しており、主にスラリー中の原料や混合時に水分が持ち込まれます。 含有量が多くなると、スラリーの粘度に影響を与え、溶媒の均一性が崩れ、陰極粒子の凝集やクラスター化、乾燥後にポールピースを置く際に剥離・脱落する現象が発生するため、原料時および混合時の水分の混入を管理する必要があります。
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