電極シート抵抗の測定によるリチウムイオン電池性能の向上

電極シートの抵抗がバッテリー最適化に果たす役割について詳しく解説いたします。

バッテリー開発における電極抵抗の重要性

リチウムイオン電池は、電気自動車、再生可能エネルギーシステム、ポータブル電子機器の発展を支えています。しかし、エネルギー容量が低いこと、充電が遅いこと、寿命が短いことなどの課題があります。これらの問題の多くは、電極シート内部の抵抗という見えにくい要素に起因しています。バッテリーの性能は通常、セル単位で評価されますが、実際には電極の微細な構造が非効率の原因になることがあります。抵抗、特に合材層や界面の抵抗を測定することで、バッテリーの設計や製造の改善に役立つ重要な情報が得られます。

電極シート層の抵抗値を知る

電極シートは3つの機能層で構成されています。

合材層：リチウムイオンを貯蔵・放出する活性材料
界面：合材層と箔の接触面
金属箔：通常アルミニウムまたは銅の導電性基材

図1 電気的観点からの電極シートの3つの機能層

これらの各層の抵抗値が電極シートの総抵抗値に寄与します。従来の測定ツールのほとんどは、電極シートの総抵抗値しか提供しておらず、機能層ごとの抵抗値を知ることができません。
HIOKIの電極抵抗測定システム RM2610は、各層の抵抗値を分離して高精度に測定することで、この課題を解決します。

RM2610システムによる層別測定

RM2610は、電極抵抗の詳細な解析ができます。

合材抵抗と界面抵抗を分離
簡便な作業性で再現性の高いデータを提供
誰にも適した直感的なソフトウェアを提供

これにより、研究者は完全なセル組み立ての後だけでなく、開発中の電極材料の電気的特性をより詳細に把握することができます。

図2 HIOKI 電極抵抗測定システム RM2610

【事例紹介】導電助剤「アセチレンブラック」の影響を可視化

RM2610の能力を実証するために、アセチレンブラック（ASB）の濃度が異なる2種類の電極シートを比較しました。

シートA：2.8% ASB
シートB：8.3% ASB

RM2610は、両方のサンプルの合材層抵抗および界面抵抗を測定しました。

結果

界面抵抗が両方のサンプルで総抵抗の大部分を占めた
8.3% ASBのシートは、総抵抗が大幅に低かった

これらの結果から、総抵抗を減らすために、合材層抵抗だけでなく、界面抵抗も最適化することの重要性が明らかになりました。

図3 抵抗比較：2.8%対8.3% ASB電極シート、HIOKIのRM2610で測定

RM2610はどのように層ごとの抵抗を捉えるのか

RM2610システムは、最小限のセットアップで簡単に使用できるように設計されています。ユーザーは、電極シートをセットし、ソフトウェアの「計測開始」ボタンを押します。システムは自動で機能層ごとの抵抗に分離し、結果を直観的な数値で表示するので、研究室や生産現場、品質管理など、あらゆる担当者に適しています。

電極シート総抵抗の低下がバッテリーの性能に与える影響

上記で述べたように、RM2610で合材抵抗と界面抵抗の両方を測定したところ、ASBの含有率が高い（8.3%）シートの方が、全抵抗が著しく低いことが示されました。（図3）これらの電極を電池セルに組み立て、充放電試験を行ったところ、抵抗の低いシートで組み立てたセルは、放電容量の増加や高電流負荷時の電圧降下の低減など、優れた性能を示しました。（図4）

図4 低ASBおよび高ASB電極シートの抵抗とセル性能の比較

これらの結果は、電極シート抵抗とバッテリー効率の間に直接的な関係があることを裏付けています。電極シートの抵抗を低減することで、エネルギー出力と充電動作を向上し、現代のバッテリー設計における2つの重要な優先事項が改善されます。さらに、開発プロセスの早い段階で電極シートの抵抗測定を行うことは、長期的な価値をもたらします。層ごとの洞察により、開発者はより高いエネルギー密度のために材料を最適化し、内部損失を最小化することによって充電を加速し、材料のばらつきを早期に検出することによって生産の一貫性を改善することができます。また、繰り返されるサイクルによる発熱や機械的劣化を低減することで、バッテリーの長寿命化にも貢献します。各層の抵抗が総抵抗にどのように寄与しているかを理解することで、開発者は最初から十分な情報に基づいた設計と材料の選択を行うための実用的なデータを得ることができます。

より優れた測定でバッテリーイノベーションを促進

電極シート抵抗は、リチウムイオン電池の性能を示す重要な指標ですが、正確かつ層レベルで測定する必要があります。HIOKI電極抵抗測定システムRM2610は、合材層と界面抵抗を測定するための、シンプルで信頼性の高いシステムです。これにより、バッテリーの開発者は研究開発を加速し、性能リスクを低減し、製品の一貫性を向上させることができます。

電極抵抗測定システム RM2610の測定や製品の詳細情報はHIOKIの製品ページをご覧ください。また、デモンストレーションをご希望の際は、お気軽に弊社までお問い合わせください。