リチウムイオン電池の電極を構成する4つの部材が電池性能に与える影響とは今こそ知りたい電池のあれこれ(29)(2/3 ページ)

» 2025年02月04日 07時00分 公開

導電助剤

 導電助剤は電極内の電子伝導性を向上させる役割を果たす材料であり、主にカーボン粉末などが用いられます。電池容量を担う活物質の多く、特に正極に用いられる金属酸化物などはあまり電子伝導性が高くないため、適切な量の導電助剤を使用することで、電極内の電子伝導性が向上し、抵抗を低減することができます。その半面、導電助剤の量を増やし過ぎると、電極中の活物質量が相対的に減少するため、エネルギー密度が低下する可能性があります。

バインダー

 バインダーは電極構成材料を結着させる、いわば「つなぎ」の役割を果たす材料です。多種多様な材料を一つの電極合材としてまとめあげ、集電体上に形成させるためには必要不可欠な材料ではありますが、その一方で、バインダーの多くは電子伝導性の低い高分子材料でもあります。そのため、バインダーの添加量を増やしすぎると、活物質の割合が減少してエネルギー密度が低下するとともに、内部抵抗増大の要因ともなる点には注意が必要です。

集電体

 集電体は電極材料の反応によって生成された電子を外部回路に伝える、つまり電極における「電流の通り道」としての役割を果たす部材です。

 エネルギー密度への影響という観点からは、直接電池反応に関わる部材ではないので、基本的には、なるべく軽量かつ薄膜であることが求められます。電極基材として必要な強度を保ちつつ、重量と厚さを最適化することで、電池全体の重量および体積効率を向上させ、エネルギー密度を高めることができます。

 抵抗への影響という観点からは、集電体そのものの電子移動抵抗や、その上に形成される電極合材との接触抵抗を低減することが求められます。その結果、電池全体の抵抗を下げることで、入出力特性の向上を図ることができます。

 これらの特性改善を目的として、さまざまな集電体の改良手法が検討されています。

 例えば、集電体そのものの電子移動抵抗および電極合材との接触抵抗を低減するために、集電体の表面改質に取り組む事例が知られています。

 代表的な表面改質事例の一つが、集電体の表面に導電性材料をコーティングする手法、いわゆる「コーティング箔」です。例えば、アルミニウム箔の表面に導電性カーボンコート層を設けることで、アルミニウム箔と活物質間の界面抵抗とその抵抗バラツキを低減する効果が報告されています。※1)

※1)UACJ Technical Reports, Vol.1(2014), pp.125-130「リチウムイオン電池集電体用アルミニウム箔

 また、※1)の引用文献の中では、集電体表面への機械的な粗面化や、化学的なエッチング処理によって、活物質と集電体界面の接触抵抗を低減させる事例も紹介されています。

 2024年4月、村田製作所からは、米国スタンフォード大学との共同研究により、電池出力の増加が可能な多孔質構造の「ポーラス集電体」の開発に成功したという発表がありました。

 集電体自体の構造を多孔質にすることで、従来電極よりもリチウムイオンの移動経路を増やし、抵抗削減および特性改善を図る手法です。

 また、その多孔質構造や原料の一部に樹脂を用いていることが、集電体の軽量化にも寄与しており、重量エネルギー密度の向上にもつながっています。

 ポーラス集電体以外にも、重量エネルギー密度の向上を目的にした「集電体の軽量化」は検討されており、例えば銅フリーのアルミニウム合金箔や樹脂箔などの開発が進められています。

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