メトロームの分析装置を使用したバッテリー研究と生産の促進 Part1
2021/03/01
記事
情報共有
二酸化炭素（CO₂）排出を削減するためには、従来の燃料を動力源とする車両をバッテリー駆動の選択肢に置き換えることが重要です。この温室効果ガスは化石燃料の燃焼によって発生するため、その放出を抑えることが地球温暖化にも影響を与えます。電気自動車や携帯電話、ノートパソコンなどの再充電可能な機器向けのバッテリー生産には、最高の性能を保証するために厳格な品質管理とテストが求められます。同時に、バッテリー研究では、エネルギー密度や出力密度が高く、より効率的なエネルギー貯蔵が可能な新しいバッテリー材料の発見を目指しています。
このコラムでは、メトロームの高精度な分析機器を使用して測定可能な分析項目のいくつかを紹介し、この研究分野に関連する無料ダウンロードもご紹介します。
以下のポイントについて解説します（各トピックに直接移動するにはクリックしてください）：
リチウムイオン電池の構成要素
現在、リチウムイオン電池は市場で最も一般的な再充電可能な電池です。電池は、負極（アノード）と正極（カソード）で構成されています。電解質はリチウムイオンの形で両極間の電荷移動を促進します。一方、負極と正極の間に配置されたセパレーターが短絡を防ぎます。図1にはその断面図の例が示されています。
アノードは、銅箔に適用されたリチウムを含むグラファイトから構成されており、カソードはアルミニウム箔に適用されたリチウム金属酸化物で構成されています。カソード材料には、一般的にコバルト、ニッケル、マンガン、または鉄などの遷移金属が使用されます。電解質は無水非プロトン性溶媒にリチウム塩（例：六フッ化リン酸リチウム）を含み、電荷移動を促進します。セパレーターは多孔質素材で作られた絶縁体であり、電荷移動のためにリチウムイオンの移動を可能にします。これらすべての構成要素の組成は、電池特性に大きな影響を与えます。
リチウムイオン電池の構成についての概要を述べた後、主要なパラメーターのいくつかとその分析方法を見ていきましょう。
バッテリー原材料の水分測定の実施方法については、以下の無料アプリケーション・ブレットンをダウンロードしてください：
- リチウムイオン電池の製造に使用される原材料
- アノードおよびカソードコーティング用の電極コーティング剤（スラリー）
- コーティングされたアノードおよびカソードの箔、セパレーター箔、包装された箔層
- リチウムイオン電池用の電解質
カソード材料の遷移金属組成
リチウムイオン電池のカソードは、通常、コバルト、ニッケル、マンガン、鉄、またはアルミニウムから得られる金属酸化物で作られています。カソードを製造するためには、目的の金属塩を含む溶液が使用されます。最適化された生産プロセスを実現するためには、溶液中に存在する金属の正確な含有量を把握する必要があります。また、得られたカソード材料内の金属組成も特定する必要があります。電位差滴定は、出発溶液や完成したカソード材料中の金属含有量を測定するのに適した技術です。
ICP-MSやAASなどの競合する方法とは異なり、滴定ではそのようなサンプルの希釈を必要としません。そのため、滴定によって得られる結果はより信頼性が高く、正確です。さらに、運用および維持費はICP-MSやAASと比較して大幅に低くなります。
以下の金属または金属酸化物の混合物は、ポテンショメトリックに分析できます：
- 溶液中のニッケル、コバルト、マンガン
- リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（NCM）、リチウムコバルト酸化物（LCO）、またはリチウムマンガン酸化物（LMO）などのカソード材料中のニッケル、コバルト、マンガン
ニッケル、コバルト、マンガンの混合物のポテンショメトリック分析に関する詳細は、以下の無料アプリケーションノートをダウンロードしてください。
リチウム塩の分析
電位差滴定は、リチウム塩の純度を測定するのにも最適な方法です。リチウム水酸化物（LiOH）およびリチウム炭酸塩（Li₂CO₃）の純度は、水性酸塩滴定を使用して測定されます。この方法を使用することで、LiOH中の炭酸塩不純物を特定することも可能です。
LiOHおよびLi₂CO₃の分析の実施方法についての詳細は、以下の技術資料（アプリケーションノート）をダウンロードしてください。
リチウム水酸化物およびリチウム炭酸塩の分析 – ポテンショメトリック滴定による正確で信頼性の高い測定
リチウム塩化物（LiCl）およびリチウム硝酸塩（LiNO₃）の分析では、エタノール溶液中のリチウムとフッ素との沈殿反応を使用してリチウムを直接滴定します。LiClおよびLiNO₃の分析方法についての詳細は、以下のアプリケーションノートをダウンロードしてください。
リチウム塩に存在する可能性のある他のカチオン（およびその濃度）についての知識も重要です。ナトリウム、アンモニウム、カルシウムなどのさまざまなカチオンは、イオンクロマトグラフィ（IC）を使用して測定できます。ICは、広範囲な濃度範囲でアニオンとカチオンを定量化するための効率的で正確に複数の項目を分析できる手法です。
図2のクロマトグラムは、リチウム鉱石処理流中でのリチウム、ナトリウム、カルシウムの分離を示しています。
この分析の実施方法についての詳細は、こちらからアプリケーションノートをダウンロードしてください。
電解質の組成
リチウムイオンは、リチウムイオン電池内での電荷移動に関与しています。リチウムヘキサフルオロリン酸塩（LiPF₆）が主な導電塩ですが、LiPF₆は高温で分解する傾向があり、また微量の水分と反応して有毒なフッ化水素酸を生成することがあります。したがって、リチウムホウ酸塩やイミド系リチウム塩が添加剤として使用され、性能を向上させています。イオンクロマトグラフィ（IC）を使用することで、電解質内のさまざまなリチウム塩の分解を測定できます。さらに、ICは微量レベルでのイオン不純物の分析にも使用できます。さらに、必要に応じて、サンプル前処理（例：前濃縮、希釈、フィルタリング）をメトロームのインラインサンプル前処理（«MISP»）技術を使用して自動化することも可能です。
バッテリー研究における選択されたICアプリケーションについての詳細は、以下のアプリケーションノートをご覧ください。
まとめ
このコラムでは、メトロームの分析機器を使用して可能なバッテリー研究の分析の一部のみを紹介しました。パート2では、バッテリーおよびその原材料の電気化学的特性評価について解説します。
