ブログ について 乾式電極技術がリチウムイオン電池の効率を向上、コストを削減

世界のエネルギー情勢は大きな変革を遂げており、再生可能エネルギーを動力源とする電気駆動型経済へと加速しています。この変革の中心にあるのがリチウムイオン電池（LIB）技術であり、電気自動車（EV）の台頭を牽引しただけでなく、大規模なエネルギー貯蔵のための経済的に実行可能なソリューションも提供してきました。しかし、EVの普及を広範囲に実現するためには、環境基準を維持し、コストを削減しながら、バッテリーの生産を劇的に拡大する必要があります。EV、定置型蓄電、電動工具、ポータブル電子機器全体でのLIB需要の急増に対応することは、重要な課題を提示しています。それは、生産能力を拡大し、コストを削減し、製造のカーボンフットプリントを最小限に抑えるにはどうすればよいかということです。

ここで、これらの課題に正面から取り組むことでLIB生産に革命を起こす可能性を秘めた革新的なアプローチである、ドライ電極（DBE）技術が登場します。

従来のLIB製造は、活物質、導電性添加剤、バインダーを溶剤と混合し、金属箔に塗布して乾燥させて電極を形成するスラリーベースのプロセスに依存しています。この方法はエネルギー集約的で、時間がかかり、N-メチル-2-ピロリドン（NMP）などの有毒な溶剤を必要とし、環境と健康にリスクをもたらします。NMPの回収と廃棄は、さらに製造コストを押し上げます。

対照的に、ドライ電極技術は溶剤を完全に排除します。代わりに、乾燥粉末混合物を金属箔に直接プレスまたは塗布することで、生産を簡素化し、エネルギー消費を削減し、環境への影響を最小限に抑えます。

ドライ電極技術に関する現在の研究は、主にカソード材料を対象としています。これは、従来のカソード製造ではNMPが不可欠である一方、アノード材料はすでに水性プロセスを使用して製造できるためです。この記事では、この傾向に従い、ドライプロセスされたカソードの構造と性能の関係を詳細に検証します。

研究により、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）ベースのドライコーティングプロセスは、NMC、NCA、NCMA、LFP、LMO、LMNO、LCOなど、さまざまなカソード活物質（CAM）で電極を正常に製造できることが実証されています。ドライプロセスされた電極は、湿式プロセスで作られたものと同等のレートおよびサイクル性能を示し、DBE技術の実現可能性と可能性を強調しています。

電極の性能は、活物質の化学組成だけでなく、粒子サイズ分布、配合、添加剤などのパラメータにも依存します。以下は、ケーススタディを通じて検討された3つの重要な要素です。

Matthewsらは、PTFEベースのNMC622電極の微細構造と電気化学的性能を分析し、フィブリル化プロセスの定性的な記述に焦点を当てました。走査型電子顕微鏡（SEM）により、NMC表面へのPTFEのアンカーリングと、それに続く結晶単位の解離が明らかになりました。1％のPTFE含有量では、電極は直径がマイクロメートルからナノメートルの範囲の一次および二次フィブリルの階層的なネットワークを形成しました。湿式プロセスされた電極と比較して、ドライ電極は、イオン拡散抵抗が低く、容量保持率がわずかに向上し（C/3で200サイクル後）、優れたレート性能（0.1〜2C）を示しました。これらの知見は、PTFEと活物質の相互作用を調整することが、電極の微細構造と性能にどのように大きく影響するかを浮き彫りにしています。

Taoらは、微細構造の変動が圧縮荷重（22％、32％、39％）による空隙率の調整によってNMCカソードの電気化学的反応速度にどのように影響するかを調査しました。ただし、圧縮はNMC粒子の破壊も引き起こしました。この研究では、電極シート抵抗は中間空隙率で最適であることがわかりました。空隙率が高いと、過剰な空隙量により抵抗が増加し、空隙率が低いと、破壊された粒子間の電気的接続が不十分なため抵抗が増加しました。電荷移動抵抗も中間空隙率で最小値に達し、電荷移動のための十分な空隙空間と、より短いリチウムイオン拡散経路のためのコンパクトな構造とのバランスを示唆しています。32％の空隙率の電極は最高のレート性能を示し、最適な空隙率範囲を示しました。ただし、圧縮下での粒子の破壊は、特に高品質で低空隙率の薄膜を達成するための限界を明らかにしました。高圧縮下での粒子の破壊の潜在的な悪影響を評価するには、長期的なサイクル試験が必要です。

Ohらは、不活性材料が電極の性能にどのように影響するかを検証することで、別の視点を提供しました。同様の中央粒子サイズと充填密度を持つ2種類のPTFEを使用したドライプロセスを使用し、より高い押出比のバインダーがより容易にフィブリル化し、より低い曲がりくねりとわずかに優れた電気化学的性能をもたらすことを観察しました。2％のPTFE含有量では、10 mAh cm−2の負荷の電極は、0.5Cで80％の放電容量を達成しました。

その有望性にもかかわらず、DBE技術は大規模な産業導入の前にいくつかのハードルに直面しています。

• 均一な材料混合： 活物質、導電性剤、バインダーの均一なドライ混合を確保することが最も重要です。凝集または層状化は、不均一な抵抗分布につながり、バッテリーの性能を損なう可能性があります。
• バインダーの選択と投与量： ドライ電極は、堅牢な接着性、サイクル中の体積変化に対する許容性、および構造的安定性を備えたバインダーを必要とします。バインダーの含有量は正確でなければなりません。少なすぎると電極の強度が損なわれ、多すぎるとエネルギー密度が低下します。
• 圧縮の最適化： ドライ電極の圧縮プロセスは、空隙率、密度、および電気伝導性に大きく影響します。強度と性能のバランスをとるために、このステップを最適化することは、依然として重要な課題です。
• 設備とプロセスの開発： 既存のLIB生産ラインは、湿式プロセス用に設計されています。専用のドライ混合、コーティング、および圧縮装置を開発する必要があります。
• コスト管理： DBE技術はコストを削減できますが、実際の実装には、経済的競争力を確保するために、材料、設備、エネルギー、および人件費を慎重に検討する必要があります。

しかし、これらの課題は、大きな機会と一致しています。

• 生産コストの削減： 溶剤を排除することで、調達、回収、および廃棄コストが削減され、エネルギー使用量が削減され、ワークフローが簡素化されます。
• エネルギー密度の向上： バインダー含有量の削減により、活物質の比率が高くなり、エネルギー密度が向上します。
• 環境上の利点： 溶剤を使用しない生産は、グリーン製造の目標に沿っています。
• 効率の向上： 効率的なプロセスにより、生産サイクルが短縮され、スループットが向上します。
• 材料オプションの拡大： ドライプロセスにより、以前は湿式方法と互換性のなかった溶剤に敏感な材料を使用できます。

ドライ電極技術は、計り知れない可能性を秘めたLIB製造における破壊的な飛躍を表しています。課題は残っていますが、材料配合、プロセス改善、および設備革新における継続的な進歩により、DBEはコスト削減、エネルギー密度の向上、および持続可能性の向上において重要な役割を果たすことができます。研究が深まり、産業化が進むにつれて、DBE技術は主要な生産方法として登場し、EV革命を推進し、世界のエネルギー転換を支援する可能性があります。材料比率を洗練させ、プロセスを最適化し、微細構造と性能の関係の理解を深めることで、業界はDBEの可能性を最大限に引き出し、バッテリー技術をよりクリーンで効率的な未来へと導くことができます。