負極製造用タール材料の特性評価

はじめに

電池用黒鉛負極材の製造において、タールは重要な役割を果たしている。高温で熱分解する間にタールは炭化し、負極粒子の成形を助ける。タールの軟化点は、複合材料中の均質な分布を確保するために材料が十分に液化できる温度窓を決定する。タールの軟化点が高いほど、コーティングはより均質になる。熱処理後、得られる炭素質残渣は寸法的に安定したままであり、高温プロセスにおける陽極の動作に不可欠な、要求される耐熱性と耐薬品性を有する[1]。熱分解プロセスと軟化点は、いずれも熱分析によって調べることができる。負極材の製造に適した4種類のタールを比較した。

方法と試料調製

熱分解プロセスを調べるための熱重量測定は、NETZSCH TGLibra を用いて行った。表1に示す測定条件を適用した。タール試料の相転移と軟化温度を測定するため、NETZSCH DSCCaliris を用いてDSC測定を行った。

表1：異なるピッチ試料のTGA測定の測定条件

表2：各種タールのDSC分析における測定条件

結果と考察

熱重量測定は、不活性条件下、200℃から550℃の温度範囲で行われ、各タール試料について1回の質量減少を示した。質量変化は47.5%から65.5%の間であった。これは、この温度範囲で熱分解される有機成分の含有量が異なることを示している。

酸化性雰囲気に切り替えると、炭素分の燃焼が始まる。試料の炭素含有率は34.4%から52.4%であった。残存質量は灰分と呼ばれる。ここでは、4つのサンプルはごくわずかな違いしか示さなかった。

タール試料の炭素含有量と灰分含有量に加えて、熱安定性も決定的な役割を果たす。最大質量減少率（DTGピーク）または外挿オンセット温度は、異なる試料の熱安定性を比較するために使用することができる。図1でこれらの値を見ると、試料Aが最も熱安定性が高く、試料Bが最も低いことがわかる。

熱重量測定の助けを借りて、異なるタール試料を、熱分解中の炭素収率、灰分含有量、熱安定性に関して分析することができる。その結果、試料Aが最も炭素含有量が高く、熱安定性も高いことがわかった。

熱重量分析に加えて、ガラス転移や融解などの熱量効果の可能性について、タールの種類をDSC分析でも調べた。1回目と2回目の加熱で測定されたDSC曲線を図2に示す。DSC分析の前後でるつぼの質量を比較すると、DSCプロセスの間、試料の質量が安定していることが証明された。1回目の加熱では、タールD、C、Bは78.1℃、68.3℃、67.1℃に吸熱ピークを示した。タールAは吸熱ピークを示さない。しかし、130°Cから190°Cの間でわずかに発熱が観察された。制御された冷却と再加熱の後、試料は最初の加熱とは異なる挙動を示した。これはおそらく緩和効果であろう。吸熱ピークは、材料の熱履歴をある程度知ることができる。

2回目の加熱では、各サンプルで1回だけガラス転移が検出された。タールBのガラス転移温度は44℃で最も低い。タールタイプCとDでは、それぞれ50℃と71℃でわずかに高い。試料Aは147℃で最も高いガラス転移温度を示した。

DSCを用いて、Identify 、ガラス転移温度と試料の前処理に明確な違いがあることがわかった。試料Aは、残留応力が低く、ガラス転移温度が最も高いという点で、ここでも際立っている。

概要

TGAとDSC分析は、電池製造に適したタールの種類を総合的に特定するのに適した方法である。これらの手法の助けを借りて、熱安定性、炭素含有量、灰分含有量、熱機械履歴、ガラス転移の特性など、さまざまな特性を測定することができた。

この情報は、受入検査時にメーカーの仕様を確認するためだけでなく、配合の最適化や、select 、適切な原材料を特定するためにも利用できる。バッテリー生産に向けた準備段階での適切な出発物質の特定は、最終製品の品質に影響を与え、製造工程の効率を高めます。