電池

現在、電池の研究に多大な努力が注がれている。目標は、より優れたエネルギー密度と出力密度、そしてより効率的なエネルギー貯蔵を可能にする新材料を見つけることである。そのためには、負極材料、正極材料、セパレーター、電解質、境界層などの材料の製造と特性評価のための高度な装置が必要です。

電池業界向けの原材料を開発または生産している場合、次のようなことが考えられます：

• ナノ／アモルファス／低結晶性材料の特性評価
• 温度の関数としての材料挙動と材料の安定性を理解する。
• 発生ガスの化学的同定（反応、分解、脱着）
• 電池原料の熱安定性を理解する
• 相変態、相図の取得
• セルやパックの熱モデリングプログラムに組み込むための熱特性データの取得

新しい原料が選択されると、電極の設計はその製造と使用に関連する問題につながります。私たちNETZSCH は、これらの電極、セパレータ、電解質を特性評価するための機器一式を持っています。

電池部品を開発または製造する場合、次のようなことが考えられます：

• 焼結時の収縮や重量減少、熱膨張などの熱機械特性の評価
• 電極の熱伝導率の特性評価
• 同じ気孔率の電極の熱容量と熱伝導率の測定
• カソードの熱安定性の向上
• 高圧下での電極の熱挙動を分析する
• コンポーネント間の非互換性問題の検出
• 製造およびプロセスのスケールアップのためのQC手法の開発

用途ごとに要求される性能や制約は異なります。どのケミストリーもすべてのアプリケーションに適したソリューションではありません。アプリケーションのニーズが変化し、新しい技術が利用可能になると、コンポーネントの変更が必要になる場合があります。適切に設計された熱管理システムは、バッテリーセルの寿命と性能にとって非常に重要です。電気化学デバイスである電池の性能と寿命は温度の影響を受けます。高温は副反応や界面境界の分解を増加させ、電池寿命を短くし、電池交換コストを増加させる。

精密に校正されたバッテリー・システムの開発には、充放電サイクルの全範囲でバッテリー・セルから発生する熱の正確な測定と、虐待試験中の挙動が不可欠です。

バッテリーセルを開発または製造している場合、次のようなことが考えられます：

• セル設計がバッテリー性能に与える影響を理解する。
• リチウムイオンセルまたはその構成部品が高発熱反応を示す可能性のある温度を知る。
• 反応中に放出されるエネルギー量、反応速度、および生成される分解ガスによって生じる圧力レベルを把握する。
• 電池の釘刺し試験や破砕試験の影響を評価する。

バッテリーが充電または放電されると、熱が発生し吸収されます。等温熱量測定とバッテリーサイクラーを組み合わせることで、熱の流れを明確にし、バッテリーのライフサイクルを分析することができます。温度、充放電速度、放電深度は、それぞれセルのサイクル寿命に大きな影響を与えます。新しい電池の設計（新材料の選択および/または新しい部品の組み立て）は、熱量測定によって評価することができます。加速熱量計(ARC^®)は、装置とオペレーターにとって完全な安全性で等温モードでの試験を可能にします。

電池の性能を分析する場合、次のようなことが考えられます：

• バッテリーモジュールからの正確な発熱データの収集
• 装置を破壊するリスクを冒すことなく、完全な安全性で充放電試験を実施したい。
• 本来の性能が劣化していないかどうかを把握する。
• 経年劣化やサイクルの影響を評価するため、経時的な性能の変化を把握する。
• バッテリーモジュールの改良につながる物理的・電気化学的設計変更の評価

バッテリーの寿命が尽きると、回収され、再調整されるか、要求の少ない用途に再利用されるか、あるいはバッテリーが分解され、各部品がリサイクルされる。電池は、さまざまなポリマー、酸化物、金属材料の集合体で作られています。熱分析はこの分野で有用な特性評価ツールです。

バッテリーのリサイクルに携わる方なら、次のようなことが考えられます：

• 主成分の物理的分離の実行可能性の評価
• 電池を破片に変換する際の、異なる成分の放出効率の評価
• 断片化された電池の各成分の特性評価
• 温度の関数としてのリサイクル材料の安定性の材料挙動を理解する。

Lithium ion battery technology offers many advantages in portable power application but one major concern is safety. Battery developers need tools which allows them to design safer batteries without compromising performance.

By means of a “worst-case scenario” (thermal runaway) scheme, Adiabatic - 断熱Adiabatic describes a system or measurement mode without any heat exchange with the surroundings. This mode can be realized using a calorimeter device according to the method of accelerating rate calorimetry (ARC). The main purpose of such a device is to study scenarios and thermal runaway reactions. A short description of the adiabatic mode is “no heat in – no heat out”.adiabatic calorimetry can provide many pertinent answers, including the temperature at which lithium ion cells or their components can exhibit a highly exothermic reaction and the associated pressure. With isothermal calorimetry, information for thermal management, obtained by means of thermal runaway, can be directly obtained.

If you develop or produce raw materials for battery, design battery cells and packs you may want to:

• Investigate thermal runaway of the battery in both normal and abusive situations
• Analyze the pressure generated when the battery cell explodes in the calorimeter
• Understand at what temperature internal short circuit occurs due to the decomposition of the individual components
• Understand what happens chemically and thermally when internal short circuits produce hot spots within the cell
• Design cells which are designed to decrease the likelihood of hot spot growth and consumption of the cell
• Design, select, or specify thermal safety devices (i.e., vent, CID, PTC) based on temperature and pressure data inside a cell during thermal decomposition and to know how well these devices work in mitigating consequences of failures
• Classify individual cells with regards to their potential risks and hazards
• Run in complete safety an isothermal charge/discharge test without risk of destroying the instrument
• Reduce the likelihood of a chain reaction of cell failures due to heat transport between adjoining cells

Our White Paper recommendations for you:

• White Paper: Battery Safety (thermal runaway) - Adiabatic Calorimetry for advances battery testing (english version)
• White Paper: Battery Cycling - Isothermal Calorimetry for advances battery testing (english version)