01【金属異物によるリチウム電池の安全性への危害】

リン酸鉄リチウム正極材料は熱安定性に優れ、サイクル寿命が良く、電気化学が安定し、環境に優しいなどの利点があり、動力電池分野の理想的な正極材料の一つとなっている。しかし、リン酸鉄リチウム材料に金属不純物を導入すると、電池の寿命及び安全性に深刻な損害を与えることがある。

一般的な金属異物には、鉄、ニッケル、銅、亜鉛、クロムなどが含まれています。金属異物は電池化成段階ではまず正極で酸化してから負極へ還元し、負極にある金属単体がある程度蓄積すると枝晶が形成され、ダイヤフラム穿孔を招き、電池内部が短絡し、電池の自己放電率を高め、深刻な場合は電池の発火、爆発を引き起こし、電池の安全性能に影響を与える。

金属異物の蓄積によるダイヤフラム穿孔過程の概略図

金属銅による電池短絡（a）走査型電子顕微鏡画像（b）の各元素の分布

02【金属異物の発生源及びどのように管理するか】

1）焼結過程における原材料生成からの不純物

リン酸鉄リチウム（LiFePO）の合成過程では少量のγ−FeO、FeP、FeP及びFePOなどの不純物の生成が伴い、単体鉄も還元性雰囲気下で500〜700℃でFeの還元により生成される。これらの不純物の存在は材料の比容量とエネルギー密度不純物鉄の電解液への溶解などの副反応を低下させ、電池の寿命と安全性能に影響を与える。

2）製造プロセスの中間ラインと環境からの異物

生産ラインにおける金属異物の発生源は主に以下の2つの方面がある：1つは設備と材料の直接接触導入（直接導入）、2つ目は、空気中の金属飛散物が材料中に導入される（間接的に導入される）ことである。次に、2つの導入方法の違いを詳しく分析します。

a. 直接引入

正極材料生産ラインの最も主要な工程は、混合、焼成及び粉砕であり、関連する設備は主に混合機、ローラー窯及び粉砕機である。一般的に、設備上に金属部品が直接材料と接触している場合は、直接導入のリスクを引き起こす可能性があります。その中で、材料と連続的な相対運動を持つ部品は摩耗を生じる可能性が高く、赤線領域であり、重点的な防護が必要である、材料と連続した相対運動がない部品も、必要な防護措置をとる必要があります。

b.間接導入

間接的な導入源はさらに複雑で、空気中の飛散物は設備部品の摩耗による破砕屑から来る可能性があり、外部環境から導入される可能性もあり、人員によって導入される可能性もあるため、管理制御はさらに困難である。

正極材料生産ラインの設計における金属異物の防護にはいくつかの共通の規則がある：生産ラインのすべての設備と材料が直接接触する部分は非金属材質であること、または金属基材の表面に塗装を施して防護することが必要である。

外部環境中の異物が正極材料職場に侵入するのを防止するために、一般的に以下のいくつかの方面から管理制御を行う：

1. 作業場のドアと窓は密閉され、新風システムを設置し、新風は高効率フィルタ濾過を経てから作業場内に入り、新風量は排風量よりやや大きく、作業場は+3 Pa ~+5 Paの微正圧を維持し、

2. 作業場のドアは二重連結構造を採用し、風淋室を内蔵している、

3. 作業場内では専用の輸送工具または車両を採用し、外部輸送工具または車両は作業場内に入ることを禁止する。

4. 外来者が職場に出入りするには服装と靴を交換しなければならず、時計、鍵、硬貨などの金属物品を職場内に持ち込むことを禁止する。

5. 作業場内の地面は永久磁石棒を用いて定期的に磁気除去を行う、

6. 相応の規則制度と点検表を制定し、定期的に新風フィルターの交換状況を検査する。

7. 作業場に専用の容器を置き、環境中の飛散物のレベルを定期的に監視し、異常があれば速やかに調査・改善を行う。

03【金属異物の検出方法】

では、金属異物は一体どのように検出すればよいのでしょうか。飛納Phenom ParticleXは走査電子顕微鏡とエネルギースペクトル計をハードウェアの基礎とし、金属不純物粒子の迅速な識別、分析、分類統計を全自動で行うことができ、顧客の研究開発及び生産に迅速、正確、信頼性のある定量データの支持を提供する。

その動作原理は：後方散乱イメージングのシェーディングライニングにより粒子を識別し、さらに粒子に対してスペクトル成分分析を行い、粒子の形態と成分情報に基づいて自動分類を行う。

以下の表に、篩分け法を用いてサンプルを収集し、Phenom ParticleXを用いてリン酸鉄リチウム中の金属異物を試験した結果を示す。篩分け法において、リン酸鉄リチウム主材は粒子の大部分を占め、その平均酸素含有量は44.2%であるが、リン化鉄と酸化鉄の含有量は少なく、リン化鉄中の酸素含有量は10.6%と少ないが、酸化鉄中にはリンの成分は含まれていない。

金属異物の統計結果（ふるい分け法）

金属異物の平均成分（ふるい分け法）

自動取得されるリン化鉄の詳細

自動取得される酸化鉄の詳細