リチウムイオン電池(LIBs)と水素燃料電池(HFCS)は、電気自動車から工業応用までの各分野に電力を供給するために、よりクリーンなエネルギーへの転換を推進している。これらの技術は持続可能な電力を提供するために重要である。世界的に電池需要が急増すると予想されている。2020年には、世界中の電池に蓄積されたエネルギーが1億8500万世帯に1時間の電力を供給することができる。2030年には20億世帯以上、つまり10倍以上に増加すると予測されている。個人の自動車、商用トラック、公共交通機関のエネルギー貯蔵に対する需要は絶えず増加し、世界の電池需要の急増を推進し、それによって電池材料の研究開発はこれまで以上に重要になった。
いくつかの進歩はあったが、リチウムイオン電池と燃料電池技術は課題に直面している。これらの課題には、安全性と信頼性の問題、持続可能性の問題、原材料の抽出、航続能力の制限、充電時間の長さなどがあります。現在の重点は、より高い電荷密度に対応するための新しい材料配置の開発であり、より高い熱安定性、より高い持続性、より手頃な価格を提供する。これは、次世代電池と燃料電池の研究開発が大きな発展のチャンスを迎え、2024年までに電池貯蔵分野への投資が500億ドルを超えることを意味する。
フォーカス材料開発
新技術の開発には、既存の材料の微細で重要な改良が必要になることが多い。例えば、研究者は、複数のリチウム遷移金属酸化物を電池正極材料として使用し、そのナノ構造を重点的に研究し、製造プロセスを最適化することを試みている。この分野の多くの研究では、研究者は材料を微調整し、次にこれらの微調整が材料の基本性能にどのように影響するかを観察する必要がある。これはまさに熱分析(TA)技術が重要な役割を果たす点である。
熱分析技術を用いて材料特性を分析する
材料熱分析は広範な範疇をカバーし、異なる器具を通じて多種の特性を測定することができる。例えば
- 示差走査熱量測定(DSC)熱流を測定することによって材料の重要な性能パラメータを測定し、ガラス転移、溶融、結晶、熱容量、結晶度及び熱安定性などの特性を含み、これらの特性はダイアフラムと電解質の研究開発にとって極めて重要である。
- 熱重量分析(TGA)不活性及び酸化環境における材料の水分含有量、残留溶媒、特定の温度で放出される成分含有量及び熱安定性などの重要な情報を提供することができ、これらの情報は電池の各部品の研究開発に重要な指導価値を持っている。
- 同期熱重量分析(STA)同時に示差走査熱量測定法(DSC)と熱重量分析(TGA)技術を結合し、同時に熱流と重量変化を測定でき、電池材料の熱挙動特徴に全面的な解析を提供する。
- 熱機械分析(TMA)異なる温度での材料の熱膨張と収縮を測定することは、電池ダイアフラムの評価に重要である。
- 動的熱機械解析(DMA)異なる周波数における材料の粘弾性能を測定することは、電池材料の研究にとって極めて重要である。
これらの技術は、研究者が電池材料を理解し、改善するのに役立ちます
電池パックの放熱挙動の示差走査熱量測定(DSC)例
下図は、DSCを用いて電解液と正極材料の放熱挙動を測定し、その熱安定性を決定する方法を説明している。同期熱重量分析(STA)とReal Viewの使用®ダイヤフラムの熱安定性試験例
STAを用いて純ポリエチレンセパレータの熱安定性を試験した結果、450°Cで1回の熱分解が発生したことが分かった。サンプルの質量が小さい(0.056 mg)ため、軽微なベースライン変動が観察された。Real View®画像は、測定中にこれらの変動が試料ディスク内の材料の移動と形状変化に起因することを確認した。各種ダイアフラムの熱膨張性を比較した熱機械解析(TMA)例
TMAグラフは、引張力による様々なダイアフラムの熱膨張を示している。純粋なポリエチレンセパレータ(緑色)の膨張と収縮は最大であり、アルミナコーティングセパレータ(赤色)の膨張と収縮は最小である。アラミドコーティング膜(青色)の収縮温度が最も高く、その形状保持能力が他の2種類の膜より優れていることを示している。不純物の存在により、研究結果にばらつきが生じ、結果の不一致と材料特性の異常を引き起こすことがあります。熱分析は、ポリマーサンプル中に他の材料が存在するかどうかを示すことができ、これらの材料の熱特性は指紋のようなものであるため、他の材料の情報を正確に提供することができる。
結論
電池材料の進歩は将来の持続可能エネルギーの発展に重要である。熱分析技術を応用することにより、メーカーは現代応用が提出した厳しい要求を満たす材料を開発することができ、それによって安全性、信頼性と効率性を確保することができる。熱分析技術は材料特性に重要な洞察を提供し、オペレータが生産プロセスを最適化し、製品の品質を向上させ、コストを削減するのを支援する。先進的な熱分析ツールへの投資は革新を推進するだけでなく、急速に発展するエネルギー分野でメーカーが競争優位に立つことができる。
私たちの熱分析機器を理解する
日立分析機器のDSC、STA、DMA、TMAシリーズは、研究開発中の材料の熱安定性を正確に特徴づけることができる。デル独自のReal View®サンプル観測システムは、実験中の材料の変化をリアルタイムで提示することができる。