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製品案内

電池/燃料電池

電池

 

リチウム電池セパレーター

 

多種多様な電池が開発される中で、新電池は従来品をある程度は凌駕しているものの、大きな違いには至っていません。又、個々の電池のアプリケーションは限定的です。

例えば、鉛蓄電池は専ら自動車用途として使用されています。信頼性は、価格や寿命そして性能特性よりも重視されます。ニッカド電池はその有毒性にもかかわらず、高出力や急速充電といった過酷な用途では未だに使用されています。ニッケル水素電池は1970年代に開発され、エネルギー密度ではニッカド電池を凌いでいます。ニッケル水素電池はその欠点のために、発売後それほど長い期間を経ることなく、一部市場を除き、現在ではリチウムイオン電池および、リチウムポリマー電池などのその他のリチウムをベースとした電池に置き換えられています。

リチウムベースの電池はスマートフォンやタブレット、ラップトップPCといった現代の電子機器に日常的に使用されています。

 

セパレータ

 

電気自動車市場の成長に伴い蓄電池は、高出力、超寿命そしてコスト低減に対する要求が高まっており、先端のリチウムベースの電池は、それら要求に対して有望な解決策を提案しています。そのリチウムイオン電池の技術向上に、最先端の素材が必要となります。カンタクローム製品は、リチウムイオン電池やその他電池に使用されている多くの素材における各種細孔計測や細孔構造の把握に役立っています。

 

全ての電池は、正極と負極を隔離する多孔質のセパレータが使用されています。高い絶縁性とイオン伝導性を両立する素材が慎重に吟味されています。セパレータは、通電性を確保するため、イオンが透過する十分な液体を維持する為に多孔質でなければなりません。セパレータの素材や細孔構造は、バッテリーの蓄電容量を左右する重要な部材です。多様な素材が個別にあるいは複合的に使用されています。細孔径や透過性能といった特性が、バッテリーの寿命や性能を決めます。最近の電池技術の進展は、リチウムイオン電池に重点が置かれています。より多孔質であるほどセパレータとしての性能は高くなりますが、高温下における強度や動作安定性の両者が求められます。ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)といったポリオレフィン膜が幅広く利用されています。ポリエチレンは、ポリプロピレンに比べて融点は低いです。

最近では、小型のリチウムイオン電池用としてPEとPPが積層された構造が一般的です。短絡などの高温状態においては、それらが溶けて混ざります。PPの単層かもしくは複層がセパレータ全体としての構造を保持し、収縮や発火を防ぎます。

 

カンタクロームのPorometer 3Gシリーズは細孔径や貫通孔の透過性を測定できリチウムイオンその他、電池のセパレータの性能評価を行うのに最適な装置です。ポリマー型のセパレーターで言えば、その厚みはおよそ25μmしかなく、Porometer 3Gで容易に測定することができます。

測定事例:電池部品

 

概要/バッテリー構成表

 セパレータ素材  アプリケーションµm 厚nom.µm  最大孔径 µm 平均孔径µm 最小孔径 µm
Polyethylene (PE) Li-ion 25 0.0722 0.0595 0.0534
Polypropylene (PP) Li-ion 25 0.0619 0.0525 0.0473
PP-PE-PP laminate 1 Li-ion 25 0.0313 0.0284 0.0266
PP-PE-PP laminate 2 Li-ion 25 0.0369 0.0347 0.0328
PVDP component: Li-ion Gel 30 0.7934 0.5207 0.5207
Polyethylene component Lead-Acid 250 0.0557 0.0420 0.0328
Ceramic Coating Hydrophilic 200 5.6637 1.2551 9.2167

 

 

ポリプロピレン製セパレーター

ポリプロピレンなどの薄い単相のフィルムセパレータはガス透過法(ポロメトリー法)を利用して貫通孔の大きさを測定しました。

 

polyethylene

 

ポロメトリーによって流量と圧力を測定し、各圧力において貫通孔を流れるガスの流量を測定しています。細孔中の圧力が増すほど、細孔は湿った流体で満たされ、やがて徐々に空の状態となっていきます。圧力は細孔径に換算され、流量のデータは毛管の流量%として表されます。累積的で差動的な%流量分布で表されます。

 

 

概要データは次のフォーマットで示されます 

測定範囲: 0.107 µm ~ o 0.043 µm
最大細孔径:0.0722 (µm)
平均流量細孔径:0.0595 (µm)
最小細孔径:0.0534 (µm)
バブルポイント圧:6.3417 bar
バブルポイント流量:0.0006 (l/m) 

 

細孔径はpores / cm2の数値として表されます。 

測定範囲: 0.067 µm ~ 0.034 µm
最大細孔径:0.0619 (µm)
平均流量細孔径:0.0525 (µm)
最小細孔径:0.0473 (µm)
バブルポイント圧:6.9500 bar
バブルポイント流量:0.0675 (l/m)
細孔密度(数):2.47E+11 /cm²

 

三層薄板 PP/PE セパレータ 



測定範囲:  0.080 µm ~ 0.032 µm
最大細孔径:0.0369 (µm)
平均流量細孔径:0.0347 (µm)
最小細孔径:0.0328 (µm)
バブルポイント圧:17.3322 bar
バブルポイント流量:0.0368 (l/m)

燃料電池

燃料電池の基材

 

多種類の燃料電池がありますが、その全てが電池の様に蓄電するというより発電するものです。全ての燃料電池は酸化剤(例えば酸素ガス)や水素などの燃料の電気化学的作用によって作動しています。PEM(固体高分子)型の燃料電池は最も一般的で、一つもしくは複数の細孔構造を持っています。

カンタクローム・インスツルメンツは燃料電池部材の細孔構造の測定に合わせたメソッドを提供しています。以下にPorometer 3Gzhで貫通孔の細孔径分布を測定した事例を示します。

Run Data, Wet Run with Porofil and Dry Run

測定範囲:  78.144 µm ~ 24.124 µm 
最大細孔径: 56.8384 (µm) 
平均流量細孔径: 37.7836 (µm) 
最小細孔径: 35.5556 (µm) 
バブルポイント圧: 0.0113 bar
 バブルポイント流量: 0.0847 (l/m)

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