バッテリーセルの低容量問題に対する解析アプローチ

バッテリーセルの低容量（低容量）の判定は、化成後（充放電サイクル後）の容量と設計容量値との直接的な比較に基づいています。化成処理後に測定した容量が設計値より低い場合、まず化成処理の設定（放電電流、充電時間、カットオフ電圧、化成温度など）にエラーがないか確認する必要があります。â' 化成ステップの設定が正しい場合は、テストポイントを変更してバッテリーセルの再化成処理を実行し、化成装置またはチャネルに問題がないか確認する必要があります。â'¡装置変更後に化成データに異常が見つからない場合、元の装置に問題がある可能性が高いです。â'¢再テストでも容量が低い場合は、低容量問題が本当に存在していることが確認できます。

低容量の発生を確認した後、低容量の実態を全体的に把握するために、低容量発生の頻度と重大性をさらに詳細に把握する必要があります。そのためには、より体系的なアプローチが必要です。体系的な分析を行う前に、まず充電済みの低容量バッテリーセルを分解し、インターフェースを検査することをお勧めします。問題が見つからない場合は、正極コーティング重量不足または設計マージン不足が原因である可能性があります。インターフェースに問題がある場合は、製造プロセスまたは設計上の他の問題が原因である可能性があります。次に、設計側とプロセス製造側の両方から低容量の原因を調査します。

I. 設計終了

1. 材料システムの適合性：特に、負極と電解質の適合性は、バッテリーセルの容量に大きな影響を与えます。新しく導入された負極または電解質において、繰り返し試験を実施した結果、各バッテリーセルにリチウムめっきが発生し、容量が低いことが判明した場合、材料の不適合の可能性が高いと考えられます。不適合の原因としては、以下のことが考えられます。â' 形成時に形成されるSEI（固体電解質界面）膜の密度、厚さ、または不安定性。â'¡電解質中のPC（プロピレンカーボネート）に起因するグラファイト層の剥離の可能性。â'¢設計面密度または圧縮密度が高すぎるため、バッテリーセルが高レート充放電に適応できない。
2. 容量設計マージン：â' 正極材料の重量容量から：正極/負極のコーティング誤差、化成キャビネットの精度、そして接着剤が容量に及ぼす影響などにより、設計段階では一定の容量マージンを確保する必要があります。新材料の場合、特定のシステムにおける正極の重量容量を正確に評価することが重要です。同じ正極材料でも、異なる負極や電解液と組み合わせると、同じ重量容量を示すとは限りません。化成速度、充電カットオフ電流、充放電速度、電解液の種類などの要因は、すべて正極の性能に影響を与える可能性があります。したがって、設計された重量容量が高すぎると、設計容量が「過大評価」され、実際の化成プロセスで「低容量」になる可能性があります。â'¡負極過剰と高いCB（容量バランス）値の観点から：負極過剰は正極の重量容量にもある程度影響を与え、バッテリーセル容量に影響を与える可能性があります。負極過剰とは、単に「リチウムめっきが全くない」ということだけではありません。負極過剰をリチウムめっきが全くない下限を超えて増加させることで、正極の重量容量を約1～2%向上させることができます。しかし、負極過剰が多すぎると、SEI皮膜の形成時に不可逆リチウムをより多く必要とするため、正極の重量容量が減少し、初回放電容量が低下します。
3. 電解液注入量不足と低電解液保持係数：電解液注入量が少ないと、それに応じて電解液保持量も減少します。バッテリーセルの電解液保持量が不足すると、正極および負極におけるリチウムイオンの挿入・脱離効果に影響し、低容量につながります。バッテリーセルの電解液保持量が不足すると、正極シートと負極シートが比較的乾燥し、負極上に薄いリチウムめっき層が形成されます。これが電解液保持不良による低容量の原因と考えられます。

II. プロセス製造終了

1. コーティング面密度プロセスパラメータの遵守：正極または負極のコーティングが薄すぎると、バッテリーセルの容量低下に直接つながる可能性があります。正極コーティングが薄すぎる場合、フル充電セルインターフェースに異常は見られません。この時点で、正極シートを焼成して重量を測定することで問題を特定する必要があります。測定された重量が設計値より小さい場合、コーティング面密度が設定値より小さいことを示しています。また、正極または負極（特に負極）のコーティングが不均一である場合も、容量低下の原因となる可能性があります。正極コーティングが厚くなると重量容量は低下する可能性がありますが、総容量は低下せず、わずかに増加する可能性があります。
2. 圧延時の過圧の調査：圧延時の過圧は材料構造を損傷し、容量性能に影響を与える可能性があります。過圧の最も直接的な兆候は、電極シートの光沢です。正極への過圧は、構造が損傷した活物質粒子がリチウムイオンを適切に挿入・放出できず、容量低下につながる可能性があります。負極への過圧は、正極からのリチウムイオンの受容を阻害し、表面にリチウムめっきが発生し、容量低下につながる可能性があります。
3. 組立工程における様々な公差要件への適合：電池組立工程における電極の位置ずれやセパレータのシワなどの問題は、内部短絡や局所抵抗の増大を引き起こし、電池の充放電特性に影響を与え、容量低下につながる可能性があります。また、セルセパレータのシワは、負極へのリチウムの挿入・放出不足を引き起こし、セル容量に影響を及ぼす可能性があります。
4. 水分含有量の異常：水分含有量が多すぎる場合も容量低下の原因となります。電解液注入前の電極シートの水分含有量が基準値を超えた場合、グローブボックスの露点が不適格な場合、電解液の水分含有量が基準値を超えた場合、あるいは脱ガス処理や二次封入時に水分が混入した場合、バッテリーセルの容量低下が発生する可能性があります。
5. セル製造時の湿度と温度の正常化：環境湿度と温度の不適切な管理は、バッテリーの性能にとって極めて重要です。湿度が高いとバッテリー内部で水分分解反応が起こり、電極材料や電解質が損傷する可能性があります。一方、温度が低いとリチウムイオンの拡散が遅くなり、バッテリー容量の低下につながります。
6. その他の要因:
   â' バッテリー関連の問題：バッテリー製造工程における金属異物や磁性物質は、自己放電率を高める可能性があります。このようなバッテリーセルは、フォーメーション後に容量が低下する可能性があります。
   â'¡保管期間および保管条件: 保管期間が長すぎたり、高温多湿などの不適切な保管条件では、電極材料の老化や電解質の劣化が起こり、バッテリー容量が低下する可能性があります。

上記の手順を段階的に実行すると、通常、容量低下の原因を特定するのに役立ちます。