リチウムめっきを検出する非破壊検査法

リチウムプレーティングとは、充電プロセス中にリチウムイオンがグラファイト陽極にインターカレーション（挿入）されず、電気化学的還元を受けて金属リチウム析出物を形成する有害な現象を指します。その結果、特徴的な銀灰色のリチウム金属層、または樹枝状のリチウム結晶が陽極表面に形成されます。

従来、リチウムめっきの疑いのある事象を確認する主な方法は、バッテリーの分解でした。特に、目に見える容量異常やデンドライトの成長が見られる場合です。しかし、高度な非破壊診断技術により、高度な電気化学分析によって正確な検出が可能になりました。

Ⅰ. 高度な非破壊検査方法：

1. 電圧プロファイルデコンボリューション解析

定電流（CC）充電サイクル中、リチウムイオン電池は通常、充電状態（SOC）に比例して単調に増加する電圧曲線を示します。定電圧（CV）充電フェーズにおける早期の電圧プラトー低下は、リチウムプレーティングの重要な指標となります。この現象は、プレーティング反応による活性リチウムの不可逆的な消費によって発生し、可逆容量の減少と電圧低下の加速を引き起こします。

2. 微分容量解析（dV/dQ）

この分析技術では、電圧と容量の一次微分（dV/dQ）を計算し、グラファイト陽極における特徴的な相転移ピークを特定します。リチウムめっきは、これらの相転移シグネチャーに以下のような明確な変化として現れます。

• ピーク位置の変位（20mV以上の変位は、インターカレーションの重大な阻害を示す）

• ピーク強度の減衰（強度の減少はリチウム挿入速度の低下を示唆する）

• ピーク形状の歪み（非対称広がりは不均一な反応分布を反映している）

3. 電気化学インピーダンス分光法（EIS）診断

リチウムめっきは界面電荷移動ダイナミクスに大きな変化を引き起こします。

• 電気的に隔離された「デッドリチウム」堆積物の形成によりイオン輸送抵抗が増加する

• SEI（固体電解質界面）層の再構築により電荷移動インピーダンス（Rct）が変化する

• ナイキスト線図における高周波半円の拡大（典型的には100Hz～10kHzの範囲）は、界面インピーダンスの増加と相関している。

• 中周波の半円変形はリチウム沈着による電荷移動の制限を反映している

4. 超音波飛行時間（TOF）特性評価

この空間分解音響技術は、リチウムイオン電池の層状構造を活用します。

• ベースラインTOFキャリブレーションにより基準音響シグネチャを確立

• リチウムの堆積により音響インピーダンスの不連続性が生じる（ΔZ > 15%は著しいめっきを示す）

• エコー波形解析により以下を検出します:

- 信号振幅減衰（5～15dBの変化）

- 位相シフト異常（5°以上の偏差）

- 時間領域反射係数の変化（> 8% のしきい値）

現在の技術的な制限:

• 主にパウチセル構成に適用可能（角柱セルのアルミニウムケースは90%以上の超音波減衰を引き起こす）

• 検出閾値には金属リチウムの体積分率2.8%以上が必要

• 高度な信号処理アルゴリズム（例：ウェーブレット変換ノイズ除去）が必要

Ⅱ 。 補足検出指標:

• クーロン効率の低下（ΔCE > 0.5% / サイクル）

• 開放電圧（OCV）緩和異常

• 差動電圧解析（dQ/dV）ヒステリシス拡張

• 緩和段階における熱シグネチャの異常

Ⅲ 。 実装プロトコル:

• 初期形成サイクルを通じてベースラインパラメータを確立する

• マルチモーダル検出プロトコルの統合を実装する

• パターン認識に機械学習アルゴリズムを適用する

• 参照電極測定によるクロス検証を実行する

この包括的なアプローチにより、バッテリーの完全性を維持しながら、92% を超える精度で初期段階のリチウムめっき検出が可能になり、バッテリー管理システム (BMS) の安全プロトコルが大幅に強化されます。

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