リチウムイオンダイヤフラム検査における電界放射型走査型電子顕微鏡の応用

I. リチウムイオン電池

リチウムイオン電池は二次電池であり、主に正極と負極の間を移動するリチウムイオンに依存して機能します。充電および放電プロセス中、リチウムイオンはダイヤフラムを介して 2 つの電極間を行き来し、電極材料の酸化還元反応によってリチウムイオンエネルギーの貯蔵と放出が行われます。

リチウムイオン電池は主に正極材、隔膜、負極材、電解液などで構成されています。中でも、リチウムイオン電池の隔膜は、正極と負極の直接接触を防ぐ役割を果たし、電解質中でのリチウムイオンの自由な通過を可能にし、リチウムイオン輸送のための微多孔性チャネルを提供します。

リチウムイオン電池の隔膜の細孔径、多孔度、分布の均一性、厚さは電解液の拡散速度と安全性に直接影響し、電池の性能に大きな影響を与えます。隔膜の細孔径が小さすぎると、リチウムイオンの透過性が制限され、電池内のリチウムイオンの移動性能に影響を及ぼし、電池抵抗が増加します。口径が大きすぎると、リチウム樹枝状結晶の成長によりダイヤフラムを突き破り、ショートや爆発などの事故を引き起こす可能性があります。

Ⅱ．リチウム隔膜の検出における電界放射型走査型電子顕微鏡の応用

走査型電子顕微鏡を使用すると、隔膜の孔径と分布の均一性を観察できるだけでなく、多層およびコーティングされた隔膜の断面を観察して隔膜の厚さを測定することもできます。従来市販されている隔膜材料は、ポリエチレン（PE）、ポリプロピレン（PP）の単層フィルムやPP/PE/PPの3層複合フィルムなどのポリオレフィン系材料から製造された微多孔膜がほとんどです。ポリオレフィンポリマー材料は絶縁性かつ非導電性であり、電子ビームに対して非常に敏感であり、高電圧下で観察すると帯電効果を引き起こす可能性があり、ポリマーダイヤフラムの微細構造は電子ビームによって損傷を受ける可能性があります。GSIが独自に開発した電界放射型走査電子顕微鏡SEM5000は、低電圧・高分解能を備え、低電圧でダイヤフラムを損傷することなくダイヤフラム表面の微細構造を直接観察することができます。

振動板の作製工程は大きく乾式法と湿式法の2種類に分けられます。乾式法は、一方向延伸法と二方向延伸法を含む溶融延伸法であり、工程が簡単で製造コストが低く、リチウムイオン電池隔膜の製造方法として一般的である。乾式法で作製した隔膜は平坦で長い微多孔質を持っていますが（図1）、作製した隔膜は厚く、微多孔質の均一性が悪く、細孔径や気孔率の制御が難しく、組電池のエネルギー密度が低く、主に使用されています。ローエンドのリチウムイオン電池に搭載されています。

図1 ドライストレッチダイヤフラム/0.5KV/インレンズ

湿式プロセス（熱相分離法）では、ポリマーと高沸点溶媒などを混合・溶融し、冷却相分離、延伸、抽出・乾燥、熱処理、乾燥などのプロセスを経て微多孔膜が製造されます。整形中。乾式プロセスと比較して、湿式プロセスは安定性と制御性が高く、その結果、隔膜の厚さが薄く、機械的強度が高く、均一な細孔径分布と相互浸透が得られます (図 2)。湿式法で作られた振動板は乾式法に比べてコストが高いものの、組電池のエネルギー密度が高く、充放電性能が良好なため、中高級リチウムイオン電池に多く使われています。GSIが独自に開発した細孔径解析システムと組み合わせることで、隔膜の細孔径と気孔率を迅速かつ自動で解析できます（図3）。

図2 ウェットストレッチダイヤフラム/1KV/インレンズ

図 3 隔膜細孔径分析/1KV/インレンズ

ポリオレフィン系隔膜はリチウムイオン電池に広く使用されていますが、材料自体の機械的特性、耐熱性、表面不活性度によって制限があり、単純なポリオレフィン系隔膜ではリチウムイオン電池の高い安全性と高性能の要件を満たすことができません。イオン電池。このため、機械的特性、耐熱性、電解質との親和性を向上させるために、ポリオレフィン製隔膜の表面改質が必要となります。最も一般的に使用される方法の 1 つは、振動板の表面を物理的にコーティングすることです。無機セラミック材料（図4）は、優れた耐熱性、高い化学的安定性、およびポリオレフィン隔膜の電解液に対する濡れ性を向上させる極性官能基を表面に持つという特徴があるため、耐熱性を高めるためのコーティング粒子としてよく使用されます。ダイアフラムの電気化学的特性。図5は、無機セラミック粒子でコーティングした後のダイアフラムのセラミック表面の表面形態を示しています。

図4 アルミナセラミック粉末/5KV/BSED

図 5 セラミックコーティングされたダイヤフラム/1KV/インレンズ

1. Ⅲ．電界放射型走査電子顕微鏡 SEM5000

SEM5000 は、高度なバレル設計、高電圧トンネル技術、低収差の漏れのない磁気対物レンズ設計を備えた高解像度で機能豊富な電界放射型走査電子顕微鏡で、低電圧高解像度イメージングを実現します。オペレーティング ソフトウェアには光学式ナビゲーションが搭載されており、操作と使用プロセスを最適化します。ユーザーは、経験の有無にかかわらず、すぐに高解像度の撮影タスクを開始して完了できます。