2018 Fiscal Year Research-status Report
高容量二次電池における微視的な熱サイクル疲労損傷メカニズムの解明
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16K05989
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
大塚 年久 東京都市大学, 工学部, 教授 (40233176)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岸本 喜直 東京都市大学, 工学部, 准教授 (20581789)
小林 志好 東京都市大学, 工学部, 准教授 (90295014)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 機械材料・材料力学 / 損傷力学 / 熱サイクル疲労 / マルチフィジックス / マルチスケール / 積層構造 / 薄板構造 / 二次電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当初の研究目的を鑑みて，不足している実験データを取得した．具体的には，リチウムイオン電池の負極板（母材が銅箔，電極材がカーボン）に対して，これまでに製作した平面曲げ疲労試験機を用いた疲労試験を実施した．本試験によって得られた電極材のＳ－Ｎプロットは昨年度得られたＳ－Ｎ線図上に乗っており，本疲労試験の再現性を確認できた．さらに，疲労試験中，電極材にき裂が生ずるまでの様相を観察した．また，試験後には電極材に生じたき裂の破面を詳細に観察した．これらの観察結果から，電極材は直径数マイクロメートルの活物質粒子を高分子バインダーでつなぎとめている架橋構造をなしていること，および電極材に生じるき裂損傷の本質はバインダーの破断にあることがわかった．このことをさらに詳細に調べるために，バインダーの濃度を種々に変えた試験片を作成して，電極材単体の静的引張試験を実施した．試験結果より，電極材の引張強度はバインダーの濃度の１／３乗に比例し，バインダーの濃度が大きい試験片の破面はバインダーが繊維状に伸びた様相を示した．したがって，電極材にかかる荷重はバインダーで支えられていることが明確になった．以上を踏まえて，試験片の挙動を再現するために電極材の微視的な構造に基づいたマルチスケールの有限要素解析手法の開発を試みた．なお，有限要素解析においては，電極材単体の強度だけでなく，剛性も必要なパラメータであるので，電極材単体に対して自重たわみ試験を追加で行った．観察において実際の活物質粒子はランダムに配置されていたが，本解析手法では活物質粒子の配置を，体心立方格子および面心立方格子で近似した．電極材の構成材料である活物質粒子とバインダーの物性値を入力して，前述の平面曲げ疲労試験，静的引張試験および自重たわみ試験を本解析手法でシミュレーションしたところ，その計算結果は実験結果と良い一致を示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初計画していた温度制御下による疲労試験は実施せず，研究目的の本質である高容量二次電池電極の疲労損傷メカニズムの解明に専念した．さらに，電極材の微視的な挙動に基づくマルチスケール有限要素解析手法の構築に至った．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで行ってきた疲労試験結果の最終確認として，試験片製作時の温度の影響を見るために発注した定温乾燥機の納入が大幅に遅れた．補助事業期間を１年延長し，定温乾燥機納入後，予定していた追加実験を速やかに実施することで，本研究の精緻性を高めるとともに，その成果を学会等にて発表する予定である．
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| Causes of Carryover |
当初の予定のとおり，実験装置および試験片，研究成果の発表（旅費，学会参加登録費）に助成金を使用した．平成３０年度までの残高は追実験用試験片材料費であり，平成３１年度に使用予定である．
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