2019 Fiscal Year Annual Research Report
Microscopic mechanism of thermal cycle fatigue damage in high capacitance batteries
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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 |
これまでの試験結果を確認するため，補助事業期間を１年延長し，追試験を実施した．その結果，これまでに得られていた試験結果の再現性が確認された．本研究の実績の概要は以下のとおりである．(1) 電極材に負荷する荷重の大きさと荷重の変動速度を決定するため，電極材の厚さを種々に与えた試験片に対して，静的単軸引張試験を行った．引張試験の結果を踏まえて，ひずみ制御を念頭においた疲労試験装置を設計・製作した．具体的には平板曲げ疲労試験機を参考に，一定の曲率を持たせた曲面板に試験片を繰返しあてがい，試験片に曲げによるひずみを繰返し与える機構とした．(2) ひずみ制御による疲労試験によって繰返し変形に対する電極材のS-N線図を得た．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．他の材料でも見られる一般傾向と同様に，ひずみ振幅が小さくなると電極材にき裂の生じるまでの繰返し数が大きくなることがわかった．電極材の観察結果から，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．(3) 疲労試験の結果を踏まえて，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解析手法の開発を試みた．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，前述の引張試験と平面曲げ疲労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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