• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2018 年度 実施状況報告書

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

研究課題

研究課題/領域番号 16K05989
研究機関東京都市大学

研究代表者

大塚 年久  東京都市大学, 工学部, 教授 (40233176)

研究分担者 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)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2020-03-31
キーワード機械材料・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
研究実績の概要

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.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

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.

今後の研究の推進方策

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.

次年度使用額が生じた理由

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.

  • 研究成果

    (2件)

すべて 2018

すべて 学会発表 (2件) (うち国際学会 1件)

  • [学会発表] リチウムイオン電池負極材の機械的疲労損傷の評価方法に関する研究2018

    • 著者名/発表者名
      鶴田龍也, 岸本喜直, 小林志好, 大塚年久, 塚越祐貴, 中村恭平
    • 学会等名
      日本機械学会 第26回機械材料・材料加工技術講演会
  • [学会発表] Computational evaluation of bending fatigue test on electrode of lithium-ion battery2018

    • 著者名/発表者名
      Yoshinao Kishimoto, Yukiyoshi Kobayashi, Toshihisa Ohtsuka, Tatsuya Tsuruta, Kyohei Nakamura, Yuki Tsukagoshi
    • 学会等名
      The 6th European Conference on Computational Mechanics and the 7th European Conference on Computational Fluid Dynamics
    • 国際学会

URL: 

公開日: 2019-12-27  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi