カソード前駆物質

• ニッケル・コバルト・マンガン(NCM)およびニッケル・コバルト・アルミニウム(NCA)前駆体
  NCMとNCAは、業界で最も一般的なカソード材料で、特に電気自動車に使用されています。これらの材料の前駆体は水酸化物の混合物であり、NCMはNi_xCo_yMn_(1-x-y)(OH)₂、NCAはNi_xCo_yAl_(1-x-y)(OH)₂と表記されます。
  
  
• コバルト酸リチウム(LCO)前駆体
  コバルト酸リチウム(LiCoO₂)は携帯型電子機器に広く使用されています。前駆体である酸化コバルト(Co₃O₄)が炭酸リチウムまたは水酸化リチウムで処理され、最終的なカソード材料が生成されます。 
  
  
• リン酸鉄リチウム(LFP)前駆体
  EV電池に使用されるリン酸鉄リチウム(LiFePO₄)カソードは、リン酸鉄(FePO₄)前駆体から得られます。 
  
  
• リチウムマンガン酸化物(LMO)前駆体
  酸化マンガン(Mn₃O₄)は、リチウムマンガン酸化物(LiMn₂O₄)の前駆体として働きます。高速で熱安定性に優れている材料として知られており、ハイブリッド車や電動工具によく使用されています。 
  
  
• 高ニッケル前駆体
  電池の高エネルギー密度化を推し進める中で、高ニッケル前駆体が注目を集めています。これらの前駆体は、さまざまな量のドーパントを含むNi(OH)₂に代表され、高ニッケル含有量のカソード材料の生産に使用されています。 

カソード前駆体を合成するための最も一般的な方法は共沈であり、金属塩の水溶液を混合して液体前駆体を形成させます。水酸化ナトリウム(NaOH)や水酸化アンモニウム(NH₄OH)のような沈殿剤を溶液に添加し、金属を水酸化物として沈殿させます。 

共沈は、ゆっくりと進行します。核生成から始まり、一次粒子が形成され、最後に大型の微粒子に凝集します。全体的なプロセスは、20～40時間かかります(プロセスの効率性に応じて異なります)。 

溶液の温度、pH、濃度、および攪拌速度を注意深く制御して、沈殿物の粒子径と組成を均一にします。沈殿物は、通常、金属水酸化物や炭酸塩の混合物であり、NCM前駆体のNixCoyMn_(1-x-y)(OH)₂のようなものです。次に、この前駆体をLiOHと混合し、900^oCで焼成して最終的なカソード材料を生成します。プロセスの概略を以下に示します。

多くのパラメータ(スラリー組成、pH値、温度、攪拌速度)が共沈の効率性に影響を与えます。これらのパラメータを最適化することが電池のカソード前駆体材料の品質と処理能力において重要な役割を果たします。リアルタイムでパラメータを監視および制御して、共沈プロセスの効率性を高めるために、当社はさまざまな分析ソリューションを提供しています。さらに、当社のソリューションは、前駆体材料がその後の処理でカソード活性材料になるために望ましい特性を有していることを確認するのに役立ちます。

カソード前駆体の品質と処理能力は、次のパラメータを測定/制御することで最適化できます。

• 粒子径
• 粒子形状
• 化学成分と不純物
  
• 結晶相分析
  
• ゼータ電位
  

各パラメータの詳細については、以下をご覧ください。

前駆体粒子は、核となって大きくなり、凝集して大型の二次粒子を形成します。最高の製造効率を実現するには、これらの粒子が可能な限り短時間で目標サイズを超えるよう大きくなる必要があります。このため、粒子径を経時的に測定することは、スラリー反応器でプロセスパラメータを微調整するための重要な方法です。

レーザ回折は、粒子径分布を正確に測定してプロセスと品質を管理するための最適な方法の1つです。Mastersizer 3000は、世界中の電池および電池材料メーカーから信頼されており、粒子径分布測定のデファクトスタンダードとなっています。 

レーザ回折式粒子径分布測定装置のMastersizerシリーズは、湿式・乾式の両方に対応し、迅速で正確な粒子径分布を提供することをベンチマークとしています。そして、新しいMastersizer 3000+の導入により、Size Sureやデータ品質に関するガイダンスなどの高度な機能がさらに向上しました。

当社の自動化されたオンラインインシテック粒子径分布測定装置は、生産環境でこれらの測定を実施でき、数秒ごとにリアルタイムの分析結果を提供する理想的な装置です。 

フィードバックループを使用して、この情報を使用して、Ｐh値、温度、設定速度などのパラメータを調製できます。 

さらに、スマートな製造工程フローとの相乗効果を得ることができます。これにより、大きな利益を得ることができます。通常、一日あたり1000 kgのカソード材料を製造するカソード製造プラントは、インシテックを使用して前駆体スラリー粒子径を分析することで、年間最大20万ドルを節約できます。

粒子形状は安定した二次粒子の形成において重要な役割を果たし、前駆体の収率(タップ密度)だけでなく最終的なカソード材料の品質に重大な影響を与えます。たとえば、細長い粒子は高速で攪拌されるスラリー中で破壊され再溶解される可能性があります。

メーカーが粒子形状を分析し最適化できるようにするために、当社のモフォロギ4光学画像処理装置は、完全自動画像解析法を使用して、円形度、伸度/アスペクト比、円相当(CE)径、および透過性などのパラメータを測定します。

最終カソード材料中の最適な化学成分を最適化するには、最初に前駆体レベルで制御する必要があります。蛍光X線(XRF)は、化学成分と不純物を、わずか数ppmから100%まで分析でき、化学成分を分析するための最適な技術です。

XRFはサンプル希釈や酸分解法を必要としないため、誘導結合プラズマ(ICP)質量分析よりも簡単で精度の高い元素組成の測定方法を提供できます。多くの大手電池メーカーは、当社のベンチトップEpsilon 4 EDXRFまたはZetium WDXRF分光計を使用して、前駆体の組成やカソード材料を分析しています。 

当社の新しいRevontiumハイエンドEDXRFシステムがこれらを補完します。当社の電池参照標準試料セットとForj/Egon 2融合システムを、当社の専門知識のもとに組み合わせることで、ICP分析の確度と精度に匹敵する、場合によっては上回る可能性もある優れたソリューションを提供しています。

オンライン元素組成分析ソリューションには、電池液体前駆体用のEpsilon Xflowや電極被膜分析用のEpsilon Xlineがあります。 

結晶相とは、原子スケール(イオン輸送または電子輸送が発生するか妨げられるスケール)での材料の構造を指します。前駆体の結晶相の組成は、最終的なカソード材料の品質を早い段階で示すことができます。 

カソード前駆体材料の結晶相組成を正確に分析するために、メーカーは操作が簡単で高品質データを提供する当社のAeris小型X線回折装置を使用できます。

カソード前駆体溶液からの粒子の沈殿は、一次粒子(50～100 nm)の相互作用により大型の二次粒子(10～20 µm)が形成されることに依存します。ゼータ電位は、Ph値と温度値を分析/調製し、これらの値の相互作用を最適化するために使用できます。 

当社のZetasizerは正確にゼータ電位を測定し、前駆体合成の研究開発を補完することもできます。