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リチウム電池用活性炭

活性炭はリチウムイオン電池の製造において重要な役割を果たしています。これは、導電性添加剤、細孔形成剤、および電解液浄化剤として使用され、電極の導電性を高め、イオン移動効率を向上させ、電解液系から水分や不純物を除去することで、 それにより、電池のエネルギー密度、サイクル寿命、および安全性を最大限に高めることができます。.
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リチウム電池用活性炭とは何ですか？

リチウム活性炭は、リチウムイオン電池の製造においてさまざまな用途に用いられる特殊な活性炭の一種であり、電極の導電性添加剤、電極ペースト配合における細孔形成剤、およびセル組立前の電池用電解液から水分、 酸不純物、および有機汚染物質を除去するための電解液浄化媒体として、セル組立前のバッテリーグレードの電解液溶液からこれらを除去するために用いられます。.

ろ過や洗浄用の活性炭とは異なり、リチウム電池用グレードの活性炭は、BET比表面積、導電性、粒径分布、水分含有量、磁性粒子の混入、金属不純物など、極めて厳しい要件に基づいて製造されています。 これらの要素はすべて、電池の特性、すなわち電気伝導度、リチウムイオンの移動速度、内部抵抗、蓄電容量、サイクル寿命に直接影響を与え、とりわけ重要なのが発熱と安全性です。 ACCC にごく微量の金属汚染や湿気が混入しただけでも、内部短絡を引き起こしたり、容量の低下を加速させたり、完成した電池セルで発熱を引き起こしたりする可能性があります。.

世界中でEV、電力網、およびEVの要件が急速に拡大する中、LCIへの需要も急速に高まっており、材料の選定やサプライヤーの認定は、バッテリーセルの製造において極めて重要なステップとなっています。.

リチウム電池用活性炭の主な利点

  • 電極の導電性と充放電速度の向上： 活性炭は、正極および負極の両方で導電剤として使用され、電極マトリックス全体の導電性を高め、内部抵抗を低減し、高充放電条件下での電流容量を向上させ、EVおよびEV用バッテリーにおいてより高速な充電性能を実現します。.
  • 細孔率の制御によるイオン輸送の最適化： リチウム電池用活性炭は、精密に制御された細孔構造を有しており、電極内に相互に連結したイオン移動ネットワークを形成します。これにより、活物質表面へのリチウムイオンの急速な拡散が促進され、高放電率時の濃度分極が低減されるとともに、電池セルの全動作温度範囲において容量が維持されます。.
  • 細胞の安全性とサイクル寿命の向上に向けた電解質の精製： 電池電解液の浄化に用いられる活性炭層は、残留水分、HF、 有機汚染物質、および溶解した金属イオンを除去することが可能です。これらは電解液の劣化を加速させ、固体電解質膜（SEI）の不安定化を招き、発熱リスクを高める要因となります。これにより、完成セルの安全性、初回サイクル効率、および長期サイクル寿命が直接的に向上します。.
  • 磁性粒子および金属不純物の含有量が極めて少ない： Fe、Ni、Cu などの金属汚染物質を 100 万分の 1 単位で厳格に管理することで、セパレータ膜への金属微粒子の堆積による内部短絡の発生を防ぐことができます。これは、IATF 16949 および同等の品質管理基準に従って製造される自動車用バッテリーにおける重要な安全規則です。.
  • 均一な電極スラリー処理のための粒子径の一貫性： 厳密に管理された粒度分布により、電池電極の大量生産において、電極ペーストのレオロジー特性、コーティングの均一性、および電極厚さの均一性が保証されます。.

業界が直面する課題

金属不純物の混入は、重大な安全上のリスクをもたらす

活性炭中に含まれるFe、Ni、Cuなどの金属粒子が、たとえ100万分の1の濃度であっても、セルの膜上に堆積する可能性があります。その結果、内部短絡、容量損失の加速、および熱損失が生じ、自動車用リチウムイオン電池ユニットにとって許容できない安全上のリスクとなります。.

電極製造の歩留まりにおいて、粒子径の均一性は極めて重要である

活性炭の粒度分布にばらつきがあると、高速塗装ラインにおいて電極ペーストの粘度が不均一になったり、コーティング不良や電極の厚みムラが生じたりします。その結果、大規模な電池製造工場では、生産速度の低下、セル間の性能ばらつき、および品質管理コストの増加が直接的に引き起こされます。.

導電性の向上と活性物質の充填量のバランス

導電性添加剤として活性炭を添加すると、電極の導電性は向上するが、本来なら正極や負極の有効面積として活用できるスペースや重量を占有してしまう。そのため、最終的な電池セルのエネルギー密度を許容できないほど低下させることなく、最大の導電効率を達成するためには、炭素の充填量を最適化する必要がある。.

製品概要

活性炭

EN-PB-2000

具体的な使用例 — リチウム電池用活性炭

陰極用導電性添加剤

活性炭は、リチウムイオン電池の正極スラリーに、NMC、LFP、NCAとともに、電極マトリックス全体にわたり導電経路を形成・維持する導電性添加剤として配合されています。 活性炭は、導電性の低い活物質粒子と集電体との間の隙間を埋めることで電極の内部抵抗を低減し、高充電・放電電流下でのレート特性を向上させ、低温下での容量利用率を高め、 さらに、リチウムの挿入・脱挿入に伴う体積変化が生じても、電極の形状を安定に保ちます。.

陽極電極の改質とハードカーボンの応用

バイオマス、樹脂、またはポリマー前駆体を原料とする活性炭およびハードカーボン材料は、リチウムイオン電池の負極用グラファイトの代替材料として研究が進められている。特に、ナトリウムイオン電池や次世代リチウムイオン電池においては、活性炭およびハード-カーボン材料の無秩序な炭素構造が、従来の黒鉛負極の特性と電位および容量の面で相補的な特性を持ち、ナトリウムイオンやリチウムイオンの挿入に適した環境を提供する。有機前駆体を制御的に活性化して製造されるハードカーボンは、商用ナトリウムイオン電池セルにおいて、好ましい負極材料となりつつある。.

電池電解液の精製

高純度の電池用電解液（通常は有機炭酸塩溶媒に可溶なヘキサフルオロリン酸リチウム（LiPF））は、電解液の合成および処理過程で生じる残留水分、フッ化水素酸、溶解した金属イオン、および有機汚染物質を除去するために、厳密に精製する必要があります。 電解洗浄プロセスでは、活性炭充填層またはスラッジ処理工程を用いて、こうした微粒子を吸着させ、 それにより、電解液の化学的性質が向上し、固体電解質界面（SEI）の品質が向上し、初回サイクルにおける不可逆的な容量損失が低減され、完成したリチウム電池セルの長期的なサイクル安定性が向上する。.

イオン輸送効率向上用電極細孔形成剤

特定のリチウム電池電極組成では、微細活性炭粒子が細孔形成要素として電極被膜に組み込まれており、これにより圧縮電極構造内に制御された細孔網が形成されます。この細孔網は、電解液の浸透や、厚い電極の奥深くにある活物質表面へのリチウムイオンの拡散を促進します。 この方法は、高エネルギー密度の電極設計において特に有用である。高エネルギー密度の電極設計では、単位面積あたりの活物質充填量が増加すると、イオン移動が制限され、電極の細孔制御が不十分な条件下では、レート特性および容量が低下してしまうからである。1

セパレータのコーティングおよび機能層の応用

研究開発の分野では、活性炭をLiBe分離塗料および機能性中間層に組み込む取り組みが進められており、これにより、セル内に蓄積して劣化を加速させる溶解した遷移金属イオン、ポリスルフィドシャトル中間体、および電解分解生成物を吸収することが可能となる。 活性炭機能性分離塗料は、こうした汚染物質が電極上に沈着したり、仕切りを横切って対向電極を汚染したりする前にそれらを吸収し、先進的なリチウムイオン電池化学においてサイクル寿命を延ばし、蓄電容量を向上させます。.

形成ガスおよび電解質添加剤の精製

リチウム電池セルの形成段階、すなわちSEI層の形成とセルの活性化が行われる初期の充放電期間において、電解液の分解や残留水分によるガスの発生により、セルの膨張、 体積の減少、およびセルの完全性を脅かす内部圧力の上昇を引き起こします。電池製造設備のガス処理システムでは、活性炭を用いて、形成循環および電解液充填作業の過程で放出される有機溶剤蒸気、フッ素、および有毒ガスを捕捉・除去しています。.

電池のリサイクルと使用済み材料の処理

EVおよびEVフリートの寿命終了が加速する中、バッテリーのリサイクルや湿式製錬において、特にブラックマス浸出液からLi、Co、Ni、Mnを精製する工程で、活性炭が使用されています。 活性炭吸着段階：金属リサイクル液から有機不純物、残留電極結合化合物、および微量汚染物質を除去する。.

当社のリチウム電池用活性炭の特長

高いレート性能を実現するための、電極の導電性の大幅な向上

導電性添加剤として使用されるリチウム電池用活性炭は、電極の電子伝導性を大幅に向上させます。これにより、内部抵抗が低減され、高充放電電流下でのレート特性が向上し、電気自動車や民生用電子機器向けのリチウムイオン電池セルにおいて、より高速な充電が可能になります。.

不純物含有量を極限まで低減し、セルの安全性とサイクル寿命を向上

バッテリーグレードの基準に準拠して、金属不純物、磁性粒子、および水分を厳格に管理することで、内部短絡を防止し、SEIの不安定化を抑制し、熱暴走のリスクを低減します。 これにより、完成した電池セルの安全性が直接向上し、初回サイクルにおけるクーロン効率が改善され、電池の全耐用期間にわたって長期的な容量保持率が向上します。.

細胞の形成と性能を最適化するための高精度電解質精製

高純度の活性炭は、セルへの充填に先立ち、電池電解液から残留水分、フッ化水素酸、溶解金属、および有機不純物を除去します。このプロセスにより、電解液の化学的安定性が向上し、SEI形成の質が高まり、形成サイクル中の不可逆的な容量損失が低減され、完成したリチウムイオン電池セルのエネルギー密度とサイクル寿命が最適化されます。.

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リチウム電池の性能は、電池セルの品質基準で求められる厳しい純度、導電率、粒度要件を満たして製造された活性炭グレードの選定から始まります。 当社では、電極、電解液、ハードカーボン用途向けに特別に設計された、金属不純物が極めて少なく、BET比表面積が確保され、湿度レベルが厳密に管理された、多種多様な活性炭製品を取り揃えています。当社のカタログをご覧いただき、仕様を比較して、お客様の電池セル製造に最適なグレードをお選びください。.
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リチウム電池の製造は、急速に成長している先端材料分野における最も重要な用途の一つであり、この分野では高性能な化学材料が極めて重要な機能的価値をもたらしています。 エネルギー貯蔵、水処理、工業用ガス浄化、大気汚染対策、あるいは環境修復のいずれの分野で事業を展開されている場合でも、当社は活性炭、酸化アルミニウム、二酸化チタン、その他の高度な材料を使用しています。お客様の具体的な用途や性能要件に適した材料や取り扱い方法をお探しください。.
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製品は、輸送中の清潔さと完全性を確保するため、耐久性があり防湿性のあるパウチまたはバルク容器に収納されるものとします。特殊なサイズや取り扱い要件に合わせた、カスタマイズされた梱包オプションもご用意しています。.

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