目次
バッテリー性能の鍵となる熱挙動
効率的で長寿命の電池を開発するためには、電池成分の熱物性を詳細に理解する必要があります。特に、リン酸鉄リチウム（LFP）、ニッケルマンガンコバルト酸化物（NMC）、固体電解質の特性を評価する場合、充放電サイクル中の経年劣化メカニズムや効率低下を理解し、制御するためには、熱パラメータの正確な測定が不可欠です。そこで 過渡ホットブリッジ（THB）を正確に測定するための中心的な方法であることが証明されている。 熱伝導率, 熱拡散率比熱容量 比熱容量を確立した。
過渡的ホットブリッジ法：技術的優位性
について THB-法は、セル部品の熱特性測定の精度をいくつかのレベルで向上させ、過渡ホットストリップ（THS）法や古典的なヒーティングワイヤー法などの旧来の方法と比較して決定的な利点を提供します。絶対測定法であるため、追加の校正や基準測定が不要で、基準偏差による系統誤差を排除することができます（Linseis Messgeräte GmbH, 2024）。
技術設計と測定原理
THB方式のセンサーは、2枚のポリイミドフォイルの間にニッケルを挟んだプリント回路フォイルとして実現されている。レイアウトは、並列に配置され、ホイートストンブリッジを形成するように接続された4つの加熱ストリップで構成されている。一定温度では、ブリッジは本質的にバランスしており、校正は不要です。
THBの 特に重要な利点は、エッジ効果の補正です。従来のヒーティングワイヤー方式では、接続部分やエッジ部分を介した熱損失の影響を受けますが、THB測定法ではこれらのエッジ効果を測定するため、結果から差し引くことができます。
このメソッドは、0.01～1000W/(m*K)までの幅広い熱伝導率測定に対応し、次のような国際規格に適合しています。 ASTM D5930, ASTM D7896-19および ISO 22007-2に準拠し、比較可能性と品質保証が保証されています。測定時間が1分未満という短時間であることが特に有利です。
電池セルの重要な熱物理パラメータ
いくつかの熱物性パラメータは、充放電サイクル中のNMCおよびLFPセルの経時変化と効率にとって決定的な重要性を持つ：
熱伝導率は、セル内の熱をどれだけ効率よく放散できるかを決定する。熱伝導率が 高ければ、温度分布が均一になり、局所的な高温の原因となるホットスポットの発生を防ぐことができる。Marconnetら（2024）は、経年劣化による熱伝導率の 低下が、リチウムイオン電池の性能と安全性を直接的に低下させることを示している。
比熱容量は、セル部品が温度上昇までどれだけの熱を吸収できるかを定義する。高い熱容量を持つ材料は温度変動をうまく緩衝するため、急速充放電過程におけるセルの損傷を軽減することができる。比熱容量は経年変化や材料疲労によって変化するため、サイクル中の温度プロファイルに影響を与えます。
熱拡散率は、温度変化がどれだけ速く材料中に広がるかを示す。熱拡散率が低いと、セル内の温度ゾーンが慣性的に変化することになる。このような場合、危険な温度勾配が形成され、老化が局所的に促進される可能性があるため、高Cレートでは特に重要である。
実用例
負極材料の特性評価
具体的な応用例としては、薄い銅集電体に塗布された負極材の熱伝導率の 測定があります。これらの測定は、バッテリーの熱管理システムの開発、最適化、設計に重要です。THB法を用いれば、コーティングと基材の両方の特性を総合的に評価することが可能です。
バッテリー製造における品質管理
工業用電池の製造では、THB法は原材料の継続的な品質管理に使用される。
新しい電極材料の開発
この方法は、固体、液体、粉体、ペーストに対して、高い測定精度で結果を提供するため、革新的な電極材料の開発に特に有用である。
素材固有の考慮事項と経年変化
LFPセルは、化学的安定性と適度な温度依存性で知られているが、繰り返し負荷による電極の微細構造損傷は、熱伝導率と熱容量を著しく悪化させる可能性がある。NMCセルは、熱特性においてより強い温度依存性と経年依存性を示すことが多く、熱管理と材料特性評価に対する要求が高くなる（Ali et al.）
固体電解質は安全性を高める可能性があるが、固有の熱伝導率が低い場合があるため、温度の均一性に新たな課題が生じ、THBのような特に精密で空間的に分解された測定方法が必要となる。Steinhardtら（2022）は、強い温度上昇と温度勾配が、細胞の老化と性能の両方に悪影響を及ぼすことを実験的に確認している。
手法の比較：THBと確立された手法の比較
レーザーフラッシュ分析（LFA）との比較
THB測定法では、熱伝導率、熱拡散率、密度がわかっていれば比熱容量が得られます。レーザーフラッシュ レーザーフラッシュ法では熱拡散率しか得られません。さらに、THBによる 測定は非常に簡単で、予備知識がなくても実施できます。さらに、測定にかかる時間は数秒から数分です。
LFAの利点 LFAの利点は、-150～2800℃の広い温度範囲をカバーできることである。THBは -150～700℃の温度範囲で使用できる。
従来の熱線方式と比較した利点
従来の熱線方式では、エッジ効果やケーブルの影響により、系統的な測定誤差が発生していました。THBは 、以下のような問題を解消します：
- 境界効果の測定と補正により、精度が大幅に向上
- ブリッジ構成により、測定装置の校正と操作が大幅に簡素化されます。
従来の熱線方式と比較した利点
従来の熱線方式では、エッジ効果やケーブルの影響により、系統的な測定誤差が発生していました。THBは 、以下のような問題を解消します：
- 境界効果の測定と補正により、精度が大幅に向上
- ブリッジ構成により、測定装置の校正と操作が大幅に簡素化されます。
バッテリーの安全性に対する意義
電池の安全性を評価するためには、熱物性を正確に把握することが極めて重要です。規制当局は、乱用条件下での挙動を予測するために、詳細な熱モデルをますます要求しています。規格に準拠したTHB法は、これらの安全性評価に必要な基礎データを提供し、電池製品の承認に貢献します。
研究開発の結論
トランジェントホットブリッジ法は、校正不要の境界効果補償測定、高い材料柔軟性、短い測定時間により、セル部品の熱物性測定の精度を最大化します。関連するすべての熱物性パラメータの正確で再現可能な測定を通じてのみ、セル材料を効率的に評価し、新しい設計を開発し、今日の品質基準を保証することができます。電極やセパレーターから固体電解質まで、最新の電池材料の特性評価と最適化のために、この装置は研究室に不可欠なツールであり、最新の電池研究開発のニーズに特化した最高の精度とアプリケーションの柔軟性を提供します。
参考文献
Ali, H. et al. (2023). 「電気自動車用リチウムイオン電池の経年劣化の評価」。エネルギー研究の最前線.
Marconnet, A. et al. (2024). 「リチウムイオン電池電極の熱物性に及ぼす経時変化の影響」。Journal of Power Sources.
Hammerschmidt, U. “Transient Hot Bridge”.Physikalisch Technische Bundesanstalt Braunschweig.
Steinhardt, M. et al. (2022). 「リチウムイオン電池部品の熱伝導率の実験的調査」。
