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【電池材料】第一期 鋰離子電池與氟素材料
2023.10.02
【連載專欄：電池材料】
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由多年從事鋰離子電池材料的開發工作，
現任（株）鈴木材料技術與諮詢公司電池材料顧問的鈴木孝典先生，
介紹電池材料的市場發展趨勢與開發方向。第一期為您送上“鋰離子電池與氟材料”。
現任（株）鈴木材料技術與諮詢公司電池材料顧問的鈴木孝典先生，
介紹電池材料的市場發展趨勢與開發方向。第一期為您送上“鋰離子電池與氟材料”。
1. 鋰離子電池的歷史
鋰離子電池的基本概念是由吉野彰博士在1985年確立的，現如今鋰離子電池已經擁有了巨大的市場，不僅在通信、移動設備、環境等領域，在其他很多領域均得到了廣泛應用，且仍在不斷擴大。吉野博士也因這一貢獻於2019年獲得了諾貝爾化學獎，這是不言而喻的。
之後，Sony於1991年首次將產品投入市場。當鋰離子電池出現在我們面前時，它已被廣泛使用在電腦、手機、攝像機、數碼相機等移動設備上。鋰離子電池的最大優點是體積小、重量輕、容量大。如果沒有鋰離子電池，手機、智慧手機的市場情況將會完全不同。
近年來，鋰離子電池在汽車（EV、HEV、PHEV等＝xEV）、電力儲存、工業機械、飛機、火車等方面的用途不斷擴大，電池的尺寸也實現了大型化。這30年的歷史完全可以說是提高容量與功率密度、降低成本以及保持並提高安全性的歷史。
2. 液態電池的開發趨勢
對於電池，特性方面恒久不變的要求是大容量密度、高功率密度、輕量、安全和廉價。特別是在鋰離子電池中，由於對“高容量電池”的期待，大容量一直是優先考慮的條件。儘管如此，並不是說對其他性能不作要求，而是在各個特性均衡發展的基礎上，不斷推進高容量的開發，才獲得了今天的性能。
鋰離子電池的開發要綜合考慮材料、設計、生產等各個方面。材料方面，為提高電池性能，不僅要是四大主要材料（正極、負極、電解液、隔膜）的開發，由於對於很多輔助材料對於提高電池性能也很重要，這些材料的開發需求也在不斷增加並且已經克服了相當多的難題。
圖1. 鋰離子電池的歷史
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2-1. 正極
在正極，一方面進行了通過增加活性物質的含鋰量、提高電壓來增大容量的開發，另一方面通過降低稀土金屬鈷以及鎳的含量，僅利用易於獲得的材料設計來降低成本，穩定材料供應。
2-2. 電解質
為了配合正極的高電壓化趨勢，提高電解質的耐電壓能力，以及使負極工作穩定，正在進行添加劑的開發、篩選與溶劑選定相結合的研究工作。由於電解液使用了具有可燃性的有機溶劑，鋰離子電池存在“可燃”這一重大問題。實現電解液的不燃是一個非常重要的課題，其延伸出來的解決方案就是使用固體電解質的全固態電池。
2-3. 隔離膜
隔離膜是確保電池安全的非常重要的材料。而另一方面，它對於儲存電能並沒有貢獻。因此，人們總是要求在確保安全性的基礎上盡可能使其更薄。隔膜的開發可以說需要兼顧安全性和輕薄性。此外，還需要增加對正極高電壓的耐受性。
2-4. 負極
為了推進負極的高容量化，正在開發各種添加矽系、錫系等金屬氧化物材料的方法，以及將鋰金屬直接用於負極的方法等。
2-5. 黏著劑
自鋰離子電池問世， PVdF材料長期以來一直被用作正極黏著劑。即使加入了提高分子量、官能基等改良技術，但其主要材質仍保持PVdF不變。
2-6. 導電劑
多年來，一直採用碳黑類材料作為導電劑。但近年來，在低成本化的背景下，使用多層CNT、單層CNT的產品開始投入市場。以前也存在使用氣相沉積碳納米管的情況，但作為一般導電劑得到實際應用可以說是很大的進步。CNT多數情況下以分散液的形態供貨。
3. 大金的材料開發
大金公司憑藉多年的氟化學經驗，面向鋰離子電池開發了黏著劑、電解液用添加劑及溶劑、CNT複合黏著劑分散液、密封圈材料等產品，為提高鋰離子電池的性能和確保安全性做出了貢獻。
圖2.大金的電池材料
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3-1. 氟化學與鋰離子電池的關係
氟化合物和氟樹脂通常以化學穩定性高而聞名，在鋰離子電池用途中也使用了很多氟材料。特別是電解質和黏著劑，鋰離子電池材料之所以能製造出高性能電池，可以說氟材料功不可沒。
鋰離子電池的電壓可高達4.6V。雖然主要原因是正極的電位非常高，但是在這樣高的氧化電位下能夠穩定維持性能的材料，除了氟化合物以外，其他材料少之又少。特別是存在於正極電極內的電解質或黏著劑，暴露在強氧化性環境中，需要採用穩定性極高的材料。
3-2. 黏著劑
大金利用自主技術對PVdF進行了改良，推出了能夠改善電極柔軟性、賦予其高密度化、防凝膠化等功能的新型黏著劑產品“NEOFLON VT-475”。另外，固體電解質專用黏著劑和幹法工藝專用粘合劑等產品也在開發中。
3-3. CNT分散液
以大金的黏著劑為基礎，正在推進將單層CNT和黏著劑組合而成的含有黏著劑的導電劑分散液“NEOFLON VTD-475N”的開發。這是一款值得期待的產品，它能夠同時賦予電極優異的導電性以及大金黏著劑所具備的性能。
3-4. 電解質（添加劑）
大金也正在開發氟系電解液添加劑，目的是添加到電解液中輔助提高其功能。這也是作為氟系材料，在電池中兼具可控的反應性和穩定性、有助於提高電池性能的優良材料。
3-5. 密封圈材料
方形鋰離子電池的端子周圍用密封圈進行密封。對於圓柱形的電池筒體，正極端子與筒體之間也是通過密封圈進行絕緣、密封的。這些密封圈起到端子和筒體間的絕緣作用並直接接觸筒體內的有機電解液， 因此要求兼具化學穩定性和鉚接時的抗蠕變性。
正因為多年來一直致力於氟化學的研究，大金公司材料開發在提高先進鋰離子電池的性能和通過其使用保護環境方面可以發揮重要作用。希望今後也能通過氟材料的開發為社會做出更大貢獻。
鋰離子電池的基本概念是由吉野彰博士在1985年確立的，現如今鋰離子電池已經擁有了巨大的市場，不僅在通信、移動設備、環境等領域，在其他很多領域均得到了廣泛應用，且仍在不斷擴大。吉野博士也因這一貢獻於2019年獲得了諾貝爾化學獎，這是不言而喻的。
之後，Sony於1991年首次將產品投入市場。當鋰離子電池出現在我們面前時，它已被廣泛使用在電腦、手機、攝像機、數碼相機等移動設備上。鋰離子電池的最大優點是體積小、重量輕、容量大。如果沒有鋰離子電池，手機、智慧手機的市場情況將會完全不同。
近年來，鋰離子電池在汽車（EV、HEV、PHEV等＝xEV）、電力儲存、工業機械、飛機、火車等方面的用途不斷擴大，電池的尺寸也實現了大型化。這30年的歷史完全可以說是提高容量與功率密度、降低成本以及保持並提高安全性的歷史。
2. 液態電池的開發趨勢
對於電池，特性方面恒久不變的要求是大容量密度、高功率密度、輕量、安全和廉價。特別是在鋰離子電池中，由於對“高容量電池”的期待，大容量一直是優先考慮的條件。儘管如此，並不是說對其他性能不作要求，而是在各個特性均衡發展的基礎上，不斷推進高容量的開發，才獲得了今天的性能。
鋰離子電池的開發要綜合考慮材料、設計、生產等各個方面。材料方面，為提高電池性能，不僅要是四大主要材料（正極、負極、電解液、隔膜）的開發，由於對於很多輔助材料對於提高電池性能也很重要，這些材料的開發需求也在不斷增加並且已經克服了相當多的難題。
圖1. 鋰離子電池的歷史
2-1. 正極
在正極，一方面進行了通過增加活性物質的含鋰量、提高電壓來增大容量的開發，另一方面通過降低稀土金屬鈷以及鎳的含量，僅利用易於獲得的材料設計來降低成本，穩定材料供應。
2-2. 電解質
為了配合正極的高電壓化趨勢，提高電解質的耐電壓能力，以及使負極工作穩定，正在進行添加劑的開發、篩選與溶劑選定相結合的研究工作。由於電解液使用了具有可燃性的有機溶劑，鋰離子電池存在“可燃”這一重大問題。實現電解液的不燃是一個非常重要的課題，其延伸出來的解決方案就是使用固體電解質的全固態電池。
2-3. 隔離膜
隔離膜是確保電池安全的非常重要的材料。而另一方面，它對於儲存電能並沒有貢獻。因此，人們總是要求在確保安全性的基礎上盡可能使其更薄。隔膜的開發可以說需要兼顧安全性和輕薄性。此外，還需要增加對正極高電壓的耐受性。
2-4. 負極
為了推進負極的高容量化，正在開發各種添加矽系、錫系等金屬氧化物材料的方法，以及將鋰金屬直接用於負極的方法等。
2-5. 黏著劑
自鋰離子電池問世， PVdF材料長期以來一直被用作正極黏著劑。即使加入了提高分子量、官能基等改良技術，但其主要材質仍保持PVdF不變。
2-6. 導電劑
多年來，一直採用碳黑類材料作為導電劑。但近年來，在低成本化的背景下，使用多層CNT、單層CNT的產品開始投入市場。以前也存在使用氣相沉積碳納米管的情況，但作為一般導電劑得到實際應用可以說是很大的進步。CNT多數情況下以分散液的形態供貨。
3. 大金的材料開發
大金公司憑藉多年的氟化學經驗，面向鋰離子電池開發了黏著劑、電解液用添加劑及溶劑、CNT複合黏著劑分散液、密封圈材料等產品，為提高鋰離子電池的性能和確保安全性做出了貢獻。
圖2.大金的電池材料
3-1. 氟化學與鋰離子電池的關係
氟化合物和氟樹脂通常以化學穩定性高而聞名，在鋰離子電池用途中也使用了很多氟材料。特別是電解質和黏著劑，鋰離子電池材料之所以能製造出高性能電池，可以說氟材料功不可沒。
鋰離子電池的電壓可高達4.6V。雖然主要原因是正極的電位非常高，但是在這樣高的氧化電位下能夠穩定維持性能的材料，除了氟化合物以外，其他材料少之又少。特別是存在於正極電極內的電解質或黏著劑，暴露在強氧化性環境中，需要採用穩定性極高的材料。
3-2. 黏著劑
大金利用自主技術對PVdF進行了改良，推出了能夠改善電極柔軟性、賦予其高密度化、防凝膠化等功能的新型黏著劑產品“NEOFLON VT-475”。另外，固體電解質專用黏著劑和幹法工藝專用粘合劑等產品也在開發中。
3-3. CNT分散液
以大金的黏著劑為基礎，正在推進將單層CNT和黏著劑組合而成的含有黏著劑的導電劑分散液“NEOFLON VTD-475N”的開發。這是一款值得期待的產品，它能夠同時賦予電極優異的導電性以及大金黏著劑所具備的性能。
3-4. 電解質（添加劑）
大金也正在開發氟系電解液添加劑，目的是添加到電解液中輔助提高其功能。這也是作為氟系材料，在電池中兼具可控的反應性和穩定性、有助於提高電池性能的優良材料。
3-5. 密封圈材料
方形鋰離子電池的端子周圍用密封圈進行密封。對於圓柱形的電池筒體，正極端子與筒體之間也是通過密封圈進行絕緣、密封的。這些密封圈起到端子和筒體間的絕緣作用並直接接觸筒體內的有機電解液， 因此要求兼具化學穩定性和鉚接時的抗蠕變性。
正因為多年來一直致力於氟化學的研究，大金公司材料開發在提高先進鋰離子電池的性能和通過其使用保護環境方面可以發揮重要作用。希望今後也能通過氟材料的開發為社會做出更大貢獻。