1. 電極材料與電極製造製程材料，電極的製造
-1. 在電池組裝前的製程中電極材料與電極的品質檢查的重要性
電池單體完整的製程，大致可分為材料製造、塗層製作、電極製作、電池組裝。
為了穩定生產合格的電池，確保各製程的品質是極其重要的。如果越是能夠在上游製程中排除不良品，就越有助於提升生產效率。需要管理的品質指標較多，在此對於以下三點
・塗層製作： 材料比例與混和狀態
・電極製作： 乾燥條件與電極密度的不同
・組裝製程： 不純物混入的程度
為了穩定生產合格的電池，確保各製程的品質是極其重要的。如果越是能夠在上游製程中排除不良品，就越有助於提升生產效率。需要管理的品質指標較多，在此對於以下三點
・塗層製作： 材料比例與混和狀態
・電極製作： 乾燥條件與電極密度的不同
・組裝製程： 不純物混入的程度
將進行解釋說明。
各流程的嚴格管理，與開發製程中各流程的改進與改善，以及生產製程中的高品質、高成品率、穩定地生產緊密相關。
圖 2 電池組裝製程的檢查
-2. 電極塗層分散度的品質檢查
現在的鋰離子電池電極片是由以活性物質、導電劑、聚合物粘合劑及有機溶劑構成的電極塗層製作而成的。
為了電池的高容量化，需要減少導電劑的比例，提高活性物質的比例。另一方面，為了減少電池的內部電阻，電子傳導性是否充分這點很重要，因此又需要適量的導電劑。在這權衡下，活性物質與導電劑的比例最優化就顯得十分重要了。
根據近年來的研究顯示，為了獲得良好的電池特性，最重要的是電極塗層內各物質的均勻分佈1-3) 。如果活性物質的各粒子表面與電解液充分地接觸了，那麼反應面積增大電池特性也會更好。同時導電劑作為電子傳導的通道，也需要適當地分散。如果塗層在混合時剪切力太低，會導致導電劑無法很好地分散。相反過高會導致導電劑微細化，無法很好地進行電子傳導。當導電劑呈塊狀的情況下，電池組裝後進行充放電時會出現電荷集中的情況。由於更希望電極全體能夠均勻地發生電池反應，因此這種現象是不可取的。所以說電極塗層中的活性物質與導電劑的粒徑分佈與分散性管理十分的重要。
HIOKI提出了一種通過測量阻抗來分析電極塗層的新方法。可以分析源於導電劑的電子傳導性和活性物質的粒徑•分散所影響的容量成分。這是過去直流法與光學式無法做到的。
圖 3 電極塗層的阻抗測量
-3. 電極片製作時電極片的品質檢查
電極片製作製程是，先在金屬箔(集電體)上薄薄地塗一層塗層，接著在熱風中將溶劑蒸發乾燥，之後為了提高敷料層強度和電氣傳導性能用金屬軋輥對其進行軋製。電極製作中與電池性能相關的要因有以下幾點。
第一，塗層塗抹厚度的均勻性。如果厚度不均勻，電池反應也會產生偏倚。當塗層中有氣泡混入時，會出現氣泡周邊的塗層變薄這一現象。為了塗料時的品質管理和異常檢知，需要對塗層的長寬方向厚度的誤差進行測量。這個厚度的測量將使用非接觸式厚度測試儀。
第二，塗層內粒子是否充分分散。如果是分散不良的情況，由於無法充分發揮各粒子的功能，電池特性也會較差。分散狀態很差的情況下，會經常出現各粒子在塗層中呈塊狀的現象。在塊狀狀態下進行塗層的塗抹，由於粒子分散不均因此塗膜後會出現條紋狀現象。而通常的檢測方法，是使用相機查看塗層上是否出現條紋，以此作為塗層特性的評估標準。
第三，由於乾燥後的電極敷料層很脆，需要通過軋製提高其機械強度。同時也有讓活性物質滲入集電體，優化電氣傳導性的效果。高軋製壓力會使集電體與敷料層的接觸電阻(介面電阻)變低。但過高又會導致電解液浸潤困難，使電池電阻變高，影響電池的輸入輸出特性。相反，壓力過低會導致敷料層機械強度不夠，從而在重複充放電時會發生破損。這又與電池壽命低下直接關聯。因此，需要設定並維持在一個合適的軋製壓力。
HIOKI針對電極片電阻評估的管理方法，建議使用電極電阻測量系統RM2610。 (圖 4)。RM2610是一款在敷料層表面施加電流，測量並計算電流分佈所產生的表面電位分佈，從而分離出輔料層的體積電阻率，集流體和輔料層的接觸電阻（介面電阻）的設備。
通過 RM2610，以“敷料層體積電阻率”和“接觸電阻”作為電極片指標，使得電池單體在組裝前階段就能得到評估。可以預見，它保證了電極片製作製程的品質，鋰離子電池進化•改善的開發時間將縮短，生產的成品率將提升。
圖 4電極電阻測量系統RM2610
過去的測試手法有 4 探針測試法(圖 5) 與貫通電阻測試(圖 6)兩種，在這裡簡單介紹一下。4 探針法是通過 4 根探針按在電極片的表面，進行 4 端子電阻測量。貫通電阻測試是透過兩塊一定面積的平板金屬將電極夾在中間，進行2端子電阻測量。
這兩種測量方法，無法把敷料層和接觸電阻(介面電阻)分離開。但是作為能夠反應出電極特性的電阻值測試的方法，依然廣泛用作電極製作製程中定性的品質指標。只是一般情況下測量的再現性很低，必須嚴格管理測量條件。
圖 5 4探針測試法
圖6貫通電阻測試
-4. 電極片的金屬異物檢查
電極片製造製程中，必須嚴格管理確保沒有金屬粉末混入。金屬粉末混入的原因如下
• 從製造現場的金屬，例如製造設備的外殼上刮碰下來的粉末
• 將電極切割成預定尺寸中產生的毛次
• 黏附在操作人員衣服上的金屬粉末
金屬粉末混入會導致在電池工作時內部有短路的風險。比如鐵、銅、鎳等金屬混入後，在充電時溶解進入電解液，並在負極呈樹枝狀析出¹。一連串的反應會使得容量發生劣化，最壞的情況下會產生大規模的正負極短路，並有可能發生爆炸之類的重大事故(圖7)。
作為防止混入的對策，在此簡單介紹一下實際運用中可以直接檢出異物的異物檢出設備。異物檢出設備有如下幾個種類。
• 相機畫面檢查設備：可以相較低成本的檢查較大範圍。雖然只檢出金屬有些困難²，但也有已經實現了該功能的設備。缺點是比較難以檢出電極內部的異物。
• X 射線金屬異物檢出：除了金屬，還能檢出樹脂等異物。初始和維護成本高於其他檢查方法。
• 磁感測器金屬異物檢出：為了檢出微小的金屬片，需把感測器和電極片盡可能地靠近。只能檢出帶磁性的金屬異物。
• X 射線金屬異物檢出：除了金屬，還能檢出樹脂等異物。初始和維護成本高於其他檢查方法。
• 磁感測器金屬異物檢出：為了檢出微小的金屬片，需把感測器和電極片盡可能地靠近。只能檢出帶磁性的金屬異物。
以上的測試手法各有優劣，需要根據測試目的選擇相應的測試設備，或者多種方法並用。
在電極片捲繞前進行檢查，可以確實地防止電池單體的金屬異物混入。或者也可以透過對多種製程檢查，從而確定哪個製程中混入了哪些異物。
圖 7 由異物混入導致的電池內部短路
¹像樹枝狀析出的金屬稱作樹狀結晶。
²如果電池單體中混入不會影響電池性能的異物，將其判定為不良品就是過度評判了。這會導致成品率惡化。
參考文獻
1) E.Ligneel,B.Lestriez,O.Richard,D.Guyomard,J.Phys.Chem.Solids,67,1275 (2006)
2) T.J.Patey,A.Hintennach,F.LaMantia,P.Novák,J.PowerSources,189,590 (2009)
3) C.-C.Li,Y.-S.Lin,J.PowerSources,220,413 (2012)
4) 日置電機株式会社、絶縁抵抗測定の手引き (2018)
5) JISC8711:2013ポータブル機器用リチウム二次電池
IEC 61960-3:2017Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes-Secondarylithiumcellsandbatteriesforportableapplications-Part3:Prismatic and cylindrical lithium secondary cells and batteries made from them
6) 小山 昇(監修)、リチウムイオン二次電池の性能評価、日刊工業新聞社 (2019)
7) ECE/TRANS/WP.29/GRPE/2016/3,ProposalforamendmentstoglobaltechnicalregulationNo.15 on Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure (WLTP)
8)日置電機株式会社、抵抗測定の手引き Vol.1 (2017)
HIOKI的簡介
關於HIOKI
日置電機株式會社(HIOKI)是創立於1935年的電氣測量儀器廠商，位於日本長野縣上田市，集研究開發•生產•維護服務功能於一身，可提供高品質的測量儀器及各種具體服務。以記錄儀•電子測量儀•現場測量儀•自動測量設備這4個領域為主，將搭載了獨自研發的技術產品送往全球各地。
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所購產品若發生異常或故障，請聯繫代理商進行修理委託。停產產品自停產日起，會保留至少 5年的維修對應服務。在HIOKI產品的質保期間，對於產品本身的故障提供無償修理或換新服務。
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