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バッテリーのテストと開発
産業用コンピュータ断層撮影の使用
バッテリーのテストと開発
車や電気自動車のコンポーネントで、最もコストが高く安全面でも重要なもののひとつがバッテリーです。バッテリーは、車両範囲に対し最も大きな影響を及ぼすため、品質が低いと急激な劣化につながり得ません。現在では、リチウムイオンバッテリー（LIB）が市場で最も一般的となっています。その車両全体におけるシェアのコストの高さや、LIBもまた安全面で重要な要素であることから、最新のバッテリーテスト技術を使用して、最大限の信頼性でその完全性を保証することが必要となります。
家電の場合は、さらに高いエネルギー密度を要します。近年の事象により、このようなデバイスが人間の体に身につけられている場合や公共交通機関で手荷物として運ばれている場合は、特にその安全性を保証すべきことが明らかになっています。
確立された設計の生産のほかにも、バッテリーは研究において注目のトピックでもあります。研究開発における課題は、バッテリーの設計からコンポーネントのミクロ構造特性評価に至るまでさまざまです。科学者たちは、LIBの陽極材料や陰極材料の最適化に加え、固定の内部設計が未だ確立されていない固体バッテリーのような新しい概念の模索を目指しています。
図1：EV用角形セル（データ提供：ウェイゲート・テクノロジーズ社）
図2：スマートフォンのバッテリー（データ提供：ボリュームグラフィックス／PP）
課題
製造の観点からは、最大限の安全を確保するためのさまざまな欠陥の回避を目的として、バッテリーのテストは必須です。例えば電解質が水に接触すると、高い毒性を持ち人間や環境に被害をもたらすフッ化水素酸が発生するため、LIBのバッテリー筐体は完全に密封されている必要があります。筐体の溶接時に発生し得る金属汚染も短絡の原因となる可能性があり、これにより熱暴走につながるおそれがあります。層間剝離が発生している間、陰極厚または陽極厚のバリエーションや陽極オーバーラップは、すべて初期段階においては深刻な障害につながることのない内部欠陥であるものの、このような現象によりバッテリーのキャパシティや寿命が低下する可能性があります。
EVまたは家電においてさらに高いキャパシティや電力を持つ高性能バッテリーの最適化は、今もなお進行中のプロセスです。製造固定やセルの形状に改善を加えることで、少しずつ進歩することができます。しかし、さらに大きなステップのためにはまったく新しい材料の開発が必要となりますが、最終的にはこれにもサイクルのロードや機械的応力の結果表示の段階におけるシリコン陽極のボリュームの大きな変化など、独自の課題が発生することとなります。
ボリュームグラフィックスのソリューション：バッテリー研究開発や連続生産からセカンドライフマーケットに向けた品質点検に至るまで、コンピュータ断層撮影（CT）で包括的なアプローチを実現
従来の方法では、バッテリーはそのキャパシティや耐久性に関して電子的にテストされます。このような従来の方法では密封された筐体の中身を確認できないため、機械的な欠陥が検出されずにそのまま残っていることが多くあります。一方、コンピュータ断層撮影（CT）を使用したバッテリー点検の場合、組み立てられたバッテリーの中身を確認することができます。また、ボリュームグラフィックスのソフトウェアは、このデータを最終品質点検に使用し、バッテリーの完全性に関して残っている懸念を払拭するのに最適なツールも提供します。
VGSTUDIO MAXソフトウェアは、バッテリーが自社で生産されている場合でも、サプライヤーによって提供されている場合でも、さらには目的のコンポーネントにすでにインストールされている場合でも、お客様によるさまざまなシナリオでのバッテリーのテストを可能にします。CTをご利用いただくと、コンポーネントの安全性や信頼性に影響が出る前にバッテリー内部を点検し、欠陥を検出することができます。
研究開発において、バッテリーの活物質を特徴づけるのに主流な3Dイメージング技術は、集束イオンビーム加工と走査型電子顕微鏡の組み合わせです（FIB-SEM）。最近のCT技術の発達により、ボクセルサイズが最大30 nmの解像度を実現できるようになり、従来のマイクロコンピュータ断層撮影やFIB-SEMに代わる有効な技術となっています。VGSTUDIO MAXは、画像ソースとは独立した形でミクロ構造の特性評価ツールを提供し、バッテリーモデリングに向けて多孔質空間の粒子サイズや曲がりなどに関する統計を抽出します。さらに、デジタルボリューム相関により時間経過に伴う3次元の層間剝離の定量化もでき、サイクリング中や形状プロセスの前後などで複数のスキャンの比較を行うことができます。
図3a：電動歯ブラシのバッテリー点検。バッテリーと電子基盤が格納されている箇所のみをスキャンすることで解像度を向上。
図3b：電動歯ブラシのバッテリー点検。筐体内のバッテリーと電子基盤。
特長
ボリュームグラフィックスをご利用いただくと、産業用CTを使用して開発・品質保証中のバッテリーを包括的に点検することができます。
非破壊的
- バッテリー自体を開封することなく、密封されたバッテリーの隠れた内部欠陥を検査
- 固定バッテリーや、複数のセルを含むバッテリーモジュールを持つコンポーネント全体を点検
有益性
- パワフルな3Dと2D可視化：異なるビューやスライス間で切り替えるだけで視覚検査を実行
- 特定のタスク向けにすぐに使えるプログラミング不要の解析（例：ポア検出や介在物検出）
- 各コンポーネントの完全な「デジタルツイン」により、納品後も点検が可能（例：お客様からクレームが入った際に有効）
自動化
- 手動解析や半自動解析から生産における完全に自動化された品質保証への移行（任意の手動オペレーターレビューを含む）
ボリュームグラフィックスのソリューションに関する詳細
バッテリー製造
バッテリーセルの生産で起こりやすいミスを提示するために、意図的に欠陥のあるバッテリーを生産し、産業用CTとボリュームグラフィックスのソフトウェアを使用してさまざまな欠陥を検出しました。CTデータは、ウェイゲート・テクノロジーズ社により提供されたものです。
金属粒子
角形セルのキャップは、通常残りの筐体に溶接されます。溶接パラメータの選択が乏しいと、バッテリー内部に小さな金属粒子が落ち、ゼリーロール内部のセパレーターの損傷につながるおそれがあります。VGSTUDIO MAXの介在物解析をご利用いただくと、このような粒子の検出やそのサイズおよび位置の定量化が可能になり、粒子が深刻であるかどうかを判断できます。
図4：金属介在物が見られる角形セル（データ提供：ウェイゲート・テクノロジーズ社）
陽極オーバーラップ
陽極オーバーラップは、LIBにおける重要な安全基準です。これが小さすぎると、リチウムメッキ（リチウムの純金属析出）が発生する危険性があります。リチウムメッキが発生すると、セパレーターの損傷の原因となり短絡につながるおそれがあるほか、最悪の場合は熱暴走の原因ともなり得ます。CT検査を実行することで、バッテリーがすでに密封されている場合や電子デバイスに取り付けられている場合でも、オーバーラップが十分であるかを点検することができます。
図5：陽極オーバーラップは、コンピュータ断層撮影で測定できるLIBの非常に重要な安全機能である。画像は解析結果を色で分けて可視化したもの。
層間剝離
層間剝離は最初こそは深刻な障害を引き起こすことはないものの、セルのキャパシティや寿命を低下させる原因となります。また、リチウムメッキを引き起こす原因となる可能性もあります。これによりセパレーターの損傷につながり、安全性を脅かすバッテリーの深刻な障害が発生するおそれがあります。ボリュームグラフィックスのソフトウェアは、製造時のみならずその後のメンテナンス段階においても層間剝離を可視化することができ、複数の充電サイクルを終えた後に層間剝離が発生しないか確認することができます。
図6a：プライに垂直なグレーの値を調査することで、低いグレーの値を持つ大規模な平坦域により層間剝離を検出することが可能。
図6b：コイル状の陽極、陰極、セパレーターからなるゼリーロール。プライ間に見られる暗いすき間は層間剝離。
研究開発
最適化
陽極材料や陰極材料の特徴づけに関しては、まだ研究が続いている最中です。VGSTUDIO MAXのパウダー解析を使用すると、活物質の個々の粒子それぞれのサイズや形状を特徴づけ、グローバル統計でこれらを定量化することができます。さらに、特定の方向でサイズ分布の調査を行い、粒子の直径やコーティング厚の形状などのバリエーションを確認することもできます。
図7：バッテリーの活物質内の粒子は、粒子のサイズに応じて分離や色分けが可能。
新しいバッテリーの概念
固体バッテリーのような新しいバッテリーの概念には、まったく新しいミクロ構造設計を要する場合があります。固定設計が未だ確立されていないため、解析方法も柔軟である必要があります。最近では、セラミックフォームが良い例です。セラミックフォームは、ポリマーフォームがセラミックパウダーでコーティングされるレプリカ法を用いて製造されます。ポリマーは焼結工程で燃焼されるため、構造内には中空のストラットが残ります。VGSTUDIO MAXなら、連続気泡フォームやストラット内の中空経路を別途特徴づけ、使いやすいワークフローで定量化することができます。
図8：セラミックフォームは、将来的な固体バッテリーにおける電解材料の有力候補。レプリカ製造工程により、ストラット内に細い経路が見られる（青）。
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