JP2017059444A - Electrode simulation method and device for all-solid battery, and method of manufacturing electrode for all-solid battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、全固体電池用電極シミュレーション方法及び装置、並びに全固体電池用電極の製造方法に関する。 The present invention relates to an electrode simulation method and apparatus for an all solid state battery, and a method for manufacturing an electrode for an all solid state battery.
全固体電池は出力電圧及びエネルギー密度が高くかつ安全性が高いなどの特性を有しており、その利用が進められると共に、更なる特性の改善のために研究開発が行われている。全固体電池の特性の改善を図るためには、例えば設計諸元や製造条件を変化させて全固体電池の試作品を実際に作製し、その試作品を用いて電池内部の状態や特性などを計測する必要がある。この様に試作品を使って電池内部の状態などを計測する方法は、莫大な時間やコストが掛かる事になる。従って、試作品の作製を減らし、効率的に研究開発を行うべく、全固体電池の電池内部の状態などをシミュレーションにより予測する方法が望まれる。 All-solid-state batteries have characteristics such as high output voltage and energy density and high safety, and their use is being promoted, and research and development are being conducted to further improve the characteristics. In order to improve the characteristics of an all-solid-state battery, for example, a prototype of an all-solid-state battery is actually manufactured by changing design specifications and manufacturing conditions, and the state and characteristics of the battery inside are checked using the prototype. It is necessary to measure. In this way, the method of measuring the internal state of the battery using the prototype takes enormous time and cost. Therefore, in order to reduce the production of prototypes and efficiently conduct research and development, a method for predicting the internal state of the all-solid-state battery by simulation is desired.
一方、粉体の状態を模擬するシミュレーション方法が知られている。例えば、特許文献1には、粉体の圧縮成型を模擬するシミュレーション方法であって、DEM(個別要素法)法およびSPH法(粒子法)における粉体のモデルを、DEM法において粉体をバネ―ダッシュポットモデルで表現し、SPH法において粉体を複数の粒子を弾塑性のばね力で結合した粉体モデルで定義する第1のステップと、複数の粉体に圧力をかけ圧縮成型を行うと共に、その過程においてDEM法とSPH法とを弱連成させて粉体密度を演算する第2のステップと、初期の粒子同士が完全接触をした時にDEM法とSPH法との弱連成時の境界処理を移動最小自乗近似により実行して補間する第3のステップと、複数の粉体に圧力をかけ圧縮成型を行い予め定めた粉体密度に達するまでDEM法とSPH法とを弱連成させて粉体密度の演算を実行する第4のステップと、を備えた事を特徴とするシミュレーション方法が開示されている。 On the other hand, a simulation method for simulating the state of powder is known. For example, Patent Document 1 discloses a simulation method for simulating powder compression molding, in which a powder model in a DEM (Discrete Element Method) method and an SPH method (Particle Method) is used, and a powder in the DEM method is used as a spring. -The first step of expressing the powder by a dashpot model and defining the powder in the SPH method with a powder model in which a plurality of particles are joined by an elastic-plastic spring force, and compressing the powder by applying pressure to the powder In addition, in the process, the second step of calculating the powder density by weakly coupling the DEM method and the SPH method, and the weak coupling of the DEM method and the SPH method when the initial particles are in complete contact with each other The third step of performing the interpolation process by the moving least square approximation and performing interpolation is performed, and the DEM method and the SPH method are weakly coupled until pressure is applied to a plurality of powders to achieve a predetermined powder density. Powder Simulation method characterized by comprising a fourth step of performing the calculation of the density, is disclosed.
特許文献1によれば、このシミュレーション方法で使用されるDEM法とSPH法とを弱連成させる手法(以下、「DEM−SPH連成解析手法」とも記す。)は、粉体が大きく変形しながら押しつぶされていく圧縮成型のプロセスにおいて、粉体の密度分布・残留応力分布・残留ひずみ分布を精度良く求める事が出来る。 According to Patent Document 1, the method of weakly coupling the DEM method and the SPH method used in this simulation method (hereinafter, also referred to as “DEM-SPH coupled analysis method”) greatly deforms the powder. In the compression molding process, the powder density distribution, residual stress distribution, and residual strain distribution can be obtained accurately.
全固体電池の特性の改善を図るために、全固体電池用電極(以下、単に「電池電極」と記す。)を改良する場合がある。電池電極を改良するためには、イオンや電子の伝導を考える観点から、電極を構成する粉体同士の接触状態を把握する事が重要である。特に、全固体電池の充放電の時には電池電極がイオンを吸収/放出する事により膨張/収縮する。そのため、電池電極が膨張する時、粉体同士が互いに強く押し合う事により粉体が破砕(破断)を起こす可能性がある。従って、電池電極の粉体の破砕の有無を含めて、粉体同士の接触状態を把握する事が可能な技術が望まれる。 In order to improve the characteristics of an all-solid battery, an electrode for an all-solid battery (hereinafter simply referred to as “battery electrode”) may be improved. In order to improve the battery electrode, it is important to grasp the contact state between the powders constituting the electrode from the viewpoint of conduction of ions and electrons. In particular, at the time of charge / discharge of the all-solid battery, the battery electrode expands / contracts by absorbing / releasing ions. Therefore, when a battery electrode expand | swells, powder may raise | generate a fracture | rupture (break) by strongly pressing each other mutually. Therefore, a technique capable of grasping the contact state between the powders including whether or not the powder of the battery electrode is crushed is desired.
ここで、電池電極の粉体同士の接触状態を把握する方法として、粉体の圧縮の取り扱いが可能な上記特許文献1のシミュレーション方法が考えられるが以下の問題が存在する事も分かった。 Here, as a method of grasping the contact state between the powders of the battery electrodes, the simulation method of Patent Document 1 capable of handling the compression of the powders can be considered, but it has also been found that the following problems exist.
電池電極の粉体は、充放電時にイオンの吸収/放出により大きく膨張/収縮する。また、電池電極の粉体は、圧縮成型や膨張/収縮により非常に大きな歪みを生じる場合もあり、歪みの大きさによっては破砕(破断)する場合もあり得る。しかし、上記シミュレーション方法は、電池電極の粉体の様な膨張/収縮及び圧縮成型や膨張/収縮の歪みによる破砕(破壊)に対応していない。従って、上記シミュレーション方法はそのままでは電池電極の粉体をシミュレーション出来無い。 The battery electrode powder greatly expands / contracts due to the absorption / release of ions during charge / discharge. In addition, the battery electrode powder may be very strained by compression molding or expansion / contraction, and may be crushed (broken) depending on the magnitude of the strain. However, the simulation method does not support expansion / contraction and compression molding or crushing (destruction) due to expansion / contraction distortion like the powder of a battery electrode. Therefore, the battery electrode powder cannot be simulated if the simulation method is used as it is.
また、電池電極では複数種類の粉体がひとまとめに圧縮成型されて形成されており、複数種類の粉体では特性が互いに異なり、それにより圧縮に対する挙動も互いに相違する。しかし、上記シミュレーション方法は、単一種類の粉体を圧縮成型する場合のみしか対応出来無い。従って、上記シミュレーション方法はそのままでは電池電極の粉体をシミュレーション出来無い。 In addition, a plurality of types of powders are collectively formed by compression molding in the battery electrode, and the characteristics of the plurality of types of powders are different from each other, and thus the behavior against compression is also different. However, the simulation method can be used only when a single type of powder is compression molded. Therefore, the battery electrode powder cannot be simulated if the simulation method is used as it is.
この様に上記シミュレーション方法は、複数種類の粉体の膨張/収縮や破壊を考慮した粉体同士の接触状態を解析する事が出来無い。 As described above, the simulation method cannot analyze the contact state between powders in consideration of expansion / contraction and destruction of plural kinds of powders.
本発明によれば、正極活物質又は負極活物質の粉体及び固体電解質の粉体を含む複数種類の粉体を圧縮成型して成る全固体電池用の電極における、前記複数種類の粉体同士の接触状態を解析する全固体電池用電極シミュレーション方法であって、前記複数種類の粉体の各々を運動方程式が定義された有限個の基本粒子の集合体である粉体モデルに個別にモデル化するステップと、前記複数種類の粉体に対応する複数種類の前記粉体モデルを用いDEM(個別要素法)−SPH(粒子法)連成解析手法に基づいて前記複数種類の粉体が圧縮される又は充放電により膨張若しくは収縮する時の前記複数種類の粉体の接触状態を解析するステップとを備え、前記解析するステップは、前記複数種類の粉体における荷重負荷時の応力歪み特性及び充放電時の体積膨張特性に基づいて、充放電による膨張又は収縮時に所定の歪みを超える歪みが前記粉体モデルに発生した場合、前記粉体モデルに対応する粉体の全部又は一部が破断したと判定するステップを含む、全固体電池用電極シミュレーション方法、が提供される。 According to the present invention, the plurality of types of powders in an electrode for an all-solid battery formed by compression molding a plurality of types of powders including a positive electrode active material or negative electrode active material powder and a solid electrolyte powder. The electrode simulation method for an all-solid-state battery for analyzing the contact state of each of the above, wherein each of the plurality of types of powders is individually modeled into a powder model that is an assembly of a finite number of basic particles with a defined equation of motion A plurality of types of powder models corresponding to the plurality of types of powders, and the plurality of types of powders are compressed based on a DEM (Discrete Element Method) -SPH (Particle Method) coupled analysis method. Or the step of analyzing the contact state of the plurality of types of powders when expanding or contracting due to charge / discharge. Release Based on the volume expansion characteristics at the time, when a strain exceeding a predetermined strain occurs during expansion or contraction due to charge / discharge, all or part of the powder corresponding to the powder model is broken An electrode simulation method for an all-solid-state battery including a determining step is provided.
本発明によれば、正極活物質又は負極活物質の粉体及び固体電解質の粉体を含む複数種類の粉体を圧縮成型して成る全固体電池用の電極における、前記複数種類の粉体同士の接触状態を解析する全固体電池用電極シミュレーション装置であって、前記複数種類の粉体の各々を運動方程式が定義された有限個の基本粒子の集合体である粉体モデルに個別にモデル化するモデル定義部と、前記複数種類の粉体に対応する複数種類の前記粉体モデルを用い、DEM(個別要素法)−SPH(粒子法)連成解析手法に基づいて前記複数種類の粉体が圧縮される又は充放電により膨張若しくは収縮する時の前記複数種類の粉体の接触状態を解析するDEM−SPH解析部とを備え、前記DEM−SPH解析部は、前記複数種類の粉体における荷重負荷時の応力歪み特性及び充放電時の体積膨張特性に基づいて、充放電による膨張又は収縮時に所定の歪みを超える歪みが前記粉体モデルに発生した場合、前記粉体モデルに対応する粉体の全部又は一部が破断したと判定する破壊判定部を含む、全固体電池用電極シミュレーション装置、が提供される。 According to the present invention, the plurality of types of powders in an electrode for an all-solid battery formed by compression molding a plurality of types of powders including a positive electrode active material or negative electrode active material powder and a solid electrolyte powder. An all-solid-state electrode simulation device for analyzing the contact state of each of the above, wherein each of the plurality of types of powders is individually modeled into a powder model that is an aggregate of a finite number of basic particles with a defined equation of motion The plurality of types of powders based on a DEM (Discrete Element Method) -SPH (Particle Method) coupled analysis method using a model definition unit that performs and a plurality of types of the powder models corresponding to the plurality of types of powders And a DEM-SPH analysis unit that analyzes a contact state of the plurality of types of powders when compressed or expanded or contracted by charge / discharge, and the DEM-SPH analysis unit includes the DEM-SPH analysis unit Under load Based on the stress strain characteristics and the volume expansion characteristics during charging / discharging, when a strain exceeding a predetermined strain is generated in the powder model during expansion or contraction due to charging / discharging, all of the powder corresponding to the powder model or An electrode simulation apparatus for an all-solid-state battery is provided that includes a destruction determination unit that determines that a part of the electrode is broken.
本発明によれば、正極活物質又は負極活物質の粉体と固体電解質の粉体とを含む複数種類の粉体を基板上に載置し、圧縮成型して全固体電池用電極を製造する全固体電池用電極の製造方法であって、本発明の全固体電池用電極シミュレーション方法を実行して、前記複数種類の粉体を圧縮成型した時の、前記圧縮成型の荷重と前記複数種類の粉体の接触状態との関係を求める工程と、前記求められた関係に基づいて、前記シミュレーション方法において所定の接触状態となる時の圧縮成型の荷重を、実際の全固体電池用電極の製造において圧縮成型の荷重に設定する工程と、前記設定された荷重により前記複数種類の粉体を圧縮成型する工程とを備える、全固体電池用電極の製造方法が提供される。 According to the present invention, a plurality of types of powders including a positive electrode active material or negative electrode active material powder and a solid electrolyte powder are placed on a substrate and compression molded to produce an electrode for an all solid state battery. A method for producing an electrode for an all-solid battery, wherein the load for compression molding and the plurality of types of the powder when the plurality of types of powders are compression-molded by executing the electrode simulation method for an all-solid-state battery of the present invention. The step of determining the relationship with the contact state of the powder, and the compression molding load when the predetermined contact state is reached in the simulation method based on the determined relationship, in the actual production of the all-solid-state battery electrode There is provided a method for producing an electrode for an all-solid-state battery, comprising a step of setting a compression molding load and a step of compression molding the plurality of types of powders by the set load.
本発明の全固体電池用電極シミュレーション装置及び全固体電池用電極シミュレーション方法によれば、複数種類の粉体の膨張/収縮や破壊を考慮した粉体同士の接触状態(空隙状態)を解析する事が出来る。 According to the all-solid-state battery electrode simulation apparatus and all-solid-state battery electrode simulation method of the present invention, it is possible to analyze a contact state (void state) between powders in consideration of expansion / contraction and destruction of plural kinds of powders. I can do it.
以下、本実施の形態に係る全固体電池用電極シミュレーション方法(以下、単に「本シミュレーション方法」とも記す。)及び全固体電池用電極シミュレーション装置(以下、単に「本シミュレーション装置」とも記す。)並びに全固体電池用電極の製造方法について説明する。 Hereinafter, an electrode simulation method for an all solid state battery (hereinafter also simply referred to as “the present simulation method”), an electrode simulation device for an all solid state battery (hereinafter, also simply referred to as “the present simulation device”) according to the present embodiment, and The manufacturing method of the electrode for all-solid-state batteries is demonstrated.
まず、シミュレーションの解析対象である全固体電池について説明する。 First, the all-solid-state battery that is the object of simulation analysis will be described.
図1は解析対象の全固体電池の構成例を示す部分断面図である。全固体電池1は、充放電可能な電池であり、正極11と、負極12と、正極11と負極12との間に配置された固体電解質層13とを備えている。 FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a configuration example of an all-solid battery to be analyzed. The all solid state battery 1 is a chargeable / dischargeable battery, and includes a positive electrode 11, a negative electrode 12, and a solid electrolyte layer 13 disposed between the positive electrode 11 and the negative electrode 12.
固体電解質層13の材料としては特に限定されず、例えばリチウム二次電池の固体電解質として利用可能な硫化物系ガラス体・硫化物系結晶体、酸化物系電解質が挙げられる。硫化物系電解質ガラス体・硫化物系結晶体の事例としては、Li原子を含むLi2S−P2S5、Li2S−SiS2など、酸化物系電解質の具体例としては、Li2O−B2O3−P2O5などが挙げられる。 The material of the solid electrolyte layer 13 is not particularly limited, and examples thereof include sulfide-based glass bodies / sulfide-based crystals and oxide-based electrolytes that can be used as solid electrolytes for lithium secondary batteries. Examples of sulfide-based electrolyte glass bodies and sulfide-based crystals include Li 2 S—P 2 S 5 and Li 2 S—SiS 2 containing Li atoms, and specific examples of oxide electrolytes include Li 2. such as O-B 2 O 3 -P 2 O 5 and the like.
正極11は、正極活物質を含む正極活物質層14と、正極活物質層14の集電を行う正極集電体層16とを備えている。正極活物質層14の材料としては、例えばLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2の様な正極活物質と、固体電解質層13の材料の様な固体電解質とを混合した材料が挙げられる。また、正極活物質層14は導電助剤及びバインダーを更に含んでも良い。その他にもニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNixCo1−y−xMnyO2、x・y・zは整数又は実数)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)等が挙げられる。正極集電体層16の材料としては、例えばアルミニウムが挙げられる。 The positive electrode 11 includes a positive electrode active material layer 14 containing a positive electrode active material, and a positive electrode current collector layer 16 that collects current from the positive electrode active material layer 14. As a material of the positive electrode active material layer 14, for example, a material obtained by mixing a positive electrode active material such as LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 and a solid electrolyte such as a material of the solid electrolyte layer 13 is used. Can be mentioned. The positive electrode active material layer 14 may further include a conductive additive and a binder. In addition, lithium nickel cobalt manganate (LiNi x Co 1-y x Mn y O 2 , where x · y · z is an integer or a real number), lithium cobaltate (LiCoO 2 ), and the like can be given. Examples of the material of the positive electrode current collector layer 16 include aluminum.
負極12は、負極活物質を含む負極活物質層15と負極活物質層15の集電を行う負極集電体層17とを備えている。負極活物質層15の材料としては、例えば天然黒鉛や人造黒鉛の様な負極活物質と固体電解質層13の材料の様な固体電解質とを混合した材料が挙げられる。また、負極活物質層15は導電助剤及びバインダーを更に含んでも良い。負極集電体層17の材料としては、例えば銅が挙げられる。 The negative electrode 12 includes a negative electrode active material layer 15 containing a negative electrode active material and a negative electrode current collector layer 17 that collects current from the negative electrode active material layer 15. Examples of the material of the negative electrode active material layer 15 include a material in which a negative electrode active material such as natural graphite or artificial graphite and a solid electrolyte such as a material of the solid electrolyte layer 13 are mixed. The negative electrode active material layer 15 may further include a conductive additive and a binder. An example of the material for the negative electrode current collector layer 17 is copper.
なお、正極と負極とを区別する必要が無い時には単に電極と記し、負極活物質層と正極活物質層とを区別する必要が無い時には活物質層と記し、負極活物質と正極活物質とを分ける必要が無い時には活物質と記し、負極集電体層と正極集電体層とを分ける必要が無い時には集電体層と記す。 When there is no need to distinguish between the positive electrode and the negative electrode, it is simply referred to as an electrode, and when it is not necessary to distinguish between the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer, it is referred to as an active material layer. When it is not necessary to divide, it is referred to as an active material, and when it is not necessary to separate the negative electrode current collector layer and the positive electrode current collector layer, it is referred to as a current collector layer.
次に、シミュレーションの解析対象である全固体電池の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing an all-solid battery that is an analysis target of simulation will be described.
図2は一般的な全固体電池の製造方法の一例を示すフローチャートである。まずステップ100では、正極活物質・負極活物質及び固体電解質の各材料が、原材料からの化学合成により作製される。各材料は概ね球状の粉体である。 FIG. 2 is a flowchart showing an example of a general method for manufacturing an all-solid battery. First, in step 100, each of the positive electrode active material / negative electrode active material and the solid electrolyte material is produced by chemical synthesis from raw materials. Each material is a generally spherical powder.
次にステップ101では、作製された材料とバインダーや溶媒などのその他材料が混合され、正極活物質層用・負極活物質層用及び固体電解質層用のスラリーが作製される。各スラリーをシート状に展開・乾燥し、その後に圧縮成型する事により正極活物質層14・負極活物質層15及び固体電解質層13がそれぞれ形成される。 Next, in step 101, the prepared material and other materials such as a binder and a solvent are mixed to prepare a slurry for the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte layer. Each slurry is spread and dried into a sheet, and then compression molded to form the positive electrode active material layer 14, the negative electrode active material layer 15, and the solid electrolyte layer 13, respectively.
続くステップ102では、正極集電体層16及び正極活物質層14を含む正極11と固体電解質層13と負極活物質層15及び負極集電体層17を含む負極12とが積層されて全固体電池が作製される。 In subsequent step 102, the positive electrode 11 including the positive electrode current collector layer 16 and the positive electrode active material layer 14, the solid electrolyte layer 13, the negative electrode active material layer 15 and the negative electrode 12 including the negative electrode current collector layer 17 are laminated to form an all solid. A battery is produced.
その後ステップ103では、作製された全固体電池のサイクル耐久試験が行われる。サイクル耐久試験では、例えば1サイクルにつき全固体電池にて所定の電力量の電気が充電され、その後に放電され、それがNサイクル行われる(Nは2以上の自然数)。例えば負極12は充電により膨張し、放電により収縮する。 Thereafter, in step 103, a cycle endurance test of the produced all solid state battery is performed. In the cycle endurance test, for example, electricity of a predetermined amount of power is charged in an all-solid battery per cycle, and then discharged, and N cycles are performed (N is a natural number of 2 or more). For example, the negative electrode 12 expands by charging and contracts by discharging.
ところで、設計諸元や製造条件の変更による全固体電池の電池内部の状態の変化を、試作品を作製して実験で確認しようとすると時間やコストが掛かる。そのため、その状態の変化をシミュレーションにより予測する事が行われる。例えば特許文献1のシミュレーション方法は粉体を圧縮成型する事をシミュレーションでき、圧縮成型により生じる密度分布・残留応力分布・残留歪み分布を解析可能である。ただし、特許文献1のシミュレーション方法では、上記された様に複数種類の粉体の膨張/収縮や破砕を考慮した粉体同士の接触状態(空隙状態)の発生状態をそのままでは解析する事が出来無い。 By the way, it takes time and cost to make a prototype and confirm the change in the internal state of the all-solid-state battery due to changes in design specifications and manufacturing conditions. Therefore, the change of the state is predicted by simulation. For example, the simulation method of Patent Document 1 can simulate the compression molding of powder, and can analyze the density distribution, residual stress distribution, and residual strain distribution generated by compression molding. However, in the simulation method of Patent Document 1, as described above, it is possible to analyze the state of occurrence of a contact state (gap state) between powders in consideration of expansion / contraction and crushing of a plurality of types of powders. No.
そこで本シミュレーション装置及び本シミュレーション方法は、特許文献1のシミュレーション方法、即ちDEM(個別要素法)−SPH(粒子法)連成解析手法を使用しつつ、複数種類の粉体を含む材料の取り扱いを可能とすると共に、粉体の大きな膨張/収縮及び圧縮成型や膨張/収縮で生じる歪みによる破砕(破壊)を取り扱い可能としている。それにより、本シミュレーション装置及び本シミュレーション方法は、図2に示す全固体電池の製造方法における圧縮成型の工程だけでなく、サイクル耐久試験の工程もシミュレーションする事が出来る。即ち全固体電池の製造方法をほぼシミュレーションで再現する事が出来る。その結果、研究開発における試作品による実験を低減出来るなど、時間やコストを削減出来る。 Therefore, the simulation apparatus and the simulation method handle a material including a plurality of types of powders using the simulation method of Patent Document 1, that is, the DEM (Discrete Element Method) -SPH (Particle Method) coupled analysis method. In addition, it is possible to handle large expansion / contraction of the powder and crushing (breaking) due to distortion caused by compression molding and expansion / contraction. Thereby, the simulation apparatus and the simulation method can simulate not only the compression molding process in the manufacturing method of the all solid state battery shown in FIG. 2 but also the cycle durability test process. That is, the manufacturing method of an all-solid battery can be reproduced by simulation. As a result, the time and cost can be reduced, such as reducing the number of experiments with prototypes in research and development.
以下、本シミュレーション装置及び本シミュレーション方法について詳細に説明する。 Hereinafter, the simulation apparatus and the simulation method will be described in detail.
まず、シミュレーションにおいて使用されるモデルについて説明する。 First, a model used in the simulation will be described.
最初にシミュレーションを通して使用される、活物質層に用いる粉体を模擬する粉体モデルについて説明する。図3は粉体モデルを示している。粉体モデルとして、図3(A)に示すDEM法の基本モデルと、図3(B)に示す固体電解質の1個の粉体を模擬する固体電解質粉体モデルAeと、図3(C)に示す負極活物質の1個の粉体を模擬する負極活物質粉体モデルAaと、図3(D)に示す正極活物質の1個の粉体を模擬する正極活物質粉体モデルAcが定義される。固体電解質粉体モデルAe、負極活物質粉体モデルAa及び正極活物質粉体モデルAcのいずれにおいても、1個の粉体モデルが複数の基本粒子bpを用いて定義される。ただし、図3(A)は剛体要素A間の力のやり取りを2種類のばねで表現することを示しており、右側の図は法線方向の弾性バネとダッシュポットの並列配置による要素A間の力のやり取りを示し、左側の図は接線方向の弾性バネとダッシュポットの並列配置による要素A間の力のやり取りを示している。要素A間が接触している状態では力が伝達し、離れた状態では力の伝達はない。要素Aは、固体電解質粉体モデルAeや負極活物質粉体モデルAaや正極活物質粉体モデルAcに対応する。 First, a powder model for simulating the powder used for the active material layer used through simulation will be described. FIG. 3 shows a powder model. As a powder model, a basic model of the DEM method shown in FIG. 3A, a solid electrolyte powder model Ae simulating one powder of the solid electrolyte shown in FIG. 3B, and FIG. A negative electrode active material powder model Aa that simulates one powder of the negative electrode active material shown in FIG. 3 and a positive electrode active material powder model Ac that simulates one powder of the positive electrode active material shown in FIG. Defined. In any of the solid electrolyte powder model Ae, the negative electrode active material powder model Aa, and the positive electrode active material powder model Ac, one powder model is defined using a plurality of basic particles bp. However, FIG. 3 (A) shows that the exchange of force between the rigid elements A is expressed by two types of springs, and the figure on the right side is between the elements A due to the parallel arrangement of the elastic springs and dashpots in the normal direction. The left diagram shows the exchange of force between the elements A by the parallel arrangement of the tangential elastic spring and the dashpot. Force is transmitted when the elements A are in contact with each other, and no force is transmitted when they are separated. The element A corresponds to the solid electrolyte powder model Ae, the negative electrode active material powder model Aa, and the positive electrode active material powder model Ac.
基本粒子bpはすべて同一の寸法、同一の質量の球状の粒子である。基本粒子bp同士はバネにより結合されて、1個の粉体の全体の形状を作っている。基本粒子bp同士を結び付けるバネは弾塑性変形する。基本粒子bpの組み合わせ方は自由であり、所望の形状、大きさの粉体をモデル化する事が出来る。ただし、DEM法では基本粒子bp同士の関係はバネ−ダッシュポットモデルで表現される。 The basic particles bp are all spherical particles having the same dimensions and the same mass. The basic particles bp are coupled together by a spring to form the entire shape of one powder. The spring connecting the basic particles bp is elastically plastically deformed. The combination method of the basic particles bp is arbitrary, and a powder having a desired shape and size can be modeled. However, in the DEM method, the relationship between the basic particles bp is expressed by a spring-dashpot model.
固体電解質粉体粒子モデルAe・負極活物質粉体粒子モデルAa・正極活物質粉体粒子モデルAcについては、3次元空間内で粉体が最密充填される事を考慮した事前検討が行われ、それぞれの粉体直径の仕様が暫定的に決定される。 The solid electrolyte powder particle model Ae, the negative electrode active material powder particle model Aa, and the positive electrode active material powder particle model Ac are preliminarily considered in consideration of the closest packing of powder in a three-dimensional space. The specification of each powder diameter is tentatively determined.
負極活物質層に関するシミュレーションには固体電解質粉体モデルAeと負極活物質粉体モデルAaが使用され、正極活物質層に関するシミュレーションには固体電解質粉体モデルAeと正極活物質粉体モデルAcが使用され、固体電解質層に関するシミュレーションには正極活物質粉体モデルAcが使用される。 The solid electrolyte powder model Ae and the negative electrode active material powder model Aa are used for the simulation on the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte powder model Ae and the positive electrode active material powder model Ac are used for the simulation on the positive electrode active material layer. The positive electrode active material powder model Ac is used for the simulation related to the solid electrolyte layer.
また、各粉体モデルに付随して、各粉体の特性を示す材料特性データとして、上記の粉体の粒径だけでなく、ヤング率・降伏応力・材料強度及びポアソン比といった機械特性データが、粉体の種類ごと、即ち負極活物質・正極活物質及び固体電解質ごとに与えられる。上記段落0008でも言及したが、特許文献1のシミュレーション方法では、「単一種類」の粒子粉体しか扱う事が出来無い状態であった事より、これを「複数材料種類」の粒子粉体を扱う事が出来る様にシミュレーションプログラム構造において「設計者が、特定の粉体における材料特性が異なる初期条件設定を与える事が出来る」考え方を導入し、計算解析が成立する事に成功した。それにより、負極活物質粉体モデルAa、正極活物質粉体モデルAc及び固体電解質粉体モデルAeの様な種類が異なり、それゆえ形状や材料特性が異なり、それにより圧縮に対する挙動が異なる複数の粉体モデルが混在してもシミュレーションが可能となる。 In addition to each powder model, material characteristic data indicating the characteristics of each powder includes not only the above particle diameter but also mechanical characteristic data such as Young's modulus, yield stress, material strength, and Poisson's ratio. , Given for each type of powder, that is, for each negative electrode active material / positive electrode active material and solid electrolyte. As mentioned above in paragraph 0008, since the simulation method of Patent Document 1 is in a state where only “single type” particle powder can be handled, this is referred to as “multiple material type” particle powder. In order to be able to handle it, we introduced the idea that “designers can give initial condition settings with different material properties in specific powders” in the simulation program structure, and succeeded in establishing the calculation analysis. As a result, the types such as the negative electrode active material powder model Aa, the positive electrode active material powder model Ac, and the solid electrolyte powder model Ae are different, and thus the shape and material characteristics are different, and thus the behavior against compression is different. Simulation is possible even if powder models are mixed.
次に、シミュレーションでの圧縮成型において使用される、粉体を圧縮成型する圧縮成型器を模擬する圧縮成型器モデルについて説明する。図4は圧縮成型器モデルを示している。圧縮成型器モデル20は互いに向かい合う境界層21、22を有する空間23で構成される。例えば、空間23は圧縮成型器の金型内の空間に対応し、境界層21は圧縮成型器のプレス機における粉体を押し付ける面に対応し、境界層22は圧縮成型器の金型における粉体が押し付けられる面(又は基板、集電体層など)に対応する。空間23内には複数の粉体モデルAが配置される。 Next, a compression molder model for simulating a compression molder that compresses and molds powder used for compression molding in simulation will be described. FIG. 4 shows a compression molder model. The compression molding machine model 20 is composed of a space 23 having boundary layers 21 and 22 facing each other. For example, the space 23 corresponds to the space in the mold of the compression molding machine, the boundary layer 21 corresponds to the surface for pressing the powder in the press machine of the compression molding machine, and the boundary layer 22 corresponds to the powder in the mold of the compression molding machine. Corresponds to the surface against which the body is pressed (or substrate, current collector layer, etc.). A plurality of powder models A are arranged in the space 23.
ただし、この図において、粉体モデルAは、負極活物質層を圧縮成型する時には、固体電解質粉体モデルAe及び負極活物質粉体モデルAaをあわせたものを示しており、正極活物質層を圧縮成型する時には、固体電解質粉体モデルAe及び正極活物質粉体モデルAcをあわせたものを示している(以下、図5、図6において同じ)。 However, in this figure, the powder model A shows a combination of the solid electrolyte powder model Ae and the negative electrode active material powder model Aa when the negative electrode active material layer is compression-molded. When compression molding is performed, a combination of the solid electrolyte powder model Ae and the positive electrode active material powder model Ac is shown (hereinafter the same in FIGS. 5 and 6).
初期状態として、粉体モデルAは空間23内において互いに少し離れている状態又は軽く接触している状態に配置される。また、粉体モデルAである固体電解質粉体モデルAeと負極活物質粉体モデルAa(又は正極活物質粉体モデルAc)とは空間23内にランダムに分散されて配置される。ただし、空間23内での固体電解質粉体モデルAeと負極活物質粉体モデルAa(又は正極活物質粉体モデルAc)の割合は、実際の負極活物質層(又は正極活物質層)における固体電解質と負極活物質(又は正極活物質)の割合と同じにする。 As an initial state, the powder model A is arranged in a state where they are slightly separated from each other or are in light contact with each other in the space 23. Further, the solid electrolyte powder model Ae that is the powder model A and the negative electrode active material powder model Aa (or the positive electrode active material powder model Ac) are randomly dispersed and arranged in the space 23. However, the ratio of the solid electrolyte powder model Ae and the negative electrode active material powder model Aa (or positive electrode active material powder model Ac) in the space 23 is the solid in the actual negative electrode active material layer (or positive electrode active material layer). The ratio between the electrolyte and the negative electrode active material (or the positive electrode active material) is the same.
例えば、負極活物質層の圧縮成型のモデルの場合、実際の負極活物質層内の負極活物質と固体電解質との混合比がa:b(注:a+b=100[単位:%]、a>0.0(%)、b>0.0(%))の場合、空間23内における負極活物質粉体モデルAaと固体電解質粉体モデルAeの割合もa:bとする。なお、この図の例では、圧縮成型器モデル20内では破線で示す領域24内の粉体モデルAについて解析を行う。 For example, in the case of a compression molding model of the negative electrode active material layer, the actual mixing ratio of the negative electrode active material and the solid electrolyte in the negative electrode active material layer is a: b (note: a + b = 100 [unit:%], a> In the case of 0.0 (%) and b> 0.0 (%)), the ratio of the negative electrode active material powder model Aa and the solid electrolyte powder model Ae in the space 23 is also a: b. In the example of this figure, the powder model A in the region 24 indicated by the broken line is analyzed in the compression molder model 20.
図5は圧縮成型後の圧縮成型器モデル20を示している。圧縮成型の工程の終了後、圧縮成型器モデル20内には、複数の粉体モデルAが圧縮され一体化されて、シート状の活物質層モデル35が形成されている。 FIG. 5 shows the compression molding machine model 20 after compression molding. After completion of the compression molding process, a plurality of powder models A are compressed and integrated in the compression molding machine model 20 to form a sheet-like active material layer model 35.
次に、シミュレーションでのサイクル耐久試験において使用される、活物質層と集電体層とを積層した電極(負極又は正極)を模擬する電極モデルについて説明する。図6は電極モデルを示している。電極モデル30は、複数の粉体モデルAで形成された図5の活物質層モデル35が、互いに向かい合う境界層31、32を有する空間33に配置されて構成される。例えば、電極モデル30が負極のモデルとすると、活物質層モデル35は負極活物質層の粉体のシートに対応し、空間33は負極の領域に対応し、境界層31は隣接する固体電解質層に対応し、境界層32は負極集電体層に対応する。 Next, an electrode model that simulates an electrode (negative electrode or positive electrode) in which an active material layer and a current collector layer are stacked, which is used in a cycle endurance test in simulation, will be described. FIG. 6 shows an electrode model. The electrode model 30 is configured by arranging the active material layer model 35 of FIG. 5 formed of a plurality of powder models A in a space 33 having boundary layers 31 and 32 facing each other. For example, when the electrode model 30 is a negative electrode model, the active material layer model 35 corresponds to the powder sheet of the negative electrode active material layer, the space 33 corresponds to the negative electrode region, and the boundary layer 31 is the adjacent solid electrolyte layer. The boundary layer 32 corresponds to the negative electrode current collector layer.
図6の電極モデル30の境界層31、32、空間33及び粉体モデルAは、図5の圧縮成型器モデル20の境界層21、22、空間23及び粉体モデルAに対応している。言い換えると、図4のモデルによる圧縮成型の工程のシミュレーションにより図5の状態なった後に、続けて図6のモデルによるサイクル耐久試験の工程のシミュレーションを行う事が出来る。 The boundary layers 31, 32, the space 33, and the powder model A of the electrode model 30 in FIG. 6 correspond to the boundary layers 21, 22, the space 23, and the powder model A of the compression molding machine model 20 in FIG. In other words, after the state of FIG. 5 is obtained by the simulation of the compression molding process using the model of FIG. 4, the cycle durability test process of the model of FIG. 6 can be continuously performed.
次に、シミュレーションに追加された機能について説明する。 Next, functions added to the simulation will be described.
最初にシミュレーションでの圧縮成型やサイクル耐久試験において用いられる、粉体の圧縮後に残留応力が残った安定状態を表現する緩和機能について説明する。 First, a relaxation function for expressing a stable state in which residual stress remains after compression of powder, which is used in simulation compression molding and cycle durability test will be described.
図7は一般的な材料の応力−歪み特性を示すグラフである。横軸は歪みεを示し、縦軸は応力σを示す。応力−歪み曲線Sにおいて、歪みεに対して応力σが直線的に上昇する弾性域(原点0から状態Aまで)を過ぎて塑性域(状態A以降)の状態Pで荷重を除荷すると、エネルギーの放出・形状の緩和及び残留応力が発生する。それを表現出来る様に、状態P(歪みεH、応力σP)から弾性域と同様の傾きの直線で応力0になる時の状態Q(歪みεQ)を、除荷後の安定状態とする。それにより、除荷により達する安定状態Qにおいて、歪みの減少(εH−εQ)に対応する形状の緩和が発生しつつ、歪みεQに対応する残留応力が発生する事が表現出来る。 FIG. 7 is a graph showing stress-strain characteristics of a general material. The horizontal axis indicates the strain ε, and the vertical axis indicates the stress σ. In the stress-strain curve S, when the load is unloaded in the state P of the plastic region (after the state A) past the elastic region (from the origin 0 to the state A) where the stress σ increases linearly with respect to the strain ε, Energy release, shape relaxation and residual stress occur. In order to express it, the state Q (strain ε Q ) when the stress becomes zero with a straight line having the same inclination as the elastic region from the state P (strain ε H , stress σ P ) is defined as a stable state after unloading. To do. As a result, in the stable state Q reached by unloading, it can be expressed that the residual stress corresponding to the strain ε Q is generated while the relaxation of the shape corresponding to the decrease in strain (ε H −ε Q ) occurs.
具体的には、実験により計測された負極活物質・正極活物質及び固体電解質の応力−歪み特性を用いて上記の緩和機能を組み込んでいる。図8は実験による負極活物質及び固体電解質の応力−歪み特性を示すグラフである。横軸は歪みεを示し、縦軸は応力σを示す。破線は負極活物質を示し、実線は固体電解質を示す。即ち、本シミュレーションでは、図7に示すグラフの具体例として、図8の応力−歪み特性のグラフを用いている。この応力−歪み特性についても、粉体の種類ごと、即ち負極活物質と正極活物質と固体電解質とで別々のデータが入力される。なお、正極活物質の応力−歪み特性については図示を省略する。 Specifically, the above relaxation function is incorporated using the stress-strain characteristics of the negative electrode active material / positive electrode active material and solid electrolyte measured by experiments. FIG. 8 is a graph showing stress-strain characteristics of the negative electrode active material and the solid electrolyte obtained by experiments. The horizontal axis indicates the strain ε, and the vertical axis indicates the stress σ. The broken line indicates the negative electrode active material, and the solid line indicates the solid electrolyte. That is, in this simulation, the stress-strain characteristic graph of FIG. 8 is used as a specific example of the graph shown in FIG. Regarding the stress-strain characteristics, different data are input for each type of powder, that is, for the negative electrode active material, the positive electrode active material, and the solid electrolyte. In addition, illustration is abbreviate | omitted about the stress-strain characteristic of a positive electrode active material.
次に、シミュレーションでの圧縮成型やサイクル耐久試験後の活物質層の評価に用いられる、活物質と固体電解質との接触状態(接触率)の計算機能について説明する。 Next, the calculation function of the contact state (contact rate) between the active material and the solid electrolyte, which is used for the evaluation of the active material layer after the compression molding in the simulation and the cycle durability test, will be described.
接触率は以下の方法で算出する。図9は粉体間の接触率を説明する図である。接触率R(%)は、粉体モデルA1の表面の基本粒子bp1のうち、どれだけの基本粒子が周囲の粉体モデルA2と接触していたかを示す指標である。この例では、粉体モデルA1は活物質であり、粉体モデルA2は固体電解質である。接触率が高いほど、イオンや電池の伝導がし易くなるので、全固体電池としての性能が高くなる。従って、活物質層としては接触率が高い事が好ましい。 The contact rate is calculated by the following method. FIG. 9 is a diagram for explaining the contact ratio between powders. The contact ratio R (%) is an index indicating how many basic particles bp1 on the surface of the powder model A1 are in contact with the surrounding powder model A2. In this example, the powder model A1 is an active material, and the powder model A2 is a solid electrolyte. The higher the contact ratio, the easier the conduction of ions and batteries, so the performance as an all-solid battery increases. Accordingly, it is preferable that the active material layer has a high contact rate.
接触率は、以下の式(A)で計算する。
R(%)=NA1−A2/NA1×100 …(A)
NA1:活物質A1の最表面の粒子bp1の総数
NA1−A2:NA1個の活物質A1の最表面の粒子bp1の総数の内、外周を取り巻いている固体電解質A2の最表面の粒子bp2が接触する総数
The contact rate is calculated by the following formula (A).
R (%) = NA1-A2 / NA1 * 100 (A)
N A1 : Total number of particles bp1 on the outermost surface of the active material A1 N A1-A2 : Particles on the outermost surface of the solid electrolyte A2 surrounding the outer periphery among the total number of particles bp1 on the outermost surface of the N A1 active materials A1 The total number that bp2 contacts
ただし、接触については、活物質A1の基本粒子bp1と固体電解質A2の基本粒子bp2との中心間距離Xが、以下の式(B)で定義した範囲内に入っている場合を接触状態として判断する様に設定した。
X−φ<K[μm]…(B)
φ:基本粒子の直径
K:実験において、電子又はLiイオンが粉体間をホッピングする現象を確認した場合、この係数にその時の粉体間距離として電子顕微鏡などで確認した数値を代入
However, for the contact, the contact state is determined when the center-to-center distance X between the basic particle bp1 of the active material A1 and the basic particle bp2 of the solid electrolyte A2 is within the range defined by the following formula (B). It was set to do.
X−φ <K [μm] (B)
φ: Diameter of basic particle K: In the experiment, when the phenomenon that electrons or Li ions hop between powders was confirmed, the value confirmed with an electron microscope or the like was substituted for this coefficient as the distance between powders
次に、シミュレーションでのサイクル耐久試験において用いられる、充電/放電時に起こる粉体の膨張/収縮を再現する膨張収縮機能について説明する。 Next, an expansion / contraction function that reproduces the expansion / contraction of the powder that occurs during charge / discharge, which is used in a cycle endurance test in simulation, will be described.
全固体電池の充電/放電での電極の膨張/収縮は、実際の現象としては「電極に対してLiイオンが出入りする事に伴う活物質の膨張/収縮」である事が実験により確認されている。その実際の現象をモデル化するため、Liイオンの出入りによる膨張/収縮を、熱による膨張/収縮に模擬、即ち「熱膨張解析技術」に置換して取り扱う。FEMでは膨張収縮計算を線膨張係数の指標を用いて実施可能であり、本シミュレーション方法にも適用可能である。 It has been experimentally confirmed that the expansion / contraction of the electrode during charging / discharging of the all-solid-state battery is “the expansion / contraction of the active material due to Li ions entering / exiting the electrode” as an actual phenomenon. Yes. In order to model the actual phenomenon, expansion / contraction due to the entry / exit of Li ions is simulated by expansion / contraction due to heat, that is, replaced with “thermal expansion analysis technology”. In FEM, the expansion and contraction calculation can be performed using the index of the linear expansion coefficient, and can be applied to this simulation method.
まず、実際の電池電極によりLiイオンの出入りによる体積の膨張/収縮での体積膨張係数βを予め実験により計測する。ここで、体積膨張係数βと線膨張係数αとの間には以下の関係があることが知られている。
α≒β/3…(C)
従って、Liイオンの出入りによる体積の膨張/収縮を、線膨張係数αの熱膨張/熱収縮とみなして、熱膨張解析を行う事により、Liイオンの出入りによる膨張/収縮をシミュレーションする。
First, the volume expansion coefficient β in the expansion / contraction of the volume due to the entry / exit of Li ions is measured by experiments in advance using an actual battery electrode. Here, it is known that the following relationship exists between the volume expansion coefficient β and the linear expansion coefficient α.
α≈β / 3 (C)
Accordingly, the expansion / contraction of the volume due to the entry / exit of Li ions is regarded as the thermal expansion / contraction of the linear expansion coefficient α, and the thermal expansion analysis is performed to simulate the expansion / contraction due to the entry / exit of Li ions.
全固体電池のサイクル耐久試験は、1サイクルにつき所定の電気量の充電/放電が行われ、それがNサイクル行われる(Nは2以上の自然数)。従って、1サイクル分の充放電を模擬するためには、所定の電気量の充電/放電による膨張/収縮と同じ膨張/収縮を起こす様に熱による膨張/収縮を起こさせるべく、活物質層を所定の温度だけ仮想的に加熱/冷却する。 In the cycle durability test of an all-solid battery, charging / discharging with a predetermined amount of electricity is performed per cycle, and N cycles are performed (N is a natural number of 2 or more). Therefore, in order to simulate charging / discharging for one cycle, the active material layer is formed so as to cause expansion / contraction by heat so as to cause the same expansion / contraction as the expansion / contraction by charging / discharging of a predetermined amount of electricity. Heat / cool virtually by a predetermined temperature.
ただし、実際の負極活物質層は、その組み付け構成において負極集電体層・負極活物質層・固体電解質層・正極活物質層・正極集電体層が順番に重なっていると共に、サイクル耐久試験時には正極側から一定荷重・一定寸法の条件の下で拘束されている。このため、シミュレーション計算を行なう際は、部品の解析モデル化の範囲・耐久試験条件の付与のさせ方(荷重拘束方向、部品の拘束自由度設定)に応じて、適切な条件設定を行う必要がある。 However, the actual negative electrode active material layer is composed of a negative electrode current collector layer, a negative electrode active material layer, a solid electrolyte layer, a positive electrode active material layer, and a positive electrode current collector layer that are stacked in that order in the assembled configuration, and a cycle durability test. Sometimes it is restrained from the positive electrode side under the condition of constant load and constant dimension. For this reason, when performing simulation calculation, it is necessary to set appropriate conditions according to the range of analytical modeling of parts and how to apply durability test conditions (load restraint direction, part restraint freedom setting). is there.
この様に、本シミュレーション方法は、体積膨張係数を熱膨張係数に対応させる事により、活物質層の粉体の様な充放電時にイオンの吸収/放出により大きく膨張/収縮する粉体を対象として上記シミュレーションを実行出来る。 In this way, this simulation method targets powder that expands / contracts greatly due to absorption / release of ions during charge / discharge, such as powder of an active material layer, by making the volume expansion coefficient correspond to the thermal expansion coefficient. The above simulation can be executed.
次に、シミュレーションでの圧縮成型及びサイクル耐久試験において用いられる、粉体の破断を再現する粉体破断機能について説明する。 Next, a description will be given of a powder breaking function for reproducing powder breakage, which is used in simulation compression molding and cycle durability testing.
粉体の破断を再現可能にするために、各粉体の機械的特性として図8に示す様な応力−歪み特性そのものを用いている。図8に示す応力−歪み特性を用いると仮定すると、
負極活物質の破断歪み=固体電解質の破断歪み × 3.0…(D)
負極活物質の破断応力=固体電解質の破断応力 × 4.6…(E)
といった関係にある事がわかる。SPHとDEMによる連成計算によって両粉体において上記に示す破断歪みや応力が発生する時にはそれぞれの材料が破断したと判定する事が出来る。
In order to make the fracture of the powder reproducible, the stress-strain characteristic itself as shown in FIG. 8 is used as the mechanical characteristic of each powder. Assuming that the stress-strain characteristics shown in FIG. 8 are used,
Breaking strain of negative electrode active material = Breaking strain of solid electrolyte x 3.0 (D)
Breaking stress of negative electrode active material = Breaking stress of solid electrolyte × 4.6 (E)
It can be seen that there is a relationship. It can be determined that the respective materials are broken when the above-described fracture strain or stress is generated in both powders by the combined calculation by SPH and DEM.
そのため、破断モードとしては、(i)粒子間に発生する歪みを基にした破断、(ii)粒子自体に発生している応力を基にした破断、の2種類が存在する事になる。この場合、現象を視覚的に解析すると、前出(i)の場合では1個の粉体が要素数に変化の無い2個の粉体に変化、前出(ii)の場合では、1個の粉体が2個の粉体に変化するものの粒子の消失が起こる為に破断後の2個の粉体の粒子数の和は元々の粉体の粒子数よりも減少する事になる。具体的には、シミュレーションにおいて、粉体モデル内のある基本粒子に破断歪みを超える歪みが発生した場合、その基本粒子と周囲の基本粒子との間の結合を解除する事で粉体モデルに対応する粉体の粉砕(破断)を表現している。 Therefore, there are two types of rupture modes: (i) rupture based on strain generated between particles and (ii) rupture based on stress generated in the particles themselves. In this case, when the phenomenon is visually analyzed, in the case of the above (i), one powder is changed to two powders having no change in the number of elements, and in the case of the above (ii), one powder is changed. However, since the disappearance of particles occurs, the sum of the number of particles of the two powders after the rupture is smaller than the number of particles of the original powder. Specifically, in the simulation, when a distortion exceeding the fracture strain occurs in a basic particle in the powder model, the bond between the basic particle and surrounding basic particles is released to support the powder model. It expresses pulverization (breaking) of the powder.
この様に、本シミュレーション方法は、粉体の破断を判断出来るので、設計諸元や製造条件により粉体が破砕(破断)する可能性を評価する事が出来る。特に、本シミュレーション方法は、上記の様に粉体の膨張/収縮を再現可能にしているので、圧縮成型での粉体の破砕だけでなく、サイクル耐久試験での粉体の膨張/収縮と粉体の破砕との関係を評価する事が出来る。 In this way, since this simulation method can determine the breakage of the powder, it is possible to evaluate the possibility of the powder being crushed (broken) according to design specifications and manufacturing conditions. In particular, since this simulation method makes it possible to reproduce the expansion / contraction of the powder as described above, the expansion / contraction of the powder and the powder in the cycle endurance test as well as the crushing of the powder by compression molding. You can evaluate the relationship with body crushing.
次に、本シミュレーション装置について説明する。図10は、本シミュレーション装置60の構成例を示す機能ブロック図である。本シミュレーション装置60は、DEM−SPH連成解析手法を用いたシミュレーションを実行し、全固体電池の電極での粉体同士の接触状態を解析する。 Next, the simulation apparatus will be described. FIG. 10 is a functional block diagram illustrating a configuration example of the simulation apparatus 60. The simulation apparatus 60 executes a simulation using a DEM-SPH coupled analysis technique, and analyzes the contact state between powders at the electrodes of an all-solid battery.
本シミュレーション装置60はコンピュータに例示される情報処理装置である。本シミュレーション装置60は、図示されないCPUと記憶装置とリムーバルメモリドライブと通信装置と入力装置と出力装置とインターフェースとを備えている。CPUは、本シミュレーション装置60にインストールされたコンピュータプログラムを実行し、これら記憶装置等を制御する。記憶装置は、コンピュータプログラムを記憶し、更にCPUが利用する情報及び生成した情報を記憶する。リムーバルメモリドライブは、コンピュータプログラムが記憶された記憶媒体から、コンピュータプログラムを本シミュレーション装置60にインストールするときに用いられる。通信装置は、通信回線網を介して他のコンピュータからコンピュータプログラムを本シミュレーション装置60にダウンロード/インストールするときに用いられる。入力装置は、ユーザ操作により生成される情報をCPUに出力する。出力装置は、CPUにより生成された情報をユーザ認識可能に出力する。インターフェースは、本シミュレーション装置60に接続される外部機器により生成される情報をCPUに出力し、CPUにより生成された情報を外部機器に出力する。外部機器は、別のコンピュータを含んでいる。記憶装置としては、ROMやRAMやHDDや不揮発性メモリが例示される。リムーバルメモリドライブとしては、CD−ROMドライブ、DVDドライブが例示される。入力装置としては、キーボード、マウスが例示される。出力装置としては、ディスプレイやプリンタが例示される。 The simulation apparatus 60 is an information processing apparatus exemplified by a computer. The simulation apparatus 60 includes a CPU, a storage device, a removable memory drive, a communication device, an input device, an output device, and an interface (not shown). The CPU executes a computer program installed in the simulation apparatus 60 and controls these storage devices and the like. The storage device stores a computer program, and further stores information used by the CPU and generated information. The removable memory drive is used when a computer program is installed in the simulation apparatus 60 from a storage medium in which the computer program is stored. The communication device is used when a computer program is downloaded / installed into the simulation device 60 from another computer via a communication line network. The input device outputs information generated by a user operation to the CPU. The output device outputs the information generated by the CPU so that the user can recognize it. The interface outputs information generated by an external device connected to the simulation apparatus 60 to the CPU, and outputs information generated by the CPU to the external device. The external device includes another computer. Examples of the storage device include ROM, RAM, HDD, and nonvolatile memory. Examples of the removable memory drive include a CD-ROM drive and a DVD drive. Examples of the input device include a keyboard and a mouse. Examples of the output device include a display and a printer.
本シミュレーション装置60にインストールされるコンピュータプログラムは、本シミュレーション装置60に複数の機能を実現させるための複数のコンピュータプログラムを備えている。それら複数の機能は、コンピュータプログラム(ソフトウェア)とシミュレーション装置60(ハードウェア)との協働により実現されており、記憶部63とモデル定義部61とDEM−SPH解析部62とを含んでいる。 The computer program installed in the simulation apparatus 60 includes a plurality of computer programs for causing the simulation apparatus 60 to realize a plurality of functions. The plurality of functions are realized by cooperation of a computer program (software) and a simulation device 60 (hardware), and include a storage unit 63, a model definition unit 61, and a DEM-SPH analysis unit 62.
記憶部63は、DEM−SPH解析部62のシミュレーションで用いる材料特性データ75を記憶する。材料特性データ75は、例えば粉体ごとの図8に示す応力−歪み特性、体積膨張係数β、粒径のデータや、ヤング率、降伏応力、材料強度及びポアソン比の様な機械特性データを含む。材料特性データ75は例えばユーザにより予め入力される。 The storage unit 63 stores material property data 75 used in the simulation of the DEM-SPH analysis unit 62. The material property data 75 includes, for example, data on stress-strain properties, volume expansion coefficient β, particle size, and mechanical property data such as Young's modulus, yield stress, material strength, and Poisson's ratio shown in FIG. 8 for each powder. . The material property data 75 is input in advance by the user, for example.
モデル定義部61は、材料特性データ75を用いてシミュレーションに用いるモデルを定義する。DEM−SPH解析部62は、定義されたモデルを用いて、DEM−SPH連成解析手法に基づくシミュレーションにより、複数種類の粉体同士の接触状態を解析する。DEM−SPH解析部62は、上記の緩和機能や膨張収縮機能を含み、更にDEM法で粉体を解析するDEM解析部71と、SPH法で粉体を解析するSPH解析部72と、粉体同士の接触の度合い、即ち接触率を計算する接触率計算部73と、粉体の破断を判定する破壊判定部74とを含んでいる。 The model definition unit 61 uses the material property data 75 to define a model used for the simulation. The DEM-SPH analysis unit 62 analyzes the contact state between a plurality of types of powders by a simulation based on the DEM-SPH coupled analysis method using the defined model. The DEM-SPH analysis unit 62 includes the relaxation function and the expansion / contraction function described above, and further includes a DEM analysis unit 71 that analyzes powder by the DEM method, an SPH analysis unit 72 that analyzes powder by the SPH method, A contact rate calculation unit 73 that calculates the degree of contact between each other, that is, a contact rate, and a destruction determination unit 74 that determines breakage of the powder are included.
次に、本シミュレーション方法(本シミュレーション装置60の動作)について説明する。図11は、本シミュレーション方法を示すフローチャートである。 Next, the simulation method (operation of the simulation apparatus 60) will be described. FIG. 11 is a flowchart showing this simulation method.
(1)ステップ200
ステップ200では、モデル定義部61が、活物質層の材料特性や形状に関する材料特性データ76を記憶部63から読み出し、材料特性データ76に基づいてシミュレーションに用いるモデルを定義する。モデルとしては、図3及び図4に示されるモデルが挙げられる。
(1) Step 200
In step 200, the model definition unit 61 reads material property data 76 related to the material properties and shape of the active material layer from the storage unit 63, and defines a model to be used for simulation based on the material property data 76. Examples of the model include the models shown in FIGS. 3 and 4.
(2)ステップ201
ステップ201では、DEM−SPH解析部62のDEM解析部71及びSPH解析部72が、ステップ200で定義されたモデル(図3及び図4)を用いてDEM−SPH連成解析手法により、圧縮成型の工程をシミュレーションする。
(2) Step 201
In step 201, the DEM analysis unit 71 and the SPH analysis unit 72 of the DEM-SPH analysis unit 62 perform compression molding by the DEM-SPH coupled analysis method using the model defined in step 200 (FIGS. 3 and 4). The process is simulated.
粉体の圧縮成型に関するシミュレーションは、初期的にはDEM解析部71がDEM法を用いて行う。図3に示す基本粒子bpはDEM法における基本粒子、即ちDEM粒子に対応している。DEM法ではDEM粒子の並進運動の運動方程式及び回転運動の運動方程式を定義して粒子の運動を時間経過に従って求める。DEM法における並進運動の運動方程式は例えばma+Cv+F=0、m:質量、a:加速度、C:減衰定数、v:速度、F:外力であり、回転運動の運動方程式は例えばIα+Dω+M=0、I:慣性モーメント、α:角加速度、D:減衰定数、M:外から働くモーメント、である(図3(A))。図3及び図4に示すモデルに基づいて、DEM法による圧縮計算によって、粉体が徐々に圧縮され、粉体が周囲の粉体から圧力を受けて大きく変形する様子を求める事が出来る。 Initially, the DEM analysis unit 71 performs a simulation related to the compression molding of the powder using the DEM method. The basic particles bp shown in FIG. 3 correspond to basic particles in the DEM method, that is, DEM particles. In the DEM method, a motion equation for translational motion and a motion equation for rotational motion of a DEM particle are defined, and the motion of the particle is obtained over time. The motion equation of translational motion in the DEM method is, for example, ma + Cv + F = 0, m: mass, a: acceleration, C: damping constant, v: velocity, F: external force, and the motion equation of rotational motion is, for example, Iα + Dω + M = 0, I: Moment of inertia, α: angular acceleration, D: damping constant, M: moment acting from outside (FIG. 3A). Based on the models shown in FIG. 3 and FIG. 4, it is possible to obtain a state in which the powder is gradually compressed by the compression calculation by the DEM method, and the powder is greatly deformed by receiving pressure from the surrounding powder.
粉体が周囲の粉体と密着して相互の運動が一体化してくると、粉体同士は合体して一体化した運動を起こす様になる。この粉体同士の一体化が広い範囲で進むと、個々の粉体の運動を求めていたDEM法は適用できなくなる。その場合、粉体同士が一体化してひとつの連続した固体(連続体)に近い状態とみなす事が出来る。従って、その後のシミュレーションは、SPH解析部72がSPH法を用いて行う。DEM法からSPH法への変更は、即ち非連続体から連続体への移行は、粉体同士が互いに完全接触した時に行うものとする。 When the powder comes into close contact with the surrounding powder and the mutual movements become integrated, the powders coalesce and cause an integrated movement. When the integration of the powders proceeds in a wide range, the DEM method that requires the movement of individual powders cannot be applied. In that case, it can be considered that the powders are integrated and close to one continuous solid (continuum). Therefore, the subsequent simulation is performed by the SPH analysis unit 72 using the SPH method. The change from the DEM method to the SPH method, that is, the transition from the discontinuous material to the continuous material is performed when the powders are completely in contact with each other.
ただし、DEM法からSPH法への移行するとき、DEM法の基本粒子が、SPH法の基本粒子として移行される。即ち、図3に示す基本粒子bpはSPH法における基本粒子、即ちSPH粒子に対応するという事が出来る。 However, when shifting from the DEM method to the SPH method, the basic particles of the DEM method are transferred as the basic particles of the SPH method. That is, it can be said that the basic particles bp shown in FIG. 3 correspond to the basic particles in the SPH method, that is, SPH particles.
SPH法では、運動量保存の法則及びエネルギー保存の法則などを表す偏微分方程式をKernel積分法によって近似的に解く手法であり、弾性解析ではSPH粒子の弾性運動として弾性体のNewtonの運動方程式を定義して粒子の運動を時間経過に従って求める。Newtonの運動方程式は例えばa=(1/ρ)∇・σ、a:加速度、ρ:密度、σ:コーシーの応力テンソル、である。 In the SPH method, a partial differential equation representing the law of conservation of momentum and the law of conservation of energy is approximately solved by the Kernel integral method. In the elastic analysis, the Newtonian equation of motion of the elastic body is defined as the elastic motion of the SPH particle. Then, the motion of the particles is obtained with time. Newton's equation of motion is, for example, a = (1 / ρ) ∇ · σ, a: acceleration, ρ: density, and σ: Cauchy's stress tensor.
図4の圧縮成型器モデル20を用いた粉体の圧縮成型は定圧プレス又は定寸プレスで行われる。定圧プレスでは、境界層21又は境界層22と粉体モデルAとの圧力(Y方向の圧力)が予め設定された指定圧力に到達したとき圧縮成型のシミュレーションが終了される。一方、定寸プレスでは、境界層21と境界層22との距離(Y方向の距離)が、予め設定された指定寸法に到達したとき圧縮成型のシミュレーションが終了される。 The compression molding of the powder using the compression molding machine model 20 of FIG. 4 is performed by a constant pressure press or a constant size press. In the constant pressure press, the simulation of compression molding is terminated when the pressure between the boundary layer 21 or the boundary layer 22 and the powder model A (pressure in the Y direction) reaches a preset designated pressure. On the other hand, in the fixed-size press, the compression molding simulation is terminated when the distance between the boundary layer 21 and the boundary layer 22 (the distance in the Y direction) reaches a preset specified dimension.
圧縮成型の工程の終了後、圧縮成型器モデル20は図5に示す様な圧縮成型後の形状となり、圧縮成型器モデル20内には、複数の粉体モデルAが圧縮され一体化されて、シート状の活物質層モデル35が形成されている。 After completion of the compression molding process, the compression molding machine model 20 has a shape after compression molding as shown in FIG. 5. In the compression molding machine model 20, a plurality of powder models A are compressed and integrated, A sheet-like active material layer model 35 is formed.
圧縮成型の工程では、上記のDEM−SPH連成解析手法により、圧縮成型される活物質層の活物質及び固体電解質の粉体の状態が計算される。即ち、時間経過に従って各粉体内の各基本粒子の加速度、速度、変位が計算され、それらから歪みが計算される。応力は、計算された歪みに基づいて、図8に示される様な実測された応力−歪み特性を参照して求める事が出来る。それにより、各粉体モデルA内の応力分布及び歪み分布を求める事が出来る。 In the compression molding step, the state of the active material of the active material layer to be compression molded and the powder of the solid electrolyte is calculated by the DEM-SPH coupled analysis method. That is, the acceleration, velocity, and displacement of each basic particle in each powder are calculated over time, and the strain is calculated from them. The stress can be obtained based on the calculated strain with reference to the actually measured stress-strain characteristics as shown in FIG. Thereby, the stress distribution and strain distribution in each powder model A can be obtained.
(3)ステップ202
ステップ202では、DEM−SPH解析部62の接触率計算部73が、ステップ201で算出された活物質層の状態に基づいて、圧縮成型後の活物質の粉体に対する固体電解質の粉体の接触状態、即ち接触率Rを算出する。接触率Rは上記式(A)で算出される。なお、本ステップの接触率Rの計算は、ステップ201において時間経過に従って各粉体内の各基本粒子の加速度、速度、変位、歪み、応力が計算される時に、併せて行っても良い。
(3) Step 202
In step 202, the contact rate calculation unit 73 of the DEM-SPH analysis unit 62 contacts the solid electrolyte powder with the active material powder after compression molding based on the state of the active material layer calculated in step 201. The state, that is, the contact rate R is calculated. The contact rate R is calculated by the above formula (A). The calculation of the contact rate R in this step may be performed together with the calculation of the acceleration, velocity, displacement, strain, and stress of each basic particle in each powder over time in step 201.
(4)ステップ203
ステップ203では、DEM−SPH解析部62のSPH解析部72が、ステップ201で計算された活物質層の複数種類の粉体の状態に基づいて、全固体電池のサイクル耐久試験の工程、即ち充放電の工程をシミュレーションする。具体的には図6に示す電極モデル30に基づいて、サイクル耐久試験の工程における充電/放電を、粉体モデルAの熱による膨張/収縮で表現して、サイクル耐久試験後、即ち充放電後の活物質層の複数種類の粉体の状態を計算する。それにより、時間経過に従って各粉体内の各基本粒子の加速度、速度、変位が計算され、それらから歪みが計算される。応力は、計算された歪みに基づいて、図8に示される様な実測された応力−歪み特性を参照して求める事が出来る。
(4) Step 203
In step 203, the SPH analysis unit 72 of the DEM-SPH analysis unit 62 performs the cycle durability test process of the all solid state battery based on the state of the plurality of types of powders of the active material layer calculated in step 201, that is, Simulate the discharge process. Specifically, based on the electrode model 30 shown in FIG. 6, the charge / discharge in the cycle durability test process is expressed by the expansion / contraction of the powder model A due to heat, and after the cycle durability test, that is, after the charge / discharge. The state of multiple types of powders in the active material layer is calculated. Thereby, the acceleration, velocity, and displacement of each basic particle in each powder are calculated over time, and the strain is calculated therefrom. The stress can be obtained based on the calculated strain with reference to the actually measured stress-strain characteristics as shown in FIG.
(5)ステップ204
ステップ204では、DEM−SPH解析部62の接触率計算部73が、ステップ203で算出された負極活物質層の状態に基づいて、充放電後の活物質の粉体に対する固体電解質の粉体の接触率を算出する。このステップについては、ステップ202と同様である。なお、本ステップの接触率Rの計算も、ステップ203において時間経過に従って各粉体内の各基本粒子の加速度、速度、変位、歪み、応力が計算される時に、併せて行っても良い。
(5) Step 204
In step 204, the contact rate calculation unit 73 of the DEM-SPH analysis unit 62 determines the solid electrolyte powder to the active material powder after charge / discharge based on the state of the negative electrode active material layer calculated in step 203. Calculate the contact rate. This step is the same as step 202. Note that the calculation of the contact rate R in this step may also be performed when the acceleration, velocity, displacement, strain, and stress of each basic particle in each powder are calculated over time in step 203.
(6)ステップ205
ステップ205では、DEM−SPH解析部62の破壊判定部74が、ステップ203で算出された活物質層の状態に基づいて、充放電後、即ち膨張及び収縮された後の活物質及び固体電解質の粉体が破壊されているか否かを判定する。即ち、ある基本粒子に破断歪みを超える歪みが発生した場合、その基本粒子と周囲の基本粒子との間の結合を解除する事で粉体モデルに対応する粉体の粉砕(破断)を表現する。なお、本ステップの破壊の判定は、ステップ203において時間経過に従って各粉体内の各基本粒子の加速度、速度、変位、歪み、応力が計算される時に、併せて計算しても良い。
(6) Step 205
In step 205, the destruction determination unit 74 of the DEM-SPH analysis unit 62 determines the active material and solid electrolyte after charging / discharging, that is, expanded and contracted, based on the state of the active material layer calculated in step 203. It is determined whether or not the powder is broken. That is, when a strain exceeding the breaking strain occurs in a certain basic particle, the pulverization (breaking) of the powder corresponding to the powder model is expressed by releasing the bond between the basic particle and the surrounding basic particles. . The determination of destruction in this step may be performed at the same time when the acceleration, velocity, displacement, strain, and stress of each basic particle in each powder are calculated in step 203 as time elapses.
以上の様に、本シミュレーション方法により、活物質層を圧縮成型により形成したときや、サイクル耐久試験による膨張/収縮させたときの活物質層の接触状態を把握する事が出来る。 As described above, this simulation method makes it possible to grasp the contact state of the active material layer when the active material layer is formed by compression molding or when it is expanded / contracted by a cycle durability test.
ただし、粉体の破壊判定(ステップ205)をステップ201において、又は、ステップ201とステップ203との間にも行って良い。 However, the powder breakage determination (step 205) may be performed in step 201 or between step 201 and step 203.
図12は粉体の破断を判断する方法を示すフローチャートである。
まず、ステップ300では評価対象の複数の粉体モデルAの中から1個の粉体モデルAを選択する。例えば負極活物質層を評価する場合、負極活物質粉体モデルAaを1個選択する。
FIG. 12 is a flowchart showing a method of determining breakage of powder.
First, in step 300, one powder model A is selected from a plurality of powder models A to be evaluated. For example, when evaluating the negative electrode active material layer, one negative electrode active material powder model Aa is selected.
続くステップ301では選択された粉体モデルAの複数の基本粒子の中から1個の基本粒子を選択する。例えば負極活物質粉体モデルAaの複数の基本粒子の中から1個選択する。 In the subsequent step 301, one basic particle is selected from a plurality of basic particles of the selected powder model A. For example, one is selected from a plurality of basic particles of the negative electrode active material powder model Aa.
続くステップ302では選択された基本粒子自身、あるいは基本粒子と隣り合っている粒子との間の歪みεが、その材料の破断歪みεth以上か否かが判別される。歪みεが破断歪みεth以上であれば処理はステップ303へ進む。歪みεが破断歪みεth以上でなければ処理はステップ304へ進む。 In the subsequent step 302, it is determined whether or not the strain ε between the selected basic particles themselves or the particles adjacent to the basic particles is equal to or greater than the fracture strain εth of the material. If the strain ε is equal to or greater than the breaking strain εth, the process proceeds to step 303. If the strain ε is not equal to or greater than the breaking strain εth, the process proceeds to step 304.
ステップ303では、破断したと判断された粒子に対して、粒子自身が削除されるか、あるいは周囲の隣接する基本粒子との結合を解除される。例えば負極活物質粉体モデルAaの選択された基本粒子の歪みが破断歪み以上であればその基本粒子は破断と判断され、周囲の隣接する基本粒子との結合を解除される。なお、負極活物質の選択された基本粒子の歪みが破断歪み未満なら破断でないと判断され、周囲の隣接する基本粒子との結合を維持する。 In step 303, the particle itself is deleted from the particle determined to be broken, or the bond with the adjacent neighboring basic particle is released. For example, if the strain of the selected basic particle of the negative electrode active material powder model Aa is equal to or greater than the fracture strain, the basic particle is determined to be broken, and the bond with the adjacent neighboring basic particles is released. It should be noted that if the selected basic particles of the negative electrode active material have a strain less than the fracture strain, it is determined that the fracture is not the fracture, and the bond with the adjacent neighboring basic particles is maintained.
上記のステップ301〜ステップ303は、選択された粉体モデルAの全基本粒子について実行される(ステップ304)。例えば負極活物質粉体モデルAaの全基本粒子について実行される。 The above steps 301 to 303 are executed for all the basic particles of the selected powder model A (step 304). For example, it is executed for all basic particles of the negative electrode active material powder model Aa.
更に、上記のステップ300〜ステップ304は、活物質の全ての粉体モデルAについて実行される(ステップ305)。例えば負極活物質層中の全ての負極活物質粉体モデルAaについて実行される。 Further, the above steps 300 to 304 are executed for all powder models A of the active material (step 305). For example, it is executed for all negative electrode active material powder models Aa in the negative electrode active material layer.
以上説明された様に、本シミュレーション方法では、少なくとも活物質層の圧縮成型から、その活物質層が組み込まれた全固体電池のサイクル耐久試験まで、シミュレーションにより評価・解析する事が出来る。 As described above, in this simulation method, it is possible to evaluate and analyze by simulation from at least the compression molding of the active material layer to the cycle durability test of the all solid state battery incorporating the active material layer.
次に、本シミュレーション方法を利用した本実施の形態に係る全固体電池用電極の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the all-solid-state battery electrode according to the present embodiment using the simulation method will be described.
上記シミュレーション結果の良好な接触率を目標性能と捉えると、その目標性能を与える粒径比や破壊歪みの様な設計諸元や、圧縮成型の初期プレス荷重の様な製造条件をシミュレーションの設定条件から把握する事が出来る。従って、シミュレーションの設定条件から把握される設計諸元や製造条件を実際の電池製造に用いる事で目標性能を有する電池を製造する事が出来る。その様な全固体電池用電極の製造方法は以下の様になる。 If the good contact rate of the above simulation results is regarded as the target performance, the design parameters such as the particle size ratio and fracture strain that give the target performance, and the manufacturing conditions such as the initial press load of compression molding are the setting conditions for the simulation. It can be grasped from. Therefore, a battery having the target performance can be manufactured by using design specifications and manufacturing conditions grasped from the setting conditions of the simulation for actual battery manufacturing. The manufacturing method of such an electrode for an all solid state battery is as follows.
図13は全固体電池用電極の製造方法を示すフローチャートである。まずステップ400では、予め実験により取得された正極活物質・負極活物質及び固体電解質の粉体の荷重負荷時の応力歪み特性及び充放電時の体積膨張特性に基づいて、図11に示す様な本シミュレーション方法(電池電極のシミュレーション)が実行される。それにより、シミュレーションにより複数種類の粉体の接触状態と活物質層の設計条件(例示:粒径比や破壊歪み)又は製造条件(例示:初期プレス荷重)との関係を把握する。例えば、複数種類の粉体を圧縮成型したときの、複数種類の粉体の接触率Rと圧縮成型の初期プレス荷重との関係を求める。 FIG. 13 is a flowchart showing a method for manufacturing an electrode for an all solid state battery. First, in step 400, as shown in FIG. 11, the positive electrode active material / negative electrode active material and the solid electrolyte powder stress strain characteristics under load and volume expansion characteristics during charge / discharge obtained in advance by experiments are shown. This simulation method (battery electrode simulation) is executed. Thereby, the relationship between the contact state of a plurality of types of powders and the design conditions (example: particle size ratio and fracture strain) or manufacturing conditions (example: initial press load) of the active material layer is grasped by simulation. For example, the relationship between the contact rate R of a plurality of types of powder and the initial press load of the compression molding when a plurality of types of powder is compression molded is obtained.
続くステップ401では求められた関係に基づいて、良好な接触状態を示す活物質層の設計条件及び/又は製造条件を、実際の活物質層の設計条件及び/又は製造条件に設定する。例えば、シミュレーションにおいて良好な接触率Rを示す時のシミュレーションでの初期プレス荷重を、実際に電極(活物質層)を圧縮成型する時の初期プレス荷重に設定する。 In the subsequent step 401, based on the obtained relationship, the design conditions and / or manufacturing conditions of the active material layer showing a good contact state are set to the actual design conditions and / or manufacturing conditions of the active material layer. For example, the initial press load in the simulation when a good contact rate R is shown in the simulation is set to the initial press load when the electrode (active material layer) is actually compression-molded.
続くステップ402では、設定された設計・製造条件に基づいて、図2に示す様に全固体電池用の電極を製造する。例えば、実際に設定された初期プレス荷重により複数種類の粉体を圧縮成型して電極(活物質層)を製造する。 In subsequent step 402, an electrode for an all-solid-state battery is manufactured based on the set design and manufacturing conditions as shown in FIG. For example, an electrode (active material layer) is manufactured by compressing and molding a plurality of types of powder with an actually set initial press load.
以上の様にして全固体電池を製造する事により、シミュレーション結果と同様の良好な接触率を有する全固体電池を得る事が出来る。 By manufacturing an all-solid battery as described above, an all-solid battery having a good contact rate similar to the simulation result can be obtained.
本シミュレーション方法は、2次元解析及び3次元解析の両方において適用され得る。 The simulation method can be applied in both two-dimensional analysis and three-dimensional analysis.
1.プログラムの確からしさの確認
作成された本シミュレーション方法を実現するプログラムの確からしさの確認を行った。具体的には、シミュレーションの結果と全固体電池の試作品の評価結果(実験結果)とを比較した。
1. Confirmation of program certainty We confirmed the certainty of the program that implements this simulation method. Specifically, the simulation results were compared with the evaluation results (experimental results) of the prototype of the all-solid-state battery.
図14は、全固体電池のサイクル耐久試験後の活物質層での接触率について、シミュレーション結果と実験結果とを比較したグラフである。横軸は粒径比であり、縦軸は接触率(%)である。粒径比とは、負極活物質又は正極活物質の粉体の粒径に対する固体電解質の粉体の粒径の比を示す。実線が負極活物質層の場合であり、白丸印がシミュレーション結果・黒丸印が実験結果を示す。一方、破線が正極活物質層の場合であり、白菱形印がシミュレーション結果・黒菱形印が実験結果を示す。 FIG. 14 is a graph comparing a simulation result and an experimental result regarding the contact ratio in the active material layer after the cycle durability test of the all-solid-state battery. The horizontal axis is the particle size ratio, and the vertical axis is the contact ratio (%). The particle size ratio indicates the ratio of the particle size of the solid electrolyte powder to the particle size of the negative electrode active material or the positive electrode active material powder. The solid line is the case of the negative electrode active material layer, and the white circle indicates the simulation result and the black circle indicates the experimental result. On the other hand, a broken line is a case of a positive electrode active material layer, and a white rhombus mark shows a simulation result and a black rhombus mark shows an experimental result.
いずれの場合にも、シミュレーション結果と実験結果とはほぼ同じ緩やかな右下がりの傾向を示し、バラつきの少ない範囲内に存在している事が確認でき、シミュレーションプログラムの確からしさを確認する事ができた。以上の結果から、上記シミュレーション方法は、全固体電池の完成後の接触現象を定性的に捉えている事が確認された。 In either case, the simulation results and the experimental results show almost the same gentle downward trend, and it can be confirmed that they are within the range with little variation, and the accuracy of the simulation program can be confirmed. It was. From the above results, it was confirmed that the simulation method qualitatively captures the contact phenomenon after completion of the all solid state battery.
2.全固体電池の設計検討
本シミュレーションプログラムを用いて全固体電池の設計検討を行った。
2. Design study of all-solid-state battery Design study of all-solid-state battery was conducted using this simulation program.
上述された図14は、負極活物質層及び正極活物質層において粒径比が全固体電池の完成後の接触率に与える影響を、実験結果とシミュレーション結果とで比較して示している。ただし、図中のr1及びr2はそれぞれ負極活物質層及び正極活物質層での粒径比を示し、R1及びR2はそれぞれ負極活物質層及び正極活物質層での接触率を示す。 FIG. 14 described above shows the influence of the particle size ratio on the contact rate after completion of the all-solid battery in the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer in comparison with the experimental result and the simulation result. However, each of r 1 and r 2 in the figure indicate the size ratio of the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer, the contact ratio at R 1 and R 2 each negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer Show.
実験結果では、負極活物質層においては粒径比がr1の時に接触率が最大値R1を示し、正極活物質層においては粒径比がr2の時に接触率が最大値R2を示す事が分った。一方、シミュレーション結果でも、実験結果と同様に、粒径比がr1、r2の時にそれぞれ接触率が最大を示した。以上の結果から、例えば上記シミュレーション方法において最大の接触率を示す粒径比を用いる事で、実際の活物質層においても接触率を最大にする事が出来る。 In experimental results, the particle size ratio in the anode active material layer is a maximum value R 1 contact ratio when r 1, contact ratio when the particle size ratio is r 2 in the positive electrode active material layer is the maximum value R 2 I knew what to show. On the other hand, in the simulation results, as in the experimental results, the contact ratios showed the maximum when the particle size ratios were r 1 and r 2 . From the above results, the contact ratio can be maximized even in an actual active material layer by using, for example, the particle size ratio showing the maximum contact ratio in the simulation method.
また、図15は、活物質層において活物質層と固体電解質の機械材料特性(応力−歪み特性)が全固体電池の完成後の接触率に与える影響を、実験結果とシミュレーション結果とで比較して示すグラフである。ただし、このグラフは負極活物質層での結果を示しており、横軸は負極活物質の破断歪みであり、縦軸は接触率(%)である。黒四角印が実験結果を示し、黒菱形印がシミュレーション結果を示す。 FIG. 15 shows the comparison between the experimental results and the simulation results on the effect of the mechanical material properties (stress-strain properties) of the active material layer and the solid electrolyte on the contact rate after the completion of the all-solid battery in the active material layer. It is a graph shown. However, this graph shows the result in the negative electrode active material layer, the horizontal axis is the fracture strain of the negative electrode active material, and the vertical axis is the contact ratio (%). Black square marks indicate experimental results, and black diamond marks indicate simulation results.
実験結果では、負極活物質の粉体の破断歪みが小さい(例示:ε1)時には接触率が低い(例示:R3)。しかし、負極活物質の粉体の破断歪みが大きくなるに連れて接触率も上昇し、破断歪みがε2の時には接触率がR4という高い値を示す事が分かった。 According to the experimental results, the contact rate is low (example: R 3 ) when the fracture strain of the negative electrode active material powder is small (example: ε 1 ). However, contact ratio him to break strain of the powder of the negative electrode active material is larger rises, when breaking strain of epsilon 2 were found to exhibit a high value of the contact ratio is R 4.
一方、シミュレーション結果でも、実験結果と同様に、負極活物質の粉体の破断歪みが小さい時には接触率が低く、破断歪みが大きくなるに連れて接触率も上昇し、破断歪みε2の時に最大の接触率を示す結果を得る事ができた。以上の結果から、例えば上記シミュレーション方法において最大の接触率を示す破断歪みの活物質を用いる事で、実際の活物質層においても接触率を最大にする事が出来る。 On the other hand, in the simulation results, as in the experimental results, the contact rate is low when the fracture strain of the negative electrode active material powder is small, and the contact rate increases as the fracture strain increases, and the maximum when the fracture strain is ε2. The result which shows a contact rate was able to be obtained. From the above results, the contact rate can be maximized even in an actual active material layer by using, for example, an active material having a fracture strain exhibiting the maximum contact rate in the simulation method.
従って、シミュレーション結果を目標値と捉えると、目標値から設計要求諸元の方向に向かって逆方向に考える事で、設計要求諸元をどの様に設定したら良いかを決定する事が可能になる。 Therefore, when the simulation result is regarded as a target value, it is possible to determine how to set the design requirement specification by considering the direction from the target value to the direction of the design requirement specification. .
例えば、図14のシミュレーション結果を考慮すると、正極活物質層での接触率をR2に維持可能とするためには、正極活物質層での粒径比をr2に設定すれば良いと予測出来る。また、正極活物質層での接触率を最高値から最高値の90%までの範囲に維持したい場合、図14中の正極活物質層のデータを逆にトレースして得られる粒径比の範囲に設定すれば良いと予測出来る。この様に、図14や図15の例では、シミュレーション結果の接触率を目標値と捉えると、目標値から設計要求諸元として粒径比や破断歪みを決定する事が可能になる。 For example, considering the simulation results of FIG. 14, in order to enable maintaining the contact ratio of the positive electrode active material layer in R2 can predict that the particle size ratio of the positive electrode active material layer may be set to r 2 . Further, when it is desired to maintain the contact ratio in the positive electrode active material layer in the range from the maximum value to 90% of the maximum value, the range of the particle size ratio obtained by reversely tracing the data of the positive electrode active material layer in FIG. It can be predicted that this should be set. In this way, in the examples of FIGS. 14 and 15, if the contact ratio of the simulation result is regarded as a target value, the particle size ratio and the fracture strain can be determined from the target value as the design request specifications.
上記シミュレーション結果から設計要求諸元を決定する方法は製造条件の決定にも当てはめる事が可能である。 The method for determining the design requirement specifications from the simulation result can be applied to the determination of the manufacturing conditions.
例として、全固体電池を作製する際に決定しなければならない圧縮成型時の初期プレス荷重について説明する。圧縮荷重は、完成後の全固体電池での接触率を決定すると共にその後の全固体電池の使われ方に対して耐久性能を決定づける重要なパラメータである。 As an example, the initial press load at the time of compression molding that must be determined when producing an all-solid battery will be described. The compressive load is an important parameter that determines the contact rate in the all-solid battery after completion and determines the durability performance for the usage of the all-solid battery thereafter.
図16は、初期プレス荷重のみを変更した時の全固体電池完成時での負極活物質層の内部構造の変化をシミュレーションにより検討した結果を模式的に示す表である。ただし、サイクル耐久試験は行っていない。表の各枠には、負極活物質層の断面図が示され、断面図の上側は固体電解質と接触する面であり、下側は負極集電体層と接触する面である。ケースごとに相対密度(ρ10<ρ20)・ミーゼス応力(σ10<σ20)及び歪み(ε10<ε20)のそれぞれの分布を示している。初期プレス荷重の大きさはケース1>ケース2>ケース3>ケース4である。また、各枠の断面図において、横に細長い形状のものが負極活物質であり、その周囲を埋めているものが固体電解質である。 FIG. 16 is a table schematically showing the results of examining the change in the internal structure of the negative electrode active material layer when the all solid state battery is completed when only the initial press load is changed, by simulation. However, no cycle durability test was conducted. Each frame in the table shows a cross-sectional view of the negative electrode active material layer. The upper side of the cross-sectional view is a surface in contact with the solid electrolyte, and the lower side is a surface in contact with the negative electrode current collector layer. The respective distributions of relative density (ρ 10 <ρ 20 ), Mises stress (σ 10 <σ 20 ) and strain (ε 10 <ε 20 ) are shown for each case. The magnitude of the initial press load is Case 1> Case 2> Case 3> Case 4. Further, in the cross-sectional views of the respective frames, the horizontally elongated one is the negative electrode active material, and the one filling the periphery is the solid electrolyte.
この図に示す様に、初期プレス荷重が非常に大きい場合、即ちケース1の場合、他のケースと比較して、(i)負極活物質層の粉体が不均一な変形を示し、(ii)負極活物質層内の相対密度の分布が大きくなり(上部が高い)、(iii)負極集電体と接触する面にミーゼス応力の集中が発生し、(iv)固体電解質と接触する面の付近に極端な歪みが発生する、事が分った。 As shown in this figure, when the initial press load is very large, that is, in the case 1, compared with the other cases, (i) the powder of the negative electrode active material layer shows non-uniform deformation, and (ii) ) The distribution of the relative density in the negative electrode active material layer increases (the upper part is high), (iii) Mises stress concentration occurs on the surface in contact with the negative electrode current collector, and (iv) the surface in contact with the solid electrolyte. It turns out that extreme distortion occurs in the vicinity.
それに対して初期プレス荷重が小さくなると、即ちケース番号が大きくなるに連れて、(i)負極活物質層の粉体の変形は均一化し、(ii)負極活物質層内の相対密度差が小さくなり、(iii)負極集電体層と接触する面にミーゼス応力の集中が無くなり、(iv)固体電解質と接触する面の付近に極端な歪みが無くなる、事が分った。 On the other hand, as the initial press load decreases, that is, as the case number increases, (i) the deformation of the powder in the negative electrode active material layer becomes uniform, and (ii) the relative density difference in the negative electrode active material layer decreases. Thus, it was found that (iii) Mises stress concentration disappeared on the surface in contact with the negative electrode current collector layer, and (iv) extreme distortion disappeared in the vicinity of the surface in contact with the solid electrolyte.
従って、圧縮成型の工程の初期プレス荷重を上記シミュレーション方法のケース3でのプレス荷重以下にする事で、実際の製造においても良好な内部構造を有する電極が得られると予想される。 Therefore, by setting the initial press load in the compression molding step to be equal to or lower than the press load in case 3 of the simulation method, it is expected that an electrode having a good internal structure can be obtained even in actual manufacture.
3.サイクル耐久試験
図17は全固体電池のサイクル耐久試験におけるサイクル数と負極活物質層での接触率との関係について、シミュレーション結果と実験結果とを比較したグラフである。横軸はサイクル数(回)、縦軸は接触率(%)である。初期プレス荷重が図16のケース1の条件における実験結果が実線かつ黒丸印で示され、シミュレーション結果が破線かつ白丸印で示される。一方、初期プレス荷重は図16のケース3の条件における実験結果が実線かつ黒三角印で示され、シミュレーション結果が破線かつ白三角印で示される。
3. Cycle Durability Test FIG. 17 is a graph comparing the simulation results and the experimental results regarding the relationship between the number of cycles and the contact ratio in the negative electrode active material layer in the cycle durability test of the all-solid battery. The horizontal axis represents the number of cycles (times), and the vertical axis represents the contact rate (%). The experimental results for the initial press load under the conditions of Case 1 in FIG. 16 are indicated by solid lines and black circles, and the simulation results are indicated by broken lines and white circles. On the other hand, as for the initial press load, the experimental result under the condition of case 3 in FIG. 16 is indicated by a solid line and a black triangle mark, and the simulation result is indicated by a broken line and a white triangle mark.
この実験結果とシミュレーション結果との比較より、以下の事が分かった。(i)シミュレーション結果は実験結果と同様の接触率の傾向、即ちサイクル数が増加するに従って、接触率が減少する傾向を示している。(ii)接触率の出力値を評価した場合、初期プレス荷重がケース1の場合よりも、ケース3の場合の方が、良好な傾向を示している。よってサイクル耐久試験の実施に当たり、初期プレス荷重の大きさが粉体間接触率に影響を与えるものと推定される。 From the comparison between the experimental results and the simulation results, the following were found. (I) The simulation result shows the same tendency of the contact ratio as the experimental result, that is, the tendency of the contact ratio to decrease as the number of cycles increases. (Ii) When the output value of the contact rate is evaluated, the case of the case 3 shows a better tendency than the case of the case 1 of the initial press load. Therefore, in carrying out the cycle durability test, it is estimated that the magnitude of the initial press load affects the contact ratio between powders.
以上の図14〜図17に示される結果から、接触率の低下を起こさない全固体電池を設計するには、少なくとも粒径比・材料特性(破断歪み)・初期プレス荷重の各諸元が重要である事を把握出来た事になる。 From the results shown in FIGS. 14 to 17, at least the specifications of the particle size ratio, material characteristics (breaking strain), and initial press load are important for designing an all-solid battery that does not cause a decrease in contact rate. It is possible to grasp that.
図18は、全固体電池の完成からサイクル耐久試験までの負極活物質層の内部構造の変化をシミュレーションにより検討した結果を模式的に示す表である。表の各枠には、負極活物質層の断面図が示され、断面図は固体電解質と接触する面であり、下側は負極集電体層と接触する面である。初期プレス荷重は図15のケース1と同じである。横軸は、負極活物質層のプレス完了時点(圧縮成型完了時点)・プレス完了後に内部応力の緩和完了時点・1回目のサイクル完了時点・3回目のサイクル完了時点・6回目のサイクル完了時点・10回目のサイクル完了時点といった時間の経過を示しており、これに対する相対密度(ρ10<ρ20)・ミーゼス応力(σ10<σ20)・歪み(ε10<ε20)及び破断箇所のそれぞれの分布を示している。また、各枠の断面図において、横に細長い形状のものが負極活物質であり、その周囲を埋めているものが固体電解質であり、点状(つぶつぶ状)の部分が破断箇所である。 FIG. 18 is a table schematically showing the results of examining the change in the internal structure of the negative electrode active material layer from the completion of the all-solid battery to the cycle durability test by simulation. Each frame in the table shows a cross-sectional view of the negative electrode active material layer. The cross-sectional view is a surface in contact with the solid electrolyte, and the lower side is a surface in contact with the negative electrode current collector layer. The initial press load is the same as Case 1 in FIG. The horizontal axis shows the time when the negative electrode active material layer is pressed (compression completion), the time when internal stress relaxation is completed after the press is completed, the first cycle is completed, the third cycle is completed, the sixth cycle is completed, It shows the passage of time such as the completion of the 10th cycle, and the relative density (ρ 10 <ρ 20 ), Mises stress (σ 10 <σ 20 ), strain (ε 10 <ε 20 ), and breakage point relative thereto. The distribution of is shown. Further, in the cross-sectional views of each frame, the horizontally elongated shape is the negative electrode active material, the surrounding material is the solid electrolyte, and the dotted (crushed) portion is the broken portion.
相対密度については、プレス完了後の内部応力の緩和完了時点では、相対密度分布は概ね均一であるが、サイクル耐久試験を行うと相対密度分布状態が大きく変化する事が分かった。ミーゼス応力については、負極活物質で相対的に低く、固体電解質で相対的に高い事が分かった。歪みについては、サイクル数が多くなるほど、歪み分布が小さくなる事が分かった。破断については、サイクル数が多くなるほど、破断の箇所が多くなる事が分かった。破断の箇所は非接触の箇所のため、破断の箇所が多くなるほど、即ちサイクル数が多くなるほど接触率が低下すると予測される。 As for the relative density, it was found that the relative density distribution was substantially uniform at the completion of the relaxation of the internal stress after the press was completed, but the relative density distribution state changed greatly when the cycle durability test was performed. It was found that the Mises stress was relatively low for the negative electrode active material and relatively high for the solid electrolyte. Regarding strain, it was found that the strain distribution becomes smaller as the number of cycles increases. Regarding the fracture, it was found that as the number of cycles increased, the number of breaks increased. Since the fracture location is a non-contact location, it is predicted that the contact rate decreases as the number of fracture locations increases, that is, as the number of cycles increases.
以上に示す様に、本シミュレーション方法が全固体電池の設計・製造において非常に重要な役割を果たす事を確認出来ると共に、目的に応じた適切な諸元の全固体電池を作製可能となる。 As described above, it can be confirmed that the present simulation method plays a very important role in the design and manufacture of an all-solid battery, and an all-solid battery having an appropriate specification according to the purpose can be manufactured.
1 全固体電池
11 正極
12 負極
13 固体電解質層
14 正極活物質層
15 負極活物質層
16 正極集電体層
17 負極集電体層
60 全固体電池用電極シミュレーション装置
61 モデル定義部
62 DEM−SPH解析部
63 記憶部
71 DEM解析部
72 SPH解析部
73 接触率計算部
74 破壊判定部
75 材料特性データ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 All-solid-state battery 11 Positive electrode 12 Negative electrode 13 Solid electrolyte layer 14 Positive electrode active material layer 15 Negative electrode active material layer 16 Positive electrode collector layer 17 Negative electrode collector layer 60 Electrode simulation apparatus for all-solid-state battery 61 Model definition part 62 DEM-SPH Analysis unit 63 Storage unit 71 DEM analysis unit 72 SPH analysis unit 73 Contact rate calculation unit 74 Destruction determination unit 75 Material property data
Claims (5)
前記複数種類の粉体の各々を、運動方程式が定義された有限個の基本粒子の集合体である粉体モデルに個別にモデル化するステップと、
前記複数種類の粉体に対応する複数種類の前記粉体モデルを用い、DEM(個別要素法)−SPH(粒子法)連成解析手法に基づいて、前記複数種類の粉体が圧縮される時の、又は、充放電により膨張若しくは収縮する時の、前記複数種類の粉体の接触状態を解析するステップと、
を備え、
前記解析するステップは、
前記複数種類の粉体における荷重負荷時の応力歪み特性及び充放電時の体積膨張特性に基づいて、充放電による膨張又は収縮時に所定の歪みを超える歪みが前記粉体モデルに発生した場合、前記粉体モデルに対応する粉体の全部又は一部が破断したと判定するステップを含む、
全固体電池用電極シミュレーション方法。 Analyzes the contact state between the plurality of types of powders in an electrode for an all solid state battery formed by compression molding a plurality of types of powders including a positive electrode active material or negative electrode active material powder and a solid electrolyte powder. An electrode simulation method for an all-solid battery,
Individually modeling each of the plurality of types of powders into a powder model that is an assembly of a finite number of elementary particles with a defined equation of motion;
When the plurality of types of powders corresponding to the plurality of types of powders are compressed using the DEM (Discrete Element Method) -SPH (Particle Method) coupled analysis method Or analyzing the contact state of the plurality of types of powders when expanding or contracting due to charge and discharge,
With
The analyzing step includes:
Based on the stress strain characteristics under load and the volume expansion characteristics at the time of charge and discharge in the plurality of types of powders, when a strain that exceeds a predetermined strain at the time of expansion or contraction due to charge and discharge occurs in the powder model, Determining that all or part of the powder corresponding to the powder model is broken,
Electrode simulation method for all solid state batteries.
充放電による膨張及び収縮を、前記体積膨張特性から算出された線膨張係数に基づく熱による膨張及び収縮とみなして、前記複数種類の粉体モデルの歪みを算出するステップと、
前記応力歪み特性を参照して、算出された前記複数種類の粉体モデルの歪みが所定の歪みを超える場合、前記粉体モデルに対応する粉体の全部又は一部が破断したと判定するステップと、
を含む、
請求項1に記載の全固体電池用電極シミュレーション方法。 The analyzing step includes:
Considering expansion and contraction due to charge and discharge as expansion and contraction due to heat based on a linear expansion coefficient calculated from the volume expansion characteristic, calculating distortions of the plurality of types of powder models;
A step of determining that all or a part of the powder corresponding to the powder model is broken when the calculated strain of the plurality of types of powder models exceeds a predetermined strain with reference to the stress strain characteristics. When,
including,
The electrode simulation method for all-solid-state batteries according to claim 1.
前記複数種類の粉体の各々を、運動方程式が定義された有限個の基本粒子の集合体である粉体モデルに個別にモデル化するモデル定義部と、
前記複数種類の粉体に対応する複数種類の前記粉体モデルを用い、DEM(個別要素法)−SPH(粒子法)連成解析手法に基づいて、前記複数種類の粉体が圧縮される時の、又は、充放電により膨張若しくは収縮する時の、前記複数種類の粉体の接触状態を解析するDEM−SPH解析部と、
を備え、
前記DEM−SPH解析部は、
前記複数種類の粉体における荷重負荷時の応力歪み特性及び充放電時の体積膨張特性に基づいて、充放電による膨張又は収縮時に所定の歪みを超える歪みが前記粉体モデルに発生した場合、前記粉体モデルに対応する粉体の全部又は一部が破断したと判定する破壊判定部を含む、
全固体電池用電極シミュレーション装置。 Analyzes the contact state between the plurality of types of powders in an electrode for an all solid state battery formed by compression molding a plurality of types of powders including a positive electrode active material or negative electrode active material powder and a solid electrolyte powder. An electrode simulation device for an all-solid-state battery,
A model definition unit that individually models each of the plurality of types of powders into a powder model that is an aggregate of a finite number of basic particles in which equations of motion are defined;
When the plurality of types of powders corresponding to the plurality of types of powders are compressed using the DEM (Discrete Element Method) -SPH (Particle Method) coupled analysis method Or a DEM-SPH analysis unit for analyzing the contact state of the plurality of types of powders when expanding or contracting due to charge / discharge,
With
The DEM-SPH analysis unit is
Based on the stress strain characteristics under load and the volume expansion characteristics at the time of charge and discharge in the plurality of types of powders, when a strain that exceeds a predetermined strain at the time of expansion or contraction due to charge and discharge occurs in the powder model, Including a destruction determination unit that determines that all or part of the powder corresponding to the powder model is broken,
Electrode simulation device for all solid state battery.
充放電による膨張及び収縮を、前記体積膨張特性から算出された線膨張係数に基づく熱による膨張及び収縮とみなして、前記複数種類の粉体モデルの歪みを算出し、
前記応力歪み特性を参照して、算出された前記複数種類の粉体モデルの歪みが所定の歪みを超える場合、前記粉体モデルに対応する粉体の全部又は一部が破断したと判定する、
請求項3に記載の全固体電池用電極シミュレーション装置。 The DEM-SPH analysis unit is
The expansion and contraction due to charge / discharge is regarded as the expansion and contraction due to heat based on the linear expansion coefficient calculated from the volume expansion characteristic, and the distortion of the multiple types of powder models is calculated,
With reference to the stress strain characteristics, when the calculated strain of the plurality of types of powder models exceeds a predetermined strain, it is determined that all or part of the powder corresponding to the powder model is broken,
The electrode simulation apparatus for all-solid-state batteries according to claim 3.
請求項1又は2に記載の全固体電池用電極シミュレーション方法を実行して、前記複数種類の粉体を圧縮成型した時の、前記圧縮成型の荷重と前記複数種類の粉体の接触状態との関係を求める工程と、
前記求められた関係に基づいて、前記シミュレーション方法において所定の接触状態となる時の圧縮成型の荷重を、実際の全固体電池用電極の製造において圧縮成型の荷重に設定する工程と、
前記設定された荷重により前記複数種類の粉体を圧縮成型する工程と、
を備える、
全固体電池用電極の製造方法。 An electrode for an all solid state battery in which an electrode for an all solid state battery is manufactured by placing a plurality of types of powders including a positive electrode active material or a negative electrode active material powder and a solid electrolyte powder on a substrate and compression molding the same. A manufacturing method comprising:
The electrode simulation method for an all-solid-state battery according to claim 1 or 2 is executed, and the compression molding load and the contact state of the plurality of types of powders when the plurality of types of powders are compression molded. A process of seeking a relationship;
Based on the obtained relationship, the step of setting the compression molding load when the predetermined contact state is established in the simulation method to the compression molding load in the actual production of an electrode for an all solid state battery;
A step of compression-molding the plurality of types of powders with the set load;
Comprising
Manufacturing method of electrode for all solid state battery.
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- 2015-09-17 JP JP2015184330A patent/JP2017059444A/en active Pending
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