如鲲（Rolechem）新製品「ARC-S38」電解液添加剤の性能評価・分析

如鯤新材の新型添加剤製品 ARC-S38 は、硫黄系化合物として、「優先的な成膜」と「界面最適化」のメカニズムにより、高温保存性能、高温サイクル性能、および内部抵抗の増加抑制性能を向上させます。主な性能上の特長は以下のとおりです。優れた高温保存性能：容量維持率および容量回復率を大幅に向上させ、DCRの増加を抑制するとともに、高温保存後のインピーダンスを改善します。優れた高温サイクル性能：ベース電解液と比較して、容量維持率およびエネルギー効率が向上し、1.0～1.5%の添加量で最も優れた性能を示します。良好な成膜特性： VCよりも優先的に負極表面に緻密なSEI膜を形成し、界面安定性の向上に寄与します。レート特性への影響が小さい：レート性能への影響は小さく、高温保存後の内部抵抗もより良好に抑制されます。

1. 電池系および電解液処方

① 電池系

電池系： NCM622／人造黒鉛電池タイプ： 1.3 Ah パウチセル電圧範囲： 2.75～4.4 V

② 電解液処方

ベース処方： EC:EMC:DEC = 3:5:2、1.0 M LiPF₆ + 1.0% VC 実験処方：ベース処方 + 0.5% S38 ベース処方 + 1.0% S38 ベース処方 + 1.5% S38

2. 実験結果および分析

① 初期クーロン効率および初回放電容量

各グループの初期クーロン効率に大きな差はなく、いずれも約 86.2%でした。0.5%-S38グループのみ約0.2ポイント低い値を示しました。初回放電容量については、ARC-S38を添加したすべての実験グループで、ベースグループ（BASE）と比較して約12 mAh低下しました。これは、化成過程においてARC-S38がVCおよび溶媒成分に先行して反応し、負極表面に緻密なSEI膜を形成することで、少量の活性リチウムを消費し、初期不可逆容量がわずかに増加したためと考えられます。その結果、初回放電容量が若干低下したものと推定されます。初期クーロン効率がほぼ同等であることから、ARC-S38による緻密なSEI膜の形成は、正極活物質の構造を大きく損なうものではなく、全体として影響は許容可能な範囲にあると考えられます。 0.5%添加時に初期クーロン効率がやや低下したのは、この濃度では成膜の均一性がやや低かったことが一因である可能性があります。

② 界面インピーダンス（EIS）およびdQ/dV分析

dQ/dV曲線の分析から、ARC-S38は優先的に還元され、負極表面に緻密なSEI膜を形成することが確認されました。この膜の形成により、初期段階では界面インピーダンスが上昇します。EIS測定結果では、以下の傾向が確認されました。 1.5%-S38 ≈ 1.0%-S38 > 0.5%-S38 > BASE また、ARC-S38の添加量が増加するにつれて、電荷移動抵抗も増加しました。一方、緻密で安定したSEI膜は、その後の優れたサイクル性能および保存性能を実現するための重要な基盤となります。そのため、初期段階でのインピーダンス上昇は、有効な成膜に伴う現象と考えられます。

③ 高温・低温放電性能

低温放電性能： -10℃以上では、実験グループとベースグループの間に大きな差は見られませんでした。 -20℃では、ベースグループおよび0.5%-S38グループの放電性能が比較的良好で、約1.0%の向上が確認されました。これは、ARC-S38によって形成された緻密なSEI膜が界面抵抗を増加させ、低温時の放電性能に若干の影響を与えた可能性があります。

④ レート性能

2Cを超える充電レートでは、ARC-S38の添加量が増加するにつれて容量維持率が徐々に向上しました。1.5%添加時には約0.6%の改善が確認されました。 3C以上の放電レートでは、ARC-S38の添加量が増加するにつれてレート性能の優位性がより明確になりました。 5C放電では、1.5%-S38グループで約4.1%の向上が確認され、すべての実験グループでベースグループに対して一定の改善が見られました。

⑤ 高温保存性能

高温保存条件では、ベース電解液は副反応を起こしやすく、容量低下やインピーダンス増加につながります。 ARC-S38によって形成された緻密なSEI膜は、高温環境下における界面副反応を効果的に抑制し、電極構造の安定性を維持します。また、ARC-S38の添加量が増加するにつれてDCR増加率は低下しました。 1.0%および1.5%添加時には、いずれも優れた性能を示し、ベースグループ（BASE）の約48.6%から66.0%以上まで容量維持率を大幅に向上させました。さらに、容量回復率を改善するとともに、DCR増加率を大幅に低減し、インピーダンス安定性を向上させました。

⑥ 高温サイクル性能

ARC-S38によって形成されたSEI膜は、繰り返しの充放電過程において、負極上での電解液の継続的な還元分解を効果的に抑制します。これにより活性リチウムの損失を低減し、高い容量維持率を維持します。 1.0%および1.5%添加時はいずれも非常に優れたサイクル安定性を示し、320サイクル後も容量維持率92%以上を維持しました。

3. 使用推奨

① 推奨添加量

NCM622／人造黒鉛系では、ARC-S38の推奨添加量は1.0～1.5%です。この濃度範囲では、高温保存および高温サイクルにおいて最も優れた性能を示すとともに、初期容量とインピーダンスのバランスにも優れています。その中でも、1.0%を第一推奨添加量とします。

② 推奨用途

ARC-S38は、高温環境下で使用される動力用電池や蓄電池など、高温寿命および保存安定性が求められる電池に適しています。長寿命および高い高温耐久性が求められる用途において、ARC-S38は有効な電解液添加剤ソリューションです。

③ 配合に関する推奨

ARC-S38は、VC、FECなどの成膜添加剤との併用が可能です。ただし、ARC-S38は優先的に成膜する特性を有するため、膜厚が過度に増加することを防ぐため、VCの添加量を適切に調整することが推奨されます。また、化成工程において適切なプレチャージ電圧およびエージング条件を設定することで、ARC-S38によって形成される緻密なSEI膜の特長をより効果的に引き出すことができます。