AN-EC-010
2018-08
電気化学インピーダンス分光法による電解液の温度依存イオン伝導率測定
はじめに
エネルギー貯蔵デバイス(バッテリーやスーパーキャパシタなど)の性能を向上させるアプローチの1つは、電解液のイオン伝導率(𝜎𝐷𝐶、𝑆 ⋅ 𝑐𝑚-1)を高めることです。𝜎𝐷𝐶を求める一般的な方法は、2電極セットアップを使用して、異なる温度で電気化学インピーダンス分光法(EIS)実験を行うことです。多数のサンプルの日常的な測定、サンプルコンパートメントの迅速な交換、または自動サンプル分析が必要な場合、このアプローチはエラーを減らし時間を節約できるため、非常に便利です。メトローム Autolabは、FRA32Mモジュールを搭載したAutolab機器と組み合わせることができる測定セットアップであるAutolab Microcell HCを提供しており、温度依存性𝜎𝐷𝐶値の自動測定が可能です。このアプリケーションノートでは、𝜎𝐷𝐶測定の基本に関する一般情報に加えて、代表的なリチウムイオン電池電解液における𝜎𝐷𝐶(𝑇)の実例となる検討を紹介します。
イオン伝導率測定の原理
良好な液体イオン伝導体がブロッキング電極と接触している場合、ほとんどの実際のシステムで記録されるEISデータは、電極と測定器を接続するケーブルのインダクタンスを表すインダクタ(LCable)、バルクのイオン輸送に対する抵抗を表すオーム抵抗(RBulk)、および界面の非理想的な容量挙動を考慮した定位相要素(CPEInt)の直列接続で表すことができます。(図1をご覧ください)。
EISデータをナイキストプロットで解析するのは一般的な手順です。図1に示す等価回路では、界面の非理想的な容量挙動により、わずかに湾曲した線が得られ、この線は高周波数でZ'軸とRBulkで交わります(図2をご覧ください)。
しかし、ナイキストプロットは適切な解析のための最良のデータ表現ではありません。高周波数領域では、ケーブルのインピーダンスやバルクインピーダンスの存在に起因するアーティファクトにより、ナイキストプロットの実軸との2つ目の交点が生じるためです。そのため、RBulkの値に関する誤った解釈を避けるよう注意する必要があります。
ナイキストプロットの代わりに、アドミタンスの絶対値Y(単位はジーメンス、SまたはMho)のボーデプロットを用いることが望ましいです。インピーダンスZとアドミタンスの関係は次のように表されます。
ここで、アドミタンスの実部(Y')と虚部(Y'')は次のように表されます。
図1の等価回路に対するアドミタンスの絶対値Yのボーデプロットを図3に示します。
高周波数では、周波数の増加に伴いアドミタンスの値が減少します。これはケーブルのインダクタンスによって生じます。低周波数では、曲線は周波数軸と平行になります。この部分はバルクのイオン輸送によって支配されており、アドミタンスの値は𝜎DC/KCellと同一です。ここで、KCell(𝑐𝑚−1)はセル定数であり、Metrohm導電率標準液100 𝜇𝑆/𝑐𝑚などの適切な導電率標準液のEIS測定により算出できます。
さらに低い周波数では、界面容量の充電が観測され、これによりアドミタンスの値が減少します。
記録したデータを図1の等価回路にフィッティングした後、得られたRBulkの値の逆数にセル定数KCellを乗じることで、𝜎DCを算出できます。
しかし、実験上、さらに考慮すべき点があります。まず、𝜎DCは顕著な温度依存性を示し、これは経験的なフォーゲル・フルチャー・タンマンのアプローチでしばしば記述できます。
𝜎0、A、Tgはフィッティングパラメータです。したがって、サンプルの温度を制御する必要があります。サンプルコンパートメントの温度は、外部の循環恒温槽によって制御されることが多く、これは比較的時間のかかる手順です。
次に、最新の電解液の多くは揮発性であり、広い温度範囲での測定を可能にする、液漏れのないサンプルコンパートメントが必要です。
最後に、EIS実験は高周波数のインピーダンスのみを記録すればよいため迅速ですが、データ解析には時間がかかる場合があります。NOVAにあるFit and Simulation Commandのような、測定したEISデータの解析ツールは非常に有用です。
結果と考察
インピーダンスは、開回路電位において、250 kHzから1 kHzの周波数範囲で、10 mV(RMS)の交流振幅を印加して測定します。NOVAのFit and Simulation Commandを使用して、記録したデータに対し、図1に示す直列のLRQ等価回路を用いたフィッティングを行います。インピーダンススペクトルは、5 °Cから60 °Cまでの温度範囲で、5 °C刻みで測定します。
測定温度および温度安定性の値も指定できます。メッセージボックスでは、セル定数KCellの値を指定できます。このアプリケーションノートでは、KCellは15.6 cm-1に設定しています。
KCellの値を入力した後、選択した温度範囲でサンプルのEIS測定を実施します。
測定が開始されると、NOVAは、インピーダンスのナイキストプロット、インピーダンスの絶対値Zと位相𝜑のボーデプロット、アドミタンスの絶対値Yのボーデプロット、交流電流および交流電圧の時間依存性のプロット、ならびに周波数ごとのリサジュー図を表示します。
測定が終了すると、𝜎DC導電率のアレニウスプロットが表示されます(図6)。
図6によると、25 °C(3.35 1000/K)における導電率の自然対数は≈ 4.8であり、導電率は8.2 mS/cmとなります。これは文献値の8.4 mS/cm[1]と一致しています。
まとめ
Autolab Microcell HCセットアップと、FRA32Mモジュールを搭載したメトローム Autolab ポテンショスタット/ガルバノスタット装置を組み合わせることで、温度依存性𝜎DC値の自動測定が可能になります。この便利な組み合わせにより、測定の実施および記録したデータの解析に費やす時間を大幅に短縮できます。