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電池の技術は、最初のボルタ電池が２世紀以上前に開発されて以来、長い道のりを歩んできました。リチウムイオン電池の画期的な技術革新とその後の改良により、特に一般消費者市場において、電子機器の使い勝手と入手しやすさが上がりました。電子機器は携帯性が向上し、手頃な価格になり、充電式二次電池の高性能化のおかげで、より長い時間使用可能になっています。
電池の用途の拡大は、エネルギー貯蔵、特に電池の研究が現在注目されています。ほんの 10 年前までドローンは軍産複合体の領域でしたが、現在ではカメラ付きのドローンは、写真家やインフルエンサーの標準的な装備品の一部となっています。電池寿命の向上と費用対効果の高い材料のおかげで、ドローンは現在、より多くの人にとって手頃な価格になっています。
自動車市場は、政府や消費者が気候変動や再生可能エネルギーに関心が高まっていることにより、製造から販売に至るまで、大きく変化するであろう産業として有名です。これは他の多くの業界でも起きるでしょう。この変革には、正確でこれらの変革を可能にするには、正確で大規模な研究開発が必要であり、より高度のエネルギー貯蔵ソリューションの開発が求められます。
電気化学測定は、エネルギー貯蔵の研究開発における中心となる技術です。
リチウムイオン電池の電気化学特性評価技術
このシリーズのPart １では、 電池材料の正確な水分含有量測定に加えて、電極材料とリチウム塩の組成と純度を分析できるさまざまな分析方法を紹介しました。
今回は、リチウムイオン電池の電気化学的挙動のさまざまな特性評価できる高性能ポテンシオスタット/ガルバノスタットに焦点をあてます。
定電流間欠性滴定法 (GITT)
バッテリー電極材料の特性を研究する研究者が利用できる最初の技術の 1 つは、 定電流間欠滴定法 (GITT)です。通常、半電池で行われるこの手法は、一連の電流摂動とそれに続く緩和時間であり、熱力学的特性と臨界拡散係数を含む電極材料に関する情報が得られます。このすべての情報は、材料によって期待できる電気化学的挙動をよりよく理解するのに役立ちます。
詳しくは、以下のアプリケーションノートをご覧ください。（日本語訳版）
定電位間欠滴定法 (PITT)
定電位間欠滴定法 (PITT) は、上記の GITT 手法に似ていますが、電気化学測定装置PGSTAT では定電位モードで測定します。一連の潜在的なステップ摂動がシステムに適用され、電流が時間の関数として測定されます。GITT と PITT の両方が拡散係数を正確に決定できます。
詳しくは、以下のアプリケーションをご覧ください。
定電流モードで PGSTAT を使用すると、さまざまな電流レートと、一般に≪サイクル≫ と呼ばれている各種サイクル中の充放電により、リチウムイオン電池の性能、容量、関連する電力とエネルギー密度についての知見を得ることができます。 これは、電池の研究で最も一般的に使用される手法です。電池の過充電を回避しながら、電池が完全に充電するには、通常、定電流定電圧 (CCCV) にて行われます。
サイクリングを伴うリチウム イオン バッテリーの性能の特性評価については、以下のアプリケーションをご覧ください。
Autolab電気化学測定装置によるリチウムイオン電池の定電流充放電
CCCVは、リチウムイオン電池充電の業界標準です。PGSTAT は、この測定のために定電流モードと定電位モードの両方で動作します。定電流サイクリングは、電解質が安定している安全な電位窓内で実行されます。潜在的なカットオフからわずかにずれると、サイクル寿命が短くなる可能性があります。
電気化学インピーダンス分光法 (EIS)
電気化学インピーダンス分光法 (EIS) 定電流充電/放電サイクルを使用し、現在のバッテリー研究で広く使用されている最も強力な技術を追加することにより、追加のデータを提供し、バッテリーの動作と潜在的なパフォーマンスについてより深い洞察を提供します。EIS を使用すると、電池の非常に動的な動作と界面でのイオンの拡散を特徴付けることができます。広い範囲の周波数を含む単一の実験手順では、支配的な物理的および化学的現象の影響を分離し、特定の周波数範囲と充電状態で区別することができます。EIS を使用すると、バッテリーの内部インピーダンスを測定し、等価回路を使用してそれをモデル化し、セルの総インピーダンスに対する各電池部材の寄与を理解することができます。
バッテリーの EIS 測定では、使用することが重要です。 4端子センシング 全体的なインピーダンスへの電線のリアクタンス成分の寄与を避けるため。 これは、低インピーダンスの電気化学システムにとって重要です。詳しくは、以下のアプリケーションノートをご覧ください。
The importance of using four-terminal sensing for EIS measurements on low-impedance systems
Metrohm Autolab DuoCoin Cell Holder with EIS measurements on a commercial battery
EIS を使用すると、 バッテリー電極の面貫通ねじれ、全体的な電解質の導電率とともに、バッテリー電解液のリチウムイオンの輸率、と 電解質の拡散係数 高電力アプリケーション向けの特定のバッテリー化学の実用性を示す良い指標となります。さらに、バッテリー セパレーターのトーチオシティ（質量輸送制限）とそのイオン伝導率は、バッテリーの全体的な性能に重要な役割を果たします。
を決定することにより、 マクマリン数（MacMullin number）を求めることにより、特定のリチウム イオン セルに適用するためのセパレータの品質を判断できます。
以下のアプリケーションノートがダウンロードできます。
Determination of the Lithium Ion Transference Number of a Battery Electrolyte by VLF-EIS
Determination of the binary diffusion coefficient of a battery electrolyte
このテーマの詳細については、Metroh Autolab の電気化学機器のイノベーターによって書かれた以下の無料のホワイト ペーパーをダウンロードしてください。この文書は、適用可能な電気化学技術に関する追加情報を提供し、リチウムイオン電池の研究開発に関連する用語の有用な定義を提供します。
