メトロームの分析装置を使用したバッテリー研究と生産の促進 Part2

2021/06/07

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こちらの記事は Part 2 のシリーズ

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電池技術は、200年以上前に初歩的なボルタ電池が開発されて以来、大きく進歩しました。リチウムイオン電池の画期的な革新とその後の改良により、特に消費者市場において、電子機器の利用とアクセスが向上しました。電子機器はよりポータブルで手頃な価格になり、充電可能な二次電池のおかげで、より持続可能になりつつあります。

応用可能性の拡大は、エネルギー貯蔵研究、特にバッテリーが現在注目されている理由の一つです。例えば、わずか10年前、ドローンは軍需産業の領域でしたが、現在ではカメラを搭載したドローンが、ほぼすべての成功している写真家やインフルエンサーの装備の標準的な一部となっています。バッテリーの寿命の改善とコスト効率の高い材料のおかげで、ドローンはより多くの民間人にとって手頃な価格になっています。

このような変革は、より大きく、より利益を上げる市場でも起こっています。テスラは、その技術革新や広報活動のおかげでニュース性のあるブランドですが、全体の自動車市場における市場シェアは依然として小さく、とはいえ増加しています。彼らの成功は、他の確立されたブランドに対して、従来の内燃エンジンからの移行が利益を生む可能性があることを認識させました。ボルボとフォードは2030年までに「完全電動化」を目指すことを約束しています [1]. ゼネラルモーターズ（GM）は、2035年までに電動化を実現するだけでなく、2040年までに自社のビジネスをカーボンニュートラルにすることを約束しています [2].

自動車市場は、製造から販売まで自社のセクターを大幅に再編成する業界の顕著な例です。この変化は、政府や消費者からの気候変動や再生可能エネルギー源への関心が高まる中で、他の多くの業界でも起こるでしょう。これらの変革を可能にするためには、正確で拡張可能なな研究開発が求められ、エネルギー貯蔵ソリューションの改善に向けた探求がこれらの変化の中心にあります。

電気化学はエネルギー貯蔵の発見の鍵であり、将来の革新における自然な技術選択肢です。

リチウムイオン電池の電気化学的特性評価技術

このシリーズのパート１では、電極材料やリチウム塩の組成と純度を分析するためのさまざまな技術、およびバッテリー材料の水分量を正確に測定する方法を紹介しました。

メトロームの分析装置を使用したバッテリー研究と生産の促進– パート 1

パート２では、高精度のポテンショスタット/ガルバノスタットを使用してリチウムイオン電池の電気化学的挙動の複数の属性を特性評価するための技術を強調します。場合によっては、技術の違いは異なるモード（ポテンショスタティックまたはガルバノスタティック）で実験を行うことによるものであり、収集される追加情報はバッテリーの挙動のより完全な像を提供します。

ガルバノスタティック間欠滴定法 (GITT)

One of the first techniques available to researchers exploring the properties of battery electrode materials is the ガルバノスタティック間欠滴定法 (定電流間欠滴定法；GITT)です。この技術は通常、半電池で実施され、電流の擾乱とその後のリラクゼーション時間の一連の測定を行います。これにより、熱力学的特性や電極材料、特に重要な拡散係数に関する情報が得られます。これらの情報は、材料から期待される電気化学的挙動をよりよく理解するのに役立ちます。

こちらの詳細につきましては、下記の技術資料をご覧ください。

ガルバノニック間欠滴定法（定電流間欠滴定法；GITT）

定電圧間欠滴定法（ポテンショスタット間欠滴定法 PITT)

ポテンショスタット間欠滴定法（定電圧間欠滴定法；PITT）は、上記のGITT技術に類似していますが、PGSTATはポテンショスタティックモードで操作されます。この技術では、一連の電位ステップ擾乱がシステムに適用され、時間の関数として電流が測定されます。GITTとPITTの両方は、拡散係数を正確に測定する能力があります。

詳細につきましては、下記をご覧ください。

Potentiostatic intermittent titration technique (PITT)

PGSTATをガルバノスタティックモードで使用すると、リチウムイオン電池の性能を異なる電流レートで特性評価し、さまざまなサイクル中に充放電を行うことができます。これを一般的に「サイクリング」と呼びます。この技術を使用することで、研究者はリチウムイオン電池のレート性能、容量、および関連する出力密度とエネルギー密度を理解することができます。これはバッテリー研究で最も一般的に使用される技術です。バッテリーが完全に充電されることを保証しつつ、過充電を避けるために、通常は定電流・定電圧（CCCV）手法が適用されます。

サイクリングによるリチウムイオン電池の性能特性評価についての詳細は、下記のアプリケーションノートをご覧ください。

Galvanostatic charge-discharge of a Li-ion battery with Autolab

CCCVはリチウムイオン電池の充電における業界標準であり、PGSTATはこの測定においてガルバノスタティックおよびポテンショスタティックモードの両方で動作します。ガルバノスタティックサイクリングは、電解液が安定している安全な電位範囲内で行われます。電位カットオフからのわずかな逸脱は、サイクル寿命を悪化させ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）は、ガルバノスタティック充放電サイクリングを利用し、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って、バッテリーの挙動や潜在的な性能に関する追加データを提供し、より深い洞察をもたらします。EISを使用することで、バッテリーの非常に動的な挙動や界面でのイオンの拡散を特性評価できます。広範囲の周波数をカバーする単一の実験手順の中で、支配的な物理的および化学的現象の影響を特定の周波数範囲および充電状態で分離して識別することが可能です。EISを使用することで、バッテリーの内部インピーダンスを測定し、等価回路を用いてモデル化し、セルの総インピーダンスに対するバッテリー成分の寄与を理解することができます。

バッテリーのEIS測定においては、ワイヤーが全体のインピーダンスに寄与しないように4端子センシングを使用することが重要です。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。以下からこの研究に関する詳細を学ぶために、無料のアプリケーションノートをダウンロードしてください。

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を使用することで、バッテリー電極の平面貫通トルソリティを測定することが可能です。これは、全体の電解質導電率、リチウムイオン電池の電解質の移動数、電解質の拡散係数と共に、特定のバッテリー化学が高出力アプリケーションに対して実用的であるかどうかの良い指標を提供します。さらに、バッテリーのセパレーターの質量輸送制限とそのイオン導電率は、バッテリー全体の性能において重要な役割を果たします。

マクマリン数（MacMullin number）を測定することで、研究者は特定のリチウムイオン電池におけるセパレーターの品質を評価することができます。