経時変化するインピーダンスを適切に評価 3Dインピーダンス法の紹介
2021年12月時点の内容です
モバイルデバイスや電気自動車などのエコカーの発展に伴い、電池の重要性は一層増しており、高性能化に向けた研究開発が世界中で盛んに行われています。電池の高性能化のためには、電極界面反応を始めとする電池の内部現象を定量的に評価する必要があります。その評価手法の一つとして電気化学インピーダンス法(EIS)があります。しかし、反応を伴う充放電過程のような過渡現象においては不変性を満たさず、EISの適用が難しい場合もあります。そのような場合でも、「3Dインピーダンス法」(In-situ EIS)を用いることで、不変性を持たないインピーダンス(電流の流れにくさを数値化したもの。電圧と電流の比)から、ある時刻における瞬間のインピーダンスを決定することができます。EISの適用の幅が広がるため、さまざまな応用が期待されています。
電気化学インピーダンス法(EIS)
EISは、電池の酸化還元反応や各種金属の腐食・溶解機構など、電気化学反応の検討に有効な手法です。EISを用いて解析を行うためには“因果性”、“線形性”、“不変性”の3条件を満たす必要があります。
周波数応答アナライザ(FRA)を使用した測定では、測定対象周波数のAC信号を被測定対象(DUT)に印加し、測定された応答信号からインピーダンスを算出します。インピーダンスの算出は、周波数を変えながら繰り返し行います(ここでは、上記手順で測定した一連のインピーダンスのデータを「インピーダンスデータ」と呼びます)。対象となる現象を等価回路にモデリングし、得られたインピーダンスデータへフィッティングすることで、電極の反応素過程を定量的に解析することができます。
EISでは周波数を変化させながら測定を繰り返し行うため、周波数範囲が広ければそれだけ時間がかかります。測定中にDUTの特性が変化すると不変性を満たさないため、EISによる評価が難しいケースがあります。
3Dインピーダンス法(In-situ EIS)
In-situ EISは、得られたインピーダンスデータが不変性を満たさない場合でも瞬間のインピーダンスを決定する手法です。例として電池の放電現象に対してIn-situ EISを適用する場合を考えます。この場合、ポテンショガルバノスタット(P/G Stat.)を用いて放電を行うと同時に微小なAC信号を重畳して、インピーダンス測定を繰り返し行います。この際に、インピーダンスデータの全てのポイントに測定を行った時刻の情報を付加します。
