特許技術で全固体電池の研究開発を支える
自社開発「高周波インピーダンス測定システム」

物質における電気伝導のしやすさを表す物性量である「導電率」は抵抗率の逆数です。試料の電気抵抗と厚み、断面積を考慮して抵抗率を計算し、その逆数をとることで求められます。

抵抗の測定法には直流法と交流インピーダンス法の二つがあります。直流法は安価な機材で測定できますが、測定対象となる試料の結晶粒内抵抗と粒界抵抗を分離できません。一方、交流インピーダンス法は各抵抗成分を分離して測定できることから、たとえ測定試料への荷重の強弱によって粒界抵抗が変化するような圧粉成形体であっても粒内抵抗を単独で評価できます。「高周波インピーダンス測定システム」は交流インピーダンス法による測定システムです。この装置で得られたインピーダンススペクトルを各要素に分離する手順を説明しましょう。

例えば固体電解質が圧粉成形体である場合、その標準的な等価回路は、図1のように抵抗成分と静電容量の組み合わせで表すことができます。このような回路の交流インピーダンスの周波数特性を複素平面上にプロットすると、図2のように円弧を組み合わせた特徴的な軌跡を描きます。これらの円弧の直径や円弧の頂点が示す周波数から、等価回路のそれぞれの素子の値を算定できます。このようにして粒内抵抗、粒界抵抗、電極界面抵抗が計算され、イオン導電率を得ることができるのです。

図1：固体電解質における標準的な等価回路

図2：固体電解質のインピーダンススペクトルを複素平面に投影した例

温度を変えて測定できることのメリット

本システムの大きな特長として、温度を変えてインピーダンススペクトルを測定できることが挙げられます。-193℃から200℃という非常に広い温度範囲で測定が可能です。温度を下げる冷媒として液体窒素を、温度の上昇には電熱ヒーターを利用し、冷却と加熱のバランスを取って温度を制御します。では、なぜ温度を変える必要があるのか、二つ理由を紹介します。

まず、試料の測定を可能にするためです。例えば室温では試料のインピーダンスが低過ぎて測定できない場合、温度を低下させるとインピーダンスが高くなり測定レンジ内に入ることがあります。反対にインピーダンスが高過ぎて測定できない場合は、試料の温度を高くするとインピーダンスが低くなり測定しやすくなる傾向があります。また、複数のイオン導電率のシグナルが重複して見分けがつかない場合も、温度を変えて測定することがあります。

次に、活性化エネルギーを算出するためです。活性化エネルギーとは、試料物質が基底状態から遷移状態に励起する、いわばイオンを冬眠から目覚めさせるために必要なエネルギーと言えます。この値は縦軸がイオン導電率・横軸が温度の逆数であるアレニウスプロットの傾きから算出するため、複数の温度で測定する必要があります。

世界へ

本システムは固体電解質、正極、負極、およびそれらを使った全固体電池を扱う大学や研究施設の方々にお使いいただけます。今後、EVが普及していくことが確実と見られる中、全固体電池の研究はますます盛んになると考えられます。東陽テクニカは、本システムを日本国内だけでなく海外のお客様へお届けすることも視野に入れています。