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」

株式会社東陽テクニカ 理化学計測部 山口 政紀

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目次
  1. 本システムでできること
  2. 新規開発のきっかけ
  3. 超イオン伝導体
  4. イオン導電率の算出方法
  5. 温度を変えて測定できることのメリット
  6. 世界へ

今回ご紹介する製品は、東陽テクニカの特許技術を活用した「高周波インピーダンス測定システム」です。測定の対象となる電池を破壊することなく内部の様子を見える化する本システムは、次世代のクルマのキーデバイスとして期待されている全固体電池の研究開発を支えます。

本システムでできること

測定対象物のインピーダンススペクトルを測定します。得られた情報を電気化学インピーダンス分光法で解析しイオン導電率を導き出すと、対象物の内部で起きているさまざまな現象を探ることができます。いくつかある用途の中で今最も注目されているのは、全固体電池に使われる固体電解質の分析です。固体電解質の材料に内在する複数の要素について独立したイオン導電率を知ることは電池の性能向上に欠かせません。

インピーダンスとは、ある周波数における交流の電気抵抗のことで、単一周波数における電気回路の特性を複素数で定量的に表現するものです。インピーダンススペクトルとは、ある周波数帯でのインピーダンスの集合、つまりインピーダンスの周波数特性を表すものです。

新規開発のきっかけ

従来のインピーダンススペクトル測定装置にはある問題がありました。測定できる周波数の上限が低いため、高いイオン導電率を示す固体電解質の粒内、粒界、電極界面の各反応抵抗を正確に測ることが困難だったのです。そこで当社は、その問題を克服し20Hz~100MHzの周波数範囲でインピーダンススペクトルを測定する手法を開発しました。それによって固体電解質の材料選択や作製方法を検討する上で必要なデータが取得できるようになったのです。筆者らは本開発に関する発明によって特許権を取得しています(特許第6324648号)。

超イオン伝導体

超イオン伝導体は、固体でありながらよくイオンを通過させる、つまりイオン導電率の高い電解質です。イオンは電気を帯びた原子のことで、電解質の中を移動すると電流となって電気を運びます。身近な例では、食塩水がナトリウムイオンと塩素イオンを含んだ電解質で、電気をよく通すことが知られています。同様に、リチウムイオンをよく通す有機電解質を利用してリチウムイオン電池が作られています。

固体内のイオンは、骨格を形作る原子との静電的な引力や斥力によって移動を抑制されるため動きにくいのが一般的ですが、骨格とイオンの相性が良く移動経路も確保されている場合には、液体物質に匹敵するイオン導電率を示すことがあります。

2016年、東京工業大学の研究グループが世界最高のリチウムイオン導電率を示す超イオン伝導体を発見しました。これを利用すれば高エネルギー密度と高出力、そして難燃性を併せ持つ全固体電池を作ることができると期待されています。

イオン導電率の算出方法

筆者紹介

株式会社東陽テクニカ 理化学計測部

山口 政紀

1993年4月入社以降、高感度電子計測、極低温測定機器のアプリケーション担当、ホール測定システムおよびインピーダンス測定システムの開発に従事。 2014年より計測アドバイザー。