UHPCシリーズ 精密充放電評価システム
UHPCシリーズは、精密充放電試験（Ultra High Precision Coulometry)の略称で、カナダDalhousie大学のProf. Jeff Dahnが考案したリチウムイオン電池の寿命評価のための測定技術です。当システムでは、10ppm以下の安定度、50ppm以下の計測確度で精密充放電試験を行い、リチウムイオン電池の初期段階でわずかなクーロン量の差異による電池の副反応・寿命予測を評価することができます。
株式会社東陽テクニカ 理化学計測部
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特長
高精度クーロメトリー（HPC：high precision coulometry）は2010 年にカナダ・ダルハルジー大学のJeff Dahn 教授により初めて提案された評価手法で、電池のクーロン効率（CE）を正確に測定し、そこから副反応の定量評価や劣化要因の解析を行います。この手法を用いることで、充放電測定の初期段階でクーロン効率のわずかな差異を見分けることができ、電池の性能評価･寿命予測を短時間で行うことができます。
NOVONIX社精密充放電評価システム(左図) と他社充放電装置(右図) とのクーロン効率の性能差
高精度のクーロン効率測定
NOVONIX社の創業メンバーはProf. DahnのHPC測定システムの開発プロジェクトに携わっているため装置概要、評価方法法の利点、データ解析を深く理解しており、HPC測定システムの製品化に成功しました。NOVONIX社のUHPCシリーズ 精密充放電評価システムでは、セルおよび計測器部を一定温度に保つシステムを構築し、温度変化による電圧ドリフトを最小限に抑えることで典型値10ppm以下の高安定度、50ppm以下の高確度での充放電測定を行うことができ、クーロン効率を高精度に算出することができます。
高精度の温度制御
UHPCシリーズ 精密充放電評価システムではNOVONIX社が自社開発した恒温槽を標準搭載しており、3種類※の温度範囲から選択して頂くことができます。最大-20℃ ～ 80℃と広い温度範囲を網羅しており、±0.5℃の制御確度、典型値±0.075℃の安定度を誇ります。恒温槽内は温度ムラが発生しない工夫が施されており、1台の恒温槽につき最大16チャンネルの電池を収めることが可能です。
仕様
| 2Aモデル | 20Aモデル | |
|---|---|---|
| 電流出力 | ||
| 電流レンジ | 200μA, 2mA, 20mA, 200mA, 2A | 2A, 20A |
| 電流分解能 | 1nA | 1nA @2Aレンジ 10nA @20Aレンジ |
| 制御確度 | FSRの0.01% | |
| ノイズ | 0.0025% @0.1Hz～10Hz （typically 0.001%） |
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| 温度係数 | 0.002%（23±5℃の環境下） | |
| 電圧出力 | ||
| 電圧レンジ | 0 ～ 5V | |
| 電圧分解能 | 1μV | |
| 制御確度 | 200μV | |
| ノイズ | 100μV（typically 50μV） | |
| 温度係数 | 0.002%（23±5℃の環境下） | |
| 温度測定 | ||
| 温度分解能 | 0.01℃ | |
| 測定確度 | ±0.5℃ | |
| ノイズ | ±0.05℃ | |
| 電流測定 | ||
| 電流分解能 | レンジの0.0005% | |
| 測定確度 | レンジの0.005% | |
| ノイズ | 0.002%（23±5℃の環境下） | |
| 温度係数 | 0.002%（23±5℃の環境下） | |
| 電圧測定 | ||
| 電圧分解能 | 1μV | |
| 測定確度 | 200μV(0.25V～5V) 100μV（0～0.25V) |
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| 温度係数 | 0.002% (23±5℃の環境下） | |
| データ収集 | ||
| サンプリング | 6Hz | |
※仕様は予告なく変更する場合がございます
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| ペルチェ冷却式恒温槽 | |
|---|---|
| 温度範囲 | 室温-10℃ ～ 60℃ |
| 制御確度 | ±0.5℃ |
| 安定度 | ±0.15℃（typically < ±0.075℃） |
セルホルダ
4端子ラミネート用セルホルダ
4端子筒型用セルホルダ
（18650, 28650用）
4端子コインセルホルダ
ハードウェア構成
① 充放電モジュール：2Aモデル （8ch構成）
20Aモデル （4ch構成）
② 恒温槽：ペルチェ式恒温槽（温度範囲：室温-10℃~60℃）
外部恒温槽
※安全監視ユニットと組合せ、安全機構に対応、より低温の試験も可能
③ セルホルダ：ラミネート、円筒型、コインセル用から選択
本体ラック
外部恒温槽
安全監視ユニット
技術資料
1. 精密充放電評価システムとは？
1-1. 開発背景
理想の電池では「充電による反応」=「放電による反応」、つまりクーロン効率が100%となります。しかし、実際には放電に寄与しない「副反応(劣化反応)」が起きてしまい、クーロン効率は100%になりません。この「副反応」は1サイクル目から発生しており、この反応量を測定することで電池の性能評価、寿命予測ができると考えられています。しかし、反応量が微少のためクーロン効率に与える影響が小さく、従来の充放電器では「副反応」を正確に測定することができませんでした。そのため、より高精度に測定可能な精密充放電評価システムが開発されました。
1-2. 一般的な充放電器との違い
一般的な充放電器では、様々な誤差要因により精密にクーロン効率を測定することができません。主な誤差要因としては電流制御・電圧測定精度、セルの温度ムラ(充放電によるサンプルの発熱も含む)、計測器部の温度ムラによる測定誤差が挙げられ、クーロン効率を精密に測定するためには100ppm以下(ノイズレベルは10ppm以下)の確度が必要となります。
UHPCシリーズ 精密充放電評価システムでは、セルおよび計測器部を一定温度に保つシステムを構築し、温度変化による電圧ドリフトを最小限に抑えています。また、Jeff Dahn教授が開発したプロトタイプのシステムではセル用と計測器用に恒温槽を2台用意する必要があり、コストが大きい、広いスペースが必要、配線が煩雑というデメリットもありました。
NOVONIX社が開発したUHPCシリーズの基本的な設計概念、測定確度はJeff Dahn教授が開発したシステムと同様ですが、複数セルの同時測定に対応したハードウェア設計がなされています。電圧計、電流計、シャント抵抗を一定温度で保つシステムを1パッケージにまとめ、セル用の恒温槽にはサンプルホルダを設置するだけの簡単なものになっており、プロトタイプのデメリットを全て解決しています。
2. 精密充放電評価システムを用いた評価方法
3. 精密充放電評価システムを用いた解析
精密充放電評価システム、高精度クーロン効率測定法については、より詳細な技術資料がございます。
ご希望の方は、弊社（biologic@toyo.co.jp）まで、お問い合わせください。