02.電気化学測定と電極構造

2-1 ビーカーセルによる部材特性の理解とコイン電池によるデバイス評価

セルとセル定数

平行平板電極であれば、
セル定数a＝電極間距離d÷セル断面積S
です。一般的には、導電率既知のKCl溶液などを使って、セル定数を較正します。

コンダクタンス＝導電率
電気抵抗＝抵抗率×長さ÷電極面積

導電率の測定では、セル定数が必要です。

セル定数に関わる物理量と物性

表 1 . セル定数に関わる物理量とバルクの材料物性
物理量	単位	凡例

電極間距離 `d`	mメートル	電界の強さ＝電圧÷電極間距離
セル断面積 `S`	m²へいほうメートル	拡面倍率1で、平板モデルのとき電極面積≒セル断面積
電極面積 `A`	m²へいほうメートル	実験室でよく使う旗型電極の電極面積は 1cm²。
セル定数 `a`	1/mまいメートル	セル定数`a`＝電極間距離`d`÷セル断面積`S` コンダクタンス `G` ＝導電率 σ ÷セル定数電気抵抗＝抵抗率ρ×セル定数a
バルク電流密度`j`	A/m²	バルク電流密度 `j` ＝電流`I`÷セル断面積
界面電流密度`j`	A/m²	界面電流密度 `j` ＝電流`I`÷電極面積
電界の強さ`e`	V/m	電界の強さ`e` ＝電圧`V`÷電極間距離

🖱セルとセル定数

電池・電解槽の種類

表 2 . 電池・電解槽の種類

分類	種類	備考

セル（単電池）	二極式フルセル	実用電池（コインセル、円筒型電池）、メッキ試験（ハルセル）、電解槽など。アノード、カソードのみ
セル（単電池）	三極式ハーフセル	作用極、対極、参照極
バッテリー（組電池）電解槽	単極式（モノポーラ）
バッテリー（組電池）電解槽	複極式（バイポーラ）	液を通しての短絡電流を防ぐなどの工夫が必要となる。トヨタ古河電池

バイポーラ接続では、ブスバーなどの重量を低減できるため、バッテリーだけでなく、水電解の電解槽などでも、応用が考えられるが液絡のリスクを減らすのが課題です。 ^1

)

二極式セル（フルセル）と三極式セル（ハーフセル）

図初めての電気化学　電極類選定のポイント https://www.bas.co.jp/2559.html

11円（人間電池）の起電力

てのひらに、１０円と１円をのせれば、電気化学の三要素がそろって、電池になります。デジタル式回路計で、電圧を測定すると、０ではありません。これが電池の起電力です。電流が流れていないにもかかわらず電圧があるのです。電池では、電流と電圧が、そのまま比例しません。電池は単なる電気抵抗ではないのです。化学反応が電気を起こしているのです。１１円電池は、ガルバニ電池と言っていいでしょう。

主な電気化学測定法

電池の直流評価と交流評価

表 4 . 電池の 🖱 直流評価と 🖱 交流評価

	直流	交流

主な対象	界面	バルク
主な評価項目	直流抵抗（ＤＣＲ）	イオン導電率
主な評価方法	短絡試験、定負荷試験、定電流試験	交流インピーダンス法、過渡応答試験

交流インピーダンス法で測定した、コールコールプロットの切片は、バルク抵抗（溶液抵抗など）です。複雑な 電池の内部抵抗 は、 バルク抵抗より界面抵抗に支配されます。周波数が高いと、界面抵抗と並列の容量が比較的小さくても（皮膜、空間電荷層）リアクタンスが小さくなってしまうため、内部抵抗の推定は、直流抵抗の評価が大切です。

2-4 交流インピーダンス法による電解質の導電率

コールコールプロット（ナイキストプロット）とボードプロット

図 6 . 典型的な電極界面の等価回路

14.エネ特 03.エネ特図 1217 1224 0216

2-5 固体材料の交流インピーダンス法による界面評価

固体電解質の界面

固体電解質の粒界をインピーダンスで調べようとすると、誘電分極ではなう電子分極させなければならないため、かなり高い周波数が必要です。もっとも、そうやって調べる粒界抵抗は、電子抵抗であって、電子の２０００倍もの質量をもつイオンが、粒界を通過できる保証はありません。結局、テストセルを作って、直流分極するしかありません。

粉体混合による活物質表面の変化と電池性能への影響

図 223
ミリング試料ＡとＢの試料を使用したときのサイクリックボルタモグラムの比較

©C.Honda

2-6 分散材料の交流インピーダンス法によるポットライフ管理

3-3

2-7 過充電による電解液分解と炭素材料の膨張・集電体からの剥離

2-8 塗布ムラによる電極の凹凸からくる選択的電流集中と電解液の電気分解

2-9 活物質の表面誘電率が炭素アンダーコートによる接触抵抗低減効果に及ぼす影響

界面

2-10 集電体表面処理と電極スラリー密着性

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1 電池の動作原理と電気化学の基礎
- 1-1 電池の歴史と電池材料
- 1-2 リチウムイオン二次電池の構造
- 1-3 電気化学の三要素－アノード、カソード、電解質－
- 1-4 電気伝導－金属、半導体、液体電解質、固体電解質－
- 1-5 電池の起電力－電極界面と電極電位－
- 1-6 電極反応と過電圧－電気分解反応と理論分解電圧－
- 1-7 電池の放電容量と不可逆容量－電池容量とエネルギー密度－
- 1-8 電池の内部抵抗と電圧降下－レート特性と脱炭素社会－
- 1-9 電池の充電と放電－サイクル特性と安全性・信頼性－
- 1-10 電池の耐過充電性－副反応と充電効率－
2 電気化学測定と電極構造
- 2-1 ビーカーセルによる部材特性の理解とコイン電池によるデバイス評価
- 2-2 充放電曲線から読む放電容量と接触抵抗
- 2-3 サイクリックボルタモグラムから読む放電容量と接触抵抗
- 2-4 交流インピーダンス法による電解質の導電率
- 2-5 粉体混合による活物質表面の変化と電池性能への影響
- 2-6 電極スラリーの経時によるゲル化とインピーダンス測定によるポットライフ管理
- 2-7 過充電による電解液分解と電極材料の膨張収縮・集電体からの剥離
- 2-8 塗布ムラによる電極の凹凸からくる選択的電流集中と電解液の電気分解
- 2-9 活物質の表面誘電率が炭素アンダーコートによる接触抵抗低減効果に及ぼす影響
- 2-10 集電体表面処理と電極スラリー密着性
3 材料から見た電池の構造設計と工程設計
- 3-1 材料が同じでも電池性能は変わる？
- 3-2 充電式電池に求められる材料と形状の可逆性
- 3-3 スラリー塗工工程と乾燥工程による電極と導電ネットワークの形成
- 3-4 過充電時におけるバインダー樹脂と炭素粒子界面破壊
- 3-5 バインダー樹脂が種々の界面に与える影響
- 3-6 分散剤や界面活性剤の残存や異物が電池性能に与える影響
- 3-7 導電助剤と集電体との接触抵抗が電池性能に与える影響
- 3-8 電解質がマイクロショートやデンドライド形成に与える影響
- 3-9 活物質の表面やＳＥＩが電池性能にに与える影響
- 3-10 タブリードやパッケージが電池性能にに与える影響
4 リチウムイオン二次電池のパワーマネジメント
- 4-1 単電池と組み電池、ハイブリッド蓄電システム
- 4-2 クラウドとエッジを活用した電池のモニタリング
- 4-3 リモートセンシングにおけるサイバー攻撃からの防御
- 4-4 ＩｏＴやAIを使ったバッテリシステムの制御と劣化やトラブルの診断
- 4-5 脱炭素社会に向けた再生可能エネルギー利用とV2H/V2G、超小型モビリティにおける蓄電システム

名称	概略	制御	測定	装置

クロノポテンショメトリー（CP）	電圧電気量曲線電池の充放電曲線過渡応答など	電流	電圧 ( 電位）、時刻	🚂 ガルバノスタット、データロガー
クロノアンペロメトリー	電流絞り込み曲線など	電圧	電流、時刻	🚂 ポテンショスタット ^2 ) 、データロガー
リニアスイープボルタンメトリー (LSV)	分解電圧の測定など	電圧、掃引速度	電流	🚂 ファンクションジェネレータ、 🚂 ポテンショスタット、データロガー
サイクリックボルタンメトリー ( CV) ^3 )		電圧、掃引速度	電流	反応種の特定など
電圧電流曲線		電流	電圧	電池の内部抵抗
コンダクトメトリー	導電率誘電率の測定など	電圧	電流	🚂 ファンクションジェネレータ ^4 ) 、 🚂 ポテンショスタット、データロガー
交流インピーダンス法	導電率の測定など	電圧周波数	電流	ファンクションジェネレータ、ポテンショスタット、データロガー、オシロスコープ、ＬＣＲメータ ^* ^*

電気化学測定と電極構造