JP6178967B2 - 粉体試料の交流インピーダンス測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉体の交流インピーダンス特性を精度よく測定できる粉体試料の交流インピーダンス測定方法に関するものである。

近年、高出力放電が可能なリチウムイオン二次電池の要請が非常に強くなっている。このための一つの有効な手法として、正極活物質の内部抵抗を下げることがあげられる。正極活物質は、一般的に、ニッケルコバルトマンガン酸リチウムやコバルト酸リチウムなどの粉体である。

従来、粉体の抵抗測定には、直流電圧を印加して、その際に生じる電流を計測し、オームの法則に基づいて抵抗値を求める方法が一般的であった（特許文献１）。しかしながら、直流電圧を印加する場合、粒子内部の抵抗成分（粒子内抵抗）、粒子間の抵抗成分（接触抵抗）および電極と粒子間の抵抗成分（界面抵抗）とを分離できないため、粉体の抵抗の詳細な情報を得ることができなかった。

そこで、交流インピーダンス法を適用することが提案されている（特許文献２）。特許文献２の交流インピーダンス法では、周波数を変化させながら交流電圧もしくは交流電流を、リチウムイオン二次電池用正極活物質の粉体に印加し、この入力電圧もしくは入力電流に対応する出力電流もしくは出力電圧からインピーダンスを計算する。入力信号の周波数とインピーダンスの関係を演算して、ナイキスト（Ｎｙｑｕｉｓｔ）プロットを行い、ナイキストプロットの形状を等価回路フィッティングすることで、粒子内部の抵抗成分（粒子内抵抗）、粒子間の抵抗成分（接触抵抗）および電極と粒子間の抵抗成分（界面抵抗）とを分離することが可能となる。

しかし、特許文献２では、一対の電流端子および一対の電圧端子が、測定容器の底部側に直線状に配列されている。従って、例えば、一対の電圧端子間に電圧が印加された場合、この電圧によって生じる電流は、測定容器に収納された粉体試料のうち測定容器の底部側表面付近を流れるのみであり、充填された粉体試料全体に電流を流すことができないので、上記３つの抵抗成分を精度よく測定することはできない。また、印加電圧が低い場合には、電流を検出できず、高電圧を印加して何らかの電流を検知したとしても、漏れ電流であって、上記３つの抵抗成分を測定できる電流値となりえない。

国際公開第２０１２／０４３３２１号 特開２００９−２２２６７３号公報

上記事情に鑑み、本発明の目的は、粒子内抵抗、接触抵抗、界面抵抗を精度よく測定できる粉体試料の交流インピーダンス測定方法を提供することである。

本発明の態様は、絶縁体で形成された側壁部と、一方の金属電極が設けられ絶縁体で形成された、前記側壁部と連動する底部と、他方の金属電極が設けられ絶縁体で形成された蓋部と、により閉じた空間が形成された測定容器であって、前記底部にプレス装置が接続された測定容器の内部に、被測定粉体を所定量収納する工程と、前記底部に接続されたプレス装置により、前記底部と前記側壁部を前記蓋部方向へ所定量移動させて、前記被測定粉体に所定のプレス圧を印加して、前記被測定粉体の密度を所定値にする工程と、定電圧交流または定電流交流をインピーダンスアナライザーの交流電源から前記一方の電極と前記他方の電極間へ出力して、前記被測定粉体に交流電流または交流電圧を印加する工程と、前記被測定粉体への前記交流電流または交流電圧の印加によって生じた電流または電圧を、インピーダンス解析する工程と、前記インピーダンス解析後、前記底部に接続された前記プレス装置により、前記底部と前記側壁部を前記蓋部方向へさらに移動させて、前記被測定粉体に前記所定のプレス圧よりも高いプレス圧を印加して、前記被測定粉体の密度を前記所定値の密度よりもさらに高い密度にする工程と、前記定電圧交流または前記定電流交流を前記インピーダンスアナライザーの交流電源から前記一方の電極と前記他方の電極間へ出力して、前記被測定粉体に前記交流電流または前記交流電圧を印加する工程と、前記被測定粉体への前記交流電流または交流電圧の印加によって生じた電流または電圧を、再度、インピーダンス解析する工程と、を有する粉体試料の交流インピーダンス測定方法である。

本発明の態様は、前記電極の直径が、１．０ｃｍ〜３．０ｃｍである粉体試料の交流インピーダンス測定方法である。

本発明の態様は、前記被測定粉体の収納量が、０．５〜５．０ｇである粉体試料の交流インピーダンス測定方法である。

本発明の態様は、前記被測定粉体の圧縮度が、３５％〜６０％である粉体試料の交流インピーダンス測定方法である。

本明細書中、「圧縮度」とは、（タップ密度−バルク密度）／タップ密度×１００（％）を意味する。また、バルク密度とは、疎充填時のかさ密度を、タップ密度とは、かさ体積変化が生じなくなるまで試料をタップしたときの密度を、それぞれ、意味する。具体的には、上記バルク密度とは、タップデンサー（セイシン企業社製、型番：ＫＹＴ−４０００）にて測定した数値を意味し、上記タップ密度とは、タップデンサー（セイシン企業社製、型番：ＫＹＴ−４０００）を用いて、ＪＩＳＲ１６２８に記載の手法のうち、定容積測定法によって測定を行ったものを意味する。

本発明の態様は、前記被測定粉体が、リチウムイオン二次電池用正極活物質である粉体試料の交流インピーダンス測定方法である。

本発明の態様は、前記リチウムイオン二次電池用正極活物質が、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２）である粉体試料の交流インピーダンス測定方法である。

本発明の態様は、上記粉体試料の交流インピーダンス測定方法にてインピーダンス解析を行ったリチウムイオン二次電池用正極活物質を有する正極を備えたリチウムイオン二次電池である。

本発明の態様は、上記粉体試料の交流インピーダンス測定方法にて、複数種のリチウムイオン二次電池用正極活物質のインピーダンス解析を行う工程と、前記インピーダンス解析の結果に応じて、リチウムイオン二次電池用正極活物質を選択する工程と、前記選択されたリチウムイオン二次電池用正極活物質を用いて正極を作製する工程と、を含む、リチウムイオン二次電池の製造方法である。また、本発明の態様は、被測定粉体が充填される空間を有する測定容器であって、絶縁体で形成された側壁部と、一方の金属電極が設けられ絶縁体で形成された、前記側壁部と連動する底部と、他方の金属電極が設けられ絶縁体で形成された蓋部とにより、閉じた前記空間が形成された測定容器と、前記底部に接続されたプレス装置であって、前記プレス装置の稼働により、前記底部と前記側壁部が前記蓋部方向へ所定量移動して、前記空間に充填された前記被測定粉体のプレス圧を調整することで、前記被測定粉体の密度を可変とすることができ、且つ前記底部と前記側壁部の前記蓋部方向への移動を停止して前記被測定粉体の密度を固定できるプレス装置と、前記一方の電極と前記他方の電極間へ定電圧交流または定電流交流を出力して、前記プレス圧が印加された前記被測定粉体に交流電流または交流電圧を印加する交流電源と、前記プレス圧が印加された前記被測定粉体への前記交流電流または交流電圧の印加によって生じた電流または電圧から、インピーダンス解析をするインピーダンスアナライザーと、を具備する粉体試料の交流インピーダンス測定装置である。

本発明の態様によれば、一方の金属電極が設けられ絶縁体で形成された底部と、他方の金属電極が設けられ絶縁体で形成された蓋部とにより閉じた空間が形成された測定容器を用いることによって、測定容器に収納された粉体試料の表面部付近だけではなく、収納された粉体試料全体、すなわち、上記底部と蓋部との間に充填された粉体試料全体に、均質な電流を流すことができるので、粉体試料の粒子内抵抗、接触抵抗及び界面抵抗を精度よく測定できる。

本発明の態様によれば、被測定粉体の圧縮度が３５％〜６０％であることにより、被測定粉体に所定のプレス圧を印加して、被測定粉体の密度を所定値にする工程において、被測定粉体のペレット化を防止できるので、粒子内抵抗、接触抵抗及び界面抵抗を、より精度よく測定でき、さらに、再現性に優れた抵抗値を得ることができる。

本発明の態様によれば、被測定粉体がリチウムイオン二次電池用正極活物質であることにより、リチウムイオン二次電池を実際に組み上げることなく、高出力用途に適した正極活物質を正確に選別することができる。さらに、選別した正極活物質を用いて前記二次電池を組み上げることで、高出力用途に適した二次電池を確実に提供することができる。

本発明にて使用する測定容器の概要を示す説明図である。 被測定粉体の粒子内抵抗、接触抵抗及び界面抵抗の概念を示す説明図である。 本発明で使用する等価回路の説明図である。 （a）図は、１５．９ＭＰａ印加時のナイキストプロットとフィッティング、（b）図は、３１．８ＭＰａ印加時のナイキストプロットとフィッティング、（c）図は、４７．８ＭＰａ印加時のナイキストプロットとフィッティング、（d）図は、６３．７ＭＰａ印加時のナイキストプロットとフィッティング、（e）図は、（a）図〜（d）図のフィッティングの重ね合わせを、それぞれ示す、実施例の結果である。 （a）図は、１５．９ＭＰａ印加時のナイキストプロットとフィッティング、（b）図は、３１．８ＭＰａ印加時のナイキストプロットとフィッティング、（c）図は、４７．８ＭＰａ印加時のナイキストプロットとフィッティング、（d）図は、６３．７ＭＰａ印加時のナイキストプロットとフィッティング、（e）図は、（a）図〜（d）図のフィッティングの重ね合わせを、それぞれ示す、比較例の結果である。

次に、本発明の実施形態例について説明する。本発明の粉体試料の交流インピーダンス測定方法は、絶縁体で形成された側壁部と、一方の金属電極が設けられ絶縁体で形成された底部と、他方の金属電極が設けられ絶縁体で形成された蓋部と、により閉じた空間が形成された測定容器であって、前記蓋部または前記底部にプレス装置が接続された測定容器の内部に、被測定粉体を所定量収納する工程と、前記蓋部または前記底部に接続されたプレス装置により、前記蓋部を前記底部方向または前記底部を前記蓋部方向へ所定量移動させて、前記被測定粉体に所定のプレス圧を印加して、前記被測定粉体の密度を所定値にする工程と、定電圧交流または定電流交流をインピーダンスアナライザーの交流電源から前記一方の電極と前記他方の電極間へ出力して、前記被測定粉体に交流電流または交流電圧を印加する工程と、前記被測定粉体への前記交流電流または交流電圧の印加によって生じた電流または電圧を、インピーダンス解析する工程と、を有する。

図１に示すように、本発明の実施形態例で使用する測定容器１は、絶縁体で形成された側壁部２と、絶縁体で形成され、側壁部２の下部端面に設けられた底部絶縁体部７ａと、絶縁体で形成され、底部７と対向するように設けられた蓋部絶縁体部８ａと、により閉じた内部空間６が形成されている。測定容器１の蓋部絶縁体部８ａには、内部空間６側の面に金属で作製された蓋部電極８ｂが形成され、蓋部端子３（以下、「上部電極」という場合がある。）が備えられ、測定容器１の底部絶縁体部７ａには、内部空間６側の面に金属で作製された底部電極７ｂが形成され、底部端子４（以下、「下部電極」という場合がある。）が備えられている。上部電極と下部電極のうち、どちらを正極としてもよい。側壁部２の外側は、導電性容器壁５にて被覆されている。また、本発明の実施形態例である測定容器１では、底部７は上下方向に可動であり、底部７（図１では、側壁部２の導電性容器壁５の下端部）にプレス装置１０が接続されている。一方、蓋部８は固定されている。蓋部電極８ｂと底部電極７ｂは、平板の電極の金属電極である。金属には、ニッケル、ステンレス、銅、白金、金などを使用できる。また、表面は可能な限り平滑にする必要がある。表面の平滑性が乏しいと、電極平面の表面積が大きくなり、被測定粉体と電極間の抵抗が大きくなる恐れがあるためである。なお、明細書中、「下」とは測定装置の設置面側を意味し、「上」とは測定装置の設置面とは反対側を意味する。

まず、測定容器１の底部７に被測定粉体９を載置することで、内部空間６に、被測定粉体９を所定量充填する。次に、プレス装置１０を稼働させて、側壁部２と該側壁部２と連動するように形成された底部７とを上方向に移動させていくと、被測定粉体９が蓋部８に接触して圧縮されはじめ、さらに側壁部２と底部７を上方向に移動させていくと、被測定粉体９の圧縮が進み、被測定粉体９の密度が高くなっていく。この圧縮の程度を調整することで、被測定粉体９に所定のプレス圧が印加され、被測定粉体９の密度を任意に調整することが可能となる。

被測定粉体９の密度が所望の値となったところで、側壁部２と底部７の上方向への移動を停止する。次に、定電圧交流または定電流交流を、図示しないインピーダンスアナライザーの交流電源から蓋部８の蓋部端子３と底部７の底部端子４間へ出力して、所定のプレス圧を印加された被測定粉体９に交流電圧または交流電流を印加する。インピーダンスアナライザーは、公知のものを使用でき、例えば、Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ社製１２６０、アジレント社製４２９２ａ、日置電子社製３５３２−８０などを挙げることができる。

次に、被測定粉体９への交流電圧または交流電流の印加によって生じた電流または電圧を、インピーダンスアナライザーにてインピーダンス解析をする。このとき、被測定粉体９へ定電圧を印加した場合は電流が、被測定粉体９へ定電流を印加した場合は電圧が、それぞれ、発生し、蓋部端子３、底部端子４に接続されている前記インピーダンスアナライザーへ入力される。なお、蓋部端子３および底部端子４からインピーダンスアナライザーへ接続するケーブルは、途中でインピーダンスアナライザーの電圧端子と電流端子に接続するよう、それぞれが分岐される。

インピーダンス解析について、以下に説明する。インピーダンスアナライザーからの出力電圧をＶ、入力電流をＩとすると、インピーダンスＺは、Ｚ＝Ｖ／Ｉで計算される。しかしながら、被測定粉体９の抵抗成分に基づいて、出力と入力の間に位相の進みもしくは遅れが生じる。これに対応して、インピーダンスＺを複素数プロットしたものがナイキストプロットと呼ばれるものである。

従って、インピーダンス解析では、まず、ナイキストプロットの作成を行う。インピーダンスアナライザーへ入力された電流または電圧は、インピーダンスアナライザーにて、インピーダンスＺや位相などの情報に分離され、インピーダンスアナライザーに接続された電子計算機へ導かれる。電子計算機では、インピーダンスアナライザーから導かれた情報を解析ソフトによって、上記ナイキストプロットに変換する。上記の通り、ナイキストプロットは、インピーダンスを複素数プロットしたもので、インピーダンスの実数部および虚数部との関係を示す。通常、横軸を実数部Ｚ’とし、縦軸を虚数部Ｚ”とする複素数平面上にインピーダンスをプロットする。

インピーダンスアナライザーは、定電圧または定電流の交流電流を出力することができ、周波数は固定も変動も可能である。ここで、測定周波数を１点に固定すると、ナイキストプロット上の測定点数は１点のみとなるが、周波数を、例えば、１０ＭＨｚから１ｍＨｚまで連続的に変化させると、ナイキストプロットも連続的な測定点として得られ、測定点数が十分に多ければ、線状のナイキストプロット（複素インピーダンス線図またはCole-Coleプロットともいう。）が得られる。

次いで、上記のようにして得られたナイキストプロットから被測定粉体９の抵抗成分の分離を行う。まず、得られたナイキストプロットがどのような抵抗要素によって構成されるか推定して、等価回路モデルを作成する。この等価回路モデルと得られたナイキストプロットが一致するように各成分の大きさを変えながらフィッティングを行う。得られたナイキストプロットが等価回路モデルと一致しない場合には、等価回路中の各成分の大きさや等価回路自体を見直して、再度、等価回路モデルと得られたナイキストプロットとのフィッティングを図る。得られたプロットと等価回路モデルとのフィッティングが完了することにより、等価回路中の各成分の大きさや等価回路自体から、被測定粉体９の抵抗成分、すなわち、粒子内抵抗、接触抵抗及び界面抵抗を算出することができる。

具体的には、インピーダンス解析において、粒子内抵抗、接触抵抗及び界面抵抗の算出は、以下のように行う。図２に示すように、粉体の全抵抗は、上記の通り、次の３つの抵抗成分、すなわち、 １）粒子内の電荷の移動を妨げる粒子内抵抗、２）別々の粒子間の電荷移動を妨げる接触抵抗、３）電極等の基板と粒子の界面に由来する界面抵抗、の総和である。

１）、２）、３）の各抵抗成分の等価回路は、それぞれ、レジスタンスＲとキャパシタンスＣの並列回路として考えられる。従って、１）、２）、３）の各抵抗成分の総和は、それぞれのレジスタンスＲとキャパシタンスＣの並列回路の和として表すことができる。また、インピーダンスアナライザー内部や配線を含めた測定系固有の抵抗Ｒｓも存在する。

図３に示すように、これらを総合すると、１）の抵抗成分に相当するレジスタンスＲ１とキャパシタンスＣ１の並列回路と、２）の抵抗成分に相当するレジスタンスＲ２とキャパシタンスＣ２の並列回路と、３）の抵抗成分に相当するレジスタンスＲ３とキャパシタンスＣ３の並列回路と、を有する等価回路を設定できる。なお、Ｒ×Ｃは、時定数（Ｔ）と称される時間の次元を持つ数値であり、１）、２）、３）の各抵抗成分に基づく時定数（Ｔ）は、粉体によって大きく異なる。

１）、２）、３）の各抵抗成分に基づく時定数に十分な差があれば、１）、２）、３）の各抵抗成分に由来する半円が１つずつ、計３個の半円が、ナイキストプロットの第一象限に出現する。なお、１）、２）、３）の各抵抗成分の時定数の差が小さいと、各々の半円が重なり、あたかも一つの半円のようにナイキストプロットの第一象限に出現することがある。

半円状に出現したナイキストプロットと等価回路を用いて、等価回路の抵抗Ｒｓ、レジスタンスＲ１〜レジスタンスＲ３、キャパシタンスＣ１〜キャパシタンスＣ３の値を実測値である半円状のナイキストプロットに一致するようにフィッティングすることで、抵抗Ｒｓ、レジスタンスＲ１〜レジスタンスＲ３、キャパシタンスＣ１〜キャパシタンスＣ３の値を確定させる。このようにして得られた、レジスタンスＲ１〜レジスタンスＲ３、キャパシタンスＣ１〜キャパシタンスＣ３、１）の抵抗成分の時定数Ｔ1、２）の抵抗成分の時定数Ｔ２、３）の抵抗成分の時定数Ｔ３の数値を比較することで、粉体の抵抗特性を判断することが可能となる。

なお、フィッティングは、Ｚｖｉｅｗとして市販されているインピーダンス解析ソフトやＭｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｅｘｃｅｌ Ｓｏｌｖｅｒやエクセルを用いて行うことが可能である。

粉体の抵抗特性を判断するにあたり、測定容器１では、収納された被測定粉体９の表面部だけではなく、底部７と蓋部８との間に圧縮された状態で収納された被測定粉体９全体に電流を流すことができるので、被測定粉体９の粒子内抵抗、接触抵抗及び界面抵抗を精度よく分離しかつ測定できる。

測定容器１では、プレス装置１０を稼働させて、側壁部２と底部７を上方向に所定量移動させることで、被測定粉体９に所定のプレス圧を印加し、被測定粉体９を所定の密度まで圧縮できる。よって、プレス装置１０による被測定粉体９に対するプレス圧（荷重）を調整することで、被測定粉体９の密度、すなわち、圧縮の程度を可変とすることができる。被測定粉体９の密度が低い状態と最も高い状態との間で、側壁部２と底部７の上方向への移動を停止して被測定粉体９の密度（圧縮の程度）を固定して交流インピーダンスを測定する。測定後、側壁部２と底部７を上方向へ移動させて被測定粉体９の密度（圧縮の程度）をさらに高い状態へとし、側壁部２と底部７の上方向への移動を停止して被測定粉体９の密度（圧縮の程度）を所望の値に固定し、再度、交流インピーダンスを測定する。このように、被測定粉体９の圧縮と交流インピーダンスの測定を繰り返すことで、被測定粉体９の密度の変化と交流インピーダンスとの関係を測定することができる。

なお、交流の周波数範囲は、被測定粉体９の種類、充填質量（収納量）、圧縮時の密度などによって適宜選択可能であり、例えば、交流の周波数範囲は、１００ＭＨｚ〜１ｍＨｚが好ましく、３０ＭＨｚ〜１００ｍＨｚがより好ましい。また、充填質量は、０．５〜５．０ｇが好ましく、１．０〜４．０gがより好ましく、特に好ましくは１．５〜３．５ｇであり、圧縮時の被測定粉体９の密度は２．５〜３．５ｇ／ｃｍ^３が好ましい。また、測定点数は、１０点／桁が一般的であるが、特に高周波域で点数が十分でない場合は、５０点／桁程度の範囲内で調整してもよい。

交流インピーダンスが、被測定粉体９の低密度側から高密度側まで、連続的に変化する場合には、被測定粉体９は、圧縮による変化を受けていないと考えることができる。一方、交流インピーダンスが、不連続に変化した場合には、被測定粉体９が圧縮により何らかの変化を受けたと考えることができる。従って、測定容器１にプレス装置１０を取り付けた測定装置とすることで、抵抗データの信頼性が大きく向上する。

上記被測定粉体９としては、特に限定されないが、例えば、チタン酸バリウムなどの誘電体、黒鉛や金属粉などの導電性粉体、一次電池もしくは二次電池の正極活物質もしくは負極活物質、一次電池もしくは二次電池の正極活物質と導電助剤の混合物などが挙げられる。特に、リチウムイオン二次電池の、正極活物質、正極活物質と導電助剤との混合物、負極活物質、負極活物質と導電助剤の混合物に好適に用いることができる。リチウムイオン二次電池用正極活物質としては、特に限定されないが、例えば、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２）を挙げることができる。

例えば、リチウムイオン二次電池の場合、高出力特性の評価は、通常、電池として組み上げて、常温もしくは−２５℃程度の高レート放電特性やＤＣ−ＩＲ特性評価などで行われるが、本発明によれば、電池として組み上げずに、正極活物質もしくは負極活物質の状態で、高出力特性の評価ができるので、評価期間を短縮でき、また、評価に要するコストも低減できる。

また、被測定粉体９の特性も特に限定されないが、例えば、被測定粉体のペレット化による粉体の特性変化を防止して、粉体固有の粒子内抵抗、接触抵抗及び界面抵抗を、より精度よく測定し、さらに、再現性に優れた抵抗値を得る点から、圧縮度が３５％〜６０％である流動特性を有する被測定粉体が好ましく、４０％〜５５％の圧縮度を有する被測定粉体が特に好ましい。

測定容器１の形状は、特に限定されず、例えば、平面視円筒形の形状を挙げることができる。また、上部電極及び下部電極の大きさも特に限定されないが、平面視円形の電極の場合は、電極の直径は１〜３cmが好ましい。電極の直径が大きすぎると、電極の表面積が大きくなって被測定粉体９と電極間の容量が大きくなってしまい、さらに、圧縮効率も低下してしまう。一方で、電極の直径が小さすぎると取り回しが困難となる。

上記の通り、交流インピーダンス測定は、定電圧交流でも定電流交流でも用いることができる。定電圧交流を用いる場合は、１Ｖ以下であり、０．５Ｖ以下が好ましい。定電流交流を用いる場合は、１Ａ以下であり、０．３Ａ以下が好ましい。

測定容器１の材質は、絶縁性であれば特に限定されず、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、塩化ビニルなどのプラスチックやセラミックなどが挙げられる。また、その外側は、電磁波などによるノイズを防ぐために、導電性材料で作製された導電性容器壁５で覆われている。導電性材料としては、例えば、ステンレスやニッケルなどの金属が用いられる。また、測定容器１では、側壁部２の導電性容器壁５の部位にプレス装置１０が接続され、側壁部２と底部７が上下方向に可動であり、蓋部８は固定されていたが、これに代えて、蓋部にプレス装置が接続され、側壁部と蓋部が上下方向に可動であり、底部は固定された測定容器でもよい。また、測定容器１では、側壁部２と該側壁部２と連動するように形成された底部７とを上方向に移動させていたが、これに代えて、側壁部２と底部７とを別体とし、底部のみを上方向に移動させる態様としてもよい。

リチウムイオン二次電池は、リチウムイオン二次電池用正極と、リチウムイオン二次電池用負極と、非水電解質とを備える。アルミニウムやアルミニウム合金などの軽量金属を使用した電池ケースに、リチウムイオン二次電池用正極と、リチウムイオン二次電池用負極を収納し、それぞれ、電池ケースの蓋体に固定された電極端子に取り付け、その後、非水電解質を電池ケース内に注入することで、リチウムイオン二次電池をくみ上げることができる。また、必要に応じて、前記正極と負極を隔離するセパレータを備えていてもよい。

リチウムイオン二次電池用正極は、例えば、前記正極活物質、導電助剤および結着剤を混合し、得られたペーストを集電体に塗布し、乾燥することによって得ることができる。リチウムイオン二次電池に用いる負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば特に限定されず、例えば、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等の黒鉛系炭素、チタン酸リチウム等のチタン含有酸化物、リチウム金属等を原料とするものが挙げられ、上記正極の製法と同様の方法にて得ることができる。また、リチウムイオン二次電池に用いる非水電解質としては、非水電解液、高分子固体電解質、ゲル状電解質、無機固体電解質等を用いることができる。

次に、本発明の実施例を説明する。ここでは、被測定粉体として、リチウムイオン二次電池用正極活物質であるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物を用いた場合を例にとって説明する。

上部電極（直径２．０ｃｍ）及び下部電極（直径２．０ｃｍ）のうち、下部電極を取り付けた測定容器（寸法は２．０ｃｍ×５．７ｃｍ）の底部にプレス装置である油圧ポンプを接続して底部と該底部と連動するように形成された側壁部を可動式とし、上部電極を取り付けた蓋部は固定とした。従って、油圧ポンプにて下部電極を取り付けた底部と該底部と連動するように形成された側壁部とを上方に移動させることで、被測定粉体を圧縮できる測定装置を使用した。被測定粉体としては、下記表１に記載のニッケル：コバルト：マンガンのモル比が１：１：１であるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２）であるＡ〜Ｆを使用した。

インピーダンスアナライザーは、Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ社製１２６０を用い、インピーダンスアナライザーと上部電極及び下部電極間の配線は、５０Ωの特性インピーダンスを持つ同軸ケーブルを使用した。インピーダンスアナライザーとコンピューターとの間はＧＰ−ＩＢケーブルで接続した。測定周波数は４ＭＨｚ〜１０００Ｈｚ、測定点数は１０点／桁とした。交流は０．１ｍＶの定電圧交流を用いた。

まず、下部電極を取り付けた測定容器の底部上に、被測定粉体を２．５ｇ収納した。次に、収納した被測定粉体に対して油圧ポンプにて１５．９ＭＰａの圧力を印加して、被測定粉体の厚みを計測した。１５．９ＭＰａの圧力を維持しながら、４ＭＨｚ〜１０００Ｈｚの周波数スイープによりインピーダンスを計測し、半円状のナイキストプロットを得た。次いで、被測定粉体に対する油圧ポンプの圧力を３１．８ＭＰａ、４７．８ＭＰａ、６３．７ＭＰａと変えて、同様の測定を行い、各圧力について、半円状のナイキストプロットを得た。

次に、図３に示す等価回路を用いて、半円状のナイキストプロットへのフィッティングを行った。図３に示す等価回路について、Ｒｓ、Ｒ１〜３、Ｃ１〜３の値を実測値である半円状のナイキストプロットと一致するようにフィッティングを行って、Ｒｓ、Ｒ１〜３、Ｃ１〜３の値を決定した。さらに、Ｒ×Ｃから時定数（Ｔ）を計算した。

下記表１に、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ〜Ｆに対して、それぞれ、３１．８ＭＰａを印加した場合の各成分の値と時定数を示す。また、図４に、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｂに対して、１５．９ＭＰａ、３１．８ＭＰａ、４７．８ＭＰａ、６３．７ＭＰａの圧力を印加したときの、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｂの密度と、実測値である半円状のナイキストプロットと、該実測値へのフィッティングを示す。

図４から、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｂについて、各圧力において、実測値である半円状のナイキストプロットと該実測値へのフィッティングが、良好に一致した。なお、図示しないが、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｂ以外のリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ、Ｃ〜Ｆについても、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｂと同様に、各圧力において、実測値である半円状のナイキストプロットと該実測値へのフィッティングが、良好に一致した。

さらに、下記表１に、比較例としてリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｘに対して、３１．８ＭＰａを印加した場合のインピーダンスと時定数を示し、図５に、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｘに対して、１５．９ＭＰａ、３１．８ＭＰａ、４７．８ＭＰａ、６３．７ＭＰａを印加したときの、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｘの密度と、実測値である半円状のナイキストプロットと、該実測値へのフィッティングを示す。図５から、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｘについても、各圧力において、実測値である半円状のナイキストプロットと該実測値へのフィッティングが、良好に一致した。

なお、表１中、
Ｄ５０は、堀場製作所社製、型番ＬＡ−９５０にて測定した。
比表面積は、マウンテック社製、型番：Ｍａｃｓｏｒｂ ＨＭ−１２０８にて測定した。タップ密度は、タップデンサー（セイシン企業社製、型番：ＫＹＴ−４０００）を用いて、ＪＩＳＲ１６２８に記載の手法のうち、定容積測定法によって測定した。
バルク密度は、タップデンサー（セイシン企業社製、型番：ＫＹＴ−４０００）にて測定した。
なお、プレス密度については、実施例で使用した測定容器内に被測定粉体を２．５ｇ収納し、６３．７ＭＰａの荷重をかけたときの数値を意味する。

表１から、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ〜Ｆは、粒子内抵抗に相当するＴ１が１．３０×１０^−７ｓ以下、接触抵抗に相当するＴ２が９．１４×１０^−７ｓ以下、界面抵抗に相当するＴ３が６．８１×１０^−６ｓ以下であるのに対し、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｘは、Ｔ１が７．２３×１０^−７ｓ、Ｔ２が５．６５×１０^−６ｓ、Ｔ３が２．６１×１０^−５ｓであり、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ〜Ｆの１０倍前後の時定数であった。

従って、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ〜Ｆ、Ｘのうち、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ〜Ｆが、高出力用途に適した正極活物質であることが判明した。特に、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｃは、粒子内抵抗に相当するＴ１が８．９４×１０^−８ｓ、接触抵抗に相当するＴ２が４．０５×１０^−７ｓと、いずれも、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ〜Ｆのうち最も低く、界面抵抗に相当するＴ３が３．５４×１０^−６ｓと良好であった。従って、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｃは、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ〜Ｆのうちでも、高出力用途により適した正極活物質であることが判明した。

さらに、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ〜Ｆ、Ｘを用いて電池を作製し、２５℃で１、２、５Ｃ放電容量の０．２Ｃ放電容量に対する比（容量維持率）を求めた。なお、試験用電池は、以下のように作製した。

正極活物質としてリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ〜Ｆ、Ｘと、アセチレンブラックと、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを、質量比が９０：５：５となるようにＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）と混合して、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ〜Ｆ、Ｘをおのおの有する正極活物質含有スラリーを調製した。この各正極活物質含有スラリーを、厚さ１５μｍのアルミニウム箔（正極集電体）の片面にドクターブレード法にて塗付して乾燥させることにより、正極集電体の片面に正極活物質層を有する正極シートを作製した。正極活物質層の塗工量は、約２０．０ｍｇ／ｃｍ^２（固形分基準）となるように調節した。圧延プレス機によりプレスして、正極活物質層の密度を約２．２ｇ／ｃｍ^３に調整した。

負極としては、１５０μｍ厚のリチウム金属箔（本城金属社製）を使用した。

アルゴン雰囲気のグローブボックス中で、上記のように作製した正極シートと負極を、セパレータ（ポリポア社製セルガード＃２５００）を介して対面させ、非水電解液とともに日本トムセル社製電気化学測定セルに収容して、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ〜Ｆ、Ｘをおのおの有する試験用電池を作製した。なお、非水電解液としては、１．０ＭＬｉＰＦ６ ＥＣ：ＤＭＣ＝３：７（体積比）を用いた。

０．２Ｃの放電容量については、以下のように測定した。まず、上記各試験用電池に０．２Ｃの定電流充電を行い４．２Ｖに到達後、電流値が１／５になるまで定電圧充電を行った。引き続き、０．２Ｃの定電流で３．０Ｖまで放電を行った。該手順の放電容量を０．２Ｃ放電容量とした。なお、該測定は２５℃の恒温槽内で行った。

１、２、５Ｃの放電容量については、以下のように測定した。まず、０．２Ｃ放電容量の測定後の各試験用電池を、０．２Ｃで４．２Ｖまで定電流充電を行い、４．２Ｖに到達後、電流値が１／５になるまで定電圧充電を行った。引き続き、１Ｃの定電流で３．０Ｖまで放電を行った。該手順の放電容量を１Ｃ放電容量とした。次に、１Ｃ放電容量の測定後の各試験用電池を、０．２Ｃで４．２Ｖまで定電流充電を行い、４．２Ｖに到達後、電流値が１／５になるまで定電圧充電を行った。引き続き、２Ｃの定電流で３．０Ｖまで放電を行った。該手順の放電容量を２Ｃ放電容量とした。次に、２Ｃ放電容量の測定後の各試験用電池を、０．２Ｃで４．２Ｖまで定電流充電を行い、４．２Ｖに到達後、電流値が１／５になるまで定電圧充電を行った。引き続き、５Ｃの定電流で３．０Ｖまで放電を行った。該手順の放電容量を５Ｃ放電容量とした。なお、上記各測定は全て２５℃の恒温槽内で行った。

その結果を下記表２に示す。

表２に示すように、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｘでは、１、２、５Ｃのいずれの放電レートでも、容量維持率がリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ〜Ｆより小さく、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｘが、実際に、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ〜Ｆよりも、高出力用途に適さないことが判明した。一方で、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ〜Ｆのうち、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｃが、１、２、５Ｃのいずれの放電レートでも、容量維持率が最も高く、高出力用途により適していることが判明した。従って、上記表１と表２の結果から、リチウムイオン二次電池を実際に組み上げることなく、高出力用途に適した正極活物質を正確に選別することができたことも裏付けられた。

また、表２から、良好なインピーダンス測定の結果が得られたリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ａ〜Ｆを用いて実際に組み上げたリチウムイオン二次電池は、１、２、５Ｃのいずれの放電レートでも、容量維持率がリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｘを用いて実際に組み上げたリチウムイオン二次電池より大きく、高出力用途に適したリチウムイオン二次電池であった。特に、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物Ｃを用いたリチウムイオン二次電池は、１、２、５Ｃのいずれの放電レートでも、容量維持率が最も高く、高出力用途により適していた。

本発明は、粉体試料の粒子内抵抗、接触抵抗、界面抵抗を精度よく測定できるので、例えば、リチウムイオン二次電池の正極活物質や負極活物質の抵抗特性評価の分野で、特に利用価値が高い。

１ 測定容器
３ 蓋部端子
４ 底部端子
９ 被測定粉体

Claims (8)

1. 絶縁体で形成された側壁部と、一方の金属電極が設けられ絶縁体で形成された、前記側壁部と連動する底部と、他方の金属電極が設けられ絶縁体で形成された蓋部と、により閉じた空間が形成された測定容器であって、前記底部にプレス装置が接続された測定容器の内部に、被測定粉体を所定量収納する工程と、
   前記底部に接続されたプレス装置により、前記底部と前記側壁部を前記蓋部方向へ所定量移動させて、前記被測定粉体に所定のプレス圧を印加して、前記被測定粉体の密度を所定値にする工程と、
   定電圧交流または定電流交流をインピーダンスアナライザーの交流電源から前記一方の電極と前記他方の電極間へ出力して、前記被測定粉体に交流電流または交流電圧を印加する工程と、
   前記被測定粉体への前記交流電流または交流電圧の印加によって生じた電流または電圧を、インピーダンス解析する工程と、
   前記インピーダンス解析後、前記底部に接続された前記プレス装置により、前記底部と前記側壁部を前記蓋部方向へさらに移動させて、前記被測定粉体に前記所定のプレス圧よりも高いプレス圧を印加して、前記被測定粉体の密度を前記所定値の密度よりもさらに高い密度にする工程と、
   前記定電圧交流または前記定電流交流を前記インピーダンスアナライザーの交流電源から前記一方の電極と前記他方の電極間へ出力して、前記被測定粉体に前記交流電流または前記交流電圧を印加する工程と、
   前記被測定粉体への前記交流電流または交流電圧の印加によって生じた電流または電圧を、再度、インピーダンス解析する工程と、
   を有する粉体試料の交流インピーダンス測定方法。
2. 前記電極の直径が、１．０ｃｍ〜３．０ｃｍである請求項１に記載の粉体試料の交流インピーダンス測定方法。
3. 前記被測定粉体の収納量が、０．５〜５．０ｇである請求項１または２に記載の粉体試料の交流インピーダンス測定方法。
4. 前記被測定粉体の圧縮度が、３５％〜６０％である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の粉体試料の交流インピーダンス測定方法。
5. 前記被測定粉体が、リチウムイオン二次電池用正極活物質である請求項４に記載の粉体試料の交流インピーダンス測定方法。
6. 前記リチウムイオン二次電池用正極活物質が、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２）である請求項５に記載の粉体試料の交流インピーダンス測定方法。
7. 請求項５または６に記載の粉体試料の交流インピーダンス測定方法にて、複数種のリチウムイオン二次電池用正極活物質のインピーダンス解析を行う工程と、
   前記インピーダンス解析の結果に応じて、リチウムイオン二次電池用正極活物質を選択する工程と、
   前記選択されたリチウムイオン二次電池用正極活物質を用いて正極を作製する工程と、
   を含む、リチウムイオン二次電池の製造方法。
8. 被測定粉体が充填される空間を有する測定容器であって、絶縁体で形成された側壁部と、一方の金属電極が設けられ絶縁体で形成された、前記側壁部と連動する底部と、他方の金属電極が設けられ絶縁体で形成された蓋部とにより、閉じた前記空間が形成された測定容器と、
   前記底部に接続されたプレス装置であって、前記プレス装置の稼働により、前記底部と前記側壁部が前記蓋部方向へ所定量移動して、前記空間に充填された前記被測定粉体のプレス圧を調整することで、前記被測定粉体の密度を可変とすることができ、且つ前記底部と前記側壁部の前記蓋部方向への移動を停止して前記被測定粉体の密度を固定できるプレス装置と、
   前記一方の電極と前記他方の電極間へ定電圧交流または定電流交流を出力して、前記プレス圧が印加された前記被測定粉体に交流電流または交流電圧を印加する交流電源と、
   前記プレス圧が印加された前記被測定粉体への前記交流電流または交流電圧の印加によって生じた電流または電圧から、インピーダンス解析をするインピーダンスアナライザーと、
   を具備する粉体試料の交流インピーダンス測定装置。