JP7116484B2 - Electrochemical system and method of operating electrochemical system - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、複数の電極と電解質とを含む電気化学セルを測定する電気化学システム、および、複数の電極と電解質とを含む電気化学システムの作動方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to electrochemical systems for measuring electrochemical cells that include multiple electrodes and electrolytes, and methods of operating electrochemical systems that include multiple electrodes and electrolytes.
複数の電極と電解質とを含む電気化学セルのインピーダンス測定は、電気化学反応のメカニズム解明等のために広く使用されている。インピーダンス測定法として、測定対象の電気化学セルに、印加する正弦波信号の周波数を走査する交流インピーダンス法が知られている。 Impedance measurement of an electrochemical cell including a plurality of electrodes and an electrolyte is widely used to elucidate the mechanism of electrochemical reaction. As an impedance measurement method, an AC impedance method is known in which the frequency of a sine wave signal applied to an electrochemical cell to be measured is scanned.
交流インピーダンス法では、周波数特性分析器(FRA:Frequency Response Analyzer)とポテンショスタットとが用いられる。FRAは、電気化学セルに所定の周波数の正弦波信号を印加するための周波数応答信号を出力する。ポテンショスタットは電気化学セルに印加する電圧(電流)をFRAからの周波数信号に基づき制御する。 In the AC impedance method, a frequency response analyzer (FRA) and a potentiostat are used. The FRA outputs a frequency response signal for applying a sinusoidal signal of a given frequency to the electrochemical cell. The potentiostat controls the voltage (current) applied to the electrochemical cell based on the frequency signal from the FRA.
正弦波信号の周波数を走査することで、複数の周波数におけるインピーダンス、すなわちインピーダンスの周波数特性が取得される。インピーダンスの周波数特性を、Z’(実数インピーダンス)軸を抵抗成分、Z”(虚数インピーダンス)軸をリアクタンス成分(通常は容量性)とする複素平面図に表したインピーダンスの軌跡が、ナイキストプロット(コールコールプロット)である。 By scanning the frequency of the sine wave signal, the impedance at a plurality of frequencies, that is, the frequency characteristics of the impedance are obtained. The frequency characteristics of impedance are expressed in a complex plane diagram with the Z' (real impedance) axis as the resistance component and the Z'' (imaginary impedance) axis as the reactance component (usually capacitive). call plot).
図1に示したナイキストプロットは、電解質抵抗Rs(R1)と、電荷移動抵抗及び被膜抵抗などからなる反応抵抗Rct(R2)と、それらに付随する電気二重層などの容量Cと、電荷キャリアの拡散Zwと、を考慮したモデルの場合である。すなわち、参照極を用いた電気化学セル系の電気化学反応は、電解質中のイオンの移動、電極界面での電荷移動反応、それに伴うイオンの拡散から構成される。なお、参照極を用いない電気化学セルでは,2つの電極(正極、負極)のインピーダンスが含まれるので、半円の軌跡は少なくとも2つの半円が重なった軌跡となる。軌跡を等価回路モデルを用いて解析することで、電気化学セルを構成する複数の電極、及び電解質等の構成要素毎の特性を把握できる。 The Nyquist plot shown in FIG. This is the case of the model considering the diffusion Zw. That is, an electrochemical reaction in an electrochemical cell system using a reference electrode is composed of ion migration in the electrolyte, charge transfer reaction at the electrode interface, and accompanying ion diffusion. In an electrochemical cell that does not use a reference electrode, the impedance of two electrodes (positive electrode and negative electrode) is included, so the semicircular trajectory is a trajectory in which at least two semicircles overlap. By analyzing the trajectory using an equivalent circuit model, it is possible to grasp the characteristics of each constituent element such as a plurality of electrodes and an electrolyte that constitute the electrochemical cell.
例えば、反応抵抗Rct(R2)を示す半円の径が大きくなった場合には、セルが劣化したことを示している。すなわち、電気化学セルが二次電池の場合では、結晶構造の変化など活物質自身の劣化や、電解質中のイオン電解質成分や有機溶媒が分解し、電解質分解生成物として負極及び正極の表面に有機物や無機物の形で堆積し、イオンの挿入脱離が阻害されるため、抵抗が上昇する。 For example, when the diameter of the semicircle indicating the reaction resistance Rct(R2) increases, it indicates that the cell has deteriorated. That is, when the electrochemical cell is a secondary battery, the active material itself deteriorates due to changes in the crystal structure, and the ionic electrolyte components and organic solvent in the electrolyte decompose. It is deposited in the form of ions and inorganic substances, and the intercalation and deintercalation of ions is inhibited, resulting in an increase in resistance.
特開2014-126532号公報には、定電圧(浸漬電位:0.221V)の第1信号(作用信号)に、矩形波を重畳した第2信号を電池に印加し、応答信号をフーリエ変換することで、複数の高調波の周波数におけるインピーダンスを取得する測定装置が開示されている。 In JP-A-2014-126532, a second signal obtained by superimposing a rectangular wave on a first signal (action signal) of constant voltage (immersion potential: 0.221 V) is applied to the battery, and the response signal is subjected to Fourier transform. Thus, a measurement device is disclosed for obtaining impedance at multiple harmonic frequencies.
しかし、第1信号が経時変化する場合には、応答信号も変化するため、従来の方法では、動的測定は出来なかった。変化する信号に対しては、信号の増減を停止してインピーダンスの静的測定されていた。 However, when the first signal changes with time, the response signal also changes, so the conventional method cannot perform dynamic measurement. For varying signals, the impedance was statically measured by stopping the increase and decrease of the signal.
また、電気化学反応を測定するときに、測定系の一般的な電気化学測定とインピーダンス測定とを行うことは重要である。 Also, when measuring electrochemical reactions, it is important to perform general electrochemical measurements and impedance measurements of the measurement system.
しかし、従来の測定方法では、測定開始前に測定点を含むすべての測定条件を設定する必要があった。このため、複数の測定項目がある場合、ある一つの測定項目の結果を基に他の測定条件を定める必要がある。例えば、測定系の電流-電位特性(サイクリックボルタンメトリ:CV)を取得した後に、CV曲線に基づいて、インピーダンスを測定する測定点が設定され、再測定が行われていた。 However, in conventional measurement methods, it was necessary to set all measurement conditions including measurement points before starting measurement. Therefore, when there are multiple measurement items, it is necessary to determine other measurement conditions based on the result of one measurement item. For example, after obtaining the current-potential characteristics (cyclic voltammetry: CV) of the measurement system, a measurement point for measuring impedance is set based on the CV curve, and remeasurement is performed.
すなわち、2種類の測定項目(CV特性とインピーダンス)の測定を行う場合、2回の測定が行われていた。しかし、1回目の測定の後に行われる2回目の測定では、測定対象の電気化学セルの状態が変化しているおそれがあった。このため、電気化学セルの電気化学測定と同時にインピーダンス測定を行う、いわゆるオペランド測定が望まれていた。オペランド(Operando)とはラテン語で動作中(working)を意味する。 That is, when measuring two types of measurement items (CV characteristics and impedance), measurements were performed twice. However, in the second measurement performed after the first measurement, the state of the electrochemical cell to be measured may have changed. Therefore, so-called operand measurement, in which impedance measurement is performed simultaneously with electrochemical measurement of an electrochemical cell, has been desired. Operando means working in Latin.
なお、板垣らは、測定後に測定前に設定されていない任意の測定範囲のインピーダンスが取得できる3Dインピーダンス法を提案している。しかし、3Dインピーダンス法では、測定後に得られる任意の測定範囲のインピーダンスは、数回から数十回のインピーダンス測定結果をもとに補完処理によって得られた計算データであり、実際の測定データではなかった。 Itagaki et al. have proposed a 3D impedance method that can acquire the impedance in an arbitrary measurement range that has not been set before the measurement after the measurement. However, in the 3D impedance method, the impedance in an arbitrary measurement range obtained after measurement is calculated data obtained by complementary processing based on the impedance measurement results of several times to several tens of times, and is not actual measurement data. rice field.
本発明の実施形態は、変化する応答信号からインピーダンスを取得する電気化学システム、および、変化する応答信号からインピーダンスを取得する電気化学システムの作動方法を提供することを目的とする。 Embodiments of the present invention aim to provide an electrochemical system that obtains impedance from a varying response signal and a method of operating an electrochemical system that obtains impedance from a varying response signal.
実施形態の電気化学システムは、作用極と対極と電解質とを含む電気化学セルと、経時変化する第1信号に、複数の周波数の成分を含む補助信号が重畳された第2信号を、前記電気化学セルの前記作用極と前記対極との間に印加する電源と、前記第2信号の応答信号を連続して記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶されている、変化している前記応答信号の解析範囲が任意に選択される選択部と、前記解析範囲の前記応答信号を、フーリエ変換して、前記複数の周波数におけるそれぞれのインピーダンスを算出する算出部と、を具備する。 An electrochemical system according to an embodiment comprises an electrochemical cell including a working electrode, a counter electrode, and an electrolyte; a power source applied between the working electrode and the counter electrode of a chemical cell; a storage section for continuously storing response signals of the second signal; and the changing response stored in the storage section. A selection unit that arbitrarily selects a signal analysis range, and a calculation unit that performs a Fourier transform on the response signal in the analysis range and calculates each impedance at the plurality of frequencies.
実施形態の電気化学システムの作動方法は、経時変化する第1信号に、複数の周波数の成分を含む補助信号が重畳された第2信号が、作用極と対極と電解質とを含む電気化学セルの前記作用極と前記対極との間に印加される信号印加工程と、前記信号印加工程と同時に行われる、前記第2信号の応答信号が記憶部に連続して記憶される記憶工程と、前記信号印加工程および前記記憶工程の後に行われる、前記記憶部に記憶されている、変化している前記応答信号の解析範囲が任意に選択される選択工程と、前記解析範囲の前記応答信号を、フーリエ変換して、前記複数の周波数におけるそれぞれのインピーダンスが算出される算出工程と、を具備する。 In the method of operating an electrochemical system according to an embodiment, a second signal obtained by superimposing an auxiliary signal including a plurality of frequency components on a first signal that changes with time is an electrochemical cell including a working electrode, a counter electrode, and an electrolyte . a step of applying a signal applied between the working electrode and the counter electrode; a step of storing a response signal to the second signal, which is performed simultaneously with the step of applying the signal, in a storage unit; a selection step of arbitrarily selecting an analysis range of the changing response signal stored in the storage unit, performed after the application step and the storage step; and a calculating step of converting to calculate respective impedances at the plurality of frequencies.
本発明の実施形態によれば、変化する応答信号から任意の時点のインピーダンスを取得する電気化学システム、および、変化する応答信号から任意の時点のインピーダンスを取得する電気化学システムの作動方法を提供できる。 Embodiments of the present invention can provide an electrochemical system that obtains impedance at any point in time from a changing response signal, and a method of operating an electrochemical system that obtains impedance at any point in time from a changing response signal. .
<第1実施形態>
図1に示すように、本実施形態の電気化学システム1は、電気化学セル10と、電源20と、記憶部30と、選択部40と、算出部50と、解析部60と、を具備する。
<First Embodiment>
As shown in FIG. 1, the
後述するように、電気化学システム1では、測定データは記憶部30に記憶される。測定終了後に、記憶部30に記憶されている測定データを用いて解析が行われる。本作動方法を、「タイムシフト法」という。
As will be described later, in the
電気化学システム1は、ヘキサシアノ鉄の酸化還元反応を解析するためのシステムである。電気化学セル10は、グラッシーカーボンからなる作用極(WE)11と、白金線からなる対極(CE)12と、銀/塩化銀と3M-NaClとからなる参照極(RE)13と、電解質14と、を含む。電解質14は、5mMのK4[Fe(CN)6]と5mMのK3[Fe(CN)6]と0.5MのKNO3とからなる水溶液である。
The
電源20は、第1信号発生部(第1信号発生回路)21と、補助信号発生部(補助信号発生回路)22と、第1信号と補助信号とを重畳する重畳部(重畳回路)23とを含む。
The
第1信号発生部21は、電気化学セル10の酸化還元反応を測定するための測定信号(作用信号)である第1信号を発生する。第1信号は、参照極(RE)13を基準とし、電圧が直線的に経時変化する。第1信号は、電圧に替えて電流を基準とする信号でもよい。
The
図3に示すように、第1信号は時間に応じて、電圧V1が線形に増減するリニアスイープ信号である。電気化学システム1では、第1信号は、1周期が300秒であり、振幅ΔV1は0.6Vであり、スイープ速度は、4mV/sである(周波数、0.0033Hz)。
As shown in FIG. 3, the first signal is a linear sweep signal in which the voltage V1 linearly increases and decreases with time. In the
補助信号発生部22は、複数の周波数の成分を含む補助信号を発生する。図4に示すように、電気化学システム1では、補助信号は、1周期が(1/f1)、すなわち、周波数がf1の連続した矩形波信号である。周波数f1は、例えば3.968Hzである。周波数f1の矩形波信号は、潜在的に、周波数f1の複数の高調波、すなわち、周波数f1の整数倍の周波数f2、f3、f4、、を含んでいる。
The
なお、補助信号の振幅ΔVsは、測定結果に影響がでないように、第1信号の電圧V1の振幅ΔV1の、1/50以下、好ましくは1/100以下に設定されている。例えば、振幅ΔV1が1.2Vの場合、ΔVsは、10mVに設定されている。 The amplitude ΔVs of the auxiliary signal is set to 1/50 or less, preferably 1/100 or less of the amplitude ΔV1 of the voltage V1 of the first signal so as not to affect the measurement result. For example, when the amplitude ΔV1 is 1.2V, ΔVs is set to 10mV.
重畳部23は、第1信号に補助信号が重畳された第2信号を、電気化学セル10の作用極(WE)11と対極(CE)12とに印加する。
The superimposing
図5および図6に、重畳部23が出力し、電気化学セル10に入力される、第1信号に補助信号が重畳された第2信号(入力信号)を示す。
5 and 6 show a second signal (input signal) in which the auxiliary signal is superimposed on the first signal, which is output by the superimposing
電源20は、第1信号と補助信号とが重畳された第2信号を発生する第2信号発生部であってもよい。例えば、電源20は、所定波形の信号を発生するファンクションジェネレータと、所定波形の信号を増幅することによって、第2信号を出力するバイポーラ電源と、を有していてもよい。
The
また、参照極(RE)13を有していない電気化学セル10の対極(CE)を基準にした測定信号に、補助信号が重畳された第2信号が、作用極(WE)11と対極(CE)12とに印加されてもよい。
In addition, a second signal in which the auxiliary signal is superimposed on the measurement signal based on the counter electrode (CE) of the
記憶部30は、第2信号が印加された電気化学セル10の応答信号を連続して記憶する。記憶部30は、デジタル化された応答信号を記憶する。すなわち、電気化学システム1は、応答信号をデジタル化するAD変換部を具備する。
The
記憶部30は、第2信号の印加開始から印加終了までの間、電圧と電流とを、所定のサンプリングレート、所定のビットレートで記憶する記憶回路である。サンプリングレートは、1kHz以上、ビットレートは、8ビット以上であることが、高精度のデータを得るために好ましい。特に好ましくは、サンプリングレートは、10kHz以上、ビットレートは、16ビット以上である。
The
記憶部30は、デジタル信号を高速に記録する半導体メモリであることが好ましい。半導体メモリに記憶されたデータは、測定終了後に、大容量のデータが記憶可能な磁気記録装置に転送されてから以降の工程が行われてもよい。
The
図7および図8に、測定終了後に、記憶部30に記憶されている、第2信号が印加された電気化学セル10の応答信号(電圧/電流)を示す。図7における(a)~(h)は、選択回路である選択部40によって選択された解析される解析範囲である。
7 and 8 show response signals (voltage/current) of the
解析範囲は、図7に示された測定結果(V/I曲線)をもとに、任意に選択可能である。なお、解析範囲は、補助信号の1サイクル以上50サイクル以下が好ましい。前記解析範囲以上であれば、ノイズ成分の影響が少ないデータが得られる。前解析記範囲以下であれば、動的データが得られる。 The analysis range can be arbitrarily selected based on the measurement results (V/I curve) shown in FIG. The analysis range is preferably 1 cycle or more and 50 cycles or less of the auxiliary signal. If it is more than the said analysis range, the data with little influence of a noise component will be obtained. Dynamic data are obtained if the range is less than or equal to the aforementioned analysis.
(a)電圧印加開始
(b)電圧および電流が、増加(電流0A)
(c)電流が、最大
(d)電流が、減少
(e)電圧が、最大(0.6V)
(f)電圧および電流が、減少(電流0A)
(g)電流が、最小
(h)電圧が減少、電流が増加
(a) Voltage application start (b) Voltage and current increase (current 0A)
(c) Current is maximum (d) Current is decreasing (e) Voltage is maximum (0.6V)
(f) Voltage and current decrease (current 0A)
(g) Current is minimum (h) Voltage decreases, current increases
(a)~(h)は、第2補助信号(f1=39.68Hz)、5サイクルの範囲である。 (a) to (h) are the range of the second auxiliary signal (f1=39.68 Hz), 5 cycles.
図9および図10に、算出回路である算出部50が算出した、選択された解析範囲(a)のフーリエ変換結果を示す。電圧および電流は、補助信号の周波数f1の高調波を含んでいる。
9 and 10 show the Fourier transform results of the selected analysis range (a) calculated by the
算出部50は、高調波における、電圧および電流から算出部50がインピーダンス(Z‘、Z’‘)、を算出する。
The
図11および図12に、選択された解析範囲(a)~(h)のナイキスプロットを示す。なお、図11および図12には、広い周波数範囲のナイキスプロットを得るために、別途、補助信号(f1=39.68Hz、ΔVs=10mV)を重畳した第2信号を印加して測定した応答信号のインピーダンス(Z‘、Z’‘)もプロットされている。 Figures 11 and 12 show the Nyx plots for selected analysis ranges (a)-(h). 11 and 12 show responses measured by applying a second signal superimposed with an auxiliary signal (f1=39.68 Hz, ΔVs=10 mV) separately in order to obtain Nyx plots over a wide frequency range. The signal impedance (Z', Z'') is also plotted.
第1補助信号(f1=3.968Hz)を重畳した第2信号の応答信号からは、3.968Hz~35.712Hzのインピーダンスが取得された。第2補助信号(f1=39.68Hz)を重畳した第2信号の応答信号からは、39.68Hz~4.008kHzのインピーダンスが取得された。 Impedances of 3.968 Hz to 35.712 Hz were obtained from the response signal of the second signal superimposed with the first auxiliary signal (f1=3.968 Hz). Impedances of 39.68 Hz to 4.008 kHz were obtained from the response signal of the second signal superimposed with the second auxiliary signal (f1=39.68 Hz).
表1に、解析回路である解析部60が、ナイキストプロットをもとに、等価回路モデルを用いて、電気化学セル10の特性を示す。
Table 1 shows the characteristics of the
(表1)
(Table 1)
電位差ΔEが大きくなるにつれて、反応抵抗Rct(R2)が増加しており、界面のイオン状態の動的変化が得られている。電位差ΔEは、電流が最大または最小の50%のときの電位である半波電位E1/2と測定電位Eの差である。 As the potential difference ΔE increases, the reaction resistance Rct (R2) increases, and a dynamic change in the ionic state of the interface is obtained. The potential difference ΔE is the difference between the measured potential E and the half-wave potential E 1/2 , which is the potential when the current is 50% of the maximum or minimum.
電気化学システム1は、変化する応答信号から任意の時点のインピーダンスを取得できる。さらに、電気化学システム1では、従来のシステムと異なり、サイクリックボルタンメトリ測定を行ってCVカーブを取得した後に解析範囲(測定条件)を設定するだけで、2回目の測定を行うことなく任意の測定電位E(解析範囲)のインピーダンスZ‘、Z’‘を取得できる。すなわち、サイクリックボルタンメトリ測定と同時にインピーダンス測定が行われるオペランド測定と同じ動的な測定結果が得られる。電気化学システム1は、信頼性の高い動的過程でのインピーダンスを取得できる。
The
<電気化学システムの作動方法>
図3に示すように、電気化学システム1の作動方法は、信号印加工程S10と、記憶工程S20と、選択工程S30と、算出工程S40と、解析工程S50と、を具備する。
<Method of operating the electrochemical system>
As shown in FIG. 3, the operating method of the
<ステップS10>信号印加工程
信号印加工程では、経時変化する第1信号に、複数の周波数の成分を含む補助信号が重畳された第2信号が、複数の電極と電解質とを含む電気化学セルに印加される。
<Step S10> Signal application step In the signal application step, a second signal obtained by superimposing an auxiliary signal including a plurality of frequency components on the first signal that changes over time is applied to an electrochemical cell including a plurality of electrodes and an electrolyte. applied.
<ステップS20>記憶工程
記憶工程は、信号印加工程S10と同時に行われ、第2信号の応答信号が連続してAD変換され、デジタル信号として連続して記憶される。
<Step S20> Storage Step The storage step is performed at the same time as the signal application step S10, in which the response signal of the second signal is continuously AD-converted and continuously stored as a digital signal.
<ステップS25>
測定が終了するまで(No)、ステップS10からの動作が繰り返し行われる。測定が終了すると(Yes)、ステップS30に移行する。
<Step S25>
The operation from step S10 is repeated until the measurement is completed (No). When the measurement ends (Yes), the process proceeds to step S30.
<ステップS30>選択工程
選択工程は、信号印加工程S10および記憶工程S20の後に行われ、記憶されている、変化している応答信号から、解析する解析範囲が選択(設定)される。モニタに表示された応答信号(図7参照)をもとに、使用者によって解析範囲が選択されてもよいし、予め設定された条件に基づいて解析範囲が自動的に選択されてもよい。
<Step S30> Selection step The selection step is performed after the signal application step S10 and the storage step S20, and an analysis range to be analyzed is selected (set) from the stored response signals that are changing. The analysis range may be selected by the user based on the response signal (see FIG. 7) displayed on the monitor, or the analysis range may be automatically selected based on preset conditions.
<ステップS40>算出工程
算出工程では、選択された解析範囲の応答信号がフーリエ変換されることによって、複数の高調波におけるそれぞれのインピーダンスが算出される。
<Step S40> Calculation step In the calculation step, the impedance of each of the plurality of harmonics is calculated by Fourier transforming the response signal in the selected analysis range.
<ステップS50>解析工程
解析工程では、複数の周波数におけるそれぞれのインピーダンスからなるナイキストプロットをもとに、等価回路モデルを用いて、電気化学セル10の特性が解析される。
<Step S50> Analysis Step In the analysis step, the characteristics of the
なお、記憶部30、選択部40、算出部50、および解析部60は、物理的に構成されている回路でもよいし、プログラムによって動作するCPUであってもよい。また、1つの回路によって複数の機能部が構成されていてもよい。例えば、アナログ応答信号をデジタル応答信号に変換するAD変換部(AD変換回路)と算出部50を構成するCPUとが、1つの半導体チップに集積されていてもよい。
Note that the
図14は、第1補助信号(f1=3.968Hz、ΔVs=10mV)に加えて第2補助信号(f1=39.68Hz、ΔVs=10mV)が重畳されている補助信号が重畳されている第2信号の応答信号をもとにしたナイキスプロットを示す。 FIG. 14 shows a second auxiliary signal (f1=39.68 Hz, ΔVs=10 mV) superimposed on the first auxiliary signal (f1=3.968 Hz, ΔVs=10 mV). FIG. 10 shows a Nyx plot based on the response signals of the two signals; FIG.
図14は、図11と良く一致している。すなわち、補助信号に、異なる周波数の複数の矩形波が重畳されていてもよい。また、異なる周波数の正弦波が重畳された補助信号を用いてもよい。 FIG. 14 is in good agreement with FIG. That is, a plurality of square waves having different frequencies may be superimposed on the auxiliary signal. Also, an auxiliary signal in which sine waves of different frequencies are superimposed may be used.
経時変化する第1信号としては、サイクリックボルタンメトリ(CV)、リニアスイープボルタンメトリ(LCV)などの一般の電気化学反応を測定する測定信号があげられる。インピーダンス測定用の微少な補助信号を重畳して、CVまたはLCVなどによる電気化学測定を行った後に、任意範囲(電位/電流)のインピーダンスを測定することできるために、電気化学システム1によれば、解析に必要な測定範囲(測定点)のインピーダンスを取得できる。
The time-varying first signal includes measurement signals for measuring general electrochemical reactions such as cyclic voltammetry (CV) and linear sweep voltammetry (LCV). After superimposing a very small auxiliary signal for impedance measurement and performing electrochemical measurement by CV or LCV, etc., it is possible to measure impedance in an arbitrary range (potential / current), so according to the
インピーダンス測定用の補助信号は、測定法にあわせて、所定の振幅の電流または電流で印可される。 The auxiliary signal for impedance measurement is applied with a current or current of predetermined amplitude, depending on the method of measurement.
さらに、インピーダンス測定だけでなく、電気化学測定と同期して、他のオペランド測定を組み合わせても良い。他のオペランド測定としては、中性子線回折解析、X線回折解析、X線吸収微細構造解析、X線光電子分光解析、赤外線分光分析、紫外線分光分析、ラマン分光分析および光学顕微鏡や電子顕微鏡観察などの、X線解析、分光分析および顕微鏡観察などがあげられる。 Furthermore, other operand measurements may be combined in synchronism with electrochemical measurements in addition to impedance measurements. Other operando measurements include neutron beam diffraction analysis, X-ray diffraction analysis, X-ray absorption fine structure analysis, X-ray photoelectron spectroscopy, infrared spectroscopy, ultraviolet spectroscopy, Raman spectroscopy, and optical microscopy and electron microscopy. , X-ray analysis, spectroscopic analysis and microscopic observation.
<第2実施形態>
図15に示すように、本実施形態の電気化学システム1Aは、第1実施形態の電気化学システム1と、基本構成が類似し同じ効果を有している。このため、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
<Second embodiment>
As shown in FIG. 15, the electrochemical system 1A of this embodiment has a similar basic configuration to the
電気化学システム1Aでは、電気化学セル10Aが二次電池(蓄電池)10Aである。電池10Aは、例えば、リチウムコバルト酸化物等を含有する正極と、炭素材料等を含有する負極と、LiPF6を環状及び鎖状カーボネートに溶解した電解質と、を含むリチウムイオン電池である。なお、電気化学セルは、電気を蓄え放電できる蓄電部であれば、二次電池10Aに限られるものではなく、例えば、電気二重層コンデンサ等でもよい。
In the electrochemical system 1A, the
電気化学システム1Aが電気自動車の蓄電システムの場合には、モーターが負荷25となる。AD変換部(AD変換回路)と記憶部30とを構成するCPUとが、1つの半導体チップに集積されている。さらに、記憶部30、選択部40、算出部50、および解析部60が、モニタおよびキーボードを含む1つのコンピュータによって構成されている。複数の機能部を高速に動作するため、コンピュータのCPUはマルチコアプロセッサであることが好ましい。
When the electrochemical system 1A is a power storage system for an electric vehicle, the
図16は、電気化学システム1Aにより取得された第1信号が充電信号の場合の応答信号を示している。第1信号は、電圧が3V以上4.2V以下に制限された定電流信号である。補助信号は、周波数f1=5Hz、振幅ΔIs=0.5Aの電流制御された第1の矩形波信号と、周波数f1=50Hz、振幅ΔIs=0.5Aの電流制御された第2の矩形波信号と、の重畳信号である。第1の矩形波信号と第2の矩形波信号とが重畳された補助信号の振幅ΔIsは1Aである。 FIG. 16 shows the response signal when the first signal acquired by the electrochemical system 1A is the charging signal. The first signal is a constant current signal whose voltage is limited to 3V or more and 4.2V or less. The auxiliary signals are a current-controlled first rectangular wave signal with a frequency f1=5 Hz and an amplitude ΔIs=0.5 A, and a second current-controlled rectangular wave signal with a frequency f1=50 Hz and an amplitude ΔIs=0.5 A. and is a superimposed signal. The amplitude ΔIs of the auxiliary signal obtained by superimposing the first rectangular wave signal and the second rectangular wave signal is 1A.
サンプリングレートは、10kHz、ビットレートは、24ビットである。応答信号は、充電の進行にともなって徐々に電圧が増加している。 The sampling rate is 10 kHz and the bit rate is 24 bits. The response signal gradually increases in voltage as charging progresses.
図17に、充電時間によって変化したコールコールプロットを、図18にコールコールプロットの解析により取得された、R1およびR2を示す。 FIG. 17 shows a Cole-Cole plot that changed with charging time, and FIG. 18 shows R1 and R2 obtained by analyzing the Cole-Cole plot.
充電により、R1(Rs)およびR2(Rct)が減少しており、充電に伴う電池特性の変化が得られた。 With charging, R1 (Rs) and R2 (Rct) decreased, indicating that the battery characteristics changed with charging.
なお、電気化学システム1Aでは、第1信号が放電信号の場合にも、充電信号の場合と同じように、電池10Aの解析が可能である。
Note that, in the electrochemical system 1A, even when the first signal is the discharge signal, the
図19は、電気化学システム1Aにより取得された第1信号が、二次電池10Aの放電信号の場合の応答信号を示している。放電信号は定電流信号である。補助信号は、周波数f1=50Hzおよび50Hzの電流制御された矩形波重畳信号である。放電信号は、充電の進行にともなって徐々に電圧が減少している。
FIG. 19 shows the response signal when the first signal acquired by the electrochemical system 1A is the discharge signal of the
図20に、放電時間によって変化したコールコールプロットを、図21にコールコールプロットの解析により取得された、R1およびR2を示す。 FIG. 20 shows a Cole-Cole plot that changed with discharge time, and FIG. 21 shows R1 and R2 obtained by analyzing the Cole-Cole plot.
放電により、R1およびR2が変化しており、放電に伴う電池特性の変化が得られた。 Due to discharge, R1 and R2 changed, and a change in battery characteristics accompanying discharge was obtained.
図17と図20を比べると、両者は変化が同一では無いことから、静的変化では無く動的変化が取得されていることがわかる。 Comparing FIG. 17 and FIG. 20, the changes are not the same in both, so it can be seen that dynamic changes are acquired instead of static changes.
なお、説明を簡単にするため、電気化学システム1Aは電気化学セルとして、1個の電池10Aを有していた。しかし、電気化学セルが、複数の電池10Aが直列接続された電池ユニット、複数の電池10Aが並列接続された電池ユニット、または、複数の電池10Aが直列及び並列に接続された電池ユニットであっても、電池ユニットの全体としての特性変化を検出することもできる。
To simplify the explanation, the electrochemical system 1A has one
また、電気化学システム1、1Aは、ナイキストプロットをもとに、等価回路モデルを用いて電気化学セル10、10Aの特性を解析する解析部60を具備していた。
Moreover, the
しかし、実施形態の電気化学システムは、等価回路モデルを用いて解析する解析部60を有していなくともよい。例えば、特定の周波数のインピーダンスを少なくとも1つ取得できれば、以前に取得したインピーダンスと比較することによって、電気化学セルの大凡の特性変化を把握することが可能である。
However, the electrochemical system of the embodiment does not have to have the
本発明は、上述した実施形態等に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変、例えば、実施形態の構成要素の組み合わせ等が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications and alterations, such as combinations of constituent elements of the embodiments, are possible within the scope of the present invention.
1、1A…電気化学システム
10、10A…電気化学セル
11、12、13…電極
14…電解質
20…電源
21…第1信号発生部
22…補助信号発生部
23…重畳部
25…負荷
30…記憶部
40…選択部
50…算出部
60…解析部
DESCRIPTION OF
Claims (12)
経時変化する第1信号に、複数の周波数の成分を含む補助信号が重畳された第2信号を、前記電気化学セルの前記作用極と前記対極との間に印加する電源と、
前記第2信号の前記作用極と前記対極との間からの応答信号を連続して記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶されている、変化している前記応答信号の解析範囲が任意に選択される選択部と、
前記解析範囲の前記応答信号を、フーリエ変換して、前記複数の周波数におけるそれぞれのインピーダンスを算出する算出部と、を具備することを特徴とする電気化学システム。 an electrochemical cell comprising a working electrode, a counter electrode and an electrolyte;
a power supply that applies a second signal obtained by superimposing an auxiliary signal containing a plurality of frequency components on a first signal that changes over time between the working electrode and the counter electrode of the electrochemical cell;
a storage unit that continuously stores response signals from between the working electrode and the counter electrode of the second signal;
a selection unit that arbitrarily selects an analysis range of the changing response signal stored in the storage unit;
an electrochemical system, comprising: a calculator for Fourier-transforming the response signal in the analysis range to calculate respective impedances at the plurality of frequencies.
前記算出部が、前記第1周波数の複数の高調波におけるそれぞれのインピーダンスを算出することを特徴とする請求項1に記載の電気化学システム。 wherein the auxiliary signal is a square wave of a first frequency;
2. The electrochemical system according to claim 1, wherein the calculator calculates impedances of the plurality of harmonics of the first frequency.
前記算出部が、複数の異なる周波数のそれぞれの複数の高調波における、それぞれのインピーダンスを算出することを特徴とする請求項1に記載の電気化学システム。 A plurality of rectangular waves having different frequencies are superimposed on the auxiliary signal,
2. The electrochemical system according to claim 1 , wherein said calculator calculates respective impedances at respective multiple harmonics of multiple different frequencies.
前記第1信号が、充電信号であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電気化学システム。 the electrochemical cell is a secondary battery,
5. An electrochemical system according to any one of claims 1 to 4, wherein said first signal is a charging signal.
デジタル化された前記応答信号が、前記記憶部に記憶されることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電気化学システム。 An AD conversion unit that digitizes the response signal,
8. The electrochemical system according to any one of claims 1 to 7, wherein the digitized response signal is stored in the storage unit.
前記信号印加工程と同時に行われる、前記第2信号の前記作用極と前記対極との間からの応答信号が記憶部に連続して記憶される記憶工程と、
前記信号印加工程および前記記憶工程の後に行われる、前記記憶部に記憶されている、変化している前記応答信号の解析範囲が任意に選択される選択工程と、
前記解析範囲の前記応答信号を、フーリエ変換して、前記複数の周波数におけるそれぞれのインピーダンスが算出される算出工程と、を具備することを特徴とする電気化学システムの作動方法。 A second signal obtained by superimposing an auxiliary signal containing a plurality of frequency components on a first signal that changes over time is applied between the working electrode and the counter electrode of an electrochemical cell including a working electrode, a counter electrode, and an electrolyte. a signal applying step of
a storage step in which the response signal from between the working electrode and the counter electrode of the second signal is stored continuously in a storage unit, which is performed simultaneously with the signal applying step;
a selection step of arbitrarily selecting an analysis range of the changing response signal stored in the storage unit, performed after the signal application step and the storage step;
and a calculating step of Fourier transforming the response signal in the analysis range to calculate impedances at the plurality of frequencies.
前記算出工程において、前記第1周波数の複数の高調波におけるそれぞれのインピーダンスが算出されることを特徴とする請求項9に記載の電気化学システムの作動方法。 wherein the auxiliary signal is a square wave of a first frequency;
10. The method of operating an electrochemical system of claim 9, wherein the step of calculating comprises calculating respective impedances at a plurality of harmonics of the first frequency.
前記算出工程において、複数の異なる周波数のそれぞれの複数の高調波における、それぞれのインピーダンスが算出されることを特徴とする請求項9に記載の電気化学システムの作動方法。 A plurality of rectangular waves having different frequencies are superimposed on the auxiliary signal,
10. The method of operating an electrochemical system of claim 9 , wherein in the calculating step, respective impedances at a plurality of respective harmonics of a plurality of different frequencies are calculated.
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