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インピーダンス 書籍

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★あなたの測定方法は間違っていませんか? 正確な測定をするための具体的手法を詳解!

★化学系出身で電気がさっぱりわからない、そんな方にもわかりやすい!

◆ 監修 山形大学 立花 和宏 氏 ◆

インピーダンス測定ノウハウデータ解析の進め方

Impedance measurement and data analysis

発刊 発刊 2009年2月27日  体裁:B5判 357頁 上製本  定価 80,000円(税抜)

■ 本書の特徴

注目ポイント

 ★装置が吐き出すグラフがたまるだけで、いったいどう使えばいいのでしょうか?
 ★インピーダンスを測定するときの充電状態の決めかたのポイントは?
 ★測定時の大きな直流バイアス成分の取り除き方は?
 ★サイズの異なる活物質の電気的な解釈を数学的にどう行うのか?
 ★正極材料の表面処理の有無による高充電電圧時のサイクル容量劣化の差は?
 ★電池に交流電流が印加された場合の発熱挙動は?
 ★インピーダンスと併用して行うべき化学的分析の手法は?

インピーダンス・電気化学の基礎

・実践にそくした基礎理論から測定の方法、装置の説明、扱う際の注意点を丁寧に解説

リチウム二次電池

・セル、正極、負極、電極/電解質界面それぞれの箇所ごとの測定法の違いとは?
・内部抵抗、エントロピー、発熱の挙動はどうやって求める?

電気二重層キャパシタ

・キャパシタのフロート充電における劣化プロセスはどうなっている?
・解析を高出力化に向けた細孔構造設計に生かすポイントは?

燃料電池・固体高分子膜

・セル特性の解釈の仕方を丁寧に解説!
・圧力・温度・湿度・収着量・伝導度・イオン交換量、、、それぞれの影響は?

色素増感太陽電池

・インピーダンス式の使い方を正しく解説!
・電子移動に関わる諸定数の決定方法、実測値の解析はどのように進めればよい?


インピーダンス標準

・標準の開発動向、校正技術を分かりやすく解説!

■ 執筆者

山形大学
東京大学
上智大学
山形大学
(株)東陽テクニカ
横河マニュファクチャリング(株)
山形大学
大分大学
長崎大学
長崎大学
産業技術総合研究所
(株)東レリサーチセンター
東京農工大学

東京農工大学
群馬大学
群馬大学

立花 和宏
立間 徹
遠藤 明
粟野 宏
佐々木 浩人
津野 徹
木俣 光正
豊田 昌宏
森口 勇
山田 博俊
竹内 友成
林 栄治
山口 秀一郎

小山 昇
森本 英行
鳶島 真一

京都大学
産業技術総合研究所
滋賀県立大学
山口大学
山口大学

(株)NTTドコモ
日清紡績(株)
産業技術総合研究所
東京電機大学
日本ベル(株)
同志社大学
産業技術総合研究所  
山形大学
経済産業省

安部 武志
齋藤 喜康
乾 義尚
江頭 港
森田 昌行

竹野 和彦
野津 龍太郎
山下 順也
西川 尚男
吉田 将之
足立 基齊
坂本 憲彦
仁科 辰夫
後藤 博幸

■ 目 次

第1章 電気化学の基礎と測定の進め方


1節 電気化学の基礎
 1 酸化還元反応
 2 電極との反応と電極電位
 3 平衡電位
 4 標準電極電位
 5 Nernstの式
 6 電気化学反応
 7 過電圧
 8 電気化学回路
 9 電解質
 10 参照極
 11 二電極系と三電極系
 12 電池の放電と充電
 13 電気分解とセンサ
 14 腐食と防食
 15 光触媒と色素増感太陽電池

2節 電気化学測定の基本

電気化学測定系の構成
 1 電気化学測定系の構成
 2 ポテンシオスタット・ガルバノスタット
 3 電極
  3.1 作用電極(WE)
    3.1.1 材質
    3.1.2 形状
    3.1.3 電極の前処理
  3.2 対電極(CE)
  3.3 基準電極(RE)
 4 測定溶媒
 5 支持電解質
 6 セル
 7 不活性ガス
 8 恒温槽

第2章 電池特性とインピーダンス  -基礎と測定装置の種類・使い方-

1節 インピーダンスの基礎
 1 減衰振動の諸相 −緩和現象と共鳴吸収−
 2 応答函数とその性質
  2.1 直列RC要素
  2.2 並列RC要素
  2.3 応答函数
 3 周波数応答函数としての複素インピーダンス
 4 分散関係

2節 電池特性とインピーダンス
 1 電池の起電力と内部抵抗−電気が流れてなくても電圧がある
 2 なぜ交流分極を行うか?−ファラデーの電気分解の法則
 3 合材電極の構造と集合粒子の取り扱い
 4 物性値と特性値―断面積と表面積
 5 バルクと界面―電流集中と接触抵抗

3節 インピーダンス測定に使用する装置の種類と使い方
 1 装置の種類
  1.1 概要
    1.1.1 インピーダンス測定器の種類
        LCRメータ FFT(高速フーリエ変換)
        ロックインアンプ(位相検波法) 周波数応答アナライザ
    1.1.2 ポテンショ・ガルバノスタット
    1.1.3 周波数応答アナライザ
 2 装置の使い方,注意するポイント
  2.1 高精度なEIS測定に必要な機能
    2.1.1 バイアス除去
    2.1.2 ドライブシールド
    2.1.3 4端子測定
    2.1.4 フィードバックループ・バンド幅設定
    2.1.5 フローティング接続

第3章 電気インピーダンスの基礎と測定・解析の進め方

 1 電気インピーダンスとは?
  1.1 直列共振と並列共振
  1.2 Quality factor について
  1.3 コンデンサ−の配線法はどうしたら良いの?
  1.4 リアクタンスチャート
 2 電池とコンデンサー(キャパシター)
  2.1 コンデンサーの動作
  2.2 コンデンサーの種類
  2.3 電荷量の計算式
  2.4 コンデンサーの物理的意味
 3 コンデンサーの性能
  3.1 高周波特性
  3.2 自己共振周波数
  3.3 tanδ
  3.4 容量精度
  3.5 温度係数
  3.6 経年変化
 4 電気インピーダンスの測定法
  4.1 テスターによる測定法
    4.1.1 どんなテスターつかえばいいの?
    4.1.2 測定方法は?
  4.2 測定器による測定法
    4.2.1 TR10C
    4.2.2 GR1616(General Radio社製)
    4.2.3 HP-7494

第4章 粉体材料・炭素材料・多孔質材料・イオン導電体・誘電体のモルフォロジーと物性の求め方

1節 粉体材料のモルフォロジーと物性,分散性
 1 粒子の大きさの定義
  1.1 粒子径
    1.1.1 幾何学的粒子径
    1.1.2 動力学的粒子径
    1.1.3 光学的粒子径
  1.2 粒子径分布
  1.3 代表粒子径
 2 電気的性質
  2.1 誘電性
  2.2 電気伝導性
 3 分散性の評価
  3.1 付着力
  3.2 沈降法による分散性評価
  3.3 レーザ光による分散性評価

2節 炭素材料のインピーダンス測定
 1 粉体を成型した電池,キャパシタ用電極
  1.1 キャパシタ用の電極として使用される活性炭粉末の場合
  1.2 Liイオン電池用の電極として使用される黒鉛の場合

3節 電極ナノ多孔構造のインピーダンス解析例
 1 電気化学デバイスの反応素過程とナノ構造電極
  1.1 電極表面へのイオン輸送
  1.2 電極表面への電子供給
  1.3 電極表面での電気化学反応
  1.4 電極活物質中でのイオン拡散
  1.5 リチウムイオン二次電池以外の電気化学デバイスの場合
 2 ナノ構造電極
  2.1 EDLC用ナノ多孔カーボン電極
  2.2 LIB用ナノ多孔性a-V2O5/C電極

4節 イオン導電体・誘電体の導電率・誘電率の求め方
 1 データ解析の概略
 2 イオン導電体
 3 誘電体

第5章 リチウム二次電池の測定と解析


1節 リチウムイオン電池のインピーダンスに関連する化学分析
 1 負極SEI膜の化学分析
 2 正極の化学分析

2節 インピーダンス(ACIS)でわかる材料の特性 −正極・電解質界面
 1 正極特性評価のための等価回路モデル
 2 各種正極材料への適用
  2.1 測定法
  2.2 各種正極材料について
    a 正極表面の不活性膜 b LiCoO2系  c LiNiO2系
    d LiMn2O4系  e V2O5系  f LiFePO4系
  2.3 各種正極界面の化学的修飾による特性向上
  2.4 導電性ポリマーとの複合化
 3 活物質層と電解質および集電体との界面制御
    a 活物質層界面での反応  b 集電体界面での反応
 4 活物質層と固体電解質との界面制御

3節 表面処理した正極のインピーダンス特性
 1 正極粒子表面の様子
 2 正極の作製と評価用電気化学セルの作製
  2.1 正極の作製
  2.2 評価用電気化学セル
 3 定電流充放電特性と交流インピーダンスの特性評価
  3.1 定電流充放電特性
  3.2 交流インピーダンスの特性評価

4節 インピーダンスによるインサーション材料への電荷移動反応
    −測定例とその解釈−
 1 電解質の電位窓
 2 セラミック電解質/有機系電解質間の電荷移動
 3 黒鉛電極/有機系電解質間のリチウムイオン移動
 4 黒鉛電極/有機系電解質間のアニオン移動
 5 黒鉛電極/イオン液体界面でのアニオン移動

5節 交流印加時のリチウムイオン電池の発熱とインピーダンス
 1 電池の発熱機構
  1.1 発熱因子
  1.2 定電流充放電時の発熱
  1.3 交流印加時の発熱
 2 熱測定システム
  2.1 熱量計
  2.2 抵抗ヒーターに交流を印加した場合の熱測定
 3 交流印加時のリチウムイオン電池の発熱挙動
  3.1 試料電池
  3.2 高周波交流印加(100 Hz)
  3.3 低周波交流印加(1 mHz)
  3.4 発熱の周波数依存性

6節 リチウムイオン二次電池の等価内部抵抗とエントロピー変化の推定法
 1 リチウムイオン二次電池の発熱因子
 2 等価内部抵抗とエントロピー変化の推定法
 3 市販小型電池に対する測定例

7節 インピーダンスによるモデルセルのサイクル挙動の解析
 1 2極式セルでのインピーダンス測定の問題点
 2 時定数による両極の寄与の識別

8節 携帯電話用リチウムイオン電池のための内部インピーダンス測定の概要
 1 携帯電話用電池の概要
 2 リチウムイオン電池の容量判定のためのインピーダンス測定
  2.1 本検討の目的
  2.2 実験手法と手順
  2.3 実験結果

第6章 電気二重層キャパシタの測定と解析


1節 電気二重層キャパシタの交流インピーダンス測定およびその解釈
 1 電気化学デバイスにおける内部抵抗と交流インピーダンス
  1.1 電気化学デバイスにおける直流内部抵抗
  1.2 電気化学デバイスにおける交流インピーダンス
  1.3 電気二重層キャパシタにおける交流インピーダンス
 2 電気化学デバイスの交流インピーダンス測定方法および得られた情報の解釈
  2.1 電気化学デバイスの交流インピーダンス測定方法と注意すべきこと
  2.2 電気二重層キャパシタの交流インピーダンス測定
  2.3 電気二重層キャパシタの交流インピーダンス測定結果を解釈するポイント
 3 キャパシタのインピーダンス測定およびその解釈の事例
  3.1 種々の炭素材料を負極活物質に用いたキャパシタの内部インピーダンス測定
  3.2 キャパシタのフロート充電における劣化プロセスの調査

2節 多孔性電極の電気化学インピーダンス
   -その解釈と電気二重層キャパシタの高出力化に向けた細孔構造設計-
 1 無限に長い円筒状細孔をもつ電極の電気化学インピーダンス
 2 有限の長さの円筒状細孔をもつ電極の電気化学インピーダンス
 3 非円筒状細孔をもつ電極の電気化学インピーダンス

第7章 燃料電池・固体高分子膜の測定と解析

1節 燃料電池のインピーダンス測定方法とセル特性の解釈の仕方
 ◎セル特性解釈の基礎
 1 コールコールプロットの代表例とセル電圧特性
  酸素濃度変化 触媒量変化時の特性 電流密度変化 空気利用率変化 セル温度変化
  加湿温度変化時の特性
 2 分極分離とACインピーダンスとの関係  
  セル電圧特性 コールコールプロット 分極分離結果 電荷移動抵抗と質量移動抵抗
 3 触媒層内のイオン伝導度の測定

2節 燃料電池固体高分子膜のインピーダンス測定法
   -水蒸気収着量並びにプロトン伝導度同時測定-
 1 緒言
 2 装置概要
 3 水分収着量並びにプロトン伝導度測定
 4 イオン交換膜表面物性測定方法の提案
 5 結果と考察
  5.1 圧力・温度・湿度可変に対する収着量並びに伝導度の影響
  5.2 イオン交換量の違いによる収着量ならびに伝導度の影響
 5.3 温度の違いによる収着量ならびに伝導度の影響
 6 結言

第8章 色素増感太陽電池評価法   -インピーダンス法による評価・解析-

 1 インピーダンス法とは
 2 色素増感太陽電池へのインピーダンス法の適用
 3 インピーダンス式の特性
 4 電子移動に関わる諸定数の決定方法
 5 実測値の解析方法
 6 いくつかの条件下での電子移動に関わる諸定数の決定

第9章 インピーダンス標準の校正測定技術

 1 インピーダンス標準とは
 2 交流抵抗標準
  2.1 量子化ホール抵抗
  2.2 交直差計算可能抵抗器
  2.3 4端子対型インピーダンスブリッジによる校正
 3 キャパシタンス標準
  3.1 クロスキャパシタによる方法
  3.2 量子化ホール抵抗と直角相ブリッジによる方法
  3.3 キャパシタンス標準の容量拡張
 4 インダクタンス標準
  4.1 LC直列回路を利用した補償法によるインダクタ校正

第10章 インピーダンス測定・データ解析 Q&A

Q 三角関数の項からどうすればインピーダンスを複素数の形にできるのでしょうか?
Q EIS法では数学的な取り扱いが非常に簡単になるとはどういうこと?
Q コール・コールプロットで半円弧がつぶれていたり、でなかったり、2つでてきたり、拡散インピーダンスが45度でない場合、抵抗の判断の仕方は?
Q 放電中はテイラー展開が当てはまらないのでEISデータは測定できないの?
Q パラメータフィッティングにおいて、高周波側から低周波側まで等しい重さで誤差を評価する方法は無いのでしょうか?

      他多数

附録 電気図記号 新旧比較表

 

リチウム 電気化学