JP7525272B2 - Measuring device and measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、固体電池のイオン拡散状態を測定する測定装置および測定方法に関する。 The present invention relates to a measurement device and a measurement method for measuring the ion diffusion state of a solid-state battery.
従来、電解液を利用する二次電池内のリチウムイオンの移動状態の把握は、充放電特性、インピーダンス測定により間接的に行われていた。
従来の方法では、イオンの移動を直接観察、測定することは難しく、特に軽元素は検出方法が限られ直接観察することはできなかった。また、イオン移動時にはイオンは同時に移動することから、特定イオン移動にのみ観察、測定することは難しかった。
一方、全固体リチウム二次電池内部では、リチウムイオンの移動挙動は把握されておらず、例えば充放電試験やインピーダンス測定を行う間接的な評価手法では、元素の拡散状態を精度よく定量評価することは難しかった。
さらに、電解液を利用するリチウム二次電池内部のリチウムイオンの拡散を測定するためには、密閉度の高い装置を必要とし、例えば移動体上でリチウム二次電池内部のリチウムイオンの拡散を測定することが難しいという課題もあった。
Conventionally, the state of movement of lithium ions in secondary batteries that use electrolyte has been understood indirectly by measuring charge/discharge characteristics and impedance.
With conventional methods, it is difficult to directly observe and measure the movement of ions, and light elements in particular cannot be directly observed due to limited detection methods. In addition, since ions also move simultaneously during ion movement, it is difficult to observe and measure only a specific ion movement.
On the other hand, the behavior of lithium ions moving inside all-solid-state lithium secondary batteries has not been fully understood, and it has been difficult to accurately quantitatively evaluate the diffusion state of elements using indirect evaluation methods such as charge/discharge tests and impedance measurements.
Furthermore, in order to measure the diffusion of lithium ions inside a lithium secondary battery that uses an electrolyte, a highly sealed device is required, which makes it difficult to measure the diffusion of lithium ions inside a lithium secondary battery, for example, on a moving object.
本発明は上記の背景技術に鑑みてなされたものであり、本発明は、固体電池から拡散する第1の原子イオンと該第1の原子イオンと同位体の第2原子イオンの拡散状態を示す拡散プロファイルを取得できる測定装置および測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned background technology, and aims to provide a measurement device and a measurement method capable of acquiring a diffusion profile showing the diffusion state of a first atomic ion diffusing from a solid-state battery and a second atomic ion that is an isotope of the first atomic ion.
本発明者らは、安定濃縮同位体6Liのラベル化を用いたリチウム金属複合酸化物におけるリチウム拡散の評価について鋭意検討した結果、リチウム金属複合酸化物の表面に形成された被覆層を6Liでラベル化してリチウムイオンの挙動の変化を評価することにより、出力特性の改善を検討する上で有効なデータが得られるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。 The inventors conducted extensive research into the evaluation of lithium diffusion in lithium metal composite oxides using labeling with the stable enriched isotope 6Li, and discovered that labeling the coating layer formed on the surface of the lithium metal composite oxide with 6Li and evaluating the changes in the behavior of the lithium ions would provide useful data for investigating improvements to output characteristics, leading to the completion of the present invention.
本発明は、正極と負極との間に固体電解質を設け、前記正極と前記負極に所定電位の直流電圧を印加する印加手段と、前記固体電解質、前記正極に一次イオンを照射またはエネルギーを付与してイオン化を促す催促手段と、前記直流電圧を正極と負極との間に印加した状態で、前記催促手段から照射される前記一次イオンまたは付与されるエネルギーに基づいて、前記正極、または固体電解質から拡散する前記第1の原子イオンの質量と、前記第1の原子イオンと同位体となる第2の原子イオンの質量とを検出して拡散プロファイルを取得する取得手段と、を備える測定装置である。 The present invention is a measurement device that includes a solid electrolyte between a positive electrode and a negative electrode, an application means for applying a DC voltage of a predetermined potential to the positive electrode and the negative electrode, a promotion means for irradiating the solid electrolyte and the positive electrode with primary ions or imparting energy to promote ionization, and an acquisition means for detecting the mass of the first atomic ion diffusing from the positive electrode or solid electrolyte and the mass of a second atomic ion that is an isotope of the first atomic ion based on the primary ions irradiated from the promotion means or the energy imparted while the DC voltage is applied between the positive electrode and the negative electrode, to obtain a diffusion profile.
本発明によれば、固体電池から拡散する第1の原子イオンと該第1の原子イオンと同位体の第2原子イオンの拡散状態を示す拡散プロファイルを取得できる。 According to the present invention, it is possible to obtain a diffusion profile that indicates the diffusion state of a first atomic ion diffusing from a solid-state battery and a second atomic ion that is an isotope of the first atomic ion.
以下、本実施形態では、固体電池(二次電池)の例として、リチウム電池を例として説明する。 In the following, in this embodiment, a lithium battery will be used as an example of a solid-state battery (secondary battery).
〔第1実施形態〕
図1は、第1実施形態を示す固体電池の測定装置の動作を説明する図である。本例では、固体電池から拡散するリチウムイオン、第1の原子イオンとしての7Li原子イオンと同位体の第2の原子イオンとしての6Li原子イオンを利用して拡散するリチウムイオンの挙動を分析して評価する例を説明する。以下、元素の拡散を精度よく定量評価する例を説明する。
First Embodiment
1 is a diagram for explaining the operation of the measurement device for a solid-state battery according to the first embodiment. In this example, an example is described in which the behavior of lithium ions diffusing from a solid-state battery is analyzed and evaluated using 7Li atomic ions as first atomic ions and 6Li atomic ions as isotopic second atomic ions. Hereinafter, an example is described in which the diffusion of elements is quantitatively evaluated with high accuracy.
図1において、電源1は、7Li金属電極網4(負極)と6Li金属電極3(正極)との間に所定電位の直流電圧を印加する。本例では、マイナス電位を7Li金属電極網4に印加し、プラス電位を正極としての6Li金属電極3に印加する構成とする。
In FIG. 1, the power source 1 applies a DC voltage of a predetermined potential between the 7Li metal electrode mesh 4 (negative electrode) and the 6Li metal electrode 3 (positive electrode). In this example, a negative potential is applied to the 7Li
催促手段としての一次イオン照射部10は、例えばビスマス、ガリウム、金、カーボン60などの一次イオン11を照射し、あるいは催促手段として図示しないレーザー光、局所的な加熱、X線、中性子等、なんらかのエネルギーを付与する。これによって、固体電解質5からのイオンを放出させることができ、拡散する7Li原子イオン8(第1の電子イオン)と同位体の6Li原子イオン7(第2の電子イオン)を捉えることができる。6Li原子イオン7が固体電解質5を透過し表面に達すると、6Li原子イオン7の放出量が増加し質量検出器2により変化を検知することができる。
The primary
この際、一次イオン11の照射、Li原子イオンの放出、検知を阻害しないよう真空を保持するため真空チャンバー12を設けている。このように、本実施形態では、特定の部位に観察対象とする6Li原子イオン7を存在させ、電位差等の適当なポテンシャル差を掛けることで、6Li原子イオン7を移動させることができる。この際、6Li原子イオン7は7Li原子イオン8と比較し質量が小さいことから、イオンの移動速度が速くその効果は理論上、質量比の平方根に比例することから約1.08倍となる。
At this time, a
ここで、取得手段としての質量検出器2は、一次イオン照射部10から一次イオン11としてビスマス、ガリウム、金、カーボン60のいずれかを一次イオン照射部10より照射すること、あるいは図示しない催促手段としてのレーザー光、局所的な加熱、X線、中性子等のいずれかのエネルギーを固体電解質5に与えることで、観察可能な照射位置まで移動した7Li原子イオン8と、6Li原子イオン7を放出させ正極あるいは固体電解質5、その両方から拡散する7Li原子イオン8と、該7Li原子イオン8と同位体となる6Li原子イオン7の質量を特定する拡散プロファイルを取得する。
The
診断手段としての診断部9は、質量検出器2が取得した拡散プロファイルとしてのリチウム検出プロファイルに基づいて、7Li原子イオン8に対する6Li原子イオン7の割合や6Li原子イオン7の移動量の結果に基づき、後述するフローチャートに基づいて固体電池の劣化状態を診断する。
The
そして、診断部9は、測定された7Li原子イオン8と、6Li原子イオン7の拡散プロファイルに基づいて、移動距離、移動時間、移動量等を解析して、正極あるいは固体電解質5、その両方から拡散して移動してきた7Li原子イオン8と、6Li原子イオン7との割合や6Li原子イオン7の移動量の結果から二次電池の劣化状態、充放電状態を診断する。
Then, the
なお、本実施形態に示す検査装置や診断装置は電解質が液体、半固体の場合においても、適用することが可能である。 The testing device and diagnostic device shown in this embodiment can also be used when the electrolyte is liquid or semi-solid.
よって、本実施形態を適用する診断装置を移動体、例えば車載し、かつ、移動中に二次電池の劣化状態、充放電状態を診断することも可能となる。
また、質量検出器2による分析手法は、二次電池材料の固体表面分析をおこなう際に用いる、二次イオン質量分析手法を用いることができる。
Therefore, it is possible to mount a diagnostic device to which this embodiment is applied on a moving body, such as a vehicle, and diagnose the deterioration state and the charge/discharge state of a secondary battery while the battery is moving.
Moreover, the analysis method using the
〔実験例〕
質量検出器2が所定時間内に検出する7Li原子イオン8と、6Li原子イオン7との割合は、二次電池が劣化していない状態と、二次電池が劣化している状態とを比較すると、二次電池が劣化していない状態では、6Li原子イオン7が相対的に増加する傾向を観察した(後述する図2に実験値に基づく検出強度を示す)。
[Experimental Example]
When comparing the ratio of 7Li
また、質量検出器2が所定時間内に検出するLi原子イオン7の検出カウント数を対比すると、二次電池が劣化していない状態では、6Li原子イオン7の方が、より早く観察部位に到達している傾向、並びに、二次電池が劣化している状態に比べて相対的に検出カウント数が多い傾向を観察した。つまり、二次電池の劣化により6Li原子イオン7の移動が阻害されていることを示している。
In addition, when comparing the detection counts of Li
ここで、阻害要因としては、活物質および電解質など各構成材料の劣化および構成材料間の乖離、汚染などが考えられる。
これらの観察および考察に基づき、本質量分析手法に基づく二次電池の劣化診断が移動体、特に車載され実際に移動する状態での劣化診断に有効な手法である。
Here, possible inhibiting factors include deterioration of the constituent materials such as the active material and electrolyte, and separation and contamination between the constituent materials.
Based on these observations and considerations, it has been found that the deterioration diagnosis of secondary batteries based on this mass spectrometry technique is an effective technique for diagnosing deterioration in moving objects, particularly in vehicles where the batteries are actually mounted and moving.
図2は、図1に示した二次電池の拡散イオン強度の経時変化を示す図に対応する。なお、縦軸は6Li原子イオン7の検出カウント数(イオン強度)を示し、横軸は時間を示す。また、実線は、正常な二次電池の拡散イオンの検出強度を示し、破線は、劣化した二次電池の拡散イオンの検出強度を示す。
Figure 2 corresponds to the diagram showing the change over time in the diffused ion strength of the secondary battery shown in Figure 1. The vertical axis shows the detected count number (ion strength) of 6Li
図2に示すように、二次電池の充電特性のうち、特性を司る拡散抵抗の要因を示すと、下から21は活物質内Liイオン拡散領域を示し、22は固体電解質内Liイオン拡散領域を示し、23は活物質間拡散領域を示す。これらの傾向はイオン強度の時間に対する傾きすなわち到達速度を取ることでも明確に把握することができる。 As shown in Figure 2, the factors of diffusion resistance that govern the charging characteristics of a secondary battery are shown as follows: from the bottom, 21 indicates the Li-ion diffusion region within the active material, 22 indicates the Li-ion diffusion region within the solid electrolyte, and 23 indicates the diffusion region between active materials. These trends can also be clearly understood by taking the slope of the ion intensity versus time, i.e., the arrival speed.
このように、充電特性を拡散抵抗の要因に切り分けると、劣化した二次電池の要因を判断する際に、正極の劣化であるか、電解質の劣化、あるいは界面の劣化であるかを切り分けて判断することができる。 In this way, by separating the charging characteristics into diffusion resistance factors, it is possible to determine whether the cause of a deteriorated secondary battery is deterioration of the positive electrode, electrolyte, or interface.
〔第1実施形態の効果〕
本実施形態によれば、同位体のリチウムイオンの移動距離と時間と量を正確に測定することができる。これにより、リチウムイオン移動に適当な電池材料の開発、電極の設計、さらにセル設計、電池制御の適正化が行えるようになる。
また、リチウムイオンの移動速度、移動量の変化から電池の劣化状態を把握することも可能となる。
[Effects of the First Embodiment]
According to this embodiment, the distance, time, and amount of lithium isotope ions can be accurately measured. This makes it possible to develop battery materials suitable for lithium ion migration, design electrodes, and further design cells and optimize battery control.
It will also be possible to grasp the state of battery deterioration from changes in the speed and amount of lithium ion movement.
さらに、材料間界面が複数存在している場合においては、元素移動における界面の影響も測定することができる。
また、元素の拡散を定量評価する本実施形態を二次電池の劣化状態の診断に適用できるため、様々な状態で使用される電子機器、移動体、特に、二次電池を車載する環境でも二次電池の劣化診断ができる。
Furthermore, when there are multiple interfaces between materials, the effect of the interfaces on element transfer can also be measured.
Furthermore, since this embodiment, which quantitatively evaluates the diffusion of elements, can be applied to diagnosing the deterioration state of a secondary battery, it is possible to diagnose the deterioration of a secondary battery in electronic devices and mobile objects that are used in various conditions, especially in environments where a secondary battery is mounted on a vehicle.
〔第2実施形態〕
図3は、第2実施形態を示す固体電池の測定装置の動作を説明する図である。
なお、図1に示した構成と、図3に示す構成との差異は、正極集電体16と固体電解質5との間に、6Li同位体置換正極活物質を含む正極層14、負極集電体15と固体電解質5との間に負極活物質を含む負極層13を挟み込む形態である点である。なお、正極集電体16としては、アルミやステンレスが好ましく、負極集電体15としては、銅やステンレスが好ましい。
Second Embodiment
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the solid-state battery measuring device according to the second embodiment.
3 is that a
本例では、固体二次電池の構造をとっており、充放電することが可能となっている。
正極集電体16と固体電解質5との間に、6Li同位体置換正極活物質を含む正極層14、負極集電体15と固体電解質5との間に負極層13を挟み込むことで、Liイオンが正極層、負極層内に出入りすることが可能となり二次電池の機能を発現できる。
In this example, the battery has a solid secondary battery structure and is capable of being charged and discharged.
By sandwiching a
〔第2実施形態の効果〕
本実施形態によれば、同位体のリチウムイオンの移動距離と時間と量を効率よく、かつ正確に測定することができる。
[Effects of the second embodiment]
According to this embodiment, the migration distance, time, and amount of lithium isotope ions can be measured efficiently and accurately.
〔第3実施形態〕
図4は、本実施形態を示す固体電池の診断方法を説明するフローチャートである。なお、ST1~ST9は各ステップを示し、図示しないCPUやプロセッサがROMから読み出す制御プログラムを実行することで実現される。また、本例では、測定装置に診断手段を設ける場合を示すが、分離して外部装置とすることも本実施形態の適用範囲である。
Third Embodiment
4 is a flowchart for explaining the method for diagnosing a solid-state battery according to this embodiment. ST1 to ST9 indicate each step, which is realized by a CPU or processor (not shown) reading out a control program from a ROM and executing it. In this example, a case where the diagnosing means is provided in the measuring device is shown, but the scope of this embodiment also includes the case where the diagnosing means is provided as an external device separately.
電源1から負極集電体15と正極集電体16との間に所定の直流電圧を印加する(ST1)。図示しないタイマ等により所定時間経過を待つことで(ST2)、診断部9内の測定環境を安定させる。
次に、催促手段としての一次イオン照射部10より一次イオン11としてビスマス、ガリウム、金、カーボン60のいずれかを負極層に照射する(ST3)。
A predetermined DC voltage is applied between the
Next, the negative electrode layer is irradiated with
その後、質量検出器2は拡散する7Li原子イオン8と同位体の6Li原子イオン7の検出処理を開始する(ST4)。次に、拡散する7Li原子イオン8と同位体の6Li原子イオン7の検出を終了するのを待ち(ST5)、検出した拡散する7Li原子イオン8と同位体の6Li原子イオン7の移動距離、移動時間、移動量を演算する(ST6)。
Then, the
次に、質量検出器2は、演算した拡散する7Li原子イオン8と同位体の6Li原子イオン7の到達時間、移動距離、移動時間、移動量に基づき、同位体の6Li原子イオン7の移動量が7Li原子イオン8の移動量に比べて所定の存在比率よりも高いかどうか、すなわち、拡散する6Li原子イオン7の量が7Li原子イオン8の量に比べて減少しているか否かを判断する(ST7)。
Next, the
ここで、拡散する6Li原子イオン7の量が7Li原子イオン8の量に比べて減少していないと判断した場合、固体電池は正常な充電特性を示すと診断して(ST8)、本処理をエンドする。
If it is determined that the amount of diffusing 6Li
一方、拡散する質量検出器2が同位体の6Li原子イオン7の量が7Li原子イオン8の量に比べて減少していると判断した場合、固体電池は劣化した充電特性を示すと診断して(ST9)、本処理をエンドする。
On the other hand, if the diffusing
〔第3実施形態の効果〕
本実施形態によれば、拡散する6Li原子イオン7の量が7Li原子イオン8の量を比較することで、固体電池の劣化状態を診断することができる。
本実施形態の開示は、一例であって、二次電池を使用する電子機器に本発明を適用できるため、種々の組み合わせが想定される。
[Effects of the third embodiment]
According to this embodiment, by comparing the amount of diffusing 6Li
The disclosure of the present embodiment is merely an example, and since the present invention can be applied to electronic devices that use secondary batteries, various combinations are envisioned.
1 電源
2 質量検出器(取得手段)
3 6Li金属電極(正極)
4 7Li金属電極網(負極)
5 固体電解質
7 6Li原子イオン(第2の原子イオン)
8 7Li原子イオン(第1の原子イオン)
9 診断部(診断手段)
10 一次イオン照射部(催促手段)
11 一次イオン
12 真空チャンバー
13 負極層
14 正極層
15 負極集電体
16 正極集電体
1
3 6Li metal electrode (positive electrode)
4 7Li metal electrode network (negative electrode)
5
8 7Li atomic ion (first atomic ion)
9. Diagnostic section (diagnostic means)
10 Primary ion irradiation unit (prompting means)
11 Primary ions
12 Vacuum Chamber
13 Negative electrode layer
14 Positive electrode layer
15 Negative electrode current collector
16 Positive electrode current collector
Claims (6)
正極と負極との間に固体電解質を設け、前記正極と前記負極に所定電位の直流電圧を印加する印加手段と、
前記固体電解質、前記正極に一次イオンを照射またはエネルギーを付与してイオン化を促す催促手段と、
前記直流電圧を正極と負極との間に印加した状態で、前記催促手段により照射される前記一次イオンまたは付与されるエネルギーに基づいて、前記正極、または固体電解質から拡散する7Liイオンである第1の原子イオンと、前記第1の原子イオンと同位体の6Liイオンである第2の原子イオンとを検出し、イオン強度の経時変化を示す拡散プロファイルを取得する取得手段と、を備える、測定装置。 An apparatus for measuring an ion diffusion state in a solid-state battery, comprising:
A solid electrolyte is provided between the positive electrode and the negative electrode, and an application means applies a DC voltage of a predetermined potential to the positive electrode and the negative electrode;
A means for irradiating the solid electrolyte and the positive electrode with primary ions or imparting energy thereto to promote ionization;
and an acquisition means for detecting first atomic ions, which are 7Li ions, and second atomic ions, which are isotopes of the first atomic ions, and are 6Li ions, diffusing from the positive electrode or solid electrolyte based on the primary ions irradiated by the prompting means or the energy applied while the DC voltage is applied between the positive electrode and the negative electrode , and acquiring a diffusion profile showing a change in ion intensity over time .
正極と負極との間に固体電解質を設け、前記正極と前記負極に所定電位の直流電圧を印加する印加工程と、
前記固体電解質、前記正極に一次イオンを照射またはエネルギーを付与してイオン化を促す催促工程と、
前記直流電圧を正極と負極との間に印加した状態で、前記催促工程により照射される前記一次イオンまたは付与されるエネルギーに基づいて、前記正極、または固体電解質から拡散する7Liイオンである第1の原子イオンと、前記第1の原子イオンと同位体の6Liイオンである第2の原子イオンとを検出し、イオン強度の経時変化を示す拡散プロファイルを取得する取得工程と、を備える、測定方法。
A method for measuring an ion diffusion state in a solid-state battery, comprising:
a step of providing a solid electrolyte between a positive electrode and a negative electrode and applying a direct current voltage of a predetermined potential to the positive electrode and the negative electrode;
a step of irradiating the solid electrolyte and the positive electrode with primary ions or imparting energy to the solid electrolyte and the positive electrode to promote ionization;
and an acquisition step of detecting first atomic ions, which are 7Li ions, and second atomic ions, which are isotopes of the first atomic ions, and 6Li ions, diffusing from the positive electrode or solid electrolyte based on the primary ions irradiated in the prompting step or the energy applied in a state in which the DC voltage is applied between the positive electrode and the negative electrode , and acquiring a diffusion profile showing a change in ion intensity over time .
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OKUMURA, Toyoki ほか,Determination of lithium ion diffusion in lithium-manganese-oxide-spinel thin films by secondary-ion,Journal of Power Sources,vol. 189,Elsevier B.V.,2009年04月01日,p.643-645 |
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