目次
◇第1章 電気化学測定の基礎と測定の注意点◇
第1節 電気化学の基礎と実験上の注意点
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
第2節 定常電流と電気抵抗について
1.定常電流
2.電気抵抗
2-1 オームの法則
2-2 ジュールの法則
2-3 起電力のある場所におけるオームの法則
2-4 電気抵抗の接続
2-5 キルヒホッフの法則
3.電気抵抗の測定
第3節 電気化学測定の基礎知識と材料開発、評価への活用方法
1.電極反応の原理
1-1 2相界面における自由エネルギー差
1-2 電気二重層容量電流
1-3 吸着層など第三相の形成
1-4 電極反応の発生
2.測定法の実際と落とし穴
2-1 ボルタモグラムの全体像の把握
2-1-1 対となる波の確認
2-1-2 開始電位の探索
2-1-3 多重掃引ボルタモグラムの意味
2-1-4 ボルタモグラムの形か電流の値か
2-2 本当に拡散律速電流か
2-3 DEp の理論値からのずれ
2-4 ピーク電流式のn3/2の意味
2-5 Ip のEp に対するプロット
2-6 対極と作用極の面積比
2-7 参照極の機能
2-8 電気二重層容量を流れる応答電流
2-9 交流インピーダンスの生かし方
2-10 電極処理に依存する残余電流
2-11 ポテンショスタットの実応答の確認
2-12 電極表面の局所観察結果と電気化学測定結果の矛盾
2-13 電流、電位の測定精度
2-14 吸着種のボルタモグラム
2-15 パルスボルタンメトリの盲点
2-16 可逆・非可逆反応ボルタモグラム
第4節 定電位法・定電流法の基礎と測定方法
1.定電位法で測定するための装置・セル
2.電位を急にずらすと何が起こるのか
3.定電流法
4.Excelを用いてポテンシャルステップ時の電流値の経時変化を計算する方法
第5節 回転電極を用いたボルタンメトリー法の原理、測定方法と注意点
1.使用電極と測定装置
2.測定原理(1) ～拡散限界電流の解析～
3.測定原理(2) ～ボルタモグラムの形状解析～
4.測定原理(3) ～回転リング・ディスク電極法～
第6節 交流インピーダンス測定の原理、測定方法と注意点
1.インピーダンスとその解析法
2.等価回路
3.等価回路とインピーダンスプロット
4.CPE(Constant Phase Element)
5.拡散の特殊なケース
6.伝送線モデル(TML)のEIS
第7節 複素インピーダンスのメカニズム
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
第8節 有機電気化学の基礎と測定法
1.有機化合物の電気化学測定
1-1 電解液の選択
1-2 電極材料の選択
2.有機電解合成の基礎と電気化学測定
2-1 ボルタンメトリーを援用する生成物選択的電解合成
2-2 反応機構解析
2-3メディエーターの選定と間接電解
3.計算化学の援用
◇第2章 電気化学測定に必要な計測器、システムとそれらの測定方法◇
第1節 電気化学測定装置、測定セルの構成
1.ポテンシオスタット/ガルバノスタット
2.測定セルの構成
第2節 作用電極・基準電極・補助電極の設計
1.作用電極
2.補助電極
3.参照電極
3-1 水素電極
3-2 銀-塩化銀電極
3-3 水銀-酸化水銀電極
3-4 水銀-硫酸水銀電極
3-5 水銀-塩化水銀電極(カロメル電極)
3-6 非水溶液系(非プロトン性有機溶媒)で用いる参照極
第3節 電気化学測定装置のシステム構成例
1.ポテンショスタット/ガルバノスタット
1-1 通常のポテンショスタット/ガルバノスタット
1-2 モジュール式ポテンショスタット/ガルバノスタット
1-3 マルチポテンショスタット/ガルバノスタット
1-4 マルチ作用電極ポテンショスタット
2.電気化学測定装置のシステム構成例
2-1 電気化学測定と交流インピーダンス測定装置構成
2-2 バイポテンショスタットと回転リングディスク電極
2-3 ブースターとポテンショスタット/ガルバノスタットの組み合わせ
2-4 電気化学水晶振動子計測システム(EQCM)の構成
2-5 分光電気化学測定の組み合わせ
2-6 ポ?ラログラフィー測定組み合せ
2-7 CVS分析装置の組み合わせ
第4節 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5節 微小電極の電気化学顕微鏡を用いた測定方法
1.微小電極の作製と電気化学計測への応用
2.走査型電気化学顕微鏡
2-1 走査型電気化学顕微鏡について
2-2 走査型電気化学顕微鏡での測定
2-3 走査型イオンコンダクタンス顕微鏡
2-4 走査型電気化学セル顕微鏡及びナノ電気化学セル顕微鏡
◇第3章 リン酸鉄系正極材料の開発と高出力対応◇
第1節 インピーダンス上昇に伴う容量の低下とその要因
1.SiO-C塗布電および評価電池の作製
2.SiO-C塗布電極の電気化学特性の評価方法
2-1 定電流充放電測定
2-2 交流インピーダンス測定
3.SiO-C電極の充放電挙動
4.電極/電解液の界面抵抗
第2節 交流印加時のリチウムイオン電池の発熱変化とインピーダンス
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(100Hz)
3-3 低周波交流印加(1mHz)
3-4 発熱の周波数依存性
第3節 充放電電流と電圧のラプラス変換による電池インピーダンスの測定
1.ラプラス変換によるZ(ω)の測定法
2.実験装置、各種測定法と測定結果
2-1 測定装置
2-2 電圧ステップ法(VSCA:Voltage-Step Chrono-Amperometry)による測定
2-3 電流ステップ法(CSCP:Current-Step Chrono-Potentiometry)による測定
2-4 電流パルス法(CPCP:Current-Pulse Chrono-Potentiometry)による測定
2-5 各種測定法の比較
3.等価回路の作成と過電圧抵抗との比較
3-1 等価回路の作成
3-2 発熱挙動解析に用いた過電圧抵抗との比較
第4節 バッテリー計測で活躍する測定装置の選び方のポイント
1.電池の工程別検査
2.材料、電極の製造
2-1 電池組み立て前工程検査の重要性
2-2 電極スラリーの分散度の検査
2-3 電極作製時における電極シートの品質検査
2-4 電極シートの異物検査
3.セル組み立て
3-1 端子/タブリード溶接部の抵抗測定
3-1-1 測定電流
3-1-2 4端子法による抵抗測定
3-1-3 熱起電力の影響
3-2 注液前の電極間、電極?外装間の絶縁抵抗測定
3-2-1 絶縁良否判定のしきい値以上を測定できるものを選ぶ
3-2-2 コンタクトチェック機能
3-2-3 短絡チェック機能
3-3 外装電位測定(ラミネート型リチウムイオン電池)
3-3-1 入力抵抗
3-3-2 コンタクトチェック
4.セル完成品(セルの性能評価)
4-1 予備充電と充放電特性試験
4-2 エージングでの開放電圧(OCV)測定
4-3 電池の内部インピーダンス測定
4-3-1 測定方式
4-3-2 誘導磁界の影響
4-3-3 測定電流
4-3-4 測定周波数と最大入力電圧
4-3-5 電池端子へのコンタクト
5.モジュール、スタック電池(実用レベルでの性能評価)
5-1 モジュール、パック電池の総抵抗検査
5-1-1 モジュール化工程でのセルの端子(タブ)同士の接合品質
5-1-2 モジュール、パックの総抵抗
5-2 モジュール、ユニット内各部の温度検査
5-3 全セルを監視・制御するBMS基板の検査(BMS:Battery Management System)
5-4 電池の実負荷試験で使用する電流センサと電力測定装置
5-5 新燃費基準WLTPで要求される蓄電システムの電流・電力計測
第5節 固体電解質の電気伝導率の測定法
1.固体電解質の全電気伝導率の測定
1-1 電気伝導率測定のための試料準備，条件調整
1-2 直流を用いた電気伝導率の測定
1-3 交流を用いた電気伝導率の測定
2.固体電解質における部分電子伝導率の測定
第6節 液体電解質の電気化学測定法とその評価事例
1.電解液のイオン伝導率の測定
1-1 測定の目的
1-2 測定方法
1-3 具体的な測定例
2.電解液の電気化学的窓の測定
2-1 測定の目的
2-2 測定方法
2-3 具体的な測定例
3.電解液とリチウム極との界面における電極反応抵抗の測定
3-1 測定の目的
3-2 測定方法
3-3 具体的な測定例
第7節 非水系電解液中での電気化学測定
1.有機溶媒とイオン液体との比較
1-1 有機溶媒系電解液の特徴
1-2 イオン液体の特徴
2.非水系電解液中での電気化学測定
2-1 電解液の前処理および測定装置
2-2 電気化学測定
2-3 交流インピーダンス測定
第8節 インピーダンス測定による電極/電解液界面の解析
1.電極/電解液界面において交流インピーダンス測定で分かること
2.電極/電解液界面における交流インピーダンス解析(1):電荷移動抵抗の電位依存性
3.電極/電解液界面における交流インピーダンス解析(2):界面リチウムイオン移動過程の活性化エネルギー
3-1 濡れ性の変化
3-2 温度保持時間による変化
3-3 副反応による変化
3-4 合剤電極の問題
第9節 単粒子計測技術を用いたバインダー機能の評価
1.単粒子計測とは
2.単粒子の交流インピーダンス測定
3.クラスター粒子を用いたバインダー機能の評価
4.ピンセット型集電プローブを用いた単粒子計測
第10節 リチウム電池充放電時のLi濃度分布の計測
1.Li濃度分布形成の理論
2.実測計測の動向
3.リチウム電池内の反応輸送シミュレーション
第11節 ナトリウム電池の電気化学測定方法と測定事例
1.ナトリウムイオン電池
1-1 ナトリウムイオン電池とは
1-2 ナトリウムイオン電池の正極および負極材料
2.複素インピーダンスの解析方法
2-1 複素インピーダンスの測定
2-2 ランデルス等価回路モデルによる解析
2-3 最小二乗フィットによるパラメターの決定
3.最小二乗フィットの実例
3-1 層状酸化物薄膜
3-2 プルシャンブルー類似体薄膜
3-3 Ti酸化物粉末
第12節 マグネシウム電池の電気化学特性の測定と評価事例
1.グリニヤール/イオン液体混合電解液
2.ILの分子設計
3.反応活性種としての有機Mg錯体
4.包接ネットワークポリマー型ゲル電解質の開発
第13節 リチウム二次電池活物質のインピーダンス測定法
1.負極活物質SOCとインピーダンス
2.正極活物質SOCとインピーダンス
3.SEIの評価と成長抑制
4.ワールブルグインピーダンスの解析から活物質の拡散係数を求める
第14節 薄膜電池活物質のラマン分光法による評価解析
1.薄膜電極の作製法
1-1 静電噴霧堆積法(ESD法:Electrostatic Spray Deposition法)による薄膜電極の作製
1-2 溶融塩法による薄膜電極の作製
2.ラマン分光法
3.その場ラマン分光法
4.薄膜電池活物質のその場ラマン分光法
4-1 LiCoO2電極のその場ラマン分光
4-2 LiMn2O4電極のその場ラマン分光
第15節 リン酸鉄系正極材料の電気化学特性の測定法と評価
1.測定試料の調製、測定機器と条件
2.構造、電気化学的特性の解析
第16節 有機正極材料を用いたリチウムイオン電池の開発
1.有機正極材料
2.キノン構造による電気化学特性の違い
2-1 フッ素置換の影響
2-2 芳香環数の影響
2-3 構造異性体及びヘテロ環の影響
3.キノンの還元反応におけるエネルギー変化
3-1 反応式の細分化
3-2 LUMOへの二電子挿入過程
3-2-1 分光分析
3-2-2 量子化学計算
3-3 酸化体と還元体の電子状態の違い
3-4 エネルギー変化の比較
3-4-1 芳香環数の違いによる影響
3-4-2 フッ素置換の影響
3-4-3 構造異性体及びヘテロ環の影響
第17節 グラフェンを負極材に利用したリチウムイオン電池の評価事例
1.負極に用いるグラフェンの作製法
2.グラフェンの負極活物質への適用
3.グラフェン複合体の負極活物質への適用
第18節 セラミックス系固体電解質の電気化学測定法と評価事例
1.ACインピーダンス法によるLiイオン伝導度測定例
2.イオン伝導度の温度変化
3.リチウム空気2次電池の作成
4.リチウム空気電池の電池特性
第19節 溶融法で調製したLi-Si合金のリチウム含有負極材料としての評価
1.背景
1-1 リチウムイオン電池のエネルギー密度
1-2 高容量正極材料
1-3 Li-Si合金の負極材料としての利用
2.溶融法によるLi-Si合金の作製
3.Li-Si合金の電極特性
3-1 電気化学測定方法
3-2 充放電特性
3-3 充放電に伴う構造変化
3-4 フルセル評価
4.Li-Si合金の炭素コーティングによる実用電極の作製
第20節 シリコン切粉を用いたシリコン系負極材料の電気化学特性の測定法と評価
1.シリコン切粉
2.シリコン切粉電極の作製
3.シリコン切粉電極の電気化学特性の測定法と評価
3-1 充放電曲線の解析
3-2 サイクリック・ボルタモグラムの解析
3-3 インピーダンス測定による内部抵抗の解析
3-4 電子顕微鏡法による構造観察
◇第4章 燃料電池の電気化学測定と解析◇
第1節 固体酸化物電解質形燃料電池の電気化学特性の測定と評価事例
1.SOFCの電極特性の評価方法
1-1 評価のためのSOFCセルの構成
1-2 発電特性の評価法
1-3 電流遮断法
1-4 電極反応のインピーダンス解析
2.固体電解質の電気化学的な評価方法
第2節 固体高分子形燃料電池の電気化学特性の測定と評価事例
1.電気化学特性の測定に必要な実験システム
2.慣らし発電
3.I-V特性の測定と電流遮断法による抵抗分極の測定
4.CVの測定
第3節 固体高分子形燃料電池の電気化学特性と電極触媒特性の同時測定と評価事例
1.種々の劣化状態の燃料電池Pt/Cカソード触媒のサイクリックボルタモグラム計測とPt/C電極触媒のリアルタイムXAFS計測
2.In situ時間分解XAFS-XRD同時計測による燃料電池Pt/C触媒の電位過渡応答過程の触媒作用メカニズムの可視化
第4節 燃料電池性能試験における電気化学インピーダンス法の利用とデータの解釈
1.経験的な等価回路モデルによる解釈
2.物理現象に基づいた等価回路を用いた解釈
2-1 伝送線モデル(Transmission line model)
2-2 Warburgインピーダンス
◇第5章 太陽電池の電気化学測定と解析◇
第1節 色素増感太陽電池の電気化学特性の測定と評価事例
1.色素増感太陽電池の作製方法とインピーダンス測定
2.色素増感太陽電池の電気化学特性の測定事例
第2節 全高分子ブレンド太陽電池の電気化学特性の測定と評価事例
1.電流計測原子間力顕微鏡
1-1 正孔注入電極と電子注入電極
1-2 D/Aブレンド薄膜の電荷輸送構造
1-3 D/A相分離界面の電荷輸送特性
2.光照射型電流計測原子間力顕微鏡
◇第6章 導電性材料の電気化学測定と解析 ◇
第1節 エレクトロケミカルマイグレーション(ECM)の発生メカニズムと電気化学測定
1.ECMの発生例と発生パターン
1-1 ECMの発生例
1-1-1 導体地肌が露出している場合
1-1-2 絶縁層で被覆されている場合
1-1-3 内層の場合
1-1-3-1 ビルドアップ配線板の絶縁層間の場合
1-1-3-2 繊維に沿った絶縁劣化の場合
1-2 ECMの発生パターン
2.ECMの発生原理
2-1 電位-pH平衡図から見たECM発生域
2-2 反応速度と電流の値
3.ECMによる劣化寿命の誘電特性とその相関性
3-1 絶縁特性と寿命
3-2 誘電特性と寿命
3-2-1 誘電率と誘電正接
3-2-2 プリント基板表面に見られるECMと誘電特性
3-2-3 交流インピーダンス法によるECMの評価
3-2-4 誘電特性とECMによる寿命のとの相関性
3-3 誘電特性の工程管理への導入による信頼性検証
第2節 高分子物質の誘電・伝導特性の評価
1.誘電緩和法の原理
2.配向分極
2-1 複素誘電率
2-2 複素伝導率
3.誘電率・伝導率の測定方法
3-1 測定手順
3-2 測定器の選択
4.高分子物質のダイナミクスの観察
4-1 ポリ酢酸ビニル
4-2 ポリアミド
第3節 導電性接着剤の電気伝導特性とその測定
1.導電性接着剤の電気伝導特性
2.導電性接着剤におけるパーコレーション転移挙動
3.導電性接着剤におけるフィラー間での電荷移動機構
4.導電性接着剤中の導電パスの等価回路解析
5.インピーダンススペクトルから見た銀系導電性接着剤のパーコレーション転移挙動
6.銅系導電性接着剤のインピーダンススペクトル
第4節 イオン伝導体の導電率・誘電率とインピーダンス測定
1.結晶固体内のイオン伝導
2.試料調製とインピーダンス測定
第5節 炭素材料の電気化学特性の測定概要
1.炭素材料の電気化学的特性の分類
2.具体的な測定方法
2-1 実験器具ならびに装置群
2-2 反応場表面としての炭素材料
2-3 反応場マトリクスとしての炭素材料
2-4 電荷吸着場としての炭素材料
第6節 誘電体のインピーダス測定法
1.測定条件の設定とデータ解釈の概略
2.誘電体のインピーダンス解析
第7節 誘電率の測定法と誘電体の電池材料への応用事例
1.誘電率の測定手法
1-1 平行板コンデンサ法
1-2 高周波における誘電率測定法
1-2-1 既存の測定技術と課題
1-2-2 微小平面電極法
1-2-3 リング共振電極法
2.誘電体の電池材料への応用事例
2-1 誘電分極を利用したリチウムイオン電池の高出力化
2-2 BaTiO3の複合化による出力特性改善とそのメカニズム
2-2-1 液相合成したBaTiO3?LiCoO2複合正極における急速充放電特性
2-2-2 2次元積層膜における急速充放電特性
2-3 誘電率温度特性を利用した低温出力特性の改善
第8節 導電スラリーの導電率と電気化学的測定
1.コンダクトメトリーの基礎
2.バルクの誘電分極
3.混合物の電気伝導と誘電分極
第9節 イオン液体の電気化学測定法と評価事例
1.イオン液体の合成および精製
2.イオン液体の物性における特徴
2-1 熱物性
2-2 輸送特性
2-3 誘電率
3.イオン液体の電気化学測定
3-1 測定セルや作用電極について
3-2 参照電極について
3-3 イオン液体の電位窓
第10節 ソフトアクチュエータの機械的特性と電気化学特性の評価
1.電気駆動型高分子アクチュエータ・センサ材料
2.機能性高分子材料の物性・動作特性の評価方法
2-1 IPMCの電気機械特性評価
2-2 誘電エラストマーの電気機械特性評価
3.特性評価の実施例
3-1 IPMCの電気機械特性評価
3-2 誘電エラストマーの電気機械特性評価
第11節 多孔質体、多孔質金属の電気化学測定事例
1.電極としての多孔質材料
2.多孔質金属電極
3.多孔質炭素電極
3-1 多孔質炭素電極の作製方法
3-2 燃料電池における白金代替に向けた酸素還元極
3-3 水の電気分解における水素発生電極
◇第7章 電子部品、電子機器の電気化学測定と解析◇
第1節 真空電気化学アプローチによる酸化物半導体界面の物性評価
1.パルスレーザー堆積-電気化学複合装置(PLD-EC)
2.酸化物半導体界面の真空電気化学評価の例
第2節 インピーダンス分光法による有機半導体デバイスの評価
1.機能分離型の等価回路解析
1-1 インピーダンス分光測定
1-2 モジュラスプロット
1-3 ダイナミックモジュラスプロット(Dynamic Modulus Plot) [3,4]
2.キャリア輸送
2-1 キャリア輸送の可視化
2-2 C-V特性とDMP
2-3 有機太陽電池(OPV)におけるDMP
第3節 有機EL素子の直流インピーダンス特性とその測定方法
1.測定方法
1-1 電圧-電流密度-発光輝度測定例
1-2 発光スペクトルの測定法
2.実験結果と考察
2-1 代表的有機EL素子とコンダクタンス特性評価
2-2 キャリア伝導機構の直流的解析
2-3 界面特性に関する評価
2-4 バルクの影響による電流密度-電圧特性の変化
第4節 電気化学インピーダンス法を用いた匂い物質の計測
1.インピーダンス計測による匂いの質の分類
2.匂いの合成
3.昆虫の嗅覚機構を模倣した匂いセンサ
4.人口嗅覚システム
第5節 高エネルギー・高パワー密度化に向けたリチウムイオン二次電池/キャパシタ用多孔質電極の内部抵抗解析
1.電気化学交流インピーダンス測定を用いた電極内部抵抗評価
2.簡易型対称セルを用いた膜厚と内部抵抗(RctおよびRion)依存性の検証
3.電極密度と内部抵抗(電荷移動抵抗、イオン抵抗、接触抵抗)依存性について
4.電極密度(多孔度)の内部抵抗に対する依存性について
5.内部抵抗関係式による電極作製支援地図の作成
第6節 カーボンナノチューブキャパシタの電気化学測定方法と測定事例
1.多孔質材料におけるEIS解析の一般論
2.SWCNTのイオン吸着サイト
3.SWCNTの電子構造とサイクリックボルタモグラム(CV)
4.SWCNTキャパシタの水晶振動子マイクロバランス(QCM)測定および分光測定
5.SWCNTキャパシタのインピーダンス測定事例
◇第8章 金属、塗膜、めっき分野への電気化学測定と解析◇
第1節 金属材料の腐食メカニズムと電気化学測定
1.金属が腐食しているときの反応
1-1 希硫酸中の亜鉛
1-2 水中の鉄
2.腐食の平衡論
3.腐食の速度論
4.腐食評価に用いる電気化学測定
4-1 自然電位測定
4-2 分極曲線
4-3 定電位試験
4-4 定電流試験
第2節 めっき、腐食プロセスの電気化学的解析
1.めっきプロセスの電気化学的解析
1-1 自然電位測定
1-2 分極測定
1-3 ハルセル試験
2.腐食プロセスの電気化学的解析
2-1 自然電位測定
2-2 分極測定
第3節 電気化学測定法の表面技術分野への応用
1.電極電位の解析
2.分極曲線の解析
3.電析電位による解析
第4節 重防食コーティングの健全性評価のためのインピーダンス測定
1.有機コーティングへのインピーダンス法適用1)
2.重防食コーティングの劣化プロセス
3.現場における重防食コーティングのインピーダンス測定方法とその留意点
4.重防食コーティングの劣化初期段階におけるインピーダンス特性15)
5.フィールド調査によるインピーダンス特性の詳細解析とタンクの健全性診断方法19)
6.重防食コーティングのインピーダンス評価に関する課題
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