Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP6943811B2 - Ion behavior detector, secondary battery device and scanning probe microscope - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP6943811B2 - Ion behavior detector, secondary battery device and scanning probe microscope - Google Patents

Ion behavior detector, secondary battery device and scanning probe microscope Download PDF

Info

Publication number
JP6943811B2
JP6943811B2 JP2018111273A JP2018111273A JP6943811B2 JP 6943811 B2 JP6943811 B2 JP 6943811B2 JP 2018111273 A JP2018111273 A JP 2018111273A JP 2018111273 A JP2018111273 A JP 2018111273A JP 6943811 B2 JP6943811 B2 JP 6943811B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
solid electrolyte
electrode layer
ion
secondary battery
detector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2018111273A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2019215187A (en
Inventor
服部 達哉
達哉 服部
銭 朴
朴 銭
照実 古田
照実 古田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2018111273A priority Critical patent/JP6943811B2/en
Publication of JP2019215187A publication Critical patent/JP2019215187A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6943811B2 publication Critical patent/JP6943811B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Secondary Cells (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Description

本発明は、イオン挙動検出装置、二次電池装置及び走査型プローブ顕微鏡に関する。 The present invention relates to an ion behavior detection device, a secondary battery device, and a scanning probe microscope.

従来、電池の内部抵抗を測定する簡便な手法として、交流インピーダンス法が用いられている。例えば、市販の内部抵抗測定装置では、正負極間に1kHzの交流電圧を印加し、その抵抗を内部抵抗として測定している。 Conventionally, the AC impedance method has been used as a simple method for measuring the internal resistance of a battery. For example, in a commercially available internal resistance measuring device, an AC voltage of 1 kHz is applied between the positive and negative electrodes, and the resistance is measured as the internal resistance.

しかしながら、上記手法で測定される内部抵抗は、主として、電極合剤層中の電子伝導抵抗とイオン伝導抵抗、及びセパレーター層中のイオン伝導抵抗の合算値であるので、それぞれを検出するのは困難である。電子伝導抵抗とイオン伝導抵抗は、電池性能に大きな影響を及ぼす。イオン伝導抵抗を単独で検出できれば、合算値から電子伝導抵抗も求められるため、イオン伝導抵抗を単独で検出する手法の確立が望まれる。 However, the internal resistance measured by the above method is mainly the total value of the electron conduction resistance and the ionic conduction resistance in the electrode mixture layer and the ionic conduction resistance in the separator layer, so it is difficult to detect each of them. Is. Electron conduction resistance and ion conduction resistance have a great influence on battery performance. If the ionic conduction resistance can be detected independently, the electron conduction resistance can also be obtained from the total value. Therefore, it is desired to establish a method for detecting the ionic conduction resistance alone.

これに対して、材料表面上における電気化学的活性をマッピングする手法として、材料に電気的励起信号を印加するステップと、電気的励起信号に応答して材料の可動イオンの移動を誘起するステップと、可動イオンの移動により誘起された電気化学的歪み応答を測定するステップと、を含むことを特徴とする手法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この方法によれば、材料の局所的なイオン特性の評価が可能とされている。 On the other hand, as a method for mapping the electrochemical activity on the surface of the material, there are a step of applying an electrical excitation signal to the material and a step of inducing the movement of movable ions of the material in response to the electrical excitation signal. , A method has been proposed comprising the step of measuring the electrochemical strain response induced by the movement of mobile ions (see, for example, Patent Document 1). According to this method, it is possible to evaluate the local ionic properties of the material.

特表2014−502354号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-502354

しかしながら、上記特許文献1の手法をもってしても、例えば電池の電極層や(固体)電解質層等の検出対象物におけるイオン伝導抵抗等のイオン挙動を精度良く検出することはできなかった。 However, even with the method of Patent Document 1, it is not possible to accurately detect ionic behavior such as ionic conduction resistance in a detection object such as an electrode layer of a battery or a (solid) electrolyte layer.

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出対象物におけるイオンの挙動を精度良く検出可能なイオン挙動検出装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an ion behavior detection device capable of accurately detecting the behavior of ions in a detection object.

(1) 本発明は、検出対象物におけるイオンの挙動を検出するイオン挙動検出装置であって、前記検出対象物に対して接触又は非接触で配置される少なくとも1つの検出子を有する検出部と、前記検出部を制御する制御部と、を備え、前記検出子は、少なくとも先端部が、内側から順に、金属からなる金属層と、イオンを吸放出するイオン吸放出物質からなるイオン吸放出物質層と、固体電解質からなる固体電解質層と、を含んで構成され、前記検出部は、前記制御部により制御されて、前記検出対象物から前記先端部に移動するイオンの量、及び/又は、前記検出対象物と前記先端部との間で前記検出対象物におけるイオンの状態に相関のある値を検出することにより、前記検出対象物におけるイオンの挙動を検出する、イオン挙動検出装置を提供する。 (1) The present invention is an ion behavior detection device that detects the behavior of ions in a detection target, and has a detector having at least one detector arranged in contact or non-contact with the detection target. The detector includes a control unit that controls the detection unit, and the detector has an ion absorption / release substance composed of a metal layer having a metal layer and an ion absorption / release substance that absorbs and releases ions in order from the inside at least at the tip portion. The detection unit includes a layer and a solid electrolyte layer composed of a solid electrolyte, and the detection unit is controlled by the control unit to move an ion from the detection object to the tip portion, and / or Provided is an ion behavior detection device that detects the behavior of ions in the detection target by detecting a value correlating with the state of ions in the detection target between the detection target and the tip portion. ..

(2) (1)のイオン挙動検出装置において、前記検出対象物は、二次電池の電極層又は固体電解質層であり、前記検出部は、少なくとも2つの前記検出子を有するとともに、前記制御部により制御されて、少なくとも2つの前記検出子の先端部が前記電極層又は固体電解質層の表面、表面近傍又は内部に配置された状態で、前記電極層又は固体電解質層におけるイオンの挙動を検出することが好ましい。 (2) In the ion behavior detection device of (1), the detection target is an electrode layer or a solid electrolyte layer of a secondary battery, and the detection unit has at least two detectors and the control unit. Controlled by Is preferable.

(3) (2)のイオン挙動検出装置において、前記検出部は、前記制御部により制御されて、少なくとも1つの前記検出子が前記電極層又は固体電解質層の面方向に沿って移動することにより、前記電極層又は固体電解質層におけるイオンの挙動を検出することが好ましい。 (3) In the ion behavior detection device of (2), the detection unit is controlled by the control unit, and at least one of the detectors moves along the plane direction of the electrode layer or the solid electrolyte layer. , It is preferable to detect the behavior of ions in the electrode layer or the solid electrolyte layer.

(4) (1)のイオン挙動検出装置において、前記検出対象物は、二次電池の電極層又は固体電解質層であり、前記検出部は、少なくとも1つの集電体をさらに有するとともに、前記制御部により制御されて、少なくとも1つの前記検出子の先端部が前記電極層又は固体電解質層の表面、表面近傍又は内部に配置され、且つ、少なくとも1つの前記集電体が前記電極層又は固体電解質層に接触した状態で、前記電極層又は固体電解質層におけるイオンの挙動を検出することが好ましい。 (4) In the ion behavior detection device of (1), the detection target is an electrode layer or a solid electrolyte layer of a secondary battery, and the detection unit further has at least one current collector and controls the control. At least one tip of the detector is arranged on the surface, near or inside the surface of the electrode layer or the solid electrolyte layer, and at least one of the current collectors is the electrode layer or the solid electrolyte. It is preferable to detect the behavior of ions in the electrode layer or the solid electrolyte layer in contact with the layer.

(5) (4)のイオン挙動検出装置において、前記検出部は、前記制御部により制御されて、少なくとも1つの前記検出子の先端部が前記電極層又は固体電解質層の表面又は表面近傍に配置され、且つ、少なくとも1つの前記集電体が前記電極層又は固体電解質層の内部に挿入された状態で、前記電極層又は固体電解質層におけるイオンの挙動を検出することが好ましい。 (5) In the ion behavior detection device of (4), the detection unit is controlled by the control unit, and at least one tip of the detector is arranged on or near the surface of the electrode layer or the solid electrolyte layer. It is preferable to detect the behavior of ions in the electrode layer or the solid electrolyte layer in a state where at least one of the current collectors is inserted inside the electrode layer or the solid electrolyte layer.

(6) 本発明は、(1)から(5)いずれかのイオン挙動検出装置と、二次電池の充電、放電及び温度を制御する二次電池制御部と、を備え、前記検出対象物は、二次電池の電極層又は固体電解質層であり、前記二次電池制御部は、前記検出部により検出された前記電極層又は固体電解質層におけるイオンの挙動に基づいて、前記二次電池の充電、放電及び温度を制御する、二次電池装置を提供する。 (6) The present invention includes any of the ion behavior detection devices (1) to (5) and a secondary battery control unit that controls charging, discharging, and temperature of the secondary battery, and the detection target is , The electrode layer or the solid electrolyte layer of the secondary battery, and the secondary battery control unit charges the secondary battery based on the behavior of ions in the electrode layer or the solid electrolyte layer detected by the detection unit. , Provide a secondary battery device that controls discharge and temperature.

(7) 本発明は、(1)から(5)いずれかのイオン挙動検出装置を備え、前記検出子は、前記先端部が探針で構成されるカンチレバーである、走査型プローブ顕微鏡を提供する。 (7) The present invention provides a scanning probe microscope comprising any of the ion behavior detection devices (1) to (5), wherein the detector is a cantilever whose tip is composed of a probe. ..

本発明によれば、検出対象物におけるイオンの挙動を精度良く検出可能なイオン挙動検出装置を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an ion behavior detection device capable of accurately detecting the behavior of ions in a detection object.

また、例えば走査型プローブ顕微鏡等では、プローブと試料間に流れる電流や原子間力を測定することで試料表面状態を観察するものであったが、本発明のイオン挙動検出装置によれば、イオン(陽イオン、陰イオン)の挙動(状態)を非溶液環境下で検出できる。加えて、電気化学反応を測定する場合には、荷電粒子が移動可能な電解液を用いることが必要であったが、本発明によれば、電解液を使用しないため、固体状態であってもイオンの挙動(状態)を検出できる。 Further, for example, in a scanning probe microscope or the like, the state of the sample surface is observed by measuring the current flowing between the probe and the sample and the atomic force, but according to the ion behavior detection device of the present invention, ions are observed. The behavior (state) of (cations and anions) can be detected in a non-solution environment. In addition, when measuring the electrochemical reaction, it was necessary to use an electrolytic solution in which charged particles can move. However, according to the present invention, since no electrolytic solution is used, even in a solid state. The behavior (state) of ions can be detected.

また、本発明によれば、検出子の位置を制御しながら測定すれば、例えば微小な部分の電圧、電流分布を高精度に、位置情報とともに測定できる。従って、例えば固体二次電池の、電極層(正極層、負極層)や固体電解質層の電圧、電流分布を測定し、内部のイオン(荷電粒子)の状態や抵抗を高精度に検出することができるため、これら検出結果を電圧、電流、温度制御等にフィードバックさせることで、固体二次電池の性能や耐久性を向上させることができる。即ち、従来は電圧だけで判断していた電池の劣化状態を、本発明によれば、電極(活物質)や固体電解質の劣化状態を直接検出することができるため、精度良く固体二次電池の劣化抑制制御が可能である。 Further, according to the present invention, if the measurement is performed while controlling the position of the detector, for example, the voltage and current distribution of a minute portion can be measured with high accuracy together with the position information. Therefore, for example, it is possible to measure the voltage and current distribution of the electrode layer (positive electrode layer, negative electrode layer) and solid electrolyte layer of a solid secondary battery and detect the state and resistance of internal ions (charged particles) with high accuracy. Therefore, by feeding back these detection results to voltage, current, temperature control, etc., the performance and durability of the solid-state secondary battery can be improved. That is, according to the present invention, the deteriorated state of the battery, which was conventionally determined only by the voltage, can be directly detected as the deteriorated state of the electrode (active material) and the solid electrolyte. Deterioration suppression control is possible.

本発明の一実施形態に係るイオン挙動検出装置の構成を示す図であり、検出子が検出対象物の表面に接触した状態を示す図である。It is a figure which shows the structure of the ion behavior detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention, and is the figure which shows the state which the detector is in contact with the surface of the detection object. 本発明の一実施形態に係るイオン挙動検出装置の構成を示す図であり、検出子が検出対象物の表面近傍に配置された状態を示す図である。It is a figure which shows the structure of the ion behavior detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention, and is the figure which shows the state which the detector is arranged near the surface of the detection object. 本発明の一実施形態の変形例1に係るイオン挙動検出装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the ion behavior detection apparatus which concerns on the modification 1 of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の変形例2に係るイオン挙動検出装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the ion behavior detection apparatus which concerns on the modification 2 of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例1を示す図である。It is a figure which shows the measurement example 1 of the ion behavior detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例2を示す図である。It is a figure which shows the measurement example 2 of the ion behavior detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例3を示す図である。It is a figure which shows the measurement example 3 of the ion behavior detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例4を示す図である。It is a figure which shows the measurement example 4 of the ion behavior detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例5を示す図である。It is a figure which shows the measurement example 5 of the ion behavior detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例6を示す図である。It is a figure which shows the measurement example 6 of the ion behavior detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例7を示す図である。It is a figure which shows the measurement example 7 of the ion behavior detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例8を示す図である。It is a figure which shows the measurement example 8 of the ion behavior detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る二次電池装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the secondary battery device which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[イオン挙動検出装置]
図1は、本発明の一実施形態に係るイオン挙動検出装置の構成を示す図であり、検出子が検出対象物の表面に接触した状態を示す図である。図2は、本発明の一実施形態に係るイオン挙動検出装置の構成を示す図であり、検出子が検出対象物の表面近傍に配置された状態を示す図である。
[Ion behavior detector]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an ion behavior detection device according to an embodiment of the present invention, and is a diagram showing a state in which a detector is in contact with the surface of an object to be detected. FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an ion behavior detection device according to an embodiment of the present invention, and is a diagram showing a state in which a detector is arranged near the surface of an object to be detected.

図1及び図2に示すように、本実施形態に係るイオン挙動検出装置1は、検出対象物4におけるイオンIの挙動を検出するものである。イオン挙動検出装置1は、検出部2と、制御部3と、を備える。 As shown in FIGS. 1 and 2, the ion behavior detection device 1 according to the present embodiment detects the behavior of the ion I in the detection object 4. The ion behavior detection device 1 includes a detection unit 2 and a control unit 3.

検出対象物4としては、特に限定されないが、例えば固体二次電池、中でも固体リチウム二次電池40が好ましく用いられる。図1及び図2に示すように、固体リチウム二次電池40は、正極層41と、負極層42と、固体電解質層43と、参照極44a,44bと、を備える。 The detection target 4 is not particularly limited, but for example, a solid secondary battery, particularly a solid lithium secondary battery 40, is preferably used. As shown in FIGS. 1 and 2, the solid lithium secondary battery 40 includes a positive electrode layer 41, a negative electrode layer 42, a solid electrolyte layer 43, and reference electrodes 44a and 44b.

正極層41は、正極活物質を有する層である。正極活物質としては、リチウムイオン二次電池や固体リチウム二次電池の正極活物質として従来公知の正極活物質が用いられる。具体的には、LFP(リン酸鉄リチウム)、三元系(ニッケル・マンガン・コバルト三元系)、LCO(コバルト酸リチウム)等が好ましく用いられる。 The positive electrode layer 41 is a layer having a positive electrode active material. As the positive electrode active material, a conventionally known positive electrode active material is used as the positive electrode active material of a lithium ion secondary battery or a solid lithium secondary battery. Specifically, LFP (lithium iron phosphate), ternary system (nickel / manganese / cobalt ternary system), LCO (lithium cobalt oxide) and the like are preferably used.

負極層42は、負極活物質を有する層である。負極活物質としては、リチウムイオン二次電池や固体リチウム二次電池の負極活物質として従来公知の負極活物質が用いられる。具体的には、Li金属やLi合金、グラファイト、LTO(チタン酸リチウム)等が好ましく用いられる。 The negative electrode layer 42 is a layer having a negative electrode active material. As the negative electrode active material, a conventionally known negative electrode active material is used as the negative electrode active material of a lithium ion secondary battery or a solid lithium secondary battery. Specifically, Li metal, Li alloy, graphite, LTO (lithium titanate) and the like are preferably used.

固体電解質層43は、固体電解質を有する層である。固体電解質としては、固体リチウム二次電池の固体電解質として従来公知の固体電解質が用いられる。具体的には、酸化物系固体電解質や硫化物系固体電解質が挙げられる。 The solid electrolyte layer 43 is a layer having a solid electrolyte. As the solid electrolyte, a conventionally known solid electrolyte is used as the solid electrolyte of the solid lithium secondary battery. Specific examples thereof include oxide-based solid electrolytes and sulfide-based solid electrolytes.

参照極44a,44bは、正極層及び負極層それぞれの電位を正確に測定するためのものである。例えば、これら参照極44a,44bは、二次電池の充放電や温度等を制御する二次電池制御部(不図示)に電気的に接続されることで、正極層及び負極層それぞれの電位が正確に測定される。これにより、精度良く二次電池40を制御できるようになっている。 The reference electrodes 44a and 44b are for accurately measuring the potentials of the positive electrode layer and the negative electrode layer, respectively. For example, these reference electrodes 44a and 44b are electrically connected to a secondary battery control unit (not shown) that controls charging / discharging, temperature, etc. of the secondary battery, so that the potentials of the positive electrode layer and the negative electrode layer are increased. It is measured accurately. As a result, the secondary battery 40 can be controlled with high accuracy.

固体リチウム二次電池40は、図1及び図2に示すように、固体電解質層43の両側に配置された正極層41及び負極層42で固体電解質層43を挟持する構造となっており、正極層41及び負極層42の両外側から荷重Fが付加される構造となっている(図1及び図2中の矢印参照)。これにより、各層間の接触性(接触面積)が向上することで、より効率的な充放電が可能となっている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the solid lithium secondary battery 40 has a structure in which the solid electrolyte layer 43 is sandwiched between the positive electrode layer 41 and the negative electrode layer 42 arranged on both sides of the solid electrolyte layer 43, and the positive electrode layer 43 is sandwiched between the positive electrode layer 41 and the negative electrode layer 42. The structure is such that the load F is applied from both outer sides of the layer 41 and the negative electrode layer 42 (see the arrows in FIGS. 1 and 2). As a result, the contact property (contact area) between the layers is improved, and more efficient charging / discharging is possible.

検出部2は、検出対象物4におけるイオンの挙動(状態)を検出する。より詳しくは、検出部2は、後段で詳述する制御部3により制御(移動機構による位置制御、直流電源、交流電源、パルス電源による電流の供給制御、電流計や電圧計による電流値及び電圧値の取得)されて、検出対象物4におけるイオンの挙動(状態)を検出する。図1及び図2に示すように検出対象物として固体リチウム二次電池を用いた場合には、電極層を構成する正極層41や負極層42又は固体電解質層43におけるイオンの挙動(状態)を検出する。 The detection unit 2 detects the behavior (state) of ions in the detection object 4. More specifically, the detection unit 2 is controlled by the control unit 3 described in detail later (position control by a moving mechanism, DC power supply, AC power supply, current supply control by a pulse power supply, current value and voltage by an ammeter or a voltmeter). The value is acquired), and the behavior (state) of the ion in the detection target 4 is detected. When a solid lithium secondary battery is used as a detection target as shown in FIGS. 1 and 2, the behavior (state) of ions in the positive electrode layer 41, the negative electrode layer 42, or the solid electrolyte layer 43 constituting the electrode layer is observed. To detect.

検出部2は、検出対象物4に対して接触又は非接触で配置される少なくとも1つの検出子20を有する。なお、図1及び図2では、便宜上、1つの検出子20のみを示しているが、検出子20を複数有していてもよい。即ち、所謂シングルプローブ型に限られず、マルチプローブ型でもよい。 The detector 2 has at least one detector 20 that is arranged in contact or non-contact with the object 4 to be detected. Although only one detector 20 is shown in FIGS. 1 and 2 for convenience, a plurality of detectors 20 may be provided. That is, it is not limited to the so-called single probe type, and may be a multi-probe type.

検出子20は、例えば図1及び図2に示すようなカンチレバーが好ましく用いられる。ただし、これに限定されるものではなく、例えばレバーの先端部の形状が針状ではなく、矩形状であってもよい。この場合には、矩形状の検出子20の平面状の先端面が検出対象物の表面に対して接触又は非接触するため、より広範囲のイオンの挙動を検出することが可能である。 As the detector 20, for example, a cantilever as shown in FIGS. 1 and 2 is preferably used. However, the present invention is not limited to this, and for example, the shape of the tip of the lever may be rectangular instead of needle-shaped. In this case, since the planar tip surface of the rectangular detector 20 contacts or does not contact the surface of the object to be detected, it is possible to detect the behavior of ions in a wider range.

検出子20は、少なくとも先端部20aが、内側から順に、金属層21と、イオン吸放出物質層22と、固体電解質層23と、を含んで構成される。 The detector 20 is configured such that at least the tip portion 20a includes a metal layer 21, an ion absorbing / releasing substance layer 22, and a solid electrolyte layer 23 in this order from the inside.

金属層21は、金属からなる層である。金属の種類としては、特に限定されない。この金属層21を構成する金属としては、例えばカンチレバーのレバー部20bを構成する金属と同一の金属が好ましく用いられる。 The metal layer 21 is a layer made of metal. The type of metal is not particularly limited. As the metal constituting the metal layer 21, for example, the same metal as the metal constituting the lever portion 20b of the cantilever is preferably used.

イオン吸放出物質層22は、イオンを吸放出するイオン吸放出物質からなる層である。イオン吸放出物質としては、上述の正極活物質や負極活物質が用いられる他、卑金属等のH系酸化還元活性物質やO2−系酸化還元活性物質が用いられる。検出対象物4として固体リチウム二次電池が用いられる場合には、イオン吸放出物質としてはリチウムイオン吸放出物質である必要があり、上述の正極活物質や負極活物質が用いられる。 The ion absorbing / releasing substance layer 22 is a layer made of an ion absorbing / releasing substance that absorbs and releases ions. As the ion absorbing / releasing substance, the above-mentioned positive electrode active material and negative electrode active material are used, as well as H + -based redox active substances such as base metals and O2- based redox active substances. When a solid lithium secondary battery is used as the detection object 4, the ion absorption / release substance needs to be a lithium ion absorption / release substance, and the above-mentioned positive electrode active material and negative electrode active material are used.

固体電解質層23は、固体電解質からなる層である。固体電解質層23は、イオンのみが通過するため、イオンの移動により生じるイオン電流の検出が可能となっている。固体電解質としては、Li伝導性電解質、ゲル+溶液、ドライゲル、無機固体、酸化物系、硫化物系、高分子、水素化物、窒化物、ハロゲン化物等の種々の固体電解質を用いることができる。上述のイオン吸放出物質としてH系酸化還元活性物質が用いられる場合には、固体電解質としてプロトン伝導体が用いられ、上述のイオン吸放出物質としてO2−系酸化還元活性物質が用いられる場合には、固体電解質として酸素イオン伝導体が用いられる。 The solid electrolyte layer 23 is a layer made of a solid electrolyte. Since only the ions pass through the solid electrolyte layer 23, it is possible to detect the ion current generated by the movement of the ions. As the solid electrolyte , various solid electrolytes such as Li + conductive electrolyte, gel + solution, dry gel, inorganic solid, oxide-based, sulfide-based, polymer, hydride, nitride, and halide can be used. .. When an H + -based oxidation-reduction active substance is used as the above-mentioned ion absorbing / releasing substance, a proton conductor is used as the solid electrolyte, and an O2 - based oxidation-reduction active substance is used as the above-mentioned ion absorbing / releasing substance. An oxygen ion conductor is used as the solid electrolyte.

検出対象物4として固体リチウム二次電池が用いられる場合には、固体電解質層23の固体電解質としては、上述の固体リチウム二次電池の固体電解質として従来公知の固体電解質が好ましく用いられ、酸化物系や硫化物系がより好ましく用いられる。酸化物系固体電解質の場合には、大気安定性に優れる気相法を利用することで、検出子20の先端部20aの表面にコーティングすることが可能である。また、硫化物系固体電解質の場合には、大気安定性に難点があるものの、高いイオン導電率が得られる。 When a solid lithium secondary battery is used as the detection target 4, a conventionally known solid electrolyte as the solid electrolyte of the above-mentioned solid lithium secondary battery is preferably used as the solid electrolyte of the solid electrolyte layer 23, and oxides are used. Systems and sulfide systems are more preferably used. In the case of an oxide-based solid electrolyte, it is possible to coat the surface of the tip portion 20a of the detector 20 by using a vapor phase method having excellent atmospheric stability. Further, in the case of a sulfide-based solid electrolyte, although there is a problem in atmospheric stability, high ionic conductivity can be obtained.

上記構成を有する検出部2は、後段で詳述する制御部3により制御(移動機構による位置制御、直流電源、交流電源、パルス電源による電流の供給制御、電流計や電圧計による電流値及び電圧値の取得)されて、検出対象物4から先端部20aに移動するイオンの量、及び/又は、検出対象物4と先端部20aとの間で検出対象物4におけるイオンの状態に相関のある値を検出することにより、検出対象物4におけるイオンの挙動を検出する。 The detection unit 2 having the above configuration is controlled by the control unit 3 described in detail later (position control by a moving mechanism, DC power supply, AC power supply, current supply control by a pulse power supply, current value and voltage by an ammeter or a voltmeter). There is a correlation between the amount of ions that are transferred from the detection target 4 to the tip 20a and / or the state of the ions in the detection target 4 between the detection target 4 and the tip 20a. By detecting the value, the behavior of the ion in the detection target 4 is detected.

ここで、検出対象物4におけるイオンの状態に相関のある値とは、例えば、検出対象物4と先端部20aとの間に生じる静電力が例示される。この静電力の検出については、後段の本実施形態の変形例2で詳述する。 Here, the value that correlates with the state of ions in the detection target object 4 is, for example, an example of the electrostatic force generated between the detection target object 4 and the tip portion 20a. The detection of this electrostatic force will be described in detail in the second modification of the present embodiment.

制御部3は、上述の検出部2を制御する。より詳しくは、例えば制御部3は、移動機構による位置制御、直流電源、交流電源、パルス電源による電流の供給制御、及び、電流計や電圧計による電流値及び電圧値の取得を、上述の検出部2に対して実行する。そのため、制御部3は、移動機構、電源、電流計及び電圧計(いずれも不図示)を備えている。 The control unit 3 controls the detection unit 2 described above. More specifically, for example, the control unit 3 detects the position control by the moving mechanism, the current supply control by the DC power supply, the AC power supply, and the pulse power supply, and the acquisition of the current value and the voltage value by the ammeter or the voltmeter. Execute for part 2. Therefore, the control unit 3 includes a moving mechanism, a power supply, an ammeter, and a voltmeter (all not shown).

移動機構は、上述の検出子20を、検出対象物4の表面に接触する位置又は表面近傍の位置に移動させる。具体的な移動機構は特に限定されず、例えば、ピエゾ素子、サーボモータ等の駆動源が用いられる。 The moving mechanism moves the detector 20 described above to a position in contact with the surface of the detection object 4 or a position near the surface. The specific movement mechanism is not particularly limited, and for example, a drive source such as a piezo element or a servomotor is used.

電源は、検出子20に対して直流、交流、パルス電圧を印加する。本実施形態の検出子20は、その先端部20aにイオン吸放出物質層22を備えているため、直流電流を印加することにより、このイオン吸放出物質層22からイオンが吸放出される。吸放出されるイオンは、イオン吸放出物質層22の外側に積層されている固体電解質層23を介して、検出対象物4との間を移動する。即ち、本実施形態のイオン挙動検出装置1によれば、持続的にイオンを検出対象物4に対して供給可能である結果、検出対象物4におけるイオンの挙動の検出を精度良く行うことが可能となっている。 The power supply applies direct current, alternating current, or pulse voltage to the detector 20. Since the detector 20 of the present embodiment includes an ion absorbing / releasing material layer 22 at its tip portion 20a, ions are absorbed / released from the ion absorbing / releasing material layer 22 by applying a direct current. The absorbed and released ions move between the detection target and the object 4 via the solid electrolyte layer 23 laminated on the outer side of the ion absorbing and releasing substance layer 22. That is, according to the ion behavior detection device 1 of the present embodiment, as a result of being able to continuously supply ions to the detection object 4, it is possible to accurately detect the behavior of the ions in the detection object 4. It has become.

電流計は、検出子20を流れる直流電流値を測定して取得する。電圧計は、検出子20に印加されている電圧値を測定して取得する。 The ammeter measures and acquires the DC current value flowing through the detector 20. The voltmeter measures and acquires the voltage value applied to the detector 20.

なお、本実施形態に係るイオン挙動検出装置1は、さらに集電体(不図示)を備えていてもよい。この集電体と上述の検出子20を検出対象物4に接触させることにより、検出対象物4から先端部20aに移動するイオンの量、及び/又は、検出対象物4と先端部20aとの間で検出対象物4におけるイオンの状態に相関のある値を検出することが可能である。 The ion behavior detection device 1 according to the present embodiment may further include a current collector (not shown). By bringing this current collector into contact with the detector 20 described above, the amount of ions that move from the detection target 4 to the tip 20a and / or the detection target 4 and the tip 20a It is possible to detect a value that correlates with the state of ions in the object 4 to be detected.

また、本実施形態では、検出対象物4には、電気化学反応、例えば電池反応が起こるように、電位や電流を制御できるような装置、例えばポテンショスタット等が接続されていてもよい。例えば、内部に電極が備えられ、内部の電位、電流の計測、制御が行われる構造となっていてもよい。また、通常の大気下以外に、例えば固体電解質層43として硫化物系が用いられている場合等には、不活性雰囲気あるいは真空状態での検出が可能となるように隔離された構造になっていてもよい。検出対象物4に応力を発生させることが可能なアクチュエータ等が設置されていてもよい。 Further, in the present embodiment, a device capable of controlling the potential and current so that an electrochemical reaction, for example, a battery reaction occurs, for example, a potentiostat or the like may be connected to the detection object 4. For example, the structure may be such that an electrode is provided inside and the internal potential and current are measured and controlled. Further, in addition to the normal atmosphere, for example, when a sulfide system is used as the solid electrolyte layer 43, the structure is isolated so that the detection can be performed in an inert atmosphere or a vacuum state. You may. An actuator or the like capable of generating stress may be installed in the detection object 4.

以上の構成を備える本実施形態に係るイオン挙動検出装置1は、図1に示すように検出子20を検出対象物4の表面に接触させることで、検出対象物4から先端部20aに移動するイオンの量(イオン電流)を検出可能である。また、図2に示すように、検出子20を検出対象物4の表面近傍に配置させることで、検出子20と検出対象物4との間に隙間がある場合であってもイオンがホッピングして隙間(空間)を飛行して移動するため、イオンの量(イオン電流)を検出可能である。ただし、この場合にはイオンのホッピングが可能な位置に検出子20を配置する必要がある。 The ion behavior detection device 1 according to the present embodiment having the above configuration moves from the detection object 4 to the tip portion 20a by bringing the detector 20 into contact with the surface of the detection object 4 as shown in FIG. The amount of ions (ion current) can be detected. Further, as shown in FIG. 2, by arranging the detector 20 near the surface of the detection target 4, the ions are hopping even when there is a gap between the detector 20 and the detection target 4. Since it flies through the gap (space) and moves, the amount of ions (ion current) can be detected. However, in this case, it is necessary to arrange the detector 20 at a position where ion hopping is possible.

以上により、検出されたイオン電流に基づいて、オームの法則によりイオン伝導抵抗を求めることができる。これにより、検出対象物4のイオンの挙動(状態)を検出することができる。 From the above, the ionic conduction resistance can be obtained by Ohm's law based on the detected ionic current. Thereby, the behavior (state) of the ions of the detection target 4 can be detected.

ここで、本実施形態の変形例1に係るイオン挙動検出装置1Aについて、図3を参照して説明する。
図3は、本実施形態の変形例1に係るイオン挙動検出装置1Aの構成を示す図である。図3に示すように、変形例1に係るイオン挙動検出装置1Aは、上述のイオン挙動検出装置1に対して、ガス捕集部7を備える点が相違する。
Here, the ion behavior detection device 1A according to the first modification of the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the ion behavior detection device 1A according to the first modification of the present embodiment. As shown in FIG. 3, the ion behavior detection device 1A according to the modification 1 is different from the above-mentioned ion behavior detection device 1 in that it includes a gas collecting unit 7.

ガス捕集部7は、図3に示すようにガス捕集管を備えており、発生したガスをこのガス捕集管により捕集する。
この変形例1に係るイオン挙動検出装置1Aでは、例えば本装置を固体電池の開発時にLiイオン測定用ツールとして使う場合に、電気化学反応の副反応として発生するガスを捕集してその種類を分析して特定することにより、その分析結果を開発にフィードバックでき、効率的な開発が可能となる。
As shown in FIG. 3, the gas collecting unit 7 is provided with a gas collecting pipe, and the generated gas is collected by the gas collecting pipe.
In the ion behavior detection device 1A according to the first modification, for example, when this device is used as a tool for measuring Li ions during the development of a solid-state battery, the gas generated as a side reaction of the electrochemical reaction is collected and the type is selected. By analyzing and identifying, the analysis result can be fed back to the development, and efficient development becomes possible.

また、本実施形態の変形例2に係るイオン挙動検出装置1Bについて、図4を参照して説明する。
図4は、本実施形態の変形例2に係るイオン挙動検出装置1Bの構成を示す図である。図4に示すように、変形例2に係るイオン挙動検出装置1Bは、上述のイオン挙動検出装置1に対して、検出子20のレバー部20bが回動軸部20cを備えると、レーザ変位測定装置8を備える点が相違する。
Further, the ion behavior detection device 1B according to the second modification of the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the ion behavior detection device 1B according to the second modification of the present embodiment. As shown in FIG. 4, the ion behavior detection device 1B according to the modification 2 measures the laser displacement when the lever portion 20b of the detector 20 includes the rotation shaft portion 20c with respect to the above-mentioned ion behavior detection device 1. The difference is that the device 8 is provided.

本変形例2の検出子20の回動軸部20cは、レバー部20bの延びる方向に直交して設けられ、先端部20aを回動可能に支持している。 The rotation shaft portion 20c of the detector 20 of the present modification 2 is provided orthogonal to the extending direction of the lever portion 20b, and rotatably supports the tip portion 20a.

レーザ変位測定装置8は、検出子20の先端部20aの変位を測定する。例えば、レーザ変位測定装置8は、レーザ出射部と、レーザ受光部とを有し、検出子20の先端部20aと検出対象物4との間に生じる静電力によって回動して変位する先端部20aの位置を検出する。 The laser displacement measuring device 8 measures the displacement of the tip portion 20a of the detector 20. For example, the laser displacement measuring device 8 has a laser emitting portion and a laser receiving portion, and the tip portion that is rotated and displaced by an electrostatic force generated between the tip portion 20a of the detector 20 and the detection object 4. The position of 20a is detected.

本変形例では、検出対象物4と先端部20aとの間で検出対象物4におけるイオンの状態に相関のある値に相当する、先端部20aと検出対象物4との間に生じる静電力を検出することができ、これにより、検出対象物4におけるイオンの挙動を検出可能である。 In this modification, the electrostatic force generated between the tip 20a and the detection object 4 corresponding to the value correlated with the state of ions in the detection object 4 between the detection object 4 and the tip 20a is applied. It can be detected, and thus the behavior of ions in the detection object 4 can be detected.

次に、本実施形態の測定例1〜6について、図面を参照して詳しく説明する。
ここで、図5は、本実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例1を示す図である。図6は、本実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例2を示す図である。図7は、本実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例3を示す図である。図8は、本実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例4を示す図である。図9は、本実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例5を示す図である。図10は、本実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例6を示す図である。図11は、本実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例6を示す図である。図12は、本実施形態に係るイオン挙動検出装置の測定例7を示す図である。
なお、図5〜図12では、イオン挙動検出装置1を例に挙げて示しているが、変形例のイオン挙動検出装置1A,1Bでも同様である。
Next, measurement examples 1 to 6 of this embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
Here, FIG. 5 is a diagram showing measurement example 1 of the ion behavior detection device according to the present embodiment. FIG. 6 is a diagram showing measurement example 2 of the ion behavior detection device according to the present embodiment. FIG. 7 is a diagram showing measurement example 3 of the ion behavior detection device according to the present embodiment. FIG. 8 is a diagram showing measurement example 4 of the ion behavior detection device according to the present embodiment. FIG. 9 is a diagram showing measurement example 5 of the ion behavior detection device according to the present embodiment. FIG. 10 is a diagram showing measurement example 6 of the ion behavior detection device according to the present embodiment. FIG. 11 is a diagram showing measurement example 6 of the ion behavior detection device according to the present embodiment. FIG. 12 is a diagram showing a measurement example 7 of the ion behavior detection device according to the present embodiment.
Although the ion behavior detection device 1 is shown as an example in FIGS. 5 to 12, the same applies to the ion behavior detection devices 1A and 1B of the modified examples.

図5に示す測定例1では、2つの検出子20をそれぞれ正極層41の表面に接触した状態で互いに離隔して固定配置させ、電源31により直流、交流、パルス電圧を印加したときの電流値及び電圧値を電流計32及び電圧計33により測定する。これにより、正極層41の内部におけるイオン伝導抵抗を検出することができる。なお、正極層41と負極層42の配置を逆とすることにより、負極層42の内部におけるイオン伝導抵抗を検出することができる。 In the measurement example 1 shown in FIG. 5, the two detectors 20 are fixedly arranged separately from each other in a state of being in contact with the surface of the positive electrode layer 41, and the current value when a direct current, an alternating current, or a pulse voltage is applied by the power supply 31. And the voltage value is measured by the ammeter 32 and the voltmeter 33. Thereby, the ionic conduction resistance inside the positive electrode layer 41 can be detected. By reversing the arrangement of the positive electrode layer 41 and the negative electrode layer 42, the ionic conduction resistance inside the negative electrode layer 42 can be detected.

図6に示す測定例2では、2つの検出子20をそれぞれ検出対象物4(正極層41や負極層42の電極層、あるいは固体電解質層43等)の表面に接触した状態で互いに離隔して配置させ、一方のみを表面に沿って移動させながら、電源31により直流、交流、パルス電圧を印加したときの電流値及び電圧値を電流計32及び電圧計33により測定する。これにより、検出対象物4におけるイオン伝導分布を検出することができる。 In the measurement example 2 shown in FIG. 6, the two detectors 20 are separated from each other in a state of being in contact with the surface of the detection object 4 (the electrode layer of the positive electrode layer 41 or the negative electrode layer 42, the solid electrolyte layer 43, or the like). The current value and the voltage value when DC, AC, and pulse voltage are applied by the power supply 31 are measured by the current meter 32 and the voltmeter 33 while arranging and moving only one of them along the surface. Thereby, the ion conduction distribution in the detection object 4 can be detected.

図7に示す測定例3では、2つの検出子20をそれぞれ正極層41の内部まで挿入した状態で互いに離隔して固定配置させ、電源31により直流、交流、パルス電圧を印加したときの電流値及び電圧値を電流計32及び電圧計33により測定する。これにより、正極層41のより内部におけるイオン伝導抵抗を検出することができる。なお、正極層41と負極層42の配置を逆とすることにより、負極層42のより内部におけるイオン伝導抵抗を検出することができる。 In the measurement example 3 shown in FIG. 7, the two detectors 20 are inserted into the positive electrode layer 41 and fixedly arranged at a distance from each other, and the current value when a direct current, an alternating current, or a pulse voltage is applied by the power supply 31. And the voltage value is measured by the ammeter 32 and the voltmeter 33. Thereby, the ionic conduction resistance inside the positive electrode layer 41 can be detected. By reversing the arrangement of the positive electrode layer 41 and the negative electrode layer 42, the ion conduction resistance inside the negative electrode layer 42 can be detected.

図8に示す測定例4では、2つの検出子20をそれぞれ検出対象物4(正極層41や負極層42の電極層、あるいは固体電解質層43等)の内部まで挿入した状態で互いに離隔して配置させ、一方のみを検出対象物4の面方向に沿って移動させながら、電源31により直流、交流、パルス電圧を印加したときの電流値及び電圧値を電流計32及び電圧計33により測定する。これにより、検出対象物4におけるイオン伝導分布を検出することができる。 In the measurement example 4 shown in FIG. 8, the two detectors 20 are separated from each other in a state of being inserted into the detection target 4 (the electrode layer of the positive electrode layer 41 and the negative electrode layer 42, the solid electrolyte layer 43, etc.). The current value and the voltage value when DC, AC, and pulse voltage are applied by the power supply 31 are measured by the current meter 32 and the voltmeter 33 while arranging them and moving only one of them along the plane direction of the detection object 4. .. Thereby, the ion conduction distribution in the detection object 4 can be detected.

図9に示す測定例5では、1つの検出子20と1つの集電体6をそれぞれ正極層41あるいは負極層42の表面に接触した状態で互いに離隔して配置させ、検出子20のみを表面に沿って移動させながら、電源31により直流、交流、パルス電圧を印加したときの電流値及び電圧値を電流計32及び電圧計33により測定する。これにより、正極層41あるいは負極層42における活物質の活性を検出することができる。 In the measurement example 5 shown in FIG. 9, one detector 20 and one current collector 6 are arranged so as to be separated from each other in contact with the surface of the positive electrode layer 41 or the negative electrode layer 42, respectively, and only the detector 20 is placed on the surface. The current value and the voltage value when DC, AC, and pulse voltage are applied by the power supply 31 are measured by the current meter 32 and the voltmeter 33 while moving along the above. Thereby, the activity of the active material in the positive electrode layer 41 or the negative electrode layer 42 can be detected.

図10に示す測定例6では、1つの検出子20と1つの集電体6をそれぞれ正極層41あるいは負極層42中の活物質単粒子に接触した状態で互いに離隔して配置させ、検出子20のみを移動させながら、電源31により直流、交流、パルス電圧を印加したときの電流値及び電圧値を電流計32及び電圧計33により測定する。これにより、正極層41あるいは負極層42における活物質単粒子の活性を検出することができる。 In the measurement example 6 shown in FIG. 10, one detector 20 and one current collector 6 are arranged apart from each other in contact with the active material single particles in the positive electrode layer 41 or the negative electrode layer 42, respectively, and the detectors are arranged. While moving only 20, the current value and the voltage value when DC, AC, and pulse voltage are applied by the power supply 31 are measured by the current meter 32 and the voltmeter 33. Thereby, the activity of the active material single particle in the positive electrode layer 41 or the negative electrode layer 42 can be detected.

図11に示す測定例7では、1つの検出子20と1つの集電体6をそれぞれ正極層41あるいは負極層42の表面に接触した状態で互いに離隔して配置させ、検出子20のみを表面に沿って移動させながら、電源31により直流、交流、パルス電圧を印加しないときの電圧値のみを電圧計33により測定する。これにより、正極層41あるいは負極層42における活物質の局所電位を検出することができる。この場合検出部2は参照極としての機能も有するため、高精度の電位を検出することができる。 In the measurement example 7 shown in FIG. 11, one detector 20 and one current collector 6 are arranged so as to be separated from each other in contact with the surface of the positive electrode layer 41 or the negative electrode layer 42, respectively, and only the detector 20 is placed on the surface. The voltmeter 33 measures only the voltage value when no direct current, alternating current, or pulse voltage is applied by the power supply 31 while moving along the above. Thereby, the local potential of the active material in the positive electrode layer 41 or the negative electrode layer 42 can be detected. In this case, since the detection unit 2 also has a function as a reference electrode, it is possible to detect the potential with high accuracy.

図12に示す測定例8では、1つの検出子20と1つの集電体6を検出対象物に接触した状態で互いに離隔して配置させ、検出子20のみを移動させながら、電源31により直流、交流、パルス電圧を印加したときの電流値及び電圧値を電流計32及び電圧計33により測定する。このとき、集電体6の先端を検出対象物の内部に挿入配置する。これにより、イオンの挙動(状態)を検出することができるうえ、その立体構造を検出できる。なお、この場合、集電体6は、先端以外を絶縁部材で被覆するのが好ましい。 In the measurement example 8 shown in FIG. 12, one detector 20 and one current collector 6 are arranged apart from each other in a state of being in contact with the detection object, and while moving only the detector 20, direct current is supplied by the power supply 31. , AC, and the current value and the voltage value when the pulse voltage is applied are measured by the ammeter 32 and the voltmeter 33. At this time, the tip of the current collector 6 is inserted and arranged inside the detection object. As a result, the behavior (state) of the ion can be detected, and the three-dimensional structure thereof can be detected. In this case, it is preferable that the current collector 6 is covered with an insulating member other than the tip.

本実施形態によれば、以下の効果が奏される。 According to this embodiment, the following effects are achieved.

本実施形態によれば、検出対象物から先端部に移動するイオンの量、及び/又は、検出対象物と先端部との間で検出対象物におけるイオンの状態に相関のある値を検出するため、検出対象物におけるイオンの挙動(状態)を精度良く検出できる。 According to the present embodiment, in order to detect a value that correlates with the amount of ions moving from the detection target to the tip and / or the state of ions in the detection target between the detection target and the tip. , The behavior (state) of ions in the object to be detected can be detected with high accuracy.

例えば走査型プローブ顕微鏡等では、プローブと試料間に流れる電流や原子間力を測定することで試料表面状態を観察するものであったが、本実施形態のイオン挙動検出装置によれば、イオン(陽イオン、陰イオン)の挙動(状態)を非溶液環境下で検出できる。加えて、電気化学反応を測定する場合には、荷電粒子が移動可能な電解液を用いることが必要であったが、本実施形態によれば、電解液を使用しないため、固体状態であってもイオンの挙動(状態)を検出できる。 For example, in a scanning probe microscope or the like, the surface state of a sample is observed by measuring the current flowing between the probe and the sample and the interatomic force. The behavior (state) of cations and anions can be detected in a non-solution environment. In addition, when measuring the electrochemical reaction, it was necessary to use an electrolytic solution in which charged particles can move, but according to this embodiment, since no electrolytic solution is used, the state is in a solid state. Can also detect the behavior (state) of ions.

また、本実施形態によれば、検出子の位置を制御しながら測定すれば、例えば微小な部分の電圧、電流分布を高精度に、位置情報とともに測定できる。従って、例えば固体二次電池の、電極層(正極層、負極層)や固体電解質層の電圧、電流分布を測定し、内部のイオン(荷電粒子)の状態や抵抗を高精度に検出することができるため、これら検出結果を電圧、電流、温度制御等にフィードバックさせることで、固体二次電池の性能や耐久性を向上させることができる。即ち、従来は電圧だけで判断していた電池の劣化状態を、本実施形態によれば、電極(活物質)や固体電解質の劣化状態を直接検出することができるため、精度良く固体二次電池の劣化抑制制御が可能である。 Further, according to the present embodiment, if the measurement is performed while controlling the position of the detector, for example, the voltage and current distribution of a minute portion can be measured with high accuracy together with the position information. Therefore, for example, it is possible to measure the voltage and current distribution of the electrode layer (positive electrode layer, negative electrode layer) and solid electrolyte layer of a solid secondary battery and detect the state and resistance of internal ions (charged particles) with high accuracy. Therefore, by feeding back these detection results to voltage, current, temperature control, etc., the performance and durability of the solid-state secondary battery can be improved. That is, according to this embodiment, the deteriorated state of the battery, which was conventionally determined only by the voltage, can be directly detected as the deteriorated state of the electrode (active material) and the solid electrolyte, so that the solid secondary battery can be accurately detected. Deterioration suppression control is possible.

[二次電池装置]
図13は、本実施形態に係る二次電池装置9の構成を示す図である。本実施形態に係る二次電池装置9は、上述の各イオン挙動検出装置を備えることを特徴とする。本実施形態に係る二次電池装置9は、例えば車両用の蓄電池を構成し、車両に搭載されてオンボードで機能する。
[Secondary battery device]
FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the secondary battery device 9 according to the present embodiment. The secondary battery device 9 according to the present embodiment is characterized by including each of the above-mentioned ion behavior detection devices. The secondary battery device 9 according to the present embodiment constitutes, for example, a storage battery for a vehicle, is mounted on the vehicle, and functions on-board.

図13に示す通り、本実施形態に係る二次電池装置9は、二次電池制御部5を備える。二次電池制御部5は、二次電池の充電、放電及び温度を制御する。二次電池制御部5は、検出部2により検出された電極層又は固体電解質層におけるイオンの挙動に基づいて、二次電池の充電、放電及び温度を制御する。 As shown in FIG. 13, the secondary battery device 9 according to the present embodiment includes a secondary battery control unit 5. The secondary battery control unit 5 controls charging, discharging, and temperature of the secondary battery. The secondary battery control unit 5 controls the charge, discharge, and temperature of the secondary battery based on the behavior of ions in the electrode layer or the solid electrolyte layer detected by the detection unit 2.

従って本実施形態によれば、例えば検出子の位置を制御しながら測定すれば、例えば微小な部分の電圧、電流分布を高精度に、位置情報とともに測定できることから、固体二次電池の、電極層(正極層、負極層)や固体電解質層の電圧、電流分布を測定し、内部のイオン(荷電粒子)の状態や抵抗を高精度に検出することができるため、これら検出結果を電圧、電流、温度制御等にフィードバックさせることで、固体二次電池の性能や耐久性を向上させることができる。即ち、従来は電圧だけで判断していた電池の劣化状態を、本発明によれば、電極(活物質)や固体電解質の劣化状態を直接検出することができるため、精度良く固体二次電池の劣化抑制制御が可能である。 Therefore, according to the present embodiment, for example, if the measurement is performed while controlling the position of the detector, for example, the voltage and current distribution of a minute part can be measured with high accuracy together with the position information. Since the voltage and current distributions of (positive electrode layer, negative electrode layer) and solid electrolyte layer can be measured and the state and resistance of internal ions (charged particles) can be detected with high accuracy, these detection results can be used for voltage, current, and By feeding back to the temperature control or the like, the performance and durability of the solid-state secondary battery can be improved. That is, according to the present invention, the deteriorated state of the battery, which was conventionally determined only by the voltage, can be directly detected as the deteriorated state of the electrode (active material) and the solid electrolyte. Deterioration suppression control is possible.

[走査型プローブ顕微鏡]
本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡は、上述の各イオン挙動検出装置を備えることを特徴とする。また、検出子20は、先端部20aが探針で構成されるカンチレバーであることを特徴とする。
[Scanning probe microscope]
The scanning probe microscope according to the present embodiment is characterized by including each of the above-mentioned ion behavior detection devices. Further, the detector 20 is characterized in that the tip portion 20a is a cantilever composed of a probe.

ここで、従来の走査型プローブ顕微鏡(SPM)は、探針(プローブ)と試料間に作用する種々の物理量、例えばトンネル電流や原子間力を検出する等して、微小領域の表面形状や物性を測定するものである。しかしながら、走査型プローブ顕微鏡(SPM)では、プローブ(探針)と試料間に流れるトンネル電流、即ち電子を検出するものであり、イオンのような荷電粒子の発生、消失、移動等を直接観察することはできない。 Here, the conventional scanning probe microscope (SPM) detects various physical quantities acting between the probe and the sample, such as tunnel current and atomic force, to detect the surface shape and physical properties of a minute region. Is to be measured. However, the scanning probe microscope (SPM) detects the tunnel current flowing between the probe (probe) and the sample, that is, electrons, and directly observes the generation, disappearance, movement, etc. of charged particles such as ions. It is not possible.

また、試料で起こる電気化学反応を観察するために、試料の電位を制御しながら表面を観察可能な電気化学走査型トンネル顕微鏡が考案されている。しかしながら、電気化学走査型トンネル顕微鏡は、イオン伝導性を確保するため、イオン伝導性のある電解液を接触させる必要があり、検出対象物が溶液系に限定される。そのため、固体二次電池等の固体系への適用が不可能である。また、電解液を用いるため、減圧状態、低温環境下での測定が不可能であり、イオン伝導用電解液を充填させたプローブは絶縁性の高いガラスキャピラリーが使用されてきたことから、レーザ光等による変位測定で誤差が大きく正確な測定が不可能である。さらには、試料内に応力を発生させた状態での観察は不可能である。
これに対して本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、固体状態であってもイオンの挙動(状態)を検出できる。
Further, in order to observe the electrochemical reaction occurring in the sample, an electrochemical scanning tunneling microscope capable of observing the surface while controlling the potential of the sample has been devised. However, in the electrochemical scanning tunneling microscope, in order to ensure ionic conductivity, it is necessary to bring an electrolytic solution having ionic conductivity into contact, and the object to be detected is limited to a solution system. Therefore, it cannot be applied to a solid system such as a solid secondary battery. In addition, since an electrolytic solution is used, it is impossible to measure in a reduced pressure state or a low temperature environment, and a glass capillary having high insulation properties has been used as a probe filled with an electrolytic solution for ion conduction. Therefore, laser light is used. Accurate measurement is not possible due to a large error in displacement measurement due to such factors. Furthermore, it is impossible to observe the sample in a state where stress is generated in the sample.
On the other hand, according to the scanning probe microscope according to the present embodiment, the behavior (state) of ions can be detected even in the solid state.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。 The present invention is not limited to the above embodiment, and modifications and improvements within the range in which the object of the present invention can be achieved are included in the present invention.

1 イオン挙動検出装置
2 検出部
20 検出子
20a 先端部
21 金属層
22 イオン吸放出物質層
23 固体電解質層
3 制御部
31 電源
32 電流計
33 電圧計
4 検出対象物
40 固体リチウム二次電池
41 正極層
42 負極層
43 固体電解質層
44a、44b 参照極
5 二次電池制御部
6 集電体
7 ガス捕集部
8 レーザ変位測定装置
9 二次電池装置
1 Ion behavior detector 2 Detector 20 Detector 20a Tip 21 Metal layer 22 Ion absorption / release material layer 23 Solid electrolyte layer 3 Control unit 31 Power supply 32 Current meter 33 Voltage meter 4 Detection target 40 Solid lithium secondary battery 41 Positive electrode Layer 42 Negative layer 43 Solid electrolyte layer 44a, 44b Reference electrode 5 Secondary battery control unit 6 Current collector 7 Gas collection unit 8 Laser displacement measuring device 9 Secondary battery device

Claims (7)

検出対象物におけるイオンの挙動を検出するイオン挙動検出装置であって、
前記検出対象物に対して接触又は非接触で配置される少なくとも1つの検出子を有する検出部と、
前記検出部を制御する制御部と、を備え、
前記検出子は、少なくとも先端部が、内側から順に、金属からなる金属層と、イオンを吸放出するイオン吸放出物質からなるイオン吸放出物質層と、固体電解質からなる固体電解質層と、を含んで構成され、
前記検出部は、前記制御部により制御されて、前記検出対象物から前記先端部に移動するイオンの量、及び/又は、前記検出対象物と前記先端部との間で前記検出対象物におけるイオンの状態に相関のある値を検出することにより、前記検出対象物におけるイオンの挙動を検出する、イオン挙動検出装置。
An ion behavior detection device that detects the behavior of ions in a detection target.
A detector having at least one detector arranged in contact or non-contact with the detection object,
A control unit that controls the detection unit is provided.
The detector includes, at least from the inside, a metal layer made of metal, an ion absorbing / releasing substance layer made of an ion absorbing / releasing substance that absorbs / releases ions, and a solid electrolyte layer made of a solid electrolyte. Consists of
The detection unit is controlled by the control unit, and the amount of ions moving from the detection target to the tip, and / or the ions in the detection target between the detection target and the tip. An ion behavior detection device that detects the behavior of ions in the detection target by detecting a value that correlates with the state of.
前記検出対象物は、二次電池の電極層又は固体電解質層であり、
前記検出部は、少なくとも2つの前記検出子を有するとともに、前記制御部により制御されて、少なくとも2つの前記検出子の先端部が前記電極層又は固体電解質層の表面、表面近傍又は内部に配置された状態で、前記電極層又は固体電解質層におけるイオンの挙動を検出する、請求項1に記載のイオン挙動検出装置。
The object to be detected is an electrode layer or a solid electrolyte layer of a secondary battery.
The detector has at least two detectors and is controlled by the control unit so that the tips of at least two detectors are arranged on the surface, near or inside the electrode layer or the solid electrolyte layer. The ion behavior detection device according to claim 1, wherein the ion behavior in the electrode layer or the solid electrolyte layer is detected in this state.
前記検出部は、前記制御部により制御されて、少なくとも1つの前記検出子が前記電極層又は固体電解質層の面方向に沿って移動することにより、前記電極層又は固体電解質層におけるイオンの挙動を検出する、請求項2に記載のイオン挙動検出装置。 The detection unit is controlled by the control unit, and at least one of the detectors moves along the plane direction of the electrode layer or the solid electrolyte layer to cause the behavior of ions in the electrode layer or the solid electrolyte layer. The ion behavior detection device according to claim 2, which detects the ion behavior. 前記検出対象物は、二次電池の電極層又は固体電解質層であり、
前記検出部は、少なくとも1つの集電体をさらに有するとともに、前記制御部により制御されて、少なくとも1つの前記検出子の先端部が前記電極層又は固体電解質層の表面、表面近傍又は内部に配置され、且つ、少なくとも1つの前記集電体が前記電極層又は固体電解質層に接触した状態で、前記電極層又は固体電解質層におけるイオンの挙動を検出する、請求項1に記載のイオン挙動検出装置。
The object to be detected is an electrode layer or a solid electrolyte layer of a secondary battery.
The detector further includes at least one current collector, and is controlled by the control unit so that the tip of at least one detector is arranged on the surface, near or inside the electrode layer or the solid electrolyte layer. The ion behavior detection device according to claim 1, wherein the ion behavior is detected in the electrode layer or the solid electrolyte layer in a state where at least one of the current collectors is in contact with the electrode layer or the solid electrolyte layer. ..
前記検出部は、前記制御部により制御されて、少なくとも1つの前記検出子の先端部が前記電極層又は固体電解質層の表面又は表面近傍に配置され、且つ、少なくとも1つの前記集電体が前記電極層又は固体電解質層の内部に挿入された状態で、前記電極層又は固体電解質層におけるイオンの挙動を検出する、請求項4に記載のイオン挙動検出装置。 The detection unit is controlled by the control unit so that at least one tip of the detector is arranged on or near the surface of the electrode layer or the solid electrolyte layer, and at least one of the current collectors is said. The ion behavior detection device according to claim 4, wherein the ion behavior is detected in the electrode layer or the solid electrolyte layer while being inserted inside the electrode layer or the solid electrolyte layer. 請求項1から5いずれかに記載のイオン挙動検出装置と、
二次電池の充電、放電及び温度を制御する二次電池制御部と、を備え、
前記検出対象物は、二次電池の電極層又は固体電解質層であり、
前記二次電池制御部は、前記検出部により検出された前記電極層又は固体電解質層におけるイオンの挙動に基づいて、前記二次電池の充電、放電及び温度を制御する、二次電池装置。
The ion behavior detection device according to any one of claims 1 to 5.
It is equipped with a secondary battery control unit that controls charging, discharging, and temperature of the secondary battery.
The object to be detected is an electrode layer or a solid electrolyte layer of a secondary battery.
The secondary battery control unit is a secondary battery device that controls charging, discharging, and temperature of the secondary battery based on the behavior of ions in the electrode layer or the solid electrolyte layer detected by the detection unit.
請求項1から5いずれかに記載のイオン挙動検出装置を備え、
前記検出子は、前記先端部が探針で構成されるカンチレバーである、走査型プローブ顕微鏡。
The ion behavior detection device according to any one of claims 1 to 5 is provided.
The detector is a scanning probe microscope in which the tip is a cantilever composed of a probe.
JP2018111273A 2018-06-11 2018-06-11 Ion behavior detector, secondary battery device and scanning probe microscope Expired - Fee Related JP6943811B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018111273A JP6943811B2 (en) 2018-06-11 2018-06-11 Ion behavior detector, secondary battery device and scanning probe microscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018111273A JP6943811B2 (en) 2018-06-11 2018-06-11 Ion behavior detector, secondary battery device and scanning probe microscope

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019215187A JP2019215187A (en) 2019-12-19
JP6943811B2 true JP6943811B2 (en) 2021-10-06

Family

ID=68917940

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018111273A Expired - Fee Related JP6943811B2 (en) 2018-06-11 2018-06-11 Ion behavior detector, secondary battery device and scanning probe microscope

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6943811B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7313297B2 (en) * 2020-02-12 2023-07-24 本田技研工業株式会社 Ion Behavior Detector, Secondary Battery Device and Scanning Probe Microscope
US20240094241A1 (en) * 2020-12-25 2024-03-21 Tohoku University High-frequency enhanced electrochemical strain microscope and high-frequency enhanced electrochemical strain microscopy using the same
CN112903789B (en) * 2021-01-18 2023-04-07 北京农业智能装备技术研究中心 Ion flow velocity detection method and system based on ion absorption dynamics

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3760670B2 (en) * 1998-05-01 2006-03-29 富士ゼロックス株式会社 Charge mobility detector and charge mobility detection method
JP2004167643A (en) * 2002-11-21 2004-06-17 Japan Science & Technology Agency Method and apparatus for producing fine metal atomic structure
JP4810148B2 (en) * 2005-07-21 2011-11-09 エスペック株式会社 Battery electromotive force distribution measuring apparatus and battery electromotive current distribution measuring method
US8719961B2 (en) * 2010-11-24 2014-05-06 Ut-Battelle, Llc Real space mapping of ionic diffusion and electrochemical activity in energy storage and conversion materials
JP5975274B2 (en) * 2012-07-27 2016-08-23 トヨタ自動車株式会社 Electrode inspection method and use thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019215187A (en) 2019-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Paul et al. Quantification of heterogeneous, irreversible lithium plating in extreme fast charging of lithium-ion batteries
Dees et al. Electrochemical modeling of lithium-ion positive electrodes during hybrid pulse power characterization tests
Masuda et al. Internal potential mapping of charged solid-state-lithium ion batteries using in situ Kelvin probe force microscopy
JP6943811B2 (en) Ion behavior detector, secondary battery device and scanning probe microscope
Crumlin et al. In situ investigation of electrochemical devices using ambient pressure photoelectron spectroscopy
Dees et al. Theoretical examination of reference electrodes for lithium-ion cells
KR101685461B1 (en) Apparatus and Method for Evaluating Sheet-like Battery
US6177799B1 (en) Rechargeable battery electrode testing device
Singer et al. Kinetic study of low temperature capacity fading in Li-ion cells
JP6345399B2 (en) Electrode evaluation method
Chan et al. Reliability and accuracy of measured overpotential in a three-electrode fuel cell system
Demirocak et al. In situ atomic force microscopy analysis of morphology and particle size changes in lithium iron phosphate cathode during discharge
US20130236755A1 (en) Electrochemical cell of an accumulator
US8736273B2 (en) Testing system and method for testing a battery cell
Masuda et al. In situ visualization of Li concentration in all-solid-state lithium ion batteries using time-of-flight secondary ion mass spectrometry
EP3176854A1 (en) Battery cell
Nagpure et al. Surface potential measurement of aged Li-ion batteries using Kelvin probe microscopy
JP7103105B2 (en) Secondary battery life prediction method and its equipment
Borkiewicz et al. Mapping spatially inhomogeneous electrochemical reactions in battery electrodes using high energy X-rays
US20220196749A1 (en) A Computer-Implemented Method for Electrochemical Impedance Spectroscopy and a Measurement Device for the Same
JP7313297B2 (en) Ion Behavior Detector, Secondary Battery Device and Scanning Probe Microscope
Maeda et al. Microscopic electrochemical analysis of all-solid-state Li-ion batteries using conductive atomic force microscopy as a nano current collector probe
JP2009522729A (en) Apparatus for measuring electrical properties of electrochemical devices
JP4817962B2 (en) Fuel cell current distribution measuring device, stacked fuel cell current distribution measuring device, and fuel cell current distribution measuring method
JP7525272B2 (en) Measuring device and measuring method

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20201130

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210813

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210831

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210909

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6943811

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees