EQCM-Dと電池材料の評価
昨今、電気自動車やエネルギーストレージ需要の増大により、新しい電池技術の要求に応じて多くの議論が開発研究現場でも交わされています。より安定した、低コストで安全なエネルギーストレージを実現するソリューションを開発するべく、様々な研究が行われ、その研究現場で活躍する先端技術の一つに、私たちの取り扱うBiolin Scientific社製QSenseを用いたEQCM-D（電気化学QCM-D）も含まれております。今回はQSenseが如何に電池研究の分野で用いられているかについて概説し、また最近の論文例についてもご紹介したいと思います。
QCM-Dと電池材料の解析への応用
Biolin Scientific社のQSenseではQCM-D（Quartz Crystal Microbalance with Dissipation monitoring）と呼ばれる、液中分子と固体表面間で起こっているナノレベルの動的な相互作用をリアルタイムで測定する解析手法(Time-resolved nanoscale analysis)を応用することで、電池研究の分野において重要な役割を果たしている電極表面における界面層の形成および発展の過程を観察可能です。また電気化学的な測定とQCM-Dによる相互作用解析とを組み合わせたElectrochemistry QCM-D(EQCM-D)測定を実施することが可能になっており、このEQCM-D技術の応用が期待される研究分野としては、特に固体電解質界面（SEI）膜の界面挙動の解析とその結果を活用した電池電極材料の基礎開発等が挙げられています。
EQCM-Dを用いたSEI膜の解析
SEI(固体電解質界面＝Solid Electrolyte Interphase, 以下SEI）膜は、電池の充放電サイクル中に電解液が分解して電池負極に形成される界面層です。このSEI膜の安定化こそが、電池の充放電サイクルの安定化にとっても重要な意味を持ちます。理想的なSEI膜とは、機械的な強度が高く、電気絶縁性、イオン伝導性を有することが要件であり、これらの異なる特性を最適化する条件を見つけ出すために、電池分野の研究者達は多大なる努力を重ねてきました。一般的にSEI膜の組成や構造は時間とともに変化するため、その特性を理解し予測することは非常に困難な課題となっております。そこでQCM-DやEQCM-Dといったリアルタイム且つナノレベルの分解能で界面における相互作用を測定する方法がますます注目を集めているという訳です。
既にSEI膜の基礎研究において、QCM-DならびにEQCM-Dを用いた多くの測定事例が紹介されており、例えばこれまでに発表された論文中では、
・SEI膜の動的な形成(ビルドアップ)過程の評価
・SEI膜の粘弾性評価
・SEI界面における電解液の影響評価
等の実験・測定事例を見ることができます。
以下、SEI膜の解析にBiolin Scientific社製のQSenseを用いたQCM-D/EQCM-Dの実験例やデータを示した文献をいくつか集めましたのでご参照下さい。
Cora, S., Ahmad, S., & Sa, N. (2021). In Situ Probing of Mass Exchange at the Solid Electrolyte Interphase in Aqueous and Nonaqueous Zn Electrolytes with EQCM-D. ACS Applied Materials & Interfaces, 13(8), 10131–10140
https://doi.org/10.1021/ACSAMI.1C00565
Chai, Y., Jia, W., Hu, Z., Jin, S., Jin, H., Ju, H., Yan, X., Ji, H., & Wan, L. J. (2021). Monitoring the mechanical properties of the solid electrolyte interphase (SEI) using electrochemical quartz crystal microbalance with dissipation. Chinese Chemical Letters, 32(3), 1139–1143
https://doi.org/10.1016/J.CCLET.2020.09.008
Narayanan, A., Mugele, F., & Duits, M. H. G. (2020). Electrochemically Induced Changes in TiO2 and Carbon Films Studied with QCM-D. ACS Applied Energy Materials, 3(2), 1775–1783
https://doi.org/10.1021/ACSAEM.9B02233
Kitz, P. G., Lacey, M. J., Novák, P., & Berg, E. J. (2020). Operando investigation of the solid electrolyte interphase mechanical and transport properties formed from vinylene carbonate and fluoroethylene carbonate. Journal of Power Sources, 477, 228567
https://doi.org/10.1016/J.JPOWSOUR.2020.228567
Wang, Z., Ouyang, L., Li, H., Wågberg, L., & Hamedi, M. M. (2021). Layer-by-Layer Assembly of Strong Thin Films with High Lithium Ion Conductance for Batteries and Beyond. Small, 17(32), 2100954
https://doi.org/10.1002/SMLL.202100954
Tiétchatiétcha, G. F., Mears, L. L. E., Dworschak, D., Roth, M., Klü, I., & Valtiner, M. (2020). Adsorption and Diffusion Moderated by Polycationic Polymers during Electrodeposition of Zinc. Cite This: ACS Appl. Mater. Interfaces, 12
https://doi.org/10.1021/acsami.0c04263
Browning, K. L., Sacci, R. L., Doucet, M., Browning, J. F., Kim, J. R., & Veith, G. M. (2020). The Study of the Binder Poly(acrylic acid) and Its Role in Concomitant Solid–Electrolyte Interphase Formation on Si Anodes. ACS Applied Materials & Interfaces, 12(8), 10018–10030
https://doi.org/10.1021/ACSAMI.9B22382
