ポテンショスタットをバッテリーに接続する方法

接続前の3つの確認事項

電圧。電池の開回路電圧は、お使いのポテンショスタットの測定可能電位範囲内にある必要があります。単体のリチウムイオン電池（約3～4.3 V）は、±5 Vの範囲内に収まります。一方、12 Vの鉛蓄電池は、±10 Vの範囲には収まりません。

電流。印加または測定する予定の最大電流を確認してください。容量が数ミリアンペア時のコイン型電池を用いた実験であれば、ほとんどのポテンショスタットで動作します。数百ミリアンペアの電流でより大容量の電池を充放電する場合は、最大1.1 Aに対応する Nexusなどの装置が必要となります。

電源。バッテリーを取り付ける前に、ポテンショスタットの電源を入れ、接続を完了しておく必要があります。電源が入っていないポテンショスタットに充電済みのバッテリーを接続すると、機器が損傷する恐れがあります。これは、一部のポテンショスタットモデルには、機器への逆電流に対する保護機能が備わっていないためです。

手順解説：2電極接続

これは、バッテリーセル全体を測定するための標準的な方法です。一般的なPalmSensのセルケーブルでは、作業電極のリード線は赤、対極は黒、参照電極は青、センスリードは白または黄色となっています。

1. ポテンショスタットの電源を入れ、PSTraceに接続します。
2. 参照電極のプラグ（青色）を、対極のプラグ（黒色）の上に重ねてください。
3. お使いの装置にセンスリードがある場合は、作業電極のプラグ（赤）をその上に差し込んでください。
4. カウンター端子とリファレンス端子を、バッテリーのマイナス端子に接続します。
5. 作業電極（および検出）リード線をプラス端子に接続します。
6. まず、開回路電位（OCP）の測定を行います。予想されるセル電圧と等しい正の値が得られれば、極性が正しいことが確認されます。

OCPチェックが完了してから、電位または電流を印加する手法を開始してください。

この設定では、電位が印加され、同じ2つの端子間で電流が流れます。その結果には、両方の電極、電解質、およびセパレータがすべて含まれます。セル全体の電圧が関心のあるパラメータである場合、まさにこれが望ましい状態です。

EISおよび大電流測定のための4端子接続

すべてのケーブルには抵抗があります。一般的なPalmSensセルケーブルの抵抗は約0.2 Ω（端から端まで）であるため、100 mAの電流が流れると、ケーブル両端で20 mVの電圧降下が生じます。リード線を1つのクリップに重ねて接続すると、この電圧降下と接触抵抗が測定値に反映されてしまいます。

低電流での測定のほとんどでは、この影響は無視できる程度です。しかし、リチウムイオン電池の内部抵抗は多くの場合 1 Ω未満であるため、ほとんどの電池測定では無視できません。2端子EIS測定では、ケーブルやクリップの抵抗が、電池自体の抵抗と同程度の大きさになることがあります。

解決策は、電流を流すリード線と電位を測定するリード線を分離することです。作業電極のリード線とセンスリード線を、別々のクリップを使って正極に接続します。対極のリード線と参照電極のリード線を、別々のクリップを使って負極に接続します。

電池の接続方法については、以下の図を参照してください。

ケルビン接続では、センスリードとリファレンスリードがバッテリー端子での電位を直接測定するため、これらのリードにはほとんど電流が流れません。これは4端子測定、またはケルビン測定と呼ばれます。NexusやEmStat4 HRなど、センスリードを備えたPalmSensの計測器は、この設定に対応しています。

電池を用いたEIS測定において、リード線の接続方法は、装置の設定よりも結果に大きな影響を与えます。

ポテンショスタットを用いたEIS測定に関するもう1つのヒント：直流電位は、基準電極ではなく OCPを基準に設定してください。そうしないと、ポテンショスタットが電池を0 Vまで引き下げようとし、大きな電流を流してしまいます。低インピーダンスのセルでは、定電流EIS（GEIS）が一般的な代替手法として用いられます。

陽極と陰極を別々に測定する

市販の電池には2つの端子があるため、測定できるのはセル全体のみです。3つ目の参照電極を備えた実験用テストセルを使用すれば、各電極を個別に測定することも可能です。

その場合は、作業電極を陰極に、対極を陽極に、基準電極を基準端子に接続してください。Nexusには、同時に追加の電位を測定する第2の測定リード（S2）が備わっています。デュアルEIS機能により、1回の測定で陽極と陰極のインピーダンスを記録します。

接続後に測定すべき項目

各測定セッションは、常に開回路電位（OCP）の測定から始めてください。これにより極性が確認でき、電流を流さずにセル電圧を把握できます。この値は、OCPを基準としてEISを設定する際にも必要となります。その後、充放電曲線からインピーダンス測定に至るまで、どのような試験を行うかは、研究課題によって異なります。 電池測定の概要とその名称については、「なぜ電池アナライザーを使うのか？」をご覧ください。

バッテリーを取り扱う際の安全対策

バッテリーの接続は最後に行い、取り外しは最初に行ってください。ポテンショスタットの電源を切る前や、ファームウェアを更新する前には、必ずバッテリーを取り外してください。

ワニ口クリップを離しておいてください。バッテリーに接続した状態でクリップ同士が接触すると、短絡してしまいます。短絡したリチウムイオン電池は急速に発熱する可能性があります。

充電中も含め、バッテリーメーカーが定める電圧および電流の制限範囲内にとどめてください。ポテンショスタットは、セル自体の安全限界ではなく、ユーザーが設定した方法に従って動作します。

コイン型電池の場合、「ItalSens コイン型電池ホルダー」などの専用ホルダーを使用すると、安定した接触が得られ、PalmSensケーブルの2 mmバナナプラグに直接接続できます。

PalmSensポテンシオスタットの接続仕様

電池の接続方法は、次の3つの値によって決まります：電位範囲、最大電流、および装置に4端子測定用のセンスリードが備わっているかどうかです。