解析を容易にする統合型電気化学
インピーダンス解析ソフト
物質・材料研究機構
機能性材料研究拠点
セラミックスプロセッシンググループ
主幹研究員 小林 清
２０２０年６月１８日

1電気化学インピーダンス分光法
 非破壊の電気信号分析
 測定装置の汎用化により一般的な測定法へ 様々なデバイスや電気化学反応の解析に応用
 エネルギー変換デバイスの電気化学反応解析
 表面処理コート（腐食・防蝕）特性の評価
 有機半導体デバイス評価

測定は容易になったが解析が難しい
解析を容易にする新しいソフトウェアが必要
2

従来の解析方法
第一段階

-0.06
-0.06

・観察でモデル推定を仮定-0.04

・データ確認とスペクトル分解（概算分割）
・既存モデルとの整合性確認

-0.04

-0.02

0.00

0.02
0.10

0.12

0.140.16

・既存モデルの適用

0.18

Zreal / Ω

-0.02

0.00

0.02
0.10

0.12

0.14

0.160.18

Zreal / Ω

第二段階
-0.06

・モデル設定（等価回路）

RR

-0.04

-0.02

R

・解に近い初期値入力

0.00

・パラメータ初期値入力

0.02
0.10

0.120.14

Zreal / Ω0.160.18

・発散しやすいRLQQQ

第三段階
-0.06

・非線形最小自乗計算の実行
・解析結果の妥当性チェック

-0.04

-0.02

0.00

0.02
0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

Zreal / Ω3

新しいインピーダンス解析ソフトの概念（ユーザー）解析イメージ

GUIを介してソフトウェアと解析イメージを共有

Zimag / Ω

第一段階

・GUI操作で部分スペクトルを当てはめ（動的モデル構築）

・データサンプリングにより初期値を計算（グラフをインタラクティブなユーザーインターフェイスとして活用）
第二段階

詳細結果の可視化-12

結果の可視化:
スペクトル全体の計算結果+
部分スペクトルの計算結果-10

Zimag / Ω

-8-6-4-2
012141618 20
Zreal / Ω2224

容易に解析結果の妥当性を確認

インピーダンス解析が容易に部分スペクトル寄与が明確化
経験を積むほどに解析が上達！

4

新しいインピーダンス解析ソフト外観
Zmeam ver. 1.0

Igor Pro©マクロプログラム
Igor Pro©：Wavemetrics社製汎用解析ソフトウェア

5実際のデータ解析における諸問題
 モデル（等価回路）で再現できないデータ，周波数領域何が悪い？（データ？ モデル？ ソフトの使い方？） 当てはめるべきモデル（等価回路）が不明
非理想的な形状のスペクトルはどうすればよい？

 最小自乗計算でエラー出力モデルは問題ないように見えることが多い．なのになぜ？
従来の方法は下記を前提とする解析法

根本的に異なる前提に立った

測定されたデータは全周波数領域をモデル化可

ユーザーはデータからモデル（等価回路）を推定可

新しい解析ソフトウェア



ユーザーは解に近い初期値を入力
6

実際のデータ解析における問題１モデル（等価回路）で再現できないデータ，周波数領域の存在→ 解析を始める前段階で情報が欲しい
ワンクリックで解ります
蓄電池，キャパシター等のインピーダンスにも適用可能なKK変換テストを実装
市販コイン型リチウム電池のインピーダンス・スペクトル

Z-Hit
Measured

20Z-Hit
Measured

1510502log (f / Hz)

46ΔZreal / ΩΔZimag / Ω-12-25

Zimag / Ω-80.0-0.4-0.8-1.2-2-30

25-4

Zreal / ΩZimag / Ω30

2.01.00.0-2-20
Z-Hit
Measured-15-10-5002log (f / Hz)

460102030

Zreal / Ω

測定データとKK変換テスト（Z-HIT）が0.1 Hz以下で不一致→ 0.1 Hz以下のデータは等価回路で再現できない

7実際のデータ解析における問題２
当てはめるべきモデル（等価回路）が不明
わかるところから逐次，部分スペクトルを当てはめて解くことができます
・見た目は単純（に見える）
・モデル推定は困難Google Forum: Impedance Spectroscopy, “model of impedance spectra of epoxy coatedaluminum” posted by Jo at 07 Jun 2016. 下記サイトからデータをダウンロード可URL: https://groups.google.com/forum/#!topic/impedance-spectroscopy/VdPDeVVknxU

8

解るところから逐次，部分スペクトルを当てはめて解いていくことができます
直感的にわかりやすいGUI操作

log f – Zimag プロット

コントロールパネル パラメータセット番号を指定
ポップアップから部分インピーダンスのタイプを選択

カーソルを当てはめたいデータ点にドラッグ・当てはめたスペクトルの計算
・パラメータ・テーブルへの書き込み

グラフへの計算結果表示

K. Kobayashi, Y. Sakka, T. S. Suzuki, J. Ceram. Soc. Jpn., 124, 943 (2016).
9逐次，解いていった結果

・逐次解析時，部分スペクトル要素は時定数により自動再配列・部分スペクトルの割り当て順を気にすることなく動的にモデル構築できます10実際のデータ解析における問題３
最小自乗計算でエラー出力
パラメータ初期値はサンプリングデータを用いて計算するため収束しやすい値を設定できます（GUI操作なので自身で特別な計算を行う必要もありません）
オープンソースDRT解析プログラムDRTtools梱包データ（LiB_data.txt)を使用．T. H. Wan, DRTtools, URL: https://sites.google.com/site/drttools/

GUIで初期値探索後適当な初期値から計算（他商用ソフト使用）
-0.05

-0.04

-0.04

-0.03

-0.03

Zimag / Ω

-0.05

-0.02

-0.02

-0.01

-0.01

0.00

0.00

0.01
0.10

0.11

0.12

0.13

0.14

0.15

0.16

0.01
0.10

0.11

0.12

Zreal / Ω回路モデルが同じでも，解析の容易さが違います

0.13

0.14

0.15

0.16Zreal / Ω
11独自機能１
簡易人工知能による自動解析

ボタンを押すだけで自動解析

K. Kobayashi, T. S. Suzuki, J. Phys. Soc. Jpn.,87 (2018) 0.4004.
特開2018055402号 等価回路推定方法

注意：解けないスペクトルもあります．

12

独自機能２
独自に拡張した緩和時間分布（DRT）解析
機械学習分野で発展したElastic Net正則化法で実装
独自に拡張したアルゴリズムにより様々なスペクトルへの適用可能
従来のDRTでは解析できない複雑なスペクトル

拡張DRT法なら解けます-20-20-15-15-10-10-5-50

055101015

15
51015

20253035

5101520253035

Zreal / ΩZreal / Ω

特願2018137404号
13想定される用途• インピーダンス解析を使う全分野の開発・研究者• スペクトルを測定しているが解析でお悩みの方• 装置にインピーダンス解析ソフトをバンドルしたい• 新しいインピーダンス解析ソフトをリリースしたい

解析相談からソフトウェア機能開発までお役に立ちます14

その他• 商用ソフト上で作動するマクロ・プログラム• 独立アプリ化
従来の解析法のみサポートする独立アプリは開発（中）•Pythonでコードした独立アプリ•マルチ・プラットフォーム・コード•

Windows版実行形式アプリは公開準備中(Windows, mac OS, Linux上で作動)

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企業の皆様へ• ソフトウェアは有料ライセンスで提供できます。
• 期限付き試用版もあります。
• 使用法等について技術指導（有料）も行えます。
• 踏み込んだ解析指導については共同研究で受け付けております。

若い方が使用法と基礎を身につければ，社内の様々な場で活躍できると思います。
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本技術に関する知的財産権
••
•

発明の名称
：電気化学インピーダンス測定装置、電気化学インピーダンス解析支援装置、及びそのためのプログラム
特許登録番号：特許第6562457号 （2019年）
出願人：国立研究開発法人物質・材料研究機構
発明者：小林 清••••

発明の名称：等価回路推定方法
特許出願番号 ：特開2018055402号（2018年）
出願人：国立研究開発法人物質・材料研究機構
発明者
：小林 清

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発明の名称
：インピーダンススペクトルデータを用いた解析処理方法、インピーダン
ススペクトルデータ解析処理システム、およびインピーダンススペクトルデータ解析プロ
グラム
特許出願番号 ：特願2018137404号（2018年）
出願人：国立研究開発法人物質・材料研究機構
発明者：小林 清••••17

お問い合わせ先
国立研究開発法人物質・材料研究機構
外部連携部門 企業連携室
企業様向け総合窓口HP（スマホ対応）
https://technology-transfer.nims.go.jp/

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