JP2014082021A - Observation cell and lithium ion battery observation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、動作中のリチウムイオン電池の電極板に形成された活物質層の状態変化を顕微鏡観察できる観察用セル及びリチウムイオン電池観察システムに関するものである。 The present invention relates to an observation cell and a lithium ion battery observation system capable of observing a change in state of an active material layer formed on an electrode plate of a lithium ion battery during operation under a microscope.
電気自動車や携帯端末等の電源装置としてリチウムイオン二次電池が用いられ、リチウムイオン電池の研究開発が急速に進展している。リチウムイオン電池の開発において、電池の内部構造の経時的変化が観察できれば、有益な開発データの取得が期待される。例えば、正極及び負極活物質は、その充電状態やLiイオンの濃度に応じて色彩や形状が変化する。よって、活物質の色彩変化や形状変化が外部から観察できれば、正極及び負極活物質層におけるLiイオンの生成状態及びLiイオンの分布状態を把握することができ、新たな電池材料の開発に有益なデータを収集することが可能になる。 Lithium ion secondary batteries are used as power supply devices for electric vehicles and portable terminals, and research and development of lithium ion batteries are rapidly progressing. In the development of a lithium ion battery, if development of the internal structure of the battery over time can be observed, acquisition of useful development data is expected. For example, the color and shape of the positive electrode and the negative electrode active material change depending on the state of charge and the concentration of Li ions. Therefore, if the color change or shape change of the active material can be observed from the outside, the generation state of Li ions and the distribution state of Li ions in the positive electrode and negative electrode active material layers can be grasped, which is useful for the development of new battery materials. Data can be collected.
さらに、Liイオンのイオン濃度が局所的に高くなったり電池の劣化が進行すると、Liイオンが金属リチウムとして偏析し、樹状結晶(デンドライト)が析出する。デンドライトは、生成当初針状結晶である場合が多く、デンドライトが成長すると正極と負極とを分離するセパレータを突き抜け、正極と負極とがショートする危険性がある。デンドライトの成長により正極と負極とがショートすると、部分的な発熱が生じ、さらに成長反応が加速すると、熱暴走に至る危険性がある。よって、電池の外部からデンドライトの生成状況が経時的に観測できれば、リチウムイオン電池の安全性を高める上で有益な情報を得ることが期待される。 Furthermore, when the ion concentration of Li ions locally increases or battery deterioration progresses, Li ions segregate as metallic lithium, and dendrites are deposited. Dendrites are often acicular crystals at the beginning of production, and when dendrites grow, there is a risk that the positive electrode and the negative electrode may be short-circuited through the separator that separates the positive electrode and the negative electrode. When the positive electrode and the negative electrode are short-circuited due to the growth of dendrites, partial heat generation occurs, and if the growth reaction is accelerated, there is a risk of thermal runaway. Therefore, if the generation state of dendrite can be observed over time from the outside of the battery, it is expected to obtain useful information for improving the safety of the lithium ion battery.
リチウムイオン電池の内部構造を観察する方法として、ボタン型の簡易評価セルが既知である。この評価セルでは、ステンレス製のポットに形成された凹部に正極板、セパレータ及び負極板を配置し、電解液を注入した後金属製の蓋を配置して試験用のリチウムイオン電池が形成されている。そして、所定の時間又は所定の回数だけ充放電を繰り返した後、内部を開き電池材料の劣化の進行状況等のデータが取得されている。 As a method for observing the internal structure of a lithium ion battery, a button-type simple evaluation cell is known. In this evaluation cell, a positive electrode plate, a separator, and a negative electrode plate are arranged in a recess formed in a stainless steel pot, and after injecting an electrolytic solution, a metal lid is arranged to form a test lithium ion battery. Yes. Then, after charging and discharging are repeated for a predetermined time or a predetermined number of times, the inside is opened and data such as the progress of deterioration of the battery material is acquired.
さらに、上述した簡易型評価セルを改良したものとして、金属製の蓋にガラス板を嵌め込み、ガラス板を介して負極板及び正極板と直交する方向から電池の内部を観察する方法も既知である。 Furthermore, as a modification of the simple evaluation cell described above, a method of fitting a glass plate into a metal lid and observing the inside of the battery from the direction orthogonal to the negative electrode plate and the positive electrode plate via the glass plate is also known. .
上述したボタン型の簡易評価セルを用いた場合、密封状態の試験用のリチウムイオン電池が形成されるので、充放電を繰り返した後分解して内部構造を観察することにより電池材料等の劣化の進行状況を把握することができる。しかしながら、セル内のリチウムイオン電池の内部構造を外部から直接観察できないため、動作中のリチウムイオン電池を時間的に連続して経時的に観察できない欠点があった。 When the button-type simple evaluation cell described above is used, a sealed lithium ion battery is formed. Therefore, after repeated charging and discharging, the battery structure and the like are deteriorated by disassembling and observing the internal structure. You can keep track of your progress. However, since the internal structure of the lithium ion battery in the cell cannot be observed directly from the outside, there is a drawback that the operating lithium ion battery cannot be observed continuously over time.
動作中のリチウムイオン電池の内部構造を観察する場合、観察されるべきリチウムイオン電池を密封された観察用のセル内に配置し、ガラス窓を通して内部構造を顕微鏡観察することになる。この場合、高倍率で且つ高解像度で観察するには、開口数の大きな対物レンズを用いて観察する必要がある。しかしながら、開口数の大きな対物レンズは、レンズの先端から焦点面までの距離が短いため、リチウムイオン電池の観察部位を対物レンズの焦点面に合わすことが困難である。特に、ガラス窓を介して観察する場合、ワーキングディスタンスが制約を受けるため、特に困難になってしまう。従って、高解像度の顕微鏡観察を行うためには、顕微鏡の対物レンズと観察用セル内に収納された試験用リチウムイオン電池との間の間隔を最適に維持する必要がある。 When observing the internal structure of an operating lithium ion battery, the lithium ion battery to be observed is placed in a sealed observation cell, and the internal structure is observed through a glass window under a microscope. In this case, in order to observe with high magnification and high resolution, it is necessary to observe using an objective lens having a large numerical aperture. However, since an objective lens having a large numerical aperture has a short distance from the front end of the lens to the focal plane, it is difficult to match the observation site of the lithium ion battery with the focal plane of the objective lens. In particular, when observing through a glass window, the working distance is restricted, which is particularly difficult. Therefore, in order to perform high-resolution microscope observation, it is necessary to optimally maintain the interval between the objective lens of the microscope and the test lithium ion battery housed in the observation cell.
さらに、観察用セルに試験用リチウムイオン電池を配置する際、アルゴン等の不活性ガスで満たされたグローブボックス内で組み立てる必要がある。この場合、グローブボックス内で正極板及び負極板に電解液を含浸させ、電解液が含浸した正極板及び負極板を観察用セル内に収納して充放電試験を開始すると、充放電の開始直後から気泡が発生する不具合が生じてしまう。発生した気泡は観察窓を形成する透明板と試験用リチウムイオン電池との間に滞留する場合が多い。この場合、顕微鏡により撮像される画像は、気泡による画像が重畳されてしまい、活物質層の個々の活物質の状態変化が鮮明に撮像されない事態が生じてしまう。さらに、気泡の発生は、充放電試験の開始直後だけでなく、試験開始後相当な時間が経過した後にも頻繁に発生する場合も多い。従って、動作中のリチウムイオン電池の内部状態を正確に観察するには、試験中に発生した気泡を除去する気泡除去手段の開発が急務の課題である。 Furthermore, when the test lithium ion battery is arranged in the observation cell, it must be assembled in a glove box filled with an inert gas such as argon. In this case, when the positive electrode plate and the negative electrode plate are impregnated with the electrolytic solution in the glove box, the positive electrode plate and the negative electrode plate impregnated with the electrolytic solution are accommodated in the observation cell, and the charge / discharge test is started. This causes a problem that air bubbles are generated. The generated bubbles often stay between the transparent plate forming the observation window and the test lithium ion battery. In this case, the image picked up by the microscope is superimposed with the image due to the bubbles, and a situation in which the state change of each active material in the active material layer is not clearly picked up occurs. Furthermore, the generation of bubbles often occurs not only immediately after the start of the charge / discharge test but also after a considerable time has elapsed after the start of the test. Therefore, in order to accurately observe the internal state of the operating lithium ion battery, it is an urgent task to develop bubble removing means for removing bubbles generated during the test.
本発明の目的は、充放電動作による気泡の発生が抑制された観察用セルを実現することにある。
本発明の別の目的は、充放電の試験中に気泡が発生しても、簡単な操作で気泡を除去することができる観察用セルを提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、気泡の発生が抑制されると共に充放電の試験中に気泡が発生しても、簡単な操作で気泡を除去することができるリチウムイオン電池観察システムを提供することにある。
An object of the present invention is to realize an observation cell in which the generation of bubbles due to charge / discharge operations is suppressed.
Another object of the present invention is to provide an observation cell that can remove bubbles by a simple operation even if bubbles are generated during a charge / discharge test.
Furthermore, another object of the present invention is to provide a lithium ion battery observation system capable of removing bubbles with a simple operation even when bubbles are suppressed during the charge / discharge test. There is.
本発明による観察用セルは、動作中の試験用リチウムイオン電池の電極板に形成された活物質層を観察窓を介して顕微鏡観察できる観察用セルであって、
試験用リチウムイオン電池を支持するステージを有するセル本体と、
前記ステージと対向し観察窓を構成する透明板を有し、前記セル本体と係合するフランジと、
前記ステージの全周を包囲するシーリング手段と、
前記セル本体とフランジとの間に配置され、セル本体とフランジとを電気的に絶縁すると共に前記ステージと透明板との間の間隔を規定する絶縁性のストッパリングと、
前記セル本体及びフランジにそれぞれ設けた第1及び第2の接続端子とを有し、
前記試験用リチウムイオン電池は、第1の電極板、セパレータ、及び、第2の電極板が前記ステージ上に積層配置された積層体として構成され、
前記セル本体にフランジを装着した際、前記フランジと、セル本体と、シーリング手段とにより前記試験用リチウムイオン電池を収納する密封空間が形成され、
前記セル本体には、前記密封空間と連通する第1及び第2の流路、並びに第1及び第2の流路にそれぞれ形成された第1及び第2のポートが設けられ、
前記第1のポート及び第1の流路を介して前記密封空間に電解液が供給されることを特徴とする。
The observation cell according to the present invention is an observation cell in which an active material layer formed on an electrode plate of a test lithium ion battery in operation can be observed with a microscope through an observation window,
A cell body having a stage for supporting a test lithium ion battery;
A flange that faces the stage and constitutes an observation window; a flange that engages with the cell body;
Sealing means for enclosing the entire circumference of the stage;
An insulating stopper ring that is disposed between the cell body and the flange, electrically insulates the cell body and the flange and defines a distance between the stage and the transparent plate;
Having first and second connection terminals provided on the cell body and the flange, respectively;
The test lithium ion battery is configured as a laminate in which a first electrode plate, a separator, and a second electrode plate are stacked on the stage,
When a flange is attached to the cell body, a sealed space for accommodating the test lithium ion battery is formed by the flange, the cell body, and sealing means,
The cell body is provided with first and second flow paths communicating with the sealed space, and first and second ports formed in the first and second flow paths, respectively.
An electrolyte solution is supplied to the sealed space through the first port and the first flow path.
本発明者が、気泡の発生原因について種々の実験及び解析を行った結果、試験用リチウムイオン電池を構成する正極板や負極板に吸着している不活性ガスや微量な水分が気泡の発生要因であることが判明した。すなわち、試験用リチウムイオン電池はアルゴンガスのような不活性ガスが満たされたグローブボックス内で組み立てられ、観察用セル内に収納される。よって、クローブボックス内で正極板や負極板に電解液を含浸させて観察用セル内に収納した場合、正極板や負極板に不活性ガスが吸着した状態のまま電解液が含浸されることなり、充放電が繰り返されると、不活性ガスが気泡として出現する。また、微量の水分が吸着している場合も同様に、水分が分解され、水素ガスや酸素ガスが気泡として出現する。 As a result of various experiments and analysis by the present inventor on the cause of bubble generation, inert gas and a small amount of water adsorbed on the positive electrode plate and negative electrode plate constituting the test lithium ion battery are the cause of bubble generation. It turned out to be. That is, the test lithium ion battery is assembled in a glove box filled with an inert gas such as argon gas, and stored in an observation cell. Therefore, when the positive electrode plate or negative electrode plate is impregnated with the electrolyte in the clove box and stored in the observation cell, the electrolyte solution is impregnated with the inert gas adsorbed on the positive electrode plate or negative electrode plate. When charging and discharging are repeated, an inert gas appears as bubbles. Similarly, when a small amount of moisture is adsorbed, the moisture is decomposed, and hydrogen gas or oxygen gas appears as bubbles.
上述した解析結果に基づき、本発明では、観察窓を有するフランジと、セル本体に設けたステージと、ステージを包囲するシーリング手段とにより密封空間を形成し、当該密封空間内に試験用リチウムイオン電池を配置する。セル本体には、試験用リチウムイオン電池が収納される密封空間と連通する第1及び第2の流路並びに第1及び第2のポートが形成され、第1のポートは電解液供給手段が接続され、第2のポートは例えば真空装置のような減圧手段に接続される。充放電試験に先立って、密封空間を減圧することにより、密封空間内に収納されている試験用リチウムイオン電池は真空状態ないし減圧雰囲気下に維持され、これにより正極板及びフランジに吸着した水分や不活性ガス等が除去され、クリーンな状態に維持される。よって、正極板及び負極板をクリーンな状態にしてから、第1のポート及び第1の流路を介して電解液を供給することにより、クリーンな状態の試験用リチウムイオン電池に電解液を含浸させることが可能になる。すなわち、試験用リチウムイオン電池を構成する正極板及び負極板を減圧雰囲気中に維持することにより、気泡の発生原因となる微量な水分や不活性ガス等が除去されるので、充放電中生じる気泡の発生が未然に防止される。 Based on the analysis results described above, in the present invention, a sealed space is formed by a flange having an observation window, a stage provided in the cell body, and a sealing means surrounding the stage, and a test lithium ion battery is formed in the sealed space. Place. The cell body is formed with first and second flow paths and first and second ports communicating with a sealed space in which a test lithium ion battery is accommodated, and the first port is connected to an electrolyte supply means. The second port is connected to a decompression means such as a vacuum device. Prior to the charge / discharge test, the sealed space is depressurized, so that the test lithium ion battery stored in the sealed space is maintained in a vacuum state or in a reduced pressure atmosphere. Inert gas and the like are removed and maintained in a clean state. Therefore, after the positive electrode plate and the negative electrode plate are in a clean state, the electrolytic solution is supplied through the first port and the first flow path so that the clean state lithium ion battery is impregnated with the electrolytic solution. It becomes possible to make it. That is, by maintaining the positive electrode plate and the negative electrode plate constituting the test lithium ion battery in a reduced-pressure atmosphere, a minute amount of water, inert gas, and the like that cause generation of bubbles are removed. Can be prevented from occurring.
本発明による観察用セルの好適実施例は、前記第1及び第2の流路中に第1及び第2のバルブがそれぞれ設けられ、前記第1のポートには電解液供給手段が接続され、第2のポートには減圧手段が接続され、前記密封空間に電解液を供給する際、前記減圧手段により第1のバルブから第2のポートに至る空間が減圧され、減圧された状態において電解液供給手段から第1のポート及び第1の流路を介して前記密封空間に電解液が供給されることを特徴とする。試験用リチウムイオン電池が収納される密封空間を含む流路全体が減圧されると、例えばシリンジポンプのような電解液供給手段を用いることにより、密封空間と外部空間との間の圧力差を利用して電解液を密封空間にスムースに供給することができる。この結果、試験用リチウムイオン電池を含む観察用セルをグローブボックスから取り出し、吸着した不活性ガスや微量の水分が除去されたクリーンな状態に維持してから試験用リチウムイオン電池に電解液を供給することが可能になる。 In a preferred embodiment of the observation cell according to the present invention, first and second valves are provided in the first and second flow paths, respectively, and an electrolyte supply means is connected to the first port. A pressure reducing means is connected to the second port, and when supplying the electrolyte solution to the sealed space, the space from the first valve to the second port is decompressed by the pressure reducing means, and the electrolyte solution is decompressed. The electrolytic solution is supplied from the supply means to the sealed space through the first port and the first flow path. When the entire flow path including the sealed space in which the test lithium ion battery is accommodated is decompressed, the pressure difference between the sealed space and the external space is utilized by using an electrolyte supply means such as a syringe pump. Thus, the electrolytic solution can be smoothly supplied to the sealed space. As a result, the observation cell including the test lithium-ion battery is taken out of the glove box and maintained in a clean state from which the adsorbed inert gas and a small amount of moisture are removed, and then the electrolyte is supplied to the test lithium-ion battery. It becomes possible to do.
本発明による観察用セルの別の好適実施例は、電解液供給手段は、電解液が収容されるシリンジポンプにより構成され、充放電の試験中に前記密封空間内に気泡が発生した場合、前記第2のバルブは閉止状態に維持されると共に第1のバルブは開放状態に維持され、第2のバルブと前記第1のポートとの間に形成される空間が減圧されるようにシリンジポンプを操作することにより、発生した気泡は前記第1の流路及び第1のポートを介してシリンジ側に移動することを特徴とする。本発明者が充放電試験により発生した気泡を除去する方法について種々の実験及び解析を行った結果、気泡が存在する密封空間内の圧力を減圧することにより、発生した気泡は密封空間から排除されることが判明した。すなわち、第1のポートに接続されたシリンジポンプを適切に操作し、密封空間内の圧力を減圧する工程及び減圧状態から常圧に状態に戻す工程を交互に1回又は複数回繰り返すことにより、発生した気泡を密封空間から除去することができる。従って、観察中に気泡が発生しても、シリンジポンプを操作するだけで気泡を除去することが可能になる。 In another preferred embodiment of the observation cell according to the present invention, the electrolyte supply means is constituted by a syringe pump in which the electrolyte is accommodated, and when bubbles are generated in the sealed space during the charge / discharge test, The second valve is maintained in the closed state and the first valve is maintained in the open state, and the syringe pump is operated so that the space formed between the second valve and the first port is depressurized. By operating, the generated bubbles move to the syringe side through the first flow path and the first port. As a result of various experiments and analysis on the method for removing bubbles generated by the charge / discharge test by the present inventor, the generated bubbles are excluded from the sealed space by reducing the pressure in the sealed space where the bubbles are present. Turned out to be. That is, by appropriately operating the syringe pump connected to the first port, alternately reducing the pressure in the sealed space and the step of returning from the reduced pressure state to the normal pressure one or more times, The generated bubbles can be removed from the sealed space. Therefore, even if bubbles are generated during observation, it is possible to remove the bubbles only by operating the syringe pump.
本発明による観察用セルの別の好適実施例は、前記セル本体のステージには、試験用リチウムイオン電池を構成する積層体を位置決めすると共に、第2の電極板及びセパレータにそれぞれ形成された観察孔を整列させる2本の位置決めピンが設けられ、これら2本の位置決めピンは、ステージと直交する方向に変位可能なポップアップ方式の位置決めピンとして設けられ、セル本体にフランジを係合した際、フランジから遠ざかる方向に変位することを特徴とする。第1の電極板に形成された活物質層を観察する場合、透明板に近い側に配置された第2の電極板及びセパレータに観察用の孔を形成し、観察孔を介して照明光を第1の電極板に入射させる必要がある。この場合、第2の電極板に形成した観察孔とセパレータに形成した観察孔とが整列しない場合、観察エリアがずれたり、第1の電極板と第2の電極板とが直接接触してショートする不具合が発生する危険性がある。そこで、本発明では、試験用リチウムイオン電池を支持するステージに2本の位置決めピンを設け、当該位置決めピンをポップアップ方式の位置決めピンとして設ける。このポップアップピンにより、電極板及びセパレータに形成された観察孔が正確に整列し、観察エリアがずれたり2つの電極板が直接接触する不具合が解消される効果が達成される。 In another preferred embodiment of the observation cell according to the present invention, the laminate constituting the test lithium ion battery is positioned on the stage of the cell body, and the observation formed on the second electrode plate and the separator, respectively. Two positioning pins for aligning the holes are provided. These two positioning pins are provided as pop-up type positioning pins that can be displaced in a direction orthogonal to the stage. When the flange is engaged with the cell body, It is characterized by being displaced in a direction away from the head. When observing the active material layer formed on the first electrode plate, an observation hole is formed in the second electrode plate and the separator disposed on the side close to the transparent plate, and illumination light is transmitted through the observation hole. It is necessary to enter the first electrode plate. In this case, when the observation hole formed in the second electrode plate and the observation hole formed in the separator are not aligned, the observation area is shifted, or the first electrode plate and the second electrode plate are in direct contact with each other and short-circuited. There is a risk of malfunction. Therefore, in the present invention, two positioning pins are provided on the stage that supports the test lithium ion battery, and the positioning pins are provided as pop-up positioning pins. This pop-up pin achieves the effect that the observation holes formed in the electrode plate and the separator are accurately aligned, and the problem that the observation area is shifted or the two electrode plates are in direct contact is eliminated.
本発明によるリチウムイオン電池観察システムは、試験用リチウムイオン電池が収納される観察用セルと、観察用セルに形成された観察窓を介して試験用リチウムイオン電池の内部を撮像する顕微鏡と、前記観察用セルにそれぞれ接続された減圧装置及び電解液供給装置とを具え、動作中の試験用リチウムイオン電池の電極板に形成された活物質層を顕微鏡観察する観察システムであって、前記観察用セルは、
試験用リチウムイオン電池を支持するステージを有するセル本体と、
前記ステージと対向し観察窓を構成する透明板を有し、前記セル本体と係合するフランジと、
前記ステージの全周を包囲するシーリング手段と、
前記セル本体とフランジとの間に配置され、セル本体とフランジとを電気的に絶縁する絶縁部材と、
前記セル本体及びフランジにそれぞれ設けた第1及び第2の接続端子とを有し、
前記試験用リチウムイオン電池は、第1の電極板、セパレータ、及び、第2の電極板が前記ステージ上に積層配置された積層体として構成され、
前記セル本体にフランジを装着した際、前記フランジと、セル本体と、シーリング手段とにより前記試験用リチウムイオン電池を収納する密封空間が形成され、
前記セル本体には、前記密封空間と連通する第1及び第2の流路、並びに第1及び第2の流路にそれぞれ形成された第1及び第2のポートが設けられ、
前記第1のポートには電解液供給手段が接続され、第2のポートには減圧装置が接続され、
前記減圧手段により前記第2のポート及び第2の流路を介して前記密封空間が減圧され、前記電解液供給手段により前記第1のポート及び第1の流路を介して前記密封空間に電解液が供給されることを特徴とする。
A lithium ion battery observation system according to the present invention includes an observation cell in which a test lithium ion battery is housed, a microscope that images the inside of the test lithium ion battery through an observation window formed in the observation cell, An observation system comprising a decompression device and an electrolyte solution supply device respectively connected to an observation cell and observing an active material layer formed on an electrode plate of a test lithium ion battery during operation, the observation system Cell
A cell body having a stage for supporting a test lithium ion battery;
A flange that faces the stage and constitutes an observation window; a flange that engages with the cell body;
Sealing means for enclosing the entire circumference of the stage;
An insulating member disposed between the cell body and the flange to electrically insulate the cell body and the flange;
Having first and second connection terminals provided on the cell body and the flange, respectively;
The test lithium ion battery is configured as a laminate in which a first electrode plate, a separator, and a second electrode plate are stacked on the stage,
When a flange is attached to the cell body, a sealed space for accommodating the test lithium ion battery is formed by the flange, the cell body, and sealing means,
The cell body is provided with first and second flow paths communicating with the sealed space, and first and second ports formed in the first and second flow paths, respectively.
An electrolyte supply means is connected to the first port, and a decompression device is connected to the second port.
The pressure reducing means decompresses the sealed space through the second port and the second flow path, and the electrolyte supply means electrolyzes the sealed space through the first port and the first flow path. A liquid is supplied.
本発明では、試験用リチウムイオン電池を支持するセル本体と、観察窓を有するフランジと、シーリング手段とにより密封空間を形成し、当該密封空間と連通する2本の流路を形成しているので、第1の流路を介して試験用リチウムイオン電池が配置されている密封空間を減圧し、その後第2の流路を介して密封空間に電解液を供給することができる。この結果、試験用リチウムイオン電池を構成する電極板に吸着している不活性ガスや微量の水分を除去した後試験用リチウムイオン電池に電解液を含浸させることができ、気泡の発生が大幅に減少すると共に発生した気泡を簡単な操作で除去することが可能になる。 In the present invention, the cell body supporting the test lithium ion battery, the flange having the observation window, and the sealing means form a sealed space, and the two flow paths communicating with the sealed space are formed. The sealed space in which the test lithium ion battery is disposed can be decompressed via the first flow path, and then the electrolytic solution can be supplied to the sealed space via the second flow path. As a result, after removing the inert gas and a small amount of water adsorbed on the electrode plate constituting the test lithium ion battery, the test lithium ion battery can be impregnated with the electrolytic solution, and the generation of bubbles is greatly increased. It becomes possible to remove the generated bubbles with a simple operation as they decrease.
本発明では、試験用リチウムイオン電池を支持するセル本体と、観察窓を有するフランジと、試験用リチウムイオン電池が配置されるステージの全周をシーリングするシーリング部材(Oリング)とにより密封空間を形成し、密封空間内に試験用リチウムイオン電池を収納する。セル本体には密封空間と連通する2本の流路(封止路)を形成する。第1の流路には第1のポートを形成し、第2の流路には第2のポートを形成する。第1のポートには、例えば真空装置のような減圧手段を連結し、密封空間を減圧する。第2のポートには、電解液が収容されているシリンジポンプを連結し、シリンジポンプから圧力差を利用して密封空間に電解液を供給する。 In the present invention, a sealed space is formed by a cell body that supports a test lithium ion battery, a flange having an observation window, and a sealing member (O-ring) that seals the entire circumference of the stage on which the test lithium ion battery is disposed. And forming a test lithium ion battery in the sealed space. Two flow paths (sealing paths) communicating with the sealed space are formed in the cell body. A first port is formed in the first flow path, and a second port is formed in the second flow path. A pressure reducing means such as a vacuum device is connected to the first port to reduce the pressure in the sealed space. The second port is connected to a syringe pump in which an electrolytic solution is accommodated, and the electrolytic solution is supplied from the syringe pump to the sealed space using a pressure difference.
試験用リチウムイオン電池を構成する正極板及び負極板は、空気中に晒すと、性能が著しく劣化するため、観察用セル内に試験用リチウムイオン電池を収納する場合、アルゴンガス等の不活性ガスが充填されたグローブボックス内で作業する必要がある。一方、グローブボックス内の操作により、正極板、負極板、及びセパレータを観察用セル内に収納し電解液を含浸させて密封した場合、密封空間内に不活性ガスが残存するため、充放電の試験の開始直後から試験用リチウムイオン電池付近に気泡が発生し、観察の妨げとなる。また、充放電中に不活性ガス以外の要因、例えば正極板や負極板に微量な水分や不活性ガスが吸着している場合、充放電により分解され、同様に気泡が発生する可能性がある。従って、鮮明な画像を撮像するためには、気泡の発生を未然に防止すると共に発生した気泡を除去する方策が必要となる。そこで、本発明では、試験用リチウムイオン電池を収納する密封空間と連通する第1及び第2の2本の流路を形成し、第1の流路を介して密封空間を減圧し、第2の流路を介して電解液を密封空間に供給する。このように構成すれば、密封空間内を減圧状態ないし真空状態に維持することにより気泡の発生要因である不活性ガスや微量の水分が除去されるので、試験用リチウムイオン電池をクリーンな状態にしてから、例えばシリンジポンプのような電解液供給手段を用いて密封空間に電解液を供給することが可能になる。しかも、試験中に試験用リチウムイオン電池の付近に気泡が発生しても、シリンジポンプを操作して密封空間を減圧するだけで、電解液を移動させることができ、電解液の移動に伴い気泡がシリンジポンプ側に移動するので、簡単な操作で発生した気泡を除去することが可能になる。 When the positive and negative electrode plates constituting the test lithium ion battery are exposed to the air, the performance of the positive electrode plate and the negative electrode plate deteriorates significantly. Therefore, when storing the test lithium ion battery in the observation cell, an inert gas such as argon gas is used. Need to work in a glove box filled with On the other hand, when the positive electrode plate, the negative electrode plate, and the separator are accommodated in the observation cell and sealed by impregnating the electrolytic solution by the operation in the glove box, the inert gas remains in the sealed space. Air bubbles are generated in the vicinity of the test lithium ion battery immediately after the start of the test, which hinders observation. In addition, factors other than the inert gas during charging / discharging, for example, when a minute amount of moisture or inert gas is adsorbed on the positive electrode plate or the negative electrode plate, it is decomposed by charging / discharging, and bubbles may be generated as well. . Therefore, in order to capture a clear image, it is necessary to take measures to prevent the generation of bubbles and remove the generated bubbles. Therefore, in the present invention, the first and second flow paths communicating with the sealed space that houses the test lithium ion battery are formed, the sealed space is depressurized via the first flow path, and the second The electrolyte is supplied to the sealed space through the flow path. With this configuration, the inert gas and the trace amount of water that are the cause of bubbles are removed by maintaining the sealed space in a reduced pressure state or a vacuum state, so that the test lithium ion battery is kept in a clean state. After that, it is possible to supply the electrolytic solution to the sealed space using an electrolytic solution supply means such as a syringe pump. Moreover, even if bubbles are generated near the test lithium-ion battery during the test, the electrolyte can be moved simply by operating the syringe pump to depressurize the sealed space. Moves to the syringe pump side, so that bubbles generated by a simple operation can be removed.
図1〜図4は本発明による観察用セルの一例を示す図であり、図1は観察中の観察用セルと顕微鏡の対物レンズとの関係を示す図であり、図2はフランジの一例を示し、図3はセル本体の一例を示し、図4は密封空間の形成状態を示す。 1-4 is a figure which shows an example of the cell for observation by this invention, FIG. 1 is a figure which shows the relationship between the cell for observation during observation, and the objective lens of a microscope, FIG. 2 is an example of a flange. FIG. 3 shows an example of the cell body, and FIG. 4 shows the formation of the sealed space.
図1を参照するに、本発明による観察用セルは、観察されるべき試験用リチウムイオン電池が配置されるセル本体1と、セル本体と係合するフランジ2とを有する。セル本体1とフランジ2とは、電気的絶縁材料からなるストッパリング3を介して係合する。このストッパリング3は、セル本体1とフランジ2とを互いに電気的に絶縁すると共にセル本体とフランジとの間の間隔を規定する作用を果たす。さらに、ストッパリング3は、セル本体1に対するフランジ2の傾きを規定する作用も果たし、セル本体に対してフランジを安定して密着係合させることができる。すなわち、セル本体1とフランジ2との間の全周囲にわたってストッパリング3を介在させることにより、1本のネジを用いて固定するだけでも、セル本体の全周に対してフランジを密着係合させることができる。この結果、観察窓を構成する透明板と試験用リチウムイオン電池とを平行に維持することが可能になる。フランジ2には2つの座グリ孔4a及び4bが形成されると共に、セル本体の対応する位置には電気的絶縁性材料体に形成した座グリ孔が形成され、各座グリ孔にネジ(図示せず)を螺合することによりセル本体1にフランジ2が密封係合される。尚、螺合されるネジのネジ頭は座グリ穴の内部に位置し、フランジ2の表面2aから突出しないようにする。尚、ネジとして、電気絶縁性の樹脂材料から成るネジを用いることも可能であり、この場合、電気的絶縁材料体にネジ孔を形成することなく、金属製のセル本体に絶縁性のネジを直接螺合することができる。フランジ2には、位置決めピンが嵌合する2つの嵌合穴5a及び5bが形成され、これら嵌合穴に後述するセル本体に設けた絶縁性樹脂材料から成る位置決めピン30a及び30b(図3参照)が勘合し、セル本体1とフランジ2との間の円周方向の相対的な位置決めが行われる。このように、本発明では、フランジ2の表面上には、顕微鏡の対物レンズと対向する表面2aから上方へ突出する部材が存在しないため、対物レンズを支持するレボルバーを回転しても対物レンズの先端と観察用セルとが干渉する不具合は発生しない。
Referring to FIG. 1, an observation cell according to the present invention has a cell main body 1 in which a test lithium ion battery to be observed is arranged, and a
フランジ2には、透明板を含む観察窓6が形成され、観察窓6を介して観察用セル内に配置されたリチウムイオン電池の正極板又は負極板の活物質層を顕微鏡観察する。すなわち、顕微鏡の対物レンズ7から出射した照明光は、観察窓6に設けた透明板を介して観察用セルの内部に進入し、試験用のリチウムイオン電池の観察される活物質層を照明する。また、試験用リチウムイオン電池から出射した反射光は、観察窓6を介して顕微鏡の対物レンズ7により集光される。顕微鏡として、共焦点顕微鏡を用いることが好ましい。共焦点顕微鏡は、対物レンズをその光軸方向にそって移動させながら複数の2次元画像を撮像することにより、光軸方向にそって相当広い距離範囲にわたって合焦した全焦点画像を形成することができる。よって、活物質層の光軸方向にそって積層された個々の活物質について焦点が合った2次元画像及び3次元画像を撮像することが可能であり、充放電による個々の活物質の色彩変化や形状変化をリアルタイムで観察することができる。特に、活物質に含有されるLiイオン濃度に応じて、個々の活物質の色彩が変化するため、Liイオンの分布状態やデンドライトの生成状態を外部から観察することができる。
An observation window 6 including a transparent plate is formed on the
また、顕微鏡の対物レンズとして、板厚補正付きの対物レンズを用いることが望ましい。本発明では、観察窓の透明板を介して照明光を投射し、透明板を透過した反射光を対物レンズにより検出するため、板厚補正付きの対物レンズを用いる。一方、高分解能で高倍率の板厚補正付き対物レンズは、その作動距離が数mm程度(例えば、1.8mm程度)と短いため、試験用のリチウムイオン電池を観察窓の透明板に接近するように配置する。 It is desirable to use an objective lens with thickness correction as the objective lens of the microscope. In the present invention, an illumination lens is projected through the transparent plate of the observation window, and the reflected light that has passed through the transparent plate is detected by the objective lens, so that an objective lens with plate thickness correction is used. On the other hand, since the working distance of the high-resolution and high-magnification objective lens with thickness correction is as short as several millimeters (for example, about 1.8 mm), the test lithium ion battery is brought closer to the transparent plate of the observation window. Arrange so that.
セル本体1には第1の接続端子8aが取り付けられ、フランジ2には第2の接続端子8bを設ける。これら接続端子は金メッキされた真鍮で構成され、充放電コントローラ9に接続する。試験用リチウムイオン電池が収納された状態において、第1の接続端子8aは金属製のセル本体1を介して試験用リチウムイオン電池の一方の電極板の集電箔に接続され、第2の接続端子8bは、金属製のフランジを介して試験用リチウムイオン電池の他方の電極板の集電箔に接続される。尚、接続端子8a及び8bは、セル本体及びフランジの側壁上に設けず、セル本体及びフランジに凹部を形成し、凹部内に位置するように形成することも可能である。リチウムイオン電池の試験中に、観察用セルの外部に設けた充放電コントローラ9の制御のもとで、充放電試験が行われ、充放電中のリチウムイオン電池の内部状態が観察窓6を介して顕微鏡観察される。
A
図2はフランジの一例を示し、図2(A)は平面図、及び図2(B)は図2(A)のII−II線断面図である。フランジ2の中央に円形の観察窓6を形成する。観察窓には、厚さが1mm程度の光学的に透明なガラス板10を接着剤を介して取り付ける。顕微鏡の対物レンズから出射した照明光は、透明板10を介してリチウムイオン電池の観察エリアに入射し、観察エリアから出射した反射光は透明板10を経て顕微鏡の対物レンズ7により集光される。
FIG. 2 shows an example of a flange, FIG. 2 (A) is a plan view, and FIG. 2 (B) is a sectional view taken along the line II-II in FIG. 2 (A). A circular observation window 6 is formed in the center of the
フランジ2には、円形の透明板10を包囲するようにリング状の突条11を形成する。このリング条の突条11は、セル本体側に形成したリング条の溝と係合し、試験用リチウムイオン電池を構成するシート状の正極板、負極板及びセパレータの周縁を把持する作用を果たす。さらに、フランジ2には、透明板10をはさんで対向するように2つの凹部12a及び12bを形成する。これらの凹部は、セル本体側に設けられ、シート状の試験用リチウムイオン電池を位置決めする位置決めピンと係合し、逃げ孔として機能する。
A ring-shaped
図3は、セル本体の一例を示す図であり、図3(A)はフランジ側から見た線図的平面図、図3(B)は図3(A)のII−II線断面図である。また、図4はセル本体1にフランジ2が密封係合し、試験用リチウムイオン電池20が密封空間内に収納された状態を線図的に示す線図的断面図である。セル本体1には、電気的に絶縁性の2つの位置決めピン30a及び30bを設ける。これら位置決めピン30a及び30bは、フランジ2に形成された嵌合穴5a及び5bと係合し、セル本体1とフランジ2との間の円周方向の相対的な位置決めが行われる。さらに、セル本体には、フランジ2を固定するための2本のネジが螺合する2つのネジ孔31a及び31bを形成する。
3A and 3B are diagrams showing an example of the cell body. FIG. 3A is a diagrammatic plan view viewed from the flange side, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. is there. FIG. 4 is a diagrammatic sectional view schematically showing a state in which the
セル本体1は、試験用リチウムイオン電池20を支持するステージ32を有する。図4に示すように、試験用リチウムイオン電池20は、第1の電極板(例えば負極板)21、セパレータ22及び第2の電極板(例えば正極板)23により構成される。これら電極板及びセパレータは円形のシート状部材で構成され、ステージ32上に積層配置する。ステージ32には、電極板及びセパレータを位置決めする2つの位置決めピン33a及び33bを設け、これら位置決めピンはステージ32の表面に対して変位可能なポップアップ方式の位置決めピンとする。すなわち、図3(B)に示すように、セル本体に凹部が形成され、これら凹部内に弾性変形可能なバネ34a及び34b(バネ34aだけを図示する)が配置され、これらバネの上側に位置決めピン33a及び33bをそれぞれ配置する。よって、位置決めピンは、フランジが係合していない場合、その先端はステージ32の表面よりも上方に大きく突出する。また、フランジ2が係合された場合、フランジに形成された凹部12a及び12bに嵌入すると共に、フランジにより下方に押されて下方に変位する。尚、ストッパ(図示せず)を設け、ピンが上方に飛び出ないように設定する。
The cell body 1 has a
図4に示すように、試験用リチウムイオン電池を構成する第1及び第2の電極板21及び23並びにセパレータ22には、位置決めピン33a及び33bの位置とそれぞれ対応するように、それぞれ2個の位置決め孔21a及び21b、22a及び22b、23a及び23bを形成する。試験用リチウムイオン電池を組み立てる際、2つの位置決めピンが第1の電極板21、セパレータ22及び第2の電極板23に形成された各位置決め孔に挿入されるように電極板及びセパレータをステージ上に積層配置する。
As shown in FIG. 4, each of the first and
さらに、試験用リチウムイオン電池の内部を観察するため、すなわち、最も下側に位置する第1の電極板21の活物質層を観察するため、セパレータ22及び第2の電極板23に、直径が1mm程度の貫通孔である観察孔22c及び23cを形成する。また、第1の電極板21には、その中心に直径が0.3mm程度の貫通孔21cを形成する。尚、第1の電極板に形成された貫通孔21cは、電解液が流通する流路を形成するための孔であり、必要に応じて形成する。
Further, in order to observe the inside of the test lithium ion battery, that is, to observe the active material layer of the
図5は、試験用リチウムイオン電池の観察部位を拡大して示す線図的断面図である。本例では、第1の電極板21として負極板を用い、負極板に形成された活物質層を観察するものとする。図5に示すように、観察窓を構成する透明板10に近い側から、正極板(第2の電極板)23、セパレータ22及び負極板21(第1の電極板)を順次ステージ32上に積層する。この際、正極板23は、その集電箔がフランジと直接接触し、活物質層はセパレータ22と隣接するように配置する。また、負極板21は、その集電箔がステージ32(セル本体)と直接接触し、その活物質層はセパレータと隣接するように配置する。また、観察窓を構成する透明板10に近い側に位置する正極板23及びセパレータ22は、それらの観察孔23c及び22cが互いに整列するように位置決めする。
FIG. 5 is a diagrammatic cross-sectional view showing an enlarged observation site of the test lithium ion battery. In this example, a negative electrode plate is used as the
顕微鏡の対物レンズから出射した照明光は、透明板10を透過し、正極板23及びセパレータ22にそれぞれ形成された観察孔23c及び22cを経て負極板21の活物質層を照明する。本例では、2本の位置決めピン33a及び33bを用いて電極板23及びセパレータ22に形成された観察孔が互いに整列するように位置決めされるので、照明光が遮られる不具合が解消されると共に第1の電極板と第2の電極板とが直接接触してショートする不具合が解消される。すなわち、後述するように、観察用セルの組立作業は、不活性ガスが満たされているグローブボックス内で行われる。この場合、グローブボックスは作業性が悪いため、位置決めピン33a及び33bに位置決め孔が嵌まるように電極板及びセパレータを整列配置することは困難である。しかし、本例では、2つの位置決めピン33a及び33bは上下動可能なポップアップピンとして構成されているため、ステージ32から相当長い部分が突出する。この結果、位置決めピンに電極板及びセパレータを容易に装着することが可能になる。また、セル本体にフランジを係合した場合、位置決めピンは下方に押し下げられるので、フランジのステージと対向する部分の厚さを薄くすることが可能になり、試験用リチウムイオン電池と顕微鏡の対物レンズとの間の距離が短くなり、この結果開口数の大きな(分解能の高い)対物レンズを用いることが可能になる。尚、セル本体1に対してフランジ2を密封係合した場合、正極板23の集電箔とフランジ2とが電気的に接触し、負極板21の集電箔とセル本体1とが電気的に接触するので、充放電コントローラ9から供給される駆動電圧は、接続端子8a及び8b並びにセル本体及びフランジを介して正極板の集電箔と負極板の集電箔との間に印加され、動作中の負極板の活物質層の状態が観察される。
Illumination light emitted from the objective lens of the microscope passes through the
図3を参照するに、セル本体1のステージ32の周縁には、リング状の溝35を形成する。このリング状の溝35は、フランジ2に形成したリング状の突条11と係合する。電極板21及び22並びにセパレータ22のサイズは、リング状の溝35よりも大きくなるように設定する。よって、電極板及びセパレータをステージ32上に位置決め配置し、続いてフランジ2をセル本体に対して係合する場合、フランジに形成されたリング状の突起11がセル本体に形成されたリング溝35内に挿入される際、シート状の電極板及びセパレータは、中心から半径方向の外向きに引っ張る張力が作用しながら把持されるので、電極板及びセパレータは皺や波打ちが形成されることなく、透明板10及びステージ30に対して平行に位置決めされる。この結果、ワーキングディスタンスが短く開口数の大きな対物レンズを用いても、対物レンズの焦点を電極板上に形成することが可能になる。
Referring to FIG. 3, a ring-shaped
試験用リチウムイオン電池を支持するステージ32を包囲するようにシーリング手段として機能するリング状のOリング36を配置する。このOリング36を設けることにより、セル本体1にフランジ2を係合した際、ステージを含むセル本体1と、観察窓を含むフランジ2と、Oリング36とにより密封空間が形成され、密封空間内に試験用リチウムイオン電池が配置される。
A ring-shaped O-
リング状のOリング36の外側に、電気的絶縁性樹脂で構成されるリング状の絶縁リング37を配置する。さらに、その外側にストッパリング38を配置する。ストッパリング38は、電気的に絶縁性材料で構成され、セル本体1とフランジ2とを電気的に絶縁された状態に維持すると共に、セル本体1とフランジ2との間の間隔を規定する間隔調整手段及び傾き調整手段としても機能する。すなわち、セル本体に対してフランジを係合させてネジ止めした場合、フランジの外周部分とストッパリングとが互いに係合し、フランジとセル本体との間の間隔が規定されると共に、不所望な傾きが発生する不具合も解消される。この結果、フランジの透明板10とセル本体のステージ32との間隔も規定されるので、透明板とステージとの間に配置される試験用リチウムイオン電池20に対して適正な押圧力を作用させながら試験を行うことが可能になる。さらに、種々の厚さの試験用リチウムイオン電池について試験する場合、種々の高さdのストッパリングを用意することにより試験用リチウムイオン電池の厚さに応じて最適な状態で充放電試験を行うことが可能になる。例えば、後述するハーフセル構造の試験用リチウムイオン電池について試験を行う場合、第2の電極板としてリチウム箔を用いるが、リチウム箔の厚さに対応した高さのストッパリングを用いることにより、最適な条件で充放電試験が行われる。さらに、傾き調整手段としても機能するので、透明板10に対して試験用リチウムイオン電池を平行に維持することが可能になる。
A ring-shaped insulating
次に、図3及び図4を参照しながら、試験用リチウムイオン電池が収納される密封空間と連通する2本の流路について説明する。第1の流路は試験用リチウムイオン電池が収納される密封空間に電解液を供給する機能を果たし、第2の流路は密封空間を減圧する機能を果たす。第1の流路の一端は、第1の位置決めピン33aの先端に形成する。第1の位置決めピン33aはポップアップ方式の中空ピンにより構成され、その内部空間は電解液が流通できるように構成する。尚、第1の位置決めピンの先端は斜めにカットし、フランジ2が係合された際流路が閉じないように設定する。この第1の位置決めピンの先端はステージ32から突出する。第1の位置決めピン33aはセル本体1に設けた凹部内にバネ34aを介して配置され、この凹部は第1の流路39と連通する。第1の流路39には第1のバルブ40を接続する。第1のバルブ40は、セル本体に設けたテフロン製のバルブシート40aに装着する。尚、図3(A)において、バルブを支持するドローボルトと皿ネジ40bを図示する。第1のバルブ40の他端側の流路には第1のポート41を設ける。第1のポート41は、例えばシリンジポンプのような電解液供給手段が連結され、第1のポート41から供給された電解液は、第1のバルブ40、第1の流路39、及び第1の位置決めピン33aにより形成される第1の流路を経て位置決めピン32aの先端から密封空間に流入する。密封空間に流入した電解液は、第2の電極板と透明板との間の隙間、第2の電極板に形成した観察孔23c及びセパレータに形成した観察孔22cを経て第1の電極板に到達する。この結果、第2の電極板、セパレータ及び第1の電極板は電解液に浸された状態となり、試験用リチウムイオン電池は充放電可能な状態になる。また、一部の電解液は第1の電極板に形成された孔21cを経て第2の流路に到達する。
Next, the two flow paths communicating with the sealed space in which the test lithium ion battery is accommodated will be described with reference to FIGS. The first flow path functions to supply an electrolytic solution to a sealed space in which the test lithium ion battery is accommodated, and the second flow path functions to depressurize the sealed space. One end of the first flow path is formed at the tip of the
第2の流路は、セル本体に形成したL字状の第2の流路42により構成する。この第2の流路の一方の出口はステージ32に位置する。第2の流路42には第2のバルブ43を接続する。第2のバルブ43は、セル本体に設けたテフロン製のバルブシート43aに装着する。尚、図3(A)において、バルブを支持するドローボルトと皿バネ43bを図示する。第2のバルブ43の他端側の流路には第2のポート44を設ける。第2のポート44には、例えば真空装置のような減圧装置が接続され、試験用リチウムイオン電池が収納される密封空間及び連通する流路内を減圧する。
The second flow path is configured by an L-shaped
図6は本発明によるリチウムイオン電池観察システムの一例を示す線図である。本例では、試験用リチウムイオン電池を収納する観察用セルとして図1〜図5に示す観察用セルを用い、細部は省略して説明する。尚、図1〜図5で用いた構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して説明する。観察用セルは、セル本体1と、セル本体と係合するフランジ2とで構成される。セル本体1にフランジ2を係合すると、セル本体1と、観察窓を構成する透明板10を含むフランジ2と、リング状のOリング36とにより密封空間50が形成される。この密封空間50を形成するステージ32上に、第1の電極板、セパレータ、及び第2の電極板により構成される試験用リチウムイオン電池20を配置する。尚、図面上、試験用リチウムイオン電池20はセル本体及びフランジと分離するように図示したが、実際には第1の電極板の集電箔はセル本体と電気的に接触し、第2の電極板の集電箔はフランジと電気的に接触する。
FIG. 6 is a diagram showing an example of a lithium ion battery observation system according to the present invention. In this example, the observation cell shown in FIG. 1 to FIG. 5 is used as an observation cell for storing a test lithium ion battery, and details are omitted. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the component same as the component used in FIGS. The observation cell includes a cell main body 1 and a
密封空間50には、第1及び第2の流路51及び52を連通させる。第1の流路51は、第1の流路39、第1のバルブ40、第1のポート41を含む。第2の流路52は、第2の流路42、第2のバルブ43、及び第2のポート44を含む。第1のポートには、例えば電解液供給手段として機能するシリンジポンプ53を連結する。第2のポートには、例えば真空装置のような減圧装置54を連結する。
First and
次に、図6に示すリチウムイオン電池観察システムの操作工程について説明する。初めに、例えばアルゴンガスのような不活性ガスで満たされたグローブボックスを用意する。このグローブボックスには、減圧可能なパスボックスを連結する。グローブボックス内に、リチウムイオン電池の構成要素である所定のサイズに裁断されると共に位置決め孔及び観察孔が形成された正極板、負極板及びセパレータを配置する。また、本発明の観察用セルを構成するセル本体1、フランジ2及びシリンジポンプ53も配置する。また、グローブボックス内には、電解液が収容されたビーカを配置する。
Next, an operation process of the lithium ion battery observation system shown in FIG. 6 will be described. First, a glove box filled with an inert gas such as argon gas is prepared. The glove box is connected to a pass box that can be decompressed. In the glove box, a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator, which are cut into a predetermined size, which is a constituent element of the lithium ion battery, and have positioning holes and observation holes are disposed. Moreover, the cell main body 1, the
外部から操作を行い、負極板21、セパレータ22及び正極板23をセル本体のステージ32上に配置する。この際、電極板及びセパレータに形成された位置決め用の貫通孔の位置とステージに形成された位置決めピン33a及び33bとを位置的に整合させ、位置決めピン33a及び33bが負極板21、セパレータ22及び正極板23に形成された位置決め孔を貫通するように位置決めする。この第1の位置決め操作により、ステージに対して試験用リチウムイオン電池が位置決めされ、さらに、観察される負極板21に対するセパレータ22及び正極板(第2の電極板)23に形成された観察孔も高精度に位置決めされる。すなわち、位置決めピンによる位置決め操作により、正極板及びセパレータに形成された観察孔の位置を一致させることができ、観察視野がずれる不具合が防止されると共に、負極板と正極板とが接触してショートする不具合も防止される。
An operation is performed from the outside, and the
次に、セル本体1に設けた位置決めピン30a及び30bを用いてセル本体1とフランジ2とを位置決めし、2本のネジを螺合して密封係合する。この第2の位置決め操作により、セル本体1に対してフランジ2が位置決めされる。これら2つの位置決め操作により、試験用リチウムイオン電池の観察部位がフランジに形成された観察窓に対して位置決めされる。セル本体にフランジを係合することにより、第1の電極板の電極板の集電箔はセル本体に接続され、第2の電極板の集電箔はフランジに接続され、試験用リチウムイオン電池は、セル本体及びフランジに設けた接続端子を介して充放電コントローラ9に電気的に接続される。
Next, the cell main body 1 and the
次に、グローブボックス内において、シリンジポンプを操作して適量の電解液を吸引する。続いて、外部からの操作により、グローブボックス内において第1及び第2のバルブを閉止する。その後、シリンジポンプを第1のポート41に接続すると共に、シリンジポンプが接続された観察用セルをグローブボックスから外部に取り出し、顕微鏡装置のステージ上に観察用セルを配置する。
Next, in the glove box, a syringe pump is operated to suck an appropriate amount of electrolyte. Subsequently, the first and second valves are closed in the glove box by an external operation. Thereafter, the syringe pump is connected to the
続いて、第2のポート44に減圧装置54を接続し、減圧装置の駆動を開始する。続いて、第2のバルブ43を開放し、試験用リチウムイオン電池が収納されている密封空間50及びそれと連通する流路を減圧する。この減圧操作により、試験用リチウムイオン電池に吸着している不活性ガス及び微量の水分が除去され、密封空間50に配置された試験用リチウムイオン電池はクリーンな状態にされる。
Subsequently, the
密封空間50が減圧された後、第2のバルブ43を閉止し、第1のバルブを開放する。第1のバルブを開放すると、内部の圧力と外部の圧力との圧力差によりシリンジポンプ53に収容されている電解液は第1のポート、第1のバルブ、第1の流路を介して密封空間50に供給され、試験用リチウムイオン電池20に電解液が含浸され、充放電試験が可能な状態となる。
After the sealed
充放電試験の開始後に気泡が発生した場合、シリンジポンプ53を操作することにより気泡を除去することができる。すなわち、シリンジポンプ53のプランジャを引き抜くように操作すると、密封空間及び連通する流路は減圧状態となり、電解液はシリンジポンプ側に移動する。この電解液の移動に伴い、発生した気泡も密封空間50及び第1の流路51を介してシリンジポンプ側に移動し、不所望な気泡は密封空間から除去することができる。尚、本発明者が観察用セルの試作品を用いて実験したところ、シリンジポンプのプランジャを操作することにより、密封空間に発生した気泡は速やかに短時間のうちに除去されることが確認された。
When bubbles are generated after the start of the charge / discharge test, the bubbles can be removed by operating the syringe pump 53. That is, when the operation is performed so that the plunger of the syringe pump 53 is pulled out, the sealed space and the communication channel are in a reduced pressure state, and the electrolyte moves to the syringe pump side. Along with the movement of the electrolytic solution, the generated bubbles also move to the syringe pump side via the sealed
本発明による観察用セルは、ハーフセル構造のリチウムイオン電池を観察することも可能である。ハーフセル構造のリチウムイオン電池を観察する場合、観察窓に近い側に位置する第2の電極板を金属リチウム箔で構成し、第1の電極板を正極板又は負極板で構成する。この場合、顕微鏡から出射した照明光は、透明板10、金属リチウム箔に形成した孔及びセパレータに形成した孔を介して第1の電極板(正極板又は負極板)の活物質層に入射し、動作中のハーフセル構造のリチウムイオン電池の活物質層の状態変化を顕微鏡観察することが可能になる。
The observation cell according to the present invention can also observe a lithium ion battery having a half cell structure. When observing a lithium ion battery having a half-cell structure, the second electrode plate located on the side close to the observation window is made of metal lithium foil, and the first electrode plate is made of a positive electrode plate or a negative electrode plate. In this case, the illumination light emitted from the microscope enters the active material layer of the first electrode plate (positive electrode plate or negative electrode plate) through the
1 セル本体
2 フランジ
3,38 ストッパリング
4a,4b 座グリ穴
5a,5b 係合穴
6 観察窓
7 顕微鏡対物レンズ
8a,8b 接続端子
9 充放電コントローラ
10 透明板
11 リング状の突条
12a,12b 逃げ孔
20 試験用リチウムイオン電池
21 第1の電極板
21a,21b 位置決め孔
21c 貫通孔
22 セパレータ
22a,22b 位置決め孔
22c 観察孔
23 第2の電極板
23a,23b 位置決め孔
23c 観察孔
30a,30b 位置決めピン
31a,31b ネジ孔
32 ステージ
33a,33b 位置決めピン
34a バネ
35 リング状溝
36 Oリング
37 絶縁リング
39 第1の流路
40 第1のバルブ
40a 第1のバルブシート
40b 第1のドローボルト・皿バネ
41 第1のポート
42 第2の流路
43 第2のバルブ
43a 第2のバルブシート
43b 第2のドローボルト・皿バネ
44 第2のポート
50 密封空間
51 第1の流路
52 第2の流路
53 シリンジポンプ
54 減圧装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cell
DESCRIPTION OF
21
Claims (13)
試験用リチウムイオン電池を支持するステージを有するセル本体と、
前記ステージと対向し観察窓を構成する透明板を有し、前記セル本体と係合するフランジと、
前記ステージの全周を包囲するシーリング手段と、
前記セル本体とフランジとの間に配置され、セル本体とフランジとを電気的に絶縁すると共に前記ステージと透明板との間の間隔を規定する絶縁性のストッパリングと、
前記セル本体及びフランジにそれぞれ設けた第1及び第2の接続端子とを有し、
前記試験用リチウムイオン電池は、第1の電極板、セパレータ、及び、第2の電極板が前記ステージ上に積層配置された積層体として構成され、
前記セル本体にフランジを装着した際、前記フランジと、セル本体と、シーリング手段とにより前記試験用リチウムイオン電池を収納する密封空間が形成され、
前記セル本体には、前記密封空間と連通する第1及び第2の流路、並びに第1及び第2の流路にそれぞれ形成された第1及び第2のポートが設けられ、
前記第1のポート及び第1の流路を介して前記密封空間に電解液が供給されることを特徴とする観察用セル。 An observation cell in which an active material layer formed on an electrode plate of a test lithium ion battery during operation can be observed through a microscope through an observation window,
A cell body having a stage for supporting a test lithium ion battery;
A flange that faces the stage and constitutes an observation window; a flange that engages with the cell body;
Sealing means for enclosing the entire circumference of the stage;
An insulating stopper ring that is disposed between the cell body and the flange, electrically insulates the cell body and the flange and defines a distance between the stage and the transparent plate;
Having first and second connection terminals provided on the cell body and the flange, respectively;
The test lithium ion battery is configured as a laminate in which a first electrode plate, a separator, and a second electrode plate are stacked on the stage,
When a flange is attached to the cell body, a sealed space for accommodating the test lithium ion battery is formed by the flange, the cell body, and sealing means,
The cell body is provided with first and second flow paths communicating with the sealed space, and first and second ports formed in the first and second flow paths, respectively.
An observation cell, wherein an electrolytic solution is supplied to the sealed space through the first port and the first flow path.
前記第1のポートには電解液供給手段が接続され、第2のポートには減圧手段が接続され、
前記密封空間に電解液を供給する際、前記減圧手段により第1のバルブから第2のポートに至る空間が減圧され、減圧された状態において電解液供給手段から第1のポート及び第1の流路を介して前記密封空間に電解液が供給されることを特徴とする観察用セル。 The observation cell according to claim 2, wherein first and second valves are provided in the first and second flow paths, respectively.
An electrolyte supply means is connected to the first port, a decompression means is connected to the second port,
When supplying the electrolytic solution to the sealed space, the space from the first valve to the second port is decompressed by the decompression unit, and the first port and the first flow are supplied from the electrolyte supply unit in a decompressed state. An observation cell, wherein an electrolyte is supplied to the sealed space through a path.
試験用リチウムイオン電池を支持するステージを有するセル本体と、
前記ステージと対向し観察窓を構成する透明板を有し、前記セル本体と係合するフランジと、
前記ステージの全周を包囲するシーリング手段と、
前記セル本体とフランジとの間に配置され、セル本体とフランジとを電気的に絶縁する共に前記ステージと透明板との間の間隔を規定する絶縁性のストッパリングと、
前記セル本体及びフランジにそれぞれ設けた第1及び第2の接続端子とを有し、
前記試験用リチウムイオン電池は、第1の電極板、セパレータ、及び、第2の電極板が前記ステージ上に積層配置された積層体として構成され、
前記セル本体にフランジを装着した際、前記フランジと、セル本体と、シーリング手段とにより前記試験用リチウムイオン電池を収納する密封空間が形成され、
前記セル本体には、前記密封空間と連通する第1及び第2の流路、並びに第1及び第2の流路にそれぞれ形成された第1及び第2のポートが設けられ、
前記第1のポートには電解液供給手段が接続され、第2のポートには減圧装置が接続され、
前記減圧手段により前記第2のポート及び第2の流路を介して前記密封空間が減圧され、前記電解液供給手段により前記第1のポート及び第1の流路を介して前記密封空間に電解液が供給されることを特徴とするリチウムイオン電池観察システム。 An observation cell in which the test lithium ion battery is housed, a microscope for imaging the inside of the test lithium ion battery through an observation window formed in the observation cell, and a decompression device connected to each of the observation cells And an electrolyte supply device, and a lithium ion battery observation system for microscopically observing an active material layer formed on an electrode plate of a test lithium ion battery in operation, the observation cell comprising:
A cell body having a stage for supporting a test lithium ion battery;
A flange that faces the stage and constitutes an observation window; a flange that engages with the cell body;
Sealing means for enclosing the entire circumference of the stage;
An insulating stopper ring that is disposed between the cell body and the flange and electrically insulates the cell body and the flange and defines a distance between the stage and the transparent plate;
Having first and second connection terminals provided on the cell body and the flange, respectively;
The test lithium ion battery is configured as a laminate in which a first electrode plate, a separator, and a second electrode plate are stacked on the stage,
When a flange is attached to the cell body, a sealed space for accommodating the test lithium ion battery is formed by the flange, the cell body, and sealing means,
The cell body is provided with first and second flow paths communicating with the sealed space, and first and second ports formed in the first and second flow paths, respectively.
An electrolyte supply means is connected to the first port, and a decompression device is connected to the second port.
The pressure reducing means decompresses the sealed space through the second port and the second flow path, and the electrolyte supply means electrolyzes the sealed space through the first port and the first flow path. A lithium ion battery observation system characterized by being supplied with a liquid.
13. The lithium ion battery observation system according to claim 11 or 12, wherein the electrolyte supply means is constituted by a syringe pump, and when a bubble is generated in the sealed space, the syringe pump is operated so that the sealed space is decompressed. By doing so, the generated bubbles move from the sealed space to the syringe pump side, and the bubbles are removed from the sealed space.
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