JP2015216042A - Method for observing lithium ion battery, test lithium ion battery, and method for manufacturing the same - Google Patents

Method for observing lithium ion battery, test lithium ion battery, and method for manufacturing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for observing a lithium ion battery, by which a correct microscope observation can be performed even if a section for observation is formed by a mechanical cutting process.SOLUTION: A method for observing a lithium ion battery comprises the steps of: preparing an observation cell having a cell main body (30) housing a holding tool (42) for holding a test lithium ion battery, which has a positive electrode plate, a negative electrode plate and a separator, and a flange (31) engaged with the cell main body in a hermetic manner, in which an observation window including a transparent plate (36) is formed; subsequently, cutting a test lithium ion battery along a reference plane provided on the holding tool, thereby forming an observing section (42a) orthogonal to the positive and negative electrode plates; further, removing an active material put out of a network of the battery owing to the cutting process; filling a deformable transparent filler in between the transparent plate and the observing section; and casting an illumination light on the observing section of the lithium ion battery structure through the transparent plate and the transparent filler to take an image of the observing section of the lithium ion battery structure in observation.

Description

本発明は、性能試験に用いられる試験用のリチウムイオン電池を顕微鏡観察するリチウムイオン電池の観察方法並びに試験用のリチウムイオン電池及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for observing a lithium ion battery for microscopic observation of a test lithium ion battery used in a performance test, a test lithium ion battery, and a method for manufacturing the same.

電気自動車や携帯端末の電源装置としてリチウムイオン二次電池が用いられ、リチウムイオン二次電池の研究開発が進展している。リチウムイオン電池の研究開発においては、充放電中に電池内部において起きる現象を電池の外部から観察することにより重要なデータを収集することが可能である。充放電中における正極及び負極活物質の状態変化を外部から観察する方法として、試験用のリチウムイオン電池の観察断面を共焦点顕微鏡で観察する方法が既知である(例えば、特許文献1参照)。この観察方法によれば、負極活物質であるグラファイトの色彩が充電状態に応じて灰色→青→赤→金色に変化することが明瞭に観測され、リチウムイオン電池の材料選択に有益な情報を得ることが可能になった。特に、充電中の活物質の色彩の変化から活物質にインターカレートされたLiイオンの量である充電状態が把握することが可能であり、研究開発に有益な情報を得ることができる。   Lithium ion secondary batteries are used as power supply devices for electric vehicles and portable terminals, and research and development of lithium ion secondary batteries are progressing. In the research and development of lithium ion batteries, it is possible to collect important data by observing the phenomenon that occurs inside the battery during charging and discharging from the outside of the battery. As a method for observing changes in the state of the positive electrode and the negative electrode active material during charge / discharge from the outside, a method of observing an observation cross section of a test lithium ion battery with a confocal microscope is known (for example, see Patent Document 1). According to this observation method, it is clearly observed that the color of graphite as the negative electrode active material changes from gray to blue to red to gold according to the state of charge, and information useful for selecting a material for the lithium ion battery is obtained. It became possible. In particular, the state of charge, which is the amount of Li ions intercalated in the active material, can be grasped from the change in color of the active material during charging, and information useful for research and development can be obtained.

性能試験に用いられる試験用のリチウムイオン電池の観察方法として、正極板、負極板及びセパレータを含む電池構造体と絶縁ケースを構成する絶縁フィルムとを固定治具により固定し、固定治具の基準面に沿って電池構造体を切断して観察断面を形成する方法が既知である(例えば、特許文献2参照)。この既知の観察方法では、観察断面を形成した後、固定治具の基準面に透明板を固定し、絶縁ケース内に電解液を封入し、その後透明板を介して観察断面が観察されている。 As a method for observing a test lithium ion battery used in a performance test, a battery structure including a positive electrode plate, a negative electrode plate and a separator and an insulating film constituting an insulating case are fixed with a fixing jig, and a reference for the fixing jig A method of cutting a battery structure along a surface to form an observation cross section is known (for example, see Patent Document 2). In this known observation method, after forming the observation cross section, the transparent plate is fixed to the reference surface of the fixing jig, the electrolytic solution is sealed in the insulating case, and then the observation cross section is observed through the transparent plate. .

別の試験用のリチウムイオン電池の観察方法として、ポット型の観察用セルを利用した観察方法も既知である(例えば、特許文献3参照)。この既知の試験用のリチウムイオン電池の観察方法では、正極板、負極板及びセパレータを保持工具により保持してリチウムイオン電池構造体を作成する。続いて、保持工具の基準面にそって電池構造体を切断して観察断面を形成する。観察断面が形成された後保持工具をセル本体内に収納し、観察窓が形成されているフランジをセル本体に密封結合し、フランジの観察窓を介して観察断面が顕微鏡観察されている。
特許第5388078号公報 特開2013−239263号公報 特開2014−32745号公報
An observation method using a pot-type observation cell is also known as another observation method for a lithium ion battery for testing (see, for example, Patent Document 3). In this known method for observing a lithium ion battery for testing, a positive electrode plate, a negative electrode plate and a separator are held by a holding tool to produce a lithium ion battery structure. Subsequently, the battery structure is cut along the reference surface of the holding tool to form an observation cross section. After the observation cross section is formed, the holding tool is accommodated in the cell main body, the flange on which the observation window is formed is hermetically coupled to the cell main body, and the observation cross section is microscopically observed through the observation window of the flange.
Japanese Patent No. 5388078 JP 2013-239263 A JP 2014-32745 A

上述したリチウムイオン電池の観察方法では、観察窓を構成する透明板に対して電池構造体の観察断面が正確に位置決めされているため、透明板及び観察断面を介して電池構造体の内部を顕微鏡観察することができ、充放電中の活物質の状態変化を外部観察することが可能である。しかしながら、正極板、セパレータ及び負極板を重ね合わせて機械的に切断することにより観察断面を形成しているため、観察断面には、切断の際に生ずる応力により隣接する活物質との電気的な接続が外れた活物質が生じ、このような活物質が照明光に対して遮蔽物となり、内部観察を阻害する要因であることが判明した。すなわち、正極及び負極の活物質は、結着剤及び導電助剤を介して隣接する活物質と電気的に接続され、負極集電体と正極集電体との間に伝導路(ネットワーク)を形成する。そして、電子は、活物質が形成する伝導路を介して負極集電体と正極集電体との間を流通し、Liイオンは活物質間の隙間を介して流通する。一方、正極板、セパレータ及び負極板を重ね合わせた電池構造体を機械的に切断して観察断面を形成すると、切断面に存在する活物質には切断応力が作用するため、隣接する活物質との電気的な接続が外れた活物質が形成されてしまう。このような活物質は、集電体間の伝導路に接続されていないため、充放電には寄与しない。よって、このような活物質が存在すると、顕微鏡から出射した照明光に対して遮蔽物となり、顕微鏡観察の妨げとなってしまう。   In the lithium ion battery observation method described above, the observation cross section of the battery structure is accurately positioned with respect to the transparent plate constituting the observation window. It is possible to observe, and it is possible to externally observe the state change of the active material during charge and discharge. However, since the observation cross section is formed by mechanically cutting the positive electrode plate, the separator, and the negative electrode plate, the observation cross section is electrically connected to the adjacent active material due to the stress generated during the cutting. A disconnected active material is generated, and it has been found that such an active material acts as a shield against illumination light and is a factor that hinders internal observation. That is, the active material of the positive electrode and the negative electrode is electrically connected to the adjacent active material through the binder and the conductive auxiliary agent, and a conduction path (network) is formed between the negative electrode current collector and the positive electrode current collector. Form. Then, electrons flow between the negative electrode current collector and the positive electrode current collector through a conduction path formed by the active material, and Li ions flow through a gap between the active materials. On the other hand, when the observation cross section is formed by mechanically cutting the battery structure in which the positive electrode plate, the separator, and the negative electrode plate are overlapped, a cutting stress acts on the active material existing on the cut surface, As a result, an active material that is disconnected from the electrical connection is formed. Since such an active material is not connected to the conduction path between the current collectors, it does not contribute to charging / discharging. Therefore, when such an active material exists, it becomes a shielding object with respect to the illumination light radiate | emitted from the microscope, and will obstruct microscope observation.

本発明の目的は、観察断面が機械的な切断処理により形成されても、正確な顕微鏡観察が可能なリチウムイオン電池の観察方法を提供することにある。
さらに、本発明の目的は、リチウムイオン電池構造体を機械的に切断して観察断面を形成しても、充放電中の活物質の状態変化を正確に観察できる試験用のリチウムイオン電池及びその製造方法を実現することにある。
An object of the present invention is to provide a method for observing a lithium ion battery that enables accurate microscopic observation even when the observation cross section is formed by a mechanical cutting process.
Furthermore, an object of the present invention is to provide a test lithium ion battery and a test lithium ion battery capable of accurately observing a change in the state of the active material during charge and discharge even when the observation cross section is formed by mechanically cutting the lithium ion battery structure. It is to realize a manufacturing method.

本発明によるリチウムイオン電池の観察方法は、正極板、負極板、及びセパレータを有するリチウムイオン構造体の正極板及び負極板と直交する観察断面を顕微鏡観察するリチウムイオン電池の観察方法であって、
リチウムイオン電池構造体を保持する保持工具を収納するセル本体と、透明板を含む観察窓が形成され、前記セル本体と密封係合するフランジとを有する観察用セルを用意する工程と、
前記リチウムイオン電池構造体を保持工具に設けた基準面にそって切断し、正極板及び負極板と直交する観察断面を形成する観察断面形成工程と、
前記切断処理により電池のネットワークから外れた活物質を除去する工程と、
前記試験用のリチウムイオン電池を、その観察断面が前記透明板と対向するようにセル本体内に収納する工程と、
前記観察断面に光学的に透明で変形可能な充填剤を充填する工程と、
前記リチウムイオン電池構造体の観察断面に向けて、観察窓を構成する透明板及び充填剤を介して照明光を投射し、リチウムイオン電池構造体の観察断面の画像を撮像する工程とを含むことを特徴とする。
An observation method of a lithium ion battery according to the present invention is an observation method of a lithium ion battery in which an observation cross section orthogonal to a positive electrode plate and a negative electrode plate of a lithium ion structure having a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator is observed with a microscope,
Preparing a cell for observation having a cell main body for storing a holding tool for holding a lithium ion battery structure, an observation window including a transparent plate, and a flange for sealingly engaging with the cell main body;
An observation cross section forming step of cutting the lithium ion battery structure along a reference plane provided on a holding tool to form an observation cross section orthogonal to the positive electrode plate and the negative electrode plate;
Removing the active material removed from the battery network by the cutting process;
Storing the test lithium ion battery in the cell body such that the observation cross section faces the transparent plate;
Filling the observation cross section with an optically transparent and deformable filler;
Projecting illumination light through the transparent plate and the filler constituting the observation window toward the observation cross section of the lithium ion battery structure, and capturing an image of the observation cross section of the lithium ion battery structure. It is characterized by.

本発明者がリチウムイオン電池構造体を切断して観察断面を形成し、外部から顕微鏡すると、観察断面には充放電に寄与しない活物質が存在することが判明した。すなわち、負極及び正極の個々の活物質は結着剤及び導電助剤を介して隣接する活物質と結合されて伝導路(ネットワーク)を形成する。そして、活物質により形成されるネットワークを介して電子が流通し、活物質間の隙間を介してLiイオンが流通する。一方、機械的な切断処理により観察断面を形成すると、切断処理により結着剤との結合が破壊され、隣接する活物質との電気的な接続が外れた活物質が生じてしまう。このような活物質は、充放電を行わないため、充放電動作を行わない活物質を観察する不具合が発生し、顕微鏡観察の妨げとなってしまう。この課題を解決するため、本発明では、切断処理を行った後、隣接する活物質及び結着剤との結合が外れ、ネットワークから外れた活物質を除去する工程を実行する。切断面から活物質を除去することにより、観察断面の表面にはネットワークに接続された活物質(所謂「生きた活物質」)が主体的に存在するため、観察断面の表面に焦点を合わせて顕微鏡観察することにより、実際に充放電している活物質の状態変化を観測することができる。この際、結着剤との結合が外れた活物質は、隣接する活物質との間に結合力が存在しないため、比較的弱い粘着性のシート部材を切断面に押し当てるだけで結着剤の結合力から外れた活物質を除去することが可能である。本発明者が実際に活物質除去処理を行って顕微鏡観察した場合、観察断面のほぼ全域にわたって充放電中の活物質の色彩変化を明瞭に観察することができることが確認された。   When this inventor cut | disconnected a lithium ion battery structure, an observation cross section was formed, and when it observed from the outside, it turned out that the active material which does not contribute to charging / discharging exists in an observation cross section. That is, the individual active materials of the negative electrode and the positive electrode are combined with the adjacent active material through the binder and the conductive auxiliary agent to form a conduction path (network). And an electron distribute | circulates through the network formed with an active material, and Li ion distribute | circulates through the clearance gap between active materials. On the other hand, when an observation cross section is formed by a mechanical cutting process, the bond with the binder is broken by the cutting process, and an active material that is disconnected from the adjacent active material is generated. Since such an active material does not perform charging / discharging, the malfunction which observes the active material which does not perform charging / discharging operation | movement will generate | occur | produce, and will obstruct microscope observation. In order to solve this problem, in the present invention, after the cutting process is performed, the step of removing the active material that is disconnected from the network due to the bond between the adjacent active material and the binder is removed. By removing the active material from the cut surface, the active material connected to the network (so-called “living active material”) mainly exists on the surface of the observation cross section, so focus on the surface of the observation cross section. By observing under a microscope, it is possible to observe a change in state of the active material that is actually charged and discharged. At this time, since the active material that has lost the bond with the binder does not have a binding force between the adjacent active materials, the binder is simply pressed against the cut surface with a relatively weak adhesive sheet member. It is possible to remove the active material that has deviated from the bonding force of. When this inventor actually performed the active material removal process and observed with the microscope, it was confirmed that the color change of the active material during charging / discharging can be clearly observed over almost the entire observation cross section.

しかしながら、観察断面には、活物質が除去されることによってセパレータと集電箔との間に微小な凹状の空間が形成され、その状態で電解液を封入すると、凹状空間には、すなわち観察断面の表面と観察窓を構成する透明板との間に電解液溜まりが形成されてしまう。一方、充電中には、正極からセパレータを介して負極にLiイオンが供給されるため、電解液溜まりには過剰なLiイオンが蓄積され、周囲にLiイオンが過剰に存在する活物質の充放電中の状態変化を観察することになる。この場合、Liイオンが過剰に存在する異常な環境下の活物質の状態変化を観察することになり、実際の電池動作と正確に整合した解析データが得られない事態が発生する。   However, when the active material is removed in the observation cross section, a minute concave space is formed between the separator and the current collector foil. When the electrolyte is sealed in this state, the concave space, that is, the observation cross section is formed. An electrolytic solution reservoir is formed between the surface of the substrate and the transparent plate constituting the observation window. On the other hand, during charging, Li ions are supplied from the positive electrode to the negative electrode through the separator, so that excess Li ions are accumulated in the electrolyte reservoir and charging / discharging of the active material in which there are excessive Li ions in the surroundings. You will observe the state change inside. In this case, the state change of the active material under an abnormal environment in which Li ions are excessively observed is observed, and a situation in which analysis data accurately matching with actual battery operation cannot be obtained.

上述した課題を解決するため、本発明では、観察窓を構成する透明板と電池構造体の観察断面との間に光学的に透明な変形可能な充填剤を充填する。透明板と観察断面との間に変形可能な透明充填剤を介在させれば、活物質を除去することにより形成される凹部が透明な充填剤により充填されるため、電解液溜まりが形成される不具合が解消され、周囲が正常なLiイオン濃度の活物質の状態変化を観測することが可能になる。   In order to solve the above-described problems, in the present invention, an optically transparent deformable filler is filled between the transparent plate constituting the observation window and the observation cross section of the battery structure. If a deformable transparent filler is interposed between the transparent plate and the observation cross section, the recess formed by removing the active material is filled with the transparent filler, so that an electrolyte reservoir is formed. The problem is solved, and it becomes possible to observe a change in the state of the active material having a normal Li ion concentration in the surroundings.

透明充填剤を介在させて充電を行った場合の実際の実験結果は以下の通りである。すなわち、Liイオンが吸蔵されていない状態から充電を開始する。充電開始直後の短い時間中はセパレータと集電箔との間の全域の負極活物質の色彩が一律に変化し、一律にLiイオンがインターカレートされた。その後、セパレータに一番近い負極活物質の色彩変化が進行し、Liイオンのインターカレートが進行するのが確認された。続いて、順次隣接する活物質の色彩が変化しLiイオンがインターカレートされ、充電時間に応じて、順次集電箔に近い側に位置する活物質にLiイオンがインターカレートされることが確認された。一方、透明板と観察断面との間に電解液溜まりが存在する場合、全域にわたって活物質の色彩がほぼ同時に一律に変化した。従って、透明充填剤を介在させた場合、実際の充放電における状態変化にほぼ対応する状態変化が観測されることが確認された。 The actual experimental results when charging is performed with a transparent filler interposed. That is, charging is started from a state where Li ions are not occluded. During a short time immediately after the start of charging, the color of the negative electrode active material in the entire region between the separator and the current collector foil was uniformly changed, and Li ions were uniformly intercalated. Thereafter, it was confirmed that the color change of the negative electrode active material closest to the separator progressed and Li ion intercalation progressed. Subsequently, the color of adjacent active materials changes sequentially, Li ions are intercalated, and Li ions are intercalated sequentially into the active material located closer to the current collector foil according to the charging time. confirmed. On the other hand, when an electrolyte pool was present between the transparent plate and the observation cross section, the color of the active material was uniformly changed almost simultaneously over the entire area. Therefore, when a transparent filler was interposed, it was confirmed that a state change almost corresponding to a state change in actual charge / discharge was observed.

尚、本明細書において、「変形可能な充填剤」とは、常温で変形可能な透明充填剤だけでなく、軟化点を超える温度まで予熱することにより変形する充填剤も含まれる。また、「光学的に透明」とは、観測波長域において特有の吸収等の作用が生じないことを意味し、紫外域から赤外域の波長域にて特有の吸収作用を生じないこと、好適には400nm〜近赤外域の波長域において光学的に透明であることを意味する。 In the present specification, the “deformable filler” includes not only a transparent filler that is deformable at room temperature, but also a filler that is deformed by preheating to a temperature exceeding the softening point. In addition, “optically transparent” means that there is no specific absorption or the like in the observation wavelength range, and there is no specific absorption in the ultraviolet to infrared wavelength range. Means optically transparent in the wavelength range from 400 nm to the near infrared region.

本発明によるリチウムイオン電池の観察方法の好適実施例は、前記充填剤は光学的に透明な熱可塑性樹脂により構成され、
さらに、前記透明板と観察断面との間に介在する充填剤を予熱する工程を含み、
予熱処理により充填剤が変形し、前記観察断面の活物質が除去された凹状空間が充填剤により充填されることを特徴とする。熱可塑性樹脂は、変形を起こす軟化温度が電池材料の使用限界温度である80°C以下の材料が存在するので、観察窓を構成する透明板に数μm〜数10μm程度の厚さの熱可塑性樹脂フィルムを貼付し、ホットプレートのような加熱手段を用いて予熱することにより容易に変形し、セパレータと集電箔との間に形成された凹状空間内に透明樹脂層を介在させることが可能である。また、熱可塑性樹脂は、常温に戻すことにより硬化するため、観察断面の表面の形状に維持された状態で顕微鏡観察することができる。
In a preferred embodiment of the method for observing a lithium ion battery according to the present invention, the filler is composed of an optically transparent thermoplastic resin,
Furthermore, the method includes a step of preheating a filler interposed between the transparent plate and the observation cross section,
The filler is deformed by the pre-heat treatment, and the concave space from which the active material in the observation cross section is removed is filled with the filler. Thermoplastic resins include a material whose softening temperature causing deformation is 80 ° C. or lower, which is the use limit temperature of battery materials. Therefore, a thermoplastic resin having a thickness of several μm to several tens of μm on the transparent plate constituting the observation window. Can be easily deformed by attaching a resin film and preheating using a heating means such as a hot plate, and a transparent resin layer can be interposed in the concave space formed between the separator and the current collector foil It is. Further, since the thermoplastic resin is cured by returning to normal temperature, it can be observed with a microscope in a state where the shape of the surface of the observation cross section is maintained.

透明充填剤として、ポリオレフィン系の熱可塑性樹脂を用いることができ、具体例としてエチレンエチルアクリレート共重合体、エチレン酢酸ビニル共重合体又は超低密度ポリエチレンを用いることができる。 As the transparent filler, a polyolefin-based thermoplastic resin can be used. As specific examples, an ethylene ethyl acrylate copolymer, an ethylene vinyl acetate copolymer, or an ultra-low density polyethylene can be used.

本発明による試験用のリチウムイオン電池は、性能試験に用いられる試験用のリチウムイオン電池であって、
正極活物質層が形成されている正極板、負極活物質層が形成されている負極板、及び正極板と負極板との間に位置するセパレータを含むリチウムイオン電池構造体と、
リチウムイオン電池構造体を収納する絶縁ケースと、
前記正極板及び負極板にそれぞれ電気的に接続され、絶縁ケースの外部に位置する端子と、
前記絶縁ケース及び絶縁ケース内に収納されたリチウムイオン電池構造体を固定する固定治具と、
前記固定治具の基準面に結合され、観察窓を構成する透明板とを有し、
前記リチウムイオン電池構造体は、前記透明板に対して対向するように位置決めされると共に顕微鏡観察用の照明光が入射する観察断面を有し、
前記透明板とリチウムイオン電池構造体の観察断面との間に、光学的に透明で変形可能な充填剤が充填されていることを特徴とする。
A test lithium ion battery according to the present invention is a test lithium ion battery used for a performance test,
A lithium ion battery structure including a positive electrode plate on which a positive electrode active material layer is formed, a negative electrode plate on which a negative electrode active material layer is formed, and a separator positioned between the positive electrode plate and the negative electrode plate;
An insulating case for storing the lithium ion battery structure;
A terminal electrically connected to each of the positive electrode plate and the negative electrode plate and located outside the insulating case;
A fixing jig for fixing the insulating case and the lithium ion battery structure housed in the insulating case;
A transparent plate coupled to a reference plane of the fixture and constituting an observation window;
The lithium ion battery structure is positioned so as to face the transparent plate and has an observation cross section on which illumination light for microscope observation is incident,
An optically transparent and deformable filler is filled between the transparent plate and the observation cross section of the lithium ion battery structure.

本発明による試験用リチウムイオン電池の製造方法は、性能試験に用いられる試験用リチウムイオン電池の製造方法であって、
正極活物質層が形成されている正極板と、負極活物質層が形成されている負極板と、正極板と負極板との間に配置されたセパレータと、前記正極板及び負極板にそれぞれ接続された接続端子とを有するリチウムイオン電池構造体を用意する工程と、
前記リチウムイオン電池構造体の周囲を絶縁フィルムにより包囲し、固定治具を用いてリチウムイオン電池構造体と絶縁フィルムとを固定する工程と、
前記固定治具の基準面を利用してリチウムイオン電池構造体を切断し、顕微鏡観察用の観察断面を形成する観察断面形成工程と、
前記観察断面形成処理により電池のネットワークから外れた活物質を除去する工程と、
前記固定治具の基準面に、観察窓を構成する透明板を結合する観察窓形成工程と、
前記絶縁フィルムの内部空間に電解液を封入し、観察窓が形成されると共に充放電可能な密封された状態のリチウムイオン電池を形成する電池形成工程とを含み、
前記観察窓形成工程において、前記透明板とリチウムイオン電池構造体の観察断面との間に変形可能な光学的に透明な充填剤を介在させることを特徴とする。
The method for producing a test lithium ion battery according to the present invention is a method for producing a test lithium ion battery used for a performance test,
A positive electrode plate on which a positive electrode active material layer is formed, a negative electrode plate on which a negative electrode active material layer is formed, a separator disposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate, and each connected to the positive electrode plate and the negative electrode plate Preparing a lithium ion battery structure having a connected terminal;
Surrounding the periphery of the lithium ion battery structure with an insulating film, and fixing the lithium ion battery structure and the insulating film using a fixing jig;
An observation cross section forming step of cutting the lithium ion battery structure using the reference surface of the fixing jig to form an observation cross section for microscopic observation,
Removing the active material removed from the battery network by the observation cross-section forming process;
An observation window forming step of coupling a transparent plate constituting the observation window to the reference surface of the fixing jig;
A battery forming step of encapsulating an electrolytic solution in the internal space of the insulating film, forming an observation window and forming a sealed lithium ion battery that can be charged and discharged;
In the observation window forming step, a deformable optically transparent filler is interposed between the transparent plate and the observation cross section of the lithium ion battery structure.

本発明では、切断処理により電池のネットワークから外れた活物質を観察断面から除去すると共に、観察断面に形成された凹部に変形可能な透明充填剤を充填しているので、観察断面に電解液溜まりが形成される不具合が解消され、実際のリチウムイオン電池に対応する充放電動作中の活物質の状態変化を観測することが可能である。   In the present invention, the active material removed from the battery network by the cutting process is removed from the observation cross section, and the recess formed in the observation cross section is filled with a deformable transparent filler, so that the electrolyte cross section is stored in the observation cross section. It is possible to observe the change in the state of the active material during the charge / discharge operation corresponding to an actual lithium ion battery.

本発明による試験用のリチウムイオン電池の一連の製造工程を示す図である。It is a figure which shows a series of manufacturing processes of the lithium ion battery for a test by this invention. 本発明による試験用のリチウムイオン電池の一連の製造工程を示す図である。It is a figure which shows a series of manufacturing processes of the lithium ion battery for a test by this invention. 観察窓付近の構造を示す線図的断面図である。It is a diagrammatic sectional view showing the structure near the observation window. 本発明によるリチウムイオン電池の観察方法を実施する観察システムを示す図である。It is a figure which shows the observation system which enforces the observation method of the lithium ion battery by this invention. フランジの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a flange. セル本体の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a cell main body. 保持工具の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of a holding tool. 試験用のリチウムイオン電池の作成工程を示す図である。It is a figure which shows the creation process of the lithium ion battery for a test. 観察断面付近の状態を示す線図的断面図である。It is a diagrammatic sectional view showing a state near an observation section.

発明の実施するための形態BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

本発明によるリチウムイオン電池の観察方法は、市場において実際に製造及び販売されているリチウムイオン電池とほぼ同様な構造を有する試験用のリチウムイオン電池を作成し、充放電が繰り返される動作中における内部構造の変化を正極板及び負極板の延在方向と平行な方向から観察する。観察手段として、白色光源を有する共焦点顕微鏡を用い、電気化学反応が進行する動作中における正極板と負極板との間の観察エリアのカラー画像を時間的に連続して又は間断的に複数回撮像する。そして、撮像された複数のカラー画像から、活物質層層の色彩の変化や活物質の粒径の変化並びにデンドライトの生成及びその成長状態を経時的に観察する。   The method for observing a lithium ion battery according to the present invention creates a test lithium ion battery having a structure substantially similar to that of a lithium ion battery actually manufactured and sold in the market, and performs internal operations during repeated charging and discharging. The change in structure is observed from a direction parallel to the extending direction of the positive electrode plate and the negative electrode plate. A confocal microscope having a white light source is used as an observation means, and a color image of the observation area between the positive electrode plate and the negative electrode plate during the operation in which the electrochemical reaction proceeds is continuously or intermittently multiple times. Take an image. Then, a change in the color of the active material layer, a change in the particle size of the active material, generation of dendrites, and a growth state thereof are observed over time from the plurality of captured color images.

初めに、リチウムイオン電池の性能評価に用いられる試験用のリチウムイオン電池及びその製造方法について説明する。図1及び図2は本発明による試験用のリチウムイオン電池の一連の製造工程を示す図である。図1(A)を参照するに、リチウムイオン電池の基本構成部材を有するリチウムイオン電池構造体1を用意する。リチウムイオン電池構造体1は、集電体上に正極活物質層が形成されている正極板2と、集電体上に負極活物質層が形成されている負極板3と、正極板と負極板との間に配置したセパレータ4と、正極板及び負極板に接続されている接続用の端子5a及び5bとを有する。正極板及び負極板は、正極活物質層及び負極活物質層がセパレータと直接対向するように配置する。   First, a test lithium ion battery used for performance evaluation of a lithium ion battery and a method for manufacturing the same will be described. 1 and 2 are diagrams showing a series of manufacturing steps of a test lithium ion battery according to the present invention. Referring to FIG. 1A, a lithium ion battery structure 1 having basic components of a lithium ion battery is prepared. A lithium ion battery structure 1 includes a positive electrode plate 2 having a positive electrode active material layer formed on a current collector, a negative electrode plate 3 having a negative electrode active material layer formed on a current collector, a positive electrode plate, and a negative electrode It has the separator 4 arrange | positioned between board | substrates, and the terminal 5a and 5b for a connection connected to the positive electrode plate and the negative electrode plate. The positive electrode plate and the negative electrode plate are arranged so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer directly face the separator.

正極板2の集電体として例えばアルミニウムの箔が用いられ、負極板3の集電体として銅箔が用いられる。正極活物質として、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム、又はこれらの複合体が用いられる。負極活物質として、グラファイト、チタン酸リチウム、Si化合物等が用いられる。また、セパレータ4として、ポリエチレン系化合物やポリプロピレン系化合物の多孔質体が用いられる。本発明はリチウムイオン電池の性能評価を行うための試験用のリチウムイオン電池であり、電池材料として上述した材料以外の種々の材料が用いられ、各種性能評価が行われる。   For example, an aluminum foil is used as the current collector of the positive electrode plate 2, and a copper foil is used as the current collector of the negative electrode plate 3. As the positive electrode active material, lithium cobaltate, lithium nickelate, lithium manganate, lithium iron phosphate, or a composite thereof is used. As the negative electrode active material, graphite, lithium titanate, Si compound or the like is used. As the separator 4, a porous body of a polyethylene compound or a polypropylene compound is used. The present invention is a test lithium ion battery for evaluating the performance of a lithium ion battery, and various performance evaluations are performed using various materials other than those described above as battery materials.

図1(B)に示すように、リチウムイオン電池構造体1の周囲は絶縁ケースを構成する絶縁フィルム6により包囲する。絶縁フィルムは、例えば熱融着可能なラミネートフィルムで構成することができる。絶縁フィルム6の一方の側端6aは熱融着によりシールされ、他方の側端6bは2つの接続端子5a及び5bが外側に位置するようにシールする。よって、リチウムイオン電池構造体1は絶縁フィルムのケース内に、上端6c及び下端6dが開放した状態で包囲される。   As shown in FIG. 1B, the periphery of the lithium ion battery structure 1 is surrounded by an insulating film 6 constituting an insulating case. An insulating film can be comprised with the laminate film which can be heat-seal | fused, for example. One side end 6a of the insulating film 6 is sealed by heat sealing, and the other side end 6b is sealed so that the two connection terminals 5a and 5b are located outside. Therefore, the lithium ion battery structure 1 is enclosed in the case of the insulating film with the upper end 6c and the lower end 6d open.

図1(C)に示すように、絶縁フィルム6により包囲されたリチウムイオン電池構造体1の上側端部を絶縁フィルム6と共に固定治具10により固定する。固定治具10は、互いに係合する第1及び第2の締結部材11及び12と、これら締結部材11及び12を締結固定する2本の締結ネジ13a及び13bにより構成される。2つの締結部材11及び12には、係合した際、絶縁フィルムで覆われたリチウムイオン電池構造体1を挟み込むスペースを形成する。また、第1の締結部材11には貫通孔が形成され、第2の締結部材12にはネジ溝を形成する。2つの締結部材11と12との間にリチウムイオン電池構造体1及び絶縁フィルム6の一部を挟み込み、締結ネジ13a及び13bを貫通孔に差し込み、ネジ溝に螺合してリチウムイオン電池構造体の上側端部分を絶縁フィルムと共に固定する。この際、リチウムイオン電池1及び絶縁フィルム6の上側部分は上方に突出させる。   As shown in FIG. 1C, the upper end portion of the lithium ion battery structure 1 surrounded by the insulating film 6 is fixed together with the insulating film 6 by a fixing jig 10. The fixing jig 10 includes first and second fastening members 11 and 12 that are engaged with each other, and two fastening screws 13 a and 13 b that fasten and fix the fastening members 11 and 12. The two fastening members 11 and 12 form a space for sandwiching the lithium ion battery structure 1 covered with the insulating film when engaged. Further, a through hole is formed in the first fastening member 11 and a screw groove is formed in the second fastening member 12. A part of the lithium ion battery structure 1 and the insulating film 6 is sandwiched between the two fastening members 11 and 12, the fastening screws 13a and 13b are inserted into the through holes, and are screwed into the screw grooves to be lithium ion battery structures. The upper end portion of the substrate is fixed together with the insulating film. At this time, the upper portions of the lithium ion battery 1 and the insulating film 6 are projected upward.

2つの締結部材11及び12の上側面11a及び12aは、互いに係合した際、表面の高さレベルが同一レベルとなるように位置決めされ、これら上側面11a及び12aは一緒になって位置決め用の基準面14を形成する。この位置決め用の基準面14に観察窓を形成するガラス板を固定すると共に、基準面14を利用してリチウムイオン電池構造体及び絶縁フィルムのエッジの表面高さ方向の位置を規定する。第1及び第2の締結部材の上側面11a及び12aには、ガラス板を接合するための接着剤を溜めるための溝11b及び12bをそれぞれ形成する。溝11b及び12bは、リチウムイオン電池の上側端部において全周を包囲するように形成する。尚、固定治具の2つの締結部材を係合固定した際、リチウムイオン電池構造体1と絶縁フィルム6との間に隙間が形成されないように密封固定する。   The upper side surfaces 11a and 12a of the two fastening members 11 and 12 are positioned so that the height level of the surface is the same level when engaged with each other, and the upper side surfaces 11a and 12a together are used for positioning. A reference surface 14 is formed. While fixing the glass plate which forms an observation window to this positioning reference plane 14, the reference plane 14 is used to define the positions of the edges of the lithium ion battery structure and the insulating film in the surface height direction. Grooves 11b and 12b for storing an adhesive for joining the glass plates are formed on the upper side surfaces 11a and 12a of the first and second fastening members, respectively. The grooves 11b and 12b are formed so as to surround the entire circumference at the upper end of the lithium ion battery. When the two fastening members of the fixing jig are engaged and fixed, they are hermetically fixed so that no gap is formed between the lithium ion battery structure 1 and the insulating film 6.

2つの締結部材11及び12の上側面11a及び12aにより構成される基準面14は、観察断面を形成する際の切断用の基準面として利用する。そして、例えばカミソリやミクロトームのような切断工具(図示せず)を用い、切断工具を基準面14にそって矢印a又はb方向に移動して、基準面14から上方に突出したリチウムイオン電池構造体及び絶縁フィルムの端部部分を切断する切断工程を実施する。このように、基準面14にそって切断することにより、顕微鏡観察用の観察断面(端縁)が形成され、観察断面は基準面14に対して同一のレベルに位置決めされる。尚、切断した後の状態を図1(D)に示す。   The reference surface 14 constituted by the upper side surfaces 11a and 12a of the two fastening members 11 and 12 is used as a reference surface for cutting when forming an observation cross section. Then, for example, using a cutting tool (not shown) such as a razor or a microtome, the cutting tool is moved in the direction of the arrow a or b along the reference surface 14 and protrudes upward from the reference surface 14. The cutting process which cut | disconnects the edge part of a body and an insulating film is implemented. Thus, by cutting along the reference plane 14, an observation cross section (edge) for microscopic observation is formed, and the observation cross section is positioned at the same level with respect to the reference plane 14. The state after cutting is shown in FIG.

切断工程の後、観察断面に存在する活物質を部分的に除去する活物質除去工程及び観察断面に充填剤を充填する充填工程を実施し、その後観察窓を形成する。活物質除去工程及び充填工程については後述する。観察窓を形成するに当たり、接着剤を溜める溝7b及び8b内に接着剤を導入する。接着剤として、透明な紫外線硬化性の接着剤を用いることができる。その後、ガラス板15(透明板)を基準面14上に配置し、紫外線を照射して接着剤を硬化させ、固定工具10の基準面14に対してガラス板15を位置決め固定する。この状態を図1(E)に示す。尚、接着剤として、紫外線硬化性接着剤以外の種々の接着剤を用いることができ、例えば透明な熱可塑性樹脂や2液タイプの接着剤若しくは熱可塑性接着剤を用いることも可能である。   After the cutting step, an active material removing step for partially removing the active material existing in the observation cross section and a filling step for filling the observation cross section with a filler are performed, and then an observation window is formed. The active material removal step and the filling step will be described later. In forming the observation window, the adhesive is introduced into the grooves 7b and 8b for storing the adhesive. As the adhesive, a transparent ultraviolet curable adhesive can be used. Thereafter, the glass plate 15 (transparent plate) is placed on the reference surface 14, irradiated with ultraviolet rays to cure the adhesive, and the glass plate 15 is positioned and fixed with respect to the reference surface 14 of the fixed tool 10. This state is shown in FIG. As the adhesive, various adhesives other than the ultraviolet curable adhesive can be used. For example, a transparent thermoplastic resin, a two-component adhesive, or a thermoplastic adhesive can be used.

本発明では、リチウムイオン電池及び絶縁フィルムの上側部分を基準面14にそって切断して観察断面を形成した後、隣接する活物質との電気的な接続が外れた活物質を除去する活物質除去工程を実施する。本発明者がリチウムイオン電池構造体を機械的に切断した後の切断面を顕微鏡観察すると、切断面には電池のネットワークから外れた活物質が生じることが判明した。すなわち、各活物質は隣接する活物質と結着剤を介して結合されてネットワークを構成する。一方、ナイフ等の切断手段を用いて機械的に切断すると、切断面の表面には結着剤との結合が破壊され隣接する活物質と結合せず、ネットワークから外れた活物質が発生する。このような活物質は充放電作用を行わないため、顕微鏡観察する際、顕微鏡から出射する照明光に対して遮蔽体となり、顕微鏡観察の妨げとなってしまう。この実験結果に基づき、本例では、切断面に粘着シートを押し当てて電気的に接続が外れた活物質を除去する工程を実施する。この活物質除去処理工程を行うことにより、観察断面の表面には、所謂生きた活物質(電池のネットワークに接続された活物質)が主体的に存在し、充放電を行う個々の活物質の状態変化を撮像することが可能になる。   In the present invention, the upper part of the lithium ion battery and the insulating film is cut along the reference plane 14 to form an observation cross section, and then the active material that removes the active material that is disconnected from the adjacent active material A removal step is performed. When the present inventor observed the cut surface after mechanically cutting the lithium ion battery structure under a microscope, it was found that an active material deviated from the battery network was formed on the cut surface. That is, each active material is combined with an adjacent active material via a binder to form a network. On the other hand, when mechanically cutting using a cutting means such as a knife, the bond to the binder is broken on the surface of the cut surface, and the active material is not bonded to the adjacent active material, and an active material that is off the network is generated. Since such an active material does not perform charging / discharging action, when observing with a microscope, it becomes a shield against illumination light emitted from the microscope, and hinders observation with the microscope. Based on the result of this experiment, in this example, a step of removing the active material that is electrically disconnected by pressing the adhesive sheet against the cut surface is performed. By performing this active material removal treatment process, so-called live active materials (active materials connected to the battery network) exist mainly on the surface of the observation cross section, and each active material to be charged / discharged is charged. It becomes possible to image the state change.

一方、切断面に存在する活物質が部分的除去されると、切断面には凹状の空間が形成される。よって、その後電解液を封入した際、ガラス板と観察断面との間に電解液が過剰に存在する空間が形成される。一方、活物質の周囲に電解液が過剰に存在すると、充放電中の活物質に対してLiイオンが過剰に供給され、正常なリチウムイオン電池とは異なる電池形態となってしまう。このような不具合を解消するため、本発明では、ネットワークから外れた活物質を除去した後、観察断面に形成される凹状空間に光学的に透明な充填剤を充填し、その後ガラス板15を固定する。 On the other hand, when the active material present on the cut surface is partially removed, a concave space is formed in the cut surface. Therefore, when the electrolytic solution is subsequently sealed, a space in which the electrolytic solution exists excessively is formed between the glass plate and the observation cross section. On the other hand, when the electrolyte solution is present in excess around the active material, Li ions are excessively supplied to the active material being charged and discharged, resulting in a battery form different from a normal lithium ion battery. In order to eliminate such a problem, in the present invention, after removing the active material that has been removed from the network, the concave space formed in the observation cross section is filled with an optically transparent filler, and then the glass plate 15 is fixed. To do.

充填剤として、光学特性、機械的特性、化学的特性、及び電気的特性に基づき最適な材料を選択する。光学特性として、観察波長域において透明であること、すなわち観察波長域において特有の吸収作用を有しないことが必要であり、400nm〜近赤外域の波長域で吸収作用を有しないことが望ましい。また、充填剤の屈折率については、電解液の屈折率とほぼ同等な材料を用いることが望ましい。すなわち、透明充填剤を充填した際、充填剤は電解液と接触して界面を形成する。この場合、透明充填剤と電解液との屈折率の差異が大きい場合、その界面で反射光が発生し、撮像される画像中に界面の像が重畳され、撮像される観察断面の画像が不鮮明になる不具合が発生する。機械的特性として、変形可能な特性を有することが要求される。すなわち、セパレータと集電箔との間の微小な空間内に進入できるだけの変形性能が必要である。この場合、常温において変形可能な材料と共に予熱条件下において変形可能な材料を用いることができる。例えば常温又は予熱下において変形可能なフィルム状の透明充填剤やゲル状の透明充填剤を用いることができる。特に、軟化点以上の温度に予熱することにより変形する熱可塑性樹脂を用いることができ、例えばポリオレフィン系の熱可塑性樹脂が用いられる。常温において変形可能な材料として、その粘土が高すぎると凹状空間内に進入せず、粘土が低すぎると活物質層の内部に進入するため、適切な粘土の材料を用いる必要がある。充填剤としての適切な粘土の範囲は、10Pas 〜1000Pasの範囲が好適である。また、化学的特性として、化学的に不活性な材料である必要があり、電解液と反応しない材料が選択される。また、電気的として、高い絶縁性を有することが必要である。 As the filler, an optimum material is selected based on optical properties, mechanical properties, chemical properties, and electrical properties. As optical characteristics, it is necessary to be transparent in the observation wavelength range, that is, not to have a specific absorption action in the observation wavelength range, and desirably not to have an absorption action in the wavelength range of 400 nm to the near infrared range. Moreover, as for the refractive index of the filler, it is desirable to use a material substantially equivalent to the refractive index of the electrolytic solution. That is, when the transparent filler is filled, the filler comes into contact with the electrolytic solution to form an interface. In this case, when the difference in refractive index between the transparent filler and the electrolytic solution is large, reflected light is generated at the interface, the interface image is superimposed on the image to be captured, and the image of the observed cross section is unclear. A problem occurs. The mechanical property is required to have a deformable property. That is, the deformation performance is required to enter the minute space between the separator and the current collector foil. In this case, a material that can be deformed under preheating conditions can be used together with a material that can be deformed at room temperature. For example, a film-like transparent filler or a gel-like transparent filler that can be deformed at room temperature or under preheating can be used. In particular, a thermoplastic resin that is deformed by preheating to a temperature equal to or higher than the softening point can be used. For example, a polyolefin-based thermoplastic resin is used. As a material that can be deformed at room temperature, if the clay is too high, it does not enter the concave space, and if the clay is too low, it enters the inside of the active material layer. Therefore, it is necessary to use an appropriate clay material. The range of suitable clay as filler is preferably in the range of 10 Pas to 1000 Pas. In addition, as a chemical characteristic, it is necessary to be a chemically inert material, and a material that does not react with the electrolytic solution is selected. In addition, it is necessary to have high insulation as electrical.

上述した条件を満たす材料として、一例としてエチレンエチルアクリレート共重合体、エチレン酢酸ビニル共重合体、又は超低密度ポリエチレンを用いることができる。特に、エチレンエチルアクリレート共重合体及びエチレン酢酸ビニル共重合体の屈折率は、電解液の屈折率との差異が小さいため、撮像される画像が不鮮明になる不具合が防止され、且つ400nm〜近赤外域において吸収作用を有しないため、極めて有効である。 As a material that satisfies the above-described conditions, for example, an ethylene ethyl acrylate copolymer, an ethylene vinyl acetate copolymer, or ultra-low density polyethylene can be used. In particular, since the refractive index of the ethylene ethyl acrylate copolymer and the ethylene vinyl acetate copolymer has a small difference from the refractive index of the electrolytic solution, the problem that the captured image becomes unclear is prevented, and 400 nm to near red Since it does not have an absorbing action in the outer region, it is extremely effective.

本例では、充填剤として、予熱することにより変形する熱可塑性樹脂を用いて観察断面に形成された凹状の空間内に充填剤を充填する。すなわち、切断工程において観察断面を形成した後、充填剤として厚さが数10〜数100μm程度の熱可塑性のフィルムを用い、熱可塑性樹脂フィルムをガラス板に装着し、ガラス板をホットプレートに接触させて熱可塑性樹脂の軟化点以上の温度に予熱する。予熱により熱可塑性樹脂フィルムが軟化し、変形自在な状態に変化する。続いて、ガラス板15と観察断面との間に変形可能な熱可塑性の樹脂フィルムが介在するようにガラス板を基準面に固定する。この際、軟化した熱可塑性樹脂が観察断面の凹状空間内に進入し、凹状空間を透明な充填剤により充填することができる。別の方法として、熱可塑性フィルム及びガラス板を基準面に固定した後、予熱することも可能である。 In this example, the filler is filled into a concave space formed in the observation cross section using a thermoplastic resin that is deformed by preheating as the filler. That is, after forming an observation cross section in the cutting process, a thermoplastic film having a thickness of about several tens to several hundreds of μm is used as a filler, the thermoplastic resin film is mounted on a glass plate, and the glass plate is brought into contact with the hot plate To preheat to a temperature above the softening point of the thermoplastic resin. The thermoplastic resin film is softened by preheating and changes into a deformable state. Subsequently, the glass plate is fixed to the reference plane so that a deformable thermoplastic resin film is interposed between the glass plate 15 and the observation cross section. At this time, the softened thermoplastic resin enters the concave space of the observation cross section, and the concave space can be filled with the transparent filler. As another method, the thermoplastic film and the glass plate can be preheated after being fixed to the reference surface.

図2(A)及び(B)は、観察窓が形成された後の製造工程を示す。観察窓が形成された後、必要に応じて乾燥工程を実施する。図2(A)は、リチウムイオン電池構造体1及び絶縁フィルムに対して固定工具10が密封固定され、固定工具にガラス板15が接合された後に、当該構造体を上下反対向きに配置した状態を示す。この状態において、絶縁フィルム6の両側端6a及び6bはシールされており、上側端6cは固定工具10及びガラス板15によりシールされており、下端6dだけが開放された状態になる。この構造体をパスボックス内に配置し、真空乾燥が行われる。この真空乾燥により、リチウムイオン電池構造体中に含まれる水分は下端6dの開放部を介して絶縁フィルムの外部に放出される。   2A and 2B show the manufacturing process after the observation window is formed. After the observation window is formed, a drying process is performed as necessary. FIG. 2A shows a state in which the fixed tool 10 is hermetically fixed to the lithium ion battery structure 1 and the insulating film, and after the glass plate 15 is joined to the fixed tool, the structure is arranged in the upside down direction. Indicates. In this state, both side ends 6a and 6b of the insulating film 6 are sealed, the upper end 6c is sealed by the fixing tool 10 and the glass plate 15, and only the lower end 6d is opened. This structure is placed in a pass box and vacuum dried. By this vacuum drying, moisture contained in the lithium ion battery structure is released to the outside of the insulating film through the open portion of the lower end 6d.

真空乾燥処理が終了した後、パスボックスの内部に例えばアルゴンガスのような否活性ガスを封入して否活性雰囲気に設定する。この状態において、ディスペンサを用いて絶縁フィルムの内部に電解液を封入する。   After the vacuum drying process is completed, a non-active gas such as argon gas is sealed inside the pass box to set a non-active atmosphere. In this state, the electrolytic solution is sealed inside the insulating film using a dispenser.

電解液を封入した後、必要に応じて1回充放電を行い、脱泡処理を行う。脱泡処理として、例えばパスボックスの内部空間を真空雰囲気に設定し、真空雰囲気下で発生したガスを除去することができる。尚、脱泡処理は、必要に応じて行われる。   After encapsulating the electrolytic solution, charge / discharge is performed once as necessary to perform defoaming treatment. As the defoaming treatment, for example, the internal space of the pass box can be set to a vacuum atmosphere, and the gas generated in the vacuum atmosphere can be removed. The defoaming process is performed as necessary.

脱泡処理が終了した後、絶縁フィルムの下端6dについて熱融着処理を行い、密封シールする。この状態を図2(B)に示す。このようにして、観察窓を構成するガラス板と、固定工具と、絶縁フィルムにより構成される絶縁ケースとにより密封され、接続端子が絶縁ケースの外部に位置する試験用のリチウムイオン電池が完成する。尚、上述した一連の製造工程は、実際のリチウムイオン電池の製造工程とほぼ同様であるので、市販される実際の製品とほぼ同様な構造の試験用のリチウムイオン電池が得られる。   After the defoaming process is completed, the lower end 6d of the insulating film is heat-sealed and hermetically sealed. This state is shown in FIG. In this way, a test lithium ion battery is completed which is sealed by the glass plate constituting the observation window, the fixed tool, and the insulating case made of the insulating film, and the connection terminals are located outside the insulating case. . The series of manufacturing steps described above are substantially the same as the actual manufacturing steps of a lithium ion battery, and thus a test lithium ion battery having a structure substantially similar to that of an actual product that is commercially available can be obtained.

図3は試験用のリチウムイオン電池の観察窓付近の状態を示し、図2(B)のII線断面図である。図3(A)は電池のネットワークから外れた活物質を除去した後に電解液を封入した試験用の電池を示し、図3(B)は活物質を除去した後透明板と観察断面との間に光学的に透明な充填剤を充填し、その後電解液を封入した電池を示す。尚、図1及び図2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、その説明は省略する。図3(A)に示すように、電池のネットワークから外れた活物質を除去すると、リチウムイオン電池構造体の観察断面20と透明板15との間に、活物質が部分的に存在しない凹状の空間が形成される。この状態において電解液を封入すると、観察断面20の表面とガラス板15との間に電解液溜まり21が形成される。この電解液溜まり21は、Liイオンが過剰にリッチな状態である。すなわち、正常な電池の場合、電解液は活物質間の隙間に存在し、個々の活物質の周囲に存在する電解液の量は微量である。これに対して、ガラス板15と観察断面21との間に電解液溜まりが形成された場合、観察断面の表面に存在する活物質の周囲には大量の電解液が存在し、活物質の周囲には過剰なLiイオンが存在する。さらに、充電中に正極側からセパレータ4を介してLiイオンが供給されるので、観察断面20の表面領域に存在する活物質は、正常な状態とは異なる状態に維持されてしまう。このような状態で観察断面を観察した場合、実際の活物質とは異なる状態の活物質を観察する不具合が発生する。   FIG. 3 shows a state near the observation window of the test lithium ion battery, and is a cross-sectional view taken along the line II in FIG. FIG. 3 (A) shows a test battery in which an electrolytic solution is sealed after removing the active material removed from the battery network, and FIG. 3 (B) shows the space between the transparent plate and the observation cross section after removing the active material. Shows a battery in which an optically transparent filler is filled, and then an electrolytic solution is sealed. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as the component used in FIG.1 and FIG.2, and the description is abbreviate | omitted. As shown in FIG. 3A, when the active material removed from the battery network is removed, a concave shape in which no active material is partially present between the observation cross section 20 of the lithium ion battery structure and the transparent plate 15 is obtained. A space is formed. When the electrolytic solution is sealed in this state, an electrolytic solution reservoir 21 is formed between the surface of the observation cross section 20 and the glass plate 15. The electrolytic solution reservoir 21 is in a state where Li ions are excessively rich. That is, in the case of a normal battery, the electrolytic solution exists in the gap between the active materials, and the amount of the electrolytic solution present around each active material is very small. On the other hand, when an electrolytic solution pool is formed between the glass plate 15 and the observation cross section 21, a large amount of electrolytic solution exists around the active material existing on the surface of the observation cross section. There are excess Li ions. Furthermore, since Li ions are supplied from the positive electrode side through the separator 4 during charging, the active material present in the surface region of the observation cross section 20 is maintained in a state different from the normal state. When the observation cross section is observed in such a state, a problem of observing an active material in a state different from the actual active material occurs.

これに対して、図3(B)に示すように、電池構造体の切断面とガラス板15との間に形成される凹状空間内に透明充填剤22を充填し、その後電解液を封入した場合、凹状空間には透明充填が充填されるため、電解液溜まりは形成されず、観察断面の表面領域の活物質の周囲は正常な電池とほぼ同等な量の電解液で覆われる。さらに、重要なことは、充電中に正極側からセパレータ4を介して過剰量のLiイオンが供給される不具合も解消される。   On the other hand, as shown in FIG. 3 (B), the concave space formed between the cut surface of the battery structure and the glass plate 15 is filled with the transparent filler 22, and then the electrolyte is sealed. In this case, since the concave space is filled with the transparent filling, the electrolytic solution reservoir is not formed, and the periphery of the active material in the surface region of the observation cross section is covered with the electrolytic solution in an amount substantially equivalent to that of a normal battery. Furthermore, importantly, the problem that an excessive amount of Li ions is supplied via the separator 4 from the positive electrode side during charging is also solved.

次に、充放電中の試験用のリチウムイオン電池の活物質の状態変化を観察する観察方法について説明する。図4は本発明によるリチウムイオン電池の観察方法を実施する観察システムを示す。本例では、ポット型の観察セルを用い、観察セル内に試験用のリチウムイオン電池を収納し、正極板及び負極板と直交する観察断面に位置する活物質の状態変化を観察する。初めに、不活性雰囲気中において、正極板、負極板及びセパレータを保持工具により積層保持してリチウムイオン電池構造体を形成する。続いて、保持工具に形成した基準面にそってリチウムイオン電池構造体を切断して切断面を形成し、さらに、切断面に存在するネットワークから外れた活物質を除去する。その後、リチウムイオン電池構造体を保持工具と共に電解液に浸漬し、保持工具を観察用セル内に配置し、密封された試験用のリチウムイオン電池を作成する。そして、試験用のリチウムイオン電池が収納された観察用セルを顕微鏡のステージ上に配置すると共に、観察用セルに設けた接続端子を介して充放電コントローラに接続して充放電を繰り返し、充放電中のリチウムイオン電池の内部状態の変化を正極板及び負極板の延在方向と平行な方向から顕微鏡観察する。顕微鏡観察には、共焦点顕微鏡を用いる。そして、共焦点顕微鏡によりリチウムイオン電池の内部状態の画像を経時的に撮像し、撮像画像をメモリに記憶することにより、活物質の形状変化及び色彩変化、並びにデンドライトの生成状態を経時的に記録することができる。   Next, an observation method for observing a change in state of the active material of the test lithium ion battery during charge / discharge will be described. FIG. 4 shows an observation system for performing the observation method of the lithium ion battery according to the present invention. In this example, a pot-type observation cell is used, a test lithium ion battery is accommodated in the observation cell, and the state change of the active material located in the observation cross section orthogonal to the positive electrode plate and the negative electrode plate is observed. First, a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator are laminated and held by a holding tool in an inert atmosphere to form a lithium ion battery structure. Subsequently, the lithium ion battery structure is cut along the reference surface formed on the holding tool to form a cut surface, and further, the active material removed from the network existing on the cut surface is removed. Thereafter, the lithium ion battery structure is immersed in an electrolytic solution together with the holding tool, the holding tool is placed in the observation cell, and a sealed lithium ion battery for testing is created. Then, the observation cell containing the test lithium ion battery is placed on the stage of the microscope, connected to the charge / discharge controller via the connection terminal provided in the observation cell, and repeatedly charged and discharged. The change in the internal state of the lithium ion battery inside is observed with a microscope from a direction parallel to the extending direction of the positive electrode plate and the negative electrode plate. A confocal microscope is used for microscopic observation. Then, the confocal microscope captures images of the internal state of the lithium ion battery over time, and stores the captured image in the memory, thereby recording the shape change and color change of the active material and the dendrite generation state over time. can do.

図4を参照するに、観察用セルは、観察されるべき試験用のリチウムイオン電池が収納されるセル本体30と、セル本体と密封係合するフランジ31とを有する。フランジ31には、透明板を含む観察窓32が形成され、観察窓32を介して観察用セル内に配置された試験用のリチウムイオン電池の観察断面を顕微鏡観察する。すなわち、顕微鏡の対物レンズ33から出射した照明光は、観察窓32に設けた透明板を介して観察用セルの内部に進入し、リチウムイオン電池の観察される観察断面(端面エリア)を照明する。また、観察断面から出射した反射光は、観察窓を介して顕微鏡の対物レンズ33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、観察断面の光軸方向にそって積層された数個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。   Referring to FIG. 4, the observation cell includes a cell main body 30 in which a test lithium ion battery to be observed is accommodated, and a flange 31 that is sealingly engaged with the cell main body. An observation window 32 including a transparent plate is formed on the flange 31, and the observation cross section of the test lithium ion battery arranged in the observation cell is observed through the observation window 32 through the microscope. That is, the illumination light emitted from the objective lens 33 of the microscope enters the inside of the observation cell through the transparent plate provided in the observation window 32, and illuminates the observation cross section (end face area) of the lithium ion battery observed. . Further, the reflected light emitted from the observation section is collected by the objective lens 33 of the microscope through the observation window. A confocal microscope is preferably used as the microscope. A confocal microscope can form an omnifocal image focused over a considerably wide range along the optical axis direction by capturing a plurality of two-dimensional images while moving the objective lens along the optical axis direction. it can. Therefore, it is possible to take a focused two-dimensional image and three-dimensional image of several active materials stacked along the optical axis direction of the observation cross section, and the color change of each active material due to charge / discharge And shape changes can be observed in real time. In particular, since the color of each active material changes according to the Li ion concentration contained in the active material, the distribution state of Li ions and the generation state of dendrite can be observed from the outside.

セル本体30には、互いに対向するように第1及び第2の接続端子34a及び34bを周囲部材から電気的に絶縁された状態で設ける。これら接続端子は充放電コントローラ35に接続する。また、接続端子は、セル本体の内部において、セル本体内に配置されたリチウムイオン電池の正極板及び負極板にも電気的に接続する。そして、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35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を介して顕微鏡観察される。   The cell body 30 is provided with first and second connection terminals 34a and 34b in a state of being electrically insulated from surrounding members so as to face each other. These connection terminals are connected to the charge / discharge controller 35. The connection terminal is also electrically connected to the positive electrode plate and the negative electrode plate of the lithium ion battery disposed in the cell body inside the cell body. During the test of the lithium ion battery, a charge / discharge test is performed under the control of the charge / discharge controller 35 provided outside the observation cell, and the internal state of the lithium ion battery being charged / discharged changes the observation window. Through a microscope.

図5はフランジの一例を示す図であり、図5(A)は平面図、及び図5(B)は図5(A)のII−II線断面図である。フランジ31の中央に観察窓32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36を接着剤を介して取り付ける。ガラス板36には、変形可能な透明充填剤層37を形成する。或いは、変形可能な透明フィルムを装着する。顕微鏡の対物レンズから出射した照明光は、ガラス板36及び透明充填剤37を介してリチウムイオン電池の観察断面エリアに入射し、観察断面から出射した反射光は透明充填剤37及びガラス板36を経て対物レンズにより集光される。   5A and 5B are views showing an example of the flange, FIG. 5A is a plan view, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 5A. An observation window 32 is formed at the center of the flange 31. An optically transparent glass plate 36 having a thickness of about 1 mm is attached to the observation window via an adhesive. A deformable transparent filler layer 37 is formed on the glass plate 36. Alternatively, a deformable transparent film is attached. Illumination light emitted from the objective lens of the microscope enters the observation cross-sectional area of the lithium ion battery via the glass plate 36 and the transparent filler 37, and reflected light emitted from the observation cross-section passes through the transparent filler 37 and the glass plate 36. Then, it is condensed by the objective lens.

図6は、試験用のリチウムイオン電池が収納されたセル本体の一例を示す図であり、図6(A)はフランジ側から見た線図的平面図、及び図6(B)は図6(A)のII−II線断面図である。図6(A)に示すように、セル本体30には、フランジ31を取り付けるためのネジが螺着されるネジ穴38a及び38bを設けると共に、位置決めピン39a及び39bを設ける。この2つの位置決めピンにより、セル本体とフランジとの相対的な位置関係が規定される。また、セル本体には、リング状の溝が形成され、このリング状の溝内にOリング40が配置され、このOリング40によりセル本体とフランジとの間に密封係合が形成される。   6 is a diagram showing an example of a cell body in which a test lithium ion battery is housed, FIG. 6A is a schematic plan view seen from the flange side, and FIG. 6B is FIG. It is the II-II sectional view taken on the line of (A). As shown in FIG. 6A, the cell body 30 is provided with screw holes 38a and 38b into which screws for attaching the flange 31 are screwed, and positioning pins 39a and 39b. These two positioning pins define the relative positional relationship between the cell body and the flange. In addition, a ring-shaped groove is formed in the cell body, and an O-ring 40 is disposed in the ring-shaped groove, and the O-ring 40 forms a sealing engagement between the cell body and the flange.

セル本体には、円形の凹部41が形成される。この凹部41内に、正極板、負極板及びセパレータから成る試験用のリチウムイオン電池42を保持する保持工具43が配置される。凹部41の下方には、第2の凹部44が形成され、この第2の凹部内にスプリング45を配置する。スプリング45は、保持工具43を観察窓方向に押圧するように作用する。従って、リチウムイオン電池42の顕微鏡観察される観察断面は、スプリング45により観察窓方向に押圧される。この押圧力により、試験用のリチウムイオン電池の観察断面を充填剤37に押し当てる。   A circular recess 41 is formed in the cell body. A holding tool 43 for holding a test lithium ion battery 42 including a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator is disposed in the recess 41. A second recess 44 is formed below the recess 41, and a spring 45 is disposed in the second recess. The spring 45 acts to press the holding tool 43 toward the observation window. Accordingly, the observation cross section of the lithium ion battery 42 observed by the microscope is pressed by the spring 45 in the observation window direction. With this pressing force, the observation cross section of the test lithium ion battery is pressed against the filler 37.

次に、試験用のリチウムイオン電池を保持する保持工具の作用について説明する。図7は保持工具43の開いた状態を示す線図である。保持工具43は、ヒンジ46と、ヒンジを中心にして回転可能な第1及び第2の保持部材47及び48とを有する。第1及び第2の保持部材47及び48は、電気的に絶縁性の合成樹脂材料により構成する。ヒンジ46には、捩じりバネ49を装着する。この捩じりバネ49は、第1及び第2の保持部材を互いに押し付け合うように作用する。そして、この押し付け力を利用して正極板、負極板及びセパレータを整列把持し、試験用のリチウムイオン電池を形成する。   Next, the operation of the holding tool for holding the test lithium ion battery will be described. FIG. 7 is a diagram showing a state in which the holding tool 43 is opened. The holding tool 43 includes a hinge 46 and first and second holding members 47 and 48 that can rotate around the hinge. The first and second holding members 47 and 48 are made of an electrically insulating synthetic resin material. A torsion spring 49 is attached to the hinge 46. The torsion spring 49 acts to press the first and second holding members against each other. Then, using this pressing force, the positive electrode plate, the negative electrode plate, and the separator are aligned and held to form a test lithium ion battery.

第1及び第2の保持部材47及び48の互いに対向する面に第1及び第2の電極プレート50及び51をそれぞれ設ける。これら電極プレートは、図7の右側に示す形状を有し、電極板50a(51a)と引き出し部50b(51b)とを有する。電極板50a及び51aは保持部材47及び48の表面にそれぞれ固定し、引き出し部50b及び51bは保持部材の内部(貫通穴)を経て反対側の表面に位置する第1及び第2の中間接続端子52及び53にそれぞれスポット溶接する。従って、リチウムイオン電池が保持工具の電極プレート間に保持された状態において、リチウムイオン電池の正極板の集電箔及び負極板の集電箔は、保持工具の電極プレート49及び50を介して中間接続端子51及び52にそれぞれ電気的に接続される。中間接続端子は、図6(B)に示すように、第1及び第2の接続端子34a及び34bにそれぞれ接続する。従って、試験用のリチウムイオン電池の正極及び負極の集電箔は、それぞれ電極プレート及び中間接続端子を介して充放電コントローラに接続される。   First and second electrode plates 50 and 51 are provided on the mutually opposing surfaces of the first and second holding members 47 and 48, respectively. These electrode plates have the shape shown on the right side of FIG. 7, and have electrode plates 50a (51a) and lead portions 50b (51b). The electrode plates 50a and 51a are fixed to the surfaces of the holding members 47 and 48, respectively, and the lead portions 50b and 51b are first and second intermediate connection terminals located on the opposite surface through the inside (through hole) of the holding member. Spot welded to 52 and 53, respectively. Therefore, in a state where the lithium ion battery is held between the electrode plates of the holding tool, the current collector foil of the positive electrode plate and the current collector foil of the negative electrode plate of the lithium ion battery are intermediated via the electrode plates 49 and 50 of the holding tool. They are electrically connected to the connection terminals 51 and 52, respectively. As shown in FIG. 6B, the intermediate connection terminal is connected to the first and second connection terminals 34a and 34b, respectively. Accordingly, the positive and negative current collector foils of the test lithium ion battery are connected to the charge / discharge controller via the electrode plate and the intermediate connection terminal, respectively.

次に、試験用のリチウムイオン電池を作成する工程について説明する。正極板、負極板及びセパレータを重ねて保持工具43の第1の保持部材47と第2の保持部材48との間に挟み込み、リチウムイオン電池構造体を形成する。図8(A)はリチウムイオン電池構造体42を挟み込んだ状態を示す。第1の保持部材47の面47aと第2の保持部材48の面48aは同一の高さレベルの面に設定し、これらの面は、リチウムイオン電池構造体の切断面を形成するための基準面とする。次に、ナイフ等の切断手段を基準面に沿って移動することにより電池構造体を切断し、正極板及び負極板と直交する切断面を形成する。続いて、切断面に粘着シートを押し当て、切断処理により発生しネットワークから外れた活物質を除去する。これにより、観察断面42aが形成される。図8(B)は切断処理後の状態を示す。   Next, a process for producing a test lithium ion battery will be described. The positive electrode plate, the negative electrode plate, and the separator are stacked and sandwiched between the first holding member 47 and the second holding member 48 of the holding tool 43 to form a lithium ion battery structure. FIG. 8A shows a state in which the lithium ion battery structure 42 is sandwiched. The surface 47a of the first holding member 47 and the surface 48a of the second holding member 48 are set at the same height level, and these surfaces serve as a reference for forming a cut surface of the lithium ion battery structure. A surface. Next, the battery structure is cut by moving a cutting means such as a knife along the reference plane to form a cut surface orthogonal to the positive electrode plate and the negative electrode plate. Subsequently, the adhesive sheet is pressed against the cut surface, and the active material generated by the cutting process and removed from the network is removed. Thereby, the observation cross section 42a is formed. FIG. 8B shows a state after the cutting process.

その後、保持工具を電解液中に浸漬し、リチウムイオン電池構造体に電解液を含浸してからセル本体内に収納する。保持工具をセル本体内に収納し、続いてフランジをセル本体に結合する。この状態を図9に示す。図6に示すように、保持工具43は、スプリング45により観察窓に近づく方向の押圧力を受けるため、ガラス板36に装着したフィルム状の変形可能な充填剤37が観察断面の凹部内に進入する。この結果、観察断面の活物質が除去された凹状空間に透明充填剤37が充填される。これにより、層電解液溜まりが形成される不具合が解消される。尚、本例では、変形可能な透明充填剤のフィルムをガラス板36に装着したが、活物質を除去した後に観察断面の凹状空間に比較的粘度の高い液状の充填剤を塗布し、その後フランジを結合してもよい。   Thereafter, the holding tool is immersed in the electrolytic solution, the lithium ion battery structure is impregnated with the electrolytic solution, and then stored in the cell body. The holding tool is stored in the cell body, and then the flange is coupled to the cell body. This state is shown in FIG. As shown in FIG. 6, since the holding tool 43 receives a pressing force in a direction approaching the observation window by the spring 45, the film-like deformable filler 37 attached to the glass plate 36 enters the recess in the observation cross section. To do. As a result, the transparent filler 37 is filled into the concave space from which the active material in the observation cross section is removed. Thereby, the malfunction that a layer electrolyte pool is formed is eliminated. In this example, a film of a transparent filler that can be deformed is mounted on the glass plate 36, but after removing the active material, a liquid filler having a relatively high viscosity is applied to the concave space of the observation cross section, and then the flange is applied. May be combined.

1 リチウムイオン電池構造体
2 正極板
3 負極板
4 セパレータ
5a,5b 端子
6 絶縁フィルム
10 固定治具
11,12 締結部材
14 基準面
15 ガラス板
20 観察断面
21 電解液溜まり
22 透明充填剤
30 セル本体
31 フランジ
32 観察窓
33 対物レンズ
34a,34b 接続端子
35 充放電コントローラ
36 ガラス板
37 透明充填剤


DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lithium ion battery structure 2 Positive electrode plate 3 Negative electrode plate 4 Separator 5a, 5b Terminal
6 Insulation film
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fixing jigs 11 and 12 Fastening member 14 Reference | standard surface 15 Glass plate 20 Observation cross section 21 Electrolyte reservoir 22 Transparent filler 30 Cell main body 31 Flange 32 Observation window 33 Objective lens 34a, 34b Connection terminal 35 Charge / discharge controller 36 Glass plate 37 Transparent filler


本発明によるリチウムイオン電池の観察方法は、正極板、負極板、及びセパレータを有する試験用のリチウムイオン電池の正極板及び負極板と直交する観察断面を顕微鏡観察するリチウムイオン電池の観察方法であって、
試験用リチウムイオン電池を保持する保持工具を収納するセル本体と、透明板を含む観察窓が形成され、前記セル本体と密封係合するフランジとを有する観察用セルを用意する工程と、
試験用のリチウムイオン電池を保持工具に設けた基準面にそって切断し、正極板及び負極板と直交する観察断面を形成する観察断面形成工程と、
前記切断処理により電池のネットワークから外れた活物質を除去する工程と、
前記試験用のリチウムイオン電池に電解液を含浸させ、その観察断面が前記透明板と対向するようにセル本体内に収納する工程と、
前記観察断面と透明板との間に光学的に透明で変形可能な熱可塑性樹脂の充填剤を介在させる工程と、
予熱処理により前記充填剤を軟化させ、前記観察断面の活物質が除去された凹状空間を軟化した充填剤により充填する工程と、
前記リチウムイオン電池構造体の観察断面に向けて、観察窓を構成する透明板及び充填剤を介して照明光を投射し、リチウムイオン電池構造体の観察断面の画像を撮像する工程とを含み、
前記充填剤の観察断面と対向する表面は、観察断面の活物質層の端面形状にそって変形し、前記観察断面に余分な電解液が存在しないことを特徴とする。
The observation method of a lithium ion battery according to the present invention is an observation method of a lithium ion battery in which an observation cross section orthogonal to the positive electrode plate and the negative electrode plate of a test lithium ion battery having a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator is observed with a microscope. And
A step of preparing an observation cell having a cell main body for storing a holding tool for holding a test lithium ion battery, an observation window including a transparent plate, and a flange for sealing engagement with the cell main body;
An observation cross-section forming step of cutting a test lithium ion battery along a reference plane provided on the holding tool and forming an observation cross-section orthogonal to the positive electrode plate and the negative electrode plate;
Removing the active material removed from the battery network by the cutting process;
Impregnating the test lithium ion battery with an electrolytic solution , and storing the cell in the cell body such that the observation cross section faces the transparent plate;
Interposing an optically transparent and deformable thermoplastic resin filler between the observation cross section and the transparent plate;
Softening the filler by pre-heat treatment, and filling the concave space from which the active material of the observation cross section has been removed with the softened filler;
Projecting illumination light through the transparent plate and the filler constituting the observation window toward the observation cross section of the lithium ion battery structure, and capturing an image of the observation cross section of the lithium ion battery structure,
The surface of the filler facing the observation cross section is deformed along the end face shape of the active material layer in the observation cross section, and no excess electrolyte exists in the observation cross section .

本発明による試験用リチウムイオン電池の製造方法は、性能試験に用いられる試験用リチウムイオン電池の製造方法であって、
正極活物質層が形成されている正極板と、負極活物質層が形成されている負極板と、正極板と負極板との間に配置されたセパレータと、前記正極板及び負極板にそれぞれ接続された接続端子とを有するリチウムイオン電池構造体を用意する工程と、
前記リチウムイオン電池構造体の周囲を絶縁フィルムにより包囲し、固定治具を用いてリチウムイオン電池構造体と絶縁フィルムとを固定する工程と、
前記固定治具の基準面を利用してリチウムイオン電池構造体を切断し、顕微鏡観察用の観察断面を形成する観察断面形成工程と、
前記切断処理により電池のネットワークから外れた活物質を除去する工程と、
前記固定治具の基準面に、観察窓を構成する透明板を結合する観察窓形成工程と、
前記絶縁フィルムの内部空間に電解液を封入し、充放電可能な密封された状態のリチウムイオン電池を形成する電池形成工程とを含み、
前記観察窓形成工程、前記透明板とリチウムイオン電池構造体の観察断面との間に光学的に透明な熱可塑性の樹脂の充填剤を介在させ、予熱処理により充填剤を軟化させる工程を含み、
前記観察断面の活物質が除去された凹状空間は、軟化した充填剤により充填されることを特徴とする。
The method for producing a test lithium ion battery according to the present invention is a method for producing a test lithium ion battery used for a performance test,
A positive electrode plate on which a positive electrode active material layer is formed, a negative electrode plate on which a negative electrode active material layer is formed, a separator disposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate, and each connected to the positive electrode plate and the negative electrode plate Preparing a lithium ion battery structure having a connected terminal;
Surrounding the periphery of the lithium ion battery structure with an insulating film, and fixing the lithium ion battery structure and the insulating film using a fixing jig;
An observation cross section forming step of cutting the lithium ion battery structure using the reference surface of the fixing jig to form an observation cross section for microscopic observation,
Removing the active material removed from the battery network by the cutting process ;
An observation window forming step of coupling a transparent plate constituting the observation window to the reference surface of the fixing jig;
A battery forming step of encapsulating an electrolytic solution in the internal space of the insulating film to form a sealed lithium ion battery that can be charged and discharged;
The observation window forming step includes a step of interposing an optically transparent thermoplastic resin filler between the transparent plate and the observation cross section of the lithium ion battery structure , and softening the filler by preheat treatment. ,
The concave space from which the active material in the observation cross section is removed is filled with a softened filler .

Claims (12)

正極板、負極板、及びセパレータを有する試験用のリチウムイオン電池の正極板及び負極板と直交する観察断面を顕微鏡観察するリチウムイオン電池の観察方法であって、
試験用リチウムイオン電池を保持する保持工具を収納するセル本体と、透明板を含む観察窓が形成され、前記セル本体と密封係合するフランジとを有する観察用セルを用意する工程と、
試験用のリチウムイオン電池を保持工具に設けた基準面にそって切断し、正極板及び負極板と直交する観察断面を形成する観察断面形成工程と、
前記切断処理により電池のネットワークから外れた活物質を除去する工程と、
前記試験用のリチウムイオン電池を、その観察断面が前記透明板と対向するようにセル本体内に収納する工程と、
前記観察断面と透明板との間に光学的に透明で変形可能な充填剤を充填する工程と、
前記リチウムイオン電池構造体の観察断面に向けて、観察窓を構成する透明板及び充填剤を介して照明光を投射し、リチウムイオン電池構造体の観察断面の画像を撮像する工程とを含むことを特徴とするリチウムイオン電池の観察方法。
A method for observing a lithium ion battery by microscopically observing a cross section perpendicular to a positive electrode plate and a negative electrode plate of a test lithium ion battery having a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator,
A step of preparing an observation cell having a cell main body for storing a holding tool for holding a test lithium ion battery, an observation window including a transparent plate, and a flange for sealing engagement with the cell main body;
An observation cross-section forming step of cutting a test lithium ion battery along a reference plane provided on the holding tool and forming an observation cross-section orthogonal to the positive electrode plate and the negative electrode plate;
Removing the active material removed from the battery network by the cutting process;
Storing the test lithium ion battery in the cell body such that the observation cross section faces the transparent plate;
Filling an optically transparent and deformable filler between the observation cross section and the transparent plate;
Projecting illumination light through the transparent plate and the filler constituting the observation window toward the observation cross section of the lithium ion battery structure, and capturing an image of the observation cross section of the lithium ion battery structure. A method for observing a lithium ion battery characterized by the above.
請求項1に記載のリチウムイオン電池の観察方法において、前記試験用のリチウムイオン電池の正極板及び負極板は充放電コントローラに接続され、充放電中の観察断面の画像が撮像されることを特徴とするリチウムイオン電池の観察方法。   2. The observation method for a lithium ion battery according to claim 1, wherein the positive electrode plate and the negative electrode plate of the test lithium ion battery are connected to a charge / discharge controller, and an image of an observation cross section during charge / discharge is taken. A method for observing a lithium ion battery. 請求項1又は2に記載のリチウムイオン電池の観察方法において、前記充填剤は光学的に透明な熱可塑性樹脂により構成され、
さらに、前記透明板と観察断面との間に介在する充填剤を予熱する工程を含み、
予熱処理により充填剤が変形し、前記観察断面の活物質が除去された凹状空間が充填剤により充填されることを特徴とするリチウムイオン電池の観察方法。
The observation method of a lithium ion battery according to claim 1 or 2, wherein the filler is composed of an optically transparent thermoplastic resin,
Furthermore, the method includes a step of preheating a filler interposed between the transparent plate and the observation cross section,
A method for observing a lithium ion battery, wherein the filler is deformed by pre-heat treatment, and the concave space from which the active material in the observation cross section is removed is filled with the filler.
請求項3に記載のリチウムイオン電池の観察方法において、前記セル本体内には、前記保持工具をフランジに設けた観察窓に近づくように押圧するバネが配置され、バネの押圧力により前記予熱された充填剤が活物質の除去された空間内に充填されることを特徴とするリチウムイオン電池の観察方法。   4. The observation method for a lithium ion battery according to claim 3, wherein a spring that presses the holding tool so as to approach an observation window provided on a flange is disposed in the cell body, and the preheating is performed by a pressing force of the spring. A method for observing a lithium ion battery, wherein the filler is filled in the space from which the active material has been removed. 請求項4に記載のリチウムイオン電池の観察方法において、前記予熱された充填剤の観察断面と対向する表面は、観察断面の活物質層の端面形状にそって変形し、観察断面に余分な電解液が存在しないことを特徴とするリチウムイオン電池の観察方法。   5. The observation method for a lithium ion battery according to claim 4, wherein a surface of the preheated filler facing the observation cross section is deformed along an end face shape of the active material layer of the observation cross section, and excess electrolysis is observed in the observation cross section. A method for observing a lithium ion battery, characterized in that no liquid is present. 請求項1ないし5に記載のリチウムイオン電池の観察方法の実施に用いられる顕微鏡。   A microscope used for carrying out the method for observing a lithium ion battery according to claim 1. 性能試験に用いられる試験用のリチウムイオン電池であって、
正極活物質層が形成されている正極板、負極活物質層が形成されている負極板、及び正極板と負極板との間に位置するセパレータを含むリチウムイオン電池構造体と、
リチウムイオン電池構造体を収納する絶縁ケースと、
前記正極板及び負極板にそれぞれ電気的に接続され、絶縁ケースの外部に位置する端子と、
前記絶縁ケース及び絶縁ケース内に収納されたリチウムイオン電池構造体を固定する固定治具と、
前記固定治具の基準面に結合され、観察窓を構成する透明板とを有し、
前記リチウムイオン電池構造体は、前記透明板に対して対向するように位置決めされると共に顕微鏡観察用の照明光が入射する観察断面を有し、
前記透明板とリチウムイオン電池構造体の観察断面との間に、光学的に透明で変形可能な充填剤が充填されていることを特徴とする試験用のリチウムイオン電池。
A lithium ion battery for testing used for performance testing,
A lithium ion battery structure including a positive electrode plate on which a positive electrode active material layer is formed, a negative electrode plate on which a negative electrode active material layer is formed, and a separator positioned between the positive electrode plate and the negative electrode plate;
An insulating case for storing the lithium ion battery structure;
A terminal electrically connected to each of the positive electrode plate and the negative electrode plate and located outside the insulating case;
A fixing jig for fixing the insulating case and the lithium ion battery structure housed in the insulating case;
A transparent plate coupled to a reference plane of the fixture and constituting an observation window;
The lithium ion battery structure is positioned so as to face the transparent plate and has an observation cross section on which illumination light for microscope observation is incident,
An optically transparent and deformable filler is filled between the transparent plate and the observation cross section of the lithium ion battery structure.
請求項7に記載の試験用のリチウムイオン電池において、前記充填剤として、光学的に透明であって、予熱処理により変形可能な熱可塑性樹脂が用いられることを特徴とする試験用のリチウムイオン電池。   8. The test lithium ion battery according to claim 7, wherein a thermoplastic resin that is optically transparent and can be deformed by a preheat treatment is used as the filler. . 請求項8に記載の試験用のリチウムイオン電池において、前記充填剤として、ポリオレフィン系の熱可塑性樹脂が用いられることを特徴とする試験用のリチウムイオン電池。   9. The test lithium ion battery according to claim 8, wherein a polyolefin-based thermoplastic resin is used as the filler. 請求項9に記載のリチウムイオン電池において、前記充填剤は、エチレンエチルアクリレート共重合体、エチレン酢酸ビニル共重合体、又は超低密度ポリエチレンから選択したことを特徴とする試験用のリチウムイオン電池。   The lithium ion battery according to claim 9, wherein the filler is selected from an ethylene ethyl acrylate copolymer, an ethylene vinyl acetate copolymer, or an ultra-low density polyethylene. 性能試験に用いられる試験用リチウムイオン電池の製造方法であって、
正極活物質層が形成されている正極板と、負極活物質層が形成されている負極板と、正極板と負極板との間に配置されたセパレータと、前記正極板及び負極板にそれぞれ接続された接続端子とを有するリチウムイオン電池構造体を用意する工程と、
前記リチウムイオン電池構造体の周囲を絶縁フィルムにより包囲し、固定治具を用いてリチウムイオン電池構造体と絶縁フィルムとを固定する工程と、
前記固定治具の基準面を利用してリチウムイオン電池構造体を切断し、顕微鏡観察用の観察断面を形成する観察断面形成工程と、
前記観察断面形成処理により電池のネットワークから外れた活物質を除去する工程と、
前記固定治具の基準面に、観察窓を構成する透明板を結合する観察窓形成工程と、
前記絶縁フィルムの内部空間に電解液を封入し、観察窓が形成されると共に充放電可能な密封された状態のリチウムイオン電池を形成する電池形成工程とを含み、
前記観察窓形成工程において、前記透明板とリチウムイオン電池構造体の観察断面との間に光学的に透明な充填剤を介在させることを特徴とする試験用リチウムイオン電池の製造方法。
A method for producing a test lithium ion battery used in a performance test,
A positive electrode plate on which a positive electrode active material layer is formed, a negative electrode plate on which a negative electrode active material layer is formed, a separator disposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate, and each connected to the positive electrode plate and the negative electrode plate Preparing a lithium ion battery structure having a connected terminal;
Surrounding the periphery of the lithium ion battery structure with an insulating film, and fixing the lithium ion battery structure and the insulating film using a fixing jig;
An observation cross section forming step of cutting the lithium ion battery structure using the reference surface of the fixing jig to form an observation cross section for microscopic observation,
Removing the active material removed from the battery network by the observation cross-section forming process;
An observation window forming step of coupling a transparent plate constituting the observation window to the reference surface of the fixing jig;
A battery forming step of encapsulating an electrolytic solution in the internal space of the insulating film, forming an observation window and forming a sealed lithium ion battery that can be charged and discharged;
In the observation window forming step, an optically transparent filler is interposed between the transparent plate and the observation cross section of the lithium ion battery structure.
請求項11に記載の試験用のリチウムイオン電池の製造方法において、前記充填剤として、熱可塑性樹脂が用いられ、前記観察窓形成工程において前記充填剤を余熱する工程を含み、余熱処理により前記充填剤が軟化し、前記観察断面の活物質が除去された凹状空間が充填剤により充填されることを特徴とする試験用リチウムイオン電池の製造方法。

12. The method for producing a test lithium ion battery according to claim 11, wherein a thermoplastic resin is used as the filler, and includes a step of preheating the filler in the observation window forming step, and the filling by preheat treatment. A method for producing a test lithium ion battery, wherein the agent is softened and the concave space from which the active material in the observation cross section is removed is filled with the filler.

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