JP5388078B1 - 解析装置及び解析方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】解析装置は、画像解析されるべき二次電池1を収納する観察用セル10と、二次電池1の充放電を制御する充放電コントローラ11と、二次電池1のカラー画像を所定の時間間隔で撮像する撮像装置20と、充放電中の二次電池の充放電データを取得する充放電データ検出手段とを具える。撮像装置20から出力されるカラー画像信号及び充放電データ検出手段から出力される充放電データ信号は、信号処理装置12に供給される。信号処理装置は時系列のカラー画像信号と時系列の充放電データ信号とを時間的にリンクさせる手段、及び、指定された解析データを出力する出力手段を有する。本発明によれば、正極及び負極活物質の状態変化と充電状態とをリンクしてモニタ上に表示することができる。
【選択図】図2
Description
さらに、本発明の別の目的は、二次電池の内部構造の時間変化と電池全体としての電気的特性の時間変化とがリンクした解析装置を実現することにある。
透明窓を有し、解析されるべき二次電池を収納する観察用セルと、
前記二次電池の充放電を制御する充放電コントローラと、
前記観察用セル内に配置された二次電池に向けて前記透明窓を介して照明光を投射し、二次電池の活物質層のカラー画像を撮像し、時系列のカラー画像データを出力するカラー撮像装置と、
動画像形式のカラー画像データ又は充放電の経過時間と関連する2次元カラー画像データを解析データとして出力する出力手段を有する信号処理装置とを具えることを特徴とする。
tanH={√3(G−B)/(2R−G−B)}×(180/π)
尚、充電開始直後の色彩である緑青はマンセルの色相スケールの120°に対応するので、本例では、マンセルの色相スケールHから−120°オフセットさせた色相スケールH’を用いる。尚、色相スケール値は解析されるべき試料に応じて設定することができる。得られた色相スケール値は充電レベル変換手段39に供給する。充電レベル変換手段39には、カラー画像の撮像と並行して測定された充放電データから作成した時系列の充電状態も入力する。充電レベル変換手段39は、時間軸を基準にして、入力した色相値(角度値)と対応する充電状態とを関係付け第5のメモリ40に記憶する。すなわち、第5のメモリには、解析されるべきリチウムイオン電池について基準となる色相のスケール値と充電状態との関係が記憶される。
入力装置21を介して充放電中のカラー画像の動画像が指定された場合、出力手段42は、第1のメモリ32にアクセスして時系列のカラー画像を取り出すと共に第4のメモリ37にアクセスして充電状態のデータを取り出す。そして、取り出された2つのデータについて時間的にリンクさせ、動画像のカラー画像データと充電状態の時系列データとを並列表示する。例えば、モニタ上の上側半分にカラー画像の動画像を表示し、下側半分に充電状態の時系列データを表示することができる。カラー画像の動画像を表示中に、デンドライトが発生した場合、デンドライトの発生と発生時刻及び充電状態との関連性を把握することができる。また、カラー画像の動画像を出力することにより、局所的な過充電(充電集中)の発生と電気的特性との関係も並列表示することが可能である。すなわち、局所的に充電集中が発生して過充電が生じた場合、カラー画像中に強く輝くような金色の部位が発生する。よって、動画像を出力することにより、過充電と電気的特性との関係を把握することが可能になる。尚、カラー画像と充電状態だけでなく、カラー画像の動画像と充電状態及び充放電電圧を含む電気的特性の時系列データを並列表示することも可能である。
入力装置21を介して充放電中の3次元画像の動画像が指定された場合、出力手段42は、第2のメモリ34にアクセスして時系列の3次元画像を取り出すと共に第4のメモリ37にアクセスして充電状態のデータを取り出す。そして、取り出された2つのデータについて時間的にリンクさせ、動画像の3次元画像データと充電状態のデータとを並列表示する。例えば、モニタ画面の上側に動画像を表示し、下側に充電状態の時系列変化を表示することができる。3次元画像は、デンドライトが発生した場合に有益であり、3次元画像の動画像を出力することにより、発生したデンドライトの3次元方向の変化を電気的特性データと共に並列表示することができる。さらに、3次元画像の動画像を表示中に、表面高さの局所的な変化も検出することができる。この場合、局所的な変化が発生した時点における断面画像を表示することにより、局所的な高さ変化を計測することが可能である。さらに、3次元画像を立体表示(鳥瞰図)して動画表示することも可能である。
本発明では、カラー画像及び3次元画像の動画像と電気的特性の変化とを並列して出力することができる。すなわち、入力装置21を介して充放電中のカラー画像及び3次元画像の動画像が指定された場合、出力手段42は、第1のメモリ32にアクセスして時系列のカラー画像を取り出すと共に第2のメモリ34にアクセスして3次元画像の時系列データを取り出す。また、第3のメモリ35及び第4のメモリ37にアクセスして、充放電電圧の時系列データ及び充電状態の時系列データを取り出る。そして、取り出された4つのデータを時間的にリンクさせ、2つの画像データと2つの電気的データを出力する。この場合、例えばモニタの画面を上下に3分割し、カラー画像及び3次元画像の動画像を並列表示すると共に充電状態及び充放電電圧の時間変化を表示することができる。この場合、デンドライトの発生及び過充電の発生をカラー画像及び3次元画像により把握することができると共に対応する電気的特性も同時に把握することが可能になる。
解析データとして特定のエリアの色彩変化が指定された場合、出力手段は第1のメモリにアクセスし、時系列のカラー画像から画像中の指定されたエリアのカラー情報を取り出し、時間軸上に配列する。同時に、第4のメモリにアクセスし、時系列の充電状態を出力する。そして、取り出されたカラー情報と充電状態とを同一の時間軸上にリンクさせて出力する。この場合、時間軸にそって充電状態の変化に対応した色彩変化が表示される。この色彩変化は、充放電中における1個の活物質の色彩変化を知りたい場合に有益である。
指定情報として充電レベル分布の出力が入力された場合、出力手段は、第6のメモリ41にアクセスし、指定された時間又は充電状態におけるグレイスケールに変換された充電レベル分布の2次元画像を出力することができる。この充電レベル分布を出力することにより、種々の充電状態における局所的な反応速度分布を知ることができる。
1ライン解析画像の出力が指定された場合、出力手段は第1のメモリ32にアクセスし、時系列のカラー画像から指定された1ライン分のカラー画像を取り出し、時間軸上に配列し、1ライン解析画像を形成する。同時に、第4のメモリ37にアクセスし、時系列の充電状態のデータを同一の時間軸上に表示する。そして、1ライン解析画像と充電状態とを同一の時間軸上に表示した解析データを出力する。1ライン解析画像をモニタ上に表示すれば、1本のライン上における局所的な色彩変化を充電状態と対応して知ることができる。尚、1ライン解析画像だけを出力することも可能である。
本発明では、充電状態とカラー画像とが時間的にリンクしているので、充電状態の値に対応するカラー画像を出力することも可能である。この場合、出力手段は、第4のメモリにアクセスして指定された値の充電状態に到達した時間を取り出す。続いて第1のメモリにアクセスし、取り出された時間のカラー画像を出力する。この結果、充電状態に対応したカラー画像をモニタ上に表示することができる。
本発明では、充放電電圧とカラー画像とが時間的にリンクしているので、指定された充放電電圧の値に対応するカラー画像を出力することも可能である。この場合、出力手段は、第3のメモリにアクセスし、指定された充放電電圧に到達した時間情報を求める。続いて、第1のメモリにアクセスし、得られた時間におけるカラー画像を出力する。指定された充放電電圧のカラー画像を出力できるので、充放電電圧がステップ状に変化する時点におけるカラー画像を表示することができる。この場合も、2つの充放電電圧値が指定された場合、その間のカラー画像を動画像として出力することも可能である。
充電開始後の経過時間を指定することにより、当該時刻におけるとカラー画像を出力することができる。この場合、出力手段は、第1のメモリにアクセスし、指定された時間におけるカラー画像を出力する。尚、充電開始後の経過時間と充電レベルも同様についても同様に、指定された時間における充電レベルを出力することができる。この場合、出力手段は、第5のメモリにアクセスし、指定された時間における充電レベル画像を出力する。また、2つの時刻を指定し、当該時間期間中の充電レベル画像を動画像として出力することも可能である。
2 正極集電板
3 正極活物質層
4 負極集電板
5 負極活物質層
6 セパレータ
7 金属リチウム箔
10 観察用セル
10a,10b 接続端子
11 充放電コントローラ
12 信号処理装置
13 照明光源
14 ビームスプリッタ
15 2次元スキャナ
16 対物レンズ
17 モータ
18 距離センサ
19 透明窓
20 カラー撮像装置
21 入力装置
22 モニタ
Claims (24)
- 二次電池の充放電中の状態変化をカラー画像を用いて解析する解析装置であって、
透明窓を有し、解析されるべき二次電池を収納する観察用セルと、
前記二次電池の充放電を制御する充放電コントローラと、
前記観察用セル内に配置された二次電池に向けて前記透明窓を介して照明光を投射し、二次電池の活物質層のカラー画像を撮像し、時系列のカラー画像データを出力するカラー撮像装置と、
動画像形式のカラー画像データ又は充放電の経過時間と関連する2次元カラー画像データを解析データとして出力する出力手段を有する信号処理装置とを具えることを特徴とする解析装置。 - 請求項1に記載の解析装置において、前記カラー撮像装置として、対物レンズと撮像される二次電池との間の相対距離を変化させながら二次電池のカラー共焦点画像を撮像するカラー共焦点撮像装置が用いられ、
前記信号処理装置は、入力したカラー共焦点画像信号から撮像エリアのほぼ全体にわたって焦点が合ったカラー全焦点画像を形成する手段を有し、
前記出力手段は、前記カラー画像データとしてカラー全焦点画像を出力することを特徴とする解析装置。 - 請求項1に記載の解析装置において、前記カラー撮像装置は、対物レンズと撮像される二次電池との間の相対距離を変化させながら二次電池のカラー共焦点画像を撮像するカラー共焦点撮像装置と、対物レンズと二次電池との間の光軸方向の相対的な距離を検出する距離センサとを含み、
前記信号処理装置は、さらに、入力した距離情報とカラー共焦点画像信号とを用いて活物質層の3次元カラー画像を順次形成する3次元画像形成手段を有し、
前記出力手段は、前記カラー画像データとして3次元カラー画像を出力することを特徴とする解析装置。 - 請求項1から3までのいずれか1項に記載の解析装置において、充放電中に活物質層にデンドライトが析出した場合、デンドライトが視認されるカラー画像データが出力されることを特徴とする解析装置。
- 二次電池の充放電中の状態変化をカラー画像を用いて解析する解析方法であって、
充放電コントローラを用いて、解析されるべき二次電池を所定の条件のもとで充放電させる工程と、
カラー撮像装置を用いて、充放電中の二次電池の活物質層のカラー画像を撮像し、時系列のカラー画像データを形成する工程と、
動画像形式のカラー画像データ又は充放電の経過時間と関連する2次元カラー画像データを解析データとして出力する工程とを含むことを特徴とする解析方法。 - 二次電池の充放電中の状態変化をカラー画像を用いて解析する解析装置であって、
透明窓を有し、解析されるべき二次電池を収納する観察用セルと、
前記二次電池の充放電を制御する充放電コントローラと、
前記観察用セル内に配置された二次電池に向けて前記透明窓を介して照明光を投射し、二次電池の活物質層のカラー画像を撮像し、時系列のカラー画像データを出力するカラー撮像装置と、
充放電中の二次電池の充放電データを取得し、時系列の充放電データを出力する充放電データ検出手段と、
前記カラー撮像装置から出力されるカラー画像データ及び充放電データ検出手段から出力される充放電データを受け取り、時系列のカラー画像データと時系列の充放電データとを時間的にリンクさせる手段、及び、前記カラー画像データと二次電池の電気的特性とが互いにリンクした解析データを出力する出力手段とを有する信号処理装置とを具えることを特徴とする解析装置。 - 請求項6に記載の解析装置において、前記信号処理装置は、クロック装置並びに第1及び第2のメモリを有し、前記時系列のカラー画像データと前記クロック装置から出力される時間情報とが対として第1のメモリに記憶され、前記時系列の充放電データと前記クロック装置から出力される時間情報とが対として第2のメモリに記憶されることを特徴とする解析装置。
- 請求項7に記載の解析装置において、前記充放電データ検出手段は、充放電により二次電池に生じる充放電電圧を検出する手段と、二次電池を流れる充放電電流を検出する手段とを含み、
前記信号処理装置は、入力した充放電電流に基づいて時系列の充電状態(S.O.C.)を算出する手段を有し、算出された充電状態を第3のメモリに前記時間情報と共に対として記憶し、前記カラー画像データと時間的にリンクした充電状態が形成されることを特徴とする解析装置。 - 請求項8に記載の解析装置において、前記信号処理装置は、生成されたカラー画像データを、二次電池の活物質にインターカレートされた電気量を指標する充電レベルに変換する充電レベル変換手段を有し、得られた充電レベルを時間情報と共に第4のメモリに記憶することを特徴とする解析装置。
- 請求項6から9までのいずれか1項に記載の解析装置において、充放電中に活物質層にデンドライトが析出した場合、デンドライトが視認されるカラー画像データが出力されることを特徴とする解析装置。
- 請求項6から10までのいずれか1項に記載の解析装置において、前記出力手段には、出力すべき解析データを指定する指定情報を入力するための入力装置が接続され、前記出力手段は指定された解析データを出力することを特徴とする解析装置。
- 請求項11に記載の解析装置において、前記指定情報として動画像形式のカラー画像が指定された場合、前記出力手段は、動画像形式のカラー画像と時系列の充電状態又は充放電電圧とが並列表示される解析データを出力することを特徴とする解析装置。
- 請求項11に記載の解析装置において、前記指定情報として動画像形式の3次元画像が指定された場合、前記出力手段は、動画形式の3次元画像と充電状態又は充放電電圧とが並列表示される解析データを出力することを特徴とする解析装置。
- 請求項11に記載の解析装置において、前記指定情報として活物質層の一部のエリアのカラー画像が指定された場合、前記出力手段は、指定されたエリアのカラー画像と充電状態又は充放電電圧とを並列表示する解析データを出力することを特徴とする解析装置。
- 請求項11に記載の解析装置において、前記指定情報としてライン状のエリアのカラー画像が指定された場合、指定されたライン状のエリアのカラー画像と充電状態又は充放電電圧とを同一時間軸上に時系列で並列表示する解析データを出力することを特徴とする解析装置。
- 請求項11に記載の解析装置において、前記指定情報として指定された充放電電圧又は充電状態に対応するカラー画像が指定された場合、前記出力手段は、指定された充放電電圧又は充電状態に対応する2次元カラー画像を出力することを特徴とする解析装置。
- 請求項11に記載の解析装置において、前記指定情報として、2つの充電状態又は2つの充放電電圧間の動画像又は指定された時間期間の動画像が指定された場合、指定された充電状態又は充放電電圧に対応するカラー画像の動画像又は指定された時間期間のカラー画像の動画像を出力することを特徴とする解析装置。
- 二次電池の充放電中の状態変化をカラー画像を用いて解析する解析方法であって、
充放電コントローラを用いて、解析されるべき二次電池を所定の条件のもとで充放電させる工程と、
カラー撮像装置を用いて、充放電中の二次電池の活物質層のカラー画像を撮像し、時系列のカラー画像データを形成する工程と、
充放電データ検出手段を用い、充放電中の二次電池の充放電データを検出し、時系列の充放電データを形成する工程と、
前記カラー撮像装置から出力される時系列のカラー画像データと、前記充放電データ検出手段から出力される時系列の充放電データとを時間的にリンクさせ、互いに時間的にリンクしたカラー画像データ及び充放電データをそれぞれ形成する工程と、
前記カラー画像データと二次電池の電気的特性とが互いにリンクした解析データを出力する工程とを含むことを特徴とする解析方法。 - 請求項18に記載の解析方法において、前記解析データは、動画像形式のカラー画像と時系列の充放電電圧とが並列表示される画像データとし、動画像形式のカラー画像と時系列の充放電電圧とを並列表示することを特徴とする解析方法。
- 請求項18に記載の解析方法において、さらに、前記充放電データから二次電池の充電状態を算出し、算出された時系列の充電状態と前記時系列のカラー画像データとを時間的にリンクさせ、カラー画像データと時間的にリンクした充電状態を形成する工程とを含み、
前記解析データは、動画形式のカラー画像データと時系列の充電状態とが並列表示されるカラー画像データとし、動画像形式のカラー画像と時系列の充電状態とを並列表示することを特徴とする解析方法。 - 二次電池の充放電中の状態変化をカラー画像を用いて解析する解析装置であって、
透明窓を有し、解析されるべき二次電池を収納する観察用セルと、
前記二次電池の充放電を制御する充放電コントローラと、
前記観察用セル内に配置された二次電池に向けて前記透明窓を介して照明光を投射し、二次電池の活物質層のカラー画像を撮像し、時系列のカラー画像データを出力するカラー撮像装置と、
充放電中の二次電池の充放電データを取得し、時系列の充放電データを出力する充放電データ検出手段と、
前記カラー撮像装置から出力されるカラー画像データ及び充放電データ検出手段から出力される充放電データを受け取り、時系列のカラー画像データと時系列の充放電データとを時間的にリンクさせる手段、活物質の色彩と充電状態との対応関係を示す基準データを用いて、前記カラー画像を二次電池の活物質にインターカレートされた電気量を指標する充電状態分布又は充電レベル分布に変換する変換手段、及び、変換された充電状態分布又は充電レベル分布を解析データとして出力する出力手段を有する信号処理装置とを具えることを特徴とする解析装置。 - 請求項21に記載の解析装置において、前記出力手段には、出力すべきカラー画像データを指定する指定情報を入力するための入力装置が接続され、前記指定情報として充電開始後の経過時間と充電状態又は充電レベルとの関係が指定された場合、前記出力手段は、指定された経過時間に対応する充電状態分布又は充電レベル分布を2次元画像情報として出力することを特徴とする解析装置。
- 請求項22に記載の解析装置において、前記充電レベルは複数のステージに区分され、各ステージはビットレベルのスケール値により表示され、
前記活物質層のカラー画像は、ビットレベルのスケール値により示される2次元画像に変換されることを特徴とする解析装置。 - 二次電池の充放電中の状態変化をカラー画像を用いて解析する解析方法であって、
充放電コントローラを用いて、解析されるべき二次電池を所定の条件のもとで充放電させる工程と、
カラー撮像装置を用いて、充放電中の二次電池の活物質層のカラー画像を撮像し、時系列のカラー画像データを形成する工程と、
充放電データ検出手段を用い、充放電中の二次電池の充放電データを検出し、時系列の充放電データを形成する工程と、
前記カラー撮像装置から出力される時系列のカラー画像データと、前記充放電データ検出手段から出力される時系列の充放電データとを時間的にリンクさせる工程と、
活物質の色彩と充電状態との対応関係を示す基準データを用いて、前記カラー画像を二次電池の活物質にインターカレートされた電気量を指標する充電状態分布又は充電レベル分布に変換する工程と、
変換された充電状態分布又は充電レベル分布を解析データとして出力する工程とを含むことを特徴とする解析方法。
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