JP6237244B2 - 蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子の分散度合検査装置 - Google Patents
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Description
本発明は、蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子の分散度合を検査する装置に関するものである。
近年、ハイブリッド自動車や電気自動車等に蓄電デバイスとしてリチウムイオン二次電池が適用されている。リチウムイオン二次電池の電極は、先ず、活物質材料（蓄電材料）のスラリを得るために増粘剤の溶解液に活物質の粉末等を混練し、次に、活物質材料のスラリをアルミニウム箔等の基材に塗布して乾燥することにより製造される。リチウムイオン二次電池の電池性能は、電極における活物質材料の粒子の分散度合で大きく左右される。電池性能を正確に評価するため、粒子の分散度合を定量化することが望まれている。
例えば、特許文献１には、複数の粒子が存在する画像から各粒子の重心位置を求め、隣接する重心位置を結ぶ線分で画像を複数の領域に分割し、各領域の面積から粒子の分散度合を定量化する装置が記載されている。また、特許文献２には、複数の粒子が存在する画像から粒子間の隙間の面積または周囲長を求めて空隙分布を測定することが記載されている。また、特許文献３には、隙間の重心間距離の平均偏差を隙間の重心間距離の平均で割った値を分散度とすることが記載されている。また、特許文献４には、活物質の体積と隙間の体積との差を所定値以上とすることで電池性能を向上できることが記載されている。
特許文献１に記載の装置では、略均一の大きさの各粒子が離間していることが前提となっているため、各粒子が接触している場合や各粒子の大きさにばらつきがある場合、適用できないという問題がある。また、特許文献２〜４には、粒子の分散度合を定量化することについては具体的に記載されていない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子が接触していたり各粒子の大きさにばらつきがあっても分散度合を定量化できる分散度合検査装置を提供することを目的とする。
（請求項１）本発明に係る蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子の分散度合検査装置は、蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子が存在する部分を撮像し画像データを取得する撮像手段と、前記画像データを二値化して二値化画像データとする二値化手段と、前記二値化画像データを複数の画像領域に分割する画像分割手段と、前記複数の画像領域のそれぞれにおける前記粒子以外の隙間の割合を求める隙間割合演算手段と、前記隙間の割合に基づいて、前記隙間に関する面内均一度を求める面内均一度演算手段と、前記二値化画像データにおいて前記粒子以外のそれぞれの隙間のサイズ相当値を求める隙間サイズ相当値演算手段と、前記隙間サイズ相当値に基づいて、前記隙間に関する隙間サイズ均一度を求める隙間サイズ均一度演算手段と、前記面内均一度および前記隙間サイズ均一度に基づいて、前記粒子の分散度合を定量化する分散度合定量化手段と、を備える。
これによれば、蓄電材料の隙間の割合に基づくマクロ的な面内均一度と、蓄電材料の隙間のサイズ相当値に基づくミクロ的な隙間サイズ均一度とに着目しているので、蓄電材料の粒子が接触していたり各粒子の大きさにばらつきがあっても蓄電材料の粒子の分散度合を高精度に定量化することができる。
（請求項２）また、前記撮像手段は、所定方向に走査することにより前記画像データを取得し、前記隙間サイズ相当値演算手段は、走査毎の前記二値化画像データにおいて前記粒子以外のそれぞれの隙間の長さを前記隙間サイズ相当値として求めるようにしてもよい。
これにより、蓄電材料の粒子の分散度合の定量化を簡易に行うことができる。
これにより、蓄電材料の粒子の分散度合の定量化を簡易に行うことができる。
（請求項３）また、前記撮像手段は、一方向に走査することにより前記画像データを取得するようにしてもよい。
これにより、隙間の長さを正確に求めることができ、定量化した蓄電材料の粒子の分散度合の精度を高めることができる。
これにより、隙間の長さを正確に求めることができ、定量化した蓄電材料の粒子の分散度合の精度を高めることができる。
（請求項４）また、前記撮像手段は、一方向および当該一方向と直角な方向に走査することにより前記画像データを取得するようにしてもよい。
これにより、隙間の形状に左右されず隙間の長さ正確に求めることができ、定量化した蓄電材料の粒子の分散度合の精度をさらに高めることができる。
これにより、隙間の形状に左右されず隙間の長さ正確に求めることができ、定量化した蓄電材料の粒子の分散度合の精度をさらに高めることができる。
（請求項５）また、前記分散度合検査装置は、前記定量化した粒子の分散度合と前記蓄電デバイスの性能との相関関係を予め記憶する記憶手段と、前記相関関係に基づいて、前記分散度合定量化手段で求めた定量化した粒子の分散度合から、前記蓄電デバイスの性能を評価する性能評価手段と、を備えるようにしてもよい。
これにより、蓄電材料の粒子の分散度合を蓄電デバイスの性能評価と結び付けているので、蓄電デバイスの高性能化や高機能化の達成が容易になるとともに、蓄電デバイスの不良率を低減できる。
これにより、蓄電材料の粒子の分散度合を蓄電デバイスの性能評価と結び付けているので、蓄電デバイスの高性能化や高機能化の達成が容易になるとともに、蓄電デバイスの不良率を低減できる。
（請求項６）本発明に係る蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子の分散度合検査装置は、蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子が存在する部分を撮像し画像データを取得する撮像手段と、前記画像データを二値化して二値化画像データとする二値化手段と、前記二値化画像データを複数の画像領域に分割する画像分割手段と、前記複数の画像領域のそれぞれにおける前記粒子以外の隙間の割合を求める隙間割合演算手段と、前記隙間の割合に基づいて、前記隙間に関する面内均一度を求める面内均一度演算手段と、前記面内均一度に基づいて、前記粒子の分散度合を定量化する分散度合定量化手段と、を備える。
これにより、蓄電材料の隙間の割合に基づくマクロ的な面内均一度に着目しているので、蓄電材料の粒子が接触していたり各粒子の大きさにばらつきがあっても蓄電材料の粒子の分散度合を定量化することができる。
これにより、蓄電材料の隙間の割合に基づくマクロ的な面内均一度に着目しているので、蓄電材料の粒子が接触していたり各粒子の大きさにばらつきがあっても蓄電材料の粒子の分散度合を定量化することができる。
（請求項７）本発明に係る蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子の分散度合検査装置は、蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子が存在する部分を撮像し画像データを取得する撮像手段と、前記画像データを二値化して二値化画像データとする二値化手段と、前記二値化画像データにいて前記粒子以外のそれぞれの隙間のサイズ相当値を求める隙間サイズ相当値演算手段と、前記隙間サイズ相当値に基づいて、前記隙間に関する隙間サイズ均一度を求める隙間サイズ均一度演算手段と、前記隙間サイズ均一度に基づいて、前記粒子の分散度合を定量化する分散度合定量化手段と、を備える。
これにより、蓄電材料の隙間のサイズ相当値に基づくミクロ的な隙間サイズ均一度に着目しているので、蓄電材料の粒子が接触していたり各粒子の大きさにばらつきがあっても蓄電材料の粒子の分散度合を定量化することができる。
これにより、蓄電材料の隙間のサイズ相当値に基づくミクロ的な隙間サイズ均一度に着目しているので、蓄電材料の粒子が接触していたり各粒子の大きさにばらつきがあっても蓄電材料の粒子の分散度合を定量化することができる。
（分散度合検査装置により検査される蓄電材料）
本実施形態による分散度合検査装置は、例えば、蓄電デバイスとしてリチウムイオン二次電池の電極（正極および負極）における蓄電材料の粒子の分散度合を検査するための装置である。リチウムイオン二次電池の電極は、アルミニウム箔や銅箔等の基材に蓄電材料として活物質材料のスラリを塗布して乾燥することにより製造される。
本実施形態による分散度合検査装置は、例えば、蓄電デバイスとしてリチウムイオン二次電池の電極（正極および負極）における蓄電材料の粒子の分散度合を検査するための装置である。リチウムイオン二次電池の電極は、アルミニウム箔や銅箔等の基材に蓄電材料として活物質材料のスラリを塗布して乾燥することにより製造される。
活物質材料の具体例としては、正極の電極の場合、活物質としてリチウムニッケル酸化物等（固形分）、溶媒としてＮ−メチルピロリドン等（液体分）、導電助材としてアセチレンブラック等およびバインダとしてポリフッ化ビニリデン等がある。負極の電極の場合、活物質としてグラファイト等（固形分）、溶媒として水（液体分）、増粘材としてカルボキシメチルセルロース等およびバインダとしてＳＢＲゴムやポリアクリル酸等がある。
（分散度合検査装置の構成）
本実施形態の分散度合検査装置について、図１を参照して説明する。分散度合検査装置１は、撮像装置２（本発明の「撮像手段」に相当）と、二値化部３（本発明の「二値化手段」に相当）と、画像分割部１１（本発明の「画像分割手段」に相当）と、隙間割合演算部１２（本発明の「隙間割合演算手段」に相当）と、面内均一度演算部１３（本発明の「面内均一度演算手段」に相当）と、隙間サイズ相当値演算部１４（本発明の「隙間サイズ相当値演算手段」に相当）と、隙間サイズ均一度演算部１５（本発明の「隙間サイズ均一度演算手段」に相当）と、分散度合定量化部１６（本発明の「分散度合定量化手段」に相当）と、電池性能評価部１７（本発明の「電池性能評価手段」に相当）と、記憶部１８（本発明の「記憶手段」に相当）等とを備えて構成される。
本実施形態の分散度合検査装置について、図１を参照して説明する。分散度合検査装置１は、撮像装置２（本発明の「撮像手段」に相当）と、二値化部３（本発明の「二値化手段」に相当）と、画像分割部１１（本発明の「画像分割手段」に相当）と、隙間割合演算部１２（本発明の「隙間割合演算手段」に相当）と、面内均一度演算部１３（本発明の「面内均一度演算手段」に相当）と、隙間サイズ相当値演算部１４（本発明の「隙間サイズ相当値演算手段」に相当）と、隙間サイズ均一度演算部１５（本発明の「隙間サイズ均一度演算手段」に相当）と、分散度合定量化部１６（本発明の「分散度合定量化手段」に相当）と、電池性能評価部１７（本発明の「電池性能評価手段」に相当）と、記憶部１８（本発明の「記憶手段」に相当）等とを備えて構成される。
撮像装置２としては、例えば、活物質材料の塗膜に対し電子ビームの直線的な走査を順次ずらすことにより塗膜から放出される二次電子等を検出して塗膜を撮像し、電子ビームを当てた座標の情報から走査毎の画像データを取得するＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等が用いられる。走査毎の画像データとしては、一方向または一方向および当該一方向と直角な方向に電子ビームを走査して得る。例えば、図３に示すように、全走査の画像データによる塗膜の画像Ｐは、撮像装置２の表示装置に表示される。
二値化部３は、撮像装置２で取得した全走査の画像データを二値化して二値化画像データとする。例えば、図４に示すように、全走査の二値化画像データによる塗膜の画像ＰＰは、縦が５１６ピクセル、横が１２７６ピクセルの小さな黒または白の点で構成される。活物質材料の粒子が黒で表され、隙間が白で表される。
画像分割部１１は、二値化部３で二値化された全走査の二値化画像データを複数の画像領域に分割する。例えば、図５に示すように、全走査の二値化画像データによる塗膜の画像ＰＰは、８個の画像領域Ａ１〜Ａ８に分割される。
画像分割部１１は、二値化部３で二値化された全走査の二値化画像データを複数の画像領域に分割する。例えば、図５に示すように、全走査の二値化画像データによる塗膜の画像ＰＰは、８個の画像領域Ａ１〜Ａ８に分割される。
隙間割合演算部１２は、画像分割部１１で分割された各画像領域Ａ１〜Ａ８における粒子以外の隙間の割合を求める。例えば、各画像領域Ａ１〜Ａ８の面積に対し各画像領域Ａ１〜Ａ８に占める白で表される部分の面積の比であり、ピクセル数で求める。
面内均一度演算部１３は、隙間割合演算部１２で求めた各画像領域Ａ１〜Ａ８における隙間の割合に基づいて、隙間に関する面内均一度を求める。ここで、面内均一度とは、複数の画像領域Ａ１〜Ａ８のそれぞれに占める隙間の割合のばらつきをいう。この面内均一度の演算方法の詳細は後述する。
面内均一度演算部１３は、隙間割合演算部１２で求めた各画像領域Ａ１〜Ａ８における隙間の割合に基づいて、隙間に関する面内均一度を求める。ここで、面内均一度とは、複数の画像領域Ａ１〜Ａ８のそれぞれに占める隙間の割合のばらつきをいう。この面内均一度の演算方法の詳細は後述する。
隙間サイズ相当値演算部１４は、二値化部３で二値化された走査毎の二値化画像データにおける粒子以外の隙間のサイズ相当値を求める。例えば図６に示すように、全走査の二値化画像データによる塗膜の画像ＰＰにおける隙間の長さ、すなわち白で表される部分の走査方向の長さをピクセル数で求める。または、全走査の二値化画像データによる塗膜の画像ＰＰにおける隙間の面積、すなわち白で表される部分の面積をピクセル数で求める。
隙間サイズ均一度演算部１５は、隙間長さ演算部１４で求めた隙間の長さに基づいて、隙間に関する隙間サイズ均一度を求める。ここで、隙間サイズ均一度とは、全走査の二値化画像データにおける同一のサイズの隙間の度数のばらつきをいう。この隙間サイズ均一度の演算方法の詳細は後述する。
分散度合定量化部１６は、面内均一度演算部１３で求めた面内均一度および隙間サイズ均一度演算部１５で求めた隙間サイズ均一度に基づいて、粒子の分散度合を定量化する。この分散度合定量化の演算方法の詳細は後述する。
分散度合定量化部１６は、面内均一度演算部１３で求めた面内均一度および隙間サイズ均一度演算部１５で求めた隙間サイズ均一度に基づいて、粒子の分散度合を定量化する。この分散度合定量化の演算方法の詳細は後述する。
電池性能評価部１７は、予め求めておいたリチウムイオン二次電池の電極における活物質材料の粒子の分散度合とリチウムイオン二次電池の性能との相関関係に基づいて、分散度合定量化部１６で求めた定量化した粒子の分散度合から、リチウムイオン二次電池の性能を評価する。この性能評価方法の詳細は後述する。
記憶部１８には、面内均一度の演算方法で使用する式（後述する式（１）〜（３））、隙間サイズ均一度の演算方法で使用する式（後述する式（４）〜（６））、分散度合定量化の演算方法で使用する式（後述する式（７））、リチウムイオン二次電池の電極における活物質材料の粒子の分散度合とリチウムイオン二次電池の性能との相関関係（図８参照）等が予め記憶されている。
（分散度合検査装置による処理）
分散度合検査装置１による処理について、図２を参照して説明する。先ず、準備工程として、リチウムイオン二次電池の電極の一部を直方体状に切り出し、活物質材料の塗膜の面をクロスセクションポリッシャで研磨する。次に、図２に示すように、活物質材料の塗膜の画像データを取得する（ステップＳ１）。具体的には、研磨した塗膜の面を有する電極の一部を撮像装置２にセットし、図３に示すような画像データによる塗膜の画像Ｐを取得する。
分散度合検査装置１による処理について、図２を参照して説明する。先ず、準備工程として、リチウムイオン二次電池の電極の一部を直方体状に切り出し、活物質材料の塗膜の面をクロスセクションポリッシャで研磨する。次に、図２に示すように、活物質材料の塗膜の画像データを取得する（ステップＳ１）。具体的には、研磨した塗膜の面を有する電極の一部を撮像装置２にセットし、図３に示すような画像データによる塗膜の画像Ｐを取得する。
次に、図２に示すように、画像データを二値化し（ステップＳ２）、二値化した画像データを複数の画像領域に分割する（ステップＳ３）。具体的には、画像分割部１１は、図４に示すような縦が５１６ピクセル、横が１２７６ピクセルのモノクロの二値化画像データによる塗膜の画像ＰＰを取得し、図５に示すように、縦に均等に４分割、横に均等に２分割して合計８つの画像領域Ａ１〜Ａ８に分割する。
次に、図２に示すように、各画像領域における隙間の面積を求める（ステップＳ４）。具体的には、隙間割合演算部１２は、縦が２５８ピクセル、横が３１９ピクセルの画像領域Ａ１〜Ａ８において、白で表される部分のピクセル数を求める。
次に、図２に示すように、各画像領域における隙間の面積に基づいて、隙間に関する面内均一度を求める（ステップＳ５）。具体的には、面内均一度演算部１３は、各隙間の面積に対する各画像領域Ａ１〜Ａ８の面積の比ｘｉ（この例の場合、ｉは、１〜８）を求め、全画像領域Ａ１〜Ａ８の比ｘｉの平均値ｕｘを次式（１）により求める。
次に、図２に示すように、各画像領域における隙間の面積に基づいて、隙間に関する面内均一度を求める（ステップＳ５）。具体的には、面内均一度演算部１３は、各隙間の面積に対する各画像領域Ａ１〜Ａ８の面積の比ｘｉ（この例の場合、ｉは、１〜８）を求め、全画像領域Ａ１〜Ａ８の比ｘｉの平均値ｕｘを次式（１）により求める。
次に、図２に示すように、二値化画像データにおける隙間の長さに基づいて、隙間に関する隙間サイズ均一度を求める（ステップＳ７）。具体的には、隙間サイズ均一度演算部１５は、同一の隙間の長さｙおよび度数ｎを次式（４）に代入することにより、全隙間の長さの平均値ｕｙを求める。
ここで、容量低下速度とは、リチウムイオン二次電池の初期の充電状態を１００％としたとき、充放電を繰り返すことにより充電状態が例えば６０％の状態まで低下したときの充放電回数に基づいて表される。図８から明らかなように、定量化した粒子の分散度合の値γ（＝α・β）が大きいほど、容量低下速度は小さくなり、ばらつきも小さくなる。よって、定量化した粒子の分散度合の値γ（＝α・β）が大きいほど、良好な電池性能を示すことが分かる。
上述の分散度合検査装置１によれば、リチウムイオン二次電池の活物質材料の隙間の割合に基づくマクロ的な面内均一度αと、活物質材料の隙間のサイズ相当値に基づくミクロ的な隙間サイズ均一度βとに着目しているので、活物質材料の粒子が接触していたり各粒子の大きさにばらつきがあっても活物質材料の粒子の分散度合を高精度に定量化することができる。そして、活物質材料の粒子の分散度合をリチウムイオン二次電池の性能評価と結び付けているので、リチウムイオン二次電池の高性能化や高機能化の達成が容易になるとともに、リチウムイオン二次電池の不良率を低減できる。また、活物質材料の隙間のサイズ相当値として隙間の長さは、一方向Ｓの走査で求めるようにしたので、隙間の長さを正確に求めることができ、定量化した蓄電材料の粒子の分散度合の精度を高めることができる。
なお、上述の実施形態では、リチウムイオン二次電池の活物質材料の隙間の割合に基づく面内均一度α、および活物質材料の隙間のサイズ相当値に基づく隙間サイズ均一度βから活物質材料の粒子の分散度合を高精度に定量化する構成としたが、どちらか一方の均一度のみで活物質材料の粒子の分散度合を高精度に定量化する構成としてもよい。その場合、面内均一度αは値が大きい程、活物質材料の粒子の分散度合は高く、隙間サイズ均一度βは値が１に近い程、活物質材料の粒子の分散度合は高くなる。
また、活物質材料の隙間の長さは、一方向Ｓの走査で求めるようにしたが、一方向Ｓの走査および一方向Ｓに直角な方向の走査で求めるようにしてもよい。これにより、隙間の形状に左右されず隙間の長さ正確に求めることができ、定量化した蓄電材料の粒子の分散度合の精度をさらに高めることができる。
また、本発明は、リチウムイオン二次電池の電極用の活物質材料の粒子の分散度合を検査する装置に限定されるものではなく、蓄電材料であれば例えばキャパシタの材料の粒子の分散度合を検査する装置としてもよい。
また、本発明は、リチウムイオン二次電池の電極用の活物質材料の粒子の分散度合を検査する装置に限定されるものではなく、蓄電材料であれば例えばキャパシタの材料の粒子の分散度合を検査する装置としてもよい。
１：分散度合検査装置、 ２：撮像装置、 ３：二値化部、 １１：画像分割部、 １２：隙間面積演算部、 １３：面内均一度演算部、 １４：隙間長さ演算部、 １５：隙間サイズ均一度演算部、 １６：分散度合定量化部、 １７：電池性能評価部、 １８：記憶部
Claims (7)
- 蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子が存在する部分を撮像し画像データを取得する撮像手段と、
前記画像データを二値化して二値化画像データとする二値化手段と、
前記二値化画像データを複数の画像領域に分割する画像分割手段と、
前記複数の画像領域のそれぞれにおける前記粒子以外の隙間の割合を求める隙間割合演算手段と、
前記隙間の割合に基づいて、前記隙間に関する面内均一度を求める面内均一度演算手段と、
前記二値化画像データにおいて前記粒子以外のそれぞれの隙間のサイズ相当値を求める隙間サイズ相当値演算手段と、
前記隙間サイズ相当値に基づいて、前記隙間に関する隙間サイズ均一度を求める隙間サイズ均一度演算手段と、
前記面内均一度および前記隙間サイズ均一度に基づいて、前記粒子の分散度合を定量化する分散度合定量化手段と、
を備える、蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子の分散度合検査装置。 - 前記撮像手段は、所定方向に走査することにより前記画像データを取得し、
前記隙間サイズ相当値演算手段は、走査毎の前記二値化画像データにおいて前記粒子以外のそれぞれの隙間の長さを前記隙間サイズ相当値として求める、
請求項１の蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子の分散度合検査装置。 - 前記撮像手段は、一方向に走査することにより前記画像データを取得する、
請求項２の蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子の分散度合検査装置。 - 前記撮像手段は、一方向および当該一方向と直角な方向に走査することにより前記画像データを取得する、
請求項２の蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子の分散度合検査装置。 - 前記分散度合検査装置は、
前記定量化した粒子の分散度合と前記蓄電デバイスの性能との相関関係を予め記憶する記憶手段と、
前記相関関係に基づいて、前記分散度合定量化手段で求めた定量化した粒子の分散度合から、前記蓄電デバイスの性能を評価する性能評価手段と、
を備える、請求項１〜４の何れか一項の蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子の分散度合検査装置。 - 蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子が存在する部分を撮像し画像データを取得する撮像手段と、
前記画像データを二値化して二値化画像データとする二値化手段と、
前記二値化画像データを複数の画像領域に分割する画像分割手段と、
前記複数の画像領域のそれぞれにおける前記粒子以外の隙間の割合を求める隙間割合演算手段と、
前記隙間の割合に基づいて、前記隙間に関する面内均一度を求める面内均一度演算手段と、
前記面内均一度に基づいて、前記粒子の分散度合を定量化する分散度合定量化手段と、
を備える、蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子の分散度合検査装置。 - 蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子が存在する部分を撮像し画像データを取得する撮像手段と、
前記画像データを二値化して二値化画像データとする二値化手段と、
前記二値化画像データにいて前記粒子以外のそれぞれの隙間のサイズ相当値を求める隙間サイズ相当値演算手段と、
前記隙間サイズ相当値に基づいて、前記隙間に関する隙間サイズ均一度を求める隙間サイズ均一度演算手段と、
前記隙間サイズ均一度に基づいて、前記粒子の分散度合を定量化する分散度合定量化手段と、
を備える、蓄電デバイスにおける蓄電材料の粒子の分散度合検査装置。
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