JP7778010B2 - Electrochemical reaction visualization device and electrochemical reaction visualization method - Google Patents
Electrochemical reaction visualization device and electrochemical reaction visualization methodInfo
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Description
本発明は、電気化学反応可視化装置及び電気化学反応可視化方法に関し、例えば、未充電状態で、色や輝度により活物質と電解質とを識別することができない二次電池の充電状態の分布を可視化する動的可視化装置および動的可視化方法に関する。 The present invention relates to an electrochemical reaction visualization device and an electrochemical reaction visualization method, and more particularly to a dynamic visualization device and a dynamic visualization method for visualizing the distribution of the state of charge of a secondary battery in an uncharged state in which the active material and electrolyte cannot be distinguished by color or brightness.
二次電池内部の電気化学反応の均一性・局所的過充電や温度、膨張等の物理変化など、二次電池の性能に与える影響を評価するためには、充電状態分布を動的に可視化することが必要である。 In order to evaluate the impact on secondary battery performance, such as the uniformity of electrochemical reactions inside the secondary battery, local overcharging, and physical changes such as temperature and expansion, it is necessary to dynamically visualize the distribution of the state of charge.
特許文献1には、電解液中の活物質粒子(黒鉛)が充放電反応により色相を変化させることを使って、活物質粒子の局所的な充電状態を評価することが記載されている。しかしながら、特許文献1の方法を全固体電池に適用した場合、ある充電状態においては(0%~30%程度)固体電解質と活物質の色相が類似しているため識別して解析するとことが困難である。 Patent Document 1 describes a method for evaluating the local state of charge of active material particles (graphite) in an electrolyte solution by using the change in hue caused by charge-discharge reactions. However, when the method described in Patent Document 1 is applied to all-solid-state batteries, the solid electrolyte and active material have similar hues at certain charge states (approximately 0% to 30%), making it difficult to distinguish and analyze them.
特許文献2~5には、リチウムイオン二次電池を充放電状態で観察することが記載されている。しかしながら、特許文献1と同様に、全固体電池に適用した場合、ある充電状態においては固体電解質と活物質の色相が類似しているため識別して解析するとことが困難である。 Patent Documents 2 to 5 describe observing lithium-ion secondary batteries in their charge and discharge states. However, as with Patent Document 1, when applied to all-solid-state batteries, the solid electrolyte and active material have similar hues at certain charge states, making it difficult to distinguish and analyze them.
これまでのリチウムイオン電池のように、透明な電解液が用いられる二次電池では、カラーコンフォーカル顕微鏡を用いた充放電状態のその場観察に際し、電解液と活物質とを容易に識別することができる。なぜならば、電解液と観察窓との界面からの反射光は、コンフォーカル光学系により除去され、電解液と活物質の界面反射だけを観察することができるからである。電極中の活物質粒子以外の空間は、多穴質状であるので、電解液で満たされており、活物質の無い孔からの反射光は殆どない。この場合は、活物質とそれ以外の場所とは、輝度や色相によって比較的容易に識別できる。 In secondary batteries that use a transparent electrolyte, such as conventional lithium-ion batteries, the electrolyte and active material can be easily distinguished when observing the charge/discharge state in situ using a color confocal microscope. This is because the light reflected from the interface between the electrolyte and the observation window is removed by the confocal optical system, allowing only the interfacial reflection between the electrolyte and active material to be observed. Because the space outside the active material particles in the electrode is porous, it is filled with electrolyte, and there is almost no light reflected from pores where there is no active material. In this case, it is relatively easy to distinguish between the active material and other areas based on brightness and hue.
しかしながら、全固体電池の電極では、活物質と固体電解質との混合物になっているため、電極界面の反射光を観察する場合に、活物質も固体電解質も同程度の明るさに観察される。特に、未充電状態の活物質は、固体電解質と輝度や色相が非常に似かよっているため、これまでの方法では識別が困難である。このような固体電解質が用いられる二次電池では、電池内部の電気化学反応のオペランド観察を使って電極の充放電反応を評価することができない。活物質と(固体)電解質とを容易に識別するための装置および方法が所望されている。 However, because the electrodes of all-solid-state batteries are a mixture of active material and solid electrolyte, when observing the reflected light at the electrode interface, both the active material and the solid electrolyte appear to be of similar brightness. In particular, the brightness and hue of the uncharged active material are very similar to those of the solid electrolyte, making it difficult to distinguish them using conventional methods. In secondary batteries that use such solid electrolytes, it is not possible to evaluate the charge/discharge reactions of the electrodes using operando observation of the electrochemical reactions inside the battery. There is a demand for an apparatus and method for easily distinguishing between active material and (solid) electrolyte.
本発明の目的は、このような問題を解決するためになされたものであり、活物質と電解質とを容易に識別することができる電気化学反応可視化装置及び電気化学反応可視化方法を提供することである。 The object of the present invention is to solve these problems by providing an electrochemical reaction visualization device and electrochemical reaction visualization method that can easily distinguish between active materials and electrolytes.
本開示に係る電気化学反応可視化装置は、二次電池の充放電中の状態変化を可視化する電気化学反応可視化装置であって、透明窓を有し、満充電状態で輝度が大きくなる活物質を含む前記二次電池を収納する窓付きセルと、前記充放電中に充電量が異なる複数の充電状態を経るように、充放電を制御する充放電コントローラと、前記透明窓を介して前記二次電池を照明光で照明するとともに、前記照明光が前記二次電池で反射した反射光を透過させる対物レンズを有し、前記対物レンズと前記二次電池との間の相対距離を変化させながら前記二次電池のカラー画像データを取得するカラーコンフォーカル撮像部と、前記二次電池の各充電状態の前記カラー画像データ、及び、各充電状態の充放電データを取得する画像処理部と、を備え、前記画像処理部は、前記カラー画像データ及び前記充放電データを時系列で対応付けるリンク部と、前記満充電状態の前記カラー画像データを選択し、選択した前記カラー画像データにおいて前記輝度が所定の閾値以上の部分を活物質部分として抽出し、前記活物質部分を囲む範囲をトラッキングROIとして抽出するマスター抽出部と、各充電状態に対応した前記カラー画像データにおいて、抽出した前記活物質部分の位置を追跡し、追跡した前記活物質部分を囲む範囲を前記トラッキングROIとして抽出するスレーブ抽出部と、を有する。 The electrochemical reaction visualization device according to the present disclosure is an electrochemical reaction visualization device that visualizes state changes during charging and discharging of a secondary battery, and includes: a windowed cell having a transparent window and housing the secondary battery containing an active material whose luminance increases when fully charged; a charge/discharge controller that controls charging and discharging so that the secondary battery passes through multiple charge states with different charge amounts during charging and discharging; a color confocal imaging unit that illuminates the secondary battery with illumination light through the transparent window and has an objective lens that transmits light reflected by the illumination light from the secondary battery, and acquires color image data of the secondary battery while changing the relative distance between the objective lens and the secondary battery; and a color image sensor that captures color image data of the secondary battery at each charge state of the secondary battery. and an image processing unit that acquires the color image data and charge/discharge data for each charge state. The image processing unit has a linking unit that chronologically associates the color image data and the charge/discharge data, a master extraction unit that selects the color image data for the fully charged state, extracts portions of the selected color image data where the brightness is equal to or greater than a predetermined threshold as active material portions, and extracts a range surrounding the active material portions as a tracking ROI, and a slave extraction unit that tracks the position of the extracted active material portions in the color image data corresponding to each charge state, and extracts a range surrounding the tracked active material portions as the tracking ROI.
上記電気化学反応可視化装置では、前記画像処理部は、前記活物質部分のRGB輝度を色相に変換することにより、各充電状態を解析する色解析部をさらに有してもよい。 In the above-mentioned electrochemical reaction visualization device, the image processing unit may further include a color analysis unit that analyzes each charging state by converting the RGB brightness of the active material portion into hue.
上記電気化学反応可視化装置では、前記マスター抽出部は、複数の前記トラッキングROIを含むマスターROIを生成し、生成した前記マスターROIから、前記トラッキングROIの部分を有効領域とし、前記トラッキングROI以外の部分を無効領域としたマスターマスクを生成し、前記スレーブ抽出部は、複数の前記トラッキングROIを含むスレーブROIを生成し、生成した前記スレーブROIから、前記トラッキングROIの部分を有効領域とし、前記トラッキングROI以外の部分を無効領域としたスレーブマスクを生成してもよい。 In the electrochemical reaction visualization device, the master extraction unit may generate a master ROI including multiple tracking ROIs and generate a master mask from the generated master ROI in which the tracking ROIs are defined as valid regions and the rest of the area is defined as invalid regions; and the slave extraction unit may generate a slave ROI including multiple tracking ROIs and generate a slave mask from the generated slave ROI in which the tracking ROIs are defined as valid regions and the rest of the area is defined as invalid regions.
上記電気化学反応可視化装置では、前記画像処理部は、基準マスクとする前記マスターマスクまたは前記スレーブマスクに含まれる前記トラッキングROIの面積の和と、前記基準マスクと異なる前記マスターマスクまたは前記スレーブマスクに含まれる前記トラッキングROIの面積の和と、の差から、前記トラッキングROIの重なりを算出する重なり算出部をさらに有してもよい。 In the electrochemical reaction visualization device, the image processing unit may further include an overlap calculation unit that calculates the overlap of the tracking ROIs from the difference between the sum of the areas of the tracking ROIs included in the master mask or slave mask that is used as a reference mask and the sum of the areas of the tracking ROIs included in the master mask or slave mask that is different from the reference mask.
上記電気化学反応可視化装置では、前記画像処理部は、基準マスクとする前記マスターマスクまたは前記スレーブマスクに含まれる各トラッキングROIの第1方向の長さの和及び前記第1方向に直交する第2方向の長さの和の少なくともいずれかと、前記基準マスクと異なる前記マスターマスクまたは前記スレーブマスクに含まれる各トラッキングROIの前記第1方向の長さの和及び前記第2方向の長さの和の少なくともいずれかと、の差から、前記トラッキングROIの前記第1方向及び前記第2方向の少なくともいずれかの長さの重なりを算出する重なり算出部をさらに有してもよい。 In the electrochemical reaction visualization device, the image processing unit may further include an overlap calculation unit that calculates the overlap of at least one of the lengths of the tracking ROIs in the first direction and the second direction from the difference between the sum of the lengths in a first direction and the sum of the lengths in a second direction perpendicular to the first direction of each tracking ROI included in the master mask or the slave mask that is used as a reference mask, and the sum of the lengths in the first direction and the sum of the lengths in the second direction of each tracking ROI included in the master mask or the slave mask that is different from the reference mask.
上記電気化学反応可視化装置では、前記画像処理部は、基準マスクとする前記マスターマスクまたは前記スレーブマスクの前記トラッキングROIのうち、対応する前記トラッキングROIが前記基準マスクと異なる前記マスターマスクまたは前記スレーブマスクにおいて消滅したものの面積を算出する消滅面積算出部をさらに有してもよい。 In the electrochemical reaction visualization device, the image processing unit may further include a disappearance area calculation unit that calculates the area of the tracking ROIs of the master mask or the slave mask that are used as a reference mask, when the corresponding tracking ROI in the master mask or the slave mask differs from the reference mask.
上記電気化学反応可視化装置では、各充電状態におけるトラッキングROIの第1方向及び前記第1方向に直交する第2方向のうち少なくともいずれかの線膨張率を算出する線膨張率算出部をさらに有し、前記線膨張率算出部は、時間に対して前記線膨張率が増加する変化を近似する膨張関数、及び、前記時間に対して前記線膨張率が減少する変化を近似する収縮関数の少なくともいずれかを算出してもよい。 The electrochemical reaction visualization device may further include a linear expansion coefficient calculation unit that calculates the linear expansion coefficient of at least one of a first direction of the tracking ROI and a second direction perpendicular to the first direction in each charging state, and the linear expansion coefficient calculation unit may calculate at least one of an expansion function that approximates the change in the linear expansion coefficient over time, and a contraction function that approximates the change in the linear expansion coefficient over time.
上記電気化学反応可視化装置では、前記窓付きセルは、不動点を含み、前記カラー画像データは、前記不動点を含むように撮像され、前記画像処理部は、複数の前記カラー画像データにおける前記不動点を追跡し、前記不動点が同じ位置となるように各カラー画像データの位置ずれを補正するドリフト補正部をさらに有してもよい。 In the electrochemical reaction visualization device, the windowed cell may include a fixed point, the color image data may be captured to include the fixed point, and the image processing unit may further include a drift correction unit that tracks the fixed point in the multiple color image data and corrects positional deviations of each color image data so that the fixed point is in the same position.
上記電気化学反応可視化装置では、前記マスター抽出部及び前記スレーブ抽出部は、各トラキングROI内の前記活物質部分と、活物質部分以外の部分と、を分離してもよい。 In the electrochemical reaction visualization device, the master extraction unit and the slave extraction unit may separate the active material portion within each tracking ROI from the portion other than the active material portion.
上記電気化学反応可視化装置では、前記マスター抽出部が抽出した前記活物質部分の位置を前記スレーブ抽出部が追跡できない場合に、前記マスター抽出部は、前記満充電状態以外の前記充電状態の前記カラー画像データを選択し、選択した前記カラー画像データにおいて前記輝度が所定の閾値以上の部分を前記活物質部分として抽出し、前記活物質部分を囲む範囲をトラッキングROIとして抽出し、複数の前記トラッキングROIを含む準マスターROIを生成し、生成した前記準マスターROIから、前記トラッキングROIの部分を有効領域とし、前記トラッキングROI以外の部分を無効領域とした準マスターマスクを生成してもよい。 In the electrochemical reaction visualization device, if the slave extraction unit cannot track the position of the active material portion extracted by the master extraction unit, the master extraction unit may select the color image data for a charge state other than the fully charged state, extract a portion of the selected color image data where the brightness is equal to or greater than a predetermined threshold as the active material portion, extract a range surrounding the active material portion as a tracking ROI, generate a quasi-master ROI including multiple tracking ROIs, and generate a quasi-master mask from the generated quasi-master ROI in which the tracking ROI portion is a valid region and the portion other than the tracking ROI is a invalid region.
本開示に係る電気化学反応可視化方法は、二次電池の充放電中の状態変化を可視化する電気化学反応可視化方法であって、透明窓を有し、満充電状態で輝度が大きくなる活物質を含む前記二次電池を収納する窓付きセルと、前記充放電中に充電量が異なる複数の充電状態を経るように、充放電を制御する充放電コントローラと、前記透明窓を介して前記二次電池を照明光で照明するとともに、前記照明光が前記二次電池で反射した反射光を透過させる対物レンズを有し、前記対物レンズと前記二次電池との間の相対距離を変化させながら前記二次電池のカラー画像データを取得するカラーコンフォーカル撮像部と、を備えた電気化学反応可視化装置から、前記二次電池の各充電状態の前記カラー画像データ、及び、各充電状態の充放電データを取得するデータ取得ステップと、前記カラー画像データ及び前記充放電データを時系列で対応付けるリンクステップと、前記満充電状態の前記カラー画像データを選択し、選択した前記カラー画像データにおいて前記輝度が所定の閾値以上の部分を活物質部分として抽出し、前記活物質部分を囲む範囲をトラッキングROIとして抽出するマスター抽出ステップと、各充電状態に対応した前記カラー画像データにおいて、抽出した前記活物質部分の位置を追跡し、追跡した前記活物質部分を囲む範囲を前記トラッキングROIとして抽出するスレーブ抽出ステップと、を有する。 The electrochemical reaction visualization method according to the present disclosure is an electrochemical reaction visualization method for visualizing state changes during charging and discharging of a secondary battery, and includes: an electrochemical reaction visualization device including a windowed cell that houses a secondary battery having a transparent window and containing an active material whose luminance increases when fully charged; a charge/discharge controller that controls charging and discharging so that the secondary battery passes through multiple charge states with different charge amounts during charging and discharging; and a color confocal imaging unit that illuminates the secondary battery with illumination light through the transparent window and has an objective lens that transmits light reflected by the illumination light from the secondary battery, and acquires color image data of the secondary battery while changing the relative distance between the objective lens and the secondary battery. The method includes a data acquisition step of acquiring the color image data for each charge state of the secondary battery and charge/discharge data for each charge state; a linking step of matching the color image data and the charge/discharge data in chronological order; a master extraction step of selecting the color image data for the fully charged state, extracting portions of the selected color image data where the brightness is equal to or greater than a predetermined threshold as active material portions, and extracting a range surrounding the active material portions as a tracking ROI; and a slave extraction step of tracking the position of the extracted active material portions in the color image data corresponding to each charge state, and extracting a range surrounding the tracked active material portions as the tracking ROI.
上記電気化学反応可視化方法では、前記活物質部分のRGB輝度を色相に変換することにより、各充電状態を解析する色解析ステップをさらに有してもよい。 The electrochemical reaction visualization method may further include a color analysis step of converting the RGB brightness of the active material portion into hue to analyze each charging state.
上記電気化学反応可視化方法では、前記マスター抽出ステップは、複数の前記トラッキングROIを含むマスターROIを生成し、生成した前記マスターROIから、前記トラッキングROIの部分を有効領域とし、前記トラッキングROI以外の部分を無効領域としたマスターマスクを生成し、前記スレーブ抽出ステップは、複数の前記トラッキングROIを含むスレーブROIを生成し、生成した前記スレーブROIから、前記トラッキングROIの部分を有効領域とし、前記トラッキングROI以外の部分を無効領域としたスレーブマスクを生成してもよい。 In the electrochemical reaction visualization method, the master extraction step may generate a master ROI including multiple tracking ROIs, and generate a master mask from the generated master ROI in which the tracking ROIs are defined as valid regions and the rest of the region is defined as invalid regions; and the slave extraction step may generate a slave ROI including multiple tracking ROIs, and generate a slave mask from the generated slave ROI in which the tracking ROIs are defined as valid regions and the rest of the region is defined as invalid regions.
上記電気化学反応可視化方法では、基準マスクとする前記マスターマスクまたは前記スレーブマスクに含まれる前記トラッキングROIの面積の和と、前記基準マスクと異なる前記マスターマスクまたは前記スレーブマスクに含まれる前記トラッキングROIの面積の和と、の差から、前記トラッキングROIの重なりを算出する重なり算出ステップをさらに有してもよい。 The electrochemical reaction visualization method may further include an overlap calculation step of calculating the overlap of the tracking ROIs from the difference between the sum of the areas of the tracking ROIs included in the master mask or slave mask used as a reference mask and the sum of the areas of the tracking ROIs included in the master mask or slave mask different from the reference mask.
上記電気化学反応可視化方法では、基準マスクとする前記マスターマスクまたは前記スレーブマスクに含まれる前記トラッキングROIの第1方向の長さの和及び前記第1方向に直交する第2方向の長さの和の少なくともいずれかと、前記基準マスクと異なる前記マスターマスクまたは前記スレーブマスクに含まれる前記トラッキングROIの前記第1方向の長さの和及び前記第2方向の長さの和の少なくともいずれかと、の差から、前記トラッキングROIの前記第1方向及び前記第2方向の少なくともいずれかの長さの重なりを算出する重なり算出ステップをさらに有してもよい。 The electrochemical reaction visualization method may further include an overlap calculation step of calculating an overlap of at least one of the lengths of the tracking ROI in the first direction and the second direction from the difference between at least one of the sum of the lengths in the first direction and the sum of the lengths in the second direction perpendicular to the first direction of the tracking ROI included in the master mask or the slave mask used as a reference mask and at least one of the sum of the lengths in the first direction and the sum of the lengths in the second direction of the tracking ROI included in the master mask or the slave mask different from the reference mask.
上記電気化学反応可視化方法では、基準マスクとする前記マスターマスクまたは前記スレーブマスクの前記トラッキングROIのうち、対応する前記トラッキングROIが前記基準マスクと異なる前記マスターマスクまたは前記スレーブマスクにおいて消滅したものの面積を算出する消滅面積算出ステップをさらに有してもよい。 The electrochemical reaction visualization method may further include a disappearance area calculation step of calculating the area of the tracking ROIs of the master mask or the slave mask that are used as a reference mask, where the corresponding tracking ROIs in the master mask or the slave mask differ from those in the reference mask.
上記電気化学反応可視化方法では、各充電状態におけるトラッキングROIの第1方向及び前記第1方向に直交する第2方向の少なくともいずれかの線膨張率を算出する線膨張率算出ステップをさらに有し、前記線膨張率算出ステップは、時間に対して前記線膨張率が増加する変化を近似する膨張関数、及び、前記時間に対して前記線膨張率が減少する変化を近似する収縮関数の少なくともいずれかを算出してもよい。 The electrochemical reaction visualization method may further include a linear expansion coefficient calculation step for calculating the linear expansion coefficient of at least one of a first direction of the tracking ROI and a second direction perpendicular to the first direction in each charging state, and the linear expansion coefficient calculation step may calculate at least one of an expansion function that approximates the change in the linear expansion coefficient as it increases over time and a contraction function that approximates the change in the linear expansion coefficient as it decreases over time.
上記電気化学反応可視化方法では、前記窓付きセルは、不動点を含み、前記カラー画像データは、前記不動点を含むように撮像され、複数の前記カラー画像データにおける前記不動点を追跡し、前記不動点が同じ位置となるように、各カラー画像データの位置ずれを補正するドリフト補正ステップをさらに有してもよい。 In the electrochemical reaction visualization method, the windowed cell may include a fixed point, the color image data may be captured so as to include the fixed point, and the method may further include a drift correction step of tracking the fixed point in multiple pieces of color image data and correcting positional deviations in each piece of color image data so that the fixed point is in the same position.
上記電気化学反応可視化方法では、前記マスター抽出ステップ及び前記スレーブ抽出ステップは、各トラキングROI内の前記活物質部分と、活物質部分以外の部分と、を分離してもよい。 In the above-described electrochemical reaction visualization method, the master extraction step and the slave extraction step may separate the active material portion within each tracking ROI from the portion other than the active material portion.
上記電気化学反応可視化方法では、前記マスター抽出ステップで抽出した前記活物質部分の位置を前記スレーブ抽出ステップにおいて追跡できない場合に、満充電状態以外の前記充電状態の前記カラー画像データを選択し、選択した前記カラー画像データにおいて前記輝度が所定の閾値以上の部分を前記活物質部分として抽出し、前記活物質部分を囲む範囲をトラッキングROIとして抽出し、複数の前記トラッキングROIを含む準マスターROIを生成し、生成した前記準マスターROIから、前記トラッキングROIの部分を有効領域とし、前記トラッキングROI以外の部分を無効領域とした準マスターマスクを生成する準マスター抽出ステップをさらに有してもよい。 The electrochemical reaction visualization method may further include a quasi-master extraction step of, if the position of the active material portion extracted in the master extraction step cannot be tracked in the slave extraction step, selecting the color image data for a charge state other than a fully charged state, extracting a portion of the selected color image data where the brightness is equal to or greater than a predetermined threshold as the active material portion, extracting a range surrounding the active material portion as a tracking ROI, generating a quasi-master ROI including multiple tracking ROIs, and generating a quasi-master mask from the generated quasi-master ROI in which the tracking ROI portion is an effective region and the portion other than the tracking ROI is an ineffective region.
本発明によれば、活物質と電解質とを容易に識別することができ、充放電中の二次電池の状態変化を解析することができる電気化学反応可視化装置及び電気化学反応可視化方法を提供することができる。 The present invention provides an electrochemical reaction visualization device and electrochemical reaction visualization method that can easily distinguish between active materials and electrolytes and analyze changes in the state of secondary batteries during charging and discharging.
以下、本実施形態の具体的構成について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。 The specific configuration of this embodiment will be described below with reference to the drawings. The following description illustrates a preferred embodiment of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following embodiment. In the following description, parts with the same reference numerals indicate substantially similar content.
(実施形態1)
実施形態1に係る電気化学反応可視化装置及び電気化学反応可視化方法を説明する。まず、[電気化学反応可視化装置の構成]を説明する。その後、[電気化学反応可視化方法]を説明する。
(Embodiment 1)
An electrochemical reaction visualization device and an electrochemical reaction visualization method according to embodiment 1 will be described. First, the configuration of the electrochemical reaction visualization device will be described, followed by the electrochemical reaction visualization method.
[電気化学反応可視化装置の構成]
図1は、実施形態1に係る電気化学反応可視化装置を例示した構成図である。図1に示すように、電気化学反応可視化装置100は、窓付きセル10、充放電コントローラ20、カラーコンフォーカル撮像部30、信号処理部50を備えている。信号処理部50は、画像処理部70を含む。電気化学反応可視化装置100は、上記以外に、画像データストレージ、汎用情報処理装置等を含んでもよい。電気化学反応可視化装置100は、二次電池1の充放電中の状態変化を可視化する。以下で、電気化学反応可視化装置100の構成として、<窓付きセル>、<充放電コントローラ>、<カラーコンフォーカル撮像部>、<信号処理部>及び<画像処理部>を説明する。
[Configuration of electrochemical reaction visualization device]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an electrochemical reaction visualization device according to a first embodiment. As shown in FIG. 1, the electrochemical reaction visualization device 100 includes a windowed cell 10, a charge/discharge controller 20, a color confocal imaging unit 30, and a signal processing unit 50. The signal processing unit 50 includes an image processing unit 70. In addition to the above, the electrochemical reaction visualization device 100 may also include an image data storage, a general-purpose information processing device, and the like. The electrochemical reaction visualization device 100 visualizes state changes during charging and discharging of a secondary battery 1. Below, the components of the electrochemical reaction visualization device 100, including the windowed cell, the charge/discharge controller, the color confocal imaging unit, the signal processing unit, and the image processing unit, are described.
<窓付きセル>
画像解析される試験用の試料は、例えば、リチウムイオン電池等の二次電池1である。二次電池1は、窓付きセル10内に配置する。窓付きセル10は、透明窓19を有し、二次電池1を収納する。窓付きセル10は、二次電池1を密封する。窓付きセル10の内部は、例えば、アルゴンガス等の不活性ガスで満たされる。窓付きセル10は、リチウムイオン電池等の二次電池1を不活性ガスの雰囲気中に保持する。
<Windowed cell>
The test sample to be image-analyzed is, for example, a secondary battery 1 such as a lithium ion battery. The secondary battery 1 is placed in a windowed cell 10. The windowed cell 10 has a transparent window 19 and houses the secondary battery 1. The windowed cell 10 seals the secondary battery 1. The interior of the windowed cell 10 is filled with an inert gas such as argon gas. The windowed cell 10 holds the secondary battery 1 such as a lithium ion battery in an inert gas atmosphere.
図2は、実施形態1に係る電気化学反応可視化装置100において、窓付きセル10を例示した図である。図1及び図2に示すように、窓付きセル10は、二次電池1の断面を観察できるように設計されている。窓付きセル10は、窓付きの蓋と、セル本体とを有している。 Figure 2 is a diagram illustrating a windowed cell 10 in the electrochemical reaction visualization device 100 according to embodiment 1. As shown in Figures 1 and 2, the windowed cell 10 is designed to allow observation of a cross section of the secondary battery 1. The windowed cell 10 has a windowed lid and a cell body.
まず、二次電池1として、電解液を用いる場合を説明する。二次電池1は、正極集電板2、正極活物質層3、セパレータ4、負極活物質層5、負極集電板6が積層された積層構造を有している。正極集電板2及び正極活物質層3を、正極と呼び、負極活物質層5及び負極集電板6を負極と呼ぶ。正極集電板2として、例えば、圧延したアルミニウム箔が用いられ、正極活物質層3として、コバルト酸リチウム(LiCoO2)層が用いられる。負極集電板6として、例えば、銅箔が用いられ、負極活物質層5として、グラファイト層が用いられる。正極と負極との間にセパレータ4が配置され、正極と負極とが絶縁される。これら正極及び負極には電解液が満たされ、電解液としてエチレンカーボネート(EC)等の有機溶媒にLiPF6等のリチウム塩が溶解した有機電解液が用いられる。 First, a secondary battery 1 using an electrolyte will be described. The secondary battery 1 has a laminated structure in which a positive electrode current collector 2, a positive electrode active material layer 3, a separator 4, a negative electrode active material layer 5, and a negative electrode current collector 6 are stacked. The positive electrode current collector 2 and the positive electrode active material layer 3 are referred to as the positive electrode, and the negative electrode active material layer 5 and the negative electrode current collector 6 are referred to as the negative electrode. For example, rolled aluminum foil is used as the positive electrode current collector 2, and a lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) layer is used as the positive electrode active material layer 3. For example, copper foil is used as the negative electrode current collector 6, and a graphite layer is used as the negative electrode active material layer 5. A separator 4 is disposed between the positive electrode and the negative electrode to insulate the positive electrode and the negative electrode. The positive electrode and the negative electrode are filled with an electrolyte, which is an organic electrolyte obtained by dissolving a lithium salt such as LiPF 6 in an organic solvent such as ethylene carbonate (EC).
二次電池1は、例えば、専用の位置合わせ治具で、電極ホルダの間に、正極、セパレータ4及び負極を挟み、さらに、専用治具の刃物でカットする。電極ホルダを、電解液とともにセル本体に封入した後、蓋に取り付けた透明窓19に電極断面を押し付ける。このようにして、二次電池1の観察を行う。蓋を閉めるまでの作業は、グローブボックス内またはドライルームで行うが、蓋で密閉した後は、大気中で観察を行う。充放電実験時にガスが発生することがあるが、発生したガスは観察の妨げになるだけではなく、部分的に電解液のない乾燥状態を作ってしまうのでそれも大きな障害となる。これらの障害を避けるために、専用の窓付きセル10では、発生したガスを観察部位から排除する機能を有している。 The secondary battery 1 is formed by, for example, sandwiching the positive electrode, separator 4, and negative electrode between electrode holders in a dedicated alignment jig, and then cutting them with the dedicated jig's blade. The electrode holder is then sealed in the cell body along with the electrolyte, and the electrode cross section is pressed against the transparent window 19 attached to the lid. In this way, the secondary battery 1 is observed. The work up to closing the lid is performed in a glove box or dry room, but after the lid is sealed, observations are made in the atmosphere. Gas may be generated during charge/discharge experiments. This not only interferes with observation, but also creates a dry, partially electrolyte-free state, which is a major obstacle. To avoid these obstacles, the dedicated windowed cell 10 has the function of excluding generated gas from the observation area.
二次電池1として、全固体電池を適用する場合は、電解液の含浸は不要である。また、セパレータも使用しない。二次電池1は、固体電解質と電極(固体電解質と活物質の混合物)が圧着されたものである。二次電池1を切断することで観察端面を作成することができる。本実施形態では、二次電池1は、満充電状態と満充電状態以外とで輝度の差が生じるものであればよく、例えば満充電状態で輝度が大きくなる活物質を含む、電解液を用いるものでもよいし、全固体電池でもよい。 When an all-solid-state battery is used as the secondary battery 1, impregnation with an electrolyte is not necessary. Furthermore, no separator is used. The secondary battery 1 is made by pressing a solid electrolyte and an electrode (a mixture of a solid electrolyte and an active material). An observation end surface can be created by cutting the secondary battery 1. In this embodiment, the secondary battery 1 may be one that produces a difference in brightness between a fully charged state and a non-fully charged state. For example, the secondary battery 1 may be one that uses an electrolyte containing an active material whose brightness increases in a fully charged state, or it may be an all-solid-state battery.
<充放電コントローラ>
図1に示すように、充放電コントローラ20は、二次電池1の充放電中に充電量が異なる複数の充電状態を経るように、充放電を制御する。窓付きセル10には、第1及び第2の接続端子10a及び10bを設け、これら接続端子は、二次電池1の正極及び負極にそれぞれ接続する。第1の接続端子10aは、二次電池1の充放電を制御する充放電コントローラ20のI0+端子に接続される。第2の接続端子10bは、充放電コントローラ20のI0-端子に接続される。
<Charge/Discharge Controller>
As shown in Figure 1, the charge/discharge controller 20 controls the charging and discharging of the secondary battery 1 so that the secondary battery 1 goes through multiple charge states with different charge amounts during charging and discharging. The windowed cell 10 is provided with first and second connection terminals 10a and 10b, which are connected to the positive and negative electrodes of the secondary battery 1, respectively. The first connection terminal 10a is connected to the I0 + terminal of the charge/discharge controller 20, which controls the charging and discharging of the secondary battery 1. The second connection terminal 10b is connected to the I0- terminal of the charge/discharge controller 20.
充放電の制御方法として、例えば、定電流定電圧方式(CVCC:Constant Voltage Constant Current)により充電を行うことができる。すなわち、充電の開始時に二次電池1に定電流を供給して充電を行い、満充電に到達した後、定電圧で充電を行う制御方式で制御する。また、放電制御は、定電流制御により行うことができる。第1及び第2の接続端子10a及び10bは、充放電コントローラ20のV+及びV-端子に接続され、充放電コントローラ20に設けた電圧検出手段により充放電電圧(電池電圧)を時系列のデータとして検出する。さらに、充放電コントローラ20は、二次電池1を流れる電流を検出する電流検出手段を有し、二次電池1を流れる電流値を時系列のデータとして出力する。検出された充放電電圧及び充放電電流は、充放電データとして信号処理部50に出力される。 As a charge/discharge control method, for example, charging can be performed using a constant current/constant voltage (CVCC) method. That is, charging is performed by supplying a constant current to the secondary battery 1 at the start of charging, and after full charge is achieved, charging is performed at a constant voltage. Discharge control can also be performed using constant current control. The first and second connection terminals 10a and 10b are connected to the V + and V- terminals of the charge/discharge controller 20, and a voltage detection means provided in the charge/discharge controller 20 detects the charge/discharge voltage (battery voltage) as time-series data. Furthermore, the charge/discharge controller 20 has a current detection means for detecting the current flowing through the secondary battery 1 and outputs the current value flowing through the secondary battery 1 as time-series data. The detected charge/discharge voltage and charge/discharge current are output to the signal processing unit 50 as charge/discharge data.
<カラーコンフォーカル撮像部>
カラーコンフォーカル撮像部30は、照明光源31、ビームスプリッタ32、2次元スキャナ33、対物レンズ34、モータ35、距離センサ36及び画像取得部37を備えている。照明光源31は、例えば、水銀ランプ、白色レーザ等のような白色光を発生する白色光源である。
<Color confocal imaging unit>
The color confocal imaging unit 30 includes an illumination light source 31, a beam splitter 32, a two-dimensional scanner 33, an objective lens 34, a motor 35, a distance sensor 36, and an image acquisition unit 37. The illumination light source 31 is a white light source that generates white light, such as a mercury lamp or a white laser.
照明光源31から出射した白色の照明ビームは、ビームスプリッタ32に入射する。ビームスプリッタ32は、照明光源31から二次電池1に向かう照明ビームと二次電池1で反射した反射ビームとを分離する機能を果たす。ビームスプリッタ32は、例えば、ハーフミラーである。 The white illumination beam emitted from the illumination light source 31 is incident on the beam splitter 32. The beam splitter 32 functions to separate the illumination beam directed from the illumination light source 31 toward the secondary battery 1 from the beam reflected by the secondary battery 1. The beam splitter 32 is, for example, a half mirror.
ビームスプリッタ32を透過した照明ビームは、2次元スキャナ33に入射し、X及びY方向に2次元スキャンされ、対物レンズ34に入射する。照明ビームは、対物レンズ34により集束ビームに変換されて窓付きセル10に入射する。このように、対物レンズ34は、透明窓19を介して二次電池1を照明光で照明する。 The illumination beam that passes through the beam splitter 32 enters the two-dimensional scanner 33, undergoes two-dimensional scanning in the X and Y directions, and then enters the objective lens 34. The illumination beam is converted into a focused beam by the objective lens 34 and enters the windowed cell 10. In this way, the objective lens 34 illuminates the secondary battery 1 with illumination light through the transparent window 19.
対物レンズ34には、モータ35が連結され、光軸方向に所定の速度で連続的に移動することができる。従って、照明ビームの集束点は、2次元走査中に光軸方向にそって連続的に変位する。対物レンズ34の光軸方向の位置は、距離センサ36により検出され、対物レンズ34と二次電池1の表面との間の相対距離情報として信号処理部50に供給される。なお、対物レンズ34として、板厚補正された対物レンズ34を用いることが望ましい。 A motor 35 is connected to the objective lens 34, allowing it to move continuously in the optical axis direction at a predetermined speed. Therefore, the focal point of the illumination beam moves continuously along the optical axis direction during two-dimensional scanning. The position of the objective lens 34 in the optical axis direction is detected by a distance sensor 36, and this is supplied to the signal processing unit 50 as relative distance information between the objective lens 34 and the surface of the secondary battery 1. It is preferable to use an objective lens 34 that has been corrected for plate thickness.
照明ビームは、窓付きセル10に設けられた透明窓19を経て、充放電中の二次電池1に入射する。本実施形態では、二次電池1の断面のカラー画像データを撮像する。したがって、二次電池1は、断面が透明窓19と対向するように配置されている。照明ビームは、2次元スキャナにより2次元スキャンされているので、充放電中の二次電池1の断面は、集束した照明ビームにより2次元走査される。また、対物レンズ34が光軸方向に移動しながら照明ビームが断面を2次元走査するため、視野全体について合焦した2次元画像(全焦点画像)が撮像される。したがって、二次電池1の断面に凹凸面が露出されている場合には、全ての凹凸面について焦点が合った(合焦した)画像が撮像される。 The illumination beam passes through the transparent window 19 provided in the windowed cell 10 and is incident on the secondary battery 1 during charging and discharging. In this embodiment, color image data of the cross section of the secondary battery 1 is captured. Therefore, the secondary battery 1 is positioned so that its cross section faces the transparent window 19. The illumination beam is two-dimensionally scanned by a two-dimensional scanner, so the cross section of the secondary battery 1 during charging and discharging is two-dimensionally scanned by the focused illumination beam. Furthermore, because the illumination beam scans the cross section two-dimensionally while the objective lens 34 moves in the optical axis direction, a two-dimensional image (all-in-focus image) in focus across the entire field of view is captured. Therefore, if an uneven surface is exposed on the cross section of the secondary battery 1, an image in focus (focused) of all uneven surfaces is captured.
充放電中の二次電池1の断面で反射した反射ビームは、透明窓19を経て対物レンズ34により集光される。よって、対物レンズ34は、照明光が二次電池1で反射した反射光を透過させる。対物レンズ34を透過した反射光は、2次元スキャナ33を経てビームスプリッタ32に入射する。そして、ビームスプリッタ32で反射し、画像取得部37に入射する。 The reflected beam reflected by the cross section of the secondary battery 1 during charging and discharging passes through the transparent window 19 and is collected by the objective lens 34. Therefore, the objective lens 34 transmits the light reflected by the secondary battery 1 from the illumination light. The reflected light that passes through the objective lens 34 passes through the two-dimensional scanner 33 and enters the beam splitter 32. It is then reflected by the beam splitter 32 and enters the image acquisition unit 37.
画像取得部37は、結像レンズ系、入射した反射ビームをRGBのカラー成分光に分離する色分解光学系、及び、RGBのカラー成分光をそれぞれ受光する3個の撮像素子を有する。色分解光学系は、例えば、プリズムを含む。撮像素子は、例えば、CDD、ラインセンサ等を含む。 The image acquisition unit 37 has an imaging lens system, a color separation optical system that separates the incident reflected beam into RGB color component light, and three image sensors that receive each of the RGB color component light. The color separation optical system includes, for example, a prism. The image sensors include, for example, a CDD, a line sensor, etc.
このように、カラーコンフォーカル撮像部30は、透明窓19を介して二次電池1を照明光で照明するとともに、照明光が二次電池1で反射した反射光を透過させる対物レンズ34を有する。そして、カラーコンフォーカル撮像部30は、対物レンズ34と二次電池1との間の相対距離を変化させながら、二次電池1のカラー画像データを取得する。したがって、カラーコンフォーカル撮像部30は、カラーコンフォーカル(共焦点)光学系を構成し、高分解能のカラー共焦点画像が撮像される。 In this way, the color confocal imaging unit 30 illuminates the secondary battery 1 with illumination light through the transparent window 19 and has an objective lens 34 that transmits light reflected from the illumination light by the secondary battery 1. The color confocal imaging unit 30 then acquires color image data of the secondary battery 1 while changing the relative distance between the objective lens 34 and the secondary battery 1. Therefore, the color confocal imaging unit 30 constitutes a color confocal optical system, and high-resolution color confocal images are captured.
なお、1回の撮像操作において、対物レンズ34を光軸方向に所定の距離だけ移動させながら複数のカラー画像データを取得する。1回のカラー画像データの取得に要する時間は、例えば30秒とする。30秒間に対物レンズ34を所定の距離だけ移動させ、その間に複数のカラー画像データを取得する。尚、撮像操作の時間間隔は、例えば1分間隔とすることができる。従って、1分間隔でカラー画像データを取得する。3個の撮像素子から出力されるRGBのカラー画像データは、時系列のデータとして信号処理部50に供給され、信号処理を経て、一体化された二次電池1のカラー画像データになる。カラーコンフォーカル撮像部30の特長は下記の通りである。 In one imaging operation, multiple color image data are acquired while the objective lens 34 is moved a predetermined distance in the optical axis direction. The time required to acquire one color image data set is, for example, 30 seconds. The objective lens 34 is moved a predetermined distance in 30 seconds, and multiple color image data sets are acquired during that time. The time interval between imaging operations can be, for example, one minute. Therefore, color image data is acquired at one-minute intervals. The RGB color image data output from the three imaging elements is supplied to the signal processing unit 50 as time-series data, and after signal processing becomes color image data of the integrated secondary battery 1. The features of the color confocal imaging unit 30 are as follows:
[1]カラーコンフォーカル撮像部30は、二次電池1の観察面上の焦点の合った位置からの反射光だけを検出する。これにより、一般的な光学顕微鏡と異なり、観察面の手前に透明窓19が存在しても、透明窓19による不要な散乱光を除去することができる。また、液体中の観察面でも、液体による不要な散乱光を除去することができ、観察面を鮮明に観察することができる。 [1] The color confocal imaging unit 30 detects only the reflected light from the focused position on the observation surface of the secondary battery 1. As a result, unlike a typical optical microscope, even if a transparent window 19 is present in front of the observation surface, it is possible to eliminate unnecessary scattered light from the transparent window 19. Furthermore, even when the observation surface is submerged in liquid, it is possible to eliminate unnecessary scattered light from the liquid, allowing the observation surface to be observed clearly.
[2]カラーコンフォーカル撮像部30は、二次電池1を焦点方向にスキャンしながら各画素が最も明るくなった瞬間を合成することで、焦点深度が無限大のような「全焦点画像」を得ることができる。カラーコンフォーカル撮像部30は、数μm大の粒子で構成されることの多い立体的なLiB電極全ての部分に焦点を合わせることができ、活物質粒子の水平方向の寸法変化だけではなく、深さ方向の位置変化を測定することができる。 [2] The color confocal imaging unit 30 can obtain an "all-in-focus image" with an infinite depth of focus by synthesizing the moment when each pixel is brightest while scanning the secondary battery 1 in the focal direction. The color confocal imaging unit 30 can focus on all parts of the three-dimensional LiB electrode, which is often composed of particles several micrometers in size, and can measure not only the horizontal dimensional changes of the active material particles but also the positional changes in the depth direction.
オペランド観察する場合のデータ取得は、充放電プログラムによって充電・放電を行いながら、カラーコンフォーカル撮像部30を用いる。これにより、例えば、1分毎に撮像してカラー観察像を保存する。 When performing operando observation, data is acquired using the color confocal imaging unit 30 while charging and discharging using a charge/discharge program. This allows images to be captured, for example, every minute and the color observation images to be saved.
<信号処理部>
信号処理部50には、キーボードのような入力装置51及びモニタ52が接続される。操作者は、入力装置51を介して出力すべき解析データを指定する指定情報を入力することができる。指定された解析データは、モニタ52上に表示される。
<Signal processing section>
An input device 51 such as a keyboard and a monitor 52 are connected to the signal processing unit 50. An operator can input designation information that designates analysis data to be output via the input device 51. The designated analysis data is displayed on the monitor 52.
図3は、実施形態1に係る電気化学反応可視化装置100において、信号処理部50を例示したブロック図である。図3に示すように、信号処理部50は、画像データと充放電データとを時間的にリンクさせるために用いられるクロック装置53を有する。信号処理部50は、クロック装置53から出力されるクロック信号を共通のクロック信号として用い、カラー画像データと充放電データとをリンクさせる。すなわち、充放電の開始及び充電開始後の経過時間は、クロック装置53から出力されるクロック信号を基準として計測される。取得されたカラー画像データ及び充放電データは、クロック装置53から出力されるクロック信号と対としてメモリに記憶される。従って、クロック装置53とメモリとが画像データと充放電データとをリンクさせるリンク手段として機能する。 Figure 3 is a block diagram illustrating the signal processing unit 50 in the electrochemical reaction visualization device 100 according to embodiment 1. As shown in Figure 3, the signal processing unit 50 has a clock device 53 used to temporally link image data and charge/discharge data. The signal processing unit 50 uses the clock signal output from the clock device 53 as a common clock signal to link the color image data and charge/discharge data. That is, the start of charge/discharge and the elapsed time after the start of charge are measured based on the clock signal output from the clock device 53. The acquired color image data and charge/discharge data are stored in memory in pairs with the clock signal output from the clock device 53. Therefore, the clock device 53 and the memory function as linking means for linking the image data and charge/discharge data.
RGBのカラー画像信号は、全焦点画像形成手段54に供給される。全焦点画像形成手段54は、対物レンズ34を光軸方向に移動させながら撮像された複数のカラー共焦点画像について、各画素ごとに最大輝度値を検出し、最大輝度値により構成される2次元画像を全焦点画像として形成する。すなわち、対物レンズ34を光軸方向に移動させることにより照明ビームの集束点は、光軸方向に変位する。照明ビームの集束点が二次電池1の表面上に位置した時、撮像素子から最大輝度値が出力される。従って、対物レンズ34を光軸方向に移動させながら複数の2次元画像を撮像し、各画素ごとに最大輝度値を検出することにより、撮像エリアの全体について焦点が合った全焦点画像を形成することができる。よって、二次電池1の活物質層の断面に凹凸が存在する場合、全焦点画像形成手段54から、凹凸表面に焦点が合ったカラー画像が形成される。全焦点画像は、例えば1分の時間間隔で形成される。 The RGB color image signals are supplied to the omnifocal image forming means 54. The omnifocal image forming means 54 detects the maximum luminance value for each pixel in multiple color confocal images captured while moving the objective lens 34 in the optical axis direction, and forms a two-dimensional image composed of the maximum luminance values as an omnifocal image. That is, by moving the objective lens 34 in the optical axis direction, the focal point of the illumination beam is displaced in the optical axis direction. When the focal point of the illumination beam is positioned on the surface of the secondary battery 1, the maximum luminance value is output from the image sensor. Therefore, by capturing multiple two-dimensional images while moving the objective lens 34 in the optical axis direction and detecting the maximum luminance value for each pixel, an omnifocal image in focus for the entire imaging area can be formed. Therefore, if there are irregularities in the cross section of the active material layer of the secondary battery 1, the omnifocal image forming means 54 forms a color image in focus on the irregular surface. The omnifocal image is formed at time intervals of, for example, one minute.
カラー全焦点画像信号は、第1のメモリ55に供給される。第1のメモリ55には、クロック装置53から出力されるクロック情報も入力される。第1のメモリ55は、時系列のカラー全焦点画像とクロック情報とを対として順次記憶する。 The color all-in-focus image signal is supplied to the first memory 55. The first memory 55 also receives clock information output from the clock device 53. The first memory 55 sequentially stores pairs of time-series color all-in-focus images and clock information.
距離センサ36から出力される相対距離情報(Z軸情報)は、3次元画像形成手段56に供給される。3次元画像形成手段56は、全焦点画像形成手段54において、各画素ごとに最大輝度値を検出した時点における相対距離情報を用いて二次電池1の表面の3次元画像を形成する。すなわち、撮像素子から最大輝度値が出力された時、照明ビームの集束点は、二次電池1の表面上に位置する。このため、最大輝度値が出力された時点における光軸方向の位置情報ないし距離情報を用いて、二次電池1の観察面の3次元画像を形成することができる。3次元画像は、全焦点画像の形成と同様に、1分の時間間隔で連続して形成する。 The relative distance information (Z-axis information) output from the distance sensor 36 is supplied to the three-dimensional image forming means 56. The three-dimensional image forming means 56 forms a three-dimensional image of the surface of the secondary battery 1 using the relative distance information at the time when the maximum brightness value is detected for each pixel in the omnifocal image forming means 54. In other words, when the maximum brightness value is output from the imaging element, the focal point of the illumination beam is located on the surface of the secondary battery 1. Therefore, a three-dimensional image of the observation surface of the secondary battery 1 can be formed using position information or distance information in the optical axis direction at the time when the maximum brightness value is output. The three-dimensional images are formed continuously at one-minute time intervals, similar to the formation of the omnifocal images.
形成された3次元画像信号は、第2のメモリ57に順次供給する。第2のメモリ57には、クロック装置53から供給されるクロック情報も入力される。第2のメモリ57は、入力した3次元画像信号とクロック信号とを対として記憶する。 The formed 3D image signals are sequentially supplied to the second memory 57. The second memory 57 also receives clock information supplied from the clock device 53. The second memory 57 stores the input 3D image signals and clock signals as pairs.
充放電コントローラ20から出力される時系列の充放電データは、第3のメモリ58に供給される。第3のメモリ58には、クロック装置53から出力されるクロック信号も供給される。入力した充放電データである充放電電圧及び充放電電流とクロック情報とはそれぞれ対として記憶される。充放電データは、SOC演算手段59に供給され、充放電電流から充電開始後の充電状態(SOC、State of Charge)が求められる。充電状態は、二次電池1に蓄積されている電気量を指標するデータであり、充放電データから積算電気量を算出し、満充電を100%とし、満充電状態を基準として正規化された蓄電量を示す。算出された充電状態は、クロック情報と共に第4のメモリ60に記憶される。これにより、画像データとリンクした充電状態が第4のメモリ60に記憶される。 The time-series charge/discharge data output from the charge/discharge controller 20 is supplied to the third memory 58. The clock signal output from the clock device 53 is also supplied to the third memory 58. The input charge/discharge data, i.e., charge/discharge voltage and charge/discharge current, are each stored as a pair with clock information. The charge/discharge data is supplied to the SOC calculation means 59, which determines the state of charge (SOC) after charging begins from the charge/discharge current. The state of charge is data that indicates the amount of electricity stored in the secondary battery 1. The integrated amount of electricity is calculated from the charge/discharge data, and the amount of electricity normalized with respect to the fully charged state, with a fully charged state being 100%. The calculated state of charge is stored in the fourth memory 60 along with the clock information. As a result, the state of charge linked to the image data is stored in the fourth memory 60.
第1のメモリ55に記憶された全焦点のカラー画像データは、画像処理部70に供給される。カラー画像データは、クロック信号に対応付けられている。また、第3のメモリ58に記憶された充放電データは、第4のメモリ60を経由して、充電状態とともに画像処理部70に供給される。充放電データ及び充電状態は、クロック信号に対応付けられている。画像処理部70は、二次電池1の各充電状態のカラー画像データ、及び、各充電状態の充放電データを取得する。出力手段61は、モニタ52に対して各種のデータを出力する。 The omnifocal color image data stored in the first memory 55 is supplied to the image processing unit 70. The color image data is associated with a clock signal. Furthermore, the charge/discharge data stored in the third memory 58 is supplied to the image processing unit 70 via the fourth memory 60 along with the charge state. The charge/discharge data and charge state are associated with the clock signal. The image processing unit 70 acquires color image data for each charge state of the secondary battery 1, and charge/discharge data for each charge state. The output means 61 outputs various data to the monitor 52.
<画像処理部>
図4は、実施形態1に係る電気化学反応可視化装置100において、画像処理部70を例示したブロック図である。図4に示すように、画像処理部70は、取得部71、リンク部72、マスター抽出部73、スレーブ抽出部74及び色解析部75を有している。
<Image processing unit>
4 is a block diagram illustrating the image processing unit 70 in the electrochemical reaction visualization device 100 according to embodiment 1. As shown in FIG. 4 , the image processing unit 70 includes an acquisition unit 71, a link unit 72, a master extraction unit 73, a slave extraction unit 74, and a color analysis unit 75.
取得部71は、二次電池の各充電状態のカラー画像データ、及び、各充電状態の充放電データを取得する。リンク部72は、カラー画像データ及び充放電データを時系列で対応付ける。具体的には、リンク部72は、カラー画像データに対応付けられたクロック信号と、充放電データに対応付けられたクロック信号とをリンクさせて時系列で対応付ける。マスター抽出部73は、後述するマスターROIを抽出し、マスターマスクを生成する。スレーブ抽出部74は、後述するスレーブROIを抽出し、スレーブマスクを生成する。なお、マスター抽出部73及びスレーブ抽出部74が一体となった一つの抽出部が、マスター抽出部73及びスレーブ抽出部74の両方の機能を有してもよい。色解析部75は、カラー画像データにおける活物質部分の色を解析する。 The acquisition unit 71 acquires color image data for each charge state of the secondary battery and charge/discharge data for each charge state. The linking unit 72 associates the color image data with the charge/discharge data in chronological order. Specifically, the linking unit 72 links a clock signal associated with the color image data with a clock signal associated with the charge/discharge data, thereby associating them in chronological order. The master extraction unit 73 extracts a master ROI (described below) and generates a master mask. The slave extraction unit 74 extracts a slave ROI (described below) and generates a slave mask. Note that a single extraction unit that combines the master extraction unit 73 and the slave extraction unit 74 may have the functions of both the master extraction unit 73 and the slave extraction unit 74. The color analysis unit 75 analyzes the color of the active material portion in the color image data.
画像処理部70を含む信号処理部50または単に画像処理部70は、例えば、サーバ装置、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置でもよい。これらの装置は、それぞれ、図示しない制御部、通信部、記憶部及びインターフェース部を有している。制御部、通信部、記憶部及びインターフェース部は、それぞれ、制御手段、通信手段、記憶手段及びインターフェース手段としての機能を有している。 The signal processing unit 50 including the image processing unit 70, or simply the image processing unit 70, may be, for example, an information processing device such as a server device or a personal computer. These devices each have a control unit, communication unit, memory unit, and interface unit (not shown). The control unit, communication unit, memory unit, and interface unit function as control means, communication means, memory means, and interface means, respectively.
制御部は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、MPU(Micro Processing Unit)、ECU(Electronic Control Unit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)等のプロセッサを含む。制御部は、制御処理及び演算処理等を行う演算装置としての機能を有する。また、制御部は、通信部、記憶部、インターフェース部及び各装置の機能を実行するための各構成要素の動作を制御する。 The control unit includes a processor such as a CPU (Central Processing Unit), MPU (Micro Processing Unit), ECU (Electronic Control Unit), FPGA (Field-Programmable Gate Array), or ASIC (Application Specific Integrated Circuit). The control unit functions as a computing device that performs control processing and arithmetic processing. The control unit also controls the operation of the communication unit, memory unit, interface unit, and each component that executes the functions of each device.
各装置の各構成要素は、例えば、制御部の制御によって、プログラムを実行させることによって実現できる。より具体的には、取得部71、リンク部72、マスター抽出部73、スレーブ抽出部74及び色解析部75等の各構成要素は、記憶部に格納されたプログラムを、制御部が実行することによって実現され得る。また、必要なプログラムを任意の不揮発性記録媒体に記録しておき、必要に応じてインストールすることで、各構成要素を実現するようにしてもよい。また、各構成要素は、プログラムによるソフトウェアで実現することに限ることなく、ハードウェア、ファームウェア、及びソフトウェアのうちのいずれかの組み合わせ等により実現してもよい。 Each component of each device can be realized, for example, by executing a program under the control of the control unit. More specifically, each component, such as the acquisition unit 71, link unit 72, master extraction unit 73, slave extraction unit 74, and color analysis unit 75, can be realized by the control unit executing a program stored in the storage unit. Alternatively, each component can be realized by recording the necessary programs on any non-volatile recording medium and installing them as needed. Furthermore, each component is not limited to being realized by software programs, but may also be realized by any combination of hardware, firmware, and software.
通信部は、各装置が情報処理を行う上で必要な通信を行う。記憶部は、例えば、ROM(Read Only Memory)又はRAM(Random Access Memory)等である。記憶部は、制御部によって実行される制御プログラム及び演算プログラム等を記憶するための機能を有する。また、記憶部は、処理データ等を一時的に記憶するための機能を有する。 The communication unit performs the communications required for each device to process information. The storage unit is, for example, ROM (Read Only Memory) or RAM (Random Access Memory). The storage unit has the function of storing control programs and calculation programs executed by the control unit. The storage unit also has the function of temporarily storing processing data, etc.
インターフェース部は、例えば、ユーザインターフェース(User Interface)である。インターフェース部は、キーボード、タッチパネル又はマウス等の入力装置51と、ディスプレイ又はスピーカ等のモニタ52とに接続されている。インターフェース部は、ユーザ(オペレータ等)によるデータの入力の操作を受け付け、ユーザに対して情報を出力する。以下の電気化学反応可視化方法において、画像処理部70の各機能を説明する。 The interface unit is, for example, a user interface. The interface unit is connected to an input device 51 such as a keyboard, touch panel, or mouse, and a monitor 52 such as a display or speaker. The interface unit accepts data input operations by a user (operator, etc.) and outputs information to the user. The functions of the image processing unit 70 are described below in the electrochemical reaction visualization method.
[電気化学反応可視化方法]
次に、電気化学反応可視化方法を説明する。電気化学反応可視化方法を、<概要>、<トラッキングROIの作成>、<マスターマスクの作成>、<スレーブマスクの作成>、<トラッキングの方法>、<データ読込からトラッキング解析までの手順のフローチャート>、<色解析>の順で説明する。
[Electrochemical reaction visualization method]
Next, the electrochemical reaction visualization method will be explained in the following order: <Overview>, <Creating a tracking ROI>, <Creating a master mask>, <Creating a slave mask>, <Tracking method>, <Flowchart of the procedure from data reading to tracking analysis>, and <Color analysis>.
<概要>
図5A~図5Cは、実施形態1に係る電気化学反応可視化方法の概要を例示した図である。図5Aは、活物質と固体電解質の混合状態の模式図であり、図5Bは、全固体電池の充電前の電極におけるコンフォーカル観察を例示した全焦点画像であり、図5Cは、全固体電池の満充電の電極におけるコンフォーカル観察を例示した全焦点画像である。
<Overview>
5A to 5C are diagrams illustrating an outline of the electrochemical reaction visualization method according to embodiment 1. Fig. 5A is a schematic diagram of a mixed state of an active material and a solid electrolyte, Fig. 5B is an all-in-focus image illustrating confocal observation of an electrode of an all-solid-state battery before charging, and Fig. 5C is an all-in-focus image illustrating confocal observation of an electrode of a fully charged all-solid-state battery.
図5Aに示すように、本実施形態の電気化学反応可視化方法の概要は、充電状態によって、色変化する活物質Aと色変化しない物質Bとを識別することが前提となっている。例えば、全固体電池の活物質の代表例であるグラファイト(黒鉛)は、観察色が充電状態によって段階的に(グレー→青色→赤色→金色)変化する。この変化は、グラファイト層状結晶の層間にリチウムがインターカレートすることで、グラファイトの電子状態が変化し、反射スペクトルが変化するためと考えられている。一方、固体電解質(SEと呼ぶ。)は、グラファイトのように充放電で色が変化しない。よって、未充電状態では、活物質の輝度や色は、SEの色と類似するため、画像から簡単に識別できない。 As shown in Figure 5A, the electrochemical reaction visualization method of this embodiment is based on the premise of distinguishing between active material A, which changes color depending on the charging state, and material B, which does not. For example, the observed color of graphite, a typical active material in all-solid-state batteries, changes stepwise (gray → blue → red → gold) depending on the charging state. This change is thought to occur because lithium intercalates between the layers of graphite layer crystals, changing the electronic state of the graphite and causing a change in the reflection spectrum. On the other hand, solid electrolytes (referred to as SEs) do not change color with charging and discharging like graphite. Therefore, in the uncharged state, the brightness and color of the active material are similar to the color of the SEs, making them difficult to distinguish from the image.
図5Bに示すように、充電前の未充電状態では、色変化する活物質Aと色変化しない物質Bとは、色が類似しているために、両者を識別することが困難である。一方、図5Cに示すように、満充電状態では、活物質Aの色は金色に変化する。このため、活物質Aと物質Bとを識別することができる。そこで、本実施形態は、充電状態に応じて色変化する活物質Aだけを抽出し、色の変化を数値化することによって、充放電時間に対応した充放電状態(充放電電圧)と、色の変化との関係性を観察する。 As shown in Figure 5B, in the uncharged state before charging, active material A, which changes color, and material B, which does not change color, are difficult to distinguish between because their colors are similar. On the other hand, as shown in Figure 5C, in the fully charged state, active material A changes color to gold. This makes it possible to distinguish active material A from material B. Therefore, in this embodiment, we extract only active material A, which changes color depending on the charging state, and quantify the color change to observe the relationship between the charging/discharging state (charging/discharging voltage) corresponding to the charging/discharging time and the color change.
図6は、実施形態1に係る電気化学反応可視化方法において、活物質の追跡を例示した概念図である。図6に示すように、初期の状態(a)では、未充電状態であり、充電状態で色変化する活物質A(例えば、グラファイト)と、色変化しない物質Bとを識別することが困難である。充電時の時間経過の状態(b)では、充電状態で色変化する活物質Aの色は変化する。そして、満充電状態(c)では、活物質Aは、金色に変化する。よって、活物質Aと、色変化しない物質Bとを識別することができる。 Figure 6 is a conceptual diagram illustrating the tracking of active materials in the electrochemical reaction visualization method according to embodiment 1. As shown in Figure 6, in the initial state (a), which is an uncharged state, it is difficult to distinguish between active material A (e.g., graphite), which changes color when charged, and material B, which does not change color. As time passes during charging (b), the color of active material A, which changes color when charged, changes. Finally, in the fully charged state (c), active material A turns gold. Therefore, it is possible to distinguish between active material A and material B, which does not change color.
まず、充電状態で色変化する活物質Aと、色変化しない物質Bとを識別するために、充電状態(SOC)が100%の満充電状態(c)において、金色に変化した活物質Aを含む画像を用いて、活物質Aを抽出する。そして、抽出した活物質Aを囲む領域をトラッキングROIと設定する。 First, to distinguish between active material A, which changes color when charged, and material B, which does not change color, active material A is extracted using an image containing active material A that has turned gold in a fully charged state (c) where the state of charge (SOC) is 100%. The area surrounding the extracted active material A is then set as the tracking ROI.
具体的には、マスター抽出部73は、満充電状態のカラー画像データを選択する。マスター抽出部73は、選択したカラー画像データにおいて輝度が所定の閾値以上の部分を活物質部分として抽出する。そして、マスター抽出部73は、活物質部分を囲む範囲をトラッキングROIとして抽出する。また、マスター抽出部73は、複数のトラッキングROIを含む領域をマスターROIとして設定する。マスター抽出部73は、マスターROIから、マスターマスクを生成する。 Specifically, the master extraction unit 73 selects color image data for a fully charged state. The master extraction unit 73 extracts, from the selected color image data, portions whose brightness is equal to or greater than a predetermined threshold as active material portions. The master extraction unit 73 then extracts a range surrounding the active material portion as a tracking ROI. The master extraction unit 73 also sets an area including multiple tracking ROIs as a master ROI. The master extraction unit 73 generates a master mask from the master ROI.
次に、活物質Aの抽出に使用した範囲であるトラッキングROIに対し、初期の状態(a)及び時間経過の状態(b)に時間を遡り、あるいは、時間経過の状態(d)、最後の状態(e)に時間を進めることにより、活物質Aを追跡し続ける。 Next, for the tracking ROI, which is the range used to extract active material A, active material A is continued to be tracked by going back in time to the initial state (a) and the state over time (b), or by going forward in time to the state over time (d) and the final state (e).
具体的には、スレーブ抽出部74は、各充電状態に対応したカラー画像データにおいて、抽出した活物質部分の位置を追跡する。スレーブ抽出部74は、追跡した活物質部分を囲む範囲をトラッキングROIとして抽出する。また、スレーブ抽出部74は、複数のトラッキングROIを含む領域をスレーブROIとして設定する。スレーブ抽出部74は、スレーブROIから、スレーブマスクを生成する。 Specifically, the slave extraction unit 74 tracks the position of the extracted active material portion in the color image data corresponding to each charge state. The slave extraction unit 74 extracts the area surrounding the tracked active material portion as a tracking ROI. The slave extraction unit 74 also sets an area including multiple tracking ROIs as a slave ROI. The slave extraction unit 74 generates a slave mask from the slave ROI.
<トラッキングROIの生成>
次に、トラッキングROIの生成を詳細に説明する。図7A~図7Cは、実施形態1に係る電気化学反応可視化方法において、トラッキングROIの生成方法を例示した図であり、図7Aは、満充電状態(SOC100%)のカラー画像データを示し、図7Bは、活物質を色相で識別したカラー画像データを示し、図7Cは、トラッキングROIの抽出を示す。
<Generation of Tracking ROI>
Next, the generation of the tracking ROI will be described in detail. Figures 7A to 7C are diagrams illustrating a method for generating a tracking ROI in the electrochemical reaction visualization method according to embodiment 1. Figure 7A shows color image data in a fully charged state (SOC 100%), Figure 7B shows color image data in which active materials are identified by hue, and Figure 7C shows extraction of the tracking ROI.
図7Aに示すように、トラッキングROIを抽出する際には、まず、充電状態が100%の満充電状態(SOC100%)のカラー画像データを選択する。次に、図7Bに示すように、色変化した活物質部分APに色付けする。色付けについては<色解析>で説明する。そして、図7Cに示すように、色付けした活物質部分APを抽出する。抽出した活物質部分を画像上で四角に囲む。囲んだ四角の枠をトラッキングROI(T-ROIとも呼ぶ。)と呼ぶ。なお、図が煩雑にならないように、いくつかの活物質部分AP及びトラッキングROIのみ符号を付し、いくつかの活物質部分AP及びトラッキングROIの符号を省略している。このようにして、トラッキングROIを抽出する。カラー画像データ上に抽出したトラッキングROIだけを取り出すと、個々のトラッキングROIは、抽出した活物質部分の縦横(XY)の最大を囲むように設定されている。 As shown in Figure 7A, when extracting a tracking ROI, first select color image data for a fully charged state (SOC 100%) where the charge state is 100%. Next, as shown in Figure 7B, the color-changed active material portion AP is colored. Coloring is explained in the Color Analysis section. Then, as shown in Figure 7C, the colored active material portion AP is extracted. The extracted active material portion is enclosed in a square on the image. The enclosed square frame is called the tracking ROI (also called T-ROI). Note that to avoid cluttering the diagram, only some active material portions AP and tracking ROIs are labeled, and some active material portions AP and tracking ROIs are omitted. In this way, the tracking ROI is extracted. When only the extracted tracking ROIs are extracted from the color image data, each tracking ROI is set to encompass the maximum length and width (XY) of the extracted active material portion.
図8は、実施形態1に係る電気化学反応可視化方法において、トラッキングROIを例示した図である。図8に示すように、例えば、カラー画像データ上をXY平面とする。トラッキングROIの四角枠の左上隅のXY座標をそのトラッキングROIの座標とする。なお、XY座標は、トラッキングROIの四角枠の左上隅に限らず、右上隅、左下隅、右下隅、中央等でもよい。ここで設定した個々のトラッキングROIの大きさや形は不変とするのが基本形となる。しかしながら、トラッキングROIをSOC100%以外の画像に適用する場合や、途中で作りなおす場合に、トラッキングROIサイズを変化させる場合があってもよい。 Figure 8 is a diagram illustrating a tracking ROI in the electrochemical reaction visualization method according to embodiment 1. As shown in Figure 8, for example, the color image data is assumed to be an XY plane. The XY coordinates of the upper left corner of the rectangular frame of the tracking ROI are set as the coordinates of that tracking ROI. Note that the XY coordinates are not limited to the upper left corner of the rectangular frame of the tracking ROI, but may also be the upper right corner, lower left corner, lower right corner, center, etc. The size and shape of each tracking ROI set here are basically unchanged. However, the tracking ROI size may be changed when applying the tracking ROI to an image other than 100% SOC or when recreating it midway.
<マスターマスクの作成>
次に、複数のトラッキングROIの集まりに対して、マスターマスクを作成する。まず、トラッキングROIを抽出した領域全体を、マスターROIまたはM-ROIと呼ぶ。よって、マスターROIは、複数のトラッキングROIを含む。マスターROI内において、トラッキングROIの内部の領域は「有効領域」であり、それ以外は「無効領域」として設定する。例えば、「有効領域」を「1」として「白」で表し、「無効領域」を「0」として「黒」で表現する。
<Creating a master mask>
Next, a master mask is created for the collection of multiple tracking ROIs. First, the entire area from which the tracking ROIs are extracted is called the master ROI or M-ROI. Therefore, the master ROI includes multiple tracking ROIs. Within the master ROI, the area inside the tracking ROIs is set as the "valid area," and the rest is set as the "invalid area." For example, the "valid area" is represented as "1" and is shown in "white," and the "invalid area" is represented as "0" and is shown in "black."
図9は、実施形態1に係る電気化学反応可視化方法において、マスターマスクを例示した図である。図9に示すように、マスター抽出部73は、生成したマスターROIから、トラッキングROIの部分を有効領域とし、トラッキングROI以外の部分を無効領域としたマスターマスクを生成する。マスターマスクをM-Maskとも呼ぶ。マスターマスクは、2値化マスクを意味する。解析対象の画像とマスターマスクの論理積をとることで、「有効領域」だけを解析対象に絞りこむことが可能となる。 Figure 9 is a diagram illustrating a master mask in the electrochemical reaction visualization method according to embodiment 1. As shown in Figure 9, the master extraction unit 73 generates a master mask from the generated master ROI, with the tracking ROI portion designated as the valid region and the region outside the tracking ROI designated as the invalid region. The master mask is also called an M-Mask. A master mask refers to a binary mask. By taking the logical product of the image to be analyzed and the master mask, it is possible to narrow down the analysis target to only the "valid region."
<スレーブマスクの作成>
図10は、実施形態1に係る電気化学反応可視化方法において、マスターマスクからスレーブマスクを作成する過程を例示した図である。図10に示すように、マスター抽出部73は、満充電状態(SOC100%)のカラー画像データを選択して、マスターROI(M-ROI)及びマスターマスク(M-Mask)を生成する。なお、図10に示すように、説明の便宜のために、マスターマスク及びスレーブマスクを、モニタ52上で2値化マスクとして表示されていなくてもよい。
<Creating a slave mask>
10 is a diagram illustrating a process of creating a slave mask from a master mask in the electrochemical reaction visualization method according to embodiment 1. As shown in FIG. 10, the master extraction unit 73 selects color image data of a fully charged state (SOC 100%) and generates a master ROI (M-ROI) and a master mask (M-Mask). For ease of explanation, the master mask and the slave mask do not have to be displayed as binary masks on the monitor 52 as shown in FIG. 10.
満充電状態以外のカラー画像データから生成されるマスクをスレーブマスク(S-Mask)と呼ぶ。スレーブマスクの生成は以下の通りである。スレーブ抽出部74は、マスターマスク内のトラッキングROIを初期条件とする。そして、スレーブ抽出部74は、個々のトラッキングROIを充電状態の変化に応じて追跡することにより、複数のスレーブROI(S-ROI)を生成する。各スレーブROIは、複数のトラッキングROIを含む。 A mask generated from color image data other than the fully charged state is called a slave mask (S-Mask). A slave mask is generated as follows: The slave extraction unit 74 sets the tracking ROI in the master mask as the initial condition. The slave extraction unit 74 then tracks each tracking ROI in response to changes in the charging state, thereby generating multiple slave ROIs (S-ROIs). Each slave ROI includes multiple tracking ROIs.
そして、スレーブ抽出部74は、生成したスレーブROIから、トラッキングROIの部分を有効領域とし、トラッキングROI以外の部分を無効領域としたスレーブマスクを生成する。つまり、この再設定されたトラッキングROIに基づいて生成されたものが、「スレーブマスク」である。 The slave extraction unit 74 then generates a slave mask from the generated slave ROI, with the tracking ROI portion as the valid region and the region outside the tracking ROI as the invalid region. In other words, the "slave mask" is generated based on this reset tracking ROI.
<トラッキングの方法>
トラッキングは、物体追跡法を用いてもよい。活物質部分PAを囲む範囲(トラッキングROI)を未充電状態(SOC0%)まで時間を遡って捕捉する。また、活物質部分PAを囲む範囲(トラッキングROI)を放電末状態(SOC0%)まで時間を進めることにより捕捉する。具体的な物体追跡アルゴリズムは、OPEN-CV等で提供される方法などがある(例えば、KCF、Kernelized Correlation Filters)。時系列で保存された、メモリ等のホルダ内の全カラー画像データに対して、スレーブマスクを生成してもよい。
<Tracking method>
The tracking may be performed using an object tracking method. The area surrounding the active material portion PA (tracking ROI) is captured by tracing back in time to the uncharged state (SOC 0%). Alternatively, the area surrounding the active material portion PA (tracking ROI) is captured by tracing forward in time to the end-of-discharge state (SOC 0%). Specific object tracking algorithms include methods provided by OPEN-CV and the like (e.g., KCF, Kernelized Correlation Filters). A slave mask may be generated for all color image data stored in a folder such as a memory in chronological order.
<データ読込からトラッキング解析までの手順のフローチャート>
次に、二次電池の充放電中の状態変化を可視化する電気化学反応可視化方法について、データ読込からトラッキング解析までの手順を説明する。図11は、実施形態1に係る電気化学反応可視化方法を例示したフローチャート図である。図11のステップS10に示すように、カラー画像データを読み込む。具体的には、画像処理部70の取得部71は、カラーコンフォーカル撮像部30が撮像したカラー画像データを読み込む。二次電池1を撮像したカラー画像データは、例えば、第1のメモリ55に記憶されている。取得部71は、第1のメモリ55からカラー画像データを読み込む。
<Flowchart of the procedure from data loading to tracking analysis>
Next, the procedure from data reading to tracking analysis will be described for an electrochemical reaction visualization method for visualizing state changes during charging and discharging of a secondary battery. FIG. 11 is a flowchart illustrating an example of an electrochemical reaction visualization method according to the first embodiment. As shown in step S10 of FIG. 11 , color image data is read. Specifically, the acquisition unit 71 of the image processing unit 70 reads color image data captured by the color confocal imaging unit 30. The color image data captured of the secondary battery 1 is stored, for example, in the first memory 55. The acquisition unit 71 reads the color image data from the first memory 55.
また、ステップS20に示すように、電圧及び電流等の充放電データを読み込む。具体的には、取得部71は、二次電池1のカラー画像データを撮像した際の電圧及び電流等の充放電データを読み込む。充放電データは、例えば、第4のメモリ60に記憶されている。取得部71は、第4のメモリ60から充放電データを読み込む。なお、ステップS10及びステップS20の順序はこれに限らず、ステップS20の後にステップS10を行ってもよいし、ステップS10とステップS20を並行して行ってもよい。つまり、取得部71は、電気化学反応可視化装置100から、二次電池1の各充電状態のカラー画像データ、及び、各充電状態の充放電データを取得することができればよい。 Furthermore, as shown in step S20, charge/discharge data such as voltage and current are read. Specifically, the acquisition unit 71 reads charge/discharge data such as voltage and current when color image data of the secondary battery 1 is captured. The charge/discharge data is stored, for example, in the fourth memory 60. The acquisition unit 71 reads the charge/discharge data from the fourth memory 60. Note that the order of steps S10 and S20 is not limited to this; step S10 may be performed after step S20, or steps S10 and S20 may be performed in parallel. In other words, it is sufficient for the acquisition unit 71 to be able to acquire color image data of each charge state of the secondary battery 1 and charge/discharge data of each charge state from the electrochemical reaction visualization device 100.
次に、ステップS30に示すように、カラー画像データと充放電データとのリンクをとる。具体的には、リンク部72は、時間をキーとして同期をとり、取得したカラー画像データ及び充放電データを時系列で対応付ける。 Next, as shown in step S30, the color image data and the charge/discharge data are linked. Specifically, the linking unit 72 synchronizes using time as a key, and associates the acquired color image data and charge/discharge data in chronological order.
次に、ステップS40に示すように、トラキング解析を行う。具体的には、画像処理部70は、前述したように、マスターマスクの作成及びトラッキングを行う。なお、後述する色解析を行ってもよい。 Next, as shown in step S40, tracking analysis is performed. Specifically, the image processing unit 70 creates a master mask and performs tracking, as described above. Color analysis, which will be described later, may also be performed.
まず、ステップS41に示すように、マスターマスクを生成する。マスター抽出部73は、満充電状態のカラー画像データを選択し、選択したカラー画像データにおいて、輝度が所定の閾値以上の部分を活物質部分として抽出する。そして、マスター抽出部73は、抽出した活物質部分を囲む範囲をトラッキングROIとして抽出する。また、マスター抽出部73は、複数のトラッキングROIを含むマスターROIを生成し、生成したマスターROIから、トラッキングROIの部分を有効領域とし、トラッキングROI以外の部分を無効領域としたマスターマスクを生成する。このようにして、マスター抽出部73は、マスターROI及びマスターマスクを生成する。 First, as shown in step S41, a master mask is generated. The master extraction unit 73 selects color image data of the fully charged state and extracts, from the selected color image data, portions whose brightness is equal to or greater than a predetermined threshold as active material portions. The master extraction unit 73 then extracts an area surrounding the extracted active material portion as a tracking ROI. The master extraction unit 73 also generates a master ROI that includes multiple tracking ROIs, and generates a master mask from the generated master ROI in which the tracking ROI portions are valid regions and portions other than the tracking ROIs are invalid regions. In this way, the master extraction unit 73 generates a master ROI and a master mask.
次に、ステップS42に示すように、トラッキングを行う。スレーブ抽出部74は、各充電状態に対応したカラー画像データにおいて、抽出した活物質部分の位置を追跡する。スレーブ抽出部74は、追跡した活物質部分を囲む範囲をトラッキングROIとして抽出する。そして、スレーブ抽出部74は、複数のトラッキングROIを含むスレーブROIを生成し、生成したスレーブROIから、トラッキングROIの部分を有効領域とし、トラッキングROI以外の部分を無効領域としたスレーブマスクを生成する。トラッキング解析では、ステップS43に示すように、色解析を行ってもよい。以下で、色解析を説明する。 Next, tracking is performed as shown in step S42. The slave extraction unit 74 tracks the position of the extracted active material portion in the color image data corresponding to each charge state. The slave extraction unit 74 extracts the area surrounding the tracked active material portion as a tracking ROI. The slave extraction unit 74 then generates a slave ROI including multiple tracking ROIs, and generates a slave mask from the generated slave ROI, in which the tracking ROI portion is an effective region and the portion outside the tracking ROI is an ineffective region. In the tracking analysis, color analysis may also be performed as shown in step S43. Color analysis is described below.
<色解析>
二次電池1における充放電均一性は、二次電池1の性能を決める重要因子である。本実施形態の電気化学反応可視化装置100は、充放電中の活物質を含む電極(例えば、合材電極内の黒鉛負極)の反応分布を可視化することができる。例えば、活物質であるグラファイトは、Li量と色変化(青色→赤色→金色)が相関する。したがって、RGB輝度を下記の(1)式により、色相(Hue、または、Hとも呼ぶ。)に変換し、色の変化を数値化することができる。
<Color analysis>
The charge/discharge uniformity of the secondary battery 1 is an important factor that determines the performance of the secondary battery 1. The electrochemical reaction visualization device 100 of this embodiment can visualize the reaction distribution of an electrode containing an active material (e.g., a graphite negative electrode in a composite electrode) during charge/discharge. For example, the amount of Li in graphite, an active material, correlates with color change (blue → red → gold). Therefore, the RGB brightness can be converted into hue (also referred to as H) using the following formula (1), and the color change can be quantified.
そこで、図11のステップS43に示すように、色解析を行う。具体的には、色解析部75は、活物質部分のRGB輝度を色相に変換することにより、各充電状態を解析する。カラー画像データから抽出したRGB成分の空間的な平均値を、それぞれ、R、G、Bとする。 Therefore, color analysis is performed as shown in step S43 of Figure 11. Specifically, the color analysis unit 75 analyzes each state of charge by converting the RGB luminance of the active material portion into hue. The spatial average values of the RGB components extracted from the color image data are defined as R, G, and B, respectively.
さらに、このHueをグラファイトの色変化である青色:-120度~赤色:0度~黄色60度に分ける。そして、下記の平均点を算出する。 Furthermore, this hue is divided into the graphite color change range of blue: -120 degrees to red: 0 degrees to yellow: 60 degrees. Then, the average score below is calculated.
金色:100点
赤色:50点
青色:30点
平均点=「金色」×100点+「赤色」×50点+「青色」×30点
Gold: 100 points Red: 50 points Blue: 30 points Average score = "Gold" x 100 points + "Red" x 50 points + "Blue" x 30 points
このように、平均点を算出することで、空間分布の時間変化を得ることができる。例えば、集電帯、負極(グラファイト)、SEが順に積層した積層方向を厚み方向とする。厚み方向に分離した2つのエリアを指定し、各エリアの平均点を算出すると、二次電池1の厚み方向の反応分布を定量化することができる。 In this way, by calculating the average point, it is possible to obtain the change in spatial distribution over time. For example, the thickness direction is the direction in which the current collecting band, negative electrode (graphite), and SE are stacked in this order. By specifying two areas separated in the thickness direction and calculating the average point of each area, it is possible to quantify the reaction distribution in the thickness direction of the secondary battery 1.
本実施形態を説明する前に、比較例を説明する。図12Aは、比較例に係る電気化学反応可視化方法において、二次電池1における指定したエリアを例示した図である。図12Bは、比較例に係る電気化学反応可視化方法において、平均点の解析結果を例示したグラフであり、横軸は、時間を示し、縦軸は、平均点を示す。図12Cは、比較例に係る電気化学反応可視化方法において、抽出した活物質部分のカラーリングを例示した図である。 Before describing this embodiment, a comparative example will be described. Figure 12A is a diagram illustrating a designated area in a secondary battery 1 in an electrochemical reaction visualization method according to a comparative example. Figure 12B is a graph illustrating the analysis results of the average point in an electrochemical reaction visualization method according to a comparative example, where the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the average point. Figure 12C is a diagram illustrating the coloring of an extracted active material portion in an electrochemical reaction visualization method according to a comparative example.
図12Aに示すように、平均点を算出するエリアは、例えば、負極におけるセパレータ側解析エリア(Area1)及び集電箔側解析エリア(Area2)の2箇所である。ぞれぞれの領域を「解析ROI」と呼ぶ。セパレータ側解析エリア(Area1)及び集電箔側解析エリア(Area2)は、厚み方向に分離されている。図12Bに示すように、比較例の電気化学反応可視化方法においては、平均点は、想定される平均点よりも低い。また、反応の時間差は、想定よりも長くなる。この理由は、図12Cに示すように、比較例の電気化学反応可視化方法は、グラファイト等の活物質とSEとを区別することができないので、活物質とSEとが混在して解析される。よって、充電状態(SOC)は、30%と認識されるためである。 As shown in Figure 12A, the areas for calculating the average score are, for example, two areas on the negative electrode: the separator-side analysis area (Area 1) and the current collector foil-side analysis area (Area 2). Each area is referred to as the "analysis ROI." The separator-side analysis area (Area 1) and the current collector foil-side analysis area (Area 2) are separated in the thickness direction. As shown in Figure 12B, in the comparative electrochemical reaction visualization method, the average score is lower than the expected average score. Furthermore, the reaction time difference is longer than expected. This is because, as shown in Figure 12C, the comparative electrochemical reaction visualization method cannot distinguish between active materials such as graphite and SE, so the active materials and SE are analyzed together. Therefore, the state of charge (SOC) is recognized as 30%.
次に、本実施形態を説明する。図13Aは、実施形態1に係る電気化学反応可視化方法において、二次電池1における指定したエリアを例示した図である。図13Bは、実施形態1に係る電気化学反応可視化方法において、平均点の解析結果を例示したグラフであり、横軸は、時間を示し、縦軸は、平均点を示す。図13Cは、実施形態1に係る電気化学反応可視化方法において、抽出した活物質部分のカラーリングを例示した図である。 Next, this embodiment will be described. Figure 13A is a diagram illustrating a designated area in a secondary battery 1 in the electrochemical reaction visualization method according to embodiment 1. Figure 13B is a graph illustrating the analysis results of the average point in the electrochemical reaction visualization method according to embodiment 1, where the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the average point. Figure 13C is a diagram illustrating the coloring of an extracted active material portion in the electrochemical reaction visualization method according to embodiment 1.
図13Aに示すように、本実施形態においても、比較例と同様に、平均点を算出するエリアは、例えば、負極におけるセパレータ側解析エリア(Area1)及び集電箔側解析エリア(Area2)の2箇所である。図13Bに示すように、本実施形態の電気化学反応可視化方法においては、平均点は、想定される平均点となっている。また、反応の時間差は、想定どおりである。図13Cに示すように、本実施形態の電気化学反応可視化方法は、グラファイトの活物質部分のみを抽出することができる。よって、活物質部分について色解析を行うことができ、SEに影響されない。これにより、全固体電池でグラファイトのみを解析することができ、想定される点数を求めることができる。反応の時間差も定量化することができる。 As shown in FIG. 13A, in this embodiment, as in the comparative example, the areas for calculating the average score are, for example, two areas on the negative electrode: the separator-side analysis area (Area 1) and the current collector foil-side analysis area (Area 2). As shown in FIG. 13B, in the electrochemical reaction visualization method of this embodiment, the average score is the expected average score. Furthermore, the reaction time difference is as expected. As shown in FIG. 13C, the electrochemical reaction visualization method of this embodiment can extract only the active material portion of the graphite. Therefore, color analysis can be performed on the active material portion, and is not affected by SE. This makes it possible to analyze only the graphite in an all-solid-state battery and determine the expected score. The reaction time difference can also be quantified.
次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態の電気化学反応可視化装置100は、二次電池1を満充電状態とした上で活物質を抽出する。よって、活物質と活物質以外とを明確に分離することができる。また、抽出した活物質を囲む範囲をトラッキングROIとして抽出し、トラッキングを行う。よって、各充電状態においても活物質をトラッキングすることにより、活物質を電解質と区別することができる。このように、本実施形態は、各充電状態において、活物質と電解質とを容易に識別することにより、二次電池1の充電状態を解析することができる。 Next, the effects of this embodiment will be described. The electrochemical reaction visualization device 100 of this embodiment extracts active material after the secondary battery 1 is fully charged. This makes it possible to clearly separate active material from non-active material. In addition, the area surrounding the extracted active material is extracted as a tracking ROI, and tracking is performed. Therefore, by tracking the active material at each charge state, it is possible to distinguish the active material from the electrolyte. In this way, this embodiment makes it possible to easily distinguish between active material and electrolyte at each charge state, thereby analyzing the charge state of the secondary battery 1.
これまでのリチウムイオン電池など、透明な電解液が用いられる二次電池1では、カラーコンフォーカル顕微鏡を用いた充放電状態の観察に際し、電解液と活物質を容易に識別することができた。しかし、全固体電池など、未充電状態で活物質と輝度や色による識別が困難な電解質が用いられる二次電池1では、電池内部の電気化学反応のオペランド観察を行うことが困難である。これに対して、本実施形態では、充電状態で色や輝度が変化する活物質を識別する。そして、各充電状態にわたってトラッキングすることで、全固体電池の充電状態分布を可視化することができる。 In conventional secondary batteries 1 that use a transparent electrolyte, such as lithium-ion batteries, it has been easy to distinguish between the electrolyte and the active material when observing the charge/discharge state using a color confocal microscope. However, in secondary batteries 1 that use an electrolyte that is difficult to distinguish from the active material by brightness or color in the uncharged state, such as all-solid-state batteries, it is difficult to perform operando observation of the electrochemical reaction inside the battery. In contrast, in this embodiment, active materials that change color or brightness as they are charged are identified. Then, by tracking them across each charge state, the charge state distribution of the all-solid-state battery can be visualized.
また、本実施形態は、全固体電池の場合でも、色解析により、活物質の反応分布及び反応時間を高精度に検出することができる。 Furthermore, this embodiment allows for highly accurate detection of the reaction distribution and reaction time of active materials through color analysis, even in the case of all-solid-state batteries.
(実施形態2)
次に、実施形態2に係る電気化学反応可視化装置及び電気化学反応可視化方法を説明する。本実施形態は、トラッキングを用いた電極評価法に関するものである。図14は、実施形態2に係る電気化学反応可視化装置100において、画像処理部70を例示したブロック図である。図14に示すように、画像処理部70は、ドリフト補正部76、重なり算出部77、消滅面積算出部78、線膨張率算出部79を有している。画像処理部70は、ドリフト補正部76、重なり算出部77、消滅面積算出部78、線膨張率算出部79のうち、少なくともいずれかを有してもよい。
(Embodiment 2)
Next, an electrochemical reaction visualization device and an electrochemical reaction visualization method according to a second embodiment will be described. This embodiment relates to an electrode evaluation method using tracking. FIG. 14 is a block diagram illustrating an image processing unit 70 in the electrochemical reaction visualization device 100 according to the second embodiment. As shown in FIG. 14, the image processing unit 70 has a drift correction unit 76, an overlap calculation unit 77, a vanishing area calculation unit 78, and a linear expansion coefficient calculation unit 79. The image processing unit 70 may have at least one of the drift correction unit 76, the overlap calculation unit 77, the vanishing area calculation unit 78, and the linear expansion coefficient calculation unit 79.
図15は、実施形態2に係る電気化学反応可視化方法を例示したフローチャート図である。本実施形態の電気化学反応可視化方法は、実施形態1の電気化学反応可視化方法に比べて、トラッキングによるドリフト補正(ステップS31)、ライン画像作成(ステップS32、S37)、ドリフト補正(ステップS33)、再追跡による準マスターマスク作成(ステップS34)、活物質劣化評価1(ステップS35)、活物質劣化評価2(ステップS36)及び解析ROI座標の膨張関数補正(ステップS38)を有している。 Figure 15 is a flowchart illustrating an electrochemical reaction visualization method according to embodiment 2. Compared to the electrochemical reaction visualization method according to embodiment 1, the electrochemical reaction visualization method according to this embodiment includes drift correction by tracking (step S31), line image creation (steps S32 and S37), drift correction (step S33), quasi-master mask creation by re-tracking (step S34), active material degradation evaluation 1 (step S35), active material degradation evaluation 2 (step S36), and expansion function correction of analysis ROI coordinates (step S38).
以下の[ドリフト補正]、[ライン画像作成]、[活物質劣化評価1]、[活物質劣化評価2]、[線膨張関数による補正]、[活物質と固体電解質の分離]及び[再追跡]において、上述した各構成及び各ステップを説明する。 The following sections, "Drift Correction," "Line Image Creation," "Active Material Degradation Evaluation 1," "Active Material Degradation Evaluation 2," "Correction Using Linear Expansion Function," "Separation of Active Material and Solid Electrolyte," and "Re-Tracking," explain each of the above-mentioned configurations and steps.
[ドリフト補正]
活物質のトラッキング解析を有効に機能させるためには、光学系による二次電池1のカラー画像データ上のX方向及びY方向の位置ズレ(ドリフト)を最小限に抑える必要がある。そこで、ステップS31~S33に示すように、トラッキングによるドリフト補正、または/及び、ライン画像作成によるドリフト補正を行う。ドリフト補正のためには、まず、時系列のカラー画像データにおいて、視野内の活物質以外の不動点(ホルダーの一部のマーカーとなるもの)をトラッキングし、全カラー画像データに対して不動点が同じXY座標となるようなドリフト補正値(ΔX,ΔY)を算出する方法や、不動点の線上の位置変化を後述するライン画像から測定する方法を用いてもよい。そして、ステップS33に示すように、これらのドリフト補正値を全フレームに対して適用することによって、ドリフト補正を行う。
[Drift correction]
To effectively perform tracking analysis of the active material, it is necessary to minimize the positional deviation (drift) in the X and Y directions on the color image data of the secondary battery 1 caused by the optical system. Therefore, as shown in steps S31 to S33, drift correction by tracking and/or drift correction by creating line images is performed. Drift correction can be performed by first tracking a fixed point (a marker for part of the holder) other than the active material within the field of view in the time-series color image data and calculating a drift correction value (ΔX, ΔY) so that the fixed point has the same X and Y coordinates for all color image data, or by measuring the positional change on the line of the fixed point from the line image, as described below. Then, as shown in step S33, drift correction is performed by applying these drift correction values to all frames.
具体的には、窓付きセル10は、不動点を含む。カラー画像データは、不動点を含むように撮像される。ドリフト補正部76は、複数のカラー画像データにおける不動点を追跡し、不動点が同じ位置となるように各カラー画像データの位置ずれを補正する。 Specifically, the windowed cell 10 includes a fixed point. The color image data is captured so as to include the fixed point. The drift correction unit 76 tracks the fixed point in multiple color image data and corrects the positional deviation of each color image data so that the fixed point is in the same position.
この補正により、カラー画像データの急激なブレ等を取り除くことができる。座標の補正値を計算する場合は、ピクセルサイズの量子化によるガタガタを解消するために、バイキュービック補間等でサブピクセル処理を行うことが重要なポイントである。 This correction can remove sudden blurring of color image data. When calculating coordinate correction values, it is important to perform subpixel processing using bicubic interpolation, etc., to eliminate jerky effects caused by pixel size quantization.
[ライン画像作成]
ステップS32及びS37に示すように、ライン画像を作成する。図16A~図16Cは、実施形態2に係る電気化学反応可視化装置において、ライン画像を説明した図である。ライン画像は、時系列で得られたカラー画像データについて、所定の位置(例えば、全固体二次電池の正極・負極間の厚さ方向)におけるカラー画像データを時系列に並べた画像であり、図16B、図16Cにおいては、横軸は、時間の経過を示し、縦軸は、例えば、厚み方向である計測ラインLM上の画素の位置を示している。例えば、図16Aに示すように、不動点NPを通る計測ラインLMを設定し、当該計測ラインLMについての各カラー画像データを時系列に並べることにより、図16Bに示すようなライン画像を得ることができる。このライン画像を、不動点NPの軌跡を解析してドリフト補正に用いたり、後述する線膨張関数や収縮関数を補正したりすることができる(例えば、図16C)。
[Line image creation]
A line image is created as shown in steps S32 and S37. FIGS. 16A to 16C are diagrams illustrating a line image in the electrochemical reaction visualization device according to embodiment 2. The line image is an image in which color image data obtained in time series at a predetermined position (e.g., the thickness direction between the positive and negative electrodes of an all-solid-state secondary battery) is arranged in time series. In FIGS. 16B and 16C, the horizontal axis represents the passage of time, and the vertical axis represents, for example, the position of a pixel on a measurement line LM, which is the thickness direction. For example, as shown in FIG. 16A, a measurement line LM passing through a fixed point NP is set, and the color image data for the measurement line LM are arranged in time series to obtain a line image as shown in FIG. 16B. This line image can be used for drift correction by analyzing the trajectory of the fixed point NP, or for correcting the linear expansion function and contraction function described below (e.g., FIG. 16C).
[活物質劣化評価1]
図17Aは、実施形態2に係る電気化学反応可視化装置100において、トラッキングROIの重なりがない状態を例示した図である。図17Bは、実施形態2に係る電気化学反応可視化装置100において、トラッキングROIの重なりがある状態を例示した図である。
[Active material deterioration evaluation 1]
17A is a diagram illustrating a state in which there is no overlap of tracking ROIs in the electrochemical reaction visualization device 100 according to embodiment 2. Fig. 17B is a diagram illustrating a state in which there is overlap of tracking ROIs in the electrochemical reaction visualization device 100 according to embodiment 2.
図17Aに示すように、活物質の個々のトラッキングROIの面積は、全カラー画像データを通じて不変であるので、この総面積をΣAとする。図17Bに示すように、同じカラー画像データ内のトラッキングROI同士は、活物質が接近したり移動したりすると、重なり合う場合がある。このとき、重なる部分は、色評価において重複して解析されないようにする。さらに、この重なりを含めた全面積をΣSとする。例えば、トータルの重なり面積Cは(2)式のように書ける。 As shown in Figure 17A, the area of each tracking ROI of the active material remains constant throughout all color image data, so this total area is defined as ΣA. As shown in Figure 17B, tracking ROIs within the same color image data may overlap when the active material approaches or moves. In this case, the overlapping areas are prevented from being analyzed redundantly in color evaluation. Furthermore, the total area including this overlap is defined as ΣS. For example, the total overlapping area C can be written as in equation (2).
このように、重なりを算出する際に、ΣAを算出するために用いたマスターマスクまたはスレーブマスクを基準マスクとする。基準マスクは、ΣAを算出することができれば、任意のマスターマスクまたはスレーブマスクでもよい。後述する準マスターマスクを基準マスクに用いてもよい。ステップS35において、重なり算出部77は、例えば、基準マスクとするマスターマスクまたはスレーブマスクにおけるトラッキングROIの面積の和と、基準マスクと異なるマスターマスクまたはスレーブマスクに含まれるトラッキングROIの面積の和と、の差から、トラッキングROIの重なりを算出する。トラッキングROI同士の重なりが一切ない場合は、C=0となる。ここで、パラメータΦを(3)式のように定義する。 In this way, when calculating the overlap, the master mask or slave mask used to calculate ΣA is used as the reference mask. The reference mask may be any master mask or slave mask as long as it can calculate ΣA. A quasi-master mask, described below, may also be used as the reference mask. In step S35, the overlap calculation unit 77 calculates the overlap of the tracking ROIs from, for example, the difference between the sum of the areas of the tracking ROIs in the master mask or slave mask used as the reference mask and the sum of the areas of the tracking ROIs included in a master mask or slave mask different from the reference mask. If there is no overlap between the tracking ROIs, then C = 0. Here, the parameter Φ is defined as in equation (3).
充放電で活物質同士が押し合うことで、粒子の崩壊や劣化につながると考えると、Φの変化は、電極の劣化を評価するパラメータとして使うことができる。これは、色解析しなくとも良い方法なので、色変化のあまりないグラファイト以外の活物質評価に適用できる、簡便な方法である。 If we consider that particles of active material pushing against each other during charging and discharging lead to particle collapse and deterioration, then the change in Φ can be used as a parameter to evaluate electrode deterioration. Because this method does not require color analysis, it is a simple method that can be applied to the evaluation of active materials other than graphite, which do not show much color change.
図18は、実施形態2に係る電気化学反応可視化装置100において、トラッキングROIの重なりを例示した図である。図18に示すように、重なりを面積ではなく、X方向(例えば、第1方向)の重なりの長さLxの合計、Y方向(例えば、第2方向)の重なりの長さLyの合計にすることで、二次電池1内の活物質の変形や移動の方向性を評価することができる。トラッキングROIのX方向の長さの合計に対するX方向の重ならない長さの割合及びトラッキングROIのY方向の長さの合計に対するY方向の重ならない長さの割合をそれぞれ、(4)式及び(5)式のように定義する。トラッキングROIのX方向の長さの合計とY方向の長さの合計をそれぞれ、ΣLRXとΣLRYとする。 18 is a diagram illustrating an example of overlap of tracking ROIs in the electrochemical reaction visualization device 100 according to embodiment 2. As shown in FIG. 18 , by calculating the overlap not as an area but as the sum of the overlap lengths Lx in the X direction (e.g., the first direction) and the sum of the overlap lengths Ly in the Y direction (e.g., the second direction), the directionality of deformation and movement of the active material in the secondary battery 1 can be evaluated. The ratio of the non-overlapping length in the X direction to the total length of the tracking ROI in the X direction and the ratio of the non-overlapping length in the Y direction to the total length of the tracking ROI in the Y direction are defined by equations (4) and (5), respectively. The total length of the tracking ROI in the X direction and the total length of the tracking ROI in the Y direction are defined as ΣL RX and ΣL RY , respectively.
ここでは、重なりを算出する際に、ΣLRXとΣLRYを算出するために用いたマスターマスクまたはスレーブマスクを基準マスクとする。基準マスクは、ΣLRXとΣLRYを算出することができれば、任意のマスターマスクまたはスレーブマスクでもよい。後述する準マスターマスクを基準マスクに用いてもよい。ステップS35において、重なり算出部77は、基準マスクとするマスターマスクまたはスレーブマスクに含まれる各トラッキングROIのX方向の長さの和及びY方向の長さの和の少なくともいずれかと、基準マスクと異なるマスターマスクまたはスレーブマスクに含まれる各トラッキングROIのX方向の長さの和及びY方向の長さの和の少なくともいずれかと、の差から、トラッキングROIのX方向及びY方向の少なくともいずれかの長さの重なりを算出する。活物質劣化評価1では、重なり算出部77は、ラッキングROIの重なり面積、及び、重なり長さの少なくともいずれかを算出することにより、活物質の劣化を評価する。 Here, when calculating the overlap, the master mask or slave mask used to calculate ΣL RX and ΣL RY is used as the reference mask. The reference mask may be any master mask or slave mask as long as it can calculate ΣL RX and ΣL RY . A quasi-master mask, described later, may also be used as the reference mask. In step S35, the overlap calculation unit 77 calculates the overlap of at least one of the X- and Y-direction lengths of the tracking ROIs included in the master mask or slave mask used as the reference mask, based on the difference between the sum of the X- and Y-direction lengths of each tracking ROI included in the master mask or slave mask different from the reference mask and the sum of the X- and Y-direction lengths of each tracking ROI included in the master mask or slave mask different from the reference mask. In active material degradation evaluation 1, the overlap calculation unit 77 evaluates the degradation of the active material by calculating at least one of the overlap area and overlap length of the racking ROIs.
[活物質劣化評価2]
活物質をトラッキングする際に、活物質が破断、崩壊等により、活物質を捕捉できない場合は、そのトラッキングROIの属性を「Lost」とする。Lost属性のトラッキングROIの総面積をΣLとし、パラメータχを(6)式のように定義する。
[Active material deterioration evaluation 2]
When tracking an active material, if the active material cannot be captured due to breakage, collapse, etc., the attribute of the tracking ROI is set to "Lost." The total area of the tracking ROIs with the Lost attribute is set to ΣL, and the parameter χ is defined as in equation (6).
ここでは、ΣAを算出するために用いたマスターマスクまたはスレーブマスクを基準マスクとする。基準マスクは、ΣAを算出することができれば、任意のマスターマスクまたはスレーブマスクでもよい。後述する準マスターマスクを基準マスクに用いてもよい。消滅面積算出部78は、基準マスクとするマスターマスクまたはスレーブマスクのトラッキングROIのうち、対応するトラッキングROIが基準マスクと異なるマスターマスクまたはスレーブマスクにおいて消滅したものの面積を算出する。ステップS36に示すように、活物質劣化評価2として、消滅面積算出部78は、トラッキングROIの消滅を算出することにより、トラッキングで捕捉できない程度のコントラスト変化しかでない状態がどの程度実験に含まれているかをパラメータχから評価する。つまり、全体の色解析の出来具合を評価する指標として、このパラメータを用いることができる。 Here, the master mask or slave mask used to calculate ΣA is used as the reference mask. The reference mask may be any master mask or slave mask as long as it can calculate ΣA. A quasi-master mask, described below, may also be used as the reference mask. The disappearance area calculation unit 78 calculates the area of the disappearance in the master mask or slave mask whose corresponding tracking ROI differs from the reference mask, among the tracking ROIs of the master mask or slave mask used as the reference mask. As shown in step S36, for active material degradation evaluation 2, the disappearance area calculation unit 78 calculates the disappearance of the tracking ROI, and uses the parameter χ to evaluate the extent to which the experiment includes states in which the contrast change is so small that it cannot be captured by tracking. In other words, this parameter can be used as an index for evaluating the overall success of the color analysis.
[線膨張関数による補正]
次に、線膨張関数による補正を説明する。まず、ステップS37に示すように、ステップS33と同様の方法で、ライン画像を生成する。次に、ステップS38に示すように、解析ROI座標の膨張関数補正を行う。以下で、図を参照して説明する。
[Correction by linear expansion function]
Next, correction using a linear expansion function will be described. First, as shown in step S37, a line image is generated using the same method as in step S33. Next, as shown in step S38, expansion function correction is performed on the analysis ROI coordinates. The following description will be made with reference to the drawings.
図19は、実施形態2に係る電気化学反応可視化装置100において、膨張関数及び収縮関数を例示したグラフであり、横軸は、時間を示し、左側の縦軸は、膨張率を示し、右側の縦軸は、電圧を示す。図19では、例えば、カラー画像データのY方向に沿った線上のライン画像からY軸方向の膨張率を解析した結果を示している。図19に示すように、0時間から12時間までは、二次電池1のY軸方向の膨張率は増加している。これは電圧が高くなっていくことに対応している。すなわち、充電されていることを示す。一方、12時間から20時間までは、二次電池1のY軸方向の膨張率は減少している。これは電圧が低くなっていくことに対応している。すなわち、放電されていることを示す。 Figure 19 is a graph illustrating the expansion function and contraction function in the electrochemical reaction visualization device 100 according to embodiment 2. The horizontal axis represents time, the left vertical axis represents the expansion rate, and the right vertical axis represents voltage. Figure 19 shows, for example, the results of analyzing the expansion rate in the Y-axis direction from a line image along the Y direction of color image data. As shown in Figure 19, from 0 hours to 12 hours, the expansion rate of the secondary battery 1 in the Y-axis direction increases. This corresponds to an increase in voltage, which indicates that the battery is being charged. On the other hand, from 12 hours to 20 hours, the expansion rate of the secondary battery 1 in the Y-axis direction decreases. This corresponds to a decrease in voltage, which indicates that the battery is being discharged.
線膨張率算出部79は、各充電状態におけるトラッキングROIのY方向(例えば、第2方向)の線膨張率を算出する。そして、線膨張率算出部79は、0時間から12時間までのY軸方向の線膨張率の時間変化及び12時間から20時間までのY軸方向の線膨張率の時間変化を、それぞれ、多項式等で近似関数化(あるいは参照テーブル)する。例えば、線膨張率算出部79は、0時間から12時間までの時間に対して線膨張率が増加する変化を近似する膨張関数を算出する。また、線膨張率算出部79は、12時間から20時間までの時間に対して線膨張率が減少する変化を近似する収縮関数を算出する。 The linear expansion coefficient calculation unit 79 calculates the linear expansion coefficient in the Y direction (e.g., the second direction) of the tracking ROI at each charging state. The linear expansion coefficient calculation unit 79 then approximates the time change in the linear expansion coefficient in the Y-axis direction from 0 hours to 12 hours and the time change in the linear expansion coefficient in the Y-axis direction from 12 hours to 20 hours using a polynomial or the like (or creates a lookup table). For example, the linear expansion coefficient calculation unit 79 calculates an expansion function that approximates the increase in the linear expansion coefficient over time from 0 hours to 12 hours. The linear expansion coefficient calculation unit 79 also calculates a contraction function that approximates the decrease in the linear expansion coefficient over time from 12 hours to 20 hours.
図20A及び図20Bは、実施形態2に係る電気化学反応可視化装置において、膨張関数による解析ROI座標の補正を例示した図である。図20Aに示すように、解析ROI-A及び解析ROI-Bの初期Y座標は、Ya及びYbで与えられている。図20Bに示すように、充電時における解析ROI-A及び解析ROI-Bの補正Y座標は、膨張関数Ey(t)を用いて、下記の(7)式及び(8)式により算出することができる。なお、Y座標の原点は、ドリフト補正の「不動点」を原点とすることが好ましい。 Figures 20A and 20B are diagrams illustrating the correction of analytical ROI coordinates using an expansion function in the electrochemical reaction visualization device according to embodiment 2. As shown in Figure 20A, the initial Y coordinates of analytical ROI-A and analytical ROI-B are given by Ya and Yb. As shown in Figure 20B, the corrected Y coordinates of analytical ROI-A and analytical ROI-B during charging can be calculated using the expansion function Ey(t) according to the following equations (7) and (8). Note that it is preferable to set the origin of the Y coordinate at the "fixed point" of drift correction.
このような補正によって、膨張収縮によって解析ROIの位置が電極内の相対位置からずれることを抑制することができる。この方法により、色解析等の解析領域を必要最小限の大きさに制限することが可能となる。解析領域をできるだけ制限することは、空間的な分解能を向上させることと、解析の計算負荷を減らすことにつながり、解析コストを削減するために必要な処理となる。 This type of correction prevents the position of the analysis ROI from shifting from its relative position within the electrode due to expansion and contraction. This method makes it possible to limit the analysis area, such as color analysis, to the minimum necessary size. Limiting the analysis area as much as possible improves spatial resolution and reduces the calculation load of the analysis, making it a necessary process for reducing analysis costs.
なお、線膨張率算出部79は、Y方向(例えば、第2方向)の線膨張率を算出したが、これに限らず、X方向(例えば、第1方向)及びY方向(例えば、第2方向)の少なくともいずれかの線膨張率を算出してもよい。また、上の説明は、解析ROI(解析領域)の膨張補正について述べたものであるが、まったく同様の補正をマスターROI座標の膨張収縮補正についても適用することができる。 Note that while the linear expansion coefficient calculation unit 79 calculated the linear expansion coefficient in the Y direction (e.g., the second direction), this is not limiting and the linear expansion coefficient may be calculated in at least one of the X direction (e.g., the first direction) and the Y direction (e.g., the second direction). Furthermore, while the above explanation describes expansion correction of the analysis ROI (analysis region), the same correction can also be applied to expansion/contraction correction of the master ROI coordinates.
[活物質と固体電解質の分離]
充電される前(放電状態)の活物質と固体電解質とは、カラー画像データ全体を同じ基準を使って、二値化処理で分離するのは極めて困難である。しかし、ある場所の活物質の近傍だけに着目した場合は、色相や輝度を使って二値化処理等で分離することが可能である。そこで、活物質をトラッキングした、そのトラッキングROI内においで、それぞれのトラッキングROI毎に活物質と固体電解質の二値化処理条件を設定する。こうすることで、活物質と固体電解質とを精度よく分離することが可能となる。例えば、マスター抽出部73及びスレーブ抽出部74は、各トラキングROI内の活物質部分と、活物質部分以外の部分と、を分離してもよい。
[Separation of active material and solid electrolyte]
It is extremely difficult to separate the active material and solid electrolyte before charging (discharged state) using the same criteria for the entire color image data through binarization processing. However, if only the vicinity of the active material at a certain location is focused on, separation is possible through binarization processing, etc., using hue or brightness. Therefore, within the tracking ROI in which the active material is tracked, binarization processing conditions for the active material and solid electrolyte are set for each tracking ROI. This makes it possible to accurately separate the active material and solid electrolyte. For example, the master extraction unit 73 and the slave extraction unit 74 may separate the active material portion from the portion other than the active material portion within each tracking ROI.
[再追跡]
トラッキング時に、活物質を捕捉できない場合、解析の途中でマスターROIをあらためて作成する。仮に、これを準マスターROIとする。トラッキングの捕捉が充放電過程を通じて一貫して実行できない場合は、いくかの時間において作成した準マスターROIを参照することで、トラッキングを継続させることができる。
[Re-tracking]
If the active material cannot be captured during tracking, a new master ROI is created during the analysis. This ROI is assumed to be a quasi-master ROI. If tracking capture cannot be performed consistently throughout the charge/discharge process, tracking can be continued by referencing the quasi-master ROI created at several times.
このように、ステップS34に示すように、再追跡による準マスターマスクの作成を行ってもよい。具体的には、マスター抽出部73が抽出した活物質部分の位置をスレーブ抽出部74が追跡できない場合に、マスター抽出部73は、満充電状態以外の充電状態のカラー画像データを選択してもよい。そして、マスター抽出部73は、選択したカラー画像データにおいて輝度が所定の閾値以上の部分を活物質部分として抽出し、活物質部分を囲む範囲をトラッキングROIとして抽出してもよい。さらに、マスター抽出部73は、複数のトラッキングROIを含む準マスターROIを生成し、生成した準マスターROIから、トラッキングROIの部分を有効領域とし、トラッキングROI以外の部分を無効領域とした準マスターマスクを生成してもよい。なお、上述した[活物質劣化評価1]及び[活物質劣化評価2]における基準マスクに準マスターマスクを用いてもよい。 In this way, as shown in step S34, a quasi-master mask may be created by re-tracking. Specifically, if the slave extraction unit 74 cannot track the position of the active material portion extracted by the master extraction unit 73, the master extraction unit 73 may select color image data of a charge state other than the fully charged state. The master extraction unit 73 may then extract, as the active material portion, a portion of the selected color image data whose brightness is equal to or greater than a predetermined threshold, and extract a range surrounding the active material portion as a tracking ROI. Furthermore, the master extraction unit 73 may generate a quasi-master ROI including multiple tracking ROIs, and from the generated quasi-master ROI, generate a quasi-master mask in which the tracking ROI portion is the valid region and the region outside the tracking ROI is the invalid region. Note that the quasi-master mask may be used as the reference mask in the above-mentioned [Active Material Deterioration Evaluation 1] and [Active Material Deterioration Evaluation 2].
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態よる限定は受けない。また、実施形態1及び2における各構成は、適宜、組み合わせてもよい。 The above describes embodiments of the present invention, but the present invention includes appropriate modifications that do not impair its objects and advantages, and is not limited to the above embodiments. Furthermore, the configurations in embodiments 1 and 2 may be combined as appropriate.
また、本実施形態の電気化学反応可視化方法をコンピュータに実行させる下記の電気化学反応可視化プログラムも実施形態の技術思想に含まれる。 The technical concept of the embodiment also includes the following electrochemical reaction visualization program that causes a computer to execute the electrochemical reaction visualization method of the embodiment.
二次電池の充放電中の状態変化を可視化する電気化学反応可視化プログラムであって、
透明窓を有し、満充電状態で輝度が大きくなる活物質を含む前記二次電池を収納する観察用セルと、
前記充放電中に充電量が異なる複数の充電状態を経るように、充放電を制御する充放電コントローラと、
前記透明窓を介して前記二次電池を照明光で照明するとともに、前記照明光が前記二次電池で反射した反射光を透過させる対物レンズを有し、前記対物レンズと前記二次電池との間の相対距離を変化させながら前記二次電池のカラー画像データを取得するカラーコンフォーカル撮像部と、
を備えた電気化学反応可視化装置から、前記二次電池の各充電状態の前記カラー画像データ、及び、各充電状態の充放電データを取得させるデータ取得ステップと、
前記カラー画像データ及び前記充放電データを時系列で対応付けさせるリンクステップと、
前記満充電状態の前記カラー画像データを選択し、選択された前記カラー画像データにおいて前記輝度が所定の閾値以上の部分を前記活物質部分として抽出させ、前記活物質部分を囲む範囲をトラッキングROIとして抽出させるマスター抽出ステップと、
各充電状態に対応した前記カラー画像データにおいて、抽出した前記活物質部分の位置を追跡させ、追跡した前記活物質部分を囲む範囲を前記トラッキングROIとして抽出させるスレーブ抽出ステップと、
をコンピュータに実行させる電気化学反応可視化プログラム。
An electrochemical reaction visualization program for visualizing state changes during charging and discharging of a secondary battery,
an observation cell having a transparent window and housing the secondary battery containing an active material whose luminance increases when fully charged;
a charge/discharge controller that controls the charging/discharging so that the battery passes through a plurality of charge states with different charge amounts during the charging/discharging;
a color confocal imaging unit that illuminates the secondary battery with illumination light through the transparent window and has an objective lens that transmits light reflected from the secondary battery from the illumination light, and acquires color image data of the secondary battery while changing the relative distance between the objective lens and the secondary battery;
a data acquisition step of acquiring the color image data of each charge state of the secondary battery and charge/discharge data of each charge state from an electrochemical reaction visualization device comprising:
a linking step of associating the color image data with the charge/discharge data in time series;
a master extraction step of selecting the color image data in the fully charged state, extracting a portion of the selected color image data where the brightness is equal to or greater than a predetermined threshold as the active material portion, and extracting a range surrounding the active material portion as a tracking ROI;
a slave extraction step of tracking the position of the extracted active material portion in the color image data corresponding to each state of charge and extracting a range surrounding the tracked active material portion as the tracking ROI;
An electrochemical reaction visualization program that runs on a computer.
また、上述した電気化学反応可視化プログラムは、コンピュータに読み込まれた場合に、実施形態で説明された1又はそれ以上の機能をコンピュータに行わせるための命令群(又はソフトウェアコード)を含む。プログラムは、非一時的なコンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体に格納されてもよい。限定ではなく例として、コンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体は、random-access memory(RAM)、read-only memory(ROM)、フラッシュメモリ、solid-state drive(SSD)又はその他のメモリ技術、CD-ROM、digital versatile disc(DVD)、Blu-ray(登録商標)ディスク又はその他の光ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ又はその他の磁気ストレージデバイスを含む。プログラムは、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体上で送信されてもよい。限定ではなく例として、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体は、電気的、光学的、音響的、またはその他の形式の伝搬信号を含む。 The electrochemical reaction visualization program described above also includes instructions (or software code) that, when loaded into a computer, cause the computer to perform one or more functions described in the embodiments. The program may be stored on a non-transitory computer-readable medium or a tangible storage medium. By way of example and not limitation, computer-readable media or tangible storage media include random-access memory (RAM), read-only memory (ROM), flash memory, solid-state drive (SSD) or other memory technologies, CD-ROM, digital versatile disc (DVD), Blu-ray (registered trademark) disc or other optical disk storage, magnetic cassette, magnetic tape, magnetic disk storage or other magnetic storage devices. The program may also be transmitted on a temporary computer-readable medium or communication medium. By way of example and not limitation, temporary computer-readable media or communication media include electrical, optical, acoustic, or other forms of propagated signals.
1 二次電池
2 正極集電板
3 正極活物質層
4 セパレータ
5 負極活物質層
6 負極集電板
10 窓付きセル
10a、10b 接続端子
19 透明窓
20 充放電コントローラ
30 カラーコンフォーカル撮像部
31 照明光源
32 ビームスプリッタ
33 2次元スキャナ
34 対物レンズ
35 モータ
36 距離センサ
37 画像取得部
50 信号処理部
51 入力装置
52 モニタ
53 クロック装置
54 全焦点画像形成手段
55 第1のメモリ
56 3次元画像形成手段
57 第2のメモリ
58 第3のメモリ
59 SOC演算手段
60 第4のメモリ
61 出力手段
70 画像処理部
71 取得部
72 リンク部
73 マスター抽出部
74 スレーブ抽出部
75 色解析部
76 ドリフト補正部
77 重なり算出部
78 消滅面積算出部
79 線膨張率算出部
100 電気化学反応可視化装置
1 Secondary battery 2 Positive electrode current collector 3 Positive electrode active material layer 4 Separator 5 Negative electrode active material layer 6 Negative electrode current collector 10 Windowed cell 10a, 10b Connection terminal 19 Transparent window 20 Charge/discharge controller 30 Color confocal imaging unit 31 Illumination light source 32 Beam splitter 33 Two-dimensional scanner 34 Objective lens 35 Motor 36 Distance sensor 37 Image acquisition unit 50 Signal processing unit 51 Input device 52 Monitor 53 Clock device 54 All-focus image forming means 55 First memory 56 Three-dimensional image forming means 57 Second memory 58 Third memory 59 SOC calculation means 60 Fourth memory 61 Output means 70 Image processing unit 71 Acquisition unit 72 Link unit 73 Master extraction unit 74 Slave extraction unit 75 Color analysis unit 76 Drift correction unit 77 Overlap calculation unit 78 Vanishing area calculation unit 79 Linear expansion coefficient calculation unit 100 Electrochemical reaction visualization device
Claims (20)
透明窓を有し、満充電状態で輝度が大きくなる活物質を含む前記二次電池を収納する窓付きセルと、
前記充放電中に充電量が異なる複数の充電状態を経るように、充放電を制御する充放電コントローラと、
前記透明窓を介して前記二次電池を照明光で照明するとともに、前記照明光が前記二次電池で反射した反射光を透過させる対物レンズを有し、前記対物レンズと前記二次電池との間の相対距離を変化させながら前記二次電池のカラー画像データを取得するカラーコンフォーカル撮像部と、
前記二次電池の各充電状態の前記カラー画像データ、及び、各充電状態の充放電データを取得する画像処理部と、
を備え、
前記画像処理部は、
前記カラー画像データ及び前記充放電データを時系列で対応付けるリンク部と、
前記満充電状態の前記カラー画像データを選択し、選択した前記カラー画像データにおいて前記輝度が所定の閾値以上の部分を活物質部分として抽出し、前記活物質部分を囲む範囲をトラッキングROIとして抽出するマスター抽出部と、
各充電状態に対応した前記カラー画像データにおいて、抽出した前記活物質部分の位置を追跡し、追跡した前記活物質部分を囲む範囲を前記トラッキングROIとして抽出するスレーブ抽出部と、
を有する、
電気化学反応可視化装置。 An electrochemical reaction visualization device that visualizes state changes during charging and discharging of a secondary battery,
a windowed cell having a transparent window and housing the secondary battery containing an active material that exhibits high luminance in a fully charged state;
a charge/discharge controller that controls the charging/discharging so that the battery passes through a plurality of charge states with different charge amounts during the charging/discharging;
a color confocal imaging unit that illuminates the secondary battery with illumination light through the transparent window and has an objective lens that transmits light reflected from the secondary battery from the illumination light, and acquires color image data of the secondary battery while changing the relative distance between the objective lens and the secondary battery;
an image processing unit that acquires the color image data of each charge state of the secondary battery and charge/discharge data of each charge state;
Equipped with
The image processing unit
a linking unit that associates the color image data with the charge/discharge data in chronological order;
a master extraction unit that selects the color image data of the fully charged state, extracts a portion of the selected color image data where the brightness is equal to or greater than a predetermined threshold as an active material portion, and extracts a range surrounding the active material portion as a tracking ROI;
a slave extraction unit that tracks the position of the extracted active material portion in the color image data corresponding to each state of charge and extracts a range surrounding the tracked active material portion as the tracking ROI;
having
Electrochemical reaction visualization device.
請求項1に記載の電気化学反応可視化装置。 the image processing unit further includes a color analysis unit that converts the RGB luminance of the active material portion into a hue to analyze each state of charge;
The electrochemical reaction visualization device according to claim 1 .
複数の前記トラッキングROIを含むマスターROIを生成し、
生成した前記マスターROIから、前記トラッキングROIの部分を有効領域とし、前記トラッキングROI以外の部分を無効領域としたマスターマスクを生成し、
前記スレーブ抽出部は、
複数の前記トラッキングROIを含むスレーブROIを生成し、
生成した前記スレーブROIから、前記トラッキングROIの部分を有効領域とし、前記トラッキングROI以外の部分を無効領域としたスレーブマスクを生成する、
請求項1または2に記載の電気化学反応可視化装置。 The master extraction unit
generating a master ROI that includes a plurality of said tracking ROIs;
generating a master mask from the generated master ROI, the master mask having the tracking ROI as a valid region and the region other than the tracking ROI as an invalid region;
The slave extraction unit
generating a slave ROI including a plurality of said tracking ROIs;
generating a slave mask from the generated slave ROI, the slave mask having the tracking ROI portion as a valid region and the portion other than the tracking ROI as an invalid region;
The electrochemical reaction visualization device according to claim 1 or 2.
請求項3に記載の電気化学反応可視化装置。 the image processing unit further includes an overlap calculation unit that calculates an overlap of the tracking ROI from a difference between a sum of areas of the tracking ROIs included in the master mask or the slave mask that is a reference mask and a sum of areas of the tracking ROIs included in the master mask or the slave mask that is different from the reference mask;
The electrochemical reaction visualization device according to claim 3 .
請求項3または4に記載の電気化学反応可視化装置。 The image processing unit further includes an overlap calculation unit that calculates an overlap of at least one of the lengths in the first direction and the second direction of the tracking ROIs from a difference between at least one of a sum of lengths in a first direction and a sum of lengths in a second direction orthogonal to the first direction of each tracking ROI included in the master mask or the slave mask that is a reference mask, and at least one of a sum of lengths in the first direction and a sum of lengths in the second direction of each tracking ROI included in the master mask or the slave mask that is different from the reference mask.
The electrochemical reaction visualization device according to claim 3 or 4.
請求項3に記載の電気化学反応可視化装置。 the image processing unit further includes a disappearance area calculation unit that calculates an area of the tracking ROI of the master mask or the slave mask that is used as a reference mask, the disappearance area being calculated when the corresponding tracking ROI is different from the reference mask in the master mask or the slave mask.
The electrochemical reaction visualization device according to claim 3 .
前記線膨張率算出部は、時間に対して前記線膨張率が増加する変化を近似する膨張関数、及び、前記時間に対して前記線膨張率が減少する変化を近似する収縮関数の少なくともいずれかを算出する、
請求項3に記載の電気化学反応可視化装置。 a linear expansion coefficient calculation unit that calculates a linear expansion coefficient of at least one of a first direction of the tracking ROI and a second direction orthogonal to the first direction in each charging state;
the linear expansion coefficient calculation unit calculates at least one of an expansion function that approximates an increase in the linear expansion coefficient with respect to time and a contraction function that approximates a decrease in the linear expansion coefficient with respect to time.
The electrochemical reaction visualization device according to claim 3 .
前記カラー画像データは、前記不動点を含むように撮像され、
前記画像処理部は、複数の前記カラー画像データにおける前記不動点を追跡し、前記不動点が同じ位置となるように各カラー画像データの位置ずれを補正するドリフト補正部をさらに有する、
請求項1~7のいずれか1項に記載の電気化学反応可視化装置。 the windowed cell includes a fixed point;
the color image data is captured so as to include the fixed point;
the image processing unit further includes a drift correction unit that tracks the fixed points in the plurality of pieces of color image data and corrects positional deviations of the color image data so that the fixed points are at the same position.
The electrochemical reaction visualization device according to any one of claims 1 to 7.
請求項1~8のいずれか1項に記載の電気化学反応可視化装置。 the master extractor and the slave extractor separate the active material portion within each tracking ROI from a portion other than the active material portion;
The electrochemical reaction visualization device according to any one of claims 1 to 8.
前記マスター抽出部は、
満充電状態以外の前記充電状態の前記カラー画像データを選択し、
選択した前記カラー画像データにおいて前記輝度が所定の閾値以上の部分を前記活物質部分として抽出し、
前記活物質部分を囲む範囲をトラッキングROIとして抽出し、
複数の前記トラッキングROIを含む準マスターROIを生成し、
生成した前記準マスターROIから、前記トラッキングROIの部分を有効領域とし、前記トラッキングROI以外の部分を無効領域とした準マスターマスクを生成する、
請求項1~9のいずれか1項に記載の電気化学反応可視化装置。 When the slave extraction unit cannot track the position of the active material portion extracted by the master extraction unit,
The master extraction unit
Select the color image data of the charging state other than the fully charged state,
extracting a portion of the selected color image data where the brightness is equal to or greater than a predetermined threshold as the active material portion;
extracting a region surrounding the active material portion as a tracking ROI;
generating a quasi-master ROI including a plurality of said tracking ROIs;
generating a quasi-master mask from the generated quasi-master ROI, in which the tracking ROI portion is a valid region and the portion other than the tracking ROI is a invalid region;
The electrochemical reaction visualization device according to any one of claims 1 to 9.
透明窓を有し、満充電状態で輝度が大きくなる活物質を含む前記二次電池を収納する窓付きセルと、
前記充放電中に充電量が異なる複数の充電状態を経るように、充放電を制御する充放電コントローラと、
前記透明窓を介して前記二次電池を照明光で照明するとともに、前記照明光が前記二次電池で反射した反射光を透過させる対物レンズを有し、前記対物レンズと前記二次電池との間の相対距離を変化させながら前記二次電池のカラー画像データを取得するカラーコンフォーカル撮像部と、
を備えた電気化学反応可視化装置から、前記二次電池の各充電状態の前記カラー画像データ、及び、各充電状態の充放電データを取得するデータ取得ステップと、
前記カラー画像データ及び前記充放電データを時系列で対応付けるリンクステップと、
前記満充電状態の前記カラー画像データを選択し、選択した前記カラー画像データにおいて前記輝度が所定の閾値以上の部分を活物質部分として抽出し、前記活物質部分を囲む範囲をトラッキングROIとして抽出するマスター抽出ステップと、
各充電状態に対応した前記カラー画像データにおいて、抽出した前記活物質部分の位置を追跡し、追跡した前記活物質部分を囲む範囲を前記トラッキングROIとして抽出するスレーブ抽出ステップと、
を有する電気化学反応可視化方法。 An electrochemical reaction visualization method for visualizing a state change during charging and discharging of a secondary battery, comprising:
a windowed cell having a transparent window and housing the secondary battery containing an active material that exhibits high luminance in a fully charged state;
a charge/discharge controller that controls the charging/discharging so that the battery passes through a plurality of charge states with different charge amounts during the charging/discharging;
a color confocal imaging unit that illuminates the secondary battery with illumination light through the transparent window and has an objective lens that transmits light reflected from the secondary battery from the illumination light, and acquires color image data of the secondary battery while changing the relative distance between the objective lens and the secondary battery;
a data acquisition step of acquiring the color image data of each charge state of the secondary battery and charge/discharge data of each charge state from an electrochemical reaction visualization device comprising:
a linking step of associating the color image data with the charge/discharge data in time series;
a master extraction step of selecting the color image data in the fully charged state, extracting a portion of the selected color image data where the brightness is equal to or greater than a predetermined threshold as an active material portion, and extracting a range surrounding the active material portion as a tracking ROI;
a slave extraction step of tracking the position of the extracted active material portion in the color image data corresponding to each state of charge and extracting a range surrounding the tracked active material portion as the tracking ROI;
An electrochemical reaction visualization method comprising:
請求項11に記載の電気化学反応可視化方法。 The method further includes a color analysis step of converting the RGB luminance of the active material portion into a hue to analyze each state of charge.
The electrochemical reaction visualization method according to claim 11.
複数の前記トラッキングROIを含むマスターROIを生成し、
生成した前記マスターROIから、前記トラッキングROIの部分を有効領域とし、前記トラッキングROI以外の部分を無効領域としたマスターマスクを生成し、
前記スレーブ抽出ステップは、
複数の前記トラッキングROIを含むスレーブROIを生成し、
生成した前記スレーブROIから、前記トラッキングROIの部分を有効領域とし、前記トラッキングROI以外の部分を無効領域としたスレーブマスクを生成する、
請求項11または12に記載の電気化学反応可視化方法。 The master extraction step comprises:
generating a master ROI that includes a plurality of said tracking ROIs;
generating a master mask from the generated master ROI, the master mask having the tracking ROI as a valid region and the region other than the tracking ROI as an invalid region;
The slave extraction step includes:
generating a slave ROI including a plurality of said tracking ROIs;
generating a slave mask from the generated slave ROI, the slave mask having the tracking ROI portion as a valid region and the portion other than the tracking ROI as an invalid region;
The electrochemical reaction visualization method according to claim 11 or 12.
請求項13に記載の電気化学反応可視化方法。 further comprising an overlap calculation step of calculating an overlap of the tracking ROI from a difference between a sum of areas of the tracking ROIs included in the master mask or the slave mask that is a reference mask and a sum of areas of the tracking ROIs included in the master mask or the slave mask that is different from the reference mask;
The electrochemical reaction visualization method according to claim 13.
請求項13または14に記載の電気化学反応可視化方法。 an overlap calculation step of calculating an overlap of at least one of the lengths in the first direction and the second direction of the tracking ROI from a difference between at least one of the sum of the lengths in a first direction and the sum of the lengths in a second direction orthogonal to the first direction of the tracking ROI included in the master mask or the slave mask that is a reference mask, and at least one of the sum of the lengths in the first direction and the sum of the lengths in the second direction of the tracking ROI included in the master mask or the slave mask that is different from the reference mask,
The electrochemical reaction visualization method according to claim 13 or 14.
請求項13に記載の電気化学反応可視化方法。 The method further includes a disappearance area calculation step of calculating an area of the tracking ROI of the master mask or the slave mask that is used as a reference mask, the area of which has disappeared in the master mask or the slave mask where the corresponding tracking ROI is different from the reference mask.
The electrochemical reaction visualization method according to claim 13.
前記線膨張率算出ステップは、時間に対して前記線膨張率が増加する変化を近似する膨張関数、及び、前記時間に対して前記線膨張率が減少する変化を近似する収縮関数の少なくともいずれかを算出する、
請求項13に記載の電気化学反応可視化方法。 The method further includes a linear expansion coefficient calculation step of calculating a linear expansion coefficient of at least one of a first direction of the tracking ROI and a second direction orthogonal to the first direction in each charging state,
the linear expansion coefficient calculation step calculates at least one of an expansion function that approximates an increase in the linear expansion coefficient with respect to time and a contraction function that approximates a decrease in the linear expansion coefficient with respect to time.
The electrochemical reaction visualization method according to claim 13.
前記カラー画像データは、前記不動点を含むように撮像され、
複数の前記カラー画像データにおける前記不動点を追跡し、前記不動点が同じ位置となるように、各カラー画像データの位置ずれを補正するドリフト補正ステップをさらに有する、
請求項11~17のいずれか1項に記載の電気化学反応可視化方法。 the windowed cell includes a fixed point;
the color image data is captured so as to include the fixed point;
a drift correction step of tracking the fixed point in the plurality of pieces of color image data and correcting positional deviation of each piece of color image data so that the fixed point is at the same position;
The electrochemical reaction visualization method according to any one of claims 11 to 17.
請求項11~18のいずれか1項に電気化学反応可視化方法。 the master extraction step and the slave extraction step separate the active material portion within each tracking ROI from a portion other than the active material portion;
An electrochemical reaction visualization method according to any one of claims 11 to 18.
満充電状態以外の前記充電状態の前記カラー画像データを選択し、選択した前記カラー画像データにおいて前記輝度が所定の閾値以上の部分を前記活物質部分として抽出し、前記活物質部分を囲む範囲をトラッキングROIとして抽出し、
複数の前記トラッキングROIを含む準マスターROIを生成し、
生成した前記準マスターROIから、前記トラッキングROIの部分を有効領域とし、前記トラッキングROI以外の部分を無効領域とした準マスターマスクを生成する準マスター抽出ステップをさらに有する、
請求項11~19のいずれか1項に電気化学反応可視化方法。 When the position of the active material portion extracted in the master extraction step cannot be tracked in the slave extraction step,
selecting the color image data of the charge state other than the fully charged state, extracting a portion of the selected color image data where the brightness is equal to or greater than a predetermined threshold as the active material portion, and extracting a range surrounding the active material portion as a tracking ROI;
generating a quasi-master ROI including a plurality of said tracking ROIs;
The method further comprises a quasi-master extraction step of generating a quasi-master mask from the generated quasi-master ROI, in which the tracking ROI portion is defined as a valid region and a region other than the tracking ROI is defined as an invalid region.
An electrochemical reaction visualization method according to any one of claims 11 to 19.
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013239263A (en) | 2012-05-11 | 2013-11-28 | Lasertec Corp | Method of observing lithium ion battery, lithium ion battery for test, and method of manufacturing the same |
| JP2014099330A (en) | 2012-11-14 | 2014-05-29 | Lasertec Corp | Analyzer and analysis method |
| JP2017212163A (en) | 2016-05-27 | 2017-11-30 | レーザーテック株式会社 | Evaluation system and fixing jig |
| JP2018520622A (en) | 2015-08-18 | 2018-07-26 | エルジー・ケム・リミテッド | Battery charge limit prediction method, battery quick charge method and apparatus using the same |
| JP2019140054A (en) | 2018-02-15 | 2019-08-22 | Tdk株式会社 | Positive electrode and non-aqueous electrolyte secondary battery |
| JP2020517049A (en) | 2017-03-29 | 2020-06-11 | ユニバシティ オブ メリーランド カレッジ パーク | Solid hybrid electrolyte, method of making the same, and use thereof |
| JP2022090248A (en) | 2020-12-07 | 2022-06-17 | プライムプラネットエナジー&ソリューションズ株式会社 | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2013239263A (en) | 2012-05-11 | 2013-11-28 | Lasertec Corp | Method of observing lithium ion battery, lithium ion battery for test, and method of manufacturing the same |
| JP2014099330A (en) | 2012-11-14 | 2014-05-29 | Lasertec Corp | Analyzer and analysis method |
| JP2018520622A (en) | 2015-08-18 | 2018-07-26 | エルジー・ケム・リミテッド | Battery charge limit prediction method, battery quick charge method and apparatus using the same |
| JP2017212163A (en) | 2016-05-27 | 2017-11-30 | レーザーテック株式会社 | Evaluation system and fixing jig |
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