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JP2010230355A - Analysis system, electrochemical cell for analysis, and analysis method - Google Patents

Analysis system, electrochemical cell for analysis, and analysis method Download PDF

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JP2010230355A
JP2010230355A JP2009075680A JP2009075680A JP2010230355A JP 2010230355 A JP2010230355 A JP 2010230355A JP 2009075680 A JP2009075680 A JP 2009075680A JP 2009075680 A JP2009075680 A JP 2009075680A JP 2010230355 A JP2010230355 A JP 2010230355A
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JP
Japan
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electrochemical cell
cell structure
analysis
electrolyte
electrode
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JP2009075680A
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Japanese (ja)
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Shigeki Kuroki
重樹 黒木
Masanobu Nakayama
将伸 中山
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Tokyo Institute of Technology NUC
Original Assignee
Tokyo Institute of Technology NUC
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Abstract

【課題】固体または準固体の電解質が用いられる電気化学セルの内部状態を分析すること。
【解決手段】本発明の分析システムにおいて、核磁気共鳴イメージング装置の磁石ボアB内に配置される分析用電気化学セル160aは、RFコイル130により囲繞され、固体または準固体の電解質および非磁性材料の電極を含む電気化学セル構造と、電気化学セル構造を両側から支持する非金属材料の支持部材168,172と、電気化学セル構造の電極と外部とを電気的に接続する接続構造とを含む。さらに、分析システムにおいては、電気化学測定装置の端子と接続構造との間には、測定対象核種の共鳴周波数を含む周波数帯の信号ノイズを遮断するフィルタ190aおよび190bが介装される。本分析システムは、これにより電気化学セル構造の電解質内の測定対象核種の空間分布を画像化する。
【選択図】図2
An internal state of an electrochemical cell using a solid or quasi-solid electrolyte is analyzed.
In the analysis system of the present invention, an analytical electrochemical cell 160a disposed in a magnet bore B of a nuclear magnetic resonance imaging apparatus is surrounded by an RF coil 130, and a solid or quasi-solid electrolyte and non-magnetic material. An electrochemical cell structure including the electrodes of the non-metallic material that supports the electrochemical cell structure from both sides, and a connection structure that electrically connects the electrode of the electrochemical cell structure to the outside. . Further, in the analysis system, filters 190a and 190b that block signal noise in a frequency band including the resonance frequency of the measurement target nuclide are interposed between the terminal of the electrochemical measurement device and the connection structure. The present analysis system thereby images the spatial distribution of the measurement nuclide in the electrolyte of the electrochemical cell structure.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、電気化学セルの分析技術に関し、より詳細には、固体または準固体の電解質が用いられる電気化学セルの内部状態を分析するための分析システム、分析用電気化学セルおよび分析方法に関する。   The present invention relates to an analysis technique for an electrochemical cell, and more particularly to an analysis system, an analytical electrochemical cell, and an analysis method for analyzing an internal state of an electrochemical cell in which a solid or quasi-solid electrolyte is used.

リチウムイオン二次電池は、携帯電話やラップトップ・コンピュータなどのバッテリとして広く使用されており、今後、ハイブリッド自動車や電気自動車などの大型電源用途への応用が期待されている。しかしながら、液系のリチウムイオン二次電池は、その電解溶液の有機溶媒の可燃性により、火災等の安全面での懸念があり、その応用への障害となっている。   Lithium ion secondary batteries are widely used as batteries for mobile phones, laptop computers, and the like, and are expected to be applied to large power supply applications such as hybrid cars and electric cars in the future. However, the liquid lithium ion secondary battery has a safety concern such as a fire due to the flammability of the organic solvent of the electrolytic solution, which is an obstacle to its application.

種々のリチウムイオン二次電池の中でも、全固体リチウムイオンポリマー二次電池は、難燃性の高分子電解質を用いて構成できるため、安全性を確保する上で有利であり、固体材料で構成されているため、液漏れの心配が無くまた成形性も高く、注目されている。また、近年では、高分子電解質の分子設計を最適化することにより、比較的高出力な条件下でも、液系のリチウムイオン二次電池に匹敵する容量が達成できることが実証されている。しかしながら、リチウムイオンポリマー二次電池は、充放電サイクルに伴って電池容量が急速に劣化するという性質を有し、このことが実用化への障害となっている。   Among various lithium ion secondary batteries, all solid lithium ion polymer secondary batteries can be constructed using a flame retardant polymer electrolyte, which is advantageous in ensuring safety and is composed of solid materials. Therefore, there is no worry of liquid leakage and the moldability is high, and it is attracting attention. In recent years, it has been demonstrated that by optimizing the molecular design of the polymer electrolyte, a capacity comparable to that of a liquid lithium ion secondary battery can be achieved even under relatively high power conditions. However, the lithium ion polymer secondary battery has a property that the battery capacity rapidly deteriorates with a charge / discharge cycle, which is an obstacle to practical use.

これまで、リチウムイオンポリマー二次電池の劣化機構を解明することを目的として、交流インピーダンス法による電気化学測定、X線回折法や電子顕微鏡による構造分析などが行われている。交流インピーダンス法は、交流電気信号を電池に与え、その応答から固体内のイオン移動に関する情報を得る手法である。これまで、充放電サイクルを繰り返すことにより、電池容量の劣化に対応して、正極/電解質の界面による内部抵抗が顕著に増加することが明らかとなっている。X線回折法や電子顕微鏡では、所定の充放電サイクルを行った後で電池を解体し、それを分析することで、電極材料の結晶構造変化や、電池内におけるフッ素より原子番号の大きい元素の空間的分布の変化を観察することができる。   Up to now, electrochemical measurement by an alternating current impedance method, structural analysis by an X-ray diffraction method and an electron microscope have been performed for the purpose of elucidating the deterioration mechanism of a lithium ion polymer secondary battery. The AC impedance method is a method of obtaining information on ion movement in a solid from a response by applying an AC electrical signal to a battery. Until now, it has been clarified that the internal resistance due to the positive electrode / electrolyte interface is remarkably increased by repeating the charge / discharge cycle in response to the deterioration of the battery capacity. In the X-ray diffraction method and the electron microscope, the battery is disassembled after performing a predetermined charge / discharge cycle, and analyzed to change the crystal structure of the electrode material, and to change the element having an atomic number larger than fluorine in the battery. Changes in the spatial distribution can be observed.

しかしながら、X線回折法および電子顕微鏡観察は、破壊検査であるため、その場(in situ)情報を得ることが困難であり、また、軽金属であるリチウムを観察することができない。交流インピーダンス法によれば、非破壊的に高分子電解質内部のイオン移動に関する情報を得ることができるが、リチウムイオンと、その対アニオンとを区別してイオンの移動を捉えることができず、また得られた結果も間接的な推測であり、リチウムイオン二次電池の内部状態を充分に評価できるというものではない。   However, since the X-ray diffraction method and the electron microscope observation are destructive inspections, it is difficult to obtain in situ information, and it is not possible to observe lithium which is a light metal. According to the AC impedance method, it is possible to obtain non-destructive information on the ion movement inside the polymer electrolyte, but it is impossible to distinguish the lithium ion from its counter anion and capture the ion movement. The obtained result is also an indirect guess, and the internal state of the lithium ion secondary battery cannot be sufficiently evaluated.

本発明者等は、これまで、リチウムイオンポリマー二次電池内部のイオン輸送現象を分析するために、パルス勾配磁場NMR法(PGSE−NMR:Pulse Field-gradient Stimulated-echo Nuclear Magnetic Resonance)を用いて、リチウムイオンおよび対アニオンのフッ化物イオンの拡散係数を測定し、イオン種の運動性と電池特性との関係を議論することに成功している。その他、PGSE−NMRによるポリマー電解質の拡散係数を研究した報告として、非特許文献1が開示されている。これらの手法によれば、非破壊的に、リチウムイオンと、その対アニオンとを区別して電解質内部のイオン移動に関する情報を得ることができる。しかしながら、イオン種の拡散係数や塩解離度などの、限られた情報しか得られないため、リチウムイオン二次電池の内部状態を充分に評価できるものとは言えない。   Until now, in order to analyze the ion transport phenomenon inside the lithium ion polymer secondary battery, the present inventors have used a pulse field gradient NMR method (PGSE-NMR: Pulse Field-gradient Stimulated-echo Nuclear Magnetic Resonance). We have succeeded in measuring the diffusion coefficient of fluoride ions of lithium ions and counter anions and discussing the relationship between the mobility of ionic species and battery characteristics. In addition, Non-Patent Document 1 is disclosed as a report of studying the diffusion coefficient of a polymer electrolyte by PGSE-NMR. According to these methods, information on ion migration inside the electrolyte can be obtained in a nondestructive manner by distinguishing lithium ions and their counter anions. However, since only limited information such as the diffusion coefficient of ion species and the degree of salt dissociation can be obtained, it cannot be said that the internal state of the lithium ion secondary battery can be sufficiently evaluated.

上述した劣化機構は、未だ充分に解明されてはいないが、これまでの分析結果から、容量劣化を回避し、より高性能なリチウムイオンポリマー二次電池を提供するためには、動作中の二次電池の内部、特に電極/電解質界面の反応場におけるイオン移動の詳細を把握し、それに対応して電池構成を最適化することが重要であると考えられる。   Although the above-described degradation mechanism has not yet been fully elucidated, the analysis results so far have shown that in order to avoid capacity degradation and provide a higher performance lithium ion polymer secondary battery, It is considered important to grasp the details of ion migration inside the secondary battery, particularly in the reaction field at the electrode / electrolyte interface, and to optimize the battery configuration accordingly.

H. Kataoka et al., ”Ionic Conduction Mechanism of PEO-Type Polymer Electrolytes Investigated by the Carrier Diffusion Phenomenon Using PGSE-NMR”, Macromolecules,35, 6239-6244(2002).H. Kataoka et al., “Ionic Conduction Mechanism of PEO-Type Polymer Electrolytes Investigated by the Carrier Diffusion Phenomenon Using PGSE-NMR”, Macromolecules, 35, 6239-6244 (2002).

すなわち、動作状態において、リチウムイオンポリマー二次電池などの電気化学セル内部の電解質中のイオン種の移動および空間的分布を、非破壊的かつリアルタイムに分析可能とする、新奇な分析技術の開発が望まれていた。   In other words, the development of a novel analysis technology that enables non-destructive and real-time analysis of the movement and spatial distribution of ion species in the electrolyte inside an electrochemical cell such as a lithium ion polymer secondary battery in the operating state. It was desired.

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、本発明は、動作状態において、電気化学セル内部の固体または準固体の電解質中のイオン移動現象および空間的分布を、イオン種を区別しながら、非破壊的かつリアルタイムに計測し、画像化することができる分析システムを提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、上記分析システムで使用する分析用電気化学セルを提供することである。本発明のさらに他の目的は、動作状態において、電気化学セル内部の固体または準固体の電解質中のイオン移動現象および空間的分布を、イオン種を区別しながら、非破壊的かつリアルタイムに計測し、画像化する分析方法を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-described prior art, and the present invention distinguishes ion migration phenomena and spatial distribution in a solid or quasi-solid electrolyte inside an electrochemical cell in an operating state by distinguishing ionic species. However, an object of the present invention is to provide an analysis system that can measure and image nondestructively in real time. Another object of the present invention is to provide an electrochemical cell for analysis used in the above analysis system. Still another object of the present invention is to measure, in an operating state, non-destructive and real-time ion migration phenomena and spatial distribution in a solid or quasi-solid electrolyte inside an electrochemical cell while distinguishing ionic species. It is to provide an analysis method for imaging.

本発明者等は、NMRイメージングを電気化学測定系に適用し、電気化学セル構造内の電解質におけるイオン移動現象および空間的分布を非破壊的にin situ測定すれば上記従来技術の問題点を解決することができるという着想の下、鋭意検討を加え、高磁場かつラジオ波検出領域に配置される電気化学セルの構造、および電気化学測定系との接続を検討することによって、上記着想した手法を実現可能であることを見出し、本発明に至ったのである。すなわち、本発明者等は、電極材料および接続構造を非磁性材料で構成し、かつ、ラジオ波検出領域内から金属要素を可能な限り排除し、さらに電気化学測定装置と電気化学セルとの間に、測定対象核種の共鳴周波数を含む周波数帯域の信号ノイズを遮断するローパスフィルタをラジオ波検出領域に近接して介装することによって、上記イオン移動現象および空間的分布のin situ計測が実現可能となることを見出し、本発明に至ったのである。   The present inventors can solve the above-mentioned problems by applying NMR imaging to an electrochemical measurement system and non-destructively measuring in situ the ion migration phenomenon and spatial distribution in the electrolyte in the electrochemical cell structure. Based on the idea of being able to do this, we have made an intensive study and studied the structure of the electrochemical cell placed in the high magnetic field and radio wave detection region and the connection with the electrochemical measurement system. The present inventors have found that it is feasible and have reached the present invention. That is, the present inventors made the electrode material and the connection structure out of a non-magnetic material, removed metal elements as much as possible from within the radio wave detection region, and further between the electrochemical measuring device and the electrochemical cell. In addition, a low-pass filter that blocks signal noise in the frequency band that includes the resonance frequency of the target nuclide is inserted close to the radio wave detection region, enabling in situ measurement of the ion migration phenomenon and spatial distribution. As a result, the present invention was achieved.

本発明によれば、核磁気共鳴イメージング法により電気化学セル構造を分析するための分析システムが提供される。本発明の分析システムでは、RFコイルにより囲繞され、固体または準固体の電解質および非磁性材料の電極を含む電気化学セル構造と、電気化学セル構造を両側から支持する非金属材料の支持部材のセットと、電気化学セル構造の電極と外部とを電気的に接続する接続構造とを含む分析用電気化学セルを用いる。   According to the present invention, an analysis system for analyzing an electrochemical cell structure by a nuclear magnetic resonance imaging method is provided. In the analysis system of the present invention, an electrochemical cell structure surrounded by an RF coil and including an electrode of a solid or quasi-solid electrolyte and a nonmagnetic material, and a set of support members of a nonmetallic material that supports the electrochemical cell structure from both sides And an electrochemical cell for analysis that includes a connection structure that electrically connects an electrode of the electrochemical cell structure and the outside.

分析システムでは、上記分析用電気化学セルを核磁気共鳴イメージング装置の磁石ボア内に配置し、電気化学測定装置の端子と接続構造との間に、測定対象核種の共鳴周波数を含む周波数帯の信号ノイズを遮断するフィルタを介装し、電気化学セル構造の電解質内の測定対象核種の空間分布を画像化する。   In the analysis system, the electrochemical cell for analysis is placed in the magnet bore of the nuclear magnetic resonance imaging apparatus, and the signal in the frequency band including the resonance frequency of the nuclide to be measured is connected between the terminal of the electrochemical measurement apparatus and the connection structure. A spatial filter of the nuclide to be measured in the electrolyte of the electrochemical cell structure is imaged with a filter that blocks noise.

上記構成によれば、ラジオ波検出領域内から金属要素が可能な限り排除され、さらに測定対象核種の共鳴周波数を含む周波数帯域の信号ノイズが好適に遮断されるため、実用的な信号雑音比による電気化学セル構造の電解質内のイメージングを実現することが可能となる。   According to the above configuration, metal elements are eliminated from the radio wave detection region as much as possible, and signal noise in a frequency band including the resonance frequency of the measurement target nuclide is suitably cut off. Imaging within the electrolyte of the electrochemical cell structure can be realized.

さらに上記分析システムは、グラジェント・エコー法によるパルス・シーケンスを用いて、測定対象核種の空間分布を画像化することができる。グラジェント・エコー法によるパルス・シーケンスを用いることにより、電気化学セル構造の電解質内のイメージングの高速化が実現される。また本発明では、電気化学セル構造は、リチウムイオンを含有する高分子材料の電解質と、この電解質を挟んで両側に配置される第1電極および第2電極とを含んで二次電池を構成することができる。さらに本発明では、上記分析システムは、Li、19F、31P、およびHからなる群から選択された1以上の核種を測定対象核種とすることができる。したがって、固体または準固体の電解質中の種々の元素の空間分布を画像化することが可能となる。 Furthermore, the analysis system can image the spatial distribution of the measurement target nuclide using a pulse sequence by the gradient echo method. By using a pulse sequence by the gradient echo method, imaging in the electrolyte of the electrochemical cell structure can be accelerated. Further, in the present invention, the electrochemical cell structure includes a polymer material electrolyte containing lithium ions, and a first electrode and a second electrode arranged on both sides of the electrolyte to constitute a secondary battery. be able to. Furthermore, in the present invention, the analysis system can set one or more nuclides selected from the group consisting of 7 Li, 19 F, 31 P, and 1 H as measurement target nuclides. Accordingly, it is possible to image the spatial distribution of various elements in a solid or quasi-solid electrolyte.

さらに本発明では、分析用電気化学セルは、フィルタに接続し、接続構造を構成し、かつシール部材とともに試料管内に前記電気化学セル構造を密封し、支持部材のセットを両側から挟持する、非磁性かつ導電性のブロックのセットをさらに含むことができる。この場合に、上記支持部材は、RFコイルの検出範囲からこのブロックを排除することができる。   Further, in the present invention, the electrochemical cell for analysis is connected to a filter, constitutes a connection structure, and the electrochemical cell structure is sealed in a sample tube together with a seal member, and a set of support members is sandwiched from both sides. It can further include a set of magnetic and conductive blocks. In this case, the support member can exclude this block from the detection range of the RF coil.

さらに本発明では、上記電気化学セル構造の電極は、それぞれ0.1mm以下の厚みを有する非磁性金属材料の集電体を含むことができ、接続構造は、集電体に接続し、0.5mm以下の直径を有する非磁性金属材料の引き出し線を含むことができる。上記サイズの部材を用いることにより、NMRイメージングに影響し得るノイズを良好に減少させることが可能となる。また、核磁気共鳴イメージング装置は、超伝導磁石、RFコイル、勾配コイル、磁場勾配制御機能を備えるNMR分光計および測定コンピュータを含むことができる。   Furthermore, in the present invention, the electrode of the electrochemical cell structure can include a current collector made of a non-magnetic metal material each having a thickness of 0.1 mm or less, and the connection structure is connected to the current collector. A lead wire of a nonmagnetic metal material having a diameter of 5 mm or less can be included. By using a member of the above size, it is possible to satisfactorily reduce noise that can affect NMR imaging. The nuclear magnetic resonance imaging apparatus can also include a superconducting magnet, an RF coil, a gradient coil, an NMR spectrometer with a magnetic field gradient control function, and a measurement computer.

さらに、本発明によれば、核磁気共鳴イメージング法により電気化学セル構造を分析するため分析用電気化学セルが提供される。また、本発明によれば、核磁気共鳴イメージング法により電気化学セル構造を分析する分析方法が提供される。   Furthermore, according to the present invention, an electrochemical cell for analysis is provided for analyzing an electrochemical cell structure by a nuclear magnetic resonance imaging method. The present invention also provides an analysis method for analyzing an electrochemical cell structure by nuclear magnetic resonance imaging.

本発明の実施形態による分析システムの概略を示す図。The figure which shows the outline of the analysis system by embodiment of this invention. 本発明の実施形態の分析用電池セル・セットの概略を示す図。The figure which shows the outline of the battery cell set for analysis of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の分析用電気化学セル内部の詳細な構造を示す図。The figure which shows the detailed structure inside the electrochemical cell for analysis of embodiment of this invention. 本実施形態の分析用電池セルの外観を示す写真。The photograph which shows the external appearance of the battery cell for analysis of this embodiment. 本発明の他の実施形態における分析用電池セル・セット周辺の概略を示す図。The figure which shows the outline of the battery cell set for analysis in other embodiment of this invention. 本発明のさらに他の実施形態における分析用電池セル・セット周辺の概略を示す図。The figure which shows the outline of the battery cell set for analysis in other embodiment of this invention. 本発明の実施形態による分析方法を示すフローチャート。The flowchart which shows the analysis method by embodiment of this invention. グラジェント・エコー法によるパルス・シーケンスの波形を模式的に示す図。The figure which shows typically the waveform of the pulse sequence by a gradient echo method. 作製した電池セル構造の充放電特性を示すグラフ。The graph which shows the charging / discharging characteristic of the produced battery cell structure. リチウムイオンポリマー二次電池におけるフッ素イオンのz軸に水平な平面上の分布を示す画像。The image which shows distribution on the plane horizontal to the z-axis of the fluorine ion in a lithium ion polymer secondary battery. リチウムイオンポリマー二次電池におけるフッ素イオンのz軸に垂直な平面上の分布を示す画像。The image which shows distribution on the plane perpendicular | vertical to the z-axis of the fluorine ion in a lithium ion polymer secondary battery.

以下、本発明を具体的な実施形態をもって説明するが、本発明は、後述する実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, although this invention is demonstrated with specific embodiment, this invention is not limited to embodiment mentioned later.

図1は、本発明の実施形態による分析システム100の概略を示す。図1に示す分析システム100は、超伝導磁石110と、核磁気共鳴(以下、NMRと参照する。)分光計120と、測定用コンピュータ140と、電気化学測定装置150とを含んで構成される。測定用コンピュータ140には、NMRイメージング測定を実行するための測定アプリケーションがインストールされており、測定用コンピュータ140は、NMR分光計120の動作を制御して、計測されるNMR信号からn次元の画像データを構成し、ハードディスクなどの記憶領域に記録する。   FIG. 1 schematically illustrates an analysis system 100 according to an embodiment of the present invention. The analysis system 100 shown in FIG. 1 includes a superconducting magnet 110, a nuclear magnetic resonance (hereinafter referred to as NMR) spectrometer 120, a measurement computer 140, and an electrochemical measurement device 150. . The measurement computer 140 is installed with a measurement application for executing NMR imaging measurement. The measurement computer 140 controls the operation of the NMR spectrometer 120 and generates an n-dimensional image from the measured NMR signal. Data is composed and recorded in a storage area such as a hard disk.

NMR分光計120は、勾配磁場制御ユニットを備え、超伝導磁石110のボアB内には、x軸、y軸およびz軸の3軸方向の勾配コイル132x,y,zが配置されている。NMR分光計120は、スライス選択勾配磁場制御信号、位相エンコード勾配磁場制御信号および周波数エンコード勾配磁場制御信号を生成し、勾配コイル132z、勾配コイル132yおよび勾配コイル132xに駆動電流を出力して、被測定対象の空間に印加する傾斜勾配磁場を制御し、これによりNMR信号に位置情報を付加している。ここで、z軸は、超伝導磁石110が発生する静磁場方向の軸であり、y軸およびx軸は、z軸に垂直な平面内の2軸である。   The NMR spectrometer 120 includes a gradient magnetic field control unit, and in the bore B of the superconducting magnet 110, gradient coils 132x, y, and z in the three-axis directions of the x axis, the y axis, and the z axis are arranged. The NMR spectrometer 120 generates a slice selection gradient magnetic field control signal, a phase encode gradient magnetic field control signal, and a frequency encode gradient magnetic field control signal, and outputs a drive current to the gradient coil 132z, the gradient coil 132y, and the gradient coil 132x, The gradient magnetic field applied to the space to be measured is controlled, and position information is added to the NMR signal. Here, the z axis is an axis in the direction of the static magnetic field generated by the superconducting magnet 110, and the y axis and the x axis are two axes in a plane perpendicular to the z axis.

超伝導磁石110のボアB内には、さらに、勾配コイル132のセットの内側にRF(Radio Frequency)コイル130が配置され、RFコイル130の内側には、本発明の実施形態のNMRイメージング分析用電池セル(以下、単に分析用電池セルと参照する。)160aが配置される。   In the bore B of the superconducting magnet 110, an RF (Radio Frequency) coil 130 is further arranged inside the set of gradient coils 132, and inside the RF coil 130 is used for NMR imaging analysis of the embodiment of the present invention. A battery cell (hereinafter simply referred to as an analytical battery cell) 160a is arranged.

またNMR分光計120は、RFコイル130を接続するための照射チャンネルを備え、所定のパルス・シーケンスに従って、上記勾配磁場制御信号に対応するRFパルス波形を生成し、RFコイル130に駆動電流を出力し、ラジオ波パルスを照射する。またNMR分光計120は、分析用電池セル160aからRFコイル130に誘起されたNMR信号を受信する。測定用コンピュータ140は、NMR信号と、勾配磁場制御により付加された位置情報と合わせて、投影再構成法またはフーリエ変換法などにより画像データを再構成する。本実施形態において、超伝導磁石110、NMR分光計120、RFコイル130、勾配コイル132および測定用コンピュータ140がNMRイメージング装置を構成する。   The NMR spectrometer 120 includes an irradiation channel for connecting the RF coil 130, generates an RF pulse waveform corresponding to the gradient magnetic field control signal in accordance with a predetermined pulse sequence, and outputs a drive current to the RF coil 130. Then, a radio wave pulse is irradiated. The NMR spectrometer 120 receives the NMR signal induced in the RF coil 130 from the analytical battery cell 160a. The measurement computer 140 reconstructs the image data by the projection reconstruction method or the Fourier transform method together with the NMR signal and the position information added by the gradient magnetic field control. In the present embodiment, the superconducting magnet 110, the NMR spectrometer 120, the RF coil 130, the gradient coil 132, and the measurement computer 140 constitute an NMR imaging apparatus.

本発明の実施形態による分析用電池セル160aは、その内部に電池セル構造が配置されており、電池セル構造が本分析システム100の被測定対象となる。内部の電池セル構造の電極は、配線を介して電気化学測定装置150の接続端子へ接続される。電気化学測定装置150は、ポテンショスタットやガルバノスタット、充放電試験装置として動作し、例えば、サクリック・ボルタンメトリー測定やポテンショメトリー、充放電試験などの直流分極測定を行うことが可能とされる。例えば、充放電試験では、指定された測定シーケンスに従って、分析用電池セル160aの電池セル構造の電極間に一定電圧または一定電流を印加して充放電し、充電容量など蓄電容量を計測することができる。   The analysis battery cell 160a according to the embodiment of the present invention has a battery cell structure disposed therein, and the battery cell structure is a measurement target of the analysis system 100. The electrode of the internal battery cell structure is connected to the connection terminal of the electrochemical measuring device 150 via a wiring. The electrochemical measurement device 150 operates as a potentiostat, a galvanostat, or a charge / discharge test device, and can perform direct current polarization measurement such as cyclic voltammetry measurement, potentiometry, charge / discharge test, and the like. For example, in a charge / discharge test, according to a specified measurement sequence, a constant voltage or a constant current is applied between electrodes of the battery cell structure of the analytical battery cell 160a to charge and discharge, and a storage capacity such as a charge capacity can be measured. it can.

また電気化学測定装置150には、周波数応答アナライザ(Frequency Response Analyzer:FRA)またはロックイン・アンプを組み込むことができ、これにより、交流インピーダンス測定を行うことができる。電気化学測定装置150は、GPIB(General Purpose Interface Bus)などの適切なインタフェースを介して測定用コンピュータ140に接続することができ、NMRイメージング測定と協働して、電池セル構造を測定対象としたその場(in situ)NMRイメージング測定を実行することができる。あるいは、電気化学測定装置150は、独立した他のコンピュータや制御ユニットにより制御することもできる。   In addition, the electrochemical measurement device 150 can incorporate a frequency response analyzer (FRA) or a lock-in amplifier, whereby AC impedance measurement can be performed. The electrochemical measurement device 150 can be connected to the measurement computer 140 via an appropriate interface such as GPIB (General Purpose Interface Bus), and the battery cell structure is a measurement target in cooperation with the NMR imaging measurement. In situ NMR imaging measurements can be performed. Alternatively, the electrochemical measurement device 150 can be controlled by another independent computer or control unit.

以下、本発明の実施形態によるNMRイメージング分析用電気化学セルの構造について説明する。図2は、本発明の実施形態の分析用電池セル・セット160の概略を示す。なお、図2は、分析用電池セル・セット160を模式的に示すものであり、縦および横の縮尺比は、必ずしも一致していないことに留意されたい。   Hereinafter, the structure of an electrochemical cell for NMR imaging analysis according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 shows an outline of the analytical battery cell set 160 according to the embodiment of the present invention. Note that FIG. 2 schematically shows the analytical battery cell set 160, and it should be noted that the vertical and horizontal scale ratios do not necessarily match.

図2に示す分析用電池セル・セット160は、分析用電池セル160aと、該分析用電池セル160aの外部端子に接続されるノイズカット・フィルタ190a,190bとを含んで構成される。分析用電池セル160aは、より詳細には、両端開放の筒形状の試料管162と、試料管162内に装入される、スペーサ168,172のセットと、ブロック164,166,174のセットとを含む。試料管162は、RFコイル130内に配置可能な形状とされ、例えば、円筒形状のパイレックス(登録商標)ガラス管や石英ガラス管を用いることができる。なお、図2に示す分析用電池セル・セット160aは、試料管162が伸びる方向が超伝導磁石110のボアBの方向に沿うように配置される。   The analysis battery cell set 160 shown in FIG. 2 includes an analysis battery cell 160a and noise cut filters 190a and 190b connected to external terminals of the analysis battery cell 160a. More specifically, the analysis battery cell 160a includes a cylindrical sample tube 162 having both ends open, a set of spacers 168 and 172 inserted into the sample tube 162, and a set of blocks 164, 166, and 174. including. The sample tube 162 has a shape that can be disposed in the RF coil 130. For example, a cylindrical Pyrex (registered trademark) glass tube or a quartz glass tube can be used. The analysis battery cell set 160a shown in FIG. 2 is arranged so that the direction in which the sample tube 162 extends is along the direction of the bore B of the superconducting magnet 110.

上下のスペーサ168,172の間には、被測定対象の電池セル構造を格納するための電池室170が構成され、RFコイル130は、この電池室170を囲繞するように配置される。なお、図2に示すRFコイル130は、サドル型コイルである。スペーサ168,172は、電池室170に格納された電池セル構造を両側から支持している。スペーサ168,172は、非磁性かつ非金属の材料から形成され、RFコイル130が囲繞するラジオ波検出範囲から、ノイズを発生させ得る金属材料を可能な限り排除している。スペーサ168,172は、本実施形態の支持部材を構成する。スペーサ168,172の具体的な厚みは、使用するRFコイル130のサイズおよび形状などを考慮して適宜設定することができる。例えば試料管162内に金属を挿入し、ノイズレベルをモニタしながら、RFコイル130の位置に対する金属との位置を変化させ、ノイズレベルが実用に耐え得る程度に減少される距離を採用することができる。   Between the upper and lower spacers 168 and 172, a battery chamber 170 for storing the battery cell structure to be measured is configured, and the RF coil 130 is disposed so as to surround the battery chamber 170. Note that the RF coil 130 shown in FIG. 2 is a saddle type coil. The spacers 168 and 172 support the battery cell structure stored in the battery chamber 170 from both sides. The spacers 168 and 172 are made of a non-magnetic and non-metallic material, and eliminate as much of the metal material that can generate noise as possible from the radio wave detection range surrounded by the RF coil 130. The spacers 168 and 172 constitute the support member of this embodiment. Specific thicknesses of the spacers 168 and 172 can be appropriately set in consideration of the size and shape of the RF coil 130 to be used. For example, by inserting a metal into the sample tube 162 and monitoring the noise level, changing the position of the RF coil 130 relative to the metal, and adopting a distance at which the noise level is reduced to a practical level. it can.

このような、非磁性かつ非金属の材料としては、耐薬性や取り扱い容易性の観点からは、テフロン(登録商標)やダイフロン(登録商標)などのフッ素系樹脂が好ましく用いられ、その他、アクリル樹脂などの他の樹脂材料や、ガラス材料や、セラミクス材料などを用いることができる。またスペーサ168,172は、試料管162に適合する形状に加工されており、円筒形状の試料管を用いる場合には、その円筒形状の内径未満の直径を有する円柱形状に加工される。   As such non-magnetic and non-metallic materials, fluororesins such as Teflon (registered trademark) and Daiflon (registered trademark) are preferably used from the viewpoint of chemical resistance and ease of handling. Other resin materials, glass materials, ceramic materials, etc. can be used. The spacers 168 and 172 are processed into a shape suitable for the sample tube 162. When a cylindrical sample tube is used, the spacers 168 and 172 are processed into a columnar shape having a diameter less than the inner diameter of the cylindrical shape.

試料管162のスペーサ168およびスペーサ172の外側には、それぞれ、ブロック164,166およびブロック174が装入され、スペーサ168,172およびその内側の電池セル構造が両側から挟持される。ブロック164,166,174は、試料管162に適合する形状に加工され、円筒形状の試料管を用いる場合には、その円筒形状の内径未満の直径を有する円柱形状に加工される。   Blocks 164 and 166 and a block 174 are inserted outside the spacer 168 and the spacer 172 of the sample tube 162, respectively, and the spacers 168 and 172 and the battery cell structure inside thereof are sandwiched from both sides. The blocks 164, 166, and 174 are processed into a shape suitable for the sample tube 162. When a cylindrical sample tube is used, the blocks 164, 166, and 174 are processed into a cylindrical shape having a diameter less than the inner diameter of the cylindrical shape.

ブロック164,174の側面周方向には、溝が切られ、Oリング180が嵌め込まれ、試料管162とともに内部の電池セル構造を密封し、外気から遮断する。ブロック164とブロック166との間には、空間が形成されているが、これは、ブロック164,174により密封する際の空気の逃げ場として働く。   In the circumferential direction of the side surfaces of the blocks 164 and 174, a groove is cut and an O-ring 180 is fitted, and the internal battery cell structure is sealed together with the sample tube 162 to be cut off from the outside air. A space is formed between the block 164 and the block 166, and this serves as an air escape place when the blocks 164 and 174 are sealed.

ブロック164,166,174は、非磁性かつ導電性を有する材料を含み、内部に配置される電池セル構造と、外部の電気化学測定装置150との電気的接続を与える。このような、非磁性かつ導電性の材料としては、真鍮、非磁性ステンレス鋼、アルミニウム、銅などの非磁性金属材料(単体金属および合金を含む。)を用いることができ、また適切な導電性が得られる限り、グラファイトやグラッシーカーボンなど炭素材料や導電性かつ非磁性であるセラミックスなどの導電性非金属材料を用いることができる。   Blocks 164, 166, and 174 include a non-magnetic and conductive material and provide an electrical connection between the battery cell structure disposed therein and the external electrochemical measurement device 150. As such a non-magnetic and conductive material, non-magnetic metal materials (including simple metals and alloys) such as brass, non-magnetic stainless steel, aluminum, and copper can be used. As long as the above can be obtained, it is possible to use a carbon material such as graphite or glassy carbon, or a conductive non-metallic material such as ceramic that is conductive and non-magnetic.

ブロック164には、ネジ穴が貫通して形成され、ブロック166にも、適切な深さのネジ穴が形成される。ブロック164,166のネジ穴には、ネジ176が螺嵌され、このネジ176によりスペーサ168を押さえるよう構成されている。ブロック164,166およびネジ176の構成により、電池セル構造を実用的な使用環境と近い加圧状態下に置くことができる。またブロック174にも、適切な深さのネジ穴が切られ、そこにネジ178が挿入される。これらのネジ176,178は、非磁性かつ導電性材料から形成され、分析用電池セル160aの外部端子を構成している。   A screw hole is formed through the block 164, and a screw hole having an appropriate depth is also formed in the block 166. A screw 176 is screwed into the screw holes of the blocks 164 and 166, and the spacer 168 is pressed by the screw 176. With the configuration of the blocks 164 and 166 and the screw 176, the battery cell structure can be placed under a pressurized state close to a practical use environment. The block 174 is also threaded with an appropriate depth, and a screw 178 is inserted there. These screws 176 and 178 are made of a nonmagnetic and conductive material, and constitute an external terminal of the analytical battery cell 160a.

分析用電池セル160aの外部端子に接続されるノイズカット・フィルタ190は、ローパスフィルタやバンドパスフィルタなどのフィルタ回路を用いて構成され、測定対象の核種の共鳴周波数を含む周波数帯域の信号を遮断する。ノイズカット・フィルタ190により、電気化学測定装置150や、その端子と分析用電池セル160aとを結ぶ配線から発生する高周波ノイズを遮断し、NMR分光計120側の測定に悪影響を与えることを好適に防止することができる。   The noise cut filter 190 connected to the external terminal of the analysis battery cell 160a is configured using a filter circuit such as a low pass filter or a band pass filter, and cuts off a signal in a frequency band including the resonance frequency of the nuclide to be measured. To do. It is preferable that the noise cut filter 190 cuts off high frequency noise generated from the electrochemical measuring device 150 and the wiring connecting the terminal and the analytical battery cell 160a, and adversely affects the measurement on the NMR spectrometer 120 side. Can be prevented.

ノイズカット・フィルタ190は、ノイズを低減する観点からは、測定対象の電池セル構造に近接して介装されることが好ましい。すなわち、ノイズカット・フィルタ190と電池セル構造内の電極とを結ぶ接続距離が短くなる方がより好ましい。電気化学測定装置150と、超伝導磁石110内の分析用電池セル160aとは、通常、比較的長い配線を引き回して接続されるため、外部環境から大きなノイズを拾ってしまう蓋然性があるが、上記ノイズカット・フィルタ190を用いることにより、電気化学測定系とNMR分光系とを組み合わせる際に問題となるノイズを良好に低減することができる。   The noise cut filter 190 is preferably interposed in the vicinity of the battery cell structure to be measured from the viewpoint of reducing noise. That is, it is more preferable that the connection distance connecting the noise cut filter 190 and the electrode in the battery cell structure is short. Since the electrochemical measuring device 150 and the analytical battery cell 160a in the superconducting magnet 110 are usually connected by drawing a relatively long wire, there is a possibility that large noise will be picked up from the external environment. By using the noise cut filter 190, it is possible to satisfactorily reduce noise that becomes a problem when combining the electrochemical measurement system and the NMR spectroscopy system.

ノイズカット・フィルタ190は、例えば、共鳴周波数に対応したインダクタンスおよび静電容量のコイルLおよびコンデンサCを用いて作製することができるが、これまで知られた如何なる回路構成のフィルタ回路を用いることができる。以下、代表的な核種の共鳴周波数を例示する。200MHz級(プロトンの共鳴周波数に対応する。)、300MHz級、400MHz級の超伝導磁石では、Liの共鳴周波数は、それぞれ、77.7MHz、116.6MHz、155.5MHzである。19Fの共鳴周波数は、188.1MHz(200MHz級)、282.2MHz(300MHz級)、376.3MHz(400MHz級)である。31Pの共鳴周波数は、80.9MHz(200MHz級)、121.4MHz(300MHz級)、161.923MHz(400MHz級)である。電気化学交流インピーダンス測定が、10mHz〜1MHz程度の範囲で行われるため、ノイズカット・フィルタ190は、例えば5MHz以上の信号を遮断するローパスフィルタとして構成することができる。 The noise cut filter 190 can be manufactured using, for example, a coil L and a capacitor C having an inductance and a capacitance corresponding to the resonance frequency, but a filter circuit having any known circuit configuration may be used. it can. Hereinafter, typical resonance frequencies of nuclides will be exemplified. In superconducting magnets of 200 MHz class (corresponding to proton resonance frequency), 300 MHz class, and 400 MHz class, the resonance frequencies of 7 Li are 77.7 MHz, 116.6 MHz, and 155.5 MHz, respectively. The resonance frequency of 19 F is 188.1 MHz (200 MHz class), 282.2 MHz (300 MHz class), 376.3 MHz (400 MHz class). The resonance frequency of 31 P is 80.9 MHz (200 MHz class), 121.4 MHz (300 MHz class), and 161.923 MHz (400 MHz class). Since the electrochemical AC impedance measurement is performed in the range of about 10 mHz to 1 MHz, the noise cut filter 190 can be configured as a low-pass filter that blocks a signal of 5 MHz or more, for example.

図3は、本発明の実施形態の分析用電気化学セル内部の詳細な構造を示す図である。図3についても、縦および横の縮尺比は、必ずしも一致していないことに留意されたい。図3には、スペーサ168,172、ブロック164,166,174、ネジ176,178など、分析用電気化学セル内部構造160bを構成する要素が示されている。   FIG. 3 is a diagram showing a detailed structure inside the electrochemical cell for analysis according to the embodiment of the present invention. Note also that FIG. 3 does not necessarily match the vertical and horizontal scale ratios. FIG. 3 shows elements constituting the analytical electrochemical cell internal structure 160b such as spacers 168 and 172, blocks 164 and 166 and 174, screws 176 and 178, and the like.

スペーサ168,172の間には、負極202、電解質204および正極206を含む電池セル構造200が配置されている。電池セル構造200は、リチウムイオンポリマー二次電池(金属リチウムを負極に用いるものも含む。)などの電気化学セルを構成する電極材料および電解質材料が含まれる。電池セル構造200をリチウムイオンポリマー二次電池として構成する場合には、負極202は、金属リチウム、ポリアセチレン、グラファイト、チタン酸リチウムなどの負極活物質を含み、正極206は、LiFePO、LiMn、LiCoOなどの正極活物質を含む。 A battery cell structure 200 including a negative electrode 202, an electrolyte 204, and a positive electrode 206 is disposed between the spacers 168 and 172. The battery cell structure 200 includes an electrode material and an electrolyte material constituting an electrochemical cell such as a lithium ion polymer secondary battery (including a lithium ion polymer secondary battery using a lithium metal as a negative electrode). When the battery cell structure 200 is configured as a lithium ion polymer secondary battery, the negative electrode 202 includes a negative electrode active material such as metallic lithium, polyacetylene, graphite, lithium titanate, and the positive electrode 206 includes LiFePO 4 , LiMn 2 O. 4 , and a positive electrode active material such as LiCoO 2 .

負極202を金属リチウムで構成する場合には、NMRイメージングに対するノイズを低減する観点からは、0.2mm以下の厚みの金属リチウム箔を用いることが好ましく、金属リチウム箔の厚みが0.1mm以下となると、ノイズレベルを相当に抑えられることができるため、より好ましい。正極206は、例えば、上記正極活物質と、アセチレンブラックやファーネスブラックなどの導電性剤と、リチウム塩含有のポリエチレンオキサイド(PEO)やポリフッ化ビニリデン(PVdF)などの結着剤との混合物を用いることができる。その他、負極202および正極206には、他の非磁性の集電体材料が含まれてもよい。集電体にAl箔やPt箔などの非磁性金属材料が含まれる場合には、NMRイメージングに対するノイズを低減する観点からは、0.2mm以下の膜厚とすることが好ましく、0.1mm以下の膜厚とすることがより好ましく、0.02mm以下の膜厚となると、ノイズレベルを相当に抑えられることができるため、より好ましい。   When the negative electrode 202 is made of metallic lithium, it is preferable to use a metallic lithium foil having a thickness of 0.2 mm or less from the viewpoint of reducing noise for NMR imaging, and the thickness of the metallic lithium foil is 0.1 mm or less. This is more preferable because the noise level can be considerably suppressed. For the positive electrode 206, for example, a mixture of the positive electrode active material, a conductive agent such as acetylene black or furnace black, and a binder such as lithium salt-containing polyethylene oxide (PEO) or polyvinylidene fluoride (PVdF) is used. be able to. In addition, the negative electrode 202 and the positive electrode 206 may include other nonmagnetic current collector materials. When the current collector contains a non-magnetic metal material such as an Al foil or Pt foil, the thickness is preferably 0.2 mm or less from the viewpoint of reducing noise for NMR imaging, and is 0.1 mm or less. More preferably, the film thickness is 0.02 mm or less because the noise level can be considerably suppressed.

電池セル構造200をリチウムイオンポリマー二次電池として構成する場合には、電解質204は、リチウムイオンを含有する固体ないしゲル状態(準固体)の高分子電解質を用いることができる。より具体的には、電解質204は、例えば、LiTFSI(LiN(SOCF)などのリチウム塩を含む、ポリエチレンオキシド系、ポリフッ化ビニリデン系、ポリアクリロニトリル系、ポリメチルメタクリレート系の高分子電解質を用いることができる。 When the battery cell structure 200 is configured as a lithium ion polymer secondary battery, the electrolyte 204 can be a solid or gel (quasi-solid) polymer electrolyte containing lithium ions. More specifically, the electrolyte 204 is a polymer of polyethylene oxide, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, or polymethyl methacrylate containing a lithium salt such as LiTFSI (LiN (SO 2 CF 3 ) 2 ). An electrolyte can be used.

電解質204中のリチウム塩としては、その他、LiPF、LiClO、LiBF、LiAsF、LiCl、LiBrなどの無機塩や、LiCFSO、LiN(SO、LiC(SOCF、LiC(SOなどの有機塩、その他、非水電解液の電解質として知られる如何なる塩を用いることができる。 Other lithium salts in the electrolyte 204 include inorganic salts such as LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCl, LiBr, LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiC ( Organic salts such as SO 2 CF 3 ) 3 , LiC (SO 2 C 2 F 5 ) 3 , and other salts known as electrolytes for non-aqueous electrolytes can be used.

なお、電池室170に格納される負極202、電解質204および正極206の材料構成は、リチウムイオンポリマー二次電池を用いる場合には、リチウムイオンを輸送しかつ電荷の授受により充放電可能であり、電解質が準固体または固体であり、かつ非磁性材料から構成されている限り、如何なる組み合わせのものを採用することができる。   In addition, the material structure of the negative electrode 202, the electrolyte 204, and the positive electrode 206 stored in the battery chamber 170 can be charged and discharged by transporting lithium ions and transferring charges when using a lithium ion polymer secondary battery. Any combination of electrolytes can be employed as long as the electrolyte is quasi-solid or solid and is made of a non-magnetic material.

スペーサ168には、電池室170内の負極202に接続される引き出し線を挿通するための貫通穴168aが形成され、この貫通穴168aを通る引き出し線により、負極202とブロック166とが接続される。同様にスペーサ172には、電池室170内の正極206からの引き出し線を挿通するための貫通穴172aが形成され、この貫通穴172aを通る引き出し線により、正極206とブロック174とが接続される。   The spacer 168 is formed with a through hole 168a through which a lead wire connected to the negative electrode 202 in the battery chamber 170 is inserted, and the negative electrode 202 and the block 166 are connected by a lead wire passing through the through hole 168a. . Similarly, the spacer 172 is formed with a through hole 172a for inserting a lead wire from the positive electrode 206 in the battery chamber 170, and the positive electrode 206 and the block 174 are connected by the lead wire passing through the through hole 172a. .

ブロック164,166およびブロック174には、それぞれ、外部端子のネジ176およびネジ178が螺嵌されるネジ穴164a,166aおよびネジ穴174aが形成されている。本実施形態の分析用電池セル160aにおいて、貫通穴168a内を通る引き出し線、導電性のブロック166,164、およびネジ176が、電池セル構造から分析用電池セル外部への接続構造を構成する。同様に貫通穴172a内を通る引き出し線、ブロック174およびネジ178が、他方の接続構造を構成する。   Screw holes 164a, 166a and screw holes 174a into which screws 176 and 178 of external terminals are screwed are formed in the blocks 164, 166 and the block 174, respectively. In the analysis battery cell 160a of the present embodiment, the lead wire passing through the through hole 168a, the conductive blocks 166 and 164, and the screw 176 form a connection structure from the battery cell structure to the outside of the analysis battery cell. Similarly, the lead wire passing through the through hole 172a, the block 174, and the screw 178 constitute the other connection structure.

上記引き出し線は、非磁性かつ導電性を有する部材から形成され、内部に配置される電池セル構造と、外部の電気化学測定装置150との電気的接続を与える。このような部材としては、非磁性金属線を用いることができ、化学的安定性の観点からは、白金線など貴金属の金属線を用いることが好ましい。NMRイメージングに対するノイズを低減する観点からは、0.5mm以下の直径の金属線を用いることが好ましく、0.2mm以下の直径の金属線を用いることがより好ましい。   The lead wire is formed of a non-magnetic and conductive member, and provides electrical connection between the battery cell structure disposed inside and the external electrochemical measurement device 150. As such a member, a nonmagnetic metal wire can be used, and from the viewpoint of chemical stability, it is preferable to use a noble metal wire such as a platinum wire. From the viewpoint of reducing noise for NMR imaging, a metal wire having a diameter of 0.5 mm or less is preferably used, and a metal wire having a diameter of 0.2 mm or less is more preferably used.

図4は、本実施形態の分析用電池セル160aの外観を示す写真である。図4に示す写真には、図2および図3に示した分析用電池セル160aの対応する要素が符号により示されている。図4を参照すると、分析用電池セル160a内において、電池セル構造200がスペーサ168,172により両側から支持されている様子がわかる。   FIG. 4 is a photograph showing the appearance of the analytical battery cell 160a of this embodiment. In the photograph shown in FIG. 4, the corresponding elements of the analytical battery cell 160a shown in FIGS. 2 and 3 are indicated by reference numerals. Referring to FIG. 4, it can be seen that the battery cell structure 200 is supported by spacers 168 and 172 from both sides in the analytical battery cell 160a.

以下、本発明の他の実施形態による分析用電気化学セル周辺の構成について説明する。図5は、本発明の他の実施形態における分析用電池セル・セット210周辺の概略を示す。図5についても、縦および横の縮尺比が必ずしも一致しないことに留意されたい。図5に示す実施形態では、分析用電池セル・セット210は、分析用電池セル210aと、該分析用電池セル210aの外部端子に接続されるノイズカット・フィルタ220a,220bとを含んで構成される。分析用電池セル・セット210は、試料管の方向を超伝導磁石110のボアBの方向に素直に配置されている。図5に示すように、分析用電池セル210aの長手方向(試料管方向)の長さが超伝導磁石110のボアBの直径未満であれば、横置きで備え付け、さらに、ソレノイド型のRFコイル212を用いることにより、NMR分光の感度を向上させることもできる。   Hereinafter, the configuration around the electrochemical cell for analysis according to another embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 schematically shows the periphery of an analytical battery cell set 210 according to another embodiment of the present invention. Note also that FIG. 5 does not necessarily match the vertical and horizontal scale ratios. In the embodiment shown in FIG. 5, the analysis battery cell set 210 includes an analysis battery cell 210a and noise cut filters 220a and 220b connected to external terminals of the analysis battery cell 210a. The The analysis battery cell set 210 is arranged in a straight line with the direction of the sample tube in the direction of the bore B of the superconducting magnet 110. As shown in FIG. 5, if the length in the longitudinal direction (sample tube direction) of the analytical battery cell 210a is less than the diameter of the bore B of the superconducting magnet 110, it is installed horizontally, and further, a solenoid type RF coil By using 212, the sensitivity of NMR spectroscopy can be improved.

図6は、本発明のさらに他の実施形態における分析用電池セル・セット230周辺の概略を示す。図6に示す分析用電池セル・セット230は、分析用電池セル230aと、該分析用電池セルaの端子に接続されるノイズカット・フィルタ240a,240bとを含んで構成される。   FIG. 6 shows an outline around the analytical battery cell set 230 in still another embodiment of the present invention. The analysis battery cell set 230 shown in FIG. 6 includes an analysis battery cell 230a and noise cut filters 240a and 240b connected to the terminals of the analysis battery cell a.

図6に示す分析用電池セル230aは、図2に示した試料管162を内管232として、さらにその外側に外管234が設けられている。図2に示した分析用電池セル160aでは、下方の端子からの配線がそのまま下方に引き回され、超伝導磁石110のボアBの下方から引き出される構成とされているが、図6の分析用電池セルaでは、下方の端子からの配線が、内管232と外管234との間の空間を通って上方に引き回されている。なお、実験上制約によっては、図6に示すような態様を採用することができるが、引き回された配線がRFコイル236内を通過してしまうため、NMRイメージングに対するノイズを低減する観点からは、図2および図5に示す態様の方が好ましい。   The analysis battery cell 230a shown in FIG. 6 has the sample tube 162 shown in FIG. 2 as an inner tube 232, and an outer tube 234 provided on the outer side thereof. In the analysis battery cell 160a shown in FIG. 2, the wiring from the lower terminal is routed downward as it is, and is drawn out from below the bore B of the superconducting magnet 110. In the battery cell a, the wiring from the lower terminal is routed upward through the space between the inner tube 232 and the outer tube 234. Depending on the experimental constraints, the embodiment shown in FIG. 6 can be adopted. However, since the routed wiring passes through the RF coil 236, from the viewpoint of reducing noise for NMR imaging. 2 and FIG. 5 are preferred.

以下、本発明の実施形態の分析システム100における、核磁気共鳴イメージング法による電池セル構造を分析する分析方法について説明する。図7は、本発明の実施形態による分析方法を示すフローチャートである。図7に示す分析方法は、ステップS100から開始され、ステップS101では、分析用電池セル160a内に電池セル構造、スペーサ、ブロックなどを装入し、分析用電池セル160aをセットし、超伝導磁石110のボアB内の所定の位置にその分析用電池セル160aを準備する。   Hereinafter, an analysis method for analyzing a battery cell structure by the nuclear magnetic resonance imaging method in the analysis system 100 of the embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a flowchart illustrating an analysis method according to an embodiment of the present invention. The analysis method shown in FIG. 7 is started from step S100. In step S101, a battery cell structure, a spacer, a block, and the like are inserted into the analysis battery cell 160a, the analysis battery cell 160a is set, and a superconducting magnet is provided. The analytical battery cell 160a is prepared at a predetermined position in the bore B of 110.

ステップS102では、電気化学測定およびNMRイメージング測定における種々の測定条件を設定する。電気化学測定条件としては、電池の充放電測定を行う場合には、定電流充電方式、定電圧充電方式、定電流定電圧制御充電方式、パルス充電方式などの充電方式の指定や、定電流放電方式、定電力放電方式、パルス放電方式などの放電方式の指定や、休止時間の有無の指定などが含まれる。その他、電気化学測定の測定条件としては、例えば、サイクリック・ボルタンメトリーを行う場合には、開始電位、走引電位範囲、走引速度などが含まれる。   In step S102, various measurement conditions in electrochemical measurement and NMR imaging measurement are set. As electrochemical measurement conditions, when measuring charge / discharge of a battery, it is possible to specify a charge method such as a constant current charge method, a constant voltage charge method, a constant current constant voltage control charge method, a pulse charge method, or a constant current discharge. Designation of a discharge method such as a method, a constant power discharge method, and a pulse discharge method, designation of whether or not there is a downtime, and the like are included. In addition, as measurement conditions for electrochemical measurement, for example, in the case of performing cyclic voltammetry, a starting potential, a running potential range, a running speed, and the like are included.

NMRイメージング測定の測定条件としては、測定対象核種の指定、パルス・シーケンスの指定、測定範囲(2次元画像の場合には、測定平面の選択など)、解像度の指定などが含まれる。測定対象核種としては、使用する超伝導磁石が発生可能な静磁場強度等にもよるが、分析対象の電池セル構造に含まれる元素の、比較的天然存在比が高く、半整数または整数の核スピン量子数の核種を挙げることができ、より具体的には、Li、19F、31P、Hなどを挙げることができる。そして、NMRイメージングでは、測定対象核種の空間的な分布が定量され、2次元または3次元のリアルタイムビデオ画像として、あるいは任意のタイミングの静止画として、画像化することができる。 The measurement conditions of the NMR imaging measurement include designation of a measurement target nuclide, designation of a pulse sequence, measurement range (selection of a measurement plane in the case of a two-dimensional image, etc.), designation of resolution, and the like. The nuclide to be measured depends on the static magnetic field strength that can be generated by the superconducting magnet to be used. Examples include spin quantum nuclide, and more specifically, 7 Li, 19 F, 31 P, 1 H, and the like. In NMR imaging, the spatial distribution of the measurement target nuclide is quantified, and can be imaged as a two-dimensional or three-dimensional real-time video image or as a still image at an arbitrary timing.

また発明の実施形態による分析方法では、高い信号雑音比(SN比)を達成し、高い精度および時間分解能を得る観点からは、FLASH、SPGR、GRASS、FISPなどのグラジェント・エコー法を基本とするパルス・シーケンスを用いて、測定対象核種の空間分布、ひいては測定対象元素の空間分布を画像化することが好ましい。グラジェント・エコー法では、スピン・エコー法の180°パルスに代えて、勾配磁場を反転させることにより、エコー信号を発生させる。図8は、グラジェント・エコー法によるパルス・シーケンスの波形を模式的に示す。図8には、RFコイルに接続するチャンネルの信号(RF)、スライス選択勾配磁場制御信号(G(スライス))、周波数エンコード勾配磁場制御信号(G(読み出し))の波形が模式的に示されている。なお、RF信号は、照射される90°パルス波形および誘導されるエコー信号波形が含まれる。   The analysis method according to the embodiment of the present invention is based on a gradient echo method such as FLASH, SPGR, GRASS, and FISP from the viewpoint of achieving a high signal-to-noise ratio (SN ratio) and obtaining high accuracy and time resolution. It is preferable to image the spatial distribution of the nuclide to be measured, and thus the spatial distribution of the element to be measured, using the pulse sequence. In the gradient echo method, an echo signal is generated by inverting the gradient magnetic field instead of the 180 ° pulse of the spin echo method. FIG. 8 schematically shows a waveform of a pulse sequence by the gradient echo method. FIG. 8 schematically shows waveforms of a signal (RF) of a channel connected to the RF coil, a slice selection gradient magnetic field control signal (G (slice)), and a frequency encode gradient magnetic field control signal (G (read)). ing. The RF signal includes an irradiated 90 ° pulse waveform and an induced echo signal waveform.

ステップS103では、ステップS102で設定された電気化学測定条件に従って、測定対象核種の共鳴周波数を含む周波数帯の信号ノイズを遮断するノイズカット・フィルタを介して、電池セル構造に通電し、電気化学測定を開始する。ステップS104では、ステップS102で設定されたNMRイメージング測定条件に従って、NMR分光測定を開始し、電池セル構造の電解質内を観測位置とし、測定対象核種の空間分布を画像化する。そして、所望のデータを記録した後、ステップS105で分析を終了させる。なお、ステップS104のNMR分光測定は、電気化学測定を動作させたまま行うことができる。   In step S103, according to the electrochemical measurement conditions set in step S102, the battery cell structure is energized through a noise cut filter that cuts off signal noise in the frequency band including the resonance frequency of the measurement target nuclide, and electrochemical measurement is performed. To start. In step S104, NMR spectroscopy measurement is started according to the NMR imaging measurement conditions set in step S102, and the spatial distribution of the measurement target nuclide is imaged with the inside of the battery cell structure electrolyte as the observation position. Then, after recording desired data, the analysis is terminated in step S105. Note that the NMR spectroscopic measurement in step S104 can be performed while the electrochemical measurement is in operation.

上述した分析用電池セル160a,210a、230aによれば、電極集電体および接続構造が非磁性材料で構成されるため、超伝導磁石内でも安全かつ安定に取り扱うことが可能とされる。さらに、RFコイル130のラジオ波検出領域から金属材料が可能な限り排除されるため、測定対象領域内の金属材料に起因してNMRイメージング測定に作用するノイズが好適に低減される。さらに、分析用電池セル160a,210a、230aの外部端子は、測定対象核種の共鳴周波数を含む周波数帯域のノイズ信号を遮断するノイズカット・フィルタ190を介して、電気化学測定装置150の接続端子に接続される。このため、電気化学測定装置150や、その端子間の配線などが拾うノイズがNMR分光計側へ伝達してしまうことが効果的に防止される。上述特徴により、高い信号雑音比が達成され、動作中の電気化学セル構造を観測対象としたNMRイメージングが実現される。   According to the above-described analytical battery cells 160a, 210a, and 230a, since the electrode current collector and the connection structure are made of a nonmagnetic material, they can be handled safely and stably even in the superconducting magnet. Furthermore, since the metal material is excluded from the radio wave detection region of the RF coil 130 as much as possible, noise that acts on the NMR imaging measurement due to the metal material in the measurement target region is suitably reduced. Furthermore, the external terminals of the analytical battery cells 160a, 210a, and 230a are connected to the connection terminal of the electrochemical measuring device 150 via a noise cut filter 190 that blocks a noise signal in a frequency band including the resonance frequency of the measurement target nuclide. Connected. For this reason, it is effectively prevented that noise picked up by the electrochemical measuring apparatus 150 and the wiring between the terminals is transmitted to the NMR spectrometer side. Due to the above features, a high signal-to-noise ratio is achieved, and NMR imaging with the electrochemical cell structure in operation as the object of observation is realized.

なお、上述までの説明では、内部に電池セル構造が配置された分析用電池セルを分析用電気化学セルの例として説明してきたが、分析用電気化学セルの内部に配置可能な電気化学セル構造は、特に限定されるものではない。電気化学セル構造は、被測定対象核種のイオン種を含有する固体または準固体の電解質を用いた他の電気化学セル構造とすることができる。また、上述までの説明では、電気化学セル構造は、いわゆる2極セルとして構成されているが、他の実施形態では、より精度の高い電位制御を行うために、電池室170の適切な箇所に参照極を配置して、3極セルとして構成することもできる。また上記RFコイルは、上述したサドル型、ソレノイド型の他、鳥かご型などの他のRFコイルを採用することもできる。   In the above description, the analysis battery cell in which the battery cell structure is disposed has been described as an example of the analysis electrochemical cell. However, the electrochemical cell structure that can be disposed in the analysis electrochemical cell. Is not particularly limited. The electrochemical cell structure may be another electrochemical cell structure using a solid or quasi-solid electrolyte containing the ion species of the measurement target nuclide. In the above description, the electrochemical cell structure is configured as a so-called bipolar cell. However, in other embodiments, in order to perform more accurate potential control, the electrochemical cell structure is provided at an appropriate location in the battery chamber 170. A reference electrode may be arranged to configure as a three-pole cell. In addition to the saddle type and solenoid type described above, other RF coils such as a birdcage type can also be adopted as the RF coil.

以下、本発明の分析システムおよび分析方法について、実施例を用いてより具体的に説明するが、本発明は特定の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the analysis system and the analysis method of the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to specific examples.

(分析システム)
Bruker社製のマイクロイメージング・アクセサリを実装するNMR分光計(Avance300)をNMR分光計120として用いた。Bruker社製のUltraShield(登録商標)、300MHz、ボア径89mmの超伝導磁石を超伝導磁石110として用いた。また、Bruker社製のマイクロイメージングプローブのグラディエント・システムを使用して勾配コイル132を構成した。Solartron社製のポテンショスタット(1287型)を電気化学測定装置150として用いた。また、2.66GHzのCPU、2GBメモリを搭載したヒューレット・パッカード・カンパニー社製のパーソナル・コンピュータを測定用コンピュータ140として用いた。
(Analysis system)
An NMR spectrometer (Avance 300) equipped with a Bruker micro-imaging accessory was used as the NMR spectrometer 120. An ultrashield (registered trademark) manufactured by Bruker, 300 MHz, and a superconducting magnet having a bore diameter of 89 mm was used as the superconducting magnet 110. In addition, the gradient coil 132 was configured using a gradient system of micro imaging probe manufactured by Bruker. A potentiostat (1287 type) manufactured by Solartron was used as the electrochemical measuring device 150. In addition, a personal computer manufactured by Hewlett-Packard Company with a 2.66 GHz CPU and 2 GB memory mounted thereon was used as the measurement computer 140.

(分析用電池セル)
加工精度±0.5mm、外径9mm、内径7mm、長さ100mmの両端開放のパイレックス(登録商標)製の直管を試料管162として使用した。直径6mm、高さ30mm、中央に0.8mmφの貫通穴が形成されたテフロン(登録商標)製の円柱をスペーサ168として作製した。また、直径6mm、高さ11mm、中央にφ0.8mmの貫通穴を有するテフロン(登録商標)製の円柱をスペーサ172として作製した。
(Analytical battery cell)
A straight pipe made of Pyrex (registered trademark) having a processing accuracy of ± 0.5 mm, an outer diameter of 9 mm, an inner diameter of 7 mm, and a length of 100 mm was used as the sample tube 162. A column made of Teflon (registered trademark) having a diameter of 6 mm, a height of 30 mm, and a through-hole of 0.8 mmφ in the center was produced as a spacer 168. In addition, a Teflon (registered trademark) cylinder having a diameter of 6 mm, a height of 11 mm, and a through hole of φ0.8 mm in the center was manufactured as the spacer 172.

ブロック164は、直径6mm、高さ20mm、中央にφ3mmのネジ穴が貫通され、側面略中央にOリング用の溝が切られた真鍮製の円柱を作成して用いた。また直径6mm、高さ5mm、中央に深さ3mm、φ3mmのネジ穴が形成された真鍮製の円柱をブロック166として作成した。直径6mm、高さ20mm、一方の面の中央に深さ5mm、φ3mmのネジ穴が形成され、側面略中央に5mmの間隔で2つのOリング用溝が切られた真鍮製の円柱をブロック174として作成した。また、φ0.2mmの白金線をスペーサ168,172の貫通穴に挿通させ、引き出し線として用いた。なお、外部端子として用いるネジ176は、3mmφ、50mmの非磁性材料のものを用いた。   As the block 164, a brass cylinder having a diameter of 6 mm, a height of 20 mm, a φ3 mm screw hole penetrating in the center, and an O-ring groove cut in the center of the side surface was used. A brass cylinder having a diameter of 6 mm, a height of 5 mm, and a screw hole having a depth of 3 mm and a diameter of 3 mm in the center was formed as a block 166. Block 174 is a brass cylinder having a diameter of 6 mm, a height of 20 mm, a screw hole having a depth of 5 mm and a diameter of 3 mm formed in the center of one surface, and two O-ring grooves cut in the center of the side surface at intervals of 5 mm. Created as. A platinum wire of φ0.2 mm was inserted through the through holes of the spacers 168 and 172 and used as a lead wire. The screw 176 used as the external terminal was made of a nonmagnetic material having a diameter of 3 mm and 50 mm.

1.1μHのコイルLと、680pFのコンデンサCとにより構成したローパスフィルタ(5.8MHz以上の高周波を遮断する。)をノイズカット・フィルタ190として用いた。なお、300MHz級のNMR分光システムにおいて、Liを測定対象核種とした場合、その共鳴周波数は、116.6MHzである。 A low-pass filter (cutting off a high frequency of 5.8 MHz or higher) composed of a 1.1 μH coil L and a 680 pF capacitor C was used as the noise cut filter 190. In the 300 MHz class NMR spectroscopy system, when 7 Li is a measurement target nuclide, the resonance frequency is 116.6 MHz.

(電池セル構造)
正極活性剤としてアルドリッチ社製のLiFeP0と、導電性剤として電気化学工業株式会社製のアセチレンブラックと、結着剤としてアルドリッチ社製のポリエチレンオキシドPEO(粒子結着剤+リチウム伝導剤)とを、88:6:6(質量%)の比で混合し、正極を作製した。アルドリッチ社製の純度99.9%、0.37mm厚の金属リチウム箔を0.2mm以下に圧延して負極として用いた。高分子電解質は、電解塩にLiN(SOCF(重量比0.23)が用いられ可塑剤に下記一般式(1)で表される日油株式会社製のホウ酸(トリ(オキシアルキレン))エステル(n=6〜12、重量比0.38)を、モノマーであるポリエチレングリコール・モノメタクリレート(分子量400、日油株式会社製、重量比0.29)とポリエチレングリコール・ジメタクリレート(分子量600、日油株式会社製、重量比0.10)溶液に混合し、紫外線により光重合することで製作したポリエチレンオキシド系ポリマー電解質を用いた。そして、上記構成のリチウムイオンポリマー二次電池を作成し、分析用電池セル内に密封した。なお、リチウムイオンポリマー二次電池および分析用電池セルの準備は、グローブボックス内で、水分10ppm以下、アルゴン雰囲気下で行った。
(Battery cell structure)
And Aldrich of LiFeP0 4 as the positive electrode active material, a conductive agent of acetylene black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., and Aldrich polyethylene oxide PEO (particle binder + lithium conductivity agent) as a binder , 88: 6: 6 (mass%) to produce a positive electrode. A metal lithium foil having a purity of 99.9% and a thickness of 0.37 mm manufactured by Aldrich was rolled to 0.2 mm or less and used as a negative electrode. Polyelectrolytes, LiN the electrolytic salt (SO 2 CF 3) 2 (weight ratio 0.23) is used is plasticizer by the following general formula (1) in Nichiyu Co. boric acid represented (tri ( Oxyalkylene)) ester (n = 6-12, weight ratio 0.38), monomers polyethylene glycol monomethacrylate (molecular weight 400, manufactured by NOF Corporation, weight ratio 0.29) and polyethylene glycol dimethacrylate A polyethylene oxide polymer electrolyte produced by mixing in a solution (molecular weight 600, manufactured by NOF Corporation, weight ratio 0.10) and photopolymerizing with ultraviolet rays was used. And the lithium ion polymer secondary battery of the said structure was created, and it sealed in the battery cell for analysis. The lithium ion polymer secondary battery and the analytical battery cell were prepared in a glove box under a water content of 10 ppm or less and in an argon atmosphere.

(充放電測定およびNMRイメージング測定)
作成したリチウムイオンポリマー二次電池に対して、温度60℃下、電流密度1Cの条件下(つまり、LiFePOの理論容量170mAhg−1に対して1時間で満充電または満放電できるような条件)で、100サイクルの充放電試験を実施した。図9(A)は、各充放電サイクルにおける充放電容量に対する電圧変化を示すグラフである。図9(B)は、電池容量の充放電サイクルによる変化を示すグラフである。図9に示すように、放電平均電圧が概ね3.5V程度であり、通常のLiFePOを用いた電池と同等の電気化学挙動が確認された。
(Charge / discharge measurement and NMR imaging measurement)
With respect to the prepared lithium ion polymer secondary battery, under the condition of a temperature of 60 ° C. and a current density of 1 C (that is, a condition that the LiFePO 4 theoretical capacity of 170 mAhg −1 can be fully charged or fully discharged in one hour). Thus, a 100-cycle charge / discharge test was performed. FIG. 9A is a graph showing a change in voltage with respect to charge / discharge capacity in each charge / discharge cycle. FIG. 9B is a graph showing changes in battery capacity due to charge / discharge cycles. As shown in FIG. 9, the discharge average voltage was about 3.5 V, and the electrochemical behavior equivalent to that of a battery using ordinary LiFePO 4 was confirmed.

NMRイメージング測定では、図8に示すグラジェント・エコー法のパルス・シーケンスを用いた。なお、撮像パラメータは、繰り返し時間(TR)=503ms、エコー時間(TE)=6ms、撮像時間(TA)=1:4[min]、NEX(Number of Excitations)=1とした。上記構成の電池セル構造を測定対象とし、充放電サイクルを開始する前、および50サイクル後に測定したNMRイメージング結果を図10〜12に示す。図10は、リチウムイオンポリマー二次電池におけるフッ素イオンのz軸に水平な平面(高分子電解質の断面方向)上の分布を示す。図10(A)は、充放電サイクル前の画像を示し、図10(B)は、50サイクル後の画像を示し、図10(C)は、測定平面を図示する。図11は、リチウムイオンポリマー二次電池におけるフッ素イオンのz軸に垂直な平面(高分子電解質の水平方向)上の分布を示す。図11(A)は、50サイクル後の画像を示し、図11(B)は、測定平面を図示する。   In the NMR imaging measurement, a pulse sequence of the gradient echo method shown in FIG. 8 was used. Note that the imaging parameters were repetition time (TR) = 503 ms, echo time (TE) = 6 ms, imaging time (TA) = 1: 4 [min], and NEX (Number of Excitations) = 1. FIGS. 10 to 12 show NMR imaging results measured using the battery cell structure having the above configuration as a measurement object before starting the charge / discharge cycle and after 50 cycles. FIG. 10 shows the distribution of fluorine ions on a plane parallel to the z-axis (the cross-sectional direction of the polymer electrolyte) in the lithium ion polymer secondary battery. FIG. 10 (A) shows an image before the charge / discharge cycle, FIG. 10 (B) shows an image after 50 cycles, and FIG. 10 (C) shows a measurement plane. FIG. 11 shows the distribution of fluorine ions on a plane perpendicular to the z-axis (the horizontal direction of the polymer electrolyte) in the lithium ion polymer secondary battery. FIG. 11 (A) shows the image after 50 cycles, and FIG. 11 (B) illustrates the measurement plane.

図10および図11を参照すると、充放電サイクル前に高分子電解質全体に均一に分布していたフッ素イオンが、50サイクル後では、正極側に偏析した様子が示されている。また50サイクル後では、高分子電解質の水方向の平面上においても、特定の箇所に集中して偏析が発生していることが示された。   Referring to FIGS. 10 and 11, it is shown that fluorine ions that were uniformly distributed throughout the polymer electrolyte before the charge / discharge cycle segregated to the positive electrode side after 50 cycles. Further, after 50 cycles, it was shown that segregation was concentrated on a specific portion even on the plane of the polymer electrolyte in the water direction.

(まとめ)
図10〜12に示すように、上述のように構成した分析用電池セルを用いることにより、フッ素イオンの空間分布のNMRイメージングのin situ測定が実現可能であることが実証され、これにより、固体または準固体の電解質を用いた電気化学セル構造において、天然存在比が比較的高い半整数または整数の核スピン量子数の核種の元素の空間分布を、リアルタイムに画像化することが可能であることが示された。
(Summary)
As shown in FIGS. 10 to 12, by using the analytical battery cell configured as described above, it has been demonstrated that in situ measurement of NMR imaging of fluorine ion spatial distribution is feasible. Or, in an electrochemical cell structure using a quasi-solid electrolyte, it is possible to image in real time the spatial distribution of nuclide elements of half-integer or integer nuclear spin quantum number with a relatively high natural abundance ratio. It has been shown.

本発明によれば、動作状態において、電気化学セル内部の固体または準固体の電解質中のイオン移動現象および空間的分布を、イオン種を区別しながら、非破壊的かつリアルタイムに計測し、画像化することができる分析システムを提供することができる。また、本発明によれば、上記分析システムで使用する分析用電気化学セルを提供することができる。本発明によれば、さらに、動作状態において、電気化学セル内部の固体または準固体の電解質中のイオン移動現象および空間的分布を、イオン種を区別しながら、非破壊的かつリアルタイムに計測し、画像化する分析方法を提供することができる。本発明の分析システム、分析用電気化学セルおよび分析方法により、種々の条件下の電気化学セル内部の電解質中の各イオン種の移動および空間分布をリアルタイムに把握することが可能となり、ひいては、より高性能な電気化学セル(例えば容量劣化が起こらないリチウムイオンポリマー二次電池)の開発を支援することができる。   According to the present invention, in an operating state, ion migration phenomenon and spatial distribution in a solid or quasi-solid electrolyte inside an electrochemical cell are measured and imaged in a non-destructive and real-time manner while distinguishing ionic species. An analysis system that can be provided can be provided. Moreover, according to this invention, the electrochemical cell for an analysis used with the said analysis system can be provided. According to the present invention, in an operating state, the ion transfer phenomenon and the spatial distribution in a solid or quasi-solid electrolyte inside an electrochemical cell are further measured in a non-destructive and real-time manner while distinguishing ionic species. An analysis method for imaging can be provided. The analysis system, analytical electrochemical cell, and analytical method of the present invention make it possible to grasp in real time the movement and spatial distribution of each ionic species in the electrolyte inside the electrochemical cell under various conditions. Development of a high-performance electrochemical cell (for example, a lithium ion polymer secondary battery in which capacity deterioration does not occur) can be supported.

これまで本発明の実施形態および実施例について説明してきたが、本発明の実施形態は、上述した実施形態および具体的な実施例に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。   Although the embodiments and examples of the present invention have been described so far, the embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments and specific examples, and other embodiments, additions, modifications, It can be changed within a range that can be conceived by those skilled in the art, such as deletion, and any aspect is included in the scope of the present invention as long as the effects and advantages of the present invention are exhibited.

100…分析システム、110…超伝導磁石、B…ボア、120…NMR分光計、130…RFコイル、132…勾配コイル、160…分析用電池セル、140…測定用コンピュータ、150…電気化学測定装置、160a…分析用電池セル、160…分析用電池セル・セット、190…ノイズカット・フィルタ、162…試料管、164…ブロック、166…ブロック、168…スペーサ、170…電池室、172…スペーサ、174…ブロック、176…ネジ(外部端子)、178…ネジ(外部端子)、180…Oリング、200…電池セル構造、202…負極、204…電解質、206…正極、210…分析用電池セル・セット、210a…分析用電池セル、212…RFコイル、220…ノイズカット・フィルタ、230…分析用電池セル・セット、230a…分析用電池セル、232…内管、234…外管、236…RFコイル、240…ノイズカット・フィルタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Analytical system 110 ... Superconducting magnet, B ... Bore, 120 ... NMR spectrometer, 130 ... RF coil, 132 ... Gradient coil, 160 ... Analytical battery cell, 140 ... Computer for measurement, 150 ... Electrochemical measuring device , 160a ... analytical battery cell, 160 ... analytical battery cell set, 190 ... noise cut filter, 162 ... sample tube, 164 ... block, 166 ... block, 168 ... spacer, 170 ... battery chamber, 172 ... spacer, 174: Block, 176: Screw (external terminal), 178 ... Screw (external terminal), 180 ... O-ring, 200 ... Battery cell structure, 202 ... Negative electrode, 204 ... Electrolyte, 206 ... Positive electrode, 210 ... Battery cell for analysis Set, 210a ... Analysis battery cell, 212 ... RF coil, 220 ... Noise cut filter, 230 ... Analysis power Cell set, 230a ... analytical cell, 232 ... inner tube, 234 ... outer tube, 236 ... RF coil, 240 ... noise cut filter

Claims (11)

核磁気共鳴イメージング法により電気化学セル構造を分析するための分析システムであって、前記分析システムは、
核磁気共鳴イメージング装置の磁石ボア内に配置され、RFコイルにより囲繞されるとともに、固体または準固体の電解質および非磁性材料の電極を含む電気化学セル構造と、前記電気化学セル構造を両側から支持する非金属材料の支持部材のセットと、前記電気化学セル構造の前記電極を外部に電気的に接続する接続構造とを含む、分析用電気化学セルと、
電気化学測定装置の端子と前記接続構造との間に介装され、測定対象核種の共鳴周波数を含む周波数帯の信号ノイズを遮断するフィルタと
を含み、前記電気化学セル構造の前記電解質内の前記測定対象核種の空間分布を画像化する、分析システム。
An analysis system for analyzing an electrochemical cell structure by a nuclear magnetic resonance imaging method, the analysis system comprising:
An electrochemical cell structure disposed in a magnetic bore of a nuclear magnetic resonance imaging apparatus, surrounded by an RF coil, including an electrode of a solid or quasi-solid electrolyte and a non-magnetic material, and supporting the electrochemical cell structure from both sides An analytical electrochemical cell comprising: a set of non-metallic material support members; and a connection structure for electrically connecting the electrode of the electrochemical cell structure to the outside;
A filter interposed between a terminal of an electrochemical measurement device and the connection structure and blocking signal noise in a frequency band including a resonance frequency of a nuclide to be measured, and the filter in the electrolyte of the electrochemical cell structure An analysis system that images the spatial distribution of the target nuclide.
前記分析システムは、グラジェント・エコー法によるパルス・シーケンスを用いて、前記測定対象核種の空間分布を画像化する、請求項1に記載の分析システム。   The analysis system according to claim 1, wherein the analysis system images a spatial distribution of the measurement target nuclide using a pulse sequence by a gradient echo method. 前記電気化学セル構造は、リチウムイオンを含有する高分子材料の前記電解質と、前記電解質を挟んで両側に配置される第1電極および第2電極とを含んで二次電池を構成し、前記分析システムは、Li、19F、31P、およびHからなる群から選択された1以上の核種を前記測定対象核種とする、請求項1または2に記載の分析システム。 The electrochemical cell structure comprises a secondary battery including the electrolyte of a polymer material containing lithium ions, and a first electrode and a second electrode disposed on both sides of the electrolyte, and the analysis The analysis system according to claim 1, wherein the system uses one or more nuclides selected from the group consisting of 7 Li, 19 F, 31 P, and 1 H as the measurement nuclide. 前記分析用電気化学セルは、非磁性かつ導電性のブロックであって、前記フィルタに接続され、前記接続構造を構成し、かつシール部材とともに試料管内に前記電気化学セル構造を密封し、前記支持部材のセットを両側から挟持する該ブロックのセットをさらに含み、前記支持部材は、前記RFコイルの検出範囲から前記ブロックを排除する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の分析システム。   The analytical electrochemical cell is a non-magnetic and conductive block, is connected to the filter, constitutes the connection structure, and seals the electrochemical cell structure in a sample tube together with a seal member, and supports the support The analysis system according to claim 1, further comprising a set of blocks that sandwich the set of members from both sides, wherein the support member excludes the blocks from the detection range of the RF coil. 前記電気化学セル構造の電極は、それぞれ0.1mm以下の厚みを有する非磁性金属材料の集電体を含み、前記接続構造は、前記集電体に接続し、0.5mm以下の直径を有する非磁性金属材料の引き出し線を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の分析システム。   The electrode of the electrochemical cell structure includes a current collector made of a nonmagnetic metal material each having a thickness of 0.1 mm or less, and the connection structure is connected to the current collector and has a diameter of 0.5 mm or less. The analysis system according to claim 1, comprising a lead wire made of a nonmagnetic metal material. 核磁気共鳴イメージング法により電気化学セル構造の電解質内の測定対象核種の空間分布を画像化するための分析用電気化学セルであって、
固体または準固体の電解質および非磁性材料の電極を含む電気化学セル構造が装入される試料管と、前記試料管内に装入され、前記電気化学セル構造を両側から支持する非金属材料の支持部材のセットと、外部の測定対象核種の共鳴周波数を含む周波数帯の信号ノイズを遮断するフィルタに前記電気化学セル構造の前記電極を電気的に接続する接続構造と
を含む、分析用電気化学セル。
An analytical electrochemical cell for imaging the spatial distribution of a target nuclide in an electrolyte of an electrochemical cell structure by nuclear magnetic resonance imaging,
A sample tube in which an electrochemical cell structure including an electrode of a solid or quasi-solid material and a nonmagnetic material is inserted, and a nonmetallic material that is inserted in the sample tube and supports the electrochemical cell structure from both sides An analytical electrochemical cell, comprising: a set of members; and a connection structure that electrically connects the electrode of the electrochemical cell structure to a filter that blocks signal noise in a frequency band including a resonance frequency of an external measurement target nuclide. .
非磁性かつ導電性のブロックであって、前記フィルタに接続されるとともに、前記接続構造を構成し、かつシール部材とともに試料管内に前記電気化学セル構造を密封し、前記支持部材のセットを両側から挟持する該ブロックのセットをさらに含み、前記支持部材は、RFコイルの検出範囲から前記ブロックを排除する、請求項6に記載の分析用電気化学セル。   A non-magnetic and conductive block that is connected to the filter, constitutes the connection structure, and seals the electrochemical cell structure in a sample tube together with a seal member, and sets the support member from both sides The analytical electrochemical cell according to claim 6, further comprising a set of blocks to be sandwiched, wherein the support member excludes the block from the detection range of the RF coil. 核磁気共鳴イメージング法により電気化学セル構造を分析する分析方法であって、前記分析方法は、
RFコイルにより囲繞されるとともに、固体または準固体の電解質および非磁性材料の電極を含む電気化学セル構造と、前記電気化学セル構造を両側から支持する非金属材料の支持部材のセットと、前記電気化学セル構造の前記電極を外部に電気的に接続する接続構造とを含む分析用電気化学セルを、核磁気共鳴イメージング装置の磁石ボア内に準備するステップと、
測定対象核種の共鳴周波数を含む周波数帯の信号ノイズを遮断するフィルタを介して、電気化学セル構造に通電するステップと、
前記電気化学セル構造の前記電解質内の前記測定対象核種の空間分布を画像化するステップと
を含む、分析方法。
An analysis method for analyzing an electrochemical cell structure by a nuclear magnetic resonance imaging method, the analysis method comprising:
An electrochemical cell structure surrounded by an RF coil and including an electrode of a solid or quasi-solid electrolyte and a non-magnetic material; a set of non-metallic material support members for supporting the electrochemical cell structure from both sides; Preparing an analytical electrochemical cell in a magnet bore of a nuclear magnetic resonance imaging apparatus, including a connection structure for electrically connecting the electrode of the chemical cell structure to the outside;
Energizing the electrochemical cell structure through a filter that blocks signal noise in a frequency band including the resonance frequency of the measurement nuclide;
Imaging the spatial distribution of the nuclide to be measured in the electrolyte of the electrochemical cell structure.
前記画像化するステップでは、グラジェント・エコー法によるパルス・シーケンスを用いて、前記測定対象核種の空間分布を画像化する、請求項8に記載の分析方法。   The analysis method according to claim 8, wherein in the imaging step, the spatial distribution of the measurement target nuclide is imaged using a pulse sequence by a gradient echo method. 前記準備するステップは、リチウムイオンを含有する高分子材料の前記電解質と、前記電解質を挟んで両側に配置される第1電極および第2電極とを含んで構成される二次電池を前記電気化学セル構造として、前記分析用電気化学セルの試料管内に装入するステップを含み、前記画像化するステップでは、Li、19F、31P、およびHからなる群から選択された1以上の核種を前記測定対象核種とする、請求項8または9に記載の分析方法。 In the preparing step, a secondary battery including the electrolyte of a polymer material containing lithium ions, and a first electrode and a second electrode disposed on both sides of the electrolyte is formed in the electrochemical The cell structure includes a step of loading into a sample tube of the analytical electrochemical cell, wherein the imaging step includes one or more selected from the group consisting of 7 Li, 19 F, 31 P, and 1 H. The analysis method according to claim 8 or 9, wherein a nuclide is used as the measurement nuclide. 前記準備するステップは、非磁性かつ導電性のブロックのセットを前記分析用電気化学セルの試料管内に装入し、前記ブロックでシール部材とともに試料管内に前記電気化学セル構造を密封し、前記支持部材のセットを両側から挟持するステップを含み、前記支持部材は、前記RFコイルの検出範囲から前記ブロックを排除する、請求項8〜10のいずれか1項に記載の分析方法。   The preparing step includes inserting a set of non-magnetic and conductive blocks into a sample tube of the analytical electrochemical cell, sealing the electrochemical cell structure in a sample tube together with a seal member with the block, and supporting the support. The analysis method according to claim 8, further comprising a step of sandwiching a set of members from both sides, wherein the support member excludes the block from a detection range of the RF coil.
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