JP2010032492A - 圧力測定装置及び厚み測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 圧力測定装置10は、平板状の被測定物を表裏面から挟持する一対の固定部材2,12と、固定部材12の内側面に設けられているとともに、被測定物と固定部材12の間に生じる圧力分布を検出する圧力センサ8を備えている。圧力測定装置10は、被測定物と固定部材12の間に生じる圧力分布を検出することにより、被測定物に生じた体積変化の分布を測定することができる。
【選択図】 図1
Description
特許文献1の装置は、被測定物(単セル)全体の体積変化を測定することができる。換言すると、被測定物の平均的な体積変化を測定することができる。しかしながら、平板状の被測定物に生じた体積変化の分布を測定することができない。そのことから、特許文献1の装置を用いても、単セル内の充放電特性が均一か否かを確認することは不可能といえる。
本発明は、上記の課題を解決するものであり、平板状の被測定物に生じる体積変化の分布を測定可能な装置を提供することを目的とする。
蓄電素子の単セルを充放電すると、単セルを構成している電極板に体積変化が生じる。単セルを構成している電極板に局所的な異常(配合の不均一や、異物の混入等)が存在すると、単セルに生じる体積変化も局所的に相違する。この圧力測定装置によると、充放電に伴って電極板に生じた体積変化の分布を測定することができ、電極板に存在する局所的な異常を検出することが可能となる。なお、「蓄電素子の単セル」とは、電解質を介して対向する一対の電極板のことをいう。
二次電池の場合、充放電に伴って、正極板の体積変化よりも負極板の体積変化の方が顕著に現れることが多い。圧力センサが単セルの負極側に位置する固定部材に設けられていれば、単セルに生じた体積変化の分布を感度よく測定することができる。
蓄電素子では、イオンが電解質を介して一対の電極間を移動する。そのため、一対の電極間に電解質を保持させる必要がある。例えば、単セルをフィルム材等で覆い、そのフィルム材内に電解質を封入しなくてはいけない。単セルと圧力センサの間にフィルム材等が存在すると、そのフィルム材等によって、単セルと固定部材の間に生じた圧力変化の検出感度が低下することがある。それに対して、上記した電解質槽を備えていれば、単セルをフィルム材等で覆う必要がなくなり、蓄電素子の単セルと固定部材の間に生じた圧力をより正確に検出することができる。
単セルに凹凸が存在すると、単セルを充電していないにも係わらず、単セルと固定部材の間に圧力分布が存在する。充電後の単セルと固定部材の間の圧力分布のみでは、その圧力分布が充電による単セルの体積変化によって生じたものか、単セルに固有の凹凸によるものかの判断ができない。上記圧力分布計算装置を備えていれば、充電に伴う単セルの体積変化の分布を正確に測定することができる。
上記の厚み測定装置では、固定部材と被測定物の間の圧力分布に加えて、その被測定物を挟持している一対の固定部材間の距離を、同時に測定することができる。固定部材と被測定物の間の圧力分布は、被測定物の各位置における厚みを相対的に示す。一対の固定部材間の距離は、被測定物の平均的な厚みを絶対的に示す。従って、これらの測定値が得られれば、被測定物の厚み分布を定量的に求めることができる。これにより、例えば被測定物に生じた局所的な体積変化を、定量的に把握することができる。
上記の厚み測定装置では、一対の固定部材間の相対的な傾きを測定することができる。これにより、一対の固定部材間の距離が全面に亘って一定であると仮定する場合よりも、被測定物の厚み分布をより正確に算出することが可能となる。
上記したように、固定部材と被測定物の間の圧力分布と、その被測定物を挟持している一対の固定部材間の距離が判明すれば、被測定物の厚み分布を求めることができる。すなわち、一対の固定部材間の距離に、測定された圧力分布を重ね合わせれば、被測定物の厚み分布を得ることができる。上記厚み分布計算装置を備えていれば、例えば被測定物に生じた局所的な体積変化を、容易に検出することができる。
図1に示すように、圧力測定装置10は、一対の固定部材2,12を備えている。一対の固定部材2,12の間には、被測定物が挟持される。固定部材12の内側面に、被測定物と固定部材12の間に生じる圧力分布を検出することができる圧力センサ8が設けられている。圧力センサ8として、例えば、感圧導電性変換方式の圧力センサ、静電容量方式の圧力センサ、圧電式の圧力センサ、ひずみ式の圧力センサ等を使用することができる。
上記構造を備えていれば、平板状の被測定物に生じる体積変化の分布を測定することができる。以下に説明する圧力測定装置10の特徴は、必須の構成ではないが、被測定物に生じる体積変化の分布を測定するために好適である。
より正確にいうと、圧力分布計算装置22は、以下の計算をすることができる
(1)単セル40を初回充電する前(単セル40を固定部材2,12に設置したとき)に測定された圧力分布と、単セル40を初回充電した後に測定された圧力分布の差を計算する。
(2)単セル40を初回充電する前に測定された圧力分布と、単セル40を既定の回数充放電したときの充電後の圧力分布の差を計算する。
(3)単セル40を既定の回数充放電したときの充電前後の圧力分布の差を計算する。
図2に示すように、圧力測定装置10は、単セル40を充放電する充放電装置20と、圧力センサ8によって測定された圧力分布を記憶・処理する圧力分布計算装置22と、固定部材2,12を収容するとともに、電解質を貯留することができる電解質槽14を備えている。電解質槽14内に、電解液16が貯留されている。固定部材2,12は、単セル40を挟持した状態で電解液16内に配置されている。
単セル40は、正極28とセパレータ30と負極36が積層された積層体である。正極28は、正極集電板26と、正極集電板26の両面に形成されている正極活物質24を備えている。負極36は、負極集電板34と、負極集電板34の両面に形成されている負極活物質32を備えている。セパレータ30は、多孔質であり、内部に電解液16が含浸されている。そのため、正極28と負極36は、電解液16を介して対向しているといえる。正極28と負極36の間を、イオンが移動することができる。なお、正極活物質24は、正極集電板26の片面にだけ形成されていてもよい。同様に、負極活物質32は、負極集電板34の片面にだけ形成されていてもよい。正極活物質24と負極活物質32が、セパレータ30を介して対向していればよい。
負極36の負極活物質32は、圧力センサ8を介して固定部材12に対向している。上記したように、圧力センサ8が絶縁性を有しているので、負極36と固定部材12が絶縁される。また、正極28の正極活物質24は、絶縁膜4に接触し、固定部材2に直接接していない。正極28と固定部材2が絶縁される。その結果、単セル40と固定部材2,12が絶縁される。
参照極18は、配線20aを介して充放電装置20に接続されている。正極集電板26は、配線20bを介して充放電装置20に接続されている。負極集電板34は、配線20cを介して充放電装置20に接続されている。また、圧力センサ8は、配線22aを介して圧力分布計算装置22に接続されている。圧力センサ8で検出された圧力分布は、圧力分布計算装置22に入力される。
まず、圧力測定装置10に単セル40を設置する(S1)。このときに、負極集電板34と正極集電板26を、充放電装置20に接続する。また、圧力センサ8を、圧力分布計算装置22に接続する。次に、単セル40を充電する前に、単セル40と固定部材12の間に生じる圧力分布を測定する(S2)。この測定では、単セル40を初回充電する前の圧力分布を測定する。この測定によって、単セル40に固有の凹凸による圧力分布を測定することができる。圧力分布の測定結果は、圧力分布計算装置22に入力される。
次に、圧力分布計算装置22が、S2工程で測定された充電前の圧力分布とS5工程で測定された充電後の圧力分布の差分の分布を計算する(S6)。例えば、先のS5工程で初回充電後の圧力分布が測定されていれば、ここでは初回充電の前後で測定された圧力分布の差が計算される。それにより、初回充電の前後で単セル40に生じた体積変化の分布を測定することができる。その後、単セル40を放電する(S7)。単セル40の放電完了後、前記した測定対象回数の全てについて測定が完了していれば(S8:YES)、測定を終了する。測定対象回数の全てについて測定が完了していなければ(S8:NO)、S3工程に戻って単セル40を再度充電する。
図4に示すように、単セル40を充放電しなくても、単セル40と固定部材12の間には圧力分布が生じる。すなわち、図4は、単セル40に固有の凹凸を示している。
図5に示すように、単セル40の初回充電後の圧力分布は、図4の圧力分布よりも複雑になっている。図5の圧力分布は、単セル40に固有の凹凸と、単セル40の充電による体積変化の分布が重畳した分布である。そのため、図5は、単セル40の充電による体積変化の分布を正確に示すものではない。
そこで、圧力分布計算装置22を利用して、図4の圧力分布と図5の圧力分布の差分の分布を計算する。図6は、図4の圧力分布と図5の圧力分布の差分の分布を示している。図6の圧力分布は、単セル40に固有の凹凸に起因する圧力分布が除去されている。そのため、図6は、単セル40の初回充電後の体積変化の分布を示しているといえる。
図7に示すように、単セル40はフィルム60内に密封されている。そして、フィルム60には、単セル40とともに電解液62が密封されている。なお、単セル40のうち、負極集電板34の一部と正極集電板26の一部は、フィルム60から突出している。そして、負極集電板34と充放電装置20が、フィルム60の外で接続されている。また、正極集電板26と充放電装置20も、フィルム60の外で接続されている。
本実施例では、単セル40と電解液62が予めフィルム60内に密封されている。そのため、図2のように電解質槽14を必要としない。
なお、フィルム60の内部に参照極を配置してもよい。第1実施例と同様に、負極36の特性と正極28の特性を別々に測定することができる。
厚み測定装置100では、圧力測定装置10にガイド6(図1を参照)が設けられていない。単セル40は、固定部材12の自重によって、固定部材2,12間に挟持されている。換言すると、単セル40には、固定部材12の自重分だけの圧力が加えられている。厚み測定装置100は、圧力測定装置10に加え、変位センサ74(74a〜74c)と、変位量計算装置70と、厚み量計算装置80を有している。夫々の変位センサ74は、配線72を介して変位量計算装置70に接続されている。変位量計算装置70は、配線82によって厚み量計算装置80に接続されている。また、圧力分布計算装置22も、配線78によって厚み量計算装置80に接続されている。なお、図示は省略するが、厚み測定装置100では、圧力センサ8(図1を参照)が固定部材2に取付けられている。
図9に示すように、単セル40が膨張すると、固定部材12と固定部材2の間の相対的な位置が変化する。両者の相対的な位置の変化は、変位センサ74によって、固定部材12の変位量として検出される。そのときに、固定部材12と固定部材2の間の相対的な傾きが変化すると、変位センサ74a,74cの変位量が異なる。変位センサ74a,74cの変位量を変位量計算装置70で計算することにより、固定部材12と固定部材2の間の相対的な傾きを検出することができる。なお、固定部材12から単セル40に加えられる全体的な圧力は、単セル40が膨張する前と変わらない。そのため、充放電を繰り返している間、常に、固定部材2,12と単セル40の間の全体的な圧力を一定に保つことができる。
上記したように、厚み測定装置100では、固定部材2と固定部材12が拘束されていない。そのため、例えば環境温度が変化して固定部材2、12の体積が変化しても、固定部材2、12と単セル40の間の圧力に影響を及ぼさない。すなわち、固定部材2、12の体積変化が単セル40の体積変化として検出されることを抑制することができる。単セル40の体積変化の分布をより正確に検出することができる。
厚み測定装置100は、固定部材2、12間の厚み変化を測定することにより、単セル40の厚み変化を実測することができる。すなわち、単セル40の実際の厚み変化を位置毎に測定することができる。
まず、厚み測定装置100に単セル40を設置する(S11)。次に、単セル40と固定部材12の間に生じる圧力分布を測定する(S12)。S11とS12の工程は、実施例1で説明したS1とS2の工程と実質的に等しい。厚み測定装置100では、工程S11の後に、各変位センサ74a〜74cの値を、変位量計算装置70に入力する(S13)。工程S13によって、固定部材12と固定部材2の初期状態の傾きを測定することができる。なお、各変位センサ74a〜74cの値を変位量計算装置70入力した後に、変位センサ74a〜74c値を「ゼロ」に初期化してもよい。
8:圧力センサ
10:圧力測定装置
12:固定部材
14:電解質槽
20:充放電装置
22:圧力分布計算装置
40:単セル(被測定物)
70:変位量計算装置
74:変位センサ
80:厚み量計算装置
100:厚み測定装置
Claims (8)
- 平板状の被測定物を表裏面から挟持する一対の固定部材と、
一対の固定部材の内側面の少なくとも一方に設けられているとともに、前記被測定物と固定部材の間に生じる圧力分布を検出する圧力センサと、
を備えていることを特徴とする圧力測定装置。 - 前記被測定物が蓄電素子の単セルであり、
その単セルを充放電する充放電装置をさらに備えていることを特徴とする請求項1に記載の圧力測定装置。 - 前記蓄電素子が二次電池であり、
前記圧力センサが、少なくとも単セルの負極側に位置する固定部材に設けられていることを特徴とする請求項2の圧力測定装置。 - 前記一対の固定部材を収容するとともに、電解質を貯留可能な電解質槽を備えていることを特徴とする請求項2又は3に記載の圧力測定装置。
- 前記充放電装置による充電前に前記圧力センサによって測定された圧力分布と、前記充放電装置による充電後に前記圧力センサによって測定された圧力分布との差分の分布を計算する圧力分布計算装置をさらに備えていることを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載の圧力測定装置。
- 被測定物の厚み分布を測定する厚み測定装置であって、
請求項1から5のいずれか1項に記載の圧力測定装置と、
前記一対の固定部材間の相対的な位置を検出する変位センサと、
備えていることを特徴とする厚み測定装置。 - 前記変位センサを少なくとも3つ以上備えており、
任意の2つの変位センサの測定位置を結ぶ直線からオフセットされた位置に、少なくとも1つの変位センサが配置されていることを特徴とする請求項6に記載の厚み測定装置。 - 前記変位センサによって測定された被測定物の全体的な厚みのデータと、前記圧力センサによって測定された圧力分布のデータに基づいて、被測定物の厚み分布を計算する厚み分布計算装置をさらに備えていることを特徴とする請求項6又は7の厚み測定装置。
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