JP2010086873A

JP2010086873A - 電池、電池の電極電位を推定するための方法および装置

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Publication number: JP2010086873A
Application number: JP2008256670A
Authority: JP
Inventors: Yuki Ogawa; 祐輝小川; Yasukazu Iwasaki; 靖和岩崎; Kazuya Sato; 一也佐藤; Manabu Kaseda; 学加世田; Yuji Muroya; 祐二室屋; Takami Saito; 崇実齋藤; Hideaki Horie; 英明堀江
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2010-04-15

Abstract

【課題】電極電位を正確に推定し得る電池、電池の電極電位を正確に推定するための方法および装置を提供する。
【解決手段】正極１１５、負極１１０、および、正極および負極の電極端面１１６，１１１からの距離が異なり、かつ、正極電位および負極電位を測定するための２種以上の参照極１３０，１３５を有する電池１００である。当該電池においては、参照極によって測定される正極電位と、参照極に対する正極の電極端面からの距離との関係に基づいて、正極電位の近似式が導出され、当該近似式において、正極の電極端面からの距離としてゼロを代入した場合に得られる値が、正極電位と推定される。また、参照極によって測定される負極電位と、参照極に対する負極の電極端面からの距離との関係に基づいて、負極電位の近似式が導出され、当該近似式において、負極の電極端面からの距離としてゼロを代入した場合に得られる値が、負極電位と推定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池、電池の電極電位を推定するための方法および装置に関する。

電池の電極電位は、正極側および負極側に参照極をそれぞれ配置し、正極−参照極、負極−参照極および正極−負極間の電圧を測定し、得られた測定結果に基づいて、推定している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−１７９３２９号公報

しかし、参照極の配置位置を考慮していないため、電極電位を正確に推定することが困難である。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、電極電位を正確に推定し得る電池、電池の電極電位を正確に推定するための方法および装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一様相は、正極、負極および複数の参照極を有する電池である。当該電池の前記参照極は、正極電位および負極電位を測定するために使用され、前記正極および前記負極の電極端面からの距離が異なり、かつ、電位の異なる２種以上の参照極からなる。

上記目的を達成するための本発明の別の一様相は、前記電池の正極電位および負極電位を推定するための方法である。当該方法においては、前記参照極によって測定される正極電位と、前記参照極に対する前記正極の電極端面からの距離との関係に基づいて、前記正極電位の近似式を導出し、当該近似式において、前記正極の電極端面からの距離としてゼロを代入した場合に得られる値を、正極電位と推定する。また、前記参照極によって測定される負極電位と、前記参照極に対する前記負極の電極端面からの距離との関係に基づいて、前記負極電位の近似式を導出し、当該近似式において、前記負極の電極端面からの距離としてゼロを代入した場合に得られる値を、負極電位と推定する。

上記目的を達成するための本発明のさらに別の一様相は、前記電池の正極電位および負極電位を推定するための装置である。当該装置は、前記参照極に対する前記正極の電極端面からの距離および前記負極の電極端面からの距離を記憶する記憶手段、前記参照極によって正極電位および負極電位を測定する電位測定手段、および、正極電位および負極電位を推定する推定手段を有する。そして、前記推定手段は、前記参照極によって測定される正極電位と、前記参照極に対する前記正極の電極端面からの距離との関係に基づいて、前記正極電位の近似式を導出し、当該近似式において、前記正極の電極端面からの距離としてゼロを代入した場合に得られる値を、正極電位と推定する。また、前記推定手段は、前記参照極によって測定される負極電位と、前記参照極に対する前記負極の電極端面からの距離との関係に基づいて、前記負極電位の近似式を導出し、当該近似式において、前記負極の電極端面からの距離としてゼロを代入した場合に得られる値を、負極電位と推定する。

本発明によれば、正極および負極の電極端面からの距離が異なり、電位が異なる２種以上の参照極を利用し、参照極によって測定される正極電位および負極電位と参照極に対する正極および負極の電極端面からの距離との関係に基づき、正極電位および負極電位を推定する近似式を導出することができる。したがって、参照極の配置位置を考慮して、正極電位および負極電位が推定されるため、その推定は、正確となる。したがって、電極電位を正確に推定し得る電池、電池の電極電位を正確に推定するための方法および装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、実施形態１に係る電池を説明するための断面図、図２は、図２に示される参照極の配置を説明するための平面図である。

実施形態１に係る電池１００は、リチウム二次電池であり、負極１１０、正極１１５、セパレータ１０５、集電体１２０，１２５、参照極１３０，１３５および絶縁層１４０，１４５を有する。

負極１１０および正極１１５は、リチウムイオンを吸蔵および放出する材料を有しており、極間の電解質をリチウムイオンが行き来することによって、充放電が為される。そのため、充放電の繰り返しや過放電によって、負極１１０においてデンドライトと呼ばれる樹枝状の析出物が析出かつ成長し、セパレータ１０５を貫通して、正極−負極間で内部短絡を引き起こしたり、過充電時において、電解液や電極の劣化を引き起こしたりする可能性が存在する。電池１００は、後述するように、参照極１３０，１３５を利用することで、負極電位および正極電位を正確に推定することが可能であり、当該電位を制御に用いることで、過放電、過充電、デントライト析出を防止し、良好なサイクル特性を達成する。

負極１１０は、矩形形状を呈し、集電体１２０とセパレータ１０５との間に位置し、例えば、ハードカーボン（難黒鉛化炭素材料）からなる負極活物質を有する。負極活物質は、例えば、黒鉛系炭素材料や、リチウム−遷移金属複合酸化物を利用することも可能である。しかし、カーボンおよびリチウム−遷移金属複合酸化物からなる負極活物質は、容量および出力特性の観点から好ましい。

正極１１５は、負極１１０より小さな矩形形状を呈し、集電体１２５とセパレータ１０５の間に位置し、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４からなる正極活物質を有する。正極活物質は、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４に制限されないが、容量および出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物を適用することが好ましい。負極１１０および正極１１５の厚さは、電池の使用目的（例えば、出力重視あるいはエネルギー重視）や、イオン伝導性を考慮して適宜設定される。

セパレータ１０５は、負極１１０の形状と略一致する形状を呈し、例えば、多孔性（ポーラス）のＰＥ（ポリエチレン）から形成される。セパレータの素材として、ＰＰ（ポリプロピレン）などの他のポリオレフィン、ＰＰ／ＰＥ／ＰＰの３層構造をした積層体、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、不織布を、利用することが可能である。不織布は、例えば、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステルである。なお、セパレータは、絶縁体であるが、電解質が浸透することによって、イオン透過性および電気伝導性を呈することとなる。

電解質は、例えば、ゲルポリマー系であり、電解液およびホストポリマーを有する。電解液は、ＰＣ（プロピレンカーボネート）およびＥＣ（エチレンカーボネート）からなる有機溶媒、支持塩としてのリチウム塩（ＬｉＰＦ_６）を含んでいる。有機溶媒は、例えば、その他の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類、テトラヒドロフラン等のエーテル類を適用することが可能である。リチウム塩は、例えば、その他の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３等の有機酸陰イオン塩を、適用することが可能である。

ホストポリマーは、ＨＦＰ（ヘキサフルオロプロピレン）コポリマーを１０％含むＰＶ
ＤＦ−ＨＦＰ（ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体）である。
ホストポリマーは、その他のリチウムイオン伝導性を持たない高分子や、イオン伝導性を
有する高分子（固体高分子電解質）を適用することも可能である。その他のリチウムイオ
ン伝導性を持たない高分子は、例えば、ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）、ＰＭＭＡ（ポ
リメチルメタクリレート）である。イオン伝導性を有する高分子は、例えば、ＰＥＯ（ポ
リエチレンオキシド）やＰＰＯ（ポリプロピレンオキシド）である。

集電体１２０，１２５は、例えば、ステンレススチール箔から形成される。集電体素材は、アルミニウム箔、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材を、利用することも可能である。

なお、負極１１０および正極１１５は、外部まで導出されるリード線（不図示）が取り付けられている。

参照極１３０，１３５は、例えば、金属リチウムから形成され、負極電位および正極電位を測定可能とするため、その周囲に電解液（不図示）が配置され、かつ、外部まで導出されているリード線１３３，１３８が取り付けられている。また、参照極１３０，１３５は、正極１１５および負極１１０の外部（セパレータ１０５の外部）に位置し、正極側に配置されており、正極１１５および負極１１０の電極端面１１６，１１１からの距離が異なり、かつ、電位が異なる。

電池１００は、上記のように、正極１１５および負極１１０の電極端面１１６，１１１からの距離が異なりかつ電位の異なる２種の参照極１３０，１３５を有しており、当該参照極１３０，１３５は、正極電位および負極電位を推定する近似式を導出するために適用される。正極電位の近似式は、参照極１３０，１３５によって測定される正極電位と、参照極１３０，１３５に対する正極１１５の電極端面１１６からの距離Ｘ_１１、Ｘ_１２との関係に基づいて導出され、正極１１５の電極端面１１６からの距離Ｘとしてゼロを代入した場合に得られる値が、正極電位と推定される。また、負極電位の近似式は、参照極１３０，１３５によって測定される負極電位と、参照極１３０，１３５に対する負極１１０の電極端面１１１からの距離Ｘ_２１，Ｘ_２２との関係に基づいて導出され、負極１１０の電極端面１１１からの距離としてゼロを代入した場合に得られる値が、負極電位と推定される。つまり、電池１００においては、参照極１３０，１３５の配置位置を考慮して、正極電位および負極電位を推定することが可能であり、その推定は、正確となる。

なお、参照極１３０，１３５は、正極１１５および負極１１０における同一の電極端面１１６，１１１に対して相対している。したがって、電極端面１１６，１１１に係る参照極１３０，１３５の測定環境のバラツキが抑制され、測定値に対する影響が排除されるため、導出される近似式の精度を、向上させることができる。

また、参照極１３０，１３５は、電極端面１１６，１１１に対して直交する方向ＰＤに沿って位置合わせされており、電極端面１１６，１１１に対して直交する方向に係る参照極１３０，１３５の測定環境のバラツキに関しても、抑制され、測定値に対する影響が排除されるため、導出される近似式の精度を、向上させることができる。

さらに、参照極１３０，１３５は、正極１１５と負極１１０の積層方向ＳＤにおける同一高さに保持されており、積層方向ＳＤに係る参照極１３０，１３５の測定環境のバラツキを抑制し、測定値に対する影響を排除することにより、導出される近似式の精度を、向上させることができる。

絶縁層１４０，１４５は、シート状の絶縁体からなり、その間に参照極１３０，１３５が配置されており、参照極１３０，１３５に近接して配置される集電体１２０，１２５との短絡を確実に防止し、集電体１２０，１２５に対する絶縁性を確保している。絶縁体は、良好な絶縁性を有し、かつ、電池動作温度下での耐熱性を有しておれば、特に限定されず、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、ゴムなどを適用することが可能である。

図３は、実施形態１に係る電極電位推定装置を説明するためのブロック図である。

実施形態１に係る電極電位推定装置１５０は、測定ユニット１６０および推定ユニット１７０を有する。

測定ユニット１６０は、参照極１３０，１３５によって正極電位および負極電位を測定するための回路（電位測定手段）１６１と、連結端子１６４，１６５，１６７，１６８とを有する。

回路１６１は、正極１１５と負極１１０の間に所定電流を流すための電源部と、所定電流を流した際における参照極１３０，１３５と正極との間の電位差および負極との間の電位差を検出するための検出部とを有する。なお、正極電位および負極電位は、正極１１５と負極１１０の間に所定電流を流した際における参照極１３０，１３５と正極１１５との間の電位差および負極１１０との間の電位差によって定義される。

連結端子１６４，１６５は、負極１１０および正極１１５に導通しているリード線１１３，１１８を接続するために使用される。連結端子１６７，１６８は、参照極１３０，１３５に導通しているリード線１３３，１３８を接続するために使用される。

推定ユニット１７０は、正極電位および負極電位を推定するために使用され、演算処理部（推定手段）１７２およびメモリ（記憶手段）１７４を有する。演算処理部１７２は、マイクロプロセッサ等から構成される演算回路であり、測定ユニット１６０を制御するための制御プログラムや、正極電位および負極電位を推定する演算プログラムを実行する。

メモリ１７４は、例えば、ＲＯＭやフラッシュＲＯＭなどの読取り専用の記憶装置、ＲＡＭなどの高速のランダムアクセス記憶装置、ハードディスクドライブなどの大容量のランダムアクセス記憶装置からなる。メモリ１７４は、例えば、演算プログラムおよび各種設定データおよび測定データが格納される記憶領域や、制御プログラムおよび演算プログラムを実行するための作業領域を有する。

設定データは、正極１１５の電極端面１１６から参照極１３０までの距離Ｘ_１１、正極１１５の電極端面１１６から参照極１３５までの距離Ｘ_１２、負極１１０の電極端面１１１から参照極１３０までの距離Ｘ_２１、負極１１０の電極端面１１１から参照極１３５までの距離Ｘ_２２である。測定データは、参照極１３０によって測定される正極電位および負極電位と、参照極１３５によって測定される正極電位および負極電位である。

なお、演算処理部１７２においては、参照極１３０，１３５によって測定される正極電位と、参照極１３０，１３５に対する正極１１５の電極端面１１６からの距離Ｘ_１１、Ｘ_１２との関係に基づいて、正極電位の近似式を導出し、当該近似式において、正極１１５の電極端面１１６からの距離Ｘとしてゼロを代入した場合に得られる値が、正極電位と推定される。また、参照極１３０，１３５によって測定される負極電位と、参照極１３０，１３５に対する負極１１０の電極端面１１１からの距離Ｘ_２１，Ｘ_２２との関係に基づいて、負極電位の近似式を導出し、当該近似式において、負極１１０の電極端面１１１からの距離としてゼロを代入した場合に得られる値が、負極電位と推定される。

電極電位推定装置１５０は、上記のように、正極１１５および負極１１０の電極端面１１６，１１１からの距離が異なりかつ電位の異なる参照極１３０，１３５を利用し、参照極１３０，１３５によって測定される正極電位および負極電位と、参照極１３０，１３５に対する正極および負極の電極端面からの距離との関係に基づき、正極電位および負極電位を推定する近似式を導出しており、参照極１３０，１３５の配置位置を考慮して、正極電位および負極電位を推定しているため、その推定は、正確となる。

次に、実施形態１に係る電極電位推定方法を説明する。

図４は、実施形態１に係る電極電位推定方法を説明するためのフローチャート、図５は、図４に示される近似式の導出を説明するためのグラフである。なお、図４のフローチャートは、メモリ１７４に、制御プログラムおよび演算プログラムとして記憶されており、演算処理部１７２によって実行される。

まず、測定ユニット１６０が制御され、参照極１３０，１３５によって正極電位Ｙ_１１，Ｙ_１２がそれぞれ測定される（ステップＳ１０１）。正極１１５の電極端面１１６から参照極１３０までの距離Ｘ_１１、および、正極１１５の電極端面１１６から参照極１３５までの距離Ｘ_１２が、メモリ１７４から読み出される（ステップＳ１０２）。

次に、正極電位を推定するための正極電位の近似式が導出される（ステップＳ１０３）。正極電位の近似式は、Ｙ＝Ａ_１＊ｌｏｇ（Ｘ）からなり、参照極１３０によって測定された正極電位Ｙ_１１および正極１１５の電極端面１１６から参照極１３０までの距離Ｘ_１１と、参照極１３５によって測定された正極電位Ｙ_１２および正極１１５の電極端面１１６から参照極１３５までの距離Ｘ_１２との関係に基づいて、係数Ａ_１が得られる（図５参照）。

そして、係数Ａ_１が得られた正極電位の近似式に、距離Ｘとしてゼロを代入することによって算出される値が、正極電位と推定される（ステップＳ１０４）。

次に、測定ユニット１６０が制御され、参照極１３０，１３５によって負極電位Ｙ_２１，Ｙ_２２がそれぞれ測定される（ステップＳ１０５）。負極１１０の電極端面１１１から参照極１３０までの距離Ｘ_２１、および、負極１１０の電極端面１１１から参照極１３５までの距離Ｘ_２２が、メモリ１７４から読み出される（ステップＳ１０６）。

その後、正極電位の近似式の場合と同様に、負極電位を推定するための負極電位の近似式が導出される（ステップＳ１０７）。近似式は、Ｙ＝Ａ_２＊ｌｏｇ（Ｘ）からなり、参照極１３０によって測定された負極電位Ｙ_２１および負極１１０の電極端面１１１から参照極１３０までの距離Ｘ_２１と、参照極１３５によって測定された負極電位Ｙ_２２および負極１１０の電極端面１１１から参照極１３５までの距離Ｘ_２２との関係に基づいて、係数Ａ_２が得られる。

そして、係数Ａ_２が得られた負極電位の近似式に、距離Ｘとしてゼロを代入することによって算出される値が、正極電位と推定される（ステップＳ１０８）。

以上のように、実施形態１に係る電極電位推定方法においては、参照極１３０，１３５によって測定される正極電位Ｙ_１１，Ｙ_１２と距離Ｘ_１１，Ｘ_１２との関係に基づいて、正極電位の近似式を導出し、当該近似式において、距離としてゼロを代入した場合に得られる値を、正極電位と推定し、一方、参照極１３０，１３５によって測定される負極電位Ｙ_２１，Ｙ_２２と距離Ｘ_２１，Ｘ_２２との関係に基づいて、負極電位の近似式を導出し、当該近似式において、距離としてゼロを代入した場合に得られる値を、負極電位と推定する。つまり、正極１１５および負極１１０の電極端面からの距離が異なりかつ電位が異なる２種類の参照極１３０，１３５を利用し、参照極によって測定される正極電位および負極電位と参照極に対する正極および負極の電極端面からの距離との関係に基づき、正極電位を推定する近似式および負極電位を推定する近似式を導出しており、正極電位および負極電位を、参照極１３０，１３５の配置位置を考慮して推定しており、その推定は、正確となっている。

図６および図７は、実施形態１に係る変形例１を説明するための平面図および断面図、図８は、実施形態１に係る変形例２を説明するための平面図、図９および図１０は、図８の線ＩＸ−ＩＸおよび線Ｘ−Ｘに関する断面図である。

参照極１３０，１３５は、正極側における同一の電極端面１１６に相対して配置される形態に限定されず、例えば、図６および図７に示されるように、平行方向に延長する異なる電極端面１１６にそれぞれ相対するように配置したり、図８〜１０に示されるように、直交する方向に延長する異なる電極端面１１６にそれぞれ相対するように配置したり、することも可能である。

図１１は、実施形態１に係る変形例３を説明するための平面図、図１２、図１３および図１４は、図１１の線ＸＩＩ−ＸＩＩ、線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩおよび線ＸＩＶ−ＸＩＶに関する断面図、図１５は、実施形態１に係る変形例４を説明するための平面図、図１６は、実施形態１に係る変形例４の近似式の導出を説明するためのグラフである。

参照極は、距離および電位が異なる２種類の参照極１３０，１３５によって構成される形態に限定されず、例えば、図１１〜１４に示されるように、距離および電位が異なる第３の参照極１８０を設けたり、図１５に示されるように、６種類の参照極１３０，１３５，１８０〜１８３を設けたりすることも可能である。この場合、図１６に示されるように、正極電位および負極電位の測定データおよび距離データが増加するため、正極電位および負極電位の近似式の精度を向上させることが可能である。

以上のように、実施形態１に係る電池、方法および装置おいては、正極および負極の電極端面からの距離が異なり、電位が異なる２種以上の参照極を利用し、参照極によって測定される正極電位および負極電位と参照極に対する正極および負極の電極端面からの距離との関係に基づき、正極電位および負極電位を推定する近似式を導出しており、参照極の配置位置を考慮して、正極電位および負極電位を推定しているため、その推定は、正確となる。つまり、電極電位を正確に推定し得る電池、電池の電極電位を正確に推定するための方法および装置を提供することができる。また、正確に推定された負極電位および正極電位を制御に用いることで、リチウム二次電池において、過放電、過充電、デントライト析出を防止し、良好なサイクル特性を達成することが可能である。

なお、参照極は、正極および負極における同一の電極端面に対して相対しているため、電極端面に係る参照極の測定環境のバラツキが抑制され、測定値に対する影響が排除されるため、導出される近似式の精度を、向上させることができる。また、参照極は、電極端面に対して直交する方向に沿って位置合わせされており、電極端面に対して直交する方向に係る参照極の測定環境のバラツキに関しても、抑制され、測定値に対する影響が排除されるため、導出される近似式の精度を、向上させることができる。さらに、参照極は、正極と負極の積層方向における同一高さに保持されており、積層方向に係る参照極の測定環境のバラツキを抑制し、測定値に対する影響を排除することにより、導出される近似式の精度を、向上させることができる。

また、参照極は、絶縁層の間に配置されており、参照極に近接して配置される集電体との短絡を確実に防止し、集電体に対する絶縁性が確保されている。

次に、実施形態２を説明する。

図１７は、実施形態２に係る電極電位推定装置を説明するためのブロック図である。

実施形態２は、電池２００の正極電位および負極電位の測定値を校正する点で、実施形態１と概して異なる。なお、以下において、実施形態１と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。

実施形態２に係る電極電位推定装置２５０の測定ユニット２６０は、参照極２３０，２３５によって正極電位および負極電位を測定するための回路（電位測定手段）２６１と、参照極２３０，２３５間の電位差を測定するための回路（電位差測定手段）２６２と、連結端子２６４，２６５，２６７，２６８とを有する。回路２６２は、正極２１５と負極２１０の間に所定電流を流した際における参照極２３０，２３５の間の電位差を検出するための検出部とを有する。

電極電位推定装置２５０の推定ユニット２７０は、演算処理部（推定手段かつ校正手段）２７２およびメモリ（記憶手段）２７４を有する。演算処理部２７２は、測定ユニット２６０を制御するための制御プログラムや、正極電位および負極電位を推定する演算プログラムを実行する。実施形態２に係る演算プログラムは、正極電位および前記負極電位の測定値を校正するモジュールが組み込まれている。なお、符号２１１，２１６は電極端面、符号２０５はセパレータ、符号２２０，２２５は集電体、符号２４０，２４５は絶縁層を示している。

次に、実施形態２に係る電極電位推定方法を説明する。

図１８は、実施形態２に係る電極電位推定方法を説明するためのフローチャートである。なお、図１８のフローチャートは、メモリ２７４に制御プログラムおよび演算プログラムとして記憶されており、演算処理部２７２によって実行される。

まず、測定ユニット２６０が制御され、参照極２３０，２３５によって正極電位Ｙ_１１，Ｙ_１２がそれぞれ測定され（ステップＳ２０１）。そして、参照極間の電位差ΔＹ_１が測定され（ステップＳ２０２）、参照極間に電位差が生じているか否かが判断される（ステップＳ２０３）。

参照極間に電位差が生じている場合（ステップＳ２０３のＹＥＳ）、正極電位Ｙ_１１，Ｙ_１２の測定値が校正される（ステップＳ２０４）。実施形態２においては、測定値の校正は、参照極２３５を基準とした電位となるように、参照極２３０によって測定された正極電位Ｙ_１１。を、電位差ΔＹ_１によって補正することによって実施される。なお、参照極２３０を基準とすることも可能である。また、参照極が３つ以上の場合は、基準とする参照極を適宜選定し、当該参照極と他の参照極との間の電位差をそれぞれ測定し、他の参照極によって測定された正極電位を、電位差によってそれぞれ補正する。参照極間に電位差が生じていない場合（ステップＳ２０３のＮＯ）、ステップＳ２０４がスキップされる。

次に、正極２１５の電極端面２１６から参照極２３０までの距離Ｘ_１１、および、正極２１５の電極端面２１６から参照極２３５までの距離Ｘ_１２が、メモリ２７４から読み出され（ステップＳ２０５）、正極電位を推定するための正極電位の近似式が導出され（ステップＳ２０６）、係数Ａ_１が得られた正極電位の近似式に、距離Ｘとしてゼロを代入することによって算出される値が、正極電位と推定される（ステップＳ２０７）。したがって、参照極間に電位差が生じている場合、正極電位の近似式を導出するための正極電位は、校正された値が使用されるため、導出される正極電位の近似式の精度が、向上する。

次に、測定ユニット２６０が制御され、参照極２３０，２３５によって負極電位Ｙ_２１，Ｙ_２２がそれぞれ測定され（ステップＳ２０８）、ステップＳ２０２〜Ｓ２０６と同様にして、負極電位を推定するための負極電位の近似式が導出され（ステップＳ２０９〜Ｓ２１３）、係数Ａ_２が得られた負極電位の近似式に、距離Ｘとしてゼロを代入することによって算出される値が、負極電位と推定される（ステップＳ２１４）。したがって、参照極間に電位差が生じている場合、負極電位の近似式を導出するための正極電位は、校正された値が使用されるため、参照極間の測定環境のバラツキによる影響を排除することにより、導出される負極電位の近似式の精度が、向上する。

以上のように、実施形態２においては、参照極間の電位差を測定し、参照極間に電位差が生じている場合、測定された電位差によって、正極電位および負極電位の測定値を校正し、校正された正極電位および校正された負極電位を使用して、近似式を導出している。したがって、参照極間の測定環境のバラツキによる影響を排除することにより、導出される近似式の精度を、向上させることができる。

次に、実施形態３を説明する。

図１９は、実施形態３に係る電池を説明するための断面図、図２０は、実施形態３に係る電池を説明するための平面図、図２１は、等電位線を説明するための概念図、図２２および図２３は、実施形態３に係る変形例１および変形例２を説明するための断面図である。

実施形態３は、参照極の配置位置に関し、実施形態１と概して異なり、電池３００の参照極３３０は、負極３１０の下方に配置されており、また、セパレータ３０５の形状は、負極３１０の形状より小さく、かつ、正極３１５の形状より若干大きい。そのため、参照極３３０は、負極３１０の電極端面３１１の近傍かつ正極３１５の電極端面３１６の近傍に位置している。参照極３３５は、電極端面３１１，３１６から遠方に配置されており、正極３１５および負極３１０の外部に位置している。

したがって、参照極３３０は、図２１に示されるように、正極３１５および負極３１０に係る電極電位の等電位線が回り込んでいる領域に位置することとなり、正極３１５および負極３１０の近傍における正極電位および負極電位が測定されるため、導出される近似式の精度を、向上させることができる。

なお、参照極３３０，３３５は、セパレータ３０５の下方に位置するため、例えば、図２２に示されるように、セパレータ３０５を、参照極３３５を越える位置まで拡張させることで、参照極３３５に対する絶縁層として機能させることが可能である。この場合、集電体３２０との短絡を防止するための専用部材である絶縁層３４０を省略し、部材点数を削減することが可能である。なお、符号３２５は、負極側の集電体を示している。

また、参照極３３０は、正極３１５および負極３１０の電極端面３１６，３１１の近傍に配置される形態に限定されず、例えば、図２３に示されるように、正極３１５および負極３１０の一方の電極端面３１１の近傍に配置することも可能である。

以上のように、実施形態３は、正極および負極の電極端面の近傍に配置される１つの参照極を含んでおり、前記近傍は、当該参照極が近傍に配置される正極および負極に係る電極電位の等電位線が回り込んでいる領域に位置し、正極および負極の近傍における正極電位および負極電位が測定されるため、導出される近似式の精度を、向上させることができる。

次に、実施形態４を説明する。

図２４および図２５は、実施形態４に係る電池を説明するための断面図および平面図である。

実施形態４は、参照極および絶縁層の配置位置に関し、実施形態３と概して異なり、電池４００の参照極４３０，４３５の両方が、負極４１０およびセパレータ４０５の下方に配置されており、負極４１０の電極端面４１１の近傍かつ正極４１５の電極端面４１６の近傍に位置している。したがって、参照極４３０，４３５の両方によって正極４１５および負極４１０の近傍における正極電位および負極電位が測定されるため、導出される近似式の精度を、向上させることができる。

また、絶縁層４４５は、集電体４２５上に配置されている。そのため、参照極４３０，４３５は、セパレータ４０５を介して集電体４２０に相対し、かつ、絶縁層４４５を介して集電体４２５に相対しており、これにより、集電体４２０，４２５に対する絶縁性が確保されている。したがって、集電体４２０との短絡を防止するための専用部材である絶縁層が不要であり、部材点数を削減することが可能である。また、絶縁層４４５は、集電体４２５上に配置されているため、電池４００の小型化を図ることが可能である。

次に、図２６〜２９は、実施形態４に係る変形例１〜４を説明するための断面図である。

参照極４３０，４３５は、同一の電極端面４１１，４１６に相対して配置される形態に限定されず、例えば、図２６に示されるように、平行方向に延長する異なる電極端面４１１，４１６にそれぞれ相対するように配置したり、図２７に示されるように、直交する方向に延長する異なる電極端面４１１，４１６にそれぞれ相対するように配置したり、することも可能である。さらに、例えば、図２８に示されるように、距離および電位が異なる第３の参照極４８０を設けたり、図２９に示されるように、６種類の参照極４３０，４３５，４８０〜４８３を設けたりすることも可能である。

以上のように、実施形態４においては、参照極の両方が、負極の電極端面の近傍かつ正極の電極端面の近傍に位置しており、正極および負極の近傍における正極電位および負極電位が測定されるため、導出される近似式の精度を、向上させることができる。また、参照極は、セパレータを介して集電体の一方と相対し、かつ、絶縁層を介して他方の集電体に相対しており、これにより、集電体に対する絶縁性が確保されている。したがって、集電体の一方との短絡を防止するための専用部材である絶縁層が不要であり、部材点数を削減することが可能である。また、絶縁層は、集電体上に配置されているため、電池の小型化を図ることが可能である。なお、絶縁層および集電体は、一体化することも可能である。

次に、実施形態５を説明する。

図３０は、実施形態５に係る電池を説明するための断面図、図３１〜３３は、実施形態５に係る変形例１〜３を説明するための断面図である。

実施形態５は、参照極の形成方法に関し、実施形態４と概して異なり、電池５００の参照極５３０，５３５が、セパレータ５０５にパターニングによって形成されている。パターニングは、例えば、蒸着やコーティングである。したがって、参照極５３０，５３５の形成が容易であり、良好な生産性を有するため、電池５００の製造コストを低減することが可能である。

参照極５３０，５３５は、セパレータ５０５の表面に直接形成される形態に限定されず、例えば、図３１に示されるように、セパレータ５０５に形成される凹部５０６，５０７に埋め込まれた状態となるように、形成することも可能である。さらに、図３２に示されるように、参照極５３０，５３５を絶縁層５４５の表面に直接形成したり、図３３に示されるように、絶縁層５４５に形成される凹部５４６，５４７に埋め込まれた状態となるように、形成したりすることも可能である。なお、符号５１０は負極、符号５１５は正極、符号５２０，５２５は集電体を示している。

以上のように、実施形態５においては、参照極の形成が容易であり、良好な生産性を有するため、電池の製造コストを低減することが可能である。

次に、実施形態６を説明する。

図３４は、実施形態６に係る電池を説明するための断面図である。

実施形態６は、絶縁層の構成に関し、実施形態４と概して異なり、電池６００の絶縁層６４５は、セパレータ６０５と集電体６２５との間に配置されかつ参照極６３０，６３５を保持する多孔質部材からなり、その内部には、負極電位および正極電位を測定可能とするために電解液が充填されている。したがって、参照極６３０，６３５の周囲に電解液を保持することが容易である。

絶縁層６４５は、正極６１５の電極端面６１６に接するように配置されている。そのため、正極５１５からの電解液移動が可能であり、電解液の枯渇を抑制することができる。なお、符号６１０は負極、符号５２０は集電体を示している。

以上のように、実施形態６においては、参照極の周囲に電解液を保持することが容易であり、かつ、正極からの電解液移動により、電解液の枯渇を抑制することが可能である。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、参照極は、正極電位および負極電位の推定用に共用する形態に限定されず、正極の電極端面側および負極の電極端面側のそれぞれに、複数の参照極を配置することで、正極電位の推定用の参照極と、負極電位の推定用の参照極とを異ならせることも可能である。

実施形態１に係る電池を説明するための断面図である。図２に示される参照極の配置を説明するための平面図である。実施形態１に係る電極電位推定装置を説明するためのブロック図である。実施形態１に係る電極電位推定方法を説明するためのフローチャートである。図４に示される近似式の導出を説明するためのグラフである。実施形態１に係る変形例１を説明するための平面図である。実施形態１に係る変形例１を説明するための断面図である。実施形態１に係る変形例２を説明するための平面図である。図８の線ＩＸ−ＩＸに関する断面図である。図８の線Ｘ−Ｘに関する断面図である。実施形態１に係る変形例３を説明するための平面図である。図１１の線ＸＩＩ−ＸＩＩに関する断面図である。図１１の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩに関する断面図である。図１１の線ＸＩＶ−ＸＩＶに関する断面図である。実施形態１に係る変形例４を説明するための平面図である。実施形態１に係る変形例４の近似式の導出を説明するためのグラフである。実施形態２に係る電極電位推定装置を説明するためのブロック図である。実施形態２に係る電極電位推定方法を説明するためのフローチャートである。実施形態３に係る電池を説明するための断面図である。実施形態３に係る電池を説明するための平面図である。等電位線を説明するための概念図である。実施形態３に係る変形例１を説明するための断面図である。実施形態３に係る変形例２を説明するための断面図である。実施形態４に係る電池を説明するための断面図である。実施形態４に係る電池を説明するための平面図である。実施形態４に係る変形例１を説明するための断面図である。実施形態４に係る変形例２を説明するための断面図である。実施形態４に係る変形例３を説明するための断面図である。実施形態４に係る変形例４を説明するための断面図である。実施形態５に係る電池を説明するための断面図である。実施形態５に係る変形例１を説明するための断面図である。実施形態５に係る変形例２を説明するための断面図である。実施形態５に係る変形例３を説明するための断面図である。実施形態６に係る電池を説明するための断面図である。

符号の説明

１００電池、
１０５セパレータ、
１１０負極、
１１１電極端面、
１１３リード線、
１１５正極、
１１６電極端面、
１１８リード線、
１２０，１２５集電体、
１３０，１３５，１８０〜１８３参照極、
１３３，１３８リード線、
１４０，１４５絶縁層、
１５０電極電位推定装置、
１６０測定ユニット、
１６１回路（電位測定手段）、
１６４，１６５，１６７，１６８連結端子、
１７０推定ユニット、
１７２演算処理部（推定手段）、
１７４メモリ（記憶手段）、
２００電池、
２０５セパレータ、
２１０負極、
２１１電極端面、
２１５正極、
２１６電極端面、
２２０，２２５集電体、
２３０，２３５参照極、
２４０，２４５絶縁層、
２５０電極電位推定装置、
２６０測定ユニット、
２６１回路（電位測定手段）、
２６２回路（電位差測定手段）、
２６４，２６５，２６７，２６８連結端子、
２７０推定ユニット、
２７２演算処理部（推定手段かつ校正手段）、
２７４メモリ（記憶手段）、
３００電池、
３０５セパレータ、
３１０負極、
３１１電極端面、
３１５正極、
３１６電極端面、
３２０，３２５集電体、
３３０，３３５参照極、
３４０絶縁層、
４００電池、
４０５セパレータ、
４１０負極、
４１１電極端面、
４１５正極、
４１６電極端面、
４２０，４２５集電体、
４３０，４３５，４８０〜４８３参照極、
４４５絶縁層、
５００電池、
５０５セパレータ、
５０６，５０７凹部、
５１０負極、
５１５正極、
５２０，５２５集電体、
５３０，５３５参照極、
５４５絶縁層、
５４６，５４７凹部、
６００電池、
６０５セパレータ、
６１０負極、
６１５正極、
６１６電極端面、
６２５集電体、
６３０，６３５参照極、
６４５絶縁層、
ＰＤ方向、
ＳＤ積層方向、
Ｘ_１１，Ｘ_１２，Ｘ_２１，Ｘ_２２距離。

Claims

正極、
負極、および、
前記正極および前記負極の電極端面からの距離が異なり、かつ、正極電位および負極電位を測定するための、電位の異なる２種以上の参照極を有している
ことを特徴とする電池。
前記参照極は、前記正極および前記負極における同一の電極端面に対して相対していることを特徴とする請求項１に記載の電池。
前記参照極は、前記正極および前記負極における同一の電極端面に対して相対する複数の参照極を含んでおり、
前記複数の参照極は、前記同一の電極端面に対して直交する方向に沿って位置合わせされていることを特徴とする請求項１に記載の電池。
前記参照極は、前記正極および／又は前記負極の電極端面の近傍に配置される参照極を含んでおり、
前記近傍は、当該参照極が近傍に配置される前記正極および／又は前記負極に係る電極電位の等電位線が回り込んでいる領域に位置する
ことを特徴とする請求項１に記載の電池。
前記参照極は、前記正極と前記負極の積層方向における同一高さに保持されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池。
前記参照極は、絶縁層を介して集電体に相対していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の電池の正極電位および負極電位を推定するための方法であって、
前記参照極によって測定される正極電位と、前記参照極に対する前記正極の電極端面からの距離との関係に基づいて、前記正極電位の近似式を導出し、当該近似式において、前記正極の電極端面からの距離としてゼロを代入した場合に得られる値を、正極電位と推定し、
前記参照極によって測定される負極電位と、前記参照極に対する前記負極の電極端面からの距離との関係に基づいて、前記負極電位の近似式を導出し、当該近似式において、前記負極の電極端面からの距離としてゼロを代入した場合に得られる値を、負極電位と推定する
ことを特徴とする方法。
前記参照極間の電位差を測定し、前記参照極間に電位差が生じている場合、測定された電位差によって、前記正極電位および前記負極電位の測定値を校正し、
校正された正極電位および校正された負極電位を使用して、前記近似式を導出する
ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の電池の正極電位および負極電位を推定するための装置であって、
前記参照極に対する前記正極の電極端面からの距離および前記負極の電極端面からの距離を記憶する記憶手段、
前記参照極によって正極電位および負極電位を測定する電位測定手段、および、
正極電位および負極電位を推定する推定手段を有し、
前記推定手段は、
前記参照極によって測定される正極電位と、前記参照極に対する前記正極の電極端面からの距離との関係に基づいて、前記正極電位の近似式を導出し、当該近似式において、前記正極の電極端面からの距離としてゼロを代入した場合に得られる値を、正極電位と推定し、
前記参照極によって測定される負極電位と、前記参照極に対する前記負極の電極端面からの距離との関係に基づいて、前記負極電位の近似式を導出し、当該近似式において、前記負極の電極端面からの距離としてゼロを代入した場合に得られる値を、負極電位と推定する
ことを特徴とする装置。
前記参照極間の電位差を測定する電位差測定手段、および、
前記参照極間に電位差が生じている場合、測定された電位差によって、前記正極電位および前記負極電位の測定値を校正する校正手段を有し、
前記推定手段は、校正された正極電位および校正された負極電位を使用して、前記近似式を導出する
ことを特徴とする請求項９に記載の装置。