JP2011003513A - 安全性評価試験方法およびその試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、蓄電デバイスを収容し、安全性評価試験を行なうために高耐圧かつ高容積な試験容器が不要でありながら、試験時に蓄電デバイスから発生したガスの全量を捕獲し、成分分析が可能な安全性評価試験方法およびその試験装置を提供することを目的とする。
【解決手段】Ａｒガスを満たした釘刺し用容器２内でＬｉイオン電池ユニット３の釘刺し試験を行ない、この釘刺し試験中にＬｉイオン電池ユニット３から発生したガスが釘刺し用容器２内に蓄積されるとともに、釘刺し用容器２から配管７０を通ってバッファタンク８０にも移動されるように構成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電デバイスの安全性評価試験を行なうための安全性評価試験方法およびその試験装置に関する。

リチウム（Ｌｉ）イオン電池は、他の二次電池に比べて高いエネルギー密度を有し、高い出力が得られることから盛んに開発が進められている。

しかし、Ｌｉイオン電池は内部短絡が起こると、急激な熱発生により、内部の電解液（特に、溶媒と電解質）が分解、蒸発し、有害なガスを発生したり、爆発や火炎の噴出しを起こす可能性が高く、安全性に課題が残っているのが現状である。

近年、上述したような課題に着目し、密閉耐圧ブース内でＬｉイオン電池を短絡させた時等に発生するガスを分析し、また、無害化処理可能とする安全性評価試験方法およびその装置に関する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開２００６−０８８０２１号パンフレット

しかしながら、上記特許文献１に開示された安全性評価試験方法およびその装置に関する技術には、下記のような課題がある。
１）例えば、安全性評価試験の中でも重要な試験項目である釘刺し試験を実施するのに、大きな荷重負荷試験機をブース（本願発明にいう“試験容器”）に収容しなければならない。したがって、どうしても高容積なブースを用意しなければという問題がある。さらに、荷重負荷試験機をブース内に収容するため、荷重負荷試験機が汚れるという問題点も発生する。荷重負荷試験機は、可動部および摺動部を有するため、汚れるだけでなく故障を引き起こしやすくという問題点もある。
２）また、安全性評価試験時にＬｉイオン電池から発生する多量のガスをブースだけで捕獲しなければならないため、ブースを高耐圧な構造に設計しなければならないという問題点もある。

本発明の目的は、蓄電デバイスを収容し、安全性評価試験を行なうために高耐圧かつ高容積な試験容器が不要でありながら、試験時に蓄電デバイスから発生したガスの全量を捕獲し、分析が可能な安全性評価試験方法およびその試験装置を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、
蓄電デバイスが内部に設置された試験容器内とこの試験容器に連通したバッファタンク内の空気を所定圧力まで減圧する減圧工程と、
この減圧された試験容器内とバッファタンク内がそれぞれ所定圧力の不活性ガスで置換されるまで前記不活性ガスを充填する不活性ガス充填工程と、
この所定圧力の不活性ガスを満たした試験容器内で前記蓄電デバイスに対する所定の安全性評価試験を行なう安全性評価試験工程と、
この安全性評価試験工程中に前記蓄電デバイスから発生したガスが前記試験容器内に蓄積されるとともに、前記試験容器から前記バッファタンクにも移動されるガス蓄積および移動工程と、
前記安全性評価試験工程が終了した後、前記試験容器に所定量の不活性ガスを供給することにより、前記試験容器内および前記バッファタンク内に蓄積された前記蓄電デバイスから発生したガスを前記バッファタンクに連通したガスバッグに移し変えるガス移送工程と、
前記ガスバッグに移し変えられた前記蓄電デバイスから発生したガスを分析する工程と、
を有したことを特徴とする安全性評価試験方法である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記所定の安全性評価試験は、釘刺し試験、過充電試験、加熱試験の内のいずれか１つであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、
蓄電デバイスを内部に設置し所定の安全性評価試験を行なうための試験容器と、
この試験容器に連通したバッファタンクと、
このバッファタンクに連通したガスバッグと、
前記所定の安全性評価試験前に、前記試験容器内および前記バッファタンク内の空気を所定圧力まで減圧するための減圧手段と、
前記所定の安全性評価試験前に、前記減圧手段により減圧された試験容器内とバッファタンク内をそれぞれ所定圧力の不活性ガスで置換されるまで前記不活性ガスを供給し、かつ、前記所定の安全性評価試験が終了した後、前記試験容器内および前記バッファタンク内に蓄積された前記蓄電デバイスから発生したガスを前記ガスバッグに移し変えるために、前記試験容器に所定量の不活性ガスを供給するための不活性ガス供給手段と、
前記ガスバッグに移し変えられた前記蓄電デバイスから発生したガスを分析するための分析器と、
を有したことを特徴とする安全性評価試験装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、
前記所定の安全性評価試験が釘刺し試験の場合には、前記試験容器外に設置された荷重負荷試験機の可動ヘッドに取付けられた釘が前記試験容器の内部に設置した蓄電デバイスを釘刺し可能で、かつ、気密性を有するように前記試験容器の蓋部に気密シールが設けられたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、
前記所定の安全性評価試験が過充電試験の場合には、前記試験容器外に設置された過充電試験用電源から前記試験容器の内部に設置された蓄電デバイスの正負端子に電流を供給可能とする電流供給端子が前記試験容器のいずれかに設けられたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、
前記所定の安全性評価試験が加熱試験の場合には、前記試験容器外に設置された加熱試験用電源から前記試験容器の内部に設置された蓄電デバイスの近傍に置かれたヒータに電流を供給可能とする電流供給端子が前記試験容器のいずれかに設けられたことを特徴とする。

以上のように、本発明に係る安全性評価試験方法は、
蓄電デバイスが内部に設置された試験容器内とこの試験容器に連通したバッファタンク内の空気を所定圧力まで減圧する減圧工程と、
この減圧された試験容器内とバッファタンク内がそれぞれ所定圧力の不活性ガスで置換されるまで前記不活性ガスを充填する不活性ガス充填工程と、
この所定圧力の不活性ガスを満たした試験容器内で前記蓄電デバイスに対する所定の安全性評価試験を行なう安全性評価試験工程と、
この安全性評価試験工程中に前記蓄電デバイスから発生したガスが前記試験容器内に蓄積されるとともに、前記試験容器から前記バッファタンクにも移動されるガス蓄積および移動工程と、
前記安全性評価試験工程が終了した後、前記試験容器に所定量の不活性ガスを供給することにより、前記試験容器内および前記バッファタンク内に蓄積された前記蓄電デバイスから発生したガスを前記バッファタンクに連通したガスバッグに移し変えるガス移送工程と、
前記ガスバッグに移し変えられた前記蓄電デバイスから発生したガスを分析する工程と、を有しているため、
蓄電デバイスを収容し、安全性評価試験を行なうために高耐圧かつ高容積な試験容器が不要でありながら、試験時に蓄電デバイスから発生したガスの全量を捕獲し、分析が可能な安全性評価試験方法を提供することができる。

また、本発明に係る安全性評価試験装置は、
蓄電デバイスを内部に設置し所定の安全性評価試験を行なうための試験容器と、
この試験容器に連通したバッファタンクと、
このバッファタンクに連通したガスバッグと、
前記所定の安全性評価試験前に、前記試験容器内および前記バッファタンク内の空気を所定圧力まで減圧するための減圧手段と、
前記所定の安全性評価試験前に、前記減圧手段により減圧された試験容器内とバッファタンク内をそれぞれ所定圧力の不活性ガスで置換されるまで前記不活性ガスを供給し、かつ、前記所定の安全性評価試験が終了した後、前記試験容器内および前記バッファタンク内に蓄積された前記蓄電デバイスから発生したガスを前記ガスバッグに移し変えるために、前記試験容器に所定量の不活性ガスを供給するための不活性ガス供給手段と、
前記ガスバッグに移し変えられた前記蓄電デバイスから発生したガスを分析するための分析器と、を有しているため、
蓄電デバイスを収容し、安全性評価試験を行なうために高耐圧かつ高容積な試験容器が不要でありながら、試験時に蓄電デバイスから発生したガスの全量を捕獲し、分析が可能な安全性評価試験装置を提供することができる。

本発明に係る安全性評価試験装置の一実施形態の概要を説明するための模式図である。 図１のＡ部拡大図である。 同装置により試験した時の試験結果を説明するためのグラフ図である。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。

図１、図２において、１は荷重負荷試験機としての万能試験機、１ａは万能試験機１の台座、１ｂ、１ｃは万能試験機１の支柱、１ｄは万能試験機１の上下動可能な梁、１ｅは梁１ｄに取り付けられたクロスヘッド、２は台座１ａの上に設置された試験容器としてのステンレス製の釘刺し用容器（容積：３０リットル）、２ａは釘刺し用容器２の蓋部、２ｂは蓋部２ａに取り付けられた気密シールとしてのＯリング、２ｃ、２ｄは釘刺し用容器２の側壁に取り付けられた耐圧窓、３は蓄電デバイスとしてのＬｉイオン電池ユニット、５、６はＣＣＤカメラ、５ａ、６ａはＣＣＤカメラ５、６の出力信号線、７はクロスヘッド１ｅに取り付けられた直径φ４．８の釘、１０はＬｉイオン電池ユニット３のマイナス端子と釘刺し用容器２に設けられた端子１０ａとを結ぶ電線、１１はＬｉイオン電池ユニット３のプラス端子と釘刺し用容器２に設けられた端子１１ａとを結ぶ電線、１２はＬｉイオン電池ユニット３の表面温度を測定するための熱電対、１２ａは熱電対１２が接続された一対の端子、１３は釘刺し用容器２の雰囲気温度を測定するための熱電対、１３ａは熱電対１３が接続された一対の端子、１５は端子１０ａ、１１ａ、１２ａ、１３ａから各信号を伝達するための信号ライン、２０は信号ライン１５が接続されたデータロガ、３０は出力信号線５ａ、６ａが接続されたディスプレー、４０は画像記録計、５０は不活性ガス供給手段としてのＡｒガスボンベ、５１はＡｒガスボンベ５０から逆流防止弁付きマスフロメータ５２を介して釘刺し用容器２の左側壁に接続された配管、６０は万能試験機１から出力された荷重とストロークを記録するためのＸＹレコーダー、７０は釘刺し用容器２の右側壁とステンレス製のバッファタンク８０の左側壁とを接続する配管、９０はバッファタンク８０の右側壁と樹脂製のガスバッグ１００とを接続する配管である。

次に、本発明に係る安全性評価試験装置を用いた試験方法について、以下に時系列的に説明する。

１）釘刺し用容器２の内部にＬｉイオン電池ユニット３をセットし、蓋部２ａを取付ける。次に、熱電対１２、１３を所定の位置にセットし、電線１０、１１を所定のように接続する。その後、Ｏリング２ｂに釘刺し用容器２の外部から釘７を挿入し、気密性および摺動性を確認した後、クロスヘッド１ｅに取り付ける。さらに、耐圧窓２ｃ、２ｄからＬｉイオン電池ユニット３の所定位置が観察できるように、ＣＣＤカメラ５、６をセットする。
２）釘刺し用容器２内とこの釘刺し用容器２に連通したバッファタンク８０内の空気を所定圧力（例えば、５０ｋＰａ）まで減圧手段（図示せず）により減圧する。
３）５０ｋＰａまで減圧された釘刺し用容器２内とバッファタンク８０内がそれぞれ所定圧力（例えば、１００ｋＰａ）のＡｒガスで置換されるまでＡｒガスボンベ５０から逆流防止弁付きマスフロメータ５２を介して３回に分けてＡｒガスを充填する。
４）１００ｋＰａのＡｒガスで満たされた釘刺し用容器２内でＬｉイオン電池ユニット３に対する所定の釘刺し試験（例えば、クロスヘッド１ｅを図１に示すＦの方向（下方）に所定の速度で降下させ、釘７でＬｉイオン電池ユニット３を貫通させる試験）を行なう。
５）上記（４）に記載した釘刺し試験工程中にＬｉイオン電池ユニット３から発生したガスが釘刺し用容器２内に蓄積されるとともに、釘刺し用容器２から配管７０を通ってバッファタンク８０にも移動される。
６）釘刺し試験が終了した後、釘刺し用容器２に所定量（例えば、２００リットル）のＡｒガスを供給することにより、釘刺し用容器２内およびバッファタンク８０内に蓄積されたＬｉイオン電池ユニット３から発生したガスを配管９０を通してガスバッグ１００に移し変える。この際、マスフロメータ５２で供給したＡｒガスを確認し、釘刺し用容器２へのＡｒガス流入量を積算しておく。
７）上記（６）に記載した方法により、移し変えられたＬｉイオン電池ユニット３から発生したガスとＬｉイオン電池ユニット３から発生したガスを移し変えるために用いたＡｒガスがガスバッグ１００に捕集される。これにより、Ｌｉイオン電池ユニット３から発生したガスの全量が、少なくともガスバッグ１００に捕集可能となる。
８）次に、このガスバッグ１００に捕集されたガスをガスクロマトグラフ、液体クロマトグラフ、イオンクロマトグラフ等のガス組成分析器で分析する。また、分析に供したガス量、残ったガス量をガスメータで計量し積算しておく。これらの積算量から上記（６）に記載したＡｒガス流入量を減算することで、Ｌｉイオン電池ユニット３から発生したガスの全量を算出する。

以上のように、本発明に係る安全性評価試験方法により、蓄電デバイスを収容し、安全性評価試験を行なうために高耐圧かつ高容積な試験容器が不要でありながら、試験時に蓄電デバイスから発生したガスの全量を捕獲し、分析が可能となる。

本実施形態の例で説明した試験容器としての釘刺し用容器２では、バッファタンク８０が存在することにより、Ｌｉイオン電池ユニット３から発生したガスの圧力を低下させることが可能となる。また、釘刺し試験のために、万能試験機を試験容器中に入れる必要がなくなるため、試験容器の容積としては、従来例の約１／１０ですむようになる。また、本実施形態においては、釘刺し用容器２およびバッファタンク８０の材質として、ステンレス製の例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものでなく、ＳＧＰ鋼のような耐圧鋼等さまざまなものが使用可能である。

なお、本実施形態においては、安全性評価試験の内の１つである釘刺し試験を例に説明したが、必ずしもこれに限定されるものでない。本願発明の技術思想に立脚するならば、少なくとも過充電試験、加熱試験にも適用可能である。

また、本実施形態においては、蓄電デバイスとして、Ｌｉイオン電池ユニットを例に説明したが、必ずしもこれに限定されるものでなく、ニッケル水素電池等の二次電池、電解コンデンサや電気二重層キャパシタ等のキャパシタを複数接続したものも対象となる。当然、これらの蓄電デバイスを単独で安全性評価試験することが可能であることは言うまでもない。また、上述したような構成で、少なくとも５０Ａｈ程度までのＬｉイオン電池ユニットの安全性評価試験を行なうことが可能である。

上述した図１に示す装置構成と試験方法を用いて、５ＡｈのＬｉイオン電池ユニット３に関する釘刺し試験を行なった。また、この試験中のクロスヘッド１ｅにかかる荷重（すなわち、釘７にかかる荷重）とクロスヘッド１ｅのストローク（すなわち、釘７のストローク）を計測し、ＸＹレコーダー６０に記録した結果を図３に示す。また、試験中のＬｉイオン電池ユニット３の表面温度と釘刺し用容器２の雰囲気温度をそれぞれ熱電対１２、１３で計測し、データロガ２０に記録した結果を図３に示す。また、試験中のＬｉイオン電池ユニット３の電圧の変化を計測し、データロガ２０に記録した結果を図３に示す。また、Ｌｉイオン電池ユニット３から発生したガスの全量を捕獲し、分析（成分と量）を行なった。

図３に示すように、クロスヘッド１ｅが図１に示すＦの方向（下方）に降下し、０．１３分程経過した付近（すなわち、ストローク（ａ）が５０ｍｍ弱付近）で、釘７がＬｉイオン電池ユニット３に突き刺さり始めたと考えられる。これを物語るようにＬｉイオン電池ユニット３の表面温度（ｃ）と釘刺し用容器２の雰囲気温度（ｄ）が上昇し始める（図３参照）。すなわち、Ｌｉイオン電池ユニット３の短絡が始まったものと思われる。この証左として、Ｌｉイオン電池ユニット３の両端電圧（ｂ）が降下し始める（図３参照）。そして、約０．３分経過した付近で両端電圧（ｂ）はゼロとなる。また、この試験により、Ｌｉイオン電池ユニット３の表面温度（ｃ）は、最高４００℃付近まで上昇し、釘刺し用容器２の雰囲気温度（ｄ）も最高１５０℃付近まで上昇する。

また、Ｌｉイオン電池ユニット３から発生したガスを分析した結果、主要成分はＨ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_４であることが判明した。また、その量（Ｌ：リットル)はそれぞれ０．１０Ｌ、１．３Ｌ、４．０Ｌ、０．２８Ｌ、 １．１Ｌであることが判明した。また、上記（８）に記載した方法により算出した結果より、Ｌｉイオン電池ユニット３から発生したガスの全量が約８Ｌであることも判明した。

１ 万能試験機
１ａ 台座
１ｂ、１ｃ 支柱
１ｄ 梁
１ｅ クロスヘッド
２ 釘刺し用容器
２ａ 蓋部
２ｂ Ｏリング
２ｃ、２ｄ 耐圧窓
３ Ｌｉイオン電池ユニット
５、６ ＣＣＤカメラ
５ａ、６ａ 出力信号線
７ 釘
１０、１１ 電線
１２、１３ 熱電対
１２ａ、１３ａ 一対の端子
１５ 信号ライン
２０ データロガ
３０ ディスプレー
４０ 画像記録計
５０ Ａｒガスボンベ
５１、７０、９０ 配管
５２ 逆流防止弁付きマスフロメータ
６０ ＸＹレコーダー
８０ バッファタンク
１００ ガスバッグ

Claims (6)

1. 蓄電デバイスが内部に設置された試験容器内とこの試験容器に連通したバッファタンク内の空気を所定圧力まで減圧する減圧工程と、
   この減圧された試験容器内とバッファタンク内がそれぞれ所定圧力の不活性ガスで置換されるまで前記不活性ガスを充填する不活性ガス充填工程と、
   この所定圧力の不活性ガスを満たした試験容器内で前記蓄電デバイスに対する所定の安全性評価試験を行なう安全性評価試験工程と、
   この安全性評価試験工程中に前記蓄電デバイスから発生したガスが前記試験容器内に蓄積されるとともに、前記試験容器から前記バッファタンクにも移動されるガス蓄積および移動工程と、
   前記安全性評価試験工程が終了した後、前記試験容器に所定量の不活性ガスを供給することにより、前記試験容器内および前記バッファタンク内に蓄積された前記蓄電デバイスから発生したガスを前記バッファタンクに連通したガスバッグに移し変えるガス移送工程と、
   前記ガスバッグに移し変えられた前記蓄電デバイスから発生したガスを分析する工程と、
   を有したことを特徴とする安全性評価試験方法。
2. 前記所定の安全性評価試験は、釘刺し試験、過充電試験、加熱試験の内のいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の安全性評価試験方法。
3. 蓄電デバイスを内部に設置し所定の安全性評価試験を行なうための試験容器と、
   この試験容器に連通したバッファタンクと、
   このバッファタンクに連通したガスバッグと、
   前記所定の安全性評価試験前に、前記試験容器内および前記バッファタンク内の空気を所定圧力まで減圧するための減圧手段と、
   前記所定の安全性評価試験前に、前記減圧手段により減圧された試験容器内とバッファタンク内をそれぞれ所定圧力の不活性ガスで置換されるまで前記不活性ガスを供給し、かつ、前記所定の安全性評価試験が終了した後、前記試験容器内および前記バッファタンク内に蓄積された前記蓄電デバイスから発生したガスを前記ガスバッグに移し変えるために、前記試験容器に所定量の不活性ガスを供給するための不活性ガス供給手段と、
   前記ガスバッグに移し変えられた前記蓄電デバイスから発生したガスを分析するための分析器と、
   を有したことを特徴とする安全性評価試験装置。
4. 前記所定の安全性評価試験が釘刺し試験の場合には、前記試験容器外に設置された荷重負荷試験機の可動ヘッドに取付けられた釘が前記試験容器の内部に設置した蓄電デバイスを釘刺し可能で、かつ、気密性を有するように前記試験容器の蓋部に気密シールが設けられたことを特徴とする請求項３に記載の安全性評価試験装置。
5. 前記所定の安全性評価試験が過充電試験の場合には、前記試験容器外に設置された過充電試験用電源から前記試験容器の内部に設置された蓄電デバイスの正負端子に電流を供給可能とする電流供給端子が前記試験容器のいずれかに設けられたことを特徴とする請求項３に記載の安全性評価試験装置。
6. 前記所定の安全性評価試験が加熱試験の場合には、前記試験容器外に設置された加熱試験用電源から前記試験容器の内部に設置された蓄電デバイスの近傍に置かれたヒータに電流を供給可能とする電流供給端子が前記試験容器のいずれかに設けられたことを特徴とする請求項３に記載の安全性評価試験装置。

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