JP2011085490A - 電気化学特性評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安全性が高い状態で電池の詳細な試験が行える電気化学特性評価装置を実現すること。
【解決手段】被試験電池が充電と放電を繰り返すように制御する充放電制御部と、前記被試験電池の電池電圧と正極電位と負極電位を同時に測定する測定部と、前記測定部の測定結果に基づき前記被試験電池に対する充放電試験の実行可否を判断する試験制御部、とで構成されたことを特徴とする電気化学特性評価装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気化学特性評価装置に関し、詳しくは、高い安全性を確保しながら電池などの電気化学特性を詳細に測定できる装置に関するものである。

各種の携帯用電子機器や電動バイク・電気自動車などの再利用可能な電源として、二次電池が用いられている。そして、これら二次電池については、より軽量で大容量で長寿命で低コストで扱いやすく高い安全性を得るための開発が進められている。
これらの開発にあたっては、電池の充放電特性の測定が不可欠である。

図３は、電池の充放電試験で用いられている従来の試験システムの一例を示すブロック図である。図３において、被試験電池（以下ＤＵＴという）１は、直流電源部と電子負荷部を含む充放電制御部２と、測定部３に接続されている。

試験制御部４は、充電と放電を繰り返してＤＵＴ１の電池性能を評価するための所定の試験条件を充放電制御部２に入力するとともに、測定部３から測定データを取り込んでＤＵＴ１の試験結果表示や試験データの蓄積なども行う。

ところで、ＤＵＴ１の充電試験および放電試験のどちらの場合も、ＤＵＴ１の正極と負極の２極を試験システムの充放電制御部２と測定部３に接続することにより実施されている。ここで、ＤＵＴ１の電池電圧は、正極と負極の電位差によって示されるが、この電位差は図４においてＥと示されている値に等しい。

ところが、ＤＵＴ１が正極と負極の２電極形として構成されている場合には、図４中のＶｐとＶｎに相当する電極電位は測定されず、基準となる電位からの指標が無い状態で充放電試験が実施されていることになる。

ＤＵＴ１の電池電圧Ｅ（Ｖ）は、図４からも明らかなように、各電極電位の差として式１のように表せる。
Ｅ＝Ｖｐ−Ｖｎ （1）

一方、電池の開発や試験での電気化学測定にあたっては、正極と負極の間に参照極を設ける３電極形として構成することも行われている。しかし、たとえば対極と参照極にＬｉを用い作用極に正極材を用いて行う３電極形の電気化学測定の場合、式１で示される電池電圧Ｅと電圧Ｖｐとは、Ｖｎ＝０でない限り厳密には一致しないことになる。なお、作用極とは参照極を基準として発生電位を測定する対象となる一方の極性の電極を指し、対極とは作用極に対向する他方の極性の電極を指す。

ＤＵＴ１の正極と負極のどちらかの電極において、通常とは異なる状態になったとき、電池電圧Ｅを上げようとすると、どちらかの電極電位を極端に上げるまたは下げることになり、単極では過充電もしくは過放電の状態になる可能性がある。

また、電解液は通常の電位範囲内において分解しないものが用いられているが、上記のような状態に陥ると電解液の分解を促すことになり、電池特性の劣化の一因となる。つまり、電極電位の異常現象は過充電、過放電、電解液分解を引き起こす原因となり、電池の発火や破裂など安全上の問題が発生する恐れがある。

特開２０００−８８９３４号公報

特許文献１には電池の安全性を考慮した試験方法が記載されているが、被試験電池が試験に適用可能か否かの判断を試験開始前に実施するものであり、試験が継続的に行われている最中における判断については示されていない。

本発明は、このような従来の問題点に着目したものであり、その目的は、安全性が高い状態で電池の詳細な試験が行える電気化学特性評価装置を実現することにある。

このような課題を達成する請求項１の発明は、
被試験電池が充電と放電を繰り返すように制御する充放電制御部と、
前記被試験電池の電池電圧と正極電位と負極電位を同時に測定する測定部と、
前記測定部の測定結果に基づき前記被試験電池に対する充放電試験の実行可否を判断する試験制御部、
とで構成されたことを特徴とする電気化学特性評価装置である。

請求項２の発明は、請求項１記載の電気化学特性評価装置において、
前記試験制御部は、
前記測定部の測定結果に基づき前記被試験電池の単極特性と電池特性を同時に取得することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の電気化学特性評価装置において、
前記試験制御部は、
前記測定部の測定結果に基づき前記被試験電池の単極の電極異常を検知することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電気化学特性評価装置において、
前記試験制御部は、
前記測定部の測定結果とあらかじめ格納されている前記被試験電池の単極または電池の充放電特性パターンを比較して、パターンマッチングによる異常監視を行うことを特徴とする。

これらにより、安全性が高い状態で、電池の詳細な試験が行える。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 図１の動作を説明するフローチャートである。 従来の試験システムの一例を示すブロック図である。 ＤＵＴ１の電池電圧と電極電位の説明図である。

以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図である。図１において、ＤＵＴ５は、充放電制御部６と測定部７に接続されている。試験制御部８は、充放電制御部６と測定部７に接続されるとともに、設定部９が接続されている。

ＤＵＴ５は、正極５１と負極５３の間に参照極５２を設けた３電極形として構成されている。

充放電制御部６は、直流電源部６１と電子負荷部６２で構成されている。これら直流電源部６１と電子負荷部６２は、ＤＵＴ５の正極５１と負極５３に接続されている。

測定部７は、電池電圧Ｅを測定する電池電圧測定部７１と、電極電位Ｖｐ，Ｖｎを測定する電極電位測定部７２，７３で構成されている。電池電圧測定部７１は正極５１と負極５３に接続され、Ｖｐの電極電位測定部７２は正極５１と参照極５２に接続され、Ｖｎの電極電位測定部７３は参照極５２と負極５３に接続されている。

試験制御部８は、電極電位監視部８１と充放電継続判定部８２で構成されている。試験制御部８には、試験開始前に設定部９から、充放電試験に必要な電流、電圧、時間、充放電の回数、充放電継続の判定指標などの各種の測定条件が設定される。

測定部７における各測定部７１〜７３の測定結果は、試験制御部８に入力される。電極電位監視部８１によりＤＵＴ５の各電極の安定性が確認され、その結果に基づき充放電継続判定部８２においてＤＵＴ５に対する充放電試験の継続または中止が判断される。

図１の動作を図２のフローチャートを用いて説明する。
はじめに、たとえばＤＵＴ５の正極５１を作用極として負極５３を対極にするとともに基準とする電極としてたとえばＬｉ（リチウム）を作用極５１に配置して、ＤＵＴ５の各電極５１〜５３を充放電制御部６および測定部７に接続する（ステップＳ１）。

続くステップＳ２では、電池電圧測定部７１により作用極５１と対極５３間の電位差である電池電圧Ｅを測定する。

ステップＳ３では、電極電位測定部７２により正極５１（作用極）と参照極５２間の電位Ｖｐを測定するとともに、電極電位測定部７３により参照極５２と負極５３（対極）間の電位Ｖｎを測定する。

そして、ステップＳ４において、試験制御部８の電極電位監視部８１は、正極５１と負極５３の電位差（Ｖｐ−Ｖｎ）が電池電圧Ｅと等しいか否かを確認する。ここで、Ｅ≠Ｖｐ−ＶｎであればステップＳ１１に進み、充放電試験を続けるか否かを判断をする。

試験を続ける場合はＤＵＴ５の接続状況を確認して再度セッティングし（ステップＳ１２）、ステップＳ２へ戻る。試験を行わない場合はステップＳ１３へ進み、充放電試験を中止する。

ステップＳ４が確認できたらステップＳ５へ進み、試験条件と終了条件を設定して充放電試験を開始する。

充放電中は、ステップＳ６でＶｐが所定の設定範囲内か否かを判断するとともにステップＳ７でＶｎが所定の設定範囲内か否かを判断し、正極５１と負極５３の両電極の電位が安全上問題のない設定範囲に収まっているかを確認すると同時にステップＳ８において充電電圧または放電電圧と電流値が終了条件を満たしているか否かを確認する。終了条件を満たしていない場合は、ステップＳ６〜Ｓ８の処理を繰り返して実行する。

ステップＳ６またはＳ７においてＶｐまたはＶｎが設定範囲外の電位を示している場合は、正極５１または負極５３に異常が発生していると判断してステップＳ１３へ進み、充放電試験を中止する。

終了条件を満たしている場合は、ステップＳ９で充放電サイクル数が所定の回数実施されたか否かを確認する。ここで、所定回数に到達していない場合はステップＳ５へ戻り、ステップＳ５〜Ｓ９の処理を繰り返して実行する。所定回数の充放電が実施されていることが確認できたらステップＳ１０へ進み充放電試験を終了する。

なお、ＤＵＴ５の充放電は、正極５１と負極５３間における電圧と電流の測定制御により実行される。

これにより、正極５１と負極５３間における電池電圧Ｅの計測と同時に、正極５１と負極５３の各々の電極電位ＶｐとＶｎを計測することができる。

正極５１と負極５３の電極状態を個々に把握することにより、これら正極５１または負極５３の異常を早く検知することができ、高い安全性を確保できる。

また、充放電を繰り返したときの正極５１と負極５３の特性を、電池状態として両極同時に取得することができる。

さらに、ＤＵＴ５に異常が発生した際の原因を、これら取得した電極の特性から詳細に調べることができる。

なお、評価したい電極を作用極とし、他に対極と参照極を設定して、電気化学特性評価装置として使用することも可能である。従来の３極式の評価装置では、作用極と参照極間の電位および作用極と対極間の電流の測定と制御のみが可能であったが、本発明に係る装置では正極５１と参照極５２と負極５３の３極のうちのいずれか２極間の電位差を測定できるため、対極の安定性が保証されたより正確なＤＵＴ５の特性評価が可能となる。

また、電気化学特性の評価において、測定対象は二次電池に限るものではない。

さらに、必要に応じて試験制御部８に単極またはＤＵＴ５の充放電特性パターンを記憶させておくことにより、パターンマッチングによる異常監視を行うこともできる。

以上説明したように、本発明によれば、安全性が高い状態で電池の詳細な試験が行える電気化学特性評価装置を実現でき、電池などの開発を効率よく進めることができる。

５ ＤＵＴ（被試験電池）
５１ 正極
５２ 参照極
５３ 負極
６ 充放電制御部
６１ 直流電源部
６２ 電子負荷部
７ 測定部
７１ 電池電圧測定部
７２ 電極電位Ｖｐ測定部
７３ 電極電位Ｖｎ測定部
８ 試験制御部
８１ 電極電位監視部
８２ 充放電継続判定部
９ 設定部

Claims (4)

1. 被試験電池が充電と放電を繰り返すように制御する充放電制御部と、
   前記被試験電池の電池電圧と正極電位と負極電位を同時に測定する測定部と、
   前記測定部の測定結果に基づき前記被試験電池に対する充放電試験の実行可否を判断する試験制御部、
   とで構成されたことを特徴とする電気化学特性評価装置。
2. 前記試験制御部は、
   前記測定部の測定結果に基づき前記被試験電池の単極特性と電池特性を同時に取得することを特徴とする請求項１記載の電気化学特性評価装置。
3. 前記試験制御部は、
   前記測定部の測定結果に基づき前記被試験電池の単極の電極異常を検知することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電気化学特性評価装置。
4. 前記試験制御部は、
   前記測定部の測定結果とあらかじめ格納されている前記被試験電池の単極または電池の充放電特性パターンを比較して、パターンマッチングによる異常監視を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電気化学特性評価装置。

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