JP2012104276A - 二次電池の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の内部短絡を高精度に検査すること。
【解決手段】二次電池は、正極材と、負極材と、正極材と負極材との間に配置された絶縁用セパレータとを含む。この検査方法は、（１）二次電池を加圧室に設置し、（２）大気雰囲気中で二次電池の初期電圧Ｖ０を測定し、（３）加圧室を加圧し、（４）加圧雰囲気中で温度、圧力を確認し、（５）加圧雰囲気で所定時間保持した後、（６）加圧雰囲気中で二次電池の事後電圧Ｖ１を測定し、その後、（７）初期電圧Ｖ０に対する事後電圧Ｖ１の変化に基づき二次電池の内部短絡を判定する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、二次電池の内部短絡を検査する二次電池の検査方法に関する。

近年、ハイブリッド自動車等の電源に利用される電池としてリチウムイオン二次電池が知られている。この種の二次電池では、正極板と負極板との間に内部短絡が起きることで自己放電が大きくなることが問題となる。特に、製造工程中に混入した導電性異物、あるいは、正極板と負極板との間の絶縁用セパレータにできた傷や孔あきなどの不具合により、内部短絡が起きる懸念があった。

そこで、二次電池の内部短絡を検査する検査方法として、例えば、下記の特許文献１に記載される技術が知られている。この技術は、二次電池用電極群を不活性ガス雰囲気中に設置し、その電極群をプレス装置によりプレス加圧しながら、検査用の電圧を印加することにより、電極群の内部短絡に係る欠陥を判定するようにしている。ここで、電極群にプレス加圧を行うことで、正極板、セパレータ及び負極板の隙間をなくすようにしている。

特開２０１０−０３２３４６号公報 特開２００１−２３６９８５号公報

ところが、特許文献１に記載の検査方法では、二次電池用電極群をプレス装置によりプレス加圧することから、電極群、プレス装置の板厚のバラツキにより、電極群に対する加圧力が不均一となり、電極群の内部では、正極板と負極板との距離が一様にならなくなるおそれがあった。また、各電極群のそれぞれにプレス装置が必要になることから、検査がコスト高になるという問題もあった。更に、プレス装置によるプレス加圧では、機械的な拘束であり、プレス装置を構成する加圧板にクリープが生じ、応力緩和が発生することもあり、加圧力が検査途中で変化するおそれがあった。そして、このようにプレス装置による機械的な拘束では、形状や寸法のバラツキを排除できず、電極群に対する均一な加圧状態を確保することが難しかった。このため、正極板と負極板との間の距離が他よりも大きい部分では、異物による内部短絡が起き難くなり、内部短絡の検査精度が落ちるおそれがあった。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、内部短絡を高精度に検査することを可能とした二次電池の検査方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、正極材と、負極材と、正極材と負極材との間に配置された絶縁用セパレータとを含む二次電池の検査方法であって、二次電池の電気的特性を大気雰囲気中で測定し、その後、二次電池の電気的特性を加圧雰囲気中で測定し、大気雰囲気中で測定された電気的特性に対する加圧雰囲気中で測定された電気的特性の変化に基づいて二次電池の内部短絡を検査することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、初めに二次電池の電気的特性が大気雰囲気中で測定される。その後、二次電池の電気的特性が加圧雰囲気中で測定される。そして、大気雰囲気中で測定された電気的特性に対する加圧雰囲気中で測定された電気的特性の変化に基づいて二次電池の内部短絡が検査される。ここで、二次電池を加圧雰囲気中に置くのは、二次電池が実際に使用されるときの拘束状態を想定したものであり、二次電池の周囲には、所定の圧力がかかる。そして、二次電池の内部と外部との圧力差により二次電池の周囲が均一に加圧される。これにより、二次電池の正極材と負極材との距離が一様に縮められる。従って、正極材と負極材との間に異物がある場合は、正極材と負極材との間の隙間で異物による内部短絡が一様に起き得る状態となる。

上記目的を達成するために、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、加圧雰囲気は、０．４〜０．７（Ｍｐａ）の範囲の圧力であることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、加圧雰囲気が０．４〜０．７（Ｍｐａ）の範囲の圧力であるので、二次電池を実際に使用するときの二次電池の拘束状態を再現し得る。

請求項１に記載の発明によれば、二次電池の内部短絡を高精度に検査することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、実際の使用に即した検査を実現することができる。

一実施形態に係り、検査装置を示す概略構成図。 同実施形態に係り、検査方法の手順を示すフローチャート。 同実施形態に係り、判定器が行う判定処理の内容を示すフローチャート。 同実施形態に係り、二次電池の電圧変化を示すグラフ。 同実施形態に係り、二次電池の内部に金属異物がある状態を示す概念図。 同実施形態に係り、二次電池に金属異物による内部短絡が起きた状態を示す概念図。

以下、本発明における二次電池の検査方法を具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態の検査方法に使用される検査装置１を概略構成図により示す。この検査装置１は、製造が完了して規定の充電がなされた二次電池の内部短絡を検査するために使用される。検査装置１は、内部を加圧室２とする耐圧容器３を備える。耐圧容器３は、箱体４と蓋体５とを含む。耐圧容器３の加圧室２の中には、複数の二次電池２１を収容するようになっている。蓋体５には、各二次電池２１に対応した中継コネクタ６が設けられる。加圧室２に収容された二次電池２１は、中継コネクタ６を介して電圧測定器７に電気的に接続されるようになっている。電圧測定器７は、判定器８に電気的に接続される。判定器８は、電圧測定器７の測定結果に基づき、各二次電池２１の内部短絡をそれぞれ判定し、その判定結果を出力するようになっている。判定器８は、中央処理装置（ＣＰＵ）、判定処理プログラムを格納したメモリ（ＲＯＭ）、作業用メモリ（ＲＡＭ）等を備える。

加圧室２を加圧するために、加圧装置９が設けられる。加圧装置９は、加圧源１０と、加圧源１０から蓋体５へ延びる圧力管１１とを備える。加圧源１０として、加圧ポンプやボンベ等を使用することができる。圧力管１１の途中には、供給圧力を一定に保つレギュレータ１２と、気体の逆流を防ぐ逆止弁１３と、圧力管１１を開閉する開閉弁１４とが設けられる。箱体４には、加圧室２を減圧するための減圧管１５が設けられる。減圧管１５には、開閉弁１６が設けられる。また、箱体４には、加圧室２の中の温度を検出するための温度センサ１７、加圧室２の中の圧力を検出するための圧力センサ１８が設けられる。

次に、上記した検査装置１を使用した二次電池の検査方法について説明する。図２に、この検査方法の手順をフローチャートにより示す。

先ず、図２（１）に示すように、二次電池２１を加圧室２に設置する。すなわち、図１に示すように、複数の二次電池２１を耐圧容器３の加圧室２の中に収容し、中継コネクタ６を介して電圧測定器７に電気的に接続する。この状態で、加圧室２の中は、大気圧相当の圧力で密閉されている。すなわち、各二次電池２１は、大気雰囲気中に配置されている。

次に、図２（２）に示すように、大気雰囲気中で二次電池２１の電気的特性である初期電圧Ｖ０を測定する。すなわち、後述する加圧雰囲気中での測定に先立って、大気雰囲気中で、各二次電池２１の初期電圧（Ｖ０）を端子間電圧により、電圧測定器７を使用して測定する。そして、その測定結果を、判定器８のメモリに記憶させる。

次に、図２（３）に示すように、加圧室２の中を加圧する。すなわち、開閉弁１４を開け、加圧装置９を動作させて加圧室２の中の圧力をレギュレータ１２により決定される所定値まで上昇させる。この加圧力として、「８００〜１４００（ｋｇｆ）」すなわち
「０.４〜０.７（Ｍｐａ）」を想定することができる。例えば、加圧力を「０.５（Ｍｐ
ａ）」に設定することができる。この加圧力は、実際に複数の二次電池２１を、ＨＶ自動車等の実車に設置し、拘束して使用する際の加圧力に相当する。

次に、図２（４）に示すように、加圧雰囲気中の温度、圧力を確認する。すなわち、加圧室２の中の温度を、温度センサ１７の検出結果により確認する。また、加圧室２の中の圧力を、圧力センサ１８の検出結果により確認する。これにより、加圧室２の中が、一定温度及び一定圧力で保持されているかを確認する。この実施形態では、加圧室２の中の温度を、例えば「２５℃」に設定する。上記のように温度と圧力を確認することで、精度良く測定を行うことができる。

次に、図２（５）に示すように、上記した加圧雰囲気を所定時間保持する。この場合、所定時間として、例えば「３日〜５日間」を想定することができる。

次に、図２（６）に示すように、上記した加圧雰囲気中で二次電池２１の電気的特性である事後電圧Ｖ１を測定する。すなわち、所定時間経過後の加圧雰囲気中における各二次電池２１の事後電圧Ｖ１を端子間電圧により、電圧測定器７を使用して測定する。その測定結果を、判定器８のメモリに記憶させる。

その後、図２（７）に示すように、内部短絡の判定を行う。この実施形態では、判定器８がこの判定を行う。

上記したように、この実施形態では、二次電池２１の初期電圧Ｖ０を大気雰囲気中で最初に測定し、その後、二次電池２１の事後電圧Ｖ１を加圧雰囲気中で測定する。特に、この実施形態では、加圧雰囲気を、「０．４〜０．７（Ｍｐａ）」の範囲の圧力に設定している。この圧力は、実車で二次電池２１を拘束した場合の拘束力を想定している。そして、大気雰囲気中で測定されたで初期電圧Ｖ０に対する加圧雰囲気中で測定された事後電圧Ｖ１の変化に基づいて二次電池２１の内部短絡を検査するようにしている。

図３に、判定器８が行う判定処理の内容をフローチャートにより示す。このフローチャートは、各二次電池２１の内部短絡の有無を判断するためのものであり、判定器８は、複数の二次電池２１のそれぞれにつき、このフローチャートの処理を実行する。

図３に示すように、先ず、ステップ１００で、判定器８のＣＰＵは、初期電圧Ｖ０と事後電圧Ｖ１との電圧差ΔＶを算出する。

次に、ステップ１１０で、ＣＰＵは、算出された電圧差ΔＶが所定の規定値αより小さいか否かを判断する。図４に、二次電池２１の電圧変化をグラフにより示す。図４に示すように、時刻ｔ０で、検査装置１による加圧を開始すると、所定時間経過後の時刻ｔ１では、初期電圧Ｖ０が事後電圧Ｖ１まで低下する。このような電圧低下は、二次電池２１の自然な自己放電によっても起こり得る。しかし、二次電池２１に異物等による内部短絡が起きている場合は、上記した電圧低下が、自然な自己放電よりも大きくなる。

図５に、二次電池２１の内部に金属異物３０が存在する状態を概念図により示す。図６に、二次電池２１に金属異物３０による内部短絡が起きた状態を概念図により示す。図５に示すように、二次電池２１の内部には、互いに対向する正極材２６と負極材２７と、それら正極材２６と負極材２７との間に配置されたセパレータ２８とが設けられる。これら正極材２６と負極材２７との間は、大気雰囲気中では、所要の距離が保たれている。従って、図５に示すように、この大気雰囲気中では、仮に、負極材２７の側に金属異物３０が存在していても、それが原因で内部短絡が起きることはない。しかし、図６に示すように、二次電池２１が加圧雰囲気中で加圧されると、正極材２６と負極材２７との間の距離が縮小する。この結果、負極材２７の側の金属異物３０がセパレータ２８を突き破って正極材２６に接触し、内部短絡が起きることがある。この場合、二次電池２１の自己放電は、自然な自己放電よりも大きくなる。二次電池２１は、ＨＶ自動車等において、所定の力で加圧された拘束状態で使用される。従って、二次電池２１の内部短絡を判定するには、実車の拘束状態を想定した加圧雰囲気中で判定する必要がある。

上記の電圧低下は、二次電池２１の自己放電により起こり得るが、この電圧低下、すなわち電圧差ΔＶが規定値αより小さい場合は、加圧雰囲気中の二次電池２１に内部短絡が起きていない場合と判断することができる。一方、電圧差ΔＶが規定値α以上となる場合は、加圧雰囲気中の二次電池２１に内部短絡が起きている場合と判断することができる。従って、ステップ１１０の判断結果が否定となる場合は、ＣＰＵは、ステップ１５０で、内部短絡が起きているものとして、二次電池２１が不良品であると判定する。一方、ステップ１１０の判断結果が肯定となる場合は、ＣＰＵは、処理をステップ１２０へ移行する。

ステップ１２０では、ＣＰＵは、複数の二次電池２１それぞれの電圧差ΔＶに基づいて平均電圧差ΔＶmedを算出する。

次に、ステップ１３０で、ＣＰＵは、今回算出された電圧差ΔＶと平均電圧差ΔＶmedとの差が、所定の規定値βより小さいか否かを判断する。すなわち、今回算出された電圧差ΔＶの平均電圧差ΔＶmedに対する偏差が、規定値βより小さいか否かを判断する。そして、この判断結果が否定となる場合は、ＣＰＵは、ステップ１５０で、内部短絡が起きているものとして、二次電池２１が不良品であると判定する。一方、ステップ１３０の判断結果が肯定となる場合は、ＣＰＵは、ステップ１４０で、内部短絡が起きていないものとして、二次電池２１が良品であると判定する。

以上説明したこの実施形態の二次電池の検査方法によれば、二次電池２１の初期電圧Ｖ０が大気雰囲気中で測定される。その後、二次電池２１の事後電圧Ｖ１が加圧雰囲気中で測定される。そして、大気雰囲気中で測定された初期電圧Ｖ０に対する加圧雰囲気中で測定された事後電圧Ｖ１の変化に基づいて二次電池２１の内部短絡が検査される。

ここで、二次電池２１を加圧雰囲気中に置くのは、二次電池２１が実際に使用されるときの拘束状態を想定したものであり、二次電池２１の周囲には、所定の圧力が加わる。そして、二次電池２１の内部と外部との圧力差により二次電池２１の周囲が均一に加圧されることとなる。これにより、図６に示すように、二次電池２１を構成する正極材２６と負極材２７との距離が一様に縮められる。従って、正極材２６と負極材２７との間に金属異物３０が存在する場合は、正極材２６と負極材２７との間の隙間で金属異物３０による内部短絡が一様に起き得る状態となる。この結果、二次電池２１の内部短絡を、従来技術のプレス装置等により加圧する場合に比べ、高精度に検査することができる。

また、この実施形態では、複数の二次電池２１のそれぞれを耐圧容器３の中で機械的なプレス装置を使うことなく、同じ様に加圧することができるので、複数の二次電池２１のそれぞれにプレス装置を設ける必要がない。このため、従来技術の検査に対し、検査に要するコストを低減することができる。また、この実施形態では、各二次電池２１に対する加圧するために、各二次電池２１をプレス装置等により機械的に拘束する必要がないので、加圧板の応力緩和が発生することもなく、加圧雰囲気の圧力を一定に保つ限りは、二次電池２１に対する加圧力が検査途中で変化することもない。この意味でも、加圧後の事後電圧Ｖ１を正確に測定することができ、内部短絡の検査精度を向上させることができる。

この実施形態では、二次電池２１の加圧雰囲気が「０．４〜０．７（Ｍｐａ）」の範囲の圧力であることから、二次電池２１を実際に使用するときの二次電池２１の拘束状態を再現することができる。このため、実際の使用に即した検査を実現することができる。

なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することもできる。

例えば、前記実施形態では、電気的特性として、二次電池２１の電圧を測定するようにしたが、電気的特性として二次電池の抵抗を測定することもできる。

この発明は、例えば、リチウムイオン二次電池等の内部短絡の検査に利用することができる。

２１ 二次電池
２６ 正極材
２７ 負極材
２８ セパレータ
３０ 金属異物
Ｖ０ 初期電圧
Ｖ１ 事後電圧
ΔＶ 電圧差

Claims (2)

1. 正極材と、負極材と、前記正極材と前記負極材との間に配置された絶縁用セパレータとを含む二次電池の検査方法であって、
   前記二次電池の電気的特性を大気雰囲気中で測定し、その後、前記二次電池の電気的特性を加圧雰囲気中で測定し、前記大気雰囲気中で測定された電気的特性に対する前記加圧雰囲気中で測定された電気的特性の変化に基づいて前記二次電池の内部短絡を検査することを特徴とする二次電池の検査方法。
2. 前記加圧雰囲気は、０．４〜０．７（Ｍｐａ）の範囲の圧力であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の検査方法。

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