JP2013008653A

JP2013008653A - モニタリング電極及びこれを含む二次電池

Info

Publication number: JP2013008653A
Application number: JP2011208486A
Authority: JP
Inventors: Dong-Koen Kim; 東建金
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2013-01-10
Also published as: CN102841231A; US20120328909A1; US20140106192A1

Abstract

【課題】二次電池の陽極と陰極間の電位差だけでなく、陽極及び陰極の個別電圧を測定することができるモニタリング電極及びこれを含む二次電池を提供する。
【解決手段】本発明によるモニタリング電極は、陽極（１４０）、陰極（１６０）、分離膜、及び電解液（１２０）からなる二次電池（１００）の陽極（１４０）と陰極（１６０）の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であって、前記二次電池（１００）に挿入されて電解液（１２０）に含浸され、陽極（１４０）または陰極（１６０）と接しないように位置する一側端部（３２０）、及び、前記一側端部（３２０）から分岐した分岐部（３４２）、（３４４）がそれぞれ陽極（１４０）及び陰極（１６０）に連結された他側端部（３４０）、を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はモニタリング電極及びこれを含む二次電池に係り、より詳しくは、二次電池の陽極と陰極間の電位差だけでなく、陽極及び陰極の個別電圧を測定することができるモニタリング電極及びこれを含む二次電池に関する。

電気自動車、ハイブリッド車などの場合、バッテリーの安全性が車両の商品価値に直結する。現在電気自動車用バッテリーのエネルギー容量は１６〜２７ｋＷｈであるが、このような電気自動車のバッテリーシステムにおいてエネルギーを蓄積／放出するのはバッテリーのセル（ＣＥＬＬ、単電池）であり、同一エネルギー容量を基準とするとき、セルの数が少ないほど器物、電装品などを減らすことができるため、バッテリーシステムの軽量化及び体積減少が可能である。よって、ハイブリッド車や電気自動車では、バッテリーセルの高エネルギー化が要求されている。

しかし、エネルギーは容量と電圧の乗数値であるため、単電池セルの高エネルギー化は単電池容量の増大及び高密度化を意味するが、バッテリーの安全性は容量とエネルギー密度に反比例するため、高エネルギー化になるほど安全性は低下する問題がある。
したがって、バッテリーの性能と安全性を持続的にモニタリングして事故を未然に防止するには、単電池の陽極と陰極の個別電圧のモニタリングが必要となる。陽極と陰極の個別電圧モニタリング電極及びこれを含む二次電池を構成する場合には、バッテリーの性能の劣化を防止して耐久寿命を改善することができ、安全性の制御／管理が可能で高電圧バッテリーの安全性及び商品性の向上を期待することができる。

また、バッテリーは他の車両部品と異なり、経時劣化する部品であるため、顧客に正確な情報（残り存走行距離など）を提供するには、ＳＯＨ（ＳｔａｔｅｏｆＨｅａｌｔｈ）の診断が重要である。しかし、現在は電池の両端間の電圧変化から抵抗を計算してＳＯＨを推定する方法しかないのが実情である。
一方、電気自動車では充電時間の短縮に対するユーザーの要求が高い。一般的に、電気自動車のバッテリーは低温または急速充電の際、陰極の電圧が０Ｖ以下に落ちなければリチウム析出が発生せずバッテリーの劣化もない。このような点を活用するためにもバッテリー両端の電圧を個別に測定することができる技術が要求されている。

特に、従来のリチウム二次電池は、正常充電完了の際、電池電圧が４．２Ｖ、陽極電圧が４．３Ｖ、陰極電圧が０．１Ｖの水準である。しかし、低温充電、急速充電などの異常充電時には陽極と陰極の過電圧上昇によって電池の電圧は４．２Ｖであっても陽極電圧が４．３Ｖ以上に上昇するか、陰極電圧が０．１Ｖ以下に落ちることとなる。
この場合、陽極電圧が４．３Ｖ以上に上昇すれば、電解液の分解が発生して性能の劣化を引き起こし、副反応によって電池の内部でガスが発生する。また、陰極電圧が０Ｖ以下に落ちる場合には、リチウムイオンが陰極の内部に入ることができずに金属リチウムとして析出してバッテリーの性能の劣化及び内部短絡などによる安全性の低下を引き起こす（リチウムはイオン状態では安定であるが、金属状態は不安定）。したがって、このような問題を解決するために、陽極と陰極の独立電圧測定技術が必要となる。

特開２０１１−０６９７８２号公報

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、二次電池の陽極と陰極間の電位差だけでなく、陽極及び陰極の個別電圧を測定することができるモニタリング電極及びこれを含む二次電池を提供することにその目的がある。

前記目的を達成するための本発明によるモニタリング電極は、陽極（１４０）、陰極（１６０）、分離膜、及び電解液（１２０）からなる二次電池（１００）の陽極（１４０）と陰極（１６０）の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であって、前記二次電池（１００）に挿入されて電解液（１２０）に含浸され、陽極（１４０）または陰極（１６０）と接しないように位置する一側端部（３２０）、及び、前記一側端部（３２０）から分岐した分岐部（３４２）、（３４４）がそれぞれ陽極（１４０）及び陰極（１６０）に連結された他側端部（３４０）、を含むことを特徴とする。

前記一側端部（３２０）は絶縁膜（３２２）でコートされ、電解液（１２０）の内部で陽極（１４０）及び陰極（１６０）から絶縁されることを特徴とする。

前記一側端部（３２０）は、白金、リチウム、チタン酸リチウムのいずれか１種でコートされることを特徴とする。

また、本発明は、陽極（１４０）、陰極（１６０）、分離膜、及び電解液（１２０）からなる二次電池（１００）の陽極（１４０）と陰極（１６０）の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であって、前記二次電池（１００）に挿入されて電解液（１２０）に含浸され、陽極（１４０）または陰極（１６０）と接しないように位置する一側端部（３２０）、及び、前記一側端部（３２０）からそれぞれ伸びて陽極（１４０）及び陰極（１６０）に連結された他側端部（３４０）、を含むことを特徴とする。

また、本発明は、内部空間が形成された電池外装材、前記外装材の内部空間に挿入される陽極（１４０）、陰極（１６０）及び分離膜、前記外装材の内部空間に満たされる電解液（１２０）、及び、前記外装材の内部空間に一側端部（３２０）が挿入されて電解液（１２０）に含浸され、陽極（１４０）または陰極（１６０）と接しないように位置し、他側端部（３４０）は一側端部（３２０）から分岐された分岐部（３４２）、（３４４）がそれぞれ陽極（１４０）及び陰極（１６０）に連結されたモニタリング電極（３００）、を含むことを特徴とする。

前記モニタリング電極（３００）の一側端部（３２０）と分岐された分岐部（３４２）、（３４４）にそれぞれ連結されて、一側端部（３２０）と陽極（１４０）または一側端部（３２０）と陰極（１６０）または陽極（１４０）と陰極（１６０）を電気的に連結するスイッチング部（４００）、をさらに含むことを特徴とする。

前記スイッチング部（４００）に連結され、一側端部（３２０）と陽極（１４０）または一側端部（３２０）と陰極（１６０）の間の電位差を測定する電圧測定部、をさらに含むことを特徴とする。

本発明によれば、二次電池の陽極と陰極間の電位差だけでなく、陽極及び陰極の個別電圧を測定することができるので、電池性能の劣化を防止し、安全性及び商品価値を高めることができる。
また、電池の急速充電技術の問題点が除去されるので、今後のバッテリー充電技術の開発に大きな役目を果たすことができる。

本発明の一実施例による二次電池を示す斜視図である。図１に示す二次電池の構成図である。本発明の他の実施例による二次電池の構成図である。

以下、添付図面を参照して本発明モニタリング電極及びこれを含む二次電池について詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例による二次電池を示す斜視図、図２は図１に示す二次電池の構成図である。
本発明の実施例による二次電池に使われるモニタリング電極は、陽極１４０、陰極１６０、分離膜、及び電解液１２０からなる二次電池１００の陽極１４０と陰極１６０の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であり、二次電池１００に挿入されて電解液１２０に含浸され、陽極１４０または陰極１６０と接しないように位置する一側端部３２０、及び一側端部３２０から分岐された分岐部３４２、３４４がそれぞれ陽極１４０及び陰極１６０に連結された他側端部３４０、を含む。

基本的な二次電池１００は外部ハウジングである外装材を備え、その外装材の内部に陽極１４０、陰極１６０及びこれを分離する分離板が埋設され、電解液１２０が満たされることで構成品が含浸されるように構成される。
本発明のモニタリング電極３００はこのような二次電池１００に設置されるもので、一側端部３２０と他側端部３４０で構成され、一側端部３２０は二次電池１００の一側空間に挿入されて電解液１２０に含浸される。この際、重要なことは、モニタリング電極３００の一側端部３２０が電池１００の陽極１４０及び陰極１６０の両方に共に接することの防止である。

モニタリング電極３００の他側端部３４０は一側端部３２０から分岐された分岐部３４２、３４４が電池の外部でそれぞれ陽極１４０及び陰極１６０に連結される。このように構成される場合、モニタリング電極３００は三つのノードを持つようになり、各ノードは電池の電解液１２０、陽極１４０、陰極１６０にそれぞれ連結される。このようなモニタリング電極３００は後述するスイッチング部４００に連結されて陽極１４０と陰極１６０を電気的に連結するか、あるいは陽極１４０と一側端部３２０または陰極１６０と一側端部３２０を連結することで、電池の両端間の電位差だけでなく陽極１４０の独立的な電圧または陰極１６０の独立的な電圧を測定することができる。

このように、陽極１４０と陰極１６０の独立電圧を測定することができる場合、その電極の電圧値は後に電極の安全性評価または急速充電時の劣化を防止するためのデータとして用いられるので、その活用度が非常に高いと言える。
一方、前記モニタリング電極の一側端部３２０は絶縁膜３２２でコートされて、電解液１２０の内部で陽極１４０及び陰極１６０から絶縁されるようにする。絶縁膜３２２を形成する方法にはいろいろあるが、分離膜材質の絶縁膜３２２を適用することが最も効率的である。これは、モニタリング電極３００の一側端部３２０は陽極１４０及び陰極１６０とは絶縁されるが、電解質１２０とは電気的な接続が要求されるからである。
また、前記一側端部３２０は白金、リチウム、チタン酸リチウムのいずれか１種でコートされたことを特徴とする。

図３は本発明の他の実施例による二次電池の構成図である。図３のモニタリング電極は、陽極１４０、陰極１６０、分離膜、及び電解液１２０からなる二次電池１００の陽極１４０と陰極１６０の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であり、二次電池１００に挿入されて電解液１２０に含浸されるが、陽極１４０または陰極１６０と接しないように位置する一側端部３２０、及び一側端部３２０からそれぞれ伸びて陽極１４０及び陰極１６０に連結された他側端部３４０、を含む。
この場合には、モニタリング電極３００が元々２本の場合であり、このように構成する場合には、別のスイッチング部４００が不要であり、陽極１４０または陰極１６０に連結されたモニタリング電極３００を用いて独立にかつ同時に両端の電圧測定が可能である。

一方、このようなモニタリング電極が適用された二次電池は、内部空間が形成された電池外装材、外装材の内部空間に挿入される陽極１４０、陰極１６０及び分離膜、外装材の内部空間に満たされる電解液１２０、及び外装材の内部空間に一側端部３２０が挿入されて電解液１２０に含浸され、陽極１４０または陰極１６０と接しないように位置し、他側端部３４０は一側端部１２０から分岐された分岐部３４２、３４４がそれぞれ陽極１４０及び陰極１６０に連結されたモニタリング電極３００、を含む。
ここで、モニタリング電極３００の一側端部３２０と分岐された他側端部３４２、３４４にそれぞれ連結されて、一側端部３２０と陽極１４０または一側端部３２０と陰極１６０または陽極１４０と陰極１６０を電気的に連結するスイッチング部４００、をさらに含む。

図２に示すように、スイッチング部４００を設置する場合には、スイッチングの選択によって二次電池の両端を連結すると両端間の電位差が分かり、陽極１４０と一側端部３２０を連結すると陽極１４０の電圧が分かり、陰極１６０と一側端部３２０を連結すると陰極１６０の電圧が分かるので、一つの構成品で３つの場合の電圧が全て分かる。よって、両端の独立電圧が分かるだけでなく、既存の電圧測定器具を取り替えることで製造コストが節減される効果も得られる。

本発明の二次電池は、スイッチング部４００に連結されて一側端部３２０と陽極１４０あるいは一側端部３２０と陰極１６０の間の電位差を測定する電圧測定部、をさらに含むことができる。電圧測定部（図示せず）はスイッチング部４００に連結され、スイッチング部４００のスイッチングによって電圧を測定する器具であり、そのデータはＢＭＳ（バッテリー制御部）などの電装品に伝達されることにより、バッテリーの劣化程度が分かり、安全性を確保するための制御が可能になり、さらに危険状況の発生前にユーザーに警告などを行うことにより車両の安全性及び商品価値を高めることができる。

以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

本発明は、二次電池の陽極と陰極間の電位差だけでなく、陽極及び陰極の個別的な電圧を測定することができるモニタリング電極及びこれを含む二次電池に適用可能である。

１００二次電池
１２０電解液
１４０陽極
１６０陰極
３００モニタリング電極
３２０一側端部
３４０他側端部

Claims

陽極（１４０）、陰極（１６０）、分離膜、及び電解液（１２０）からなる二次電池（１００）の陽極（１４０）と陰極（１６０）の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であって、
前記二次電池（１００）に挿入されて電解液（１２０）に含浸され、陽極（１４０）または陰極（１６０）と接しないように位置する一側端部（３２０）、及び、前記一側端部（３２０）から分岐した分岐部（３４２）、（３４４）がそれぞれ陽極（１４０）及び陰極（１６０）に連結された他側端部（３４０）、
を含むことを特徴とするモニタリング電極。
前記一側端部（３２０）は絶縁膜（３２２）でコートされ、電解液（１２０）の内部で陽極（１４０）及び陰極（１６０）から絶縁されることを特徴とする請求項１に記載のモニタリング電極。
前記一側端部（３２０）は、白金、リチウム、チタン酸リチウムのいずれか１種でコートされることを特徴とする請求項１に記載のモニタリング電極。
陽極（１４０）、陰極（１６０）、分離膜、及び電解液（１２０）からなる二次電池（１００）の陽極（１４０）と陰極（１６０）の個別電圧を測定するためのモニタリング電極であって、
前記二次電池（１００）に挿入されて電解液（１２０）に含浸され、陽極（１４０）または陰極（１６０）と接しないように位置する一側端部（３２０）、及び、前記一側端部（３２０）からそれぞれ伸びて陽極（１４０）及び陰極（１６０）に連結された他側端部（３４０）、
を含むことを特徴とするモニタリング電極。
内部空間が形成された電池外装材、
前記外装材の内部空間に挿入される陽極（１４０）、陰極（１６０）及び分離膜、
前記外装材の内部空間に満たされる電解液（１２０）、及び、
前記外装材の内部空間に一側端部（３２０）が挿入されて電解液（１２０）に含浸され、陽極（１４０）または陰極（１６０）と接しないように位置し、他側端部（３４０）は一側端部（３２０）から分岐された分岐部（３４２）、（３４４）がそれぞれ陽極（１４０）及び陰極（１６０）に連結されたモニタリング電極（３００）、
を含むことを特徴とする二次電池。
前記モニタリング電極（３００）の一側端部（３２０）と分岐された分岐部（３４２）、（３４４）にそれぞれ連結されて、一側端部（３２０）と陽極（１４０）または一側端部（３２０）と陰極（１６０）または陽極（１４０）と陰極（１６０）を電気的に連結するスイッチング部（４００）、
をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の二次電池。
前記スイッチング部（４００）に連結され、一側端部（３２０）と陽極（１４０）または一側端部（３２０）と陰極（１６０）の間の電位差を測定する電圧測定部、をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の二次電池。