JP2014096294A - 蓄電デバイスの加熱試験方法および加熱試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電デバイスについて熱安定性試験を行なうために、蓄電デバイスを加熱する際に、蓄電デバイスの外側の容器と内部全域において温度差を低減させた蓄電デバイスの加熱試験方法等を提供する。
【解決手段】集電部に接続された正極端子および負極端子が外部に露出するように容器に収納された蓄電デバイス３の前記正極端子および負極端子を加熱機構２で加熱する工程と、加熱された前記蓄電デバイスの温度を温度測定素子５で測定し、測定された信号から温度計測部４で温度計測を行う工程と、計測された温度に従い、温度制御部１で前記加熱機構の発熱量制御を行う工程と、を備えた。
【選択図】図３

Description

この発明は、リチウムイオン電池などからなる蓄電デバイスを対象とする熱安定性評価を行うための蓄電デバイスの加熱試験方法および加熱試験装置に関するものである。

移動情報端末機器、あるいはＥＶ(Electric Vehicle)、ＨＥＶ(Hybrid Electric Vehicle)の蓄電デバイスの一例としてリチウムイオン電池などからなる蓄電デバイスがますます利用拡大される中で、大容量化、軽量化、あるいは大型化の観点から、それぞれの電池の用途に応じた開発が盛んである。このような蓄電デバイスの高性能化が進む中で、熱安定性の面での技術課題も存在している。
蓄電デバイスの急激な化学反応による発熱作用などに対する蓄電デバイスの熱に対する安定性を試験するための加熱方法やその装置、さらにはこれらを用いて行う評価試験が求められている。

特開２０１０−９７８３５号公報 特開２０１０−１６０９３２号公報

ＵＬ １６４２規格、"Underwriters Laboratories Inc., Standard for Safety, Lithium Batteries"Fourth Edition、Underwriters Laboratories Inc.、pp.1-20, A1, A2, SR3 and SR4、September 2005 電池工業会規格ＳＢＡ Ｓ１１０１(2011)「産業用リチウム二次電池の安全性試験(単電池及び電池システム)」、社団法人電池工業会、pp.1-23、２０１１年７月

蓄電デバイスの熱的安定性評価においては、加熱装置に装着された蓄電デバイスの発熱温度、とりわけ蓄電デバイス内部を均一に加熱(発熱温度が均一になるように)する必要がある。
しかしながら、上記特許文献および非特許文献に開示された熱安定性試験評価における蓄電デバイスの加熱試験方法およびその加熱試験装置に関する技術である熱風加熱、ヒータ加熱、および電磁誘導外表面加熱のいずれの技術の場合においても、加熱対象である蓄電デバイス本体に対して、まず最初に蓄電デバイスの外周の容器が加熱されるものであり、この容器が加熱された熱エネルギーが、熱伝導により容器壁材から深部に向けて構造部材を順次伝わって加熱されるものであった。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、蓄電デバイスについて熱安定性試験を行なうために、蓄電デバイスを加熱する際に、蓄電デバイスの外側の容器と内部全域において温度差を低減させた蓄電デバイスの加熱試験方法および加熱試験装置を提供することを目的とする。

この発明は、集電部に接続された正極端子および負極端子が外部に露出するように容器に収納された蓄電デバイスの前記正極端子および負極端子を加熱機構で加熱する工程と、加熱された前記蓄電デバイスの温度を温度測定素子で測定し、測定された信号から温度計測部で温度計測を行う工程と、計測された温度に従い、温度制御部で前記加熱機構の発熱量制御を行う工程と、を備えたことを特徴とする蓄電デバイスの加熱試験方法等にある。

この発明では、蓄電デバイスについて熱安定性試験を行なうために、蓄電デバイスを加熱する際に、蓄電デバイスの外側の容器と内部全域において温度差を低減させた蓄電デバイスの加熱試験方法および加熱試験装置を提供できる。

この発明による蓄電デバイスの熱安定性を評価するための蓄電デバイスの加熱試験装置の機能ブロック図である。 図１の蓄電デバイスの外観の一例を示す斜視図である。 この発明による蓄電デバイスの加熱試験装置の構成の一例を示す斜視図である。 図３の蓄電デバイスの蓄電デバイス容器を取り除いた後の集電部に当たる蓄電デバイス内部の斜視図である この発明による加熱試験方法を用いた場合の模擬蓄電デバイスの容器と多重積層構造体等の内部の昇温試験データの一例を示す図である。 従来の熱風炉加熱手段を用いた場合の模擬蓄電デバイスの容器と多重積層構造体等の内部の昇温試験データの一例を示す図である。 従来の電磁誘導外表面加熱手段を用いた場合の模擬蓄電デバイスの容器と多重積層構造体等の内部の昇温試験データの一例を示す図である。

この発明による蓄電デバイスの熱安定性を評価するための加熱試験方法および加熱試験装置では、蓄電デバイス容器と本体で構成される蓄電デバイスについて、特に、蓄電デバイスの外表面のみ加熱するような作用を抑制し、蓄電デバイス内部を昇温させるために、蓄電デバイスの端子部を加熱する加熱機構を有しており、その加熱機構によって蓄電デバイスの端子部が加熱されることで内部への熱伝導により蓄電デバイス内部の加熱が促進されることで、複雑な蓄電デバイス全体の熱的な安定性を評価できる。

蓄電デバイスは、通常は蓄電デバイス内部の正負電極部分、正負活物質材部分、セパレータ部分、ならびに電解液で構成される。例えば、正電極材、負電極材、セパレータ材の各シート３枚がサンドウィッチ形式で重ね合わされ、積層巻きされた扁平な外観形状をした正負電極およびセパレータ集合構造体である多重積層構造体を一例として取り上げる。

この発明では、加熱作用を蓄電デバイス外表面からするのではなく、蓄電デバイスの端子部の加熱による熱伝導にて蓄電デバイスを加熱するため、蓄電デバイス容器壁での発熱作用を抑えて、かつ蓄電デバイス電極集電部の発熱作用を促すこととしたので、集電部から各正負電極部分への速やかな熱伝導を通して、蓄電デバイスおよびその構成材料に対する熱安定性のより適切な評価が期待でき、従来は不可能であった蓄電デバイス内部で発生する現象をより正確に把握し、蓄電デバイス全体の熱的な安定性をより正確に評価できる。

なお、一般に蓄電デバイスを加熱する場合、外部入力熱の他に自己発熱を伴なうことは知られるところである。しかし、熱制御の観点から、この自己発熱作用は、外乱と見なされるので、この発明では、説明の便宜上、例えば、失活した模擬蓄電デバイスのような蓄電デバイスを対象として、自己発熱作用はないものとして扱う。

以下、この発明による蓄電デバイスの加熱試験方法および加熱試験装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明による蓄電デバイスの熱安定性を評価するための蓄電デバイスの加熱試験装置の機能ブロック図である。図１において、蓄電デバイス３は加熱機構２によって加熱される。加熱された蓄電デバイス３の温度は温度測定・計測部４５で測定・計測され、温度制御部１はこの温度測定・計測部４５から温度信号を入力し、温度信号に従って加熱機構２の出力を調整する。

図２は図１に記載の蓄電デバイス３の外観の一例を示す斜視図である。蓄電デバイス３は、図４に示す集電部が収納された蓄電デバイス容器６から、集電部に接続された正極端子７ａ、負極端子７ｂ(正極端子７ａ、負極端子７ｂで端子部７を構成)が外部に露出するように構成されている。

図３はこの発明による蓄電デバイスの加熱試験装置の構成の一例を示す斜視図である。この例では加熱機構２は、例えば電気ヒータからなる発熱部熱源２ｂと、それぞれ発熱部熱源２ｂに接続され、蓄電デバイス３上に正極端子７ａ、負極端子７ｂをそれぞれ覆うように設けられ、発熱部熱源２ｂからの熱が供給されて正極端子７ａ、負極端子７ｂを加熱する２つの加熱部２ａからなる。

蓄電デバイス３の容器６の例えば中央部の外部表面には温度測定素子５が取り付けられて、蓄電デバイス３の温度が測定され、温度計測部４は温度測定素子５に接続されて、測定された信号から温度計測を行う。なお、温度測定素子５と温度計測部４で温度測定・計測部４５を構成している。

温度制御部１は温度計測部４と加熱機構２の発熱部熱源２ｂに接続されて、温度計測部４で計測された温度に従い、発熱部熱源２ｂの加熱制御、すなわち加熱機構２の発熱量制御を行う。

この発明による加熱試験方法の一例を説明すると以下の通りである。まず図３に示すように温度制御部１、加熱機構２、蓄電デバイス３、温度計測部４、温度測定素子５を用意する。

次に、加熱機構２の２つの加熱部２ａを蓄電デバイス３の正極端子７ａ、負極端子７ｂを覆うようにセットする。この際、加熱機構２の加熱部２ａは蓄電デバイス３が短絡しないように絶縁されていることが望ましい。またその他の温度制御部１、加熱機構２、蓄電デバイス３、温度計測部４、温度測定素子５の間も図３で説明したように接続する。

次に、図１に示すように蓄電デバイス３が所望の昇温速度や恒温保持温度となるように、温度測定素子５で蓄電デバイス３の温度が測定され、測定された信号から温度計測部４で温度計測が行われ(例えば温度測定素子５からの測定信号を加熱試験装置における温度を示す計測信号に変換する)、計測信号に従って温度制御部１により発熱量制御する制御信号が加熱機構２(ここでは特に発熱部熱源２ｂ)に与えられて加熱試験を行う。例えば温度制御部１では、計測信号が予め設定された目標温度になるように加熱機構２での発熱量を制御するように制御信号が生成される。またこの目標温度は、温度制御部１に設けられたダイヤル等の入力部等(図示省略)でユーザが設定可能とする。

このように蓄電デバイス３の正極端子７ａ，負極端子７ｂからなる端子部７を局所的に加熱する方法を用いることで、端子部７からの熱伝導により蓄電デバイス３が加熱されることとなり、容器６全体が加熱されないため、容器全体の発熱作用を抑制することができる。

図４には図３の蓄電デバイス３の蓄電デバイス容器６を取り除いた後の集電部に当たる蓄電デバイス内部８の斜視図を示す。主要部は、間にそれぞれセパレータシート材を介して正電極シート材(正電極材)と負電極シート材(負電極材)(それぞれ図示省略)を重ね合わせて積層した多重積層構造体９であり、この多重積層構造体９の正電極シート材および負電極シート材について、それぞれの端面を一体化して集電端部とし、正極集電端部１０ａおよび負極集電端部１０ｂとして接続し、正極集電端部１０ａは正極端子７ａに、負極集電端部１０ｂは負極端子７ｂに接続されて構成される。

図５は、模擬蓄電デバイスの端子部７を加熱機構２の加熱部２ａの一例としてのヒータブロックにて加熱した、この発明による加熱試験方法を用いた場合の模擬蓄電デバイスの容器６と多重積層構造体９等の内部の昇温試験データの一例である。
図６は、模擬蓄電デバイス全体を熱風炉加熱手段にて加熱した、従来の加熱手段を用いた場合の模擬蓄電デバイスの容器６と多重積層構造体９等の内部の昇温試験データの一例である。
図７は、模擬蓄電デバイス全体を電磁誘導加熱手段にて加熱した、従来の加熱手段を用いた場合の模擬蓄電デバイスの容器６と多重積層構造体９等の内部の昇温試験データの一例である。
図５〜７において、１０１が模擬蓄電デバイス３の容器６の外表面の昇温試験データ、１０２が模擬蓄電デバイス３の多重積層構造体９等の内部の昇温試験データを示す。

従来の熱風炉加熱手段を使用した図６の場合、蓄電デバイスの容器加熱が原因と見られる模擬蓄電デバイス内部の昇温特性に時間の遅れを伴い容器と内部とで温度差が発生している。蓄電デバイス本体各点の温度差が約４０℃近くまで達している。このように蓄電デバイスが大型化すると蓄電デバイス内部の熱伝導に起因して、昇温時には蓄電デバイス容器と蓄電デバイス内部とにそれぞれ温度差が発生する。

また、従来の加熱手段を使用した図７の場合、こちらの昇温データも、上述した熱風炉加熱手段と同様に蓄電デバイスの容器加熱が原因と見られる模擬蓄電デバイス内部の昇温特性に遅れが生じ容器と内部とで温度差が発生している。

これらのことを鑑みて、蓄電デバイスについて、熱安定性試験を行なうためには、蓄電デバイスの外部となる容器と内部全域において温度差を低減させる蓄電デバイスの加熱が必要になる。

これらに対して、特に蓄電デバイス３が大型化した場合、蓄電デバイス３の内部構造上の特性により、この発明に示す端子部７を加熱することで、正極端子７ａおよび負極端子７ｂからの熱伝導により、正極集電端部１０ａおよび負極集電端部１０ｂが発熱され、同時にこの発熱量が多重積層構造体９を形成する正電極シート材、負電極シート材、およびセパレータシート材へと熱伝達され、蓄電デバイス内部８を一様に昇温させることができる。

図５に示すこの発明による加熱試験方法の結果による模擬蓄電デバイスの容器と内部の温度差によれば、図６、７に示す従来の加熱手段における模擬蓄電デバイスの容器と内部の温度差に比べ、大幅に改善されている。特に、温度が８０℃付近では、容器と内部の温度差が半減している。さらに８０℃を超えると図６、７に示す従来の加熱手段と比較して容器と内部との温度差が激減しているのが顕著である。

一般的に蓄電デバイス３は高温になると蓄電デバイス３自身の自己発熱を伴うことが知られており、高温時における多重積層構造体９を含む蓄電デバイス内部８の温度を把握することは重要である。

この発明による端子部７を加熱する方法を用いることで、蓄電デバイス容器の温度が内部の温度を代表することができる。そのため、この発明の加熱試験方法および加熱試験装置を用いることで、加熱時における蓄電デバイス３の温度特性や、また蓄電デバイス３の温度変化に対して内部での発生現象を把握することが可能である。
よって、この発明の加熱試験方法および加熱試験装置を用いることで、蓄電デバイス３の温度に応じた熱に関する安定性評価が可能となる。

実施の形態２．
また、蓄電デバイス３の端子部７を加熱する場合、加熱機構２としては、ヒータによる加熱の他、電磁誘導による加熱(端子部７に強度の変化する磁界を印加して電磁誘導により発熱させる電磁誘導加熱装置を設ける)、赤外線による加熱(端子部７に赤外線を照射して直接発熱する赤外線加熱装置を設ける)を使用することができる。また、他の方法として、蓄電デバイス内部８の誘電体に誘電加熱(高周波交流電界を与えて加熱する誘電加熱装置を設ける)を行うこともできる。このように加熱機構２を変更することができ、試験装置側の設備に合わせることができる。

さらに外部環境によって蓄電デバイス３の加熱による昇温結果に影響を与えられる場合は、蓄電デバイス３と加熱機構２全体を断熱材で覆って効率よく加熱することができる(例えば蓄電デバイス３と加熱機構２を断熱材容器内に収納する)。このように断熱材等を用いることで外部環境による影響を遮断することができる。

また、加熱中に蓄電デバイス３の温度情報だけでなく、電圧、交流インピーダンス、及び蓄電デバイス３の形状等や状態変化のうちの少なくとも１つをそれぞれ情報収集することもできる。すなわち、加熱試験中の蓄電デバイス３の、正極端子７ａ、負極端子７ｂ間電圧を検出する電圧検出部、正極端子７ａ、負極端子７ｂ間に電圧を印加した時の流れる電流を検出して交流インピーダンスを測定する交流インピーダンス測定部、外観の状態変化を記録するビデオカメラ、サーモグラフィー等からなる撮像部を設けてもよい(以上図示省略)。

このように温度情報以外にも電圧、交流インピーダンス、及び蓄電デバイス３の形状等や状態変化をそれぞれ把握することで、蓄電デバイス３に起こっている現象を把握することができ、複数の視点から評価することができる。

１ 温度制御部、２ 加熱機構、２ａ 加熱部、２ｂ 発熱部熱源、３ 蓄電デバイス、４ 温度計測部、５ 温度測定素子、６ 蓄電デバイス容器、７ａ 正極端子、７ｂ 負極端子、８ 蓄電デバイス内部、９ 多重積層構造体、１０ａ 正極集電端部、１０ｂ 負極集電端部、４５ 温度測定・計測部。

Claims (8)

1. 集電部に接続された正極端子および負極端子が外部に露出するように容器に収納された蓄電デバイスの前記正極端子および負極端子を加熱機構で加熱する工程と、
   加熱された前記蓄電デバイスの温度を温度測定素子で測定し、測定された信号から温度計測部で温度計測を行う工程と、
   計測された温度に従い、温度制御部で前記加熱機構の発熱量制御を行う工程と、
   を備えたことを特徴とする蓄電デバイスの加熱試験方法。
2. 前記蓄電デバイスと前記加熱機構の全体を断熱材で覆うことを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイスの加熱試験方法。
3. 加熱試験中の前記蓄電デバイスの電圧、交流インピーダンス、状態変化の少なくとも１つを収集する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電デバイスの加熱試験方法。
4. 前記蓄電デバイスが、間にそれぞれセパレータ材を介して正電極材と負電極材が積層された多重積層構造体、前記多重積層構造体の各正電極材を束ねて接続した正極集電端部、および各負電極材を束ねた接続した負極集電端部、を含む前記集電部と、前記集電部の前記正極集電端部に接続された前記正極端子と、前記負極集電端部に接続された前記負極端子と、を有することを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の蓄電デバイスの加熱試験方法。
5. 集電部に接続された正極端子および負極端子が外部に露出するように容器に収納された蓄電デバイスを前記正極端子および負極端子から加熱する加熱機構と、
   加熱された前記蓄電デバイスの温度を測定する温度測定素子と、
   測定された信号から温度計測を行う温度計測部と、
   計測された温度に従い、前記加熱機構の発熱量制御を行う温度制御部と、
   を備えたことを特徴とする蓄電デバイスの加熱試験装置。
6. 前記蓄電デバイスと前記加熱機構の全体を覆う断熱材をさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の蓄電デバイスの加熱試験装置。
7. 加熱試験中の前記蓄電デバイスの電圧を検出する電圧検出部、交流インピーダンスを測定する交流インピーダンス測定部、外観の状態変化を記録する撮像部、の少なくとも１つをさらに備えたことを特徴とする請求項５または６に記載の蓄電デバイスの加熱試験装置。
8. 前記蓄電デバイスが、間にそれぞれセパレータ材を介して正電極材と負電極材が積層された多重積層構造体、前記多重積層構造体の各正電極材を束ねて接続した正極集電端部、および各負電極材を束ねた接続した負極集電端部、を含む前記集電部と、前記集電部の前記正極集電端部に接続された前記正極端子と、前記負極集電端部に接続された前記負極端子と、を有することを特徴とする請求項５から７までのいずれか１項に記載の蓄電デバイスの加熱試験装置。

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