JP2016004722A - 二次電池の短絡試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試験結果の安定性を高めることができる二次電池の短絡試験装置を提供する。
【解決手段】二次電池の一方面側から突き刺して二次電池に貫通孔を形成する金属製の棒状部材１００を有し、棒状部材１００が、横断面の周縁部に設けられた角部１０１ａ，１０２ａを含み電極束の貫通孔の周縁部に亀裂を生じさせる切断部２００を有する構成とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、集電束がケース内に封入されてなる二次電池の短絡試験装置に関し、具体的には、金属製の突起物を突き刺して強制的に内部短絡を発生させた状態で安全評価を行う二次電池の短絡試験装置に関する。

近年、電気自動車（ＢＥＶ）やプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）等の電動車両が多数実用化されている。このような電動車両には、走行用モータに電力を供給するためのリチウムイオン電池等の二次電池（高圧バッテリ）が搭載されている。この二次電池は、例えば、正極板と負極板とがセパレータを介して積層された積層体で形成される電極束を備え、この電極束をケース内に封入することによって形成されている。

そして、このような構成の二次電池を製造する際には、短絡時の安全評価を行う二次電池の短絡試験が行われている。具体的には、短絡試験装置によって、釘等の金属製の突起物をケースの外側から二次電池に突き刺して強制的に内部短絡を発生させるいわゆる「釘刺し試験」を実施し、この状態で二次電池の安全評価を行っていた（例えば、特許文献１，２等参照）。

特開２０１１−３５１３号公報 特開２０１４−４９４２１号公報

上述のような短絡試験装置を用いた「釘刺し試験」を行うことで、比較的容易に二次電池の安全評価を行うことができる。しかしながら、上述した従来の短絡試験装置では、試験結果が不安定になりやすいという問題がある。具体的には、短絡試験装置による「釘刺し試験」には、一般的に、先端部が円錐状の釘が用いられる。このため、釘を刺した際に二次電池を構成する電極板の割れ方が不規則になりやすく、同一の試験条件で短絡試験（釘刺し試験）を行った場合でも試験結果にばらつきが生じやすいという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、試験結果の安定性を高めることができる二次電池の短絡試験装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、正極板及び負極板を備える電極束がケース内に封入されて構成された二次電池に貫通孔を形成し、強制的に二次電池を発生させた状態で当該二次電池の安全評価を行う二次電池の短絡試験装置であって、前記二次電池の一方面側から突き刺して当該二次電池に前記貫通孔を形成する金属製の棒状部材を有し、該棒状部材は、横断面の周縁部に設けられた角部を含み前記電極束の前記貫通孔の周縁部に亀裂を生じさせる切断部を有することを特徴とする二次電池の短絡試験装置にある。
かかる第１の態様では、切断部を備える棒状部材を一定の向きで二次電池に突き刺すことで、電極束の所定位置に亀裂が形成される。したがって、電極束（電極板）の割れ方が規則的になり易い。

本発明の第２の態様は、第１の態様の二次電池の短絡試験装置において、前記切断部は、先端部から後方にかけて横断面が多角形であり、その周縁部に形成される角部によって前記電極束に前記亀裂を生じさせることを特徴とする二次電池の短絡試験装置にある。
かかる第２の態様では、比較的簡単な形状の棒状部材で、電極束に亀裂を良好に形成することができる。

本発明の第３の態様は、第２の態様の二次電池の短絡試験装置において、前記切断部は、横断面が四角形であることを特徴とする二次電池の短絡試験装置にある。
かかる第３の態様では、比較的簡単な形状の棒状部材で、電極束に亀裂を良好に形成することができる。

本発明の第４の態様は、第１から３の何れか一つの態様の二次電池の短絡試験装置において、前記棒状部材は、軸方向に亘って略同一径の本体部と、該本体部の一端側に設けられる先の尖った尖端部と、を備える釘状部材であり、前記切断部が前記尖端部に設けられていることを特徴とする二次電池の短絡試験装置にある。
かかる第４の態様では、棒状部材として尖端部に切断部が設けられた釘状部材を用いることで、棒状部材（釘状部材）を比較的容易に二次電池に突き刺して貫通孔を形成することができる。

本発明の第５の態様は、第４の態様の二次電池の短絡試験装置において、前記切断部は、前記尖端部から前記本体部に亘って連続的に設けられていることを特徴とする二次電池の短絡試験装置にある。
かかる第５の態様では、電極束の所定位置に亀裂をより確実に形成でき、電極束（電極板）の割れ方がさらに規則的になり易い。

本発明の第６の態様は、第１から５の何れか一つの態様の二次電池の短絡試験装置において、前記電極束が所定方向で引張り応力を受けた状態で前記ケース内に封入されている場合、前記棒状部材は、前記切断部を前記所定方向とは直交する直線上に配置した状態で前記二次電池に突き刺されることを特徴とする二次電池の短絡試験装置にある。
かかる第６の態様では、貫通孔を形成後、電極束には亀裂を開く方向の力が作用する。したがって、電極束（電極板）の割れ方がより規則的になり易い。

本発明の第７の態様は、第１から６の何れか一つの態様の二次電池の短絡試験装置において、前記棒状部材は、前記切断部が前記二次電池の他方面側に達するまで前記二次電池に突き刺されることを特徴とする二次電池の短絡試験装置にある。
かかる第７の態様では、電極束の厚さ方向に棒状部材を突き刺して貫通孔を形成する際、電極束の厚さ方向に亘って亀裂が連続的に形成される。

かかる本発明に係る二次電池の短絡試験装置によれば、二次電池に、釘状部材等の棒状部材を突き刺して貫通孔を形成する際、電極束の所定位置に亀裂が形成される。したがって、電極束（電極板）の割れ方が規則的になり、試験結果のばらつきも小さく抑えられる。

二次電池の構造の一例を示す分解斜視図である。 二次電池の構造の一例を示す縦断面図である。 二次電池が備える電極束の積層構造を示す概略図である。 二次電池の短絡試験の手順を示す図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池の短絡試験装置が備える棒状部材を示す斜視図及び横断面図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池の短絡試験装置による試験を実施した電極束の断面形状を示す画像である。 本発明の一実施形態に係る二次電池の短絡試験装置による試験を実施した電極束の断面形状を示す画像である。 従来の二次電池の短絡試験装置による試験を実施した電極束の断面形状を示す画像である。 従来の二次電池の短絡試験装置による試験を実施した電極束の断面形状を示す画像である。 本発明の一実施形態に係る二次電池の短絡試験装置が備える棒状部材の向きを説明する図である。 本発明の一実施形態の二次電池の短絡試験装置が備える棒状部材の変形例を示す斜視図である。 本発明の一実施形態の二次電池の短絡試験装置が備える棒状部材の変形例を示す斜視図である。 本発明の一実施形態の二次電池の短絡試験装置が備える棒状部材の変形例を示す斜視図である。 本発明の一実施形態の二次電池の短絡試験装置が備える棒状部材の変形例を示す斜視図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
まずは、二次電池の構造の一例について簡単に説明する。図１及び図２に示すように、二次電池１０は、例えば、リチウムイオン電池である密閉形電池であり、正極板２１及び負極板２２を備える電極束（エレメント）２０と、集電体３０，４０とが非水電解液（図示なし）と共に電池ケース５０内に収容されている。この電池ケース５０の上部は、蓋部材６０で密閉されている。なお図示は省略するが、電池ケース５０内には電池ケース５０の内面を覆う絶縁部材が設けられており、電池ケース５０と内部に収容される電極束２０及び集電体３０，４０との絶縁が図られている。

電極束２０の正極板２１には集電体３０の一端側が接続され、この集電体３０の他端側には、蓋部材６０に設けられた貫通孔６１から外部に突出する正極端子部材７０が接続されている。負極板２２には集電体４０の一端側が接続されている。この集電体４０の他端側には、蓋部材６０に設けられた貫通孔６１から外部に突出する負極端子部材８０が接続されている。

蓋部材６０の上下面側には、各貫通孔６１の開口部に対応して絶縁シート部材９０がそれぞれ設けられている。正極端子部材７０及び負極端子部材８０は、この絶縁シート部材９０によって蓋部材６０との絶縁が図られている。

電極束２０は、図３に示すように、例えば、金属箔からなる正極板２１と負極板２２とがセパレータ２３を介してオフセット積層されて形成されている。本実施形態に係る電極束２０は、セパレータ２３を介して帯状の正極板２１及び負極板２２を扁平形状に捲回されて形成されている。なお帯状の正極板２１及び負極板２２には、両者が重なる部分に、それぞれ活物質が塗布されている。

このような構成の二次電池１０を製造した際には、二次電池の短絡試験装置を用いた安全性試験としての短絡試験が実施される。二次電池の短絡試験とは、いわゆる「釘刺し試験」に相当する試験であり、図４に示すように、短絡試験装置が備える所定形状の棒状部材１００を、電極束２０が封入された二次電池１０の一方面側から所定スピードで突き刺して貫通孔１５を形成し、強制的に内部短絡を発生させた状態で二次電池１０の安全評価を行うものである。安全評価は、例えば、二次電池１０に貫通孔１５が形成される際の電池電圧、電池温度等を検出し、その変化に基づいて行われる。

そして、本発明に係る二次電池の短絡試験装置は、二次電池１０に突き刺す棒状部材１００を、従来のように先端が円錐形の釘を用いるのではなく、以下に詳しく説明するように、所定形状の棒状部材を用いたところに特徴がある。

具体的には、本実施形態に係る二次電池の短絡試験装置が備える棒状部材１００は、図５（ａ）に示すように、軸方向に亘って略同一径の本体部１０１と、本体部１０１の一端側に設けられる先の尖った尖端部１０２と、を備える金属製の釘状部材である。本体部１０１は、円柱状に形成され、図５（ｂ）に示すように、その横断面は略円形である。一方、尖端部１０２は、四角錐状に形成され、図５（ｃ）に示すように、その横断面は四角形（略正方形）である。したがって尖端部１０２の周面には４つ角部１０２ａが存在する。

このような棒状部材１００を二次電池１０に対して所定の向きで突き刺して貫通孔１５を形成し、強制的に内部短絡を発生させることで、二次電池の短絡試験における試験結果の安定性を高めることができる。

図６は、上記のように四角錐状の尖端部１０２を備える棒状部材１００を二次電池１０に突き刺すことで貫通孔１５を形成した電極束２０の厚さ方向の断面形状を示すＸ線ＣＴ画像であり、図７は、図６のＡ１−Ａ１線からＥ１−Ｅ１線に対応する電極束２０の断面形状を示すＸ線ＣＴ画像である。また図８は、先端が円錐状の釘を二次電池１０に突き刺すことで貫通孔１５を形成した電極束２０の厚さ方向の断面形状を示すＸ線ＣＴ画像であり、図９は、図８のＡ２−Ａ２線からＥ２−Ｅ２線に対応する電極束２０の断面形状を示すＸ線ＣＴ画像である。

上述のように棒状部材１００を二次電池１０に突き刺して貫通孔１５を形成すると、尖端部１０２の各角部１０２ａによって電極束２０の貫通孔１５の周縁が切り裂かれる。図６及び図７に示すように、電極束２０には、各角部１０２ａに対応する位置に亀裂２５が形成される。すなわち各角部１０２ａは、電極束２０に亀裂２５を生じさせる切断部２００を構成する（図５参照）。そして、このような各角部１０２ａ（切断部２００）が、棒状部材１００の先端部から後方にかけて設けられていることで、すなわち各角部１０２ａが先端部だけでなく、先端部から所定範囲に連続的に設けられていることで、電極束２０に亀裂２５が形成される位置や亀裂２５が進行する方向を制御することができる。

具体的には、二次電池の短絡試験を実施する際には、棒状部材１００を二次電池１０に対して所定の向き（決まった向き）で突き刺して貫通孔１５を形成する。これにより、電極束２０のほぼ決まった位置に亀裂２５を生じさせることができる。したがって、貫通孔１５の形状を安定させることができ、また貫通孔１５の形状安定に伴って試験結果の安定性を向上することができる。

一方、従来のように先端が円錐状の釘を二次電池１０に突き刺して貫通孔１５を形成した場合には、図８及び図９の画像から分かるように、貫通孔１５に不規則な亀裂が生じてしまい、貫通孔１５の形状が安定しない。

このような画像を比較することで明らかであるが、本発明に係る二次電池の短絡試験装置によれば、電極束２０に形成される貫通孔１５の形状を大幅に安定させることができ、それに伴って試験結果の安定性が向上する。

ここで、棒状部材１００を二次電池１０に突き刺す方向は、適宜決定されればよいが、電極束２０が所定方向で引張り応力を受けた状態で電池ケース５０内に封入されている場合、角部１０２ａを上記所定方向とは直交する直線上に配置することが好ましい。例えば、本実施形態に係る二次電池１０の電極束２０は、正極板２１等が二次電池１０の上下方向に捲回されて形成されている。このため、図１０に示すように、電極束２０には、二次電池１０の上下方向で引張り応力を受けている。したがって、このような二次電池１０の場合には、二次電池１０の上下方向とは直交する左右方向の直線上に相対向する二つの角部１０２ａを配置して貫通孔１５を形成することが好ましい。すなわち、この左右方向の直線上に亀裂２５が形成されるようにすることが好ましい。

これにより、電極束２０に形成された亀裂２５には、電極束２０の引張り応力が亀裂２５を開く方向に作用することになる。これにより、電極束２０に亀裂２５が形成される位置や亀裂２５が進行する方向がより安定し、それに伴い貫通孔１５の形状もより安定する。

また棒状部材１００を二次電池１０に突き刺す際には、切断部２００を構成する角部１０２ａが、二次電池１０の他方面側に達するまで、棒状部材１００を二次電池１０に突き刺すことが好ましい。例えば、本実施形態の場合、棒状部材１００の尖端部１０２が二次電池１０の他方面側に完全に露出するまで突き刺して貫通孔１５を形成することが好ましい。これにより、貫通孔１５の形状をさらに安定させることができる。

さらに本実施形態では、棒状部材１００として、本体部１０１が円柱状であり、尖端部１０２が四角錐状、すなわち横断面が略正方形である釘状部材を用いるようにしたが、棒状部材１００の形状は、この形状に限定されるものではない。例えば、尖端部１０２の横断面は、正方形に限定されず、例えば、菱形としてもよいし、六角形、八角形等の他の多角形としてもよく、或いは星形等としてもよい。

また例えば、棒状部材１００の本体部１０１は、尖端部１０２の形状に合わせて横断面が多角形になるようにしてもよい。例えば、図１１に示すように、尖端部１０２の横断面が正方形である場合には、本体部１０１の横断面を正方形としてもよい。この場合、本体部１０１の周面には、尖端部１０２の角部１０２ａから連続する角部１０１ａが存在することになる。このように棒状部材１００は、切断部２００を構成する角部１０２ａ，１０１ａが尖端部１０２から本体部１０１に亘って連続的に設けられていてもよい。

また尖端部１０２は、必ずしも先端が鋭く尖っていなくてもよく、例えば、図１２に示すように、先端が−（マイナス）形状となるように形成されていてもよい。尖端部１０２をこのような形状とした場合、先端のマイナス形状が、上述のように電極束２０の引張り応力の方向とは直交する方向に沿うように配置することで、貫通孔１５の形状を特に効果的に安定させることができる。

また棒状部材１００は、例えば、図１３に示すように、角柱状の本体部１０１と、円錐形状の尖端部１０２とで構成される釘状部材であってもよい。この構成では、本体部１０１に存在する角部１０１ａが切断部２００として機能する。さらには、棒状部材１００は、例えば、図１４に示すように、円柱状の本体部１０１と、円錐状の尖端部１０２とで構成され、本体部１０１の周面の一部に、径方向に突出する突出部１１０が設けられたものであってもよい。この構成では、突出部１１０が切断部２００として機能する。

このように棒状部材１００が切断部２００を備えていれば、この棒状部材１００を二次電池１０に対して所定の向きで突き刺して貫通孔１５を形成することで、貫通孔１５の形状が安定し、それに伴って試験結果の安定性を向上することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能なものである。

例えば、上述した二次電池の短絡試験装置は、車両用の二次電池の短絡試験にも好適に用いられるものであるが、二次電池の用途は車両用に限定されるものではない。本発明に係る二次電池の短絡試験装置は、例えば、家庭用の補助電源、各種ＡＶ機器、パソコン、携帯電話など、車両以外の他の機器に搭載される二次電池の短絡試験にも採用することができるものである。

１０ 二次電池
１５ 貫通孔
２０ 電極束
２１ 正極板
２２ 負極板
２３ セパレータ
２５ 亀裂
３０ 集電体
４０ 集電体
５０ 電池ケース
６０ 蓋部材
６１ 貫通孔
７０ 正極端子部材
８０ 負極端子部材
９０ 絶縁シート部材
１００ 棒状部材
１０１ 本体部
１０１ａ 角部
１０２ 尖端部
１０２ａ 角部
１１０ 突出部
２００ 切断部

Claims (7)

1. 正極板及び負極板を備える電極束がケース内に封入されて構成された二次電池に貫通孔を形成し、強制的に二次電池を発生させた状態で当該二次電池の安全評価を行う二次電池の短絡試験装置であって、
   前記二次電池の一方面側から突き刺して当該二次電池に前記貫通孔を形成する金属製の棒状部材を有し、
   該棒状部材は、横断面の周縁部に設けられた角部を含み前記電極束の前記貫通孔の周縁部に亀裂を生じさせる切断部を有することを特徴とする二次電池の短絡試験装置。
2. 請求項１に記載の二次電池の短絡試験装置において、
   前記切断部は、先端部から後方にかけて横断面が多角形であり、その周縁部に形成される角部によって前記電極束に前記亀裂を生じさせることを特徴とする二次電池の短絡試験装置。
3. 請求項２に記載の二次電池の短絡試験装置において、
   前記切断部は、横断面が四角形であることを特徴とする二次電池の短絡試験装置。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載の二次電池の短絡試験装置において、
   前記棒状部材は、軸方向に亘って略同一径の本体部と、該本体部の一端側に設けられる先の尖った尖端部と、を備える釘状部材であり、
   前記切断部が前記尖端部に設けられていることを特徴とする二次電池の短絡試験装置。
5. 請求項４に記載の二次電池の短絡試験装置において、
   前記切断部は、前記尖端部から前記本体部に亘って連続的に設けられていることを特徴とする二次電池の短絡試験装置。
6. 請求項１から５の何れか一項に記載の二次電池の短絡試験装置において、
   前記電極束が所定方向で引張り応力を受けた状態で前記ケース内に封入されている場合、
   前記棒状部材は、前記切断部を前記所定方向とは直交する直線上に配置した状態で前記二次電池に突き刺されることを特徴とする二次電池の短絡試験装置。
7. 請求項１から６の何れか一項に記載の二次電池の短絡試験装置において、
   前記棒状部材は、前記切断部が前記二次電池の他方面側に達するまで前記二次電池に突き刺されることを特徴とする二次電池の短絡試験装置。