JP2017117628A - 電池及びこれを用いた内部短絡安全性評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な内部短絡安全性評価を行うことが可能な電池の提供を目的とする。【解決手段】セパレータ及び負極活物質及び正極活物質を巻回してなる電極板巻回体２と、電極板巻回体２を収容するセルケース１２と、電極板巻回体２に接続された電極１４とを有し、電極板巻回体２をセルケース１２より取り出し、電極板巻回体２に十分な充電を行った後に電極板巻回体２を再度セルケース１２内に挿入し、加圧装置１７によってセルケース１２に圧力を受けることにより内部短絡を発生させる内部短絡安全性評価に用いられる電池１１であって、セルケース１２は、その内部に、加圧装置１７によって圧力を受けた際に電極板巻回体２の内部に進入して内部短絡を発生させる突起部１５を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、電池及びこれを用いた内部短絡安全性評価方法に関する。

従来一般的に使用されているリチウムイオン電池において、高密度化等の特性向上が望まれているが、その中でも安全性の確保は必須かつ最優先課題である。リチウムイオン電池は、製造時に誤って導電性物質が混入した場合やデンドライトが発生した場合に局所的な内部短絡（ショート）を起こし、漏液、発熱、発煙、破裂、発火といった不具合を引き起こす場合がある。

このようなリチウムイオン電池の局所的な内部短絡が発生した場合の安全性を評価する安全性評価方法として主に強制内部短絡試験と釘刺し試験とがあり、それぞれ電池の出荷前に抜き取り検査によって行われている。このうちの強制内部短絡試験は、満充電した電池の電極板巻回体をセルケースより取り出し、電極板巻回体を解体して、最外周の正極活物質−負極活物質間あるいは正極集電体露出部−負極活物質間にニッケル片を配置し、その後に再び電極板巻回体をセルケース内に戻した後に行われるが、電極板巻回体の内部にニッケル片を入れる作業が難しいため誤って短絡する危険性が大きく、特に大型電池では短絡した場合、危険性が非常に高いという問題点がある。

そこで、大型電池においては主に釘刺し試験が行われる。釘刺し試験は、釘を所定速度で電池に刺し、電圧及び温度の変化を測定して電池が発火するか否かを観察するものである。しかしこの釘刺し試験では、短絡面積、気密性、釘からの放熱等の影響により、実際の電池内部における局所的な内部短絡現象とは異なる評価結果となる可能性があった。そこで、電池に対して先端あるいは先端付近に導電性部材を備えた絶縁性の棒を内部短絡が発生する深さまで電池に差し込む技術が提案されている（例えば「特許文献１」参照）。

特開２０１０−２５０９５４号公報

しかし上述の技術においても、電池の外装に穴が開くために気密性が保てずに正確な温度変化を計測できないという問題点があると共に、実際の局所的な内部短絡は単層短絡であるのに対し、試験では短絡箇所が多すぎて発熱が過剰になってしまうという問題点がある。
本発明は上述の問題点を解決し、正確な内部短絡安全性評価を行うことが可能な電池及びこれを用いた内部短絡安全性評価方法の提供を目的とする。

請求項１記載の発明は、セパレータ及び負極活物質及び正極活物質を巻回してなる電極板巻回体と、前記電極板巻回体を収容するセルケースと、前記電極板巻回体に接続された電極とを有し、前記電極板巻回体を前記セルケースより取り出し、前記電極板巻回体に十分な充電を行った後に該電極板巻回体を再度前記セルケース内に挿入し、加圧装置によって前記セルケースに圧力を受けることにより内部短絡を発生させる内部短絡安全性評価に用いられる電池であって、前記セルケースは、その内部に、前記加圧装置によって圧力を受けた際に前記電極板巻回体の内部に進入して内部短絡を発生させる突起部を有することを特徴とする電池。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電池において、さらに前記突起部は前記電極板巻回体の挿入方向においてなだらかに傾斜した傾斜部を有することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の電池において、さらに前記突起部はその周囲を弾性部材によって覆われていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２または３記載の電池において、さらに前記突起部は先端部以外が絶縁性物質によって形成されていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１から４までの何れか一つに記載の電池を用いた内部短絡安全性評価方法であって、前記加圧装置と、前記電極に接続された電圧測定手段と、前記電池の温度を測定する温度測定手段とを用い、前記加圧装置により前記セルケースに対して所定時間当たり一定の圧力を加え続け、前記電圧測定手段により測定された測定電圧が所定値以上低下した場合に内部短絡が発生したと判断して前記加圧装置による前記セルケースの加圧を停止し、そのときの前記温度測定手段による測定温度と発火の有無より前記電池の評価を行うことを特徴とする。

本発明によれば、セルケースに穴が開くことを確実に防止でき気密性を保つことにより正確な温度変化を計測することができる。また、電圧値によって内部短絡発生の有無を正確に判定しているので、突起部が電極板巻回体の内部に進入する深さを最低限に抑えることができ、短絡箇所を少なくすることで発熱が過剰となることを防止することができる。

本発明の一実施形態を適用可能なリチウムイオン電池の概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に用いられる試験用電池の概略構成図である。 本発明の一実施形態である内部短絡安全性評価方法に用いられる試験機を説明する概略図である。 本発明の第２の実施形態に用いられる試験用電池の概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に用いられる試験用電池の概略構成図である。 本発明の第４の実施形態に用いられる試験用電池の概略構成図である。

図１は、本発明の一実施形態を適用可能なリチウムイオン電池を示している。同図においてリチウムイオン電池（以下、電池という）１は、それぞれ図示しないセパレータ及び負極活物質及び正極活物質を巻回して構成された周知の電極板巻回体２と、電極板巻回体２を収容するセルケース３と、セルケース３に着脱自在に取り付けられる蓋体４と、蓋体４に取り付けられ電極板巻回体２と接続される電極５とを有している。

このような電池１を用いて内部短絡安全性評価を行う場合には、電極５に電源を接続して電極板巻回体２に満充電を行った後、図１に矢印で示す図面高さ方向のほぼ中央部に位置する部位Ａを、先端が鋭利に尖った釘状部材６によって突き刺すことによって行われる。しかしこの場合には、上述したようにセルケース３に穴が開くために気密性が保てずに正確な温度変化を計測できないという問題点があると共に、実際には単層のみの短絡であるのに試験では短絡箇所が多すぎて発熱が過剰になってしまうという問題点がある。

上述した問題点を解決する本発明の第１の実施形態を適用した試験用電池を図２に示す。図２において試験用電池１１は、電池１の電極板巻回体２が収容されるセルケース１２と、セルケース１２に着脱自在に取り付けられる蓋体１３と、蓋体１３に取り付けられ電極板巻回体２と接続される電極１４とを有している。

セルケース１２は金属または樹脂によって形成されており、その高さはセルケース３と同じ、図面左右方向である幅はセルケース３よりも広くなるように形成されている。セルケース１２の図１に示す部位Ａと対応する位置には、金属製の突起部１５が配設されている。突起部１５は、セルケース１２が外部から所定の圧力を受けた際に電極板巻回体２の内部に侵入して電極板巻回体２を短絡させるように、その先端が鋭利に尖った形状となるように形成されている。突起部１５は、セルケース３の内壁部に接着または溶接によって固着されている。

セルケース１２は、その内部に電極板巻回体２を挿入する際に突起部１５が邪魔とならず、かつ外部より圧力が加えられた際に電極板巻回体２に対して突起部１５が進入可能となるようにその幅が決定されている。蓋体１３はセルケース１２に対して着脱自在である大きさに形成されており、電極１４は電極５と同様に構成されている。突起部１５は、その先端が電極板巻回体２の内部に確実に侵入するようにその長さが決定されており、長さは１ｍｍ以上となるように形成されている。

次に、上述した試験用電池１１を用いた内部短絡安全性評価方法について説明する。この内部短絡安全性評価には、図３に示す試験機２０が用いられる。試験機２０は、試験用電池１１が載置される載置台１６、試験用電池１１に対して所定時間当たり一定の圧力を加える加圧装置１７、試験用電池１１の電極１４に接続され試験用電池の内部電圧を測定する電圧測定手段としての電圧計１８、試験用電池１１のセルケース１２内の温度を検知する温度測定手段としての熱電対１９等を有している。

上述の試験機２０を用いて内部短絡安全性評価を行う。評価方法は、載置台１６上の試験用電池１１に対して加圧装置１７によって一定の圧力を加え続け、電圧計１８の測定値が所定値以上低下するまで継続する。電圧計１８の測定値が所定値以上低下した場合には試験用電池１１の内部短絡が発生したと判断し、そのときの熱電対１９による測定値及び発火の有無を認知して評価を行う。評価基準としては、発火が発生しなければ可で、発火した場合には否とする。また測定温度は参考値として認識する。

上述した本発明の試験用電池及びこれを用いた内部短絡安全性評価方法によれば、セルケース１２に穴が開くことを確実に防止でき気密性を保つことにより正確な温度変化を計測することができる。また、電圧値によって内部短絡発生の有無を正確に判定しているので、突起部１５が電極板巻回体２の内部に進入する深さを最低限に抑えることができ、短絡箇所を少なくすることにより発熱が過剰となることを防止することにより発火の危険性を抑えることができる。

図４は、本発明の第２の実施形態に用いられる試験用電池２１を示している。この試験用電池２１は試験用電池１１と比較すると、突起部１５に代えて突起部２２を有する点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。突起部１５と同じ材質及び同じ長さに形成された突起部２２は、接着または溶接によってセルケース１２の内壁部に固着されている。突起部２２は、セルケース１２への電極板巻回体２の挿入方向である上方から下方へと向けてセルケース１２の外側から内側へ向けてなだらかに傾斜するように形成された傾斜部２２ａを有している。

上述の構成により、試験用電池２１によればセルケース１２内に電極板巻回体２を挿入する際に、誤って突起部２２に電極板巻回体２が接触しても電極板巻回体２は傾斜部２２ａに沿ってセルケース１２の内部に案内されるので、電極板巻回体２が傷付くことを防止することができ、電極板巻回体２を無駄にすることなく、かつ安全に内部短絡安全性評価を行うことができる。また、内部短絡安全性評価における加圧装置１７による加圧時には、突起部２２の鋭利な先端が電極板巻回体２の内部に確実に進入するので、良好な評価を行うことができる。

図５は、本発明の第３の実施形態に用いられる試験用電池２３を示している。この試験用電池２３は試験用電池１１と比較すると、突起部１５の周囲を弾性部材２４によって覆っている点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。弾性部材２４は、ゴムや柔らかい樹脂等によって形成されており、突起部１５によって容易に突き破ることが可能に構成されている。

上述の構成により、試験用電池２３によればセルケース１２内に電極板巻回体２を挿入する際に、誤って突起部１５に電極板巻回体２が接触しても電極板巻回体２は突起部１５を覆う弾性部材２４に接触するため、電極板巻回体２が傷付くことを防止することができ、電極板巻回体２を無駄にすることなく、かつ安全に内部短絡安全性評価を行うことができる。また、内部短絡安全性評価における加圧装置１７による加圧時には、弾性部材２４を突き破った突起部１５の鋭利な先端が電極板巻回体２の内部に確実に進入するので、良好な評価を行うことができる。

図６は、本発明の第４の実施形態に用いられる試験用電池２５を示している。この試験用電池２５は試験用電池１１と比較すると、突起部１５に代えて突起部２６を用いる点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。突起部２６は、鋭利な先端を有する金属製の先端部２６ａと、先端部２６ａとセルケース１２の内壁部とを接続する基部２６ｂとによって構成されている。基部２６ｂは、セラミック等の絶縁性物質によって形成されている。

上述の構成により、内部短絡安全性評価における加圧装置１７による加圧時には、突起部２６の先端部２６ａからの熱の伝導が基部２６ｂによって断たれるので、セルケース１２に対して熱が逃げることを防止でき、良好な評価を行うことができる。

上記各実施形態で示した試験用電池１１，２１，２３，２５において、内部短絡安全性評価時に試験機２０の加圧装置１７によって押圧されるセルケース１２の外側の部位に、突起部１５，２２，２６が存在する位置を示す目印を形成してもよい。これにより加圧装置１７による押圧位置を一定箇所とすることができ、押圧位置のばらつきによる評価結果のばらつきの発生を防止して良好な評価結果を得ることができると共に、載置台１６への試験用電池１１，２１，２３，２５のセットを容易化することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。本発明の実施の形態に記載された効果は本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

２・・・電極板巻回体、１１，２１，２３，２５・・・試験用電池、１２・・・セルケース、１４・・・電極、１５，２２，２６・・・突起部、１７・・・加圧装置、１８・・・電圧測定手段（電圧計）、１９・・・温度測定手段（熱電対）、２２ａ・・・傾斜部、２４・・・弾性部材、２６ａ・・・先端部

Claims (5)

1. セパレータ及び負極活物質及び正極活物質を巻回してなる電極板巻回体と、前記電極板巻回体を収容するセルケースと、前記電極板巻回体に接続された電極とを有し、
   前記電極板巻回体を前記セルケースより取り出し、前記電極板巻回体に十分な充電を行った後に該電極板巻回体を再度前記セルケース内に挿入し、加圧装置によって前記セルケースに圧力を受けることにより内部短絡を発生させる内部短絡安全性評価に用いられる電池であって、
   前記セルケースは、その内部に、前記加圧装置によって圧力を受けた際に前記電極板巻回体の内部に進入して内部短絡を発生させる突起部を有することを特徴とする電池。
2. 請求項１記載の電池において、
   前記突起部は前記電極板巻回体の挿入方向においてなだらかに傾斜した傾斜部を有することを特徴とする電池。
3. 請求項１記載の電池において、
   前記突起部はその周囲を弾性部材によって覆われていることを特徴とする電池。
4. 請求項２または３記載の電池において、
   前記突起部は先端部以外が絶縁性物質によって形成されていることを特徴とする電池。
5. 請求項１から４までの何れか一つに記載の電池を用いた内部短絡安全性評価方法であって、
   前記加圧装置と、前記電極に接続された電圧測定手段と、前記電池の温度を測定する温度測定手段とを用い、
   前記加圧装置により前記セルケースに対して所定時間当たり一定の圧力を加え続け、前記電圧測定手段により測定された測定電圧が所定値以上低下した場合に内部短絡が発生したと判断して前記加圧装置による前記セルケースの加圧を停止し、そのときの前記温度測定手段による測定温度と発火の有無より前記電池の評価を行うことを特徴とする内部短絡安全性評価方法。

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