JP2018136150A - 二次電池の内部短絡模擬試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正極と負極が対向する箇所に異物が混入することに起因する内部短絡を再現することができる二次電池の内部短絡模擬試験方法を提供する。【解決手段】二次電池の内部短絡模擬試験方法は、セパレータを間に挟んで正極と負極とが交互に積層されたコアと、コアが収納可能なケースと、コアが収納されたケースに充填された電解液と、を備える二次電池の内部短絡模擬試験方法であって、内部短絡の原因となる物質が溶解可能な絶縁物質で包まれた異物を正極と負極との間に挟んで内部短絡模擬試験用の二次電池を製造する試験用電池製造工程と、試験用電池製造工程にて製造された内部短絡模擬試験用の二次電池を充電する試験用電池充電工程と、試験用電池充電工程にて充電された内部短絡模擬試験用の二次電池の絶縁物質を溶解させることで内部短絡の原因となる物質によって正極と負極とを内部短絡させる内部短絡試験工程と、を含む。【選択図】 図１

Description

本開示は、二次電池の内部短絡模擬試験方法に関する。

特許文献１には、電池の内部短絡時の安全性を評価する電池の内部短絡評価方法が開示されている。かかる電池の内部短絡評価方法では、電池の電極群内部の正極と負極が対向する箇所に臨界温度抵抗体を異物として混入させ、臨界温度抵抗体の抵抗変化温度以上の環境温度において短絡を発生させる。臨界温度抵抗体は、特定の温度で抵抗が急変する臨界温度係数を有するものであり、酸化バナジウム系材料が代表的である。

特開２００９−５４３００号公報

特許文献１が開示する電池の内部短絡評価方法では、正極と負極が対向する箇所に臨界温度抵抗体を異物として混入させるが、電池の原材料でない臨界温度抵抗体が電池の製造工程において異物として混入することがない。したがって、臨界温度抵抗体が電池の内部短絡を発生させても、正極と負極が対向する箇所に異物が混入することに起因する内部短絡を再現するものとはならない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、正極と負極が対向する箇所に異物が混入することに起因する内部短絡を再現することができる二次電池の内部短絡模擬試験方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る二次電池の内部短絡模擬試験方法は、セパレータを間に挟んで正極と負極とが交互に積層されたコアと、前記コアが収納可能なケースと、前記コアが収納された前記ケースに充填された電解液と、を備える二次電池の内部短絡模擬試験方法であって、内部短絡の原因となる物質が溶解可能な絶縁物質で包まれた異物を前記正極と前記負極との間に挟んで内部短絡模擬試験用の二次電池を製造する試験用電池製造工程と、前記試験用電池製造工程にて製造された前記内部短絡模擬試験用の二次電池を充電する試験用電池充電工程と、前記試験用電池充電工程にて充電された前記内部短絡模擬試験用の二次電池の前記絶縁物質を溶解させることで前記内部短絡の原因となる物質によって前記正極と前記負極とを内部短絡させる内部短絡試験工程と、を含む。

上記（１）の方法によれば、試験用電池充電工程にて充電された内部短絡模擬試験用の二次電池の絶縁物質を溶解させることで内部短絡の原因となる物質によって正極と負極とを内部短絡させる。これにより、正極と負極が対向する箇所に異物が混入することに起因する内部短絡を再現することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の方法において、前記絶縁物質は、加熱によって溶解する樹脂材料である。
上記（２）の方法によれば、絶縁物質は、加熱によって溶解する樹脂材料であるので、試験用電池充電工程にて充電された内部短絡模擬試験用の二次電池を加熱することによって内部短絡模擬試験用の二次電池の絶縁物質を溶解させることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の方法において、前記絶縁物質は、環境温度以上であって前記セパレータの溶解温度未満の温度で溶解する樹脂材料である。
上記（３）の方法によれば、絶縁物質は、環境温度以上であってセパレータの溶解温度未満の温度で溶解する樹脂材料であるので、環境温度以上であってセパレータの溶解温度未満の温度で内部短絡模擬試験用の二次電池の絶縁物質を溶解させることができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）から（３）の何れか一つの方法において、前記絶縁物質は、低結晶性のポリエチレン、低結晶性のポリプロピレン又はナイロンベース共重合ポリアミドの少なくとも一つを含む。
上記（４）の方法によれば、絶縁物質は、低結晶性のポリエチレン、低結晶性のポリプロピレン又はナイロンベースのポリアミドであるので、環境温度以上であってセパレータの溶解温度未満の温度で内部短絡模擬試験用の二次電池の絶縁物質を溶解させることができる。尚、低結晶性のポリエチレン及び低結晶性のポリプロピレンは融点が１００°Ｃ以下であり、ナイロンベースの共重合ポリアミドは融点が８５°Ｃ程度であることが知られている。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）から（４）の何れか一つの方法において、前記試験用電池製造工程では、前記異物を前記正極又は前記負極の少なくとも一方の縁に設置する。
上記（５）の方法によれば、試験用電池製造工程では、異物を正極又は負極の少なくとも一方の縁に設置する。内部短絡は正極の縁又は負極の縁で生じ易いことが知られている。これにより、異物を正極又は負極の少なくとも一方の縁に設置すれば、異物が混入することに起因する内部短絡を再現するものにできる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）から（５）の何れか一つの方法において、前記内部短絡の原因となる物質は、前記正極、前記負極又は前記ケースの何れかを構成する金属である。
上記（６）の方法によれば、内部短絡の原因となる物質は、正極、負極又はケースの何れかを構成する金属である。このようにすれば、二次電池の製造工程にて正極と負極が対向する箇所に異物が混入することに起因する内部短絡を再現することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）から（６）の何れか一つの方法において、前記内部短絡の原因となる物質は、銅、アルミニウム、ニッケル又は鉄の少なくとも一つである。
上記（７）の方法によれば、内部短絡の原因となる物質は、銅、アルミニウム、ニッケル又は鉄の少なくとも一つである。このようにすれば、二次電池の製造工程において混入する可能性がある、銅、アルミニウム、ニッケル又は鉄の少なくとも一つによる内部短絡を再現することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、正極と負極が対向することに起因する内部短絡を再現することができる。

本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の構成を概略的に示す斜視図である。 図１に示したコアの構成を概略的に示す斜視図である。 図２に示したコアの構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の内部短絡模擬試験方法を説明するためのフローチャートである。 図４に示した内部短絡試験工程を説明するための説明図である。説明図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
ここでは、二次電池の例としてリチウムイオン二次電池を例に説明するが、本発明は、リチウムイオン二次電池に限られるものではない。

図１は、本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池１の構成を概略的に示す斜視図である。図２は、図１に示したコア１０の構成を概略的に示す斜視図であり、図３は、図２に示したコア１０の構成を概略的に示す断面図である。
本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池１の内部短絡模擬試験方法は、リチウムイオン二次電池１の内部短絡を模擬するものである。

図１に示すように、リチウムイオン二次電池１は、ケース２と、ケース２に収納可能なコア１０と、コア１０が収納されたケース２に充填された電解液（図示せず）と、を備える。
ケース２は、角型の容器であって、上面に設けられた開口部２１に蓋３が取り付けられている。ケース２は、図１に示すような角型の容器である以外に、円筒型であってもよいし、ラミネートフィルムで形成された袋状のものであってもよい。正極端子１０１及び負極端子１０２は、それぞれ蓋３を貫通して取り付けられている。

図２に示すように、コア１０は、セパレータ１３を間に挟んで正極１１および負極１２が交互に積層配置されている。本実施形態では、コア１０は、図２に示すように、帯状に長いセパレータ１３を間に挟んで、同じくそれぞれ帯状に長い正極１１と負極１２とを巻いた捲回型のコア１０である。

セパレータ１３は、図２に示すように帯状の長手方向に、第１の辺１３１とこの対辺に位置する第２の辺１３２とを有する。セパレータ１３は、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン系微多孔膜で作られており、その空孔中に電解液を流動させるとともに保持する。

正極１１は、図３に示すように正極集電体１１１と正極活物質１１２と絶縁部１４とを有する。正極集電体１１１は、セパレータ１３の有する第１の辺１３１から延出する正極リード１１３を具備している。この実施形態において正極集電体１１１は、アルミニウム箔である。正極活物質１１２は、セパレータ１３の外周縁１３Ａよりも内側の範囲の正極集電体１１１の両面を覆うように形成される。正極活物質１１２は、電極材料の粉末を溶媒で溶いてスラリーにし、正極集電体１１１の両側の面に均質に塗工され、乾燥されることによって、形成される。正極活物質１１２の一例としてマンガン酸リチウムが採用される。

絶縁部１４は、図３に示すように、正極活物質１１２の縁１１２Ａから離れた位置の正極リード１１３の両面に形成される。本実施形態では、絶縁部１４は、図２に示すように、正極活物質１１２の縁１１２Ａに平行に形成される。絶縁部１４は、正極活物質１１２と同様に、スラリーにして塗工される。絶縁部１４は、正極活物質１１２から離れて形成されるので、正極活物質１１２と同時に塗工されてもよいし、正極活物質１１２の前にまたは後に塗工されてもよい。

負極１２は、負極集電体１２１と負極活物質１２２とを有する。負極集電体１２１は、セパレータ１３の有する第２の辺１３２から延出する負極リード１２３を具備している。この実施形態において負極集電体１２１は、銅箔である。負極活物質１２２は、セパレータ１３の外周縁１３Ａよりも内側の範囲で、かつ、正極活物質１１２が形成された範囲よりも広い範囲の負極集電体１２１の両面を覆うように形成される。負極活物質１２２は、正極活物質１１２と同様に、スラリーにして塗工される。負極活物質１２２の一例として黒鉛が採用される。

さらに本実施形態の場合、絶縁部１４は、図３に示すように、第１の絶縁層１４１と第２の絶縁層１４２を含む二層構造を有している。第１の絶縁層１４１は、電解液を透過させない中実な部材であり、正極リード１１３を覆う。第１の絶縁層１４１は、電解液と反応しない合成樹脂製の材料、例えばポリオレフィンやアラミド、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）など、好ましくはセパレータ１３と同じ素材やセパレータよりも耐熱性の高い素材で形成される。この第１の絶縁層１４１の厚みＴ４１は、正極活物質１１２の厚みＴ１よりも薄い。

第２の絶縁層１４２は、電解液が透過する空隙を有した部材であり、第１の絶縁層１４１を覆って形成される。第２の絶縁層１４２の材料として塗膜を形成するものであれば、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン系の有機材料や、セラミック系の無機材料を採用することができる。

セラミック系の無機材料の一例をあげると、正極１１の正極集電体１１１の材料であるアルミ箔との化学反応が起こらないイオン化傾向の大きな金属の酸化物で、かつ電解液との化学反応も起こらない素材、具体的には、アルミナや、シリカなどであることが好ましい。第２の絶縁層１４２としてセラミック系の無機材料を採用することによって、リチウムイオン二次電池１が熱暴走して正極集電体に密着された第１の絶縁層１４１として採用したポリオレフィンの樹脂材料が融解した場合でも、第２の絶縁層１４２が正極１１と負極１２との間の絶縁機能を維持することができる。

また、絶縁部１４は、負極活物質１２２が形成された範囲の内側から少なくとも負極活物質１２２の縁１２２Ａを越える位置までの範囲に形成される。本実施形態では、図３に示すように、負極活物質１２２が形成された範囲の内側から少なくともセパレータ１３の外周縁１３Ａを越える位置までの範囲に、絶縁部１４が形成されている。つまり、コア１０の内部に面した絶縁部１４の端部１４Ａは、負極活物質１２２が形成された範囲の内側に位置しており、コア１０の外部に面した絶縁部１４の端部１４Ｂは、セパレータ１３の外周縁１３Ａよりも外側に位置する。正極１１と負極１２の積層方向に絶縁部１４の厚みＴ４は、内側の端部１４Ａから外側の端部１４Ｂまで均一であり、正極活物質１１２の厚みＴ１と同じである。そして、第１の絶縁層１４１の厚みＴ４１は、第２の絶縁層１４２の厚みＴ４２よりも薄い。

このように絶縁部１４を形成することによって、セパレータ１３の外周縁１３Ａは、絶縁部１４と負極１２の端部１２Ａの間に保持される。特に、セパレータ１３の外周縁１３Ａを越える位置まで絶縁部１４が形成される本実施形態のリチウムイオン二次電池１の場合、積層方向に対して正極集電体１１１に沿う方向へ十分な長さを有しているので、第２の絶縁層１４２の空隙にデンドライトが成長しても、デンドライトが絶縁部１４を越えて正極活物質１１２に到達することはない。

図４は、本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池１の内部短絡模擬試験方法を説明するためのフローチャートである。図５は、図４に示した内部短絡試験工程を説明するための説明図である。
図４に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１の内部短絡模擬試験方法は、試験用電池製造工程（ステップＳ１）、試験用電池充電工程（ステップＳ２）及び内部短絡試験工程（ステップＳ３）を含む。

試験用電池製造工程（ステップＳ１）は、内部短絡の原因となる物質ＦＣ（以下「短絡物質ＦＣ」という）が溶解可能な絶縁物質ＦＰで包まれた異物Ｆ（図５（ａ）参照）を正極１１と負極１２との間に挟んで内部短絡模擬試験用のリチウムイオン二次電池１を製造する工程である。

短絡物質ＦＣは、例えば、正極１１、負極１２又はケース２の何れかを構成する金属であり、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル又は鉄の少なくとも一つである。

絶縁物質ＦＰは、例えば、加熱によって溶解する樹脂材料であり、例えば、環境温度以上であってセパレータ１３の溶解温度未満の温度で溶解する樹脂材料である。環境温度は、例えば、３５°Ｃであり、セパレータ１３の溶解温度（融点）は、例えば、１３０°である。したがって、絶縁物質ＦＰは、例えば、３５°Ｃ以上１３０°Ｃ未満で溶解する樹脂材料である。
樹脂材料は、環境温度及びセパレータ１３の溶解温度に対して適度な余裕を有することが好ましく、例えば、５０°Ｃ以上１１０°Ｃ未満で溶解するものが好ましい。
樹脂材料は、例えば、低結晶性のポリエチレン（ＰＥ）、低結晶性のポリプロピレン（ＰＰ）又はナイロンベースの共重合ポリアミドの少なくとも一つを含むことが好ましい。
尚、低結晶性のポリエチレン及び低結晶性のポリプロピレンは融点が１００°Ｃ以下であり、ナイロンベースの共重合ポリアミドは融点が８５°Ｃ程度であることが知られている。

また、試験用電池製造工程（ステップＳ１）では、例えば、異物Ｆを正極１１又は負極１２の少なくとも一方の縁に設置する。

試験用電池充電工程（ステップＳ２）は、試験用電池製造工程（ステップＳ１）にて製造された内部短絡模擬試験用のリチウムイオン二次電池１を充電する工程である。

図５に示すように、内部短絡試験工程（ステップＳ３）は、試験用電池充電工程（ステップＳ２）にて充電された内部短絡模擬試験用のリチウムイオン二次電池１の絶縁物質ＦＰを溶解させることで短絡物質ＦＣによって正極１１と負極１２とを内部短絡させる工程である。
内部短絡試験工程（ステップＳ３）では、例えば、短絡物質ＦＣが溶解可能な絶縁物質ＦＰで包まれた異物Ｆ（図５（ａ）参照）を絶縁物質ＦＰが熔解する温度（絶縁物質ＦＰの融点以上の温度であってセパレータ１３の融点未満の温度）まで加熱する。絶縁物質ＦＰが溶解する温度まで加熱すると、絶縁物質ＦＰが溶解する（図５（ｂ）参照）。これにより、短絡物質ＦＣが露出し、正極１１と負極１２とがリチウムイオン二次電池１の内部で短絡する（内部短絡）（図５（ｃ）参照）。

上述した実施形態によれば、試験用電池充電工程（ステップＳ２）にて充電された内部短絡模擬試験用のリチウムイオン二次電池１の絶縁物質ＦＰを溶解させることで短絡物質ＦＣによって正極１１と負極１２とを内部短絡させる。これにより、正極１１と負極１２が対向する箇所に異物Ｆが混入することに起因する内部短絡を再現することができる。

また、短絡物質ＦＣは、例えば、正極１１、負極１２又はケース２の何れかを構成する金属であり、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル又は鉄の少なくとも一つであるので、リチウムイオン二次電池１の製造工程において混入する可能性がある、銅、アルミニウム、ニッケル又は鉄の少なくとも一つによる内部短絡を再現することができる。

また、内部短絡は正極１１の縁又は負極１２の縁で生じ易いことが知られていので、試験用電池製造工程（ステップＳ１）では、異物Ｆを正極１１又は負極１２の少なくとも一方の縁に設置すれば、異物Ｆが混入することに起因する内部短絡を再現するものにできる。

また、絶縁物質ＦＰは、例えば、加熱によって溶解する樹脂材料であり、例えば、環境温度以上であってセパレータ１３の溶解温度未満の温度で溶解する樹脂材料であるので、環境温度以上であってセパレータ１３の溶解温度未満の温度で内部短絡模擬試験用のリチウムイオン二次電池１の絶縁物質ＦＰを溶解させることができる。
また、絶縁物質ＦＰは、例えば、低結晶性のポリエチレン、低結晶性のポリプロピレン又はナイロンベースのポリアミドであるので、環境温度以上であってセパレータ１３の溶解温度未満の温度で内部短絡模擬試験用のリチウムイオン二次電池１の絶縁物質ＦＰを溶解させることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、セパレータを挿んで正極と負極とが積層され、正極リードがセパレータの第１の辺から延出し、負極リードがセパレータの第２の辺から延出している積層型のコアを有するリチウムイオン二次電池に採用することもできる。このように、積層型のコアを有するリチウムイオン二次電池に採用した場合にも、捲回型のコアを有するリチウムイオン二次電池と同様の効果を得ることができる。

１ リチウムイオン二次電池
１０ コア
１０１ 正極端子
１０２ 負極端子
１１ 正極
１１１ 正極集電体
１１２ 正極活物質
１１２Ａ 縁
１１３ 正極リード
１２ 負極
１２Ａ 端部
１２１ 負極集電体
１２２ 負極活物質
１２２Ａ 縁
１２３ 負極リード
１３ セパレータ
１３Ａ 外周縁
１３１ 第１の辺
１３２ 第２の辺
１４ 絶縁部
１４Ａ，１４Ｂ 端部
１４１ 第１の絶縁層
１４２ 第２の絶縁層
２ ケース
２１ 開口部
３ 蓋
Ｆ 異物
ＦＣ 短絡物質
ＦＰ 絶縁物質

Claims (7)

1. セパレータを間に挟んで正極と負極とが交互に積層されたコアと、前記コアが収納可能なケースと、前記コアが収納された前記ケースに充填された電解液と、を備える二次電池の内部短絡模擬試験方法であって、
   内部短絡の原因となる物質が溶解可能な絶縁物質で包まれた異物を前記正極と前記負極との間に挟んで内部短絡模擬試験用の二次電池を製造する試験用電池製造工程と、
   前記試験用電池製造工程にて製造された前記内部短絡模擬試験用の二次電池を充電する試験用電池充電工程と、
   前記試験用電池充電工程にて充電された前記内部短絡模擬試験用の二次電池の前記絶縁物質を溶解させることで前記内部短絡の原因となる物質によって前記正極と前記負極とを内部短絡させる内部短絡試験工程と、
   を含むことを特徴とする二次電池の内部短絡模擬試験方法。
2. 前記絶縁物質は、加熱によって溶解する樹脂材料であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の内部短絡模擬試験方法。
3. 前記絶縁物質は、環境温度以上であって前記セパレータの溶解温度未満の温度で溶解する樹脂材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載の二次電池の内部短絡模擬試験方法。
4. 前記絶縁物質は、低結晶性のポリエチレン、低結晶性のポリプロピレン又はナイロンベース共重合ポリアミドの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の二次電池の内部短絡模擬試験方法。
5. 前記試験用電池製造工程では、前記異物を前記正極又は前記負極の少なくとも一方の縁に設置することを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の二次電池の内部短絡模擬試験方法。
6. 前記内部短絡の原因となる物質は、前記正極、前記負極又は前記ケースの何れかを構成する金属であることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の二次電池の内部短絡模擬試験方法。
7. 前記内部短絡の原因となる物質は、銅、アルミニウム、ニッケル又は鉄の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の二次電池の内部短絡模擬試験方法。

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