JP2019109975A - 電池の内部短絡試験法と内部短絡試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、加圧箇所の位置決めが容易でしかも加圧部分の周囲が電池表面にダメージを与えることを抑制できる内部短絡試験方法と内部短絡試験装置を提供することである。【解決手段】 本発明は、正極活物質層が形成された正極板と負極活物質層が形成された負極板がセパレータを介して積層された積層体を備え、前記積層体が外装体に収納され、前記正極板と前記負極板とが対向する箇所に導電性異物が配された電池の、前記導電性異物が配された部分を外部から加圧する事により内部短絡を発生させる内部短絡試験方法であって、前記電池の前記導電性異物を配した部分を加圧する加圧部は、前記導電性異物の面積に対して十分に大きい面積を持った平面と、その端部に前記電池に対して逃げるような形状を備えたことを特徴とする電池の内部短絡試験方法である。【選択図】 図１

Description

本発明は、電池の内部短絡試験法と内部短絡試験装置に関する。

リチウムイオン二次電池などの電池の安全性を評価するための手法、評価試験は各種あるが、その中でも電池の内部に導電性の異物が混入し、それが正極と負極間を短絡させて発生する内部短絡時の挙動を評価する事は、電池メーカーにとっては極めて重要である。

以前より、このような内部短絡を模擬した試験として釘刺し試験が広く行われていた。釘刺し試験は、電池外部から導電性の釘を挿入・貫通させることにより確実に内部短絡を発生させる事が出来るため、ある程度の高い再現性が得られ易く、また、特別に精巧な装置も必要無いため、試験を行うのに大きな障壁が無い。

釘刺し試験は簡便に行うことが出来るという特徴があるものの、通常電池内部で見られる内部短絡現象とは程遠い状態を作るに過ぎない事が以前より問題視されている。つまり、太い釘が表から裏に至るまで貫通する点や、そのために、電極に穴が開く点など、実際の導電性異物起因で起こる内部短絡とは大きく違う状態になる。実際の導電性異物起因で起こる内部短絡は、電極そのものが破れたり、異物が電極を貫通したりすることはあっても、せいぜい1、2層に限られると考えられるが、釘刺し試験ではそのような短絡発生層数の制御は不可能に近い。

釘刺し試験は以前より広く行われてきたが、内部短絡を発生させるための釘が電池を貫通するという点において、現実に発生すると考えられる導電性異物起因の内部短絡と大きく状態が異なる。

特許文献１では、実際に起こる現象により近い状態を再現する強制内部短絡試験法が開示されている。この試験は、電池から積層体や捲回体を取り出して、ニッケルの小片等の導電性異物を実際に極板間に挿入し、再度電池に組立て、異物挿入部分を外から加圧して内部短絡を発生させるものである。強制内部短絡試験は、現実に発生すると考えられる導電性異物起因の内部短絡と非常に近い状態を再現可能な試験ではある。

特許第5209896号

しかし、特許文献１ではＵ字状の加圧子を使うことが記載されている。Ｕ字状の加圧子の場合は点加圧に近い形になるため、加圧箇所の位置決めが困難になる。また特許文献１には角柱形状の加圧子も使っているが、角張った形状をしていると考えられる。そのため被加圧面の法線が加圧方向に対して正しく平行でないと、角の部分が電池の表面にダメージを与えることがある。この角の部分で電池表面にダメージを与え、圧壊による内部短絡が発生してしまう虞がある。そのため想定した内部短絡状態にならない事もしばしば発生する。正しく平行でないとは、例えば、電池を試験装置に取り付ける際に傾いてしまった場合や、電極そのものの巻き癖で電池全体がカールしてしまっている場合である。

本発明の目的は、加圧箇所の位置決めが容易でしかも加圧部分の周囲が電池表面にダメージを与えることを抑制できる内部短絡試験方法と内部短絡試験装置を提供することである。

本発明は、 正極活物質層が形成された正極板と負極活物質層が形成された負極板がセパレータを介して積層された積層体を備え、前記積層体が外装体に収納され、前記正極板と前記負極板とが対向する箇所に導電性異物が配された電池の、前記導電性異物が配された部分を外部から加圧する事により内部短絡を発生させる内部短絡試験方法であって、
前記電池の前記導電性異物を配した部分を加圧する加圧部は、前記導電性異物の面積に対して十分に大きい面積を持った平面と、その端部に前記電池に対して逃げるような形状を備えたことを特徴とする電池の内部短絡試験方法である。

また本発明は、 試験対象の電池を載置する架台と、
前記架台に設けた脚部と、
前記脚部上に設けた機構支持部と、
前記機構支持部に支持された送り出し機構と、
前記送り出し機構に設けられ、少なくとも前記電池を加圧する加圧部を有し、
前記加圧部は、前記電池に配する導電性異物の面積に対して十分に大きい面積を持った平面と、その端部に前記電池に対して逃げるような形状を備えたことを特徴とする電池の内部短絡試験装置である。

本発明によれば、加圧部分の周囲が電池表面にダメージを与えることを抑制できる。

本発明の実施形態における評価対象の一例であるフィルム外装電池の断面図である。 本発明の第１の実施形態の内部短絡試験装置の加圧板の一例を示す概略斜視図である。 本発明の第１の実施形態の内部短絡試験装置の構成を概略的に示す図である。 本発明の第１の実施形態の評価方法によって、内部短絡を発生させた直後の状態のフィルム外装電池の断面図である。 加圧板の図２以外の断面形状を示す図である。 本発明の第２の実施形態を説明する図である。

（第１の実施形態）
次に、本発明の第１の実施形態について、図面を参照して詳細に説明するが、まず図１に基づいて、本実施形態で評価対象となる電池の一例としてフィルム外装電池の一例を説明する。両面に正極活物質層が形成された正極板と、両面に負極活物質層が形成された負極板を、セパレータを介して積層し、この積層体を外装体に収納する。フィルム外装電池１は、例えばリチウムイオン二次電池である。フィルム外装電池１は、発電要素を電解液（不図示）とともにラミネートフィルムからなる外装体３の内部に収容したものである。両面に正極活物質層４７が形成された正極板４１と、両面に負極活物質層４９が形成された負極板４２を、セパレータ４３を介して積層して積層体としたものが発電要素である。発電要素を複数層積層し、正極端子と負極端子を除いて外装体３でカバーする。積層体間にもセパレータ４３を挟んでいる。このようにしてフィルム外装電池１を形成する。

正極板４１は、正極集電体の両面に正極活物質を塗布して形成する。正極集電体としては、アルミニウム箔等が使われる。また正極活物質としては、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ₂）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ₂）、または、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）等のリチウム複合酸化物からなる正極活物質本体と、カーボンブラック等の導電助剤と、バインダと、を混合したものを、正極集電体の両主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。なお正極集電体と正極活物質は特に限定されない。

負極板４２は、負極集電体の両面に負極活物質を塗布してなる。負極集電体としては、銅箔等が使われる。また負極活物質としては、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質本体に、バインダを混合したものを、負極集電体の両主面に塗布し、乾燥及び圧延させることにより形成されている。なお負極集電体と負極活物質は特に限定されない。

上記負極集電体の長手方向の端縁の一部は、負極活物質層を具備しない延長部４４として延びており、その先端が負極端子（タブ２）に接合されている。また図１には示していないが、同様に、上記正極集電体の長手方向の端縁の一部が、正極活物質層を具備しない延長部として延びており、その先端が正極端子に接合されている。

セパレータ４３は、正極板４１と負極板４２との間の短絡を防止すると同時に電解質を保持する機能を有する。セパレータ４３は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜からなり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能を有している。なお、セパレータとしては、ポリオレフィン等の単層膜に限られず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造のものや、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものも用いることができる。セパレータ４３の材料、構造は特に限定されない。

また、用いる電解液も特に限定されるものではないが、リチウムイオン二次電池に一般的に使用される電解質として、例えば、有機溶媒にリチウム塩が溶解した非水電解液を用いることができる。

なお上述の実施形態では電解液を用いたが、電解質塩を含有させた固体電解質、高分子電解質、高分子化合物等に電解質塩を混合または溶解させた固体状もしくはゲル状電解質等も用いることができる。これらはセパレータを兼ねることもできる。

図２に、本実施形態の内部短絡試験装置の加圧部１０の概略図を示す。

加圧部１０は、評価対象の電池の表面を加圧する加圧板６と試験装置の繰り出し部に固定されているロッド７を含む。加圧板６は電池表面と直接接触して加圧面となる平面２０１を備えている。加圧部１０を図１で示したフィルム外装電池１の所定の場所に置き、ロッド７によって加圧板６が押される事により、加圧板６が図４で示すように電池表面を加圧し、導電性異物が正負極間に存在する絶縁層を貫通して内部短絡を発生させる。図４は内部短絡を発生させた直後の状態のフィルム外装電池１の断面図である。

図２に示した加圧板６は電池を加圧する側の周囲に逃げ形状を形成している。逃げ形状とは例えば、周囲が加圧方向の反対方向に反った形状、または、平面２０１の周囲に曲面（Ｒ）が設けられている形状である。なお図２の破線はＲを分かりやすく示すためのもので、角（かど）を意味しない。図２では、加圧板６は、電池を加圧する加圧面が電池と直接接する部分が平面２０１で、平面２０１の周囲全体をフィルム外装電池１と反対方向に曲る曲面にしたつまりＲを付けた逃げ形状２００である。そのため、上述のように、ロッド７が法線方向から傾いて取り付けられてしまったり、電極そのものの巻き癖で電池全体がカールしていたりして、加圧面が電池の被加圧面に対して正しく平行でなくても、加圧面の周囲で電池表面にダメージを与える事がない。従ってその部分での圧壊による短絡が発生する事を防止でき、想定した内部短絡のみを発生させる事が可能となる。

加圧板６は図２の形状以外にも、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような断面形状でも良い。つまり矩形の断面を持ち角にＲを形成したもの（図５（ａ））、断面矩形の材料の角部を大きく面取りして端部の断面を三角形にし、更にこの三角形の各角にＲを形成したもの（図５（ｂ））でも良い。更に、断面矩形の材料の角部を平面が残るよう面取りし、面取り部分の２つの角部それぞれにＲを形成したもの（図５（ｃ））等様々な形状が可能である。

図３は本実施形態の方法で用いられる内部短絡試験装置２０の構成を示す図である。セルを加圧する図２に示す加圧部１０と、加圧板６を評価対象であるフィルム外装電池１の表面に対して垂直方向に加圧するための送り出し機構２１、およびフィルム外装電池１を載置する架台２２を備えている。架台２２上に四本の脚部２３を備え、四本の脚部２３上に機構支持部２４を設置する。機構支持部２４の下面中央に送り出し機構２１を固定する。送り出し機構２１の先端にロッド７を接続し、ロッド７の先端によって、加圧板６を押圧する。加圧板６の材料は例えばステンレスであり、導電性異物５の形状はL字型のものが一般的である。

なお送り出し機構２１とロッド７を合わせて送り出し機構と称してもよい。また、加圧部を押圧するロッド７と加圧板６は、分離されていても良く、その場合には、加圧板が電池を垂直に押す事が出来る形状であれば、ロッド先端は半球状でも良く、また加圧部にそれに対応した凹部が備わっていても良い。

図1で述べたような電池の正極板と負極板とが対向する箇所に導電性異物を配する。具体的には、試験対象の電池から、電池を構成する積層体や捲回体を予め取り出し、ニッケルの小片等の導電性異物を極板間に挿入し、再度電池に組立てる。導電性異物が配された部分を外部から加圧する事により、正負極板間に存在する絶縁層を局所的に破壊する事で内部短絡を発生させる。導電性異物５をセットした場所を容易に加圧できるように、加圧板６は導電性異物の平面寸法に対して、十分に大きい寸法とするのが望ましい。

加圧板６とロッド７が分離されている場合には、導電性異物５を仕込んだ電池の表面を覆うように加圧板６を電池の加圧面に置き、これに対して送り出し機構２１に接続されたロッド７を接触させてその後加圧する。ロッド７の下降速度は、ロッド先端が加圧部に到達した際に大きな衝撃とならない程度に遅い事が望ましい。そのため1mm/sec以下である事が望ましい。

加圧板６は電池内部に仕込んだ導電性異物５を電池表面から確実に加圧するために十分な面積を持たせる。導電性異物５は１ｍｍ×１ｍｍ＝１ｍｍ^２程度の面積である。これに、試験時の位置決め誤差、例えば導電性異物５を仕込む位置の誤差や電池に対する加圧部の位置決めの誤差等を加えて得られる面積に対して、平面２０１の加圧方向からの投影形状の面積を、例えば１０ｍｍ×１０ｍｍ＝１００ｍｍ^２程度にすれば十分大きい面積になる。

なお板の加圧方向からの投影形状は問わない。円形でも楕円形でも長方形でも正方形でも構わない。但し、加圧時に荷重が分散しないようにロッドに対して回転対称であることが望ましい。

加圧板６は、荷重に十分耐えられ、変形量が極力少なければどのような材料を用いても良いが、荷重をかけた場合でも、加圧板自体の変形量が極力少なくなるように寸法・材料を選定するとよい。このような観点から、加圧板６は加圧方向からの投影形状として１０ｍｍ角以上の正方形であり、厚さ１０ｍｍ以上の金属製であることが望ましい。

導電性異物５の寸法に関しては、発生させたい内部短絡の短絡抵抗を想定して設定することが望ましく、例えばそれは、短絡が発生する層数によって大きさ（厚さ）を決める事が出来る。

本実施形態では、所定の内部短絡状態を再現するように、正負極間に挿入する導電性異物がセパレータを貫通して、さらにそれに対向する正負極をそれぞれ貫通し、十分に内部短絡が発生できるような厚さのものを用いる。

なお本実施形態では積層型の電池について述べたが、本発明は捲回型の電池についても適用することができる。また本実施形態ではリチウムイオン電池を対象としたが、他の電池材料を用いた電池でも適用することができる。

また導電性異物は加圧部１０が加圧する平面内に設置可能であれば、複数設置してもよく、また、加圧部１０を複数の導電性異物５に対応させて複数設けてもよい。

以上説明したように、本実施形態の試験方法によれば、内部短絡を模擬した試験を簡便にしかも再現性良く行う事が出来る。
（第２の実施形態）
図６は本発明の第２の実施形態の内部短絡試験方法を示す概略断面図である。図６（ａ）は試験対象の電池６００の加圧前の概略断面図である。組み立てた電池から、正極活物質層が形成された正極板６０１と負極活物質層が形成された負極板６０２がセパレータ６０３を介して積層された積層体を取り出し、正極板６０１と負極板６０２とが対向する箇所に、導電性異物６０５を配する。

その後再び電池を組み立て、図６（ｂ）に示すように、導電性異物６０５が配された部分を加圧部６１０で加圧する。加圧により内部短絡を発生させる。電池６００の導電性異物６０５を配した部分を加圧する加圧部６１０は、導電性異物６０５の面積に対して十分に大きい面積を持った平面６１１と、その端部６１２に電池６００に対して逃げるような形状を備えている。平面６１１と十分大きい面積にし、しかも端部をこのような形状にすると、位置決めが容易になり、しかも、端部６１２が電池表面にダメージを与えることを抑制できる。

１ フィルム外装電池
２ タブ
３、６９０ 外装体
４１、６０１ 正極板
４２、６０２ 負極板
４３、６０３ セパレータ
４４ 延長部
４７ 正極活物質層
４９ 負極活物質層
５、６０５ 導電性異物
６ 加圧板
２０１、６１１ 平面
６１２ 端部
７ ロッド
１０、６１０ 加圧部
２０ 内部短絡試験装置
２１ 送り出し機構
２２ 架台
２３ 脚部
２４ 機構支持部
２００ 逃げ形状
６００ 電池

Claims (10)

1. 正極活物質層が形成された正極板と負極活物質層が形成された負極板がセパレータを介して積層された積層体を備え、前記積層体が外装体に収納され、前記正極板と前記負極板とが対向する箇所に導電性異物が配された電池の、前記導電性異物が配された部分を外部から加圧する事により内部短絡を発生させる内部短絡試験方法であって、
   前記電池の前記導電性異物を配した部分を加圧する加圧部は、前記導電性異物の面積に対して十分に大きい面積を持った平面と、その端部に前記電池に対して逃げるような形状を備えたことを特徴とする電池の内部短絡試験方法。
2. 前記逃げ形状は、周囲が突き刺し方向とは反対方向に反った形状、または、周囲に曲面が設けられている形状である請求項１に記載の電池の内部短絡試験方法。
3. 前記加圧部はロッドと分離されている請求項１または２に記載の電池の内部短絡試験方法。
4. 前記加圧部はロッドと接触して加圧され、前記加圧部の形状は前記ロッドに対して回転対称である請求項１から３のいずれか一項に記載の電池の内部短絡試験方法。
5. 前記導電性異物が前記加圧部に対して複数設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の電池の内部短絡試験方法。
6. 前記加圧部が複数設けられている請求項１から５のいずれか一項に記載の電池の内部短絡試験方法。
7. 前記平面の面積は、前記導電性異物の面積に試験時の位置決め誤差を加えた面積よりも大きい請求項１から６のいずれか一項に記載の電池の内部短絡試験方法。
8. 試験対象の電池を載置する架台と、
   前記架台に設けた脚部と、
   前記脚部上に設けた機構支持部と、
   前記機構支持部に支持された送り出し機構と、
   前記送り出し機構に設けられ、少なくとも前記電池を加圧する加圧部を有し、
   前記加圧部は、前記電池に配する導電性異物の面積に対して十分に大きい面積を持った平面と、その端部に前記電池に対して逃げるような形状を備えたことを特徴とする電池の内部短絡試験装置。
9. 前記加圧部は、周囲が突き刺し方向とは反対方向に反った形状、または、周囲に曲面が設けられている形状である請求項８に記載の電池の内部短絡試験装置。
10. 前記加圧部は、前記送り出し機構から分離されている請求項８または９に記載の電池の内部短絡試験装置。

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