JP2020184516A - 電池の安全性推定装置および電池の安全性推定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
従来の電池に関する推定技術は、実測可能な電圧、電流および温度などを用いる技術、または、あらかじめ様々な条件で測定したマップデータを用いて電池の寿命特性を推定する技術である。また、寿命特性を推定することを目的とした従来の推定技術を、安全性推定に展開するのは困難である。そのため、未知の組み合わせの設計の電池において、電池の発熱に関する安全性が推定可能な技術の実現が望まれる。
[電池の安全性推定装置の構成]
図2は、本実施の形態に係る電池の安全性推定装置100の構成の一例を示す機能ブロック図である。
次に、以上のように構成された電池の安全性推定装置100の動作について説明する。
以下に、評価用電池を作製し、電池の発熱に関する安全性について推定した実施例について説明する。なお、以下に示す実施例は一例であって、本開示は以下の実施例のみに限定されない。
まず、安全性の推定に用いた評価用電池について説明する。図5は、安全性の推定に用いた評価用電池の構成を模式的に示す断面図である。
次に、評価用電池の作製方法について説明する。以下の作製方法により、評価用電池を作製した。
100質量部のLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2に対して、アセチレンブラック2質量部と、ポリフッ化ビニリデン2質量部と、適量のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)とを、ミキサーで混合し、正極合剤スラリーを調製した。この正極合剤スラリーを、厚さ15μmのAl箔からなる集電体シートの両面に塗布し、乾燥させ、圧延して、帯状の正極を得た。帯状の正極を円筒型18650の電池ケースに対応する大きさに裁断し、アルミニウム製のリードを溶接して評価用電池に用いる正極を得た。正極の厚みは、128μmであった。
平均粒径が20μmである黒鉛粒子を負極活物質として用い、負極活物質100質量部に対して、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース1質量部と、結着剤であるスチレンブタジエンゴム1質量部と、適量の純水とを、ミキサーで混合し、負極合剤スラリーを調製した。この負極合剤スラリーを厚さ8μmの電解銅箔からなる集電体シートの両面に塗布し、乾燥させ、圧延して、帯状の負極を得た。
(負極充電容量)/(正極充電容量)=1.1
を満たすように負極合剤スラリーの塗工量を定めた。
EC(エチレンカーボネート):EMC(エチルメチルカーボネート):DMC(ジメチルカーボネート)の体積比が1:1:8になるように混合し、混合物に1.2mol/Lの濃度でLiPF6を溶解させ、評価用電池に用いる非水電解質を得た。
上記で得られた正極と負極とを、厚さ16μmのポリエチレン製微多孔膜からなるセパレータを介して捲回し、渦巻き状の電極群を構成した。得られた電極群を、円筒型18650の電池ケースに収容し、負極および正極リードなどを接続した。その後、設計容量1Ah当たり1.59〜1.72gとなるように上記非水電解質を電池ケースに加え、真空下で電極群に非水電解質を含浸させた後、電池ケースを封口板で封口した。封口に用いた封口板は、安全弁を備え、電池内圧が上限値に達すると作動し、内部で発生したガスを排出する機能を有する。
25℃環境下において、得られた評価用電池を0.2C相当の電流値で4.1Vまで充電した後、45℃の恒温槽で3日間エージングを行った。ついで、充電した評価用電池を25℃環境にて0.2C相当の電流で3Vまで放電した。
機械学習に用いる説明変数を取得するために、上記[評価用電池の作製方法]と同様の方法で、設計パラメータとして、(I)正極活物質の組成、(II)負極活物質の組成、(III)正極板および負極板の(i)厚み、(ii)長さ、(iii)幅、(iv)密度、(v)活物質の利用容量、(vi)合剤組成、(IV)セパレータの(i)厚み、(ii)長さ、(iii)幅、(iv)多孔度、および(V)電解液の(i)組成、(ii)量、を変えた評価用電池を作製した。また、作製した各評価用電池について、[初期の電池容量の確認方法]と同様の方法で、設計パラメータとして、初期の電池容量を確認した。さらに、同一の構成の評価用電池においても、試験条件として、試験時の充電深度および試験温度を変化させて評価を行った。評価用電池は480個作製し、480個の評価用電池について、試験条件を含めた電池設計パラメータのデータセットを取得した。
作製した評価用電池に、最大電流値0.2C、充電電圧値4.2Vおよび充電終止電流0.05Cの条件で定電圧充電を行った。次に、電圧測定用のニッケル製のリードを正極および負極それぞれの端子に溶接した。リードを溶接した評価用電池の高さ方向の中央付近に熱電対を耐熱テープで固定し、熱電対を固定した評価用電池を釘刺し試験機の試験槽内に設置した。釘刺し試験機としては、内部圧力を測定する圧力センサを搭載した密閉された試験槽内で、釘刺し試験が可能な釘刺し試験機を用いた。
[設計パラメータの取得方法]および[電圧挙動、温度および圧力の取得方法]にて得られたデータを用いて、機械学習によりモデル式を構築した。
比較例1では、電池の温度を目的変数として用い、電池の安全性を推定した。
実施例1では、電池の電圧挙動を目的変数として用い、電池の安全性を推定した。
まず、電池の温度以外の測定データを電池の温度の代替データとして用いることができるのかを確かめるため、電池の温度と、電池の圧力変化との相関性について確認した。図6に示されるように、試験槽内のガス量つまり圧力は、短絡発生直後から変化しているため、時間分解能も高い。ほとんどの評価用電池のガス量は、短絡発生から1秒後までの時間帯で変化している。また、ガス発生量は、最大値に到達するまで、ほぼ一定の速度で増加しているため、圧力変化を示すデータとして、ガス発生開始から短絡発生1秒後までのガスの変化量を用いて、ガス発生速度を算出した。評価用電池480個の測定結果を用いて、ガス発生速度と短絡発生から10秒後の温度との相関係数を算出すると、相関係数R2は、0.76であり、ガス発生速度と温度との相関性が高い結果が得られた。つまり、ガス発生速度が遅い評価用電池ほど、電池の温度が低く、より安全であり、電池の発熱に関する安全性を推定するためには、電池のガス発生速度を推定してもよい。
次に、電池の短絡発生時の圧力の経時変化と、電池の電圧挙動との相関性について説明する。図7に示されるように、評価用電池の電圧は、短絡発生直後から著しく変化しているため、時間分解能は高い。また、ガス発生速度と同様に、ほとんどの評価用電池の電圧は、短絡発生から1秒後までの時間帯で変化している。そのため、短絡発生から1秒後までの電圧の結果を用いて、電圧挙動を算出した。図8は、評価用電池における、短絡発生から1秒後までの電圧挙動と、短絡発生から1秒後までのガス発生速度との関係を示す図である。図8に示されるように、算出した1秒後までの電圧挙動と、1秒後までのガス発生速度とは高い相関性を示した。評価用電池480個の測定結果を用いて、1秒後までの電圧挙動と、1秒後までのガス発生速度との線形回帰時の相関係数を算出すると、相関係数R2は、0.92であった。
次に、電池の電圧挙動を目的変数として用い、電池の安全性を推定した結果について説明する。[モデル式の構築および推定精度の算出の方法]に記載した方法により、電池の電圧挙動を目的変数とした機械学習済みのモデル式を導出し、推定精度を算出した。図9は、評価用電池における、機械学習済みのモデル式に検証用データの設計パラメータを代入して推定した電圧挙動と、実測した電圧挙動との関係を示す図である。
実施例2では、電池の電圧挙動を目的変数とし、表1に示されるモデル構築手法を用いて、電池の安全性を推定した。
以上、本開示に係る電池の安全性推定装置および電池の安全性推定方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本開示の範囲に含まれる。
2 封口板
3 絶縁パッキング
4 電極群
5 正極
5a 正極リード
6 負極
6a 負極リード
7 セパレータ
8 絶縁リング
10 パラメータ取得部
11 設計パラメータ
20 算出部
30 出力部
40 記憶部
41 論理モデル
42 回帰式
50 学習データ取得部
51 学習用設計パラメータ
52 学習用電圧挙動データ
53 温度データ
54 モデル構築手法
60 学習部
100 安全性推定装置
Claims (7)
- 電池の設計パラメータを取得するパラメータ取得部と、
前記設計パラメータから、機械学習済み論理モデルに基づいて、前記電池の電圧挙動を算出する算出部と、
前記電圧挙動を前記電池の発熱に関する安全性の情報として出力する出力部と、を備える、
電池の安全性推定装置。 - 学習用電池の学習用設計パラメータと、前記学習用電池の電圧挙動を示す学習用電圧挙動データとを取得する学習データ取得部と、
前記学習用設計パラメータを説明変数とし、前記学習用電圧挙動データを目的変数として、論理モデルに対して機械学習させることにより、前記機械学習済み論理モデルを構築する学習部と、をさらに備える、
請求項1に記載の電池の安全性推定装置。 - 前記学習部は、前記機械学習における前記機械学習済み論理モデルを構築する方法として、勾配ブースティング法を用いる、
請求項2に記載の電池の安全性推定装置。 - 前記算出部は、さらに、学習用電池の電圧挙動と前記学習用電池の温度との相関関係に基づいて、前記算出部が算出した前記電池の前記電圧挙動から前記電池の温度を算出し、
前記出力部は、さらに、前記温度を出力する、
請求項1から3のいずれか1項に記載の電池の安全性推定装置。 - 前記設計パラメータには、前記電池の一部を構成する、(i)電極の寸法、(ii)前記電極の密度、(iii)セパレータの寸法、(iv)電解液の量、(v)前記電極または前記電解液の材料の組成、(vi)前記電極または前記電解液の材料の物性、および、(vii)前記電池の容量、のうち少なくとも1つが含まれる、
請求項1から4のいずれか1項に記載の電池の安全性推定装置。 - 電池の設計パラメータを取得するパラメータ取得ステップと、
前記設計パラメータから、機械学習済み論理モデルに基づいて、前記電池の電圧挙動を算出する算出ステップと、
前記電圧挙動を前記電池の発熱に関する安全性の情報として出力する出力ステップと、を含む、
電池の安全性推定方法。 - 学習用電池の学習用設計パラメータと、前記学習用電池の電圧挙動を示す学習用電圧挙動データとを取得する学習データ取得ステップと、
前記学習用設計パラメータを説明変数とし、前記学習用電圧挙動データを目的変数として、論理モデルに対して機械学習させることにより、前記機械学習済み論理モデルを構築する学習ステップと、をさらに含む、
請求項6に記載の電池の安全性推定方法。
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