JP2020501122A - 電気化学セルの品質を評価するシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2016年11月10日付提出の米国仮特許出願第62/420053号(U.S. Provisional Patent Application Serial No.62/420,053)の優先権を主張し、この出願は引用により全体として本願に組み込まれるものとする。
本開示は、アメリカミサイル防衛局による、契約番号HQ014715C8004の政府支援を受けてなされたものである。当局は、本発明に所定の権利を有する。
本開示は、広くは、電気化学セルの評価、例えば1つまたは複数の内部障害の有無の評価に関しており、より具体的には、電気化学セルにおける回路内部短絡を検出する目的での、セルの評価に関する。
以下に、バッテリにおける内部障害を検出する方法およびバッテリにおける内部障害を検出するシステムの種々の態様を説明するが、こうした態様は他の種々の他の態様と組み合わせて利用可能であることを理解されたい。
先の詳細な説明において説明したいくつかの実施形態は、さらに、以下の例によって明確となるであろう。以下の各例は、詳細な説明において説明したまたは特許請求の範囲において言及される各実施形態の範囲を限定する意図のものでないことを理解されたい。
例1では、市販入手可能な2個の2.6Ah 18650セルにおいて、2セルテストアレイを形成するために負の端子を共通に接続し、残りの正の端子が開放回路にある、例示のシステムおよび方法を使用して、データを取得した。セルの正の端子間の電圧は、Keithley DMM7510 マルチメータを使用して測定し、約2時間までの期間にわたって追跡した。
例2では、市販入手可能な8個の2.6Ah 18650セルにおいて、8セルテストアレイを形成するために負の端子を共通に接続し、残りの正の端子が開放回路にある、図1に示したシステムに類似した例示のシステムおよび方法を使用して、データを取得した。セルの正の端子間の電圧は、Keithley DMM7510 マルチメータを使用して測定し、約4.5時間の期間にわたって追跡した。
例3では、図2A,Bに示したコンフィグレーションを用いて市販の5個のリチウムイオンセルをテストした。基準セルに対する各セルの差動電圧を測定している。セル5が、所定の時間にわたる、基準セルに対するセル5の差動電圧の負の勾配により、異常な自己放電を有するセルとして識別されている。10ヶ月の期間にわたり、セル5を保管(室温保管)して観察した。当該セルが3.78ボルト(V)の初期電圧から10ヶ月間の期間にわたって1.5V未満の電圧まで緩慢に放電することを示唆するテスト結果により、高抵抗の内部短絡の存在が確認される。当該セルは、販売前のメーカによる品質管理テストに合格したと見なされる。ただし、セル5は、本開示において説明した方法の1つを使用して、内部短絡を含むセルとして迅速に診断される。
図7A,Bの棒グラフでは、異なるメーカから購入された2つのグループのセルを、本開示のシステムおよび方法によりテストした。メーカAのセルは、メーカBのセルの差動電圧の勾配に比べ、時間の関数として差動電圧のより大きな勾配を示した。比較上、メーカAのセルは、メーカBのセルの差動電圧の勾配より1000倍大きい差動電圧の勾配を有している。差動電圧の勾配の増大は、メーカAのいくつかのセルでの軟性の短絡の存在を示唆する。メーカAのセルに軟性の短絡が存在することおよびメーカBのセルにこうした短絡がないことは、10ヶ月間の期間にわたるセル電圧の追跡によって確認される。例えば、メーカAのセルは、テスト位置Fにおいて、10ヶ月間で3.78Vから1.3Vまで放電した(約25,000Ωの予測短絡抵抗に相当する)。対して、メーカBのセルFは、12ヶ月間で1mV未満の損失であった。
例5では、図8のグラフに示したように、1日を通した時間の関数としてセル電圧を研究した。セル電圧は、周囲温度(摂氏22.5度±2.0度[℃])での通常の小さな変動で増減している。セル電圧の小さな変動は、セル電圧のコモンモード変動を拒絶するための、2つのセル間の差の測定の能力を示している。よって、温度に起因するセル電圧の降下は、短絡のないセルでの内部短絡の存在を表すため、回避される。
Claims (22)
- 電気化学セルにおける内部障害を検出する方法であって、
測定時間にわたって、それぞれ同じ極性を有する、第1の電気化学セルのテスト端子と第2の電気化学セルのテスト端子との間の電圧差もしくは電圧差変化率を測定するステップ、および、
前記測定に基づいて、前記第1の電気化学セルもしくは前記第2の電気化学セルを受容するステップ、または、
前記電気化学セルにおける内部障害を測定するステップに基づいて、前記第1の電気化学セルもしくは前記第2の電気化学セルを廃棄するステップ、
を含む方法。 - 前記方法はさらに、第2の測定時間にわたって、(A)前記第1の電気化学セルの前記テスト端子もしくは前記第2の電気化学セルの前記テスト端子と、(B)前記第1の電気化学セルの前記テスト端子もしくは前記第2の電気化学セルの前記テスト端子と同じ極性を有する第3の電気化学セルのテスト端子と、の間の電圧差もしくは電圧差変化率を測定するステップを含む、
請求項1記載の方法。 - 前記測定時間は、1秒間から24時間であり、任意に2時間から3時間である、
請求項1および2のいずれか1項記載の方法。 - 前記第1の電気化学セルおよび前記第2の電気化学セルのそれぞれは、リチウムイオンセルである、
請求項1および2のいずれか1項記載の方法。 - 前記内部障害は、短絡である、
請求項1および2のいずれか1項記載の方法。 - 前記内部障害は、短絡でない、
請求項1および2のいずれか1項記載の方法。 - 前記第1の電気化学セルまたは前記第2の電気化学セルは、任意に測定された既知の内部障害を有する基準セルまたは内部障害が存在しないことが既知である基準セルである、
請求項1および2のいずれか1項記載の方法。 - 前記第1の電気化学セルおよび前記第2の電気化学セルは、同じ温度、同じ充電状態、または、同じ温度および同じ充填状態の双方を有する、
請求項1および2のいずれか1項記載の方法。 - 正の端子は、共通である、
請求項1および2のいずれか1項記載の方法。 - 負の端子は、共通である、
請求項1および2のいずれか1項記載の方法。 - 電気化学セルにおける内部障害を検出する方法であって、
第1の電気化学セルの端子を第2の電気化学セルの端子に共通に電気的に接続するステップであって、前記第1の電気化学セルの端子と前記第2の電気化学セルの端子とはそれぞれ正または負であるステップ、
1分間から5日間までの測定時間にわたって、前記第1の電気化学セルの電圧および前記第2の電気化学セルの電圧を測定するステップ、および、
測定時点で1mV未満、任意に100μV未満の、前記第1の電気化学セルと前記第2の電気化学セルとの間の差動電圧もしくは差動電圧変化率の有無を検出するステップ、
を含む方法。 - 前記第1の電気化学セルと前記第2の電気化学セルとは、ほぼ同じ充電状態を有する、
請求項11記載の方法。 - 前記検出のステップは、温度に依存しない、
請求項11記載の方法。 - 前記差動電圧は、10μA未満の内部短絡または300,000Ω超の抵抗に起因する、
請求項11記載の方法。 - 前記第1の電気化学セルおよび前記第2の電気化学セルのそれぞれは、リチウムイオンセルである、
請求項11から14までのいずれか1項記載の方法。 - 前記内部障害は、短絡である、
請求項11から14までのいずれか1項記載の方法。 - 前記第1の電気化学セルまたは前記第2の電気化学セルは、測定された既知の内部障害を有する基準セルまたは内部障害が存在しないことが既知である基準セルである、
請求項11から14までのいずれか1項記載の方法。 - 電気化学セルにおける内部障害を検出するシステムであって、
少なくとも2つの電気化学セルを有する電気化学セルアレイと、
電圧測定装置と、
を含み、
前記アレイは、第1の端子および第1の対抗端子を有する第1の電気化学セルと、第2の端子および第2の対抗端子を有する第2の電気化学セルと、を含み、前記第1の端子と前記第2の端子とは、共通の極性を有し、
前記第1の端子と前記第2の端子とは、共通に、任意に単一のバスに接続されており、
前記第1の対抗端子と前記第2の対抗端子とは、それぞれ開放回路にあり、
前記電圧測定装置は、前記第1の対抗端子と前記第2の対抗端子とに電気的に接続可能であるかまたは電気的に接続されている、
システム。 - 前記アレイは、2個から10個の電気化学セルを含む、
請求項18記載のシステム。 - 前記アレイはさらに、基準端子および対向基準端子を有する基準セルを含む、
請求項18または19記載のシステム。 - 前記第1の端子、前記第2の端子および前記基準端子は、共通に接続されており、
前記電圧測定装置は、前記第1の端子と前記基準端子とに電気的に接続可能であるかもしくは電気的に接続されている、または、
前記電圧測定装置は、前記第2の端子と前記基準端子とに電気的に接続可能であるかもしくは電気的に接続されている、
請求項20記載のシステム。 - 前記電圧測定装置は、1μV以下の分解能を有する高分解能の電圧測定装置を含む、
請求項18または19記載のシステム。
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