JP2022065323A - 抵抗測定装置、抵抗測定システム、抵抗測定方法及びそのプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】より簡便な構成で蓄電デバイスの抵抗を評価する。【解決手段】抵抗測定装置は、蓄電デバイスに機械的な振動を加えた際にこの蓄電デバイスから出力される応答電圧を取得し、取得した応答電圧から蓄電デバイスの抵抗を求める制御部、を備える。【選択図】図１
Description
本明細書では抵抗測定装置、抵抗測定システム、抵抗測定方法及びそのプログラムを開示する。
従来、二次電池の内部直流抵抗を測定する抵抗測定装置としては、例えば、測定対象電池の交流インピーダンスを測定し、このインピーダンスの測定結果と選択された等価回路に基づき算出される回路定数と電池直流抵抗測定条件の電流値と開路電圧値（ＯＣＶ）に基づき測定対象電池の応答電圧を算出するとともに内部直流抵抗値を算出するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この抵抗測定装置では、大容量の電源を用いることなく、短時間で効率よく測定が行える電池直流抵抗評価装置を提供することができる、としている。
しかしながら、上述の特許文献１では、電気化学インピーダンスの取得には交流電圧を用いる必要があるなど、課題があり、より簡便な装置構成で電池抵抗を求めることが望まれていた。
本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、より簡便な構成で蓄電デバイスの抵抗を評価することができる新規な抵抗測定装置、抵抗測定システム、抵抗測定方法及びそのプログラムを提供することを主目的とする。
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、蓄電デバイスに機械的な単振動を印加したときの電池電圧を計測したところ、電源をセルに接続すること無しに電池抵抗を推定することができることを見いだし、本明細書で開示する発明を完成するに至った。
即ち、本明細書で開示する抵抗測定装置は、
蓄電デバイスの抵抗を推定する抵抗測定装置であって、
蓄電デバイスに機械的な振動を加えた際に該蓄電デバイスから出力される応答電圧を取得し、取得した応答電圧から蓄電デバイスの抵抗を求める制御部、
を備えたものである。
蓄電デバイスの抵抗を推定する抵抗測定装置であって、
蓄電デバイスに機械的な振動を加えた際に該蓄電デバイスから出力される応答電圧を取得し、取得した応答電圧から蓄電デバイスの抵抗を求める制御部、
を備えたものである。
本明細書で開示する抵抗測定システムは、
上述した抵抗測定装置と、
前記蓄電デバイスに機械的な振動を加える加振装置と、
前記蓄電デバイスに接続し前記応答電圧を検出する検出装置と、を備え、
前記制御部は、前記蓄電デバイスに機械的振動を加えるよう前記振動部を制御すると共に、前記検出部から前記応答電圧を取得するものである。
上述した抵抗測定装置と、
前記蓄電デバイスに機械的な振動を加える加振装置と、
前記蓄電デバイスに接続し前記応答電圧を検出する検出装置と、を備え、
前記制御部は、前記蓄電デバイスに機械的振動を加えるよう前記振動部を制御すると共に、前記検出部から前記応答電圧を取得するものである。
本明細書で開示する抵抗測定方法は、
蓄電デバイスの抵抗を推定する抵抗測定方法であって、
蓄電デバイスに機械的な振動を加えた際に該蓄電デバイスから出力される応答電圧を取得し、取得した応答電圧から蓄電デバイスの抵抗を求める抵抗導出ステップ、
を含むものである。
蓄電デバイスの抵抗を推定する抵抗測定方法であって、
蓄電デバイスに機械的な振動を加えた際に該蓄電デバイスから出力される応答電圧を取得し、取得した応答電圧から蓄電デバイスの抵抗を求める抵抗導出ステップ、
を含むものである。
本明細書で開示するプログラムは、上述した抵抗測定方法の各ステップを１又は複数のコンピュータに実現させるものである。このプログラムはコンピュータが読み取り可能な記録媒体（例えばハードディスク、ＲＯＭ、ＦＤ、ＣＤ、ＤＶＤなど）に記録されていてもよいし、伝送媒体（インターネットやＬＡＮなどの通信網）を介してあるコンピュータから別のコンピュータへ配信されてもよいし、その他どのような形で授受されてもよい。
本開示では、より簡便な構成で蓄電デバイスの抵抗を評価することができる新規な抵抗測定装置、抵抗測定システム、抵抗測定方法及びそのプログラムを提供することができる。本開示がこのような効果を奏する理由は、以下のように推察される。例えば、蓄電デバイスに機械的な振動を加えた際にセル内の部材の共振周波数周辺では、部分共振の発生により電極間に加わる圧力の変動が起こる。この圧力の変動により、電極間の距離が振動する。電極間距離の振動は正負極間で発生する電圧勾配、すなわち、電場を振動させるため電場の振動に合わせて電極間のイオンの移動が起こり、正負極間にわずかな電圧の偏りを生じさせる。この電圧の偏りに誘起されて電極近傍で電気化学反応が起こり、電池電圧が変化する。その反応のトリガーとなる電極間のイオンの移動度は電池の抵抗と相関があるため電池電圧の振幅から抵抗が推定できるものと推察される。
（抵抗測定装置）
本明細書で開示する抵抗測定装置の実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、抵抗測定システム１０の一例を示す概略説明図である。抵抗測定システム１０は、蓄電デバイス４０の電池抵抗を推定するシステムである。この抵抗測定システム１０は、加振装置１５と、検出装置１６と、抵抗測定装置２０とを備えている。抵抗測定システム１０は、抵抗測定装置２０がＬＡＮやインターネットなどを含む回線１２を介して加振装置１５や検出装置１６との間で情報をやりとりする。
本明細書で開示する抵抗測定装置の実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、抵抗測定システム１０の一例を示す概略説明図である。抵抗測定システム１０は、蓄電デバイス４０の電池抵抗を推定するシステムである。この抵抗測定システム１０は、加振装置１５と、検出装置１６と、抵抗測定装置２０とを備えている。抵抗測定システム１０は、抵抗測定装置２０がＬＡＮやインターネットなどを含む回線１２を介して加振装置１５や検出装置１６との間で情報をやりとりする。
蓄電デバイス４０は、例えば、ハイブリッドキャパシタ、疑似電気二重層キャパシタ、リチウムやナトリウムのアルカリ金属二次電池、アルカリ金属イオン電池、空気電池などが挙げられる。このうち、蓄電デバイス４０としては、リチウム二次電池、特にリチウムイオン二次電池が好ましい。ここでは、蓄電デバイス４０がリチウムイオン二次電池であるものとして主として説明する。蓄電デバイス４０は、例えば、リチウムイオンを吸蔵放出する正極活物質を有する正極４３と、リチウムイオンを吸蔵放出する負極活物質を有する負極４６と、正極４３及び負極４６の間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体４８と、を備えるものとしてもよい。この蓄電デバイス４０は、正極４３と負極４６との間にセパレータ４７を配置してもよい。正極４３は、集電体４１の表面に形成された正極合材４２を備えるものとしてもよい。正極合材４２には、正極活物質のほか、導電材や結着材などが含まれるものとしてもよい。正極活物質としては、例えば、遷移金属元素を含む硫化物や、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物などが挙げられる。正極活物質は、例えば、基本組成式をＬｉ(1-x)ＭｎＯ2（０＜ｘ＜１など、以下同じ）やＬｉ(1-x)Ｍｎ2Ｏ4などとするリチウムマンガン複合酸化物、基本組成式をＬｉ(1-x)ＣｏＯ2などとするリチウムコバルト複合酸化物、基本組成式をＬｉ(1-x)ＮｉＯ2などとするリチウムニッケル複合酸化物、基本組成式をＬｉ(1-x)ＮｉaＣｏbＭｎcＯ2（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）などとするリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物などを用いることができる。なお、「基本組成式」とは、他の元素を含んでもよい趣旨である。負極４６は、集電体４４の表面に形成された負極合材４５を備えるものとしてもよい。負極合材４５には、負極活物質のほか、導電材や結着材などが含まれるものとしてもよい。負極活物質としては、例えば、リチウム、リチウム合金、スズ化合物などの無機化合物、リチウムイオンを吸蔵放出可能な炭素材料、複数の元素を含む複合酸化物、導電性ポリマーなどが挙げられる。炭素材料としては、例えば、コークス類、ガラス状炭素類、グラファイト類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維などが挙げられる。このうち、人造黒鉛、天然黒鉛などのグラファイト類が好ましい。複合酸化物としては、例えば、リチウムチタン複合酸化物やリチウムバナジウム複合酸化物などが挙げられる。イオン伝導媒体４８は、例えば、支持塩を溶解した電解液とすることができる。支持塩としては、例えば、ＬｉＰＦ6やＬｉＢＦ4、などのリチウム塩が挙がられる。電解液の溶媒は、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、フラン類、スルホラン類及びジオキソラン類などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート類としてエチレンカーボネートやプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチル－ｎ－ブチルカーボネート、メチル－ｔ－ブチルカーボネート、ジ－ｉ－プロピルカーボネート、ｔ－ブチル－ｉ－プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類等が挙げられる。また、イオン伝導媒体は、固体のイオン伝導性ポリマーや、無機固体電解質あるいは有機ポリマー電解質と無機固体電解質の混合材料、若しくは有機バインダーによって結着された無機固体粉末などを利用することができる。集電体４１，４４としては、例えば、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、銅、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのうち１以上を用いることができる。セパレータ４７としては、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の薄い微多孔膜などが挙げられる。
加振装置１５は、蓄電デバイス４０に機械的な振動を加える装置である。加振装置１５は、蓄電デバイス４０に対し、単振動を加えるものとしてもよい。この加振装置１５は、蓄電デバイス４０に対し、周波数が２０Ｈｚ以上８０Ｈｚ以下の範囲の機械的振動を印加することができることが好ましく、より好ましくは３０Ｈｚ以上７０Ｈｚ以下の範囲である。このような周波数の範囲では、例えば、ノイズレベルよりも優位な差を有する応答電圧を得ることができ、蓄電デバイス４０の抵抗を求めやすい。
検出装置１６は、蓄電デバイス４０に電気的に接続し、蓄電デバイス４０に機械的な振動を印加した際に出力される応答電圧を検出する装置である。検出装置１６は、蓄電デバイス４０から検出された応答電圧の強度を抵抗測定装置２０へ送信するものとしてもよい。この応答電圧の強度とは、例えば、応答電圧の振幅に基づく値としてもよい。検出装置１６は、周期的に蓄電デバイス４０を機械的振動した際の機械的振動の周波数と同じ周波数帯での応答電圧の振幅を計測するものとしてもよい。機械的振動に基づいて蓄電デバイス４０から出力される応答電圧は、一定値を示すものではなく、特定の振幅を有する。検出装置１６は、得られた測定結果のうち応答電圧として安定した振幅を示す範囲（例えば所定時間内など）を選択し、その範囲における応答電圧の極大値と極小値との差を各振幅に対して求め、これを平均した値を応答電圧の強度とするものとしてもよい。また、この検出装置１６は、シグナルノイズを除去する回路を有し、シグナルノイズを除去した信号を抵抗測定装置２０へ出力するものとしてもよい。また、検出装置１６は、増幅回路を有し、増幅した信号を抵抗測定装置２０へ出力するものとしてもよい。この検出装置１６は、例えば、電気化学測定装置（ポテンショスタット）などを利用することができる。
抵抗測定装置２０は、蓄電デバイス４０に機械的振動を印加して得られた応答電圧振幅を取得することにより、間接的に蓄電デバイス４０の抵抗を測定する装置である。抵抗測定装置２０は、記憶部２１と、制御部２２と、入力装置２７と、表示装置２８と、を備える。入力装置２７は、各種入力を行うマウスやキーボードなどを含む。表示装置２８は、画面を表示するものであり、例えば液晶ディスプレイである。
記憶部２１は、例えば、ＨＤＤなど、大容量の記憶装置として構成されており応答電圧測定結果３０や、対応情報３２、抵抗推定プログラム３４、対応情報設定プログラム３６などが記憶されている。応答電圧測定結果３０は、蓄電デバイス４０に機械的振動を印加して得られた応答電圧振幅の測定結果を含む。対応情報３２は、蓄電デバイス４０に機械的な振動を加えた際にこの蓄電デバイス４０から出力される応答電圧の強度とこの蓄電デバイス４０の抵抗値とを対応付けた情報である。対応情報３２は、抵抗値が既知である複数の蓄電デバイス４０に機械的な振動を加え、出力された応答電圧の強度と、その抵抗値とを対応付けることで得ることができる。図２は、記憶部２１に記憶される対応情報３２の一例を示す説明図である。対応情報３２では、所定の機械的周波数Ｘ（Ｈｚ）における、応答電圧の振幅（強度）と蓄電デバイス４０の抵抗値とが一対一で対応付けられている。なお、図２では、応答電圧の強度と抵抗値との対応関係がリニアであるものを示したが、曲線状を示すものであってもよい。また、対応情報３２には、２以上の機械的周波数に対応する、応答電圧の強度と抵抗値との対応関係が含まれているものとしてもよい。抵抗推定プログラム３４は、抵抗が未知の蓄電デバイス４０に機械的振動を加え、得られた応答電圧の強度からその抵抗値を推定するプログラムである。対応情報設定プログラム３６は、抵抗が既知の蓄電デバイス４０に機械的振動を加え、得られた応答電圧の強度と、既知抵抗値との対応関係を含む対応情報３２を設定するプログラムである。
制御部２２は、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、装置全体を制御する。制御部２２は、加振装置１５に対して駆動信号を出力すると共に、検出装置１６から応答電圧を入力する。この制御部２２は、抵抗推定プログラム３４を実行することによって、蓄電デバイス４０に機械的な振動を加えた際にこの蓄電デバイス４０から出力される応答電圧を取得し、取得した応答電圧から対応情報３２を用いて蓄電デバイス４０の抵抗を間接的に求める処理を行う。制御部２２は、周波数が２０Ｈｚ以上８０Ｈｚ以下の範囲で機械的な振動を加えた際の応答電圧を取得することが好ましい。また、制御部２２は、蓄電デバイス４０に機械的な単振動を加えた際出力される応答電圧の強度を取得することが好ましい。
（抵抗測定方法）
次に、こうして構成された本実施形態の抵抗測定装置２０の動作、特に、抵抗測定装置２０が実行する抵抗測定方法について説明する。この抵抗測定方法は、例えば、抵抗が既知の蓄電デバイス４０から対応情報３２を設定する設定ステップと、対応情報３２を読み出す読出ステップと、蓄電デバイス４０の抵抗を求める抵抗導出ステップと、を含むものとしてもよい。なお、この抵抗測定方法において、既に設定された対応情報３２を用いて、上記設定ステップを省略してもよい。
次に、こうして構成された本実施形態の抵抗測定装置２０の動作、特に、抵抗測定装置２０が実行する抵抗測定方法について説明する。この抵抗測定方法は、例えば、抵抗が既知の蓄電デバイス４０から対応情報３２を設定する設定ステップと、対応情報３２を読み出す読出ステップと、蓄電デバイス４０の抵抗を求める抵抗導出ステップと、を含むものとしてもよい。なお、この抵抗測定方法において、既に設定された対応情報３２を用いて、上記設定ステップを省略してもよい。
（設定ステップ）
ここでは、まず、対応情報３２を設定する処理について説明する。この設定処理では、使用者が抵抗値が既知の複数の蓄電デバイス４０を用意し、抵抗測定システム１０によって、機械的振動を加えた際に出力される応答電圧を取得し、対応情報３２を設定する。図３は、制御部２２により実行される対応情報設定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、記憶部２１に記憶され、使用者の指示に応じて実行される。使用者は、検出装置１６に蓄電デバイス４０を接続し、入力装置２７を操作してこのルーチンを実行させる。制御部２２は、このルーチンを実行すると、まず、抵抗値が既知の蓄電デバイス４０に所定の周波数の機械的な振動を加える処理を加振装置１５に実行させる（Ｓ１００）。機械的な振動の周波数は、２０Ｈｚ以上８０Ｈｚ以下の範囲で設定可能としてもよい。この周波数は、測定条件として使用者が目的の周波数を入力するものとしてもよいし、抵抗測定システム１０が最適な値を検索して設定するものとしてもよい。
ここでは、まず、対応情報３２を設定する処理について説明する。この設定処理では、使用者が抵抗値が既知の複数の蓄電デバイス４０を用意し、抵抗測定システム１０によって、機械的振動を加えた際に出力される応答電圧を取得し、対応情報３２を設定する。図３は、制御部２２により実行される対応情報設定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、記憶部２１に記憶され、使用者の指示に応じて実行される。使用者は、検出装置１６に蓄電デバイス４０を接続し、入力装置２７を操作してこのルーチンを実行させる。制御部２２は、このルーチンを実行すると、まず、抵抗値が既知の蓄電デバイス４０に所定の周波数の機械的な振動を加える処理を加振装置１５に実行させる（Ｓ１００）。機械的な振動の周波数は、２０Ｈｚ以上８０Ｈｚ以下の範囲で設定可能としてもよい。この周波数は、測定条件として使用者が目的の周波数を入力するものとしてもよいし、抵抗測定システム１０が最適な値を検索して設定するものとしてもよい。
次に、蓄電デバイス４０から出力される応答電圧を検出装置１６が検出し、制御部２２は、この検出結果を応答電圧の強度として取得する（Ｓ１１０）。続いて、制御部２２は、抵抗が既知の全ての蓄電デバイス４０の測定結果を取得したか否かを判定し（Ｓ１２０）、全ての測定結果を取得していないときには、Ｓ１００以降の処理を繰り返し実行する。このとき、使用者は、検出装置１６において蓄電デバイス４０を取り替え、抵抗測定システム１０は、取り替えられた次の蓄電デバイス４０の測定を実行する。蓄電デバイス４０の既知の抵抗値は、他の測定、例えば、電気化学インピーダンス法などによって求められたものとしてもよい。また、この抵抗値は、使用者が入力装置２７を操作して入力するものとしてもよい。一方、Ｓ１２０で全ての測定結果を取得したときには、測定条件の周波数と、得られた応答電圧の強度と既知抵抗値との対応関係を対応情報３２として記憶部２１に記憶させ（Ｓ１３０）、このルーチンを終了する。このように、対応情報３２を設定することができる。
（読出ステップ、抵抗導出ステップ）
次に、未知である蓄電デバイス４０の抵抗を求める処理について説明する。読出ステップでは、記憶部２１に記憶された対応情報３２を読み出す処理を行う。抵抗導出ステップでは、読み出した対応情報３２を用いて、蓄電デバイス４０の抵抗を求める処理を実行する。図４は、制御部２２により実行される抵抗測定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、記憶部２１に記憶され、使用者の指示に応じて実行される。使用者は、抵抗未知の蓄電デバイス４０を検出装置１６に接続し、入力装置２７を操作してこのルーチンを実行させる。制御部２２は、このルーチンを実行すると、まず、測定条件に設定されている所定の周波数で蓄電デバイス４０を加振するよう加振装置１５を制御する（Ｓ２００）。
次に、未知である蓄電デバイス４０の抵抗を求める処理について説明する。読出ステップでは、記憶部２１に記憶された対応情報３２を読み出す処理を行う。抵抗導出ステップでは、読み出した対応情報３２を用いて、蓄電デバイス４０の抵抗を求める処理を実行する。図４は、制御部２２により実行される抵抗測定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、記憶部２１に記憶され、使用者の指示に応じて実行される。使用者は、抵抗未知の蓄電デバイス４０を検出装置１６に接続し、入力装置２７を操作してこのルーチンを実行させる。制御部２２は、このルーチンを実行すると、まず、測定条件に設定されている所定の周波数で蓄電デバイス４０を加振するよう加振装置１５を制御する（Ｓ２００）。
次に、蓄電デバイス４０から出力される応答電圧を検出装置１６が検出し、制御部２２は、この検出結果を応答電圧の強度として取得する（Ｓ２１０）。続いて、制御部２２は、記憶部２１から読み出した対応情報３２を用い、応答電圧の強度に対応する抵抗値を求め、この抵抗値を表示装置２８へ表示出力し（Ｓ２２０）、このルーチンを終了する。なお、制御部２２は、得られた抵抗値を応答電圧測定結果３０に記憶するものとしてもよい。対応情報３２には、測定条件の周波数における、応答電圧の強度と既知抵抗値との対応関係が含まれており（図２参照）、応答電圧の強度が得られれば、それに対応する抵抗値を一義的に求めることができる。このように、抵抗測定装置２０では、蓄電デバイス４０に機械的振動を加えることによって、その定稿を間接的に測定することができる。
以上説明した本実施形態の抵抗測定システム１０では、蓄電デバイス４０に機械的振動を加えるという、より簡便な構成で蓄電デバイス４０の抵抗を評価することができる。抵抗測定システム１０がこのような効果を奏する理由は、以下のように推察される。例えば、蓄電デバイス４０に機械的な振動を加えた際にセル内の部材の共振周波数周辺では、部分共振の発生により電極間に加わる圧力の変動が起こる。この圧力の変動により、電極間の距離が振動する。電極間距離の振動は正負極間で発生する電圧勾配、すなわち、電場を振動させるため電場の振動に合わせて電極間のイオンの移動が起こり、正負極間にわずかな電圧の偏りを生じさせる。この電圧の偏りに誘起されて電極近傍で電気化学反応が起こり、電池電圧が変化する。その反応のトリガーとなる電極間のイオンの移動度は電池の抵抗と相関があるため機械的振動により出力された応答電圧の振幅から電池抵抗が推定できるものと推察される。
なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
例えば、上述した実施形態では、抵抗測定システム１０は、加振装置１５と検出装置１６とを備えるものとしたが、特にこれに限定されず、応答電圧の強度を外部から取得するものとして加振装置１５や検出装置１６を省略してもよい。この抵抗測定装置２０においても、蓄電デバイス４０に機械的振動を加えるという、より簡便な構成で蓄電デバイス４０の抵抗を評価することができる。
上述した実施形態では、本開示を抵抗測定システム１０や抵抗測定装置２０、抵抗測定方法として説明したが、例えば、抵抗測定方法を実行するためのプログラムとしてもよい。このプログラムは、コンピュータが読み取り可能な記録媒体（例えばハードディスク、ＲＯＭ、ＦＤ、ＣＤ、ＤＶＤなど）に記録されていてもよいし、伝送媒体（インターネットやＬＡＮなどの通信網）を介してあるコンピューターから別のコンピュータへ配信されてもよいし、その他どのような形で授受されてもよい。このプログラムを１つのコンピュータに実行させるか又は複数のコンピュータに各ステップを分担して実行させれば、上述した抵抗測定方法の各ステップが実行されるため、この抵抗測定方法と同様の作用効果が得られる。
上述した実施形態では、蓄電デバイス４０をリチウムイオン二次電池として説明したが、特にこれに限定されず、例えば、ハイブリッドキャパシタ、疑似電気二重層キャパシタ、リチウムやナトリウムなどの金属系の負極活物質を有するアルカリ金属二次電池、アルカリ金属イオン電池、空気電池などとしてもよい。キャパシタの場合、正極活物質及び／又は負極活物質は、炭素材料としてもよい。炭素材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、活性炭類、コークス類、ガラス状炭素類、黒鉛類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維類、カーボンナノチューブ類、ポリアセン類などが挙げられる。このうち、高比表面積を示す活性炭類が好ましい。炭素材料は、比表面積が１０００ｍ2／ｇ以上であることが好ましく、１５００ｍ2／ｇ以上であることがより好ましい。比表面積が１０００ｍ2／ｇ以上では、放電容量をより高めることができる。この活性炭の比表面積は、作製の容易性から３０００ｍ2／ｇ以下であることが好ましく、２０００ｍ2／ｇ以下であることがより好ましい。なお、正極や負極では、イオン伝導媒体に含まれるアニオン及びカチオンの少なくとも一方を吸着、脱離して蓄電するものと考えられるが、さらに、イオン伝導媒体に含まれるアニオン及びカチオンの少なくとも一方を挿入、脱離して蓄電するものとしてもよい。
以下には、本開示の抵抗測定方法及び抵抗測定装置を具体的に検討した例を実験例として説明する。なお、実験例１～３、６～９が本開示の実施例に相当し、実験例４、５が参考例に相当する。
（試験用電池作製）
正極活物質には ＬｉＮｉ1/3Ｃｏ1/3Ｍｎ1/3Ｏ2を用いた。上記正極活物質を ９２質量％、導電材としてカーボンブラックを５質量％、結着材としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を３質量％混合し、分散材としてＮ－メチル－２－ピロリドンを適量添加、分散して正極スラリーとした。正極スラリーを１５μｍ厚のアルミニウム箔集電体の両面に塗布、乾燥させたあと、ロールプレスで高密度化し正極シートとした。なお、正極活物質の付着量は片面当り２０ｍｇ／ｃｍ2とした。負極活物質として非晶質コート黒鉛を用いた。上記負極活物質を９８質量％、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムを１質量％、結着剤としてスチレンブタジエンゴムを１質量％混合し、適量の水を加えて負極スラリーとした。負極スラリーを１０μｍ厚の銅箔集電体の両面に塗布、乾燥させたあと、ロールプレスで高密度化し負極シートとした。なお、負極活物質の付着量は片面当り１２ｍｇ／ｃｍ2とした。各電極は電池として約３０ｍＡｈとなるように所定の長さにカットした。作製した正極及び負極の間に、厚さ２０μｍのポリエチレン製の微多孔膜セパレータを挟み、シート状電極体を作製した。続いて、得られた電極体を、アルミラミネートフィルム内に挿入した。電解液をアルミラミネートフィルム内に含浸させ、ラミネートフィルムを熱溶着で密閉し、拘束治具で荷重を加えながら拘束し、ラミネート型の３０ｍＡｈ級リチウムイオン二次電池を得た。得られた電池に対して、様々な周波数の機械的振動を加え、その応答電圧を測定したものを実験例１～５とした（表１）。
正極活物質には ＬｉＮｉ1/3Ｃｏ1/3Ｍｎ1/3Ｏ2を用いた。上記正極活物質を ９２質量％、導電材としてカーボンブラックを５質量％、結着材としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を３質量％混合し、分散材としてＮ－メチル－２－ピロリドンを適量添加、分散して正極スラリーとした。正極スラリーを１５μｍ厚のアルミニウム箔集電体の両面に塗布、乾燥させたあと、ロールプレスで高密度化し正極シートとした。なお、正極活物質の付着量は片面当り２０ｍｇ／ｃｍ2とした。負極活物質として非晶質コート黒鉛を用いた。上記負極活物質を９８質量％、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムを１質量％、結着剤としてスチレンブタジエンゴムを１質量％混合し、適量の水を加えて負極スラリーとした。負極スラリーを１０μｍ厚の銅箔集電体の両面に塗布、乾燥させたあと、ロールプレスで高密度化し負極シートとした。なお、負極活物質の付着量は片面当り１２ｍｇ／ｃｍ2とした。各電極は電池として約３０ｍＡｈとなるように所定の長さにカットした。作製した正極及び負極の間に、厚さ２０μｍのポリエチレン製の微多孔膜セパレータを挟み、シート状電極体を作製した。続いて、得られた電極体を、アルミラミネートフィルム内に挿入した。電解液をアルミラミネートフィルム内に含浸させ、ラミネートフィルムを熱溶着で密閉し、拘束治具で荷重を加えながら拘束し、ラミネート型の３０ｍＡｈ級リチウムイオン二次電池を得た。得られた電池に対して、様々な周波数の機械的振動を加え、その応答電圧を測定したものを実験例１～５とした（表１）。
（実験例６～９）
電池作製工程において、正極、負極間のセパレータの数を変更することにより、電池抵抗を変更した以外は、実験例１と同様の工程を経て得られた電池を実験例６～９とした（表２）。
電池作製工程において、正極、負極間のセパレータの数を変更することにより、電池抵抗を変更した以外は、実験例１と同様の工程を経て得られた電池を実験例６～９とした（表２）。
（活性化、容量確認）
作製した電池は、注液から１時間以上経過させたのち、２０℃で上限電圧４．１Ｖ、下限電圧３．０Ｖ、０．１Ｃの充放電レートでＣＣＣＶ充放電を２サイクル行った。２サイクル目の放電容量を電池容量とした。
作製した電池は、注液から１時間以上経過させたのち、２０℃で上限電圧４．１Ｖ、下限電圧３．０Ｖ、０．１Ｃの充放電レートでＣＣＣＶ充放電を２サイクル行った。２サイクル目の放電容量を電池容量とした。
（残容量ＳＯＣ調整）
作製した電池の放電容量の半分の容量を０．１Ｃの充電レートで充電し、ＳＯＣ５０％の電池を得た。
作製した電池の放電容量の半分の容量を０．１Ｃの充電レートで充電し、ＳＯＣ５０％の電池を得た。
（電気化学インピーダンス測定）
作製した電池を２５℃の環境で１５分以上静置したあと、１００ｋＨｚから０．１Ｈｚまでの５ｍＶの交流電圧を印可し、インピーダンスを取得した。図５は、解析に用いた等価回路の説明図である。図５の等価回路を用いて上記測定したインピーダンスをフィッティングし、抵抗Ｒｃ、Ｒ１、Ｒ２の和を電池抵抗とした。
作製した電池を２５℃の環境で１５分以上静置したあと、１００ｋＨｚから０．１Ｈｚまでの５ｍＶの交流電圧を印可し、インピーダンスを取得した。図５は、解析に用いた等価回路の説明図である。図５の等価回路を用いて上記測定したインピーダンスをフィッティングし、抵抗Ｒｃ、Ｒ１、Ｒ２の和を電池抵抗とした。
（電池振動試験）
作製した電池を振動試験機（エミック社製９５１４－ＡＮ／ＳＤ）に固定したのち、２５℃の環境で、３０～１００Ｈｚの範囲で加速度振幅１０ｍ／ｓ2で振動させた。振動による電圧の振動応答はポテンショスタットの電圧チャンネルを分岐しＢＮＣコネクタでオシロスコープに取り込んだデータをフーリエ変換することで得た。また、取得するデータは１秒間で２５万点とした。
作製した電池を振動試験機（エミック社製９５１４－ＡＮ／ＳＤ）に固定したのち、２５℃の環境で、３０～１００Ｈｚの範囲で加速度振幅１０ｍ／ｓ2で振動させた。振動による電圧の振動応答はポテンショスタットの電圧チャンネルを分岐しＢＮＣコネクタでオシロスコープに取り込んだデータをフーリエ変換することで得た。また、取得するデータは１秒間で２５万点とした。
（結果と考察）
表１に、実験例１～５の電池に与えた機械的な振動の周波数（Ｈｚ）と、そのとき電池から出力された応答電圧の強度とをまとめた。表１に示すように、２０Ｈｚ以上０Ｈｚ以下の範囲、より好ましくは３０Ｈｚ以上７０Ｈｚ以下の機械的な振動周波数の範囲において、ノイズレベル以上の応答電圧が観測できることがわかった。これは、検討で用いた電池は、５０Ｈｚ近傍に共振周波数をもつためであると推察された。このように、電池に対して機械的振動を加えると、応答電圧を検出することができることが明らかとなった。
表１に、実験例１～５の電池に与えた機械的な振動の周波数（Ｈｚ）と、そのとき電池から出力された応答電圧の強度とをまとめた。表１に示すように、２０Ｈｚ以上０Ｈｚ以下の範囲、より好ましくは３０Ｈｚ以上７０Ｈｚ以下の機械的な振動周波数の範囲において、ノイズレベル以上の応答電圧が観測できることがわかった。これは、検討で用いた電池は、５０Ｈｚ近傍に共振周波数をもつためであると推察された。このように、電池に対して機械的振動を加えると、応答電圧を検出することができることが明らかとなった。
次に、この機械的振動により電池から出力される応答電圧と、電池抵抗との関係を検討した。表２に、抵抗を変更して作製した実験例６～９の電池に５０Ｈｚの周波数の機械的振動を与えたときの応答電圧強度と、電気化学インピーダンス法によって測定した電池抵抗（Ω）とをまとめた。図６は、実験例６～９の電池抵抗（Ω）と応答電圧振幅との対応関係を示す測定結果である。表２、図６に示すように、５０Ｈｚの機械的振動を電池に印加した場合、応答電圧振幅と電池抵抗との間にリニアな関係が見いだされた。したがって、抵抗値が未知である電池に対して機械的振動を印加して応答電圧振幅を測定すれば、図６の対応関係を対応情報として用いることによって、応答電圧振幅に対応する電池抵抗を一義的に求めることができることが明らかとなった。
なお、本明細書で開示した抵抗測定装置、抵抗測定システム、抵抗測定方法及びそのプログラムは、上述した実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
本明細書で開示した抵抗測定装置、抵抗測定システム、抵抗測定方法及びそのプログラムは、蓄電デバイスの抵抗を測定する技術分野に利用可能である。
１０ 抵抗測定システム、１２ 回線、１５ 加振装置、１６ 検出装置、２０ 抵抗測定装置、２１ 記憶部、２２ 制御部、２７ 入力装置、２８ 表示装置、３０ 応答電圧測定結果、３２ 対応情報、３４ 抵抗推定プログラム、３６ 対応情報設定プログラム、４０ 蓄電デバイス、４１ 集電体、４２ 正極合材、４３ 正極、４４ 集電体、４５ 負極合材、４６ 負極、４７ セパレータ、４８ イオン伝導媒体。
Claims (12)
- 蓄電デバイスに機械的な振動を加えた際に該蓄電デバイスから出力される応答電圧を取得し、取得した応答電圧から蓄電デバイスの抵抗を求める制御部、
を備えた抵抗測定装置。 - 前記制御部は、周波数が２０Ｈｚ以上８０Ｈｚ以下の範囲で機械的な振動を加えた際の前記応答電圧を取得する、請求項１に記載の抵抗測定装置。
- 前記制御部は、前記蓄電デバイスに機械的な単振動を加えた際に該蓄電デバイスから出力される応答電圧の強度を取得する、請求項１又は２に記載の抵抗測定装置。
- 請求項１～３のいずれか１項に記載の抵抗測定装置であって、
蓄電デバイスに機械的な振動を加えた際に該蓄電デバイスから出力される応答電圧の強度と該蓄電デバイスの抵抗値とを対応付けた対応情報を記憶する記憶部、を備え、
前記制御部は、蓄電デバイスに機械的な振動を加えた際に該蓄電デバイスから出力される応答電圧の強度を取得し、取得した応答電圧の強度に対応する抵抗値を前記対応情報を用いて求める、抵抗測定装置。 - 前記蓄電デバイスは、
リチウムイオンを吸蔵放出する正極活物質を有する正極と、
リチウムイオンを吸蔵放出する負極活物質を有する負極と、
前記正極と前記負極との間でリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えたリチウムイオン二次電池である、請求項１～４のいずれか１項に記載の抵抗測定装置。 - 蓄電デバイスの抵抗を測定する抵抗測定システムであって、
請求項１～５のいずれか１項に記載の抵抗測定装置と、
前記蓄電デバイスに機械的な振動を加える加振装置と、
前記蓄電デバイスに接続し前記応答電圧を検出する検出装置と、を備え、
前記制御部は、前記蓄電デバイスに機械的振動を加えるよう前記振動部を制御すると共に、前記検出部から前記応答電圧を取得する、抵抗測定システム。 - 蓄電デバイスの抵抗を測定する抵抗測定方法であって、
蓄電デバイスに機械的な振動を加えた際に該蓄電デバイスから出力される応答電圧を取得し、取得した応答電圧から蓄電デバイスの抵抗を求める抵抗導出ステップ、
を含む抵抗測定方法。 - 前記抵抗導出ステップでは、周波数が２０Ｈｚ以上８０Ｈｚ以下の範囲で機械的な振動を加えた際の前記応答電圧を取得する、請求項７に記載の抵抗測定方法。
- 前記抵抗導出ステップでは、前記蓄電デバイスに機械的な単振動を加えた際に該蓄電デバイスから出力される応答電圧の強度を取得する、請求項７又は８に記載の抵抗測定方法。
- 請求項７～９のいずれか１項に記載の抵抗測定方法であって、
前記抵抗導出ステップの前に、蓄電デバイスに機械的な振動を加えた際に該蓄電デバイスから出力される応答電圧の強度と該蓄電デバイスの抵抗値とを対応付けた対応情報を記憶部から読み出す読出ステップ、を含み、
前記抵抗導出ステップでは、蓄電デバイスに機械的な振動を加えた際に該蓄電デバイスから出力される応答電圧の強度を取得し、取得した応答電圧の強度に対応する抵抗値を前記対応情報を用いて求める、抵抗測定方法。 - 前記蓄電デバイスは、
リチウムイオンを吸蔵放出する正極活物質を有する正極と、
リチウムイオンを吸蔵放出する負極活物質を有する負極と、
前記正極と前記負極との間でリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えたリチウムイオン二次電池である、請求項７～１０のいずれか１項に記載の抵抗測定方法。 - 請求項７～１１のいずれか１項に記載の抵抗測定方法のステップを１又は複数のコンピュータに実現させる、プログラム。
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