JP5209936B2 - 電池の内部短絡評価方法および電池内部短絡評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池の内部短絡評価方法および電池内部短絡評価装置並びに電池および電池パックおよびそれらの製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、主に、電池の内部短絡の評価方法の改良に関する。

リチウム二次電池は、軽量で、高エネルギー密度を有することから、主にポータブル機器用の電源として実用化されている。また、現在は、大型で高出力な電源（たとえば車載用の電源）としても、リチウム二次電池が注目されており、開発が盛んに行われている。

リチウム二次電池では、正極と負極との間に、絶縁層が設けられている。絶縁層は、正極および負極の極板を電気的に絶縁し、さらに電解液を保持する機能を有する。樹脂製の絶縁層が汎用されている。リチウム二次電池を極度な高温環境に長時間保持した場合、上述した樹脂製の絶縁層は収縮しやすいために、正極と負極とが物理的にすなわち直接接触して内部短絡が発生する傾向がある。特に近年、リチウム二次電池の高容量化に伴う絶縁層の薄型化の傾向と相まって、内部短絡の防止はより一層重大な技術的課題になりつつある。一旦内部短絡が発生すると、短絡電流に伴うジュール熱によって短絡部はさらに拡大し、電池が過熱に至る場合もある。

また、電池に内部短絡が生じた場合においても、その安全性を確保することは非常に重要である。このため、電池の内部短絡時の安全性を高める技術について、盛んに開発が進められている。たとえば、正極または負極の集電端子露出部に絶縁性テープを貼付し、集電端子間の内部短絡を防ぐ技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。また、極板上にイオン透過性の、セラミック粒子とバインダーとからなる絶縁層を印刷する技術が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

さらに、内部短絡が生じた際の安全性を確保するためには、内部短絡が発生した際の電池の安全性を正しく評価することも非常に重要である。リチウムイオン二次電池などの電池の安全性項目として、内部短絡時の発熱挙動を評価する電池評価試験が、たとえば、リチウム電池のためのＵＬ規格（ＵＬ１６４２）、電池工業会からの指針（ＳＢＡ Ｇ１１０１−１９９７リチウム二次電池安全性評価基準ガイドライン）などで制定されている。これらの試験方法は、たとえば、特許文献においても電池の安全性評価に採用されている（たとえば、特許文献３参照）。

従来の評価試験には、たとえば、釘刺し試験、圧壊試験などがある。釘刺し試験は、電池側面より釘を貫通させるかまたは釘を突き刺して行う内部短絡試験である。釘を突き刺すことにより電池内部の正極、負極、釘間で短絡部が発生し、短絡部に短絡電流が流れ、ジュール発熱が発生する。これらの現象に基づく電池温度、電池電圧などの変化を観察することにより、安全性が評価される。また圧壊試験は、丸棒、角棒、平板などにより電池を物理的に変形させる内部短絡試験である。これにより正極、負極間での内部短絡を発生させ、電池温度、電池電圧などの変化を観察し、安全性を評価するものである。しかしながら、従来の電池評価方法は、いずれも、内部短絡に対する安全性を正確に評価することはできない。

また、電池の使用用途を考慮する上で、内部短絡が発生したときに「全く発熱しない」、「多少の発熱が存在する」など、どのレベルの安全性能を有しているか知る必要がある。しかしながら、従来の評価方法は内部短絡の安全性が正確に評価できないために、安全性のレベルも特定することも非常に困難である。
特開２００４−２４７０６４号公報 特開平１０−１０６５３０号公報 特開平１１−１０２７２９号公報

本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意研究を行った。その結果、電池に内部短絡が発生した際の安全性は、電池内の短絡箇所（電池表面からの距離、集電端子の露出部、電極活物質層など）、電池の形状などによって大きく変化することを見出した。
たとえば、電池表面近くで発生した短絡は、内部で発生した短絡よりも放熱の影響で見かけ上安全性は高くなる。また、電極の集電端子などの抵抗の低い部材の対向した箇所と、電極活物質層などの抵抗がある程度高い部材の対向した箇所で同時に短絡が起こると、短絡に伴う短絡電流の多くは抵抗の低い集電端子対向箇所に流れる。したがって、ジュール熱も、熱的な安定性の高くない活物質層対向部ではなく、集電端子対向部でその多くが発生するため、見かけ上内部短絡の安全性が高くなる。

すなわち、短絡の発生する箇所によっては、より危険な状態になる可能性のある電池においても、評価方法が適切でないと安全な電池であると間違った評価を下してしまう可能性がある。電池の内部短絡安全性を正しく評価するためには、電池の形状や内部構造などの構成に鑑み、見かけ上安全と評価されてしまう箇所を避けた、任意の場所で内部短絡を発生させることが非常に重要であることを、本発明者らは見出した。

釘刺し試験においては、短絡箇所が電池の外周部、特に最外周部に限られているため、その評価結果は電池の外周部の構成に大きく左右される。たとえば、釘刺し試験において、短絡部における発熱量Ｗ（単位：ワット）は、下記式で表される。
Ｗ＝Ｖ²×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）²
〔式中、Ｖは電池の電圧（単位：ボルト）を示す。Ｒ１は短絡部の抵抗（単位：オーム）を示す。Ｒ２は電池の内部抵抗（単位：オーム）を示す。〕

この式から、短絡部での発熱量Ｗと、短絡部の抵抗Ｒ１とは正比例の関係にはなく、短絡部の抵抗Ｒ１の増加に伴って発熱量Ｗが増加し、発熱量Ｗが極大になった後は、短絡部の抵抗Ｒ１がさらに増加しても、発熱量Ｗは小さくなることが明らかである。ところで、釘刺し試験においては、短絡の発生する最外周部に抵抗の小さな箇所、具体的には活物質層の存在しない集電端子の露出部などで安全性を評価することにより、評価結果が安全になる。しかしながら、仮に電池内に異物が混入した場合には、その大きさ、形状、硬さなどによっては、釘刺し試験が通常行われる部分とは異なる部分で内部短絡が発生する可能性がある。したがって、釘刺し試験法においては、市場において起こりうる内部短絡に対する安全性を正確には評価できていない。

また、本発明者らは、圧壊試験法においても、圧壊試験時の短絡挙動の解析から、一度に複数の点が短絡していることまたは短絡の発生箇所が試験によってばらつきがあることを見出した。したがって、圧壊試験法でも内部短絡に対する安全性を正確には評価できていないと考えられる。

本発明の目的は、電池内部の任意の場所で短絡試験を行い、電池の内部短絡安全性を総合的に評価し、安全性レベルを特定するための電池の内部短絡評価方法および電池の内部短絡評価装置を提供することである。
本発明の別の目的は、電池の内部短絡評価方法または電池の内部短絡評価装置により安全性が特定された電池の製造方法および電池パックの製造方法、ならびにこれらの製造方法により製造される電池および電池パックを提供することである。

すなわち本発明は、
正極と、負極と、正負極を電気的に絶縁する絶縁層とを捲回または積層した電極群、電解質、これらを内包し、外部端子を備えた外装体および電極群と外部端子とを電気的に接続する集電端子を含む電池の内部短絡時の安全性を評価する方法であって、
（イ）内部に異物を挿入した電池を加圧する内部短絡発生方法、
（ロ）内部に形状記憶合金またはバイメタルを挿入した電池を加熱または冷却する内部短絡発生方法、および
（ハ）一部が除去された絶縁層を含む電池に対して絶縁層の除去部分を加圧する内部短絡発生方法よりなる群から選ばれる方法により電池に内部短絡を発生させ、該電池から得られる電池情報を検知するかまたは目視により内部短絡の発生を検出することを特徴とする電池の内部短絡評価方法を提供する。

電池情報は電池の電圧であり、かつ電池の電圧低下を検知して、内部短絡の発生を検出することが好ましい。
電池情報は電池の温度であり、かつ電池の温度変化を検知して、内部短絡の発生を検出することが好ましい。
電池情報は電池から発生する音であり、かつ内部短絡に伴って電池から発生する音を検知して、内部短絡の発生を検出することが好ましい。
電池情報は電池から発生する光であり、かつ内部短絡に伴って電池から発生する光を検知して、内部短絡の発生を検出することが好ましい。

（イ）の内部短絡発生方法は、好ましくは、電池の電極群内部の正極と負極が対向する箇所に異物を挿入し、異物を挿入した部分を加圧し、正負極間に介在する絶縁層を局所的に破壊することによって行われる。
別形態では、（イ）の内部短絡発生方法は、好ましくは、組み立てられた電池を分解して外装体から取り出した電極群内部の正極と負極が対向する箇所に異物を挿入し、再度組み立てた後に、加圧することによって行われる。
別形態では、（イ）の内部短絡発生方法は、好ましくは、組み立てられた電池を分解して外装体から取り出した電極群内部の正極と負極が対向する箇所に、絶縁シートおよび異物を重ねて挿入し、再度組み立てた後に絶縁シートを引き抜き、さらに加圧することによって行われる。
絶縁シートは耐熱性を有することがさらに好ましい。

内部短絡の発生を検出して、加圧を停止することがさらに好ましい。
加圧の圧力をモニターし、圧力の低下を検出して加圧を停止することがさらに好ましい。
加圧を一定速度で行うことがさらに好ましい。
加圧の圧力は一定であることがさらに好ましい。
加圧の圧力は５０ｋｇ／ｃｍ²以下であることがさらに好ましい。

異物は導電性異物であることがさらに好ましい。
異物は異方性を有することがさらに好ましい。
異物は略馬蹄形、円錐、角錐、円柱（長さ／径≧１．５）および直方体（最長辺／他の二辺の長さ≧１．５）よりなる群から選ばれる少なくとも１つの形状を有することがさらに好ましい。
電池作製時の電解液注入前に、異物を挿入することがさらに好ましい。

電池はリチウム二次電池であり、異物はＮｉ、Ｃｕ、ステンレス鋼またはＦｅを含み、かつ正極と負極が対向する箇所の、負極と絶縁層との間に異物を挿入することがさらに好ましい。
電池はリチウム二次電池であり、異物がＡｌまたはステンレス鋼を含み、かつ正極と負極が対向する箇所の、正極と絶縁層との間に異物を挿入することがさらに好ましい。
電池はリチウム二次電池であり、ａ＋ｂ≦ｄ（式中、ａは正極の活物質層の厚みを示す。ｂは絶縁層の厚みを示す。ｄは電極面に対して垂直な方向の異物の長さを示す。）を満たす異物を電極群内部の電極上に挿入することさらにが好ましい。
２ｂ＋ｃ＋ｅ≧ｄ（式中、ｂは絶縁層の厚みを示す。ｃは正極の厚みを示す。ｄは電極面に対して垂直な方向の異物長さを示す。ｅは負極板の厚みを示す。）を満たす異物を電極群内部の電極上に挿入することがさらに好ましい。

（ロ）の内部短絡発生方法は、好ましくは、電池の電極群内部の正極と負極が対向する箇所に形状記憶合金またはバイメタルを挿入し、加熱または冷却して形状記憶合金またはバイメタルを変形させ、絶縁層を局所的に破壊することによって行われる。

（ハ）の内部短絡発生方法は、好ましくは、絶縁層のうち、正極と負極とが対向する箇所を一定面積切除し、前記切除部を加圧することによって行われる。
絶縁層の切除は、電極群を組み立てる前に行われることがさらに好ましい。
絶縁層の切除は、組み立てられた電池を分解して外装体から電極群を取り出し、電極群に含まれる絶縁層に対して行い、かつ絶縁層の切除後に再び電池が組み立てられることがさらに好ましい。
絶縁層の切除部の少なくとも一方に絶縁シートを載置した状態で電極群を組み立て、得られた電極群から絶縁シートを引き抜いた後に、前記切除部を加圧することがさらに好ましい。

また本発明は、
電池の少なくとも一部分に圧力を加える加圧部と、
電池情報を測定する電池情報測定部と、
電池情報測定部による測定結果と内部短絡の基準値とを比較して内部短絡が発生しているか否かを判定し、判定結果に応じて内部短絡が発生しているとの検知信号を発する少なくとも１つの短絡検知部と、
加圧部の位置情報を検出する加圧高さ位置検出部と、
加圧高さ位置検出部からの加圧部の位置情報と短絡検知部からの検知信号とに基づいて、加圧部による加圧の圧力を調整する加圧制御部（第１制御部）とを含む電池内部短絡評価装置を提供する。
好ましい態様では、電池内部短絡評価装置は、さらに、短絡検知部からの検知信号に応じて制御信号を第１制御部に送る少なくとも１つの第２制御部を備え、第２制御部が、短絡検知部からの検知信号に応じて制御信号を発する制御回路を備え、第１制御部が、第２制御部からの制御信号によって、加圧高さ位置検出部からの加圧部の位置情報に応じて、加圧部による加圧の圧力を調整する。
本発明の電池内部短絡評価装置は、電池の少なくとも一部に超音波を印加する超音波発生装置と、超音波発生装置を制御する超音波制御器とをさらに含むことが好ましい。

本発明によれば、電池内の任意の部分を短絡させて電池の内部短絡を評価する方法を用いることによって、従来の釘刺し試験法のように評価結果が電池の構成、形状などに左右されることがなく、また、圧壊試験のように試験結果にばらつきが出ることなく、内部短絡時の電池の安全性を正確に評価することができる。さらに、その安全性を特定することで、使用者が電池の安全性のレベルを認知することができる。

本発明の電池の内部短絡時の安全性評価方法（以下「評価方法」とする）は、電池内の任意の点を短絡させることが可能である内部短絡発生方法を利用する。このような内部短絡評価法を用いることによって、電池の局所的な構成または構造にとらわれることなく、内部短絡に対する安全性を正しく評価できる。
これに対し、従来の内部短絡試験法である釘刺し試験は、短絡箇所が電池の最外周部に限られているため、その評価結果は最外周部の構成に大きく左右される。たとえば、電池の内周部において内部短絡が発生した場合においては、発熱量の大きい電池であっても、電池最外周部の構成を工夫することによって、釘刺し試験において発生する発熱量の低減が可能であり、市場、特に流通時、使用時などに起こりうる内部短絡に対する安全性が正確に評価できない場合がある。

さらに、本発明では、前記評価方法において得られた電池の安全性レベルを特定することにより、最適な使用用途や、アプリ設計を行うことが出来るようになる。安全性レベルの特定方法としては、商品カタログに明示する方法、電池または電池パックに表記する方法などが挙げられる。

本発明の評価方法は、電池内部の任意の箇所で短絡を発生させ、該電池から得られる電池情報を検知するかまたは目視により、内部短絡の発生を検出し、該電池の安全性を評価することを特徴とする。
本発明の評価方法により評価される電池は、正極と、負極と、正極および負極を電気的に絶縁する絶縁層とを捲回または積層した電極群、電解質、これらを内包しかつ外部端子を備えた外装体、ならびに、電極群と外部端子とを電気的に接続する集電端子を含むものである。

本発明の評価方法において、内部短絡発生方法としては、たとえば、
（イ）内部に異物を挿入した電池を加圧する内部短絡発生方法、
（ロ）内部に形状記憶合金またはバイメタルを挿入した電池を加熱または冷却する内部短絡発生方法、
（ハ）一部が除去された絶縁層を含む電池に対して絶縁層の除去部分を加圧する内部短絡発生方法、
（ニ）最外周部に集電端子露出部を有する正極を含む電池に対して、超音波の印加下に、鋭利な突起を有する加圧子を集電端子露出部に達するまで刺し込み、ついで超音波の非印加下に、前記加圧子をさらに刺し込む内部短絡発生方法、
（ホ）最外周部に集電端子露出部を有する正極を含む電池に対して、正極の最外周部の集電端子露出部を切除し、その切除部に鋭利な突起を有する加圧子を差し込む内部短絡発生方法、
（ヘ）鋭利な突起を有する加圧子を電池の底部に差し込む内部短絡発生方法、
（ト）電池が積層型電極群を含む電池であり、鋭利な突起を有する加圧子を電池の側部に差し込む内部短絡発生方法、
（チ）電池の外周部を絶縁層の融点以上に加熱し、電池の絶縁層を溶融させる内部短絡発生方法などが挙げられる。

電池情報としては、たとえば、電池電圧、電池温度、電池から発生する音、電池から発生する光、電池内部圧力などが挙げられる。特に電池電圧は、内部短絡時に敏感に変化するため、内部短絡を検出するための電池情報として好ましい。電池電圧は、たとえば、電圧測定器により検知できる。より具体的には、電池の種類、構造、寸法などに応じて、電池の各部分で内部短絡が発生した時の電圧値の変化状態を測定し、データとして記録しておく。本発明の測定方法では、内部短絡が発生する箇所を特定できるので、前記記録データと照合することにより、内部短絡の発生の有無を的確に判断し、内部短絡の発生を検出できる。電池温度は、たとえば、熱電対により検知できる。電池から発生する音および光は、たとえば、音感知センサおよび光感知センサなどにより検知できる。温度、音および光の場合も、電圧と同様に、予めデータ取りをしておくことにより、内部短絡の発生を検出できる。

また、目視による内部短絡の検出は、たとえば、内部短絡が発生した電池を予め写真、ビデオなどに撮影しておき、本発明の評価方法に含まれる内部短絡発生方法より内部短絡の発生操作を行った電池と目視比較することにより行われる。内部短絡が発生し、たとえば、熱暴走状態、発煙状態などになった電池は特徴的な外観を示すので、目視により内部短絡の発生を容易に検出できる。

安全性の評価は、たとえば、電池に内部短絡を発生させることにより得られる電池情報に基づいて行われる。たとえば、内部短絡発生方法ごとに内部短絡時の電池情報を取得し、かつ、電池の内部短絡箇所ごとに電池情報を取得する。そして、電池電圧、電池温度などの変動幅を求める。これらの変動幅は、そのまま、安全性の評価基準として利用できる。変動幅に応じて安全性のランクを決定してもよい。
また、電池電圧の変動幅と電池の内部抵抗より内部短絡に伴う発熱量を算出し、これにより安全性のランクを決定してもよい。
また、同一の製造方法で作成された複数の電池について内部短絡を発生させ、得られる電池情報から標準偏差を求め、得られる標準偏差値に基づいて安全性のランクを決定することにより、評価を行ってもよい。

また、電池の経時劣化後の電池において同様の評価を行い、その結果から推奨使用期間を決定してもよい。
また、内部短絡による電池温度の上昇幅がある一定値以下に抑えられる環境温度を、安全性上の使用推奨温度としてもよい。
上記のような安全性ランクを、たとえば、電池または電池パックの製品表面に表示してもよい。このとき、安全性ランクに関する説明は、たとえば、商品説明書、インターネット上のホームページなどに記載すればよい。電池情報が電池温度に関する情報である場合は、一般消費者には判り易いので好ましい。

次に、（イ）〜（チ）の内部短絡発生方法について、より具体的に説明する。
（イ）の内部短絡発生方法は、好ましくは、電池の電極群内部の正負極が対向する箇所に異物を挿入し、異物を挿入した部分を加圧することによって絶縁層を局所的に破壊し、短絡を発生させることにより行われる。異物は電池内の任意の箇所に挿入できるため、内部短絡に係わる正負極の部位を任意に選択することが可能となる。具体的には正極の活物質部（活物質層）と負極の活物質部（活物質層）、また正極集電端子と負極活物質部（負極活物質層）などが挙げられる。また、異物の形状や硬さ、大きさ、異物挿入部分に付加する圧力などを変えることにより、発生する内部短絡を制御することができるので、異物を用いるのが好ましい。異物を電池内部の任意の部分に挿入することによって、その部分に異物が混入した状態を再現できる。

別形態の（イ）の内部短絡発生方法としては、たとえば、組み立てられた電池を分解し、外装体から電極群を取り出し、電極群内部の正極と負極が対向する箇所に異物を挿入し、再度組み立てた後に、加圧する方法が好ましい。電池作製後に異物を挿入することによって、電池作製の工程中に内部短絡が発生することを避けることが可能である。また、異物を挿入する際に、絶縁シートおよび異物を重ねて設置し、電極群を再度組み立てた後に絶縁シートを引き抜き、さらに加圧して短絡を発生させることがより好ましい。これによって、異物挿入後の再組み立て時に短絡が発生するのを防止できる。絶縁シートは、耐熱性を有する材質であることが好ましい。

異物の電池内部への挿入は、電池作製時（組み立て時）および再組み立て時の電解液注入前に行うことが好ましい。電解液注入前に異物を挿入することにより、作製した電池そのままの状態で評価することができ、簡便であるため好ましい。この際に電極群内に挿入する異物としては、電池の作動電圧範囲において電気化学的に、かつ化学的に安定であることが好ましい。たとえば、電池がリチウム二次電池であるとき、負極と絶縁層との間に異物を挿入する場合は、異物がＮｉ、Ｃｕ、ステンレス鋼またはＦｅを含むことが好ましく、正極と絶縁層との間に異物を挿入する場合は、異物がＡｌまたはステンレス鋼を含むことが好ましい。

さらに、評価の際に、内部短絡の発生を検出して加圧を停止することが好ましい。これによって、内部短絡の発生箇所を局所に限定することが可能となる。短絡面積が変化すると発生する発熱量にばらつきが生じ、内部短絡に対する安全性の評価精度が低下する。短絡の検出方法としては、短絡に伴う電池の電圧低下、温度変化（主に温度上昇）、短絡に伴って発生する音、光などが挙げられる。

加圧の際には、一定速度または一定圧力で加圧することが好ましい。これによって、試験結果のばらつきを少なくし、精度よく評価を行うことができる。一定速度で加圧する場合は、絶縁層が破壊されるまでの圧力が、短絡の発生によって開放され、圧力が低下する。この圧力の低下によって短絡の発生を検出してもよい。より具体的には、たとえば、加圧時の圧力をモニターし、圧力の低下を検出して短絡の発生とし、加圧を停止してもよい。加圧時の圧力は約４９×１０⁵Ｐａ（５０ｋｇ／ｃｍ²）以下が好ましい。約４９×１０⁵Ｐａを超えると、電極群自体が変形を起こす可能性があり、短絡発生面積がばらつくことが考えられる。さらには、異物を挿入した部分以外での短絡が起こる可能性があり、好ましくない。

電池内に挿入する異物としては、導電性のものが好ましい。導電性の異物の場合、異物が絶縁層を破壊すると直ちに短絡が発生するため、短絡の発生状態を安定させることができる。
また、電極群内に挿入する異物は、異方性を有する形状のものが好ましい。異方性を有することにより、加圧時に過剰な圧力をかけることなく、絶縁層をすみやかに局部的に破壊し、短絡を発生させることができる。球状など、異方性が存在しない場合は、過剰な加圧によって、電極の破壊を伴い、短絡の状態を制御することが困難となる。異物が異方性を有する場合、異物は、略馬蹄形、円錐、角錐、円柱（長さ／径≧１．５）および直方体（最長辺／他の二辺の長さ≧１．５）よりなる群から選ばれる形状を有することがさらに好ましい。これらの形状を有する異物を用いることによって、短絡の状態を非常に精度よく制御することが可能になる。

電極群内に挿入する異物の大きさは、電池がリチウム二次電池である場合、ａ＋ｂ≦ｄ（式中、ａは正極の活物質層の厚みを示す。ｂは絶縁層の厚みを示す。ｄは電極面に対して垂直な方向の異物の長さを示す。）を満たすことが好ましい。ａ＋ｂ＞ｄの場合、正負極の活物質層に異物を挿入した場合は、異物は正極板の集電端子には到達せず、正極合剤と負極合剤を介した短絡となる。しかし、異物が大きく、正極集電端子と負極合剤間で短絡が発生した場合は、リチウム二次電池の正極集電端子の抵抗が正極活物質層の抵抗よりも低いために、より多くのジュール熱が発生する。すなわち、ａ＋ｂ＞ｄの場合は内部短絡時の安全性を過大評価する可能性があるため、ｄ≧ａ＋ｂを満たすことが好ましい。

また、電極群内に挿入する異物は、２ｂ＋ｃ＋ｅ≧ｄ（式中、ｄは電極上に置いた際の電極面に垂直な方向の長さを示す。ｂは絶縁層の厚みを示す。ｃは正極の厚みを示す。ｅは負極の厚みを示す。）を満たすものであることが好ましい。異物の長さｄが２ｂ＋ｃ＋ｅを超えると、電極板に対して垂直方向に、２層分の短絡が同時に発生する可能性があり、局所的に発生する発熱量にばらつきが生じ、内部短絡に対する安全性の評価精度が低下するおそれがある。

（ロ）の内部短絡発生方法は、たとえば、電池の電極群内部の正極と負極が対向する箇所に形状記憶合金またはバイメタルを挿入し、これを加熱または冷却して形状記憶合金またはバイメタルを変形させ、絶縁層を局所的に破壊することによって行われる。（ロ）の方法も、（イ）の方法と同様に、電池内の任意の点を短絡させることができる。

形状記憶合金を用いる場合は、たとえば、曲線状または折れ線状の形状を記憶させた形状記憶合金を直線状に変形させ、これを電極間に挿入すればよい。この状態で、記憶させた形状に戻る温度まで温度を変化させると、曲線状または折れ線状に変形し、その際に絶縁層が破壊されて短絡が発生する。一方、バイメタルを用いる場合は、たとえば、直線状のバイメタルを電極間に挿入すればよい。この状態で、膨張率の違いにバイメタルが変形する温度まで温度を変化させると、バイメタルの変形により絶縁層が破壊されて短絡が発生する。形状記憶合金およびバイメタルとしては、電池の特性に影響を及ぼさない、８０℃以下で形状変化するものが好ましい。

（ハ）の短絡発生方法は、たとえば、電池の絶縁層のうち、正極と負極が対向する箇所を一定面積切除し、この切除部を加圧することによって行われる。（ハ）の内部短絡発生方法によっても、電池内の任意の点を短絡させることができる。（ハ）の内部短絡発生方法では、絶縁層の切除箇所および短絡面積を任意に決めることができ、さらにその面積が常に一定であることから、短絡の状態を非常に精度よく制御でき、内部短絡に対する安全性を正確に評価できる。

絶縁層の切除は、電極群構成前（電極群組み立て前）に行ってもよいし、組み立てられて完成した電池を分解し、外装体から電極群を取り出し、電極群内の絶縁層を切除して再度組み立ててもよい。さらに、絶縁層切断後に、絶縁層を切除した箇所の厚み方向の少なくとも一方に絶縁シートを置き、この状態で再度電池または電極群の組み立てを行い、電池または電極群から絶縁シートを引き抜いた後に切除部を加圧することが好ましい。これにより、切除後の組み立て時に内部短絡が発生するのを防ぐことができる。

（ニ）の内部短絡発生方法は、たとえば、電池が最外周部に集電端子露出部を有する正極を含むリチウム二次電池であること、鋭利な突起を有する加圧子を電池に突き刺すこと、および加圧子を電池に突き刺す際に途中までは超音波の印加下に行い、その後は超音波を非印加下に行われる。最外周部に集電端子露出部を有する正極を含む電池に、従来の釘刺し試験のように外部から加圧子を刺し込んで行くと、始めに正極の集電端子と負極とが短絡する。上述のように、正極の集電端子（通常はＡｌが用いられる）は正極の活物質よりも抵抗が非常に小さいため、短絡電流のほとんどが正極の集電端子と負極との間に流れ、短絡によるジュール熱は熱安定性の低い正極活物質部ではなく集電端子露出部で発生する。このため、内部短絡の安全性を正しく評価できない。

これに対し、（ニ）の内部短絡発生方法では、超音波を印加した状態で加圧子を電極群に突き刺すので、短絡は継続して起こらない。したがって、超音波を印加した状態での突き刺しと、超音波を印加しない状態での突き刺しを行うことによって、電池の任意の箇所で短絡を発生させることができる。たとえば、超音波の印加下に電極群内の任意の箇所まで加圧子を突き刺した後、さらに超音波の非印加下で加圧子を一定量突き刺すことによって、内部短絡が発生する場所を適宜選択することができる。このときの超音波の周波数ｆは２０ｋＨｚ≦ｆ≦１００ｋＨｚが好ましい。

（ニ）の内部短絡発生方法は、好ましくは、電池が最外周部に集電端子露出部を有する正極を含むリチウム二次電池であり、かつ、超音波を印加した状態で鋭利な突起を有する加圧子が集電端子露出部に達するまで加圧子を電池に刺し込み、その後超音波の印加を止めた状態でさらに加圧子を電池に刺し込むことによって行われる。このとき、たとえば、加圧子の電池に対する突き刺し深さを適宜選択することにより、電池の任意の部分で内部短絡を発生させることができる。

（ホ）の内部短絡発生方法の好ましい形態は、電池が最外周部に集電端子露出部を有する正極を含むリチウム二次電池であること、継続した短絡を起こすことなく正極の集電端子露出部を切除すること、および切除した部分（切除部）に鋭利な突起を有する加圧子を刺し込むことを特徴とする。これによって、正極集電端子の影響を受けることなく、電池の任意の箇所に短絡を発生させることができる。正極の集電端子露出部の切除方法としては、超音波カッターなどの、超音波の印加下に切除を行い得る器具を用いる方法が好ましい。これによって、継続的な短絡を起こすことなく、正極集電端子の露出部を切除できる。

（ヘ）の内部短絡発生方法は、たとえば、電池が捲回型の電極群を含む捲回型電池であり、かつ該電池の底部に鋭利な突起を有する加圧子を刺し込むことにより行われる。これによっても、電池内の任意の箇所を短絡させることができる。従来の釘刺し試験では、上述したように、最外周部の電池構成によって、試験結果が大きく変化する。しかし、捲回型電池の底部を短絡させることによって、最外周の構成に影響を受けずに電池の内部短絡安全性を評価することができる。この方法でも、加圧子を電極面に平行な方向に刺し込むことになる。またこの方法は、電池に特別な加工を施すことなく、非常に簡便に評価することができる。

（ヘ）の内部短絡発生方法は、好ましくは、電池が捲回型電池であり、かつ鋭利な突起を有する加圧子を、電池の底部のほぼ中心部から、電極群の捲回軸に対して斜めに刺し込んで内部短絡を発生させることにより行われる。この方法では、電池内部の任意の箇所、特に電極の最内周部において短絡を発生させることができ、放熱の影響を受けにくい状態で、電池の内部短絡安全性を評価できる。

（ト）の内部短絡発生方法は、たとえば、電池が積層型電極群を含む積層型電池であり、かつ電池側部すなわち電極面に平行な方向に鋭利な突起を有する加圧子を刺し込むことにより行われる。積層型電池において電極面と直交方向に釘を刺した場合は、内部短絡の発生は、最外周部の構成に大きく影響を受ける。したがって、電池側部、すなわち電極面と平行な方向に加圧子を刺し込むことにより、電池内部の任意の箇所を短絡させることができ、かつ電池の構成または構造の影響を受けずに電池の内部短絡安全性を評価できる。

（チ）の内部短絡発生方法は、電池の外周部の少なくとも一部分を局所的に絶縁層の融点以上に加熱し、絶縁層を局所的に溶融させることにより行われる。これによって、電池内部の任意の箇所を短絡させることができる。この場合、加熱する箇所によって、短絡が発生する箇所を規定できる。

電池を加熱する方法としては、たとえば、電池にレーザを照射する方法、絶縁層の融点以上の温度を有する発熱体を電池に接近させる方法などが挙げられる。この中でも、発熱体を電池に接近させる方法が好ましい。発熱体としては、はんだごてが好ましい。はんだごての発熱温度は３５０℃付近であり、絶縁層に一般的に用いられるポリオレフィンの融点よりも高く、かつ温度が安定しており、先端が細い形状をしており、短絡箇所を精度良く規定できる。

絶縁層の融点以上に加熱する電池の外周部としては、外装体と集電端子との接続箇所が好ましい。この部分を加熱すると、集電端子を介して熱が効率よく伝わるため、外装体表面での放熱の影響を低減し、より確実に短絡を発生させることができる。
また、組み立てられた電池の外装体から電極群を取り出し、この電極群について加熱を行ってもよい。これによっても、所望の箇所で短絡を発生させることができる。さらに、電池が最外周部に集電端子露出部を有する正極を含むリチウム二次電池である場合は、組み立てられた電池の外装体から電極群を取り出し、さらに集電端子露出部を切除した後に、加熱を行ってもよい。これによって、正極集電端子と負極との短絡による影響を排除しつつ、一層正確に安全性を評価できるので、好ましい。

また、本発明の評価方法によって、内部短絡に関する安全レベルが特定された製造方法に於いて電池を製造することが好ましい。すなわち、本発明の評価方法で電池の安全レベルを確認し、所望の安全レベルを有する電池を選定し、該電池を製造した方法に従って電池を製造するのが好ましい。同じ製造方法で電池を製造することにより、内部短絡安全性レベルを同様に保証することができる。また、本発明の評価方法によって内部短絡に関する安全レベルが特定された製造方法によって製造された電池は、ほぼ同水準の内部短絡安全性レベルを有しているので、好ましい。

さらに、本発明の評価方法によって、内部短絡に関する安全レベルが特定された製造方法に於いて電池パックを製造することが好ましい。すなわち、本発明の評価方法で電池の安全レベルを確認し、所望の安全レベルを有する電池パックを選定し、該電池パックを製造した方法に従って電池パックを製造するのが好ましい。同じ製造方法で電池パックを製造することにより、内部短絡安全性レベルを同様に保証することができる。また、本発明の評価方法によって内部短絡に関する安全レベルが特定された製造方法によって製造された電池パックは、ほぼ同水準の内部短絡安全性レベルを有しているので、好ましい。

［電池内部短絡評価装置］
次に、本発明の電池内部短絡評価装置（以下「評価装置」とする）は、上記したように、電池の任意の箇所において短絡を発生させることが可能であり、かつ、電池の内部短絡に対する安全性を評価できる装置である。
図１は、本発明の実施の別形態である評価装置１の構成を示すブロック図である。なお、以下に示す実施形態は本発明の評価装置を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
本発明の評価装置１は、加圧部２、加圧制御部３、電池情報測定部４、短絡検出部５および加圧部高さ位置検出部６を含む。加圧部２、加圧制御部３、電池情報測定部４、短絡検出部５および加圧部高さ位置検出部６は、たとえば、図１に示すようにして、電気的に接続されている。

加圧部２は電池を強制的に短絡させるために設けられたものである。加圧部２には、たとえば、加圧装置が用いられる。加圧装置としては、電池に加圧動作を実行できるものであれば特に制限されないが、たとえば、サーボモータを用いたスクリュー式、ポストガイドスクリュー式、フリコ式、テコ式、クランク式、メカニカルプレス式、油圧プレス式、エアープレス式などの加圧装置を使用できる。加圧装置の先端部には、たとえば、丸棒、角棒、平板、釘などの部材を装着し、この部材を異物の挿入、絶縁層切除などの処理を施した試験電池１００に向かって駆動させて加圧する。たとえば、加圧装置の先端部に釘を装着した場合には、電池内を釘先端が突き刺すことにより、内部短絡試験を実施できる。また、加圧装置の先端部に丸棒、角棒、平板などを装着した場合には、電池を圧壊して電池内部で正極、負極間で短絡が発生し内部短絡試験を実施できる。加圧部２近傍の、加圧部２による加圧が可能な位置に図示しない電池設置台が設けられ、試験電池１００が載置される。

加圧制御部３は、加圧部２による加圧の圧力の調整および加圧の停止を行うとともに、加圧高さ位置検出部６による加圧部２の位置の検出結果を受信する。加圧制御部３は、主に、後述する短絡検出部５から発信される制御信号によって制御される。たとえば、短絡検出部５から短絡が発生したので加圧を停止せよとの制御信号を受信した場合には、加圧部２による加圧を停止する。そのとき、短絡検出部５からの制御信号を受信した場合に、加圧高さ位置検出部６の検出結果に応じて、一定深度に達するまで加圧を続けた後、加圧部２による加圧を停止させてもよい。さらに、加圧高さ位置検出部６による検出結果を短絡検出部５に転送する機能を有していてもよい。その場合、短絡検出部５において、短絡発生の検知および検知後一定深度に達するまでの加圧の制御を行うように構成してもよい。

電池情報測定部４は、たとえば、加圧部２による加圧下にある試験電池１００の電池情報を測定し、測定結果を短絡検出部４に送る。電池情報には、たとえば、電池電圧、電池温度、電池内部圧力などがある。特に電池電圧は、内部短絡時に敏感に変化するため、内部短絡を検出するための電池情報として好ましい。

短絡検出部５は、短絡検知部と制御部とを含む回路である。回路は、たとえば、中央処理装置（ＣＰＵ）を備えるマイクロコンピュータ、メモリなどを含む処理回路であってもよい。
短絡検知部では、たとえば、電池情報測定部４から送られて来る測定結果と各電池情報の基準値とを比較判定し、内部短絡発生の有無を検知する。基準値とは、短絡発生の有無を判定するための値であり、電池情報が基準値とは異なる値になると、内部短絡が発生したと判定される。基準値は、たとえば、電池情報毎に予めメモリに記憶されており、比較判定の際にメモリから取り出される。メモリには公知のメモリ装置を使用でき、たとえば、リードオンリィメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）などが挙げられる。短絡検出部は、内部短絡が発生したことを検知した場合には、検知信号を制御部に送る。なお、短絡検出部は、１つでもよくまたは複数設けられていてもよい。たとえば、電池情報毎に短絡検出部を設けてもよく、１つの短絡検出部で電池情報の優先順位を決めて内部短絡発生の有無を比較判定してもよい。

制御部は、短絡検知部からの検知信号に応じて制御信号を発する制御回路と制御回路からの制御信号を検知する制御器と含む。或いは、制御部は制御回路のみを含んでいてもよい。制御部は、たとえば、短絡検知部からの内部短絡が発生したとの検知信号を受信すると、加圧制御部３に制御信号を送る。加圧制御部３はその信号を受けて加圧を停止し、評価が終了する。なお、制御信号は内部短絡の発生を検知した時点に対して任意に発信されるものである。短絡検知部からの検知信号を受信した直後に制御信号を発信してもよい。また、タイマーを用いて任意の時間を遅らせて制御信号を発信してもよい。制御部は、後述する加圧高さ位置検出部６から加圧制御部３を介して加圧部２の位置情報の検出結果を受信した場合には、短絡検知後、一定深度に達するまで加圧を続けた後に加圧部２を停止させるような制御信号を加圧制御部３に送信してもよい。

加圧高さ位置検出部６は、加圧部２の位置情報を検出し、その検出結果を加圧制御部３に送信する。また、検出結果を直接短絡検出部５に送信するように構成してもよい。
本発明の評価装置１においては、たとえば、試験電池１００を所定位置に設置し、短絡検出部５の制御部が加圧制御部３に制御信号を送って加圧部２を作動させ、試験電池１００を加圧する。加圧時の電池情報は電池情報測定部４によって測定され、その測定結果は短絡検出部５に送信される。短絡検出部５は、電池情報測定部４による測定結果と基準値とを比較し、内部短絡発生の有無を検知する。内部短絡発生との検知結果が得られた場合には、加圧制御手段３に制御信号を送り、加圧部２による加圧を停止させる。これによって、短絡の発生を認知し、電池の安全性を正確に評価できる。
この一連の短絡評価法を用いたときの電池の安全性の評価基準としては、熱電対、サーモビュアーなどを用いて電池の温度上昇量で評価してもよいし、熱量計等で発生する熱量そのものを測定してもよい。これらが電池情報測定部４に含まれていてもよい。

図２は、別形態の本発明の評価装置１ａの構成を示すブロック図である。評価装置１ａは評価装置１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。評価装置１ａは、超音波発生部７および超音波制御部８を含むことを特徴とし、それ以外の構成は評価装置１と同じである。
超音波発生部７は、超音波を発生し、加圧部２に超音波を印加するものである。評価開始時にまず、超音波制御部８が超音波発生部７を作動させ、加圧部２に超音波を発生させる。つぎに加圧制御部３が、加圧部高さ位置検出部６の信号からの受けながら所定の深度まで加圧部２を降下させ、継続した短絡を発生させることなく加圧部２を電池内に挿入させる。その後に、超音波を停止させる。その後に、上述のように加圧部２をさらに降下させて、電池に内部短絡を発生させる。

超音波発生部７には、一般的な超音波発生装置を使用できる。また、超音波制御部８は、評価装置１における制御部と同様の構成を有し、超音波発生部７専用のものを設けてもよく、また、評価装置１ａにおける制御部に超音波制御部８の機能を付加してもよい。
以上から、本発明の評価装置１，１ａを用いることで電池の内部短絡に対する安全性を正確に評価することができるものである。

上記内部短絡評価装置によって、内部短絡に関する安全性レベルが特定された製造方法により、電池を製造することが好ましい。すなわち、電池の製造方法は種々知られているが、各製造方法により得られる電池について本発明の内部短絡評価装置により安全レベルがどの程度であるかを評価できる。また、１つの製造方法により得られる電池は、同程度の安全レベルを有している。したがって、安全レベルが特定された同じ製造方法により電池を製造することにより、内部短絡に関して同程度の安全性レベルを有していると保証することができる。また、電池の用途に応じて定められた安全性レベルがあるので、各製造方法の安全性レベルが正確に評価されていれば、用途に応じて製造方法を選択し、所望の安全性レベルを有する電池を製造できる。
本明細書において、内部短絡に関する安全性レベルを特定するということは、本発明の内部短絡評価方法または内部短絡評価装置により、電池の内部短絡に関する安全性レベルを評価することを意味する。

さらに、内部短絡評価装置によって、内部短絡に関する安全レベルが特定された製造方法により電池パックを製造することが好ましい。電池の場合と同様に、種々知られている製造方法により得られる電池パックについて、本発明の内部短絡評価装置により安全レベルがどの程度であるかを予め評価しておく。また、１つの製造方法により得られる電池パックは、同程度の安全レベルを有している。したがって、安全レベルが特定された同じ製造方法により電池パックを製造することにより、内部短絡に関して同程度の安全性レベルを有していると保証することができる。また、電池パックの用途に応じて定められた安全性レベルがあるので、各製造方法の安全性レベルが正確に評価されていれば、用途に応じて製造方法を選択し、所望の安全性レベルを有する電池パックを製造できる。

内部短絡評価装置により、製造される電池の内部短絡に関する安全性レベルが特定された製造方法によって製造された電池であることが好ましい。これにより電池の内部短絡安全性レベルを同様に保証することができる。
これは電池パックについても同様である。すなわち、内部短絡評価装置により、製造される電池パックの内部短絡に関する安全性レベルが特定された製造方法によって製造された電池パックであることが好ましい。これにより電池パックの内部短絡安全性レベルを同様に保証することができる。
なお、上述した本発明の電池評価装置は特定の電池種に限定されるものではなく、たとえばマンガン乾電池、アルカリ乾電池、リチウム一次電池のような一次電池、また鉛蓄電池 やニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル-水素電池、リチウム二次電池などの二次電池への適用が可能である。

以下に、本発明の電池の内部短絡評価方法を実施例に基づいて具体的に説明する。
（実施例１）
＜電池の作製＞
内部短絡に対する安全性を評価する電池として、以下に示すような円筒型リチウム二次電池を作製した。
（１）正極の作製
正極活物質であるニッケルマンガンコバルトリチウム酸化物（ＬｉＮｉ_1/3Ｍｎ_1/3Ｃｏ_1/3Ｏ₂）粉末（メディアン径１５μｍ）３ｋｇと、結着剤であるポリフッ化ビニリデン（以下「ＰＶＤＦ」とする）を１２重量％含むＮ−メチル−２−ピロリドン（以下「ＮＭＰ」とする）溶液（商品名：＃１３２０、呉羽化学工業株式会社製）１ｋｇと、導電剤であるアセチレンブラック９０ｇと、分散媒である適量のＮＭＰとを、双腕式練合機で攪拌し、正極合剤ペーストを調製した。正極合剤ペーストを、厚み２０μｍのアルミニウム箔からなる帯状の正極集電端子の両面に塗布した。塗布された正極合剤ペーストを乾燥させ、圧延ロールで活物質形成部の厚さが１８０μｍになるように圧延し、正極活物質層を形成した。得られた電極を、円筒型の外装体（直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍ、内径１７．８５ｍｍ）に挿入可能な幅（５６ｍｍ）に裁断して、正極を得た。
なお、電極群の最内周部にあたる部分に集電端子露出部を設け、アルミニウムからなる接続端子を溶接した。

（２）負極Ａの作製
負極活物質である人造黒鉛粉末（メディアン径２０μｍ）３ｋｇと、結着剤である変性スチレンブタジエンゴム粒子を４０重量％含む水分散液（商品名：ＢＭ−４００Ｂ、日本ゼオン株式会社製）７５ｇと、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）３０ｇと、分散媒である適量の水とを、双腕式練合機で攪拌し、負極合剤ペーストを調製した。負極合剤ペーストを、厚み２０μｍの銅箔からなる帯状の負極集電端子の両面に塗布した。塗布された負極合剤ペーストを乾燥させ、圧延ロールで活物質形成部の厚さが１８０μｍになるように圧延し、負極活物質層を形成した。得られた極板を、外装体に挿入可能な幅（５７．５ｍｍ）に裁断して、負極を得た。なお、電極群の最外周部にあたる部分に約１周分の長さの集電端子露出部を設け、その端部にニッケルからなる接続端子を溶接し負極板Ａとした。

（３）負極Ｂの作製
メディアン径０．３μｍのアルミナ（絶縁性フィラー）９７０ｇと、変性ポリアクリロニトリルゴム（結着剤）を８重量％含むＮＭＰ溶液（商品名：ＢＭ−７２０Ｈ、日本ゼオン株式会社製）３７５ｇと、適量のＮＭＰとを、双腕式練合機で攪拌し、多孔質耐熱層用ペーストを調製した。このペーストを負極Ａの負極活物質層の表面全体に塗布し、１２０℃真空減圧下で１０時間乾燥し、厚さ０．５μｍの多孔質耐熱層を形成した。なお多孔質耐熱層の空隙率は４８％であった。空隙率は、断面ＳＥＭ撮影により求めた多孔質耐熱層の厚みと、蛍光Ｘ線分析によって求めた一定面積の多孔質耐熱層中に存在するアルミナ量と、アルミナおよび結着剤の真比重と、アルミナと結着剤との重量比から計算により求めた。以上より作製された負極板を負極板Ｂとした。

（４）電池の組み立て
正極と、負極とを、厚さ２０μｍのポリエチレン製の絶縁層（商品名：ハイポア、旭化成株式会社製）を介して捲回し、電極群を作製した。ニッケルめっきを施した鉄製の円筒型の外装体（直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍ、内径１７．８５ｍｍ）に、電極群を挿入した後、電解質を５．０ｇ外装体内に注液し、外装体の開口部を蓋体で封口して、容量２４００ｍＡｈのリチウム二次電池を完成させた。電解質には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）との混合溶媒にＬｉＰＦ6を１モル／Ｌの濃度で溶解したものを用いた。混合溶媒におけるＥＣとＤＭＣとＥＭＣとの体積比は、１：１：１とした。電解質には３重量％のビニレンカーボネート（ＶＣ）を添加した。

以上のような手順で、負極Ａを備える電池Ａおよび負極Ｂを備える電池Ｂを２０個ずつ作製した。各電池について、まず慣らし充放電を２度行い、次いで４００ｍＡの電流値で４．１Ｖに達するまで充電した。その後、４５℃環境下で７日間保存し、さらに下記の条件で充電を行った。充電後の電池Ａおよび電池Ｂの各２０個について、下記に示す内部短絡安全性評価を行った。
定電流充電： 電流値１５００ｍＡ／充電終止電圧４．２５Ｖ
定電圧充電： 充電電圧４．２５Ｖ／充電終止電流１００ｍＡ

（内部短絡安全性評価方法）
充電した電池Ａをドライエア環境で分解して電極群を取り出し、その最外周部を一部巻きほぐした。正極活物質層と負極活物質層の対向する箇所の、負極と絶縁層の間に幅２００μｍ、厚み３００μｍ、長さ３ｍｍのＮｉプレートを馬蹄形に整形したものを置いた。この時、電極面に対して垂直な方向の長さ（高さ）は２００μｍとなる。このときの電極群の模式図を図３に示す。図３において、９は正極である。また、１０は負極であり、負極活物質１０ａ、負極集電端子露出部１０ｂおよび負極接続端子１０ｃを備えている。さらに、１１は絶縁層、１２は異物および１３は電極群である。

その後、再度捲回した電極群を密閉状態で６０℃の恒温槽内に入れ、電池温度が６０℃に達するまでキープした。その後、φ６ｍｍの半球状の加圧子を用いて電極群の異物挿入箇所を加圧した。加圧条件は１ｍｍ／ｓの一定速度、最大圧力を５０ｋｇ／ｃｍ²とした。そして、短絡によって電池電圧が４．０Ｖ以下となった瞬間に短絡を停止した。電池電圧以外に、熱電対を用いて電池表面を測定し、短絡発生後５秒間での電池温度上昇量（℃）を平均値として評価した。また、同様の測定を１０個の電池について行い、電池温度上昇量の標準偏差を求めた。

（実施例２）
電池の正極の最外周に集電端子の露出部を約１周分設ける以外、実施例１と同様にして電池を作製し、同様の評価を行った。

（比較例１）
実施例１と同様にして作製および充電（最終的には充電電圧４．２５Ｖに定電圧充電）した電池Ａについて、次の評価を行った。電池を分解することなく、６０℃の恒温槽内に入れ、電池温度が６０℃に達するまでキープした。加圧子として鉄製の釘（φ３ｍｍ）を用い、この釘を電極群に突き刺した。加圧条件は１ｍｍ／ｓの一定速度、最大圧力２００ｋｇ／ｃｍ²とした。そして、短絡によって電池電圧が４．０Ｖ以下となった後、釘をさらに２００μｍ移動させた後に停止させた。電池電圧以外に、熱電対を用いて電池表面を測定し、短絡発生後５秒間での電池温度上昇量を平均値として評価した。また、同様の測定を１０個の電池について行い、電池温度上昇量の標準偏差を求めた。
（比較例２）
実施例２と同様にして作製し、かつ実施例１と同様にして充電（最終的には充電電圧４．２５Ｖに定電圧充電）した電池Ａを用いる以外は、比較例１と同様にして評価を行った。

（実施例３）
電極群に挿入する異物の高さを５０μｍにする以外、実施例２と同様にして電池Ａを作製し、評価を行った。
（実施例４）
電極群に挿入する異物の高さを５００μｍとする以外、実施例２と同様にして電池Ａを作製し、評価を行った。
表１に実施例１〜４および比較例１、２の評価結果を示す。

実施例１および２では、電極群内に異物を挿入して加圧することにより内部短絡を発生させた。この場合、電池の最外周の構成にかかわらず、同様の電池温度上昇量を示した。また、測定のばらつきも小さく抑えられた。
これに対し、比較例１および２では、電池の外周から釘を刺すことによって短絡を発生させた。この場合、各々の電池温度上昇量のばらつきは小さかったものの、最外周の正極集電端子の露出の有無によって、短絡後の電池電圧上昇量に非常に大きな違いが生じた。特に比較例２では、正極の集電端子露出部を設けることにより、異物挿入によって短絡を発生させた場合と比較して電池温度上昇量が非常に小さかった。すなわち、釘刺しによる内部短絡評価法は、電池の局所的な構成によっては、安全性を過大評価する可能性があることが明らかである。その一方で、異物挿入による評価法は、電池の局所的な構成に左右されることなく、正確に内部短絡に対する安全性を評価できることも明らかである。

実施例３では、高さが５０μｍである異物を挿入した。この場合、評価結果のばらつきは小さいものの、実施例１と比較して電池温度上昇量が小さかった。実施例３では、異物の高さが、絶縁層の厚み（２０μｍ）と正極活物質の厚み（８０μｍ）の和より小さい。このため、集電端子よりも抵抗の非常に高い正極活物質と負極活物質との間で短絡が発生し、発生するジュール熱が少ないことによって、電池温度上昇量が小さいものと考えられる。

実施例１および２の電池を評価後に分解すると、実施例１の電池は正極の集電端子までニッケル異物が達していたのに対し、実施例２の電池は正極の集電端子までニッケル異物が達していないことが確認された。すなわち、挿入する異物の高さが低すぎても、安全性を過大評価する可能性があり、導電性異物の高さは少なくとも絶縁層の厚み（２０μｍ）と正極活物質の厚み（８０μｍ）の和（１００μｍ）以上を有することが好ましいと考えられる。

実施例４では、高さが５００μｍである導電性異物を挿入した。この場合、評価結果のばらつきが大きかった。これは、異物の高さが、正極板の活物質の厚み（１８０μｍ）と、負極板の活物質の厚み（１８０μｍ）と、絶縁層の厚み（２０μｍ）の２倍（４０μｍ）の和（４００μｍ）より大きいため、一部の電池において、２層分の短絡が生じ、発生する熱量が変化したためと考えられる。実際に評価後の電池を分解したところ、１０個中３個の電池において２層に渡って短絡が発生していることが確認された。

（実施例５）
加圧条件を１ｍｍ／ｓの一定速度、最大圧力２００ｋｇ／ｃｍ²から１０ｋｇ／ｃｍ²の一定加圧に変更する以外は、実施例２と同様にして評価を行った。
（実施例６）
加圧条件を１ｍｍ／ｓの一定速度、最大圧力２００ｋｇ／ｃｍ²から５０ｋｇ／ｃｍ²の一定加圧に変更する以外は、実施例２と同様にして評価を行った。
（実施例７）
加圧条件を１ｍｍ／ｓの一定速度、最大圧力２００ｋｇ／ｃｍ²から５００ｋｇ／ｃｍ²の一定加圧に変更する以外は、実施例２と同様にして評価を行った。実施例５〜７の評価結果を表２に示す。

加圧力が５０ｋｇ／ｃｍ²以下である実施例５および６では、試験時の電池温度上昇量にばらつきは少なかったが、５０ｋｇ／ｃｍ²を超える実施例７については、ばらつきが大きかった。これは、加圧時の圧力が大きすぎたために、短絡の面積が安定しなかったことが原因と考えられる。

（実施例８）
実施例１と同様にして電池Ａを作製し、次のような評価を行った。実施例１と同様にして充電した電池をドライエア環境で分解して電極群を取り出し、その最外周部を一部巻きほぐした。正極活物質層と負極活物質層の対向する箇所の絶縁層を、幅方向の中心部において１ｃｍ×１ｃｍの正方形の形に切除した。次にこの切除部を覆い、なおかつその端部が電極群の幅方向にはみ出すように２ｃｍ×８ｃｍ、厚み４０μｍのＰＥＴシートを置いた。このときの電極群の模式図を図４に示す。図４において、１４は絶縁層切除部、１５はＰＥＴシートである。他は、図３と同様である。

その後、再度捲回した電極群を密閉状態で６０℃の恒温槽内に入れ、電池温度が６０℃に達するまでキープした。ＰＥＴシートを引き抜き、その後、１．５ｃｍ角の加圧子を用いて電極群を加圧した。加圧条件は１ｍｍ／ｓの一定速度、最大圧力を５０ｋｇ／ｃｍ²とした。そして、短絡によって電池電圧が４．０Ｖ以下となった瞬間に短絡を停止した。電池電圧以外に、熱電対を用いて電池表面を測定し、短絡発生後５秒間での電池温度上昇量を評価した。また、同様の測定を１０個の電池について行い、電池温度上昇量の標準偏差を求めた。

（実施例９）
実施例２と同様にして電池Ａを作製し、次のような評価を行った。実施例１と同様にして充電した電池をドライエア環境で分解して電極群を取り出し、その最外周部を一部巻きほぐした。正極活物質層と負極活物質層の対向する箇所の絶縁層を、幅方向の中心部において１ｃｍ×１ｃｍの正方形の形に切除した。次にこの切除部を覆い、なおかつその端部が電極群の幅方向にはみ出すように２ｃｍ×８ｃｍ、厚み４０μｍのＰＥＴシートを置いた。このときの電極群の模式図を図４に示す。

その後、再度捲回した電極群を密閉状態で６０℃の恒温槽内に入れ、電池温度が６０℃に達するまでキープした。ＰＥＴシートを引き抜き、その後、１．５ｃｍ角の加圧子を用いて電極群を加圧した。加圧条件は１ｍｍ／ｓの一定速度、最大圧力を５０ｋｇ／ｃｍ²とした。そして、短絡によって電池電圧が４．０Ｖ以下となった瞬間に短絡を停止した。電池電圧以外に、熱電対を用いて電池表面を測定し、短絡発生後５秒間での電池温度上昇量を評価した。また、同様の測定を１０個の電池について行い、電池温度上昇量の標準偏差を求めた。

（参考例１）
実施例１と同様にして電池Ａを作製し、次のような評価を行った。実施例１と同様にして充電した電池を、分解することなく６０℃の恒温槽内に入れ、電池温度が６０℃に達するまでキープした。加圧子に鉄製の釘（φ３ｍｍ）を用いて、まず始めに釘に４０ｋＨｚの超音波を発生させ、電極群に突き刺した。加圧条件は０．１ｍｍ／ｓの一定速度、最大圧力を２００ｋｇ／ｃｍ²とした。そして、０．５ｍｍの深度まで突き刺し後、超音波を停止させた。その後、継続した電圧低下は認められなかった。

さらに超音波を停止させたまま、さらに釘を突刺して短絡させ、電池電圧が４．０Ｖ以下となった後、さらに２００μｍ釘を移動させた後に停止させた。電池電圧以外に、熱電対を用いて電池表面を測定し、短絡発生後５秒間での電池温度上昇量を評価した。また、同様の測定を１０個の電池について行い、電池温度上昇量の標準偏差を求めた。

（参考例２）
実施例２と同様にして電池Ａを作製し、次のような評価を行った。実施例１と同様にして充電した電池を、分解することなく６０℃の恒温槽内に入れ、電池温度が６０℃に達するまでキープした。加圧子に鉄製の釘（φ３ｍｍ）を用いて、まず始めに釘に４０ｋＨｚの超音波を発生させ、電極群に突き刺した。加圧条件は０．１ｍｍ／ｓの一定速度、最大圧力を２００ｋｇ／ｃｍ²とした。そして、０．５ｍｍの深度まで突き刺し後、超音波を停止させた。その後、継続した電圧低下は認められなかった。

さらに超音波を停止させたまま、さらに釘を突刺して短絡させ、電池電圧が４．０Ｖ以下となった後、さらに２００μｍ釘を移動させた後に停止させた。電池電圧以外に、熱電対を用いて電池表面を測定し、短絡発生後５秒間での電池温度上昇量を評価した。また、同様の測定を１０個の電池について行い、電池温度上昇量の標準偏差を求めた。

（参考例３）
実施例１と同様にして電池Ａを作製し、次のような評価を行った。実施例１と同様にして充電した充電した電池を、分解することなく６０℃の恒温槽内に入れ、電池温度が６０℃に達するまでキープした。加圧子に鉄製の釘（φ３ｍｍ）を用いて、電池の底部の半径の中点に突き刺した。短絡が発生し、電池電圧が４．０Ｖ以下となった後、さらに３００μｍ釘を移動させた後に停止させた。電池電圧以外に、熱電対を用いて電池表面を測定し、短絡発生後５秒間での電池温度上昇量を評価した。また、同様の測定を１０個の電池について行い、電池温度上昇量の標準偏差を求めた。

（参考例４）
実施例２と同様にして電池Ａを作製し、次のような評価を行った。実施例１と同様にして充電した電池を、分解することなく６０℃の恒温槽内に入れ、電池温度が６０℃に達するまでキープした。加圧子に鉄製の釘（φ３ｍｍ）を用いて、電池の底部の半径の中点に突き刺した。短絡が発生し、電池電圧が４．０Ｖ以下となった後、さらに３００μｍ釘を移動させた後に停止させた。電池電圧以外に、熱電対を用いて電池表面を測定し、短絡発生後５秒間での電池温度上昇量を評価した。また、同様の測定を１０個の電池について行い、電池温度上昇量の標準偏差を求めた。
実施例８および９、ならびに参考例１〜４の評価結果を表３に示す。

実施例８および９では、内部短絡を発生させる方法として、絶縁層を部分的に切除して加圧した。参考例１および２では、内部短絡を発生させる方法として、超音波の印加下に、電池の内周部に釘を刺した。参考例３および４では、内部短絡を発生させる方法として、電池の底部に釘を刺した。いずれの実施例および参考例においても、電池の最外周の構成に関係なく、同様の電池温度上昇量を示した。また、測定のばらつきも小さく抑えられた。

（安全レベルの特定）
電池Ｂについて、実施例１の内部短絡安全性評価方法により、評価を行った。その結果、電池温度上昇量平均は４℃であった。電池Ｂでは、負極の表面にセラミック多孔膜を用いることによって、内部短絡の安全性が向上している。これは、内部短絡が発生しても、耐熱性絶縁膜の存在によって短絡面積が拡大しないためと考えられる。このため、短絡に伴うジュール発熱の発生量が少なくなり、電池の安全性レベルが格段に向上している。
このように、本発明の試験法を用いることにより、電池の内部短絡による安全性レベルを明確にすることが出来た。そこで、電池の最適な使用用途や、アプリケーション機器の設計を行うことを目的とし、下記のような表記を、電池、電池パック、もしくは電池の特性を明確にするカタログなどに表記することによって電池や電池パックの安全レベルを特定した。

電池Ａ「Ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ６０℃−異物短絡３６℃」
「内部短絡時の安全性レベルは、６０℃環境における異物による内部短絡時の電池温度上昇量が３６℃である。」ということを示す。
電池Ｂ「Ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ６０℃―異物短絡４℃」
「内部短絡時の安全性レベルは、６０℃環境における異物による内部短絡時の電池温度上昇量が４℃である。」ということを示す。

安全レベルの特定は、上記表現方法に限られるものではなく、様々な形態が存在する。たとえば前記した試験の条件や結果を表した数字以外にも、あらかじめ決められた規格に従う記号や文字でも可能である。

本発明の電池の内部短絡評価方法および電池内部短絡評価装置を用いることで、内部短絡に対する安全性を精度よく評価することが可能であるため、信頼性の高い電池を供給できるようになり、市場的に有用である。

本発明の実施の別形態である電池の内部短絡評価装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の別形態である電池の内部短絡評価装置の構成を示すブロック図である。 実施例１における電池の内部短絡評価方法を説明するための斜視図である。 実施例８における電池の内部短絡評価方法を説明するための斜視図である。

符号の説明

１，１ａ 内部短絡安全性評価装置
２ 加圧部
３ 加圧制御部
４ 電池情報測定部
５ 短絡検出部
６ 加圧高さ位置検出部
７ 超音波発生部
８ 超音波制御部
９ 正極
１０ 負極
１０ａ 負極活物質
１０ｂ 負極集電端子露出部
１０ｃ 負極接続端子
１１ 絶縁層
１２ 異物
１３ 電極群
１４ 絶縁層切除部
１５ ＰＥＴシート

Claims (30)

1. 正極と、負極と、正負極を電気的に絶縁する絶縁層とを捲回または積層した電極群、電解質、これらを内包し、外部端子を備えた外装体および電極群と外部端子とを電気的に接続する集電端子を含む電池の内部短絡時の安全性を評価する方法であって、
   （イ）内部に異物を挿入した電池を加圧する内部短絡発生方法、
   （ロ）内部に形状記憶合金またはバイメタルを挿入した電池を加熱または冷却する内部短絡発生方法、および
   （ハ）一部が除去された絶縁層を含む電池に対して絶縁層の除去部分を加圧する内部短絡発生方法よりなる群から選ばれる方法により電池に内部短絡を発生させ、該電池から得られる電池情報を検知するかまたは目視により内部短絡の発生を検出することを特徴とする電池の内部短絡評価方法。
2. 電池情報が電池の電圧であり、かつ電池の電圧低下を検知して、内部短絡の発生を検出する請求項１に記載の電池の内部短絡評価方法。
3. 電池情報が電池の温度であり、かつ電池の温度変化を検知して、内部短絡の発生を検出する請求項１に記載の電池の内部短絡評価方法。
4. 電池情報が電池から発生する音であり、かつ内部短絡に伴って電池から発生する音を検知して、内部短絡の発生を検出する請求項１に記載の電池の内部短絡評価方法。
5. 電池情報が電池から発生する光であり、かつ内部短絡に伴って電池から発生する光を検知して、内部短絡の発生を検出する請求項１に記載の電池の内部短絡評価方法。
6. （イ）の内部短絡発生方法は、電池の電極群内部の正極と負極が対向する箇所に異物を挿入し、異物を挿入した部分を加圧し、正負極間に介在する絶縁層を局所的に破壊することによって行われる請求項１〜５のいずれか１つに記載の電池の内部短絡評価方法。
7. （イ）の内部短絡発生方法は、組み立てられた電池を分解して外装体から取り出した電極群内部の正極と負極が対向する箇所に異物を挿入し、再度組み立てた後に、加圧することによって行われる請求項１〜５のいずれか１つに記載の電池の内部短絡評価方法。
8. （イ）の内部短絡発生方法は、組み立てられた電池を分解して外装体から取り出した電極群内部の正極と負極が対向する箇所に、絶縁シートおよび異物を重ねて挿入し、再度組み立てた後に絶縁シートを引き抜き、さらに加圧することによって行われる請求項１〜５のいずれか１つに記載の電池の内部短絡評価方法。
9. 絶縁シートが耐熱性を有する請求項８に記載の電池の内部短絡評価方法。
10. 内部短絡の発生を検出して、加圧を停止する請求項６〜９のいずれか１つに記載の電池の内部短絡評価方法。
11. 加圧の圧力をモニターし、圧力の低下を検出して加圧を停止する請求項１０に記載の電池の内部短絡評価方法。
12. 加圧を一定速度で行う請求項６〜１１のいずれか１つに記載の電池の内部短絡評価方法。
13. 加圧の圧力が一定である請求項６〜１２のいずれか１つに記載の電池の内部短絡評価方法。
14. 加圧の圧力が５０ｋｇ／ｃｍ²以下である請求項６〜１３のいずれか１つに記載の電池の内部短絡評価方法。
15. 異物が導電性異物である請求項６〜１４のいずれか１つに記載の電池の内部短絡評価方法。
16. 異物が異方性を有する請求項６〜１４のいずれか１つに記載の電池の内部短絡評価方法。
17. 異物が略馬蹄形、円錐、角錐、円柱（長さ／径≧１．５）および直方体（最長辺／他の二辺の長さ≧１．５）よりなる群から選ばれる少なくとも１つの形状を有する請求項１６に記載の電池の内部短絡評価方法。
18. 電池作製時の電解液注入前に、異物を挿入する請求項６に記載の電池の内部短絡評価方法。
19. 電池がリチウム二次電池であり、異物がＮｉ、Ｃｕ、ステンレス鋼またはＦｅを含み、かつ正極と負極が対向する箇所の、負極と絶縁層との間に異物を挿入する請求項１８に記載の電池の内部短絡評価方法。
20. 電池がリチウム二次電池であり、異物がＡｌまたはステンレス鋼を含み、かつ正極と負極が対向する箇所の、正極と絶縁層との間に異物を挿入する請求項１８に記載の電池の内部短絡評価方法。
21. 電池がリチウム二次電池であり、ａ＋ｂ≦ｄ（式中、ａは正極の活物質層の厚みを示す。ｂは絶縁層の厚みを示す。ｄは電極面に対して垂直な方向の異物の長さを示す。）を満たす異物を電極群内部の電極上に挿入する請求項６〜２０のいずれか１つに記載の電池の内部短絡評価方法。
22. ２ｂ＋ｃ＋ｅ≧ｄ（式中、ｂは絶縁層の厚みを示す。ｃは正極の厚みを示す。ｄは電極面に対して垂直な方向の異物長さを示す。ｅは負極板の厚みを示す。）を満たす異物を電極群内部の電極上に挿入する請求項６〜２０のいずれか１つに記載の電池の内部短絡評価方法。
23. （ロ）の内部短絡発生方法は、電池の電極群内部の正極と負極が対向する箇所に形状記憶合金またはバイメタルを挿入し、加熱または冷却して形状記憶合金またはバイメタルを変形させ、絶縁層を局所的に破壊することによって行われる請求項１〜５のいずれか１つに記載の電池の内部短絡評価方法。
24. （ハ）の内部短絡発生方法は、絶縁層のうち、正極と負極とが対向する箇所を一定面積切除し、前記切除部を加圧することによって行われる請求項１〜５のいずれか１つに記載の電池の内部短絡評価方法。
25. 絶縁層の切除は、電極群を組み立てる前に行われる請求項２４に記載の電池の内部短絡評価方法。
26. 絶縁層の切除は、組み立てられた電池を分解して外装体から電極群を取り出し、電極群に含まれる絶縁層に対して行い、かつ絶縁層の切除後に再び電池が組み立てられる請求項２４に記載の電池の内部短絡評価方法。
27. 絶縁層の切除部の少なくとも一方に絶縁シートを載置した状態で電極群を組み立て、得られた電極群から絶縁シートを引き抜いた後に、前記切除部を加圧する請求項２４〜２６のいずれか１つに記載の電池の内部短絡評価方法。
28. 電池の少なくとも一部分に圧力を加える加圧部と、
    電池情報を測定する電池情報測定部と、
    電池情報測定部による測定結果と内部短絡の基準値とを比較して内部短絡が発生しているか否かを判定し、判定結果に応じて内部短絡が発生しているとの検知信号を発する少なくとも１つの短絡検知部と、
    加圧部の位置情報を検出する加圧高さ位置検出部と、
    加圧高さ位置検出部からの加圧部の位置情報と短絡検知部からの検知信号とに基づいて、加圧部による加圧の圧力を調整する第１制御部とを含む、電池内部短絡評価装置。
29. さらに、短絡検知部からの検知信号に応じて制御信号を第１制御部に送る少なくとも１つの第２制御部を備え、
    第２制御部が、短絡検知部からの検知信号に応じて制御信号を発する制御回路を備え、
    第１制御部が、第２制御部からの制御信号によって、加圧高さ位置検出部からの加圧部の位置情報に応じて、加圧部による加圧の圧力を調整する、請求項２８に記載の電池内部短絡評価装置。
30. 電池の少なくとも一部に超音波を印加する超音波発生装置と、超音波発生装置を制御する超音波制御器とをさらに含む請求項２８に記載の電池内部短絡評価装置。

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