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
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Description
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。
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。〕
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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、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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
「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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- (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。
- (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。
- (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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- (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。
- (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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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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