JP5365119B2 - 電池状態判定装置、車両および電池状態判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池状態判定装置、該装置を搭載した車両および電池状態判定方法に関する。

電解液の分解により発生するガスを検出して、二次電池の内部状態（充電状態）を判定する方法が開示されている（特許文献１参照）。この方法では、電解液中に薄膜を配置し、発生した気泡を該薄膜に集め、はじけた気泡からの弾性波を薄膜に設置されたセンサにより検出している。

特開平７−８５８９２号公報

しかしながら、上記方法では、過充電などの充電状態を判定できるものの、電池の劣化に関しては内部状態を判定できない。本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電池の劣化に関する内部状態を判定できる電池状態判定装置、車両および電池状態判定方法を提供することを目的とする。

本発明の電池状態判定装置は、電池表面に取り付けられ、該電池内部において発生する弾性波を検出するセンサと、電池内部から発生しうる弾性波の波形を予め記憶している記憶部を有する。そして、センサによって検出した弾性波を、記憶部に記憶されている波形と比較することによって、電池の内部状態を判定する判定部を有する。その判定部は、電池の充放電サイクルの回数を計測し、該回数が所定回数以下の場合、センサによって検出した弾性波が、初期充放電サイクルとして記憶部に記憶されている波形と一致するか否かを判断し、一致しない場合に、電池の内部状態が劣化状態であると判定する。充放電サイクルの回数が所定回数よりも多い場合、センサによって検出した弾性波が、初期充放電サイクルとして記憶部に記憶されている波形と一致するか否かを判断し、一致する場合に、電池の内部状態が劣化状態であると判定する。

また、本発明の電池状態判定方法は、電池表面に取り付けられたセンサから、該電池内部において発生する弾性波を検出する検出工程を有する。さらに、センサによって検出した弾性波の波形を、記憶部に予め記憶されている発生可能性のある弾性波の波形と比較する比較工程と、比較結果に基づいて、電池の内部状態を判定する判定工程と、を有する。その判定工程では、電池の充放電サイクルの回数を計測し、該回数が所定回数以下の場合、前記センサによって検出した弾性波が、初期充放電サイクルとして記憶部に記憶されている波形と一致するか否かを判断し、一致しない場合に、電池の内部状態が劣化状態であると判定する。充放電サイクルの回数が前記所定回数よりも多い場合、センサによって検出した弾性波が、初期充放電サイクルとして記憶部に記憶されている波形と一致するか否かを判断し、一致する場合に、電池の内部状態が劣化状態であると判定する。

電池内で発生した弾性波の波形を、予め記憶している弾性波の波形と比較することによって、電池内部で発生している電池の劣化状態を把握あるいは推測できる。（また、センサは電池表面に取り付けるだけなので、電池内部に細工をする必要がなく、簡易な構成で、電池の内部状態を検出できる。）

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１は電池状態判定装置の概略構成を示す図、図２は双極型二次電池の断面図、図３は弾性波の波形パターンを示す図である。

（第１実施形態）
電池状態判定装置１０は、電池２０が充放電される際にその内部で起こる劣化現象を判定する装置である。本実施形態では、判定対象の電池２０として、二次電池の初期充電サイクル時に電池内部で生じる現象を判定する。初期充電時の現象を判定するため、電池状態判定装置１０および電池２０には、電池２０を充放電する充放電装置３０が接続されている。

電池状態判定装置１０は、弾性波測定部（ＡＥ測定装置）１２と、記憶部１４と、判定部１６とを有する。弾性波測定部１２は、さらに、電池２０に取り付けられるセンサ１２２と、該センサ１２２が接続された弾性波測定器１２４とを有する。

センサ１２２は、電池表面に取り付けられ、該電池内部において発生する弾性波を検出する。本実施形態では、２つのセンサ１２２が、電池２０の上表面の対角線上に取り付けられている。ここで、図２を参照して、センサ１２２の取り付け位置および電池の構成について説明する。

本実施形態では、電池２０は、双極型二次電池である。電池２０は、集電体２１の一方の面に正極活物質層２２が形成され他方の面に負極活物質層２３が形成されてなる双極型電極が、電解質層２４を挟んで積層された電池要素を含む。隣接する正極活物質層２２、電解質層２４、および負極活物質層２３を含んで構成される単電池層２５の周囲を取り囲むように絶縁性部材（シール部材）２６が配置されている。電池要素は、最外層の集電体２１が引き出されるように、２枚のラミネートシート２７の間に密閉されている。

センサ１２２は、絶縁性部材２６が配置されている位置に対応する位置に取り付けられる。換言すると、センサ１２２は、ラミネートシート上であって、最外層の絶縁性部材２６から最も近い位置に取り付けられている。充放電時に電池２０内で発生した弾性波は、集電体２１および絶縁性部材２６を伝搬する。したがって、絶縁性部材２６から近い位置に取り付けられたセンサ１２２は、伝搬してきた弾性波を感度よく検出できる。

弾性波測定器１２４は、センサ１２２によって検出された弾性波を、たとえば、アンプを用いて増幅しフーリエ変換して成分波に分ける。これによって、電池２０内部で発生している弾性波の突発波形を把握できる。弾性波測定器１２４は、変換した弾性波のデータを判定部１６に送信する。なお、弾性波測定器１２４の機能は、判定部１６に統合しても良い。

記憶部１４は、電池２０の内部から発生する弾性波の波形を予め記憶している。たとえば、図３の（Ａ）〜（Ｃ）に示すような波形を予め記憶している。この波形は、事前に双極型二次電池を測定することによって得たものであり、電池２０の状態を判定するときの基準となる。記憶部１４は、記憶している弾性波の波形毎に、該弾性波が発生したときの電池の内部状態を対応付けて記憶している。たとえば、電池の充放電サイクルにおいては、電池２０に合金材料が用いられた場合微粉化されるという現象が確認されている。この微粉化現象は、電池２０内部の劣化現象（状態）として、これに起因する弾性波の波形と対応づけて、記憶部１４に記憶されている。他の電池内部の劣化現象としては、正極活物質層２２および負極活物質層２３に含まれるバインダの剥離、脱離がある。電池２０は、充放電されるたびに、膨張、圧縮を繰り返す。このときに、バインダが剥離、脱離される。この剥離等の現象も、これに起因して生じる弾性波の波形と対応づけて、記憶部１４に記憶されている。

判定部１６は、たとえば、コンピュータ等の情報処理装置である。判定部１６は、充放電装置３０を制御して、電池２０の充放電を制御する。判定部１６は、充放電サイクルで生じた弾性波の検出結果を弾性波測定部１２から得る。判定部１６は、センサ１２２によって検出した弾性波を、記憶部１４に記憶されている波形と比較することによって、電池の内部状態を判定する。この判定部１６の判定工程については、図４を参照しつつ、詳細に説明する。

図４は、電池状態判定の手順を示すフローチャートである。なお、図４に示される工程は、特に主体を明示していない場合には、判定部１６によって実行される。

判定部１６は、センサ１２２によって、何らかのイベント（振動）が検出されたかどうかを判断する（ステップＳ１）。イベントが検出されていない場合（ステップＳ１：ＮＯ）、判定部１６は、イベント検出まで待機する。

イベントが検出された場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、判定部１６は、検出されたイベントがノイズレベルを超えるかどうかを判断する（ステップＳ２）。この判断は、設定された基準レベルを超えるかどうかによって、判定部１６または弾性波測定器１２４のいずれかで実行される。ノイズレベルを超えない場合（ステップＳ２：ＮＯ）、ステップＳ１の処理に戻る。

ノイズレベルを超える場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、判定部１６は、検出したイベントの減衰速度が所定値以下かどうか判断する（ステップＳ３）。この判断は、判定部１６または弾性波測定器１２４のいずれかで実行される。減衰速度が所定値以下でない場合（ステップＳ３：ＮＯ）、ステップＳ１の処理に戻る。これにより、ノイズレベルを超えるイベントだとしても、持続時間が短ければ、ノイズと判断される。

減衰速度が所定値以下である場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、検出されたイベントは、弾性波と認められ、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理により、周波数解析される。続けて、判定部１６は、ＦＦＴ処理された弾性波の波形が、記憶部１４に記憶されているいずれかの波形と一致するかどうか判断する（ステップＳ５）。

一致しない場合（ステップＳ５：ＮＯ）、判定部１６は、電池の内部状態が劣化状態と判定する（ステップＳ６）。予め記憶部１４には、電池内部で発生しうる弾性波の波形が複数記憶されているので、記憶された波形に該当しない場合には、事前に確認されていない現象が電池内部で生じていることがわかる。

ＦＦＴ処理された弾性波の波形が、記憶部１４に記憶されているいずれかの波形と一致する場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、判定部１６は、検出した弾性波の周波数が１００ｋＨｚ以下かどうか判断する（ステップＳ７）。

１００ｋＨｚ以下である場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、判定部１６は、ＦＦＴ処理された弾性波の波形を、記憶部１４に記憶されている弾性波の波形のうち、低周波のものと比較する（ステップＳ８）。１００ｋＨｚ以下の弾性波が検出された場合、電池２０内部で生じている現象は、電解質（電解液）での現象、すなわち、気泡の発生である。したがって、電池内部状態が、１００ｋＨｚ以下の弾性波の発生の原因となる低周波特性現象として、気泡の発生が特定される。

１００ｋＨｚより大きい場合（ステップＳ７：ＮＯ）、判定部１６は、ＦＦＴ処理された弾性波の波形を、記憶部１４に記憶されている弾性波の波形のうち、図３に示されるような高周波のものと比較する（ステップＳ９）。判定部１６は、一致する波形に対応する電池内部の現象を記憶部１４から呼び出し、今回の弾性波の原因となる現象として特定する。特定結果は、記憶部１４に記憶され、判定部１６に設けられた表示ディスプレイに表示されてもよい。

上記ステップＳ１〜９の処理は、電池状態判定装置１０が停止されるまで、繰り返し実行される。

以上のように、第１実施形態では、電池２０内で発生した弾性波の波形を、予め記憶している弾性波の波形と比較することによって、電池内部で発生している現象を把握あるいは推測できる。また、センサ１２２は電池表面に取り付けるだけなので、電池２０内部に細工をする必要がなく、簡易な構成で、電池の内部状態を検出できる。

また、電池２０内で発生した弾性波の波形を、予め記憶している弾性波の波形と比較するので、一致しない場合に、電池２０内部で事前に確認されていない現象が生じていると容易に判断できる。すなわち、電池の劣化状態を容易に確認できる。

弾性波の波形に基づいて電池２０の内部状態を判別できるので、電池２０の内部状態を簡単に把握できる。

センサ１２２が２個設けられているので、ノイズ判断のチェック機能を付加できる。すなわち、一方のセンサ１２２だけで検出されていたとしても、他方のセンサ１２２で検出されていないような場合には、ノイズと判定できる。また、一方のセンサ１２２が故障しても、他方で弾性波を検出でき、装置の機能の保証を向上できる。

双極型電池中の絶縁性部材が配置される位置に対応する電池表面にセンサ１２２が取り付けられるので、絶縁性部材を伝搬した弾性波の振動を適切に検出できる。

（変形例）
なお、上記第１実施形態では、センサ１２２を、電池２０の表面の対角線上に２つ配置しているが、これに限定されない。たとえば、図５に示すように、センサ１２２を複数個配置してもよい。

図５は、センサの配置例を示す図である。

図５（Ａ）では、センサ１２２を３個配置している。センサ１２２を３個以上配置することによって、電池２０内で発生した弾性波の発生場所を２次元的に特定できる。ここで、判定部１６は、事前に弾性波の速度を求めて把握しておけば、各センサ１２２に到達する時間の相違により３次元的に弾性波の発生位置を確認することもできる。

図５（Ｂ）のように、電池２０の四隅にセンサ１２２を配置すれば、より正確に、弾性波の発生位置を特定できる。

また、上記第１実施形態では、電池２０として双極型二次電池を判定対象とする場合について説明したが、これに限定されない。電池２０として、図６に示す構造を有する積層型電池を用いてもよい。

図６は、積層型電池にセンサを取り付けた様子を示す図である。

積層型電池４０は、正極集電体４１の両面に正極活物質層４２が形成されてなる正極と、負極集電体４３の両面に負極活物質層４４が形成されてなる負極とが、電解質層４５を介して積層された電池要素を有する。電池要素は、２枚のラミネートシート４８の間に密閉され、正極集電体４１同士および負極集電体４３同士が束ねられ引き出されている。

センサ１２２は、ラミネートシート４８の表面に取り付けられている。ラミネートシート４８内は電解液が充填され、減圧されている。積層型電池４０がリジッドに構成されているので、センサ１２２は、積層型電池４０内部で発生した弾性波を感度よく検出できる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、１つの電池２０に、電池状態判定装置１０を取り付ける例について説明している。しかし、複数個の電池２０を接続してなる組電池に、電池状態判定装置１０を適用することもできる。

図７は、組電池に電池状態判定装置を適用した様子を示す図である。電池状態判定装置１０の基本的構成については、第１実施形態と同様なので、組電池５０に取り付けられるセンサ１２２のみ図示している。

組電池５０は、上記のような双極型二次電池や積層型電池４０の単位電池２０が直列または並列接続され、あるいは直列および並列接続されてなる。図示の組電池５０では、複数の単位電池２０がケース５１に収納されて、さらに該ケース５１が複数個接続されている。

該ケースから突出する電極（正極、負極）５２、５３は、導電バー５４によって接続されている。また、組電池５０の側面には、固定部材５５が設けられている。固定部材５５は、ケース５１同士をリジッドに接続する。

センサ１２２は、固定部材５５に取り付けられている。これにより、組電池においても、弾性波を検出して、組電池５０の内部状態を判定できる。しかも、固定部材５５にセンサが取り付けられるので、固定部材５５を伝搬してきた弾性波の振動を検出できる。

なお、ケース５１同士を固定する固定部材として、板状部材の例を説明しているが、これに限定されない。超音波溶接、熱溶接、レーザー溶接、リベット、かしめ、電子ビームなどいかなる固定手段によって、ケース５１同士が接続されてもよい。この場合、接続箇所付近にセンサ１２２が取り付けられる。また、ケース５１に収納せずに、単位電池２０同士を固定部材により接続して、該固定部材にセンサ１２２を取り付けてもよい。

図中では、２個のセンサ１２２を取り付けている様子を示しているが、これに限定されない。３個以上取り付けることによって、組電池５０のどのケース５１、さらには、ケース５１中のどの単位電池２０からの弾性波かを特定できる。組電池５０中のより詳細な内部状態を判定できる。

（第３の実施の形態）
第１実施形態では、主に、電池２０の初期充放電サイクルにおける電池の内部状態の判定を行っている。しかし、初期充放電サイクルだけに限定せずに、その後の充放電サイクルの電池の内部状態の判定にも、電池状態判定装置１０は適用できる。

第３実施形態では、車両に電池状態判定装置１０および組電池５０を適用した例について説明する。

図８は電池状態判定装置を搭載した車両を示す図、図９は電池状態判定装置の動作の流れを示すフローチャートである。

車両６０には、第２実施形態の組電池５０が駆動用電源として搭載されている。組電池５０は、電池状態判定装置１０に接続されている。電池状態判定装置１０は、図１とほぼ同様の機能を有している。ただし、構成としては、判定部１６および弾性波測定器１２４が、車両の動作を制御するＥＣＵとして統合されることができる。記憶部１４も、ＥＣＵの付属構成として設けられることができる。

電池状態判定装置１０の作用について、図９を参照しつつ説明する。なお、図９に示すフローチャートにおいて、図４に示すフローチャートと同様の工程については、同じ工程番号を付している。

まず、第１実施形態と同様に、判定部１６は、ステップＳ１〜４を経て、ノイズでないイベント（弾性波）を検出し、高速フーリエ変換する。続けて、判定部１６は、今回の充放電サイクルが、初期充放電サイクルかどうか判断する（ステップＳ１０）。判定部１６は、今回の充放電サイクルが何サイクル目かを計数しており、たとえば、１０回目を閾値として、１０回以下の場合に、初期充放電サイクルと判定する。初期充放電サイクルかどうかを判定する閾値は、１０回に限定されず、任意に設定できる。

初期充放電サイクルである場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、判定部１６は、ステップＳ５〜９の処理を実行する。この処理は、第１実施形態と同様であり、初期充放電サイクルにおける組電池５０内の状態を判定するためのものである。

初期充放電サイクルでない場合（ステップＳ１０：ＮＯ）、判定部１６は、検出された弾性波の波形がすでに３回以上発生しているか判断する（ステップＳ１１）。同波形が３回以上発生していることを確認することによって、組電池５０内で特定現象が発生していると予想できる。特定現象が発生しているかどうかを判定する閾値は、３回に限定されず、任意に設定できる。

同波形が３回以上発生していない場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、特定現象が発生しているとは、まだ推定できないので、ステップＳ１の処理に戻る。同波形が３回以上発生している場合（ステップＳ１１：：ＹＥＳ）、判定部１６は、該波形が記憶部１４に記憶されているいずれかの波形と一致するかどうか判断する（ステップＳ５）。一致する場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、判定部１６は、組電池５０内で劣化状態が発生していると判断する（ステップＳ１３）。記憶部１４に記憶されている波形は、初期充放電サイクルで発生することが確認されている弾性波の波形である。したがって、初期充放電サイクルで終了しているべき波形がここで発生しているということは、組電池５０内で劣化状態が発生していることになるからである。

一方、検出された弾性波の波形が、記憶部１４の波形と一致しない場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、判定部１６は、組電池５０が正常と判断する（ステップＳ１４）。特定波形は発生しているものの初期充放電サイクルで発生すべきものではないからである。

以上のように、第３実施形態では、初期充放電サイクルかを判定するので、記憶部１４に記憶されており初期充放電サイクルで発生すべき波形が通常の充放電サイクルで発生している場合に、電池の内部が劣化状態であると判断できる。また、初期充放電サイクルと判定した場合には、第１実施形態と同様の効果が得られる。

特に、電池状態判定装置１０を車両に搭載しているので、車両が駆動しているときの駆動電池の内部状態を判定できる。

（第４実施形態）
第４実施形態では、上記第１〜第３実施形態の処理に加えて、イベントの発生回数に従って、電池状態判定装置１０が電池性能低下判断をさらに行う態様について説明する。

図１０は電池状態判定装置１０の作用の流れを示すフローチャート、図１１は充電容量およびイベントの発生回数と時間との関係を示す図、図１２は１回目の充放電サイクルにおける充電容量と総イベント数との関係を示す図である。

まず、判定部１６は、図４のフローチャートのステップＳ１〜３と同様の処理によって、ノイズでない弾性波の発生を検出する（ステップＳ１〜３）。そして、判定部１６は、イベントが検出されるたびに、イベント発生回数をインクリメントする（ステップＳ２０）。

続けて、判定部１６は、電池２０あるいは組電池５０の１つの充放電サイクルが終了したかどうか判断する（ステップＳ２１）。１つの充放電サイクルが終了していない場合（ステップＳ２１：ＮＯ）、ステップＳ１の処理に戻る。

１つの充放電サイクルが終了した場合（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、判定部１６は、この充放電サイクルの間に発生したイベントの合計数が、所定の閾値を超えるか判断する（ステップＳ２２）。ここで、閾値は、通常発生するイベントの回数に基づいて設定される。通常発生するイベントの回数は、たとえば、図１１に示す通りである。図１１の下側のグラフを参照すると、３回の充放電サイクル（上側のグラフ）の間で、１回目の充放電サイクルの間に大部分のイベントが発生しているのがわかる。ここで、たとえば、１回目の充放電サイクルで１０００回のイベントが発生しているとする。この場合、閾値は、１０００回よりも多く、５０００回や１万回に設定される。

合計イベント発生回数が所定の閾値を超える場合（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、電池性能低下と判断される（ステップＳ２３）。たとえば、図１２に示すように、１回目の充放電サイクルにおいて、電池の充電容量とイベント発生回数とは比例関係を有する電極材料があることが分かっている。つまり、弾性波の発生というイベントにより、充電時の電池内部の変化が確認できることがわかっている。したがって、多くイベントが発生して、閾値を超えるということは、通常では起こらない変化が電池内部で発生していると推測できる。

所定の閾値を超えない場合（ステップＳ２２：ＮＯ）、判定部１６は、電池が正常と判断する（ステップＳ２４）。

以上のように、第４実施形態では、弾性波の発生回数、すなわち、イベント発生回数が異常に多い場合に、電池性能低下と判定できる。

第４実施形態では、閾値を、１つだけ設定しているが、これに限定されない。１回目の充放電サイクルでは図１１に示すように、多くのイベントが発生するのがわかっているので、大きな値を閾値とし、２回目以降の充放電サイクルではそれよりも小さい値、たとえば、１０００回を閾値としてもよい。

なお、図１０に示す手順は、単独で説明されてきたが、第１実施形態および第３実施形態のフローチャートの手順に組み込まれて並列に実施されることもできる。

（電池材料）
本発明の電池における、集電体２１、正極活物質層２２、４２、負極活物質層２３、４４、電解質層２４、４５、単電池層２５、４６、絶縁性部材２６、４７、ラミネートシート（電池外装材）２７、４８、正極集電体４１、負極集電体４３などの材料は、公知の材料を用いればよく、特に限定されるものではない。参考までに、以下、本発明のラミネート電池がリチウムイオン二次電池である場合について簡単に記述する。

［集電体］
集電体には、たとえば、金属や導電性高分子が採用されうる。具体的には、たとえば、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン、銅などの金属材料が挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性、電池作動電位という観点からは、アルミニウム、銅が好ましい。

［正極活物質層および負極活物質層］
正極活物質層および負極活物質層は活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。

正極活物質層は、正極活物質を含む。正極活物質としては、たとえば、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、Ｌｉ（Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｎ）Ｏ_２およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、２種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。

負極活物質層は、負極活物質を含む。負極活物質としては、たとえば、グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、リチウム−遷移金属複合酸化物（たとえば、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）、金属材料、リチウム−金属合金材料などが挙げられる。場合によっては、２種以上の負極活物質が併用されてもよい。好ましくは、炭素材料またはリチウム−遷移金属複合酸化物が、負極活物質として用いられる。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。

各活物質層に含まれるそれぞれの活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは１〜２０μｍであり、より好ましくは１〜５μｍである。ただし、この範囲を外れる形態が採用されても、勿論よい。なお、本明細書中において、「粒子径」とは、活物質粒子の輪郭線上の任意の２点間の距離のうち、最大の距離Ｌを意味する。「平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。

正極活物質層および負極活物質層に含まれうる添加剤としては、たとえば、バインダ、導電助剤、電解質塩（リチウム塩）、イオン伝導性ポリマー等が挙げられる。

バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、合成ゴム系バインダ等が挙げられる。

導電助剤とは、正極活物質層１２または負極活物質層１５の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、気相成長炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。

電解質塩（リチウム塩）としては、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ）、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３等が挙げられる。

イオン伝導性ポリマーとしては、たとえば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）系およびポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）系のポリマーが挙げられる。

正極活物質層および負極活物質層中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水溶媒二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。

各活物質層の厚さについても特に制限はなく、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、各活物質層の厚さは、２〜１００μｍ程度である。

［電解質層］
電解質層を構成する電解質としては、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。

液体電解質は、可塑剤である有機溶媒に支持塩であるリチウム塩が溶解した形態を有する。可塑剤として用いられうる有機溶媒としては、たとえば、エチレンカーボネート（ＥＣ）やプロピレンカーボネート（ＰＣ）等のカーボネート類が例示される。また、支持塩（リチウム塩）としては、ＬｉＢＥＴＩ等の電極の活物質層に添加されうる化合物が同様に採用されうる。

一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない真性ポリマー電解質に分類される。

ゲル電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、上記の液体電解質が注入されてなる構成を有する。マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、たとえば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、およびこれらの共重合体等が挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系ポリマーには、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。

なお、電解質層が液体電解質やゲル電解質から構成される場合には、電解質層にセパレータを用いてもよい。セパレータの具体的な形態としては、たとえば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜が挙げられる。

真性ポリマー電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩（リチウム塩）が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。したがって、電解質層が真性ポリマー電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。

ゲル電解質や真性ポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー（たとえば、ＰＥＯやＰＰＯ）に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。

［電池外装材］
電池外装材としては、公知の金属缶ケースを用いることができほか、発電要素（電池要素）を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、たとえば、ＰＰ、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる３層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。本発明では、高出力化や冷却性能に優れ、ＥＶ、ＨＥＶ用の大型機器用電池に好適に利用することができるラミネートフィルムが望ましい。

電池状態判定装置の概略構成を示す図である。 双極型二次電池の断面図である。 弾性波の波形パターンを示す図である。 電池状態判定の手順を示すフローチャートである。 センサの配置例を示す図である。 積層型電池にセンサを取り付けた様子を示す図である。 組電池に電池状態判定装置を適用した様子を示す図である。 電池状態判定装置を搭載した車両を示す図である。 電池状態判定装置の動作の流れを示すフローチャートである。 電池状態判定装置１０の作用の流れを示すフローチャートである。 充電容量およびイベントの発生回数と時間との関係を示す図である。 １回目の充放電サイクルにおける充電容量と総イベント数との関係を示す図である。

符号の説明

１０ 電池状態判定装置、
１２ 弾性波測定部、
１４ 記憶部、
１６ 判定部、
２０ 電池、
２１ 集電体、
２２、４２ 正極活物質層、
２３、４４ 負極活物質層、
２４、４５ 電解質層、
２５、４６ 単電池層、
２６ 絶縁性部材、
２７、４８ ラミネートシート、
３０ 充放電装置、
４０ 積層型電池、
４１ 正極集電体、
４３ 負極集電体、
５０ 組電池、
５１ ケース、
５２、５３ 電極、
５４ 導電バー、
５５ 固定部材、
６０ 車両、
１２２ センサ、
１２４ 弾性波測定器。

Claims (9)

1. 電池表面に取り付けられ、該電池内部において発生する弾性波を検出するセンサと、
   電池内部から発生しうる弾性波の波形を予め記憶している記憶部と、
   前記センサによって検出した弾性波を、前記記憶部に記憶されている波形と比較することによって、電池の内部状態を判定する判定部と、を有し、
   前記判定部は、
   前記電池の充放電サイクルの回数を計測し、
   該回数が所定回数以下の場合、前記センサによって検出した弾性波が、初期充放電サイクルとして前記記憶部に記憶されている波形と一致するか否かを判断し、一致しない場合に、電池の内部状態が劣化状態であると判定し、
   前記充放電サイクルの回数が前記所定回数よりも多い場合、前記センサによって検出した弾性波が、初期充放電サイクルとして前記記憶部に記憶されている波形と一致するか否かを判断し、一致する場合に、電池の内部状態が劣化状態であると判定する電池状態判定装置。
2. 前記記憶部は、弾性波の波形ごとに、該弾性波が発生したときの電池の内部状態を対応付けて記憶しており、
   前記判定部は、前記センサによって検出した弾性波の波形が、前記記憶部に記憶されている波形と一致する場合、一致する波形に対応する内部状態を現在の前記電池の内部状態と判定する請求項１に記載の電池状態判定装置。
3. 前記センサは、少なくとも２個取り付けられている請求項１または２に記載の電池状態判定装置。
4. 前記判定部は、前記弾性波の発生回数を計数し、該発生回数が閾値以上の場合に、電池性能の低下と判定する請求項１〜３のいずれか一項に記載の電池状態判定装置。
5. 前記電池は、集電体の一方の面に正極活物質層が形成され他方の面に負極活物質層が形成されてなる双極型電極が、電解質層を挟んで積層され、隣接する前記正極活物質層、前記電解質層、および前記負極活物質層を含んで構成される単電池層の周囲を取り囲むように絶縁性部材が配置されてなる双極型電池であって、
   前記センサは、前記絶縁性部材が配置される位置に対応する前記電池表面に取り付けられる請求項１〜５のいずれか一項に記載の電池状態判定装置。
6. 前記電池は、複数の独立した単電池を積層して直列または並列接続してなる組電池であり、
   前記センサは、前記複数の単電池同士を固定する固定部材に取り付けられる請求項１〜５のいずれか一項に記載の電池状態判定装置。
7. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の電池状態判定装置を搭載してなる車両。
8. 電池表面に取り付けられたセンサから、該電池内部において発生する弾性波を検出する検出工程と、
   前記センサによって検出した弾性波の波形を、記憶部に予め記憶されている発生可能性のある弾性波の波形と比較する比較工程と、
   比較結果に基づいて、電池の内部状態を判定する判定工程と、を有し、
   前記判定工程では、
   前記電池の充放電サイクルの回数を計測し、
   該回数が所定回数以下の場合、前記センサによって検出した弾性波が、初期充放電サイクルとして前記記憶部に記憶されている波形と一致するか否かを判断し、一致しない場合に、電池の内部状態が劣化状態であると判定し、
   前記充放電サイクルの回数が前記所定回数よりも多い場合、前記センサによって検出した弾性波が、初期充放電サイクルとして前記記憶部に記憶されている波形と一致するか否かを判断し、一致する場合に、電池の内部状態が劣化状態であると判定する電池状態判定方法。
9. 前記記憶部は、弾性波の波形ごとに、該弾性波が発生したときの電池の内部状態を対応付けて記憶しており、
   前記判定工程では、前記センサによって検出した弾性波の波形が、前記記憶部に記憶されている波形と一致する場合、一致する波形に対応する内部状態を現在の前記電池の内部状態と判定する請求項８に記載の電池状態判定方法。