JP5818030B2 - 電池の応答特性の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池の応答特性を測定する応答特性測定方法に関し、とくに電池の応答特性を再現性良く、精密に測定可能な応答特性測定方法に関する。

電池の応答特性を調べる測定方法の一つとして、インピーダンス測定がある。インピーダンス測定では、電池に交流電圧または交流電流を与え、電流または電圧の応答を取得する。インピーダンス測定の結果は、例えばナイキストプロットとして示すことができる。

インピーダンス測定の結果は、インピーダンス測定を開始する前の電池の状態履歴によって変化するため、前段階の処理として、例えば初期電圧V0から充電または放電により任意の設定電圧Vsに調整する処理が実施される。インピーダンス測定は、電圧調整完了直後に開始される場合も、非特許文献１に記載されているように、一定時間の静止状態を設けた後に開始される場合もある。後者の場合、静止状態に費やされる時間は一律に決められるものではなく、試験者によって任意の時間が設定される。

特開２０１０−３３９２２号公報

''Kinetic Characterization of Single Particles of LiCoO2 by AC Impedance and Potential Step Methods'' K. Dokko et al., Journal of The Electrochemical Society, vol.148, (5),A422-426 (2001)

しかし、設定電圧Vsの値および設定電圧Vsの設定手順が同一であっても、実際の電池電圧等が安定していないことがある。

このような現象の原因の一つとして、電池の充放電による電極の膨張・収縮が考えられる。特許文献１には、電池の充放電によって電極の膨張・収縮が生じることが知られており、膨張・収縮に起因してサイクル毎に電極間距離が変化する可能性がある。

また、温度、湿度条件の不一致が測定毎に生じる場合があるとともに、基準とした工程からの電圧走査や時間の履歴が揃っていない場合がある。このような温度、湿度条件の不一致や履歴のズレは応答特性に影響し、上記の条件および履歴が管理されていない状況下では、安定した測定結果を得ることが出来ず、再現性が得られない。電池特性以外の影響が、測定ごとに異なる度合で測定結果に含まれると、例えば、同一電池での経時変化の評価や、複数電池での電池間の特性比較が正しく出来ない。そのため、測定電池に対して誤った評価がなされる可能性がある。

本発明の目的は、電極の膨張・収縮の影響を排除し、電池の応答特性を再現性良く、精密に測定可能な応答特性測定方法を提供することにある。

本発明の応答特性測定方法は、電池の応答特性を測定する応答特性測定方法において、電池の電極面間の距離の変化が抑制されるように、前記電極面間の距離を縮小する方向に、前記電池を構成する部材以外の他の部材で前記電池を加圧するステップと、前記加圧するステップにより加圧された状態の前記電池のアノード端子およびカソード端子間に電圧または電流を印加して前記電池の応答特性を計測するステップと、を備え、前記加圧するステップでは、前記他の部材は前記アノード端子および前記カソード端子以外の領域のみで前記電池と接触することを特徴とする。
この応答特性測定方法によれば、加圧された状態の電池に電圧または電流を印加して電池の応答特性を計測するので、応答特性を再現性よく測定できる。

前記計測するステップによる計測の間、前記加圧するステップにより前記電極面間の距離を一定に保ってもよい。

前記加圧するステップでは、前記電池を前記他の部材の間に挟み込むことにより加圧してもよい。

前記計測するステップにおける計測時の計測条件に応じて、前記計測するステップにより計測された前記電池の応答特性を補正するステップを備えてもよい。

前記計測するステップでは、前記電池の応答特性として前記電池のインピーダンスを計測してもよい。

本発明の応答特性測定方法によれば、加圧された状態の電池に電圧または電流を印加して電池の応答特性を計測するので、応答特性を再現性よく測定できる。

一実施形態の応答特性測定方法におけるインピーダンス測定の測定系を示す図。 応答特性測定方法の手順を示すフローチャート。 加圧板により電池を加圧した状態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。 本発明の効果を示す図であり、（ａ）は、電池を加圧しない状態での従来の測定方法によるインピーダンスの測定結果（ナイキストプロット）を示す図、（ｂ）はステップＳ１〜ステップＳ４により得られるインピーダンスの測定結果（ナイキストプロット）を示す図。

以下、本発明による応答特性測定方法の一実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の応答特性測定方法におけるインピーダンス測定の測定系を示す図である。

インピーダンス測定は試験制御部２０を用いて実施される。

図１に示すように、試験制御部２０は、インピーダンス測定における各処理の時間を測定、管理する時間測定部２１と、被測定電池１０への充放電を行うとともに被測定電池１０に対して交流電圧／交流電流を与える電源・電子負荷部２２と、被測定電池１０の直流電圧を測定する電圧測定部２３と、被測定電池１０の応答特性を取得してそのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部２４と、電源・電子負荷部２２、電圧測定部２３、およびインピーダンス測定部２４と被測定用電池１０との間の接続関係を制御する切替部２５と、を備える。

図１に示すように、被測定電池１０のカソード端子１１およびアノード端子１２は、切替部２５を介して試験制御部２０に接続される。

次に、本実施形態の応答特性測定方法の手順について説明する。

図２は、本実施形態の応答特性測定方法の手順を示すフローチャートである。

測定にあたり、最初に電池を加圧することで電池の電極間距離を一定に保つ処置（図２のステップＳ１）を行う。

図３は、加圧板により電池を加圧した状態を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は正面図である。

図３に示すように、ステップＳ１では、２枚の加圧板３１Ａ，３１Ｂにより被測定電池１０を挟み、ボルトなどの固定具３２，３２，・・・で加圧板３１Ａ，３１Ｂを締め付ける。これにより、被測定電池１０の電極面に直交する方向に力が加わる状態が保たれるようにする。被測定電池１０の電極面全体に均一な圧力がかかるようにすることが望ましく、例えば、トルク管理によりすべての固定具３２，３２，・・・の締め付けトルクを揃えるようにしてもよい。

被測定電池の外装や電極形状等の構造の形態は、様々であるため、その形態に応じた加圧方法を採用することができる。例えば、被測定電池の外装としては、缶に電極が収容される缶型、平型のプラスチックパッケージ等に電極が収容されるラミネート型などがあり、電極の形状としては、電極を円筒形に巻いた円筒形状、電極を断面が正方形ないし長方形となるように巻いた角形状、電極を積層したシート形状などがある。なお、被測定電池１０は、電極を積層したシート形状のものを例示したものである。

次に、図２のステップＳ２では、電源・電子負荷部２２および電圧測定部２３を用いて被測定電池１０に一定の履歴を与え、被測定電池１０の内部状態を調整する。ここでは、充放電特性において、ＳＯＣ（State of Charge：充電状態）の変化に対して電圧感度がある（電圧が変化する）領域では電圧（カソード端子１１−アノード端子１２間電圧）の制御により、電圧感度がない（電圧が変化しない）領域では電流値の制御により、被測定電池１０の充放電を実施することが好ましい。また、最終的に同一電圧、同一ＳＯＣの状態へ移行する調整であっても、充電、放電のいずれによりその状態に到達したかによって電池の内部状態は異なり、調整完了後の状態変化の方向が変わる。しかも調整完了後の変化を完全になくすことはできない。このため、ステップＳ２における調整では、充電もしくは放電のどちらか一方を用い、予め定められた電流値を用いた充放電を実施することにより、調整後の被測定電池１０の内部状態を一定の状態に調整することができる。また充放電時における電流値（電極面積当たりの電流値）は、被測定電池１０における電圧降下の影響を小さくするために、小さな値（低レート）に設定することが好ましい。例えば、電圧を制御して調整を行う場合には、定電流モードで設定電圧に到達するまで充電もしくは放電し、その後、定電圧モードに切り替えて設定電圧が維持されるように電流値を制御し、その電流値が設定値以下になったときに調整が終了したとみなすことができる。

次に、図２のステップＳ３では、電源・電子負荷部２２およびインピーダンス測定部２４を用いて被測定電池１０のインピーダンス測定を行う。ここでは、例えば、測定周波数を高い周波数から低い周波数に順次、切り替えながら、電源・電子負荷部２２から被測定電池１０に交流電圧／電流を与え、その時の交流電流／電圧成分に基づいて、インピーダンス測定部２４において各周波数におけるインピーダンスを測定する。ステップＳ３におけるインピーダンス測定の方法はとくに限定されることなく、従来の方法を広く用いることができる。

ステップＳ３におけるインピーダンス測定の間、電源・電子負荷部２２によって被測定電池１０の直流電圧（カソード端子１１−アノード端子１２間電圧）を所定の設定電圧値に維持するとともに、被測定電池１０のＳＯＣが所定の状態となるように制御する。このように、ステップＳ２における調整手順を揃えるとともに、インピーダンス測定中の被測定電池１０の内部状態を一定とすることにより、インピーダンス測定の再現性を確保することができる。

次に、ステップＳ４では、ステップＳ２により測定されたインピーダンスに補正を施す。上記のように、ステップＳ３におけるインピーダンス測定の間、被測定電池１０の直流電圧およびＳＯＣは、所定の電圧値および所定の状態に維持されるように制御される。しかし、インピーダンス測定中における被測定電池１０の直流電圧およびＳＯＣが、目標とする制御値として予め設定された所定の電圧値や所定のＳＯＣからずれを生ずる場合がある。また、インピーダンス測定時の環境の温度・湿度が測定ごとに異なる場合もある。このため、ステップＳ４では、ステップＳ３におけるインピーダンス測定時における被測定電池１０の直流電圧、ＳＯＣ、測定環境の温度および湿度に基づき、ステップＳ３で測定されたインピーダンスを補正する。測定結果の補正（上記のステップＳ４）を行うことにより、測定条件のばらつきの影響を抑制することができる。

インピーダンスの補正量は、予め取得されたデータに基づいて決めることができる。例えば、同一構造の電池に対して直流電圧、ＳＯＣ、温度、または湿度を変えながらインピーダンスを測定し、直流電圧、ＳＯＣ、温度、または湿度がインピーダンスに与える影響の大きさを予め査定することができる。

インピーダンスに対する補正は、直流電圧、ＳＯＣ、温度、または湿度のいずれか１つの要素について実施してもよいし、あるいは複数の要素について実施してもよい。

図４は、本発明の効果を示す図であり、図４（ａ）は、電池を加圧しない状態での従来の測定方法によるインピーダンスの測定結果（ナイキストプロット）を示す図、図４（ｂ）は上記のステップＳ１〜ステップＳ４により得られるインピーダンスの測定結果（ナイキストプロット）を示す図である。図４（ａ）および図４（ｂ）を比較すると明らかなように、本発明によれば、同一の電池に対してインピーダンス測定を複数回行った場合に得られる測定結果（ナイキストプロット）のばらつきが抑制されており、測定の再現性が向上していることが示されている。

このように本発明によれば、電圧、電極間距離、温度、湿度、電圧走査の履歴、基準工程からの経過時間などの電池間に生じるばらつきの影響を無くして、電池の内部状態が一定とみなせる条件を設定しているので、電池の応答特性を再現性良く精密に測定することができる。このため、出荷検査・劣化検査などで測定結果を有効に使用することができるとともに、異なる電池間における電池特性の正確な比較が可能となる。

また、インピーダンスの測定結果を補正する（上記ステップＳ４）ことにより、測定条件のばらつきの影響を効果的に抑制することができ、さらに測定結果の再現性を向上させることができる。

上記実施形態では、電池の応答特性を示すパラメータとして電池のインピーダンスを測定する例を示しているが、直流抵抗値、パルス応答、ステップ応答、過渡応答等を測定してもよい。本発明は、電池に電圧または電流を印加して電池の応答特性を計測する種々の測定方法に適用することができる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、電池の応答特性を測定する応答特性測定方法に対し、広く適用することができる。

３１Ａ 加圧板（部材）
３１Ｂ 加圧板（部材）

Claims (6)

1. 電池の応答特性を測定する応答特性測定方法において、
   電池の電極面間の距離の変化が抑制されるように、前記電極面間の距離を縮小する方向に、前記電池を構成する部材以外の他の部材で前記電池を加圧するステップと、
   前記加圧するステップにより加圧された状態の前記電池のアノード端子およびカソード端子間に電圧または電流を印加して前記電池の応答特性を計測するステップと、
   を備え、
   前記加圧するステップでは、前記他の部材は前記アノード端子および前記カソード端子以外の領域のみで前記電池と接触することを特徴とする応答特性測定方法。
2. 前記計測するステップによる計測の間、前記加圧するステップにより前記電極面間の距離を一定に保つことを特徴とする請求項１に記載の応答特性測定方法。
3. 前記加圧するステップでは、前記電池を前記他の部材の間に挟み込むことにより加圧することを特徴とする請求項１または２に記載の応答特性測定方法。
4. 前記計測するステップにおける計測時の計測条件に応じて、前記計測するステップにより計測された前記電池の応答特性を補正するステップを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の応答特性測定方法。
5. 前記計測するステップでは、前記電池の応答特性として前記電池のインピーダンスを計測することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の応答特性測定方法。
6. 前記加圧するステップにおいて、トルク管理がなされ締め付けトルクが揃えられる固定具を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の応答特性測定方法。