JP5930342B2 - 二次電池の短絡検査方法 - Google Patents

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Description

本発明は、二次電池の短絡を検査する技術に関する。
特許文献1には、第一のSOCまで充電した後、第一のSOCよりも低い第二のSOCまで放電し、放電工程の後に電池温度を低温にした状態で微小短絡を検出する技術が開示される。
特開2011−69775号公報
特許文献1に記載の技術では、放電電流密度が充電電流密度よりも低い値に設定され、低レートで放電工程が行われる。そのため、放電に要する時間が長くなり、結果的に短絡検査にかかる時間が長くなってしまう。また、電池温度を低温にして放電後の電圧のばらつきを安定させた状態で微小短絡を検出している。つまり、電池温度を低温に維持する低温設備が必要となり、設備コストがかかってしまう。
本発明の二次電池の短絡検査方法は、二次電池を所定の充電電流密度で第一のSOCまで充電し、前記第一のSOCよりも小さい第二のSOCまで、前記充電電流密度と同程度の放電電流密度で放電し、前記放電後の二次電池の電池温度の±3℃の範囲内で維持した状態で、所定時間放置して電圧を安定化し、前記電圧安定化後の二次電池を常温下で自己放電させて、所定時間後の電圧低下量に基づいて短絡の有無を検出する。
これにより、短絡検査前に二次電池の電圧の跳ね上がりによる電圧上昇を抑え、二次電池の電圧低下量を高感度に検出でき、短絡検査に要する時間を短縮化できる。また、常温下で短絡検査を行うことで、設備コストの増加を抑えることができる。
前記二次電池を充電した後に、当該二次電池を高温下でエージング処理することが好ましい。
二次電池を高温エージングすることによって、二次電池内の化学物質を活性化させて、化学短絡を促進させ、後の短絡検査での検出精度を向上できる。
前記二次電池の電圧安定化は、電池温度を常温、かつ、前記放電後の二次電池の電池温度の±3℃の範囲内で維持した状態で、24時間以上放置することにより行われることが好ましい。
前記二次電池の放電は、10%以下の低SOCまで行われることが好ましい。
このように、電圧の変化が顕著に現れる低SOCまで放電を行うことにより、微小短絡の検出感度を向上できる。
また、前記第一のSOCは、3.6V以上の充電状態であることが好ましい。これにより、高温熱処理時に二次電池内の異物を確実に溶解させて、後の短絡検査で検出する微小短絡を促進させることができる。
本発明によれば、より微小な短絡を検出可能となり、短絡検査に要する時間を短縮化できるとともに、設備コストの増加を抑えることができる。
二次電池の概略図である。 短絡検査工程を示すフローである。 二次電池の放電曲線を示すグラフである。 電圧安定化工程における経過時間と電池間の電圧のばらつきの相関を示すグラフである。 微短検査工程における経過時間と電圧低下及び良品群、不良品群の電圧ばらつきの相関を示すグラフである。 従来の微短検査工程における経過時間と電圧低下及び良品群、不良品群の電圧ばらつきの相関を示すグラフである。
図1は、二次電池1の概略構成を示す。二次電池1は、繰り返し充放電可能な電池であり、例えば角型のリチウムイオン二次電池である。二次電池1は、密閉されたケース2内に充放電要素となる電極体3が収容されて構成される。電極体3には、正極及び負極の外部端子4が接続され、それぞれ外方に突出した状態でケース2に固定されている。
電極体3は、正極集電板、セパレータ、及び、負極集電板を積層し、巻回して構成される巻回体である。正極集電板及び負極集電板の表面には、正極及び負極の電極合剤がそれぞれ塗布されている。リチウムイオン二次電池では、リチウムイオンを含む正極活物質、導電助剤等を含有する正極合剤が正極集電板に塗布され、炭素系材料を含む負極活物質を含有する負極合剤が負極集電板に塗布される。
図2は、二次電池1の短絡検査工程S1を示す。短絡検査工程S1は、組み立てられた二次電池1に存在する微小短絡を検査する工程である。
短絡検査工程S1は、充電工程S11、高温熱処理工程S12、放電工程S13、電圧安定化工程S14、微短検査工程S15を含む。
充電工程S11では、二次電池1に適宜の充放電装置を接続し、所定の電流密度で第一のSOCまで充電する。第一のSOCの値は、例えば80%以上の高SOCとして設定される。充電工程S11にて用いられる所定の電流密度とは、0.02[C]以上のCレートを示す。
また、第一のSOCとして、3.6V以上の充電状態まで充電される。これにより、次の高温熱処理工程S12において、異物の溶解が進み、積極的な微小短絡の発生を促進できる。
高温熱処理工程S12では、二次電池1を高温雰囲気下で保持し、内部に含有される化学物質(電極活物質)を活性化させる。例えば、常温よりも高く、かつ、二次電池1に含まれるセパレータが溶融しない程度の高温(40℃〜85℃程度)の雰囲気に曝す。
このように、二次電池1を高温下でエージングすることによって、二次電池1内部の化学反応を促進させることができ、それに起因する微小短絡(化学短絡)を積極的に発生させ、後の微短検査工程S15での検出精度を向上している。
放電工程S13では、二次電池1に充放電装置を接続し、充電工程S11と同等の電流密度で第二のSOCまで放電する。つまり、放電工程S13では、高レートの放電(0.02C以上の放電)が行われる。第二のSOCの値は、20%以下の低SOCとして設定される。
図3は、二次電池1の放電曲線を示し、横軸はSOC(%)、縦軸は電圧(V)を示す。図3に示されるように、電圧変化が大きく現れる(電圧/SOCの勾配が大きくなる)10%以下の低いSOCまで放電することが好ましく、電圧変化がより顕著に表れる変曲点付近の3〜5%の値に設定することがより好ましい。
このように、放電工程S13において、二次電池1の電圧低下量(電圧変化量)が大きくなる低SOCに調整することによって、不良品の検出感度が向上する。
電圧安定化工程S14では、二次電池1を常温(10℃から30℃程度)、かつ、放電工程S13後の電池温度の±3℃の範囲内で維持した状態で、所定時間放置することにより、二次電池1の電圧を安定化させる。これにより、二次電池1の放電後の電圧の跳ね上がり(電極活物質の拡散に起因する電圧上昇)をリセットする。
図4は、充電工程S11、高温熱処理工程S12、放電工程S13を経た複数の二次電池1を用意して、それら複数の二次電池1の電圧のばらつきの大きさを計測した結果を示す。図4における横軸は経過時間(day)、縦軸はばらつきの大きさ(σ)を示す。
図4に示すように、1日経過以降は、ばらつきの大きさが規格値よりも小さくなる。この規格値は、例えば放電工程S13後のばらつきの大きさの25%程度に設定される。これから分かるように、電圧安定化工程S14でのエージング時間は、1日(24時間)以上であることが好ましく、セル間の製造ばらつきを考慮すると2日(48時間)以上であることがより好ましい。
このように、電圧安定化工程S14において、放電後の二次電池1をエージングして電圧を安定させる、つまり、内部の化学物質が安定するまで保持することによって、電圧の上昇による各二次電池1の電圧のばらつきを吸収できる。また、放電直後の二次電池1の温度をできる限り維持した状態で行うことにより、電池温度の変化に起因する電圧のばらつきが抑えられ、検出精度を向上できる。
微短検査工程S15では、常温下で二次電池1を自己放電させつつ電圧を測定し、所定時間経過後の良品群との電圧の差に基づいて微小短絡の有無を検出する。
このとき、電圧安定化工程S14が終了し、微短検査工程S15に移行する時の各二次電池1の電圧をゼロとして設定する。そして、所定時間経過後の各二次電池1の電圧を測定し、良品群の電圧との差が閾値よりも大きい二次電池1に短絡が存在していると判定し、不良品として判定する。
本実施形態では、電圧安定化工程S14によって、各二次電池1間の電圧のばらつきを抑えた状態で微短検査工程S15に移行することによって、良品群と不良品の電圧差の閾値を小さく設定することが可能となる。言い換えれば、微小短絡等を含む不良品の二次電池1の電圧低下量を高感度に検出することができ、検査時間を短縮することができる。
図5は、微短検査工程S15による不良品の判定試験の結果について示す。図5の横軸は経過時間(day)、縦軸は電圧変化(ΔV)及び電圧のばらつき度合いを示し、放電工程S13直後から電圧安定化工程S14を経て微短検査工程S15に移行した際の電圧変化、並びに、良品群及び不良品A・Bにおける電圧のばらつきを示している。
判定試験では、複数の良品と、強制的に発生させた短絡を含む不良品を二種類用意し、5日間自己放電させた後に、良品群との電圧差を検出し、不良品の微小短絡を検出した。不良品は、短絡抵抗の小さい不良品Aと短絡抵抗の大きい不良品Bを用意した。
図5に示すように、良品群のばらつきが小さく抑えられており、5日経過後における不良品A・Bの電圧低下量と良品の電圧低下量の差が顕著に現れており、不良品A・Bと良品を容易に判別することができる。
これは、各二次電池1が電圧安定化工程S14を経ることによって、放電後の電圧上昇がリセットされた状態で微短検査工程S15に移行していることに起因する。
なお、微短検査工程S15の所要日数を5日として試験しているが、良品群と不良品の電圧差が顕著に現れるタイミングであれば、それよりも短い期間に設定することも可能である。
以上のように、本実施形態の短絡検査工程S1は、電圧安定化工程S14を含むことによって、二次電池1間の電圧のばらつきを抑え、その後の微短検査工程S15での検出精度を向上するものであり、これにより、短絡検査工程S1に要する時間を短縮するものである。
また、放電工程S13において、高レートの放電電流密度で放電を行うことによって、放電工程S13に要する時間を短縮している。さらに、放電工程S13で低SOCまで放電を行うことによって、微短検査工程S15での検出感度を向上している。
図6は、従来の微短検査工程に従って、本実施形態の判定試験と同様に良品及び不良品A・Bを用いて、不良品の微小短絡を検出した結果について示す。この微短検査工程は、低レートでの放電工程が行われた後に行われるものとする。図6の横軸は経過時間(day)、縦軸は電圧変化(ΔV)及び電圧のばらつき度合いを示し、微短検査時の電圧変化、並びに、良品群及び不良品A・Bにおける電圧のばらつきを示している。
図6に示されるように、良品群内のばらつきが大きく検出されることにより、短絡抵抗の小さい不良品Aとの電圧差を検出できるようになるまでにかかる日数が長くなってしまう。つまり、不良品の誤検出を避けるために、良品群内の電圧差よりも不良品Aとの電圧差が大きくなるまで放置する必要があり、検査時間を長くする必要がある。
以上のように、本実施形態の短絡検査工程S1によれば、従来と比較して、より微小な短絡を検出可能であり、短絡検査に要する時間を顕著に短縮できる。
本発明は、二次電池の微小短絡の有無を検査する工程に利用可能である。
1:二次電池、2:ケース、3:電極体、4:外部端子

Claims (4)

  1. 二次電池を所定の充電電流密度で第一のSOCまで充電し、
    前記第一のSOCよりも小さい第二のSOCまで、前記充電電流密度と同程度の放電電流密度で放電し、
    前記放電後の二次電池の電池温度の±3℃の範囲内で維持した状態で、所定時間放置して電圧を安定化し、
    前記電圧安定化後の二次電池を常温下で自己放電させて、所定時間後の電圧低下量に基づいて短絡の有無を検出し、
    前記二次電池を充電した後に、当該二次電池を高温下でエージング処理することを特徴とする二次電池の短絡検査方法。
  2. 前記二次電池の電圧安定化は、電池温度を常温、かつ、前記放電後の二次電池の電池温度の±3℃の範囲内で維持した状態で、24時間以上放置することにより行われる請求項1に記載の二次電池の短絡検査方法。
  3. 前記二次電池の放電は、10%以下の低SOCまで行われる請求項1又は2に記載の二次電池の短絡検査方法。
  4. 前記第一のSOCは、3.6V以上の充電状態である請求項1から3の何れか一項に記載の二次電池の短絡検査方法
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