JP6631792B2 - 二次電池の短絡評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、正極板と負極板とがセパレータを挟んで巻回又は積層された電極体を備える二次電池の短絡評価方法に関する。

近年、電気自動車やプラグインハイブリッド自動車等の電動車両が多数実用化されている。このような電動車両に搭載されている駆動用のバッテリは、充電可能なリチウムイオン二次電池が用いられている。一般に、リチウムイオン電池は、セパレータを挟んで正極板と負極板とを巻回又は積層した電極体を備えている。

このような構成の二次電池を製造する際には、短絡時の安全評価を行う二次電池の短絡試験が行われている。具体的には、短絡試験装置によって、釘等の金属製の突起物をケースの外側から二次電池に突き刺して強制的に短絡を発生させるいわゆる「釘刺し試験」を実施し、この状態で二次電池の安全評価を行っている（例えば、特許文献１，２等参照）。

上述した「釘刺し試験」を行うことで、比較的容易に二次電池の安全評価を行うことができる。しかしながら、二次電池の外装から内部へ釘を刺すことで、外的要因によって生じる短絡を模擬した試験であり、金属からなる異物の混入など内的要因によって生じる短絡（内部短絡）を模擬した試験ではない。また、「釘刺し試験」では、一般的に、先端部が円錐状の釘が用いられる。このため、釘を刺した際に二次電池を構成する電極板の割れ方が不規則になりやすく、同一の試験条件で釘刺し試験を行った場合でも試験結果にばらつきが生じやすいという問題がある。さらには、セパレータを挟んだ正極板と負極板を何層にも亘って釘を刺すため、セパレータを１枚挟んだ正極板と負極板との内部短絡を正確に評価できないという問題がある。

特開２０１１−３５１３号公報 特開２０１４−４９４２１号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、試験結果の安定性及び正確性を高めることができる二次電池の短絡評価方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、正極板と負極板とがセパレータを介して巻回され又は積層された電極体を備える二次電池の短絡評価方法であって、前記二次電池を充電した後、前記電極体を解体してセパレータの一部に開口を設け、所定温度で変形する絶縁部材で前記開口を塞ぎ、前記正極板、前記負極板及び前記セパレータを巻回し又は積層して前記電極体を形成し、前記絶縁部材を前記所定温度に加熱して前記絶縁部材を変形させることで前記開口を介して前記正極板と前記負極板とを短絡させることを特徴とする二次電池の短絡評価方法にある。

第１の態様では、内部の気密性を保った状態で内部短絡させることができる。また、従来の釘刺し試験と比較して、試験結果を安定させることができる。さらに、開口を設けたセパレータの前後の正極板と負極板のみを短絡させることができるので、セパレータを挟んだ正極板と負極板との内部短絡を正確に評価することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する二次電池の短絡評価方法において、前記正極板は、正極集電箔と当該正極集電箔の少なくとも一方面に設けられた正極活物質層とを備え、前記負極板は、負極集電箔と当該負極集電箔の少なくとも一方面に設けられた負極活物質層とを備え、前記開口を、前記正極活物質層と前記負極活物質層とが対向する位置に設けることを特徴とする二次電池の短絡評価方法にある。

第２の態様では、正極活物質層と負極活物質層とをより確実に内部短絡させることができる。

本発明の第３の態様は、第１の態様に記載する二次電池の短絡評価方法において、前記正極板は、正極集電箔と当該正極集電箔の少なくとも一方面に設けられた正極活物質層とを備え、前記負極板は、負極集電箔と当該負極集電箔の少なくとも一方面に設けられた負極活物質層とを備え、前記開口を、前記正極活物質層と前記負極集電箔とが対向する位置、又は前記負極活物質層と前記正極集電箔とが対向する位置に設けることを特徴とする二次電池の短絡評価方法にある。

第３の態様では、正極活物質層と負極集電箔とを、又は負極活物質層と正極集電箔とをより確実に内部短絡させることができる。

本発明の第４の態様は、第１の態様に記載する二次電池の短絡評価方法において、前記正極板は、正極集電箔と当該正極集電箔の少なくとも一方面に設けられた正極活物質層とを備え、前記負極板は、負極集電箔と当該負極集電箔の少なくとも一方面に設けられた負極活物質層とを備え、前記開口を、前記正極集電箔と前記負極集電箔とが対向する位置に設けることを特徴とする二次電池の短絡評価方法にある。

第４の態様では、正極集電箔と負極集電箔とを内部短絡させることができる。

本発明の第５の態様は、第１から第４の何れか一つの態様に記載する二次電池の短絡評価方法において、前記絶縁部材は、ろう又は形状記憶ポリマーにより形成されていることを特徴とする二次電池の短絡評価方法にある。

第５の態様では、ろう又は形状記憶ポリマーを用いて、所定温度で確実に変形させて内部短絡を生じさせることができる。

本発明によれば、試験結果の安定性及び正確性を高めることができる二次電池の短絡評価方法が提供される。

実施形態１に係る二次電池を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ’線断面図及び図１のＢ−Ｂ’線断面図である。 巻回を解いた状態の電極体を示す概略図である。 二次電池の電極体を示す概略図である。 二次電池の電極体を示す概略図である。 絶縁部材の平面図である。 所定温度未満における二次電池の断面図である。 所定温度以上における二次電池の断面図である。 実施形態２に係る二次電池の断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。

〈実施形態１〉
本実施形態に係る二次電池について説明する。図１は、二次電池（リチウムイオン二次電池）を示す斜視図であり、図２（１）は図１のＡ−Ａ’線での断面図であり、図２（２）は図１のＢ−Ｂ’線での断面図であり、図３は巻回を解いた状態の電極体を示す概略図である。

二次電池１は、例えば電動車両に搭載されるものである。二次電池１は、略直方体形状のケース１１と、ケース１１の開口部に配されてケース１１を封止する蓋部１２とを備える。ケース１１内には電極体１３が収納されている。また、ケース１１内部には電解液１４が注入されており、電極体１３は電解液１４に浸漬されている。

蓋部１２には、正極端子１５と負極端子１６とが設けられている。この正極端子１５には、正極集電部１７が接続する。また、負極端子１６には負極集電部１８が接続する。正極集電部１７及び負極集電部１８は、それぞれ電極体１３の正極板及び負極板に接続する。即ち、正極板と正極集電部１７と正極端子１５とは互いに電気的に接続されている。また、負極板と負極集電部１８と負極端子１６とは互いに電気的に接続されている。

電極体１３は、正極板２１、セパレータ２３、負極板２２、セパレータ２３が積層され、これらが巻回された構成となっている。正極板２１は、正極集電箔２４と、正極活物質層２５とからなる。正極活物質層２５は、正極集電箔２４の両面に設けられ、正極活物質を含有する。負極板２２は、負極集電箔２６と、負極活物質層２７とからなる。負極活物質層２７は、負極集電箔２６の両面に設けられ、負極活物質を含有する。

正極集電箔２４の幅方向（図３の左右方向）の一端部は、正極活物質層２５が設けられていない。この正極集電箔２４が露出した一端部は、正極集電部１７に接続されている。負極集電箔２６の幅方向（図３の左右方向）の一端部は、負極活物質層２７が設けられていない。この負極集電箔２６が露出した一端部は、負極集電部１８に接続されている。

正極集電箔２４及び負極集電箔２６は、銅や銀など通常配線として用いることができる金属からなり、本実施形態では正極集電箔２４はアルミニウム、負極集電箔２６は銅からなる。正極活物質は、正極に通常用いられる活物質として例えばコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）やマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）等が挙げられる。負極活物質は、負極に通常用いられる活物質、例えば黒鉛、ソフトカーボン又はハードカーボン等の非晶質炭素材料を挙げることができる。

このような構成の二次電池１を対象に、本実施形態に係る二次電池の短絡評価方法について説明する。図４及び図５は二次電池の電極体を示す概略図である。

まず、上述した二次電池１を充電する。充電量は特に限定はないが例えば、満充電とする。次に、図４に示すように、電極体１３をケース１１から取り出し、電極体１３を解体する。ここでいう電極体１３の解体とは、正極板２１と負極板２２とに挟まれたセパレータ２３を、開口２８を形成できる程度に露出させることをいう。同図に示す例では、電極体１３の巻回を一部解き、正極板２１をセパレータ２３から引き剥がし、セパレータ２３の一部を露出させている。

そして、セパレータ２３に、セパレータ２３の厚さ方向に貫通した開口２８を設ける。この開口２８は、電極体１３を巻回し直して再構成したとき、正極板２１（正極活物質層２５）と負極板２２（負極活物質層２７）とが開口２８を介して対向する位置に形成する。

次に、図５に示すように、セパレータ２３に形成した開口２８を絶縁部材２９（図のハッチ部分）で塞ぐ。絶縁部材２９は、絶縁材料からなり、所定温度で変形する部材である。所定温度で変形するとは、所定温度未満の温度において特定の形状を有する絶縁部材が加熱されて所定温度になったときに、開口２８の少なくとも一部が露出するような形状に変形することをいう。また、絶縁部材２９の変形とは、絶縁部材２９の形状が変化する態様のみならず、液状に変化する場合、すなわち溶解する場合も含む。

このような絶縁部材２９の材料としては、ろう又は形状記憶ポリマーを挙げることができる。形状記憶ポリマーとは、一定の温度で変形しても、加熱すると元の形に戻る性質をもつ樹脂（高分子）である。形状記憶ポリマーとしては、ノルボルネン系ポリマー、トランスポリイソプレン系ポリマー、スチレン−ブタジエン系ポリマー、ウレタン系ポリマーなどを挙げることができる。

上述した所定温度は、絶縁部材２９が形状記憶ポリマーで形成される場合、加熱によって元の形に戻る温度であり、絶縁部材２９がろうで形成される場合、ろうが溶けて液状となる温度である。

図６を用いて形状記憶ポリマーからなる絶縁部材２９について説明する。図６は絶縁部材の平面図である。図６（１）に示すように、所定温度未満にした形状記憶ポリマーで絶縁部材２９を形成する。この段階において絶縁部材２９は、開口２８全体を塞がずに少なくとも一部が露出するような形状とする。ここでは、絶縁部材２９は矩形が半分に割れたような形状となっている。

次に図６（２）に示すように、所定温度以上にした絶縁部材２９に外力を加えて変形させる。この段階において絶縁部材２９は、開口２８全体を塞ぐような形状とする。ここでは、絶縁部材２９は矩形状となっている。

このように図６（１）〜図６（２）に示した工程により形成された絶縁部材２９は、所定温度未満に冷却してもその形状が維持され、再度所定温度に加熱すると図６（１）に示した形状に回復する性質を有する。

図５に戻り、上述したように形成した絶縁部材２９を、開口２８を塞ぐように配置した後、正極板２１、負極板２２及びセパレータ２３を再び巻回して電極体１３とし、ケース１１内に収納し、二次電池１とする。

図７は、所定温度未満における二次電池の断面図であり、図８は、所定温度以上における二次電池の断面図である。図７に示すように、所定温度未満においては、開口２８は絶縁部材２９で塞がれている。この絶縁部材２９により、開口２８を挟んで対向する正極板２１と負極板２２とは短絡しない。

次に、絶縁部材２９が所定温度以上になるまで、二次電池１全体を加熱する。これにより、絶縁部材２９は、図６（１）に示したような形状となり、図６（３）及び図８に示すように、開口２８の一部が絶縁部材２９に覆われていない状態となる。このように絶縁部材２９が所定温度以上に加熱されることで、開口２８を介して、正極板２１と負極板２２とが短絡するか、もしくは短絡可能な状態となる。

なお、特に図示しないが、絶縁部材２９がろうから形成されている場合、所定温度以上に加熱するとろうが溶ける。これにより、開口２８を介して、正極板２１と負極板２２とが短絡するか、もしくは短絡可能な状態となる。

以上に説明した本実施形態の二次電池の短絡評価方法によれば、絶縁部材２９でセパレータ２３の開口２８を塞いだ状態の二次電池１を所定温度以上に加熱することで、正極板２１と負極板２２とを内部短絡した状態にすることができる。このように従来の釘刺し試験のように、ケース１１に釘を刺す必要がないため、内部の気密性を保った状態で内部短絡させることができる。また、従来の釘刺し試験では、釘を刺すことによる正極板２１及び負極板２２の割れが生じ、この割れによって試験結果が不安定となるが、本実施形態の短絡評価方法では、このような割れもないので試験結果を安定させることができる。

さらに、開口２８を設けたセパレータ２３の前後の正極板２１と負極板２２のみを短絡させることができるので、セパレータ２３を挟んだ正極板２１と負極板２２との内部短絡を正確に評価することができる。

〈実施形態２〉
図９を用いて、開口２８の位置の別態様について説明する。図９は、本実施形態に係る二次電池の断面図である。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、絶縁部材２９の図示は省略している。

実施形態１で説明したように、セパレータ２３には、実施形態１と同様に正極活物質層２５と負極活物質層２７とが対向する位置に開口２８が設けられている。このような開口２８による活物質同士の短絡を、「活−活ショート」と略記する。

このような「活−活ショート」を実現するための開口に限らず、次のように開口を設けてもよい。例えば、セパレータ２３には、正極活物質層２５と、負極集電箔２６とが対向する位置に開口２８ａを設けてもよい。特に図示しないが、負極活物質層２７と正極集電箔２４とが対向する位置に開口を設けてもよい。このような集電箔と活物質との短絡を「箔−活ショート」と略記する。このような開口２８ａを設けることで、開口２８ａを介して「箔−活ショート」を評価することができる。

さらに、正極集電箔２４と負極集電箔２６とが対向する位置に開口２８ｂを設けてもよい。このような集電箔同士の短絡を「箔−箔ショート」と略記する。このような開口２８ｂを設けることで、開口２８ｂを介して「箔−箔ショート」を評価することができる。

従来の釘刺し試験では、ケース１１からはその内部が視認できないので、釘を刺す位置にずれが生じる虞があり、上述した３種のショートのうち意図したショートを生じさせることが難しい。

しかしながら、本発明の二次電池の短絡評価方法によれば、電極体１３を解体して正極板２１と負極板２２との位置を確認しながら、セパレータ２３に開口２８、開口２８ａ、開口２８ｂを設けることができる。そしてこれらの開口に絶縁部材２９を配置し、所定温度に加熱することで、「活−活ショート」「箔−活ショート」「箔−箔ショート」の各種のショートを確実に生じさせることができる。

ここで、「活−活ショート」は、短絡する活物質層間の抵抗が高いため、短絡電流は小さく、発熱も小さい。「箔−箔ショート」は、短絡する集電箔間の抵抗が低いため、発熱は小さい。「箔−活ショート」は、短絡する集電箔と活物質層間の抵抗が高いため、短絡すると発熱は大きい。本発明によれば、例えば、発熱が大きい「箔−活ショート」を意図的に確実に生じさせ、そのときの二次電池の状態を評価することができる。

〈他の実施形態〉
以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。

例えば、実施形態１では、一箇所に開口２８を設け、１つの絶縁部材２９で塞いだがこのような態様には限定されない。複数箇所に開口２８を設けてもよいし、実施形態２に記載した開口２８ａ、開口２８ｂを複数箇所に設けてもよい。

実施形態１の電極体１３は、正極板２１、負極板２２及びセパレータ２３を巻回した構成であったが、これに限定されない。電極体は、正極板２１、負極板２２及びセパレータ２３を順に積層して一組とし、複数組が積層された構成であってもよい。

実施形態１の絶縁部材２９は、矩形状で開口２８を塞ぎ、所定温度に加熱したときに半分に割れたような形状に変形するものとしたが、このような形状に限定されない。絶縁部材２９は、所定温度未満では開口２８を塞ぎ、所定温度以上に加熱したときに少なくとも開口２８の一部が絶縁部材２９で覆われないような形状であればよい。

実施形態１の正極板２１は、正極集電箔２４の両面に正極活物質層２５が設けられていたが、これに限定されず、正極集電箔２４の一方面に正極活物質層２５が設けられていてもよい。負極板２２についても同様である。

本発明は、二次電池を生産、使用する産業分野で利用することができる。

１ 二次電池
１３ 電極体
２１ 正極板
２２ 負極板
２３ セパレータ
２４ 正極集電箔
２５ 正極活物質層
２６ 負極集電箔
２７ 負極活物質層
２８、２８ａ、２８ｂ 開口
２９ 絶縁部材

Claims (5)

1. 正極板と負極板とがセパレータを介して巻回され又は積層された電極体を備える二次電池の短絡評価方法であって、
   前記二次電池を充電した後、前記電極体を解体してセパレータの一部に開口を設け、
   所定温度で変形する絶縁部材で前記開口を塞ぎ、
   前記正極板、前記負極板及び前記セパレータを巻回し又は積層して前記電極体を形成し、
   前記絶縁部材を前記所定温度に加熱して前記絶縁部材を変形させることで前記開口を介して前記正極板と前記負極板とを短絡させる
   ことを特徴とする二次電池の短絡評価方法。
2. 請求項１に記載する二次電池の短絡評価方法において、
   前記正極板は、正極集電箔と当該正極集電箔の少なくとも一方面に設けられた正極活物質層とを備え、
   前記負極板は、負極集電箔と当該負極集電箔の少なくとも一方面に設けられた負極活物質層とを備え、
   前記開口を、前記正極活物質層と前記負極活物質層とが対向する位置に設ける
   ことを特徴とする二次電池の短絡評価方法。
3. 請求項１に記載する二次電池の短絡評価方法において、
   前記正極板は、正極集電箔と当該正極集電箔の少なくとも一方面に設けられた正極活物質層とを備え、
   前記負極板は、負極集電箔と当該負極集電箔の少なくとも一方面に設けられた負極活物質層とを備え、
   前記開口を、前記正極活物質層と前記負極集電箔とが対向する位置、又は前記負極活物質層と前記正極集電箔とが対向する位置に設ける
   ことを特徴とする二次電池の短絡評価方法。
4. 請求項１に記載する二次電池の短絡評価方法において、
   前記正極板は、正極集電箔と当該正極集電箔の少なくとも一方面に設けられた正極活物質層とを備え、
   前記負極板は、負極集電箔と当該負極集電箔の少なくとも一方面に設けられた負極活物質層とを備え、
   前記開口を、前記正極集電箔と前記負極集電箔とが対向する位置に設ける
   ことを特徴とする二次電池の短絡評価方法。
5. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載する二次電池の短絡評価方法において、
   前記絶縁部材は、ろう又は形状記憶ポリマーにより形成されている
   ことを特徴とする二次電池の短絡評価方法。
   

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