JP6988722B2 - 全固体電池の試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、全固体電池の充放電を評価する試験装置に関する。

特許文献１には、電池本体及びその周辺機器部品を含み、車両に搭載されて使用される電池パックの耐久試験方法が開示されている。この方法では、電池パックを恒温槽内に収容した状態で、周辺機器部品に設定電圧を印加しながら、電池本体の充放電を設定された電流パターンで行う試験条件で、周辺機器部品の熱害評価が行われる。周辺機器部品の熱害評価の信頼性を向上させるため、周辺機器部品にとって最も熱的に厳しい車両走行条件を模擬できるように、設定電圧は車両搭載使用時の周辺機器部品への印加電圧を基に設定され、電流パターンは車両搭載使用時の電池本体の出力最大値を基に設定される。

特開２０１６−１４５９２号公報

従来、ＨＶ（Hybrid Vehicle）やＰＨＶ（Plug-in Hybrid Vehicle）には、非水系リチウムイオン電池等の液系電池が用いられてきた。液系電池では、電解液を用いて電極間のイオン伝導が行われる。近年、ＥＶ（Electric Vehicle）の航続距離を稼ぐために、液系電池における電解液を固体電解質に置換した、エネルギー密度の高い全固体電池の開発が進められている。

全固体電池の充放電性能の評価は、全固体電池を恒温槽内に収容した状態で、温度を制御しながら行われる。全固体電池の固体電解質には硫化物が含まれており、全固体電池の異常によりシール性が破られ、空気中の水分と反応すると、人体に影響を及ぼす硫化水素が発生することが懸念される。

しかしながら、恒温槽は密閉構造となっておらず、恒温槽内の結露水を外部に排出するための排水ドレンや異常時に槽内の気体を外部に排出するための吸気ダンパ等において、硫化水素が外部に漏れ出る恐れがある。このように、全固体電池に異常が発生した場合の作業者の安全を確保するために、恒温槽は温調の機能だけでなく、恒温槽を密閉化し、槽内と作業者とを隔離する機能を備えることが望まれている。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、全固体電池の充放電性能の評価中に異常があった場合に発生する有害ガスが外部に漏れ出るのを防止することが可能な試験装置を提供することである。

本発明の一態様に係る全固体電池の試験装置は、全固体電池を収容する密閉可能な恒温槽を備え、前記全固体電池の充放電性能を評価する試験装置であって、前記恒温槽内の圧力に応じて該恒温槽の体積を変更可能な内圧調整部と、前記内圧調整部に設けられ、前記内圧調整部内の圧力と前記恒温槽内の圧力に所定以上の差が生じたときに前記内圧調整部と前記恒温槽との間の空気の流通を許容する開閉部とを含む。

本発明によれば、全固体電池の充放電性能の評価中に異常があった場合に発生する有害ガスが外部に漏れ出るのを防止することが可能となる。

実施の形態１に係る全固体電池の試験装置の構成を示す図である。 図１の吸気部の構成を示す図である。 図１の吸気部の動作を説明する図である。 図１の吸気部の動作を説明する図である。 図１の排水ドレンの構成を示す図である。 図４Ａを矢印Ｂから見た図である。 図４Ａを矢印Ｃから見た図である。 図１の排水ドレンの動作を説明する図である。 図１の排水ドレンの動作を説明する図である。 実施の形態２に係る全固体電池の試験装置の構成を示す図である。 図６の内圧調整部の第１構成例を示す図である。 図７Ａの内圧調整部の動作を示す図である。 図７Ａの内圧調整部の動作を示す図である。 図６の内圧調整部の第２構成例を示す図である。 図８Ａの内圧調整部の動作を示す図である。 図８Ａの内圧調整部の動作を示す図である。 図６の内圧調整部の第３構成例を示す図である。 図９の内圧調整部の動作を示す図である。 図９の内圧調整部の動作を示す図である。 図９の内圧調整部の動作を示す図である。 図９の内圧調整部の動作を示す図である。 図９の内圧調整部の動作を示す図である。 図９の内圧調整部の動作を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図における同等の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本発明は、全固体電池の充放電を評価する試験装置に関する。評価対象である全固体電池は、正極と、負極と、固体電解質層とを備えている。固体電解質層は、正極と負極との間に配置され、正極と負極との間のイオン伝導を可能にする。以下、全固体電池としてリチウム全固体電池を例示して説明する。なお、リチウム全固体電池ではなく、他の全固体電池であってもよい。

正極は、正極層と、該正極層の集電を行う正極集電体とを備えている。正極層は正極活物質を含み、さらに任意に固体電解質、バインダー、導電助剤を含む。正極活物質としては、例えば、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４等のリチウム含有複合酸化物を用いることができる。

負極は、負極層と、該負極層の集電を行う負極集電体とを備えている。負極層は負極活物質を含み、さらに任意に固体電解質、バインダー、導電助剤を含む。負極活物質としては、例えばグラファイト等の炭素材料を用いることができる。

固体電解質としては、例えば、Ｌｉ_３ＰＯ_４等の酸化物固体電解質や後述する硫化物固体電解質が挙げられる。バインダーとしては、例えば、アクリロニトリルブタジエンゴム（ＡＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等の公知のものを用いることができる。

導電助剤としては、アセチレンブラックやケッチェンブラック等の炭素材料や、ニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料を用いることができる。正極集電体及び負極集電体は、金属箔や金属メッシュ等により構成される。正極集電体及び負極集電体を構成する金属としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ等が挙げられる。

固体電解質層は、硫化物固体電解質と、任意にバインダーを含む。固体電解質層の材料としては、例えば、Ｌｉ原子を含むＬｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５、Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２等が挙げられる。バインダーは上述したものを用いることができる。

このような全固体電池は、電池ケースに収容され電池パックが構成される。電池ケースとしては、例えば、金属からなる筐体や、金属箔と樹脂フィルムとが積層されてなるラミネートフィルム等が挙げられる。全固体電池の正極及び負極からは、電池ケースの外部へと端子が導出される。

このような全固体電池の充放電性能の評価は、その電池が実際に使用される環境下で行われることが重要である。電気自動車やハイブリッド自動車等の車両を駆動する電動機に電力を供給する車載用電池の充放電試験は、電池を恒温槽内に収容した状態で使用時における環境温度に制御しながら、車両に搭載された車載用電池の使用時における充放電サイクルを再現するように実行される。

上述の通り、固体電解質には硫化物が含まれており、過充電等の異常が発生した場合には、有害ガスである硫化水素等の発生が懸念される。本発明では、全固体電池の充放電性能を所定の温度条件で評価するための恒温槽を密閉構造として、槽内と作業者とを隔離する。

実施の形態１．
実施の形態１に係る全固体電池の試験装置は、全固体電池を収容する恒温槽を備え、前記全固体電池の充放電性能を評価する試験装置であって、外部から前記恒温槽内へ空気を吸気し、前記恒温槽内と外部との圧力差に応じて前記恒温槽内から外部への空気の流れを遮断する吸気部と、前記恒温槽を密閉又は開放して前記恒温槽内で発生した液体の排出を制御する排水ドレンとを含む。

実施の形態１に係る全固体電池の試験装置１について、図面を参照して説明する。図１は、実施の形態１に係る試験装置１の構成を示す図である。試験装置１は、恒温槽２、充放電装置３、制御装置４を備えている。試験装置１は、全固体電池の充放電試験を行い、所定の性能や特性を満たしているか否かを評価する。評価対象である全固体電池は、恒温槽２内に収容され、所定の試験温度に保持される。

充放電装置３は、例えば、使用時における充放電サイクルを再現するように、恒温槽２内に収容された全固体電池に通電して充放電試験を行う。制御装置４は、例えば、コンピュータからなり、恒温槽２、充放電装置３の運転管理を行い、得られた試験結果を解析して全固体電池の充放電性能の評価を行う。

恒温槽２は、内部の気体を外部に排出する機構（不図示）を有しており、設備や全固体電池の状態に応じて恒温槽内の排気を行う。この排気を行うと恒温槽２内部が負圧になり、効率的に排気を行うことができなくなる。そこで、効率的な排気を行うために、恒温槽２には外部から恒温槽２内に空気を吸気する吸気部１０が設けられている。

また、恒温槽２内の試験温度を下げた際、恒温槽２内の大気の飽和水蒸気量が下がり、大気中の水分が結露して、恒温槽２内に結露した結露水が発生する。このような恒温槽２内で発生した液体を外部へ排出するために、恒温槽２には排水ドレン２０が設けられている。このような恒温槽２を密閉化するには、（１）吸気部１０の密閉化と、（２）排水ドレン２０の密閉化を行う必要がある。以下、各部の密閉構造について説明する。

（１）吸気部１０の密閉構造
図２は、吸気部１０の構成を示す図である。図２に示すように、吸気部１０は、モータダンパ１１、逆止弁１２を含む。モータダンパ１１は、図２中の矢印の方向に回転可能である。吸気部１０は、必要に応じてモータダンパ１１の開閉を制御して吸気動作を行う。モータダンパ１１を開くことで外部の空気が恒温槽２内に取り込まれる。

モータダンパ１１が開いた状態で異常が発生した場合、モータダンパ１１の吸気経路が恒温槽２内のガスの漏れ経路になる。そこで、本実施の形態では、吸気部１０には逆止弁１２が設けられている。逆止弁１２は、外部から恒温槽２内へ空気を流入させる一方、恒温槽２から外部へのガスの流出を防止する。

図３Ａ、３Ｂは、吸気部１０の動作を説明する図である。図３Ａ、３Ｂにおいて、逆止弁１２の右側が恒温槽２側であり、モータダンパ１１の左側が恒温槽２の外部である。図３Ａは、外部から恒温槽２内に空気が流入する状態を示している。図３Ａに示すように、排気により恒温槽２内が負圧になった場合逆止弁１２が開き、白抜き矢印で示すように外部から空気が吸気される。

図３Ｂは、恒温槽２内からのガスの流出を防止する状態を示している。全固体電池の異常により、恒温槽２内が陽圧になった場合、逆止弁１２が閉まり、恒温槽２の密閉を保持することができる。このような簡易な構造を採用することで、廉価に恒温槽２の密閉を保持することが可能となる。なお、逆止弁１２を設けずに、恒温槽２内の圧力を測定して、その測定値に基づいてモータダンパ１１の開閉を制御することも可能である。

（２）排水ドレン２０の密閉構造
図４Ａ〜４Ｃは、排水ドレン２０の構成を示す図である。図４Ｂは図４Ａを矢印Ｂ側から見た図であり、図４Ｃは図４Ａの矢印Ｃから見た図である。図４Ａ〜４Ｃに示すように、排水ドレン２０は、恒温槽２を密閉又は開放して、恒温槽２内で発生した液体の排出を制御する排水弁２１を有している。

実施の形態１では、排水弁２１は、通常は閉じて恒温槽２の密閉性を維持し、排水時には排水ドレン２０へ集められた結露水等の液体による浮力で開くフロート式排水弁である。図４Ａを参照すると、排水弁２１はＬ字型であり、排水部２２が形成された端部がガイド部２３内に挿入されている。図４Ｂ、４Ｃを参照すると、２つのガイド部２３の間には間隙が形成されている。この間隙において、排水部２２と排水孔２４が下から順に、上下に並ぶように配置されている。排水弁２１は、排水ドレン２０に滞留する液体による浮力に応じて上下に移動可能である。

図５Ａ、５Ｂは、排水ドレン２０の動作を説明する図である。図５Ａに白抜き矢印で示すように、排水ドレン２０に結露水が流入する。排水ドレン２０内に流入した結露水が所定の水量を未満の場合、排水部２２と排水孔２４とが部分的にも一致しない。このように、恒温槽２内の液体を外部に排出する必要のないときは、排水の経路が閉じられており、密閉構造となっている。

図５Ｂに示すように、排水ドレン２０に集められた結露水が所定の水量を超えると、排水弁２１が結露水による浮力で浮き上がる。これにより、排水部２２が排水孔２４の位置まで上昇して排水の経路が開き、滞留した結露水が外部に排出される。結露水の排出が完了すると、吸気部１０内の水位が低下して排水弁２１が下降し、自動的に排水経路が閉じられる。

このように、排水弁２１は、排水される時を除いて、排水経路が閉じた状態を保持することができる。このため、恒温槽２の密閉性が保たれ、排水経路が閉じたタイミングで異常が発生しても外部へのガスの流出を防止することができる。また、排水中に異常が発生した場合には、排水経路は水中にあり、ガスが排水経路を通して外部に漏れることはない。

以上説明したように、実施の形態１によれば、試験に影響がない態様で恒温槽２を確実に密閉することができ、試験中に有害ガスが発生しても恒温槽２外に有害ガスが漏れるのを防ぐことができる。

実施の形態２．
恒温槽２内の気体は温度変化に伴い膨張又は圧縮し、恒温槽２の内圧は陽圧又は負圧になってしまう。通常、恒温槽２内の気体が外部に漏れ出すか、又は、外部から気体が恒温槽２内に徐々に侵入して内圧が一定になる。しかし、実施の形態１のように恒温槽２を密閉化すると、恒温槽２内の内圧が変動し、実際に評価したい全固体電池の周囲の環境と変わってしまう。そこで、恒温槽２を密閉化した状態で、恒温槽２の内圧を保つ必要がある。

実施の形態２に係る全固体電池の試験装置は、実施の形態１と同様に、吸気部と、排水ドレンとを含み、さらに、前記恒温槽内の圧力に応じて該恒温槽の体積を変更可能な内圧調整部と、前記内圧調整部に設けられ、前記内圧調整部内の圧力と前記恒温槽内の圧力に所定以上の差が生じたときに前記内圧調整部と前記恒温槽間の空気の流通を許容する開閉部とを含む。

実施の形態２に係る全固体電池の試験装置１について、図面を参照して説明する。図６は、実施の形態２に係る試験装置１の構成を示す図である。図６において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を適宜省略する。実施の形態２に係る恒温槽２は、実施の形態１の構成に加えて、さらに内圧調整部３０を備えている。内圧調整部３０は、恒温槽２内の内圧変動に応じて気体を出入りさせることで、密閉された恒温槽２内の内圧を一定に保つ。

図７Ａ〜７Ｃは、内圧調整部３０の第１構成例を示している。各図において、（ａ）は、弾性壁３１を恒温槽２側から見た図を示しており、（ｂ）は側面から見た図を示している。（ｂ）において、左側が恒温槽２である。図７Ａに示すように、内圧調整部３０は、恒温槽２の壁面の一部に一体的に形成された弾性壁３１を有している。弾性壁３１としては、恒温槽２内の内圧の変化に応じて変形し、恒温槽２の体積を変更可能な弾性材料が用いられる。弾性壁３１の形状は、応力が集中しないように、円形又は楕円形であることが望ましい。

図７Ｂに示すように、恒温槽２内が陽圧の場合、弾性壁３１は、恒温槽２の体積を増加させるように、恒温槽２の外側に突出するように変形する。図７Ｃに示すように、恒温槽２内が負圧の場合、弾性壁３１は、恒温槽２の体積を減少させるように、恒温槽２の内側に突出するように変形する。

弾性壁３１の変形の範囲として、全固体電池の評価に必要な温度範囲からボイルシャルルの法則により、膨張又は圧縮の量を限定することが出来る。例えば、内圧調整部３０により増加又は減少する体積は、恒温槽２の内容積に対して、２０％の気体を供給又は排出できる体積とすることができる。

また、全固体電池の評価に用いられる恒温槽２の温度範囲は、−５０度〜７０℃程度である。このため、通常の室温２０℃に対して低温側への温度変化が大きい。従って、室温２０℃に対して高温側と低温側の弾性壁３１の変形を非対称とするように、室温２０℃で予め弾性壁３１を外部に突出するように変形させた形状にすることで、弾性壁３１を有効に利用することができる。

図８Ａ〜８Ｃは、内圧調整部の第２構成例（内圧調整部３０Ａとする）を示している。内圧調整部３０Ａは、風船のような形状の内圧調整用の空間を有する弾性体３２が設けられている。弾性体３２による内圧調整用の空間が膨張又は収縮することで、恒温槽２の内圧を調整してもよい。

ここで、恒温槽２に内圧調整用の空間を有する弾性体３２を接続し、弾性体３２内の空気が恒温槽２内に常に出入りできるようにすると、温度調整が必要な体積が、恒温槽２の内容積と弾性体３２の内容積とを加算した体積となる。このように、温調すべき空間の体積が増加することで、増加した空間の温調のためのエネルギーが増加し、恒温槽２の効率が悪くなる。これにより、恒温槽２の冷凍機やヒータ等の温調機器が大型化し、設備費用やランニングコストが増加するという新たな問題が生じる。そこで、内圧調整部に、内圧調整部内の圧力と恒温槽内の圧力に所定以上の差が生じたときに内圧調整部と恒温槽間の空気の流通を許容する開閉部を設ける。

図９は、内圧調整部の第３構成例（内圧調整部３０Ｂとする）を示す図である。内圧調整部３０Ｂは、内圧調整用の弾性体３２と恒温槽２とを接続する途中の配管において、開閉部として双方向逆止弁４０を備えている。双方向逆止弁４０は、内圧調整部３０Ｂと恒温槽２内の差圧に応じて開閉する。

図９に示すように、内圧調整部３０Ｂと恒温槽２との間には、２つの経路（第１経路４１ａ、第２経路４１ｂ）が設けられている。これら２つの経路には、それぞれ第１逆止弁４２ａ、第２逆止弁４２ｂが配置されている。第１逆止弁４２ａ、第２逆止弁４２ｂは、それぞれ逆向きに設置されている。双方向逆止弁４０としては、図９に示すように、シール性が高く、流れ方向の変化に敏感な、また、最低開弁圧力が小さいディスク式逆止弁を用いることが望ましい。なお、双方向逆止弁４０として、スイング式逆止弁を用いることも可能である。

ここで、図１０Ａ〜１０Ｃ、１１Ａ〜１１Ｃを参照して、図９の内圧調整部３０Ｂの動作について説明する。図１０Ａ〜１０Ｃ、１１Ａ〜１１Ｃにおいて、左側が恒温槽２であり、右側が弾性体３２である。

図１０Ａ〜１０Ｃは、恒温槽２内の圧力が弾性体３２内の圧力よりも大きい場合（恒温槽２内の圧力が陽圧の場合）の内圧調整部３０Ｂの動作を示している。図１０Ａに示すように恒温槽２内の圧力が徐々に大きくなり、恒温槽２内の圧力が弾性体３２内の圧力よりも所定の値以上大きくなった場合、図１０Ｂに示すように第２逆止弁４２ｂは開状態となる。この時、第１逆止弁４２ａは閉状態である。これにより、恒温槽２と弾性体３２とが第２経路４１ｂを介して連通する。

一方、図１１Ａ〜１１Ｃは、弾性体３２内の圧力が恒温槽２内の圧力よりも大きい場合（恒温槽２内の圧力が負圧の場合）の内圧調整部３０Ｂの動作を示している。図１１Ａに示すように弾性体３２内の圧力が徐々に大きくなり、弾性体３２内の圧力が恒温槽２内の圧力よりも所定の値以上大きくなった場合、図１１Ｂに示すように第１逆止弁４２ａは開状態となる。この時、第２逆止弁４２ｂは閉状態である。これにより、恒温槽２と弾性体３２とが第１経路４１ａを介して連通する。

このように、恒温槽２内と弾性体３２内の差圧が所定の値以上となった場合に、第１経路４１ａ又は第２経路４１ｂのいずれかが開かれ、恒温槽２と弾性体３２とが接続され、内圧の調整が行われる。すなわち、双方向逆止弁４０は、弾性体３２内の圧力と恒温槽２内の圧力に所定以上の差が生じたときに開状態となり、弾性体３２による空間と恒温槽２間の空気の流通を許容する。

なお、恒温槽内に圧力を計測するセンサを設け、計測した値に応じて恒温槽２と弾性体３２との間に設けられた弁装置の開閉を切り替えることも可能である。例えば、恒温槽２ｎの内圧が許容できる範囲に到達した時に、弁装置を閉状態に切り替えて内圧調整用の弾性体３２と恒温槽２を隔離させることができる。

以上説明したように、実施の形態２によれば、恒温槽を密閉化して有害ガスの漏出を防止することができるとともに、恒温槽２内の内圧変化を低減させることが可能となる。また、内圧調整部３０は、異常時以外は作動しないので、温度調整時等の試験の制御の妨げになるのを抑制できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 試験装置
２ 恒温槽
３ 充放電装置
４ 制御装置
１０ 吸気部
１１ モータダンパ
１２ 逆止弁
２０ 排水ドレン
２１ 排水弁
２２ 排水部
２３ ガイド部
２４ 排水孔
３０ 内圧調整部
３１ 弾性壁
３２ 弾性体
４０ 双方向逆止弁
４１ａ 第１経路
４１ｂ 第２経路
４２ａ 第１逆止弁
４２ｂ 第２逆止弁

Claims (1)

1. 全固体電池を収容する密閉可能な恒温槽を備え、前記全固体電池の充放電性能を評価する試験装置であって、
   前記恒温槽内の圧力に応じて該恒温槽の体積を変更可能な内圧調整部と、
   前記内圧調整部に設けられ、前記内圧調整部内の圧力と前記恒温槽内の圧力に所定以上の差が生じたときに前記内圧調整部と前記恒温槽との間の空気の流通を許容する開閉部と、
   を含む、
   全固体電池の試験装置。

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