JP7047548B2 - Rechargeable battery system - Google Patents
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Description
本発明は、電解液の漏洩が検知できる二次電池システムに関する。 The present invention relates to a secondary battery system capable of detecting leakage of an electrolytic solution.
近年、環境問題およびエネルギー問題の解決に向けて、種々の電気自動車の普及が期待されている。しかし、これらの電気自動車を普及させるためには、少なくとも一充電当たりの走行距離をガソリンエンジン車に近づける必要がある。このため、より高いエネルギー密度を有する二次電池の開発が鋭意行われている。 In recent years, various electric vehicles are expected to become widespread in order to solve environmental problems and energy problems. However, in order to popularize these electric vehicles, it is necessary to bring at least the mileage per charge closer to that of a gasoline engine vehicle. Therefore, the development of a secondary battery having a higher energy density is being enthusiastically carried out.
たとえば、高いエネルギー密度を有する二次電池を実現させる技術としては、特許文献1に開示されているものがある。特許文献1では、正極集電体と負極集電体との間を封着部材によって封着させ、これによって単セル間の短絡が防止できるようにしている。この技術によれば、液状の電解液が使用できるようになるので、通常の二次電池と遜色ない出力密度が得られ、また、電池ケースが省略できるので、その分エネルギー密度を向上させることができる。 For example, as a technique for realizing a secondary battery having a high energy density, there is one disclosed in Patent Document 1. In Patent Document 1, the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are sealed by a sealing member, whereby a short circuit between single cells can be prevented. According to this technology, since a liquid electrolytic solution can be used, an output density comparable to that of a normal secondary battery can be obtained, and since a battery case can be omitted, the energy density can be improved accordingly. can.
従来の二次電池のエネルギー密度をさらに向上させるには、電気エネルギーを外部に取り出すための、正極集電板および負極集電板の厚みをさらに薄くする等、二次電池の主材料以外の構成部材の容量比率を下げる必要がある。しかし、正極集電板および負極集電板の厚みを薄くすれば、二次電池を構成する単セルの外装体強度が弱くなる。 In order to further improve the energy density of the conventional secondary battery, the thickness of the positive electrode current collector plate and the negative electrode current collector plate for extracting electric energy to the outside is further reduced, and the configuration other than the main material of the secondary battery is configured. It is necessary to reduce the capacity ratio of the members. However, if the thickness of the positive electrode current collector plate and the negative electrode current collector plate is reduced, the strength of the exterior body of the single cell constituting the secondary battery is weakened.
特に、単セルを構成する正極集電体および負極集電体を樹脂で形成した、投影面積の大きな(数十センチ×数十センチ以上)二次電池の場合、二次電池にかかる応力によって、正極集電体および負極集電体に亀裂が入り、その亀裂から電解液が染み出てきたり、漏れたりする恐れがある。 In particular, in the case of a secondary battery having a large projected area (several tens of centimeters x several tens of centimeters or more) in which the positive electrode current collector and the negative electrode current collector constituting the single cell are formed of resin, the stress applied to the secondary battery causes the secondary battery. The positive electrode current collector and the negative electrode current collector may be cracked, and the electrolytic solution may seep out or leak from the cracks.
電解液が漏洩すると、二次電池の容量が低下してしまったり、満充電時の容量が低下してしまったりするため、二次電池の性能低下が問題となる。また、特に、漏れた電解液が単セルの外側から染み出すと、単セル間の短絡の原因となるため、二次電池の安全性および信頼性も問題となる。このため、電解液の漏洩は迅速に検知する必要がある。 If the electrolytic solution leaks, the capacity of the secondary battery may decrease or the capacity when fully charged may decrease, so that the performance of the secondary battery deteriorates. Further, in particular, if the leaked electrolyte seeps out from the outside of the single cell, it causes a short circuit between the single cells, so that the safety and reliability of the secondary battery also become a problem. Therefore, it is necessary to quickly detect the leakage of the electrolytic solution.
そこで、本発明は、電解液の漏洩が検知できる二次電池システムの提供を目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a secondary battery system capable of detecting leakage of an electrolytic solution.
上記目的を達成するための本発明に係る二次電池システムは、二次電池、インピーダンス計測部、および電解液漏洩判断部を有する。二次電池は、正極集電箔と負極集電箔とが積層された集電体の、正極側に正極活物質層、負極側に負極活物質層が形成された双極電極を、電解液が含まれるセパレータを介して直列に複数接続した積層体を有し、前記正極集電箔、前記正極活物質層、前記セパレータ、前記負極活物質層および前記負極集電箔によって発電要素が形成され、前記発電要素の端部に、前記正極活物質層、前記負極活物質層およびセパレータの周囲を封止するシール部が設けられてなる。インピーダンス計測部は、隣り合う2つの発電要素の隣接する正極集電箔と負極集電箔との間のインピーダンスを計測する。電解液漏洩判断部は、計測された前記インピーダンスを用いて、前記セパレータに含まれる電解液が、前記正極活物質層および前記正極集電箔、または前記負極活物質層および前記負極集電箔から、隣り合う2つの前記発電要素の隣接する前記正極集電箔と前記負極集電箔との間に漏洩したことを判断する。 The secondary battery system according to the present invention for achieving the above object includes a secondary battery , an impedance measurement unit, and an electrolytic solution leakage determination unit. The secondary battery is a bipolar electrode in which a positive electrode collector foil and a negative electrode current collector foil are laminated, and a positive electrode active material layer is formed on the positive electrode side and a negative electrode active material layer is formed on the negative electrode side. It has a laminate in which a plurality of layers are connected in series via a contained separator, and a power generation element is formed by the positive electrode current collector foil, the positive electrode active material layer, the separator, the negative electrode active material layer, and the negative electrode current collector foil. At the end of the power generation element, a sealing portion for sealing the periphery of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the separator is provided. The impedance measuring unit measures the impedance between the adjacent positive electrode current collector foil and the negative electrode current collector foil of two adjacent power generation elements . The electrolytic solution leakage determination unit uses the measured impedance to allow the electrolytic solution contained in the separator to flow from the positive electrode active material layer and the positive electrode current collector foil, or the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector foil. , It is determined that leakage has occurred between the positive electrode current collector foil and the negative electrode current collector foil adjacent to each other of the two adjacent power generation elements .
本発明に係る二次電池システムによれば、双極電極の正極集電箔と負極集電箔との間の電解液の漏洩が検知できる。このため、漏洩した電解液を原因とする、二次電池の電池性能の低下が防止でき、二次電池の信頼性と安全性とが確保できる。 According to the secondary battery system according to the present invention, leakage of the electrolytic solution between the positive electrode current collector foil and the negative electrode current collector foil of the bipolar electrode can be detected. Therefore, deterioration of the battery performance of the secondary battery due to the leaked electrolytic solution can be prevented, and the reliability and safety of the secondary battery can be ensured.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の寸法比率とは異なる場合がある。また、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められ、以下の実施形態の記載に限定されるものでない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual dimensional ratios. Further, the technical scope of the present invention is defined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the description of the following embodiments.
[二次電池10の構成]
本実施形態に係る二次電池10の一例として双極型リチウムイオン二次電池について説明する。なお、以下の説明では、双極型リチウムイオン二次電池を単に「二次電池」と称する。
[Structure of secondary battery 10]
A bipolar lithium-ion secondary battery will be described as an example of the
図1は、本実施形態に係る二次電池10の断面図である。図1に示すように、二次電池10は、複数の発電要素20を積層してなる積層体11が外装体12の内部で封止された構造を有する。積層体11は、外装体12によって、外部から受ける応力や外部から受ける環境の影響から保護される。なお、発電要素20の積層数は、所望する電圧に応じて変える。
FIG. 1 is a cross-sectional view of the
図1に示すように、二次電池10は、積層体11の最上部に位置する発電要素20の正極集電箔31a上に、正極集電箔31aと接触する正極集電板34aが配置される。正極集電板34aは外装体12に向けて延長され外装体12から外部に導出される。また、積層体11の最下部に位置する発電要素20の負極集電箔31b下に、負極集電箔31bと接触する負極集電板34bが配置される。負極集電板34bは外装体12に向けて延長され外装体12から外部に導出される。
As shown in FIG. 1, in the
発電要素20は、負極集電箔31bと、負極集電箔31b上に形成された負極活物質層32bと、正極集電箔31aと、正極集電箔31a上に形成された正極活物質層32aと、負極活物質層32bおよび正極活物質層32aの間に介在する、電解液が含まれるセパレータ40とから構成される。発電要素20の両端部にはシール部50が設けられている。シール部50は、正極活物質層32a、負極活物質層32bおよびセパレータ40の周囲を液密に封止し、電解液の漏れによる液絡を防止している。
The
積層体11は発電要素20を複数積層したものである。換言すれば、積層体11は、正極集電箔31aと負極集電箔31bとが積層された集電体31の、正極側に正極活物質層32a、負極側に負極活物質層32bが形成された双極電極35を、電解液が含まれるセパレータ40を介して直列に接続したものであるとも言える。
The laminated
(集電体)
集電体31(正極集電箔31aおよび負極集電箔31b)は、正極活物質層32aと接する一方の面から、負極活物質層32bと接する他方の面へと電子の移動を媒介する機能を有する。正極集電箔31aおよび負極集電箔31bを構成する材料は、特に限定されないが、例えば、導電性を有する樹脂、樹脂を含む導電材料、または金属が用いられうる。
(Current collector)
The current collector 31 (positive electrode
集電体31の軽量化の観点からは、集電体31を構成する正極集電箔31aおよび負極集電箔31bは、上記のように、樹脂または樹脂を含む導電材料で形成された樹脂集電体であることが好ましい。なお、発電要素20間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、樹脂集電体の一部に金属層を設けてもよい。
From the viewpoint of reducing the weight of the
(正極活物質層、負極活物質層)
電極活物質層32(正極活物質層32a、負極活物質層32b)は、電極活物質(正極活物質または負極活物質)および電解液を含む。また、電極活物質層32は、必要に応じて、導電助剤、導電部材、被覆用樹脂等を含んでもよい。さらに、電極活物質層32は、必要に応じてイオン伝導性ポリマー、リチウム塩等を含んでもよい。
(Positive electrode active material layer, Negative electrode active material layer)
The electrode active material layer 32 (positive electrode
(正極活物質)
正極活物質としては、例えば、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni-Mn-Co)O2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等が挙げられる。
(Positive electrode active material)
Examples of the positive electrode active material include LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li (Ni—Mn—Co) O 2 , and lithium such as those in which some of these transition metals are replaced by other elements. Examples thereof include transition metal composite oxides, lithium-transition metal phosphate compounds, and lithium-transition metal sulfate compounds.
(負極活物質)
負極活物質としては、例えば、グラファイト(黒鉛)、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(例えば、Li4Ti5O12)、金属材料(スズ、シリコン)、リチウム合金系負極材料(例えばリチウム-スズ合金、リチウム-シリコン合金、リチウム-アルミニウム合金、リチウム-アルミニウム-マンガン合金等)等が挙げられる。
(Negative electrode active material)
Examples of the negative electrode active material include carbon materials such as graphite (graphite), soft carbon, and hard carbon, lithium-transition metal composite oxides (for example, Li 4 Ti 5 O 12 ), metal materials (tin, silicon), and lithium. Examples thereof include alloy-based negative electrode materials (for example, lithium-tin alloy, lithium-silicon alloy, lithium-aluminum alloy, lithium-aluminum-manganese alloy, etc.).
(導電助剤)
導電助剤は、電極活物質層32中で電子伝導パスを形成し、電極活物質層32の電子移動抵抗を低減することで、二次電池10の高レートでの出力特性向上に寄与し得る。
(Conductive aid)
The conductive auxiliary agent can contribute to the improvement of the output characteristics of the
(導電部材)
導電部材は、電極活物質層32中で電子伝導パスを形成する機能を有する。特に、導電部材の少なくとも一部が、電極活物質層32の2つの主面同士を電気的に接続する導電通路を形成していることが好ましい。このような形態を有することで、電極活物質層32中の厚さ方向の電子移動抵抗がさらに低減されるため、二次電池10の高レートでの出力特性をより一層向上しうる。
(Conductive member)
The conductive member has a function of forming an electron conduction path in the electrode
本実施形態の二次電池10において、電極活物質層32の厚さは、正極活物質層32aについては、好ましくは150~1500μmであり、より好ましくは180~950μmであり、さらに好ましくは200~800μmである。また、負極活物質層32bの厚さは、好ましくは150~1500μmであり、より好ましくは180~1200μmであり、さらに好ましくは200~1000μmである。電極活物質層32の厚さが上記した下限値以上の値であれば、二次電池10のエネルギー密度を十分に高めることができる。一方、電極活物質層32の厚さが上記した上限値以下の値であれば、電極活物質層32の構造を十分に維持することができる。
In the
(セパレータ)
セパレータ40は、電解質を保持し、正極活物質層32aと負極活物質層32bとの間にあって両者が直接に接触することを防止する。本実施形態のセパレータ40に使用される電解質は、特に制限はなく、例えば、電解液またはゲルポリマー電解質等が挙げられる。これらの電解質を用いることで、高いリチウムイオン伝導性が確保されうる。なお、電解液は、上記の電極活物質層32に使用される電解液と同様のものが用いられうる。
(Separator)
The
(正極集電板および負極集電板)
集電板34(正極集電板34aと負極集電板34bの総称)を構成する材料は、特に制限されず、二次電池用の集電板34として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板34の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板34aと負極集電板34bとでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
(Positive current collector plate and negative electrode current collector plate)
The material constituting the current collector plate 34 (general term for the positive electrode
(シール部)
シール部50は、発電要素20を構成する集電体31同士の接触や発電要素20の端部における短絡を防止する機能を有する。シール部50を構成する材料としては、絶縁性、シール性(液密性)、電池動作温度下での耐熱性等を有するものであればよい。
(Seal part)
The
(外装体)
図1に示す本実施形態では、外装体12は、ラミネートフィルムによって袋状に構成されているが、これに限定されず、例えば、公知の金属缶ケース等を用いてもよい。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用の二次電池に好適に利用することができるという観点からは、外装体12は、ラミネートフィルムによって構成することが好ましい。ラミネートフィルムには、例えば、ポリプロピレン(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、これらに限定されるものではない。また、外部から掛かる積層体11への群圧を、容易に調整できることから、外装体12はアルミネートラミネートフィルムを用いることがより好ましい。
(Exterior body)
In the present embodiment shown in FIG. 1, the
[二次電池システムの構成]
図2は、本実施形態に係る二次電池システム100の概略構成図である。二次電池システム100は、積層体11(図1参照)、インピーダンス計測部120、電解液漏洩判断部140、および警報部200を有する。図2では、積層体11の一部として、積層された2つの発電要素20を示した。インピーダンス計測部120および電解液漏洩判断部140は、便宜上2つのブロックに分けて記載しているが、これらの部分は、通常RAM、ROM等の半導体メモリとCPU(中央処理装置)とを備えた1つのコンピュータによって構成される。
[Configuration of secondary battery system]
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the
積層体11は、正極集電箔31aと負極集電箔31bとが積層された集電体31の、正極側に正極活物質層32a、負極側に負極活物質層32bが形成された双極電極35を、電解液が含まれるセパレータ40を介して直列に接続してなる。
The laminate 11 is a bipolar electrode in which a positive electrode
インピーダンス計測部120は、双極電極35の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間のインピーダンスを計測する。インピーダンスの計測は、セル電圧検出線125aおよび125bを介して、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に、2つの異なる周波数の交流電圧(高周波電圧と低周波電圧)を、交互に印加することで計測する。
The
電解液漏洩判断部140は、インピーダンス計測部120によって計測されたインピーダンスのコンデンサ成分(虚数成分値)と抵抗成分(実数成分値)とを用いて、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間の電解液の漏洩を判断する。正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間で電解液が漏洩しているときには、高周波電圧と低周波電圧とを印加したときに計測されるインピーダンスに、それぞれ異なるコンデンサ成分と抵抗成分とが存在する。電解液漏洩判断部140はこれらのコンデンサ成分と抵抗成分とを用いて電解液の漏洩を検知する。
The electrolyte
警報部200は、電解液漏洩判断部140によって電解液の漏洩が検知されると、音、光、振動等、人間の五感で検知可能な態様で警報を出力する。本実施形態では、ワーニングランプを点灯させている。
When the electrolytic solution
図3Aは、図2のインピーダンス計測部120のブロック図である。インピーダンス計測部120は、高周波電圧出力部122、低周波電圧出力部124、虚数成分値計測部126、および実数成分値計測部128を有する。
FIG. 3A is a block diagram of the
高周波電圧出力部122は、集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間(図2参照)に1000Hzの高周波電圧を印加する。本実施形態では、高周波電圧として1000Hzの周波数の交流電圧を選択しているが、この周波数には限られない。
The high frequency
低周波電圧出力部124は、集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に10Hzの低周波電圧を印加する。本実施形態では、低周波電圧として10Hzの周波数の交流電圧を選択しているが、この周波数には限られない。
The low frequency
虚数成分値計測部126は、高周波電圧出力部122が集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に1000Hzの高周波電圧を印加したときに計測されたインピーダンスの虚数成分値を計測する。また、低周波電圧出力部124が集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に10Hzの低周波電圧を印加したときに計測されたインピーダンスの虚数成分値を計測する。
The imaginary component
実数成分値計測部128は、高周波電圧出力部122が集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に1000Hzの高周波電圧を印加したときに計測されたインピーダンスの実数成分値を計測する。また、低周波電圧出力部124が集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に10Hzの低周波電圧を印加したときに計測されたインピーダンスの実数成分値を計測する。
The real number component
図3Bは、図2の電解液漏洩判断部140のブロック図である。電解液漏洩判断部140は、虚数成分値記憶部142、実数成分値記憶部144、および比較判断部146を有する。
FIG. 3B is a block diagram of the electrolytic solution
虚数成分値記憶部142は、虚数成分値計測部126が計測した、高周波電圧および低周波電圧印加時の、それぞれのインピーダンスの虚数成分値を記憶する。
The imaginary component
実数成分値記憶部144は、実数成分値計測部128が計測した、高周波電圧および低周波電圧印加時の、それぞれのインピーダンスの実数成分値を記憶する。
The real number component
比較判断部146は、虚数成分値記憶部142に記憶されている、高周波電圧および低周波電圧印加時の、それぞれのインピーダンスの虚数成分値を比較する。また、実数成分値記憶部144に記憶されている、高周波電圧および低周波電圧印加時の、それぞれのインピーダンスの実数成分値を比較する。虚数成分値の比較結果、実数成分値の比較結果から、集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間の電解液の漏洩の有無を判断する。
The
[電解液の漏洩の検出原理]
図4Aは、電解液が漏洩していない場合の集電体31の状態を示す図であり、図4Bは、電解液が漏洩していない場合の等価回路図である。また、図5Aは、電解液が漏洩している場合の集電体31の状態を示す図であり、図5Bは、電解液が漏洩している場合の等価回路図である。
[Principle of detecting electrolyte leakage]
FIG. 4A is a diagram showing a state of the
図4Aに示すように、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に電解液が漏洩していなければ、正極集電箔31aと負極集電箔31bの全面が互いに密着している。このため、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間には抵抗成分のみが存在しコンデンサ成分は存在しない。ただし、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に微小な隙間が存在することがあるので、この場合には、微小なコンデンサ成分が存在する。
As shown in FIG. 4A, if the electrolytic solution does not leak between the positive electrode
本実施形態に係る二次電池システム100は、インピーダンス計測部120(図2参照)からセル電圧検出線125aおよび125bを介して、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に高周波電圧と低周波電圧を印加する。正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に電解液が漏洩していなければ、コンデンサ成分はほとんど存在しないので、セル電圧検出線125aおよび125b間に流れる電流は、印加された電圧と同位相の電流となる。
The
このため、電解液が漏洩していない場合の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間の等価回路は、図4Bのように表される。この等価回路において、直列に接続されている抵抗Raは、正極集電箔31aの単位長さ当たりの抵抗を示す。また、直列に接続されている抵抗Rbは、負極集電箔31bの単位長さ当たりの抵抗を示す。さらに、抵抗Raと抵抗Rbとの間で並列に接続されている抵抗Rdは、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間における各部の接触抵抗を示す。
Therefore, the equivalent circuit between the positive electrode
電解液が漏洩していない場合の等価回路は、図4Bのように、抵抗成分のみで表されるので、インピーダンス計測部120によって計測されるインピーダンスは、抵抗成分、すなわち実数成分値のみを有するインピーダンスとなる。つまり、高周波電圧が印加されたときの図4Bに示した等価回路の高周波インピーダンスZ1がR1であり、低周波電圧が印加されたときの、図4Bに示した等価回路の低周波インピーダンスZ2がR2であれば、インピーダンス計測部120は、高周波電圧を印加したときの実数成分値としてR1、低周波電圧を印加したときの実数成分値としてR2をそれぞれ計測する。
Since the equivalent circuit when the electrolytic solution does not leak is represented only by the resistance component as shown in FIG. 4B, the impedance measured by the
一方、図5Aに示すように、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間で電解液60が漏洩していれば、正極集電箔31aと負極集電箔31bとが直接密着している部分と、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に電解液60を介在している部分とが存在する。このため、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間には抵抗成分とコンデンサ成分の両方が存在する。
On the other hand, as shown in FIG. 5A, if the
インピーダンス計測部120は、セル電圧検出線125aおよび125bを介して、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に高周波電圧と低周波電圧を印加する。正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に電解液60が漏洩していると、抵抗成分とコンデンサ成分の両方が存在するので、セル電圧検出線125aおよび125b間に流れる電流は、印加された電圧に対して位相差を持つ電流となる。
The
このため、電解液60が漏洩している場合の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間の等価回路は、図5Bのように表される。この等価回路において、直列に接続されている抵抗Raは、正極集電箔31aの単位長さ当たりの抵抗を示す。また、直列に接続されている抵抗Rbは、負極集電箔31bの単位長さ当たりの抵抗を示す。さらに、抵抗Raと抵抗Rbとの間で並列に接続されている抵抗Rdは正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間における各部の接触抵抗を示す。また、抵抗Rdと並列に接続されているコンデンサ成分Cは、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に存在する電解液60が正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に形成するコンデンサ成分を示す。
Therefore, the equivalent circuit between the positive electrode
電解液60が漏洩している場合の等価回路は、図5Bのように、抵抗成分とコンデンサ成分との両方の成分で表されるので、インピーダンス計測部120によって計測されるインピーダンスは、実数成分値と虚数成分値の両方を有するインピーダンスとなる。つまり、高周波電圧が印加されたときの図5Bに示した等価回路の高周波インピーダンスZ1がR1+jX1であり、低周波電圧が印加されたときの、図5Bに示した等価回路の低周波インピーダンスZ2がR2+jX2であれば、インピーダンス計測部120は、高周波電圧を印加したときの、実数成分値としてR1、虚数成分値としてjX1、低周波電圧を印加したときの、実数成分値としてR2、虚数成分値としてjX2をそれぞれ計測することになる。
Since the equivalent circuit when the
したがって、電解液60が漏洩している場合には、高周波電圧印加時の高周波インピーダンスZ1の実数成分値および虚数成分値と低周波電圧印加時の低周波インピーダンスZ2の実数成分値および虚数成分値は、電解液60が漏洩してない場合とは大きく異なってくる。また、高周波電圧印加時の高周波インピーダンスZ1の実数成分値および虚数成分値の大きさは、低周波電圧印加時の低周波インピーダンスZ2の実数成分値および虚数成分値のそれぞれの大きさよりも小さくなる。等価回路のコンデンサ成分Cのみによる交流抵抗は1/j2πfCで表されるため、周波数fの大きい高周波の交流抵抗の方が低周波の交流抵抗よりも小さくなるからである。本実施形態に係る二次電池システム100では、これらの違いを計測することによって、電解液60の漏洩を検知している。
Therefore, when the
[二次電池システムの動作]
図6は、本実施形態に係る二次電池システム100の動作フローチャートである。以下に、図2から図9を参照して、二次電池システム100の動作を詳細に説明する。
[Operation of secondary battery system]
FIG. 6 is an operation flowchart of the
図6に示すように、インピーダンス計測部120は、集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間のインピーダンスを計測する(S100)。
As shown in FIG. 6, the
具体的には、図7に示すように、高周波電圧出力部122が、セル電圧検出線125aおよび125bを介して、集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に1000Hzの高周波電圧を印加する(S101)。これにより、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に高周波電流が流れる。
Specifically, as shown in FIG. 7, the high-frequency
インピーダンス計測部120は、高周波電圧を印加した時に流れた高周波電流の実効値(大きさ)と高周波電圧に対する高周波電流の位相差とから、高周波インピーダンスZ1を計測する。なお、高周波インピーダンスとは、集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に高周波電圧を印加したときの、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間のインピーダンスである。虚数成分値計測部126は、高周波インピーダンスZ1の虚数成分値jX1を計測し、実数成分値計測部128は、高周波インピーダンスZ1の実数成分値R1を計測する。
The
電解液漏洩判断部140は、虚数成分値計測部126によって計測された高周波インピーダンスZ1の虚数成分値jX1を虚数成分値記憶部142に記憶させ、また、その実数成分値R1を実数成分値記憶部144に記憶させる(S102)。
The electrolytic solution
次に、低周波電圧出力部124が、セル電圧検出線125aおよび125bを介して、集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に10Hzの低周波電圧を印加する(S103)。これにより、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に低周波電流が流れる。
Next, the low frequency
インピーダンス計測部120は、低周波電圧を印加した時に流れた低周波電流の実効値(大きさ)と低周波電圧に対する低周波電流の位相差とから、低周波インピーダンスZ2を計測する。なお、低周波インピーダンスとは、集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に低周波電圧を印加したときの、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間のインピーダンスである。虚数成分値計測部126は、低周波インピーダンスZ2の虚数成分値jX2を計測し、実数成分値計測部128は、低周波インピーダンスZ2の実数成分値R2を計測する。
The
電解液漏洩判断部140は、虚数成分値計測部126によって計測された低周波インピーダンスZ2の虚数成分値jX2を虚数成分値記憶部142に記憶させ、また、その実数成分値R2を実数成分値記憶部144に記憶させる(S104)。
The electrolytic solution
図8Aは、電解液が漏洩していない場合のコールコールプロット図である。図8Bは、電解液が漏洩している場合のコールコールプロット図である。コールコールプロット図は、いろいろな周波数でインピーダンスの実数成分値と虚数成分値を演算し、それぞれを横軸、縦軸にプロットすることによって得られる図である。 FIG. 8A is a call call plot diagram when the electrolytic solution does not leak. FIG. 8B is a call call plot diagram when the electrolytic solution is leaking. The call-call plot diagram is a diagram obtained by calculating the real number component value and the imaginary number component value of impedance at various frequencies and plotting each on the horizontal axis and the vertical axis.
本実施形態の場合、電解液60が漏洩していない場合の、高周波インピーダンスZ1がR1であり、低周波インピーダンスZ2がR2であるので、電解液60が漏洩していない場合のコールコールプロット図としては、たとえば図8Aのようなものになる。また、電解液60が漏洩している場合の、高周波インピーダンスZ1がR1+jX1であり、低周波インピーダンスZ2がR2+jX2であるので、電解液60が漏洩している場合のコールコールプロット図としては、たとえば図8Bのようなものになる。
In the case of this embodiment, since the high frequency impedance Z1 is R1 and the low frequency impedance Z2 is R2 when the
図6に戻って、電解液漏洩判断部140は、集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間で電解液60が漏洩しているか否かを判断する(S110)。
Returning to FIG. 6, the electrolytic solution
具体的には、図9に示すように、電解液漏洩判断部140の比較判断部146が、虚数成分値記憶部142に記憶されている高周波および低周波のインピーダンスZ1、Z2の虚数成分値jX1とjX2との大きさを比較する(S111)。
Specifically, as shown in FIG. 9, the
比較の結果、高周波の虚数成分値jX1が低周波の虚数成分値jX2よりも大きいか等しければ(S112:YES)、次のステップの処理に進み、高周波の虚数成分値jX1が低周波の虚数成分値jX2未満であれば(S112:NO)、電解液60が漏洩していると判断する(S116)。
As a result of comparison, if the high frequency imaginary component value jX1 is larger than or equal to the low frequency imaginary component value jX2 (S112: YES), the process proceeds to the next step, and the high frequency imaginary component value jX1 is the low frequency imaginary component. If the value is less than jX2 (S112: NO), it is determined that the
次に、電解液漏洩判断部140の比較判断部146が、実数成分値記憶部144に記憶されている高周波および低周波のインピーダンスZ1、Z2の実数成分値R1とR2との大きさを比較する(S113)。
Next, the
比較の結果、高周波の実数成分値R1が低周波の実数成分値R2よりも大きいか等しければ(S114:YES)、電解液60が漏洩していないと判断する(S115)。また、高周波の実数成分値R1が低周波の実数成分値R2未満であれば(S114:NO)、電解液60が漏洩していると判断する(S116)。
As a result of comparison, if the high-frequency real number component value R1 is larger than or equal to the low-frequency real number component value R2 (S114: YES), it is determined that the
つまり、本実施形態では、高周波の虚数成分値jX1が低周波の虚数成分値jX2未満のとき、または、高周波の実数成分値R1が低周波の実数成分値R2未満のとき、のいずれかの場合に、電解液60が漏洩していると判断している。
That is, in the present embodiment, either when the high frequency imaginary component value jX1 is less than the low frequency imaginary component value jX2, or when the high frequency real number component value R1 is less than the low frequency real number component value R2. It is determined that the
また、本実施形態では、高周波の虚数成分値jX1が低周波の虚数成分値jX2よりも大きいか等しいとき、および、高周波の実数成分値R1が低周波の実数成分値R2よりも大きいか等しいときに、電解液60が漏洩していないと判断している。
Further, in the present embodiment, when the high frequency imaginary component value jX1 is larger or equal to the low frequency imaginary component value jX2, and when the high frequency real number component value R1 is larger than or equal to the low frequency real number component value R2. In addition, it is determined that the
しかし、高周波の虚数成分値jX1が低周波の虚数成分値jX2よりも大きいか等しければ、高周波の実数成分値R1と低周波の実数成分値R2との比較を行うまでもなく、電解液60が漏洩していないと判断しても良い。
However, if the high frequency imaginary component value jX1 is larger than the low frequency imaginary component value jX2, the
また、本実施形態では、高周波の虚数成分値jX1と低周波の虚数成分値jX2との比較を先にし、高周波の実数成分値R1と低周波の実数成分値R2の比較を後にしているが、この比較の順番は逆にしても良い。 Further, in the present embodiment, the comparison between the high-frequency imaginary component value jX1 and the low-frequency imaginary component value jX2 is performed first, and the high-frequency real number component value R1 and the low-frequency real number component value R2 are compared later. , The order of this comparison may be reversed.
この順番を逆にした場合、高周波の実数成分値R1が低周波の実数成分値R2よりも大きいか等しければ、高周波の虚数成分値jX1と低周波の虚数成分値jX2との比較を行うまでもなく、電解液60が漏洩していないと判断しても良い。
When this order is reversed, if the high frequency real number component value R1 is larger than the low frequency real number component value R2, even if the high frequency imaginary component value jX1 and the low frequency imaginary component value jX2 are compared. It may be determined that the
図6に戻って、電解液漏洩判断部140は、電解液60が漏洩していると判断したときには(S120:YES)、警報部200のワーニングランプを点灯させる。ワーニングランプの点灯によって、二次電池10に異常が生じていることがわかる。一方、電解液60が漏洩していないと判断したときには(S120:NO)、S100のステップの処理に戻って、S100、S110、S120のステップの処理を繰り返す。
Returning to FIG. 6, when the electrolytic solution
なお、以上の実施形態では、高周波の虚数成分値jX1と低周波の虚数成分値jX2、高周波の実数成分値R1と低周波の実数成分値R2とを計測し、虚数成分値同士、実数成分値同士を比較することで電解液60の漏洩の有無を判断している。しかし、図8A、図8Bに示したコールコールプロット図における、高周波の虚数成分値jX1、実数成分値R1、低周波の虚数成分値jX2、低周波の実数成分値R2のプロット位置だけで、電解液60の漏洩の有無を判断しても良い。
In the above embodiment, the high frequency imaginary component value jX1 and the low frequency imaginary component value jX2, the high frequency real number component value R1 and the low frequency real number component value R2 are measured, and the imaginary number component values and the real number component values are measured. The presence or absence of leakage of the
また、本実施形態では、集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間の電解液60の漏洩のみを検知したが、たとえば、積層体11の上下両端の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に高周波および低周波の電圧を印加して、積層体11を構成する発電要素20のどこかで電解液60の漏洩があることを検知するようにしても良い。この場合、正常な積層体11の高周波の虚数成分値jX1と低周波の虚数成分値jX2、高周波の実数成分値R1と低周波の実数成分値R2とを計測しておき、この計測しておいた各成分値との比較において、電解液60の漏洩の有無を検知するようにしてもよい。
Further, in the present embodiment, only leakage of the
さらに、本実施形態では、発明の内容の理解を容易にするために、1つの集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に高周波および低周波の電圧を印加して電解液60の漏洩を検知する場合について記載した。実際には二次電池10の安全性と信頼性を確保するために、積層体11を構成する全ての集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に高周波および低周波の電圧を印加して電解液60の漏洩を検知することが好ましい。しかし、全ての集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に高周波および低周波の電圧を印加するのではなく、他の集電体31と比較して、機械的強度の弱そうな位置に存在する集電体31の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に高周波および低周波の電圧を印加するようにしても良い。
Further, in the present embodiment, in order to facilitate understanding of the content of the invention, high frequency and low frequency voltages are applied between the positive electrode
以上、本発明に係る二次電池システム100の実施形態について説明した。この実施形態の効果は、下記の通りである。
The embodiment of the
本実施形態では、双極電極35の正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間のインピーダンスを計測するだけで電解液60の漏洩が検知できる。このため、発電要素20間の短絡が防止でき、二次電池10の安全性および信頼性が確保できる。
In the present embodiment, leakage of the
本実施形態では、正極集電箔31aと負極集電箔31bとを、樹脂または樹脂を含む導電材料で形成している。このため、金属に比較して機械的強度が相対的に弱くなりがちな、樹脂集電体を用いた二次電池10の安全性および信頼性が確保できる。
In the present embodiment, the positive electrode
本実施形態では、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間の高周波インピーダンスZ1と低周波インピーダンスZ2を計測し、計測された高周波インピーダンスZ1の虚数成分値jX1が低周波インピーダンスZ2の虚数成分値jX2未満であれば電解液60が漏洩していると判断している。このため、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に、高周波電圧および低周波電圧を印加、または高周波電流および低周波電流を流すだけで、電解液60の漏洩の有無が判断できる。
In the present embodiment, the high frequency impedance Z1 and the low frequency impedance Z2 between the positive
本実施形態では、計測された高周波インピーダンスZ1の実数成分値R1が低周波インピーダンスZ2の実数成分値R2未満であれば電解液60が漏洩していると判断している。このため、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に、高周波電圧および低周波電圧を印加、または高周波電流および低周波電流を流すだけで、電解液60の漏洩の有無が判断できる。
In the present embodiment, if the measured real number component value R1 of the high frequency impedance Z1 is less than the real number component value R2 of the low frequency impedance Z2, it is determined that the
本実施形態では、計測された高周波インピーダンスZ1の虚数成分値jX1または実数成分値R1のいずれかが低周波インピーダンスZ2の虚数成分値jX2または実数成分値R2未満であれば電解液60が漏洩していると判断している。このため、正極集電箔31aと負極集電箔31bとの間に、高周波電圧および低周波電圧を印加、または高周波電流および低周波電流を流すだけで、電解液60の漏洩の有無が判断できる。
In the present embodiment, if either the measured imaginary component value jX1 of the high frequency impedance Z1 or the real number component value R1 is less than the imaginary component value jX2 of the low frequency impedance Z2 or the real number component value R2, the
本実施形態では、正極集電箔31aおよび前記負極集電箔31bにそれぞれ接続されている、セル電圧検出線125a、125bを用いて、高周波電圧および低周波電圧を印加し、または高周波電流および低周波電流を流している。セル電圧検出線125a、125bのいずれか一方は、発電要素20の電圧を検出するためにあらかじめ用いられているので、1本のセル電圧検出線を追加するだけで、本発明の適用が可能となる。
In the present embodiment, high frequency voltage and low frequency voltage are applied, or high frequency current and low frequency are applied by using cell
10 二次電池、
11 積層体、
12 外装体、
20 発電要素、
31 集電体、
31a 正極集電箔、
31b 負極集電箔、
32 電極活物質層、
32a 正極活物質層、
32b 負極活物質層、
34a 正極集電板、
34b 負極集電板、
35 双極電極、
40 セパレータ、
50 シール部、
60 電解液、
100 二次電池システム、
120 インピーダンス計測部、
122 高周波電圧出力部、
124 低周波電圧出力部、
125a、125b セル電圧検出線、
126 虚数成分値計測部、
128 実数成分値計測部、
140 電解液漏洩判断部、
142 虚数成分値
146 比較判断部、
200 警報部。
10 Rechargeable battery,
11 laminated body,
12 exterior body,
20 power generation elements,
31 Current collector,
31a Positive electrode current collector foil,
31b Negative current collector foil,
32 Electrode active material layer,
32a Positive electrode active material layer,
32b Negative electrode active material layer,
34a Positive current collector plate,
34b Negative current collector plate,
35 bipolar electrode,
40 separator,
50 Seal part,
60 electrolyte,
100 rechargeable battery system,
120 Impedance measurement unit,
122 High frequency voltage output unit,
124 Low frequency voltage output unit,
125a, 125b cell voltage detection line,
126 Imaginary component value measuring unit,
128 Real number component value measuring unit,
140 Electrolyte Leakage Judgment Unit,
142
200 Alarm unit.
Claims (7)
隣り合う2つの前記発電要素の隣接する前記正極集電箔と前記負極集電箔との間のインピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、
計測された前記インピーダンスを用いて、前記セパレータに含まれる電解液が、前記正極活物質層および前記正極集電箔、または前記負極活物質層および前記負極集電箔から、隣り合う2つの前記発電要素の隣接する前記正極集電箔と前記負極集電箔との間に漏洩したことを判断する電解液漏洩判断部と、
を有する、二次電池システム。 A bipolar electrode having a positive electrode active material layer formed on the positive electrode side and a negative electrode active material layer formed on the negative electrode side of a current collector in which a positive electrode current collector foil and a negative electrode current collector foil are laminated is passed through a separator containing an electrolytic solution. A power generation element is formed by the positive electrode current collector foil , the positive electrode active material layer, the separator, the negative electrode active material layer, and the negative electrode current collector foil, and the end of the power generation element is formed. A secondary battery provided with a sealing portion for sealing the periphery of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the separator.
An impedance measuring unit that measures the impedance between the positive electrode current collector foil and the negative electrode current collector foil that are adjacent to each other of the two adjacent power generation elements .
Using the measured impedance, the electrolytic solution contained in the separator is generated from the positive electrode active material layer and the positive electrode current collector foil, or the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector foil, and two adjacent power sources. An electrolytic solution leakage determination unit that determines that leakage has occurred between the positive electrode current collector foil and the negative electrode current collector foil that are adjacent to each other .
Has a secondary battery system.
前記隣り合う2つの前記発電要素の隣接する前記正極集電箔と前記負極集電箔との間に、高周波電圧を印加または高周波電流を流したときの高周波インピーダンスの虚数成分値と低周波電圧を印加または低周波電流を流したときの低周波インピーダンスの虚数成分値とを計測し、
前記電解液漏洩判断部は、
計測された前記高周波インピーダンスの虚数成分値が前記低周波インピーダンスの虚数成分値未満であれば前記電解液が漏洩していると判断する一方、前記高周波インピーダンスの虚数成分値が前記低周波インピーダンスの虚数成分値よりも大きいか等しければ前記電解液が漏洩していないと判断する、請求項1から3のいずれかに記載の二次電池システム。 The impedance measuring unit is
The imaginary component value and low frequency voltage of the high frequency impedance when a high frequency voltage is applied or a high frequency current is passed between the positive positive current collector foil and the negative frequency current collector foil adjacent to each other of the two adjacent power generation elements. Measure the imaginary component value of the low frequency impedance when applied or low frequency current is applied,
The electrolyte leak determination unit is
If the measured imaginary component value of the high frequency impedance is less than the imaginary component value of the low frequency impedance, it is determined that the electrolytic solution is leaking, while the imaginary component value of the high frequency impedance is the imaginary number of the low frequency impedance. The secondary battery system according to any one of claims 1 to 3, wherein it is determined that the electrolytic solution has not leaked if it is larger than or equal to the component value.
前記隣り合う2つの前記発電要素の隣接する前記正極集電箔と前記負極集電箔との間に、高周波電圧を印加または高周波電流を流したときの高周波インピーダンスの実数成分値と低周波電圧を印加または低周波電流を流したときの低周波インピーダンスの実数成分値とを計測し、
前記電解液漏洩判断部は、
計測された前記高周波インピーダンスの実数成分値が前記低周波インピーダンスの実数成分値未満であれば前記電解液が漏洩していると判断する一方、前記高周波インピーダンスの実数成分値が前記低周波インピーダンスの実数成分値よりも大きいか等しければ前記電解液が漏洩していないと判断する、請求項1から3のいずれかに記載の二次電池システム。 The impedance measuring unit is
The real component value and low frequency voltage of the high frequency impedance when a high frequency voltage is applied or a high frequency current is passed between the positive positive current collector foil and the negative frequency current collector foil adjacent to each other of the two adjacent power generation elements. Measure the real component value of the low frequency impedance when applied or low frequency current is applied,
The electrolyte leak determination unit is
If the measured real number component value of the high frequency impedance is less than the real number component value of the low frequency impedance, it is determined that the electrolytic solution is leaking, while the real number component value of the high frequency impedance is the real number of the low frequency impedance. The secondary battery system according to any one of claims 1 to 3, wherein it is determined that the electrolytic solution has not leaked if it is larger than or equal to the component value.
前記隣り合う2つの前記発電要素の隣接する前記正極集電箔と前記負極集電箔との間に、高周波電圧を印加または高周波電流を流したときの高周波インピーダンスの虚数成分値と実数成分値を計測するとともに、低周波電圧を印加または低周波電流を流したときの低周波インピーダンスの虚数成分値と実数成分値とを計測し、
前記電解液漏洩判断部は、
計測された前記高周波インピーダンスの虚数成分値または実数成分値のいずれかが前記低周波インピーダンスの虚数成分値または実数成分値未満であれば前記電解液が漏洩していると判断する一方、前記高周波インピーダンスの虚数成分値または実数成分値のいずれかが前記低周波インピーダンスの虚数成分値または実数成分値よりも大きいか等しければ前記電解液が漏洩していないと判断する、請求項1から3のいずれかに記載の二次電池システム。 The impedance measuring unit is
The imaginary component value and the real component value of the high frequency impedance when a high frequency voltage is applied or a high frequency current is passed between the positive voltage collecting foil and the negative frequency collecting foil adjacent to each other of the two adjacent power generation elements. In addition to measuring, measure the imaginary component value and real component value of the low frequency impedance when a low frequency voltage is applied or a low frequency current is passed.
The electrolyte leak determination unit is
If either the measured imaginary component value or the real number component value of the high frequency impedance is less than the imaginary number component value or the real number component value of the low frequency impedance, it is determined that the electrolytic solution is leaking, while the high frequency impedance. If either the imaginary component value or the real number component value of the above is larger than the imaginary number component value or the real number component value of the low frequency impedance, it is determined that the electrolytic solution has not leaked, any of claims 1 to 3. The secondary battery system described in.
前記隣り合う2つの前記発電要素の隣接する前記正極集電箔および前記負極集電箔にそれぞれ接続されている、セル電圧検出線を用いて、前記正極集電箔と前記負極集電箔との間に、高周波電圧を印加または高周波電流を流し、低周波電圧を印加または低周波電流を流す、請求項4から6のいずれかに記載の二次電池システム。 The impedance measuring unit is
Using the cell voltage detection line connected to the positive electrode current collector foil and the negative electrode current collector foil adjacent to each other of the two adjacent power generation elements, the positive electrode current collector foil and the negative electrode current collector foil are used. The secondary battery system according to any one of claims 4 to 6, wherein a high-frequency voltage is applied or a high-frequency current is applied between the two, and a low-frequency voltage is applied or a low-frequency current is applied.
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