JP7148222B2 - Battery Internal Short Circuit Test Method and Internal Short Circuit Test Equipment - Google Patents
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Description
本発明は、電池の内部短絡試験法と内部短絡試験装置に関する。 The present invention relates to a battery internal short-circuit testing method and an internal short-circuit testing apparatus.
リチウムイオン二次電池などの電池の安全性を評価するための手法、評価試験は各種あるが、その中でも電池の内部に導電性の異物が混入し、それが正極と負極間を短絡させて発生する内部短絡時の挙動を評価する事は、電池メーカーにとっては極めて重要である。 There are various methods and evaluation tests for evaluating the safety of batteries such as lithium-ion secondary batteries. It is extremely important for battery manufacturers to evaluate the behavior during an internal short circuit.
以前より、このような内部短絡を模擬した試験として釘刺し試験が広く行われていた。釘刺し試験は、セル外部から導電性の釘を挿入・貫通させることにより確実に内部短絡を発生させる事が出来るため、ある程度の高い再現性が得られ易く、また、特別に精巧な装置も必要無いため、試験を行うのに大きな障壁が無い。 A nail penetration test has been widely used as a test simulating such an internal short circuit. In the nail penetration test, an internal short circuit can be reliably generated by inserting and penetrating a conductive nail from the outside of the cell. There are no major barriers to testing.
一方、釘刺し試験は簡便に行うことが出来るという特徴があるものの、通常セル内部で見られる内部短絡現象とは程遠い状態を作るに過ぎない事が、以前より問題視されている。つまり、太い釘が表から裏に至るまで貫通する点や、そのために、電極に穴が開く点など、実際の導電性異物起因で起こる内部短絡とは大きく違う状態になる。実際の導電性異物起因で起こる内部短絡は、電極そのものが破れたり、異物が電極を貫通したりすることはあっても、せいぜい1、2層に限られると考えられるが、釘刺し試験ではそのような短絡発生層数の制御は不可能に近い。 On the other hand, although the nail penetration test has the advantage that it can be easily performed, it has long been regarded as a problem that it merely creates a state far from the internal short-circuit phenomenon normally seen inside the cell. In other words, a thick nail penetrates from the front to the back, and a hole is formed in the electrode. Internal short-circuits caused by actual conductive foreign matter are thought to be limited to one or two layers at most, even if the electrode itself breaks or the foreign matter penetrates the electrode. It is nearly impossible to control the number of short-circuited layers.
そこで、最近では、電池から積層体や捲回体を取り出して、実際に導電性異物を極板間に挿入し、その部分を外から加圧して内部短絡を発生させる、強制内部短絡試験のように実際に起こる現象により近い状態を再現する試験法が提案されている。 Therefore, in recent years, a forced internal short circuit test has been developed in which the laminate or wound body is taken out of the battery, a conductive foreign substance is actually inserted between the electrode plates, and an internal short circuit is generated by applying pressure to that part from the outside. A test method has been proposed that reproduces conditions closer to what actually occurs in the field.
以前より広く行われてきた釘刺し試験は、内部短絡を発生させるための釘が電池を貫通するという点において、現実に発生すると考えられる導電性異物起因の内部短絡と大きく状態が異なる。 The nail penetration test, which has been widely used for a long time, differs greatly from the actual internal short circuit due to conductive foreign matter in that the nail penetrates the battery to generate the internal short circuit.
また、強制内部短絡試験は、現実に発生すると考えられる導電性異物起因の内部短絡と非常に近い状態を再現可能な試験ではあるが、電池を解体して異物を挿入するなど非常に手間が掛かる上、異物の場所を正しく加圧することも難しく、そのため再現性に乏しい。また、電池を解体する関係で、ドライルーム(超低湿クリーンルーム)と試験場が近接している必要があり、試験場の制約も受ける。また、微小な電圧低下を監視する必要があるため、精巧な電圧測定部とそれをフィードバックして加圧を止める機構など装置が非常に複雑かつ高価なものになる。 In addition, the forced internal short-circuit test is a test that can reproduce conditions very similar to internal short-circuits caused by conductive foreign matter that are thought to occur in reality, but it is very time-consuming, such as disassembling the battery and inserting the foreign matter. In addition, it is difficult to pressurize the location of the foreign object correctly, and therefore the reproducibility is poor. In addition, the dry room (ultra-low humidity clean room) and the test site must be close to each other in relation to dismantling the battery, and the test site is subject to restrictions. In addition, since it is necessary to monitor a minute voltage drop, the device, such as an elaborate voltage measuring unit and a mechanism for stopping pressurization by feeding it back, becomes very complicated and expensive.
特許文献1では、釘先端のような微小な部分のみを刺すことで、実際に起こる現象により近い状態を再現する試験法が提案されている。しかしこの方法でも、加圧子を高度に位置制御するために、加圧力を検知する加圧力測定部、それを位置制御にフィードバックする加圧子制御部、短絡子制御部等が必要であり、非常に複雑・高価な装置になるという課題があった。
また特許文献2の電池試験装置では、図2,図3、(0042)~(0043)に、加圧部42に釘刺し試験用治具44を取り付けることが記載されている。釘刺し試験用治具44には、釘部44aと釘部44aの根元に一体的に形成された基部44cがある。駆動部18によって加圧部42を下降させて釘部44aを電池Bに突き刺すが、釘部44aをどこまで電池Bに突き刺すか、また基部44cが電池Bを加圧するかについては何ら記載がない。そのため特許文献1と同じく、駆動部18の下降距離を測定し、フィードバックしながら行うと思われる。しかしその場合、特許文献1と同様に複雑・高価な装置になるという課題があった。
Further, in the battery testing apparatus of
本発明の目的は、以上述べた問題点を解決し、電池に発生する内部短絡を簡便でしかも再現性の高い試験を行う方法と内部短絡試験装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-described problems and to provide a method and an internal short-circuit testing apparatus for easily and highly reproducibly testing internal short-circuits occurring in batteries.
本発明は、セパレータを介して正極板と負極板が積層された積層物を備え、前記積層物が外装体に収納されている電池の内部短絡試験方法であって、
加圧平板と前記加圧平板から所定の内部短絡層数に対応する長さ突出して固定された突出部を備えた加圧部で前記電池を加圧して、前記電池に内部短絡を発生させることを特徴とする電池の内部短絡試験方法、である。
The present invention provides a battery internal short-circuit test method comprising a laminate in which a positive electrode plate and a negative electrode plate are laminated with a separator interposed therebetween, and the laminate being housed in an outer package,
The battery is pressurized by a pressurizing plate and a pressurizing part provided with a protrusion projecting from the pressurizing plate by a length corresponding to a predetermined number of internal short-circuit layers to generate an internal short circuit in the battery. A battery internal short circuit test method characterized by:
また本発明は、試験対象の電池を載置する架台と、前記架台に設けた脚部と、前記脚部上に設けた機構支持部と、前記機構支持部に支持された送り出し機構と、前記送り出し機構に設けられ、加圧平板と前記加圧平板上に所定の内部短絡層数に対応する長さ突出して固定され前記試験対象の電池を刺す突出部を備えた加圧部と、を備えたことを特徴とする内部短絡試験装置、である。 Further, the present invention includes a base on which a battery to be tested is placed, a leg portion provided on the base, a mechanism support portion provided on the leg portion, a delivery mechanism supported by the mechanism support portion, and the A pressurizing unit provided in a delivery mechanism, comprising a pressurizing plate and a pressurizing unit having a protruding portion fixed on the pressurizing plate so as to protrude by a length corresponding to a predetermined number of internal short-circuit layers and piercing the battery to be tested. An internal short-circuit testing device characterized by:
本発明によれば、電池内部に発生させたい内部短絡の状態を、簡便な方法で再現可能となり、また再現性も高い試験を行う事が可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to reproduce the state of the internal short circuit desired to generate|occur|produce inside a battery by a simple method, and it becomes possible to perform a highly reproducible test.
(第1の実施形態)
図1~図4を用いて本発明の第1の実施形態を説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG.
初めに図1に基づいて、本実施形態で評価対象となる電池の一例としてフィルム外装電池の一例を説明する。フィルム外装電池は、例えばリチウムイオン二次電池である。図1では試験セル1と表示している。図1に示すように、発電要素を電解液(不図示)とともにラミネートフィルムからなる外装体3の内部に収容したものである。発電要素は、セパレータ43を介して正極板41と負極板42が積層された積層体を交互に積層している。積層体間にもセパレータ43を挟んでいる。このようにして形成した発電要素を、正極端子と負極端子を除いて外装体3でカバーする。
First, based on FIG. 1, an example of a film-clad battery will be described as an example of a battery to be evaluated in this embodiment. A film-clad battery is, for example, a lithium ion secondary battery. It is indicated as
正極板41は、正極集電体の両面に正極活物質を塗布して形成する。正極集電体としては、アルミニウム箔等が使われる。また正極活物質としては、例えば、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)、または、コバルト酸リチウム(LiCoO2)等のリチウム複合酸化物からなる正極活物質と、カーボンブラック等の導電助剤と、バインダと、を混合したものを、正極集電体上に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。正極集電体と正極活物質は特に限定されない。
The
負極板42は、負極集電体の両面に負極活物質を塗布してなる。負極集電体としては、銅箔等が使われる。また負極活物質としては、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、バインダを混合したものを、負極集電体の主面に塗布し、乾燥及び圧延させることにより形成されている。負極集電体と負極活物質は特に限定されない。
The
上記負極集電体の長手方向の端縁の一部は、負極活物質層を具備しない延長部44として延びており、その先端が負極端子(タブ2)に接合されている。また図1には示していないが、同様に、上記正極集電体の長手方向の端縁の一部が、正極活物質層を具備しない延長部として延びており、その先端が正極端子に接合されている。
A part of the edge in the longitudinal direction of the negative electrode current collector extends as an
セパレータ43は、正極板41と負極板42との間の短絡を防止すると同時に電解質を保持する機能を有する。セパレータ43は、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜からなり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能を有している。なお、セパレータとしては、ポリオレフィン等の単層膜に限られず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造のものや、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものも用いることができる。セパレータ43の材料、構造は特に限定されない。
The
また、用いる電解液も特に限定されるものではないが、リチウムイオン二次電池に一般的に使用される電解質として、例えば、有機溶媒にリチウム塩が溶解した非水電解液を用いることができる。 In addition, the electrolyte to be used is not particularly limited, but as an electrolyte generally used in lithium ion secondary batteries, for example, a non-aqueous electrolyte in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent can be used.
なお上述の実施形態では電解液を用いたが、電解質塩を含有させた固体電解質、高分子電解質、高分子化合物等に電解質塩を混合または溶解させた固体状もしくはゲル状電解質等も用いることができる。これらはセパレータを兼ねることもできる。 In the above-described embodiment, an electrolytic solution is used, but a solid electrolyte containing an electrolyte salt, a polymer electrolyte, or a solid or gel electrolyte obtained by mixing or dissolving an electrolyte salt in a polymer compound or the like can also be used. can. These can also serve as separators.
図2に、本実施形態の加圧部10の概略図を示す。
FIG. 2 shows a schematic diagram of the
加圧部10は、装置に取り付けられるロッド7と、ロッド7に垂直に取り付けられ、評価対象のセルの表面を加圧する加圧平板6、およびセル表面から規定の長さセル内部に突き刺さる突出部5を備えている。突出部5は加圧平板6から所定の内部短絡層数に対応する長さ突出して加圧平板6に固定されている。図2で示した加圧部10を図1で示した試験セル1に図4で示すように突き刺して内部短絡を発生させる。
The pressurizing
図3は本実施形態の方法で用いられる内部短絡試験装置20の構成を示す図である。セルを加圧する図2に示す加圧部10と、それを保持し加圧部10の加圧平板6を評価対象である試験セル1の表面に対して垂直方向に加圧するための送り出し機構部21、および試験セル1を載置する架台22を備えている。架台22上に四本の脚部23を備え、四本の脚部23上に機構支持部24を設置する。機構支持部24の下面中央に送り出し機構部21を固定する。送り出し機構部21の先端にロッド7を接続し、ロッド7の先端に図2で述べた圧部10を固定する。加圧平板6と突出部5の材料は例えばステンレスであり、突出部5の形状は円錐形である。なお送り出し機構部21とロッド7を合わせて送り出し機構部としてもよい。
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of an internal short-
送り出し機構部21は加圧部10の突出部5がセルの内部に入りきり、加圧平板6がセル表面に達する程度の加圧力であれば良く、フィルム外装電池の場合であれば10~30N(ニュートン)あれば十分である。また、加圧平板6がセル表面に達するところで送り出しを停止すれば良いため、送り出し位置の精度も不要である。電池の内部短絡部分は、加圧部10によって常に規定の長さだけ突出部5がセル内部に突き刺さる。そのため突き刺さる長さが常に安定しており、再現性良く実際に起こる内部短絡を模擬可能である。突出部5は電池に突き刺すために釘の先のように尖っている。突出部5だけが電池に刺さるよう、加圧平板6は突出部5に比べて十分大きい寸法を有する。
The
加圧部10でセル表面を加圧する場合に、まず加圧部10の突出部5がセルの表面に達して、その後セルの内部に突き刺さるが、この時の突き刺しの速度に関しては、この後加圧平板6がセル表面に到達した際に大きな衝撃とならない程度に遅い事が望ましい。そのため1mm/sec以下である事が望ましい。
When the
加圧平板6は突出部5が規定長さだけセル内部に突き刺さるためのストッパーの役であるため、平板の形状は問わない。円形でも楕円形でも長方形でも正方形でも構わない。但し、加圧時に荷重が分散しないようにロッドに対して回転対称であることが望ましい。
Since the pressurizing plate 6 serves as a stopper for the protruding
加圧部10の突出部5は電池内部に刺さる事で電池の内部短絡を発生させる。このため、突出部5は導電性材料からなる事が望ましい。また、加圧平板6は荷重に十分耐えられ、変形量が極力少なければどのような材料を用いても良いが、突出部5が常に規定の長さ突出する事が可能なように荷重をかけた場合でも、突出部5自身の変形量が極力少なくなるように寸法・材料を選定するとよい。このような観点から、加圧平板6の形状は一辺が10mm角以上の正方形であり、厚さ10mm以上の金属製であることが望ましい。
The protruding
加圧部10の突出部5の突出長さは、発生させたい内部短絡の短絡抵抗を想定して設定することが望ましく、例えばそれは、短絡が発生する層数によって長さを決める事が出来る。また、短絡抵抗を低くするために、加圧部10を複数設けたり、加圧平板6に複数の突出部5も設けたりするなども可能である。
The protruding length of the protruding
本実施形態では、所定の内部短絡状態を再現するように、加圧平板から所定の長さだけ突出した長さで固定された加圧部を用いて、セル表面を加圧する。そのため常に所定の内部短絡状態を再現でき、試験装置には位置制御のための高精度なコントロール機構も不要で、セル電圧の降下検出と加圧動作をリンクさせる必要もなく、実際に起こると想定される内部短絡状態を簡便にしかも再現性良く実現可能である。 In the present embodiment, the cell surface is pressurized using a pressurizing member that protrudes from the pressurizing plate by a predetermined length and is fixed so as to reproduce a predetermined internal short-circuit state. Therefore, a predetermined internal short circuit state can always be reproduced, and the test equipment does not require a highly accurate control mechanism for position control, and there is no need to link cell voltage drop detection and pressurization operation, assuming that it actually occurs. It is possible to easily realize the internal short-circuit state with good reproducibility.
なお本実施形態では積層型の電池について述べたが、本発明は捲回型の電池についても適用することができる。また本実施形態ではリチウムイオン電池を対象としたが、他の電池材料を用いた電池でも適用することができる。 In addition, although the laminated type battery is described in the present embodiment, the present invention can also be applied to a wound type battery. In addition, although the lithium-ion battery is targeted in this embodiment, batteries using other battery materials can also be applied.
以下本発明の実施例1を説明する。本実施例では、図3に示した内部短絡試験装置20を用いた。一例として、加圧部10の加圧平板6は一辺10mm、厚さ10mmの立方体であり、中心をロッド7に固定している。突出部5は加圧平板6の電池と対向する面の中央に固定し、先端角が30°で、突出部5の突出長さが1.0mmと0.6mmの二種類用意した。試験セル1は架台22上の加圧部10の真下に固定する。
EXAMPLE 1 Example 1 of the present invention will be described below. In this example, the internal short-
ラミネート外装電池の電極積層体の積層方向に垂直な方向から加圧部10を垂直に、移動速度0.1mm/secで、最大荷重50Nで加圧した。
The
このような条件で試験した場合の電池の電圧と加圧部に係る荷重を測定した。電池の電圧が30mV以上低下した場合に、内部短絡が生じたと判断し試験を中止した。 The voltage of the battery and the load applied to the pressurized part were measured under these conditions. When the battery voltage dropped by 30 mV or more, it was determined that an internal short circuit had occurred, and the test was stopped.
また試験セル1を2種類準備した。試験セルAは通常の釘刺し試験にパスする安全性の高いセル仕様のものであり、試験セルBは通常の釘刺し試験にて発煙・発火となるセル仕様のものである。以下単にセルA、セルBと略す。なおセルAとセルBではセル構造は共通であり図1、図4で示した構造であるが、使われているセパレータが異なる。セルAは、アラミドなどの耐熱性の高いセパレータを用いており、セルBは通常の、耐熱性の低いPP(ポリプロピレン)などのセパレータを用いている。
Also, two types of
試験結果を表1に示す。
表1
Table 1 shows the test results.
Table 1
表1で、「結果」の欄の「○」は発煙無し・発火無し、「×」は発煙および発火が起こったことを意味する。突出長さ1mmだと、内部短絡した層数は2層であり、セルAは発煙も発火も無く、良好な結果となった。一方セルAより安全性の低いセルBでは2層の内部短絡が発生し、発煙および発火が起こった。それに対して突出長さ0.6mmでは、セルA,Bとも発煙も発火もなかった。つまり突出長さが短ければ、安全性の高いセルもそうでないセルもいずれも発煙も発火もないが、突出長さが長いと、安全性の高いセルは発煙と発火がないのに対し、安全性が高くないセルは発煙と発火が起こった。 In Table 1, "◯" in the "result" column means that there was no smoke or fire, and "x" means that smoke and fire occurred. When the protrusion length was 1 mm, the number of layers with an internal short circuit was two, and Cell A had neither smoke nor fire, and a good result was obtained. On the other hand, cell B, which is less safe than cell A, had an internal short circuit between two layers, causing smoke and fire. On the other hand, when the projection length was 0.6 mm, neither the cells A nor B emitted smoke or caught fire. In other words, if the protrusion length is short, neither the high-safety cell nor the non-safety cell emits smoke or fire. Smoke and fire occurred in cells that were not highly resistant.
この試験を、セルA,Bに対してそれぞれ十回程度繰り返したが、毎回同じ短絡層数であり、試験結果に再現性があった。 This test was repeated about ten times for cells A and B, and the number of short-circuit layers was the same each time, and the test results were reproducible.
以上説明したように本実施例の試験方法によれば、内部短絡を模擬した試験を簡便にしかも再現性良く行うことができる。 As described above, according to the test method of this embodiment, a test simulating an internal short circuit can be easily performed with good reproducibility.
1 試験セル
2 タブ
3 外装体
5 突出部
6 加圧平板
7 ロッド
10 加圧部
20 内部短絡試験装置
21 送り出し機構部
22 架台
23 脚部
24 機構支持部
41 正極板
42 負極板
43 セパレータ
44 延長部
REFERENCE SIGNS
Claims (7)
加圧平板と前記加圧平板から所定の内部短絡層数に対応する長さ突出して固定された突出部を備えた加圧部で前記電池を加圧して、前記電池に内部短絡を発生させ、前記加圧平板が前記電池の表面に達するところで前記加圧部の送り出しを停止することを特徴とする電池の内部短絡試験方法であって、
前記加圧平板が複数設けられている電池の内部短絡試験方法。 An internal short circuit test method for a battery comprising a laminate in which a positive electrode plate and a negative electrode plate are laminated with a separator interposed therebetween, the laminate being housed in an outer package,
generating an internal short circuit in the battery by pressurizing the battery with a pressurizing plate and a pressurizing unit provided with a protruding part fixed by protruding from the pressurizing plate by a length corresponding to a predetermined number of internal short-circuit layers ; A battery internal short circuit test method characterized in that the feeding of the pressure unit is stopped when the pressure plate reaches the surface of the battery,
An internal short-circuit test method for a battery provided with a plurality of the pressurizing plates.
加圧平板と前記加圧平板上に所定の内部短絡層数に対応する長さ突出して固定され前記試験対象の電池を刺す突出部を備えた加圧部と、を備えたことを特徴とする内部短絡試験装置であって、
前記加圧平板が複数設けられ、前記送り出し機構は、前記加圧平板が前記電池の表面に達するところで前記加圧部の送り出しを停止する内部短絡試験装置。 a base on which a battery to be tested is mounted; legs provided on the base; a mechanism support provided on the legs; a delivery mechanism supported by the mechanism support; ,
A pressurizing plate, and a pressurizing part having a protruding part fixed on the pressurizing plate so as to protrude by a length corresponding to a predetermined number of internal short-circuit layers to pierce the battery to be tested. An internal short-circuit test device,
An internal short-circuit testing apparatus, wherein a plurality of said pressure plates are provided, and said delivery mechanism stops delivery of said pressure member when said pressure plates reach the surface of said battery .
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