(57)【要約】  本発明は、電池の内部短絡を評価するための装置に関する。本発明は、電極群にかかる圧力を考慮した上で、電極群において内部短絡が生じたか否かを評価することができる装置を提供することを目的とする。  本発明の一実施形態に係る内部短絡評価装置は、独立して作動することができる、電極群の表面の少なくとも所定の位置を加圧する加圧子および前記所定の位置に押し当てられる短絡子を少なくとも備える。本発明の別の実施形態に係る内部短絡評価装置は、短絡子が一体化された加圧子を備える。
2010082502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを含む電極群、電解質、ならびに前記電極群および前記電解質を収容する電池ケースを備える電池の内部短絡評価装置であって、
（１）前記電極群の表面の少なくとも所定の位置を加圧する加圧子、
（２）前記所定の位置に押し当てられる短絡子、
（３）前記電極群において前記短絡子によって短絡が生じたときに変化する電池情報を測定する電池情報測定部、
（４）前記電池情報測定部によって測定された電池情報の変化を検知し、かつ前記電池情報を所定の基準値と比較して内部短絡を判断する短絡検知部、
（５）前記加圧子に加えられる加圧力を測定する加圧力測定部、
（６）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記加圧子を制御する加圧子制御部、および
（７）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記短絡子を制御する短絡子制御部
を有する、内部短絡評価装置。
【請求項２】
前記加圧子に貫通孔が設けられており、前記貫通孔を通して、前記短絡子が、前記所定の位置に押し当てられる、請求項１記載の内部短絡評価装置。
【請求項３】
前記加圧子の前記電極群との接触部が、ゴム材料を含む、請求項１記載の内部短絡評価装置。
【請求項４】
前記短絡子の前記電極群に接触する部分が、鋭利な突起状または鋭利な刃先状である、請求項１記載の内部短絡評価装置。
【請求項５】
正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを含む電極群、電解質、ならびに前記電極群および前記電解質を収容する電池ケースを備える電池の内部短絡評価装置であって、
（i）一体化された短絡子を備える加圧子であって、前記電極群の表面の少なくとも所定の位置を加圧しながら、前記所定の位置に前記短絡子を押し込む、加圧子、
（ii）前記電極群において前記短絡子によって短絡が生じたときに変化する電池情報を測定する電池情報測定部、
（iii）前記電池情報測定部によって測定された電池情報の変化を検知し、かつ前記電池情報を所定の基準値と比較して内部短絡を判断する短絡検知部、
（iv）前記加圧子に加えられる加圧力を測定する加圧力測定部、および
（v）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記加圧子を制御する加圧子制御部
を有する、内部短絡評価装置。
【請求項６】
前記加圧子の前記電極群との接触部が、ゴム材料を含む、請求項５記載の内部短絡評価装置。
【請求項７】
前記短絡子の前記電極群に接触する部分が、鋭利な突起状または鋭利な刃先状である、請求項５記載の内部短絡評価装置。
【請求項８】
前記短絡検知部からの信号に基づいて、前記電極群の充放電を制御する充放電制御部をさらに備える、請求項１記載の内部短絡評価装置。
【請求項９】
前記電極群、前記加圧子および前記短絡子を少なくとも収容する恒温槽をさらに備える、請求項１記載の内部短絡評価装置。
【請求項１０】
前記短絡検知部からの信号に基づいて、前記電極群の充放電を制御する充放電制御部をさらに備える、請求項５記載の内部短絡評価装置。
【請求項１１】
前記電極群、前記加圧子および前記短絡子を少なくとも収容する恒温槽をさらに備える、請求項５記載の内部短絡評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の内部短絡を評価するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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項目としては、例えば、内部短絡時の発熱挙動の評価が挙げられる。このような電池の評価試験としては、例えばリチウム電池のためのＵＬ規格（ＵＬ１６４２）、電池工業会からの指針（ＳＢＡ  Ｇ１１０１−１９９７リチウム二次電地安全性評価基準ガイドライン）などが挙げられる。このような評価試験が活用され、その結果が、各種電池の開発に反映されている。例えば、特許文献１には、高出力特性およびサイクル特性が良好で、かつ安全性の高い高容量の電池を得るために、電池の製造工程に改良を加えることが開示されている。特許文献２には、リチウム二次電池における高い安全性と高い電池特性とを両立させるために、正極と負極との間に配置された多孔質耐熱層の厚みと電池缶の側壁の厚みとの比を所定の範囲とすることが提案されている。【０００３】
上記評価試験の中でも、例えば釘刺し試験は、電池側面より釘を貫通または突き刺したときの内部短絡を調べる試験である。釘を突き刺すことにより、電池内部において、釘による正極と負極との短絡部が発生し、そのために短絡部に短絡電流が流れ、ジュール熱が発生する。内部短絡試験においては、これらの現象に基づく電池温度または電池電圧の変化が測定される。【０００４】
また、圧壊試験は、丸棒、角棒、平板などを用いて電池を物理的に変形させることにより生じる内部短絡を調べる試験である。具体的には、圧壊試験では、物理的な変形により正極と負極との間に内部短絡を発生させて、電池温度または電池電圧の変化が測定される。【０００５】
さらに、上記釘刺し試験および圧壊試験以外にも、電池から電極群を取り出し、前記電極群の外側から内側に向かって異物を押し込む異物押し込み試験も、電池の内部短絡試験として行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１０２７２９号公報
【特許文献２】特開２００６−３１３７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電池または電池パックの構造の違いによって、電池または電池パックに含まれる電極群にかかる圧力が大きく異なる。しかしながら、上記のような釘刺し試験等において、例えば、電池または電池パックから取り出された電極群が用いられる場合、取り出された電極群は、電池内または電池パック内にあるときとは異なり束縛された状態にはない。さらには、取り出された電極群は、電池または電池パックの構造にかかわりなく、一定の力で、釘が刺されたり、変形されたり、異物が押し込まれたりしている。つまり、従来の短絡試験は、電極群にかかる加圧力を考慮して行われているわけではない。【０００８】
そこで、本発明は、電極群にかかる加圧力を考慮した上で、電極群（つまり電池）において内部短絡が生じたか否かを評価することができる装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの観点において、正極と、負極と、それらの間に配置されたセパレータとを含む電極群、電解質、ならびに電極群および電解質を収容する電池ケースを備える電池の内部短絡評価装置は、
（１）前記電極群の表面の少なくとも所定の位置を加圧する加圧子、
（２）前記所定の位置に押し当てられる短絡子、
（３）前記電極群において前記短絡子により短絡が生じたときに変化する電池情報を測定する電池情報測定部、
（４）前記電池情報測定部によって測定された電池情報の変化を検知し、かつ前記電池情報を所定の基準値と比較して内部短絡を判断する短絡検知部、
（５）前記加圧子に加えられる加圧力を測定する加圧力測定部、
（６）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記加圧子を制御する加圧子制御部、および
（７）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記短絡子を制御する短絡子制御部
を有する。【００１０】
本発明の別の観点において、正極と、負極と、それらの間に配置されたセパレータとを含む電極群、電解質、ならびに電極群および電解質を収容する電池ケースを備える電池の内部短絡評価装置は、
（i）一体化された短絡子を備える加圧子であって、前記電極群の表面の少なくとも所定の位置を加圧しながら、前記所定の位置に前記短絡子を押し込む、加圧子、
（ii）前記電極群において前記短絡子により短絡が生じたときに変化する電池情報を測定する電池情報測定部、
（iii）前記電池情報測定部によって測定された電池情報の変化を検知し、かつ前記電池情報を所定の基準値と比較して内部短絡を判断する短絡検知部、
（iv）前記加圧子に加えられる加圧力を測定する加圧力測定部、および
（v）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記加圧子を制御する加圧子制御部
を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電池または電池パックの構造の違いに応じた圧力を電極群にかけることができる。よって、本発明の内部短絡評価装置を用いることにより、電池または電池パックから取り出された電極群を、電池または電池パックに組み込まれた状態と同じ状態とした上で、電極群の内部短絡試験を行うことができる。よって、本発明の内部短絡評価装置を用いることにより、各種の電池または電池パックの内部短絡試験を正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の好ましい実施形態に係る内部短絡評価装置のブロック図である。
【図２】図１の内部短絡評価装置の構成の一例を模式的に示す図である。
【図３】本発明の別の好ましい実施形態に係る内部短絡評価装置のブロック図である。
【図４】図３の内部短絡評価装置に含まれる、短絡子が一体化された加圧子の一例を示す縦断面図である。
【図５】図４の加圧子の底面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（実施の形態１）
以下、本実施形態に係る、電極群、電解質およびこれらを収容する電池ケースを含む電池の内部短絡評価装置について説明する。前記内部短絡評価装置は、
（１）前記電極群の表面の少なくとも所定の位置を加圧する加圧子、
（２）前記所定の位置に押し当てられる短絡子、
（３）前記電極群において前記短絡子により短絡が生じたときに変化する電池情報を測定する電池情報測定部、
（４）前記電池情報測定部によって測定された電池情報の変化を検知し、かつ前記電池情報を所定の基準値と比較して内部短絡を判断する短絡検知部、
（５）前記加圧子に加えられる加圧力を測定する加圧力測定部、
（６）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記加圧子を制御する加圧子制御部、および
（７）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記短絡子を制御する短絡子制御部
を備える。
なお、本実施形態の内部短絡評価装置では、試験の前処理時に、短絡させる正極板と負極板の表面を露出させることなく、電池を分解して取り出された電極群をそのまま内部短絡の評価に用いることができる。一方で、従来の電池の内部短絡の評価においては、例えば所定の短絡点に異物を挿入するために、前記短絡点の位置まで電極群を展開する必要がある。このように電極群を展開した場合、電極合剤の脱落、電解質の蒸発等が懸念される。さらに、ポリマー電池に含まれる電極群においては、正極と負極とセパレータとが一体化されている。このため、ポリマー電池に含まれる電極群の展開を行うことができない。よって、ポリマー電池は、従来の内部短絡評価試験に供すること自体が不可能である。【００１４】
図１に、本発明の一実施形態に係る内部短絡評価装置のブロック図を示す。
図１の内部短絡評価装置１０は、加圧子１１、加圧子制御部１２、加圧力測定部１３、短絡子１４、短絡子制御部１５、電池情報測定部１６、短絡検出部１７、および充放電制御部１８を備える。【００１５】
図１の内部短絡評価装置の構成の一例を、図２を参照しながら説明する。図２の内部短絡評価装置は、内部短絡試験に用いられる電極群２０を乗せるための台２１を備える。加圧子１１は、加圧子用加圧装置２２により電極群２０の所定の領域を加圧する。加圧子用加圧装置２２は、所定の支持体（図示せず）により支持されており、例えば加圧子用加圧装置２２が電極群２０の方（矢印Ａの方向）へ移動することにより、加圧子１１が電極群２０を加圧することができる。加圧子１１と加圧装置２２との間には、加圧力測定部１３が配置されている。なお、加圧装置２２が加圧力測定部を備える場合には、加圧力測定部を別に設ける必要はない。短絡子１４は、短絡子用加圧装置２３により、電極群２０に押し込まれる。短絡子用加圧装置２３は、所定の支持体（図示せず）に支持されており、例えば短絡子用加圧装置２３が電極群２０の方へ移動することにより、短絡子１４が電極群２０に押し込まれる。コンピュータ（ＰＣ）２４には、加圧子制御部、短絡子制御部および短絡検出部が設けられている。図２の内部短絡評価装置において、電極群２０には、充放電制御部１８が接続されるとともに、電極群２０の電池情報を測定する電池情報測定部１６が設けられている。充放電制御部１８には２つの端子が設けられており、前記２つの端子は、電極群２２の充放電を制御できるように、電極群２０の正極および負極にそれぞれ接続される。また、電池情報測定部１６および充放電制御部１８は、ＰＣ２４に接続されている。なお、図２において、電極群２０は、捲回軸に対して垂直な面の最外周のみを示している。【００１６】
本実施形態の内部短絡評価装置１０においては、まず、加圧子１１により、電極群２０の所定の位置を含む所定の領域が押圧される。加圧子１１による加圧力は、加圧力測定部１３により測定されている。前記加圧力が所定の値にまで達すると、加圧子制御部１２により、加圧子１１の移動が停止され、加圧力が前記所定の値に維持される。【００１７】
内部短絡試験に用いられる電極群２０は、捲回型であってもよいし、積層型であってもよい。捲回型の電極群の場合、捲回型の電極群は、円筒型であってもよいし、角型電池に含まれるような断面が略楕円形の柱状体（捲回型かつ角型の電極群）であってもよい。円筒型の電極群において、前記所定の位置は、例えば、捲回軸に平行な面上の所定の位置とすることができる。積層型の電極群において、前記所定の位置は、例えば、積層方向に垂直な面上の所定の位置とすることができる。捲回型かつ角型の電極群において、前記所定の位置は、例えば、捲回軸に垂直な電極群の略楕円形の横断面における長軸方向にほぼ平行な電極群の面上の所定の位置とすることができる。【００１８】
電極群２０に印加される加圧力は、１０００Ｎ以下、例えば０〜１０００Ｎの範囲にあればよく、電極群２０の構造等に応じて、適宜調節される。例えば、円筒型電池に含まれる円筒型電極群に印加される加圧力は、８００Ｎ以下、具体的には０〜８００Ｎとすることができる。角型電池に含まれる電極群に印加される加圧力は、例えば、４００Ｎ以下、具体的には０〜４００Ｎとすることができる。
なお、円筒型電極群は、耐圧性が高く、高い圧力にまで耐えることができる。一方、角型電池に含まれる電極群は、円筒型電極群と比較して、耐圧性が多少劣る。このため、角型電池に含まれる電極群に印加される加圧力は、円筒型電極群に印加される加圧力と比較して低く設定される。ここで、角型電池に含まれる電極群は、捲回型であってもよいし、積層型であってもよい。【００１９】
加圧子１１の電極群２０との接触部は、ゴム材料を含むことが好ましく、ゴム材料のみからなることがさらに好ましい。前記接触部はゴム弾性を有することから、前記接触部は、電極群２０を加圧する際に、電極群２０の表面形状にあわせて変形することができる。このため、電極群２０に加圧子１１が密着した状態で、つまり大きな接触面積で、加圧子１１により電極群２０を加圧することができる。
前記ゴム材料は、ゴム弾性を有する限り、特に限定されない。例えば、前記ゴム材料としては、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、天然ゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、シリコンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム、ハイパロンなどが挙げられる。【００２０】
加圧子１１は、上記のように、加圧子用加圧装置２２を含むことができ、前記加圧装置２２により、加圧子１１は電極群２０の所定の位置を含む所定の領域を加圧することができる。加圧装置の形式としては、例えば、サーボモータを用いるスクリュー式、ポストガイドスクリュー式、フリコ式、テコ式、クランク式、メカニカルプレス式、油圧プレス式、エアープレス式などが挙げられる。
加圧力測定部１３としては、例えば、圧力センサを用いることができる。【００２１】
次に、加圧力測定部１３からの信号に基づいて、短絡子制御部１５により、短絡子１４が、電極群２０の所定の位置に、電極群２０の外側から内側に向かって押し当てられる。
図２には、電極群２０が加圧子１１により加圧されるとともに、電極群２０の所定の位置に短絡子１４が押し当てられている様子も示されている。図２に示される加圧子１１は、基材部１１ａと、基材部１１ａの電極群２０側に設けられた接触部１１ｂとを有する。接触部１１ｂは、ゴム材料からなる。加圧子１１には、貫通孔１１ｃが設けられており、貫通孔１１ｃを通して、短絡子１４が、電極群２０の所定の位置に刺し込まれている。【００２２】
基材部１１ａを構成する材料は、電極群２０に１０００Ｎ以下の加圧力をかけることができれば、特に限定されない。このような材料としては、例えば、ステンレス鋼が挙げられる。【００２３】
加圧力を印加する方向（矢印Ａの方向）に垂直な断面（厚さ方向に垂直な断面）における接触部１１ｂの形状は、特に限定されない。例えば、接触部１１ｂの前記断面の形状は、円形であってもよいし、楕円形であってもよいし、矩形であってもよい。【００２４】
貫通孔１１ｃは、接触部１１ｂの中心軸を通るように設けることが好ましい。電極群２０が円筒型である場合、加圧子１１は、貫通孔１１ｃが、電極群２０の捲回軸に対して垂直な直径方向に平行となるように、電極群２０に接触させることが好ましい。電極群２０が、角型電池に含まれる積層型または捲回型の電極群である場合、貫通孔１１ｃが電極板の積層方向と平行となるように、電極群２０に加圧子１１を接触させることが好ましい。これにより、電極群２０の所定の位置を含む領域に、均一に加圧力をかけることができる。ここで、接触部１１ｂの中心軸とは、その厚さ方向に垂直な断面の形状の中心点を通り、加圧力を印加する方向に平行な軸のことをいう。【００２５】
短絡子１４の電極群２０に接触する部分は、鋭利な突起状または鋭利な刃先状であることが好ましい。このような短絡子１４を、電極群２０の所定の位置に押し込むことにより、加圧子１１の先端近傍に存在する正極と負極とを確実に短絡させることができる。このとき、正極と負極とが直接接触して短絡が生じてもよいし、短絡子１４を介して、正極と負極とが短絡してもよい。【００２６】
短絡子１４の材質としては、例えば、鉄、ニッケル、ステンレス鋼のような金属、絶縁性セラミック、樹脂のような不導体、および半導体、導電剤含有樹脂のような高抵抗材料を用いることができる。また、所定の材料（例えば、前記金属および不導体）を前記高抵抗材料で被覆した短絡子を用いることもできる。
短絡子１４の材質が金属である場合、短絡子１４の寿命を長くすることができる。高抵抗材料からなる短絡子１４または表面部が高抵抗材料からなる短絡子１４を用いることにより、短絡点の抵抗を制御することができる。
例えば、短絡子１４としては、電極群２０に接触する部分が鋭利な突起状または鋭利な刃先状の釘を用いることができる。【００２７】
短絡子１４を電極群２０に押し込むときの速度は０．１ｍｍ／ｓ〜１８０ｍｍ／ｓであることが好ましい。短絡子１４を電極群２０に押し込むときの加圧力は５０Ｎ以下であることが好ましい。このような条件で短絡子１４を電極群２０に押し込むことにより、電極群２０の所定の位置において、短絡を有効に発生させることが可能となる。
なお、短絡子１４は、上記のように、短絡子用加圧装置２３を含んでいてもよい。短絡子用加圧装置２３としては、加圧子用加圧装置と同様な装置を用いることができる。【００２８】
本実施形態の内部短絡評価装置１０においては、電極群２０において短絡子１４により短絡を生じさせるとき、電極群２０の電池情報が、電池情報測定部１６により測定される。短絡検出部１７は、電池情報測定部１６で測定された電池情報を受ける。短絡検出部１７においては、電池情報測定部１６で測定された電池情報が変化した際に、変化後の電池情報を所定の基準値と比較して、内部短絡が発生したか否かが判断される。内部短絡が発生したと判断された場合には、短絡検出部１７から、加圧子制御部１２および短絡子制御部１５に信号が送られる。加圧子制御部１２および短絡子制御部１５は、短絡検出部１７からの信号に基づいて、加圧子用加圧装置２２および短絡子用加圧装置２３を制御して、加圧子１１および短絡子１４を元に位置に戻す。こうして、電極群２０の加圧および内部短絡を停止させる。【００２９】
短絡検出部１７としては、例えば、電極群２０の電池情報の変化を検知し、変化後の電池情報と所定の基準値とを比較して、内部短絡が生じたことを判断するとともに、内部短絡が生じたと判断された場合には、加圧子制御部１２および短絡子制御部１５へ信号を発信することができる所定の回路を用いることができる。【００３０】
電池情報測定部１６によって測定される電池情報としては、例えば、電池電圧、電極群の温度などが挙げられる。なかでも、内部短絡に敏感に依存するため、電池電圧を、電池情報として測定することが好ましい。例えば、電極群２０に短絡子１４を押し込む際に、電池電圧を測定しておき、内部短絡に伴い、電池電圧が所定の値以上低下したときに、内部短絡が生じたと、短絡検出部１７に判断させてもよい。
電池情報として電池電圧を測定する場合、電池情報測定部１６としては、例えば、電圧計を用いることができる。なお、図２の内部短絡評価装置では、電池電圧を測定する場合を示しており、電池情報測定部１６と電極群２０とが並列に接続されるように、電池情報測定部１６が、例えば、電極群２０に設けられた正極端子（図示せず）および負極端子（図示せず）に接続される。【００３１】
電池情報として、電極群２０の温度を測定する場合には、例えば、電池情報測定部１６としては、熱電対、サーモビュアーなどを用いることができる。あるいは、電池情報として、短絡により発生する熱量を測定してもよい。この場合、電池情報測定部１６としては、熱量計等を用いることができる。【００３２】
短絡検出部１７に設けられる前記基準値は、求める電池の安全性のレベルによって、適宜選択される。【００３３】
なお、内部短絡が生じたと判断されたときの短絡検出部１７から加圧子制御部１２および短絡子制御部１５への信号の発信は、内部短絡が発生したと判断された時点で行われてもよい。または、タイマー等を用いて、所定の時間、時間を遅らせて、発信させてもよい。【００３４】
本実施形態の内部短絡評価装置１０は、図１に示されるように、短絡検出部１７からの信号に基づいて、電極群２０の充放電を制御する充放電制御部１８をさらに備えていることが好ましい。圧力をかけた状態で電極群２０に短絡を生じさせると同時に、充放電制御部１８を用いて電極群２０に電流の入出力を行い、そのときの電池情報の変化を測定する。これにより、１つの電極群（試験セル）を用いて、並列接続された電池パックを想定した試験、あるいは用いた試験セルよりも出力の大きな電池または出力の小さい電池を想定した試験を行うことができる。【００３５】
なお、前記で説明した種々の制御部は、例えば、別の構成要素からの命令を受ける受信部と、前記命令に基づくさらなる命令を発信することができる発信部とを備えることができる。【００３６】
上記で説明したような内部短絡評価装置１０を用いることにより、電池または電池パックの構造の違いに応じた圧力を電極群２０にかけた状態で、電極群２０に短絡子１４を押し込むことができる。例えば、本実施形態の内部短絡評価装置１０を用いることにより、制御された圧力下で、正極と負極との短絡を発生させることができる。【００３７】
（実施の形態２）
別の実施形態に係る、電極群、電解質およびこれらを収容する電池ケースを含む電池の内部短絡評価装置について説明する。本実施形態の内部短絡評価装置は、
（i）一体化された短絡子を備える加圧子であって、前記電極群の表面の少なくとも所定の位置を加圧しながら、前記所定の位置に前記短絡子を押し込む、加圧子、
（ii）前記電極群において前記短絡子に短絡が生じたときに変化する電池情報を測定する電池情報測定部、
（iii）前記電池情報測定部によって測定された電池情報の変化を検知し、かつ前記電池情報を所定の基準値と比較して内部短絡を判断する短絡検知部、
（iv）前記加圧子に加えられる加圧力を測定する加圧力測定部、および
（v）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記加圧子を制御する加圧子制御部
を備える。【００３８】
図３に、本実施形態に係る内部短絡評価装置の一例のブロック図を示す。
図３の内部短絡評価装置３０は、短絡子（図示せず）が一体化された加圧子３１、加圧子制御部３２、加圧力測定部３３、電池情報測定部３６、短絡検出部３７、および充放電制御部３８を含む。【００３９】
図３の内部短絡評価装置３０においては、加圧子３１により、電極群４０の所定の位置を含む所定の領域が、所定の圧力となるまで、一定の速度で加圧される。具体的には、加圧子３１による加圧力は、加圧力測定部３３により測定されている。加圧子制御部３２は、加圧力測定部３３からの信号に基づいて、加圧子３１を、電極群４０の所定の位置が所定の加圧力で押圧されるまで、一定の速度で移動させる。このとき、前記所定の位置が短絡子により押圧され、前記位置において短絡子により短絡を生じさせることができる。【００４０】
実施の形態１と同様に、電極群４０が円筒型である場合、加圧子３１は、短絡子の突出方向が、電極群４０の捲回軸に対して垂直な直径方向に平行となるように、電極群４０に接触させることが好ましい。電極群４０が、角型電池に含まれる積層型または捲回型の電極群である場合、加圧子３１は、短絡子の突出方向が電極板の積層方向と平行となるように、電極群４０に接触させることが好ましい。【００４１】
本実施形態においても、実施の形態１と同様に、電極群４０にかけられる加圧力は、０〜１０００Ｎの範囲にあればよい。例えば、円筒型電極群に印加される加圧力は、０〜８００Ｎの範囲にあることが好ましい。角型電池に含まれる積層型または捲回型の電極群に印加される加圧力は、０〜４００Ｎの範囲にあることが好ましい。【００４２】
加圧子３１の移動速度は、０．１〜５ｍｍ／ｓであることが好ましい。内部短絡は、充放電による正極および／または負極の膨張・収縮によって引き起こされると考えられる。このため、内部短絡試験を実施する際には、可能な範囲内のできるだけ遅い速度で、正極と負極とを短絡させることが望ましい。【００４３】
本実施形態においても、実施の形態１と同様に、短絡子により短絡が生じたときに変化する電池情報が電池情報測定部３６により測定されている。電池情報測定部３６により測定された電池情報は、短絡検出部３７に送られる。短絡検出部３７においては、電池情報測定部３６で測定された電池情報が変化した際に、変化後の電池情報を所定の基準値と比較して、内部短絡が発生したか否かが判断される。内部短絡が発生したと判断された場合には、短絡検出部３７から、加圧子制御部３２に信号が送られる。加圧子３１が加圧装置を備える場合、加圧子制御部３２は、短絡検出部３７からの信号に基づいて、前記加圧装置を制御して、加圧子３１を元に位置に戻す。こうして、電極群４０の加圧および内部短絡を停止させる。【００４４】
図４および５に、本実施形態で用いられる加圧子３１の一例を示す。図４は、加圧子の一例を示す縦断面図であり、図５は、図４の加圧子の底面図である。
図４の加圧子３１は、基材部３１ａと、基材部３１ａの電極群４０と接触する側に設けられた、接触部３１ｂおよび短絡子３１ｃとを備える。接触部３１ｂは、実施の形態１と同様に、ゴム材料を含むことが好ましく、ゴム材料のみからなることがさらに好ましい。【００４５】
短絡子３１ｃの材質は、実施の形態１と同様であってもよい。さらに、短絡子３１ｃの電極群４０と接触する部分は、鋭利な突起状であってもよいし、鋭利な刃先状であってもよい。
本実施形態においても、短絡子３１ｃとしては、例えば、電極群４０に接触する部分が鋭利な突起状または鋭利な刃先状の釘を用いることができる。【００４６】
基材部３１ａを構成する材料は、加圧子３１が電極群４０に０〜１０００Ｎの加圧力をかけることができれば、特に限定されない。例えば、前記材料として、ステンレス鋼を用いることができる。【００４７】
加圧子３１において、ゴム材料を含む接触部３１ｂと短絡子３１ｃとの配置は、特に限定されない。例えば、加圧子は、図５に示されるように、断面がドーナツ状の接触部３１ｂと、接触部３１ｂの中心部（空隙部分）に配置された短絡子３１ｃとを含んでもよい。あるいは、加圧子は、２つの接触部と、その間に配置された短絡子とを含んでもよい。あるいは、加圧子は、短絡子と、短絡子が配置された基材部上の点を中心とした円上に等間隔で並んだ３つ以上の接触部とを含んでもよい。【００４８】
接触部３１ｂに含まれるゴム材料の弾性率、ならびに接触部３１ｂの高さHと短絡子３１ｃの高さｈとの比は、電極群４０に印加される加圧力に応じて、適宜選択される。
例えば、電極群４０に印加される加圧力を高くする場合には、短絡子３１ｃの高さｈに対する接触部３１ｂの高さHとの比（H／ｈ）が大きくされる。電極群４０に印加される加圧力が低い場合には、比（H／ｈ）は、電極群４０に印加される加圧力が高い場合と比較して、小さくされる。【００４９】
具体的には、接触部３１ｂに含まれるゴム材料の弾性率は、０．１〜１０ＧＰａであることが好ましい。比（H／ｈ）の範囲は、１〜２０であることが好ましい。【００５０】
実施の形態１と同様に、加圧子３１は、加圧装置を備えていてもよい。前記加圧装置を加圧子制御部３２により制御して、加圧子の加圧力および移動速度を制御することができる。【００５１】
本実施形態においても、内部短絡評価装置３０は、充放電制御部３８をさらに備えることが好ましい。これは、上記と同様の理由による。【００５２】
加圧力測定部３３、電池情報測定部３６、短絡検出部３７、各種制御部等には、実施の形態１と同様のものを用いることができる。なお、本実施形態において、加圧子制御部および短絡検出部は、１つのＰＣ内に設けてもよい。【００５３】
本実施形態においても、電池情報測定部３６によって測定される電池情報としては、電池電圧、電極群の温度などが挙げられる。なかでも、内部短絡に敏感に依存するため、電池電圧を、電池情報として測定することが好ましい。【００５４】
また、短絡検出部３７に設けられる前記基準値は、求める電池の安全性のレベルによって、適宜選択される。【００５５】
さらには、実施の形態１と同様に、内部短絡が生じたと判断されたときの短絡検出部３７から加圧子制御部３２への信号の発信は、内部短絡が発生したと判断された時点で行われてもよいし、タイマー等を用いて、所定の時間、時間を遅らせて、発信させてもよい。【００５６】
本実施形態の内部短絡評価装置３０は、短絡子が一体化された加圧子３１を備える。よって、本実施形態の内部短絡評価装置３０を用いることにより、例えば、電極群４０を所定の加圧力まで一定速度で加圧しながら、電極群４０に異物を押し込む、異物押し込み試験を行うことができる。
さらに、実施の形態１の内部短絡評価装置１０では、加圧子１１による加圧および短絡子１４による加圧の行うために、例えば加圧子用および短絡子用の２台の加圧装置が設ける必要がある。一方で、本実施形態の内部短絡評価装置３０では、Ｈ／ｈ比を調節すれば、１台の加圧装置で加圧子３１による加圧を行い、短絡時に電極群４０に印加される加圧力を制御することができる。よって、本実施形態の内部短絡評価装置３０は、実施形態１の内部短絡評価装置１０と比較して、簡略化することができる。【００５７】
上記実施の形態１および２の内部短絡評価装置は、それぞれ、評価される電極群、加圧子および短絡子を少なくとも収容する恒温槽を有することが好ましい。具体的には、実施の形態１の内部短絡評価装置１０は、評価される電極群、加圧子および短絡子を少なくとも収容する恒温槽を備えることが好ましい。実施の形態２の内部短絡評価装置３０は、評価される電極群および短絡子を備える加圧子を少なくとも収容する恒温槽を備えることが好ましい。
電池の安全性は、短絡点でのジュール熱に依存する。前記ジュール熱は電池の出力に依存し、前記出力は電池温度に依存する。つまり、電池温度は、内部短絡試験の結果に影響を及ぼす。よって、電極群、加圧子および短絡子を少なくとも収容する恒温槽を設けることにより、電池の内部短絡評価をさらに正確に行うことができる。【００５８】
本発明の内部短絡評価装置を用いて評価される電池の種類は、特に限定されない。本発明の内部短絡評価装置により、例えば、正極と、負極と、それらの間に配置されたセパレータとを含む電極群、電解質、ならびに電極群および電解質を収容する電池ケースを備える電池を評価することができる。このような電池としては、マンガン乾電池、アルカリ乾電池、リチウム一次電池のような一次電池、ならびに鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル−水素電池、リチウム二次電池などの二次電池が挙げられる。また、前記電池ケースは、例えば、金属製のケースであってもよいし、ラミネートフィルムからなるケースであってもよい。【００５９】
なお、本発明の内部短絡評価装置により安全性のレベルが特定された電池の作製方法を用いて、それと同じ安全性のレベルを有する電池または電池パックを作製することができる。具体的に、所定の作製方法で電池を作製し、得られた電池を本発明の内部短絡評価装置で評価する。前記電池が所望する安全性のレベルを有することがわかれば、前記電池の作製方法を用いて、それと同じ安全性のレベルを有する電池または前記電池を含む電池パックを作製することができる。
このように、安全性のレベルが特定された電池の作製方法と同じ作製方法を用いることにより、電池または電池パックの内部短絡に対する安全性レベルを保証することができる。
さらには、本発明により、電池の安全性レベルを特定することができるため、その電池の最適な使用用途の選定、アプリケーション機器の設計等を容易に行うことが可能となる。【００６０】
以下、本発明を、実施例を参照しながら、詳細に説明する。
【実施例】
【００６１】
《電池Ａの作製》
以下のようにして、ポリマー電池（非水電解質二次電池）を作製した。
（正極の作製）
正極活物質として、コバルト酸リチウムを用いた。正極活物質を８５重量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を５重量部と、導電剤であるアセチレンブラックを１０重量部と、適量のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）とを混合して、正極合剤ペーストを調製した。
得られた正極合剤ペーストを、アルミニウム製の正極集電体（厚さ：１５μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ１６０μｍの正極を得た。【００６２】
（負極の作製）
負極活物質として、人造黒鉛を用いた。負極活物質を９５重量部と、結着剤であるＰＶＤＦを５重量部と、適量のＮＭＰとを混合して、負極合剤ペーストを調製した。
得られた負極合剤ペーストを、銅製の負極集電体（厚さ：１０μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ１６５μｍの負極を得た。【００６３】
（セパレータの作製）
フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体（Ｐ（ＶＤＦ−ＨＦＰ））を１００重量部と、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）を１００重量部と、所定量のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）とを混合して、ペーストを得た。得られたペーストを膜状に成形し、ＮＭＰを蒸発させた。次に、得られた膜をジエチルエーテル中に浸漬し、ＤＢＰを抽出させて、Ｐ（ＶＤＦ−ＨＦＰ）からなる微多孔性フィルムを得た。得られた微多孔性フィルムを、セパレータとして用いた。【００６４】
（電池の組立）
上記のようにして得られた正極とセパレータと負極とを、熱溶着して、積層型の電極群を得た。正極集電体には、アルミニウム製正極リードの一端を接続し、負極集電体には、銅製負極リードの一端を接続しておいた。【００６５】
アルミニウムラミネートフィルムからなる袋状の電池ケースを準備した。このラミネートフィルムは、Ａｌ箔と、Ａｌ箔の内側に配されたポリプロピレンからなるフィルムと、Ａｌ箔の外側に配されたポリエチレンテレフタレートとナイロンとからなるフィルムとから構成される。
電池ケースの内部に電極群を収容した。電池ケースの開口部から、外部に、正極リードの他端および負極リードの他端を引き出した。【００６６】
次に、電池ケース内に、非水電解質を注液し、非水電解質を電極群に含浸させた。こうして、セパレータに、非水電解質を保持させた。非水電解質は、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを１：３の体積比で含む非水溶媒に、６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１．０ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解することにより、調製した。
次いで、正極リードと負極リードとの電気的絶縁および電池ケースの気密性を確保しながら、電池ケースの開口部を封口して、ポリマー電池を得た。得られた電池を電池Ａとした。【００６７】
《電池Ｂの作製》
以下のようにして、電極に含まれる結着剤の量が通常よりも少ない捲回型非水電解質二次電池を作製した。
（正極の作製）
正極活物質として、コバルト酸リチウムを用いた。正極活物質を８８重量部と、結着剤であるＰＶＤＦを２重量部と、導電剤であるアセチレンブラックを１０重量部と、適量のＮＭＰとを混合して、正極合剤ペーストを調製した。
得られた正極合剤ペーストを、アルミニウム製の正極集電体（厚さ：１５μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ１５６μｍの正極を得た。【００６８】
（負極の作製）
負極活物質として、人造黒鉛を用いた。負極活物質を９８重量部と、結着剤であるＰＶＤＦを２重量部と、適量のＮＭＰとを混合して、負極合剤ペーストを調製した。
得られた負極合剤ペーストを、銅製の負極集電体（厚さ：１０μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ１６１μｍの負極を得た。【００６９】
（電池の組立）
正極と、ポリエチレン製のセパレータと、負極とを積層した。得られた積層体を渦巻状に捲回して、円筒型の電極群を得た。
得られた電極群を、ニッケルメッキした鉄製の円筒型電池ケースに収容した。アルミニウム製正極リードの一端を、正極集電体に接続し、正極リードの他端を、封口板に接続した。銅製負極リードの一端を負極集電体に接続し、負極リードの他端は、電池ケースの内底面に接続した。【００７０】
次いで、電池ケース内に、非水電解質を注液した。非水電解質には、実施例１と同じものを用いた。
次に、電池ケースの開口部を、封口板で封口して、非水電解質二次電池を得た。得られた電池を、電池Ｂとした。【００７１】
《電池Ｃの作製》
以下のようにして、活物質層の厚さが通常よりも厚い捲回型非水電解質二次電池を作製した。
（正極の作製）
正極活物質として、コバルト酸リチウムを用いた。正極活物質を８５重量部と、結着剤であるＰＶＤＦを５重量部と、導電剤であるアセチレンブラックを１０重量部と、適量のＮＭＰとを混合して、正極合剤ペーストを調製した。
得られた正極合剤ペーストを、アルミニウム製の正極集電体（厚さ：１５μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ２００μｍの正極を得た。【００７２】
（負極の作製）
負極活物質として、人造黒鉛を用いた。負極活物質を９５重量部と、結着剤であるＰＶＤＦを５重量部と、適量のＮＭＰとを混合して、負極合剤ペーストを調製した。
得られた負極合剤ペーストを、銅製の負極集電体（厚さ：１０μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ２０８μｍの負極を得た。【００７３】
（電池の組立）
正極と、ポリエチレン製のセパレータと、負極とを積層した。得られた積層体を渦巻状に捲回して、円筒型の電極群を得た。
得られた電極群を、ニッケルメッキした鉄製の円筒型電池ケースに収容した。アルミニウム製正極リードの一端を、正極集電体に接続し、正極リードの他端を、封口板に接続した。銅製負極リードの一端を負極集電体に接続し、負極リードの他端は、電池ケースの内底面に接続した。【００７４】
次いで、電池ケース内に、非水電解質を注液した。非水電解質には、実施例１と同じものを用いた。
次に、電池ケースの開口部を、封口板で封口して、非水電解質二次電池を得た。得られた電池を、電池Ｃとした。【００７５】
《電池Ｄの作製》
以下では、一般的な捲回型非水電解質二次電池を作製した。
（正極の作製）
正極活物質として、コバルト酸リチウムを用いた。正極活物質を８５重量部と、結着剤であるＰＶＤＦを５重量部と、導電剤であるアセチレンブラックを１０重量部と、適量のＮＭＰとを混合して、正極合剤ペーストを調製した。
得られた正極合剤ペーストを、アルミニウム製の正極集電体（厚さ：１５μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ１６０μｍの正極を得た。【００７６】
（負極の作製）
負極活物質として、人造黒鉛を用いた。負極活物質を９５重量部と、結着剤であるＰＶＤＦを５重量部と、適量のＮＭＰとを混合して、負極合剤ペーストを調製した。
得られた負極合剤ペーストを、銅製の負極集電体（厚さ：１０μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ１６５μｍの負極を得た。【００７７】
（電池の組立）
正極と、ポリエチレン製のセパレータと、負極とを積層した。得られた積層体を渦巻状に捲回して、円筒型の電極群を得た。
得られた電極群を、ニッケルメッキした鉄製の円筒型電池ケースに収容した。アルミニウム製正極リードの一端を、正極集電体に接続し、正極リードの他端を、封口板に接続した。銅製負極リードの一端を負極集電体に接続し、負極リードの他端は、電池ケースの内底面に接続した。【００７８】
次いで、電池ケース内に、非水電解質を注液した。非水電解質には、実施例１と同じものを用いた。
次に、電池ケースの開口部を、封口板で封口して、非水電解質二次電池を得た。得られた電池を、電池Ｄとした。【００７９】
電池Ａ〜Ｄの設計容量は、それぞれ２４００ｍＡｈとした。【００８０】
［評価］
電池Ａ〜Ｄを慣らし充放電に二度供した。次いで、これらの電池を４００ｍＡの電流で、電池電圧が４．１Ｖに達するまで充電し、充電後の電池を４５℃環境下で７日間保存した。
次いで、保存後の電池Ａ〜Ｄを放電し、次いで、以下の条件で充電した。
定電流充電：電流値１５００ｍＡ／充電終止電圧４．４５Ｖ
定電圧充電：充電電圧４．４５Ｖ／充電終止電流１００ｍＡ【００８１】
充電後の電池Ａ〜Ｄから、それぞれ電極群Ａ〜Ｄを取り出し、これらの電極群Ａ〜Ｄについて、以下のような評価装置を用いて、内部短絡の評価を行った。【００８２】
《実施例１》
本実施例では、図１のブロック図に示されるような内部短絡評価装置を用いた。また、図２に示されるような加圧子および短絡子を用いた。具体的には、基材部がＳＵＳ３０４製であり、接触部がニトリルゴムからなる加圧子を用いた。接触部は、直径１０ｍｍ、高さ５０ｍｍの円柱状とした。
短絡子としては、直径が１．０ｍｍであり、電極群との接触部が鋭利な突起状に加工された釘を用いた。
加圧子を構成する基材部および接触部には、連通する貫通孔を設けておき、その貫通孔を通して、短絡子が電極群の所定の位置を押圧できるようにした。前記貫通孔は、接触部の中心軸を通るように設けた。【００８３】
積層型の電極群Ａについては、電極板の積層方向に垂直な面上の所定の位置を含む所定の領域に接触部が接触するように、電極群Ａに加圧子を接触させた。このとき、電極群Ａと加圧子とは、電極板の積層方向と前記接触部の中心軸とが平行となるように接触させた。
捲回型の電極群Ｂ〜Ｄについては、電極群の捲回軸に平行な表面上の所定の位置を含む所定の領域に接触部が接触するように、電極群に加圧子を接触させた。このとき、電極群と加圧子とは、電極群の捲回軸と前記接触部の中心軸とが直交するように接触させた。【００８４】
電極群Ａ〜Ｄを加圧するときの加圧力は、５０Ｎ、４００Ｎ、および８００Ｎとした。短絡子の移動速度は、０．１ｍｍ／ｓとし、短絡子の加圧力は、最大５０Ｎとした。【００８５】
電池情報としては、電極群の電池電圧を測定した。電極群に短絡子を押し込んだ際に、電池電圧が５０ｍＶ以上低下した場合に、内部短絡が生じたと判断した。【００８６】
電極群Ａ〜Ｄについて、それぞれ２つずつ評価を行った。結果を表１に示す。【００８７】
《実施例２》
本実施例では、図３のブロック図に示されるような内部短絡評価装置を用いた。用いた加圧子の縦断面図および底面図を、それぞれは図４および５に示す。
具体的には、加圧子において、基材部はＳＵＳ３０４製とし、接触部は、ニトリルゴム（弾性率：０．１〜１０ＧＰａ）製とした。さらに、接触部には、中心軸に沿って直径２ｍｍの円柱状の空隙部を設けておいた。
短絡子としては、直径が１．０ｍｍであり、電極群との接触部が鋭利な突起状に加工された釘を用いた。
短絡子の高さｈに対する接触部の高さ比（Ｈ／ｈ）は、１０／２とした。【００８８】
積層型の電極群Ａについては、電極板の積層方向に垂直な面上の所定の位置を含む所定の領域に接触部が接触するように、電極群Ａに加圧子を接触させた。このとき、電極群Ａと加圧子とは、電極板の積層方向と短絡子の突出方向とが平行となるように接触させた。
捲回型の電極群Ｂ〜Ｄについては、電極群の捲回軸に平行な表面上の所定の位置を含む所定の領域に接触部が接触するように、電極群に加圧子を接触させた。このとき、電極群と加圧子とは、電極群の捲回軸と短絡子の突出方向とが直交するように接触させた。【００８９】
加圧子に設けられた短絡子を、電極群Ａ〜Ｄの所定の位置に、電極群Ａ〜Ｄを加圧する加圧力の上限を１０００Ｎとし、０．１ｍｍ／ｓの速度で、押し当てた。【００９０】
実施例１と同様に、電池情報としては、電極群の電池電圧を測定した。電極群に短絡子を押し込んだ際に、電池電圧が５０ｍＶ以上低下した場合に、内部短絡が生じたと判断して加圧を停止した。【００９１】
電極群Ａ〜Ｄについて、それぞれ３つずつ評価を行った。結果を表１に示す。
表１において、内部短絡が検出できた電極群を○で示し、内部短絡を確認できなかった電極群を△、電極群の温度の急激な上昇が確認された電極群を×で示している。【００９２】
【表１】
2010082502.tif 000003
【００９３】
従来の内部短絡試験では、短絡点に異物を挿入することが必要となる。しかしながら、ポリマー電池（電池Ａ）の場合には、電極板とセパレータとが接着されているため、内部短絡試験を行うこと自体が不可能である。また、結着剤の量が少ないために活物質が脱落しやすい電池（電池Ｂ）の場合も、従来の内部短絡試験の実施は困難である。さらに、従来の内部短絡試験では、短絡させるときの電極板への加圧力を制御することができないため、特に合剤の厚みが厚い設計の電池（電池Ｃ）では、短絡が起こりにくく、短絡するときの圧力がばらつく。その結果、同じ圧力で内部短絡試験を行ったとしても、電池の発火が生じたり、生じなかったりする。【００９４】
一方で、本発明の内部短絡評価装置を用いた場合には、表１に示されるように、いずれの設計の電池に於いても安定した試験結果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明によれば、各種電池または各種電池パックから取り出された電極群の内部短絡の評価を、電池または電池パックに組み込まれた状態と同じ状態で行うことができる。よって、本発明の内部短絡評価装置を用いることにより、各種の電池または電池パックの内部短絡試験を正確に行うことができる。
【符号の説明】
【００９６】
１０  内部短絡評価装置
１１  加圧子
１１ａ  基材部
１１ｂ  接触部
１１ｃ  貫通孔
１２、３２  加圧子制御部
１３、３３  加圧力測定部
１４  短絡子
１５  短絡子制御部
１６、３６  電池情報測定部
１７、３７  短絡検出部
１８、３８  充放電制御部
２０、４０  電極群
２１  台
２２  加圧子用加圧装置
２３  短絡子用加圧装置
２４  コンピュータ
３１  短絡子が一体化された加圧子
３１ａ  基材部
３１ｂ  接触部
３１ｃ  短絡子
【図１】
2010082502.tif 000004
【図２】
2010082502.tif 000005
【図３】
2010082502.tif 000006
【図４】
2010082502.tif 000007
【図５】
2010082502.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成22年10月28日(2010.10.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の内部短絡を評価するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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項目としては、例えば、内部短絡時の発熱挙動の評価が挙げられる。このような電池の評価試験としては、例えばリチウム電池のためのＵＬ規格（ＵＬ１６４２）、電池工業会からの指針（ＳＢＡ  Ｇ１１０１−１９９７リチウム二次電地安全性評価基準ガイドライン）などが挙げられる。このような評価試験が活用され、その結果が、各種電池の開発に反映されている。例えば、特許文献１には、高出力特性およびサイクル特性が良好で、かつ安全性の高い高容量の電池を得るために、電池の製造工程に改良を加えることが開示されている。特許文献２には、リチウム二次電池における高い安全性と高い電池特性とを両立させるために、正極と負極との間に配置された多孔質耐熱層の厚みと電池缶の側壁の厚みとの比を所定の範囲とすることが提案されている。
【０００３】
上記評価試験の中でも、例えば釘刺し試験は、電池側面より釘を貫通または突き刺したときの内部短絡を調べる試験である。釘を突き刺すことにより、電池内部において、釘による正極と負極との短絡部が発生し、そのために短絡部に短絡電流が流れ、ジュール熱が発生する。内部短絡試験においては、これらの現象に基づく電池温度または電池電圧の変化が測定される。
【０００４】
また、圧壊試験は、丸棒、角棒、平板などを用いて電池を物理的に変形させることにより生じる内部短絡を調べる試験である。具体的には、圧壊試験では、物理的な変形により正極と負極との間に内部短絡を発生させて、電池温度または電池電圧の変化が測定される。
【０００５】
さらに、上記釘刺し試験および圧壊試験以外にも、電池から電極群を取り出し、前記電極群の外側から内側に向かって異物を押し込む異物押し込み試験も、電池の内部短絡試験として行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１０２７２９号公報
【特許文献２】特開２００６−３１３７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電池または電池パックの構造の違いによって、電池または電池パックに含まれる電極群にかかる圧力が大きく異なる。しかしながら、上記のような釘刺し試験等において、例えば、電池または電池パックから取り出された電極群が用いられる場合、取り出された電極群は、電池内または電池パック内にあるときとは異なり束縛された状態にはない。さらには、取り出された電極群は、電池または電池パックの構造にかかわりなく、一定の力で、釘が刺されたり、変形されたり、異物が押し込まれたりしている。つまり、従来の短絡試験は、電極群にかかる加圧力を考慮して行われているわけではない。
【０００８】
そこで、本発明は、電極群にかかる加圧力を考慮した上で、電極群（つまり電池）において内部短絡が生じたか否かを評価することができる装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの観点において、正極と、負極と、それらの間に配置されたセパレータとを含む電極群、電解質、ならびに電極群および電解質を収容する電池ケースを備える電池の内部短絡評価装置は、
（１）前記電極群の表面の少なくとも所定の位置を加圧する加圧子、
（２）前記所定の位置に押し当てられる短絡子、
（３）前記電極群において前記短絡子により短絡が生じたときに変化する電池情報を測定する電池情報測定部、
（４）前記電池情報測定部によって測定された電池情報の変化を検知し、かつ前記電池情報を所定の基準値と比較して内部短絡を判断する短絡検知部、
（５）前記加圧子に加えられる加圧力を測定する加圧力測定部、
（６）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記加圧子を制御する加圧子制御部、および
（７）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記短絡子を制御する短絡子制御部
を有する。
【００１０】
本発明の別の観点において、正極と、負極と、それらの間に配置されたセパレータとを含む電極群、電解質、ならびに電極群および電解質を収容する電池ケースを備える電池の内部短絡評価装置は、
（i）一体化された短絡子を備える加圧子であって、前記電極群の表面の所定の位置を含む所定の領域を加圧しながら、前記所定の位置に前記短絡子を押し込む、加圧子、
（ii）前記電極群において前記短絡子により短絡が生じたときに変化する電池情報を測定する電池情報測定部、
（iii）前記電池情報測定部によって測定された電池情報の変化を検知し、かつ前記電池情報を所定の基準値と比較して内部短絡を判断する短絡検知部、
（iv）前記加圧子に加えられる加圧力を測定する加圧力測定部、および
（v）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記加圧子を制御する加圧子制御部
を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電池または電池パックの構造の違いに応じた圧力を電極群にかけることができる。よって、本発明の内部短絡評価装置を用いることにより、電池または電池パックから取り出された電極群を、電池または電池パックに組み込まれた状態と同じ状態とした上で、電極群の内部短絡試験を行うことができる。よって、本発明の内部短絡評価装置を用いることにより、各種の電池または電池パックの内部短絡試験を正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の好ましい実施形態に係る内部短絡評価装置のブロック図である。
【図２】図１の内部短絡評価装置の構成の一例を模式的に示す図である。
【図３】本発明の別の好ましい実施形態に係る内部短絡評価装置のブロック図である。
【図４】図３の内部短絡評価装置に含まれる、短絡子が一体化された加圧子の一例を示す縦断面図である。
【図５】図４の加圧子の底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施の形態１）
以下、本実施形態に係る、電極群、電解質およびこれらを収容する電池ケースを含む電池の内部短絡評価装置について説明する。前記内部短絡評価装置は、
（１）前記電極群の表面の少なくとも所定の位置を加圧する加圧子、
（２）前記所定の位置に押し当てられる短絡子、
（３）前記電極群において前記短絡子により短絡が生じたときに変化する電池情報を測定する電池情報測定部、
（４）前記電池情報測定部によって測定された電池情報の変化を検知し、かつ前記電池情報を所定の基準値と比較して内部短絡を判断する短絡検知部、
（５）前記加圧子に加えられる加圧力を測定する加圧力測定部、
（６）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記加圧子を制御する加圧子制御部、および
（７）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記短絡子を制御する短絡子制御部
を備える。
なお、本実施形態の内部短絡評価装置では、試験の前処理時に、短絡させる正極板と負極板の表面を露出させることなく、電池を分解して取り出された電極群をそのまま内部短絡の評価に用いることができる。一方で、従来の電池の内部短絡の評価においては、例えば所定の短絡点に異物を挿入するために、前記短絡点の位置まで電極群を展開する必要がある。このように電極群を展開した場合、電極合剤の脱落、電解質の蒸発等が懸念される。さらに、ポリマー電池に含まれる電極群においては、正極と負極とセパレータとが一体化されている。このため、ポリマー電池に含まれる電極群の展開を行うことができない。よって、ポリマー電池は、従来の内部短絡評価試験に供すること自体が不可能である。
【００１４】
図１に、本発明の一実施形態に係る内部短絡評価装置のブロック図を示す。
図１の内部短絡評価装置１０は、加圧子１１、加圧子制御部１２、加圧力測定部１３、短絡子１４、短絡子制御部１５、電池情報測定部１６、短絡検出部１７、および充放電制御部１８を備える。
【００１５】
図１の内部短絡評価装置の構成の一例を、図２を参照しながら説明する。図２の内部短絡評価装置は、内部短絡試験に用いられる電極群２０を乗せるための台２１を備える。加圧子１１は、加圧子用加圧装置２２により電極群２０の所定の領域を加圧する。加圧子用加圧装置２２は、所定の支持体（図示せず）により支持されており、例えば加圧子用加圧装置２２が電極群２０の方（矢印Ａの方向）へ移動することにより、加圧子１１が電極群２０を加圧することができる。加圧子１１と加圧装置２２との間には、加圧力測定部１３が配置されている。なお、加圧装置２２が加圧力測定部を備える場合には、加圧力測定部を別に設ける必要はない。短絡子１４は、短絡子用加圧装置２３により、電極群２０に押し込まれる。短絡子用加圧装置２３は、所定の支持体（図示せず）に支持されており、例えば短絡子用加圧装置２３が電極群２０の方へ移動することにより、短絡子１４が電極群２０に押し込まれる。コンピュータ（ＰＣ）２４には、加圧子制御部、短絡子制御部および短絡検出部が設けられている。図２の内部短絡評価装置において、電極群２０には、充放電制御部１８が接続されるとともに、電極群２０の電池情報を測定する電池情報測定部１６が設けられている。充放電制御部１８には２つの端子が設けられており、前記２つの端子は、電極群２０の充放電を制御できるように、電極群２０の正極および負極にそれぞれ接続される。また、電池情報測定部１６および充放電制御部１８は、ＰＣ２４に接続されている。なお、図２において、電極群２０は、捲回軸に対して垂直な面の最外周のみを示している。
【００１６】
本実施形態の内部短絡評価装置１０においては、まず、加圧子１１により、電極群２０の所定の位置を含む所定の領域が押圧される。加圧子１１による加圧力は、加圧力測定部１３により測定されている。前記加圧力が所定の値にまで達すると、加圧子制御部１２により、加圧子１１の移動が停止され、加圧力が前記所定の値に維持される。
【００１７】
内部短絡試験に用いられる電極群２０は、捲回型であってもよいし、積層型であってもよい。捲回型の電極群の場合、捲回型の電極群は、円筒型であってもよいし、角型電池に含まれるような断面が略楕円形の柱状体（捲回型かつ角型の電極群）であってもよい。円筒型の電極群において、前記所定の位置は、例えば、捲回軸に平行な面上の所定の位置とすることができる。積層型の電極群において、前記所定の位置は、例えば、積層方向に垂直な面上の所定の位置とすることができる。捲回型かつ角型の電極群において、前記所定の位置は、例えば、捲回軸に垂直な電極群の略楕円形の横断面における長軸方向にほぼ平行な電極群の面上の所定の位置とすることができる。
【００１８】
電極群２０に印加される加圧力は、１０００Ｎ以下、例えば０〜１０００Ｎの範囲にあればよく、電極群２０の構造等に応じて、適宜調節される。例えば、円筒型電池に含まれる円筒型電極群に印加される加圧力は、８００Ｎ以下、具体的には０〜８００Ｎとすることができる。角型電池に含まれる電極群に印加される加圧力は、例えば、４００Ｎ以下、具体的には０〜４００Ｎとすることができる。
なお、円筒型電極群は、耐圧性が高く、高い圧力にまで耐えることができる。一方、角型電池に含まれる電極群は、円筒型電極群と比較して、耐圧性が多少劣る。このため、角型電池に含まれる電極群に印加される加圧力は、円筒型電極群に印加される加圧力と比較して低く設定される。ここで、角型電池に含まれる電極群は、捲回型であってもよいし、積層型であってもよい。
【００１９】
加圧子１１の電極群２０との接触部は、ゴム材料を含むことが好ましく、ゴム材料のみからなることがさらに好ましい。前記接触部はゴム弾性を有することから、前記接触部は、電極群２０を加圧する際に、電極群２０の表面形状にあわせて変形することができる。このため、電極群２０に加圧子１１が密着した状態で、つまり大きな接触面積で、加圧子１１により電極群２０を加圧することができる。
前記ゴム材料は、ゴム弾性を有する限り、特に限定されない。例えば、前記ゴム材料としては、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、天然ゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、シリコンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム、ハイパロンなどが挙げられる。
【００２０】
加圧子１１は、上記のように、加圧子用加圧装置２２を含むことができ、前記加圧装置２２により、加圧子１１は電極群２０の所定の位置を含む所定の領域を加圧することができる。加圧装置の形式としては、例えば、サーボモータを用いるスクリュー式、ポストガイドスクリュー式、フリコ式、テコ式、クランク式、メカニカルプレス式、油圧プレス式、エアープレス式などが挙げられる。
加圧力測定部１３としては、例えば、圧力センサを用いることができる。
【００２１】
次に、加圧力測定部１３からの信号に基づいて、短絡子制御部１５により、短絡子１４が、電極群２０の所定の位置に、電極群２０の外側から内側に向かって押し当てられる。
図２には、電極群２０が加圧子１１により加圧されるとともに、電極群２０の所定の位置に短絡子１４が押し当てられている様子も示されている。図２に示される加圧子１１は、基材部１１ａと、基材部１１ａの電極群２０側に設けられた接触部１１ｂとを有する。接触部１１ｂは、ゴム材料からなる。加圧子１１には、貫通孔１１ｃが設けられており、貫通孔１１ｃを通して、短絡子１４が、電極群２０の所定の位置に刺し込まれている。
【００２２】
基材部１１ａを構成する材料は、電極群２０に１０００Ｎ以下の加圧力をかけることができれば、特に限定されない。このような材料としては、例えば、ステンレス鋼が挙げられる。
【００２３】
加圧力を印加する方向（矢印Ａの方向）に垂直な断面（厚さ方向に垂直な断面）における接触部１１ｂの形状は、特に限定されない。例えば、接触部１１ｂの前記断面の形状は、円形であってもよいし、楕円形であってもよいし、矩形であってもよい。
【００２４】
貫通孔１１ｃは、接触部１１ｂの中心軸を通るように設けることが好ましい。電極群２０が円筒型である場合、加圧子１１は、貫通孔１１ｃが、電極群２０の捲回軸に対して垂直な直径方向に平行となるように、電極群２０に接触させることが好ましい。電極群２０が、角型電池に含まれる積層型または捲回型の電極群である場合、貫通孔１１ｃが電極板の積層方向と平行となるように、電極群２０に加圧子１１を接触させることが好ましい。これにより、電極群２０の所定の位置を含む領域に、均一に加圧力をかけることができる。ここで、接触部１１ｂの中心軸とは、その厚さ方向に垂直な断面の形状の中心点を通り、加圧力を印加する方向に平行な軸のことをいう。
【００２５】
短絡子１４の電極群２０に接触する部分は、鋭利な突起状または鋭利な刃先状であることが好ましい。このような短絡子１４を、電極群２０の所定の位置に押し込むことにより、加圧子１１の先端近傍に存在する正極と負極とを確実に短絡させることができる。このとき、正極と負極とが直接接触して短絡が生じてもよいし、短絡子１４を介して、正極と負極とが短絡してもよい。
【００２６】
短絡子１４の材質としては、例えば、鉄、ニッケル、ステンレス鋼のような金属、絶縁性セラミック、樹脂のような不導体、および半導体、導電剤含有樹脂のような高抵抗材料を用いることができる。また、所定の材料（例えば、前記金属および不導体）を前記高抵抗材料で被覆した短絡子を用いることもできる。
短絡子１４の材質が金属である場合、短絡子１４の寿命を長くすることができる。高抵抗材料からなる短絡子１４または表面部が高抵抗材料からなる短絡子１４を用いることにより、短絡点の抵抗を制御することができる。
例えば、短絡子１４としては、電極群２０に接触する部分が鋭利な突起状または鋭利な刃先状の釘を用いることができる。
【００２７】
短絡子１４を電極群２０に押し込むときの速度は０．１ｍｍ／ｓ〜１８０ｍｍ／ｓであることが好ましい。短絡子１４を電極群２０に押し込むときの加圧力は５０Ｎ以下であることが好ましい。このような条件で短絡子１４を電極群２０に押し込むことにより、電極群２０の所定の位置において、短絡を有効に発生させることが可能となる。
なお、短絡子１４は、上記のように、短絡子用加圧装置２３を含んでいてもよい。短絡子用加圧装置２３としては、加圧子用加圧装置と同様な装置を用いることができる。
【００２８】
本実施形態の内部短絡評価装置１０においては、電極群２０において短絡子１４により短絡を生じさせるとき、電極群２０の電池情報が、電池情報測定部１６により測定される。短絡検出部１７は、電池情報測定部１６で測定された電池情報を受ける。短絡検出部１７においては、電池情報測定部１６で測定された電池情報が変化した際に、変化後の電池情報を所定の基準値と比較して、内部短絡が発生したか否かが判断される。内部短絡が発生したと判断された場合には、短絡検出部１７から、加圧子制御部１２および短絡子制御部１５に信号が送られる。加圧子制御部１２および短絡子制御部１５は、短絡検出部１７からの信号に基づいて、加圧子用加圧装置２２および短絡子用加圧装置２３を制御して、加圧子１１および短絡子１４を元に位置に戻す。こうして、電極群２０の加圧および内部短絡を停止させる。
【００２９】
短絡検出部１７としては、例えば、電極群２０の電池情報の変化を検知し、変化後の電池情報と所定の基準値とを比較して、内部短絡が生じたことを判断するとともに、内部短絡が生じたと判断された場合には、加圧子制御部１２および短絡子制御部１５へ信号を発信することができる所定の回路を用いることができる。
【００３０】
電池情報測定部１６によって測定される電池情報としては、例えば、電池電圧、電極群の温度などが挙げられる。なかでも、内部短絡に敏感に依存するため、電池電圧を、電池情報として測定することが好ましい。例えば、電極群２０に短絡子１４を押し込む際に、電池電圧を測定しておき、内部短絡に伴い、電池電圧が所定の値以上低下したときに、内部短絡が生じたと、短絡検出部１７に判断させてもよい。
電池情報として電池電圧を測定する場合、電池情報測定部１６としては、例えば、電圧計を用いることができる。なお、図２の内部短絡評価装置では、電池電圧を測定する場合を示しており、電池情報測定部１６と電極群２０とが並列に接続されるように、電池情報測定部１６が、例えば、電極群２０に設けられた正極端子（図示せず）および負極端子（図示せず）に接続される。
【００３１】
電池情報として、電極群２０の温度を測定する場合には、例えば、電池情報測定部１６としては、熱電対、サーモビュアーなどを用いることができる。あるいは、電池情報として、短絡により発生する熱量を測定してもよい。この場合、電池情報測定部１６としては、熱量計等を用いることができる。
【００３２】
短絡検出部１７に設けられる前記基準値は、求める電池の安全性のレベルによって、適宜選択される。
【００３３】
なお、内部短絡が生じたと判断されたときの短絡検出部１７から加圧子制御部１２および短絡子制御部１５への信号の発信は、内部短絡が発生したと判断された時点で行われてもよい。または、タイマー等を用いて、所定の時間、時間を遅らせて、発信させてもよい。
【００３４】
本実施形態の内部短絡評価装置１０は、図１に示されるように、短絡検出部１７からの信号に基づいて、電極群２０の充放電を制御する充放電制御部１８をさらに備えていることが好ましい。圧力をかけた状態で電極群２０に短絡を生じさせると同時に、充放電制御部１８を用いて電極群２０に電流の入出力を行い、そのときの電池情報の変化を測定する。これにより、１つの電極群（試験セル）を用いて、並列接続された電池パックを想定した試験、あるいは用いた試験セルよりも出力の大きな電池または出力の小さい電池を想定した試験を行うことができる。
【００３５】
なお、前記で説明した種々の制御部は、例えば、別の構成要素からの命令を受ける受信部と、前記命令に基づくさらなる命令を発信することができる発信部とを備えることができる。
【００３６】
上記で説明したような内部短絡評価装置１０を用いることにより、電池または電池パックの構造の違いに応じた圧力を電極群２０にかけた状態で、電極群２０に短絡子１４を押し込むことができる。例えば、本実施形態の内部短絡評価装置１０を用いることにより、制御された圧力下で、正極と負極との短絡を発生させることができる。
【００３７】
（実施の形態２）
別の実施形態に係る、電極群、電解質およびこれらを収容する電池ケースを含む電池の内部短絡評価装置について説明する。本実施形態の内部短絡評価装置は、
（i）一体化された短絡子を備える加圧子であって、前記電極群の表面の少なくとも所定の位置を加圧しながら、前記所定の位置に前記短絡子を押し込む、加圧子、
（ii）前記電極群において前記短絡子に短絡が生じたときに変化する電池情報を測定する電池情報測定部、
（iii）前記電池情報測定部によって測定された電池情報の変化を検知し、かつ前記電池情報を所定の基準値と比較して内部短絡を判断する短絡検知部、
（iv）前記加圧子に加えられる加圧力を測定する加圧力測定部、および
（v）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記加圧子を制御する加圧子制御部
を備える。
【００３８】
図３に、本実施形態に係る内部短絡評価装置の一例のブロック図を示す。
図３の内部短絡評価装置３０は、短絡子（図示せず）が一体化された加圧子３１、加圧子制御部３２、加圧力測定部３３、電池情報測定部３６、短絡検出部３７、および充放電制御部３８を含む。
【００３９】
図３の内部短絡評価装置３０においては、加圧子３１により、電極群４０の所定の位置を含む所定の領域が、所定の圧力となるまで、一定の速度で加圧される。具体的には、加圧子３１による加圧力は、加圧力測定部３３により測定されている。加圧子制御部３２は、加圧力測定部３３からの信号に基づいて、加圧子３１を、電極群４０の所定の位置が所定の加圧力で押圧されるまで、一定の速度で移動させる。このとき、前記所定の位置が短絡子により押圧され、前記位置において短絡子により短絡を生じさせることができる。
【００４０】
実施の形態１と同様に、電極群４０が円筒型である場合、加圧子３１は、短絡子の突出方向が、電極群４０の捲回軸に対して垂直な直径方向に平行となるように、電極群４０に接触させることが好ましい。電極群４０が、角型電池に含まれる積層型または捲回型の電極群である場合、加圧子３１は、短絡子の突出方向が電極板の積層方向と平行となるように、電極群４０に接触させることが好ましい。
【００４１】
本実施形態においても、実施の形態１と同様に、電極群４０にかけられる加圧力は、０〜１０００Ｎの範囲にあればよい。例えば、円筒型電極群に印加される加圧力は、０〜８００Ｎの範囲にあることが好ましい。角型電池に含まれる積層型または捲回型の電極群に印加される加圧力は、０〜４００Ｎの範囲にあることが好ましい。
【００４２】
加圧子３１の移動速度は、０．１〜５ｍｍ／ｓであることが好ましい。内部短絡は、充放電による正極および／または負極の膨張・収縮によって引き起こされると考えられる。このため、内部短絡試験を実施する際には、可能な範囲内のできるだけ遅い速度で、正極と負極とを短絡させることが望ましい。
【００４３】
本実施形態においても、実施の形態１と同様に、短絡子により短絡が生じたときに変化する電池情報が電池情報測定部３６により測定されている。電池情報測定部３６により測定された電池情報は、短絡検出部３７に送られる。短絡検出部３７においては、電池情報測定部３６で測定された電池情報が変化した際に、変化後の電池情報を所定の基準値と比較して、内部短絡が発生したか否かが判断される。内部短絡が発生したと判断された場合には、短絡検出部３７から、加圧子制御部３２に信号が送られる。加圧子３１が加圧装置を備える場合、加圧子制御部３２は、短絡検出部３７からの信号に基づいて、前記加圧装置を制御して、加圧子３１を元に位置に戻す。こうして、電極群４０の加圧および内部短絡を停止させる。
【００４４】
図４および５に、本実施形態で用いられる加圧子３１の一例を示す。図４は、加圧子の一例を示す縦断面図であり、図５は、図４の加圧子の底面図である。
図４の加圧子３１は、基材部３１ａと、基材部３１ａの電極群４０と接触する側に設けられた、接触部３１ｂおよび短絡子３１ｃとを備える。接触部３１ｂは、実施の形態１と同様に、ゴム材料を含むことが好ましく、ゴム材料のみからなることがさらに好ましい。
【００４５】
短絡子３１ｃの材質は、実施の形態１と同様であってもよい。さらに、短絡子３１ｃの電極群４０と接触する部分は、鋭利な突起状であってもよいし、鋭利な刃先状であってもよい。
本実施形態においても、短絡子３１ｃとしては、例えば、電極群４０に接触する部分が鋭利な突起状または鋭利な刃先状の釘を用いることができる。
【００４６】
基材部３１ａを構成する材料は、加圧子３１が電極群４０に０〜１０００Ｎの加圧力をかけることができれば、特に限定されない。例えば、前記材料として、ステンレス鋼を用いることができる。
【００４７】
加圧子３１において、ゴム材料を含む接触部３１ｂと短絡子３１ｃとの配置は、特に限定されない。例えば、加圧子は、図５に示されるように、断面がドーナツ状の接触部３１ｂと、接触部３１ｂの中心部（空隙部分）に配置された短絡子３１ｃとを含んでもよい。あるいは、加圧子は、２つの接触部と、その間に配置された短絡子とを含んでもよい。あるいは、加圧子は、短絡子と、短絡子が配置された基材部上の点を中心とした円上に等間隔で並んだ３つ以上の接触部とを含んでもよい。
【００４８】
接触部３１ｂに含まれるゴム材料の弾性率、ならびに接触部３１ｂの高さHと短絡子３１ｃの高さｈとの比は、電極群４０に印加される加圧力に応じて、適宜選択される。
例えば、電極群４０に印加される加圧力を高くする場合には、短絡子３１ｃの高さｈに対する接触部３１ｂの高さHとの比（H／ｈ）が大きくされる。電極群４０に印加される加圧力が低い場合には、比（H／ｈ）は、電極群４０に印加される加圧力が高い場合と比較して、小さくされる。
【００４９】
具体的には、接触部３１ｂに含まれるゴム材料の弾性率は、０．１〜１０ＧＰａであることが好ましい。比（H／ｈ）の範囲は、１〜２０であることが好ましい。
【００５０】
実施の形態１と同様に、加圧子３１は、加圧装置を備えていてもよい。前記加圧装置を加圧子制御部３２により制御して、加圧子の加圧力および移動速度を制御することができる。
【００５１】
本実施形態においても、内部短絡評価装置３０は、充放電制御部３８をさらに備えることが好ましい。これは、上記と同様の理由による。
【００５２】
加圧力測定部３３、電池情報測定部３６、短絡検出部３７、各種制御部等には、実施の形態１と同様のものを用いることができる。なお、本実施形態において、加圧子制御部および短絡検出部は、１つのＰＣ内に設けてもよい。
【００５３】
本実施形態においても、電池情報測定部３６によって測定される電池情報としては、電池電圧、電極群の温度などが挙げられる。なかでも、内部短絡に敏感に依存するため、電池電圧を、電池情報として測定することが好ましい。
【００５４】
また、短絡検出部３７に設けられる前記基準値は、求める電池の安全性のレベルによって、適宜選択される。
【００５５】
さらには、実施の形態１と同様に、内部短絡が生じたと判断されたときの短絡検出部３７から加圧子制御部３２への信号の発信は、内部短絡が発生したと判断された時点で行われてもよいし、タイマー等を用いて、所定の時間、時間を遅らせて、発信させてもよい。
【００５６】
本実施形態の内部短絡評価装置３０は、短絡子が一体化された加圧子３１を備える。よって、本実施形態の内部短絡評価装置３０を用いることにより、例えば、電極群４０を所定の加圧力まで一定速度で加圧しながら、電極群４０に異物を押し込む、異物押し込み試験を行うことができる。
さらに、実施の形態１の内部短絡評価装置１０では、加圧子１１による加圧および短絡子１４による加圧の行うために、例えば加圧子用および短絡子用の２台の加圧装置が設ける必要がある。一方で、本実施形態の内部短絡評価装置３０では、Ｈ／ｈ比を調節すれば、１台の加圧装置で加圧子３１による加圧を行い、短絡時に電極群４０に印加される加圧力を制御することができる。よって、本実施形態の内部短絡評価装置３０は、実施形態１の内部短絡評価装置１０と比較して、簡略化することができる。
【００５７】
上記実施の形態１および２の内部短絡評価装置は、それぞれ、評価される電極群、加圧子および短絡子を少なくとも収容する恒温槽を有することが好ましい。具体的には、実施の形態１の内部短絡評価装置１０は、評価される電極群、加圧子および短絡子を少なくとも収容する恒温槽を備えることが好ましい。実施の形態２の内部短絡評価装置３０は、評価される電極群および短絡子を備える加圧子を少なくとも収容する恒温槽を備えることが好ましい。
電池の安全性は、短絡点でのジュール熱に依存する。前記ジュール熱は電池の出力に依存し、前記出力は電池温度に依存する。つまり、電池温度は、内部短絡試験の結果に影響を及ぼす。よって、電極群、加圧子および短絡子を少なくとも収容する恒温槽を設けることにより、電池の内部短絡評価をさらに正確に行うことができる。
【００５８】
本発明の内部短絡評価装置を用いて評価される電池の種類は、特に限定されない。本発明の内部短絡評価装置により、例えば、正極と、負極と、それらの間に配置されたセパレータとを含む電極群、電解質、ならびに電極群および電解質を収容する電池ケースを備える電池を評価することができる。このような電池としては、マンガン乾電池、アルカリ乾電池、リチウム一次電池のような一次電池、ならびに鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル−水素電池、リチウム二次電池などの二次電池が挙げられる。また、前記電池ケースは、例えば、金属製のケースであってもよいし、ラミネートフィルムからなるケースであってもよい。
【００５９】
なお、本発明の内部短絡評価装置により安全性のレベルが特定された電池の作製方法を用いて、それと同じ安全性のレベルを有する電池または電池パックを作製することができる。具体的に、所定の作製方法で電池を作製し、得られた電池を本発明の内部短絡評価装置で評価する。前記電池が所望する安全性のレベルを有することがわかれば、前記電池の作製方法を用いて、それと同じ安全性のレベルを有する電池または前記電池を含む電池パックを作製することができる。
このように、安全性のレベルが特定された電池の作製方法と同じ作製方法を用いることにより、電池または電池パックの内部短絡に対する安全性レベルを保証することができる。
さらには、本発明により、電池の安全性レベルを特定することができるため、その電池の最適な使用用途の選定、アプリケーション機器の設計等を容易に行うことが可能となる。
【００６０】
以下、本発明を、実施例を参照しながら、詳細に説明する。
【実施例】
【００６１】
《電池Ａの作製》
以下のようにして、ポリマー電池（非水電解質二次電池）を作製した。
（正極の作製）
正極活物質として、コバルト酸リチウムを用いた。正極活物質を８５重量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を５重量部と、導電剤であるアセチレンブラックを１０重量部と、適量のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）とを混合して、正極合剤ペーストを調製した。
得られた正極合剤ペーストを、アルミニウム製の正極集電体（厚さ：１５μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ１６０μｍの正極を得た。
【００６２】
（負極の作製）
負極活物質として、人造黒鉛を用いた。負極活物質を９５重量部と、結着剤であるＰＶＤＦを５重量部と、適量のＮＭＰとを混合して、負極合剤ペーストを調製した。
得られた負極合剤ペーストを、銅製の負極集電体（厚さ：１０μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ１６５μｍの負極を得た。
【００６３】
（セパレータの作製）
フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体（Ｐ（ＶＤＦ−ＨＦＰ））を１００重量部と、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）を１００重量部と、所定量のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）とを混合して、ペーストを得た。得られたペーストを膜状に成形し、ＮＭＰを蒸発させた。次に、得られた膜をジエチルエーテル中に浸漬し、ＤＢＰを抽出させて、Ｐ（ＶＤＦ−ＨＦＰ）からなる微多孔性フィルムを得た。得られた微多孔性フィルムを、セパレータとして用いた。
【００６４】
（電池の組立）
上記のようにして得られた正極とセパレータと負極とを、熱溶着して、積層型の電極群を得た。正極集電体には、アルミニウム製正極リードの一端を接続し、負極集電体には、銅製負極リードの一端を接続しておいた。
【００６５】
アルミニウムラミネートフィルムからなる袋状の電池ケースを準備した。このラミネートフィルムは、Ａｌ箔と、Ａｌ箔の内側に配されたポリプロピレンからなるフィルムと、Ａｌ箔の外側に配されたポリエチレンテレフタレートとナイロンとからなるフィルムとから構成される。
電池ケースの内部に電極群を収容した。電池ケースの開口部から、外部に、正極リードの他端および負極リードの他端を引き出した。
【００６６】
次に、電池ケース内に、非水電解質を注液し、非水電解質を電極群に含浸させた。こうして、セパレータに、非水電解質を保持させた。非水電解質は、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを１：３の体積比で含む非水溶媒に、６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１．０ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解することにより、調製した。
次いで、正極リードと負極リードとの電気的絶縁および電池ケースの気密性を確保しながら、電池ケースの開口部を封口して、ポリマー電池を得た。得られた電池を電池Ａとした。
【００６７】
《電池Ｂの作製》
以下のようにして、電極に含まれる結着剤の量が通常よりも少ない捲回型非水電解質二次電池を作製した。
（正極の作製）
正極活物質として、コバルト酸リチウムを用いた。正極活物質を８８重量部と、結着剤であるＰＶＤＦを２重量部と、導電剤であるアセチレンブラックを１０重量部と、適量のＮＭＰとを混合して、正極合剤ペーストを調製した。
得られた正極合剤ペーストを、アルミニウム製の正極集電体（厚さ：１５μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ１５６μｍの正極を得た。
【００６８】
（負極の作製）
負極活物質として、人造黒鉛を用いた。負極活物質を９８重量部と、結着剤であるＰＶＤＦを２重量部と、適量のＮＭＰとを混合して、負極合剤ペーストを調製した。
得られた負極合剤ペーストを、銅製の負極集電体（厚さ：１０μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ１６１μｍの負極を得た。
【００６９】
（電池の組立）
正極と、ポリエチレン製のセパレータと、負極とを積層した。得られた積層体を渦巻状に捲回して、円筒型の電極群を得た。
得られた電極群を、ニッケルメッキした鉄製の円筒型電池ケースに収容した。アルミニウム製正極リードの一端を、正極集電体に接続し、正極リードの他端を、封口板に接続した。銅製負極リードの一端を負極集電体に接続し、負極リードの他端は、電池ケースの内底面に接続した。
【００７０】
次いで、電池ケース内に、非水電解質を注液した。非水電解質には、実施例１と同じものを用いた。
次に、電池ケースの開口部を、封口板で封口して、非水電解質二次電池を得た。得られた電池を、電池Ｂとした。
【００７１】
《電池Ｃの作製》
以下のようにして、活物質層の厚さが通常よりも厚い捲回型非水電解質二次電池を作製した。
（正極の作製）
正極活物質として、コバルト酸リチウムを用いた。正極活物質を８５重量部と、結着剤であるＰＶＤＦを５重量部と、導電剤であるアセチレンブラックを１０重量部と、適量のＮＭＰとを混合して、正極合剤ペーストを調製した。
得られた正極合剤ペーストを、アルミニウム製の正極集電体（厚さ：１５μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ２００μｍの正極を得た。
【００７２】
（負極の作製）
負極活物質として、人造黒鉛を用いた。負極活物質を９５重量部と、結着剤であるＰＶＤＦを５重量部と、適量のＮＭＰとを混合して、負極合剤ペーストを調製した。
得られた負極合剤ペーストを、銅製の負極集電体（厚さ：１０μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ２０８μｍの負極を得た。
【００７３】
（電池の組立）
正極と、ポリエチレン製のセパレータと、負極とを積層した。得られた積層体を渦巻状に捲回して、円筒型の電極群を得た。
得られた電極群を、ニッケルメッキした鉄製の円筒型電池ケースに収容した。アルミニウム製正極リードの一端を、正極集電体に接続し、正極リードの他端を、封口板に接続した。銅製負極リードの一端を負極集電体に接続し、負極リードの他端は、電池ケースの内底面に接続した。
【００７４】
次いで、電池ケース内に、非水電解質を注液した。非水電解質には、実施例１と同じものを用いた。
次に、電池ケースの開口部を、封口板で封口して、非水電解質二次電池を得た。得られた電池を、電池Ｃとした。
【００７５】
《電池Ｄの作製》
以下では、一般的な捲回型非水電解質二次電池を作製した。
（正極の作製）
正極活物質として、コバルト酸リチウムを用いた。正極活物質を８５重量部と、結着剤であるＰＶＤＦを５重量部と、導電剤であるアセチレンブラックを１０重量部と、適量のＮＭＰとを混合して、正極合剤ペーストを調製した。
得られた正極合剤ペーストを、アルミニウム製の正極集電体（厚さ：１５μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ１６０μｍの正極を得た。
【００７６】
（負極の作製）
負極活物質として、人造黒鉛を用いた。負極活物質を９５重量部と、結着剤であるＰＶＤＦを５重量部と、適量のＮＭＰとを混合して、負極合剤ペーストを調製した。
得られた負極合剤ペーストを、銅製の負極集電体（厚さ：１０μｍ）の両面に塗布し、乾燥し、圧延して、厚さ１６５μｍの負極を得た。
【００７７】
（電池の組立）
正極と、ポリエチレン製のセパレータと、負極とを積層した。得られた積層体を渦巻状に捲回して、円筒型の電極群を得た。
得られた電極群を、ニッケルメッキした鉄製の円筒型電池ケースに収容した。アルミニウム製正極リードの一端を、正極集電体に接続し、正極リードの他端を、封口板に接続した。銅製負極リードの一端を負極集電体に接続し、負極リードの他端は、電池ケースの内底面に接続した。
【００７８】
次いで、電池ケース内に、非水電解質を注液した。非水電解質には、実施例１と同じものを用いた。
次に、電池ケースの開口部を、封口板で封口して、非水電解質二次電池を得た。得られた電池を、電池Ｄとした。
【００７９】
電池Ａ〜Ｄの設計容量は、それぞれ２４００ｍＡｈとした。
【００８０】
［評価］
電池Ａ〜Ｄを慣らし充放電に二度供した。次いで、これらの電池を４００ｍＡの電流で、電池電圧が４．１Ｖに達するまで充電し、充電後の電池を４５℃環境下で７日間保存した。
次いで、保存後の電池Ａ〜Ｄを放電し、次いで、以下の条件で充電した。
定電流充電：電流値１５００ｍＡ／充電終止電圧４．４５Ｖ
定電圧充電：充電電圧４．４５Ｖ／充電終止電流１００ｍＡ
【００８１】
充電後の電池Ａ〜Ｄから、それぞれ電極群Ａ〜Ｄを取り出し、これらの電極群Ａ〜Ｄについて、以下のような評価装置を用いて、内部短絡の評価を行った。
【００８２】
《実施例１》
本実施例では、図１のブロック図に示されるような内部短絡評価装置を用いた。また、図２に示されるような加圧子および短絡子を用いた。具体的には、基材部がＳＵＳ３０４製であり、接触部がニトリルゴムからなる加圧子を用いた。接触部は、直径１０ｍｍ、高さ５０ｍｍの円柱状とした。
短絡子としては、直径が１．０ｍｍであり、電極群との接触部が鋭利な突起状に加工された釘を用いた。
加圧子を構成する基材部および接触部には、連通する貫通孔を設けておき、その貫通孔を通して、短絡子が電極群の所定の位置を押圧できるようにした。前記貫通孔は、接触部の中心軸を通るように設けた。
【００８３】
積層型の電極群Ａについては、電極板の積層方向に垂直な面上の所定の位置を含む所定の領域に接触部が接触するように、電極群Ａに加圧子を接触させた。このとき、電極群Ａと加圧子とは、電極板の積層方向と前記接触部の中心軸とが平行となるように接触させた。
捲回型の電極群Ｂ〜Ｄについては、電極群の捲回軸に平行な表面上の所定の位置を含む所定の領域に接触部が接触するように、電極群に加圧子を接触させた。このとき、電極群と加圧子とは、電極群の捲回軸と前記接触部の中心軸とが直交するように接触させた。
【００８４】
電極群Ａ〜Ｄを加圧するときの加圧力は、５０Ｎ、４００Ｎ、および８００Ｎとした。短絡子の移動速度は、０．１ｍｍ／ｓとし、短絡子の加圧力は、最大５０Ｎとした。
【００８５】
電池情報としては、電極群の電池電圧を測定した。電極群に短絡子を押し込んだ際に、電池電圧が５０ｍＶ以上低下した場合に、内部短絡が生じたと判断した。
【００８６】
電極群Ａ〜Ｄについて、それぞれ２つずつ評価を行った。結果を表１に示す。
【００８７】
《実施例２》
本実施例では、図３のブロック図に示されるような内部短絡評価装置を用いた。用いた加圧子の縦断面図および底面図を、それぞれは図４および５に示す。
具体的には、加圧子において、基材部はＳＵＳ３０４製とし、接触部は、ニトリルゴム（弾性率：０．１〜１０ＧＰａ）製とした。さらに、接触部には、中心軸に沿って直径２ｍｍの円柱状の空隙部を設けておいた。
短絡子としては、直径が１．０ｍｍであり、電極群との接触部が鋭利な突起状に加工された釘を用いた。
短絡子の高さｈに対する接触部の高さＨ比（Ｈ／ｈ）は、１０／２とした。
【００８８】
積層型の電極群Ａについては、電極板の積層方向に垂直な面上の所定の位置を含む所定の領域に接触部が接触するように、電極群Ａに加圧子を接触させた。このとき、電極群Ａと加圧子とは、電極板の積層方向と短絡子の突出方向とが平行となるように接触させた。
捲回型の電極群Ｂ〜Ｄについては、電極群の捲回軸に平行な表面上の所定の位置を含む所定の領域に接触部が接触するように、電極群に加圧子を接触させた。このとき、電極群と加圧子とは、電極群の捲回軸と短絡子の突出方向とが直交するように接触させた。
【００８９】
加圧子に設けられた短絡子を、電極群Ａ〜Ｄの所定の位置に、電極群Ａ〜Ｄを加圧する加圧力の上限を１０００Ｎとし、０．１ｍｍ／ｓの速度で、押し当てた。
【００９０】
実施例１と同様に、電池情報としては、電極群の電池電圧を測定した。電極群に短絡子を押し込んだ際に、電池電圧が５０ｍＶ以上低下した場合に、内部短絡が生じたと判断して加圧を停止した。
【００９１】
電極群Ａ〜Ｄについて、それぞれ３つずつ評価を行った。結果を表１に示す。
表１において、内部短絡が検出できた電極群を○で示し、内部短絡を確認できなかった電極群を△、電極群の温度の急激な上昇が確認された電極群を×で示している。
【００９２】
【表１】
2010082502.tif 000009
【００９３】
従来の内部短絡試験では、短絡点に異物を挿入することが必要となる。しかしながら、ポリマー電池（電池Ａ）の場合には、電極板とセパレータとが接着されているため、内部短絡試験を行うこと自体が不可能である。また、結着剤の量が少ないために活物質が脱落しやすい電池（電池Ｂ）の場合も、従来の内部短絡試験の実施は困難である。さらに、従来の内部短絡試験では、短絡させるときの電極板への加圧力を制御することができないため、特に合剤の厚みが厚い設計の電池（電池Ｃ）では、短絡が起こりにくく、短絡するときの圧力がばらつく。その結果、同じ圧力で内部短絡試験を行ったとしても、電池の発火が生じたり、生じなかったりする。
【００９４】
一方で、本発明の内部短絡評価装置を用いた場合には、表１に示されるように、いずれの設計の電池に於いても安定した試験結果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明によれば、各種電池または各種電池パックから取り出された電極群の内部短絡の評価を、電池または電池パックに組み込まれた状態と同じ状態で行うことができる。よって、本発明の内部短絡評価装置を用いることにより、各種の電池または電池パックの内部短絡試験を正確に行うことができる。
【符号の説明】
【００９６】
１０  内部短絡評価装置
１１  加圧子
１１ａ  基材部
１１ｂ  接触部
１１ｃ  貫通孔
１２、３２  加圧子制御部
１３、３３  加圧力測定部
１４  短絡子
１５  短絡子制御部
１６、３６  電池情報測定部
１７、３７  短絡検出部
１８、３８  充放電制御部
２０、４０  電極群
２１  台
２２  加圧子用加圧装置
２３  短絡子用加圧装置
２４  コンピュータ
３１  短絡子が一体化された加圧子
３１ａ  基材部
３１ｂ  接触部
３１ｃ  短絡子
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを含む電極群、電解質、ならびに前記電極群および前記電解質を収容する電池ケースを備える電池の内部短絡評価装置であって、
（１）前記電極群の表面の少なくとも所定の位置を加圧する加圧子、
（２）前記所定の位置に押し当てられる短絡子、
（３）前記電極群において前記短絡子によって短絡が生じたときに変化する電池情報を測定する電池情報測定部、
（４）前記電池情報測定部によって測定された電池情報の変化を検知し、かつ前記電池情報を所定の基準値と比較して内部短絡を判断する短絡検知部、
（５）前記加圧子に加えられる加圧力を測定する加圧力測定部、
（６）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記加圧子を制御する加圧子制御部、および
（７）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記短絡子を制御する短絡子制御部
を有する、内部短絡評価装置。
【請求項２】
前記加圧子に貫通孔が設けられており、前記貫通孔を通して、前記短絡子が、前記所定の位置に押し当てられる、請求項１記載の内部短絡評価装置。
【請求項３】
前記加圧子の前記電極群との接触部が、ゴム材料を含む、請求項１記載の内部短絡評価装置。
【請求項４】
前記短絡子の前記電極群に接触する部分が、鋭利な突起状または鋭利な刃先状である、請求項１記載の内部短絡評価装置。
【請求項５】
正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを含む電極群、電解質、ならびに前記電極群および前記電解質を収容する電池ケースを備える電池の内部短絡評価装置であって、
（i）一体化された短絡子を備える加圧子であって、前記電極群の表面の所定の位置を含む所定の領域を加圧しながら、前記所定の位置に前記短絡子を押し込む、加圧子、
（ii）前記電極群において前記短絡子によって短絡が生じたときに変化する電池情報を測定する電池情報測定部、
（iii）前記電池情報測定部によって測定された電池情報の変化を検知し、かつ前記電池情報を所定の基準値と比較して内部短絡を判断する短絡検知部、
（iv）前記加圧子に加えられる加圧力を測定する加圧力測定部、および
（v）前記短絡検知部および前記加圧力測定部からの信号に基づいて、前記加圧子を制御する加圧子制御部
を有する、内部短絡評価装置。
【請求項６】
前記加圧子の前記電極群との接触部が、ゴム材料を含む、請求項５記載の内部短絡評価装置。
【請求項７】
前記短絡子の前記電極群に接触する部分が、鋭利な突起状または鋭利な刃先状である、請求項５記載の内部短絡評価装置。
【請求項８】
前記短絡検知部からの信号に基づいて、前記電極群の充放電を制御する充放電制御部をさらに備える、請求項１記載の内部短絡評価装置。
【請求項９】
前記電極群、前記加圧子および前記短絡子を少なくとも収容する恒温槽をさらに備える、請求項１記載の内部短絡評価装置。
【請求項１０】
前記短絡検知部からの信号に基づいて、前記電極群の充放電を制御する充放電制御部をさらに備える、請求項５記載の内部短絡評価装置。
【請求項１１】
前記電極群、前記加圧子および前記短絡子を少なくとも収容する恒温槽をさらに備える、請求項５記載の内部短絡評価装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010082502.tif 000010
【図２】
2010082502.tif 000011
【図３】
2010082502.tif 000012
【図４】
2010082502.tif 000013
【図５】
2010082502.tif 000014
【国際調査報告】
2010082502.tif 000015
2010082502.tif 000016