(57)【要約】【課題】  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性良く行うこと。【解決手段】  セパレータを介して正極板と負極板が積層された積層体を備え、前記積層体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。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
前記突出部だけが前記電池に刺さるよう前記加圧平板は前記突出部に比べて十分大きい請求項１に記載の内部短絡試験方法。
【請求項３】
前記加圧平板はロッドに接続され、前記加圧平板の形状は前記ロッドに対して回転対称である請求項１または２に記載の内部短絡試験方法。
【請求項４】
前記突出部が前記加圧平板に複数設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の内部短絡試験方法。
【請求項５】
前記加圧平板が複数設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の内部短絡試験方法。
【請求項６】
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。
【請求項７】
前記加圧平板の形状は前記ロッドに対して回転対称である請求項６に記載の内部短絡試験装置。
【請求項８】
前記突出部が前記加圧平板に複数設けられている請求項６または７に記載の内部短絡試験装置。
【請求項９】
前記加圧平板が複数設けられている請求項６から８のいずれか一項に記載の内部短絡試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の内部短絡試験法と内部短絡試験装置に関する。
【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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第5060623号
【特許文献２】特開2015-159017号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態における評価対象の一例である、フィルム外装電池の断面図である。
【図２】本発明の実施形態の加圧部を示す概略斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る試験装置の構成を概略的に示す構成図である。
【図４】本発明の実施形態の方法によって、内部短絡を発生させる試験状態のフィルム外装電池の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
図２に、本実施形態の加圧部１０の概略図を示す。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【実施例１】
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
試験結果を表１に示す。
表１
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【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【符号の説明】
【００４２】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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