(57)【要約】【課題】内部短絡による過昇温状態における蓄電デバイスの評価方法を提供すること。【解決手段】蓄電デバイスの評価方法は、以下の（ａ）〜（ｃ）を少なくとも含む。（ａ）筐体および電極体を含み、電極体は筐体の内部に収納されており、電極体は正極および負極を含み、電極体において正極および負極が交互にそれぞれ１層以上積層されることにより積層部が形成されている、蓄電デバイスを準備する。（ｂ）加熱された釘状部材を蓄電デバイスの積層部に刺し込んで、釘状部材を経由する短絡を発生させる。（ｃ）短絡中の蓄電デバイスの状態により、蓄電デバイスを評価する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体および電極体を含み、前記電極体は前記筐体の内部に収納されており、前記電極体は正極および負極を含み、前記電極体において前記正極および前記負極が交互にそれぞれ１層以上積層されることにより積層部が形成されている、蓄電デバイスを準備すること、
加熱された釘状部材を前記蓄電デバイスの前記積層部に刺し込んで、前記釘状部材を経由する短絡を発生させること、および、
短絡中の前記蓄電デバイスの状態により、前記蓄電デバイスを評価すること、
を含む、蓄電デバイスの評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は蓄電デバイスの評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１０−２１２１８３号公報（特許文献１）は、試験用の電池に金属製突起物（釘）を突き刺して貫通させ、強制的に内部短絡を発生させたときの電池の評価を行う、電池の短絡試験装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２１２１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されるように、蓄電デバイス（例えば電池、キャパシタ等）において、導電性異物（例えば釘、金属片等）により内部短絡が発生した場合に、蓄電デバイスが如何なる状態になるか評価する方法が知られている。また、内部短絡が発生し、発熱によって蓄電デバイスが過昇温状態になった場合に、蓄電デバイスが如何なる状態になるか評価する方法も求められている。
【０００５】
しかし、特許文献１に開示されるような方法では、金属製突起物の形状や突き刺し速度などの条件を変えても、蓄電デバイスを直ちに過昇温状態にさせることは難しく、内部短絡による過昇温状態における電池の評価を行うことは難しかった。
【０００６】
本開示の目的は、蓄電デバイスの評価方法において、内部短絡による過昇温状態を安定して生じさせることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の蓄電デバイスの評価方法は、以下の（ａ）〜（ｃ）を少なくとも含む。
（ａ）筐体および電極体を含み、電極体は筐体の内部に収納されており、電極体は正極および負極を含み、電極体において正極および負極が交互にそれぞれ１層以上積層されることにより積層部が形成されている、蓄電デバイスを準備する。
（ｂ）加熱された釘状部材を蓄電デバイスの積層部に刺し込んで、釘状部材を経由する短絡を発生させる。
（ｃ）短絡中の蓄電デバイスの状態により、蓄電デバイスを評価する。
【０００８】
釘刺し時に過昇温状態が発生するかどうかは、主に正極と負極の間の短絡電流量の影響を受ける。短絡電流量は、主にセパレータの溶融量の影響を受ける。セパレータの溶融（破断）は熱に起因するため、釘の形状および大きさ、釘刺し速度などによってセパレータの溶融量を調整することは難しい。したがって、釘の形状および大きさ、釘刺し速度などによって過昇温状態を調整することは難しい。なお、釘刺し時の短絡による過昇温の発生を抑制する工夫がなされた電池も検討されており、特にこのような電池に対しては、釘刺しだけで蓄電デバイスを過昇温状態にすることは難しい。
【０００９】
本開示の蓄電デバイスの評価方法においては、予め加熱された釘状部材を蓄電デバイスに刺し込むことにより、その熱によってセパレータの溶融量等を調整することができるため、過昇温状態を調整することができる。なお、釘状部材を刺し込んだ後に釘状部材を加熱して温度を上げる場合、温度が上がるまでに蓄電デバイスの容量が低下して短絡電流が減少し、短絡電流による発熱も減少するため、過昇温状態にするために要する加熱量が多くなり、過昇温状態にすることが難しくなってしまう。このため、針状部材は、蓄電デバイスに刺し込まれる前に予め加熱されている。
【００１０】
以上のとおり、本開示によれば、蓄電デバイスの評価方法において、内部短絡による過昇温状態を安定して生じさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態の蓄電デバイスの評価方法の概略を示すフローチャートである。
【図２】実施形態の釘状部材の一例の断面概略図である。
【図３】角形電池の構成の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下本開示の実施形態（本明細書では「本実施形態」とも記される）が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。説明中、適宜図面が参照される。本明細書の図面では、説明の便宜上、寸法関係が適宜変更されている。本明細書の図面に表される寸法関係は実際の寸法関係を示すものではない。
【００１３】
＜蓄電デバイスの評価方法＞
図１は本実施形態の蓄電デバイスの評価方法の概略を示すフローチャートである。
本実施形態の蓄電デバイスの評価方法は、以下の「（ａ）蓄電デバイスの準備」、「（ｂ）釘状部材の刺し込み」および「（ｃ）評価」を少なくとも含む。
【００１４】
《（ａ）蓄電デバイスの準備》
本実施形態の蓄電デバイスの評価方法は、蓄電デバイスを準備することを含む。蓄電デバイスは、筐体および電極体を含む。電極体は筐体の内部に収納されている。電極体は正極および負極を含む。電極体において正極および負極が交互にそれぞれ１層以上積層されることにより積層部が形成されている。
【００１５】
蓄電デバイスは特に限定されるべきではない。蓄電デバイスは二次電池（蓄電池）であってもよい。蓄電デバイスは一次電池であってもよい。蓄電デバイスはキャパシタであってもよい。蓄電デバイスは、例えば鉛電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池、リチウム一次電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等であってもよい。
【００１６】
筐体（外装）の形式（ｓｈａｐｅ）および型式（ｔｙｐｅ）も特に限定されるべきではない。蓄電デバイスは、例えば角形電池、円筒形電池、ラミネート型電池等であってもよい。「角形」は直方体形状を示す。「ラミネート型」はパウチ型と称される場合もある。ここでは角形電池の概略が説明される。
【００１７】
（角形電池）
図３は角形電池の構成の一例を示す概略図である。
蓄電デバイスは筐体９０を少なくとも含む。筐体９０は直方体状の外形を有する。筐体９０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、ステンレス（ＳＵＳ）、鉄（Ｆｅ）、樹脂等により形成されている。筐体９０は正極端子８１および負極端子８２を備える。筐体９０は、例えば注液孔、ガス排出弁、電流遮断機構（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ，ＣＩＤ）等を備えていても良い。
【００１８】
筐体９０の内部には、電極体が収納されている。電極体は「電極群（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｇｒｏｕｐ）」、「電極集合体または電極組立体（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）」等と称される場合もある。筐体９０の内部には電解質も収納されている。電極体は巻回型であってもよい。電極体は積層（スタック）型であってもよい。
【００１９】
巻回型の電極体は、例えば、正極、セパレータ、負極およびセパレータがこの順序で積層され、さらにこれらが渦巻状に巻回されることにより形成されている。すなわち、巻回型の電極体において、正極および負極が交互にそれぞれ１層以上積層されることにより積層部が形成されている。巻回型の電極体は扁平状に巻回されていてもよい。巻回型の電極体は、円筒状に巻回された後、扁平状に成形されていてもよい。
【００２０】
積層型の電極体は、正極および負極が交互に積層されることにより形成されている。すなわち、積層型の電極体においても、正極および負極が交互にそれぞれ１層以上積層されることにより積層部が形成されている。正極および負極の各間には、それぞれセパレータが配置されている。
【００２１】
正極は正極端子８１と電気的に接続されている。正極はシート状である。正極は例えば正極集電体および正極活物質部を含んでもよい（例えば図７を参照のこと）。正極活物質部は、例えば正極活物質を含む正極合材が正極集電体の表面に塗着されることにより形成されている。正極活物質部は正極集電体の表裏両面に形成されていてもよい。正極合材は、正極活物質の他、導電材およびバインダ等をさらに含んでもよい。
【００２２】
蓄電デバイスがリチウムイオン電池である場合、正極集電体は例えばアルミニウム箔等であってもよい。正極活物質は例えばリチウム含有遷移金属酸化物等であってもよい。導電材は例えばカーボンブラック等であってもよい。バインダは例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等であってもよい。
【００２３】
負極は負極端子８２と電気的に接続されている。負極はシート状である。負極は例えば負極集電体および負極活物質部を含んでもよい。負極活物質部は負極集電体の表面に形成されていてもよい。負極活物質部は例えば負極活物質を含む負極合材が負極集電体の表面に塗着されることにより形成されている。負極活物質部は負極集電体の表裏両面に形成されていてもよい。負極合材は、負極活物質の他、バインダ等をさらに含んでもよい。
【００２４】
蓄電デバイスがリチウムイオン電池である場合、負極集電体は例えば銅（Ｃｕ）箔等であってもよい。負極活物質は、例えば黒鉛、珪素、酸化珪素、金属リチウム等であってもよい。バインダは、例えばカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）およびスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等であってもよい。
【００２５】
セパレータは例えば樹脂製の多孔質フィルム等であってもよい。セパレータは多層構造を有してもよい。セパレータは、例えばポリプロピレン（ＰＰ）製の多孔質フィルム、ポリエチレン（ＰＥ）製の多孔質フィルム、およびポリプロピレン製の多孔質フィルムがこの順序で積層されることにより形成されていてもよい。
【００２６】
電解質は液体電解質であってもよい。液体電解質は電解液であってもよい。液体電解質はイオン液体であってもよい。電解質はゲル電解質（ポリマー電解質）であってもよい。電解質は固体電解質であってもよい。すなわち、蓄電デバイスは全固体電池であってもよい。全固体電池はセパレータを含まないこともあり得る。
【００２７】
「（ａ）蓄電デバイスの準備」には、蓄電デバイスの充電レベルを調整することが含まれていてもよい。「充電レベル」は蓄電デバイスが完全充電された状態から、放電した電気量の割合を除いた割合を示す。一次電池の場合は、便宜上、未使用状態が１００％の充電レベルであるとみなされる。充電レベルは「充電率」、「充電状態（Ｓｔａｔｅ оｆ ｃｈａｒｇｅ，ＳＯＣ）」等とも称される。
【００２８】
充電レベルは一般的な充放電装置により調整され得る。充電のみにより充電レベルが調整されてもよい。放電のみにより充電レベルが調整されてもよい。充電および放電の組み合わせにより充電レベルが調整されてもよい。
【００２９】
充電レベルは例えば１００％に調整されてもよい。充電レベルにより、短絡条件が調整されてもよい。例えば充電レベルが高い程、過酷な条件になると考えられる。充電レベルは例えば１００％を超えるレベルに調整されてもよい。充電レベルは例えば０％を超えて１００％未満の充電レベルに調整されてもよい。充電レベルは例えば８０％以上１２０％以下に調整されてもよい。
【００３０】
《（ｂ）釘状部材の刺し込み》
本実施形態の蓄電デバイスの評価方法は、加熱された釘状部材１を蓄電デバイス１００の積層部に刺し込んで、釘状部材１を経由する短絡を発生させることを含む。
【００３１】
釘状部材１は導電性である。「導電性である」とは、０℃以上２５℃以下の温度範囲において抵抗率が１０-3Ω・ｍ以下である材料により形成されていることを示す。材料の抵抗率は、例えば「化学便覧（日本化学会編、丸善出版発行）」等に記載されている文献値であってもよい。
【００３２】
釘状部材１は例えば金属製であってもよい。釘状部材１は、例えば、ステンレス鋼製、鉄製などであってもよい。軸方向に直交する断面において、釘状部材１の形状は特に限定されるべきではなく、例えば円形、正方形、六角形等であり得る。
【００３３】
釘状部材１の直径は、例えば０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であってもよく、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であってもよく、１ｍｍ以上３ｍｍ以下であってもよい。なお、釘状部材１の軸方向と直交する断面において釘状部材１の形状が円形ではない場合、釘状部材１の直径は最大径を示す。
【００３４】
釘状部材１は尖った先端を有してもよい。釘状部材１が尖った先端を有することにより、釘状部材１が筐体９０を貫通しやすくなると考えられる。釘状部材１の先端角θ（図２参照）は、例えば１０度以上９０度以下であってもよく、２０度以上９０度以下であってもよく、２０度以上４５度以下であってもよい。なお、釘状部材１は、全体がテーパ状であってもよい。
【００３５】
釘状部材１は、筐体９０の厚み（釘状部材を刺し込む方向における長さ）を超える長さを有することが好ましい。釘状部材１の「長さ」は、軸方向の全長を示す。釘状部材１の長さは、例えば、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下であってもよく、１０ｍｍ以上１５０ｍｍであってもよく、１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であってもよい。
【００３６】
釘状部材は、蓄電デバイス１００の積層部に刺し込まれる前に加熱され、所定の温度に達した釘状部材１が蓄電デバイス１００の積層部に刺し込まれる。釘状部材を刺し込んだ後に釘状部材を加熱して温度を上げる場合、温度が上がるまでに蓄電デバイスの容量が低下して短絡電流が減少し、短絡電流による発熱も減少するため、過昇温状態にするために要する加熱量が多くなり、過昇温状態にすることが難しくなってしまうからである。
【００３７】
図２に示されるように、釘状部材１は、内部にヒータ２を有していてもよい。これにより釘状部材の加熱を迅速に行うことができる。なお、図２には、釘状部材１の軸方向と平行な断面が示されている。
【００３８】
本実施形態において釘状部材１の先端は、釘状部材１の軸方向において、例えば釘状部材１の最先端および該最先端から所定の距離（例えば、５ｍｍ、１ｍｍ、０．５ｍｍ、０．１ｍｍ）離れた位置までの範囲であってもよい。
【００３９】
本実施形態では、蓄電デバイスが所定の温度範囲に保温された後、釘状部材１が刺し込まれてもよい。蓄電デバイスは、例えば１０℃以上５０℃以下の温度範囲で保温されてもよい。
【００４０】
釘状部材１を刺し込む動作は、例えば、駆動装置により行われてもよい。駆動装置は、例えば釘刺し試験装置、圧壊試験装置等であってもよい。駆動装置は、例えばサーボモータ等を備える。駆動装置は釘状部材１の装着部を備える。駆動装置は、例えば装着部を所定の一方向（例えば鉛直方向）に移動させる。
【００４１】
釘状部材１を刺し込む方向（図２の矢印の方向）は、正極および負極の積層方向と実質的に同方向であることが望ましい。釘状部材１が蓄電デバイス１００の積層部に刺し込まれる際、正極および負極の積層方向と、釘状部材１の軸方向とのなす角は、例えば０度以上３０度以下であってもよい。釘状部材１を刺し込む位置は、例えば電極体（積層部）の中心付近が好ましい。
【００４２】
釘状部材１を刺し込む速度は、釘状部材１の停止するまでの移動距離が、電極体（積層部）の厚さを超えるように設定されてもよい。刺し込む速度は、例えば１０ｍｍ／秒以下であってもよく、１ｍｍ／秒以下であってもよく、０．１ｍｍ／秒以下であってもよく、０．０１ｍｍ／秒以下であってもよい。また、刺し込む速度は、例えば０．００１ｍｍ／秒以上であってもよい。刺し込む速度は、例えば０．００１ｍｍ／秒以上０．１ｍｍ／秒以下であってもよい。
【００４３】
本実施形態の蓄電デバイスの評価方法は、釘状部材１の先端が電極体（積層部）または蓄電デバイス１００を貫通したときに、釘状部材１が停止するように刺し込む動作を制御することを含む。
【００４４】
《（ｃ）評価》
本実施形態の蓄電デバイスの評価方法は、短絡中の蓄電デバイスの状態により、蓄電デバイスを評価することを含む。
【００４５】
例えば、蓄電デバイスの外観、蓄電デバイスの表面温度、および蓄電デバイスの電圧からなる群より選択される少なくとも１つが確認されてもよい。外観は、目視により確認されてもよい。外観は、例えば映像および画像等に記録されてもよい。外観には、例えば変形、変色、割れ、漏液、発煙等が生じる可能性がある。温度は温度測定装置により測定される。例えばサーモグラフィにより熱分布が測定されてもよい。電圧（正極と負極との電位差）は電圧計により測定される。
【００４６】
短絡中の蓄電デバイスの状態の確認結果に基づき、蓄電デバイスが評価される。複数個の蓄電デバイスにおける確認結果に基づき、蓄電デバイスが評価されてもよい。
【００４７】
本開示の蓄電デバイスの評価方法は、例えば外部からの衝撃等により短絡が生じた場合における蓄電デバイスの評価に利用することができる。本開示の蓄電デバイスの評価方法は、例えば製造時の抜き取り検査等に利用されてもよい。本開示の蓄電デバイスの評価方法は、例えば開発時の仕様検討等に利用されてもよい。
【実施例】
【００４８】
以下本開示の実施例が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。
【００４９】
＜実施例１、比較例１，２＞
複数個の蓄電デバイス（角形リチウムイオン電池）が準備された。
釘状部材が、内部に設けられたヒータによって表１に示す温度まで加熱された。加熱された釘状部材が、表１に示す釘刺し速度で蓄電デバイスのほぼ中心に刺し込まれた。釘状部材の先端が蓄電デバイスを貫通したときに、釘状部材の刺し込みが停止された。釘状部材は、内部にヒータを有するステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる釘である。実施例１、比較例１および比較例２の各々において、釘の直径および釘の先端角度は、表１に示すとおりである。
【００５０】
釘状部材の停止後、直ちに蓄電デバイスの外表面の温度が測定された。測定された温度と、予め測定された釘状部材が刺し込まれる前の蓄電デバイスの外表面の温度と、の温度差が算出された。この温度差と、釘状部材の蓄電デバイスへの刺し込みが開始されてから釘状部材が停止されるまでの時間と、から、蓄電デバイスの温度上昇速度（℃／秒）が算出された。蓄電デバイスの温度上昇速度が１℃／秒以上であった場合に、過昇温「有り」と評価し、それ以外の場合は過昇温「無し」と評価した。評価結果を表１に示す。
【００５１】
【表１】
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【００５２】
表１に示される結果から、実施例１のように釘状部材を予め加熱しておくことで、釘状部材を蓄電デバイスに刺し込むことにより、過昇温を発生させることができると考えられる。このように実施例１では、過昇温が発生した状態で蓄電デバイスの評価を行うことができる。なお、比較例１に対して、比較例２は釘の直径を太くし、先端角度も大きくしたが、それだけでは過昇温を発生させることは出来なかった。
【００５３】
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。特許請求の範囲の記載によって確定される技術的範囲は特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。
【符号の説明】
【００５４】
１  釘状部材、１００  蓄電デバイス、８１  正極端子、８２  負極端子、９０  筐体。
【図１】
2019185893.tif 000004
【図２】
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【図３】
2019185893.tif 000006