(57)【要約】  内部短絡試験用二次電池、それを用いた二次電池の内部短絡試験方法及び装置を提供する。本発明による内部短絡試験用二次電池は、二次電池の正極板と分離膜との間に一端部が位置する正極側金属端子、及び二次電池の負極板と分離膜との間に一端部が位置する負極側金属端子を含み、前記正極側金属端子の他端部と前記負極側金属端子の他端部とを互いに接触させて内部短絡を起こす用途で使用される。本発明によれば、試験温度の条件に影響を受けず、二次電池の長期サイクル及び高温保存後などの所望の状態で内部短絡試験を行うことができる。
2021504923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極集電体に正極活物質層が形成された正極板と、
負極集電体に負極活物質層が形成された負極板と、
前記正極板と前記負極板との間に介在された分離膜とを含む単位セルを少なくとも１つ含み、
前記単位セルのうちいずれか１つにおいて、前記正極板と前記分離膜との間に一端部が位置し、他端部が前記単位セルの外部に延びている正極側金属端子と、
前記正極側金属端子を備える単位セルにおいて、前記負極板と前記分離膜との間に一端部が位置し、他端部が前記単位セルの外部に延びている負極側金属端子とを含み、
前記正極側金属端子の他端部と前記負極側金属端子の他端部とを互いに接触させて前記単位セルの内部短絡を起こす用途で使用される、内部短絡試験用二次電池。
【請求項２】
前記正極板に形成された正極タブ及び前記正極タブに一端部が連結された正極リードと、
前記負極板に形成された負極タブ及び前記負極タブに一端部が連結された負極リードと、
前記単位セル及び電解液を収容して封止するパウチ型の電池ケースとをさらに含み、
前記正極リード、前記負極リード、前記正極側金属端子及び前記負極側金属端子の他端部が前記電池ケースの外部に露出している、請求項１に記載の内部短絡試験用二次電池。
【請求項３】
前記正極側金属端子と前記負極側金属端子との相互または前記正極側金属端子と前記負極側金属端子と前記正極リードと前記負極リードとの相互を目視で区別できるように形成された、請求項２に記載の内部短絡試験用二次電池。
【請求項４】
前記正極側金属端子は、前記一端部が前記正極集電体に位置する正極側第１金属端子及び前記一端部が前記正極活物質層に位置する正極側第２金属端子のうち少なくともいずれか１つであり、前記負極側金属端子は、前記一端部が前記負極集電体に位置する負極側第１金属端子及び前記一端部が前記負極活物質層に位置する負極側第２金属端子のうち少なくともいずれか１つである、請求項１から３のいずれか一項に記載の内部短絡試験用二次電池。
【請求項５】
前記単位セルは複数であり、そのうち１つの単位セルのみに前記正極側金属端子及び前記負極側金属端子が含まれる、請求項１から４のいずれか一項に記載の内部短絡試験用二次電池。
【請求項６】
前記単位セルは複数であり、そのうち１つの単位セルに前記正極側第１金属端子と正極側第２金属端子のいずれか一方及び前記負極側第１金属端子と負極側第２金属端子のいずれか一方が含まれ、他の単位セルに前記正極側第１金属端子と正極側第２金属端子の他方及び前記負極側第１金属端子と負極側第２金属端子の他方が含まれる、請求項４に記載の内部短絡試験用二次電池。
【請求項７】
前記正極側金属端子の一端部と負極側金属端子の一端部とは、前記単位セルの内部で垂直方向に同じ位置に整列され、前記正極側金属端子の他端部と負極側金属端子の他端部とは、前記単位セルの外部で水平方向に互いに離隔するように形成された、請求項１から６のいずれか一項に記載の内部短絡試験用二次電池。
【請求項８】
前記正極側金属端子及び前記負極側金属端子は、平面上で折り曲げられた形態で設けられた、請求項１から７のいずれか一項に記載の内部短絡試験用二次電池。
【請求項９】
正極集電体に正極活物質層が形成された正極板と、
負極集電体に負極活物質層が形成された負極板と、
前記正極板と前記負極板との間に介在された分離膜とを含む単位セルを少なくとも１つ含む二次電池に対し、
（ａ）前記単位セルのうちいずれか１つにおいて、前記正極板と前記分離膜との間に一端部が位置し、他端部が前記単位セルの外部に延びている正極側金属端子を設ける段階と、
（ｂ）前記正極側金属端子を備える単位セルにおいて、前記負極板と前記分離膜との間に一端部が位置し、他端部が前記単位セルの外部に延びている負極側金属端子を設ける段階と、
（ｃ）前記正極側金属端子の他端部と前記負極側金属端子の他端部とを互いに接触させて前記単位セルの内部短絡を起こす段階とを含む、二次電池の内部短絡試験方法。
【請求項１０】
前記（ｃ）の段階は、
スイッチ及び抵抗を含む短絡回路を、前記スイッチがターンオフした状態で前記正極側金属端子と前記負極側金属端子とに連結する段階と、
前記スイッチをターンオンさせて前記単位セルの内部短絡を起こし、前記短絡回路に流れる電流を測定する段階とを含む、請求項９に記載の二次電池の内部短絡試験方法。
【請求項１１】
前記二次電池は、
前記正極板に形成された正極タブ及び前記正極タブに一端部が連結された正極リードと、
前記負極板に形成された負極タブ及び前記負極タブに一端部が連結された負極リードと、
前記単位セル及び電解液を収容して封止するパウチ型の電池ケースとをさらに含み、
前記正極リード、前記負極リード、前記正極側金属端子及び前記負極側金属端子の他端部が前記電池ケースの外部に露出しているものであり、
前記（ｃ）の段階で内部短絡を起こす間に、前記正極リードと前記負極リードとの間の電圧を測定する段階をさらに含む、請求項９又は１０に記載の二次電池の内部短絡試験方法。
【請求項１２】
前記正極リードと前記負極リードとの間に電源を連結して前記二次電池を充電するか、又は、前記正極リードと前記負極リードとの間に負荷を連結して前記二次電池を放電する間に、前記（ｃ）の段階を行う、請求項１１に記載の二次電池の内部短絡試験方法。
【請求項１３】
前記正極側金属端子は、前記一端部が前記正極集電体に位置する正極側第１金属端子及び前記一端部が前記正極活物質層に位置する正極側第２金属端子のうち少なくともいずれか１つであり、前記負極側金属端子は、前記一端部が前記負極集電体に位置する負極側第１金属端子及び前記一端部が前記負極活物質層に位置する負極側第２金属端子のうち少なくともいずれか１つになるように設ける、請求項９から１１のいずれか一項に記載の二次電池の内部短絡試験方法。
【請求項１４】
請求項１から８のいずれか１項に記載の内部短絡試験用二次電池をローディング可能な防爆チャンバーと、
スイッチ及び抵抗を含み、前記内部短絡試験用二次電池の正極側金属端子及び負極側金属端子に連結される短絡回路と、
前記短絡回路に流れる電流を測定する計測器と、
前記スイッチのオン−オフを制御する制御器とを含む、二次電池の内部短絡試験装置。
【請求項１５】
前記内部短絡試験用二次電池の正極リードと負極リードとの間に連結される電源または負荷と、
前記正極リードと前記負極リードとの間の電圧を測定する計測器とをさらに含む、請求項１４に記載の二次電池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、二次電池の安全性を評価するための方法及び装置に関し、より詳しくは、二次電池の内部短絡を試験する方法及び装置に関する。
【０００２】
本出願は、２０１８年８月１日出願の韓国特許出願第１０−２０１８−００８９８７６号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
モバイル機器、電気自動車、電力貯蔵装置、無停電電源装置などに対する技術開発及び需要の増加に伴って、高出力、高容量の要求に対応するエネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加している。
【０００４】
二次電池の中ではリチウム二次電池が代表的である。二次電池は、正極板と負極板との間に分離膜を備える。該分離膜は収縮し易い性質を有する。そのため、二次電池を極度の高温環境に長時間放置した場合、正極板と負極板とが物理的に接触して内部短絡が発生するおそれがある。そして、正極板や負極板の表面に付着した導体粉末または負極板に析出したリチウム金属によって該当分離膜が破壊され、正極板と負極板とが電気的に導通し、その結果、内部短絡が発生することもある。また、二次電池の外部からの衝撃によっても内部短絡が生じ得る。
【０００５】
内部短絡が一旦発生すれば、短絡電流に伴うジュール熱（Ｊｏｕｌｅ ｈｅａｔ）によって短絡部がさらに拡がりながら異常発熱し、二次電池が破壊されてしまうこともある。このように内部短絡が発生すれば、それぞれの電極板に貯蔵されていた高い電気エネルギーが瞬間的に導電するため、過充電や過放電のような他の安全事故と異なって、爆発の危険性が非常に高い。そのため、内部短絡は安全性の面で注意深く管理されねばならず、二次電池に内部短絡が発生しないようにすることも重要であるが、一旦二次電池に内部短絡が発生した場合でも上述したような破壊などにつながることを抑制して安全性を確保することが重要である。そこで、二次電池の内部短絡時の安全性を高める技術、そして二次電池の設計段階や製造後の内部短絡試験を通じて安全性の確保如何を正確に評価することがさらに重要になっている。
【０００６】
従来、内部短絡を発生させる技術としては、くぎ貫通（ｎａｉｌ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）、ＩＳＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｓｈｏｒｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ）素子などが知られている。くぎ貫通は、二次電池の内部にくぎを通過させて内部短絡を誘導する方式であって、最も容易に内部短絡を発生させる方式である。しかし、実際の現場で発生する内部短絡問題を完壁にシミュレーションできず、必要以上に過度な内部短絡を発生させるという限界がある。ＩＳＣ素子は、米国エネルギー部（ＤＯＥ：Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ Ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ）傘下の国立再生エネルギー研究室（ＮＲＥＬ：Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）所属の研究陣が開発したものであり、関連特許としては米国特許公開ＵＳ２０１３−０２０９８４１がある。
【０００７】
図１はＩＳＣ素子の分解斜視図であり、図２はＩＳＣ素子を二次電池に挿入する方法を示した断面図である。
【０００８】
図１を参照すると、ＩＳＣ素子１は銅円盤１０とアルミニウム円盤４０との間にワックス層３０を設けたものであり、銅円盤１０とワックス層３０との間には銅パック（ｃｏｐｐｅｒ ｐｕｃｋ）１５を中心部に備えたポリエチレンまたはポリプロピレン膜２０も含まれている。このようなＩＳＣ素子１は、図２に示したように、二次電池の正極板１１０と負極板１２０との間に挿入して使用する。まず、二次電池の正極板１１０と負極板１２０との間にある分離膜１３０に孔Ｈを開けた後、ＩＳＣ素子１の銅円盤１０が負極板１２０と接してＩＳＣ素子１のアルミニウム円盤４０が正極板１１０に接するように、ＩＳＣ素子１を矢印方向に分離膜１３０の孔Ｈに挿入する。正極板１１０と負極板１２０との間にＩＳＣ素子１が挿入された二次電池を高温に晒してＩＳＣ素子１のワックス層３０を溶かすと、ＩＳＣ素子１の銅円盤１０とアルミニウム円盤４０とが通電して二次電池の内部短絡が発生するようになる。
【０００９】
しかし、ＩＳＣ素子１は、ワックス層３０が溶融可能な特定の温度以上のみで作動するため、常温での内部短絡を発生させることができないという限界がある。そして、ワックス層３０が一般に高温（６０℃以上）で溶けるため、高温の熱を伴うラミネーション工程を製造段階中に含むパウチ型二次電池の製造過程では最初からＩＳＣ素子１を挿入して二次電池を製造することができず、製造済みの二次電池を解体してＩＳＣ素子１を挿入しなければならないという短所がある。そして、二次電池に対して長期サイクル後又は高温エイジング後に内部短絡を発生させて試験しようとしても、試験前にワックス層３０が溶けてしまい目的とした試験が不可能になる問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、試験温度の条件に影響を受けず、二次電池の長期サイクル及び高温保存後などの所望の状態における内部短絡試験が可能な内部短絡試験用二次電池を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明は、試験温度の条件に影響を受けず、二次電池の長期サイクル及び高温保存後などの所望の状態における内部短絡試験が可能な二次電池内部短絡試験方法及び装置を提供することを他の目的とする。
【００１２】
本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施形態によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するため、本発明による内部短絡試験用二次電池は、正極集電体に正極活物質層が形成された正極板と、負極集電体に負極活物質層が形成された負極板と、前記正極板と前記負極板との間に介在された分離膜とを含む単位セルを少なくとも１つ含み、前記単位セルのうちいずれか１つにおいて、前記正極板と前記分離膜との間に一端部が位置し、他端部が前記単位セルの外部に延びている正極側金属端子、及び前記正極側金属端子を備える単位セルにおいて、前記負極板と前記分離膜との間に一端部が位置し、他端部が前記単位セルの外部に延びている負極側金属端子を含み、前記正極側金属端子の他端部と前記負極側金属端子の他端部とを互いに接触させて前記単位セルの内部短絡を起こす用途で使用される。
【００１４】
望ましい実施形態において、前記内部短絡試験用二次電池は、前記正極板に形成された正極タブ及び前記正極タブに一端部が連結された正極リードと、前記負極板に形成された負極タブ及び前記負極タブに一端部が連結された負極リードと、前記単位セル及び電解液を収容して封止するパウチ型電池ケースとをさらに含み、前記正極リード、負極リード、正極側金属端子及び負極側金属端子の他端部が前記電池ケースの外部に露出している。
【００１５】
このとき、前記正極側金属端子と負極側金属端子との相互または前記正極側金属端子と負極側金属端子と正極リードと負極リードとの相互を目視で区別できるように形成し得る。
【００１６】
前記正極側金属端子は、前記一端部が前記正極集電体に位置する正極側第１金属端子及び前記一端部が前記正極活物質層に位置する正極側第２金属端子のうち少なくともいずれか１つであり、前記負極側金属端子は、前記一端部が前記負極集電体に位置する負極側第１金属端子及び前記一端部が前記負極活物質層に位置する負極側第２金属端子のうち少なくともいずれか１つであり得る。
【００１７】
一例として、前記単位セルは複数であり、そのうち１つの単位セルのみに前記正極側金属端子及び前記負極側金属端子が含まれ得る。
【００１８】
他の一例として、前記単位セルは複数であり、そのうち１つの単位セルに前記正極側第１金属端子と正極側第２金属端子のいずれか一方及び前記負極側第１金属端子と負極側第２金属端子のいずれか一方が含まれ、他の単位セルに前記正極側第１金属端子と正極側第２金属端子の他方及び前記負極側第１金属端子と負極側第２金属端子の他方が含まれ得る。
【００１９】
望ましくは、前記正極側金属端子の一端部と負極側金属端子の一端部とは、前記単位セルの内部で垂直方向に同じ位置に整列され、前記正極側金属端子の他端部と負極側金属端子の他端部とは、前記単位セルの外部で水平方向に互いに離隔するように形成されている。
【００２０】
そのため、前記正極側金属端子及び前記負極側金属端子は、平面上で折り曲げられた形態で設けられ得る。
【００２１】
上記の他の目的を達成するため、本発明による二次電池の内部短絡試験方法は、正極集電体に正極活物質層が形成された正極板と、負極集電体に負極活物質層が形成された負極板と、前記正極板と前記負極板との間に介在された分離膜とを含む単位セルを少なくとも１つ含む二次電池に対し、（ａ）前記単位セルのうちいずれか１つにおいて、前記正極板と前記分離膜との間に一端部が位置し、他端部が前記単位セルの外部に延びている正極側金属端子を設ける段階と、（ｂ）前記正極側金属端子を備える単位セルにおいて、前記負極板と前記分離膜との間に一端部が位置し、他端部が前記単位セルの外部に延びている負極側金属端子を設ける段階と、（ｃ）前記正極側金属端子の他端部と前記負極側金属端子の他端部とを互いに接触させて前記単位セルの内部短絡を起こす段階とを含む。
【００２２】
前記（ｃ）段階は、スイッチ及び抵抗を含む短絡回路を、前記スイッチがターンオフした状態で前記正極側金属端子と前記負極側金属端子とに連結する段階と、前記スイッチをターンオンさせて前記単位セルの内部短絡を起こし、前記短絡回路に流れる電流を測定する段階とを含み得る。
【００２３】
そして、前記二次電池は、前記正極板に形成された正極タブ及び前記正極タブに一端部が連結された正極リードと、前記負極板に形成された負極タブ及び前記負極タブに一端部が連結された負極リードと、前記単位セル及び電解液を収容して封止するパウチ型電池ケースとをさらに含み、前記正極リード、負極リード、正極側金属端子及び負極側金属端子の他端部が前記電池ケースの外部に露出しているものであり、前記（ｃ）段階で内部短絡を起こす間に、前記正極リードと負極リードとの間の電圧を測定する段階をさらに含み得る。
【００２４】
さらに、試験方法によっては、前記正極リードと負極リードとの間に電源を連結して前記二次電池を充電するか、又は、前記正極リードと負極リードとの間に負荷を連結して前記二次電池を放電する間に、前記（ｃ）段階を行い得る。
【００２５】
特に、前記正極側金属端子は、前記一端部が前記正極集電体に位置する正極側第１金属端子及び前記一端部が前記正極活物質層に位置する正極側第２金属端子のうち少なくともいずれか１つになり、前記負極側金属端子は、前記一端部が前記負極集電体に位置する負極側第１金属端子及び前記一端部が前記負極活物質層に位置する負極側第２金属端子のうち少なくともいずれか１つになるように設けられ得る。
【００２６】
本発明による二次電池の内部短絡試験方法は、本発明による内部短絡試験用二次電池を用いることで容易に実行され得る。
【００２７】
本発明では、本発明による内部短絡試験方法の実行に適した内部短絡試験装置も提供する。該装置は、本発明による内部短絡試験用二次電池をローディング可能な防爆チャンバーと、スイッチ及び抵抗を含み、前記内部短絡試験用二次電池の正極側金属端子及び負極側金属端子に連結される短絡回路と、前記短絡回路に流れる電流を測定する計測器と、前記スイッチのオン−オフを制御する制御器とを含む。
【００２８】
前記装置は、前記内部短絡試験用二次電池の正極リードと負極リードとの間に連結される電源または負荷、及び前記正極リードと負極リードとの間の電圧を測定する計測器をさらに含み得る。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の内部短絡試験方法は、従来のくぎ貫通試験のような非正常な状況に対するシミュレーションではない。本発明によれば、実際の現場で発生する内部短絡問題を完壁にシミュレーションでき、必要以上に過度な内部短絡を発生させない条件で内部短絡を起こし、そのときの二次電池の安全性を評価することができる。
【００３０】
本発明による内部短絡試験方法は、二次電池の設計段階や組み立て後の検証段階で活用することができる。二次電池の内部短絡状況を正確にシミュレーションした状態で二次電池の状態を評価することで、二次電池の設計に対する実質的な安全性評価を行うことができ、新たな設計基準の検証及び修正にも活用することができる。
【００３１】
本発明によれば、内部短絡を起こし得る正極側金属端子及び負極側金属端子の一端部は単位セル内に位置させ、他端部は単位セルの外部に位置させる。正極側金属端子の他端部と負極側金属端子の他端部とを互いに接触させて内部短絡を起こすことで、単位セルの外部で正確な短絡時点を制御することができる。内部短絡を起こし得る金属端子の他端部に抵抗を連結し、その両端に流れる電流を測定すれば、内部短絡の種類別の短絡電流及び短絡抵抗の測定も可能になる。
【００３２】
本発明によれば、従来のＩＳＣ素子で用いるワックス層のようなものを使用しないため、試験温度の条件に影響を受けない。試験環境に影響を受けないため、常温でも内部短絡が発生でき、長期サイクル及び高温保存後など所望のセル状態における内部短絡のシミュレーションも可能である。
【００３３】
本発明によれば、単位セルの外部に他端部が位置する金属端子は持続的且つ制御可能に二次電池の内部短絡を起こすことができる。金属端子の一端部は単位セルの内部に如何なる位置にも配置可能である。したがって、二次電池において、正極集電体−負極集電体、正極活物質層−負極集電体、正極活物質層−負極活物質層、正極集電体−負極活物質層などの４種の内部短絡を全て発生させることができる。
【００３４】
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施形態を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするものであるため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来のＩＳＣ素子の分解斜視図である。
【図２】従来のＩＳＣ素子を二次電池に挿入する方法を示した断面図である。
【図３】単位セルの内部構造及び内部短絡の種類を説明するための図である。
【図４】本発明による内部短絡試験用二次電池内の単位セル部分の分解斜視図である。
【図５】図４の単位セルを電池ケースに収容して封止した状態の上面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ’矢視図である。
【図７ａ】内部短絡の種類別の具現を示した、金属端子の長手方向に沿った断面図である。
【図７ｂ】内部短絡の種類別の具現を示した、金属端子の長手方向に沿った断面図である。
【図７ｃ】内部短絡の種類別の具現を示した、金属端子の長手方向に沿った断面図である。
【図７ｄ】内部短絡の種類別の具現を示した、金属端子の長手方向に沿った断面図である。
【図８】図５の内部短絡試験用二次電池に対して内部短絡を試験するための回路図である。
【図９】外部短絡と内部短絡とを比較説明するための回路図である。
【図１０】本発明による二次電池の内部短絡試験装置の模式図である。
【図１１】本発明の他の実施形態による内部短絡試験用二次電池の分解斜視図である。
【図１２】本発明のさらに他の実施形態による内部短絡試験用二次電池の分解斜視図である。
【図１３】本発明の実験例による内部短絡試験用二次電池の写真である。
【図１４】本発明の実験例で用いた短絡回路具現素子の写真である。
【図１５】本発明の実験例によって内部短絡試験用二次電池と短絡回路具現素子とを連結した状態の模式図である。
【図１６】本発明の実験例において、内部短絡試験で測定したフルセル電圧降下を示したグラフである。
【図１７】本発明の実験例によって、異なる正極活物質層を有する２つの内部短絡試験用二次電池に対して内部短絡試験を行って短絡電流の変化を測定したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。ただし、本発明による実施形態は多くの他の形態に変形でき、本発明の範囲が後述する実施形態に限定されると解釈されてはならない。本発明の実施形態は、当業界で平均的な知識を持つ者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
【００３７】
本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。
【００３８】
したがって、本明細書に記載された実施形態及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。なお、図面において同じ参照符号は同一要素を示す。
【００３９】
後述する実施形態において、二次電池とはリチウム二次電池を称する。ここで、リチウム二次電池とは、充放電中にリチウムイオンが作動イオンとして作用して正極及び負極で電気化学的反応を誘発する二次電池のことを総称する。
【００４０】
一方、リチウム二次電池に使用された電解質や分離膜の種類、二次電池の包装に使われた電池ケースの種類、リチウム二次電池の内部または外部の構造などによって二次電池の名称が変わっても、リチウムイオンが作動イオンとして使用される二次電池であれば、全て前記リチウム二次電池の範疇に含まれると解釈しなければならない。
【００４１】
本発明は、リチウム二次電池の外に他の二次電池にも適用可能である。したがって、作動イオンがリチウムイオンでなくても、本発明の技術的思想が適用可能な二次電池であれば、その種類に関係なく、全て本発明の範疇に含まれると解釈しなければならない。
【００４２】
図３は、単位セルの内部構造及び内部短絡の種類を説明するための図である。
【００４３】
図３を参照すると、単位セル１０１は、正極板１１０、負極板１２０及び分離膜１３０を含む。
【００４４】
正極板１１０は、正極集電体１１２に正極活物質層１１４が形成されたものであり、負極板１２０は、負極集電体１２２に負極活物質層１２４が形成されたものである。図３には、正極集電体１１２の一面に正極活物質層１１４が形成され、負極集電体１２２の一面に負極活物質層１２４が形成された例を示したが、正極活物質層１１４は正極集電体１１２の両面に形成されてもよく、負極活物質層１２４も負極集電体１２２の両面に形成されてもよい。
【００４５】
正極板１１０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）のような正極集電体１１２に、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎを含むリチウム金属酸化物であるＮＣＭを正極活物質として含む正極活物質層１１４を塗布し乾燥及び圧延して製造したものを用いることができる。負極板１２０は、例えば銅（Ｃｕ）のような負極集電体１２２に、黒鉛を負極活物質として含む負極活物質層１２４を塗布し乾燥及び圧延して製造したものを用いることができる。
【００４６】
分離膜１３０は、正極板１１０と負極板１２０との間に介在されて両方を分離する。分離膜１３０は多孔性絶縁フィルムであって、リチウムイオンの移動を許容しながらもそれぞれの電極板１１０、１２０を電気的に絶縁するためのものである。分離膜１３０は、例えば耐化学性及び疎水性のポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラス繊維またはポリエチレンなどから製造されたシートや不織布などが使用できるが、これらに限定されることはない。望ましくは、前記分離膜１３０の表面には無機物粒子がコーティングされ得る。
【００４７】
このような単位セル１０１において、内部短絡は４種が存在する。つまり、正極集電体１１２と負極集電体１２２との間の内部短絡ＳＡ、正極集電体１１２と負極活物質層１２４との間の内部短絡ＳＢ、正極活物質層１１４と負極集電体１２２との間の内部短絡ＳＣ、及び正極活物質層１１４と負極活物質層１２４との間の内部短絡ＳＤである。本発明による内部短絡試験用二次電池は、このような４種の内部短絡ＳＡ〜ＳＤを区別して試験できるようにする。
【００４８】
図４〜図６は、本発明による内部短絡試験用二次電池の模式図である。図４は本発明による内部短絡試験用二次電池内に含まれる単位セル部分の分解斜視図であり、図５は図４の単位セルを電池ケースに収容して封止した状態の上面図であり、図６は図５のＶＩ−ＶＩ’矢視図であって、金属端子の長手方向に沿った断面図に該当するが、一部要素は省略して説明に必要な最小限の要素のみを図示した。
【００４９】
二次電池は、本来、正極板と負極板との間に分離膜を配置して製造した単位セル、例えば図３に示したような単位セル１０１を含む電極組立体を基本にする。以下、図４〜図６を参照した実施形態では、電極組立体が単位セル１つを含む場合を挙げて説明するが、電極組立体は複数の単位セルを含むことができ、望ましくは、複数の単位セルのうち少なくとも１つが図３を参照して説明したような構造を有する。このような単位セルは、積層（ｓｔａｃｋ）、積層／折畳（ｓｔａｃｋ ａｎｄ ｆｏｌｄｉｎｇ）又はゼリーロール（ｊｅｌｌｙ ｒｏｌｌ）形態の電極組立体として製造され得る。様々な形態の電極組立体を製造する方法は広く知られているため、詳しい説明は省略する。
【００５０】
図４〜図６を参照すると、本発明による内部短絡試験用二次電池２００は、基本的には図３の図示と類似の単位セルを含むことができる。内部短絡試験用二次電池２００は、正極板１１０、負極板１２０及び分離膜１３０を含む単位セル１０１’を含む。
【００５１】
正極板１１０には正極タブ１１６が形成され、負極板１２０には負極タブ１２６が形成されている。正極集電体１１２及び負極集電体１２２には活物質層が塗布されていない部分（無地部）が含まれ、そこに各電極タブ１１６、１２６がそれぞれ形成され得る。図示したように各電極タブ１１６、１２６は、単位セル１０１’の一側で互いに並んで形成されるように片方向に突出してもよく、互いに対向するように単位セル１０１’の一側と他側とにそれぞれ形成されて両方向に突出してもよい。
【００５２】
内部短絡試験用二次電池２００において、単位セル１０１’には正極側金属端子２１０及び負極側金属端子２２０が含まれている。具体的には、単位セル１０１’において、正極側金属端子２１０は正極板１１０と分離膜１３０との間に一端部が位置し、他端部が単位セル１０１’の外部に延びている。負極側金属端子２２０は、負極板１２０と分離膜１３０との間に一端部が位置し、他端部が単位セル１０１’の外部に延びている。
【００５３】
ここで、正極側金属端子２１０は、正極板１１０の正極集電体と分離膜１３０との間に形成されるか、または、正極板１１０の正極活物質層と分離膜１３０との間に形成され得る。もちろん、正極板１１０の正極集電体と分離膜１３０との間にも正極側金属端子が形成され、正極活物質層と分離膜１３０との間にも正極側金属端子が形成されてもよい。特に、図６を参照すると、本実施形態では、正極側金属端子２１０が正極板１１０の正極活物質層１１４と分離膜１３０との間に形成される例を挙げている。
【００５４】
負極側金属端子２２０は、負極板１２０の負極集電体と分離膜１３０との間に形成されるか、または、負極板１２０の負極活物質層と分離膜１３０との間に形成され得る。もちろん、負極板１２０の負極集電体と分離膜１３０との間にも負極側金属端子が形成され、負極活物質層と分離膜１３０との間にも負極側金属端子が形成されてもよい。図６に示したように、本実施形態では、負極側金属端子２２０が負極板１２０の負極活物質層１２４と分離膜１３０との間に形成される例を挙げている。
【００５５】
正極側金属端子２１０及び負極側金属端子２２０は、各電極タブ１１６、１２６と互いに妨害しない位置に形成されることが望ましい。正極側金属端子２１０及び負極側金属端子２２０は、各電極板１１０、１２０に一端部を接触させた後、他端部を単位セル１０１’の外部に露出させて形成することができる。各電極板１１０、１２０に接触する各金属端子２１０、２２０の一端部は、単位セル１０１’の広い面を基準にして上下方向または垂直方向に整列されることが望ましい。したがって、単位セル１０１’の広い面が置かれる平面に対して直交する平面が各電極板１１０、１２０と交わる経路を例えばＣ−Ｃ線とすれば、図４及び図５に示されたように、Ｃ−Ｃ線上に各金属端子２１０、２２０の一端部が置かれるように、単位セル１０１’の広い面の上方から眺めたとき、同じ位置に各金属端子２１０、２２０の一端部が整列されるように挿入することが望ましい。整列がずれると、各金属端子２１０、２２０に対面する各電極板１１０、１２０が非反応面積として作用して、容量減少及びＬｉ析出（ｐｌａｔｉｎｇ）の可能性があるためである。したがって、正極側金属端子２１０及び負極側金属端子２２０の一端部はＣ−Ｃ線に沿って位置し、単位セル１０１’の内部で上下方向または垂直方向で互いに同じ位置に整列されるようにすることが望ましい。
【００５６】
また、各金属端子２１０、２２０間の接触による意図していない短絡を防止するため、内部短絡を起こすために接触させる各他端部は除いて、各金属端子２１０、２２０において各電極板１１０、１２０に直接接触しない部位は絶縁処理することが望ましい。例えば、絶縁テープを該当部位に貼り付けてもよい。
【００５７】
一方、内部短絡試験以外の取り扱いの際、上下方向あるいは垂直方向の外部的物理要因による各金属端子２１０、２２０間の意図していない接触を避けるためには、正極側金属端子２１０と負極側金属端子２２０との間を単位セル１０１’の広い面が置かれる平面上では互いに離隔して形成することが望ましい。換言すれば、正極側金属端子２１０の他端部と負極側金属端子２２０の他端部とは、単位セル１０１’の外部で水平方向に互いに離隔するように形成されていることが望ましい。内部短絡試験を行う前に、不注意によってこれらが互いに接触することを防止するためである。
【００５８】
したがって、本実施形態では、各金属端子２１０、２２０を図示したように、所定の折曲形態で設けることで、単位セル１０１’の内部では上下方向で同じ位置に整列されているものの、単位セル１０１’の外部では水平方向で互いに離隔するように形成することができる。各金属端子２１０、２２０の平面形状自体を９０°ずつ２回折り曲げられた形態で製造してもよく、帯状の各金属端子２１０、２２０を９０°方向に２回折り畳んでもよい。いずれの場合においても、正極側金属端子２１０及び負極側金属端子２２０を平面上で折り曲げた形態で設ければよい。本実施形態においては、各電極タブ１１６、１２６が単位セル１０１’の一側に並んで形成され、正極側金属端子２１０及び負極側金属端子２２０が他側に並んで形成されている例を挙げたが、本発明がこのような形成位置によって限定されることはない。
【００５９】
内部短絡試験用二次電池２００は、正極タブ１１６に正極リード１１８の一端部が連結され、負極タブ１２６に負極リード１２８の一端部が連結されており、このような単位セル１０１’及び電解液が適切な電池ケース、例えば図５に示したようにパウチ型電池ケース２３０に収容され、熱融着によって封止されている。このようにして正極リード１１８、負極リード１２８、正極側金属端子２１０、負極側金属端子２２０の他端部が電池ケース２３０の外部に露出している。封止力を高めるため、正極リード１１８、負極リード１２８、正極側金属端子２１０、負極側金属端子２２０と電池ケース２３０との間にシールテープＳが介在されればよい。製造方法の面からは、シールテープＳを貼り付けた正極リード１１８を正極タブ１１６に連結し、シールテープＳを貼り付けた負極リード１２８を負極タブ１２６に連結して、正極側金属端子２１０としてはシールテープＳを貼り付けた金属ストリップ、例えばアルミニウムを使用し、負極側金属端子２２０としてはシールテープＳを貼り付けた金属ストリップ、例えば銅を使用すればよい。
【００６０】
正極側金属端子２１０及び負極側金属端子２２０は、単位セル１０１’と接着または溶接する必要がない。単に正極側金属端子２１０の一端部及び負極側金属端子２２０の一端部を正極板１１０と分離膜１３０と負極板１２０との間の所望の位置に嵌め込んだ後、通常の二次電池の製造方法によって、例えば、ラミネーションなどを行えば、嵌め込んだ位置に固定できるためである。
【００６１】
内部短絡試験用二次電池２００が単位セル１０１’の外に他の単位セルをさらに含む場合であれば、複数の正極タブが集められて１つの正極リードに連結され、複数の負極タブが集められて１つの負極リードに連結される。これを除いては、上述した説明をそのまま従えばよい。
【００６２】
正極側金属端子２１０と負極側金属端子２２０とは相互目視で区別できるように形成されればよい。例えば、正極側金属端子２１０と負極側金属端子２２０とを異なる色にするか、印を付けるか、異なる大きさ（厚さ又は幅）にするか、又は、単位セル１０１’の外部に露出した長さを異ならせる方法などで、相互区別できるようにすればよい。正極側金属端子２１０としてアルミニウムを使用し、負極側金属端子２２０として銅を使用すれば、材質の相違から自然に発生する色相の差を用いることができる。色相の差を付けるため、インキなどの手段（電気伝導性であればさらに望ましい）を用いて各金属端子２１０、２２０の他端部に色付けをしてもよい。レーザーマーキングのような刻印手段を用いて各金属端子２１０、２２０に区別される印を付けてもよい。
【００６３】
また、正極側金属端子２１０と負極側金属端子２２０とを相互区別すると同時に、これらを正極リード１１８及び負極リード１２８とも目視で区別できるように形成すれば、内部短絡試験用端子である各金属端子２１０、２２０と実際の二次電池の電流入／出力（Ｉ／Ｏ）に関係する端子である各電極リード１１８、１２８とを区別することができるため、取り扱い時の誤認、混同のおそれがなくてより望ましい。
【００６４】
図６に示したように、本実施形態では、正極側金属端子２１０が正極活物質層１１４と分離膜１３０との間に形成され、負極側金属端子２２０が負極活物質層１２４と分離膜１３０との間に形成されている。このような内部短絡試験用二次電池２００を他の二次電池と同様に正常な用法通りに使用すると、正極リード１１８及び負極リード１２８に連結された外部導線（図示せず）を通じて充放電に係わる電子（ｅ−）が移動し、リチウムイオン（Ｌｉ＋）は二次電池の作動原理によって分離膜１３０を通じて正極板１１０と負極板１２０との間を移動するはずである（例えば、矢印方向）。
【００６５】
図６をさらに参照して、金属端子２１０、２２０による内部短絡の原理を説明する。内部短絡試験段階で正極側金属端子２１０の他端部と負極側金属端子２２０の他端部とを互いに接触させると、正極側金属端子２１０と負極側金属端子２２０との間に、点線の矢印で示したように、直接的な電子（ｅ−）の移動経路が生成された結果、単位セル１０１’の内部短絡状況がシミュレーションされる。特に、この場合は、正極活物質層１１４と負極活物質層１２４との間の内部短絡であるＳＤ（図３を参照）がシミュレーションされる。
【００６６】
図７ａ〜図７ｄは、内部短絡の種類別の具現を説明するための図であって、図６と同様に金属端子の長手方向に沿った断面図に該当する。
【００６７】
図７ａは正極集電体１１２と負極集電体１２２との間の内部短絡ＳＡを、図７ｂは正極集電体１１２と負極活物質層１２４との間の内部短絡ＳＢを、図７ｃは正極活物質層１１４と負極集電体１２２との間の内部短絡ＳＣを、図７ｄは、図６で既に上述したように、正極活物質層１１４と負極活物質層１２４との間の内部短絡ＳＤをシミュレーションできるように、正極側金属端子２１０及び負極側金属端子２２０が各単位セルに設けられた状態をそれぞれ示している。
【００６８】
図７ａ及び図７ｂでは、正極集電体１１２に正極側金属端子２１０の一端部が位置し、この位置にある正極側金属端子２１０を本明細書では特に正極側第１金属端子２１１と称することにする。図７ｃ及び図７ｄでは、正極活物質層１１４に正極側金属端子２１０の一端部が位置し、この位置にある正極側金属端子２１０を本明細書では特に正極側第２金属端子２１２と称することにする。図７ａ及び図７ｃでは、負極集電体１２２に負極側金属端子２２０の一端部が位置し、この位置にある負極側金属端子２２０を本明細書では特に負極側第１金属端子２２１と称することにする。図７ｂ及び図７ｄでは、負極活物質層１２４に負極側金属端子２２０の一端部が位置し、この位置にある負極側金属端子２２０を本明細書では特に負極側第２金属端子２２２と称することにする。
【００６９】
このように正極側金属端子２１０は、正極側第１金属端子２１１及び正極側第２金属端子２１２のうち少なくともいずれか１つであり得、負極側金属端子２２０は、負極側第１金属端子２２１及び負極側第２金属端子２２２のうち少なくともいずれか１つであり得る。正極側第１金属端子２１１及び正極側第２金属端子２１２のうちいずれか１つと、負極側第１金属端子２２１及び負極側第２金属端子２２２のうちいずれか１つとを含むように単位セルを構成すれば、これら金属端子の組合せを通じて所望の種類の内部短絡を起こすことができる。
【００７０】
このように本発明による内部短絡試験用二次電池は、正極側金属端子２１０と負極側金属端子２２０との種類及び組合せによって、正極集電体１１２−負極集電体１２２、正極集電体１１２−負極活物質層１２４、正極活物質層１１４−負極集電体１２２、正極活物質層１１４−負極活物質層１２４間の内部短絡の抵抗を区別することができる。
【００７１】
図７ａ〜図７ｃのように、正極集電体１１２−負極集電体１２２、正極集電体１１２−負極活物質層１２４、正極活物質層１１４−負極集電体１２２間の内部短絡である場合、各集電体１１２、１２２から正極活物質層１１４または負極活物質層１２４がコーティングされている部分を正極集電体１１２または負極集電体１２２が露出するように所望の短絡発生面積だけ除去した後、正極側金属端子２１０及び負極側金属端子２２０を設けることができる。
【００７２】
以上のように、正極側金属端子２１０及び負極側金属端子２２０を設けた内部短絡試験用二次電池２００を製造した後、内部短絡試験時に各金属端子２１０、２２０の他端部同士を互いに接触させれば、単に接触させることだけでも内部短絡を起こすことができる。
【００７３】
図８は、図５の内部短絡試験用二次電池に対して内部短絡を試験するための回路図である。
【００７４】
図５及び図８を一緒に参照すると、内部短絡を起こす前の安定状態において、内部短絡試験用二次電池２００の電圧は開放回路電圧であるＥＯＣＶに該当するはずであり、内部抵抗はＲ０、電流はＩ０であり得る。内部短絡試験用二次電池２００の正極側金属端子２１０と負極側金属端子２２０とを互いに接触させて内部短絡を起こすと、両金属端子２１０、２２０の間にはＥｓｈｏｒｔの電圧がかかり、全体を通じて流れる電流はＩになるはずである。内部短絡が起きた内部短絡試験用二次電池２００内の短絡抵抗はＲｉｓｃであり、短絡電流はＩｉｓｃである。正極側金属端子２１０の他端部と負極側金属端子２２０の他端部に抵抗を連結してその両端に流れる電流を測定すれば、内部短絡の種類別のＩｉｓｃ及びＲｉｓｃを測定することができる。
【００７５】
望ましくは、スイッチ及び抵抗を含む短絡回路を、前記スイッチがターンオフした状態で正極側金属端子２１０及び負極側金属端子２２０に連結した後、前記スイッチをターンオンさせて単位セル１０１’の内部短絡を起こし、前記短絡回路に流れる電流を測定する。スイッチ操作によらず、正極側金属端子２１０と負極側金属端子２２０とを直接接触させると、内部短絡試験用二次電池２００の充電状態によっては、酷い場合は火花放電が発生するおそれがあるためである。
【００７６】
スイッチのターンオン状態は、内部短絡試験用二次電池２００の内部ではなく、外部での物理的操作を通じて短絡を起こすことに該当するため、一見して外部短絡のように見られるが、外部短絡とは区別される内部短絡であるという点に留意しなければならない。すなわち、本発明による内部短絡試験方法では二次電池の外部からの操作によって短絡を起こしているが、外部短絡とは異なる。
【００７７】
単に回路のみを見れば、外部短絡と内部短絡とが同じ形態であり得るが、二次電池は正極リード１１８及び負極リード１２８が正極集電体１１２及び負極集電体１２２に連結されており、複数の単位セルから構成された二次電池の場合、単位セルをすべて回路で構成すれば、外部短絡の回路と内部短絡の回路とが相違するようになる。
【００７８】
図９は、外部短絡と内部短絡とを比較説明するための回路図である。図９を参照すると、その相違が明確になる。
【００７９】
図９の（ａ）は単位セルが複数個である場合の外部短絡であり、（ｂ）は内部短絡である。本発明は、（ｂ）のような内部短絡が二次電池の外部からの操作によって起きるものである。図９の（ａ）及び（ｂ）において、実際短絡が起きる位置は参照符号Ｐで示した箇所であって、相違する。このように外部短絡と本発明における内部短絡とは異なるものである。また、外部短絡は、二次電池の全体に瞬間放電を発生させる形態であって、本発明のように単位セル内部の局所的な短絡シミュレーションは不可能である。
【００８０】
図１０には、このような本発明による二次電池の内部短絡試験方法をより適切に実行するための二次電池の内部短絡試験装置が示されている。
【００８１】
図１０を参照すると、二次電池の内部短絡試験装置３００は、防爆チャンバー３１０、短絡回路３２０、計測器３３０及び制御器３４０を含む。また、二次電池の内部短絡試験装置３００は、内部短絡前後の内部短絡試験用二次電池２００の状況を確認できるように、撮影器機（図示せず）をさらに備えてもよい。
【００８２】
防爆チャンバー３１０は、内部短絡試験用二次電池２００を内部空間にローディング可能なものである。防爆チャンバー３１０は、安全ドアを備えた試料室であり得る。防爆チャンバー３１０は、外部と内部とを遮断して、二次電池の発火や爆発の際、作業者とその周辺を保護するように備えられる。防爆チャンバー３１０内での二次電池の内部短絡試験によって二次電池が爆発するか又は有毒ガスが発生する場合、防爆チャンバー３１０の外部に有毒ガスが漏出しないように、防爆チャンバー３１０の内部を密閉できるものであれば望ましい。有毒ガスの排出及び浄化のための構成がさらに備えられてもよい。内部を容易に観察できるように、観察窓を別に備えるか、又は、防爆チャンバー３１０の一部または全体を透明ケースにしてもよい。二次電池の内部短絡試験装置３００のフットプリント（ｆｏｏｔ ｐｒｉｎｔ）を考慮して防爆チャンバー３１０の大きさを設計し得る。
【００８３】
短絡回路３２０は、内部短絡試験用二次電池２００の正極側金属端子２１０と負極側金属端子２２０とに連結されたものであり、スイッチ３２２及び抵抗３２４を含む。スイッチ３２２は、短絡回路３２０を開閉するためのものであり、任意のタイミングに開閉可能に構成されている。特に、短絡試験時に流れる電流に対応でき、オフ（開放）からオン（閉鎖）への切換時に段階的にターンオン／ターンオフでき、騒音の発生が少なくて切換特性に優れたスイッチであればよい。
【００８４】
抵抗３２４も、短絡試験時に流れる電流に対応可能であって、一般にシャント抵抗として使われているものを使用し得る。抵抗３２４は多様な値で可変的に設定し得る。
【００８５】
計測器３３０は、短絡回路３２０に流れる電流Ｉを測定するものである。
【００８６】
制御器３４０は、スイッチ３２２のターンオン／ターンオフを制御する。また、スイッチ３２２は、短絡回路３２０を内部短絡試験用二次電池２００に連結するときを含めて通常はターンオフしており、制御器３４０による制御または手動制御によって開閉を切換し得る。
【００８７】
望ましくは、二次電池の内部短絡試験装置３００は、電源３５０及び負荷３６０をさらに含む。電源３５０または負荷３６０は、内部短絡試験用二次電池２００の正極リード１１８と負極リード１２８との間に連結され得る。二次電池の内部短絡試験装置３００は、正極リード１１８と負極リード１２８との間の電圧Ｖを測定する計測器３７０をさらに含み得る。
【００８８】
一方、電源３５０、負荷３６０、計測器３３０、３７０などの便利且つ効果的な駆動のための適切な制御部（図示せず）を、各構成部分に対して個別にまたは統合的にさらに含み得る。例えば、制御器３４０がこれらすべての機能を担当してもよい。制御器３４０は、通常コンピューターであって、これらを駆動及び制御するソフトウェアを内蔵し、各種のデータ値を設定及び記録するためのものであり得る。モニタのようなディスプレイ手段、キーボードのようなユーザ入力手段などの各種のインタフェース装置も二次電池の内部短絡試験装置３００にさらに含まれ得る。これらは通常の商用製品を持って具現可能であって、例えば、モニタを通じて現在の試験状況、試験数量などの情報を把握し、計測器３３０、３７０は測定した結果値を制御器３４０に伝送してモニタに出力するようにしてもよい。制御器３４０は、計測器３３０、３７０の機能まで統合した制御計測機の形態で提供されてもよい。このとき、制御計測機は、内部短絡試験時に内部短絡試験用二次電池２００の状態を評価することが望ましいため、上述した電流、電圧などの物理量を計測すると同時に、上述したスイッチ３２２の切換を制御するように構成すればよい。制御計測機は、ハードウェアとして１つの機器として構成される必要はなく、複数の機器を組み合わせたものであってもよい。例えば、制御計測機は、二次電池の充放電試験に使用する一般的なマルチチャネル方式の電流／電圧測定装置であってもよい。この場合、計測器３３０の測定方式はある１つのチャネルを通じた測定、そして計測器３７０の測定方式は他のチャネルを通じた測定を示し得る。
【００８９】
このような二次電池の内部短絡試験装置３００を用いた内部短絡試験方法は、以下例示する様々な方法を用いることができるが、本発明がこれらによって限定されることはない。
【００９０】
第１方法
内部短絡試験用二次電池２００を防爆チャンバー３１０にローディングする。
【００９１】
その後、正極側金属端子２１０の他端部と負極側金属端子２２０の他端部とを単に相互接触させて内部短絡を起こし、そのときの内部短絡試験用二次電池２００の状態を観察する。
【００９２】
第２方法
他の例として、内部短絡試験用二次電池２００を防爆チャンバー３１０にローディングした後、正極側金属端子２１０の他端部と負極側金属端子２２０の他端部とに短絡回路３２０を連結する。このとき、短絡回路３２０のスイッチ３２２がターンオフした状態で正極側金属端子２１０と負極側金属端子２２０とに連結する。その後、スイッチ３２２をターンオンさせて内部短絡試験用二次電池２００に内部短絡を起こし、短絡回路３２０に流れる電流を計測器３３０で測定する。
【００９３】
第３方法
さらに他の例として、内部短絡試験用二次電池２００を防爆チャンバー３１０にローディングした後、上述したように短絡回路３２０を連結する。正極リード１１８と負極リード１２８との間の電圧を測定する計測器３７０も連結する。
【００９４】
短絡回路３２０のスイッチ３２２をターンオンさせて内部短絡を起こす間に、計測器３７０を持って正極リード１１８と負極リード１２８との間の電圧を測定する（普段測定するフルセル電圧に相当する）。短絡回路３２０に流れる電流を計測器３３０で測定する。
【００９５】
第４方法
さらに他の例として、内部短絡試験用二次電池２００を防爆チャンバー３１０にローディングした後、上述したように短絡回路３２０を連結する。正極リード１１８と負極リード１２８との間の電圧を測定する計測器３７０も連結する。正極リード１１８と負極リード１２８との間に電源３５０または負荷３６０も連結する。
【００９６】
電源３５０を連結した場合、内部短絡試験用二次電池２００を充電しながら短絡回路３２０のスイッチ３２２をターンオンさせて内部短絡試験を行うことができる。短絡回路３２０に流れる電流を計測器３３０で測定し、正極リード１１８と負極リード１２８との間の電圧を計測器３７０で測定する。
【００９７】
負荷３６０を連結した場合、内部短絡試験用二次電池２００を放電しながら短絡回路３２０のスイッチ３２２をターンオンさせて内部短絡試験を行うことができる。短絡回路３２０に流れる電流を計測器３３０で測定し、正極リード１１８と負極リード１２８との間の電圧を計測器３７０で測定する。
【００９８】
内部短絡試験の際には内部短絡試験用二次電池２００の爆発または発火如何などもチェックする。試験の後、内部短絡試験用二次電池２００が安定化すれば、防爆チャンバー３１０から収去し解体して、その内部構成要素を分析する。内部短絡試験用二次電池２００が爆発または発火しなかった場合、該内部短絡試験用二次電池２００を構成する正極板１１０、負極板１２０、分離膜１３０及び電解液を含んで製造される二次電池が適合であると判定する。もし内部短絡試験用二次電池２００に内部短絡が起きても電池の破壊を抑制できる電流遮断手段などが備えられていれば、該電流遮断手段などは適切に動作したと判定される。
【００９９】
逆に、内部短絡をシミュレーションした結果、内部短絡試験用二次電池２００が爆発または発火した場合、該内部短絡試験用二次電池２００を構成する正極板１１０、負極板１２０、分離膜１３０及び電解液を含んで製造される二次電池は不適合なものである。そして、もし内部短絡試験用二次電池２００に内部短絡が起きても電池の破壊を抑制できる電流遮断手段などが備えられていた場合であれば、該電流遮断手段などは適切に動作していないと判定される。これにより、二次電池を構成する要素の変更または電流遮断手段などの設計条件の変更が必要であると判断して措置する。
【０１００】
他にも上述していない多様な安全性評価活用形態を二次電池の設計段階または二次電池製造後の安定性評価項目検証に適用可能であって、本発明の内部短絡試験方法によって得られる各種の情報を活用するものであれば、本発明の範疇に含まれると理解しなければならない。
【０１０１】
実施形態によっては、１つの内部短絡試験用二次電池は１種の内部短絡のみを評価できるように構成する。例えば、図４〜図６を参照して説明した内部短絡試験用二次電池２００は、正極活物質層１１４と負極活物質層１２４との間の内部短絡ＳＤのみをシミュレーションできるように構成したものに該当する。図７ａ〜図７ｄに示したような単位セルをそれぞれ含む二次電池を別々に製造すれば、それぞれの内部短絡のみを評価できる二次電池になる。
【０１０２】
実施形態によっては、１つの内部短絡試験用二次電池で２種以上の内部短絡を試験できるように構成してもよい。図１１は本発明の他の実施形態による内部短絡試験用二次電池の分解斜視図であり、図１２は本発明のさらに他の実施形態による内部短絡試験用二次電池の分解斜視図である。図１１及び図１２には単位セル部分のみが示されているが、これら内部短絡試験用二次電池は、図５を参照して上述したように、正極リード１１８、負極リード１２８、シールテープＳ及び電池ケース２３０をさらに含み得る。
【０１０３】
例えば、図１１に示したように、内部短絡試験用二次電池２００’は、１つの単位セル１０１’に正極側第１金属端子２１１、正極側第２金属端子２１２、負極側第１金属端子２２１及び負極側第２金属端子２２２が全て含まれるように構成したものである。これら金属端子間の適切な組合せを通じて、１つの内部短絡試験用二次電池２００’で所望の種類の内部短絡を全て発生させることができる。例えば、正極側第１金属端子２１１の他端部と負極側第１金属端子２２１の他端部とを互いに接触させると、正極集電体１１２−負極集電体１２２間の内部短絡ＳＡをシミュレーションする用途で使用でき、正極側第１金属端子２１１の他端部と負極側第２金属端子２２２の他端部とを互いに接触させると、正極集電体１１２−負極活物質層１２４間の内部短絡ＳＢをシミュレーションする用途で使用することができる。同様に、正極側第２金属端子２１２の他端部と負極側第１金属端子２２１の他端部とを互いに接触させると、正極活物質層１１４−負極集電体１２２間の内部短絡ＳＣをシミュレーションでき、正極側第２金属端子２１２の他端部と負極側第２金属端子２２２の他端部とを互いに接触させると、正極活物質層１１４−負極活物質層１２４間の内部短絡ＳＤをシミュレーションすることができる。
【０１０４】
さらに、図１２に示したように、内部短絡試験用二次電池２００”は、２種の単位セル１０１’、１０１”を含む。２つの単位セル１０１’、１０１”の間には適切な分離膜（図示せず）がさらに含まれ得る。一方の単位セル１０１’は、図６で上述したように正極側第２金属端子２１２及び負極側第２金属端子２２２を含むように構成し、他方の単位セル１０１”は、正極側第１金属端子２１１及び負極側第１金属端子２２１を含むように構成すれば、単位セル１０１’は正極側第２金属端子２１２の他端部と負極側第２金属端子２２２の他端部とを互いに接触させて正極活物質層１１４−負極活物質層１２４間の内部短絡ＳＤをシミュレーションし、単位セル１０１”は正極側第１金属端子２１１の他端部と負極側第１金属端子２２１の他端部とを互いに接触させて正極集電体１１２−負極集電体１２２間の内部短絡ＳＡをシミュレーションする用途で使用することができる。もちろん、上述していない金属端子の形成形態を含む他の構成も本発明の説明から理解できるであろう。
【０１０５】
このように１つの内部短絡試験用二次電池内に正極側第１金属端子２１１、正極側第２金属端子２１２、負極側第１金属端子２２１及び負極側第２金属端子２２２が全て含まれるように構成する場合であれば、上述したように端子を相互目視で区別できるように形成することで、所望の対の端子組合せを容易に選択できるようにすることが望ましい。
【０１０６】
図１に示した従来のＩＳＣ素子１と本発明による内部短絡試験用二次電池２００とを互いに比べてみれば、本発明は以下のような利点を有する。
【０１０７】
本発明は、ＩＳＣ素子１の銅円盤１０及びアルミニウム円盤４０に対応する金属端子２１０、２２０を二次電池の外部に位置させた点、ＩＳＣ素子１のワックス層３０に対応するワックス層がない点で、ＩＳＣ素子１と相違する。本発明では、短絡を起こす金属（短絡用スイッチ金属）の他端部が二次電池の外部に延びているため、正確な内部短絡の時点を制御することができる。従来のＩＳＣ素子１の場合、ワックス層３０を溶かす高温条件のみで実験が可能であるが、本発明では温度の制限がない。
【０１０８】
そして、従来のＩＳＣ素子１の場合、短絡が発生すれば、そのＩＳＣ素子１を含む二次電池は再使用できず、サイクル進行後に内部短絡を発生させ難い。これに比べて、本発明によれば、内部短絡試験用二次電池２００を製作した後、短絡を発生させる形態であるため、内部短絡試験用二次電池２００を退化させた後にも内部短絡試験を行うことができるという長所がある。本発明によれば、製造直後の二次電池（いわゆるフレッシュ（ｆｒｅｓｈ）単位セルを含む二次電池）とサイクル進行後の二次電池（退化した単位セルを含む二次電池）との内部短絡発生による各単位セルの安全性の相違点を分析可能であるという長所がある。例えば、ＢＯＬ（Ｂｉｒｔｈ ｏｆ Ｌｉｆｅ）状態の単位セルとＥＯＬ（Ｅｎｄ ｏｆ Ｌｉｆｅ）状態の単位セルとの内部短絡の相違点を分析することができ、ＩＳＣ素子１を使用した場合は絶対できないことであるため意味がある。
【０１０９】
従来のＩＳＣ素子１は、図２を参照して上述したように、二次電池の分離膜１３０に孔Ｈを開けて挿入しなければならないため、分離膜１３０が損傷される。そして、二次電池の製造段階でＩＳＣ素子１を入れて組み立てれば、ラミネーション、高温エイジングなどの過程でワックス層３０が溶けてしまうため、製造が完了した二次電池を解体して挿入してから使用しなければならない。これに比べて、本発明による内部短絡試験用二次電池２００は、分離膜１３０が損傷せず、一般的な二次電池の製造段階をそのまま経ながら正極側金属端子２１０及び負極側金属端子２２０を追加するだけでよい。二次電池の製造段階から内部短絡を誘発可能な構造をインサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で具現したのである。
【０１１０】
以下、本発明の実験例を挙げて本発明をより詳しく説明する。しかし、下記の実験例は単に本発明の理解を助けるために提供するものであって、本発明を制限するものではない。
【０１１１】
図１３は、本発明の実験例による内部短絡試験用二次電池の写真である。図１３の（ａ）〜（ｄ）は、製造段階毎の積層過程を示すため、完成された内部短絡試験用二次電池を順次に解体しながら撮影した内部写真を解体の逆順に並べたものであり、図１３の（ｅ）は最終完成写真である。
【０１１２】
まず、図１３の（ｅ）を参照して完成状態から説明すれば、内部短絡試験用二次電池２００の一側に正極リード１１８及び負極リード１２８が露出するように形成し、正極リード１１８及び負極リード１２８が形成されていない他側に正極側金属端子２１０及び負極側金属端子２２０が露出するように形成した。
【０１１３】
図１３の（ａ）から負極板１２０上に負極側金属端子２２０の一端部が置かれた様子が見られる。（ｂ）では分離膜１３０上に正極側金属端子２１０の一端部が置かれた様子が見られる。内部短絡試験用二次電池２００の内部で各金属端子２１０、２２０の一端部を整列させた。（ｃ）はその上に正極板１１０が置かれた様子を示している。（ｄ）は追加の分離膜１３０’まで含ませた様子を示している。写真において、黄色部分は絶縁処理した箇所を示す。内部短絡試験用二次電池２００の内部で、各金属端子２１０、２２０が各電極板１１０、１２０に直接接触しない部位は絶縁処理した。
【０１１４】
図１４は、本発明の実験例で用いた短絡回路具現素子の写真である。簡易実験のため、スイッチ（図１０の３２２）及び抵抗（図１０の３２４）を含む短絡回路（図１０の３２０）をブレッドボード（ｂｒｅａｄｂｏａｒｄ）３２６に具現した。周知のように、ブレッドボードとは、電子回路の（一般的に臨時的な）試製品の製造に使用される、再使用可能な無半田装置である。一般的なブレッドボードは、バスストリップと知られた、内部連結電気端子のストリップを有し、主装置の一部や隔離したブロックのように一側や両側が電源線を確張するように挟まれている。実験例で使用したブレッドボード３２６は穴の下にスプリングクリップがあるプラスチック穿孔ブロックから構成されている。２つの一連パッケージ（ＤＩＰ：ｄｕａｌ ｉｎ−ｌｉｎｅ ｐａｃｋａｇｅ）である集積回路はブロックの中央線を開けて挿入可能である。回路位相を完成するため、ピンタイプの抵抗３２４（Ｒｌｏａｄ）及びピンタイプのスイッチ３２２、そして内部連結電線などをブレッドボード３２６の穴に挿入した。
【０１１５】
内部短絡試験用二次電池２００の正極側金属端子２１０及び負極側金属端子２２０に連結して電圧を測定できるように、ブレッドボード３２６にセンシング端子３２８も設けて短絡回路具現素子３２９を製作した。これを内部短絡試験用二次電池２００に連結して内部短絡試験を行った。抵抗３２４は９０ｍΩ、５０ｍΩ、３５ｍΩを入れ替えながら使用し、これによって短絡回路３２０の抵抗値を所望の値に調整することができた。スイッチ３２２は、手動操作オンで短絡が発生し、手動操作オフで短絡が解除されるようにした。
【０１１６】
図１５は、本発明の実験例によって内部短絡試験用二次電池と短絡回路具現素子とを連結した状態の模式図である。
【０１１７】
図示したように、短絡回路具現素子３２９をスイッチ３２２のターンオフ状態で内部短絡試験用二次電池２００に連結した。二次電池の充放電試験で使用する一般的なマルチチャネル方式の電流／電圧測定装置を連結し、内部短絡試験用二次電池２００の正極リード１１８と負極リード１２８との間の電圧（フルセル電圧）をチャネル１で測定した（Ｃｈ１．ＶＦｕｌｌ ｃｅｌｌ）。正極側金属端子２１０と負極側金属端子２２０との間の電圧はチャネル１と異なるチャネル２で測定した（Ｃｈ２．Ｖｌｏａｄ）。
【０１１８】
図１６は、本発明の実験例において、内部短絡試験で測定したフルセル電圧降下を示したグラフである。
【０１１９】
図１６は、図１５のような連結状態でスイッチ３２２をターンオンした直後からのフルセル電圧を測定したものである（Ｗｉｔｈ Ｒｌｏａｄ）。比較のために、短絡回路具現素子３２９から抵抗３２４を除去して測定した値も一緒に示した（Ｎｏ Ｒｌｏａｄ）。図１６に示したように、スイッチ３２２オンによって正極側金属端子２１０と負極側金属端子２２０とが接触した直後（時間０秒）から時間が経つにつれて電圧降下が観察される。電圧降下は内部短絡試験用二次電池２００の放電を意味し、これは、内部短絡が発生したことを証明する。抵抗３２４があるときと抵抗３２４がないときとの差異も検出可能であることを確認できる。このようなフルセル電圧降下の観察から、本発明によれば単に内部短絡試験用二次電池２００の外部で正極側金属端子２１０と負極側金属端子２２０とを接触させるだけでも、内部短絡が発生するということを確認することができた。抵抗３２４の有無による電圧降下の差を確認したため、抵抗３２４の両端に流れる電流を測定すれば、各内部短絡の種類別の短絡電流及び短絡抵抗の測定も可能になることを確認した。
【０１２０】
図１７は、本発明の実験例によって、異なる正極活物質層を有する２つの内部短絡試験用二次電池に対して内部短絡試験を行って短絡電流の変化を測定したグラフである。
【０１２１】
２種の正極に対して内部短絡を起こすため、１つの内部短絡試験用二次電池は活物質Ａを用いて正極活物質層を製造し、他の内部短絡試験用二次電池は活物質Ａとは異なる種類の活物質Ｂを用いて正極活物質層を製造した点を除いては同一に製造した。その後、図１５のように連結して内部短絡試験を行いながら、抵抗３２４に流れる電流を測定した。
【０１２２】
その結果である図１７を参照すると、活物質Ａを用いた内部短絡試験用二次電池と活物質Ｂを用いた内部短絡試験用二次電池とで測定される短絡電流が異なり、活物質の種類による短絡電流の差がどの程度であるかの情報まで得ることができた。すなわち、本発明によれば、正極活物質層の種類によって変わる内部短絡の様相を有意味に分別して測定できることを確認した。このように本発明は、活物質層の変更による内部短絡の差による短絡電流の差も測定可能であり、二次電池の設計段階からの内部短絡の確認用途として活用することができる。
【０１２３】
以上のように、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１２４】
１０１  単位セル
１０１’  単位セル
１１０  電極板（正極板）
１１２  集電体（正極集電体）
１１２−  正極集電体
１１４  正極活物質層
１１４−  正極活物質層
１１６  電極タブ（正極タブ）
１１８  電極リード（正極リード）
１２０  電極板（負極板）
１２２  集電体（負極集電体）
１２４  負極活物質層
１２６  電極タブ（負極タブ）
１２８  電極リード（負極リード）
１３０  分離膜
１３０’  分離膜
２００  内部短絡試験用二次電池
２００’  内部短絡試験用二次電池
２１０  金属端子（正極側金属端子）
２１１  正極側第１金属端子
２１２  正極側第２金属端子
２２０  金属端子（負極側金属端子）
２２１  負極側第１金属端子
２２２  負極側第２金属端子
２３０  電池ケース
３００  内部短絡試験装置
３１０  防爆チャンバー
３２０  短絡回路
３２２  スイッチ
３２４  抵抗
３２６  ブレッドボード
３２８  センシング端子
３２９  短絡回路具現素子
３３０  計測器
３４０  制御器
３５０  電源
３６０  負荷
３７０  計測器
【図１】
2021504923.tif 000003
【図２】
2021504923.tif 000004
【図３】
2021504923.tif 000005
【図４】
2021504923.tif 000006
【図５】
2021504923.tif 000007
【図６】
2021504923.tif 000008
【図７ａ】
2021504923.tif 000009
【図７ｂ】
2021504923.tif 000010
【図７ｃ】
2021504923.tif 000011
【図７ｄ】
2021504923.tif 000012
【図８】
2021504923.tif 000013
【図９（ａ）】
2021504923.tif 000014
【図９（ｂ）】
2021504923.tif 000015
【図１０】
2021504923.tif 000016
【図１１】
2021504923.tif 000017
【図１２】
2021504923.tif 000018
【図１３】
2021504923.tif 000019
【図１４】
2021504923.tif 000020
【図１５】
2021504923.tif 000021
【図１６】
2021504923.tif 000022
【図１７】
2021504923.tif 000023
【国際調査報告】
2021504923.tif 000024
2021504923.tif 000025
2021504923.tif 000026
2021504923.tif 000027