(57)【要約】【課題】リチウムイオン二次電池用部材の安全性を評価するために行うリチウムイオン二次電池の安全性試験方法において、大型のリチウムイオン二次電池を組み立てなくても、部材を大型リチウムイオン二次電池に適用した場合の安全性を簡便に評価することができるリチウムイオン二次電池の安全性試験方法を提供する。【解決手段】リチウムイオン二次電池の内部に短絡を生じさせるリチウムイオン二次電池の安全性試験方法であって、小型のリチウムイオン二次電池と大型のリチウムイオン二次電池を並列に接続し、小型のリチウムイオン二次電池の内部に短絡を生じさせることを特徴とするリチウムイオン二次電池の安全性試験方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオン二次電池の内部に短絡を生じさせるリチウムイオン二次電池の安全性試験方法であって、小型のリチウムイオン二次電池と大型のリチウムイオン二次電池を並列に接続し、小型のリチウムイオン二次電池の内部に短絡を生じさせることを特徴とするリチウムイオン二次電池の安全性試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池の安全性試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池（以下、「電池」と略記する場合がある）の設計において、リチウムイオン二次電池用部材（以下、「部材」と略記する場合がある）の選択は、安全性に非常に大きな影響を及ぼす重要な事項である。各種部材の安全性における優劣を比較するために、部材を変更した電池を多数組み立て、釘刺試験（例えば特許文献１、非特許文献１参照）、強制内部短絡試験（例えば特許文献２、非特許文献２参照）、圧壊試験（例えば特許文献３、非特許文献２参照）等によって、電池内部に強制的に短絡を生じさせ、電池にどのような事象が発生するかを観察することが行われている。
【０００３】
小型のリチウムイオン二次電池（以下、「小型電池」と略記する場合がある）と大型のリチウムイオン二次電池（以下、「大型電池」と略記する場合がある）とでは、安全性が大きく異なり、同一の部材で構成された電池でも、大型電池の安全性は小型電池よりも一般に低くなる。また、小型電池と大型電池とでは、危険な事象に到達するか否かを決定する支配要因が必ずしも一致しないことから、小型電池の安全性試験で評価した部材の優劣は、大型電池の安全性試験で評価した部材の優劣と必ずしも一致しない。そのため、大型電池における部材の安全性を評価するためには、多くの部材と多大な手数を掛けて実際に大型電池を組み立て、その上で安全性試験を行う必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２５０９５４号公報
【特許文献２】特開２０１４−２３５９９５号公報
【特許文献３】特開２００８−２７００９０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ＳＡＥ規格  Ｊ２４６４
【非特許文献２】日本工業規格  ＪＩＳ  Ｃ  ８７１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事情を鑑みたものであって、大型電池を組み立てなくても、部材を大型電池に適用した場合の安全性を評価することができるリチウムイオン二次電池の安全性試験方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
リチウムイオン二次電池の内部に短絡を生じさせるリチウムイオン二次電池の安全性試験方法であって、小型のリチウムイオン二次電池と大型のリチウムイオン二次電池を並列に接続し、小型のリチウムイオン二次電池の内部に短絡を生じさせることを特徴とするリチウムイオン二次電池の安全性試験方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のリチウムイオン二次電池の安全性試験方法を用いることで、組み立てに必要な手数及び部材の少ない小型電池を組み立てるだけで、同部材を大型電池に使用した場合の安全性を評価することができる。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、リチウムイオン二次電池の内部に短絡を生じさせるリチウムイオン二次電池の安全性試験方法であって、小型のリチウムイオン二次電池と大型のリチウムイオン二次電池（以下、「大型電池」と略記する場合がある）を並列に接続し、小型のリチウムイオン二次電池の内部に短絡を生じさせることを特徴とする。すなわち、小型のリチウムイオン二次電池と大型のリチウムイオン二次電池の正極同士、負極同士をそれぞれ電気的に接続した上で、小型のリチウムイオン二次電池の内部に短絡を生じさせることを特徴とする。この特徴によって、大型電池と比較して少量の部材、手数で組み立てることができる小型電池を作製するだけで、組み立てに多量の部材、手数を必要とする大型電池に当該部材を適用した場合の安全性を評価することができるという有利な効果が得られる。
【００１０】
電池の熱暴走は、短絡の発生した部位を基点に、電池全体に拡大する。電池全体に拡大した場合に最終的に到達する事象の規模は、電池の規模に強く相関する。同様に熱暴走が開始しても、例えば、小型電池では発火に留まるのに対し、大型電池では破裂に至ることもある。しかし、熱暴走が開始しなければ、電池の規模によらず、危険な事象は起こらない。すなわち、電池の内部に短絡が生じた場合の安全性評価においては、熱暴走が開始するか否かが最も重要な評価項目である。
【００１１】
本発明は、電池の安全性評価において最も重要な評価項目である電池の熱暴走の開始可能性を、簡便に評価できる方法である。すなわち、小型電池と大型電池を並列に接続することによって、小型電池の内部で短絡を発生させるだけで、大型電池の内部で短絡が発生した場合の熱暴走の開始可能性を擬似的に評価できる。以下、この点について詳細に説明する。
【００１２】
短絡部における発熱の大きさは、短絡部で消費される電力に等しい。短絡部で消費される電力は、短絡部に流れる電流と、短絡部に加わる電圧とを積算したものである。短絡部に流れる電流Ｉと、短絡部に加わる電圧Ｅ１は、電池の起電力Ｅ、短絡部の抵抗Ｒ１と、電池の内部抵抗Ｒｓによって決まる。
【００１３】
短絡部に流れる電流Ｉ＝Ｅ／（Ｒ１＋Ｒｓ）
短絡部に加わる電圧Ｅ１＝Ｅ・Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒｓ）
【００１４】
発熱の大きさは、短絡部に流れる電流Ｉと短絡部に加わる電圧Ｅ１の積である。
【００１５】
Ｅ１Ｉ＝Ｅ２Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒｓ）２
【００１６】
この式から分かるように、電池の内部抵抗Ｒｓが低い程、短絡部で消費される電力は大きくなり、すなわち、短絡部における発熱の大きさが大きくなる。
【００１７】
電池の起電力Ｅ、短絡部の抵抗Ｒ１は、同じ部材を用いる限り、小型電池でも大型電池でも殆ど変わらない。電池の内部抵抗Ｒｓは、電池の容量に反比例し、小型電池の方が高く、大型電池の方が低い。電池の内部抵抗Ｒｓが高いと、短絡部における発熱は小さくなる。これが、小型電池においては、短絡が発生しても、熱暴走が開始しにくい理由である。本発明では、小型電池と大型電池を並列に接続することで、大型電池と同等の低い内部抵抗Ｒｓを、小型電池の内部で擬似的に再現している。これにより、同部材を用いた大型電池における熱暴走の開始可能性を、小型電池の内部で発生させた短絡により評価することができる。
【００１８】
本発明において、小型電池と大型電池の容量の比は、５倍以上であることが好ましい。小型電池と大型電池の容量の比が５倍未満と言うことは、大型電池を組み立てる場合と比較して１／５超の部材が必要と言うことであり、したがって、少量の部材を用いて評価できることや手数の削減と言った本発明の効果が限定される。また、本発明において、小型電池の容量は、１Ａｈ以上であることが好ましい。小型電池の容量が１Ａｈ未満であると、電池の表面を通じた熱の発散等に関し、大型電池との差が大きくなり、大型電池における熱暴走の開始可能性を、的確に評価することができない場合があることから、小型電池の容量は、１Ａｈ以上であることが好ましい。
【００１９】
本発明において、大型電池の容量は、評価の対象となる部材を適用しようとする大型電池の容量と同程度であることが好ましい。大型電池の内部抵抗等の特性は、評価の対象となる部材を適用しようとする大型電池の内部抵抗等の特性と概略一致していれば良い。正極、負極、セパレータ等の特定の部材を種々変更した小型電池を作製し、部材間の安全性の優劣を比較する場合において、大型電池としては同じ電池を、適宜充電しながら多数回の試験に繰り返し用いることができる。大型電池は、多大な手数を掛けて評価用の電池を組み立てなくても、適宜市販の電池を利用することも可能である。
【００２０】
本発明において、小型のリチウムイオン二次電池と大型のリチウムイオン二次電池は、可能な限り抵抗が低くなるように並列に接続する必要がある。そのために、接続に用いる電線は可能な限り導体断面積が大きいものを用いることが好ましい。具体的には、５．５ｍｍ２以上の導体断面積を有する電線を用いることが好ましい。また、電池と電線の接続部も可能な限り抵抗が生じないように接続することが好ましい。具体的には、電線を端子に圧着した上で電池の端子にネジ止めする、抵抗溶接により電線と電池の端子を溶接する等の方法が用いられる。
【００２１】
本発明において、小型電池の内部に短絡を発生させる方法としては、小型電池に釘を刺す方法、小型電池の積層体に金属小片を封入し外部から圧迫する方法、小型電池の外部から半球状の先端を有する治具で加圧し外装を変形させる方法等を用いることができる。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明について実施例を用いて説明する。なお、本発明は本実施例に限定されるものでは無い。
【００２３】
［試験１］
正極がＮＣＭ１１１、負極が黒鉛、セパレータが無機顔料を塗工した不織布からなる容量１．５Ａｈのパウチ型リチウムイオン二次電池（小型電池Ａ）と、正極がＬＭＯ、負極が黒鉛、セパレータが無機顔料を塗工した不織布からなる容量１０Ａｈのリチウムイオン二次電池（大型電池Ｃ）を並列に接続し、小型電池Ａに対し釘刺し試験を行った。
【００２４】
［試験２］
大型電池Ｃを並列に接続せずに、小型電池Ａに対し釘刺し試験を行った。
【００２５】
［試験３］
小型電池Ａと同じ正極、負極、及びセパレータからなる容量９Ａｈのパウチ型リチウムイオン二次電池（大型電池Ａ）に対し釘刺し試験を行った。
【００２６】
［試験４］
セパレータを乾式法により製造されたポリプロピレン多孔膜に代えた以外は、試験１と同様に作製した容量１．５Ａｈのパウチ型リチウムイオン二次電池（小型電池Ｂ）と、大型電池Ｃを並列に接続し、小型電池Ｂに対し釘刺し試験を行った。
【００２７】
［試験５］
大型電池Ｃを並列に接続せずに、小型電池Ｂに対し釘刺し試験を行った。
【００２８】
［試験６］
小型電池Ｂと同じ正極、負極、及びセパレータからなる容量９Ａｈのパウチ型リチウムイオン二次電池（大型電池Ｂ）に対し釘刺し試験を行った。
【００２９】
［結果］
釘刺し試験を行った電池についての発火の有無を表１に示す。
【００３０】
【表１】
2017091763.tif 000002
【００３１】
表１に示したように、小型電池Ｂと同じセパレータを用いた大型電池Ｂに対し釘刺し試験を行った試験６が発火したのに対し、小型電池Ｂに対し単独で釘刺し試験を行った試験５では発火しなかった。すなわち、小型電池Ｂに対する釘刺し試験では、このセパレータを用いた大型電池Ｂの安全性を適切に再現できていない。これに対し、小型電池Ｂと大型電池Ｃを並列に接続し、小型電池Ｂに対し釘刺し試験を行った試験４では、小型電池Ｂが発火しており、このセパレータを用いた大型電池Ｂの安全性を適切に再現できている。
【００３２】
一方、他のセパレータを用いた小型電池Ａ及び大型電池Ａについては、小型電池Ａと大型電池Ｃを並列に接続し、小型電池Ａに対し釘刺し試験を行った試験１、小型電池Ａに対し単独で釘刺し試験を行った試験２、及び小型電池Ａと同じセパレータを用いた大型電池Ａに対し釘刺し試験を行った試験３のいずれの試験でも発火しておらず、小型電池Ａ及び大型電池Ａに用いたセパレータが安全性において優れたセパレータであることを確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、リチウムイオン二次電池用部材の研究開発や、リチウムイオン二次電池の設計における、部材の安全性評価に用いることができる。