(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの電池セル（３２）の成熟プロセスに関する。成熟プロセスは、少なくとも１つの電池セル（３２）に充電することと、少なくとも１つの電池セルに少なくとも１日の成熟期間を受けさせることであって、測定装置（３０）以外のいかなる電気負荷も、少なくとも１つの電池セルに接続されない、受けさせることと、を含む。成熟プロセスはまた、成熟期間の開始と終了との間に、測定装置（３０）によって少なくとも１つの電池セル（３２）の開回路電圧の少なくとも１つの測定を行うことも含む。成熟プロセスは、少なくとも１つの測定に依存して、少なくとも１つの電池セルの完全性を判定することをさらに含む。
2020533607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電池セルの成熟プロセスであって、前記プロセスが、
前記少なくとも１つの電池に充電することと、
前記少なくとも１つの電池セルに少なくとも１日の成熟期間を受けさせることであって、測定装置以外のいかなる電気負荷も、前記少なくとも１つの電池セルに接続されない、受けさせることと、
前記成熟期間の開始と終了との間に、前記測定装置によって前記少なくとも１つの電池セルの開回路電圧の少なくとも１つの測定を行うことと、
前記少なくとも１つの測定に依存して、前記少なくとも１つの電池セルの完全性を判定することと、を含む、成熟プロセス。
【請求項２】
前記開回路電圧の前記少なくとも１つの測定が、前記成熟期間の開始後、かつ前記成熟期間の終了前に行われる、請求項１に記載の成熟プロセス。
【請求項３】
前記少なくとも１つの測定が、所定の電圧値と比較され、前記少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップが、前記所定の電圧値との前記比較に依存する、請求項１または２に記載の成熟プロセス。
【請求項４】
前記成熟期間の開始と終了との間に複数の測定を行うことを含み、前記複数の測定が、離間された時間に行われる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の成熟プロセス。
【請求項５】
前記開回路電圧の前記複数の測定のうちの第１および第２の間の電圧差と、所定の差値とを比較することをさらに含み、前記少なくとも１つの電池セルの前記完全性を判定する前記ステップが、前記所定の差値との前記比較に依存する、請求項４に記載の成熟プロセス。
【請求項６】
前記開回路電圧の前記複数の測定の第１および第２の間の電圧差を決定することと、前記第１および第２の測定の時間差を決定することと、前記電圧差および前記時間差に依存して、電圧の変化率を決定することであって、前記少なくとも１つの電池セルの前記完全性を決定する前記ステップが、前記電圧の変化率と所定の変化率との比較に依存する、電圧の変化率を決定することと、をさらに含む、請求項４または５に記載の成熟プロセス。
【請求項７】
少なくとも３つの測定を行い、隣接する複数の測定対の間の電圧差が決定され、それによって、少なくとも第１の電圧差および第２の電圧差を取得し、前記成熟プロセスが、少なくとも前記第１の電圧差および前記第２の電圧差に依存して、少なくとも１つの放電段階を判定することを含み、前記少なくとも１つの放電段階が、緩和期間を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の成熟プロセス。
【請求項８】
前記少なくとも１つの電池セルの前記完全性を決定する前記ステップが、前記緩和期間後に行われた少なくとも１つの電圧測定に依存する、請求項７に記載の成熟プロセス。
【請求項９】
前記少なくとも１つの電池セルの前記開回路電圧の複数の測定が、離間された時間に行われて、経時的な開回路電圧測定の軌跡を提供し、前記成熟プロセスが、前記軌跡と所定の軌跡とを比較して、前記緩和期間の終了を判定することを含み、前記少なくとも１つの電池セルの前記完全性を判定する前記ステップが、前記緩和期間の終了後に行われた少なくとも１つの開回路電圧測定に依存する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の成熟プロセス。
【請求項１０】
負荷が、少なくとも１つの電池セルの陽極端子と負極端子との間に接続されるときに、少なくとも１つの抵抗測定電圧の測定を行うことを含み、前記少なくとも１つの電池セルの内部抵抗が、前記少なくとも１つの抵抗測定電圧の測定、および前記負荷によって引き出された測定電流および前記負荷の抵抗、のうちの１つに依存して決定される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の成熟プロセス。
【請求項１１】
前記内部抵抗と所定の抵抗値とを比較することをさらに含み、前記少なくとも１つの電池セルの前記完全性を判定する前記ステップが、前記所定の抵抗値との前記比較に依存する、請求項１０に記載の成熟プロセス。
【請求項１２】
それぞれの時間に測定を行うことに基づいて、離間された時間に複数の内部抵抗を決定することをさらに含み、前記成熟プロセスが、２つの内部抵抗の差と所定の内部抵抗差値とを比較することを含み、前記少なくとも１つの電池セルの前記完全性を決定する前記ステップが、前記所定の内部抵抗差値との前記比較に依存する、請求項１０または１１に記載の成熟プロセス。
【請求項１３】
決定された内部抵抗の変化率が所定の内部抵抗の変化率よりも大きい場合に、完全性が損なわれていると判定する、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の成熟プロセス。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの電池セルの温度を測定することと、前記測定温度と所定の温度とを比較することと、をさらに含み、前記少なくとも１つの電池セルの前記完全性を決定する前記ステップが、前記所定の温度との前記比較に依存する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の成熟プロセス。
【請求項１５】
離間された時間に第１の温度および第２の温度を測定することと、前記第１および第２の測定温度の間の温度差を決定することと、前記温度差と閾値温度差とを比較することと、をさらに含み、前記少なくとも１つの電池セルの前記完全性を決定する前記ステップが、前記閾値温度差との前記比較に依存する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の成熟プロセス。
【請求項１６】
測定された開回路電圧、前記少なくとも１つの電池セルについて決定された内部抵抗、および前記少なくとも１つの電池セルの測定温度、のうちの少なくとも１つの、時間を伴う第２の導関数を決定することをさらに含み、前記少なくとも１つの電池セルの前記完全性を決定する前記ステップが、前記二次導関数の分析に依存する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の成熟プロセス。
【請求項１７】
前記二次導関数が所定の限度から外れる場合に、完全性が損なわれていると判定する、請求項１６に記載の成熟プロセス。
【請求項１８】
前記二次導関数が、第１の所定の二次導関数未満であること、および第２の所定の二次導関数を超えていること、のうちの１つである場合に、完全性が損なわれていると判定する、請求項１６または１７に記載の成熟プロセス。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの電池セルの前記完全性を決定する前記ステップが、前記測定装置において行われ、前記少なくとも１つの電池セルの前記完全性を決定する前記ステップからの結果が、遠隔場所にある中央計算装置に移送され、前記結果が、前記少なくとも１つの電池セルの完全性が損なわれていると識別することを含む、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の成熟プロセス。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの電池セルの前記完全性を決定する前記ステップに依存して、セル除去信号を提供することをさらに含む、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の成熟プロセス。
【請求項２１】
前記成熟期間が、複数日の期間、少なくとも１週間、少なくとも２週間、または少なくとも３週間である、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の成熟プロセス。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの電池セルに、前記成熟プロセス中に、室温を超える、２５℃を超える、３０℃を超える、または３５℃を超える温度を受けさせる、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の成熟プロセス。
【請求項２３】
前記成熟期間が、出荷期間の少なくとも一部を含む、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の成熟プロセス。
【請求項２４】
前記測定装置が、前記少なくとも１つの電池セルに組み込まれる、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の成熟プロセス。
【請求項２５】
前記測定装置が、前記少なくとも１つの電池セルの構造に組み込まれ、それによって、前記測定装置が、前記少なくとも１つの電池セルの一体部である、請求項２４に記載の成熟プロセス。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの電池セルが、リチウムイオンの電気化学的配列を含む、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の成熟プロセス。
【請求項２７】
少なくとも１つの電池セルの製造プロセスであって、前記製造プロセスが、前記少なくとも１つの電池セルに行われる形成充電プロセスと、請求項１〜２６のいずれか一項に従って前記少なくとも１つの電池セルに行われる成熟プロセスと、を含む、製造プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの電池セルの成熟プロセスに関し、具体的には、排他的ではなく、少なくとも１つの電池セルを備える電池の成熟プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
製造後に、リチウムイオン電池などの電池は、形成充電プロセスを受ける。形成充電は、新しく製造された電池の第１の充電サイクルを構成し、電池に慎重に制御された充電および放電サイクルを受けさせて、電池を使用するための準備を行うことを含む。その後に、かつ使用前に、電池は、しばしば成熟プロセスを受ける。成熟は、ときにはエージングとして知られている。成熟プロセスの目的は、電池が使用される前に、充電不足または不良品の電池を識別することである。
【０００３】
成熟プロセスは、各電池の開回路電圧を測定することと、最長で数週間の成熟期間にわたって電池を貯蔵することと、成熟期間後に各電池の開回路電圧を測定することと、を含む。成熟期間前に行われた測定から成熟期間後に行われた測定までの開回路電圧の減少が所定の電圧よりも大きい場合、電池は、使用に適さないものとして排除される。成熟プロセスは、過度に高い自己放電率、電解質のシールからの漏出、機械的欠陥、過度に高い内部抵抗、および奇形の形式の固体電解質界面（ＳＥＩ）層のような欠陥を検出することを目的とする。そのような欠陥は、通常、明らかになるまで時間がかかり、そのため、典型的には、成熟期間が長くなる。成熟は、典型的には、より高い値の電池に行われ、また、電池自体、複数群の電池セル、または個々の電池セルに行うことができる。
【０００４】
本発明の発明者らは、既知の成熟プロセスが欠点を有することを認識している。本発明は、発明者らがそのような欠点を認識することに照らして案出されている。したがって、本発明の目的は、少なくとも１つの電池セルのための改善された成熟プロセスを提供することである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様によれば、少なくとも１つの電池セルの成熟プロセスが提供され、本プロセスは、
少なくとも１つの電池セルに充電することと、
少なくとも１つの電池セルに少なくとも１日の成熟期間を受けさせることであって、測定装置以外のいかなる電気負荷も、少なくとも１つの電池セルに接続されない、受けさせることと、
成熟期間の開始と終了との間に、測定装置によって少なくとも１つの電池セルの開回路電圧の少なくとも１つの測定を行うことと、
少なくとも１つの測定に依存して、少なくとも１つの電池セルの完全性を判定することと、を含む。
【０００６】
成熟プロセスは、少なくとも１つの電池セルに充電することを含む。少なくとも１つの電池セルは、全容量の３０％などの所定の充電レベルに充電することができる。少なくとも１つの電池セルは、形成プロセス終了時に、成熟に備えて充電することができる。代替的に、少なくとも１つの電池セルは、形成プロセスに関与するステップとは別のステップとして、成熟に備えて充電することができる。成熟プロセスは、少なくとも１つの電池セルに少なくとも１日の成熟期間を受けさせることであって、測定装置以外のいかなる電気負荷も、少なくとも１つの電池セルに接続されない、受けさせることをさらに含む。少なくとも１つの電池セルは、例えば、成熟期間中に貯蔵区域に貯蔵することができる。成熟プロセスは、成熟期間の開始と終了との間に、測定装置によって少なくとも１つの電池セルの開回路電圧の少なくとも１つの測定を行うことをさらに含む。より具体的には、開回路電圧の少なくとも１つの測定を、成熟期間の開始後、かつ成熟期間の終了前に行うことができる。成熟プロセスは、少なくとも１つの測定に依存して、少なくとも１つの電池セルの完全性を判定することをさらに含む。
【０００７】
既知の成熟プロセスは、電池が使用される前に、形成プロセスの終了と以降の出荷との間に相当な停滞をもたらす。さらにまた、既知の成熟プロセスは、成熟を受ける電池のための相当な貯蔵空間を必要とする。以降の出荷前の停滞、および貯蔵空間の必要量は、大幅なコスト増加の影響を及ぼす。本発明の発明者らは、完全性の損なわれた電池が、このような成熟期間の終了前にしばしば現れることを認識した。したがって、本発明は、成熟期間の開始と終了との間に開回路電圧の少なくとも１つの測定を行うことを含み、それによって、成熟機関の終了前に不良の電池セルを識別することができる。
【０００８】
少なくとも１つの測定は、所定の電圧値と比較することができ、少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップは、この比較に依存する。少なくとも１つの測定が所定の電圧値未満であった場合に、完全性が損なわれていると判定することができる。したがって、過度に高い内部自己放電を識別することができる。
【０００９】
成熟プロセスは、成熟期間の開始と終了との間に複数の測定を行うことを含むことができ、複数の測定は、離間された時間に行われる。成熟プロセスは、開回路電圧の複数の測定のうちの第１および第２の間の電圧差と、所定の差値とを比較することをさらに含むことができ、少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップは、この比較に依存する。電圧差が所定の差値より大きい場合に、完全性が損なわれていると判定することができる。第１および第２の測定の間の時間差を測定することができる。成熟プロセスは、電圧差および時間差に依存して電圧の変化率を決定することができる。代替的または追加的に、少なくとも第１および第２の測定を、記憶した少なくとも第１および第２の基準測定と比較することができる。放電率は、記憶した基準測定との比較を経由して決定することができる。したがって、過度に高い内部自己放電を識別することができる。
【００１０】
さらにまた、少なくとも３つの測定が行われる場合、隣接する複数の測定対の間の電圧差を決定し、それによって、少なくとも第１の電圧差および第２の電圧差を取得することができる。成熟プロセスは、電圧差に依存して、少なくとも１つの放電段階を判定することを含むことができる。例えば、第１の電圧差が緩和段階を表し、第２の電圧差が定常状態段階を表すことができる。成熟期間中に十分な開回路の測定を行うことによって、電池セルの放電曲線を提供することができる。例えば、放電曲線は、成熟期間中に１時間の間隔で測定を行うことによって十分に特徴付けることができる。少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップは、少なくとも１つの放電段階の判定に依存することができる。より具体的には、少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップは、緩和段階後に行われた少なくとも１つの電圧測定に依存することができる。
【００１１】
第１の測定は、成熟期間の開始付近で行うことができる。対照的に、および既知の成熟プロセスによれば、第１の測定は、成熟期間の前に、かつ典型的に形成期間の終了時に行われる。電池セルは、充電の直後に緩和期間を受け、それによって、形成プロセスの終了時などの充電の直後に行われる開回路電圧の測定は、誤解を与えるように高い第１の測定を提供する場合がある。経時的な開回路電圧測定の軌跡は、所定の軌跡と比較して、緩和期間の終了を判定することができる。少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップは、緩和期間の終了後に、開回路電圧測定に依存する。
【００１２】
成熟プロセスは、既知の抵抗が少なくとも１つの電池セルの陽極端子と負極端子との間に接続されるときの、少なくとも１つの抵抗測定電圧の測定を行うことをさらに含むことができる。少なくとも１つの電池セルの内部抵抗は、少なくとも１つの電池セルの開回路電圧の測定（すなわち、既知の抵抗が陽極端子と負極端子との間に接続されていないとき）、既知の抵抗が接続されるときの抵抗測定電圧の測定、および既知の抵抗のうちの１つに依存して決定することができる。代替的または追加的に、成熟プロセスは、少なくとも１つの電池セルの陽極端子と負極端子との間にＦＥＴなどの抵抗を接続することを含むことができる。少なくとも１つの電池セルの内部抵抗は、負荷が接続されるときに引き出された電流の測定、および端子間の電圧に依存して決定することができる。成熟プロセスは、内部抵抗と所定の抵抗値とを比較することをさらに含むことができ、少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップは、この比較に依存する。内部抵抗が所定の抵抗値より大きい場合に、完全性が損なわれていると判定することができる。過度に高い内部抵抗は、電解質アンダーフィルもしくは漏出、不十分な電極の接合、または不適当なＳＥＩ形成によって生じ得る。
【００１３】
複数のそのような内部抵抗は、それぞれの時間に行った測定に基づいて、離間された時間に決定することができる。成熟プロセスは、２つの内部抵抗の差と所定の内部抵抗差値とを比較することを含むことができ、少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップは、この比較に依存する。２つの内部抵抗間の差が所定の内部抵抗差値よりも大きい場合に、完全性が損なわれていると判定することができる。より具体的には、内部抵抗の変化率が所定の内部抵抗の変化率よりも大きい場合に、完全性が損なわれていると判定することができる。過度に高い内部抵抗の変化率は、電解質の漏出によって生じ得る。
【００１４】
成熟プロセスは、少なくとも１つの電池セルの温度を測定することをさらに含むことができる。少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップは、少なくとも１つの温度測定に依存することができる。より具体的には、測定温度は、所定の温度と比較することができる。測定温度が所定の温度よりも高い場合に、完全性が損なわれていると判定することができる。代替的または追加的に、第１の温度の測定および第２の温度の測定は、離間された時間に行うことができ、第１および第２の温度測定の間の温度差を決定することができ、温度差は、閾値温度差と比較される。温度差が閾値温度差よりも高い場合に、少なくとも１つの電池セルの完全性が損なわれていると判定することができる。過度に高い温度は、内部短絡によって生じ得る。
【００１５】
成熟プロセスは、開回路電圧、内部抵抗、および温度のうちの少なくとも１つの、時間を伴う第２の導関数を決定することをさらに含むことができる。完全性が損なわれているという判定は、二次導関数の分析に依存して行うことができる。より具体的には、二次導関数が所定の限度から外れる場合に、完全性が損なわれていると判定することができる。さらにまた、第２の導関数が、第１の所定の二次導関数未満である、および第２の所定の二次導関数を超える、のうちの１つである場合に、完全性が損なわれていると判定することができる。
【００１６】
少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップは、測定装置において行うことができる。少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップの結果は、遠隔場所に、より具体的には、遠隔場所の中央計算装置に移送することができる。その結果は、少なくとも１つの電池セルの完全性が損なわれていると識別することを含むことができる。代替的または追加的に、少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップは、測定装置から遠隔場所で、より具体的には、遠隔場所の中央計算装置で行うことができる。少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップの結果は、少なくとも１つの電池セルの完全性が損なわれていると識別することを含むことができる。
【００１７】
実際には、成熟プロセスは、複数の電池セルユニットの各々に同時に行うことができる。したがって、複数の電池セルユニットの各々から遠隔場所への通信が存在し得る。
【００１８】
成熟プロセスは、少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップに依存して、より具体的には、少なくとも１つの電池セルの完全性が損なわれていると判定されているときに、セル除去信号を提供することをさらに含むことができる。セル除去信号は、測定装置によって、または遠隔場所の中央計算装置によって提供することができる。セル除去信号の提供は、中央計算装置が備えているディスプレイなどを経由して、操作者が認知可能な出力を提供することを含むことができる。したがって、成熟プロセスから少なくとも１つの電池セルを除去する必要性を操作者に知らせることができる。
【００１９】
成熟プロセスは、少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップからの結果を、遠隔場所に、より具体的には、遠隔場所の中央計算装置に移送することをさらに含むことができる。少なくとも１つの電池セルの完全性を判定するステップからの結果は、無線で遠隔場所に移送することができる。測定装置は、それに応じて、以下でさらに説明されるように構成することができる。その結果は、少なくとも１つの電池セルの完全性が損なわれていると識別することを含むことができる。
【００２０】
成熟期間は、複数日の期間とすることができる。より具体的には、成熟期間は、少なくとも１週間、少なくとも２週間、または少なくとも３週間とすることができる。成熟期間中に、およびより具体的には、成熟期間の期間全体を通して、少なくとも１つの電池セルに、室温を超える、より具体的には、２５℃、３０℃、または３５℃を超える温度を受けさせることができる。少なくとも１つの電池セルは、成熟期間中に、温度制御環境に貯蔵することができる。成熟期間は、出荷期間の少なくとも一部を含むことができる。少なくとも１つの電池セルには、成熟期間の出荷の一部の間、温度制御環境を受けさせないことができる。代替的に、および状況が可能にする場合、少なくとも１つの電池セルに、成熟期間の出荷の一部の間、温度制御環境を受けさせることができる。
【００２１】
成熟プロセスは、複数の電池セルに行うことができ、この複数の電池セルは、一群の電池セルとして構成される。一群の電池セルは、所望のレベルの電圧または電流を提供するように電気的に接続されることができ、また、成熟プロセス後に、電池を使用すること、および可能性として他の複数群の電池セルと使用することができる。
【００２２】
測定装置は、電圧測定装置を備えることができる。電圧測定装置は、少なくとも１つの電池セルの端子間に抵抗を備えることができ、この抵抗は、電圧分割器構成の一部を形成する。測定装置は、電圧分割器構成からのアナログ出力をデジタル形式に変換するように動作する、アナログ−デジタル変換器をさらに備えることができる。測定装置は、本明細書で説明されるプロセスを行うように構成されたプロセッサをさらに備えることができる。プロセッサは、マイクロコントローラとすることができる。代替的または追加的に、プロセッサは、マイクロコントローラに加えて、またはその代わりに、電子回路を備えることができ、この電子回路は、本明細書で説明されるプロセスを行うように構成される。したがって、測定装置は、これらのプロセスを行うようにプログラムされた命令を有する構造および／または非一時的メモリを有する回路を備えることができる。
【００２３】
測定装置は、少なくとも１つの電池セルの温度を検出する温度センサをさらに備えることができる。温度センサからの出力は、上で説明したようにデジタル形式に変換することができる。
【００２４】
測定装置は、ＦＥＴまたは既知の値の抵抗などの負荷と、少なくとも１つの電池セルの正極端子および負極端子間に負荷とを接続するように動作するスイッチと、をさらに備えることができる。
【００２５】
測定装置は、通信装置、より具体的には、無線通信装置をさらに備えることができる。無線通信装置は、無線周波数の通信を提供するように構成することができる。通信装置は、遠隔場所での計算装置との通信を提供することができる。
【００２６】
測定装置を少なくとも１つの電池セルに組み込むことができる。より具体的には、形成プロセスの前など製造プロセスの前の段階中に、測定装置を少なくとも１つの電池セルに組み込むことができる。測定装置は、少なくとも１つの電池セルの構造に組み込まれることができ、それによって、測定装置は、少なくとも１つの電池セルの一体部である。測定装置は、形成充電プロセス中、または使用中などの製造プロセスの別の部中に使用されることができる。
【００２７】
少なくとも１つの電池セルは、リチウムイオンの電気化学的配列、より具体的には、リチウムイオンポリマーの電気化学的配列を含むことができる。
【００２８】
少なくとも１つの電池セルを電池内に備えることができ、それによって、成熟プロセスを電池に行うことができる。
【００２９】
本発明の第２の態様によれば、少なくとも１つの電池セルの製造プロセスが提供され、この製造プロセスは、少なくとも１つの電池セルに行われる形成プロセスと、本発明の第１の態様による成熟プロセスと、を含む。
【００３０】
本発明の第２の態様の実施形態は、本発明の第１の態様のうちの１つ以上の特徴を備えることができる。
【００３１】
本発明のさらなる態様によれば、少なくとも１つの電池セルの成熟プロセスが提供され、本プロセスは、少なくとも１つの電池セルに充電することと、少なくとも１つの電池セルに少なくとも１日の成熟期間を受けさせることであって、測定装置以外のいかなる電気負荷も、少なくとも１つの電池セルに接続されない、受けさせることと、測定装置によって少なくとも１つの電池セルの開回路電圧の少なくとも１つの測定を行うことと、少なくとも１つの測定に依存して、少なくとも１つの電池セルの完全性を判定することと、を含む。
【００３２】
本発明のさらなる態様の実施形態は、本発明の第１の態様のうちの１つ以上の特徴を備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
本発明のさらなる特徴および利点は、単なる例として与えられる以下の特定の説明から、および添付図面を参照して明らかになるであろう。
【００３４】
【図１】本発明の実施形態による成熟プロセスを含む、電池製造プロセスのブロック図の表現である。
【図２】成熟プロセス中に使用される電池および測定装置を表現する図である。
【図３】複数の電池を備える成熟構成を表現する図である。
【図４】電池に関する経時的な開回路電圧の第１のプロットである。
【図５】電池に関する経時的な開回路電圧の第２のプロットである。
【図６】電池に関する経時的な開回路電圧の第３のプロットである。
【図７】損なわれていない電池の特性である放電率のプロット、および損なわれた電池の特性である放電率のプロットを示す図である。
【図８】損なわれていない電池の特性である放電率の変化率のプロットを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明の実施形態による成熟プロセスを含む電池製造プロセスのブロック図の表現を図１に示す。電池製造プロセス１０は、電極の製造１２から始まり、その後に、スタッキング１４、次いで組み立て１６が続く。次いで、組み立てた構造は、１８で、電解質を充填し、封止する。その後に、電池に形成充電プロセス２０を受けさせる。形成充電プロセス２０は、新しく製造された電池の第１の充電サイクルを構成し、電池に慎重に制御された充電および放電サイクルを受けさせて、電池を使用するための準備を行うことを含む。形成充電プロセスが終了すると、電池に成熟プロセス２２を受けさせる。成熟プロセス２２は、下で詳細に説明する。成熟プロセス２２が終了すると、電池は、その後の使用２４のために梱包され、出荷される。図１〜３を参照する本説明は、電池に言及しているが、本説明は、電池セルまたは接続された一群の電池セルにも同様に適用することができる。
【００３６】
成熟プロセス２２中に使用される電池および測定装置３０の表現を図２に示す。測定装置３０は、電池３２の正極端子および負極端子間に接続される。測定装置３０は、組み立て１６中などの製造プロセス１０の初期の段階で、電池３２に組み込まれ、それによって、測定装置は、形成充電プロセス２０中、成熟プロセス２０、および電池の使用中に動作し、その後に、梱包および輸送２４が続く。測定装置３０は、測定回路３４を備える。測定回路３４は、電圧測定装置と、温度センサと、電圧分割器構成および温度センサからのアナログ出力をデジタル形式に変換するように動作するアナログ−デジタル変換器と、アナログ−デジタル変換器からデジタル信号を受信し、受信したデジタル信号を処理するプロセッサと、を備える。電圧測定装置は、電池の端子間に接続される既知の値の第１の抵抗を備え、この抵抗は、電圧分割器構成の一部を形成する。温度センサは、電池の温度を検出するように電池内に配置される。
【００３７】
測定装置３０は、既知の値の第２の抵抗３６と、電圧分割器構成の第１の抵抗に対して並列に電池の正極端子および負極端子間に第２の抵抗を接続するように動作する電気作動スイッチ３８と、をさらに備える。第２の抵抗３６は、スイッチ３８を経由して正極端子および負極端子に接続および接続解除され、このスイッチは、プロセッサによって制御される。第２の抵抗３６の接続および接続解除は、電池の内部抵抗の測定を提供する。第１の電圧は、第２の抵抗３６が接続解除されるときに測定回路３４を経由して測定され、第２の電圧は、第２の抵抗が接続されるときに測定回路を経由して測定される。プロセッサは、第１および第２の電圧の差を決定するように動作し、内部抵抗は、第１および第２の抵抗の抵抗値が知られていることを考慮してプロセッサ上で決定される。代替的な手法では、第２の抵抗の代わりにＦＥＴが使用され、ＦＥＴが接続されると、引き出された電流および端子間の電圧が測定される。電流測定回路の設計は、当業者の通常の設計能力の範囲内である。内部抵抗は、測定電流および測定電圧に依存して決定される。
【００３８】
測定装置３０は、データの測定装置への、およびそこからの通信を提供する、無線周波数通信トランシーバ４０をさらに備える。第１の形態では、測定装置から通信されるデータは、電池状態データを含む。電池状態データは、成熟プロセス中に電池セルの完全性が損なわれていると判定される場合にプロセッサによって生成される、セル除去信号を含む。電池は、プロセッサにおいて行われる以下で説明する電池完全性判定に依存して、完全性が損なわれていると判定される。第２の形態では、電池完全性判定が他の場所で行われる場合、測定装置から通信されるデータは、周期電圧、温度、および内部抵抗の測定値を含む。
【００３９】
成熟構成５０の表現を図３に示す。成熟構成５０は、成熟プロセス中に温度制御環境に貯蔵される複数の電池５２を備える。温度制御環境は、成熟プロセス中に４０℃の温度を維持する。成熟プロセスは、成熟を受ける電池５２のタイプに応じて、数日〜１ヵ月間の期間を有する。電池５２の各々は、図２を参照して上で説明したとおりである。さらにまた、電池５２の各々の正極端子および負極端子は、外部装置に電気的に接続されず、それによって、測定装置３０は、電気負荷のみを電池に適用する。ストリップ形状の無線周波アンテナ５４は、複数の電池５２の各々の無線周波数通信トランシーバ４０に隣接して延在するように配置される。無線周波アンテナ５４は、温度制御環境内に設置された通信インターフェースモジュール５６に電気的に結合される。したがって、複数の電池５２は、互いに電気的に絶縁されている。
【００４０】
通信インターフェースモジュール５６は、遠隔計算装置５８とデータ通信する。遠隔計算装置５８は、複数の電池５２の各々が備えている測定装置３０の管理制御を提供するように動作する。遠隔計算装置５８は、複数の電池５２の各々が備えている測定装置３０からデータを受信するように動作する。上で説明した第１の形態によれば、電池の完全性が損なわれていると判定する場合、遠隔計算装置５８は、セル除去信号を含む電池状態データを受信する。遠隔計算装置５８は、セル除去信号の受信に応じて、中央計算装置が備えているディスプレイなどを経由して、操作者が認知可能な出力を提供する。したがって、成熟プロセスから問題のある電池を除去する必要性が操作者に知らされる。上述した第２の形態によれば、遠隔計算装置５８は、周期電圧、温度、および内部抵抗の測定値を含む、測定装置から通信されるデータを受信する。周期電圧、温度、および内部抵抗の測定値は、遠隔計算装置５８において処理されて、以下で説明する電池完全性判定を行う。完全性が損なわれた電池の識別に応じて、遠隔計算装置５８は、操作者が認知可能な出力を提供するように動作し、それによって、成熟プロセスから問題のある電池を除去する必要性が操作者に知らされる。
【００４１】
以下、成熟プロセス２０中に行われる電池完全性判定を、図４〜図６を参照して説明する。電池の経時的な開回路電圧の第１のプロットを図４に示す。電池の開回路電圧は、図４において丸で示されるように一定間隔で測定され、測定装置３０は、ｔ0で開始し、
【数１】
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で終了する。電池は、充電の直後に緩和期間を受け、それによって、充電後に行った開回路電圧の測定は、完全性が損なわれているという誤った判定につながる、誤解を与えるように高い測定を提供する。一定間隔での開回路電圧の測定は、開回路電圧の経時的な軌跡の判定を提供する。軌跡の初期を分析して、緩和期間の終了を判定する。緩和期間の終了は、図４において水平の点線７２によって示される。緩和期間の終了の判定は、図５を参照して以下で説明する。次いで、緩和期間の終了後に行われる開回路電圧の測定に基づいて、自己放電率を決定し、それによって、緩和期間の終了と、垂直点線７４によって示される
【数２】
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との間の開回路電圧ΔＶを決定する。これに加えて、緩和期間の終了後の開回路電圧の軌跡と所定の軌跡とを比較して、内部抵抗の増加、不適当なＳＥＩ形成、電解質アンダーフィルまたは漏出、および内部短絡を表し得る異常な軌跡を識別する。軌跡の比較は、成熟期間の終了前に、完全性が損なわれた電池の識別を提供することができる。
【００４２】
電池の経時的な開回路電圧の第２のプロットを図５に示す。図５は、緩和期間を例示する役割を果たす。ｔ0とｔsとの間の時間は、緩和期間の後半を構成する。図５から認識することができるように、ｔ0と
【数３】
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との間の開回路電圧の降下ΔＶは、ｔsと
【数４】
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との間の開回路電圧の降下よりもはるかに高く、それによって、ΔＶは、誤解を招くように高くなる。上述したように、緩和期間の終了は、より適切に反映する開回路電圧の降下を決定するための基礎として判定される。緩和期間の終了は、開回路電圧軌跡の初期と、電池のタイプに関する緩和の特性である所定の軌跡とを比較することによって判定される。
【００４３】
電池の経時的な開回路電圧の第３のプロットを図６に示す。図６は、成熟期間の初期における完全性の損なわれた電池の識別を例示する役割を果たす。ここで、開回路電圧は、図６のより上方の点線７６によって示されるように、ｔ0から測定を行い、緩和期間は、ｔ0によってすでに終了している。過度に高い放電の判定に使用される所定の電圧閾値を、図６のより下方の点線７８によって示す。図６から分かるように、成熟期間中の開回路電圧の複数の測定は、いつ開回路電圧が、成熟期間全体の約２０％である時間ｔfにおける所定の電圧閾値と交差するのかを検出する。対照的に、既知の成熟プロセスは、成熟期間の終了後に、過度に高い放電があると判定する。
【００４４】
以下、完全性が損なわれていることを含む５つの異なるシナリオを説明する。５つのシナリオについて、２つの典型的セル、すなわちセルＡおよびセルＢは、２５℃で以下の特性を有する：
【表１】
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【００４５】
第１のシナリオ
内部自己放電が高過ぎ、それによって、ある期間の後に開回路電圧が所定の電圧よりも多く降下する。ここでは、電池セルの開回路電圧は、離間された時間で測定し、電圧の変化を閾値電圧差と比較する：
【表２】
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【００４６】
第２のシナリオ
内部自己放電が高過ぎ、それによって、経時的な開回路電圧の変化の勾配が高過ぎる。軌跡を追跡することによって、判定は、電池セルが緩和期間であるとき、定常状態であるとき、または自己放電しているときに行われる。３０％のＳＯＣで、セルを緩和した後に、以下の放電率限度が予想される：
【表３】
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【００４７】
放電は、直接測定されない。代わりに、開回路電圧を放電の指標として使用する。放電率は、図７に示されるプロットによって、開回路電圧に関連付けられる。経時的な開回路電圧は、所定の上限曲線８０および下限曲線８２と比較して、開回路電圧が上限曲線と下限曲線との間に入っているかどうかを判定する。図７の第１のプロット８４は、上限曲線８０と下限曲線８２との間に入っており、したがって、完全性が損なわれていないと判定される。図７の第２のプロット８６は、下限曲線８２未満になっており、したがって、完全性が損なわれていると判定される。上限曲線８０および下限曲線８２は、特定の電池のタイプに特徴的である。これに加えて、開回路電圧の経時的な二次導関数を分析して、正の変化率と損なわれた電池セルを表す負の変化率との間での変化などの、さらなる情報が明らかになる。二次導関数の使用を図８に例示する。開回路電圧の二次導関数は、所定の上限率曲線９０および下限率曲線９２と比較して、二次導関数が上限率曲線と下限率曲線との間に入っているかどうかを判定する。図８から分かるように、例示的なプロット９４は、上限率曲線９０と下限率曲線９２との間に入っており、それによって、この点では完全性が損なわれていないと判定される。
【００４８】
第３のシナリオ
内部抵抗が高過ぎ、それによって、内部抵抗が所定の閾値を超える。上述したように、これは、電解質のアンダーフィル／漏出、不十分な電解質の接合、または不適当なＳＥＩ形成によって生じ得る。第２の抵抗が１オームである場合、第２の抵抗が接続解除されるときに開回路電圧を測定し、第２の抵抗が上述したように接続されるときに開回路電圧を再度測定する。ある状況下で、および測定電流が十分に有意なものである場合、本明細書で説明される他の完全性試験が、測定電流を考慮するように適合される。
【表４】
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【００４９】
第４のシナリオ
経時的な内部抵抗の変化の勾配が高過ぎる。これは、電解質の漏出によって生じ得る。複数の内部抵抗を経時的に測定する。
【表５】
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【００５０】
第５のシナリオ
電池セルは、バッテリセルの温度の変化が閾値よりも大きい内部短絡を有する。温度は、上述したように、離間された時間に測定し、閾値と比較する。
【表６】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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