JP7443646B2 - 二次電池性能推定装置、システムおよびその方法 - Google Patents
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関連出願との相互参照
本出願は、２０２０年９月２９日付の韓国特許出願第１０－２０２０－０１２６８４８号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本出願は、２０２０年９月２９日付の韓国特許出願第１０－２０２０－０１２６８４８号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、二次電池の性能を推定する装置、システムおよびその方法に関する。
リチウム二次電池の需要が小型携帯用電子機器から中大型電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）とエネルギー貯蔵装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ、ＥＳＳ）に変化するに伴い、要求される電池特性も大きく変化している。１０年以上の長期信頼性、パックレベルの安全性、価格競争力の確保など既存の小型電池より大きく強化された要求条件だけでなく、高出力特性および急速充電性能も要求されている。
最近、電子の移動速度を改善したり、イオンの移動速度を改善したりして出力を向上させようとする試みがある。例えば、電子の移動速度を改善するために導電性を高める技術に関する研究が行われたり、イオン（Ｌｉ＋）の移動速度を改善するために新規物質を添加したりするなどの多様な試みがある。これに伴って必要なのは、電子またはイオン（Ｌｉ＋）の移動速度の改善により二次電池の出力がどれだけ向上したかを測定または推定する方法である。
しかし、二次電池の出力を測定するためには、電圧と電流が同時に測定され制御されなければならないため、既存の単位バッテリセル容量（Ｃａｐａｃｉｔｙ）の測定よりはるかに難しい。また、二次電池の出力を測定する方法の選択だけでなく、出力保持時間、充電状態（Ｓｔａｔｅ－ｏｆ－Ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）、Ｃｕｔ－ｏｆｆ条件、測定温度などの測定条件によってもその測定値が大きく変化する傾向があるので、問題として指摘されている。
したがって、イオンの移動速度の改善などにより二次電池の出力性能または急速充電性能がどれだけ向上したか、簡便で精度高く推定できる方法が必要である。
本発明は、イオンの移動によって発生する抵抗である分極抵抗（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、Ｒｐｏｌａ）に基づいて、イオンの移動速度の改善による二次電池の出力向上を推定する二次電池性能推定装置、システム、およびその方法を提供する。
本発明は、二次電池を定電流（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ；ＣＣ）モードおよび定電圧（Ｃｏｎsｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ；ＣＶ）モードで放電し、定電圧（ＣＶ）モードで二次電池から出力される放電電流に基づいて分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）を数値化する二次電池性能推定装置、システム、およびその方法を提供する。
本発明は、分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）値が予め設定された基準値未満であれば、検証対象の二次電池が予め設定された出力性能を超えると判断する二次電池性能推定装置、システム、およびその方法を提供する。
本発明の一特徴による装置は、二次電池が所定の基準電圧で定電圧放電される放電期間に前記二次電池から出力される放電電流を測定する電流センサと、前記基準電圧および時間経過による前記放電電流の変化に基づいて前記放電期間のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）変化による抵抗変化の関係を算出する制御部とを含み、前記制御部は、前記放電期間のＳＯＣ変化による抵抗変化の関係に基づいて、前記二次電池の電圧降下による抵抗である第１抵抗、前記放電期間に前記二次電池の活物質内にイオンが挿入されることによって発生する抵抗である第２抵抗、前記二次電池においてイオンの移動によって発生する分極抵抗である第３抵抗それぞれの抵抗値を算出する。
前記制御部は、前記放電期間のＳＯＣ変化による抵抗変化の関係において、前記放電期間の始点の抵抗値を前記第１抵抗に対する抵抗値とし、前記放電期間の始点の抵抗値に対応する第１ポイントと、前記ＳＯＣ変化に対する前記抵抗変化の関係における前記ＳＯＣ変化に対する前記抵抗変化の比率が第１基準値を超える第２ポイントとを結ぶ延長線において、前記放電期間の終点での抵抗値を前記第２抵抗の上限値として算出し、前記第２抵抗の上限値と前記第１抵抗の抵抗値との差に基づいて前記第２抵抗の抵抗値を算出することができる。
前記制御部は、前記放電期間の終点の抵抗値と前記第２抵抗値の上限値との差に基づいて前記第３抵抗の抵抗値を算出することができる。
前記制御部は、前記第３抵抗の抵抗値を第２基準値と比較して、前記二次電池の出力性能を判断することができる。
前記二次電池の電圧を測定して前記制御部に伝達する電圧センサをさらに含むことができる。
本発明の他の特徴によるシステムは、二次電池を所定の基準電圧で定電圧放電させる放電器と、前記二次電池が放電される放電期間に前記二次電池から出力される放電電流を測定する電流センサと、前記基準電圧および時間経過による前記放電電流の変化に基づいて前記放電期間のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）変化による抵抗変化の関係を算出する制御部とを含み、前記制御部は、前記放電期間のＳＯＣ変化による抵抗変化の関係に基づいて、前記二次電池の電圧降下による抵抗である第１抵抗、前記放電期間に前記二次電池の活物質内にイオンが挿入されることによって発生する抵抗である第２抵抗、前記二次電池においてイオンの移動によって発生する分極抵抗である第３抵抗それぞれの抵抗値を算出する。
前記制御部は、前記放電期間のＳＯＣ変化による抵抗変化の関係において、前記放電期間の始点の抵抗値を前記第１抵抗に対する抵抗値とし、前記放電期間の始点の抵抗値に対応する第１ポイントと、前記ＳＯＣ変化に対する前記抵抗変化の関係における前記ＳＯＣ変化に対する前記抵抗変化の比率が第１基準値を超える第２ポイントとを結ぶ延長線において、前記放電期間で抵抗値を前記第２抵抗の上限値として算出し、前記第２抵抗の上限値と前記第１抵抗の抵抗値との差に基づいて前記第２抵抗の抵抗値を算出することができる。
前記制御部は、前記放電期間の終点の抵抗値と前記第２抵抗値の上限値との差に基づいて前記第３抵抗の抵抗値を算出することができる。
前記放電器は、前記制御部の制御で前記二次電池を所定の定電流で放電させて、前記基準電圧に対応するように前記二次電池の電圧を低くすることができる。
本発明のさらに他の特徴による方法は、二次電池が所定の基準電圧で定電圧放電されるように制御する段階と、前記二次電池が放電される放電期間に前記二次電池から出力される放電電流の測定値を受信する段階と、前記基準電圧および時間経過による前記放電電流の変化に基づいて前記放電期間のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）変化による抵抗変化の関係を算出する段階と、前記放電期間のＳＯＣ変化による抵抗変化の関係に基づいて、前記二次電池の電圧降下による抵抗である第１抵抗、前記放電期間に前記二次電池の活物質内にイオンが挿入されることによって発生する抵抗である第２抵抗、前記二次電池においてイオンの移動によって発生する分極抵抗である第３抵抗それぞれの抵抗値を算出する抵抗値算出段階とを含む。
前記抵抗値算出段階は、前記放電期間の始点の抵抗値を前記第１抵抗に対する抵抗値として算出する段階と、前記放電期間の始点の抵抗値に対応する第１ポイントと、前記ＳＯＣ変化に対する前記抵抗変化の関係における前記ＳＯＣ変化に対する前記抵抗変化の比率が第１基準値を超える第２ポイントとを結ぶ延長線において、前記放電期間の終点での抵抗値を前記第２抵抗の上限値として算出し、前記第２抵抗の上限値と前記第１抵抗の抵抗値との差に基づいて前記第２抵抗の抵抗値を算出する段階と、前記放電期間の終点の抵抗値と前記第２抵抗値の上限値との差に基づいて前記第３抵抗の抵抗値を算出する段階とを含むことができる。
本発明は、二次電池の研究および生産段階で検証対象の二次電池が予め設定された出力性能を通過するか否かを数値化された分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）値により簡単に判断することができる。
以下、添付した図面を参照して、本明細書に開示された実施例を詳細に説明し、同一または類似の構成要素には同一、類似の図面符号を付し、これに関する重複した説明は省略する。以下の説明で使用される構成要素に対する接尾辞「モジュール」および／または「部」は、明細書作成の容易さだけが考慮されて与えられたり混用されたりするものであって、それ自体で互いに区別される意味または役割を有するものではない。また、本明細書に開示された実施例を説明するにあたり、かかる公知の技術に関する具体的な説明が本明細書に開示された実施例の要旨をあいまいにしうると判断された場合、その詳細な説明を省略する。さらに、添付した図面は本明細書に開示された実施例を容易に理解できるようにするためのものに過ぎず、添付した図面によって本明細書に開示された技術的な思想が制限されず、本発明の思想および技術範囲に含まれるあらゆる変更、均等物または代替物を含むことが理解されなければならない。
第１、第２などのように序数を含む用語は多様な構成要素を説明するのに使用できるが、前記構成要素は前記用語によって限定されない。前記用語は１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使用される。
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるか、「接続されて」いると言及された時には、その他の構成要素に直接的に連結されているか、または接続されていてもよいが、中間に他の構成要素が存在してもよいことが理解されなければならない。これに対し、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いるか、「直接接続されて」いると言及された時には、中間に他の構成要素が存在しないことが理解されなければならない。
本出願において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないことが理解されなければならない。
図１は、一実施例による二次電池の性能を推定するシステムを説明する図である。
図１を参照すれば、二次電池性能推定システム１００は、二次電池１０と、放電器２０と、電圧センサ３０と、電流センサ４０と、リレー５０と、制御部６０とを含むことができる。
二次電池（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）１０は、充電および放電可能な１つ以上の電気化学的セルから構成されたバッテリである。以下、二次電池（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）１０は、リチウムの化学的反応で電気を生産するリチウムイオン（Ｌｉ－ｉｏｎ）二次電池として説明するが、これに限定されるものではなく、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）などの充電および放電可能な二次電池を含むことができる。
二次電池は、正極（ａｎｏｄｅ）、負極（ｃａｔｈｏｄｅ）、電解液（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）、および分離膜（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）から構成される。
正極は、正極の構成を整える薄いアルミニウム基材に正極活物質と導電剤、そしてバインダーが混合された合剤が塗布される。正極活物質は、リチウムイオン（Ｌｉ＋）を含んでいる物質で、元素状態では不安定なリチウムが酸素と結合したリチウム酸化物などである。つまり、正極活物質は、充電時にリチウムイオン（Ｌｉ＋）を提供し、実際にバッテリの電極反応に関与する物質である。導電剤は、電気伝導性が低い正極活物質の導電性を高める機能をする。バインダーは、アルミニウム基材に活物質と導電剤がうまく定着できるように補助する一種の接着の役割を果たす。
負極は、銅基材に負極活物質、導電剤、バインダーが塗布される。負極活物質は、充電時にリチウムイオン（Ｌｉ＋）を貯蔵し、主に安定した構造を有する黒鉛（Ｇｒａｐｈｉｔｅ）が使用される。黒鉛は、負極活物質が有するべき多くの条件である構造的安定性、低い電子化学反応性、リチウムイオン（Ｌｉ＋）を多く貯蔵できる条件を整えている。負極活物質は、正極から出たリチウムイオン（Ｌｉ＋）を可逆的に吸収および放出しながら外部回路を介して電流を流す役割を果たす。
電解液は、正極と負極との間でリチウムイオン（Ｌｉ＋）を移動できるようにする媒体である。電解液は、リチウムイオン（Ｌｉ＋）をよく移動させることができるようにイオンの伝導度が高い物質が主に使用できる。電解液は、塩、溶媒、添加剤から構成される。塩は、リチウムイオン（Ｌｉ＋）が通過できる移動通路であり、溶媒は、塩を溶解させるために使用される有機液体であり、添加剤は、特定の目的のために少量添加される物質である。
分離膜は、多孔性高分子フィルムで正極と負極が互いに混合されないように物理的に遮断する役割を果たす。また、分離膜（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）に形成された気孔を通してリチウムイオン（Ｌｉ＋）が移動できる。例えば、正極と負極とが直接接触する場合、バッテリは短絡または爆発することがある。
二次電池１０は、使用される環境に応じて要求される性能が多様である。例えば、二次電池１０の出力性能は、単位時間に対する電気エネルギーを提供する能力である。例えば、スマートフォンで電話通話を実行する場合に要求される電気エネルギーより、動画を実行する時に要求される電気エネルギーがさらに大きく、この時、スマートフォンに電気エネルギーを提供する二次電池１０の出力も対応して決定される。例えば、電子の移動速度を改善したり、またはリチウムイオン（Ｌｉ＋）の移動速度が改善されたりすると、二次電池１０が提供可能な出力も改善できる。
放電器２０は、二次電池１０の出力性能または急速充電性能を推定するために、二次電池１０を定電流（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ；ＣＣ）で放電した後、所定の基準電圧で定電圧（Ｃｏｎｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ；ＣＶ）放電させることができる。放電器２０は、制御部６０の制御で二次電池１０を放電させることができるが、これに限定されるものではなく、独立した放電回路、電流センサ、および電圧センサなどを含むことで、予め設定された段階により二次電池１０を放電させることができる。
この時、定電流（ＣＣ）から定電圧（ＣＶ）に放電モードを変更する変曲点である基準電圧は、リチウムイオン（Ｌｉ＋）の移動によって発生する分極抵抗（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔｏｒ）がよく観察される電圧値または出力性能を確認しようとするＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）に対応する電圧値に設定可能である。また、放電器２０は、二次電池１０のＳＯＣが予め設定されたＳＯＣ値に到達すれば、二次電池１０の放電を終了することができる。
電圧センサ３０は、二次電池１０の電圧を所定の時間間隔またはリアルタイムに測定して制御部６０に伝達することができる。
電流センサ４０は、二次電池１０から出力される電流である放電電流を測定して制御部６０に伝達することができる。実施例により、電流センサ４０は、二次電池１０が所定の基準電圧で定電圧（Ｃｏｎｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ；ＣＶ）放電される放電期間に二次電池１０から出力される電流である放電電流を所定の時間間隔またはリアルタイムに測定して制御部６０に伝達することができる。
リレー５０は、制御部６０の制御で二次電池１０と放電器２０とを電気的に連結または分離することができる。例えば、制御部６０は、リレー５０をオン（ＯＮ）させる制御信号を伝達して、二次電池１０と放電器２０とを連結して二次電池１０を所定の時間連続放電させることができる。
制御部６０は、基準電圧および時間経過による放電電流の変化に基づいて放電期間の充電状態（ＳＯＣ）変化による抵抗変化の関係を算出する。また、制御部６０は、放電期間の充電状態（ＳＯＣ）変化による抵抗変化の関係に基づいて、二次電池１０の電気的特性による抵抗である第１抵抗、放電期間に前記二次電池の活物質内にリチウムイオン（Ｌｉ＋）が挿入されることによって発生する抵抗である第２抵抗、二次電池１０においてリチウムイオン（Ｌｉ＋）の移動によって発生する分極抵抗である第３抵抗それぞれの抵抗値を算出することができる。より詳しい説明は、以下、図２～図５で一緒に説明する。
図２は、一実施例による二次電池の性能を推定する方法を説明するフローチャートであり、図３は、一実施例により二次電池を定電流（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ；ＣＣ）モードで放電した後、定電圧（Ｃｏｎｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ；ＣＶ）モードで放電しながら二次電池から出力される放電電流を測定した値に対応するグラフであり、図４は、図３の電流－時間グラフを抵抗－ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）に変換したグラフであり、図５は、図４のグラフにおいて分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）を算出する方法を説明する図である。
図２を参照すれば、まず、制御部６０は、放電器２０を制御して二次電池１０の電圧が予め設定された基準電圧まで低くなるように、二次電池１０を定電流（ＣＣ）で放電させる（Ｓ１１０）。
例えば、正極添加剤、正極の空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）、負極活物質などを変更してリチウムイオン（Ｌｉ＋）の移動速度が改善されると、二次電池１０の出力も改善される。二次電池１０が所定の時間連続的に放電されて二次電池１０の充電状態（ＳＯＣ）が減少して特定の数値（例えば、ＳＯＣ３０％など）に到達すれば、出力性能が急激に低下する区間が発生しうる。この時、研究者などは、正極添加剤、正極の空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）、負極活物質などを変更して当該区間での二次電池１０の出力性能がどれだけ改善されたかを確認しようとすることができる。この時、その区間の始点を二次電池１０の充電状態（ＳＯＣ）に設定することができる。また、その充電状態（ＳＯＣ）に対応する電圧値を基準電圧に設定することができる。
次に、制御部６０は、放電器２０を制御して二次電池１０を定電圧（ＣＶ）で放電させる（Ｓ１２０）。
実施例により、制御部６０は、二次電池１０の充電状態（ＳＯＣ）を基準として二次電池１０を定電圧（ＣＶ）で放電させる放電区間を設定することができる。例えば、制御部６０は、二次電池１０のリアルタイム充電状態（ＳＯＣ）が第１充電状態（ＳＯＣ）（例えば、ＳＯＣ３５％）に到達すれば、二次電池１０の定電圧（ＣＶ）放電を開始するように放電器２０を制御する。また、制御部６０は、二次電池１０のリアルタイム充電状態（ＳＯＣ）が第２充電状態（ＳＯＣ）（例えば、ＳＯＣ２０％）に到達すれば、二次電池１０の定電圧（ＣＶ）放電を終了するように放電器２０を制御する。つまり、制御部６０は、始点がＳＯＣ３５％、そして終点がＳＯＣ２０％に設定される放電区間で二次電池１０を定電圧（ＣＶ）で放電させることができる。この時、放電区間に対応する時間は放電期間と定義する。
次に、制御部６０は、放電期間に前記二次電池から出力される放電電流の測定値を電流センサから受信する（Ｓ１３０）。
実施例により、電流センサ４０は、二次電池１０が所定の基準電圧で定電圧（Ｃｏｎｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ；ＣＶ）放電される放電期間に二次電池１０から出力される電流である放電電流を所定の時間間隔またはリアルタイムに測定して制御部６０に伝達することができる。
図３は、充電状態（ＳＯＣ）が３５％、基準電圧が２．５Ｖの時点で二次電池１０の定電圧（ＣＶ）放電を開始し、充電状態（ＳＯＣ）が２０％に到達した時、二次電池１０の放電を終了した実験条件で算出された時間経過による放電電流を示す。制御部６０は、電流センサから受信した放電電流の測定値を図３のようなグラフで算出することができる。
次に、制御部６０は、時間経過による放電電流に基づいてリチウムイオン（Ｌｉ＋）の移動によって発生する分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）を算出する（Ｓ１４０）。
実施例により、二次電池１０を定電圧（ＣＶ）で放電させると、つまり、電圧を一定に維持しながら放電させると、図３のような電流変化を観察することができる。そして、制御部６０は、放電期間における図３のグラフの各地点でのＳＯＣを推定することができる。定電圧（ＣＶ）放電であるので、電圧は一定であり、時間経過による電流変化は図３から見つけることができ、また、各時間に対応するＳＯＣ値も知ることができるので、制御部６０は、放電期間のＳＯＣ変化による抵抗変化の関係を導出することができる。例えば、制御部６０は、図３に基づいて放電期間のＳＯＣ変化による抵抗変化の関係を図４のようなグラフで算出することができる。
図５は、図４に示されたグラフにおいて分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）を算出する方法を示す図である。まず、制御部６０は、放電期間のＳＯＣ変化による抵抗変化の関係に基づいて、二次電池１０の電圧降下による抵抗である第１抵抗（Ｒｏｈｍｉｃ）の抵抗値を算出する。第１抵抗（Ｒｏｈｍｉｃ）の抵抗値は、二次電池１０の電気的特性により導出される電気的抵抗（Ｒｏｈｍ）、電荷転送（ｃｈａｒｇｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）抵抗（Ｒｃｔ）、および開放電圧（ＯＣＶ、Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）変化による抵抗（Ｒｏｃｖ）の抵抗値の合算値に対応する。
例えば、第１抵抗（Ｒｏｈｍｉｃ）は、二次電池１０を定電圧（ＣＶ）で放電させると、約０．１秒内に発現できる。したがって、制御部６０は、図５のグラフにて、放電期間の始点、より正確には始点から０．１秒後に発現する抵抗値を第１抵抗（Ｒｏｈｍｉｃ）に対する抵抗値とすることができる。
制御部６０は、二次電池１０の活物質内にイオンが挿入されることによって発生する抵抗である第２抵抗（Ｒｄｉｆｆ）を算出する。また、第２抵抗（Ｒｄｉｆｆ）は、他の表現で電解質の拡散（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）による抵抗（Ｒｄｉｆｆ）とも定義される。
図５を参照すれば、制御部６０は、放電期間の始点の抵抗値に対応する第１ポイントＰ１と、ＳＯＣ変化に対する抵抗変化の関係におけるＳＯＣ変化に対する抵抗変化の比率が第１基準値を超える第２ポイントＰ２とを結ぶ延長線Ｓにおいて、放電期間の終点Ｐ３での抵抗値（例えば、９ｏｈｍ）を第２抵抗（Ｒｄｉｆｆ）の上限値として算出することができる。制御部６０は、第２抵抗（Ｒｄｉｆｆ）の上限値と第１抵抗（Ｒｏｈｍｉｃ）の抵抗値（例えば、１．２ｏｈｍ）との差（９－１．２＝７．８ｏｈｍ）に基づいて第２抵抗（Ｒｄｉｆｆ）の抵抗値（例えば、７．８ｏｈｍ）を算出することができる。ここで、第２ポイントＰ２は、ＳＯＣ変化による抵抗変化の関係グラフにおいて傾きの変化が急激な地点、つまり、傾きが所定の第１基準値を超える地点と定義することができる。
制御部６０は、二次電池においてイオンの移動によって発生する分極抵抗である第３抵抗（Ｒｐｏｌａ）を算出する。制御部６０は、図５を参照すれば、放電期間の終点Ｐ４の抵抗値（例えば、１４．８ｏｈｍ）と第２抵抗値の上限値（例えば、９ｏｈｍ）との差（１４．８－９＝５．８ｏｈｍ）に基づいて第３抵抗（Ｒｐｏｌａ）の抵抗値（例えば、５．８ｏｈｍ）を算出することができる。
次に、制御部６０は、分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）値を基準値と比較する（Ｓ１５０）。
実施例により、完全組立てられた二次電池において期待する性能指数がある場合、当該性能指数に対応する分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）値を基準値として算定することができる。すると、制御部６０は、測定された電極の分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）値と基準値とを比較することによって、検証対象である電極を含む二次電池が基準性能を通過（ＰＡＳＳ）するか、または通過しない（ＦＡＩＬ）かを判断することができる。
次に、分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）値が基準値未満であれば（Ｓ１５０、Ｙｅｓ）、制御部６０は、当該電極を含む二次電池の性能は完全組立てられた二次電池において期待する性能指数を通過（ＰＡＳＳ）すると判断する（Ｓ１６０）。
次に、分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）値が基準値以上であれば（Ｓ２１５、Ｎｏ）、制御部６０は、当該電極を含む二次電池の性能は完全組立てられた二次電池において期待する性能指数を通過しない（ＦＡＩＬ）と判断する（Ｓ１７０）。
図６～図１３、分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）と出力性能との相関関係を示す実験の結果である。
図６および図７は、常温および低温で二次電池の性能を比較するために実験した結果を示す。
図６は、常温（例えば、２５℃）および所定の開始条件（１５Ｃおよび２．５Ｖ）下、定電圧（ＣＶ）で複数の電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄそれぞれに対して放電テストを行って導出された、放電期間のＳＯＣ変化による抵抗変化の関係を示す。図７は、低温（例えば、－１０℃）および所定の開始条件（５．５Ｃおよび２．５Ｖ）下、定電圧（ＣＶ）で複数の電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄそれぞれに対して放電テストを行って導出された、放電期間のＳＯＣ変化による抵抗変化の関係を示す。複数の電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄおよびその他の条件を同一にし、温度および開始条件のみ異ならせて放電テストを行った結果である。放電テストは、二次電池を定電流（ＣＣ）および定電圧（ＣＶ）で放電し、定電圧（ＣＶ）で放電する期間である放電期間に二次電池から出力される放電電流を測定するものである。
表１は、図６および図７に基づいて算出された複数の電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄそれぞれの連続放電出力の放電終了電流（Ｅｎｄ Ｉ）および分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）値を示す。表１を参照すれば、温度および開始条件に関係なく、分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）値が低いほど（Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ）、放電終了電流（Ｅｎｄ Ｉ）値が高いことが分かる。この時、二次電池の連続放電出力性能は、放電終了電流（Ｅｎｄ Ｉ）値が高いほど良い。
したがって、分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）は、温度に関係なく、二次電池の性能を示す因子であることを確認することができる。
図８および図９は、負極の空隙率が異なる場合、分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）に基づいて二次電池の充電性能を比較するグラフである。具体的に説明すれば、図８および図９は、分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）と充電終了ＳＯＣとの相関関係を示す一例示図である。
一実施例によれば、数値化された分極抵抗は、二次電池の充電性能の一つである充電終了ＳＯＣに関連づけられている。例えば、負極の空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）を高める場合、イオンの移動速度が改善されて分極抵抗は減少し、その結果、充電終了ＳＯＣも改善される。つまり、二次電池１０を連続充電する場合、数値化された分極抵抗は、充電終了ＳＯＣ地点の性能を予測する指標として使用できる。これに対する実験の結果は以下の通りである。
図８および図９を参照すれば、第１電極Ａは、空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）が２６％であり、第２電極Ｂは、空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）が３０％である。
表２は、図９のグラフを図５で説明した方法で算出した第１電極Ａおよび第２電極Ｂの分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）値を示す。
図８および表２を参照すれば、第１電極Ａの分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）値が第２電極Ｂの分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）値より小さく、第１電極Ａの充電終了ＳＯＣ値が第２電極Ｂの充電終了ＳＯＣ値より小さいことが分かる。
図１０および図１１は、正極添加剤が異なる場合、分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）に基づいて二次電池の出力性能を比較するグラフである。具体的に説明すれば、図１０および図１１は、分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）と放電終了電流（Ｅｎｄ Ｉ）との相関関係を示す一例示図である。
一実施例によれば、数値化された分極抵抗は、二次電池の放電時の出力性能の一つである放電終了電流（Ｅｎｄ Ｉ）に関連づけられている。例えば、正極添加剤を追加してイオンの移動速度が改善されると、分極抵抗は減少し、その結果、放電終了電流（Ｅｎｄ Ｉ）も改善される。つまり、二次電池１０を連続放電する場合、数値化された分極抵抗は、放電終了時点の出力性能を予測する指標として使用できる。これに対する実験の結果は以下の通りである。
図１０は、正極添加剤が添加されていない第１電極Ａと、正極添加剤が添加された第２電極Ｂに対する放電テストの結果である、時間の経過による放電電流値を示す。図１１は、図１０に基づいて第１電極Ａおよび第２電極ＢのＳＯＣ変化による抵抗変化を示す図である。
表３は、図１１のグラフを図５で説明した方法で算出した第１電極Ａと第２電極Ｂの分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）値と、放電テストで取得した第１電極Ａと第２電極Ｂの放電終了電流（Ｅｎｄ Ｉ）を示す。
表３を参照すれば、正極添加剤が添加されてイオンの伝導度が向上すれば、分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）が減少する（Ａ＞Ｂ）。そして、分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）が小さい第２電極Ｂが第１電極Ａより出力性能、つまり、放電終了電流（Ｅｎｄ Ｉ）が大きい（Ａ＜Ｂ）。
図１２および図１３は、正極の空隙率が異なる場合、分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）に基づいて二次電池の出力性能を比較するグラフである。具体的に説明すれば、図１２および図１３は、分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）と放電終了電流（Ｅｎｄ Ｉ）との相関関係を示す他の例示図である。
一実施例によれば、数値化された分極抵抗は、二次電池の放電時の出力性能の一つである放電終了電流（Ｅｎｄ Ｉ）に関連づけられている。例えば、正極の空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）を高める場合、イオンの移動速度が改善されて分極抵抗は減少し、その結果、放電終了電流（Ｅｎｄ Ｉ）も改善される。つまり、二次電池１０を連続放電する場合、数値化された分極抵抗は、放電終了時点の出力性能を予測する指標として使用できる。これに対する実験の結果は以下の通りである。
図１２は、正極の空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）が異なる複数の電極Ａ、Ｂ、Ｃに対する放電テストの結果である、時間の経過による放電電流値を示す。図１３は、図１２に基づいて複数の電極Ａ、Ｂ、ＣのＳＯＣ変化による抵抗変化を示す図である。
第１電極Ａは、空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）が２１％であり、第２電極Ｂは、空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）が２３％であり、第３電極Ｃは、空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）が３０％である。
表４は、図１３のグラフを図５で説明した方法で算出した複数の電極Ａ、Ｂ、Ｃに対する分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）および放電終了電流（Ｅｎｄ Ｉ）を示す。表４を参照すれば、空隙率が大きくなってイオンの伝導度が向上して分極抵抗（Ｒｐｏｌａ）値が低くなると（Ａ＞Ｂ＞Ｃ）、放電終了電流（Ｅｎｄ Ｉ）は増加する（Ａ＜Ｂ＜Ｃ）。
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲がこれに限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者が多様に変形および改良した形態も本発明の権利範囲に属する。
Claims (8)
- 二次電池が所定の基準電圧で定電圧放電される放電期間に前記二次電池から出力される放電電流を測定する電流センサと、
前記基準電圧および時間経過による前記放電電流の変化に基づいて前記放電期間のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）変化による抵抗変化の関係を算出する制御部とを含み、
前記制御部は、
前記放電期間のＳＯＣ変化による抵抗変化の関係に基づいて、前記二次電池の電圧降下による抵抗である第１抵抗、前記放電期間に前記二次電池の活物質内にイオンが挿入されることによって発生する抵抗である第２抵抗、前記二次電池においてイオンの移動によって発生する分極抵抗である第３抵抗それぞれの抵抗値を算出し、
前記制御部は、
前記放電期間のＳＯＣ変化による抵抗変化の関係において、
前記放電期間の始点の抵抗値を前記第１抵抗に対する抵抗値とし、
前記放電期間の始点の抵抗値に対応する第１ポイントと、前記ＳＯＣ変化に対する前記抵抗変化の関係における前記ＳＯＣ変化に対する前記抵抗変化の比率が第１基準値を超える第２ポイントとを結ぶ延長線において、前記放電期間の終点での抵抗値を前記第２抵抗の上限値として算出し、
前記第２抵抗の上限値と前記第１抵抗の抵抗値との差に基づいて前記第２抵抗の抵抗値を算出する、装置。 - 前記制御部は、
前記放電期間の終点の抵抗値と前記第２抵抗の上限値との差に基づいて前記第３抵抗の抵抗値を算出する、請求項１に記載の装置。 - 前記制御部は、
前記第３抵抗の抵抗値を第２基準値と比較して、前記二次電池の出力性能を判断する、請求項１または２に記載の装置。 - 前記二次電池の電圧を測定して前記制御部に伝達する電圧センサをさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
- 二次電池を所定の基準電圧で定電圧放電させる放電器と、
前記二次電池が放電される放電期間に前記二次電池から出力される放電電流を測定する電流センサと、
前記基準電圧および時間経過による前記放電電流の変化に基づいて前記放電期間のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）変化による抵抗変化の関係を算出する制御部とを含み、
前記制御部は、
前記放電期間のＳＯＣ変化による抵抗変化の関係に基づいて、前記二次電池の電圧降下による抵抗である第１抵抗、前記放電期間に前記二次電池の活物質内にイオンが挿入されることによって発生する抵抗である第２抵抗、前記二次電池においてイオンの移動によって発生する分極抵抗である第３抵抗それぞれの抵抗値を算出し、
前記制御部は、
前記放電期間のＳＯＣ変化による抵抗変化の関係において、
前記放電期間の始点の抵抗値を前記第１抵抗に対する抵抗値とし、
前記放電期間の始点の抵抗値に対応する第１ポイントと、前記ＳＯＣ変化に対する前記抵抗変化の関係における前記ＳＯＣ変化に対する前記抵抗変化の比率が第１基準値を超える第２ポイントとを結ぶ延長線において、前記放電期間で抵抗値を前記第２抵抗の上限値として算出し、
前記第２抵抗の上限値と前記第１抵抗の抵抗値との差に基づいて前記第２抵抗の抵抗値を算出する、システム。 - 前記制御部は、
前記放電期間の終点の抵抗値と前記第２抵抗の上限値との差に基づいて前記第３抵抗の抵抗値を算出する、請求項５に記載のシステム。 - 前記放電器は、
前記制御部の制御で前記二次電池を所定の定電流で放電させて、前記基準電圧に対応するように前記二次電池の電圧を低くする、請求項５または６に記載のシステム。 - 二次電池が所定の基準電圧で定電圧放電されるように制御する段階と、
前記二次電池が放電される放電期間に前記二次電池から出力される放電電流の測定値を受信する段階と、
前記基準電圧および時間経過による前記放電電流の変化に基づいて前記放電期間のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）変化による抵抗変化の関係を算出する段階と、
前記放電期間のＳＯＣ変化による抵抗変化の関係に基づいて、前記二次電池の電圧降下による抵抗である第１抵抗、前記放電期間に前記二次電池の活物質内にイオンが挿入されることによって発生する抵抗である第２抵抗、前記二次電池においてイオンの移動によって発生する分極抵抗である第３抵抗それぞれの抵抗値を算出する抵抗値算出段階とを含み、
前記抵抗値算出段階は、
前記放電期間の始点の抵抗値を前記第１抵抗に対する抵抗値として算出する段階と、
前記放電期間の始点の抵抗値に対応する第１ポイントと、前記ＳＯＣ変化に対する前記抵抗変化の関係における前記ＳＯＣ変化に対する前記抵抗変化の比率が第１基準値を超える第２ポイントとを結ぶ延長線において、前記放電期間の終点での抵抗値を前記第２抵抗の上限値として算出し、前記第２抵抗の上限値と前記第１抵抗の抵抗値との差に基づいて前記第２抵抗の抵抗値を算出する段階と、
前記放電期間の終点の抵抗値と前記第２抵抗の上限値との差に基づいて前記第３抵抗の抵抗値を算出する段階とを含む、方法。
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