JPWO2013035202A1 - 二次電池の検査方法 - Google Patents

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Abstract

二次電池の検査方法は、二次電池を予め定められた充電電圧まで充電する工程Aと、工程Aの後に、二次電池を予め定められた時間(tb)放置する工程Bと、工程Bの後に、予め定められた放電電圧まで放電する工程Cと、工程Cの後に、予め定められた時間(t1)経過後から所定の時間(t2)における電池電圧の増加量を検出する工程Dとを含んでいる。この二次電池の検査方法によれば、工程Dで検出された電池電圧の増加量に基づいて、負極活物質層が正極活物質層を覆う程度を評価することができる。

Description

本発明は、二次電池の検査方法に関する。
本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充電可能な電池一般をいい、リチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン二次電池)、ニッケル水素電池等のいわゆる蓄電池を包含する。また、本明細書において「活物質」は、二次電池において電荷担体となる化学種(例えば、リチウムイオン二次電池ではリチウムイオン)を可逆的に吸蔵及び放出(典型的には挿入および離脱)可能な物質をいう。また、「非水系二次電池」は、非水電解質(例えば、非水電解液)が電解質(電解液)として用いられた二次電池をいう。
二次電池は、例えば、特開2003−297412(JP 2003―297412 A)に開示されているように、正極シートと負極シートとがセパレータを介して渦巻き状に捲き取られた電極体の捲取装置が開示されている。同公報に開示されているように、捲取装置では、正極シートと負極シートは、それぞれ捲きずれが生じないように、位置ずれを補正しつつ捲き取られている。
特開2003−297412(JP 2003―297412 A)
上述したように、正極シートと負極シートとは、それぞれ位置ずれを補正しつつ捲き取られているものの、実際には多少なりとも捲きずれは生じる。しかし、二次電池について、かかる正極シートと負極シートとの捲きずれを検査する方法は確立されていない。例えば、二次電池を分解し、正極シートと負極シートとが渦巻き状に捲かれた捲回電極体を展開しつつ正極シートと負極シートとの実際の捲きずれを測定することができる。しかし、この場合、二次電池の分解と、捲きずれの測定に多大な手間が必要である。このような分解を伴う検査は、サンプリング調査は可能であるが、全数検査には適さない。
本発明の一実施形態に係る二次電池の検査方法は、正極集電体と、正極集電体に保持された正極活物質層と、負極集電体と、負極集電体に保持され、正極活物質層に対向するように配置された負極活物質層とを備え、かつ、負極活物質層が正極活物質層よりも幅が広く、負極活物質層が前記正極活物質層を覆うように配置された二次電池に関する。この二次電池の検査方法は、二次電池を予め定められた充電電圧まで充電する工程Aと、工程Aの後に、二次電池を予め定められた時間(tb)放置する工程Bと、工程Bの後に、予め定められた放電電圧まで放電する工程Cと、工程Cの後に、予め定められた時間(t1)経過後から所定の時間(t2)における電池電圧の増加量を検出する工程Dとを含んでいる。この二次電池の検査方法によれば、工程Dで検出された電池電圧の増加量に基づいて、負極活物質層が正極活物質層を覆う程度を評価することができる。また、この二次電池の検査方法は、非破壊で実施できるので、負極活物質層が正極活物質層を覆う程度、すなわち負極集電体と正極集電体との捲きずれを全数検査することができる。
ここで、工程Aにおける充電は、例えば、CCCV充電であるとよい。また、工程Aにおける充電電圧は、例えば、二次電池の予め定められた使用域の下限電圧よりも10%以上高い電圧に設定されているとよい。また、工程Aにおける充電電圧は、例えば、二次電池の予め定められた使用域の上限電圧よりも10%低い電圧以上の電圧に設定されていてもよい。
また、工程Cの放電は、例えば、CC放電であるとよい。また、工程Cにおける放電電圧は、例えば、工程Aにおける充電電圧よりも5%以上低い電圧に設定されているとよい。また、工程Cにおける放電電圧は、例えば、二次電池の予め定められた使用域の下限電圧よりも5%高い電圧以下に設定されていてもよい。
また、工程Dにおける予め定められた時間(t1)は、例えば、放電に伴う分極が解消されるのに相当する時間が設定されるとよい。例えば、工程Dでは、工程Cの後、少なくとも3時間経過後から所定の時間(t2)における電池電圧の増加量を検出するとよい。また、工程Dでは、例えば、予め定められた時間t2経過後から少なくとも5時間以上における電池電圧の増加量を検出してもよい。また、工程Bにおいて、二次電池を放置する時間(tb)は、例えば、少なくとも24時間以上としてもよい。
また、工程Dで得られた電池電圧の増加量に対して閾値を設けて、二次電池の負極活物質層が正極活物質層を覆う程度について良否判定を行なう工程Eを含んでいてもよい。この場合、工程Eにおいて、閾値は、負極活物質層が正極活物質層を覆う程度が既知の二次電池と、当該二次電池について工程Dで検出された電池電圧の増加量との関係を基に設定されているとよい。また、工程Dで検出された電池電圧の増加量に基づいて、二次電池の負極活物質層が正極活物質層を覆う程度を推定する工程Fを含んでいてもよい。
ここで、二次電池の構造を例示すると、正極集電体は、両面に正極活物質層が形成された帯状の正極集電体であり、負極集電体は、両面に負極活物質層が形成された帯状の負極集電体であり、かつ、負極活物質層は、正極活物質層よりも幅が広くてもよい。この場合、正極集電体と負極集電体とは、セパレータを介在させた状態で、正極活物質層と負極活物質層とが対向し、かつ、負極活物質層が正極活物質層を覆うように重ねられて捲回されているとよい。
また、正極集電体は、片側の長辺に沿って正極活物質層が形成されていない部分を有しており、かつ、負極集電体は、片側の長辺に沿って負極活物質層が形成されていない部分を有していてもよい。この場合、正極活物質層と負極活物質層とは、対向した対向部分の片側に、正極集電体のうち正極活物質層が形成されていない部分がはみ出ており、正極集電体のうち正極活物質層が形成されていない部分がはみ出た側とは反対側に、負極集電体のうち負極活物質層が形成されていない部分がはみ出ているとよい。
この場合、工程Dで検出された電池電圧の増加量に基づいて、二次電池の正極活物質層と負極活物質層との捲きずれ量を推定する工程Gを含んでいてもよい。また、正極活物質層と負極活物質層との捲きずれ量が既知の二次電池を用意し、当該二次電池に基づいて、正極活物質層と負極活物質層との捲きずれ量と、工程Dで検出された電池電圧の増加量との関係を得る工程Hを含んでいてもよい。この場合、工程Gは、工程Hで得られた捲きずれ量と電池電圧の増加量との関係に基づいて、正極活物質層と負極活物質層との捲きずれ量が未知の二次電池について、工程Dで検出された電池電圧の増加量から、二次電池の正極活物質層と負極活物質層との捲きずれ量を推定してもよい。
また、この場合、工程Dで得られた電池電圧の増加量に対して閾値を設けて、二次電池の正極活物質層と負極活物質層との捲きずれ量について良否判定を行なう工程Iを含んでいてもよい。
また、二次電池は、例えば、非水系二次電池であるとよい。また、二次電池は、例えば、リチウムイオン二次電池であるとよい。また、二次電池がリチウムイオン二次電池である場合には、工程Cにおける放電電圧は、例えば、3.1V以下に設定されているとよい。さらに、この場合、工程Aにおける充電電圧は、工程Cにおける放電電圧の5%以上に設定されているとよい。
図1は、リチウムイオン二次電池の構造の一例を示す図である。 図2は、リチウムイオン二次電池の捲回電極体を示す図である。 図3は、図2中のIII−III断面を示す断面図である。 図4は、正極活物質層の構造を示す断面図である。 図5は、負極活物質層の構造を示す断面図である。 図6は、捲回電極体の未塗工部と電極端子との溶接箇所を示す側面図である。 図7は、リチウムイオン二次電池の充電時の状態を模式的に示す図である。 図8は、リチウムイオン二次電池の放電時の状態を模式的に示す図である。 図9は、初期状態における正極活物質層と負極活物質層のリチウムの分布を模式的に示す図である。 図10は、工程Aにおける正極活物質層と負極活物質層のリチウムの分布を模式的に示す図である。 図11は、工程Bにおける正極活物質層と負極活物質層のリチウムの分布を模式的に示す図である。 図12は、工程Cにおける正極活物質層と負極活物質層のリチウムの分布を模式的に示す図である。 図13は、工程Dにおける正極活物質層と負極活物質層のリチウムの分布を模式的に示す図である。 図14は、初期状態から工程A〜Dにおける正極電位、負極電位および電池電圧のそれぞれ変位について一例をグラフである。 図15は、負極活物質層の非対向部F2,F3のうち、未塗工部が設けられた側の非対向部F2が狭い形態について、工程Cにおける正極活物質層と負極活物質層のリチウムの分布を模式的に示す図である。 図16は、負極活物質層の非対向部F2,F3のうち、未塗工部が設けられた側とは反対側の非対向部F3が狭い形態について、工程Cにおける正極活物質層と負極活物質層のリチウムの分布を模式的に示す図である。 図17は、捲きずれ量Zと電池電圧の増加量Xとの関係について一例を示す図である。
以下、本発明の一実施形態に係る二次電池の検査方法を説明する。
ここでは、検査対象となる二次電池の構造例として、リチウムイオン二次電池の一例を説明する。その後、本発明の一実施形態に係る二次電池の検査方法を説明する。なお、ここで、検査対象となる二次電池としてリチウムイオン二次電池を例示するが、検査対象となる二次電池はリチウムイオン二次電池に限定されない。また、検査対象となる二次電池の構造についても、ここで例示するリチウムイオン二次電池の構造に限定されない。また、各図面は模式的に描かれており、必ずしも実物を反映していない。また、各図面は、一例を示すのみであり、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。
≪リチウムイオン二次電池100≫
図1は、リチウムイオン二次電池100を示している。このリチウムイオン二次電池100は、図1に示すように、捲回電極体200と電池ケース300とを備えている。図2は、捲回電極体200を示す図である。図3は、図2中のIII−III断面を示している。
捲回電極体200は、図2に示すように、正極シート220、負極シート240およびセパレータ262、264を有している。正極シート220、負極シート240およびセパレータ262、264は、それぞれ帯状のシート材である。
≪正極シート220≫
正極シート220は、帯状の正極集電体221と正極活物質層223とを備えている。正極集電体221には、正極に適する金属箔が好適に使用され得る。正極集電体221には、例えば、所定の幅を有し、厚さが凡そ15μmの帯状のアルミニウム箔を用いることができる。正極集電体221の幅方向片側の縁部に沿って未塗工部222が設定されている。図示例では、正極活物質層223は、図3に示すように、正極集電体221に設定された未塗工部222を除いて、正極集電体221の両面に保持されている。正極活物質層223には、正極活物質が含まれている。正極活物質層223は、正極活物質を含む正極合剤を正極集電体221に塗工することによって形成されている。
≪正極活物質層223および正極活物質粒子610≫
ここで、図4は、正極シート220の断面図である。なお、図4において、正極活物質層223の構造が明確になるように、正極活物質層223中の正極活物質粒子610と導電材620とバインダ630とを大きく模式的に表している。正極活物質層223には、図4に示すように、正極活物質粒子610と導電材620とバインダ630が含まれている。
正極活物質粒子610には、リチウムイオン二次電池の正極活物質として用いることができる物質を使用することができる。正極活物質粒子610の例を挙げると、LiNiCoMnO(リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物)、LiNiO(ニッケル酸リチウム)、LiCoO(コバルト酸リチウム)、LiMn(マンガン酸リチウム)、LiFePO(リン酸鉄リチウム)などのリチウム遷移金属酸化物が挙げられる。ここで、LiMnは、例えば、スピネル構造を有している。また、LiNiO或いはLiCoOは層状の岩塩構造を有している。また、LiFePOは、例えば、オリビン構造を有している。オリビン構造のLiFePOには、例えば、ナノメートルオーダーの粒子がある。また、オリビン構造のLiFePOは、さらにカーボン膜で被覆することができる。
≪導電材620≫
導電材620としては、例えば、カーボン粉末、カーボンファイバーなどのカーボン材料が例示される。導電材620としては、このような導電材から選択される一種を単独で用いてもよく二種以上を併用してもよい。カーボン粉末としては、種々のカーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、オイルファーネスブラック、黒鉛化カーボンブラック、カーボンブラック、黒鉛、ケッチェンブラック)、グラファイト粉末などのカーボン粉末を用いることができる。
≪バインダ630≫
また、バインダ630は、正極活物質層223に含まれる正極活物質粒子610と導電材620の各粒子を結着させたり、これらの粒子と正極集電体221とを結着させたりする。かかるバインダ630としては、使用する溶媒に溶解または分散可能なポリマーを用いることができる。例えば、水性溶媒を用いた正極合剤組成物においては、セルロース系ポリマー(カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)など)、フッ素系樹脂(例えば、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)など)、ゴム類(酢酸ビニル共重合体、スチレンブタジエン共重合体(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)など)などの水溶性または水分散性ポリマーを好ましく採用することができる。また、非水溶媒を用いた正極合剤組成物においては、ポリマー(ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリアクリルニトリル(PAN)など)を好ましく採用することができる。
≪増粘剤、溶媒≫
正極活物質層223は、例えば、上述した正極活物質粒子610と導電材620を溶媒にペースト状(スラリ状)に混ぜ合わせた正極合剤を作製し、正極集電体221に塗布し、乾燥させ、圧延することによって形成されている。この際、正極合剤の溶媒としては、水性溶媒および非水溶媒の何れも使用可能である。非水溶媒の好適な例としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。上記バインダ630として例示したポリマー材料は、バインダとしての機能の他に、正極合剤の増粘剤その他の添加剤としての機能を発揮する目的で使用されることもあり得る。
正極合剤全体に占める正極活物質の質量割合は、凡そ50wt%以上(典型的には50〜95wt%)であることが好ましく、通常は凡そ70〜95wt%(例えば75〜90wt%)であることがより好ましい。また、正極合剤全体に占める導電材の割合は、例えば凡そ2〜20wt%とすることができ、通常は凡そ2〜15wt%とすることが好ましい。バインダを使用する組成では、正極合剤全体に占めるバインダの割合を例えば凡そ1〜10wt%とすることができ、通常は凡そ2〜5wt%とすることが好ましい。
≪負極シート240≫
負極シート240は、図2に示すように、帯状の負極集電体241と、負極活物質層243とを備えている。負極集電体241には、負極に適する金属箔が好適に使用され得る。この負極集電体241には、所定の幅を有し、厚さが凡そ10μmの帯状の銅箔が用いられている。負極集電体241の幅方向片側には、縁部に沿って未塗工部242が設定されている。負極活物質層243は、負極集電体241に設定された未塗工部242を除いて、負極集電体241の両面に形成されている。負極活物質層243は、負極集電体241に保持され、少なくとも負極活物質が含まれている。負極活物質層243は、負極活物質を含む負極合剤が負極集電体241に塗工されている。
≪負極活物質層243≫
図5は、リチウムイオン二次電池100の負極シート240の断面図である。負極活物質層243には、図5に示すように、負極活物質粒子710、増粘剤(図示省略)、バインダ730などが含まれている。図5では、負極活物質層243の構造が明確になるように、負極活物質層243中の負極活物質粒子710とバインダ730とを大きく模式的に表している。
≪負極活物質粒子710≫
負極活物質粒子710としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる材料の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。例えば、少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む粒子状の炭素材料(カーボン粒子)が挙げられる。より具体的には、負極活物質は、例えば、天然黒鉛、非晶質の炭素材料でコートした天然黒鉛、黒鉛質(グラファイト)、難黒鉛化炭素質(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素質(ソフトカーボン)、または、これらを組み合わせた炭素材料でもよい。なお、ここでは、負極活物質粒子710は、いわゆる鱗片状黒鉛が用いられた場合を図示しているが、負極活物質粒子710は、図示例に限定されない。
≪増粘剤、溶媒≫
負極活物質層243は、例えば、上述した負極活物質粒子710とバインダ730を溶媒にペースト状(スラリ状)に混ぜ合わせた負極合剤を作製し、負極集電体241に塗布し、乾燥させ、圧延することによって形成されている。この際、負極合剤の溶媒としては、水性溶媒および非水溶媒の何れも使用可能である。非水溶媒の好適な例としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。バインダ730には、上記正極活物質層223(図4参照)のバインダ630として例示したポリマー材料を用いることができる。また、上記正極活物質層223のバインダ630として例示したポリマー材料は、バインダとしての機能の他に、正極合剤の増粘剤その他の添加剤としての機能を発揮する目的で使用されることもあり得る。
≪セパレータ262、264≫
セパレータ262、264は、図1または図2に示すように、正極シート220と負極シート240とを隔てる部材である。この例では、セパレータ262、264は、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材で構成されている。セパレータ262、264には、例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のセパレータ或いは積層構造のセパレータを用いることができる。この例では、図2および図3に示すように、負極活物質層243の幅b1は、正極活物質層223の幅a1よりも少し広い。さらにセパレータ262、264の幅c1、c2は、負極活物質層243の幅b1よりも少し広い(c1、c2>b1>a1)。
なお、図1および図2に示す例では、セパレータ262、264は、シート状の部材で構成されている。セパレータ262、264は、正極活物質層223と負極活物質層243とを絶縁するとともに、電解質の移動を許容する部材であればよい。したがって、シート状の部材に限定されない。セパレータ262、264は、シート状の部材に代えて、例えば、正極活物質層223または負極活物質層243の表面に形成された絶縁性を有する粒子の層で構成してもよい。ここで、絶縁性を有する粒子としては、絶縁性を有する無機フィラー(例えば、金属酸化物、金属水酸化物などのフィラー)、或いは、絶縁性を有する樹脂粒子(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの粒子)で構成してもよい。
この捲回電極体200では、図2および図3に示すように、正極シート220と負極シート240とは、セパレータ262、264を介在させた状態で、正極活物質層223と負極活物質層243とが対向するように重ねられている。より具体的には、捲回電極体200では、正極シート220と負極シート240とセパレータ262、264とは、正極シート220、セパレータ262、負極シート240、セパレータ264の順に重ねられている。
また、この際、正極活物質層223と負極活物質層243とは、セパレータ262、264が介在した状態で対向している。そして、正極活物質層223と負極活物質層243とが対向した部分の片側に、正極集電体221のうち正極活物質層223が形成されていない部分(未塗工部222)がはみ出ている。当該未塗工部222がはみ出た側とは反対側には、負極集電体241のうち負極活物質層243が形成されていない部分(未塗工部242)がはみ出ている。また、正極シート220と負極シート240とセパレータ262、264とは、このように重ねられた状態で、正極シート220の幅方向に設定した捲回軸WLに沿って捲回されている。
≪電池ケース300≫
また、この例では、電池ケース300は、図1に示すように、いわゆる角型の電池ケースであり、容器本体320と、蓋体340とを備えている。容器本体320は、有底四角筒状を有しており、一側面(上面)が開口した扁平な箱型の容器である。蓋体340は、当該容器本体320の開口(上面の開口)に取り付けられて当該開口を塞ぐ部材である。
車載用の二次電池では、車両の燃費を向上させるため、重量エネルギ効率(単位重量当りの電池の容量)を向上させることが望まれる。この実施形態では、電池ケース300を構成する容器本体320と蓋体340は、アルミニウム、アルミニウム合金などの軽量金属が採用されている。これにより重量エネルギ効率を向上させることができる。
電池ケース300は、捲回電極体200を収容する空間として、扁平な矩形の内部空間を有している。また、図1に示すように、電池ケース300の扁平な内部空間は、捲回電極体200よりも横幅が少し広い。この実施形態では、電池ケース300は、有底四角筒状の容器本体320と、容器本体320の開口を塞ぐ蓋体340とを備えている。また、電池ケース300の蓋体340には、電極端子420、440が取り付けられている。電極端子420、440は、電池ケース300(蓋体340)を貫通して電池ケース300の外部に出ている。また、蓋体340には注液孔350と安全弁360とが設けられている。
捲回電極体200は、図2に示すように、捲回軸WLに直交する一の方向において扁平に押し曲げられている。図2に示す例では、正極集電体221の未塗工部222と負極集電体241の未塗工部242は、それぞれセパレータ262、264の両側において、らせん状に露出している。図6に示すように、この実施形態では、未塗工部222、242の中間部分224、244を寄せ集め、電極端子420、440の先端部420a、440aに溶接している。この際、それぞれの材質の違いから、電極端子420と正極集電体221の溶接には、例えば、超音波溶接が用いられる。また、電極端子440と負極集電体241の溶接には、例えば、抵抗溶接が用いられる。ここで、図6は、捲回電極体200の未塗工部222(242)の中間部分224(244)と電極端子420(440)との溶接箇所を示す側面図であり、図1のVI−VI断面図である。
捲回電極体200は、扁平に押し曲げられた状態で、蓋体340に固定された電極端子420、440に取り付けられる。かかる捲回電極体200は、図1に示すように、容器本体320の扁平な内部空間に収容される。容器本体320は、捲回電極体200が収容された後、蓋体340によって塞がれる。蓋体340と容器本体320の合わせ目322(図1参照)は、例えば、レーザ溶接によって溶接されて封止されている。このように、この例では、捲回電極体200は、蓋体340(電池ケース300)に固定された電極端子420、440によって、電池ケース300内に位置決めされている。
≪電解液≫
その後、蓋体340に設けられた注液孔350から電池ケース300内に電解液が注入される。電解液は、水を溶媒としていない、いわゆる非水電解液が用いられている。この例では、電解液は、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(例えば、体積比1:1程度の混合溶媒)にLiPFを約1mol/リットルの濃度で含有させた電解液が用いられている。その後、注液孔350に金属製の封止キャップ352を取り付けて(例えば溶接して)電池ケース300を封止する。なお、電解液は、ここで例示された電解液に限定されない。例えば、従来からリチウムイオン二次電池に用いられている非水電解液は適宜に使用することができる。
≪空孔≫
ここで、正極活物質層223は、例えば、正極活物質粒子610と導電材620の粒子間などに、空洞とも称すべき微小な隙間225を有している(図4参照)。かかる正極活物質層223の微小な隙間には電解液(図示省略)が浸み込み得る。また、負極活物質層243は、例えば、負極活物質粒子710の粒子間などに、空洞とも称すべき微小な隙間245を有している(図5参照)。ここでは、かかる隙間225、245(空洞)を適宜に「空孔」と称する。また、捲回電極体200は、図2に示すように、捲回軸WLに沿った両側において、未塗工部222、242が螺旋状に巻かれている。かかる捲回軸WLに沿った両側252、254において、未塗工部222、242の隙間から、電解液が浸み込みうる。このため、リチウムイオン二次電池100の内部では、正極活物質層223と負極活物質層243に電解液が浸み渡っている。
≪ガス抜け経路≫
また、この例では、当該電池ケース300の扁平な内部空間は、扁平に変形した捲回電極体200よりも少し広い。捲回電極体200の両側には、捲回電極体200と電池ケース300との間に隙間310、312が設けられている。当該隙間310、312は、ガス抜け経路になる。例えば、過充電が生じた場合などにおいて、リチウムイオン二次電池100の温度が異常に高くなると、電解液が分解されてガスが異常に発生する場合がある。この実施形態では、異常に発生したガスは、捲回電極体200の両側における捲回電極体200と電池ケース300との隙間310、312を通して安全弁360の方へ移動し、安全弁360から電池ケース300の外に排気される。
かかるリチウムイオン二次電池100では、正極集電体221と負極集電体241は、電池ケース300を貫通した電極端子420、440を通じて外部の装置に電気的に接続される。以下、充電時と放電時のリチウムイオン二次電池100の動作を説明する。
≪充電時の動作≫
図7は、かかるリチウムイオン二次電池100の充電時の状態を模式的に示している。充電時においては、図7に示すように、リチウムイオン二次電池100の電極端子420、440(図1参照)は、充電器290に接続される。充電器290の作用によって、充電時には、正極活物質層223中の正極活物質からリチウムイオン(Li)が電解液280に放出される。また、正極活物質層223からは電荷が放出される。放出された電荷は、導電材(図示省略)を通じて正極集電体221に送られ、さらに、充電器290を通じて負極シート240へ送られる。また、負極シート240では電荷が蓄えられるとともに、電解液280中のリチウムイオン(Li)が、負極活物質層243中の負極活物質に吸収され、かつ、貯蔵される。
≪放電時の動作≫
図8は、かかるリチウムイオン二次電池100の放電時の状態を模式的に示している。放電時には、図8に示すように、負極シート240から正極シート220に電荷が送られるとともに、負極活物質層243に貯蔵されたリチウムイオンが、電解液280に放出される。また、正極では、正極活物質層223中の正極活物質に電解液280中のリチウムイオンが取り込まれる。
このようにリチウムイオン二次電池100の充放電において、電解液280を介して、正極活物質層223と負極活物質層243との間でリチウムイオンが行き来する。また、充電時においては、正極活物質から導電材を通じて正極集電体221に電荷が送られる。これに対して、放電時においては、正極集電体221から導電材を通じて正極活物質に電荷が戻される。
充電時においては、リチウムイオンの移動および電子の移動がスムーズなほど、効率的で急速な充電が可能になると考えられる。放電時においては、リチウムイオンの移動および電子の移動がスムーズなほど、電池の抵抗が低下し、放電量が増加し、電池の出力が向上すると考えられる。
≪他の電池形態≫
なお、上記はリチウムイオン二次電池の一例を示すものである。リチウムイオン二次電池は上記形態に限定されない。また、同様に金属箔に電極合剤が塗工された電極シートは、他にも種々の電池形態に用いられる。例えば、他の電池形態として、円筒型電池或いはラミネート型電池などが知られている。円筒型電池は、円筒型の電池ケースに捲回電極体を収容した電池である。また、ラミネート型電池は、正極シートと負極シートとをセパレータを介在させて積層した電池である。
≪二次電池の検査方法≫
以下、上述したリチウムイオン二次電池100を基に、本発明の一実施形態に係る二次電池の検査方法を説明する。なお、ここでは、リチウムイオン二次電池100の各部材および部位については、適宜、上述したリチウムイオン二次電池100の各図を参照し、かつ、上述した説明と同じ符号を用いる。
リチウムイオン二次電池100は、図1および図2に示すように、正極集電体221と、正極集電体221に保持された正極活物質層223と、負極集電体241と、負極集電体241に保持され、正極活物質層223に対向するように配置された負極活物質層243とを備えている。また、上述したように、負極活物質層243は正極活物質層223よりも幅が広い。さらに、負極活物質層243が正極活物質層223を覆うように配置されている。
かかるリチウムイオン二次電池100の捲回電極体200の捲きずれについて、本発明者は、非破壊で、かつ、簡単な検査方法を確立することが望ましいと考えている。かかる検査方法が確立できれば、検査工程における作業負担が軽減され、さらにリチウムイオン二次電池100を出荷する前に全数検査することも可能になる。これによって、捲回電極体200の捲きずれに問題がある製品が出荷される可能性をさらに大幅に減少させることができる。
このような着想を基に、本発明者は、リチウムイオン二次電池100について、所定の充電(工程A)、放置(工程B)、放電(工程C、その後の電池電圧の増加量の検出(工程Dに基づいて、捲回電極体200の捲きずれの程度を評価できることを見出した。以下、かかる二次電池の検査方法を説明する。
図9〜図13は、それぞれ初期状態および工程A〜Dにおける正極活物質層223と負極活物質層243のリチウムの分布を模式的に示している。ここで、図9〜図13中の「●」はリチウムLを示しており、「○」は負極活物質層243ではリチウムが吸蔵されうる部位(リチウムを吸蔵していない部位)を示している。また、「○」は、正極活物質層223ではリチウムが放出された部位を示している。負極活物質層243におけるリチウムが吸蔵されていない部位と、正極活物質層223におけるリチウムが放出された部位には、それぞれ符号Dを付している。
また、領域F1は、正極活物質層223と負極活物質層243とが対向した対抗部を示し、領域F2,F3は、負極活物質層243が正極活物質層223からはみ出た部位(非対向部)を示している。ここでは、図9〜13に示すように、正極活物質層223の両側において、負極活物質層243の非対向部F2,F3が概ね同じ幅で存在している。
なお、図9〜図13では、正極活物質層223の両側に、負極活物質層243が概ね同じ幅ではみ出ている場合を模式的に示している。負極活物質層243は、正極活物質層223の両側において、それぞれどの程度はみ出させるかは、諸事情を勘案して二次電池の設計上定められ得る。このため、二次電池の負極活物質層243は、正極活物質層223の両側において、同じ幅ではみ出ていることに限定されない。また、図14は、初期状態から工程A〜Dにおける正極電位VA、負極電位VBおよび電池電圧VOのそれぞれの変位を示している。なお、電池電圧VOは、正極電位VAと負極電位VBの電位差(VO=VA−VB)である。
≪初期状態≫
リチウムイオン二次電池100が組み立てられ、最初の充電(初期充電)が行われる前には、図9に示すように、リチウム遷移金属酸化物を正極活物質粒子として含む正極活物質層223には初期状態においてリチウムLが含まれている。これに対し、負極活物質層243には、初期状態においてリチウムが吸蔵されておらず、充電時にリチウムが入り込み得る部位Dを有している。
≪工程A:充電工程≫
工程Aは、リチウムイオン二次電池100(二次電池)を予め定められた充電電圧まで充電する工程である。例えば、リチウムイオン二次電池100をCC−CV充電によって、予め定められた充電電圧まで充電するとよい。より具体的には、例えば、図14に示すように、電池電圧が4.1Vになるまで、リチウムイオン二次電池100を1Cの定電流で充電(CC充電)し、その後、電池電圧が4.1Vの充電電圧で1.5時間充電(CV充電)する。これにより、図10に示すように、正極活物質層223からリチウムが放出される。また負極活物質層243には、リチウムLが吸蔵される。
このリチウムイオン二次電池100では、図10に示すように、負極活物質層243は、正極活物質層223よりも幅が広く、正極活物質層223の幅方向の両側において、正極活物質層223からはみ出ている。工程Aの充電では、正極活物質層223と負極活物質層243とが対向した部位で反応が進みやすい。このため、工程Aの充電直後では、負極活物質層243中のリチウムは、正極活物質層223に対向した対向部F1に多く分布する。これに対して、正極活物質層223からはみ出た負極活物質層243の非対向部F2,F3には、工程Aの充電直後では、リチウムを吸蔵しうる部位Dが多く存在する。
≪工程B:放置工程≫
工程Bは、工程Aの後に、リチウムイオン二次電池100(二次電池)を予め定められた時間放置する工程である。当該工程Bでは、工程Aで充電されたリチウムイオン二次電池100を実質的に放電させずに、工程Aで充電された際の電池電圧(ここでは、4.1V)において、所定時間tb放置する。かかる工程Bでは、図11に示すように、負極活物質層243内の電位差を解消するべく、負極活物質層243内でリチウムLが均一に分布するようになり、負極活物質層243の非対向部F2,F3にもリチウムが吸蔵される。ここで、リチウムイオン二次電池100を放置する時間tbは、負極活物質層243内でリチウムLが概ね均一に分布する時間であり、例えば、1日(24時間)以上、より好適には、2日(48時間)或いは3日(72時間)以上、さらに好適には10日(240時間)程度とするとよい。
≪工程C:放電工程≫
工程Cは、工程Bの後に、予め定められた放電電圧まで放電する工程である。例えば、リチウムイオン二次電池100をCC放電によって、予め定められた電圧まで放電するとよい。ここでは、図14に示すように、リチウムイオン二次電池100を、電池電圧が3.0Vになるまで、1Cの定電流で放電(CC放電)する。これにより、図10に示すように、正極活物質層223からリチウムが放出される。また負極活物質層243には、リチウムLが吸蔵される。
かかる工程Cでは、負極活物質層243からリチウムが放出される。また、正極活物質層223にはリチウムが吸収される。この際、図12に示すように、工程Cの放電は、特に、負極活物質層243と正極活物質層223とが対向した対向部F1で進みやすい。このため、工程Cの放電直後では、負極活物質層243と正極活物質層223とが対向した対向部F1では、負極活物質層243に吸蔵されたリチウムが放出された状態となるが、非対向部F2,F3では、負極活物質層243にリチウムが放出されずに残留している。また、負極活物質層243の非対向部F2,F3についても、負極活物質層243の対向部F1に近い領域ほどリチウムが放出されやすく、対向部F1から遠い領域ほどリチウムが残留しやすい。
このように、工程Cの直後では、図12に示すように、負極活物質層243の対向部F1ではリチウムLが放出されており、リチウムが吸蔵されておらず、充電時にリチウムが入り込み得る部位Dの割合が高い。負極活物質層243の非対向部F2,F3ではリチウムLが残留している。さらに、負極活物質層243の非対向部F2,F3についても、負極活物質層243の対向部F1に近い領域に比べて、対向部F1から遠い領域ほどリチウムが残留している。
≪工程D:電圧増加量検出工程≫
工程Dは、図14に示すように、工程Cの後に、予め定められた時間経過t1後から所定の時間t2における電圧の増加量Xを検出する工程である。放電工程である工程Cでは、放電によって、分極が生じている。すなわち、放電に伴う通電によって電池電圧が平衡値からずれている。工程Cの放電が終わると徐々に分極が解消される。かかる分極が解消する過程では、電池電圧が大きく変動する。このため、工程Dでは、かかる分極が解消される時間を考慮して、予め定められた所定時間t1が経過した後から、所定の時間t2における電圧の増加量Xを検出する。これにより、分極が解消された状態からの電圧の増加量Xを検出することができる。
リチウムイオン二次電池100の電圧は、対向部F1における正極活物質層223と負極活物質層243との電位差によって定まる。図12に示すように、負極活物質層243の対向部F1で、リチウムLが放出されてリチウムが少ない状態よりも、負極活物質層243の対向部F1の電位は下がる。このため、工程Dにおいて、予め定められた所定時間t1が経過した後から、所定の時間t2における電圧の推移を測定すると、リチウムイオン二次電池の電圧は、僅かではあるが少し増加する。このように、予め定められた所定時間t1が経過した後から、所定の時間t2における電圧の増加量Xを測定することにより、放電後の分極が凡そ解消された状態から電池電圧の増加量Xを検出することができる。
≪捲きずれの評価≫
本発明者は、かかる工程Dで検出された電圧の増加量Xに基づいて、負極活物質層243が正極活物質層223を覆う程度を評価できることを見出した。すなわち、二次電池の検査方法は、工程Dで検出された電圧の増加量Xに基づいて、負極活物質層243が正極活物質層223を覆う程度(換言すれば、捲きずれの程度)を評価できる。
上述したように、工程Cでは、負極活物質層243の対向部F1からリチウムが放出されやすい。そして、負極活物質層243の非対向部F2,F3は、さらに負極活物質層243の対向部F1に近い部位ほどリチウムが放出されやすく、対向部F1から遠い部位ほどリチウムが残留しやすい。
例えば、負極活物質層243が正極活物質層223の両側において概ね同じ幅ではみ出ている場合、図12に示すように、正極活物質層223の両側に概ね同じ幅で非対向部F2,F3が存在している。この場合、正極活物質層223の両側の非対向部F2,F3は、工程Cにおいて概ね同じ程度のリチウムが残留する。
これに対して、例えば、図15に示すように、負極活物質層243の非対向部F2,F3のうち、片側の非対向部F2が狭く、反対側の非対向部F3が広い場合、反対側の非対向部F3では、正極活物質層223から遠い領域が増える。この場合、工程Cの直後において、非対向部F2に残留するリチウムは減るが、当該非対向部F3では残留するリチウムが大幅に増える。このため、工程Cの直後において、負極活物質層243の非対向部F2,F3に残留するリチウムは総じて増える傾向がある。この結果、工程Dで検出される電池電圧の増加量Xは、正極活物質層223の両側に概ね同じ幅で非対向部F2,F3が存在している場合(図12参照)に比べて大きくなる傾向がある。
なお、図15では、負極活物質層243のうち、未塗工部242が設けられた側の非対向部F2が狭く、反対側の非対向部F3が広い。これに対して、図16では、負極活物質層243のうち、未塗工部242が設けられた側の非対向部F2が広く、反対側の非対向部F3が狭い。この場合も、同様に、工程Cの直後において、非対向部F2に残留するリチウムの量が大幅に増え、負極活物質層243の非対向部F2,F3に残留するリチウムは総じて増える傾向がある。したがって、工程Dで検出される電池電圧の増加量Xは、正極活物質層223の両側に概ね同じ幅で非対向部F2,F3が存在している場合(図12参照)に比べて大きくなる傾向がある。
この実施形態では、リチウムイオン二次電池100は、図16に示すように、負極活物質層243のうち、未塗工部242が設けられた側の非対向部F2を広くし、反対側の非対向部F3を狭くした形態を基準とする。そして、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zが既知の捲回電極体200を用いて、それぞれ評価用セルを作成した。そして、かかる評価用セルについて、それぞれ工程Dで検出される電池電圧の増加量Xを測定した。これにより正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zと、工程Dで検出される電池電圧の増加量Xとの関係を得た。図17は、かかる捲きずれ量Zと電池電圧の増加量Xとの関係について一例を示している。
≪捲きずれ量Z≫
ここで、捲きずれ量Zは、負極活物質層243の非対向部F2,F3のうち、設計上、幅が狭い側の非対向部を基準に定めている。例えば、図15に示すように、設計上、未塗工部242が設けられた側の非対向部F2が狭い場合には、当該非対向部F2の幅を基準に、正極シート220と負極シート240の捲きずれ量Zを定めるとよい。また、図16に示すように、設計上、未塗工部242が設けられた側とは反対側の非対向部F3が狭い場合には、当該非対向部F3の幅を基準に、正極シート220と負極シート240の捲きずれ量Zを定めるとよい。なお、設計上、非対向部F2,F3の幅が同じであれば、何れか一方の非対向部を基準に、捲きずれ量Zを定めるとよい。
また、ここで正極シート220と負極シート240とが、帯状の部材であるところ、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zは、正極シート220の長さ方向で必ずしも一定であるとは限らない。ここで、捲きずれ量Zは、正極シート220と負極シート240との長さ方向での平均値とする。例えば、正極シート220と負極シート240との長さ方向の複数個所で、正極活物質層223に対して負極活物質層243が予め定められた基準位置からずれた量を測定し、その平均値を取るとよい。
この実施形態では、図16に示すように、未塗工部242が設けられた側とは反対側の非対向部F3の幅が狭い。このため、当該非対向部F3の幅を基準に捲きずれ量Zが定まる。ここで、評価用セルの設計値では、負極活物質層243の非対向部F2,F3のうち幅が狭い側の非対向部F3は、幅が広い側の非対向部F2よりも3mm程度狭い。なお、図16は、模式的に示されており、非対向部F2,F3について実際の寸法を正確に表すものではない。
ここで、負極活物質層243の非対向部F2,F3のうち狭い側の非対向部F3の幅が設計値通りである場合、捲きずれ量Zを0とする。また、負極活物質層243の非対向部F2,F3のうち狭い側の非対向部F3が設計値よりも広くなっている場合、捲きずれ量Zをプラスとする。負極活物質層243の非対向部F2,F3のうち狭い側の非対向部F3が設計値よりも狭くなっている場合、捲きずれ量Zをマイナスとする。すなわち、この場合、捲きずれ量Zがプラスであれば、負極活物質層243の非対向部F2,F3のうち幅が狭い側の非対向部F3と、広い側の非対向部F2との差は小さくなる。また、捲きずれ量Zがマイナスであれば、負極活物質層243の非対向部F2,F3のうち幅が狭い側の非対向部F3と、広い側の非対向部F2との差は大きくなる。
≪捲きずれ量Zと工程Dで検出される電池電圧の増加量との関係≫
捲きずれ量Zと工程Dで検出される電池電圧の増加量との関係は、図17に示すように、捲きずれ量Zがプラスになると、工程Dで得られる電池電圧の増加量Xは小さくなる。換言すれば、負極活物質層243の非対向部F2,F3のうち幅が狭い側の非対向部F3と、広い側の非対向部F2との差が小さくなると、工程Dで得られる電池電圧の増加量Xは小さくなる。反対に、捲きずれ量Zがマイナスになると、工程Dで得られる電池電圧の増加量Xは大きくなる。換言すれば、負極活物質層243の非対向部F2,F3のうち幅が狭い側の非対向部F3と、広い側の非対向部F2との差が大きくなると、工程Dで得られる電池電圧の増加量Xは大きくなる。
このため、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zが既知のリチウムイオン二次電池100について、上述した工程A〜Dを行い、図17に示すような、捲きずれ量Zと工程Dで検出される電池電圧の増加量Xとの関係を予め得ておく。
ここで、捲きずれ量Zと工程Dで検出される電池電圧の増加量Xとの関係を予め得る場合には、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zを精度良く制御できる捲回電極体200の捲回装置を用いて、捲きずれ量Zを制御するとよい。例えば、捲回電極体200の捲回装置において、捲きずれ量Zを精度良く制御できる程度に捲回速度を十分に遅くすることによって、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zが精度良く制御された捲回電極体200を得ることができる。
この際、当該捲回装置で設定した捲きずれ量Zと、実際の捲きずれ量Zとの差は、捲回電極体200を展開しつつ、捲きずれ量Zを測定すればよい。ここで、捲回電極体200の捲回装置において、捲きずれ量Zを十分に精度良く制御できる場合には、当該捲回装置で設定した捲きずれ量Zを、便宜上、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zとするとよい。
この場合、捲回電極体200を作成する際に、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zを異ならせて、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zが異なるリチウムイオン二次電池100を作成する。そして、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zが異なるリチウムイオン二次電池100について、それぞれ工程Dで電池電圧の増加量Xを得て、捲きずれ量Zと工程Dで検出される電池電圧の増加量Xとの関係を得るとよい。
≪工程G:捲きずれ量Zの推定≫
次に、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zが未知のリチウムイオン二次電池100(通常の量産で作成された同型のリチウムイオン二次電池100)について、上述した工程A〜Dを行う。そして、当該リチウムイオン二次電池100について、工程Dで検出された電池電圧の増加量Xを得る。また、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zが既知のリチウムイオン二次電池を基に、捲きずれ量Zと工程Dで検出される電池電圧の増加量Xとの関係を予め得ておく(工程H)。このため、予め得られている捲きずれ量Zと工程Dで検出される電池電圧の増加量Xとの関係を基に、当該捲きずれ量Zが未知のリチウムイオン二次電池100について、工程Dで検出された電池電圧の増加量Xから、当該リチウムイオン二次電池100の正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zの程度を推定することができる。
このように、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zと工程Dで検出される電池電圧の増加量Xとの関係を予め得ておく。これによって正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zが未知のリチウムイオン二次電池100について、工程Dで検出される電池電圧の増加量Xを基に、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zを推定することができる。
≪工程I(工程E):良否判定≫
この場合、二次電池の検査方法は、さらに工程Dで得られた電池電圧の増加量Xに対して閾値を設けて、二次電池の正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Z(負極活物質層243Aが正極活物質層223を覆う程度)について、良否判定を行なう工程I(工程E)を含めてもよい。この場合、閾値は、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zが既知の二次電池と、当該二次電池について、工程Dで検出された電池電圧の増加量との関係を基に設定されていてもよい。
例えば、図17に示すように、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zと工程Dで検出される電池電圧の増加量Xとの関係を予め得ておく。この場合、当該関係を基に、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zが未知のリチウムイオン二次電池100について、良否判定を行うことができる。
例えば、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zが既知の二次電池を用い、捲きずれ量Zと工程Dで検出される電池電圧の増加量Xとの関係を予め得ておく。そして、未知のリチウムイオン二次電池100について、工程Dで検出された電池電圧の増加量Xを得る。予め得られた捲きずれ量Zと工程Dで検出される電池電圧の増加量Xとの関係から、当該リチウムイオン二次電池100について、工程Dで検出された電池電圧の増加量Xを基に、捲きずれ量Zを推定することができる。
そして、工程Dで検出される電池電圧の増加量Xに閾値X1、X2を設けて、リチウムイオン二次電池100の良否判定を行なってもよい。すなわち、工程Dで検出された電池電圧の増加量Xから推定されるリチウムイオン二次電池100の捲きずれ量Zについて良否判定の閾値Z1,Z2を定めることができる。この場合、当該閾値Z1,Z2を基に、工程Dで検出される電池電圧の増加量Xに閾値X1、X2を設けて、リチウムイオン二次電池100の良否判定を行なってもよい。
例えば、図17に示すように、捲きずれ量Zについて良否判定の閾値Z1、Z2を、±0.5mm(|Z|≦0.5)と定めた場合、当該閾値Z1、Z2を基に、工程Dで検出される電池電圧の増加量Xについて、閾値X1,X2が設けられる。そこで、リチウムイオン二次電池100について、工程Dで検出される電池電圧の増加量Xを基に、良否判定を行ってもよい。例えば、工程Dで検出された電池電圧の増加量Xが、X1≦X≦X2である場合に良品とし、工程Dで検出された電池電圧の増加量Xが、X1≦X≦X2でない場合に不良と判定してもよい。なお、図17に示す例では、捲きずれ量Zと工程Dで検出される電池電圧の増加量Xとの関係は、直線近似しているが、適当な近似曲線を設定してもよい。
また、実質的に同じことではあるが、良否判定の閾値は、捲きずれ量Zに対して定めて、工程Dで検出された電池電圧の増加量Xから推定される推定される捲きずれ量Zついて良否判定を行なってもよい。
このように、工程Dで検出された電池電圧の増加量Xに基づいて、二次電池の正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zを推定することができる。また、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zが既知の二次電池を用意し、当該二次電池に基づいて、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zと、工程Dで検出された電池電圧の増加量Xとの関係を得ることができる。この場合、当該関係に基づいて、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zが未知の二次電池について、工程Dで検出された電池電圧の増加量Xから、二次電池の正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zを推定することができる。工程Dで得られた電池電圧の増加量Xに対して閾値を設けて、二次電池の正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zについて良否判定を行なうことができる。
以上のように、かかる二次電池の検査方法によれば、工程Dで検出された電池電圧の増加量Xに基づいて、負極活物質層243が正極活物質層223を覆う程度を評価することができる。また、この二次電池の検査方法は、二次電池について非破壊で行なえる。また、この二次電池の検査方法は、リチウムイオン二次電池100について、充電(工程A)、放置(工程B)、放電(工程C)、電池電圧の増加量の測定(工程D)を行なうとよい。このため、製造ラインにおいて、比較的簡単に行なうことができる。このため、リチウムイオン二次電池100を出荷する前に全数検査することも可能になる。これによって、捲回電極体200の捲きずれに問題がある製品が出荷される可能性をさらに大幅に減少させることができる。
すなわち、捲回電極体200の捲回装置の精度は向上しており、捲回電極体200の捲きずれに問題がある製品が出荷される可能性は、現状でもかなり低下している。それに加えて、さらにこのような非破壊での検査方法を採用され、全数検査ができれば、捲回電極体200の捲きずれに問題がある製品が出荷される可能性をさらに低下させることができる。
以上、本発明の一実施形態に係る二次電池の検査方法を説明したが、本発明に係る二次電池の検査方法は、上述した実施形態に限定されない。
≪二次電池≫
例えば、上述した実施形態では、二次電池として、非水系二次電池であるリチウムイオン二次電池100を例示した。二次電池は、必ずしもリチウムイオン二次電池に限定されず、また、非水系二次電池にも限定されない。上述したように二次電池の検査方法は、二次電池について、充電(工程A)、放置(工程B)、放電(工程C)、電池電圧の増加量の測定(工程D)を行なう。そして、充電後の放置(工程B)において、二次電池において電荷担体となる化学種(リチウムイオン二次電池100では、リチウム)を、負極活物質層243に均一に分布させる(図11参照)。その後、放電(工程C)において、正極活物質層223と対向する負極活物質層243の対向部F1から電荷担体となる化学種を放出させる。さらに、その後、負極活物質層243の非対向部F2,F3に残留した電荷担体となる化学種に起因して、電池電圧が増加する増加量Xを基に、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zを評価する。
また、上述した実施形態では、初期状態から進めている。例えば、リチウムイオン二次電池は、組み付けられた後、初期充電が行なわれ、ガスの発生や二次電池内での所要の被膜形成が施されるコンディショニング、および、所定の検査を経て出荷される。上述した実施形態では、かかる初期充電に合わせて、A〜Dの工程が行なわれている。なお、本発明に係る二次電池の検査方法では、初期状態からA〜Dの工程を行なうことには、特に限定されない。上記、二次電池の検査方法は、例えば、出荷され使用された後でも実施可能であり、工程Dで検出される電池電圧の増加量Xを基に、正極活物質層223と負極活物質層243との捲きずれ量Zを評価することができる。なお、初期充電に合わせて、上述した二次電池の検査(A〜Dの工程)を行なうことによって、出荷前に再度の充放電が不要になる。このように、通常必要な初期充放電に合わせて当該二次電池の検査方法における所要の工程を行なうことによって、出荷前の検査作業の負担を軽減できる。
≪工程Aにおける充電≫
ここで、工程Aにおける充電は、CCCV充電が好適である。CCCV充電によれば、負極活物質層に概ね均一に、電荷担体となる化学種を吸蔵させることが実現できる。なお、工程Aにおける充電は、CCCV充電には限定されない。
また、工程Aにおける充電電圧は、上述した実施形態では4.1Vとした。ここでは、実施例で挙げたリチウムイオン二次電池100の充電電圧の上限が、通常の使用域で4.1Vであることを基に工程Aにおける充電電圧を4.1Vとしている。また、リチウムイオン二次電池には、充電電圧の上限はさらに引き上げることが可能であり、今後も充電電圧の上限を引き上げる研究は進められているところである。したがって、工程Aにおける充電電圧は、必ずしも4.1Vに限定されず、例えば、4.2V或いは4.3Vとしてもよい。
また、工程Aにおける充電電圧は、例えば、二次電池の予め定められた使用域の下限電圧よりも10%以上高い電圧に設定してもよい。例えば、リチウムイオン二次電池100において、使用域の下限電圧が3Vの場合、工程Aにおけるリチウムイオン二次電池100の充電電圧は、3.3V以上に設定するとよい。
このように、工程Aにおける充電電圧は、二次電池の予め定められた使用域の下限電圧よりも10%以上高い電圧に設定すれば、今回の検査で概ね必要な充電量を確保できる。工程Aにおける充電電圧は、より高く設定してもよい。
また、工程Aにおける充電電圧は、二次電池の予め定められた使用域の上限電圧を基準に設定してもよい。工程Aにおける充電電圧は、例えば、リチウムイオン二次電池100において、使用域の上限電圧が4Vである場合、工程Aにおける充電電圧は、当該使用域の上限電圧(4V)よりも10%低い電圧(3.6V)以上の電圧に設定するとよい。このように、工程Aにおける充電電圧は、リチウムイオン二次電池100(二次電池)の予め定められた使用域の上限電圧を基準に設定することによって、工程Aにおける充電電圧を使用域の上限電圧に近づけて適切に規定することができる。
≪工程Cにおける放電≫
また、工程Cにおける放電は、CC放電が好適である。CC放電によれば、負極活物質層の対向部F1から電荷担体となる化学種(リチウムイオン二次電池では、リチウム)を放出させ、かつ、非対向部F2,F3に電荷担体となる化学種(リチウム)を残留させることができる。なお、工程Cにおける好適な放電方法として、CC放電を例示したが、工程Cにおける放電方法は、CC放電には限定されない。
また、工程Cにおける放電電圧は、例えば、工程Aにおける充電電圧よりも5%以上低い電圧に設定されているとよい。また、工程Cにおける放電電圧は、例えば、二次電池の予め定められた使用域の下限電圧よりも5%高い電圧以下に設定されていてもよい。
なお、リチウムイオン二次電池は、工程Dにおいて、負極活物質層243中でリチウムが拡散しやすい(図13参照)。このため、この二次電池の検査方法は、リチウムイオン二次電池に好適に適用されうる。さらに、この二次電池の検査方法は、リチウムイオン二次電池のような非水系二次電池に好適であり、特に、高容量かつ高出力の二次電池に好適である。リチウムイオン二次電池では、図17に示すように、電池電圧が3.3V以下(特に、3.1V以下、より好ましくは3.0V以下)で負極の電位の変化が大きい。これは、電池電圧が3.3V以下(特に、3.1V以下、より好ましくは3.0V以下)では、負極活物質層に吸蔵されたリチウムイオンの量に応じて、負極の電位が変動しやすい傾向を示している。
このため、リチウムイオン二次電池では、工程Dにおいて、電池電圧の変動が、3.3V以下(特に、3.1V以下、より好ましくは3.0V以下)であれば、負極活物質層中のリチウムの量に対して、電池電圧の変動幅が大きくなる。このため、二次電池が、リチウムイオン二次電池である場合には、工程Cにおける放電電圧は、3.3V以下、より好ましくは3.1V以下、さらに好ましくは3.0V以下に設定するとよい。
また、この場合、工程Aにおける充電電圧は、工程Cにおける放電電圧の凡そ5%以上であるとよい。工程Aにおける充電電圧は、工程Cにおける放電電圧に対して凡そ5%以上であれば、工程Dでの電圧増加量を得るのに適当である。工程Bにおいて、負極活物質層243の非対向部F2,F3に十分なリチウムを拡散させるためには、工程Aの充電電圧は高い方か好ましい。このため、工程Aにおける充電電圧は、好ましくは工程Cにおける放電電圧に対して凡そ8%以上、さらには好ましくは凡そ10%以上に設定されているとよい。なお、工程Aにおける充電電圧が高いと、充電に要する時間やコストが高くなり、また工程Cにおける放電に要する時間やコストも高くなる。このため、工程Dで、捲きずれ量Zを検出するのに好適な電圧増加量Xが得られるように適当なように、工程Aにおける充電電圧と放電電圧を設定するとよい。
≪工程Dにおける予め定められた時間t1≫
また、工程Dにおける予め定められた時間t1(図17参照)は、上述したように、工程Cにおける放電に伴う分極が解消されるのに相当する時間が設定されるとよい。なお、分極が解消されるのに相当する時間は、電池の構造や電池サイズによって変動し得る。このため、評価用セルにおいて、図17に示すような、電池電圧の推移をモニタリングしつつ、適当な時間を設定するとよい。一般的には、分極が解消されるのに相当する時間は、例えば、工程Dでは、工程Cの後、少なくとも3時間経過後から所定の時間t2における電池電圧の増加量Xを検出するとよい。より確実には、凡そ5時間経過後から所定の時間t2における電池電圧の増加量Xを検出するとよい。
≪工程Dにおける電池電圧の増加量Xを検出する時間t2≫
また、工程Dでは、予め定められた時間t1経過後から少なくとも5時間以上に定められた所定時間t2における電池電圧の増加量Xを検出するとよい。より好ましくは、予め定められた時間t1経過後から凡そ24時間程度における電池電圧の増加量Xを検出するとよい。
≪工程Bにおいて二次電池を放置する時間≫
また、工程Bにおいて二次電池を放置する時間は、例えば、少なくとも1日(24時間)以上にするとよい。工程Bにおいて二次電池を放置する時間は、好ましくは、10日程度としてもよい。
≪二次電池の構造≫
また、二次電池の構造としては、図1から図3に示すように、捲回電極体200を備えているとよい。例えば、両面に正極活物質層223が形成された帯状の正極集電体221と、両面に負極活物質層243が形成された帯状の負極集電体241とを備えているとよい。ここで、負極活物質層243は、正極活物質層223よりも幅が広いとよい。また、正極集電体221と負極集電体241とは、セパレータ262、264を介在させた状態で、正極活物質層223と負極活物質層243とが対向し、かつ、負極活物質層243が正極活物質層223を覆うように重ねられて捲回されているとよい。
また、正極集電体221は、片側の長辺に沿って正極活物質層223が形成されていない部分(未塗工部222)を有しているとよい。また、負極集電体241は、片側の長辺に沿って負極活物質層243が形成されていない部分(未塗工部242)を有しているとよい。この場合、正極活物質層223と負極活物質層243とが対向した対向部分の片側に、正極集電体221のうち正極活物質層223が形成されていない部分がはみ出ているとよい。また、正極集電体221のうち正極活物質層223が形成されていない部分がはみ出た側とは反対側に、負極集電体241のうち負極活物質層243が形成されていない部分(未塗工部242)がはみ出ているとよい。
また、上述した実施例では、角型の二次電池を例示したが、円筒形状の二次電池にも適用できる。また、捲回電極体を備えた二次電池を例示し、捲回電極体の捲きずれ量Zを評価する例を例示した。この二次電池の検査方法は、捲回電極体を備えた二次電池に限らず、セパレータを介して正極シートと負極シートとを積層した積層型の二次電池に適用することができる。積層型の二次電池に適用においても、工程Dで検出された電池電圧の増加量に基づいて、負極活物質層が正極活物質層を覆う程度を評価することができる。
この場合、例えば、工程Dで得られた電池電圧の増加量に対して閾値を設けて、二次電池の負極活物質層が正極活物質層を覆う程度について良否判定(工程E)を行なってもよい。当該工程Eにおいて、閾値は、負極活物質層が正極活物質層を覆う程度が既知の二次電池と、当該二次電池について工程Dで検出された電池電圧の増加量との関係を基に設定するとよい。また、工程Dで検出された電池電圧の増加量に基づいて、二次電池の負極活物質層が正極活物質層を覆う程度を推定する工程(工程F)を含んでいてもよい。
以上、本発明の一実施形態に係る二次電池の検査方法について、種々説明したが、本発明に係る二次電池の検査方法は、特に言及されない限りにおいて、上述した何れの実施形態にも限定されない。
100 リチウムイオン二次電池
200 捲回電極体
210 捲回電極体の平坦部分
220 正極(正極シート)
221 正極集電体
222 未塗工部
223 正極活物質層
224 中間部分
225 隙間(空洞)
240 負極(負極シート)
241 負極集電体
242 未塗工部
243 負極活物質層
245 隙間(空洞)
252、254 捲回電極体の両側
262、264 セパレータ
280 電解液
290 充電器
300、300A 電池ケース
310、312 捲回電極体200と電池ケース300との隙間
320
322 蓋体と容器本体の合わせ目
340 蓋体
350 注液孔
352 封止キャップ
360 安全弁
420 電極端子
420a 先端部
440 電極端子
440a 先端部
610 正極活物質粒子
620 導電材
630 バインダ
710 負極活物質粒子
730 バインダ
WL 捲回軸
また、領域F1は、正極活物質層223と負極活物質層243とが対向した対向部を示し、領域F2,F3は、負極活物質層243が正極活物質層223からはみ出た部位(非対向部)を示している。ここでは、図9〜13に示すように、正極活物質層223の両側において、負極活物質層243の非対向部F2,F3が概ね同じ幅で存在している。
≪工程C:放電工程≫
工程Cは、工程Bの後に、予め定められた放電電圧まで放電する工程である。例えば、リチウムイオン二次電池100をCC放電によって、予め定められた電圧まで放電するとよい。ここでは、図14に示すように、リチウムイオン二次電池100を、電池電圧が3.0Vになるまで、1Cの定電流で放電(CC放電)する。これにより、図13に示すように、負極活物質層243からリチウムが放出される。また正極活物質層223には、リチウムLが吸蔵される。
100 リチウムイオン二次電池
200 捲回電極体
20 正極(正極シート)
221 正極集電体
222 未塗工部
223 正極活物質層
224 中間部分
225 隙間(空洞)
240 負極(負極シート)
241 負極集電体
242 未塗工部
243 負極活物質層
245 隙間(空洞)
252、254 捲回電極体の両側
262、264 セパレータ
280 電解液
290 充電器
300、300A 電池ケース
310、312 捲回電極体200と電池ケース300との隙間
22 蓋体と容器本体の合わせ目
340 蓋体
350 注液孔
352 封止キャップ
360 安全弁
420 電極端子
420a 先端部
440 電極端子
440a 先端部
610 正極活物質粒子
620 導電材
630 バインダ
710 負極活物質粒子
730 バインダ
WL 捲回軸

Claims (23)

  1. 正極集電体と、
    前記正極集電体に保持された正極活物質層と、
    負極集電体と、
    前記負極集電体に保持され、前記正極活物質層に対向するように配置された負極活物質層と、
    を備え、
    前記負極活物質層が前記正極活物質層よりも幅が広く、前記負極活物質層が前記正極活物質層を覆うように配置された二次電池に関し、
    前記二次電池を予め定められた充電電圧まで充電する工程Aと、
    前記工程Aの後に、二次電池を予め定められた時間放置する工程Bと、
    前記工程Bの後に、予め定められた放電電圧まで放電する工程Cと、
    前記工程Cの後に、予め定められた時間経過後から所定の時間における電池電圧の増加量を検出する工程Dと
    を含む、二次電池の検査方法。
  2. 前記工程Aにおける充電は、CCCV充電である、請求項1に記載された二次電池の検査方法。
  3. 前記工程Aにおける前記充電電圧は、前記二次電池の予め定められた使用域の下限電圧よりも10%以上高い電圧に設定されている、請求項1または2に記載された二次電池の検査方法。
  4. 前記工程Aにおける前記充電電圧は、前記二次電池の予め定められた使用域の上限電圧よりも10%低い電圧以上の電圧に設定されている、請求項1または2に記載された二次電池の検査方法。
  5. 前記工程Cの放電は、CC放電である、請求項1から4までの何れか一項に記載された二次電池の検査方法。
  6. 前記工程Cにおける前記放電電圧は、前記工程Aにおける前記充電電圧よりも5%以上低い電圧に設定されている、請求項1から5までの何れか一項に記載された二次電池の検査方法。
  7. 前記工程Cにおける前記放電電圧は、前記二次電池の予め定められた使用域の下限電圧よりも5%高い電圧以下に設定されている、請求項1から6までの何れか一項に記載された二次電池の検査方法。
  8. 前記工程Dにおける前記予め定められた時間は、前記放電に伴う分極が解消されるのに相当する時間が設定される、請求項1から7までの何れか一項に記載された二次電池の検査方法。
  9. 前記工程Dでは、前記工程Cの後、少なくとも3時間経過後から所定の時間における電池電圧の増加量を検出する、請求項1から7までの何れか一項に記載された二次電池の検査方法。
  10. 前記工程Dでは、前記予め定められた時間経過後から少なくとも5時間以上における電池電圧の増加量を検出する、請求項1から9までの何れか一項に記載された二次電池の検査方法。
  11. 前記工程Bにおいて、前記二次電池を放置する時間は少なくとも24時間以上である、請求項1から10までの何れか一項に記載された二次電池の検査方法。
  12. 前記工程Dで得られた電池電圧の増加量に対して閾値を設けて、前記二次電池の前記負極活物質層が前記正極活物質層を覆う程度について良否判定を行なう工程Eを含む、請求項1から11までの何れか一項に記載された二次電池の検査方法。
  13. 前記工程Eにおいて、前記閾値は、前記負極活物質層が前記正極活物質層を覆う程度が既知の二次電池と、当該二次電池について工程Dで検出された電池電圧の増加量との関係を基に設定された、請求項12に記載された二次電池の検査方法。
  14. 前記工程Dで検出された電池電圧の増加量に基づいて、前記二次電池の前記負極活物質層が前記正極活物質層を覆う程度を推定する工程Fを含む、請求項1から13に記載された二次電池の検査方法。
  15. 前記正極集電体は、両面に正極活物質層が形成された帯状の正極集電体であり、
    前記負極集電体は、両面に負極活物質層が形成された帯状の負極集電体であり、
    前記負極活物質層は、前記正極活物質層よりも幅が広く、
    前記正極集電体と前記負極集電体とは、前記セパレータを介在させた状態で、前記正極活物質層と前記負極活物質層とが対向し、かつ、前記負極活物質層が前記正極活物質層を覆うように重ねられて捲回されている、請求項1から14までの何れか一項に記載された二次電池の検査方法。
  16. 前記正極集電体は、片側の長辺に沿って前記正極活物質層が形成されていない部分を有しており、
    前記負極集電体は、片側の長辺に沿って前記負極活物質層が形成されていない部分を有しており、かつ、
    前記正極活物質層と前記負極活物質層とは、対向した対向部分の片側に、前記正極集電体のうち前記正極活物質層が形成されていない部分がはみ出ており、前記正極集電体のうち前記正極活物質層が形成されていない部分がはみ出た側とは反対側に、前記負極集電体のうち前記負極活物質層が形成されていない部分がはみ出ている、
    請求項15に記載された二次電池の検査方法。
  17. 前記工程Dで検出された電池電圧の増加量に基づいて、前記二次電池の前記正極活物質層と前記負極活物質層との捲きずれ量を推定する工程Gを含む、請求項15または16に記載された二次電池の検査方法。
  18. 前記正極活物質層と前記負極活物質層との捲きずれ量が既知の二次電池を用意し、当該二次電池に基づいて、前記正極活物質層と前記負極活物質層との捲きずれ量と、工程Dで検出された電池電圧の増加量との関係を得る工程Hを含み、
    前記工程Gは、前記工程Hで得られた捲きずれ量と電池電圧の増加量との関係に基づいて、前記正極活物質層と前記負極活物質層との捲きずれ量が未知の二次電池について、前記工程Dで検出された電池電圧の増加量から、前記二次電池の前記正極活物質層と前記負極活物質層との捲きずれ量を推定する、請求項17に記載された二次電池の検査方法。
  19. 前記工程Dで得られた電池電圧の増加量に対して閾値を設けて、前記二次電池の前記正極活物質層と前記負極活物質層との捲きずれ量について良否判定を行なう工程Iを含む、請求項17から18までの何れか一項に記載された二次電池の検査方法。
  20. 前記二次電池が非水系二次電池である、請求項1から19までの何れか一項に記載された二次電池の検査方法。
  21. 前記二次電池はリチウムイオン二次電池である、請求項20に記載された二次電池の検査方法。
  22. 前記工程Cにおける放電電圧は3.1V以下に設定される、請求項21に記載された二次電池の検査方法。
  23. 前記工程Aにおける充電電圧は、前記工程Cにおける放電電圧の5%以上に設定される、請求項22に記載された二次電池の検査方法。
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