JPWO2013146596A1 - 試験用電池ケースおよび試験用電池 - Google Patents
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Abstract
Description
リチウムイオン二次電池では、正極材料に高温状態で不安定化しやすい金属酸化物を用い、電解液に有機溶媒を含んでいるため、高温状態になることにより、発火・発煙事故につながりやすい。また、リチウムイオン二次電池が高温状態になる原因として、充電時に電池内部に析出した金属粒子による内部短絡が挙げられている。さらに、電池製造時の異物混入問題もあり、これらの異物が電池使用時にショートする事故なども報告されている。
強制内部短絡試験では、充電した単電池の封口部を素早く分解して電極体をケースから取り出し、決められた形状のニッケル小片を試験用金属片として最外部のセパレータと電極との間に設置した後に、再びケースに戻して、該試験用金属片設置部分を押圧することにより、正極と負極とを短絡させ、発火や発煙が生じるか否かを確かめることが定められている。
また、ブラントネイル試験や銅釘等を用いた内部短絡試験の場合、剛性材料をケースに用いた電池では、釘がケースを貫通せずに試験が行えないこともあった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、内部短絡試験の信頼度を高めることができる試験用電池ケースおよび試験用電池を提供する。
なお、本発明において、内部短絡試験には、強制内部短絡試験、ブラントネイル試験、釘さし試験などが含まれる。
このような構成によれば、シール部材により試験用電池ケースを密閉することができ、容器の内部短絡試験用の開口から電解液が漏れることを防止することができる。
本発明の試験用電池ケースにおいて、前記容器は、剛性材料からなることが好ましい。
このような構成によれば、剛性材料からなる容器を用いた電池で、正確な内部短絡試験をすることができる。
本発明の試験用電池によれば、内部短絡試験用の開口が閉塞部材により閉塞された状態において、電池の充電を行い、その後、閉塞部材を取り外して前記開口を開いた状態に変化させ、前記開口を用いて内部短絡試験を行うことができる。このため、製造販売する電池とほぼ等しい状態の試験用電池について、内部短絡試験を行うことができ、より正確な試験を行うことができる。また、本発明の試験用電池の構成部品のほとんどを、製造販売する電池と同じものを使用することができるため、内部短絡試験にかかるコストを低減することができる。
このような構成によれば、試験用電池から閉塞部材を取り除き強制内部短絡試験用の開口が開いた状態としたときに、前記開口から発電要素の試験用金属片を配置した部分を短絡試験用押圧冶具で押圧することができ、強制的に正極と負極とを短絡させることが容易にできる。
このような構成によれば、試験用金属片を配置することにより生じる発電要素の膨らみを弾性部材が覆い適度な力で抑えることができる。このことにより、注液の液流れや製造工程における振動などにより発電要素内に配置した試験用金属片の位置がずれることを抑制することができる。
また、発電要素をクリアランス調整部材で開口側に押すことができるため、強制内部短絡試験時、発電要素を短絡試験用押圧冶具で押圧する際に、短絡試験用押圧冶具のストロークが短くなり、装置の押圧距離限界による加圧力不足を防止することができる。これにより、試験用金属片に治具による押圧力を確実に伝えてセパレータ及び電極を貫通させることができるため、より正確に強制内部短絡試験を行うことができる。
このような構成によれば、正極接続端子および負極接続端子を介して充放電することができ、正極および負極で電池反応を進行させることができる。
本発明の試験用電池において、前記正極は、リチウムを含有する金属酸化物、オリビン型化合物、導電性高分子等のリチウムイオンを出し入れできる活物質を含む正極活物質層を有し、前記負極は、炭素、Si化合物、Sn化合物等のリチウムイオンを出し入れ可能な活物質を含む負極活物質層を有し、前記有機電解液は、リチウム塩溶質を有機溶媒に溶解した溶液であることが好ましい。その他、電解液、電極中に様々な添加剤を含んでいても構わない。
このような構成によれば、活物質や溶液の様々な組合せを試験用電池で構成して、発火・発煙を起こしやすいものに関する試験も容易に、安全に行える。
図1は本実施形態の試験用電池の構成を示す概略上面図であり、図2は、本実施形態の試験用電池の構成を示す概略側面図である。また、図3は、図1の点線A−Aにおける試験用電池の概略断面図であり、図4は、図2の点線B−Bにおける試験用電池の概略断面図である。また、図5は、本実施形態の試験用電池の概略断面図であり、図2の点線B−Bにおける試験用電池の概略断面図に対応する。また、図6は、本実施形態の試験用電池に含まれる発電要素の説明図であり、図7(a)は本実施形態の試験用電池に含まれる正極の概略平面図であり、図7(b)は図7(a)の点線C−Cの概略断面図である。図8(a)は本実施形態の試験用電池に含まれる負極の概略平面図であり、図8(b)は図8(a)の点線D−Dの概略断面図である。
本実施形態の試験用電池20は、本実施形態の試験用電池ケース17と、発電要素12と、有機電解液16とを備え、発電要素12は、負極と、正極と、前記負極と前記正極との挟まれたセパレータとを有し、前記電池ケース17は、前記発電要素と前記有機電解液とを収容することを特徴とする。
以下、本実施形態の試験用電池ケース17および試験用電池20について説明する。
本実施形態の試験用電池ケース17は、発電要素12を収容するための容器1と、容器1に取外し可能に固定された閉塞部材13とを備える。また、試験用電池ケース17は、蓋部材2、シール部材14を備えてもよい。
容器1は、内部に発電要素12、正極接続端子3、負極接続端子4および非水電解質16を収容することができ、蓋部材2と接合することができる。
容器1の材料は、内部に発電要素12、正極接続端子3、負極接続端子4および有機電解液16を収容しても大きく変形しない材料であれば特に限定されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金、ステンレス等の金属材料、該金属材料にニッケル、スズ、クロム、亜鉛等をメッキしたものや、硬質プラスチックなどである。
容器1の形状は、角型でも円筒形でも良い。
容器1の材料は、上記金属材料などの剛性材料からなることが好ましい。このことにより、本実施形態の試験用電池ケース17が有する内部短絡試験用の開口15を有効に利用することができる。
また、開口15は、閉塞部材13により閉塞される。
開口は、円形、四角形、多角形等の様々な形状をとりうる。また、開口の形状として、外側から開口内部に対して、すり鉢のようなテーパのついているものでもよい。開口の大きさは、内部短絡試験用冶具の大きさと同等か冶具の大きさよりも大きいものがよい。
閉塞部材13は、閉塞部材13を容器1に接着・かしめ・嵌合・溶接により直接固定されてもよく、シール部材(接合部材)14を設けることにより容器1に固定されてもよく、ねじ構造により固定されてもよい。
閉塞部材13の開封強度は、電池の通常の充放電で開かない程度であれば良い。電池に設けられた安全弁と同等程度の開封強度を有することが好ましい。
閉塞部材13の形状はフィルム状、シート状、箔状や薄い板状であり、柔軟性を有していることが好ましい。閉塞部材13は、容器の開口15を塞ぐことができれば良く、大きさは開口15と同等または開口15より大きくてもよい。閉塞部材13がフィルムやシート状の場合は、容器の開口15の設置してある一面全体を覆うように固着してもよい。また、閉塞部材13はプルタブのように閉塞部材13を引っ張りやすくするタブや取っ手が付いていてもよい。このような構造をとれば、閉塞部材13を引き剥がすことが容易になり作業性が向上する。
かしめ・嵌合により開口15に閉塞部材13を取り付ける場合は、開口15および閉塞部材13をかしめ・嵌合可能な形状に加工しておくことができる。
接着・溶着により開口15に閉塞部材13を取り付ける場合は、接着剤、熱融着材料、はんだ、ロウ材等を用いて行うことができる。
溶接により開口15に閉塞部材13を取り付ける場合は、抵抗溶接、レーザ溶接、超音波溶接等様々な溶接方法によって行うことができる。
また、開口15と閉塞部材13はプルタブのついた飲料用缶のように、容器の一部にプレス加工等により破断溝を作成しタブをつけることで、引き剥がせる構造とするものよい。
シール部材14を利用する場合は、閉塞部材13は液体や気体を通さないものであれば良く、金属や樹脂の板、栓のような構造が好ましい。
閉塞部材13は、例えば、図4、5のように開口15を塞ぐようにシール部材14により容器1に固定されてもよいし、閉塞部材13に設けられたシール部材14で開口15を塞いでもよいし、閉塞部材13とシール部材との協働により塞ぐ構造でもよい。また、閉塞部材には閉塞部材13を引っ張りやすくするタブや取っ手が付いていてもよい。
容器1からの閉塞部材13の取外しは、閉塞部材13に力を加えることにより閉塞部材13のみを取外してもよく、閉塞部材13とシール部材を同時に取外してもよく、シール部材14を除去することにより閉塞部材13を取外してもよい。また、閉塞部材13をスライド構造等にすることもできる。
閉塞部材13を容器1にねじ構造で取り付ける場合、開口15と閉塞部材13を雄ねじと雌ねじ形状に加工しておくことでできる。ねじ締め時にシール部材14を合わせて利用することもできる。
また、蓋部材2には、正極接続端子3および負極接続端子4を固定し、正極接続端子3に正極21を固定し、負極接続端子4に負極22を固定することができる。このことにより、図3のように発電要素12を正極接続端子3、負極接続端子4に固定することができ、発電要素12、正極接続端子3、負極接続端子4を容器1の内部に収容し蓋部材2により、容器1の発電要素12を挿入するための開口15を塞ぐことができる。
また、蓋部材2には外部接続端子8a、8bを固定することができ、正極接続端子3を外部接続端子8aに電気的に接続することができ、負極接続端子4を外部接続端子8bに電気的に接続することができる。このことにより、外部接続端子8a、8bを介して、試験用電池20の充放電を行うことができる。
試験用電池20は、試験用電池ケース17と、発電要素12と、有機電解液16とを備え、発電要素12は、負極22と、正極21と、負極22と正極21との挟まれたセパレータ24とを有し、試験用電池ケース17は、発電要素12と有機電解液16とを収容する。試験用電池20は、内部短絡試験用に用いられる電池であれば、特に限定されないが、例えば、リチウムイオン二次電池とすることができる。
また、試験用電池20は、試験用金属片18、弾性部材31、クリアランス調整部材32も有することができる。
試験用電池20を強制内部短絡試験に用いる場合、強制内部短絡試験用の金属片18を発電要素12の中に配置することができる。試験用金属片18は、図5、6のように最も外側の正極21または負極22と、その外側のセパレータ24との間に配置することができる。発電要素12の試験用金属片18が配置された部分を外側から押圧することにより、試験用金属片18がセパレータ24を貫通し、正極21と負極22とを強制的に短絡させることができる。
試験用金属片18の材料は、強制内部短絡試験に用いられるものであれば特に限定されないが、例えば、金属ニッケルとすることができる。
また、試験用金属片18は、正極21または負極22と、容器1の強制内部短絡試験用の開口15または閉塞部材13との間に配置することができる。このことにより、開口15から短絡試験用押圧冶具を容器1内に挿入し発電要素12の試験用金属片18が配置された部分を押圧することができ、試験用金属片18により正極21と負極22とを短絡させることができる。
なお、試験用金属片18は、試験用電池20を充電した後、試験用電池20を開けて発電要素12に挿入してもよく、試験用電池20の製造中に発電要素12内に配置してもよい。
弾性部材31の厚みは、ケース17の強制内部短絡試験用の開口15の厚みより厚いこと、すなわち、ケース17の開口15の設けられた面のケース17の板厚より厚いことが好ましい。
ケース17の板厚より弾性部材31が厚ければ、試験用金属片18を弾性部材31が確実に覆うことができ、試験用金属片18が動くことを抑えることができる。
弾性部材31は、弾性材料からなり、有機電解液に対する耐電解液性を有する材料からなればよい。
弾性部材31の強度は20〜90kPa(圧縮応力25%)が好ましい。この範囲であれば、電極を傷つけることなく試験用金属片18を押さえることができる。弾性材料31の厚みは0.8〜5mm程度の厚みを有していることが好ましい。厚みがこの範囲であれば、試験用金属片18の盛り上がりを有効に押さえることができ、厚すぎると発電要素12により押され潰される無駄な厚みを少なくでき、試験用金属片18に余計な力がかかることを防止することができる。
弾性部材31の材質について、特に限定されないが、ポリオレフィン、ウレタン、シリコーンゴム、EPDMゴム、フッ素ゴム等からなるスポンジやシリコーンゴム、EPDM、フッ素ゴムとすることができる。
クリアランス調整部材32は容器1に設けられた短絡試験用押圧冶具の面積よりも大きい方が好ましい。短絡試験用押圧冶具よりも小さい場合は、クリアランス調整部材32の配置されていない発電要素12部分が押されて凹み、その凹んだ位置に試験用金属片18があると、試験用金属片18が適切にセパレータ24や電極21,22に食い込まず、適切に試験が行えないことがある。さらに、クリアランス調整部材32は容器に設けられた開口15よりも面積が大きい方が好ましい。クリアランス調整部材32が開口15よりも大きければ、クリアランス調整部材32の位置が多少ずれても、試験用金属片18を裏側から確実に押すことができるため、試験用金属片18がセパレータ24や電極21,22を確実に貫通することができる。
クリアランス調整部材32の板厚は電池内の発電要素12と容器間のクリアランスから適宜決めればよく。クリアランスの50〜80%程度の厚さにするのが好ましい。
クリアランス調整部材32は、硬質の素材からなり、非水電解質16に対する耐性を有する材料からなれば特に限定されない。例えば、ポリオレフィン、ポリフェニレンスルファイド等の樹脂板とすることができる。
また、セパレータ24は、強制内部短絡試験において、試験用金属片18が貫通する。このことにより正極21と負極22との間に、試験用金属片18を介して短絡電流が流れる。
正極活物質層25は、正極活物質に導電剤、結着剤などを添加し、塗布法などにより正極集電体27の上に形成することができる。正極活物質は、例えば、リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することが可能なリチウム遷移金属複合酸化物、すなわち、LiCoO2、LiNiO2、LiNixCo1-xO2(x=0.01〜0.99)、LiMnO2、LiMn2O4、LiCoxMnyNizO2(x+y+z=1)又はオリビン型のLiFePO4やLixFe1-yMyPO4(但し、0.05≦x≦1.2、0≦y≦0.8であり、MはMn、Cr、Co、Cu、Ni、V、Mo、Ti、Zn、Al、Ga、Mg、B、Nbのうち少なくとも1種以上である)などが一種単独もしくは複数種を混合して使用することができる。
負極活物質層26は、負極活物質に導電剤、結着剤などを添加し、塗布法などにより負極集電体28の上に形成することができる。負極活物質は、例えば、リチウム二次電池の場合、グラファイト、部分黒鉛化した炭素、LiTiO4、Sn合金等が一種単独もしくは複数種を混合して使用することができる。
リチウム塩を含有する非水電解質は、非水電解質とリチウム塩とからなるものである。非水電解質としては、非水電解液、有機固体電解質、無機固体電解質が用いられる。非水電解液は、溶媒としてカーボネート類、ラクトン類、エーテル類、エステル類などを使用することができ、これら溶媒の2種類以上を混合して用いることもできる。これらの中では特に環状カーボネートと鎖状カーボネートを混合して用いることが好ましい。有機電解液は、例えば、電解質としてのLiCF3SO3、LiAsF6、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiBOB、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)等のリチウム塩溶質を有機溶媒に溶解した溶液である。また、必要に応じてVC(ビニレンカーボネート)、PS(プロパンスルトン)、VEC(ビニルエチルカーボネート)、PRS(プロペンスルトン)、難燃剤等の添加剤を単独または複数種を混合して配合してもよい。
(強制内部短絡試験)
本実施形態の試験用電池20は、強制内部短絡試験に使用できる。強制内部短絡試験は、試験用電池ケース17内に配置した試験用金属片18により正極21と負極22とを短絡させ、発火や発煙が生じるか否かを確かめる試験である。手順としては、以下の通りである。また、図9、10は、強制内部短絡試験の説明図である。
次に、図9のように、試験用電池ケース17から閉塞部材13を取外し、容器1の開口15を開ける。また、第1弾性部材31を設けていたとき、第1弾性部材31を試験用電池20から除去する。このとき、開口15から有機電解液16が漏れ出ることを防止するために、開口15を上部とした状態で閉塞部材13を取り外すことができる。また、試験用金属片18を製造時に発電要素12に挿入していない場合、この時点で、試験用金属片18を発電要素12に挿入することができる。具体的には、セパレータ24に試験用金属片18を挿入するための切り込みを設けておき、この切り込みから試験用金属片18を発電要素12に挿入する。
また、本実施形態の試験用電池20は、ブラントネイル試験や釘さし試験に使用できる。
ブラントネイル試験や釘さし試験は、製造時にあやまって導電性異物が混入した場合や、釘などの鋭利な金属が突き刺さった場合、内部短絡を起こし、破裂、発火などが発生しないかを確認する試験である。釘さし試験は、先端のとがった釘を用いる試験であり、ブラントネイル試験は、先端の丸まった釘(鈍り釘)を用いる試験である。
手順としては、以下の通りである。また、図11、12は、ブラントネイル試験の説明図である。なお、釘さし試験では、図11、12示した試験用釘37に先端のとがった釘を用いる。
次に、図11のように、試験用電池ケース17から閉塞部材13を取外し、容器1の開口15を開ける。このとき、開口15から有機電解液16が漏れ出ることを防止するために、開口15を上部とした状態で閉塞部材13を取り外すことができる。
次に、開口15から試験用電池20内に内部短絡試験用の釘37を挿入し発電要素12に釘37を突き刺す。このことにより、図12のように釘37が正極21または負極22、およびセパレータ24を貫通し、正極21と負極22が釘37により強制的に短絡する。このことにより、内部短絡による発煙、発火や破裂が生じるか否かを確かめることができる。
該発電要素12の正極21側の端部と負極22側の端部に正極接続端子3と負極接続端子4を取り付け、図3のような構造にし、弾性部材31、クリアランス調整部材32とともに試験用電池ケース17に収めて、非水電解液を注入して160Whの試験用電池を作製した。
容器1はステンレス製(板厚0.8mm)縦98mm×横165.5mm×厚み43.5mmの角型ケースを使用し、開口は1.9mmφの円形とした。内部の容器1と発電要素12と厚み方向クリアランスは約4.5mmであった。
閉塞部材13はステンレス製の厚さ0.1mmのタブ付きの大きさ30mmφの薄板を用いた。閉塞部材13は容器1に周囲を超音波溶接することにより取り付けた。
弾性部材31として、試験用電池ケース17の開口15と同じ形状、同じ大きさの厚さ3mmのポリエチレン発泡体(圧縮応力25%:50kPa)を使用した。クリアランス調整部材32として3mmのポリプロピレンの板を用いた。
短絡試験用押圧冶具35はステンレス製10mmの角柱の先端に、2mmの厚みのニトリルゴムを介して5mm角のアクリル製立方体が取り付けられているものを使用した。
短絡試験用押圧冶具35のアクリル面(加圧面の面積25mm2)で試験用金属片18を冶具35で押圧して強制内部短絡試験を行った。押圧後の発電要素12の加圧部分を確認したところ、試験用金属片18が発電要素12内に完全にめり込んでいることが確認できた。
Claims (12)
- 発電要素を収容するための容器と、前記容器に取外し可能に固定された閉塞部材とを備え、
前記容器は、前記閉塞部材により閉塞される内部短絡試験用の開口を有することを特徴とする試験用電池ケース。 - シール部材を備え、
前記シール部材は、前記容器と前記閉塞部材との隙間を密閉する請求項1に記載の試験用電池ケース。 - 前記閉塞部材は、タブまたは取っ手を備えている請求項1または2に記載の試験用電池ケース。
- 前記容器は、剛性材料からなる請求項1〜3のいずれか1つに記載の試験用電池ケース。
- 請求項1〜4のいずれか1つに記載の試験用電池ケースと、前記発電要素と、非水電解質とを備え、
前記発電要素は、負極と、正極と、前記負極と前記正極とに挟まれたセパレータとを有し、
前記試験用電池ケースは、前記発電要素と前記非水電解質とを収容する試験用電池。 - 試験用金属片を備え、
前記試験用金属片は、前記閉塞部材と前記正極または前記負極との間に配置された請求項5に記載の試験用電池。 - 前記試験用金属片は、前記セパレータと前記負極または前記正極との間に配置された請求項6に記載の試験用電池。
- 弾性部材を備え、
前記弾性部材は、前記試験用金属片と前記閉塞部材との間に配置された請求項6または7に記載の試験用電池。 - 前記試験用電池ケースと前記発電要素との間に配置されたクリアランス調整部材を備え、
前記クリアランス調整部材は、前記弾性部材とともに前記発電要素を挟む請求項8に記載の試験用電池。 - 前記試験用電池ケースと前記発電要素との間に配置されたクリアランス調整部材を備え、
前記クリアランス調整部材は前記発電要素を前記開口方向へ押圧する請求項5〜9のいずれか1つに記載の試験用電池。 - 正極接続端子と、負極接続端子とを備え、
前記正極は前記正極接続端子と電気的に接続し、前記負極は前記負極接続端子と電気的に接続する請求項5〜10のいずれか1つに記載の試験用電池。 - 前記正極は、リチウムイオンを出し入れできる正極活物質層を有し、
前記負極は、リチウムイオンを出し入れできる活物質負極活物質層を有し、
前記有機電解質は、リチウム塩溶質を有機溶媒に溶解した溶液である請求項5〜11のいずれか1つに記載の試験用電池。
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