JP2010040318A - 二次電池のａｅ信号発生部位検出方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池についてＡＥ信号を生じさせた部位を検出する方法の提案
【解決手段】この二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法は、電池ケース３００の複数の位置に取り付けられたＡＥ信号検出センサ１１、１２から電池ケース３００内で生じたＡＥ信号を検出する。そして、複数のＡＥ信号検出センサ１１、１２がＡＥ信号を検出した時間に基づいて、二次電池１０００でＡＥ信号を生じさせた部位を検出する。このＡＥ信号発生部位検出方法によれば、二次電池でＡＥ信号を生じさせた部位を検出できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ケース内に構成された二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法に関する。ここで、「ＡＥ信号」は、アコースティックエミッション信号(acoustic emission signal)を意味している。

例えば、特開平７−６７９５号公報には、密閉型鉛酸電池に関し、電池内部から発生するＡＥ信号を検出する技術が開示されている。同公報では、検出されたＡＥ信号の周波数によって、５０から１５０ｋＨｚの周波数のＡＥ信号をガス発生によるものとし、１５０ｋＨｚ以上の周波数の信号を内部構成物の破壊によるものとしている。

また、特開平７−８５８９２号公報には、蓄電池の充電方法にＡＥ信号を利用した方法が開示されている。同公報に開示された主たる発明は、蓄電池のＡＥ信号を測定し、測定値を微分した結果、当該測定値が急上昇傾向を示したとき、電池への充電を定電流充電から定電圧充電へ切替えるというものである。
また、特開２００６−１４７５１３号公報には、セル本体の凹部外側にＯリングやシール材を配置し、蓋体で密閉可能な構造を有する電気化学特性測定用セルに関し、ＡＥ信号を測定することが開示されている。同公報では、充放電時に伴う体積膨張、応力発生、胞性破壊に起因するセル内で発生するＡＥ信号が測定されている。
また、特開２００５−２９１８３２号公報では、電池の劣化診断方法として、被測定電池の外側から超音波を該被測定電池内に印加し、該被測定電池の外側で超音波を検出して被測定電池の劣化を診断することが開示されている。
特開平７−６７９５号公報 特開平７−８５８９２号公報 特開２００６−１４７５１３号公報 特開２００５−２９１８３２号公報

上述した特許文献は、概ね電池あるいは電気化学特性測定用セルに関し、ＡＥ信号を検出して充電状態や劣化状態を検出することが開示されている。しかし、何れの方法においても、ＡＥ信号を生じさせた部位を検出する方法は開示されていない。本発明は、二次電池についてＡＥ信号を生じさせた部位を検出する方法を提案する。

本発明に係る二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法は、ケースに構成された二次電池のＡＥ信号発生部位を検出する方法である。すなわち、ケースの複数の位置に取り付けられたＡＥ信号検出センサによってＡＥ信号を検出する。そして、複数のＡＥ信号検出センサがＡＥ信号を検出した時間差に基づいて、二次電池でＡＥ信号を生じさせた部位を検出する。このＡＥ信号発生部位検出方法によれば、二次電池でＡＥ信号を生じさせた部位を検出できる。

例えば、ケースに二次電池の正極端子と負極端子が設けられている場合、ＡＥ信号検出センサを当該正極端子と負極端子にそれぞれ取り付けてもよい。この場合、何れのＡＥ信号検出センサが先にＡＥ信号を検出するかによって、二次電池でＡＥ信号を生じさせた部位が負極よりも正極に近い部位か、正極よりも負極に近い部位かを検出できる。

また、このＡＥ信号発生部位検出方法は、正極シートと負極シートを帯状のセパレータを介して重ね合わせて捲回した捲回電極体を、ケース内に有した二次電池に適用できる。この場合、正極シートは、帯状の集電体シートに正極活物質を含む電極材料を塗布しており、負極シートは、帯状の集電体シートに負極活物質を含む電極材料を塗布している。そして、正極端子は正極シートの集電体シートに接続されており、負極端子は、負極シートの集電体シートに接続されている。ＡＥ信号検出センサは、当該正極端子と負極端子にそれぞれ取り付けられているとよい。この場合においても、二次電池でＡＥ信号を生じさせた部位が、かかる捲回電極体において、正極に近い部位か、負極に近い部位かを検出できる。

また、ケースが、略直方体の金属製のケースである場合には、当該ケースの１つの面に少なくとも３つのＡＥ信号検出センサを取り付けてもよい。この場合、当該ＡＥ信号検出センサのうち、少なくとも３つのＡＥ信号検出センサがＡＥ信号を検出した時間に基づいて、二次電池でＡＥ信号を生じさせた部位を検出できる。

以下、本発明の一実施形態に係る二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法および当該方法を具現化した装置の一例を図面に基づいて説明する。

かかる二次電池では、例えば、放充電時の化学反応に伴うガスの発生や、電極材料に含まれる活物質が割れる事象や、正極と負極の内部短絡などの事象が生じる。これらの事象は、電池ケース内で生じる事象であるため、外部からは二次電池のどの部位で起こっているかを判定することが極めて難しい。
これらの事象は、ＡＥ信号を生じさせる。本発明者は、かかるＡＥ信号に基づいて、二次電池のどの部位でＡＥ信号が起こっているかを判定できるのではないかと考えた。しかしながら、二次電池では、単純に電池ケースにＡＥ信号検出センサを取り付けてＡＥ信号を検出しても、二次電池内でＡＥ信号が生じた部位を正確に特定できないことが分かった。この事象について鋭意検討を重ねたところ、電池ケース内に複数の材料が積層するように内蔵され、さらに電解液に浸された二次電池では、ＡＥ信号は伝達される経路上の材料によって伝達速度が異なる。このため、単純にＡＥ信号を生じさせた部位を特定できないとの知見を得た。

上述した特許文献には、電池のＡＥ信号を検出することで電池の充電状態や劣化状態を検出する技術が記載されているが、いずれも二次電池のどの部位でＡＥ信号が生じているかを検出する技術ではない。二次電池のどの部位でＡＥ信号が生じているかを検出できれば、二次電池の各種検査等に種々活用できる。例えば、実験室等において、二次電池のどの部位でＡＥ信号が生じているかを検出できれば、異常が生じた部位を検出することができ、二次電池の異常原因もより正確に把握できるようになる。また、例えば、図８に示すように、車両１に実装された二次電池１０００の劣化状況についても、より精度よく診断できるようになる。

本発明者は、かかる知見を基に、二次電池でＡＥ信号を生じさせた部位を検出できる全く新しいＡＥ信号発生部位検出方法を創案した。
すなわち、この二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法は、図４に示すように、電池ケース３００の複数の位置に取り付けられたＡＥ信号検出センサ１１、１２から電池ケース３００内で生じたＡＥ信号を検出する。そして、複数のＡＥ信号検出センサ１１、１２がＡＥ信号を検出した時間に基づいて、二次電池１０００でＡＥ信号を生じさせた部位を検出する。このＡＥ信号発生部位検出方法によれば、二次電池でＡＥ信号を生じさせた部位を検出できる。以下、リチウムイオン二次電池(lithium-ion secondary battery)を例に本発明の一実施形態に係るＡＥ信号発生部位検出方法を説明する。

この実施形態では、リチウムイオン二次電池は、図１に示すように、金属製の電池ケース３００に構成されている。電池ケース３００には、捲回電極体１００が収容されている。
捲回電極体１００は、例えば、図２に示すように、正極シート１０１と、第１セパレータ１０２と、負極シート１０３と、第２セパレータ１０４とが、順に重ねられて巻き取られている。なお、正極シート１０１は、正の電極シートであり、負極シート１０３は負の電極シートである。また、以下の説明において、適宜、正極シート１０１と、負極シート１０３を総称して「電極シート」という。

正極シート１０１は、この実施形態では、アルミニウム箔からなる集電体シート１３１（正極集電体）の両面に正極活物質を含む電極材料１３２が塗工されている。当該電極材料１３２に含まれる正極活物質としては、例えば、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）などが挙げられる。
負極シート１０３は、この実施形態では、銅箔からなる集電体シート１４１（負極集電体）の両面に負極活物質を含む電極材料１４２が塗工されている。当該電極材料１４２に含まれる負極活物質としては、例えば、グラファイト（Graphite）やアモルファスカーボン（Amorphous Carbon）などの炭素系材料、リチウム含有遷移金属酸化物や遷移金属窒化物等などが挙げられる。
セパレータ１０２、１０４は、イオン性物質が透過可能な膜であり、この実施形態では、ポリプロピレン製の微多孔膜が用いられている。

この実施形態では、電極材料１３２、１４２は集電体シート１３１、１４１の幅方向片側に偏って塗工されており、集電体シート１３１、１４１の幅方向反対側の縁部には塗工されていない。正負の電極シート１０１、１０３のうち、集電体シート１３１、１４１に電極材料１３２、１４２が塗工された部位を塗工部１０１ａ、１０３ａといい、集電体シート１３１、１４１に電極材料１３２、１４２が塗工されていない部位を未塗工部１０１ｂ、１０３ｂという。

図３は、正極シート１０１と、第１セパレータ１０２と、負極シート１０３と、第２セパレータ１０４とが順に重ねられた状態を示す幅方向の断面図である。正極シート１０１の塗工部１０１ａと負極シート１０３の塗工部１０３ａは、それぞれセパレータ１０２、１０４を挟んで対向している。図２および図３に示すように、捲回電極体１００の捲回方向に直交する方向（巻き軸方向）の両側において、正極シート１０１と負極シート１０３の未塗工部１０１ｂ、１０３ｂは、セパレータ１０２、１０４からそれぞれはみ出ている。当該正極シート１０１と負極シート１０３の未塗工部１０１ｂ、１０３ｂは、捲回電極体１００の正極と負極の集電体１０１ｂ１、１０３ｂ１をそれぞれ形成している。

かかる捲回電極体１００は、図１に示すように、電池ケース３００に収容される。電池ケース３００には、正極端子３０１と負極端子３０３が設けられている。正極端子３０１は捲回電極体１００の正極集電体１０１ｂ１（図２参照）に電気的に接続されている。負極端子３０３は捲回電極体１００の負極集電体１０３ｂ１（図２参照）に電気的に接続されている。電池ケース３００には電解液が注入される。電解液は、適当な電解質塩（例えばＬｉＰＦ_６等のリチウム塩）を適当量含むジエチルカーボネート、エチレンカーボネート等の混合溶媒のような非水電解液で構成できる。
かかるリチウムイオン二次電池では、放充電時に、所定の化学反応が生じる。そして、正極シート１０１の塗工部１０１ａと負極シート１０３の塗工部１０３ａの間で、セパレータ１０２、１０４を通してリチウムイオンが行き来する。
そして、かかるリチウムイオン二次電池で、ＡＥ信号を生じさせる種々の事象には、例えば、放充電時の化学反応に伴うガスの発生や、電極材料に含まれる活物質が割れる事象、正極と負極の内部短絡などがある。

この実施形態では、ＡＥ信号発生部位検出装置１０は、図４に示すように、複数のＡＥ信号検出センサ１１、１２と、ＡＥ信号発生部位検出部１６とを備えている。図中、符号１７はＡＥ信号検出センサ１１、１２で検出したＡＥ信号を増幅させるアンプである。
ＡＥ信号検出センサ１１、１２は、それぞれＡＥ信号を検出するセンサである。ＡＥ信号検出センサ１１、１２には、公知の種々のセンサのうち、電池ケース３００に取り付けるのに適したものを採用するとよい。

ＡＥ信号発生部位検出部１６は、ＡＥ信号検出センサ１１、１２がＡＥ信号を検出した時間に基づいて、二次電池１０００でＡＥ信号を生じさせた部位を検出する。ＡＥ信号発生部位検出部１６は、例えば、不揮発性メモリーなどの記憶部と、CPUなどの演算処理部を備えており、予め設定されたプログラムに沿って所定の処理を行う電子演算処理装置（コンピュータ）で構成するとよい。

例えば、この実施形態では、ＡＥ信号検出センサ１１、１２は、当該正極端子３０１と負極端子３０３に取り付けられている。ＡＥ信号発生部位検出部１６は、ＡＥ信号検出センサ１１、１２でＡＥ信号が検出された時間に基づいて、二次電池１０００でＡＥ信号を生じさせた部位が負極よりも正極に近い部位か、正極よりも負極に近い部位かを検出する。

すなわち、本発明者の知見によれば、電解液や電極材料やセパレータなどに比べて、金属はＡＥ信号の伝達速度が速い。正極端子３０１は、金属箔で構成される正極の集電体（集電体シート１３１）に接続されており、また、負極端子３０３は、金属箔で構成される負極の集電体（集電体シート１４１）に接続されている。
例えば、正極シート１０１と負極シート１０３の間で発生したＡＥ信号は、正極の集電体シート１３１を通じて正極端子３０１に伝達され、負極の集電体シート１４１を通じて負極端子３０３に伝達される。この際、ＡＥ信号が発生した部位によって、正極端子３０１に伝達される時間と、負極端子３０３に伝達される時間とに僅かな差が生じる。

例えば、二次電池１０００でＡＥ信号を生じさせた部位が負極よりも正極に近い部位（正極を含む）場合には、負極端子３０３に取り付けられたＡＥ信号検出センサ１２よりも、正極端子３０１に取り付けられたＡＥ信号検出センサ１１が先にＡＥ信号を検出する。
従って、正極端子３０１に取り付けられたＡＥ信号検出センサ１１が先にＡＥ信号を検出した場合には、二次電池１０００でＡＥ信号を生じさせた部位が、負極よりも正極に近い部位（正極を含む）と判定できる。
反対に、負極端子３０３に取り付けられたＡＥ信号検出センサ１２が先にＡＥ信号を検出した場合には、二次電池１０００でＡＥ信号を生じさせた部位が、正極よりも負極に近い部位（負極を含む）と判定できる。
このように、この実施形態では、ＡＥ信号検出センサ１１、１２のうち何れが先にＡＥ信号を検出するかによって、二次電池１０００でＡＥ信号を生じさせた部位が、負極よりも正極に近い部位か、正極よりも負極に近い部位かを検出できる。

以上、二次電池は、電池ケース内に捲回電極体を収容した構造を有する電池を例示したが、かかる構造に限定されない。すなわち、二次電池の形態については、いわゆる円筒型、ラミネート型など種々の形態の二次電池に適用でき、電池ケースの形状等には限定されない。この場合でも、ケースに設けられた二次電池の正極端子と負極端子に、ＡＥ信号検出センサを取り付けるとよい。これによって、何れのＡＥ信号検出センサが先にＡＥ信号を検出するかによって、二次電池でＡＥ信号を生じさせた部位が、負極よりも正極に近い部位か、正極よりも負極に近い部位かを検出できる。

次に、二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法について、他の実施形態を説明する。
この実施形態では、電池ケース３００は、略直方体の金属（例えば、アルミ合金）製のケースで構成されている。この場合、図５に示すように、電池ケース３００の側面３００ａに、複数（この実施形態では、３つ）のＡＥ信号検出センサ１１、１２、１３を取り付けてもよい。この場合、当該複数のＡＥ信号検出センサ１１、１２、１３がＡＥ信号を検出した時間によって、電池ケース３００内で、ＡＥ信号が生じた部位Sを特定できる。

すなわち、電池ケース３００内で生じたＡＥ信号は、図６に示すように、まず最も近い電池ケース３００の側面３００ａに伝達される。そして、電池ケース３００に伝達された位置から、図５および図６に示すように、電池ケース３００の表面を通じて各ＡＥ信号検出センサ１１、１２、１３にＡＥ信号が伝達される。この場合、電池ケース３００の表面を通じるＡＥ信号の伝達速度は略一定と考えられるので、各ＡＥ信号検出センサ１１、１２、１３にＡＥ信号が伝達された時間（時間差）に基づいて、ＡＥ信号が最初に電池ケース３００に伝わった位置を算出できる。

すなわち、３つのＡＥ信号検出センサ１１、１２、１３には、例えば、図７に示すように、ＡＥ信号が検出される。図７の例では、横軸は時間を示しており、縦軸はＡＥ信号の強さを示している。信号ＡはＡＥ信号検出センサ１１で検出されたＡＥ信号であり、信号ＢはＡＥ信号検出センサ１２で検出されたＡＥ信号であり、信号ＣはＡＥ信号検出センサ１３で検出されたＡＥ信号である。この実施形態では、ＡＥ信号発生部位検出部１６は、ＡＥ信号ＡとＡＥ信号Ｂの時間差ｔＡＢ、ＡＥ信号ＢとＡＥ信号Ｃの時間差ｔＢＣ、ＡＥ信号ＣとＡＥ信号Ａの時間差ｔＣＡとを算出する。そして、当該時間差ｔＡＢ、時間差ｔＢＣ、時間差ｔＣＡに基づいて、当該ＡＥ信号検出センサ１１、１２、１３が取り付けられた電池ケース３００の側面３００ａにおいて、二次電池１０００でＡＥ信号が生じた部位を、平面的に検出できる。

このように、電池ケース３００が、略直方体の金属製のケースである場合には、当該電池ケース３００の１つの面に少なくとも３つのＡＥ信号検出センサ１１、１２、１３を取り付けるとよい。そして、当該ＡＥ信号検出センサ１１、１２、１３のうち、少なくとも３つのＡＥ信号検出センサ１１、１２、１３がＡＥ信号を検出した時間に基づいて、二次電池１０００でＡＥ信号を生じさせた部位を検出するとよい。この場合、電池ケース３００に取り付けるＡＥ信号検出センサ１１、１２、１３は、３つ以上であってもよい。

以上、本発明の一実施形態に係る二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法およびその装置を説明したが、本発明に係る二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法は、上述した実施形態に限定されない。

例えば、二次電池は、リチウムイオン二次電池(lithium-ion secondary battery)を例示したが、ニッケル水素二次電池(nickel-hydride secondary battery)など種々の二次電池（蓄電池）に適用できる。

二次電池の構造例を示す断面図。 捲回電極体の構造例を示す図。 捲回電極体の構造例を示す断面図。 本発明に係る二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法を具現化した装置の構成例を示す図。 本発明に係る他の実施形態に係る二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法を具現化した装置の構成例を示す図。 本発明に係る他の実施形態に係る二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法を示す図。 本発明に係る他の実施形態に係る二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法で検出されるＡＥ信号の例を示す図。 二次電池を電源として搭載した車両を示す図。

符号の説明

１ 車両
１０ ＡＥ信号発生部位検出装置
１１ ＡＥ信号検出センサ
１２ ＡＥ信号検出センサ
１３ ＡＥ信号検出センサ
１６ ＡＥ信号発生部位検出部
１７ アンプ
１００ 捲回電極体
１０１ 正極シート（電極シート）
１０１ａ 塗工部
１０１ｂ 未塗工部
１０１ｂ１ 正極集電体
１０２ セパレータ（第１セパレータ）
１０３ 負極シート（電極シート）
１０３ａ 塗工部
１０３ｂ 未塗工部
１０３ｂ１ 負極集電体
１０４ セパレータ（第２セパレータ）
１３１ 集電体シート
１３２ 電極材料
１４１ 集電体シート
１４２ 電極材料
３００ 電池ケース（ケース）
３００ａ 電池ケースの側面
３０１ 正極端子
３０３ 負極端子
１０００ 二次電池
Ｓ ＡＥ信号が生じた部位

Claims (5)

1. ケースに構成された二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法であって、
   前記ケースの複数の位置に取り付けられたＡＥ信号検出センサによってＡＥ信号を検出し、
   前記複数のＡＥ信号検出センサがＡＥ信号を検出した時間に基づいて、前記二次電池でＡＥ信号を生じさせた部位を検出する、二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法。
2. 前記ケースには、二次電池の正極端子と負極端子が設けられており、前記ＡＥ信号検出センサを当該正極端子と負極端子にそれぞれ取り付け、
   何れのＡＥ信号検出センサが先にＡＥ信号を検出するかによって、二次電池でＡＥ信号を生じさせた部位が負極よりも正極に近い部位か、正極よりも負極に近い部位かを検出する、請求項１に記載の二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法。
3. 前記二次電池は、帯状の集電体シートに正極活物質を含む電極材料を塗布した正極シートと、帯状の集電体シートに負極活物質を含む電極材料を塗布した負極シートを、帯状のセパレータを介して重ね合わせて捲回した捲回電極体を、前記ケース内に有しており、
   前記正極端子は正極シートの集電体シートに接続されており、前記負極端子は負極シートの集電体シートに接続されている、請求項２に記載の二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法。
4. 前記ケースは、略直方体の金属製のケースであり、当該ケースの１つの面に少なくとも３つのＡＥ信号検出センサを取り付け、当該ＡＥ信号検出センサのうち、少なくとも３つのＡＥ信号検出センサがＡＥ信号を検出した時間に基づいて、前記二次電池でＡＥ信号を生じさせた部位を検出する、請求項１に記載の二次電池のＡＥ信号発生部位検出方法。
5. ケース内に構成された二次電池のＡＥ信号発生部位検出装置であって、
   前記ケースの複数の位置に取り付けられるＡＥ信号検出センサと、
   前記複数のＡＥ信号検出センサがＡＥ信号を検出した時間に基づいて、前記二次電池でＡＥ信号を生じさせた部位を検出するＡＥ信号発生部位検出部と
   を備えた、二次電池のＡＥ信号発生部位検出装置。

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