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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6246164
(24)【登録日】2017年11月24日
(45)【発行日】2017年12月13日
(54)【発明の名称】組電池の耐類焼試験方法
(51)【国際特許分類】
H01M 2/10 20060101AFI20171204BHJP
H01M 10/04 20060101ALI20171204BHJP
H01M 10/0566 20100101ALI20171204BHJP
H01M 10/052 20100101ALI20171204BHJP
【ＦＩ】
H01M2/10 E
H01M10/04 Z
H01M10/0566
H01M10/052
【請求項の数】10
【全頁数】18
(21)【出願番号】特願2015-169321(P2015-169321)
(22)【出願日】2015年8月28日
(65)【公開番号】特開2017-45693(P2017-45693A)
(43)【公開日】2017年3月2日
【審査請求日】2016年12月22日
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２７年度経済産業省「平成２７年度新エネルギー等国際標準化推進事業委託費（新エネルギー等国際標準共同研究開発・普及基盤構築：大型蓄電池システムの安全性に関する国際標準化・普及基盤構築）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
(73)【特許権者】
【識別番号】399008759
【氏名又は名称】一般財団法人電気安全環境研究所
(74)【代理人】
【識別番号】110001092
【氏名又は名称】特許業務法人サクラ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】本多 啓三
(72)【発明者】
【氏名】釣賀 英樹
(72)【発明者】
【氏名】児玉 正近
(72)【発明者】
【氏名】妹尾 剛志
(72)【発明者】
【氏名】西岡 研二
(72)【発明者】
【氏名】市丸 秀伯
【審査官】
小森 重樹
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００８−２１８３９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１１／０１６２００（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２０１２−１５５９８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−１５５９８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１２／１１７６６０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２００９−０２１２２３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｍ ２／１０
Ｈ０１Ｍ １０／０４
Ｈ０１Ｍ １０／０５２
Ｈ０１Ｍ １０／０５６６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属製の密閉容器を含む金属製のセル外側部材を備えた複数の単電池を組み合わせて構成された組電池の耐類焼試験方法であって、
前記複数の単電池のうちの一つである受光単電池の前記セル外側部材の受光部または当該受光単電池の前記セル外側部材に接して配置された金属製の受光部に所定の照射条件のレーザにてレーザ照射することによって前記受光単電池を加熱する照射ステップと、
前記照射ステップを継続しながら、前記受光単電池の熱暴走を確認する熱暴走確認ステップと、
前記熱暴走確認ステップの後にレーザ光の照射を停止する照射停止ステップと、
前記照射停止ステップの後に前記受光単電池以外の前記単電池の健全性を確認する他単電池健全性確認ステップと、
を有し、
前記所定の照射条件は、前記受光部に溶融痕が形成される照射条件であること、を特徴とする耐類焼試験方法。
前記複数の単電池のうちの一つである受光単電池の前記セル外側部材の受光部または当該受光単電池の前記セル外側部材に接して配置された金属製の受光部に所定の照射条件のレーザにてレーザ照射することによって前記受光単電池を加熱する照射ステップと、
前記照射ステップを継続しながら、前記受光単電池の熱暴走を確認する熱暴走確認ステップと、
前記熱暴走確認ステップの後にレーザ光の照射を停止する照射停止ステップと、
前記照射停止ステップの後に前記受光単電池以外の前記単電池の健全性を確認する他単電池健全性確認ステップと、
を有し、
前記所定の照射条件は、前記受光部に溶融痕が形成される照射条件であること、を特徴とする耐類焼試験方法。
【請求項2】
前記照射ステップは、
前記受光単電池における前記レーザ光の照射位置を移動する移動ステップと、
前記レーザ光が照射された金属表面に溶融痕が形成されたことを確認する溶融痕確認ステップと、
を含むこと、を特徴とする請求項１に記載の耐類焼試験方法。
前記受光単電池における前記レーザ光の照射位置を移動する移動ステップと、
前記レーザ光が照射された金属表面に溶融痕が形成されたことを確認する溶融痕確認ステップと、
を含むこと、を特徴とする請求項１に記載の耐類焼試験方法。
【請求項3】
前記受光部は、前記密閉容器にあること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐類焼試験方法。
【請求項4】
前記セル外側部材は前記密閉容器の外表面から突出する突出金属部材を含み、
前記受光部は前記突出金属部材にあること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐類焼試験方法。
前記受光部は前記突出金属部材にあること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐類焼試験方法。
【請求項5】
前記照射ステップの前に、前記受光単電池の前記密閉容器の外側に金属製の受光体を配置する受光体配置ステップをさらに有し、
前記受光部は前記受光体にあること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐類焼試験方法。
前記受光部は前記受光体にあること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐類焼試験方法。
【請求項6】
前記組電池は前記複数の単電池全体を覆う組電池ケースを備え、
前記照射ステップの前に、前記組電池ケースにレーザ光が透過する照射窓を形成する照射窓形成ステップをさらに有すること、
を特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか一項に記載の耐類焼試験方法。
前記照射ステップの前に、前記組電池ケースにレーザ光が透過する照射窓を形成する照射窓形成ステップをさらに有すること、
を特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか一項に記載の耐類焼試験方法。
【請求項7】
前記組電池は前記複数の単電池全体を覆って金属製部分を備えた組電池ケースを備え、
前記受光部は、前記組電池ケースの前記金属製部分のうちの前記受光単電池に接する部分の近傍にあること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐類焼試験方法。
前記受光部は、前記組電池ケースの前記金属製部分のうちの前記受光単電池に接する部分の近傍にあること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐類焼試験方法。
【請求項8】
前記熱暴走確認ステップは、前記受光単電池の温度が所定の閾値を超えた時に熱暴走が起こったと判定すること、
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の耐類焼試験方法。
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の耐類焼試験方法。
【請求項9】
前記照射ステップの前に、
前記受光部と同様の構造の予備試験受光部を備えた金属製の予備試験受光体に複数種類の照射条件のレーザ光を照射する予備照射ステップと、
前記予備照射ステップの結果に基いて、前記複数種類の照射条件のうちで、前記予備試験受光部に溶融痕が形成される照射条件を選定する照射条件選定ステップと、
をさらに有し、
前記照射ステップは前記照射条件選定ステップで選定された照射条件を前記所定の照射条件とすること、
を特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の耐類焼試験方法。
前記受光部と同様の構造の予備試験受光部を備えた金属製の予備試験受光体に複数種類の照射条件のレーザ光を照射する予備照射ステップと、
前記予備照射ステップの結果に基いて、前記複数種類の照射条件のうちで、前記予備試験受光部に溶融痕が形成される照射条件を選定する照射条件選定ステップと、
をさらに有し、
前記照射ステップは前記照射条件選定ステップで選定された照射条件を前記所定の照射条件とすること、
を特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の耐類焼試験方法。
【請求項10】
前記複数の単電池それぞれが、
前記密閉容器内に収容された正極および負極と、
前記密閉容器内で前記正極と前記負極との間に介在する絶縁層と、
前記密閉容器内に収容された電解液と、
を備えたリチウム二次電池であること、
を特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の耐類焼試験方法。
前記密閉容器内に収容された正極および負極と、
前記密閉容器内で前記正極と前記負極との間に介在する絶縁層と、
前記密閉容器内に収容された電解液と、
を備えたリチウム二次電池であること、
を特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の耐類焼試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、複数の単電池（以下、「セル」とも呼ぶ。）を配列して構造的かつ電気的に組み合わせて構成された組電池の耐類焼試験方法に関する。ここで、組電池には、複数の単電池が組み込まれた電池モジュール、電池パック、電池システムが含まれる。
【背景技術】
【0002】
リチウム二次電池は、従来の携帯電話、パソコンなどのポータブル機器の電源のみならず、電気自動車やプラグインハイブリッド車のような環境対応車の電源、さらには大型のエネルギ貯蔵用蓄電システムなどのインフラ機器まで、より高い信頼性と安全性が求められる用途に展開してきている。
【0003】
リチウム二次電池には、正極と負極の間にそれぞれの極板を電気的に絶縁するセパレータがある。このような電池が高温環境に長時間さらされた場合などに、セパレータが収縮することで正極と負極が物理的に接触して内部短絡が発生することがありうる。
【0004】
そこで、内部短絡が発生した際の単電池および組電池の安全性を適切に評価する手法として、電池の内部短絡安全性評価方法が提案されている（特許文献１）。これは、電池の内部短絡における安全性を総合的に評価するために提案されたものである。電池の電極群内部の正極と負極が対向する箇所に異物を混入させ、加圧子による加圧力で混入部をプレスし、正負極間に介在するセパレータを局所的に破壊することによって内部短絡を発生させ、内部短絡安全性評価方法として適用できるとされている。この内部短絡試験法により安全性のレベルが確認された電池の製造手順に基づいて電池を製造することにより、量産される電池の内部短絡安全性レベルを同様に保証することができるとされている。
【0005】
元来、ポータブル機器用小型リチウム二次電池向けに開発された上述の内部短絡試験法には、電池内部に異物を混入させる試験工程がある。内部に異物を混入する際にはセルを分解する必要があるが、小型リチウム二次電池ではセル外装材料も薄肉で、比較的容易に異物混入を行うことができ、簡便に耐内部短絡性能を評価できる。なお、小型リチウム二次電池は、たとえば、携帯電話、パソコン用リチウム二次電池であって、その容量は通常、１〜３Ａｈ程度である。
【0006】
これに対して、大型蓄電システム機器や環境対応車両向けを中心にセルの大容量化が進んでおり、最大１００Ａｈ規模のセルも開発されている。このセルの大容量化に伴い、セルを形成する外装材のアルミ材を厚肉化したり、あるいはより高強度を有する鉄鋼材やステンレス鋼材が選定されるに至っている。そこで、内部短絡試験にて異物を挿入するためにセルを分解する際、セルケースが堅固であるために分解に困難を伴う場合があった。
【0007】
また、セルの大容量化により各セルに充電されたエネルギは増大するため、異物混入時の不用意な事故の懸念など、試験実施上の安全確保の面からも困難性が高まる傾向にあった。大容量セルの分解と異物の混入ができた場合でも、ポータブル機器用小型リチウム二次電池の場合に比べて、その短絡試験に要する時間が大幅に長くなる場合があり、これに伴って内部に充填されている電解液が乾燥するなど、所定の内部短絡性能評価が困難な場合があった。
【0008】
一方、単電池が内部短絡などにより熱暴走を生じた場合、電池の温度は２００℃以上の高温となることがある。特に大型蓄電システムや環境対応車では多数の二次電池を内蔵した組電池が適用されているため、複数の二次電池が熱暴走を起こすと、熱暴走のエネルギが極めて大きくなり、重大な損傷に至ることが考えられる。そこで、単電池の内部短絡性能を評価する試験に代わって、組電池内のいずれかの単電池（満充電状態）を加熱などの方法で熱暴走（急激に温度が上昇した時点を熱暴走という）させ、熱暴走後、加熱などを停止し、一定時間放置して異常の有無を確認する耐類焼試験が日本工業規格（ＪＩＳ）などに提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特許第５２０９８９６号公報
【特許文献2】特許第５６９１７７８号公報
【特許文献3】特開２００７−６６７７３号公報
【特許文献4】特許第５２２３３２９号公報
【非特許文献】
【0010】
【非特許文献1】ＪＩＳ Ｃ ８７１５−２、７．８．３耐類焼試験
【非特許文献2】ＩＥＣ６２６１９ ＣＤ（Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ Ｄｒａｆｔ） Ａｎｎｅｘ Ａ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
たとえば、非特許文献１（ＪＩＳ）には、組電池の耐類焼試験において、単電池を加熱する方法して、抵抗加熱器、熱伝導ヒータの使用などが挙げられている。また、非特許文献２（ＩＥＣ）にも耐類焼試験の試験方法（Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ）が掲げられている。しかし、熱暴走させる加熱法としてヒータ、バーナ、レーザ、誘導加熱が記載されているのみである。また過充電、セルの釘刺しによる方法、さらにこれらの方法の組合せについても例示されているが、種々の電池セル容量、セルタイプ、正極材・負極材の組合せ、セルサイズのセルに対して、それらを的確に熱暴走させる具体的な方法については示されていない。ここで、セルタイプには、角型缶セル(特許文献２参照)、円筒缶セル(特許文献３参照)、ラミネートセルなどがある。
【0012】
本願発明者らは、従来の技術による単電池の種々の熱暴走試験を行った。ここでその結果について説明する。
【0013】
まず、釘刺し法（特許文献４参照）による缶セル単電池の種々の熱暴走試験を行った。その結果を図１７および図１８に示す。図１７と図１８は見掛け上互いに同じ条件での熱暴走試験の結果であるが、試験対象は種類の異なる缶セルであり、結果が全く異なる。すなわち、図１７の結果では、セルは比較的短時間に３００℃以上にセル温度が上昇し、熱暴走に至った。しかし、図１８の試験結果では、セルは最高で１００℃程度にしか温度上昇が生じず、熱暴走には至らなかった。
【0014】
同様に、缶セル単電池を過充電法によって熱暴走させる試験の結果を図１９および図２０に示す。図１９と図２０は見掛け上互いに同じ条件であるが、試験対象は種類の異なる缶セルである。これらの試験では、いずれも熱暴走には至ったが、２００℃を越える温度に至って熱暴走するまでに３０分以上を要し、その間に缶セルは大きく膨張した。
【0015】
つぎに、ラミネートセル単電池を過充電法によって熱暴走させる試験の結果を図２１および図２２に示す。図２１および図２２は、異なる種類のラミネートセルを試験対象とする。これらの試験では、いずれも熱暴走には至ったが、２００℃を越える温度に至って熱暴走するまでに２０分以上を要し、その間にラミネートセルは大きく膨張した。
【0016】
種々の材料、容量、形状を有するセルを搭載した組電池において、的確かつ短時間に所定のセルの熱暴走を生じさせることは、再現性のある、信頼性の高い耐類焼試験を実現する上において極めて重要な要素である。しかし、先に示したごとく、釘刺し法では熱暴走に至らないセルもあった。また過充電法では、所定のセルを熱暴走させる際に長時間を要してしまった結果、その間に所定のセルの熱が周辺セルへ伝播する結果となり、その影響を受けて耐類焼性評価結果がばらつく場合があった。
【0017】
また、バーナなどの加熱源を用いた試験では、その試験結果の図示は省略するが、熱源の広がりのために所定のセル以外のセルも加熱してしまう結果となり、再現性のよい耐類焼性評価結果が得られない場合があった。
【0018】
また、誘導加熱法による場合も、組電池の形状により所定のセルの加熱を効率的に行えず、結果として熱暴走に至るまでに長時間を要して、耐類焼性評価結果の信頼性が損なわれる場合があった。
【0019】
ところで、近年、レーザを加熱源として活用する方法が着目され、検討が進められている。
【0020】
従来より、レーザを加熱源として適用する材料加工プロセスとして、レーザ焼入れが知られている。しかし、レーザ焼入れと同様のレーザ照射による缶セル単電池の加熱試験を行った結果、図２３に示すように、バーナ加熱などと同様に熱暴走までに長時間を要した。その間にセルは膨張して周辺のセルにも熱が伝わる結果となり、信頼性の高い耐類焼性評価結果が得られないことがあった。
【0021】
また、レーザ出力を高めて、より短時間に熱暴走を発生させる試験を行った結果では、図２４のごとく、短時間で熱暴走する場合もあるが、熱暴走に至る前に高出力レーザによりセルケースが溶損し、形成された開口部からセル内の電解液が漏洩あるいは飛散してしまうことがあった。
【0022】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、組電池のうちの一つの単電池を熱暴走させて耐類焼性能を再現性よく確実に評価するための耐類焼試験方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0023】
上記目的を達成するために、本発明に係る耐類焼試験方法は、金属製の密閉容器を含む金属製のセル外側部材を備えた複数の単電池を組み合わせて構成された組電池の耐類焼試験方法であって、前記複数の単電池のうちの一つである受光単電池の前記セル外側部材の受光部または当該受光単電池の前記セル外側部材に接して配置された金属製の受光部に所定の照射条件のレーザにてレーザ照射することによって前記受光単電池を加熱する照射ステップと、前記照射ステップを継続しながら、前記受光単電池の熱暴走を確認する熱暴走確認ステップと、前記熱暴走確認ステップの後にレーザ光の照射を停止する照射停止ステップと、前記照射停止ステップの後に前記受光単電池以外の前記単電池の健全性を確認する他単電池健全性確認ステップと、を有し、前記所定の照射条件は、前記受光部に溶融痕が形成される照射条件であること、を特徴とする。
【発明の効果】
【0024】
本発明の耐類焼試験方法によれば、組電池のうちの一つの単電池を熱暴走させて耐類焼性能を再現性よく確実に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明に係る組電池の耐類焼試験方法で使用されるレーザ照射システムの一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図2】本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の第１の実施形態で対象となる組電池の構成の例を模式的に示す斜視図である。
【図4】本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の第１の実施形態で対象となる組電池の、図２の例とは異なる構成の例を模式的に示す斜視図である。
【図5】本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の第１の実施形態のフロー図である。
【図6】本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の第２の実施形態で対象となる組電池の構成の例を模式的に示す断面図である。
【図7】本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の第２の実施形態のフロー図である。
【図8】本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の実施例１における予備照射で得られた溶融痕の断面を示す写真である。
【図9】本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の実施例１における受光単電池の温度変化の測定結果を示すグラフである。
【図10】本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の実施例１およびその比較例の試験結果を示す表である。
【図11】本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の実施例２およびその比較例の試験結果を示す表である。
【図12】本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の実施例３（１）における受光単電池の温度変化の測定結果を示すグラフである。
【図13】本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の実施例３の試験結果を示す表である。
【図14】本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の実施例４の試験結果を示す表である。
【図15】本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の実施例５の試験結果を示す表である。
【図16】本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の実施例６の試験結果を示す表である。
【図17】従来の釘刺し法による缶セル単電池の熱暴走試験の試験結果、熱暴走を起こした場合における単電池の温度変化を示すグラフである。
【図19】缶セル単電池を過充電法によって熱暴走させた試験における単電池の温度変化を示すグラフである。
【図21】従来の過充電法によるラミネートセル単電池の熱暴走試験における単電池の温度変化を示すグラフである。
【図23】レーザ焼入れと同様のレーザ照射による缶セル単電池の加熱試験における単電池の温度変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る組電池の耐類焼試験方法で使用されるレーザ照射システムの一実施形態の構成を示すブロック図である。
【0027】
レーザ照射システム１０は、被試験体である組電池１１の受光部４１に対してレーザ光１２を照射するレーザ照射ヘッド１３と、レーザ照射ヘッド１３を把持するとともに組電池１１の所定の位置にレーザ光１２を位置決めして必要に応じて駆動する駆動装置１４と、駆動装置１４を制御する駆動装置制御盤１５と、レーザ光１２を伝送しレーザ照射ヘッド１３までこれを導くレーザ照射用光ファイバ１６と、レーザ光１２を発生させるレーザ発振器１７と、レーザ発振器１７の出力制御を司るレーザ発振器制御盤１８と、レーザ発振器１７と駆動装置１４とを総合的に制御するレーザ照射システム制御装置１９とを備えている。
【0028】
また、組電池１１の温度を測定するために、熱電対などの温度計４０が取り付けられている。温度計４０の出力は、レーザ照射システム制御装置１９に送られて、温度計４０の変化が記録される。また、組電池１１内の受光単電池２０ａ（後述）が熱暴走を起こした時に、レーザ光１２の照射を停止するように構成されている。
【0029】
ここで、レーザとしては、材料加工用のレーザとして一般に使用されるものであればよい。たとえば、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、半導体レーザ、ファイバレーザ、ディスクレーザが利用できる。特に、最近適用が進みつつあるファイバレーザやディスクレーザは、コンパクトで、かつ光の質が良い（集光性が良く、所望するレーザ出力が得やすい）ので、適している。
【0030】
また、レーザの波長としては、材料加工用のレーザとして一般に使用される範囲であれば利用できる。たとえば、波長数百ｎｍの半導体レーザから１０．６μｍのＣＯ２レーザまで利用可能である。あまり波長が短いレーザは一般に出力が小さく、本発明の実施形態には適していない。また、あまり波長が長いレーザは、材料表面の吸収率が低いために、本発明の実施形態には適していない。
【0031】
組電池１１では、図２に示すように、複数の単電池（セル）２０が配列され、電気的に接続されている。
【0032】
各単電池２０は、たとえばリチウム二次電池であって、図３に示すように、金属製の密閉容器２１と、密閉容器２１内に収容された電解液２２と、密閉容器２１内で電解液２２に浸漬された正極２３および負極２４と、密閉容器２１内で正極２３と負極２４との間に介在する絶縁層２５とを有する。図３に示す例では、平板状の複数の正極２３と複数の負極２４とが互いに平行に交互に並列されており、互いに隣接する正極２３と負極２４との間に平板状の絶縁層２５が配置されている。さらに、正極２３または負極２４と密閉容器２１とが対向する位置にも、これらの間に絶縁層２５が介在するように配置されている。
【0033】
図示は省略するが、複数の正極２３同士、および複数の負極２４同士はそれぞれ電気的に接続されており、正極２３および負極２４はそれぞれ、金属製のセル端子（突出金属部材）２６、２７に電気的に接続されている。セル端子２６、２７は、密閉容器２１外に突出するように設けられている。なお、図３では、正極２３、負極２４、絶縁層２５の厚みは図示を省略している。
【0034】
図２および図３に示す例では、密閉容器２１が直方体であり、複数の単電池２０がプラスチック製の直方体の組電池ケース３０内で配列して収容されている。組電池ケース３０には、各単電池２０および組電池１１全体の冷却のために、ケース開口部３１が形成されている。組電池ケース３０の外側に金属製の組電池端子３２、３３が突出して取り付けられている。組電池ケース３０内のセル端子２６、２７は、電線（図示せず）によって、互いに接続され、組電池端子３２、３３に接続されている。単電池２０同士の接続には、直列、並列、直列と並列の組合せ、などがある。
【0035】
図４は、本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の第１の実施形態で対象となる組電池の、図２の例とは異なる構成の例を模式的に示す斜視図である。各単電池２０が直方体状であってこれらが配列されて一体化されている点は図２の例と共通である。しかし、図４の例では、複数の単電池２０が、図２に示すような組電池ケース３０内に収納されておらず、結合部材５０、５１によって構造的に結合されている。なお、図４でも、電気的接続を担う電線の図示は省略している。
【0036】
［第１の実施形態］つぎに、レーザ照射システム１０を用いた組電池１１の耐類焼試験方法の第１の実施形態について、図５を参照して説明する。図５は、本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の第１の実施形態のフロー図である。
【0037】
この実施形態では、組電池１１を構成する複数の単電池２０のうちの一つ（受光単電池２０ａ）の金属製のセル外側部材の受光部にレーザ光１２を照射して受光単電池２０ａを加熱して熱暴走させ、他の単電池２０に類焼が生じるかどうかを評価する。受光単電池２０ａに照射するレーザ光１２の出力を適切な範囲に制御することにより、受光単電池２０ａを適切に加熱して熱暴走を起こさせることができる。ここでは、金属製のセル外側部材のうちで単電池２０の密閉容器２１が受光部を構成する場合を例にとって説明する。
【0038】
初めに、受光単電池２０ａに照射するレーザ光１２の適切な条件を選定するために、予備照射を行う（予備照射ステップＳ１０）。予備照射ステップＳ１０では、実際の耐類焼試験の対象となる組電池１１を構成する一つの単電池２０を単独で取り出した状態で、レーザ照射システム１０により、予備試験受光体としての単電池２０の密閉容器２１の外表面（予備試験受光部）にレーザ光１２を照射する。このとき、照射するレーザ光１２の出力を種々に変えて、適切な照射条件を探す。ここで、適切な照射条件とは、予備試験受光部（この場合は密閉容器２１）が溶け落ちずに溶融痕が形成される場合である。出力が小さすぎると溶融痕が形成されず、逆に出力が大きすぎると予備試験受光部が溶け落ちて貫通穴が生じることになる。
【0039】
予備照射ステップＳ１０では、一つの単電池２０の密閉容器２１の表面上でレーザ照射点を動かしながら目視により溶融痕の形成を確認することができる。なお、この予備照射ステップＳ１０では、一つの単電池２０にレーザ光１２を照射する代わりに、単電池２０を構成するのと同じ構造の密閉容器２１（ただし、密閉状態でなくてもよい。）だけを単独でレーザ照射ヘッド１３の近くに配置してレーザ光１２を照射してもよい。さらに、密閉容器２１と同じ材質・厚さの金属板を予備試験受光体としてその金属板にレーザ光１２を照射してもよい。
【0040】
予備照射ステップＳ１０の結果、試験対象の組電池１１に適したレーザ光１２の照射条件を選定することができる（照射条件選定ステップＳ１１）。
【0041】
つぎに、試験対象の組電池１１にレーザ光１２を照射する（照射ステップＳ１２）。このとき、組電池１１の中の特定の一つの単電池である受光単電池２０ａの受光部にレーザ光１２を照射し、受光単電池２０ａを加熱する。たとえば、図２の組電池１１のケース開口部３１を通して、受光単電池２０ａの密閉容器２１の表面にレーザ光１２を照射する。このとき、照射条件選定ステップＳ１１で得られた適切な照射条件のレーザ光１２を用いる。これにより、受光部が溶け落ちずに溶融痕が形成される程度の照射条件で受光単電池２０ａを加熱することができる。このとき、受光単電池２０ａの密閉容器２１の表面上でレーザ照射点を動かしながら目視により溶融痕の形成を確認するのが望ましい。
【0042】
なお、試験対象の組電池１１と同じまたは類似の構造の組電池１１、またはそれを構成する単電池２０についてのレーザ照射試験を以前に行った結果、最適な照射条件がわかっている場合は、予備照射ステップＳ１０を省略できる場合もある。また、過去のデータがなくても、予備照射ステップＳ１０を省略して、照射ステップＳ１２を行いながらレーザ光の出力を徐々に上昇させて最適な出力を探し出し、その後は最適な出力で照射を続けることも可能である。
【0043】
照射ステップＳ１２では、受光単電池２０ａの温度変化を温度計４０によって計測する。
【0044】
照射ステップＳ１２の結果、受光単電池２０ａの温度が上昇して所定の閾値温度（たとえば２００℃）を超えたかどうかにより、受光単電池２０ａで熱暴走が生じたかどうかを確認する（熱暴走確認ステップＳ１３）。熱暴走確認ステップＳ１３で熱暴走が確認されるまでは、照射ステップＳ１２を継続する。なお、熱暴走確認ステップＳ１３では、破裂音や発火などによって熱暴走を確認することもできる。
【0045】
熱暴走確認ステップＳ１３で熱暴走が確認されたら、レーザ照射を停止する（照射停止ステップＳ１４）。なお、この照射停止ステップＳ１４は、受光単電池２０ａの温度が所定の閾値温度を超えた時に、温度計４０の信号に基いて、レーザ照射システム制御装置１９およびレーザ発振器制御盤１８によって自動的にレーザ照射を停止してもよく、また、温度計４０の出力を操作員が監視して、受光単電池２０ａの温度が所定の閾値温度を超えた時に、手動によってレーザ照射を停止してもよい。
【0046】
照射停止ステップＳ１４の後、組電池１１内で受光単電池２０ａから他の単電池２０への類焼が生じるかどうかを確認するために、所定時間（たとえば１時間）放置して、その後、組電池１１を分解するなどして、他の単電池２０への類焼が生じたかどうかを確認する（他単電池健全性確認ステップＳ１５）。なお、他単電池健全性確認ステップＳ１５では、組電池１１を分解しなくても、放置時間における他の単電池の温度計測等で他の単電池２０への類焼が生じたかどうかを確認できる場合もある。
【0047】
上記説明の照射ステップＳ１２において、受光単電池２０ａの金属製のセル外側部材である密閉容器２１の表面にレーザ光１２を照射するものとした。変形例として、受光単電池２０ａの金属製のセル端子２６、２７や受光単電池２０ａに取り付けられた金属製の構造部品（図示せず）などの突出金属部材を金属製のセル外側部材の受光部として、レーザ光１２を照射してもよい。さらに、組電池ケース３０が金属製である場合に、組電池ケース３０がその内面で受光単電池２０ａに接する位置に近い位置の組電池ケース３０の部分を受光部として組電池ケース３０の外表面にレーザ光１２を照射してもよい。
【0049】
図６は、本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の第２の実施形態で対象となる組電池の構成の例を模式的に示す断面図である。
【0050】
図６に示す例では、各単電池２０が円筒型であって、それらが互いに平行に一列に配列され、ほぼ直方体の組電池ケース３０内に収容されて、組電池１１が構成されている。
【0051】
図７は、本発明に係る組電池の耐類焼試験方法の第２の実施形態のフロー図である。この第２の実施形態では、照射条件選定ステップＳ１１の後で照射ステップＳ１２の前に、組電池１１の組電池ケース３０の一部を切り欠いて照射窓６０を形成する照射窓形成ステップＳ１０１を行う。また、照射窓形成ステップＳ１０１の後に、受光体６１を受光単電池２０ａに取り付ける受光体配置ステップＳ１０２を行う。他の各ステップは第１の実施形態と同様である。
【0052】
比較的薄肉の密閉容器２１を備えた円筒型の単電池２０では、その密閉容器２１にレーザ光を照射した際に密閉容器２１が溶け落ちやすく、表面に溶融痕が残る程度のレーザ光照射条件の選定が困難な場合がある。そこで、この実施形態では、組電池ケース３０の一部を切り欠いて照射窓６０を形成し、この照射窓６０の位置の受光単電池２０ａに、金属製で単電池２０の密閉容器２１よりも厚肉の受光体６１を取り付ける。この受光体６１を受光部としてその表面に溶融痕が残る程度のレーザ光を照射することにより、密閉容器２１の溶け落ちを回避し、かつ受光体６１の溶け落ちを回避しながら、受光単電池２０ａを適切に加熱することができる。
【0053】
上記手順において、組電池ケース３０に初めからケース開口部３１が設けられている場合（図２参照）、または、組電池ケースがない場合（図４参照）には、照射窓形成ステップＳ１０１を省略することができる。
【0054】
さらに、組電池ケース３０が金属製である場合に、組電池ケース３０がその内面で受光単電池２０ａに接する位置に近い位置の組電池ケース３０の外表面に受光体を取り付けて、その受光体を受光部としてレーザ光１２を照射してもよい。
【0055】
［試験結果］つぎに、発明者らが実際に行った種々の試験の結果について説明する。
【0056】
（予備試験）予備試験として、単独で取り出した単電池のセルに対して、熱電対にてセル温度を計測しながらファイバレーザの照射を行う方法で実施した。図３に示す組電池１１を構成する単電池２０において、密閉容器（外装材）２１がアルミ合金製のものを用いた。アルミ合金はレーザ光の反射率が高いため、この例では温度上昇が芳しくなかった。そこでレーザの吸収率を高めるためにグラファイト塗布剤を単電池表面にあらかじめ塗布し、レーザ照射を行った。しかし、この場合は、急峻な温度上昇は得られず、時間経過とともにセル温度は上昇したが、同時にセルが膨れ、塗布剤がはがれる結果となり、試験を中止した。
【0057】
そこで、レーザ出力を高めて照射したところ、数秒のうちにセル外装材のアルミ合金が溶融し、表面に穴が空き、穴から電解液が漏れだした。さらにこれを継続すると、電解液が引火したため試験を中止した。
【0058】
その後、発明者らは詳細に検討を重ね、アルミ合金製外装材が溶け落ちない範囲でアルミ合金製外装材の表面に溶融痕が形成されると順調にセル温度が上昇することを見出した。得られたセル外装材の断面観察結果を図８に示す。図８は、セルの密閉容器（アルミ合金製外装材）２１の板厚ｔが約１．０ｍｍの場合に、１．５ｋＷの出力のファイバレーザを照射した後の、密閉容器２１の断面を示す拡大写真である。この写真から、密閉容器２１の表面に溶融痕７０が形成されたことが分かる。セルの密閉容器２１の表面にレーザ光を照射し溶融痕が形成された場合、アルミ合金の溶融金属表面にてレーザ光の吸収率が著しく高まり、その結果、順調なレーザ加熱が達成されたものである。
【0059】
（実施例１）予備試験において、図８の溶融痕を形成できたレーザ条件（ファイバレーザ、出力１．５ｋＷ）にてレーザ照射を角形缶セル（単電池）に適用した結果、図９のごとく、２０秒以内にセル温度は２００℃を超え、角形缶セルは熱暴走した。以上の試験結果を踏まえ、図２に示す組電池１１内の所定の受光単電池２０ａに対して予備試験で得られた適切な条件のレーザ照射による耐類焼試験を行った。受光単電池２０ａに対して溶融痕が得られる条件（ファイバレーザ、出力１．５ｋＷ）にてレーザ照射を行い、熱暴走後、レーザ照射を停止し、１時間の間、組電池１１の状況を観察したが、組電池１１の破裂発火は見られなかった。以上の結果、所定の単電池の熱暴走後、１時間経過後も破裂発火はなく、耐類焼試験は正しく実施され、組電池の耐類焼性能が確認された。
【0060】
他方、図２の組電池１１の所定の単電池２０に対して従来の釘刺し法を適用した（比較例１（１））。この場合、図１８に示すように釘刺しを施した所定の単電池２０に急激な温度上昇は生じず、結果として熱暴走に至らなかった。そのため、耐類焼試験は完結できなかった。また、従来の過充電法を適用した場合（比較例１（２））は、熱暴走に至るまで５０分を要し、当該過充電の単電池２０が大きく膨張して隣接する組電池１１の樹脂製の組電池ケース３０が破損した。その結果、組電池１１の耐類焼試験は完結できなかった。結果をまとめて図１０に示す。ここで、図１０の実施例１の試験条件は、上述の条件のほか、次のとおりである。すなわち、レーザ光の波長は１．０７μｍ、電池セル数は８個、セルケース板厚は１ｍｍである。
【0061】
（実施例２）つぎに、大型でセルケースの外装材が鉄製の角型セルからなる組電池について、実施例１と同様の耐類焼試験を実施した。大型セルに対して、従来のレーザ焼入れと同様の加熱では緩やかな温度上昇しか得られず、次第にセルの膨れを生じ、ついには電解液が漏液し、これに引火したため試験を中止した。本実施例のレーザ（ディスクレーザ）照射により溶融痕を形成しセルを加熱する方法（実施例２）と釘刺し法（比較例２（１））を適用した耐類焼試験は実施できた。その結果、いずれも初期に熱暴走させた単電池に隣接するセルが熱暴走するに至り、耐類焼試験は不合格となった。また、過充電法を採用した耐類焼試験（比較例２（２））では、著しいセル膨れが発生し、電解液が漏液し、これに引火したため試験を中止した。結果をまとめて図１１に示す。実施例２の試験条件は、上述の条件のほか、次のとおりである。すなわち、レーザ光の波長は１．０３μｍ、電池セル数は４個、セルケース板厚は１．５ｍｍである。
【0062】
（実施例３）つぎに、図６に示すごとき円筒缶セルからなる組電池１１の場合に本実施形態のレーザ照射を行った。あらかじめ円筒缶セル（単電池）２０に対してＹＡＧレーザの照射によって溶け落ちずに溶融痕が形成できるレーザ出力にて照射を行い、単電池２０の熱暴走を確認した。得られた結果を図１２に示す。レーザ出力０．８ｋＷでレーザ照射後、急速にセル温度は上昇し、一気に４００℃を超えて熱暴走した。
【0063】
以上の結果を踏まえ、円筒缶セルＡの組電池１１に対して、冷却のために設けられた組電池開口部を介して受光単電池２０ａの密閉容器２１にＹＡＧレーザを照射する耐類焼試験を実施した。ここでは、受光単電池２０ａに対して溶融痕が得られる条件であるレーザ出力０．８ｋＷにてレーザ照射を行った（実施例３（１））。受光単電池２０ａが熱暴走した後、レーザ照射を停止し、１時間の間、組電池１１の状況を観察したが、組電池１１の破裂発火は見られなかった。以上の結果、所定の単電池の熱暴走後、１時間経過後も破裂発火はなく、耐類焼試験は正しく実施され、組電池の耐類焼性能が確認された。
【0064】
さらに他の円筒缶セルＢからなる組電池１１について、本実施形態のレーザ照射を行った（実施例３（２））。この場合はＹＡＧレーザの出力を０．６ｋＷとした。この場合も、急峻にセル温度は上昇し、一気に４００℃を超えて熱暴走に至ったが、その後、近隣のセルが熱暴走するに至ったため、耐類焼試験としては不合格となった。このように、同型の円筒セルからなる組電池においても、組電池１１の耐類焼性能を評価することができ、組電池１１の安全性に関して、設計性能の品質確保、健全性の評価に寄与することができる。結果をまとめて図１３に示す。図１３の試験条件は、上述の条件のほか、次のとおりである。すなわち、レーザ光の波長は１．０６μｍ、電池セル数は４８個、セルケース板厚は０．５ｍｍである。
【0065】
（実施例４）つぎに、角型アルミ缶セルＣからなる組電池に含まれる単電池を熱暴走させるにあたり、所定の単電池のセル端子に対してレーザ照射（ＣＯ２レーザ、出力３．５ｋＷ）を行い、同様に溶融痕を形成して単電池を加熱し、１分程度で熱暴走に至ることを確認した。レーザ照射位置は、セル端子に限らず、周辺の排気弁形成部などの金属構造部品でも同様の熱暴走は得られた。またセル間を電気的に締結している電線の口出し端子近傍でも、同様の熱暴走は得られた。
【0066】
これらの予備試験結果を踏まえ、角型アルミ缶セルＣからなる組電池の耐類焼試験を実施した。レーザ照射により、所定の単電池は順調に温度上昇し、熱暴走した。その後、放置を行ったところ、隣接するセルが熱暴走するに至り、耐類焼試験は成立したが、試験結果は不合格であった。結果を図１４に示す。図１４の試験条件は、上述の条件のほか、次のとおりである。すなわち、レーザ光の波長は１０．６μｍ、電池セル数は８個、セルケース板厚は１ｍｍである。
【0067】
（実施例５）さらに、ラミネートセル（図示せず）の組電池について本実施形態のレーザ照射を行った。ここでは、複数のラミネートセルを内蔵した組電池のアルミ製外装ケース（組電池ケース）に対してファイバレーザを用いて出力０．６ｋＷにてレーザ照射を行った（実施例５（１））。組電池ケースに対して溶融痕を形成し、組電池ケース直下のラミネートセル（受光単電池）を熱暴走させ、組電池の耐類焼性能を評価する試験を実施した。その結果、組電池ケース直下のラミネートセルは順調に温度上昇し、熱暴走し、その後、放置を行ったが、短時間に隣接するラミネートセルが熱暴走するに至り、耐類焼試験は成立したが試験結果は不合格であった。
【0068】
また、別のラミネートセルの構造の異なる組電池について本実施形態のレーザ照射を行った（実施例５（２））。ここでも同様に、組電池ケースに対してファイバレーザによるレーザ照射を出力１ｋＷにて実施し、溶融痕を形成して組電池ケース直下のラミネートセルを熱暴走させ、耐類焼試験を行った。組電池直下のラミネートセルの熱暴走後、放置を行ったが、その後、組電池内の各セルは熱暴走には至らず、１時間後、放置を終了し、試験結果は合格となった。ラミネートセルからなる組電池の試験結果をまとめて図１５に示す。図１５に共通の試験条件は、上述の条件のほか、次のとおりである。すなわち、レーザ光の波長は１．０７μｍ、電池セル数は４個、組電池ケースの板厚は１．２ｍｍおよび２．０ｍｍである。
【0069】
（実施例６）つぎに、上記第２の実施形態（図６、図７）に係る具体的な試験について説明する。この例の組電池は、比較的薄肉の外装材からなる円筒缶セルＤを連結した組電池の場合である。予備試験として、単電池のセル外装材にレーザを照射した際、外装材が溶け落ちて電解液が漏洩することがあった。
【0070】
そこで別途、受光単電池２０ａの密閉容器（外装材）２１に面接する位置に金属製の受光体（金属部品）６１を配置し、当該受光体６１に対して、ファイバレーザを用いて出力１．２ｋＷにてレーザ光を照射した。その結果、レーザ照射によって外装材が溶け落ちることを抑制しながら比較的容易に溶融痕が形成でき、確実に所定の単電池を熱暴走させることができた。
【0071】
これらの予備試験の結果を踏まえて、組電池の組電池ケース３０の一部を除去して照射窓６０を形成し、照射窓６０に受光体６１を配置し、レーザ照射を行う耐類焼試験を実施した。所定の単電池は熱暴走し、その後レーザ光を遮断して１時間放置した。その結果、組電池内の他の各セルは熱暴走には至らず、当該組電池は耐類焼試験に合格した。結果をまとめて図１６に示す。図１６の試験条件は、上述の条件のほか、次のとおりである。すなわち、レーザ光の波長は１．０７μｍ、電池セル数は２０個、セルケース板厚は０．５ｍｍである。
【0072】
［他の実施形態］以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【0073】
１０ レーザ照射システム１１ 組電池
１２ レーザ光
１３ レーザ照射ヘッド
１４ 駆動装置
１５ 駆動装置制御盤
１６ レーザ照射用光ファイバ
１７ レーザ発振器
１８ レーザ発振器制御盤
１９ レーザ照射システム制御装置
２０ 単電池（セル）
２０ａ 受光単電池
２１ 密閉容器（セル外側部材）
２２ 電解液
２３ 正極
２４ 負極
２５ 絶縁層
２６、２７ セル端子（突出金属部材、セル外側部材）
３０ 組電池ケース
３１ ケース開口部
３２、３３ 組電池端子
４０ 温度計
４１ 受光部
５０ 結合部材
５１ 結合部材
６０ 照射窓
６１ 受光体
７０ 溶融痕