特許 6495599 電極の評価方法

(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】6495599

(24)【登録日】2019年3月15日

(45)【発行日】2019年4月3日

(54)【発明の名称】電極の評価方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 9/00 20060101AFI20190325BHJP

   G01N 3/00 20060101ALI20190325BHJP

   G01N 19/00 20060101ALI20190325BHJP

【ＦＩ】

   G01N9/00 C

   G01N3/00 Z

   G01N19/00 E

【請求項の数】7

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-174392(P2014-174392)

(22)【出願日】2014年8月28日

(65)【公開番号】特開2016-50779(P2016-50779A)

(43)【公開日】2016年4月11日

【審査請求日】2017年8月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504174135

【氏名又は名称】国立大学法人九州工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000671

【氏名又は名称】八田国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】境野 真道

(72)【発明者】

【氏名】孫 勇

【審査官】 福田 裕司

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００６／０６１９９３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開昭５３−１２９０８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０５９４９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０２４７８５４９（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０７９４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１５３２１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−００８６３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２５１５３７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ９／００

Ｇ０１Ｎ ３／００〜３／６２

Ｇ０１Ｎ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

二次電池に使用されている電極の構造の違いを検知するための評価方法であって、
電極から作成した所定の大きさの第１試料に振動を加えて、前記第１試料の共振周波数を測定する段階と、
電極から前記第１試料と同じ大きさに作成した第２試料に振動を加えて、前記第２試料の共振周波数を測定する段階と、
前記第１試料の共振周波数と前記第２試料の共振周波数を比較する段階と、
を有することを特徴とする電極の評価方法。

【請求項2】

二次電池に使用されている電極の構造の違いを検知するための評価方法であって、
電極から作成した所定の大きさの第１試料に振動を加えて、前記第１試料の共振周波数を測定する段階と、
電極から前記第１試料と同じ大きさに作成した第２試料に振動を加えて、前記第２試料の共振周波数を測定する段階と、
前記第１試料の共振周波数から内部摩擦を算出する段階と、
前記第２試料の共振周波数から内部摩擦を算出する段階と、
前記第１試料の内部摩擦と前記第２試料の内部摩擦を比較する段階と、
を有することを特徴とする電極の評価方法。

【請求項3】

前記第１試料と前記第２試料は、充放電回数が異なる２つの二次電池からそれぞれ取り出した電極から作成したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の電極の評価方法。

【請求項4】

前記第１試料と前記第２試料は、少なくとも１回の充放電を行った一つの二次電池から取り出した一つの電極内の異なる部分から作成したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の電極の評価方法。

【請求項5】

前記第１試料と前記第２試料は、少なくとも１回の充放電を行った一つの二次電池から取り出した異なる電極からそれぞれ作成したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の電極の評価方法。

【請求項6】

前記電極は、正極または負極であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の電極の評価方法。

【請求項7】

前記共振周波数は、振動リード法により測定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の電極の評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電極の評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、二次電池内部の電極を評価するための方法としては、電極のインピーダンスを測定して、インピーダンスの変化から電極の状態を評価する方法がある（特許文献１）。

【0003】

この方法によれば、電解液を介してプローブ中の対極と電極活物質層の被測定部とを電気的に接続したうえで、対極と被測定部との間に交流電流（交流電圧）を入力してインピーダンスを測定している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４−２５８５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来の技術ではインピーダンスを測定する際に電極に電気が流れるため、その通電によって電極の活物質が変化してしまったり、通電により電極の温度が変化したりする。そうすると、このような評価時の通電によってインピーダンスが変わってしまい、正確な評価ができないおそれがある。

【0006】

そこで本発明の目的は、評価中の電極に通電することなく、電極を評価することができる電極の評価方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するための本発明は、二次電池に使用されている電極の構造の違いを検知するための評価方法であって、電極から作成した所定の大きさの第１試料に振動を加えて、第１試料の共振周波数を測定する段階と、電極から第１試料と同じ大きさに作成した第２試料に振動を加えて、第２試料の共振周波数を測定する段階と、第１試料の共振周波数と第２試料の共振周波数を比較する段階と、を有する。

【0008】

また、上記目的を達成するための本発明は、二次電池に使用されている電極の構造の違いを検知するための評価方法であって、電極から作成した所定の大きさの第１試料に振動を加えて、第１試料の共振周波数を測定する段階と、電極から第１試料と同じ大きさに作成した第２試料に振動を加えて、第２試料の共振周波数を測定する段階と、第１試料の共振周波数から内部摩擦を算出する段階と、第２試料の共振周波数から内部摩擦を算出する段階と、第１試料の内部摩擦と第２試料の内部摩擦を比較する段階と、を有する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、電極から少なくとも２つ試料を作成して、それらの共振周波数の違い、または内部摩擦の違いによって電極構造の違いを評価することができる。このため電極に通電する必要がないため、評価中の通電によって電極の活物質が変化したり、電極自体の温度が変化したりすることはない。したがって、評価中の電極、構造変化や温度変化をきたすような要因を加えることなく、電極の構造に違いを正確に評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】共振周波数による電極評価の作業手順を説明する流れ図である。

【図2】振動リード法による測定システムの一例を説明するためのブロック図である。

【図3】振動計測波形の一例を示すグラフである。

【図4】内部摩擦による電極評価の作業手順を説明する流れ図である。

【図5】正極の共振周波数を示すグラフである。

【図6】負極の共振周波数を示すグラフである。

【図7】正極の内部摩擦を示すグラフである。

【図8】負極の内部摩擦を示すグラフである。

【図9】二次電池の１例としてのリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。

【図10】リチウムイオン二次電池の構成を示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる。

【0012】

［実施形態１］
実施形態１の評価方法は、電極から作成した少なくとも２つの試料の共振周波数を比べることで、それら電極の構造に違いがあるか否かを評価するものである。

【0013】

図１は、共振周波数による電極評価の作業手順を説明する流れ図である。

【0014】

本実施形態１の電極の評価方法は、まず、第１試料と、第２試料を用意する（Ｓ１１）。このとき第１試料と第２試料は同じ大きさにする。物体の共振周波数は、その物体の構造が同じでも大きさが違うと違ってくる。したがって、第１試料と第２試料の大きさが違うと、両試料の大きさが違うために共振周波数が違うのか、構造が違うために共振周波数が違うのか判別できなくなる。このため第１試料と第２試料は大きさを同じにするのである。

【0015】

なお、試料の大きさは、共振周波数を測定する装置に適合するように切り出すことになる。装置によっては電極を切り出さずにそのまま試料として用いてもよい。

【0016】

このとき用意する試料によって様々な評価を行うことができる。評価内容の詳細は後述する。

【0017】

次に、第１試料および第２試料の共振周波数をそれぞれ測定する（Ｓ１２）。共振周波数の測定は振動リード法を用いる。振動リード法は、真空中（減圧下）において、試料に振動を加え、試料の振動状態を測定するものである。このため真空中での振動測定であるので、空気の影響を受けることない。したがって振動リード法は、電極のような薄い材料の測定に適している。もちろん、共振周波数を測定することができれば他の方法や装置を使用してもよい。このとき第１試料と第２試料を測定するときの温度は、同じ温度または同じ温度範囲で行う。

【0018】

図２は、振動リード法による測定システムの一例を説明するためのブロック図である。

【0019】

この測定システムは、真空チャンバ２００を有する。真空チャンバ２００には真空ポンプ２０１が接続されていて、真空チャンバ２００内を減圧することができる。また、真空チャンバ２００には液体窒素２０２を用いた冷却器２０３と、内部を温めるための電気ヒーター２０４を備えている。これにより真空チャンバ２００内の温度を自在に制御することができる。真空チャンバ２００内には、試料３００を支持する台座２０５が設けられており、この台座２０５に試料が片持ち支持されるように固定される。また真空チャンバ２００内には、高周波電源２０６に接続された電極２０７が設けられている。台座２０５は導電性であり高周波電源２０６と接続されている。

【0020】

さらに、試料３００の振動を測定するためにレーザー変位計２０８が設けられている。レーザー変位計２０８には、パソコン２０９が接続されていて、レーザー変位計２０８によって測定された変位量のデータを解析する。

【0021】

この測定システムを用いた共振周波数の測定は以下のとおりである。まず、試料３００の一端を台座２０５に固定する。そして真空チャンバ２００内を減圧する。減圧時の圧力は特に限定されない。もちろんこの圧力は振動リード法に用いる装置において設定可能な圧力を使用することになる。高周波電源２０６を電極−台座間に印加する。高周波電源２０６の周波数は特に限定されない。商用電源の交流周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）のままでもよい。これにより静電力によって試料が電極側に吸着する方向に力が加わることになる。その後高周波電源２０６を切ると、試料３００は試料固有の共振周波数によって振動し、次第に振動が減衰してゆく。この高周波電源２０６を切った後の振動をレーザー変位計２０８で測定する。測定結果をパソコン２０９で解析することにより共振周波数が得られる。

【0022】

図３は、振動計測波形の一例を示すグラフである。図示するように、レーザー変位計２０８によって測定された試料の振動波形は、一定の周期振動をしつつ減衰してゆく。このとき、下記（１）の関係式が成り立つ。ｔは時間、Ａ（ｔ）は任意の時間の振幅、Ａ０はｔ＝０のときの振幅、αは吸収係数である。

【0023】

Ａ（ｔ）＝Ａ０ｅ^−αｔ …（１）
レーザー変位計２０８によって測定された波形から、ｔ＝０のときの振幅Ａ０および任意の時間ｔのときの振幅Ａ（ｔ）が得られる。高周波電源２０６を切った直後、すなわち試料に力がかからなくなった時点をｔ＝０とする。振幅Ａ０はこのときの振幅である。この測定においては、振幅Ａ０が最大振幅となる。そして、得られた振幅Ａ０および振幅Ａ（ｔ）を用いて（１）式から吸収係数αが算出できる。

【0024】

また、レーザー変位計２０８によって測定された波形から内部摩擦Ｑ^−１を求めることができる。内部摩擦Ｑ^−１は後述する実施形態２において使用する。

【0025】

内部摩擦Ｑ^−１は下記（２）式のとおりである。

【0026】

Ｑ^−１＝α／（πｆ） …（２）
周波数ｆは、レーザー変位計２０８によって測定された波形から得られる。レーザー変位計２０８によって測定された波形はパソコン２０９によって再現されると同時に、周波数、振幅などの測定値が得られる。また、レーザー変位計２０８にオシロスコープを接続して、波形をみられるようにして周波数、振幅などの測定値を得てもよい。

【0027】

共振周波数の測定が終われば、第１試料の共振周波数と第２試料の共振周波数を比較する（Ｓ１３）。両者の共振周波数に差があれば、電極を構成している活物質に何らかの構造の違いがあることがわかる。

【0028】

［実施形態２］
実施形態２の評価方法は、電極から作成した少なくとも２つの試料の共振周波数を測定後、それらの内部摩擦を算出して、内部摩擦を比べる。これにより電極の構造に違いがあるか否かを評価するものである。

【0029】

図４は、内部摩擦による電極評価の作業手順を説明する流れ図である。

【0030】

本実施形態２の電極の評価方法は、まず、第１試料と、第２試料を用意する（Ｓ２１）。このとき第１試料と第２試料は同じ大きさにする。その理由は実施形態１と同じである。

【0031】

次に、第１試料および第２試料の共振周波数をそれぞれ測定する（Ｓ２２）。ここでも振動リード法を用いる。振動リード法はすでに説明したとおりである。

【0032】

次に、第１試料および第２試料の共振周波数から内部摩擦を算出する（Ｓ２３。内部摩擦Ｑ^−１の求め方は実施形態１で説明したとおりであり、（１）式及び（２）式により求めることができる。

【0033】

次に、第１試料の内部摩擦と第２試料の内部摩擦を比較する（Ｓ２４）。両者の内部摩擦に差があれば、電極を構成している活物質に何らかの構造の違いがあることがわかる。

【0034】

［電極の構造評価例］
実施形態１および２による電極の評価方法を用いて、たとえば下記のとおり３つの評価が可能である。

【0035】

（１）経時変化に伴う電極の構造変化の評価。

【0036】

この評価は、充放電回数の異なる２つの試料（第１試料と第２試料）の構造の違いを評価するものである。第１試料は、たとえば二次電池製造後の初期充放電直後の二次電池から取り出した電極を用いる。具体的には、二次電池から電極を取り出す。取り出した電極を適当な大きさに切り出して第１試料する。

【0037】

一方、第２試料は、充放電を繰り返した二次電池から取り出した電極とする。第２試料も同様に、まず二次電池から電極を取り出す。取り出した電極を第１試料と同じ大きさに切り出して第２試料とする。第１試料を取り出した二次電池と、第２試料を取り出した二次電池は個体としては別のものになるが、二次電池自体の仕様は同じものである。

【0038】

これにより２つの試料、すなわち第１試料と第２試料ができあがる。実施形態１の評価方法では、第１試料および第２試料の共振周波数を測定して、比較する。実施形態２の評価方法では、第１試料および第２試料の共振周波数を測定後、内部摩擦を算出して比較する。これらにより、製造初期における電極構造から、複数回の充放電によって電極構造が変化したか否かを知ることができる。

【0039】

（２）１つの電極内における面内バラつきの評価。

【0040】

たとえば、二次電池の製造においては、電極を密閉容器（缶、フィルムラミネート封止体など）に入れてから、電解液を注入して封止する。その後、初期充電を行っている。このような製造過程においては、電極の一部に電解液が十分に浸透しない場合がある。一つの電極がその面内において構造に違いがあるか否かを検知できれば、一つの電極における電解液の浸透性の違いやそれによる構造の違いを検知することができる。

【0041】

この評価では、まず、二次電池から一つの電極を取り出す。このときの二次電池は、たとえば、初期充電直後の二次電池である。初期充電直後の二次電池を用いれば、製造直後の状態がわかる。または、複数回充放電を行った後の二次電池である。複数回充放電を行った後の二次電池であれば、使用後、経時変化によって一つの電極の面内バラつきを検知できる。

【0042】

そして、取り出した電極を複数に分割して、任意の場所から少なくとも２つの試料を切り出す。これらを第１試料と第２試料とする。なお、第１試料と第２試料の大きさは同じにする。

【0043】

その後、実施形態１の評価方法では、第１試料および第２試料の共振周波数を測定して、比較する。実施形態２の評価方法では、第１試料および第２試料の共振周波数を測定後、内部摩擦を算出して比較する。これらにより一つの電極の面内における構造の違いを検知することができる。

【0044】

（３）同一二次電池内における電極構造のバラつき評価
二次電池によっては、一つの密閉容器（缶、フィルムラミネート封止体など）内に複数の電極を入れた形態のものがある（この場合の複数の電極とは、正極が２個以上、それと対をなす負極も２個以上という意味である）。

【0045】

このような二次電池の製造においては、複数の電極を密閉容器（缶、フィルムラミネート封止体など）に入れてから、電解液を注入して封止する。その後、初期充電を行っている。このような製造過程においては、複数の電極ごとに電解液の浸透度合いが違ってしまうことがある。そのような場合に、一つひとつの電極において構造に違いがあるか否かを検知できれば、このような二次電池における電解液の浸透性の違いやそれによる構造の違いが検知できる。

【0046】

この評価では、まず、二次電池から複数の電極を取り出す。このときの二次電池は、たとえば、初期充電直後の二次電池である。初期充電直後の二次電池を用いれば、製造直後の状態がわかる。または、複数回充放電を行った後の二次電池である。複数回充放電を行った後の二次電池であれば、使用後、経時変化によって二次電池内における複数電極間のバラつきを検知できる。

【0047】

そして、取り出した複数の電極からそれぞれ試料を作成する。これらをたとえば、第１試料と第２試料とする。もちろん電極がさらに多ければさらに多くの試料を作成する。なお、第１試料と第２試料（多数の試料を作成した場合はすべての試料）の大きさは同じにする。

【0048】

その後、実施形態１の評価方法では、第１試料および第２試料の共振周波数を測定して、比較する。実施形態２の評価方法では、第１試料および第２試料の共振周波数を測定後、内部摩擦を算出して比較する。これらによりそれら試料のもとになっている電極の構造の違いを検知することができる。

【0049】

そのほかここで例示した３つの評価内容以外でも、２つの試料を用意して、それらの共振周波数、または内部摩擦の違いを比べることで、様々な電極の評価を行うことが可能となる。

【0050】

［実施例］
電池仕様、製造ライン、製造装置、製造条件などが同じ２つのリチウムイオン二次電池を用意した。

【0051】

第１試料：用意した２つの二次電池のうち一つを１回充放電した（初期充電と同様である）。その後分解して、正極、負極の両方を取り出した。取り出した正極を６ｍｍ×２９ｍｍと、６ｍｍ×３９ｍｍの大きさとなるように切り出した。同様に、取り出した負極を６ｍｍ×３２ｍｍと、６ｍｍ×３７ｍｍの大きさとなるように切り出した。

【0052】

第２試料：用意した２つの二次電池のうち他の一つを１５０回充放電した。その後に分解して、正極、負極の両方を取り出した。取り出した正極および負極を、それぞれ第１試料と同じ大きさとなるように切り出した。

【0053】

なお、すべての試料は幅が６ｍｍであるので、以下では長さの値で試料の違いを示す。

【0054】

振動リード法による測定：上述した振動リード法による測定システムを用い、第１試料、第２試料をそれぞれ以下の条件によって共振周波数を測定した。

【0055】

それぞれの試料の長手方向の一端を台座２０５に固定。圧力約１３３．３２Ｐａで、１００Ｋから４００Ｋまで昇温させつつ、５Ｋ刻みで測定した。

【0056】

内部摩擦の計算：振動リード法による測定結果を用いてそれぞれの試料の内部摩擦を算出した。

【0057】

図５は正極の共振周波数を示すグラフであり、（ａ）は２９ｍｍの試料、（ｂ）は３９ｍｍの試料である。図６は負極の共振周波数を示すグラフであり、（ａ）は３２ｍｍの試料、（ｂ）は３７ｍｍの試料である。

【0058】

表１は正極２９ｍｍの第１試料および第２試料の１００Ｋと４００Ｋの共振周波数、および１００〜４００Ｋ、５Ｋ刻み共振周波数測定値の第１試料と第２試料の差の平均を示した表である。表２は正極３９ｍｍの第１試料および第２試料の１００Ｋと４００Ｋの共振周波数、および１００〜４００Ｋ、５Ｋ刻み共振周波数測定値の第１試料と第２試料の差の平均を示した表である。表３は負極３２ｍｍの第１試料および第２試料の１００Ｋと４００Ｋの共振周波数、および１００〜４００Ｋ、５Ｋ刻み共振周波数測定値の第１試料と第２試料の差の平均を示した表である。表４は負極３７ｍｍの第１試料および第２試料の１００Ｋと４００Ｋの共振周波数、および１００〜４００Ｋ、５Ｋ刻み共振周波数測定値の第１試料と第２試料の差の平均を示した表である。

【0059】

【表1】

【0060】

【表2】

【0061】

【表3】

【0062】

【表4】

【0063】

図５および６から、それぞれの試料単独では、共振周波数に温度依存性のあることがわかる。第１試料と第２試料の共振周波数を比較すると、すべての温度で共振周波数が違うことがわかる。そして図５、６、および表１〜４から、充放電回数が増えることで共振周波数が低下していることがわかる。また、このような第１試料と第２試料の共振周波数の違いは、試料の大きさを変えても、その傾向は同じである。また、正極よりも負極の方が充放電回数の違いによる共振周波数の違いが大きいことがわかる。

【0064】

これらのことから、同じ温度または同じ温度範囲で、２つの試料の共振周波数を測定することで、それら２つの試料の違いを検知することができる。

【0065】

リチウムイオン二次電池に用いられている正極は、その初期の充電過程において、リチウムイオンが正極活物質粒子から放出されるのと併せて結晶構造の変化が起こる。充電過程においては、正極活物質が有する可動性リチウムイオンをすべて放出（充電）したのち、戻す（放電）と、充電前と比較して結晶構造が変化する。このため充電、放電を繰り返し行うことで、活物質の結晶構造変化に伴い、活物質粒子表面において極めて微小な割れや構造の非晶化が進行すると推測される。その結果として、その後の充放電サイクルにおいて電池性能の劣化などが考えられる。

【0066】

負極においても同様に、充放電を繰り返すことで、活物質に微小な構造変化が起きて、電池性能の劣化などが考えられる。

【0067】

本実施例は、製造装置、製造条件などが同じ２つの二次電池をもとにした試料である。したがって、電極構造の極めて微小な変化を共振周波数の違いとして検出したものである。

【0068】

図７は正極の内部摩擦を示すグラフであり、（ａ）は２９ｍｍの試料、（ｂ）は３９ｍｍの試料である。図８は負極の内部摩擦を示すグラフであり、（ａ）は３２ｍｍの試料、（ｂ）は３７ｍｍの試料である。

【0069】

図７および８から、第１試料と第２試料の内部摩擦を比較すると、すべての温度で内部摩擦の値が違うことがわかる。そして充放電回数が増えることで内部摩擦が低下していることがわかる。このような第１試料と第２試料の内部摩擦の違いは、試料の大きさを変えても、その傾向は同じである。

【0070】

これらのことから、同じ温度または同じ温度範囲で、２つの試料の内部摩擦を求めることで、それら２つの試料の違いを検知することができる。

【0071】

内部摩擦の評価においては、図７および８からわかるように、２つの試料におけるグラフ曲線のピークの位置が異なることがわかる。したがって、内部摩擦の評価においては、内部摩擦の差だけでなく、このような複数の温度によって評価することで、その内部摩擦の値のピークが現れる位置の違いによっても、電極構造の差を検知することが可能となる。

【0072】

［実施形態の効果］
以上のように、本実施形態１および２によれば、電極から少なくとも２つ試料を作成して、それら試料のもとになっている電極の構造の違いを、共振周波数の違い（実施形態１）、または内部摩擦の違い（実施形態２）によって評価することができる。このため従来のように、電極に通電する必要がない。このため評価中の通電によって電極の活物質が変化したり、電極自体の温度が変化したりすることはない。したがって、本実施形態では、評価中の電極に電気を流すなど、構造変化や温度変化をきたすような要因を加えることなく、電極の構造に違いを正確に評価することができる。

【0073】

また、本実施形態１および２を用いることで、経時変化による電極構造の変化、同一電極内における構造の違い、同一二次電池内における複数電極の構造の違いなど、様々な電極構造の違いを評価することができる。

【0074】

また、本実施形態１および２における測定対象となる電極は、正極、負極のどちらであっても、その仕様や元の構造にかかわらず、評価可能である。

【0075】

また、本実施形態１および２において、共振周波数の測定には振動リード法を用いたことで、空気抵抗による影響が少なく、電極のような薄い材料でも正確に共振周波数を測定することができる。

【0076】

［電池の全体構造］
ここで実施形態１または２の評価対象となり得る二次電池の例を説明する。図９は二次電池の１例としてのリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。

【0077】

（外観）
図示するチウムイオン二次電池１０は、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ２７、負極タブ２５が引き出されている。発電要素２１は、リチウムイオン二次電池１０の電池外装材２９によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素２１は、正極タブ２７および負極タブ２５を外部に引き出した状態で密封されている。発電要素２１は、正極１５０、電解質層１７および負極１３０で構成される単電池層（単セル）１９が複数積層されたものである。このためこのような形態の電池は積層型電池とも称される。

【0078】

（内部構造）
図１０はリチウムイオン二次電池の構成を示す概略断面図である。

【0079】

図示するようにリチウムイオン二次電池１０は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素２１が、外装体である電池外装材２９の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素２１は、正極１５０と、セパレーター１７と、負極１３０とを積層した構成を有している。なお、セパレーター１７は、非水電解質（たとえば、液体電解質）を内蔵している。

【0080】

正極１５０は、正極集電体１２の両面に正極活物質層１５が配置された構造を有する。負極１３０は、負極集電体１１の両面に負極活物質層１３が配置された構造を有する。

【0081】

実施形態１および２による評価対象は、これら正極１５０または負極１３０ということになる。

【0082】

発電要素２１は、１つの正極活物質層１５とこれに隣接する負極活物質層１３とが、セパレーター１７を介して対向するようにして、負極１３０、電解質層（非水電解質含有セパレータ１７）および正極１５０がこの順に積層されている。これにより、隣接する負極１３０、電解質層および正極１５０は、１つの単電池層１９を構成する。図に示すリチウムイオン二次電池１０は、単電池層１９が６層積層されていることを示している。もちろん実際の電池にあっては、このような層数に制限されるものではない。これにより各単電池は電気的に並列接続されてなる構成を有する。

【0083】

正極集電体１２および負極集電体１１は、各電極（正極１５０および負極１３０）と導通される正極集電板（タブ）２７および負極集電板（タブ）２５がそれぞれ取り付けられ、電池外装材２９の端部に挟まれるようにして電池外装材２９の外部に導出される構造を有している。正極集電板２７および負極集電板２５はそれぞれ、必要に応じて正極リードおよび負極リード（図示せず）を介して、各電極の正極集電体１２および負極集電体１１に超音波溶接や抵抗溶接などにより取り付けられていてもよい。

【0084】

（正極活物質層）
正極活物質層１５は、放電時にイオンを吸蔵し、充電時にイオンを放出できる正極活物質を含む。具体的には、リチウム含有遷移金属酸化物、またはリチウム含有複合遷移金属酸化物など含む。正極活物質層は、さらに必要に応じて、界面活性剤、導電助剤、バインダー、電解質（ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など）、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などを含む。

【0085】

（負極活物質層）
負極活物質層１３としては、たとえば、グラファイト（黒鉛）、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、ケイ素系材料、スズ系材料などを含む。またこれらが２種以上含まれていてもよい。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。

【0086】

負極活物質層は、必要に応じて、界面活性剤、導電助剤、バインダー、電解質（ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など）、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などの添加剤をさらに含む。

【0087】

（電解質層）
本実施形態における電解質層は、セパレーターに電解液が含浸されてなる構成を有する。本実施形態にかかるセパレーターは、電解液を浸潤させた際のイオン伝導率が電解液単体のイオン伝導率に対して一定の割合以上であること、および／または開口率（単位面積あたりに占める空孔の割合）が一定の割合以上であることを特徴とする。

【0088】

（セパレーター）
セパレーターは、電解質を保持して正極１５０と負極１３０との間のリチウムイオン伝導性を確保する機能、および正極１５０と負極１３０との間の隔壁としての機能を有する。

【0089】

セパレーターの形態としては、たとえば、上記電解質を吸収保持するポリマーや繊維からなる多孔性シートのセパレーターや不織布セパレーター等を挙げることができる。

【0090】

（電解質）
セパレーターに浸潤する電解質としては、特に制限されないが、液体電解質またはゲルポリマー電解質が用いられる。ゲルポリマー電解質を用いることにより、電極間距離の安定化が図られ、分極の発生が抑制され、耐久性（サイクル特性）が向上する。

【0091】

（集電体）
集電体を構成する材料は導電材料であれば特に制限はないが、好適には金属が用いられる。

【0092】

具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅、その他合金等などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、またはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅が好ましい。

【0093】

集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。たとえば、高エネルギー密度が要求される大型の電池に用いられるのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。集電体の厚さについても特に制限はない。集電体の厚さは、通常は１〜１００μｍ程度である。

【0094】

（正極集電板および負極集電板）
集電板（２５、２７）を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、たとえば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板２５と負極集電板２７とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。

【0095】

（電池外装体）
電池外装体２９としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、たとえば、ＰＰ、アルミニウム、ポリアミド系合成繊維をこの順に積層してなる３層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、ＥＶ、ＨＥＶ用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部からかかる発電要素への電圧を容易に調整することができ、所望の電解液層厚みへと調整容易であることから、外装体はアルミネートラミネートがより好ましい。

【0096】

以上本実施形態による評価対象となる二次電池およびそれに使用されている電極などについて説明したが、本発明は、このような扁平な積層型の二次電池に限定されない。たとえば、１枚の正極と１枚の負極とをセパレーターを間に挟んで巻き込んだ巻回型の二次電池における電極でも評価することができる。

【0097】

また、元の電極構造自体も、上述したように、集電体の両面に活物質が形成された電極に限定されない。たとえば、集電体の片面に活物質が形成された電極(正極または負極)であっても評価可能である。さらには、集電体の一方の面に正極活物質、他方の面に負極活物質が形成された双曲型電極の評価も行うことができる。

【0098】

そのほか、本発明は特許請求の範囲によって解釈されるものであって、上述した実施形態や実施例に限定的に解釈されるものではない。

【符号の説明】

【0099】

１０ 二次電池、
１１ 負極集電体、
１２ 正極集電体、
１３ 負極活物質層、
１５ 正極活物質層、
１７ セパレーター、
１９ 単電池層、
２１ 発電要素、
２５ 負極集電板（タブ）、
２７ 正極集電板（タブ）、
２９ 電池外装材、
１３０ 負極、
１５０ 正極、
２００ 真空チャンバ、
２０１ 真空ポンプ、
２０２ 液体窒素、
２０３ 冷却器、
２０４ 電気ヒーター、
２０５ 台座、
２０６ 高周波電源、
２０７ 電極、
２０８ レーザー変位計、
２０９ パソコン、
３００ 試料。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】