特開 2024-172964 短絡検知方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024172964

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】短絡検知方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/04 20060101AFI20241205BHJP

【ＦＩ】

H01M10/04 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023091051

(22)【出願日】2023-06-01

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】大倉 才昇

(72)【発明者】

【氏名】小林 極

(72)【発明者】

【氏名】森 秀人

【テーマコード（参考）】

5H028

【Ｆターム（参考）】

5H028AA05

5H028BB12

5H028CC01

5H028CC19

(57)【要約】

【課題】電解液注入後の短絡を検知できる短絡検知方法を提供する。
【解決手段】本開示に係る短絡検知方法は、バイポーラ電極とセパレータとを交互に積層した蓄電モジュールにおいて短絡が生じているか否かを検知する短絡検知方法である。本開示に係る短絡検知方法は、蓄電モジュール内部を減圧するステップと、蓄電モジュールに対して電圧を印加するステップと、を備える。本開示に係る短絡検知方法では、蓄電モジュールに対する電圧変化に基づいて、短絡が生じているか否かを検知する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

バイポーラ電極とセパレータとを交互に積層した蓄電モジュールにおいて短絡が生じているか否かを検知する短絡検知方法であって、
前記蓄電モジュール内部を減圧するステップと、
前記蓄電モジュールに対して電圧を印加するステップと、を備え、
前記電圧変化に基づいて、前記短絡が生じているか否かを検知する、
短絡検知方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、短絡検知方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ハイブリッド電気自動車又は電気自動車などに搭載される電池として、バイポーラ型二次電池が知られている。バイポーラ型二次電池では、電解液を注入するため異物が混入して短絡が発生する場合がある。

【0003】

例えば、特許文献１には、正極終端電極と他端に配置された負極終端電極との間の静電容量の大きさを計測することによって短絡を検知する方法が開示されている。特許文献１に開示された短絡を検知する方法では、正極終端電極と他端に配置された負極終端電極との間の静電容量が基準値よりも大きい場合に短絡が生じていると判定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－２０２０１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述した特許文献１に開示された短絡を検知する方法では、バイポーラ型二次電池内に異物が混入しても静電容量に変化は生じないため、電解液注入後による短絡を検知することが困難であった。

【0006】

本開示は、このような事情に鑑みなされたものであって、電解液注入後の短絡を検知できる短絡検知方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示に係る短絡検知方法は、
バイポーラ電極とセパレータとを交互に積層した蓄電モジュールにおいて短絡が生じているか否かを検知する短絡検知方法であって、
前記蓄電モジュール内部を減圧するステップと、
前記蓄電モジュールに対して電圧を印加するステップと、を備え、
前記電圧変化に基づいて、前記短絡が生じているか否かを検知する。

【0008】

本開示に係る短絡検知方法では、蓄電モジュール内部における圧力を減圧してから蓄電モジュールに対して電圧を印加している。このような構成により、電解液注入に伴い異物が混入している場合、異物によりセパレータが破損するため、電解液注入後による短絡を検知できる。

【発明の効果】

【0009】

本開示により、電解液注入後の短絡を検知できる短絡検知方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】バイポーラ型二次電池の断面図（ｘｚ平面図）である。

【図2】実施形態１に係るバイポーラ型二次電池の短絡検知方法を例示したフローチャートである。

【図3】バイポーラ型二次電池における蓄電モジュールの各セルを減圧状態にしてから大気圧に開放した状態を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して本開示の実施の形態について説明する。各図面において、同一又は対応する要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略される。また、図面が煩雑にならないように、いくつかの符号は省略されている。
なお、当然のことながら、図面に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面である。

【0012】

（実施形態１）
＜バイポーラ型二次電池の構成＞
まず、図１を参照しながら、実施形態１に係る短絡検知方法の検知対象であるバイポーラ型二次電池の構成について説明する。図１は、バイポーラ型二次電池の断面図（ｘｚ平面図）である。図１は、バイポーラ型二次電池の放充電に関する部位だけを図示しており、拘束板などの部材は省略している。バイポーラ型二次電池１０は、例えば、ニッケル水素二次電池又はリチウムイオン二次電池等の二次電池である。バイポーラ型二次電池１０は、例えば、フォークリフト、ハイブリッド自動車、及び電気自動車等の各種車両のバッテリとして用いられる。

【0013】

図１に示すように、バイポーラ型二次電池１０は、蓄電モジュール１２を備える。蓄電モジュール１２は、バイポーラ電極１３とセパレータ１４とを交互に積層して構成される。図１に示した例では、蓄電モジュール１２は、１つのバイポーラ電極１３と２つのセパレータ１４とがｘ軸方向に積層されて構成されている。以下では、図面のｘ軸方向を積層方向と称する。

【0014】

まず、バイポーラ電極１３について説明する。バイポーラ電極１３は、集電体１５と、集電体１５の一方の面に設けられた正極１７と、集電体１５の他方の面に設けられた負極１８とを有する。バイポーラ電極１３は、正極１７と集電体１５と負極１８とがこの順番に積層配置された構造となっている。

【0015】

図１に示した例では、蓄電モジュール１２は、１つのバイポーラ電極１３によって構成されている。しかし、これに限定されることはなく、蓄電モジュール１２は、複数のバイポーラ電極１３によって構成されてもよい。蓄電モジュール１２が複数のバイポーラ電極によって構成される場合、蓄電モジュール１２は以下の構成となる。積層方向にセパレータ１４を介して隣接しているバイポーラ電極は、一方のバイポーラ電極の正極がセパレータを介して隣接している他方のバイポーラ電極の負極と対向するように設けられる。

【0016】

次に、セパレータ１４について説明する。図１に示すように、蓄電モジュール１２の内部空間は、電解液ＥＬが注液され、封止部２０によって封止される。セパレータ１４は、蓄電モジュール１２の内部空間における電解液ＥＬを保持する。

【0017】

図１に示すように、セパレータ１４を介して隣接している正極１７と負極１８、及びセパレータ１４を合わせてセルと称する。すなわち、図１に示した例では、蓄電モジュール１２は、２つのセル１２ａ、１２ｂから構成されている。

【0018】

バイポーラ電極１３における正極１７と負極１８との間には、集電体１５が設けられている。集電体１５は、正極集電体１５ａと負極集電体１５ｂとが積層されている。正極集電体１５ａは正極１７に隣接しており、負極集電体１５ｂは負極１８に隣接している。正極集電体１５ａ、負極集電体１５ｂは、例えば、導電性のある金属箔等で構成される。正極集電体１５ａは、例えば、銅箔である。負極集電体１５ｂは、例えば、アルミニウム箔である。図１に示した例では、蓄電モジュール１２の積層端は、セル１２ａ側が負極集電体１５ｂであり、セル１２ｂ側が正極集電体１５ａである。

【0019】

蓄電モジュール１２は、導電板（不図示）と電気的に接続され、正極１７及び負極１８を介して、バイポーラ型二次電池１０の充放電が行われる。

【0020】

＜バイポーラ型二次電池の短絡検知方法＞
次に、図２を参照しながら、実施形態１に係るバイポーラ型二次電池の短絡検知方法について説明する。図２は、実施形態１に係るバイポーラ型二次電池の短絡検知方法を例示したフローチャートである。以下では、図１も適宜参照しながら、説明する。

【0021】

まず、蓄電モジュールにおける各セルに対して電解液を注入する（ステップＳＴ１）。図１を参照しながら、より具体的に説明する。図１に示すように、蓄電モジュール１２における各セル１２ａ、１２ｂに対して注入口から電解液ＥＬを注入する。図１は、蓄電モジュール１２における各セル１２ａ、１２ｂに対して電解液ＥＬを注入後の図である。図１には、電解液ＥＬの注入に伴う、異物が示されていない。

【0022】

次に、蓄電モジュール１２をチャンバーボックスに入れ、真空引きを行う（ステップＳＴ２）。図１を参照しながら、より具体的に説明する。まず、蓄電モジュール１２をチャンバーボックス（不図示）に入れる。チャンバーボックス内を真空引きすることによって、図１に示した蓄電モジュール１２の各セル１２ａ、１２ｂを減圧状態にした後に、封止部２０によって注液口を封止する。真空引きは、例えば、チャンバーボックスに真空ポンプを接続して、真空ポンプを稼働させることにより行われる。

【0023】

次に、蓄電モジュール１２をチャンバーボックスから取り出す（ステップＳＴ３）。これにより、蓄電モジュール１２が大気圧に開放されるため、周囲の大気圧が蓄電モジュール１２に対して押し込むように付加される。図３を参照しながら、より具体的に説明する。図３は、バイポーラ型二次電池における蓄電モジュールの各セルを減圧状態にしてから大気圧に開放した状態を示した図である。図３は、電解液ＥＬを注入する際に、異物が混入した場合を示した図である。

【0024】

ステップＳＴ２において蓄電モジュール１２内部が減圧状態になっているため、図３に示すように、ステップＳＴ３において蓄電モジュール１２を大気圧に開放すると、周囲の大気圧が蓄電モジュール１２に対して押し込むように付加される。図３に示した例では、周囲の大気圧がセル１２ａに対して押し込む様子を示しているが、周囲の大気圧は蓄電モジュール１２に対して等方的に付加される。すなわち、図３には図示していないが、周囲の大気圧は、セル１２ｂに対しても押し込むように付加される。

【0025】

図３に示すように、ステップＳＴ３において、周囲の大気圧が蓄電モジュール１２に対して押し込むように付加されると、蓄電モジュール１２のセル１２ａは、押し込まれた方向に変形する。これに伴い、蓄電モジュール１２のセル１２ａに混入した異物Ｃ１は、セパレータ１４と接触する。そのため、異物Ｃ１によりセパレータ１４が破損する。

【0026】

次に、蓄電モジュール１２の充電を行う（ステップＳＴ４）。図３を参照しながら、より具体的に説明する。蓄電モジュール１２の各セル１２ａ、１２ｂをガスが発生しない電圧まで充電を行う。充電電圧は、例えば、蓄電モジュール１２の各セル１２ａ、１２ｂに含まれる水の電気分解が始まらないように、１ボルト以下が好ましい。

【0027】

次に、蓄電モジュール１２に対して電圧を印加して、電圧変化が生じるか否かを判定する（ステップＳＴ５）。より具体的には、蓄電モジュール１２の各セル１２ａ、１２ｂが１ボルトまで充電されている場合、蓄電モジュール１２に対して印加した電圧が２ボルト以下となるか否かを判定する。

【0028】

電圧変化が生じている場合（ステップＳＴ５ＹＥＳ）、蓄電モジュール１２の短絡が生じていると判定する（ステップＳＴ６）。すなわち、異物Ｃ１によりセパレータ１４が破損しているため、短絡が生じていると判定する。

【0029】

一方で、電圧変化が生じていない場合（ステップＳＴ５ＮＯ）、蓄電モジュール１２の短絡が生じていないと判定する（ステップＳＴ７）。すなわち、電解液に異物Ｃ１が混入しておらず、セパレータ１４が破損していないため、短絡が生じていないと判定する。

【0030】

ステップＳＴ５では、蓄電モジュール１２に対して電圧を印加して電圧変化が生じているか否かにより短絡を判定している。より具体的には、蓄電モジュール１２に対して電圧を印加して電圧降下が生じているか否かにより短絡を判定している。しかし、これに限定されることはなく、短絡の判定は、電圧降下速度、電圧降下量が所定の基準値以上であるか否か、所定の時間経過後に電圧降下が生じるか否かによって行われてもよい。

【0031】

また、ステップＳＴ５では、蓄電モジュール１２に対して電圧を印加したが、これに限定されることはなく、蓄電モジュール１２の各セル１２ａ、１２ｂに対して電圧を印加してもよい。より具体的には、蓄電モジュール１２の各セル１２ａ、１２ｂが１ボルトまで充電されている場合、各セル１２ａ、１２ｂに対して印加した電圧が１ボルト以下となるか否かを判定する。各セル１２ａ、１２ｂのいずれかにおいて電圧降下が生じている場合、蓄電モジュール１２が短絡していると判定できる。

【0032】

図２では、ステップＳＴ４において蓄電モジュール１２の充電を行っている。これにより、ステップＳＴ５における電圧降下量が明確になる。しかし、蓄電モジュール１２に電解液ＥＬを注液後にもバイポーラ型二次電池の材料固有の電位が発生する。そのため、ステップＳＴ４において蓄電モジュール１２の充電を行わずに、ステップＳＴ３に続けてステップＳＴ５を行ってもよい。

【0033】

実施形態１に係る短絡検知方法では、ステップＳＴ２において蓄電モジュール１２内部、換言すると、各セル１２ａ、１２ｂを減圧させているため、蓄電モジュール１２の積層端を加圧することによって蓄電モジュール１２内部に対しても圧力を付加できる。

【0034】

図２では、電解液ＥＬ注入に伴う異物Ｃ１が蓄電モジュール１２に混入しているか否かを判定するために、ステップＳＴ２において蓄電モジュール１２内部を真空引きし、ステップＳＴ３において蓄電モジュール１２を大気圧に開放した。しかし、ステップＳＴ２、３の方法に限定されることはなく、蓄電モジュール１２内部のみを減圧できればよい。

【0035】

なお、ステップＳＴ２、３の減圧ステップを行わずに、ステップＳＴ５において蓄電モジュール１２に対して電圧を印加しても電解液中のイオンが移動して充電されてしまい、短絡の検知が困難である。しかし、実施形態１に係る短絡検知方法では、蓄電モジュール１２内部における圧力を減圧（ステップＳＴ２、３）してから蓄電モジュールに対して電圧を印加（ステップＳＴ５）している。そのため、異物Ｃ１が混入している場合、異物Ｃ１によりセパレータ１４が破損し、電解液ＥＬ注入後による短絡を検知できる。

【0036】

このように、実施形態１に係る短絡検知方法では、蓄電モジュール１２内部における圧力を減圧してから蓄電モジュール１２に対して電圧を印加している。このような構成により、電解液ＥＬ注入に伴い異物Ｃ１が混入している場合、異物Ｃ１によりセパレータ１４が破損するため、電解液ＥＬ注入後による短絡を検知できる。

【0037】

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。すなわち上記の記載は、説明の明確化のため、適宜、省略及び簡略化がなされており、当業者であれば、実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。

【符号の説明】

【0038】

１０ バイポーラ型二次電池
１１ 電極
１２ 蓄電モジュール
１２ａ、１２ｂ セル
１３ バイポーラ電極
１４ セパレータ
１５ 集電体
１５ａ 正極集電体
１５ｂ 負極集電体
１７ 正極
１８ 負極
２０ 封止部
Ｃ１ 異物

【図1】

【図2】

【図3】