CN102473972B - 电池的内部状态检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种能够检测与电池内部的反应相伴的微小的弹性波并正确地掌握电池的内部状态的变化的电池的内部状态检测装置。电池(1)的内部状态检测装置(10)具备：限制部件(5·5)，其对电池(1)施加按压力；非金属板(11)，其配置在电池(1)和限制部件(5)之间；和多个AE传感器(13)，其固定于非金属板(11)，由限制部件(5·5)对电池(1)施加按压力，由多个AE传感器(13)检测在电池(1)内产生的弹性波(W)，通过对检测出的弹性波(W)进行解析来检测电池(1)的内部状态。

Description

电池的内部状态检测装置和方法

技术领域

本发明涉及检测电池的内部状态的变化的装置和方法，更详细地，涉及通过正确检测在电池内部产生的弹性波来掌握电池内部的反应状态的技术。

背景技术

通过检测锂离子二次电池、镍氢电池等构成为可充放电的电池的内部的状态变化而使电池内部的反应状态、电池的劣化状态等电池的内部状态的变化可视化的技术正在应用。

特别地，在锂离子二次电池中，已知：在充电时、老化时等，由于电解液的分解、水分混入、与向电极表面形成SEI薄膜等相伴的气泡的产生、由锂离子的插入导致的材料结晶构造变化、以及粒子间距离的变化等电池的内部状态的变化，在电池内部产生微小的弹性波。

在专利文献1中公开了如下技术：使用包括AE(声发射)传感器、对来自AE传感器的信号进行解析的装置的检测装置，检测在电池内部产生的弹性波，通过解析弹性波的特征来检测电池的内部状态。通过解析由所述检测装置检测出的弹性波的特征，能够检测有无与化学反应相伴的气泡的产生或与电池劣化相伴的构成物的破坏等电池的内部状态的变化。

但是，在专利文献1所记载的检测装置中，没有充分考虑从电池传递到AE传感器的期间的弹性波的衰减，难以可靠地检测由于电池内部的化学反应等而产生的微小的弹性波。

此外，由于电池内部的化学反应与电池性能关系较大，因此要求在制造工序中局部掌握电池内部的化学反应的分布、强度等。特别地，要求正确地掌握反应的位置信息，使不良情况可视化，解决与电池的材料、设计、制造、控制等相伴的课题。

但是，在专利文献1所公开的检测装置中，不能正确地掌握在电池内部产生了变化(气泡的产生、破坏等)的位置。

如上所述，在以往的检测装置中，难以正确地掌握电池的内部状态的变化。

专利文献1：日本特开平7-6795号公报

发明内容

发明所要解决的课题

本发明的课题在于，提供一种能够检测与电池内部的反应相伴的微小的弹性波且正确地掌握电池的内部状态的变化的电池的内部状态检测装置。

用于解决课题的手段

本发明的第一方式涉及的电池的内部状态检测装置，具备：限制部件，其对所述电池施加按压力；非金属板，其配置在所述电池和所述限制部件之间；和多个AE传感器，其固定于所述非金属板，由所述限制部件对所述电池施加按压力，由所述多个AE传感器检测在所述电池内产生的弹性波，通过对所述检测出的弹性波进行解析来检测所述电池的内部状态。

在所述电池的内部状态检测装置中，优选的是，还具备预先存储多个波形模型的存储单元，所述弹性波的解析是通过比较所述检测出的弹性波的波形模型与所述多个波形模型而进行的。

在所述电池的内部状态检测装置中，优选的是，还具备在所述限制部件和所述非金属板之间配置的弹性部件。

在所述电池的内部状态检测装置中，优选的是，还具备在所述电池和所述非金属板之间配置的接触介质。

本发明的第二方式涉及的电池的内部状态检测方法，以使非金属板与所述电池接触的状态进行配置，经由所述非金属板对所述电池施加按压力，将多个检测在所述电池内产生的弹性波的AE传感器固定于所述非金属板，通过对由所述多个AE传感器检测出的在所述电池内产生的弹性波进行解析，检测所述电池的内部状态。

在所述电池的内部状态检测方法中，优选的是，所述弹性波的解析是通过比较所述检测出的弹性波的波形模型与预先准备的多个波形模型而进行的。

发明的效果

根据本发明，能够检测与电池内部的反应相伴的微小的弹性波且正确地掌握电池的内部状态的变化。

附图说明

图1是表示电池的内部状态检测装置以及作为其检测对象的电池的图。

图2是表示在电池内部产生的弹性波的传递的状态的图。

图3是表示AE信号解析装置所进行的弹性波的解析的一个方式的图。

图4是表示在AE信号解析装置所使用的波形模型的一个方式的图。

图5是表示由AE信号解析装置解析出的结果的一例的图。

图6是表示电池的内部状态检测装置的其他方式的图。

图7是表示电池的内部状态检测装置的其他方式的图。

附图标记说明：

1电池；5限制板；10检测装置；11硬质非金属板；12接触介质；13AE传感器；14弹性膜；15AE信号解析装置。

具体实施方式

下面参照附图对本发明涉及的内部状态检测装置的检测对象即电池的一个实施方式的电池1进行说明。电池1是锂离子电池。

此外，作为检测对象的电池1不限于锂离子二次电池，也可适用于例如镍氢电池、镍镉电池等。

如图1所示，电池1包括发电元件2、容器3等，将发电元件2收置在容器3内。

发电元件2通过使由将正极和负极卷绕成扁平状而成的卷绕体或将正极和负极层叠而成的层叠体构成的电极体浸渍电解液而成为充放电元件。作为所述电解液，可举出EC(碳酸乙烯酯)、DMC(碳酸二甲酯)等。

容器3是收置发电元件2的罐状容器，形成为与发电元件2相应的形状(更具体地，形成为使宽阔面相对而成的方罐形状)。从容器3的除了所述宽阔面之外的外周部向外方突出地设置外部端子4·4。

外部端子4·4是与外部电连接的路径，在容器3的内部分别与发电元件2的正极和负极电连接。

此外，电池1的构成不限于所述的罐状，只要是具有使作为宽阔面形成的平面相对的形状即可，可以是层叠状等形式。

在电池1充电时，在从外侧限制了容器3的状态下，在外部端子4·4连接电源，向发电元件2施加适当的电能，由此在发电元件2内发生化学反应。通过该化学反应，电池1被充电。

具体地，如图1所示，在使用从两侧按压容器3的宽阔面的限制板5·5来对电池1施加了按压力的状态下，进行电池1的充电。限制板5·5是对电池1施加按压力的限制部件，是具有比电池1的被按压面大的面积的板状部件。

此时，在电池1的内部，由于(1)电解液的分解，(2)在电极表面形成SEI薄膜，(3)锂离子的插入导致的材料结晶构造变化，(4)粒子间距离的变化等反应发生，内部状态发生变化。此外，伴随该(1)～(4)的各反应，在电池1的内部产生微小的弹性波W。

[第一实施方式]

如上所述，使用检测装置10来检测在充电工序中在电池1内产生的微小的弹性波W。

检测装置10是通过检测在电池1内产生的弹性波W来检测电池1的内部的反应所引起的状态变化并检测其内部状态的变化发生的位置的装置。

如图1所示，检测装置10具备硬质非金属板11、接触介质12、多个AE传感器13·13…、弹性膜14、AE信号解析装置15等。

硬质非金属板11是具有与作为检测装置10的检测对象的电池1的形状相应的形状(长方形状)的由非磁性、非导电性且非金属的硬质材料形成的平板部件。硬质非金属板11以与电池1接触的状态进行配置。硬质非金属板11是抑制在电池1内产生的弹性波W的衰减的部件，具有使弹性波W良好地传递到各AE传感器13的特性。

作为硬质非金属板11的材料，可举出陶瓷、玻璃等。此外，如图1所示，从限制方向观察的硬质非金属板11的大小形成为大于电池1的大小。

这样，在检测装置10中，通过对电池1插入硬质非金属板11来抑制在电池1的内部产生的弹性波W的衰减，能够良好地传递弹性波。此外，通过将非磁性、非导电性且非金属的材料用于硬质非金属板11，能够减轻磁场、静电容感应电流的产生对电池1的内部反应施加的影响。

接触介质12是插入电池1和硬质非金属板11之间而提高两者的紧贴性的部件。接触介质12设置于电池1与硬质非金属板11的接触区域的整个区域。

为了高效地从电池1向硬质非金属板11传递弹性波W，接触介质12优选由与电池1的外包装、硬质非金属板11等音阻接近的材料形成，作为接触介质12的材料，可举出润滑脂、润滑油等。

AE传感器13·13…是将压电陶瓷等作为感应器件的弹性波检测器，检测在电池1内部产生的弹性波W。各AE传感器13固定于硬质非金属板11的预定位置。各AE传感器13与AE信号解析装置15电连接，并且向AE信号解析装置15传送信号强度、频率、持续时间、振幅等信息作为弹性波W的检测数据(AE信号)。

在本实施方式中，将四个AE传感器13配置在形成为矩形的硬质非金属板11的四角。即，为如下结构：通过四个AE传感器13的每个来检测相同的弹性波W，根据四个AE传感器13每个的检测数据，正确地检测弹性波W的产生位置。

此外，检测在电池1内产生的弹性波W的方法不限于AE传感器13，只要是具有同样功能的构件皆可替换。

弹性膜14是具有可挠性的弹性部件，由气球状的膜构成。弹性膜14插入限制板5和硬质非金属板11之间。

作为弹性膜14的材料，通常可举出作为可挠性膜的材料使用的聚丙烯膜等。此外，如图1所示，从限制方向观察的弹性膜14的大小构成为与电池1的大小相同程度的大小，在硬质非金属板11的四角配置的AE传感器13·13·13·13位于弹性膜14的外侧。

此外，在弹性膜14的内部，填充有音阻与硬质非金属板11不同的空气等气体。

在检测装置10中，为来自限制板5的按压力经由弹性膜14被传递到硬质非金属板11和电池1的构成。即，弹性膜14在限制板5和硬质非金属板11之间设置空隙，将从限制板5施加的压力通过帕斯卡原理均匀地传递到硬质非金属板11，并抑制从硬质非金属板11传递的弹性波W向外部扩散。

此外，通过经由在内部填充有音阻与硬质非金属板11不同的气体的弹性膜14进行按压，如图2所示，在硬质非金属板11和弹性膜14的界面处，在硬质非金属板11内传播的弹性波W没有向硬质非金属板11内反射、衰减，因此可高效地向AE传感器13传播。

如上所述，电池1经由硬质非金属板11、接触介质12、弹性膜14而被限制板5·5限制。这样，在电池1内产生的微小的弹性波W从电池1经由接触介质12向硬质非金属板11内传播，由弹性膜14向硬质非金属板1内反射，同时在硬质非金属板11内传播，到达各AE传感器13。

因此，在检测装置10中，能够将伴随电池1内部的反应而产生的微小的弹性波W良好地传递到各AE传感器13，能够通过AE传感器13可靠地检测弹性波W。

AE信号解析装置15沿时序取出由各AE传感器13检测的强度、频率、持续时间、振幅等信息(检测数据)，根据其波形推定初期微动发生时期，并且根据各AE传感器13求出同一反应现象的信号的到达时间差从而确定反应位置。

AE信号解析装置15通过对弹性波W的波形模型P进行模型匹配来确定反应的种类，并且使用推定其初期微动发生时期的方法来确定反应位置。波形模型P是连接沿时序对由AE传感器13得到的检测数据进行描点得到的波形的外廓附近而成的图形模型。

更具体地，如图3和图4所示，在AE信号解析装置15内如以下那样进行解析。

如图3所示，在AE信号解析装置15中，(1)电解液的分解，(2)在电极表面形成SEI薄膜，(3)锂离子的插入导致的材料结晶构造变化，(4)因粒子间距离的变化等各种反应而产生的弹性波W的信息，作为单独的波形模型P1·P2·P3…进行存储。即，AE信号解析装置15具备作为存储单独的波形模型P1·P2·P3…的存储单元的功能。

例如，通过预先进行实验、模拟等，如图4所示，用AE传感器13检测因(1)电解液的分解而产生内部气体所形成的弹性波W1，能够将连接由持续时间t1、振幅L1形成的波形的外廓附近而成的图形模型作为波形模型P1存储在AE信号解析装置15中。这样，AE信号解析装置15按每个反应存储波形模型P2·P3…。

此外，此时的初期微动发生时期是图4中点t0所示的定时，但是，设定阈值Th的一般方法所形成的初期微动发生时期成为点t0’所示的定时。这样，根据使用了波形模型P1·P2…的模型匹配，能够推定更正确的初期微动发生时期。

在AE信号解析装置15中，使用波形模型P1·P2·P3…，对由AE传感器13·13…检测到的弹性波W的波形模型P和波形模型P1·P2·P3…进行比较来确定反应，由此能可靠地推定在电池1内产生的各反应的初期微动发生时期。

在本实施方式中，“比较波形模型”意指对检测出的波形模型P和预先准备的多个波形模型P1·P2·P3…进行匹配，例如，意指对某波形模型P是波形模型的相似形或是多个波形模型的复合形等进行解析来推定波形模型P的组成。

此外，AE信号解析装置15，从由所述那样的波形模型P的模型匹配所确定的各反应中提取同一反应，并且推定初期微动的发生时期，确定该反应发生的位置。

例如，可以采用如下方法：对于由各AE传感器13和AE信号解析装置15作为同一反应提取的同一弹性波W，根据直到初期微动产生的时间差以及各AE传感器13的配置位置等，通过三角测量法等公知的位置确定方法来二维地确定其发生位置。

如上所述，在检测装置10中，通过AE信号解析装置15对由各AE传感器13检测到的弹性波W进行解析，由此能够正确地掌握电池1内的反应的种类以及反应位置。

作为在电池1的充电工序中由检测装置10检测出的检测结果的活用手段，例如，如图5所示，在电池1的一部分存在充电反应少的地方(图5中所示的区域A)的情况下，能够判断为电池1的制造工序中的充电工序的上一工序中的不良情况(发电元件2的电极活性物质的不均匀、电极材料的涂敷不均匀等)，能够通过消除该不良情况来提高制造工序的精度。

这里，发电元件2通过将电极活性物质、粘结剂和导电剂等均匀混合来制造合剂的工序、将所述合剂涂敷于集电箔的工序、使在所述集电箔上涂敷的所述合剂干燥的工序、以及将所述集电箔和合剂辊压的工序等来制造。

即，为了检查与发电元件2相关的这些制造工序中的制造不均、充电时的性能不均等，可活用检测装置10。而且，以由检测装置10检测的结果为参考，修正构成电池1的各构成材料的设计、制造电池1的各工序中的制造精度等变得容易。

[第二实施方式]

为了检测在电池1的内部产生的弹性波W，也可使用检测装置20。

如图6所示，检测装置20具备：硬质非金属板21、接触介质22、AE传感器23·23·23·23、弹性膜24、AE信号解析装置25等。

硬质非金属板21是与检测装置10的硬质非金属板11大体相同形式的部件，起到同样的作用效果。如图6所示，从限制方向观察的硬质非金属板21的大小形成为与电池1的大小相同程度。

接触介质22是与检测装置10的接触介质12相同形式的部件，起到同样的作用效果。接触介质22插入在电池1和硬质非金属板21之间。

各AE传感器23是与检测装置10的AE传感器13相同形式的部件，起到同样的作用效果。各AE传感器23检测在电池1内部产生的弹性波W。各AE传感器23配置并固定在硬质非金属板21的四角。各AE传感器23与AE信号解析装置25电连接。

弹性膜24是与检测装置10的弹性膜14相同形式的部件，起到同样的作用效果。如图6所示，从限制方向观察的弹性膜24的大小构成为与硬质非金属板21的大小相同程度，在弹性膜24的内部配置有四个AE传感器23。

即，在检测装置20中，在弹性膜24的内侧配置AE传感器23·23·23·23，各AE传感器23配置为位于电池1的反应发生地点的四角。这样，能够更直接地检测在电池1的内部产生的反应，能够提高检测精度。

此外，从各AE传感器23延伸出的信号线贯穿弹性膜24，但可充分确保该贯穿地点的气密性。

AE信号解析装置25是与检测装置10的AE信号解析装置15相同形式的部件，起到同样的作用效果。AE信号解析装置25根据由各AE传感器23检测的检测数据来推定初期微动发生时期，并且根据各AE传感器23求出同一反应现象的信号的到达时间差从而确定反应位置。

[第三实施方式]

为了检测在电池1的内部产生的弹性波W，也可使用检测装置30。

如图7所示，检测装置30在电池1的宽阔面的两面侧具备：检测装置10的硬质非金属板11、接触介质12、AE传感器13·13·13·13、弹性膜14的各构成。检测装置30还具备AE信号解析装置35。AE信号解析装置35与共计八个AE传感器13电连接，根据来自各AE传感器13的检测数据来解析弹性波W。

即，检测装置30是使在电池1的内部产生的微小的弹性波W向电池1的两面侧传播而进行检测的构成。这样，能够由AE信号解析装置25三维地确定电池1内部的反应位置，并且能够更严密地掌握反应。

此外，通过在电池1的两面侧配置弹性膜14·14，成为限制板5·5和电池1由弹性膜14·14隔离开的状态。这样，能够抑制弹性波W向检测装置30的可检测范围外扩散，能够更严密地检测电池1的内部的反应所产生的弹性波W，可检测的反应的种类增加。

此外，在第一～第三实施方式中，示出了将AE传感器对电池1的宽阔面的整个面配置四个的方式，但AE传感器的配置个数没有限定，只要是能确定从同一地点产生的弹性波W的产生地点的三个以上即可，其配置个数可根据电池1的形式、AE传感器的检测能力等来适当选择。

此外，第一～第三实施方式的检测装置示出了检测充电工序中的电池1的内部状态的变化的例子，但该检测装置10·20·30的适用范围不限于充电工序，例如也可检测在使用具有与限制板5·5同样功能且对电池1施加按压力的其他限制部件来限制的状态下进行的老化工序等中的电池1的内部状态的变化。

产业上的可利用性

本发明能够利用于掌握电池内部的反应状态的技术，特别地，适用于可靠检测与电池内部的反应相伴而产生的微小的弹性波的技术。

Claims (7)

1.一种电池的内部状态检测装置，是检测电池的内部状态的装置，具备：

限制部件，其对所述电池施加按压力；

非金属板，其配置在所述电池和所述限制部件之间；和

多个AE传感器，其固定于所述非金属板，

由所述限制部件对所述电池施加按压力，

由所述多个AE传感器检测在所述电池内产生的弹性波，

通过对所述检测出的弹性波进行解析来检测所述电池的内部状态。

2.根据权利要求1所述的电池的内部状态检测装置，其中，

所述电池的内部状态检测装置还具备预先存储多个波形模型的存储单元，

所述弹性波的解析是通过比较所述检测出的弹性波的波形模型与所述多个波形模型而进行的。

3.根据权利要求1或2所述的电池的内部状态检测装置，其中，

还具备在所述限制部件和所述非金属板之间配置的弹性部件。

4.根据权利要求1或2所述的电池的内部状态检测装置，其中，

还具备在所述电池和所述非金属板之间配置的接触介质。

5.根据权利要求3所述的电池的内部状态检测装置，其中，

还具备在所述电池和所述非金属板之间配置的接触介质。

6.一种电池的内部状态检测方法，是检测电池的内部状态的方法，

以使非金属板与所述电池接触的状态进行配置，经由所述非金属板对所述电池施加按压力，

将多个检测在所述电池内产生的弹性波的AE传感器固定于所述非金属板，

通过对由所述多个AE传感器检测出的在所述电池内产生的弹性波进行解析，检测所述电池的内部状态。

7.根据权利要求6所述的电池的内部状态检测方法，其中，

所述弹性波的解析是通过比较所述检测出的弹性波的波形模型与预先准备的多个波形模型而进行的。