JP5416612B2 - 二次電池の再利用方法 - Google Patents

Description

本発明は二次電池の再利用方法に関し、特に、ユーザから回収した複数の組電池を構成する二次電池を組み合わせて新たな組電池を再構成する方法に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車等の電源には、複数の二次電池で構成される組電池が用いられている。一方、資源の効率的な活用の観点から、車両の電源として用いられる組電池において、ユーザから回収した組電池を再利用可能な性能を有する組電池に再構成（リビルト）して再びユーザに提供する再利用技術も検討されている。リビルトする場合、使用履歴のある組電池では、電池特性、すなわち過充電、過放電、メモリ効果による電圧ばらつき等に変化が生じるため、回収した複数の組電池を構成する二次電池の中で、特に電池性能に優れた二次電池を選別してリビルトすることが提案されている。

下記の特許文献１には、既に使用された後の使用済み二次電池について、それぞれの満充電容量を知得する工程と、満充電容量を知得した使用済み二次電池の群の中から、満充電容量が互いに近いものを複数選択する工程と、選択された複数の使用済み二次電池を組み合わせてリビルトする工程を備える組電池の製造方法が開示されている。また、選択された複数の使用済み二次電池のうち、満充電容量が最も大きなものと満充電容量が最も小さなものとの満充電容量の差を、満充電容量が最も小さなものの満充電容量の１０％以内とすることが開示されている。

特開２００９−４１８４号公報

電気自動車やハイブリッド自動車の電源として組電池を用いる場合、組電池は大電流で充電若しくは放電されるため、組電池を構成する各二次電池の容量が揃っていないと過充電や過放電により劣化してしまう。そこで、上記のように満充電容量のばらつきを満充電容量が最も小さなものの１０％以内に収める等の方策がとられることとなるが、ユーザから回収した組電池の使用履歴は種々であるから、この条件を満足する二次電池を選択するのは容易ではなく、結果的にリビルト対象から除外されてしまう二次電池も多くなる。

本発明の目的は、ユーザあるいは市場から回収した複数の組電池を構成する二次電池を組み合わせて新たな組電池を再構成する際に、二次電池の無駄を低減し得る方法を提供することにある。

本発明は、使用済みの複数の二次電池から組電池を再構成する二次電池の再利用方法であって、前記二次電池の使用履歴や個体差を反映した電池特性である個体電池特性として、前記二次電池の満充電容量を測定する測定ステップと、前記測定ステップで測定された前記二次電池の満充電容量に基づき、前記組電池を再構成するために分類するステップであって、前記二次電池の満充電容量が小さいほど、前記二次電池の満充電容量のばらつきの許容範囲を大きく設定して分類する分類ステップと、前記分類ステップで分類された二次電池毎に組電池を再構成する組み立てステップとを備えることを特徴とする。

また、本発明は、使用済みの複数の二次電池から組電池を再構成する二次電池の再利用方法であって、前記二次電池の使用履歴や個体差を反映した電池特性である個体電池特性として、前記二次電池の自己放電後の電圧を測定する測定ステップと、前記測定ステップで測定された前記二次電池の自己放電後の電圧に基づき、前記組電池を再構成するために分類するステップであって、前記二次電池の自己放電後の電圧が小さいほど、前記二次電池の自己放電後の電圧のばらつきの許容範囲を大きく設定して分類する分類ステップと、
前記分類ステップで分類された二次電池毎に組電池を再構成する組み立てステップとを備えることを特徴とする。

また、本発明は、使用済みの複数の二次電池から組電池を再構成する二次電池の再利用方法であって、前記二次電池の使用履歴や個体差を反映した電池特性である個体電池特性として、前記二次電池の重量を測定する測定ステップと、前記測定ステップで測定された前記二次電池の重量に基づき、前記組電池を再構成するために分類するステップであって、前記二次電池の重量が小さいほど、前記二次電池の重量のばらつきの許容範囲を大きく設定して分類する分類ステップと、前記分類ステップで分類された二次電池毎に組電池を再構成する組み立てステップとを備えることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、分類ステップでは、さらに、前記個体電池特性がしきい値以上ある二次電池を車載組電池用として分類し、前記個体電池特性がしきい値未満である二次電池を他の用途として分類することを特徴とする。

また、本発明の他の実施形態では、前記分類するステップにおける前記車載組電池用の前記ばらつきの許容範囲は、組電池の初期出荷時におけるばらつきの許容範囲以下に設定されることを特徴とする。

本発明によれば、ユーザあるいは市場から回収した複数の組電池を構成する二次電池を組み合わせて新たな組電池を再構成（リビルト）する際に、二次電池の無駄を低減して組電池を市場に効果的に提供できる。

実施形態の二次電池の再利用方法を示すフローチャートである。 二次電池の電池特性の時間変化を示すグラフ図である。 回収した二次電池の容量分布ヒストグラムと実施形態のばらつきの許容範囲説明図である。 回収した二次電池の容量分布ヒストグラムと従来技術のばらつきの許容範囲説明図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

１．組電池の概要
まず、本実施形態の前提として、電気自動車やハイブリッド車両の電源として搭載される組電池について簡単に説明する。なお、以下では偏平な直方体形状をした角形二次電池（電池モジュール）から構成された組電池に基づいて説明するが、本発明は円筒形二次電池から構成された組電池にも適用できる。

組電池は、複数の二次電池が両端の端板にて拘束された状態で電気的に直列に接続されて構成される。各二次電池は、長側面同士を対向させて並列配置され、接続部材を通じて電気的に直列に接続される。各二次電池は、例えば樹脂製の一体電槽からなる密閉型のニッケル水素電池である。一体電槽内では、複数の単電池（セル）が直列接続されて電池モジュールを構成する。各単電池は、例えばニッケル水素電池であり、設計時、すなわち初期状態において正極に比べ負極の容量を大きく設定される場合が多い。単電池は、正極活物質として水酸化ニッケルを含む正極と、負極活物質として水素吸蔵合金を含み、正極が充電を終えた際に未充電状態にある予め設けられた過剰容量分である充電リザーブ、及び正極が放電を終えた際に充電状態にある予め設けられた過剰容量分である放電リザーブを持ち、正極の理論容量より大きな容量を備えた負極を有する。

車両に搭載される場合、組電池は電池ＥＣＵにより監視される。電池ＥＣＵは、プロセッサやＲＯＭ、ＲＡＭを有して構成され、組電池の充放電を制御するとともに、組電池の電圧や電流、温度を監視して組電池の正常／異常を判定する。

組電池では、使用履歴に応じて組電池特性が互いに異なることが知られており、組電池を構成する個々の二次電池間においても、その個体差から電池特性の変化態様が異なる。従って、ユーザあるいは市場から回収した複数の組電池を構成する二次電池を組み合わせて新たな組電池を再構成するリビルトの際には、少なくとも電池特性が互いに近似する二次電池を選択する必要がある。

２．リビルトの概要
次に、リビルトの概要について説明する。

上記のように、リビルトの際には、電池特性が互いに近似する二次電池を選択し、選択した二次電池で新たに組電池を組み立てる必要がある。選択の際に用いる電池特性としては、例えば満充電容量がある。満充電容量は、所定のパターンで二次電池を充放電して測定できる。例えば、２５℃の恒温環境下において、まず０．３Ｃの電流値で電池電圧が１．０Ｖになるまで二次電池を放電させ、次に、３分間放置した後、０．３５Ｃの電流値で３．２時間、二次電池を定電流充電する。次に、３分間放置した後、０．３Ｃの電流値で電池電圧が１．０Ｖになるまで放電させ、このときの放電電気量を満充電容量とする。なお、二次電池の公称容量を満たす充電量（例えば６．５ＡＨ）を１時間で完全放電できる電流量（例えば６．５Ａ）を１Ｃとする。

リビルトする場合、満充電容量のばらつきが許容範囲内に収まっている二次電池を選択するが、リビルトする際のばらつきの許容範囲内は、組電池を最初に組み立ててユーザあるいは市場に提供する場合のばらつきの許容範囲（これを初期許容範囲）と同程度とする他に、初期許容範囲よりも狭くして、二次電池の満充電容量のばらつきを小さくすることが好適である。その理由は、上記のように組電池の電池特性は使用履歴に応じて変化し、さらに組電池を構成する二次電池間においても個体差が存在するために、たとえリビルト時において満充電容量が同程度であったとしても、その二次電池が属していた組電池の使用履歴及びその二次電池自身の個体差により、リビルト後の使用において電池特性の相違が顕在化して大きくなる可能性があるからである。

図２に、二次電池の満充電容量の時間変化を概念的に示す。図において、横軸は時間であり、製品が最初に出荷される初期時点、リビルト時点、リビルト時点より先の将来の時点を示す。縦軸は二次電池の満充電容量である。図において、互いに異なる２個の二次電池Ａ、Ｂの満充電容量の時間変化をそれぞれａ，ｂで示す。なお、図では説明の都合上、二次電池Ａ，Ｂの満充電容量は時間とともにリニアに変化するものと仮定している。二次電池Ａ，Ｂの使用履歴を含む個体差により、二次電池Ａ，Ｂの満充電容量の時間変化の度合いは異なり、二次電池Ａの方が二次電池Ｂよりも急峻に満充電容量が減少する。従って、２個の二次電池Ａ，Ｂの満充電容量がたとえリビルト時において互いに近似していても、リビルト後の将来において両者の満充電容量に大きな相違が生じる可能性があり、言い換えれば、このような可能性を考慮すると、少なくともリビルト時においては初期時よりも二次電池間の満充電容量のばらつきの許容範囲を小さくしておく必要がある。例えば、初期時におけるばらつきの許容範囲を５％とすると、リビルト時におけるばらつきの許容範囲を２％とする等である。

ところで、このようにリビルト時のばらつきの許容範囲を小さくすると、このばらつきの許容範囲外となる二次電池が出現する可能性があり、これらをリビルトの対象から一律に除外してしまうと二次電池の有効活用が図れなくなる。

そこで、本実施形態では、リビルトして得られる組電池には、車両に搭載され車両の駆動用電源として用いられる組電池の他に他の用途があり得ることを考慮し、リビルトして得られる組電池の用途を車載用に限定するのではなく他の用途も積極的に許容するとともに、用途によっては満充電容量のばらつきの許容範囲も変わり得るとの事実を利用して、リビルト時の満充電容量のばらつきの許容範囲を満充電容量に応じて変化させるものである。

３．実施形態のリビルト方法
図１に、本実施形態におけるリビルト方法のフローチャートを示す。まず、ユーザあるいは市場から複数の組電池を回収する（Ｓ１０１）。具体的には、電気自動車やハイブリッド車両が廃車となった場合に当該車両に搭載された組電池を回収する。あるいは、組電池を構成する二次電池の一部の不具合により新しい組電池に交換した場合に、古い組電池を回収する。不具合の生じた二次電池以外の他の二次電池は、正常に動作し得るからである。

次に、回収した組電池を二次電池毎に解体する（Ｓ１０２）。二次電池毎に解体する際には、専用の器具を用いて解体することができ、組電池の両端から組電池を圧縮するように所定の圧力を印加した状態で解体するのが好適である。

次に、解体して得られた各二次電池の満充電容量を測定する（Ｓ１０３）。満充電容量の測定方法は上記の通りである。すなわち、２５℃の恒温環境下において、まず０．３Ｃの電流値で電池電圧が１．０Ｖになるまで二次電池を放電させ、次に、３分間放置した後、０．３５Ｃの電流値で３．２時間、二次電池を定電流充電する。次に、３分間放置した後、０．３Ｃの電流値で電池電圧が１．０Ｖになるまで放電させ、このときの放電電気量を満充電容量とする。なお、この方法は一例であって、他の方法を用いて二次電池を満充電として満充電容量を測定してもよい。例えば、二次電池がリチウムイオン電池の場合において充電前半は定電流充電を行い、充電後半は定電圧充電を行う等である。

次に、二次電池の満充電容量毎に、リビルトする際の満充電容量のばらつきの許容範囲を設定する（Ｓ１０４）。具体的には、ばらつきの許容範囲を一定値とするのではなく、満充電容量が小さいほど、ばらつきの許容範囲を大きく設定する。言い換えれば、満充電容量が大きいほど、ばらつきの許容範囲を小さく設定する。

図３に、本実施形態における満充電容量のヒストグラムとばらつきの許容範囲との関係を示す。図において、横軸は満充電容量であり、縦軸は回収した二次電池の個数である。回収した二次電池の個数は、グラフ１００で示されるように、ある満充電容量をピークとした分布をなす。そして、満充電容量の大きい二次電池から満充電容量の小さい二次電池までの、組電池としてリビルトする際のばらつきの許容範囲をそれぞれｃ０、ｃ１、ｃ２、ｃ３とすると、ｃ０＜ｃ１＜ｃ２＜ｃ３となるように設定する。たとえは、ｃ０＝２％、ｃ１＝３％、ｃ２＝４％、ｃ３＝２０％等である。満充電容量が小さくなるほどばらつきの許容範囲を大きくするのは、満充電容量が大きい、すなわち初期の満充電容量に近い満充電容量を有する二次電池は、使用履歴の影響が少なく、劣化の小さい優れた二次電池であるから、優れた二次電池だけで特別の使用環境（例えば電池の出力特性が低下する寒冷地）において使用され得る組電池、すなわち電池特性に優れた新たな組電池としてリビルトするためにそのばらつきの許容範囲も十分小さくする必要がある一方、満充電容量の小さい、すなわち初期の満充電容量からかなり劣化している二次電池は、使用履歴の影響が大きく、劣化が進んだ二次電池であるから、特定の用途のみに使用される組電池としてリビルトすればよいからそのばらつきの許容範囲も大きく設定して二次電池を効率的に活用するためである。

なお、車載の組電池として使用される二次電池に要求される満充電容量にはしきい値があり、例えば初期容量の７０％程度に設定し得るが、図３にはしきい満充電容量がＦＣｔｈとして示されている。満充電容量がしきい満充電容量に達する二次電池は車載の組電池としてリビルトされるが、その中において満充電容量が相対的に小さく、そのばらつきの許容範囲が相対的に大きい二次電池（例えばばらつきの許容範囲がｃ０ではなくｃ１やｃ２に含まれる二次電池）をリビルトして得られる組電池は、例えば温帯地域において使用されることが想定される車両用として用いられる。一方、満充電容量がしきい満充電容量に満たない二次電池（ばらつきの許容範囲がｃ３）は車載以外の組電池としてリビルトされるが、車載のように大電流で充放電する必要がないため、ばらつきの許容範囲が相対的に大きくても実用上問題はない。車載以外の用途の一例は、ストレージ用途である。ストレージ用途では、短時間に放電し、一定電圧で充電する場合が多いため、たとえ組電池を構成する二次電池の満充電容量に大きなばらつきがあったとしても問題は生じにくい。ストレージ用途とは、一般的に、一定電圧で充電し、電気自動車やハイブリッド車両に比べて相対的に小電流で放電され、中間容量域で放置させる頻度が小さい場合における蓄電用途として定義され、具体的には風力発電や太陽光、太陽熱発電等の電力貯蔵装置、あるいは掃除機等の家庭電化製品のバッテリである。なお、ばらつきの許容範囲がｃ０〜ｃ３以外の二次電池はいずれの用途にも使用不可能なため廃棄される。

再び図１に戻り、以上のようにして満充電容量に応じてばらつきの許容範囲を設定した後、いずれかのばらつきの許容範囲内に分類する（振り分ける）（Ｓ１０５）。そして、分類毎に別用途として組電池をリビルトする（Ｓ１０６）。例えば、図３において、ばらつきの許容範囲ｃ０、ｃ１、ｃ２、ｃ３に収まる二次電池群をそれぞれＡ０、Ａ１，Ａ２，Ａ３とすると、二次電池群Ａ０，Ａ１，Ａ２は車載用組電池にリビルトし、Ａ３はストレージ用途にリビルトする。二次電池群Ａ０〜Ａ２はともに車載用組電池にリビルトされるが、これらは互いに満充電容量とばらつきの許容範囲が異なるため、異なる使用環境における車両用が好ましいことは既述したとおりである。

図４に、本実施形態との対比のため、従来技術における満充電容量のヒストグラムとばらつきの許容範囲との関係を示す。図４におけるグラフ１００は、図３のグラフ１００と同一である。従来においては、満充電容量によらず、ばらつきの許容範囲はｃ（例えば２％）と一定であり、満充電容量が互いに近似した二次電池を選択して組電池をリビルトしている。ばらつきの許容範囲がｃと一定であるため、ある組電池にリビルトするための二次電池の数が制限されてしまい、結果として組電池として再利用できない場合が生じる。また、しきい満充電容量ＦＣｔｈ未満の二次電池は車載用には再利用できないため廃棄される。一方、本実施形態では、満充電容量が小さくなるほどばらつきの許容範囲を大きく設定しているため、その分だけある組電池にリビルトするための二次電池の数に余裕が生じ、ユーザあるいは市場から回収した二次電池を効率的に再利用することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態では、満充電容量により二次電池を分類しているが、満充電容量に代えて自己放電後の電圧を用いて二次電池を分類してもよい。ユーザあるいは市場から回収した組電池を二次電池に解体し、個々の二次電池について定量充電し、その後、一定の温度環境下、例えば４０℃で放置した後の二次電池の電圧を測定する。自己放電した後の電圧に基づいて二次電池を分類する。そして、自己放電後の電圧が小さいほど、ばらつきの許容範囲を大きく設定して二次電池を分類する。自己放電後の電圧の絶対値、あるいは初期状態からの電圧の変化量（あるいは変化の度合い）がしきい値以上であれば車載用組電池としてリビルトし、しきい値に達しない二次電池はストレージ用途としてリビルトする。

また、二次電池の重量を用いて分類してもよい。二次電池は使用されると電解液量が減少するためにその重量が減少し、その減少量は使用履歴や二次電池の個体差に応じて変化し得る。二次電池の重量が小さいほどばらつきの許容範囲を大きく設定して組電池をリビルトする。

満充電容量や自己放電後の電圧、二次電池の重量は、二次電池の使用履歴や個体差が反映された電池特性であり、個々の二次電池の個体電池特性と言うことができる。従って、この意味において、本実施形態の方法は、ユーザあるいは市場から回収した組電池を解体して得られる複数の二次電池を、それぞれの個体電池特性に応じて分類する際に、個体電池特性に応じて同一組電池にリビルトする際のばらつきの許容範囲を一定値とするのではなく、個体電池特性の値に応じて変化させるものと表現することができる。個体電池特性はいずれか一つである必要はなく、満充電容量と自己放電後の電圧の組み合わせ等、複数の物理量を用いて二次電池を分類してもよい。

また、本実施形態において、満充電容量に応じ、満充電容量が小さいほどばらつきの許容範囲を大きく設定しているが、車載用組電池としてリビルトする場合のばらつきの許容範囲の上限は、初期状態、すなわち組電池出荷時のばらつきの許容範囲とすることが好適である。例えば、組電池出荷時のばらつきの許容範囲が５％以内であるものとすると、リビルト時のばらつきの許容範囲を車載用組電池においては２％〜５％とする等である。図３に即して説明すると、ｃ０＝２％、ｃ１＝３％、ｃ２＝４％とする等である。満充電容量がしきい値ＦＣｔｈに満たない二次電池に対しては、ばらつきの許容範囲は組電池出荷時のばらつきの許容範囲とは無関係に設定してもよく、例えば２０％〜３０％あるいはそれ以上に設定してもよい。自己放電後の電圧その他を用いて分類する場合も同様である。

さらに、本実施形態では、組電池の用途に応じて二次電池のばらつきの許容範囲が異なるとの基本的な技術思想に基づいてばらつきの許容範囲を設定してリビルトすることで二次電池を有効活用するものであるが、組電池の経済的な要因に応じて二次電池のばらつきの許容範囲が異なることは当然であり、本発明はこのような態様を排除するものではなく、リビルトして得られる組電池の価格を考慮してばらつきの許容範囲をさらに調整してもよい。

１００ 回収二次電池のヒストグラム。

Claims (5)

1. 使用済みの複数の二次電池から組電池を再構成する二次電池の再利用方法であって、
   前記二次電池の使用履歴や個体差を反映した電池特性である個体電池特性として、前記二次電池の満充電容量を測定する測定ステップと、
   前記測定ステップで測定された前記二次電池の満充電容量に基づき、前記組電池を再構成するために分類するステップであって、前記二次電池の満充電容量が小さいほど、前記二次電池の満充電容量のばらつきの許容範囲を大きく設定して分類する分類ステップと、
   前記分類ステップで分類された二次電池毎に組電池を再構成する組み立てステップと、
   を備えることを特徴とする二次電池の再利用方法。
2. 使用済みの複数の二次電池から組電池を再構成する二次電池の再利用方法であって、
   前記二次電池の使用履歴や個体差を反映した電池特性である個体電池特性として、前記二次電池の自己放電後の電圧を測定する測定ステップと、
   前記測定ステップで測定された前記二次電池の自己放電後の電圧に基づき、前記組電池を再構成するために分類するステップであって、前記二次電池の自己放電後の電圧が小さいほど、前記二次電池の自己放電後の電圧のばらつきの許容範囲を大きく設定して分類する分類ステップと、
   前記分類ステップで分類された二次電池毎に組電池を再構成する組み立てステップと、
   を備えることを特徴とする二次電池の再利用方法。
3. 使用済みの複数の二次電池から組電池を再構成する二次電池の再利用方法であって、
   前記二次電池の使用履歴や個体差を反映した電池特性である個体電池特性として、前記二次電池の重量を測定する測定ステップと、
   前記測定ステップで測定された前記二次電池の重量に基づき、前記組電池を再構成するために分類するステップであって、前記二次電池の重量が小さいほど、前記二次電池の重量のばらつきの許容範囲を大きく設定して分類する分類ステップと、
   前記分類ステップで分類された二次電池毎に組電池を再構成する組み立てステップと、
   を備えることを特徴とする二次電池の再利用方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の方法において、
   分類ステップでは、さらに、前記個体電池特性がしきい値以上ある二次電池を車載組電池用として分類し、前記個体電池特性がしきい値未満である二次電池を他の用途として分類することを特徴とする二次電池の再利用方法。
5. 請求項４記載の方法において、
   前記分類するステップにおける前記車載組電池用の前記ばらつきの許容範囲は、組電池の初期出荷時におけるばらつきの許容範囲以下に設定されることを特徴とする二次電池の再利用方法。

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