JP5537674B2 - 非水系二次電池及び二次電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、非水系二次電池に係り、特にポータブル機器,電気自動車,電力貯蔵等に用いるに好適な、高エネルギー密度リチウムイオン二次電池及びその電源モジュールに関する。
炭素材料を負極活物質として用いるリチウムイオン二次電池においては、電池を製造した後の初回充電時の負極充電反応に伴う副反応により、負極表面に皮膜ができることが知られている。この皮膜は、比較的高温環境下での保存時や、充放電サイクルに伴う負極表面副反応の進行に伴い成長することが知られている。この副反応は負極内のリチウムイオン脱離が伴うため、正負極の電位が高電位側にシフトすることによる容量劣化や、負極表面皮膜の膜厚増加に伴う抵抗上昇などの電池特性の劣化が発生してしまうことが課題となっている。
この課題を解決する従来技術として、例えば炭素負極にリチウムを取り付けることが特許文献1に開示されている。この開示技術は、炭素負極に取付けたリチウムが自己溶解し、イオンを炭素負極へ放出するため副反応によって負極内部から脱離したイオンが補われるものである。これにより負極を低電位側に戻して容量劣化を抑制することが可能である。
また特許文献2ではリチウムを電池内部の第3電極として配置し、セル表面に第3電極が接続された電極端子を配置して、負極からのリチウムイオン脱離量を第3電極と負極電極の電位差から判断して、消費されたリチウムイオンを供給することが記載されている。これによっても負極を低電位側に戻して容量劣化を抑制することが可能である。
さらに特許文献3では、第3電極と正極の間に電位測定手段が設けられ、電位差が所定以上の場合に、自動的に消費されたリチウムイオンを供給することが記載されている。
一方で、リチウムイオン二次電池の高容量密度化や安全性の向上を目的として、1つの電池内部に複数の捲回体を配置する構成が特許文献4や特許文献5及び特許文献6に記載されている。
しかしながら、上記のような皮膜形成に対するリチウムイオン供給の取り組みは、負極表面の副反応発生状況、及び各電極の高電位側へのシフトがセル内部で均一であることを前提としている。
この負極表面の副反応は、温度上昇や充放電サイクル数の増加、及び大電流の充放電により加速進行することが知られている。これらの要因が複数重なりあう状況として、大型のリチウムイオン電池セルを大電流で何度も充放電する場合が挙げられる。
リチウムイオン電池を大電流で充放電を繰り返した場合、電池の内部抵抗を起因とするジュール発熱によりセルが発熱する。発生した熱はセル外周部から空気中に放熱されるが、セル中心部と外周部には熱抵抗が存在することから、特にセルが大型になった場合、セル中心部はセル外周部より高温になる。加えて、リチウムイオン二次電池では一般に温度上昇により内部抵抗が低下するため、セル中心部はセル外周部より電流が集中することになる。このように、セル中心部はセル外周部と比較して高温かつ大電流であると思われるため、セル中心部の負極表面の副反応はセル外周部より加速進行していることが類推できる。
実際に、電池セルを大電流で充放電した場合の結果を図17〜図22を用いて説明する。実験に用いた電池セルは直径40mm,長さ108mm、電気容量5.5Ahである。このセルに電流90Aで充放電時間90秒の充放電を3000回繰り返した後、セルを分解し、図19で示すようなセルの中心部,中間部,外周部の正極及び負極電極を切り出して、部分的電極の充放電特性を調査した。
図20に中心部電極の充放電特性、図21に中間部電極の充放電特性、図22に外周部電極の充放電特性を示す。横軸が充放電容量、縦軸が電圧もしくは電位である。図中、白抜き丸(○)で示した曲線が正極と負極間の電圧、白抜き三角(△)が参照極として挿入したリチウムに対する正極の電位、白抜きの四角(□)が同じくリチウムに対する負極の電位を示している。
塗りつぶし菱形(◆)は正極の部分電極とリチウムだけで充放電測定した場合の特性、塗りつぶし四角(■)は負極の部分電極とリチウムだけで充放電測定した場合の特性である。
これらの図によると、セル中心部の電極はセル外周部の電極より、充放電容量が小さく、また正極,負極とも高電位になっている。これはセル中心部が高温かつ電流集中したために、負極表面の副反応が加速された結果と考えられる。
セル外周部や、セル中心部の初期状態の充放電状態の推定を図17に示す。これに対して、高温かつ電流集中により負極表面の副反応が加速され、負極内部からリチウムイオンが脱離することにより、セル中心部の負極電位は高電位側にシフトする。ここで、充放電時に外部から規定される電圧は、正極と負極の電位差であるため、負極が高電位である場合、正極も高電位側にシフトする。その結果、中心部電極では図18のような充放電状態になっていると考えることができる。
このようなセル中心部の電極の高電位化、特に正極の高電位化は、正極活物質であるLiCoO2などの結晶崩壊や酸素脱離等の劣化原因となるため望ましくない。また、同一電極箔上ある電極材料の一部(ここでは中心部)が高電位であるということは、他方の一部(ここでは外周部)は電位補償のために低電位になる必要がある。実際に、図22内に示してある外周部負極の部分電極電位は、非常に低い電位を示しており、充電時には負極表面に金属リチウムが析出する可能性がある。
このようなセル内の局所的な電位分布はセル外部から観測される正極−負極間の電圧からは一切検出不可能であり、特許文献2や特許文献3のようなリチウムを第3電極とした場合の電圧検出でも不可能である。
また特許文献4から特許文献6に示すような、同一容器内に複数の捲回体を配置した電池の場合においても、中心部の温度上昇や電流集中により、各々の捲回体の電位が異なるように劣化する場合がある。このような場合でも、どの捲回体がどの程度電位差が発生しているのかを外部から検出することは不可能である。
本発明の目的は、このような問題,課題を解決するものである。すなわち、本発明の目的は、リチウムイオン二次電池のような非水系二次電池において、充放電時の副反応によるセル内部の局所的な電位分布を解消し、容量劣化や正極材料劣化,金属リチウム析出などが少ない電池を提供することにある。
本発明においては、正極,負極、及びセパレータからなる電極群と電解液が一つの容器内に配置されている非水系二次電池において、電極群が電気的に分離された複数の電極群に分割されており、この複数の電極群は同一の電解液に接しており、電極群ごとに容器外に正極及び負極から端子が導出され、容器外で正極、及び負極毎に接続されているが、この容器外での端子の接続は、容易に接続解除可能な構成になっている。
また、電極群ごと正極/負極の各端子は容器外ではなく、容器内で接続されていてもよく、その場合でもその接続は、外部からの操作により、容易に接続解除可能な構成になっている。
本発明により、容量劣化や正極材料劣化,金属リチウム析出などが少ない電池を実現でき、長寿命で安全性の高い二次電池を提供することができる。
本発明を実施するための最良の形態を以下に説明する。なお、本実施形態においては、正極と負極との間に電解液を保持するシート状のセパレータを配置し、正極とセパレータと負極とセパレータを交互に重ね合わせて円筒形に捲回して電極群を構成した二次電池を例に挙げて説明するが、捲回せずに積層した形の電極群でも実施可能である。
図1に本実施例におけるリチウムイオン二次電池を有する二次電池システムの概略回路図を、図2に本実施例におけるリチウムイオン二次電池の上部から見た図を、図3に図2のA−A′の断面図を、また図4に図3のA″−A′′′の断面図を示す。
電池容器101の内部に電解液102と複数の電極群103が配置されている。いずれの電極群103も同一の電解液102に接している(浸漬されている)。この電極群103は正極電極251と負極電極252、及びセパレータ253を正極と負極の間に交互に重ねて扁平楕円形に捲回したものである。それぞれの電極群103の正極電極251、及び負極電極252から電池容器101の外部にまで正極端子221や負極端子241が導出され、電池容器101の外部で、正極側は正極側接続開放接点220を介して正極側バスバー201に、負極側は負極側接続開放接点240を介して負極側バスバー202に接続されている。
本実施例における正極側接続開放接点220は正極端子221と正極側バスバー201を取り付けボルト222とナット223で締め付ける構成となっている。本実施例では電池容器101の中に5つの電極群103が配置されており、それぞれの電極群103からの正極端子221及び負極端子241を、正極側バスバー201及び負極側バスバー202と接続するために各々5か所を取り付けボルト222とナット223で締め付けて固定している。
正極側接続開放接点220,負極側接続開放接点240は、必要に応じてそれぞれ正極端子221,負極端子241の接続を解除することができるものである。
本実施例では電池の正極活物質として、LiCoO2、導電剤としてアセチレンブラックを7wt%、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を5wt%添加して、これにN−メチル−2−ピロリドンを加え混合して正極合剤のスラリーを調製した。これを厚み25μmのアルミニウム箔である正極箔の両面に塗布乾燥後、プレス,裁断することで、正極箔の両面に正極材が結着した正極電極251とした。
同様に負極活物質としては難黒鉛化炭素を使用し、結着剤としてPVDFを8wt%添加して、これにN−メチル−2−ピロリドンを加え混合して負極合剤のスラリーを調製した。この負極合剤スラリーを厚み10μmの銅箔である負極箔の両面に塗布し、プレス,裁断することで、負極箔の両面に負極材が結着した負極電極252とした。
なお、詳細にいえば、正極材料としては、LixCoO2,LixNiO2,LixMn2O4,LixFeO2(但し、xは0から1の範囲)などが、負極活物質としては、黒鉛層間距離が0.344nm以下である黒鉛、コークス等の炭素系材料が、充放電の可逆性に優れていて望ましい。電解液としては、エチレンカーボネートに、ジメトキシエタン,ジエチルカーボネート,ジメチルカーボネート,メチルエチルカーボネート,γ−ブチロラクトン,プロピオン酸メチル,プロピオン酸エチルのうち少なくとも1種類を加えた混合溶媒と、LiClO4,LiPF6,LiBF4,LiCF3SO3などのリチウムを含む塩のうち少なくとも1種類の電解質とを用い、リチウム濃度が、0.5から2mol/lの範囲とすることが望ましい。
本実施例のリチウムイオン二次電池においては、通常の電池使用時には正極側バスバー201と負極側バスバー202を正極,負極の各端子として外部回路に接続して充放電に供する。充放電の使用を開始してから一定期間毎、もしくは一定の充放電電気量に到達した場合、電池の状態チェックのために正極側バスバー201と負極側バスバー202を回路から外し、さらに各正極端子221、及び負極端子241と正極側バスバー201、及び負極側バスバー202との接続を解除した後に、5つある正極端子221間、及び負極端子241間の電位差をそれぞれ測定する。
各電極群103における正極端子221間、及び負極端子241間の電位差がない、もしくはわずかであった場合は、各電極群103には皮膜形成による劣化の進行が少ないものとして、再度、正極端子221と負極端子241をバスバーで接続後、充放電に供するために外部回路に接続することになる。
一方、正極端子221、及び負極端子241間に電位差が発生していた場合、特に中心部付近の電極群103の正負極端子の電位が外周付近の電極群103の電位より明らかに高い場合は、中心部付近の電極群103に充放電時の副反応である皮膜形成による劣化が進行している状態と推定される。
皮膜形成に伴い中央部電極群の正極電位が高くなり、その電位補償のために外周部電極群の負極電位が低くなることは、前にも記したが安全性が低下するために望ましくない。これを解消するために、電位が高い正極と電位が低い正極の間に、外部回路より電流を印加し、電位差がほぼなくなるまで電流を流し続ける。また、負極についても同様に、電位が高い負極と電位が低い負極の間に、外部回路より電流を印加して電位差がほぼ無くなるまで電流を流し続ける。もしくは、電位が高い正極と、電位が低い負極の間に、正極もしくは負極の電位が他の電極と同電位になるまで電流を流すことにより、電位差を解消させる。
以上のような方法により、電池内の電極群103における正極電位が高すぎる、もしくは負極電位が低すぎる状態を解消でき、電池の安全性を回復することができる。そのため、再度、外部回路に接続して充放電に供することが可能となる。
以上のように、本発明においては、電極群毎の正極,負極の各端子の接続を開放できることから、通常使用内にメンテナンス期間を設け、その期間に各端子の電位差を検査し、電池が安全な状況にあるかを確認可能である。さらに電池内部に電位差が発生し安全性が低下している場合であっても、当該端子間に電流を印加することにより、電位差を解消することが可能である。これにより電池内の局所的な電位分布を解消でき、安全性を回復することで、容量劣化や正極材料劣化,金属リチウム析出などが少ない電池を提供することが可能となる。
なお、本実施例では電極群103として、5つの扁平捲回体を使用し、電池内の配置として、直線的な配置としているが、電極群103は円柱型の捲回体や、積層型であってもよく、また電極群の数も5つ以上であってもかまわない。なお、電池内の配置としても、直線状でなく、例えば円柱型捲回体を最密充填のように配置してもかまわない。さらに、本実施例では各端子の接続開放接点として、端子とバスバーとを、ボルト及びナットでの締付けとしたが、ねじ穴とねじなどのもっと簡単なものでもかまわない。
二次電池に、正極端子221間、及び負極端子241間の電位差をそれぞれ測定することが可能な測定手段301や、電流を印加することが可能な電流印加手段302を設けた構成を二次電池システムという。
本実施例は、以下の点を除けば、実施例1と同様である。
図5に本実施例におけるリチウムイオン二次電池システムの概略回路図を、図6に本実施例におけるリチウムイオン二次電池の上部から見た図を、図7に図6のB−B′の断面図を、また図8に図7のB″−B′′′の断面図を示す。
本実施例においては、正極側接続開放接点220や負極側接続開放接点240が電池容器101の内部にあることが特徴である。この場合、図6に示すように、電池容器101の外装には、正極側充放電端子225と負極側充放電端子245以外に、接続開放接点を開放した時に、各電極群103の電位を測定するための端子をまとめた正負極端子群260が配置されている。
本実施例においては、正極側接続開放接点220,負極側接続開放接点240は、所定の場合に正負極端子群260間の接続を解除することができる。
本実施例における正極側接続開放接点220は、正極側バスバー201に接続された端子板227と、締め込みボルト226、及び対向ナット(図示せず)で構成されている。正極側バスバー201は図7に示す面と垂直方向に延長された円柱であり、電池容器101の外部から磁力により図7と平行面内での回転が可能となっている。端子板227は正極側バスバー201に接続されており、正極側バスバー201の回転に従って図中に矢印で示すように移動する。
端子板227が、図7に実線で示された位置にある時、端子板227のへこみが締め込みボルト226にはまりこむような構造になっている。一方、点線で示された位置にあるとき、正極側バスバー201は電極群103の正極とは完全に切り離された構造となる。
一方、締め込みボルト226も正極側バスバー201と同様に図7に垂直方向に延長されたボルトであり、外部から磁力によって回転する。電極群103毎に設置されている対向ナット(図示せず)と共に、電極群103毎にある端子板227を締め付けることにより、各電極群103の正極と正極側バスバー201を接続する。
また、各電極群103の正極電極251、及び負極電極252は、正負極端子群260の各端子と接続されており、正極側接続開放接点220や負極側接続開放接点240が開放されたときは、各電極群103の正極、及び負極電位は正負極端子群260を通して測定可能である。
以上のように、本実施例においても、電極群毎の正極,負極の各端子の接続を開放できることから、通常使用内にメンテナンス期間を設け、その期間に正負極端子群260を用いて各端子の電位差を検査し、電池が安全な状況にあるかを確認可能である。さらに電池内部に電位差が発生し安全性が低下している場合であっても、正極側充放電端子225または負極側充放電端子245を用いて当該端子間に電流を印加することにより、電位差を解消することが可能である。これにより電池内の局所的な電位分布を解消でき、安全性を回復することで、容量劣化や正極材料劣化,金属リチウム析出などが少ない電池を提供することが可能となる。
二次電池に正極端子221間、及び負極端子241間の電位差をそれぞれ測定することが可能な測定手段301や、電流を印加することが可能な電流印加手段302を設けた構成を二次電池システムという。本実施例においては、測定手段301には正負極端子群260が含まれ、電流印加手段302には正極側充放電端子225または負極側充放電端子245が含まれる。
本実施例は、以下の点を除けば、実施例1と同様である。
図9に本実施例におけるリチウムイオン二次電池システムの概略回路図を、図10に本実施例におけるリチウムイオン二次電池の上部から見た図を、図11に図10のC−C′の断面図を、また図12に図11のC″−C′′′の断面図を示す。
本実施例においては、電池容器101内に、電極群103と同じ電解液102に接するように第3電極270を配置していることが特徴である。第3電極は金属リチウムでできており、その電位を測定可能なように、第3電極端子271が電池容器101の外に配置されている。
本実施例においては、実施例1のように、各電極群103の正極や負極の電位を、それぞれの電極の差電圧として測定可能なだけではなく、金属リチウム基準の電位として測定することが可能である。この場合、全ての電極群103が一様に、充放電時の副反応である皮膜形成によって劣化が進行していた場合でも、その電位変化を検出することが可能になる。
以上のことから、本実施例においても、電極群毎の正極,負極の各端子の接続を開放できることから、通常使用内にメンテナンス期間を設け、その期間に各端子の電位差を検査し、電池が安全な状況にあるかを確認可能である。また、電池内部に電位差が発生し安全性が低下している場合であっても、当該端子間に電流を印加することにより、電位差を解消することが可能である。これにより電池内の局所的な電位分布を解消でき、安全性を回復することで、容量劣化や正極材料劣化,金属リチウム析出などが少ない電池を提供することが可能となる。
さらに、本実施例においては、電池内部が一様に劣化して電位変化している場合でも、第3電極との電位差を測定することで検出可能であることから、より安全な電池を提供することができる。
本実施例は、以下の点を除けば、実施例2と同様である。
図13に本実施例におけるリチウムイオン二次電池システムの概略回路図を、図14に本実施例におけるリチウムイオン二次電池の上部から見た図を、図15に図14のD−D′の断面図を、また図16に図15のD″−D′′′の断面図を示す。
本実施例においては、電池容器101内に、電極群103と同じ電解液102に接するように第3電極270を配置していることが特徴である。第3電極は金属リチウムでできており、その電位を測定可能なように、第3電極と正負極及び第3電極端子群261の中の端子の一つが接続されている。
本実施例においては、実施例2のように、各電極群103の正極や負極の電位を、それぞれの電極の差電圧として測定可能なだけではなく、金属リチウム基準の電位として測定することが可能である。この場合、全ての電極群103が一様に、充放電時の副反応である皮膜形成によって劣化が進行していた場合でも、その電位変化を検出することが可能になる。
以上のことから、本実施例においても、電極群毎の正極,負極の各端子の接続を開放できることから、通常使用内にメンテナンス期間を設け、その期間に各端子の電位差を検査し、電池が安全な状況にあるかを確認可能である。また、電池内部に電位差が発生し安全性が低下している場合であっても、当該端子間に電流を印加することにより、電位差を解消することが可能である。これにより電池内の局所的な電位分布を解消でき、安全性を回復することで、容量劣化や正極材料劣化,金属リチウム析出などが少ない電池を提供することが可能となる。
さらに、本実施例においては、電池内部が一様に劣化して電位変化している場合でも、第3電極との電位差を測定することで検出可能であることから、より安全な電池を提供することができる。
101 電池容器
102 電解液
103 電極群
201 正極側バスバー
202 負極側バスバー
220 正極側接続開放接点
221 正極端子
222 取り付けボルト
223 ナット
224 ガスケット
225 正極側充放電端子
226 締め込みボルト
227 端子板
240 負極側接続開放接点
241 負極端子
245 負極側充放電端子
251 正極電極
252 負極電極
253 セパレータ
260 正負極端子群
261 正負極及び第3電極端子群
270 第3電極
271 第3電極端子
301 測定手段
302 電流印加手段
102 電解液
103 電極群
201 正極側バスバー
202 負極側バスバー
220 正極側接続開放接点
221 正極端子
222 取り付けボルト
223 ナット
224 ガスケット
225 正極側充放電端子
226 締め込みボルト
227 端子板
240 負極側接続開放接点
241 負極端子
245 負極側充放電端子
251 正極電極
252 負極電極
253 セパレータ
260 正負極端子群
261 正負極及び第3電極端子群
270 第3電極
271 第3電極端子
301 測定手段
302 電流印加手段
Claims (10)
- 正極,負極、及びセパレータからなる電極群と電解液が一つの容器内に配置されている非水系二次電池において、
前記正極,負極及びセパレータからなる電極群は、電気的に分離された複数の電極群に分割されており、
前記複数の電極群は同一の電解液に接しており、
前記複数の電極群ごとに容器外に正極及び負極から端子が導出され、
前記端子は容器外で正極及び負極毎に接続されており、
前記容器外での端子の接続を解除する解除手段が設けられている
ことを特徴とする非水系二次電池。 - 正極,負極、及びセパレータからなる電極群と電解液が一つの容器内に配置されている非水系二次電池において、
前記正極,負極及びセパレータからなる電極群は、電気的に分離された複数の電極群に分割されており、
前記複数の電極群は同一の電解液に接しており、
前記複数の電極群ごとに容器外に正極及び負極から端子が導出され
前記複数の電極群は容器内で正極及び負極毎に接続されており、
前記容器内での電極群間の接続を解除する解除手段が設けられている
ことを特徴とする非水系二次電池。 - 請求項1に記載の非水系二次電池において、
容器内に前記電極群とは異なる第3の電極が配置されており、
前記第3電極の端子もまた容器外に導出されていることを特徴とする非水系二次電池。 - 請求項2に記載の非水系二次電池において、
容器内に前記電極群とは異なる第3の電極が配置されており、
前記第3電極の端子もまた容器外に導出されていることを特徴とする非水系二次電池。 - 請求項1に記載の非水系二次電池を有する二次電池システムにおいて、
前記解除手段により前記容器外での端子の接続を解除した後に、前記複数の電極群ごとに正極及び負極の電位差を測定する測定手段が設けられている
ことを特徴とする二次電池システム。 - 請求項2に記載の非水系二次電池を有する二次電池システムにおいて、
前記解除手段により前記容器内での電極群間の接続を解除した後に、前記複数の電極群ごとに正極及び負極の電位差を測定する測定手段が設けられている
ことを特徴とする二次電池システム。 - 請求項1に記載の非水系二次電池を有する二次電池システムにおいて、
前記測定手段による測定の結果、前記電極群の正極間及び負極間の電位差が閾値に達していた場合に、電位差が生じた電極間に外部から電流を印加する電流印加手段が設けられた
ことを特徴とする二次電池システム。 - 請求項2に記載の非水系二次電池を有する二次電池システムにおいて、
前記測定手段による測定の結果、前記電極群の正極及び負極の電位差が閾値に達していた場合に、電位差が生じた電極間に外部から電流を印加する電流印加手段が設けられた
ことを特徴とする二次電池システム。 - 請求項3に記載の非水系二次電池を有する二次電池システムにおいて、
前記解除手段により前記容器外での端子の接続を解除した後に、前記複数の電極群ごとに正極及び負極の電位差を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定の結果、前記電極群間の正極及び負極の電位差が閾値に達していた場合に、電位差が生じた電極と第3電極の間に外部から電流を印加する電流印加手段とが設けられた
ことを特徴とする二次電池システム。 - 請求項4に記載の非水系二次電池を有する二次電池システムにおいて、
前記解除手段により前記容器内での電極群間の接続を解除した後に、前記複数の電極群ごとに正極及び負極の電位差を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定の結果、前記電極群間の正極及び負極の電位差が閾値に達していた場合に、電位差が生じた電極と第3電極の間に外部から電流を印加する電流印加手段とが設けられた
ことを特徴とする二次電池システム。
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- 2010-12-08 US US13/992,123 patent/US20130249498A1/en not_active Abandoned
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