充电控制设备、电池、电子装置、车辆、充电控制方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年2月14日提交的日本在先专利申请JP 2014-026307的权益,通过引用将其全部内容结合于此。
技术领域
本公开涉及充电控制设备、电池、电子装置、车辆、以及充电控制方法、电力存储系统和充电控制单元。更详细地,本公开涉及用于控制二次电池的充电与放电的充电和放电控制设备、电池组、电子装置、电动车辆、以及充电和放电控制方法。
背景技术
在过去,已通过控制二次电池的充电与放电进行了试验以改善二次电池的循环特性。例如,在JP 2013-105701A中,提出将充电的量设置在硅的理论容量的50%以下或者设置在可充电容量(capacity)的60%以下的方法作为配备有包括硅的负极的锂离子二次电池的充电方法。
发明内容
希望改善二次电池的循环特性,同时确保二次电池的体积能量密度(volumeenergy density)。
本公开提供了改善循环特性同时确保体积能量密度的充电和放电控制设备、电池组、电子装置、电动车辆、以及充电和放电控制方法。
根据本公开的充电和放电控制设备包括:电路,被配置为执行第二充电与放电控制以控制在第一充电与放电控制下充电和放电的二次电池的充电与放电。在执行第二充电与放电控制时的二次电池的充电率(charging rate)的时间变化小于在执行第一充电与放电控制时的时间变化。
电路可被配置为将二次电池的充电率的时间变化控制在1%/h以下,作为第二充电与放电控制。
在这种情况下,电路可被配置为当二次电池的负极电位至少在0.1V(对Li/Li+)以上和0.8V(对Li/Li+)以下的范围内时将二次电池的充电率的时间变化控制在1%/h以下,作为第二充电与放电控制。
可替换地,电路可被配置为基于二次电池的状态的检测结果执行第二充电与放电控制。
在这种情况下,二次电池的状态可包括二次电池的电压值、温度、充电累积容量、和放电累积容量中的至少一个,并且电路可被配置为当二次电池的状态的检测结果满足特定条件时执行第二充电与放电控制。
可替换地,电路可以是可被配置为进行二次电池的OCV(开路电压)测量,作为第二充电与放电控制。
应注意,本公开中的OCV测量是指充电与放电控制和开路电压测量控制交替地重复的间歇充电与放电控制。
根据本公开的电池组包括二次电池,并且充电与放电控制设备包括:电路,被配置为执行第二充电与放电控制以控制在第一充电与放电控制下充电和放电的二次电池的充电与放电。在执行第二充电与放电控制时的二次电池的充电率的时间变化小于在执行第一充电与放电控制时的时间变化。
二次电池可以是在负极中包括至少一种含硅化合物的锂离子二次电池。
根据本公开的电子装置包括二次电池,并且充电与放电控制设备包括:电路,被配置为执行第二充电与放电控制以控制在第一充电与放电控制下充电和放电的二次电池的充电与放电。在执行第二充电与放电控制时二次电池的充电率的时间变化小于在执行第一充电与放电控制时的时间变化,并且电子装置被配置为从二次电池接收电力供应。
根据本公开的电动车辆包括:二次电池;充电与放电控制设备,包括被配置为执行第二充电与放电控制以控制在第一充电与放电控制下充电和放电的二次电池的充电与放电的电路;以及转换器,被配置为将从二次电池接受的电力转换成车辆驱动力。在执行第二充电与放电控制时的二次电池的充电率的时间变化小于在执行第一充电与放电控制时的时间变化。
根据本公开的充电与放电控制方法包括根据第二充电与放电控制来控制在第一充电与放电控制下充电和放电的二次电池的充电与放电。在执行第二充电与放电控制时的二次电池的充电率的时间变化小于在执行第一充电与放电控制时的时间变化。
在一个实施方式中,提供充电控制设备并且充电控制设备包括控制单元,该控制单元被配置为将指令发送到充电单元以执行电池的充电。控制单元被配置为基于由控制单元接收的充电方案信息使方案从第一充电方案改变为第二充电方案。
在另一个实施方式中,充电控制设备包括控制单元。控制单元包括:第一控制单元,被配置为将指令发送到充电单元以执行电池的充电;以及第二控制单元,被配置为将指令发送到充电单元以执行电池的充电,其中,充电率的时间变化小于第一控制单元的充电率的时间变化。
在另一个实施方式中,电池包括:电池单元;以及控制单元,被配置为将指令发送到充电单元以执行电池单元的充电。控制单元被配置为基于由控制单元接收的充电方案信息使方案从第一充电方案改变为第二充电方案。
在另一个实施方式中,电子装置包括:电池单元;以及控制单元,被配置为将指令发送到充电单元以执行电池单元的充电。控制单元被配置为基于由控制单元接收的充电方案信息使方案从第一充电方案改变为第二充电方案。
在另一个实施方式中,车辆包括:电池单元;控制单元,被配置为将指令发送到充电单元以执行电池单元的充电;以及转换器,被配置为将从电池单元供应的电力转换为车辆驱动力。控制单元被配置为基于由控制单元接收的充电方案信息使方案从第一充电方案改变为第二充电方案。
在另一个实施方式中,充电控制方法包括:将指令发送到充电单元以执行电池的充电,以及基于由控制单元接收的充电方案信息从第一充电方案改变为第二充电方案。在另一个实施方式中,电力存储系统包括充电控制设备。充电控制设备包括:控制单元,被配置为将指令发送到充电单元以执行电池的充电;服务器,连接至充电控制设备。控制单元被配置为基于由控制单元接收的充电方案信息使方案从第一充电方案改变为第二充电方案。
在另一个实施方式中,充电控制单元被配置为将指令发送到充电单元以执行电池的充电。充电控制单元被配置为基于充电方案信息使方案从第一充电方案改变为第二充电方案。
根据本公开,改善了循环特性,同时确保了体积能量密度。
附图说明
图1是示出本公开的第一实施方式的充电与放电控制设备的示例性结构的示意图;
图2是示出本公开的第一实施方式的充电与放电控制设备的示例性操作的流程图;
图3是示意性示出本公开的第一实施方式的充电与放电控制设备的示例性操作的曲线图;
图4是示出本公开的第一实施方式的第一变形例的充电与放电控制设备的示例性结构的示意图;
图5是示出本公开的第二实施方式的充电与放电控制设备的示例性操作的流程图;
图6是示出本公开的第二实施方式的第一变形例的充电与放电控制设备的示例性操作的流程图;
图7是示出本公开的第三实施方式的充电与放电控制设备的示例性结构的示意图;
图8是示出本公开的第三实施方式的充电与放电控制设备的示例性操作的流程图;
图9是示出本公开的第三实施方式的第一变形例的充电与放电控制设备的示例性结构的示意图;
图10是示出本公开的第四实施方式的充电与放电控制设备的示例性操作的流程图;
图11是用于描述本公开的第四实施方式的充电与放电控制设备的工作实例的曲线图;
图12是示出本公开的实施方式的电池组的示例性结构的示意图;
图13是示出本公开的实施方式的电子装置的示例性结构的示意图;
图14是示出本公开的实施方式的电动车辆的示例性结构的示意图;并且
图15是示出应用到电力存储系统的本公开的实施方式的充电与放电控制设备的示例性结构的示意图。
具体实施方式
在下文中,将参照附图对本公开的优选实施方式进行详细说明。应注意,在本说明书和附图中,具有基本相同功能和结构的结构元件采用相同的附图标号来标记,并不再对这些结构元件进行重复说明。将按以下顺序进行描述。
1.第一实施方式(被配置为通过第二充电与放电控制控制已经在第一充电与放电控制下充电和放电的二次电池的充电与放电的充电与放电控制设备的实例)
2.第一实施方式的第一变形实例(还执行第一充电与放电控制的充电与放电控制设备的实例)
3.第二实施方式(被配置为将充电率的时间变化控制在1%/h以下作为第二充电与放电控制的充电与放电控制设备的实例)
4.第二实施方式的第一变形例(被配置为将充电率的时间变化控制在1%/h以下同时二次电池的负极电位在0.1V(对Li/Li+)以上和0.8V(对Li/Li+)以下的范围中的充电与放电控制设备的实例)
5.第三实施方式(被配置为基于二次电池的状态的检测结果执行第二充电与放电控制的充电与放电控制设备的实例)
6.第三实施方式的第一变形例(被配置为通过通信获得二次电池的状态的充电与放电控制设备的实例)
7.第四实施方式(被配置为进行二次电池的OCV测量作为第二充电与放电控制的充电与放电控制设备的实例)
8.第五实施方式(配备有充电与放电控制设备的电池组的实例)
9.第六实施方式(配备有充电与放电控制设备的电子装置的实例)
10.第七实施方式(配备有充电与放电控制设备的电动车辆的实例)
11.第八实施方式(配备有充电与放电控制设备的电力存储系统的实例)
<1.第一实施方式>
[设备的示例性结构]
图1是示出本实施方式的充电与放电控制设备100的示例性结构的示意图。充电与放电控制设备100具有电路110,如在图1中示出的。电路110连接至用于二次电池2(即,电池)的充电与放电的充电与放电电路3。二次电池2的数量是任意的。
[电路110]
电路110是用于控制二次电池2的充电与放电的组件。电路110通过充电与放电电路3控制二次电池2的充电与放电操作来控制二次电池2的充电与放电。例如,电路110可通过电气地控制位于充电与放电电路3的电路元件来控制在二次电池2的充电与放电时施加在二次电池2上的电压和电流的状态。充电与放电电路3的电路元件的形式并不特别限制。例如,电路元件可包括:打开和关闭充电与放电电路3的电力供应线的开关;用于调节充电和放电电流的元件,如在电力供应线上的可变电阻器和功率晶体管;用于设置充电电压的元件,如连接至电力供应线的可变电阻器;以及其他。电路110可安装在与充电与放电电路3相同的基板上,但并不限于此。
电路110可以是集成电路(IC)。电路110可设置有诸如CPU(中央处理器)和MPU(微处理单元)的操作处理器以及诸如RAM(随机存取存储器)和ROM(只读存储器)的存储器件等。在该情况下,用于实施电路110的功能的充电与放电控制程序和数据可存储在ROM中。操作处理器可通过执行ROM中存储的程序来实施电路110的功能。RAM可用作操作处理器的工作区域。
电路110通过第二充电与放电控制来控制已经在第一充电与放电控制下充电和放电的二次电池2的充电与放电。第二充电与放电控制是对二次电池2的充电与放电的控制,并且是与第一充电与放电控制相比降低二次电池2的充电率(SOC(充电状态))的时间变化的控制。
第一充电与放电控制的形式并不特别限制。例如,第一充电与放电控制可以是标准的充电与放电控制。
第二充电与放电控制的形式并不特别限制。例如,第二充电与放电控制可以是在以下项A至C中示出的形式中的一个。
A.在第一充电与放电控制下的充电与放电过程中,设置充电与放电的停工时间(downtime)。例如,在这种情况下,设置停工时间可等效于间歇地进行充电与放电。
B.在第一充电与放电控制下的充电与放电过程中,减少充电和放电电流的电流密度。
C.在第一充电与放电控制下的充电与放电过程中,逐步地非常小地改变充电和放电电压。
在此,“在第一充电与放电控制下的充电与放电过程中”是指一旦中断在第一充电与放电控制下的充电与放电,则在第二充电与放电控制下进行充电与放电之后重新开始在第一充电与放电控制下的充电与放电。
[二次电池2]
二次电池2的形式并不特别限制。例如,二次电池2是所谓的层压膜类型的电池,并且在类似膜的外部构件内部可设置有卷绕电极体。在这种情况下,卷绕电极体是包括利用其间的隔膜(separator)和电解质层层压和卷绕的正极和负极的主体。正极引线可附接至正极,并且负极引线可附接至负极。卷绕电极体的最外围区域可由保护胶带来保护。
在进一步的细节中,正极和负极可通过隔膜彼此面对。电解质层可位于正极与隔膜之间,并且可位于负极与隔膜之间。
例如,正极引线和负极引线可沿相同的方向从内部朝向外部构件的外部引出。例如,正极引线可由诸如铝的导电材料形成。例如,负极引线可由诸如铜、镍、或不锈钢的导电材料形成。这些导电材料的形状可以是诸如类似薄板的,或类似网状的。
例如,外部构件可以是粘合层、金属层、和表面保护层按该顺序层压的层压膜。在这种情况下,例如,在层压膜中,两片膜的粘合层的外围可以粘合层面对卷绕电极体的方式粘结至彼此。应注意,例如,两片膜可以通过粘合剂等粘在一起。例如,粘合层可以是聚乙烯、聚丙烯等的膜。金属层可以是铝箔等。表面保护层例如可以是酰胺纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯等的膜。特别地,期望外部构件是铝层压膜,其中聚乙烯膜、铝箔、和酰胺纤维膜按该顺序层压。应注意,外部构件可以是具有另一层压结构的层压膜,或者聚丙烯等的聚合物膜,或者金属膜。密封膜可插入在外部构件和每个正极引线和负极引线之间,以防止外部空气的侵入。在这种情况下,密封膜可由可紧密接触正极引线和负极引线的材料形成。在这种情况下,可紧密接触的材料例如可以是诸如聚乙烯、聚丙烯、改性的聚乙烯、改性的聚丙烯的聚烯烃树脂。
正极具有在正极集电器的一个表面或两个表面上的正极活性材料层。正极集电器例如由诸如铝、镍、和不锈钢的导电材料形成。正极活性材料层包括任意一种或者任意两种或更多种能够吸收和释放锂离子的正极材料作为正极活性材料,并且根据需要可包括另一种材料,诸如正极粘合剂和正极导电剂。
期望正极材料是含锂的化合物,因为可获得高能量密度。该含锂的化合物例如可以是诸如锂过渡金属复合氧化物和锂过渡金属磷酸盐化合物。在此,锂过渡金属复合氧化物是包括Li和一种或两种或更多种过渡金属元素作为组成元素的氧化物。锂过渡金属磷酸盐化合物是包括Li和一种或两种或更多种过渡金属元素作为组成元素的磷酸盐化合物。期望过渡金属元素特别地为Co、Ni、Mn、Fe等中的任意一种或者任意两种或更多种,因为可获得更高的电压。化学式例如由LixM1O2和LiyM2PO4表示。在式中,M1和M2中的每个是一种或多种过度金属元素。x和y的值根据充电与放电状态而不同,并且例如是0.05≤x≤1.1,0.05≤y≤1.1。
例如,锂过渡金属复合氧化物是LiCoO2、LiNiO2、由以下式(1)表示的锂镍类复合氧化物等。
LiNi1-zMzO2 (1)
应注意,在式(1)中,M是Co、Mn、Fe、Al、V、Sn、Mg、Ti、Sr、Ca、Zr、Mo、Tc、Ru、Ta、W、Re、Yb、Cu、Zn、Ba、B、Cr、Si、Ga、P、Sb、以及Nb中的任意一种或者任意两种或更多种。同样,z满足0.005<z<0.5。
期望锂过渡金属磷酸盐化合物例如是LiFePO4、LiFe1-uMnuPO4(u<1)等,因为可获得大的电池容量和优异的循环特性。
此外,正极材料例如可以是氧化物、二硫化物、硫族化合物、导电聚合物等中的任意一种或者任意两种或更多种。在这种情况下,氧化物例如可以为诸如二氧化钛、氧化钒和二氧化锰。二硫化物例如可为诸如二硫化钛和硫化钼。硫族化合物可例如为诸如硒化铌。导电聚合物例如可为诸如硫磺、聚苯胺和聚噻吩。然而,正极材料可以是除了上述材料之外的材料。
例如,正极粘合剂可以是合成橡胶、聚合材料等中的任意一种或任意两种或更多种。在这种情况下,合成橡胶例如可以是诸如丁苯橡胶、氟类橡胶、和三元乙丙橡胶。聚合材料例如可以是诸如聚偏二氟乙烯和聚酰亚胺。
正极导电剂可以是例如碳材料等中的任意一种或任意两种或更多种。在这种情况下,碳材料例如可以是诸如石墨、炭黑、乙炔黑、和科琴黑。应注意,正极导电剂可以是诸如金属材料和导电聚合物,只要材料具有导电性即可。
负极活性材料层包括负极活性材料和负极粘合剂。负极活性材料可包括能够吸收和释放锂离子的负极材料中的任意一种或任意两种或更多种。然而,负极活性材料层可根据需要包括诸如负极导电剂的另一种材料。负极导电剂的细节例如可与上述正极导电剂相同。
为了防止锂金属在充电过程中无意地沉积在负极上,期望负极材料的可充电容量大于正极的放电容量。换言之,期望能够吸收和释放锂离子的负极材料的电化学当量大于正极的电化学当量。
作为组成元素,可采用包括与Li(即,金属类材料)起反应的金属元素或非金属元素中的任意一种或任意两种或更多种材料(在下文中,称作第一负极活性材料成分)作为负极活性材料成分的优选形式的一个实例。根据第一负极活性材料成分,可获得高能量密度。第一负极活性材料成分可以是单体、合金、或化合物,或者可以是其中的两种或更多种,或者可以是至少部分地具有那些相(phase)的一种或者两种或更多种的材料。在这种情况下,除由两种或更多种金属元素组成的材料之外,“合金”可包括包含一种或多种金属元素和一种或多种非金属元素的材料。同样,“合金”可包括非金属元素。“合金”的结构可包括诸如固溶体(solid solution)、共晶体,即共晶混合物、金属间化合物、或者其中的两种或更多种共存材料。
上述金属元素或非金属元素可以是例如能够与锂离子形成合金的任意一种或者任意两种或更多种金属元素和非金属元素。更具体地,上述金属元素或非金属元素可以是诸如Mg、B、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、Bi、Cd、Ag、Zn、Hf、Zr、Y、Pd、和Pt。具体地,Si和Sn中的一个或两者因为吸收和释放锂离子的优异能力而是优选的,从而产生高能量密度和大的电池容量。
包括Si和Sn中的一个或两者的材料作为组成元素的材料(高容量材料)可以是Si或Sn的单体、合金、或化合物,或者可以是其中的两种或更多种,或者可以是至少部分地包含那些相的一种或者两种或更多种的材料。应注意,“单体”在此指的是与通常意义中的单体一致,并且可包括很少量的杂质,并且不意味着必需是100%纯度。
例如,Si的合金可包括诸如Sn、Ni、Cu、Fe、Co、Mn、Zn、In、Ag、Ti、Ge、Bi、Sb和Cr的任意一种或者任意两种或更多种作为除Si以外的组成元素。例如,Si的化合物可包括C、O等的任意一种或者任意两种或更多种作为除Si以外的组成元素。应注意,Si的化合物例如可包括对于Si的合金所描述的元素的任意一种或者任意两种或更多种作为除Si以外的组成元素。
Si的合金或化合物的具体实例是SiB4、SiB6、Mg2Si、Ni2Si、TiSi2、MoSi2、CoSi2、NiSi2、CaSi2、CrSi2、Cu5Si、FeSi2、MnSi2、NbSi2、TaSi2、VSi2、WSi2、ZnSi2、SiC、Si3N4、Si2N2O、SiOV(0<V≤2)、LixSiOy(0<x≤4,0<y≤4)等。应注意,对于SiOv中的v,优选的是0.2<v<1.4,并且更优选的是0.8<v<1.2。而且,这些合金和化合物可预先吸收锂。
Sn的合金可包括例如Sn、Ni、Cu、Fe、Co、Mn、Zn、In、Ag、Ti、Ge、Bi、Sb、Cr等的任意一种或者任意两种或更多种作为除Sn以外的组成元素。在这种情况下,Sn的化合物可包括例如C、O等的任意一种或者任意两种或更多种作为除Sn以外的组成元素。应注意,Sn的化合物可包括关于Sn的合金所描述的元素的任意一种或者任意两种或更多种作为除Sn以外的组成元素,例如。Sn的合金或化合物的具体实例可以是诸如SnOw(0<w≤2)、SnSiO3、LiSnO和Mg2Sn。
作为包含Sn作为组成元素的材料,特别地,包括第一组成元素Sn以及另外的第二组成元素和第三组成元素的材料是优选的。第二组成元素例如是Co、Fe、Mg、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Ga、Zr、Nb、Mo、Ag、In、Ce、Hf、Ta、W、Bi、Si等中的任意一种或者任意两种或更多种。第三组成元素例如是B、C、Al、P等中的任意一种或者任意两种或更多种。这是因为通过包括第二组成元素和第三组成元素可获得高能量密度。
包括Sn、Co、和C作为组成元素的材料,特别地,即优选的是含SnCoC的材料,因为可获得高能量密度。在该含SnCoC的材料中,例如,C的含量可以是从9.9质量%至29.7质量%,并且Sn和Co的含量的比例(Co/(Sn+Co))可以是从20质量%至70质量%。
期望含SnCoC的材料具有包括Sn、Co和C的相以及低结晶相或非晶相。因为该相是可与Li反应的反应相,所以可通过反应相的存在获得优异的特性。期望由该相的X射线衍射获得的衍射峰值的半值宽度(half width)在衍射角2θ处等于或大于1°,其中,Cu-Kα射线用作具体的X射线并且扫描速率(sweeping rate)是1°/min。一个原因是锂离子被平稳地吸收和释放,并且减少与电解质的反应性。应注意含SnCoC的材料除低结晶度或非晶相之外可包括包含组成元素的单体或一部分的相。
通过比较在与Li电化学反应之前和之后的X射线衍射图,可容易确定由X射线衍射获得的衍射峰值是否对应于可与Li反应的反应相。例如,如果衍射峰值的位置在与Li电化学反应之前和之后改变,则衍射峰值对应于可与Li反应的反应相。在这种情况下,例如,在2θ=20°至50°时观察低结晶度或非晶反应相的衍射峰。例如,这样反应相包括上述每个组成元素,并且被认为由于C的存在而最初是低结晶的或者非晶的。
在含SnCoC的材料中,期望用作组成元素的C的至少一部分被键合到用作其他组成元素的金属元素或非金属元素,因为这抑制了Sn等的缩合或结晶。元素的粘合状态例如可使用X射线光电子光谱法(XPS)确定。在可购买到的装置中,例如Al-Kα射线、Mg-Kα射线等用作软X射线。当至少部分C键合到金属元素、非金属元素等时,C的1s轨迹(C1s)的合成波形的峰值出现在低于284.5eV的区域中。应注意,能量校正是以如下方式进行的:Au原子的4f轨道(Au4f)的峰值在84.0eV处获得的。在此,因为表面污染碳通常存在于物质表面,所以表面污染碳的C1s的峰值设置在284.8eV,其被限定为能量参考。在XPS测量中,因为C1s的波形是以包括表面污染碳的峰值和含SnCoC的材料中的碳的峰值的形式通过使用商购的软件分析获得的,例如,所以两个峰值是彼此隔开的。在波形的分析中,存在于最小键合能量侧的主峰的位置被限定为能量参考(284.8eV)。
应注意,含SnCoC的材料并不限于仅包括Sn、Co和C作为组成元素的材料(SnCoC)。这种含SnCoC的材料除了Sn、Co和C以外,可进一步包括例如Si、Fe、Ni、Cr、In、Nb、Ge、Ti、Mo、Al、P、Ga、Bi等中的任意一种或者任意两种或更多种作为组成元素。
除了含SnCoC的材料以外,包括Sn、Co、Fe、和C作为组成元件的材料(含SnCoFeC的材料)同样是优选的。这种含SnCoFeC的材料的组成是任意的。例如,当Fe的含量被设置较小时,C的含量从9.9质量%至29.7质量%,并且Fe的含量从0.3质量%至5.9质量%,并且Sn和Co的含量的比例(Co/(Sn+Co))从30质量%至70质量%。当Fe的含量被设置较大时,C的含量从11.9质量%至29.7质量%,并且Sn、Co、Fe的含量的比例((Co+Fe)/(Sn+Co+Fe))从26.4质量%至48.5质量%,并且Co、Fe的含量的比例(Co/(Co+Fe))从9.9质量%至79.5质量%,因为利用该组成可获得高能量密度。应注意,含SnCoFeC的材料的物理特性(半值宽度等)与上述含SnCoC的材料相似。
作为除上述第一负极活性材料成分以外的负极活性材料的优选形式的一个实例,可采用包括石墨的碳材料(在下文中,称作第二负极活性材料成分)。一个原因是,根据第二负极活性材料成分,电位较低同时锂离子被吸收,从而获得高能量密度。另一个原因是第二负极活性材料成分也用作导电剂。第二负极活性材料成分例如可以是诸如天然石墨、人造石墨、或涂有非晶碳的那些材料。第二负极活性材料成分的形状可是纤维状的、球形的、粒状的、鳞状的等。
此外,负极材料例如可以是易石墨化的碳、难以石墨化的碳、金属氧化物、高分子化合物等的任意一种或者任意两种或更多种。在这种情况下,金属氧化物例如可以是诸如氧化铁、氧化钌和氧化钼。高分子化合物例如是聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等。应注意,负极材料可以是除以上所述的以外的另一种材料。
隔膜将正极和负极彼此隔离,并且允许锂离子穿过其同时防止由两极的接触而引起的电流的短路。隔膜例如是合成树脂,陶瓷等的多孔膜,并且可以是层压两种或更多种多孔隔膜的层压膜。合成树脂例如可以是诸如聚四氟乙烯、聚丙烯和聚乙烯。
负极粘合剂例如可包括任意一种或者任意两种或更多种的高分子化合物等。高分子化合物可以是诸如聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、羧甲基纤维素、氟代烯烃类共聚物的交联聚合物、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚酰亚胺、酚醛树脂、天然胶乳、丁苯橡胶、或丁腈橡胶。总之,负极粘合剂可以或者是基于溶剂的或者基于水的。
电解质包括溶剂和电解质盐,并且可根据需要包括诸如添加剂的其它材料。
在这种情况下,溶剂可包括任意一种或者任意两种或更多种的非水溶剂,诸如有机溶剂。在这种情况下,期望非水溶剂例如是环状碳酸酯,链状碳酸酯、内酯、链状羧酸酯、腈类等,因为可获得优异的电池容量、循环特性和保存特性。在这种情况下,环状碳酸酯例如可以是诸如碳酸乙烯、碳酸丙烯、和碳酸丁烯。同样,链状碳酸酯例如可以是诸如碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、和碳酸甲丙酯。同样,内酯例如可以是诸如γ-丁内酯和γ-戊内酯。同样,羧酸酯例如可以是诸如乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丁酸甲酯、异丁酸甲酯、三甲基乙酸甲酯、以及三甲基乙酸乙酯。同样,腈类例如可以是诸如乙腈、戊二腈、己二腈、甲氧基乙腈、和3-甲氧基丙腈。
非水溶剂可以是诸如1,2-二甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、四氢吡喃、1,3-二氧戊环、4-甲基-1,3-二氧戊环、1,3-二恶烷、1,4-二恶烷、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基恶唑烷酮、N,N'-二甲基咪唑烷酮、硝基甲烷、硝基乙烷、环砜烷、磷酸三甲酯或二甲亚砜。
特别地,碳酸乙烯、碳酸丙烯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、和碳酸甲乙酯中的任意一种或者任意两种或更多种是优选的,因为可获得更优异的电池容量、循环特性、和保存特性。在这种情况下,诸如碳酸乙烯和碳酸丙烯的高粘度或高介电常数溶剂(例如,相对介电常数ε≥30)与诸如碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、和碳酸二乙酯的低粘度溶剂(例如,粘度≤1mPa·s)的组合是更优选的,因为可改善电解质盐的分离性和离子的移动性。
特别地,期望溶剂包括任意一种或者任意两种或更多种的不饱和环状碳酸酯,因为在充电与放电过程中稳定的保护膜主要形成在负极的表面上,并从而抑制电解质的分解反应。在此,不饱和环状碳酸酯是包括一个或者两个或更多个不饱和碳键(碳-碳双键)的环状碳酸酯,并且例如是碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯等。溶剂中的不饱和环状碳酸酯的含量并不特别限制,但例如可以是0.01重量%至10重量%。
同样,期望溶剂包括任意一种或者任意两种或更多种的卤化碳酸酯,因为在充电与放电过程中稳定的保护膜主要形成在负极的表面上,从而抑制电解质的分解反应。在此,卤化碳酸酯是包括一个或者两个或更多个卤素作为组成元素的环状或链状碳酸酯。环状卤化碳酸酯例如可以是诸如4-氟-1,3-二氧戊环-2-酮和4,5-二氟-1,3-二氧戊环-2-酮。链状卤代碳酸酯例如可以是诸如氟甲基碳酸二甲酯、二(氟甲基)酯、和二氟碳酸二甲酯。溶剂中的卤化碳酸酯的含量并不特别限制,但例如可以是从0.01重量%至50重量%。
同样,期望溶剂包括任意一种或者任意两种或更多种的磺内酯或环状磺酸酯,因为可更多地改善电解质的化学稳定性。磺内酯例如可以是诸如丙磺内酯和丙烯磺内酯。溶剂中的磺内酯的含量并不特别限制,但例如可以是从0.5重量%至5重量%。
此外,期望溶剂包括任意一种或者任意两种或更多种的酸酐,因为可更多地改善电解质的化学稳定性。在这种情况下,酸酐例如可以是诸如羧酸酸酐、二磺酸酸酐、和羧酸磺酸酸酐。在这种情况下,羧酸酸酐例如可以是诸如琥珀酸酐、戊二酸酐、和马来酸酐。同样,二磺酸酸酐例如可以是诸如乙烷二磺酸酸酐和丙烷二磺酸酸酐。同样,羧酸磺酸酸酐例如可以是诸如磺基苯甲酸酸酐、磺基丙酸酸酐、和硫代丁酸酸酐。溶剂中的酸酐的含量并不特别限制,但例如可以是从0.5重量%至5重量%。
电解质盐包括任意一种或者任意两种或更多种的锂盐,例如,并且可根据需要包括除锂盐以外的盐(例如,除锂盐以外的轻金属盐等)。
锂盐可以是诸如六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、锂高氯化物(LiClO4)、锂四氟砷酸(LiAsF6)、四苯基硼酸锂(LiB(C6H5)4)、锂甲磺酸(LiCH3SO3)、锂三氟甲烷磺酸(LiCF3SO3)、锂四氯铝酸(LiAlCl4)、二锂四氟硅酸(Li2SiF6)、氯化锂(LiCl)、或硼酸锂(LiBr)。一个原因是可获得优异的电池容量、循环特性、和保存特性。
特别地,LiPF6、LiBF4、LiClO4、和LiAsF6中的任意一种或者任意两种或更多种是优选的,并且LiPF6是更优选的。一个原因是内电阻减小,并且可获得更大的效果。对于溶剂期望电解质盐的含量是从0.3mol/kg至3.0mol/kg。一个原因是可获得高的离子导电性。
[二次电池的制造方法]
二次电池2可例如通过以下步骤来制造。
在第一步骤中,首先制作正极。在这种情况下,正极活性材料根据需要与正极粘合剂、正极导电剂等混合,以便产生正极混合物。随后,正极混合物分散在有机溶剂等中,以便产生糊状的正极混合浆体。随后,正极混合浆体被涂覆在正极集电器的两个表面上并且被干燥,以便形式正极活性材料层。随后,正极活性材料层使用辊压机等被压缩和模制,同时根据需要加热。在这种情况下,压缩模制可重复不止一次。
同样,通过与上述正极相同的步骤制作负极。在这种情况下,根据需要包括混合负极活性材料、负极粘合剂或粘合剂高分子化合物和负极导电剂等的负极混合物分散在有机溶剂等中,以便产生糊状的负极混合浆体。随后,负极混合浆体被涂覆在负极集电器的两个表面上并且被干燥,以便形成负极活性材料层,并且此后根据需要将负极活性材料层压缩和模制。
随后,粘合层形成在负极上。在这种情况下,粘合剂高分子化合物分散在有机溶剂等中以制备处理液(process solution),并且此后处理液被涂覆在负极活性材料层的表面上并且被干燥。
随后,制备包括具有分散在溶剂中的电解质盐的电解质、电解质高分子化合物、诸如有机溶剂的溶剂等的前驱溶液(precursor solution),并且此后前驱溶液被涂覆在正极上以便形成胶状的电解质层。随后,正极引线使用焊接方法等附接在正极集电器上,并且负极引线使用焊接方法等附接在负极集电器上。随后,正极和负极经由隔膜层压并卷绕以制作卷绕电极体,并且保护胶带涂布在制造的卷绕电极体的最外围区域。随后,卷绕电极体夹在两片类似膜的外部构件之间,并且此后外部构件的外围使用热熔接方法等附着于彼此,以便将卷绕电极体封装在外部构件内部。在这种情况下,密封薄膜插入正极引线和负极引线与外部构件之间。
在第二步骤中,通过与第一步骤相同的步骤形成正极和负极,并且此后正极引线附接在正极上,并且负极引线附接在负极上。随后,正极和负极经由隔膜层压并卷绕以制作卷绕体作为卷绕电极体的前体,并且保护胶带涂布在制造的卷绕电极体的最外围区域。随后,卷绕电极体夹在两片类似膜的外部构件之间,并且此后除外围的侧面之外的外围使用热熔接方法等粘结以便将卷绕电极体容纳在袋状(sac-like)的外部构件内部。随后,根据需要制备包括电解质、作为电解质高分子化合物的原材料的单体、聚合引发剂、以及诸如聚合抑制剂的另一种材料的电解质组合物以便被注入到袋状的外部构件内部中。注入之后,使用热熔接方法等密封外部构件。随后,单体经受热聚合以便形成电解质高分子化合物。因此,形成胶状的电解质层。
在第三步骤中,除了使用具有涂覆在其两个表面上的高分子化合物的隔膜之外,以与上述第二步骤同样的方式制作将容纳在袋状的外部构件内部的卷绕体。涂覆在隔膜上的高分子化合物可以是例如具有偏二氟乙烯作为组分的聚合物(例如,均聚物、共聚物、多共聚物等)等。具体地,高分子化合物可以是诸如:亚乙烯基多氟化物;具有偏二氟乙烯和六氟丙烯作为组份的二元共聚物;以及具有偏二氟乙烯、六氟丙烯、和氯三氟乙烯作为组份的三元共聚物。应注意,其他一种或者两种或更多种高分子化合物可与具有偏二氟乙烯作为组份的聚合物一起使用。随后,制备电解质以便被注入到外部构件内部中,并且此后外部构件的开口使用热熔接方法等密封。随后,外部构件被压制和加热,以便使隔膜经由高分子化合物与正极和负极紧密接触。因此,电解质浸入在高分子化合物中,并且高分子化合物转变成凝胶以形成电解质层。
在第三步骤中,与第一步骤相比,更大地抑制了二次电池的膨胀。同样,在第三步骤中,作为高分子化合物的原材料的单体、溶剂等与第一步骤相比几乎不残留在电解质层中,从而较好地控制形成高分子化合物的处理。因此,正极、负极、和隔膜与电解质层足够紧密地接触。
[设备的示例性操作]
图2是示出本实施方式的充电与放电控制设备100的示例性操作的流程图。在图2中示出的示例性操作是根据本公开的充电与放电控制方法的实施方式。应注意,根据本公开的实施方式的充电与放电控制方法可通过除充电与放电控制设备100以外的结构实现。
首先,在图2的步骤1(S1)中,通过充电与放电控制设备100确定存在还是不存在第二充电与放电控制的触发的产生。触发的形式并不特别限制,只要触发指示二次电池2在第一充电与放电控制下充电或放电即可。触发可以是基于二次电池2的状态的测量结果获得的信息。电路110可进行步骤1(S1)的确定。然后,如果在步骤1(S1)中获得的是肯定的确定结果则处理进行至步骤2(S2),并且如果获得的是否定的确定结果则处理重复步骤1(S1)。
此后,在步骤2(S2)中,电路110执行第二充电与放电控制,并且处理结束。在此,图3具有时间的横轴和充电率的纵轴,并且示意性地示出对应于第一充电与放电控制和第二充电与放电控制的每个的充电率的时间变化。如在图3中示出的,在第二充电与放电控制下的放电过程中的充电率的时间变化(曲线图的实线)小于在第一充电与放电控制下的放电过程中的充电率的时间变化(曲线图的虚线)。
根据本实施方式的充电与放电控制设备100,二次电池2的充电与放电在第二充电与放电控制(其中充电率的时间变化较小)下进行,以便减少内电阻并且改善循环特性,其中二次电池2具有通过在第一充电与放电控制下的充电与放电增加的内电阻。同样,因为充电与放电容量不受限制并且充电率的时间变化被控制,所以可在不减少二次电池2的体积能量密度的情况下实现二次电池2的循环特性的改善。
<2.第一实施方式的第一变形例>
图4是示出本实施方式的第一变形例的充电与放电控制设备的示例性结构的示意图。本变形例的充电与放电控制设备100与图1的充电与放电控制设备100相比具有电路110的更具体的结构。
具体地,如在图4中示出的,本变形例的充电与放电控制设备100的电路110包括第一充电与放电控制单元111和第二充电与放电控制单元112作为功能块。第一充电与放电控制单元111是用于对充电与放电电路3执行第一充电与放电控制的组件。第二充电与放电控制单元112是用于执行对充电与放电电路3执行第二充电与放电控制的组件。
根据本变形例的充电与放电控制设备100,获得与图1的充电与放电控制设备100相同的作用与效果,或者执行第一充电与放电控制的组件和执行第二充电与放电控制的组件集成到一个电路110中以便简化结构。
<3.第二实施方式>
本实施方式的充电与放电控制设备100与第一实施方式的充电与放电控制设备100相比具有第二充电与放电控制的更具体的内容。
具体地,如在图5的流程图中示出的,在本实施方式中,步骤21(S21)作为图2的步骤2的具体实例被执行。在步骤21(S21)中,将充电率的时间变化设置为1%/h以下的控制作为第二充电与放电控制被执行。
根据本实施方式的充电与放电控制设备100,获得与第一实施方式相同的效果,或者优化充电率的时间变化以进一步改善循环特性。
<4.第二实施方式的第一变形例>
本变形例的充电与放电控制设备100与图5中描述的充电与放电控制设备100相比具有充电与放电控制的更具体的内容。具体地,本变形例的充电与放电控制设备100是如果二次电池2的负极电位至少在0.1V(对Li/Li+)以上和0.8V(对Li/Li+)以下的范围内则电路110执行控制以便将二次电池2的充电率的时间变化设置在1%/h或以下的部件。
本变形例的充电与放电控制设备100的示例性操作是如在图6中示出的。如在图6中示出的,在本变形例中,如果在步骤1(S1)中获得肯定的确定结果,则处理进行至步骤20(S20)。
在步骤20(S20)中,电路110在第二充电与放电控制中的步骤21(S21)之前执行初步处理(preliminary process)。具体地,在步骤20(S20)中,确定二次电池2的负极电位是否在0.1V(对Li/Li+)以上和0.8V(对Li/Li+)以下的范围内。应注意,二次电池2的电压可基于二次电池2的正极和负极的端子之间连接的电压测量仪器的测量结果来检测,但不限于此。然后,如果在步骤20(S20)中获得肯定的确定结果则处理进行至步骤21(S21),并且如果获得的是否定的确定结果则处理进行至步骤3(S3)。
在步骤3(S3)中,电路110执行第一充电与放电控制,并且处理结束。
当负极电位在从0.1V(对Li/Li+)到0.8(对Li/Li+)的范围内时,根据本实施方式的充电与放电控制设备100执行第二充电与放电控制,以便减少极化电阻(polarizationresistance)。因此,获得诸如减少由于内电阻而导致的容量损失的效果。
<5.第三实施方式>
[设备的示例性结构]
图7是示出本实施方式的充电与放电控制设备100的示例性结构的示意图。本实施方式的充电与放电控制设备100与图4的充电与放电控制设备100相比具有更具体的结构。具体地,在本实施方式的充电与放电控制设备100中,电路110是基于二次电池2的状态的检测结果执行第二充电与放电控制的组件。更具体地,在本实施方式的充电与放电控制设备100中,电路110是当二次电池2的状态(包括二次电池2的电流值、电压值、温度、充电累积容量、和放电累积容量中的至少一个)的检测结果满足特定条件时执行第二充电与放电控制的组件。
如在图7中示出的,作为基于二次电池2的状态的检测结果执行第二充电与放电控制的具体结构的一个实例,本实施方式的充电与放电控制设备100除图4的结构之外还包括状态检测和评估单元120。状态检测和评估单元120是检测和评估二次电池2的状态的组件。具体地,如在图7中示出的,状态检测和评估单元120包括电流测量电路121、电压测量电路122、温度测量电路123、充电与放电历史计算单元124、以及状态确定单元125。
电流测量电路121是测量二次电池2的充电电流和放电电流的组件。电流测量电路121是将充电电流和放电电流的测量结果输出到充电与放电历史计算单元124和状态确定单元125的组件。电流测量电路121的形式并不特别限制。例如,电流测量电路121可包括位于充电与放电电路3的电力供应线上的电流传感器,以及连接至电流传感器的模拟前端(analog front end)。电流测量电路121可以是通过电流表直接测量充电电流值和放电电流值的组件,或者通过电压表测量电阻器(充电电流和放电电流流过其)的端电压并且将测量的电压除以电阻器的给定的电阻值来间接测量充电电流和放电电流的组件。
电压测量电路122是测量二次电池2的充电电压和放电电压的组件。电压测量电路122是将充电电压和放电电压的测量结果输出到充电与放电历史计算单元124和状态确定单元125的组件。电压测量电路122的形式并不特别限制。例如,电压测量电路122可包括与二次电池2并联连接的电压传感器,以及连接至电压传感器的模拟前端。
温度测量电路123是测量二次电池2的温度的组件。温度测量电路123是将二次电池2的温度的测量结果输出到充电与放电历史计算单元124和状态确定单元125的组件。温度测量电路123的形式并不特别限制。例如,温度测量电路123可包括连接至二次电池2的温度传感器,以及连接至该电压传感器的模拟前端。温度传感器可以是诸如热敏电阻。
充电与放电历史计算单元124是基于从测量电路121至123输入的测量结果计算充电与放电的历史的组件。充电与放电历史计算单元124是将充电与放电的历史的计算结果输出至状态确定单元125的组件。充电与放电的历史包括充电累积容量和放电累积容量。充电与放电历史计算单元124的形式并不特别限制。充电与放电历史计算单元124可集成到电路110中,或者可以是与电路110分开的电路。
状态确定单元125是确定从测量电路121至123或充电与放电历史计算单元124输入的二次电池2的状态是否满足特定条件的组件。状态确定单元125的形式并不特别限制。状态确定单元125可以集成到电路110中,或可以是与电路110分开的电路。
特定条件的形式并不特别限制,只要其是触发第二充电与放电控制的条件即可。例如,特定条件可以是以下项a和b中任意一个。
a.二次电池2的充电累积容量和放电累积容量的总合超过在第一充电与放电控制下的充电与放电的阈值的事实。在这种情况下,阈值可以是指示在第一充电与放电控制下的充电与放电循环数量到达特定数量的值。特定数量例如可以是100次,但不限于此。与特定数量是100次的情况对应的阈值例如可以是与180倍的二次电池2的额定放电容量对应的值,但不限于此。
b.在第一充电与放电控制下的充电与放电过程中,从紧接流经电流负载(currentload)之后的二次电池2的电压改变所计算出的二次电池2的内电阻值变为内电阻的参考值乘以阈值的事实。在这种情况下,内电阻值可基于二次电池2的温度进行温度校正。乘以阈值例如可以是1.1倍,但不限于此。
电路110是当状态确定单元125确定二次电池2的状态不满足特定条件时通过第一充电与放电控制单元111执行第一充电与放电控制的组件。同样,电路110是当状态确定单元125确定二次电池2的状态满足特定条件时通过第二充电与放电控制单元112执行第二充电与放电控制的组件。
[设备的示例性操作]
图8是示出本实施方式的充电与放电控制设备100的示例性操作的流程图。在图8中示出的示例性操作是根据本公开的充电与放电控制方法的实施方式。如在图8中示出的,在本实施方式中,步骤11(S11)作为图2中描述的步骤1(S1)的具体实例被执行。同样,步骤4(S4)作为步骤11(S11)之前的处理被执行。此外,图2中描述的步骤2(S2)或图6中描述的步骤3(S3)在步骤11(S11)之后执行。
具体地,在步骤4中(S4),二次电池2的状态通过测量电路121至123以及充电与放电历史计算单元124来检测。
在步骤11(S11)中,电路110确定在步骤4(S4)中检测的二次电池2的状态是否满足特定条件。然后,如果步骤11(S11)的确定结果是肯定的则处理进行至步骤2(S2),并且如果步骤11(S11)的确定结果是否定的则处理进行至步骤3(S3)。
根据本实施方式,获得与第一实施方式相同的效果,或者响应于二次电池2的状态执行第二充电与放电控制以便尽可能地减少第二充电与放电控制中断第一充电与放电控制的时间。当第一充电与放电控制是标准的充电与放电控制时,防止标准的充电与放电频繁地被第二充电与放电控制中断。以上项a和b处呈现的特定条件是建立内电阻通过标准充电与放电的重复充分增加的假设的条件。因此,通过采用这种特定条件,标准的充电与放电的平稳性和循环特性的改善被更好地平衡。
<6.第三实施方式的第一变形例>
图9是示出本变形例的充电与放电控制设备100的示例性结构的示意图。本变形例的充电与放电控制设备100在以下方面不同于图7的充电与放电控制设备100:本变形例的充电与放电控制设备通过通信获取二次电池2的状态的测量结果。
具体地,如在图9中示出的,本变形例的充电与放电控制设备100包括电路110、充电与放电历史计算单元124、状态确定单元125、和通信装置130。
充电与放电历史计算单元124和状态确定单元125是通过通信装置130经由通信接收二次电池2的电流信息、电压信息、和温度信息的组件。充电与放电历史计算单元124是基于所接收的信息计算充电累积容量和放电累积容量的组件。状态确定单元125是基于所接收的信息确定二次电池2的状态的组件。尽管没有描述,但测量电路121至123(参考图7)可连接至通信装置以便将测量电路121至123的测量结果发送至通信装置130。而且,充电与放电电路3(参考图7)还可连接至被配置为接收充电与放电控制设备100的控制信号的通信装置。
充电与放电控制设备100可存在于与二次电池2的一侧上的组件3、121至123分开的位置处(参考图7)。充电与放电控制设备100可经由网络以可通信的方式连接至二次电池2的一侧上的组件3、121至123。网络可以是外部网络等。外部网络可以是因特网等。充电与放电控制设备100可以是因特网上的服务器等。由充电与放电控制设备100接收的二次电池2的信息的形式不受限制,而是在本公开的范围内,不管由充电与放电控制设备100接收的是二次电池2的哪个线路信息。通信装置130的通信方法等的形式也并不特别限制。
根据本变形例的充电与放电控制设备100,获得与图7的充电与放电控制设备100相同的效果。此外,可通过单个充电与放电控制设备100控制存在于多个位置处的二次电池2的充电与放电。
<7.第四实施方式>
与第二实施方式的充电与放电控制设备100相比,本实施方式的充电与放电控制设备100具有第二充电与放电控制的更具体的内容,即,将充电率的时间变化设置在1%/h以下的控制。
具体地,如在图10的流程图中示出的,在本实施方式中,步骤211(S211)作为图5的步骤21的具体实例被执行。在步骤211(S211)中,进行二次电池2的OCV测量。在OCV测量过程中,连接二次电池2和负载的电气通路被间歇地开路以间歇地停止放电,以便抑制充电率的减少,即,时间变化。
根据本实施方式的充电与放电控制设备100,获得与第二实施方式相同的效果,或者以简单的方式进行第二充电与放电控制。
[工作实例]
<工作实例1>
在本工作实例中,对通过上述二次电池的制造方法制造的作为样本的锂离子二次电池进行充电与放电控制试验。应注意,锂离子二次电池是具有包括10wt%的基于硅的活性材料和水性粘合剂的负极的聚合物电池。
在本工作实例中,由10重量份的Si、80.5重量份的Gr、1.5重量份的羧甲基纤维素、2重量份的丁苯橡胶、2重量份的聚偏二氟乙烯、和4重量份的导电添加剂组成的负极被用作负极。并且,由98重量份的锂钴氧化物、1.2重量份的聚偏二氟乙烯、和0.8重量份的导电添加剂组成的正极被用作正极。在本工作实例中,对使用这些负极和正极由上述二次电池的制造方法制造的作为样本的锂离子二次电池进行充电与放电控制试验。
在本工作实例的充电与放电控制试验中,进行标准的充电与放电控制作为第一充电与放电控制。标准的充电与放电控制的条件如下。
充电:0.5C,CCCV,4.35V/0.025C截止(cut)
放电:0.5C,3V截止
暂停:分别在放电之后和充电之后5分钟
200个连续循环
同样,在本工作实例的充电与放电控制试验中,进行OCV测量作为第二充电与放电控制。应注意,锂离子二次电池的状态的检测结果应当满足进行第二充电与放电控制的特定条件是指示通过标准充电与放电控制的充电和放电已完成100次循环的锂离子二次电池的状态的检测。具体地,特定条件是锂离子二次电池的充电累积容量和放电累积容量的总合超过180倍的锂离子二次电池的额定放电容量。
并且,作为第二充电与放电控制的OCV测量的条件如下。
充电:0.5C,CCCV,4.35V/0.025C截止
放电:0.1C,(CC 6分钟/3.0V截止,暂停60分钟)×100次
换言之,充电与标准的充电与放电控制相同,并且放电是根据间歇放电(其中放电和60分钟的暂停以1%的SOC重复以便将SOC的变化设置在1%/h)进行的。OCV测量的一个循环是继通过标准的充电与放电控制的充电与放电之后。
而且,作为比较例的充电与放电控制试验,仅通过标准的充电与放电控制对与上述样本相同的锂离子二次电池进行实验。
工作实例和比较例的充电与放电控制试验的试验结果在表1中示出。
|
200个循环之后的容量保持率(%) |
工作实例 |
69.1 |
比较例 |
58.5 |
在此,表1示出了从试验开始200次循环之后关于工作实例和比较例的每次充电与放电控制试验的容量保持率。
而且,当进行工作实例的充电与放电控制试验时,获得OCV测量之前和之后的各个0.5C负载曲线。这些在图11中示出。
根据工作实例的充电与放电控制试验,确定与比较例的充电与放电控制试验相比,通过OCV测量容量保持率的下降在间歇放电的第一百次循环时或者第一百次循环之后被抑制。换言之,根据本工作实例,通过对标准充电和放电的锂离子二次电池进行OCV测量,改善了标准的充电与放电中的后续循环特性。
具体地,如表1所示,在比较例的充电与放电控制试验的情况下,从试验开始200个循环之后的容量保持率是58.5%,然而在工作实例的充电与放电控制试验的情况下,从试验开始200个循环之后的容量保持率被改善至69.1%。
在工作实例和比较例的0.2C和200个循环时容量保持率分别是71.3%和69.1%。因为与0.5C的容量保持率的差异相比差异很小为2.2%,所以推断通过工作实例的充电与放电控制试验对循环特性的改善归因于内电阻的减少。
并且,如在图11中示出的,在OCV测量之后,确顶电压的下降,特别是在3.7V处或以下的容量恢复。
<实验例2>
在本实验例中,由10重量份的Si、81重量份的Gr、6重量份的聚偏二氟乙烯、和3重量份的导电添加剂组成的负极被用作负极。并且,由98重量份的锂钴氧化物、1.2重量份的聚偏二氟乙烯、和0.8重量份的导电添加剂组成的正极被用作正极。在本工作实例中,对使用这些负极和正极由上述二次电池的制造方法制造的作为样本的锂离子二次电池进行充电与放电控制试验。
本工作实例的充电与放电控制试验是在以下充电与放电条件下进行的。
充电:0.5C,CCCV,4.35V/0.025C截止
放电:0.5C,2.5V截止
暂停:分别在充电之后和放电之后5分钟
25个连续循环
每25个循环进行一次OCV测量,并且进行循环直到100个循环。
在比较例的充电与放电控制试验中,连续循环是在没有OCV测量的情况下进行的。
工作实例和比较例的充电与放电控制试验的试验结果在表2中示出。
|
100个循环之后的容量保持率(%) |
工作实例 |
75.59. |
比较例 |
74.15 |
如在表2中所示的,在比较例的充电与放电控制试验的情况下,从试验开始100个循环之后的容量保持率是74.15%,然而在工作实例的充电与放电控制试验的情况下,从试验开始100个循环之后的容量保持率被改善至75.59%。
<实验例3>
在本实验例中,由15重量份的Si、76重量份的Gr、1重量份的羧甲基纤维素、2重量份的丁苯橡胶、2重量份的聚偏二氟乙烯、和4重量份的导电添加剂组成的负极被用作负极。并且,由98重量份的锂钴氧化物、1.2重量份的聚偏二氟乙烯、和0.8重量份的导电添加剂组成的正极被用作正极。在本工作实例中,对使用这些负极和正极由上述二次电池的制造方法制造的作为样本的锂离子二次电池进行充电与放电控制试验。
本工作实例的充电与放电控制试验和比较例的充电与放电控制试验中的充电与放电条件与工作实例2相同。试验结果在表3中示出。
|
100循环之后的容量保持率(%) |
工作实例 |
68.21 |
比较例 |
65.24 |
如在表3中所示的,在比较例的充电与放电控制试验的情况下,从试验开始100个循环之后容量保持率是65.24%,然而在工作实例的充电与放电控制试验的情况下,从试验开始100个循环之后的容量保持率被改善至68.21%。
<8.第五实施方式>
图12是示出当图7的充电与放电控制设备100应用到电池组5时的示例性电路结构的框图。电池组5包括充电与放电控制设备100、二次电池2、和充电与放电电路3。
充电与放电控制设备100包括集成在控制单元150中的电路110、充电与放电历史计算单元124、和状态确定单元125。并且,充电与放电控制设备100具有存储器140。该存储器140由RAM和ROM配置,并且例如可由为非易失性存储器的EPROM(可擦除编程只读存储器)等配置。使控制单元150执行充电与放电控制设备100的功能的程序、数据等存储在存储器140中。此外,在存储器140中可预先存储或可视情况可重写在控制单元150中计算的数值、在制造过程的步骤中测量的二次电池2的初始状态的内电阻值等。并且,在存储器140中,可存储二次电池2的全充电容量。控制单元150可基于全充电容量计算二次电池2的剩余容量。
在图12的结构中,放置多个二次电池2。具体地,在图12的结构中,多个并联连接块的二次电池2串联连接。应注意,每个二次电池2的连接形式不限于在图12中示出的形式。
充电与放电电路3包括正极端子31、负极端子32、布置在两个电极端子之间的电力供应线33、位于电力供应线33的充电控制开关34和放电控制开关35、以及与各个开关34、35并联连接的二极管341、351。
当充电时,正极端子31连接至充电器的正极端子,并且负极端子32连接至充电器的负极端子,以便进行充电。同样,当放电时,正极端子31连接至负载的正极端子,并且负极端子32连接至负载的负极端子,以便进行放电。
与充电控制开关34并联连接的二极管341具有与从正极端子31到二次电池2的方向上流动的充电电流相反的方向、以及与从负极端子32到二次电池2的方向上流动的放电电流的向前方向的极性。另一方面,与放电控制开关35并联连接的二极管351具有充电电流的向前方向的、以及放电电流的相反方向的极性。尽管在图12的结构中,开关34、35设置在正侧上,但开关34、35可设置在负侧上。
充电控制开关基于来自控制单元150的充电控制信号CO被控制为接通(ON)状态或断开(OFF)状态。在充电控制开关34的断开状态下,仅可经由二极管341进行放电。
放电控制开关35基于来自控制单元150的放电控制信号DO被控制为接通状态或断开状态。在放电控制开关35的断开状态下,仅可经由二极管351进行充电。
充电控制开关34和放电控制开关35通过电路110进行第一充电与放电控制和第二充电与放电控制来接通和断开。此外,当电池电压变为过充电检测电压时,充电控制开关34可断开。同样,当充电过程中流动大电流时,充电控制开关34可断开。同样,当电池电压变为过放电检测电压时,放电控制开关35可断开。同样,当放电过程中流动大电流时,放电控制开关35可断开。
例如,诸如MOSFET的半导体开关可用作充电控制开关34和放电控制开关35。在这种情况下,二极管341、351可以是MOSFET的寄生二极管。当P-沟道FET用作开关34、35时,控制单元150可将控制信号CO、DO供应至开关34、35的栅极。同样,开关34、35可通过比源极电位低预定值或更多的栅极电位接通。换言之,在标准的充电与放电操作中,控制信号CO、DO可被设置在低电平。此外,在过充电或过放电的时候,例如,控制信号CO、DO可被设置在高电平,以便将开关34、35转变成断开状态。
同样,当产生异常的热时控制单元150可进行充电与放电控制,并且可基于检测的二次电池2的温度进行剩余容量的计算的校正。
根据本实施方式,利用充电与放电控制设备100,可实现改善循环特性同时确保体积能量密度的电池组。
<9.第六实施方式>
图13是示出当图7的充电与放电控制设备100应用到电子装置600时的示例性结构的框图。电子装置600包括图12中描述的电池组5,和装置主体610。在装置主体610中,正极端子611连接至电池组5的正极端子31,并且负极端子612连接至电池组5的负极端子32,以便进行从电池组5的放电。装置主体610的形式并不特别限制。例如,装置主体610可以是诸如笔记本式个人计算机、PDA(个人数字助理)、便携式电话、无绳电话听筒、视频电视、数字式静物摄影机、电子书、电子辞典、音乐播放器、收音机、耳机、游戏机、导航系统、存储卡、起搏器、助听器、电动工具、电动刮胡刀、电冰箱、空调、电视、立体声系统、热水器、微波炉、洗碗机、洗衣机、烘干机、照明设备、玩具、医疗设备、机器人、负载调节器(loadconditioner)、和信号器。
根据本实施方式,利用充电与放电控制设备100,可实现改善循环特性同时确保体积能量密度的电子装置。
<10.第七实施方式>
图14示意性地示出了应用本公开的实施方式的充电与放电控制设备100的混合动力车辆700的结构的实例。混合动力车辆700是本公开的电动车辆的实施方式。混合动力车辆700采用串联式混合动力系统。串联式混合动力系统是使用由发动机驱动的发电机产生的电力通过电力至驱动力转换器来行驶的车辆。混合动力车辆700包括发动机701、发电机702、电力至驱动力转换器703、驱动轮704、车轮705、电池21、车辆控制器706、各种类型的传感器707、充电端口708、充电与放电控制设备100、以及充电与放电电路3。电池21是二次电池2的一种形式。
混合动力车辆700利用电力至驱动力转换器703作为电源来行驶。电力至驱动力转换器703例如可以是发动机。在电池21中存储的电力通过充电与放电电路3放电到电力至驱动力转换器703,以便操作电力至驱动力转换器703。然后,电力至驱动力转换器703的转矩被发送到驱动轮704。应注意,可采用AC电机和DC电机两者作为电力至驱动力转换器703。各种类型的传感器707通过车辆控制器706控制发动机转速和未描述的节流阀的开度,即,节气门开度。各种类型的传感器707可包括速度传感器、加速度传感器、发动机转速传感器等。
混合动力车辆700能够在电池21中存储由发电机702(发动机701的转矩传输至其)所产生的电力。同样,当混合动力车辆700通过未描述的制动机制减速时,减速过程中的阻力作为转矩被传输到电力至驱动力转换器703,从而从转矩通过电力至驱动力转换器703产生的再生电力被存储在电池21中。此外,电池21可经由充电与放电电路3连接至混合动力车辆700外部的电源,从而存储通过作为输入端口的充电端口708从电源供应的电力。
尽管未描述,但可设置被配置为基于与二次电池2有关的信息执行与车辆控制有关的信息处理的信息处理设备。该信息处理设备例如是基于关于电池的剩余量的信息等显示电池剩余量的信息处理设备。
应注意,本公开的实施方式的电动车辆还可有效地应用于使用发动机和电机的输出两者作为驱动源并且视情况而在以下三个模式之间切换的并联混合动力车辆:仅发动机运行,仅电机运行,以及发动机和电机运行。此外,本公开的实施方式的电动车辆还可有效地应用于不使用发动机仅通过驱动电机来驱动行驶的车辆。
根据本实施方式,利用充电与放电控制设备100,可实现改善循环特性同时确保体积能量密度的电动车辆。
<11.第八实施方式>
图15示出了应用本公开的实施方式的充电与放电控制设备100的电力存储系统800的示例性结构。电力存储系统800例如应用到诸如住宅房屋和商业建筑的建筑物。
如在图15中示出的,在电力存储系统800中,电力通过电力网络802、信息网络803、智能电表804、电力枢纽805等从诸如火力发电801a、核能发电801b、水力发电801c的中央电力系统801供应至二次电池2并存储在其中。并且,电力还从家庭发电机的独立电源供应至二次电池2。二次电池2中存储的电力例如供应至室内电力消耗装置807,诸如电冰箱807a、空调807b、电视807c、和淋浴807d。并且,二次电池2的电力例如供应至室外电力消耗装置808,诸如电动车辆808a、混合动力汽车808b、和电动自行车808c。
电力网络802包括充电与放电电路的电力线。电力网络802可具有用于通过直流电馈电、交流电馈电、和无线电馈电中的任意一种或者任意两种或更多种供应电力的结构。信息网络803可使用任何通信方法,诸如Zigbee(注册商标)、PLC(电力线通信)、WIFI(注册商标)、和蓝牙(注册商标)。智能电表804具有测量商用的电力的使用量并将所测量的使用量传输到电力公司的功能。发电机806可以是太阳能电池、燃料电池等。
并且,如在图15中示出的,电力存储系统800包括控制器809,并且该控制器809包括本公开的实施方式的充电与放电控制设备100。
并且,如在图15中示出的,电力存储系统800包括各种类型的传感器810。各种类型的传感器810例如可以是人体感应传感器、亮度传感器、目标检测传感器、电力消耗传感器、振动传感器、接触传感器、温度传感器、红外传感器等。由各种类型的传感器810获得的信息被传输到控制器809。
并且,如在图15中示出的,电力存储系统800包括服务器811。服务器811连接至控制器809。服务器811可由住宅房屋、电力公司、和服务供应商的任意一个来管理。由服务器811传输和接收的信息例如可以是电力消耗信息、生活模式信息、电力充电、气象信息、自然灾害信息、和与电力供应行业有关的信息等。这些信息可从住宅内部的电力消耗装置807(例如,电视)传输和接收,并且可从住宅外部的装置(例如,便携式电话等)传输和接收。这些信息例如可显示在具有显示功能的装置上,诸如,优选地,电视、便携式电话和PDA。
除充电与放电控制设备100的功能之外,控制器809例如还具有调整商用电力的使用量和产生量(generation amount,发电量)的功能。应注意,此外,控制器809可具有在电力市场中进行电力交易的功能等。
根据本实施方式,利用充电与放电控制设备100,可实现改善循环特性同时确保体积能量密度的电力存储系统。
上述每个实施方式和变形例可视情况而相结合。即使任意选择的实施方式或变形例中的某个组件结合在另一个实施方式或变形例中,或者被另一个实施方式或变形例中的组件代替,产品依然落在本公开的范围内。
每个实施方式和变形例中描述的作用与效果仅仅是说明性的,而不是限制性的,并且可获得其他作用和效果。如果本公开实现在各个实施方式和变形例中描述的多个作用和效果中的任意一个,则本公开就是令人满意的。
另外,本技术还可被如下配置。
(1)一种充电控制设备,包括:
控制单元,被配置为将指令发送到充电单元以执行电池的充电,
其中,控制单元被配置为基于由控制单元接收的充电方案信息使方案从第一充电方案改变为第二充电方案。
(2)根据(1)所述的充电控制设备,其中,充电方案信息基于电池的状态的检测结果。
(3)根据(1)或(2)所述的充电控制设备,其中,充电方案信息包括检测的电池的负极电位。
(4)根据(1)至(3)中的任一项所述的充电控制设备,其中,充电方案信息包括从由电池的电流值、电池的电压值、和电池的温度组成的组中选择的至少一个。
(5)根据(1)至(4)中任一项所述的充电控制设备,其中,充电方案信息包括电池的开路电压测量。
(6)根据(1)至(5)中的任一项所述的充电控制设备,其中,第二充电方案包括以间歇的方式利用第一充电方案。
(7)根据(1)至(6)中的任一项所述的充电控制设备,其中,第二充电方案包括利用减少的充电电流和放电电流的电流密度来修改第一充电方案。
(8)根据(1)至(7)中的任一项所述的充电控制设备,其中,第二充电方案包括在以步进的方式改变充电电压的同时利用第一充电方案。
(9)根据(1)至(8)中任一项所述的充电控制设备,进一步包括:连接在电池和控制单元之间的状态检测和评估单元,该状态检测和评估单元被配置为检测和评估电池的状态。
(10)根据(9)所述的充电控制设备,其中,状态检测和评估单元包括从由电流测量单元、电压测量单元、和温度测量单元组成的组中选择的至少一个。
(11)根据(10)所述的充电控制设备,其中,状态检测和评估单元进一步包括充电与放电历史计算单元。
(12)根据(1)至(11)中任一项所述的充电控制设备,进一步包括:放电单元,其中,控制单元还被配置为将指令发送到放电单元以执行电池的放电。
(13)一种充电控制设备,包括:
控制单元,包括:
第一控制单元,被配置为将指令发送到充电单元以执行电池的充电,以及
第二控制单元,被配置为将指令发送到充电单元以执行电池的充电,其中,充电率的时间变化小于第一控制单元的充电率的时间变化。
(14)根据(13)所述的充电控制设备,其中,控制单元被配置为基于由控制单元接收的充电方案信息使方案从第一控制单元的第一充电方案改变为第二控制单元的第二充电方案。
(15)根据(13)或(14)所述的充电控制设备,进一步包括:放电单元,其中,控制单元还被配置为将指令发送到放电单元以执行电池的放电。
(16)一种电池,包括:
电池单元;以及
控制单元,被配置为将指令发送到充电单元以执行电池单元的充电,
其中,控制单元被配置为基于由控制单元接收的充电方案信息使方案从第一充电方案改变为第二充电方案。
(17)根据(16)所述的电池,进一步包括:放电单元,其中,控制单元还被配置为将指令发送到放电单元以执行电池的放电。
(18)一种电子装置,包括:
电池单元;以及
控制单元,被配置为将指令发送到充电单元以执行电池单元的充电,
其中,控制单元被配置为基于由控制单元接收的充电方案信息使方案从第一充电方案改变为第二充电方案。
(19)根据(18)所述的电子装置,进一步包括:放电单元,其中,控制单元还被配置为将指令发送到放电单元以执行电池的放电。
(20)一种车辆,包括:
电池单元;
控制单元,被配置为将指令发送到充电单元以执行电池单元的充电;以及
转换器,被配置为将从电池单元供应的电力转换为车辆驱动力,
其中,控制单元被配置为基于由控制单元接收的充电方案信息使方案从第一充电方案改变为第二充电方案。
(21)根据(20)所述的车辆,进一步包括:放电单元,其中,控制单元还被配置为将指令发送到放电单元以执行电池的放电。
(22)一种充电控制方法,包括:
将指令发送到充电单元以执行电池的充电,
基于由控制单元接收的充电方案信息从第一充电方案改变为第二充电方案。
(23)根据(22)所述的充电控制方法,进一步包括:将指令发送到放电单元以执行电池的放电。
(24)一种电力存储系统,包括:
充电控制设备,包括:
控制单元,被配置为将指令发送到充电单元以执行电池的充电;
服务器,连接至充电控制设备,
其中,控制单元被配置为基于由控制单元接收的充电方案信息使方案从第一充电方案改变为第二充电方案。
(25)根据(24)所述的电力存储系统,其中,充电控制设备被配置为调整来自外部电力供应网络的电力的使用量和产生量。
(26)根据(24)或(25)所述的电力存储系统,其中,服务器被配置为发送和接收来自连接至充电控制设备的至少一个电力消耗装置的信息。
(27)一种控制单元,被配置为将指令发送到充电单元以执行电池的充电,
其中,充电控制单元被配置为基于充电方案信息使方案从第一充电方案改变为第二充电方案。