CN116895877A - 全固体电池单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供全固体电池单元。全固体电池单元具有：全固体电池模块，其通过多个全固体电池单体层叠而成；变温机构，其对所述全固体电池模块进行加热或冷却；以及控制机构，其对所述变温机构进行控制，所述控制机构根据所述全固体电池模块的充电率和所述全固体电池模块的温度中的至少任一方的值，对所述变温机构进行控制。

Description

全固体电池单元
技术领域
本发明涉及具有将多个全固体电池单体层叠而成的全固体电池模块的全固体电池单元。
背景技术
以往，在EV(Electric Vehicle：电动汽车)及HEV(HybridElectrical Vehicle：混合动力汽车)等车辆中搭载有向马达等供给电力的蓄电器。通常在蓄电器中设置有多个二次电池。
作为搭载于EV或HEV的二次电池，一直以来广泛使用锂离子电池(LIB)，但锂离子电池有可能因电解液的性质而引起过热或起火等。因此，与以往的锂离子电池相比，具备安全性高、能够使用的温度范围宽、充电时间短等的特性的全固体电池受到关注。
在全固体电池中，作为全固体电池的制造方法，例如通常通过对含有正极固体电解质和正极合剂的正极层叠体与含有负极固体电解质和负极合剂的负极层叠体进行加压接合而形成为一体。这样的全固体电池通过使用固体电解质，过热或起火等的可能性低，具有高安全性。
但是，另一方面，全固体电池为了维持适当的输出特性、填充特性，维持通过适当范围的面压使正极层叠体与负极层叠体接合的状态是重要的。例如，在日本特开2019-128979号(以下，专利文献1)中，公开了一种使用弹性体向层叠有多个单电池的层叠体施加约束载荷的结构的电池模块。在日本特开2019-128980号(以下，专利文献2)中，公开了一种针对层叠有多个单电池的层叠体能够使用压力调整部件来调整约束载荷的结构的电池模块。
发明内容
但是，专利文献1、专利文献2所公开的电池模块与单电池的层叠体的膨胀、收缩对应地维持约束力。另一方面，由于全固体电池的充放电特性容易根据温度、充电率(SOC)等而变化，因此，谋求一种能够与这样的充电率、温度的变动对应地使充放电特性稳定而实现能量效率的改善的全固体电池。
本发明的方案是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种能够与全固体电池模块的充电率、温度的变动对应地使充放电特性稳定而实现能量效率的改善的全固体电池单元。
为了解决上述课题而实现上述目的，本发明采用了以下方案。
(1)：本发明的一个方案的全固体电池单元具有：全固体电池模块，其通过多个全固体电池单体层叠而成；变温机构，其对所述全固体电池模块进行加热或冷却；以及控制机构，其对所述变温机构进行控制，所述控制机构根据所述全固体电池模块的充电率和所述全固体电池模块的温度中的至少一方的值，对所述变温机构进行控制。
根据上述方案(1)，即便全固体电池模块的充电率降低，也能够通过变温机构对全固体电池模块进行加热，由此实现充放电特性始终稳定的全固体电池单元。
(2)：在上述方案(1)中，也可以是，所述控制机构进行如下控制：与所述全固体电池模块的充电率的降低对应地通过所述变温机构使所述全固体电池模块的温度上升。
(3)：在上述方案(1)或(2)中，也可以是，在所述全固体电池模块中，与所述全固体电池单体相接地形成有由热膨胀性材料构成的面压增加部件。
(4)：在上述方案(1)至(3)中的任一个方案中，也可以是，所述控制机构具有对所述全固体电池模块的温度进行检测的温度传感器。
(5)：在上述方案(1)至(4)中的任一个方案中，也可以是，所述控制机构还根据向所述全固体电池单体施加的载荷的值，对所述变温机构进行控制。
(6)：在上述方案(1)至(5)中的任一个方案中，也可以是，所述变温机构是加热器。
根据本发明的方案，能够提供能够与全固体电池模块的温度或充电率的变动对应地使充放电特性稳定而实现能量效率的改善的全固体电池单元。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的全固体电池单元的示意性剖视图。
图2是表示全固体电池单体的厚度与充电率(SOC)之间的关系的曲线图。
图3是表示全固体电池单体的内部电阻与面压(向全固体电池单体施加的载荷)之间的关系的曲线图。
图4是表示全固体电池单体的内部电阻与温度之间的关系的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式的全固体电池单元进行说明。以下所示的实施方式是为了更好地理解发明的主旨而具体说明的实施方式，只要没有特别指定，就不限定本发明。以下的说明中使用的附图为了方便，有时放大表示成为主要部分的部分，以便容易理解本发明的特征，各构成要素的尺寸比率等不一定与实际相同。
对本发明的一个实施方式的全固体电池单元的结构例进行说明。
图1是表示本发明的一个实施方式的全固体电池单元的示意性剖视图。
本实施方式的全固体电池单元10具有将多个全固体电池单体11、11……层叠而成的全固体电池模块12、变温机构13、控制机构14以及面压增加部件17。
全固体电池单体11只要是与公知的全固体电池单体相同的结构即可，例如，只要由对正极层叠体与负极层叠体进行加压接合而得到的结构构成即可，该正极层叠体通过对正极层的正极合剂层与正极固体电解质层进行加压接合而成，该负极层叠体通过对负极层的负极合剂层与负极固体电解质层进行加压接合而成。
全固体电池模块12由多个上述全固体电池单体11层叠而成，在本实施方式中，由隔着后述的面压增加部件17而形成在一侧的第一全固体电池模块12A和形成在另一侧的第二全固体电池模块12B构成。
这样的第一全固体电池模块12A、第二全固体电池模块12B由彼此相同数量的全固体电池单体11、11……以成为对称形状的方式层叠而成。在全固体电池模块12中，全固体电池单体11、11……的层叠方向的上下端部由框架部件18以规定的约束力夹持。这多个全固体电池单体11、11……以相互串联及/或并联的方式电连接。全固体电池模块12例如只要收纳在隔热性的框体19内即可。
变温机构13具有与全固体电池模块12接近配置的加热器21。在本实施方式中，与第一全固体电池模块12A及第二全固体电池模块12B的每个接近地分别配置有加热器21a、21b。这样的加热器21能够对全固体电池模块12进行加热而使其升温。
全固体电池模块12通过加热器21进行加热而升温，由此，与升温前相比，各个全固体电池单体11、11……发生膨胀。由此，向全固体电池单体11分别施加的载荷(面压)增加。当向全固体电池单体11施加的载荷(面压)增加时，内部电阻降低。因此，全固体电池模块12在通过加热器21进行加热而升温时，能够使各个全固体电池单体11、11……的内部电阻降低。
构成变温机构13的加热器21能够配置在全固体电池模块12的任意位置，其配置位置不受限定。例如，能够将片状的加热器以夹在全固体电池单体11、11彼此之间的形式形成，或者也能够形成于全固体电池模块12的上表面或下表面。
这样的加热器21的动作电力可以为使用全固体电池模块12的输出电力的结构，也可以为从外部供给电力的结构。
作为变温机构13，除了本实施方式这样的加热器21以外，例如也能够使用珀耳帖元件等。如果将珀耳帖元件用作变温机构13，则还能够对全固体电池模块12进行冷却而使其降温。
控制机构14具有由控制变温机构13的动作的接口电路等构成的控制电路部31、对全固体电池模块12的温度进行检测并输出到控制电路部31的温度传感器32、以及对全固体电池模块12的充电率(SOC)进行检测并输出到控制电路部31的SOC检测电路33。
温度传感器32例如只要形成在与全固体电池模块12相接的位置即可。也可以采用将温度传感器32形成于全固体电池模块12的多个位置而能够检测温度分布的结构。
SOC检测电路33例如只要是输出电压计即可。能够根据全固体电池模块12的开路电压(OCV)的变化来计算充电率(SOC)。
控制电路部31根据由温度传感器32和SOC检测电路33检测到的全固体电池模块12的充电率(SOC)、温度，对变温机构13进行控制，使全固体电池模块12的温度变化，在本实施方式中，通过加热器21而升温。
在本实施方式中，面压增加部件17配置在构成全固体电池模块12的第一全固体电池模块12A与第二全固体电池模块12B之间。面压增加部件17由其体积根据周围温度的上升而增加的热膨胀性材料构成。作为热膨胀性材料，例如能够使用树脂材料。
在全固体电池模块12通过构成变温机构13的加热器21而升温时，这样的面压增加部件17的体积通过热膨胀而增加。然后，随着面压增加部件17的体积增加，向与该面压增加部件17相接而层叠的全固体电池单体11、11……施加的载荷(面压)增加，内部电阻降低。
对以上结构的本实施方式的全固体电池单元10的作用进行说明。
在全固体电池单体11中，充电率(SOC)越大，则各个全固体电池单体11的厚度越增大(例如，图2的曲线图)。即，在从高充电率(例如100％)的状态取出电力(放电)而充电率降低时，各个全固体电池单体11的厚度减少。
在全固体电池模块12中，由于全固体电池单体11、11……的层叠方向的上下端部由框架部件18以规定的约束力夹持，因此当各个全固体电池单体11的厚度减少时，向全固体电池单体11施加的载荷(面压)降低。由此，全固体电池单体11的内部电阻提高，放电效率降低(例如，图3的曲线图)。全固体电池单体11的温度越低，则全固体电池单体11的内部电阻越增加(例如，图4的曲线图)。
因此，在本实施方式中，构成控制机构14的控制电路部31控制向全固体电池单体11施加的载荷，使得全固体电池模块12的内部电阻成为最小。
具体而言，例如，针对全固体电池模块12的充电率(SOC)设定任意的阈值，以该阈值为边界而设定SOC(少：小于SOC50％)和SOC(大：SOC50％以上)这两个状态。针对全固体电池模块12的温度也设定任意的阈值，以该阈值为边界而设定温度(低：小于30℃)和温度(高：30℃以上)这两个状态。
然后，控制机构14在通过SOC检测电路33得到的充电率(二值)成为SOC(少)时，参照温度传感器32的输出值，如果是温度(低)，则使作为变温机构13的加热器21动作，对全固体电池单体11、11……进行加热而使温度上升，直至成为温度(高)的状态。
通过这样的利用加热器21进行的加热，全固体电池单体11的内部电阻降低。其结果是，即便因放电而全固体电池模块12的充电率(SOC)降低从而向全固体电池单体11施加的载荷(面压)降低，也能够抑制全固体电池单体11的内部电阻的增加，使充放电特性始终稳定。
如以上那样，根据本发明的一个实施方式的全固体电池单元10，即便全固体电池模块12的充电率(SOC)降低，也能够通过加热器21对全固体电池模块12进行加热，由此实现充放电特性始终稳定的全固体电池单元10。
在上述实施方式中，对全固体电池模块12的充电率(SOC)和温度的双方进行检测，来控制向全固体电池单体11施加的载荷，但也可以构成为，仅通过全固体电池模块12的温度或充电率(SOC)中的任一方来控制全固体电池单体11的温度，使内部电阻始终成为最小。
在上述实施方式中，为了简化控制电路部31的结构，无论在全固体电池模块12的充电率(SOC)和温度中的哪一方，都将设定的一个阈值设为边界而以二值进行控制，但也能够设定多个阈值，以多值进行控制，或者以连续的值进行控制。
在上述实施方式中，为了简化控制电路部31的结构，无论在全固体电池模块12的充电率(SOC)和温度中的哪一方，都将设定的一个阈值设为边界而以二值进行控制，但也能够设定多个阈值，以多值进行控制，或者以连续的值进行控制。
作为其他实施方式，也可以构成为，作为由控制机构14控制的变温机构13的控制值，除了参照上述的全固体电池模块的充电率和全固体电池模块的温度中的至少任一方的值之外，还参照向多个全固体电池单体11、11……施加的载荷(单体载荷)的值。
温度越高则全固体电池单体11的单体电阻越降低，因此，成为全固体电池单体11的内部电阻的最优值＝SOC×温度×单体载荷。因此，例如，与全固体电池模块12相接地进一步形成检测向全固体电池单体11施加的载荷的压力传感器，对SOC、温度、单体载荷进行监视，计算全固体电池单体11的最优载荷。然后，基于这样的全固体电池单体11的最优载荷，对变温机构13进行控制，由此，能够使各个全固体电池单体11、11……的内部电阻成为最优的状态。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但这样的实施方式是作为例子而提示的，并不意图对发明的范围进行限定。这样的实施方式能够以其他各种方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨内，并且包含在权利要求所记载的发明和与其等同的范围内。
产业上的可利用性
本发明的全固体电池单元根据全固体电池模块的充电率(SOC)或温度的各个状态，对全固体电池单体的内部电阻进行控制，使得充电时的充电特性和放电时的放电特性成为最大，由此，即便充电率变化(降低)，也能够实现充放电特性始终稳定的全固体电池单元。这样的全固体电池单元在用作EV或HEV等车辆的二次电池时，能够改善能量效率。因此，具有产业上的可利用性。

Claims (6)

1.一种全固体电池单元，其特征在于，
所述全固体电池单元具有：
全固体电池模块，其通过多个全固体电池单体层叠而成；
变温机构，其对所述全固体电池模块进行加热或冷却；以及
控制机构，其对所述变温机构进行控制，
所述控制机构根据所述全固体电池模块的充电率和所述全固体电池模块的温度中的至少一方的值，对所述变温机构进行控制。
2.根据权利要求1所述的全固体电池单元，其特征在于，
所述控制机构进行如下控制：与所述全固体电池模块的充电率的降低对应地通过所述变温机构使所述全固体电池模块的温度上升。
3.根据权利要求1所述的全固体电池单元，其特征在于，
在所述全固体电池模块中，与所述全固体电池单体相接地形成有由热膨胀性材料构成的面压增加部件。
4.根据权利要求1所述的全固体电池单元，其特征在于，
所述控制机构具有对所述全固体电池模块的温度进行检测的温度传感器。
5.根据权利要求1所述的全固体电池单元，其特征在于，
所述控制机构还根据向所述全固体电池单体施加的载荷的值，对所述变温机构进行控制。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的全固体电池单元，其特征在于，
所述变温机构是加热器。
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