JP2007048662A - 補助電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 十分に小型化が可能でありながら、携帯機器の専用充電器を用いて充電しても容量の劣化を十分に抑制できる安全な補助電源装置を提供する。
【解決手段】 本発明の補助電源装置100は、補助用リチウムイオン二次電池20と、補助用リチウムイオン二次電池20と接続され外部の充電器200から電力を受け入れる充電用コネクタ40と、補助用リチウムイオン二次電池20と接続され補助用リチウムイオン二次電池20の電力を外部の携帯機器1に供給する供給用コネクタ50と、を備え、補助用リチウムイオン二次電池20は正極活物質層及び負極活物質層の厚みがそれぞれ10〜40μmである。
【選択図】 図1
【解決手段】 本発明の補助電源装置100は、補助用リチウムイオン二次電池20と、補助用リチウムイオン二次電池20と接続され外部の充電器200から電力を受け入れる充電用コネクタ40と、補助用リチウムイオン二次電池20と接続され補助用リチウムイオン二次電池20の電力を外部の携帯機器1に供給する供給用コネクタ50と、を備え、補助用リチウムイオン二次電池20は正極活物質層及び負極活物質層の厚みがそれぞれ10〜40μmである。
【選択図】 図1
Description
本発明は、補助電源装置に関する。
近年のリチウムイオン二次電池の高機能化により、リチウムイオン二次電池により駆動される携帯電話、PDA、ノート型PC等の様々な携帯機器の需要が拡大している。このような携帯機器のメイン用リチウムイオン二次電池を充電するには、通常、各携帯機器のメイン用リチウムイオン二次電池専用の充電器と携帯機器とを互いに接続するとともに、この充電器をAC電源により駆動する必要がある。しかしながら、出先でこのような充電を行うことは通常困難である。したがって、出先で携帯機器に簡易に電力を供給できる補助電源装置が求められている。
そして、例えば、特許文献1に開示されているように、補助用リチウム二次電池に、この補助用チウム二次電池を充電するための充電用コネクタと、補助用リチウム二次電池の電力を携帯機器に供給するための供給用コネクタとを備えた補助電源装置が知られている。このような補助電源装置では、補助電源装置の補助用リチウムイオン二次電池から携帯機器に電力を供給可能である一方、補助電源装置の補助用リチウムイオン二次電池自体を外部の充電器により充電することにより、補助電源装置の繰返し利用が可能となっている。
特開2004−111227号公報
しかしながら、補助電源装置は携帯機器にも増して小型化が要請されるため、補助電源装置の補助用リチウムイオン二次電池の定格容量Csは、携帯機器に内蔵されるメイン用リチウムイオン二次電池の定格容量Cmよりも小さくなるものと考えられる。
そして、このような補助電源装置の補助用リチウムイオン二次電池を、メイン用リチウムイオン二次電池用の充電器で充電しようとすると、以下のような問題が発生する。すなわち、この充電器は定格容量の大きなメイン用リチウムイオン二次電池の充電に最適化されており、例えば、メイン用リチウムイオン二次電池の定格容量Cmに対して最大1Cmの電流が流れるように設定されている。そして、この充電器で定格容量Cmよりも定格容量の小さな補助用リチウムイオン二次電池を充電すると、補助用リチウムイオン二次電池にはこの補助用リチウムイオン二次電池に対して不適切な大電流が流れることとなる。
このため、上述の補助電源装置において、充電時に負極に金属リチウムが析出しやすくなり、繰返して使用すると補助電源装置の容量の劣化が著しくなる上、安全性にも問題を生じる。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、十分に小型化が可能でありながら、携帯機器の専用充電器を用いて充電しても容量の劣化を十分に抑制できるより安全な補助電源装置を提供することを目的とする。
本発明者らが鋭意検討した結果、補助電源装置のリチウムイオン二次電池における負極活物質層及び正極活物質の厚みを従来よりも薄く、すなわち、10〜40μmとすると、大電流での充電を繰り替えしても容量の劣化を十分に抑制できることを見出して本発明に想到した。
本発明に係る補助電源装置は、補助用リチウムイオン二次電池と、補助用リチウムイオン二次電池と接続され、外部の充電器から電力を受け入れる充電用コネクタと、補助用リチウムイオン二次電池と接続され、補助用リチウムイオン二次電池の電力を外部の携帯機器に供給する供給用コネクタと、を備える。補助用リチウムイオン二次電池は、正極活物質層及び負極活物質層及び電解液を有し、正極活物質層及び負極活物質層の厚みがそれぞれ10〜40μmである。
ここで、携帯機器はメイン用リチウムイオン二次電池を有するものであり、充電器はメイン用リチウムイオン二次電池用の充電器であり、補助用リチウムイオン二次電池の定格容量は、メイン用リチウムイオン二次電池の定格容量の1/3以下であることが好ましい。このような場合に、特に、メイン用リチウムイオン二次電池用の充電器で補助電源装置の補助用リチウムイオン二次電池を充電した場合でも、充放電サイクルの経過に伴う容量劣化を極めて十分に抑制できる。
また、補助用リチウムイオン二次電池を収容する箱型形状の筐体をさらに備え、充電用コネクタ及び供給用コネクタは筐体の側面に配置されると共に、充電用コネクタ及び供給用コネクタは筐体を挟んで互いに反対側に配置されていることが好ましい。
これにより、薄型かつコンパクトな補助電源装置を十分に実現できる。
本発明によれば、十分に小型化が可能でありながら、携帯機器の専用充電器を用いて充電しても容量の劣化を十分に抑制できるより安全な補助電源装置が実現できる。
まず、本発明の補助電源装置を用いた携帯機器電力供給システムについて図1を参照して説明する。
本システムは、メイン用リチウムイオン二次電池2を有する携帯電話(携帯機器)1と、携帯電話1に対して補助用電力を供給する補助電源装置100と、携帯電話1のメイン用リチウムイオン二次電池2を好適に充電できるように設定された充電器200とを備える。
携帯電話1は、携帯電話1を駆動するためのメイン用リチウムイオン二次電池2と、このメイン用リチウムイオン二次電池2を充電するためのコネクタ3とを備えている。また、この携帯電話1は、携帯電話としての機能を発揮させるために必要な制御コンピュータ4に加え、図示は省略するが、ディスプレイ、キーボード、マイク、スピーカ、充電制御回路等を備えている。
メイン用リチウムイオン二次電池2は特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池を採用できる。
また、充電器200は、交流アウトレットACに接続するためのプラグ70と、AC電圧をDCに変換すると共に携帯電話1のメイン用リチウムイオン二次電池2を好適に充電すべく電流及び電圧を制御する充電制御回路72、携帯電話1のコネクタ3と接続可能なコネクタ75を備えている。
充電制御回路72は、いわゆる、定電流−定電圧充電を行うものであり、電圧が4.2Vに達するまではメイン用リチウムイオン二次電池2に流れる電流が、メイン用リチウムイオン二次電池の定格容量Cm[Ah]に対して1Cm[A]となるように制御し、電圧が4.2Vに達した後は電圧を4.2Vで一定となるように制御する。これにより、メイン用リチウムイオン二次電池2に対して、短時間でかつ容量を劣化させずに充電ができる。例えば、定格容量Cが1350mAhの電池に対する1Cの電流とはは1.35Aに相当する。
このように、充電器200は、携帯電話1のメイン用リチウムイオン二次電池2の充電用に最適化されているものである。
コネクタ75は、携帯電話1のコネクタ3と接続可能となっており、これによりメイン用リチウムイオン二次電池2の充電が可能となっている。
そして、本実施形態にかかる補助電源装置100は、筐体10、充電用コネクタ40、供給用コネクタ50、補助用リチウムイオン二次電池20、及び、充電放電制御回路30を主として有している。
充電用コネクタ40は、充電器200のコネクタ75と接続可能となっている。また、供給用コネクタ50は、携帯電話1のコネクタ3と接続可能となっている。
筐体10は、プラスチックや金属製であり、補助用リチウムイオン二次電池20及び充電放電制御回路30を内部に収容している。筐体10は中空箱形状をなしており、充電用コネクタ40は筐体10の側面10a上に配置されると共に、供給用コネクタ50は筐体10の側面10b上に配置されている。すなわち、充電用コネクタ40及び供給用コネクタ50は筐体10を挟んで互いに反対側に配置されている。これにより、薄型かつコンパクトな補助電源装置100が実現できる。
なお、コネクタ40,50の形状等は特に限定されず、携帯電話1のコネクタ3及び充電器のコネクタ75に応じて変形可能である。
続いて、補助電源装置100の回路図について図2を参照して説明する。
供給用コネクタ50は、端子52及び端子53を有する。充電用コネクタ40は、端子42及び端子43を有する。
補助用リチウムイオン二次電池20の負極20−と端子53とはラインL0により電気的に接続されている。さらに、負極20−と端子43とは、ラインL0及びラインL0から分岐するラインL3により電気的に接続されている。
一方、補助用リチウムイオン二次電池20の正極20+と端子52とは、ラインL1を介して電気的に接続されている。ラインL1には、温度ヒューズ25及び充電放電制御回路30が直列に接続されている。充電放電制御回路30には、ラインL3から分岐するラインL4も接続されている。また、正極20+と端子42とは、ラインL1及びラインL1から分岐するラインL5により電気的に接続されており、正極20+と端子42とは、充電放電制御回路30及び温度ヒューズ25を介して電気的に接続されている。ラインL5には、さらに、端子42から正極20+に向かってのみ電流を流すべくダイオード9が接続されている。
充電放電制御回路30は、補助用リチウムイオン二次電池20からの過放電を防止すべく、補助用リチウムイオン二次電池20の電圧が所定の最低しきい値を下回ったら回路を遮断して放電を中止させると共に、補助用リチウムイオン二次電池20への過充電を防止すべく補助用リチウムイオン二次電池20の電圧が所定の最大しきい値を上回ったら回路を遮断して充電を中止させるものである。
また、温度ヒューズ25は、所定の高温、例えば、90℃になったら、ラインL1を遮断するものである。
続いて、補助用リチウムイオン二次電池20の実施形態について詳細に説明する。
図3は補助用リチウムイオン二次電池20を示す部分破断斜視図である。また図4は、図3の積層構造体185、リード112及びリード122のZX断面矢視図である。
本実施形態に係る補助用リチウムイオン二次電池20は、図3及び図4に示すように、主として、積層構造体185と、積層構造体185を密閉した状態で収容するケース(外装体)150と、積層構造体185とケース150の外部とを接続するためのリード112及びリード122とから構成されている。積層構造体185は、上から順に、正極集電体115、二次電池要素161、負極集電体116、二次電池要素162、正極集電体115、二次電池要素163、負極集電体116、二次電池要素164、及び、正極集電体115を有し、それぞれ板状を呈している。
(二次電池要素)
二次電池要素161,162,163,164は、図4に示すように、それぞれ、互いに対向する板状の正極活物質層110及び板状の負極活物質層120と、正極活物質層110と負極活物質層120との間に隣接して配置される板状の電気絶縁性のセパレータ140と、電解質を含み正極活物質層110、負極活物質層120、及び、セパレータ140中に含有された電解液(図示せず)と、から各々構成されている。
二次電池要素161,162,163,164は、図4に示すように、それぞれ、互いに対向する板状の正極活物質層110及び板状の負極活物質層120と、正極活物質層110と負極活物質層120との間に隣接して配置される板状の電気絶縁性のセパレータ140と、電解質を含み正極活物質層110、負極活物質層120、及び、セパレータ140中に含有された電解液(図示せず)と、から各々構成されている。
ここで、各二次電池要素161〜164の負極活物質層120は負極集電体116の表面上に形成され、各二次電池要素161〜164の正極活物質層110は正極集電体115の表面上にそれぞれ形成されている。
(負極活物質層)
負極活物質層120は、負極活物質、導電助剤、結着剤等を含む層である。以下負極活物質層120について説明する。
負極活物質層120は、負極活物質、導電助剤、結着剤等を含む層である。以下負極活物質層120について説明する。
負極活物質は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入、又は、リチウムイオンと、そのリチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、ClO4 −)とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることができれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池要素に用いられているものと同様の材料を使用することができる。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、メソカーボンファイバー(MCF)、コークス類、ガラス状炭素、有機化合物焼成体等の炭素材料、Al、Si、Sn等のリチウムと化合することができる金属、SiO2、SnO2等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、等が挙げられる。
本実施形態においては、特に、負極活物質層120の厚みが10〜40μmであることが必要である。また、負極活物質層120における負極活物質の担持量は、2.0〜5.0mg/cm2であることが好ましい。ここで、担持量とは、負極集電体116の表面単位面積あたりの負極活物質の重量である。
導電助剤は、負極活物質層120の導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラック類、炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。
結着剤は、上記の負極活物質の粒子と導電助剤の粒子とを負極集電体116に結着することができれば特に限定されず、公知の結着剤を使用できる。例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビ
ニルエーテル共重合体(PEA)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、
ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共
重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂及びスチレン−ブタジエンゴム(SBR)等が挙げられる。
ニルエーテル共重合体(PEA)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、
ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共
重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂及びスチレン−ブタジエンゴム(SBR)等が挙げられる。
負極活物質層120と結着する負極集電体116の材料はリチウムイオン二次電池の負極活物質層用集電体として通常用いられる金属材料であれば特に限定されず、例えば、銅やニッケル等が挙げられる。負極集電体116の端には、図3及び図4に示すように、各集電体がそれぞれ外側に向かって延びてなる舌状部116aが形成されている。
(正極活物質層)
正極活物質層110は、正極活物質、導電助剤、結着剤等を含む層である。以下正極活物質層110について説明する。
正極活物質層110は、正極活物質、導電助剤、結着剤等を含む層である。以下正極活物質層110について説明する。
正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、リチウムイオンと、そのリチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、ClO4 −)とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNixCoyMnzO2(x+y+z=1)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV2O5)、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn又はFeを示す)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)等の複合金属酸化物が挙げられる。
ここで、本実施形態においては、特に、正極活物質層110の厚みが10〜40μmであることが必要である。また、正極活物質層110における正極活物質の担持量は、負極活物質層120の負極活物質の担持量に対応して任意好適に設定できるが、例えば、3.0〜10.0mg/cm2であることが好ましい。
正極活物質層110に含まれる正極活物質以外の各構成要素は、負極活物質層120を構成するものと同様の物質を使用することができる。また、正極活物質層110においても、負極活物質層120と同様の導電助剤を含有させることが好ましい。
正極活物質層110と結着する正極集電体115はリチウムイオン二次電池の正極活物質層用集電体として通常用いられる金属材料であれば特に限定されず、例えばアルミニウム等が挙げられる。正極集電体115の端には、図3及び図4に示すように、各集電体がそれぞれ外側に向かって延びてなる舌状部115aが形成されている。
(セパレータ)
負極活物質層120と正極活物質層110との間に配置されるセパレータ140は、電気絶縁性の多孔体から形成されている。セパレータ140の材料は特に限定されず、公知のセパレータ材料を使用することができる。例えば、電気絶縁性の多孔体としては、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、或いは、セルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも1種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。
負極活物質層120と正極活物質層110との間に配置されるセパレータ140は、電気絶縁性の多孔体から形成されている。セパレータ140の材料は特に限定されず、公知のセパレータ材料を使用することができる。例えば、電気絶縁性の多孔体としては、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、或いは、セルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも1種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。
ここで、図4に示すように、各二次電池要素161〜164について、セパレータ140、負極活物質層120、正極活物質層110の順に面積が小さくなっており、負極活物質層120の端面は正極活物質層110の端面よりも外側に突出し、セパレータ140の端面は負極活物質層120及び正極活物質層110の端面よりも外側に突出するようになっている。
これによって、製造時の誤差等によって、各層が積層方向と交差する方向に多少位置ずれを起こした場合でも、各二次電池要素161〜164において、正極活物質層110の全面を負極活物質層120に対向させることが容易となる。従って、正極活物質層110から放出されたリチウムイオンがセパレータ140を介して負極活物質層120に十分に取り込まれる。リチウムイオンが負極活物質層120に十分に取り込まれない場合には、負極活物質層120に取り込まれなかったリチウムイオンが析出して電気エネルギーのキャリアが減少するため、電池のエネルギー容量が劣化する場合がある。さらに、セパレータ140が正極活物質層110や負極活物質層120より大きく、正極活物質層110や負極活物質層120の端面から突出しているので、正極活物質層110と負極活物質層120とが接触することによる短絡も低減されている。
(電解液)
電解液は、負極活物質層120及び正極活物質層110、及びセパレータ140の孔の内部に含有されている。電解液は、特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池要素に用いられている、リチウム塩を含む電解液(電解質水溶液、有機溶媒を使用する電解液)を使用することができる。ただし、電解質水溶液は電気化学的に分解電圧が低いことにより、充電時の耐用電圧が低く制限されるので、有機溶媒を使用する電解液(非水電解液)であることが好ましい。二次電池要素の電解液としては、リチウム塩を非水溶媒(有機溶媒)に溶解したものが好適に使用される。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiCF3、CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(CF3CF2CO)2等の塩が使用される。なお、これらの塩は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
電解液は、負極活物質層120及び正極活物質層110、及びセパレータ140の孔の内部に含有されている。電解液は、特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池要素に用いられている、リチウム塩を含む電解液(電解質水溶液、有機溶媒を使用する電解液)を使用することができる。ただし、電解質水溶液は電気化学的に分解電圧が低いことにより、充電時の耐用電圧が低く制限されるので、有機溶媒を使用する電解液(非水電解液)であることが好ましい。二次電池要素の電解液としては、リチウム塩を非水溶媒(有機溶媒)に溶解したものが好適に使用される。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiCF3、CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(CF3CF2CO)2等の塩が使用される。なお、これらの塩は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
また、有機溶媒としては、公知の二次電池要素に使用されている溶媒を使用することができる。例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、及び、ジエチルカーボネート等が好ましく挙げられる。これらは単独で使用してもよく、2種以上を任意の割合で混合して使用してもよい。
なお、本実施形態において、電解液は液状以外にゲル化剤を添加することにより得られるゲル状電解質であってもよい。また、電解液に代えて、固体電解質(固体高分子電解質又はイオン伝導性無機材料からなる電解質)が含有されていてもよい。
(リード)
リード112及びリード122は、図3に示すように、リボン状の外形を呈してケース150内からシール部150cを通って外部に突出している。
リード112及びリード122は、図3に示すように、リボン状の外形を呈してケース150内からシール部150cを通って外部に突出している。
リード112は、金属等の導体材料より形成されている。この導体材料としては、例えば、アルミニウム等を採用することができる。リード112のケース150内の端部は、図3に示すように、各正極集電体115,115,115の各舌状部115a、115a,115aと抵抗溶接等によって接合されており、リード112は各正極集電体115を介して各正極活物質層110と電気的に接続されている。
一方、リード122も、金属等の導体材料より形成されている。この導体材料としては、例えば、銅やニッケル等の導電材料を利用できる。リード122のケース150内の端部は、負極集電体116,116の舌状部116a、116aと溶接されており、リード122は各負極集電体116を介して各負極活物質層120に電気的に接続されている。
また、リード112、122においてケース150のシール部150cに挟まれる部分は、図3及び図4に示すように、シール性を高めるべく、樹脂等の絶縁体114によって被覆されている。絶縁体114の材質は特に限定されないが、例えば、それぞれ合成樹脂から形成されていることが好ましい。リード112とリード122とは積層構造体185の積層方向と直交する方向に離間している。
なお、本実施形態においては、リード112及びリード122が、それぞれ、正極20+及び負極20−に対応する。
(ケース)
ケース150は、積層構造体185を密封し、ケース内部へ空気や水分が進入するのを防止できるものであれば特に限定されず、公知の二次電池要素に用いられているケースを使用することができる。例えば、エポキシ樹脂等の合成樹脂や、アルミニウム等の金属シートを樹脂ラミネートしたものを使用することができる。ケース150は図3に示すように、矩形状の可撓性のシート151Cを長手方向の略中央部で2つ折りにして形成したものであり、積層構造体185を積層方向(上下方向)の両側から挟み込んでいる。2つ折りにされたシート151Cの端部のうち、折り返し部分150aを除く3辺のシール部150b、150b、150cがヒートシール又は接着剤により接着されており、積層構造体185が内部に密封されている。また、ケース150は、シール部150cにおいて絶縁体114と接着することによりリード112,122をシールしている。
ケース150は、積層構造体185を密封し、ケース内部へ空気や水分が進入するのを防止できるものであれば特に限定されず、公知の二次電池要素に用いられているケースを使用することができる。例えば、エポキシ樹脂等の合成樹脂や、アルミニウム等の金属シートを樹脂ラミネートしたものを使用することができる。ケース150は図3に示すように、矩形状の可撓性のシート151Cを長手方向の略中央部で2つ折りにして形成したものであり、積層構造体185を積層方向(上下方向)の両側から挟み込んでいる。2つ折りにされたシート151Cの端部のうち、折り返し部分150aを除く3辺のシール部150b、150b、150cがヒートシール又は接着剤により接着されており、積層構造体185が内部に密封されている。また、ケース150は、シール部150cにおいて絶縁体114と接着することによりリード112,122をシールしている。
なお、このような補助電源装置100及び補助用リチウムイオン二次電池20は、携帯電話1に比べて十分小さいことが要求されるため、補助用リチウムイオン二次電池20の定格容量Csは、携帯電話1のメイン用リチウムイオン二次電池2の定格容量Cmよりも小さいことが好ましく、特にメイン用リチウムイオン二次電池2の定格容量Cmの1/3以下となることが好ましい。
続いて、図1を参照して、このような補助電源装置100の使用方法について説明する。
予め、プラグ70を交流アウトレットACに接続すると共に、充電器200のコネクタ75を補助電源装置100の充電用コネクタ40と接続し、補助用リチウムイオン二次電池20の充電を行う。充電完了後、コネクタ75と充電用コネクタ40とを分離し、携帯電話1と共に補助電源装置100を携帯する。
そして、携帯電話1を使用することにより、携帯電話1のメイン用リチウムイオン二次電池2の容量が少なくなってきた場合等に、補助電源装置100の供給用コネクタ50を、携帯電話1のコネクタ3と接続する。これにより、補助電源装置100の補助用リチウムイオン二次電池20からの電力により、携帯電話1をメイン用リチウムイオン二次電池2ののみの場合よりも長時間駆動することができる。
そして、補助電源装置100の使用後に、補助電源装置100を、携帯電話1から切り離し、再び、充電用コネクタ40を、充電器200のコネクタ75と接続し、補助電源装置100の補助用リチウムイオン二次電池20を充電すればよい。なお、充電器200のコネクタ75と補助電源装置100の充電用コネクタ40とを接続すると共に、補助電源装置100の供給用コネクタ50と携帯電話1のコネクタ3とを接続して、メイン用リチウムイオン二次電池2及び補助用リチウムイオン二次電池20を同時に充電することも可能である。
そして、本実施形態に係る補助電源装置100によれば、補助用リチウムイオン二次電池20は正極活物質層110及び負極活物質層120の厚みがそれぞれ10〜40μmとされているので、メイン用リチウムイオン二次電池2の充電用の充電器200を用いても充放電サイクル経過後の補助用リチウムイオン二次電池20の容量劣化が起こりにくい。
くわしくは、メイン用リチウムイオン二次電池2の充電器200の充電制御回路72は、充電対象となるメイン用リチウムイオン二次電池2の定格容量Cmに応じた電流値、例えば、1Cmで充電を行うように設定されていることが多い。ところが、この充電器200で補助電源装置100の補助用リチウムイオン二次電池20を充電しようとすると、この補助用リチウムイオン二次電池20の定格容量Csはメイン用リチウムイオン二次電池2の定格容量Cmよりも小さいことから、補助用リチウムイオン二次電池20の定格容量に対する1Csよりも極めて大きな電流が流れる。そして、従来のリチウムイオン二次電池では、このような大電流での充電を行うと電極への金属リチウムの析出等が起りやすく、充放電サイクル経過後の容量の劣化が著しくなる等の問題があった。
しかしながら、本実施形態のように、正極活物質層110及び負極活物質層120の厚みが従来に比して薄い10〜40μmとされているので、メイン用リチウムイオン二次電池2用の充電器200を用いて充電しても、容量の劣化が極めて抑制される。
このような効果が得られる理由は例えば以下のように考えられる。正極活物質層110及び負極活物質層120の厚みが従来に比べて薄くなると、従来に比して各活物質層と電解液との界面の面積が実質的に広げられる。これによって、正極活物質層110や負極活物質層120内でのLiの濃度分極が低減されるため、負極活物質層120上にリチウムイオンのデンドライト析出が起こりにくくなる。
このような補助用リチウムイオン二次電池20に対しては、補助用リチウムイオン二次電池20の定格容量Csに対して9Cs以上に相当する電流を供給する充電器での充電も十分に可能である。
なお、負極活物質層120や正極活物質層110の厚みを10μm未満とすると、電池の積層数や捲回数が増え、電池のコストアップに繋がってしまう。
(製造方法)
次に、上述した補助用リチウムイオン二次電池20の作製方法の一例について説明する。
次に、上述した補助用リチウムイオン二次電池20の作製方法の一例について説明する。
まず、負極活物質層120及び正極活物質層110となる電極層を形成するための構成材料を含む塗布液(スラリー)を各々調整する。負極活物質層用塗布液は、前述の負極活物質、導電助剤、結着剤等を有する溶剤であり、正極活物質層用塗布液は、前述の正極活物質、導電助剤、結着剤等を有する溶剤である。塗布液に用いる溶媒としては、結着剤を溶解可能とし、活物質及び導電助剤を分散可能とするものであれば特に限定されるものではない。例えば、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド等を用いることができる。
次に、アルミニウム等の正極集電体115、及び、銅やニッケル等の負極集電体116を用意する。そして、図4に示すように、正極集電体115の表面に正極活物質層用塗布液を塗布し乾燥させて正極活物質層110を形成する。また、負極集電体116の表面に負極活物質層用塗布液を塗布し乾燥させて表面に負極活物質層120を形成する。
ここで、集電体に塗布液を塗布する際の手法は特に限定されるものではなく、集電体用金属板の材質や形状等に応じて適宜決定すればよい。例えば、メタルマスク印刷法、静電塗装法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラビアコート法、スクリーン印刷法等が挙げられる。塗布後、必要に応じて、平版プレス、カレンダーロール等により圧延処理を行う。
ここでは、正極活物質層110及び負極活物質層120の厚みが10〜40μmを満たすようにする。また、舌状部115a,116aの両面には、正極活物質層110や負極活物質層120を形成しない。
続いて、セパレータ140を用意する。セパレータ140は、絶縁性の多孔質材料を3層積層体141の負極活物質層120の矩形よりも大きな矩形に切り抜いて作成する。
続いて、正極活物質層110を有する正極集電体115及び負極活物質層120を有する負極集電体116を、セパレータ140を各間に挟むようにして図4の順番のように積層し、その後積層方向の両側の面内中央部分を挟んで加熱することにより、図4のような積層構造体185を得る。
そして、図3に示すようなリード112,122を用意し、長さ方向中央部を樹脂等の絶縁体114でそれぞれ被覆する。続いて、図4に示すように、各舌状部115aとリード112の端部とを溶接し、各舌状部116aとリード122の端部とを溶接する。これにより、リード112及びリード122が接続された積層構造体185が完成する。
次に、アルミニウムの両面を熱接着性樹脂層でラミネートした矩形状のシート150Cを用意し、シート150sの中央で折り曲げて重ね合わせ、図3に示すように、両サイド2辺のシール部150b、150bのみを、例えばシール機等を用いて所定の加熱条件で所望のシール幅だけヒートシールする。続いて、シールされていないシール部150cからケース150の内部に積層構造体185を挿入する。続いて、真空容器内でケース150内に電解液を注入して積層構造体185を電解液に浸漬させる。その後、リード112、リード122の一部をそれぞれケース150内から外部に突出させ、ヒートシール機を用いて、ケース150のシール部150cをシールする。このとき、リード112,122の絶縁体114に覆われた部分をシール部150cで挟み込んでシールする。これにより、補助用リチウムイオン二次電池20の作製が完了する。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されずさまざまな変形態様を取ることが可能である。
例えば、上記実施形態においては、積層構造体185は単セルとしての二次電池要素
61〜164を4つ有するものであったが、二次電池要素を4つより多く有していてもよく、又、3つ以下、例えば、1つでもよい。
61〜164を4つ有するものであったが、二次電池要素を4つより多く有していてもよく、又、3つ以下、例えば、1つでもよい。
また、携帯機器は、携帯電話に限られず、例えば、PDA、ノートパソコン等が挙げられる。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
ここでは、正極活物質層の厚み及び負極活物質層の厚みを異ならせて種々のリチウムイオン二次電池を作成し、これらのリチウムイオン二次電池を用いて上述の図1の如き補助電源装置を作成した。
(実施例1)
まず、正極活物質層を以下の手順により作製した。まず、正極活物質としてLiMn0.33Ni0.33Co0.34O2(下付き数字は原子比)、導電助剤としてカーボンブラック、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用意し、これらの重量比が正極活物質:導電助剤:結着剤=90:6:4となるようにプラネタリーミキサで混合分散した後、これに溶媒としてのNメチルピロリドン(NMP)を適量混合して粘度調整し、スラリー状の正極活物質層用塗布液(スラリー)を調整した。
まず、正極活物質層を以下の手順により作製した。まず、正極活物質としてLiMn0.33Ni0.33Co0.34O2(下付き数字は原子比)、導電助剤としてカーボンブラック、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用意し、これらの重量比が正極活物質:導電助剤:結着剤=90:6:4となるようにプラネタリーミキサで混合分散した後、これに溶媒としてのNメチルピロリドン(NMP)を適量混合して粘度調整し、スラリー状の正極活物質層用塗布液(スラリー)を調整した。
続いて、アルミニウム箔(厚さ20μm)を用意し、そのアルミニウム箔に正極活物質層用塗布液をドクターブレード法により塗布して乾燥させて正極活物質層を形成した。次に、塗布した正極活物質層層をカレンダーロールによってプレスし、これを正極活物質層面が23×19mmの大きさとなりかつ所定の舌状端子を有する形状に打ち抜いた。ここでは、片面のみに正極活物質層110が形成された正極集電体と、両面に正極活物質層が形成された正極集電体を作成した。ここでは、正極活物質層110の厚みを20μmとした。
続いて、負極活物質層を以下の手順により作製した。まず、負極活物質として、人造黒鉛、導電助剤としてカーボンブラック、結着剤としてPVdFを用意し、これらの重量比が負極活物質:導電助剤:結着剤=90:2:8となるように配合してプラネタリーミキサで混合分散した後、これに溶媒としてNMPを適量投入して粘度調節することにより、スラリー状の負極活物質層用塗布液を調整した。
次に、集電体としての銅箔(厚さ:16μm)を用意し、負極活物質層用塗布液をドクターブレード法により銅箔の両面に塗布して乾燥させて負極活物質層を形成した。その後、負極活物質層をカレンダーロールを用いてプレスし、これを負極活物質層面の大きさが23×19mmとなりかつ舌状端子を有する形状に打ち抜いた。ここでは、両面に負極活物質層が形成された負極集電体を作成した。ここでは、負極活物質層110の厚みを20μmとした。
次に、ポリオレフィン製の多孔膜を24mm×20mmの大きさに打ち抜いてセパレータとした。
続いて、負極活物質層を有する負極集電体と、正極活物質層を有する正極集電体との間にセパレータを挟むように積層して、二次電池要素を14層有する積層構造体とし、両端面から中央部を熱圧着して固定した。ここでは、積層構造体の最外層に、片面に正極活物質層が担持された正極集電体が配置されるように積層した。
つぎに、非水電解液を以下のようにして調整した。プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)を、体積比がこの順に、2:1:7となるように混合して溶媒とした。次に、LiPF6を濃度が1.5mol/dm3となるように溶媒に溶かした。
次に、アルミラミネートフィルムを袋状に形成したケースを用意し、積層構造体を挿入し、真空槽中で非水電解液を注入して積層構造体を非水電解液に含浸させた。その後、減圧状態のままで、舌状端子の一部が外装体から突き出るようにして外装体の入り口部をシールし、初期充放電を行うことにより2043サイズ(20mm x 43mm)で定格容量100mAhの積層型リチウムイオン二次電池を得た。
そして、得られた補助用リチウムイオン二次電池に充放電回路や充電用コネクタ及び供給用コネクタを接続して補助電源装置を得た。そして、この補助電源装置に対して、定格容量600mAhの携帯電話のリチウムイオン二次電池用の充電器(最大電圧5V,電流600mA)と同等の条件で定電流−定電圧充電を行う充電工程と、100mAで放電し端子電圧が2.5Vとなるまで放電する工程と、を繰り返す充放電サイクルを繰返し、補助電源装置の補助用リチウム二次電池の容量が初期容量の80%になるまでのサイクル回数を調べた。なお、サイクル回数の最大値は1000サイクルとした。また、充電時の最大電流値は6Cとなる。
(実施例2)
実施例2では、正極活物質層及び負極活物質層の厚みをそれぞれ30μmとした補助用リチウムイオン二次電池を用いる以外は実施例1と同様とした。
実施例2では、正極活物質層及び負極活物質層の厚みをそれぞれ30μmとした補助用リチウムイオン二次電池を用いる以外は実施例1と同様とした。
(実施例3)
実施例3では、正極活物質層及び負極活物質層の厚みをそれぞれ40μmとした補助用リチウムイオン二次電池を用いる以外は実施例1と同様とした。
実施例3では、正極活物質層及び負極活物質層の厚みをそれぞれ40μmとした補助用リチウムイオン二次電池を用いる以外は実施例1と同様とした。
(比較例1)
比較例1では、正極活物質層及び負極活物質層の厚みをそれぞれ50μmとした補助用リチウムイオン二次電池を用いる以外は実施例1と同様とした。
比較例1では、正極活物質層及び負極活物質層の厚みをそれぞれ50μmとした補助用リチウムイオン二次電池を用いる以外は実施例1と同様とした。
(比較例2)
比較例2では、正極活物質層及び負極活物質層の厚みをそれぞれ60μmとした補助用リチウムイオン二次電池を用いる以外は実施例1と同様とした。
比較例2では、正極活物質層及び負極活物質層の厚みをそれぞれ60μmとした補助用リチウムイオン二次電池を用いる以外は実施例1と同様とした。
これらのリチウムイオン二次電池の、初期容量の80%を維持できる充放電サイクル数を図5に示す。実施例1〜3では、少なくとも400サイクル経過するまでは初期容量の80%を維持できたが、比較例1、2では150サイクル又はそれ以下の回数しか初期容量の80%を維持できなかった。
1…携帯電話(携帯機器)、2…メイン用リチウムイオン二次電池、10…筐体、20…補助用リチウムイオン二次電池、40…充電用コネクタ、50…供給用コネクタ、110…正極活物質層、115…正極集電体、116…負極集電体、120…負極活物質層、140…セパレータ、150…ケース、161,162,163,164…二次電池要素、185…積層構造体、100…補助電源装置、200…充電器。
Claims (3)
- 補助用リチウムイオン二次電池と、
前記補助用リチウムイオン二次電池に接続され、外部の充電器から電力を受け入れる充電用コネクタと、
前記補助用リチウムイオン二次電池に接続され、前記補助用リチウムイオン二次電池の電力を外部の携帯機器に供給する供給用コネクタと、を備え、
前記補助用リチウムイオン二次電池は、正極活物質層、負極活物質層、及び、電解液を有し、前記正極活物質層及び前記負極活物質層の厚みがそれぞれ10〜40μmである補助電源装置。 - 前記携帯機器はメイン用リチウムイオン二次電池を有するものであり、
前記充電器は前記メイン用リチウムイオン二次電池用の充電器であり、
前記補助用リチウムイオン二次電池の定格容量は、前記メイン用リチウムイオン二次電池の定格容量の1/3以下である請求項1に記載の補助電源装置。 - 前記補助用リチウムイオン二次電池を収容する箱型形状の筐体をさらに備え、
前記充電用コネクタ及び前記供給用コネクタはそれぞれ前記筐体の側面に配置されると共に、前記充電用コネクタ及び前記供給用コネクタは前記筐体を挟んで互いに反対側に配置されている請求項1又は2に記載の補助電源装置。
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