JP2008234854A

JP2008234854A - 組電池

Info

Publication number: JP2008234854A
Application number: JP2007068411A
Authority: JP
Inventors: Norihiro Kanetani; 典大金谷; Riyouji Shigemoto; 亮二重元; Ichiro Matsumura; 一郎松村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】２個以上直列接続された単電池によって構成した組電池、あるいは２個以上の単電池を並列接続した並列電池群が２個以上直列接続して構成した組電池において、長期間の使用や放置後でも各単電池あるいは各並列電池群の充電電気量の差が小さく、充放電サイクル寿命を向上させた組電池を提供することを目的とする。
【解決手段】各単電池あるいは各並列電池群の１時間当たり充電電気量降下量をほぼ同じとすれば長期間の使用や放置後でも各単電池あるいは各並列電池群の充電電気量の差は小さくなり、充放電サイクル寿命を向上させた組電池を提供することが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は単電池またはそれらを並列接続した電池群で構成される組電池に関するものである。

従来、一般的に二次電池の組電池を作成する際は、単電池の電池容量と充電電気量をそろえて組むことによって長期的な信頼性を確保している。
また、満充電状態から同容量放電した単電池で組電池を構成するという技術もある。（例えば特許文献１参照）
特開平１０−１４９８０７号公報

しかしながら、前記従来の組電池において自己放電量の異なる単電池が直列接続されていると、長期間の使用や放置によって各並列電池群の充電電気量の差が大きくなる。前記組電池を充電すると自己放電の少ない並列電池群、つまり充電電気量の多い並列電池群が過充電される。どのような電池系においても組電池中の電池が過充電されることは好ましい事ではない。特にリチウムイオン二次電池の場合は、過充電される電池を含むと組電池全体の充放電サイクル寿命が著しく低下するという課題がある。

上記問題を抑制するには組電池中の並列電池群が過充電されないように充電制御を行えば良いが、自己放電量の多い並列電池群つまり充電電気量が少ない並列電池群は十分に充電されず、組電池全体で利用できる容量が低下するという課題を有していた。

前記従来の課題を解決するために、本発明の組電池は、２個以上直列接続された単電池によって構成した組電池において、各単電池の１時間当たり充電電気量降下量の最大値と最小値が下記の式１を満たすことを特徴とする。
（Ａ_ｍａｘ−Ａ_ｍｉｎ）／Ｃ≦１．７４×１０^−６・・・（１）
（但し、Ａ_ｍａｘは各単電池の中で最大の１時間当たり充電電気量降下量、Ａ_ｍｉｎは各単電池の中で最小の１時間当たり充電電気量降下量、Ｃは単電池の容量）
各単電池の１時間当たり充電電気量降下量の差がほぼ同じ組電池を作成すれば長期間の使用や放置後でも各単電池の充電電気量の差は小さくなり、充放電サイクル寿命を向上させることが出来る。

また、本発明の第２の組電池は、２個以上の単電池を並列接続した並列電池群が２個以上直列接続して構成した組電池において、各並列電池群の１時間当たり充電電気量降下量の最大値と最小値が下記の式２を満たすことを特徴とする。
（Ａ_ｍａｘ−Ａ_ｍｉｎ）／（ｎ×Ｃ）≦１．７４×１０^−６・・・（２）
（但し、Ａ_ｍａｘは各並列電池群の中で最大の１時間当たり充電電気量降下量、Ａ_ｍｉｎは各並列電池群の中で最小の１時間当たり充電電気量降下量、Ｃは単電池の容量、ｎは各並列電池群の中で並列接続された電池の個数）
各並列電池群の１時間当たり充電電気量降下量がほぼ同じ組電池を作成すれば長期間の使用や放置後でも各並列電池群の合計充電電気量の差は小さくなり、充放電サイクル寿命を向上させることが出来る。

以上の２つの構成において、単電池がリチウムイオン二次電池であると本発明の効果が
顕著に現れるので好ましい。

本発明によると長期間の使用や放置後でも直列に接続された各単電池または各並列電池群の充電電気量の差が小さく、充放電サイクル寿命を向上させた組電池を得ることが出来る。

本発明の本旨は、組電池において、直列に接続された単電池または、並列電池群の自己放電等に由来する充電電気量降下量が、ほぼ同じものを使用することにある。

それぞれの単電池またはいくつかの単電池を接続した電池群を構成単位としたとき、これらの構成単位が並列に接続されている場合は、それぞれの構成単位に同じ電圧がかかるため、たとえそれぞれの構成単位で充電電気量が違ったとしても、一部の構成単位が過充電になることはない。しかし、これらの構成単位を直列に接続した場合は、それぞれの構成単位には、同じだけの充電電気量が入り、電圧は違ってくるため、一部の構成単位が過充電になるか、または、他の構成単位が十分には充電されないこととなる。

本発明者は、前述の式１または式２において鋭意検討の結果、単電池の容量で規定した１時間当たりの充電電気量降下量の最大値と最小値の差が、１．７４×１０^−６以下であると、ほぼ同じとみなせる事を見出した。

以下、本発明の円筒形リチウムイオン二次電池を用いた実施例について図１、図２および表１を参照して詳しく述べる。

図１は、正極活物質としてＬｉＣｏＯ_２、負極活物質としてカーボンを使用した円筒形リチウムイオン二次電池の縦断面図を示している。図１において、１は耐有機電解液性ステンレス鋼板を加工した電池ケース、２は封口板、３は構成群で、ＬｉＣｏＯ_２を活物質とする正極板及びカーボンを活物質とする負極板がセパレーターを介して複数回渦巻状に巻回されたものである。４は正極板から引き出されて封口板２に接続された正極リード、５は負極板から引き出されて電池ケース１の内底部に接続された負極リード、６は構成群３の上部絶縁板、７は構成群３の下部絶縁板である。

上記円筒形リチウムイオン電池を用い組電池の作成を行った。なお、ここでは直径１８ｍｍ、長さ６５ｍｍ、容量２０００ｍＡｈの円筒形リチウムイオン二次電池を用いた。

１時間当たりの充電電気量降下量を以下の算出方法で求めた。

まず、前記円筒形リチウムイオン二次電池を、放電電流１００ｍＡで３．０Ｖまで放電した後、充電電流１５００ｍＡで４０分充電を行った。その後放電電流１００ｍＡで３．０Ｖまで放電し、その際の放電電気量：ａ_１を測定した。再度充電電流１５００ｍＡで４０分充電後３０日間放置し放電電流１００ｍＡで３．０Ｖまで放電を行い、その際の放電電気量：ａ_２を測定した。下記の式３から１時間当たりの充電電気量降下量：Ａを求めた。
Ａ＝（ａ_１−ａ_２）／７２０・・・（３）
本発明において、組電池を構成する単電池あるいは並列電池群の１時間当たり充電電気量降下量がほぼ同じであればよいが、ほぼ同じとみなせる基準を以下の方法で確認した。

なお、本実施例の組電池の仕様は使用期間２年、充放電５００サイクル時点の容量維持
率６０％である。

まず、充電電気量１０００ｍＡｈと９８０ｍＡｈに調整した単電池を直列接続し２０ｍＡｈの差のある組電池を作成した。同様にして０、４０、６０、８０、１００ｍＡｈの差のある２個直列の組電池を各５個づつ作成した。上記各組電池に対して放電条件：放電電流２０００ｍＡ、終止電圧６．０Ｖ、充電条件：定電流充電（充電電流１５００ｍＡ、終止電圧８．４Ｖ）、定電圧充電（充電電圧：８．４Ｖ、終止電流１００ｍＡ）を１サイクルとする充放電サイクルを５００回行い、その後の容量維持率を測定した。その結果を図２に示す。

図２より充電電気量が６０ｍＡｈ差のある組電池の容量維持率が６０％であるため、使用期間２年間（１７，２８０ｈｒ）で充電電気量の差が６０ｍＡｈ以内であれば良い。よって組電池を構成する単電池の１時間当たり充電電気量降下量の差を電池容量で割った値は下記の式４となればよい。
（６０／１７，２８０）÷２０００＝１．７４×１０^−６・・・（４）
＜実施例１〜３および比較例１〜３＞
以下、実施例と比較例の組電池の単電池は全て、１時間当たりの充電電気量降下量を測定した後、再度充電電流１５００ｍＡで４０分充電したものを使用した。

（実施例１）
まず、１時間当たりの充電電気量降下量が１．３９×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒと１．６７×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒの単電池を２個直列した組電池を作成した。

（比較例１）
１時間当たりの充電電気量降下量が、１．４２×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒと２．０１×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒの単電池を２個直列接続した組電池を作成した。

（実施例２）
１時間当たりの充電電気量降下量が１．５３×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒと１．６５×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒの単電池を並列接続した電池群と１．３５×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒと２．０９×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒの単電池を並列接続した電池群を直列接続した組電池を作成した。

（比較例２）
１時間当たりの充電電気量降下量が１．５２×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒと１．３８×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒの単電池を並列接続した電池群と２．１０×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒと２．２１×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒの単電池を並列接続した電池群を直列接続した組電池を作成した。

（実施例３）
１時間当たりの充電電気量降下量が１．３６×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒと１．６４×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒの単電池を並列接続した電池群と１．２４×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒと２．０７×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒの単電池を並列接続した電池群と１．２７×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒと２．０３×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒの単電池を並列接続した電池群を直列接続した組電池を作成した。

（比較例３）
１時間当たりの充電電気量降下量が１．５３×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒと１．４０×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒの単電池を並列接続した電池群と１．７９×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒと１．８２×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒの単電池を並列接続した電池群と１．９８×１０^−２ｍＡ
ｈ／ｈｒと２．１２×１０^−２ｍＡｈ／ｈｒの単電池を並列接続した電池群を直列接続した組電池を作成した。

＜評価＞
以上の実施例と比較例について、組電池にしてから２年放置し、その後前記条件で充放電サイクルを５００回行い、その後の容量維持率を測定した。

電池の配置、使用した各単電池の１時間当たりの充電電気量降下量と組電池のサイクル寿命試験の結果を表１にまとめた。

実施例１では（Ａ_ｍａｘ−Ａ_ｍｉｎ）／Ｃ＝１．４０×１０^−６となり、容量維持率は６３％で要求される性能を満たした。

比較例１では（Ａ_ｍａｘ−Ａ_ｍｉｎ）／Ｃ＝２．９５×１０^−６となり、容量維持率は５０％で要求される性能を満たさなかった。

実施例２では（Ａ_ｍａｘ−Ａ_ｍｉｎ）／（ｎ×Ｃ）＝０．６５×１０^−６となり、容量維持率は６７％で要求される性能を満たした。

比較例２では（Ａ_ｍａｘ−Ａ_ｍｉｎ）／（ｎ×Ｃ）＝３．５２×１０^−６となり、容量維持率は４４％で要求される性能を満たさなかった。

実施例３では（Ａ_ｍａｘ−Ａ_ｍｉｎ）／（ｎ×Ｃ）＝０．７８×１０^−６となり、容量維持率は６６％で要求される性能を満たした。

比較例３では（Ａ_ｍａｘ−Ａ_ｍｉｎ）／（ｎ×Ｃ）＝２．９３×１０^−６となり、容量維持率は５１％で要求される性能を満たさなかった。

各実施例において（Ａ_ｍａｘ−Ａ_ｍｉｎ）／（ｎ×Ｃ）が１．７４×１０^−６以下となっているため、組電池を作成してから２年後でも各並列電池群の充電電気量差が小さく、５００サイクル後の容量維持率が６０％を超えた。

一方各比較例は（Ａ_ｍａｘ−Ａ_ｍｉｎ）／（ｎ×Ｃ）が１．７４×１０^−６以上となっているため、組電池を作成してから２年後では各並列電池群の充電電気量差が大きく、５００サイクル後の容量維持率が６０％を下回った。

なお、上記のような検討をニッケルカドミニウム蓄電池やニッケル水素蓄電池において実施したところ、電池系に関わらず、実施例のような配置で組電池を作成すると、比較例よりも充放電サイクル後の容量維持率が高くなった。また、その効果は水溶液系の電解液を用いた電池よりも非水系の電解液を用いた電池において、より顕著に見られた。

長期間使用することができる電源として高い信頼性を提供できる。電気自動車用電源、バックアップ用電源、宇宙開発用電源等の長期間メンテナンスを行わない分野で有用である。

本発明の実施例に用いた円筒形リチウムイオン二次電池の縦断面図本発明の実施例に用いた円筒形リチウムイオン二次電池における、初期充電電気量の差と充放電サイクル５００後の容量維持率の関係を示す図

符号の説明

１電池ケース
２封口蓋
３構成群
４正極リード
５負極リード
６上部絶縁板
７下部絶縁板

Claims

２個以上直列接続された単電池によって構成した組電池において、各単電池の１時間当たり充電電気量降下量の最大値と最小値が下記の式１を満たすことを特徴とする組電池。

（Ａ_ｍａｘ−Ａ_ｍｉｎ）／Ｃ≦１．７４×１０^−６・・・（１）

（但し、Ａ_ｍａｘは各単電池の中で最大の１時間当たり充電電気量降下量、Ａ_ｍｉｎは各単電池の中で最小の１時間当たり充電電気量降下量、Ｃは単電池の容量）
２個以上の単電池を並列接続した並列電池群が２個以上直列接続して構成した組電池において、各並列電池群の１時間当たり充電電気量降下量の最大値と最小値が下記の式２を満たすことを特徴とする組電池。

（Ａ_ｍａｘ−Ａ_ｍｉｎ）／（ｎ×Ｃ）≦１．７４×１０^−６・・・（２）

（但し、Ａ_ｍａｘは各並列電池群の中で最大の１時間当たり充電電気量降下量、Ａ_ｍｉｎは各並列電池群の中で最小の１時間当たり充電電気量降下量、Ｃは単電池の容量、ｎは各並列電池群の中で並列接続された電池の個数）
前記単電池がリチウムイオン二次電池である請求項１または２記載の組電池。