JP2010251000A

JP2010251000A - 全固体リチウムイオン二次電池の制御方法

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Publication number: JP2010251000A
Application number: JP2009096885A
Authority: JP
Inventors: Yukiyoshi Ueno; 幸義上野; Yasushi Tsuchida; 靖土田; Shigeki Hama; 重規濱; Masato Kamiya; 正人神谷; Hiroshi Nagase; 浩長瀬
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2029-04-13
Also published as: JP5359485B2

Abstract

【課題】使用電位幅が増大した全固体リチウムイオン二次電池の劣化を抑えられる、全固体リチウムイオン二次電池の制御方法を提供する。
【解決手段】充電状態を示す状態値の上限値及び下限値が予め設定されており、該上限値及び下限値によって決まる使用電位幅で使用される全固体リチウムイオン二次電池の制御方法であって、全固体リチウムイオン二次電池の使用条件によって下限値が新たな下限値まで低下して使用電位幅が増大した場合、下限値と新たな下限値との差分を検知するとともに、該差分だけ上限値を低下させて新たな上限値を設定する第１の制御方法と、その後、新たな下限値を上記差分だけ低下させて、さらに新たな下限値を設定する第２の制御方法と、を有する、全固体リチウムイオン二次電池の制御方法とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、全固体リチウムイオン二次電池の制御方法に関する。

近年、環境に配慮した自動車としてハイブリッド車両が大きく注目を集めている。ハイブリッド車両には、従来のエンジンに加えて二次電池からなる蓄電装置と蓄電装置からの電力を用いて車両の駆動力を発生するモータとを備える。このようなハイブリッド車両に搭載される蓄電装置は、車両の発進時や加速時にモータへ電力を供給する一方、車両の回生制動時にモータ（発電機として機能）が発生する電力を蓄電することが要求される。そのため、蓄電装置の充電状態を示すＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）が所定の管理範囲内となるように、充放電制御が実行される。

上記のような蓄電装置の充放電制御に関する技術がこれまでにいくつか提案されており、例えば、下記特許文献１〜４に開示されている。

特開２００７−２２３４５８号公報特開２００１−２９２５０２号公報特開平１０−２９０５３２号公報特開平８−１４０２０６号公報

自動車に搭載するための二次電池としては、高性能（高効率）、高耐久性の電池の設計が要求される。その要求を満たし得る電池の一つとして、電解質を固体とした全固体リチウムイオン二次電池が検討されている。しかし、全固体リチウムイオン二次電池を自動車搭載用へと応用するにはまだ課題が残されており、その一つとして、耐久性劣化が挙げられる。全固体リチウムイオン二次電池の耐久性劣化の要因の一つとしては、該全固体リチウムイオン二次電池の使用時の使用電位幅が挙げられる。全固体リチウムイオン二次電池の運転領域において、高効率な電池電圧の領域と高耐久な電池電圧の領域とが存在するが、全固体リチウムイオン二次電池を搭載した自動車の運転時において、該全固体リチウムイオン二次電池の高効率と高耐久を両立させる制御技術がないことが問題であり、かかる問題は上記特許文献１〜４に記載された技術を用いても解決できなかった。

そこで本発明は、使用電位幅が増大した全固体リチウムイオン二次電池の劣化を抑えられる、全固体リチウムイオン二次電池の制御方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。すなわち、
本発明は、充電状態を示す状態値の上限値及び下限値が予め設定されており、該上限値及び下限値によって決まる使用電位幅で使用される全固体リチウムイオン二次電池の制御方法であって、全固体リチウムイオン二次電池の使用条件によって下限値が新たな下限値まで低下して使用電位幅が増大した場合、下限値と新たな下限値との差分を検知するとともに、該差分だけ上限値を低下させて新たな上限値を設定する第１の制御方法と、その後、新たな下限値を該差分だけ低下させて、さらに新たな下限値を設定する第２の制御方法と、を有する、全固体リチウムイオン二次電池の制御方法である。

全固体リチウムイオン二次電池が自動車に搭載される場合、該全固体リチウムイオン二次電池は、充電状態を示す状態値の上限値（以下、「上限ＳＯＣ」ということがある。）と下限値（以下、「下限ＳＯＣ」ということがある。）とが予め設定されており、その上限ＳＯＣと下限ＳＯＣと間の電位幅（以下、「ＳＯＣ幅」ということがある。）で使用される。「全固体リチウムイオン二次電池の使用条件によって下限値が新たな下限値まで低下して使用電位幅が増大した場合」とは、例えば、全固体リチウムイオン二次電池が自動車に搭載された場合に、アクセルを長く踏むなどして全固体リチウムイオン二次電池に高出力が要求され、電池容量を多く使用することで放電時間が増加する場合などが考えられる。

本発明によれば、使用電位幅が増大した全固体リチウムイオン二次電池の劣化を抑えられる、全固体リチウムイオン二次電池の制御方法を提供することができる。

本発明の全固体リチウムイオン二次電池の制御方法による制御例を概略的に示す図である。ＳＯＣ幅と抵抗上昇率の関係を示すグラフである。

本発明の全固体リチウムイオン二次電池の制御方法（以下、単に「本発明の制御方法」ということがある。）は、所定のＳＯＣ幅で使用される全固体リチウムイオン二次電池の制御方法であって、全固体リチウムイオン二次電池の使用条件によって下限ＳＯＣが新たな下限ＳＯＣまで低下してＳＯＣ幅が増大した場合、元の下限ＳＯＣと新たな下限ＳＯＣとの差分を検知するとともに、その差分だけ上限ＳＯＣを低下させて新たな上限ＳＯＣを設定する第１の制御方法と、その後、新たな下限ＳＯＣを上記差分だけ低下させて、さらに新たな下限ＳＯＣを設定する第２の制御方法と、を有する制御方法である。

以下、図１を参照しつつ、本発明の全固体リチウムイオン二次電池の制御方法について説明する。図１は、本発明の全固体リチウムイオン二次電池の制御方法による制御例を概略的に示す図である。

図１（ａ）は、本発明による制御を行う前の全固体リチウムイオン二次電池のＳＯＣ幅を示している。すなわち、本発明による制御を行う前は、全固体リチウムイオン二次電池の上限ＳＯＣはＥｍａｘ１であり、下限ＳＯＣはＥｍｉｎ１であったとする。ここで、全固体リチウムイオン二次電池を搭載した機器の使用状況によって、全固体リチウムイオン二次電池に高出力が要求された場合、全固体リチウムイオン二次電池は電池容量を多く使用することとなり、放電時間が増加し、その電池容量を回復するための回生時間も増加する。このようにして下限ＳＯＣが低下してＳＯＣ幅が増大した状態を図１（ｂ）に示す。

本発明の第１の制御方法では、上述したようにして全固体リチウムイオン二次電池の下限ＳＯＣＥｍｉｎ１がＥｍｉｎ２まで低下した場合（図１（ｂ）参照）、元の下限ＳＯＣＥｍｉｎ１と新たな下限ＳＯＣＥｍｉｎ２との差分ΔＥを検知するとともに、その差分ΔＥだけ、図１（ｃ）に示すように上限ＳＯＣＥｍａｘ１を低下させ、新たな上限ＳＯＣＥｍａｘ２を設定する。すなわち、Ｅｍｉｎ１≦Ｅｍｉｎ２であるときは第１の制御方法は行われずＥｍｉｎ１＞Ｅｍｉｎ２となった場合に第１の制御方法が行われ、Ｅｍａｘ２＝Ｅｍａｘ１−ΔＥ（ただし、ΔＥ＝Ｅｍｉｍ１−Ｅｍｉｎ２）となる。

上記第１の制御方法が行われただけの状態（図１（ｃ）参照）では、ＳＯＣ幅が元の幅（図１（ａ）参照）と同じ幅になっている。全固体リチウムイオン二次電池に要求されている高出力に応じるためには、本発明の第２の制御方法によって、図１（ｄ）に示すように、下限ＳＯＣＥｍｉｎ２からさらにΔＥだけ低下させた新たな下限ＳＯＣＥｍｉｎ３を設定し、ＳＯＣ幅を増大させる。すなわち、Ｅｍａｘ１＝Ｅｍａｘ２であるときは第２の制御方法は行われず、第１の制御方法によってＥｍａｘ１＞Ｅｍａｘ２となった場合に第２の制御方法が行われ、Ｅｍｉｎ３＝Ｅｍｉｎ２−ΔＥ（ただし、ΔＥ＝Ｅｍｉｍ１−Ｅｍｉｎ２）となる。

上述したように、本発明の制御方法によれば、上限ＳＯＣを下げつつ下限ＳＯＣも下げることによって、ＳＯＣ幅を増大させる。このようにしてＳＯＣ幅を増大させることによって、ＳＯＣ幅を増大させても全固体リチウムイオン二次電池の劣化を抑えることができる。

なお、本発明に用いることができる全固体リチウムイオン二次電池の形態は特に限定されず、公知のものを用いることができる。

以下、実施例に基づいて本発明を説明する。

１．評価用セルの作製
まず、電解質層、正極層、及び負極層を作製した。電解質層は、固体電解質としてＬｉ_７Ｐ_３Ｓ_１１を用意し、これを混合した後、１．０ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力でプレス成形して作製した。正極層は、リチウム遷移金属酸化物であるＬｉＣｏＯ_２を含む正極材と固体電解質であるＬｉ_７Ｐ_３Ｓ_１１とを混合した後、１．０ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力でプレス成形して作製した。負極層は、カーボンを含む負極材と固体電解質であるＬｉ_７Ｐ_３Ｓ_１１とを混合した後、４．０ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力でプレス成形して作製した。
このようにして得られた正極層、電解質層、及び負極層と集電体とを、その順に重ね合わせて積層体を作製した。さらに、該積層体をプレス機で圧縮し、電池ケース内に収容して、充電、及び放電可能な全固体リチウムイオン二次電池とした。

２．抵抗上昇率の測定
上記のように作製した評価用セルを６つ（Ａ〜Ｆ）用意して、それぞれの評価用セルについて異なるＳＯＣ幅で充電、及び放電を３０サイクル繰り返した。そして、その後の抵抗上昇率（３０サイクル後の抵抗値／最初の抵抗値）を測定した。その結果を図２に示す。図２（ａ）及び図２（ｂ）において、横軸はＳＯＣ幅［％］を示し、縦軸は抵抗上昇率［％］を示している。また、図２（ａ）及び図２（ｂ）中の直線は線形近似直線である。

図２（ａ）において、Ａは上限ＳＯＣを１００、下限ＳＯＣを７５として、ＳＯＣ幅を２５とした場合、Ｂは上限ＳＯＣを１００、下限ＳＯＣを５０として、ＳＯＣ幅を５０とした場合、Ｃは上限ＳＯＣを１００、下限ＳＯＣを４０として、ＳＯＣ幅を６０とした場合、Ｄは上限ＳＯＣを１００、下限ＳＯＣを１０として、ＳＯＣ幅を９０とした場合の結果を示している。また、図２（ｂ）において、Ａは上記と同じものであり、Ｅは上限ＳＯＣを９０、下限ＳＯＣを６０として、ＳＯＣ幅を３０とした場合、Ｆは上限ＳＯＣを５０、下限ＳＯＣを１０として、ＳＯＣ幅を４０とした場合の結果を示している。

図２（ａ）に示すように、上限ＳＯＣが同一（１００％）で、下限ＳＯＣが異なることによってＳＯＣ幅が異なる評価用セル（Ａ〜Ｄ）による結果を比較すると、ＳＯＣ幅が大きな評価用セルの方が、抵抗上昇率が大きかった。一方、図２（ｂ）に示すように、上限ＳＯＣ及び下限ＳＯＣが異なり、ＳＯＣ幅が異なる評価用セル（Ａ，Ｅ，Ｆ）による結果を比較すると、ＳＯＣ幅が大きくても、上限ＳＯＣ及び下限ＳＯＣが低い評価用セルの方が、抵抗上昇率を抑制できていた。したがって、本発明の制御方法によって、上限ＳＯＣ及び下限ＳＯＣを下げながらＳＯＣ幅を調整する制御を行うことによって、ＳＯＣ幅が増大した全固体リチウムイオン二次電池の劣化を抑えられることがわかる。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う全固体リチウムイオン二次電池の制御方法もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

Claims

充電状態を示す状態値の上限値及び下限値が予め設定されており、前記上限値及び前記下限値によって決まる使用電位幅で使用される全固体リチウムイオン二次電池の制御方法であって、
前記全固体リチウムイオン二次電池の使用条件によって前記下限値が新たな下限値まで低下して前記使用電位幅が増大した場合、
前記下限値と前記新たな下限値との差分を検知するとともに、前記差分だけ前記上限値を低下させて新たな上限値を設定する第１の制御方法と、
その後、前記新たな下限値を前記差分だけ低下させて、さらに新たな下限値を設定する第２の制御方法と、
を有する、全固体リチウムイオン二次電池の制御方法。