JP2011249298A - 蓄電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】高エネルギー密度を有すると同時に高出力および高速充・放電を行うことができる蓄電システムを提供する。
【解決手段】蓄電システム１００は、バッテリ負極板１１１、バッテリ正極板１１２、および前記バッテリ負極板と前記バッテリ正極板との間に介在し、これらを電気的に絶縁するバッテリ分離膜１１３を含むリチウム硫黄バッテリセル１１０と、前記リチウム硫黄バッテリセルとセル分離膜１３０を通じて電気的に絶縁するように積層され、キャパシタ負極板１２１、キャパシタ正極板１２２、および前記キャパシタ負極板と前記バッテリ正極板との間に介在し、これらを電気的に絶縁するキャパシタ分離膜１２３を含む電気化学キャパシタセル１２０と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】蓄電システム１００は、バッテリ負極板１１１、バッテリ正極板１１２、および前記バッテリ負極板と前記バッテリ正極板との間に介在し、これらを電気的に絶縁するバッテリ分離膜１１３を含むリチウム硫黄バッテリセル１１０と、前記リチウム硫黄バッテリセルとセル分離膜１３０を通じて電気的に絶縁するように積層され、キャパシタ負極板１２１、キャパシタ正極板１２２、および前記キャパシタ負極板と前記バッテリ正極板との間に介在し、これらを電気的に絶縁するキャパシタ分離膜１２３を含む電気化学キャパシタセル１２０と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は蓄電システムに係り、より詳しくは、高い出力と高いエネルギ密度を有する蓄電システムに関する。
一般的な自動車は、ガソリンや軽油で作動するエンジンを動力源とする。しかし、環境汚染が世界的な問題として浮び上がっており、電気モータを用いる電気自動車が業界で注目を浴びている。
このような電気自動車の蓄電システムは、化学エネルギと電気エネルギとの間の相互変換が可逆的であるので充電と放電を繰り返すことができる。このような蓄電システムは、正極板と負極板が分離膜（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）を間に置いて位置する電極集合体（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）、電極集合体が収容される空間を有するケース、および前記ケースに結合され、これを密閉するキャッププレートなどを含む。
このような電気自動車の蓄電システムは、化学エネルギと電気エネルギとの間の相互変換が可逆的であるので充電と放電を繰り返すことができる。このような蓄電システムは、正極板と負極板が分離膜（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）を間に置いて位置する電極集合体（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）、電極集合体が収容される空間を有するケース、および前記ケースに結合され、これを密閉するキャッププレートなどを含む。
このような蓄電システムのうち、現在、ハイブリッド車両に多く用いられるリチウムイオンバッテリは、理論エネルギ密度が５７０Ｗｈ／ｋｇである。しかし、実質的に実現可能な最大リチウムイオンバッテリのエネルギ密度は２５０Ｗｈ／ｋｇであって、一度の充電で５００ｋｍ以上を走行しなければならない電気自動車に適用するには限界がある。
したがって、電気自動車の高いエネルギ密度を実現するために、理論的に２６００Ｗｈ／ｋｇの高エネルギー密度を有するリチウム硫黄バッテリが注目を浴びている。また、このようなリチウム硫黄バッテリの実現可能なエネルギ密度を増加させるために多くの研究が行われている。
しかし、このようなリチウム硫黄バッテリは、動作電圧が２．０〜２．５Ｖで、既存のリチウムイオンバッテリ（３．７Ｖ）より低く、出力特性が低いという問題点がある。
したがって、電気自動車の高いエネルギ密度を実現するために、理論的に２６００Ｗｈ／ｋｇの高エネルギー密度を有するリチウム硫黄バッテリが注目を浴びている。また、このようなリチウム硫黄バッテリの実現可能なエネルギ密度を増加させるために多くの研究が行われている。
しかし、このようなリチウム硫黄バッテリは、動作電圧が２．０〜２．５Ｖで、既存のリチウムイオンバッテリ（３．７Ｖ）より低く、出力特性が低いという問題点がある。
本発明は上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、リチウム硫黄バッテリセルに電気化学キャパシタセルを積層し、高エネルギー密度を有すると同時に高出力および高速充・放電を行うことができる蓄電システムを提供することにある。
前記目的を達成するための本発明に係る蓄電システムは、バッテリ負極板、バッテリ正極板、および前記バッテリ負極板と前記バッテリ正極板との間に介在し、これらを電気的に絶縁するバッテリ分離膜を含むリチウム硫黄バッテリセルと、
前記リチウム硫黄バッテリセルとセル分離膜を通じて電気的に絶縁するように積層され、キャパシタ負極板、キャパシタ正極板、および前記キャパシタ負極板と前記バッテリ正極板との間に介在し、これらを電気的に絶縁するキャパシタ分離膜を含む電気化学キャパシタセルと、を含むことを特徴とする。
前記リチウム硫黄バッテリセルとセル分離膜を通じて電気的に絶縁するように積層され、キャパシタ負極板、キャパシタ正極板、および前記キャパシタ負極板と前記バッテリ正極板との間に介在し、これらを電気的に絶縁するキャパシタ分離膜を含む電気化学キャパシタセルと、を含むことを特徴とする。
前記セル分離膜は多孔性分離膜であって、前記リチウム硫黄バッテリセルと前記電気化学キャパシタセルの各電子およびイオンの移動が可能であり、前記リチウム硫黄バッテリセルと前記電気化学キャパシタセルとの間を電気的に分離することを特徴とする。
前記リチウム硫黄バッテリセルの前記バッテリ負極板と前記バッテリ分離膜との間と、バッテリ正極板とバッテリ分離膜との間に介在する電解質と、
前記電気化学キャパシタセルの前記キャパシタ負極板と前記キャパシタ分離膜との間と、キャパシタ正極板とキャパシタ分離膜との間に介在する電解質とは同一の電解質であることを特徴とする。
前記電気化学キャパシタセルの前記キャパシタ負極板と前記キャパシタ分離膜との間と、キャパシタ正極板とキャパシタ分離膜との間に介在する電解質とは同一の電解質であることを特徴とする。
前記リチウム硫黄バッテリセルと前記電気化学キャパシタセルは、交互に複数が積層されることを特徴とする
本発明に係る蓄電システムは、リチウム硫黄バッテリセルに電気化学キャパシタセルを積層し、高エネルギー密度を有すると同時に高出力および高速充・放電を行うことができる。
以下、図面を参照して本発明について詳細に説明する。
図１に示す通り、蓄電システム１００は、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０とを含む。
図２に示す通り、リチウム硫黄バッテリセル１１０は、バッテリ負極板１１１、バッテリ正極板１１２と、バッテリ負極板１１１とバッテリ正極板１１２との間に介在するバッテリ分離膜１１３とからなる。
ここで、バッテリ負極板１１１は、負極集電体と、リチウム、リチウム合金またはリチウムを含む複合材のうちの少なくとも一つの活物質とからなる。
図１に示す通り、蓄電システム１００は、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０とを含む。
図２に示す通り、リチウム硫黄バッテリセル１１０は、バッテリ負極板１１１、バッテリ正極板１１２と、バッテリ負極板１１１とバッテリ正極板１１２との間に介在するバッテリ分離膜１１３とからなる。
ここで、バッテリ負極板１１１は、負極集電体と、リチウム、リチウム合金またはリチウムを含む複合材のうちの少なくとも一つの活物質とからなる。
バッテリ正極板１１２は、正極集電体と、硫黄、硫黄合金または硫黄を含む複合材のうちの少なくとも一つを含む活物質からなる。
バッテリ分離膜１１３は、バッテリ負極板１１１とバッテリ正極板１１２との間の接触を防止することにより、バッテリ負極板１１１とバッテリ正極板１１２を電気的に絶縁し、充・放電時にリチウムイオンが移動可能な多孔性分離膜である。
リチウム硫黄バッテリセル１１０では、バッテリ負極板１１１とバッテリ分離膜１１３との間と、バッテリ正極板１１２とバッテリ分離膜１１３との間に電解質１１４が介在する。このようなリチウム硫黄バッテリセル１１０は、理論的に２６００Ｗｈ／ｋｇの高いエネルギ密度を有する。
バッテリ分離膜１１３は、バッテリ負極板１１１とバッテリ正極板１１２との間の接触を防止することにより、バッテリ負極板１１１とバッテリ正極板１１２を電気的に絶縁し、充・放電時にリチウムイオンが移動可能な多孔性分離膜である。
リチウム硫黄バッテリセル１１０では、バッテリ負極板１１１とバッテリ分離膜１１３との間と、バッテリ正極板１１２とバッテリ分離膜１１３との間に電解質１１４が介在する。このようなリチウム硫黄バッテリセル１１０は、理論的に２６００Ｗｈ／ｋｇの高いエネルギ密度を有する。
電気化学キャパシタセル１２０は、キャパシタ負極板１２１、キャパシタ正極板１２２、およびキャパシタ負極板１２１とキャパシタ正極板１２２との間に介在するキャパシタ分離膜１２３からなる。
キャパシタ負極板１２１とキャパシタ正極板１２２は各極性集電体を各々含み、各極性集電体とキャパシタ分離膜１２３との間に介在する各極性に対する活物質と、導電性を付与するための導電体と、活物質と導電体との間に結合能を増加させるためのバインダーとを含む。キャパシタ負極板１２１の活物質は炭素ナノチューブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ Ｔｕｂｅ）からなり、キャパシタ正極板１２２の活物質は二酸化マンガン（ＭｎＯ２）からなる。
キャパシタ負極板１２１とキャパシタ正極板１２２は各極性集電体を各々含み、各極性集電体とキャパシタ分離膜１２３との間に介在する各極性に対する活物質と、導電性を付与するための導電体と、活物質と導電体との間に結合能を増加させるためのバインダーとを含む。キャパシタ負極板１２１の活物質は炭素ナノチューブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ Ｔｕｂｅ）からなり、キャパシタ正極板１２２の活物質は二酸化マンガン（ＭｎＯ２）からなる。
キャパシタ分離膜１２３は、キャパシタ負極板１２１とキャパシタ正極板１２２との間の接触を防止することにより、キャパシタ負極板１２１とキャパシタ正極板１２２を電気的に絶縁し、電子および充・放電時に電解質イオンを移動可能にする多孔性分離膜である。
電気化学キャパシタセル１２０は、キャパシタ負極板１２１とキャパシタ分離膜１２３との間と、キャパシタ正極板１２２とキャパシタ分離膜１２３との間に電解質１２４が介在する。また、電気化学キャパシタセル１２０の電解質１２４は、リチウム硫黄バッテリセル１１０の電解質１１４と同一の電解質からなる。このような電解質は、ＬｉＣＦ３Ｓｏ３、ＬｉＴＦＳｉおよびＤＭＥ（ｄｉｍｅｔｈｏｘｙ ｅｔｈａｎｅ）を含む。
電気化学キャパシタセル１２０は、キャパシタ負極板１２１とキャパシタ分離膜１２３との間と、キャパシタ正極板１２２とキャパシタ分離膜１２３との間に電解質１２４が介在する。また、電気化学キャパシタセル１２０の電解質１２４は、リチウム硫黄バッテリセル１１０の電解質１１４と同一の電解質からなる。このような電解質は、ＬｉＣＦ３Ｓｏ３、ＬｉＴＦＳｉおよびＤＭＥ（ｄｉｍｅｔｈｏｘｙ ｅｔｈａｎｅ）を含む。
電気化学キャパシタセル１２０は、イオンより速度の速い電子がキャパシタ負極板１２１とキャパシタ正極板１２２との間を移動することによって電圧を充電または放電するため、短い時間内に高いエネルギを充・放電することができる。
リチウム硫黄バッテリセル１１０とセル分離膜１３０を通じて電気的に絶縁するようにリチウム硫黄バッテリセル１１０に積層される。
このようなセル分離膜１３０は、リチウム硫黄バッテリセル１１０のバッテリ正極板１１２と電気化学キャパシタセル１２０のキャパシタ負極板１２１との間に介在し、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０を電気的に絶縁したり、その逆に、セル分離膜１３０は、リチウム硫黄バッテリセル１１０のバッテリ負極板１１１と電気化学キャパシタセル１２０のキャパシタ正極板１２２との間に介在し、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０を電気的に絶縁したりすることができる。
リチウム硫黄バッテリセル１１０とセル分離膜１３０を通じて電気的に絶縁するようにリチウム硫黄バッテリセル１１０に積層される。
このようなセル分離膜１３０は、リチウム硫黄バッテリセル１１０のバッテリ正極板１１２と電気化学キャパシタセル１２０のキャパシタ負極板１２１との間に介在し、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０を電気的に絶縁したり、その逆に、セル分離膜１３０は、リチウム硫黄バッテリセル１１０のバッテリ負極板１１１と電気化学キャパシタセル１２０のキャパシタ正極板１２２との間に介在し、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０を電気的に絶縁したりすることができる。
すなわち、セル分離膜１３０は、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０との間に介在して、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０のそれぞれの極板が接触することを防止し、各セルを電気的に絶縁させる。
セル分離膜１３０は、リチウム硫黄バッテリセル１１０のイオンおよび電子と電気化学キャパシタセル１２０のイオンおよび電子の移動が容易になるように多孔性分離膜からなる。したがって、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０はセル分離膜１３０を通じて電気的に絶縁し、電子およびイオンの移動が可能であるため、充・放電時に互いに相互補完して動作することができる。
セル分離膜１３０は、リチウム硫黄バッテリセル１１０のイオンおよび電子と電気化学キャパシタセル１２０のイオンおよび電子の移動が容易になるように多孔性分離膜からなる。したがって、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０はセル分離膜１３０を通じて電気的に絶縁し、電子およびイオンの移動が可能であるため、充・放電時に互いに相互補完して動作することができる。
蓄電システム１００は、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０が収容されるための空間を有するケース（図示せず）を有し、ケースの内部は電解質（１１４，１２４）で全て充填される。
蓄電システム１００は、リチウム硫黄バッテリセル１１０に電気化学キャパシタセル１２０を積層して、リチウム硫黄バッテリセル１１０の特性である高エネルギー密度を有し、電気化学キャパシタセル１２０の特性である高出力および高速充・放電が可能である。すなわち、蓄電システム１００は、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０を積層し、リチウム硫黄バッテリセル１１０の短所である出力低下と、電気化学キャパシタセル１２０の低いエネルギ密度を補完して、高い出力と高いエネルギ密度を有する。
また、蓄電システム２００は、図４に示すように、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０が交互に積層された複数のセルからなるが、蓄電システム２００は、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０が不規則に積層された複数のセルからなることも可能である。
蓄電システム１００は、リチウム硫黄バッテリセル１１０に電気化学キャパシタセル１２０を積層して、リチウム硫黄バッテリセル１１０の特性である高エネルギー密度を有し、電気化学キャパシタセル１２０の特性である高出力および高速充・放電が可能である。すなわち、蓄電システム１００は、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０を積層し、リチウム硫黄バッテリセル１１０の短所である出力低下と、電気化学キャパシタセル１２０の低いエネルギ密度を補完して、高い出力と高いエネルギ密度を有する。
また、蓄電システム２００は、図４に示すように、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０が交互に積層された複数のセルからなるが、蓄電システム２００は、リチウム硫黄バッテリセル１１０と電気化学キャパシタセル１２０が不規則に積層された複数のセルからなることも可能である。
以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
１００、２００ 蓄電システム
１１０ リチウム硫黄バッテリセル
１１１ バッテリ負極板
１１２ バッテリ正極板
１１３ バッテリ分離膜
１１４，１２４ 電解質
１２０ 電気化学キャパシタセル
１２１ キャパシタ負極板
１２２ キャパシタ正極板
１２３ キャパシタ分離膜
１３０ セル分離膜
１１０ リチウム硫黄バッテリセル
１１１ バッテリ負極板
１１２ バッテリ正極板
１１３ バッテリ分離膜
１１４，１２４ 電解質
１２０ 電気化学キャパシタセル
１２１ キャパシタ負極板
１２２ キャパシタ正極板
１２３ キャパシタ分離膜
１３０ セル分離膜
Claims (4)
- バッテリ負極板、バッテリ正極板、および前記バッテリ負極板と前記バッテリ正極板との間に介在し、これらを電気的に絶縁するバッテリ分離膜を含むリチウム硫黄バッテリセルと、
前記リチウム硫黄バッテリセルとセル分離膜を通じて電気的に絶縁するように積層され、キャパシタ負極板、キャパシタ正極板、および前記キャパシタ負極板と前記バッテリ正極板との間に介在し、これらを電気的に絶縁するキャパシタ分離膜を含む電気化学キャパシタセルと、
を含むことを特徴とする蓄電システム。 - 前記セル分離膜は多孔性分離膜であって、前記リチウム硫黄バッテリセルと前記電気化学キャパシタセルの各電子およびイオンの移動が可能であり、前記リチウム硫黄バッテリセルと前記電気化学キャパシタセルとの間を電気的に分離することを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
- 前記リチウム硫黄バッテリセルの前記バッテリ負極板と前記バッテリ分離膜との間と、バッテリ正極板とバッテリ分離膜との間に介在する電解質と、
前記電気化学キャパシタセルの前記キャパシタ負極板と前記キャパシタ分離膜との間と、キャパシタ正極板とキャパシタ分離膜との間に介在する電解質とは同一の電解質であることを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。 - 前記リチウム硫黄バッテリセルと前記電気化学キャパシタセルは、交互に複数が積層されることを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
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