JP2012069320A - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池に関し、特に、劣化診断するに好適なリチウムイオン二次電池に関するものである。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery, and more particularly to a lithium ion secondary battery suitable for deterioration diagnosis.
従来から電池の充放電状態を検知する電解液濃度センサを備えた鉛蓄電池がある(特許文献1参照)。 Conventionally, there is a lead storage battery including an electrolyte concentration sensor that detects a charge / discharge state of the battery (see Patent Document 1).
これは、電解液中にカルシウムイオンを含有させるとともに、該カルシウムイオンを介して硫酸比重を検出する光ファイバーセンサを備えたことを特徴としており、小形で精度高く電解液濃度を測定できる。 This is characterized by including an optical fiber sensor that contains calcium ions in the electrolytic solution and detects the specific gravity of sulfuric acid through the calcium ions, and can measure the electrolytic solution concentration with a small size and high accuracy.
しかしながら、上記従来例では、電解液の状態検知のために電解液と反応する試薬を添加しているが、電池内の電解液と試薬が共存するため、試薬による副反応やそれに伴う電池性能の低下を引き起こすという問題点があった。 However, in the above conventional example, a reagent that reacts with the electrolyte solution is added to detect the state of the electrolyte solution. However, since the electrolyte solution and the reagent in the battery coexist, the side reaction caused by the reagent and the accompanying battery performance There was a problem of causing a drop.
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、電池内の電解液中に試薬を投入することなく劣化診断するに好適なリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a lithium ion secondary battery suitable for diagnosing deterioration without introducing a reagent into the electrolytic solution in the battery.
本発明は、正極、負極、電解液を外装ケース内に内蔵させたリチウムイオン二次電池である。そして、電解液中のリチウムイオンと選択的に反応して呈色する試薬を封入した試薬容器を外装ケース外に配置する。そして、連通遮断手段を介して劣化診断時に外装ケース内の電解液を試薬容器に導入可能とした。 The present invention is a lithium ion secondary battery in which a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution are incorporated in an outer case. And the reagent container which enclosed the reagent which selectively reacts with the lithium ion in electrolyte solution and colors is arrange | positioned out of an exterior case. Then, the electrolytic solution in the outer case can be introduced into the reagent container at the time of deterioration diagnosis through the communication blocking means.
したがって、本発明では、劣化診断時に連通遮断手段を介して外装ケース内の電解液を試薬容器に導入するため、外装ケース内に残存している電解液と呈色試薬とが反応することがない。このため、呈色反応物質が正極層や負極層の正負活物質の表面で反応して表面に付着して覆い、活物質としての機能を阻害するなどの副反応による電池の性能劣化を防ぐことができる。 Therefore, in the present invention, since the electrolyte solution in the outer case is introduced into the reagent container via the communication blocking means at the time of deterioration diagnosis, the electrolyte solution remaining in the outer case and the color reagent do not react. . For this reason, the color reaction material reacts on the surface of the positive and negative active materials of the positive electrode layer and the negative electrode layer and adheres to and covers the surface to prevent battery performance deterioration due to side reactions such as inhibiting the function as the active material. Can do.
以下、本発明のリチウムイオン二次電池を一実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, a lithium ion secondary battery of the present invention will be described based on an embodiment.
図1、2は、本実施形態によるリチウムイオン二次電池の概略図である。図1はリチウムイオン二次電池の平面図であり、図2は図1のA−A断面図である。 1 and 2 are schematic views of the lithium ion secondary battery according to the present embodiment. FIG. 1 is a plan view of a lithium ion secondary battery, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
図1及び図2に示すように、リチウムイオン二次電池1は、電池要素2と、電池要素2を収容する外装ケース3と、を備える。また、本実施形態のリチウムイオン二次電池1は、呈色試薬を封入した複数の試薬容器10と、電解液を封入した複数の補充容器11と、を備える。また、これら容器10,11と外装ケース3内部とを、通常は遮断状態とされるが必要に応じて連通可能とする、連通・遮断手段としての弁装置12,13を備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, the lithium ion
電池要素2は、正極4、電解質層としてのセパレータ5、及び負極6を順次積層した積層体として構成される。
The
正極4は板状の正極集電体4aの両面に正極層4bを有しており、負極6は板状の負極集電体6aの両面に負極層6bを有している。なお、電池要素2の最外層に配置される正極4においては、正極集電体4aの片面のみに正極層4bが形成される。
The
隣接する正極4、セパレータ5、及び負極6が一つの単電池7を構成しており、リチウムイオン電池1は積層された複数の単電池7をそれぞれ電気的に並列接続して構成される。
The adjacent
外装ケース3は、アルミニウム等の金属をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムのシート材からなる。外装ケース3は、電池要素2を収納した状態で、ケース外周部が熱融着によって接合される。この外装ケース3には、電池要素2からの電力を外部に取り出すため、外部端子としての正極タブ8及び負極タブ9が設けられる。
The
正極タブ8の一端は外装ケース3の外側にあり、正極タブ8の他端は外装ケース3の内部で各正極集電体4aの集合部に接続する。負極タブ9の一端は外装ケース3の外側にあり、負極タブ9の他端は外装ケース3の内部で各負極集電体6aの集合部に接続する。
One end of the
呈色試薬を封入した複数の試薬容器10は、図3に示すように、呈色試薬を内蔵した透明な樹脂材料からなる。試薬容器10の一方には連通遮断手段としての弁装置12が連結されている。呈色試薬を内蔵した試薬容器10は、弁装置12に連結された側とは反対側を開口させた、弾性を備えた筒状樹脂により形成されている。試薬容器10内の空間の厚さ寸法は、例えば、2mmとなるよう設定されている。そして、弁装置12を閉じた状態で、試薬容器10の開口より呈色試薬を挿入し、開口部を利用して真空シーラーにより減圧することにより、呈色試薬の外形に沿わせて弾性変形(収縮)させて開口部を密閉して形成している。このため、試薬容器10内は真空状態に保持されている。
As shown in FIG. 3, the plurality of
なお、上記において、試薬容器10として、透明な樹脂材料のものについて記載しているが、半透明な樹脂材料であっても、呈色試薬の呈色反応が判定できるものであれば、それでもよい。
In the above description, a transparent resin material is described as the
また、上記において、試薬容器10内を真空状態に減圧とするものについて説明したが、例えば、外装ケース3内の圧力が大気圧より高ければ、試薬容器10内を減圧することなく大気圧状態とするものであってもよい。即ち、試薬容器10内の圧力を、外装ケース3内の圧力より低くなるよう調整するものであればよい。以下では、説明の簡略化のために、試薬容器10内が減圧されたものについて説明する。
In the above description, the inside of the
弁装置12の試薬容器10が連結された側とは反対側の外周には、リチウムイオン二次電池1の外装ケース3の縁が融着により固定されており、外装ケース3内と試薬容器10内とを弁装置12により遮断している。このため、外装ケース3内と試薬容器10内とは、弁装置12を開放することにより連通し、試薬容器10内が減圧された状態で弾性変形されている。このために、試薬容器10が常態形状に復帰されるに連れて、外装ケース3内の電解液を試薬容器10内に導入するようにしている。
The edge of the
弁装置12は、試薬容器10内と外装ケース3内とを遮断状態とし、必要に応じて両者を連通可能とするものであればよく、例えば、図示する開閉コック、ストップバルブ、止め弁や逆止弁等が使用できる。
The
試薬容器10に内蔵させる呈色試薬としては、1,10−フェナントロリン誘導体、アゾフェノール色素クラウンエーテル、カリックスアレーン誘導体、イオン応答性色素等がある。
Examples of the color reagent incorporated in the
1,10−フェナントロリン誘導体は、図6に示すように、リチウムイオンと選択的に相互作用する部分として、1,10−フェナントロリンの誘導体を、発色団としてはピクリルアミノ基をもつ化合物である。この化合物は、リチウムイオンの存在するときだけ可視吸収スペクトルが変化し、黄色から褐色に変わる。即ち、色の変化によるリチウム濃度の計測が可能となる。 As shown in FIG. 6, the 1,10-phenanthroline derivative is a compound having a derivative of 1,10-phenanthroline as a portion that selectively interacts with lithium ions and a picrylamino group as a chromophore. This compound changes its visible absorption spectrum only in the presence of lithium ions and changes from yellow to brown. That is, the lithium concentration can be measured by the color change.
アゾフェノール色素クラウンエーテルは、図7に示す構造を備え、アゾ色素基を有するクラウンエーテルで、フェノール性水酸基がクラウンエーテル環の空孔内に向いて配向した構造を備える。適切な溶媒と塩基の存在下、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンと錯体を形成し、金属イオン特有の呈色、吸収スペクトルを示す。 The azophenol dye crown ether has the structure shown in FIG. 7 and is a crown ether having an azo dye group, in which a phenolic hydroxyl group is oriented toward the vacancies of the crown ether ring. In the presence of an appropriate solvent and base, it forms a complex with alkali metal ions and alkaline earth metal ions, and exhibits a color and absorption spectrum peculiar to metal ions.
カリックスアレーン誘導体は、図8に示す構造を備え、金属イオン、特にナトリウムイオンの存在下に600nmより長波長の呈色性を有し、これらのイオンの高選択性、高感度比色試薬として使用される。 The calixarene derivative has the structure shown in FIG. 8, has a coloration property longer than 600 nm in the presence of metal ions, particularly sodium ions, and is used as a highly selective and highly sensitive colorimetric reagent for these ions. Is done.
イオン応答性色素は、図9に示す構造を備え、水溶液中のリチウムイオン等のイオンを簡便に高感度に測定することができる。 The ion-responsive dye has the structure shown in FIG. 9 and can easily measure ions such as lithium ions in an aqueous solution with high sensitivity.
電解液を封入した複数の補充容器11は、図4に示すように、電解液を封入した樹脂材料からなる容器により形成されている。補充容器11の一方には連通遮断手段としての弁装置13が連結されている。補充容器11内に封入する電解液の量は、試薬容器10に導入しての劣化診断に使用する電解液の量に相当する、例えば、0.2mL程度としている。
As shown in FIG. 4, the plurality of replenishing
弁装置13の補充容器11が連結された側とは反対側の外周には、リチウムイオン二次電池1の外装ケース3の縁が融着により固定されており、外装ケース3内と補充容器11内とを弁装置13により遮断している。このため、外装ケース3内と補充容器11内とは、弁装置13を開放することにより連通し、補充容器11を摘むなどにより変形させて、補充容器11内の電解液を外装ケース3内に押出すことにより、電解液を外装ケース3内に補充できるようにしている。その後に弁装置13を閉じることにより、外装ケース3内と補充容器11内とは、遮断状態とできる。ここで使用する弁装置13も、補充容器11内と外装ケース3内とを遮断状態とし、必要に応じて両者を連通可能とするものであればよく、例えば、図示する開閉コック、ストップバルブ、止め弁や逆止弁等が使用できる。
The edge of the
以上の構成のリチウムイオン二次電池1においては、試薬容器10内の電解液中のリチウムイオン濃度に対応して呈色する試薬と外装ケース3内に封入されている電解液とは分離した状態としている(図5A参照)。このため、呈色試薬と外装ケース3内の電解液とが反応することはない。
In the lithium ion
外装ケース3内に封入している電解液の劣化状態の診断、即ち、電解液中のリチウムイオン濃度を測定する場合には、試薬容器10に付随している弁装置12を開放する(図5B参照)。
When diagnosing the deterioration state of the electrolytic solution sealed in the
弁装置12を開放することにより外装ケース3内と試薬容器10内とは連通し、試薬容器10内が減圧された状態で弾性変形されているために、試薬容器10が常態形状に復帰されるに連れて、外装ケース3内の電解液を試薬容器10内に導入する。このように、呈色試薬を封入した試薬容器10をあらかじめ減圧状態にしてあるため、外装ケース3内の電解液を、呈色試薬を封入した容器へ圧力差を利用して移動でき、気泡が外装ケース3内に発生することがない。
By opening the
導入された電解液により試薬容器10内に封入されている呈色試薬が溶解され、導入した電解液に含まれているリチウムイオン濃度に応じて呈色反応する(図5C参照)。
The colored reagent sealed in the
この状態で、弁装置12を閉じることにより、外装ケース3内と試薬容器10内との連通を遮断することにより、呈色反応した電解液や呈色試薬が外装ケース3内へ入り込むことを防止できる。即ち、呈色反応が呈色試薬を封入した試薬容器10内のみで発生し、電解液と呈色試薬が外装ケース3内へ逆流することがない。このため、電解液と呈色試薬が外装ケース3内へ逆流することにより、呈色反応物質が正極層や負極層の正負活物質の表面で反応して表面に付着して覆い、活物質としての機能を阻害するなどの副反応による電池の性能劣化を防ぐことができる。
In this state, by closing the
また、呈色試薬を封入する試薬容器10は透明若しくは半透明であるため、呈色状況を外部から判断でき、紫外・可視分光器(UV/vis)を用いて吸光度を測定することで、定量的にリチウムイオン濃度を測定できる(図5D参照)。呈色試薬として、1,10−フェナントロリン誘導体を使用する場合には、リチウムイオン濃度に応じて、黄色から褐色に変化する。しかも、呈色試薬を封入した試薬容器10に電解液を導入した際、厚みが一定になるようにしているため、測定した吸光度から定量的にリチウムイオン濃度を精度よく求めることができる。
In addition, since the
外装ケース3内に封入されている電解液量は、呈色反応に消費された分量だけ減少する。この消費分量の電解液の補充のために、補充容器11に付随する弁装置13を開放すると、補充容器11内と外装ケース3内とは連通状態となる。この状態で、補充容器11を摘むなどにより変形させることにより、弾性容器内の電解液を外装ケース3内に押出すことができ、電解液を外装ケース3内に補充できる。その状態で弁装置13を閉じることにより、外装ケース3内を密閉状態とでき、外装ケース3内の電界液量を所定量に維持することができる。
The amount of the electrolyte solution enclosed in the
呈色試薬を封入した試薬容器10を複数個設置しているため、リチウムイオン濃度の測定を複数回実施することができ、劣化診断を繰り返し実施することができる。しかも、電解液の補充容器11を複数個設置しているため、呈色反応ごとに電解液を補充することができる。
Since a plurality of
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, the following effects can be achieved.
(ア)正極、負極、電解液を外装ケース3内に内蔵させたリチウムイオン二次電池1である。そして、電解液中のリチウムイオンと選択的に反応して呈色する試薬を封入した試薬容器10を外装ケース3外に配置する。そして、連通遮断手段としての弁装置13を介して劣化診断時に外装ケース3内の電解液を試薬容器10に導入可能とした。したがって、劣化診断時に連通遮断手段を介して外装ケース3内の電解液を試薬容器10に導入するため、外装ケース3内に残存している電解液と呈色試薬とが反応することがない。このため、呈色反応物質が正極層や負極層の正負活物質の表面で反応して表面に付着して覆い、活物質としての機能を阻害するなどの副反応による電池の性能劣化を防ぐことができる。
(A) A lithium ion
(イ)試薬容器10は、複数個が個々に連通遮断手段としての弁装置12を介して外装ケース3内と接続されている。このため、リチウムイオン濃度の測定を複数回実施することができ、劣化診断を繰り返し実施することができる。
(A) A plurality of
(ウ)試薬容器10は、透明若しくは半透明な材質で形成されている。このため、呈色状況を外部から判断でき、紫外・可視分光器を用いて吸光度を測定することで、定量的にリチウムイオン濃度を測定できる。
(C) The
(エ)連通遮断手段は、常時は遮断状態にあり、試薬容器10内に外装ケース3内の電解液を導入する時に開放する弁装置12で形成されている。このため、呈色反応を呈色試薬を封入した試薬容器10内のみで生じさせることができ、電解液と呈色試薬が外装ケース3内へ逆流することがない。
(D) The communication blocking means is normally in a blocking state, and is formed by a
(オ)試薬容器10は、外装ケース3内の圧力よりも低くなるように予め内圧が調整される。このため、外装ケース3内の電解液を呈色試薬を封入した試薬容器10へ圧力差を利用して移動でき、外装ケース3内の電解液中に気泡が発生することがない。
(E) The internal pressure of the
(カ)試薬容器10は、外装ケース3内の電解液を導入した際に厚みが予め設定した寸法となる。このため、測定した吸光度から定量的にリチウムイオン濃度を求めることができる。
(F) The
(キ)リチウムイオン二次電池1は、電解液を封入した補充容器11を外装ケース3外に配置し、連通遮断手段としての弁装置13を介して補充容器11内の電解液を外装ケース3内へ供給可能とした。このため、呈色反応に消費された電解液を新たに補充でき、外装ケース3内の電解液量を一定にできる。
(G) In the lithium ion
(ク)補充容器11は、複数個が個々に連通遮断手段としての弁装置13を介して外装ケース3内と接続されている。このため、複数回の呈色反応の度に電解液を補充することができる。
(H) A plurality of replenishing
(ケ)連通遮断手段は、常時は遮断状態にあり、補充容器11内の電解液を外装ケース3内へ供給する時に開放する弁装置13で形成されている。このため、電解液が外装ケース3内から電解液の補充容器11へ逆流することがないので外装ケース3内の電解液量が減少することがない。
(G) The communication blocking means is normally in a blocking state, and is formed by a
以下、各実施例を用いて本発明のリチウムイオン二次電池1の劣化診断方法を説明する。しかしながら、本発明は、各実施例によって何ら限定されるものではない。
Hereinafter, the deterioration diagnosis method of the lithium ion
(実施例1)
図1に示すように、電解液中のリチウムイオン濃度に対応して呈色する試薬を封入した試薬容器10をラミネート形外装ケース3を備えるリチウムイオン二次電池1に設置した。電解液には、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の比が1対1の体積比である混合液に、リチウム塩であるリチウムPF6を1Mの濃度に溶解させたものを使用した。呈色試薬を封入した試薬容器10は3個設置し、呈色試薬を封入した試薬容器10は電解液が流入した際、厚さが2mmになるように設計した。呈色試薬として 1,10−フェナントロリン誘導体を20mg試薬容器10に封入した。
Example 1
As shown in FIG. 1, a
図3に示すように、1,10−フェナントロリン誘導体を試薬容器10に封入する際、真空シーラーを用いて、減圧状態となるようにした。リチウムイオン二次電池1の外装ケース3内と呈色試薬を封入した試薬容器10を弁装置12としてコックで連結し、呈色反応を実施する場合以外は閉じた状態にした。電解液を補充する補充容器11を3個設置し、それぞれの補充容器11に電解液0.2mLを封入した。リチウムイオン二次電池1の外装ケース3内と電解液を補充する補充容器11をコックで連結し、呈色反応を実施する場合以外は閉じた状態にした。
As shown in FIG. 3, when the 1,10-phenanthroline derivative was sealed in the
(実施例2)
リチウムイオン二次電池1の外装ケース3内と呈色試薬を封入した試薬容器10との間にあるコックを開け、減圧されている呈色試薬を封入した試薬容器10内に電解液を流入させた。
(Example 2)
Open the cock between the
試薬容器10内に電解液が充満された後、コックを閉じて、呈色試薬がリチウムイオン二次電池1の外装ケース3内に逆流しないようにした。呈色試薬が電解液に完全に溶解し、均一状態になるまで5分間待った。図6に示すような呈色反応が起こり、電解液は褐色に変化した。
After the
呈色反応後、電解液を補充するため、リチウムイオン二次電池1の外装ケース3内と電解液を補充する補充容器11との間のコックを開け、電解液を外装ケース3内に流入させ、電解液を補充した。電解液補充後に、コックを閉じて電解液が逆流しないようにした。
After the color reaction, in order to replenish the electrolyte, a cock between the
(実施例3)
実施例2で使用したリチウムイオン二次電池1を充放電300回のサイクル試験を実施した後に、2回目の呈色試験を同様に実施した。
(Example 3)
After the lithium ion
紫外・可視分光器(UV/vis)を用いて、反応液の吸光度を測定し、リチウムイオン濃度を算出すると、濃度0.94Mとなり、劣化によるリチウムイオン濃度の変化を測定した。 The absorbance of the reaction solution was measured using an ultraviolet / visible spectrometer (UV / vis), and the lithium ion concentration was calculated to be 0.94 M. The change in lithium ion concentration due to deterioration was measured.
呈色反応後、電解液を補充するため、リチウムイオン二次電池1の外装ケース3内と電解液を補充する2個目の補充容器11との間のコックを開け、電解液を外装ケース3内に流入させ、電解液を補充した。電解液補充後に、コックを閉じて電解液が逆流しないようにした。
In order to replenish the electrolytic solution after the color reaction, the cock between the inside of the
(実施例4)
実施例2で使用したリチウムイオン二次電池1を充放電500回のサイクル試験を実施した後に、3回目の呈色試験を同様に実施した。
Example 4
The lithium ion
紫外・可視分光器(UV/vis)を用いて、反応液の吸光度を測定し、リチウムイオン濃度を算出すると、濃度0.90Mとなり、劣化によるリチウムイオン濃度の変化を測定した。 The absorbance of the reaction solution was measured using an ultraviolet / visible spectrometer (UV / vis), and the lithium ion concentration was calculated to be 0.90 M. The change in lithium ion concentration due to deterioration was measured.
呈色反応後、電解液を補充するため、リチウムイオン二次電池1の外装ケース3内と電解液を補充する3個目の補充容器11との間のコックを開け、電解液を外装ケース3内に流入させ、電解液を補充した。電解液補充後に、コックを閉じて電解液が逆流しないようにした。
After the color reaction, in order to replenish the electrolytic solution, the cock between the
以上のように、リチウムイオン二次電池1のリチウムイオン濃度測定を、簡便に繰り返し実施することができた。
As described above, the lithium ion concentration measurement of the lithium ion
また、呈色試薬が外装ケース3内に混入することがないので、呈色反応物質が正極層や負極層の正負活物質の表面で反応して表面に付着して覆い、活物質としての機能を阻害するなどの副反応や性能劣化は無視することができた。
In addition, since the color reagent is not mixed in the
1 リチウムイオン二次電池
2 電池要素
3 外装ケース
4 正極
5 セパレータ
6 負極
7 単電池
8 正極タブ
9 負極タブ
10 試薬容器
11 補充容器
12、13 弁装置
DESCRIPTION OF
Claims (9)
電解液中のリチウムイオンと選択的に反応して呈色する試薬を封入した試薬容器を外装ケース外に配置し、
連通遮断手段を介して劣化診断時に外装ケース内の電解液を試薬容器に導入可能としたことを特徴とするリチウムイオン二次電池。 It is a lithium ion secondary battery in which a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution are built in an outer case,
A reagent container enclosing a reagent that selectively reacts with lithium ions in the electrolyte and colors is placed outside the outer case,
A lithium ion secondary battery characterized in that the electrolyte in the outer case can be introduced into the reagent container at the time of deterioration diagnosis through the communication blocking means.
連通遮断手段を介して補充容器内の電解液を外装ケース内へ供給可能としたことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一つに記載のリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery has a replenishment container filled with an electrolyte solution disposed outside the outer case,
The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 6, wherein the electrolytic solution in the replenishing container can be supplied into the outer case through the communication blocking means.
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