JP2013247101A - Hybrid battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バッテリとキャパシタを融合させてなるハイブリッドバッテリに関する。 The present invention relates to a hybrid battery obtained by fusing a battery and a capacitor.
近年、米国において乗用車の平均燃費(km/l)を将来的に2倍にする燃費規制が発表され、EUにおいても2015年までにCO2排出量を120g/km以下に抑える規制案が発表されて、日本でも2015年までに乗用車の燃費を2004年実績に対し23.5%改善することが求められており、世界的に自動車のCO2排出規制・燃費規制が強化される傾向にある。そのため、日本の自動車産業界では斯かる燃費改善・CO2排出量抑制に対応した環境対策車の開発が急務となっている。 In recent years, fuel efficiency regulations have been announced in the US to double the average fuel economy (km / l) of passenger cars in the future, and the EU has also announced a proposed regulation to reduce CO 2 emissions to 120 g / km or less by 2015. Te, it has been required to be improved 23.5% with respect to the actual 2004 fuel consumption of passenger cars in 2015 in Japan, in the worldwide trend that CO 2 emission regulations and fuel consumption regulations of the car is enhanced. Therefore, in the Japanese automobile industry, there is an urgent need to develop an environmentally-friendly vehicle that can improve such fuel consumption and CO 2 emissions.
このような環境対策車として、HV(ハイブリッド車)・EV(電気自動車)が周知であるが、その蓄電デバイスとしては、鉛蓄電池よりもエネルギー密度・出力密度の高いニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池が採用されている。しかし、ニッケル水素電池はリチウムイオン二次電池と比べて電池容量が劣り、リチウムイオン二次電池はニッケル水素電池と比べて安全性の面で劣るとされ、また両者とも充電に長時間を要するなど、現状においては一長一短がある。さらに、斯かる蓄電デバイスは材料原価が高いことに加え、安全性対策を講じる必要があるため鉛蓄電池と比べて高コストであり、車両価格の低廉化を困難にしている。 HV (hybrid vehicle) and EV (electric vehicle) are well known as such environmentally-friendly vehicles, but as their electricity storage devices, nickel-metal hydride batteries and lithium ion secondary batteries having higher energy density and output density than lead storage batteries. Batteries are adopted. However, nickel metal hydride batteries are inferior in battery capacity compared to lithium ion secondary batteries, lithium ion secondary batteries are considered inferior in safety compared to nickel metal hydride batteries, and both require a long time to charge. Currently, there are advantages and disadvantages. In addition to the high cost of materials, such power storage devices are costly compared to lead-acid batteries because it is necessary to take safety measures, making it difficult to reduce vehicle prices.
そのため、生産車両の殆どをHVやEVにすることは非現実的であり、既存のガソリンエンジン車において種々の燃費改善技術を検討しているのが現状である。例えば、信号待ちの間はエンジンを停止させるアイドリングストップ技術が近年普及しつつあり、HVに近い燃費性能を実現しているものもある。この場合、蓄電デバイスは鉛蓄電池であるが、アイドリング停止中であっても車載電子機器やエアコンが作動していることに加え、エンジン停止の度にクランキングによる急速放電を繰り返すため、短期間で容量低下を来して過放電状態となりやすく、またブレーキ制動時の回生電力の充電性能も不充分であることから、その急速充放電性能と耐久性の向上が大きな課題となっている。 Therefore, it is unrealistic to make most of the production vehicles HV or EV, and various fuel consumption improvement technologies are currently being studied for existing gasoline engine vehicles. For example, an idling stop technique for stopping the engine while waiting for a signal has been spreading in recent years, and some have realized fuel efficiency performance close to HV. In this case, the electricity storage device is a lead-acid battery, but even when idling is stopped, in-vehicle electronic devices and air conditioners are operating, and rapid discharge due to cranking is repeated every time the engine is stopped. Since the capacity is likely to be reduced and the battery is likely to be in an overdischarged state, and the charging performance of regenerative power during braking is insufficient, the rapid charging / discharging performance and the improvement of durability are major issues.
斯かる鉛蓄電池は、開発されてから100年以上が経過した古い技術ではあるが、安価で信頼性が高いことから現在でも車両用として主流の地位にある。しかし、鉛蓄電池の理論エネルギー密度は167Wh/kgとリチウムイオン二次電池の150Wh/kgよりも大きいにもかかわらず、車両の動力用としては主流になり得なかった。また、鉛蓄電池は太陽光発電や風力発電の分野でもその蓄電デバイスとして汎用されているが、この自然エネルギーを利用した発電においても、時々刻々変動する日照量や風量の状態によりその出力レベルが安定しないことから、その変動分を充分に吸収しうる急速充放電性能が求められるとともに、長期間の使用に耐える耐久性も求められている。 Such lead-acid batteries are an old technology that has been developed for more than 100 years, but are still in the mainstream position for vehicles due to their low cost and high reliability. However, although the theoretical energy density of the lead storage battery is 167 Wh / kg, which is larger than 150 Wh / kg of the lithium ion secondary battery, it cannot be mainstream for vehicle power. Lead-acid batteries are also widely used as power storage devices in the fields of solar power generation and wind power generation, but even in power generation using this natural energy, the output level is stable depending on the amount of sunlight and air volume that change from moment to moment. Therefore, rapid charge / discharge performance that can sufficiently absorb the fluctuation is required, and durability that can withstand long-term use is also required.
したがって、低廉で安全性・信頼性に優れた鉛蓄電池において、急速充放電性能と耐久性を大きく向上させることができれば、車両に使用するニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池の少なくとも一部を代用可能となって、コスト面で極めて有利なものとなり、また、アイドリングストップ技術や自然エネルギー発電における要請にも充分に応えられるようになる。 Therefore, if lead-acid batteries that are inexpensive and excellent in safety and reliability can greatly improve rapid charge / discharge performance and durability, at least part of nickel-metal hydride batteries and lithium ion secondary batteries used in vehicles can be substituted. It will be possible and will be extremely advantageous in terms of cost, and will be able to fully meet the demands for idling stop technology and renewable energy power generation.
そこで、特表2007−506230号公報には、鉛ベース負極と二酸化鉛ベース正極に加えてコンデンサ負極を設けて鉛蓄電池部分と非対称コンデンサ部分を構成するものとして、高電流の充電・放電が行われる間は非対称コンデンサ部分で電荷の受け入れ・放出が優先的に行われる方式とした鉛蓄電池が提案されている。また、特開2008−210636号公報には、正極板と負極板の一方の表面の一部にキャパシタ層を各々形成して、各キャパシタ層に電荷を蓄える方式の鉛蓄電池も提案されている。 Therefore, in Japanese Translation of PCT International Publication No. 2007-506230, charge / discharge of high current is performed by providing a capacitor negative electrode in addition to a lead-based negative electrode and a lead dioxide-based positive electrode to constitute a lead storage battery portion and an asymmetric capacitor portion. In the meantime, lead storage batteries have been proposed in which asymmetric capacitors are used to preferentially accept and release charges. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-210636 also proposes a lead storage battery in which a capacitor layer is formed on a part of one surface of each of a positive electrode plate and a negative electrode plate, and charges are stored in each capacitor layer.
このように、キャパシタと同様に電荷を蓄える部分を鉛蓄電池内に設けたことで、この部分が電池電極部分と比べて内部抵抗が小さいことにより高電流の充電・放電を優先的に行うことになるため、充放電性能が向上することに加え電池部分の負担を軽減してバッテリとしての耐久性も3〜4倍程度向上する結果となる。 Thus, by providing a part for storing electric charge in the lead storage battery as in the case of the capacitor, this part has a lower internal resistance than the battery electrode part, so that high current charging / discharging is preferentially performed. Therefore, in addition to improving the charge / discharge performance, the burden on the battery portion is reduced and the durability as a battery is also improved by about 3 to 4 times.
しかしながら、斯かるハイブリッド式の鉛蓄電池では、その電荷を蓄える部分が実際のキャパシタのように対の電極の内側部分が封止されておらずキャパシタ内部がバッテリ液に曝されているため、完全なキャパシタと同等の耐久性を発揮しにくい状態となっている。また、キャパシタによる電荷を蓄える部分の面積が正・負の電極面積と比較して小さいことから、全体容量に対するキャパシタ機能の貢献割合は実に小さく、さらに、単にキャパシタと電池を融合したのみではエネルギー密度の大幅な改善は期待することができない。そのため、バッテリとしての総合性能の改善は全体的にはさほど大きくはなく、上述した要請への対応は充分に達成されていないのが現状である。 However, in such a hybrid lead-acid battery, the inner part of the pair of electrodes is not sealed like the actual capacitor, and the inside of the capacitor is exposed to the battery fluid, so that the complete storage is complete. It is in a state where it is difficult to exhibit the same durability as a capacitor. In addition, since the area of the capacitor where charges are stored is small compared to the area of the positive and negative electrodes, the contribution ratio of the capacitor function to the total capacity is very small. Can not be expected to improve significantly. Therefore, the improvement of the overall performance as a battery is not so large as a whole, and the present situation is that the response to the above request has not been sufficiently achieved.
本発明は、上記のような問題を解決しようとするものであり、総合性能に優れたバッテリを低コストで提供することを課題とする。 The present invention is intended to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a battery having excellent overall performance at a low cost.
そこで、本発明は、導電体に各々接続された正極板と負極板を交互に並べた状態で電解液に浸漬してなるバッテリにおいて、隣り合う正極板と負極板が対をなしその間に誘電体又は電解質を挟装してなるユニットでキャパシタセルを構成し、複数の前記キャパシタセルが正極板と負極板が向かい合って並ぶ配置とされており、この向かい合う正極板と負極板は中間の電解液とともに各々電池セルを構成している、ことを特徴とするハイブリッドバッテリとした。 Accordingly, the present invention provides a battery in which a positive electrode plate and a negative electrode plate connected to a conductor are alternately immersed in an electrolyte solution, and adjacent positive electrode plates and negative electrode plates form a pair between the dielectric plates. Alternatively, a capacitor cell is constituted by a unit formed by sandwiching an electrolyte, and a plurality of the capacitor cells are arranged so that a positive electrode plate and a negative electrode plate face each other, and the opposite positive electrode plate and negative electrode plate together with an intermediate electrolyte Each of the battery cells constitutes a hybrid battery.
このように、交互に並ぶ正極板と負極板を対にしてキャパシタセルを構成するとともに、複数並んだキャパシタセルの対向面となる正極板と負極板とで電池セルを構成するようにしたことで、正極板と負極板において電池を構成する部分に対しキャパシタで電荷を溜める部分の割合を大きく確保することができ、且つ、対の正極板と負極板で完全なるキャパシタセルになるとともに、対向する正極板と負極板と間の電解液とで完全なる電池セルになるため、バッテリとキャパシタの両機能を充分に発揮しながら、優れた充放電性能と耐久性を実現することができる(従来のキャパシタとバッテリの組み合わせでは複雑な同調回路が必要であり、各電極間でのキャパシタとバッテリの調整が容易ではないという事情もあった)。 In this way, a capacitor cell is configured by pairing alternately arranged positive electrode plates and negative electrode plates, and a battery cell is configured by a positive electrode plate and a negative electrode plate which are opposed surfaces of a plurality of arranged capacitor cells. The positive electrode plate and the negative electrode plate can ensure a large proportion of the portion that stores the charge with the capacitor relative to the portion constituting the battery, and the pair of positive electrode plate and negative electrode plate form a complete capacitor cell and face each other. Since the battery cell is completely formed by the electrolyte solution between the positive electrode plate and the negative electrode plate, excellent charge / discharge performance and durability can be realized while fully exhibiting both functions of the battery and the capacitor (conventional The combination of a capacitor and a battery requires a complicated tuning circuit, and it is not easy to adjust the capacitor and battery between each electrode).
またこのハイブリッドバッテリにおいて、その向かい合う正極板と負極板を、電位差のある異なる金属の組み合わせ、例えばMg>Al>Zn>Cuというようなイオン化傾向の異なる金属同士の組み合わせとすることにより、電池セルとしての機能を確実に発揮可能なものとなる。この場合、その異なる金属の組み合わせを、二酸化鉛と鉛、銅又は銅合金とアルミニウム又はアルミニウム合金、のいずれかとすることにより、低コストでバッテリ性能とキャパシタ性能の両方に優れたものとなる。 Moreover, in this hybrid battery, the positive and negative electrodes facing each other are combined with different metals having a potential difference, for example, a combination of metals with different ionization tendencies such as Mg> Al> Zn> Cu. It will be possible to demonstrate the functions of. In this case, the combination of the different metals is any one of lead dioxide and lead, copper or copper alloy and aluminum or aluminum alloy, so that both battery performance and capacitor performance are excellent at low cost.
また、上述したハイブリッドバッテリにおいて、そのキャパシタセルと電池セルが、共通の電解液を使用する方式とされていることを特徴としたものとすれば、コスト面で有利なものとなる。 In the hybrid battery described above, if the capacitor cell and the battery cell are characterized by using a common electrolyte solution, it is advantageous in terms of cost.
さらに、上述したハイブリッドバッテリにおいて、そのキャパシタセルを、正極板と負極板の間に挟装された部分が、外周面を除く内部側が電解液に対し密封されていることを特徴としたものとすれば、キャパシタセル内部が電解液側に開放されることによるキャパシタ機能の低下・劣化を回避することができる。 Furthermore, in the hybrid battery described above, if the capacitor cell is characterized in that the portion sandwiched between the positive electrode plate and the negative electrode plate is characterized in that the inner side excluding the outer peripheral surface is sealed against the electrolyte solution, It is possible to avoid deterioration and deterioration of the capacitor function due to the inside of the capacitor cell being opened to the electrolyte side.
さらにまた、上述したハイブリッドバッテリにおいて、そのキャパシタセルを、薄膜化してシート状にした誘電体が正極板と負極板の間に挟装されてフィルムコンデンサを構成してなることを特徴としたものとすれば、キャパシタセルを過剰に厚くすることなく電荷を蓄える部分を充分に確保することができ、装置のコンパクト化が容易なものとなる。 Furthermore, in the hybrid battery described above, if the capacitor cell is formed into a film capacitor by sandwiching a thin film sheet-like dielectric material between a positive electrode plate and a negative electrode plate, Thus, it is possible to secure a sufficient portion for storing charges without excessively thickening the capacitor cell, and the device can be easily made compact.
この場合、そのシート状の誘電体を、正極板から延長されたシート状電極と負極板から延長されたシート状電極との間に挟まれた状態で、両シート状電極とともに蛇腹状に折り畳まれて正極板と負極板の間に挟装されたことを特徴としたものとすれば、コンパクトさを維持しながら電荷を蓄える部分の面積を一層大きくすることができ、キャパシタ容量をバッテリ容量に合わせた比率調整(例えば2:8〜3:7)とすることができる。 In this case, the sheet-like dielectric is folded between the sheet-like electrode extended from the positive electrode plate and the sheet-like electrode extended from the negative electrode plate in a bellows shape together with both the sheet-like electrodes. If it is characterized by being sandwiched between the positive electrode plate and the negative electrode plate, the area of the charge storage part can be further increased while maintaining compactness, and the ratio of the capacitor capacity to the battery capacity Adjustment (for example, 2: 8 to 3: 7) can be performed.
加えて、上述したハイブリッドバッテリにおいて、その誘電体が主成分をチタン酸バリウムとされていることを特徴としたものとすれば、蓄電デバイスとして高いエネルギー密度を達成しやすいものとなる。 In addition, in the hybrid battery described above, if the dielectric is characterized in that the main component is barium titanate, a high energy density can be easily achieved as an electricity storage device.
また加えて、上述したハイブリッドバッテリにおいて、そのキャパシタセルが電気二重層キャパシタを構成していることを特徴としたものとすれば、大きな静電容量を確保して高いエネルギー効率を実現しやすいものとなる。 In addition, in the hybrid battery described above, if the capacitor cell constitutes an electric double layer capacitor, it is easy to ensure high capacitance and achieve high energy efficiency. Become.
さらに加えて、上述したハイブリッドバッテリにおいて、そのキャパシタセルを、少なくとも負極板の内面側及び正極板の外面側、又は負極板と正極板の両内面側に活性炭素層が形成されていることを特徴としたものとすれば、その細孔構造で大きな比表面積を確保して高い静電容量を実現しながら、その低い熱抵抗で高い放熱機能を発揮するとともに、その低い電気抵抗で優れた充放電性能を発揮可能なものとなる。この場合、その活性炭素層をナノカーボン材料で構成してなるものとすれば、より優れたキャパシタ性能の発揮が可能となって、総合性能に一層優れた蓄電デバイスとなる。尚、カーボンナノチューブは多層のものを酸処理することで、約7倍の容量を得られることが知られている。 In addition, in the hybrid battery described above, the activated carbon layer is formed at least on the inner surface side of the negative electrode plate and the outer surface side of the positive electrode plate, or on both inner surface sides of the negative electrode plate and the positive electrode plate. As a result, while maintaining a large specific surface area with its pore structure and realizing a high capacitance, it exhibits a high heat dissipation function with its low thermal resistance and excellent charge and discharge with its low electrical resistance The performance can be demonstrated. In this case, if the activated carbon layer is made of a nanocarbon material, the capacitor performance can be further improved, and the power storage device can be further improved in overall performance. In addition, it is known that about 7 times the capacity can be obtained by acid-treating multi-walled carbon nanotubes.
そして、上述したハイブリッドバッテリにおいて、その複数のキャパシタセルが、所定形状の電解液槽の中でその中心軸線に対し平面視放射状かつ互いに同一間隔となるように配設されて、いずれのキャパシタセルも順列上の両端部を構成しない配置とされており、そのキャパシタセルの数と電池セルの数が一致していることを特徴としたものとすれば、キャパシタセルと電池セルの組み合わせにおいて順列上の両端側になる場合のように不完全な部分が形成されないものとなって、全体として高い電池性能を発揮しやすいものとなる。 In the hybrid battery described above, the plurality of capacitor cells are arranged in a predetermined shape in an electrolytic solution tank so as to be radially in plan view with respect to the central axis and at the same interval. If the number of capacitor cells and the number of battery cells are the same, the arrangement of both ends on the permutation is not configured. Incomplete portions are not formed as in the case of both end sides, and high battery performance is easily exhibited as a whole.
正極板と負極板を対にしてキャパシタセルを構成するとともに複数並んだキャパシタセルの対向面となる正極板と負極板とで電池セルを構成するものとした本発明によると、低コストでも総合性能に優れたバッテリとすることができる。 According to the present invention, the positive electrode plate and the negative electrode plate constitute a capacitor cell, and the battery cell is constituted by the positive electrode plate and the negative electrode plate which are opposed surfaces of a plurality of capacitor cells arranged according to the present invention. The battery can be made excellent.
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。尚、本発明において、キャパシタとは電気二重層キャパシタに限定されずに電荷を蓄えることのできる電子部品としてのコンデンサと同義のものとする。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In the present invention, the capacitor is not limited to the electric double layer capacitor and is synonymous with a capacitor as an electronic component capable of storing electric charge.
図1は、本発明における第1の実施の形態であるハイブリッドバッテリ1の構成を簡略化して示した縦断面図である。このハイブリッドバッテリ1は、主として車載用の蓄電デバイスを想定したものであるが、太陽光発電や風力発電の蓄電用デバイス等、他の用途にも使用することができる。また、図示の都合上、正極板と負極板の合計数は8枚となっているが、実際はこれよりも多い場合が殆どである。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a simplified configuration of a
斯かるハイブリッドバッテリ1は、端子19,18に繋がる配線190,180に各々接続されて、正極になる二酸化鉛板11,11,11,11と、負極になる鉛板12,12,12,12を、交互に並べた状態でケーシング6中に溜めたバッテリ液(硫酸電解液)100に浸漬してなるものであり、隣り合う二酸化鉛板11と鉛板12が対をなし、図2に示すように、その間に電解質200とセパレータ16を挟装してなるユニットでキャパシタセル10を各々構成し、キャパシタセル10,10,10,10の間では二酸化鉛板(正極)11と鉛板(負極)12が対向して中間のバッテリ液100とで電池セル50を各々構成しており、これが本発明における特徴部分となっている。
Such a
即ち、交互に並ぶ正極板と負極板を対のユニットにしてキャパシタセル10を各々構成し、複数並んだキャパシタセル10,10の間で対向する正極板と負極板の組み合わせで電池セル50を各々構成しており、これらは完全なるキャパシタセルと電池セルであることから、バッテリとキャパシタの両機能が充分に発揮されることになって、優れた充放電性能(短い充電時間・高い出力密度)と優れた耐久性(キャパシタ性能・バッテリ性能の維持)を実現することができる。
That is, each of the
また、電池において電極として機能する部分(電極がバッテリ液100に露出している外面側部分)の面積とキャパシタにおいて電荷を溜める部分(キャパシタセル10の電極内面側部分)の面積がほぼ同等とされており、従来例と比べて電荷を溜める部分の割合が格段に大きいことから、電池機能とキャパシタ機能のバランスが従来例よりも改善されたものとなっている。 In addition, the area of the part functioning as an electrode in the battery (the outer surface part where the electrode is exposed to the battery solution 100) and the area of the capacitor where the electric charge is accumulated (the inner surface part of the electrode of the capacitor cell 10) are substantially equal. In addition, since the ratio of the portion that accumulates charges is much larger than that of the conventional example, the balance between the battery function and the capacitor function is improved compared to the conventional example.
さらに、本実施の形態では、キャパシタセル10において正極になる二酸化鉛板11と負極になる鉛板12とで電解質200及びセパレータ16を挟み込んで電気二重層キャパシタを構成しており、大きな静電容量と高い出力密度を実現している。加えて、この二酸化鉛板11と鉛板12とで挟んでいる部分の外周面を除く内部側が、外周部分をシール材15でシールされてバッテリ液100に対し密封されているため、内部に電解質200を封止した完全なる電気二重層キャパシタを構成しており、キャパシタとして機能の低下・劣化を回避可能としている。
Further, in the present embodiment, the electric double layer capacitor is configured by sandwiching the
尚、二酸化鉛板11と鉛板12は図において単一の素材で示しているが、少なくとも各電極の表面側(バッテリ液側)部分を構成しているものであれば良く、内面側(キャパシタ内部側)部分は、電荷を蓄えるのに適した素材、例えば後述する活性炭素のほか、導電性ポリマー等の素材で構成しても良く、斯かる機能性素材を用いることでキャパシタの更なる大容量化・高作動電圧化を図ることも可能となる。また、図ではセパレータ16を用いる構成としたが、両電極板の内面同士が接触する畏れがない場合は、これを省略することができる。
Note that the
その電解質200としては、キャパシタに通常用いられる液状又はゲル状のもので良く、その溶媒として非水系のものを用いれば高いエネルギー密度を達成しやすくなり、イオン性液体を用いれば作動電圧を広げやすくなる。尚、電解質200にゲル状のものを用いた場合、セル外部への漏出を防止しやすくなることに加え、状況によってはセパレータ16が不要になる。
The
さらに、電解質200に液状又はゲル状のものを用いる代わりに、固形の誘電体、例えばチタン酸バリウム(BaTiO3)や誘電率の高いシート状プラスチック等を二酸化鉛板11と鉛板12の内側面に密着させるように挟装してもよく、この場合は、キャパシタセル10をより薄くしてセル枚数の増量が容易になることに加え、状況によりシール材15が不要なものとなる。
Further, instead of using a liquid or
図3(A)は、図1のハイブリッドバッテリ1における各キャパシタセル10を、その二酸化鉛板11と鉛板12の内面側に活性炭素層110,120を各々形成してなるキャパシタセル20としたハイブリッドバッテリ2Aを示している。これは、キャパシタとして電荷を蓄える部分の面積(比表面積)を拡大しながら電気抵抗を低下させて、さらなる高容量化と充放電の高速化の実現を図ったものである。また、負極になる鉛板12の内面側のみに活性炭素層120を設けた場合でも、前記効果に準じた効果を発揮するものとなり、さらに、図3(B)に示すように、二酸化鉛板11の内面側ではなく外面側に活性炭素層110設けたキャパシタセル21としてもよく、この場合はバッテリ性能を一層高めることができる。
FIG. 3A shows each
その活性炭素層の素材としては、ナノカーボン材料がその電気伝導度の高さと容量密度の高さの観点から推奨される。このナノカーボン材料としては、通常の活性炭素よりも格段に高い電気伝導度を有してミクロ細孔よりもメソ細孔の多いカーボンナノチューブが好適である。また、カーボンナノファイバーや活性炭ナノファイバーも比表面積が大きいことから、優れたキャパシタ性能が期待できる。以下の表1は、活性炭素層にカーボンナノチューブを用いた場合のハイブリッドバッテリの特性について、他の蓄電デバイスと比較したものである(推定値)。 As a material for the activated carbon layer, a nanocarbon material is recommended from the viewpoint of high electrical conductivity and high capacity density. As this nanocarbon material, a carbon nanotube having an electric conductivity much higher than that of normal activated carbon and having more mesopores than micropores is preferable. Carbon nanofibers and activated carbon nanofibers also have a large specific surface area, so that excellent capacitor performance can be expected. Table 1 below compares the characteristics of the hybrid battery when carbon nanotubes are used in the activated carbon layer with other power storage devices (estimated values).
このように、エネルギー密度は従来の鉛蓄電池を大きく上回る性能が期待され、出力密度においては急速な充放電をキャパシタ部分が受け持つため、鉛蓄電池の300W/kgに対し、約2000W/kgと圧倒的な特性の改善が推定される。また、充電時間も鉛蓄電池の30〜60分に対し約半分の20〜30分と推定され、その耐久性についても急速な充放電をキャパシタ部分が受け持つことで、鉛蓄電池に対し3〜4倍の寿命が推定される。一方、製造コストではキャパシタ部分を作るために約20%のコストアップが見込まれるが、前記各特性と3〜4倍の製品寿命を考慮すると、相対的には大幅な特性アップとコストダウンが期待できる。 In this way, the energy density is expected to greatly exceed the performance of conventional lead-acid batteries, and the capacitor part is responsible for rapid charge / discharge at the output density, which is overwhelmingly about 2000 W / kg compared to 300 W / kg for lead-acid batteries. The improvement of the characteristic is estimated. Moreover, the charging time is estimated to be about 20 to 30 minutes, which is about half of 30 to 60 minutes of the lead storage battery, and the durability is 3 to 4 times that of the lead storage battery because the capacitor part takes charge of rapid charging and discharging. Life expectancy is estimated. On the other hand, the manufacturing cost is expected to increase by about 20% to make the capacitor part, but considering the above characteristics and 3 to 4 times the product life, a relatively large characteristic increase and cost reduction are expected. it can.
以上のように、急速充放電性能・耐久性に優れた本発明によるハイブリッドバッテリは、例えばマイルドハイブリッド車におけるブレーキ制動時の回生電力の充電用、発進・加速時のアシスト電力用として好適であり、HVにおける製造コストの低廉化と普及促進において大きな貢献が期待される。また、アイドリングストップ技術においても、回生電力の充電性能に優れるとともに頻繁なクランキングによる急速放電に対応可能として、優れた総合性能を発揮することが期待され、さらに自然エネルギー発電においてもその急速充電性能により、日照量や風量の変動を吸収しやすいものとなる。 As described above, the hybrid battery according to the present invention having excellent rapid charge / discharge performance and durability is suitable for charging regenerative power at the time of braking in a mild hybrid vehicle, for example, and assist power at start / acceleration. A significant contribution is expected in reducing the production cost and promoting the use of HV. In idling stop technology, regenerative power charging performance is also excellent, and it is expected to exhibit excellent overall performance as it can respond to rapid discharge due to frequent cranking. This makes it easier to absorb fluctuations in the amount of sunlight and airflow.
図4(A)は、図3(A)のハイブリッドバッテリ2Aの各キャパシタセル20の正極になる二酸化鉛板11の外面にも活性炭素層310を設けた応用例としてのハイブリッドバッテリ3Aを示している。その活性炭素層310は、二酸化鉛板11の外面側において硫酸イオンとの化学反応を行うための部分を確保する観点で、プリント等の手段でドット状又は格子状に設けることが好適である。この例では、活性炭素層310が電池セル55において電荷を蓄える機能を発揮するため、高エネルギー密度化・高出力化が期待できる。また、この活性炭素層310は、ボルタ電池の原理を応用して負極になる鉛板12の外面に設けても良く、さらに、図4(B)に示すように、キャパシタセル30の二酸化鉛板11内側面の活性炭素層120を除いたキャパシタセル31としても良い。
FIG. 4 (A) shows a
図5(A)は、本発明における第2の実施の形態であるハイブリッドバッテリ1Bの構成を示すものであり、鉛板12,12の組み合わせによるキャパシタセル10Aと、二酸化鉛板11,11の組み合わせによるキャパシタセル10Bが交互に並んで間の電解液100とともに各々電池セル57,57,57を形成している点を特徴としている。このように、同じ材質の電極板でキャパシタセルを構成した場合でも、電解液100を挟んだ電極板同士に電位差が生じる限り、バッテリとして機能することができる。尚、図5(B)のように、二酸化鉛板11,鉛板12の各内面側に活性炭素層110,120を形成するとともに二酸化鉛板11の外面側に活性炭素層310を形成した場合も同様であり、前述と同様の機能の発揮が期待できる。
FIG. 5A shows the configuration of a
図6は、本発明における第3の実施の形態であるハイブリッドバッテリ4の構成を示すものであり、そのキャパシタセルの正極板と負極板を構成する各素材の組み合わせの応用例として、銅板13とアルミニウム板14の組み合わせによるキャパシタセル40を備えており、且つ、アルミニウム板14の内面側に活性炭素層140、銅板13の外面側に活性炭素層130を各々設けた点を特徴としている。この場合は、活性炭素層130として両者ともカーボンナノチューブが好適であるが、多層カーボンナノチューブを予め酸処理することで約7倍の容量を達成することが知られている。
FIG. 6 shows the configuration of the
本実施の形態では、銅板13とアルミニウム板14の間には透水性のセパレータを有している(間隔が維持できれば不要)ものの、挟まれている内側空間は密封されずに開放されて、バッテリ液(硫酸電解液)100で満たされている。即ち、内面のカーボンナノチューブによる活性炭素層140は硫酸電解液100に曝されて酸化される環境にあるが、それによりキャパシタ性能が劣化するのではなく逆に一般的な活性炭素と比べて顕著に活性化することが分かっている(予め酸処理をしなくてもカーボンナノチューブが時間の経過により酸処理した場合と同様の状態になる)。また、外面の活性炭素層130はバッテリ性能の向上に貢献することから、これらの特性を各々利用した構成としている。その結果、このハイブリッドバッテリ4では、キャパシタの性能及びバッテリの総合性能が大きく改善されたものとなっている。
In the present embodiment, although there is a water-permeable separator between the
尚、前述の銅板13とアルミニウム板14の組み合わせによるキャパシタセルは上述した各態様の場合にも適用することができ、また、銅板13の内面に活性炭素層を追加することで、キャパシタ性能の向上も期待できる。さらに、上述した負極板と正極板を構成する素材の組み合わせとしては、電位差のある異なる金属の組み合わせ(例えばMg>Al>Zn>Cu)で対の電気電極を構成するものであれば様々な組み合わせが想定される。例えば、正極の外面側を活性炭素として負極をリチウムとしたキャパシタセルも想定できるが、その場合も上述した各態様に適用することで上述と同様の効果が期待できる。そして、斯かるハイブリッドバッテリは、上述した従来のハイブリッド化した鉛蓄電池と比べて、格段に高いエネルギー密度を実現することができる。
In addition, the capacitor cell by the combination of the
図7(A)は、図1のハイブリッドバッテリ1におけるキャパシタセル10の構成を変更した応用例としてのキャパシタセル45を示しており、電気二重層キャパシタではなくフィルムコンデンサ方式のキャパシタとした点を特徴としている。即ち、正極になる二酸化鉛板11と負極になる鉛板12とが、薄膜状の誘電体からなるプラスチックフィルム145で連結されており、二酸化鉛板11から延設された電極板としてのアルミ箔116がプラスチックフィルム145の一方の面に密着し、鉛板12から延設された電極板としてのアルミ箔126がプラスチックフィルム145の他方の面に密着して、全体としてフィルムコンデンサを構成している。
FIG. 7A shows a
また、図7(B)の展開図に示すように、プラスチックフィルム145の両面にアルミ箔116,126を密着してなるフィルムコンデンサ部分の全長が、二酸化鉛板11、鉛板12の幅(長さ)に対し顕著に大きいものとされ、図7(A)の収装状態の図に示すように、これを蛇腹状に折り畳みながら重なる部分にセパレータ160を介装し、その外周側にシール部材17を設けて内部側が密封された状態となっている。これにより、キャパシタ部分の容量を加減することができ、全体的なキャパシタ部分とバッテリ部分の容量の割合を調整することが容易なものとなる。
Further, as shown in the development view of FIG. 7B, the total length of the film capacitor portion in which the aluminum foils 116 and 126 are adhered to both surfaces of the
またこれにより、上述した実施の形態と比べてキャパシタにおける電荷を蓄える部分の単純面積(比表面積ではない)が拡大されており、キャパシタセル45のコンパクトさを維持しながら、より大きな静電容量・エネルギー密度の実現を可能としている。尚、図示は省略するが、プラスチックフィルム145の代わりに、誘電体からなる極薄のフィルム表面にチタン酸バリウム等の誘電性の高い素材を塗布又は蒸着しながら薄膜化して設けた誘電体シートを用いても良く、これにより、さらなる高エネルギー密度化・高出力化が期待できるものとなる。
In addition, this increases the simple area (not the specific surface area) of the portion for storing electric charges in the capacitor as compared with the above-described embodiment, while maintaining the compactness of the
図8は、図7のキャパシタセル45の応用例としてのキャパシタセル46を示している。この例では、アルミ箔116,126の内面側にカーボンナノチューブのようなナノカーボン材料による極薄の活性炭素層111,121が形成されており、これらが誘電体であるプラスチックフィルム145の各面に密着した構成となっている。このように、コンデンサ電極の内面側を活性炭素層とした場合においても、その大きな静電容量と電気抵抗の低さにより、エネルギー密度と充放電性能の向上が期待できるものである。尚、図9に示すように、キャパシタセル46における活性炭素層111を除いたキャパシタセル47としても良い。
FIG. 8 shows a
図10は、図1のハイブリッドバッテリ1におけるキャパシタセル10の配置についての応用例の構成を横断面図で示している。上述したように、本発明は複数並んだキャパシタセル間でバッテリ部分を構成するものであるが、上述した実施の形態では、各キャパシタセル10が互いに平行な状態で真っ直ぐ並んでいるため、両端のキャパシタセル10,10の端面側には対向する電極が存在しない。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of an application example regarding the arrangement of the
承知のように、バッテリの機能発現においては電解液中の各イオン濃度が重要であるため、両端の電極においてもある程度のバッテリ機能は発揮されると考えられるが、中間のキャパシタセルと比較してその機能が減弱してしまうことが懸念される。そこで、図のように、円形のケーシング7の内部で各キャパシタセル10を等間隔の放射状に配置したことにより、両端部分を形成しない配置方法のハイブリッドバッテリ5としたものである。
As you know, the concentration of each ion in the electrolyte is important for the function of the battery, so it seems that a certain amount of battery function can be achieved even at the electrodes at both ends, but compared to the intermediate capacitor cell. There is a concern that the function will be weakened. Thus, as shown in the figure, the
これにより、各キャパシタセル10の間は総て同じ形状の空間を形成して、総て同じ条件の電池セル70を各々構成するため、複数のキャパシタセル10の中で機能を減弱させる部分が生じる心配がない。また、このハイブリッドバッテリ5は外形が円柱状となるため、用途に応じて配置上有利なケースも想定できる。さらに、図示は省略するが、隣り合うキャパシタセル10,10の間の空間部分に、これよりも短いキャパシタセルを挿入してセルの枚数を増量しても良い。尚、斯かる配置方法の応用は、前述した総ての態様においても適用することができる。
As a result, spaces having the same shape are formed between the
尚、図11に示すように、キャパシタセルを構成する対の電極板として使用する個々の電極板を極力薄くして(例えば二酸化鉛板と鉛板の厚さを0.5〜1.0mm以下にする等)して各キャパシタセルの重量を軽くすることにより、キャパシタ機能・バッテリ機能の低下を伴わずにバッテリ全体の重量当たりのエネルギー密度を上げることができる。即ち、本発明では電池を構成している電極自体がキャパシタとなっている(電池電極にキャパシタが入っているのと同等)ことから、図のように個々のキャパシタセルを一枚の電極のように薄くすることで、ハイブリッドバッテリの大幅なコンパクト化が実現するとともに、キャパシタによる電池電極の束を捲回した態様で実施することも容易なものとなる。 As shown in FIG. 11, the individual electrode plates used as the pair of electrode plates constituting the capacitor cell are made as thin as possible (for example, the thickness of the lead dioxide plate and the lead plate is 0.5 to 1.0 mm or less). By reducing the weight of each capacitor cell, the energy density per weight of the entire battery can be increased without deteriorating the capacitor function and battery function. That is, in the present invention, the electrode itself constituting the battery is a capacitor (equivalent to a capacitor being included in the battery electrode), so that each capacitor cell is like a single electrode as shown in the figure. By reducing the thickness, the hybrid battery can be significantly reduced in size and can be easily implemented in a manner in which a bundle of battery electrodes by a capacitor is wound.
また、上述した各ハイブリッドバッテリは、バッテリとコンデンサが並列接続した状態とも言えるが、これをガソリンエンジン車に使用した場合、エンジンが駆動している状態では、ダイナモの発電電圧14.4Vがバッテリとコンデンサに印加されて各々充電される。そして、エンジンが停止するとバッテリ電圧は14.4Vから13〜12.5V程度に低下するため、この際のコンデンサ電圧14.4Vとの電圧差により、コンデンサの電荷がバッテリに充電されると考えられる。 Each hybrid battery described above can also be said to be in a state where the battery and the capacitor are connected in parallel. However, when this is used in a gasoline engine vehicle, the dynamo power generation voltage of 14.4 V is connected to the battery when the engine is driven. Each is charged by being applied to a capacitor. When the engine is stopped, the battery voltage drops from 14.4V to about 13 to 12.5V. Therefore, it is considered that the capacitor charge is charged to the battery due to the voltage difference from the capacitor voltage 14.4V at this time. .
以上、述べたように、電池セルとキャパシタセルを最適な状態で融合させた本発明によると、低コストでも総合性能に優れたバッテリとなった。 As described above, according to the present invention in which the battery cell and the capacitor cell are fused in an optimum state, the battery has excellent overall performance even at low cost.
1,1B,2A,2B,3A,3B,3C,4,5 ハイブリッドバッテリ、10,20,21,30,30A,30B,31,40,41,45,46,47 キャパシタセル、11 二酸化鉛板、12 鉛板、13 銅板、14 アルミニウム板、16,160 セパレータ、50,51,55,56,57,58,59,60,70 電池セル、100 バッテリ液、110,111,120,121,130,140,310 活性炭素層、116,126 アルミ箔、145 プラスチックフィルム、200 電解質
1, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 3C, 4, 5
Claims (12)
The plurality of capacitor cells are disposed in an electrolyte bath of a predetermined shape so as to have a radial shape in a plan view with respect to the central axis thereof and at the same interval from each other. The number of the capacitor cells and the number of the battery cells coincide with each other, and the number of the battery cells is equal to the number of the battery cells. Hybrid battery described in 1.
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Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS50134631U (en) * | 1974-04-19 | 1975-11-06 | ||
JPS5815221A (en) * | 1981-07-20 | 1983-01-28 | 株式会社不二研究所 | Method of producing condenser |
JPH10284138A (en) * | 1997-04-07 | 1998-10-23 | Sony Corp | Electric charge storing part compounded battery |
JP2004355823A (en) * | 2003-05-27 | 2004-12-16 | Nec Tokin Corp | Hybrid type electricity storage component |
JP2006196235A (en) * | 2005-01-12 | 2006-07-27 | Hitachi Ltd | Battery-capacitor composite element |
JP2007012596A (en) * | 2005-05-31 | 2007-01-18 | Shin Kobe Electric Mach Co Ltd | Electrode for lead-acid battery, lead-acid battery and manufacturing method of lead-acid battery |
JP2009141181A (en) * | 2007-12-07 | 2009-06-25 | Mitsubishi Electric Corp | Power storage device cell and its control method |
-
2012
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Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS50134631U (en) * | 1974-04-19 | 1975-11-06 | ||
JPS5815221A (en) * | 1981-07-20 | 1983-01-28 | 株式会社不二研究所 | Method of producing condenser |
JPH10284138A (en) * | 1997-04-07 | 1998-10-23 | Sony Corp | Electric charge storing part compounded battery |
JP2004355823A (en) * | 2003-05-27 | 2004-12-16 | Nec Tokin Corp | Hybrid type electricity storage component |
JP2006196235A (en) * | 2005-01-12 | 2006-07-27 | Hitachi Ltd | Battery-capacitor composite element |
JP2007012596A (en) * | 2005-05-31 | 2007-01-18 | Shin Kobe Electric Mach Co Ltd | Electrode for lead-acid battery, lead-acid battery and manufacturing method of lead-acid battery |
JP2009141181A (en) * | 2007-12-07 | 2009-06-25 | Mitsubishi Electric Corp | Power storage device cell and its control method |
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