JP2015018707A - リチウム二次電池の充電方法 - Google Patents
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Abstract
Description
前記リチウム二次電池は、リチウムの吸蔵放出が可能な正極および負極と、リチウムイオンを含有する電解液とを有し、
前記電解液は、式(1)で表されるフッ素化リン酸エステルおよびフッ素化エーテルから選ばれる1種以上を含有し、
前記リチウム二次電池の満充電状態の開放電圧Vfより高い充電電圧Vcで充電を行う工程を含み、前記満充電状態の開放電圧Vfと前記充電電圧Vcの電圧差Vaが0.2V以上1.0V以下であることを特徴とする充電方法に関する。
以下に、本実施形態に係る二次電池の充電方法、充電装置および二次電池の構成の一例を説明する。
本実施形態において、上記の充電方法によって充電される二次電池は、リチウムの吸蔵放出が可能な正極および負極と、非水電解溶媒および支持塩を含む電解液と、を有し、非水電解溶媒は、式(1)で表されるフッ素化リン酸エステルおよびフッ素化エーテルから選ばれる1種以上を含む、リチウム二次電池である。
電解液は、非水電解溶媒および支持塩を含み、非水電解溶媒は上記式(1)で表されるフッ素化リン酸エステルおよびフッ素化エーテルから選択される1種以上を含む。
[式(3)中、nは1,2,3,4,5又は6であり、mは1,2,3又は4であり、lは0から2n+1までのいずれかの整数であり、kは0から2m+1までのいずれかの整数であり、l及びkのうち少なくともいずれかは1以上の整数である。]
式(4)で表されるフッ素化ジエーテル化合物において、R4およびR6は、独立してフッ素原子で置換されていてもよい炭素数1〜4のアルキル基であり、R5はフッ素原子で置換されていてもよい炭素数1〜4のアルキレン基であり、ただしR4、R5およびR6の内少なくとも一つはフッ素原子で置換されている基である。
CF3CH2OCH2CH2OCH2CF3 (5)
で表される。
[式(6)中、nは1,2または3であり、mは1,2または3であり、lは0から2n+1までのいずれかの整数であり、kは0から2m+1までのいずれかの整数であり、lおよびkのうち少なくともいずれかは1以上の整数である。]
[式(7)中、nは1,2,3または4であり、mは1,2,3または4であり、lは0から2n+1までのいずれかの整数であり、kは0から2m+1までのいずれかの整数であり、lおよびkのうち少なくともいずれかは1以上の整数である。]
本実施形態によるリチウム二次電池の正極活物質としては、リチウム二次電池の正極活物質として用いることができるものであれば特に制限なく用いることができ、その中でも、リチウム金属に対して、3.6〜4.2V程度の平均動作電位を有するいわゆる4V級の正極活物質が好ましい。また、さらに、リチウム金属に対して、4.5V以上等の高電位で動作する正極活物質を含んでもよい。
(式中、0≦x≦1.2、0≦y、x+y<2、0≦a≦1.2、0≦w≦1であり、MはCo、Ni、Fe、Cr、Cuから選ばれる少なくとも一種であり、YはLi、B、Na、Al、Mg、Ti、Si、K、Caから選ばれる少なくとも一種であり、ZはFおよびClの少なくとも一方である。)
Li(LixM1−x−zMnz)O2 (10)
(0≦x<0.3、0.3≦z≦0.7、MはCoおよびNiの少なくとも一種である)
で表される材料も好ましい。この材料の式中のxは0≦x<0.2が好ましい。
LiMPO4 (11)
で表され、具体的には、LiFePO4、LiMnPO4、LiCoPO4、LiNiPO4が挙げられる。これらの遷移金属の一部を別の元素で置換したり、酸素部分をフッ素で置き換えられたりしたものも使用できる。高エネルギー密度の観点から、高電位で動作するLiMPO4(MはCoおよびNiの少なくとも一方である)で表される材料が好ましい。
負極は、負極活物質としてリチウムを吸蔵および放出し得る材料を含むものであれば特に限定されるものではないが、炭素材料を含むものであることがより好ましい。
二次電池は、その構成として正極、負極、セパレータ、および非水電解質との組み合わせから構成することができる。セパレータとしては、例えば、織布、不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン系、ポリイミド、多孔性ポリフッ化ビニリデン膜等の多孔性ポリマー膜、またはイオン伝導性ポリマー電解質膜等が挙げられる。これらは単独または組み合わせで使用することができる。
電池の形状としては、例えば、円筒形、角形、コイン型、ボタン型、ラミネート型が挙げられる。
本実施形態によるラミネート型のリチウム二次電池の断面図を図1に示す。図1に示すように、本実施形態によるリチウム二次電池は、アルミニウム箔等の金属からなる正極集電体3と、その上に設けられた正極活物質を含有する正極活物質層1とからなる正極、および銅箔等の金属からなる負極集電体4と、その上に設けられた負極活物質を含有する負極活物質層2とからなる負極を有する。正極および負極は、正極活物質層1と負極活物質層2とが対向するように、不織布やポリプロピレン微多孔膜などからなるセパレータ5を介して積層されている。この電極対は、アルミニウムラミネートフィルム等の外装体6、7で形成された容器内に収容されている。正極集電体3には正極タブ9が接続けられ、負極集電体4には負極タブ8が接続され、これらのタブは容器の外に引き出されている。容器内には電解液が注入され封止される。複数の電極対が積層された電極群が容器内に収容された構造とすることもできる。
正極活物質としてのMnNi酸化物(LiMnO4とLiNiO2の混合物、混合比 Ni:Mn=25:75)(93質量%)と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)(4質量%)と、導電剤としてカーボンブラック(3質量%)と、を混合して正極合剤とした。この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンに分散させることにより、正極用スラリーを調製した。この正極用スラリーを厚さ20μmのアルミニウム製集電体の片面に均一に塗布した。乾燥させた後、ロールプレスで圧縮成型することにより正極を作製した。
作製したリチウム二次電池を、45℃で、700mAで充電し、上限電圧が4.2Vに達した後は、全充電時間が10時間になるまで定電圧で充電した。本電池の満充電状態の開放電圧は4.1Vであった。
2 負極活物質層
3 正極集電体
4 負極集電体
5 セパレータ
6 ラミネート外装体
7 ラミネート外装体
8 負極タブ
9 正極タブ
Claims (21)
- リチウム二次電池の充電方法であって、
前記リチウム二次電池は、リチウムの吸蔵放出が可能な正極および負極と、リチウムイオンを含有する電解液とを有し、
前記電解液は、式(1)で表されるフッ素化リン酸エステルおよびフッ素化エーテルから選ばれる1種以上を含有し、
前記リチウム二次電池の満充電状態の開放電圧Vfより高い充電電圧Vcで充電を行う工程を含み、前記満充電状態の開放電圧Vfと前記充電電圧Vcの電圧差Vaが0.2V以上1.0V以下であることを特徴とする充電方法。
- 前記フッ素化リン酸エステルおよびフッ素化エーテルの含有率の合計は、非水電解溶媒中10体積%以上80体積%以下であることを特徴とする、請求項1に記載の充電方法。
- 前記満充電状態の開放電圧Vfと前記充電電圧Vcの電圧差Vaが0.3V以上1.0V以下であることを特徴とする、請求項1または2に記載の充電方法。
- 前記満充電状態の開放電圧Vfと前記充電電圧Vcの電圧差Vaが0.4V以上1.0V以下であることを特徴とする、請求項3に記載の充電方法。
- 前記満充電状態の開放電圧Vfと前記充電電圧Vcの電圧差Vaが0.5V以上1.0V以下であることを特徴とする、請求項4に記載の充電方法。
- 前記満充電状態の開放電圧Vfと前記充電電圧Vcの電圧差Vaが0.6V以上1.0V以下であることを特徴とする、請求項5に記載の充電方法。
- 前記リチウム二次電池は、一つ以上の単一の二次電池および一つ以上の組電池の少なくとも一方であることを特徴とする、請求項1〜6のいずか一項に記載の充電方法。
- 前記リチウム二次電池は、同時に充電される複数の二次電池であり、
前記複数の二次電池の少なくとも一部を直列に接続する工程と、
前記直列に接続された複数の二次電池の両端に電圧を印加する工程を含み、
各二次電池に印加される充電電圧Vcは、各二次電池の満充電時の開放電圧Vfよりも0.2V以上1.0V以下だけ高い値であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の充電方法。 - 前記リチウム二次電池は、同時に充電される複数の二次電池であり、
前記複数の二次電池を直列に接続して定電流充電を行う工程と、
前記複数の二次電池の少なくとも一部を、直列接続から並列接続に切り替える工程と、
さらに、定電圧充電を行う工程と、
を含むことを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の充電方法。 - さらに、前記二次電池の開放電圧を測定する工程と、
前記開放電圧を測定する工程により測定された開放電圧の値が、予め設定された電圧より低い場合に再度電圧を印加して充電を行う工程と、
前記開放電圧を測定する工程により測定された開放電圧の値が、予め設定された電圧以上の場合に充電を休止する工程と、
を含み、前記開放電圧の値が予め設定した目標電圧に達するまで前記工程を繰り返すことを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載のリチウム二次電池の充電方法。 - 前記再度電圧を印加して充電を行う時間および前記充電を休止する時間は、直前の工程で測定された開放電圧の値に基づいて決定されることを特徴とする請求項10に記載の充電方法。
- 前記二次電池は、同時に充電される複数の二次電池であり、
一つ以上の二次電池の開放電圧を測定する工程と、
前記開放電圧の測定が行われていない二次電池に、電圧を印加するまたは充電を休止する工程と、
が同時に行われ、
さらに、前記開放電圧を測定する工程を行う二次電池と、前記電圧を印加するまたは充電を休止する工程を行う二次電池と、を入れ替える工程を含むことを特徴とする、請求項10または11に記載の二次電池の充電方法。 - さらに、充電電流を測定する工程を含み、
前記充電電流を測定する工程により測定された充電電流の値が予め設定された値より小さくなったことを条件に、充電を終了することを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の充電方法。 - さらに、充電電流の変化速度を測定する工程を含み、
前記充電電流の変化速度を測定する工程により測定された充電電流の変化速度が予め設定された値より小さくなったことを条件に、充電を終了することを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の充電方法。 - リチウム二次電池の充電装置であって、
前記リチウム二次電池は、リチウムの吸蔵放出が可能な正極および負極と、リチウムイオンを含有する電解液とを有し、前記電解液は、式(2)で表されるフッ素化リン酸エステルおよびフッ素化エーテルから選ばれる1種以上を含有し、
前記リチウム二次電池に電圧を印加して充電する電力供給部と、
前記リチウム二次電池の満充電状態の開放電圧Vfを記憶する記憶部と
を備え、
前記電力供給部は、前記二次電池を充電するときに、前記記憶部に記憶された満充電状態の開放電圧Vfより0.2V以上1.0V以下だけ高い充電電圧Vcで前記二次電池に電圧を印加して充電することを特徴とする充電装置。
- さらに、前記二次電池の開放電圧を測定する電圧測定部と、
前記電圧測定部によって測定された開放電圧と、予め設定された電圧値と、を比較する電圧値比較部と
を有し、
前記電力供給部は、
前記電圧値比較部が、前記開放電圧が前記予め設定された電圧値より低いと判断した場合に、再度電圧印加を行い、
前記電圧値比較部が、前記開放電圧が前記予め設定された電圧値以上であると判断した場合に、充電を休止する
ことを特徴とする、請求項15に記載の充電装置。 - さらに、前記電圧測定部によって測定された開放電圧に基づき、前記再度電圧印加を行う時間および前記充電を休止する時間を設定する時間設定部を有し、
前記電力供給部は、
前記時間設定部が設定した時間、電圧印加を行い、または充電を休止することを特徴とする、請求項16に記載の充電装置。 - さらに、前記二次電池に供給される充電電流を測定する電流値測定部と、
前記電流値測定部によって測定された充電電流値と、予め設定された電流値と、を比較する電流値比較部と
を有し、
前記電力供給部は、
前記電流値比較部が、前記充電電流値が予め設定された電流値より小さいと判断した場合に充電を終了することを特徴とする、請求項15〜17のいずれか一項に記載の充電装置。 - さらに、前記二次電池に供給される充電電流の変化速度を測定する電流変化速度測定部と、
前記電流変化速度測定部によって測定された充電電流の変化速度と、予め設定された変化速度の値と、を比較する電流変化速度比較部と
を有し、
前記電力供給部は、
前記電流変化速度比較部が、前記充電電流の変化速度が予め設定された値より小さいと判断した場合に充電を終了することを特徴とする、請求項15〜17のいずれか一項に記載の充電装置。 - 前記リチウム二次電池は、同時に充電される複数の二次電池であり、
前記複数の二次電池の接続方法を直列接続と並列接続との間で相互に切り替える、接続切替え部を備えることを特徴とする、請求項15〜19のいずれか一項に記載の充電装置。 - 前記二次電池の外装体がアルミラミネートであることを特徴とする、請求項15〜20のいずれか一項に記載の充電装置。
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