JP2015187949A - lithium ion secondary battery - Google Patents

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貴嗣 上城
Takashi Kamijo
貴嗣 上城
篤彦 大沼
Atsuhiko Onuma
篤彦 大沼
安藤 慎輔
Shinsuke Ando
慎輔 安藤
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Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide means for measuring the concentration lithium ions in an electrolyte appropriately.SOLUTION: A lithium ion secondary battery has an electrode group, a third electrode and a fourth electrode, the electrode group has a positive electrode and a negative electrode, potentials of the positive electrode and negative electrode are detected by the third electrode and fourth electrode, the third electrode is arranged in the electrode group, and the fourth electrode is arranged on the outside of the electrode group. For example, the third electrode and fourth electrode are composed of any one kind or more of phosphoric acid transition metal lithium or lithium titanate, and the fourth electrode is double junction type.

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a lithium ion secondary battery.

近年、リチウムイオン二次電池に対する開発が盛んに進められている。リチウムイオン二次電池は充放電を繰り返すことで性能が劣化する。電池の性能劣化を知る手段として、電池の内部状態を検知することが挙げられる。電池の内部状態を検知する手段の一つとして、電池内部に参照極を設置して正極および負極の電位を検出する方法がある。   In recent years, development of lithium ion secondary batteries has been actively promoted. The performance of a lithium ion secondary battery is degraded by repeated charge and discharge. As a means for knowing battery performance deterioration, there is a method of detecting the internal state of the battery. As one means for detecting the internal state of the battery, there is a method of detecting the potential of the positive electrode and the negative electrode by installing a reference electrode inside the battery.

特許文献1では、リチウムイオン二次電池の電池内部に正極及び負極の他、参照極を備える。正極、負極、参照極はセパレータを介した状態で、電解液を通じて互いにイオンの導電が取られている。この構成によって、参照極を基準とした正極および負極の電位検出が可能である。   In Patent Literature 1, a reference electrode is provided in addition to a positive electrode and a negative electrode inside a lithium ion secondary battery. The positive electrode, the negative electrode, and the reference electrode are ion-conductive with each other through the electrolytic solution with a separator interposed therebetween. With this configuration, it is possible to detect the potential of the positive electrode and the negative electrode based on the reference electrode.

特開2002−50407号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-50407

リチウムイオン二次電池の性能劣化は、電極の劣化や電解液濃度の低下に依存することが知られている。特許文献1の技術は、正極および負極の電位を検出し、電極の劣化を知ることは可能であるが、正極および負極とも正極および負極間の反応部に位置しており、それぞれ電極付近の電解液濃度は初期から変動するため、参照極間の電圧値測定では電解液中のリチウムイオンの濃度を適切に算出することが難しい。   It is known that the performance deterioration of the lithium ion secondary battery depends on the deterioration of the electrode and the decrease in the electrolyte concentration. Although the technology of Patent Document 1 can detect the potential of the positive electrode and the negative electrode and know the deterioration of the electrode, both the positive electrode and the negative electrode are located in the reaction part between the positive electrode and the negative electrode, Since the liquid concentration fluctuates from the beginning, it is difficult to appropriately calculate the concentration of lithium ions in the electrolytic solution when measuring the voltage value between the reference electrodes.

本発明は、適切に電解液中のリチウムイオンの濃度を測定することを目的とする。   An object of this invention is to measure the density | concentration of the lithium ion in electrolyte solution appropriately.

上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。   The features of the present invention for solving the above problems are as follows, for example.

電極群、第3電極および第4電極を有し、電極群は、正極および負極を有し、第3電極および第4電極により、正極および負極の電位が検出され、第3電極は、電極群の内部に配置され、第4電極は、電極群の外部に配置されるリチウムイオン二次電池。   The electrode group has a third electrode and a fourth electrode, the electrode group has a positive electrode and a negative electrode, the potentials of the positive electrode and the negative electrode are detected by the third electrode and the fourth electrode, and the third electrode The fourth electrode is a lithium ion secondary battery that is disposed outside the electrode group.

本発明により、適切に電解液中のリチウムイオンの濃度を測定できる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。   By this invention, the density | concentration of the lithium ion in electrolyte solution can be measured appropriately. Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.

本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the lithium ion secondary battery in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における第3電極の配置場所を示す概略図である。It is the schematic which shows the arrangement | positioning location of the 3rd electrode in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における第4電極の配置場所を示す概略図である。It is the schematic which shows the arrangement | positioning location of the 4th electrode in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における第4電極の配置場所を示す概略図である。It is the schematic which shows the arrangement | positioning location of the 4th electrode in one Embodiment of this invention. 第4電極の一形態を示す概略図である。It is the schematic which shows one form of a 4th electrode. 本発明の一実施形態における推測される電解液濃度と検出電位の検量線である。It is a calibration curve of the estimated electrolyte concentration and detection potential in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the lithium ion secondary battery in one Example of this invention.

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following description shows specific examples of the contents of the present invention, and the present invention is not limited to these descriptions. Various modifications by those skilled in the art are within the scope of the technical idea disclosed in this specification. Changes and modifications are possible. In all the drawings for explaining the present invention, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof may be omitted.

<リチウムイオン二次電池130>
図1は、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池の構成を示す概略図である。例として、積層型のラミネート型リチウムイオ二次ン電池を用いた例を挙げる。電極積層面の上部から見た図1(a)において、リチウムイオン二次電池130の積層された電極群100の積層部分を横から見た図が図1(b)である。
<Lithium ion secondary battery 130>
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a lithium ion secondary battery in one embodiment of the present invention. As an example, an example using a laminated lithium ion secondary battery is given. FIG. 1B is a side view of the stacked portion of the electrode group 100 in which the lithium ion secondary battery 130 is stacked in FIG. 1A viewed from above the electrode stacked surface.

リチウムイオン二次電池130は、電極群100、第3電極103、第4電極104、絶縁シート110が電池ケース160内に設置されて構成されている。電極群100は、正極101、セパレータ105、負極102が交互に重ね合わせて積層されている。リチウムイオン二次電池の形状は、電極群が積層された構成の場合、角型、ラミネート型であり、電極群が捲回された構成の場合、円筒型、偏平長円形型、角型などがあり、いずれの形状を選択してもよい。   The lithium ion secondary battery 130 includes an electrode group 100, a third electrode 103, a fourth electrode 104, and an insulating sheet 110 installed in a battery case 160. In the electrode group 100, positive electrodes 101, separators 105, and negative electrodes 102 are alternately stacked. The shape of the lithium ion secondary battery is a square type or a laminate type when the electrode group is laminated, and a cylindrical type, a flat oval type, a square type, etc. when the electrode group is wound. Yes, any shape may be selected.

第3電極103は、電極群100の内側で、正極101と負極102が対面している間に配置する。また、第4電極104は、電極群100の外側で、正極101と負極102が対面している部分から離れた場所に配置する。   The third electrode 103 is disposed inside the electrode group 100 while the positive electrode 101 and the negative electrode 102 face each other. Further, the fourth electrode 104 is disposed outside the electrode group 100 at a location away from the portion where the positive electrode 101 and the negative electrode 102 face each other.

正極101、負極102、第3電極103及び第4電極104は、電解液を通じて互いにイオン導電性がある。正極101、負極102との導通を避けるため、第3電極103はセパレータ105で覆われている。また、第4電極104は絶縁シート110で覆われている。   The positive electrode 101, the negative electrode 102, the third electrode 103, and the fourth electrode 104 are ionic conductive with each other through the electrolytic solution. In order to avoid conduction with the positive electrode 101 and the negative electrode 102, the third electrode 103 is covered with a separator 105. The fourth electrode 104 is covered with an insulating sheet 110.

正極端子121、負極端子122はそれぞれ正極101、負極102と通電しており、リチウムイオン二次電池130は正極端子121、負極端子122を介して外部回路により充放電される。第3電極103と第4電極104はそれぞれ第3電極端子123、第4電極端子124と通電している。   The positive electrode terminal 121 and the negative electrode terminal 122 are energized with the positive electrode 101 and the negative electrode 102, respectively, and the lithium ion secondary battery 130 is charged and discharged by an external circuit via the positive electrode terminal 121 and the negative electrode terminal 122. The third electrode 103 and the fourth electrode 104 are electrically connected to the third electrode terminal 123 and the fourth electrode terminal 124, respectively.

<正極101>
正極101は、リチウムイオンを可逆的に挿入脱離可能なリチウム含有酸化物からなる正極活物質を含んでいる。正極活物質として、置換元素ありまたは置換元素無しの層状遷移金属酸化物、リン酸遷移金属リチウム、スピネル型遷移金属酸化物などが挙げられる。例えば、層状遷移金属酸化物としては、ニッケル酸リチウムLiNiO2や、コバルト酸リチウムLiCoO2、リン酸遷移金属リチウムとしてはリン酸鉄リチウムLiFePO4、リン酸マンガンリチウムLiMnPO4、スピネル型遷移金属酸化物としては、マンガン酸リチウムLiMn24などが挙げられる。正極活物質として上記の材料が一種単独または二種以上含まれていてもよい。正極101中の正極活物質は、充電過程においてリチウムイオンが脱離し、放電過程において、負極102中の負極活物質から脱離したリチウムイオンが挿入される。
<Positive electrode 101>
The positive electrode 101 includes a positive electrode active material made of a lithium-containing oxide that can reversibly insert and desorb lithium ions. Examples of the positive electrode active material include layered transition metal oxides with or without substitution elements, lithium transition metal phosphates, and spinel type transition metal oxides. For example, as the layered transition metal oxide, lithium nickelate LiNiO 2 or lithium cobaltate LiCoO 2 , as the transition metal lithium phosphate lithium iron phosphate LiFePO 4 , manganese phosphate lithium LiMnPO 4 , spinel type transition metal oxide Examples thereof include lithium manganate LiMn 2 O 4 . One kind or two or more kinds of the above materials may be contained as the positive electrode active material. In the positive electrode active material in the positive electrode 101, lithium ions are desorbed in the charging process, and lithium ions desorbed from the negative electrode active material in the negative electrode 102 are inserted in the discharging process.

<負極102>
負極102は、例えば、リチウムイオンを可逆的に挿入脱離可能な炭素材料、シリコン系材料Si、SiO、置換元素ありまたは置換元素無しのチタン酸リチウム、リチウムバナジウム複合酸化物、リチウムと金属、例えば、スズ、アルミニウム、アンチモンなどとの合金からなる負極活物質を含んでいる。炭素材料として、天然黒鉛や、天然黒鉛に乾式のCVD法もしくは湿式のスプレイ法によって被膜を形成した複合炭素質材料、エポキシやフェノール等の樹脂材料もしくは石油や石炭から得られるピッチ系材料を原料として焼成により製造される人造黒鉛、難黒鉛化炭素材などが挙げられる。負極活物質として上記の材料が一種単独または二種以上含まれていてもよい。負極102中の負極活物質は、充放電過程において、リチウムイオンが挿入脱離反応、もしくは、コンバージョン反応が進行する。
<Negative electrode 102>
The negative electrode 102 is, for example, a carbon material that can reversibly insert and desorb lithium ions, silicon-based material Si, SiO, lithium titanate with or without a substitution element, lithium vanadium composite oxide, lithium and metal, for example, , A negative electrode active material made of an alloy with tin, aluminum, antimony or the like. As a carbon material, as a raw material, natural graphite, a composite carbonaceous material obtained by forming a film on natural graphite by a dry CVD method or a wet spray method, a resin material such as epoxy or phenol, or a pitch-based material obtained from petroleum or coal Examples thereof include artificial graphite and non-graphitizable carbon material produced by firing. The above materials may be contained singly or in combination of two or more as the negative electrode active material. The negative electrode active material in the negative electrode 102 undergoes insertion / extraction reaction or conversion reaction of lithium ions in the charge / discharge process.

<セパレータ105>
セパレータ105には、例えばポリプロピレン製のセパレータを用いる。ポリプロピレン製以外にも、ポリエチレンなどのポリオレフィン製の微孔性フィルムや不織布などを用いることができる。
<Separator 105>
For the separator 105, for example, a polypropylene separator is used. In addition to polypropylene, a microporous film or non-woven fabric made of polyolefin such as polyethylene can be used.

<第3電極103、第4電極104>
第3電極103、第4電極104には、上記に示したリチウムイオン電池やリチウム電池の正極、負極に用いられる活物質を含む材料で構成される。第3電極103、第4電極104は、正極101および負極102の電位VP、VN、または、第3電極103、第4電極104の電位差VRを検出するために用いられる。そのため、第3電極103、第4電極104の電位は変化しないことが望ましい。VP、VN、VRの電位測定をするために第3電極103、第4電極104に微小電流が流れるので、微小電流が流れても第3電極103、第4電極104の電位が変化しないことが望ましい。
<Third electrode 103, fourth electrode 104>
The third electrode 103 and the fourth electrode 104 are made of a material containing an active material used for the lithium ion battery or the positive and negative electrodes of the lithium battery described above. The third electrode 103 and the fourth electrode 104 are used to detect the potentials VP and VN of the positive electrode 101 and the negative electrode 102 or the potential difference VR between the third electrode 103 and the fourth electrode 104. Therefore, it is desirable that the potentials of the third electrode 103 and the fourth electrode 104 do not change. Since a minute current flows through the third electrode 103 and the fourth electrode 104 in order to measure the potentials of VP, VN, and VR, the potential of the third electrode 103 and the fourth electrode 104 may not change even if a minute current flows. desirable.

そのため、置換元素ありまたは置換元素無しのリン酸遷移金属リチウム(LiMPO4(Mは遷移金属であり、鉄、マンガン、バナジウムのいずれか一つ以上である。))、リン酸マンガンリチウムLiMnPO4等のリン酸遷移金属リチウム、マンガン酸リチウムLiMn24等のスピネル型遷移金属酸化物、チタン酸リチウム、リチウムバナジウム複合酸化物、黒鉛などの、Li脱挿入が二相共存反応として起こる領域を持ち、平坦で安定した充放電電位を有する材料グループから一種以上選択されることが望ましい。その中でも、広い平坦で安定した充放電電位領域を有するリン酸遷移金属リチウム、チタン酸リチウムのいずれか一種以上で構成されることが電位安定性の観点では望ましい。また、電位を変化させないために、上記の材料を含む第3電極103、第4電極104を、二相共存反応が起こっている領域までLiを脱離させていることが望ましい。 Therefore, lithium transition metal lithium with or without a substitution element (LiMPO 4 (M is a transition metal and one or more of iron, manganese, and vanadium)), lithium manganese phosphate LiMnPO 4 and the like It has a region where Li desorption occurs as a two-phase coexistence reaction, such as lithium transition metal lithium, spinel type transition metal oxides such as lithium manganate LiMn 2 O 4 , lithium titanate, lithium vanadium composite oxide, graphite, etc. It is desirable to select at least one material group having a flat and stable charge / discharge potential. Among these, it is desirable from the viewpoint of potential stability that it is composed of at least one of lithium transition metal lithium and lithium titanate having a wide, flat and stable charge / discharge potential region. In order not to change the potential, it is desirable that Li is desorbed from the third electrode 103 and the fourth electrode 104 containing the above materials to the region where the two-phase coexistence reaction occurs.

第3電極103、第4電極104に上記の材料を一種単独または二種以上含まれていても良いが、上記の材料が二種以上含まれる場合、電位安定領域が複数存在することとなり、活物質1molに対してそれぞれの領域は狭くなる。よって、電位安定性を考慮すると、一種単独で用いることが望ましい。   The third electrode 103 and the fourth electrode 104 may contain one or more of the above materials. However, when two or more of the above materials are contained, a plurality of potential stable regions exist, Each region becomes narrower with respect to 1 mol of the substance. Therefore, in consideration of potential stability, it is desirable to use one kind alone.

<電解液>
電解液として、例えば体積比が1:1のエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒に、リチウム塩として六フッ化リン酸リチウムを1mol/l溶解させた非水溶液が、注入される。
<Electrolyte>
As the electrolytic solution, for example, a non-aqueous solution in which 1 mol / l of lithium hexafluorophosphate as a lithium salt is dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate having a volume ratio of 1: 1 is injected.

リチウム塩としては、特に限定はないが、無機リチウム塩では、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiI、LiCl、LiBr等、また、有機リチウム塩では、LiB[OCOCF34、LiB[OCOCF2CF34、LiPF4(CF32、LiN(SO2CF32、LiN(SO2CF2CF32等を用いることができる。 The lithium salt is not particularly limited, but for inorganic lithium salts, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiI, LiCl, LiBr, etc., and for organic lithium salts, LiB [OCOCF 3 ] 4 , LiB [OCOCF 2 CF 3 ] 4 , LiPF 4 (CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 CF 2 CF 3 ) 2 or the like can be used.

溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)等の非プロトン性有機系溶媒、あるいはこれらの2種以上の混合有機化合物の溶媒が用いられている。   As a solvent, ethylene carbonate (EC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), methyl propyl carbonate An aprotic organic solvent such as (MPC) or ethylpropyl carbonate (EPC), or a solvent of two or more of these mixed organic compounds is used.

<絶縁シート110>
絶縁シート110には、セパレータ105で用いられるポリプロピレン製、ポリエチレンなどのポリオレフィン製のフィルムや不織布などを用いるが、孔径が小さく、密度が高い材質が良い。電極群100の内側に配置されてある第3電極103と電極群100の外側に配置されている第4電極104の電位差VRを用いて、電極群100の電解液濃度を算出する。電極群100の電解液濃度を精度よく算出するには、第4電極104の電解液濃度がある規定量で均一に保たれていることが必要である。リチウムイオン二次電池は充放電を繰り返すことで、性能が劣化し、電極群100における電解液濃度も低下することが知られている。電解液濃度に分布が生じると、高濃度側から低濃度側へリチウムイオンが移動し、濃度を均一化する傾向がある。そのため、絶縁シート110の材質は、孔径が小さく、密度が高いことでリチウムイオン拡散速度が小さく、電解液濃度の変化が小さいことが望ましい。また、電解液濃度の変化を小さくするために、絶縁シート110は多重にするなど、厚い方が望ましい。
<Insulation sheet 110>
For the insulating sheet 110, a film made of polypropylene or a polyolefin such as polyethylene used in the separator 105, a nonwoven fabric, or the like is used, but a material having a small pore diameter and a high density is preferable. The electrolyte solution concentration of the electrode group 100 is calculated using the potential difference VR between the third electrode 103 disposed inside the electrode group 100 and the fourth electrode 104 disposed outside the electrode group 100. In order to accurately calculate the electrolyte concentration of the electrode group 100, it is necessary that the electrolyte concentration of the fourth electrode 104 be kept uniformly at a certain specified amount. It is known that the performance of the lithium ion secondary battery is deteriorated by repeatedly charging and discharging, and the electrolyte concentration in the electrode group 100 is also reduced. When distribution occurs in the electrolyte concentration, lithium ions move from the high concentration side to the low concentration side, and the concentration tends to be uniform. Therefore, it is desirable that the material of the insulating sheet 110 has a small hole diameter, a high density, a low lithium ion diffusion rate, and a small change in the electrolyte concentration. Further, in order to reduce the change in the electrolyte concentration, it is desirable that the insulating sheet 110 is thick, such as multiple layers.

具体的な第3電極103の場所を図2に示す。第3電極103は、電極群100の内部に配置されている。第3電極103は、例えば、正極101と負極102が対面している中間に配置する。   A specific location of the third electrode 103 is shown in FIG. The third electrode 103 is disposed inside the electrode group 100. For example, the third electrode 103 is disposed in the middle where the positive electrode 101 and the negative electrode 102 face each other.

配置場所については、図2(a)のように、電極群100において複数積層されている電極の外側、換言すれば、電極群100において電池ケース160に近い側、に配置しても良いし、内側、換言すれば、電極群100において電池ケース160に遠い側、に配置しても良い。図2(a)では、第3電極103は、電極群100において正極101および負極102が積層される方向の垂面となる方向の縁部分に配置されているともいえる。   As for the arrangement location, as shown in FIG. 2 (a), the electrode group 100 may be arranged on the outside of a plurality of stacked electrodes, in other words, on the electrode group 100 near the battery case 160, It may be arranged on the inner side, in other words, on the side far from the battery case 160 in the electrode group 100. In FIG. 2A, it can be said that the third electrode 103 is disposed at the edge portion in the direction that becomes the vertical surface in the direction in which the positive electrode 101 and the negative electrode 102 are laminated in the electrode group 100.

図2(b)のように、電極対面部の中央部に配置しても良いし、縁部分に配置しても良い。図2(b)では、第3電極103は、電極群100において正極101および負極102が積層される方向の中央部に配置されているともいえる。しかし、複数積層されている電極においても電解液濃度に差があるため、より平均的な特性を示すと考えられる内側に配置するのが望ましい。また、電極対面部において、中央に配置すると正極101と負極102間のリチウムイオン拡散を阻害する影響が大きいと考えられるため、中央部よりも縁部分に配置するのが望ましい。そのため、図2(c)のように、複数積層の内側、特に、複数積層の中央部、電極対面部の縁部分、換言すれば、電極群100において正極101および負極102が積層される方向の垂面となる方向の縁部分に配置するのが望ましい。   Like FIG.2 (b), you may arrange | position to the center part of an electrode facing part, and may arrange | position to an edge part. In FIG. 2B, it can be said that the third electrode 103 is disposed in the center of the electrode group 100 in the direction in which the positive electrode 101 and the negative electrode 102 are laminated. However, even in the case of a plurality of stacked electrodes, there is a difference in the electrolyte solution concentration, so that it is desirable to arrange the electrodes on the inner side, which is considered to exhibit more average characteristics. In addition, since it is considered that the influence of inhibiting lithium ion diffusion between the positive electrode 101 and the negative electrode 102 is large when arranged in the center in the electrode facing portion, it is desirable that the electrode is disposed in the edge portion rather than the central portion. Therefore, as shown in FIG. 2C, the inside of the plurality of layers, particularly the central portion of the plurality of layers, the edge portion of the electrode facing portion, in other words, in the direction in which the positive electrode 101 and the negative electrode 102 are stacked in the electrode group 100. It is desirable to arrange at the edge portion in the direction of the vertical surface.

図2では、積層型のリチウムイオン電池について説明しているが、捲回型のリチウムイオン二次電池でも同様である。また、図2では、電極群100の内側に配置する第3電極103は一つであるが、電極内の電解液分布を確認するために、第3電極103を複数個配置しても良い。   Although FIG. 2 illustrates a stacked lithium ion battery, the same applies to a wound lithium ion secondary battery. In FIG. 2, there is one third electrode 103 disposed inside the electrode group 100, but a plurality of third electrodes 103 may be disposed in order to confirm the electrolyte solution distribution in the electrode.

具体的な第4電極104の場所を図3に示す。第4電極104は、電極群100の外部に配置されている。第4電極104は、例えば電極群100の外側で、正極101と負極102が対面している部分から離れた場所に配置する。   A specific location of the fourth electrode 104 is shown in FIG. The fourth electrode 104 is disposed outside the electrode group 100. For example, the fourth electrode 104 is disposed outside the electrode group 100 at a location away from the portion where the positive electrode 101 and the negative electrode 102 face each other.

最初に、積層型リチウムイオン二次電池について説明する。配置場所については、図3(a)のように、電極群100の外側で、電池ケース160上部、換言すれば、正極端子121、負極端子122に近い電極群100の外側、に第4電極104を配置しても良い。また、図3(b)のように、電極群100の外側で、電池ケース160の下部、換言すれば、正極端子121、負極端子122に遠い電極群100の外側、に第4電極104を配置しても良い。電極群100の電解液濃度を精度よく算出するには、第4電極104の電解液濃度がある規定量で均一に保たれているが必要がある。そのため、電極群100の電解液濃度が低下した時、第4電極104を包んでいる絶縁シート110からリチウムイオンの流出を阻害させるために、第4電極104は正極101と負極102が対面している部分からより離れた場所に配置するのが望ましい。そのため、図3(c)のように、充放電反応に関係のない負極102外周部中央部、換言すれば、電極群100において正極101および負極102が積層される方向の垂面となる方向の中央部に配置するのが望ましい。   First, a stacked lithium ion secondary battery will be described. As for the arrangement location, as shown in FIG. 3A, the fourth electrode 104 is located outside the electrode group 100 and above the battery case 160, in other words, outside the electrode group 100 close to the positive electrode terminal 121 and the negative electrode terminal 122. May be arranged. Further, as shown in FIG. 3B, the fourth electrode 104 is disposed outside the electrode group 100, below the battery case 160, in other words, outside the electrode group 100 far from the positive electrode terminal 121 and the negative electrode terminal 122. You may do it. In order to accurately calculate the electrolyte concentration of the electrode group 100, it is necessary that the electrolyte concentration of the fourth electrode 104 is kept uniform at a certain specified amount. Therefore, when the electrolyte concentration of the electrode group 100 decreases, the fourth electrode 104 faces the positive electrode 101 and the negative electrode 102 in order to inhibit the outflow of lithium ions from the insulating sheet 110 enclosing the fourth electrode 104. It is desirable to place it at a location farther from the part where it is located. Therefore, as shown in FIG. 3C, the central portion of the outer periphery of the negative electrode 102 not related to the charge / discharge reaction, in other words, the vertical surface of the electrode group 100 in the direction in which the positive electrode 101 and the negative electrode 102 are stacked. It is desirable to arrange in the center.

次に、捲回型リチウムイオン二次電池について説明する。配置場所については、図4(a)のように、捲回軸140に捲回されている電極群100の外側で、電池ケース160上部に第4電極104を配置しても良いし、図4(b)のように、電極群100の外側で、電池ケース160下部に第4電極104を配置しても良いが、同様の理由で、図4(c)のように、充放電反応に関係のない負極102外周部中央部に第4電極104を配置するのが望ましい。図4(c)のように第4電極104を配置することにより、第4電極104を包んでいる絶縁シート110からリチウムイオンの流出を抑制することができる。また、図4(d)のように、捲回軸140を空洞にして、空洞部分、特に捲回軸140の中央部分に第4電極104を配置してもよい。   Next, a wound lithium ion secondary battery will be described. 4A, the fourth electrode 104 may be disposed on the battery case 160 outside the electrode group 100 wound around the winding shaft 140, as shown in FIG. As shown in (b), the fourth electrode 104 may be disposed outside the electrode group 100 and below the battery case 160. For the same reason, the fourth electrode 104 is related to the charge / discharge reaction as shown in FIG. It is desirable to dispose the fourth electrode 104 in the central part of the outer periphery of the negative electrode 102 without any electrode. By disposing the fourth electrode 104 as shown in FIG. 4C, it is possible to suppress the outflow of lithium ions from the insulating sheet 110 that surrounds the fourth electrode 104. Further, as shown in FIG. 4D, the winding shaft 140 may be a cavity, and the fourth electrode 104 may be disposed in the hollow portion, particularly the central portion of the winding shaft 140.

第4電極104周辺の電解液中のリチウムイオン濃度は均一に保たれることが望ましいため、図5のように、第4電極104を二重に隔離するダブルジャンクション型の参照極としてもよい。図5において、第4電極104は、接続部位150および容器170で形成される領域の中に配置されている。接続部位150は容器170と接している。ダブルジャンクション型の参照極では、接続部位150によって、第4電極104と電極群100とがイオン導電性を持つ。第4電極104をダブルジャンクション型参照極の容器170によって二重に隔離することで、周辺の電解液濃度をより均一に保つことが可能である。第4電極104をダブルジャンクション型の参照極とした場合、絶縁シート110を設けてもよいし、設けなくてもよい。絶縁シート110を設けた方が、第4電極104から正極および負極間の反応部からの距離が遠く、第4電極周辺の電解液中のリチウムイオン濃度を保持できる。   Since it is desirable that the lithium ion concentration in the electrolyte solution around the fourth electrode 104 be kept uniform, as shown in FIG. 5, the fourth electrode 104 may be a double junction type reference electrode that is double-isolated. In FIG. 5, the fourth electrode 104 is disposed in a region formed by the connection site 150 and the container 170. The connection part 150 is in contact with the container 170. In the double junction type reference electrode, the fourth electrode 104 and the electrode group 100 have ionic conductivity due to the connection portion 150. By isolating the fourth electrode 104 by the double junction type reference electrode container 170, it is possible to keep the concentration of the surrounding electrolyte more uniform. When the fourth electrode 104 is a double junction type reference electrode, the insulating sheet 110 may or may not be provided. When the insulating sheet 110 is provided, the distance from the reaction portion between the positive electrode and the negative electrode from the fourth electrode 104 is longer, and the lithium ion concentration in the electrolyte solution around the fourth electrode can be maintained.

接続部位150は、ガラス系やセラミックス系の液絡やイオン導電性を持つゲルを用いた塩橋により構成される。電解液の液漏れの観点から、上記の中で接続部位150としてセラミックス系以外の材料を用いることが望ましい。この中でも、内部液濃度の変化が小さく、電解液への不純物混合が少ないイオン液体ゲルの塩橋を用いるのが望ましい。イオン液体ゲルの材質としては疎水性の材料が用いられ、疎水性イオン液体は、陽イオンが、4級アンモニウムカチオン、4級フォスフォニウムカチオン又は4級アルゾニウムカチオンの少なくとも1つ以上であり、陰イオンが、[R1SO2NSO22-(R1、R2はそれぞれ炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基)、フッ素及び4価のホウ素を含むボレートイオン、ビス(2−エチルヘキシル)スルホサクシネイト、AlCl4 -、Al3Cl7 -、NO3 -、BF4 -、PF6 -、CH3COO-、CF3COO-、CF3SO3 -、(CF3SO22-、(CF3SO23-、AsF6 -、SbF6 -、F(HF)n -、CF3CF2CF2CF2SO3 -、(CF3CF2SO22-、又はCF3CF2CF2COO-の少なくとも1つ以上であるものが挙げられる。図5のようなダブルジャンクション型は、第4電極104の構成としては、電解液濃度均一の観点から望ましい構成である。また、二重に隔離するダブルジャンクション型について説明したが、二重以上の構成でもよい。 The connection part 150 is constituted by a salt bridge using a gel having glass-type or ceramic-type liquid junction or ionic conductivity. From the viewpoint of leakage of the electrolytic solution, it is desirable to use a material other than ceramics as the connection portion 150 in the above. Among these, it is desirable to use a salt bridge of an ionic liquid gel with a small change in the concentration of the internal solution and a small amount of impurity mixing into the electrolyte. A hydrophobic material is used as the material of the ionic liquid gel, and the cation of the hydrophobic ionic liquid is at least one of a quaternary ammonium cation, a quaternary phosphonium cation, and a quaternary arzonium cation, The anion is [R 1 SO 2 NSO 2 R 2 ] (R 1 and R 2 are each a C 1-5 perfluoroalkyl group), a borate ion containing fluorine and tetravalent boron, bis (2-ethylhexyl) Sulfosuccinate, AlCl 4 , Al 3 Cl 7 , NO 3 , BF 4 , PF 6 , CH 3 COO , CF 3 COO , CF 3 SO 3 , (CF 3 SO 2 ) 2 N , (CF 3 SO 2 ) 3 C , AsF 6 , SbF 6 , F (HF) n , CF 3 CF 2 CF 2 CF 2 SO 3 , (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N , or CF 3 CF 2 CF 2 CO - it includes the at least one or more. The double junction type as shown in FIG. 5 is a desirable configuration for the fourth electrode 104 from the viewpoint of uniform electrolyte concentration. Moreover, although the double junction type which isolate | separates twice was demonstrated, the structure more than double may be sufficient.

ダブルジャンクション型参照極の容器170は、参照電極104の電圧測定を阻害せず、密封性の良い材質を用いることが望ましい。具体的には、ガラスや絶縁性シート等が挙げ挙げられる。絶縁性シートは、コンパクトで壊れにくい点で望ましい。容器170にガラスを用いる場合、例えば、接続部位150は空洞となっており、接続部位150における空洞の周辺はガラス製とする。そして、接続部位150の空洞に種々の材料が詰め込まれる。摺り合わせによる接合の観点から、容器170のガラスにはバイコールガラスを用いることが望ましい。容器170に絶縁シートを用いる場合、例えば、絶縁シートはラミネートセルのシール材のように、表面が絶縁された金属フィルムなどを用いることができる。金属フィルムと接続部位150は、接着剤を用いて加圧、加熱により溶着される。接着剤には、例えば、ウレタン樹脂系接着剤が用いられる。容器170に金属フィルムを用いた場合、接続部位150にイオン導電性ゲルを用いることで作製工程が簡易になる。   The container 170 of the double junction type reference electrode is preferably made of a material that does not hinder the voltage measurement of the reference electrode 104 and has a good sealing property. Specifically, glass, an insulating sheet, etc. are mentioned. Insulating sheets are desirable because they are compact and hard to break. When glass is used for the container 170, for example, the connection part 150 is a cavity, and the periphery of the cavity in the connection part 150 is made of glass. Various materials are packed into the cavity of the connection portion 150. From the viewpoint of joining by rubbing, it is desirable to use Vycor glass for the glass of the container 170. When an insulating sheet is used for the container 170, for example, the insulating sheet can be a metal film whose surface is insulated like a sealing material of a laminate cell. The metal film and the connection part 150 are welded by pressurization and heating using an adhesive. For example, a urethane resin adhesive is used as the adhesive. In the case where a metal film is used for the container 170, the manufacturing process is simplified by using an ion conductive gel for the connection portion 150.

本発明の電解液中のリチウムイオン濃度を測定する原理を説明する。第3電極103、第4電極104にチタン酸リチウムを用いた場合を例にして説明する。   The principle of measuring the lithium ion concentration in the electrolytic solution of the present invention will be described. A case where lithium titanate is used for the third electrode 103 and the fourth electrode 104 will be described as an example.

チタン酸リチウムでは、以下の式のような充放電反応が進行する。(式1)は充電反応、(式2)は放電反応を示す。   In lithium titanate, a charge / discharge reaction as shown in the following formula proceeds. (Formula 1) indicates a charging reaction, and (Formula 2) indicates a discharge reaction.

Li7Ti512→Li4Ti512+3Li++3e-…(式1)
Li4Ti512+3Li++3e-→Li7Ti512…(式2)
チタン酸リチウムへのリチウムイオン挿入反応の電位は、(式3)のネルンストの式にから計算される(式2)の還元電位で示される。
Li 7 Ti 5 O 12 → Li 4 Ti 5 O 12 + 3Li + + 3e (Formula 1)
Li 4 Ti 5 O 12 + 3Li + + 3e → Li 7 Ti 5 O 12 (Formula 2)
The potential of the lithium ion insertion reaction into lithium titanate is represented by the reduction potential of (Formula 2) calculated from the Nernst formula of (Formula 3).

E=E0+RT/3F・ln(a(Li4Ti512)・a(Li+3/a(Li7Ti512))…(式3)
ここで、Eは還元電位、E0は標準還元電位、Rは気体定数、Tは温度[K]、aはそれぞれの活量を示す。活量は濃度に依存し、Li4Ti512とLi7Ti512の固体の活量は1とみなせるため、(式3)は(式4)のように簡易化できる。
E = E 0 + RT / 3F · ln (a (Li 4 Ti 5 O 12 ) · a (Li + ) 3 / a (Li 7 Ti 5 O 12 )) (Formula 3)
Here, E is the reduction potential, E 0 is the standard reduction potential, R is the gas constant, T is the temperature [K], and a is the activity. Since the activity depends on the concentration and the solid activity of Li 4 Ti 5 O 12 and Li 7 Ti 5 O 12 can be regarded as 1, (Equation 3) can be simplified as (Equation 4).

E=E0+RT/3F・ln(a(Li+3
=E0+RT/F・ln(a(Li+))…(式4)
(式4)より、チタン酸リチウムへのリチウム挿入反応の還元電位は、リチウムイオン濃度の活量に比例する。すなわち、リチウムイオン濃度に依存すると考えられる。そのため、それぞれ異なるリチウムイオン濃度の二つのチタン酸リチウムの電極を用いて、リチウムイオン濃度と電位差を調べることで、検量線を作成することができる。
E = E 0 + RT / 3F · ln (a (Li + ) 3 )
= E 0 + RT / F · ln (a (Li + )) (Formula 4)
From (Equation 4), the reduction potential of the lithium insertion reaction into lithium titanate is proportional to the activity of the lithium ion concentration. That is, it is considered that it depends on the lithium ion concentration. Therefore, a calibration curve can be created by examining the lithium ion concentration and the potential difference using two lithium titanate electrodes having different lithium ion concentrations.

例として、電解液に体積比が1:1のエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒にリチウム塩として六フッ化リン酸リチウムを溶解させた非水溶液を用いた時、一方のチタン酸リチウムを1mol/lの電解液濃度に挿入し、もう一方のチタン酸リチウムを濃度の異なる電解液に挿入した際に検出される電位差を予測したものを図6に示す。図6では、(式4)のネルンストの式に従い、電解液濃度に依存し電位差が検出されると考えられる。利用する参照電極、電解液の材料に応じて、図6で示すような検量線は異なると考えられる。また、図6は25℃環境下を想定しているが、(式4)のTに環境温度を代入し、様々な環境温度に対応できる。例として第3電極103、第4電極104に同じ材料であるチタン酸リチウムを用いた場合を挙げているが、異なる材料を用いた場合でも、検量線を取得しておくことで、電解液濃度の算出は可能である。   For example, when a non-aqueous solution in which lithium hexafluorophosphate is dissolved as a lithium salt in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate having a volume ratio of 1: 1 is used as the electrolyte, FIG. 6 shows a prediction of the potential difference detected when the other lithium titanate is inserted into the electrolyte solution having a different concentration and inserted into the electrolyte solution concentration of 1. In FIG. 6, it is considered that the potential difference is detected depending on the electrolyte concentration according to the Nernst equation of (Equation 4). It is considered that the calibration curve as shown in FIG. 6 differs depending on the reference electrode and the electrolyte material to be used. Although FIG. 6 assumes a 25 ° C. environment, it is possible to cope with various environmental temperatures by substituting the environmental temperature into T in (Expression 4). As an example, the case where lithium titanate, which is the same material, is used for the third electrode 103 and the fourth electrode 104, but even when different materials are used, by obtaining a calibration curve, the electrolyte concentration Can be calculated.

図7は本発明のリチウムイオン電池を簡略化し、配線を加えた概略図である。正極端子121のV1と第4電極104のV4間の電位差を外部に出力することで、正極101の電位を検出することができる。また、負極端子122のV2と第4電極104のV4間の電位差を外部に出力することで、負極102の電位を検出することができる。そして、第3電極103のV3と第4電極104のV4間の電位差を外部に出力し、図6で示すような検量線を用いて、電位差から濃度差に計算することで、電極群100の電解液濃度を測定することが可能である。正極101と負極102の電位を検出する時に、第3電極103のV3とV1、V2間の電位差を外部に出力しても良いが、電極群100の内側にある第3電極103周辺の電解液濃度は長期的な観点だけでなく、充放電の反応速度が正極側と負極側で異なるため、一時的にも大きく変化する。そのため、第3電極103を基準電極として用いた場合、基準電位が不安定であるため、正極101と負極102の電位を検出するのは、第4電極104を用いるとよい。   FIG. 7 is a schematic diagram in which the lithium ion battery of the present invention is simplified and wiring is added. By outputting the potential difference between V1 of the positive electrode terminal 121 and V4 of the fourth electrode 104 to the outside, the potential of the positive electrode 101 can be detected. Further, the potential of the negative electrode 102 can be detected by outputting the potential difference between V2 of the negative electrode terminal 122 and V4 of the fourth electrode 104 to the outside. Then, the potential difference between V3 of the third electrode 103 and V4 of the fourth electrode 104 is output to the outside, and the concentration difference is calculated from the potential difference using a calibration curve as shown in FIG. It is possible to measure the electrolyte concentration. When detecting the potential of the positive electrode 101 and the negative electrode 102, the potential difference between V3, V1, and V2 of the third electrode 103 may be output to the outside, but the electrolyte around the third electrode 103 inside the electrode group 100 The concentration varies not only from a long-term point of view, but also changes temporarily because the charge / discharge reaction rate differs between the positive electrode side and the negative electrode side. For this reason, when the third electrode 103 is used as a reference electrode, the reference potential is unstable. Therefore, the fourth electrode 104 is preferably used to detect the potentials of the positive electrode 101 and the negative electrode 102.

以上の構成を用いることで、正極電位および負極電位の検出に加えて、適切に電解液中のリチウムイオン濃度を測定することができる。また、本実施例の構成を採用することにより、非破壊で電解液中のリチウムイオンの濃度を測定できる。   By using the above configuration, in addition to detection of the positive electrode potential and the negative electrode potential, it is possible to appropriately measure the lithium ion concentration in the electrolytic solution. In addition, by adopting the configuration of this example, the concentration of lithium ions in the electrolyte can be measured nondestructively.

100 電極群
101 正極
102 負極
103 第3電極
104 第4電極
105 セパレータ
110 絶縁シート
121 正極端子
122 負極端子
123 第3電極端子
124 第4電極端子
130 リチウムイオン二次電池
140 捲回軸
150 接続部位
160 電池ケース
170 容器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Electrode group 101 Positive electrode 102 Negative electrode 103 3rd electrode 104 4th electrode 105 Separator 110 Insulation sheet 121 Positive electrode terminal 122 Negative electrode terminal 123 3rd electrode terminal 124 4th electrode terminal 130 Lithium ion secondary battery 140 Winding axis 150 Connection site 160 Battery case 170 container

Claims (7)

電極群、第3電極および第4電極を有し、
前記電極群は、正極および負極を有し、
前記第3電極および前記第4電極により、前記正極および前記負極の電位が検出され、
前記第3電極は、前記電極群の内部に配置され、
前記第4電極は、前記電極群の外部に配置されるリチウムイオン二次電池。
An electrode group, a third electrode and a fourth electrode;
The electrode group has a positive electrode and a negative electrode,
The potentials of the positive electrode and the negative electrode are detected by the third electrode and the fourth electrode,
The third electrode is disposed inside the electrode group,
The fourth electrode is a lithium ion secondary battery disposed outside the electrode group.
請求項1において、
前記第3電極および前記第4電極は、リン酸遷移金属リチウムまたはチタン酸リチウムのいずれか一種以上で構成されるリチウムイオン二次電池。
In claim 1,
The third electrode and the fourth electrode are lithium ion secondary batteries composed of at least one of lithium transition metal lithium and lithium titanate.
請求項1乃至2のいずれかにおいて、
前記リチウムイオン二次電池は、積層型であり、
前記第3電極は、前記電極群において前記正極および前記負極が積層される方向の中央部に配置されるリチウムイオン二次電池。
In any one of Claims 1 thru | or 2.
The lithium ion secondary battery is a stacked type,
The third electrode is a lithium ion secondary battery disposed in a central portion in a direction in which the positive electrode and the negative electrode are stacked in the electrode group.
請求項1乃至3のいずれかにおいて、
前記リチウムイオン二次電池は、積層型であり、
前記第3電極は、前記電極群において前記正極および前記負極が積層される方向の垂面となる方向の縁部分に配置されるリチウムイオン二次電池。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
The lithium ion secondary battery is a stacked type,
The third electrode is a lithium ion secondary battery disposed at an edge portion in a direction that becomes a vertical surface in a direction in which the positive electrode and the negative electrode are stacked in the electrode group.
請求項1乃至4のいずれかにおいて、
前記第4電極は、前記電極群において前記正極および前記負極が積層される方向の垂面となる方向の中央部に配置されるリチウムイオン二次電池。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
The fourth electrode is a lithium ion secondary battery disposed in a central portion in a direction that is a vertical surface in a direction in which the positive electrode and the negative electrode are stacked in the electrode group.
請求項1において、
前記リチウムイオン二次電池は、捲回型であり、
前記リチウムイオン二次電池は、捲回軸を有し、
前記電極群は、前記捲回軸に捲回され、
前記捲回軸には空洞が設けられ、
前記第4電極は、前記捲回軸の空洞に配置されるリチウムイオン二次電池。
In claim 1,
The lithium ion secondary battery is a wound type,
The lithium ion secondary battery has a winding axis,
The electrode group is wound around the winding shaft,
The winding shaft is provided with a cavity,
The fourth electrode is a lithium ion secondary battery disposed in a cavity of the winding shaft.
請求項1乃至6のいずれかにおいて、
前記リチウムイオン二次電池は、接続部位および容器を有し、
前記第4電極が、前記接続部位および前記容器で形成される領域の中に配置されており、
前記接続部位は前記容器と接しており、
前記接続部位によって、前記第4電極と前記電極群とがイオン導電性を持つリチウムイオン二次電池。
In any one of Claims 1 thru | or 6.
The lithium ion secondary battery has a connection site and a container,
The fourth electrode is disposed in a region formed by the connection site and the container;
The connecting portion is in contact with the container;
A lithium ion secondary battery in which the fourth electrode and the electrode group have ionic conductivity depending on the connection site.
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