JP2016085893A - Active material, electrode, battery cell, lithium ion secondary battery and electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物、方法、または製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。特に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、電池セル、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、またはそれらの製造方法に関する。特に、本発明の一態様は、二次電池の構造及びその作製方法に関する。特にリチウムイオン二次電池の正極活物質に関する。 The present invention relates to an object, a method, or a manufacturing method. Or this invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). In particular, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a battery cell, a power storage device, a memory device, a driving method thereof, or a manufacturing method thereof. In particular, one embodiment of the present invention relates to a structure of a secondary battery and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery.
近年、スマートフォンやタブレット等の携帯用電子機器が急速に普及している。また、環境問題のへの関心の高まりから、ハイブリッドカーや電気自動車への注目が集まり、二次電池の重要性が増している。二次電池としては、ニッケル水素電池や、鉛蓄電池や、リチウムイオン二次電池などが挙げられる。中でも、リチウムイオン二次電池は、高容量、且つ、小型化が図れるため、開発が盛んに行われている。 In recent years, portable electronic devices such as smartphones and tablets have rapidly spread. In addition, due to increasing interest in environmental issues, attention is focused on hybrid cars and electric vehicles, and the importance of secondary batteries is increasing. Examples of the secondary battery include a nickel metal hydride battery, a lead storage battery, and a lithium ion secondary battery. In particular, lithium ion secondary batteries have been actively developed because of their high capacity and miniaturization.
二次電池の基本的な構成は、正極と負極との間に電解質(電解液または固体電解質)を介在させたものである。正極及び負極としては、それぞれ集電体と、集電体上に設けられた活物質層と、を有する構成が代表的である。リチウムイオン二次電池の場合は、リチウムを吸蔵及び放出することができる材料を、正極及び負極の活物質として用いる。 The basic configuration of the secondary battery is such that an electrolyte (electrolytic solution or solid electrolyte) is interposed between the positive electrode and the negative electrode. As the positive electrode and the negative electrode, a structure having a current collector and an active material layer provided on the current collector is typical. In the case of a lithium ion secondary battery, a material capable of inserting and extracting lithium is used as an active material for the positive electrode and the negative electrode.
リチウムイオン二次電池において、正極活物質として、例えば、特許文献1に示されている、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)、リン酸コバルトリチウム(LiCoPO4)、リン酸ニッケルリチウム(LiNiPO4)などの、リチウム(Li)と鉄(Fe)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)またはニッケル(Ni)とを含むオリビン構造を有するリン酸化合物などが知られている。 In the lithium ion secondary battery, as the positive electrode active material, for example, lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), lithium manganese phosphate (LiMnPO 4 ), lithium lithium cobalt phosphate (LiCoPO 4 ), which are disclosed in Patent Document 1, Known are phosphoric acid compounds having an olivine structure including lithium (Li) and iron (Fe), manganese (Mn), cobalt (Co) or nickel (Ni), such as lithium nickel phosphate (LiNiPO 4 ). Yes.
本発明の一態様は、新規な活物質、新規な電極、容量の大きい電池セル、または、新規な蓄電装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、サイクル特性が向上した蓄電装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、信頼性の高い蓄電装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、寿命の長い蓄電装置を提供することを課題の一とする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a novel active material, a novel electrode, a battery cell with large capacity, or a novel power storage device. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a power storage device with improved cycle characteristics. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a highly reliable power storage device. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a power storage device with a long lifetime.
または、本発明の一態様は、蓄電装置の生産性を高めることを課題の一とする。または、本発明の一態様は、新規な蓄電装置、新規な電極、新規な活物質などを提供することを課題の一とする。 Another object of one embodiment of the present invention is to increase the productivity of a power storage device. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a novel power storage device, a novel electrode, a novel active material, or the like.
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの課題の全てを解決する必要はない。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that the description of these problems does not disturb the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily have to solve all of these problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and other issues can be extracted from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.
本発明の一態様では、リチウムと、マンガンと、酸素と、ニッケルと、を有する粒子と、粒子は層状岩塩型の結晶構造領域を有し、結晶領域は積層欠陥を有していることを有する活物質を提供する。 In one embodiment of the present invention, particles including lithium, manganese, oxygen, and nickel, the particles have a layered rock salt type crystal structure region, and the crystal region has stacking faults Provide active material.
上記発明の一態様において、積層欠陥は、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fを用いて観察される。 In one embodiment of the invention, the stacking fault is observed using an atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd.
上記発明の一態様において、活物質と、導電助剤と、バインダーと、を含む活物質層と、集電体と、を有する電極を提供する。 In one embodiment of the present invention, an electrode including an active material layer containing an active material, a conductive additive, and a binder, and a current collector is provided.
上記発明の一態様において、活物質を含む第1の電極と、第2の電極と、を有し、第1の電極は、正極又は負極の一方として動作させることができる機能を有し、第2の電極は、正極又は負極の他方として動作させることができる機能を有する電池セルを提供する。 In one embodiment of the above invention, the first electrode including an active material and the second electrode are included, and the first electrode has a function of operating as one of a positive electrode and a negative electrode, The two electrodes provide a battery cell having a function capable of operating as the other of the positive electrode and the negative electrode.
上記発明の一態様において、電池セルと、電池制御ユニットと、を有するリチウムイオン二次電池を提供する。 In one embodiment of the present invention, a lithium ion secondary battery including a battery cell and a battery control unit is provided.
上記発明の一態様において、リチウムイオン二次電池と、表示装置、操作ボタン、外部接続ポート、スピーカ、または、マイクと、を有する電子機器を提供する。 In one embodiment of the present invention, an electronic device including a lithium ion secondary battery and a display device, operation buttons, an external connection port, a speaker, or a microphone is provided.
本発明の一態様により、新規な活物質、新規な電極、容量の大きい蓄電装置、または、新規な蓄電装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、サイクル特性が向上した蓄電装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、信頼性の高い蓄電装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、寿命の長い蓄電装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a novel active material, a novel electrode, a power storage device with a large capacity, or a novel power storage device can be provided. According to one embodiment of the present invention, a power storage device with improved cycle characteristics can be provided. According to one embodiment of the present invention, a highly reliable power storage device can be provided. According to one embodiment of the present invention, a power storage device with a long lifetime can be provided.
また、本発明の一態様により、蓄電装置の生産性を高めることができる。また、本発明の一態様により、新規な蓄電装置、新規な電極、新規な活物質などを提供することができる。なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 Further, according to one embodiment of the present invention, productivity of the power storage device can be increased. According to one embodiment of the present invention, a novel power storage device, a novel electrode, a novel active material, or the like can be provided. Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are naturally obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the other effects from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed. In addition, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments below.
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る活物質及びその作製方法について、図1及び図3を参照して説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, an active material and a manufacturing method thereof according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本発明の一態様に係る活物質は、積層欠陥を有する粒子を有し、積層欠陥を有する粒子は、少なくともリチウムと、マンガンと、ニッケルと、酸素と、を有する。 The active material according to one embodiment of the present invention includes particles having stacking faults, and the particles having stacking faults include at least lithium, manganese, nickel, and oxygen.
なお、活物質とは、キャリアであるイオンの挿入・脱離に関わる物質のみを指すが、本明細書等においては、本来の『活物質』に被覆された炭素を含む層も含むものとする。 Note that an active material refers only to a material related to insertion / extraction of ions serving as carriers. However, in this specification and the like, a layer containing carbon covered with an original “active material” is also included.
積層欠陥を有する層状岩塩型の結晶構造を持つ粒子の一つとして、組成式LixMnyMzOwで表されるリチウムマンガン複合酸化物が挙げられる。そこで、組成式LixMnyMzOwで表されるリチウムマンガン複合酸化物を用いて、活物質の合成方法について説明する。 As one of particles having a layered rock salt type crystal structure having a stacking fault, a lithium manganese composite oxide represented by a composition formula Li x Mn y M z O w can be given. Therefore, by using the lithium-manganese composite oxide represented by the compositional formula Li x Mn y M z O w , is described a method for synthesizing an active material.
ここで、元素Mは、Niを用いることが好ましいが、リチウム、マンガン以外から選ばれた金属元素、またはシリコン、リンを用いてもよい。また、0≦x/(y+z)<2、かつz>0、かつ0.26≦(y+z)/w<0.5を満たすことが好ましい。なお、リチウムマンガン複合酸化物とは、少なくともリチウムとマンガンとを含む酸化物をいい、クロム、コバルト、アルミニウム、ニッケル、鉄、マグネシウム、モリブデン、亜鉛、インジウム、ガリウム、銅、チタン、ニオブ、シリコン、及びリンなどからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を含んでいてもよい。また、リチウムマンガン複合酸化物は、積層欠陥を含む層状岩塩型の結晶構造領域を有していれば、層状岩塩の結晶構造の他にスピネル型の結晶構造領域を有するものであってもよい。また、リチウムマンガン複合酸化物は、例えば、平均粒子径が、5nm以上50μm以下であることが好ましい。 Here, Ni is preferably used as the element M, but a metal element selected from other than lithium and manganese, or silicon and phosphorus may be used. Moreover, it is preferable that 0 ≦ x / (y + z) <2 and z> 0 and 0.26 ≦ (y + z) / w <0.5 are satisfied. Note that the lithium manganese composite oxide means an oxide containing at least lithium and manganese, such as chromium, cobalt, aluminum, nickel, iron, magnesium, molybdenum, zinc, indium, gallium, copper, titanium, niobium, silicon, And at least one element selected from the group consisting of phosphorus and the like. The lithium manganese composite oxide may have a spinel crystal structure region in addition to the layered rock salt crystal structure as long as it has a layered rock salt crystal structure region containing stacking faults. The lithium manganese composite oxide preferably has an average particle size of, for example, 5 nm or more and 50 μm or less.
なお、本明細書等において、層状岩塩の結晶構造とは、リチウム層とリチウム及び金属原子を有する層とが酸素の層を挟んで交互に積層された結晶構造、すなわち、酸化物を介して金属原子及びリチウムを有する層とリチウム単独層とが交互に積層した結晶構造をいう。 In this specification and the like, the crystal structure of the layered rock salt is a crystal structure in which a lithium layer and a layer containing lithium and a metal atom are alternately stacked with an oxygen layer interposed therebetween, that is, a metal through an oxide. A crystal structure in which atoms and lithium-containing layers and lithium single layers are alternately stacked.
また、本明細書等において、積層欠陥とは、面状の格子欠陥(面欠陥)をいう。つまり、結晶は、幾種類かの原子面が周期的に積み重なって作られているが、この積み重ねの規則性(順序)に狂いが生じている状態をいう。 In this specification and the like, the stacking fault refers to a planar lattice defect (plane defect). In other words, the crystal is formed by periodically stacking several types of atomic planes, but the regularity (order) of the stacking is out of order.
例えば、層状岩塩の結晶構造として代表的なLi2MnO3の結晶構造を図1及び図2に示す。本明細書では結晶構造データベースICSDのNo.202639、またはICDD(The International Centre for Diffraction Data)によるJCPDS 84−1634の結晶構造に沿って記載する。 For example, a typical Li 2 MnO 3 crystal structure as a layered rock salt crystal structure is shown in FIGS. In this specification, the crystal structure database ICSD No. It is described along the crystal structure of JCPDS 84-1634 by 202639, or ICDD (The International Center for Diffraction Data).
図1(A)には、Li2MnO3の結晶構造を[100]から見た構造を示す。また、図2(A)には、Li2MnO3の結晶構造を[110]から見た構造示す。また、図1(B)及び図2(B)には、リチウム及びマンガンを有する層23を[103]から見た構造を示す。 FIG. 1A shows a structure of the crystal structure of Li 2 MnO 3 as viewed from [100]. FIG. 2A shows the structure of Li 2 MnO 3 as viewed from [110]. FIGS. 1B and 2B show a structure of the layer 23 containing lithium and manganese as viewed from [103].
図1(A)に示すように、リチウムの層20とリチウム及びマンガンを有する層21が、酸素の層22を挟んで、c軸方向に交互に積層されている。図1(B)に示すように、リチウム10、マンガン12、及びマンガン14からなる直線A上、また、リチウム15、マンガン13、及びマンガン11は直線Aと平行な直線B上に位置している。 As shown in FIG. 1A, lithium layers 20 and lithium and manganese layers 21 are alternately stacked in the c-axis direction with an oxygen layer 22 interposed therebetween. As shown in FIG. 1B, lithium 15, manganese 13, and manganese 11 are located on a straight line B parallel to the straight line A, and the straight line A is composed of lithium 10, manganese 12, and manganese 14. .
同様に、図2においても、図2(A)に示すように、リチウムの層20とリチウム及びマンガンを有する層21が、酸素の層22を挟んで、c軸方向に交互に積層されている。図2(B)に示すように、リチウム10、マンガン13、及びマンガン17からなる直線C上、また、リチウム16、マンガン11、及びマンガン12は直線Cと平行な直線D上に位置している。 Similarly, in FIG. 2, as shown in FIG. 2A, lithium layers 20 and lithium and manganese layers 21 are alternately stacked in the c-axis direction with the oxygen layer 22 interposed therebetween. . As shown in FIG. 2B, lithium 16, manganese 11, and manganese 12 are located on a straight line D parallel to the straight line C, and the straight line C is composed of lithium 10, manganese 13, and manganese 17. .
Li2MnO3の結晶構造において、リチウム及びマンガンを有する層が、上層または下層のリチウム及びマンガンを有する層23と、それぞれその構造を保ったまま、ab面内でずれて積層されることで、積層欠陥が生じる。つまり、正常であれば、リチウム及びマンガンを有する層23のリチウム10が、[001]方向に沿って、リチウム及びマンガンを有する層21のリチウムに互いに重なるべきところが、マンガンに重なるように、積層されることで積層欠陥となる。 In the crystal structure of Li 2 MnO 3, the layer having lithium and manganese is laminated with the upper layer or the lower layer 23 having lithium and manganese while being shifted in the ab plane while maintaining the structure, respectively. Stacking faults occur. In other words, if normal, the lithium 10 of the layer 23 containing lithium and manganese is stacked so that the portion that should overlap the lithium of the layer 21 containing lithium and manganese overlaps with manganese along the [001] direction. It becomes a stacking fault.
層状岩塩の結晶構造は、2次元構造のため、酸素の層22と、リチウム及びマンガンを有する層21とで作られる層状構造を維持したまま、リチウムイオンが拡散と挿入脱離することにより充放電が行われる。 Since the crystal structure of the layered rock salt is a two-dimensional structure, charging and discharging are performed by diffusion, insertion and desorption of lithium ions while maintaining the layered structure formed by the oxygen layer 22 and the layer 21 containing lithium and manganese. Is done.
しかしながら、Li2MnO3の結晶構造の場合において、リチウムの層20だけでなく、リチウム及びマンガンを有する層21からも、リチウムイオンが放出されることにより、リチウム及びマンガンを有する層21と上下で重なる、リチウム及びマンガンを有する層23とリチウム及びマンガンを有する層24との間の層状構造が崩れ、層間距離、あるいは結晶構造自体が変化する。その結果、リチウムイオンの拡散が困難となり、電池の電圧の低下や、放電容量の低下を引き起こしてしまう。 However, in the case of the crystal structure of Li 2 MnO 3 , lithium ions are released not only from the lithium layer 20 but also from the lithium and manganese layer 21, so that the lithium and manganese layer 21 and the upper and lower layers. The layered structure between the layer 23 having lithium and manganese and the layer 24 having lithium and manganese that are overlapped collapses, and the interlayer distance or the crystal structure itself changes. As a result, diffusion of lithium ions becomes difficult, causing a decrease in battery voltage and a decrease in discharge capacity.
一方、リチウムマンガン複合酸化物が、層状岩塩型の結晶構造領域中に積層欠陥を有している場合、該積層欠陥に金属原子が入り込む。そのため、リチウムの層20とリチウム及びマンガンを有する層21からリチウムイオンが抜けた場合、積層欠陥中に入り込んだ金属原子が、周りの酸素原子と結合することにより、結晶の構造安定性が向上し、リチウムイオンが脱離した後も層状構造を維持する事が出来る。その結果、リチウムイオンの拡散が容易となり、電池の電圧の低下や、放電容量の低下を防止することができる。これにより、充放電に伴う電池のサイクル特性を向上させることができる。 On the other hand, when the lithium manganese composite oxide has a stacking fault in the layered rock salt type crystal structure region, a metal atom enters the stacking fault. Therefore, when lithium ions are released from the lithium layer 20 and the layer 21 containing lithium and manganese, the metal atoms that have entered the stacking faults are combined with surrounding oxygen atoms, thereby improving the structural stability of the crystal. The layered structure can be maintained even after lithium ions are desorbed. As a result, diffusion of lithium ions is facilitated, and a decrease in battery voltage and a decrease in discharge capacity can be prevented. Thereby, the cycling characteristics of the battery accompanying charging / discharging can be improved.
また、リチウムマンガン複合酸化物の金属原子量が多くなりすぎると、層状岩塩型の結晶構造領域中に過剰に金属原子が入り込み、リチウムイオンの拡散と挿入脱離を阻害するようになる。したがって、リチウムマンガン複合酸化物において、マンガンと金属原子のモル比率が、マンガンが1に対して、金属原子が0.2以上1.3以下、好ましくは金属原子が0.2以上0.5以下となるようにすればよい。 Moreover, when the amount of metal atoms of the lithium manganese composite oxide is too large, excessive metal atoms enter the layered rock salt type crystal structure region, thereby inhibiting the diffusion, insertion and desorption of lithium ions. Therefore, in the lithium manganese composite oxide, the molar ratio of manganese to metal atoms is 0.2 to 1.3, preferably 0.2 to 0.5, and more preferably 0.2 to 0.5, with respect to 1 for manganese. What should be done.
リチウムマンガン複合酸化物の原料としては、マンガン化合物及びリチウム化合物を用いることができる。また、マンガン化合物及びリチウム化合物の原料と共に、クロム、コバルト、アルミニウム、ニッケル、鉄、マグネシウム、モリブデン、亜鉛、インジウム、ガリウム、銅、チタン、ニオブ、シリコン、及びリンなどからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を含む化合物の原料を用いることができる。マンガン化合物としては、例えば、二酸化マンガン、三二酸化マンガン、四三酸化マンガン、水和マンガン酸化物、炭酸マンガン、硝酸マンガンなどを用いることができる。また、リチウム化合物としては、例えば、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウムなどを用いることができる。 As a raw material for the lithium manganese composite oxide, a manganese compound and a lithium compound can be used. Further, together with the raw materials of the manganese compound and the lithium compound, at least one selected from the group consisting of chromium, cobalt, aluminum, nickel, iron, magnesium, molybdenum, zinc, indium, gallium, copper, titanium, niobium, silicon, and phosphorus The raw material of the compound containing these elements can be used. Examples of manganese compounds that can be used include manganese dioxide, manganese sesquioxide, trimanganese tetroxide, hydrated manganese oxide, manganese carbonate, and manganese nitrate. Moreover, as a lithium compound, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium nitrate etc. can be used, for example.
本実施の形態では、マンガン化合物としてMnCO3、リチウム化合物としてLi2CO3、及びNiOを出発原料として用いる。 In this embodiment, MnCO 3 is used as a manganese compound, Li 2 CO 3 and NiO are used as starting materials as a lithium compound.
はじめに、出発原料として、Li2CO3とMnCO3とNiOとを用い、それぞれを秤量する。 First, Li 2 CO 3 , MnCO 3 and NiO are used as starting materials, and each is weighed.
次に、Li2CO3、MnCO3、及びNiOを混合する。出発原料の混合方法については特に制限はなく、公知の解砕機や粉砕機を用いることができる。例えば、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル、ローラーミルなどが挙げられる。また、解砕・粉砕の方式は、乾式でもよいし、湿式でもよい。湿式の際に用いることができる溶媒としても特に制限はなく、例えば、水、アルコール、アセトンなどを用いることができる。 Next, Li 2 CO 3 , MnCO 3 , and NiO are mixed. There is no restriction | limiting in particular about the mixing method of a starting material, A well-known crusher and a grinder can be used. Examples thereof include a ball mill, a bead mill, a jet mill, and a roller mill. Further, the pulverization / pulverization method may be dry or wet. There is no restriction | limiting in particular as a solvent which can be used in the case of wet, For example, water, alcohol, acetone, etc. can be used.
出発原料を混合する際に、湿式で行う場合には、混合された出発原料に含まれる溶媒を蒸発させるための加熱処理を行う。ここで行う加熱処理は、50℃以上150℃以下で行えばよい。加熱処理を行うことにより、混合された出発原料に含まれる溶媒を蒸発させて、混合原料を得る。 When the starting materials are mixed in a wet process, a heat treatment for evaporating the solvent contained in the mixed starting materials is performed. The heat treatment performed here may be performed at 50 ° C. or higher and 150 ° C. or lower. By performing the heat treatment, the solvent contained in the mixed starting material is evaporated to obtain a mixed material.
次に、坩堝に混合原料を入れ、800℃以上1100℃以下で焼成を行う。焼成時間は、例えば、5時間以上20時間以下とし、焼成ガスにAirガス(乾燥空気)を用い、流量を10L/minとする。焼成雰囲気は、大気雰囲気としてもよいし、酸素ガスを用いた雰囲気としてもよい。混合原料に焼成を行うことにより、焼成物(リチウムマンガン複合酸化物)が形成される。 Next, the mixed raw material is put into a crucible and fired at 800 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower. The firing time is, for example, 5 hours to 20 hours, Air gas (dry air) is used as the firing gas, and the flow rate is 10 L / min. The firing atmosphere may be an air atmosphere or an atmosphere using oxygen gas. A fired product (lithium manganese composite oxide) is formed by firing the mixed raw material.
焼成によって合成された複数の一次粒子が焼結したリチウムマンガン複合酸化物は、複数の一次粒子が焼結して大きな二次粒子が形成された状態となっている。そこで、複数の一次粒子が焼結したリチウムマンガン複合酸化物に対して、解砕処理を行う。焼成物に解砕処理を行うことにより、焼成物を砕いて一次粒子にする、又は一次粒子に近い紛体にする。本明細書等において、解砕処理には、焼結物が粉砕される操作も含む。なお、粉砕とは、一次粒子をさらに砕く操作をいう。解砕処理は、出発原料の混合方法と同様に、公知の解砕機や粉砕機を用いることができる。また、解砕・粉砕の方式は、乾式でもよいし、湿式でもよい。湿式の際に用いることができる溶媒としても特に制限はなく、例えば、水、アルコール、アセトンなどを用いることができる。リチウムマンガン複合酸化物に、解砕処理を行うことにより、粒子の比表面積が増加するため好ましい。 The lithium manganese composite oxide obtained by sintering a plurality of primary particles synthesized by firing is in a state in which a large number of primary particles are formed by sintering a plurality of primary particles. Therefore, crushing treatment is performed on the lithium manganese composite oxide in which a plurality of primary particles are sintered. By crushing the fired product, the fired product is crushed into primary particles or into a powder close to primary particles. In the present specification and the like, the crushing treatment includes an operation of crushing the sintered product. In addition, grinding | pulverization means operation which further crushes a primary particle. For the pulverization treatment, a known pulverizer or pulverizer can be used in the same manner as the starting material mixing method. Further, the pulverization / pulverization method may be dry or wet. There is no restriction | limiting in particular as a solvent which can be used in the case of wet, For example, water, alcohol, acetone, etc. can be used. It is preferable to crush the lithium manganese composite oxide because the specific surface area of the particles increases.
本実施の形態では、一次粒子が焼結したリチウムマンガン複合酸化物の解砕処理を、ビーズミルを用いて、アセトンを用いた湿式法により行う。 In the present embodiment, the pulverization treatment of the lithium manganese composite oxide obtained by sintering the primary particles is performed by a wet method using acetone using a bead mill.
解砕処理を行う際に、湿式で行う場合には、解砕処理後に溶媒を蒸発させるための加熱処理を行う。ここで行う加熱処理は、焼成工程と同様の条件で行えばよい。その後、真空乾燥を行うことにより、粉末状のリチウムマンガン複合酸化物を得る。 When performing the pulverization treatment, when performing the pulverization treatment, heat treatment for evaporating the solvent is performed after the pulverization treatment. The heat treatment performed here may be performed under the same conditions as in the baking step. Thereafter, vacuum drying is performed to obtain a powdery lithium manganese composite oxide.
解砕処理を行った後のリチウムマンガン複合酸化物は、解砕処理の衝撃により、結晶性の乱れが生じる場合がある。また、リチウムマンガン複合酸化物に酸素欠損が生じる場合がある。よって、真空乾燥を行った後の粉末状のリチウムマンガン複合酸化物に、再度加熱処理を行うことが好ましい。 The lithium manganese composite oxide after the crushing treatment may be disturbed in crystallinity due to the impact of the crushing treatment. In addition, oxygen deficiency may occur in the lithium manganese composite oxide. Therefore, it is preferable to heat-treat again the powdery lithium manganese composite oxide after vacuum drying.
加熱処理は、坩堝に解砕処理後のリチウムマンガン複合酸化物を入れ、300℃以上1000℃以下、好ましくは600℃以上900以下で加熱処理を行う。加熱時間は、例えば、5時間以上20時間以下とし、ガスにAirガス(乾燥空気)を用い、流量を10L/minとする。加熱雰囲気は、大気雰囲気としてもよいし、酸素ガスを用いた雰囲気としてもよい。 In the heat treatment, the crushed lithium manganese composite oxide is put in a crucible, and the heat treatment is performed at 300 ° C. to 1000 ° C., preferably 600 ° C. to 900 ° C. The heating time is, for example, 5 hours to 20 hours, Air gas (dry air) is used as the gas, and the flow rate is 10 L / min. The heating atmosphere may be an air atmosphere or an atmosphere using oxygen gas.
解砕処理後のリチウムマンガン複合酸化物に熱処理を行うことにより、酸素欠損を修復するとともに、解砕処理時の結晶性の乱れを回復させることができる。また、再度加熱処理を行った後の粉末状のリチウムマンガン複合酸化物に、再度、解砕処理を行っても良く、この場合の解砕処理は、一次粒子が焼結したリチウムマンガン複合酸化物に対して行った解砕処理と同様の条件で行えばよい。 By performing heat treatment on the lithium manganese composite oxide after the pulverization treatment, the oxygen deficiency can be repaired and the disorder of crystallinity during the pulverization treatment can be recovered. In addition, the powdered lithium manganese composite oxide after the heat treatment may be crushed again, and in this case, the pulverization treatment is performed by the lithium manganese composite oxide in which primary particles are sintered. What is necessary is just to perform on the conditions similar to the crushing process performed with respect to.
以上の工程により、組成式LixMnyMzOwで表され、かつ、積層欠陥を有する層状岩塩型の結晶構造領域を持つリチウムマンガン複合酸化物を形成することができる。 Through the above steps, a lithium manganese composite oxide having a layered rock salt type crystal structure region represented by the composition formula Li x Mn y M z O w and having stacking faults can be formed.
なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。または、他の実施の形態において、本発明の一態様について述べる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態および他の実施の形態では、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、活物質が、積層欠陥を有する粒子を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様では、活物質は、別の粒子を有していてもよい。または例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様では、活物質は、別の欠陥を有していてもよい。または例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様では、活物質は、積層欠陥を有する粒子を有さなくてもよい。 Note that one embodiment of the present invention is described in this embodiment. Alternatively, in another embodiment, one embodiment of the present invention will be described. Note that one embodiment of the present invention is not limited thereto. That is, in this embodiment and other embodiments, various aspects of the invention are described; therefore, one embodiment of the present invention is not limited to a particular aspect. For example, as an embodiment of the present invention, an example in which the active material includes particles having stacking faults is described; however, one embodiment of the present invention is not limited thereto. Depending on circumstances or conditions, in one embodiment of the present invention, the active material may include another particle. Alternatively, for example, depending on circumstances or circumstances, in one embodiment of the present invention, the active material may have another defect. Alternatively, for example, depending on circumstances or conditions, in one embodiment of the present invention, the active material may not include particles having stacking faults.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る電極およびその作製方法について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an electrode and a manufacturing method thereof according to one embodiment of the present invention will be described.
〈電極の構成〉
図3(A)は電極100を俯瞰した図であり、図3(B)は図3(A)の破線で囲んだ部分の断面を示す図である。電極100は、集電体101上に活物質層102が設けられた構造である。なお、図3(A)では集電体101の両面に活物質層102が設けられている例を示すが、集電体101の片面のみに活物質層102が設けられていてもよい。
<Electrode configuration>
3A is an overhead view of the electrode 100, and FIG. 3B is a view showing a cross section of a portion surrounded by a broken line in FIG. 3A. The electrode 100 has a structure in which an active material layer 102 is provided over a current collector 101. Note that FIG. 3A illustrates an example in which the active material layer 102 is provided on both surfaces of the current collector 101; however, the active material layer 102 may be provided only on one surface of the current collector 101.
集電体101は、電池セル内で顕著な化学変化を引き起こさずに高い導電性を示す限り、特別な制限はない。例えば、ステンレス、金、白金、亜鉛、鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、チタン、タンタル、マンガン等の金属、及びこれらの合金、焼結した炭素などを用いることができる。また、銅またはステンレス鋼を炭素、ニッケル、チタン等で被覆してもよい。また、シリコン、ネオジム、スカンジウム、モリブデンなどの耐熱性を向上させる元素が添加されたアルミニウム合金を用いることができる。また、シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素で形成してもよい。シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素としては、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケル等がある。また、集電体101は、箔状、板状(シート状)、網状、円柱状、コイル状、パンチングメタル状、エキスパンドメタル状、多孔質状および不織布を包括する様々な形態等の形状を適宜用いることができる。さらに、活物質層との密着性を上げるために集電体101は表面に細かい凹凸を有していてもよい。また、集電体101は、厚みが5μm以上30μm以下のものを用いるとよい。 The current collector 101 is not particularly limited as long as it exhibits high conductivity without causing a significant chemical change in the battery cell. For example, metals such as stainless steel, gold, platinum, zinc, iron, nickel, copper, aluminum, titanium, tantalum, and manganese, alloys thereof, sintered carbon, and the like can be used. Further, copper or stainless steel may be coated with carbon, nickel, titanium or the like. Alternatively, an aluminum alloy to which an element that improves heat resistance, such as silicon, neodymium, scandium, or molybdenum, is added can be used. Alternatively, a metal element that forms silicide by reacting with silicon may be used. Examples of metal elements that react with silicon to form silicide include zirconium, titanium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, cobalt, nickel, and the like. In addition, the current collector 101 has various shapes such as a foil shape, a plate shape (sheet shape), a net shape, a columnar shape, a coil shape, a punching metal shape, an expanded metal shape, a porous shape, and a nonwoven fabric as appropriate. Can be used. Furthermore, the current collector 101 may have fine irregularities on the surface in order to increase the adhesion with the active material layer. The current collector 101 may have a thickness of 5 μm to 30 μm.
活物質層102は、活物質を含む。活物質とは、キャリアであるイオンの挿入・脱離に関わる物質のみを指すが、本明細書等では、本来「活物質」である材料に加えて、導電助剤やバインダーなどを含めたものも、活物質層と呼ぶ。 The active material layer 102 includes an active material. An active material refers only to a substance related to insertion / extraction of ions serving as carriers, but in this specification and the like, in addition to a material that is originally an “active material”, a material that includes a conductive assistant or a binder. Is also called an active material layer.
活物質として、負極活物質を用いる場合は、例えば、炭素系材料、合金系材料等を用いることができる。 When the negative electrode active material is used as the active material, for example, a carbon-based material, an alloy-based material, or the like can be used.
また、炭素系材料としては、黒鉛、易黒鉛化性炭素(ソフトカーボン)、難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンブラック等がある。 Examples of the carbon-based material include graphite, graphitizable carbon (soft carbon), non-graphitizable carbon (hard carbon), carbon nanotube, graphene, and carbon black.
黒鉛としては、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、コークス系人造黒鉛、ピッチ系人造黒鉛等の人造黒鉛や、球状化天然黒鉛等の天然黒鉛がある。 Examples of graphite include artificial graphite such as mesocarbon microbeads (MCMB), coke-based artificial graphite, and pitch-based artificial graphite, and natural graphite such as spheroidized natural graphite.
黒鉛はリチウムイオンが黒鉛に挿入されたとき(リチウム黒鉛層間化合物の生成時)にリチウム金属と同程度に卑な電位を示す(0.1以上0.3V以下 vs.Li/Li+)。これにより、リチウムイオン二次電池は高い作動電圧を示すことができる。さらに、黒鉛は、単位体積当たりの容量が比較的高い、体積膨張が小さい、安価である、リチウム金属に比べて安全性が高い等の利点を有するため、好ましい。 Graphite shows a base potential as low as lithium metal when lithium ions are inserted into the graphite (when a lithium graphite intercalation compound is formed) (0.1 to 0.3 V vs. Li / Li + ). Thereby, a lithium ion secondary battery can show a high operating voltage. Further, graphite is preferable because it has advantages such as relatively high capacity per unit volume, small volume expansion, low cost, and high safety compared to lithium metal.
負極活物質として、リチウムとの合金化・脱合金化反応により充放電反応を行うことが可能な材料も用いることができる。例えば、Ga、Si、Al、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Ag、Zn、Cd、In等のうち少なくとも一つを含む材料を用いることができる。このような元素は炭素と比べて容量が大きく、特に、シリコンは理論容量が4200mAh/gと高い。このような元素を用いた合金系材料としては、例えば、Mg2Si、Mg2Ge、Mg2Sn、SnS2、V2Sn3、FeSn2、CoSn2、Ni3Sn2、Cu6Sn5、Ag3Sn、Ag3Sb、Ni2MnSb、CeSb3、LaSn3、La3Co2Sn7、CoSb3、InSb、SbSn等がある。 As the negative electrode active material, a material capable of performing a charge / discharge reaction by an alloying / dealloying reaction with lithium can also be used. For example, a material containing at least one of Ga, Si, Al, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Ag, Zn, Cd, In, and the like can be used. Such an element has a larger capacity than carbon. In particular, silicon has a high theoretical capacity of 4200 mAh / g. Examples of alloy materials using such elements include Mg 2 Si, Mg 2 Ge, Mg 2 Sn, SnS 2 , V 2 Sn 3 , FeSn 2 , CoSn 2 , Ni 3 Sn 2 , and Cu 6 Sn 5. , Ag 3 Sn, Ag 3 Sb, Ni 2 MnSb, CeSb 3 , LaSn 3 , La 3 Co 2 Sn 7 , CoSb 3 , InSb, SbSn, and the like.
また、負極活物質として、SiO、SnO、SnO2、二酸化チタン(TiO2)、リチウムチタン酸化物(Li4Ti5O12)、リチウム黒鉛層間化合物、(LixC6)、五酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化タングステン(WO2)、酸化モリブデン(MoO2)等の酸化物を用いることができる。 As the negative electrode active material, SiO, SnO, SnO 2 , titanium dioxide (TiO 2 ), lithium titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12 ), lithium graphite intercalation compound, (Li x C 6 ), niobium pentoxide ( An oxide such as Nb 2 O 5 ), tungsten oxide (WO 2 ), or molybdenum oxide (MoO 2 ) can be used.
また、負極活物質として、リチウムと遷移金属の複窒化物である、Li3N型構造をもつLi3−xMxN(M=Co、Ni、Cu)を用いることができる。例えば、Li2.6Co0.4N3は大きな充放電容量(900mAh/g、1890mAh/cm3)を示し好ましい。 Further, as the anode active material, a double nitride of lithium and a transition metal, Li 3 with N-type structure Li 3-x M x N ( M = Co, Ni, Cu) can be used. For example, Li 2.6 Co 0.4 N 3 shows a large charge / discharge capacity (900 mAh / g, 1890 mAh / cm 3 ) and is preferable.
リチウムと遷移金属の複窒化物を用いると、負極活物質中にリチウムイオンを含むため、正極活物質としてリチウムイオンを含まないV2O5、Cr3O8等の材料と組み合わせることができ好ましい。なお、正極活物質にリチウムイオンを含む材料を用いる場合でも、あらかじめ正極活物質に含まれるリチウムイオンを脱離させることで、負極活物質としてリチウムと遷移金属の複窒化物を用いることができる。 When lithium and transition metal double nitride is used, since the negative electrode active material contains lithium ions, it can be combined with materials such as V 2 O 5 and Cr 3 O 8 that do not contain lithium ions as the positive electrode active material. . Note that even when a material containing lithium ions is used for the positive electrode active material, lithium and transition metal double nitride can be used as the negative electrode active material by previously desorbing lithium ions contained in the positive electrode active material.
また、コンバージョン反応が生じる材料を負極活物質として用いることもできる。例えば、酸化コバルト(CoO)、酸化ニッケル(NiO)、酸化鉄(FeO)等の、リチウムと合金化反応を行わない遷移金属酸化物を負極活物質に用いてもよい。コンバージョン反応が生じる材料としては、さらに、Fe2O3、CuO、Cu2O、RuO2、Cr2O3等の酸化物、CoS0.89、NiS、CuS等の硫化物、Zn3N2、Cu3N、Ge3N4等の窒化物、NiP2、FeP2、CoP3等のリン化物、FeF3、BiF3等のフッ化物でも起こる。 A material that causes a conversion reaction can also be used as the negative electrode active material. For example, a transition metal oxide that does not undergo an alloying reaction with lithium, such as cobalt oxide (CoO), nickel oxide (NiO), or iron oxide (FeO), may be used as the negative electrode active material. As a material causing the conversion reaction, oxides such as Fe 2 O 3 , CuO, Cu 2 O, RuO 2 and Cr 2 O 3 , sulfides such as CoS 0.89 , NiS and CuS, Zn 3 N 2 are further included. This also occurs in nitrides such as Cu 3 N and Ge 3 N 4 , phosphides such as NiP 2 , FeP 2 and CoP 3 , and fluorides such as FeF 3 and BiF 3 .
活物質として正極活物質を用いる場合には、リチウムイオンが挿入および脱離可能な材料を用いることができる。例えば、オリビン型構造、層状岩塩型構造、またはスピネル型構造、NASICON型結晶構造を有する材料等を用いることができる。 When a positive electrode active material is used as the active material, a material into which lithium ions can be inserted and removed can be used. For example, a material having an olivine structure, a layered rock salt structure, a spinel structure, a NASICON crystal structure, or the like can be used.
本実施の形態では、正極活物質として、実施の形態1にて説明した活物質を用いる場合について説明するが、他の活物質を有していても良い。 In this embodiment, the case where the active material described in Embodiment 1 is used as the positive electrode active material will be described; however, other active materials may be used.
実施の形態1にて説明した活物質以外の活物質としては、例えば、LiFeO2、LiCoO2、LiNiO2、Li2NiO3、LiMn2O4、V2O5、Cr2O5、MnO2等の化合物を材料として用いることができる。 Examples of the active material other than the active material described in the first embodiment include LiFeO 2 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li 2 NiO 3 , LiMn 2 O 4 , V 2 O 5 , Cr 2 O 5 , and MnO 2. Etc. can be used as materials.
または、オリビン型構造のリチウム含有複合リン酸塩( 一般式LiMPO4(Mは、Fe(II)、Mn(II)、Co(II)、Ni(II)の一以上))を用いることができる。一般式LiMPO4の代表例としては、LiFePO4、LiNiPO4、LiCoPO4、LiMnPO4、LiFeaNibPO4、LiFeaCobPO4、LiFeaMnbPO4、LiNiaCobPO4、LiNiaMnbPO4(a+bは1以下、0<a<1、0<b<1)、LiFecNidCoePO4、LiFecNidMnePO4、LiNicCodMnePO4(c+d+eは1以下、0<c<1、0<d<1、0<e<1)、LiFefNigCohMniPO4(f+g+h+iは1以下、0<f<1、0<g<1、0<h<1、0<i<1)等のリチウム金属リン酸化合物が挙げられる。 Alternatively, an olivine-type lithium-containing composite phosphate (general formula LiMPO 4 (M is one or more of Fe (II), Mn (II), Co (II), Ni (II))) can be used. . Representative examples of the general formula LiMPO 4 include LiFePO 4 , LiNiPO 4 , LiCoPO 4 , LiMnPO 4 , LiFe a Ni b PO 4 , LiFe a Co b PO 4 , LiFe a Mn b PO 4 , LiNi a Co b PO 4 . LiNi a Mn b PO 4 (a + b is 1 or less, 0 <a <1, 0 <b <1), LiFe c Ni d Co e PO 4 , LiFe c Ni d M e PO 4 , LiNi c Co d Mn e PO 4 (c + d + e ≦ 1, 0 <c <1,0 <d <1,0 <e <1), LiFe f Ni g Co h Mn i PO 4 (f + g + h + i is 1 or less, 0 <f <1,0 < Examples thereof include lithium metal phosphate compounds such as g <1, 0 <h <1, 0 <i <1).
または、一般式Li(2−j)MSiO4(Mは、Fe(II)、Mn(II)、Co(II)、Ni(II)の一以上、0≦j≦2)等のリチウム含有複合ケイ酸塩を用いることができる。一般式Li(2−j)MSiO4の代表例としては、Li(2−j)FeSiO4、Li(2−j)NiSiO4、Li(2−j)CoSiO4、Li(2−j)MnSiO4、Li(2−j)FekNilSiO4、Li(2−j)FekColSiO4、Li(2−j)FekMnlSiO4、Li(2−j)NikColSiO4、Li(2−j)NikMnlSiO4(k+lは1以下、0<k<1、0<l<1)、Li(2−j)FemNinCoqSiO4、Li(2−j)FemNinMnqSiO4、Li(2−j)NimConMnqSiO4(m+n+qは1以下、0<m<1、0<n<1、0<q<1)、Li(2−j)FerNisCotMnuSiO4(r+s+t+uは1以下、0<r<1、0<s<1、0<t<1、0<u<1)等のリチウムシリケート化合物が挙げられる。 Or a lithium-containing composite such as a general formula Li (2-j) MSiO 4 (M is one or more of Fe (II), Mn (II), Co (II), Ni (II), 0 ≦ j ≦ 2) Silicates can be used. Representative examples of the general formula Li (2-j) MSiO 4 include Li (2-j) FeSiO 4 , Li (2-j) NiSiO 4 , Li (2-j) CoSiO 4 , Li (2-j) MnSiO 4, Li (2-j) Fe k Ni l SiO 4, Li (2-j) Fe k Co l SiO 4, Li (2-j) Fe k Mn l SiO 4, Li (2-j) Ni k Co l SiO 4, Li (2- j) Ni k Mn l SiO 4 (k + l is 1 or less, 0 <k <1,0 <l <1), Li (2-j) Fe m Ni n Co q SiO 4, Li (2-j) Fe m Ni n Mn q SiO 4, Li (2-j) Ni m Co n Mn q SiO 4 (m + n + q is 1 or less, 0 <m <1,0 <n <1,0 <q <1), Li (2- j) Fe r Ni s Co t Mn u SiO 4 (r + s + t + u ≦ 1, 0 <r <1,0 <s <1,0 <t <1,0 <u <1) lithium silicate compounds of the like.
また、活物質として、AxM2(XO4)3(A=Li、Na、Mg、M=Fe、Mn、Ti、V、Nb、Al、X=S、P、Mo、W、As、Si)の一般式で表されるNASICON型化合物を用いることができる。ナシコン型化合物としては、Fe2(MnO4)3、Fe2(SO4)3、Li3Fe2(PO4)3等が挙げられる。また、正極活物質として、Li2MPO4F、Li2MP2O7、Li5MO4(M=Fe、Mn)の一般式で表される化合物、NaF3、FeF3等のペロブスカイト型フッ化物、TiS2、MoS2等の金属カルコゲナイド(硫化物、セレン化物、テルル化物)、LiMVO4等の逆スピネル型の結晶構造を有する材料、バナジウム酸化物系(V2O5、V6O13、LiV3O8等)、マンガン酸化物、有機硫黄化合物等の材料を用いることができる。 As active materials, A x M 2 (XO 4 ) 3 (A = Li, Na, Mg, M = Fe, Mn, Ti, V, Nb, Al, X = S, P, Mo, W, As, A NASICON type compound represented by the general formula of Si) can be used. Examples of NASICON compounds include Fe 2 (MnO 4 ) 3 , Fe 2 (SO 4 ) 3 , and Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 . Further, as a positive electrode active material, a compound represented by a general formula of Li 2 MPO 4 F, Li 2 MP 2 O 7 , Li 5 MO 4 (M = Fe, Mn), a perovskite type fluoride such as NaF 3 , FeF 3, etc. , Metal chalcogenides such as TiS 2 and MoS 2 (sulfides, selenides, tellurides), materials having an inverse spinel crystal structure such as LiMVO 4 , vanadium oxides (V 2 O 5 , V 6 O 13 , LiV 3 O 8 and the like), manganese oxide, organic sulfur compounds, and the like can be used.
なお、キャリアイオンが、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンの場合、正極活物質として、上記リチウム化合物及びリチウム含有複合リン酸塩及びリチウム含有複合ケイ酸塩において、リチウムを、アルカリ金属(例えば、ナトリウムやカリウム等)、アルカリ土類金属(例えば、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ベリリウム、マグネシウム等)などのキャリアで置換した化合物を用いてもよい。 When the carrier ion is an alkali metal ion or alkaline earth metal ion other than lithium ion, lithium is used as the positive electrode active material in the lithium compound, lithium-containing composite phosphate and lithium-containing composite silicate. A compound substituted with a carrier such as a metal (for example, sodium or potassium) or an alkaline earth metal (for example, calcium, strontium, barium, beryllium, magnesium) may be used.
正極活物質の平均粒径は、例えば、5nm以上50μm以下が好ましい。 The average particle diameter of the positive electrode active material is preferably, for example, 5 nm or more and 50 μm or less.
また、活物質層102は導電助剤を有してもよい。導電助剤としては、例えば天然黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ等の人造黒鉛、炭素繊維などを用いることができる。炭素繊維としては、例えばメソフェーズピッチ系炭素繊維、等方性ピッチ系炭素繊維等の炭素繊維を用いることができる。また、炭素繊維として、カーボンナノファイバーやカーボンナノチューブなどを用いることができる。カーボンナノチューブは、例えば気相成長法などで作製することができる。また、導電助剤として、例えばカーボンブラック(アセチレンブラック(AB)など)又はグラフェンなどの炭素材料を用いることができる。また、例えば、銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金などの金属粉末や金属繊維、導電性セラミックス材料等を用いることができる。 The active material layer 102 may have a conductive additive. As the conductive assistant, for example, artificial graphite such as natural graphite or mesocarbon microbeads, carbon fiber, or the like can be used. As the carbon fibers, for example, carbon fibers such as mesophase pitch-based carbon fibers and isotropic pitch-based carbon fibers can be used. Moreover, carbon nanofiber, a carbon nanotube, etc. can be used as carbon fiber. Carbon nanotubes can be produced by, for example, a vapor phase growth method. Further, as the conductive assistant, for example, a carbon material such as carbon black (acetylene black (AB) or the like) or graphene can be used. Further, for example, metal powder such as copper, nickel, aluminum, silver, gold, metal fiber, conductive ceramic material, or the like can be used.
薄片状のグラフェンは、高い導電性を有するという優れた電気特性、及び柔軟性並びに機械的強度という優れた物理特性を有する。そのため、グラフェンを、導電助剤として用いることにより、活物質同士の接触点や、接触面積を増大させることができる。 Flaky graphene has excellent electrical properties such as high electrical conductivity, and excellent physical properties such as flexibility and mechanical strength. Therefore, by using graphene as a conductive additive, the contact point and the contact area between the active materials can be increased.
活物質層102は、バインダーを有することが好ましく、バインダーは水溶性の高分子を有することがより好ましい。また、活物質層102は複数の種類のバインダーを有してもよい。 The active material layer 102 preferably includes a binder, and the binder preferably includes a water-soluble polymer. The active material layer 102 may include a plurality of types of binders.
バインダーとしては、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、スチレン・イソプレン・スチレンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体などのゴム材料を用いることが好ましい。これらのゴム材料は、水溶性高分子と併用して用いると、さらに好ましい。これらのゴム材料は、ゴム弾性を有し、伸び縮みしやすいため、充放電に伴う活物質の膨張収縮や、電極の曲げなどに伴うストレスに強く、信頼性の高い電極を得ることができる一方で、疎水基を有し水に溶けにくい場合がある。このような場合には、水溶液中で粒子が水に溶解しない状態で分散するので、活物質層102の形成に使用する溶剤を含む組成物(電極合剤組成物ともいう)を、塗布するために適した粘度にまで高めることが難しいことがある。この際に、粘度調整機能の高い水溶性高分子、例えば多糖類を用いると、溶液の粘度を適度に高める効果が期待できるうえに、ゴム材料と互いに均一に分散し、均一性の高い良好な電極、例えば電極膜厚や電極抵抗の均一性が高い電極を得ることができる。 As the binder, it is preferable to use rubber materials such as styrene-butadiene rubber (SBR), styrene / isoprene / styrene rubber, acrylonitrile / butadiene rubber, butadiene rubber, and ethylene / propylene / diene copolymer. These rubber materials are more preferably used in combination with water-soluble polymers. Since these rubber materials have rubber elasticity and are easy to expand and contract, they are resistant to the stress associated with expansion / contraction of the active material accompanying charging / discharging and bending of the electrode, and can provide a highly reliable electrode. In some cases, it has a hydrophobic group and is hardly soluble in water. In such a case, since the particles are dispersed in an aqueous solution without being dissolved in water, a composition containing a solvent used for forming the active material layer 102 (also referred to as an electrode mixture composition) is applied. It may be difficult to increase the viscosity to a suitable level. At this time, if a water-soluble polymer having a high viscosity adjusting function, such as a polysaccharide, is used, an effect of appropriately increasing the viscosity of the solution can be expected, and the rubber material and the rubber material are uniformly dispersed with each other. An electrode, for example, an electrode with high uniformity of electrode film thickness and electrode resistance can be obtained.
また、バインダーとしては、ポリスチレン、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、イソブチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、等の材料を用いてもよい。 As binders, polystyrene, polymethyl acrylate, polymethyl methacrylate (PMMA), sodium polyacrylate, polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide, polyimide, polyvinyl chloride, polytetrafluoro Materials such as ethylene, polyethylene, polypropylene, isobutylene, polyethylene terephthalate, nylon, polyvinylidene fluoride (PVdF), and polyacrylonitrile (PAN) may be used.
バインダーはそれぞれ単独で用いてもよいし、二種類以上を組み合わせて使用してもよい。 Each binder may be used alone, or two or more binders may be used in combination.
〈電極の作製方法〉
次に、本発明の一態様である電極100の作製方法について説明する。
<Method for producing electrode>
Next, a method for manufacturing the electrode 100 which is one embodiment of the present invention is described.
まず、電極合剤組成物を作製する。電極合剤組成物は、例えば上述した活物質を用い、バインダーや導電助剤等を添加して、溶媒とともに混練することで作製することができる。電極合剤組成物は、スラリー状であっても、ペースト状であってもよい。なお、溶媒としては、例えば、水や、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)などを用いることができる。安全性とコストの観点から、水を用いることは好ましい。 First, an electrode mixture composition is prepared. The electrode mixture composition can be prepared, for example, by using the above-described active material, adding a binder, a conductive auxiliary agent, and the like and kneading with a solvent. The electrode mixture composition may be a slurry or a paste. In addition, as a solvent, water, NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), etc. can be used, for example. From the viewpoint of safety and cost, it is preferable to use water.
一例として電極100が蓄電池用の正極である場合を説明する。ここでは活物質として本発明の一態様に係る活物質を用い、導電助剤としてアセチレンブラックを用い、バインダーとしてPVdFを用い、溶媒としてNMPを用いる例について説明する。 As an example, the case where the electrode 100 is a positive electrode for a storage battery will be described. Here, an example in which the active material according to one embodiment of the present invention is used as an active material, acetylene black is used as a conductive additive, PVdF is used as a binder, and NMP is used as a solvent is described.
まず、本発明の一態様に係る活物質と、アセチレンブラックと、ポリフッ化ビニリデンと、を混合する。これらの混合物に、所定の粘度になるまでNMPを添加し、混練することで、電極合剤組成物を形成することができる。この工程において、混練と極性溶媒との添加を複数回繰り返し行ってもよい。電極合剤組成物は、スラリー状でもペースト状であってもよい。 First, the active material according to one embodiment of the present invention, acetylene black, and polyvinylidene fluoride are mixed. An electrode mixture composition can be formed by adding NMP to these mixtures until a predetermined viscosity is obtained, and kneading. In this step, kneading and addition of the polar solvent may be repeated a plurality of times. The electrode mixture composition may be a slurry or a paste.
以上の工程により、活物質、導電助剤、バインダーの分散状態が均一な電極合剤組成物を形成することができる。 Through the above steps, an electrode mixture composition in which the active material, the conductive aid, and the binder are uniformly dispersed can be formed.
ここで、集電体上に、アンダーコートを形成してもよい。なお、アンダーコートとは、接触抵抗の低減や、集電体と活物質層との密着性向上のための被覆層をいう。アンダーコートとして、例えば、炭素層、金属層、炭素及び高分子を含む層、並びに金属及び高分子を含む層を含む層を用いることができる。集電体上にアンダーコートを形成することにより、後に形成される集電体と活物質層との接触抵抗を低減することができる。また、集電体と活物質層との密着性を高めることができる。なお、アンダーコートは、導電助剤としてグラフェンを用いる場合には、酸化グラフェンの還元工程において、還元液によって溶解しないものが好ましい。 Here, an undercoat may be formed on the current collector. The undercoat refers to a coating layer for reducing contact resistance and improving adhesion between the current collector and the active material layer. As the undercoat, for example, a carbon layer, a metal layer, a layer including carbon and a polymer, and a layer including a layer including a metal and a polymer can be used. By forming the undercoat on the current collector, the contact resistance between the current collector formed later and the active material layer can be reduced. In addition, adhesion between the current collector and the active material layer can be improved. In the case where graphene is used as the conductive assistant, the undercoat is preferably not dissolved by the reducing solution in the graphene oxide reduction step.
また、アンダーコートとしては、例えば、黒鉛やアセチレンブラックなどの分散水溶液、または当該水溶液に高分子を混ぜたものを用いることができ、例えば、黒鉛と、ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)との混合物、また、ABとPVdFとの混合物などを用いることができる。また、黒鉛とPAAとの配合比は、黒鉛:PAA=95:5〜50:50、ABとPVdFとの配合比は、AB:PVdF=70:30〜50:50とすればよい。 Further, as the undercoat, for example, a dispersion aqueous solution such as graphite or acetylene black, or a mixture of the aqueous solution with a polymer can be used, for example, a mixture of graphite and sodium polyacrylate (PAANA), Further, a mixture of AB and PVdF can be used. Further, the blending ratio of graphite and PAA may be graphite: PAA = 95: 5 to 50:50, and the blending ratio of AB and PVdF may be AB: PVdF = 70: 30 to 50:50.
なお、活物質層と集電体との密着性や、電極強度、接触抵抗に問題がなければ、アンダーコートは、必ずしも集電体に形成する必要はない。 Note that the undercoat is not necessarily formed on the current collector as long as there is no problem with the adhesion between the active material layer and the current collector, electrode strength, and contact resistance.
次に、スラリーを集電体の片面又は両面に、例えば、ドクターブレード法等の塗布法などにより設ける。 Next, the slurry is provided on one side or both sides of the current collector by, for example, a coating method such as a doctor blade method.
次に、集電体上に設けたスラリーを、通風乾燥又は減圧(真空)乾燥等の方法で乾燥させることにより活物質層を形成する。この乾燥は、例えば、50℃以上180℃以下の熱風を用いて行うとよい。このステップにより、活物質層中に含まれる極性溶媒を蒸発させる。なお、雰囲気は特に限定されない。 Next, the active material layer is formed by drying the slurry provided on the current collector by a method such as ventilation drying or reduced pressure (vacuum) drying. This drying may be performed using, for example, hot air of 50 ° C. or higher and 180 ° C. or lower. By this step, the polar solvent contained in the active material layer is evaporated. The atmosphere is not particularly limited.
ここで、この活物質層を、ロールプレス法や平板プレス法等の圧縮方法により圧力を加えることで、活物質層の密度を高めてもよい。また、プレスを行う際に、90℃以上180℃以下、好ましくは120℃以下の熱を加えることにより、アンダーコートや活物質層に含まれるバインダ(例えば、PVdF)を、電極の特性を変化させない程度に軟化させることにより、集電体と活物質層との密着性をさらに高めることができる。 Here, the density of the active material layer may be increased by applying pressure to the active material layer by a compression method such as a roll press method or a flat plate press method. In addition, when pressing is performed, heat of 90 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, preferably 120 ° C. or lower, is applied to the binder (for example, PVdF) contained in the undercoat or the active material layer so as not to change the electrode characteristics. By softening to the extent, the adhesion between the current collector and the active material layer can be further enhanced.
次に、プレスした活物質層を乾燥させる。乾燥は、減圧(真空)下又は還元雰囲気下にて行うとよい。この乾燥工程は、例えば、50℃以上300℃以下の温度で、1時間以上48時間以下で行うとよい。この乾燥によって、活物質層に存在する極性溶媒や水分をよく蒸発あるいは除去させる。 Next, the pressed active material layer is dried. Drying may be performed under reduced pressure (vacuum) or in a reducing atmosphere. This drying step may be performed, for example, at a temperature of 50 ° C. or higher and 300 ° C. or lower for 1 hour or longer and 48 hours or shorter. By this drying, the polar solvent and water present in the active material layer are well evaporated or removed.
さらに、活物質層が形成された集電体にプレスを行ってもよい。これにより、活物質層と集電体との密着性を高めることができる。また、活物質層の密度を高めることができる。また、プレスを行う際に、90℃以上180℃以下、好ましくは120℃以下の熱を加えることにより、アンダーコートや活物質層に含まれるバインダ(例えば、PVdF)を、電極の特性を変化させない程度に軟化させることにより、集電体と活物質層との密着性をさらに高めることができる。 Further, the current collector on which the active material layer is formed may be pressed. Thereby, the adhesiveness of an active material layer and a collector can be improved. In addition, the density of the active material layer can be increased. In addition, when pressing is performed, heat of 90 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, preferably 120 ° C. or lower, is applied to the binder (for example, PVdF) contained in the undercoat or the active material layer so as not to change the electrode characteristics. By softening to the extent, the adhesion between the current collector and the active material layer can be further enhanced.
最後に、所定のサイズに集電体及び活物質層を打ち抜くことにより、電極が作製される。 Finally, the current collector and the active material layer are punched into a predetermined size to produce an electrode.
本発明の一態様に係るリチウムマンガン複合酸化物を活物質として用いることにより、活物質中において、リチウムイオンの拡散が容易となり、電池の電圧の低下や、放電容量の低下を防止することができる。 By using the lithium manganese composite oxide according to one embodiment of the present invention as an active material, lithium ions can be easily diffused in the active material, and a decrease in battery voltage and a decrease in discharge capacity can be prevented. .
しかしながら、リチウムマンガン複合酸化物の金属原子量が多くなりすぎると、層状岩塩型の結晶構造領域中に過剰に金属原子が入り込み、リチウムイオンの拡散と挿入脱離を阻害するようになる。したがって、リチウムマンガン複合酸化物において、マンガンと金属原子のモル比率が、マンガンが1に対して、金属原子が0.2以上1.3以下、好ましくは金属原子が0.2以上0.5以下となるようにすればよい。 However, when the amount of metal atoms in the lithium manganese composite oxide becomes too large, excessive metal atoms enter the layered rock salt type crystal structure region, thereby inhibiting the diffusion, insertion and desorption of lithium ions. Therefore, in the lithium manganese composite oxide, the molar ratio of manganese to metal atoms is 0.2 to 1.3, preferably 0.2 to 0.5, and more preferably 0.2 to 0.5, with respect to 1 for manganese. What should be done.
以上により、積層欠陥を有するリチウムマンガン複合酸化物を電極に用いることにより、電池の電圧の低下や、放電容量の低下を抑制することができる。これにより、充放電に伴う電池のサイクル特性を向上させることができる。 As described above, by using the lithium manganese composite oxide having a stacking fault as an electrode, it is possible to suppress a decrease in battery voltage and a decrease in discharge capacity. Thereby, the cycling characteristics of the battery accompanying charging / discharging can be improved.
なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。または、他の実施の形態において、本発明の一態様について述べる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態および他の実施の形態では、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、リチウムイオン二次電池に適用した場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、様々な二次電池、鉛蓄電池、リチウムイオンポリマー二次電池、ニッケル・水素蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・鉄蓄電池、ニッケル・亜鉛蓄電池、酸化銀・亜鉛蓄電池、固体電池、空気電池、一次電池、キャパシタ、または、リチウムイオンキャパシタ、などに適用してもよい。または例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、リチウムイオン二次電池に適用しなくてもよい。 Note that one embodiment of the present invention is described in this embodiment. Alternatively, in another embodiment, one embodiment of the present invention will be described. Note that one embodiment of the present invention is not limited thereto. That is, in this embodiment and other embodiments, various aspects of the invention are described; therefore, one embodiment of the present invention is not limited to a particular aspect. For example, as an embodiment of the present invention, an example in which the present invention is applied to a lithium ion secondary battery has been described. However, one embodiment of the present invention is not limited thereto. In some cases or depending on the situation, one embodiment of the present invention includes various secondary batteries, lead storage batteries, lithium ion polymer secondary batteries, nickel / hydrogen storage batteries, nickel / cadmium storage batteries, nickel / iron storage batteries, nickel -You may apply to a zinc storage battery, a silver oxide / zinc storage battery, a solid battery, an air battery, a primary battery, a capacitor, or a lithium ion capacitor. Alternatively, for example, depending on circumstances or circumstances, one embodiment of the present invention may not be applied to a lithium ion secondary battery.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の一態様である電極を用いた電池セルの一例を示す。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of a battery cell including an electrode which is one embodiment of the present invention will be described.
なお、本明細書等において、電池セルとは、蓄電機能を有する素子および装置全般を指す。例えば、リチウムイオン二次電池などの蓄電池、リチウムイオンキャパシタ、および電気二重層キャパシタなどを含む。
〈薄型蓄電池〉
図4に、電池セルの一例として、薄型の蓄電池について示す。図4は、薄型の蓄電池の一例を示す。薄型の蓄電池は、可撓性を有する構成とすれば、可撓性を有する部位を少なくとも一部有する電子機器に実装すれば、電子機器の変形に合わせて蓄電池も曲げることもできる。
Note that in this specification and the like, a battery cell refers to all elements and devices having a power storage function. For example, a storage battery such as a lithium ion secondary battery, a lithium ion capacitor, and an electric double layer capacitor are included.
<Thin storage battery>
FIG. 4 shows a thin storage battery as an example of a battery cell. FIG. 4 shows an example of a thin storage battery. If the thin storage battery is configured to have flexibility, if the thin storage battery is mounted on an electronic device having at least a part of the flexibility, the storage battery can be bent in accordance with the deformation of the electronic device.
図4は薄型の蓄電池500の外観図を示す。また、図5(A)および図5(B)は、図4に一点鎖線で示すA1−A2断面およびB1−B2断面を示す。薄型の蓄電池500は、正極集電体501および正極活物質層502を有する正極503と、負極集電体504および負極活物質層505を有する負極506と、セパレータ507と、電解液508と、外装体509と、を有する。外装体509内に設けられた正極503と負極506との間にセパレータ507が設置されている。また、外装体509内は、電解液508で満たされている。 FIG. 4 shows an external view of a thin storage battery 500. 5A and 5B show an A1-A2 cross section and a B1-B2 cross section indicated by a dashed line in FIG. A thin storage battery 500 includes a positive electrode 503 having a positive electrode current collector 501 and a positive electrode active material layer 502, a negative electrode 506 having a negative electrode current collector 504 and a negative electrode active material layer 505, a separator 507, an electrolyte solution 508, and an exterior. And a body 509. A separator 507 is provided between a positive electrode 503 and a negative electrode 506 provided in the exterior body 509. The exterior body 509 is filled with the electrolytic solution 508.
正極503または負極506の少なくとも一方には、本発明の一態様である電極を用いる。また、正極503または負極506の両方に、本発明の一態様である電極を用いてもよい。 The electrode which is one embodiment of the present invention is used for at least one of the positive electrode 503 and the negative electrode 506. Alternatively, the electrode which is one embodiment of the present invention may be used for both the positive electrode 503 and the negative electrode 506.
まず、正極503の構成について説明する。正極503には、本発明の一態様に係る電極を用いることが好ましい。ここでは、正極503に、実施の形態2に示す電極100を用いる例を示す。 First, the structure of the positive electrode 503 will be described. As the positive electrode 503, an electrode according to one embodiment of the present invention is preferably used. Here, an example in which the electrode 100 described in Embodiment 2 is used for the positive electrode 503 is described.
電解液508の溶媒としては、非プロトン性有機溶媒が好ましく、例えば、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、クロロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ギ酸メチル、酢酸メチル、酪酸メチル、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、ジメトキシエタン(DME)、ジメチルスルホキシド、ジエチルエーテル、メチルジグライム、アセトニトリル、ベンゾニトリル、テトラヒドロフラン、スルホラン、スルトン等の1種、又はこれらのうちの2種以上を任意の組み合わせ及び比率で用いることができる。 The solvent of the electrolytic solution 508 is preferably an aprotic organic solvent, such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate, chloroethylene carbonate, vinylene carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, dimethyl. Carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl formate, methyl acetate, methyl butyrate, 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, dimethoxyethane (DME), dimethyl sulfoxide, diethyl ether , Methyl diglyme, acetonitrile, benzonitrile, tetrahydrofuran, sulfolane, sultone, etc., or two or more of these can be used in any combination and ratio.
また、電解液の溶媒としてゲル化される高分子材料を用いることで、漏液性などに対する安全性が高まる。また、二次電池の薄型化及び軽量化が可能である。ゲル化される高分子材料の代表例としては、シリコーンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、フッ素系ポリマー等がある。 Further, by using a polymer material that is gelled as a solvent for the electrolytic solution, the safety against liquid leakage and the like is increased. Further, the secondary battery can be made thinner and lighter. Typical examples of the polymer material to be gelated include silicone gel, acrylic gel, acrylonitrile gel, polyethylene oxide, polypropylene oxide, and fluorine-based polymer.
また、電解液の溶媒として、難燃性及び難揮発性であるイオン液体(常温溶融塩)を一つ又は複数用いることで、電池セルの内部短絡や、過充電等によって内部温度が上昇しても、電池セルの破裂や発火などを防ぐことができる。イオン液体は、カチオンとアニオンからなり、有機カチオンとアニオンとを含む。電解液に用いる有機カチオンとして、四級アンモニウムカチオン、三級スルホニウムカチオン、及び四級ホスホニウムカチオン等の脂肪族オニウムカチオンや、イミダゾリウムカチオン及びピリジニウムカチオン等の芳香族カチオンが挙げられる。また、電解液に用いるアニオンとして、1価のアミド系アニオン、1価のメチド系アニオン、フルオロスルホン酸アニオン、パーフルオロアルキルスルホン酸アニオン、テトラフルオロボレート、パーフルオロアルキルボレート、ヘキサフルオロホスフェート、またはパーフルオロアルキルホスフェート等が挙げられる。 In addition, by using one or more ionic liquids (room temperature molten salts) that are flame retardant and volatile as the electrolyte solvent, the internal temperature rises due to internal short circuit or overcharge of the battery cell. In addition, the battery cell can be prevented from rupture or ignition. An ionic liquid consists of a cation and an anion, and contains an organic cation and an anion. Examples of organic cations used in the electrolyte include aliphatic onium cations such as quaternary ammonium cations, tertiary sulfonium cations, and quaternary phosphonium cations, and aromatic cations such as imidazolium cations and pyridinium cations. In addition, as an anion used in the electrolytic solution, a monovalent amide anion, a monovalent methide anion, a fluorosulfonate anion, a perfluoroalkylsulfonate anion, a tetrafluoroborate, a perfluoroalkylborate, a hexafluorophosphate, or a perfluorophosphate anion. Examples thereof include fluoroalkyl phosphate.
また、上記の溶媒に溶解させる電解質としては、キャリアにリチウムイオンを用いる場合、例えばLiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiAlCl4、LiSCN、LiBr、LiI、Li2SO4、Li2B10Cl10、Li2B12Cl12、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C4F9SO2)(CF3SO2)、LiN(C2F5SO2)2等のリチウム塩を一種、又はこれらのうちの二種以上を任意の組み合わせ及び比率で用いることができる。 As the electrolytes dissolved in the above solvent, when using a lithium carrier ion, e.g. LiPF 6, LiClO 4, LiAsF 6 , LiBF 4, LiAlCl 4, LiSCN, LiBr, LiI, Li 2 SO 4, Li 2 B 10 Cl 10 , Li 2 B 12 Cl 12 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC (C 2 F 5 SO 2 ) 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , lithium salt such as LiN (C 4 F 9 SO 2 ) (CF 3 SO 2 ), LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , or two or more of these in any combination and ratio Can be used.
また、電池セルに用いる電解液は、粒状のごみや電解液の構成元素以外の元素(以下、単に「不純物」ともいう。)の含有量が少ない高純度化された電解液を用いることが好ましい。具体的には、電解液に対する不純物の重量比を1%以下、好ましくは0.1%以下、より好ましくは0.01%以下とすることが好ましい。 In addition, as the electrolytic solution used for the battery cell, it is preferable to use a highly purified electrolytic solution having a small content of elements other than the constituent elements of the granular dust and the electrolytic solution (hereinafter also simply referred to as “impurities”). . Specifically, the weight ratio of impurities to the electrolytic solution is preferably 1% or less, preferably 0.1% or less, and more preferably 0.01% or less.
また、電解液にビニレンカーボネート、プロパンスルトン(PS)、tert−ブチルベンゼン(TBB)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、LiBOBなどの添加剤を添加してもよい。添加剤の濃度は、例えば溶媒全体に対して0.1weight%以上5weight%以下とすればよい。 Further, additives such as vinylene carbonate, propane sultone (PS), tert-butylbenzene (TBB), fluoroethylene carbonate (FEC), LiBOB may be added to the electrolytic solution. The concentration of the additive may be, for example, 0.1 weight% or more and 5 weight% or less with respect to the entire solvent.
また、ポリマーを電解液で膨潤させたゲル電解質を用いてもよい。ゲル電解質(ポリマーゲル電解質)の例としては、担体としてホストポリマーを用い、上述の電解液を含有させたものが挙げられる。 Alternatively, a gel electrolyte obtained by swelling a polymer with an electrolytic solution may be used. Examples of the gel electrolyte (polymer gel electrolyte) include those using a host polymer as a carrier and containing the above-described electrolytic solution.
ホストポリマーの例を以下に説明する。ホストポリマーとしては、例えばポリエチレンオキシド(PEO)などのポリアルキレンオキシド構造を有するポリマーや、PVdF、およびポリアクリロニトリル等、およびそれらを含む共重合体等を用いることができる。例えばPVdFとヘキサフルオロプロピレン(HFP)の共重合体であるPVdF−HFPを用いることができる。また、形成されるポリマーは、多孔質形状を有してもよい。 Examples of host polymers are described below. As the host polymer, for example, a polymer having a polyalkylene oxide structure such as polyethylene oxide (PEO), PVdF, polyacrylonitrile, and a copolymer containing them can be used. For example, PVdF-HFP which is a copolymer of PVdF and hexafluoropropylene (HFP) can be used. Further, the formed polymer may have a porous shape.
また、電解液の代わりに、硫化物系や酸化物系等の無機物材料を有する固体電解質や、PEO(ポリエチレンオキシド)系等の高分子材料を有する固体電解質を用いることができる。固体電解質を用いる場合には、セパレータやスペーサの設置が不要となる。また、電池全体を固体化できるため、漏液のおそれがなくなり安全性が飛躍的に向上する。 In place of the electrolytic solution, a solid electrolyte having an inorganic material such as sulfide or oxide, or a solid electrolyte having a polymer material such as PEO (polyethylene oxide) can be used. When a solid electrolyte is used, it is not necessary to install a separator or a spacer. Further, since the entire battery can be solidified, there is no risk of leakage and the safety is greatly improved.
セパレータ507としては、例えば、紙、不織布、ガラス繊維、セラミックス、或いはナイロン(ポリアミド)、ビニロン(ポリビニルアルコール系繊維)、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタンを用いた合成繊維等で形成されたものを用いることができる。 As the separator 507, for example, paper, non-woven fabric, glass fiber, ceramics, nylon (polyamide), vinylon (polyvinyl alcohol fiber), polyester, acrylic, polyolefin, synthetic fiber using polyurethane, or the like is used. be able to.
セパレータ507は袋状に加工し、正極503または負極506のいずれか一方を包むように配置することが好ましい。例えば、図6(A)に示すように、正極503を挟むようにセパレータ507を2つ折りにし、正極503と重なる領域よりも外側で封止部514により封止することで、正極503をセパレータ507内に確実に担持することができる。そして、図6(B)に示すように、セパレータ507に包まれた正極503と負極506とを交互に積層し、これらを外装体509内に配置することで薄型の蓄電池500を形成するとよい。 The separator 507 is preferably processed into a bag shape and disposed so as to enclose either the positive electrode 503 or the negative electrode 506. For example, as illustrated in FIG. 6A, the separator 507 is folded in half so as to sandwich the positive electrode 503 and sealed by a sealing portion 514 outside the region overlapping the positive electrode 503, whereby the positive electrode 503 is separated from the separator 507. It can be reliably carried inside. Then, as shown in FIG. 6B, the thin storage battery 500 may be formed by alternately stacking the positive electrodes 503 and the negative electrodes 506 wrapped in the separator 507 and arranging them in the exterior body 509.
次に、蓄電池を作製した後のエージングについて説明する。蓄電池を作製した後に、エージングを行うことが好ましい。エージング条件の一例について以下に説明する。まず初めに0.001C以上0.2C以下のレートで充電を行う。温度は例えば室温以上、50℃以下とすればよい。このときに、電解液の分解が生じ、ガスが発生した場合には、そのガスがセル内にたまると、電解液が電極表面と接することができない領域が発生してしまう。つまり電極の実効的な反応面積が減少し、実効的な電流密度が高くなることに相当する。 Next, aging after producing the storage battery will be described. It is preferable to perform aging after producing a storage battery. An example of the aging condition will be described below. First, charging is performed at a rate of 0.001C to 0.2C. The temperature may be, for example, room temperature or higher and 50 ° C. or lower. At this time, when the electrolytic solution is decomposed and gas is generated, if the gas accumulates in the cell, a region where the electrolytic solution cannot contact the electrode surface is generated. That is, this corresponds to a reduction in the effective reaction area of the electrode and an increase in the effective current density.
過度に電流密度が高くなると、電極の抵抗に応じて電圧降下が生じ、黒鉛へのリチウム挿入が起こると同時に、黒鉛表面へのリチウム析出も生じてしまう。このリチウム析出は容量の低下を招く場合がある。例えば、リチウムが析出した後、表面に被膜等が成長してしまうと、表面に析出した再溶出できなくなり、容量に寄与しないリチウムが生じてしまう。また、析出したリチウムが物理的に崩落し、電極との導通を失った場合にも、やはり容量に寄与しないリチウムが生じてしまう。よって、電極が電圧降下によりリチウム電位まで到達する前に、ガスを抜くことが好ましい。 When the current density becomes excessively high, a voltage drop occurs according to the resistance of the electrode, lithium insertion into the graphite occurs, and at the same time, lithium deposition on the graphite surface also occurs. This lithium deposition may cause a decrease in capacity. For example, if a film or the like grows on the surface after lithium is deposited, lithium that is deposited on the surface cannot be re-eluted and lithium that does not contribute to the capacity is generated. Further, when the deposited lithium physically collapses and loses conduction with the electrode, lithium that does not contribute to the capacity is also generated. Therefore, it is preferable to vent the gas before the electrode reaches the lithium potential due to a voltage drop.
また、ガス抜きを行った後に、室温よりも高い温度、好ましくは30℃以上60℃以下、より好ましくは35℃以上50℃以下において、例えば1時間以上100時間以下、充電状態で保持してもよい。初めに行う充電の際に、表面で分解した電解液は黒鉛の表面に被膜を形成する。よって、例えばガス抜き後に室温よりも高い温度で保持することにより、形成された被膜が緻密化する場合も考えられる。 Further, after degassing, it may be held at a temperature higher than room temperature, preferably 30 ° C. or more and 60 ° C. or less, more preferably 35 ° C. or more and 50 ° C. or less, for example, for 1 hour or more and 100 hours or less. Good. During the initial charging, the electrolytic solution decomposed on the surface forms a film on the surface of the graphite. Therefore, for example, a case where the formed film is densified by holding at a temperature higher than room temperature after degassing may be considered.
図7(B)は、リード電極に集電体を溶接する例を示す。例として、正極集電体501を正極リード電極510に溶接する例を示す。正極集電体501は、超音波溶接などを用いて溶接領域512で正極リード電極510に溶接される。また、正極集電体501は、図7(B)に示す湾曲部513を有することにより、蓄電池500の作製後に外から力が加えられて生じる応力を緩和することができ、蓄電池500の信頼性を高めることができる。 FIG. 7B shows an example in which a current collector is welded to a lead electrode. As an example, an example in which the positive electrode current collector 501 is welded to the positive electrode lead electrode 510 is shown. The positive electrode current collector 501 is welded to the positive electrode lead electrode 510 in the welding region 512 using ultrasonic welding or the like. In addition, since the positive electrode current collector 501 includes the curved portion 513 illustrated in FIG. 7B, stress generated by external force applied after the storage battery 500 is manufactured can be relieved, and the reliability of the storage battery 500 can be reduced. Can be increased.
図4および図5に示す薄型の蓄電池500において、正極リード電極510および負極リード電極511を用いて正極集電体501、或いは負極集電体504と超音波接合させて正極リード電極510および負極リード電極511を外側に露出している。また、外部との電気的接触を得る端子の役割を正極集電体501および負極集電体504で兼ねることもできる。その場合は、リード電極を用いずに、正極集電体501および負極集電体504の一部を外装体509から外側に露出するように配置してもよい。 In the thin storage battery 500 shown in FIGS. 4 and 5, the positive electrode lead electrode 510 and the negative electrode lead 511 are ultrasonically bonded to the positive electrode current collector 501 or the negative electrode current collector 504 using the positive electrode lead electrode 510 and the negative electrode lead electrode 511. The electrode 511 is exposed to the outside. In addition, the positive electrode current collector 501 and the negative electrode current collector 504 can also serve as terminals for obtaining electrical contact with the outside. In that case, a part of the positive electrode current collector 501 and the negative electrode current collector 504 may be disposed so as to be exposed to the outside from the exterior body 509 without using the lead electrode.
また、図4では正極リード電極510と負極リード電極511は同じ辺に配置されているが、図8に示すように、正極リード電極510と負極リード電極511を異なる辺に配置してもよい。このように、本発明の一態様の蓄電池は、リード電極を自由に配置することができるため、設計自由度が高い。よって、本発明の一態様の蓄電池を用いた製品の設計自由度を高めることができる。また、本発明の一態様の蓄電池を用いた製品の生産性を高めることができる。 In FIG. 4, the positive electrode lead electrode 510 and the negative electrode lead electrode 511 are arranged on the same side, but as shown in FIG. 8, the positive electrode lead electrode 510 and the negative electrode lead electrode 511 may be arranged on different sides. Thus, the storage battery of one embodiment of the present invention has a high degree of design freedom because the lead electrode can be freely arranged. Therefore, the design freedom of a product using the storage battery of one embodiment of the present invention can be increased. In addition, productivity of a product using the storage battery of one embodiment of the present invention can be increased.
薄型の蓄電池500において、外装体509には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アイオノマー、ポリアミド等の材料からなる膜の上に、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル等の可撓性に優れた金属薄膜を設け、さらに該金属薄膜上に外装体の外面としてポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の絶縁性合成樹脂膜を設けた三層構造のフィルムを用いることができる。 In the thin storage battery 500, a metal thin film having excellent flexibility such as aluminum, stainless steel, copper, or nickel is formed on the exterior body 509 on a film made of a material such as polyethylene, polypropylene, polycarbonate, ionomer, or polyamide. Further, a film having a three-layer structure in which an insulating synthetic resin film such as a polyamide resin or a polyester resin is provided on the metal thin film as the outer surface of the outer package can be used.
また図4では、一例として、向かい合う正極と負極の組の数を5組としているが、勿論、電極の組は5組に限定されず、多くてもよいし、少なくてもよい。電極層数が多い場合には、より多くの容量を有する蓄電池とすることができる。また、電極層数が少ない場合には、薄型化でき、可撓性に優れた蓄電池とすることができる。 In FIG. 4, as an example, the number of pairs of positive and negative electrodes facing each other is five, but of course, the number of pairs of electrodes is not limited to five, and may be large or small. When there are many electrode layers, it can be set as the storage battery which has more capacity | capacitance. Moreover, when there are few electrode layers, it can be made thin and can be set as the storage battery excellent in flexibility.
上記構成において、二次電池の外装体509は、曲率半径10mm以上好ましくは曲率半径30mm以上の範囲で変形することができる。二次電池の外装体であるフィルムは、1枚または2枚で構成されており、積層構造の二次電池である場合、湾曲させた電池の断面構造は、外装体であるフィルムの2つの曲線で挟まれた構造となる。 In the above structure, the exterior body 509 of the secondary battery can be deformed within a range of a curvature radius of 10 mm or more, preferably a curvature radius of 30 mm or more. The film that is the outer package of the secondary battery is composed of one or two sheets. When the film is a secondary battery having a laminated structure, the cross-sectional structure of the curved battery is two curves of the film that is the outer package. The structure is sandwiched between.
ここで、面の曲率半径について、図9を用いて説明しておく。図9(A)において、曲面1700を切断した平面1701において、曲面1700に含まれる曲線1702の一部を円の弧に近似して、その円の半径を曲率半径1703とし、円の中心を曲率中心1704とする。図9(B)に曲面1700の上面図を示す。図9(C)に、平面1701で曲面1700を切断した断面図を示す。曲面を平面で切断するとき、曲面に対する平面の角度や切断する位置に応じて、断面に現れる曲線の曲率半径は異なるものとなるが、本明細書等では、最も小さい曲率半径を面の曲率半径とする。 Here, the radius of curvature of the surface will be described with reference to FIG. In FIG. 9A, in a plane 1701 obtained by cutting the curved surface 1700, a part of the curve 1702 included in the curved surface 1700 is approximated to a circular arc, the radius of the circle is a curvature radius 1703, and the center of the circle is the curvature. The center is 1704. FIG. 9B shows a top view of the curved surface 1700. FIG. 9C is a cross-sectional view in which a curved surface 1700 is cut along a plane 1701. When cutting a curved surface with a plane, the radius of curvature of the curve appearing in the cross section varies depending on the angle of the plane with respect to the curved surface and the cutting position. In this specification, the smallest radius of curvature is the radius of curvature of the surface. And
2枚のフィルムを外装体として電極・電解液など1805を挟む二次電池を湾曲させた場合には、二次電池の曲率中心1800に近い側のフィルム1801の曲率半径1802は、曲率中心1800から遠い側のフィルム1803の曲率半径1804よりも小さい(図10(A))。二次電池を湾曲させて断面を円弧状とすると曲率中心1800に近いフィルムの表面には圧縮応力がかかり、曲率中心1800から遠いフィルムの表面には引っ張り応力がかかる(図10(B))。外装体の表面に凹部または凸部で形成される模様を形成すると、このように圧縮応力や引っ張り応力がかかったとしても、ひずみによる影響を許容範囲内に抑えることができる。そのため、二次電池は、曲率中心に近い側の外装体の曲率半径が10mm以上好ましくは30mm以上となる範囲で変形することができる。 When the secondary battery sandwiching the electrode / electrolytic solution 1805 with the two films as the outer package is curved, the curvature radius 1802 of the film 1801 on the side close to the curvature center 1800 of the secondary battery is from the curvature center 1800. The radius of curvature 1804 of the far film 1803 is smaller (FIG. 10A). When the secondary battery is curved to have a circular arc cross section, a compressive stress is applied to the surface of the film close to the center of curvature 1800, and a tensile stress is applied to the surface of the film far from the center of curvature 1800 (FIG. 10B). If a pattern formed by a concave portion or a convex portion is formed on the surface of the exterior body, even if a compressive stress or a tensile stress is applied as described above, the influence of the strain can be suppressed within an allowable range. Therefore, the secondary battery can be deformed in such a range that the curvature radius of the exterior body on the side close to the center of curvature is 10 mm or more, preferably 30 mm or more.
なお、二次電池の断面形状は、単純な円弧状に限定されず、一部が円弧を有する形状にすることができ、例えば図10(C)に示す形状や、波状(図10(D))、S字形状などとすることもできる。二次電池の曲面が複数の曲率中心を有する形状となる場合は、複数の曲率中心それぞれにおける曲率半径の中で、最も曲率半径が小さい曲面において、2枚の外装体の曲率中心に近い方の外装体の曲率半径が、10mm以上好ましくは30mm以上となる範囲で二次電池が変形することができる。 Note that the cross-sectional shape of the secondary battery is not limited to a simple arc shape, and a part of the secondary battery can have an arc shape. For example, the shape shown in FIG. ), S-shape or the like. When the curved surface of the secondary battery has a shape having a plurality of centers of curvature, the curved surface having the smallest curvature radius among the curvature radii at each of the plurality of centers of curvature is the one closer to the center of curvature of the two exterior bodies. The secondary battery can be deformed in a range where the curvature radius of the outer package is 10 mm or more, preferably 30 mm or more.
〈コイン型蓄電池〉
次に電池セルの一例として、コイン型の蓄電池の一例について、図11を参照して説明する。図11(A)はコイン型(単層偏平型)の蓄電池の外観図であり、図11(B)は、その断面図である。
<Coin-type storage battery>
Next, as an example of a battery cell, an example of a coin-type storage battery will be described with reference to FIG. FIG. 11A is an external view of a coin-type (single-layer flat type) storage battery, and FIG. 11B is a cross-sectional view thereof.
コイン型の蓄電池300は、正極端子を兼ねた正極缶301と負極端子を兼ねた負極缶302とが、ポリプロピレン等で形成されたガスケット303で絶縁シールされている。正極304は、正極集電体305と、これと接するように設けられた正極活物質層306により形成される。正極活物質層306は、正極活物質層502の記載を参照すればよい。 In the coin-type storage battery 300, a positive electrode can 301 also serving as a positive electrode terminal and a negative electrode can 302 also serving as a negative electrode terminal are insulated and sealed with a gasket 303 formed of polypropylene or the like. The positive electrode 304 is formed by a positive electrode current collector 305 and a positive electrode active material layer 306 provided so as to be in contact therewith. For the positive electrode active material layer 306, the description of the positive electrode active material layer 502 may be referred to.
また、負極307は、負極集電体308と、これに接するように設けられた負極活物質層309により形成される。負極活物質層309は、負極活物質層505の記載を参照すればよい。またセパレータ310は、セパレータ507の記載を参照すればよい。また電解液は、電解液508の記載を参照すればよい。 The negative electrode 307 is formed of a negative electrode current collector 308 and a negative electrode active material layer 309 provided so as to be in contact therewith. For the negative electrode active material layer 309, the description of the negative electrode active material layer 505 may be referred to. For the separator 310, the description of the separator 507 may be referred to. For the electrolytic solution, the description of the electrolytic solution 508 may be referred to.
なお、コイン型の蓄電池300に用いる正極304および負極307は、それぞれ活物質層は片面のみに形成すればよい。 Note that each of the positive electrode 304 and the negative electrode 307 used in the coin-type storage battery 300 may have an active material layer formed only on one side.
正極缶301、負極缶302には、電解液に対して耐腐食性のあるニッケル 、アルミニウム、チタン等の金属、又はこれらの合金やこれらと他の金属との合金(例えば、ステンレス鋼等)を用いることができる。また、電解液による腐食を防ぐため、ニッケルやアルミニウム等を被覆することが好ましい。正極缶301は正極304と、負極缶302は負極307とそれぞれ電気的に接続する。 The positive electrode can 301 and the negative electrode can 302 are made of a metal such as nickel, aluminum, titanium, or the like, or an alloy of these and other metals (for example, stainless steel) that has corrosion resistance to the electrolytic solution. Can be used. In order to prevent corrosion due to the electrolytic solution, it is preferable to coat nickel, aluminum, or the like. The positive electrode can 301 and the negative electrode can 302 are electrically connected to the positive electrode 304 and the negative electrode 307, respectively.
これら負極307、正極304及びセパレータ310を電解質に含浸させ、図11(B)に示すように、正極缶301を下にして正極304、セパレータ310、負極307、負極缶302をこの順で積層し、正極缶301と負極缶302とをガスケット303を介して圧着してコイン形の蓄電池300を製造する。 The negative electrode 307, the positive electrode 304, and the separator 310 are impregnated in the electrolyte, and the positive electrode 304, the separator 310, the negative electrode 307, and the negative electrode can 302 are laminated in this order with the positive electrode can 301 facing down, as shown in FIG. Then, the positive electrode can 301 and the negative electrode can 302 are pressure-bonded via a gasket 303 to manufacture a coin-shaped storage battery 300.
〈円筒型蓄電池〉
次に電池セルの一例として、円筒型の蓄電池を示す。円筒型の蓄電池について、図12を参照して説明する。円筒型の蓄電池600は、図12(A)に示すように、上面に正極キャップ(電池蓋)601を有し、側面及び底面に電池缶(外装缶)602を有している。これら正極キャップと電池缶(外装缶)602とは、ガスケット(絶縁パッキン)610によって絶縁されている。
<Cylindrical storage battery>
Next, a cylindrical storage battery is shown as an example of a battery cell. A cylindrical storage battery will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 12A, the cylindrical storage battery 600 has a positive electrode cap (battery cover) 601 on the top surface and a battery can (outer can) 602 on the side surface and bottom surface. The positive electrode cap and the battery can (outer can) 602 are insulated by a gasket (insulating packing) 610.
図12(B)は、円筒型の蓄電池の断面を模式的に示した図である。中空円柱状の電池缶602の内側には、帯状の正極604と負極606とがセパレータ605を間に挟んで捲回された電池素子が設けられている。図示しないが、電池素子はセンターピンを中心に捲回されている。電池缶602は、一端が閉じられ、他端が開いている。電池缶602には、電解液に対して耐腐食性のあるニッケル 、アルミニウム、チタン等の金属、又はこれらの合金やこれらと他の金属との合金(例えば、ステンレス鋼等)を用いることができる。また、電解液による腐食を防ぐため、ニッケルやアルミニウム等を被覆することが好ましい。電池缶602の内側において、正極、負極及びセパレータが捲回された電池素子は、対向する一対の絶縁板608、609により挟まれている。また、電池素子が設けられた電池缶602の内部は、非水電解液(図示せず)が注入されている。非水電解液は、コイン型の蓄電池と同様のものを用いることができる。 FIG. 12B is a diagram schematically showing a cross section of a cylindrical storage battery. Inside the hollow cylindrical battery can 602, a battery element in which a strip-like positive electrode 604 and a negative electrode 606 are wound with a separator 605 interposed therebetween is provided. Although not shown, the battery element is wound around a center pin. The battery can 602 has one end closed and the other end open. For the battery can 602, a metal such as nickel, aluminum, titanium, or the like having corrosion resistance to the electrolytic solution, or an alloy thereof or an alloy of these with another metal (for example, stainless steel) can be used. . In order to prevent corrosion due to the electrolytic solution, it is preferable to coat nickel, aluminum, or the like. Inside the battery can 602, the battery element in which the positive electrode, the negative electrode, and the separator are wound is sandwiched between a pair of opposing insulating plates 608 and 609. Further, a non-aqueous electrolyte (not shown) is injected into the inside of the battery can 602 provided with the battery element. As the non-aqueous electrolyte, the same one as a coin-type storage battery can be used.
正極604及び負極606は、上述した薄型の蓄電池の正極及び負極と同様に製造すればよい。また、円筒型の蓄電池に用いる正極及び負極は捲回するため、集電体の両面に活物質を形成することが好ましい。正極604には正極端子(正極集電リード)603が接続され、負極606には負極端子(負極集電リード)607が接続される。正極端子603及び負極端子607は、ともにアルミニウムなどの金属材料を用いることができる。正極端子603は安全弁機構612に、負極端子607は電池缶602の底にそれぞれ抵抗溶接される。安全弁機構612は、PTC素子(Positive Temperature Coefficient)611を介して正極キャップ601と電気的に接続されている。安全弁機構612は電池の内圧の上昇が所定の閾値を超えた場合に、正極キャップ601と正極604との電気的な接続を切断するものである。また、PTC素子611は温度が上昇した場合に抵抗が増大する熱感抵抗素子であり、抵抗の増大により電流量を制限して異常発熱を防止するものである。PTC素子には、チタン酸バリウム(BaTiO3)系半導体セラミックス等を用いることができる。 What is necessary is just to manufacture the positive electrode 604 and the negative electrode 606 similarly to the positive electrode and negative electrode of a thin storage battery which were mentioned above. In addition, since the positive electrode and the negative electrode used for the cylindrical storage battery are wound, it is preferable to form an active material on both surfaces of the current collector. A positive electrode terminal (positive electrode current collecting lead) 603 is connected to the positive electrode 604, and a negative electrode terminal (negative electrode current collecting lead) 607 is connected to the negative electrode 606. Both the positive electrode terminal 603 and the negative electrode terminal 607 can use a metal material such as aluminum. The positive terminal 603 is resistance-welded to the safety valve mechanism 612, and the negative terminal 607 is resistance-welded to the bottom of the battery can 602. The safety valve mechanism 612 is electrically connected to the positive electrode cap 601 via a PTC element (Positive Temperature Coefficient) 611. The safety valve mechanism 612 disconnects the electrical connection between the positive electrode cap 601 and the positive electrode 604 when the increase in the internal pressure of the battery exceeds a predetermined threshold value. The PTC element 611 is a heat-sensitive resistance element that increases in resistance when the temperature rises, and prevents abnormal heat generation by limiting the amount of current by increasing the resistance. For the PTC element, barium titanate (BaTiO 3 ) -based semiconductor ceramics or the like can be used.
なお、本実施の形態では、蓄電池として、コイン型、円筒型および薄型の蓄電池を示したが、その他の封止型蓄電池、角型蓄電池等様々な形状の蓄電池を用いることができる。また、正極、負極、及びセパレータが複数積層された構造、正極、負極、及びセパレータが捲回された構造であってもよい。例えば、他の蓄電池の例を図13乃至図17に示す。 In the present embodiment, coin-type, cylindrical-type, and thin-type storage batteries are shown as the storage battery, but various types of storage batteries such as other sealed storage batteries and rectangular storage batteries can be used. Alternatively, a structure in which a plurality of positive electrodes, negative electrodes, and separators are stacked, or a structure in which positive electrodes, negative electrodes, and separators are wound may be employed. For example, examples of other storage batteries are shown in FIGS.
〈蓄電池の構成例〉
図13及び図14に、薄型の蓄電池の構成例を示す。図13(A)に示す捲回体993は、負極994と、正極995と、セパレータ996と、を有する。
<Example configuration of storage battery>
13 and 14 show a configuration example of a thin storage battery. A wound body 993 illustrated in FIG. 13A includes a negative electrode 994, a positive electrode 995, and a separator 996.
捲回体993は、セパレータ996を挟んで負極994と、正極995とが重なり合って積層され、該積層シートを捲回したものである。この捲回体993を角型の封止容器などで覆うことにより角型の二次電池が作製される。 The wound body 993 is obtained by winding the negative electrode 994 and the positive electrode 995 so as to overlap each other with the separator 996 interposed therebetween, and winding the laminated sheet. A rectangular secondary battery is manufactured by covering the wound body 993 with a rectangular sealing container or the like.
なお、負極994、正極995及びセパレータ996からなる積層の積層数は、必要な容量と素子体積に応じて適宜設計すればよい。負極994はリード電極997及びリード電極998の一方を介して負極集電体(図示せず)に接続され、正極995はリード電極997及びリード電極998の他方を介して正極集電体(図示せず)に接続される。 Note that the number of stacked layers including the negative electrode 994, the positive electrode 995, and the separator 996 may be appropriately designed according to the required capacity and element volume. The negative electrode 994 is connected to a negative electrode current collector (not shown) via one of a lead electrode 997 and a lead electrode 998, and the positive electrode 995 is connected to the positive electrode current collector (not shown) via the other of the lead electrode 997 and the lead electrode 998. Connected).
図13(B)及び図13(C)に示す蓄電池990は、外装体となるフィルム981と、凹部を有するフィルム982とを熱圧着などにより貼り合わせて形成される空間に上述した捲回体993を収納したものである。捲回体993は、リード電極997及びリード電極998を有し、フィルム981と、凹部を有するフィルム982との内部で電解液に含浸される。 A storage battery 990 illustrated in FIGS. 13B and 13C includes a wound body 993 described above in a space formed by bonding a film 981 serving as an exterior body and a film 982 having a concave portion by thermocompression bonding or the like. Is stored. The wound body 993 includes a lead electrode 997 and a lead electrode 998, and is impregnated with an electrolytic solution inside the film 981 and the film 982 having a recess.
フィルム981と、凹部を有するフィルム982は、例えばアルミニウムなどの金属材料や樹脂材料を用いることができる。フィルム981及び凹部を有するフィルム982の材料として樹脂材料を用いれば、外部から力が加わったときにフィルム981と、凹部を有するフィルム982を変形させることができ、可撓性を有する蓄電池を作製することができる。 For the film 981 and the film 982 having a recess, for example, a metal material such as aluminum or a resin material can be used. If a resin material is used as the material of the film 981 and the film 982 having a recess, the film 981 and the film 982 having a recess can be deformed when an external force is applied, and a flexible storage battery is manufactured. be able to.
また、図13(B)及び図13(C)では2枚のフィルムを用いる例を示しているが、1枚のフィルムを折り曲げることによって空間を形成し、その空間に上述した捲回体993を収納してもよい。 13B and 13C show an example in which two films are used, a space is formed by bending one film, and the winding body 993 described above is formed in the space. It may be stored.
また、薄型の蓄電池のみが可撓性を有する電池セルではなく、外装体や、封止容器を樹脂材料などにすることによって可撓性を有する電池セルを作製することができる。ただし、外装体や、封止容器を樹脂材料にする場合、外部に接続を行う部分は導電材料とする。 Moreover, not only a thin storage battery but a flexible battery cell can be produced by using a resin material or the like for an exterior body or a sealing container. However, when the exterior body or the sealing container is made of a resin material, the portion to be connected to the outside is made of a conductive material.
例えば、可撓性を有する別の薄型蓄電池の例を図14に示す。図14(A)の捲回体993は、図13(A)に示したものと同一であるため、詳細な説明は省略することとする。 For example, an example of another thin storage battery having flexibility is shown in FIG. Since the wound body 993 in FIG. 14A is the same as that shown in FIG. 13A, detailed description thereof will be omitted.
図14(B)及び図14(C)に示す蓄電池990は、外装体991の内部に上述した捲回体993を収納したものである。捲回体993は、リード電極997及びリード電極998を有し、外装体991、992の内部で電解液に含浸される。外装体991、992は、例えばアルミニウムなどの金属材料や樹脂材料を用いることができる。外装体991、992の材料として樹脂材料を用いれば、外部から力が加わったときに外装体991、992を変形させることができ、可撓性を有する薄型蓄電池を作製することができる。 A storage battery 990 shown in FIGS. 14B and 14C has the above-described wound body 993 housed inside an exterior body 991. The wound body 993 has a lead electrode 997 and a lead electrode 998, and is impregnated with an electrolytic solution inside the exterior bodies 991, 992. For the exterior bodies 991, 992, for example, a metal material such as aluminum or a resin material can be used. When a resin material is used as the material of the exterior bodies 991 and 992, the exterior bodies 991 and 992 can be deformed when an external force is applied, and a flexible thin storage battery can be manufactured.
本発明の一態様に係るリチウムマンガン複合酸化物を活物質として用いることにより、活物質中において、リチウムイオンの拡散が容易となり、電池の電圧の低下や、放電容量の低下を防止することができる。 By using the lithium manganese composite oxide according to one embodiment of the present invention as an active material, lithium ions can be easily diffused in the active material, and a decrease in battery voltage and a decrease in discharge capacity can be prevented. .
しかしながら、リチウムマンガン複合酸化物の金属原子量が多くなりすぎると、層状岩塩型の結晶構造領域中に過剰に金属原子が入り込み、リチウムイオンの拡散と挿入脱離を阻害するようになる。したがって、リチウムマンガン複合酸化物において、マンガンと金属原子のモル比率が、マンガンが1に対して、金属原子が0.2以上1.3以下、好ましくは金属原子が0.2以上0.5以下となるようにすればよい。 However, when the amount of metal atoms in the lithium manganese composite oxide becomes too large, excessive metal atoms enter the layered rock salt type crystal structure region, thereby inhibiting the diffusion, insertion and desorption of lithium ions. Therefore, in the lithium manganese composite oxide, the molar ratio of manganese to metal atoms is 0.2 to 1.3, preferably 0.2 to 0.5, and more preferably 0.2 to 0.5, with respect to 1 for manganese. What should be done.
以上により、積層欠陥を有するリチウムマンガン複合酸化物を電極に用いることにより、電池の電圧の低下や、放電容量の低下を抑制することができる。これにより、充放電に伴う電池のサイクル特性を向上させることができる。 As described above, by using the lithium manganese composite oxide having a stacking fault as an electrode, it is possible to suppress a decrease in battery voltage and a decrease in discharge capacity. Thereby, the cycling characteristics of the battery accompanying charging / discharging can be improved.
〈蓄電システムの構造例〉
また、蓄電システムの構造例について、図15乃至図17を用いて説明する。ここで蓄電システムとは、例えば、電池セルを搭載した機器を指す。
<Example structure of power storage system>
In addition, structural examples of the power storage system will be described with reference to FIGS. Here, the power storage system refers to, for example, a device equipped with a battery cell.
図15(A)及び図15(B)は、蓄電システムの外観図を示す図である。蓄電システムは、回路基板900と、蓄電池913と、を有する。蓄電池913には、ラベル910が貼られている。さらに、図15(B)に示すように、蓄電システムは、端子951と、端子952と、を有し、ラベル910の裏にアンテナ914と、アンテナ915と、を有する。 FIG. 15A and FIG. 15B are external views of a power storage system. The power storage system includes a circuit board 900 and a storage battery 913. A label 910 is attached to the storage battery 913. Further, as illustrated in FIG. 15B, the power storage system includes a terminal 951 and a terminal 952, and an antenna 914 and an antenna 915 on the back of the label 910.
回路基板900は、端子911と、回路912と、を有する。端子911は、端子951、端子952、アンテナ914、アンテナ915、及び回路912に接続される。なお、端子911を複数設けて、複数の端子911のそれぞれを、制御信号入力端子、電源端子などとしてもよい。 The circuit board 900 includes a terminal 911 and a circuit 912. The terminal 911 is connected to the terminal 951, the terminal 952, the antenna 914, the antenna 915, and the circuit 912. Note that a plurality of terminals 911 may be provided, and each of the plurality of terminals 911 may be a control signal input terminal, a power supply terminal, or the like.
回路912は、回路基板900の裏面に設けられていてもよい。なお、アンテナ914及びアンテナ915は、コイル状に限定されず、例えば線状、板状であってもよい。また、平面アンテナ、開口面アンテナ、進行波アンテナ、EHアンテナ、磁界アンテナ、誘電体アンテナ等のアンテナを用いてもよい。又は、アンテナ914若しくはアンテナ915は、平板状の導体でもよい。この平板状の導体は、電界結合用の導体の一つとして機能することができる。つまり、コンデンサの有する2つの導体のうちの一つの導体として、アンテナ914若しくはアンテナ915を機能させてもよい。これにより、電磁界、磁界だけでなく、電界で電力のやり取りを行うこともできる。 The circuit 912 may be provided on the back surface of the circuit board 900. The antenna 914 and the antenna 915 are not limited to a coil shape, and may be a linear shape or a plate shape, for example. An antenna such as a planar antenna, an aperture antenna, a traveling wave antenna, an EH antenna, a magnetic field antenna, or a dielectric antenna may be used. Alternatively, the antenna 914 or the antenna 915 may be a flat conductor. The flat conductor can function as one of electric field coupling conductors. That is, the antenna 914 or the antenna 915 may function as one of the two conductors of the capacitor. Thereby, not only an electromagnetic field and a magnetic field but power can also be exchanged by an electric field.
アンテナ914の線幅は、アンテナ915の線幅よりも大きいことが好ましい。これにより、アンテナ914により受電する電力量を大きくできる。 The line width of the antenna 914 is preferably larger than the line width of the antenna 915. Accordingly, the amount of power received by the antenna 914 can be increased.
蓄電システムは、アンテナ914及びアンテナ915と、蓄電池913との間に層916を有する。層916は、例えば蓄電池913による電磁界を遮蔽する機能を有する。層916としては、例えば磁性体を用いることができる。 The power storage system includes a layer 916 between the antenna 914 and the antenna 915 and the storage battery 913. The layer 916 has a function of shielding an electromagnetic field generated by the storage battery 913, for example. As the layer 916, for example, a magnetic material can be used.
なお、蓄電システムの構造は、図15に示す構造に限定されない。 Note that the structure of the power storage system is not limited to the structure illustrated in FIG.
例えば、図16(A−1)及び図16(A−2)に示すように、図15(A)及び図15(B)に示す蓄電池913のうち、対向する一対の面のそれぞれにアンテナを設けてもよい。図16(A−1)は、上記一対の面の一方側方向から見た外観図であり、図16(A−2)は、上記一対の面の他方側方向から見た外観図である。なお、図15(A)及び図15(B)に示す蓄電システムと同じ部分については、図15(A)及び図15(B)に示す蓄電システムの説明を適宜援用できる。 For example, as shown in FIGS. 16A-1 and 16A-2, an antenna is provided on each of a pair of opposed surfaces of the storage battery 913 shown in FIGS. 15A and 15B. It may be provided. FIG. 16A-1 is an external view seen from one side direction of the pair of surfaces, and FIG. 16A-2 is an external view seen from the other side direction of the pair of surfaces. Note that for the same portion as the power storage system illustrated in FIGS. 15A and 15B, the description of the power storage system illustrated in FIGS. 15A and 15B can be incorporated as appropriate.
図16(A−1)に示すように、蓄電池913の一対の面の一方に層916を挟んでアンテナ914が設けられ、図16(A−2)に示すように、蓄電池913の一対の面の他方に層917を挟んでアンテナ915が設けられる。層917は、例えば蓄電池913による電磁界を遮蔽する機能を有する。層917としては、例えば磁性体を用いることができる。 As shown in FIG. 16A-1, an antenna 914 is provided on one of a pair of surfaces of the storage battery 913 with a layer 916 sandwiched therebetween, and as shown in FIG. 16A-2, a pair of surfaces of the storage battery 913 is provided. An antenna 915 is provided with the layer 917 interposed therebetween. The layer 917 has a function of shielding an electromagnetic field generated by the storage battery 913, for example. As the layer 917, for example, a magnetic material can be used.
上記構造にすることにより、アンテナ914及びアンテナ915の両方のサイズを大きくすることができる。 With the above structure, the size of both the antenna 914 and the antenna 915 can be increased.
または、図16(B−1)及び図16(B−2)に示すように、図15(A)及び図15(B)に示す蓄電池913のうち、対向する一対の面のそれぞれに別のアンテナを設けてもよい。図16(B−1)は、上記一対の面の一方側方向から見た外観図であり、図16(B−2)は、上記一対の面の他方側方向から見た外観図である。なお、図15(A)及び図15(B)に示す蓄電システムと同じ部分については、図15(A)及び図15(B)に示す蓄電システムの説明を適宜援用できる。 Alternatively, as illustrated in FIGS. 16B-1 and 16B-2, each of the pair of opposed surfaces of the storage battery 913 illustrated in FIGS. 15A and 15B is different. An antenna may be provided. 16B-1 is an external view seen from one side direction of the pair of surfaces, and FIG. 16B-2 is an external view seen from the other side direction of the pair of surfaces. Note that for the same portion as the power storage system illustrated in FIGS. 15A and 15B, the description of the power storage system illustrated in FIGS. 15A and 15B can be incorporated as appropriate.
図16(B−1)に示すように、蓄電池913の一対の面の一方に層916を挟んでアンテナ914及びアンテナ915が設けられ、図16(A−2)に示すように、蓄電池913の一対の面の他方に層917を挟んでアンテナ918が設けられる。アンテナ918は、例えば、外部機器とのデータ通信を行うことができる機能を有する。アンテナ918には、例えばアンテナ914及びアンテナ915に適用可能な形状のアンテナを適用することができる。アンテナ918を介した蓄電システムと他の機器との通信方式としては、NFCなど、蓄電システムと他の機器の間で用いることができる応答方式などを適用することができる。 As shown in FIG. 16B-1, an antenna 914 and an antenna 915 are provided on one of a pair of surfaces of the storage battery 913 with the layer 916 interposed therebetween, and as shown in FIG. An antenna 918 is provided with the layer 917 interposed between the other of the pair of surfaces. The antenna 918 has a function of performing data communication with an external device, for example. For the antenna 918, for example, an antenna having a shape applicable to the antenna 914 and the antenna 915 can be used. As a communication method between the power storage system and the other devices via the antenna 918, a response method that can be used between the power storage system and the other devices such as NFC can be applied.
又は、図17(A)に示すように、図15(A)及び図15(B)に示す蓄電池913に表示装置920を設けてもよい。表示装置920は、端子919を介して端子911に電気的に接続される。なお、表示装置920が設けられる部分にラベル910を設けなくてもよい。なお、図15(A)及び図15(B)に示す蓄電システムと同じ部分については、図15(A)及び図15(B)に示す蓄電システムの説明を適宜援用できる。 Alternatively, as illustrated in FIG. 17A, a display device 920 may be provided in the storage battery 913 illustrated in FIGS. 15A and 15B. The display device 920 is electrically connected to the terminal 911 through the terminal 919. Note that the label 910 is not necessarily provided in a portion where the display device 920 is provided. Note that for the same portion as the power storage system illustrated in FIGS. 15A and 15B, the description of the power storage system illustrated in FIGS. 15A and 15B can be incorporated as appropriate.
表示装置920には、例えば充電中であるか否かを示す画像、蓄電量を示す画像などを表示してもよい。表示装置920としては、例えば電子ペーパー、液晶表示装置、エレクトロルミネセンス(ELともいう)表示装置などを用いることができる。例えば、電子ペーパーを用いることにより表示装置920の消費電力を低減することができる。 The display device 920 may display, for example, an image indicating whether charging is being performed, an image indicating the amount of stored power, or the like. As the display device 920, for example, electronic paper, a liquid crystal display device, an electroluminescence (also referred to as EL) display device, or the like can be used. For example, power consumption of the display device 920 can be reduced by using electronic paper.
又は、図17(B)に示すように、図15(A)及び図15(B)に示す蓄電池913にセンサ921を設けてもよい。センサ921は、端子922を介して端子911に電気的に接続される。なお、センサ921は、ラベル910の裏側に設けられてもよい。なお、図15(A)及び図15(B)に示す蓄電システムと同じ部分については、図15(A)及び図15(B)に示す蓄電システムの説明を適宜援用できる。 Alternatively, as illustrated in FIG. 17B, a sensor 921 may be provided in the storage battery 913 illustrated in FIGS. 15A and 15B. The sensor 921 is electrically connected to the terminal 911 through the terminal 922. Note that the sensor 921 may be provided on the back side of the label 910. Note that for the same portion as the power storage system illustrated in FIGS. 15A and 15B, the description of the power storage system illustrated in FIGS. 15A and 15B can be incorporated as appropriate.
センサ921としては、例えば、力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むものを用いることができる。センサ921を設けることにより、例えば、蓄電システムが置かれている環境を示すデータ(温度など)を検出し、回路912内のメモリに記憶しておくこともできる。 Examples of the sensor 921 include force, displacement, position, velocity, acceleration, angular velocity, rotation speed, distance, light, liquid, magnetism, temperature, chemical substance, sound, time, hardness, electric field, current, voltage, power, and radiation. Those having a function of measuring flow rate, humidity, gradient, vibration, odor or infrared ray can be used. By providing the sensor 921, for example, data (temperature or the like) indicating an environment where the power storage system is placed can be detected and stored in a memory in the circuit 912.
本実施の形態で示す蓄電池や蓄電システムには、本発明の一態様に係る電極が用いられている。そのため、蓄電池や蓄電システムの容量の大きくすることができる。また、エネルギー密度を高めることができる。また、信頼性を高めることができる。また、寿命を長くすることができる。 An electrode according to one embodiment of the present invention is used for the storage battery or the power storage system described in this embodiment. Therefore, the capacity of the storage battery or the power storage system can be increased. In addition, the energy density can be increased. Moreover, reliability can be improved. In addition, the lifetime can be extended.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
(実施の形態4)
上記実施の形態で説明した活物質を含む電池セルと組み合わせて用いることができる電池制御ユニット(Battery Management Unit:BMU)、及び該電池制御ユニットを構成する回路に適したトランジスタについて、図18乃至図24を参照して説明する。本実施の形態では、特に直列に接続された電池セルを有する蓄電装置の電池制御ユニットについて説明する。
(Embodiment 4)
FIG. 18 to FIG. 18 illustrate a battery control unit (BMU) that can be used in combination with the battery cell including the active material described in the above embodiment and a transistor suitable for a circuit included in the battery control unit. Explanation will be made with reference to FIG. In this embodiment, a battery control unit of a power storage device having battery cells connected in series will be described.
直列に接続された複数の電池セルに対して充放電を繰り返していくと、電池セル間の特性のばらつきに応じて、容量(出力電圧)が異なってくる。直列に接続された電池セルでは、全体の放電時の容量が、容量の小さい電池セルに依存する。容量にばらつきがあると放電時の容量が小さくなる。また、容量が小さい電池セルを基準にして充電を行うと、充電不足となる虞がある。また、容量の大きい電池セルを基準にして充電を行うと、過充電となる虞がある。 When charging / discharging is repeated for a plurality of battery cells connected in series, the capacity (output voltage) varies depending on variations in characteristics between the battery cells. In battery cells connected in series, the capacity at the time of overall discharge depends on the battery cells having a small capacity. If the capacity varies, the capacity at the time of discharge decreases. In addition, if charging is performed with reference to a battery cell having a small capacity, there is a risk of insufficient charging. Moreover, if charging is performed with reference to a battery cell having a large capacity, there is a risk of overcharging.
そのため、直列に接続された電池セルを有する蓄電装置の電池制御ユニットは、充電不足や、過充電の原因となる、電池セル間の容量のばらつきを揃える機能を有する。電池セル間の容量のばらつきを揃える回路構成には、抵抗方式、キャパシタ方式、あるいはインダクタ方式等あるが、ここではオフ電流の小さいトランジスタを利用して容量のばらつきを揃えることのできる回路構成を一例として挙げて説明する。 Therefore, the battery control unit of the power storage device having the battery cells connected in series has a function of aligning the variation in capacity between the battery cells that causes insufficient charging or overcharging. The circuit configuration for aligning the variation in capacity between battery cells includes a resistance method, a capacitor method, or an inductor method, but here is an example of a circuit configuration that can use a transistor with a small off-current to equalize the variation in capacity. Will be described.
オフ電流の小さいトランジスタとしては、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタ(OSトランジスタ)が好ましい。オフ電流の小さいOSトランジスタを蓄電装置の電池制御ユニットの回路構成に用いることで、電池から漏洩する電荷量を減らし、時間の経過による容量の低下を抑制することができる。 As the transistor with low off-state current, a transistor including an oxide semiconductor (OS transistor) in a channel formation region is preferable. By using an OS transistor with a small off-state current in the circuit configuration of the battery control unit of the power storage device, the amount of charge leaking from the battery can be reduced, and a decrease in capacity over time can be suppressed.
チャネル形成領域に用いる酸化物半導体は、In−M−Zn酸化物(Mは、Ga、Sn、Y、Zr、La、Ce、またはNd)を用いる。酸化物半導体膜を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x1:y1:z1とすると、x1/y1は、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であって、z1/y1は、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であることが好ましい。なお、z1/y1を1以上6以下とすることで、酸化物半導体膜としてCAAC−OS膜が形成されやすくなる。 As the oxide semiconductor used for the channel formation region, an In-M-Zn oxide (M is Ga, Sn, Y, Zr, La, Ce, or Nd) is used. In the target used for forming the oxide semiconductor film, when the atomic ratio of metal elements is In: M: Zn = x 1 : y 1 : z 1 , x 1 / y 1 is 1/3 or more 6 Hereinafter, it is further 1 or more and 6 or less, and z 1 / y 1 is preferably 1/3 or more and 6 or less, and more preferably 1 or more and 6 or less. Note that when z 1 / y 1 is greater than or equal to 1 and less than or equal to 6, a CAAC-OS film can be easily formed as the oxide semiconductor film.
ここで、CAAC−OS膜について説明する。 Here, the CAAC-OS film is described.
CAAC−OS膜は、c軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。 The CAAC-OS film is one of oxide semiconductor films having a plurality of c-axis aligned crystal parts.
透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって、CAAC−OS膜の明視野像および回折パターンの複合解析像(高分解能TEM像ともいう。)を観察することで複数の結晶部を確認することができる。一方、高分解能TEM像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CAAC−OS膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。 Confirming a plurality of crystal parts by observing a bright field image of a CAAC-OS film and a combined analysis image (also referred to as a high-resolution TEM image) of a CAAC-OS film with a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope). Can do. On the other hand, a clear boundary between crystal parts, that is, a crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed even by a high-resolution TEM image. Therefore, it can be said that the CAAC-OS film is unlikely to decrease in electron mobility due to crystal grain boundaries.
試料面と略平行な方向から、CAAC−OS膜の断面の高分解能TEM像を観察すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、CAAC−OS膜の膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映した形状であり、CAAC−OS膜の被形成面または上面と平行に配列する。 When a high-resolution TEM image of a cross section of the CAAC-OS film is observed from a direction substantially parallel to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in layers in the crystal part. Each layer of metal atoms has a shape reflecting unevenness of a surface (also referred to as a formation surface) or an upper surface on which the CAAC-OS film is formed, and is arranged in parallel with the formation surface or the upper surface of the CAAC-OS film. .
一方、試料面と略垂直な方向から、CAAC−OS膜の平面の高分解能TEM像を観察すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。 On the other hand, when a high-resolution TEM image of a plane of the CAAC-OS film is observed from a direction substantially perpendicular to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape in a crystal part. However, there is no regularity in the arrangement of metal atoms between different crystal parts.
CAAC−OS膜に対し、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。 When structural analysis is performed on a CAAC-OS film using an X-ray diffraction (XRD) apparatus, for example, in the analysis of a CAAC-OS film having an InGaZnO 4 crystal by an out-of-plane method, A peak may appear when the diffraction angle (2θ) is around 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, the crystal of the CAAC-OS film has c-axis orientation, and the c-axis is oriented in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. Can be confirmed.
なお、InGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OS膜は、2θが31°近傍にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。 Note that when the CAAC-OS film including an InGaZnO 4 crystal is analyzed by an out-of-plane method, a peak may also appear when 2θ is around 36 ° in addition to the peak where 2θ is around 31 °. A peak at 2θ of around 36 ° indicates that a crystal having no c-axis alignment is included in part of the CAAC-OS film. The CAAC-OS film preferably has a peak at 2θ of around 31 ° and no peak at 2θ of around 36 °.
CAAC−OS膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。 The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low impurity concentration. The impurity is an element other than the main component of the oxide semiconductor film, such as hydrogen, carbon, silicon, or a transition metal element. In particular, an element such as silicon, which has a stronger bonding force with oxygen than the metal element included in the oxide semiconductor film, disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor film by depriving the oxide semiconductor film of oxygen, and has crystallinity. It becomes a factor to reduce. In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have large atomic radii (or molecular radii). Therefore, if they are contained inside an oxide semiconductor film, the atomic arrangement of the oxide semiconductor film is disturbed, resulting in crystallinity. It becomes a factor to reduce. Note that the impurity contained in the oxide semiconductor film might serve as a carrier trap or a carrier generation source.
また、CAAC−OS膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。 The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low density of defect states. For example, oxygen vacancies in the oxide semiconductor film can serve as carrier traps or can generate carriers by capturing hydrogen.
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損の少ない)ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。したがって、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノーマリーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 A low impurity concentration and a low density of defect states (small number of oxygen vacancies) is called high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier generation sources, and thus can have a low carrier density. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film is unlikely to have electrical characteristics (also referred to as normally-on) in which the threshold voltage is negative. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier traps. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film has a small change in electrical characteristics and has high reliability. Note that the charge trapped in the carrier trap of the oxide semiconductor film takes a long time to be released, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor film with a high impurity concentration and a high density of defect states may have unstable electrical characteristics.
また、CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。 In addition, a transistor including a CAAC-OS film has little variation in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light.
なお、OSトランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ(Siトランジスタ)に比べてバンドギャップが大きいため、高電圧を印加した際の絶縁破壊が生じにくい。直列に電池セルを接続する場合、数100Vの電圧が生じることになるが、このような電池セルに適用される蓄電装置の電池制御ユニットの回路構成には、前述のOSトランジスタで構成することが適している。 Note that an OS transistor has a larger band gap than a transistor having silicon in a channel formation region (Si transistor), and thus dielectric breakdown is less likely to occur when a high voltage is applied. When battery cells are connected in series, a voltage of several hundred volts is generated. However, the circuit configuration of the battery control unit of the power storage device applied to such a battery cell may be configured by the OS transistor described above. Is suitable.
図18には、蓄電装置のブロック図の一例を示す。図18に示す蓄電装置6000は、端子対6001と、端子対6002と、切り替え制御回路6003と、切り替え回路6004と、切り替え回路6005と、変圧制御回路6006と、変圧回路6007と、直列に接続された複数の電池セル6009を含む電池部6008と、を有する。 FIG. 18 illustrates an example of a block diagram of a power storage device. A power storage device 6000 illustrated in FIG. 18 is connected in series with a terminal pair 6001, a terminal pair 6002, a switching control circuit 6003, a switching circuit 6004, a switching circuit 6005, a transformation control circuit 6006, and a transformation circuit 6007. A battery portion 6008 including a plurality of battery cells 6009.
また、図18の蓄電装置6000において、端子対6001と、端子対6002と、切り替え制御回路6003と、切り替え回路6004と、切り替え回路6005と、変圧制御回路6006と、変圧回路6007とにより構成される部分を、電池制御ユニットと呼ぶことができる。 18 includes a terminal pair 6001, a terminal pair 6002, a switching control circuit 6003, a switching circuit 6004, a switching circuit 6005, a transformation control circuit 6006, and a transformation circuit 6007. The part can be called a battery control unit.
切り替え制御回路6003は、切り替え回路6004及び切り替え回路6005の動作を制御する。具体的には、切り替え制御回路6003は、電池セル6009毎に測定された電圧に基づいて、放電する電池セル(放電電池セル群)、及び充電する電池セル(充電電池セル群)を決定する。 A switching control circuit 6003 controls operations of the switching circuit 6004 and the switching circuit 6005. Specifically, the switching control circuit 6003 determines a battery cell (discharge battery cell group) to be discharged and a battery cell (charge battery cell group) to be charged based on the voltage measured for each battery cell 6009.
さらに、切り替え制御回路6003は、当該決定された放電電池セル群及び充電電池セル群に基づいて、制御信号S1及び制御信号S2を出力する。制御信号S1は、切り替え回路6004へ出力される。この制御信号S1は、端子対6001と放電電池セル群とを接続させるように切り替え回路6004を制御する信号である。また、制御信号S2は、切り替え回路6005へ出力される。この制御信号S2は、端子対6002と充電電池セル群とを接続させるように切り替え回路6005を制御する信号である。 Further, the switching control circuit 6003 outputs a control signal S1 and a control signal S2 based on the determined discharge battery cell group and charge battery cell group. The control signal S1 is output to the switching circuit 6004. This control signal S1 is a signal for controlling the switching circuit 6004 so as to connect the terminal pair 6001 and the discharge battery cell group. The control signal S2 is output to the switching circuit 6005. This control signal S2 is a signal for controlling the switching circuit 6005 so as to connect the terminal pair 6002 and the rechargeable battery cell group.
また、切り替え制御回路6003は、切り替え回路6004、切り替え回路6005、及び変圧回路6007の構成を踏まえ、端子対6002と充電電池セル群との間で、同じ極性の端子同士が接続されるように、制御信号S1及び制御信号S2を生成する。 In addition, the switching control circuit 6003 is based on the configuration of the switching circuit 6004, the switching circuit 6005, and the transformer circuit 6007 so that terminals of the same polarity are connected between the terminal pair 6002 and the rechargeable battery cell group. A control signal S1 and a control signal S2 are generated.
切り替え制御回路6003の動作の詳細について述べる。 Details of the operation of the switching control circuit 6003 will be described.
まず、切り替え制御回路6003は、複数の電池セル6009毎の電圧を測定する。そして、切り替え制御回路6003は、例えば、所定の閾値以上の電圧の電池セル6009を高電圧の電池セル(高電圧セル)、所定の閾値未満の電圧の電池セル6009を低電圧の電池セル(定電圧セル)と判断する。 First, the switching control circuit 6003 measures the voltage for each of the plurality of battery cells 6009. Then, the switching control circuit 6003, for example, uses a battery cell 6009 having a voltage equal to or higher than a predetermined threshold as a high voltage battery cell (high voltage cell) and a battery cell 6009 having a voltage lower than the predetermined threshold as a low voltage battery cell (constant Voltage cell).
なお、高電圧セル及び低電圧セルを判断する方法については、様々な方法を用いることができる。例えば、切り替え制御回路6003は、複数の電池セル6009の中で、最も電圧の高い、又は最も電圧の低い電池セル6009の電圧を基準として、各電池セル6009が高電圧セルか低電圧セルかを判断してもよい。この場合、切り替え制御回路6003は、各電池セル6009の電圧が基準となる電圧に対して所定の割合以上か否かを判定する等して、各電池セル6009が高電圧セルか低電圧セルかを判断することができる。そして、切り替え制御回路6003は、この判断結果に基づいて、放電電池セル群と充電電池セル群とを決定する。 Various methods can be used for determining the high voltage cell and the low voltage cell. For example, the switching control circuit 6003 determines whether each battery cell 6009 is a high voltage cell or a low voltage cell with reference to the voltage of the battery cell 6009 having the highest voltage or the lowest voltage among the plurality of battery cells 6009. You may judge. In this case, the switching control circuit 6003 determines whether each battery cell 6009 is a high voltage cell or a low voltage cell by determining whether the voltage of each battery cell 6009 is equal to or higher than a predetermined ratio with respect to the reference voltage. Can be judged. Then, the switching control circuit 6003 determines the discharge battery cell group and the charge battery cell group based on the determination result.
なお、複数の電池セル6009の中には、高電圧セルと低電圧セルが様々な状態で混在し得る。例えば、切り替え制御回路6003は、高電圧セルと低電圧セルが混在する中で、高電圧セルが最も多く連続して直列に接続された部分を放電電池セル群とする。また、切り替え制御回路6003は、低電圧セルが最も多く連続して直列に接続された部分を充電電池セル群とする。また、切り替え制御回路6003は、過充電又は過放電に近い電池セル6009を、放電電池セル群又は充電電池セル群として優先的に選択するようにしてもよい。 In the plurality of battery cells 6009, a high voltage cell and a low voltage cell can be mixed in various states. For example, in the switching control circuit 6003, among the high-voltage cells and the low-voltage cells, the portion where the highest number of high-voltage cells are connected in series is the discharge battery cell group. In addition, the switching control circuit 6003 sets a portion where the most low voltage cells are continuously connected in series as a rechargeable battery cell group. In addition, the switching control circuit 6003 may preferentially select the battery cell 6009 that is close to overcharge or overdischarge as the discharge battery cell group or the charge battery cell group.
ここで、本実施形態における切り替え制御回路6003の動作例を、図19を用いて説明する。図19は、切り替え制御回路6003の動作例を説明するための図である。なお、説明の便宜上、図19では4個の電池セル6009が直列に接続されている場合を例に説明する。 Here, an operation example of the switching control circuit 6003 in this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 19 is a diagram for explaining an operation example of the switching control circuit 6003. For convenience of explanation, FIG. 19 illustrates an example in which four battery cells 6009 are connected in series.
まず、図19(A)の例では、電池セルa乃至dの電圧を電圧Va乃至電圧Vdとすると、Va=Vb=Vc>Vdの関係にある場合を示している。つまり、連続する3つの高電圧セルa乃至cと、1つの低電圧セルdとが直列に接続されている。この場合、切り替え制御回路6003は、連続する3つの高電圧セルa乃至cを放電電池セル群として決定する。また、切り替え制御回路6003は、低電圧セルDを充電電池セル群として決定する。 First, in the example of FIG. 19A, when the voltages of the battery cells a to d are the voltages Va to Vd, a case where Va = Vb = Vc> Vd is shown. That is, three continuous high voltage cells a to c and one low voltage cell d are connected in series. In this case, the switching control circuit 6003 determines three consecutive high voltage cells a to c as a discharge battery cell group. In addition, the switching control circuit 6003 determines the low voltage cell D as a rechargeable battery cell group.
次に、図19(B)の例では、Vc>Va=Vb>>Vdの関係にある場合を示している。つまり、連続する2つの低電圧セルa、bと、1つの高電圧セルcと、1つの過放電間近の低電圧セルdとが直列に接続されている。この場合、切り替え制御回路6003は、高電圧セルcを放電電池セル群として決定する。また、切り替え制御回路6003は、低電圧セルdが過放電間近であるため、連続する2つの低電圧セルa及びbではなく、低電圧セルdを充電電池セル群として優先的に決定する。 Next, the example of FIG. 19B shows a case where Vc >> Va = Vb >> Vd. That is, two continuous low voltage cells a and b, one high voltage cell c, and one low voltage cell d near overdischarge are connected in series. In this case, the switching control circuit 6003 determines the high voltage cell c as a discharge battery cell group. In addition, the switching control circuit 6003 preferentially determines the low voltage cell d as the rechargeable battery cell group instead of the two continuous low voltage cells a and b because the low voltage cell d is close to overdischarge.
最後に、図19(C)の例では、Va>Vb=Vc=Vdの関係にある場合を示している。つまり、1つの高電圧セルaと、連続する3つの低電圧セルb乃至dとが直列に接続されている。この場合、切り替え制御回路6003は、高電圧セルaを放電電池セル群と決定する。また、切り替え制御回路6003は、連続する3つの低電圧セルb乃至dを充電電池セル群として決定する。 Finally, the example of FIG. 19C shows a case where Va> Vb = Vc = Vd. That is, one high voltage cell a and three consecutive low voltage cells b to d are connected in series. In this case, the switching control circuit 6003 determines the high voltage cell a as a discharge battery cell group. In addition, the switching control circuit 6003 determines three consecutive low voltage cells b to d as a rechargeable battery cell group.
切り替え制御回路6003は、上記図19(A)乃至(C)の例のように決定された結果に基づいて、切り替え回路6004の接続先である放電電池セル群を示す情報が設定された制御信号S1と、切り替え回路6005の接続先である充電電池セル群を示す情報が設定された制御信号S2を、切り替え回路6004及び切り替え回路6005に対してそれぞれ出力する。 The switching control circuit 6003 is a control signal in which information indicating the discharge battery cell group to which the switching circuit 6004 is connected is set based on the results determined as in the example of FIGS. 19A to 19C. The control signal S2 in which information indicating S1 and the rechargeable battery cell group to which the switching circuit 6005 is connected is set is output to the switching circuit 6004 and the switching circuit 6005, respectively.
以上が、切り替え制御回路6003の動作の詳細に関する説明である。 The above is the description regarding the details of the operation of the switching control circuit 6003.
切り替え回路6004は、切り替え制御回路6003から出力される制御信号S1に応じて、端子対6001の接続先を、切り替え制御回路6003により決定された放電電池セル群に設定する。 The switching circuit 6004 sets the connection destination of the terminal pair 6001 to the discharge battery cell group determined by the switching control circuit 6003 in accordance with the control signal S1 output from the switching control circuit 6003.
端子対6001は、対を成す端子A1及びA2により構成される。切り替え回路6004は、この端子A1及びA2のうち、いずれか一方を放電電池セル群の中で最も上流(高電位側)に位置する電池セル6009の正極端子と接続し、他方を放電電池セル群の中で最も下流(低電位側)に位置する電池セル6009の負極端子と接続することにより、端子対6001の接続先を設定する。なお、切り替え回路6004は、制御信号S1に設定された情報を用いて放電電池セル群の位置を認識することができる。 The terminal pair 6001 includes a pair of terminals A1 and A2. The switching circuit 6004 connects one of the terminals A1 and A2 to the positive terminal of the battery cell 6009 located on the most upstream side (high potential side) in the discharge battery cell group, and the other to the discharge battery cell group. The connection destination of the terminal pair 6001 is set by connecting to the negative terminal of the battery cell 6009 located on the most downstream side (low potential side). Note that the switching circuit 6004 can recognize the position of the discharge battery cell group using information set in the control signal S1.
切り替え回路6005は、切り替え制御回路6003から出力される制御信号S2に応じて、端子対6002の接続先を、切り替え制御回路6003により決定された充電電池セル群に設定する。 The switching circuit 6005 sets the connection destination of the terminal pair 6002 to the rechargeable battery cell group determined by the switching control circuit 6003 in accordance with the control signal S2 output from the switching control circuit 6003.
端子対6002は、対を成す端子B1及びB2により構成される。切り替え回路6005は、この端子B1及びB2のうち、いずれか一方を充電電池セル群の中で最も上流(高電位側)に位置する電池セル6009の正極端子と接続し、他方を充電電池セル群の中で最も下流(低電位側)に位置する電池セル6009の負極端子と接続することにより、端子対6002の接続先を設定する。なお、切り替え回路6005は、制御信号S2に設定された情報を用いて充電電池セル群の位置を認識することができる。 The terminal pair 6002 is configured by a pair of terminals B1 and B2. The switching circuit 6005 connects one of the terminals B1 and B2 to the positive terminal of the battery cell 6009 located on the most upstream side (high potential side) in the charging battery cell group, and the other is the charging battery cell group. The connection destination of the terminal pair 6002 is set by connecting to the negative electrode terminal of the battery cell 6009 located on the most downstream side (low potential side). Note that the switching circuit 6005 can recognize the position of the rechargeable battery cell group using the information set in the control signal S2.
切り替え回路6004及び切り替え回路6005の構成例を示す回路図を図20及び図21に示す。 20 and 21 are circuit diagrams illustrating configuration examples of the switching circuit 6004 and the switching circuit 6005. FIG.
図20では、切り替え回路6004は、複数のトランジスタ6010と、バス6011及び6012とを有する。バス6011は、端子A1と接続されている。また、バス6012は、端子A2と接続されている。複数のトランジスタ6010のソース又はドレインの一方は、それぞれ1つおきに交互に、バス6011及び6012と接続されている。また、複数のトランジスタ6010のソース又はドレインの他方は、それぞれ隣接する2つの電池セル6009の間に接続されている。 In FIG. 20, the switching circuit 6004 includes a plurality of transistors 6010 and buses 6011 and 6012. The bus 6011 is connected to the terminal A1. The bus 6012 is connected to the terminal A2. One of the sources or drains of the plurality of transistors 6010 is alternately connected to the buses 6011 and 6012 every other pair. The other of the sources or drains of the plurality of transistors 6010 is connected between two adjacent battery cells 6009.
なお、複数のトランジスタ6010のうち、最上流に位置するトランジスタ6010のソース又はドレインの他方は、電池部6008の最上流に位置する電池セル6009の正極端子と接続されている。また、複数のトランジスタ6010のうち、最下流に位置するトランジスタ6010のソース又はドレインの他方は、電池部6008の最下流に位置する電池セル6009の負極端子と接続されている。 Note that, among the plurality of transistors 6010, the other of the source and the drain of the transistor 6010 located at the most upstream is connected to the positive terminal of the battery cell 6009 located at the most upstream of the battery portion 6008. In addition, among the plurality of transistors 6010, the other of the source and the drain of the transistor 6010 located on the most downstream side is connected to the negative electrode terminal of the battery cell 6009 located on the most downstream side of the battery portion 6008.
切り替え回路6004は、複数のトランジスタ6010のゲートに与える制御信号S1に応じて、バス6011に接続される複数のトランジスタ6010のうちの1つと、バス6012に接続される複数のトランジスタ6010のうちの1つとをそれぞれ導通状態にすることにより、放電電池セル群と端子対6001とを接続する。これにより、放電電池セル群の中で最も上流に位置する電池セル6009の正極端子は、端子対の端子A1又はA2のいずれか一方と接続される。また、放電電池セル群の中で最も下流に位置する電池セル6009の負極端子は、端子対の端子A1又はA2のいずれか他方、すなわち正極端子と接続されていない方の端子に接続される。 The switching circuit 6004 receives one of the plurality of transistors 6010 connected to the bus 6011 and one of the plurality of transistors 6010 connected to the bus 6012 in response to the control signal S1 applied to the gates of the plurality of transistors 6010. The discharge battery cell group and the terminal pair 6001 are connected to each other by bringing them into a conductive state. Thereby, the positive electrode terminal of the battery cell 6009 located most upstream in the discharge battery cell group is connected to either the terminal A1 or A2 of the terminal pair. In addition, the negative electrode terminal of the battery cell 6009 located on the most downstream side in the discharge battery cell group is connected to either the terminal A1 or A2 of the terminal pair, that is, the terminal not connected to the positive electrode terminal.
トランジスタ6010には、OSトランジスタを用いることが好ましい。OSトランジスタはオフ電流が小さいため、放電電池セル群に属しない電池セルから漏洩する電荷量を減らし、時間の経過による容量の低下を抑制することができる。またOSトランジスタは高電圧を印加した際の絶縁破壊が生じにくい。そのため、放電電池セル群の出力電圧が大きくても、非導通状態とするトランジスタ6010が接続された電池セル6009と端子対6001とを絶縁状態とすることができる。 An OS transistor is preferably used as the transistor 6010. Since the OS transistor has a small off-state current, it is possible to reduce the amount of charge leaked from a battery cell that does not belong to the discharge battery cell group, and to suppress a decrease in capacity over time. In addition, the OS transistor is unlikely to break down when a high voltage is applied. Therefore, even when the output voltage of the discharge battery cell group is large, the battery cell 6009 to which the transistor 6010 to be turned off is connected and the terminal pair 6001 can be insulated.
また、図20では、切り替え回路6005は、複数のトランジスタ6013と、電流制御スイッチ6014と、バス6015と、バス6016とを有する。バス6015及び6016は、複数のトランジスタ6013と、電流制御スイッチ6014との間に配置される。複数のトランジスタ6013のソース又はドレインの一方は、それぞれ1つおきに交互に、バス6015及び6016と接続されている。また、複数のトランジスタ6013のソース又はドレインの他方は、それぞれ隣接する2つの電池セル6009の間に接続されている。 In FIG. 20, the switching circuit 6005 includes a plurality of transistors 6013, a current control switch 6014, a bus 6015, and a bus 6016. The buses 6015 and 6016 are disposed between the plurality of transistors 6013 and the current control switch 6014. One of the sources or drains of the plurality of transistors 6013 is alternately connected to the buses 6015 and 6016 every other one. The other of the sources or drains of the plurality of transistors 6013 is connected between two adjacent battery cells 6009.
なお、複数のトランジスタ6013のうち、最上流に位置するトランジスタ6013のソース又はドレインの他方は、電池部6008の最上流に位置する電池セル6009の正極端子と接続されている。また、複数のトランジスタ6013のうち、最下流に位置するトランジスタ6013のソース又はドレインの他方は、電池部6008の最下流に位置する電池セル6009の負極端子と接続されている。 Note that, among the plurality of transistors 6013, the other of the source and the drain of the transistor 6013 located at the uppermost stream is connected to the positive terminal of the battery cell 6009 located at the uppermost stream of the battery portion 6008. In addition, among the plurality of transistors 6013, the other of the source and the drain of the transistor 6013 located on the most downstream side is connected to the negative electrode terminal of the battery cell 6009 located on the most downstream side of the battery portion 6008.
トランジスタ6013には、トランジスタ6010と同様に、OSトランジスタを用いることが好ましい。OSトランジスタはオフ電流が小さいため、充電電池セル群に属しない電池セルから漏洩する電荷量を減らし、時間の経過による容量の低下を抑制することができる。またOSトランジスタは高電圧を印加した際の絶縁破壊が生じにくい。そのため、充電電池セル群を充電するための電圧が大きくても、非導通状態とするトランジスタ6013が接続された電池セル6009と端子対6002とを絶縁状態とすることができる。 As the transistor 6010, an OS transistor is preferably used as the transistor 6010. Since the OS transistor has a small off-state current, it is possible to reduce the amount of charge leaked from a battery cell that does not belong to the rechargeable battery cell group, and to suppress a decrease in capacity over time. In addition, the OS transistor is unlikely to break down when a high voltage is applied. Therefore, even if the voltage for charging the rechargeable battery cell group is large, the battery cell 6009 to which the transistor 6013 to be turned off is connected and the terminal pair 6002 can be insulated.
電流制御スイッチ6014は、スイッチ対6017とスイッチ対6018とを有する。スイッチ対6017の一端は、端子B1に接続されている。また、スイッチ対6017の他端は2つのスイッチで分岐しており、一方のスイッチはバス6015に接続され、他方のスイッチはバス6016に接続されている。スイッチ対6018の一端は、端子B2に接続されている。また、スイッチ対6018の他端は2つのスイッチで分岐しており、一方のスイッチはバス6015に接続され、他方のスイッチはバス6016に接続されている。 The current control switch 6014 includes a switch pair 6017 and a switch pair 6018. One end of the switch pair 6017 is connected to the terminal B1. The other end of the switch pair 6017 is branched by two switches. One switch is connected to the bus 6015 and the other switch is connected to the bus 6016. One end of the switch pair 6018 is connected to the terminal B2. The other end of the switch pair 6018 is branched by two switches. One switch is connected to the bus 6015 and the other switch is connected to the bus 6016.
スイッチ対6017及びスイッチ対6018が有するスイッチは、トランジスタ6010及びトランジスタ6013と同様に、OSトランジスタを用いることが好ましい。 As the switches included in the switch pair 6017 and the switch pair 6018, OS transistors are preferably used as in the transistors 6010 and 6013.
切り替え回路6005は、制御信号S2に応じて、トランジスタ6013、及び電流制御スイッチ6014のオン/オフ状態の組み合わせを制御することにより、充電電池セル群と端子対6002とを接続する。 The switching circuit 6005 connects the rechargeable battery cell group and the terminal pair 6002 by controlling the combination of on / off states of the transistor 6013 and the current control switch 6014 in accordance with the control signal S2.
切り替え回路6005は、一例として、以下のようにして充電電池セル群と端子対6002とを接続する。 As an example, the switching circuit 6005 connects the rechargeable battery cell group and the terminal pair 6002 as follows.
切り替え回路6005は、複数のトランジスタ6010のゲートに与える制御信号S2に応じて、充電電池セル群の中で最も上流に位置する電池セル6009の正極端子と接続されているトランジスタ6013を導通状態にする。また、切り替え回路6005は、複数のトランジスタ6010のゲートに与える制御信号S2に応じて、充電電池セル群の中で最も下流に位置する電池セル6009の負極端子に接続されている切り替えスイッチ151を導通状態にする。 The switching circuit 6005 turns on the transistor 6013 connected to the positive terminal of the battery cell 6009 located at the most upstream in the charging battery cell group in response to the control signal S2 applied to the gates of the plurality of transistors 6010. . Further, the switching circuit 6005 conducts the changeover switch 151 connected to the negative terminal of the battery cell 6009 located most downstream in the charging battery cell group in response to the control signal S2 applied to the gates of the plurality of transistors 6010. Put it in a state.
端子対6002に印加される電圧の極性は、端子対6001と接続される放電電池セル群、及び変圧回路6007の構成によって変わり得る。また、充電電池セル郡を充電する方向に電流を流すためには、端子対6002と充電電池セル群との間で、同じ極性の端子同士を接続する必要がある。そこで、電流制御スイッチ152は、制御信号S2により、端子対6002に印加される電圧の極性に応じてスイッチ対6017及びスイッチ対6018の接続先をそれぞれ切り替えるように制御される。 The polarity of the voltage applied to the terminal pair 6002 can vary depending on the configuration of the discharge battery cell group connected to the terminal pair 6001 and the transformer circuit 6007. In addition, in order to flow a current in the direction of charging the rechargeable battery cell group, it is necessary to connect terminals having the same polarity between the terminal pair 6002 and the rechargeable battery cell group. Therefore, the current control switch 152 is controlled to switch the connection destination of the switch pair 6017 and the switch pair 6018 according to the polarity of the voltage applied to the terminal pair 6002 by the control signal S2.
一例として、端子B1が正極、端子B2が負極となるような電圧が端子対6002に印加されている状態を挙げて説明する。この時、電池部6008の最下流の電池セル6009が充電電池セル群である場合、スイッチ対6017は、制御信号S2により、当該電池セル6009の正極端子と接続されるように制御される。すなわち、スイッチ対6017のバス6016に接続されるスイッチがオン状態となり、スイッチ対6017のバス6015に接続されるスイッチがオフ状態となる。一方、スイッチ対6018は、制御信号S2により、当該電池セル6009の負極端子と接続されるように制御される。すなわち、スイッチ対6018のバス6015に接続されるスイッチがオン状態となり、スイッチ対6018のバス6016に接続されるスイッチがオフ状態となる。このようにして、端子対6002と充電電池セル群との間で、同じ極性をもつ端子同士が接続される。そして、端子対6002から流れる電流の方向が、充電電池セル群を充電する方向となるように制御される。 As an example, a state in which a voltage such that the terminal B1 is a positive electrode and the terminal B2 is a negative electrode is applied to the terminal pair 6002 will be described. At this time, when the battery cell 6009 on the most downstream side of the battery unit 6008 is a rechargeable battery cell group, the switch pair 6017 is controlled to be connected to the positive terminal of the battery cell 6009 by the control signal S2. That is, the switch connected to the bus 6016 of the switch pair 6017 is turned on, and the switch connected to the bus 6015 of the switch pair 6017 is turned off. On the other hand, the switch pair 6018 is controlled to be connected to the negative terminal of the battery cell 6009 by the control signal S2. That is, the switch connected to the bus 6015 of the switch pair 6018 is turned on, and the switch connected to the bus 6016 of the switch pair 6018 is turned off. In this way, terminals having the same polarity are connected between the terminal pair 6002 and the rechargeable battery cell group. And the direction of the electric current which flows from the terminal pair 6002 is controlled so that it may become a direction which charges a charging battery cell group.
また、電流制御スイッチ152は、切り替え回路6005ではなく、切り替え回路6004に含まれていてもよい。この場合、電流制御スイッチ6014、制御信号S1に応じて、端子対6001に印加される電圧の極性を制御することにより、端子対6002に印加される電圧の極性を制御する。そして、電流制御スイッチ6014は、端子対6002から充電電池セル群に流れる電流の向きを制御する。 Further, the current control switch 152 may be included in the switching circuit 6004 instead of the switching circuit 6005. In this case, the polarity of the voltage applied to the terminal pair 6002 is controlled by controlling the polarity of the voltage applied to the terminal pair 6001 in accordance with the current control switch 6014 and the control signal S1. Current control switch 6014 controls the direction of current flowing from terminal pair 6002 to the rechargeable battery cell group.
図21は、図20とは異なる、切り替え回路6004及び切り替え回路6005の構成例を示す回路図である。 FIG. 21 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the switching circuit 6004 and the switching circuit 6005, which is different from FIG.
図21では、切り替え回路6004は、複数のトランジスタ対6021と、バス6024及びバス6025とを有する。バス6024は、端子A1と接続されている。また、バス6025は、端子A2と接続されている。複数のトランジスタ対6021の一端は、それぞれトランジスタ6022とトランジスタ6023とにより分岐している。トランジスタ6022のソース又はドレインの一方は、バス6024と接続されている。また、トランジスタ6023のソース又はドレインの一方は、バス6025と接続されている。また、複数のトランジスタ対の他端は、それぞれ隣接する2つの電池セル6009の間に接続されている。なお、複数のトランジスタ対6021のうち、最上流に位置するトランジスタ対6021の他端は、電池部6008の最上流に位置する電池セル6009の正極端子と接続されている。また、複数のトランジスタ対6021のうち、最下流に位置するトランジスタ対6021の他端は、電池部6008の最下流に位置する電池セル6009の負極端子と接続されている。 In FIG. 21, the switching circuit 6004 includes a plurality of transistor pairs 6021, a bus 6024, and a bus 6025. The bus 6024 is connected to the terminal A1. The bus 6025 is connected to the terminal A2. One ends of the plurality of transistor pairs 6021 are branched by a transistor 6022 and a transistor 6023, respectively. One of a source and a drain of the transistor 6022 is connected to the bus 6024. One of the source and the drain of the transistor 6023 is connected to the bus 6025. The other ends of the plurality of transistor pairs are connected between two adjacent battery cells 6009. Note that, among the plurality of transistor pairs 6021, the other end of the uppermost transistor pair 6021 is connected to the positive terminal of the battery cell 6009 located on the uppermost stream of the battery portion 6008. The other end of the transistor pair 6021 located on the most downstream side of the plurality of transistor pairs 6021 is connected to the negative electrode terminal of the battery cell 6009 located on the most downstream side of the battery portion 6008.
切り替え回路6004は、制御信号S1に応じてトランジスタ6022及びトランジスタ6023の導通/非導通状態を切り換えることにより、当該トランジスタ対6021の接続先を、端子A1又は端子A2のいずれか一方に切り替える。詳細には、トランジスタ6022が導通状態であれば、トランジスタ6023は非導通状態となり、その接続先は端子A1になる。一方、トランジスタ6023が導通状態であれば、トランジスタ6022は非導通状態となり、その接続先は端子A2になる。トランジスタ6022及びトランジスタ6023のどちらが導通状態になるかは、制御信号S1によって決定される。 The switching circuit 6004 switches the connection destination of the transistor pair 6021 to either the terminal A1 or the terminal A2 by switching the conduction / non-conduction state of the transistor 6022 and the transistor 6023 according to the control signal S1. Specifically, when the transistor 6022 is in a conductive state, the transistor 6023 is in a non-conductive state, and the connection destination is the terminal A1. On the other hand, when the transistor 6023 is on, the transistor 6022 is off and the connection destination is the terminal A2. Which of the transistor 6022 and the transistor 6023 is turned on is determined by the control signal S1.
端子対6001と放電電池セル群とを接続するには、2つのトランジスタ対6021が用いられる。詳細には、制御信号S1に基づいて、2つのトランジスタ対6021の接続先がそれぞれ決定されることにより、放電電池セル群と端子対6001とが接続される。2つのトランジスタ対6021のそれぞれの接続先は、一方が端子A1となり、他方が端子A2となるように、制御信号S1によって制御される。 Two transistor pairs 6021 are used to connect the terminal pair 6001 and the discharge battery cell group. Specifically, the discharge battery cell group and the terminal pair 6001 are connected by determining the connection destination of the two transistor pairs 6021 based on the control signal S1. The connection destinations of the two transistor pairs 6021 are controlled by the control signal S1 so that one is the terminal A1 and the other is the terminal A2.
切り替え回路6005は、複数のトランジスタ対6031と、バス6034及びバス6035とを有する。バス6034は、端子B1と接続されている。また、バス6035は、端子B2と接続されている。複数のトランジスタ対6031の一端は、それぞれトランジスタ6032とトランジスタ6033とにより分岐している。トランジスタ6032により分岐する一端は、バス6034と接続されている。また、トランジスタ6033により分岐する一端は、バス6035と接続されている。また、複数のトランジスタ対6031の他端は、それぞれ隣接する2つの電池セル6009の間に接続されている。なお、複数のトランジスタ対6031のうち、最上流に位置するトランジスタ対6031の他端は、電池部6008の最上流に位置する電池セル6009の正極端子と接続されている。また、複数のトランジスタ対6031のうち、最下流に位置するトランジスタ対6031の他端は、電池部6008の最下流に位置する電池セル6009の負極端子と接続されている。 The switching circuit 6005 includes a plurality of transistor pairs 6031, a bus 6034, and a bus 6035. The bus 6034 is connected to the terminal B1. The bus 6035 is connected to the terminal B2. One ends of the plurality of transistor pairs 6031 are branched by a transistor 6032 and a transistor 6033, respectively. One end branched by the transistor 6032 is connected to the bus 6034. One end branched by the transistor 6033 is connected to the bus 6035. The other ends of the plurality of transistor pairs 6031 are connected between two adjacent battery cells 6009. Note that, among the plurality of transistor pairs 6031, the other end of the uppermost transistor pair 6031 is connected to the positive terminal of the battery cell 6009 located on the uppermost stream of the battery portion 6008. Further, among the plurality of transistor pairs 6031, the other end of the transistor pair 6031 located on the most downstream side is connected to the negative electrode terminal of the battery cell 6009 located on the most downstream side of the battery unit 6008.
切り替え回路6005は、制御信号S2に応じてトランジスタ6032及びトランジスタ6033の導通/非導通状態を切り換えることにより、当該トランジスタ対6031の接続先を、端子B1又は端子B2のいずれか一方に切り替える。詳細には、トランジスタ6032が導通状態であれば、トランジスタ6033は非導通状態となり、その接続先は端子B1になる。逆に、トランジスタ6033が導通状態であれば、トランジスタ6032は非導通状態となり、その接続先は端子B2になる。トランジスタ6032及びトランジスタ6033のどちらが導通状態となるかは、制御信号S2によって決定される。 The switching circuit 6005 switches the connection destination of the transistor pair 6031 to either the terminal B1 or the terminal B2 by switching the conduction / non-conduction state of the transistor 6032 and the transistor 6033 according to the control signal S2. Specifically, when the transistor 6032 is in a conductive state, the transistor 6033 is in a non-conductive state, and the connection destination is the terminal B1. On the other hand, when the transistor 6033 is on, the transistor 6032 is off and the connection destination is the terminal B2. Which of the transistor 6032 and the transistor 6033 is turned on is determined by the control signal S2.
端子対6002と充電電池セル群とを接続するには、2つのトランジスタ対6031が用いられる。詳細には、制御信号S2に基づいて、2つのトランジスタ対6031の接続先がそれぞれ決定されることにより、充電電池セル群と端子対6002とが接続される。2つのトランジスタ対6031のそれぞれの接続先は、一方が端子B1となり、他方が端子B2となるように、制御信号S2によって制御される。 Two transistor pairs 6031 are used to connect the terminal pair 6002 and the rechargeable battery cell group. Specifically, the connection destination of the two transistor pairs 6031 is determined based on the control signal S2, whereby the rechargeable battery cell group and the terminal pair 6002 are connected. The connection destinations of the two transistor pairs 6031 are controlled by the control signal S2 so that one is the terminal B1 and the other is the terminal B2.
また、2つのトランジスタ対6031のそれぞれの接続先は、端子対6002に印加される電圧の極性によって決定される。具体的には、端子B1が正極、端子B2が負極となるような電圧が端子対6002に印加されている場合、上流側のトランジスタ対6031は、トランジスタ6032が導通状態となり、トランジスタ6033が非導通状態となるように、制御信号S2によって制御される。一方、下流側のトランジスタ対6031は、トランジスタ6033が導通状態、トランジスタ6032が非導通状態となるように、制御信号S2によって制御される。また、端子B1が負極、端子B2が正極となるような電圧が端子対6002に印加されている場合は、上流側のトランジスタ対6031は、トランジスタ6033が導通状態となり、トランジスタ6032が非導通状態となるように、制御信号S2によって制御される。一方、下流側のトランジスタ対6031は、トランジスタ6032が導通状態、トランジスタ6033が非導通状態となるように、制御信号S2によって制御される。このようにして、端子対6002と充電電池セル群との間で、同じ極性をもつ端子同士が接続される。そして、端子対6002から流れる電流の方向が、充電電池セル群を充電する方向となるように制御される。 The connection destination of each of the two transistor pairs 6031 is determined by the polarity of the voltage applied to the terminal pair 6002. Specifically, when a voltage is applied to the terminal pair 6002 so that the terminal B1 is a positive electrode and the terminal B2 is a negative electrode, the transistor pair 6031 on the upstream side is in a conductive state and the transistor 6033 is in a nonconductive state. It is controlled by the control signal S2 so as to be in a state. On the other hand, the transistor pair 6031 on the downstream side is controlled by the control signal S2 so that the transistor 6033 is turned on and the transistor 6032 is turned off. In addition, when a voltage is applied to the terminal pair 6002 so that the terminal B1 is a negative electrode and the terminal B2 is a positive electrode, the transistor pair 6031 on the upstream side is in a conductive state and the transistor 6032 is in a nonconductive state. It is controlled by the control signal S2. On the other hand, the transistor pair 6031 on the downstream side is controlled by the control signal S2 so that the transistor 6032 is conductive and the transistor 6033 is non-conductive. In this way, terminals having the same polarity are connected between the terminal pair 6002 and the rechargeable battery cell group. And the direction of the electric current which flows from the terminal pair 6002 is controlled so that it may become a direction which charges a charging battery cell group.
変圧制御回路6006は、変圧回路6007の動作を制御する。変圧制御回路6006は、放電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数と、充電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数とに基づいて、変圧回路6007の動作を制御する変圧信号S3を生成し、変圧回路6007へ出力する。 A transformation control circuit 6006 controls the operation of the transformation circuit 6007. The transformation control circuit 6006 generates a transformation signal S3 for controlling the operation of the transformation circuit 6007 based on the number of battery cells 6009 included in the discharge battery cell group and the number of battery cells 6009 included in the charge battery cell group. And output to the transformer circuit 6007.
なお、放電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数が充電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数よりも多い場合は、充電電池セル群に対して過剰に大きな充電電圧が印加されることを防止する必要がある。そのため、変圧制御回路6006は、充電電池セル群を充電できる範囲で放電電圧(Vdis)を降圧させるように変圧回路6007を制御する変圧信号S3を出力する。 When the number of battery cells 6009 included in the discharge battery cell group is larger than the number of battery cells 6009 included in the charge battery cell group, an excessively large charge voltage is applied to the charge battery cell group. Need to prevent. Therefore, the transformation control circuit 6006 outputs a transformation signal S3 for controlling the transformation circuit 6007 so as to step down the discharge voltage (Vdis) within a range in which the rechargeable battery cell group can be charged.
また、放電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数が、充電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数以下である場合は、充電電池セル群を充電するために必要な充電電圧を確保する必要がある。そのため、変圧制御回路6006は、充電電池セル群に過剰な充電電圧が印加されない範囲で放電電圧(Vdis)を昇圧させるように変圧回路6007を制御する変圧信号S3を出力する。 Further, when the number of battery cells 6009 included in the discharge battery cell group is equal to or less than the number of battery cells 6009 included in the charge battery cell group, a charging voltage necessary for charging the charge battery cell group is ensured. There is a need. Therefore, the transformation control circuit 6006 outputs a transformation signal S3 that controls the transformation circuit 6007 so as to boost the discharge voltage (Vdis) within a range where an excessive charging voltage is not applied to the rechargeable battery cell group.
なお、過剰な充電電圧とする電圧値は、電池部6008で使用される電池セル6009の製品仕様等に鑑みて決定することができる。また、変圧回路6007により昇圧及び降圧された電圧は、充電電圧(Vcha)として端子対6002に印加される。 Note that the voltage value for the excessive charging voltage can be determined in consideration of the product specifications of the battery cell 6009 used in the battery unit 6008. The voltage stepped up and stepped down by the transformer circuit 6007 is applied to the terminal pair 6002 as a charging voltage (Vcha).
ここで、本実施形態における変圧制御回路6006の動作例を、図22(A)乃至(C)を用いて説明する。図22(A)乃至(C)は、図19(A)乃至(C)で説明した放電電池セル群及び充電電池セル群に対応させた、変圧制御回路6006の動作例を説明するための概念図である。なお図22(A)乃至(C)は、電池制御ユニット6041を図示している。電池制御ユニット6041は、上述したように、端子対6001と、端子対6002と、切り替え制御回路6003と、切り替え回路6004と、切り替え回路6005と、変圧制御回路6006と、変圧回路6007とにより構成される。 Here, an operation example of the transformation control circuit 6006 in this embodiment will be described with reference to FIGS. 22A to 22C are conceptual diagrams for explaining an operation example of the transformation control circuit 6006 corresponding to the discharge battery cell group and the charge battery cell group described in FIGS. 19A to 19C. FIG. 22A to 22C show the battery control unit 6041. FIG. As described above, the battery control unit 6041 includes the terminal pair 6001, the terminal pair 6002, the switching control circuit 6003, the switching circuit 6004, the switching circuit 6005, the transformation control circuit 6006, and the transformation circuit 6007. The
図22(A)に示される例では、図19(A)で説明したように、連続する3つの高電圧セルa乃至cと、1つの低電圧セルdとが直列に接続されている。この場合、図19(A)を用いて説明したように、切り替え制御回路6003は、高電圧セルa乃至cを放電電池セル群として決定し、低電圧セルdを充電電池セル群として決定する。そして、変圧制御回路6006は、放電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数を基準とした時の、充電電地セル群に含まれる電池セル6009の個数の比に基づいて、放電電圧(Vdisの昇降圧比Nを算出する。 In the example shown in FIG. 22A, as described with reference to FIG. 19A, three continuous high-voltage cells a to c and one low-voltage cell d are connected in series. In this case, as described with reference to FIG. 19A, the switching control circuit 6003 determines the high voltage cells a to c as the discharge battery cell group and the low voltage cell d as the charge battery cell group. Then, the transformation control circuit 6006 determines the discharge voltage (Vdis) based on the ratio of the number of battery cells 6009 included in the charge electric cell group when the number of battery cells 6009 included in the discharge battery cell group is used as a reference. The step-up / step-down ratio N is calculated.
なお放電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数が、充電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数よりも多い場合に、放電電圧を変圧せずに端子対6002にそのまま印加すると、充電電池セル群に含まれる電池セル6009に、端子対6002を介して過剰な電圧が印加される可能性がある。そのため、図22(A)に示されるような場合では、端子対6002に印加される充電電圧(Vcha)を、放電電圧よりも降圧させる必要がある。さらに、充電電池セル群を充電するためには、充電電圧は、充電電池セル群に含まれる電池セル6009の合計電圧より大きい必要がある。そのため、変圧制御回路6006は、放電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数を基準とした時の、充電電地セル群に含まれる電池セル6009の個数の比よりも、昇降圧比Nを大きく設定する。 When the number of battery cells 6009 included in the discharge battery cell group is larger than the number of battery cells 6009 included in the charge battery cell group, if the discharge voltage is directly applied to the terminal pair 6002 without being transformed, the charge battery An excessive voltage may be applied to the battery cell 6009 included in the cell group via the terminal pair 6002. Therefore, in the case shown in FIG. 22A, it is necessary to step down the charging voltage (Vcha) applied to the terminal pair 6002 below the discharging voltage. Furthermore, in order to charge the charging battery cell group, the charging voltage needs to be larger than the total voltage of the battery cells 6009 included in the charging battery cell group. Therefore, the transformation control circuit 6006 has a step-up / step-down ratio N larger than the ratio of the number of battery cells 6009 included in the charging electric cell group when the number of battery cells 6009 included in the discharge battery cell group is used as a reference. Set.
変圧制御回路6006は、放電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数を基準とした時の、充電電地セル群に含まれる電池セル6009の個数の比に対して、昇降圧比Nを1乃至10%程度大きくするのが好ましい。この時、充電電圧は充電電池セル群の電圧よりも大きくなるが、実際には充電電圧は充電電池セル群の電圧と等しくなる。ただし、変圧制御回路6006は昇降圧比Nに従い充電電池セル群の電圧を充電電圧と等しくするために、充電電池セル群を充電する電流を流すこととなる。この電流は変圧制御回路6006に設定された値となる。 The transformation control circuit 6006 sets the step-up / step-down ratio N to 1 to the ratio of the number of battery cells 6009 included in the charging electric cell group when the number of battery cells 6009 included in the discharge battery cell group is used as a reference. It is preferable to increase it by about 10%. At this time, the charging voltage is larger than the voltage of the charging battery cell group, but in practice, the charging voltage is equal to the voltage of the charging battery cell group. However, in order to make the voltage of the charging battery cell group equal to the charging voltage in accordance with the step-up / down ratio N, the transformation control circuit 6006 passes a current for charging the charging battery cell group. This current is a value set in the transformation control circuit 6006.
図22(A)に示される例では、放電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数が3個で、充電電池セル群に含まれる電池セル6009の数が1個であるため、変圧制御回路6006は、1/3より少し大きい値を昇降圧比Nとして算出する。そして、変圧制御回路6006は、放電電圧を当該昇降圧比Nに応じて降圧し、充電電圧に変換する変圧信号S3を変圧回路6007に出力する。そして、変圧回路6007は、変圧信号S3に応じて変圧された充電電圧を、端子対6002に印加する。そして、端子対6002に印加される充電電圧によって、充電電池セル群に含まれる電池セル6009が充電される。 In the example shown in FIG. 22A, since the number of battery cells 6009 included in the discharge battery cell group is three and the number of battery cells 6009 included in the charge battery cell group is one, the transformation control circuit In 6006, a value slightly larger than 1/3 is calculated as the step-up / step-down ratio N. Then, the transformation control circuit 6006 steps down the discharge voltage according to the step-up / step-down ratio N, and outputs a transformation signal S3 that converts it to a charging voltage to the transformation circuit 6007. Then, the transformer circuit 6007 applies the charging voltage transformed according to the transformation signal S3 to the terminal pair 6002. Then, the battery cell 6009 included in the charged battery cell group is charged by the charging voltage applied to the terminal pair 6002.
また、図22(B)や図22(C)に示される例でも、図22(A)と同様に、昇降圧比Nが算出される。図22(B)や図22(C)に示される例では、放電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数が、充電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数以下であるため、昇降圧比Nは1以上となる。よって、この場合は、変圧制御回路6006は、放電電圧を昇圧して受電電圧に変換する変圧信号S3を出力する。 Also in the examples shown in FIGS. 22B and 22C, the step-up / step-down ratio N is calculated as in FIG. 22A. In the examples shown in FIGS. 22B and 22C, the number of battery cells 6009 included in the discharge battery cell group is equal to or less than the number of battery cells 6009 included in the charge battery cell group. N is 1 or more. Therefore, in this case, the transformation control circuit 6006 outputs a transformation signal S3 that boosts the discharge voltage and converts it into a received voltage.
変圧回路6007は、変圧信号S3に基づいて、端子対6001に印加される放電電圧を充電電圧に変換する。そして、変圧回路6007は、変換された充電電圧を端子対6002に印加する。ここで、変圧回路6007は、端子対6001と端子対6002との間を電気的に絶縁している。これにより、変圧回路6007は、放電電池セル群の中で最も下流に位置する電池セル6009の負極端子の絶対電圧と、充電電池セル群の中で最も下流に位置する電池セル6009の負極端子の絶対電圧との差異による短絡を防止する。さらに、変圧回路6007は、上述したように、変圧信号S3に基づいて放電電池セル群の合計電圧である放電電圧を充電電圧に変換する。 The transformer circuit 6007 converts the discharge voltage applied to the terminal pair 6001 into a charge voltage based on the transform signal S3. Then, the transformer circuit 6007 applies the converted charging voltage to the terminal pair 6002. Here, the transformer circuit 6007 electrically insulates between the terminal pair 6001 and the terminal pair 6002. Thereby, the transformer circuit 6007 has the absolute voltage of the negative electrode terminal of the battery cell 6009 located most downstream in the discharge battery cell group and the negative voltage terminal of the battery cell 6009 located most downstream in the charge battery cell group. Prevents short circuit due to difference from absolute voltage. Furthermore, as described above, the transformer circuit 6007 converts the discharge voltage, which is the total voltage of the discharge battery cell group, into a charge voltage based on the transform signal S3.
また、変圧回路6007は、例えば絶縁型DC(Direct Current)−DCコンバータ等を用いることができる。この場合、変圧制御回路6006は、絶縁型DC−DCコンバータのオン/オフ比(デューティー比)を制御する信号を変圧信号S3として出力することにより、変圧回路6007で変換される充電電圧を制御する。 In addition, for example, an insulating DC (Direct Current) -DC converter or the like can be used for the transformer circuit 6007. In this case, the transformation control circuit 6006 controls the charging voltage converted by the transformation circuit 6007 by outputting a signal for controlling the on / off ratio (duty ratio) of the isolated DC-DC converter as the transformation signal S3. .
なお、絶縁型DC−DCコンバータには、フライバック方式、フォワード方式、RCC(Ringing Choke Converter)方式、プッシュプル方式、ハーフブリッジ方式、及びフルブリッジ方式等が存在するが、目的とする出力電圧の大きさに応じて適切な方式が選択される。 Insulated DC-DC converters include flyback method, forward method, RCC (Ringing Choke Converter) method, push-pull method, half-bridge method, and full-bridge method. An appropriate method is selected according to the size.
絶縁型DC−DCコンバータを用いた変圧回路6007の構成を図23に示す。絶縁型DC−DCコンバータ6051は、スイッチ部6052とトランス部6053とを有する。スイッチ部6052は、絶縁型DC−DCコンバータの動作のオン/オフを切り替えるスイッチであり、例えば、MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)やバイポーラ型トランジスタ等を用いて実現される。また、スイッチ部6052は、変圧制御回路6006から出力される、オン/オフ比を制御する変圧信号S3に基づいて、絶縁型DC−DCコンバータ6051のオン状態とオフ状態を周期的に切り替える。なお、スイッチ部6052は、使用される絶縁型DC−DCコンバータの方式によって様々な構成を取り得る。トランス部6053は、端子対6001から印加される放電電圧を充電電圧に変換する。詳細には、トランス部6053は、スイッチ部6052のオン/オフ状態と連動して動作し、そのオン/オフ比に応じて放電電圧を充電電圧に変換する。この充電電圧は、スイッチ部6052のスイッチング周期において、オン状態となる時間が長いほど大きくなる。一方、充電電圧は、スイッチ部6052のスイッチング周期において、オン状態となる時間が短いほど小さくなる。なお、絶縁型DC−DCコンバータを用いる場合、トランス部6053の内部で、端子対6001と端子対6002は互いに絶縁することができる。 FIG. 23 shows a configuration of a transformer circuit 6007 using an insulated DC-DC converter. The insulated DC-DC converter 6051 includes a switch unit 6052 and a transformer unit 6053. The switch unit 6052 is a switch for switching on / off the operation of the insulated DC-DC converter, and is realized by using, for example, a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), a bipolar transistor, or the like. In addition, the switch unit 6052 periodically switches between the on state and the off state of the insulated DC-DC converter 6051 based on the transform signal S3 that is output from the transform control circuit 6006 and controls the on / off ratio. Note that the switch unit 6052 can have various configurations depending on the type of the insulation type DC-DC converter used. Transformer 6053 converts the discharge voltage applied from terminal pair 6001 into a charge voltage. Specifically, the transformer unit 6053 operates in conjunction with the on / off state of the switch unit 6052, and converts the discharge voltage into a charge voltage according to the on / off ratio. This charging voltage increases as the time in which the switch unit 6052 is turned on becomes longer in the switching cycle. On the other hand, the charging voltage becomes smaller as the time for which the on state is turned on is shorter in the switching period of the switch unit 6052. Note that in the case of using an insulated DC-DC converter, the terminal pair 6001 and the terminal pair 6002 can be insulated from each other inside the transformer unit 6053.
本実施形態における蓄電装置6000の処理の流れを、図24を用いて説明する。図24は、蓄電装置6000の処理の流れを示すフローチャートである。 A processing flow of the power storage device 6000 in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 24 is a flowchart illustrating a process flow of the power storage device 6000.
まず、蓄電装置6000は、複数の電池セル6009毎に測定された電圧を取得する(ステップS001)。そして、蓄電装置6000は、複数の電池セル6009の電圧を揃える動作の開始条件を満たすか否かを判定する(ステップS002)。この開始条件は、例えば、複数の電池セル6009毎に測定された電圧の最大値と最小値との差分が、所定の閾値以上か否か等とすることができる。この開始条件を満たさない場合は(ステップS002:NO)、各電池セル6009の電圧のバランスが取れている状態であるため、蓄電装置6000は、以降の処理を実行しない。一方、開始条件を満たす場合は(ステップS002:YES)、蓄電装置6000は、各電池セル6009の電圧を揃える処理を実行する。この処理において、蓄電装置6000は、測定されたセル毎の電圧に基づいて、各電池セル6009が高電圧セルか低電圧セルかを判定する(ステップS003)。そして、蓄電装置6000は、判定結果に基づいて、放電電池セル群及び充電電池セル群を決定する(ステップS004)。さらに、蓄電装置6000は、決定された放電電池セル群を端子対6001の接続先に設定する制御信号S1、及び決定された充電電池セル群を端子対6002の接続先に設定する制御信号S2を生成する(ステップS005)。蓄電装置6000は、生成された制御信号S1及び制御信号S2を、切り替え回路6004及び切り替え回路6005へそれぞれ出力する。そして、切り替え回路6004により、端子対6001と放電電池セル群とが接続され、切り替え回路6005により、端子対6002と放電電池セル群とが接続される(ステップS006)。また、蓄電装置6000は、放電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数と、充電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数とに基づいて、変圧信号S3を生成する(ステップS007)。そして、蓄電装置6000は、変圧信号S3に基づいて、端子対6001に印加される放電電圧を充電電圧に変換し、端子対6002に印加する(ステップS008)。これにより、放電電池セル群の電荷が充電電池セル群へ移動される。 First, the power storage device 6000 acquires the voltage measured for each of the plurality of battery cells 6009 (step S001). Then, power storage device 6000 determines whether or not an operation start condition for aligning the voltages of the plurality of battery cells 6009 is satisfied (step S002). The start condition can be, for example, whether or not the difference between the maximum value and the minimum value of the voltage measured for each of the plurality of battery cells 6009 is a predetermined threshold value or more. When this start condition is not satisfied (step S002: NO), the voltage of each battery cell 6009 is balanced, and thus the power storage device 6000 does not perform the subsequent processing. On the other hand, when the start condition is satisfied (step S002: YES), power storage device 6000 executes a process for aligning the voltages of battery cells 6009. In this process, the power storage device 6000 determines whether each battery cell 6009 is a high voltage cell or a low voltage cell based on the measured voltage for each cell (step S003). Then, the power storage device 6000 determines a discharge battery cell group and a charge battery cell group based on the determination result (step S004). Furthermore, power storage device 6000 provides a control signal S1 for setting the determined discharge battery cell group as a connection destination of terminal pair 6001, and a control signal S2 for setting the determined charge battery cell group as a connection destination of terminal pair 6002. Generate (step S005). The power storage device 6000 outputs the generated control signal S1 and control signal S2 to the switching circuit 6004 and the switching circuit 6005, respectively. Then, the switching circuit 6004 connects the terminal pair 6001 and the discharge battery cell group, and the switching circuit 6005 connects the terminal pair 6002 and the discharge battery cell group (step S006). The power storage device 6000 generates the transformation signal S3 based on the number of battery cells 6009 included in the discharge battery cell group and the number of battery cells 6009 included in the charge battery cell group (step S007). Then, the power storage device 6000 converts the discharge voltage applied to the terminal pair 6001 into a charging voltage based on the transformation signal S3 and applies it to the terminal pair 6002 (step S008). Thereby, the electric charge of the discharge battery cell group is moved to the charge battery cell group.
また、図24のフローチャートでは、複数のステップが順番に記載されているが、各ステップの実行順序は、その記載の順番に制限されない。 Further, in the flowchart of FIG. 24, a plurality of steps are described in order, but the execution order of each step is not limited to the description order.
以上、本実施形態によれば、放電電池セル群から充電電池セル群へ電荷を移動させる際、キャパシタ方式のように、放電電池セル群からの電荷を一旦蓄積し、その後充電電池セル群へ放出させるような構成を必要としない。これにより、単位時間あたりの電荷移動効率を向上させることができる。また、切り替え回路6004及び切り替え回路6005により、放電電池セル群及び充電電池セル群が各々個別に切り替えられる。 As described above, according to the present embodiment, when the charge is transferred from the discharge battery cell group to the charge battery cell group, the charge is temporarily accumulated from the discharge battery cell group and then released to the charge battery cell group as in the capacitor system. No configuration is required. Thereby, the charge transfer efficiency per unit time can be improved. Further, the discharge battery cell group and the charge battery cell group are individually switched by the switching circuit 6004 and the switching circuit 6005.
さらに、変圧回路6007により、放電電池セル群に含まれる電池セル6009の個数と充電電池セル群に含まれる電池セル6009群の個数とに基づいて、端子対6001に印加される放電電圧が充電電圧に変換され、端子対6002に印加される。これにより、放電側及び充電側の電池セル6009がどのように選択されても、問題なく電荷の移動を実現できる。 Furthermore, based on the number of battery cells 6009 included in the discharge battery cell group and the number of battery cells 6009 group included in the charge battery cell group by the transformer circuit 6007, the discharge voltage applied to the terminal pair 6001 is changed to the charge voltage. And applied to the terminal pair 6002. Thereby, no matter how the discharge-side and charge-side battery cells 6009 are selected, the movement of charges can be realized without any problem.
さらに、トランジスタ6010及びトランジスタ6013にOSトランジスタを用いることにより、充電電池セル群及び放電電池セル群に属しない電池セル6009から漏洩する電荷量を減らすことができる。これにより、充電及び放電に寄与しない電池セル6009の容量の低下を抑制することができる。また、OSトランジスタは、Siトランジスタに比べて熱に対する特性の変動が小さい。これにより、電池セル6009の温度が上昇しても、制御信号S1、S2に応じた導通状態と非導通状態の切り替えといった、正常な動作をさせることができる。 Further, by using an OS transistor for the transistor 6010 and the transistor 6013, the amount of charge leaked from the battery cell 6009 that does not belong to the charge battery cell group and the discharge battery cell group can be reduced. Thereby, the capacity | capacitance fall of the battery cell 6009 which does not contribute to charge and discharge can be suppressed. In addition, the OS transistor has less variation in characteristics with respect to heat than the Si transistor. Thereby, even if the temperature of the battery cell 6009 rises, normal operation such as switching between the conductive state and the non-conductive state according to the control signals S1 and S2 can be performed.
(実施の形態5)
本実施の形態では、可撓性を有する蓄電池を電子機器に実装する例について説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an example in which a storage battery having flexibility is mounted on an electronic device will be described.
実施の形態2に示す可撓性を有する蓄電池を電子機器に実装する例を図25に示す。フレキシブルな形状を備える蓄電装置を適用した電子機器として、例えば、テレビジョン装置(テレビ、又はテレビジョン受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。 FIG. 25 illustrates an example in which the flexible storage battery described in Embodiment 2 is mounted on an electronic device. As an electronic device to which a power storage device having a flexible shape is applied, for example, a television device (also referred to as a television or a television receiver), a monitor for a computer, a digital camera, a digital video camera, a digital photo frame, a mobile phone (Also referred to as a mobile phone or a mobile phone device), a portable game machine, a portable information terminal, a sound reproduction device, a large game machine such as a pachinko machine, and the like.
また、フレキシブルな形状を備える蓄電装置を、家屋やビルの内壁または外壁や、自動車の内装または外装の曲面に沿って組み込むことも可能である。 In addition, a power storage device having a flexible shape can be incorporated along a curved surface of an inner wall or an outer wall of a house or a building, or an interior or exterior of an automobile.
図25(A)は、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機7400は、筐体7401に組み込まれた表示部7402の他、操作ボタン7403、外部接続ポート7404、スピーカ7405、マイク7406などを備えている。なお、携帯電話機7400は、蓄電装置7407を有している。 FIG. 25A illustrates an example of a mobile phone. A mobile phone 7400 is provided with a display portion 7402 incorporated in a housing 7401, operation buttons 7403, an external connection port 7404, a speaker 7405, a microphone 7406, and the like. Note that the mobile phone 7400 includes a power storage device 7407.
図25(B)は、携帯電話機7400を湾曲させた状態を示している。携帯電話機7400を外部の力により変形させて全体を湾曲させると、その内部に設けられている蓄電装置7407も湾曲される。また、その時、曲げられた蓄電装置7407の状態を図25(C)に示す。蓄電装置7407は薄型の蓄電池である。蓄電装置7407は曲げられた状態で固定されている。なお、蓄電装置7407は集電体7409と電気的に接続されたリード電極7408を有している。例えば、集電体7409は銅箔であり、一部ガリウムと合金化させて、集電体7409と接する活物質層との密着性を向上し、蓄電装置7407が曲げられた状態での信頼性が高い構成となっている。 FIG. 25B illustrates a state where the mobile phone 7400 is bent. When the cellular phone 7400 is deformed by an external force to bend the whole, the power storage device 7407 provided therein is also curved. In addition, FIG. 25C illustrates a state of the power storage device 7407 bent at that time. The power storage device 7407 is a thin storage battery. The power storage device 7407 is fixed in a bent state. Note that the power storage device 7407 includes a lead electrode 7408 electrically connected to the current collector 7409. For example, the current collector 7409 is a copper foil, which is partly alloyed with gallium to improve adhesion with the active material layer in contact with the current collector 7409, and reliability in a state where the power storage device 7407 is bent. Has a high configuration.
図25(D)は、バングル型の表示装置の一例を示している。携帯表示装置7100は、筐体7101、表示部7102、操作ボタン7103、及び蓄電装置7104を備える。また、図25(E)に曲げられた蓄電装置7104の状態を示す。蓄電装置7104は曲げられた状態で使用者の腕への装着時に、筐体が変形して蓄電装置7104の一部または全部の曲率が変化する。なお、曲線の任意の点における曲がり具合を相当する円の半径の値で表したものを曲率半径であり、曲率半径の逆数を曲率と呼ぶ。具体的には、曲率半径が40mm以上150mm以下の範囲内で筐体または蓄電装置7104の主表面の一部または全部が変化する。蓄電装置7104の主表面における曲率半径が40mm以上150mm以下の範囲であれば、高い信頼性を維持できる。 FIG. 25D illustrates an example of a bangle display device. A portable display device 7100 includes a housing 7101, a display portion 7102, operation buttons 7103, and a power storage device 7104. FIG. 25E shows the state of the power storage device 7104 bent. When the power storage device 7104 is bent and attached to the user's arm, the housing is deformed and the curvature of part or all of the power storage device 7104 changes. Note that the curvature at a given point of the curve expressed by the value of the radius of the corresponding circle is the curvature radius, and the reciprocal of the curvature radius is called the curvature. Specifically, part or all of the main surface of the housing or the power storage device 7104 changes within a radius of curvature of 40 mm to 150 mm. High reliability can be maintained if the radius of curvature of the main surface of the power storage device 7104 is in the range of 40 mm to 150 mm.
図25(F)は、腕時計型の携帯情報端末の一例を示している。携帯情報端末7200は、筐体7201、表示部7202、バンド7203、バックル7204、操作ボタン7205、入出力端子7206などを備える。 FIG. 25F illustrates an example of a wristwatch-type portable information terminal. A portable information terminal 7200 includes a housing 7201, a display portion 7202, a band 7203, a buckle 7204, operation buttons 7205, an input / output terminal 7206, and the like.
携帯情報端末7200は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。 The portable information terminal 7200 can execute various applications such as a mobile phone, electronic mail, text browsing and creation, music playback, Internet communication, and computer games.
表示部7202はその表示面が湾曲して設けられ、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、表示部7202はタッチセンサを備え、指やスタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示部7202に表示されたアイコン7207に触れることで、アプリケーションを起動することができる。 The display portion 7202 is provided with a curved display surface, and display can be performed along the curved display surface. The display portion 7202 includes a touch sensor and can be operated by touching the screen with a finger, a stylus, or the like. For example, an application can be started by touching an icon 7207 displayed on the display portion 7202.
操作ボタン7205は、時刻設定のほか、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除など、様々な機能を持たせることができる。例えば、携帯情報端末7200に組み込まれたオペレーションシステムにより、操作ボタン7205の機能を自由に設定することもできる。 The operation button 7205 can have various functions such as power on / off operation, wireless communication on / off operation, manner mode execution and release, and power saving mode execution and release, in addition to time setting. . For example, the function of the operation button 7205 can be freely set by an operation system incorporated in the portable information terminal 7200.
また、携帯情報端末7200は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。 In addition, the portable information terminal 7200 can perform short-range wireless communication with a communication standard. For example, it is possible to talk hands-free by communicating with a headset capable of wireless communication.
また、携帯情報端末7200は入出力端子7206を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また入出力端子7206を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は入出力端子7206を介さずに無線給電により行ってもよい。 In addition, the portable information terminal 7200 includes an input / output terminal 7206, and can directly exchange data with other information terminals via a connector. Charging can also be performed through the input / output terminal 7206. Note that the charging operation may be performed by wireless power feeding without using the input / output terminal 7206.
携帯情報端末7200の表示部7202には、本発明の一態様の電極部材を備える蓄電装置を有している。例えば、図25(E)に示した蓄電装置7104を、筐体7201の内部に湾曲した状態で、またはバンド7203の内部に湾曲可能な状態で組み込むことができる。 The display portion 7202 of the portable information terminal 7200 includes a power storage device including the electrode member of one embodiment of the present invention. For example, the power storage device 7104 illustrated in FIG. 25E can be incorporated in the housing 7201 in a curved state or in the band 7203 in a bendable state.
図25(G)は、腕章型の表示装置の一例を示している。表示装置7300は、表示部7304を有し、本発明の一態様の蓄電装置を有している。また、表示装置7300は、表示部7304にタッチセンサを備えることもでき、また、携帯情報端末として機能させることもできる。 FIG. 25G illustrates an example of an armband display device. The display device 7300 includes the display portion 7304 and includes the power storage device of one embodiment of the present invention. In addition, the display device 7300 can include a touch sensor in the display portion 7304 and can function as a portable information terminal.
表示部7304はその表示面が湾曲しており、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、表示装置7300は、通信規格された近距離無線通信などにより、表示状況を変更することができる。 The display portion 7304 has a curved display surface, and can perform display along the curved display surface. In addition, the display device 7300 can change the display status through short-range wireless communication that is a communication standard.
また、表示装置7300は入出力端子を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また入出力端子を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は入出力端子を介さずに無線給電により行ってもよい。 In addition, the display device 7300 includes an input / output terminal, and can directly exchange data with another information terminal via a connector. Charging can also be performed via an input / output terminal. Note that the charging operation may be performed by wireless power feeding without using the input / output terminal.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
(実施の形態6)
本実施の形態では、蓄電装置を搭載することのできる電子機器の一例を示す。
(Embodiment 6)
In this embodiment, an example of an electronic device in which the power storage device can be mounted is described.
図26(A)および図26(B)に、2つ折り可能なタブレット型端末の一例を示す。図26(A)および図26(B)に示すタブレット型端末9600は、筐体9630a、筐体9630b、筐体9630aと筐体9630bを接続する可動部9640、表示部9631aと表示部9631bを有する表示部9631、表示モード切り替えスイッチ9626、電源スイッチ9627、省電力モード切り替えスイッチ9625、留め具9629、操作スイッチ9628、を有する。図26(A)は、タブレット型端末9600を開いた状態を示し、図26(B)は、タブレット型端末9600を閉じた状態を示している。 FIG. 26A and FIG. 26B illustrate an example of a tablet terminal that can be folded. A tablet terminal 9600 illustrated in FIGS. 26A and 26B includes a housing 9630a, a housing 9630b, a movable portion 9640 connecting the housing 9630a and the housing 9630b, a display portion 9631a, and a display portion 9631b. A display portion 9631, a display mode switching switch 9626, a power switch 9627, a power saving mode switching switch 9625, a fastener 9629, and an operation switch 9628 are provided. FIG. 26A shows a state in which the tablet terminal 9600 is opened, and FIG. 26B shows a state in which the tablet terminal 9600 is closed.
また、タブレット型端末9600は、筐体9630aおよび筐体9630bの内部に蓄電体9635を有する。蓄電体9635は、可動部9640を通り、筐体9630aと筐体9630bに渡って設けられている。 In addition, the tablet terminal 9600 includes a power storage unit 9635 inside the housing 9630a and the housing 9630b. The power storage unit 9635 is provided across the housing 9630a and the housing 9630b through the movable portion 9640.
表示部9631aは、一部をタッチパネルの領域9632aとすることができ、表示された操作キー9638にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部9631aにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分の領域がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが該構成に限定されない。表示部9631aの全ての領域がタッチパネルの機能を有する構成としても良い。例えば、表示部9631aの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部9631bを表示画面として用いることができる。 Part of the display portion 9631 a can be a touch panel region 9632 a and data can be input when a displayed operation key 9638 is touched. Note that in the display portion 9631a, for example, a structure in which half of the regions have a display-only function and a structure in which the other half has a touch panel function is shown, but the structure is not limited thereto. The entire region of the display portion 9631a may have a touch panel function. For example, the entire surface of the display portion 9631a can display keyboard buttons to serve as a touch panel, and the display portion 9631b can be used as a display screen.
また、表示部9631bにおいても表示部9631aと同様に、表示部9631bの一部をタッチパネルの領域9632bとすることができる。また、タッチパネルのキーボード表示切り替えボタン9639が表示されている位置に指やスタイラスなどでふれることで表示部9631bにキーボードボタン表示することができる。 Further, in the display portion 9631b, as in the display portion 9631a, part of the display portion 9631b can be a touch panel region 9632b. Further, a keyboard button can be displayed on the display portion 9631b by touching a position where the keyboard display switching button 9539 on the touch panel is displayed with a finger or a stylus.
また、タッチパネルの領域9632aとタッチパネルの領域9632bに対して同時にタッチ入力することもできる。 Touch input can be performed simultaneously on the touch panel region 9632a and the touch panel region 9632b.
また、表示モード切り替えスイッチ9626は、縦表示又は横表示などの表示の向きを切り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイッチ9625は、タブレット型端末9600に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサだけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内蔵させてもよい。 A display mode switching switch 9626 can switch a display direction such as a vertical display or a horizontal display, and can select a monochrome display or a color display. The power saving mode change-over switch 9625 can optimize the display luminance in accordance with the amount of external light in use detected by an optical sensor incorporated in the tablet terminal 9600. The tablet terminal may include not only an optical sensor but also other detection devices such as a gyroscope, an acceleration sensor, and other sensors that detect inclination.
また、図26(A)では表示部9631bと表示部9631aの表示面積が同じ例を示しているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネルとしてもよい。 FIG. 26A illustrates an example in which the display areas of the display portion 9631b and the display portion 9631a are the same; however, there is no particular limitation, and one size may differ from the other size, and the display quality may also be different. May be different. For example, one display panel may be capable of displaying images with higher definition than the other.
図26(B)は、閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体9630、太陽電池9633、DCDCコンバータ9636を含む充放電制御回路9634有する。また、蓄電体9635として、本発明の一態様に係る蓄電体を用いる。 FIG. 26B illustrates a closed state, in which the tablet terminal includes a charge / discharge control circuit 9634 including a housing 9630, a solar battery 9633, and a DCDC converter 9636. Further, as the power storage unit 9635, the power storage unit according to one embodiment of the present invention is used.
なお、タブレット型端末9600は2つ折り可能なため、未使用時に筐体9630aおよび筐体9630bを重ね合せるように折りたたむことができる。折りたたむことにより、表示部9631a、表示部9631bを保護できるため、タブレット型端末9600の耐久性を高めることができる。また、本発明の一態様の蓄電体を用いた蓄電体9635は可撓性を有し、曲げ伸ばしを繰り返しても充放電容量が低下しにくい。よって、信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。 Note that since the tablet terminal 9600 can be folded in two, the housing 9630a and the housing 9630b can be folded so as to overlap when not in use. By folding, the display portion 9631a and the display portion 9631b can be protected; thus, durability of the tablet terminal 9600 can be improved. Further, the power storage unit 9635 using the power storage unit of one embodiment of the present invention has flexibility, and thus the charge / discharge capacity is hardly reduced even when bending and stretching are repeated. Therefore, a tablet terminal with excellent reliability can be provided.
また、この他にも図26(A)および図26(B)に示したタブレット型端末は、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作又は編集するタッチ入力機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、等を有することができる。 In addition, the tablet terminal shown in FIGS. 26A and 26B has a function for displaying various information (still images, moving images, text images, etc.), a calendar, a date, or a time. A function for displaying on the display unit, a touch input function for performing touch input operation or editing of information displayed on the display unit, a function for controlling processing by various software (programs), and the like can be provided.
タブレット型端末の表面に装着された太陽電池9633によって、電力をタッチパネル、表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池9633は、筐体9630の片面又は両面に設けることができ、バッテリー9635の充電を効率的に行う構成とすることができる。なお蓄電体9635としては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。 Electric power can be supplied to the touch panel, the display unit, the video signal processing unit, or the like by the solar battery 9633 mounted on the surface of the tablet terminal. Note that the solar cell 9633 can be provided on one or both surfaces of the housing 9630 and the battery 9635 can be charged efficiently. Note that as the power storage unit 9635, when a lithium ion battery is used, there is an advantage that the size can be reduced.
また、図26(B)に示す充放電制御回路9634の構成、および動作について図26(C)にブロック図を示し説明する。図26(C)には、太陽電池9633、蓄電体9635、DCDCコンバータ9636、コンバータ9637、スイッチSW1乃至SW3、表示部9631について示しており、蓄電体9635、DCDCコンバータ9636、コンバータ9637、スイッチSW1乃至SW3が、図26(B)に示す充放電制御回路9634に対応する箇所となる。 The structure and operation of the charge / discharge control circuit 9634 illustrated in FIG. 26B are described with reference to a block diagram in FIG. FIG. 26C illustrates the solar battery 9633, the power storage unit 9635, the DCDC converter 9636, the converter 9637, the switches SW1 to SW3, and the display portion 9631. The power storage unit 9635, the DCDC converter 9636, the converter 9637, and the switches SW1 to SW3 are illustrated. SW3 corresponds to the charge / discharge control circuit 9634 shown in FIG.
まず外光により太陽電池9633により発電がされる場合の動作の例について説明する。太陽電池で発電した電力は、蓄電体9635を充電するための電圧となるようDCDCコンバータ9636で昇圧又は降圧がなされる。そして、表示部9631の動作に太陽電池9633からの電力が用いられる際にはスイッチSW1をオンにし、コンバータ9637で表示部9631に必要な電圧に昇圧又は降圧をすることとなる。また、表示部9631での表示を行わない際には、SW1をオフにし、SW2をオンにして蓄電体9635の充電を行う構成とすればよい。 First, an example of operation in the case where power is generated by the solar battery 9633 using external light is described. The power generated by the solar battery is boosted or lowered by the DCDC converter 9636 so as to be a voltage for charging the power storage unit 9635. When power from the solar cell 9633 is used for the operation of the display portion 9631, the switch SW1 is turned on, and the converter 9637 increases or decreases the voltage required for the display portion 9631. In the case where display on the display portion 9631 is not performed, the power storage unit 9635 may be charged by turning off SW1 and turning on SW2.
なお太陽電池9633については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧電素子(ピエゾ素子)や熱電変換素子(ペルティエ素子)などの他の発電手段による蓄電体9635の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線(非接触)で電力を送受信して充電する無接点電力伝送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成としてもよい。 Note that the solar battery 9633 is described as an example of the power generation unit, but is not particularly limited, and the power storage unit 9635 is charged by another power generation unit such as a piezoelectric element (piezo element) or a thermoelectric conversion element (Peltier element). It may be. For example, a non-contact power transmission module that wirelessly (contactlessly) transmits and receives power for charging and other charging means may be combined.
図27に、他の電子機器の例を示す。図27において、表示装置8000は、本発明の一態様に係る蓄電装置8004を用いた電子機器の一例である。具体的に、表示装置8000は、TV放送受信用の表示装置に相当し、筐体8001、表示部8002、スピーカ部8003、蓄電装置8004等を有する。本発明の一態様に係る蓄電装置8004は、筐体8001の内部に設けられている。表示装置8000は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置8004に蓄積された電力を用いることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様に係る蓄電装置8004を無停電電源として用いることで、表示装置8000の利用が可能となる。 FIG. 27 illustrates an example of another electronic device. In FIG 27, a display device 8000 is an example of an electronic device including the power storage device 8004 according to one embodiment of the present invention. Specifically, the display device 8000 corresponds to a display device for TV broadcast reception, and includes a housing 8001, a display portion 8002, a speaker portion 8003, a power storage device 8004, and the like. A power storage device 8004 according to one embodiment of the present invention is provided inside the housing 8001. The display device 8000 can receive power from a commercial power supply. Alternatively, the display device 8000 can use power stored in the power storage device 8004. Thus, the display device 8000 can be used by using the power storage device 8004 according to one embodiment of the present invention as an uninterruptible power supply even when power cannot be supplied from a commercial power supply due to a power failure or the like.
表示部8002には、液晶表示装置、有機EL素子などの発光素子を各画素に備えた発光装置、電気泳動表示装置、DMD(Digital Micromirror Device)、PDP(Plasma Display Panel)、FED(Field Emission Display)などの、半導体表示装置を用いることができる。 A display portion 8002 includes a liquid crystal display device, a light-emitting device including a light-emitting element such as an organic EL element, an electrophoretic display device, a DMD (Digital Micromirror Device), a PDP (Plasma Display Panel), and an FED (Field Emission Display). A semiconductor display device such as) can be used.
なお、表示装置には、TV放送受信用の他、パーソナルコンピュータ用、広告表示用など、全ての情報表示用表示装置が含まれる。 The display device includes all information display devices such as a personal computer and an advertisement display in addition to a TV broadcast reception.
図27において、据え付け型の照明装置8100は、本発明の一態様に係る蓄電装置8103を用いた電子機器の一例である。具体的に、照明装置8100は、筐体8101、光源8102、蓄電装置8103等を有する。図27では、蓄電装置8103が、筐体8101及び光源8102が据え付けられた天井8104の内部に設けられている場合を例示しているが、蓄電装置8103は、筐体8101の内部に設けられていても良い。照明装置8100は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置8103に蓄積された電力を用いることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様に係る蓄電装置8103を無停電電源として用いることで、照明装置8100の利用が可能となる。 In FIG 27, a stationary lighting device 8100 is an example of an electronic device including the power storage device 8103 according to one embodiment of the present invention. Specifically, the lighting device 8100 includes a housing 8101, a light source 8102, a power storage device 8103, and the like. 27 illustrates the case where the power storage device 8103 is provided inside the ceiling 8104 where the housing 8101 and the light source 8102 are installed, the power storage device 8103 is provided inside the housing 8101. May be. The lighting device 8100 can receive power from a commercial power supply. Alternatively, the lighting device 8100 can use power stored in the power storage device 8103. Therefore, the lighting device 8100 can be used by using the power storage device 8103 according to one embodiment of the present invention as an uninterruptible power supply even when power cannot be supplied from a commercial power supply due to a power failure or the like.
なお、図27では天井8104に設けられた据え付け型の照明装置8100を例示しているが、本発明の一態様に係る蓄電装置は、天井8104以外、例えば側壁8105、床8106、窓8107等に設けられた据え付け型の照明装置に用いることもできるし、卓上型の照明装置などに用いることもできる。 Note that although a stationary lighting device 8100 provided on the ceiling 8104 is illustrated in FIG. 27, the power storage device according to one embodiment of the present invention is not provided on the ceiling 8104, for example, on the sidewall 8105, the floor 8106, the window 8107, or the like. It can be used for a stationary lighting device provided, or can be used for a desktop lighting device or the like.
また、光源8102には、電力を利用して人工的に光を得る人工光源を用いることができる。具体的には、白熱電球、蛍光灯などの放電ランプ、LEDや有機EL素子などの発光素子が、上記人工光源の一例として挙げられる。 The light source 8102 can be an artificial light source that artificially obtains light using electric power. Specifically, discharge lamps such as incandescent bulbs and fluorescent lamps, and light emitting elements such as LEDs and organic EL elements are examples of the artificial light source.
図27において、室内機8200及び室外機8204を有するエアコンディショナーは、本発明の一態様に係る蓄電装置8203を用いた電子機器の一例である。具体的に、室内機8200は、筐体8201、送風口8202、蓄電装置8203等を有する。図27では、蓄電装置8203が、室内機8200に設けられている場合を例示しているが、蓄電装置8203は室外機8204に設けられていても良い。或いは、室内機8200と室外機8204の両方に、蓄電装置8203が設けられていても良い。エアコンディショナーは、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置8203に蓄積された電力を用いることもできる。特に、室内機8200と室外機8204の両方に蓄電装置8203が設けられている場合、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様に係る蓄電装置8203を無停電電源として用いることで、エアコンディショナーの利用が可能となる。 In FIG 27, an air conditioner including an indoor unit 8200 and an outdoor unit 8204 is an example of an electronic device using the power storage device 8203 according to one embodiment of the present invention. Specifically, the indoor unit 8200 includes a housing 8201, an air outlet 8202, a power storage device 8203, and the like. FIG. 27 illustrates the case where the power storage device 8203 is provided in the indoor unit 8200, but the power storage device 8203 may be provided in the outdoor unit 8204. Alternatively, the power storage device 8203 may be provided in both the indoor unit 8200 and the outdoor unit 8204. The air conditioner can receive power from a commercial power supply. Alternatively, the air conditioner can use power stored in the power storage device 8203. In particular, in the case where the power storage device 8203 is provided in both the indoor unit 8200 and the outdoor unit 8204, the power storage device 8203 according to one embodiment of the present invention can be disconnected even when power supply from a commercial power source cannot be received due to a power failure or the like. By using it as a power failure power supply, an air conditioner can be used.
なお、図27では、室内機と室外機で構成されるセパレート型のエアコンディショナーを例示しているが、室内機の機能と室外機の機能とを1つの筐体に有する一体型のエアコンディショナーに、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることもできる。 In FIG. 27, a separate type air conditioner composed of an indoor unit and an outdoor unit is illustrated, but an integrated air conditioner having the functions of the indoor unit and the outdoor unit in one housing is shown. The power storage device according to one embodiment of the present invention can also be used.
図27において、電気冷凍冷蔵庫8300は、本発明の一態様に係る蓄電装置8304を用いた電子機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫8300は、筐体8301、冷蔵室用扉8302、冷凍室用扉8303、蓄電装置8304等を有する。図27では、蓄電装置8304が、筐体8301の内部に設けられている。電気冷凍冷蔵庫8300は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置8304に蓄積された電力を用いることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様に係る蓄電装置8304を無停電電源として用いることで、電気冷凍冷蔵庫8300の利用が可能となる。 In FIG 27, an electric refrigerator-freezer 8300 is an example of an electronic device including the power storage device 8304 according to one embodiment of the present invention. Specifically, the electric refrigerator-freezer 8300 includes a housing 8301, a refrigerator door 8302, a freezer door 8303, a power storage device 8304, and the like. In FIG. 27, the power storage device 8304 is provided inside the housing 8301. The electric refrigerator-freezer 8300 can receive power from a commercial power supply. Alternatively, the electric refrigerator-freezer 8300 can use power stored in the power storage device 8304. Therefore, the electric refrigerator-freezer 8300 can be used by using the power storage device 8304 according to one embodiment of the present invention as an uninterruptible power supply even when power cannot be supplied from a commercial power supply due to a power failure or the like.
なお、上述した電子機器のうち、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器などの電子機器は、短時間で高い電力を必要とする。よって、商用電源では賄いきれない電力を補助するための補助電源として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることで、電子機器の使用時に商用電源のブレーカーが落ちるのを防ぐことができる。 Note that among the electronic devices described above, a high-frequency heating device such as a microwave oven and an electronic device such as an electric rice cooker require high power in a short time. Therefore, by using the power storage device according to one embodiment of the present invention as an auxiliary power source for assisting electric power that cannot be supplied by a commercial power source, a breaker of the commercial power source can be prevented from falling when the electronic device is used.
また、電子機器が使用されない時間帯、特に、商用電源の供給元が供給可能な総電力量のうち、実際に使用される電力量の割合(電力使用率と呼ぶ)が低い時間帯において、蓄電装置に電力を蓄えておくことで、上記時間帯以外において電力使用率が高まるのを抑えることができる。例えば、電気冷凍冷蔵庫8300の場合、気温が低く、冷蔵室用扉8302、冷凍室用扉8303の開閉が行われない夜間において、蓄電装置8304に電力を蓄える。そして、気温が高くなり、冷蔵室用扉8302、冷凍室用扉8303の開閉が行われる昼間において、蓄電装置8304を補助電源として用いることで、昼間の電力使用率を低く抑えることができる。 In addition, when the electronic equipment is not used, especially during the time when the ratio of the actually used power amount (referred to as the power usage rate) is low in the total power amount that can be supplied by the commercial power supply source. By storing electric power in the apparatus, it is possible to suppress an increase in the power usage rate outside the above time period. For example, in the case of the electric refrigerator-freezer 8300, electric power is stored in the power storage device 8304 at night when the temperature is low and the refrigerator door 8302 and the refrigerator door 8303 are not opened and closed. In the daytime when the temperature rises and the refrigerator door 8302 and the freezer door 8303 are opened and closed, the power storage device 8304 is used as an auxiliary power source, so that the daytime power usage rate can be kept low.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
(実施の形態7)
本実施の形態では、車両に蓄電装置を搭載する例を示す。
(Embodiment 7)
In this embodiment, an example in which a power storage device is mounted on a vehicle is shown.
また、蓄電装置を車両に搭載すると、ハイブリッド車(HEV)、電気自動車(EV)、又はプラグインハイブリッド車(PHEV)等の次世代クリーンエネルギー自動車を実現できる。 When the power storage device is mounted on a vehicle, a next-generation clean energy vehicle such as a hybrid vehicle (HEV), an electric vehicle (EV), or a plug-in hybrid vehicle (PHEV) can be realized.
図28において、本発明の一態様を用いた車両を例示する。図28(A)に示す自動車8400は、走行のための動力源として電気モーターを用いる電気自動車である。または、走行のための動力源として電気モーターとエンジンを適宜選択して用いることが可能なハイブリッド自動車である。本発明の一態様を用いることで、航続距離の長い車両を実現することができる。また、自動車8400は蓄電装置を有する。蓄電装置は電気モーターを駆動するだけでなく、ヘッドライト8401やルームライト(図示せず)などの発光装置に電力を供給することができる。 FIG. 28 illustrates a vehicle using one embodiment of the present invention. A car 8400 illustrated in FIG. 28A is an electric car using an electric motor as a power source for traveling. Or it is a hybrid vehicle which can select and use an electric motor and an engine suitably as a motive power source for driving | running | working. By using one embodiment of the present invention, a vehicle having a long cruising distance can be realized. The automobile 8400 includes a power storage device. The power storage device can not only drive an electric motor but also supply power to a light-emitting device such as a headlight 8401 or a room light (not shown).
また、蓄電装置は、自動車8400が有するスピードメーター、タコメーターなどの表示装置に電力を供給することができる。また、蓄電装置は、自動車8400が有するナビゲーションシステムなどの半導体装置に電力を供給することができる。 The power storage device can supply power to a display device such as a speedometer or a tachometer included in the automobile 8400. The power storage device can supply power to a semiconductor device such as a navigation system included in the automobile 8400.
図28(B)に示す自動車8500は、自動車8500が有する蓄電装置にプラグイン方式や非接触給電方式等により外部の充電設備から電力供給を受けて、充電することができる。図28(B)に、地上設置型の充電装置8021から自動車8500に搭載された蓄電装置に、ケーブル8022を介して充電を行っている状態を示す。充電に際しては、充電方法やコネクターの規格等はCHAdeMO(登録商標)やコンボ等の所定の方式で適宜行えばよい。充電装置8021は、商用施設に設けられた充電ステーションでもよく、また家庭の電源であってもよい。例えば、プラグイン技術によって、外部からの電力供給により自動車8500に搭載された蓄電装置8024を充電することができる。充電は、ACDCコンバータ等の変換装置を介して、交流電力を直流電力に変換して行うことができる。 A car 8500 illustrated in FIG. 28B can charge a power storage device included in the car 8500 by receiving power from an external charging facility by a plug-in method, a non-contact power feeding method, or the like. FIG. 28B illustrates a state where charging is performed from the ground-mounted charging device 8021 to the power storage device mounted on the automobile 8500 through the cable 8022. When charging, the charging method, connector standard, and the like may be appropriately performed by a predetermined method such as CHAdeMO (registered trademark) or a combo. The charging device 8021 may be a charging station provided in a commercial facility, or may be a household power source. For example, the power storage device 8024 mounted on the automobile 8500 can be charged by power supply from the outside by plug-in technology. Charging can be performed by converting AC power into DC power via a converter such as an ACDC converter.
また、図示しないが、受電装置を車両に搭載し、地上の送電装置から電力を非接触で供給して充電することもできる。この非接触給電方式の場合には、道路や外壁に送電装置を組み込むことで、停車中に限らず走行中に充電を行うこともできる。また、この非接触給電の方式を利用して、車両どうしで電力の送受信を行ってもよい。さらに、車両の外装部に太陽電池を設け、停車時や走行時に蓄電装置の充電を行ってもよい。このような非接触での電力の供給には、電磁誘導方式や磁界共鳴方式を用いることができる。 In addition, although not shown, the power receiving device can be mounted on the vehicle, and electric power can be supplied from the ground power transmitting device in a contactless manner and charged. In the case of this non-contact power supply method, charging can be performed not only when the vehicle is stopped but also during traveling by incorporating a power transmission device on a road or an outer wall. In addition, this non-contact power feeding method may be used to transmit and receive power between vehicles. Furthermore, a solar battery may be provided in the exterior portion of the vehicle, and the power storage device may be charged when the vehicle is stopped or traveling. An electromagnetic induction method or a magnetic field resonance method can be used for such non-contact power supply.
本発明の一態様によれば、蓄電装置のサイクル特性が良好となり、信頼性を向上させることができる。また、本発明の一態様によれば、蓄電装置の特性を向上することができ、よって、蓄電装置自体を小型軽量化することができる。蓄電装置自体を小型軽量化できれば、車両の軽量化に寄与するため、航続距離を向上させることができる。また、車両に搭載した蓄電装置を車両以外の電力供給源として用いることもできる。この場合、電力需要のピーク時に商用電源を用いることを回避することができる。 According to one embodiment of the present invention, cycle characteristics of a power storage device can be improved, and reliability can be improved. According to one embodiment of the present invention, characteristics of the power storage device can be improved, and thus the power storage device itself can be reduced in size and weight. If the power storage device itself can be reduced in size and weight, the cruising distance can be improved because it contributes to weight reduction of the vehicle. In addition, a power storage device mounted on a vehicle can be used as a power supply source other than the vehicle. In this case, it is possible to avoid using a commercial power source at the peak of power demand.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
本実施例では、実施の形態1で示した方法を用いて、活物質を作製し、当該活物質を含む電極を用いた電池の特性について測定した結果について説明する。 In this example, the results of measuring the characteristics of a battery using the method described in Embodiment 1 and manufacturing an active material and using an electrode including the active material will be described.
〈リチウムマンガン複合酸化物の合成〉
はじめに、出発原料として、Li2CO3と、MnCO3、NiOとを用い、出発原料の秤量の割合(モル比)を、Li2CO3:MnCO3:NiO=0.84:0.8062:0.318となるように秤量した。次に、出発原料にエタノールを加えた後、ビーズミルを用いて混合した。混合処理は、ビーズミルの処理室を周速10m/secで回転させ、混合時間30分にて行うことにより、混合原料を得た。
<Synthesis of lithium manganese composite oxide>
First, Li 2 CO 3 , MnCO 3 , and NiO are used as starting materials, and the ratio (molar ratio) of the starting materials to be weighed is Li 2 CO 3 : MnCO 3 : NiO = 0.84: 0.8062: Weighed out to be 0.318. Next, ethanol was added to the starting material and mixed using a bead mill. The mixing process was performed by rotating the processing chamber of the bead mill at a peripheral speed of 10 m / sec and a mixing time of 30 minutes to obtain a mixed raw material.
次に、混合原料に加熱処理を行った。加熱処理を、大気雰囲気下において、加熱温度75℃にて行うことにより、混合した混合原料に含まれるエタノールを蒸発させて、混合原料を得た。 Next, the mixed raw material was subjected to heat treatment. By performing the heat treatment in an air atmosphere at a heating temperature of 75 ° C., ethanol contained in the mixed mixed raw material was evaporated to obtain a mixed raw material.
次に、坩堝に混合原料を入れ、焼成を行った。焼成処理は、流量10L/minのAirガス(乾燥空気)雰囲気下において、焼成温度は1000℃、焼成時間10時間にて行うことにより、リチウムマンガン複合酸化物が合成された。 Next, the mixed raw material was put into a crucible and fired. The firing treatment was performed in an air gas (dry air) atmosphere at a flow rate of 10 L / min, with a firing temperature of 1000 ° C. and a firing time of 10 hours, thereby synthesizing a lithium manganese composite oxide.
次に、一次粒子が焼結したリチウムマンガン複合酸化物の焼結を解くために解砕処理を行った。解砕処理は、焼結したリチウムマンガン複合酸化物にエタノールを加えた後、ビーズミルの処理室を周速4m/secで回転させ、解砕・粉砕時間10時間にて行うことにより、粉末状のリチウムマンガン複合酸化物を得た。 Next, a crushing treatment was performed to unsinter the lithium manganese composite oxide in which the primary particles were sintered. The pulverization treatment is performed by adding ethanol to the sintered lithium manganese composite oxide, rotating the bead mill treatment chamber at a peripheral speed of 4 m / sec, and performing the pulverization and pulverization time of 10 hours. A lithium manganese composite oxide was obtained.
次に、解砕処理後のリチウムマンガン複合酸化物に加熱処理を行った。加熱処理を、大気雰囲気下において、加熱温度75℃にて行うことにより、混合した混合原料に含まれるエタノールを蒸発させて、粉末状のリチウムマンガン複合酸化物を得た。 Next, heat treatment was performed on the lithium manganese composite oxide after the pulverization treatment. By performing the heat treatment in an air atmosphere at a heating temperature of 75 ° C., ethanol contained in the mixed mixed material was evaporated to obtain a powdery lithium manganese composite oxide.
次に、坩堝に加熱処理後のリチウムマンガン複合酸化物を入れ、再度焼成処理を行った。焼成処理は、流量10L/minのAirガス(乾燥空気)雰囲気下において、焼成温度は800℃、焼成時間3時間にて行うことにより、粉末状のリチウムマンガン複合酸化物(試料1−A)が合成された。 Next, the lithium manganese composite oxide after the heat treatment was put into the crucible, and the firing treatment was performed again. The firing process is performed in an air gas (dry air) atmosphere at a flow rate of 10 L / min, with a firing temperature of 800 ° C. and a firing time of 3 hours. Synthesized.
このリチウムマンガン複合酸化物は、組成式Li1.68Mn0.8062Ni0.318O3で表されるが、この組成からずれることもある。 This lithium manganese composite oxide is represented by the composition formula Li 1.68 Mn 0.8062 Ni 0.318 O 3 , but may deviate from this composition.
<酸化グラフェン被覆工程>
次に、得られたリチウムマンガン複合酸化物に、炭素を含む層を形成した。まず、酸化グラフェン4gに対して、水40gになるような割合で混練機を用いて混練し、酸化グラフェンの分散溶液を作製した。次に、作製した水分散溶液に、リチウムマンガン複合酸化物を200g添加して、水100gをさらに添加して、固練りを2回行った。固練りは、混練機を使用し、回転数は80rpm、混練の時間は1回を30分とし、2回繰り返した。得られた混合物を、通風乾燥炉を用いて、70℃で乾燥した後、アルミナ乳鉢で解砕し、酸化グラフェンが被覆されたリチウムマンガン複合酸化物を得た。
<Graphene oxide coating process>
Next, a layer containing carbon was formed on the obtained lithium manganese composite oxide. First, a graphene oxide dispersion solution was prepared by kneading using a kneader at a ratio of 40 g of water to 4 g of graphene oxide. Next, 200 g of lithium manganese composite oxide was added to the prepared aqueous dispersion, 100 g of water was further added, and kneading was performed twice. For the kneading, a kneader was used, the number of revolutions was 80 rpm, and the kneading time was 30 minutes for one kneading, and was repeated twice. The obtained mixture was dried at 70 ° C. using a ventilation drying furnace, and then crushed in an alumina mortar to obtain a lithium manganese composite oxide coated with graphene oxide.
<酸化グラフェン還元工程>
次に、リチウムマンガン複合酸化物の表面に被覆した酸化グラフェンを還元した。還元剤として、アスコルビン酸を用い、溶媒として濃度80%のエタノール水溶液を用いた。酸化グラフェンを被覆したリチウムマンガン複合酸化物の重量に対して、アスコルビン酸16.87wt%と、水酸化リチウム3.9wt%を入れて、還元液を作製した。得られた粉末を還元液に入れ、60℃で3時間処理して還元した。次に、得られた溶液を吸引濾過によって濾過を行った。ろ過には、粒子保持能1μmのろ紙を用いた。その後、洗浄し、再度、ろ過を行った。次に、ろ過により得られた粉体を、乳鉢で粉砕した。その後、170℃、減圧下で10時間、乾燥を行った。以上の工程により、表面にグラフェンが形成された粉末のリチウムマンガン複合酸化物を作製した。
<Graphene oxide reduction process>
Next, the graphene oxide coated on the surface of the lithium manganese composite oxide was reduced. Ascorbic acid was used as the reducing agent, and an aqueous ethanol solution having a concentration of 80% was used as the solvent. Ascorbic acid 16.87 wt% and lithium hydroxide 3.9 wt% were added to the weight of the lithium manganese composite oxide coated with graphene oxide to prepare a reducing solution. The obtained powder was put into a reducing solution and treated at 60 ° C. for 3 hours for reduction. Next, the obtained solution was filtered by suction filtration. For filtration, a filter paper having a particle retention capacity of 1 μm was used. Then, it wash | cleaned and filtered again. Next, the powder obtained by filtration was pulverized in a mortar. Thereafter, drying was performed at 170 ° C. under reduced pressure for 10 hours. Through the above steps, a powdered lithium manganese composite oxide having graphene formed on the surface was produced.
<電極の作製>
次に、表面にグラフェンが形成された粉末のリチウムマンガン複合酸化物を用いて電極を作製した。活物質としてリチウムマンガン複合酸化物を用い、導電助剤として、アセチレンブラック(AB)を用い、バインダーとしてPVdFを用いた。
<Production of electrode>
Next, an electrode was fabricated using a powdered lithium manganese composite oxide having graphene formed on the surface. Lithium manganese composite oxide was used as the active material, acetylene black (AB) was used as the conductive assistant, and PVdF was used as the binder.
まず、PVdFと、ABとを極性溶媒であるNMP(N−メチル−2−ピロリドン)とを混練した。混練の回転数は、2000rpm、混練の時間は1回を5分とした。さらに、活物質として試料Cを添加して混練した。混練の回転数は、2000rpm、混練の時間は1回を5分として、5回繰り返した。さらに、NMPを添加して混練した。混練の回転数は、2000rpm、混練の時間は1回を10分として、2回繰り返した。以上の工程により、スラリー状の電極合剤組成物を得た。電極合剤組成物の配合は、重量比で活物質:AB:PVdF=90:5:5とした。 First, PVdF and AB were kneaded with NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), which is a polar solvent. The number of rotations of kneading was 2000 rpm, and the time of kneading was 5 minutes for one time. Further, Sample C was added as an active material and kneaded. The number of kneading revolutions was 2000 rpm, and the kneading time was 5 times, once for 5 minutes. Furthermore, NMP was added and kneaded. The number of kneading revolutions was 2000 rpm, and the kneading time was 10 minutes for each kneading, which was repeated twice. Through the above steps, a slurry-like electrode mixture composition was obtained. The composition of the electrode mixture composition was active material: AB: PVdF = 90: 5: 5 by weight ratio.
次に、該電極合剤組成物を集電体であるアルミ箔上に塗布した。なお、アルミ箔表面には、あらかじめアンダーコートを施した。その後、通風乾燥炉にて、80℃、30分乾燥させた。 Next, the electrode mixture composition was applied onto an aluminum foil as a current collector. The aluminum foil surface was previously undercoated. Then, it dried at 80 degreeC for 30 minutes with the ventilation drying furnace.
その後さらに熱処理を行った。熱処理条件として、減圧雰囲気(1KPa)、250℃において10時間の処理を行った。以上の工程により、本発明の一態様である「リチウムマンガン複合酸化物を有する粒子」を有する電極を得た。 Thereafter, further heat treatment was performed. As a heat treatment condition, a treatment was performed in a reduced pressure atmosphere (1 KPa) at 250 ° C. for 10 hours. Through the above steps, an electrode having “a particle having a lithium manganese composite oxide” which is one embodiment of the present invention was obtained.
〈断面TEM写真〉
次に、電極を分解して取り出したリチウムマンガン複合酸化物について、球面収差補正(Spherical Aberration Corrector)機能を用いたTEM像を観察した。なお、TEM観察による明視野像および回折パターンの複合解析像を高分解能TEM像と呼ぶ。そして、球面収差補正機能を用いた高分解能TEM像を、特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。Cs補正高分解能TEM像の取得には、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fを用いた。加速電圧は200kVとした。
<Section TEM photo>
Next, a TEM image using a spherical aberration correction function was observed for the lithium manganese composite oxide taken out by disassembling the electrode. Note that a combined analysis image of a bright field image and a diffraction pattern by TEM observation is referred to as a high resolution TEM image. A high-resolution TEM image using the spherical aberration correction function is particularly called a Cs-corrected high-resolution TEM image. For acquisition of the Cs-corrected high resolution TEM image, an atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd. was used. The acceleration voltage was 200 kV.
図29(A)にリチウムマンガン複合酸化物の一部拡大写真を示し、図29(B)に、図29(A)の一点破線枠における拡大写真を示す。図29(A)で白く写る原子を有する積層構造は、マンガンを有する層からなる。図中矢印で指し示す面を挟んで、結晶方向がずれていることが確認できた。 FIG. 29A shows a partially enlarged photograph of the lithium manganese composite oxide, and FIG. 29B shows an enlarged photograph in a one-dot dashed frame in FIG. 29A. The stacked structure including atoms that appear white in FIG. 29A includes a layer containing manganese. It was confirmed that the crystal direction was shifted across the surface indicated by the arrow in the figure.
図29(B)に示す破線で示される層A乃至層Dは積層欠陥が生じている層である。層Aよりも右側の領域は白実線に沿って並ぶ110方向、層A−Bで挟まれる領域の白実線に沿って並ぶ100方向に整列しており、層Aを挟んで積層にずれが生じていることが確認できた。層A−Bで挟まれる領域は100方向、層B−Cとで挟まれる領域は110方向に整列しており、層Bを挟んで積層にずれが確認できた。層B−Cで挟まれる領域は110方向、層C−Dで挟まれる領域は100方向に整列しており、層Cを挟んで積層にずれが確認できた。また、層C−Dで挟まれる領域は100方向、層Dよりも左側の領域は110方向に整列しており、層Dを挟んで積層にずれが確認できた。したがって、図29(A)及び図29(B)に示すように、リチウムマンガン複合酸化物のマンガン層は、積層欠陥を有していることが確認できた。 Layers A to D indicated by broken lines in FIG. 29B are layers in which a stacking fault has occurred. The region on the right side of the layer A is aligned in the 110 direction aligned along the white solid line, and in the 100 direction aligned along the white solid line of the region sandwiched between the layers A-B. It was confirmed that The region sandwiched between the layers AB was aligned in the 100 direction, and the region sandwiched between the layers BC was aligned in the 110 direction. The region sandwiched between the layers BC was aligned in the 110 direction, and the region sandwiched between the layers CD was aligned in the 100 direction. Further, the region sandwiched between the layers C-D was aligned in the 100 direction, and the region on the left side of the layer D was aligned in the 110 direction. Therefore, as shown in FIGS. 29A and 29B, it was confirmed that the manganese layer of the lithium manganese composite oxide had stacking faults.
本実施例では、本発明の一態様に係る活物質を含む電極を作製して、これを用いたハーフセルを作製し、サイクル特性について測定した結果について説明する。 In this example, an electrode including an active material according to one embodiment of the present invention is manufactured, a half cell using the electrode is manufactured, and a result of measuring cycle characteristics is described.
表1に、本実施例で使用した活物質の材料比について示す。 Table 1 shows the material ratio of the active materials used in this example.
はじめに、出発原料として、Li2CO3と、MnCO3、NiOとを用い、出発原料の秤量の割合(モル比)を、表1に示す割合となるようにそれぞれ秤量し、実施例1に示す試料と同様の作製方法を用いて、粉末状のリチウムマンガン複合酸化物からなる試料2−A乃至試料2−Iを作製した。 First, Li 2 CO 3 , MnCO 3 , and NiO were used as starting materials, and the proportions (molar ratio) of the starting materials were weighed so as to be the proportions shown in Table 1, and are shown in Example 1. Samples 2-A to 2-I made of a powdered lithium manganese composite oxide were produced using the same production method as the sample.
次に電極の作成方法を説明する。まず、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)と、導電助剤としてアセチレンブラック(AB)とを極性溶媒であるNMP(N−メチル−2−ピロリドン)とを混練した。混練の回転数は、2000rpm、混練の時間は1回を5分とした。さらに、活物質として試料2−A乃至試料2−I添加して混練した。混練の回転数は、2000rpm、混練の時間は1回を5分として、5回繰り返した。さらに、NMPを添加して混練した。混練の回転数は、2000rpm、混練の時間は1回を10分として、2回繰り返した。以上の工程により、スラリー状の電極合剤組成物を得た。電極合剤組成物の配合は、重量比で試料2−A乃至試料2−I:AB:PVdF=90:5:5とした。 Next, a method for producing an electrode will be described. First, polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder and acetylene black (AB) as a conductive auxiliary agent were kneaded with NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) as a polar solvent. The number of rotations of kneading was 2000 rpm, and the time of kneading was 5 minutes for one time. Further, Samples 2-A to 2-I were added as active materials and kneaded. The number of kneading revolutions was 2000 rpm, and the kneading time was 5 times, once for 5 minutes. Furthermore, NMP was added and kneaded. The number of kneading revolutions was 2000 rpm, and the kneading time was 10 minutes for each kneading, which was repeated twice. Through the above steps, a slurry-like electrode mixture composition was obtained. The composition of the electrode mixture composition was set to Sample 2-A to Sample 2-I: AB: PVdF = 90: 5: 5 by weight ratio.
次に、該電極合剤組成物を集電体であるアルミ箔上に塗布した。なお、アルミ箔表面には、あらかじめアンダーコートを施した。その後、通風乾燥炉にて、80℃、30分乾燥させた。以上の工程で得られた電極を、それぞれ電極2−A乃至電極2−Iとする。 Next, the electrode mixture composition was applied onto an aluminum foil as a current collector. The aluminum foil surface was previously undercoated. Then, it dried at 80 degreeC for 30 minutes with the ventilation drying furnace. The electrodes obtained through the above steps are referred to as electrodes 2-A to 2-I, respectively.
次に、電極2−A乃至電極2−Iを、それぞれ正極に用いて、ハーフセル2−A乃至ハーフセル2−Iを作製した。セルには、コインセルを用いた。また、ハーフセルの対極にはリチウムを用いた。また、電解液は、電解質としてLiPF6を用い、非プロトン性有機溶媒であるエチレンカーボネートとジエチルカーボネートを1:1の体積比で混合させた混合溶液を用いた。また、セパレータとしてはポリプロピレン(PP)を用いた。 Next, the half cell 2-A to the half cell 2-I were manufactured by using the electrodes 2-A to 2-I as the positive electrodes, respectively. A coin cell was used as the cell. Moreover, lithium was used for the counter electrode of the half cell. As the electrolyte, LiPF 6 was used as an electrolyte, and a mixed solution in which ethylene carbonate and diethyl carbonate, which are aprotic organic solvents, were mixed at a volume ratio of 1: 1 was used. Further, polypropylene (PP) was used as the separator.
次に、作製したハーフセル2−A乃至ハーフセル2−Iのサイクル特性を評価した。サイクル試験において、充電条件は、活物質重量当たりの電流密度30mA/g、定電流充電、終止電圧4.8Vであった。また、放電条件は、30mA/g、定電流放電、終止電圧2.0Vであった。充放電測定を行った温度は25℃であり、定電流充放電を繰り返すサイクル試験を行った。 Next, the cycle characteristics of the produced half cells 2-A to half cells 2-I were evaluated. In the cycle test, the charging conditions were a current density of 30 mA / g per active material weight, a constant current charge, and a final voltage of 4.8V. The discharge conditions were 30 mA / g, constant current discharge, and final voltage 2.0V. The temperature at which the charge / discharge measurement was performed was 25 ° C., and a cycle test in which constant current charge / discharge was repeated was performed.
図30に、ハーフセル2−A乃至ハーフセル2−Iの放電サイクル特性を示す。図30において、縦軸が電圧(V)であり、横軸が放電容量(mAh/g)である。 FIG. 30 shows the discharge cycle characteristics of the half cells 2-A to 2-I. In FIG. 30, the vertical axis represents voltage (V) and the horizontal axis represents discharge capacity (mAh / g).
図30に示すように、活物質中にニッケルがない、またはマンガンに対するニッケルのモル比が0.2未満のハーフセル2−A乃至ハーフセル2−Cにおいて、放電容量が150[mAh/g]よりも小さいことが確認できた。また、マンガンに対するニッケルのモル比が0.2以上であれば、放電容量が150[mAh/g]よりも大きくなることが確認できた。特にマンガンに対するニッケルのモル比が0.2以上0.5以下の場合、放電容量が230[mAh/g]以上であった。 As shown in FIG. 30, in the half cell 2-A to the half cell 2-C in which there is no nickel in the active material or the molar ratio of nickel to manganese is less than 0.2, the discharge capacity is more than 150 [mAh / g]. It was confirmed that it was small. Further, it was confirmed that when the molar ratio of nickel to manganese was 0.2 or more, the discharge capacity was larger than 150 [mAh / g]. In particular, when the molar ratio of nickel to manganese was 0.2 or more and 0.5 or less, the discharge capacity was 230 [mAh / g] or more.
従って、リチウムマンガン複合酸化物を活物質として用いることにより、電池の電圧の低下や、放電容量の低下を防止することができることが確認できた。なお、リチウムマンガン複合酸化物において、マンガンと金属原子のモル比率が、マンガンが1に対して、金属原子が0.2以上1.3以下、好ましくは金属原子が0.2以上0.5以下となるようにすればよいことが確認できた。 Therefore, it was confirmed that the use of the lithium manganese composite oxide as the active material can prevent the battery voltage and the discharge capacity from decreasing. In addition, in the lithium manganese composite oxide, the molar ratio of manganese to metal atoms is such that manganese is 1 and metal atoms are 0.2 or more and 1.3 or less, preferably metal atoms are 0.2 or more and 0.5 or less. It has been confirmed that it should be.
10 リチウム
11 マンガン
12 マンガン
13 マンガン
14 マンガン
15 リチウム
16 リチウム
17 マンガン
20 リチウムの層
21 リチウム及びマンガンを有する層
22 酸素の層
23 リチウム及びマンガンを有する層
24 リチウム及びマンガンを有する層
100 電極
101 集電体
102 活物質層
300 蓄電池
301 正極缶
302 負極缶
303 ガスケット
304 正極
305 正極集電体
306 正極活物質層
307 負極
308 負極集電体
309 負極活物質層
310 セパレータ
500 蓄電池
501 正極集電体
502 正極活物質層
503 正極
504 負極集電体
505 負極活物質層
506 負極
507 セパレータ
508 電解液
509 外装体
510 正極リード電極
511 負極リード電極
512 溶接領域
513 湾曲部
514 封止部
600 蓄電池
601 正極キャップ
602 電池缶
603 正極端子
604 正極
605 セパレータ
606 負極
607 負極端子
608 絶縁板
609 絶縁板
611 PTC素子
612 安全弁機構
900 回路基板
910 ラベル
911 端子
912 回路
913 蓄電池
914 アンテナ
915 アンテナ
916 層
917 層
918 アンテナ
919 端子
920 表示装置
921 センサ
922 端子
951 端子
952 端子
981 フィルム
982 フィルム
990 蓄電池
991 外装体
992 外装体
993 捲回体
994 負極
995 正極
996 セパレータ
997 リード電極
998 リード電極
1700 曲面
1701 平面
1702 曲線
1703 曲率半径
1704 曲率中心
1800 曲率中心
1801 フィルム
1802 曲率半径
1803 フィルム
1804 曲率半径
6000 蓄電装置
6001 端子対
6002 端子対
6003 切り替え制御回路
6004 切り替え回路
6005 切り替え回路
6006 変圧制御回路
6007 変圧回路
6008 電池部
6009 電池セル
6010 トランジスタ
6011 バス
6012 バス
6013 トランジスタ
6014 電流制御スイッチ
6015 バス
6016 バス
6017 スイッチ対
6018 スイッチ対
6021 トランジスタ対
6022 トランジスタ
6023 トランジスタ
6024 バス
6025 バス
6031 トランジスタ対
6032 トランジスタ
6033 トランジスタ
6034 バス
6035 バス
6041 電池制御ユニット
6051 絶縁型DC−DCコンバータ
6052 スイッチ部
6053 トランス部
7100 携帯表示装置
7101 筐体
7102 表示部
7103 操作ボタン
7104 蓄電装置
7200 携帯情報端末
7201 筐体
7202 表示部
7203 バンド
7204 バックル
7205 操作ボタン
7206 入出力端子
7207 アイコン
7300 表示装置
7304 表示部
7400 携帯電話機
7401 筐体
7402 表示部
7403 操作ボタン
7404 外部接続ポート
7405 スピーカ
7406 マイク
7407 蓄電装置
7408 リード電極
7409 集電体
8000 表示装置
8001 筐体
8002 表示部
8003 スピーカ部
8004 蓄電装置
8021 充電装置
8022 ケーブル
8024 蓄電装置
8100 照明装置
8101 筐体
8102 光源
8103 蓄電装置
8104 天井
8105 側壁
8106 床
8107 窓
8200 室内機
8201 筐体
8202 送風口
8203 蓄電装置
8204 室外機
8300 電気冷凍冷蔵庫
8301 筐体
8302 冷蔵室用扉
8303 冷凍室用扉
8304 蓄電装置
8400 自動車
8401 ヘッドライト
8500 自動車
9600 タブレット型端末
9625 スイッチ
9626 スイッチ
9627 電源スイッチ
9628 操作スイッチ
9629 具
9630 筐体
9630a 筐体
9630b 筐体
9631 表示部
9631a 表示部
9631b 表示部
9632a 領域
9632b 領域
9633 太陽電池
9634 充放電制御回路
9635 蓄電体
9636 DCDCコンバータ
9637 コンバータ
9638 操作キー
9639 ボタン
9640 可動部
10 Lithium 11 Manganese 12 Manganese 13 Manganese 14 Manganese 15 Lithium 16 Lithium 17 Manganese 20 Lithium and Manganese Layer 22 Oxygen Layer 23 Lithium and Manganese Layer 24 Lithium and Manganese Layer 100 Electrode 101 Current Collection Body 102 active material layer 300 storage battery 301 positive electrode can 302 negative electrode can 303 gasket 304 positive electrode 305 positive electrode current collector 306 positive electrode active material layer 307 negative electrode 308 negative electrode current collector 309 negative electrode active material layer 310 separator 500 storage battery 501 positive electrode current collector 502 positive electrode Active Material Layer 503 Positive Electrode 504 Negative Electrode Current Collector 505 Negative Electrode Active Material Layer 506 Negative Electrode 507 Separator 508 Electrolyte 509 Exterior Body 510 Positive Electrode Lead Electrode 511 Negative Electrode Lead Electrode 512 Welding Area 513 Curved Part 514 Sealing Part 6 0 storage battery 601 positive electrode cap 602 battery can 603 positive electrode terminal 604 positive electrode 605 separator 606 negative electrode 607 negative electrode terminal 608 insulating plate 609 insulating plate 611 PTC element 612 safety valve mechanism 900 circuit board 910 label 911 terminal 912 circuit 913 storage battery 914 antenna 915 antenna 916 layer 917 Layer 918 Antenna 919 Terminal 920 Display device 921 Sensor 922 Terminal 951 Terminal 952 Terminal 981 Film 982 Film 990 Storage battery 991 Outer body 993 Outer body 993 Winding body 994 Negative electrode 995 Positive electrode 996 Separator 997 Lead electrode 998 Lead electrode 1700 Curved surface 1701 Plane 1702 Curve 1703 radius of curvature 1704 center of curvature 1800 center of curvature 1801 film 1802 radius of curvature 1803 film 1804 radius of curvature 000 Power storage device 6001 Terminal pair 6002 Terminal pair 6003 Switching control circuit 6004 Switching circuit 6005 Switching circuit 6006 Transformer control circuit 6007 Transformer circuit 6008 Battery unit 6009 Battery cell 6010 Transistor 6011 Bus 6012 Bus 6013 Transistor 6014 Current control switch 6015 Bus 6016 Bus 6017 Switch Pair 6018 Switch pair 6021 Transistor pair 6022 Transistor 6023 Transistor 6024 Bus 6025 Bus 6031 Transistor pair 6032 Transistor 6033 Transistor 6034 Bus 6035 Bus 6041 Battery control unit 6051 Insulation type DC-DC converter 6052 Switch unit 6053 Transformer unit 7100 Portable display device 7101 Housing 7102 display portion 7103 Operation button 7104 Power storage device 7200 Portable information terminal 7201 Case 7202 Display portion 7203 Band 7204 Buckle 7205 Operation button 7206 Input / output terminal 7207 Icon 7300 Display device 7304 Display portion 7400 Cellular phone 7401 Case 7402 Display portion 7403 Operation button 7404 External connection port 7405 Speaker 7406 Microphone 7407 Power storage device 7408 Lead electrode 7409 Current collector 8000 Display device 8001 Housing 8002 Display portion 8003 Speaker portion 8004 Power storage device 8021 Charging device 8022 Cable 8024 Power storage device 8100 Lighting device 8101 Housing 8102 Light source 8103 Power storage device 8104 Ceiling 8105 Side wall 8106 Floor 8107 Window 8200 Indoor unit 8201 Housing 8202 Air outlet 8203 Power storage device 8204 Outdoor 8300 Electric refrigerator-freezer 8301 Housing 8302 Refrigerating room door 8303 Freezing room door 8304 Power storage device 8400 Car 8401 Headlight 8500 Car 9600 Tablet terminal 9625 Switch 9626 Switch 9627 Power switch 9628 Operation switch 9629 Tool 9630 Case 9630a Case 9630b Housing 9631 Display portion 9631a Display portion 9631b Display portion 9632a Region 9632b Region 9633 Solar cell 9634 Charge / discharge control circuit 9635 Power storage unit 9636 DCDC converter 9537 Converter 9638 Operation key 9539 Button 9640 Movable portion
Claims (6)
前記粒子は層状岩塩型の結晶構造領域を有し、
前記結晶領域は積層欠陥を有していることを特徴とする活物質。 Having particles having lithium, manganese, oxygen, and nickel;
The particles have a layered rock salt type crystal structure region,
An active material, wherein the crystal region has a stacking fault.
原子分解能分析電子顕微鏡を用いて観察されることを特徴とする活物質。 The stacking fault according to claim 1,
An active material characterized by being observed using an atomic resolution analytical electron microscope.
集電体と、を有することを特徴とする電極。 An active material layer comprising the active material according to claim 1, a conductive additive, and a binder,
And an electrode.
第2の電極と、
電解液と、
セパレータと、を有し、
前記第1の電極は、正極又は負極の一方となる機能を有し、
前記第2の電極は、正極又は負極の他方となる機能を有することを特徴とする電池セル。 A first electrode according to claim 3;
A second electrode;
An electrolyte,
A separator,
The first electrode has a function of becoming one of a positive electrode and a negative electrode,
The second electrode has a function of being the other of a positive electrode and a negative electrode.
電池制御ユニットと、を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池。 The battery cell according to claim 4;
A lithium ion secondary battery comprising: a battery control unit.
表示装置、操作ボタン、外部接続ポート、スピーカ、または、マイクと、を有することを特徴とする電子機器。 A lithium ion secondary battery according to claim 5;
An electronic device including a display device, operation buttons, an external connection port, a speaker, or a microphone.
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---|---|---|---|
JP2014218820A JP2016085893A (en) | 2014-10-28 | 2014-10-28 | Active material, electrode, battery cell, lithium ion secondary battery and electronic device |
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JP2014218820A Withdrawn JP2016085893A (en) | 2014-10-28 | 2014-10-28 | Active material, electrode, battery cell, lithium ion secondary battery and electronic device |
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CN107634110A (en) * | 2017-08-01 | 2018-01-26 | 全普光电科技(上海)有限公司 | Battery thin film and preparation method thereof, battery system |
CN111328433A (en) * | 2017-11-24 | 2020-06-23 | 株式会社半导体能源研究所 | Secondary battery and method for manufacturing secondary battery |
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-
2014
- 2014-10-28 JP JP2014218820A patent/JP2016085893A/en not_active Withdrawn
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