JP2016096672A - データ蓄積システム及び蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】データ蓄積システムの小型化を図る。【解決手段】データ蓄積システム１は、データサーバ１０と、電力源１１と、ＡＣ−ＤＣコンバーター１２と、蓄電装置１３とを備える。ＡＣ−ＤＣコンバーター１２は、電力源１１とデータサーバ１０との間に接続されている。蓄電装置１３は、ＡＣ−ＤＣコンバーター１２とデータサーバ１０との間に接続されている。蓄電装置１３は、ＡＣ−ＤＣコンバーター１２に対して、ＤＣ−ＤＣコンバーターを介さずに接続されている。蓄電装置１３が備える二次電池は、直列に接続されており、それぞれ、正極活物質としてスピネル型リチウムニッケルマンガン酸化物を含む正極と、負極活物質としてソフトカーボン、ハードカーボン及びＳｎ元素を含む合金系材料のうちの少なくとも一種を含む負極とを有する３つの二次電池１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、データ蓄積システム及び蓄電装置に関する。

従来、データセンターのサーバ等のコンピューター機器の電源ラインに、二次電池を含む蓄電装置が接続されている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載の装置では、電源に接続されたＡＣ−ＤＣコンバーターとマザーボードとの間に蓄電装置が接続されている。

米国特許出願公開第２００８／００３００７８号明細書

ところで、蓄電装置を備えるデータ蓄積システムには、小型であることが求められている。

本発明の主な目的は、データ蓄積システムの小型化を図ることにある。

本発明に係るデータ蓄積システムは、データサーバと、電力源と、ＡＣ−ＤＣコンバーターと、蓄電装置とを備える。データサーバには、データが蓄積される。電力源は、データサーバ側に交流電力を出力する。ＡＣ−ＤＣコンバーターは、電力源とデータサーバとの間に接続されている。ＡＣ−ＤＣコンバーターは、電力源からの交流電力を直流電力に変換する。蓄電装置は、ＡＣ−ＤＣコンバーターとデータサーバとの間に接続されている。蓄電装置は、ＡＣ−ＤＣコンバーターに対して、ＤＣ−ＤＣコンバーターを介さずに接続されている。蓄電装置が備える二次電池は、直列に接続されており、それぞれ、正極活物質としてスピネル型リチウムニッケルマンガン酸化物を含む正極と、負極活物質としてソフトカーボン、ハードカーボン及びＳｎ元素を含む合金系材料のうちの少なくとも一種を含む負極とを有する３つの二次電池により構成されている。

本発明に係るデータ蓄積システムでは、ＡＣ−ＤＣコンバーターは、１２Ｖ±５％の範囲の電圧の電力を出力するものであることが好ましい。

本発明に係るデータ蓄積システムでは、電力源は、前記ＡＣ−ＤＣコンバーターに対してＡＣ１００Ｖ以上の電圧を出力するものであることが好ましい。

本発明に係るデータ蓄積システムでは、正極活物質が、組成式Ｌｉ_１＋ａ［Ｍｎ_{２−ａ−ｘ−ｙ}Ｎｉ_ｘＭ_ｙ］Ｏ_４（０≦ａ≦０．３、０．１５≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．３、Ｍは、金属元素であり、Ｔｉを含む。）であるスピネル型リチウムニッケルマンガン酸化物であることが好ましい。

本発明に係る蓄電装置は、３つの二次電池により構成されている。３つの二次電池は、直列に接続されている。３つの二次電池は、それぞれ、正極活物質としてスピネル型リチウムニッケルマンガン酸化物を含む正極と、負極活物質としてソフトカーボン、ハードカーボン及びＳｎ元素を含む合金系材料のうちの少なくとも一種を含む負極とを有する。

本発明に係る蓄電装置では、正極活物質が、組成式Ｌｉ_１＋ａ［Ｍｎ_{２−ａ−ｘ−ｙ}Ｎｉ_ｘＭ_ｙ］Ｏ_４（０≦ａ≦０．３、０．１５≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．３、Ｍは、金属元素であり、Ｔｉを含む。）であるスピネル型リチウムニッケルマンガン酸化物であることが好ましい。

本発明によれば、データ蓄積システムの小型化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るデータ蓄積システムの模式的回路図である。 本発明の一実施形態における蓄電装置の模式的回路図である。 ＬｉＣｏ_１／３Ｎｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２を正極活物質として用い、グラファイトを負極活物質として用いた３つの二次電池を直列に接続した蓄電装置の充放電カーブである。 ＬｉＦｅＰＯ_４を正極活物質として用い、グラファイトを負極活物質として用いた４つの二次電池を直列に接続した蓄電装置の充放電カーブである。 Ｌｉ_１．１［Ｎｉ_０．４５Ｍｎ_１．３５Ｔｉ_０．２］Ｏ_４を正極活物質として用い、ソフトカーボンを負極活物質として用いた３つの二次電池を直列に接続した蓄電装置の充放電カーブである。 Ｌｉ_１．１［Ｎｉ_０．４５Ｍｎ_１．３５Ｔｉ_０．２］Ｏ_４を正極活物質として用い、ハードカーボンを負極活物質として用いた３つの二次電池を直列に接続した蓄電装置の充放電カーブである。 Ｌｉ_１．１［Ｎｉ_０．４５Ｍｎ_１．３５Ｔｉ_０．２］Ｏ_４を正極活物質として用い、ＳｎＯ_２を負極活物質として用いた３つの二次電池を直列に接続した蓄電装置の充放電カーブである。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

図１は、本実施形態に係るデータ蓄積システムの模式的回路図である。図１に示すデータ蓄積システム１は、例えば、レンタルサーバなどのサーバーセンター等において、各種電子データを蓄積したり、処理したりするシステムのことである。

データ蓄積システム１は、データサーバ１０を有する。電子データは、このデータサーバ１０に蓄積される。データサーバ１０は、例えば、演算部と、メモリと、ハードディスクとを有する。演算部は、例えば、Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ（ＣＰＵ）などにより構成することができる。演算部は、例えば、各種演算や、メモリ、ハードディスク等の制御を行う。メモリは、演算部に接続されている。メモリは、演算部から出力されたデータ等を一時的に記憶する。ハードディスクは、演算部に接続されている。ハードディスクは、データを記憶し、保存する。

データサーバ１０には、電力源１１が接続されている。電力源１１は、データサーバ１０側に交流電力を出力する。電力源１１は、例えば、電源ユニット等の外部から受電するものであってもよいし、自発的に発電するものであってもよい。電力源１１が出力する交流電力の電圧は、例えば、ＡＣ４００Ｖ以下であることが好ましく、ＡＣ２００Ｖ以下であることがより好ましい。

電力源１１とデータサーバ１０との間には、ＡＣ−ＤＣコンバーター１２が接続されている。ＡＣ−ＤＣコンバーター１２は、電力源１１から供給された交流電力を直流電力に変換する。本実施形態においては、ＡＣ−ＤＣコンバーター１２は、ＡＴＸ電源規格に適合した１２Ｖ±５％の範囲の電圧の電力を出力する。

ＡＣ−ＤＣコンバーター１２とデータサーバ１０との間には、蓄電装置１３が接続されている。具体的には、ＡＣ−ＤＣコンバーター１２とデータサーバ１０とは、蓄電装置１３を介さずに電気的に接続されていると共に、蓄電装置１３を介して電気的に接続されている。データ蓄積システム１は、ＡＣ−ＤＣコンバーター１２とデータサーバ１０とを蓄電装置１３を介さずに電気的に接続している電源供給ライン１４ａと、ＡＣ−ＤＣコンバーター１２とデータサーバ１０とを蓄電装置１３を介して電気的に接続している電源供給ライン１４ｂとを有する。

蓄電装置１３は、例えば、電力源１１からの電力供給が停止したときに、データサーバ１０に対して直流電力を供給する装置である。

図２に示されるように、蓄電装置１３は、３つの二次電池１３ａ、１３ｂ、１３ｃを有する。蓄電装置１３は、二次電池として、３つの二次電池１３ａ、１３ｂ、１３ｃのみを有する。蓄電装置１３は、３つの二次電池１３ａ、１３ｂ、１３ｃ以外に、二次電池以外の構成をさらに有していてもよい。蓄電装置１３は、例えば、３つの二次電池１３ａ、１３ｂ、１３ｃに加えて、二次電池１３ａ、１３ｂ、１３ｃを制御するための制御部等をさらに有していてもよい。

３つの二次電池１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、直列に接続されている。具体的には、二次電池１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、電源供給ライン１４ｂにおいて直列に接続されている。

二次電池１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、それぞれ、正極と、負極と、電解質とを有する。正極は、正極活物質として、スピネル型リチウムニッケルマンガン酸化物を含む。正極は、正極活物質として、組成式Ｌｉ_１＋ａ［Ｍｎ_{２−ａ−ｘ−ｙ}Ｎｉ_ｘＭ_ｙ］Ｏ_４（０≦ａ≦０．３、０．１５≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．３、Ｍは、金属元素であり、Ｔｉを含む。）であるスピネル型リチウムニッケルマンガン酸化物を含むことが好ましい。上記組成式において、Ｍは、Ｔｉであってもよいし、Ｍは、Ｔｉと、Ｔｉ以外の少なくとも一種の金属元素を含んでいてもよい。

正極は、必要に応じて導電助剤や結着材を含んでいてもよい。導電助剤の具体例としては、例えば、カーボンブラック、グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンチューブなどを挙げることができる。結着材の具体例としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリオレフィン、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴム、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリロニトリルなどの各種樹脂を挙げることができる。

負極は、負極活物質として、ソフトカーボン、ハードカーボン、Ｓｎ元素を含む合金系材料のうちの少なくとも１種を含む。Ｓｎ元素を含む合金系材料の具体例としては、Ｓｎ、Ｓｎ合金、酸化スズ（ＳｎＯｘ、０＜ｘ≦２）などの材料や、これらの材料と炭素材料の複合材料などが挙げられる。負極は、必要に応じて正極と同様の導電助剤や結着材を含んでいてもよい。また、負極は必要に応じてリチウムイオンのプレドープ処理を行ってもよい。

なお、本発明において、「合金系材料」は、金属、合金又は合金及び金属以外の材料の複合材料を示す。

電解質は、非水電解液であってもよい。非水電解液は、電解質塩と有機溶媒とを含む。電解質塩の具体例としては、例えば、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ、Ｌｉ（ＣＦ_３）_２Ｎ、ＬｉＢ（ＣＮ）_４を挙げることができ、これらを１種単独で用いてもよく、２種以上併用してもよい。

非水電解液における電解質塩濃度は、０．３ｍｏｌ／Ｌ以上４ｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましい。

有機溶媒の具体例としては、例えば、カーボネート系溶媒、ラクトン系溶媒、スルホン系溶媒、ニトリル系溶媒、エステル系溶媒、エーテル系溶媒などを挙げることができる。また、これらの溶媒の耐酸化性を向上させる目的で、一部をフッ素等の電気陰性度の高い元素で置換した溶媒を用いることもできる。これらを１種単独で用いてもよく、２種以上併用してもよい。 正極活物質としてスピネル型リチウムニッケルマンガン酸化物が用いられており、負極活物質としてソフトカーボン、ハードカーボン、ＳｎＯ_２の各材料が用いられている二次電池の充電率が１００％であるときの電圧は、大凡４．８Ｖ程度である。正極と負極の単位面積当たりの容量比を変えることで、充放電カーブの形状や作動電圧を調整することができる。正極の単位面積当たりの容量に対する負極の単位面積当たりの容量の割合（Ａ／Ｃ比）を０．５以上５以下にすることが好ましい。

なお、二次電池１３ａの容量と、二次電池１３ｂの容量と、二次電池１３ｃの容量とは、同じであってもよいし、異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。同じであれば電池製造ラインを一つに集約できるため効率的である。また、蓄電装置を組み立てる時に同じであれば、電池の取り間違いの人為的ミスを防ぐことができる。

ところで、近年、大容量や高出力が求められる用途に対して二次電池を適用したいという要望が高まってきている。これに伴い、スピネル型リチウムニッケルマンガン酸化物よりも単位重量あたりの容量の大きいリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物を正極活物質として用いた二次電池よりも高いエネルギー密度を有する、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物を正極活物質として用いた二次電池が広く用いられるようになってきている。特に、データ蓄積システムに用いられる二次電池には、単位時間当たりの出力が高いことが強く求められている。このため、当業者は、データ蓄積システムには、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物を正極活物質として用いた高出力な二次電池が好適であると当然の如く考える。例えば、ＬｉＣｏ_１／３Ｎｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２を正極活物質として用い、グラファイトを負極活物質として用いた二次電池の充電率１００％における端子電圧は、４．２Ｖである。このため、この電池を用いてＡＴＸ電源規格に適合した蓄電装置を構成しようとすると、３つの二次電池を直列に接続する必要がある。図３に、ＬｉＣｏ_１／３Ｎｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２を正極活物質として用い、グラファイトを負極活物質として用いた３つの二次電池を直列に接続した蓄電装置の充放電カーブを示す。図３に示されるように、この蓄電装置では、ＡＴＸ電源規格に適合した１２Ｖ±５％の範囲の電圧の電力を供給できる容量範囲が極めて狭い。従って、この蓄電装置をデータ蓄積システムに使用する場合は、蓄電装置に対してＤＣ−ＤＣコンバーターを接続し、変電する必要がある。ＤＣ−ＤＣコンバーターは、変電時に高熱になる。このため、ＤＣ−ＤＣコンバーターを配した場合は、ＤＣ−ＤＣコンバーターの冷却機構を設ける必要がある。従って、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物を正極活物質として用いた二次電池を用いた蓄電装置をデータ蓄積システムに適用した場合は、ＤＣ−ＤＣコンバーターやその冷却機構が必要となる。よって、データ蓄積システム全体としては、大型化する。さらに、ＤＣ−ＤＣコンバーターにおける変電のエネルギー効率は、９０％程度であり、１０％程度の電力がロスする。従って、その変電時の電力ロスを考慮して蓄電装置の容量を大きくする必要がある。従って、データ蓄積システムがさらに大型化する。

例えば、高エネルギー密度を有する二次電池としては、リン酸鉄リチウムを正極活物質として用いた二次電池も考えられる。図４に、ＬｉＦｅＰＯ_４を正極活物質として用い、グラファイトを負極活物質として用いた４つの二次電池を直列に接続した蓄電装置の充放電カーブを示す。図４に示されるように、このような蓄電装置では、ほとんどの容量範囲において、端子電圧が、ＡＴＸ電源規格に適合した１２Ｖ±５％の範囲の電圧よりも高い。よって、この蓄電装置を、データサーバに直流電力を供給するＡＣ−ＤＣコンバーターの下流側に直接接続すると、５％程度の容量までしか充電されない。従って、この蓄電装置とＡＣ−ＤＣコンバーターとの間にＤＣ−ＤＣコンバーターを配し、昇電圧する必要がある。よって、リン酸鉄リチウムを正極活物質として用いた二次電池を用いた場合も、ＤＣ−ＤＣコンバーターやその冷却機構が必要となるため、データ蓄積システムが大型化する。

なお、リン酸鉄リチウムを正極活物質として用いた二次電池を有する蓄電装置をＡＣ−ＤＣコンバーターよりも上流側に接続することも考えられる。その場合であれば、蓄電装置の充電に対して十分に高い充電電圧を確保することができる。しかしながら、その場合は、データ蓄積システムの発熱量が多くなるため、冷却機構を大型化する必要がある。従って、データ蓄積システムが大型化する。

図５〜図７に、正極活物質に組成式Ｌｉ_１．１［Ｎｉ_０．４５Ｍｎ_１．３５Ｔｉ_０．２］Ｏ_４で表されるスピネル型リチウムニッケルマンガン酸化物を用いた３つの二次電池１４ａ、１４ｂ、１４ｃを直列に接続した蓄電装置１３の充放電カーブを示す。図５に示すデータは、負極活物質にソフトカーボンを用いた、Ａ／Ｃ比を４とした例である。図６に示すデータは、負極活物質にハードカーボンを用い、Ａ／Ｃ比を３とした例である。図７に示すデータは、負極活物質にＳｎＯ_２を用い、Ａ／Ｃ比を３とした例である。

また、負極活物質にＳｎＯ_２を用いた二次電池においては、電気化学的なプレドープ処理を行った負極を用いた。

図５〜図７に例示されるように、蓄電装置１３では、ＡＴＸ電源規格に適合した１２Ｖ±５％の範囲の電圧の電力を供給できる容量範囲が広い。よって、データ蓄積システム１では、ＤＣ−ＤＣコンバーターやその冷却機構を設ける必要が必ずしもない。従って、データ蓄積システム１を小型化することができる。

１ データ蓄積システム
１０ データサーバ
１１ 電力源
１２ コンバーター
１３ 蓄電装置
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 二次電池
１４ａ，１４ｂ 電源供給ライン

Claims (6)

1. データが蓄積されるデータサーバと、
   前記データサーバ側に交流電力を出力する電力源と、
   前記電力源と前記データサーバとの間に接続されており、前記電力源からの交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバーターと、
   前記ＡＣ−ＤＣコンバーターと前記データサーバとの間に接続された蓄電装置と、
   を備え、
   前記蓄電装置は、前記ＡＣ−ＤＣコンバーターに対して、ＤＣ−ＤＣコンバーターを介さずに接続されており、
   前記蓄電装置が備える二次電池は、直列に接続されており、それぞれ、正極活物質としてスピネル型リチウムニッケルマンガン酸化物を含む正極と、負極活物質としてソフトカーボン、ハードカーボン及びＳｎ元素を含む合金系材料のうちの少なくとも一種を含む負極とを有する３つの二次電池により構成されている、データ蓄積システム。
2. 前記ＡＣ−ＤＣコンバーターは、１２Ｖ±５％の範囲の電圧の電力を出力する、請求項１に記載のデータ蓄積システム。
3. 前記電力源は、前記ＡＣ−ＤＣコンバーターに対してＡＣ１００Ｖ以上の電圧を出力する、請求項１又は２に記載のデータ蓄積システム。
4. 前記正極活物質が、組成式Ｌｉ_１＋ａ［Ｍｎ_{２−ａ−ｘ−ｙ}Ｎｉ_ｘＭ_ｙ］Ｏ_４（０≦ａ≦０．３、０．１５≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．３、Ｍは、金属元素であり、Ｔｉを含む。）であるスピネル型リチウムニッケルマンガン酸化物である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のデータ蓄積システム。
5. 直列に接続されており、それぞれ、正極活物質としてスピネル型リチウムニッケルマンガン酸化物を含む正極と、負極活物質としてソフトカーボン、ハードカーボン及びＳｎ元素を含む合金系材料のうちの少なくとも一種を含む負極とを有する３つの二次電池により構成されている、蓄電装置。
6. 前記正極活物質が、組成式Ｌｉ_１＋ａ［Ｍｎ_{２−ａ−ｘ−ｙ}Ｎｉ_ｘＭ_ｙ］Ｏ_４（０≦ａ≦０．３、０．１５≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．３、Ｍは、金属元素であり、Ｔｉを含む。）であるスピネル型リチウムニッケルマンガン酸化物である、請求項５に記載の蓄電装置。