JP2018078059A

JP2018078059A - 蓄電システム

Info

Publication number: JP2018078059A
Application number: JP2016220203A
Authority: JP
Inventors: 雅昭吉田; Masaaki Yoshida; 英雄柳田; Hideo Yanagida
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2016-11-11
Publication date: 2018-05-17

Abstract

【課題】出力密度が高く且つエネルギー密度が高い蓄電デバイスを容易に実現する蓄電システムの提供。【解決手段】エネルギー密度が高く出力密度が低い第一の蓄電デバイス１１０と、出力密度が高くエネルギー密度が低い第二の蓄電デバイス１２０と、を有する蓄電システム１００であって、前記第二の蓄電デバイス１２０は、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３を基本骨格とするリン酸バナジウムリチウム又はリン酸バナジウムリチウムの構造の一部を変性した類似化合物を正極に用いた非水電解液蓄電デバイス１２０である。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電システムに関する。

従来から、ハイブリッド車や電気自動車等に搭載される蓄電デバイスでは、安定した出力特性が求められている。

具体的には、例えば、蓄電デバイスにおいて、正極活物質としてＬｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３等のリン酸バナジウムリチウムに対しリチウムニッケル複合酸化物を所定量配合すると共に正極合材層を適切な条件で形成した正極を用いることで、高出力と高容量を実現することが知られている。

しかしながら、上記の技術では、用途に応じた蓄電デバイスを実現するためには、用途毎に材料の配合が調整された蓄電デバイスを製造しなければならず、管理が複雑であり、汎用性に欠ける。

開示の技術は、上記事情に鑑みて成されたものであり、出力密度が高く且つエネルギー密度が高い蓄電デバイスを容易に実現することを目的としている。

開示の技術は、エネルギー密度が高く出力密度が低い第一の蓄電デバイスと、出力密度が高くエネルギー密度が低い第二の蓄電デバイスと、を有する蓄電システムであって、前記第二の蓄電デバイスは、Ｌｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３を基本骨格とするリン酸バナジウムリチウム又はリン酸バナジウムリチウムの構造の一部を変性した類似化合物を正極に用いた非水電解液蓄電デバイスである。

出力密度が高く且つエネルギー密度が高い蓄電デバイスを容易に実現できる。

第一の実施形態の蓄電システムを説明する図である。第一の実施形態の蓄電システムの有する各蓄電デバイスの出力密度特性を説明する図である。第一の実施形態の蓄電システムの有する各蓄電デバイスの電圧曲線を説明する図である。第一の実施形態の蓄電システムの電圧曲線を説明する図である。第一の実施形態の蓄電システムの有する各蓄電デバイスの電圧対微分電荷量特性を説明する図である。第一の実施形態の蓄電システムの出力と、優先される蓄電デバイスの関係を説明する図である。第二の実施形態の蓄電システムを説明する図である。第二の実施形態の高出力密度の蓄電デバイスの出力密度特性を説明する図である。第二の実施形態の蓄電システムの有する各蓄電デバイスの電圧対微分電荷量特性を説明する図である。

（第一の実施形態）
以下に図面を参照して、本実施形態について説明する。図１は、第一の実施形態の蓄電システムを説明する図である。

本実施形態の蓄電システム１００は、蓄電デバイス１１０と、蓄電デバイス１２０と、正極端子Ｐ１と、負極端子Ｐ２と、を有する。

蓄電システム１００において、蓄電デバイス１１０と、蓄電デバイス１２０とは、並列に接続されている。

本実施形態の蓄電システム１００は、正極端子Ｐ１と負極端子Ｐ２の間に負荷が接続されると、蓄電デバイス１１０及び蓄電デバイス１２０から負荷に対して電力を供給する。

本実施形態の蓄電デバイス１１０は、例えば、リチウムイオン電池等であり、エネルギー密度が高く出力密度が低い蓄電デバイスである。

本実施形態の蓄電デバイス１２０は、Ｌｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３を基本骨格とするリン酸バナジウムリチウム又はリン酸バナジウムリチウムの構造の一部を変性した類似化合物（以下、リン酸バナジウムリチウムと呼ぶ）を正極に用いたリチウムイオン電池である。

リン酸バナジウムリチウムは、単独では容量（エネルギー密度）を大きく（例えば１５０Ｗｈ／ｋｇ以上）することが困難であるが、出力を上げることには有利な材料である。言い換えれば、本実施形態の蓄電デバイス１２０は、エネルギー密度が低く出力密度が高い蓄電デバイスである。

本実施形態では、このように、エネルギー密度が高い蓄電デバイス１１０と、出力密度が高い蓄電デバイス１２０とを組み合わせることで、エネルギー密度と出力密度の両方を向上させた蓄電デバイスを容易に実現できる。

以下に、本実施形態の蓄電システム１００において、エネルギー密度と出力密度の両方が向上する理由について説明する。

本実施形態の蓄電システム１００において、蓄電デバイス１２０の内部抵抗は、蓄電デバイス１１０の内部抵抗よりも小さい。

したがって、例えば、蓄電システム１００に接続された負荷が比較的大きい場合には、内部抵抗の低い蓄電デバイス１２０から支配的に電流が供給される。負荷が小さくなってくると、内部抵抗の大きな蓄電デバイス１１０からの電流でも賄えるようになり、結果として、蓄電デバイス１１０からの供給が支配的となる。

つまり、本実施形態の蓄電システム１００では、負荷が大きくなった場合には、蓄電デバイス１２０がこの変動に応答するため、蓄電システム１００としての出力（電流Ｉ）を大きくすることができる。尚、蓄電システム１００の出力とは、正極端子Ｐ１と負極端子Ｐ２との間の電圧Ｖと負荷に流れた電流Ｉの積である。

このとき、蓄電デバイス１１０は、負荷の大きな変動に応答しなくても良く、蓄電デバイス１１０が受け持つ負荷分が抑制されたままとなる。したがって、蓄電デバイス１１０では、電流が抑制されるので、温度の上昇が抑制され、劣化も抑制される。

したがって、本実施形態の蓄電システム１００では、蓄電デバイス１２０よりも劣化しやすい蓄電デバイス１１０の劣化を抑制し、且つ、負荷の変動に応じて出力を大きくすることができる。言い換えれば、本実施形態の蓄電システム１００は、エネルギー密度と出力密度に加えて、寿命性能を向上させる蓄電デバイスを実現できる。

尚、蓄電デバイスの劣化の大きさは、活物質の種類によって決まる。蓄電デバイス１１０は、比較的劣化し易い二次電池であり、蓄電デバイス１２０は、比較的劣化し難い二次電池である。

また、図１に示す蓄電システム１００では、蓄電デバイス１１０と蓄電デバイス１２０のそれぞれが１セルである例を示しているが、これに限定されない。

本実施形態の蓄電システム１００では、蓄電デバイス１１０と蓄電デバイス１２０のセル数を任意に決めることができる。また、各１セルの容量も任意である。本実施形態の蓄電システム１００は、蓄電デバイス１１０が１セルであるのに対し、例えば蓄電デバイス１２０を３セルとしても良い。また、本実施形態の蓄電システム１００は、例えば蓄電デバイス１１０と蓄電デバイス１２０をそれぞれ２セルとしても良いし、蓄電デバイス１１０のセル数のみ増やしても良い。

本実施形態の蓄電システム１００では、例えば、蓄電システム１００から電力が供給される上位装置の仕様や、上位装置の用途に応じて、蓄電デバイス１１０と蓄電デバイス１２０のセル数を任意に変更することができる。

例えば、本実施形態の蓄電システム１００では、負荷の変動が大きい上位装置に搭載される場合であれば、蓄電デバイス１２０のセル数を多くすれば良い。また、例えば、本実施形態の蓄電システム１００では、負荷の変動は少なくても、長時間の電力の供給が要求される上位装置であった場合であれば、蓄電デバイス１１０のセル数を多くすれば良い。

したがって、本実施形態の蓄電システム１００によれば、蓄電システム１００の上位装置の用途や仕様に応じて、エネルギー密度と出力密度を調整することができ、設計の自由度を向上させることができる。

また、本実施形態の蓄電システム１００では、その品質を管理する場合には、蓄電デバイス１１０、１２０のセル毎の品質を管理すれば良い。

上位装置の仕様によって、蓄電デバイスを用意する際に、リン酸バナジウムリチウムにリチウムニッケル複合酸化物を配合した公知の蓄電デバイスを用意する場合、上位装置の仕様毎に、仕様に対応した配合の蓄電デバイスを個別に用意（製造）する必要がある。また、その場合には、仕様に応じて個別に用意した蓄電デバイス全てについて、品質を保証しなければならない。

これに対し、本実施形態の蓄電システム１００では、蓄電デバイス１１０と蓄電デバイス１２０の２種類を用意し、その組み合わせで、上位装置の仕様に対応することができる。つまり、本実施形態では、上位装置の仕様毎に、個別の蓄電デバイスを用意（製造）する必要がない。このため、本実施形態の蓄電システム１００では、蓄電デバイス１１０と蓄電デバイス１２０の、各１種類の品質の保証及び管理を行えばよいので、より汎用性があり、管理も容易となる。

このように、本実施形態の蓄電システム１００では、品質の管理を容易にすることができる。

以下、本実施形態の蓄電システム１００において、エネルギー密度と出力密度の両方を向上させることができる理由について、さらに説明する。図２は、第一の実施形態の蓄電システムの有する各蓄電デバイスの出力密度特性を説明する図である。図２の縦軸は出力密度であり、横軸はＳＯＣ（残容量）である。

図２では、実線２１が蓄電デバイス１１０の出力密度特性を示し、実線２２が蓄電デバイス１２０の出力密度特性を示す。

本実施形態の蓄電デバイス１１０は、実線２１が示すように、ＳＯＣの値が大きくなるほど出力密度が大きくなり、ＳＯＣの値が小さくなるほど出力密度が小さくなる単調減少の特性となる。

これに対し、本実施形態の蓄電デバイス１２０の出力密度特性は、実線２２が示すように、ＳＯＣの値が小さくなると共に出力密度が一度低下し、その後に上昇に転じて、再度低下する。このため、蓄電デバイス１２０の出力密度特性を示す実線２２は、出力密度に極小値Ｏ１と極大値Ｏ２を有するものとなる。実線２１と実線２２から分かるように、本実施形態の蓄電システム１００では、蓄電デバイス１２０の出力密度の方が、蓄電デバイス１１０の出力密度よりも常に大きいことがわかる。

また、実線２２からわかるように、本実施形態の蓄電デバイス１２０では、例えば、ＳＯＣが２０〜４０％程度まで低下したときと、ＳＯＣが６０〜８０％程度であるときと、同等の出力を得ることができる。したがって、本実施形態の蓄電システム１００では、例えば蓄電デバイス１１０と蓄電デバイス１２０のＳＯＣが２０〜４０％程度の状態を維持すれば、蓄電デバイス１１０と蓄電デバイス１２０のＳＯＣが６０〜８０％程度のときと同程度の出力を維持することができる。

これに対し、例えば蓄電デバイス１１０のみで構成さたれ蓄電システムにおいて、ＳＯＣが２０〜４０％程度の状態で、本実施形態の蓄電システム１００と同様の出力を得るためには、破線２３に示す出力密度特性を有する蓄電デバイスが必要となる。

このような蓄電デバイスは、本実施形態の蓄電デバイス１１０よりも容量を多くしなければならず、大型なものとなり、一般的な市場ニーズである小型化を阻害する。さらには、コストの上昇等の問題が生じる可能性がある。

そこで、本実施形態の蓄電システム１００では、実線２２が示すような出力密度特性を有する蓄電デバイス１２０を蓄電デバイス１１０と組み合わせることで、蓄電デバイス１１０の欠点である低ＳＯＣ領域での出力低下を蓄電デバイス１２０で補い、ＳＯＣが低い状態での出力性能を向上させる。また、本実施形態では、特に蓄電デバイス１１０の発熱や劣化を抑制している。

図３は、第一の実施形態の蓄電システムの有する各蓄電デバイスの電圧曲線を説明する図である。図３（Ａ）は、蓄電デバイス１１０の放電時の電圧曲線の一例を示しており、図３（Ｂ）は、蓄電デバイス１２０の放電時の電圧曲線の一例を示している。図３（Ａ）の横軸は容量であり、縦軸は電圧である。図３（Ｂ）の縦軸は電圧であり、横軸は容量である。

蓄電デバイス１１０は、図３（Ａ）に示すように、放電される容量の増加にしたがって、電圧が低下していくことがわかる。

これに対し、蓄電デバイス１２０は、図３（Ｂ）に示すように、放電される容量がＫ１となるまで、電圧は電圧Ｖ１から減少せずに維持される。尚、ここでの電圧は、蓄電デバイス１２０の正極と負極の間の電位差を示す。

また、蓄電デバイス１２０では、放電される容量がＫ１から増加してＫ２になるまでは電圧Ｖ１からＶ２まで下がる。そして、蓄電デバイス１２０では、放電される容量がＫ２となると、容量が増加してＫ３となるまでの間、再び電圧が電圧Ｖ２に維持される。

したがって、蓄電デバイス１２０では、放電される容量がＫ１未満であれば、電圧はＶ１に維持され、放電される容量がＫ２からＫ３の間は、電圧はＶ２に維持されることがわかる。

次に、図４を参照して、本実施形態の蓄電システム１００の電圧曲線について説明する。図４は、第一の実施形態の蓄電システムの電圧曲線を説明する図である。図４では、蓄電システム１００の放電時の出力特性の一例を示している。図４の横軸は容量であり、縦軸は電圧である。

蓄電システム１００の電圧曲線は、図３（Ａ）に示す蓄電デバイス１１０の電圧曲線と、図３（Ｂ）に示す蓄電デバイス１２０の電圧曲線とを組み合わせたものとなる。

図４に示す電圧曲線では、曲線が比較的フラットなＡ領域及びＣ領域と、比較的傾斜の大きなＢ領域とＤ領域とが現れる。Ａ領域及びＣ領域は、蓄電デバイス１２０の特性が支配的に現れている領域である。一方、Ｂ領域及びＤ領域は蓄電デバイス１１０の特性が支配的に現れている領域である。

本実施形態の蓄電システム１００では、蓄電システム１００の電圧Ｖが領域Ａ又は領Ｃと対応する電圧の範囲内である場合には、負荷に対して蓄電デバイス１２０から支配的に電流が供給される。また、蓄電システム１００では、蓄電システム１００の電圧Ｖが領域Ｂ又は領域Ｄと対応する電圧の範囲内である場合には、負荷に対して蓄電デバイス１１０から支配的に電流が供給される。

よって、本実施形態の蓄電システム１００では、領域Ａにおいては、蓄電システム１００の放電される容量の増加に関わらず、電圧Ｖ２近傍の電圧を出力することができる。また、蓄電システム１００では、領域Ｃにおいては、蓄電システム１００の放電される容量の増加に関わらず、電圧Ｖ１近傍の電圧を出力することができる。

このように、本実施形態の蓄電システム１００によれば、特に蓄電デバイス１２０の特性が支配的に現れている領域Ａと領域Ｃの出力性能が向上していることがわかる。

図５は、第一の実施形態の蓄電システムの有する各蓄電デバイスの電圧対微分電荷量特性を説明する図である。図５では、横軸は電圧、縦軸は容量を電圧で微分した微分電荷量ｄＱ／ｄＶとしている。また、図５に示す実線Ｓ１は、蓄電デバイス１１０の電圧対微分電荷量特性を示しており、実線Ｓ２は、蓄電デバイス１２０の電圧対微分電荷量特性を示している。

図５からわかるように、蓄電デバイス１１０の放電電流量は、電圧によらず一定であることがわかる。

これに対し、蓄電デバイス１２０では、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２付近で放電される電流量が増えていることがわかる。つまり、蓄電デバイス１２０では、高電圧側の電圧Ｖ２だけでなく、低ＳＯＣ側である低電圧側の電圧Ｖ１でも電流量が増え、出力が上がることがわかる。さらに、放電される容量が領域Ｃから領域Ｄと対応する範囲になるまで、ほぼ一定の電圧Ｖ１に維持され、また、蓄電デバイス１２０の出力である電圧Ｖ１２≒Ｖ２となった場合には、放電される容量が領域Ａから領域Ｂと対応する範囲になるまで、ほぼ一定の電圧Ｖ２に維持されることがわかる。

以下に、図６を参照して、蓄電システム１００の出力である電圧Ｖに応じて優先的に出力される蓄電デバイスについて説明する。図６は、第一の実施形態の蓄電システムの出力と、優先される蓄電デバイスの関係を説明する図である。

本実施形態の蓄電システム１００では、蓄電システム１００の出力である電圧Ｖが電圧Ｖ１未満のとき（Ｖ＜Ｖ１）は、蓄電デバイス１１０からの出力が優先的に負荷に提供される。電圧Ｖが電圧Ｖ１未満のとき（Ｖ＜Ｖ１）とは、言い換えれば、図４の領域Ｄの場合であり、蓄電デバイス１１０の特性が支配的に現れている領域である。

また、蓄電システム１００の出力である電圧Ｖ≒Ｖ１となったとき（Ｖ≒Ｖ１）には、蓄電デバイス１２０からの出力が優先的に負荷に供給される。電圧Ｖが電圧Ｖ１となったときとは、言い換えれば、図４の領域Ｃの場合であり、蓄電デバイス１２０の特性が支配的に現れている領域である。

また、蓄電システム１００の出力である電圧ＶがＶ１より大きくＶ２未満となったとき（Ｖ１＜Ｖ＜Ｖ２）には、蓄電デバイス１１０からの出力が優先的に負荷に供給される。電圧ＶがＶ１より大きくＶ２未満となったときとは、言い換えれば、図４の領域Ｂの場合であり、蓄電デバイス１１０の特性が支配的に現れている領域である。

また、蓄電システム１００の出力である電圧Ｖが電圧Ｖ２となったとき（Ｖ≒Ｖ２）には、蓄電デバイス１２０からの出力が優先的に負荷に供給される。電圧Ｖ≒Ｖ２となったときとは、言い換えれば、図４の領域Ａの場合であり、蓄電デバイス１２０の特性が支配的に現れている領域である。

本実施形態では、例えば、蓄電システム１００から電力の供給を受ける上位装置が、低負荷で長時間の駆動を要求される装置である場合には、例えば、蓄電システム１００における、蓄電デバイス１１０のセル数を増やせば良い。

低負荷で長時間の駆動を要求される上位装置とは、例えばタブレット端末等の電子機器であっても良い。

また、例えば、上位装置が、頻繁に高負荷の駆動を要求される装置である場合には、例えば、蓄電システム１００を領域Ａ又は領域Ｃの状態を維持するようにすれば良い。また、蓄電システム１００における、蓄電デバイス１２０のセル数を増やせば良い。

頻繁に高負荷の駆動を要求される上位装置とは、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、連続シャッター動作を行うカメラや、電動アシスト自転車等である。

上位装置が、カメラであった場合には、連続シャッター動作を行う際には、負荷が大きくなる。また、上位装置が電動アシスト自転車であった場合には、例えば登り坂を走行する場合や、停止した状態から走行を開始する場合等において、負荷が大きくなる。本実施形態の蓄電システム１００では、このように、負荷が大きくなると、蓄電デバイス１２０からの出力が支配的に負荷に供給され、上位装置の稼働が満足される。

以上のように、本実施形態の蓄電システム１００によれば、上位装置の仕様や用途に応じた、高出力密度且つ高エネルギー密度の蓄電デバイスを容易に実現できる。

尚、本実施形態では、蓄電デバイス１２０は、Ｌｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３を基本骨格とするリン酸バナジウムリチウム又はリン酸バナジウムリチウムの構造の一部を変性した類似化合物（以下、リン酸バナジウムリチウムと呼ぶ）を正極に用いたものとしたが、これに限定されない。

本実施形態の蓄電デバイス１２０の正極は、リン酸バナジウム系化合物とニッケル、コバルト、アルミニウム、スピネルマンガン等を混ぜたものであっても良い。

また、本実施形態の蓄電デバイス１２０の負極は、金属リチウム及び/又はリチウムイオンを吸蔵／放出する負極であり、カーボン、シリコン、スズ等で形成されても良い。また、本実施形態では、蓄電デバイス１１０の負極と、蓄電デバイス１２０の負極とは、同じ材料で形成されるものとした。

例えば、蓄電デバイス１２０の負極にカーボンが含まれる場合には、蓄電デバイス１１０の負極にもカーボンが含まれる。また、蓄電デバイス１２０の負極にシリコンが含まれる場合には、蓄電デバイス１１０の負極にもシリコンが含まれ、蓄電デバイス１２０の負極にスズが含まれる場合には、蓄電デバイス１１０の負極にもスズが含まれる。

（第二の実施形態）
以下に図面を参照して第二の実施形態について説明する。第二の実施形態では、蓄電システムにおいて、蓄電デバイス１２０に含まれるセル数を増やした点が第一の実施形態と相違する。よって、以下の第二の実施形態の説明では、第一の実施形態との相違点についてのみ説明する。

図７は、第二の実施形態の蓄電システムを説明する図である。本実施形態の蓄電システム１００Ａは、蓄電デバイス１１０と蓄電デバイス１２０Ａを有する。蓄電デバイス１２０Ａは、蓄電デバイス１２０が３セル分並列に接続されたものである。

このため、本実施形態の蓄電デバイス１２０Ａの出力となる電流量は、蓄電デバイス１２０の出力となる電流量の３倍となる。

よって、本実施形態の蓄電システム１００Ａは、蓄電システム１００と比較して、出力を大きくすることができる。

図８は、第二の実施形態の高出力密度の蓄電デバイスの出力密度特性を説明する図である。図８において、実線２５は、蓄電デバイス１２０Ａの出力密度特性を示す。

図８から分かるように、本実施形態の蓄電デバイス１２０Ａでは、１セルの蓄電デバイス１２０と比較して、ＳＯＣが低下したときの出力密度が上昇していることがわかる。

図９は、第二の実施形態の蓄電システムの有する各蓄電デバイスの電圧対微分電荷量特性を説明する図である。

図９において、実線Ｓ２１は、蓄電デバイス１２０Ａの電圧対微分電荷量特性を示している。また、図９において、点線Ｓ２は、蓄電デバイス１２０の電圧対微分電荷量特性を示している。

図９からわかるように、セル数を増やした分、電圧Ｖ１及び電圧Ｖ２における単位電圧当たりの電荷量は、セル数が１つの場合よりも増加していることがわかる。

本実施形態では、以上のように、蓄電デバイス１２０のセル数を増やすことで、蓄電システム１００の出力を大きくすることができる。

したがって、例えば、上位装置の動作時の最大負荷等にあわせて、蓄電デバイス１２０のセル数を決定することができる。

以上、各実施形態に基づき発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

１００、１００Ａ蓄電システム
１１０、１２０、１２０Ａ蓄電デバイス

特許第５２５５１３８号公報

Claims

エネルギー密度が高く出力密度が低い第一の蓄電デバイスと、
出力密度が高くエネルギー密度が低い第二の蓄電デバイスと、を有する蓄電システムであって、
前記第二の蓄電デバイスは、
Ｌｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３を基本骨格とするリン酸バナジウムリチウム又はリン酸バナジウムリチウムの構造の一部を変性した類似化合物を正極に用いた非水電解液蓄電デバイスである、蓄電システム。
前記正極は、前記リン酸バナジウムリチウム又はリン酸バナジウムリチウムの構造の一部を変性した類似化合物に、三元系材料を混ぜたものである、請求項１記載の蓄電システム。
前記第一の蓄電デバイスと前記第二の蓄電デバイスとは、並列に接続されている、請求項１又は２記載の蓄電システム。
前記第二の蓄電デバイスの負極は、金属リチウム及び／又はリチウムイオンを吸蔵／放出する負極であって、カーボン、シリコン、スズの何れかを含み、
前記第一の蓄電デバイスの負極は、前記第二の蓄電デバイスの材料と同一である、請求項１乃至３の何れか一項に記載の蓄電システム。