JP2020017384A

JP2020017384A - 二次電池

Info

Publication number: JP2020017384A
Application number: JP2018138647A
Authority: JP
Inventors: 内田　仁; Hitoshi Uchida; 仁内田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2020-01-30

Abstract

【課題】簡単かつ安価な構成にして、複数の二次電池を直列に接続したときにすべての単電池を十分に充電することができる二次電池を提供する。【解決手段】正極材（２３）と負極材（２５）との間にセパレータ（２１）を挟んで層状に構成する電極体（２０）と、正極材と負極材とを通電可能に接続するバイパス回路（３５）と、電極体を覆い、外形を形成するケース（１３）と、を備え、バイパス回路は、所定値以上の電圧が加わると通電する半導体を有し、ケースに覆われるように配設される。【選択図】図４

Description

本発明は二次電池に係り、特に二次電池の過充電を防止する技術に関する。

昨今普及する電気自動車やハイブリット自動車には、走行用モータに供給する電力を蓄電するための電池パックが搭載されている。この電池パックは、二次電池（単電池）を複数備え、それぞれを直列に接続して構成している。
このような構成により、電池パックの充電、すなわち複数の二次電池を充電するとき、二次電池によって蓄電量等の差異があると、特定の二次電池が過充電される虞や、すべての二次電池を十分に充電することができないといった問題がある。

そこで、各二次電池毎にツェナーダイオードを接続し、満充電になると二次電池に電力が供給されないようにする技術が開発されている（特許文献１）。

特開２０１２−４３６８２号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される技術では、複数の二次電池それぞれにツェナーダイオードを備えた回路を設けなければならず、回路が複雑になる虞があった。
特に、二次電池毎にツェナーダイオードを備えた回路を接続することは、電池パック内における二次電池の配置位置を考慮した回路構成にしなければならず、電池パック固有の回路を作成する必要や、電池パックを生産する作業者の作業効率の悪化等により、電池パックが高価になるという問題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単かつ安価な構成にして、複数の二次電池を直列に接続したときにすべての二次電池を十分に充電することができる二次電池を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の二次電池は、正極材と負極材との間にセパレータを挟んで層状に構成する電極体と、前記正極材と前記負極材とを通電可能に接続するバイパス回路と、前記電極体を覆い、外形を形成するケースと、を備え、前記バイパス回路は、所定値以上の電圧が加わると通電する半導体を有し、前記ケースに覆われるように配設されることを特徴とする。

これにより、所定値以上の電圧が加わると通電する半導体を有するバイパス回路が、電極体の正極材と負極材とを通電可能に接続し、ケースに覆われるようにすることで、直列に接続した複数の二次電池を充電する際に複雑な回路を設ける必要がなく、二次電池単体で所定値以上の電圧が電極体に加わることを抑制することが可能とされる。
その他の態様として、前記バイパス回路は、可撓性を有する板部材を備えるのが好ましい。

これにより、バイパス回路が可撓性を有する板部材を備えることで、二次電池内にバイパス回路を配設するためのスペースを容易に確保することが可能とされる。
その他の態様として、前記バイパス回路は、前記正極材と前記負極材とに前記セパレータを跨ぐように挟まれて配設されるのが好ましい。
これにより、バイパス回路が正極材と負極材とにセパレータを跨ぐように挟まれて配設されることで、二次電池内にバイパス回路を配設するためのスペースをより容易に確保することが可能とされる。

その他の態様として、前記バイパス回路の半導体は、前記板部材に被膜する半導体蒸着膜であるのが好ましい。
これにより、可撓性を有する板部材に被膜する半導体蒸着膜をバイパス回路の半導体とすることで、バイパス回路を安価に形成することが可能とされる。
その他の態様として、前記バイパス回路の半導体は、有機半導体であるのが好ましい。

これにより、半導体蒸着膜を有機半導体によって構成することで、バイパス回路の可撓性を高めつつ、安価に構成することが可能とされる。
その他の態様として、前記所定値は、満充電時における前記電極体の電圧の値以下であるのが好ましい。
これにより、満充電時における電極体の電圧の値を超える電圧が電極体に加わることを抑制することが可能とされる。

本発明の二次電池によれば、所定値以上の電圧が加わると通電する半導体を有するバイパス回路が、電極体の正極材と負極材とを通電可能に接続し、ケースに覆われるようにしたので、直列に接続した複数の二次電池を充電するために複雑な回路を設ける必要がなく、二次電池単体で所定値以上の電圧が電極体に加わることを抑制することができる。
これにより、簡単かつ安価な構成にして、複数の二次電池を直列に接続したときにすべての二次電池を十分に充電することができる。

電池パックを搭載した車両の概略構成図である。第１実施形態に係る単電池の斜視図である。第１実施形態に係る単電池の斜視図である。第１実施形態に係る捲回電極体の一部を分解した分解図である。充電開始時の電池パックの回路図の一部である。複数の単電池のうちのひとつが満充電のときの電池パックの回路図の一部である。すべての単電池が満充電のときの電池パックの回路図の一部である。第２実施形態における単電池の分解図である。第３実施形態における単電池の斜視図である。

以下、図面に基づき本発明の第１実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１を参照すると、電池パック７を搭載した車両１の概略構成図が示されている。
車両１は、例えばモータ５及び電池パック７を搭載した電気自動車である。この車両１は、電池パック７からモータ５に電力を供給することで車輪３を回転させて走行し、車輪３の回転を減速させることで車両１を制動しつつモータ５で発電して電池パック７に蓄電することが可能である。また、車両１には給電口９が備えられており、給電口９から電池パック７に給電することも可能である。

電池パック７は、複数の単電池（二次電池）１０を備えている。この各単電池１０は、互いに直接に接続している（図５参照）。
図２及び図３を参照すると、第１実施形態に係る単電池１０の斜視図が示されている。また、図４を参照すると、第１実施形態に係る捲回電極体（電極体）２０の一部を分解した分解図が示されている。

単電池１０は、後述する正極材２３と負極材２５との間でリチウムイオンを交換することにより、正極端子１５と負極端子１７との間で電子を流通可能にして電力を入出力可能にするリチウムイオン二次電池である。この単電池１０は、満充電のとき、電圧が４．２Ｖ（満充電時における電極体の電圧の値）となる。
ケース１３は、単電池１０の外形を形成し、内部に捲回電極体２０を備える密閉容器である。また、ケース１３には、正極端子１５及び負極端子１７が備えられている。この正極端子１５及び負極端子１７は、正極電極（正極材）３１及び負極電極（負極材）３３にそれぞれ通電可能に接続している。

したがって、単電池１０は、捲回電極体２０とケース１３の外部との電力の入出力を正極端子１５及び負極端子１７を介して行うことが可能である。
捲回電極体２０は、セパレータ２１、正極材２３及び負極材２５を、セパレータ２１、正極材２３、セパレータ２１、負極材２５の順で重ねて捲回して形成されている。セパレータ２１は、リチウムイオンを通過させることが可能な例えば電解液を含浸したポリエチレン製の薄膜である。

正極材２３は、例えばコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）を含有する薄膜である。この正極材２３の一端には、正極電極３１が正極材２３と電子を流通可能に配設されている。正極電極３１は、正極材２３と同様に捲回電極体２０に捲回されており、捲回電極体２０から突出した一端が正極端子１５に接続している。
負極材２５は、例えば黒鉛（Ｃ）を含有する薄膜である。この負極材２５の一端には、負極電極３３が負極材２５と電子を流通可能に配設されている。負極電極３３は、負極材２５と同様に捲回電極体２０に捲回されており、捲回電極体２０から突出した一端が負極端子１７に接続している。

したがって、捲回電極体２０は、リチウムイオンを負極材２５から正極材２３に流通させることで、負極電極３３から正極電極３１に向かって電子を流通させることができる。これにより、単電池１０は、正極電極３１から負極電極３３に向かう流れの電力を出力することができる。
また、捲回電極体２０は、負極端子１７から正極端子１５に向かう流れの電力を入力されると、正極電極３１から負極電極３３に向かって電子が流通することでリチウムイオンが正極材２３から負極材２５に流通する。これにより、単電池１０は、負極端子１７から正極端子１５に向かう流れの電力が入力されるとき、電力を蓄電することができる。

捲回電極体２０には、半導体フィルム（バイパス回路）３５の表面３５ａが正極電極３１と負極電極３３とに接続するように設けられて捲回されている。半導体フィルム３５は、樹脂製（例えばポリプロピレン製）の板部材の表面３５ａに有機半導体が蒸着されて形成されている。
この有機半導体は、例えばＨ_２ＰＣ（（メタルフリー）フタロシアニン）とＣ_６０（フラーレン）との共蒸着膜（Ｈ_２ＰＣ：Ｃ_６０）に、２５００ｐｐｍのＣｓ_２ＣＯ_３（炭酸セシウム）をドーピング（添加）した、４．１９Ｖ（所定値）の電圧が加わると通電する半導体である。なお、有機半導体は、ＺｎＰＣ（亜鉛フタロシアニン）にＣｓ_２ＣＯ_３をドーピングした蒸着膜であってもよく、通電可能になる電圧が４．２Ｖ以下になればよい。

図５を参照すると、充電開始時の電池パック７の回路図の一部が示されている。また、図６を参照すると、複数の単電池１０のうちのひとつが満充電のときの電池パック７の回路図の一部が示されている。また、図７を参照すると、すべての単電池１０が満充電のときの電池パック７の回路図の一部が示されている。
以下、電池パック７に本発明に係る単電池１０が備えられたことによる作用を説明する。なお、説明の便宜上、電池パック７に備えられた複数の単電池１０のうち、説明に用いる４つの単電池を、それぞれ単電池１０Ａ、単電池１０Ｂ、単電池１０Ｃ及び単電池１０Ｄという。

単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄは、充放電を繰り返すことにより、蓄電量にばらつきが生じることがある。一方、単電池１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄは、直列に接続されているため、一度に同一時間だけ電力が供給される。これにより、電力の供給が継続されると、単電池１０のうちのひとつ（図６における単電池１０Ｂ）は、他の単電池１０（図６における単電池１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｄ）より先に満充電になる。これにより、単電池１０Ｂは、電圧が４．２Ｖとなる。

ところで、単電池１０は、供給される電力とは反対方向に電圧を印加する。上記したように、本発明に係る単電池１０には、４．１９Ｖの電圧が加わると通電する半導体フィルム３５が捲回電極体２０の正極材２３と負極材２５とに接続されている。このため、単電池１０Ｂの捲回電極体２０に接続する半導体フィルム３５は、４．２Ｖの電圧、すなわち４．１９Ｖ以上の電圧が印加されるため、通電可能となる。このように半導体フィルム３５が通電可能になることで、供給される電力は半導体フィルム３５を通過する。このため、単電池１０Ｂの捲回電極体２０には電力が供給されなくなる。その後も電池パック７に電力が継続して供給されると、単電池１０Ｂ以外の単電池１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｄに電力が供給され、満充電になる。

したがって、本発明に係る単電池１０（単電池１０Ｂ）は、満充電になると、供給される電力が捲回電極体２０に供給されずに半導体フィルム３５を通電するので、捲回電極体２０の過充電を防止しつつ、他の単電池１０（単電池１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｄ）の充電を継続して実施することができる。
以上説明したように、本発明に係る単電池１０では、正極材２３と負極材２５との間にセパレータ２１を挟んで層状に構成する捲回電極体２０と、正極材２３の一端に設けられた正極電極３１と負極材２５の一端に設けられた負極電極３３とを通電可能に接続する半導体フィルム３５と、捲回電極体２０を覆い、外形を形成するケース１３と、を備え、半導体フィルム３５は、４．１９Ｖ以上の電圧が加わると通電する半導体を有し、ケース１３に覆われるように配設される。

従って、直列に接続した複数の単電池１０を充電するために複雑な回路を設ける必要がなく、単電池１０単体で４．１９Ｖ以上の電圧が捲回電極体２０に加わることを抑制することができる。
また、所定値として用いた４．１９Ｖは、満充電時における捲回電極体２０の電圧の値である、４．２Ｖ以下であるので、４．２Ｖを超える電圧が捲回電極体２０に加わることを抑制することができる。

そして、半導体フィルム３５は、可撓性を有する板部材として、樹脂製の板部材を用いたので、単電池１０内に半導体フィルム３５を配設するためのスペースを容易に確保することができる。
また、半導体フィルム３５は、正極電極３１と負極電極３３とにセパレータ２１を跨ぐように挟まれて配設されるので、単電池１０内に半導体フィルム３５を配設するためのスペースをより容易に確保することができる。

更に、半導体フィルム３５の半導体は、板部材の表面３５ａに被膜する半導体蒸着膜であるので、半導体フィルム３５を安価に形成することができる。
特に、半導体フィルム３５の半導体は、有機半導体であるため、半導体フィルム３５の可撓性を高めつつ、安価に構成することができる。
＜第２実施形態＞
以下、図８に基づき第２実施形態について説明する。

なお、上記第１実施形態と共通の構成については説明を省略し、ここでは第１実施形態と異なる部分について説明する。
図８を参照すると、第２実施形態における単電池（二次電池）１１０の分解図が示されている。
単電池１１０は、平板電極体（電極体）１２０を備えた所謂ラミネート電池である。詳しくは、平板電極体１２０は、セパレータ１２１、正極材１２３及び負極材１２５を、セパレータ１２１、正極材１２３、セパレータ１２１、負極材１２５の順で交互に重ねることで電極層を形成している。

半導体フィルム（バイパス回路）１３５は、表面１３５ａが正極材１２３と負極材１２５とに接続するように配設されている。そして、ケース１１３は、平板電極体１２０及び半導体フィルム１３５を覆うように挟んで単電池１１０の外形を形成する。ここで、正極材１２３及び負極材１２５の一端に形成された正極電極（正極材）１３１及び負極電極（負極材）１３３は、ケース１１３の外側に露出し、第１実施形態における正極端子１５及び負極端子１７と同様に、平板電極体１２０とケース１１３の外部とで電力を入出力可能にしている。

このように、ラミネート電池であっても、半導体フィルム１３５を備えることで、単電池１０と同様に単電池１１０単体で過充電を防止することができる。
＜第３実施形態＞
以下、図９に基づき第３実施形態について説明する。
なお、上記第１実施形態と共通の構成については説明を省略し、ここでは第１実施形態と異なる部分について説明する。

図９を参照すると、第３実施形態における単電池２１０の斜視図が示されている。
第３実施形態に係る単電池（二次電池）２１０では、捲回電極体２０から突出した正極電極（正極材）３１及び負極電極（負極材）３３の一端に、半導体フィルム（バイパス回路）２３５が備えられている。
このように、半導体フィルム２３５は、正極材２３と負極材２５とを電気的に接続できればよい。なお、第３実施形態では、第１実施形態及び第２実施形態と同様の半導体フィルム２３５が備えられているが、正極電極３１及び負極電極３３の一端を導線でつなぎ、該導線にダイオード等の半導体を備えるようにしてもよい。

以上で本発明に係る二次電池の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、本実施形態では、リチウムイオン電池である単電池１０、１１０、２１０を用いて説明したが、鉛蓄電池であってもよく、ケース内に満充電時に通電するバイパス回路を備えることができればよい。

また、第１実施形態では、バイパス回路として樹脂製の板部材に有機半導体蒸着膜を被膜させた半導体フィルム３５、１３５、２３５を用いて説明したが、導線に半導体を備えたバイパス回路をケース１３、１１３によって覆われるように配設することができればよく、捲回電極体２０の中央に設けられた開口にバイパス回路を入れ込むようにしてもよい。

７電池パック
１０、１１０、２１０単電池（二次電池）
１３、１１３ケース
２０捲回電極体（電極体）
２１、１２１セパレータ
２３、１２３正極材
２５、１２５負極材
３１、１３１正極電極（正極材）
３３、１３３負極電極（負極材）
３５、１３５、２３５半導体フィルム（バイパス回路）
１２０平板電極体（電極体）

Claims

正極材と負極材との間にセパレータを挟んで層状に構成する電極体と、
前記正極材と前記負極材とを通電可能に接続するバイパス回路と、
前記電極体を覆い、外形を形成するケースと、を備え、
前記バイパス回路は、所定値以上の電圧が加わると通電する半導体を有し、前記ケースに覆われるように配設される二次電池。
前記バイパス回路は、可撓性を有する板部材を備える、請求項１に記載の二次電池。
前記バイパス回路は、前記正極材と前記負極材とに前記セパレータを跨ぐように挟まれて配設される、請求項２に記載の二次電池。
前記バイパス回路の半導体は、前記板部材に被膜する半導体蒸着膜である、請求項２または３に記載の二次電池。
前記バイパス回路の半導体は、有機半導体である、請求項４に記載の二次電池。
前記所定値は、満充電時における前記電極体の電圧の値以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の二次電池。