JP2021044860A - 全固体リチウムイオン二次電池システム、および全固体リチウムイオン二次電池用充電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の一実施形態に係る全固体リチウムイオン二次電池システムの構成を説明するためのブロック図である。図2は、本発明の一実施形態に係る全固体リチウムイオン二次電池システムを搭載した電気自動車の電気系統のシステム概要図である。
このように構成された二次電池システム1における充電処理の手順を説明する。
R’=(R−R1)/R1×100
のように表される。
J=λc(T−Ts1)/Δx1
J=h1(Ts1−Ts2)
J=λM(Ts2−T∞)/Δx2
J=h2(Tm−T∞)
のように表される。これらをTについて解くことで、電池温度Tを算出することができる。このように補正された電池温度Tを用いて以下の制御を行うことで、より精密な制御が可能となる。
集電体は、正極活物質層と接する一方の面から、負極活物質層と接する他方の面へと電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はない。集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
負極活物質層は、負極活物質を含む。負極活物質は、金属リチウム単体(Li)またはリチウム含有合金を含むことが好ましい。これらの負極活物質の種類としては、特に制限されないが、Li含有合金としては、例えば、Liと、In、Al、SiおよびSnの少なくとも1種との合金が挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。また、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。
正極活物質層は、正極活物質を含む。正極活物質の種類としては、特に制限されないが、硫黄単体(S8)またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物(Li2S8〜Li2Sの各化合物のいずれか)が好ましく用いられる。ここで例えば、硫黄単体(S8)は、1670mAh/g程度と極めて大きい理論容量を有し、低コストで資源が豊富であるという利点を備えている。この場合、全固体リチウムイオン二次電池が充電状態で提供される場合には、正極活物質として硫黄単体(S8)を含む。また、全固体リチウムイオン二次電池が放電状態で提供される場合には、正極活物質としてリチウムを含有する硫黄の還元生成物(上述したLi2S8〜Li2Sの各化合物のいずれか)を含有する。
本形態に係る双極型二次電池の固体電解質層は、固体電解質を主成分として含有し、上述した正極活物質層と負極活物質層との間に介在する層である。固体電解質層に含有される固体電解質の具体的な形態については上述したものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板25と負極集電板27とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
また、図示は省略するが、集電体11と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
電池外装体としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図6および図7に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができることから、外装体はアルミニウムを含むラミネートフィルムがより好ましい。
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
本形態の非水電解質二次電池は、長期使用しても放電容量が維持され、サイクル特性が良好である。さらに、体積エネルギー密度が高い。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大型化が求められるとともに、長寿命化が必要となる。したがって、上記非水電解質二次電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
本発明の実施可能性を確認することを目的として、定格充電電流よりも大きい電流(加熱用電流)を用いて充電処理を実施することにより、定格充電電流で充電処理を施した場合と比較して、電池の温度上昇に要する時間が短縮されることを確認するシミュレーション実験を行った。
2 全固体リチウムイオン二次電池、
3 電圧センサー、
4 温度センサー、
5 電圧電流調整部、
6 電流センサー、
7 制御部、
8 外部電源、
10a、50 積層型二次電池、
10b 双極型二次電池、
11 集電体、
11’ 正極集電体、
11’’ 負極集電体、
11a 正極側の最外層集電体、
11b 負極側の最外層集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
23 双極型電極、
25 正極集電板(正極タブ)、
27 負極集電板(負極タブ)、
29、52 ラミネートフィルム、
58 正極タブ、
59 負極タブ、
71 CPU、
72 記憶部、
100 バッテリパック、
110 二次電池モジュール、
120 バッテリマネジメントシステム(BMS)、
130 ジャンクションボックス、
200 DC/DCジャンクションボックス、
210 DC/DCコンバータ、
220 普通充電リレー、
221 車載充電器、
222 普通充電ポート、
230 急速充電リレー、
232 急速充電ポート
240 スタータモータ(SM)、
250 電装負荷、
260 オルタネータ(ALT)、
300 電源回路、
310 メインバッテリ(鉛蓄電池)、
320 サブバッテリ(全固体電池)、
330 リレー。
Claims (7)
- 正極活物質を含有する正極活物質層を含む正極と、
負極活物質を含有する負極活物質層を含む負極と、
前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在する固体電解質層と、
を有する発電要素を備えた全固体リチウムイオン二次電池と、
前記全固体リチウムイオン二次電池を充電する充電器と、
前記全固体リチウムイオン二次電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定部と、
前記充電器が前記全固体リチウムイオン二次電池を充電する際、前記内部抵抗測定部が測定した内部抵抗値またはその初期内部抵抗値に対する上昇率が予め定められたしきい値以上であるときに、定格充電電流よりも大きい加熱用電流で前記全固体リチウムイオン電池を充電するように前記充電器を制御する制御部と、
を備える、全固体リチウムイオン二次電池システム。 - 前記加熱用電流で前記全固体リチウムイオン電池が充電された後に、
前記制御部は、前記内部抵抗値または前記上昇率が前記しきい値未満となったら、あるいは、前記全固体リチウムイオン電池の電池温度が予め定められたしきい温度以上となったら、前記加熱用電流での充電を停止し、前記定格充電電流で前記全固体リチウムイオン電池を充電するように前記充電器を制御する、請求項1に記載の全固体リチウムイオン二次電池システム。 - 前記制御部は、前記加熱用電流の印加後の前記正極活物質および前記負極活物質の最高温度がそれぞれの融点未満となるように前記加熱用電流の大きさおよび/または印加時間を制御する、請求項1または2に記載の全固体リチウムイオン二次電池システム。
- 前記全固体リチウムイオン二次電池は車両に搭載されており、前記充電器は前記車両の外部に設置された電源から供給される電力を用いて前記全固体リチウムイオン二次電池に前記加熱用電流を印加する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の全固体リチウムイオン二次電池システム。
- 前記全固体リチウムイオン二次電池は車両に搭載されており、前記充電器は前記車両に搭載された他の電源から供給される電力を用いて前記全固体リチウムイオン二次電池に前記加熱用電流を印加する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の全固体リチウムイオン二次電池システム。
- 前記正極活物質が硫黄単体またはリチウムを含有する硫黄の還元生成物を含み、前記負極活物質が金属リチウム単体を含有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の全固体リチウムイオン二次電池システム。
- 全固体リチウムイオン二次電池を充電するための充電装置であって、
前記全固体リチウムイオン二次電池を充電する充電器と、
前記全固体リチウムイオン二次電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定部と、
前記充電器が前記全固体リチウムイオン二次電池を充電する際、前記内部抵抗測定部が測定した内部抵抗値またはその初期内部抵抗値に対する上昇率が予め定められたしきい値以上であるときに、定格充電電流よりも大きい加熱用電流で前記全固体リチウムイオン電池を充電するように前記充電器を制御する制御部と、
を備える、全固体リチウムイオン二次電池用充電装置。
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