JP2022070558A - 蓄電デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】容量特性と出力特性との両性能を発揮しつつ、リチウムイオン蓄電素子に過電流が流れることを抑制する。【解決手段】蓄電デバイスは、第１のリチウムイオン蓄電素子と、第１のリチウムイオン蓄電素子に対して並列に接続され、第１のリチウムイオン蓄電素子に比べて内部抵抗が小さい第２のリチウムイオン蓄電素子と、第１の保護部と、を備える。第１の保護部は、第１のリチウムイオン蓄電素子と第２のリチウムイオン蓄電素子とによって構成されている並列回路の電流経路に配置され、所定値以上の電流が流れることによって電流経路を遮断する。【選択図】図４
Description
本発明は、蓄電デバイスに関する。
従来から、リチウムイオン二次電池と、リチウムイオン二次電池に対して並列に接続され、リチウムイオン二次電池に比べて内部抵抗が小さいリチウムイオンキャパシタと、を備える蓄電デバイスが知られている。このような蓄電デバイスによれば、リチウムイオン二次電池によって高容量の特性が発揮され、リチウムイオンキャパシタによって高出力（充放電の高速化）の特性が発揮される（下記特許文献１参照）。
上記従来の蓄電デバイスでは、例えば、リチウムイオン二次電池とリチウムイオンキャパシタとの一方のリチウムイオン蓄電素子が内部短絡した場合、その短絡したリチウムイオン蓄電素子に過電流（大電流）が流れて発熱し、例えば損傷するおそれがある。
なお、このような課題は、リチウムイオン二次電池とリチウムイオンキャパシタとの組み合わせに限らず、互いに内部抵抗が異なる２つのリチウムイオン蓄電素子が互いに並列に接続された蓄電デバイスにも共通の課題である。
本発明は、上述した課題を解決することが可能な蓄電デバイスを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の蓄電デバイスは、第１のリチウムイオン蓄電素子と、前記第１のリチウムイオン蓄電素子に対して並列に接続され、第１のリチウムイオン蓄電素子に比べて内部抵抗が小さい第２のリチウムイオン蓄電素子と、前記第１のリチウムイオン蓄電素子と前記第２のリチウムイオン蓄電素子とによって構成されている並列回路の電流経路に配置され、所定値以上の電流が流れることによって前記電流経路を遮断する第１の保護部と、を備える。
本蓄電デバイスでは、第１のリチウムイオン蓄電素子と第２のリチウムイオン蓄電素子とによって構成されている並列回路の電流経路に第１の保護部が配置されている。第１のリチウムイオン蓄電素子は、相対的に内部抵抗が大きく、相対的に高い容量特性を発揮する。一方、第２のリチウムイオン蓄電素子は、相対的に内部抵抗が小さいため、相対的に高い出力特性を発揮する。また、第１のリチウムイオン蓄電素子と第２のリチウムイオン蓄電素子とのいずれか一方が例えば内部短絡した場合でも、第１の保護部によって、内部短絡したリチウムイオン蓄電素子に過電流が流れることが抑制される。すなわち、本蓄電デバイスによれば、容量特性と出力特性との両性能を発揮しつつ、リチウムイオン蓄電素子に過電流が流れることを抑制することができる。
上記蓄電デバイスにおいて、前記第１の保護部は、前記第１のリチウムイオン蓄電素子と前記第２のリチウムイオン蓄電素子との共通接続部と、前記第１のリチウムイオン蓄電素子との間の電流経路に配置されている構成としてもよい。例えば、第１の保護部が共通接続部と第２のリチウムイオン蓄電素子との間の電流経路に配置された構成では、相対的に内部抵抗が小さい第２のリチウムイオン蓄電素子側の電流経路に第１の保護部の抵抗成分が加算されるため、第２のリチウムイオン蓄電素子の出力特性の弊害になり得る。これに対して、本蓄電デバイスによれば、第１の保護部が共通接続部と第１のリチウムイオン蓄電素子との間の電流経路に配置されているため、第１の保護部に起因する第２のリチウムイオン蓄電素子の出力特性の低下を抑制しつつ、リチウムイオン蓄電素子に過電流が流れることを抑制することができる。
上記蓄電デバイスにおいて、前記第１のリチウムイオン蓄電素子が有する第１の正極および第１の負極と、前記第２のリチウムイオン蓄電素子が有する第２の正極および第２の負極と、電解液と、を同一空間内に収容する筐体を備える構成としてもよい。本蓄電デバイスによれば、第１のリチウムイオン蓄電素子と第２のリチウムイオン蓄電素子とは、いずれもリチウムイオンをイオン伝導体として用いる蓄電素子であるため、第１のリチウムイオン蓄電素子と第２のリチウムイオン蓄電素子とで電解液を共通化でき、同一空間内に収容することができる。また、第１のリチウムイオン蓄電素子と第２のリチウムイオン蓄電素子とが互いに別々の空間内に収容された構成に比べて、蓄電デバイスの小型化や簡略化を図ることができる。
上記蓄電デバイスにおいて、前記筐体は、第１の外部端子と第２の外部端子とを備え、前記第１の外部端子は、前記第１のリチウムイオン蓄電素子のうち、前記第１の正極と前記第１の負極とのいずれか一方の電極に電気的に接続されており、前記第２の外部端子は、前記第２のリチウムイオン蓄電素子のうち、前記一方の電極と同極の電極に電気的に接続されており、前記第１の保護部は、前記第１の外部端子と前記第２の外部端子との間に電気的に接続されている構成としてもよい。本蓄電デバイスによれば、第１の外部端子（検出端子）と第２の外部端子（正極または負極の端子）とを用いて、第１の保護部の断線の有無等を確認することができる。
上記蓄電デバイスにおいて、前記筐体は、さらに、第３の外部端子を備え、前記第３の外部端子は、前記第１のリチウムイオン蓄電素子のうち、前記第１の正極と前記第１の負極との他方の電極と、前記第２のリチウムイオン蓄電素子のうち、前記他方の電極と同極の電極との両方に電気的に接続されている構成としてもよい。本蓄電デバイスによれば、外部短絡等の要因になる外部端子が不要に多く筐体に配置されることを抑制することができる。
上記蓄電デバイスにおいて、前記第１の保護部は、前記筐体の外表面側に配置されている構成としてもよい。本蓄電デバイスによれば、保護部の取り付けが容易で、また遮断精度の高い素子を用いることができる。
上記蓄電デバイスにおいて、前記第１の外部端子と、前記第１の保護部と前記第１のリチウムイオン蓄電素子との共通接続部との間に、所定値以上の電流が流れることによって電流を遮断する第２の保護部が配置されている構成としてもよい。仮に、第２の保護部を備えない構成では、第１の外部端子と第２の外部端子とが外部短絡した場合、第１の保護部を経由せずに、第１のリチウムイオン蓄電素子と第２のリチウムイオン蓄電素子との並列回路が構成されるため、第１の保護部によってリチウムイオン蓄電素子に過電流が流れることを抑制できない。これに対して、本蓄電デバイスによれば、第１の外部端子と第２の外部端子とが外部短絡した場合でも、第２の保護部による電流の遮断によってリチウムイオン蓄電素子に過電流が流れることを抑制することができる。
上記蓄電デバイスにおいて、前記筐体は、さらに、第４の外部端子を備え、前記第４の外部端子は、前記第１の保護部と前記第２のリチウムイオン蓄電素子との共通接続部に電気的に接続されており、前記第１の保護部は、遮断機能を備えた抵抗素子である構成としてもよい。本蓄電デバイスによれば、第１の外部端子と第４の外部端子との間の電圧値と、第１の保護部の抵抗値とに基づき、第１のリチウムイオン蓄電素子に流れる電流を正確に測定することができる。
Ａ．実施形態：
Ａ－１．蓄電デバイス１００の構成：
（蓄電デバイス１００の外観構成）：
図１は、実施形態における蓄電デバイス１００の外観構成を示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩの位置における蓄電デバイス１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を「上方向」といい、Ｚ軸負方向を「下方向」というものとするが、蓄電デバイス１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。
Ａ－１．蓄電デバイス１００の構成：
（蓄電デバイス１００の外観構成）：
図１は、実施形態における蓄電デバイス１００の外観構成を示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩの位置における蓄電デバイス１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を「上方向」といい、Ｚ軸負方向を「下方向」というものとするが、蓄電デバイス１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。
蓄電デバイス１００は、後述するように、互いに並列に接続されたリチウムイオン電池（以下、「ＬＩＢ」という）とリチウムイオンキャパシタ（以下、「ＬＩＣ」という）とを備えるため、エネルギー容量が大きくてかつ急速充放電が可能である。このため、蓄電デバイス１００は、例えば、太陽光発電や風力発電等の負荷平準化装置、コンピュータ等に代表される電子機器の瞬時電圧低下対策装置、電気自動車やハイブリッドカーのエネルギー回生装置等として利用される。なお、ＬＩＢは、特許請求の範囲における第１のリチウムイオン蓄電素子の一例であり、ＬＩＣは、特許請求の範囲における第２のリチウムイオン蓄電素子の一例である。
図１及び図２に示すように、蓄電デバイス１００は、筐体３０と、正極側端子部４０Ｐと、負極側端子部４０Ｎと、第１の検出端子５１と、第２の検出端子５２と、複数のＬＩＢセル１０と、複数のＬＩＣセル２０と、を備える。なお、図１及び図２では、各端子４０Ｐ，４０Ｎ，５１，５２の形状は、柱状であるが、これに限らず、雄ねじ状、偏平状などでもよい。また、例えば筐体３０における一部または全部の金属部分が、正極側端子部４０Ｐと負極側端子部４０Ｎとのいずれか一方を兼ねる構成でもよい。
筐体３０は、電槽３２と、蓋３４とを有する。電槽３２は、上面に開口部を有する略直方体の容器であり、例えばアルミニウムなどの金属、または水分吸収が無い合成樹脂により形成されている。蓋３４は、電槽３２の開口部を塞ぐように配置された部材であり、例えば合成樹脂により形成されている。蓋３４の下面の周縁部分と電槽３２の開口部の周縁部分とが例えば熱溶着によって接合されることにより、筐体３０内に外部との気密が保たれた空間が形成されている。蓋３４には、正極側端子部４０Ｐと、負極側端子部４０Ｎと、第１の検出端子５１と、第２の検出端子５２とが設けられている。
（蓄電デバイス１００の内部構成）：
筐体３０内では、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０と電解液とが同一の空間内に収容されている。図３は、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０との配列状態を示す説明図である。図３には、筐体３０内に配置された複数のＬＩＢセル１０及び複数のＬＩＣセル２０だけが示されている。図３に示すように、筐体３０内の同一の空間において、複数のＬＩＢセル１０と複数のＬＩＣセル２０とが所定方向（本実施形態ではＹ軸方向）に並べて配置されている。筐体３０内には、電解液（図示しない）が収容されており、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とが電解液中に浸かっている。以下、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とが並ぶ方向（Ｙ軸方向）を、「セル並び方向」という。なお、電解液は、例えば電解質塩と有機溶媒と添加剤とを混合したものである。
筐体３０内では、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０と電解液とが同一の空間内に収容されている。図３は、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０との配列状態を示す説明図である。図３には、筐体３０内に配置された複数のＬＩＢセル１０及び複数のＬＩＣセル２０だけが示されている。図３に示すように、筐体３０内の同一の空間において、複数のＬＩＢセル１０と複数のＬＩＣセル２０とが所定方向（本実施形態ではＹ軸方向）に並べて配置されている。筐体３０内には、電解液（図示しない）が収容されており、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とが電解液中に浸かっている。以下、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とが並ぶ方向（Ｙ軸方向）を、「セル並び方向」という。なお、電解液は、例えば電解質塩と有機溶媒と添加剤とを混合したものである。
図３に示すように、各ＬＩＢセル１０は、板状のＬＩＢ正極板１１０Ｐと、板状のＬＩＢ負極板１１０Ｎと、シート状のＬＩＢセパレータ１２０とを備える。ＬＩＢ正極板１１０ＰとＬＩＢ負極板１１０Ｎとは、セル並び方向に並ぶように配置されている。ＬＩＢセパレータ１２０は、セル並び方向において、互いに隣り合うＬＩＢ正極板１１０ＰとＬＩＢ負極板１１０Ｎとの間に介在するように配置されている。すなわち、ＬＩＢセル１０は、ＬＩＢ正極板１１０ＰとＬＩＢ負極板１１０ＮとＬＩＢセパレータ１２０とが所定方向（本実施形態ではセル並び方向）に並べて配置された積層構造を有している。ＬＩＢ正極板１１０Ｐは、特許請求の範囲における第１の正極の一例であり、ＬＩＢ負極板１１０Ｎは、特許請求の範囲における第１の負極の一例である。
ＬＩＢ正極板１１０Ｐは、正極集電体１１２Ｐと、正極集電体１１２Ｐに支持された正極活物質１１４Ｐとを有する。正極集電体１１２Ｐは、略格子状または網目状に配置された骨を有する導電性部材である。また、正極集電体１１２Ｐは、その上端付近に、上方に突出する正極耳部１１１Ｐを有している。正極活物質１１４Ｐの形成材料としては、例えばコバルト酸リチウム、三元系リチウム金属複合酸化物（ニッケルマンガンコバルト系等）、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、リン酸鉄リチウムが使用される。
ＬＩＢ負極板１１０Ｎは、負極集電体１１２Ｎと、負極集電体１１２Ｎに支持された負極活物質１１４Ｎとを有する。負極集電体１１２Ｎは、略格子状または網目状に配置された骨を有する導電性部材である。また、負極集電体１１２Ｎは、その上端付近に、上方に突出する負極耳部１１１Ｎを有している。負極活物質１１４Ｎの形成材料としては、例えば黒鉛（グラファイト）、シリコン系材料、ハードカーボン、ソフトカーボン、チタン酸リチウムが使用される。ＬＩＢセパレータ１２０は、絶縁性材料（例えば、ガラス繊維や合成樹脂）により形成されている。
図３に示すように、各ＬＩＣセル２０は、ＬＩＣ正極板２１０Ｐと、ＬＩＣ負極板２１０Ｎと、ＬＩＣセパレータ２２０とを備える。ＬＩＣ正極板２１０ＰとＬＩＣ負極板２１０Ｎとは、セル並び方向に並ぶように配置されている。ＬＩＣセパレータ２２０は、セル並び方向において、互いに隣り合うＬＩＣ正極板２１０ＰとＬＩＣ負極板２１０Ｎとの間に介在するように配置されている。すなわち、ＬＩＣセル２０は、ＬＩＣ正極板２１０ＰとＬＩＣ負極板２１０ＮとＬＩＣセパレータ２２０とが所定方向（本実施形態ではセル並び方向）に並べて配置された積層構造を有している。ＬＩＣ正極板２１０Ｐは、特許請求の範囲における第２の正極の一例であり、ＬＩＣ負極板２１０Ｎは、特許請求の範囲における第２の負極の一例である。
ＬＩＣ正極板２１０Ｐは、正極集電体２１２Ｐと、正極集電体２１２Ｐに支持された正極活物質２１４Ｐとを有する。正極集電体２１２Ｐは、略格子状または網目状に配置された骨を有する導電性部材である。また、正極集電体２１２Ｐは、その上端付近に、上方に突出する正極耳部２１１Ｐを有している。正極活物質２１４Ｐの形成材料としては、例えば活性炭が使用される。
ＬＩＣ負極板２１０Ｎは、負極集電体２１２Ｎと、負極集電体２１２Ｎに支持された負極活物質２１４Ｎとを有する。負極集電体２１２Ｎは、略格子状または網目状に配置された骨を有する導電性部材である。また、負極集電体２１２Ｎは、その上端付近に、上方に突出する負極耳部２１１Ｎを有している。負極活物質２１４Ｎの形成材料としては、リチウムイオン吸蔵可能な炭素系材料が使用される。ＬＩＣセパレータ２２０は、絶縁性材料（例えば、セルロース、ガラス繊維、または合成樹脂）により形成されている。
図２に示すように、蓄電デバイス１００は、さらに、第１の保護部３１０と、第２の保護部３２０と、第３の保護部３３０と、を備える。
ＬＩＣセル２０におけるＬＩＣ正極板２１０Ｐの正極耳部２１１Ｐは、正極側端子部４０Ｐに接合されている。ＬＩＣセル２０におけるＬＩＣ負極板２１０Ｎの負極耳部２１１Ｎは、負極側端子部４０Ｎに接合されている。
ＬＩＢセル１０におけるＬＩＢ正極板１１０Ｐの正極耳部１１１Ｐは、正極側端子部４０Ｐに接合されている。ＬＩＢセル１０におけるＬＩＢ負極板１１０Ｎの負極耳部１１１Ｎは、第１の保護部３１０の一端に接合されている。第１の保護部３１０の他端は、負極側端子部４０Ｎに接合されている。第１の保護部３１０は、所定値以上の電流が流れることによって電流経路を遮断する遮断機能を備えた抵抗素子である。抵抗素子は、ジュール熱で断線する抵抗体またはオン抵抗を有する半導体スイッチである。
第２の保護部３２０の一端は、ＬＩＢセル１０の負極耳部１１１Ｎ（第１の保護部３１０とＬＩＣセル２０との共通接続部）に接合されており、第２の保護部３２０の他端は、第１の検出端子５１に接合されている。第３の保護部３３０の一端は、負極耳部２１１Ｎ（負極側端子部４０Ｎと第１の保護部３１０との共通接続部）に接合されており、第３の保護部３３０の他端は、第２の検出端子５２に接合されている。第２の保護部３２０および第３の保護部３３０は、ヒューズ素子である。なお、本明細書において「接合」は、２つの部材が直接に物理的に接合された場合に限らず、導電体等を介して間接的に接合された場合も含むものとする。
（蓄電デバイス１００の電気的構成）：
図４は、蓄電デバイス１００の電気的構成を示す説明図である。図４に示すように、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とは、互いに並列に接続されている。第１の保護部３１０は、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とによって形成されている並列回路の電流経路に配置されている。第１の保護部３１０は、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０との共通接続部（負極側端子部４０Ｎ）と、ＬＩＢセル１０との間の電流経路に配置されている。
図４は、蓄電デバイス１００の電気的構成を示す説明図である。図４に示すように、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とは、互いに並列に接続されている。第１の保護部３１０は、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とによって形成されている並列回路の電流経路に配置されている。第１の保護部３１０は、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０との共通接続部（負極側端子部４０Ｎ）と、ＬＩＢセル１０との間の電流経路に配置されている。
第１の検出端子５１は、ＬＩＢセル１０のＬＩＢ負極板１１０Ｎに電気的に接続されており、負極側端子部４０Ｎは、ＬＩＣセル２０のＬＩＣ負極板２１０Ｎに電気的に接続されている。第１の保護部３１０は、第１の検出端子５１と負極側端子部４０Ｎとの間に電気的に接続されている。第１の検出端子５１は、特許請求の範囲における第１の外部端子の一例であり、負極側端子部４０Ｎは、特許請求の範囲における第２の外部端子の一例である。
正極側端子部４０Ｐは、ＬＩＢセル１０のＬＩＢ正極板１１０Ｐと、ＬＩＣセル２０のＬＩＣ正極板２１０Ｐとの両方に電気的に接続されている。正極側端子部４０Ｐは、特許請求の範囲における第３の外部端子の一例である。
第２の保護部３２０は、第１の検出端子５１と、第１の保護部３１０とＬＩＢセル１０との共通接続部との間に電気的に接続されている。また、第２の検出端子５２は、第１の保護部３１０と負極側端子部４０Ｎとの共通接続部に電気的に接続されている。さらに、第２の検出端子５２と、第１の保護部３１０と負極側端子部４０Ｎとの共通接続部との間には、第３の保護部３３０が電気的に接続されている。第２の検出端子５２は、特許請求の範囲における第４の外部端子の一例である。
（ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０との配列）：
セル配列方向に互いに隣り合う２つのＬＩＢセル１０は、ＬＩＢ負極板１１０Ｎを共有する。例えば、図３に示すＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０との配列構造において両端に位置する２組のＬＩＢセル１０のそれぞれは、ＬＩＢ負極板１１０Ｎを共有している。また、セル配列方向に互いに隣り合う２つのＬＩＣセル２０は、ＬＩＣ正極板２１０Ｐを共有する。上記配列構造において中央に位置する１組のＬＩＣセル２０は、ＬＩＣ正極板２１０Ｐを共有している。また、セル配列方向に互いに隣り合うＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とは、互いの負極板（ＬＩＢ負極板１１０Ｎ、ＬＩＣ負極板２１０Ｎ）同士が互いに対向するように隣接して配置されている。
セル配列方向に互いに隣り合う２つのＬＩＢセル１０は、ＬＩＢ負極板１１０Ｎを共有する。例えば、図３に示すＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０との配列構造において両端に位置する２組のＬＩＢセル１０のそれぞれは、ＬＩＢ負極板１１０Ｎを共有している。また、セル配列方向に互いに隣り合う２つのＬＩＣセル２０は、ＬＩＣ正極板２１０Ｐを共有する。上記配列構造において中央に位置する１組のＬＩＣセル２０は、ＬＩＣ正極板２１０Ｐを共有している。また、セル配列方向に互いに隣り合うＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とは、互いの負極板（ＬＩＢ負極板１１０Ｎ、ＬＩＣ負極板２１０Ｎ）同士が互いに対向するように隣接して配置されている。
Ａ－２．本実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態の蓄電デバイス１００では、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とによって構成されている並列回路の電流経路に第１の保護部３１０が配置されている（図２及び図４参照）。ＬＩＢセル１０は、相対的に内部抵抗が大きく、相対的に高い容量特性を発揮する。一方、ＬＩＣセル２０は、相対的に内部抵抗が小さいため、相対的に高い出力特性を発揮する。また、ＬＩＣセル２０の充放電が優先されることにより、充放電の繰り返しに起因するＬＩＢセル１０の劣化を抑制することができる。なお、蓄電デバイス１００の放電終了後、優先的に放電して電圧が低下したＬＩＣセル２０がＬＩＢセル１０によって充電される。この際、同一空間内にＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とが収容されておりＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０との間のリチウムイオンの移動が容易であるため、速やかに充電が進みＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０との電圧が均一化される。
以上説明したように、本実施形態の蓄電デバイス１００では、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とによって構成されている並列回路の電流経路に第１の保護部３１０が配置されている（図２及び図４参照）。ＬＩＢセル１０は、相対的に内部抵抗が大きく、相対的に高い容量特性を発揮する。一方、ＬＩＣセル２０は、相対的に内部抵抗が小さいため、相対的に高い出力特性を発揮する。また、ＬＩＣセル２０の充放電が優先されることにより、充放電の繰り返しに起因するＬＩＢセル１０の劣化を抑制することができる。なお、蓄電デバイス１００の放電終了後、優先的に放電して電圧が低下したＬＩＣセル２０がＬＩＢセル１０によって充電される。この際、同一空間内にＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とが収容されておりＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０との間のリチウムイオンの移動が容易であるため、速やかに充電が進みＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０との電圧が均一化される。
また、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とのいずれか一方が例えば内部短絡した場合でも、第１の保護部３１０によって、内部短絡したＬＩＢセル１０またはＬＩＣセル２０に過電流が流れることが抑制される。具体的には、ＬＩＣセル２０が内部短絡した場合、ＬＩＢセル１０から比較的に大きい電流（過電流）がＬＩＣセル２０に流れ込むことで、ＬＩＣセル２０が発熱して例えば故障するおそれがある。これに対して、本実施形態では、第１の保護部３１０によって、ＬＩＢセル１０からＬＩＣセル２０に流れ込む電流が遮断される。また、ＬＩＢセル１０が内部短絡した場合でも、第１の保護部３１０によって、ＬＩＣセル２０からＬＩＢセル１０に流れ込む電流が遮断される。すなわち、本蓄電デバイス１００によれば、容量特性と出力特性との両性能を発揮しつつ、ＬＩＢセル１０またはＬＩＣセル２０に過電流が流れることを抑制することができる。
例えば、第１の保護部３１０が、負極側端子部４０Ｎ（ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０との共通接続部）とＬＩＣセル２０との間の電流経路に配置された構成では、相対的に内部抵抗が小さいＬＩＣセル２０側の電流経路に第１の保護部３１０の抵抗成分が加算されるため、ＬＩＣセル２０の出力特性の弊害になり得る。これに対して、本実施形態では、第１の保護部３１０が負極側端子部４０Ｎ（共通接続部）とＬＩＢセル１０との間の電流経路に配置されている（図２及び図４）。このため、第１の保護部３１０の抵抗成分に起因するＬＩＣセル２０の出力特性の低下を抑制しつつ、ＬＩＢセル１０またはＬＩＣセル２０に過電流が流れることを抑制することができる。また、第１の保護部３１０の存在により、ＬＩＣセル２０の充放電がさらに優先されるため、充放電の繰り返しに起因するＬＩＢセル１０の劣化を、より効果的に抑制することができる。また、負荷Ｗが充電装置であり、ＬＩＢセル１０が例えば内部短絡した場合、正極側端子部４０Ｐと負極側端子部４０Ｎとの間に接続された充電装置から比較的に大きい電流（過電流）がＬＩＢセル１０に流れ込むことで、ＬＩＢセル１０がさらに発熱するおそれがある。これに対して、本実施形態では、第１の保護部３１０によって、充電装置からＬＩＢセル１０に流れ込む電流が遮断される。また、正極側端子部４０Ｐと負極端子部４０Ｎとに接続される負荷Ｗが外部短絡した場合、ＬＩＢセル１０から負荷Ｗに比較的大きい電流が流れることでＬＩＢセル１０が発熱して例えば故障するおそれがある。これに対して本実施形態では、第１の保護部３１０によって、ＬＩＢセル１０から負荷Ｗに流れ込む電流が遮断される。なお、ＬＩＣセル２０からの電流は遮断されないが、ＬＩＣセル２０の容量は比較的小さいため、ＬＩＣセル２０からの電流が流れ続けて悪影響を及ぼす可能性は低い。
本実施形態では、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とは、いずれもリチウムイオンをイオン伝導体として用いる蓄電素子であるため、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とで電解液を共通化でき、同一空間内に収容することができる（図２参照）。また、本実施形態によれば、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とが互いに別々の空間内に収容された構成に比べて、蓄電デバイス１００の小型化や簡略化を図ることができる。
本実施形態では、第１の検出端子５１は、ＬＩＢセル１０のＬＩＢ負極板１１０Ｎに電気的に接続されており、負極側端子部４０Ｎは、ＬＩＣセル２０のＬＩＣ負極板２１０Ｎに電気的に接続されている。第１の保護部３１０は、第１の検出端子５１と負極側端子部４０Ｎとの間に電気的に接続されている。これにより、第１の検出端子５１と負極側端子部４０Ｎとを用いて、第１の保護部３１０の断線の有無等を確認することができる。なお、本実施形態では、第１の検出端子５１と第２の検出端子５２とを用いて、第１の保護部３１０の断線の有無等を確認することもできる。すなわち、本実施形態において、第２の検出端子５２を用いずに、第２の検出端子５２の機能を負極側端子部４０Ｎが兼ねる構成でもよい。
本実施形態では、正極側端子部４０Ｐは、ＬＩＢセル１０のＬＩＢ正極板１１０Ｐと、ＬＩＣセル２０のＬＩＣ正極板２１０Ｐとの両方に電気的に接続されている。これにより、例えば、ＬＩＣ用とＬＩＢ用とで個別の正極側端子部を備える構成に比べて、外部短絡等の要因になる外部端子が不要に多く筐体３０の外表面に配置されることを抑制することができる。
仮に、第２の保護部３２０を備えない構成では、第１の検出端子５１と負極側端子部４０Ｎとが外部短絡した場合、第１の保護部３１０を経由せずに、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０との並列回路が構成される。このため、第１の保護部３１０によってＬＩＢセル１０またはＬＩＣセル２０に過電流が流れることを抑制できない。これに対して、本実施形態では、第２の保護部３２０が、第１の検出端子５１と、第１の保護部３１０とＬＩＢセル１０との共通接続部との間に電気的に接続されている（図４参照）。これにより、第１の検出端子５１と負極側端子部４０Ｎとが外部短絡した場合でも、第２の保護部３２０による電流の遮断によって、ＬＩＢセル１０またはＬＩＣセル２０に過電流が流れることを抑制することができる。また、第１の検出端子５１と正極側端子部４０Ｐとが外部短絡した場合でも、第２の保護部３２０による電流の遮断によってＬＩＢセル１０に過電流が流れることを抑制することができる。
本実施形態では、第２の検出端子５２は、第１の保護部３１０と負極側端子部４０Ｎとの共通接続部に電気的に接続されている。これにより、検出部４００は、第１の検出端子５１と第２の検出端子５２との間の電圧値と、第１の保護部３１０の抵抗値とに基づき、ＬＩＢセル１０に流れる電流を正確に測定することができる。さらに、第２の検出端子５２と、第１の保護部３１０と負極側端子部４０Ｎとの共通接続部との間には、第３の保護部３３０が電気的に接続されている。このため、第２の検出端子５２と正極側端子部４０Ｐとが外部短絡した場合、第３の保護部３３０による電流の遮断によって、ＬＩＣセル２０に過電流が流れることを抑制することができる。
本実施形態では、ＬＩＢ負極板１１０ＮとＬＩＣ負極板２１０Ｎとが、ＬＩＢ正極板１１０ＰとＬＩＣ正極板２１０Ｐとの間に配置され、かつ、ＬＩＢ負極板１１０Ｎが、ＬＩＢ正極板１１０ＰとＬＩＣ負極板２１０Ｎとの間に配置された電極部分を有している（図３参照）。ここで、第１の保護部３１０を取り外して、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０との絶縁した状態で、外部の充電器を正極側端子部４０Ｐと負極側端子部４０Ｎとに接続して充電することにより、ＬＩＢ正極板１１０ＰからＬＩＣ負極板２１０Ｎにリチウムイオンをドープさせることを考える。この場合、仮に、ＬＩＣ負極板２１０Ｎが、ＬＩＢ正極板１１０ＰとＬＩＢ負極板１１０Ｎとの間に配置された構成では、ＬＩＢ正極板１１０ＰからＬＩＣ負極板２１０Ｎに効率良くリチウムイオンをドープさせることができる。しかし、ＬＩＢ正極板１１０ＰとＬＩＣ負極板２１０Ｎとの間に、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とは異なる蓄電要素が発生するおそれがある。これに対して、本実施形態によれば、上記蓄電要素の発生を抑制しつつ、ＬＩＢ正極板１１０ＰからＬＩＣ負極板２１０Ｎに効率良くリチウムイオンをドープさせることができる。
Ｂ．変形例：
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
上記実施形態における蓄電デバイス１００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば上記実施形態では、第１のリチウムイオン蓄電素子及び第２のリチウムイオン蓄電素子として、ＬＩＢ及びＬＩＣを例示したが、内部抵抗が互いに異なる２つのリチウムイオン蓄電素子であればよく、例えば、内部抵抗が互いに異なり、エネルギー容量が互いに異なるＬＩＢ同士でもよい。なお、第１のリチウムイオン蓄電素子は、相対的に高容量（低出力・高抵抗・低サイクル寿命）タイプであることが好ましく、第２のリチウムイオン蓄電素子は、相対的に高出力（低容量・低抵抗・高サイクル寿命）タイプであることが好ましい。
上記実施形態では、複数のＬＩＢセル１０と複数のＬＩＣセル２０と電解液とが同一の空間内に収容された構成であったが、１つのＬＩＢセル１０と１つのＬＩＣセル２０と電解液とが同一の空間内に収容された構成でもよいし、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とが互いに異なる空間（セル室、電槽）にそれぞれ収容された構成でもよい。上記実施形態では、ＬＩＢセル１０及びＬＩＣセル２０は、いずれも積層構造を有する構成であったが、これに限らず、例えば正極と負極との一方が他方の周りに巻かれた巻回構造を有する構成でもよい。
上記実施形態では、第１の保護部３１０として、過電流時にジュール熱で遮断する抵抗体、または、オン抵抗を備えた半導体スイッチを例示したが、これに限らず、ヒューズ素子やブレーカなどでもよい。また、上記実施形態では、第２の保護部３２０および第３の保護部３３０として、ヒューズ素子を例示したが、これに限らず、半導体スイッチやブレーカなどでもよい。また、各保護部３１０～３３０は、電流経路を構成する導電体を部分的に細くして、所定値以上の電流が流れることによって断線する構成としてもよい。具体的には、上記実施形態において、正極耳部１１１Ｐや負極耳部１１１Ｎの一部を細くしてもよい。また、保護部３１０～３３０の少なくとも１つは、筐体３０の外表面側に配置された構成でもよい。これにより、保護部３１０～３３０の取り付けが容易で、また遮断精度の高い素子を用いることができる。
上記実施形態では、第１の保護部３１０は、負極側端子部４０ＮとＬＩＢセル１０との間の電流経路に配置されていたが、これに限らず、例えば、正極側端子部４０ＰとＬＩＢセル１０との間の電流経路に配置されていてもよい。また、第１の保護部３１０は、正極側端子部４０Ｐまたは負極側端子部４０Ｎと、ＬＩＣセル２０との間に配置されていてもよい。「第１のリチウムイオン蓄電素子と第２のリチウムイオン蓄電素子との共通接続部」は、ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とが同一電槽内に収容された導電体でもよいし、別々の電槽に収容されたＬＩＣとＬＩＢとを電槽の外部で共通接続する導電体（外部端子など）でもよい。
ＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０との配列パターンは、図３に示されたパターンに限られない。例えばＬＩＢセル１０とＬＩＣセル２０とが交互に配置された構成や、複数のＬＩＢセル１０が連続的に配列され、その隣に、複数のＬＩＣセル２０が連続的に配列された構成でもよい。
図５は、変形例における蓄電デバイス１００ａ，１００ｂの電気的構成を示す説明図である。図５（Ａ）に示すうように、蓄電デバイス１００ａは、ＬＩＢセル１０ａ（ＬＩＢ）とＬＩＣセル２０ａ（ＬＩＣ）とが並列に接続された並列回路が、複数、直列に接続された構成である。各並列回路の電流経路には、第１の保護部３１０ａが配置されている。図５（Ｂ）に示すうように、蓄電デバイス１００ｂは、直列に接続された複数のＬＩＢセル１０ｂと、直列に接続された複数のＬＩＣセル２０ｂとが、並列に接続された構成である。並列回路の電流経路には、第１の保護部３１０ｂが配置されている。これらの構成により、蓄電デバイス１００ａ，１００ｂは、いずれも、容量特性と出力特性との両性能を発揮しつつ、リチウムイオン蓄電素子に過電流が流れることを抑制することができる。但し、蓄電デバイス１００ｂでは、大電流を遮断するために大型の第１の保護部３１０ｂを設ける必要がある。これに対して、蓄電デバイス１００ａでは、第１の保護部３１０ｂよりも小型の第１の保護部３１０ａを設ければよいため、例えば保護部に起因する蓄電デバイスの大型化、保護部の配置スペースの制約等を抑制することができる。
１０，１０ａ，１０ｂ：ＬＩＢセル ２０，２０ａ，２０ｂ：ＬＩＣセル ３０：筐体 ３２：電槽 ３４：蓋 ４０Ｎ：負極側端子部 ４０Ｐ：正極側端子部 ５１：第１の検出端子 ５２：第２の検出端子 １００，１００ａ，１００ｂ：蓄電デバイス １１０Ｎ：ＬＩＢ負極板 １１０Ｐ：ＬＩＢ正極板 １１１Ｎ，２１１Ｎ：負極耳部 １１１Ｐ，２１１Ｐ：正極耳部 １１２Ｎ，２１２Ｎ：負極集電体 １１２Ｐ，２１２Ｐ：正極集電体 １１４Ｎ，２１４Ｎ：負極活物質 １１４Ｐ，２１４Ｐ：正極活物質 １２０，２２０：ＬＩＢセパレータ ２１０Ｎ：ＬＩＣ負極板 ２１０Ｐ：ＬＩＣ正極板 ３１０，３１０ａ，３１０ｂ：第１の保護部 ３２０：第２の保護部 ３３０：第３の保護部 ４００：検出部 Ｗ：負荷
Claims (8)
- 第１のリチウムイオン蓄電素子と、
前記第１のリチウムイオン蓄電素子に対して並列に接続され、第１のリチウムイオン蓄電素子に比べて内部抵抗が小さい第２のリチウムイオン蓄電素子と、
前記第１のリチウムイオン蓄電素子と前記第２のリチウムイオン蓄電素子とによって構成されている並列回路の電流経路に配置され、所定値以上の電流が流れることによって前記電流経路を遮断する第１の保護部と、
を備える、蓄電デバイス。 - 請求項１に記載の蓄電デバイスであって、
前記第１の保護部は、前記第１のリチウムイオン蓄電素子と前記第２のリチウムイオン蓄電素子との共通接続部と、前記第１のリチウムイオン蓄電素子との間の電流経路に配置されている、
蓄電デバイス。 - 請求項１または請求項２に記載の蓄電デバイスであって、
前記第１のリチウムイオン蓄電素子が有する第１の正極および第１の負極と、前記第２のリチウムイオン蓄電素子が有する第２の正極および第２の負極と、電解液と、を同一空間内に収容する筐体を備える、
蓄電デバイス。 - 請求項３に記載の蓄電デバイスであって、
前記筐体は、第１の外部端子と第２の外部端子とを備え、
前記第１の外部端子は、前記第１のリチウムイオン蓄電素子のうち、前記第１の正極と前記第１の負極とのいずれか一方の電極に電気的に接続されており、
前記第２の外部端子は、前記第２のリチウムイオン蓄電素子のうち、前記一方の電極と同極の電極に電気的に接続されており、
前記第１の保護部は、前記第１の外部端子と前記第２の外部端子との間に電気的に接続されている、
蓄電デバイス。 - 請求項４に記載の蓄電デバイスであって、
前記筐体は、さらに、第３の外部端子を備え、
前記第３の外部端子は、前記第１のリチウムイオン蓄電素子のうち、前記第１の正極と前記第１の負極との他方の電極と、前記第２のリチウムイオン蓄電素子のうち、前記他方の電極と同極の電極との両方に電気的に接続されている、
蓄電デバイス。 - 請求項４または請求項５に記載の蓄電デバイスであって、
前記第１の保護部は、前記筐体の外表面側に配置されている、
蓄電デバイス。 - 請求項４から請求項６までのいずれか一項に記載の蓄電デバイスであって、
前記第１の外部端子と、前記第１の保護部と前記第１のリチウムイオン蓄電素子との共通接続部との間に、所定値以上の電流が流れることによって電流を遮断する第２の保護部が配置されている、
蓄電デバイス。 - 請求項４から請求項７までのいずれか一項に記載の蓄電デバイスであって、
前記筐体は、さらに、第４の外部端子を備え、
前記第４の外部端子は、前記第１の保護部と前記第２のリチウムイオン蓄電素子との共通接続部に電気的に接続されており、
前記第１の保護部は、遮断機能を備えた抵抗素子である、
蓄電デバイス。
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