JP2024526654A - 電池パック及び電力消費装置 - Google Patents

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Abstract

電池パックは、筐体と電池セルとを含み、筐体は、第１の領域と、第２の領域と、第３の領域とを含み、各領域には、それぞれ第１の電池セル、第２の電池セル、第３の電池セルが配置される。各電池セルは、それぞれ第１の放電電圧プラトー及び第２の放電電圧プラトーを有し、第１の放電電圧プラトーの平均放電電圧は、第２の放電電圧プラトーの平均放電電圧よりも高く、各電池セルの正極活物質は、第１の放電電圧プラトーを有する第１の正極活物質と、第２の放電電圧プラトーを有する正極機能助剤とが混合されてなり、各電池セルにおいて、第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量との和が１００％であるとき、第３の電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞第２の電池セルの放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞第１の電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合である。

Description

本願は、リチウムイオン電池分野に関する。特に、低温でのエネルギー保持率が高い電池パック及び該電池パックを含む電力消費装置に関する。
近年、リチウムイオン電池技術の継続的な発展に伴い、リチウムイオン電池は、水力、火力、風力及び太陽光発電所などのエネルギー貯蔵電源システム、並びに電動工具、電動自転車、電動オートバイ、電気自動車、軍事設備、航空宇宙などの多くの分野に広く応用されている。
上記分野において、リチウムイオン二次電池セルの容量が使用ニーズを満たすことができない場合がある。この場合、複数のリチウムイオン二次電池セルを直列又は並列に接続して電池パックを構成し、電池パックの全体放電量を向上させる必要がある。
しかしながら、リチウムイオン二次電池セルからなる電池パックは、冬場のような低温環境下で使用される場合、エネルギー保持率が大幅に低下する。即ち、低温では航続能力の劣化が進む。そのため、電池パック全体の低温での航続能力を如何に向上させるかが早急に解決すべき重要な問題となっている。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、低温でのエネルギー保持率に優れ、低温での航続能力が向上したリチウムイオン二次電池からなる電池パック及びこの電池パックを備えた電力消費装置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、本願の第１の態様は、電池パックを提供するものである。電池パックは、電池パックの筐体と、前記電池パックの筐体に収容された電池セルとを含む。前記電池パックの筐体の内部空間は、第１の領域と、第２の領域と、第３の領域とを含む。前記第１の領域には、第１の電池セルが配置され、前記第２の領域には、第２の電池セルが配置され、前記第３の領域に第３の電池セルが配置される。前記第２の電池セルは前記第１の電池セルの周囲を囲んで配置され、前記第３の電池セルは前記第２の電池セルの周囲を囲んで配置される。前記第１の電池セル、前記第２の電池セル及び前記第３の電池セルはそれぞれ第１の放電電圧プラトー及び第２の放電電圧プラトーを有する。前記第１の放電電圧プラトーの平均放電電圧は、前記第２の放電電圧プラトーの平均放電電圧より高い。前記第１の電池セル、前記第２の電池セル及び前記第３の電池セルのそれぞれの正極活物質は、前記第１の放電電圧プラトーを有する第１の正極活物質と、前記第２の放電電圧プラトーを有する正極機能助剤とを混合してなる。前記正極機能助剤は、チタン酸化物、ニオブ酸化物又はチタンニオブ酸化物である。前記第１の電池セル、前記第２の電池セル及び前記第３の電池セルのそれぞれにおいて、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量との和が１００％であるとき、前記第３の電池セルの前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞前記第２の電池セルの前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞前記第１の電池セルの前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合である。
これにより、本願は、電池パック内の温度分布に応じて、低温での放電能力が異なる電池セルを設置することで、電池パック全体の低温でのエネルギー保持率を改善する。具体的には、電池パックの筐体の内部空間の温度が異なる領域に、二重放電電圧プラトー（放電電圧が高い第１の放電電圧プラトーと放電電圧が低い第２の放電電圧プラトー）を有する低温エネルギー保持率の異なる電池セルをそれぞれ配置するとともに、温度が低い領域ほど低温エネルギー保持率の高い電池セルを配置する。電池パックの筐体の内部空間における温度が相対的に高い領域に、低温性能が相対的に低い（低温エネルギー保持率が相対的に小さい）電池セルを配置し、電池パックの筐体の内部空間における温度が相対的に低い領域に、低温性能が相対的に高い（低温エネルギー保持率が相対的に大きい）電池セルを配置することにより、電池パックの温度が異なる各領域における電池セルのサイクル一貫性をより高くし、電池パック全体の低温エネルギー保持率を向上させ、電池パック全体の低温航続能力を向上させることができる。
本願において、二重放電電圧プラトーを有する電池セルの正極活物質は、通常の正極活物質（第１の正極活物質）と正極機能助剤とを混合してなる。通常の正極活物質は、放電電圧が高い第１の放電電圧プラトーを有する。正極機能助剤は、チタン酸化物、ニオブ酸化物又はチタンニオブ酸化物である。これらの正極機能助剤は、放電電圧が低い第２の放電電圧プラトーを有する。電池セルにおける放電電圧が低い第２の放電電圧プラトーの放電容量は、正極活物質における正極機能助剤の含有量を変えることにより調節することができる。二重放電電圧プラトーを有する電池セルを使用することにより、放電電圧が高い第１の放電電圧プラトーを使用して放電した後、放電電圧が低い第２の放電電圧プラトーを使用して放電し続け、電池セルの放電電力、特に低温条件下での放電電力を顕著に向上させ、電池セルにより高い低温エネルギー保持率を持たせることができる。
本願に記載の電池パックの形状は任意であり、顧客の要求に応じて設計された任意の形状であってもよい。
本願に記載の電池パックにおいて、電池パックの筐体の内部空間は、上記の３つの領域に区画されることに限定されず、上記の第１の領域、第２の領域及び第３の領域を含んでいればよい。具体的には、電池パックの筐体の内部空間は、上述した第１の領域、第２の領域及び第３の領域からなっていてもよいし、電池パックの筐体の内部空間は、上述した第１の領域、第２の領域及び第３の領域に加えて、第３の領域の外側に１又は複数の領域を有していてもよく、外側の領域に配置された電池セルが、その内側の領域に配置された電池セルの周囲を囲んで配置されていればよい。
本願に係る電池パックは、電池パックの筐体の内部空間が上記のような３つ以上の領域を含む場合、外側の領域ほど、電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合が高くなる（すなわち、電池セルの正極活物質における正極機能助剤の質量割合が高くなる）ことを満たせばよい。
いくつかの実施形態において、電池パックの筐体の内部空間が矩形形状である場合、当該矩形形状の四隅を最も外側の領域とする。当該領域において、電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量の割合が最も高い（すなわち、電池セルの正極活物質における正極機能助剤の質量割合が最も高い）。
いくつかの実施形態において、前記電池パックの筐体の前記内部空間は、前記第１の領域、前記第２の領域及び前記第３の領域からなる。
これにより、電池パックの筐体の内部空間が上述した第１の領域、第２の領域及び第３の領域の３つの領域に区画された電池パックにおいて、上述した優れた効果を得ることができる。
いくつかの実施形態において、前記正極機能助剤は、Ｔｉ２Ｎｂ２ｘＯ４＋５ｘで表されるチタンニオブ酸化物であり、ｘは１以上の整数である。好ましくは、前記チタンニオブ酸化物は、Ｔｉ２Ｎｂ２Ｏ９、ＴｉＮｂ２Ｏ７、Ｔｉ２Ｎｂ１０Ｏ２９及びＴｉＮｂ２４Ｏ６２から選ばれる１種又は複数種である。
これにより、正極機能助剤として性能に優れたチタンニオブ酸化物を選択することで、好適な第２の放電電圧プラトーを有する電池セルを得ることができ、低温性能に優れた本願電池パックを実現することができる。
いくつかの実施形態において、前記第２の放電電圧プラトーの放電電圧範囲は、１．０－２．０Ｖであり、好ましくは、前記第２の放電電圧プラトーの１．２－１．６Ｖにおける放電容量は、前記第２の放電電圧プラトーの総放電容量の５０％以上であり、好ましくは、７０％以上である。
これにより、第２の放電電圧プラトーの放電電圧を上記範囲とすることで、第２の放電電圧プラトーの放電電圧と第１の放電電圧プラトーの放電電圧とに有意差を持たせることができ、二重放電電圧プラトーを有することによる上記効果を顕著に得ることができる。第２の放電電圧プラトーの総放電容量に占める第２の放電電圧プラトーの１．２－１．６Ｖにおける放電容量の割合を上記範囲内にすることにより、電池セルが低温で十分なエネルギーを放出できることを確保し、電池パック全体の低温エネルギー保持率を確保することができる。
いくつかの実施形態において、前記第１の電池セル、第２の電池セル、第３の電池セルにおいて、前記第１の放電電圧プラトーの最低放電電圧と前記第２の放電電圧プラトーの最高放電電圧との差は０．５Ｖ以上であり、好ましくは１．０Ｖ以上である。
これにより、放電電圧の高い第１の放電電圧プラトーで放電した後、引き続き放電電圧の低い第２の放電電圧プラトーで放電することがでる。その結果、各電池セルが低温で放出可能なエネルギーを著しく高めて、電池パック全体の低温でのエネルギー保持率を向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記第１の電池セルにおいて、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量との和が１００％であるとき、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量は９０％－１００％を占め、前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量は０％－１０％を占める。
これにより、第１の電池セルにおける第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量のそれぞれの割合を上記範囲内にすることで、第１の電池セルが低温で放出可能なエネルギーを高めて、電池パック全体の低温エネルギー保持率を向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記第２の電池セルにおいて、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量との和が１００％であるとき、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量は７３％－９５％を占め、前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量は５％－２７％を占める。
これにより、第２の電池セルにおける第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量のそれぞれの割合を上記範囲内にすることで、第２の電池セルが低温で放出可能なエネルギーを高めて、電池パック全体の低温エネルギー保持率をさらに向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記第３の電池セルにおいて、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量との和が１００％であるとき、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量は５４％－８７％を占め、前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量は１３％－４６％を占める。
これにより、第３の電池セルにおける第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量のそれぞれの割合を上記範囲内にすることで、第３の電池セルが低温で放出可能なエネルギーを高め、電池パック全体の低温エネルギー保持率をより一層向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記第１の電池セルの正極活物質のグラム容量は１４８－２８５ｍＡｈ／ｇであり、前記第２の電池セルの正極活物質のグラム容量は１５５－２９５ｍＡｈ／ｇであり、前記第３の電池セルの正極活物質のグラム容量は１６９－３１１ｍＡｈ／ｇである。
これにより、第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルのそれぞれのグラム容量を上記範囲内とすることで、第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルの低温での放電容量を略揃えて、電池パック全体の低温でのエネルギー保持率を向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記正極機能助剤の理論グラム容量は３５０－４１０ｍＡｈ／ｇである。
これにより、理論グラム容量が上記範囲内にある正極機能助剤を用いることで、各電池セルに十分なエネルギー密度を確保し、各電池セル及び電池パック全体の低温放電電力を向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記第１の正極活物質は、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム、ニッケルコバルトアルミン酸リチウム及びリン酸鉄リチウムから選ばれる１種である。
これにより、第１の正極活物質による第１の放電電圧プラトーと正極機能助剤による第２の放電電圧プラトーとの放電電圧と放電容量割合とが上記関係を満たす限り、第１の正極活物質は既存の様々な正極活物質から選択することができ、既存の正極活物質を利用して本願の電池パックを容易に実現することができる。
いくつかの実施形態において、前記第１の電池セル、前記第２の電池セル及び前記第３の電池セルにおける前記第１の正極活物質の種類が同じであり、且つ前記正極機能助剤の種類が同じであるとき、前記第１の正極活物質が正極活物質に占める質量割合は、前記第１の電池セル、前記第２の電池セル、前記第３の電池セルの順に逓減し、前記正極機能助剤が正極活物質に占める質量割合は、前記第１の電池セル、前記第２の電池セル、前記第３の電池セルの順に逓増する。
放電電圧が低い第２の放電電圧プラトーを生成するための正極機能助剤の質量割合が大きいほど、第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合が大きいほど、電池セルの低温エネルギー保持率が高くなる。第３の領域に配置された第３の電池セルの正極機能助剤の質量割合＞第２の領域に配置された第２の電池セルの正極機能助剤の質量割合＞第１の領域に配置された第１の電池セルの正極機能助剤の質量割合とすることにより、第３の電池セルの低温エネルギー保持率＞第２の電池セルの低温エネルギー保持率＞第１の電池セルの低温エネルギー保持率とすることができる。その結果、第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルが低温で放出するエネルギーをほぼ揃えることができ、電池パック全体の低温エネルギー保持率をさらに向上させる。
いくつかの実施形態において、前記第１の電池セルにおいて、前記第１の正極活物質と前記正極機能助剤の総質量が１００％であるとき、前記第１の正極活物質の質量は９６．０％－１００％を占め、前記正極機能助剤の質量は０％－４．０％を占める。
このように、第１の電池セルにおける第１の正極活物質と正極機能助剤の質量割合を上記範囲内とすることにより、第１の電池セルにおける第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量のそれぞれの割合を上記範囲内とすることができる。その結果、第１の電池セルが低温で放出可能なエネルギーを高めて、電池パック全体の低温エネルギー保持率を向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記第２の電池セルにおいて、前記第１の正極活物質と前記正極機能助剤の総質量が１００％であるとき、前記第１の正極活物質の質量は８８．５％－９６．０％を占め、前記正極機能助剤の質量は４．０％－１１．５％を占める。
このように、第２の電池セルにおける第１の正極活物質と正極機能助剤との質量割合を上記範囲内とすることにより、第２の電池セルにおける第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量とのそれぞれの割合を上記範囲内とすることができる。その結果、第２の電池セルが低温で放出可能なエネルギーを高めて、電池パック全体の低温エネルギー保持率をより向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記第３の電池セルにおいて、前記第１の正極活物質と前記正極機能助剤の総質量が１００％であるとき、前記第１の正極活物質の質量は７６．５％－８８．５％を占め、前記正極機能助剤の質量は１１．５％－２３．５％を占める。
このように、第３の電池セルにおける第１の正極活物質と正極機能助剤との質量割合を上記範囲内とすることにより、第３の電池セルにおける第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量とのそれぞれの割合を上記範囲内とすることができる。その結果、第３の電池セルが低温で放出可能なエネルギーを高めて、電池パック全体の低温エネルギー保持率をより一層向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記正極機能助剤は、炭素で被覆されたリチウム元素含有チタンニオブ酸化物である。
これにより、正極機能助剤としてのチタンニオブ酸化物を炭素被覆及びプレリチオ化することで、チタンニオブ酸化物の導電性及び電池単体の有効リチウムイオン数を高め、正極機能助剤としてのチタンニオブ酸化物の構造安定性を高め、電池単体のエネルギー密度及びサイクル安定性を確保することができる。
いくつかの実施形態において、前記第１の電池セル、前記第２の電池セル及び前記第３の電池セルのそれぞれの負極は、リチウム補充処理される。
これにより、第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルのそれぞれの負極に対してリチウム補充処理を行うことにより、正極活物質にチタンニオブ酸化物を添加することによるリチウムイオンの不足を補うことができる。その結果、電池セルの有効なリチウムイオン総量を低下させず、電池セルのエネルギー密度を保証する。
いくつかの実施形態において、０℃以下の温度で、前記第１の電池セルの放電カットオフ電圧は１．４－１．６Ｖであり、前記第２の電池セルの放電カットオフ電圧は１．２－１．４Ｖであり、前記第３の電池セルの放電カットオフ電圧は１．０－１．２Ｖである。
これにより、上記のように第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルの放電カットオフ電圧を設けることで、第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルが低温で放出するエネルギーをほぼ揃えることができ、電池パック全体の低温エネルギー保持率を向上させることができる。
いくつかの実施形態において、第１の電池セルの数：第２の電池セルの数：第３の電池セルの数＝（３－８）：（８－１３）：（１０－１５）である。言い換えれば、第１の電池セルの数と第２の電池セルの数と第３の電池セルの数との和が１００％であるとき、第１の電池セルの数の割合は約１０－３０％であり、第２の電池セルの数の割合は約２５－５０％であり、第３の電池セルの数の割合は約３０－６０％である。
これにより、一般的な電池パックの温度分布範囲に応じて、第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルの数を設定すれば、本願の電池パックを容易に実現することができる。
本願の第２の態様は、本願の第１の態様の電池パックを含む電力消費装置を提供するものである。
これにより、本願の第２の態様に係る電力消費装置は、低温での航続能力が強く、低温でも長時間にわたって正常に使用することができる。
本発明によれば、電池パックの筐体内部の温度の異なる領域に、二重放電電圧ステージを有する低温エネルギー保持率の異なる電池セルを配置することにより、温度の異なる領域の電池セルが低温で放出するエネルギーをほぼ揃えることができ、全体として低温エネルギー保持率が向上した電池パック及びそれを含む電力消費装置を提供することができる。
図１は、本発明の一つの実施形態に係る電池パックの概略構成図である。 図２は、図１に示す本願の一つの実施形態に係る電池パックの筐体を除いた構成部品の平面図である。 図３は、本発明の一つの実施形態に係る電池パックに用いられる二重放電電圧プラトーを有する電池セルの定電流放電曲線の模式図である。ここで、該電池セルの正極活物質は、第１の正極活物質ＬｉＮｉ０．６Ｃｏ０．２Ｍｎ０．２Ｏ２（ＮＣＭ）と正極機能助剤であるチタンニオブ酸化物（ＴＮＯ、例えばＴｉＮｂ２Ｏ７）からなる。 図４は、本願の一つの実施形態に係る電池パックを電源として用いた電力消費装置の模式図である。
以下、適宜図面を参照しながら、本願の電池パック及び電力消費装置を具体的に開示した実施形態について詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細な説明や実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本願を十分に理解するために提供されるのであって、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
本願で開示される「範囲」は下限と上限の形で限定され、所定の範囲は１つの下限と１つの上限を選定することによって限定され、選定された下限と上限は特別な範囲の境界を限定する。このように定義される範囲は、エンド値を含んでも含まなくてもよく、任意に組み合わせることができる。すなわち、任意の下限と任意の上限とを組み合わせて１つの範囲を形成してもよい。例えば、特定のパラメータについて６０－１２０及び８０－１１０の範囲が列挙されている場合、６０－１１０及び８０－１２０の範囲も予想される。また、最小範囲値１、最小範囲値２、及び最大範囲値３、最大範囲値４、最大範囲値５を列挙すると、以下の範囲、即ち１－３、１－４、１－５、２－３、２－４、２－５が全部予想される。本願において、他の説明がない限り、数値範囲「ａ－ｂ」は、ａからｂの間の任意の実数の組み合わせの省略を示し、ここで、ａとｂはいずれも実数である。例えば、数値範囲「０－５」は、本文に「０－５」の間の全ての実数を全て列挙したことを示し、「０－５」は、これらの数値の組み合わせの省略表示に過ぎない。また、あるパラメータが２以上の整数であると表現すると、そのパラメータは、例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２などの整数であることが開示されていることに相当する。
特に説明しない限り、本願の全ての実施形態及び選択可能な実施形態は、互いに組み合わせて新しい技術案を形成することができる。
特に説明しない限り、本願の全ての技術的特徴及び選択可能な技術的特徴は、互いに組み合わせて新しい技術案を形成することができる。
特に説明しない限り、本願の全てのステップは、順番に行われてもよく、ランダムに行われてもよいが、順番に行われることが好ましい。例えば、前記方法は、ステップ（ａ）及び（ｂ）を含むというのは、前記方法は、順次行われるステップ（ａ）及び（ｂ）を含んでもよく、順次行われるステップ（ｂ）及び（ａ）を含んでもよいことを示す。例えば、前記方法は、ステップ（ｃ）をさらに含んでもよいというのは、ステップ（ｃ）が任意の順序で前記方法に追加されてもよいことを示す。例えば、前記方法は、ステップ（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を含んでもよく、ステップ（ａ）、（ｃ）及び（ｂ）を含んでもよく、ステップ（ｃ）、（ａ）及び（ｂ）などを含んでもよい。
特に説明しない限り、本願で言及される「含む」及び「含有」は、オープン式であっても、クローズ式であってもよい。例えば、「含む」及び「含有」とは、列挙されていない他の成分を更に含有又は含んでもよく、列挙された成分のみを含有又は含んでもよいことを意味する。
特に説明しない限り、本願において、用語「又は」は包括的である。例えば、「Ａ又はＢ」という語句は、「Ａ、Ｂ、又はＡ及びＢの両方」を意味する。より具体的には、Ａが真（または存在）であり、かつ、Ｂが偽（または存在せず）であるか、Ａが偽（または存在せず）であり、かつ、Ｂが真（または存在）であるか、または、ＡおよびＢの両方が真（または存在）であることは、何れも条件「ＡまたはＢ」を満たす。
発明者らは、リチウムイオン二次電池セルからなる電池パックが冬場の低温環境下で使用される場合、電池パックにおける異なる位置の電池セルの放熱能力と保温効果が異なるため、異なる位置の電池セルの充放電性能が一致しないことに気付いた。具体的には、低温環境で使用する場合、電池パック内の内側に位置する電池セルの温度が相対的に高く、低温での放電性能が相対的に良く、電池パック内の外側に位置する電池セルの温度が相対的に低く、低温での放電性能が相対的に悪い。電池パックにおける異なる部位の電池セルの低温での放電能力の差異により、電池パック全体の低温でのエネルギー保持率が大幅に低下する。
そこで、発明者らは、電池パックにおいて温度が低い領域に低温放電性能により優れた電池セルを配置することにより、電池パックにおいて異なる位置の電池セルが低温環境下で放出するエネルギーをほぼ揃えることができ、電池パック全体としての低温環境下でのエネルギー発揮が向上し、当該電池パックを電源として用いた電力消費装置の低温環境下での航続距離が向上することに想到した。
上記目的を達成するために、発明者らが検討を重ねた結果、温度の低い領域に配置された電池セルが２つの放電電圧プラトーを有し、高い放電電圧プラトーでの放電が終了した後、低い放電電圧プラトーでの放電を継続することにより、これらの電池セルの放電量を高めることができ、これらの電池セルの低温での放電性能がより優れることを見出した。
低い放電電圧プラトーを提供することができる物質は複数種知られている。発明者らは研究を重ねることにより、一般的に負極活物質として用いられるチタン酸化物、ニオブ酸化物又はチタンニオブ酸化物は低いリチウム対比電位を有し、これらの物質を正極機能助剤として通常の正極活物質に添加すると、これらの物質は低い放電電圧プラトーを提供することができ、電池セルが低温でより多くのエネルギーを放出することができ、電池セルの放電量を向上させ、さらに電池パック全体の低温でのエネルギー保持率を向上させる。
そして、電池セルにおける正極機能助剤の質量が正極活物質の総質量（通常の正極活物質と正極機能助剤の質量の和）に占める割合が一定の割合（例えば５０％）を超えない場合、低い放電電圧プラトーに対応する放電容量が高低２つの放電電圧プラトーに対応する総放電容量に占める割合が高いほど、電池セルの低温性能が優れている。このように、温度の低い領域ほど低い放電電圧プラトーに対応する放電容量の割合が高い電池セルを用いることにより、温度の異なるそれぞれの領域に配置された電池セルが低温で発揮するエネルギーをほぼ揃えることができる。これにより、電池パック全体の低温でのエネルギー保持率を向上させて、当該電池パックを電源として用いた電気自動車等の電力消費装置の低温での航続能力を向上させることができる。
＜電池パック＞
以下、本願の電池パック１について具体的に説明する。
図１は、本発明の一つの実施形態に係る電池パック１の概略構成図である。図２は、図１に示す電池パック１の筐体を除いた構成部品の平面図である。
図１及び図２に示すように、本願の電池パック１は、電池ボックスと、電池ボックス内に設けられた複数の電池セル（６１、６２、６３）とを含む。電池ボックスは、上筐体２と下筐体３とを含み、上筐体２は、下筐体３に覆設され、複数の電池セルを収容するための密閉空間（電池パックキャビティ）を形成することができる。
図２に示すように、第１の領域Ｒ１は、第１の境界線ＢＬ１で囲まれた略矩形の領域であって、電池パックの筐体の内部空間の矩形形状の中心部に位置し（例えば、第１の領域Ｒ１の矩形形状の長さと幅は、それぞれ電池パックの筐体の内部空間の矩形形状の長さと幅の略２分の１であってもよい）、第２の領域Ｒ２は、第１の境界線ＢＬ１と第３の境界線ＢＬ３との間の略環状の領域であり、第３の領域Ｒ３は、第２の境界線ＢＬ２と第３の境界線ＢＬ３との間の略環状の領域である。ここで、第１の境界線ＢＬ１、第２の境界線ＢＬ２と第３の境界線ＢＬ３は、第１の領域、第２の領域と第３の領域を明らかに表示するために描かれた仮想線である。
さらに、前記第１の領域Ｒ１に第１の電池セル６１が配置され、前記第２の領域Ｒ２に第２の電池セル６２が配置され、前記第３の領域Ｒ３に第３の電池セル６３が配置される。前記第２の電池セル６２は前記第１の電池セル６１の周囲を囲んで配置され、前記第３の電池セル６３は前記第２の電池セル６２の周囲を囲んで配置される。前記第１の電池セル６１、前記第２の電池セル６２及び前記第３の電池セル６３は、それぞれ第１の放電電圧プラトー及び第２の放電電圧プラトーを有する。前記第１の放電電圧プラトーの平均放電電圧は、前記第２の放電電圧プラトーの平均放電電圧よりも高い。前記第１の電池セル６１、前記第２の電池セル６２及び前記第３の電池セル６３のそれぞれの正極活物質は、前記第１の放電電圧プラトーを有する第１の正極活物質と、前記第２の放電電圧プラトーを有する正極機能助剤とを混合してなり、前記正極機能助剤は、チタン酸化物、ニオブ酸化物又はチタンニオブ酸化物である。前記第１の電池セル６１、前記第２の電池セル６２及び前記第３の電池セル６３のそれぞれにおいて、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量との和が１００％である場合、前記第３の電池セル６３の前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞前記第２の電池セル６２の前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞前記第１の電池セル６１の前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合である。同じ温度の外部環境に置かれる場合、電池パック１内において、第３の領域Ｒ３の温度は第２の領域Ｒ２の温度よりも低く、第２の領域Ｒ２の温度は第１の領域Ｒ１の温度よりも低い。
なお、本願明細書全体において、第１の電池セルを、第１の放電電圧プラトーと第２の放電電圧プラトーとを有するものとして説明するか、又は第１の電池セルの正極活物質を、第１の放電電圧プラトーを有する第１の正極活物質と第２の放電電圧プラトーを有する正極機能助剤とを混合してなるものとして説明するが、第１の放電電圧プラトーのみを含み、第２の電圧放電プラトーを含まない第１の電池セル、すなわち第１の正極活物質のみからなる第１の電池セルも本発明の範囲内である。
なお、「放電電圧プラトー」とは、放電曲線において放電電圧が比較的穏やかな部分であり、放電電圧プラトーで放電した場合には、単位時間当たりの放電量が多い。図３は、本発明の一つの実施形態に係る電池パックに用いられる二重放電電圧プラトーを有する電池セルの定電流放電曲線の模式図である。ここで、該電池セルの正極活物質は、第１の正極活物質ＬｉＮｉ０．６Ｃｏ０．２Ｍｎ０．２Ｏ２（ＮＣＭ）と正極機能助剤チタンニオブ酸化物（ＴＮＯ、例えばＴｉＮｂ２Ｏ７）からなる。図３に示すように、ＮＣＭの放電電圧プラトーの下限は２．５Ｖ（図３におけるＡ点）であり、ＴＮＯの放電電圧プラトーの上限は１．８Ｖ（図３におけるＢ点）である。また、図３に示すように、電池セルの放電曲線が２つの放電電圧プラトーを有する場合には、Ａ点を経た後、放電電圧が急激に低下し、Ｂ点に低下した後に再度なだらかになり、放電電圧プラトーによる放電が継続される。
図３において、第１の電圧低下が終了するＢ点の前は、第１の放電電圧プラトー（即ち、高電圧放電プラトー、即ち、本願の第１の放電電圧プラトー）であり、データ値において、高電圧正極活物質から放出された全てのエネルギーと電流との比（均衡した値であり、Ｂ点の前の平均電圧として大まかに見なすこともできる）に等しい。第１の電圧低下が終了するＢ点の後は、第２の放電電圧プラトー（即ち、低電圧放電プラトー、即ち、本願の第２の放電電圧プラトー）になり、低電圧正極活物質（例えば、本願の正極機能助剤）から放出された全てのエネルギーと電流との比（均衡した値であり、Ｂ点の後の平均電圧として大まかに見なすこともできる）として現れる。
本願において、電池パックの筐体の内部空間の温度が異なる領域に、二重放電電圧プラトー（放電電圧が高い第１の放電電圧プラトーと放電電圧が低い第２の放電電圧プラトー）を有する低温エネルギー保持率の異なる電池セル６１、６２、６３をそれぞれ配置するとともに、温度が低い領域ほど低温エネルギー保持率の高い電池セルを配置する。具体的には、通常の電池パック内部の温度分布に従って、第１の領域Ｒ１の温度＞第２の領域Ｒ２の温度＞第３の領域Ｒ３の温度であり、本願において、第３の電池セル６３の第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞第２の電池セル６２の第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞第１の電池セル６１の第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合である。
なお、本願の第１／第２／第３の電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合の具体的な定義及びテスト方法は、本明細書の「関連テスト」部分を参照する。
電池パック内の異なる位置にある電池セルは、放熱能力が異なる。通常、外側の電池セルほど、放熱能力が強くなる。即ち、放熱速度が速くなる。そのため、電池パックの外側から電池パックの内部に向かうにつれて、電池セルの放熱速度が徐々に低下し、逆に、電池パックの内部から電池パックの外側に向かうにつれて、電池セルの保温能力が徐々に低下する。したがって、電池パックの異なる領域の電池セルの温度が異なるため、その充放電性能が揃わなくなる。例えば、低温外部環境では、内側の電池セルの放熱速度が相対的に遅く、温度が相対的に高く、低温外部環境での性能が相対的に良い（ただし、高温性能が悪い）。しかし、外側の電池セルの放熱速度が相対的に速く、温度が相対的に低く、低温外部環境での性能が相対的に悪い（ただし、高温性能が高い）。これにより、このような電池パック内の異なる領域の電池セルの低温環境で現れる相互間の電気性能の差異が大きすぎるという現象は、電池パック全体の低温環境でのエネルギー保持率を低下させる。
上記問題を解決するために、本願発明者らは、温度が異なる第１の領域Ｒ１、第２の領域Ｒ２及び第３の領域Ｒ３に二重放電電圧プラトー（即ち、放電電圧が相対的に高い第１の放電電圧プラトー及び放電電圧が相対的に低い第２の放電電圧プラトー）を有する第１の電池セル６１、第２の電池セル６２及び第３の電池セル６３を設置した。これにより、第１の放電電圧プラトーの放電が終了した後、第２の放電電圧プラトーを利用して放電を継続することができ（即ち、同一の電池セルの段階放電を実現する）、これにより、各電池セルが低温環境で放出するエネルギーを向上させ、電池パック全体の低温エネルギー保持率を向上させることができる。
本願において、二重放電電圧プラトーを有する第１の電池セル６１、第２の電池セル６２及び第３の電池セル６３のそれぞれの正極活物質は、通常の正極活物質（第１の正極活物質）と正極機能助剤とを混合して製造される。通常の正極活物質は、放電電圧が高い第１の放電電圧プラトーを有し、正極機能助剤は、ＲｅＯ３立体配置の層状構造を有するチタン酸化物、ニオブ酸化物又はチタンニオブ酸化物である。これらの正極機能助剤は、放電電圧が低い第２の放電電圧プラトーを有する。電池セルにおける放電電圧が低い第２の放電電圧プラトーの放電容量は、正極活物質における正極機能助剤の含有量を変えることにより調節することができる。
そして、本願発明者らは、第１の電池セル６１、第２の電池セル６２及び第３の電池セル６３の第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合をさらに調整することにより、全体として低温エネルギー保持率がより高い電池パック１を得た。このような構成により、冬場の低温条件での電池パックの低温エネルギー保持率を顕著に改善することを見出した。具体的には、第３の電池セル６３の第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞第２の電池セル６２の第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞第１の電池セル６１の第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合とすることにより、第１の電池セル６１が継続的に放電できない低温環境で、第２の電池セル６２と第３の電池セル６３を継続的に放電させ、第１の電池セル６１と第２の電池セル６２が継続的に放電できない低温環境で、第３の電池セル６３を継続的に放電させることができ、電池パック全体の放電容量が高いレベルにあることを確保する。
本発明者らは、さらに、温度の異なる各領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に設置された二重放電電圧プラトーを有する各電池セル６１、６１、６３における第二放電電圧プラトーに対応する放電容量割合と電池パックの－２０℃総エネルギー保持率との関係について鋭意研究した。その結果、第１の電池セル６１、第２の電池セル６２及び第３の電池セル６３のそれぞれにおいて、第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量との和が１００％である場合、第３の電池セル６３の第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞第２の電池セル６２の第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞第１の電池セル６１の第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合とすることにより、第３の電池セル６３の低温エネルギー保持率＞第２の電池セル６２の低温エネルギー保持率＞第１の電池セル６１の低温エネルギー保持率とすることができ、電池パックの温度が異なる各領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に配置された各電池セル６１、６２、６３が低温で放出可能なエネルギー（低温での放電容量）をほぼ揃えることができ、電池パック１全体の低温エネルギー保持率（電池パックの－２０℃総エネルギー保持率）を向上させ、電池パック全体の低温での航続能力を向上させることができることを見出した。
図２に示すように、複数の電池セルのうち、比較的外側に位置する電池セルは、電池パックの筐体（上筐体２、下筐体３）の内面に接触してもよく、電池パックの筐体の内面に設けられた構造部材に接触してもよい。図２に示す平面視において、最も外側の電池セルと電池パックの筐体の内面との間には、任意に隙間ｇ１、ｇ２が形成されており、これらの隙間ｇ１、ｇ２には、電池パックの種々の構造物を設けることができる。異なる電池セル間の空隙には、電池パック全体のエネルギー密度を向上させるように、コンデンサ等を任意に設けることができる。
いくつかの実施形態において、第１の電池セル６１、第２の電池セル６２及び第３の電池セル６３における前記正極機能助剤は、Ｔｉ２Ｎｂ２ｘＯ４＋５ｘで表されるチタンニオブ酸化物である。ここで、ｘは１以上の整数であり、好ましくは、前記チタンニオブ酸化物は、Ｔｉ２Ｎｂ２Ｏ９、ＴｉＮｂ２Ｏ７、Ｔｉ２Ｎｂ１０Ｏ２９及びＴｉＮｂ２４Ｏ６２から選ばれる１種又は複数種である。
チタンニオブ酸化物は、一般的に、異なる比率のチタン酸化物とニオブ酸化物を化合させて製造される。チタンとニオブの原子半径が近いため、チタンニオブ酸化物は、いずれもＲｅＯ３立体配置の層状構造を有し、且つチタンイオンとニオブイオンは類似の電気化学特性を有し、Ｎｂ５＋／Ｎｂ４＋、Ｎｂ４＋／Ｎｂ３＋及びＴｉ４＋／Ｔｉ３＋の酸化還元電位差が小さく、いずれも１－２Ｖの範囲内にある。
これにより、正極機能助剤として性能に優れたチタンニオブ酸化物を選択することで、適切な第２の放電電圧プラトーを有する第１の電池セル６１、第２の電池セル６２及び第３の電池セル６３を得ることができ、低温性能に優れた本願の電池パックを実現することができる。
上記のチタンニオブ酸化物は、市販で入手するか、またはＴｉ２Ｎｂ２ｘＯ４＋５ｘの各元素の配合比に応じて、ＴｉＯ２とＮｂ２Ｏ５の粉末の質量比を調整し、溶媒を加える。溶媒はエタノール、水またはアセトンであってもよい。混合物をボールミル、乾燥、加熱、冷却することにより、対応するチタンニオブ酸化物を得ることができる。
いくつかの実施形態において、前記第２の放電電圧プラトーの放電電圧範囲は、１．０－２．０Ｖである。好ましくは、前記第２の放電電圧プラトーの１．２－１．６Ｖにある放電容量は、前記第２の放電電圧プラトーの総放電容量の５０％以上であり、好ましくは、７０％以上である。
これにより、第２の放電電圧プラトーの放電電圧を上記範囲とすることで、第２の放電電圧プラトーの放電電圧と第１の放電電圧プラトーの放電電圧とに有意差を持たせることができ、二重放電電圧プラトーを有することによる上記効果を顕著に得ることができる。第２の放電電圧プラトーの総放電容量に占める第２の放電電圧プラトーの１．２－１．６Ｖにある放電容量の割合を上記範囲内にすることにより、電池セルが低温で十分なエネルギーを放出できることを確保し、電池パック全体の低温エネルギー保持率を確保することができる。
いくつかの実施形態において、前記第１の電池セル６１、第２の電池セル６２、第３の電池セル６３において、前記第１の放電電圧プラトーの最低放電電圧と前記第２の放電電圧プラトーの最高放電電圧との差は０．５Ｖ以上であり、好ましくは１．０Ｖ以上である。
図３を参照すると、本願に記載の「第１の放電電圧プラトーの最低放電電圧」とは、Ａ点に対応する放電電圧を指し、前記「第２の放電電圧プラトーの最高放電電圧」とは、Ｂ点に対応する放電電圧を指す。
２つの放電電圧プラトーが存在する電池セルについて、第１の放電電圧プラトーと第２の放電電圧プラトーの放電電圧の差が大きいほど、第２の放電電圧プラトーによる上記効果は顕著である。第１の放電電圧プラトーの最低放電電圧と第２の放電電圧プラトーの最高放電電圧との差が０．５Ｖ未満であるとき、第１の放電電圧プラトーと第２の放電電圧プラトーとの放電電圧の差異が小さく、第２の放電電圧プラトーによる上記効果を顕著に得ることができない。
第１の放電電圧プラトーの最低放電電圧と第２の放電電圧プラトーの最高放電電圧との差を上記範囲とすることにより、放電電圧の高い第１の放電電圧プラトーで放電した後、引き続き放電電圧の低い第２の放電電圧プラトーで放電することができ、各電池セルが低温で放出可能なエネルギーを著しく高めることができ、電池パック全体の低温でのエネルギー保持率を向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記第１の電池セル６１において、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量との和が１００％である場合、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量は９０％－１００％を占め、前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量は０％－１０％を占める。前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量が１００％を占め、前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量が０％を占めることは、第１の電池セル６１が１つの放電電圧プラトーのみを有する場合を指し、それも本発明の範囲内にある。
これにより、第１の電池セル６１における第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量のそれぞれの割合を上記範囲内にすることで、第１の電池セル６１が低温で放出可能なエネルギーを高めて、電池パック１全体の低温エネルギー保持率を向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記第２の電池セル６２において、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量との和が１００％である場合、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量は７３％－９５％を占め、前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量は５％－２７％を占める。
これにより、第２の電池セル６２における第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量のそれぞれの割合を上記範囲内とすることで、第２の電池セル６２が低温で放出可能なエネルギーを高めて、電池パック１全体の低温エネルギー保持率をより向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記第３の電池セル６３において、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量との和が１００％である場合、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量は５４％－８７％を占め、前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量は１３％－４６％を占める。
これにより、第３の電池セル６３における第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量のそれぞれの割合を上記範囲内とすることで、第３の電池セル６３が低温で放出可能なエネルギーを高め、電池パック１全体の低温エネルギー保持率をより一層向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記第１の電池セル６１の正極活物質のグラム容量は１４８－２８５ｍＡｈ／ｇであり、前記第２の電池セルの正極活物質のグラム容量は１５５－２９５ｍＡｈ／ｇであり、前記第３の電池セルの正極活物質のグラム容量は１６９－３１１ｍＡｈ／ｇである。
これにより、第１の電池セル６１、第２の電池セル６２及び第３の電池セル６３のそれぞれのグラム容量を上記範囲内とすることで、第１の電池セル６１、第２の電池セル６２及び第３の電池セル６３の低温での放電容量を略揃えて、電池パック１全体の低温でのエネルギー保持率を向上させることができる。
ここで、各電池セルの正極活物質のグラム容量とは、正極活物質の平均グラム容量であり、例えば、正極活物質に含まれる第１の正極活物質と正極機能助剤のそれぞれのグラム容量と質量比から算出することができる。
いくつかの実施形態において、前記正極機能助剤の理論グラム容量は３５０－４１０ｍＡｈ／ｇである。
これにより、理論グラム容量が上記範囲内にある正極機能助剤を用いることで、各電池セルに十分なエネルギー密度を確保し、各電池セル及び電池パック全体の低温放電電力を向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記第１の正極活物質は、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム、ニッケルコバルトアルミン酸リチウム及びリン酸鉄リチウムから選ばれる１種である。
これにより、第１の正極活物質による第１の放電電圧プラトーと正極機能助剤による第２の放電電圧プラトーとの放電電圧及び放電容量の比が上記関係を満たす限り、第１の正極活物質は既存の様々な正極活物質から選択することができ、既存の正極活物質を利用して本願の電池パックを容易に実現することができる。
いくつかの実施形態において、前記第１の電池セル６１、前記第２の電池セル６２及び前記第３の電池セル６３における前記第１の正極活物質の種類が同じであり、且つ前記正極機能助剤の種類が同じである場合、前記第１の正極活物質が正極活物質に占める質量割合は、前記第１の電池セル６１、前記第２の電池セル６２、前記第３の電池セル６３の順に逓減し、前記正極機能助剤が正極活物質に占める質量割合は、前記第１の電池セル６１、前記第２の電池セル６２、前記第３の電池セル６３の順に逓増する。
放電電圧が低い第２の放電電圧プラトーを生成するための正極機能助剤の質量割合が大きいほど、第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合が大きいほど、電池セルの低温エネルギー保持率が高くなる。第３の領域Ｒ３に配置された第３の電池セル６３の正極機能助剤の質量割合＞第２の領域Ｒ２に配置された第２の電池セル６２の正極機能助剤の質量割合＞第１の領域Ｒ１に配置された第１の電池セル６１の正極機能助剤の質量割合とすることで、第３の電池セル６３の低温エネルギー保持率＞第２の電池セル６２の低温エネルギー保持率＞第１の電池セル６１の低温エネルギー保持率とすることができる。これにより、第１の電池セル６１、第２の電池セル６２及び第３の電池セル６３が低温で放出するエネルギーを略揃えることができ、電池パック１全体の低温でのエネルギー保持率を向上させることができる。
いくつかの実施形態では、前記第１の電池セル６１において、前記第１の正極活物質と前記正極機能助剤の総質量が１００％である場合、前記第１の正極活物質の質量は９６．０％－１００％を占め、前記正極機能助剤の質量は０％－４．０％を占める。ここで、前記第１の正極活物質の質量が１００％を占め、前記正極機能助剤の質量が０％を占めるとは、第１の電池セル６１が第１の正極活物質のみからなる場合を指し、本発明の範囲内にある。
このように、第１の電池セル６１における第１の正極活物質と正極機能助剤との質量比を上記範囲内とすることにより、第１の電池セル６１における第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量とのそれぞれの割合を上記範囲内とすることができる。これにより、第１の電池セル６１が低温で放出可能なエネルギーを高めて、電池パック１全体の低温エネルギー保持率を向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記第２の電池セル６２において、前記第１の正極活物質と前記正極機能助剤の総質量が１００％である場合、前記第１の正極活物質の質量は８８．５％－９６．０％を占め、前記正極機能助剤の質量は４．０％－１１．５％を占める。
このように、第２の電池セル６２における第１の正極活物質と正極機能助剤との質量比を上記範囲内とすることにより、第２の電池セル６２における第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量とのそれぞれの割合を上記範囲内とすることができる。これにより、第２の電池セル６２が低温で放出可能なエネルギーを高めて、電池パック１全体の低温エネルギー保持率をより向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記第３の電池セル６３において、前記第１の正極活物質と前記正極機能助剤の総質量が１００％である場合、前記第１の正極活物質の質量は７６．５％－８８．５％を占め、前記正極機能助剤の質量は１１．５％－２３．５％を占める。
このように、第３の電池セル６３における第１の正極活物質と正極機能助剤との質量比を上記範囲内とすることにより、第３の電池セル６３における第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量とのそれぞれの割合を上記範囲内とすることができる。これにより、第３の電池セル６３が低温で放出可能なエネルギーを高めて、電池パック１全体の低温エネルギー保持率をより向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記正極機能助剤は、炭素で被覆されたリチウム元素含有チタンニオブ酸化物である。
これにより、正極機能助剤としてのチタンニオブ酸化物のようなリチウム欠乏物質に対してプレリチオ化処理を行うことで、通常の正極活物質の減少によるリチウムイオン数の減少を補うことができ、電池セルが要求を満たすリチウムイオン数を有するようにし、電池セルのエネルギー密度を保証する。また、プレリチオ化処理されたチタンニオブ酸化物を炭素被覆することにより、チタンニオブ酸化物の導電性を高めることができる。これにより、正極機能助剤としてのチタンニオブ酸化物の構造安定性を向上させ、電池単体のエネルギー密度及びサイクル安定性を確保することができる。
チタンニオブ酸化物をプレリチオ化する方法としては、公知のリチウム欠乏物質をプレリチオ化する方法を採用することができる。例えば、調製したチタンニオブ酸化物を炭酸リチウムと混合した後、アルミナセラミック坩堝に押し固めて入れ、高炉に入れて炭酸リチウムの溶融温度まで昇温し、室温まで冷却して取り出してボールミル分散し、プレリチオした生成物を得る方法を採用することができる。チタンニオブ酸化物をプレリチオ化することにより、電池の初回効率を向上させることができる。
プレリチオ化したチタンニオブ酸化物を炭素被覆する方法としては、公知の炭素被覆方法を用いることができる。例えば、チタンニオブ酸化物（Ｔｉ２Ｎｂ２ｘＯ４＋５ｘ）の各元素の配合比と所望の炭素被覆量とに応じてプレリチオ化したチタンニオブ酸化物とグルコースとの質量比を調整し、エタノール、水又はアセトンである溶媒を加え、混合液をボールミル、乾燥造粒、焼成することにより炭素で被覆されたリチウム元素含有チタンニオブ酸化物材料を得る方法を用いることができる。プレリチオ化したチタンニオブ酸化物を炭素被覆することにより、チタンニオブ酸化物の導電率を向上させることができる。
いくつかの実施形態において、前記第１の電池セル６１、前記第２の電池セル６２及び前記第３の電池セル６３のそれぞれの負極は、リチウム補充処理される。
これにより、第１の電池セル６１、第２の電池セル６２及び第３の電池セル６３のそれぞれの負極に対してリチウム補充処理を行うことにより、正極活物質にチタンニオブ酸化物を添加することによるリチウムイオンの不足を補い、電池セルの有効なリチウムイオンの総量を低下させず、電池セルのエネルギー密度を保証することができる。
負極にリチウム補充処理を行う方法としては、公知の様々な方法を採用することができる。例えば、以下の方法を採用することができる。（１）バインダー、リチウム粉末及び有機溶剤を混合してリチウム粉末溶液を得て、（２）物理的な方式で前記リチウム粉末溶液を負極シートに塗布し、（３）負極シートを乾燥、冷間プレスすることにより、プレリチオ化負極シートを得る。負極にリチウムを補充することにより、電池の初回効率を向上させることができる。
正極機能助剤のプレリチオ化処理及び負極のリチウム補充処理は、少なくともいずれか一方を行えばよい。
いくつかの実施形態において、０℃以下の温度で、前記第１の電池セルの放電カットオフ電圧は１．４－１．６Ｖであり、前記第２の電池セルの放電カットオフ電圧は１．２－１．４Ｖであり、前記第３の電池セルの放電カットオフ電圧は１．０－１．２Ｖである。
これにより、上記のように第１の電池セル６１、第２の電池セル６２及び第３の電池セル６３の放電カットオフ電圧を設けることで、第１の電池セル６１、第２の電池セル６２及び第３の電池セル６３が低温で放出するエネルギーを略揃えることができる。その結果、電池パック全体の低温でのエネルギー保持率を向上させることができる。
充電カットオフ電圧が高すぎたり、放電カットオフ電圧が低すぎたりすると、電池セルのサイクル性能が損なわれる。充電カットオフ電圧が高すぎる場合、電池セルが過充電になり、電池セルの電気量が満充電になった場合、充電を続けると、正極材料の構造が変化し、容量損失を引き起こし、正極材料が分解して放出した酸素が電解液と激しい化学反応を起こし、最悪の結果として爆発を引き起こす可能性がある。放電カットオフ電圧が低すぎる場合、電池セルが過放電し、過放電により電池セルの内圧が上昇し、正負極活物質の可逆性が損なわれ、充電しても部分的にしか回復できず、容量も著しく減衰する。電池セルが深く充電して放電すると、電池セルの損害が増大し、電池セルの最も理想的な動作状態は浅く充電して放電することであり、このように電池セルの寿命を延ばすことができる。
いくつかの実施形態において、第１の電池セル６１の数：第２の電池セル６２の数：第３の電池セル６３の数＝（３－８）：（８－１３）：（１０－１５）である。すなわち、第１電池セル６１の数と第２電池セル６２の数と第３電池セル６３の数との和を１００％とすると、第１電池セル６１の数の割合は１０－３０％程度であり、第２電池セル６２の数の割合は２５－５０％程度であり、第３電池セル６３の数の割合は３０－６０％程度である。
いくつかの実施形態において、第１の電池セル６１の数は１であってもよい。
これにより、一般的な電池パックの温度分布範囲に合わせて、第１の電池セル６１、第２の電池セル６２及び第３の電池セル６３の数を設定すれば、本願の電池パックを容易に実現することができる。
＜電力消費装置＞
また、本願は、本願の電池パックを含む電力消費装置をさらに提供する。前記電池パックは、前記電力消費装置の電源として用いられてもよいし、前記電力消費装置のエネルギ貯蔵ユニットとして用いられてもよい。前記電力消費装置は、移動機器（例えば、携帯電話、ノートパソコンなど）、電動車両（例えば、純粋な電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、電動自転車、電動スクーター、電動ゴルフカート、電動トラックなど）、電車、船舶及び衛星、エネルギー貯蔵システムなどを含んでもよいが、これらに限定されない。
前記電力消費装置としては、その使用ニーズに応じて電池セル又は電池パックを選択することができる。
図４は、一例としての電力消費装置である。当該電力消費装置は、純粋な電気自動車、ハイブリッド電気自動車、又はプラグインハイブリッド電気自動車等である。当該電力消費装置の低温での航続能力に対するニーズを満たすために、本発明の電池パックを採用することができる。
以下、本願の実施例を説明する。以下に説明する実施例は例示的なものであり、本願を説明するためのものに過ぎず、本願を限定するものとして理解することはできない。実施例において具体的な技術又は条件が明記されていないものは、本分野の文献に記載の技術又は条件に従って、又は製品の明細書に従って行う。使用される試薬又は機器について、メーカーを明記していないものは、いずれも市販から入手可能な通常の製品である。
（一）電池セルの作製
Ｉ．第１の電池セルの作製
［作製例Ｉ－１］
１）正極シートの作製
正極活物質としての第１の正極活物質ＬｉＮｉ０．６Ｃｏ０．２Ｍｎ０．２Ｏ２（ＮＣＭ）と、正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７と、導電剤としての高導電性カーボンブラックＳＰと、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを、溶媒としてのＮ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）に分散させて均一に混合し、正極スラリーを得た。正極スラリーを正極集電体アルミニウム箔に均一に塗布し、乾燥、冷間プレス、ストリップ、裁断した後、正極シートを得た。
ここで、正極機能助剤は、プレリチオ化及び炭素被覆され、正極活物質、導電性カーボンブラック、バインダーＰＶＤＦの質量比は、９６：２：２：２であり、正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比は、２：９８である。
２）負極シートの作製
負極活物質である黒鉛と、導電剤としての高導電性カーボンブラックＳＰと、バインダーとしてのＳＢＲと、増粘剤としてのＣＭＣ－Ｎａとを、質量比９６：１：１：２で溶媒としての脱イオン水に分散させて均一に混合し、負極スラリーを得た。負極スラリーを負極集電体銅箔に均一に塗布し、乾燥、冷間プレス、ストリップ、裁断した後、負極シートを得た。
３）セパレータ
セパレータとしてポリエチレンフィルムを用いた。
４）電解液の作製
エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を体積比１：１：１で均一に混合して有機溶媒を得た後、十分に乾燥させたリチウム塩ＬｉＰＦ６を混合後の有機溶媒に溶解し、濃度１ｍｏｌ／Ｌの電解液を作製した。
５）電池セルの作製
セパレータが正極シートと負極シートとの間に位置して隔離作用を果たすように、上記正極シート、セパレータ、負極シートを順に積層した。次に、巻回してベアセルを得た。ベアセルを外装ケースに置き、乾燥後に電解液を注入し、真空封止、静置、化成、整形などの工程を経て、第１の電池セルＩ－１を得た。
［作製例Ｉ－２］
正極活物質に第１の正極活物質ＬｉＮｉ０．６Ｃｏ０．２Ｍｎ０．２Ｏ２（ＮＣＭ）と正極機能助剤ＴｉＯ２を用いた以外は作製例Ｉ－１と同様にして第１の電池セルＩ－２を得た。
［作製例Ｉ－３］
正極活物質に第１の正極活物質ＬｉＮｉ０．６Ｃｏ０．２Ｍｎ０．２Ｏ２（ＮＣＭ）と正極機能助剤Ｎｂ２Ｏ５を用いた以外は作製例Ｉ－１と同様にして第１の電池セルＩ－３を得た。
［作製例Ｉ－４］
正極活物質に第１の正極活物質であるリン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）と正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７を用いた以外は作製例Ｉ－１と同様にして、第１の電池セルＩ－４を得た。
［作製例Ｉ－５］
正極活物質に第１の正極活物質であるマンガン酸リチウム（ＬＭＯ）と正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７を用いた以外は、作製例Ｉ－１と同様にして、第１の電池セルＩ－５を得た。
［作製例Ｉ－６］
正極活物質に第１の正極活物質ＬｉＮｉ０．６Ｃｏ０．２Ｍｎ０．２Ｏ２（ＮＣＭ）と正極機能助剤Ｔｉ２Ｎｂ２Ｏ９を用いた以外は作製例Ｉ－１と同様にして第１の電池セルＩ－６を得た。
［作製例Ｉ－７］
正極活物質に第１の正極活物質ＬｉＮｉ０．６Ｃｏ０．２Ｍｎ０．２Ｏ２（ＮＣＭ）と正極機能助剤Ｔｉ２Ｎｂ１０Ｏ２９を用いた以外は、作製例Ｉ－１と同様にして第１の電池セルＩ－７を得た。
［作製例Ｉ－８］
正極活物質に第１の正極活物質ＬｉＮｉ０．６Ｃｏ０．２Ｍｎ０．２Ｏ２（ＮＣＭ）と正極機能助剤ＴｉＮｂ２４Ｏ６２を用いた以外は、作製例Ｉ－１と同様にして第１の電池セルＩ－８を得た。
［作製例Ｉ－９］
正極活物質に第１の正極活物質であるリン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）と正極機能助剤Ｔｉ２Ｎｂ２Ｏ９を用いた以外は、作製例Ｉ－１と同様にして第１の電池セルＩ－９を得た。
［作製例Ｉ－１０］
正極活物質に第１の正極活物質であるマンガン酸リチウム（ＬＭＯ）と正極機能助剤Ｔｉ２Ｎｂ１０Ｏ２９を用いた以外は、作製例Ｉ－１と同様にして第１の電池セルＩ－１０を得た。
［作製例Ｉ－１１］
正極活物質にＮＣＭのみを用いたこと以外は作製例Ｉ－１と同様にして、第１の電池セルＩ－１１を得た。
［作製例Ｉ－１２］
正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を１１．５：８８．５とした以外は、作製例Ｉ－１と同様にして、第１の電池セルＩ－１２を得た。
［作製例Ｉ－１３］
正極活物質にＬＦＰのみを用いたこと以外は作製例Ｉ－１と同様にして、第１の電池セルＩ－１３を得た。
［作製例Ｉ－１４］
正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７と第１の正極活物質ＬＦＰとの質量比を４：９６としたこと以外は、作製例Ｉ－４と同様にして、第１の電池セルＩ－１４を得た。
ＩＩ．第２の電池セルの作製
［作製例ＩＩ－１］
正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を６．５：９３．５としたこと以外は作製例Ｉ－１と同様にして、第２の電池セルＩＩ－１を得た。
［作製例ＩＩ－２］
正極機能助剤ＴｉＯ２と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を６．５：９３．５としたこと以外は作製例Ｉ－２と同様にして、第２の電池セルＩＩ－２を得た。
［作製例ＩＩ－３］
正極機能助剤Ｎｂ２Ｏ５と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を６．５：９３．５としたこと以外は作製例Ｉ－３と同様にして、第２の電池セルＩＩ－３を得た。
［作製例ＩＩ－４］
正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７と第１の正極活物質ＬＦＰとの質量比を６．５：９３．５としたこと以外は、作製例Ｉ－４と同様にして、第２の電池セルＩＩ－４を得た。
［作製例ＩＩ－５］
正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７と第１の正極活物質ＬＭＯとの質量比を６．５：９３．５としたこと以外は作製例Ｉ－５と同様にして、第２の電池セルＩＩ－５を得た。
［作製例ＩＩ－６］
正極機能助剤Ｔｉ２Ｎｂ２Ｏ９と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を６．５：９３．５としたこと以外は作製例Ｉ－６と同様にして第２の電池セルＩＩ－６を得た。
［作製例ＩＩ－７］
正極機能助剤Ｔｉ２Ｎｂ１０Ｏ２９と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を６．５：９３．５としたこと以外は、作製例Ｉ－７と同様にして、第２の電池セルＩＩ－７を得た。
［作製例ＩＩ－８］
正極機能助剤ＴｉＮｂ２４Ｏ６２と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を６．５：９３．５としたこと以外は、作製例Ｉ－８と同様にして、第２の電池セルＩＩ－８を得た。
［作製例ＩＩ－９］
正極機能助剤Ｔｉ２Ｎｂ２Ｏ９と第１の正極活物質ＬＦＰとの質量比を６．５：９３．５としたこと以外は作製例Ｉ－９と同様にして第２の電池セルＩＩ－９を得た。
［作製例ＩＩ－１０］
正極機能助剤Ｔｉ２Ｎｂ１０Ｏ２９と第１の正極活物質ＬＭＯとの質量比を６．５：９３．５としたこと以外は作製例Ｉ－１０と同様にして、第２の電池セルＩＩ－１０を得た。
［作製例ＩＩ－１１］
作製例ＩＩ－１１と同様にして、第２の電池セルＩＩ－１１を得た。
［作製例ＩＩ－１２］
正極活物質にＬＦＰのみを用いたこと以外は作製例Ｉ－１と同様にして第２の電池セルＩＩ－１２を得た。
［作製例ＩＩ－１３］
作製例Ｉ－１と同様にして、第２の電池セルＩＩ－１３を得た。
［作製例ＩＩ－１４］
正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を４：９６としたこと以外は作製例Ｉ－１と同様にして、第２の電池セルＩＩ－１４を得た。
［作製例ＩＩ－１５］
正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７と第１の正極活物質ＬＦＰとの質量比を１１．５：８８．５としたこと以外は、作製例Ｉ－４と同様にして、第２の電池セルＩＩ－１５を得た。
［作製例ＩＩ－１６］
正極活物質に第１の正極活物質であるマンガン酸リチウム（ＬＭＯ）と正極機能助剤Ｔｉ２Ｎｂ２Ｏ９を用い、正極機能助剤Ｔｉ２Ｎｂ２Ｏ９と第１の正極活物質ＬＭＯとの質量比を１１．５：８８．５とした以外は、作製例Ｉ－１と同様にして第２の電池セルＩＩ－１６を得た。
［作製例ＩＩ－１７］
正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を２０：８０とした以外は作製例Ｉ－１と同様にして、第２の電池セルＩＩ－１７を得た。
ＩＩＩ．第３の電池セルの作製
［作製例ＩＩＩ－１］
正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を１１．５：８８．５としたこと以外は、作製例Ｉ－１と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－１を得た。
［作製例ＩＩＩ－２］
正極機能助剤ＴｉＯ２と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を１１．５：８８．５としたこと以外は、作製例Ｉ－２と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－２を得た。
［作製例ＩＩＩ－３］
正極機能助剤Ｎｂ２Ｏ５と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を１１．５：８８．５としたこと以外は、作製例Ｉ－３と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－３を得た。
［作製例ＩＩＩ－４］
正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７と第１の正極活物質ＬＦＰとの質量比を１１．５：８８．５としたこと以外は、作製例Ｉ－４と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－４を得た。
［作製例ＩＩＩ－５］
正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７と第１の正極活物質ＬＭＯとの質量比を１１．５：８８．５としたこと以外は、作製例Ｉ－５と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－５を得た。
［作製例ＩＩＩ－６］
正極機能助剤Ｔｉ２Ｎｂ２Ｏ９と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を１１．５：８８．５としたこと以外は、作製例Ｉ－６と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－６を得た。
［作製例ＩＩＩ－７］
正極機能助剤Ｔｉ２Ｎｂ１０Ｏ２９と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を１１．５：８８．５とした以外は、作製例Ｉ－７と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－７を得た。
［作製例ＩＩＩ－８］
正極機能助剤ＴｉＮｂ２４Ｏ６２と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を１１．５：８８．５としたこと以外は、作製例Ｉ－８と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－８を得た。
［作製例ＩＩＩ－９］
正極機能助剤Ｔｉ２Ｎｂ２Ｏ９と第１の正極活物質ＬＦＰとの質量比を１１．５：８８．５としたこと以外は、作製例Ｉ－９と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－９を得た。
［作製例ＩＩＩ－１０］
正極機能助剤Ｔｉ２Ｎｂ１０Ｏ２９と第１の正極活物質ＬＭＯとの質量比を１１．５：８８．５としたこと以外は、作製例Ｉ－１０と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－１０を得た。
［作製例ＩＩＩ－１１］
作製例Ｉ－１１と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－１１を得た。
［作製例ＩＩＩ－１２］
正極活物質にＬＭＯのみを用いたこと以外は作製例Ｉ－１と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－１２を得た。
［作製例ＩＩＩ－１３］
作製例Ｉ－１と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－１３を得た。
［作製例ＩＩＩ－１４］
正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７と第１の正極活物質ＮＣＭとの質量比を２３．５：７６．５としたこと以外は、作製例Ｉ－１と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－１４を得た。
［作製例ＩＩＩ－１５］
正極機能助剤ＴｉＮｂ２Ｏ７と第１の正極活物質ＬＦＰとの質量比を２３．５：７６．５としたこと以外は、作製例Ｉ－４と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－１５を得た。
［作製例ＩＩＩ－１６］
正極機能助剤Ｔｉ２Ｎｂ２Ｏ９と第１の正極活物質ＬＭＯとの質量比を２３．５：７６．５としたこと以外は、作製例ＩＩ－１６と同様にして、第３の電池セルＩＩＩ－１６を得た。
（二）電池パックの組み立て
［実施例１］
図２に示すように、電池パックの筐体の内部空間は、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２と第３の領域Ｒ３とに区画されている。第１の領域Ｒ１には第１の電池セル６１として第１の電池セルＩ－１が配置され、第２の領域Ｒ２には第２の電池セル６２として第２の電池セルＩＩ－１が配置され、第３の領域Ｒ３には第３の電池セル６３として第３の電池セルＩＩＩ－１が配置されて、電池パックが組み立てられる。第１の電池セル６１の数：第２の電池セル６２の数：第３の電池セル６３の数＝１２：３２：４０である。
［実施例２］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－２を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－２を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－２を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例３］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－３を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－３を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－３を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例４］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－４を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－４を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－４を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例５］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－５を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－５を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－５を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例６］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－６を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－６を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－６を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例７］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－７を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－７を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－７を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例８］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－８を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－８を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－８を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例９］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－９を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－９を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－９を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例１０］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－１０を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－１０を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－１０を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例１１］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－１１を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－１４を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例１２］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－１１を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－１４を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－１４を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例１３］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－１３を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－１５を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－１５を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例１４］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－１４を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－１６を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－１６を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例１５］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－１２を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－１７を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－１４を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例１６］
実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例１７］
実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例１８］
実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［実施例１９］
実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［比較例１］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－１１を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－１１を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－１１を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［比較例２］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－１１を用い、第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－１２を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－１２を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［比較例３］
第２の電池セルＩＩ－１の代わりに第２の電池セルＩＩ－１３を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－１３を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
［比較例４］
第１の電池セルＩ－１の代わりに第１の電池セルＩ－１２を用い、第３の電池セルＩＩＩ－１の代わりに第３の電池セルＩＩＩ－１３を用いた以外は、実施例１と同様にして電池パックを組み立てた。
なお、本願の実施例では、電池パックの筐体の内部空間は、第１の領域、第２の領域及び第３の領域に区画されているが、本願の電池パックは、電池パックの筐体の内部空間を３つの領域に区画する場合に限定されず、第１の領域、第２の領域及び第３の領域に加えて、第３の領域の外側に１つ又は複数の領域を有してもよく、外側の領域に配置された電池セルは、その内側の領域に配置された電池セルの周囲を囲んで配置されていればよい。
電池パックの筐体の内部空間が上記のような３つ以上の領域を含む場合、外側の領域ほど、電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合が高い（すなわち、電池セルの正極活物質における正極機能助剤の質量割合が高い）ことを満たせばよい。
また、電池パックの筐体の内部空間が矩形状である場合には、当該矩形状の四隅を最も外側の領域として、当該領域において、電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合が最も高い（すなわち、電池セルの正極活物質における正極機能助剤の質量割合が最も高い）ようにしてもよい。
（三）相関試験
１．電池セルの第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量の測定
実施例１－１９及び比較例１－４の各電池パックにおける第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルについて、それぞれＮＥＷＡＲＥパワー電池試験機（型番ＢＴＳ－５Ｖ３００Ａ－４ＣＨ）を用いて２５℃における第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルのそれぞれの第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量及び第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量を測定した。さらに第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルのそれぞれの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量の割合を算出した。
電池セルの放電容量の測定方法は、以下の通りである。
（１）電池セルを２５℃で２ｈ静置し、電池セルの温度を２５℃に確保する。
（２）電池セルを２５℃で０．３３Ｃにより、下記の表１に示す充電カットオフ電圧まで充電した後、この充電カットオフ電圧で電流が０．０５Ｃになるまで定電圧充電を継続し、その後、充電カットオフとした（ただし、Ｃはセル定格容量を示す）。
（３）電池セルを２５℃で１ｈ静置した。
（４）電池セルを２５℃で０．３３Ｃにより、下記の表１に示す放電カットオフ電圧まで放電し、電池セルが放電した総放電容量Ｃ０を記録した。
（５）ステップ（４）における放電曲線を取得し、例えば、本願の図３における放電曲線のようになった。図３の放電曲線において、Ｂ点前の放電容量の合計が第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量Ｃ１であり、Ｂ点から放電カットオフ電圧までの放電容量が第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量Ｃ２である。
したがって、電池セルの第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量の割合＝Ｃ１／Ｃ０であり、電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量の割合＝Ｃ２／Ｃ０である。
２．電池パックの－２０℃における総エネルギー保持率の測定
実施例１－１９及び比較例１－４の各電池パックについて、それぞれＮＥＷＡＲＥパワー電池試験機（型番ＢＴＳ－５Ｖ３００Ａ－４ＣＨ）を用いて電池パックの２５℃における総完全放電エネルギー及び電池パックの－２０℃における総完全放電エネルギーを測定し、電池パックの－２０℃における総完全放電エネルギーを電池パックの２５℃における総完全放電エネルギーで除して、電池パックの－２０℃における総エネルギー保持率（％）を算出した。
電池パックの２５℃における総完全放電エネルギーの測定は、「ＧＢＴ ３１４６７．２－２０１５電池パック及びシステム高エネルギー応用試験プロトコル」における「７．１．２ 室温での容量及びエネルギー試験」に従って行った。
電池パックの－２０℃における総完全放電エネルギーの測定は、「ＧＢＴ ３１４６７．２－２０１５電池パック及びシステム高エネルギー応用試験プロトコル」における「７．１．４ 低温での容量及びエネルギー試験」に従って行った。実施例１－１９及び比較例１－４の各電池パックの組成及び試験結果を下記の表２－表４に示す。
上記表２の結果から分かるように、実施例１－１０において、第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルはいずれも第１の放電電圧プラトー及び第２の放電電圧プラトーを有し、且つ、第３の電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞第２の電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞第１の電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合であり、電池パックの－２０℃における総エネルギー保持率が６５．０％－７６．７％に達する。
比較例１及び比較例２において、第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルはいずれも１つの放電電圧プラトーのみを有し、電池パックの－２０℃における総エネルギー保持率は６０．５％及び５６．７％のみであった。
比較例３において、第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルはいずれも第１の放電電圧プラトー及び第２の放電電圧プラトーを有するが、第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルにおける第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量の割合は同じであり、電池パックの－２０℃における総エネルギー保持率は６２．９％のみである。
比較例４において、第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルはいずれも第１の放電電圧プラトー及び第２の放電電圧プラトーを有するが、第３の電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＜第２の電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＜第１の電池セルの第２の放電電圧プラトーの放電容量割合であり、電池パックの－２０℃における総エネルギー保持率は６０．７％のみである。
上記表３の結果から分かるように、実施例１、１１－１４において、第２の電池セル及び第３の電池セルはいずれも第１の放電電圧プラトー及び第２の放電電圧プラトーを有し、第３の電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞第２の電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞第１の電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合であり、且つ、第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルのそれぞれにおける正極機能助剤の質量割合及び第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合が本願に記載の好ましい範囲内にあり、電池パックの－２０℃における総エネルギー保持率が６４．１％－７０．０％に達する。
実施例１５において、第１の電池セル及び第２の電池セルのそれぞれにおける正極機能助剤の質量割合及び／又は第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合は、本願に記載の好ましい範囲外であり、電池パックの－２０℃における総エネルギー保持率は５９．３％である。
上記表４の結果から分かるように、実施例１において、第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルはいずれも第１の放電電圧プラトー及び第２の放電電圧プラトーを有し、第３の電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞第２の電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞第１の電池セルの第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合であり、且つ、－２０℃における第１の電池セル、第２の電池セル及び第３の電池セルの放電カットオフ電圧がいずれも本願に記載の好ましい範囲内にあり、電池パックの－２０℃における総エネルギー保持率が７０％に達する。
実施例１６において、－２０℃での第２の電池セルと第３の電池セルの放電カットオフ電圧が高すぎ、電池パックの－２０℃における総エネルギー保持率が５５％であり、カットオフ電圧が－２０℃における総エネルギー保持率に大きく影響することを示した。
実施例１７において、第１の電池セルと第２の電池セルの放電カットオフ電圧が低すぎて、電池パックの－２０℃における総エネルギー保持率が７１％である。カットオフ電圧が低すぎると、－２０℃における総エネルギー保持率を向上させることができるが、過放電に相当して、電池セルの性能劣化を引き起こしてガスが発生し、電池セルの寿命に影響を与える。
実施例１８において、－２０℃での第２の電池セルの放電カットオフ電圧が高すぎ、且つ第１の電池セルの放電カットオフ電圧より大きくなり、電池パックの－２０℃における総エネルギー保持率が６２％である。
実施例１９において、－２０℃での第１の電池セルの放電カットオフ電圧が低すぎ、第３の電池セルの放電カットオフ電圧が高すぎ、且つ第３の電池セルの放電カットオフ電圧＞第２の電池セルの放電カットオフ電圧＞第１の電池セルの放電カットオフ電圧であり、電池パックの－２０℃における総エネルギー保持率は５８％である。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の技術的範囲において技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、何れも本発明の技術的範囲に含まれる。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者が思いつく各種変形を実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も本発明の範囲内に含まれる。
１：電池パック
２：上筐体
３：下筐体
ｇ１，ｇ２：隙間
ＢＬ１：第１の境界線
ＢＬ２：第２の境界線
ＢＬ３：第３の境界線
Ｒ１：第１の領域
Ｒ２：第２の領域
Ｒ３：第３の領域
６１：第１の電池セル
６２：第２の電池セル
６３：第３の電池セル

Claims (20)

  1. 電池パックの筐体と、
    前記電池パックの筐体に収容された電池セルと、を含む電池パックであって、
    前記電池パックの筐体の内部空間は、第１の領域と、第２の領域と、第３の領域とを含み、
    前記第１の領域に第１の電池セルが配置され、前記第２の領域に第２の電池セルが配置され、前記第３の領域に第３の電池セルが配置され、前記第２の電池セルは前記第１の電池セルの周囲を囲んで配置され、前記第３の電池セルは前記第２の電池セルの周囲を囲んで配置され、ここで、
    前記第１の電池セル、前記第２の電池セル及び前記第３の電池セルはそれぞれ第１の放電電圧プラトー及び第２の放電電圧プラトーを有し、前記第１の放電電圧プラトーの平均放電電圧は、前記第２の放電電圧プラトーの平均放電電圧より高く、
    前記第１の電池セル、前記第２の電池セル及び前記第３の電池セルのそれぞれの正極活物質は、前記第１の放電電圧プラトーを有する第１の正極活物質と、前記第２の放電電圧プラトーを有する正極機能助剤とを混合してなり、
    前記正極機能助剤は、チタン酸化物、ニオブ酸化物又はチタンニオブ酸化物であり、
    前記第１の電池セル、前記第２の電池セル及び前記第３の電池セルのそれぞれにおいて、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量との和が１００％であるとき、前記第３の電池セルの前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞前記第２の電池セルの前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合＞前記第１の電池セルの前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量割合である
    ことを特徴とする電池パック。
  2. 前記電池パックの筐体の前記内部空間は、前記第１の領域と、前記第２の領域と、前記第３の領域とからなる
    ことを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
  3. 前記正極機能助剤は、Ｔｉ２Ｎｂ２ｘＯ４＋５ｘで表されるチタンニオブ酸化物であり、ここで、ｘは１以上の整数であり、好ましくは、前記チタンニオブ酸化物は、Ｔｉ２Ｎｂ２Ｏ９、ＴｉＮｂ２Ｏ７、Ｔｉ２Ｎｂ１０Ｏ２９及びＴｉＮｂ２４Ｏ６２から選ばれる１種又は複数種である
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電池パック。
  4. 前記第２の放電電圧プラトーの放電電圧範囲は、１．０－２．０Ｖであり、好ましくは、前記第２の放電電圧プラトーの１．２－１．６Ｖにおける放電容量は、前記第２の放電電圧プラトーの総放電容量の５０％以上であり、好ましくは、７０％以上である
    ことを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の電池パック。
  5. 前記第１の電池セル、第２の電池セル、第３の電池セルにおいて、前記第１の放電電圧プラトーの最低放電電圧と前記第２の放電電圧プラトーの最高放電電圧との差が０．５Ｖ以上であり、好ましくは１．０Ｖ以上である
    ことを特徴とする請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の電池パック。
  6. 前記第１の電池セルにおいて、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量との和が１００％であるとき、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量は９０％－１００％を占め、前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量は０％－１０％を占める
    ことを特徴とする請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の電池パック。
  7. 前記第２の電池セルにおいて、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量との和が１００％であるとき、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量は７３％－９５％を占め、前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量は５％－２７％を占める
    ことを特徴とする請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の電池パック。
  8. 前記第３の電池セルにおいて、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量と前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量との和が１００％であるとき、前記第１の放電電圧プラトーに対応する放電容量は５４％－８７％を占め、前記第２の放電電圧プラトーに対応する放電容量は１３％－４６％を占める
    ことを特徴とする請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の電池パック。
  9. 前記第１の電池セルの正極活物質のグラム容量は１４８－２８５ｍＡｈ／ｇであり、前記第２の電池セルの正極活物質のグラム容量は１５５－２９５ｍＡｈ／ｇであり、前記第３の電池セルの正極活物質のグラム容量は１６９－３１１ｍＡｈ／ｇである
    ことを特徴とする請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の電池パック。
  10. 前記正極機能助剤の理論グラム容量が３５０－４１０ｍＡｈ／ｇである
    ことを特徴とする請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の電池パック。
  11. 前記第１の正極活物質は、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム、ニッケルコバルトアルミン酸リチウム及びリン酸鉄リチウムから選ばれる１種である
    ことを特徴とする請求項１～請求項１０のいずれか１項に記載の電池パック。
  12. 前記第１の電池セル、前記第２の電池セル及び前記第３の電池セルにおいて、前記第１の正極活物質の種類が同じであり、且つ前記正極機能助剤の種類が同じであるとき、前記第１の正極活物質が正極活物質に占める質量割合は、前記第１の電池セル、前記第２の電池セル、前記第３の電池セルの順に逓減し、前記正極機能助剤が正極活物質に占める質量割合は、前記第１の電池セル、前記第２の電池セル、前記第３の電池セルの順に逓増する
    ことを特徴とする請求項１～請求項１１のいずれか１項に記載の電池パック。
  13. 前記第１の電池セルにおいて、前記第１の正極活物質と前記正極機能助剤の総質量が１００％であるとき、前記第１の正極活物質の質量は９６．０％－１００％を占め、前記正極機能助剤の質量は０％－４．０％を占める
    ことを特徴とする請求項１～請求項１２のいずれか１項に記載の電池パック。
  14. 前記第２の電池セルにおいて、前記第１の正極活物質と前記正極機能助剤の総質量が１００％であるとき、前記第１の正極活物質の質量は８８．５％－９６．０％を占め、前記正極機能助剤の質量は４．０％－１１．５％を占める
    ことを特徴とする請求項１～請求項１３のいずれか１項に記載の電池パック。
  15. 前記第３の電池セルにおいて、前記第１の正極活物質と前記正極機能助剤の総質量が１００％であるとき、前記第１の正極活物質の質量は７６．５％－８８．５％を占め、前記正極機能助剤の質量は１１．５％－２３．５％を占める
    ことを特徴とする請求項１～請求項１４のいずれか１項に記載の電池パック。
  16. 前記正極機能助剤は、炭素で被覆されたリチウム元素含有チタンニオブ酸化物である
    ことを特徴とする請求項１～請求項１５のいずれか１項に記載の電池パック。
  17. 前記第１の電池セル、前記第２の電池セル及び前記第３の電池セルのそれぞれの負極がリチウム補充処理された
    ことを特徴とする請求項１～請求項１５のいずれか１項に記載の電池パック。
  18. ０℃以下の温度で、前記第１の電池セルの放電カットオフ電圧は１．４－１．６Ｖであり、前記第２の電池セルの放電カットオフ電圧は１．２－１．４Ｖであり、前記第３の電池セルの放電カットオフ電圧は１．０－１．２Ｖである
    ことを特徴とする請求項１～請求項１７のいずれか１項に記載の電池パック。
  19. 前記第１の電池セルの数：前記第２の電池セルの数：前記第３の電池セルの数＝（３－８）：（８－１３）：（１０－１５）である
    ことを特徴とする請求項１～請求項１８のいずれか一項に記載の電池パック。
  20. 請求項１～請求項１９のいずれか１項に記載の電池パックを備えることを特徴とする電力消費装置。
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