JP4529516B2 - Power supply - Google Patents
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Description
本発明は電源、詳しくはリチウムイオン二次電池を備えた電源に関する。 The present invention relates to a power source, and more particularly to a power source provided with a lithium ion secondary battery.
従来より、繰り返し充放電可能なリチウムイオン二次電池を備えた電源が、携帯端末等の機器に広く利用されている。このような電源を利用する際には、リチウムイオン二次電池の残存容量を正確に把握することが望まれる。そして、リチウムイオン二次電池の残存容量を取得する方法としては、予め設定されたリチウムイオン二次電池の放充電特性と、当該リチウムイオン二次電池の充放電履歴とに基づいて数値計算により取得する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、このような方法はリチウムイオン二次電池の充放電履歴の取得を必要とするため煩雑である。したがって、より簡易な残存容量の把握法が求められている。 However, such a method is complicated because it requires acquisition of the charge / discharge history of the lithium ion secondary battery. Therefore, there is a need for a simpler method for determining the remaining capacity.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、簡易にリチウムイオン二次電池の残存容量を把握することが可能な電源を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a power supply capable of easily grasping the remaining capacity of a lithium ion secondary battery.
本発明に係る電源は、正極活物質を含む正極層、セパレータ層及び負極活物質を含む負極層をこの順に積層した積層構造体と、電解質と、積層構造体及び電解質を密閉する可とう性の容器と、を有するリチウムイオン二次電池と、積層構造体に対して積層構造体の積層方向に対向するようにリチウムイオン二次電池の容器の外側に重ねられ、積層構造体に対して積層構造体の積層方向に対向する面の面積が、当該面に対向する正極層又は負極層の面の面積以上である圧力センサと、リチウムイオン二次電池及び圧力センサをこれらリチウムイオン二次電池及び圧力センサが重なる方向の両側から挟む挟持部材と、を備えている。そして、リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを含む電解質、正極活物質及び負極活物質を有し、正極活物質及び負極活物質の少なくとも一方は前記リチウムイオンをインターカレート及びデインターカレート可能である。 The power source according to the present invention includes a laminated structure in which a positive electrode layer containing a positive electrode active material, a separator layer, and a negative electrode layer containing a negative electrode active material are laminated in this order, an electrolyte, and a flexible structure that seals the laminated structure and the electrolyte. A lithium ion secondary battery having a container, and a laminated structure stacked on the outer side of the container of the lithium ion secondary battery so as to face the laminated structure in the stacking direction of the laminated structure. A pressure sensor in which the area of the surface facing the stacking direction of the body is equal to or greater than the area of the surface of the positive electrode layer or the negative electrode layer facing the surface, and the lithium ion secondary battery and the pressure sensor. And a sandwiching member sandwiched from both sides in the direction in which the sensors overlap. The lithium ion secondary battery includes an electrolyte containing lithium ions, a positive electrode active material, and a negative electrode active material, and at least one of the positive electrode active material and the negative electrode active material can intercalate and deintercalate the lithium ions. It is.
一般に、リチウムイオン二次電池の充電時に、負極活物質にリチウムイオンがインターカレートすると負極活物質が膨張する一方、正極活物質からリチウムイオンがデインターカレートすると正極活物質が収縮する。また、放電時に、負極活物質からリチウムイオンがデインターカレートすると負極活物質が収縮する一方、正極活物質にリチウムイオンがインターカレートすると正極活物質が膨張する。 In general, when lithium ions are intercalated into the negative electrode active material during charging of the lithium ion secondary battery, the negative electrode active material expands, and when lithium ions are deintercalated from the positive electrode active material, the positive electrode active material contracts. In addition, when lithium ions are deintercalated from the negative electrode active material during discharge, the negative electrode active material contracts, whereas when lithium ions are intercalated into the positive electrode active material, the positive electrode active material expands.
そして、正極活物質又は負極活物質のいずれか一方がリチウムイオンをインターカレート及びデインターカレートする場合は充電度合い、すなわち、電池の残存容量の多寡に応じて正極活物質又は負極活物質のいずれか一方が膨張収縮し、リチウムイオン二次電池の体積が変化することとなる。 When either the positive electrode active material or the negative electrode active material intercalates and deintercalates lithium ions, the positive electrode active material or the negative electrode active material depends on the degree of charge, that is, the remaining capacity of the battery. One of them expands and contracts, and the volume of the lithium ion secondary battery changes.
また、正極活物質及び負極活物質が何れもリチウムイオンをインターカレート及びデインターカレートする場合でも、正極活物質と負極活物質とでは材料や構造が異なることに起因してインターカレート及びデインターカレートに伴う膨張収縮の程度が互いに異なり、正極活物質の膨張収縮と負極活物質の膨張収縮とは完全にはうち消されない。したがって、この場合でも、充電の度合い、すなわち、電池の残存容量の多寡に応じてリチウムイオン二次電池の体積が膨張・収縮することとなる。 In addition, even when both the positive electrode active material and the negative electrode active material intercalate and deintercalate lithium ions, the positive electrode active material and the negative electrode active material are different from each other in terms of materials and structures. The degree of expansion / contraction associated with deintercalation differs from each other, and the expansion / contraction of the positive electrode active material and the expansion / contraction of the negative electrode active material are not completely eliminated. Accordingly, even in this case, the volume of the lithium ion secondary battery expands and contracts according to the degree of charge, that is, the remaining capacity of the battery.
そして、本発明の電源によれば、挟持部材によって、リチウムイオン二次電池及び圧力センサが、これらリチウムイオン二次電池と圧力センサとを重ねた方向の両側から挟まれている。したがって、リチウムイオン二次電池が膨張収縮すると、これに対応して圧力センサに掛かる力が変化し、リチウムイオン二次電池の体積の変化を圧力センサの出力値として検出することができる。そうすると、圧力センサの出力値に基づいて、リチウムイオン二次電池の残存容量を推定することができる。 And according to the power supply of this invention, the lithium ion secondary battery and the pressure sensor are pinched | interposed from the both sides of the direction which accumulated these lithium ion secondary batteries and the pressure sensor with the clamping member. Therefore, when the lithium ion secondary battery expands and contracts, the force applied to the pressure sensor changes correspondingly, and the change in the volume of the lithium ion secondary battery can be detected as the output value of the pressure sensor. Then, the remaining capacity of the lithium ion secondary battery can be estimated based on the output value of the pressure sensor.
そして、本発明に係る電源が上記構造を有することにより、正極活物質を含む正極層及び負極活物質を含む負極層の厚み方向の膨張収縮によりおこるリチウムイオン二次電池の膨張収縮を、圧力センサによって容易に検出でき、リチウムイオン二次電池の残存容量をより精度良く取得できる。また、電解質がリチウムイオン二次電池から漏れ出しにくくなり、圧力センサの寿命が向上する。 Then, the power supply according to the present invention has the above-described structure, so that the expansion and contraction of the lithium ion secondary battery caused by the expansion and contraction in the thickness direction of the positive electrode layer including the positive electrode active material and the negative electrode layer including the negative electrode active material is detected by the pressure sensor. Therefore, the remaining capacity of the lithium ion secondary battery can be obtained with higher accuracy. In addition, the electrolyte is less likely to leak from the lithium ion secondary battery, and the life of the pressure sensor is improved.
また、圧力センサと挟持部材との間、圧力センサとリチウムイオン二次電池との間、及び、リチウムイオン二次電池と挟持部材との間の内の少なくとも何れかの間にスペーサが介在されることが好ましい。 In addition, a spacer is interposed between at least one of the pressure sensor and the holding member, the pressure sensor and the lithium ion secondary battery, and the lithium ion secondary battery and the holding member. It is preferable.
このようなスペーサを介在させることにより、挟持部材によって、リチウムイオン二次電池と圧力センサとを、これらが重なる方向に隙間が無いようにしつつ固定することが容易となる。したがって、精度良く残存容量を取得可能な電源を、容易に製造可能となる。 By interposing such a spacer, it becomes easy to fix the lithium ion secondary battery and the pressure sensor with no gap in the overlapping direction by the sandwiching member. Therefore, a power source capable of acquiring the remaining capacity with high accuracy can be easily manufactured.
このような圧力センサとしては、例えば、圧力(応力)の変化を起電力の変化として出力する圧電素子や、圧力の変化を抵抗値の変化として出力する歪みゲージ等を用いることが好適である。 As such a pressure sensor, for example, a piezoelectric element that outputs a change in pressure (stress) as a change in electromotive force, a strain gauge that outputs a change in pressure as a change in resistance value, or the like is preferably used.
また、リチウムイオン二次電池において、負極活物質はリチウムイオンをインターカレート及びデインターカレート可能であり、この負極活物質はSiを含むことが好ましい。 In the lithium ion secondary battery, the negative electrode active material can intercalate and deintercalate lithium ions, and the negative electrode active material preferably contains Si.
このような構成の負極活物質は、特に、リチウムイオンのインターカレート、デインターカレートに伴う膨張収縮率が高いので、残存容量を極めて高精度に取得できる。 Since the negative electrode active material having such a configuration has a particularly high expansion / contraction rate due to intercalation and deintercalation of lithium ions, the remaining capacity can be obtained with extremely high accuracy.
本発明によれば、簡易にリチウムイオン二次電池の残存容量を把握することが可能な電源が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the power supply which can grasp | ascertain the remaining capacity of a lithium ion secondary battery simply is provided.
次に、本発明の具体的な実施形態について図1及び図2を参照して説明する。 Next, a specific embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態に係る電源1は、主として、圧力センサ60と、リチウムイオン二次電池5と、スペーサ70と、これら圧力センサ60、リチウムイオン二次電池5及びスペーサ70を挟むケース(挟持部材)90とを備える。
The
(リチウムイオン二次電池)
リチウムイオン二次電池5は、主として、積層構造体50と、積層構造体50を密閉した状態で収容するパック(電池容器)55とを有している。
(Lithium ion secondary battery)
The lithium ion
(積層構造体)
積層構造体50は、上から順に、正極集電体40、二次電池要素35、負極集電体45、二次電池要素35、及び、正極集電体40を有し、それぞれ板状を呈している。
(Laminated structure)
The laminated
二次電池要素35は、カソード層(正極層)10、セパレータ層30、アノード層(負極層)20が、この順に積層されてなる。
The
ここで、各二次電池要素35は、アノード層20が負極集電体45の表面に接し、カソード層10が正極集電体40の表面に接する向きに、正極集電体40及び負極集電体45間に配置されている。ここでアノード及びカソードは説明の便宜上、リチウムイオン二次電池5の放電時の極性を基準に決定したものである。リチウムイオン二次電池5の充電時においては電荷の流れる方向が放電時の逆になるため、アノード及びカソードが互いに入れ替わる。
Here, in each
(アノード層)
アノード層20は、負極活物質、導電助剤、結着剤等を含む層である。以下アノード層20について説明する。
(Anode layer)
The
負極活物質は、リチウムイオンの脱離(デインターカレーション)及び挿入(インターカレーション)を可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の負極活物質を使用できる。このような活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等の炭素材料、Al、Si、Sn等のリチウムと化合することのできる金属又はその合金、SiO2、SnO2等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)が挙げられる。中でも、インターカレートやデインターカレートに伴う膨張収縮率を大きくすべく、Siやその合金を用いることが好ましい。Siの合金としては、例えば、LiSiが挙げられる。 The negative electrode active material is not particularly limited as long as desorption (deintercalation) and insertion (intercalation) of lithium ions can reversibly proceed, and a known negative electrode active material can be used. Examples of such active materials include carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, and low-temperature calcined carbon, and metals that can be combined with lithium such as Al, Si, and Sn. Alternatively, an alloy thereof, an amorphous compound mainly composed of an oxide such as SiO 2 or SnO 2, or lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) can be given. Among them, it is preferable to use Si or an alloy thereof in order to increase the expansion / contraction rate associated with intercalation or deintercalation. Examples of the Si alloy include LiSi.
導電助剤は、アノード層20の導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラック類、炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げら
れる。
The conductive aid is not particularly limited as long as the conductivity of the
結着剤は、上記の負極活物質の粒子と導電助剤の粒子とを負極集電体45に結着することができれば特に限定されず、公知の結着剤を使用できる。例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PEA)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂及びスチレン−ブタジエンゴム(SBR)等が挙げられる。
The binder is not particularly limited as long as the negative electrode active material particles and the conductive auxiliary particles can be bound to the negative
(カソード層)
カソード層10は、正極活物質、導電助剤、結着剤等を含む層である。以下カソード層10について説明する。
(Cathode layer)
The
正極活物質は、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)を可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNixCoyMnzO2(x+y+z=1)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV2O5)、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn又はFeを示す)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)等の複合金属酸化物が挙げられる。 The positive electrode active material is not particularly limited as long as lithium ion desorption and insertion (intercalation) can reversibly proceed, and a known electrode active material can be used. For example, lithium cobalt oxide (LiCoO 2), lithium nickel oxide (LiNiO 2), lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4), and the general formula: represented by LiNi x Co y Mn z O 2 (x + y + z = 1) Composite metal oxide, lithium vanadium compound (LiV 2 O 5 ), olivine type LiMPO 4 (where M represents Co, Ni, Mn or Fe), composite such as lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) A metal oxide is mentioned.
カソード層10に含まれる正極活物質以外の各構成要素は、アノード層20を構成するものと同様の物質を使用することができる。また、カソード層10においても、アノード層20と同様の電子伝導性の粒子を含有させることが好ましい。
As each component other than the positive electrode active material contained in the
(セパレータ層)
アノード層20とカソード層10との間に配置されるセパレータ層30は、電気絶縁性の多孔体から形成されている。セパレータ層30の材料は特に限定されず、公知のセパレータ材料を使用することができる。例えば、電気絶縁性の多孔体としては、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、或いは、セルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも1種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。
(Separator layer)
The
ここで、図1に示すように、各二次電池要素35について、セパレータ層30、アノード層20、カソード層10の順に面積が小さくなっており、アノード層20の端面はカソード層10の端面よりも外側に突出し、セパレータ層30の端面はアノード層20及びカソード層10の端面よりも外側に突出するようになっている。
Here, as shown in FIG. 1, for each
これによって、製造時の誤差等によって、各層が積層方向と交差する方向に多少位置ずれを起こした場合でも、各二次電池要素35において、カソード層10の全面をアノード層20に対向させることが容易となる。従って、カソード層10から放出されたリチウムイオンがセパレータ層30を介してアノード層20に十分に取り込まれる。さらに、セパレータ層30がカソード層10やアノード層20より大きく、カソード層10やアノード層20の端面から突出しているので、カソード層10とアノード層20とが接触することによる短絡も低減されている。
As a result, even if each layer is slightly displaced in the direction intersecting the stacking direction due to an error in manufacturing, the entire surface of the
(負極集電体)
アノード層20と結着する負極集電体45の材料はリチウムイオン二次電池のアノード用集電体として通常用いられる金属材料であれば特に限定されず、例えば、銅やニッケル等が挙げられる。負極集電体45の一端は、図1及び図2に示すように、外側に向かってリボン状に延びてリード45aを形成している。
(Negative electrode current collector)
The material of the negative electrode
(正極集電体)
カソード層10と結着する正極集電体40はリチウムイオン二次電池のカソード用集電体として通常用いられる金属材料であれば特に限定されず、例えばアルミニウム等が挙げられる。正極集電体40の一端は、外側に向かってリボン状に延びてリード40aを形成している。
(Positive electrode current collector)
The positive electrode
(電解質溶液)
電解質溶液は、アノード層20及びカソード層10、及びセパレータ層30の孔の内部に含有されている。電解質溶液は、特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池要素に用いられている、リチウム塩を含む電解質溶液(電解質水溶液、有機溶媒を使用する電解質溶液)を使用することができる。ただし、電解質水溶液は電気化学的に分解電圧が低いことにより、充電時の耐用電圧が低く制限されるので、有機溶媒を使用する電解質溶液(非水電解質溶液)であることが好ましい。二次電池要素の電解質溶液としては、リチウム塩を非水溶媒(有機溶媒)に溶解したものが好適に使用される。リチウムイオンの源となるリチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiCF3、CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(CF3CF2CO)2等の塩が使用される。なお、これらの塩は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
(Electrolyte solution)
The electrolyte solution is contained in the pores of the
また、有機溶媒としては、公知の二次電池要素に使用されている溶媒を使用することができる。例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、及び、ジエチルカーボネート等が好ましく挙げられる。これらは単独で使用してもよく、2種以上を任意の割合で混合して使用してもよい。 Moreover, as an organic solvent, the solvent currently used for the known secondary battery element can be used. For example, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate and the like are preferable. These may be used alone or in combination of two or more at any ratio.
なお、本実施形態において、電解質溶液は液状以外にゲル化剤を添加することにより得られるゲル状電解質であってもよい。また、電解質溶液に代えて、固体電解質(固体高分子電解質又はイオン伝導性無機材料からなる電解質)が含有されていてもよい。 In the present embodiment, the electrolyte solution may be a gel electrolyte obtained by adding a gelling agent in addition to liquid. Further, instead of the electrolyte solution, a solid electrolyte (a solid polymer electrolyte or an electrolyte made of an ion conductive inorganic material) may be contained.
(パック)
パック55は、図1に示すように、矩形状の可撓性のシートを長手方向の略中央部で2つ折りにして形成したものであり、積層構造体50を積層方向(上下方向)の両側から挟み込んでいる。具体的には、図2に示すように、2つ折りにされたシート55sの端部のうち、折り返し部分55aを除く3辺のシール部55bがヒートシール又は接着剤により接着されており、積層構造体50が内部に密封されている。このパック55は、パック55内部へ空気や水分が進入することや、パック55内から電解質溶液が漏れることを防止する。特に、図1に示すように、3層構造のシート55sにより形成されたパック55を用いることが好ましい。具体的には、シート55sにおける最内層55hは無延伸ポリプロピレン(CPP)等の合成樹脂から形成された樹脂層、中間層55iはアルミニウム等から形成された金属層、最外層55jは無延伸ポリプロピレン(CPP)等の合成樹脂から形成された樹脂層である。
(pack)
As shown in FIG. 1, the
なお、パック55は、このような3層構造のものに限定されず、公知の二次電池要素に用いられている1層又は2層(樹脂層+金属層)等、例えば、エポキシ樹脂等の合成樹脂製のパック等を使用することができる。
Note that the
そして、積層構造体50のリード40a及びリード45aは、図1及び図2に示すように、パック55内からシール部55bを通って外部に突出している。
And the
リード40a,45bにおいて、パック55のシール部55bに挟まれた部分は、図1及び図2に示すように、シール性を高めるべく、樹脂等の絶縁体14によって被覆されている。絶縁体14の材質は特に限定されないが、例えば、それぞれ合成樹脂から形成されていることが好ましい。
In the
(圧力センサ)
圧力センサ60は板状形状をなしており、リチウムイオン二次電池5の上に重ねられている。具体的には、圧力センサ60は、リチウムイオン二次電池5のパック55上に重ねられ、積層構造体50に対して、積層構造体50の積層方向に対向している。
(Pressure sensor)
The
この圧力センサ60は、たとえば、一対の板状の電極板61間に、圧電性材料からなる圧電板63を挟んだ、いわゆる、圧電素子である。圧電性材料としては、例えば、PZT等が挙げられる。圧力センサ60の電極板61、圧電板63、電極板61の積層方向は、リチウムイオン二次電池5の積層構造体50の積層方向と同じ向きである。そして、一方の電極板61に出力端子65aが、他方の電極板61に出力端子65bが電気的に接続されている。
The
そして、この圧力センサ60は、厚み方向(積層方向)に加わる圧力(応力)を検知し、その大きさに基づいて出力端子間65a,65b間に起電力を生じる。
And this
(スペーサ)
スペーサ70は板状形状をなしており、リチウムイオン二次電池5の下に重ねられている。具体的には、スペーサ70は、リチウムイオン二次電池5のパック55とケース90の下板90bとの間に重ねられている。また、スペーサ70は、積層構造体50に対して、積層構造体50の積層方向に対向するように配置されている。
(Spacer)
The
本実施形態では、スペーサ70と圧力センサ60とは、リチウムイオン二次電池5を挟んで反対側に配置されているが、スペーサ70が、圧力センサ60とリチウムイオン二次電池5との間や、圧力センサ60とケース90の上板90aとの間に設けられてもよく、また、スペーサ70を複数有し、上述の内の複数の場所に配置されていてもよい。
In the present embodiment, the
このスペーサ70は、圧力センサ60及びリチウムイオン二次電池5が、ケース90の上板90a及び下板90bとの間に隙間無く挟まれるように調節する部材である。
The
スペーサ70の材料は特に限定されず、ポリプロピレン等の樹脂材料や、ステンレス、アルミニウム等の金属材料を使用できる。特に、リチウムイオン二次電池5の膨張収縮を精度良く検出すべく、硬質材料を用いることがよく、金属材料や硬質樹脂等が好ましい。
The material of the
(ケース)
ケース90は、一側面が開放された箱形容器であり、上板90a、この上板90aと対向する下板90b、及び、上板90aと下板90bとの間隔を保つべく上板90aと下板90bとを連結する3つの側板90cとを有している。
(Case)
The
上板90aと、下板90bとの間には、圧力センサ60、リチウムイオン二次電池5、及び、スペーサ70が互いに密着して重ねられて収容されており、上板90a及び下板90bは、圧力センサ60、リチウムイオン二次電池5、及び、スペーサ70を、これらを重ねた方向(図示上下方向)の両側から挟みこんでいる。
Between the
ケース90の材料は特に限定されないが、ポリプロピレン等の樹脂材料や、ステンレス、アルミニウム等の金属材料を使用できる。特に、リチウムイオン二次電池5の体積膨張を精度良く検出すべく、硬質材料を用いることがよく、金属材料や硬質樹脂等が好ましい。
The material of the
(製造方法)
次に、上述した電源1の作製方法の一例について図3及び図4を参照して簡単に説明する。
(Production method)
Next, an example of a method for manufacturing the
まず、リチウムイオン二次電池5を作成する。まず、図3に示すように、リード40aを有する正極集電体40の片面にカソード層10を形成して2層積層体120を得る。カソード層10は、前述の正極活物質、導電助剤、結着剤等を有する溶剤を正極集電体40に塗布することにより形成できる。
First, the lithium ion
また、リード45aを有する負極集電体45の両面にアノード層20を形成し3層積層体140を得る。アノード層20は、前述の負極活物質、導電助剤、結着剤等を有する溶剤を負極集電体45に塗布することにより形成できる。
In addition, the
続いて、絶縁性の多孔質材料からなるセパレータ層30を用意する。そして、2層積層体120/セパレータ層30/3層積層体140/セパレータ層30/2層積層体120のように積層し、これらの積層方向の両側の面内中央部分を挟んで加熱することにより、図1のような積層構造体50を得る。
Subsequently, a
次に、アルミニウム箔を熱接着性樹脂層でラミネートした矩形状のシート55sを折り曲げて重ね合わせ、図4(a)に示すように、2辺のシール部55b、55bを、例えばシール機等でヒートシールし、積層構造体50を導入するための開口部55cが形成された袋状のパック55を得る。
Next, the
そして、開口部55cを有した状態のパック55の内部に、積層構造体50を挿入し、真空容器内でパック55内を減圧しつつパック55内に電解質溶液を注入して積層構造体50を電解質溶液に浸漬させる。その後、リード40a、リード45aの一部をそれぞれパック55内から外部に突出させ、ヒートシール機を用いて、パック55の開口部55cをシールする。これにより、図1に示すようなリチウムイオン二次電池5の作製が完了する。
Then, the
続いて、図4(b)に示すように、所定の厚みのスペーサ70及び所定の厚みの圧力センサ60を用意すると共に、上板90aと下板90bとの間隔が所定の高さとされたケース90を用意する。ここで、スペーサ70、圧力センサ60及びリチウムイオン二次電池5の厚みの総和は、ケース90の上板90aと下板90bとの間隔とほぼ同じかそれ以下とされている。
Subsequently, as shown in FIG. 4B, a
そして、スペーサ70、リチウムイオン二次電池5、及び、圧力センサ60の積層体Lを重ねて、ケース90の上板90aと下板90bとの間に挿入して挟みこむませる。これにより、図1に示すような本実施形態の電源1が完成する。
And the laminated body L of the
本実施形態の電源1によれば、リチウムイオン二次電池5の充電時には、負極活物質にリチウムイオンがインターカレートして負極活物質が膨張する一方、正極活物質からリチウムイオンがデインターカレートして正極活物質が収縮する。また、放電時には、負極活物質からリチウムイオンがデインターカレートして負極活物質が収縮する一方、正極活物質にリチウムイオンがインターカレートして正極活物質が膨張する。そして、正極活物質と負極活物質とでは物質や構造が異なることから、インターカレート及びデインターカレートに伴う膨張収縮の程度は、正極活物質と負極活物質とで互いに異なる。したがって、放電時及び充電時に、正極活物質の膨張収縮及び負極活物質の膨張収縮は完全にはうち消されず、充電の度合い、すなわち、電池の残存容量の多寡に応じてリチウムイオン二次電池5の体積が膨張・収縮することとなる。
According to the
そして、この電源1において、ケース90によって、リチウムイオン二次電池5及び圧力センサ60が、これらリチウムイオン二次電池5と圧力センサ60とが重なる方向の両側から挟まれている。したがって、リチウムイオン二次電池5が膨張・収縮すると、これに対応して圧力センサ60に掛かる力が変化し、リチウムイオン二次電池5の体積の変化を圧力センサ60の出力値として検出することができる。そうすると、圧力センサ60の出力値に基づいて、リチウムイオン二次電池5の残存容量を推定することができる。
In the
特に、本実施形態では、負極活物質として、Siや、SiLi等のSiを含む金属を用いている。そうすると、充電時にアノード層20の負極活物質にリチウムイオンがインターカレーションすることにより負極活物質が極めて大きく膨張する一方、放電時にはリチウムイオンが負極活物質からデインターカレーションすることにより負極活物質が大きく収縮する。
In particular, in the present embodiment, a metal containing Si such as Si or SiLi is used as the negative electrode active material. Then, the lithium ion intercalates into the negative electrode active material of the
したがって、電池の残存容量の多寡に応じたリチウムイオン二次電池5の膨張収縮の変化が著しくなる。これにより、電池の残存容量を極めて高精度に検出することができる。
Therefore, the expansion / contraction change of the lithium ion
また、リチウムイオン二次電池5は、正極活物質を含むカソード層10、セパレータ層30及び負極活物質を含むアノード層20をこの順に積層した積層構造体50を有し、圧力センサ60は、積層構造体50に対して、積層方向に対向するように配置されている。
The lithium ion
これにより、正極活物質を含むカソード層10や負極活物質を含むアノード層20の厚み方向の膨張収縮によりおこるリチウムイオン二次電池5の厚み方向の膨張収縮を圧力センサ60によって容易に検出でき、残存容量をより精度良く取得できる。
Thereby, the expansion and contraction in the thickness direction of the lithium ion
また、圧力センサ60とケース90との間、圧力センサ60とリチウムイオン二次電池5との間、及び、リチウムイオン二次電池5とケース90との間の内の少なくとも何れかの間にスペーサ70が介在されるので、ケース90の上板90aと下板90bとの間に、リチウムイオン二次電池5と圧力センサ60とを、隙間無く挟むことが容易となる。したがって、残存容量を高精度に取得できる電源1を容易に製造できる。
Further, a spacer is provided between at least one of the
さらに、リチウムイオン二次電池5は、リチウムイオンを含む電解質溶液、正極活物質及び負極活物質を密閉するパック55をさらに有しているので、電解質溶液がリチウムイオン二次電池5から漏れ出しにくくなり、圧力センサ60の寿命が向上する。
Further, since the lithium ion
加えて、従来の電源では、多数の電源を直列に接続して組電源として使う場合、個々の電源のリチウムイオン二次電池の残存容量を把握することは困難であったが、本実施形態に係る電源1を直列に接続した場合、各電源1の残存容量を各圧力センサ60からの出力によって容易に把握することができる。
In addition, in the conventional power source, when a large number of power sources are connected in series and used as a combined power source, it is difficult to grasp the remaining capacity of the lithium ion secondary battery of each power source. When
なお、本発明は、上記実施形態に限定されずさまざまな変形態様を取ることが可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can take various deformation | transformation aspects.
例えば、上記実施形態では、圧力センサ60として、圧力に応じて起電力を生じる圧電素子を用いているが、圧力に応じて抵抗値が変化する歪みゲージ等の他の圧力センサを用いても構わない。
For example, in the above embodiment, a piezoelectric element that generates an electromotive force according to pressure is used as the
また、上記実施形態では、挟持部材として、圧力センサ60、リチウムイオン二次電池5、及び、スペーサ70を収容するケース90を用いているが、圧力センサ60及びリチウムイオン二次電池5を、これらを重ねた方向の両側から挟める物であれば、形状は限定されない。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、上記実施形態では、ケース90の上板90a、下板90bとの間に、圧力センサ60及びリチウムイオン二次電池5に加えてスペーサ70を挟んでいるが、ケース90が、圧力センサ60及びリチウムイオン二次電池5を隙間無く挟んでいれば、スペーサ70が無くても動作は可能である。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、正極活物質及び負極活物質の両方とも、リチウムイオンをインターカレート及びデインターカレート可能であるが、正極活物質又は負極活物質の一方が、リチウムイオンをインターカレート及びデインターカレート可能であってもよい。 In the above embodiment, both the positive electrode active material and the negative electrode active material can intercalate and deintercalate lithium ions, but one of the positive electrode active material and the negative electrode active material can intercalate lithium ions. And deintercalation may be possible.
また、上記実施形態においては、積層構造体50は単セルとしての二次電池要素35を2つ有するものであったが、二次電池要素を2つより多く有していてもよく、又、1つでもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、上記実施形態においては、ケース90は、一つのリチウムイオン二次電池を挟んでいるが、2つ以上のリチウムイオン二次電池5を積層して挟んでいてもよい。
Further, in the above embodiment, the
以下、本実施形態に係る電源の実施例を挙げて本発明についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples of the power source according to the present embodiment, but the present invention is not limited to these examples.
まず、カソード積層体を以下の手順により作製した。まず、正極活物質としてLiCoO2、導電助剤としてカーボンブラック及びグラファイト、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVdF;アトフィナ社製PVdFホモポリマー粒子 Kynar741, 重量平均分子量Mw5.5×105、平均粒径0.2μm、NMPに可溶)を用意し、これらの重量比が正極活物質:カーボンブラック:グラファイト:結着剤=90:3:3:4となるようにプラネタリーミキサで混合分散した後、これに溶媒としてのNMPを、NMP:結着剤の重量比が94:6となるように室温下で混合し、スラリー状のカソード用塗布液(スラリー)を調整した。続いて、アルミニウム箔(厚さ60μm)を用意し、そのアルミニウム箔にカソード用塗布液をドクターブレード法により塗布して乾燥させカソード積層体とした。
First, a cathode laminate was produced by the following procedure. First, LiCoO 2 as a positive electrode active material, carbon black and graphite as a conductive aid, polyvinylidene fluoride as a binder (PVdF; PVdF homopolymer particles Kynar 741, weight average molecular weight Mw 5.5 × 10 5 , average particle diameter, manufactured by Atofina) 0.2 μm, soluble in NMP), and after mixing and dispersing with a planetary mixer such that the weight ratio thereof is positive electrode active material: carbon black: graphite: binder = 90: 3: 3: 4 To this, NMP as a solvent was mixed at room temperature so that the weight ratio of NMP: binder was 94: 6 to prepare a slurry cathode coating solution (slurry). Subsequently, an aluminum foil (
続いて、アノード積層体を以下の手順により作製した。まず、負極活物質としてシリコン粉末、導電助剤としてカーボンブラックとグラファイト、結着剤としてカソードに用いたのと同じPVdFを用意し、これらの重量比が負極活物質:カーボンブラック:グラファイト:結着剤=75:3:12:10となるように配合してプラネタリーミキサで混合分散した後、これに溶媒としてのNMPを、NMP:結着剤の重量比が93:7となるように室温下で混合し、スラリー状のアノード用塗布液を調整した。次に、集電体としての銅箔(厚さ:10μm)を用意し、アノード用塗布液をドクターブレード法により銅箔の両面に塗布して乾燥させてアノード積層体を得た。 Subsequently, an anode laminate was produced by the following procedure. First, silicon powder is used as the negative electrode active material, carbon black and graphite are used as the conductive additive, and the same PVdF is used as the binder as the cathode, and the weight ratio thereof is negative electrode active material: carbon black: graphite: binding. Agent = 75: 3: 12: 10 After mixing and dispersing with a planetary mixer, NMP as a solvent is added to this at room temperature so that the weight ratio of NMP: binder is 93: 7. A slurry-like coating solution for anode was prepared by mixing below. Next, a copper foil (thickness: 10 μm) as a current collector was prepared, and an anode coating solution was applied to both sides of the copper foil by a doctor blade method and dried to obtain an anode laminate.
次に、セパレータとしてポリオレフィン製の多孔膜を用意し、カソード積層体/セパレータ/アノード積層体/セパレータ/カソード積層体のように積層して積層構造体とし、両端面から熱圧着して固定した。ここでは、積層構造体の最外層に、片面にカソードが担持されたカソード積層体が配置されるように積層した。 Next, a polyolefin porous film was prepared as a separator and laminated as a cathode laminate / separator / anode laminate / separator / cathode laminate to form a laminated structure, which was fixed by thermocompression bonding from both end faces. Here, lamination was performed such that a cathode laminate having a cathode supported on one side was disposed on the outermost layer of the laminate structure.
つぎに、エチレンカーボネート(EC)及びジエチルカーボネート(DEC)を混合した溶媒に、LiPF6を濃度が1mol/dm3となるように溶媒に溶かして非水電解質溶液とした。 Next, LiPF 6 was dissolved in a solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed so as to have a concentration of 1 mol / dm 3 to obtain a nonaqueous electrolyte solution.
次に、アルミラミネートフィルムを袋状に形成したパックを用意し、積層構造体を挿入し、真空槽中で非水電解質溶液を注入して積層構造体を非水電解質溶液に含浸させた。その後、減圧状態のままで、リードの一部が外装体から突き出るようにしてパックの入り口部をシールし、初期充放電を行うことにより積層型リチウムイオン二次電池を得た。 Next, a pack in which an aluminum laminate film was formed in a bag shape was prepared, a laminated structure was inserted, and a nonaqueous electrolyte solution was injected in a vacuum chamber to impregnate the laminated structure in the nonaqueous electrolyte solution. Thereafter, in the reduced pressure state, the entrance of the pack was sealed such that a part of the lead protruded from the outer package, and initial charge / discharge was performed to obtain a stacked lithium ion secondary battery.
このようなリチウムイオン二次電池に対して、充放電サイクルを繰り返したところ、リチウムイオン二次電池の厚みは、図6の線Aに示すように、放電すると大きく膨張し、放電すると大きく収縮することが確認された。なお、負極活物質として黒鉛を用いたリチウムイオン二次電池も制作したが、この場合でも図6の線Bに示すように充電放電に応じて厚みの変動は起こった。 When the charge / discharge cycle is repeated for such a lithium ion secondary battery, the thickness of the lithium ion secondary battery expands greatly when discharged and contracts greatly when discharged as shown by line A in FIG. It was confirmed. In addition, a lithium ion secondary battery using graphite as a negative electrode active material was also produced. However, even in this case, as shown by a line B in FIG.
続いて、圧力センサとしてPZTを用いた圧電素子、所定の厚みのステンレス製のスペーサ、及び、所定の開口幅の絞り出し成形されたアルミニウム箱形ケースを用意し、圧電素子、リチウムイオン二次電池、スペーサをこの順に重ねてケース内に挿入し、電源を完成させた。スペーサの厚みは、ケース内で厚み方向に隙間ができないように設定した。 Subsequently, a piezoelectric element using PZT as a pressure sensor, a stainless steel spacer having a predetermined thickness, and a squeezed aluminum box-shaped case having a predetermined opening width are prepared, and the piezoelectric element, the lithium ion secondary battery, Spacers were stacked in this order and inserted into the case to complete the power supply. The thickness of the spacer was set so that there was no gap in the thickness direction in the case.
そして、リチウムイオン二次電池の充電状態(残存容量)と、圧電素子の端子間電圧との関係を測定した結果を図6に示す。充電状態に応じて、圧電素子の端子間電圧は直線的に変化し、充電状態を圧力センサ60によって検出できることが示された。
And the result of having measured the relationship between the charge condition (remaining capacity) of a lithium ion secondary battery and the voltage between terminals of a piezoelectric element is shown in FIG. Depending on the state of charge, the voltage between the terminals of the piezoelectric element changes linearly, indicating that the state of charge can be detected by the
1…電源、5…リチウムイオン二次電池、10…カソード層(正極層)、20…アノード層(負極層)、30…セパレータ層、50…積層構造体、55…パック(電池容器)、60…圧力センサ、70…スペーサ、90…ケース(挟持部材)。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記積層構造体に対して前記積層構造体の積層方向に対向するように前記リチウムイオン二次電池の容器の外側に重ねられ、前記積層構造体に対して前記積層構造体の積層方向に対向する面の面積が、当該面に対向する前記正極層又は前記負極層の面の面積以上である圧力センサと、
前記リチウムイオン二次電池及び前記圧力センサを、前記リチウムイオン二次電池及び前記圧力センサが重なる方向の両側から挟む挟持部材と、を備え、
前記リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを含む電解質、正極活物質及び負極活物質を有し、前記正極活物質及び前記負極活物質の少なくとも一方は前記リチウムイオンをインターカレート及びデインターカレート可能である電源。 A laminated structure in which a positive electrode layer containing a positive electrode active material, a separator layer, and a negative electrode layer containing a negative electrode active material are laminated in this order; an electrolyte; and a flexible container that seals the laminated structure and the electrolyte. A lithium ion secondary battery;
It is overlaid on the outer side of the container of the lithium ion secondary battery so as to face the laminated structure in the lamination direction of the laminated structure, and opposed to the laminated structure in the lamination direction of the laminated structure. A pressure sensor having a surface area equal to or greater than the surface area of the positive electrode layer or the negative electrode layer facing the surface ;
A sandwiching member that sandwiches the lithium ion secondary battery and the pressure sensor from both sides in a direction in which the lithium ion secondary battery and the pressure sensor overlap, and
The lithium ion secondary battery includes an electrolyte containing lithium ions, a positive electrode active material, and a negative electrode active material, and at least one of the positive electrode active material and the negative electrode active material intercalates and deintercalates the lithium ions. Power supply that is possible.
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