JP4767566B2 - Lithium secondary battery charger and electronic device including the charger - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム二次電池の充電器に関する。 The present invention relates to a lithium secondary battery charger.
近年、情報機器、通信機器、受信機器、映像、音楽等の記録・再生機器などの携帯型電子機器や、電動式車両のような輸送機器などにおいて、その処理能力、表示能力、動力性能、駆動時間等の向上が求められている。このため、上記のような機器に用いられる電気化学素子は、より高容量で高出力であるとともに、サイクル寿命の向上が要求されている。このような要求に対し、電池の高エネルギー密度化を実現するための電極材料の開発、および高エネルギー密度化された電池の性能を最大限に引き出し、機器を効率良く駆動させるための充電システムの開発が行われている。 In recent years, processing capacity, display capacity, power performance, driving in portable electronic equipment such as information equipment, communication equipment, receiving equipment, video / music recording / playback equipment, transport equipment such as electric vehicles, etc. Improvements such as time are required. For this reason, the electrochemical element used for the above apparatuses is required to have a higher capacity and higher output, and to improve the cycle life. In response to such demands, development of electrode materials to achieve higher energy density of batteries, and charging system to drive the equipment efficiently by maximizing the performance of batteries with higher energy density. Development is underway.
上記リチウム二次電池の電極材料として、負極活物質には黒鉛を代表とする炭素材料が可逆性、信頼性に優れるため負極活物質材料として既に実用化されている。しかしながら、黒鉛の利用容量が理論容量に近づいているため、より高容量の電極材料が研究されている。従来よりも理論的に大幅な高容量化が期待できるシリコン(Si)やスズ(Sn)などの元素やそれらを含む合金などが提案されている(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。 As an electrode material for the lithium secondary battery, a carbon material typified by graphite is already put to practical use as a negative electrode active material because it is excellent in reversibility and reliability. However, since the capacity of graphite used approaches the theoretical capacity, higher capacity electrode materials have been studied. There have been proposed elements such as silicon (Si) and tin (Sn) that can be expected to have a significantly higher capacity than conventional ones, alloys containing them, and the like (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
従来の充電システムを備える電子機器の概略図を図5に示す。
図5に示される電子機器50は、電源部51、電気化学素子52、負荷部53、閾値電圧Vthを基準として電気化学素子52の電圧を測定する電圧比較器54、充電制御部55、充電回路56、電気化学素子52に流れる電流を測定する電流測定手段57、ならびに電気化学素子52の温度を測定する温度検出手段58からなる。ここで、充電システムは、電圧比較器54、充電制御部55、充電回路56、電流測定手段57および温度検出手段58から構成される。また、上記閾値電圧Vthは、基準電源59によって印加される。
FIG. 5 shows a schematic diagram of an electronic device including a conventional charging system.
An
このような充電システムにより、リチウム二次電池やニッケル水素電池のような電気化学素子の電圧を検出し、その電圧検出時の電流や温度のような条件の違いを考慮して、その電気化学素子の残量を検知する。 With such a charging system, the voltage of an electrochemical element such as a lithium secondary battery or a nickel metal hydride battery is detected, and the electrochemical element is considered in consideration of differences in conditions such as current and temperature at the time of voltage detection. Detect the remaining amount.
上記のような従来の充電システムにおいては、電気化学素子が満充電まで充電されると、その電気化学素子の充電が停止され、その電気化学素子の電圧が機器の最低作動電圧を下回ると、その電気化学素子の放電が停止される。次いで、満充電になるまで、その電気化学素子が充電される。この結果、電気化学素子は、機器の使用前に常に最大の残量が確保されるため、安定した電力供給を行うことができる。従って、この電力の安定供給により、機器の駆動時間を、最大限に確保することが可能となる。 In the conventional charging system as described above, when the electrochemical element is fully charged, the charging of the electrochemical element is stopped, and when the voltage of the electrochemical element falls below the minimum operating voltage of the device, The discharge of the electrochemical element is stopped. The electrochemical element is then charged until it is fully charged. As a result, the electrochemical element always ensures the maximum remaining amount before use of the device, so that stable power supply can be performed. Therefore, the stable supply of electric power makes it possible to ensure the maximum drive time of the device.
しかしながら、電気化学素子を、残量100%まで充電し、機器の最低作動電圧まで放電する上記充放電方法では、充放電のサイクルを繰り返すごとに、満充電時の電池容量が大きく低下する、つまりサイクル寿命が低下するという問題が生じる。この問題を解決するために、電気化学素子の充電容量が可能な限り大きくなる第1の充電終止電圧と、前記第1の充電終止電圧よりも低い第2の充電終止電圧の2つの充電終止電圧を設定し、状況に応じて、その一方の充電終止電圧まで充電する方法が提案されている(例えば、特許文献3および特許文献4参照)。
しかしながら、特許文献3および特許文献4に記載の充電方法において、その電圧の決め方および電気化学素子の劣化のメカニズムについては明示されていない。このため、上記充電方法を電気化学素子の充電に用いるとしても、結果的に試行錯誤により、充電終止電圧を決定せざるを得ない。そのようにして決定した充電終止電圧を基準にして充放電制御を行う場合、電気化学素子の劣化を完全に解析したわけではないので、設定された充電終止電圧が、好ましい充電終止電圧よりも低くなる可能性がある。この場合、電気化学素子が満充電にまで充電されないため、電子機器や輸送機器などの使用時間が短くなるという問題が生じる。
However, in the charging methods described in
一方、設定された充電終止電圧が、好ましい充電終止電圧よりも高い場合は、電池の寿命のみならず、充放電システムの信頼性、安全性および保守性が低下する。 On the other hand, when the set end-of-charge voltage is higher than the preferred end-of-charge voltage, not only the battery life but also the reliability, safety and maintainability of the charge / discharge system are lowered.
さらに、特許文献3に記載される充電方法において、第2の充電終止電圧は、ノートパソコンに組み込まれた電池の自己放電により減少した容量を、ACアダプタからのAC電源により充電するトリクル充電において用いられている。ここでは、この第2の充電終止電圧を、第1の充電終止電圧よりも低い電圧にすることにより、高温環境下における電池の劣化を防止している。この場合、高温環境下においても電解液の分解が防止されることを想定して、第1の充電終止電圧より低い第2の充電終止電圧を決定していると考えられる。サイクル寿命の低下を想定して、第2の充電終止電圧を決定したものではない。
Further, in the charging method described in
また、Siなどの高容量を期待できる材料では、充電時にその材料に吸蔵されるリチウム量が多くなると、その電池のサイクル寿命が低下する場合がある。以下にその理由について述べる。
負極が組成式LixSiで表されるリチウム含有ケイ素を含む場合、負極の充放電深度を表すLiのSiに対するモル比xと充放電サイクル寿命とは関連している。
上記リチウム含有ケイ素には、LiのSiに対するモル比xが増加するにつれて、所定のモル比xで相変化が起こり、この相変化により、5種類の相が生じることが知られている:x=0(Si:立方晶);x=1.71(Li12Si7:斜方晶);x=2.33(Li14Si6:菱面体);x=3.25(Li13Si4:斜方晶);x=4.4(Li22Si5:立方晶)。また、上記リチウム含有ケイ素において、x値が大きいほど、理論容量は高くなる。
In addition, in a material that can be expected to have a high capacity, such as Si, when the amount of lithium stored in the material at the time of charging increases, the cycle life of the battery may decrease. The reason is described below.
When the negative electrode contains lithium-containing silicon represented by the composition formula Li x Si, the molar ratio x of Li to Si representing the charge / discharge depth of the negative electrode and the charge / discharge cycle life are related.
It is known that the lithium-containing silicon undergoes a phase change at a predetermined molar ratio x as the molar ratio x of Li to Si increases, and this phase change results in five phases: x = 0 (Si: cubic); x = 1.71 (Li 12 Si 7: orthorhombic); x = 2.33 (Li 14 Si 6: rhombohedral); x = 3.25 (Li 13 Si 4: Orthorhombic); x = 4.4 (Li 22 Si 5 : cubic). In the above lithium-containing silicon, the larger the x value, the higher the theoretical capacity.
一方、上記のように、x値の変化に伴って相変化が起こると、その相変化により、リチウム含有ケイ素の体積が変化する。例えば、x=4.4の場合の上記リチウム含有ケイ素の体積は、x=0の場合の体積と比較して、約4.1倍に増加する。リチウム含有ケイ素を負極活物質として含む電池の完全充電および完全放電を繰り返した場合、リチウム含有ケイ素の体積変化が大きくなる。このような充放電を続けた場合、リチウム含有ケイ素がその体積変化に対応できなくなり、リチウム含有ケイ素自体が破損していまい、電池のサイクル寿命が低下する。 On the other hand, as described above, when a phase change occurs with a change in the x value, the volume of the lithium-containing silicon changes due to the phase change. For example, the volume of the lithium-containing silicon when x = 4.4 increases by about 4.1 times compared to the volume when x = 0. When complete charging and discharging of a battery containing lithium-containing silicon as a negative electrode active material are repeated, the volume change of the lithium-containing silicon increases. When such charge and discharge are continued, the lithium-containing silicon cannot cope with the volume change, the lithium-containing silicon itself is not damaged, and the cycle life of the battery is reduced.
さらに、x値が増加して、負極の膨張が大きくなると、リチウム含有ケイ素の集電性能が低下するために、リチウム含有ケイ素からなる負極を有する電池においては、その実際の電池容量が低下するという問題も生じる。 Further, when the x value increases and the expansion of the negative electrode increases, the current collection performance of the lithium-containing silicon decreases, so that the actual battery capacity of the battery having the negative electrode made of lithium-containing silicon decreases. Problems also arise.
そこで、本発明は、リチウム含有ケイ素を負極活物質として用いるリチウム二次電池を、サイクル寿命の低下を早めることなく、高容量に充電するとともに、必要に応じて、さらに高容量に充電することができる充電器およびこのような充電器を備える電子機器を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention can charge a lithium secondary battery using lithium-containing silicon as a negative electrode active material to a high capacity without accelerating the decrease in cycle life, and can be charged to a higher capacity as required. It is an object of the present invention to provide a charger that can be used and an electronic device including such a charger.
本発明は、正極と、組成式LixSiで表されるリチウム含有ケイ素およびMeSi 2 (Meは、Ti、Ni、CoおよびFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種である)を1:0.03〜1:1.5のモル比で含む負極と、電解質とを備える二次電池用の充電器に関し、この充電器は、
(1)充電されている二次電池の電圧を検出する電圧検出部、
(2)電圧検出部の出力に基づいて、その二次電池に含まれるLixSiにおけるx値を求め、前記求められたx値が、予め設定された閾値に達すると、その二次電池の充電を停止する充電制御部を具備する。充電制御部は、第1閾値を含む少なくとも1つの設定可能な閾値を有し、第1閾値は2.33以下である。
In the present invention, the positive electrode, lithium-containing silicon represented by the composition formula Li x Si, and MeSi 2 (Me is at least one selected from the group consisting of Ti, Ni, Co, and Fe) are set to 1: 0. Regarding a charger for a secondary battery comprising a negative electrode comprising a molar ratio of 03 to 1: 1.5 and an electrolyte,
(1) a voltage detector for detecting the voltage of the charged secondary battery;
(2) Based on the output of the voltage detector, an x value in Li x Si included in the secondary battery is obtained, and when the obtained x value reaches a preset threshold value, A charging control unit for stopping charging is provided. The charge control unit has at least one settable threshold value including a first threshold value, and the first threshold value is 2.33 or less.
上記充電器において、充電制御部は、第1閾値および第2閾値を含む少なくとも2つの設定可能な閾値を有し、第1閾値と第2閾値とは任意に切替可能であり、第1閾値は2.33以下であり、第2閾値は2.33より大きく4.4以下であることが好ましい。 In the charger, the charge control unit has at least two settable thresholds including a first threshold and a second threshold, and the first threshold and the second threshold can be arbitrarily switched, and the first threshold is It is 2.33 or less, and the second threshold is preferably larger than 2.33 and not larger than 4.4.
上記負極において、MeSi2は、TiSi2を含むことが好ましい。 In the negative electrode, M eSi 2 preferably contains TiSi 2.
また、本発明は、上記二次電池、負荷部、ならびに上記充電器からなる電子機器に関する。 Moreover, this invention relates to the electronic device which consists of the said secondary battery, a load part, and the said charger.
本発明により、負極にLixSiを含む二次電池を、サイクル寿命の低下を早めることなく、高容量に充電することができ、さらには、必要に応じて、二次電池をさらに高容量に充電することができる充電器およびこのような充電器を備える電子機器を提供することができる。 According to the present invention, a secondary battery containing Li x Si in the negative electrode can be charged to a high capacity without accelerating the decrease in cycle life. Further, if necessary, the secondary battery can be further increased in capacity. A charger that can be charged and an electronic device including such a charger can be provided.
以下、本発明について、図面を参照しながら説明する。
実施の形態1
図1に、正極、組成式LixSiで表されるリチウム含有ケイ素からなる負極および電解質からなる二次電池用の充電器を備える電子機器の概略図を示す。
図1に示される電子機器10は、負荷部12、二次電池13、および充電器からなる。充電器は、電圧検出部14、充電制御部15、および充電回路16からなる。
例えば、携帯型の電子機器10は、二次電池13から、負荷部12に電力が供給されることにより、駆動される。
本実施形態において、二次電池13は、電源部11から充電回路16を通して供給される電力により充電される。
電源部11としては、例えば、燃料電池、太陽電池、またはエンジンに設けられた発電機などの電力供給手段が挙げられる。また、商用電源からACアダプタを介して電力を供給するものであってもよい。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1
FIG. 1 shows a schematic diagram of an electronic device including a positive electrode, a negative electrode made of lithium-containing silicon represented by the composition formula Li x Si, and a charger for a secondary battery made of an electrolyte.
The
For example, the portable
In the present embodiment, the secondary battery 13 is charged with electric power supplied from the
Examples of the
次に、充電器について説明する。
上記のように、二次電池13は、電源部11から充電回路16を通して供給される電力により充電される。本発明においては、二次電池13に含まれるリチウム含ケイ素(LixSi)のLiが所望のモル比x’となるように充電される。このような二次電池13の充電は、充電制御部15からの出力に基づいて、充電回路16が制御している。充電制御部15には、少なくとも1つの所望のモル比x’が、閾値xthとして予め設定されている。
Next, the charger will be described.
As described above, the secondary battery 13 is charged by the power supplied from the
充電されている二次電池13に含まれるLixSiのLiのモル比xは、例えば、充電されている二次電池13の電圧に基づいて、充電制御部15において計算される。本実施形態において、充電されている二次電池13の電圧は、二次電池13に接続された電圧検出部14により測定される。上記Liのモル比xは、その二次電池の充電とともに増加し、また、モル比xの増加とともに、その二次電池の電圧も上昇する。このとき、Liのモル比xの増加と二次電池の電圧の増加との間には所定の関係があるため、Liのモル比xから二次電池の電圧を、または二次電池の電圧からLiのモル比xを予測することが可能となる。
The Li molar ratio x of Li x Si contained in the charged secondary battery 13 is calculated by the
また、Liのモル比xを計算する場合、図1に示されるような、二次電池13と直列に接続された、二次電池13の充電電流を測定する電流計測手段17、および二次電池13の温度を測定する温度計測手段18からの出力を考慮して、x値を計算することもできる。これは、Liのモル比の値がxである場合の電池電圧は、二次電池13の温度および/または充電電流によって変化する可能性があるためである。なお、閾値xthに対応するVthの範囲は、二次電池13への充電電流、二次電池13の温度、および/またはに二次電池13のインピーダンスなどの変化を考慮し、そのx値に対応して決定される電圧の±10%から20%の範囲であることが好ましく、その上限を+0%とし、その下限を−10%とした場合が最も好ましい。 Further, when calculating the molar ratio x of Li, as shown in FIG. 1, a current measuring means 17 for measuring the charging current of the secondary battery 13 connected in series with the secondary battery 13, and the secondary battery The x value can also be calculated in consideration of the output from the temperature measuring means 18 for measuring 13 temperatures. This is because the battery voltage when the value of the molar ratio of Li is x may change depending on the temperature of the secondary battery 13 and / or the charging current. The range of V th corresponding to the threshold value x th takes into account changes in the charging current to the secondary battery 13, the temperature of the secondary battery 13, and / or the impedance of the secondary battery 13, and the x value thereof. Is preferably in the range of ± 10% to 20% of the voltage determined in accordance with the above, and the upper limit is set to + 0% and the lower limit is set to −10%, most preferably.
二次電池13に接続された電圧検出部14は、上記閾値xthにおける二次電池13の電圧Vthを閾値電圧とし、これを電圧基準として用いて、充電されている二次電池13の電圧を検出する。ここで、閾値電圧とは、二次電池の負極に含まれるリチウム含有ケイ素のLiのモル比xが、所定の閾値xthであるときの、前記二次電池の電圧Vthをいう。
充電制御部15においては、計算されたモル比xと、予め設定された閾値xthとが比較され、その計算されたモル比xが設定されている閾値xthを超えた場合、充電制御部15からの出力に基づいて、充電回路16が、二次電池13の充電を停止する。計算されたx値が、設定されている閾値を超えない場合には、充電制御部15からの出力に基づいて、充電回路16により、二次電池13の充電が継続される。なお、充電回路16による二次電池13の充電は、定電流充電、または定電流充電と定電圧充電との組み合わせ等によって行うことができる。本発明においては、充電されている二次電池13の電圧を電圧検出部により求め、その電圧検出部からの出力に基づいて、充電制御部において、リチウムのモル比xを求めている。よって、基本的に、二次電池13の充電は、定電流充電により行うことができる。
また、定電流充電と定電圧充電とを組み合わせても、二次電池13の充電を行うこともできる。この場合、まず、定電流充電により、二次電池13に含まれるLixSiのリチウムのモル比xが、所望のモル比x’に近い値にまで充電し、次いで、定電圧充電により、そのリチウムのモル比xが、所望のモル比x’となるように充電される。
In the charging
Also, the secondary battery 13 can be charged by combining constant current charging and constant voltage charging. In this case, first, the lithium molar ratio x of Li x Si contained in the secondary battery 13 is charged to a value close to a desired molar ratio x ′ by constant current charging, and then the constant voltage charging is performed. It is charged so that the molar ratio x of lithium is the desired molar ratio x ′.
ここで、図2に、炭素材料を負極活物質として含む負極、正極および電解質からなるリチウム二次電池の放電曲線の一例(A)と、リチウム含有ケイ素を負極活物質として含む負極、正極および電解質からなるリチウム二次電池の放電曲線の一例(B)を示す。 Here, FIG. 2 shows an example (A) of a discharge curve of a lithium secondary battery comprising a negative electrode, a positive electrode and an electrolyte containing a carbon material as a negative electrode active material, and a negative electrode, a positive electrode and an electrolyte containing lithium-containing silicon as a negative electrode active material. An example (B) of the discharge curve of the lithium secondary battery which consists of is shown.
一般に、炭素材料を負極活物質として含むリチウム二次電池では、充電終止電圧が4.2Vであり、放電終止電圧が3.0Vである。
一方、図2のVth2(これは、充電終止電圧でもある)を4.2Vにして、リチウム含有ケイ素を負極活物質として含むリチウム二次電池と炭素材料を負極活物質として含むリチウム二次電池とを比較する。この場合、本発明で用いられるリチウム含有ケイ素を負極活物質として含むリチウム二次電池において、その電圧は多少低下するが、電池容量は増加する。例えば、従来の炭素材料を負極活物質として含むリチウム二次電池が使用できないか、あるいは使用できたとしても、その容量におけるメリットがほとんどなかった2.5Vまで、リチウム含有ケイ素を負極活物質として含む二次電池を使用すると仮定する。このような条件では、この電池の電池容量を高くすることが可能となる。
Generally, in a lithium secondary battery including a carbon material as a negative electrode active material, a charge end voltage is 4.2V and a discharge end voltage is 3.0V.
On the other hand, V th2 in FIG. 2 (which is also a charge end voltage) is set to 4.2 V, and a lithium secondary battery including lithium-containing silicon as a negative electrode active material and a lithium secondary battery including a carbon material as a negative electrode active material. And compare. In this case, in the lithium secondary battery containing lithium-containing silicon used in the present invention as the negative electrode active material, the voltage is somewhat reduced, but the battery capacity is increased. For example, a lithium secondary battery including a conventional carbon material as a negative electrode active material cannot be used, or even if it can be used, lithium-containing silicon is included as a negative electrode active material up to 2.5 V, which has almost no merit in capacity. Assume that a secondary battery is used. Under such conditions, the battery capacity of the battery can be increased.
また、本発明で用いられるリチウム含有ケイ素を負極活物質として含むリチウム二次電池の充電終止電圧を、Vth2よりも低いVth1としたとしても、炭素材料を負極活物質として含むリチウム二次電池よりも高い電池容量が得られることがわかる。 Moreover, even if the charge end voltage of the lithium secondary battery containing lithium-containing silicon used in the present invention as a negative electrode active material is set to V th1 lower than V th2 , the lithium secondary battery containing a carbon material as the negative electrode active material It can be seen that a higher battery capacity can be obtained.
本発明において、充電制御部15は、所望のモル比x’として、第1閾値を含む少なくとも1つの設定可能な閾値、または第1閾値および第2閾値を含む少なくとも2つの設定可能な閾値を有する。ここで、第1閾値は2.33以下であり、第2閾値は、2.33より大きく4.4以下である。
In the present invention, the
第1閾値としては、2.33以下の設定可能な値が選ばれる。例えば、Liのモル比xが2.33になるまで充電した場合、負極に炭素材料を用いる従来の電池と比較すると、高容量とすることができるとともに、そのサイクル寿命を高く維持することができる。これは、x値が2.33以下であれば、充電に伴うLixSiの体積変化が顕著に抑制されるからである。 As the first threshold value, a settable value of 2.33 or less is selected. For example, when charging is performed until the molar ratio x of Li becomes 2.33, the capacity can be increased and the cycle life can be maintained high as compared with a conventional battery using a carbon material for the negative electrode. . This is because if the x value is 2.33 or less, the volume change of Li x Si accompanying charging is remarkably suppressed.
第2閾値としては、2.33より大きく4.4以下の設定可能な値が選ばれる。この場合には、第1閾値まで充電したときよりも高容量まで充電することが可能となる。これにより、飛躍的に長時間の使用が可能となる。ここで、LixSiに吸蔵可能なリチウムの量は、x=4.4の場合に最大となる。 As the second threshold, a settable value greater than 2.33 and less than or equal to 4.4 is selected. In this case, it is possible to charge to a higher capacity than when charging to the first threshold. As a result, it can be used dramatically for a long time. Here, the amount of lithium occluded in Li x Si is maximized when x = 4.4.
さらに、充電制御部15が第1閾値および第2閾値を含む少なくとも2つの設定可能な閾値を有する場合、少なくとも第1閾値と第2閾値とを、任意に切り替えることが可能である。従って、充電制御部に設定された閾値を切り替えるのみで、負極にLixSiを含む二次電池を、高サイクル寿命でかつ高容量に、またはより高容量に、充電することを簡単に行うことが可能となる。
Furthermore, when the
リチウム含有ケイ素を含む負極、正極および電解質を備えた二次電池において、負極は、負極活物質であるリチウム含有ケイ素の他に、充放電時のリチウム含有ケイ素の体積変化を抑制する目的で、金属間化合物、SiO、SiO2、Li2Oなどの酸化物、TiN、TiB2、TiCなどの導電性セラミックス等を含むことが好ましい。上記金属間化合物としては、一般式:MeSi2(Meは、Ti、Ni、CoおよびFeよりなる群より選ばれた少なくとも1種である)で表されるもの等が挙げられる。 In a secondary battery including a negative electrode containing lithium-containing silicon, a positive electrode, and an electrolyte, the negative electrode is a metal for the purpose of suppressing volume change of the lithium-containing silicon during charge and discharge in addition to lithium-containing silicon as a negative electrode active material. It is preferable to include intermetallic compounds, oxides such as SiO, SiO 2 , and Li 2 O, and conductive ceramics such as TiN, TiB 2 , and TiC. Examples of the intermetallic compound include those represented by the general formula: MeSi 2 (Me is at least one selected from the group consisting of Ti, Ni, Co, and Fe).
上記の中でも、MeSi2(Meは、Ti、Ni、CoおよびFeよりなる群より選ばれる少なくとも1種である)が、電子伝導性の観点から好ましい。つまり、MeSi2は、Siへの電子伝導を向上させることができる。さらには、MeSi2は、充放電時においてリチウムを吸蔵も放出もしないため、リチウム含有ケイ素を含む負極の体積変化を効率良く抑制し、活物質であるリチウム含有ケイ素の破損を防止することができる。このように、負極にMeSi2等が含まれることにより、それらが含まれない場合と比較して、x値が大きい領域においてもサイクル特性を維持することが可能となる。このため、広範囲のxにわたり、高容量とサイクル特性を両立することが可能となる。 Among the above, MeSi 2 (Me is at least one selected from the group consisting of Ti, Ni, Co, and Fe) is preferable from the viewpoint of electron conductivity. That is, MeSi 2 can improve electron conduction to Si. Furthermore, since MeSi 2 does not occlude or release lithium during charging and discharging, the volume change of the negative electrode containing lithium-containing silicon can be efficiently suppressed, and damage to the lithium-containing silicon as the active material can be prevented. . Thus, by including MeSi 2 or the like in the negative electrode, it is possible to maintain cycle characteristics even in a region where the x value is large as compared with the case where they are not included. For this reason, it is possible to achieve both high capacity and cycle characteristics over a wide range of x.
また、負極がリチウム含有ケイ素とMeSi2とを含む場合、リチウム含有ケイ素とMeSi2とは複合体化されていることが好ましい。このとき、その複合体において、リチウム含有ケイ素の相とMeSi2の相の両方が非晶質であるか、あるいは両方の相が数nm〜数十nm程度の結晶子サイズの微結晶からなり、それらが互いに混在していることがさらに好ましい。これにより、高容量とサイクル特性を両立する効果をさらに向上することが可能となる。 Also, if the negative electrode containing lithium-containing silicon and MeSi 2, which is preferably complexed to the lithium-containing silicon and MeSi 2. At this time, in the composite, both the lithium-containing silicon phase and the MeSi 2 phase are amorphous, or both phases are composed of microcrystals having a crystallite size of several nanometers to several tens of nanometers, More preferably, they are mixed together. As a result, the effect of achieving both high capacity and cycle characteristics can be further improved.
負極には、1種類のMeSi2が含まれていてもよいし、2種類以上のMeSi2が含まれていてもよい。また、MeSi2は、TiSi2を含むことが好ましい。これは、上記MeSi2で表されるものの中でも、TiSi2は電子伝導性が高いからである。同様に、負極に2種類以上のMeSi2が含まれる場合には、それらの中の1つが、TiSi2であることが好ましい。 One type of MeSi 2 may be included in the negative electrode, and two or more types of MeSi 2 may be included. In addition, MeSi 2 preferably contains TiSi 2 . This is because TiSi 2 has high electron conductivity among those represented by MeSi 2 . Similarly, when two or more types of MeSi 2 are included in the negative electrode, it is preferable that one of them is TiSi 2 .
なお、上記のように負極活物質が、リチウム含有ケイ素と他の物質とからなる場合、リチウム含有ケイ素のリチウム量を表すx値は、活物質の化学組成に応じて、その表現を変えることができる。例えば、負極活物質にリチウム含有ケイ素(LixSi)の相とMeSi2の相とが含まれる場合、LixSiとMeSi2との含有比率をモル分率で1−y:y(0≦y<1)とすると、その負極活物質は、組成式:Lix(1-y)MeySi(1+y)で表される。x値の範囲は、LixSiにおいては、例えば、x≦2.33と規定されているが、その負極活物質においては、x(1−y)≦2.33(1−y)とも表すことができる。 In addition, when the negative electrode active material is composed of lithium-containing silicon and another material as described above, the x value representing the amount of lithium in the lithium-containing silicon can be changed depending on the chemical composition of the active material. it can. For example, when the negative electrode active material includes a phase of lithium-containing silicon (Li x Si) and a phase of MeSi 2 , the content ratio of Li x Si and MeSi 2 is expressed as a molar fraction of 1-y: y (0 ≦ When y <1), the negative electrode active material is represented by the composition formula: Li x (1-y) Me y Si (1 + y) . The range of the x value is defined as, for example, x ≦ 2.33 in Li x Si, but x (1-y) ≦ 2.33 (1-y) is also expressed in the negative electrode active material. be able to.
LixSiとMeSi2との混合比(モル比)は、1:0.03〜1:1.5であることが好ましい。MeSi2のモル比が0.03より小さくなると、電子伝導性が損なわれ、サイクル特性が低下することがある。MeSi2のモル比が1.5より大きくなると、LixSiの割合が小さくなり、高容量化できない場合がある。 The mixing ratio (molar ratio) between Li x Si and MeSi 2 is preferably 1: 0.03 to 1: 1.5. When the molar ratio of MeSi 2 is smaller than 0.03, the electron conductivity may be impaired, and the cycle characteristics may be deteriorated. When the molar ratio of MeSi 2 is larger than 1.5, the ratio of Li x Si is decreased, and it may be impossible to increase the capacity.
次に、充電制御部が第1閾値および第2閾値を有する場合について、図1を参照しながら説明する。
図1に示される充電制御部15には、第1閾値xth1および第2閾値xth2が設定されている。また、電圧検出部14は、2つの電圧比較部141aおよび141b、切替手段142からなる。電圧検出部14には、充電制御部15において設定された第1閾値xth1に対応する電圧Vth1と第2閾値xth2に対応する電圧Vth2の2つの閾値電圧が設定される。電圧検出部14は、この閾値電圧を電圧基準として、二次電池の電圧を検出する。
Next, a case where the charge control unit has the first threshold value and the second threshold value will be described with reference to FIG.
In the
電圧比較部141aは、第1閾値に対応する閾値電圧Vth1を電圧基準として有し、電圧比較部141bは、第2閾値に対応する閾値電圧Vth2を電圧基準として有する。電圧比較器141aおよび141bにおいて、閾値電圧Vth1およびVth2は、それぞれ基準電源143aおよび143bによって印加されている。
The
例えば、充電制御部15において、所望のモル比x’として第2閾値xth2が選択されると、図1に示されるように、電圧比較部141bと充電制御部15とが、切替手段142により選択的に接続される。これにより、二次電池13の電圧を検出するときの電圧基準となる閾値電圧Vth2を選択することができる。
For example, when the second threshold value x th2 is selected as the desired molar ratio x ′ in the
上記のようにして検出された電圧に関する情報は、電圧検出部14からの出力として、充電制御部15に送られる。
充電制御部15では、電圧検出部14からの出力に基づいて、充電されている二次電池13の負極に含まれるLixSiのx値が計算される。この計算されたx値が、設定された閾値xthと比較される。
Information on the voltage detected as described above is sent to the
In the charging
充電回路16は、充電制御部15からの出力に基づいて、二次電池13の充電を制御する。計算されたx値が、設定されて閾値xthよりも小さい場合、充電制御部15は、二次電池13の充電を継続するように、充電回路16に指示を送る。充電制御部15は、計算されたx値が設定された閾値xthに達したと判断した場合、二次電池13の充電を停止するように、充電回路16に指示を送り、二次電池13の充電を停止する。
The charging
このように、本発明では、充電制御部15において、1つの閾値を選び、電圧検出部14において、この閾値に対応する二次電池の電圧を電圧基準として選択する。これにより、二次電池の負極に含まれるLixSiのx値が所定の値となるように、簡単に充電を行うことが可能になる。
Thus, in the present invention, the charging
上記では、電子回路等のアナログのハードウエアを用いて、充電されている二次電池13の電圧を検出し、モル比xを求めている。このような方法以外にも、電圧比較器としてADコンバータを用い、充電制御部15において、ADコンバータからのデジタルデータをソフトウエアで処理して、モル比xを求めることもできる。
In the above description, the voltage of the charged secondary battery 13 is detected using analog hardware such as an electronic circuit, and the molar ratio x is obtained. In addition to this method, an AD converter may be used as a voltage comparator, and the
また、上記充電制御部における閾値の選択および切替手段の操作は、ユーザーが行ってもよい。また、ユーザーが、充電制御部における閾値を選択すると、切替手段の操作が自動的に行われるようにしてもよい。さらには、本発明の充電器を含む電子機器が、ユーザーの使用状況を学習して、充電制御部における閾値を選択し、それともとに切替手段を操作してもよい。 In addition, the user may perform threshold value selection and switching unit operation in the charge control unit. In addition, when the user selects a threshold value in the charge control unit, the operation of the switching unit may be automatically performed. Furthermore, the electronic device including the charger according to the present invention may learn the usage status of the user, select a threshold value in the charging control unit, and operate the switching unit accordingly.
また、充電制御部15は、充電回路16の機能を有していてもよい。この場合、充電回路16は設けなくてもよい。
Further, the charging
実施の形態2
充電制御部が3つの閾値を有し、これに伴い、電圧検出部が3つの電圧比較部を有する充電器を備える電子機器の概略図を図3に示す。
本実施形態において、電子機器30は、負荷部32、二次電池33、および充電器からなる。充電器は、電圧検出部34、充電制御部35、および充電回路36からなる。
Embodiment 2
FIG. 3 shows a schematic diagram of an electronic device including a charger in which the charge control unit has three threshold values and the voltage detection unit has three voltage comparison units.
In the present embodiment, the
上記実施の形態1と同様に、電子機器30は、負荷部二次電池33から負荷部32に電力を供給することにより駆動される。二次電池33は、電源部31から充電回路36を通して供給される電力により充電される。
Similarly to the first embodiment, the
本実施形態においては、電子機器30において、充電制御部35が、第1閾値xth1、第2閾値xth2および第3閾値xth3の3つの閾値を有し、電圧検出部34が、3つの電圧比較部341a、341bおよび341cを有すること以外は、上記実施の形態1と同様である。
In the present embodiment, in the
3つの電圧比較器341a、341bおよび341cは、それぞれ、上記第1閾値xth1、第2閾値xth2、および第3閾値xth3に対応する二次電池の電圧Vth1、Vth2およびVth3を電圧基準として有する。これら3つの電圧比較器341a、341bおよび341cにおいて、上記3つの電圧は、それぞれ基準電源343a、343bおよび343cによって印加されている。なお、図3においては、充電制御部35が、電圧比較器341bに接続された状態を示している。
The three
本実施形態において、第1閾値は2.33以下であり、第2閾値は2.33より大きく4.4以下である。また、第3閾値には、4.4以下であり、第1閾値とも、第2閾値とも異なる値が設定される。 In the present embodiment, the first threshold is 2.33 or less, and the second threshold is greater than 2.33 and 4.4 or less. The third threshold value is 4.4 or less, and a value different from both the first threshold value and the second threshold value is set.
図4に、リチウム含有ケイ素を負極活物質として含む負極、正極および電解質からなる二次電池の放電曲線の一例(B)を示す。上記実施の形態1で説明した図2の場合と同様に、リチウム含有ケイ素を負極活物質として含む負極、正極および電解質からなる二次電池(B)は、閾値電圧Vth1、Vth2またはVth3まで充電し、また2.5Vまで使用できるという条件であれば、炭素材料を負極活物質として含む電池(A)と比較して、より高い容量を有することがわかる。 FIG. 4 shows an example (B) of a discharge curve of a secondary battery comprising a negative electrode, a positive electrode and an electrolyte containing lithium-containing silicon as a negative electrode active material. As in the case of FIG. 2 described in the first embodiment, the secondary battery (B) including a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte containing lithium-containing silicon as a negative electrode active material has a threshold voltage V th1 , V th2, or V th3. It can be seen that the battery has a higher capacity than the battery (A) containing a carbon material as a negative electrode active material under the condition that it can be charged up to 2.5 V and can be used up to 2.5 V.
例えば、第3閾値を、2.33以下の設定可能なx値とし、充電制御部35において、これらの閾値を状況に応じて切り替えて用いることにより、高容量だけでなく、高いサイクル寿命を維持できるように二次電池33を充電する場合に適した充電器とすることが可能となる。
For example, the third threshold value is set to an x value that can be set to 2.33 or less, and the
第3閾値を、2.33と4.4との間にある設定可能な値とし、充電制御部35において、これらの閾値を状況に応じて切り替えて用いることにより、本発明の充電器を、二次電池33をより高容量に充電する場合に適した充電器とすることが可能となる。
The third threshold value is a settable value between 2.33 and 4.4, and the
また、上記実施の形態1と同様に、充電制御部35における閾値の選択、および切替手段342の操作は、ユーザーが行ってもよい。また、ユーザーが、充電制御部35における閾値を選択すると、切替手段342の操作が自動的に行われるようにしてもよい。さらには、本発明の充電器を含む電子機器が、ユーザの使用状況を学習して、充電制御部35で用いられる閾値を選択し、それとともに切替手段を操作してもよい。
As in the first embodiment, the user may perform selection of the threshold value and operation of the
また、上記実施の形態1と同様に、充電制御部35において、電流計測手段37および温度計測手段38からの出力を考慮して、x値を計算することもできる。
Similarly to the first embodiment, the charging
実施の形態3
ここでは、充電制御部が、第1閾値を含む少なくとも1つの設定可能な閾値を有し、その第1閾値が2.33以下である場合について説明する。
この場合、電圧検出部には、第1閾値に対応する電圧を含む少なくとも1つの電圧が閾値電圧として設定される。
なお、電圧検出部以外の部分は、上記実施の形態1と同様である。
Here, a case where the charge control unit has at least one settable threshold value including the first threshold value, and the first threshold value is 2.33 or less will be described.
In this case, at least one voltage including a voltage corresponding to the first threshold is set as the threshold voltage in the voltage detection unit.
The parts other than the voltage detection unit are the same as those in the first embodiment.
上記のように、2.33以下の第1閾値を設定して、二次電池に含まれるリチウム含有ケイ素におけるLiのモル比xが、その第1閾値になるまで充電することにより、高容量かつ高サイクル寿命となるように、二次電池の充電を行うことが可能となる。 As described above, by setting a first threshold value of 2.33 or less and charging until the molar ratio x of Li in the lithium-containing silicon contained in the secondary battery reaches the first threshold value, high capacity and The secondary battery can be charged so as to have a high cycle life.
また、例えば、充電制御部が、第1閾値以外に2.33よりも小さい他の閾値を有する場合、さらに高いサイクル寿命を維持できるように、二次電池の充電を行うこともできるようになる。 In addition, for example, when the charge control unit has other threshold values smaller than 2.33 other than the first threshold value, the secondary battery can be charged so as to maintain a higher cycle life. .
このとき、電圧検出部においては、第1閾値に対応する二次電池の電圧の他に、2.33より小さい他の閾値に対応する二次電池の電圧を、電圧基準として閾値電圧に設定する。この場合にも、電圧基準として設定される閾値電圧の数だけ、電圧比較器および基準電源が必要となる。 At this time, in the voltage detection unit, in addition to the voltage of the secondary battery corresponding to the first threshold, the voltage of the secondary battery corresponding to another threshold smaller than 2.33 is set as the threshold voltage as the voltage reference. . In this case, as many voltage comparators and reference power supplies as the threshold voltage set as the voltage reference are required.
また、充電制御部における閾値の選択、および電圧検出部における閾値電圧の選択は、上記実施の形態1と同様にして行うことができる。 The selection of the threshold value in the charge control unit and the selection of the threshold voltage in the voltage detection unit can be performed in the same manner as in the first embodiment.
このように、充電制御部が、第1閾値を含む少なくとも1つの設定可能な閾値を有することにより、高容量で、特にサイクル寿命を向上させるように、二次電池の充電を行うことも可能となる。 In this way, the charge control unit has at least one settable threshold value including the first threshold value, so that it is possible to charge the secondary battery with a high capacity and particularly to improve the cycle life. Become.
また、この場合にも、上記実施の形態1と同様に、充電制御部において、電流計測手段および温度計測手段からの出力を考慮して、x値を計算することもできる。 Also in this case, similarly to the first embodiment, the charge control unit can calculate the x value in consideration of the outputs from the current measuring unit and the temperature measuring unit.
(二次電池の作製)
(負極の作製)
[負極A]
負極活物質にSiを用いた。14μmの銅箔上に、スパッタリング法により、厚さ5μmのSi層を形成して、負極を得た。これを負極Aとした。
[負極B]
溶融法で得たTi−Si合金を出発原料とし、アルゴン雰囲気中でメカニカルアロイング法を用いて、負極活物質を合成した。ここで、出発原料のTi−Si合金としては、Tiが9重量%であり、Siが91重量%であるものを用いた。合成した負極活物質は、透過型電子顕微鏡装置を用いた電子線回折法により、それぞれSiとTiSi2の2相を含むことを確認した。また、SiとTiSi2との比(モル比)は、1:0.07であった。
(Production of secondary battery)
(Preparation of negative electrode)
[Negative electrode A]
Si was used for the negative electrode active material. A Si layer having a thickness of 5 μm was formed on a 14 μm copper foil by sputtering to obtain a negative electrode. This was designated as negative electrode A.
[Negative electrode B]
A negative electrode active material was synthesized using a mechanical alloying method in an argon atmosphere using a Ti—Si alloy obtained by a melting method as a starting material. Here, as the starting Ti—Si alloy, an alloy having 9 wt% Ti and 91 wt% Si was used. The synthesized negative electrode active material was confirmed to contain two phases of Si and TiSi 2 by electron beam diffraction using a transmission electron microscope. The ratio (molar ratio) between Si and TiSi 2 was 1: 0.07.
次に、上記のようにして得た負極活物質80重量部と、導電剤としてのアセチレンブラック15重量部と、結着剤としてのSBR樹脂5重量部とを、水に加えて混練して、負極合剤ペーストを調製した。この負極合剤ペーストを、集電体として機能する銅箔(厚さ:14μm)上に、ドクターブレード法を用いて塗布したのち、十分に乾燥させて、負極を得た。これを負極Bとした。 Next, 80 parts by weight of the negative electrode active material obtained as described above, 15 parts by weight of acetylene black as a conductive agent, and 5 parts by weight of SBR resin as a binder are added to water and kneaded, A negative electrode mixture paste was prepared. This negative electrode mixture paste was applied onto a copper foil (thickness: 14 μm) functioning as a current collector using a doctor blade method, and then sufficiently dried to obtain a negative electrode. This was designated as negative electrode B.
(正極の作製)
正極活物質であるLiCoO2を90重量部と、導電剤であるアセチレンブラックを3重量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン粉末5重量部を混合した。得られた混合物にN−メチルピロリドンを加え、正極合剤ペーストを作製した。この正極合剤ペーストを、集電体としてのアルミニウム箔(厚さ:15μm)上にドクターブレード法で塗布し、十分に乾燥させて正極とした。
(Preparation of positive electrode)
90 parts by weight of LiCoO 2 as a positive electrode active material, 3 parts by weight of acetylene black as a conductive agent, and 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride powder as a binder were mixed. N-methylpyrrolidone was added to the resulting mixture to prepare a positive electrode mixture paste. This positive electrode mixture paste was applied onto an aluminum foil (thickness: 15 μm) as a current collector by a doctor blade method and sufficiently dried to obtain a positive electrode.
(電解液の作製)
エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を体積比1:1で混合した。得られた混合溶媒に、LiPF6を1Mの濃度で溶解することにより、電解液を作製した。
(Preparation of electrolyte)
Ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed at a volume ratio of 1: 1. An electrolyte solution was prepared by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1 M in the obtained mixed solvent.
(電池の組み立て)
上記のようにして得られた負極Aと正極とを、ポリエチレンからなる微多孔膜を介して配置し、これを捲回して、電極体を得た。次いで、得られた電極体を、アルミニウムを主成分とする角形の外装ケースに挿入し、電解液を注入した。こののち、外装ケースを封口して、電池を得た。この電池を電池Aとした。
また、負極Aの代わりに、負極Bを用いたこと以外、上記と同様にして、電池Bを得た。
負極活物質として人造黒鉛を用いたこと以外、電池Aと同様にして、リチウム二次電池を作製した。得られた二次電池を電池Cとした。
(Battery assembly)
The negative electrode A and the positive electrode obtained as described above were arranged through a microporous film made of polyethylene, and this was wound to obtain an electrode body. Next, the obtained electrode body was inserted into a rectangular outer case mainly composed of aluminum, and an electrolytic solution was injected. After that, the outer case was sealed to obtain a battery. This battery was designated as battery A.
Further, a battery B was obtained in the same manner as described above except that the negative electrode B was used instead of the negative electrode A.
A lithium secondary battery was produced in the same manner as Battery A, except that artificial graphite was used as the negative electrode active material. The obtained secondary battery was designated as battery C.
(サイクル寿命の評価)
本実施例では、図1に示されるような、充電器を用いた。充電制御部は、第1閾値および第2閾値を有するようにした。ここで、第1閾値を2.33とし、第2閾値を4.4とした。
(Evaluation of cycle life)
In this example, a charger as shown in FIG. 1 was used. The charge control unit has a first threshold value and a second threshold value. Here, the first threshold value was 2.33, and the second threshold value was 4.4.
これに対応させて、電圧比較部には、2つの電圧比較器を用意した。2つの電圧比較器の一方の電圧基準である閾値電圧Vth1を、第1閾値(x=2.33)に対応する電池AまたはBの電圧である4.05Vに設定した。また、他方の電圧比較器の電圧基準である閾値電圧Vth2を、第2閾値(x=4.4)に対応する電圧である4.3Vに設定した。 Corresponding to this, two voltage comparators were prepared in the voltage comparator. The threshold voltage V th1 that is one voltage reference of the two voltage comparators was set to 4.05 V that is the voltage of the battery A or B corresponding to the first threshold (x = 2.33). Further, the threshold voltage V th2 that is the voltage reference of the other voltage comparator is set to 4.3 V that is a voltage corresponding to the second threshold (x = 4.4).
なお、従来、リチウム二次電池の放電終止電圧は3V〜3.2V程度であったが、電池Aや電池Bの特徴である高容量を実現するため、これらの電池の放電終止電圧は、2.5Vとした。 Conventionally, the discharge end voltage of lithium secondary batteries has been about 3 V to 3.2 V, but in order to realize the high capacity that is characteristic of the battery A and the battery B, the discharge end voltage of these batteries is 2 .5V.
上記電池Aおよび電池Bについて、負極に含まれるLixSiのx値が第1閾値となるように充電した場合と、x値が第2閾値となるように充電した場合とについて、充放電サイクルを繰り返した。また、充電制御部において選択された第1閾値または第2閾値に合わせて、電圧検出部において、閾値電圧Vth1と閾値電圧Vth2との切替を切替手段を用いて行った。 Regarding the battery A and the battery B, charge and discharge cycles for charging when the x value of Li x Si included in the negative electrode becomes the first threshold and charging when the x value becomes the second threshold Was repeated. In addition, the voltage detection unit switches between the threshold voltage V th1 and the threshold voltage V th2 using the switching unit in accordance with the first threshold value or the second threshold value selected in the charge control unit.
電池Cについては、充電終止電圧を4.2Vとし、放電終止電圧を3.0Vとして、従来の装置を用いて充放電を行った。
容量維持率を、以下の式:
容量維持率(%)=(100サイクル目の電池容量)/(1サイクル目の電池容量)×100から求めた。また、電池Cの1サイクル目の電池容量に対する、電池Aまたは電池Bの1サイクル目の電池容量の割合を百分率で表したものを、電池容量比とした。
得られた容量維持率および電池容量比を、表1に示す。
Battery C was charged and discharged using a conventional apparatus with a charge end voltage of 4.2 V and a discharge end voltage of 3.0 V.
Capacity retention rate, the following formula:
Capacity retention ratio (%) = (battery capacity at the 100th cycle) / (battery capacity at the first cycle) × 100. Further, the ratio of the battery capacity of the first cycle of the battery A or the battery B to the battery capacity of the first cycle of the battery C as a percentage was defined as the battery capacity ratio.
The obtained capacity retention ratio and battery capacity ratio are shown in Table 1.
電池Aにおいても、電池Bにおいても、x=2.3の場合には、従来の条件で充放電を行った電池Cの電池容量よりも高い電池容量であった。また、このように高い電池容量であるにも関わらず、これらの容量維持率は、従来の条件で充電した電池Cの電池容量と同程度であった。 In both the battery A and the battery B, when x = 2.3, the battery capacity was higher than the battery capacity of the battery C that was charged and discharged under the conventional conditions. Moreover, despite these high battery capacities, these capacity retention rates were comparable to those of the battery C charged under the conventional conditions.
x=4.4となるように充電した場合には、電池Aおよび電池Bの容量維持率は低下した。一方、その電池容量を1.5〜1.6倍に増加するように充電することができた。さらに、LixSiとTiSi2とが複合体化されている電池Bにおいては、TiSi2を含まない電池Aと比較して、容量維持率の低下を抑制できることがわかる。この効果は、x値が大きくなるほど、顕著であった。 When the battery was charged so that x = 4.4, the capacity retention rates of battery A and battery B were lowered. On the other hand, the battery capacity could be charged to increase 1.5 to 1.6 times. Furthermore, it can be seen that in the battery B in which Li x Si and TiSi 2 are complexed, a decrease in capacity retention rate can be suppressed as compared with the battery A that does not contain TiSi 2 . This effect became more prominent as the x value increased.
本実施例においては、実施例1で作製した電池Bを用い、図1に示されるような、充電器を用いた。充電制御部は、第1閾値、第2閾値および第3閾値を有するようにした。ここで、第1閾値を2.33とし、第2閾値を3.25とし、第3閾値を4.4とした。 In this example, the battery B produced in Example 1 was used, and a charger as shown in FIG. 1 was used. The charge control unit has a first threshold value, a second threshold value, and a third threshold value. Here, the first threshold value was set to 2.33, the second threshold value was set to 3.25, and the third threshold value was set to 4.4.
これに対応させて、電圧比較部には、3つの電圧比較器を用意した。閾値電圧Vth1を、第1閾値(x=2.33)に対応する電池Bの電圧である4.05Vに設定した。閾値電圧Vth2を、第2閾値(x=3.25)に対応する電池Bの電圧である4.2Vに設定した。また、閾値電圧Vth3を、第3閾値(x=4.4)に対応する電池Bの電圧である4.3Vに設定した。なお、放電終止電圧は、2.5Vに設定した。 Corresponding to this, three voltage comparators were prepared in the voltage comparator. The threshold voltage V th1 was set to 4.05 V that is the voltage of the battery B corresponding to the first threshold (x = 2.33). The threshold voltage V th2 was set to 4.2 V, which is the voltage of the battery B corresponding to the second threshold (x = 3.25). Further, the threshold voltage V th3 was set to 4.3 V, which is the voltage of the battery B corresponding to the third threshold (x = 4.4). The discharge end voltage was set to 2.5V.
電池Bに含まれるLixSiのx値が、第1閾値となるように充電した場合と、x値が第2閾値となるように充電した場合と、第3閾値となるように充電した場合とについて、充放電サイクルを繰り返した。また、充電制御部において選択された第1閾値、第2閾値または第3閾値に合わせて、電圧検出部において、閾値電圧Vth1と、閾値電圧Vth2と、閾値電圧Vth3との切替を切替手段を用いて行った。
実施例1と同様にして、容量維持率および電池容量比を求めた。得られた結果を表2に示す。
When charging so that the x value of Li x Si included in the battery B becomes the first threshold, charging when the x value becomes the second threshold, and charging when the x value of the Li x Si becomes the third threshold The charge / discharge cycle was repeated. In addition, the voltage detection unit switches between the threshold voltage V th1 , the threshold voltage V th2, and the threshold voltage V th3 according to the first threshold value, the second threshold value, or the third threshold value selected in the charge control unit. By means.
In the same manner as in Example 1, the capacity retention ratio and the battery capacity ratio were obtained. The obtained results are shown in Table 2.
表2に示されるように、本発明の充電器を用いることにより、負極にLixSiを含む電池を、モル比xが2.33の場合でも、従来のリチウム二次電池である電池Cよりも高容量にできることがわかる。 As shown in Table 2, by using the charger according to the present invention, a battery containing Li x Si in the negative electrode is obtained from the battery C, which is a conventional lithium secondary battery, even when the molar ratio x is 2.33. It can be seen that the capacity can be increased.
さらに、x=2.33の場合には、負極にLixSiを含む電池Bの容量維持率は、電池Cの容量維持率とほとんど変わらなかった。このように、負極にLixSiを含む電池を、従来のリチウム二次電池よりも高容量とし、またその容量維持率を従来のリチウム二次電池も容量維持率と同程度に維持することができた。 Furthermore, in the case of x = 2.33, the capacity maintenance rate of the battery B containing Li x Si in the negative electrode was almost the same as the capacity maintenance rate of the battery C. In this way, the battery containing Li x Si in the negative electrode has a higher capacity than the conventional lithium secondary battery, and the capacity retention rate of the conventional lithium secondary battery can be maintained at the same level as the capacity retention rate. did it.
また、xの値を、3.25、4.4と増加させた場合、容量維持率は多少低下するが、その電池容量を大きく増加させることができた。 Further, when the value of x was increased to 3.25, 4.4, the capacity retention rate was slightly reduced, but the battery capacity could be increased greatly.
以上のように、充電制御部が第1閾値を含む少なくとも1つの設定可能な閾値、または第1閾値および第2閾値を含む少なくとも1つの設定可能な閾値を有し、そのなかから1つの閾値を選択し、またこれらの閾値の間で切り替えることができる。このため、状況に応じて、閾値を切り替えることにより、高容量と優れたサイクル寿命を維持するように、またはより高容量に電池を充電することができる。 As described above, the charge control unit has at least one settable threshold value including the first threshold value, or at least one settable threshold value including the first threshold value and the second threshold value. You can select and switch between these thresholds. For this reason, the battery can be charged to maintain a high capacity and an excellent cycle life or to a higher capacity by switching the threshold depending on the situation.
さらに、本発明の充電器を用いることにより、従来から問題となっているリチウム二次電池を含む電源システムにおける充放電サイクル寿命の不要な加速を防止できることができる。このため、電源システム全体の安定性、信頼性、電池交換頻度などの保守性を向上させることができる。 Furthermore, use of the charger of the present invention can prevent unnecessary acceleration of charge / discharge cycle life in a power supply system including a lithium secondary battery, which has been a problem in the past. For this reason, maintainability, such as stability of the whole power supply system, reliability, and battery replacement frequency, can be improved.
上記実施例1および2では、負極活物質としてSiまたはTi−Si合金を用いたが、これら以外のLiを吸蔵および放出が可能なSi化合物を負極活物質として用いることができる。また、Sn、Geなどの金属、ならびにそれらからなる合金を負極活物質として用いる電池を充電する場合にも、本発明の充電器を用いることができる。 In Examples 1 and 2, Si or Ti—Si alloy was used as the negative electrode active material, but other Si compounds capable of inserting and extracting Li can be used as the negative electrode active material. The charger of the present invention can also be used when charging a battery using a metal such as Sn or Ge, and an alloy made thereof as a negative electrode active material.
また、負極活物質にSiまたはTi−Si合金を用いた電池の正極活物質としては、LiCoO2以外に、リチウム二次電池の正極活物質として従来から公知のものを用いることができる。このような正極活物質としては、LiNiO2、LiMn2O4、およびこれらの化合物に他の元素が添加されたもの、これらの化合物の元素の一部が他の元素に置換されたものなどを用いることができる。 As the positive electrode active material of the battery using Si or Ti—Si alloy as the negative electrode active material, conventionally known materials can be used other than LiCoO 2 as the positive electrode active material of the lithium secondary battery. Examples of such a positive electrode active material include LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , those obtained by adding other elements to these compounds, and those obtained by replacing some of the elements of these compounds with other elements. Can be used.
また、上記実施の形態1〜3では、本発明の充電器を備える電子機器について説明したが、充電器のみ場合でも、上記のような効果が得られる。 Moreover, although the said Embodiment 1-3 demonstrated the electronic device provided with the charger of this invention, the above effects are acquired even when only a charger is used.
本発明の充電器は、二次電池を高容量に充電するか、または長寿命となるように充電するかを適宜選択できるため、リチウム二次電池を用いた携帯電話などに用いることができる。また、本発明の充電器は、発電部を持たない充電式自動車などの輸送機器にも適用することができる。 The charger according to the present invention can be appropriately selected as to charge the secondary battery to a high capacity or to have a long life, and thus can be used for a mobile phone using a lithium secondary battery. The charger of the present invention can also be applied to transport equipment such as a rechargeable automobile that does not have a power generation unit.
10、30、50 電子機器
11、31、51 電源部
12、32、53 負荷部
13、33 二次電池
14、34 電圧検出部
141a、141b、341a、341b、341c、54 電圧比較部
142、342 切替手段
143a、143b、343a、343b、343c、59 基準電源
15、35、55 充電制御部
16、36、56 充電回路
17、37、57 電流計測手段
18、38、58 温度計測手段
52 電気化学素子
10, 30, 50
Claims (4)
(1)充電されている二次電池の電圧を検出する電圧検出部、
(2)前記電圧検出部の出力に基づいて、前記二次電池に含まれるLixSiにおけるx値を求め、前記求められたx値が、予め設定された閾値に達すると、前記二次電池の充電を停止する充電制御部を具備し、
前記充電制御部は、第1閾値を含む少なくとも1つの設定可能な閾値を有し、前記第1閾値は2.33以下である充電器。 A positive electrode, lithium-containing silicon represented by the composition formula Li x Si and MeSi 2 (Me is at least one selected from the group consisting of Ti, Ni, Co and Fe) 1: 0.03 to 1: A battery charger for a secondary battery comprising a negative electrode and an electrolyte containing at a molar ratio of 1.5 ,
(1) a voltage detector for detecting the voltage of the charged secondary battery;
(2) An x value in Li x Si included in the secondary battery is obtained based on an output of the voltage detection unit, and when the obtained x value reaches a preset threshold value, the secondary battery A charging control unit for stopping the charging of
The charging controller has at least one settable threshold value including a first threshold value, and the first threshold value is 2.33 or less.
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