JP5271498B2 - リチウム二次電池及び組電池 - Google Patents
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Description
しかしながら、容器内面等を絶縁物により完璧に被覆することは難しく、また、絶縁物に小さな傷が生じている場合もある。このような場合、上記箇所からリチウムイオンが侵食し、容器とのLiAlへの合金化が発生、進行し、容器の変質や電池性能の低下を招くこととなる。
特に、大型のリチウム電池では、小型のリチウム電池に比べて長期の寿命が要求されることから、性能低下等の原因となるLiAlへの合金化を確実に防止する必要がある。
本発明は、正極端子及び負極端子が絶縁物を介して非水電解液と接するアルミ系材料で形成された電池容器に取り付けられているリチウム二次電池において、前記正極端子と前記電池容器とが電流制限手段を介して接続、前記正極端子あるいは前記負極端子に対する前記電池容器の電圧を計測する容器電圧計測手段と、前記容器電圧計測手段により計測された容器電圧が前記電池容器のLiAlへの合金化を阻止できる電位域を外れた場合に、容器電位異常を検知し、充放電を停止する充放電制御手段と、を備えるリチウム二次電池を提供する。
更に、正極端子と電池容器とを電流制限手段を介して接続することにより、例えば、負極端子と電池容器とが短絡する等の異常が発生しても正極端子から電池容器へ流れる電流を微小な電流、例えば、mA(ミリアンペア)オーダーに制限することが可能となる。上記電流制限手段としては、抵抗素子、ヒューズ、電池容器の電圧を外部から制御する回路等を採用することが可能であるが、抵抗素子やヒューズを用いる場合には、簡素な構成により正極端子と電池容器との間に流れる電流を抑制することができる。
特に、上記電流制限手段として、抵抗素子を用いた場合、非復帰式のヒューズと異なり、正極端子から電池容器へ電流が流れるような異常が解消された後も機能が維持されるため、ヒューズ交換の手間がかからず、より好適である。
そして、上記リチウム二次電池において、前記正極端子あるいは前記負極端子に対する前記電池容器の電圧を計測する容器電圧計測手段を備える。
これによれば、電池容器の電位が、電解液中のリチウムイオンと電池容器のLiAlへの合金化を阻止できる電位域から外れた場合に、容器電位異常としてこれを早期に検知することができる。容器電圧計測手段は、例えば、電池の負極と容器間の電圧を計測する差動アンプ回路と、差動アンプ回路の出力をA/D(アナログ/デジタル)変換するA/D変換器とを備えている。
また、上記リチウム二次電池において、容器電圧計測手段により計測された容器電圧が前記電池容器のLiAlへの合金化を阻止できる電位域を外れた場合に、容器電位異常を検知し、充放電を停止する充放電制御手段を備える。
容器電圧計測手段により、例えば、負極端子と電池容器との間の電圧が計測される場合には、当該電圧が予め設定されている適正範囲(例えば、2.0Vから4.5V)外となった場合に、容器電位異常を検知することとしてもよい。また、正負極間電圧(電池電圧)と、負極端子と電池容器との間電圧との差が予め設定されている基準値(例えば、100mV)以上となった場合に、容器電位異常を検知することとしてもよい。
そして、容器電位異常が検知された場合には、充放電制御手段により充放電が停止される。これにより、電池容器のリチウムイオンとの合金化に対し、早期に対応することが可能となる。この結果、合金化による容器の変質や電池性能の低下を防止することができる。
また、電池容器と正極端子との間を電流制限素子で接続することにより、容器と負極間が短絡する等の異常時にも正極端子から電池容器に流れる電流を制限して過電流等による電池の損傷を防ぐことができる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るリチウム二次電池の概略外観図、図2は本実施形態に係るリチウム二次電池の内部構成を模式的に示した図である。
上記正極端子4には、リチウムイオンを吸蔵、放出可能なマンガン酸リチウム(LiMn2O4)が正極活性物質として塗布された正極集電体6が接続されている。この正極集電体6は、電池容器2の内部に収容されている。また、負極端子5には、カーボン或いはグラファイトで成形された負極集電体8が接続されている。この負極集電体8は、電池容器2内に収容されている。更に、電池容器2には、リチウムイオンを含む非水電解液が収容されている。
また、電池容器2の内面は、非水電解液と直接接していても構わないが、変性ポリオレフィン等の絶縁物で被覆されたものを用いることも出来る。この場合、電池容器2内に収容されている非水電解液中に放出されたリチウムイオンとアルミ系材料で形成された電池容器2とのLiAlへの合金化を一次的に防止することができる。
なお、上記リチウム二次電池の構造や材料は一例であり、各種公知の構造、材料を用いることが可能である。
なお、上記リチウムイオンとのLiAlへの合金化を阻止できる電位域とは、例えば、負極端子5に対する容器電圧が0.3V乃至0.5V以上をいう。
これにより、負極端子5と電池容器2とが短絡するなどの異常が発生した場合であっても、正極端子4から電池容器2経由で負極端子5へ流れる電流を微小な電流に制限することができ、過電流等により電池が損傷することを防止できる。
本実施形態に係るリチウム二次電池が上述した第1の実施形態に係るリチウム二次電池と異なる点は、容器電位異常監視回路を更に備えている点である。
容器電位異常監視回路は、正極端子又は負極端子と電池容器2との間の電圧を監視し、容器電位異常を検知した場合に、充放電を停止させる機能を有している。
図3に示すように、容器電位異常監視回路11は、例えば、負極端子5と電池容器2との電圧を計測する容器電圧計測回路(容器電圧計測手段)12と、この電圧に基づいて電池容器の容器電位異常を検知して充放電を停止する充放電制御回路(充放電制御手段)13とを備えている。
図4に示すように、本発明の第1の実施形態に係る組電池30は、上述した第1の実施形態に係るリチウム二次電池1を直列に接続した構成をとる。このように、正極端子4と電池容器2とが抵抗素子10で接続されているリチウム二次電池1を直列に接続することで、各リチウム電池1における電池容器2のLiAlへの合金化を防止することが可能となる。これにより、組電池30における電池容器2の変質、並びに、組電池30の電池性能の低下を防止することができる。
なお、本実施形態では、リチウム二次電池1を直列に接続する場合について述べたが、リチウム二次電池1を並列に接続して組電池を構成することとしてもよい。
図5に示すように、本実施形態に係る組電池30aは、互いに隣接するリチウム二次電池1,1´の電池容器2を導線15で接続し、更に、電位の最も高いリチウム二次電池1において、正極端子4と電池容器2とを抵抗素子10を介して接続する。
また、本実施形態では、リチウム二次電池1,1´を直列に接続する場合について述べたが、同様の接続方法により、リチウム二次電池1,1´を並列に接続して組電池を構成することとしてもよい。
図7に示すように、本実施形態に係る組電池30bは、互いに隣接するリチウム二次電池1,1´の電池容器2を導線15で接続し、更に、いずれか一つのリチウム二次電池1の電池容器2と、いずれか一つのリチウム二次電池1の正極端子4又は負極端子5の間に外部電源40を接続する。
これにより、各リチウム二次電池1,1´における電池容器2のLiAlへの合金化を防止することができ、組電池30bにおける電池容器2の変質および組電池30bの電池性能の低下を防止することができる。
また、本実施形態では、リチウム二次電池1,1´を直列に接続する場合について述べたが、同様の接続方法により、リチウム二次電池1,1´を並列に接続して組電池を構成することとしてもよい。
また、本実施形態に係る組電池30bは、上述した第2の実施形態に係る組電池と同様に、容器電位異常監視回路11を更に備えることとしてもよい。
図8に示すように、本発明の第4の実施形態に係る組電池30cは、複数のリチウム二次電池1を並列に接続した構成をとる。各リチウム二次電池1には、容器電位異常監視回路11がそれぞれ設けられている。各々の電池の容器電位異常監視回路11の出力はOR接続されており、いずれかの容器電位異常監視回路11により容器電位異常が検知された場合には、遮断器20がオフ状態とされることにより、充放電が停止されるようになっている。
図9に示すように、本発明の第5の実施形態に係る組電池30dは、並列に接続された各リチウム二次電池において、隣接して配置されたリチウム二次電池1,1´の電池容器2を導線15で接続するとともに、いずれかのリチウム二次電池1の電池容器2と組電池30cの正極端子4とを抵抗素子10を介して接続する。この場合、各リチウム二次電池1,1´の負極端子5の電位は同電位となる。また、同様に、各リチウム二次電池1,1´の電池容器2の電位は同電位となる。従って、1つの容器電位異常監視回路11により、電池容器2の容器電位異常を検知することができる。これにより、組電池30dの構成を簡素化することができる。
図10に示すように、本発明の第6の実施形態に係る組電池30eが、図8に示した第4の実施形態に係る組電池30cと異なる点は、各リチウム二次電池1に対して遮断器20をそれぞれ設け、各容器電位異常監視回路11にて電池容器2の容器電位異常が検知された場合には、そのリチウム二次電池1に対応する遮断器20のみをオフ状態とすることにより、当該リチウム二次電池のみ、充放電を停止させる。これにより、容器電位異常が検知されていない他のリチウム二次電池においては充放電を継続して行わせることが可能となる。
2 電池容器
3 絶縁物
4 正極端子
5 負極端子
10 抵抗素子
11 容器電位異常監視回路
12 容器電圧計測回路
13 充放電制御回路
15 導線
16 OR回路
20 遮断器
30,30a,30b,30c,30d 組電池
40 外部電源
Claims (5)
- 正極端子及び負極端子が絶縁物を介して非水電解液と接するアルミ系材料で形成された電池容器に取り付けられているリチウム二次電池において、
前記正極端子と前記電池容器とが電流制限手段を介して接続され、前記正極端子あるいは前記負極端子に対する前記電池容器の電圧を計測する容器電圧計測手段と、
前記容器電圧計測手段により計測された容器電圧が前記電池容器のLiAlへの合金化を阻止できる電位域を外れた場合に、容器電位異常を検知し、充放電を停止する充放電制御手段と、
を備えるリチウム二次電池。 - 前記電流制限手段が、抵抗素子である請求項1に記載のリチウム二次電池。
- 請求項1又は請求項2に記載の複数のリチウム二次電池が直列または並列に接続された組電池。
- 正極端子及び負極端子が絶縁物を介して非水電解液と接するアルミ系材料で形成された電池容器に取り付けられている複数のリチウム二次電池が直列または並列に接続されている組電池であって、
全ての前記リチウム二次電池の前記電池容器が電気的に接続されているとともに、最も電位の高い前記リチウム二次電池において、その正極端子とその電池容器とが電流制限手段で接続され、前記正極端子あるいは前記負極端子に対する前記電池容器の電圧を計測する容器電圧計測手段と、
前記容器電圧計測手段により計測された容器電圧が前記電池容器のLiAlへの合金化を阻止できる電位域を外れた場合に、容器電位異常を検知し、充放電を停止する充放電制御手段と、
を備える組電池。 - 正極端子及び負極端子が絶縁物を介して非水電解液と接するアルミ系材料で形成された電池容器に取り付けられている複数のリチウム二次電池が直列または並列に接続されている組電池であって、
正常運転時において、全ての前記リチウム二次電池の前記電池容器が電気的に接続されているとともに、いずれか一つの前記電池容器と、いずれか一つの前記正極端子又は前記負極端子との間に、外部電源が接続され、前記正極端子あるいは前記負極端子に対する前記電池容器の電圧を計測する容器電圧計測手段と、
前記容器電圧計測手段により計測された容器電圧が前記電池容器のLiAlへの合金化を阻止できる電位域を外れた場合に、容器電位異常を検知し、充放電を停止する充放電制御手段と、
を備える組電池。
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