JP5485080B2 - Discharge control system - Google Patents
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Description
本発明は、放電制御システムに関する。 The present invention relates to a discharge control system.
リチウムイオン二次電池は、高いエネルギー密度を有するため、例えば鉄道、自動車等の車両搭載用、若しくは太陽光発電又は風力発電等で発電した電力を蓄え、電力系統に供給する用途等に用いられる電池として注目されている。例えば、リチウムイオン二次電池(以下、適宜「電池」と言う。)を自動車に搭載して用いる場合、このような自動車としては、エンジンを搭載しないゼロエミッション電気自動車、エンジンと二次電池との両方を搭載したハイブリッド電気自動車、さらには系統電源から直接充電させるプラグイン・ハイブリッド電気自動車等がある。また、電力系統が遮断された非常時に電力を供給する定置式電力貯蔵システムとしての用途も期待されている。 Lithium ion secondary batteries have a high energy density, so for example, batteries used in vehicles such as railways and automobiles, or used for storing electric power generated by solar power generation or wind power generation and supplying it to an electric power system. It is attracting attention as. For example, when a lithium ion secondary battery (hereinafter referred to as “battery”) is used in an automobile, such an automobile includes a zero emission electric vehicle without an engine, an engine and a secondary battery. There are hybrid electric vehicles equipped with both, and plug-in hybrid electric vehicles that are charged directly from the system power supply. In addition, it is expected to be used as a stationary power storage system that supplies power in an emergency when the power system is cut off.
このような多様な用途に対し、電池に対して優れた耐久性が要求されている。例えば、環境温度が高くなったり充放電サイクルを繰り返したりしても、充電可能な電池容量(即ち放電容量)の減少率が低く、長期にわたって放電容量維持率が高いことが要求されている。また、路面からの輻射熱あるいは車内からの熱伝導により、例えば60℃以上の高温環境における保存特性及びサイクル寿命が、重要な要求性能となっている。 For such various uses, excellent durability is required for the battery. For example, even when the environmental temperature becomes high or the charge / discharge cycle is repeated, the reduction rate of the chargeable battery capacity (that is, discharge capacity) is low, and the discharge capacity maintenance ratio is required to be high over a long period of time. Further, due to radiant heat from the road surface or heat conduction from the inside of the vehicle, for example, storage characteristics and cycle life in a high temperature environment of 60 ° C. or higher are important required performances.
しかしながら、リチウムイオン二次電池は、高温環境下にて放置したり充放電サイクルを行ったりすることで放電容量の低下が通常は起こりうる。そして、この放電容量の低下の度合いは、高電圧で放置したり広い電圧範囲で充放電サイクルを繰り返し行ったりした場合に、特に大きくなる傾向がある。 However, the discharge capacity of a lithium ion secondary battery can usually be reduced by leaving it in a high temperature environment or performing a charge / discharge cycle. The degree of decrease in the discharge capacity tends to increase particularly when the discharge capacity is left at a high voltage or a charge / discharge cycle is repeated in a wide voltage range.
また、例えばリチウムイオン二次電池中のリチウムイオンの失活等により電池の性能が低下した場合、電池内部の抵抗が増加することがある。そして、このような場合、電池内部の抵抗増加分だけ過電圧が発生するため、充放電可能な電圧域がずれ、電池の放電時に本来放電されうる電圧まで放電できないことがある。 In addition, for example, when the performance of the battery deteriorates due to deactivation of lithium ions in the lithium ion secondary battery, the resistance inside the battery may increase. In such a case, an overvoltage is generated by an increase in resistance inside the battery, so that the chargeable / dischargeable voltage range is shifted, and it may not be possible to discharge to a voltage that can be discharged when the battery is discharged.
このような事情に鑑み、例えば特許文献1には、電池の充電状態のSOC(充電深度:State of charge)の増減が、当該電池の最適なSOCを含む所定の範囲内となるように放電容量が設定されることが記載されている。
In view of such circumstances, for example,
また、例えば特許文献2には、電池の劣化が起こる直前の電池電圧を放電終止電圧として設定し、当該放電終止電圧まで電池を放電させることが記載されている。 For example, Patent Document 2 describes that a battery voltage immediately before battery deterioration occurs is set as a discharge end voltage, and the battery is discharged to the discharge end voltage.
さらに、例えば特許文献3には、電池の劣化に応じて目標SOCを設定し、当該目標SOCまで充放電を制御することが記載されている。 Furthermore, for example, Patent Document 3 describes that a target SOC is set according to battery deterioration and charge / discharge is controlled to the target SOC.
そして、例えば特許文献4には、電池が劣化しても放電容量が一定になるように電圧の駆動範囲を広げることが記載されている。 For example, Patent Document 4 describes that the voltage drive range is expanded so that the discharge capacity becomes constant even when the battery deteriorates.
しかしながら、上記特許文献1に記載の技術は電池の劣化に応じて電池の充放電を制御するものではない。
However, the technique described in
また、特許文献2及び3に記載の技術においては、予め設定された放電終止電圧まで電池の放電をより厳密に行っているに過ぎず、電池劣化に伴う放電容量の低下は改善されていない。 In the techniques described in Patent Documents 2 and 3, the battery is only discharged more strictly up to a preset end-of-discharge voltage, and the reduction in discharge capacity due to battery deterioration is not improved.
そして、特許文献4に記載の技術においては、電池の充放電電圧が過度な広範囲となるため、電池の内部抵抗が過度に増加する可能性がある。 And in the technique of patent document 4, since the charging / discharging voltage of a battery becomes an excessive wide range, the internal resistance of a battery may increase excessively.
本発明は上記の課題を解決するべくなされたものであり、その目的は、リチウムイオン二次電池のサイクル特性の向上を可能にする放電制御システムを提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a discharge control system that can improve the cycle characteristics of a lithium ion secondary battery.
本発明者らは上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、電池の放電終止電圧を所定の条件が満たされた場合に適宜変更することにより、リチウムイオン二次電池のサイクル特性の向上を可能にする放電制御システムを提供することができることを見出し、本発明を完成させた。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors can improve the cycle characteristics of a lithium ion secondary battery by appropriately changing the discharge end voltage of the battery when a predetermined condition is satisfied. It has been found that a discharge control system can be provided, and the present invention has been completed.
本発明によれば、リチウムイオン二次電池のサイクル特性の向上を可能にする放電制御システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the discharge control system which enables the improvement of the cycle characteristic of a lithium ion secondary battery can be provided.
以下、本発明を実施するための形態(以下、適宜「本実施形態」と言う。)を詳細に説明するが、本実施形態は以下の内容に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施することができる。 Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment” as appropriate) will be described in detail, but the present embodiment is not limited to the following contents and does not depart from the gist thereof. Any change can be made within the range.
[1.本実施形態に係る放電制御システムの構成]
本実施形態に係る放電制御システムは、正極及び負極を有するリチウムイオン二次電池の放電を制御するものである。図1は、本実施形態に係る放電制御システムの構成を表す回路図である。図1に示すように、本実施形態に係る放電制御システム201は、放電終止電圧補正部202と、充放電制御回路203と、を少なくとも備えている。
[1. Configuration of Discharge Control System According to this Embodiment]
The discharge control system according to the present embodiment controls discharge of a lithium ion secondary battery having a positive electrode and a negative electrode. FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a configuration of a discharge control system according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the
また、図1には、本実施形態に係る放電制御システム201のほかにも、本実施形態に係る放電制御システム201が適用されるリチウムイオン二次電池(電池)204、並びに、本実施形態に係る放電制御システム201における各種演算を行わせる演算処理部205、外部負荷206、充電用電源207、電流測定部208、電圧測定部209及びスイッチ210a及び210bも併せて示している。なお、本実施形態においては、演算処理部205に放電終止電圧補正部202が設けられる構成としている。
In addition to the
放電終止電圧補正部202は、電池204の放電終止電圧V0を補正放電終止電圧V1に変更(即ち補正)するものである。
ちなみに、電池204等の二次電池は、0Vまで放電できるというわけではなく、ある電圧までしか放電することができず、それ以上放電させるとその二次電池の性能を劣化させてしまう。このある電圧が放電終止電圧V0であり、二次電池の種類によってその値は異なる。なお、電池容量は、満充電の状態から放電終止電圧V0まで放電する間に取り出すことのできる電気量(Ah)で表される。
ここで、放電終止電圧V0が補正放電終止電圧V1に変更される意義について説明する。
The end-of-discharge
Incidentally, a secondary battery such as the
Here, the significance of changing the discharge end voltage V0 to the corrected discharge end voltage V1 will be described.
図2は、本実施形態に係る放電制御システムが適用される電池における、電池容量と電位との関係を表したグラフである。図2に示すグラフにおいて、横軸は電池容量(Ah)、縦軸は電位(V)を表している。なお、縦軸は、電流が0のときの電位である。また、符号101は電池の正極電位曲線、符号102は電池の負極電位曲線、符号103は電池電圧曲線、符号104は電池劣化後の負極電位曲線、符号105は電池劣化後の電池電圧曲線を表す。また、本実施形態において、正極の「電位」と負極の「電位」との差を、電池の「電圧」と規定するものとする。即ち、電池電圧曲線103は、正極電位曲線101と負極電位曲線102との差分により規定される。α、β及びγについては後述する。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between battery capacity and potential in a battery to which the discharge control system according to this embodiment is applied. In the graph shown in FIG. 2, the horizontal axis represents the battery capacity (Ah), and the vertical axis represents the potential (V). Note that the vertical axis represents the potential when the current is zero.
なお、実際には、電池の初回の充放電サイクル時に不可逆容量が発生するため、正極電位曲線101及び負極電位曲線102の位置がずれる場合がある。ただし、説明の便宜上、ここでは不可逆容量が正極と負極とで一定であるものとし、正極電位曲線101及び負極電位曲線102の位置がずれないものとして下記の説明を行う。また、図2において、劣化後の負極電位曲線(符号104で表されるグラフ)のみが記載され、劣化後の正極電位曲線が記載されていないように見えるが、実際には劣化後の正極電位曲線も存在するものの、説明の便宜上、劣化後の正極電位曲線については劣化前の正極電位曲線(即ち正極電位曲線101)と一致させている。
Actually, since the irreversible capacity is generated during the first charge / discharge cycle of the battery, the positions of the positive
充放電サイクルを繰り返した結果放電容量が低下する原因について、本発明者らの検討によると、主に次の2点が原因であることがわかった。即ち、(1)正極及び負極の充放電に寄与する電極材料(例えば正極活物質、負極活物質等)が減少すること、並びに、(2)リチウムイオンが不活性化し、電池の正極及び負極の電位範囲がずれること、の2点である。また、低充電状態時の放電容量減少の原因は正極由来であり、高充電状態時の放電容量減少の原因は負極由来であることもわかった。 According to the study by the present inventors, the cause of the decrease in the discharge capacity as a result of repeating the charge / discharge cycle was found to be mainly due to the following two points. That is, (1) electrode materials (for example, positive electrode active material, negative electrode active material, etc.) contributing to charge and discharge of the positive electrode and negative electrode are reduced, and (2) lithium ions are deactivated, Two points are that the potential range is shifted. It was also found that the cause of the decrease in discharge capacity during the low charge state was derived from the positive electrode, and the cause of the decrease in discharge capacity during the high charge state was derived from the negative electrode.
正極及び負極の充電深度に対する直流抵抗の増減を検討した結果、正極において充電深度が小さな領域、即ち正極の電位が低い領域(低電位領域)では、電極の抵抗が特に大きいことがわかった。このため、正極の低電位領域を用いて充放電サイクルを繰り返した場合、サイクル特性が低下する傾向にある。正極における充電深度が小さな領域で抵抗が大きくなる原因について明らかではないが、本発明者らの検討によると、低充電状態時ではリチウムイオンが正極表面に多く存在するため、正極内部でのリチウムイオンの拡散性が低下することが原因の一つであると考えられる。なお、本実施形態において「充電深度」とは、電池の定格容量(即ち、満充電時の電池容量)に対して、充電容量を割合で示した値を表すものとする。 As a result of examining the increase / decrease of the DC resistance with respect to the charging depth of the positive electrode and the negative electrode, it was found that the resistance of the electrode was particularly large in a region where the charging depth was small in the positive electrode, that is, in a region where the potential of the positive electrode was low (low potential region). For this reason, when the charge / discharge cycle is repeated using the low potential region of the positive electrode, the cycle characteristics tend to deteriorate. Although it is not clear about the reason why the resistance increases in the region where the charging depth in the positive electrode is small, according to the study by the present inventors, a large amount of lithium ions are present on the positive electrode surface in the low charging state. One of the causes is considered to be a decrease in the diffusibility of. In the present embodiment, the “charge depth” represents a value indicating the charge capacity as a percentage of the rated capacity of the battery (that is, the battery capacity at the time of full charge).
また、特に上記(2)の点に関して、リチウムイオンの不活性化は主に高充電状態時の負極で起きることがわかった。即ち、負極に吸蔵されたリチウムイオンが例えば非水電解液の分解物等と反応して不活性化するため、正極及び負極の電位範囲が狭いものとなる。そして、このような反応は主に還元反応であるため、高充電状態時においては、その反応がより大きなものになる傾向がある。 In particular, regarding the point (2) above, it has been found that inactivation of lithium ions mainly occurs in the negative electrode during a high charge state. That is, the lithium ion occluded in the negative electrode reacts with, for example, a decomposition product of the nonaqueous electrolytic solution to be inactivated, so that the potential range of the positive electrode and the negative electrode becomes narrow. Since such a reaction is mainly a reduction reaction, the reaction tends to be larger in a high charge state.
図2に示すグラフが適用される電池においては、抵抗が高い正極の低電位領域(具体的には、正極電位でα以下の領域)を電池の放電時には使用せず、電池電圧曲線103で表されるように、充電前には放電終止電圧をV0かつ電池容量の最小値をA0として、電池を充放電することを想定している。しかしながら、例えばリチウムイオン等の失活により電池が劣化した場合、劣化後の負極電位曲線は符号104で表される曲線となり、電池電圧は符号105で表される曲線になる。従って、仮に放電終止電圧がV0のままで変更されない場合、電池が劣化して電池電圧曲線が符号105で表されるものになった場合でも、電池電圧がV0、即ち、電池容量がA1となった時点で電池の放電が終了することになる。
In the battery to which the graph shown in FIG. 2 is applied, the low potential region of the positive electrode having high resistance (specifically, the region having a positive electrode potential of α or less) is not used when the battery is discharged, and is represented by the
しかしながら、上記のように、電池が、充電前には正極の利用領域をα以上となるように設定されていたにも関らず、電池が劣化することにより電池容量の最小値がA1に増加することで(即ち、正極の利用領域が減少されることで)、放電容量の減少が起きることになる。 However, as described above, the minimum capacity of the battery increases to A1 due to the deterioration of the battery even though the battery is set so that the positive electrode utilization area is set to α or more before charging. By doing so (that is, by reducing the utilization area of the positive electrode), the discharge capacity is reduced.
この点を鑑みて、本発明が創案されたのである。即ち、電池が劣化し、電池電圧が符号105で表される曲線になった場合、放電終止電圧V0を補正放電終止電圧V1に変更することにより、本来の正極の利用領域をαとなるまで放電を行わせることができる。従って、本発明によれば、電池が劣化した場合であっても、放電容量の減少を抑制することができる。
In view of this point, the present invention has been invented. That is, when the battery is deteriorated and the battery voltage becomes a curve represented by
なお、図2において説明の便宜上正極電位曲線101を固定して上記の説明を行ったが、実際には、電池が有する正極及び負極の充放電に寄与する電極材料の減少(即ち、上記(1)の点)、正極及び負極における副反応等も起こりうる。従って、正極電位曲線101も変化するため、単に放電容量を一定にするような方法を適用した場合、正極利用領域がα以下の領域、即ち正極の抵抗が高い領域も充放電時に使用されるため、電池のサイクル特性が低下してしまう。
In FIG. 2, the above description is made with the positive electrode
上記のように、放電終止電圧補正部202は、予め設定された放電終止電圧V0を補正放電終止電圧V1に変更するものである。放電終止電圧補正部202が放電終止電圧V0を変更するタイミングとしては、電池204が有する正極及び負極の電位差(即ち図1に示す電圧測定部により測定される電池電圧)が電池204の放電終止電圧V0となった時点で、放電終止電圧変更条件が満たされていると放電終止電圧補正部202が判断(即ち検知)した場合に行う。このような放電終止電圧変更条件としては特に制限されないが、例えば正負極電位、電池のサイクル数や保存経過時間や電池の寿命、電池の劣化度、等から正極電位の変化を推測して行う方法等が挙げられる。また、電池204が有する正極の電位が所定の値α以上であることを含むものであることが特に好ましい。正極の電位に基づいて放電終止電圧を補正することにより、簡便に放電容量の減少を抑制することができる。なお、図2においては、電池電圧が放電終止電圧V0となっているときに正極電位がαとなるように設定している。
As described above, the end-of-discharge
αはユーザが任意に決定できるパラメータであって特に制限されず、例えば放電容量、電池の寿命、電池出力、電池の劣化度、正極及び負極の材料や組み合わせ等に応じて決定すればよい。ただし、αの値としては、電池204の充電深度50%における正極の直流抵抗に対して、直流抵抗値が特定の値だけ増加したときの電位をαとして設定することが好ましい。「特定の値」の具体的な数値としては、通常5%以上、好ましくは10%以上、より好ましくは20%以上、また、その上限は、通常100%以下、好ましくは80%以下、より好ましくは50%以下、さらに好ましくは40%以下であるが、特には30%とすることが好適である。また、初期放電正極電位の設定方法も、ユーザが任意に決定できるパラメータであって特に制限されず、例えば放電容量、電池出力、電池の寿命、電池の劣化度、正極及び負極の材料や組み合わせ等に応じて決定すればよい。また、図2では初期放電正極電位とαは一致させているが、その限りではない。
α is a parameter that can be arbitrarily determined by the user, and is not particularly limited. For example, α may be determined according to discharge capacity, battery life, battery output, battery deterioration, positive and negative electrode materials and combinations, and the like. However, as the value of α, it is preferable to set α as the potential when the DC resistance value is increased by a specific value with respect to the DC resistance of the positive electrode at the charging depth of 50% of the
また、上記の放電終止電圧変更条件としては、電池204が有する負極の電位が所定の値γ以下であることを含むものであることも好ましい。例えば正極の電位及び負極の電位の両方に基づいて放電終止電圧を変更することにより、より厳密に放電容量の減少を抑制することができる。γの値も、αと同様にユーザが任意に決定できるパラメータであって特に制限されず、例えば放電容量、電池の寿命、電池の劣化度、正極及び負極の材料や組み合わせ等に応じて決定すればよい。例えばγは、負極材料に天然黒鉛を用いた場合、通常0.3V以上、好ましくは0.4V以上、また、その上限は、通常1.0V以下、好ましくは0.7V以下とする。なお、図2においては、電池電圧が放電終止電圧V0となっているときに負極電位がγ以下となるようにγを設定している。
Moreover, it is also preferable that the discharge end voltage changing condition includes that the potential of the negative electrode of the
さらに、上記の放電終止電圧変更条件としては、放電終止電圧V0の値に関らず、電池204が有する正極及び負極の電位差(即ち図1に示す電圧測定部209により測定される電池電圧)が所定の値V’以上であることを含むことも好ましい。このようなV’はユーザが任意に決定できるパラメータであって特に制限されず、例えば放電容量、電池出力、電池の寿命、電池の劣化度、正極及び負極の材料や組み合わせ等に応じて決定すればよいが、例えば正極材料にLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、並びに負極材料に天然黒鉛を用いた場合、通常2.5V以上、好ましくは3.5V以上、また、その上限は、通常3.9V以下、好ましくは3.7V以下である。
Furthermore, as the above-mentioned discharge end voltage changing condition, regardless of the value of the discharge end voltage V0, the potential difference between the positive electrode and the negative electrode of the battery 204 (that is, the battery voltage measured by the
補正放電終止電圧V1は、上記放電終止電圧V0からβを引いた分、即ちV1=V0−βを満たす値である(図2参照)。管理値βの値もユーザが任意に決定できるパラメータであって特に制限されず、上記管理値αと同様に、例えば放電容量、電池の寿命、電池の劣化度、正極及び負極の材料や組み合わせ等に応じて決定すればよい。このような管理値βの値は、通常10mV以上、また、通常500mV以下の範囲内で設定される。 The corrected discharge end voltage V1 is a value that satisfies the value obtained by subtracting β from the discharge end voltage V0, that is, V1 = V0−β (see FIG. 2). The value of the management value β is also a parameter that can be arbitrarily determined by the user, and is not particularly limited. Like the management value α, for example, the discharge capacity, the battery life, the battery deterioration degree, the positive electrode and negative electrode materials and combinations, etc. It may be determined according to. Such a management value β is usually set within a range of 10 mV or more and usually 500 mV or less.
また、本実施形態においては、放電終止電圧補正部202が、充放電制御回路203を介して電池204の正極及び負極の電位を測定するようになっている。電位の測定方法に制限は無いが、例えば、電池204の電池電圧値及び流れている電流値、並びに必要に応じて温度等を用いて測定することができる。具体的には、例えば、予め放電終止電圧補正部202に記憶されている正極及び負極の充放電曲線並びに電池電圧曲線の電圧変化を用いて算出したり、リチウム金属等を電池204に予め組み込んでおき、当該リチウム金属等と各電極との電位の差分を用いることにより算出したりすることができる。ただし、電池204の構造を変更することが無く、一般的な電池を電池204として用いることができるという観点から、電位測定の方法としては、前者の方法を用いることが好ましい。
In the present embodiment, the end-of-discharge
前者の方法においては、予め測定され記憶されている正極及び負極の単極曲線から、電位変化ΔVと電池容量変化ΔQとの比である電圧変化率(ΔV/ΔQ)より算出することができる。ここで、電池容量変化ΔQの積算値は、電池204に流れる電流値と時間(即ち周期時間)との積として計算される。電池容量変化ΔQを測定する装置は、例えば公知の任意の電子素子を用いることができる。
In the former method, the voltage can be calculated from the voltage change rate (ΔV / ΔQ), which is the ratio between the potential change ΔV and the battery capacity change ΔQ, from the positive and negative unipolar curves measured and stored in advance. Here, the integrated value of the battery capacity change ΔQ is calculated as the product of the current value flowing through the
なお、前者のより詳細な方法は、例えば特開2009−80093号公報等に記載されている。 The more detailed method of the former is described in, for example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-80093.
充放電制御回路203は、電池204を充放電するものである。充放電制御回路203は、充電後の電池204を放電開始後、電池204の電池電圧が放電終止電圧V0となるまで電池204の放電を行う。そして、放電終止補正部202により放電終止電圧V0が補正放電終止電圧V1に変更された場合、放電終止電圧V0から補正放電終止電圧V1までさらに放電を行うようになっている。
The charge /
電池204は、本実施形態に係る放電制御システム201が適用されるものであって、正極及び負極を有している。電池204の具体的な構成は特に制限されないが、例えば下記[3.電池の構成]に記載の電池を用いることができる。
The
なお、電池204は、1つの電池からなる単電池であってもよく、2つ以上の電池が任意に組み合わされた組電池であってもよい。
Note that the
また、演算処理部205は、電池204の例えば電池電圧及び電流、放電時間、休止時間(スタンバイ時間)、不使用時間等をそれぞれ計測して積算し、積算時間に応じた演算、処理等を行うものである。そして、これらの演算、処理等の結果に基づいて、充放電制御回路203を制御することができる。具体的には、例えば、放電終止電圧補正部202の代わりに演算処理部205が充放電制御回路203からの電池電圧を測定し、電池204の充放電制御パラメータ(例えば、放電若しくは充電時間、放電若しくは充電電圧、放電若しくは充電電流等)を決定し、当該充放電制御パラメータを充放電制御回路203に送信することにより、電池204の充放電を制御してもよい。
In addition, the
なお、電池204の電池電圧は、図1に示す電圧測定部209により測定することができる。また、電池204への充電時の電流、並びに電池204からの充電時の電流は、図1に示す電流測定部208により測定することができる。
Note that the battery voltage of the
充放電制御の具体的な方法としては、例えば電池204の放電時には放電電圧及び放電電流が所望のものとなるように演算処理部205が充放電制御回路203に制御パラメータを送信するとともに、スイッチ210aを閉じ、さらにスイッチ210bを開ける信号を各スイッチに送信することにより、電池204と外部負荷206とが電気的に導通され、電池204の放電が行われる。一方で、電池204の充電時には、充電電圧及び充電電流が所望のものとなるように演算処理部205が充放電制御回路203に制御パラメータを送信するとともに、スイッチ210aを開け、さらにスイッチ210bを閉じる信号を各スイッチに送信することにより、電池204と充電用電源207とが電気的に導通され、電池204の充電が行われる。
As a specific method of charge / discharge control, for example, when the
また、例えば、電池204の温度を計測するために、例えば熱電対、サーミスタ等の温度計測手段(図示しない。)を設けてもよい。このような手段を設けることにより、これらの手段により計測した温度を例えば演算処理部205が取得するようにすれば、電池204の放電を温度に応じて制御することができ、より正確な放電制御が可能となる。
For example, in order to measure the temperature of the
さらに、例えば、測定された各種情報を記録するための記録部(図示しない。)を設けても良い。このような記録部の具体的な構成に特に制限は無く、例えばフロッピー(登録商標)ディスク(FD)、ハードディスクドライブ(HDD)等の磁気記録媒体;ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ(USBメモリ等)等の半導体媒体;コンパクトディスク(CD−R、CD−RW等)、デジタルバーサタイルディスク(DVD−R、DVD+R、DVD+RW、DVD−RW、DVD−RAM等)、HD−DVD、ブルーレイディスク等の光記録媒体;等を用いることができる。 Furthermore, for example, a recording unit (not shown) for recording various measured information may be provided. There is no particular limitation on the specific configuration of such a recording unit, for example, a magnetic recording medium such as a floppy (registered trademark) disk (FD) or a hard disk drive (HDD); a random access memory (RAM), a flash memory (USB memory) Semiconductor media such as: compact discs (CD-R, CD-RW, etc.), digital versatile discs (DVD-R, DVD + R, DVD + RW, DVD-RW, DVD-RAM, etc.), HD-DVD, Blu-ray disc, etc. An optical recording medium can be used.
[2.本実施形態に係る放電制御システムにおける放電制御方法]
次に、本実施形態に係る放電制御システムにおける放電制御方法を、図3及び図4に示すフローチャートを参照して説明する。
[2. Discharge Control Method in Discharge Control System According to Present Embodiment]
Next, a discharge control method in the discharge control system according to the present embodiment will be described with reference to the flowcharts shown in FIGS.
図3は、第一実施形態に係る放電制御システムにおける放電制御方法を表すフローチャートである。図3に示すフローチャートを説明するにあたって、以下の記載においては、本実施形態に係る放電制御システム201が演算処理部205を有するものとして記載しているが、上記のように、演算処理部205の機能を充放電制御回路203若しくは放電終止電圧補正部202が有することにより、演算処理部205を設けない構成としてもよい。また、以下に記載する、V0、α、γは、上記[1.本実施形態に係る放電制御システムの構成]に記載のものと同じものを表す。
FIG. 3 is a flowchart showing a discharge control method in the discharge control system according to the first embodiment. In the description of the flowchart shown in FIG. 3, in the following description, the
はじめに、電池204の放電を開始するための放電トリガを演算処理部205が受け取る。この放電トリガに特に制限は無いが、例えば鉄道においてはマスコンを操作したとき、自動車においてはアクセルを踏んだとき、分散型電力貯蔵システムにおいてはタイマーが作動したとき、ボタンスイッチをユーザが押下したとき等、任意のタイミングで発せられるものである。
First, the
そして、発せられた放電トリガを演算処理部205が受け取ると、演算処理部205は充放電制御回路203に対して、電池204の放電を行うための放電指令信号を送信する(ステップS101)。そして、充放電制御回路203が上記放電指令信号を受信後、充放電制御回路203が電池204の放電を開始する。なお、上記放電トリガは、演算処理部205ではなく、直接充放電制御回路203に送信される構成とし、演算処理部205を介することなく放電が開始されるようにしてもよい。
When the
電池204の放電開始後、放電終止電圧補正部202は、電池204の正極及び負極の電位を、所定のタイミングで測定する。そして、測定された正極及び負極の電位は、例えば上記の記憶部が設けられている場合には、当該記憶部にこれらの情報を記録されることができる。電位の測定には公知の任意の方法を用いることができるが、例えば、上記[1.本実施形態に係る放電制御システムの構成]に記載の方法により行えばよい。また、正極及び負極の電位測定のタイミングにも特に制限は無いが、測定の時間間隔が長すぎる場合、電池204の電池電圧が放電終止電圧V0に到達し、放電が停止した後の無駄時間が多くなる可能性がある。また、測定の時間間隔が短すぎる場合、過度に測定を行うために放電終止電圧補正部202の負荷が過度なものとなる可能性がある。
After the
図2において説明したように、電圧測定部209の測定した電池204の電池電圧が放電終止電圧V0となったことを放電終止電圧補正部202が検知した場合(ステップS102)、放電終止電圧補正部202は、改めて電池204の正極電位Vpを測定する(ステップS103)。
As described in FIG. 2, when the discharge end
測定された正極電位Vpが予め設定された管理値α未満(即ちVp<α)である場合(ステップS104のNo方向)、放電終止電圧補正部202が放電終止判定を行い(ステップS106)、演算処理部205を介して放電終了信号を充放電制御回路203に送信し、電池204の放電が終了する。
When the measured positive electrode potential Vp is less than the preset control value α (ie, Vp <α) (No direction in step S104), the discharge end
一方、測定された正極電位Vpが予め設定された管理値α以上(即ちVp≧α)である場合(ステップS104のYes方向)、電池204の電池電圧が電池電圧V2(V2=V0−nω)となるまで、充放電制御回路203が電池204をさらに放電する(ステップS105)。この際V2は次の正極電位を測定する電池電圧であり、ωは次の正極電位を測定、計算する電池電圧の刻み幅である。このような管理値ωの値は、通常0.1mV以上、また、通常100mV以下の範囲内で設定される。また、nは1以上の整数であり、正極電位Vpの算出回数の増加に伴って1ずつ増加する値である。即ち、S105において、一度目はV2=V0−ωとなるV2まで放電し、二度目はV2=V0−2ωとなるV2まで放電し、三度目はV2=V0−3ωとなるV2まで放電するようになっている。四度目以降についても同様である。
そして、電池204の電池電圧が電池電圧V2に到達すると、再び正極電位Vpを算出し(ステップS103)、正極電位Vpがα未満であれば(ステップS104のNo方向)、上記の場合と同様にして放電が終了する(ステップS106)。なお、正極電位Vpがα以上である場合(ステップS104のYes方向)、正極電位Vpがα未満となるまで同様のステップを繰り返して、最終的に測定された正極電位Vpが予め設定された管理値α以上(電池電圧でいうと、補正放電終止電圧V1)まで放電を行い、放電が終了する(ステップS106)。
On the other hand, when the measured positive electrode potential Vp is greater than or equal to the preset management value α (ie, Vp ≧ α) (Yes direction in step S104), the battery voltage of the
Then, when the battery voltage of the
また、図3に示すフローチャートにおいては、正極電位を用いて放電終止電圧V0を変更するか否かを決定したが、正極電位に代えて電池の寿命、電池の劣化度を判断基準として用いたり、正極電位に加えて負極電位を用いたりして、補正放電終止電圧V1を変更するか否かを決定してもよい。 Further, in the flowchart shown in FIG. 3, it is determined whether or not to change the discharge end voltage V0 using the positive electrode potential, but instead of using the positive electrode potential, the battery life and the deterioration degree of the battery are used as judgment criteria. Whether or not to change the corrected discharge final voltage V1 may be determined by using the negative electrode potential in addition to the positive electrode potential.
図4は、第二実施形態に係る放電制御システムにおける放電制御方法を表すフローチャートである。図4におけるS201〜S204は、図3におけるS101〜S104と同じものを表すため、その説明を省略する。 FIG. 4 is a flowchart showing a discharge control method in the discharge control system according to the second embodiment. Since S201 to S204 in FIG. 4 represent the same as S101 to S104 in FIG.
図4に示す実施形態においても、図3に示す第一実施形態と同様に、ステップS204にて正極電位Vpが予め定められた管理値α以上であるか否かを放電終止電圧補正部202が判定する(ステップS204)。そして、正極電位Vpが予め設定された管理値α未満(即ちVp<α)である場合(ステップS204のNo方向)、放電終止電圧補正部202が放電終止判定を行い(ステップS207)、演算処理部205を介して放電終了信号を充放電制御回路203に送信し、電池204の放電が終了する。
In the embodiment shown in FIG. 4 as well, as in the first embodiment shown in FIG. 3, the discharge end
一方で、測定された正極電位Vpが予め設定された管理値α以上(即ちVp≧α)である場合(ステップS204のYes方向)、さらに、放電終止電圧補正部202が負極電位Vnを算出し、負極電位Vnが予め定められた管理値γ以下(即ちVn≦γ)であるか否かを放電終止電圧補正部202が判定する(ステップS205)。そして、負極電位Vnがγよりも大きい場合(ステップS205のNo方向)、上記ステップS106の場合と同様にして放電終止判定がなされる(ステップS207)。
On the other hand, when the measured positive electrode potential Vp is equal to or greater than the preset management value α (ie, Vp ≧ α) (Yes direction in step S204), the discharge end
一方で、負極電位Vnが管理値γ以下である場合(ステップS205のYes方向)、電池204の電池電圧が電池電圧V2(V2=V0−nω)となるまで、充放電制御回路203が電池204をさらに放電する(ステップS206)。なお、これらのV0、V2、n及びωは、上記したものと同様のものを表す。
On the other hand, when the negative electrode potential Vn is equal to or lower than the control value γ (Yes in step S205), the charge /
そして、電池204の電池電圧が電池電圧V2に到達すると、再び正極電位Vpを算出し(ステップS203)、正極電位Vpがα未満であれば(ステップS204のNo方向)、上記の場合と同様にして放電が終了する(ステップS207)。なお、正極電位Vpがα以上である場合(ステップS204のYes方向)、正極電位Vpがα未満となるか、或いは正極電位Vpがα以上であっても負極電位Vnがγよりも大きくなるまで同様のステップを繰り返して、最終的に測定された正極電位Vpが予め設定された管理値α以上もしくは負極電位Vnがγよりも大きくなるまで(電池電圧でいうと、補正放電終止電圧V1まで)放電を行い、放電が終了する(ステップS207)。
When the battery voltage of the
図3及び図4に示すフローチャートにおいては、V0、V2、α、γ及びωの各値に基づいて自動で放電が終了するようになっているが、各処理の途中でユーザが任意のタイミングで充放電制御回路203に対して放電終了を直接指示するようにしてもよい。ユーザが放電終了を指示する方法は特に制限されず、例えば任意のボタン等を押下することにより放電を終了させるようにすることができる。また、ユーザが直接放電終了を指示すると、その時点のステップが何であるかを問わず、ステップS106又はステップS207に到達する。
In the flowcharts shown in FIG. 3 and FIG. 4, the discharge is automatically terminated based on the values of V0, V2, α, γ, and ω. The charge /
以上、図3及び図4を参照して説明したように、本実施形態に係る放電制御システム201は上記の構成を有し、各部が上記のように作動することにより、リチウムイオン二次電池の内部抵抗の増加を抑制する、放電容量の減少を抑制する等のサイクル特性の向上を可能にした放電制御システムを提供することができる。
As described above with reference to FIGS. 3 and 4, the
[3.本実施形態に係る放電制御システムを適用可能な電池の構成]
本実施形態に係る放電制御システムは、公知の任意のリチウムイオン二次電池に適用可能である。以下、本実施形態に係る放電制御システムを適用可能な電池(以下、適宜「本実施形態に係る電池」と言う。)を、図5を参照しながら具体例を挙げて説明する。ただし、図5に示す電池の構成は、本実施形態に係る放電制御システムを適用可能なリチウムイオン二次電池の内部構造のあくまでも一例であり、本実施形態に係る放電制御システムが適用可能な電池は図5に記載のものに制限されるものでない。
[3. Configuration of Battery to which Discharge Control System According to this Embodiment is Applicable]
The discharge control system according to the present embodiment can be applied to any known lithium ion secondary battery. Hereinafter, a battery to which the discharge control system according to this embodiment can be applied (hereinafter referred to as “battery according to this embodiment” as appropriate) will be described with reference to FIG. However, the configuration of the battery shown in FIG. 5 is merely an example of the internal structure of the lithium ion secondary battery to which the discharge control system according to this embodiment can be applied, and the battery to which the discharge control system according to this embodiment can be applied. Is not limited to that shown in FIG.
図5は、本実施形態に係る電池の内部構造を模式的に表す図である。図5に示す本実施形態に係る電池1は、正極10、セパレータ11、負極12、電池容器(即ち電池缶)13、正極集電タブ14、負極集電タブ15、内蓋16、内圧開放弁17、ガスケット18、正温度係数(Positive temperature coefficient;PTC)抵抗素子19、及び電池蓋20、軸心21から構成される。電池蓋20は、内蓋16、内圧開放弁17、ガスケット18、及びPTC抵抗素子19からなる一体化部品である。また、軸心21には、正極10、セパレータ11及び負極12が捲回されている。
FIG. 5 is a diagram schematically showing the internal structure of the battery according to the present embodiment. A
正極10は、正極活物質、導電剤、バインダ、及び集電体から構成される。正極活物質を例示すると、LiCoO2、LiNiO2、及びLiMn2O4が代表例である。他に、LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2、Li4Mn5O12、LiMn2−xMxO2(ただし、M=Co,Ni,Fe,Cr,Zn,Tiからなる群から選ばれる少なくとも1種、x=0.01〜0.2)、Li2Mn3MO8(ただし、M=Fe,Co,Ni,Cu,Znからなる群から選ばれる少なくとも1種)、Li1−xAxMn2O4(ただし、A=Mg,B,Al,Fe,Co,Ni,Cr,Zn,Caからなる群から選ばれる少なくとも1種、x=0.01〜0.1)、LiNi1−xMxO2(ただし、M=Co,Fe,Gaからなる群から選ばれる少なくとも1種、x=0.01〜0.2)、LiFeO2、Fe2(SO4)3、LiCo1−xMxO2(ただし、M=Ni,Fe,Mnからなる群から選ばれる少なくとも1種、x=0.01〜0.2)、LiNi1−xMxO2(ただし、M=Mn,Fe,Co,Al,Ga,Ca,Mgからなる群から選ばれる少なくとも1種、x=0.01〜0.2)、Fe(MoO4)3、FeF3、LiFePO4、及びLiMnPO4等を列挙することができる。
上記のものの中でも、正極10は、下記式(1)で表されるリチウム複合酸化物を含んでいることが好ましく、特にはLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2を含むことが好ましい。
LiNiaMnbCocMdO2 ・・・(1)
(上記式(1)中、Mは、Fe,V,Ti,Cu,Al,Sn,Zn,Mg,B,Wからなる群から選ばれる少なくとも1種を表し、a,b,c及びdは、それぞれ、0.2≦a≦0.8,0.1≦b≦0.4,0≦c≦0.4,0≦d≦0.1を満たす値であって、かつ、a+b+c+d=1を満たす関係にある。)なお、上記の各例示物において、例えば「M」「x」等の各例示物で重複する文字が記載されているが、それらの文字はそれぞれの例示物において独立しているものとする。以下の記載においても、特に指定しない限り同様とする。
The
Among the above, the
LiNi a Mn b Co c M d O 2 ··· (1)
(In the above formula (1), M represents at least one selected from the group consisting of Fe, V, Ti, Cu, Al, Sn, Zn, Mg, B and W, and a, b, c and d are Are values satisfying 0.2 ≦ a ≦ 0.8, 0.1 ≦ b ≦ 0.4, 0 ≦ c ≦ 0.4, 0 ≦ d ≦ 0.1, and a + b + c + d = 1. Note that, in each of the above examples, for example, there are characters that are duplicated in each of the examples such as “M” and “x”, but these characters are independent in each example. It shall be. The same applies to the following description unless otherwise specified.
正極活物質の粒径は、正極活物質、導電剤、及びバインダから形成される合剤層の厚さ以下になるように通常は規定される。正極活物質の粉末中に合剤層厚さ以上のサイズを有する粗粒がある場合、予めふるい分級や風流分級等により粗粒を除去し、合剤層厚さ以下の粒子を作製することが好ましい。 The particle size of the positive electrode active material is usually defined so as to be equal to or less than the thickness of the mixture layer formed from the positive electrode active material, the conductive agent, and the binder. When there are coarse particles having a size equal to or greater than the thickness of the mixture layer in the positive electrode active material powder, the coarse particles can be removed in advance by sieving classification or wind classification to produce particles having a thickness of the mixture layer thickness or less. preferable.
また、正極活物質は、一般に酸化物系であるために電気抵抗が高いので、電気伝導性を補うための炭素粉末からなる導電剤を利用する。正極活物質及び導電剤はともに通常は粉末であるので、粉末にバインダを混合して、粉末同士を結合させると同時に集電体へ接着させることができる。 In addition, since the positive electrode active material is generally oxide-based and has high electrical resistance, a conductive agent made of carbon powder for supplementing electrical conductivity is used. Since both the positive electrode active material and the conductive agent are usually powders, a binder can be mixed with the powders, and the powders can be bonded together and simultaneously bonded to the current collector.
正極10の集電体には、厚さが10〜100μmのアルミニウム箔、厚さが10〜100μmで孔径が0.1〜10mmのアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、又は発泡金属板等が用いられる。アルミニウムの他に、ステンレスやチタン等の材質も適用可能である。本発明では、材質、形状、製造方法等に制限されることなく、任意の集電体を使用することができる。
For the current collector of the
正極活物質、導電剤、バインダ、及び有機溶媒を混合した正極スラリーを、ドクターブレード法、ディッピング法、又はスプレー法等によって集電体へ付着させた後、有機溶媒を乾燥させ、ロールプレスによって加圧成形することにより、正極10を作製することができる。また、塗布から乾燥までを複数回行うことにより、複数の合剤層を集電体に積層化させることも可能である。
A positive electrode slurry in which a positive electrode active material, a conductive agent, a binder, and an organic solvent are mixed is attached to a current collector by a doctor blade method, a dipping method, or a spray method, and then the organic solvent is dried and applied by a roll press. The
負極12は、負極活物質、バインダ、及び集電体からなる。高レート充放電が必要な場合に、導電剤を添加することもある。本発明で使用可能な負極活物質としては、黒鉛と非黒鉛炭素や例えばアルミニウム、シリコン、スズ等の金属及びこれらの合金、リチウム含有の遷移金属窒化物Li(3−x)MxN、ケイ素の低級酸化物LixSiOy(0≦x、0<y<2)、及びスズの低級酸化物LixSnOyのリチウムと合金を形成する材料又は金属間化合物を形成する材料等を選択することができる。
The
負極活物質の材料には特に制限がなく、上記の材料以外でも利用可能であるが、膨張収縮が大きい材料等の一部材料を選択した場合には、負極の利用する範囲を大きくし過ぎると抵抗上昇が大きくなることがある。この場合、電池電圧を変更する場合の条件に負極電位が一定以下であるかどうかを確認するのが好ましい。 The material of the negative electrode active material is not particularly limited and can be used other than the above materials. However, when a part of the material such as a material having a large expansion and contraction is selected, if the range used by the negative electrode is too large, Resistance rise may be large. In this case, it is preferable to confirm whether or not the negative electrode potential is below a certain level as a condition for changing the battery voltage.
ただし、負極12は黒鉛を含むことが好ましく、当該黒鉛は黒鉛層間距離(d002)が0.335nm以上0.338nm以下であることが好ましい。このような黒鉛を負極12が含むことにより、負極での還元反応が多く起こるため、リチウムイオン二次電池のサイクル特性の向上をより大きなものにすることができる。負極12に用いる黒鉛は、リチウムイオンを化学的に吸蔵・放出可能な天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェ−ズ炭素、膨張黒鉛、炭素繊維、気相成長法炭素繊維、ピッチ系炭素質材料、ニードルコークス、石油コークス、及びポリアクリロニトリル系炭素繊維等を原料として製造される。なお、上記の黒鉛層間距離(d002)は、XRD(X線粉末回折法)(X−Ray Diffraction Method)等を用いて測定することができる。
However, the
また、負極12に用いる非黒鉛炭素は、上記の黒鉛を除く炭素材料であって、リチウムイオンを吸蔵又は放出することができるものである。これには、黒鉛層の間隔が0.34nm以上であって、2000℃以上の高温熱処理により黒鉛に変化する炭素材料や、5員環又は6員環の環式炭化水素や、環式含酸素有機化合物を熱分解によって合成した非晶質炭素材料等が含まれる。
The non-graphite carbon used for the
このように正極10と異なる電圧変化率を有する負極12に、リチウムと合金を形成する材料又は金属間化合物を形成する材料を、第3の負極活物質として添加してもよい。第3の負極活物質としては、例えばアルミニウム、シリコン、スズ等の金属及びこれらの合金、リチウム含有の遷移金属窒化物Li(3−x)MxN、ケイ素の低級酸化物LixSiOy(0≦x、0<y<2)、及びスズの低級酸化物LixSnOyが挙げられる。第3の負極活物質の材料には特に制限がなく、上記の材料以外でも利用可能である。
As described above, a material that forms an alloy with lithium or a material that forms an intermetallic compound may be added to the
一般に使用される負極活物質は粉末であるため、それにバインダを混合して、粉末同士を結合させると同時に集電体へ接着させている。本実施形態に係る電池が有する負極12では、負極活物質の粒径を、負極活物質及びバインダから形成される合剤層の厚さ以下にすることが望ましい。負極活物質の粉末中に合剤層厚さ以上のサイズを有する粗粒がある場合、予めふるい分級や風流分級等により粗粒を除去し、合剤層厚さ以下の粒子を使用することが好ましい。
Since the negative electrode active material generally used is a powder, a binder is mixed with the negative electrode active material so that the powders are bonded together and simultaneously bonded to the current collector. In the
負極12の集電体には、厚さが10〜100μmの銅箔、厚さが10〜100μmで孔径0.1〜10mmの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、又は発泡金属板等が用いられる。銅の他に、ステンレス、チタン、又はニッケル等の材質も適用可能である。本発明では、材質、形状、製造方法等に制限されることなく、任意の集電体を使用することができる。
For the current collector of the
負極活物質、バインダ、及び有機溶媒を混合した負極スラリーを、ドクターブレード法、ディッピング法、又はスプレー法等によって集電体へ付着させた後、有機溶媒を乾燥させ、ロールプレスによって加圧成形することにより、負極12を作製することができる。また、塗布から乾燥までを複数回行うことにより、多層合剤層を集電体に形成させることも可能である。
A negative electrode slurry in which a negative electrode active material, a binder, and an organic solvent are mixed is attached to a current collector by a doctor blade method, a dipping method, a spray method, or the like, and then the organic solvent is dried and pressure-molded by a roll press. Thereby, the
以上の方法で作製した正極10及び負極12の間にセパレータ11を挿入し、正極10及び負極12の短絡を防止する。セパレータ11には、ポリエチレン、ポリプロピレン等からなるポリオレフィン系高分子シート、又はポリオレフィン系高分子と4フッ化ポリエチレンを代表とするフッ素系高分子シートを溶着させた2層構造等を使用することが可能である。電池温度が高くなったときにセパレータ11が収縮しないように、セパレータ11の表面にセラミックス及びバインダの混合物を薄層状に形成してもよい。これらのセパレータ11は、電池の充放電時にリチウムイオンを透過させる必要があるため、一般に細孔径が0.01〜10μm、気孔率が20〜90%であれば、リチウムイオン二次電池に使用可能である。
The
このようなセパレータ11を正極10及び負極12の間に挿入し、軸心21に捲回した電極群を作製する。軸心21は、正極10、セパレータ11及び負極12を担持できるものであれば、公知の任意のものを用いることができる。電極群は、図5に示した円筒形状の他に、短冊状電極を積層したもの、又は正極10と負極12を扁平状等の任意の形状に捲回したもの等、種々の形状にすることができる。電池容器13の形状は、電極群の形状に合わせ、円筒形、偏平長円形状、扁平楕円形状、角形等の形状を選択してもよい。
Such a
電池容器13の材質は、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼製等、非水電解質に対し耐食性のある材料から選択される。また、電池容器13を正極10又は負極12に電気的に接続する場合は、非水電解質と接触している部分において、電池容器13の腐食やリチウムイオンとの合金化による材料の変質が起こらないように、電池容器13の材料の選定を行う。
The material of the
電池容器13に電極群を収納し、電池容器13の内壁に負極集電タブ15を接続し、電池蓋20の底面に正極集電タブ14を接続する。電解液は、電池の密閉の前に電池容器内部13に注入する。電解液の注入方法は、電池蓋20を解放した状態にて電極群に直接添加する方法、又は電池蓋20に設置した注入口から添加する方法がある。
The electrode group is housed in the
その後、電池蓋20を電池容器13に密着させ、電池全体を密閉する。電解液の注入口がある場合は、それも密封する。電池を密閉する方法には、溶接、かしめ等公知の技術がある。
Thereafter, the
本発明で使用可能な電解液の代表例として、エチレンカーボネートにジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、又はエチルメチルカーボネート等を混合した溶媒に、電解質として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、又はホウフッ化リチウム(LiBF4)を溶解させた溶液がある。本発明は、溶媒や電解質の種類、溶媒の混合比に制限されることなく、他の電解液も利用可能である。 As a typical example of the electrolytic solution that can be used in the present invention, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) or lithium borofluoride as an electrolyte in a solvent obtained by mixing dimethyl carbonate, diethyl carbonate, or ethyl methyl carbonate with ethylene carbonate There is a solution in which (LiBF 4 ) is dissolved. The present invention is not limited to the type of solvent and electrolyte, and the mixing ratio of solvents, and other electrolytes can be used.
なお、電解液に使用可能な非水溶媒の例としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、1、2−ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルフォキシド、1、3−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、テトラヒドロフラン、1、2−ジエトキシエタン、クロルエチレンカーボネート、又はクロルプロピレンカーボネート等の非水溶媒がある。本発明の電池に内蔵される正極10又は負極12上で分解しなければ、これ以外の溶媒を用いてもよい。
Examples of non-aqueous solvents that can be used in the electrolyte include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, γ-butyrolactone, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 2 -Methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, methyl propionate, ethyl propionate, phosphate triester, trimethoxymethane, dioxolane, diethyl ether, sulfolane, 3-methyl-2- There are nonaqueous solvents such as oxazolidinone, tetrahydrofuran, 1,2-diethoxyethane, chloroethylene carbonate, or chloropropylene carbonate. Other solvents may be used as long as they do not decompose on the
また、電解質の例としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、又はリチウムトリフルオロメタンスルホンイミドで代表されるリチウムのイミド塩等、多種類のリチウム塩がある。これらの塩を、上記の溶媒に溶解してできた非水電解液を電池用電解液として使用することができる。本実施形態に係る電池が有する正極10及び負極12上で分解しなければ、これ以外の電解質を用いてもよい。
In addition, examples of the electrolyte, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, or imide salts such as lithium represented by lithium trifluoromethane sulfonimide, multi There are different types of lithium salts. A nonaqueous electrolytic solution obtained by dissolving these salts in the above-mentioned solvent can be used as a battery electrolytic solution. An electrolyte other than this may be used as long as it does not decompose on the
固体高分子電解質(ポリマー電解質)を用いる場合には、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリメタクリル酸メチル、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド等のイオン伝導性ポリマーを電解質に用いることができる。これらの固体高分子電解質を用いた場合、セパレータ11を省略することができる利点がある。
When a solid polymer electrolyte (polymer electrolyte) is used, an ion conductive polymer such as polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polymethyl methacrylate, polyhexafluoropropylene, and polyethylene oxide can be used for the electrolyte. When these solid polymer electrolytes are used, there is an advantage that the
さらに、イオン性液体を用いることができる。例えば、1−ethyl−3−methylimidazolium tetrafluoroborate(EMI−BF4)、リチウム塩LiN(SO2CF3)2(LiTFSI)とトリグライムとテトラグライムとの混合錯体、環状四級アンモニウム系陽イオン(N−methyl−N−propylpyrrolidiniumが例示される。)、及びイミド系陰イオン(bis(fluorosulfonyl)imideが例示される。)より、正極10及び負極12にて分解しない組み合わせを選択して、本実施形態に係る電池に用いることができる。
Furthermore, an ionic liquid can be used. For example, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (EMI-BF 4 ), lithium salt LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (LiTFSI), a mixed complex of triglyme and tetraglyme, a cyclic quaternary ammonium cation (N— methyl-N-propylpyrrolidinium is exemplified) and an imide anion (example is bis (fluorsulfonyl) imide), and a combination that does not decompose at the
以上の構成を有するリチウムイオン二次電池を電池204として用い、このような電池に対して、本実施形態に係る放電制御システムを適用することが可能である。
The lithium ion secondary battery having the above configuration is used as the
以下、実施例を挙げて本実施形態をより詳細に説明するが、本実施形態は以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施することができる。 Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with reference to examples. However, the present embodiment is not limited to the following examples, and may be arbitrarily modified without departing from the scope of the present invention. Can do.
〔実施例1〕
はじめに、図5に示す構造を有するリチウムイオン二次電池(電池)を作製した。この際、正極活物質としてLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2を、負極活物質として天然黒鉛(X線構造解析による黒鉛層間距離(d002)=0.336nm)を用いた。また、正極としてアルミニウム箔を、負極として銅箔を用いた。
[Example 1]
First, a lithium ion secondary battery (battery) having the structure shown in FIG. 5 was produced. At this time, LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 was used as the positive electrode active material, and natural graphite (graphite interlayer distance (d 002 ) = 0.336 nm by X-ray structural analysis) was used as the negative electrode active material. . Further, an aluminum foil was used as the positive electrode, and a copper foil was used as the negative electrode.
作製した電池を電池204として、図1に示す放電制御システム201を適用して、下記に示す方法により電池特性を評価した。
Using the produced battery as the
作製した電池を常温(25℃)前後で0.3C相当の電流で4.0Vまで充電し、その後4.0Vで電流が0.03Cになるまで定電圧充電を行った。30分休止後に0.3C相当の定電流で3.60Vまで定電流放電を行った。これを4サイクル行って初期化し、4サイクル目の放電容量を測定し、測定された放電容量を初期放電容量とした。初期放電容量は0.920Ahであった。 The manufactured battery was charged to 4.0 V at a current equivalent to 0.3 C around room temperature (25 ° C.), and then constant voltage charging was performed until the current became 0.03 C at 4.0 V. After a 30-minute pause, constant current discharge was performed to 3.60 V with a constant current corresponding to 0.3 C. This was initialized by performing four cycles, and the discharge capacity at the fourth cycle was measured, and the measured discharge capacity was defined as the initial discharge capacity. The initial discharge capacity was 0.920 Ah.
次に、50℃で、電流4CA、8CA、12CA、16CAの順で10秒間放電した。そのときの放電電流と10秒目の電圧との関係をプロットし、得られた直線の傾きより初期直流抵抗を求めた。測定された初期直流抵抗は54.2mΩであった。 Next, it discharged at 50 degreeC for 10 second in order of electric current 4CA, 8CA, 12CA, and 16CA. The relationship between the discharge current at that time and the voltage at 10 seconds was plotted, and the initial DC resistance was obtained from the slope of the obtained straight line. The measured initial DC resistance was 54.2 mΩ.
次に、50℃で、1000回の充放電サイクルを行った。各サイクルにおいては、0.3C相当の電流で4.0Vまで充電し、その後4.0Vで電流が0.03Cになるまで定電圧充電を行った。その後30分休止後に0.3C相当の定電流で定電流放電を行った。放電は図3に示すフローチャートに従って行い、放電終止電圧V0=3.60V、α=3.75V、ω=0.01Vとした。なお、αの値は、電池の充電深度50%における正極の直流抵抗の値が30%増加したときにおける、正極の電位とした。 Next, 1000 charge / discharge cycles were performed at 50 ° C. In each cycle, the battery was charged to 4.0 V with a current corresponding to 0.3 C, and then constant voltage charging was performed until the current became 0.03 C at 4.0 V. Thereafter, after resting for 30 minutes, constant current discharge was performed at a constant current corresponding to 0.3C. Discharging was performed according to the flowchart shown in FIG. 3, and the final discharge voltage V0 = 3.60V, α = 3.75V, and ω = 0.01V. Note that the value of α was the potential of the positive electrode when the value of DC resistance of the positive electrode increased by 30% at a charge depth of 50% of the battery.
1000サイクル後の電池の放電容量を測定したところ、0.842Ahであった。また、初期直流抵抗の測定と同様にして1000サイクル後の直流抵抗を求めたところ、66.7Ωであった。 When the discharge capacity of the battery after 1000 cycles was measured, it was 0.842 Ah. Further, when the DC resistance after 1000 cycles was determined in the same manner as in the measurement of the initial DC resistance, it was 66.7Ω.
以上の得られた結果を用いて、下記式に従って、放電容量維持率、並びに直流抵抗上昇率を算出した。その結果を下記表1に示す。
放電容量維持率(%)=(1000サイクル後の放電容量)/(初期放電容量)
直流抵抗上昇率(%)=(1000サイクル後の直流抵抗)/(初期直流抵抗)
Using the results obtained above, the discharge capacity retention rate and the DC resistance increase rate were calculated according to the following formula. The results are shown in Table 1 below.
Discharge capacity retention rate (%) = (discharge capacity after 1000 cycles) / (initial discharge capacity)
DC resistance increase rate (%) = (DC resistance after 1000 cycles) / (initial DC resistance)
〔実施例2〕
1000回の充放電サイクルにおいて、放電を図4に示すフローチャートに従って行ったこと以外は実施例1と同様にして、放電容量維持率及び直流抵抗上昇率を算出した。その結果を表1に示す。なお、放電時にはγ=0.25Vとし、初期放電容量は0.92Ah、初期直流抵抗は54.2mΩ、1000サイクル後の放電容量は0.831Ah並びに1000サイクル後の直流抵抗は64.0mΩであった。
[Example 2]
The discharge capacity retention rate and the DC resistance increase rate were calculated in the same manner as in Example 1 except that discharging was performed according to the flowchart shown in FIG. 4 in 1000 charge / discharge cycles. The results are shown in Table 1. During discharge, γ = 0.25 V, the initial discharge capacity was 0.92 Ah, the initial DC resistance was 54.2 mΩ, the discharge capacity after 1000 cycles was 0.831 Ah, and the DC resistance after 1000 cycles was 64.0 mΩ. It was.
〔比較例1〕
1000回の充放電サイクルにおいて、放電終止電圧の変更を行わず、放電終止電圧を3.6Vで一定としたこと以外は実施例1と同様にして放電容量維持率及び直流抵抗上昇率を算出した。その結果を表1に示す。なお、初期放電容量は0.920Ah、初期直流抵抗は54.2mΩ、1000サイクル後の放電容量は0.713Ah並びに1000サイクル後の直流抵抗は64.0mΩであった。
In the 1000 charge / discharge cycles, the discharge capacity retention rate and the DC resistance increase rate were calculated in the same manner as in Example 1 except that the discharge end voltage was not changed and the discharge end voltage was kept constant at 3.6V. . The results are shown in Table 1. The initial discharge capacity was 0.920 Ah, the initial DC resistance was 54.2 mΩ, the discharge capacity after 1000 cycles was 0.713 Ah, and the DC resistance after 1000 cycles was 64.0 mΩ.
表1に示すように、放電終止電圧の変更を行った実施例1及び実施例2においては、放電終止電圧の変更を行わない比較例1に比して、同程度の直流抵抗上昇率を維持しながらも、放電容量維持率が大きく向上していた。特に、正極電位及び負極電位の両方に基づいて放電終止電圧の変更を行った場合(実施例2)、直流抵抗上昇率が比較例1と同じ値を示したにも関らず、比較例1と比して特に高い放電容量維持率を有していた。 As shown in Table 1, in Examples 1 and 2 in which the discharge end voltage was changed, the DC resistance increase rate was maintained at the same level as that in Comparative Example 1 in which the discharge end voltage was not changed. However, the discharge capacity maintenance rate was greatly improved. In particular, when the discharge end voltage was changed based on both the positive electrode potential and the negative electrode potential (Example 2), the DC resistance increase rate showed the same value as that of Comparative Example 1, but Comparative Example 1 Compared to the above, the discharge capacity retention rate was particularly high.
以上のように、本発明によれば、1000サイクルの充放電後であってもリチウムイオン二次電池内部の抵抗増加の抑制及び放電容量減少の抑制を可能にし、サイクル特性の向上を可能にした放電制御システムを提供することができる。 As described above, according to the present invention, even after 1000 cycles of charge and discharge, it is possible to suppress an increase in resistance inside the lithium ion secondary battery and a decrease in discharge capacity, and to improve cycle characteristics. A discharge control system can be provided.
1 リチウムイオン二次電池
10 正極
11 セパレータ
12 負極
13 電池容器
14 正極集電タブ
15 負極集電タブ
16 内蓋
17 内圧開放弁
18 ガスケット
19 正温度係数抵抗素子
20 電池蓋
21 軸心
101 正極電位曲線
102 負極電位曲線
103 電池電圧曲線
104 電池劣化後の負極電位曲線
105 電池劣化後の電池電圧曲線
201 放電制御システム
202 放電終止電圧補正部
203 充放電制御回路
204 リチウムイオン二次電池(電池)
205 演算処理部
206 外部負荷
207 充電用電源
208 電流測定部
209 電圧測定部
210a スイッチ
210b スイッチ
DESCRIPTION OF
205
Claims (7)
該リチウムイオン二次電池の放電終止電圧を補正放電終止電圧に変更する放電終止電圧補正部と、
該リチウムイオン二次電池を放電する充放電制御回路と、
を備え、
該充放電制御回路が該リチウムイオン二次電池の放電開始後、該正極及び該負極の電位差が該リチウムイオン二次電池の放電終止電圧となった時点で、該放電終止電圧補正部が、放電終止電圧変更条件が満たされることを検知した場合に、該放電終止電圧補正部が、該放電終止電圧を該補正放電終止電圧に変更し、該充放電制御回路が、該電位差が該補正放電終止電圧となるまで該リチウムイオン二次電池の放電をさらに行い、
該放電終止電圧変更条件が、該正極の電位が所定の値以上であることを含み、
該所定の値が、該リチウムイオン二次電池の充電深度50%における該正極の直流抵抗の値が5%以上100%以下の範囲で予め設定された値だけ増加したときにおける、該正極の電位である
ことを特徴とする、放電制御システム。 A discharge control system for controlling discharge of a lithium ion secondary battery having a positive electrode and a negative electrode,
A discharge end voltage correcting unit for changing the discharge end voltage of the lithium ion secondary battery to a corrected discharge end voltage;
A charge / discharge control circuit for discharging the lithium ion secondary battery;
With
After the charge / discharge control circuit starts discharging the lithium ion secondary battery, when the potential difference between the positive electrode and the negative electrode becomes the discharge end voltage of the lithium ion secondary battery, the discharge end voltage correcting unit When it is detected that the end voltage change condition is satisfied, the discharge end voltage correction unit changes the discharge end voltage to the corrected discharge end voltage, and the charge / discharge control circuit detects that the potential difference is the corrected discharge end. There are more rows of discharge of the lithium ion secondary battery until a voltage,
The discharge end voltage changing condition includes that the potential of the positive electrode is a predetermined value or more,
The potential of the positive electrode when the predetermined value increases by a preset value within a range of 5% or more and 100% or less of the DC resistance value of the positive electrode at a charge depth of 50% of the lithium ion secondary battery. A discharge control system, characterized in that
ことを特徴とする、請求項1に記載の放電制御システム。 2. The discharge control system according to claim 1, wherein the discharge end voltage change condition includes a preset first reference potential of the negative electrode or less. 3.
該負極の第一基準電位が1.0Vである The first reference potential of the negative electrode is 1.0V
ことを特徴とする、請求項2に記載の放電制御システム。The discharge control system according to claim 2, wherein:
ことを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載の放電制御システム。 The discharge end voltage change condition, characterized in that it is intended to include that a preset positive electrode and the negative second reference potential difference more poles, discharge according to any one of claims 1 to 3 Control system.
該正極及び該負極の第二基準電位差が2.5Vである The second reference potential difference between the positive electrode and the negative electrode is 2.5V.
ことを特徴とする、請求項4に記載の放電制御システム。The discharge control system according to claim 4, wherein:
ことを特徴とする、請求項1〜5の何れか1項に記載の放電制御システム。
LiNiaMnbCocMdO2 ・・・(1)
(上記式(1)中、Mは、Fe,V,Ti,Cu,Al,Sn,Zn,Mg,B,Wからなる群から選ばれる少なくとも1種を表し、a,b,c及びdは、それぞれ、0.2≦a≦0.8,0.1≦b≦0.4,0≦c≦0.4,0≦d≦0.1を満たす値であって、かつ、a+b+c+d=1を満たす関係にある。) The discharge control system according to any one of claims 1 to 5, wherein the positive electrode contains a lithium composite oxide represented by the following formula (1).
LiNi a Mn b Co c M d O 2 ··· (1)
(In the above formula (1), M represents at least one selected from the group consisting of Fe, V, Ti, Cu, Al, Sn, Zn, Mg, B and W, and a, b, c and d are Are values satisfying 0.2 ≦ a ≦ 0.8, 0.1 ≦ b ≦ 0.4, 0 ≦ c ≦ 0.4, 0 ≦ d ≦ 0.1, and a + b + c + d = 1. There is a relationship that satisfies.)
該黒鉛の黒鉛層間距離が0.335nm以上0.338nm以下である
ことを特徴とする、請求項1〜6の何れか1項に記載の放電制御システム。 The negative electrode includes graphite;
The discharge control system according to any one of claims 1 to 6, wherein a graphite interlayer distance of the graphite is 0.335 nm or more and 0.338 nm or less.
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