JP5540223B2 - ロードレベリング電源システム - Google Patents
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Description
特許文献2は、高温型二次電池として300〜400℃の温度範囲で作動するナトリウム二次電池を使用した電源システムを開示している。該電源システムは、複数のナトリウム二次電池から構成される第1の電池群と、複数のナトリウム二次電池から構成される第2の電池群とを同一の容器に収容してなり、これらの電池群の吸熱および発熱反応によって、該容器内の温度が一定に保たれるようになっている。一方の電池群が発熱中の場合に他方の電池群を吸熱させるという制御を行なうことによって、ヒータ等の加熱手段なしに容器内温度を保つように設計されている。
この電源システムは適正作動温度が300℃以上の高温型二次電池の使用を前提としており、そのため、家庭用などの幅広い実施形態を許容するとはいえない。また、リサイクルの観点からの配慮がなされていない。
このシステムは、燃料電池との組み合わせを前提とした発電システムである。また特許文献2と同じく適正作動温度が300℃以上の高温型二次電池を使用しているため、家庭用などの幅広い実施形態を許容するとはいえない。また、リサイクルの観点からの配慮がなされていない。
例えば、特許文献1に開示されたリチウム二次電池は、資源のリサイクルに適した電池材料を選択することができると共に、高容量・大電流充放電で、優れた充放電サイクル耐久性をもち、安全性の高いリチウム二次電池である。
また、低コスト材料およびリサイクル材料の利用についてもリチウム二次電池は十分ではない。
上記リチウム二次電池は、鉄、コバルト、マンガン等のオリビン型リン酸金属リチウムまたはマンガン酸リチウム化合物を主剤として導電剤と結着剤とを配合した正極合剤を、複数の貫通孔を有して該貫通孔は孔の周囲が該箔状集電体の少なくとも一方の面側へ突出してなるアルミ二ウム箔表面に形成されてなる正極板と、
リチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素材または合金を主剤として導電剤と結着剤とを配合した負極合剤を、複数の貫通孔を有して該貫通孔は孔の周囲が該箔状集電体の少なくとも一方の面側へ突出してなる銅箔表面に形成されてなる負極板とが、
絶縁体を介して積層あるいは捲回されることにより形成される電極群と、該電極群が非水電解液または固体電解質とを備えてなるリチウム二次電池であり、
上記作動温度維持手段は、上記リチウム二次電池の表面温度が0℃以下となったときに、外部熱源による熱供給を開始し、40℃を上回ったときに、上記外部熱源による熱供給を停止する作動温度維持手段であることを特徴とする。
また、本発明のロードレベリング電源システムは、上記リチウム二次電池の電池容量が電力供給に伴う放電容量よりも大きい場合に余剰電力を電力会社へ返還することを特徴とする。
まず、本システムに用いるリチウム二次電池について説明する。該リチウム二次電池は、正極板と負極板とが絶縁体を介して積層あるいは捲回されることにより形成される電極群と、該電極群が浸漬される非水電解質または該電極群が接する固体電解質とを備えてなる。
図2(a)および(b)は、突出部を有する複数の孔を備えた箔状集電体および合剤層からなる1枚の正極板または負極板の断面図である。
貫通孔周囲に突出部1dを有する孔1cが設けられた負極集電体1aの厚さt1は、負極集電体1aおよび負極合剤層1bを合わせた1枚の極板総厚さt0の 3 %以上であることが好ましい。ここで集電体1aの厚さt1とは、集電体1aに設けられた孔1c周囲の突出部1dが集電体1aの一方の面側のみへ突出している場合は、孔1cの非突出面から突出部1dの先端までの高さであり(図2(a))、孔1c周囲の突出部1dが集電体1aの両面へ突出している場合は、一方の面側の突出部1dの先端から反対の面側の突出部1dの先端までの高さである(図2(b))。孔周囲の突出部を含めた集電体1aの厚さt1の割合が 3 %以下では活物質である合剤層と集電体との間で所期の密着性を得ることができず、電極板の製造が困難になる。上記は負極集電体1aを例に説明したが、正極板についても同様である。
また、当該複数孔の開口は箔全体に加工されてもよいが、電池の生産性に対しては、一部開孔されていない箔のままの状態を残す方がよりよい。
作動温度維持手段は、リチウム二次電池の表面温度を感知する温度センサーと、該電池へ熱を供給する外部熱源ユニットと、該電池の表面温度を管理する電池制御ユニットとを構成要素として備える。
図1には、温度センサーから電池制御ユニットへの測定情報の伝達、電池制御ユニットから熱源制御ユニットへの上記命令信号の伝達、給湯タンクからバッテリーユニットへの温水の供給を表す矢印が記されている。
本電力供給システムは、夜間に商用電源から供給され貯蔵した電力を昼間の電力負荷が高い時に放出し、電力負荷の平準化をする電力供給システムであり、この電力貯蔵および放出が上記の電源システムによってなされることを特徴とする。
もちろん、上記の電力貯蔵は必ずしも夜間である必要はなく、電力負荷が少ない時間帯であればよく、また、上記の電力放出は必ずしも昼間である必要は無く、電力負荷が高い時間帯であればよいので、本電力供給システムに加えて、このように電力貯蔵・放出の時間帯を改変したシステムも本発明の範囲に含まれる。
本電力供給システムは、昼間の電力負荷が多いときに、上記電源システムに貯蔵された電力を放出し、その電力と商用電源からそのとき供給される通常の電力とを合わせて供給することができる。
電池作製例1
<正極の作製>
二次粒子径が2〜3μmのオリビン型リン酸鉄リチウムを正極活物質とし、該活物質84重量部に、導電剤として8重量部の導電性カーボンおよび導電性カーボン繊維体の混合体と、結着剤として8重量部のポリフッ化ビニリデンを添加した。これに分散溶媒として、N−メチルピロリドンを添加し、混練して、正極合剤(正極スラリー)を作製した。
黒鉛粉末94重量部および導電剤として1重量部の導電性カーボンおよび導電性カーボン繊維体の混合体に、結着剤として5重量部のポリフッ化ビニリデンを添加し、これに分散溶媒としてN−メチルピロリドンを添加し混練して、負極合剤(負極スラリー)を作製した。
作製例1の電池において、オリビン型リン酸鉄リチウムの代わりにスピネルマンガン酸リチウムを正極活物質として用いた電池を作製した。
<正極の作製>
二次粒子径が5〜10μmのスピネル型マンガン酸リチウムを正極活物質とし、該活物質90重量部に、導電剤として5重量部の導電性カーボンおよび導電性カーボン繊維体の混合体と、結着剤として5重量部のポリフッ化ビニリデンを添加した。これに分散溶媒として、N−メチルピロリドンを添加し、混練して、正極合剤(正極スラリー)を作製した。
黒鉛粉末94重量部および導電剤として1重量部の導電性カーボンおよび導電性カーボン繊維体の混合体に、結着剤として5重量部のポリフッ化ビニリデンを添加し、これに分散溶媒としてN−メチルピロリドンを添加し混練して、負極合剤(負極スラリー)を作製した。
次に、比較作製例1の電池を作製した。正極の主剤にはコバルト酸リチウム、負極の主剤には非晶質炭素を用い、各電極合剤の導電剤や結着剤はその添加比率を含め、作製例1と同様にした。また、集電体箔には、それぞれ、通常の厚さ20μmアルミニウム圧延箔と厚さ10μm銅圧延箔を用いた。電極板の隔離絶縁体には、厚さ40μmのPE樹脂製フィルムを用いた。電解液等は作製例1のものと同様のものを用いた。
(作製例1の場合)
サイクル充電:CCCV 30A、4.0V
サイクル放電:CC 30A、E.V. 2.0V
休止 :10分間
試験温度 :25±2℃
(作製例2および比較例1の場合)
サイクル充電:CCCV 30A、4.2V
サイクル放電:CC 30A、E.V. 3.0V
休止 :10分間
試験温度 :25±2℃
作製例1の電池と、該電池の表面温度を感知する温度センサーと、該電池に熱を供給すると外部熱源ユニットと、該電池の表面温度を管理する電池制御ユニットとを合わせて、電源システムを構成した。外部熱源ユニットは、エコキュートを基とした熱源ユニットである。作製例1の電池は外部熱源ユニットに内包されるよう配置し、外気環境に暴露されない形態とした。電池制御ユニットが命令信号を発信する判断基準となる電池表面温度の所定範囲を、10〜40℃に設定した。この電源システムを実施例1とした。
実施例1のような電池の表面温度を保持する手段を装備することなく、作製例1の電池そのままで、比較例1の電源システムとした。したがって、この電池は外気環境に暴露された状態である。同様に、比較作製例1の電池についても、そのままで比較例2の電源システムとした。
実施例1、比較例1および比較例2の電源システムについて、外気環境温度の変化に伴う電池容量の変化を調べるために、次の条件で、放電容量の測定を行なった。測定結果を図4に示す。
(実施例1の場合)
充電:CCCV 10A、4.0V
放電:CC 30A、E.V. 2.0V
休止 :10分間
試験温度 :−5、10、25、50±2℃
(比較例1および比較例2の場合)
サイクル充電:CCCV 10A、4.2V
サイクル放電:CC 30A、E.V. 3.0V
休止 :10分間
試験温度 :−5、10、25、50±2℃
1a 正極または負極箔状集電体
1b 正極または負極合剤層
1c 孔
1d 突出部
Claims (2)
- リチウム二次電池と、該電池の作動温度を所定温度範囲に維持する作動温度維持手段と、該電池が深夜電力による充電および電力負荷軽減を目的とする電力供給に伴う放電を繰り返す充放電手段とを備えたロードレベリング電源システムであって、
前記リチウム二次電池は、オリビン型リン酸金属リチウムまたはマンガン酸リチウム化合物を主剤として導電剤と結着剤とを配合した正極合剤を、複数の貫通孔を有して貫通孔は孔の周囲が該箔状集電体の少なくとも一方の面側へ突出してなるアルミ二ウム箔表面に形成されてなる正極板と、
リチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素材または合金を主剤として導電剤と結着剤とを配合した負極合剤を、複数の貫通孔を有して貫通孔は孔の周囲が該箔状集電体の少なくとも一方の面側へ突出してなる銅箔表面に形成されてなる負極板とが、
絶縁体を介して積層あるいは捲回されることにより形成される電極群と、該電極群が非水電解液または固体電解質とを備えてなるリチウム二次電池であり、
前記作動温度維持手段は、前記リチウム二次電池の表面温度が0℃以下となったときに、外部熱源による熱供給を開始し、40℃を上回ったときに、前記外部熱源による熱供給を停止する作動温度維持手段であり、
前記外部熱源がヒートポンプによる熱交換器と、給湯タンクと、熱循環ポンプと、熱源制御ユニットとを備える外部熱源ユニットから供給される温水であり、前記ヒートポンプの冷媒が炭酸ガスであることを特徴とするロードレベリング電源システム。 - 前記リチウム二次電池の電池容量が前記電力供給に伴う放電容量よりも大きい場合に余剰電力を電力会社へ返還することを特徴とする請求項1記載のロードレベリング電源システム。
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