JP5549396B2

JP5549396B2 - 電池システム

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Publication number: JP5549396B2
Application number: JP2010133513A
Authority: JP
Inventors: 博文中本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: JP2011258483A

Description

本発明は、電池システムに関する。

リチウムイオン二次電池は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されており、近年、電気自動車やハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。

このような二次電池が過充電や過放電の状態になると、電池性能の低下や安全性低下等の不具合が発生しやすい。そのため、かかる事態を回避すべく、二次電池の過充電や過放電を防止するための技術がこれまでに提案されている。

例えば特許文献１には、二次電池または組電池を使用する機器内あるいは二次電池または組電池内に組み込まれた制御回路により、二次電池または組電池を構成する素電池の電圧をモニターし、各電池の放電終止電圧が２．９Ｖ以上となるように放電を制御する、非水電解質二次電池の充放電制御方法が開示されている。

特開２００５−８５５６６号公報

特許文献１に開示されている技術では、制御回路を用いて過放電を抑制している。しかしながら、特許文献１のような従来技術で用いられている制御回路は複雑である。従来技術では複雑な制御回路を用いずに過充電や過放電を抑制することは困難であり、過充電や過放電をこれまでよりも容易に抑制し得る技術が求められていた。

そこで本発明は、複雑な制御回路を用いることなく過充電や過放電を抑制することが可能な電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、電池と、該電池から電気エネルギーが供給される負荷と、電池及び負荷を接続する導体と、を有し、導体に、特定の電位で電子伝導性能が低下する電子伝導性物質が接続され、充電電位及び／又は放電電位に、上記電子伝導性物質の電子伝導性能が低下する電位が含まれ、上記電子伝導性物質は、上記電池の電極における導電助剤として用いられる、ＥＭＩｍ（Ａ）Ｃｌ _４ −ｘＥＭＩｍＣｌで表されるイオン液体であることを特徴とする、電池システムである。ただし、（Ａ）はＦｅ、Ｃｒ、Ｖからなる群より選択される１つの元素であり、ｘは０．２である。

ここに、本発明における「電池」は、リチウムイオン二次電池等に代表される、充放電可能な電池（二次電池）をいう。また、本発明における「負荷」は、電池で発生させた電気エネルギーを供給されることによって作動し得る機器をいう。本発明における負荷としては、電気自動車やハイブリッド自動車用等で使用されるモーター等を例示することができる。また、「特定の電位で電子伝導性能が低下する」とは、特定の電位で、過充電や過放電を抑制できる程度にまで、電子伝導性能が低下することをいう。

本発明の電池システムでは、電池と負荷とを接続する導体に、特定の電位で電子伝導性能が低下する電子伝導性物質が接続されている。そのため、本発明によれば、従来のような複雑な制御回路を用いることなく容易に過充電や過放電を抑制することが可能な、電池システムを提供することができる。
また、本発明の電池システムにおいて、電子伝導性物質が、電池の電極における導電助剤として用いられる、ＥＭＩｍ（Ａ）Ｃｌ _４ −ｘＥＭＩｍＣｌで表されるイオン液体であることにより、特定の電位（例えば、（Ａ）がＦｅでありｘが０．２である場合には０．１Ｖ〜０．７Ｖ程度、及び、−０．３Ｖ程度。）で電極の電子伝導性能が低下する。そのため、かかる形態とすることにより、容易に過充電や過放電を抑制することが可能な電池システムを提供することができる。

ＥＭＩｍＦｅＣｌ_４−０．２ＥＭＩｍＣｌを用いて３電極式セルにて行ったＣＶ測定の結果を示す図である。本発明の電池システムを説明する図である。

電極層に含有されるカーボンのような電子伝導性物質は常に電子を流し、信号入力された電流値分だけ反応が進むため、過充電や過放電が生じる虞がある。そこで、従来は、複雑な制御回路を用いて過充電や過放電を防いでいた。このように、過充電や過放電を防ぐために複雑な制御回路を用いるのは、特定の電位で電子を流さなくなる適当な電子伝導性物質を発見できていなかったためであると考えられる。本発明者は、特定の電位で電子を流さなくなる電子伝導性物質を特定することができれば、二次電池の過充電や過放電を防ぐための構成を簡略化することが可能になると考え、そのような電子伝導性物質の特定を試みた。

本発明者は、電子伝導性イオン液体であるＥＭＩｍＦｅＣｌ_４−０．２ＥＭＩｍＣｌを用いて、３電極式セル（基準極：Ａｇ／Ａｇ^＋、作用極：Ｃ、対極：Ｎｉ）にてサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）測定を行った。ＣＶ測定の結果を図１に示す。

図１に示すように、ＥＭＩｍＦｅＣｌ_４−０．２ＥＭＩｍＣｌは、０．１Ｖ〜０．７Ｖ程度の電位範囲において電子伝導性能が一時的に低下（充電電流値が低下）し、−０．３Ｖ程度の電位時に電子伝導性能が一時的に急低下（放電電流値が急低下）することを発見した。したがって、ＥＭＩｍＦｅＣｌ_４−０．２ＥＭＩｍＣｌのように、特定の電位で電子伝導性能が低下するイオン液体を電池の電極等に用いることで、従来のような複雑な制御回路を用いることなく、電池の過充電や過放電を抑制し得る電池システムを提供することが可能になると考えられる。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。本発明は、特定の電位で電子伝導性能が低下する電子伝導性物質（例えば、イオン液体）を用いることによって、従来のような複雑な制御回路を用いることなく過充電や過放電を抑制することが可能な電池システムを提供することを、主目的とする。

以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。

図２は、本発明の電池システムの形態例を説明する図である。図２に示す電池システム１０は、リチウムイオン二次電池１（以下において、「電池１」という。）、電池１で発生させた電気エネルギーを供給されることによって作動可能な負荷２、及び、電池１と負荷２とを接続する導体３を有している。電池１は、正極１ａと、電解質層１ｂと、負極１ｃと、これらを収容する筺体１ｄと、を有している。電池システム１０の正極層１ａには、活物質及び導電剤に加え、導電助剤として、電子伝導性イオン液体であるＥＭＩｍＦｅＣｌ_４−０．２ＥＭＩｍＣｌが用いられている。

このように構成される電池システム１０では、電池１で発生させた電気エネルギーが、導体３を介して負荷２へと供給され、負荷２が作動される。例えば、電池システム１０が電気自動車やハイブリッド自動車に用いられる場合、負荷２はモーターとすることができる。電池１の正極１ａには、電子伝導性イオン液体であるＥＭＩｍＦｅＣｌ_４−０．２ＥＭＩｍＣｌが用いられている。図１に示すように、このイオン液体は、電位が０．１Ｖ〜０．７Ｖ程度の時に充電電流値が一時的に低下し、電位が−０．３Ｖ程度の時に放電電流値が一時的に急低下する。それゆえ、このイオン液体を正極１ａに用いた電池１を備える電池システム１０によれば、従来用いられていたような複雑な制御回路を用いなくても、電池１の過充電及び過放電を抑制することができる。

電池システム１０において、正極１ａに用いられる活物質や導電剤は特に限定されるものではなく、公知の二次電池で使用可能な、公知の活物質、導電剤を適宜用いることができる。また、電解質層１ｂの形態も特に限定されるものではなく、公知の二次電池で使用可能な、公知の非水電解液や水系電解液等の液体電解液を用いた形態のほか、固体電解質を用いた形態とすることができる。また、負極１ｃの形態も特に限定されるものではなく、公知の二次電池で使用可能な、カーボン材料等に代表される公知の活物質に加え、必要に応じて公知の導電剤や導電助剤等が含有されていても良い。また、筺体１ｄの形態も特に限定されるものではなく、電池１の形態に応じて公知の材料を適宜用いることができる。また、負荷２は、電池１で発生させた電気エネルギーを供給されることによって作動可能であれば良く、モーター等、公知の電気機器とすることができる。また、導体３の形態も特に限定されるものではなく、電池が用いられる電気機器で使用可能な公知の材料を適宜用いることができる。

本発明に関する上記説明では、電子伝導性を有するイオン液体が正極１ａに含有されることによって、イオン液体が導体３に接続されている形態の電池システム１０を例示したが、本発明の電池システムは当該形態に限定されるものではない。特定の電位で電子伝導性能が低下するイオン液体は、電池の過充電や過放電を抑制し得る形態で導体に接続されていれば良い。それゆえ、このようなイオン液体は、例えば、電池の負極に含有されていても良く、電池の外側に配置される形態で導体に接続されていても良い。

また、本発明に関する上記説明では、特定の電位で電子伝導性能が低下するイオン液体として、ＥＭＩｍＦｅＣｌ_４−０．２ＥＭＩｍＣｌを例示したが、本発明では、ＥＭＩｍ（Ａ）Ｃｌ_４−ｘＥＭＩｍＣｌ（（Ａ）はＦｅ、Ｃｒ、Ｖからなる群より選択される１つの元素、ｘは０＜ｘ＜１００。）で表されるイオン液体を適宜用いることができる。電子伝導性を有するイオン液体であるため、本発明では、ＥＭＩｍＦｅＣｌ_４−ｘＥＭＩｍＣｌで表されるイオン液体のみならず、ＥＭＩｍＣｒＣｌ_４−ｘＥＭＩｍＣｌやＥＭＩｍＶＣｌ_４−ｘＥＭＩｍＣｌで表されるイオン液体も用いることができる。さらに、高い電子伝導性を発現するため、ｘは０よりも大きいことが好ましく、電子伝導性の著しい低下を防止するため、ｘは１００未満であることが好ましい。

また、本発明に関する上記説明では、ＥＭＩｍＦｅＣｌ_４−０．２ＥＭＩｍＣｌを用いて過充電及び過放電を抑制する形態の電池システム１０を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明は、特定の電位で電子伝導性能が低下する、ＥＭＩｍＦｅＣｌ_４−０．２ＥＭＩｍＣｌとは異なる電子伝導性物質を用いることによって、複雑な制御回路を用いることなく、過充電又は過放電のみを抑制することが可能な電池システムとすることも可能である。

また、本発明に関する上記説明では、正極１ａ、電解質層１ｂ、及び、負極１ｃをそれぞれ１つずつ備える電池１（単電池）が備えられる形態を例示したが、本発明の電池システムに備えられる電池は、当該形態に限定されるものではない。本発明の電池システムは、複数の単電池を電気的に直列及び／又は並列に接続して構成した電池が備えられる形態とすることも可能である。

また、本発明に関する上記説明では、電池１、負荷２、及び、導体３を有する形態の電池システム１０を例示したが、本発明の電池システムには、電池、負荷、及び、導体に加えて、他の要素が備えられていても良い。本発明の電池システムに備えられ得る他の要素としては、従来よりも構成を簡素化した制御回路のほか、過充電や過放電を防止するために用いられる保護回路等を例示することができる。

本発明の電池システムは、電気自動車やハイブリッド自動車用等に利用することができる。

１…電池
１ａ…正極
１ｂ…電解質層
１ｃ…負極
１ｄ…筺体
２…負荷
３…導体
１０…電池システム

Claims

電池と、該電池から電気エネルギーが供給される負荷と、前記電池及び前記負荷を接続する導体と、を有し、
前記導体に、特定の電位で電子伝導性能が低下する電子伝導性物質が接続され、
充電電位及び／又は放電電位に、前記電子伝導性物質の電子伝導性能が低下する電位が含まれ、
前記電子伝導性物質は、前記電池の電極における導電助剤として用いられる、ＥＭＩｍ（Ａ）Ｃｌ _４ −ｘＥＭＩｍＣｌで表されるイオン液体であることを特徴とする、電池システム。
ただし、前記（Ａ）はＦｅ、Ｃｒ、Ｖからなる群より選択される１つの元素であり、前記ｘは０．２である。