JP5574115B2 - Status management method for lithium-ion batteries - Google Patents

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Description

本発明はリチウムイオン電池の状態管理方法に関する。   The present invention relates to a state management method for a lithium ion battery.

リチウムイオン電池は、非水電解質二次電池の一つである。リチウムイオン電池では、例えば正極にリチウム金属酸化物が活物質として用いられ、負極にグラファイトなどの炭素材が活物質として用いられており、充電時には正極の活物質から放出されたリチウムイオンが負極の活物質に吸蔵され、放電では負極の活物質に吸蔵されたリチウムイオンが放出され正極に吸蔵される。このようにリチウムイオンが電極間を移動することで電極間に電流が流れる。即ち、リチウムイオン電池では、電極間を移動するリチウムイオンが電気伝導を担うものである。このリチウムイオン電池は、エネルギー密度が高いため、例えば電気自動車のバッテリーとして用いられている。   A lithium ion battery is one of non-aqueous electrolyte secondary batteries. In a lithium ion battery, for example, a lithium metal oxide is used as an active material for a positive electrode, and a carbon material such as graphite is used as an active material for a negative electrode. Lithium ions released from the active material of the positive electrode during charging are negative electrodes. In the discharge, lithium ions occluded in the active material of the negative electrode are released and occluded in the positive electrode. In this way, current flows between the electrodes as the lithium ions move between the electrodes. That is, in the lithium ion battery, lithium ions moving between the electrodes are responsible for electrical conduction. Since this lithium ion battery has a high energy density, it is used, for example, as a battery for electric vehicles.

このようなリチウムイオン電池では、使用により電極間を移動するリチウムイオンが負極表面で析出して膜を形成して固定され、電極間を移動できるリチウムイオンが減少する。これにより、電池の容量が低下することがある。   In such a lithium ion battery, lithium ions that move between the electrodes are deposited on the negative electrode surface by use and are fixed by forming a film, so that lithium ions that can move between the electrodes are reduced. Thereby, the capacity | capacitance of a battery may fall.

このような容量の低下を解決するために、電解液と接触しない金属リチウムを備えた第3電極を持たせた非水電解質二次電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。   In order to solve such a decrease in capacity, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a third electrode provided with metallic lithium that does not come into contact with the electrolytic solution is known (for example, see Patent Document 1).

特開2002−324585号公報JP 2002-324585 A

かかる非水電解質二次電池によれば、容量低下分を第3電極からリチウムイオンを補充することで、電池の容量を回復させている。例えば、初期放電容量が50Ahであるのに対し、放電容量が48Ahに減少した場合に、第3電極に通電させてリチウムイオンをこの減少分である2Ahに相当する電流を電池内に放出し、これにより電極間を移動するリチウムイオンを供給して放電容量を回復させている。   According to such a non-aqueous electrolyte secondary battery, the capacity of the battery is recovered by supplementing lithium ions from the third electrode for the capacity reduction. For example, when the initial discharge capacity is 50 Ah but the discharge capacity is reduced to 48 Ah, the third electrode is energized to release lithium ions into the battery corresponding to 2 Ah, which is the reduced amount, Thereby, the lithium ion which moves between electrodes is supplied and the discharge capacity is recovered.

しかしながら、このような場合には、リチウムイオンを補充しすぎて正極にリチウムデンドライトが形成されて、電池容量を回復させることができないことがある。   However, in such a case, lithium ion may be replenished too much to form lithium dendrite on the positive electrode, and the battery capacity may not be recovered.

そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、リチウムデンドライトの形成を抑制できるリチウムイオンの適切な添加量を算出でき、かつ、この添加量を補充することによりその容量を回復させることができるリチウムイオン電池の状態管理方法を提供しようとするものである。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is possible to calculate an appropriate addition amount of lithium ions that can suppress the formation of lithium dendrite, and by supplementing this addition amount, An object of the present invention is to provide a state management method for a lithium ion battery capable of recovering the capacity.

本発明のリチウムイオン電池の状態管理方法は、第1活物質及び該第1活物質よりも電極電位が卑である第2活物質を含む正極と、負極と、電解質液と、を備えたリチウムイオン電池の状態管理方法であって、前記リチウムイオン電池の初期の充・放電状態と判定時の充・放電状態とを比較して前記リチウムイオン電池の劣化原因を判定するにあたり、該リチウムイオン電池の充・放電時の第1活物質の膨張・収縮開始から膨張・収縮終了までに変化した充・放電容量である、初期の充・放電容量と判定時の充・放電容量とが同等であり、該リチウムイオン電池の充・放電時の第2活物質の膨張・収縮開始から膨張・収縮終了までに変化した充・放電容量である、判定時の充・放電容量が初期の充・放電容量よりも減少している場合には、前記劣化原因をリチウムイオンの減少と判定し、充・放電時の電圧が前記第2活物質に対応する電極電位を保持する領域での判定時と初期との充・放電容量との差からリチウムイオンの減少量を算出することを特徴とする。 A lithium ion battery state management method according to the present invention includes a first active material, a positive electrode including a second active material having a lower electrode potential than the first active material, a negative electrode, and an electrolyte solution. A state management method for an ion battery, in which the initial charge / discharge state of the lithium ion battery and the charge / discharge state at the time of determination are compared to determine the cause of deterioration of the lithium ion battery. The initial charge / discharge capacity is the same as the charge / discharge capacity at the time of judgment , which is the charge / discharge capacity changed from the start of expansion / contraction of the first active material during the charge / discharge The charge / discharge capacity changed from the start of expansion / contraction of the second active material to the end of expansion / contraction at the time of charge / discharge of the lithium ion battery. If it has decreased than before The cause of deterioration is determined to be a decrease in lithium ions, and the lithium ion is determined from the difference between the charge / discharge capacities at the time of determination in the region where the voltage at charge / discharge holds the electrode potential corresponding to the second active material and the initial charge / discharge capacity. The amount of decrease is calculated.

本発明では、劣化原因をリチウムイオンの減少と判定し、充・放電時の電圧が前記第2活物質に対応する電極電位を保持する領域での判定時と初期との充・放電容量の差を求めリチウムイオンの減少量を算出することで、リチウムデンドライトの形成を抑制した適切なリチウムイオン量を算出することができる。なお、ここで充・放電とは、充電又は放電を意味するものであり、また、膨張・収縮とは膨張又は収縮を意味するものである。さらに、初期とは、使用前の状態又は使用開始直後の時期を意味するものである。
リチウムイオンを放出するリチウムイオン補充用電極をさらに備え、前記劣化原因をリチウムイオンの減少と判定した場合には、前記リチウムイオン補充用電極と前記正極又は前記負極とを接続して、該リチウムイオン補充用電極から、前記減少量に相当するリチウムイオンを放出させてリチウムイオン電池にリチウムイオンを補充して電池容量を回復させることが好ましい。このように構成することで、チウムデンドライトの形成を抑制した適切なリチウムイオン量をリチウムイオン電池に補充することが可能である。
In the present invention, the cause of deterioration is determined to be a decrease in lithium ions, and the difference in charge / discharge capacity between the determination time and the initial value in the region where the voltage during charge / discharge holds the electrode potential corresponding to the second active material. By calculating the amount of decrease in lithium ions, an appropriate amount of lithium ions with suppressed formation of lithium dendrite can be calculated. Here, charging / discharging means charging or discharging, and expansion / contraction means expansion or contraction. Furthermore, the initial state means a state before use or a time immediately after the start of use.
A lithium ion replenishing electrode that releases lithium ions; and when the cause of deterioration is determined to be a decrease in lithium ions, the lithium ion replenishing electrode and the positive electrode or the negative electrode are connected, It is preferable that lithium ions corresponding to the decrease amount be released from the replenishment electrode to replenish the lithium ion battery with lithium ions to recover the battery capacity. By comprising in this way, it is possible to replenish a lithium ion battery with the appropriate amount of lithium ions which suppressed the formation of thium dendrite.

本発明の好ましい実施形態としては、前記第1活物質がスピネル型のリチウム含有金属酸化物であり、第2活物質が三元系のリチウム含有金属系酸化物であり、前記負極の活物質が炭素系活物質であることが挙げられる。これらを用いることで、簡易にリチウムイオンの減少の原因を判定し、これにより減少したリチウムイオン量を補充することができる。   As a preferred embodiment of the present invention, the first active material is a spinel type lithium-containing metal oxide, the second active material is a ternary lithium-containing metal oxide, and the negative electrode active material is It is mentioned that it is a carbon type active material. By using these, it is possible to easily determine the cause of the decrease in lithium ions and replenish the reduced lithium ion amount.

本発明の好ましい実施形態としては、前記第1活物質の膨張・収縮開始から膨張・収縮終了までか、前記第2活物質の膨張・収縮開始から膨張・収縮終了までかは、前記正極及び前記負極の膨張・収縮量で判断し、前記膨張・収縮量を、前記リチウムイオン電池の内部圧力により推定することか、前記膨張・収縮量を、前記リチウムイオン電池の電池ケースの変形量により推定することが挙げられる。これらにより膨張収縮量を簡易に推定することが可能である。 As a preferred embodiment of the present invention, whether from the start of expansion / contraction of the first active material to the end of expansion / contraction, or from the start of expansion / contraction of the second active material to the end of expansion / contraction, the positive electrode and the Judging by the amount of expansion / contraction of the negative electrode, the expansion / contraction amount is estimated from the internal pressure of the lithium ion battery, or the expansion / contraction amount is estimated from the deformation amount of the battery case of the lithium ion battery. Can be mentioned. By these, it is possible to easily estimate the amount of expansion and contraction.

また、該リチウムイオン電池の充・放電時の第1活物質の膨張・収縮開始から膨張・収縮終了までに変化した充・放電容量である、初期での充・放電容量が、判定時の充・放電容量より多い場合には、前記リチウムイオンの減少量を算出せず前記リチウムイオン補充用電極と前記正極又は前記負極とは接続しないことが好ましい。この場合には、リチウムイオンの析出によるリチウムイオンの減少ではない原因により電池が劣化していることから、このような場合にまでリチウムイオンを補充すると、電池の劣化をかえって早めることになる。
Further, the charge / discharge capacity at the initial stage, which is the charge / discharge capacity changed from the start of expansion / contraction of the first active material to the end of expansion / contraction at the time of charge / discharge of the lithium ion battery , is the charge / discharge capacity at the time of determination. If the discharge capacity is larger than the discharge capacity, it is preferable not to calculate the amount of decrease of the lithium ions and to connect the lithium ion supplementing electrode and the positive electrode or the negative electrode. In this case, since the battery is deteriorated due to a cause other than the decrease of lithium ions due to the deposition of lithium ions, replenishment of lithium ions up to such a case will accelerate the deterioration of the battery.

本発明の好ましい実施形態としては、前記減少量に対応するリチウムイオンを放出するための電子量を算出し、該電子量に対応する電流が前記リチウムイオン補充用電極へ前記正極又は前記負極から流入したかどうか検出し、該電子量に対応する電流が流入すれば前記リチウムイオン補充用電極と前記正極又は前記負極との接続を解除することが挙げられる。   As a preferred embodiment of the present invention, an amount of electrons for releasing lithium ions corresponding to the amount of decrease is calculated, and a current corresponding to the amount of electrons flows from the positive electrode or the negative electrode into the lithium ion replenishment electrode. If the current corresponding to the amount of electrons flows, the connection between the lithium ion replenishment electrode and the positive electrode or the negative electrode may be released.

本発明のリチウムイオン電池の状態管理方法によれば、リチウムデンドライトの形成を抑制できるリチウムイオンの適切な添加量を算出でき、かつ、この添加量を補充することによりその容量を回復させることができることができるという優れた効果を奏し得る。   According to the state management method of the lithium ion battery of the present invention, it is possible to calculate an appropriate addition amount of lithium ions capable of suppressing the formation of lithium dendrite, and to restore the capacity by supplementing this addition amount. It is possible to achieve an excellent effect of being able to.

本発明のリチウムイオン電池の構造を示す模式図。The schematic diagram which shows the structure of the lithium ion battery of this invention. リチウムイオン電池の放電時の放電容量と電圧の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the discharge capacity at the time of discharge of a lithium ion battery, and a voltage. 本実施形態のリチウムイオン電池の正極材料の負極材料に対する電極電位を示す図。The figure which shows the electrode potential with respect to the negative electrode material of the positive electrode material of the lithium ion battery of this embodiment. 電極の一部剥離が生じた場合のリチウムイオン電池の放電時の放電容量と電圧の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the discharge capacity at the time of discharge of a lithium ion battery at the time of partial peeling of an electrode, and a voltage. 本発明のリチウムイオン電池を搭載した車両の模式図。The schematic diagram of the vehicle carrying the lithium ion battery of this invention.

本発明のリチウムイオン電池について図1を用いて説明する。
リチウムイオン電池1は、電池ケース2を備える。電池ケース2内は、電解質液3により満たされている。電池ケース2内には、発電要素4が収納されている。発電要素4は、正極板と負極板とがセパレータを介して積層されて巻回してなるものである。本発明では、この正極板を正極といい、負極板を負極という。また、これらの正極及び負極を併せて電極と称する。
The lithium ion battery of the present invention will be described with reference to FIG.
The lithium ion battery 1 includes a battery case 2. The battery case 2 is filled with the electrolyte solution 3. A power generation element 4 is accommodated in the battery case 2. The power generation element 4 is formed by laminating a positive electrode plate and a negative electrode plate via a separator. In the present invention, this positive electrode plate is called a positive electrode, and the negative electrode plate is called a negative electrode. Moreover, these positive electrodes and negative electrodes are collectively referred to as electrodes.

発電要素4では、発電要素4の正極板には正極電極端子5が接続され、また、発電要素4の負極板には負極電極端子6が接続されている。これらの正極及び負極は、それぞれ電池ケース2の上部に設けられたケース蓋7に例えばシール部材などによりシールされた状態で保持されている。   In the power generation element 4, the positive electrode terminal 5 is connected to the positive electrode plate of the power generation element 4, and the negative electrode terminal 6 is connected to the negative electrode plate of the power generation element 4. The positive electrode and the negative electrode are respectively held in a state in which the positive electrode and the negative electrode are sealed by a seal member or the like on a case lid 7 provided on the upper part of the battery case 2.

正極及び負極は、例えばアルミニウムからなる集電体に、以下説明する活物質を含む正極材料及び負極材料がその両面に塗布されて構成されている。   The positive electrode and the negative electrode are configured by, for example, applying a positive electrode material and an negative electrode material containing an active material described below to a current collector made of aluminum on both surfaces.

正極は、本実施形態では、二以上の活物質を含有し、各活物質は、電解液に対して互いに異なる電極電位を有していればよい。活物質としては、リチウムを吸蔵および放出可能な金属酸化物、例えば層状構造型の金属酸化物、スピネル型の金属酸化物及び金属化合物、酸化酸塩型の金属酸化物などが挙げられる。層状構造型の金属酸化物としては、リチウムニッケル系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物が挙げられる。リチウムニッケル系複合酸化物とは、リチウム(Li)とニッケル(Ni)とを構成金属元素とする酸化物のほか、リチウムおよびニッケル以外に他の少なくとも一種の金属元素(即ち、LiとNi以外の遷移金属元素または典型金属元素、もしくは遷移金属元素及び典型金属元素)を典型的にはニッケルよりも少ない割合(原子数換算による。LiおよびNi以外の金属元素を二種以上含む場合にはそれらの合計量としてNiよりも少ない割合)で構成金属元素として含む酸化物をも包含する。上記LiおよびNi以外の金属元素は、例えば、コバルト(Co),アルミニウム(Al),マンガン(Mn),クロム(Cr),鉄(Fe),バナジウム(V),マグネシウム(Mg),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb),モリブデン(Mo),タングステン(W),銅(Cu),亜鉛(Zn),ガリウム(Ga),インジウム(In),スズ(Sn),ランタン(La)およびセリウム(Ce)からなる群から選択される一種または二種以上の金属元素である。以下のリチウムコバルト系複合酸化物および後述するリチウムマンガン系複合酸化物についても同様である。   In the present embodiment, the positive electrode contains two or more active materials, and each active material may have different electrode potentials with respect to the electrolytic solution. Examples of the active material include metal oxides capable of inserting and extracting lithium, for example, layered structure type metal oxides, spinel type metal oxides and metal compounds, and oxide type metal oxides. Examples of the layered structure type metal oxide include lithium nickel composite oxide and lithium cobalt composite oxide. The lithium nickel-based composite oxide is an oxide having lithium (Li) and nickel (Ni) as constituent metal elements, and at least one other metal element in addition to lithium and nickel (that is, other than Li and Ni) Transition metal elements or typical metal elements, or transition metal elements and typical metal elements) are typically less than nickel (according to the number of atoms). If two or more metal elements other than Li and Ni are included, their It also includes oxides contained as constituent metal elements in a total amount less than Ni). Examples of the metal element other than Li and Ni include, for example, cobalt (Co), aluminum (Al), manganese (Mn), chromium (Cr), iron (Fe), vanadium (V), magnesium (Mg), and titanium (Ti ), Zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), lanthanum (La) And one or more metal elements selected from the group consisting of cerium (Ce). The same applies to the following lithium cobalt complex oxide and lithium manganese complex oxide described later.

このようなリチウムニッケル系複合酸化物としては、好ましくはニッケル酸リチウムが挙げられる。また、リチウムコバルト系複合酸化物としては、好ましくはコバルト酸リチウムが挙げられる。   As such a lithium nickel composite oxide, lithium nickelate is preferably used. Moreover, as a lithium cobalt type complex oxide, Preferably lithium cobaltate is mentioned.

スピネル型の金属酸化物としては、マンガン酸リチウム等のリチウムマンガン系複合酸化物が挙げられる。酸化酸塩型の金属酸化物としては、リン酸鉄リチウム、リン酸マンガンリチウム、リン酸シリコンリチウム等が挙げられる。   Examples of the spinel metal oxide include lithium manganese complex oxides such as lithium manganate. Examples of the oxide metal oxide include lithium iron phosphate, lithium manganese phosphate, and lithium lithium phosphate.

本実施形態では、正極電極端子5の活物質として、コバルト酸リチウム(第2活物質)とマンガン酸リチウム(第1活物質)とを用いている。   In the present embodiment, lithium cobaltate (second active material) and lithium manganate (first active material) are used as the active material of the positive electrode terminal 5.

負極の活物質としては、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、および黒鉛等の炭素材料等を挙げることができる。金属酸化物としては、例えばスズ酸化物やケイ素酸化物などの不可逆性容量をもつものが挙げられる。炭素系材料としての黒鉛としては、人造黒鉛であっても天然黒鉛であっても良く、本実施形態では、負極電極端子6の活物質としてはグラファイトを用いている。   Examples of the active material for the negative electrode include metal materials such as lithium metal, lithium alloy, metal oxide, metal sulfide, metal nitride, and graphite. Examples of the metal oxide include those having irreversible capacity such as tin oxide and silicon oxide. The graphite as the carbon-based material may be artificial graphite or natural graphite. In this embodiment, graphite is used as the active material of the negative electrode terminal 6.

また、正極材料及び負極材料には、その他の物質が含まれてもよい。例えば、ポリフッ化ビニルデン等のバインダ、アセチレンブラック等の導電性向上剤、電解質(例えば、リチウム塩(支持電解質)、イオン伝導性ポリマー等)が含まれていてもよい。また、イオン伝導性ポリマーが含まれる場合には、前記ポリマーを重合させるための重合開始剤が含まれてもよい。   In addition, the positive electrode material and the negative electrode material may contain other substances. For example, a binder such as polyvinylidene fluoride, a conductivity improver such as acetylene black, and an electrolyte (for example, a lithium salt (supporting electrolyte), an ion conductive polymer, etc.) may be included. When an ion conductive polymer is included, a polymerization initiator for polymerizing the polymer may be included.

電解質液3としては、極性溶媒が挙げられる。このような極性溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、γ−ブチロラクトン、スルホラン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキソラン、メチルアセテート等の極性溶媒、もしくはこれらの混合物を使用してもよい。   The electrolyte solution 3 includes a polar solvent. Examples of such polar solvents include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), γ-butyrolactone, sulfolane, dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethylformamide, dimethylacetamide, 1 , 2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dioxolane, methyl acetate and the like, or a mixture thereof may be used.

極性溶媒には金属塩が含有されていてもよく、例えば、LiPF、LiPF(C、LiBF、LiAsF、LiClO、LiSCN、LiI、LiCFSO、LiCl、LiBr、LiCFCO等のリチウム塩、もしくはこれらの混合物が挙げられる。 The polar solvent may be contained metal salts, e.g., LiPF 6, LiPF 3 (C 2 F 5) 3, LiBF 4, LiAsF 6, LiClO 4, LiSCN, LiI, LiCF 3 SO 3, LiCl, LiBr , Lithium salts such as LiCF 3 CO 2 , or a mixture thereof.

本実施形態では、電解質液3としては、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)を用い、金属塩としてLiPFを含有させた。 In this embodiment, ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and diethyl carbonate (DEC) were used as the electrolyte solution 3, and LiPF 6 was contained as a metal salt.

また、電池ケース2のケース蓋7には、第3電極11が保持されている。第3電極11は、電解質液3に接触している。第3電極11の活物質としては、リチウムイオンを放出することができるもの、例えば金属リチウム、チタン酸リチウム、ケイ素化リチウムが挙げられる。本実施形態では、第3電極11の活物質としては、金属リチウムを用いている。また、第3電極11も上述したバインダを含んでいてもよい。このバインダを含有する場合の含有量は、第3電極11は電池が劣化した場合にリチウムイオンを放出できればよいので、第3電極11全体の重量基準で5%以下、好ましくは1%以下であることが好ましい。また、第3電極11は電池が劣化した場合にリチウムイオンを放出できればよいので、第3電極11に含有される導電材料(集電体及び活物質に含まれる導電物質)の第3電極11全体の重量基準で5%以下であることが好ましい。   A third electrode 11 is held on the case lid 7 of the battery case 2. The third electrode 11 is in contact with the electrolyte solution 3. Examples of the active material of the third electrode 11 include materials capable of releasing lithium ions, such as metal lithium, lithium titanate, and lithium siliconide. In the present embodiment, metallic lithium is used as the active material of the third electrode 11. The third electrode 11 may also include the above-described binder. The content in the case of containing this binder is 5% or less, preferably 1% or less, based on the weight of the entire third electrode 11, as long as the third electrode 11 can release lithium ions when the battery deteriorates. It is preferable. Further, since the third electrode 11 only needs to be able to release lithium ions when the battery deteriorates, the entire third electrode 11 of the conductive material (conductive material contained in the current collector and active material) contained in the third electrode 11 is used. It is preferable that it is 5% or less on the basis of the weight.

第3電極11と正極、即ち正極電極端子5とは、電池ケース2外部に設置されたスイッチ素子12を介して接続されている。制御部13は、以下説明するようにリチウムイオン電池1の電極の膨張・収縮量カーブ(詳しくは後述する)に基づいてこのスイッチ素子12の開閉動作を制御する。各電極の活物質は、リチウムイオンの放出・吸蔵に伴って膨張・収縮を繰り返すので、電極自体が膨張・収縮する。本実施形態においては、制御部13は、この電極の膨張・収縮量から、劣化の原因を判断すると共に析出により不足したリチウムイオン量を推定してスイッチ素子12の開閉動作を制御している。   The third electrode 11 and the positive electrode, that is, the positive electrode terminal 5 are connected via a switch element 12 installed outside the battery case 2. The controller 13 controls the opening / closing operation of the switch element 12 based on an expansion / contraction amount curve (details will be described later) of the electrode of the lithium ion battery 1 as described below. Since the active material of each electrode repeatedly expands and contracts as lithium ions are released and occluded, the electrode itself expands and contracts. In the present embodiment, the control unit 13 controls the opening / closing operation of the switch element 12 by determining the cause of deterioration from the amount of expansion / contraction of the electrode and estimating the amount of lithium ions insufficient due to deposition.

制御部13は、詳細は後述するように、リチウムイオン電池1の電極の膨張・収縮量カーブに基づいてリチウムイオン電池1の劣化の原因を判断し、劣化の原因はリチウムイオンが析出することで電池内でリチウムイオンが不足していることであると判定した場合には、リチウムイオン電池1に析出により失われたリチウムイオン量を求める。そして、制御部13は、リチウムイオンを補充するためにスイッチ素子12を閉状態とするように制御する。これにより正極と第3電極11とが接続されて、正極と第3電極11との電極電位差により第3電極11からリチウムイオンが正極へ供給され吸蔵される。その結果、リチウムイオン電池1に不足したリチウムイオンを補充でき、リチウムイオン電池の容量回復を行うことが可能である。   As will be described in detail later, the control unit 13 determines the cause of deterioration of the lithium ion battery 1 based on the expansion / contraction amount curve of the electrode of the lithium ion battery 1, and the cause of the deterioration is that lithium ions are deposited. When it is determined that the lithium ions are insufficient in the battery, the amount of lithium ions lost due to deposition in the lithium ion battery 1 is obtained. And the control part 13 is controlled to make the switch element 12 into a closed state, in order to supplement lithium ion. As a result, the positive electrode and the third electrode 11 are connected, and lithium ions are supplied from the third electrode 11 to the positive electrode and occluded by the electrode potential difference between the positive electrode and the third electrode 11. As a result, the lithium ion battery 1 can be replenished with insufficient lithium ions, and the capacity of the lithium ion battery can be recovered.

具体的に説明する。制御部13は、初めに、図示しないリチウムイオン電池(バッテリー)の統合制御を行うバッテリー制御部等から制御開始を示す信号が入力されると、制御を開始する。制御部13は、制御を開始すると、初めにリチウムイオン電池1の放電時における放電容量に対する電極の膨張・収縮量を示すカーブ(以下、膨張・収縮カーブとする)から劣化原因を判定する。   This will be specifically described. First, when a signal indicating control start is input from a battery control unit or the like that performs integrated control of a lithium ion battery (battery) (not shown), the control unit 13 starts control. When the control is started, the control unit 13 first determines the cause of deterioration from a curve (hereinafter referred to as an expansion / contraction curve) indicating the amount of expansion / contraction of the electrode with respect to the discharge capacity when the lithium ion battery 1 is discharged.

ここで、膨張・収縮量カーブは本実施形態では図2に示す放電容量に対する内圧(内部圧力)を示すグラフとなる。ここで、電極の膨張・収縮量を直接測定することはできないので、本実施形態では、電極の膨張・収縮量に対応して変化する電池ケース2内の内圧を測定している。即ち、本実施形態では、電池ケース2内に設けられた圧力計である内圧検出部15から内圧を検出して、検出結果が制御部13に入力されるように構成されている。電極の膨張・収縮量としては、電池ケース2が変形可能であれば、電極の膨張・収縮量に伴う電池ケース2の外形の大きさの変化を例えば変位計により検出すればよい。本実施形態では、電池ケース2は例えば万力等で変形困難であるように形成されているので、電池ケース2内部の内圧を検出して、該検出結果に基づいて制御を行っている。   Here, the expansion / contraction amount curve is a graph showing the internal pressure (internal pressure) with respect to the discharge capacity shown in FIG. 2 in this embodiment. Here, since the amount of expansion / contraction of the electrode cannot be directly measured, in this embodiment, the internal pressure in the battery case 2 that changes corresponding to the amount of expansion / contraction of the electrode is measured. That is, in the present embodiment, the internal pressure is detected from the internal pressure detection unit 15 that is a pressure gauge provided in the battery case 2, and the detection result is input to the control unit 13. As the amount of expansion / contraction of the electrode, if the battery case 2 can be deformed, a change in the size of the outer shape of the battery case 2 accompanying the amount of expansion / contraction of the electrode may be detected by, for example, a displacement meter. In the present embodiment, since the battery case 2 is formed so as to be difficult to be deformed by, for example, a vise, the internal pressure inside the battery case 2 is detected, and control is performed based on the detection result.

図2には、現在のリチウムイオン電池1の膨張・収縮量カーブAと、初期状態でのリチウムイオン電池1の膨張・収縮量カーブBを併せて示している。図2中、放電が0とは、実質的な完全充電状態をいう。なお、膨張・収縮量カーブBは予め制御部13が備える記録部に記録されたものである。それぞれ膨張・収縮量カーブAも初期状態での膨張・収縮量カーブBも共に、放電容量に対して、初めはほぼ一定の内圧であるが、その後放電容量が増えてくると、途中で内圧は急激に下がる。   FIG. 2 shows the expansion / contraction amount curve A of the current lithium ion battery 1 and the expansion / contraction amount curve B of the lithium ion battery 1 in the initial state. In FIG. 2, zero discharge means a substantially fully charged state. The expansion / contraction amount curve B is recorded in advance in a recording unit provided in the control unit 13. Both the expansion / contraction amount curve A and the expansion / contraction amount curve B in the initial state are substantially constant internal pressures with respect to the discharge capacity, but when the discharge capacity increases thereafter, the internal pressure is It goes down sharply.

このような膨張・収縮量カーブについて、図3を用いて説明する。図3は、本実施形態における各電極材料の電極電位の状態を示したものである。   Such an expansion / contraction curve will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows the state of the electrode potential of each electrode material in this embodiment.

図3(a)に示すように、負極の活物質として用いられるグラファイトは、正極の活物質として用いられるコバルト酸リチウム及びマンガン酸リチウムに比べて卑であるから、グラファイトからリチウムイオンが放出されやすい。そして、放出されたリチウムイオンは、コバルト酸リチウムより貴であるマンガン酸リチウムに初めは吸蔵される。その後、リチウムイオンがマンガン酸リチウムの全容量分に吸蔵されてマンガン酸リチウムにそれ以上リチウムイオンが吸蔵されなくなると、次にコバルト酸リチウムに吸蔵される。   As shown in FIG. 3 (a), graphite used as the negative electrode active material is more base than lithium cobaltate and lithium manganate used as the positive electrode active material, so that lithium ions are easily released from the graphite. . The released lithium ions are initially stored in lithium manganate, which is nobler than lithium cobaltate. Thereafter, when lithium ions are occluded in the entire capacity of lithium manganate and no more lithium ions are occluded in lithium manganate, they are occluded in lithium cobaltate.

このようなリチウムイオン電池において、各活物質の膨張・収縮量は図3(b)に示すようになる。図3(b)は、充放電容量に対する各活物質の体積を模式的に示しており、図中左端が完全放電状態、右端が完全充電状態を示す。グラファイトは、充電時に10%程度体積が膨張し、コバルト酸リチウムは充電時に2.6%程度体積が膨張し、マンガン酸リチウムは充電時に6.4%程度体積が収縮すると考えられる。放電を開始すると(図中T0)、グラファイトからはリチウムイオンが放出されるので、グラファイトは放電量が増えるに従って収縮する。他方で、リチウムイオンは上述のように初めはマンガン酸リチウム(LMO)に吸蔵される。この場合に、マンガン酸リチウムはリチウムイオンを吸蔵すると膨張する。この膨張量はグラファイトよりも小さいが、正極の体積が負極の体積よりも大きいのでグラファイトの収縮量を打ち消す程度である。また、コバルト酸リチウム(LCO)は、マンガン酸リチウムでの吸蔵が終了するまではリチウムイオンが吸蔵されることがないので、膨張しない。   In such a lithium ion battery, the amount of expansion / contraction of each active material is as shown in FIG. FIG. 3B schematically shows the volume of each active material with respect to the charge / discharge capacity, with the left end in the figure indicating a fully discharged state and the right end indicating a fully charged state. It is considered that the volume of graphite expands by about 10% during charging, the volume of lithium cobaltate expands by about 2.6% during charging, and the volume of lithium manganate contracts by about 6.4% during charging. When discharge is started (T0 in the figure), lithium ions are released from the graphite, so that the graphite contracts as the discharge amount increases. On the other hand, lithium ions are initially occluded in lithium manganate (LMO) as described above. In this case, lithium manganate expands when lithium ions are occluded. Although this expansion amount is smaller than that of graphite, the volume of the positive electrode is larger than the volume of the negative electrode, so that the contraction amount of graphite is negated. In addition, lithium cobaltate (LCO) does not swell because lithium ions are not occluded until occlusion with lithium manganate is completed.

そうすると、マンガン酸リチウムへのリチウムイオンの吸蔵が終了するまでは(図中T1となるまでは)、電極の活物質全体としてはやや収縮するだけで、大きな収縮量変化は見られない。   Then, until the occlusion of lithium ions into lithium manganate is completed (until T1 in the figure), the entire active material of the electrode is slightly contracted, and a large contraction amount change is not observed.

放電量が大きくなると、さらに完全放電状態となるまで(図中T2)リチウムイオンがグラファイトから放出されるので、グラファイトは収縮していく。他方で、今度はコバルト酸リチウムにリチウムイオンが吸蔵されるが、コバルト酸リチウムはリチウムイオンを吸蔵しても収縮する。   When the discharge amount increases, the lithium ions are released from the graphite until the complete discharge state is reached (T2 in the figure), so that the graphite contracts. On the other hand, lithium ions are occluded by lithium cobaltate, but lithium cobaltate contracts even if lithium ions are occluded.

従って、マンガン酸リチウムへのリチウムイオンの吸蔵が終了してから、完全放電状態となるまでの間(T1からT2までの間)は、電極全体がマンガン酸リチウムへのリチウムイオンの吸蔵が終了するまでに比べて大きく収縮する。   Therefore, after the occlusion of lithium ions into lithium manganate is completed and until a complete discharge state is reached (between T1 and T2), occlusion of lithium ions into lithium manganate is completed for the entire electrode. It shrinks greatly compared to before.

このように各活物質の体積量が変化するので、電極全体の体積量、即ちリチウムイオン電池の内圧としては図2に示すようになるのである。膨張・収縮量カーブA、Bのどちらも、マンガン酸リチウムへのリチウムイオンの吸蔵が終了するまでは、上述のように電極の収縮量が非常に少ないので放電容量に対して内圧は初めはほぼ一定である。このように内圧が一定の領域を本実施形態ではプラトー部とする。その後、内圧は、マンガン酸リチウムへのリチウムイオンの吸蔵が終了してコバルト酸リチウムへのリチウムイオンの吸蔵が開始されてからは、電極の収縮量が大きいので放電容量に対して減少する。この減少が開始されてから放電が終了するまでの領域を漸減部とする。   Since the volume of each active material changes in this way, the volume of the entire electrode, that is, the internal pressure of the lithium ion battery is as shown in FIG. In both of the expansion / contraction amount curves A and B, until the occlusion of lithium ions into the lithium manganate is completed, the amount of contraction of the electrode is very small as described above. It is constant. In this embodiment, the region where the internal pressure is constant is defined as a plateau portion. Thereafter, after the occlusion of lithium ions into lithium manganate is completed and the occlusion of lithium ions into lithium cobaltate is started, the internal pressure decreases with respect to the discharge capacity because the electrode contraction amount is large. A region from the start of the decrease to the end of the discharge is defined as a gradually decreasing portion.

この場合に、初期状態である膨張・収縮量カーブBに対して膨張・収縮量カーブAの方が放電容量に対して早く内圧の低下が停止する。即ち、膨張・収縮量カーブBに対して膨張・収縮量カーブAの方が漸減部の長さが短い。これは、リチウムイオンが析出して電池内のリチウムイオンが減少していることで、電極間を移動するリチウムイオンがなくなり、各活物質での吸蔵・放出が停止するからである。   In this case, the expansion / contraction amount curve A stops earlier than the discharge capacity in the initial state of the expansion / contraction amount curve B, and the decrease in internal pressure stops. That is, the expansion / contraction amount curve A is shorter in the expansion / contraction amount curve B than in the expansion / contraction amount curve B. This is because lithium ions are deposited and the lithium ions in the battery are reduced, so that no lithium ions move between the electrodes and the occlusion / release in each active material is stopped.

このように、図2における初期状態の膨張・収縮量カーブBと使用後の膨張・収縮量カーブAのとの違いは、リチウムイオンの析出によるリチウムイオン不足を示しているものである。ところで、リチウムイオン電池の劣化原因としては、他に電極の欠けによる一部剥離が考えられる。   As described above, the difference between the expansion / contraction amount curve B in the initial state and the expansion / contraction amount curve A after use in FIG. 2 indicates a shortage of lithium ions due to precipitation of lithium ions. By the way, as another cause of deterioration of the lithium ion battery, partial peeling due to chipping of electrodes can be considered.

このような電極の欠けによる一部剥離が生じた場合は、図4に示す膨張・収縮量カーブCのようにマンガン酸リチウムもコバルト酸リチウムも同時に欠け落ちて正極自体の量が少なくなることから、膨張・収縮量カーブCは初期状態の膨張・収縮量カーブBと比べてプラトー部も漸減部も短くなる。   When partial peeling due to such chipping of the electrode occurs, both the lithium manganate and the lithium cobaltate are chipped at the same time as shown in the expansion / contraction curve C shown in FIG. The expansion / contraction amount curve C is shorter in both the plateau portion and the gradually decreasing portion than the expansion / contraction amount curve B in the initial state.

このように、リチウムイオン電池の膨張・収縮量カーブは、それぞれ劣化原因により異なるものとなっている。   Thus, the expansion / contraction amount curves of the lithium ion battery are different depending on the cause of deterioration.

これらの劣化原因による膨張・収縮量カーブの違いに基づいて、図2に示す制御部13の判定部13aは、劣化の原因を判定する。判定部13aは、初期状態での膨張・収縮量カーブBと膨張・収縮量カーブAとを比較して、膨張・収縮量カーブAのプラトー部が初期状態での膨張・収縮量カーブBのプラトー部よりも短くなっていれば電極の剥離であると判断する。具体的には、制御部13は、初期状態での膨張・収縮量カーブBの放電容量が0である場合の内圧と、放電容量が最大放電容量である場合の内圧とを結ぶ直線の傾きを基準の傾きとした場合に、放電開始から、膨張・収縮量カーブAの各放電容量における傾きがこの基準の傾きよりも大きくなるまでの領域をプラトー部とし、このプラトー部の放電容量(即ちプラトー部間に相当する放電容量)として取得する。なお、以下のプラトー部の長さも同様である。膨張・収縮量カーブAのプラトー部が初期状態での膨張・収縮量カーブBのプラトー部の90%未満であれば、電極の剥離であると判断する。   Based on the difference in the expansion / contraction amount curve due to these causes of deterioration, the determination unit 13a of the control unit 13 shown in FIG. 2 determines the cause of deterioration. The determination unit 13a compares the expansion / contraction amount curve B and the expansion / contraction amount curve A in the initial state, and the plateau part of the expansion / contraction amount curve A is the plateau of the expansion / contraction amount curve B in the initial state. If it is shorter than the part, it is determined that the electrode is peeled off. Specifically, the control unit 13 determines an inclination of a straight line connecting the internal pressure when the discharge capacity of the expansion / contraction amount curve B in the initial state is 0 and the internal pressure when the discharge capacity is the maximum discharge capacity. When the reference slope is set, the area from the start of discharge until the slope of each discharge capacity of the expansion / contraction amount curve A becomes larger than the reference slope is defined as a plateau portion, and the discharge capacity of the plateau portion (that is, the plateau) (Discharge capacity corresponding to the part). The length of the plateau part below is also the same. If the plateau portion of the expansion / contraction amount curve A is less than 90% of the plateau portion of the expansion / contraction amount curve B in the initial state, it is determined that the electrode is peeled off.

また、判定部13aは、膨張・収縮量カーブAと初期状態での膨張・収縮量カーブBとを比較して、膨張・収縮量カーブAのプラトーの長さが初期状態での膨張・収縮量カーブBのプラトー部の長さと略同一で、かつ、膨張・収縮量カーブAの漸減部における放電容量が膨張・収縮量カーブBの漸減部における放電容量よりも少なくなっていれば、リチウムイオンの析出による減少が生じていると判断する。具体的には、制御部13は、膨張・収縮量カーブAのプラトーの長さが初期状態での膨張・収縮量カーブBのプラトー部の長さの90%〜100%で、かつ、膨張・収縮量カーブAの漸減部における放電容量が初期状態での膨張・収縮量カーブBの漸減部における放電容量の0%〜90%であれば、リチウムイオンの析出による減少が生じていると判断する。なお、漸減部における放電容量は、膨張・収縮量カーブAの各放電容量における傾きがこの基準の傾きよりも大きくなってから放電終了時までの放電容量をいう。   Further, the determination unit 13a compares the expansion / contraction amount curve A with the expansion / contraction amount curve B in the initial state, and the plateau length of the expansion / contraction amount curve A is the expansion / contraction amount in the initial state. If the discharge capacity in the gradually decreasing portion of the expansion / contraction amount curve A is substantially the same as the length of the plateau portion of the curve B and the discharge capacity in the gradually decreasing portion of the expansion / contraction amount curve B is smaller than the lithium ion It is judged that a decrease due to precipitation occurs. Specifically, the control unit 13 determines that the plateau length of the expansion / contraction amount curve A is 90% to 100% of the plateau length of the expansion / contraction amount curve B in the initial state, and the expansion / contraction amount curve A If the discharge capacity in the gradually decreasing portion of the contraction amount curve A is 0% to 90% of the discharge capacity in the gradually decreasing portion of the expansion / contraction amount curve B in the initial state, it is determined that a decrease due to lithium ion precipitation occurs. . In addition, the discharge capacity in the gradually decreasing portion refers to the discharge capacity from when the slope of each discharge capacity of the expansion / contraction amount curve A becomes larger than the reference slope until the end of discharge.

そして、制御部13は、これらの劣化原因の判定により、劣化原因が電極の剥離であると判断した場合には、スイッチ素子12を開状態に保持する。   When the control unit 13 determines that the cause of deterioration is peeling of the electrode by determining the cause of deterioration, the control unit 13 holds the switch element 12 in the open state.

判定部13aがリチウムイオンの析出による減少が生じていると判断した場合には、制御部13の算出部13bに判定信号が入力され、算出部13bは、リチウムイオンの析出による減少が生じていると判断した場合のみ、膨張・収縮量カーブAと膨張・収縮量カーブBの漸減部に相当する放電容量の差を算出する。即ち、初期状態での膨張・収縮量カーブBの漸減部に相当する放電容量から、使用中での膨張・収縮量カーブAの漸減部に相当する放電容量を減ずる。算出部13bは、得られた放電容量の差から、析出により不足したリチウムイオン量を算出する。制御部は、初期状態のリチウムイオン電池に対して減少した放電容量に基づいて不足したリチウムイオン量に相当する電子量を求める。このようにして、本実施形態では、初期状態のリチウムイオン電池に対して減少した放電容量に基づいて不足したリチウムイオン量を適切に算出することができ、リチウムデンドライドの形成を抑制することができる。   When the determination unit 13a determines that a decrease due to lithium ion precipitation occurs, a determination signal is input to the calculation unit 13b of the control unit 13, and the calculation unit 13b causes a decrease due to lithium ion precipitation. Only when it is determined, the difference in discharge capacity corresponding to the gradually decreasing portion of the expansion / contraction amount curve A and the expansion / contraction amount curve B is calculated. That is, the discharge capacity corresponding to the gradually decreasing portion of the expansion / contraction amount curve A in use is reduced from the discharge capacity corresponding to the gradually decreasing portion of the expansion / contraction amount curve B in the initial state. The calculation unit 13b calculates the amount of lithium ions that is insufficient due to precipitation from the difference in the obtained discharge capacities. The control unit obtains the amount of electrons corresponding to the insufficient amount of lithium ions based on the reduced discharge capacity with respect to the lithium ion battery in the initial state. In this way, in the present embodiment, the amount of lithium ions that is deficient can be appropriately calculated based on the reduced discharge capacity with respect to the lithium ion battery in the initial state, and the formation of lithium dendride can be suppressed. it can.

制御部13の素子制御部13cは、算出部13bがこのようにして不足したリチウムイオン量に相当する電子量を算出すると、スイッチ素子12を閉状態に保持するための信号をスイッチ素子12に入力しスイッチ素子12を閉状態にして正極電極端子5と第3電極との間を導通させてリチウムイオンを放出させることでリチウムイオン電池1にリチウムイオンを供給する。   When the calculation unit 13b calculates the amount of electrons corresponding to the insufficient amount of lithium ions in this way, the element control unit 13c of the control unit 13 inputs a signal for holding the switch element 12 in the closed state to the switch element 12. Then, the switch element 12 is closed, and the positive electrode terminal 5 and the third electrode are conducted to release lithium ions, thereby supplying lithium ions to the lithium ion battery 1.

そして、素子制御部13cは、正極電極端子5と第3電極11との間を導通させることにより正極電極端子5と第3電極11との間に流れた電流を電流検出部14(本実施形態では、電流計)で検出し、この検出された電流量から所望の電子量が流れたかどうかを判断し、所望の電子量が電流として流れたら、スイッチ素子12を開状態にしてリチウムイオン電池1へのリチウムイオンの供給を停止するように制御する。   Then, the element control unit 13c conducts the current between the positive electrode terminal 5 and the third electrode 11 by causing the positive electrode terminal 5 and the third electrode 11 to conduct, and the current detection unit 14 (this embodiment). Then, it is detected by an ammeter), and it is determined from the detected current amount whether or not a desired amount of electrons has flowed. When the desired amount of electrons flows as a current, the switch element 12 is opened and the lithium ion battery 1 is opened. Control to stop the supply of lithium ions to the battery.

また、素子制御部13cは、判定部13aの劣化原因の判定により、劣化原因が電解質分離であるか、電極の剥離であると判断した場合には、スイッチ素子12を開状態に保持する。   The element control unit 13c holds the switch element 12 in the open state when it is determined by the determination unit 13a that the cause of deterioration is electrolyte separation or electrode separation.

このように、本実施形態では、正極に第1活物質と第2活物質とを含有させて第2活物質の漸減部を検出することで、正確にリチウムイオンの不足量を検出することができる。   As described above, in the present embodiment, the first active material and the second active material are contained in the positive electrode, and the gradually decreasing portion of the second active material is detected, so that the shortage of lithium ions can be accurately detected. it can.

また、本実施形態においては、制御部13がリチウムイオンの不足によりリチウムイオン電池が劣化している場合に限り、リチウムイオンを適量供給することができる。従って、リチウムイオンを供給しすぎて電池内にデンドライトを形成することもなく、かつ、リチウムを適量供給してリチウムイオン電池の劣化を回復させることができる。   In the present embodiment, the control unit 13 can supply an appropriate amount of lithium ions only when the lithium ion battery is deteriorated due to lack of lithium ions. Therefore, lithium ions are not supplied too much to form dendrites in the battery, and an appropriate amount of lithium can be supplied to recover the deterioration of the lithium ion battery.

この場合に、本実施形態においては、第1活物質(本実施形態ではマンガン酸リチウム)と第1活物質よりも電極電位が卑である第2活物質(本実施形態ではコバルト酸リチウム)とを所定量混合して正極を形成していることで、上述したような劣化原因の特定を行うことができる。   In this case, in the present embodiment, the first active material (lithium manganate in the present embodiment) and the second active material having a lower electrode potential than the first active material (lithium cobaltate in the present embodiment) The cause of deterioration as described above can be specified by forming a positive electrode by mixing a predetermined amount.

さらに、マンガン酸リチウムのみで電極を形成する場合には、所望の電池電位を得ることができない場合も考えられるが、本実施形態ではマンガン酸リチウムよりも標準電極電位の高いコバルト酸リチウムを混合させていることで、所望の電池電位を得ることができる。   Furthermore, when the electrode is formed only with lithium manganate, there may be a case where a desired battery potential cannot be obtained, but in this embodiment, lithium cobaltate having a higher standard electrode potential than lithium manganate is mixed. Therefore, a desired battery potential can be obtained.

このような効果を得るためには、第1活物質と第2活物質との混合比は、正極の重量基準で、第2活物質を10〜40%含有させていることが好ましい。この範囲であれば、劣化原因の特定を行いやすく、かつ、所望の電池電位を得ることができる。正極の重量基準で、第2活物質を10%未満含有させていると、漸減部が短くなりすぎて、劣化原因の特定を行い難いと共に、必要なリチウムイオン量を算出することができない場合も考えられる。他方で、正極の重量基準で、第2活物質を40%よりも多く含有させていると、所望の電池電位を得ることができない。   In order to obtain such an effect, the mixing ratio between the first active material and the second active material is preferably 10 to 40% of the second active material based on the weight of the positive electrode. Within this range, the cause of deterioration can be easily identified, and a desired battery potential can be obtained. If the second active material is contained in an amount of less than 10% based on the weight of the positive electrode, the gradually decreasing portion becomes too short, and it is difficult to specify the cause of deterioration, and the required amount of lithium ions cannot be calculated. Conceivable. On the other hand, if the second active material is contained in an amount of more than 40% based on the weight of the positive electrode, a desired battery potential cannot be obtained.

また、特に本実施形態におけるようにコバルト酸リチウムのみで電極を形成する場合には、コストが高くなってしまうが、マンガン酸リチウムを混合させることで、電極の製造コストを抑えることができる。   In particular, when the electrode is formed only with lithium cobaltate as in the present embodiment, the cost becomes high, but the production cost of the electrode can be suppressed by mixing lithium manganate.

また、本実施形態では、上述したようにリチウムイオンを第3電極11から放出させる場合には、第3電極11と正極電極端子5とを単に接続するだけでよく、特に動力を必要とせずにリチウムイオンの補充を行い、劣化分を回復させることが可能である。   Further, in the present embodiment, when lithium ions are released from the third electrode 11 as described above, the third electrode 11 and the positive electrode terminal 5 need only be connected, and no power is required. It is possible to replenish lithium ions by replenishing them.

本実施形態では、正極電極端子5と第3電極11とを接続したが、これに限定されない。リチウムイオンを第3電極から放出することができるのであれば、負極電極端子6と第3電極11とを接続してもよい。ただし、正極電極端子5と第3電極11とを接続した方が、リチウムイオンが放出されやすい。   In the present embodiment, the positive electrode terminal 5 and the third electrode 11 are connected, but the present invention is not limited to this. The negative electrode terminal 6 and the third electrode 11 may be connected as long as lithium ions can be released from the third electrode. However, it is easier for lithium ions to be released when the positive electrode terminal 5 and the third electrode 11 are connected.

上述した図2に示す膨張・収縮量カーブは、本実施形態における第1活物質、第2活物質及び負極の活物質の組み合わせにより生じるものであるので、第1活物質、第2活物質、及び負極の活物質の組み合わせによっては、膨張・収縮量カーブにおいて、プラトー部及び漸減部が発生しない。本実施形態では、第1活物質及び負極の活物質が膨張・収縮量が大きく、第2活物質は、これらに比べて膨張・収縮量が小さいので、上述したような膨張・収縮量カーブとなっている。このような膨張・収縮量の比較的大きい活物質の組み合わせとしては、共に充電時に膨張する炭素系活物質(負極)とコバルト酸リチウム(正極)の組み合わせが挙げられる。また、膨張・収縮量の比較的小さい活物質の組み合わせとしては、充電時に膨張する炭素系活物質(負極)と、充電時に収縮するマンガン酸リチウム(正極)の組み合わせが挙げられる。また、充電時に膨張する活物質の例として、負極材料としては炭素系活物質やシリコン合金が挙げられ、正極材料としてはコバルト酸リチウムが挙げられる。充電時に収縮する活物質の例としては、正極材料としては、三元材料(LiMO(M=1/3Mn+1/3Ni+1/3Co))やマンガン酸リチウムが挙げられる。充放電を行っても膨張収縮しない活物質の例としてはチタン酸リチウムなどが挙げられる。 The above-described expansion / contraction amount curve shown in FIG. 2 is generated by a combination of the first active material, the second active material, and the active material of the negative electrode in the present embodiment. Therefore, the first active material, the second active material, Depending on the combination of the active material of the negative electrode and the negative electrode, the plateau portion and the gradually decreasing portion are not generated in the expansion / contraction amount curve. In the present embodiment, since the first active material and the active material of the negative electrode have a large expansion / contraction amount, and the second active material has a small expansion / contraction amount compared to these, the expansion / contraction amount curve as described above and It has become. Examples of such a combination of active materials having relatively large expansion / contraction amounts include a combination of a carbon-based active material (negative electrode) and lithium cobaltate (positive electrode) that both expand during charging. Examples of the combination of active materials having relatively small expansion / contraction amounts include a combination of a carbon-based active material (negative electrode) that expands during charging and lithium manganate (positive electrode) that contracts during charging. Examples of the active material that expands during charging include a carbon-based active material and a silicon alloy as the negative electrode material, and lithium cobalt oxide as the positive electrode material. Examples of the active material that contracts during charging include a ternary material (LiMO 2 (M = 1 / 3Mn + 1 / 3Ni + 1 / 3Co)) and lithium manganate as the positive electrode material. An example of an active material that does not expand or contract even when charging and discharging is performed is lithium titanate.

本実施形態では、放電時の放電容量と内圧との関係を示す膨張・収縮量カーブから劣化の原因とリチウムイオンの減少量を判断したが、これに限定されない。充電時の充電量と内圧との関係を示す膨張・収縮量カーブから劣化の原因とリチウムイオンの減少量を判断してもよい。また、内圧に限定されず、電池ケースの膨張・収縮量を検出し、これに基づいて劣化の原因とリチウムイオンの減少量を判断してもよい。   In the present embodiment, the cause of deterioration and the reduction amount of lithium ions are determined from the expansion / contraction amount curve indicating the relationship between the discharge capacity and the internal pressure during discharge, but the present invention is not limited to this. The cause of deterioration and the reduction amount of lithium ions may be determined from an expansion / contraction amount curve indicating the relationship between the charge amount during charging and the internal pressure. Further, the present invention is not limited to the internal pressure, and the amount of expansion / contraction of the battery case may be detected, and the cause of deterioration and the reduction amount of lithium ions may be determined based on this.

本実施形態では、リチウムイオンの状態を管理した上で、リチウムイオンの減少量に応じて第3電極を接続したが、これに限定されない。リチウムイオンの状態を管理により算出されたリチウムイオンの減少量に応じて、リチウムイオンを添加できればよい。   In this embodiment, after managing the state of lithium ions, the third electrode is connected in accordance with the amount of decrease in lithium ions. However, the present invention is not limited to this. It suffices if lithium ions can be added according to the amount of decrease in lithium ions calculated by managing the state of lithium ions.

本実施形態では、正極には二つの活物質を含有させたが、これに限定されない。例えば、3つ以上の活物質を含有させてもよい。   In this embodiment, the positive electrode contains two active materials, but the present invention is not limited to this. For example, three or more active materials may be included.

かかるリチウムイオン電池は、例えば、図5に示すように、複数のリチウムイオン電池がバッテリーケース20内に搭載されてなる電池パックとして構成されて、車両Iに搭載することも可能である。   For example, as shown in FIG. 5, such a lithium ion battery can be configured as a battery pack in which a plurality of lithium ion batteries are mounted in a battery case 20 and can be mounted on a vehicle I.

1 リチウムイオン電池
2 電池ケース
3 電解質液
4 発電要素
5 正極電極端子
6 負極電極端子
7 ケース蓋
11 第3電極
12 スイッチ素子
13 制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lithium ion battery 2 Battery case 3 Electrolyte liquid 4 Electric power generation element 5 Positive electrode terminal 6 Negative electrode terminal 7 Case cover 11 3rd electrode 12 Switch element 13 Control part

Claims (7)

第1活物質及び該第1活物質よりも電極電位が卑である第2活物質を含む正極と、負極と、電解質液と、を備えたリチウムイオン電池の状態管理方法であって、
前記リチウムイオン電池の初期の充・放電状態と判定時の充・放電状態とを比較して前記リチウムイオン電池の劣化原因を判定するにあたり、
該リチウムイオン電池の充・放電時の第1活物質の膨張・収縮開始から膨張・収縮終了までに変化した充・放電容量である、初期の充・放電容量と判定時の充・放電容量とが同等であり、
該リチウムイオン電池の充・放電時の第2活物質の膨張・収縮開始から膨張・収縮終了までに変化した充・放電容量である、判定時の充・放電容量が初期の充・放電容量よりも減少している場合には、前記劣化原因をリチウムイオンの減少と判定し、
充・放電時の電圧が前記第2活物質に対応する電極電位を保持する領域での判定時と初期との充・放電容量との差からリチウムイオンの減少量を算出することを特徴とするリチウムイオン電池の状態管理方法。
A method for managing a state of a lithium ion battery comprising a first active material, a positive electrode including a second active material having a lower electrode potential than the first active material, a negative electrode, and an electrolyte solution,
In determining the cause of deterioration of the lithium ion battery by comparing the initial charge / discharge state of the lithium ion battery and the charge / discharge state at the time of determination,
The charge / discharge capacity changed from the start of expansion / contraction of the first active material to the end of expansion / contraction at the time of charge / discharge of the lithium ion battery, the initial charge / discharge capacity and the charge / discharge capacity at the time of determination Are equivalent,
The charge / discharge capacity changed from the start of expansion / contraction of the second active material to the end of expansion / contraction at the time of charge / discharge of the lithium ion battery. Is also reduced, it is determined that the cause of deterioration is a decrease in lithium ions,
A reduction amount of lithium ions is calculated from a difference between a charge / discharge capacity between a determination time in an area where an electrode potential corresponding to the second active material holds an electrode potential corresponding to the second active material and an initial charge / discharge capacity. A state management method for a lithium ion battery.
リチウムイオンを放出するリチウムイオン補充用電極をさらに備え、
前記劣化原因をリチウムイオンの減少と判定した場合には、
前記リチウムイオン補充用電極と前記正極又は前記負極とを接続して、
該リチウムイオン補充用電極から、前記減少量に相当するリチウムイオンを放出させてリチウムイオン電池にリチウムイオンを補充して電池容量を回復させることを特徴とする請求項1記載のリチウムイオン電池の状態管理方法。
It further comprises an electrode for replenishing lithium ions that releases lithium ions,
When it is determined that the cause of deterioration is a decrease in lithium ions,
Connecting the lithium ion replenishment electrode and the positive electrode or the negative electrode;
The state of the lithium ion battery according to claim 1 , wherein the lithium ion battery is replenished from the lithium ion replenishment electrode to replenish the lithium ion battery with lithium ion to restore the battery capacity. Management method.
前記減少量に対応するリチウムイオンを放出するための電子量を算出し、
該電子量に対応する電流が前記リチウムイオン補充用電極へ前記正極又は前記負極から流入したかどうか検出し、該電子量に対応する電流が流入すれば前記リチウムイオン補充用電極と前記正極又は前記負極との接続を解除することを特徴とする請求項2に記載のリチウムイオン電池の状態管理方法。
Calculate the amount of electrons for releasing lithium ions corresponding to the amount of decrease,
It is detected whether a current corresponding to the amount of electrons flows from the positive electrode or the negative electrode into the lithium ion replenishing electrode. If a current corresponding to the amount of electrons flows, the lithium ion replenishing electrode and the positive electrode or the The state management method for a lithium ion battery according to claim 2, wherein the connection with the negative electrode is released.
前記第1活物質がスピネル型のリチウム含有金属酸化物であり、第2活物質が三元系のリチウム含有金属系酸化物であり、
前記負極の活物質が炭素系活物質であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池の状態管理方法。
The first active material is a spinel type lithium-containing metal oxide, the second active material is a ternary lithium-containing metal oxide,
The state management method for a lithium ion battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the negative electrode active material is a carbon-based active material.
前記第1活物質の膨張・収縮開始から膨張・収縮終了までか、前記第2活物質の膨張・収縮開始から膨張・収縮終了までかは、前記正極及び前記負極の膨張・収縮量で判断し、前記膨張・収縮量を、前記リチウムイオン電池の内部圧力により推定することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池の状態管理方法。   Whether the first active material expands or contracts from the start to the end of expansion or contraction or the second active material starts from the start of expansion or contraction to the end of expansion or contraction is determined by the amount of expansion or contraction of the positive electrode and the negative electrode. The state management method for a lithium ion battery according to claim 1, wherein the expansion / contraction amount is estimated from an internal pressure of the lithium ion battery. 前記第1活物質の膨張・収縮開始から膨張・収縮終了までか、前記第2活物質の膨張・収縮開始から膨張・収縮終了までかは、前記正極及び前記負極の膨張・収縮量で判断し、前記膨張・収縮量を、前記リチウムイオン電池の電池ケースの変形量により推定することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池の状態管理方法。   Whether the first active material expands or contracts from the start to the end of expansion or contraction or the second active material starts from the expansion or contraction to the end of expansion or contraction is determined by the amount of expansion or contraction of the positive electrode and the negative electrode 5. The state management method for a lithium ion battery according to claim 1, wherein the expansion / contraction amount is estimated from a deformation amount of a battery case of the lithium ion battery. 該リチウムイオン電池の充・放電時の第1活物質の膨張・収縮開始から膨張・収縮終了までに変化した充・放電容量である、初期での充・放電容量が、判定時の充・放電容量より多い場合には、
前記リチウムイオンの減少量を算出せず前記リチウムイオン補充用電極と前記正極又は前記負極とは接続しないことを特徴とする請求項〜6のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池の状態管理方法。
The charge / discharge capacity at the initial stage, which is the charge / discharge capacity changed from the start of expansion / contraction of the first active material to the end of expansion / contraction at the time of charge / discharge of the lithium ion battery, is determined at the time of determination. If more than capacity,
The state management of the lithium ion battery according to any one of claims 2 to 6, wherein the lithium ion replenishment electrode and the positive electrode or the negative electrode are not connected without calculating a decrease amount of the lithium ion. Method.
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