JP6362314B2 - 二次電池の充電装置及び充電方法 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池を充電するための装置及び方法に関する。

リチウム（Ｌｉｔｈｉｕｍ）電池は、ニッケル−カドミウム（Ｎｉｃｋｅｌ−Ｃａｄｍｉｕｍ）電池、ニッケル−水素（Ｎｉｃｋｅｌ−Ｈｙｄｒｏｇｅｎ）電池、鉛蓄電池（Ｌｅａｄ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｂａｔｔｅｒｙ）のような他種の二次電池に比べて、軽くてエネルギー密度が非常に高い。これにより、携帯電話、電気自動車で広く使われている。但し、内燃機関と同じレベルの航続距離を有する電気自動車を開発するためには、リチウム電池のエネルギー密度がさらに向上する必要がある。これにより、リチウム電池のエネルギー密度をさらに向上させるための研究が進められている。その研究の一環として、リチウム電池のエネルギー密度を向上させるためのリチウム電池の負極材料が開発されており、最上の負極材料として、リチウムメタルが注目されている。但し、リチウム電池の負極にリチウムメタルを採用する場合に、リチウム電池の負極上に樹枝状のリチウムデンドライト（Ｔｗｉｇ−ｌｉｋｅ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｄｅｎｄｒｉｔｅ）が形成される。このようなリチウムデンドライトは、充放電が反復されるにつれて成長するが、結局、正極に達し、リチウム電池の内部短絡が発生し、その結果、リチウム電池が発火することもある。

米国特許第６２３２７５０号明細書 米国特許第５４８１１７４号明細書 米国特許第４８２９２２５号明細書 特表平７−５０２１４６号公報

本発明が解決しようとする課題は、リチウム電池内のリチウムデンドライトの成長を抑制しながら、リチウム電池を充電できる装置及び方法を提供することである。

前記課題を達成するために、本発明の一側面による二次電池の充電装置は、二次電池の端子間の電圧を検出する電圧検出器、前記二次電池を充電するための電流を生成して、前記二次電池の端子に出力する電流発生器、及び前記電圧検出器によって検出された電圧の値に基づいて、前記電流発生器を制御する制御器を備え、前記二次電池の端子に前記端子間の電流の方向が一定である直流が入力され、前記直流が前記端子に入力される充電区間の間で、間欠的に前記端子間の電流方向が周期的に逆転する。

前記電流発生器は、前記二次電池の端子に前記直流を出力し、前記直流の充電区間の間で、間欠的に前記端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力する。

前記二次電池の端子に電流の大きさが一定である直流である定電流が入力され、前記定電流が前記端子に入力される充電区間の間で、間欠的に前記定電流の大きさと同じ電流ピークの範囲内で、前記端子間の電流方向が周期的に逆転する。

前記電流発生器は、前記二次電池の端子に前記定電流を出力し、前記定電流の充電区間の間で、間欠的に前記定電流の大きさと同じ電流ピークの範囲内で、前記端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力し、前記交流の電圧ピーク値は、前記定電流の充電区間での前記二次電池の端子に入力される定電流の電圧値の増加に比例して増加する。

前記二次電池の端子に電圧の大きさが一定である直流である定電圧が入力され、前記定電圧が前記端子に入力される充電区間の間で、間欠的に前記定電圧の大きさと同じ電圧ピークの範囲内で、前記端子間の電流方向が周期的に逆転する。

前記電流発生器は、前記定電圧を出力し、前記定電圧の充電区間の間で、間欠的に前記定電圧の大きさと同じ電圧ピークの範囲内で、前記端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力し、前記交流の電流ピーク値は、前記定電圧の充電区間での前記二次電池の端子に入力される定電圧の電流値の減少に比例して減少する。

前記交流の周波数は、前記交流の特性と前記交流の周波数との対応関係によって決定される。

前記充電装置は、前記二次電池の温度を検出する温度検出器をさらに備え、前記交流の電流ピーク値、電圧ピーク値、及び周波数のうち少なくとも一つは、前記温度検出器によって検出された温度値によって調整される。

前記二次電池には、負荷が連結されており、前記電流発生器は、前記二次電池の端子に前記直流を出力し、前記充電区間の間で、間欠的に前記直流の出力を中断することによって、前記二次電池から前記負荷に電流を流す。

本発明の一側面による二次電池の充電方法は、二次電池の端子に、前記端子間の電流の方向が一定である直流を出力するステップ、前記直流の出力を中断し、前記二次電池の端子に前記端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力するステップ、及び前記交流の出力を中断し、前記二次電池の端子に、前記端子間の電流の方向が一定である直流を出力するステップを含む。

前記直流を出力するステップは、前記二次電池の端子に電流の大きさが一定である直流である定電流を出力し、前記交流を出力するステップは、前記定電流の出力を中断し、前記定電流の大きさと同じ電流ピークの範囲内で、前記端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力する。

前記交流を出力するステップは、前記定電流を出力するステップでの前記二次電池の端子に入力される定電流の電圧値の増加に比例して増加する電圧ピーク値を有する交流を出力する。

前記直流を出力するステップは、前記二次電池の端子に、電圧の大きさが一定である直流である定電圧を出力し、前記交流を出力するステップは、前記定電圧の出力を中断し、前記定電圧の大きさと同じ電圧ピークの範囲内で、前記端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力する。

前記交流を出力するステップは、前記定電圧を出力するステップでの前記二次電池の端子に入力される定電圧の電流値の減少に比例して減少する電流ピーク値を有する交流を出力する。

本実施形態によれば、リチウム電池の負極上でのリチウムデンドライトの成長を抑制しながら、リチウム電池を充電する。特に、本願の実施形態は、従来の急速充電方式、例えば、ＣＣ−ＣＶ充電方式に適用されるため、リチウム電池の負極上でのリチウムデンドライトの成長を抑制しながら、リチウム電池を急速に充電する。リチウム電池の反復的な充放電過程でリチウムデンドライトが成長するが、このようなリチウムデンドライトの成長によって引き起こされるリチウム電池内部の短絡の発生を除去するか、または遅延させる。その結果、リチウムメタルが負極素材として採用されたリチウム電池の商用化の時期を繰り上げる。さらに、リチウムメタル以外に、黒鉛（Ｇｒａｐｈｉｔｅ）が負極素材として採用されたリチウム電池にも、本願の実施形態を適用する場合に、上述の効果と類似した効果が現れる。

リチウム−空気電池の充放電の原理を示す図面である。 リチウム−空気電池の充放電の原理を示す図面である。 本発明の一実施形態によるリチウム電池の充電装置の構成図である。 従来技術によるリチウム電池の充電電流の波形を示す図面である。 本発明の一実施形態によるリチウム電池の充電電流の波形を示す図面である。 従来技術によるリチウム電池の定電流充電区間での充電電流の波形を示す図面である。 本発明の一実施形態によるリチウム電池の定電流充電区間での充電電流の波形を示す図面である。 従来技術によるリチウム電池の定電圧充電区間での充電電流の波形を示す図面である。 本発明の一実施形態によるリチウム電池の定電圧充電区間での充電電流の波形を示す図面である。 本発明の一実施形態によるリチウム電池の充電方法を示すフローチャートである。 図６に示された充電方法が適用された新たなＣＣ−ＣＶ充電方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。以下では、直流（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）を“ＤＣ”と簡略に称し、交流（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ）を“ＡＣ”と簡略に称する。一般的に、二次電池（Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ Ｂａｔｔｅｒｙ）は、負荷で要求する電力に対応するために、複数の単位セルが直列または並列に連結されたパック（Ｐａｃｋ）状に製造される。以下では、一つの単位セル及び複数のセルが連結されたパックをいずれも包括して、簡略に二次電池と称する。公知の二次電池としては、リチウム（Ｌｉｔｈｉｕｍ）電池、ニッケル−カドミウム（Ｎｉｃｋｅｌ−Ｃａｄｍｉｕｍ）電池、ニッケル−水素（Ｎｉｃｋｅｌ−Ｈｙｄｒｏｇｅｎ）電池、鉛蓄電池（Ｌｅａｄ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｂａｔｔｅｒｙ）がある。以下で、二次電池をリチウム電池に限定して説明するが、本発明の実施形態は、リチウム電池以外に、他の種類の二次電池にも適用される。

図１Ａ及び図１Ｂは、リチウム−空気電池の充放電の原理を示した図面である。代表的なリチウム電池としては、リチウム−イオン（Ｌｉｔｈｉｕｍ−Ｉｏｎ）電池、リチウム−イオンポリマー（Ｌｉｔｈｉｕｍ−Ｉｏｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ）電池、リチウム−空気（Ｌｉｔｈｉｕｍ−ａｉｒ）電池が挙げられる。このようなリチウム電池の大部分は、負極（Ｃａｔｈｏｄｅ）の材料としてリチウムメタルを使用する。例えば、リチウム−空気電池の負極の素材は、リチウムメタルである。

図１Ａ及び図１Ｂを参照すれば、リチウム電池の電解質内のリチウムイオン（Ｌｉ^＋）は、充電中には正極（Ａｎｏｄｅ）から負極（Ｃａｔｈｏｄｅ）に移動し、放電中には、負極から正極に移動する。リチウム電池の充電によって、リチウム電池の負極にリチウムイオンが堆積（Ｄｅｐｏｓｉｔ）される時に、負極の表面に均等に堆積されず、不規則に堆積される。これにより、リチウム電池の負極上に樹枝状のリチウムデンドライト（Ｔｗｉｇ−ｌｉｋｅ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｄｅｎｄｒｉｔｅ）が形成される。このようなリチウムデンドライトは、充放電の反復によって次第に成長するが、結局、正極に達し、リチウム電池の内部短絡が発生し、その結果、リチウム電池が発火することもある。

リチウム電池の電解質内のリチウムイオンの拡散（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）によって、リチウムデンドライトの成長が抑制される。リチウム電池の充電中に、正極から負極に移動するリチウムイオンの方向を逆転（Ｒｅｖｅｒｓｅ）させることによって、負極から正極にリチウムイオンが移動し、再び正極から負極にリチウムイオンが移動するように、リチウムイオンの移動方向を逆転させれば、リチウム電池の電解質内のリチウムイオンの分布は、拡散される。特に、このような動作を短時間内に数回反復することによって、リチウム電池の電解質内のリチウムイオンの分布は、さらに拡散される。以下、このような点に着眼して考案された充電装置を記述する。

図２は、本発明の一実施形態によるリチウム電池２の充電装置１の構成図である。図２を参照すれば、リチウム電池２の充電装置１は、ユーザインタフェース１１、電圧検出器１２、電流検出器１３、温度検出器１４、電流発生器１５、及び制御器１６で構成される。図２に示されたハードウェア要素は、一例に過ぎない。例えば、リチウム電池２の充電装置１は、ユーザインタフェース１１のようなハードウェア要素を含んでいない形態に設計されてもよく、宅内電源から出力される交流を、ハードウェア要素を駆動するための直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータのようなハードウェア要素をさらに含む形態に設計されてもよい。

ユーザインタフェース１１は、制御器１６から出力された信号が表すリチウム電池２の充電情報をユーザに表示するか、またはユーザからリチウム電池２の充電に必要な情報を入力される。電圧検出器１２は、リチウム電池２の端子間の電圧を検出する。電流検出器１３は、リチウム電池２の端子間に流れる電流を検出する。温度検出器１４は、リチウム電池２の温度を検出する。電流発生器１５は、リチウム電池２を充電するための電流を生成して、リチウム電池２の端子に出力する。制御器１６は、電圧検出器１２によって検出された電圧に基づいて、電流発生器１５を制御する。また、制御器１６は、電圧検出器１２によって検出された電圧以外に、電流検出器１３に検出された電流の値、温度検出器１４によって検出された温度の値に基づいて、電流発生器１５を制御する。

図３Ａ及び図３Ｂは、従来技術及び本発明の一実施形態によるリチウム電池２の充電電流の波形を示した図面である。図３Ａに示したように、従来には、リチウム電池２の端子に、この端子間の電流の方向が一定である直流、すなわち、リチウム電池２の負極から正極に一方向に流れる直流が入力されることによって、リチウム電池２の充電が進められる。図３Ｂに示したように、図２に示された充電装置では、リチウム電池２を充電させると同時に、リチウム電池２のリチウムデンドライトの成長を抑制するために、リチウム電池２の端子に、この端子間の電流の方向が一定である直流が入力されることによって、リチウム電池２が充電され、このように、直流が入力される充電区間の間で、間欠的にこの端子間の電流方向が周期的に逆転する。リチウム電池２の端子間の電流方向が周期的に逆転する区間が長い場合に、リチウム電池２の充電が遅れるため、この区間を、直流が入力される充電区間に比べて、非常に短く設計する。

リチウム電池２の負極から正極に電流が流れれば、リチウム電池２は、充電され、リチウム電池２の正極から負極に電流が流れれば、リチウム電池２が放電される。図３Ｂで、リチウム電池２の端子間の電流方向が周期的に逆転する区間では、リチウム電池２が充電される時の電流の流れと、リチウム電池２が放電される時の電流の流れとが周期的に反復される。このような電流の流れは、電流発生器１５が制御器１６の制御によってリチウム電池２の端子に直流を出力し、リチウム電池２の端子に直流が入力される充電区間の間で、間欠的にこの端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力することによって具現される。すなわち、電流発生器１５は、制御器１６の制御によって直流を出力し、この直流による充電区間の間で、間欠的に交流を出力することによって、充電区間の間で、間欠的に端子間の電流方向が周期的に逆転する。電流発生器１５によって生成される交流の波形は、図３Ｂに示したような正弦波（Ｓｉｎｅ Ｗａｖｅ）でもあり、三角波（Ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ Ｗａｖｅ）または矩形波（Ｓｑｕａｒｅ Ｗａｖｅ）でもある。
リチウム電池２の充電は、外部からの電気エネルギーがリチウム電池２に保存される過程である一方、リチウム電池２の放電は、リチウム電池２に保存された電気エネルギーが外部に放出される過程である。したがって、電流発生器１５がリチウム電池２に交流を出力するというのは、電流発生器１５から出力された交流の電流方向によって、リチウム電池２の充電過程及び放電過程を強制的に早く反復させることを意味する。一方、図３Ｂで、リチウム電池２の放電に当たる電流が流れる区間、すなわち、図３Ｂに示された波形で、電流値が０未満である波形を有する区間では、リチウム電池２に保存された電気エネルギーが外部に放出されるため、充電装置１を保護するために、電流発生器１５または他のハードウェア要素で、このように放出されたエネルギーを消耗できる素子が設けられる。このような素子の代表的な例としては、抵抗が挙げられる。

一方、図２に示したように、リチウム電池２には、負荷３が連結されている。負荷３及びリチウム電池２は、常に連結された状態であってよく、ユーザによって選択的に連結されてもよい。前者は、携帯電話、電気自動車のように、リチウム電池２及び充電装置１がある装置に内蔵されたケースに当たり、後者は、充電装置１がある装置から分離して存在するケースに当たる。前述したように、リチウム電池２の端子間の電流方向が周期的に逆転する区間では、リチウム電池２が充電される時の電流の流れと、リチウム電池２が放電される時の電流の流れとが周期的に反復される。ここで、リチウム電池２が放電される時の電流の流れは、リチウム電池２から負荷３に電流を流すことによって具現される。

電流発生器１５は、制御器１６の制御によってリチウム電池２の端子に直流を出力し、直流が出力される充電区間の間で、間欠的に直流の出力を中断することによって、リチウム電池２から負荷３に電流を流す。リチウム電池２から負荷３に流れる電流の量が充分でなければ、電流発生器１５は、制御器１６の制御によってリチウム電池２から放出されねばならない電流の目標量と、リチウム電池２から負荷３に流れる電流の量との差に当たる大きさの電流値を有する交流をリチウム電池２に出力する。リチウム電池２と負荷３とを連結する電力線に、電流検出器を追加的に挿入し、この電流検出器によって検出された電流の値から、リチウム電池２から負荷３に流れる電流の量が十分であるか否かが決定される。

電流発生器１５は、このように直流と交流が混合された波形を有する充電電流を生成するために、ＤＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣコンバータの組み合わせで具現される。制御器１６は、電流発生器１５のＤＣ／ＤＣコンバータを制御することによって、電流発生器１５がリチウム電池２の充電に適した直流を生成させ、電流発生器１５のＤＣ／ＡＣコンバータを制御することによって、リチウム電池の電解質内のリチウムイオンの拡散に適した交流を生成させる。制御器１６は、充電プログラムが保存された少なくとも一つのＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、データを一時的に保存する少なくとも一つのＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭに保存された充電プログラムをＲＡＭのデータ保存機能を利用して実行する少なくとも一つのプロセッサ（Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）で具現される。制御器１６は、電圧検出器１２、電流検出器１３、温度検出器１４から出力された信号がアナログ信号である場合に、このアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータをさらに備える。

これまで発表されたリチウム電池の急速充電方式としては、定電流−定電圧（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）充電方式、ブースト（Ｂｏｏｓｔ）充電方式、定電力−定電圧（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｐｏｗｅｒ−Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）充電方式、多段階定電流−定電圧（Ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）充電方式がある。以下では、このような急速充電方式のうち、最も広く使われる定電流−定電圧充電方式に、前述した充電方式を適用した実施形態を説明する。しかし、前述した充電方式は、定電流−定電圧充電方式以外に、他の急速充電方式にも適用される。定電流−定電圧充電方式は、簡略にＣＣ−ＣＶ充電方式とも称される。

図４Ａ及び図４Ｂは、従来技術及び本発明の一実施形態によるリチウム電池２の定電流充電区間での充電電流の波形を示した図面である。図４Ａに示したように、従来には、リチウム電池２の端子に定電流の大きさＩ_ｃｈの約１０分の１に当たる電流が入力されるプレチャージ（Ｐｒｅｃｈａｒｇｅ）が実行され、プレチャージが完了した後に、リチウム電池２の端子間の電圧が４．２Ｖに達するまで、電流の大きさがＩ_ｃｈで一定した直流である定電流が入力され続ける。プレチャージは、一般的に、リチウム電池２が２．９Ｖ以下に放電された場合に実施される。定電流の大きさＩ_ｃｈは、リチウム電池２の容量によって決定される。

図４Ｂに示したように、図２に示された充電装置では、リチウム電池２を充電させると同時に、リチウム電池２のリチウムデンドライトの成長を抑制するために、リチウム電池２の端子に電流の大きさがＩ_ｃｈで一定した直流である定電流が入力されることによって、リチウム電池２が充電され、このように、定電流が入力される充電区間の間で、間欠的に定電流の大きさと同じ電流ピーク（Ｐｅａｋ）の範囲内で、この端子間の電流方向が周期的に逆転する。このような電流の流れは、電流発生器１５が制御器１６の制御によってリチウム電池２の端子に直流を出力し、リチウム電池２の端子に直流が入力される充電区間の間で、間欠的に定電流の大きさと同じ電流ピークの範囲内で、この端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力することによって具現される。

図５Ａ及び図５Ｂは、従来技術及び本発明の一実施形態によるリチウム電池２の定電圧充電区間での充電電流の波形を示した図面である。図５Ａに示したように、従来には、リチウム電池２の端子間の電圧が４．２Ｖに達すれば、定電流充電は終了し、リチウム電池２の端子に電圧の大きさが４．２Ｖで一定した直流である定電圧が入力される。図４Ａに示したように、定電圧充電区間で、充電電流の大きさは、リチウム電池２の端子間の電圧が上昇するほど減少する。充電電流の電流値が所定の臨界値、例えば、定電流充電区間での定電流Ｉ_ｃｈの約１０分の１まで減少すれば、リチウム電池２の充電は、終了する。

図５Ｂに示したように、図２に示された充電装置では、リチウム電池２を充電させると同時に、リチウム電池２のリチウムデンドライトの成長を抑制するために、リチウム電池２の端子に電圧の大きさが４．２Ｖで一定した直流である定電圧が入力されることによって、リチウム電池２が充電され、このように、定電圧が入力される充電区間の間で、間欠的に定電圧の大きさと同じ電圧ピークの範囲内で、この端子間の電流方向が周期的に逆転する。このような電流の流れは、電流発生器１５が制御器１６の制御によってリチウム電池２の端子に直流を出力し、リチウム電池２の端子に直流が入力される充電区間の間で、間欠的に定電圧の大きさと同じ電圧ピークの範囲内で、この端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力することによって具現される。

前述したように、定電流充電区間で交流の電流の大きさを制限することによって、定電流充電方式で定義された電流の値を外れた過電流（Ｏｖｅｒｃｕｒｒｅｎｔ）をリチウム電池２に入力させない。図５Ａに示したように、定電流充電区間では、定電流の電圧値が次第に増加する。これにより、定電流充電区間で挿入される交流の電圧ピーク値は、定電流充電区間でのリチウム電池２の端子に入力される定電流の電圧値の増加に比例して増加する。これは、制御器１６が電圧検出器１２によって検出された電圧をモニタリングし、このようにモニタリングされた電圧値の変化に基づいて、電流発生器１５が電圧検出器１２によって検出された電圧値の増加に比例して増加する電圧ピーク値を有する交流を生成するように、電流発生器１５を制御することによって具現される。

また、定電圧充電区間で交流の電圧の大きさを制限することによって、定電圧充電方式で定義された電圧の範囲を外れた過電圧（Ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ）をリチウム電池２に入力させない。図４Ａ及び図５Ａを参照すれば、定電圧充電区間（ＣＶ Ｃｈａｒｇｅ）では、定電圧充電区間に対応する電流値が次第に減少する。これにより、定電圧充電区間で挿入される交流の電流ピーク値は、定電圧充電区間でのリチウム電池２の端子に入力される定電圧の電流値の減少に比例して減少する。これは、制御器１６が電流検出器１３によって検出された電流をモニタリングし、このようにモニタリングされた電流値の変化に基づいて、電流発生器１５が電流検出器１３によって検出された電流値の減少に比例して減少する電流ピーク値を有する交流を生成するように、電流発生器１５を制御することによって具現される。

前述したように、図２に示された充電装置では、リチウム電池２を充電させると同時に、リチウム電池２のリチウムデンドライトの成長を抑制するために、電流発生器１５は、制御器１６の制御によってリチウム電池２の端子に直流を出力し、リチウム電池２の端子に直流が入力される充電区間の間で、間欠的にこの端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力する。リチウム電池２の電解質内のリチウムイオンの分布をさらに拡散させるためには、リチウム電池２の充電によって一定に移動するリチウムイオンが、電解質内で不規則に動くように誘導せねばならない。リチウム電池２の電解質内のリチウムイオンが不規則に動くように誘導するためには、交流の強度を大きくするよりは、交流の周波数を高くすることが望ましい。

一方、図２に示された充電装置１では、リチウム電池２に常に同じ特性の交流が入力されるのではなく、リチウム電池２の充電状態によって、それぞれ異なる特性の交流が入力される。このような交流の特性を無視し、交流の周波数を高めることで、リチウム電池２及び充電装置１を損傷させる恐れがある。例えば、高い電流ピーク値または高い電圧ピーク値を有する交流の周波数が高い場合に、リチウム電池２及び充電装置１は、過熱される。これを防止するために、リチウム電池２の端子に入力される交流の周波数は、交流の特性と交流の周波数との対応関係によって決定される。これを実現するために、異なる特性の交流ごとに、実験を通じてリチウム電池２のリチウムデンドライトの成長を抑制するための最適な周波数が決定され、交流の特性と交流の周波数との対応関係を表すデータが作成される。制御器１６は、交流の特性と交流の周波数との対応関係を表すデータを参照して、電圧検出器１２によって検出された電圧値及び電流検出器１３によって検出された電流値から交流の周波数を決定し、電流発生器１５が、このように決定された周波数を有する交流を生成するように、電流発生器１５を制御する。

リチウム電池２が過放電または過充電される場合に、リチウム電池２は、損傷される恐れがある。この場合に、リチウム電池２の温度は、上昇する。リチウム電池２の充電が開始された後で、最初にリチウム電池２の端子に入力される交流は、リチウム電池２の放電を誘発するため、リチウム電池２の過放電が発生する可能性がある。このようなリチウム電池２の過放電または過充電を防止するために、制御器１６は、温度検出器１４によって検出されたリチウム電池２の温度値によって、リチウム電池２の端子に入力される交流の電流ピーク値、電圧ピーク値、及び周波数のうち少なくとも一つを調整し、電流発生器１５が、このように調整された電流ピーク値、電圧ピーク値、及び周波数を有する交流を生成するように、電流発生器１５を制御する。

前述したように、図４Ａ及び図５Ａには、従来のＣＣ−ＣＶ充電方式が示されており、図４Ｂ及び図５Ｂには、リチウム電池２を充電させると同時に、リチウム電池２のリチウムデンドライトの成長を抑制するための新たな充電方式が示されている。図４Ｂ及び図５Ｂに示された充電方式で、リチウム電池２に交流が入力される区間は、リチウム電池２の充電に大きく寄与しない。リチウム電池２のリチウムデンドライトの成長を抑制しながら、リチウム電池２の充電をさらに早く完了するために、図４Ａ及び図５Ａに示された従来のＣＣ−ＣＶ充電方式と、図４Ｂ及び図５Ｂに示された充電方式とは、共に使われる。例えば、制御器１６は、図４Ａ及び図５Ａに示された従来のＣＣ−ＣＶ充電方式によってリチウム電池２が充電されるように、電流発生器１５を制御することによって、リチウム電池２の充電を完了し、リチウム電池２の放電以後に、次のリチウム電池２の充電では、図４Ｂ及び図５Ｂに示された充電方式によってリチウム電池２が充電されるように、電流発生器１５を制御することによって、リチウム電池２の充電を完了する。図４Ａ及び図５Ａに示された従来のＣＣ−ＣＶ充電方式を数回行った以後に、図４Ｂ及び図５Ｂに示された充電方式を行うか否かは、ユーザインタフェース１１を通じて入力されたユーザの指定値、またはリチウム電池２のエージング状態を考慮した実験データに基づいて決定される。

図６は、本発明の一実施形態によるリチウム電池２の充電方法を示すフローチャートである。図６を参照すれば、本実施形態によるリチウム電池２の充電方法は、図２に示された充電装置１で、時系列的に処理されるステップで構成される。したがって、以下省略された内容であるとしても、図２に示された充電装置１について前述した内容は、後述するリチウム電池２の充電方法にも適用される。

６１ステップで、充電装置１は、リチウム電池２の端子間の電圧値に基づいて、リチウム電池２の端子に、この端子間の電流の方向が一定である直流を出力する。前述したように、リチウム電池２の端子に出力される直流の電圧値及び電流値は、リチウム電池２の端子間の電圧値によって決定され、リチウム電池２の端子間の電流値またはリチウム電池２の温度値も、共に考慮して決定される。６２ステップで、充電装置１は、リチウム電池２の端子への直流出力を中断し、リチウム電池２の端子に、この端子間の電流の方向が周期的に逆転する交流を出力する。前述したように、リチウム電池２の端子に出力される交流の電圧ピーク値、電流ピーク値、及び周波数は、予め定義されてもよいが、リチウム電池２の端子間の電圧値、電流値、リチウム電池２の温度値を考慮して決定されてもよい。６３ステップで、充電装置１は、リチウム電池２の端子への交流出力を中断し、リチウム電池２の端子間の電圧値に基づいて、リチウム電池２の端子に、再び直流を出力する。

６４ステップで、充電装置１は、リチウム電池２の端子間の電圧値と、リチウム電池２の端子に入力される充電電流の電流値とに基づいて、リチウム電池２の充電が完了したか否かを決定する。リチウム電池２の充電が完了したら、リチウム電池２の充電を終了し、そうでなければ、６１ステップに戻る。リチウム電池２の電解質内のリチウムイオンの拡散効果は、若干の交流だけでも達成されるため、リチウム電池２の充電遅延の防止のために、６２ステップでの交流充電区間の長さは、６１ステップ及び６３ステップでの直流充電区間の長さに比べて、非常に短く設定される。例えば、６２ステップでの交流充電区間の長さは、６１ステップ及び６３ステップでの直流充電区間の長さの１０分の１に設定される。

一方、６４ステップは、常に６３ステップ以後にだけ行われるものではなく、リチウム電池２の充電中に常に行われる。例えば、リチウム電池２の充電中のいずれかの時点でも、リチウム電池２の電圧が所定の臨界値、例えば、４．２Ｖを超えたと検出されれば、直ぐリチウム電池２の充電が中断される。これは、主にリチウム電池２の内部のセルバランシング（Ｃｅｌｌ Ｂａｌａｎｃｉｎｇ）の問題によって、リチウム電池２の充電が正常に行われない場合に発生する。

図７は、図６に示された充電方法が適用された新たなＣＣ−ＣＶ充電方法を示すフローチャートである。図７を参照すれば、本実施形態による新たなＣＣ−ＣＶ充電方法は、図２に示された充電装置１で、時系列的に処理されるステップで構成される。したがって、以下省略された内容であるとしても、図２に示された充電装置１、及び図６に示された充電方法について前述した内容は、後述する新たなＣＣ−ＣＶ充電方法にも適用される。

７１ステップで、充電装置１は、リチウム電池２に対するプレチャージを行う。７１ステップは、常に行われるものではなく、リチウム電池２の端子間の電圧が２．９Ｖ以上である場合であれば、省略される。７２ステップで、充電装置１は、リチウム電池２の端子間の電圧値に基づいて、リチウム電池２の端子に、電流の大きさがＩ_ｃｈで一定した直流である定電流を出力する。７３ステップで、充電装置１は、リチウム電池２の端子への定電流出力を中断し、リチウム電池２の端子に定電流の大きさと同じ電流ピークの範囲内で、この端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力する。また、充電装置１は、このような電流ピークの範囲内で、７２ステップでのリチウム電池２の端子に入力される定電流の電圧値の増加に比例して増加する、電圧ピーク値を有する交流を出力する。

７４ステップで、充電装置１は、リチウム電池２の端子への交流出力を中断し、リチウム電池２の端子間の電圧値に基づいて、リチウム電池２の端子に再び定電流を出力する。７５ステップで、充電装置１は、リチウム電池２の端子間の電圧値が４．２Ｖに達すれば、７６ステップに進み、そうでなければ、７２ステップに戻る。７２ステップから７４ステップまでは、定電流充電過程に当たり、後述する７６ステップから７８ステップまでは、定電圧充電過程に当たる。

７６ステップで、充電装置１は、リチウム電池２の端子間の電圧値に基づいて、リチウム電池２の端子に、電圧の大きさが４．２Ｖで一定した直流である定電圧を出力する。７７ステップで、充電装置１は、リチウム電池２の端子への定電圧出力を中断し、リチウム電池２の端子に、定電圧の大きさと同じ電圧ピークの範囲内で、この端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力する。また、充電装置１は、このような電圧ピークの範囲内で、７２ステップでのリチウム電池２の端子に入力される定電圧の電流値の減少に比例して減少する、電流ピーク値を有する交流を出力する。

７８ステップで、充電装置１は、リチウム電池２の端子への交流出力を中断し、リチウム電池２の端子間の電圧値に基づいて、リチウム電池２の端子に再び定電圧を出力する。７９ステップで、充電装置１は、リチウム電池２の端子に入力される充電電流の電流値に基づいて、リチウム電池２の充電が完了したか否かを決定する。例えば、７９ステップで、充電装置１は、リチウム電池２の端子に入力される充電電流の電流値が、定電流充電区間での定電流の値Ｉ_ｃｈの約１０分の１まで減少すれば、リチウム電池２の充電が完了したと決定する。リチウム電池２の充電が完了したら、リチウム電池２の充電を終了し、そうでなければ、７６ステップに戻る。

上述のような実施形態によれば、リチウム電池の負極上に、リチウムデンドライトの成長を抑制しながら、リチウム電池を充電する。特に、このような実施形態は、従来の急速充電方式、例えば、ＣＣ−ＣＶ充電方式に適用されるため、リチウム電池の負極上でのリチウムデンドライトの成長を抑制しながら、リチウム電池を急速に充電する。リチウム電池の反復的な充放電過程でリチウムデンドライトが成長するが、このようなリチウムデンドライトの成長によって引き起こされるリチウム電池内部の短絡の発生を除去するか、または遅延させる。その結果、リチウムメタルが負極素材として採用されたリチウム電池の商用化の時期を繰り上げる。さらに、リチウムメタル以外に、黒鉛（Ｇｒａｐｈｉｔｅ）が負極素材として採用されたリチウム電池にも、このような実施形態を適用する場合に、上述の効果と類似した効果が現れる。

以上、本発明について、その望ましい実施形態を中心に説明した。当業者は、本発明が本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲内で変形された形態で具現されるということが分かるであろう。したがって、上述の実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮されねばならない。本発明の範囲は、前述した説明ではなく、特許請求の範囲に現れており、それと同等な範囲内にあるすべての差異点は、本発明に含まれていると解釈されねばならないであろう。

本発明は、電池関連の技術分野に好適に適用可能である。

１ 充電装置
２ リチウム電池
３ 負荷
１１ ユーザインタフェース
１２ 電圧検出器
１３ 電流検出器
１４ 温度検出器
１５ 電流発生器
１６ 制御器

Claims (13)

1. 二次電池の端子間の電圧を検出する電圧検出器と、
   前記二次電池を充電するための電流を生成して、前記二次電池の端子に出力する電流発生器と、
   前記電圧検出器によって検出された電圧値に基づいて、前記電流発生器を制御する制御器と、を備え、
   前記二次電池の端子に前記端子間の電流の方向が一定である直流が入力され、前記直流が前記端子に入力される充電区間の間で、間欠的に前記端子間の電流方向が放電パルス無しに周期的に逆転し、
   前記電流発生器は、前記二次電池の端子に、前記直流を出力し、前記直流の充電区間の間で、間欠的に前記端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力し、前記直流及び前記交流が連続している、充電装置。
2. 前記二次電池の端子に電流の大きさが一定である直流である定電流が入力され、前記定電流が前記端子に入力される充電区間の間で、間欠的に前記定電流の大きさと同じ電流ピークの範囲内で、前記端子間の電流方向が周期的に逆転することを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
3. 前記電流発生器は、前記二次電池の端子に前記定電流を出力し、前記定電流の充電区間の間で、間欠的に前記定電流の大きさと同じ電流ピークの範囲内で、前記端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力し、
   前記交流の電圧ピーク値は、前記定電流の充電区間での前記二次電池の端子に入力される定電流の電圧値の増加に比例して増加することを特徴とする請求項２に記載の充電装置。
4. 前記二次電池の端子に電圧の大きさが一定である直流である定電圧が入力され、前記定電圧が前記端子に入力される充電区間の間で、間欠的に前記定電圧の大きさと同じ電圧ピークの範囲内で、前記端子間の電流方向が周期的に逆転することを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
5. 前記電流発生器は、前記定電圧を出力し、前記定電圧の充電区間の間で、間欠的に前記定電圧の大きさと同じ電圧ピークの範囲内で、前記端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力し、
   前記交流の電流ピーク値は、前記定電圧の充電区間での前記二次電池の端子に入力される定電圧の電流値の減少に比例して減少することを特徴とする請求項４に記載の充電装置。
6. 前記交流の周波数は、前記交流の特性と前記交流の周波数との対応関係によって決定されることを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
7. 前記二次電池の温度を検出する温度検出器をさらに備え、
   前記交流の電流ピーク値、電圧ピーク値、及び周波数のうち少なくとも一つは、前記温度検出器によって検出された温度値で調整されることを特徴とする請求項１、３、５、または６に記載の充電装置。
8. 前記二次電池には、負荷が連結されており、
   前記電流発生器は、前記二次電池の端子に前記直流を出力し、前記充電区間の間で、間欠的に前記直流の出力を中断することによって、前記二次電池から前記負荷に電流を流すことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の充電装置。
9. 二次電池の端子に、前記端子間の電流の方向が一定である直流を出力するステップと、
   前記直流の出力を中断し、前記二次電池の端子に前記端子間の電流方向が放電パルス無しに周期的に逆転する交流を出力するステップと、
   前記交流の出力を中断し、前記二次電池の端子に、前記端子間の電流の方向が一定である直流を出力するステップと、を含み、
   前記直流及び前記交流が連続している、充電方法。
10. 前記直流を出力するステップは、前記二次電池の端子に、電流の大きさが一定である直流である定電流を出力し、
    前記交流を出力するステップは、前記定電流の出力を中断し、前記定電流の大きさと同じ電流ピークの範囲内で、前記端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力することを特徴とする請求項９に記載の充電方法。
11. 前記交流を出力するステップは、前記定電流を出力するステップでの前記二次電池の端子に入力される定電流の電圧値の増加に比例して増加する電圧ピーク値を有する交流を出力することを特徴とする請求項１０に記載の充電方法。
12. 前記直流を出力するステップは、前記二次電池の端子に、電圧の大きさが一定である直流である定電圧を出力し、
    前記交流を出力するステップは、前記定電圧の出力を中断し、前記定電圧の大きさと同じ電圧ピークの範囲内で、前記端子間の電流方向が周期的に逆転する交流を出力することを特徴とする請求項９から１１の何れか１項に記載の充電方法。
13. 前記交流を出力するステップは、前記定電圧を出力するステップでの前記二次電池の端子に入力される定電圧の電流値の減少に比例して減少する電流ピーク値を有する交流を出力することを特徴とする請求項１２に記載の充電方法。

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