JP6571349B2 - Flexible lithium ion storage battery - Google Patents
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Description
本発明の一形態は、可撓性を有するリチウムイオン蓄電池及び電子機器に関する。 One embodiment of the present invention relates to a flexible lithium ion storage battery and an electronic device.
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、照明装置、蓄電池、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of one embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). Therefore, the technical field of one embodiment of the present invention disclosed in this specification more specifically includes a semiconductor device, a display device, a liquid crystal display device, a light-emitting device, a lighting device, a storage battery, a memory device, a driving method thereof, or As an example, their production methods can be mentioned.
近年、リチウムイオン蓄電池等の蓄電池、リチウムイオンキャパシタ、空気電池、燃料電池等、種々の蓄電池の開発が盛んに行われている。特に高出力、高エネルギー密度であるリチウムイオン蓄電池は、携帯電話やスマートフォン、ノート型パーソナルコンピュータ等の携帯情報端末、携帯音楽プレーヤ、デジタルカメラ等の電子機器、あるいは医療機器、ハイブリッド車(HEV)、電気自動車(EV)、又はプラグインハイブリッド車(PHEV)等の次世代クリーンエネルギー自動車、定置用蓄電池など、半導体産業の発展および省エネルギー化の要求の高まりに伴い急速にその需要が拡大し、現代社会に不可欠なものとなっている。さらに近年、フレキシブルデバイス或いはウエアラブルデバイスに対する期待が高まっており、デバイスの変形に追従して変形することができる可撓性を有するリチウムイオン蓄電池、すなわち、可撓性を有する蓄電池の開発が急務であり、一部開始されている(特許文献1)。 In recent years, various types of storage batteries such as storage batteries such as lithium ion storage batteries, lithium ion capacitors, air batteries, and fuel cells have been actively developed. Lithium-ion batteries that have a particularly high output and high energy density are portable information terminals such as mobile phones, smartphones and notebook personal computers, portable music players, electronic devices such as digital cameras, medical devices, hybrid vehicles (HEV), The demand for electric vehicles (EV), next-generation clean energy vehicles such as plug-in hybrid vehicles (PHEV), stationary storage batteries, etc. is rapidly expanding with the development of the semiconductor industry and the growing demand for energy savings. It has become indispensable to. In recent years, expectations for flexible devices or wearable devices have increased, and there is an urgent need to develop a flexible lithium ion storage battery that can be deformed following the deformation of the device, that is, a flexible storage battery. Some have been started (Patent Document 1).
リチウムイオン蓄電池は、正極と、負極と、セパレータと、電解液と、これらを覆う外装体と、を有する。一般的に、リチウムイオン蓄電池では、アルミニウム等の金属からなる正極集電体の両面にリチウムイオンを吸蔵・放出する正極活物質を含む正極合剤を塗布した正極と、銅等からなる負極集電体の両面にリチウムイオンを吸蔵放出する負極活物質を含む負極合剤を塗布した負極が用いられる。また、これら正極と負極の間にセパレータが挟まれることで絶縁され、正極及び負極は、外装体に設けられた正極端子及び負極端子と電気的に接続されている。外装体は、円筒形や多角形等の一定の形状を有する。 The lithium ion storage battery includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, an electrolytic solution, and an outer package that covers these. Generally, in a lithium ion storage battery, a positive electrode in which a positive electrode mixture containing a positive electrode active material that absorbs and releases lithium ions is applied to both surfaces of a positive electrode current collector made of a metal such as aluminum, and a negative electrode current collector made of copper or the like. The negative electrode which apply | coated the negative mix containing the negative electrode active material which occludes / releases lithium ion on both surfaces of the body is used. Further, the separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode to be insulated, and the positive electrode and the negative electrode are electrically connected to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal provided on the exterior body. The exterior body has a certain shape such as a cylindrical shape or a polygonal shape.
可撓性を有するリチウムイオン蓄電池が積層型のリチウムイオン蓄電池である場合、変形に伴い蓄電池にかかる応力は、積層された構造物の各部で異なる。例えば、積層型のリチウムイオン蓄電池をある軸を巻きつけるように変形させると、蓄電池内部の積層された構造物は、軸に近い部分においては圧縮応力が加わり、軸から遠い部分においては引っ張り応力が加わる。 When the flexible lithium ion storage battery is a stacked lithium ion storage battery, the stress applied to the storage battery due to the deformation is different in each part of the stacked structure. For example, when a stacked lithium ion storage battery is deformed so as to wind a certain shaft, the stacked structure inside the storage battery is subjected to compressive stress in the portion close to the shaft and tensile stress in the portion far from the shaft. Join.
このように蓄電池内部の構造物が一体化されていると、蓄電池の変形に伴い各部に生じる応力が緩和する余地がなく、蓄電池の変形を繰り返すとやがて内部の積層構造物に疲労(ダメージ)が蓄積され、破壊に至る場合がある。 If the internal structure of the storage battery is integrated in this way, there is no room to relieve stress generated in each part due to the deformation of the storage battery, and fatigue (damage) will eventually occur in the internal laminated structure when the deformation of the storage battery is repeated. It can accumulate and lead to destruction.
また、内部の積層構造物だけでなく、蓄電池の変形の回数が増すごとに、電池の各部材や電解液を保持する外装体に疲労(ダメージ)が蓄積される。また、内部の構造物の変形の様子と外装体の変形の様子は異なるため、例えば外装体が許容できる内部構造物の変形の程度を超えて、内部構造物に変形応力がかかる場合がある。この場合、内部の構造物が外装体に対して直接的に応力をかけ、外装体に疲労(ダメージ)が蓄積される。疲労(ダメージ)の蓄積が進むと、やがて外装体または封止構造が破壊され、蓄電池内部に空気が入り込むという問題が発生する場合がある。 Further, as the number of deformations of the storage battery increases as well as the internal laminated structure, fatigue (damage) is accumulated in the battery members and the exterior body that holds the electrolytic solution. Further, since the state of deformation of the internal structure is different from the state of deformation of the exterior body, for example, the internal structure may be subjected to deformation stress exceeding the degree of deformation of the internal structure that the exterior body can tolerate. In this case, the internal structure applies stress directly to the exterior body, and fatigue (damage) is accumulated in the exterior body. As the accumulation of fatigue (damage) proceeds, the exterior body or the sealing structure may eventually be destroyed, and air may enter the storage battery.
リチウムイオン蓄電池が破損し内部に空気が入り込むと、蓄電池の内部の部材が空気中の水分とする場合や熱を発して発火する場合があり、さらに爆発といった重大事故につながることもある。 When a lithium ion storage battery is damaged and air enters the inside, the internal member of the storage battery may become moisture in the air or may generate heat and ignite, and may lead to a serious accident such as an explosion.
上記に鑑み、本発明の一態様は、可撓性を有する蓄電池において、変形に伴う外装体の破損が抑制された蓄電池を提供することを課題の一つとする。または、変形に伴う内部構造物の破損が抑制された蓄電池を提供することを課題の一つとする。または、内部構造物の変形を許容できる外装体を有する蓄電池を提供することを課題の一つとする。または、可撓性を有する蓄電池における安全性の確保を実現することを課題の一つとする。 In view of the above, an object of one embodiment of the present invention is to provide a storage battery in which damage to an exterior body due to deformation is suppressed in a flexible storage battery. Another object is to provide a storage battery in which damage to internal structures due to deformation is suppressed. Another object is to provide a storage battery including an exterior body that can allow deformation of an internal structure. Another object is to achieve safety in a flexible storage battery.
また、本発明の一態様は、可撓性を有する安全性の高いリチウムイオン蓄電池または電子機器を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、新規のリチウムイオン蓄電池、または、新規な電子機器などを提供することを課題の一つとする。 Another object of one embodiment of the present invention is to provide a highly safe lithium ion storage battery or electronic device having flexibility. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a novel lithium ion storage battery, a novel electronic device, or the like.
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that the description of these problems does not disturb the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and other issues can be extracted from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.
本発明の一態様は、内部構造物と、外装体と、を有し、内部構造物は、第1の積層体と、第2の積層体と、を少なくとも有し、第1の積層体は、第1の集電体を有し、第2の積層体は、第2の集電体を有し、第1の集電体の表面は、電極活物質が形成されていない第1の領域を有し、第2の集電体の表面は、電極活物質が形成されていない第2の領域を有し、外装体は、内部構造物を包み、第1の領域の少なくとも一部は、第2の領域の少なくとも一部と接している、可撓性を有するリチウムイオン蓄電池である。 One embodiment of the present invention includes an internal structure and an exterior body, and the internal structure includes at least a first stacked body and a second stacked body, and the first stacked body includes The first current collector, the second stacked body has the second current collector, and the surface of the first current collector is a first region where no electrode active material is formed. The surface of the second current collector has a second region in which no electrode active material is formed, the exterior body wraps the internal structure, and at least a part of the first region is A flexible lithium ion storage battery in contact with at least a part of the second region.
また、本発明の他の一態様は、内部構造物と、外装体と、を有し、内部構造物は、第1の積層体と、第2の積層体と、を少なくとも有し、第1の積層体は、第1の集電体を有し、第2の積層体は、第2の集電体を有し、第1の集電体の表面は、電極活物質が形成されていない第1の領域を有し、第2の集電体の表面は、電極活物質が形成されていない第2の領域を有し、外装体は、内部構造物と、空隙とを包み、第1の領域の少なくとも一部は、第2の領域の少なくとも一部と接しており、第1の積層体と第2の積層体とは、互いに摺動することができ、摺動により、内部構造物は、空隙の少なくとも一部の領域を占めることができる、可撓性を有するリチウムイオン蓄電池である。 Another embodiment of the present invention includes an internal structure and an exterior body, and the internal structure includes at least a first stacked body and a second stacked body. The laminated body has a first current collector, the second laminated body has a second current collector, and no electrode active material is formed on the surface of the first current collector. The first current region has a second region on which the surface of the second current collector is not formed with an electrode active material, the outer package encloses the internal structure and the void, At least a part of the region is in contact with at least a part of the second region, and the first laminate and the second laminate can slide with each other. Is a flexible lithium ion storage battery that can occupy at least part of the void.
また、本発明の一態様は、内部構造物と、外装体と、を有し、内部構造物は、第1の積層体と、第2の積層体と、を少なくとも有し、第1の積層体は、第1の集電体を有し、第2の積層体は、第2の集電体を有し、第1の集電体の表面は、電極活物質が形成されていない第1の領域を有し、第2の集電体の表面は、電極活物質が形成されていない第2の領域を有し、外装体は、内部構造物と、空隙とを包み、第1の領域の少なくとも一部は、第2の領域の少なくとも一部と接しており、摺動により、内部構造物は、空隙の少なくとも一部の領域を占めることができ、内部構造物は、第1の軸を中心として変形することができ、空隙は、第1の軸に垂直な面における断面形状の外縁の長さAが、式(1)を満たす、可撓性を有するリチウムイオン蓄電池である。 Another embodiment of the present invention includes an internal structure and an exterior body, and the internal structure includes at least a first stacked body and a second stacked body, and includes the first stacked body. The body has a first current collector, the second stacked body has a second current collector, and the surface of the first current collector has no electrode active material formed thereon. The surface of the second current collector has a second region in which no electrode active material is formed, and the exterior body wraps the internal structure and the void, and the first region At least a portion of which is in contact with at least a portion of the second region, and by sliding, the internal structure can occupy at least a portion of the space, and the internal structure has the first axis. The gap is a flexible lithium ion in which the length A of the outer edge of the cross-sectional shape in a plane perpendicular to the first axis satisfies the formula (1). It is a storage battery.
ただし、式(1)において、Lは、内部構造物の該面における断面形状の長さを表し、Tは、内部構造物の該面における断面形状の厚さを表し、r2は、内部構造物の第1の軸から最も遠い面から第1の軸までの距離を表す。 However, in formula (1), L represents the length of the cross-sectional shape of said surface of the internals, T is, represents the thickness of the cross-sectional shape of said surface of the internals, r 2 is the internal structure It represents the distance from the surface farthest from the first axis of the object to the first axis.
なお、本発明の一態様において、さらに、電解液を有する可撓性を有するリチウムイオン蓄電池としてもよい。また、本発明の一態様において、さらに、電解液を有し、空隙は、電解液が占めることができる、可撓性を有するリチウムイオン蓄電池としてもよい。また、本発明の一態様において、第1の集電体は正極集電体であり、第2の集電体は正極集電体である、可撓性を有するリチウムイオン蓄電池としてもよい。また、本発明の一態様において、第1の集電体は負極集電体であり、第2の集電体は負極集電体である、可撓性を有するリチウムイオン蓄電池としてもよい。 Note that in one embodiment of the present invention, a flexible lithium ion storage battery including an electrolytic solution may be used. Further, in one embodiment of the present invention, a flexible lithium ion storage battery that has an electrolytic solution and can be occupied by the electrolytic solution may be used. In one embodiment of the present invention, the first current collector may be a positive electrode current collector, and the second current collector may be a positive electrode current collector, and may be a flexible lithium ion storage battery. In one embodiment of the present invention, the first current collector may be a negative electrode current collector, and the second current collector may be a negative electrode current collector, and may be a flexible lithium ion storage battery.
また、本発明の一態様に係る可撓性を有するリチウムイオン蓄電池と、ディスプレイと、操作ボタンと、を有する電子機器としてもよい。 Further, the electronic device may include a flexible lithium ion storage battery according to one embodiment of the present invention, a display, and an operation button.
本発明の一態様は、可撓性を有する蓄電池において、変形に伴う外装体の破損が抑制された蓄電池を提供することができる。または、変形に伴う内部構造物の破損が抑制された蓄電池を提供することができる。または、内部構造物の変形を許容できる外装体を有する蓄電池を提供することができる。または、可撓性を有する蓄電池における安全性の確保を実現することができる。 One embodiment of the present invention can provide a storage battery in which damage to an exterior body due to deformation is suppressed in a flexible storage battery. Or the storage battery by which the damage of the internal structure accompanying a deformation | transformation was suppressed can be provided. Or the storage battery which has an exterior body which can accept | permit a deformation | transformation of an internal structure can be provided. Alternatively, it is possible to ensure safety in a flexible storage battery.
また、本発明の一態様は、可撓性を有する安全性の高いリチウムイオン蓄電池または電子機器を提供することができる。または、本発明の一態様は、新規のリチウムイオン蓄電池、または、新規な電子機器などを提供することができる。 One embodiment of the present invention can provide a highly safe lithium ion storage battery or an electronic device having flexibility. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a novel lithium ion storage battery, a novel electronic device, or the like can be provided.
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that the description of these problems does not disturb the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and other issues can be extracted from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed. In addition, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments below.
なお、本明細書で説明する各図において、正極、負極、活物質層、セパレータ、外装体などの大きさや厚さ等の各構成要素の大きさは、個々に説明の明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしも各構成要素はその大きさに限定されず、また各構成要素間での相対的な大きさに限定されない。 Note that in each drawing described in this specification, the size of each component such as the size and thickness of the positive electrode, the negative electrode, the active material layer, the separator, and the outer package is exaggerated for clarity of description. May have been. Therefore, each component is not necessarily limited to the size, and is not limited to the relative size between the components.
また、本明細書等において、第1、第2、第3などとして付される序数詞は、便宜上用いるものであって工程の順番や上下の位置関係などを示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」又は「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。 In this specification and the like, the ordinal numbers attached as the first, second, third, etc. are used for the sake of convenience and do not indicate the order of steps or the positional relationship between the upper and lower sides. Therefore, for example, the description can be made by appropriately replacing “first” with “second” or “third”. In addition, the ordinal numbers described in this specification and the like may not match the ordinal numbers used to specify one embodiment of the present invention.
また、本明細書等で説明する本発明の構成において、同一部分又は同様の機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を有する部分を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。 In the structures of the present invention described in this specification and the like, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated. In addition, when referring to a portion having a similar function, the hatch pattern may be the same, and there may be no particular reference.
また、本明細書において可撓性とは、物体が柔軟であり、曲がることが可能である性質を指す。物体にかかる外力に応じて物体が変形することができる性質であり、弾性や変形前の形状への復元性の有無を問題にはしない。可撓性を有する蓄電池は、外力に応じて変形することができる。可撓性を有する蓄電池は、変形した状態で固定して使用することもでき、繰り返し変形させて使用してもよく、変形していない状態で使用することもできる。また、本明細書等において、外装体の内部とは、リチウムイオン蓄電池において外装体で囲われた領域を指し、正極、負極、活物質層、セパレータ等の構造物、及び、電解液等が存在する領域である。 In this specification, the term “flexibility” refers to the property that an object is soft and can be bent. The property is that the object can be deformed according to the external force applied to the object, and it does not matter whether there is elasticity or the ability to restore the shape before deformation. A flexible storage battery can be deformed according to an external force. The storage battery having flexibility can be used by being fixed in a deformed state, can be used after being repeatedly deformed, or can be used in an undeformed state. In this specification and the like, the inside of the outer package refers to a region surrounded by the outer package in the lithium ion storage battery, and there are structures such as a positive electrode, a negative electrode, an active material layer, and a separator, and an electrolytic solution. It is an area to do.
また、この発明を実施するための形態に記載の内容は、適宜組み合わせて用いることができる。 In addition, the contents described in the embodiments for carrying out the present invention can be used in appropriate combination.
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様に係るリチウムイオン蓄電池110と、その作製方法について説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a lithium ion storage battery 110 according to one embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described.
図1は、本発明の一態様に係るリチウムイオン蓄電池110を示した図である。リチウムイオン蓄電池110は、外装体116に包まれた内部構造物117を有している。内部構造物117は、電極とセパレータとを有しており、電極はリード電極115と電気的に接続されている。 FIG. 1 illustrates a lithium ion storage battery 110 according to one embodiment of the present invention. The lithium ion storage battery 110 has an internal structure 117 wrapped in an exterior body 116. The internal structure 117 includes an electrode and a separator, and the electrode is electrically connected to the lead electrode 115.
図2は、本発明の一態様に係るリチウムイオン蓄電池110を、図1のA1−A2で切断した際の断面図と、その拡大図である。本実施の形態において説明するリチウムイオン蓄電池110は、図2に示す通り、電解液107と、内部構造物117として、第1の積層体100a、第2の積層体100b、第3の積層体100c、第4の積層体100d、を有する。なお、本実施の形態において説明するリチウムイオン蓄電池110が有する積層体の数は主に4であるが、これに限定されない。各積層体は負極集電体101、負極活物質層102、セパレータ103、正極活物質層104、正極集電体105を有する。 2 is a cross-sectional view of the lithium ion storage battery 110 according to one embodiment of the present invention cut along A1-A2 in FIG. 1 and an enlarged view thereof. As shown in FIG. 2, the lithium ion storage battery 110 described in the present embodiment includes a first stacked body 100 a, a second stacked body 100 b, and a third stacked body 100 c as the electrolytic solution 107 and the internal structure 117. , A fourth stacked body 100d. In addition, although the number of the laminated bodies which the lithium ion storage battery 110 demonstrated in this Embodiment has is mainly 4, it is not limited to this. Each stacked body includes a negative electrode current collector 101, a negative electrode active material layer 102, a separator 103, a positive electrode active material layer 104, and a positive electrode current collector 105.
また、本実施の形態において説明するリチウムイオン蓄電池110において、図2の拡大図に示す通り、第1の積層体100a乃至第4の積層体100dは、それぞれ同様の積層構造ではあるが、各積層体は、構成する層の積層順が互い違いに逆の関係となっている。ただし、各積層体は互いに同一の積層構造であることには限定されない。 Further, in the lithium ion storage battery 110 described in this embodiment, the first stacked body 100a to the fourth stacked body 100d have the same stacked structure as shown in the enlarged view of FIG. In the body, the stacking order of the constituent layers is alternately reversed. However, each laminated body is not limited to having the same laminated structure.
本実施の形態において説明するリチウムイオン蓄電池110においては、第1の積層体100aの正極集電体の活物質が形成されていない面と、第2の積層体100bの正極集電体の活物質が形成されていない面とが接しており、第2の積層体100bの負極集電体の活物質が形成されていない面と、第3の積層体100cの負極集電体の活物質が形成されていない面とが接しており、第3の積層体100cの負極集電体の活物質が形成されていない面と、第4の積層体100dの負極集電体の活物質が形成されていない面とが接している。ただし、本発明の一態様に係るリチウムイオン蓄電池110において、すべての積層体が、互いの集電体同士で接していることには限定されない。 In the lithium ion storage battery 110 described in the present embodiment, the surface of the first stacked body 100a where the active material of the positive electrode current collector is not formed and the active material of the positive electrode current collector of the second stacked body 100b. The surface on which the negative electrode current collector of the second stacked body 100b is not formed and the active material of the negative electrode current collector of the third stacked body 100c are formed. The surface where the active material of the negative electrode current collector of the third stacked body 100c is not formed and the active material of the negative electrode current collector of the fourth stacked body 100d are formed. There is no contact with the surface. However, in the lithium ion storage battery 110 according to one embodiment of the present invention, all the stacked bodies are not limited to being in contact with each other's current collectors.
各集電体は、後述の通り金属材料から構成される薄膜状の部材であるため、表面は極めて平坦でかつ摩擦係数が小さい。ただし、表面に活物質層が形成された面においては、一般的には、活物質が形成されていない集電体の表面はより大きな凹凸を有する形状となり、摩擦係数が大きくなり、さらに活物質層を形成する材料の構成によっては、表面に接する構造物に対して、接着性を発現する場合もある。 Since each current collector is a thin-film member made of a metal material as will be described later, the surface is extremely flat and the friction coefficient is small. However, on the surface where the active material layer is formed on the surface, generally, the surface of the current collector on which the active material is not formed has a shape with larger irregularities, the friction coefficient is increased, and the active material is further increased. Depending on the composition of the material forming the layer, adhesion to the structure in contact with the surface may be exhibited.
すなわち、各積層体内部においては、集電体及びセパレータが活物質層を介して積層している構造であるため、各層間の摩擦が大きく、積層体を構成する構造体すべてが一体として扱われることができ、外部から一定以上の大きさの力が加えられない限り、各層が互いに分離することはない。一方、各積層体は集電体表面同士が接触しており、各集電体の表面は摩擦係数が小さいため、各積層体は外部からの力に応じて容易に互いに摺動することができる。 That is, since the current collector and the separator are laminated through the active material layer inside each laminated body, the friction between each layer is large, and all the structural bodies constituting the laminated body are handled as one body. The layers are not separated from each other unless a certain amount of force is applied from the outside. On the other hand, the current collector surfaces of each laminate are in contact with each other, and the surface of each current collector has a small coefficient of friction, so that each laminate can easily slide on each other in response to external force. .
本発明の一態様に係る可撓性を有する積層型のリチウムイオン蓄電池110において、リチウムイオン蓄電池110が変形すると外装体及び内部の構造物も変形し、該変形に起因する応力がかかる。ここで、積層型リチウムイオン蓄電池の内部構造の変形前後の様子を、図3を用いて説明する。 In the flexible stacked lithium ion storage battery 110 according to one embodiment of the present invention, when the lithium ion storage battery 110 is deformed, the exterior body and the internal structure are also deformed, and stress due to the deformation is applied. Here, the state before and after the deformation of the internal structure of the stacked lithium ion storage battery will be described with reference to FIG.
図3(A)に、変形前の積層型のリチウムイオン蓄電池110の内部構造物の断面図を示す。図3(B)及び図3(C)に、変形した状態における積層型のリチウムイオン蓄電池110の内部構造物の断面図を示す。図3(D)は、図3(B)の一部を拡大した図であり、図3(E)は、図3(C)の一部を拡大した図である。なお、図3において100a乃至100dは、各積層体を示している。図3においては積層体の数は4であるが、積層体の数はこれに限定されない。 FIG. 3A shows a cross-sectional view of the internal structure of the stacked lithium ion storage battery 110 before deformation. FIGS. 3B and 3C are cross-sectional views of the internal structure of the stacked lithium ion storage battery 110 in a deformed state. 3D is an enlarged view of part of FIG. 3B, and FIG. 3E is an enlarged view of part of FIG. 3C. In addition, in FIG. 3, 100a thru | or 100d has shown each laminated body. In FIG. 3, the number of stacked bodies is 4, but the number of stacked bodies is not limited to this.
まず、図3(B)は、各積層体間の摩擦が大きく、リチウムイオン蓄電池110が変形しても各積層体間で摺動が生じず、一体として変形する場合を示す図である。また、図3(D)は、図3(B)の一部を拡大した図である。各積層体間の摩擦が大きく、変形による各積層体間の摺動が生じない場合を表している。変形に起因して、一部の積層体には引っ張り応力が生じる一方で、別の一部の積層体には圧縮応力が生じるため、各積層体には様子の異なる応力がかかるが、これを解消することができない。 First, FIG. 3B is a diagram showing a case where the friction between the stacked bodies is large, and even if the lithium ion storage battery 110 is deformed, the stacked bodies are not slid and deformed as a whole. FIG. 3D is an enlarged view of part of FIG. The friction between each laminated body is large, and the case where the sliding between each laminated body by a deformation | transformation does not arise is represented. Due to the deformation, tensile stress is generated in some laminates, while compressive stress is generated in other laminates, and each laminate is subjected to different stresses. It cannot be resolved.
変形の大きさが限度を超えると、各積層体にかかる応力の差が大きくなりすぎ、各積層体間に不可逆的な剥離が生じる。または、各積層体を構成する各層にかかる応力も大きくなりすぎるため、各層に亀裂や破断といった損傷(ダメージ)を生じる。変形の大きさが限度を超えない場合であっても、変形を数多く繰り返すと、やはり応力によるダメージの蓄積により、このような問題が生じる。いずれにせよ、リチウムイオン蓄電池110の機能にとって重大な問題となり、それ以上の使用に耐えない状態となる。 When the magnitude of deformation exceeds the limit, the difference in stress applied to each laminate becomes too large, and irreversible peeling occurs between the laminates. Or since the stress concerning each layer which comprises each laminated body also becomes large too much, damages (damage), such as a crack and a fracture | rupture, are produced in each layer. Even when the size of the deformation does not exceed the limit, if the deformation is repeated many times, such a problem occurs due to accumulation of damage due to stress. In any case, it becomes a serious problem for the function of the lithium ion storage battery 110, and it will be unable to endure further use.
一方、図3(C)は、例えば、各積層体間は集電体の活物質が形成されていない面同士で接しているなどの理由により、各積層体間の摩擦が小さい場合を示す図である。また、図3(E)は、図3(C)の一部を拡大した図である。各積層体間の摩擦が小さい場合、リチウムイオン蓄電池110の変形に応じて各積層体にかかる応力は、各積層体間が摺動することにより緩和される。 On the other hand, FIG. 3C is a diagram showing a case where the friction between the stacked bodies is small, for example, because the stacked bodies are in contact with each other on the surface where the active material of the current collector is not formed. It is. FIG. 3E is an enlarged view of part of FIG. When the friction between the stacked bodies is small, the stress applied to the stacked bodies according to the deformation of the lithium ion storage battery 110 is alleviated by sliding between the stacked bodies.
そのため、リチウムイオン蓄電池110が大きく変形しても、生じる応力は摺動により緩和されるため、各積層体間に剥離は生じにくい。または、各積層体を構成する各層にかかる応力も緩和されるため、各層に与えられる損傷(ダメージ)が小さくなり亀裂や破断も生じにくくなる。さらに、変形を数多く繰り返す場合においても、応力が緩和されやすい構造であるため、ダメージの蓄積も少ない。 Therefore, even if the lithium ion storage battery 110 is largely deformed, the generated stress is relieved by sliding, so that separation between the stacked bodies is difficult to occur. Alternatively, since stress applied to each layer constituting each laminate is also reduced, damage (damage) given to each layer is reduced, and cracks and breaks are less likely to occur. Further, even when many deformations are repeated, the structure is such that the stress is easily relaxed, and therefore, the accumulation of damage is small.
本発明の一態様に係るリチウムイオン蓄電池は、各積層体間の摩擦が小さく、蓄電池の変形に応じて各積層体が互いに摺動できるため、変形に伴う外装体の破損が抑制された蓄電池となる。または、変形に伴う内部構造物の破損が抑制された蓄電池となる。したがって、可撓性を有する蓄電池における安全性の確保を実現することができる。 The lithium ion storage battery according to one embodiment of the present invention has a low friction between the stacked bodies, and the stacked bodies can slide with each other according to the deformation of the storage battery. Become. Or it becomes the storage battery by which the damage of the internal structure accompanying a deformation | transformation was suppressed. Therefore, it is possible to secure safety in the flexible storage battery.
ところで、本発明の一態様に係るリチウムイオン蓄電池においては、各積層体を互いに摺動ができ変形による損傷が抑制されるが、際限なく大きく変形させることができるわけではない。蓄電池の変形の大きさを増していくと、別の問題が発生するからである。 By the way, in the lithium ion storage battery which concerns on 1 aspect of this invention, although each laminated body can mutually be slid and the damage by deformation | transformation is suppressed, it cannot necessarily be deform | transformed large indefinitely. This is because if the size of deformation of the storage battery is increased, another problem occurs.
該問題について図4及び図5を用いて説明する。図4(A)は、本発明の一態様に係るリチウムイオン蓄電池110を示しており、図4(B)は、図4(A)の破線B1−B2における断面構造を示している。本発明の一態様に係るリチウムイオン蓄電池においては、各積層体は互いに摺動することができるが、該蓄電池は外部に電力を供給するためのリード電極115を有し、リード電極115は複数の集電体に接続されているため、各積層体はリード電極115が存在する側の端部において、互いに固定されていることが望ましい。端部が固定されていない場合、該蓄電池が変形した際に各積層体に異なる量の摺動を生じるため、各積層体が有する集電体が接続されたリード電極115に摺動の大きさの差に起因する応力が生じるためである。 This problem will be described with reference to FIGS. 4A illustrates a lithium ion storage battery 110 according to one embodiment of the present invention, and FIG. 4B illustrates a cross-sectional structure taken along dashed line B1-B2 in FIG. In the lithium ion storage battery according to one embodiment of the present invention, the stacked bodies can slide with each other, but the storage battery includes a lead electrode 115 for supplying power to the outside, and the lead electrode 115 includes a plurality of lead electrodes 115. Since the stacked bodies are connected to the current collector, it is desirable that the stacked bodies are fixed to each other at the end portion on the side where the lead electrode 115 exists. If the end portion is not fixed, each of the stacked bodies slides differently when the storage battery is deformed. Therefore, the sliding size of the lead electrode 115 to which the current collector of each stacked body is connected is large. This is because stress due to the difference occurs.
各積層体を一端で互いに固定したリチウムイオン蓄電池110の変形に伴う断面形状の変化の様子を図5に示す。まず、図5(A)は変形前のリチウムイオン蓄電池の断面構造を示す図である。本図において、積層体の数は4であるが、本発明の一態様に係るリチウムイオン蓄電池において、積層体の数は4には限定されない。なお、図5(A)に示す通り、外装体は内部の積層体すべてを包むのに足る大きさよりも大きくしておくことができる。このようにして蓄電池内部に空隙118(実際には、電解液により占められる領域)を設けることにより、外装体と積層体とが互いに摺動できる余地が発生し、外装体及び積層体に予期せぬ損傷が生じることを防止することができる。 FIG. 5 shows a change in the cross-sectional shape accompanying deformation of the lithium ion storage battery 110 in which the stacked bodies are fixed to each other at one end. First, FIG. 5A is a diagram showing a cross-sectional structure of a lithium ion storage battery before deformation. In this figure, the number of stacked bodies is 4, but in the lithium ion storage battery according to one embodiment of the present invention, the number of stacked bodies is not limited to 4. In addition, as shown to FIG. 5 (A), an exterior body can be made larger than the magnitude | size sufficient to wrap all the laminated bodies inside. By providing the gap 118 (in reality, the region occupied by the electrolytic solution) inside the storage battery in this way, there is room for the exterior body and the laminate to slide with each other. It is possible to prevent damage from occurring.
図5(B)に、変形したリチウムイオン蓄電池110の断面構造を示す。リード電極115を有する側において、各積層体は互いに固定されている一方、その他の部分において、各積層体は互いに摺動するため、図5(B)に示す断面構造となる。ここで、図5(B)から理解される通り、リチウムイオン蓄電池の変形の度合が増すと、その断面形状の変化により蓄電池内部の空隙(電解液により占められる領域)118が小さくなる。さらに該蓄電池が、図5(B)に示すよりも大きく変形しようとする場合、該空隙が使い尽くされ外装体との間に干渉を生じ、やがて積層体が外装体に応力を与え外装体もしくは積層体に損傷が生じる場合がある。そのため、蓄電池に想定される変形の大きさに応じた空隙118を蓄電池内部に設けることが望ましい。 FIG. 5B shows a cross-sectional structure of the deformed lithium ion storage battery 110. While the stacked bodies are fixed to each other on the side having the lead electrode 115, the stacked bodies slide to each other in other portions, so that the cross-sectional structure shown in FIG. 5B is obtained. Here, as understood from FIG. 5B, when the degree of deformation of the lithium ion storage battery increases, the gap (area occupied by the electrolyte) 118 inside the storage battery decreases due to the change in the cross-sectional shape. Further, when the storage battery is to be deformed to a greater extent than shown in FIG. 5B, the gap is used up, causing interference with the exterior body, and eventually the laminate gives stress to the exterior body or Damage to the laminate may occur. For this reason, it is desirable to provide a gap 118 in the storage battery according to the magnitude of deformation assumed in the storage battery.
その一方で、空隙118を過度に大きくすると、蓄電池の容量には直接的に関係しない体積増加を生じるため、蓄電池の体積あたりの容量値が低下させるため問題となる。 On the other hand, if the gap 118 is excessively large, a volume increase that is not directly related to the capacity of the storage battery is generated, which causes a problem because the capacity value per volume of the storage battery is decreased.
該空隙は、図5(A)に示される断面における外装体の長さを、内部構造物を覆うのに必要な長さ以上にすることにより設けられる。想定される該蓄電池に与えられる変形の大きさから、内部構造物を干渉なく覆い続けるのに必要な空隙の大きさを導出することができ、また、その大きさの空隙を設けるために必要な外装体の長さを導出することができる。 The gap is provided by setting the length of the exterior body in the cross section shown in FIG. 5 (A) to a length longer than that necessary to cover the internal structure. The size of the gap required to continue to cover the internal structure without interference can be derived from the assumed size of deformation applied to the storage battery, and it is also necessary to provide the gap of that size. The length of the exterior body can be derived.
そこで、下記に、該蓄電池の変形による外装体の損傷を防止でき、かつ、空隙の増加による体積あたりの容量低下を極力抑えた可撓性を有するリチウムイオン蓄電池について説明する。 Accordingly, a flexible lithium ion storage battery that can prevent damage to the exterior body due to deformation of the storage battery and suppresses a decrease in capacity per volume due to an increase in the gap as much as possible will be described below.
<可撓性を有するリチウムイオン蓄電池の形状変化と空隙の設定>
まず、可撓性を有するリチウムイオン蓄電池の形状変化について説明する。なお、説明をより明瞭にするために、図5(A)における蓄電池の内部構造物(積層体すべてを合せたもの)の外輪形状の略図を図6(A)に示す。すなわち、図6(A)は変形する前のリチウムイオン蓄電池の内部構造物117の外輪形状を示す図である。また、図5(B)におけるリチウムイオン蓄電池の内部構造物117の外輪形状の略図を図6(B)に示す。すなわち、図6(B)は変形しているリチウムイオン蓄電池110の内部構造物117の外輪形状を示す図である。本図において、内部構造物の曲率中心1101から遠い側の端部を1105、内部構造物の曲率中心1101から遠い側の端部をそれぞれ1103および1105、内部構造物の曲率中心に近い側の端部をそれぞれ1102および1104とし、内部構造物の曲率中心に近い側の点を1106とする。
<Shape change and gap setting of flexible lithium ion storage battery>
First, the shape change of a flexible lithium ion storage battery will be described. In order to make the explanation clearer, a schematic diagram of the outer ring shape of the internal structure of the storage battery in FIG. 5A (a combination of all the laminated bodies) is shown in FIG. That is, FIG. 6A is a diagram showing the outer ring shape of the internal structure 117 of the lithium ion storage battery before being deformed. Moreover, the schematic of the outer ring | wheel shape of the internal structure 117 of the lithium ion storage battery in FIG.5 (B) is shown in FIG.6 (B). That is, FIG. 6B is a diagram showing the outer ring shape of the internal structure 117 of the deformed lithium ion storage battery 110. In this figure, the end of the internal structure far from the center of curvature 1101 is 1105, the end of the internal structure far from the center of curvature 1101 is 1103 and 1105, and the end close to the center of curvature of the internal structure. The parts are 1102 and 1104, respectively, and the point closer to the center of curvature of the internal structure is 1106.
図6(A)において、当該断面における積層体の長さ(例えば1102と1104との間の長さ)をL、内部構造物の厚さ(例えば1102と1103との間の長さ)をTとする。次に図6(B)は、空隙を使い切る大きさの変形が与えられたリチウムイオン蓄電池の内部構造物117の断面構造を示す図である。図6(B)において、変形の曲率中心1101を起点として、該曲率中心1101から遠い側の内部構造物117の端部1103を終点とする距離(弧の半径)をr2とする。さらに、曲率中心1101を起点として、該曲率中心1101に近い側の内部構造物の端部1102までの距離(弧の半径)をr1とする。 In FIG. 6A, the length of the laminated body (for example, the length between 1102 and 1104) in the cross section is L, and the thickness of the internal structure (for example, the length between 1102 and 1103) is T. And Next, FIG. 6 (B) is a diagram showing a cross-sectional structure of the internal structure 117 of the lithium ion storage battery to which deformation having a size enough to use the gap is given. In FIG. 6 (B), the starting curvature center 1101 of the deformation, the distance to the end point of the end portion 1103 of the far side of the internal structure 117 from curvature center 1101 (the radius of the arc) and r 2. Furthermore, the distance (arc radius) from the center of curvature 1101 to the end 1102 of the internal structure closer to the center of curvature 1101 is r 1 .
まず、図6(A)の断面における内部構造物117の外輪形状の周囲の長さは、2L+2Tとなる。次に、図6(B)の断面における内部構造物の外輪形状の長さを検討する。まず、各積層体が互いに固定された一端における内部構造物の厚さ(1104と1105との間の長さ)は、変形前後で変化しないためTとなる。 First, the perimeter of the outer ring shape of the internal structure 117 in the cross section of FIG. 6A is 2L + 2T. Next, the length of the outer ring shape of the internal structure in the cross section of FIG. First, the thickness of the internal structure (the length between 1104 and 1105) at one end where the stacked bodies are fixed to each other is T because it does not change before and after deformation.
次に、内部構造物の曲率中心に近い部分(1102と1104との間の弧)、及び曲率中心のから遠い部分(1103と1105との間の弧)の長さは、やはり蓄電池の変形前後で変化しないため、それぞれLとなる。本発明の一態様に係るリチウムイオン蓄電池において、各積層体は互いに摺動することができるため、蓄電池の変形に応じて各積層体は互いに摺動し応力が緩和されるため、両部分の長さは変化しないからである。 Next, the length of the part near the center of curvature of the internal structure (the arc between 1102 and 1104) and the part far from the center of curvature (the arc between 1103 and 1105) are also measured before and after deformation of the storage battery. Since it does not change at L, each becomes L. In the lithium ion storage battery according to one embodiment of the present invention, since the stacked bodies can slide with each other, the stacked bodies slide with each other according to deformation of the storage battery, and the stress is relieved. This is because it does not change.
したがって、蓄電池の変形に伴う内部構造物117の外輪形状の周囲の長さの変化は、残りの部分(1102と1103との間)の長さを検討することにより求められる。ここで、内部構造物の曲率中心に近い側の点1106について説明する。当該点1106を、内部構造物の曲率中心から遠い側の端部1103と曲率中心1101とを結ぶ直線と、内部構造物の外輪形状の曲率中心に近い側との交点とする。すると、曲率中心1101は、内部構造物の曲率中心に近い側の形状である弧(1102と1104との間の弧)の曲率中心でもあるため、当該弧と、内部構造物の曲率中心から遠い側の端部1103と曲率中心1101とを結ぶ直線とは、当該点1106において直交する。また、端部1102と点1106との間の弧は、中心角が小さいため、直線で近似することができる。したがって、端部1103と端部1102と点1106とを結ぶと直角三角形となるため、端部1102と端部1103との間の長さは、該三角形の他の2辺の長さを用いて、ピタゴラスの定理により求めることができる。 Therefore, the change in the circumference of the outer ring shape of the internal structure 117 accompanying the deformation of the storage battery is obtained by examining the length of the remaining part (between 1102 and 1103). Here, the point 1106 on the side close to the center of curvature of the internal structure will be described. The point 1106 is an intersection of a straight line connecting the end portion 1103 far from the center of curvature of the internal structure and the center of curvature 1101 and a side near the center of curvature of the outer ring shape of the internal structure. Then, since the center of curvature 1101 is also the center of curvature of the arc (the arc between 1102 and 1104) which is a shape closer to the center of curvature of the internal structure, it is far from the arc and the center of curvature of the internal structure. The straight line connecting the end 1103 on the side and the center of curvature 1101 is orthogonal to the point 1106. Further, since the arc between the end 1102 and the point 1106 has a small central angle, it can be approximated by a straight line. Therefore, when the end 1103, the end 1102 and the point 1106 are connected, a right triangle is formed. Therefore, the length between the end 1102 and the end 1103 is determined by using the lengths of the other two sides of the triangle. It can be obtained by the Pythagorean theorem.
まず、点1106と端部1103との間の長さは、内部構造物117の厚さであるため、Tとなる。 First, the length between the point 1106 and the end portion 1103 is T because it is the thickness of the internal structure 117.
次に、点1106と端部1102との間の長さは、端部1102と端部1104を結んだ弧の長さLから、点1106と端部1104との間の弧の長さを差し引いた長さである。そこで、点1106と端部1104との間の弧の長さL1を検討する。 Next, the length between the point 1106 and the end 1102 is obtained by subtracting the length of the arc between the point 1106 and the end 1104 from the length L of the arc connecting the end 1102 and the end 1104. Length. Therefore, consider the arc length L 1 between the point 1106 and the end 1104.
弧の長さは、直径と円周率πの積に、360°に占める中心角の大きさの割合をかけた値となる。即ち、L1は下記式(2)で表される。 The length of the arc is a value obtained by multiplying the product of the diameter and the circumference ratio π by the ratio of the central angle occupying 360 °. That, L 1 is represented by the following formula (2).
ここで、r1は内部構造物の曲率中心に近い側の形状である弧の半径を表し、θは当該弧の中心角を表す。ところで、内部構造物の曲率中心のから遠い部分(1103と1105との間の弧)の長さはLであるが、当該部分は中心角がθ、半径がr2の弧であるため、同様に下記の式(3)が成立する。 Here, r 1 represents the radius of an arc that is a shape closer to the center of curvature of the internal structure, and θ represents the central angle of the arc. By the way, although the length of the part far from the center of curvature of the internal structure (the arc between 1103 and 1105) is L, the part is an arc having a central angle of θ and a radius of r 2. The following equation (3) is established.
ここで、式(3)を式(2)に適用すると、下記式(4)が成り立つ。 Here, when Expression (3) is applied to Expression (2), the following Expression (4) is established.
したがって、端部1103と端部1102と点1106とを結ぶ直角三角形において、斜辺の長さをT1とすると、ピタゴラスの定理により、下記の式(5)が成り立つ。 Accordingly, in a right triangle connecting the end portion 1103 and the end 1102 and the point 1106, when the length of the hypotenuse and T 1, the Pythagorean theorem, holds the equation (5) below.
式(4)を式(5)に適用すると、T1の長さについて下記式(6)が成り立つ。 When equation (4) is applied to equation (5), the following equation (6) holds for the length of T 1 .
さらに、曲率中心1101から遠い側の内部構造物の外輪形状の弧の半径がr2であり、曲率中心1101に近い側の内部構造物の外輪形状の弧の半径がr1であり、その差が内部構造物の厚さTであるため、r1はr2からTを引いた値となる。したがって、式(6)からT1は下記式(7)で表される。 Furthermore, the radius of the outer ring-shaped arc of the inner structure far from the center of curvature 1101 is r 2 , and the radius of the outer ring-shaped arc of the inner structure closer to the center of curvature 1101 is r 1 , the difference Is the thickness T of the internal structure, r 1 is a value obtained by subtracting T from r 2 . Therefore, T 1 from the equation (6) is represented by the following formula (7).
リチウムイオン蓄電池が変形する前の状態において、端部1103と端部1102との間の長さは、内部構造物の厚さTである。変形後の状態における端部1103と端部1102との間の長さはT1であるから、リチウムイオン蓄電池の変形により端部1103と端部1102との間の長さの増加は、T1−Tであり、下記式(8)で表された値となる。 In a state before the lithium ion storage battery is deformed, the length between the end 1103 and the end 1102 is the thickness T of the internal structure. Since the length between the end portion 1103 and the end 1102 in the state after deformation is T 1, the increase in length between the end portion 1103 and the end portion 1102 by the deformation of the lithium-ion battery, T 1 −T, which is a value represented by the following formula (8).
すなわち、該増加を許容するだけの空隙が蓄電池の内部に用意されることが望ましく、要するに、図6に示される断面において、外装体の内部の長さは変形前の内部構造物の外縁の長さである2L+2Tに、変形による増加分であるT1−Tを加えた長さとされることが望ましい。換言すると、内部構造物の厚さと長さを元に、蓄電池の変形の大きさとして所望される曲率半径から、蓄電池の外装体の損傷を防止するための空隙の大きさを導くことができる。 That is, it is desirable that a gap that allows the increase is provided inside the storage battery. In short, in the cross section shown in FIG. 6, the length of the exterior body is the length of the outer edge of the internal structure before deformation. It is desirable that the length is 2L + 2T plus T 1 −T which is an increase due to deformation. In other words, based on the thickness and length of the internal structure, the size of the gap for preventing damage to the exterior body of the storage battery can be derived from the desired radius of curvature as the deformation size of the storage battery.
結論としては、リチウムイオン蓄電池110を曲率中心である軸により変形させるとき、該軸に垂直な面における外装体の断面の長さを、変形時の内部構造物117の外輪形状の長さである2L+T+T1以上の長さとすればよい。その際の外装体の長さをAとすると、Aは下記の式(1)を満たす。 In conclusion, when the lithium ion storage battery 110 is deformed by the axis that is the center of curvature, the length of the cross section of the exterior body in the plane perpendicular to the axis is the length of the outer ring shape of the internal structure 117 at the time of deformation. The length may be 2L + T + T 1 or more. When the length of the exterior body in that case is set to A, A satisfy | fills following formula (1).
なお、当該技術的思想は、各積層体間の摩擦が小さく、蓄電池の変形に応じて各積層体が互いに摺動し応力から解放される、という本発明の一態様に係るリチウムイオン蓄電池においてのみ存在する課題をも解決するものである。 The technical idea is only in the lithium ion storage battery according to one aspect of the present invention in which the friction between the stacked bodies is small, and the stacked bodies are slid from each other and released from stress according to the deformation of the storage battery. It also solves existing problems.
次に、本発明の一態様に係るリチウムイオン蓄電池について説明する。 Next, a lithium ion storage battery according to one embodiment of the present invention will be described.
≪正極の構成≫
まず、正極について説明する。正極は、正極活物質層104と、正極集電体105とを含む。
≪Positive electrode structure≫
First, the positive electrode will be described. The positive electrode includes a positive electrode active material layer 104 and a positive electrode current collector 105.
正極活物質層104に用いられる正極活物質材料としては、リチウムイオン等のキャリアイオンの挿入及び脱離が可能な材料を用いることができ、例えば、オリビン型の結晶構造、層状岩塩型の結晶構造、又はスピネル型の結晶構造を有するリチウム含有材料等が挙げられる。 As the positive electrode active material used for the positive electrode active material layer 104, a material capable of inserting and removing carrier ions such as lithium ions can be used. For example, an olivine type crystal structure, a layered rock salt type crystal structure, or the like can be used. Or a lithium-containing material having a spinel crystal structure.
オリビン型構造のリチウム含有材料(一般式LiMPO4(Mは、Fe(II)、Mn(II)、Co(II)またはNi(II)))の代表例としては、LiFePO4、LiNiPO4、LiCoPO4、LiMnPO4、LiFeaNibPO4、LiFeaCobPO4、LiFeaMnbPO4、LiNiaCobPO4、LiNiaMnbPO4(a+bは1以下、0<a<1、0<b<1)、LiFecNidCoePO4、LiFecNidMnePO4、LiNicCodMnePO4(c+d+eは1以下、0<c<1、0<d<1、0<e<1)、LiFefNigCohMniPO4(f+g+h+iは1以下、0<f<1、0<g<1、0<h<1、0<i<1)等がある。 Typical examples of olivine type lithium-containing materials (general formula LiMPO 4 (M is Fe (II), Mn (II), Co (II) or Ni (II))) include LiFePO 4 , LiNiPO 4 , LiCoPO 4 . 4, LiMnPO 4, LiFe a Ni b PO 4, LiFe a Co b PO 4, LiFe a Mn b PO 4, LiNi a Co b PO 4, LiNi a Mn b PO 4 (a + b ≦ 1, 0 <a <1 , 0 <b <1), LiFe c Ni d Co e PO 4, LiFe c Ni d Mn e PO 4, LiNi c Co d Mn e PO 4 (c + d + e ≦ 1, 0 <c <1,0 <d < 1,0 <e <1), LiFe f Ni g Co h Mn i PO 4 (f + g + h + i is 1 or less, 0 <f <1,0 <g <1,0 <h <1,0 <i 1), and the like.
例えば、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)は、安全性、安定性、高容量密度、高電位、初期酸化(充電)時に引き抜けるリチウムイオンの存在等、正極活物質に求められる事項をバランスよく満たしているため、好ましい。 For example, lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) satisfies the requirements for a positive electrode active material in a well-balanced manner, such as safety, stability, high capacity density, high potential, and the presence of lithium ions extracted during initial oxidation (charging). Therefore, it is preferable.
層状岩塩型の結晶構造を有するリチウム含有材料としては、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、LiNiO2、LiMnO2、Li2MnO3、LiNi0.8Co0.2O2等のNiCo系(一般式は、LiNixCo1−xO2(0<x<1))、LiNi0.5Mn0.5O2等のNiMn系(一般式は、LiNixMn1−xO2(0<x<1))、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等のNiMnCo系(NMCともいう。一般式は、LiNixMnyCo1−x−yO2(x>0、y>0、x+y<1))が挙げられる。さらに、Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2、Li2MnO3−LiMO2(MはCo、NiまたはMn)等も挙げられる。 Examples of the lithium-containing material having a layered rock salt type crystal structure include NiCo-based materials such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ), LiNiO 2 , LiMnO 2 , Li 2 MnO 3 , and LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 ( The general formula is NiMn series such as LiNi x Co 1-x O 2 (0 <x <1)), LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 (general formula is LiNi x Mn 1-x O 2 (0 <x <1)), also referred to as NiMnCo system (NMC such LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 . general formula, LiNi x Mn y Co 1- x-y O 2 (x> 0 , Y> 0, x + y <1)). Moreover, Li (Ni 0.8 Co 0.15 Al 0.05) O 2, Li 2 MnO 3 -LiMO 2 (M is Co, Ni or Mn) may also be mentioned, and the like.
特に、LiCoO2は、容量が大きいこと、LiNiO2に比べて大気中で安定であること、LiNiO2に比べて熱的に安定であること等の利点があるため、好ましい。 Particularly, LiCoO 2 has the capacity is large, it is stable in the atmosphere as compared to LiNiO 2, because there are advantages such that it is thermally stable than LiNiO 2, preferred.
スピネル型の結晶構造を有するリチウム含有材料としては、例えば、LiMn2O4、Li1+xMn2−xO4、Li(MnAl)2O4、LiMn1.5Ni0.5O4等が挙げられる。 Examples of the lithium-containing material having a spinel crystal structure include LiMn 2 O 4 , Li 1 + x Mn 2−x O 4 , Li (MnAl) 2 O 4 , LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 and the like. It is done.
LiMn2O4等のマンガンを含むスピネル型の結晶構造を有するリチウム含有材料に、少量のニッケル酸リチウム(LiNiO2やLiNi1−xMO2(M=Co、Al等))を混合すると、マンガンの溶出を抑制する、電解液の分解を抑制する等の利点があり好ましい。 When a small amount of lithium nickelate (LiNiO 2 or LiNi 1-x MO 2 (M = Co, Al, etc.)) is mixed with a lithium-containing material having a spinel type crystal structure containing manganese such as LiMn 2 O 4 , manganese There are advantages such as suppression of elution and suppression of electrolyte decomposition.
また、正極活物質として、一般式Li(2−j)MSiO4(Mは、Fe(II)、Mn(II)、Co(II)、またはNi(II))(jは0以上2以下)で表される複合酸化物を用いることができる。一般式Li(2−j)MSiO4の代表例としては、Li(2−j)FeSiO4、Li(2−j)NiSiO4、Li(2−j)CoSiO4、Li(2−j)MnSiO4、Li(2−j)FekNilSiO4、Li(2−j)FekColSiO4、Li(2−j)FekMnlSiO4、Li(2−j)NikColSiO4、Li(2−j)NikMnlSiO4(k+lは1以下、0<k<1、0<l<1)、Li(2−j)FemNinCoqSiO4、Li(2−j)FemNinMnqSiO4、Li(2−j)NimConMnqSiO4(m+n+qは1以下、0<m<1、0<n<1、0<q<1)、Li(2−j)FerNisCotMnuSiO4(r+s+t+uは1以下、0<r<1、0<s<1、0<t<1、0<u<1)等が挙げられる。 Further, as the positive electrode active material, the general formula Li (2-j) MSiO 4 (M is Fe (II), Mn (II), Co (II), or Ni (II)) (j is 0 or more and 2 or less) The complex oxide represented by these can be used. Representative examples of the general formula Li (2-j) MSiO 4 include Li (2-j) FeSiO 4 , Li (2-j) NiSiO 4 , Li (2-j) CoSiO 4 , Li (2-j) MnSiO 4, Li (2-j) Fe k Ni l SiO 4, Li (2-j) Fe k Co l SiO 4, Li (2-j) Fe k Mn l SiO 4, Li (2-j) Ni k Co l SiO 4, Li (2- j) Ni k Mn l SiO 4 (k + l is 1 or less, 0 <k <1,0 <l <1), Li (2-j) Fe m Ni n Co q SiO 4, Li (2-j) Fe m Ni n Mn q SiO 4, Li (2-j) Ni m Co n Mn q SiO 4 (m + n + q is 1 or less, 0 <m <1,0 <n <1,0 <q <1), Li (2- j) Fe r Ni s Co t Mn u SiO 4 (r + s + t + u is 1 or less, 0 <r <1, 0 <s <1, 0 <t <1, 0 <u <1).
また、正極活物質として、AxM2(XO4)3(AはLi、Na、または、Mg)(MはFe、Mn、Ti、V、Nb、または、Al)(XはS、P、Mo、W、As、または、Si)の一般式で表されるナシコン型化合物を用いることができる。ナシコン型化合物としては、Fe2(MnO4)3、Fe2(SO4)3、Li3Fe2(PO4)3等が挙げられる。また、正極活物質として、Li2MPO4F、Li2MP2O7、Li5MO4(MはFeまたはMn)の一般式で表される化合物、NaFeF3、FeF3等のペロブスカイト型フッ化物、TiS2、MoS2等の金属カルコゲナイド(硫化物、セレン化物、テルル化物)、LiMVO4等の逆スピネル型の結晶構造を有するリチウム含有材料、バナジウム酸化物系(V2O5、V6O13、LiV3O8等)、マンガン酸化物、有機硫黄等の材料を用いることができる。 Further, as a positive electrode active material, A x M 2 (XO 4 ) 3 (A is Li, Na, or Mg) (M is Fe, Mn, Ti, V, Nb, or Al) (X is S, P , Mo, W, As, or Si), a NASICON compound represented by the general formula can be used. Examples of NASICON compounds include Fe 2 (MnO 4 ) 3 , Fe 2 (SO 4 ) 3 , and Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 . Further, as a positive electrode active material, a compound represented by a general formula of Li 2 MPO 4 F, Li 2 MP 2 O 7 , Li 5 MO 4 (M is Fe or Mn), a perovskite type fluoride such as NaFeF 3 , FeF 3, etc. Metal, chalcogenides such as TiS 2 and MoS 2 (sulfides, selenides, tellurides), lithium-containing materials having an inverse spinel crystal structure such as LiMVO 4 , vanadium oxides (V 2 O 5 , V 6 O 13 , LiV 3 O 8 or the like), manganese oxide, organic sulfur, or the like can be used.
なお、キャリアイオンが、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオンや、アルカリ土類金属イオンの場合、正極活物質として、上記化合物や酸化物において、リチウムの代わりに、アルカリ金属(例えば、ナトリウムやカリウム等)、アルカリ土類金属(例えば、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ベリリウム、マグネシウム等)を用いてもよい。例えば、NaFeO2や、Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2などのナトリウム含有層状酸化物を正極活物質として用いることができる。 In addition, when carrier ions are alkali metal ions other than lithium ions or alkaline earth metal ions, as the positive electrode active material, an alkali metal (for example, sodium or potassium) is used instead of lithium in the above compound or oxide. Alkaline earth metals (eg, calcium, strontium, barium, beryllium, magnesium, etc.) may be used. For example, a sodium-containing layered oxide such as NaFeO 2 or Na 2/3 [Fe 1/2 Mn 1/2 ] O 2 can be used as the positive electrode active material.
また、正極活物質として、上記材料を複数組み合わせた材料を用いてもよい。例えば、上記材料を複数組み合わせた固溶体を正極活物質として用いることができる。例えば、LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2とLi2MnO3の固溶体を正極活物質として用いることができる。 A material obtained by combining a plurality of the above materials may be used as the positive electrode active material. For example, a solid solution obtained by combining a plurality of the above materials can be used as the positive electrode active material. For example, a solid solution of LiCo 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 and Li 2 MnO 3 can be used as the positive electrode active material.
正極活物質は、一次粒子の平均粒径が50nm以上100μm以下のものを用いるとよい。 As the positive electrode active material, a material having an average primary particle diameter of 50 nm or more and 100 μm or less is preferably used.
正極活物質は負極活物質と共に、蓄電池の電池反応の中心的役割を担いキャリアイオンの放出及び吸収を行う物質である。蓄電池の寿命を高めるためには、電池反応の不可逆反応に係る容量が少ない材料であることが好ましく、充放電効率の高い材料であることが好ましい。 The positive electrode active material, together with the negative electrode active material, plays a central role in the battery reaction of the storage battery and releases and absorbs carrier ions. In order to increase the life of the storage battery, it is preferable that the material has a small capacity related to the irreversible reaction of the battery reaction, and it is preferable that the material has high charge / discharge efficiency.
活物質は電解液と接するため、活物質と電解液とが反応し、反応により活物質が失われ劣化すると、蓄電池の容量が低下するため、劣化の少ない蓄電池を実現するためには、蓄電池内のこのような反応が生じないことが望ましい。 Since the active material is in contact with the electrolytic solution, the active material reacts with the electrolytic solution, and when the active material is lost and deteriorated due to the reaction, the capacity of the storage battery is reduced. It is desirable that this reaction does not occur.
電極の導電助剤として、アセチレンブラック(AB)、グラファイト(黒鉛)粒子、カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレンなどを用いることができる。 As the conductive assistant for the electrode, acetylene black (AB), graphite (graphite) particles, carbon nanotubes, graphene, fullerene, or the like can be used.
導電助剤により、電極中に電気伝導のネットワークを形成することができる。導電助剤により、正極活物質どうしの電気伝導の経路を維持することができる。正極活物質層中に導電助剤を添加することにより、高い電気伝導性を有する正極活物質層101を実現することができる。 The conductive assistant can form an electrically conductive network in the electrode. The conductive auxiliary agent can maintain the electric conduction path between the positive electrode active materials. By adding a conductive additive to the positive electrode active material layer, the positive electrode active material layer 101 having high electrical conductivity can be realized.
また、バインダーとして、代表的なポリフッ化ビニリデン(PVDF)の他、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルクロライド、エチレンプロピレンジエンポリマー、フッ素ゴム、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ニトロセルロース等を用いることができる。 In addition to typical polyvinylidene fluoride (PVDF), polyimide, polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride, ethylene propylene diene polymer, fluororubber, polymethyl methacrylate, polyethylene, nitrocellulose, and the like can be used as the binder.
正極活物質層104の総量に対するバインダーの含有量は、1wt%以上10wt%以下が好ましく、2wt%以上8wt%以下がより好ましく、3wt%以上5wt%以下がさらに好ましい。また、正極活物質層101の総量に対する導電助剤の含有量は、1wt%以上10wt%以下が好ましく、1wt%以上5wt%以下がより好ましい。 The content of the binder with respect to the total amount of the positive electrode active material layer 104 is preferably 1 wt% or more and 10 wt% or less, more preferably 2 wt% or more and 8 wt% or less, and further preferably 3 wt% or more and 5 wt% or less. In addition, the content of the conductive additive with respect to the total amount of the positive electrode active material layer 101 is preferably 1 wt% or more and 10 wt% or less, and more preferably 1 wt% or more and 5 wt% or less.
塗布法を用いて正極活物質層104を形成する場合は、正極活物質とバインダーと導電助剤と分散媒を混合して電極スラリーを作製し、正極集電体105上に塗布して乾燥させればよい。 When the positive electrode active material layer 104 is formed using a coating method, a positive electrode active material, a binder, a conductive additive, and a dispersion medium are mixed to prepare an electrode slurry, which is applied onto the positive electrode current collector 105 and dried. Just do it.
なお、正極集電体105にはステンレス、金、白金、アルミニウム、チタン等の金属、及びこれらの合金など、導電性の高く、リチウム等のキャリアイオンと合金化しない材料を用いることができる。また、シリコン、チタン、ネオジム、スカンジウム、モリブデンなどの耐熱性を向上させる元素が添加されたアルミニウム合金を用いることができる。また、シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素で形成してもよい。シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素としては、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケル等がある。正極集電体は、箔状、板状(シート状)、網状、パンチングメタル状、エキスパンドメタル状等の形状を適宜用いることができる。 Note that the positive electrode current collector 105 can be formed using a material that has high conductivity and does not alloy with carrier ions such as lithium, such as metals such as stainless steel, gold, platinum, aluminum, and titanium, and alloys thereof. Alternatively, an aluminum alloy to which an element that improves heat resistance, such as silicon, titanium, neodymium, scandium, or molybdenum, is added can be used. Alternatively, a metal element that forms silicide by reacting with silicon may be used. Examples of metal elements that react with silicon to form silicide include zirconium, titanium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, cobalt, nickel, and the like. As the positive electrode current collector, a foil shape, a plate shape (sheet shape), a net shape, a punching metal shape, an expanded metal shape, or the like can be used as appropriate.
なお、正極集電体105の片面に正極活物質層104を設け、もう一方の面に正極活物質層を設けない構成とすることができる。その場合、正極活物質層が設けられていない状態において、正極集電体105の表面は平坦で摩擦係数が小さい。そのため、該表面に、他の正極集電体の正極活物質層が設けられていない面が接するとき、応力に応じて両集電体は互いに摺動することができる。 Note that a structure in which the positive electrode active material layer 104 is provided on one surface of the positive electrode current collector 105 and the positive electrode active material layer is not provided on the other surface can be employed. In that case, in the state where the positive electrode active material layer is not provided, the surface of the positive electrode current collector 105 is flat and has a small friction coefficient. Therefore, when the surface where the positive electrode active material layer of another positive electrode current collector is not provided is in contact with the surface, both current collectors can slide with each other according to the stress.
以上の工程でリチウムイオン蓄電池の正極を作製することができる。 The positive electrode of the lithium ion storage battery can be manufactured through the above steps.
≪負極の構成≫
次に負極について説明する。負極は、負極活物質層102と、負極集電体101とを含む。負極を形成する工程を以下に説明する。
<Negative electrode configuration>
Next, the negative electrode will be described. The negative electrode includes a negative electrode active material layer 102 and a negative electrode current collector 101. The process for forming the negative electrode will be described below.
負極活物質層102に用いられる負極活物質として、炭素系材料としては、黒鉛、易黒鉛化性炭素(ソフトカーボン)、難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンブラック等がある。黒鉛としては、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、コークス系人造黒鉛、ピッチ系人造黒鉛等の人造黒鉛や、球状化天然黒鉛等の天然黒鉛がある。また、黒鉛の形状としては鱗片状のものや球状のものなどがある。 Examples of the negative electrode active material used for the negative electrode active material layer 102 include carbon, graphitizable carbon (soft carbon), non-graphitizable carbon (hard carbon), carbon nanotubes, graphene, and carbon black. is there. Examples of graphite include artificial graphite such as mesocarbon microbeads (MCMB), coke-based artificial graphite, and pitch-based artificial graphite, and natural graphite such as spheroidized natural graphite. In addition, the shape of graphite includes a scale-like shape and a spherical shape.
負極活物質として、炭素系材料以外に、リチウムとの合金化・脱合金化反応により充放電反応を行うことが可能な材料も用いることができる。例えば、Ga、Si、Al、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Ag、Zn、Cd、In等のうち少なくとも一つを含む材料を用いることができる。このような元素は炭素と比べて容量が大きく、特にシリコンは理論容量が4200mAh/gと高く好ましい。このような元素を用いた合金系材料としては、例えば、Mg2Si、Mg2Ge、Mg2Sn、SnS2、V2Sn3、FeSn2、CoSn2、Ni3Sn2、Cu6Sn5、Ag3Sn、Ag3Sb、Ni2MnSb、CeSb3、LaSn3、La3Co2Sn7、CoSb3、InSb、SbSn等がある。 In addition to the carbon-based material, a material capable of performing a charge / discharge reaction by an alloying / dealloying reaction with lithium can be used as the negative electrode active material. For example, a material containing at least one of Ga, Si, Al, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Ag, Zn, Cd, In, and the like can be used. Such an element has a larger capacity than carbon, and silicon is particularly preferable because its theoretical capacity is as high as 4200 mAh / g. Examples of alloy materials using such elements include Mg 2 Si, Mg 2 Ge, Mg 2 Sn, SnS 2 , V 2 Sn 3 , FeSn 2 , CoSn 2 , Ni 3 Sn 2 , and Cu 6 Sn 5. , Ag 3 Sn, Ag 3 Sb, Ni 2 MnSb, CeSb 3 , LaSn 3 , La 3 Co 2 Sn 7 , CoSb 3 , InSb, SbSn, and the like.
また、負極活物質として、SiO、SnO、SnO2、二酸化チタン(TiO2)、リチウムチタン酸化物(Li4Ti5O12)、リチウム−黒鉛層間化合物(LixC6)、五酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化タングステン(WO2)、酸化モリブデン(MoO2)等の酸化物を用いることができる。 Further, as the negative electrode active material, SiO, SnO, SnO 2, titanium dioxide (TiO 2), lithium titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12) , lithium - graphite intercalation compound (Li x C 6), niobium pentoxide ( An oxide such as Nb 2 O 5 ), tungsten oxide (WO 2 ), or molybdenum oxide (MoO 2 ) can be used.
また、負極活物質として、リチウムと遷移金属の複窒化物である、Li3N型構造をもつLi3−xMxN(MはCo、NiまたはCu)を用いることができる。例えば、Li2.6Co0.4N3は大きな充放電容量(900mAh/g、1890mAh/cm3)を示し好ましい。 Further, as the anode active material, a double nitride of lithium and a transition metal, Li 3-x M x N with Li 3 N type structure (M is Co, Ni or Cu) can be used. For example, Li 2.6 Co 0.4 N 3 shows a large charge / discharge capacity (900 mAh / g, 1890 mAh / cm 3 ) and is preferable.
リチウムと遷移金属の複窒化物を用いると、負極活物質中にリチウムイオンを含むため、正極活物質としてリチウムイオンを含まないV2O5、Cr3O8等の材料と組み合わせることができる。なお、正極活物質にリチウムイオンを含む材料を用いる場合でも、あらかじめ正極活物質に含まれるリチウムイオンを脱離させることで、負極活物質としてリチウムと遷移金属の複窒化物を用いることができる。 When a lithium and transition metal double nitride is used, since the negative electrode active material contains lithium ions, it can be combined with a material such as V 2 O 5 or Cr 3 O 8 that does not contain lithium ions as the positive electrode active material. Note that even when a material containing lithium ions is used for the positive electrode active material, lithium and transition metal double nitride can be used as the negative electrode active material by previously desorbing lithium ions contained in the positive electrode active material.
また、コンバージョン反応が生じる材料を負極活物質として用いることもできる。例えば、酸化コバルト(CoO)、酸化ニッケル(NiO)、酸化鉄(FeO)等の、リチウムと合金化反応を行わない遷移金属酸化物を負極活物質に用いてもよい。コンバージョン反応が生じる材料としては、さらに、Fe2O3、CuO、Cu2O、RuO2、Cr2O3等の酸化物、CoS0.89、NiS、CuS等の硫化物、Zn3N2、Cu3N、Ge3N4等の窒化物、NiP2、FeP2、CoP3等のリン化物、FeF3、BiF3等のフッ化物でも起こる。 A material that causes a conversion reaction can also be used as the negative electrode active material. For example, a transition metal oxide that does not undergo an alloying reaction with lithium, such as cobalt oxide (CoO), nickel oxide (NiO), or iron oxide (FeO), may be used as the negative electrode active material. As a material causing the conversion reaction, oxides such as Fe 2 O 3 , CuO, Cu 2 O, RuO 2 and Cr 2 O 3 , sulfides such as CoS 0.89 , NiS and CuS, Zn 3 N 2 are further included. This also occurs in nitrides such as Cu 3 N and Ge 3 N 4 , phosphides such as NiP 2 , FeP 2 and CoP 3 , and fluorides such as FeF 3 and BiF 3 .
負極活物質は、一例としては、粒径が50nm以上100μm以下のものを用いるとよい。 As an example of the negative electrode active material, a material having a particle size of 50 nm to 100 μm may be used.
なお、正極活物質層104においても負極活物質層102においても、活物質材料は複数の材料を特定の割合で組み合わせて用いてもよい。活物質層に複数の材料を用いることで、より詳細に活物質層の性能を選択することができる。 Note that in both the positive electrode active material layer 104 and the negative electrode active material layer 102, a plurality of active material materials may be used in combination at a specific ratio. By using a plurality of materials for the active material layer, the performance of the active material layer can be selected in more detail.
電極の導電助剤として、アセチレンブラック(AB)、グラファイト(黒鉛)粒子、カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレンなどを用いることができる。 As the conductive assistant for the electrode, acetylene black (AB), graphite (graphite) particles, carbon nanotubes, graphene, fullerene, or the like can be used.
導電助剤により、電極中に電気伝導のネットワークを形成することができる。導電助剤により、負極活物質どうしの電気伝導の経路を維持することができる。負極活物質層中に導電助剤を添加することにより、高い電気伝導性を有する負極活物質層102を実現することができる。 The conductive assistant can form an electrically conductive network in the electrode. The conductive auxiliary agent can maintain the electric conduction path between the negative electrode active materials. By adding a conductive additive in the negative electrode active material layer, the negative electrode active material layer 102 having high electrical conductivity can be realized.
また、バインダーとして、代表的なポリフッ化ビニリデン(PVDF)の他、ポリイミド、ポリビニルクロライド、エチレンプロピレンジエンポリマー、スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ニトロセルロース等を用いることができる。 In addition to typical polyvinylidene fluoride (PVDF), as a binder, polyimide, polyvinyl chloride, ethylene propylene diene polymer, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, fluorine rubber, polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate, polyethylene, Nitrocellulose or the like can be used.
負極活物質層102の総量に対するバインダーの含有量は、1wt%以上10wt%以下が好ましく、2wt%以上8wt%以下がより好ましく、3wt%以上5wt%以下がさらに好ましい。また、負極活物質層103の総量に対する導電助剤の含有量は、1wt%以上10wt%以下が好ましく、1wt%以上5wt%以下がより好ましい。 The content of the binder with respect to the total amount of the negative electrode active material layer 102 is preferably 1 wt% or more and 10 wt% or less, more preferably 2 wt% or more and 8 wt% or less, and further preferably 3 wt% or more and 5 wt% or less. In addition, the content of the conductive additive with respect to the total amount of the negative electrode active material layer 103 is preferably 1 wt% or more and 10 wt% or less, and more preferably 1 wt% or more and 5 wt% or less.
次いで、負極集電体101上に負極活物質層102を形成する。塗布法を用いて負極活物質層102を形成する場合は、負極活物質とバインダーと導電助剤と分散媒を混合してスラリーを作製し、負極集電体101に塗布して乾燥させる。また、乾燥後に必要があればプレス処理を行ってもよい。 Next, the negative electrode active material layer 102 is formed over the negative electrode current collector 101. When the negative electrode active material layer 102 is formed using a coating method, a negative electrode active material, a binder, a conductive additive, and a dispersion medium are mixed to prepare a slurry, which is applied to the negative electrode current collector 101 and dried. If necessary after drying, press treatment may be performed.
なお、負極集電体101には、ステンレス、金、白金、鉄、銅、チタン、タンタル等の金属、及びこれらの合金など、導電性の高く、リチウム等のキャリアイオンと合金化しない材料を用いることができる。また、シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素で形成してもよい。シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素としては、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケル等がある。負極集電体102は、箔状、板状(シート状)、網状、円柱状、コイル状、パンチングメタル状、エキスパンドメタル状等の形状を適宜用いることができる。負極集電体101は、厚みが5μm以上30μm以下のものを用いるとよい。また、電極集電体の表面の一部に、グラファイトなどを用いてアンダーコート層を設けてもよい。 Note that the negative electrode current collector 101 is made of a material that is highly conductive and does not alloy with carrier ions such as lithium, such as metals such as stainless steel, gold, platinum, iron, copper, titanium, and tantalum, and alloys thereof. be able to. Alternatively, a metal element that forms silicide by reacting with silicon may be used. Examples of metal elements that react with silicon to form silicide include zirconium, titanium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, cobalt, nickel, and the like. The negative electrode current collector 102 can have a foil shape, a plate shape (sheet shape), a net shape, a columnar shape, a coil shape, a punching metal shape, an expanded metal shape, or the like as appropriate. The negative electrode current collector 101 may have a thickness of 5 μm to 30 μm. In addition, an undercoat layer may be provided on a part of the surface of the electrode current collector using graphite or the like.
なお、負極集電体101の片面に負極活物質層102を設け、もう一方の面に負極活物質層を設けない構成とすることができる。その場合、負極活物質層が設けられていない状態において、負極集電体101の表面は平坦で摩擦係数が小さい。そのため、該表面に、他の負極集電体の負極活物質層が設けられていない面が接するとき、応力に応じて両集電体は互いに摺動することができる。 Note that a structure in which the negative electrode active material layer 102 is provided on one surface of the negative electrode current collector 101 and the negative electrode active material layer is not provided on the other surface can be employed. In that case, in a state where the negative electrode active material layer is not provided, the surface of the negative electrode current collector 101 is flat and has a small friction coefficient. Therefore, when the surface where the negative electrode active material layer of another negative electrode current collector is not provided is in contact with the surface, both current collectors can slide with each other in accordance with the stress.
以上の工程でリチウムイオン蓄電池の負極を作製することができる。 Through the above steps, the negative electrode of the lithium ion storage battery can be produced.
≪セパレータの構成≫
セパレータ103について説明する。セパレータ103の材料としては、紙、不織布、ガラス繊維、あるいは、ナイロン(ポリアミド)、ビニロン(ポリビニルアルコール系繊維)、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタンといった合成繊維等を用いればよい。ただし、後述の電解液に溶解しない材料を選ぶ必要がある。
≪Separator configuration≫
The separator 103 will be described. As a material for the separator 103, paper, nonwoven fabric, glass fiber, or synthetic fiber such as nylon (polyamide), vinylon (polyvinyl alcohol fiber), polyester, acrylic, polyolefin, polyurethane, or the like may be used. However, it is necessary to select a material that does not dissolve in the electrolyte solution described later.
より具体的には、セパレータ103の材料として、例えば、フッ素系ポリマー、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニリデン、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリビニルアルコール、ポリメタクリロニトリル、ポリビニルアセテート、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンイミン、ポリブタジエン、ポリスチレン、ポリイソプレン、ポリウレタン系高分子及びこれらの誘導体、セルロース、紙、不織布、ガラス繊維から選ばれる一種を単独で、又は二種以上を組み合せて用いることができる。 More specifically, as the material of the separator 103, for example, a fluoropolymer, a polyether such as polyethylene oxide or polypropylene oxide, a polyolefin such as polyethylene or polypropylene, polyacrylonitrile, polyvinylidene chloride, polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, Polyvinyl alcohol, polymethacrylonitrile, polyvinyl acetate, polyvinyl pyrrolidone, polyethyleneimine, polybutadiene, polystyrene, polyisoprene, polyurethane polymers and derivatives thereof, cellulose, paper, nonwoven fabric, glass fiber alone, or Two or more types can be used in combination.
セパレータ103は、両極の接触を防ぐ絶縁性能、電解液を保持する性能、イオンの伝導性がなければならない。セパレータとしての機能を有する膜を製造する方法として、膜の延伸による方法がある。例えば、溶融したポリマー材料を展開して放熱させ、得られた膜を膜と平行の二軸方向に延伸して孔を形成する、延伸開孔法がある。 The separator 103 must have an insulating performance that prevents contact between both electrodes, a performance that retains an electrolytic solution, and an ionic conductivity. As a method for producing a membrane having a function as a separator, there is a method by stretching the membrane. For example, there is a stretch opening method in which a molten polymer material is developed to dissipate heat, and the obtained film is stretched in a biaxial direction parallel to the film to form holes.
以上の工程でリチウムイオン蓄電池にセパレータを組み込むことができる。 The separator can be incorporated into the lithium ion storage battery through the above steps.
≪電解液の構成≫ ≪Electrolyte composition≫
本発明の一態様に係るリチウムイオン蓄電池に用いることができる電解液107は、電解質(溶質)を含む非水溶液(溶媒)とすることが好ましい。 The electrolyte solution 107 that can be used for the lithium ion storage battery according to one embodiment of the present invention is preferably a non-aqueous solution (solvent) containing an electrolyte (solute).
電解液107の溶媒としては、キャリアイオンが移動可能な材料を用いる。例えば、非プロトン性有機溶媒が好ましく、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート、クロロエ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、γ−バレロラクトン、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ギ酸メチル、酢酸メチル、酪酸メチル、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、ジメトキシエタン(DME)、ジメチルスルホキシド、ジエチルエーテル、メチルジグライム、アセトニトリル、ベンゾニトリル、テトラヒドロフラン、スルホラン、スルトン等の1種、又はこれらのうちの2種以上を任意の組み合わせ及び比率で用いることができる。 As a solvent for the electrolytic solution 107, a material capable of moving carrier ions is used. For example, an aprotic organic solvent is preferable, and ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate, chloroethylene carbonate, vinylene carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate ( DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl formate, methyl acetate, methyl butyrate, 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, dimethoxyethane (DME), dimethyl sulfoxide, diethyl ether, methyl diglyme, acetonitrile, benzo One kind of nitrile, tetrahydrofuran, sulfolane, sultone, etc., or two or more kinds thereof can be used in any combination and ratio.
また、電解液107の溶媒としてゲル化される高分子材料を用いることで、漏液性等に対する安全性が高まる。また、リチウムイオン蓄電池の薄型化及び軽量化が可能である。ゲル化される高分子材料の代表例としては、シリコーンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポリエチレンオキサイド系ゲル、ポリプロピレンオキサイド系ゲル、フッ素系ポリマーのゲル等がある。 In addition, by using a polymer material that is gelled as the solvent of the electrolytic solution 107, safety against liquid leakage and the like is increased. Further, the lithium ion storage battery can be made thinner and lighter. Typical examples of the polymer material to be gelated include silicone gel, acrylic gel, acrylonitrile gel, polyethylene oxide gel, polypropylene oxide gel, and fluorine polymer gel.
また、電解液の溶媒として、難燃性及び難蒸発性であるイオン液体(常温溶融塩ともいう)を一つまたは複数用いることで、リチウムイオン蓄電池の内部短絡や、過充電等によって内部温度が上昇しても、リチウムイオン蓄電池の破裂や発火などを防ぐことができる。これにより、リチウムイオン蓄電池の安全性を高めることができる。 In addition, by using one or more ionic liquids (also called room temperature molten salts) that are flame retardant and vaporizable as the solvent of the electrolyte, the internal temperature can be reduced due to internal short circuit or overcharge of the lithium ion storage battery. Even if it rises, it is possible to prevent the explosion or ignition of the lithium ion storage battery. Thereby, the safety | security of a lithium ion storage battery can be improved.
また、蓄電池に用いる電解液は、粒状のごみや電解液の構成元素以外の元素(以下、単に「不純物」ともいう。)の含有量が少ない高純度化された電解液を用いることが好ましい。具体的には、電解液に対する不純物の質量比を1%以下、好ましくは0.1%以下、より好ましくは0.01%以下とすることが好ましい。また、電解液にビニレンカーボネートなどの添加剤を加えてもよい。 Further, as the electrolytic solution used for the storage battery, it is preferable to use a highly purified electrolytic solution having a small content of elements other than the constituent elements of the granular dust and the electrolytic solution (hereinafter also simply referred to as “impurities”). Specifically, the mass ratio of impurities to the electrolytic solution is preferably 1% or less, preferably 0.1% or less, and more preferably 0.01% or less. Moreover, you may add additives, such as vinylene carbonate, to electrolyte solution.
また、上記の溶媒に溶解させる電解質としては、キャリアにリチウムイオンを用いる場合、例えばLiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiAlCl4、LiSCN、LiBr、LiI、Li2SO4、Li2B10Cl10、Li2B12Cl12、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C4F9SO2)(CF3SO2)、LiN(C2F5SO2)2等のリチウム塩を一種、又はこれらのうちの二種以上を任意の組み合わせ及び比率で用いることができる。 As the electrolytes dissolved in the above solvent, when using a lithium carrier ion, e.g. LiPF 6, LiClO 4, LiAsF 6 , LiBF 4, LiAlCl 4, LiSCN, LiBr, LiI, Li 2 SO 4, Li 2 B 10 Cl 10 , Li 2 B 12 Cl 12 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC (C 2 F 5 SO 2 ) 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , lithium salt such as LiN (C 4 F 9 SO 2 ) (CF 3 SO 2 ), LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , or two or more of these in any combination and ratio Can be used.
なお、上記の電解質では、キャリアイオンがリチウムイオンである場合について説明したが、リチウムイオン以外のキャリアイオンも用いることができる。リチウムイオン以外のキャリアイオンとしては、アルカリ金属イオンやアルカリ土類金属イオンの場合、電解質として、上記リチウム塩において、リチウムの代わりに、アルカリ金属(例えば、ナトリウムやカリウム等)、アルカリ土類金属(例えば、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ベリリウム、またはマグネシウム等)を用いてもよい。 In the above-described electrolyte, the case where the carrier ions are lithium ions has been described, but carrier ions other than lithium ions can also be used. As carrier ions other than lithium ions, in the case of alkali metal ions or alkaline earth metal ions, as the electrolyte, in the lithium salt, instead of lithium, an alkali metal (for example, sodium or potassium), an alkaline earth metal ( For example, calcium, strontium, barium, beryllium, magnesium, or the like) may be used.
なお、電解液は、正極の集電体と反応し、正極集電体を腐食する場合がある。そのような腐食を防止するため、電解液に数wt%のLiPF6を添加することが好ましい。正極集電体表面に不導体膜を生じ、該不導体膜が電解液と正極集電体との反応を抑制するためである。ただし、正極活物質層を溶解させないために、LiPF6の濃度は10wt%以下、好ましくは5wt%以下、より好ましくは3wt%以下とするとよい。 The electrolytic solution may react with the positive electrode current collector to corrode the positive electrode current collector. In order to prevent such corrosion, it is preferable to add several wt% LiPF 6 to the electrolytic solution. This is because a nonconductive film is formed on the surface of the positive electrode current collector, and the nonconductive film suppresses the reaction between the electrolytic solution and the positive electrode current collector. However, in order not to dissolve the positive electrode active material layer, the concentration of LiPF 6 is 10 wt% or less, preferably 5 wt% or less, more preferably 3 wt% or less.
≪外装体の構成≫
次に、外装体116について説明する。外装体116には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アイオノマー、ポリアミド等の材料からなる膜上に、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル等の可撓性に優れた金属薄膜を設け、さらに該金属薄膜上に外装体の外面としてポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の絶縁性合成樹脂膜を設けた三層構造のフィルムを用いることができる。このような三層構造とすることで、電解液や気体の透過を遮断するとともに、絶縁性を確保し、併せて耐電解液性を有する。外装体を内側に折り曲げて重ねて、または、2つの外装体それぞれの内面を向い合せて重ねて熱を加えることにより、内面の材料が融け2つの外装体を融着することができ、封止構造を作製することができる。
<External body configuration>
Next, the exterior body 116 will be described. The exterior body 116 is provided with a metal thin film having excellent flexibility such as aluminum, stainless steel, copper, nickel on a film made of a material such as polyethylene, polypropylene, polycarbonate, ionomer, polyamide, etc. A film having a three-layer structure in which an insulating synthetic resin film such as a polyamide-based resin or a polyester-based resin is provided on the outer surface of the exterior body can be used. By setting it as such a three-layer structure, while permeating | transmitting electrolyte solution and gas, the insulation is ensured and it has electrolyte solution resistance collectively. The exterior body is folded inward and stacked, or the inner surfaces of the two exterior bodies face each other and are heated to apply heat, so that the material on the inner surface melts and the two exterior bodies can be fused and sealed. A structure can be made.
外装体が融着等され封止構造が形成されている箇所を封止部とすると、外装体を内側に折り曲げて重ねた場合は、折り目以外の個所に封止部が形成され、外装体の第1の領域と、該第1の領域と重なる第2の領域とが融着等された構造となる。また、2枚の外装体を重ねた場合は熱融着等の方法で外周すべてに封止部が形成される。 Assuming that the part where the outer package is fused and the sealing structure is formed is a sealing part, when the outer package is folded inward and overlapped, the sealing part is formed at a place other than the crease. The first region and the second region overlapping the first region are fused together. When two exterior bodies are stacked, a sealing portion is formed on the entire outer periphery by a method such as heat fusion.
なお、本発明の一態様において、外装体116は上述の通り、リチウムイオン蓄電池110の内部に空隙を設けるため、一定以上の長さであることが望ましい。 Note that in one embodiment of the present invention, the exterior body 116 is desirably a certain length or longer in order to provide a gap inside the lithium ion storage battery 110 as described above.
≪可撓性の蓄電池≫
本実施の形態にて示された各部材の材料から、可撓性を有する材料を選択して用いると、可撓性を有するリチウムイオン蓄電池を作製することができる。近年、変形可能なデバイスの研究及び開発が盛んである。そのようなデバイスに用いる蓄電池として、可撓性を有する蓄電池の需要が生じている。
≪Flexible storage battery≫
When a flexible material is selected from the materials of the members described in this embodiment and used, a flexible lithium ion storage battery can be manufactured. In recent years, research and development of deformable devices has been active. There is a demand for flexible storage batteries as storage batteries used in such devices.
2枚のフィルムを外装体として電極・電解液など1805を挟む蓄電池を湾曲させた場合には、蓄電池の曲率中心1800に近い側のフィルム1801の曲率半径1802は、曲率中心1800から遠い側のフィルム1803の曲率半径1804よりも小さい(図7(A))。蓄電池を湾曲させて断面を円弧状とすると曲率中心1800に近いフィルムの表面には圧縮応力がかかり、曲率中心1800から遠いフィルムの表面には引っ張り応力がかかる(図7(B))。 In the case where the storage battery sandwiching the electrodes 1805 such as the electrode / electrolytic solution is curved with the two films as the outer package, the curvature radius 1802 of the film 1801 closer to the curvature center 1800 of the storage battery is the film farther from the curvature center 1800. It is smaller than the radius of curvature 1804 of 1803 (FIG. 7A). When the storage battery is curved so that the cross section has an arc shape, compressive stress is applied to the surface of the film close to the center of curvature 1800, and tensile stress is applied to the surface of the film far from the center of curvature 1800 (FIG. 7B).
可撓性を有するリチウムイオン蓄電池を変形させたとき、外装体に大きな応力がかかるが、外装体の表面に凹部または凸部で形成される模様を形成すると、蓄電池の変形により圧縮応力や引っ張り応力がかかったとしても、ひずみによる影響を抑えることができる。そのため、蓄電池は、曲率中心に近い側の外装体の曲率半径が50mm好ましくは30mmとなる範囲で変形することができる。 When a flexible lithium ion storage battery is deformed, a large stress is applied to the exterior body. However, if a pattern formed by recesses or protrusions is formed on the surface of the exterior body, a compressive stress or a tensile stress is caused by the deformation of the storage battery. Even if it is applied, the influence of strain can be suppressed. Therefore, the storage battery can be deformed in a range where the radius of curvature of the exterior body on the side close to the center of curvature is 50 mm, preferably 30 mm.
面の曲率半径について、図8を用いて説明する。図8(A)において、曲面1700を切断した平面1701において、曲面1700に含まれる曲線1702の一部を円の弧に近似して、その円の半径を曲率半径1703とし、円の中心を曲率中心1704とする。図8(B)に曲面1700の上面図を示す。図8(C)に、平面1701で曲面1700を切断した断面図を示す。曲面を平面で切断するとき、曲面に対する平面の角度や切断する位置に応じて、断面に現れる曲線の曲率半径は異なるものとなるが、本明細書等では、最も小さい曲率半径を面の曲率半径とする。 The curvature radius of the surface will be described with reference to FIG. In FIG. 8A, in a plane 1701 obtained by cutting the curved surface 1700, a part of a curve 1702 included in the curved surface 1700 is approximated to a circular arc, the radius of the circle is set as a curvature radius 1703, and the center of the circle is set as a curvature. The center is 1704. FIG. 8B shows a top view of the curved surface 1700. FIG. 8C is a cross-sectional view in which a curved surface 1700 is cut along a plane 1701. When cutting a curved surface with a plane, the radius of curvature of the curve appearing in the cross section varies depending on the angle of the plane with respect to the curved surface and the cutting position. In this specification, the smallest radius of curvature is the radius of curvature of the surface. And
なお、蓄電池の断面形状は、単純な円弧状に限定されず、一部が円弧を有する形状にすることができ、例えば図7(C)に示す形状や、波状(図7(D))、S字形状などとすることもできる。蓄電池の曲面が複数の曲率中心を有する形状となる場合は、複数の曲率中心それぞれにおける曲率半径の中で、最も曲率半径が小さい曲面において、2枚の外装体の曲率中心に近い方の外装体の曲率半径が、50mm好ましくは30mmとなる範囲で蓄電池が変形することができる。 In addition, the cross-sectional shape of the storage battery is not limited to a simple arc shape, and a part of the storage battery can have a circular arc shape. For example, the shape shown in FIG. It can also be S-shaped. In the case where the curved surface of the storage battery has a shape having a plurality of centers of curvature, the exterior body closer to the center of curvature of the two exterior bodies on the curved surface having the smallest curvature radius among the curvature radii at each of the plurality of curvature centers The storage battery can be deformed in a range where the radius of curvature is 50 mm, preferably 30 mm.
≪蓄電池の組み立て及びエージング≫
次に、上述の構成部材を組み合わせて、外装体207を封止することにより図1及び図2に示す通り、正極集電体105と、正極活物質層104と、セパレータ103と、負極活物質層102と、負極集電体101とを積み重ねた積層体を複数有する内部構造物を、電解液107とともに外装体107により封止された状態とする。
≪Assembly and aging of storage battery≫
Next, by combining the above-described constituent members and sealing the outer package 207, as shown in FIGS. 1 and 2, the positive electrode current collector 105, the positive electrode active material layer 104, the separator 103, and the negative electrode active material An internal structure including a plurality of stacked bodies in which the layer 102 and the negative electrode current collector 101 are stacked is sealed with the outer body 107 together with the electrolytic solution 107.
次に、エージング工程を行う。まず環境温度を例えば室温程度に保ち、低いレートで一致電圧まで定電流充電を行う。次に、充電により外装体内部の領域に発生したガスを、外装体外部に放出させる。次に、さらに初回の充電よりも高いレートで充電を行う。 Next, an aging process is performed. First, the ambient temperature is kept at, for example, room temperature, and constant current charging is performed at a low rate up to the matching voltage. Next, the gas generated in the region inside the exterior body by charging is released to the outside of the exterior body. Next, charging is performed at a higher rate than the first charging.
その後、やや高い温度環境下で長時間保存する。例えば40℃以上の環境下で24時間以上保存する。 Then, store for a long time in a slightly high temperature environment. For example, it is stored for 24 hours or more in an environment of 40 ° C. or higher.
やや高い温度環境下で長時間保存した後、再び外装体内部の領域に発生したガスを放出させる。さらに室温環境下で0.2Cのレートで放電し、同レートにて充電し、再び同レートで放電した後、さらに同レートで充電する。そして、同レートで放電することによりエージング工程を終了する。 After being stored for a long time in a slightly high temperature environment, the gas generated in the region inside the exterior body is released again. Further, the battery is discharged at a rate of 0.2 C in a room temperature environment, charged at the same rate, discharged at the same rate again, and further charged at the same rate. And an aging process is complete | finished by discharging at the same rate.
以上のようにして、本発明に係る蓄電池を製造することができる。 As described above, the storage battery according to the present invention can be manufactured.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
なお、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念を導き出すことは、当業者であれば容易に理解される。したがって、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。そして、その発明の一態様は、明確であると言える。 Note that in this specification and the like, when at least one specific example is described in a drawing or text described in one embodiment, it is easy for those skilled in the art to derive a superordinate concept of the specific example. To be understood. Therefore, in the case where at least one specific example is described in a drawing or text described in one embodiment, the superordinate concept of the specific example is also disclosed as one aspect of the invention. Aspects can be configured. One embodiment of the invention is clear.
なお、本明細書等においては、少なくとも図に記載した内容(図の中の一部でもよい)は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。したがって、ある内容について、図に記載されていれば、文章を用いて述べていなくても、その内容は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。同様に、図の一部を取り出した図についても、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。そして、その発明の一態様は明確であると言える。 Note that in this specification and the like, at least the contents shown in the drawings (may be part of the drawings) are disclosed as one embodiment of the invention, and can constitute one embodiment of the invention It is. Therefore, if a certain content is described in the figure, even if it is not described using sentences, the content is disclosed as one aspect of the invention and may constitute one aspect of the invention. Is possible. Similarly, a drawing obtained by extracting a part of the drawing is also disclosed as one embodiment of the invention, and can constitute one embodiment of the invention. And it can be said that one aspect of the invention is clear.
なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。または、他の実施の形態において、本発明の一態様について述べる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態および他の実施の形態では、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、可撓性を有するリチウムイオン二次電池に適用した場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、様々な二次電池、鉛蓄電池、リチウムイオンポリマー二次電池、ニッケル・水素蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・鉄蓄電池、ニッケル・亜鉛蓄電池、酸化銀・亜鉛蓄電池、固体電池、空気電池、一次電池、キャパシタ、または、電気二重層キャパシタ、ウルトラ・キャパシタ、スーパー・キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、などに適用してもよい。または例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、リチウムイオン二次電池に適用しなくてもよい。 Note that one embodiment of the present invention is described in this embodiment. Alternatively, in another embodiment, one embodiment of the present invention will be described. Note that one embodiment of the present invention is not limited thereto. That is, in this embodiment and other embodiments, various aspects of the invention are described; therefore, one embodiment of the present invention is not limited to a particular aspect. For example, as an embodiment of the present invention, an example in which the present invention is applied to a flexible lithium ion secondary battery has been described; however, one embodiment of the present invention is not limited thereto. In some cases or depending on the situation, one embodiment of the present invention includes various secondary batteries, lead storage batteries, lithium ion polymer secondary batteries, nickel / hydrogen storage batteries, nickel / cadmium storage batteries, nickel / iron storage batteries, nickel -You may apply to a zinc storage battery, a silver oxide zinc storage battery, a solid battery, an air battery, a primary battery, a capacitor, or an electric double layer capacitor, an ultra capacitor, a super capacitor, a lithium ion capacitor, etc. Alternatively, for example, depending on circumstances or circumstances, one embodiment of the present invention may not be applied to a lithium ion secondary battery.
(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る蓄電池の構造について、図9乃至図11を参照して説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a structure of a storage battery according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
≪コイン型蓄電池≫
図9(A)は、コイン型(単層偏平型)の蓄電池の外観図であり、図9(B)は、その断面図である。
≪Coin-type storage battery≫
FIG. 9A is an external view of a coin-type (single-layer flat type) storage battery, and FIG. 9B is a cross-sectional view thereof.
コイン型の蓄電池300は、正極端子を兼ねた正極缶301と負極端子を兼ねた負極缶302とが、ポリプロピレン等で形成されたガスケット303で絶縁シールされている。正極304は、正極集電体305と、これと接するように設けられた正極活物質層306により形成される。正極活物質層306は、正極活物質の他、正極活物質の密着性を高めるための結着剤(バインダー)、正極活物質層の導電性を高めるための導電助剤等を有してもよい。 In the coin-type storage battery 300, a positive electrode can 301 also serving as a positive electrode terminal and a negative electrode can 302 also serving as a negative electrode terminal are insulated and sealed with a gasket 303 formed of polypropylene or the like. The positive electrode 304 is formed by a positive electrode current collector 305 and a positive electrode active material layer 306 provided so as to be in contact therewith. In addition to the positive electrode active material, the positive electrode active material layer 306 may include a binder (binder) for increasing the adhesion of the positive electrode active material, a conductive auxiliary agent for increasing the conductivity of the positive electrode active material layer, and the like. Good.
また、負極307は、負極集電体308と、これに接するように設けられた負極活物質層309により形成される。負極活物質層309は、負極活物質の他、負極活物質の密着性を高めるための結着剤(バインダー)、負極活物質層の導電性を高めるための導電助剤等を有してもよい。正極活物質層306と負極活物質層309との間には、セパレータ310と、電解質(図示せず)とを有する。 The negative electrode 307 is formed of a negative electrode current collector 308 and a negative electrode active material layer 309 provided so as to be in contact therewith. In addition to the negative electrode active material, the negative electrode active material layer 309 may include a binder (binder) for increasing the adhesion of the negative electrode active material, a conductive auxiliary agent for increasing the conductivity of the negative electrode active material layer, and the like. Good. A separator 310 and an electrolyte (not shown) are provided between the positive electrode active material layer 306 and the negative electrode active material layer 309.
各構成部材には、実施の形態1で示した材料を用いることができる。 The material shown in Embodiment Mode 1 can be used for each constituent member.
正極缶301、負極缶302には、電解液に対して耐腐食性のある、ニッケル、チタン等の金属、またはこれらの合金やこれらと他の金属との合金(例えばステンレス鋼等)を用いることができる。また、電解液による腐食を防ぐため、ニッケル等を被覆することが好ましい。正極缶301は正極304と、負極缶302は負極307とそれぞれ電気的に接続する。 For the positive electrode can 301 and the negative electrode can 302, a metal such as nickel or titanium, or an alloy thereof or an alloy of these with another metal (for example, stainless steel) having corrosion resistance to the electrolytic solution is used. Can do. In order to prevent corrosion by the electrolytic solution, it is preferable to coat nickel or the like. The positive electrode can 301 and the negative electrode can 302 are electrically connected to the positive electrode 304 and the negative electrode 307, respectively.
これら負極307、正極304及びセパレータ310を電解質に含浸させ、図9(B)に示すように、正極缶301を下にして正極304、セパレータ310、負極307、負極缶302をこの順で積層し、正極缶301と負極缶302とをガスケット303を介して圧着してコイン形の蓄電池300を製造する。 The negative electrode 307, the positive electrode 304, and the separator 310 are impregnated in an electrolyte, and the positive electrode 304, the separator 310, the negative electrode 307, and the negative electrode can 302 are laminated in this order with the positive electrode can 301 facing down, as shown in FIG. 9B. Then, the positive electrode can 301 and the negative electrode can 302 are pressure-bonded via a gasket 303 to manufacture a coin-shaped storage battery 300.
ここで図9(C)を用いて蓄電池の充電時の電流の流れを説明する。リチウムを用いた蓄電池を一つの閉回路とみなした時、リチウムイオンの動きと電流の流れは同じ向きになる。なお、リチウムを用いた蓄電池では、充電と放電でアノード(陽極)とカソード(陰極)が入れ替わり、酸化反応と還元反応とが入れ替わることになるため、反応電位が高い電極を正極と呼び、反応電位が低い電極を負極と呼ぶ。したがって、本明細書においては、充電中であっても、放電中であっても、逆パルス電流を流す場合であっても、充電電流を流す場合であっても、正極は「正極」または「+極(プラス極)」と呼び、負極は「負極」または「−極(マイナス極)」と呼ぶこととする。酸化反応や還元反応に関連したアノード(陽極)やカソード(陰極)という用語を用いると、充電時と放電時とでは、逆になってしまい、混乱を招く可能性がある。したがって、アノード(陽極)やカソード(陰極)という用語は、本明細書においては用いないこととする。仮にアノード(陽極)やカソード(陰極)という用語を用いる場合には、充電時か放電時かを明記し、正極(プラス極)と負極(マイナス極)のどちらに対応するものかも併記することとする。 Here, the flow of current when the storage battery is charged will be described with reference to FIG. When a storage battery using lithium is regarded as a closed circuit, the movement of lithium ions and the flow of current are in the same direction. In addition, in a storage battery using lithium, the anode (anode) and the cathode (cathode) are interchanged by charging and discharging, and the oxidation reaction and the reduction reaction are interchanged. Therefore, the electrode having a high reaction potential is called the positive electrode. An electrode with a low is called a negative electrode. Therefore, in the present specification, the positive electrode is referred to as “positive electrode” or “whether the battery is being charged, discharged, a reverse pulse current is applied, or a charge current is applied. The positive electrode is referred to as a “positive electrode”, and the negative electrode is referred to as a “negative electrode” or a “− electrode (negative electrode)”. If the terms anode (anode) and cathode (cathode) related to the oxidation reaction or reduction reaction are used, the charge and discharge are reversed, which may cause confusion. Therefore, the terms anode (anode) and cathode (cathode) are not used in this specification. If the terms anode (anode) or cathode (cathode) are used, specify whether charging or discharging, and indicate whether it corresponds to the positive electrode (positive electrode) or the negative electrode (negative electrode). To do.
図9(C)に示す2つの端子には充電器が接続され、蓄電池400が充電される。蓄電池400の充電が進めば、電極間の電位差は大きくなる。図9(C)では、蓄電池400の外部の端子から、正極402の方へ流れ、蓄電池400の中において、正極402から負極404の方へ流れ、負極から蓄電池400の外部の端子の方へ流れる電流の向きを正の向きとしている。つまり、充電電流の流れる向きを電流の向きとしている。 A charger is connected to the two terminals shown in FIG. 9C, and the storage battery 400 is charged. As charging of the storage battery 400 proceeds, the potential difference between the electrodes increases. In FIG. 9C, the battery flows from the external terminal of the storage battery 400 toward the positive electrode 402, flows in the storage battery 400 from the positive electrode 402 toward the negative electrode 404, and flows from the negative electrode toward the external terminal of the storage battery 400. The direction of current is positive. That is, the direction in which the charging current flows is the current direction.
≪円筒型蓄電池≫
次に、円筒型の蓄電池の一例について、図10を参照して説明する。円筒型の蓄電池600は図10(A)に示すように、上面に正極キャップ(電池蓋)601を有し、側面及び底面に電池缶(外装缶)602を有している。これら正極キャップと電池缶(外装缶)602とは、ガスケット(絶縁パッキン)610によって絶縁されている。
≪Cylindrical storage battery≫
Next, an example of a cylindrical storage battery will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 10A, the cylindrical storage battery 600 has a positive electrode cap (battery lid) 601 on the top surface and a battery can (outer can) 602 on the side surface and bottom surface. The positive electrode cap and the battery can (outer can) 602 are insulated by a gasket (insulating packing) 610.
図10(B)は、円筒型の蓄電池の断面を模式的に示した図である。中空円柱状の電池缶602の内側には、帯状の正極604と負極606とがセパレータ605を間に挟んで捲回された電池素子が設けられている。図示しないが、電池素子はセンターピンを中心に捲回されている。電池缶602は、一端が閉じられ、他端が開いている。電池缶602には、電解液に対して耐腐食性のあるニッケル、チタン等の金属、又はこれらの合金やこれらと他の金属との合金(例えば、ステンレス鋼等)を用いることができる。また、電解液による腐食を防ぐため、ニッケル等を被覆することが好ましい。電池缶602の内側において、正極、負極及びセパレータが捲回された電池素子は、対向する一対の絶縁板608、609により挟まれている。また、電池素子が設けられた電池缶602の内部は、非水電解液(図示せず)が注入されている。非水電解液は、コイン型の蓄電池と同様のものを用いることができる。 FIG. 10B is a diagram schematically showing a cross section of a cylindrical storage battery. Inside the hollow cylindrical battery can 602, a battery element in which a strip-like positive electrode 604 and a negative electrode 606 are wound with a separator 605 interposed therebetween is provided. Although not shown, the battery element is wound around a center pin. The battery can 602 has one end closed and the other end open. For the battery can 602, a metal such as nickel or titanium that is corrosion resistant to an electrolytic solution, an alloy thereof, or an alloy of these with another metal (for example, stainless steel) can be used. In order to prevent corrosion by the electrolytic solution, it is preferable to coat nickel or the like. Inside the battery can 602, the battery element in which the positive electrode, the negative electrode, and the separator are wound is sandwiched between a pair of opposing insulating plates 608 and 609. Further, a non-aqueous electrolyte (not shown) is injected into the inside of the battery can 602 provided with the battery element. As the non-aqueous electrolyte, the same one as a coin-type storage battery can be used.
正極604及び負極606は、上述したコイン型の蓄電池の正極及び負極と同様に製造すればよいが、円筒型の蓄電池に用いる正極及び負極は捲回するため、集電体の両面に活物質を形成する点において異なる。正極604には正極端子(正極集電タブ)603が接続され、負極606には負極端子(負極集電タブ)607が接続される。正極端子603及び負極端子607は、ともにアルミニウムなどの金属材料を用いることができる。正極端子603は安全弁機構612に、負極端子607は電池缶602の底にそれぞれ抵抗溶接される。安全弁機構612は、PTC素子(Positive Temperature Coefficient)611を介して正極キャップ601と電気的に接続されている。安全弁機構612は電池の内圧の上昇が所定の閾値を超えた場合に、正極キャップ601と正極604との電気的な接続を切断するものである。また、PTC素子611は温度が上昇した場合に抵抗が増大する熱感抵抗素子であり、抵抗の増大により電流量を制限して異常発熱を防止するものである。PTC素子には、チタン酸バリウム(BaTiO3)系半導体セラミックス等を用いることができる。 The positive electrode 604 and the negative electrode 606 may be manufactured in the same manner as the positive electrode and the negative electrode of the coin-type storage battery described above. However, since the positive electrode and the negative electrode used in the cylindrical storage battery are wound, an active material is applied to both sides of the current collector. It differs in the point to form. A positive electrode terminal (positive electrode current collecting tab) 603 is connected to the positive electrode 604, and a negative electrode terminal (negative electrode current collecting tab) 607 is connected to the negative electrode 606. Both the positive electrode terminal 603 and the negative electrode terminal 607 can use a metal material such as aluminum. The positive terminal 603 is resistance-welded to the safety valve mechanism 612, and the negative terminal 607 is resistance-welded to the bottom of the battery can 602. The safety valve mechanism 612 is electrically connected to the positive electrode cap 601 via a PTC element (Positive Temperature Coefficient) 611. The safety valve mechanism 612 disconnects the electrical connection between the positive electrode cap 601 and the positive electrode 604 when the increase in the internal pressure of the battery exceeds a predetermined threshold value. The PTC element 611 is a heat-sensitive resistance element that increases in resistance when the temperature rises, and prevents abnormal heat generation by limiting the amount of current by increasing the resistance. For the PTC element, barium titanate (BaTiO 3 ) -based semiconductor ceramics or the like can be used.
≪ラミネート型蓄電池≫
次に、ラミネート型の蓄電池の一例について、図11(A)を参照して説明する。ラミネート型の蓄電池は、可撓性を有する構成とすれば、可撓性を有する部位を少なくとも一部有する電子機器に実装すれば、電子機器の変形に合わせて蓄電池も曲げることもできる。
≪Laminated storage battery≫
Next, an example of a laminate-type storage battery will be described with reference to FIG. If the laminate-type storage battery has a flexible structure, the storage battery can be bent in accordance with the deformation of the electronic apparatus if it is mounted on an electronic apparatus having at least a part of the flexibility.
図11(A)に示すラミネート型の蓄電池500は、正極集電体501および正極活物質層502を有する正極503と、負極集電体504および負極活物質層505を有する負極506と、セパレータ507と、電解液508と、外装体509と、を有する。外装体509内に設けられた正極503と負極506との間にセパレータ507が設置されている。また、外装体509内は、電解液508で満たされている。電解液508には、実施の形態1で示した電解液を用いることができる。 A laminate-type storage battery 500 illustrated in FIG. 11A includes a positive electrode 503 having a positive electrode current collector 501 and a positive electrode active material layer 502, a negative electrode 506 having a negative electrode current collector 504 and a negative electrode active material layer 505, and a separator 507. And an electrolytic solution 508 and an exterior body 509. A separator 507 is provided between a positive electrode 503 and a negative electrode 506 provided in the exterior body 509. The exterior body 509 is filled with the electrolytic solution 508. As the electrolytic solution 508, the electrolytic solution described in Embodiment 1 can be used.
図11(A)に示すラミネート型の蓄電池500において、正極集電体501および負極集電体504は、外部との電気的接触を得る端子の役割も兼ねている。そのため、正極集電体501および負極集電体504の一部は、外装体509から外側に露出するように配置してもよい。また、正極集電体501および負極集電体504を、外装体509から外側に露出させず、タブ電極を用いてそのタブ電極と正極集電体501、或いは負極集電体504と超音波接合させてタブ電極を外側に露出するようにしてもよい。 In the laminated storage battery 500 illustrated in FIG. 11A, the positive electrode current collector 501 and the negative electrode current collector 504 also serve as terminals for obtaining electrical contact with the outside. Therefore, part of the positive electrode current collector 501 and the negative electrode current collector 504 may be disposed so as to be exposed to the outside from the exterior body 509. Further, the positive electrode current collector 501 and the negative electrode current collector 504 are not exposed to the outside from the exterior body 509, and the tab electrode and the positive electrode current collector 501 or the negative electrode current collector 504 are ultrasonically bonded using a tab electrode. The tab electrode may be exposed to the outside.
ラミネート型の蓄電池500において、外装体509には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アイオノマー、ポリアミド等の材料からなる膜上に、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル等の可撓性に優れた金属薄膜を設け、さらに該金属薄膜上に外装体の外面としてポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の絶縁性合成樹脂膜を設けた三層構造のラミネートフィルムを用いることができる。 In the laminate-type storage battery 500, a metal thin film having excellent flexibility such as aluminum, stainless steel, copper, or nickel is formed on the exterior body 509 on a film made of a material such as polyethylene, polypropylene, polycarbonate, ionomer, or polyamide. Further, a laminate film having a three-layer structure in which an insulating synthetic resin film such as a polyamide resin or a polyester resin is provided on the metal thin film as the outer surface of the outer package can be used.
また、ラミネート型の蓄電池500の断面構造の一例を図11(B)に示す。図11(A)では簡略のため、2つの集電体で構成する例を示しているが、実際は、複数の電極層で構成する。 An example of a cross-sectional structure of a laminate-type storage battery 500 is shown in FIG. In FIG. 11A, for the sake of simplicity, an example in which two current collectors are used is shown, but actually, a plurality of electrode layers are used.
図11(B)では、一例として、電極層数を16としている。なお、電極層数を16としても蓄電池500は、可撓性を有する。図11(B)では負極集電体504が8層と、正極集電体501が8層の合計16層の構造を示している。なお、図11(B)は負極の取り出し部の断面を示しており、8層の負極集電体504を超音波接合させている。勿論、電極層数は16に限定されず、多くてもよいし、少なくてもよい。電極層数が多い場合には、より多くの容量を有する蓄電池とすることができる。また、電極層数が少ない場合には、薄型化でき、可撓性に優れた蓄電池とすることができる。 In FIG. 11B, the number of electrode layers is 16 as an example. In addition, even if the number of electrode layers is 16, the storage battery 500 has flexibility. FIG. 11B illustrates a structure in which the negative electrode current collector 504 has eight layers and the positive electrode current collector 501 has eight layers in total. FIG. 11B shows a cross section of the negative electrode take-out portion, in which an eight-layer negative electrode current collector 504 is ultrasonically bonded. Of course, the number of electrode layers is not limited to 16, and may be large or small. When there are many electrode layers, it can be set as the storage battery which has more capacity | capacitance. Moreover, when there are few electrode layers, it can be made thin and can be set as the storage battery excellent in flexibility.
ここで、ラミネート型の蓄電池500の外観図の一例を図12及び図13に示す。図12及び図13は、正極503、負極506、セパレータ507、外装体509、正極タブ電極510及び負極タブ電極511を有する。 Here, an example of an external view of a laminate-type storage battery 500 is shown in FIGS. 12 and 13 include a positive electrode 503, a negative electrode 506, a separator 507, an exterior body 509, a positive electrode tab electrode 510, and a negative electrode tab electrode 511.
図14(A)は正極503及び負極506の外観図を示す。正極503は正極集電体501を有し、正極活物質層502は正極集電体501の表面に形成されている。また、正極503は正極集電体501が一部露出する領域(タブ領域という)を有する。負極506は負極集電体504を有し、負極活物質層505は負極集電体504の表面に形成されている。また、負極506は負極集電体504が一部露出する領域、すなわちタブ領域を有する。正極及び負極が有するタブ領域の面積や形状は、図14(A)に示す例に限られない。 FIG. 14A shows an external view of the positive electrode 503 and the negative electrode 506. The positive electrode 503 includes a positive electrode current collector 501, and the positive electrode active material layer 502 is formed on the surface of the positive electrode current collector 501. The positive electrode 503 has a region where the positive electrode current collector 501 is partially exposed (referred to as a tab region). The negative electrode 506 includes a negative electrode current collector 504, and the negative electrode active material layer 505 is formed on the surface of the negative electrode current collector 504. The negative electrode 506 has a region where the negative electrode current collector 504 is partially exposed, that is, a tab region. The area and shape of the tab region included in the positive electrode and the negative electrode are not limited to the example illustrated in FIG.
≪ラミネート型蓄電池の作製方法≫
ここで、図12に外観図を示すラミネート型蓄電池の作製方法の一例について、図14(B)、(C)を用いて説明する。
≪Method for producing laminated storage battery≫
Here, an example of a method for manufacturing a laminated storage battery whose external view is shown in FIG. 12 will be described with reference to FIGS.
まず、負極506、セパレータ507及び正極503を積層する。図14(B)に積層された負極506、セパレータ507及び正極503を示す。ここでは負極を5組、正極を4組使用する例を示す。次に、正極503のタブ領域同士の接合と、最表面の正極のタブ領域への正極タブ電極510の接合を行う。接合には、例えば超音波溶接等を用いればよい。同様に、負極506のタブ領域同士の接合と、最表面の負極のタブ領域への負極タブ電極511の接合を行う。 First, the negative electrode 506, the separator 507, and the positive electrode 503 are stacked. FIG. 14B illustrates the negative electrode 506, the separator 507, and the positive electrode 503 which are stacked. Here, an example in which five sets of negative electrodes and four sets of positive electrodes are used is shown. Next, the tab regions of the positive electrode 503 are joined to each other and the positive electrode tab electrode 510 is joined to the tab region of the outermost positive electrode. For joining, for example, ultrasonic welding or the like may be used. Similarly, the tab regions of the negative electrode 506 are joined together, and the negative electrode tab electrode 511 is joined to the tab region of the outermost negative electrode.
次に外装体509上に、負極506、セパレータ507及び正極503を配置する。 Next, the negative electrode 506, the separator 507, and the positive electrode 503 are disposed over the exterior body 509.
次に、図14(C)に示すように、外装体509を破線で示した部分で折り曲げる。その後、外装体509の外周部を接合する。接合には例えば熱圧着等を用いればよい。この時、後に電解液508を入れることができるように、外装体509の一部(または一辺)に接合されない領域(以下、導入口という)を設ける。 Next, as shown in FIG. 14C, the exterior body 509 is bent at a portion indicated by a broken line. Then, the outer peripheral part of the exterior body 509 is joined. For example, thermocompression bonding or the like may be used for bonding. At this time, a region (hereinafter referred to as an introduction port) that is not joined to a part (or one side) of the exterior body 509 is provided so that the electrolytic solution 508 can be put later.
次に、外装体509に設けられた導入口から、電解液508を外装体509の内側へ導入する。電解液508の導入は、減圧雰囲気下、或いは不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。そして最後に、導入口を接合する。このようにして、ラミネート型の蓄電池である蓄電池500を作製することができる。 Next, the electrolytic solution 508 is introduced into the exterior body 509 from the introduction port provided in the exterior body 509. The introduction of the electrolytic solution 508 is preferably performed in a reduced pressure atmosphere or an inert gas atmosphere. Finally, the inlet is joined. Thus, the storage battery 500 which is a laminate type storage battery can be manufactured.
なお、本実施の形態では、蓄電池として、コイン型、ラミネート型及び円筒型の蓄電池を示したが、その他の封止型蓄電池、角型蓄電池等様々な形状の蓄電池を用いることができる。また、正極、負極、及びセパレータが複数積層された構造、正極、負極、及びセパレータが捲回された構造であってもよい。 In the present embodiment, coin-type, laminate-type, and cylindrical-type storage batteries are shown as storage batteries, but various types of storage batteries such as other sealed storage batteries and prismatic storage batteries can be used. Alternatively, a structure in which a plurality of positive electrodes, negative electrodes, and separators are stacked, or a structure in which positive electrodes, negative electrodes, and separators are wound may be employed.
また、可撓性を有するラミネート型の蓄電池を電子機器に実装する例を図10に示す。フレキシブルな形状を備える蓄電池を適用した電子機器として、例えば、テレビジョン装置(テレビ、又はテレビジョン受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともいう)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。 FIG. 10 illustrates an example in which a flexible laminate-type storage battery is mounted on an electronic device. As an electronic device to which a storage battery having a flexible shape is applied, for example, a television device (also referred to as a television or a television receiver), a monitor for a computer, a digital camera, a digital video camera, a digital photo frame, a mobile phone ( Large-sized game machines such as a mobile phone, a mobile phone device), a portable game machine, a portable information terminal, a sound reproduction device, and a pachinko machine.
また、フレキシブルな形状を備える蓄電池を、家屋やビルの内壁または外壁や、自動車の内装または外装の曲面に沿って組み込むことも可能である。 In addition, a storage battery having a flexible shape can be incorporated along the inner or outer wall of a house or building, or along the curved surface of the interior or exterior of an automobile.
図15(A)は、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機7400は、筐体7401に組み込まれた表示部7402の他、操作ボタン7403、外部接続ポート7404、スピーカ7405、マイク7406などを備えている。なお、携帯電話機7400は、蓄電池7407を有している。 FIG. 15A illustrates an example of a mobile phone. A mobile phone 7400 is provided with a display portion 7402 incorporated in a housing 7401, operation buttons 7403, an external connection port 7404, a speaker 7405, a microphone 7406, and the like. Note that the mobile phone 7400 includes a storage battery 7407.
図15(B)は、携帯電話機7400を湾曲させた状態を示している。携帯電話機7400を外部の力により変形させて全体を湾曲させると、その内部に設けられている蓄電池7407も湾曲される。また、その時、曲げられた蓄電池7407の状態を図15(C)に示す。蓄電池7407はラミネート型の蓄電池である。 FIG. 15B illustrates a state where the mobile phone 7400 is bent. When the cellular phone 7400 is deformed by an external force to bend the whole, the storage battery 7407 provided therein is also curved. At that time, the state of the bent storage battery 7407 is shown in FIG. The storage battery 7407 is a laminate type storage battery.
図15(D)は、バングル型の表示装置の一例を示している。携帯表示装置7100は、筐体7101、表示部7102、操作ボタン7103、及び蓄電池7104を備える。また、図15(E)に曲げられた蓄電池7104の状態を示す。 FIG. 15D illustrates an example of a bangle display device. A portable display device 7100 includes a housing 7101, a display portion 7102, operation buttons 7103, and a storage battery 7104. FIG. 15E shows the state of the storage battery 7104 bent.
≪蓄電池の構造例≫
蓄電池の構造例について、図16乃至図20を用いて説明する。
≪Example of storage battery structure≫
A structural example of the storage battery will be described with reference to FIGS.
図16(A)及び図16(B)は、蓄電池の外観図を示す図である。蓄電池は、回路基板900と、蓄電池913と、を有する。蓄電池913には、ラベル910が貼られている。さらに、図16(B)に示すように、蓄電池は、端子951と、端子952と、アンテナ915と、を有する。 FIGS. 16A and 16B are external views of a storage battery. The storage battery includes a circuit board 900 and a storage battery 913. A label 910 is attached to the storage battery 913. Further, as illustrated in FIG. 16B, the storage battery includes a terminal 951, a terminal 952, and an antenna 915.
回路基板900は、端子911と、回路912と、を有する。端子911は、端子951、端子952、アンテナ914、アンテナ915、及び回路912に接続される。なお、端子911を複数設けて、複数の端子911のそれぞれを、制御信号入力端子、電源端子などとしてもよい。 The circuit board 900 includes a terminal 911 and a circuit 912. The terminal 911 is connected to the terminal 951, the terminal 952, the antenna 914, the antenna 915, and the circuit 912. Note that a plurality of terminals 911 may be provided, and each of the plurality of terminals 911 may be a control signal input terminal, a power supply terminal, or the like.
回路912は、回路基板900の裏面に設けられていてもよい。なお、アンテナ914及びアンテナ915は、コイル状に限定されず、例えば線状、板状であってもよい。また、平面アンテナ、開口面アンテナ、進行波アンテナ、EHアンテナ、磁界アンテナ、誘電体アンテナ等のアンテナを用いてもよい。又は、アンテナ914若しくはアンテナ915は、平板状の導体でもよい。この平板状の導体は、電界結合用の導体の一つとして機能することができる。つまり、コンデンサの有する2つの導体のうちの一つの導体として、アンテナ914若しくはアンテナ915を機能させてもよい。これにより、電磁界、磁界だけでなく、電界で電力のやり取りを行うこともできる。 The circuit 912 may be provided on the back surface of the circuit board 900. The antenna 914 and the antenna 915 are not limited to a coil shape, and may be a linear shape or a plate shape, for example. An antenna such as a planar antenna, an aperture antenna, a traveling wave antenna, an EH antenna, a magnetic field antenna, or a dielectric antenna may be used. Alternatively, the antenna 914 or the antenna 915 may be a flat conductor. The flat conductor can function as one of electric field coupling conductors. That is, the antenna 914 or the antenna 915 may function as one of the two conductors of the capacitor. Thereby, not only an electromagnetic field and a magnetic field but power can also be exchanged by an electric field.
アンテナ914の線幅は、アンテナ915の線幅よりも大きいことが好ましい。これにより、アンテナ914により受電する電力量を大きくできる。 The line width of the antenna 914 is preferably larger than the line width of the antenna 915. Accordingly, the amount of power received by the antenna 914 can be increased.
蓄電池は、アンテナ914及びアンテナ915と、蓄電池913との間に層916を有する。層916は、例えば蓄電池913による電磁界への影響を防止することができる機能を有する。層916としては、例えば磁性体を用いることができる。 The storage battery includes a layer 916 between the antenna 914 and the antenna 915 and the storage battery 913. The layer 916 has a function of preventing the influence of the storage battery 913 on the electromagnetic field, for example. As the layer 916, for example, a magnetic material can be used.
なお、蓄電池の構造は、図16に限定されない。 In addition, the structure of a storage battery is not limited to FIG.
例えば、図17(A−1)及び図17(A−2)に示すように、図16(A)及び図16(B)に示す蓄電池913のうち、対向する一対の面のそれぞれにアンテナを設けてもよい。図17(A−1)は、上記一対の面の一方側方向から見た外観図であり、図17(A−2)は、上記一対の面の他方側方向から見た外観図である。なお、図16(A)及び図16(B)に示す蓄電池と同じ部分については、図16(A)及び図16(B)に示す蓄電池の説明を適宜援用できる。 For example, as shown in FIGS. 17A-1 and 17A-2, an antenna is provided on each of a pair of opposed surfaces of the storage battery 913 shown in FIGS. 16A and 16B. It may be provided. 17A-1 is an external view seen from one side direction of the pair of surfaces, and FIG. 17A-2 is an external view seen from the other side direction of the pair of surfaces. In addition, about the same part as the storage battery shown to FIG. 16 (A) and FIG. 16 (B), description of the storage battery shown to FIG. 16 (A) and FIG. 16 (B) can be used suitably.
図17(A−1)に示すように、蓄電池913の一対の面の一方に層916を挟んでアンテナ914が設けられ、図17(A−2)に示すように、蓄電池913の一対の面の他方に層917を挟んでアンテナ915が設けられる。層917は、例えば蓄電池913による電磁界への影響を防止することができる機能を有する。層917としては、例えば磁性体を用いることができる。 As shown in FIG. 17A-1, an antenna 914 is provided on one of a pair of surfaces of the storage battery 913 with a layer 916 sandwiched therebetween, and as shown in FIG. 17A-2, the pair of surfaces of the storage battery 913 An antenna 915 is provided with the layer 917 interposed therebetween. The layer 917 has a function of preventing the influence of the storage battery 913 on the electromagnetic field, for example. As the layer 917, for example, a magnetic material can be used.
上記構造にすることにより、アンテナ914及びアンテナ915の両方のサイズを大きくすることができる。 With the above structure, the size of both the antenna 914 and the antenna 915 can be increased.
又は、図17(B−1)及び図17(B−2)に示すように、図16(A)及び図16(B)に示す蓄電池913のうち、対向する一対の面のそれぞれに別のアンテナを設けてもよい。図17(B−1)は、上記一対の面の一方側方向から見た外観図であり、図17(B−2)は、上記一対の面の他方側方向から見た外観図である。なお、図16(A)及び図16(B)に示す蓄電池と同じ部分については、図17(A)及び図17(B)に示す蓄電池の説明を適宜援用できる。 Alternatively, as shown in FIGS. 17 (B-1) and 17 (B-2), each of the pair of opposed surfaces of the storage battery 913 shown in FIGS. 16 (A) and 16 (B) is different. An antenna may be provided. FIG. 17B-1 is an external view seen from one side of the pair of surfaces, and FIG. 17B-2 is an external view seen from the other side of the pair of surfaces. In addition, about the same part as the storage battery shown to FIG. 16 (A) and FIG. 16 (B), description of the storage battery shown to FIG. 17 (A) and FIG. 17 (B) can be used suitably.
図17(B−1)に示すように、蓄電池913の一対の面の一方に層916を挟んでアンテナ914及びアンテナ915が設けられ、図17(B−2)に示すように、蓄電池913の一対の面の他方に層917を挟んでアンテナ918が設けられる。アンテナ918は、例えば、外部機器とのデータ通信を行うことができる機能を有する。アンテナ918には、例えばアンテナ914及びアンテナ915に適用可能な形状のアンテナを適用することができる。アンテナ918を介した蓄電池と他の機器との通信方式としては、NFCなど、蓄電池と他の機器との間で用いることができる応答方式などを適用することができる。 As shown in FIG. 17 (B-1), an antenna 914 and an antenna 915 are provided on one of a pair of surfaces of the storage battery 913 with a layer 916 interposed therebetween, and as shown in FIG. An antenna 918 is provided with the layer 917 interposed between the other of the pair of surfaces. The antenna 918 has a function of performing data communication with an external device, for example. For the antenna 918, for example, an antenna having a shape applicable to the antenna 914 and the antenna 915 can be used. As a communication method between the storage battery and other devices via the antenna 918, a response method that can be used between the storage battery and other devices, such as NFC, can be applied.
又は、図18(A)に示すように、図16(A)及び図16(B)に示す蓄電池913に表示装置920を設けてもよい。表示装置920は、端子919を介して端子911に電気的に接続される。なお、表示装置920が設けられる部分にラベル910を設けなくてもよい。なお、図16(A)及び図16(B)に示す蓄電池と同じ部分については、図16(A)及び図16(B)に示す蓄電池の説明を適宜援用できる。 Alternatively, as illustrated in FIG. 18A, a display device 920 may be provided in the storage battery 913 illustrated in FIGS. 16A and 16B. The display device 920 is electrically connected to the terminal 911 through the terminal 919. Note that the label 910 is not necessarily provided in a portion where the display device 920 is provided. In addition, about the same part as the storage battery shown to FIG. 16 (A) and FIG. 16 (B), description of the storage battery shown to FIG. 16 (A) and FIG. 16 (B) can be used suitably.
表示装置920には、例えば充電中であるか否かを示す画像、蓄電量を示す画像などを表示してもよい。表示装置920としては、例えば電子ペーパー、液晶表示装置、エレクトロルミネセンス(ELともいう)表示装置などを用いることができる。例えば、電子ペーパーを用いることにより表示装置920の消費電力を低減することができる。 The display device 920 may display, for example, an image indicating whether charging is being performed, an image indicating the amount of stored power, or the like. As the display device 920, for example, electronic paper, a liquid crystal display device, an electroluminescence (also referred to as EL) display device, or the like can be used. For example, power consumption of the display device 920 can be reduced by using electronic paper.
又は、図18(B)に示すように、図16(A)及び図16(B)に示す蓄電池913にセンサ921を設けてもよい。センサ921は、端子922を介して端子911に電気的に接続される。なお、図16(A)及び図16(B)に示す蓄電池と同じ部分については、図16(A)及び図16(B)に示す蓄電池の説明を適宜援用できる。 Alternatively, as illustrated in FIG. 18B, a sensor 921 may be provided in the storage battery 913 illustrated in FIGS. 16A and 16B. The sensor 921 is electrically connected to the terminal 911 through the terminal 922. In addition, about the same part as the storage battery shown to FIG. 16 (A) and FIG. 16 (B), description of the storage battery shown to FIG. 16 (A) and FIG. 16 (B) can be used suitably.
センサ921としては、例えば、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい、又は赤外線を測定することができる機能を有すればよい。センサ921を設けることにより、例えば、蓄電池が置かれている環境を示すデータ(温度など)を検出し、回路912内のメモリに記憶しておくこともできる。 Examples of the sensor 921 include displacement, position, velocity, acceleration, angular velocity, rotation speed, distance, light, liquid, magnetism, temperature, chemical substance, sound, time, hardness, electric field, current, voltage, power, radiation, and flow rate. It has only to have a function capable of measuring humidity, gradient, vibration, odor, or infrared. By providing the sensor 921, for example, data (temperature, etc.) indicating the environment where the storage battery is placed can be detected and stored in the memory in the circuit 912.
さらに、蓄電池913の構造例について図19及び図20を用いて説明する。 Furthermore, a structural example of the storage battery 913 will be described with reference to FIGS.
図19(A)に示す蓄電池913は、筐体930の内部に端子951と端子952が設けられた捲回体950を有する。捲回体950は、筐体930の内部で電解液に含浸される。端子952は、筐体930に接し、端子951は、絶縁材などを用いることにより筐体930に接していない。なお、図19(A)では、便宜のため、筐体930を分離して図示しているが、実際は、捲回体950が筐体930に覆われ、端子951及び端子952が筐体930の外に延在している。筐体930としては、金属材料又は樹脂材料を用いることができる。 A storage battery 913 illustrated in FIG. 19A includes a wound body 950 in which a terminal 951 and a terminal 952 are provided inside a housing 930. The wound body 950 is impregnated with the electrolytic solution inside the housing 930. The terminal 952 is in contact with the housing 930, and the terminal 951 is not in contact with the housing 930 by using an insulating material or the like. Note that in FIG. 19A, the housing 930 is illustrated separately for convenience, but in actuality, the wound body 950 is covered with the housing 930, and the terminals 951 and 952 are included in the housing 930. Extends outside. As the housing 930, a metal material or a resin material can be used.
なお、図19(B)に示すように、図19(A)に示す筐体930を複数の材料によって形成してもよい。例えば、図19(B)に示す蓄電池913は、筐体930aと筐体930bが貼り合わされており、筐体930a及び筐体930bで囲まれた領域に捲回体950が設けられている。 Note that as illustrated in FIG. 19B, the housing 930 illustrated in FIG. 19A may be formed using a plurality of materials. For example, in a storage battery 913 illustrated in FIG. 19B, a housing 930a and a housing 930b are attached to each other, and a wound body 950 is provided in a region surrounded by the housing 930a and the housing 930b.
筐体930aとしては、有機樹脂など、絶縁材料を用いることができる。特に、アンテナが形成される面に有機樹脂などの材料を用いることにより、蓄電池913による電界の遮蔽を抑制できる。なお、筐体930aによる電界の遮蔽が小さければ、筐体930aの内部にアンテナ914やアンテナ915などのアンテナを設けてもよい。筐体930bとしては、例えば金属材料を用いることができる。 As the housing 930a, an insulating material such as an organic resin can be used. In particular, by using a material such as an organic resin on the surface where the antenna is formed, electric field shielding by the storage battery 913 can be suppressed. Note that an antenna such as the antenna 914 or the antenna 915 may be provided inside the housing 930a if the shielding of an electric field by the housing 930a is small. As the housing 930b, for example, a metal material can be used.
さらに、捲回体950の構造について図20に示す。捲回体950は、負極931と、正極932と、セパレータ933と、を有する。捲回体950は、セパレータ933を挟んで負極931と、正極932が重なり合って積層され、該積層シートを捲回させた捲回体である。なお、負極931と、正極932と、セパレータ933と、の積層を、さらに複数重ねてもよい。 Furthermore, the structure of the wound body 950 is shown in FIG. The wound body 950 includes a negative electrode 931, a positive electrode 932, and a separator 933. The wound body 950 is a wound body in which the negative electrode 931 and the positive electrode 932 are stacked with the separator 933 interposed therebetween, and the laminated sheet is wound. Note that a plurality of stacked layers of the negative electrode 931, the positive electrode 932, and the separator 933 may be stacked.
負極931は、端子951及び端子952の一方を介して図16に示す端子911に接続される。正極932は、端子951及び端子952の他方を介して図16に示す端子911に接続される。 The negative electrode 931 is connected to a terminal 911 illustrated in FIG. 16 through one of a terminal 951 and a terminal 952. The positive electrode 932 is connected to the terminal 911 illustrated in FIG. 16 through the other of the terminal 951 and the terminal 952.
≪電子機器の一例:車両に搭載する例≫
次に、蓄電池を車両に搭載する例について示す。蓄電池を車両に搭載すると、ハイブリッド車(HEV)、電気自動車(EV)、又はプラグインハイブリッド車(PHEV)等の次世代クリーンエネルギー自動車を実現できる。
≪Example of electronic equipment: Example of mounting on a vehicle≫
Next, an example in which a storage battery is mounted on a vehicle will be described. When the storage battery is mounted on a vehicle, a next-generation clean energy vehicle such as a hybrid vehicle (HEV), an electric vehicle (EV), or a plug-in hybrid vehicle (PHEV) can be realized.
図16において、本発明の一態様を用いた車両を例示する。図21(A)に示す自動車8100は、走行のための動力源として電気モーターを用いる電気自動車である。または、走行のための動力源として電気モーターとエンジンを適宜選択して用いることが可能なハイブリッド自動車である。本発明の一態様を用いることで、繰り返し充放電することができる車両を実現することができる。また、自動車8100は蓄電池を有する。蓄電池は電気モーターを駆動するだけでなく、ヘッドライト8101やルームライト(図示せず)などの発光装置に電力を供給することができる。 FIG. 16 illustrates a vehicle using one embodiment of the present invention. A car 8100 illustrated in FIG. 21A is an electric car that uses an electric motor as a power source for traveling. Or it is a hybrid vehicle which can select and use an electric motor and an engine suitably as a motive power source for driving | running | working. By using one embodiment of the present invention, a vehicle that can be repeatedly charged and discharged can be realized. The automobile 8100 has a storage battery. The storage battery not only drives an electric motor, but can supply power to a light-emitting device such as a headlight 8101 or a room light (not shown).
また、蓄電池は、自動車8100が有するスピードメーター、タコメーターなどの表示装置に電力を供給することができる。また、蓄電池は、自動車8100が有するナビゲーションゲーションシステムなどの半導体装置に電力を供給することができる。 The storage battery can supply power to a display device such as a speedometer or a tachometer included in the automobile 8100. Further, the storage battery can supply power to a semiconductor device such as a navigation gate system included in the automobile 8100.
図21(B)に示す自動車8100は、自動車8100が有する蓄電池にプラグイン方式や非接触給電方式等により外部の充電設備から電力供給を受けて、充電することができる。図21(B)に、地上設置型の充電装置8021から自動車8100に搭載された蓄電池に、ケーブル8022を介して充電を行っている状態を示す。充電に際しては、充電方法やコネクタの規格等は所定の方式で適宜行えばよい。充電装置8021は、商用施設に設けられた充電ステーションでもよく、また家庭の電源であってもよい。例えば、プラグイン技術によって、外部からの電力供給により自動車8100に搭載された蓄電池8024を充電することができる。充電は、ACDCコンバータ等の変換装置を介して、交流電力を直流電力に変換して行うことができる。 A vehicle 8100 illustrated in FIG. 21B can charge a storage battery of the vehicle 8100 by receiving power from an external charging facility by a plug-in method, a non-contact power supply method, or the like. FIG. 21B shows a state in which the storage battery mounted on the automobile 8100 is charged via the cable 8022 from the ground installation type charging device 8021. When charging, the charging method, connector standard, and the like may be appropriately performed by a predetermined method. The charging device 8021 may be a charging station provided in a commercial facility, or may be a household power source. For example, the storage battery 8024 mounted on the automobile 8100 can be charged by power supply from the outside by plug-in technology. Charging can be performed by converting AC power into DC power via a converter such as an ACDC converter.
また、図示しないが、受電装置を車両に搭載し、地上の送電装置から電力を非接触で供給して充電することもできる。この非接触給電方式の場合には、道路や外壁に送電装置を組み込むことで、停車中に限らず走行中に充電を行うこともできる。また、この非接触給電の方式を利用して、車両どうしで電力の送受信を行ってもよい。さらに、車両の外装部に太陽電池を設け、停車時や走行時に蓄電池の充電を行ってもよい。このような非接触での電力の供給には、電磁誘導方式や磁界共鳴方式を用いることができる。 In addition, although not shown, the power receiving device can be mounted on the vehicle, and electric power can be supplied from the ground power transmitting device in a contactless manner and charged. In the case of this non-contact power supply method, charging can be performed not only when the vehicle is stopped but also during traveling by incorporating a power transmission device on a road or an outer wall. In addition, this non-contact power feeding method may be used to transmit and receive power between vehicles. Furthermore, a solar cell may be provided in the exterior part of the vehicle, and the storage battery may be charged when the vehicle stops or travels. An electromagnetic induction method or a magnetic field resonance method can be used for such non-contact power supply.
本発明の一態様によれば、蓄電池のサイクル特性が良好となり、信頼性を向上させることができる。また、本発明の一態様によれば、蓄電池の特性を向上することができ、よって、蓄電池自体を小型軽量化することができる。蓄電池自体を小型軽量化できれば、車両の軽量化に寄与するため、航続距離を向上させることができる。また、車両に搭載した蓄電池を車両以外の電力供給源として用いることもできる。この場合、電力需要のピーク時に商用電源を用いることを回避することができる。 According to one embodiment of the present invention, the cycle characteristics of a storage battery are improved, and the reliability can be improved. According to one embodiment of the present invention, the characteristics of the storage battery can be improved, and thus the storage battery itself can be reduced in size and weight. If the storage battery itself can be reduced in size and weight, the cruising distance can be improved because it contributes to weight reduction of the vehicle. Moreover, the storage battery mounted in the vehicle can also be used as a power supply source other than the vehicle. In this case, it is possible to avoid using a commercial power source at the peak of power demand.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
(実施の形態3)
実施の形態1及び2で説明した蓄電池を電池セルとして、これと組み合わせて用いることができる電池制御ユニット(Battery Management Unit:BMU)、及び該電池制御ユニットを構成する回路に適したトランジスタについて、図22乃至図28を参照して説明する。本実施の形態では、特に直列に接続された電池セルを有する蓄電池の電池制御ユニットについて説明する。
(Embodiment 3)
A battery control unit (BMU) that can be used in combination with the storage battery described in Embodiments 1 and 2 as a battery cell, and a transistor suitable for a circuit included in the battery control unit. This will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a battery control unit of a storage battery having battery cells connected in series will be described.
直列に接続された複数の電池セルに対して充放電を繰り返していくと、電池セル間の特性のばらつきに応じて、容量(出力電圧)が異なってくる。直列に接続された電池セルでは、全体の放電時の容量が、容量の小さい電池セルに依存する。容量にばらつきがあると放電時の容量が小さくなる。また、容量が小さい電池セルを基準にして充電を行うと、充電不足となる虞がある。また、容量の大きい電池セルを基準にして充電を行うと、過充電となrる虞がある。 When charging / discharging is repeated for a plurality of battery cells connected in series, the capacity (output voltage) varies depending on variations in characteristics between the battery cells. In battery cells connected in series, the capacity at the time of overall discharge depends on the battery cells having a small capacity. If the capacity varies, the capacity at the time of discharge decreases. In addition, if charging is performed with reference to a battery cell having a small capacity, there is a risk of insufficient charging. Further, if charging is performed based on a battery cell having a large capacity, there is a risk of overcharging.
そのため、直列に接続された電池セルを有する蓄電池の電池制御ユニットは、充電不足や、過充電の原因となる、電池セル間の容量のばらつきを揃える機能を有する。電池セル間の容量のばらつきを揃える回路構成には、抵抗方式、キャパシタ方式、あるいはインダクタ方式等あるが、ここではオフ電流の小さいトランジスタを利用して容量のばらつきを揃えることのできる回路構成を一例として挙げて説明する。 Therefore, the battery control unit of the storage battery having the battery cells connected in series has a function of aligning the variation in capacity between the battery cells that causes insufficient charging or overcharging. The circuit configuration for aligning the variation in capacity between battery cells includes a resistance method, a capacitor method, or an inductor method, but here is an example of a circuit configuration that can use a transistor with a small off-current to equalize the variation in capacity. Will be described.
オフ電流の小さいトランジスタとしては、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタ(OSトランジスタ)が好ましい。オフ電流の小さいOSトランジスタを蓄電池の電池制御ユニットの回路構成に用いることで、電池から漏洩する電荷量を減らし、時間の経過による容量の低下を抑制することができる。 As the transistor with low off-state current, a transistor including an oxide semiconductor (OS transistor) in a channel formation region is preferable. By using an OS transistor with a small off-state current in the circuit configuration of the battery control unit of the storage battery, the amount of charge leaking from the battery can be reduced, and a decrease in capacity over time can be suppressed.
チャネル形成領域に用いる酸化物半導体は、In−M−Zn酸化物(Mは、Ga、Sn、Y、Zr、La、Ce、またはNd)を用いる。酸化物半導体膜を成膜するために用いるターゲットにおいて、金属元素の原子数比をIn:M:Zn=x1:y1:z1とすると、x1/y1は、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であって、z1/y1は、1/3以上6以下、さらには1以上6以下であることが好ましい。なお、z1/y1を1以上6以下とすることで、酸化物半導体膜としてCAAC−OS膜が形成されやすくなる。 As the oxide semiconductor used for the channel formation region, an In-M-Zn oxide (M is Ga, Sn, Y, Zr, La, Ce, or Nd) is used. In the target used for forming the oxide semiconductor film, when the atomic ratio of metal elements is In: M: Zn = x 1 : y 1 : z 1 , x 1 / y 1 is 1/3 or more 6 Hereinafter, it is further 1 or more and 6 or less, and z 1 / y 1 is preferably 1/3 or more and 6 or less, and more preferably 1 or more and 6 or less. Note that when z 1 / y 1 is greater than or equal to 1 and less than or equal to 6, a CAAC-OS film can be easily formed as the oxide semiconductor film.
ここで、CAAC−OS膜について説明する。 Here, the CAAC-OS film is described.
CAAC−OS膜は、c軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。 The CAAC-OS film is one of oxide semiconductor films having a plurality of c-axis aligned crystal parts.
透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって、CAAC−OS膜の明視野像および回折パターンの複合解析像(高分解能TEM像ともいう。)を観察することで複数の結晶部を確認することができる。一方、高分解能TEM像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CAAC−OS膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。 Confirming a plurality of crystal parts by observing a bright field image of a CAAC-OS film and a combined analysis image (also referred to as a high-resolution TEM image) of a CAAC-OS film with a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope). Can do. On the other hand, a clear boundary between crystal parts, that is, a crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed even by a high-resolution TEM image. Therefore, it can be said that the CAAC-OS film is unlikely to decrease in electron mobility due to crystal grain boundaries.
試料面と略平行な方向から、CAAC−OS膜の断面の高分解能TEM像を観察すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、CAAC−OS膜の膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映した形状であり、CAAC−OS膜の被形成面または上面と平行に配列する。 When a high-resolution TEM image of a cross section of the CAAC-OS film is observed from a direction substantially parallel to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in layers in the crystal part. Each layer of metal atoms has a shape reflecting unevenness of a surface (also referred to as a formation surface) or an upper surface on which the CAAC-OS film is formed, and is arranged in parallel with the formation surface or the upper surface of the CAAC-OS film. .
一方、試料面と略垂直な方向から、CAAC−OS膜の平面の高分解能TEM像を観察すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。 On the other hand, when a high-resolution TEM image of a plane of the CAAC-OS film is observed from a direction substantially perpendicular to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape in a crystal part. However, there is no regularity in the arrangement of metal atoms between different crystal parts.
CAAC−OS膜に対し、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。 When structural analysis is performed on a CAAC-OS film using an X-ray diffraction (XRD) apparatus, for example, in the analysis of a CAAC-OS film having an InGaZnO 4 crystal by an out-of-plane method, A peak may appear when the diffraction angle (2θ) is around 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, the crystal of the CAAC-OS film has c-axis orientation, and the c-axis is oriented in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. Can be confirmed.
なお、InGaZnO4の結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OS膜は、2θが31°近傍にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。 Note that when the CAAC-OS film including an InGaZnO 4 crystal is analyzed by an out-of-plane method, a peak may also appear when 2θ is around 36 ° in addition to the peak where 2θ is around 31 °. A peak at 2θ of around 36 ° indicates that a crystal having no c-axis alignment is included in part of the CAAC-OS film. The CAAC-OS film preferably has a peak at 2θ of around 31 ° and no peak at 2θ of around 36 °.
CAAC−OS膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。 The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low impurity concentration. The impurity is an element other than the main component of the oxide semiconductor film, such as hydrogen, carbon, silicon, or a transition metal element. In particular, an element such as silicon, which has a stronger bonding force with oxygen than the metal element included in the oxide semiconductor film, disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor film by depriving the oxide semiconductor film of oxygen, and has crystallinity. It becomes a factor to reduce. In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have large atomic radii (or molecular radii). Therefore, if they are contained inside an oxide semiconductor film, the atomic arrangement of the oxide semiconductor film is disturbed, resulting in crystallinity. It becomes a factor to reduce. Note that the impurity contained in the oxide semiconductor film might serve as a carrier trap or a carrier generation source.
また、CAAC−OS膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。 The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low density of defect states. For example, oxygen vacancies in the oxide semiconductor film can serve as carrier traps or can generate carriers by capturing hydrogen.
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損の少ない)ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。したがって、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノーマリーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 A low impurity concentration and a low density of defect states (small number of oxygen vacancies) is called high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier generation sources, and thus can have a low carrier density. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film is unlikely to have electrical characteristics (also referred to as normally-on) in which the threshold voltage is negative. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier traps. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film has a small change in electrical characteristics and has high reliability. Note that the charge trapped in the carrier trap of the oxide semiconductor film takes a long time to be released, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor film with a high impurity concentration and a high density of defect states may have unstable electrical characteristics.
また、CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。 In addition, a transistor including a CAAC-OS film has little variation in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light.
なお、OSトランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ(Siトランジスタ)に比べてバンドギャップが大きいため、高電圧を印加した際の絶縁破壊が生じにくい。直列に電池セルを接続する場合、数100Vの電圧が生じることになるが、このような電池セルに適用される蓄電池の電池制御ユニットの回路構成には、前述のOSトランジスタで構成することが適している。 Note that an OS transistor has a larger band gap than a transistor having silicon in a channel formation region (Si transistor), and thus dielectric breakdown is less likely to occur when a high voltage is applied. When battery cells are connected in series, a voltage of several hundred volts is generated. For the circuit configuration of a battery control unit of a storage battery applied to such a battery cell, it is suitable to use the OS transistor described above. ing.
図22には、蓄電池のブロック図の一例を示す。図22に示す蓄電池BT00は、端子対BT01と、端子対BT02と、切り替え制御回路BT03と、切り替え回路BT04と、切り替え回路BT05と、変圧制御回路BT06と、変圧回路BT07と、直列に接続された複数の電池セルBT09を含む電池部BT08と、を有する。 FIG. 22 shows an example of a block diagram of a storage battery. A storage battery BT00 shown in FIG. 22 is connected in series with a terminal pair BT01, a terminal pair BT02, a switching control circuit BT03, a switching circuit BT04, a switching circuit BT05, a transformation control circuit BT06, and a transformation circuit BT07. A battery unit BT08 including a plurality of battery cells BT09.
また、図22の蓄電池BT00において、端子対BT01と、端子対BT02と、切り替え制御回路BT03と、切り替え回路BT04と、切り替え回路BT05と、変圧制御回路BT06と、変圧回路BT07とにより構成される部分を、電池制御ユニットと呼ぶことができる。 Further, in the storage battery BT00 of FIG. 22, a portion constituted by a terminal pair BT01, a terminal pair BT02, a switching control circuit BT03, a switching circuit BT04, a switching circuit BT05, a transformation control circuit BT06, and a transformation circuit BT07. Can be referred to as a battery control unit.
切り替え制御回路BT03は、切り替え回路BT04及び切り替え回路BT05の動作を制御する。具体的には、切り替え制御回路BT03は、電池セルBT09毎に測定された電圧に基づいて、放電する電池セル(放電電池セル群)、及び充電する電池セル(充電電池セル群)を決定する。 The switching control circuit BT03 controls operations of the switching circuit BT04 and the switching circuit BT05. Specifically, the switching control circuit BT03 determines the battery cell (discharge battery cell group) to be discharged and the battery cell (charge battery cell group) to be charged based on the voltage measured for each battery cell BT09.
さらに、切り替え制御回路BT03は、当該決定された放電電池セル群及び充電電池セル群に基づいて、制御信号S1及び制御信号S2を出力する。制御信号S1は、切り替え回路BT04へ出力される。この制御信号S1は、端子対BT01と放電電池セル群とを接続させるように切り替え回路BT04を制御する信号である。また、制御信号S2は、切り替え回路BT05へ出力される。この制御信号S2は、端子対BT02と充電電池セル群とを接続させるように切り替え回路BT05を制御する信号である。 Further, the switching control circuit BT03 outputs a control signal S1 and a control signal S2 based on the determined discharge battery cell group and charge battery cell group. The control signal S1 is output to the switching circuit BT04. This control signal S1 is a signal for controlling the switching circuit BT04 so as to connect the terminal pair BT01 and the discharge battery cell group. The control signal S2 is output to the switching circuit BT05. This control signal S2 is a signal for controlling the switching circuit BT05 so as to connect the terminal pair BT02 and the rechargeable battery cell group.
また、切り替え制御回路BT03は、切り替え回路BT04、切り替え回路BT05、及び変圧回路BT07の構成を踏まえ、端子対BT02と充電電池セル群との間で、同じ極性の端子同士が接続されるように、制御信号S1及び制御信号S2を生成する。 In addition, the switching control circuit BT03 is based on the configuration of the switching circuit BT04, the switching circuit BT05, and the transformer circuit BT07 so that terminals of the same polarity are connected between the terminal pair BT02 and the rechargeable battery cell group. A control signal S1 and a control signal S2 are generated.
切り替え制御回路BT03の動作の詳細について述べる。 Details of the operation of the switching control circuit BT03 will be described.
まず、切り替え制御回路BT03は、複数の電池セルBT09毎の電圧を測定する。そして、切り替え制御回路BT03は、例えば、所定の閾値以上の電圧の電池セルBT09を高電圧の電池セル(高電圧セル)、所定の閾値未満の電圧の電池セルBT09を低電圧の電池セル(定電圧セル)と判断する。 First, the switching control circuit BT03 measures the voltage for each of the plurality of battery cells BT09. Then, the switching control circuit BT03, for example, sets the battery cell BT09 having a voltage equal to or higher than a predetermined threshold as a high voltage battery cell (high voltage cell) and the battery cell BT09 having a voltage lower than the predetermined threshold as a low voltage battery cell (constant Voltage cell).
なお、高電圧セル及び低電圧セルを判断する方法については、様々な方法を用いることができる。例えば、切り替え制御回路BT03は、複数の電池セルBT09の中で、最も電圧の高い、又は最も電圧の低い電池セルBT09の電圧を基準として、各電池セルBT09が高電圧セルか低電圧セルかを判断してもよい。この場合、切り替え制御回路BT03は、各電池セルBT09の電圧が基準となる電圧に対して所定の割合以上か否かを判定する等して、各電池セルBT09が高電圧セルか低電圧セルかを判断することができる。そして、切り替え制御回路BT03は、この判断結果に基づいて、放電電池セル群と充電電池セル群とを決定する。 Various methods can be used for determining the high voltage cell and the low voltage cell. For example, the switching control circuit BT03 determines whether each battery cell BT09 is a high voltage cell or a low voltage cell with reference to the voltage of the battery cell BT09 having the highest voltage or the lowest voltage among the plurality of battery cells BT09. You may judge. In this case, the switching control circuit BT03 determines whether each battery cell BT09 is a high voltage cell or a low voltage cell by determining whether the voltage of each battery cell BT09 is equal to or higher than a predetermined ratio with respect to the reference voltage. Can be judged. Then, the switching control circuit BT03 determines the discharge battery cell group and the charge battery cell group based on the determination result.
なお、複数の電池セルBT09の中には、高電圧セルと低電圧セルが様々な状態で混在し得る。例えば、切り替え制御回路BT03は、高電圧セルと低電圧セルが混在する中で、高電圧セルが最も多く連続して直列に接続された部分を放電電池セル群とする。また、切り替え制御回路BT03は、低電圧セルが最も多く連続して直列に接続された部分を充電電池セル群とする。また、切り替え制御回路BT03は、過充電又は過放電に近い電池セルBT09を、放電電池セル群又は充電電池セル群として優先的に選択するようにしてもよい。 In the plurality of battery cells BT09, a high voltage cell and a low voltage cell can be mixed in various states. For example, in the switching control circuit BT03, among the high voltage cells and the low voltage cells, the portion where the highest number of high voltage cells are connected in series is the discharge battery cell group. In addition, the switching control circuit BT03 sets a portion where the most low voltage cells are continuously connected in series as a rechargeable battery cell group. Further, the switching control circuit BT03 may preferentially select the battery cell BT09 close to overcharge or overdischarge as the discharge battery cell group or the charge battery cell group.
ここで、本実施形態における切り替え制御回路BT03の動作例を、図23を用いて説明する。図23は、切り替え制御回路BT03の動作例を説明するための図である。なお、説明の便宜上、図23では4個の電池セルBT09が直列に接続されている場合を例に説明する。 Here, an operation example of the switching control circuit BT03 in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 23 is a diagram for explaining an operation example of the switching control circuit BT03. For convenience of explanation, FIG. 23 illustrates an example in which four battery cells BT09 are connected in series.
まず、図23(A)の例では、電池セルa乃至dの電圧を電圧Va乃至電圧Vdとすると、Va=Vb=Vc>Vdの関係にある場合を示している。つまり、連続する3つの高電圧セルa乃至cと、1つの低電圧セルdとが直列に接続されている。この場合、切り替え制御回路BT03は、連続する3つの高電圧セルa乃至cを放電電池セル群として決定する。また、切り替え制御回路BT03は、低電圧セルDを充電電池セル群として決定する。 First, in the example of FIG. 23A, when the voltages of the battery cells a to d are the voltages Va to Vd, a case where Va = Vb = Vc> Vd is shown. That is, three continuous high voltage cells a to c and one low voltage cell d are connected in series. In this case, the switching control circuit BT03 determines three consecutive high voltage cells a to c as a discharge battery cell group. Further, the switching control circuit BT03 determines the low voltage cell D as a rechargeable battery cell group.
次に、図23(B)の例では、Vc>Vb=Vc>>Vdの関係にある場合を示している。つまり、連続する2つの低電圧セルa、bと、1つの高電圧セルcと、1つの過放電間近の低電圧セルdとが直列に接続されている。この場合、切り替え制御回路BT03は、高電圧セルcを放電電池セル群として決定する。また、切り替え制御回路BT03は、低電圧セルdが過放電間近であるため、連続する2つの低電圧セルa及びbではなく、低電圧セルdを充電電池セル群として優先的に決定する。 Next, the example of FIG. 23B shows a case where Vc >> Vb = Vc >> Vd. That is, two continuous low voltage cells a and b, one high voltage cell c, and one low voltage cell d near overdischarge are connected in series. In this case, the switching control circuit BT03 determines the high voltage cell c as a discharge battery cell group. In addition, since the low voltage cell d is close to overdischarge, the switching control circuit BT03 preferentially determines the low voltage cell d as a charging battery cell group instead of the two consecutive low voltage cells a and b.
最後に、図23(C)の例では、Va>Vb=Vc=Vdの関係にある場合を示している。つまり、1つの高電圧セルaと、連続する3つの低電圧セルb乃至dとが直列に接続されている。この場合、切り替え制御回路BT03は、高電圧セルaを放電電池セル群と決定する。また、切り替え制御回路BT03は、連続する3つの低電圧セルb乃至dを充電電池セル群として決定する。 Finally, the example of FIG. 23C shows a case where Va> Vb = Vc = Vd. That is, one high voltage cell a and three consecutive low voltage cells b to d are connected in series. In this case, the switching control circuit BT03 determines the high voltage cell a as a discharge battery cell group. In addition, the switching control circuit BT03 determines three consecutive low voltage cells b to d as a rechargeable battery cell group.
切り替え制御回路BT03は、上記図23(A)乃至(C)の例のように決定された結果に基づいて、切り替え回路BT04の接続先である放電電池セル群を示す情報が設定された制御信号S1と、切り替え回路BT05の接続先である充電電池セル群を示す情報が設定された制御信号S2を、切り替え回路BT04及び切り替え回路BT05に対してそれぞれ出力する。 The switching control circuit BT03 is a control signal in which information indicating the discharge battery cell group to which the switching circuit BT04 is connected is set based on the results determined as in the examples of FIGS. 23 (A) to (C). The control signal S2 in which information indicating S1 and the rechargeable battery cell group to which the switching circuit BT05 is connected is set is output to the switching circuit BT04 and the switching circuit BT05.
以上が、切り替え制御回路BT03の動作の詳細に関する説明である。 The above has described the details of the operation of the switching control circuit BT03.
切り替え回路BT04は、切り替え制御回路BT03から出力される制御信号S1に応じて、端子対BT01の接続先を、切り替え制御回路BT03により決定された放電電池セル群に設定する。 The switching circuit BT04 sets the connection destination of the terminal pair BT01 to the discharge battery cell group determined by the switching control circuit BT03 according to the control signal S1 output from the switching control circuit BT03.
端子対BT01は、対を成す端子A1及びA2により構成される。切り替え回路BT04は、この端子A1及びA2のうち、いずれか一方を放電電池セル群の中で最も上流(高電位側)に位置する電池セルBT09の正極端子と接続し、他方を放電電池セル群の中で最も下流(低電位側)に位置する電池セルBT09の負極端子と接続することにより、端子対BT01の接続先を設定する。なお、切り替え回路BT04は、制御信号S1に設定された情報を用いて放電電池セル群の位置を認識することができる。 The terminal pair BT01 is composed of a pair of terminals A1 and A2. The switching circuit BT04 connects either one of the terminals A1 and A2 to the positive terminal of the battery cell BT09 located on the most upstream side (high potential side) in the discharge battery cell group, and the other to the discharge battery cell group. The connection destination of the terminal pair BT01 is set by connecting to the negative electrode terminal of the battery cell BT09 located most downstream (low potential side). Note that the switching circuit BT04 can recognize the position of the discharge battery cell group using the information set in the control signal S1.
切り替え回路BT05は、切り替え制御回路BT03から出力される制御信号S2に応じて、端子対BT02の接続先を、切り替え制御回路BT03により決定された充電電池セル群に設定する。 The switching circuit BT05 sets the connection destination of the terminal pair BT02 to the rechargeable battery cell group determined by the switching control circuit BT03 according to the control signal S2 output from the switching control circuit BT03.
端子対BT02は、対を成す端子B1及びB2により構成される。切り替え回路BT05は、この端子B1及びB2のうち、いずれか一方を充電電池セル群の中で最も上流(高電位側)に位置する電池セルBT09の正極端子と接続し、他方を充電電池セル群の中で最も下流(低電位側)に位置する電池セルBT09の負極端子と接続することにより、端子対BT02の接続先を設定する。なお、切り替え回路BT05は、制御信号S2に設定された情報を用いて充電電池セル群の位置を認識することができる。 The terminal pair BT02 is configured by a pair of terminals B1 and B2. The switching circuit BT05 connects either one of the terminals B1 and B2 to the positive terminal of the battery cell BT09 located on the most upstream side (high potential side) in the charging battery cell group, and the other to the charging battery cell group. The connection destination of the terminal pair BT02 is set by connecting to the negative electrode terminal of the battery cell BT09 located most downstream (low potential side). Note that the switching circuit BT05 can recognize the position of the rechargeable battery cell group using the information set in the control signal S2.
切り替え回路BT04及び切り替え回路BT05の構成例を示す回路図を図24及び図25に示す。 24 and 25 are circuit diagrams showing configuration examples of the switching circuit BT04 and the switching circuit BT05.
図24では、切り替え回路BT04は、複数のトランジスタBT10と、バスBT11及びBT12とを有する。バスBT11は、端子A1と接続されている。また、バスBT12は、端子A2と接続されている。複数のトランジスタBT10のソース又はドレインの一方は、それぞれ1つおきに交互に、バスBT11及びBT12と接続されている。また、複数のトランジスタBT10のソース又はドレインの他方は、それぞれ隣接する2つの電池セルBT09の間に接続されている。 In FIG. 24, the switching circuit BT04 includes a plurality of transistors BT10 and buses BT11 and BT12. The bus BT11 is connected to the terminal A1. The bus BT12 is connected to the terminal A2. One of the sources or drains of the plurality of transistors BT10 is connected to the buses BT11 and BT12 alternately every other one. The other of the sources or drains of the plurality of transistors BT10 is connected between two adjacent battery cells BT09.
なお、複数のトランジスタBT10のうち、最上流に位置するトランジスタBT10のソース又はドレインの他方は、電池部BT08の最上流に位置する電池セルBT09の正極端子と接続されている。また、複数のトランジスタBT10のうち、最下流に位置するトランジスタBT10のソース又はドレインの他方は、電池部BT08の最下流に位置する電池セルBT09の負極端子と接続されている。 Note that, among the plurality of transistors BT10, the other of the source and the drain of the transistor BT10 located at the uppermost stream is connected to the positive terminal of the battery cell BT09 located at the uppermost stream of the battery unit BT08. In addition, among the plurality of transistors BT10, the other of the source and the drain of the transistor BT10 located on the most downstream side is connected to the negative electrode terminal of the battery cell BT09 located on the most downstream side of the battery unit BT08.
切り替え回路BT04は、複数のトランジスタBT10のゲートに与える制御信号S1に応じて、バスBT11に接続される複数のトランジスタBT10のうちの1つと、バスBT12に接続される複数のトランジスタBT10のうちの1つとをそれぞれ導通状態にすることにより、放電電池セル群と端子対BT01とを接続する。これにより、放電電池セル群の中で最も上流に位置する電池セルBT09の正極端子は、端子対の端子A1又はA2のいずれか一方と接続される。また、放電電池セル群の中で最も下流に位置する電池セルBT09の負極端子は、端子対の端子A1又はA2のいずれか他方、すなわち正極端子と接続されていない方の端子に接続される。 The switching circuit BT04 is one of the plurality of transistors BT10 connected to the bus BT11 and one of the plurality of transistors BT10 connected to the bus BT12 according to the control signal S1 applied to the gates of the plurality of transistors BT10. The discharge battery cell group and the terminal pair BT01 are connected to each other by bringing them into a conductive state. Thereby, the positive electrode terminal of battery cell BT09 located in the most upstream in the discharge battery cell group is connected with either one of terminal A1 or A2 of a terminal pair. Moreover, the negative electrode terminal of battery cell BT09 located in the most downstream in the discharge battery cell group is connected to either the terminal A1 or A2 of the terminal pair, that is, the terminal not connected to the positive electrode terminal.
トランジスタBT10には、OSトランジスタを用いることが好ましい。OSトランジスタはオフ電流が小さいため、放電電池セル群に属しない電池セルから漏洩する電荷量を減らし、時間の経過による容量の低下を抑制することができる。またOSトランジスタは高電圧を印加した際の絶縁破壊が生じにくい。そのため、放電電池セル群の出力電圧が大きくても、非導通状態とするトランジスタBT10が接続された電池セルBT09と端子対BT01とを絶縁状態とすることができる。 An OS transistor is preferably used as the transistor BT10. Since the OS transistor has a small off-state current, it is possible to reduce the amount of charge leaked from a battery cell that does not belong to the discharge battery cell group, and to suppress a decrease in capacity over time. In addition, the OS transistor is unlikely to break down when a high voltage is applied. Therefore, even if the output voltage of the discharge battery cell group is large, the battery cell BT09 connected to the transistor BT10 to be turned off and the terminal pair BT01 can be insulated.
また、図24では、切り替え回路BT05は、複数のトランジスタBT13と、電流制御スイッチBT14と、バスBT15と、バスBT16とを有する。バスBT15及びBT16は、複数のトランジスタBT13と、電流制御スイッチBT14との間に配置される。複数のトランジスタBT13のソース又はドレインの一方は、それぞれ1つおきに交互に、バスBT15及びBT16と接続されている。また、複数のトランジスタBT13のソース又はドレインの他方は、それぞれ隣接する2つの電池セルBT09の間に接続されている。 In FIG. 24, the switching circuit BT05 includes a plurality of transistors BT13, a current control switch BT14, a bus BT15, and a bus BT16. The buses BT15 and BT16 are disposed between the plurality of transistors BT13 and the current control switch BT14. One of the sources or drains of the plurality of transistors BT13 is alternately connected to the buses BT15 and BT16 alternately. The other of the sources or drains of the plurality of transistors BT13 is connected between two adjacent battery cells BT09.
なお、複数のトランジスタBT13のうち、最上流に位置するトランジスタBT13のソース又はドレインの他方は、電池部BT08の最上流に位置する電池セルBT09の正極端子と接続されている。また、複数のトランジスタBT13のうち、最下流に位置するトランジスタBT13のソース又はドレインの他方は、電池部BT08の最下流に位置する電池セルBT09の負極端子と接続されている。 Note that, among the plurality of transistors BT13, the other of the source and the drain of the transistor BT13 located at the uppermost stream is connected to the positive terminal of the battery cell BT09 located at the uppermost stream of the battery unit BT08. In addition, among the plurality of transistors BT13, the other of the source and the drain of the transistor BT13 located on the most downstream side is connected to the negative terminal of the battery cell BT09 located on the most downstream side of the battery unit BT08.
トランジスタBT13には、トランジスタBT10と同様に、OSトランジスタを用いることが好ましい。OSトランジスタはオフ電流が小さいため、充電電池セル群に属しない電池セルから漏洩する電荷量を減らし、時間の経過による容量の低下を抑制することができる。またOSトランジスタは高電圧を印加した際の絶縁破壊が生じにくい。そのため、充電電池セル群を充電するための電圧が大きくても、非導通状態とするトランジスタBT13が接続された電池セルBT09と端子対BT02とを絶縁状態とすることができる。 As the transistor BT13, an OS transistor is preferably used similarly to the transistor BT10. Since the OS transistor has a small off-state current, it is possible to reduce the amount of charge leaked from a battery cell that does not belong to the rechargeable battery cell group, and to suppress a decrease in capacity over time. In addition, the OS transistor is unlikely to break down when a high voltage is applied. Therefore, even if the voltage for charging the charged battery cell group is large, the battery cell BT09 to which the transistor BT13 to be turned off and the terminal pair BT02 can be insulated.
電流制御スイッチBT14は、スイッチ対BT17とスイッチ対BT18とを有する。スイッチ対BT17の一端は、端子B1に接続されている。また、スイッチ対BT17の他端は2つのスイッチで分岐しており、一方のスイッチはバスBT15に接続され、他方のスイッチはバスBT16に接続されている。スイッチ対BT18の一端は、端子B2に接続されている。また、スイッチ対BT18の他端は2つのスイッチで分岐しており、一方のスイッチはバスBT15に接続され、他方のスイッチはバスBT16に接続されている。 The current control switch BT14 has a switch pair BT17 and a switch pair BT18. One end of the switch pair BT17 is connected to the terminal B1. The other end of the switch pair BT17 is branched by two switches. One switch is connected to the bus BT15 and the other switch is connected to the bus BT16. One end of the switch pair BT18 is connected to the terminal B2. The other end of the switch pair BT18 is branched by two switches. One switch is connected to the bus BT15 and the other switch is connected to the bus BT16.
スイッチ対BT17及びスイッチ対BT18が有するスイッチは、トランジスタBT10及びトランジスタBT13と同様に、OSトランジスタを用いることが好ましい。 As the switches included in the switch pair BT17 and the switch pair BT18, OS transistors are preferably used as in the transistors BT10 and BT13.
切り替え回路BT05は、制御信号S2に応じて、トランジスタBT13、及び電流制御スイッチBT14のオン/オフ状態の組み合わせを制御することにより、充電電池セル群と端子対BT02とを接続する。 The switching circuit BT05 connects the charging battery cell group and the terminal pair BT02 by controlling the combination of the on / off state of the transistor BT13 and the current control switch BT14 according to the control signal S2.
切り替え回路BT05は、一例として、以下のようにして充電電池セル群と端子対BT02とを接続する。 As an example, the switching circuit BT05 connects the rechargeable battery cell group and the terminal pair BT02 as follows.
切り替え回路BT05は、複数のトランジスタBT10のゲートに与える制御信号S2に応じて、充電電池セル群の中で最も上流に位置する電池セルBT09の正極端子と接続されているトランジスタBT13を導通状態にする。また、切り替え回路BT05は、複数のトランジスタBT10のゲートに与える制御信号S2に応じて、充電電池セル群の中で最も下流に位置する電池セルBT09の負極端子に接続されているトランジスタBT13を導通状態にする。 The switching circuit BT05 brings the transistor BT13 connected to the positive terminal of the battery cell BT09 located most upstream in the charging battery cell group into a conductive state in response to the control signal S2 applied to the gates of the plurality of transistors BT10. . Further, the switching circuit BT05 conducts the transistor BT13 connected to the negative terminal of the battery cell BT09 located most downstream in the charging battery cell group in response to the control signal S2 applied to the gates of the plurality of transistors BT10. To.
端子対BT02に印加される電圧の極性は、端子対BT01と接続される放電電池セル群、及び変圧回路BT07の構成によって変わり得る。また、充電電池セル郡を充電する方向に電流を流すためには、端子対BT02と充電電池セル群との間で、同じ極性の端子同士を接続する必要がある。そこで、電流制御スイッチBT14は、制御信号S2により、端子対BT02に印加される電圧の極性に応じてスイッチ対BT17及びスイッチ対BT18の接続先をそれぞれ切り替えるように制御される。 The polarity of the voltage applied to the terminal pair BT02 can vary depending on the configuration of the discharge battery cell group connected to the terminal pair BT01 and the transformer circuit BT07. Moreover, in order to flow an electric current in the direction which charges a rechargeable battery cell group, it is necessary to connect terminals of the same polarity between the terminal pair BT02 and the rechargeable battery cell group. Therefore, the current control switch BT14 is controlled to switch the connection destination of the switch pair BT17 and the switch pair BT18 according to the polarity of the voltage applied to the terminal pair BT02 by the control signal S2.
一例として、端子B1が正極、端子B2が負極となるような電圧が端子対BT02に印加されている状態を挙げて説明する。この時、電池部BT08の最下流の電池セルBT09が充電電池セル群である場合、スイッチ対BT17は、制御信号S2により、当該電池セルBT09の正極端子と接続されるように制御される。すなわち、スイッチ対BT17のバスBT16に接続されるスイッチがオン状態となり、スイッチ対BT17のバスBT15に接続されるスイッチがオフ状態となる。一方、スイッチ対BT18は、制御信号S2により、当該電池セルBT09の負極端子と接続されるように制御される。すなわち、スイッチ対BT18のバスBT15に接続されるスイッチがオン状態となり、スイッチ対BT18のバスBT16に接続されるスイッチがオフ状態となる。このようにして、端子対BT02と充電電池セル群との間で、同じ極性をもつ端子同士が接続される。そして、端子対BT02から流れる電流の方向が、充電電池セル群を充電する方向となるように制御される。 As an example, a description will be given of a state where a voltage is applied to the terminal pair BT02 so that the terminal B1 is a positive electrode and the terminal B2 is a negative electrode. At this time, when the battery cell BT09 on the most downstream side of the battery unit BT08 is a charged battery cell group, the switch pair BT17 is controlled to be connected to the positive terminal of the battery cell BT09 by the control signal S2. That is, the switch connected to the bus BT16 of the switch pair BT17 is turned on, and the switch connected to the bus BT15 of the switch pair BT17 is turned off. On the other hand, the switch pair BT18 is controlled to be connected to the negative terminal of the battery cell BT09 by the control signal S2. That is, the switch connected to the bus BT15 of the switch pair BT18 is turned on, and the switch connected to the bus BT16 of the switch pair BT18 is turned off. In this way, terminals having the same polarity are connected between the terminal pair BT02 and the rechargeable battery cell group. And the direction of the electric current which flows from terminal pair BT02 is controlled so that it may become a direction which charges a charging battery cell group.
また、電流制御スイッチBT14は、切り替え回路BT05ではなく、切り替え回路BT04に含まれていてもよい。この場合、電流制御スイッチBT14、制御信号S1に応じて、端子対BT01に印加される電圧の極性を制御することにより、端子対BT02に印加される電圧の極性を制御する。そして、電流制御スイッチBT14は、端子対BT02から充電電池セル群に流れる電流の向きを制御する。 Further, the current control switch BT14 may be included in the switching circuit BT04 instead of the switching circuit BT05. In this case, the polarity of the voltage applied to the terminal pair BT02 is controlled by controlling the polarity of the voltage applied to the terminal pair BT01 in accordance with the current control switch BT14 and the control signal S1. The current control switch BT14 controls the direction of current flowing from the terminal pair BT02 to the rechargeable battery cell group.
図25は、図24とは異なる、切り替え回路BT04及び切り替え回路BT05の構成例を示す回路図である。 FIG. 25 is a circuit diagram showing a configuration example of the switching circuit BT04 and the switching circuit BT05, which is different from FIG.
図25では、切り替え回路BT04は、複数のトランジスタ対BT21と、バスBT24及びバスBT25とを有する。バスBT24は、端子A1と接続されている。また、バスBT25は、端子A2と接続されている。複数のトランジスタ対BT21の一端は、それぞれトランジスタBT22とトランジスタBT23とにより分岐している。トランジスタBT22のソース又はドレインの一方は、バスBT24と接続されている。また、トランジスタBT23のソース又はドレインの一方は、バスBT25と接続されている。また、複数のトランジスタ対の他端は、それぞれ隣接する2つの電池セルBT09の間に接続されている。なお、複数のトランジスタ対BT21のうち、最上流に位置するトランジスタ対BT21の他端は、電池部BT08の最上流に位置する電池セルBT09の正極端子と接続されている。また、複数のトランジスタ対BT21のうち、最下流に位置するトランジスタ対BT21の他端は、電池部BT08の最下流に位置する電池セルBT09の負極端子と接続されている。 In FIG. 25, the switching circuit BT04 includes a plurality of transistor pairs BT21, a bus BT24, and a bus BT25. The bus BT24 is connected to the terminal A1. The bus BT25 is connected to the terminal A2. One ends of the plurality of transistor pairs BT21 are branched by a transistor BT22 and a transistor BT23, respectively. One of the source and the drain of the transistor BT22 is connected to the bus BT24. One of the source and the drain of the transistor BT23 is connected to the bus BT25. The other ends of the plurality of transistor pairs are connected between two adjacent battery cells BT09. Of the plurality of transistor pairs BT21, the other end of the transistor pair BT21 located at the most upstream is connected to the positive terminal of the battery cell BT09 located at the most upstream of the battery unit BT08. Moreover, the other end of the transistor pair BT21 located on the most downstream side of the plurality of transistor pairs BT21 is connected to the negative electrode terminal of the battery cell BT09 located on the most downstream side of the battery unit BT08.
切り替え回路BT04は、制御信号S1に応じてトランジスタBT22及びトランジスタBT23の導通/非導通状態を切り換えることにより、当該トランジスタ対BT21の接続先を、端子A1又は端子A2のいずれか一方に切り替える。詳細には、トランジスタBT22が導通状態であれば、トランジスタBT23は非導通状態となり、その接続先は端子A1になる。一方、トランジスタBT23が導通状態であれば、トランジスタBT22は非導通状態となり、その接続先は端子A2になる。トランジスタBT22及びトランジスタBT23のどちらが導通状態になるかは、制御信号S1によって決定される。 The switching circuit BT04 switches the connection destination of the transistor pair BT21 to either the terminal A1 or the terminal A2 by switching the conduction / non-conduction state of the transistor BT22 and the transistor BT23 according to the control signal S1. Specifically, when the transistor BT22 is in a conductive state, the transistor BT23 is in a nonconductive state, and the connection destination is the terminal A1. On the other hand, when the transistor BT23 is in a conductive state, the transistor BT22 is in a nonconductive state, and the connection destination is the terminal A2. Which of the transistors BT22 and BT23 is turned on is determined by the control signal S1.
端子対BT01と放電電池セル群とを接続するには、2つのトランジスタ対BT21が用いられる。詳細には、制御信号S1に基づいて、2つのトランジスタ対BT21の接続先がそれぞれ決定されることにより、放電電池セル群と端子対BT01とが接続される。2つのトランジスタ対BT21のそれぞれの接続先は、一方が端子A1となり、他方が端子A2となるように、制御信号S1によって制御される。 Two transistor pairs BT21 are used to connect the terminal pair BT01 and the discharge battery cell group. Specifically, the connection destination of the two transistor pairs BT21 is determined based on the control signal S1, whereby the discharge battery cell group and the terminal pair BT01 are connected. The connection destinations of the two transistor pairs BT21 are controlled by the control signal S1 so that one is the terminal A1 and the other is the terminal A2.
切り替え回路BT05は、複数のトランジスタ対BT31と、バスBT34及びバスBT35とを有する。バスBT34は、端子B1と接続されている。また、バスBT35は、端子B2と接続されている。複数のトランジスタ対BT31の一端は、それぞれトランジスタBT32とトランジスタBT33とにより分岐している。トランジスタBT32により分岐する一端は、バスBT34と接続されている。また、トランジスタBT33により分岐する一端は、バスBT35と接続されている。また、複数のトランジスタ対BT31の他端は、それぞれ隣接する2つの電池セルBT09の間に接続されている。なお、複数のトランジスタ対BT31のうち、最上流に位置するトランジスタ対BT31の他端は、電池部BT08の最上流に位置する電池セルBT09の正極端子と接続されている。また、複数のトランジスタ対BT31のうち、最下流に位置するトランジスタ対BT31の他端は、電池部BT08の最下流に位置する電池セルBT09の負極端子と接続されている。 The switching circuit BT05 includes a plurality of transistor pairs BT31, a bus BT34, and a bus BT35. The bus BT34 is connected to the terminal B1. The bus BT35 is connected to the terminal B2. One ends of the plurality of transistor pairs BT31 are branched by a transistor BT32 and a transistor BT33, respectively. One end branched by the transistor BT32 is connected to the bus BT34. One end branched by the transistor BT33 is connected to the bus BT35. The other ends of the plurality of transistor pairs BT31 are connected between two adjacent battery cells BT09. Note that, among the plurality of transistor pairs BT31, the other end of the uppermost transistor pair BT31 is connected to the positive terminal of the battery cell BT09 located at the uppermost stream of the battery unit BT08. Moreover, the other end of the transistor pair BT31 located on the most downstream side of the plurality of transistor pairs BT31 is connected to the negative electrode terminal of the battery cell BT09 located on the most downstream side of the battery unit BT08.
切り替え回路BT05は、制御信号S2に応じてトランジスタBT32及びトランジスタBT33の導通/非導通状態を切り換えることにより、当該トランジスタ対BT31の接続先を、端子B1又は端子B2のいずれか一方に切り替える。詳細には、トランジスタBT32が導通状態であれば、トランジスタBT33は非導通状態となり、その接続先は端子B1になる。逆に、トランジスタBT33が導通状態であれば、トランジスタBT32は非導通状態となり、その接続先は端子B2になる。トランジスタBT32及びトランジスタBT33のどちらが導通状態となるかは、制御信号S2によって決定される。 The switching circuit BT05 switches the connection destination of the transistor pair BT31 to either the terminal B1 or the terminal B2 by switching the conduction / non-conduction state of the transistor BT32 and the transistor BT33 according to the control signal S2. Specifically, when the transistor BT32 is in a conductive state, the transistor BT33 is in a nonconductive state, and the connection destination is the terminal B1. On the other hand, when the transistor BT33 is in a conductive state, the transistor BT32 is in a nonconductive state, and the connection destination is the terminal B2. Which of the transistor BT32 and the transistor BT33 becomes conductive is determined by the control signal S2.
端子対BT02と充電電池セル群とを接続するには、2つのトランジスタ対BT31が用いられる。詳細には、制御信号S2に基づいて、2つのトランジスタ対BT31の接続先がそれぞれ決定されることにより、充電電池セル群と端子対BT02とが接続される。2つのトランジスタ対BT31のそれぞれの接続先は、一方が端子B1となり、他方が端子B2となるように、制御信号S2によって制御される。 Two transistor pairs BT31 are used to connect the terminal pair BT02 and the rechargeable battery cell group. Specifically, the connection destination of the two transistor pairs BT31 is determined based on the control signal S2, whereby the rechargeable battery cell group and the terminal pair BT02 are connected. The connection destinations of the two transistor pairs BT31 are controlled by the control signal S2 so that one is the terminal B1 and the other is the terminal B2.
また、2つのトランジスタ対BT31のそれぞれの接続先は、端子対BT02に印加される電圧の極性によって決定される。具体的には、端子B1が正極、端子B2が負極となるような電圧が端子対BT02に印加されている場合、上流側のトランジスタ対BT31は、トランジスタBT32が導通状態となり、トランジスタBT33が非導通状態となるように、制御信号S2によって制御される。一方、下流側のトランジスタ対BT31は、トランジスタBT33が導通状態、トランジスタBT32が非導通状態となるように、制御信号S2によって制御される。また、端子B1が負極、端子B2が正極となるような電圧が端子対BT02に印加されている場合は、上流側のトランジスタ対BT31は、トランジスタBT33が導通状態となり、トランジスタBT32が非導通状態となるように、制御信号S2によって制御される。一方、下流側のトランジスタ対BT31は、トランジスタBT32が導通状態、トランジスタBT33が非導通状態となるように、制御信号S2によって制御される。このようにして、端子対BT02と充電電池セル群との間で、同じ極性をもつ端子同士が接続される。そして、端子対BT02から流れる電流の方向が、充電電池セル群を充電する方向となるように制御される。 The connection destination of each of the two transistor pairs BT31 is determined by the polarity of the voltage applied to the terminal pair BT02. Specifically, when a voltage is applied to the terminal pair BT02 such that the terminal B1 is a positive electrode and the terminal B2 is a negative electrode, the upstream transistor pair BT31 is in a conductive state and the transistor BT33 is in a nonconductive state. It is controlled by the control signal S2 so as to be in a state. On the other hand, the downstream transistor pair BT31 is controlled by the control signal S2 so that the transistor BT33 is conductive and the transistor BT32 is nonconductive. Further, when a voltage is applied to the terminal pair BT02 so that the terminal B1 is a negative electrode and the terminal B2 is a positive electrode, the upstream transistor pair BT31 has the transistor BT33 in a conductive state and the transistor BT32 in a nonconductive state. It is controlled by the control signal S2. On the other hand, the transistor pair BT31 on the downstream side is controlled by the control signal S2 so that the transistor BT32 is conductive and the transistor BT33 is nonconductive. In this way, terminals having the same polarity are connected between the terminal pair BT02 and the rechargeable battery cell group. And the direction of the electric current which flows from terminal pair BT02 is controlled so that it may become a direction which charges a charging battery cell group.
変圧制御回路BT06は、変圧回路BT07の動作を制御する。変圧制御回路BT06は、放電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数と、充電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数とに基づいて、変圧回路BT07の動作を制御する変圧信号S3を生成し、変圧回路BT07へ出力する。 The transformation control circuit BT06 controls the operation of the transformation circuit BT07. The transformation control circuit BT06 generates a transformation signal S3 for controlling the operation of the transformation circuit BT07 based on the number of battery cells BT09 included in the discharge battery cell group and the number of battery cells BT09 included in the charge battery cell group. And output to the transformer circuit BT07.
なお、放電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数が充電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数よりも多い場合は、充電電池セル群に対して過剰に大きな充電電圧が印加されることを防止する必要がある。そのため、変圧制御回路BT06は、充電電池セル群を充電できる範囲で放電電圧(Vdis)を降圧させるように変圧回路BT07を制御する変圧信号S3を出力する。 When the number of battery cells BT09 included in the discharge battery cell group is greater than the number of battery cells BT09 included in the charge battery cell group, an excessively large charge voltage is applied to the charge battery cell group. Need to prevent. Therefore, the transformation control circuit BT06 outputs a transformation signal S3 that controls the transformation circuit BT07 so as to step down the discharge voltage (Vdis) within a range in which the rechargeable battery cell group can be charged.
また、放電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数が、充電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数以下である場合は、充電電池セル群を充電するために必要な充電電圧を確保する必要がある。そのため、変圧制御回路BT06は、充電電池セル群に過剰な充電電圧が印加されない範囲で放電電圧(Vdis)を昇圧させるように変圧回路BT07を制御する変圧信号S3を出力する。 Further, when the number of battery cells BT09 included in the discharge battery cell group is equal to or less than the number of battery cells BT09 included in the charge battery cell group, a charging voltage necessary for charging the charge battery cell group is ensured. There is a need. Therefore, the transformation control circuit BT06 outputs a transformation signal S3 that controls the transformation circuit BT07 so as to boost the discharge voltage (Vdis) in a range where an excessive charging voltage is not applied to the charging battery cell group.
なお、過剰な充電電圧とする電圧値は、電池部BT08で使用される電池セルBT09の製品仕様等に鑑みて決定することができる。また、変圧回路BT07により昇圧及び降圧された電圧は、充電電圧(Vcha)として端子対BT02に印加される。 In addition, the voltage value used as the excessive charging voltage can be determined in view of the product specifications of the battery cell BT09 used in the battery unit BT08. The voltage stepped up and stepped down by the transformer circuit BT07 is applied to the terminal pair BT02 as a charging voltage (Vcha).
ここで、本実施形態における変圧制御回路BT06の動作例を、図26(A)乃至(C)を用いて説明する。図26(A)乃至(C)は、図23(A)乃至(C)で説明した放電電池セル群及び充電電池セル群に対応させた、変圧制御回路BT06の動作例を説明するための概念図である。なお図26(A)乃至(C)は、電池制御ユニットBT41を図示している。電池制御ユニットBT41は、上述したように、端子対BT01と、端子対BT02と、切り替え制御回路BT03と、切り替え回路BT04と、切り替え回路BT05と、変圧制御回路BT06と、変圧回路BT07とにより構成される。 Here, an operation example of the transformation control circuit BT06 in the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIGS. 26A to 26C are conceptual diagrams for explaining an operation example of the transformation control circuit BT06 corresponding to the discharge battery cell group and the charge battery cell group described in FIGS. 23A to 23C. FIG. 26A to 26C illustrate the battery control unit BT41. As described above, the battery control unit BT41 includes the terminal pair BT01, the terminal pair BT02, the switching control circuit BT03, the switching circuit BT04, the switching circuit BT05, the transformation control circuit BT06, and the transformation circuit BT07. The
図26(A)に示される例では、図23(A)で説明したように、連続する3つの高電圧セルa乃至cと、1つの低電圧セルdとが直列に接続されている。この場合、図23(A)を用いて説明したように、切り替え制御回路BT03は、高電圧セルa乃至cを放電電池セル群として決定し、低電圧セルdを充電電池セル群として決定する。そして、変圧制御回路BT06は、放電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数を基準とした時の、充電電地セル群に含まれる電池セルBT09の個数の比に基づいて、放電電圧(Vdisの昇降圧比Nを算出する。 In the example shown in FIG. 26A, as described in FIG. 23A, three continuous high voltage cells a to c and one low voltage cell d are connected in series. In this case, as described with reference to FIG. 23A, the switching control circuit BT03 determines the high voltage cells a to c as the discharge battery cell group and the low voltage cell d as the charge battery cell group. Then, the transformation control circuit BT06 determines the discharge voltage (Vdis) based on the ratio of the number of the battery cells BT09 included in the charge electric cell group when the number of the battery cells BT09 included in the discharge battery cell group is used as a reference. The step-up / step-down ratio N is calculated.
なお放電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数が、充電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数よりも多い場合に、放電電圧を変圧せずに端子対BT02にそのまま印加すると、充電電池セル群に含まれる電池セルBT09に、端子対BT02を介して過剰な電圧が印加される可能性がある。そのため、図26(A)に示されるような場合では、端子対BT02に印加される充電電圧(Vcha)を、放電電圧よりも降圧させる必要がある。さらに、充電電池セル群を充電するためには、充電電圧は、充電電池セル群に含まれる電池セルBT09の合計電圧より大きい必要がある。そのため、変圧制御回路BT06は、放電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数を基準とした時の、充電電地セル群に含まれる電池セルBT09の個数の比よりも、昇降圧比Nを大きく設定する。 When the number of battery cells BT09 included in the discharge battery cell group is greater than the number of battery cells BT09 included in the charge battery cell group, the discharge battery is applied as it is to the terminal pair BT02 without being transformed. An excessive voltage may be applied to the battery cell BT09 included in the cell group via the terminal pair BT02. Therefore, in the case as shown in FIG. 26A, it is necessary to lower the charging voltage (Vcha) applied to the terminal pair BT02 below the discharging voltage. Furthermore, in order to charge the charging battery cell group, the charging voltage needs to be larger than the total voltage of the battery cells BT09 included in the charging battery cell group. Therefore, the transformation control circuit BT06 has a step-up / step-down ratio N larger than the ratio of the number of battery cells BT09 included in the charging electric cell group when the number of battery cells BT09 included in the discharge battery cell group is used as a reference. Set.
変圧制御回路BT06は、放電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数を基準とした時の、充電電地セル群に含まれる電池セルBT09の個数の比に対して、昇降圧比Nを1乃至10%程度大きくするのが好ましい。この時、充電電圧は充電電池セル群の電圧よりも大きくなるが、実際には充電電圧は充電電池セル群の電圧と等しくなる。ただし、変圧制御回路BT06は昇降圧比Nに従い充電電池セル群の電圧を充電電圧と等しくするために、充電電池セル群を充電する電流を流すこととなる。この電流は変圧制御回路BT06に設定された値となる。 The transformation control circuit BT06 sets the step-up / step-down ratio N to 1 to the ratio of the number of battery cells BT09 included in the charging electric cell group when the number of battery cells BT09 included in the discharge battery cell group is used as a reference. It is preferable to increase it by about 10%. At this time, the charging voltage is larger than the voltage of the charging battery cell group, but the charging voltage is actually equal to the voltage of the charging battery cell group. However, in order to make the voltage of the charging battery cell group equal to the charging voltage in accordance with the step-up / down ratio N, the transformation control circuit BT06 passes a current for charging the charging battery cell group. This current is a value set in the transformation control circuit BT06.
図26(A)に示される例では、放電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数が3個で、充電電池セル群に含まれる電池セルBT09の数が1個であるため、変圧制御回路BT06は、1/3より少し大きい値を昇降圧比Nとして算出する。そして、変圧制御回路BT06は、放電電圧を当該昇降圧比Nに応じて降圧し、充電電圧に変換する変圧信号S3を変圧回路BT07に出力する。そして、変圧回路BT07は、変圧信号S3に応じて変圧された充電電圧を、端子対BT02に印加する。そして、端子対BT02に印加される充電電圧によって、充電電池セル群に含まれる電池セルBT09が充電される。 In the example shown in FIG. 26A, the number of battery cells BT09 included in the discharge battery cell group is three, and the number of battery cells BT09 included in the charge battery cell group is one. BT06 calculates a value slightly larger than 1/3 as the step-up / step-down ratio N. Then, the transformation control circuit BT06 steps down the discharge voltage according to the step-up / step-down ratio N, and outputs a transformation signal S3 that converts it to a charging voltage to the transformation circuit BT07. Then, the transformer circuit BT07 applies the charging voltage transformed according to the transformation signal S3 to the terminal pair BT02. Then, the battery cell BT09 included in the charging battery cell group is charged by the charging voltage applied to the terminal pair BT02.
また、図26(B)や図26(B)に示される例でも、図26(A)と同様に、昇降圧比Nが算出される。図26(B)や図26(C)に示される例では、放電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数が、充電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数以下であるため、昇降圧比Nは1以上となる。よって、この場合は、変圧制御回路BT06は、放電電圧を昇圧して受電電圧に変換する変圧信号S3を出力する。 Also, in the example shown in FIG. 26B and FIG. 26B, the step-up / step-down ratio N is calculated as in FIG. In the examples shown in FIGS. 26B and 26C, the number of battery cells BT09 included in the discharge battery cell group is equal to or less than the number of battery cells BT09 included in the charge battery cell group. N is 1 or more. Therefore, in this case, the transformation control circuit BT06 outputs a transformation signal S3 that boosts the discharge voltage and converts it to a received voltage.
変圧回路BT07は、変圧信号S3に基づいて、端子対BT01に印加される放電電圧を充電電圧に変換する。そして、変圧回路BT07は、変換された充電電圧を端子対BT02に印加する。ここで、変圧回路BT07は、端子対BT01と端子対BT02との間を電気的に絶縁している。これにより、変圧回路BT07は、放電電池セル群の中で最も下流に位置する電池セルBT09の負極端子の絶対電圧と、充電電池セル群の中で最も下流に位置する電池セルBT09の負極端子の絶対電圧との差異による短絡を防止する。さらに、変圧回路BT07は、上述したように、変圧信号S3に基づいて放電電池セル群の合計電圧である放電電圧を充電電圧に変換する。 Transformer circuit BT07 converts the discharge voltage applied to terminal pair BT01 into a charge voltage based on transform signal S3. Then, the transformer circuit BT07 applies the converted charging voltage to the terminal pair BT02. Here, the transformer circuit BT07 electrically insulates between the terminal pair BT01 and the terminal pair BT02. Thereby, the transformer circuit BT07 has the absolute voltage of the negative terminal of the battery cell BT09 located most downstream in the discharge battery cell group and the negative terminal of the battery cell BT09 located most downstream in the charge battery cell group. Prevents short circuit due to difference from absolute voltage. Furthermore, as described above, the transformer circuit BT07 converts the discharge voltage, which is the total voltage of the discharge battery cell group, into a charge voltage based on the transform signal S3.
また、変圧回路BT07は、例えば絶縁型DC(Direct Current)−DCコンバータ等を用いることができる。この場合、変圧制御回路BT06は、絶縁型DC−DCコンバータのオン/オフ比(デューティー比)を制御する信号を変圧信号S3として出力することにより、変圧回路BT07で変換される充電電圧を制御する。 In addition, the transformer circuit BT07 may be an insulation type DC (Direct Current) -DC converter, for example. In this case, the transformation control circuit BT06 controls the charging voltage converted by the transformation circuit BT07 by outputting a signal for controlling the on / off ratio (duty ratio) of the isolated DC-DC converter as the transformation signal S3. .
なお、絶縁型DC−DCコンバータには、フライバック方式、フォワード方式、RCC(Ringing Choke Converter)方式、プッシュプル方式、ハーフブリッジ方式、及びフルブリッジ方式等が存在するが、目的とする出力電圧の大きさに応じて適切な方式が選択される。 Insulated DC-DC converters include flyback method, forward method, RCC (Ringing Choke Converter) method, push-pull method, half-bridge method, and full-bridge method. An appropriate method is selected according to the size.
絶縁型DC−DCコンバータを用いた変圧回路BT07の構成を図27に示す。絶縁型DC−DCコンバータBT51は、スイッチ部BT52とトランス部BT53とを有する。スイッチ部BT52は、絶縁型DC−DCコンバータの動作のオン/オフを切り替えるスイッチであり、例えば、MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)やバイポーラ型トランジスタ等を用いて実現される。また、スイッチ部BT52は、変圧制御回路BT06から出力される、オン/オフ比を制御する変圧信号S3に基づいて、絶縁型DC−DCコンバータBT51のオン状態とオフ状態を周期的に切り替える。なお、スイッチ部BT52は、使用される絶縁型DC−DCコンバータの方式によって様々な構成を取り得る。トランス部BT53は、端子対BT01から印加される放電電圧を充電電圧に変換する。詳細には、トランス部BT53は、スイッチ部BT52のオン/オフ状態と連動して動作し、そのオン/オフ比に応じて放電電圧を充電電圧に変換する。この充電電圧は、スイッチ部BT52のスイッチング周期において、オン状態となる時間が長いほど大きくなる。一方、充電電圧は、スイッチ部BT52のスイッチング周期において、オン状態となる時間が短いほど小さくなる。なお、絶縁型DC−DCコンバータを用いる場合、トランス部BT53の内部で、端子対BT01と端子対BT02は互いに絶縁することができる。 FIG. 27 shows the configuration of a transformer circuit BT07 using an insulated DC-DC converter. Insulated DC-DC converter BT51 has switch part BT52 and transformer part BT53. The switch unit BT52 is a switch that switches on / off the operation of the isolated DC-DC converter, and is realized by using, for example, a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), a bipolar transistor, or the like. Further, the switch unit BT52 periodically switches between the on state and the off state of the isolated DC-DC converter BT51 based on the transform signal S3 that is output from the transform control circuit BT06 and controls the on / off ratio. Note that the switch unit BT52 can take various configurations depending on the method of the insulation type DC-DC converter used. The transformer unit BT53 converts the discharge voltage applied from the terminal pair BT01 into a charge voltage. Specifically, the transformer unit BT53 operates in conjunction with the on / off state of the switch unit BT52, and converts the discharge voltage into a charge voltage according to the on / off ratio. This charging voltage increases as the time in which the switch is turned on in the switching period of the switch unit BT52 is longer. On the other hand, the charging voltage becomes smaller as the time in which the switch is turned on is shorter in the switching cycle of the switch unit BT52. In the case of using an insulated DC-DC converter, the terminal pair BT01 and the terminal pair BT02 can be insulated from each other inside the transformer unit BT53.
本実施形態における蓄電池BT00の処理の流れを、図28を用いて説明する。図28は、蓄電池BT00の処理の流れを示すフローチャートである。 A processing flow of the storage battery BT00 in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 28 is a flowchart showing a process flow of the storage battery BT00.
まず、蓄電池BT00は、複数の電池セルBT09毎に測定された電圧を取得する(ステップS001)。そして、蓄電池BT00は、複数の電池セルBT09の電圧を揃える動作の開始条件を満たすか否かを判定する(ステップS002)。この開始条件は、例えば、複数の電池セルBT09毎に測定された電圧の最大値と最小値との差分が、所定の閾値以上か否か等とすることができる。この開始条件を満たさない場合は(ステップS002:NO)、各電池セルBT09の電圧のバランスが取れている状態であるため、蓄電池BT00は、以降の処理を実行しない。一方、開始条件を満たす場合は(ステップS002:YES)、蓄電池BT00は、各電池セルBT09の電圧を揃える処理を実行する。この処理において、蓄電池BT00は、測定されたセル毎の電圧に基づいて、各電池セルBT09が高電圧セルか低電圧セルかを判定する(ステップS003)。そして、蓄電池BT00は、判定結果に基づいて、放電電池セル群及び充電電池セル群を決定する(ステップS004)。さらに、蓄電池BT00は、決定された放電電池セル群を端子対BT01の接続先に設定する制御信号S1、及び決定された充電電池セル群を端子対BT02の接続先に設定する制御信号S2を生成する(ステップS005)。蓄電池BT00は、生成された制御信号S1及び制御信号S2を、切り替え回路BT04及び切り替え回路BT05へそれぞれ出力する。そして、切り替え回路BT04により、端子対BT01と放電電池セル群とが接続され、切り替え回路BT05により、端子対BT02と放電電池セル群とが接続される(ステップS006)。また、蓄電池BT00は、放電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数と、充電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数とに基づいて、変圧信号S3を生成する(ステップS007)。そして、蓄電池BT00は、変圧信号S3に基づいて、端子対BT01に印加される放電電圧を充電電圧に変換し、端子対BT02に印加する(ステップS008)。これにより、放電電池セル群の電荷が充電電池セル群へ移動される。 First, the storage battery BT00 acquires a voltage measured for each of the plurality of battery cells BT09 (step S001). Then, the storage battery BT00 determines whether or not the start condition of the operation for aligning the voltages of the plurality of battery cells BT09 is satisfied (step S002). The start condition can be, for example, whether or not the difference between the maximum value and the minimum value of the voltage measured for each of the plurality of battery cells BT09 is equal to or greater than a predetermined threshold. When this start condition is not satisfied (step S002: NO), since the voltage of each battery cell BT09 is balanced, the storage battery BT00 does not execute the subsequent processing. On the other hand, when the start condition is satisfied (step S002: YES), the storage battery BT00 executes a process of aligning the voltages of the battery cells BT09. In this process, the storage battery BT00 determines whether each battery cell BT09 is a high voltage cell or a low voltage cell based on the measured voltage for each cell (step S003). Then, the storage battery BT00 determines a discharge battery cell group and a charge battery cell group based on the determination result (step S004). Further, the storage battery BT00 generates a control signal S1 for setting the determined discharge battery cell group as a connection destination of the terminal pair BT01, and a control signal S2 for setting the determined charge battery cell group as a connection destination of the terminal pair BT02. (Step S005). The storage battery BT00 outputs the generated control signal S1 and control signal S2 to the switching circuit BT04 and the switching circuit BT05, respectively. Then, the switching circuit BT04 connects the terminal pair BT01 and the discharge battery cell group, and the switching circuit BT05 connects the terminal pair BT02 and the discharge battery cell group (step S006). Further, the storage battery BT00 generates a transformation signal S3 based on the number of battery cells BT09 included in the discharge battery cell group and the number of battery cells BT09 included in the charge battery cell group (step S007). Then, the storage battery BT00 converts the discharge voltage applied to the terminal pair BT01 into a charging voltage based on the transformation signal S3, and applies it to the terminal pair BT02 (step S008). Thereby, the electric charge of the discharge battery cell group is moved to the charge battery cell group.
また、図28のフローチャートでは、複数のステップが順番に記載されているが、各ステップの実行順序は、その記載の順番に制限されない。 Also, in the flowchart of FIG. 28, a plurality of steps are described in order, but the execution order of each step is not limited to the description order.
以上、本実施形態によれば、放電電池セル群から充電電池セル群へ電荷を移動させる際、キャパシタ方式のように、放電電池セル群からの電荷を一旦蓄積し、その後充電電池セル群へ放出させるような構成を必要としない。これにより、単位時間あたりの電荷移動効率を向上させることができる。また、切り替え回路BT04及び切り替え回路BT05により、放電電池セル群及び充電電池セル群が各々個別に切り替えられる。 As described above, according to the present embodiment, when the charge is transferred from the discharge battery cell group to the charge battery cell group, the charge is temporarily accumulated from the discharge battery cell group and then released to the charge battery cell group as in the capacitor system. No configuration is required. Thereby, the charge transfer efficiency per unit time can be improved. In addition, the discharge battery cell group and the charge battery cell group are individually switched by the switching circuit BT04 and the switching circuit BT05.
さらに、変圧回路BT07により、放電電池セル群に含まれる電池セルBT09の個数と充電電池セル群に含まれる電池セルBT09群の個数とに基づいて、端子対BT01に印加される放電電圧が充電電圧に変換され、端子対BT02に印加される。これにより、放電側及び充電側の電池セルBT09がどのように選択されても、問題なく電荷の移動を実現できる。 Further, the transformer circuit BT07 converts the discharge voltage applied to the terminal pair BT01 based on the number of battery cells BT09 included in the discharge battery cell group and the number of battery cells BT09 group included in the charge battery cell group. And applied to the terminal pair BT02. Thereby, no matter how the discharge-side and charge-side battery cells BT09 are selected, the movement of charges can be realized without any problem.
さらに、トランジスタBT10及びトランジスタBT13にOSトランジスタを用いることにより、充電電池セル群及び放電電池セル群に属しない電池セルBT09から漏洩する電荷量を減らすことができる。これにより、充電及び放電に寄与しない電池セルBT09の容量の低下を抑制することができる。また、OSトランジスタは、Siトランジスタに比べて熱に対する特性の変動が小さい。これにより、電池セルBT09の温度が上昇しても、制御信号S1、S2に応じた導通状態と非導通状態の切り替えといった、正常な動作をさせることができる。 Furthermore, by using OS transistors for the transistors BT10 and BT13, the amount of charge leaked from the battery cell BT09 that does not belong to the charge battery cell group and the discharge battery cell group can be reduced. Thereby, the fall of the capacity | capacitance of the battery cell BT09 which does not contribute to charge and discharge can be suppressed. In addition, the OS transistor has less variation in characteristics with respect to heat than the Si transistor. Thereby, even if the temperature of battery cell BT09 rises, normal operation | movement, such as switching of the conduction | electrical_connection state and non-conduction state according to control signal S1, S2, can be performed.
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 Note that this embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments as appropriate.
(実施の形態4)
≪蓄電池の他の構造例≫
(Embodiment 4)
≪Other structural examples of storage battery≫
図29に、本発明の一態様に係る蓄電池2100を示す。該蓄電池は外装体2107の3辺が封止されている。また、正極リード2121および負極リード2125、および正極2111、負極2115およびセパレータ2103を有する。なお、図が煩雑となるため各電極を単層で示しているが、少なくとも一部の電極は2以上の集電体を有し、該集電体は互いの活物質が形成されていない面で接している。 FIG. 29 illustrates a storage battery 2100 according to one embodiment of the present invention. The storage battery is sealed on three sides of the outer package 2107. Further, a positive electrode lead 2121 and a negative electrode lead 2125, a positive electrode 2111, a negative electrode 2115, and a separator 2103 are provided. Note that each electrode is shown as a single layer because the figure is complicated, but at least some of the electrodes have two or more current collectors, and the current collectors are surfaces on which no active material is formed. It touches with.
ここで図30を用いて、図29に示す蓄電池2100の作製方法の一部について説明する。 Here, part of a method for manufacturing the storage battery 2100 illustrated in FIG. 29 will be described with reference to FIGS.
まずセパレータ2103上に、負極2115を配置する(図30(A))。このとき、負極2115が有する負極活物質層が、セパレータ2103と重畳するように配置する。 First, the negative electrode 2115 is placed over the separator 2103 (FIG. 30A). At this time, the negative electrode active material layer included in the negative electrode 2115 is disposed so as to overlap with the separator 2103.
次に、セパレータ2103を折り曲げ、負極2113の上にセパレータ2103を重ねる。次に、セパレータ2103の上に、正極2111を重ねる(図30(B))。このとき、正極2111が有する正極活物質層2102が、セパレータ2103および負極活物質層2106と重畳するように配置する。なお、集電体の片面に活物質層が形成されている電極を用いる場合は、正極2111の正極活物質層102と、負極2115の負極活物質層2106がセパレータ2103を介して対向するように配置する。 Next, the separator 2103 is bent, and the separator 2103 is overlaid on the negative electrode 2113. Next, the positive electrode 2111 is stacked over the separator 2103 (FIG. 30B). At this time, the positive electrode active material layer 2102 included in the positive electrode 2111 is disposed so as to overlap with the separator 2103 and the negative electrode active material layer 2106. Note that in the case of using an electrode in which an active material layer is formed on one side of the current collector, the positive electrode active material layer 102 of the positive electrode 2111 and the negative electrode active material layer 2106 of the negative electrode 2115 are opposed to each other with the separator 2103 interposed therebetween. Deploy.
セパレータ2103にポリプロピレン等の熱溶着が可能な材料を用いている場合は、セパレータ2103同士が重畳している領域を熱溶着してから次の電極を重ねることで、作製工程中に電極がずれることを抑制できる。具体的には、負極2115または正極2111と重畳しておらず、セパレータ2103同士が重畳している領域、たとえば図30(B)の領域2103aで示す領域を熱溶着することが好ましい。 When a material capable of heat welding such as polypropylene is used for the separator 2103, the electrode is displaced during the manufacturing process by heat-welding a region where the separators 2103 overlap each other and then stacking the next electrode. Can be suppressed. Specifically, it is preferable to thermally weld a region where the separators 2103 overlap with each other, for example, a region 2103a in FIG. 30B, which does not overlap with the negative electrode 2115 or the positive electrode 2111.
この工程を繰り返すことで、図30(C)に示すように、セパレータ2103を挟んで正極2111および負極2115を積み重ねることができる。 By repeating this step, the positive electrode 2111 and the negative electrode 2115 can be stacked with the separator 2103 interposed therebetween as shown in FIG.
なお、あらかじめ繰り返し折り曲げたセパレータ2103に、複数の負極2115および複数の正極2111を交互に挟むように配置してもよい。 Note that a plurality of negative electrodes 2115 and a plurality of positive electrodes 2111 may be alternately sandwiched between separators 2103 that are repeatedly bent in advance.
次に、図30(C)に示すように、セパレータ2103で複数の正極2111および複数の負極2115を覆う。 Next, as illustrated in FIG. 30C, the plurality of positive electrodes 2111 and the plurality of negative electrodes 2115 are covered with a separator 2103.
さらに、図30(D)に示すように、セパレータ2103同士が重畳している領域、例えば図30(D)に示す領域2103bを熱溶着することで、複数の正極2111と複数の負極2115を、セパレータ2103によって覆い、結束する。 Furthermore, as shown in FIG. 30D, a plurality of positive electrodes 2111 and a plurality of negative electrodes 2115 are bonded by thermally welding a region where separators 2103 overlap each other, for example, a region 2103b shown in FIG. Cover and bind with a separator 2103.
なお、複数の正極2111、複数の負極2115およびセパレータ2103を、結束材を用いて結束してもよい。 Note that the plurality of positive electrodes 2111, the plurality of negative electrodes 2115, and the separator 2103 may be bound using a binding material.
このような工程で正極2111および負極2115を積み重ねるため、セパレータ2103は、1枚のセパレータ2103の中で、複数の正極2111と複数の負極2115に挟まれている領域と、複数の正極2111と複数の負極2115を覆うように配置されている領域とを有する。 In order to stack the positive electrode 2111 and the negative electrode 2115 in such a process, the separator 2103 includes a region between a plurality of positive electrodes 2111 and a plurality of negative electrodes 2115 in a single separator 2103, and a plurality of positive electrodes 2111 and a plurality of negative electrodes. And a region arranged to cover the negative electrode 2115.
換言すれば、図29の蓄電池2100が有するセパレータ2103は、一部が折りたたまれた1枚のセパレータである。セパレータ2103の折りたたまれた領域に、複数の正極2111と、複数の負極2115が挟まれている。 In other words, the separator 2103 included in the storage battery 2100 in FIG. 29 is a single separator that is partially folded. A plurality of positive electrodes 2111 and a plurality of negative electrodes 2115 are sandwiched between the folded regions of the separator 2103.
蓄電池2100の、外装体2107の接着領域、および正極2111、負極2115、セパレータ2103および外装体2107の形状、正極リード2121および負極リード2125の位置形状以外の構成は、実施の形態1の記載を参酌することができる。また、正極2111および負極2115を積み重ねる工程以外の蓄電池2100dの作製方法は、実施の形態1に記載の作製方法を参酌することができる。 For the structure of the storage battery 2100 other than the bonding region of the outer package 2107, the shapes of the positive electrode 2111, the negative electrode 2115, the separator 2103, and the outer package 2107, and the position shapes of the positive electrode lead 2121 and the negative electrode lead 2125, refer to the description in Embodiment 1. can do. For the manufacturing method of the storage battery 2100d other than the step of stacking the positive electrode 2111 and the negative electrode 2115, the manufacturing method described in Embodiment 1 can be referred to.
図31に、図29と異なる蓄電池100eを示す。図31(A)は蓄電池2200の斜視図、図31(B)は蓄電池2200の上面図である。図31(C1)は第1の電極組立体2130、図31(C2)は第2の電極組立体2131の断面図である。図31(D)は、図31(B)の一点破線H1−H2における断面図である。なお、図31(D)では図を明瞭にするため、第1の電極組立体2130、電極組立体2131およびセパレータ2103を抜粋して示す。また、図が煩雑となるため各電極を単層で示しているが、少なくとも一部の電極は2以上の集電体を有し、該集電体は互いの活物質が形成されていない面で接している。 FIG. 31 shows a storage battery 100e different from FIG. FIG. 31A is a perspective view of the storage battery 2200, and FIG. 31B is a top view of the storage battery 2200. FIG. 31C1 is a cross-sectional view of the first electrode assembly 2130 and FIG. 31C2 is a cross-sectional view of the second electrode assembly 2131. FIG. 31D is a cross-sectional view taken along dashed-dotted line H1-H2 in FIG. Note that in FIG. 31D, the first electrode assembly 2130, the electrode assembly 2131, and the separator 2103 are extracted and shown for clarity. In addition, since the drawing is complicated, each electrode is shown as a single layer, but at least some of the electrodes have two or more current collectors, and the current collectors are surfaces on which no active material is formed. It touches with.
図31に示す蓄電池2200は、正極2111と負極2115の配置、およびセパレータ2103の配置が図29の蓄電池2100と異なる。 A storage battery 2200 shown in FIG. 31 is different from the storage battery 2100 of FIG. 29 in the arrangement of the positive electrode 2111 and the negative electrode 2115 and the arrangement of the separator 2103.
図31(D)に示すように、蓄電池2200は、複数の第1の電極組立体2130および複数の電極組立体2131を有する。 As illustrated in FIG. 31D, the storage battery 2200 includes a plurality of first electrode assemblies 2130 and a plurality of electrode assemblies 2131.
図31(C1)に示すように、第1の電極組立体2130では、正極集電体2101の両面に正極活物質層2102を有する正極2111a、セパレータ2103、負極集電体2105の両面に負極活物質層2106を有する負極2115a、セパレータ2103、正極集電体2101の両面に正極活物質層2102を有する正極2111aがこの順に積層されている。また図31(C2)に示すように、第2の電極組立体2131では、負極集電体2105の両面に負極活物質層2106を有する負極2115a、セパレータ2103、正極集電体2101の両面に正極活物質層2102を有する正極2111a、セパレータ2103、負極集電体2105の両面に負極活物質層2106を有する負極2115aがこの順に積層されている。 As shown in FIG. 31C1, in the first electrode assembly 2130, the positive electrode 2111a having the positive electrode active material layer 2102 on both surfaces of the positive electrode current collector 2101, the separator 2103, and the negative electrode current collector 2105 on both surfaces. A negative electrode 2115a having a material layer 2106, a separator 2103, and a positive electrode current collector 2101 are stacked on a positive electrode 2111a having a positive electrode active material layer 2102 in this order. 31C2, in the second electrode assembly 2131, a negative electrode 2115a having a negative electrode active material layer 2106 on both surfaces of the negative electrode current collector 2105, a separator 2103, and a positive electrode on both surfaces of the positive electrode current collector 2101 A negative electrode 2115a having a negative electrode active material layer 2106 is stacked in this order on both surfaces of a positive electrode 2111a having an active material layer 2102, a separator 2103, and a negative electrode current collector 2105.
さらに図31(D)に示すように、複数の第1の電極組立体2130および複数の第2の電極組立体2131は、巻回したセパレータ2103によって覆われている。 Further, as shown in FIG. 31D, the plurality of first electrode assemblies 2130 and the plurality of second electrode assemblies 2131 are covered with a wound separator 2103.
ここで図32を用いて、図31に示す蓄電池2200の作製方法の一部について説明する。 Here, a part of a method for manufacturing the storage battery 2200 illustrated in FIG. 31 will be described with reference to FIGS.
まずセパレータ2103上に、第1の電極組立体2130を配置する(図32(A))。 First, the first electrode assembly 2130 is placed over the separator 2103 (FIG. 32A).
次に、セパレータ2103を折り曲げ、第1の電極組立体2130の上にセパレータ2103を重ねる。次に、第1の電極組立体2130の上下に、セパレータ2103を介して、2組の第2の電極組立体2131を重ねる(図32(B))。 Next, the separator 2103 is bent, and the separator 2103 is overlaid on the first electrode assembly 2130. Next, two sets of second electrode assemblies 2131 are stacked above and below the first electrode assembly 2130 with the separator 2103 interposed therebetween (FIG. 32B).
次に、セパレータ2103を、2組の第2の電極組立体2131を覆うように巻回させる。さらに、2組の第2の電極組立体2131の上下に、セパレータ2103を介して、2組の第1の電極組立体2130を重ねる(図32(C))。 Next, the separator 2103 is wound so as to cover the two sets of second electrode assemblies 2131. Further, two sets of first electrode assemblies 2130 are stacked above and below the two sets of second electrode assemblies 2131 with the separator 2103 interposed therebetween (FIG. 32C).
次に、セパレータ2103を、2組の第1の電極組立体2130を覆うように巻回させる(図32(D))。 Next, the separator 2103 is wound so as to cover the two sets of first electrode assemblies 2130 (FIG. 32D).
このような工程で複数の第1の電極組立体2130および複数の電極組立体2131を積み重ねるため、これらの電極組立体は、渦巻き状に巻回されたセパレータ2103の間に配置される。 In order to stack the plurality of first electrode assemblies 2130 and the plurality of electrode assemblies 2131 in such a process, these electrode assemblies are disposed between the separators 2103 wound in a spiral shape.
なお、最も外側に配置される電極組立体2130の正極2111aは、外側には正極活物質層2102を設けないことが好ましい。 Note that the positive electrode 2111a of the electrode assembly 2130 disposed on the outermost side is preferably not provided with the positive electrode active material layer 2102 on the outer side.
また図32(C1)および(C2)では、電極組立体が電極3枚とセパレータ2枚を有する構成を示したが、本発明の一態様はこれに限らない。電極を4枚以上、セパレータを3枚以上有する構成としてもよい。電極を増やすことで、蓄電池2200の容量をより向上させることができる。また電極を2枚、セパレータを1枚有する構成としてもよい。電極が少ない場合、より湾曲に強い蓄電池2200とすることができる。また図32(D)では、蓄電池2200が第1の電極組立体2130を3組、第2の電極組立体2131を2組有する構成を示したが、本発明の一態様はこれに限らない。さらに多くの電極組立体を有する構成としてもよい。電極組立体を増やすことで、蓄電池2200の容量をより向上させることができる。またより少なり電極組立体を有する構成としてもよい。電極組立体が少ない場合、より湾曲に強い蓄電池2200とすることができる。 FIGS. 32C1 and 32C2 illustrate a structure in which the electrode assembly includes three electrodes and two separators, but one embodiment of the present invention is not limited thereto. It is good also as a structure which has 4 or more electrodes and 3 or more separators. By increasing the number of electrodes, the capacity of the storage battery 2200 can be further improved. Alternatively, the structure may include two electrodes and one separator. When there are few electrodes, it can be set as the storage battery 2200 strong against a curve. FIG. 32D illustrates a structure in which the storage battery 2200 includes three sets of the first electrode assembly 2130 and two sets of the second electrode assembly 2131; however, one embodiment of the present invention is not limited thereto. Furthermore, it is good also as a structure which has many electrode assemblies. By increasing the number of electrode assemblies, the capacity of the storage battery 2200 can be further improved. Moreover, it is good also as a structure which has fewer electrode assemblies. When there are few electrode assemblies, it can be set as the storage battery 2200 strong against a curve.
蓄電池2200の、正極2111と負極2115の配置、およびセパレータ2103の配置の他は、図29についての記載を参酌することができる。 In addition to the arrangement of the positive electrode 2111 and the negative electrode 2115 and the arrangement of the separator 2103 in the storage battery 2200, the description of FIG. 29 can be referred to.
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
100a 積層体
100b 積層体
100c 積層体
100d 積層体
101 負極集電体
102 負極活物質層
103 セパレータ
104 正極活物質層
105 正極集電体
107 電解液
110 リチウムイオン蓄電池
115 リード電極
116 外装体
117 内部構造物
118 空隙
300 蓄電池
301 正極缶
302 負極缶
303 ガスケット
304 正極
305 正極集電体
306 正極活物質層
307 負極
308 負極集電体
309 負極活物質層
310 セパレータ
400 蓄電池
402 正極
404 負極
500 蓄電池
501 正極集電体
502 正極活物質層
503 正極
504 負極集電体
505 負極活物質層
506 負極
507 セパレータ
508 電解液
509 外装体
510 正極タブ電極
511 負極タブ電極
515 タブ電極
516 タブ電極
600 蓄電池
601 正極キャップ
602 電池缶
603 正極端子
604 正極
605 セパレータ
606 負極
607 負極端子
608 絶縁板
609 絶縁板
610 ガスケット
611 PTC素子
612 安全弁機構
900 回路基板
910 ラベル
911 端子
912 回路
913 蓄電池
914 アンテナ
915 アンテナ
916 層
917 層
918 アンテナ
919 端子
920 表示装置
921 センサ
922 端子
930 筐体
930a 筐体
930b 筐体
931 負極
932 正極
933 セパレータ
951 端子
952 端子
1101 曲率中心
1102 内部構造物の曲率中心に近い側の端部
1103 内部構造物の曲率中心から遠い側の端部
1104 内部構造物の曲率中心に近い側の端部
1105 内部構造物の曲率中心から遠い側の端部
1106 内部構造物の曲率中心に近い側の点
1700 曲面
1701 平面
1702 曲線
1703 曲率半径
1704 曲率中心
1800 曲率中心
1801 フィルム
1802 曲率半径
1803 フィルム
1804 曲率半径
1805 電極・電解液など
2100 蓄電池
2101 正極集電体
2102 正極活物質層
2103 セパレータ
2103a 領域
2103b 領域
2105 負極集電体
2106 負極活物質層
2107 外装体
2111 正極
2111a 正極
2115 負極
2115a 負極
2121 正極リード
2125 負極リード
2130 第1の電極組立体
2131 第2の電極組立体
2200 蓄電池
7100 携帯表示装置
7101 筐体
7102 表示部
7103 操作ボタン
7104 蓄電池
7400 携帯電話機
7401 筐体
7402 表示部
7403 操作ボタン
7404 外部接続ポート
7405 スピーカ
7406 マイク
7407 蓄電池
8021 充電装置
8022 ケーブル
8024 蓄電池
8100 自動車
8101 ヘッドライト
S1 制御信号
S2 制御信号
S3 変圧信号
BT00 蓄電池
BT01 端子対
BT02 端子対
BT03 切り替え制御回路
BT04 切り替え回路
BT05 切り替え回路
BT06 変圧制御回路
BT07 変圧回路
BT08 電池部
BT09 電池セル
BT10 トランジスタ
BT11 バス
BT12 バス
BT13 トランジスタ
BT14 電流制御スイッチ
BT15 バス
BT16 バス
BT17 スイッチ対
BT18 スイッチ対
BT21 トランジスタ対
BT22 トランジスタ
BT23 トランジスタ
BT24 バス
BT25 バス
BT31 トランジスタ対
BT32 トランジスタ
BT33 トランジスタ
BT34 バス
BT35 バス
BT41 電池制御ユニット
BT51 絶縁型DC−DCコンバータ
BT52 スイッチ部
BT53 トランス部
S001 ステップ
S002 ステップ
S003 ステップ
S004 ステップ
S005 ステップ
S006 ステップ
S007 ステップ
S008 ステップ
100a Laminated body 100b Laminated body 100c Laminated body 100d Laminated body 101 Negative electrode current collector 102 Negative electrode active material layer 103 Separator 104 Positive electrode active material layer 105 Positive electrode current collector 107 Electrolytic solution 110 Lithium ion storage battery 115 Lead electrode 116 Exterior body 117 Internal structure Object 118 void 300 storage battery 301 positive electrode can 302 negative electrode can 303 gasket 304 positive electrode 305 positive electrode current collector 306 positive electrode active material layer 307 negative electrode 308 negative electrode current collector 309 negative electrode active material layer 310 separator 400 storage battery 402 positive electrode 404 negative electrode 500 storage battery 501 positive electrode collection Electrode 502 Positive electrode active material layer 503 Positive electrode 504 Negative electrode current collector 505 Negative electrode active material layer 506 Negative electrode 507 Separator 508 Electrolytic solution 509 Exterior body 510 Positive electrode tab electrode 511 Negative electrode tab electrode 515 Tab electrode 516 Tab electrode 600 Storage battery 01 Positive electrode cap 602 Battery can 603 Positive electrode terminal 604 Positive electrode 605 Separator 606 Negative electrode 607 Negative electrode 608 Insulating plate 609 Insulating plate 610 Gasket 611 PTC element 612 Safety valve mechanism 900 Circuit board 910 Label 911 Terminal 912 Circuit 913 Storage battery 914 Antenna 915 Antenna 916 Layer 917 Layer 918 Antenna 919 Terminal 920 Display device 921 Sensor 922 Terminal 930 Case 930a Case 930b Case 931 Negative electrode 932 Positive electrode 933 Separator 951 Terminal 952 Terminal 1101 Center of curvature 1102 End 1103 on the side close to the center of curvature of the internal structure Internal structure End 1104 on the side far from the center of curvature of the object 1104 End 1 on the side near the center of curvature of the internal structure End 1106 on the side far from the center of curvature of the internal structure 1106 Near the center of curvature of the internal structure Point 1700 curved surface 1701 plane 1702 curve 1703 curvature radius 1704 curvature center 1800 curvature center 1801 film 1802 curvature radius 1803 film 1804 curvature radius 1805 electrode / electrolytic solution 2100 storage battery 2101 positive electrode current collector 2102 positive electrode active material layer 2103 separator 2103a region 2103b Region 2105 Negative electrode current collector 2106 Negative electrode active material layer 2107 Exterior body 2111 Positive electrode 2111a Positive electrode 2115 Negative electrode 2115a Negative electrode 2121 Positive electrode lead 2125 Negative electrode lead 2130 First electrode assembly 2131 Second electrode assembly 2200 Storage battery 7100 Portable display device 7101 Case Body 7102 Display portion 7103 Operation button 7104 Storage battery 7400 Mobile phone 7401 Case 7402 Display portion 7403 Operation button 7404 External connection port 7 405 Speaker 7406 Microphone 7407 Storage battery 8021 Charging device 8022 Cable 8024 Storage battery 8100 Car 8101 Headlight S1 Control signal S2 Control signal S3 Transform signal BT00 Storage battery BT01 Terminal pair BT02 Terminal pair BT03 Switch control circuit BT04 Switch circuit BT05 Switch circuit BT06 Switch circuit BT07 Transformer circuit BT08 Battery part BT09 Battery cell BT10 Transistor BT11 Bus BT12 Bus BT13 Transistor BT14 Current control switch BT15 Bus BT16 Bus BT17 Switch pair BT18 Switch pair BT21 Transistor pair BT22 Transistor BT23 Transistor BT24 Bus BT25 Bus BT31 Transistor TBT Transistor T33 Transistor T33 Transistor T33 B 35 bus BT41 battery control unit BT51 isolated DC-DC converter BT52 switch unit BT53 transformer section S001 step S002 step S003 step S004 step S005 step S006 step S007 step S008 step
Claims (1)
前記構造物を包む外装体と、を有し、
前記外装体と前記構造物との間には、電解液により占められた空隙が設けられており、
前記第1の積層体は、
第1の負極集電体の一方の面に設けられた第1の負極活物質層と、
第1の正極集電体の一方の面に設けられた第1の正極活物質層と、
前記第1の負極活物質層と前記第1の正極活物質層との間に設けられた第1のセパレータと、を有し、
前記第2の積層体は、
第2の負極集電体の一方の面に設けられた第2の負極活物質層と、
第2の正極集電体の一方の面に設けられた第2の正極活物質層と、
前記第2の負極活物質層と前記第2の正極活物質層との間に設けられた第2のセパレータと、を有し、
前記第1の正極集電体の前記第1の正極活物質層が設けられていない他方の面と、前記第2の正極集電体の前記第2の正極活物質層が設けられていない他方の面とが接する可撓性を有するリチウムイオン蓄電池。 A structure having a first laminate and a second laminate that overlaps the first laminate;
An exterior body that wraps the structure,
Between the exterior body and the structure, a space occupied by the electrolyte is provided,
The first laminate is
A first negative electrode active material layer provided on one surface of the first negative electrode current collector;
A first positive electrode active material layer provided on one surface of the first positive electrode current collector;
A first separator provided between the first negative electrode active material layer and the first positive electrode active material layer,
The second laminate is
A second negative electrode active material layer provided on one surface of the second negative electrode current collector;
A second positive electrode active material layer provided on one surface of the second positive electrode current collector;
A second separator provided between the second negative electrode active material layer and the second positive electrode active material layer ,
The other surface of the first positive electrode current collector not provided with the first positive electrode active material layer, and the other surface of the second positive electrode current collector not provided with the second positive electrode active material layer. lithium-ion battery that has a flexible and of the surface is that Sessu.
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