JP7123797B2 - 蓄電システム、車両、並びに機械設備 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、蓄電システムおよびそれを用いた車両、電子機器並びに機械設備に関する。
ＣＯ２削減、省エネの観点からエンジン（ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなど）とモータを組合せたハイブリットシステムを搭載した自動車が開発されている。また、モータのみで動く電気自動車や燃料自動車の開発も進められている。
モータは電気で稼働する。これらモータ駆動の自動車は電気をいかに有効活用するかが求められている。モータ駆動の自動車には電気をためる蓄電システムが搭載されている。自動車の加速時には、蓄電システムから供給される電気によってモータを駆動させている。また、自動車の制動時（減速時）にモータをジェネレータとして機能させて発生させた回生エネルギーを蓄電システムに充電している。
国際公開番号ＷＯ２００８／００７６２６号公報（特許文献１）には、バッテリ（二次電池）とキャパシタを組合せた蓄電システムを用いることが示されている。キャパシタは二次電池と比べて急速放電・急速充電が可能である。キャパシタを使うことにより、二次電池の劣化を防ぐことが行われている。一方、キャパシタの性能はパワー密度４０００Ｗ／ｋｇ程度であった。例えば、国際公開番号ＷＯ２００１／０９３２８９号公報（特許文献２）には、炭素材と銅を組合せた電極材が使われている。
国際公開第２００８／００７６２６号公報 国際公開第２００１／０９３２８９号公報 国際公開第２０１６／０３９１５７号公報
回生エネルギーとは、ブレーキング時のエネルギーを回収・蓄積し、再利用することである。ブレーキング時、つまりは減速時のエネルギーを電気に変えて蓄電することになる。従来のキャパシタはパワー密度が４０００Ｗ／ｋｇ程度である。蓄電システムは、自動車の減速時の瞬間的な高出力に備える必要がある。しかしながら、従来のキャパシタの性能では、必ずしも瞬間的な高出力に対応できるものではなかった。このような課題に対応するためのものであり、減速時の瞬間的な高出力に対応できる蓄電システムを提供するためのものである。
実施形態に係る蓄電システムは、二次電池と急速充放電蓄電デバイスとを具備する。蓄電システムにおいて、二次電池のパワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ未満、急速充放電蓄電デバイスのパワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ以上である。二次電池のエネルギー密度は３０Ｗｈ／ｋｇ以上である。二次電池のセルと急速充放電蓄電デバイスのセルの重量の合計重量を蓄電システムのセルの重量ＷＳとしたとき、蓄電システムのエネルギー密度ＥＳと蓄電システムのセルの重量ＷＳとの比ＥＳ／ＷＳが２．８０以上である。急速充放電蓄電デバイスは、酸化タングステン粉末とカーボン粉末を含む導電材料とを含有する電極層を具備する。酸化タングステン粉末の平均粒径をＣ（μｍ）、導電材料の平均粒径をＤ（μｍ）としたとき、Ｃ＞Ｄである。パワー密度の高い急速充放電蓄電デバイスとパワー密度の低い二次電池とを組合せることにより、瞬間的な高出力に対応可能な蓄電システムとすることができる。
図１は、実施形態に係る蓄電システムの一例を示す図である。 図２は、実施形態に係る蓄電システムの別の一例を示す図である。 図３は、急速充放電蓄電デバイスの一例を示す図である。 図４は、実施形態に係る蓄電システムの一例の自動車における実施の態様を表す概略図である。 図５は、実施形態に係る蓄電システムの一例の電車における実施の態様を表す概略図である。 図６は、実施形態に係る蓄電システムの一例の医療機器における実施の態様を表す回路図である。 図７は、実施形態に係る蓄電システムの一例のエレベータにおける実施の態様を表す概略図である。 図８は、実施形態に係る蓄電システムの一例のロボットにおける実施の態様を表す概略図である。
実施形態に係る蓄電システムは、二次電池と急速充放電蓄電デバイスを具備する蓄電システムにおいて、二次電池のパワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ未満、急速充放電蓄電デバイスのパワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ以上であることを特徴とするものである。
図１に蓄電システムの一例を示した。図中、１は蓄電システム、２は二次電池、３は急速充放電蓄電デバイス、である。
蓄電システム１では、二次電池２と急速充放電蓄電デバイス３とが並列に接続されている。二次電池２には、充電および放電ができる電池が挙げられる。このような電池としては、Ｌｉイオン二次電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池、燃料電池などが挙げられる。二次電池２はパワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ未満である。また、急速充放電蓄電デバイスのパワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ以上である。また、急速充放電蓄電デバイスのパワー密度は９０００Ｗ／ｋｇ以上であることが好ましい。
パワー密度は、１ｋｇ（キログラム）あたりどのくらいの出力を示したものである。蓄電デバイスの瞬間的な電力供給量を示す値である。パワー密度が大きければ大きいほど、瞬間的な電力供給量が大きいことを示す。
また、パワー密度は、重量あたりの出力だけでなく、体積あたりの出力として表現することもできる。例えば、パワー密度を上記した１ｋｇあたりの出力の代わりに、１Ｌ（リットル）あたりの出力として表すことができる。体積の単位を１Ｌとして表す体積当たりのパワー密度は、１Ｌあたりどのくらいの出力が得られるかを示したものである。
急速充放電蓄電デバイスのパワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ以上であり、且つ１００００Ｗ／Ｌ以上であることが好ましい。この場合、急速充放電蓄電デバイス、ひいては蓄電システムの軽量化および小型化の何れにも対応できる。
急速充放電蓄電デバイスについてのパワー密度は、例えば次のようにして求めることができる。
急速充放電蓄電デバイスの単セルについての重量で表すパワー密度、即ち重量パワー密度Ｐ（Ｗ／ｋｇ）を下記式（１）により求めることができる。
Figure 0007123797000001
ここで、Ｖ１は放電開始電圧（Ｖ）、Ｖ２は放電終了電圧（Ｖ）、Ｒは内部抵抗（Ω）、Ｍはセル重量（ｋｇ）である。
急速充放電蓄電デバイスの単セルについての体積で表すパワー密度、即ち体積パワー密度Ｐ（Ｗ／Ｌ）を下記式（２）により求めることができる。
Figure 0007123797000002
ここで、Ｖ１は放電開始電圧（Ｖ）、Ｖ２は放電終了電圧（Ｖ）、Ｒは内部抵抗（Ω）、Ｖはセル体積（Ｌ）である。
蓄電デバイスが例えば、後述するような酸化タングステンを電極層に含んだ急速充放電蓄電デバイスである場合は、放電開始電圧Ｖ１及び放電終了電圧Ｖ２は次の値に設定され得る。放電開始電圧Ｖ１は、２．５Ｖに設定される。放電終了電圧Ｖ２は、１．５Ｖに設定される。ここでいう放電開始電圧Ｖ１及び放電終了電圧Ｖ２とは、例えば、蓄電デバイスが過充電や過放電にならずに安全に充放電できる電圧範囲の上限値および下限値に該当し得るものであり、蓄電デバイスのラミネートセルの充電状態（ＳＯＣ；State of Charge）が１００％の時のセル電圧および０％の時のセル電圧にそれぞれ対応し得る。
内部抵抗Ｒは、次のようにして測定できる。先ず、測定対象としての蓄電デバイス、例えば、ラミネートセルのＳＯＣを５０％に調整する。このラミネートセルを対象に、交流インピーダンス法にて１ｋＨｚ（振幅１０ｍＶ）での直列抵抗を測定し、得られた値を内部抵抗Ｒとする。
セル重量Ｍは、測定対象であるラミネートセルの重量（外装容器等を含む）を測定して得られる。セル体積Ｖは、ラミネートセルにおける積層電極部分（外装容器等を含まない）の寸法を測定し、縦方向の長さ、横方向の幅、及び厚さから算出する（Ｖ＝縦×横×厚さ）。
性能が十分でない蓄電装置を用いた場合に個々の蓄電装置の性能を補うために、例えば複数の蓄電装置が電気的に直列接続され得る。この場合、全体としては十分な性能が得られたとしても、蓄電装置の個数が多くなってしまうため、総合的な重量や体積が大きくなってしまう。つまり、複数の蓄電装置を併用することで総合的な出力（パワー）を高くできても、重量や体積あたりの出力（パワー密度）は低いままである。
実施形態の蓄電システムにおける急速充放電蓄電デバイスはパワー密度が高く、例えば単一のセルの状態でも十分な出力を示し得る。また、急速充放電蓄電デバイスのセルを複数、例えば電気的に直列接続した場合も、総合的な重量や体積の増加を比較的低く抑えつつも、高い出力を得ることができる。即ち、急速充放電蓄電デバイスの重量パワー密度は、例えばセル一個あたりで７０００Ｗ／ｋｇ以上である。また、複数のセルを直列接続させた場合も総合的な重量パワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ以上であり得る。同様に、急速充放電蓄電デバイスの体積パワー密度は、例えばセル一個あたりで１００００Ｗ／Ｌ以上であり、複数のセルを直列接続させた場合も総合的な体積パワー密度が１００００Ｗ／Ｌ以上であり得る。
具体例として、例えば、１セルのパワー密度が１３０００Ｗ／ｋｇ、１セルの重量が０．０９ｋｇの急速充放電蓄電デバイスを直列に１２個接続した場合、総合的なパワー（Ｗ）は１４０４０（Ｗ）となる。パワー（Ｗ）＝パワー密度（Ｗ／ｋｇ）×重量（ｋｇ）×直列数で求められる。或いは、パワー（Ｗ）＝パワー密度（Ｗ／Ｌ）×体積（Ｌ）×直列数で求めることもできる。
実施形態の蓄電システムは、パワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ未満の二次電池と、７０００Ｗ／ｋｇ以上の急速充放電蓄電デバイスとを組合せたものである。パワー密度の高い急速充放電蓄電デバイスを用いているため、二次電池よりも先に急速充放電蓄電デバイスにより充放電を行うことができる。そのため、瞬間的な電力供給が可能となる。
また、二次電池はエネルギー密度が３０Ｗｈ／ｋｇ以上であることが好ましい。エネルギー密度は二次電池の容量を示す値である。容量の大きな二次電池と、瞬発力の高い蓄電デバイスを組合せた蓄電システムである。このような蓄電システムは、急速充放電蓄電デバイスにより、急速充放電を行うことができる。そのため、二次電池の充放電の回数を減らすことができる。これにより、二次電池の劣化を防ぐことができる。
二次電池の種類によってパワー密度およびエネルギー密度の値が異なるが、典型的な例を以下に挙げる。
典型的なリチウムイオン二次電池のパワー密度は、例えば、２４００Ｗ／ｋｇ（約３７３０Ｗ／Ｌ）程度であり得る。典型的なリチウムイオン二次電池のエネルギー密度は、例えば、１２０Ｗｈ／ｋｇ（約１９０Ｗｈ／Ｌ）程度であり得る。
典型的な鉛電池のパワー密度は、例えば、１００Ｗ／ｋｇ程度であり得る。典型的な鉛電池のエネルギー密度は、例えば、３０Ｗｈ／ｋｇ程度であり得る。
典型的なニッケル水素電池のパワー密度は、例えば、３００Ｗ／ｋｇ程度であり得る。典型的なニッケル水素電池のエネルギー密度は、例えば、４０Ｗｈ／ｋｇ程度であり得る。
なお、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ；Electric Double Layer Capacitor）のような典型的なキャパシタのパワー密度は、例えば、６７００Ｗ／ｋｇ程度であり得る。典型的なキャパシタのエネルギー密度は、例えば約４Ｗｈ／ｋｇ程度であり得る。
また、二次電池のセルと急速充放電蓄電デバイスのセルの重量の合計重量を蓄電システムのセルの重量としたとき、蓄電システムのエネルギー密度（Ｗｈ／ｋｇ）／蓄電システムのセルの重量（ｋｇ）の比が１以上であることが好ましい。蓄電システムのセルの重量に対し、エネルギー密度が高いということは容量に対し軽量化ができていることを示すものである。
言い換えると、蓄電システムのエネルギー密度をＥＳと表し、蓄電システムにおける二次電池のセルと急速充放電蓄電デバイスのセルとの合計重量をＷＳと表したとき、蓄電システムのエネルギー密度ＥＳ（Ｗｈ／ｋｇ）と蓄電システムのセルの重量Ｗｓ（ｋｇ）との比ＥＳ／ＷＳ、即ち蓄電システムにおけるセルの総重量に対する総エネルギー密度が１以上であることが好ましい。このような好ましい蓄電システムは、ＥＳ／ＷＳ≧１という関係を満たしている。
また、パワー密度の高い急速充放電蓄電デバイスを使うことにより、蓄電システムの小型化、軽量化も可能である。蓄電システムの小型化、軽量化は後述する車両などに搭載したときに車両の燃費改善にも効果がある。また、後述するように車両の回生エネルギーを充電するときに、２５ｋｍ／ｈ以上の速度でも蓄電可能となる。
また、図２に示したように、二次電池または急速充放電蓄電デバイスのいずれか１種または２種を複数個接続しても良い。図２では、第一の二次電池２－１、第二の二次電池２－２、第一の急速充放電蓄電デバイス３－１、第二の急速充放電蓄電デバイス３－２、である。第一の二次電池２－１と第二の二次電池２－２とを直列に接続している。また、第一の急速充放電蓄電デバイス３－１と第二の急速充放電蓄電デバイス３－２とを直列に接続している。二次電池同士を直列、急速充放電蓄電デバイス同士を直列に接続する。二次電池群と急速充放電蓄電デバイス群とを並列に接続する。これによって蓄電システムの容量を大きくすることができる。
図２では、二次電池群において２つの二次電池（２－１及び２－２）が電気的に直列に接続されている例を示した。しかし、二次電池群では、３つ以上の二次電池が直列に接続されていてもよい。或いは、二次電池群において、３つ以上の二次電池が直列接続と並列接続とを組み合わせて電気的に接続されていても良い。
一方で、図２における急速充放電蓄電デバイス群では、２つの急速充放電蓄電デバイス（３－１及び３－２）が電気的に直列に接続されている例を示した。しかし、急速充放電蓄電デバイス群では、３つ以上の急速充放電蓄電デバイスが直列に接続されていてもよい。或いは、急速充放電蓄電デバイス群において、３つ以上の急速充放電蓄電デバイスが直列接続と並列接続とを組み合わせて電気的に接続されていても良い。
また、二次電池２と急速充放電蓄電デバイス３との電気的な接続の形態は、並列接続に限定されない。例えば、蓄電システム１が自動車などの車両に備えられている場合には、二次電池２と急速充放電蓄電デバイス３と（二次電池群と急速充放電蓄電デバイス群と）が電気的に直列接続され得る。
自動車には、オルタネータが用いられている。詳細は後述するが、オルタネータで発電した電気（回生エネルギー）は、先ず、急速充放電蓄電デバイスに蓄えられる。その後、急速充放電蓄電デバイスからの電気は、ＤＣ－ＤＣコンバータなどの制御回路を介して急速充放電蓄電デバイスと電気的に直列接続されている二次電池に充電される。二次電池に充電された電気は、例えば自動車に内装されているエアコンなどの電子機器を含む負荷へ供給され、利用することができる。
なお、自動車のオルタネータに接続されている蓄電デバイスは、二次電池群と急速充放電蓄電デバイス群とが電気的に並列接続されていてもよい。
また、二次電池と急速充放電蓄電デバイスは一体化したユニット構造であってもよいし、離れた位置に配置しても良い。
二次電池と急速充放電蓄電デバイスは、電気的に直接接続されていてもよく、或いは、上記例と同様に、例えばＤＣ－ＤＣコンバータなどの制御回路を介して接続されていてもよい。
また、制御回路としては、ＤＣ－ＤＣコンバータの他に、スイッチング素子、平均セル電圧制御、電流センサなどが挙げられる。加えて、必要に応じ、ＣＰＵ、温度センサなどを設けてもよい。
また、急速充放電蓄電デバイスは、電極層に酸化タングステン粉末を具備することが好ましい。図３に急速充放電蓄電デバイスのセル構造の一例を示した。図中、４は負極側電極、５は正極側電極、６は負極層、７は正極層、８はセパレータ、９は電解液、である。
負極側電極４上には負極層６が設けられている。また、正極側電極５上には正極層７が設けられている。負極層６と正極層７とはセパレータ８を介して対向配置されている。また、負極層６と正極層７との間には電解液９が充填されている。
負極層６または正極層７のいずれか一方に酸化タングステン粉末を具備することが好ましい。また、酸化タングステン粉末は、活性化エネルギーＥαが０．０５ｅＶ以下であることが好ましい。また、該粉末が常温（２５℃）でホッピング伝導特性を有することが好ましい。また、該粉末の酸素欠損量が１×１０１８ｃｍ－３以上であることが好ましい。また、該粉末のキャリア密度が１×１０１８ｃｍ－３以上であることが好ましい。また、該粉末の平均粒径は５０μｍ以下、さらには１０μｍ以下であることが好ましい。また、平均粒径１μｍ未満のナノ粒子とすることが好ましい。このような酸化タングステン粉末は国際公開番号ＷＯ２０１６／０３９１５７号公報（特許文献３）に示されている。
該酸化タングステン粉末は、酸素欠損を設けることにより蓄電容量を高くし、充放電効率を高めることができる。また、酸素欠損量を増やすことにより、ＷＯ２．６８～２．７５の範囲になるようにすることが好ましい。
酸化タングステンの結晶構造へ酸素欠損を導入することで、結晶構造中のＬｉイオンの拡散経路が大きくなる。例えば、ＷＯ２．７２で表される組成を有する酸化タングステンの結晶構造は、ヘキサゴナルトンネルを有しており、結晶中のＬｉイオンの拡散が速い。そのためＬｉイオン伝導性が高いので、充放電効率が高くなる。また、後述するとおり、酸素欠損を導入することで酸化タングステンを含む電極層の内部抵抗を低下させることができる。ひいては、急速充放電蓄電デバイスの内部抵抗を低減することができる。
酸化タングステンの結晶構造への酸素欠損の導入は、例えば酸化タングステン粉末に対し、水素混合窒素雰囲気中での処理を実施することで行うことができる。
また、正極側電極５と負極側電極４は導電材料からなるものである。導電材料としては銅、アルミニウム、チタン、カーボンコートアルミニウム、カーボンコート銅およびこれらの合金が挙げられる。
また、酸化タングステン粉末を負極層６に用いたとき、正極層７はリチウム複合酸化物が好ましい。リチウム複合酸化物としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、三元系材料（例えば、ＬｉＮｉ1/3Ｍｎ1/3Ｃｏ1/3Ｏ2）などが好ましい。また、酸化タングステン粉末を正極層７に用いたとき、負極層６はＬiをプレドープした黒鉛系材料や金属層であることが好ましい。黒鉛系材料としてはグラファイト、ハードカーボン、カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレンが挙げられる。金属層としてはリチウム、シリコン、シリコン合金が挙げられる。このように酸化タングステン粉末からなる電極層に対向配置される電極層はＬｉ単体またはＬｉ複合酸化物であることが好ましい。これらの組合せはＬｉイオンの受け渡しを効率的に行える。そのため、パワー密度およびエネルギー密度を大きくすることができる。
また、酸化タングステン粉末を含んだ電極層の内部抵抗を下げることが、急速充放電蓄電デバイスのセルの軽量化および小型化のうえで望ましい。具体的には、電極層の内部抵抗を下げることで、急速充放電蓄電デバイスの内部抵抗を１０Ω・ｃｍ２以下にすることが好ましい。
また、内部抵抗を低減させることにより、蓄電時にセルの発熱量を低減することができる。これにより、車両の移動速度が２５ｋｍ／ｈ以上であっても、回生エネルギーなどの電気エネルギーを安全に蓄電することができる。
車両の移動速度が速いと回生エネルギーは大電流となる。大電流を蓄電しようとするとセルが発熱し、安全上の問題が生じていた。このため従来は、例えば、１５ｋｍ／ｈ以下の低速領域でのみ回生エネルギーを蓄電していた。実施形態にかかる急速充放電蓄電デバイスは内部抵抗を低減しているため、セルの発熱量を抑制することができる。これにより、車両の移動速度が２５ｋｍ／ｈ以上であっても、蓄電する際の安全性が高い。
蓄電デバイスにおける内部抵抗は、例えば、以下のようにして低下させることができる。例えば、酸化タングステンの結晶構造に酸素欠損を導入することで、電極層の内部抵抗を下げることができる。
また、酸化タングステン粉末に導電材料を混合する方法も挙げられる。また、酸化タングステン粉末からなる電極層と負極側電極または正極側電極の間に導電材料を設けることも有効である。導電材料としてはカーボン粉末が挙げられる。酸化タングステン粉末と導電材料を一緒に用いることにより電極層の内部抵抗を低減することができる。内部抵抗の低減はパワー密度の向上につながる。酸化タングステン粉末の重量をＡ（ｇ）、導電材料（カーボン粉末）の重量をＢ（ｇ）としたとき、０．０１≦Ｂ／Ａ≦０．３の範囲であることが好ましい。０．０１未満では導電材料の添加の効果が小さい。また、０．３を超えると酸化タングステン粉末の割合が減るため容量が低下する。また、酸化タングステン粉末の平均粒径をＣ（μｍ）、導電材料の平均粒径をＤ（μｍ）としたとき、Ｃ＞Ｄであることが好ましい。導電材料の粒径を小さくすることにより、酸化タングステン粉末同士の隙間に入り込むので内部抵抗を低減し易い。
酸化タングステンと混合する導電材料や、電極層と負極側電極または正極側電極との間に設ける導電材料として、より具体的には、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、グラファイトなどといった導電助剤を用いることができる。例えば、粒子状の導電助剤と酸化タングステン粉末とを混合することで、電極層における粒子間のコンタクト抵抗を低減し、その結果内部抵抗を抑えることができる。
また、電極層と負極側電極または正極側電極との間に導電材料を設ける場合、例えば負極側電極または正極側電極としての金属箔や合金箔の上にカーボン層などの導電層を形成することで、導電性を向上するとともに、電極層と箔との密着性を向上させることができる。
導電層の形成方法は次のものに限られないが、例えば、次の様にして導電層を形成することができる。導電材料が含まれているコート材を箔の表面に塗布する。塗布したコート材を乾燥させることで、導電層が得られる。なお、導電材料としてカーボン材料を含んだコート材を用いてアルミニウム箔上にカーボン層を形成した場合は、カーボンコートアルミニウムが作製され得る。
内部抵抗を低下させるさらに別の方法として、プレス処理を施すことで電極密度を増大させる方法が挙げられる。一例として、負極層に酸化タングステン粉末が含まれている場合を以下に説明する。
先ず、負極側電極の上に負極層（酸化タングステン層）を形成する。負極層は、酸化タングステン粉末の他に導電材料（導電助剤）を含んでいてもよい。また、負極側電極は、導電層を含むものであってもよい。
形成した負極層に対しプレス処理を行う。この際、プレス前の電極密度、例えば、１．８ｇ／ｃｍ３であった負極層の密度がプレスの結果、例えば、３．６ｇ／ｃｍ３程度に増加し得る。プレス後の電極密度が２．２ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましく、３．０ｇ／ｃｍ３以上であることがより好ましい。また、対極である正極（酸化タングステンを含まない）に対してもプレス処理を実施することが好ましい。
以上の例では、酸化タングステンを含む負極層を用いた場合について説明したが、酸化タングステンを含む正極層を備えた蓄電システムの場合も同様に、プレスにより正極層の密度を増加させることができる。
プレス処理におけるプレス圧は、負極側および正極側の何れについても、３００ｋｇ／ｃｍ以上とすることが好ましい。これにより、負極層および正極層の何れもの電極密度を２．２ｇ／ｃｍ３以上にすることができる。
内部抵抗を低減させるこれらの手段を組合せてもよい。例えば、酸素欠損のある酸化タングステンとカーボン層をコートした金属箔とを組み合わせることができる。
また、正極層７および負極層６の厚さは１μｍ以上１００μｍ以下の範囲であることが好ましい。また、酸化タングステン粉末からなる正極層７または負極層６は空隙率が２０％以上８０％以下の範囲であることが好ましい。膜厚が１μｍ未満では酸化タングステン粉末量が小さいため容量が低下する。一方、１００μｍを越えて厚いと、電解液が内部まで入り難くなるおそれがある。また、空隙率が８０％を超えて高いと酸化タングステン粉末量が減るため容量が低下する。また、空隙率が２０％未満であると電解液が内部まで入り難くなるおそれがある。
正極層７及び負極層６の何れの電極層についても、電解液が内部まで入らないと、酸化タングステン粉末やそれ以外の電極材料と電解液との接触面積が低下する。その結果、正極と負極との間のＬｉイオンの受け渡し効率が低下するため、蓄電デバイスのパワー密度が低下し得る。
上述したようにプレス処理により電極密度を増加させる場合、空隙率が２０％以上８０％以下に留まる範囲で電極密度を上げることが望ましい。
また、セパレータは、多孔質のポリエチレン、ポリプロピレンからなり、厚みは５μｍ以上５０μｍ以下であり、負極電極と正極電極による短絡を防止することが好ましい。また、電解液は、Ｌｉ塩としてＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３を電解質として含有し、非水溶媒として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（ＢＣ）、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）、ガンマブチロラクトン（γ-ＢＬ）、バレロラクトン（ＶＬ）およびこれらの混合溶媒であることが好ましい。
正極と負極とが向き合う面積が多い方が、これらの電極間でＬｉイオンを効率的に受け渡しできる領域が多くなるため、パワー密度を向上させるうえで望ましい。正極と負極との対向面積は、例えば、それぞれの電極の面積を拡大し、且つ互いに重なり合う部分が多い配置を取ることで大きくすることができる。また、複数の正極と複数の負極とを用いて、例えば、多層積層型のラミネートセルを構築することで、正極と負極との対向面積を総合的に大きくすることができる。
上記設計を適切に組み合わせることで、急速充放電蓄電デバイスのパワー密度を７０００Ｗ／kｇ以上にすることができる。具体的には、酸化タングステン粉末を電極層に用い、上記手段により内部抵抗を低減させ、電極層の厚さ及び空隙率を上述した範囲とし、且つ正極と負極とが対向する面積を多くすることで、高いパワー密度を示す急速充放電蓄電デバイスを得ることができる。
以上のような蓄電システムは、急速充放電が可能となる。また、パワー密度の高い急速充放電蓄電デバイスを優先的に使用することができるので二次電池の使用回数を減らすことができる。この結果、二次電池の寿命を延ばすことができる。また、パワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ以上の急速充放電蓄電デバイスを用いることにより、蓄電システムとしての小型化、軽量化もなし得ることができる。
このような蓄電システムは、車両、電子機器、機械設備に用いることが好ましい。
車両は、自動車、電鉄などが挙げられる。自動車は、ハイブリット自動車、電気自動車などのモータで駆動する自動車が挙げられる。また、自動車は、自家用車、バス、クレーン車、トラックなど特に限定されるものではない。
モータで駆動する車両は減速時のエネルギーを回収・蓄積し、再利用している。減速時のエネルギーを回生エネルギーと呼んでいる。この回生エネルギーを急速充放電蓄電デバイスに蓄電していく。回生エネルギーは減速時、つまりはブレーキング時に発生していく。ブレーキはその都度踏まれるものである。パワー密度７０００Ｗ／ｋｇ以上の急速充放電蓄電デバイスを用いているため、瞬間に発生する回生エネルギーを効率的に回収できる。また、モータの加速時に必要な電気を瞬間的に供給することができる。また、回生エネルギーは減速時に発生する。これまでは１５ｋｍ／ｈ以下まで減速したときしか蓄電できていなかった。パワー密度７０００Ｗ／ｋｇ以上の急速充放電蓄電デバイスを用いることにより、車両の移動速度が２５ｋｍ／ｈ以上であるときにも回生エネルギーを蓄電することができる。この点からも蓄電効率が上がる。また、軽量化もできることから燃費の向上にもつながる。
また、電子機器は、電気で駆動する装置を示す。例えば、ＣＴなどの医療機器は最大電力に合わせて契約電力を決めている。それに対し、通常の使用状況では最大電力の５０％～８０％程度で使われている。実施形態に係る蓄電システムを用いることにより、最大電力が必要なときだけ足りない電力を蓄電システムから供給することができる。この結果、契約電力を下げることができる。パワー密度の高い急速充放電蓄電システムを用いていることから、瞬間的に最大電力が必要になったとしても十分供給できる。電子機器は、例えば、蓄電システムにより最大電力に不足する電力を補う使い方をするものを含む。
また、機械設備は稼働する設備がついたものである。機械設備としては、エレベータ、クレーン、ロボット、工作機械から選ばれる一種が挙げられる。これら機械設備はモータで稼働する設備を有するものである。例えば、エレベータは、かごを上下に昇降させるモータ（巻上機）がついている。モータがついているものは、上昇と下降を繰り返す。昇降のときに回生エネルギーを蓄電することができる。パワー密度７０００Ｗ／ｋｇ以上の急速充放電蓄電デバイスを用いることにより、わずかな加速・減速であっても蓄電できる。
実施形態に係る蓄電システムについて、車両および機械設備における具体例な実施の態様を、図面を参照して以下に説明する。
実施形態に係る蓄電システムについての車両、より具体的には自動車における実施の態様の一例として、図４に自動車の回生エネルギーの回収を表す概略図を示した。図中、２は二次電池、３は急速充放電蓄電デバイス、１０はオルタネータ、１１はＤＣ－ＤＣコンバータ、１２は負荷、４１はエンジン、４２は車輪である。
オルタネータ１０は、エンジン４１の回転の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する交流発電装置であり、エネルギー回生を担う。例えば、自動車の減速時においても、路面を転がる車輪４２の回転が車軸や差動ギアなどの動力伝達機構を介してエンジン４１に伝わるため、エンジン４１は回転する。オルタネータ１０は、この回転のエネルギーを利用して発電を行う。
オルタネータ１０により発電した電気エネルギーは、一旦、急速充放電蓄電デバイス３に蓄電される。その後、急速充放電蓄電デバイス３からＤＣ－ＤＣコンバータ１１を介して二次電池２に電気を貯めることができる。また、二次電池２から負荷１２へ電気を供給し、利用することができる。負荷１２は、例えば、カーナビゲーションシステム、エアコン、オーディオ機器などといった、自動車に内装されている電子機器などを含む。
負荷１２のための電力として二次電池２に貯めた電気を用いることで、例えばハイブリッドカーにおける燃料を消費するエンジンでの発電を少なくしても、十分に電力を供給し得る。その結果、燃料消費を低減させることができる。
オルタネータ１０により発電し、蓄電システムへ充電することをエネルギー回生と云う。つまり、自動車の減速時の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、回生エネルギーとして回収する。
減速エネルギー回収量は、充電受け入れ性の影響を大きく受ける。つまり、オルタネータから回生エネルギーをバッテリや蓄電システムへ充電（蓄電）する際、バッテリや蓄電システムの充電（蓄電）速度および容量が十分でないと、回生エネルギーの回収率が低下し得る。例えば、鉛バッテリの充電受け入れ性が制限となり、オルタネータの発電電力を効率よく回収できない場合がある。そのため、キャパシタの活用検討が進められている。しかし、端子電圧がほぼ一定の鉛バッテリに対し、キャパシタは充電状態によって電圧が変化する。そのため、オルタネータは幅広い電圧に対応する必要がある。これを鑑みて、１２Ｖ－２５Ｖの電圧に対応した可変電圧式オルタネータも開発されている。このオルタネータの採用によって、減速回生時にキャパシタ電圧を最大２５Ｖまで上昇させて発電することが可能であり、エネルギー回生量を向上できる。
オルタネータの出力および電圧に応じて、電流量が変化する。例えば、蓄電システムの端子電圧が２４Ｖであると仮定した場合、オルタネータからの出力が３ｋＷであれば１２５Ａの電流で蓄電システムが蓄電され（３ｋＷ＝２４Ｖ×１２５Ａ）、出力が５ｋＷであれば２０８Ａの電流（５ｋＷ＝２４Ｖ×２０８Ａ）、出力が１０ｋＷであれば４１６Ａの電流（１０ｋＷ＝２４Ｖ×４１６Ａ）で蓄電システムが蓄電される。
オルタネータから蓄電システムへの電流量が多すぎると、セルが発熱して温度上昇することにより安全性が損なわれるおそれがある。安全性を確保するために、例えば、温度上昇してしまった場合に冷却機構のスイッチを入れる、又はそれ以上の電流が流れないようにストップを掛ける安全機構を備えた制御回路を採用することができる。冷却機構の稼働に電力を消費することになるため、電流量が多くなり過ぎないことが望ましい。例えば、蓄電システムの充電受け入れ性がオルタネータの出力に対応できる設計とすることが望ましい。
二次電池２は、急速充放電蓄電デバイス３と比較して大きい容量を有する。急速充放電蓄電デバイス３からＤＣ－ＤＣコンバータ１１を介して二次電池２に回生した電気を充電することで、急速充放電蓄電デバイス３の容量に空きを設けることができる。こうすることで、急速充放電蓄電デバイス３は自動車が次に減速する際発生する回生エネルギーを余さず回収することができる。急速充放電蓄電デバイス３の容量に十分な空きがないと、回生エネルギーを回収できる量が少なくなり得る。或いは、急速充放電蓄電デバイス３が過充電状態になり、安全性が損なわれる虞がある。
実施形態に係る蓄電システムについての車両、より具体的には電車、即ち鉄道用車両における実施の態様の一例として、図５に電車の回生エネルギーの回収を表す概略図を示した。図中、５０は電車、５１はパンタグラム、５２は車輪、１は蓄電システム、２１は電圧変換器、２２はインバータ、２３は架線、３１は線路である。
電車５０において、パンタグラム５１、電圧変換器２１、蓄電システム１、インバータ２２、並びに車輪５２を駆動させる駆動モータ（図示しない）が電気的に接続されている。また、パンタグラム５１は、電車５０の路線上に配されている架線２３と接触する。パンタグラム５１と架線２３との接触を確実にするため、パンタグラム５１は、例えば、バネ状の構造により高さの変化が可能なものであり得る。
架線２３からパンタグラム５１を介して電車５０内へ直流電力が供給される。電圧変換器２１は、直流電圧を適宜変換、例えば、１５００Ｖの直流を６００Ｖの直流へと変換し、インバータ２２及び蓄電システム１に供給する。電圧変換器２１は、例えば、ＤＣ－ＤＣコンバータであり得る。インバータ２２は、直流電力を交流に変換し、駆動モータに供給する。駆動モータの作動により車輪５２が駆動することで、電車５０が走行することができる。
蓄電システム１に供給された直流電力は、例えば、蓄電システム１に含まれている二次電池または二次電池群に蓄電される。また、直流電流は、二次電池の代わりに、蓄電システム１に含まれている急速充放電蓄電デバイス又は急速充放電蓄電デバイス群、又は急速充放電蓄電デバイス（群）及び二次電池（群）の両方に蓄電されてもよい。
電車５０を減速させる際、例えば駆動モータへの電力供給がカットされ、ブレーキがかけられる。車輪５２が線路３１上を転がることによって駆動モータが回転し、回生電力が発生する。インバータ２２は、駆動モータで発生した回生電力を直流に変換し、蓄電システム１へと供給する。直流変換されて蓄電システム１へと供給された回生電力は、急速充放電蓄電デバイスに蓄電される。蓄電システム１が回生電力を蓄電することで、減速時に運動エネルギーを回生できる。
急速充放電蓄電デバイスのパワー密度が高いため、蓄電システム１の充電受け入れ性が高い。例えば、瞬間的な回生電力量が多くても急速充放電蓄電システムの温度上昇が少ない。そのため、駅間で高い走行速度までの加速とそこからの減速を繰り返す電車５０では減速時の回生電力が大電流となり得るが、蓄電システム１は大電流の入力に対応できる。
エネルギー回生により急速充放電蓄電デバイスに蓄電された回生電力は、その後二次電池に充電され得る。上述した自動車の場合と同様に、より容量の大きい二次電池に回生エネルギーを移し急速充放電蓄電デバイスに容量の空きを設けることで、電車５０が次に減速した際の回生電力をより多く回収することができる。急速充放電蓄電デバイスに容量の空きを確保するために、パンタグラム５１を介して供給される電力は、蓄電システム１の二次電池に充電されることが好ましい。
蓄電システム１（急速充放電蓄電デバイス及び／又は二次電池）に蓄えた電力は、例えば、架線２３がない区間において電車５０を走行させるために用いることができる。また、その他の負荷、例えば、照明やエアコン、電子表示パネルなどの電車５０が内装する電子機器の電力として、蓄電システム１に蓄えた電力を用いることができる。
機械設備における蓄電システムの実施の態様を、図面を参照して説明する。なお、実施形態に係る蓄電システムを用いる機械設備としては、駆動のために電力源を要する電子機器や、稼働する際に電力源を要する設備を含む機械設備を挙げることができる。
実施形態に係る蓄電システムについての機械設備、より具体的には医療機器における実施の態様の一例として、図６にＸ線発生装置を表す回路図を示した。図中、６０はＸ線発生装置、６１はジェネレータ（Ｘ線発生器）、６２は中央演算処理装置（ＣＰＵ；Central Processing Unit）、１は蓄電システム、２４は配電盤、Ｒ１は撮影室である。
Ｘ線発生装置６０は、例えば、Ｘ線ＣＴ（Computed Tomography）装置に含まれているＸ線照射装置であり得る。Ｘ線ＣＴ装置は、例えば、Ｘ線発生装置６０との有線または無線での信号のやり取りが可能なＸ線検出器を含み得る。
ＣＰＵ６２は、Ｘ線発生装置６０の動作を制御する。例えば、ＣＰＵ６２は、Ｘ線発生装置６０の各部への電力の供給を制御および管理し得る。また、ＣＰＵ６２は、Ｘ線発生装置６０とＸ線検出器との信号のやり取りを含むＸ線ＣＴ装置全体の動作を制御および管理し得る。
配電盤２４から商用電力が蓄電システム１へと供給される。商用電力は蓄電システム１の急速充放電蓄電デバイス、二次電池、又は急速充放電蓄電デバイスと二次電池との両方に蓄電される。また、商用電力の一部は、ＣＰＵ６２に供給され、ＣＰＵ６２を作動させるために用いられる。配電盤２４は、例えば、Ｘ線発生装置６０を備えた医療施設などに設置されている配電盤であり得る。
蓄電システム１に蓄えられた電力は、ジェネレータ６１へと供給される。使用状況に応じてジェネレータ６１が必要とする電力量が異なるため、ジェネレータ６１への電力の供給量はＣＰＵ６２によって制御される。例えば、Ｘ線画像の撮影のためにＸ線を発生させる際にジェネレータ６１が消費する電力は、５．５ｋＷｓであり得る（出力が８０ｋＷであるＸ線ジェネレータを用い、１１０ｋＶＡを５０ｍｓｅｃの間消費するとした場合）。一方で、例えばＸ線画像の撮影後、次の撮影まで待つ間の待機時間中は、ジェネレータ６１が消費する電力が低い。
短期間で多くの電力が必要なとき、例えば、瞬間的に高い出力が必要とされるＸ線発生時は、急速充放電蓄電デバイスからジェネレータ６１へ電力が供給され得る。急速充放電蓄電デバイスのエネルギー密度が高いため、瞬間的な高出力に対応できる。電力消費量が少ない待機時間中などは、例えば、二次電池からジェネレータ６１へ電力が供給され得る。Ｘ線画像の撮影時などの高出力に備えて電力の蓄えを確保するために、高出力が必要なときだけ急速充放電蓄電デバイスに蓄えた電力を利用することが望ましい。
Ｘ線発生装置６０は、例えば、ジェネレータ６１にてＸ線を発生させる際は多くの電力（例えば、５．５ｋＷｓ）を必要とするが、例えば、待機中は多くの電力を要しない。つまり、ジェネレータ６１を作動させる時だけ高い電力供給量が必要になり得る。例えば、待機中に配電盤から供給される商用電力を蓄電システム１の急速充放電蓄電デバイスに蓄電し、ジェネレータ６１を作動させる際に急速充放電蓄電デバイスに蓄えた電力を瞬間的に取り出して利用することができる。具体的な例として、ジェネレータ６１を作動させる電力量が５．５ｋＷｓであり、５秒ごとに１回作動させて撮影を行うとする。急速充放電蓄電デバイスに１．１ｋＷの電力を５秒間の待機時間中に供給して蓄えれば、撮影の瞬間におけるジェネレータ６１の作動を賄うことができる。
このように、蓄電システム１を利用することにより、配電盤２４から常時供給する電力を低く抑えても、ジェネレータ６１に十分な電力を供給することができる。そのため、契約電力がＸ線発生装置６０の作動に必要な最大電力に満たない場合でも、Ｘ線発生装置６０の作動に支障をきたさない。
Ｘ線発生装置６０のジェネレータ６１とＣＰＵ６２と蓄電システム１とは、図示するように医療施設における撮影室Ｒ１の中に設置され得る。或いは、ＣＰＵ６２及び蓄電システム１の少なくとも一方は撮影室Ｒ１の外に設置され得る。例えば、ＣＰＵ６２及び／又は蓄電システム１は、撮影室Ｒ１に隣接する前室（図示しない）に設置され得る。また、配電盤２４は、図６に示すように撮影室Ｒ１の外に設置してもよく、或いは撮影室Ｒ１内に設置してもよい。
医療施設は、ジェネレータ６１がそれぞれに設置されている複数の撮影室Ｒ１を備え得る。複数の撮影室Ｒ１は、それぞれにＣＰＵ６２が設置されていてもよく、或いは、例えば一つのＣＰＵがすべての撮影室における動作を統括して管理していてもよい。また、複数の撮影室Ｒ１は、それぞれに蓄電システム１が設置されていてもよく、或いは、例えば一つの蓄電システム１が複数の撮影室Ｒ１におけるそれぞれのジェネレータ６１への電力供給を賄うことができる設計としてもよい。
実施形態に係る蓄電システムについてのエレベータにおける実施の態様の一例として、図７にエレベータの稼働を表す概略図を示した。図中、７０はエレベータ、７１はかご、７２はつり合いおもり、７３は巻上機、１は蓄電システム、２５は商用電源、２６は制御盤である。
かご７１とつり合いおもり７２とは、巻上機７３及び滑車を介してケーブルなどにより接続されている。例えば、巻上機７３がケーブルを一方向に引くことで、かご７１が上昇するとともにつり合いおもり７２が下降する。巻上機７３がケーブルを反対方向へ引くことで、かご７１が下降するとともにつり合いおもり７２が上昇する。
制御盤２６は、状況に応じて商用電源２５から電力を巻上機７３に供給する。巻上機７３は、供給された電力を用いて稼働し、かご７１を昇降させることができる。また、蓄電システム１の二次電池または急速充放電蓄電デバイスに電気が貯まっている、つまり充電が残っている場合は、制御盤２６は、商用電源２５の代わりに二次電池または急速充放電蓄電デバイスから電力を巻上機７３に供給し得る。制御盤２６は、商用電源２５と蓄電システム１との両方から同時に電力を巻上機７３に供給することもできる。
つり合いおもり７２は、例えば、かご７１の乗員の人数が定員の半分程度である場合にかご７１とつり合うように設計されている。乗員を含むかご７１の重さとつり合いおもり７２の重さとがほぼ等しい状態では、商用電源２５又は蓄電システム１から供給された電力により巻上機７３が稼働し、かご７１を昇降させ得る。
かご７１に乗る人数が多い場合には、乗員を含むかご７１の重さがつり合いおもり７２の重さより高くなり得る。この場合は、かご７１を下降させる際に重力を利用でき、かご７１の下降に伴いケーブルがかご７１側へ引かれる。巻上機７３をケーブルが通過することで巻上機７３が回転し、発電する。つまり、重力によりかご７１が下降することで回生電力が発生する。
一方で、かご７１に乗る人数が少ない場合には、乗員を含むかご７１の重さがつり合いおもり７２の重さより低くなり得る。この場合は、かご７１を上昇させる際につり合いおもり７２に対する重力の作用を利用でき、かご７１の上昇に伴いケーブルがつり合いおもり７２側へ引かれる。巻上機７３をケーブルが通過することで巻上機７３が回転し、発電する。つまり、重力によりつり合いおもり７２が下降することで回生電力が発生する。
何れの場合も、巻上機７３が発電した回生電力は、制御盤２６を介して蓄電システム１の急速充放電蓄電デバイスへ供給される。回生電力は、急速充放電蓄電デバイスに一旦蓄電された後、二次電池へ供給され得る。或いは、急速充放電蓄電デバイスに蓄電された回生電力は、かご７１を昇降させるための電力として巻上機７３へ供給され得る。上述した車両の例と同様に、回収できる回生電力の量を多く維持するために、急速充放電蓄電デバイスの容量に空きを確保することが望ましい。急速充放電蓄電デバイスに蓄電された回生電力を二次電池または巻上機７３へ移動させることで、急速充放電蓄電デバイスの空き容量を確保できる。
二次電池に蓄えられた回生電力も、必要に応じて巻上機７３へと供給される。巻上機７３を稼働させる電力の一部を急速充放電蓄電デバイスや二次電池に蓄えられた回生電力で賄うことで、商用電源２５からの商用電力の使用量を削減できる。また、蓄電システム１に含まれている二次電池として大容量の二次電池を用いることにより、停電などにより商用電源２５からの電力供給を受けられない事態においても、エレベータ７０を稼働させることができる。
実施形態に係る蓄電システムについてのロボットにおける実施の態様の一例として、図８に無人搬送車の概略図を示した。図中、８０は無人搬送車、８１は充放電モニタ装置、８２は充電器、１は蓄電システム、２５は商用電源である。
無人搬送車８０が充電される際、商用電源２５から充電器８２を介して蓄電システム１に商用電力が供給される。充電する際、充電器８２と蓄電システム１とは、例えば、無人搬送車８０に設けられている外部端子（図示せず）を介して電気的に接続され得る。
充放電モニタ装置８１は、蓄電システム１の充電状態（ＳＯＣ）を監視する。充放電モニタ装置８１は、蓄電システム１全体としての充電状態を監視し得る。或いは、充放電モニタ装置８１は、蓄電システム１に含まれている急速充放電蓄電デバイスの各セルの充電状態、並びに蓄電システム１に含まれている二次電池の各セルの充電状態を監視し得る。また、電気的に接続された複数の急速充放電蓄電デバイス全体の充電状態、つまりは急速充放電蓄電デバイス群の充電状態、並びに電気的に接続された複数の二次電池全体の充電状態、つまりは二次電池群の充電状態を監視し得る。
また、充放電モニタ装置８１は、蓄電システム１における異常状態の有無を監視する。異常状態は、例えば急速充放電蓄電デバイスや二次電池の過充電、過放電、過度な温度上昇などを含み得る。
充放電モニタ装置８１は、例えば、蓄電システム１における二次電池の充電状態が所定の値を下回ったことを検知すると、図示しない制御システムに信号を送信する。制御システムは、無人搬送車８０に備えられていてもよく、或いは、無人搬送車８０の外部に備えられていてもよい。信号は、有線または無線により制御システムに送信され得る。
二次電池の充電状態が所定値を下回ったことを連絡する信号を受信した制御システムは、充電の指示を無人搬送車に伝達し得る。指示は、有線または無線により伝達され得る。指示を受領した無人搬送車は、例えば、必要に応じて充電器８２と蓄電システム１とを電気的に接続させることができる所定の位置まで移動し、充電を開始する。
充電の際、蓄電システム１に含まれている二次電池、急速充放電蓄電デバイス、又は二次電池と急速充放電蓄電デバイスとの両方に同時に商用電力が入力され得る。次の理由から、二次電池を充電してから急速充放電蓄電デバイスを充電することが望ましい。
商用電源２５から供給される電流量が不安定でサージ電流が発生し、蓄電システム１へ大電流が供給される場合がある。サージ電流が発生したことを、例えば、充放電モニタ装置８１又は充電器８２が含む制御回路（図示せず）が検知した場合に、電流が急速充放電蓄電デバイスに入力されるよう制御を行う。急速充放電蓄電デバイスは、エネルギー密度が高く電力の受け入れ性が高いため、サージ電流に安全に対応することができる。例えば、大きなサージ電流を入力しても、急速充放電蓄電デバイスの温度上昇が抑えられるため、加熱による無人搬送車８０の部材の損傷などが発生しにくい。電流が安定した後、急速充放電蓄電デバイスに一旦蓄えられた電力を二次電池に充電し、急速充放電蓄電デバイスの容量を開けておくことで、再度のサージ電流の発生に対処できる。
充放電モニタ装置８１は、例えば、蓄電システム１が満充電状態になったことを検知すると、制御システムに信号を送信する。蓄電システム１の満充電状態は、例えば、二次電池が満充電された状態、又は、二次電池と急速充放電蓄電デバイスとの両方が満充電された状態であり得る。制御システムは、状況に応じて、無人搬送車へ運転開始の指令を発し得る。
蓄電システム１において大容量の二次電池を用いることで、充電を必要とする回数を少なくできる。充電の回数を少なくすることで、充電器８２と蓄電システム１とを電気的に接続させることができる位置へ無人搬送車８０が行き来する回数を削減でき、作業効率を改善することができる。
以上のように、実施形態に係る蓄電システムを搭載した車両、電子機器、機械設備は回生エネルギーを効率的に蓄電することができる。また、瞬間的な放電に対応できるため、最大電力よりも契約電力を下げることができる。
（実施例）
（実施例１～５、比較例１）
急速充放電蓄電デバイスを以下のように作製した。
・負極層の材料：酸化タングステン粉末ＷＯ２．７２（粒径２μｍ）、導電助剤（粒径０．０３μｍのアセチレンブラック）、ＰＶＤＦバインダー
・正極層の材料：ＬｉＣｏＯ２粉末（粒径５μｍ）導電助剤（粒径０．０３μｍのアセチレンブラック）、ＰＶＤＦバインダー
・正極側電極基材、負極側電極基材：アルミニウム箔（厚さ１５μｍ）、又はカーボンコートアルミニウム箔（厚さ１５μｍ）
・セパレータ：ポリプロピレン（厚さ２５μｍ）
・電解液：ＥＣ／ＤＥＣ（１／１vol%） １Ｍ ＬｉＰＦ６
これらを使って、表１及び２に示した試料１～３、５～６に係る急速充放電蓄電デバイスを作製した。
なお、試料４は既存のＬｉイオンキャパシタとした。
Figure 0007123797000003
Figure 0007123797000004
急速充放電蓄電デバイスとしてのラミネートセルを作製する際、複数の負極と複数の正極とを間にセパレータを配して交互に積層させた。表１に示す対向電極総面積は、負極と正極とが対向している部分の面積の合計である。表１に示すその他の電極設計、即ち電極層の厚さ、密度、及び空隙率、電極基材、並びに酸化タングステン粉末の重量Ａと導電助剤の重量Ｂとの重量比Ｂ／Ａは、試料ごとに負極と正極とで一致させた。例えば、試料１については、負極層の厚さと正極層の厚さの何れも１６μｍとした。
試料１、２、４の電極（負極及び正極）を作製する際、プレスを実施しなかった。試料３、５、６の電極（負極及び正極）を作製する際は、プレスを実施し、電極密度を高めた。
なお、電極密度は、次のようにして測定した。先ず、積層させた複数の電極のうち、任意の３層を抜き出して測定対象の電極を得た。基材（アルミニウム箔等）を含めた電極の重量を測定した。また、基材を含めた電極の寸法（面積および厚さ）を測定し、体積を求めた。得られた値から、基材の重量と体積とをそれぞれ差引き、電極層のみの重量および体積を算出した。電極層の重量を体積で除することにより、電極密度（基材含まず）を求めた。
また、電極層（負極層及び正極層）の空隙率は、次のようにして測定した。電極層における横方向２０μｍ×厚みの断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；Scanning Electron Microscope）を用いて観察（２００００倍）して、ポア（空隙）の面積を測定した。なお、ポアはコントラストの差で判別できる。また、一視野で測定できないときは複数回に分けて測定した。
表２に示したパワー密度（重量および体積の両単位）、エネルギー密度、セルの重量、セルの体積、及び内部抵抗は、先に説明した方法で測定した。１セル平均電圧は、所定の電圧範囲において１Ｃで放電させた際の平均電圧を測定したものである。例えば、急速充放電蓄電デバイス試料１の場合は、セルを１．５Ｖ以上２．５Ｖ以下の電圧範囲において１Ｃで放電させた際に測定された平均電圧を示す。
次に、二次電池として鉛電池を用意した。二次電池は、平均電圧１２Ｖ、パワー密度１００Ｗ／ｋｇ、エネルギー密度３０Ｗｈ／ｋｇ、重量１０ｋｇ、容積５．７Ｌのものである。
上記急速充放電蓄電デバイス試料１～６と二次電池を並列に組合せて実施例１～５、比較例１に係る蓄電システムを作製した。組合せ条件は表３に示した通りである。なお、蓄電システムのセルの重量は、急速充放電蓄電デバイスのセルの重量と二次電池のセルの重量を合計した値である。
また、蓄電システムの容積は、急速充放電蓄電デバイスのセルの容積と二次電池のセルの容積を合計した値である。
蓄電システム全体としての重量パワー密度とエネルギー密度とを、次のとおりに算出した。蓄電システムの重量パワー密度ＰＳ＝（急速充放電蓄電デバイスの重量パワー密度×直列数に応じたセル総重量＋二次電池の重量パワー密度×直列数に応じたセル総重量）／（急速充放電蓄電デバイスのセル総重量＋二次電池のセル総重量）。また、蓄電システムの重量エネルギー密度ＥＳ＝（急速充放電蓄電デバイスの重量エネルギー密度×直列数に応じたセル総重量＋二次電池の重量エネルギー密度×直列数に応じたセル総重量）／（急速充放電蓄電デバイスのセル総重量＋二次電池のセル総重量）。
具体例として、実施例１について説明する。実施例１では、試料１（パワー密度７０００Ｗ／ｋｇ、エネルギー密度２２．６Ｗｈ／ｋｇ）を６個直列に接続した。そのときのセル重量は０．５４ｋｇになる。鉛電池（パワー密度１００Ｗ／ｋｇ、エネルギー密度３０Ｗｈ／ｋｇ）の重量は１０ｋｇである。このため、蓄電システムの重量ＷＳは０．５４＋１０＝１０．５４ｋｇとなる。蓄電システムのパワー密度は（７０００Ｗ／ｋｇ×０．５４ｋｇ＋１００Ｗ／ｋｇ×１０ｋｇ）／１０．５４ｋｇ＝４５４Ｗ／ｋｇとなる。
また、蓄電システムのセルの重量に対する蓄電システムのエネルギー密度の比ＥＳ／ＷＳを算出した。
Figure 0007123797000005
表３から分かる通り、実施例に係る蓄電システムは、パワー密度、エネルギー密度が高かった。また、比較例１と比べてセルの重量も軽量化できている。
加えて、実施例に係る蓄電システムは、比較例１と比べて小型化もできている。
次に、３ｋＷ（＝２４Ｖ×１２５Ａ）、５ｋＷ（＝２４Ｖ×２０８Ａ）、１０ｋＷ（＝２４Ｖ×４１６Ａ）の電力を１０秒間印加したときの温度上昇を測定した。測定は図４に示したように、オルタネータ→急速充放電蓄電デバイス→ＤＣ－ＤＣコンバータ→二次電池と接続して行った。
印加した電力３ｋＷ、５ｋＷ、１０ｋＷは、オルタネータの出力に準じたものである。また、１０秒の印加時間は、電気自動車の減速時間を想定したものである。
温度上昇の測定結果を表４に示した。具体的には、蓄電システムの常温から上昇した温度を示した。
Figure 0007123797000006
表４から分かる通り、実施例に係る蓄電システムは温度上昇が抑制されている。オルタネータの出力が５ｋＷ以上の時に、実施例と比較例との温度上昇の差が顕著だった。オルタネータの出力は、車両の速度が２５ｋｍ／ｈ以上であるときに５ｋＷ以上になり得る。つまり、実施例に係る蓄電システムでは、２５ｋｍ／ｈ以上の速度でも回生エネルギーの蓄電ができた。これにより蓄電効率が向上することが分かる。
また、実施例に係る蓄電システムでは、オルタネータの出力が５ｋＷ以上の時の温度上昇が抑制されていたため、比較例と比べると冷却機構を稼働させる頻度を減らすことができる。そのため、車両における電力効率を高めることができる。
（実施例１Ａ～５Ａ、比較例１Ａ）
また、二次電池としてＬｉイオン二次電池を用意した。Ｌｉイオン二次電池は平均電圧３．６Ｖ、パワー密度３４００Ｗ／ｋｇ（約６５００Ｗ／Ｌ）、エネルギー密度７５Ｗｈ／ｋｇ（約１４０Ｗｈ／Ｌ）、重量０．２５ｋｇ、体積０．１３Ｌのものを３直列とした。（０．７５ｋｇ、０．３９Ｌ）
鉛電池の代わりにＬｉイオン二次電池を用いて、表５に示した組合せ条件で実施例１Ａ～５Ａ、比較例１Ａに係る蓄電システムを作製した。
Figure 0007123797000007
二次電池を鉛電池からＬｉイオン二次電池に変えることにより、蓄電システムのパワー密度ＰＳ、エネルギー密度ＥＳが大きくなった。これは二次電池を軽量のものに換えたためである。
実施例１と同じ条件の測定を行い、実施例１Ａ～５Ａ、比較例１Ａにおける急速充放電蓄電デバイスの温度上昇を測定した。結果を表６に示す。
Figure 0007123797000008
蓄電システムの二次電池の種類を変更しても、同様の結果が得られた。このとおり、蓄電システムにおいて、様々な二次電池と急速充放電蓄電デバイスとをユニット化できることがわかる。
以上に説明した少なくとも１つの実施形態及び実施例によると、パワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ未満である二次電池と、パワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ以上である急速充放電蓄電デバイスとを含む蓄電システムが提供される。この蓄電システムは、瞬間的な高出力に対応することが可能である。
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
以下、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］ 二次電池と急速充放電蓄電デバイスを具備する蓄電システムにおいて、二次電池のパワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ未満、急速充放電蓄電デバイスのパワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ以上である蓄電システム。
［２］ パワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ未満である二次電池と、
パワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ以上である急速充放電蓄電デバイスと
を具備する蓄電システム。
［３］ 前記急速充放電蓄電デバイスのパワー密度が９０００Ｗ／ｋｇ以上である［１］又は［２］に記載の蓄電システム。
［４］ 前記急速充放電蓄電デバイスのパワー密度が１００００Ｗ／Ｌ以上である［１］ないし［３］の何れか１つに記載の蓄電システム。
［５］ 前記二次電池のエネルギー密度が３０Ｗｈ／ｋｇ以上である［１］ないし［４］のいずれか１つに記載の蓄電システム。
［６］ 前記二次電池のセルと前記急速充放電蓄電デバイスのセルの重量の合計重量を前記蓄電システムのセルの重量Ｗ Ｓ としたとき、前記蓄電システムのエネルギー密度Ｅ Ｓ と前記蓄電システムのセルの重量Ｗ Ｓ との比Ｅ Ｓ ／Ｗ Ｓ が１以上である［１］ないし［５］のいずれか１つに記載の蓄電システム。
［７］ 前記急速充放電蓄電デバイスは、酸化タングステン粉末を含有する電極層を具備する［１］ないし［６］のいずれか１つに記載の蓄電システム。
［８］ 前記急速充放電蓄電デバイスの内部抵抗が１０Ω・ｃｍ ２ 以下である［１］ないし［７］のいずれか１つに記載の蓄電システム。
［９］ ［１］ないし［８］のいずれか１つに記載の蓄電システムを具備する車両。
［１０］ 前記蓄電システムに回生エネルギーを蓄電する［９］記載の車両。
［１１］ 前記車両の移動速度が２５ｋｍ／ｈ以上であるときにも、前記蓄電システムに回生エネルギーを蓄電できる［１０］記載の車両。
［１２］ ［１］ないし［８］のいずれか１つに記載の蓄電システムを具備する機械設備。
［１３］ 前記機械設備がエレベータ、クレーン、ロボット、医療機器、及び工作機械から選ばれるいずれか一種である［１２］記載の機械設備。

Claims (12)

  1. 二次電池と急速充放電蓄電デバイスを具備する蓄電システムにおいて、二次電池のパワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ未満、急速充放電蓄電デバイスのパワー密度が７０００Ｗ／ｋｇ以上であり、前記二次電池のエネルギー密度が３０Ｗｈ／ｋｇ以上であり、前記二次電池のセルと前記急速充放電蓄電デバイスのセルの重量の合計重量を前記蓄電システムのセルの重量ＷＳとしたとき、前記蓄電システムのエネルギー密度ＥＳと前記蓄電システムのセルの重量ＷＳとの比ＥＳ／ＷＳが２．８０以上であり、前記急速充放電蓄電デバイスは、酸化タングステン粉末とカーボン粉末を含む導電材料とを含有する電極層を具備し、前記酸化タングステン粉末の平均粒径をＣ（μｍ）、前記導電材料の平均粒径をＤ（μｍ）としたとき、Ｃ＞Ｄである蓄電システム。
  2. 前記急速充放電蓄電デバイスは負極層とリチウム複合酸化物を含む正極層とを具備し、前記負極層は前記酸化タングステン粉末を含有する前記電極層である請求項１に記載の蓄電システム。
  3. 前記急速充放電蓄電デバイスは、前記負極層と前記正極層とを含んだラミネートセルを含む請求項２に記載の蓄電システム。
  4. 前記急速充放電蓄電デバイスのパワー密度が９０００Ｗ／ｋｇ以上である請求項１ないし３の何れか１項に記載の蓄電システム。
  5. 前記急速充放電蓄電デバイスのパワー密度が１００００Ｗ／Ｌ以上である請求項１ないし４の何れか１項に記載の蓄電システム。
  6. 前記急速充放電蓄電デバイスの内部抵抗が１０Ω・ｃｍ２以下である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の蓄電システム。
  7. 前記酸化タングステン粉末の重量をＡ（ｇ）、前記導電材料の重量をＢ（ｇ）としたとき、０．０１≦Ｂ／Ａ≦０．３の範囲である請求項１ないし６のいずれか１項に記載の蓄電システム。
  8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の蓄電システムを具備する車両。
  9. 前記蓄電システムに回生エネルギーを蓄電する請求項８記載の車両。
  10. 前記車両の移動速度が２５ｋｍ／ｈ以上であるときにも、前記蓄電システムに回生エネルギーを蓄電できる請求項９記載の車両。
  11. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の蓄電システムを具備する機械設備。
  12. 前記機械設備がエレベータ、クレーン、ロボット、医療機器、及び工作機械から選ばれるいずれか一種である請求項１１記載の機械設備。
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