JP7240610B2 - Lithium-ion secondary battery control system - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池の制御システムに関する。 The present invention relates to a control system for lithium ion secondary batteries.
例えば、特開2018-137099号公報には、予め記憶されたマップに基づいて電極体内に発生するガスの量を推定し、ガスの量が閾値を越えるとガス抜き処理を行うリチウムイオン二次電池の制御システムが開示されている。特開2018-137099号公報の開示によれば、電極体内にガスが滞留している場合に、電極体にリチウムが析出しやすい、とされる。リチウムが電極体に析出すると、電池反応に寄与するリチウムイオンが減少するため、電池容量が劣化する原因となりうる。特開2018-137099号公報に開示されたリチウムイオン二次電池の制御システムでは、電池を押圧する押圧力を繰り返し増減させることにより、電極体内に滞留したガスを電極体の外に排出することができ、その結果、電極体へのリチウムの析出を抑制できる、とされている。 For example, in JP-A-2018-137099, the amount of gas generated in the electrode body is estimated based on a pre-stored map, and when the amount of gas exceeds a threshold value, the degassing process is performed Lithium ion secondary battery is disclosed. According to the disclosure of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-137099, when gas remains in the electrode body, lithium is likely to deposit on the electrode body. When lithium deposits on the electrode body, the lithium ions that contribute to the battery reaction decrease, which may cause the battery capacity to deteriorate. In the lithium-ion secondary battery control system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-137099, gas retained in the electrode body can be discharged out of the electrode body by repeatedly increasing and decreasing the pressing force that presses the battery. As a result, deposition of lithium on the electrode body can be suppressed.
ここでは、電極体へのリチウム析出を抑制するための新たな構成を提案する。 Here, we propose a new configuration for suppressing deposition of lithium on the electrode body.
ここで提案されるリチウムイオン二次電池の制御システムは、リチウムイオン二次電池の充放電を制御する制御装置と、リチウムイオン二次電池の温度および電圧を検知する検知装置と、を備えている。リチウムイオン二次電池は、正極活物質を含む正極活物質層が形成された正極と、負極活物質を含む負極活物質層が形成された負極と、電解液と、を備えている。
負極活物質は、第1負極活物質と、前記第1負極活物質よりも作動電位が高く、かつ、リチウムイオンの吸蔵または放出による体積変化率が大きい第2負極活物質と、を含んでいる。第2負極活物質は、負極活物質の全体に対して0.3wt%以上かつ第1負極活物質よりも少量含まれている。
制御装置は、演算部と、記憶部と、比較部と、放電制御部と、を備えている。演算部は、検知装置で検知された温度および電圧と、予め定められたマップに記録された温度および電圧とガス発生量との関係と、に基づいてリチウムイオン二次電池のガス発生量を演算する。記憶部は、ガス発生量の閾値を記憶している。比較部は、演算部によって演算されたガス発生量と記憶部に記憶された閾値とを比較する。放電制御部は、演算部によって演算されたガス発生量が閾値よりも多い場合には、第2負極活物質の作動電位よりも負極電位が高い領域においてリチウムイオン二次電池の放電を行う。
The lithium-ion secondary battery control system proposed here includes a control device that controls charging and discharging of the lithium-ion secondary battery, and a detection device that detects the temperature and voltage of the lithium-ion secondary battery. . A lithium ion secondary battery includes a positive electrode on which a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material is formed, a negative electrode on which a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material is formed, and an electrolytic solution.
The negative electrode active material includes a first negative electrode active material and a second negative electrode active material having a higher operating potential than the first negative electrode active material and a large volume change rate due to absorption or release of lithium ions. . The second negative electrode active material is contained in an amount of 0.3 wt % or more with respect to the entire negative electrode active material and in a smaller amount than the first negative electrode active material.
The control device includes a calculation section, a storage section, a comparison section, and a discharge control section. The calculation unit calculates the gas generation amount of the lithium ion secondary battery based on the temperature and voltage detected by the detection device and the relationship between the temperature and voltage and the gas generation amount recorded in a predetermined map. do. The storage unit stores the threshold value of the gas generation amount. The comparison unit compares the gas generation amount calculated by the calculation unit with the threshold value stored in the storage unit. The discharge control unit discharges the lithium ion secondary battery in a region where the negative electrode potential is higher than the operating potential of the second negative electrode active material when the gas generation amount calculated by the calculation unit is greater than the threshold value.
上記リチウムイオン二次電池の制御システムによれば、演算されたガス発生量が閾値を越える場合には、第2負極活物質の放電が行われ、第2負極活物質からリチウムイオンが放出される。それにより、リチウムイオンの吸蔵または放出による体積変化率が大きい第2負極活物質の体積が大きく減少し、負極活物質に空隙が生まれる。ガスは、この空隙を通って電極体の外部に排出される。上記ガスの排出により、電極体へのリチウムの析出が抑制される。 According to the control system for the lithium ion secondary battery, when the calculated gas generation amount exceeds the threshold value, the second negative electrode active material is discharged, and lithium ions are released from the second negative electrode active material. . As a result, the volume of the second negative electrode active material, which has a large volume change rate due to absorption or release of lithium ions, is greatly reduced, and voids are generated in the negative electrode active material. Gas is discharged to the outside of the electrode assembly through this gap. By discharging the gas, deposition of lithium on the electrode body is suppressed.
以下、ここで提案されるリチウムイオン二次電池の制御システム(以下、電池制御システム)の一実施形態を説明する。ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。本発明は、特に言及されない限りにおいて、ここで説明される実施形態に限定されない。図中において、上、下、左、右は、それぞれ、U、D、L、Rで表す。ただし、上、下、左、右は説明の便宜上の方向に過ぎず、リチウムイオン二次電池や電池制御システムの設置態様等を限定するものではない。 An embodiment of a lithium-ion secondary battery control system (hereinafter referred to as a battery control system) proposed here will be described below. The embodiments described herein are of course not intended to specifically limit the invention. The invention is not limited to the embodiments described herein unless specifically stated. In the figure, upper, lower, left and right are represented by U, D, L and R, respectively. However, up, down, left, and right are directions for convenience of explanation only, and do not limit the manner in which the lithium ion secondary battery or the battery control system is installed.
図1は、電池制御システム10のブロック図である。図1に示すように、ここで提案される電池制御システム10は、制御装置20と、検知装置30と、を備えている。制御装置20は、リチウムイオン二次電池40の充放電を制御する装置である。制御装置20は、典型的にはコンピュータであり、記憶装置(メモリなど)と、演算装置(CPUなど)とを備えている。電池制御システム10の各機能は、物理的な構成要素と、予め定められたプログラムに沿って行われた演算結果に基づく制御装置20の制御との協働によって適宜に具現化されうる。検知装置30は、リチウムイオン二次電池40の温度および電圧を検知する装置である。検知装置30は、リチウムイオン二次電池40に接続されている。
FIG. 1 is a block diagram of a
リチウムイオン二次電池40は、例えば、ハイブリッド車両用の電池である。本実施形態では、電池制御システム10は、ハイブリッド車両に搭載されている。ここでは、リチウムイオン二次電池40は、複数設けられ、連結されて電池パックを構成している。ただし、リチウムイオン二次電池40は、単電池で使用されてもよい。ハイブリッド車両には、図示しないモータジェネレータが搭載されている。モータジェネレータは、リチウムイオン二次電池40の電池パックの放電により車両を走行させるための駆動力を生成するとともに、ハイブリッド車両の回生制動時には、回生制動に伴う運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。回生制動によって生成された電気エネルギーは、リチウムイオン二次電池40に充電される。ハイブリッド車両では、このように繰り返し充放電が行われるため、リチウムイオン二次電池40には、充放電に対する寿命、言い換えれば、充放電による入出力特性の劣化が少ないことが求められる。
Lithium ion
図2は、リチウムイオン二次電池40の部分断面図である。図2に示すように、リチウムイオン二次電池40は、ケース本体41と、ケース本体41に接合された蓋体42と、電極体50と、正極側取出部60と、負極側取出部70と、電解液80と、を備えている。
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the lithium ion
ケース本体41は、電極体50と電解液80とを収容している。ケース本体41は、略直方体の扁平な角型の容器である。ケース本体41は、対向する幅広面を構成する一対の側面の間の一側面が開口している。ケース本体41は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成されている。蓋体42は、ケース本体41の開口部を塞ぐように装着される。蓋体42は、ケース本体41の開口部の周縁に溶接されている。蓋体42も、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成されている。
The case
電極体50は、例えば、絶縁フィルム(図示は省略)などで覆われた状態で、ケース本体41に収容されている。電極体50は、正極シート51と、負極シート52と、第1セパレータシート53と、第2セパレータシート54とを備えている。正極シート51、負極シート52、第1セパレータシート53、および第2セパレータシート54は、それぞれ長尺の帯状の部材である。第1セパレータシート53、正極シート51、第2セパレータシート54、負極シート52はこの順に重ねられ、ケース本体41内で捲回されている。
The
正極シート51には、正極活物質を含む正極活物質層51bが形成されている。正極シート51は、予め定められた幅および厚さの金属箔(例えばアルミニウム箔、以下では正極集電箔51aと称する。)の両面に、正極活物質を含む正極活物質層51bが形成された部材である。ただし、正極集電箔51aの片側の端部には、正極活物質層51bが形成されていない未形成部51cが一定の長さ設定されている。正極活物質は、リチウムイオン二次電池40では、リチウム遷移金属複合材料のように、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸収しうる材料である。
A positive electrode
負極シート52には、負極活物質を含む負極活物質層52bが形成されている。負極シート52は、予め定められた幅および厚さの金属箔(例えば銅箔、以下では負極集電箔52aと称する。)の両面に、負極活物質を含む負極活物質層52bが形成された部材である。ただし、負極集電箔52aの片側の端部には、負極活物質層52bが形成されていない未形成部52cが一定の長さ設定されている。
A negative electrode
本実施形態では、負極活物質は、第1の負極活物質と、第2の負極活物質を含んでいる。第1の負極活物質および第2の負極活物質は、いずれも、充電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時に吸蔵したリチウムイオンを放電時に放出しうる材料である。第1の負極活物質は、ここでは黒鉛である。第1の負極活物質は、負極活物質全体の大半を占めている。好適には、第1の負極活物質は、負極活物質全体の95%より多く、99.7%より少ない量を占めているとよい。さらに好適には、第1の負極活物質は、負極活物質全体の97%以上99.7%未満を占めているとよい。ただし、第1の負極活物質の負極活物質全体に対する比率は、上記に限定されるわけではない。本実施形態では、リチウムイオン二次電池40はハイブリッド車両用の電池であり、長寿命、言い換えれば、使用により入出力特性の劣化が少ないことが求められる。そのため、負極活物質の大部分を占める第1の負極活物質には、入出力の劣化特性に優れた黒鉛が使用されている。ただし、第1の負極活物質としての適性を備えた物質は、黒鉛以外にも種々提案されており、特に限定されない。
In this embodiment, the negative electrode active material includes a first negative electrode active material and a second negative electrode active material. Both the first negative electrode active material and the second negative electrode active material are materials capable of absorbing lithium ions during charging and releasing the lithium ions absorbed during charging during discharging. The first negative electrode active material is graphite here. The first negative electrode active material accounts for most of the entire negative electrode active material. Preferably, the first negative electrode active material accounts for more than 95% and less than 99.7% of the total negative electrode active material. More preferably, the first negative electrode active material accounts for 97% or more and less than 99.7% of the entire negative electrode active material. However, the ratio of the first negative electrode active material to the entire negative electrode active material is not limited to the above. In this embodiment, the lithium ion
第2の負極活物質は、第1の負極活物質よりも作動電位が高く、かつ、リチウムイオンの吸蔵または放出による体積変化率が大きい物質である。第2の負極活物質は、負極活物質全体に対して、第1の負極活物質よりも少量含まれている。第2の負極活物質は、負極活物質全体に対して、少なくとも0.3wt%以上含まれている。好適には、負極活物質全体に対する第2の負極活物質の含有率は、0.3wt%以上5wt%未満である。さらに好適には、負極活物質全体に対する第2の負極活物質の含有率は、0.3wt%以上3wt%以下である。ただし、第2の負極活物質の負極活物質全体に対する比率は、上記に限定されるわけではない。第2の負極活物質は、ここでは、シリコンである。ただし、第2の負極活物質は、第1の負極活物質よりも作動電位が高く、かつ、リチウムイオンの吸蔵または放出による体積変化率が大きい物質であればよく、シリコンには限定されない。第2の負極活物質としては、例えば、ビスマス、錫、アンチモン等を利用することができる。 The second negative electrode active material is a material that has a higher operating potential than the first negative electrode active material and a larger volume change rate due to absorption or release of lithium ions. The second negative electrode active material is contained in a smaller amount than the first negative electrode active material with respect to the entire negative electrode active material. The second negative electrode active material is contained in an amount of at least 0.3 wt % or more with respect to the entire negative electrode active material. Preferably, the content of the second negative electrode active material with respect to the entire negative electrode active material is 0.3 wt % or more and less than 5 wt %. More preferably, the content of the second negative electrode active material with respect to the entire negative electrode active material is 0.3 wt % or more and 3 wt % or less. However, the ratio of the second negative electrode active material to the entire negative electrode active material is not limited to the above. The second negative electrode active material is silicon here. However, the second negative electrode active material is not limited to silicon as long as it has a higher operating potential than the first negative electrode active material and a large volume change rate due to absorption or release of lithium ions. Bismuth, tin, antimony, or the like, for example, can be used as the second negative electrode active material.
図3は、第2の負極活物質として利用可能な代表的な物質の物性値の一例を示す表である。詳しくは、図3には、第2の負極活物質として利用可能な代表的な物質の作動電位(リチウム基準の作動電位:V vs Li/Li+)、および、リチウムイオンの吸蔵または放出による体積変化率(%)の一例が示されている。図3に示すように、黒鉛(C)のリチウム基準の作動電位が0.05Vなの対し、例えば、シリコン(Si)の作動電位は0.4Vである。シリコンの作動電位は、黒鉛よりも高い。同様に、ビスマス(Bi)、錫(Sn)、およびアンチモン(Sb)の作動電位も、それぞれ黒鉛よりも高い。各負極活物質は、負極電位がそれぞれの作動電位よりも高い領域においてリチウムイオンの吸蔵または放出を行う。負極活物質の作動電位は、当該負極活物質に対してリチウムイオンの吸蔵または放出が開始される下限の負極電位である。なお、負極活物質の作動電位にはばらつきがあり、実用上の負極活物質の負極電位には、例えば、複数の作動電位の平均値が用いられる。 FIG. 3 is a table showing an example of physical property values of representative substances that can be used as the second negative electrode active material. Specifically, FIG. 3 shows the operating potential of a representative material that can be used as the second negative electrode active material (operating potential based on lithium: V vs. Li/Li + ), and the volume due to absorption or release of lithium ions. An example of rate of change (%) is shown. As shown in FIG. 3, graphite (C) has a working potential of 0.05V relative to lithium, whereas silicon (Si), for example, has a working potential of 0.4V. The working potential of silicon is higher than that of graphite. Similarly, the working potentials of bismuth (Bi), tin (Sn), and antimony (Sb) are each higher than that of graphite. Each negative electrode active material absorbs or releases lithium ions in a region where the negative electrode potential is higher than the respective operating potential. The operating potential of the negative electrode active material is the lower limit negative electrode potential at which lithium ion absorption or desorption starts with respect to the negative electrode active material. Note that the operating potential of the negative electrode active material varies, and the average value of a plurality of operating potentials, for example, is used as the negative electrode potential of the practical negative electrode active material.
また、図3に示すように、リチウムイオンの吸蔵または放出によるシリコン(Si)の体積変化率は、黒鉛(C)の約26倍である。図3に示すように、リチウムイオンの吸蔵または放出によるビスマス(Bi)、錫(Sn)、およびアンチモン(Sb)の体積変化率は、それぞれ黒鉛(C)の約18倍、21倍、および17倍である。 Further, as shown in FIG. 3, the volume change rate of silicon (Si) due to absorption or release of lithium ions is approximately 26 times that of graphite (C). As shown in FIG. 3, the volume change rates of bismuth (Bi), tin (Sn), and antimony (Sb) due to absorption or release of lithium ions are approximately 18 times, 21 times, and 17 times that of graphite (C), respectively. Double.
図4は、リチウムイオン二次電池40のSOC(State of Charge)と負極電位との関係を示すグラフである。図4の横軸は、SOC(%)である。図4の縦軸は、負極電位(V vs Li/Li+)である。図4に示すように、リチウムイオン二次電池40の負極の充放電電位は、SOCが小さいほど高い。図4のVcは、図3に示した黒鉛の作動電位を示している。SOCから見ると、黒鉛の充放電範囲は、負極電位が電位Vc以上の範囲R1である。図4のVsは、図3に示したシリコンの作動電位を示している。SOCから見たシリコンの充放電範囲は、負極電位が電位Vs以上の範囲R2である。前述したように、第2の負極活物質としてのシリコンは、第1の負極活物質としての黒鉛よりも作動電位が高い。そのため、図4に示すように、シリコンの充放電は、黒鉛よりもSOCが小さく、負極電位が高い領域から開始される。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the SOC (State of Charge) of the lithium ion
第1セパレータシート53および第2セパレータシート54には、例えば、所要の耐熱性を有し、電解質が通過しうる多孔質の樹脂シートが用いられる。セパレータシート53、54については種々提案されており、特に限定されない。
For the
ケース本体41内で捲回された正極シート51は、正極側取出部60によってケース本体41の外部に取り出される。図2に示すように、正極側取出部60は、集電端子61と、ボルト端子62と、絶縁部材63とを備えている。集電端子61は、正極シート51の未形成部51cに溶接されている。集電端子61は、蓋体42の上面に設けられたボルト端子62に接続されている。正極側の集電端子61およびボルト端子62は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されている。集電端子61は、蓋体42に形成された貫通孔を通ってケース本体41の外部まで延びている。集電端子61およびボルト端子62は、絶縁部材63によって蓋体42と電気的に絶縁されている。絶縁部材63の材料は特に限定されないが、例えば、樹脂である。
The
負極シート52は、負極側取出部70によってケース本体41の外部に取り出される。負極側取出部70は、正極側取出部60と同様の構造を備えている。負極側取出部70は、集電端子71と、ボルト端子72と、絶縁部材73とを備えている。負極側の集電端子71およびボルト端子72は、例えば、銅または銅合金で形成されている。
The
電解液80は、ケース本体41に収容されている。電解液80は、蓋体42によってケース本体41内に封止されている。電解液80には、例えば、リチウム塩が溶解した有機溶媒が用いられる。電解液80は、例えば、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(例えば体積比3:4:3)にLiPF6を約1mol/Lの濃度で含有させた非水電解液などである。ただし、電解液80については種々提案されており、特に限定されない。
The
検知装置30は、リチウムイオン二次電池40の温度および電圧を検知している。検知装置30は、リチウムイオン二次電池40に接続されている。図1に示すように、本実施形態では、検知装置30は、温度センサ31と、電圧計32とを備えている。本実施形態では、温度センサ31は、複数のリチウムイオン二次電池40にそれぞれ取り付けられている。温度センサ31は、例えば、ケース本体41の予め定められた位置に取り付けられている。温度センサ31は、各リチウムイオン二次電池40の温度を測定している。電圧計32は、例えば、リチウムイオン二次電池40の正極側のボルト端子62と負極側のボルト端子72との間に取り付けられている。電圧計32は、各リチウムイオン二次電池40の正極-負極間の電圧を測定している。
The
制御装置20は、リチウムイオン二次電池40の充放電を制御している。図1に示すように、制御装置20は、SOC設定部21と、演算部22と、記憶部23と、比較部24と、放電制御部25とを備えている。
The
SOC設定部21では、通常使用におけるSOCの範囲(いわゆる常用SOC)が設定されている。言い換えれば、SOC設定部21により、常用における負極電位の範囲が設定されている。図4のSOCの範囲R3は、リチウムイオン二次電池40の常用SOCを示している。常用SOCは、黒鉛の充放電範囲R1内であって、シリコンの充放電範囲R2よりもSOCが高く負極電位が低い範囲に設定されている。通常の使用状態では、放電は、常用SOCの範囲R3の下限までしかSOCを低下させないように制御されている。
The
演算部22は、検知装置30で検知された温度および電圧と、予め定められたマップに記録された温度および電圧とガス発生量との関係と、に基づいてリチウムイオン二次電池40のガス発生量を演算する。例えば、特開2018-137099号公報に開示されているように、リチウムイオン二次電池40では、充電の条件によっては、電極体50の表面にリチウムが析出する場合がある。電極体50上にリチウムが析出すると、電池反応に寄与するリチウムイオンが減少するため、電池容量が劣化する原因となりうる。
The
例えば特開2018-137099号公報に開示されているように、リチウムイオン二次電池40は、使用される際の温度が高ければ高いほど、また、電圧が高ければ高いほど、電解液80が分解されやすい状態となり、電極体50内でガスが発生しやすい状況になる。ガスが発生すると、その一部は、電極体50内(正極シート51と負極シート52との間)に滞留する。例えば特開2018-137099号公報に開示されているように、電極体50内にガスが滞留している場合には、電極体50にリチウムが析出しやすい。
For example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-137099, the higher the temperature when the lithium ion
演算部22は、リチウムイオン二次電池40の温度および電位と、電極体50に滞留するガスの量との相関関係が記録されたマップを記憶している。かかる相関関係は、予め行った試験やシュミュレーションによって得られる。演算部22は、上記マップと、検知装置30で検知された温度および電位とに基づいてリチウムイオン二次電池40のガス発生量(以下、ガス発生量Q1とする)を演算する。
The
記憶部23は、ガス発生量の閾値(以下、閾値Q2とする)を記憶している。比較部24は、演算部22によって演算されたガス発生量Q1と記憶部23に記憶された閾値Q2とを比較する。放電制御部25は、演算部22によって演算されたガス発生量Q1が閾値Q2よりも多くなると電極体50からのガスの排出を促進するような制御を行う。
The storage unit 23 stores a threshold for the amount of gas generated (hereinafter referred to as threshold Q2). The
放電制御部25は、演算部22によって演算されたガス発生量Q1が閾値Q2よりも多い場合には、第2の負極活物質の作動電位(ここでは、シリコンの作動電位Vs)よりも負極電位が高い領域においてリチウムイオン二次電池40の放電を行うように設定されている。言い換えれば、放電制御部25は、図4のシリコンの充放電範囲R2内までSOCを低下させるようにリチウムイオン二次電池40の放電を行う。以下に、放電制御部25による制御の詳細、およびその結果について説明する。
When the gas generation amount Q1 calculated by the
[制御プロセス]
図5は、電極体50からガスを排出する制御のプロセスを示すフローチャートである。図5に示すように、本実施形態では、ステップS01においてリチウムイオン二次電池40の温度および電圧が検知されている。ステップS02では、記憶されたマップと、検知されたリチウムイオン二次電池40の温度および電圧とに基づいて、ガス発生量Q1が演算される。
[Control process]
FIG. 5 is a flow chart showing a control process for discharging gas from the
ステップS03では、ステップS02で演算されたガス発生量Q1と、記憶されたガス発生量の閾値Q2とを比較する。ここでは、ガス発生量Q1および閾値Q2は、いずれも使用期間における積算値である。図5に示すように、演算されたガス発生量Q1が閾値Q2以下の場合(ステップS03の結果がNoの場合)、電池制御システム10は、再びステップS01において、リチウムイオン二次電池40の温度および電圧を検知する。演算されたガス発生量Q1が閾値Q2を超える場合(ステップS03の結果がYesの場合)、ステップS04において、リチウムイオン二次電池40が放電される。ステップS04では、SOCが常用SOCよりも小さい所定の値C1になるまで放電が行われる。
In step S03, the gas generation amount Q1 calculated in step S02 is compared with the stored threshold value Q2 of the gas generation amount. Here, both the gas generation amount Q1 and the threshold value Q2 are integrated values during the period of use. As shown in FIG. 5, when the calculated gas generation amount Q1 is equal to or less than the threshold value Q2 (when the result of step S03 is No), the
図4のSOCの値C1は、ステップS04の放電によって到達するSOCの値である。値C1は、予め定められている。所定値C1は、常用SOCの範囲R3の下限よりも小さい。放電制御部25は、常用SOCの下限よりもSOCが低く、常用SOCの下限における負極電圧よりも負極電圧が高い領域で放電を行う。所定値C1は、さらに、シリコンの充放電範囲R2内に入っている。SOCが所定値C1のときの負極電位V1は、シリコンの作動電位Vsよりも高い。そのため、ステップS04では、シリコンに吸蔵されたリチウムイオンが放出される。
The SOC value C1 in FIG. 4 is the SOC value reached by the discharge in step S04. The value C1 is predetermined. Predetermined value C1 is smaller than the lower limit of normal SOC range R3. The
ステップS04の過程において、シリコンに吸蔵されたリチウムイオンが放出されると、シリコンの体積は急激に減少する。図3に示したように、リチウムイオンの放出によるシリコン(Si)の体積変化率は、黒鉛(C)の約26倍である。そのため、負極活物質層52bに空隙が生成される。発生したガスは、この空隙から電極体50の外部に排出される。それにより、電極体50内でのガスの滞留が抑制される。その結果、電極体50へのリチウムの析出が抑制される。
In the process of step S04, when the lithium ions occluded in silicon are released, the volume of silicon rapidly decreases. As shown in FIG. 3, the volume change rate of silicon (Si) due to release of lithium ions is about 26 times that of graphite (C). Therefore, voids are generated in the negative electrode
ステップS04においてSOCが所定値C1まで低下した後、ステップS05においてリチウムイオン二次電池40への充電が開始され、SOCは常用SOCの範囲R3内に復帰する。その後、プロセスはステップS01に戻り、リチウムイオン二次電池40の温度および電圧の検知から同様のステップが繰り返される。本実施形態では、ステップS04においてSOCを所定値C1に一定時間保持することは行われないが、保持を行ってもよい。
After the SOC drops to the predetermined value C1 in step S04, charging of the lithium ion
なお、SOCが常用SOCの範囲R3よりも小さくなるような放電を頻繁に行うと、例えば電池寿命の劣化等を招くおそれがあるが、本実施形態では、そのような放電を行うのはガス発生量Q1が閾値Q2を超える場合であり、その頻度は低い。よって、電池寿命の劣化等を招くおそれは小さい。 It should be noted that, if discharge is frequently performed such that the SOC becomes smaller than the normal SOC range R3, for example, there is a risk that the battery life will be deteriorated. This is the case where the quantity Q1 exceeds the threshold Q2, and its frequency is low. Therefore, there is little possibility that the battery life will be deteriorated.
[試験結果]
以下に、本願発明者が行ったガス排出試験の結果を示す。図6は、ガス排出試験の結果を示す表である。この試験では、角型大型のリチウムイオン二次電池が使用されている。負極シートは、黒鉛に所定比率のシリコンを混合したペーストを負極集電箔に塗布することによって製作されている。上記ペーストに対しては、負極集電箔への塗布後、乾燥およびプレスを行っている。図6のシリコンの添加量(%)は、負極活物質全体に対するシリコンの割合である。
[Test results]
The results of gas discharge tests conducted by the inventors of the present application are shown below. FIG. 6 is a table showing the results of the gas emission test. In this test, a large rectangular lithium ion secondary battery is used. The negative electrode sheet is manufactured by applying a paste obtained by mixing graphite with a predetermined ratio of silicon to the negative electrode current collector foil. After applying the paste to the negative electrode current collector foil, the paste is dried and pressed. The added amount (%) of silicon in FIG. 6 is the ratio of silicon to the entire negative electrode active material.
図6のガス排出操作は、具体的には、SOCがシリコンの充放電範囲R2内の所定値になるまで放電を行う操作である。サンプル8を除くサンプルに対してはガス排出操作が行われている。サンプル8に対しては、ガス排出操作は行われていない。サンプル8は、ガス排出操作の効果を確認するためのサンプルである。 Specifically, the gas discharge operation of FIG. 6 is an operation of discharging until the SOC reaches a predetermined value within the charge/discharge range R2 of silicon. All samples except sample 8 were degassed. For Sample 8, no degassing operation was performed. Sample 8 is a sample for confirming the effect of the gas discharge operation.
ガス排出操作の前、各サンプルには、サイクル試験とリチウム析出試験とを行っている。サイクル試験は、所定の温度、電流条件下で、充電・放電のサイクルを所定のサイクル数だけ反復する試験である。リチウム析出試験は、所定の温度、電流条件下で、所定のサイクル数だけ充電を行う(すなわち、過充電する)試験である。その後、サンプル8を除く各サンプルに対しては、ガス排出操作を行っている。 Prior to the outgassing operation, each sample was subjected to a cycle test and a lithium deposition test. A cycle test is a test in which a charge/discharge cycle is repeated for a predetermined number of cycles under predetermined temperature and current conditions. The lithium deposition test is a test in which charging is performed for a predetermined number of cycles (that is, overcharging) under predetermined temperature and current conditions. After that, each sample except sample 8 is subjected to a gas discharge operation.
各サンプルに対しては、容量維持率およびリチウム析出の有無の2点を評価している。容量維持率の評価においては、シリコンを添加していない(シリコン添加率0%の)サンプル1を基準として、サイクル試験およびリチウム析出試験による各サンプルの電池容量の低下率を比較した。図6において容量維持率が合格とされているサンプルの容量低下率は、サンプル1の容量低下率を基準として所定の許容範囲内である。図6において容量維持率が不合格とされているサンプルの容量低下率は、サンプル1の容量低下率を基準として所定の許容範囲外である。
Each sample was evaluated on two points: the capacity retention rate and the presence or absence of lithium deposition. In the evaluation of the capacity retention rate, the rate of decrease in battery capacity of each sample in the cycle test and lithium deposition test was compared with
第2の負極活物質として負極活物質に添加されているシリコンは、例えば、電池容量の劣化や抵抗増加などの背反効果をもたらす物質である。図3に示すように、リチウムイオンの吸蔵または放出によるシリコンの体積変化率は黒鉛に比べて非常に大きいため、使用状況によっては、体積変化率の差によって負極活物質層52bが破損し、そのために電池の寿命が短くなるというような問題が発生しうる。また、シリコンは、抵抗が大きく、入出力特性が良くない。従来知られた技術では、シリコンは負極活物質としての容量が大きいため、例えば電気自動車用の二次電池など電池容量の大きさが重視される電池に使用される場合があるが、ハイブリッド車両用の二次電池のような寿命や入出力特性が重視される電池には通常は使用されない。 Silicon, which is added to the negative electrode active material as the second negative electrode active material, is a material that causes contradictory effects such as deterioration of battery capacity and increased resistance, for example. As shown in FIG. 3, the volume change rate of silicon due to absorption or release of lithium ions is much higher than that of graphite. problems such as shortened battery life. In addition, silicon has a large resistance and poor input/output characteristics. In the conventionally known technology, silicon has a large capacity as a negative electrode active material, so it is sometimes used in batteries where large battery capacity is important, such as secondary batteries for electric vehicles. It is not usually used for batteries where life and input/output characteristics are important, such as secondary batteries.
上記背反効果を回避するため、常用SOCは、シリコンの充放電範囲R2外に設定されている。そうすれば、常用SOCの範囲R3では、シリコンには充放電が行われない。そのため、常用SOCの範囲R3では、シリコンの体積は変化しない。また、シリコンの添加率は非常に小さく設定されている。これらにより、シリコンの背反作用が抑制される。図6において容量維持率が不合格とされているサンプルは、シリコンの添加量が多すぎて背反効果が許容範囲を超えたサンプルである。 In order to avoid the trade-off effect, the normal SOC is set outside the charging/discharging range R2 of silicon. In this case, silicon is not charged or discharged in the normal SOC range R3. Therefore, the volume of silicon does not change in the normal SOC range R3. Also, the doping rate of silicon is set to be very small. These suppress the anti-reactive action of silicon. Samples whose capacity retention rate is rejected in FIG. 6 are samples in which the amount of silicon added is too large and the contradictory effect exceeds the allowable range.
リチウム析出の有無は、各サンプルを解体し、負極上にリチウムが析出しているかどうかによって確認される。図6においてリチウム析出が合格とされているサンプルは、負極上にリチウムの析出が見られなかったサンプルである。図6においてリチウム析出が不合格とされているサンプルは、負極上にリチウムの析出が見られたサンプルである。 The presence or absence of lithium deposition is confirmed by disassembling each sample and checking whether lithium is deposited on the negative electrode. In FIG. 6, the samples for which lithium deposition was accepted are samples in which lithium deposition was not observed on the negative electrode. Samples for which lithium deposition was rejected in FIG. 6 are samples in which deposition of lithium was observed on the negative electrode.
サンプル1は、シリコンの添加率が0%(添加なし)のサンプルである。サンプル2は、シリコンの添加率が0.1%のサンプルである。サンプル3は、シリコンの添加率が0.3%のサンプルである。サンプル4は、シリコンの添加率が0.5%のサンプルである。サンプル5は、シリコンの添加率が1%のサンプルである。サンプル6は、シリコンの添加率が3%のサンプルである。サンプル7は、シリコンの添加率が5%のサンプルである。サンプル8は、シリコンの添加率が3%であってガス排出操作を行っていないサンプルである。
図6に示すように、サンプル1および2では、負極にリチウムが析出している。言い換えれば、シリコンの添加率が0.1%以下では、リチウムの析出を抑制する効果が確認できていない。サンプル3~7では、負極にリチウムが析出していない。言い換えれば、シリコンの添加率が0.3%以上では、リチウムの析出を抑制する効果が確認できる。サンプル8では、負極にリチウムが析出している。サンプル8の結果から、シリコンの充放電範囲R2までSOCを低下させるように放電を行わないと、リチウム析出を抑制する効果が発現しないことが分かる。
As shown in FIG. 6, in
また、図6に示すように、サンプル7では、容量維持率が不合格となっている。他のサンプルでは、容量維持率は合格となっている。言い換えれば、シリコンの添加率が5%以上になると、電池容量の劣化という背反効果が許容範囲を越える。シリコンの添加率が3%以下の場合は、電池容量の劣化という背反効果は、許容範囲内である。ただし、シリコンの添加率3%/5%という合格/不合格の境界値は、本願発明者の試験において定められた許容値に基づいた結果であり、許容値を変更すれば変わるものである。よって、シリコンの添加率の上限値は、必ずしも、負極活物質全体に対して3%と5%との間であるわけではない。 In addition, as shown in FIG. 6, Sample 7 fails the capacity retention rate. The capacity retention rate of the other samples is acceptable. In other words, when the addition rate of silicon is 5% or more, the contradictory effect of deterioration of battery capacity exceeds the allowable range. When the addition rate of silicon is 3% or less, the contradictory effect of deterioration of battery capacity is within the allowable range. However, the acceptance/rejection boundary value of 3%/5% silicon addition rate is the result based on the allowable value determined in the test by the inventor of the present application, and will change if the allowable value is changed. Therefore, the upper limit of the addition rate of silicon is not necessarily between 3% and 5% with respect to the entire negative electrode active material.
上記のように、本実施形態に係る電池制御システム10は、リチウムイオン二次電池40の充放電を制御する制御装置20と、リチウムイオン二次電池40の温度および電圧を検知する検知装置30と、を備えている。また、負極活物質は、第1の負極活物質(例えば、黒鉛)と、第1の負極活物質よりも作動電位が高くかつリチウムイオンの吸蔵または放出による体積変化率が大きい第2の負極活物質(例えば、シリコン)と、を含んでいる。第2の負極活物質は、負極活物質の全体に対して0.3wt%以上かつ第1の負極活物質よりも少量含まれている。電池制御システム10は、検知装置30で検知された温度および電圧と、予め定められたマップに記録された温度および電圧とガス発生量との関係と、に基づいてリチウムイオン二次電池40のガス発生量Q1を演算する。さらに、電池制御システム10は、演算されたガス発生量Q1と記憶された閾値Q2とを比較し、演算されたガス発生量Q1が閾値Q2よりも多い場合には、第2の負極活物質の作動電位(例えば、シリコンの作動電位Vs)よりも負極電位が高い領域R2においてリチウムイオン二次電池40の放電を行うように構成されている。
As described above, the
かかる電池制御システム10によれば、演算されたガス発生量Q1が閾値Q2を越える場合には、第2の負極活物質の放電が行われ、第2の負極活物質からリチウムイオンが放出される。それにより、リチウムイオンの吸蔵または放出による体積変化率が大きい第2の負極活物質の体積が大きく減少し、負極活物質層52bに空隙が生まれる。ガスは、この空隙を通って電極体50の外部に排出される。上記ガスの排出により、電極体50へのリチウムの析出が抑制される。
According to the
また、本実施形態に係る電池制御システム10では、常用SOCは、第2の負極活物質の作動電位(例えば、シリコンの作動電位Vs)よりも負極電位が低い領域R3に設定されている。そのため、通常の使用条件においては第2の負極活物質に対して充放電が行われない。従って、第2の負極活物質による背反効果(例えば、第1の負極活物質との間のリチウムイオンの吸蔵・排出に係る体積変化率の差による電池寿命の劣化など)を抑制することができる。
In addition, in the
以上、ここで提案されるリチウムイオン二次電池の制御システムについて、種々説明した。特に言及されない限りにおいて、ここで挙げられたリチウムイオン二次電池の制御システムの実施形態などは、本発明を限定しない。 Various descriptions have been made above regarding the control system for the lithium-ion secondary battery proposed herein. Unless otherwise specified, the embodiments of the lithium-ion secondary battery control system and the like given here do not limit the present invention.
10 電池制御システム
20 制御装置
21 SOC設定部
22 演算部
23 記憶部
24 比較部
25 放電制御部
30 検知装置
31 温度センサ
32 電圧計
40 リチウムイオン二次電池
41 ケース本体
42 蓋体
50 電極体
51 正極シート
51a 正極集電箔
51b 正極活物質層
51c 未形成部
52 負極シート
52a 負極集電箔
52b 負極活物質層
52c 未形成部
53 第1セパレータシート
54 第2セパレータシート
60 正極側取出部
61 集電端子
62 ボルト端子
63 絶縁部材
70 負極側取出部
71 集電端子
72 ボルト端子
73 絶縁部材
80 電解液
Q1 演算されたガス発生量
Q2 ガス発生量の閾値
R1 黒鉛の充放電範囲
R2 シリコンの充放電範囲
R3 常用SOCの範囲
C1 ガス排出におけるSOC
Vc 黒鉛の作動電位
Vs シリコンの作動電位
V1 放電時の負極電位
10
Vc Operating potential of graphite Vs Operating potential of silicon V1 Negative electrode potential during discharge
Claims (1)
前記リチウムイオン二次電池の温度および電圧を検知する検知装置と、
を備え、
前記負極活物質は、
第1負極活物質と、
前記第1負極活物質よりも作動電位が高く、かつ、リチウムイオンの吸蔵または放出による体積変化率が大きい第2負極活物質と、
を含み、
前記第2負極活物質は、前記負極活物質の全体に対して0.3wt%以上かつ前記第1負極活物質よりも少量含まれており、
前記制御装置は、
前記検知装置で検知された温度および電圧と、予め定められたマップに記録された温度および電圧とガス発生量との関係と、に基づいて前記リチウムイオン二次電池のガス発生量を演算する演算部と、
ガス発生量の閾値を記憶する記憶部と、
前記演算部によって演算されたガス発生量と前記記憶部に記憶された前記閾値とを比較する比較部と、
前記演算部によって演算されたガス発生量が前記閾値よりも多い場合には、前記第2負極活物質の作動電位よりも負極電位が高い領域において前記リチウムイオン二次電池の放電を行う放電制御部と、
を備えている、
リチウムイオン二次電池の制御システム。
Control charge/discharge of a lithium ion secondary battery including a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a negative electrode having a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and an electrolyte. a controller;
a detection device that detects the temperature and voltage of the lithium ion secondary battery;
with
The negative electrode active material is
a first negative electrode active material;
a second negative electrode active material having a higher operating potential than the first negative electrode active material and having a large volume change rate due to absorption or release of lithium ions;
including
The second negative electrode active material is 0.3 wt% or more with respect to the entire negative electrode active material and is contained in a smaller amount than the first negative electrode active material,
The control device is
Calculation for calculating the gas generation amount of the lithium ion secondary battery based on the temperature and voltage detected by the detection device and the relationship between the temperature and voltage and the gas generation amount recorded in a predetermined map Department and
a storage unit that stores a threshold value for the amount of gas generated;
a comparison unit that compares the gas generation amount calculated by the calculation unit with the threshold value stored in the storage unit;
A discharge control unit that discharges the lithium ion secondary battery in a region where the negative electrode potential is higher than the operating potential of the second negative electrode active material when the gas generation amount calculated by the calculation unit is greater than the threshold value. and,
is equipped with
Control system for lithium-ion secondary batteries.
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