JPWO2015115087A1 - 蓄電システム - Google Patents

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Abstract

サイクル特性の劣化を抑制した高エネルギー密度の蓄電システムを提供することを目的とする。電池パックを搭載した蓄電システムであって、エネルギー密度が３５Ｗｈ／Ｌ以上であり、０．２Ｉｔ以下の低レートの電流値による定電流充電を充電初期から充電完了まで継続して行うことを特徴とし、単位体積当たりの発熱密度が高く、電池パックもしくは電池パック内の電池の温度が高くなりやすい高エネルギー密度の蓄電システムであってもサイクル特性の劣化を抑制することができる。

Description

本発明は、蓄電システムに関する。
近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への要望が高まっている。また、小型民生用途のみならず、蓄電用途や電気自動車用途といった長期に渡る耐久性や安全性が要求される大型の二次電池に対する技術展開も加速してきている。そこで非水電解質二次電池、特に、リチウム二次電池が高電圧、かつ高エネルギー密度を有するため期待されている。
ところで、従来の電子機器に要望される性能に加えて、蓄電用途には高容量・長寿命・低温環境への対応等の特性が一層要望されている。
長寿命化の技術としては、例えばリチウム二次電池のサイクル特性を改良する観点から、中レート（０．５Ｉｔ）〜高レート（２Ｉｔ）の充電レート（ここで「Ｉｔ」は電流値を表し、電池の定格容量（Ａｈ）を１時間で充電（または放電）する電流値が「１Ｉｔ」である）で定電流充電する方法が提案されている（特許文献１参照）。この提案によれば、正極のリチウムが脱離しすぎることを低減し格子の破壊を抑制するため、サイクル特性が向上することができると述べられている。
特開２００６−０２４３９２号公報
近年の蓄電市場の拡大をうけて、多様な機器を長時間使用できるようにし、かつ小さなスペースに設置できるようにするため、蓄電システムの高エネルギー密度化がより一層求められているものの、蓄電システムで高エネルギー密度化することに伴い、抵抗増加や発熱に対する新たな対策が必要になっている。
ここで、高エネルギー密度化した蓄電システムを、特許文献１に記載のような充電方法で充電すると、電池内の反応しやすい部分は深く充電され、反応しにくい部分はあまり反応せずに充電が進行するため、反応ムラが発生する。その結果、サイクル特性が低下し、実使用において許容できないレベルにまで電池が劣化するという課題を有している。
さらに、高エネルギー密度の蓄電システムでは、ある程度高い電流値で充電するとジュール発熱が増加し、蓄電システム自体の単位体積あたりの発熱密度が加速的に上昇する。その結果、蓄電システムの温度が上昇し、電池の劣化が増大するという課題も有していた。
本発明は、サイクル特性の劣化を抑制する蓄電システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、電池パックを搭載した蓄電システムであって、エネルギー密度が３５Ｗｈ／Ｌ以上であり、０．２Ｉｔ以下の電流値による定電流充電を充電初期から充電完了まで継続して行うことを特徴とする。なお、蓄電システムが充電を開始する時点が充電初期時点であり、設定電圧に到達し充電を完了する時点が充電完了時点である。
本発明によって、サイクル特性の劣化を抑制した蓄電システムを提供することができる。
本発明の一実施形態にかかる蓄電システムと従来の蓄電システムの充電レートおよび発熱速度の関係を示す図 本発明の一実施形態にかかる蓄電システムの概略図 本発明の一実施形態にかかる電池の断面図
本発明は、電池パックを搭載した蓄電システムであって、エネルギー密度が３５Ｗｈ／Ｌ以上であり、０．２Ｉｔ以下の電流値による定電流充電を充電初期から充電完了まで継続して行うことを特徴とし、蓄電システムのサイクル特性の劣化を抑制できる。
以下、図面に基づき本発明の実施形態について、リチウム二次電池を例にして説明する。但し、以下に示される値はこれに限定されるものではない。
高エネルギー密度の蓄電システムでは、ある程度高い電流値で充電するとジュール発熱が増加し、蓄電システム自体の単位体積あたりの発熱密度が加速的に上昇する。その結果、蓄電システムの温度が上昇し、電池の劣化が増大するという課題も有していた。そこで、エネルギー密度が３５Ｗｈ／Ｌ以上であり、０．２Ｉｔ以下の電流値による定電流充電を充電初期から充電完了まで継続して行うことを特徴とした蓄電システムにより、システムの発熱を抑制することで、電池の劣化を抑制することができる。
図１に示されるように、蓄電システムのエネルギー密度を３５Ｗｈ／Ｌとし、熱容量を２３０００Ｊ／Ｋとしたとき、充電電流値を０．５Ｉｔから０．２Ｉｔと小さくすると、システムの発熱速度は１／６にまで抑制できる（なお、本実施形態では０．１Ｉｔ＝１１Ａである）。
また、蓄電システムに搭載されている電池パックのエネルギー密度が３００Ｗｈ／Ｌ以上であると、システム内に占める電池パックの比率が増大し、各電池の発熱に対して蓄電システムの温度が上昇しやすいため、本発明の劣化抑制効果が顕著になる点で好ましい。
また、蓄電システムに搭載されている電池パック内の電池のエネルギー密度が５００Ｗｈ／Ｌ以上であると、同じ材料系では電池の極板の反応面積が小さくなる傾向があり、抵抗が高くなってジュール熱が上昇し、蓄電システム自体の単位体積あたりの発熱密度が加速的に上昇し、蓄電システムの温度も上昇するため、本発明の劣化抑制効果が顕著になる点で好ましい。
また、蓄電システム全体の熱容量が３００００Ｊ／Ｋ以下であると、各電池の発熱に対して蓄電システムの温度が上昇しやすいため、本発明の劣化抑制効果が顕著になる点で好ましい。
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
蓄電システムは、少なくとも１つ以上の電池パックと、電池パックに電気的に接続されるコンバータから構成される。
図２に示されるように、電池パック９は、電池と電池を保持するフレームと集電板から構成される。リチウム二次電池は、電池パック内で電池が複数個直列ないしは並列に接続される場合もある。
蓄電システムは電池パック９のほかに、インバータ１４、コンバータ１３、検出部１２、外装体などから構成される。
また、外装体は鉄、アルミ、銅、樹脂などから構成され、その主成分が樹脂であってもよい。電池は、正極活物質、負極活物質、及びセパレータを備えており、正極活物質にはリチウム含有複合酸化物等、負極活物質には黒鉛等、セパレータにはポリプロピレンとポリエチレン等が用いられる。また、電池は同じ材料系を使用した場合、設計上容量を大きくすると、単位面積当たりの活物質重量を多くして、反応に寄与しないセパレータや集電体の比率を減らすため、電池内の反応面積が小さくなり抵抗が大きくなる。
（実施例１）
（１）負極の作製
負極活物質として１００重量部の黒鉛と、結着剤として１重量部のスチレンブタジエンゴムとを、水に混合し、スラリーを得た。このスラリーを、銅からなる負極集電体の両面に塗布した後、乾燥させた。次に、両面にスラリーが乾燥された負極集電体を圧延し、長さ７００ｍｍ、幅６０ｍｍに裁断して、負極６を得た。
（２）正極の作製
まず、正極活物質として１００重量部のニッケル酸リチウムと、導電剤として１重量部のアセチレンブラックと、結着剤として３重量部のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）に混合し、正極合剤スラリーを得た。この正極合剤スラリーを、アルミニウムからなる正極集電体の両面に塗布した後、乾燥させた。次に、両面に正極合剤スラリーが塗布して乾燥された正極集電体を圧延し、長さ６００ｍｍ、幅５９ｍｍに裁断して、正極５を得た。
（３）非水電解液の調製
非水溶媒としてエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとジメチルカーボネートとを体積比が１：１：１となるように混合した混合溶媒に、濃度が１．４ｍｏｌ／ｍ３になるようにＬｉＰＦ６を溶解し、添加剤としてビニレンカーボネートを５％加え、非水電解液を得た。
（４）円筒型電池の作製
まず、所定の正極５と負極６のそれぞれの集電体に、アルミニウム製の正極リード５ａおよびニッケル製の負極リード６ａを取り付けた後、正極５と負極６とをセパレータ７を介して捲回し、極板群を構成した。
次いで、極板群の上部と下部に上部絶縁板８ａと下部絶縁板８ｂを配し、負極リード６ａを電池ケース１に溶接すると共に、正極リード５ａを内圧作動型の安全弁を有する封口板２に溶接して、電池ケース１の内部に収納した。
そして、電池ケース１の内部に非水電解液を減圧方式により注入し、電池ケース１の開口端部をガスケット３を介して封口板２にかしめることにより電池を完成させた。電池のサイズは１８６５０サイズ（直径：１８ｍｍ、高さ：６５ｍｍ）を用いた。
電池のエネルギー密度が３００Ｗｈ／Ｌ、４００Ｗｈ／Ｌ、５００Ｗｈ／Ｌの３種類となるように活物質量を調整して、電池を設計した。
また、これらの電池を用いた電池パックを設計し作製した。電池パックのエネルギー密度は１００Ｗｈ／Ｌ、２００Ｗｈ／Ｌ、３００Ｗｈ／Ｌの３種類となるように電池パック内電池比率を調整して、電池パックを設計した。
また、これらの電池パックを用いた蓄電システムを設計し作製した。蓄電システムのエネルギー密度は２５Ｗｈ／Ｌ、３０Ｗｈ／Ｌ、３５Ｗｈ／Ｌの３種類となるようにシステム内電池パック比率を調整して、設計した。
また、システムの熱容量は５００００Ｊ／Ｋ、４００００Ｊ／Ｋ、３００００Ｊ／Ｋの３種類を設計した。
（５）システムの評価
エネルギー密度が３００Ｗｈ／Ｌの電池パックを用いて作製した２５Ｗｈ／Ｌ、３０Ｗｈ／Ｌ、３５Ｗｈ／Ｌの蓄電システムを用いて、サイクル特性について測定した。
ここで、蓄電システムの充放電を以下の３つの方法に分けて行った。
充電の電流値を０．２Ｉｔとし上限電圧４．２Ｖまでの定電流充電を行い、放電の電流値を０．３Ｉｔ、放電終止電圧を３．０Ｖとして定電流放電を行った（以下、「０．２Ｉｔ定電流」と表記）。
また、充電の電流値を０．５Ｉｔとし上限電圧４．２Ｖまでの定電流充電を行い、放電の電流値を０．３Ｉｔ、放電終止電圧を３．０Ｖとして定電流放電を行った（以下、「０．５Ｉｔ定電流」と表記）。
また、充電の電流値を０．２Ｉｔとし上限電圧４．２Ｖまでの定電流充電を行い、その後定電圧充電を終止電流５０ｍＡまで行い、放電の電流値を０．３Ｉｔ、放電終止電圧を３．０Ｖとして定電流放電を行った（以下、「０．２Ｉｔ定電流定電圧」と表記）。
そして、それぞれの方法で充放電された蓄電システムにおいて、３サイクル目の放電容量を１００％として、５００サイクルを経過した電池の容量維持率を算出し、サイクル維持率とした。得られた結果を表１に示す。
Figure 2015115087
（実施例２）
エネルギー密度が１００Ｗｈ／Ｌ、２００Ｗｈ／Ｌ、３００Ｗｈ／Ｌの電池パックを用いて３５Ｗｈ／Ｌの蓄電システムを作製し、実施例１と同様にしてサイクル特性について測定した。得られた結果を表２に示す。
Figure 2015115087
（実施例３）
エネルギー密度が３００Ｗｈ／Ｌ、４００Ｗｈ／Ｌ、５００Ｗｈ／Ｌの電池を用いて４００Ｗｈ／Ｌの電池パックを作製し、その電池パックを用いて蓄電システムを作製し、実施例１と同様にしてサイクル特性について測定した。得られた結果を表３に示す。
Figure 2015115087
（実施例４）
エネルギー密度が３００Ｗｈ／Ｌの電池パックを用いて、熱容量が３００００Ｊ／Ｋ、４００００Ｊ／Ｋ、５００００Ｊ／Ｋの３種類の蓄電システムを作製し、実施例１と同様にしてサイクル特性について測定した。得られた結果を表４に示す。
Figure 2015115087
表１の結果から、０．２Ｉｔの定電流充電ではいずれの蓄電システムにおいてもサイクル維持率が高くなったのに対し、０．５Ｉｔの定電流充電、０．２Ｉｔの定電流定電圧充電ではエネルギー密度が３５Ｗｈ／Ｌの蓄電システムにおいてサイクル維持率が低くなった。これは、３５Ｗｈ／Ｌの蓄電システムでは、単位体積当たりの発熱密度が高く、電池パックもしくは電池パック内の電池の温度が高くなり、劣化したためと考えられる。
表２の結果から、０．２Ｉｔの定電流充電ではいずれの蓄電システムにおいてもサイクル維持率が高くなったのに対し、０．５Ｉｔの定電流充電、０．２Ｉｔの定電流定電圧充電では電池パックのエネルギー密度が３００Ｗｈ／Ｌの蓄電システムにおいてサイクル維持率が低くなった。これは、電池パックのエネルギー密度が３００Ｗｈ／Ｌの蓄電システムでは、単位体積当たりの発熱密度が高く、電池パックもしくは電池パック内の電池の温度が高くなり、劣化したためと考えられる。
表３の結果から、０．２Ｉｔの定電流充電ではいずれの蓄電システムにおいてもサイクル維持率が高くなったのに対し、０．５Ｉｔの定電流充電、０．２Ｉｔの定電流定電圧充電では電池のエネルギー密度が５００Ｗｈ／Ｌの蓄電システムではサイクル維持率が低くなった。これは、電池のエネルギー密度が５００Ｗｈ／Ｌのシステムでは、単位体積当たりの発熱密度が高く、電池パックもしくは電池パック内の電池の温度が高くなり、劣化したためと考えられる。
表４の結果から、０．２Ｉｔの定電流充電ではいずれの蓄電システムにおいてもサイクル維持率が高くなったのに対し、０．５Ｉｔの定電流充電、０．２Ｉｔの定電流定電圧充電では熱容量が３００００Ｊ／Ｋの蓄電システムではサイクル維持率が低くなった。これは、３００００Ｊ／Ｋの蓄電システムでは、単位体積当たりの発熱密度が高く、電池パックもしくは電池パック内の電池の温度が高くなり、劣化したためと考えられる。
また、実施例１〜実施例４の蓄電システムにおいて、０．２Ｉｔの定電流充電は、０．５Ｉｔの定電流充電および０．２Ｉｔの定電流定電圧充電に比べて、サイクル維持率の低下が少なかった。これらの結果から、蓄電システムの構成条件の違いにより蓄電システムの発熱密度が高くなるような状況下でも、本発明のように低い電流値（０．２Ｉｔ以下）の定電流充電とすることにより、サイクル特性の劣化がなく、蓄電システムの長寿命化を達成できることがわかった。
なお、本実施例では円筒型の電池を用いたが、角型などの形状の電池を用いても同様の効果が得られる。
本発明の充電方法を用いた蓄電システムは、サイクル特性に優れ、家庭用電源、基地局向けや工場向けのような産業用大型蓄電の電源として有用である。
１ 電池ケース
２ 封口板
３ ガスケット
５ 正極
５ａ 正極リード
６ 負極
６ａ 負極リード
７ セパレータ
８ａ 上部絶縁板
８ｂ 下部絶縁板
９ 電池パック
１０ 充放電制御部
１１ 状態検出部
１２ 検出部
１３ コンバータ
１４ インバータ
１５ 電源切替部
１６ 記憶部
１７ 負荷
１８ 蓄電システム

Claims (4)

  1. 電池パックを搭載した蓄電システムであって、
    エネルギー密度が３５Ｗｈ／Ｌ以上であり、
    ０．２Ｉｔ以下の電流値による定電流充電を充電初期から充電完了まで継続して行う蓄電システム。
  2. 前記電池パックのエネルギー密度が３００Ｗｈ／Ｌ以上である請求項１に記載の蓄電システム。
  3. 前記電池パックに収容された電池のエネルギー密度が５００Ｗｈ／Ｌ以上である請求項１または２に記載の蓄電システム。
  4. 熱容量が３００００Ｊ／Ｋ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の蓄電システム。

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