JPWO2020044932A1 - 二次電池の充電システム - Google Patents
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Abstract
Description
まず電池パック12を説明する。電池パック12は、二次電池14と、制御装置20とを含む。例えば、二次電池にはリチウムイオン電池などの非水電解質二次電池が用いられ、リチウムイオン二次電池は、複数のリチウムイオン電池セルが直列または並列またはこれらの組み合わせで接続される。各セルは、正極板、負極板、及びこれらの間に配置されるセパレータを有する。正極板は、リチウム含有遷移金属複合酸化物等の正極活物質を有する。負極板は、黒鉛等の炭素材料等の負極活物質を有する。セパレータには、ポリプロピレン、ポリエチレン等の樹脂が用いられる。なお、二次電池14は、リチウムイオン二次電池以外とすることもできる。
充電器30は、制御IC、充電電流供給回路等を含む。制御ICは、電池パック12の制御装置20と通信し、充電電流供給回路を制御する。充電電流供給回路は、制御ICからの信号に基づいて、二次電池14を充電する際の充電電流を増減調整する。充電器30は、定電力充電(CP充電)または定電流充電(CC充電)と、定電圧充電(CV充電)とにより、二次電池14を充電する。制御ICを省略し、電池パック12の制御装置が、充電器30の充電電流供給回路を制御して、充電電流を増減調整する構成としてもよい。
二次電池14には、充電器30と並列にモータ等の負荷(図示せず)が接続される。制御装置20は、放電制御の機能も有し、放電の指示があったときには、二次電池14から負荷に電力を供給するように電気回路を制御する。
次に、制御装置20による充電制御方法を説明する。制御装置20の充電制御手段23は、第1充電ステップ及び第2充電ステップを行うように充電器30を制御する。
まず、実施例1における二次電池14の単セルの構成を説明する。二次電池14の単セルは、巻回型の非水電解質二次電池とした。
正極活物質として、LiNi0.88Co0.09Al0.03O2で表されるリチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物を用いた。その後、100質量部のLiNi0.88Co0.09Al0.03O2(正極活物質)と、1質量部のアセチレンブラックと、0.9質量部のポリフッ化ビニリデン(PVDF)(結着剤)とを、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)の溶剤中で混合して、正極合剤スラリーを調製した。次に、ペースト状の当該正極合剤スラリーをアルミニウム箔からなる長尺な正極集電体の両面に均一に塗布し乾燥機中で乾燥させてNMPを除去した後、ロールプレス機を用いて所定の厚みに圧延して長尺状の正極板を得た。さらに、圧延加工後の正極板を所定の電極サイズに裁断して、正極板を作製した。また、正極板の長さ方向中央部に活物質が形成されていない無地部を形成し、その無地部にアルミニウムの正極リードを超音波溶着により接続した。
負極活物質としての黒鉛粉末を100質量部と、結着剤としてのスチレン−ブタジエンゴム(SBR)を1質量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)を1質量部とを混合した。そして、この混合したものを水に分散させて、負極合剤スラリーを調製した。この負極合剤スラリーを、銅箔からなる負極集電体の両面に塗布し、乾燥機により乾燥させた後、所定厚みとなるように圧縮ローラで圧延して長尺状の負極板を得た。そして、長尺状の負極板を所定の電極サイズに裁断して、負極板を作製した。また、負極板の無地部に、ニッケル−銅−ニッケルのクラッド材からなる負極リードを、巻回後の電極群において内周部となる位置に超音波溶着により接続した。
エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを、体積比でEC:DMC=1:3となるように混合した混合溶媒の100質量部に、ビニレンカーボネート(VC)を5質量部添加し、さらにLiPF6を1.5モル/L溶解して非水電解液を調製した。
作製された正極板及び負極板を、ポリオレフィン系樹脂製のセパレータを介して渦巻状に巻回することにより、巻回型の電極群を作製した。このとき、電極群の最外周に銅箔の負極集電体が露出されるようにした。
有底円筒状のケース本体の内側に円板状の絶縁板を挿入し、その上側に電極群を挿入した。このとき、電極群をケース本体に配置して負極集電体をケース本体の筒部の内面に接触させた。負極板に接続された負極リードを、ケース本体の底部の内面に溶接により接続した。次に、ケース本体の内側で電極群の上側に絶縁板を挿入し、調製した非水電解液を電極群が入れられたケース本体の内部に所定量注入した。そして、正極板に接続された正極リードを封口体に溶接により接続し、封口体をケース本体の開口部の内側にガスケットを介して挿入し、ケース本体の開口端部をかしめることで密閉型の非水電解質二次電池の単セルを作製した。また、封口体は、弁体としてアルミニウム材からなる円形の端子板に薄肉部を設けたものを用いた。端子板の薄肉部の中央部には最薄肉部を形成した。そして、所定のラプチャーディスクと絶縁板を端子板に接続し、封口体を作製した。
次に制御装置20による充放電制御を説明する。表1は、実施例1−5と、比較例1−3とにおける充電及び放電におけるモード、充電時の最大電圧、充電レート及び放電レートの変更の有無、並びに充電終止容量を示している。
実施例2では、実施例1の充放電サイクル条件に加えて、第2パターンの充放電サイクルが開始する毎に、劣化度合いに応じてCP充電時の充電レートを低減した。具体的には、まず、初回の第1パターンの満充電容量から第2パターンの充放電サイクル直前の第1パターンの満充電容量を差し引いて充電容量の低下量を算出した。次に、初回の第1パターンの満充電容量に対する充電容量の低下量の比を二次電池の劣化度合いとして算出した。算出した劣化度合いをG(0≦G<1)としたとき、初回の充放電サイクルの充電レートである0.5Eに(1−G)を乗じた式(1−G)×0.5Eから第2パターンの充電レートを算出した。実施例2において、その他の構成及び制御方法は、実施例1と同様である。
実施例3では、実施例2の充放電サイクル条件に加えて、第2パターンの充放電サイクルが開始する毎に、劣化度合いに応じてCP放電時の放電レートも低減した。具体的には、実施例2と同様の方法で二次電池の劣化度合いであるGを算出した。すなわち、初回の充放電サイクルの放電レートである0.5Eに(1−G)を乗じた式(1−G)×0.5Eから第2パターンの放電レートを算出した。実施例3において、その他の構成及び制御方法は、実施例1と同様である。
実施例4では、実施例1の第1パターンの充放電サイクルにおける第2電圧V2を単セル当たりで4.1Vから4.15Vに変更し、そのときに得られた満充電容量をその後の第2パターンの充電終止容量S2とした。実施例4において、その他の構成及び制御方法は、実施例1と同様である。
実施例5では、実施例1の第2パターンの充放電サイクルにおける第1電圧V1を単セル当たりで4.2Vから4.15Vに変更した。実施例5において、その他の構成及び制御方法は、実施例1と同様である。
比較例1では、実施例1と同様に作製した二次電池について、第2電圧V2(単セル当たりで4.1V)を第1電圧V1(単セル当たりで4.2V)に変更したこと以外は実施例1の第1パターンの充放電サイクルと同様の条件で充放電サイクルを行った。このような充放電サイクルを1000回繰り返した。比較例1において、その他の構成及び制御方法は、実施例1と同様である。
比較例2では、実施例1と同様に作製した二次電池について、実施例1の第1パターンの充放電サイクルと同様の条件で充放電サイクルを行った。このような充放電サイクルを1000回繰り返した。比較例2において、その他の構成及び制御方法は、実施例1と同様である。
比較例3では、比較例2の充放電サイクル条件に加えて、二次電池の劣化度合いに応じてCP充電時の充電レートを低減した。具体的には以下の通りである。比較例2の充放電サイクルを実施例のような1サイクルの第1パターンと24サイクルの第2パターンに分けた。実施例2と同様の方法で二次電池の劣化度合いであるGを算出した。すなわち、初回の充放電サイクルの充電レートである0.5Eに(1−G)を乗じた式(1−G)×0.5Eから第2パターンの充電レートを算出した。
表2は、上記の実施例1−5及び比較例1−3を用いた試験を行って、25℃のサイクル特性として、1000サイクル時点の容量維持率と充放電効率の結果を示している。容量維持率は2サイクル目の放電容量に対する1000サイクル目の放電容量の割合(百分率)で算出し、充放電効率は1000サイクル目の充電電力量に対する放電電力量の割合(百分率)として算出した。
Claims (4)
- 二次電池と、
前記二次電池を充電する充電器と、
前記二次電池の充電容量を算出する手段と、
第1電圧に到達するまで前記二次電池を充電する第1充電ステップと、前記第1電圧の定電圧で前記二次電池を充電する第2充電ステップとを行うように前記充電器を制御する充電制御手段と、を備え、
前記充電制御手段は、前記二次電池の前記第1電圧を基準とする満充電容量未満の範囲で設定された充電終止容量に前記二次電池の充電容量が到達した場合に、充電を終了する、二次電池の充電システム。 - 前記充電終止容量は、前記第1電圧より低い第2電圧を基準とする満充電容量に基づいて決定される、請求項1に記載の二次電池の充電システム。
- 前記第2電圧は、前記第1電圧の95%以上99%以下の範囲で設定される、請求項2に記載の二次電池の充電システム。
- 前記二次電池の劣化度合いを算出する手段を有し、
前記劣化度合いの算出結果に基づいて前記充電終止容量が変更される、請求項1から3のいずれか1項に記載の二次電池の充電システム。
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