KR20120029322A - 전기 자동차의 제어 장치 - Google Patents

전기 자동차의 제어 장치 Download PDF

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다까시 사노
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는 전지의 전극간 전위차가 저하되어 소정값으로 되어도 전지의 방전을 더욱 가능하게 하여 전기 자동차의 주행을 가능하게 하는 전기 자동차의 제어 장치를 제공하는 것이다.
방전 커브에서 제1 평탄부와 제2 평탄부를 갖는 재료를 갖는 정극과, 방전에 의해 정극이 제1 평탄부의 종점에 이르렀을 때 용량이 잔존하는 부극을 갖는 리튬 이온 2차 전지(10)와, 전극간 전위차를 검출하는 전위차 검출 수단(11)과, 전극간 전위차가 소정값으로 되었을 때, 리튬 이온 2차 전지의 방전이 더 필요한지 여부를 판단하는 판단 수단(12)과, 판단 수단이 방전이 더 필요하다고 판단했을 때, 또는 사람에 의한 방전의 지시가 있었을 때에는 정극의 제2 평탄부를 사용하여 방전을 행하고, 판단 수단이 방전이 필요하지 않다고 판단했을 때, 또는 사람에 의한 방전 종료의 지시가 있었을 때에는 방전을 종료하는 방전 제어 수단을 갖는다.

Description

전기 자동차의 제어 장치{CONTROL APPARATUS FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 자동차의 제어 장치에 관한 것이다.
최근, 지구 온난화에 대처하기 위해, 이산화탄소량의 저감이 절실히 요망되고 있다. 자동차 업계에서는 전기 자동차(EV)나 하이브리드 전기 자동차(HEV)의 도입에 의한 이산화탄소 배출량의 저감에 기대가 모아지고 있고, 이들 실용화의 열쇠를 쥐고 있는 모터 구동용 2차 전지의 개발이 왕성하게 행해지고 있다.
모터 구동용 2차 전지로서는, 휴대 전화나 노트북 등에 사용되는 민간용 2차 전지와 비교하여 극히 높은 출력 특성 및 높은 에너지를 갖는 것이 요구되고 있다. 따라서, 모든 전지 중에서 비교적 높은 이론 에너지를 갖는 리튬 이온 2차 전지가 주목을 받고 있고, 현재 급속히 개발이 진행되고 있다.
전기 자동차를 구동하는 리튬 이온 2차 전지의 출력 특성을 유지하기 위해, 직렬 접속된 각 2차 전지의 SOC(State Of Charge)를 검출하고, 검출한 SOC에 기초하여 각 2차 전지의 방전 제어를 함으로써 2차 전지의 용량 균등화를 고정밀도로 행하는 기술이 개시되어 있다(특허 문헌 1).
일본 특허 출원 공개 제2002-8732호 공보
그러나, 상기 종래 기술은 직렬 접속된 리튬 이온 2차 전지 전체로서의 SOC가 소정값 이하로 되어 전지 용량이 감소하면 차량을 구동할 수 없게 된다. 이와 같은 경우, 차량을 의도한 바대로 이동시킬 수 없다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이다. 즉, 2차 전지의 전지 용량이 감소하여 전지의 전극간 전위차가 저하되어 소정값으로 되어도 계속해서 전지의 방전을 가능하게 한다. 이에 의해, 전기 자동차를 필요에 따라서 더 주행시켜 원하는 위치까지 이동시키는 것을 가능하게 하는 전기 자동차의 제어 장치를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 관한 전기 자동차의 제어 장치는 리튬 이온 2차 전지와, 전위차 검출 수단과, 판단 수단과, 방전 제어 수단을 갖는다. 리튬 이온 2차 전지는 방전 커브에서 제1 평탄부와 제2 평탄부를 갖는 재료를 갖는 정극과, 방전에 의해 정극이 제1 평탄부의 종점에 이르렀을 때 전극의 용량이 잔존하는 부극을 갖는다. 전위차 검출 수단은 정극과 부극의 전위차를 검출한다. 판단 수단은 전위차 검출 수단이 검출한 전위차가 소정값으로 되었을 때, 리튬 이온 2차 전지의 방전이 더 필요한지 여부를 판단한다. 방전 제어 수단은 판단 수단이 방전이 더 필요하다고 판단했을 때, 또는 사람에 의한 방전의 지시가 있을 때에는 정극의 제2 평탄부를 사용하여 방전을 행하고, 판단 수단이 방전이 필요하지 않다고 판단했을 때, 또는 사람에 의한 방전의 지시가 없을 때에는 방전을 종료한다.
본 발명에 관한 전기 자동차의 제어 장치에 따르면, 2차 전지의 전지 용량이 감소하여 전지의 전극간 전위차가 저하되어 소정값으로 되어도 전지의 방전을 계속해서 가능하게 한다. 이에 의해, 전기 자동차를 필요에 따라서 더 주행시켜 원하는 위치까지 이동시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 전기 자동차의 제어 장치의 시스템도.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 사용하는 리튬 이온 2차 전지의 외관을 도시하는 사시도.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 사용하는 리튬 이온 2차 전지의 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 사용하는 적층형 리튬 이온 2차 전지의 정극과 프리 도프한 부극의 방전 커브를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 형태에 관한 전기 자동차의 제어 장치를 실시하기 위한 흐름도를 도시하는 도면.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 관한 전기 자동차의 제어 장치에 대해 설명한다. 도면에 있어서, 동일한 요소에는 동일한 번호를 부여하여, 중복되는 설명을 생략한다. 또한, 도면의 치수 비율은 설명의 사정상 과장되어, 실제의 비율과는 다른 경우가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 전기 자동차의 제어 장치의 시스템도이다.
본 실시 형태에 관한 전기 자동차의 제어 장치(1)는 리튬 이온 2차 전지(10), 전압 센서(전위차 검출 수단)(11), 전류 센서(13), 컨트롤러(판단 수단, 방전 제어 수단)(12), 인버터(14), 모터(15)를 갖고 이루어진다. 이들 구성 요소는 전부 또는 일부를 전기 자동차에 실장할 수 있다. 리튬 이온 2차 전지(10)는 전기 자동차의 구동용 전원으로서 사용한다.
본 실시 형태에 사용하는 리튬 이온 2차 전지(10)에 대해 설명한다.
도 2는 리튬 이온 2차 전지(10)의 외관을 도시하는 사시도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 리튬 이온 2차 전지(10)는, 예를 들어 직사각 형상의 편평한 형상을 갖고, 그 양측부로부터 각각 전력을 취출하기 위한 정극 탭(22A) 및 부극 탭(22B)이 인출된다. 발전 요소(20)는 적층형 2차 전지(10)의 외장재(예를 들어, 라미네이트 필름)(21)에 의해 둘러싸이고, 그 주위는 열 융착되어 있고, 정극 탭(22A) 및 부극 탭(22B)을 인출한 상태로 밀봉된다.
도 3은 리튬 이온 2차 전지의 단면도이다. 도 3에는 적층형(편평형) 전지를 도시하였지만, 리튬 이온 2차 전지는, 예를 들어 권회형(원통형) 전지라도 좋다.
도 3에 도시한 바와 같이, 리튬 이온 2차 전지(10)의 발전 요소(20)는 정극 활물질층(231)과, 부극 활물질층(32)이 집전체(33)의 각각의 면에 형성된 적층형 전지용 전극(35)을 복수 갖는다. 각 적층형 전지용 전극(35)은 전해질층(34)을 통해 적층되어 발전 요소(20)를 형성한다. 인접하는 정극 활물질층(31) 및 집전체(33)는 정극을 구성하고, 인접하는 부극 활물질층(32) 및 집전체(33)는 부극을 구성한다.
인접하는 정극 활물질층(31), 전해질층(34) 및 부극 활물질층(32)은 전지로서 기능하는 최소 단위인 단전지층(30)을 구성한다. 단전지층(30)은 병렬로 접속될 수 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 리튬 이온 2차 전지(10)의 정극을 구성하는 정극 활물질층(31)은 방전 커브에서 제1 평탄부와 제2 평탄부를 갖는 재료로 구성한다. 부극을 구성하는 부극 활물질층(32)은 방전에 의해 정극이 제1 평탄부의 종점에 이르렀을 때 전극(부극)의 용량이 잔존하도록 리튬을 프리 도프한다.
도 4는 본 실시 형태에 사용하는 리튬 이온 2차 전지(10)의 정극과 프리 도프한 부극의 방전 커브를 도시하는 도면이다. 도 4에는 비교를 위해, 프리 도프하고 있지 않은 부극의 방전 커브(점선)도 도시하였다.
도 4의 횡축은 비용량, 종축은 전극의 전위를 나타낸다. 비용량이라 함은, 정극의 방전 커브에 있어서의 제1 평탄부 종료 시의 정극의 용량을 100으로 했을 때의 정극(또는 부극)의 상대적인 용량 감소량이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 리튬 이온 2차 전지(10)의 정극의 방전 커브는 2개의 평탄부, 즉 제1 평탄부와 제1 평탄부보다 평탄부의 정극 전위가 낮은 제2 평탄부를 갖는다. 또한, 부극의 방전 커브의 평탄부의 말단을 정극의 방전 커브의 적어도 제1 평탄부의 말단보다 비용량이 큰 측에 위치시킨다. 이와 같은 부극의 특성은 부극의 용량이 정극의 제1 평탄부의 말단보다 커지도록 부극에 리튬을 프리 도프함으로써 실현할 수 있다. 즉, 방전에 의해 정극이 제1 평탄부의 종점에 이르렀을 때에 부극의 용량이 잔존하도록 부극에 리튬을 프리 도프함으로써 실현할 수 있다. 또한, 리튬을 프리 도프하지 않아도, 정극의 첫회 충방전 효율이 부극의 그것보다도 낮은 재료를 사용함으로써 동일한 효과를 실현해도 좋다.
본 실시 형태에 있어서는, 부극의 방전 커브의 평탄부의 말단을 정극의 방전 커브의 제2 평탄부의 말단보다 비용량이 큰 측에 위치시키는 것이 더욱 바람직하다. 이와 같은 부극의 특성은 부극의 용량이 정극의 제2 평탄부의 말단보다 커지도록 부극에 리튬을 프리 도프함으로써 실현할 수 있다. 즉, 방전에 의해 정극이 제2 평탄부의 종점에 이르렀을 때에 부극의 용량이 잔존하도록 부극에 리튬을 프리 도프함으로써 실현할 수 있다. 또한, 이 경우에도, 리튬을 프리 도프하지 않아도, 정극의 첫회 충방전 효율이 부극의 그것보다도 낮은 재료를 사용함으로써 동일한 효과를 실현해도 좋다.
본 실시 형태는 부극의 방전 커브의 평탄부의 말단을 정극의 방전 커브의 적어도 제1 평탄부의 말단보다 비용량이 큰 측에 위치시킴으로써, 다음의 효과를 발휘한다.
본 실시 형태에 있어서는, 전지의 방전에 의해 전지 용량이 감소하여 전지의 전극간 전위차가 소정값(예를 들어, 2.75V) 이하로 되어도, 정극의 제2 평탄부에 있어서의 용량을 이용하여 계속해서 방전하는 것이 가능해진다. 이는, 전극간 전위차가 소정값 이하로 되어도 제2 평탄부에 의해 정극의 전위가 유지되는 동시에, 부극의 방전 커브의 평탄부의 말단을 정극의 방전 커브의 제1 평탄부의 말단보다 비용량이 큰 측에 위치시킴으로써 정극의 제2 평탄부에 있어서의 용량을 이용해도 전지의 전극간 전위차를 유지할 수 있기 때문이다. 이와 같은 재방전을 가능하게 함으로써, 전기 자동차를 필요에 따라서 더욱 주행시켜 원하는 위치까지 이동시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태는 부극의 방전 커브의 평탄부의 말단을 정극의 방전 커브의 제2 평탄부의 말단보다 비용량이 큰 측에 위치시킴으로써, 상기 효과에 추가하여 다음의 효과를 발휘한다.
일반적으로, 리튬 이온 2차 전지는 정극보다도 부극의 열화의 쪽이 크다. 그러나, 본 실시 형태에 있어서는, 통상의 방전(제1 평탄부를 이용한 방전)이 종료되고, 정극의 제2 평탄부의 용량을 이용한 방전을 실시할 때라도, 전지의 전극간 전위차의 저하에 의한 방전의 종료는 정극의 방전 커브의 전위 규제로 된다. 그로 인해, 전지 용량이 열화되어도 통상의 방전 후의 방전 용량을 크게 유지할 수 있다.
또한, 부극을 프리 도프하고 있지 않은 경우에는, 일반적으로 부극의 방전 커브의 평탄부의 말단이 정극의 방전 커브의 제2 평탄부의 말단보다 비용량이 작은 측에 위치한다. 따라서, 이 경우에는 전지의 방전에 의해 정극이 방전 커브의 제2 평탄부에 이르기 전에 부극의 전위가 상승하므로, 정극의 제2 평탄부의 용량을 이용한 방전을 실시할 수 없다. 또한, 전지의 전극간 전위차의 저하에 의한 방전의 종료는 부극의 방전 커브의 전위 규제로 되므로, 전지 용량의 열화는 열화가 빠른 부극의 열화에 의존해 버리게 된다.
전압 센서(11)는 리튬 이온 2차 전지(10)의 정부의 출력 단자 사이에 접속한다. 전압 센서에 의해 리튬 이온 2차 전지(10)의 전극간 전위차를 측정할 수 있다.
전류 센서(13)는 리튬 이온 2차 전지(10)의 정의 출력 단자와 리튬 이온 2차 전지(10)의 부하인 인버터 사이에 접속한다. 전류 센서(13)에 의해 리튬 이온 2차 전지(10)의 방전 전류를 측정할 수 있다.
컨트롤러(12)는 전압 센서(11)로부터 리튬 이온 2차 전지(10)의 전극간 전위차의 측정값을 수신하는 동시에, 리튬 이온 2차 전지(10), 인버터(14)를 제어한다.
컨트롤러(12)는 컴퓨터 및 컴퓨터 프로그램으로 구성할 수 있다. 그러나, 컨트롤러(12)는 일부 또는 전부를 반도체 칩으로 이루어지는 프로세서로 구성해도 좋다.
컨트롤러(12)는 전압 센서(11)로부터 수신한 리튬 이온 2차 전지(10)의 전극간 전위차의 측정값이, 방전에 의해 정극이 제1 평탄부의 말단에 이르렀을 때의 전극간 전위차(소정값)로 되었을 때, 리튬 이온 2차 전지(10)의 방전이 더 필요한지 여부를 판단한다. 리튬 이온 2차 전지(10)의 방전이 더 필요하다고 판단했을 때에는 리튬 이온 2차 전지(10)를 제어하여 정극의 제2 평탄부를 이용하여 방전을 행한다. 리튬 이온 2차 전지(10)의 방전이 더 필요하지 않다고 판단했을 때에는 리튬 이온 2차 전지(10)를 제어하여 방전을 종료시킨다.
리튬 이온 2차 전지의 통상의 방전 후, 리튬 이온 2차 전지(10)의 방전이 더 필요한지 여부의 판단 및 상기 방전의 지시는, 사람(예를 들어, 전기 자동차의 운전수)이 행해도 좋다. 이 경우에는, 예를 들어, 컨트롤러에 대해 사람에 의한 방전의 지시를 송신하기 위한 송신 장치를 전기 자동차의 핸들에 설치하여, 상기 지시를 수신한 컨트롤러(12)가 재방전을 개시하도록 리튬 이온 2차 전지(10)를 제어하도록 해도 좋다.
리튬 이온 2차 전지(10)의 전극간 전위차가 상기 소정값으로 되었을 때, 컨트롤러(12)는 경고 신호를 발생하도록 해도 좋다. 경고 신호는, 예를 들어 버저에 의한 경고음으로 할 수 있다. 사람은 경고 신호에 기초하여 재방전의 지시를 할 수 있다.
또한, 리튬 이온 2차 전지(10)의 방전이 더 필요한지 여부의 판단은 컨트롤러(12)에 의한 판단을 사람에 의한 방전의 지시에 대해 우선시켜도 좋다. 컨트롤러(12)에 의한 판단을 우선시킴으로써, 컨트롤러(12)에 의해 전기 자동차가 정지하는 것이 위험하다고 판단된 경우에 컨트롤러(12)에 의해 리튬 이온 2차 전지(10)에 방전시킴으로써 급정지를 방지하여, 위험을 회피할 수 있다.
인버터(14)는 리튬 이온 2차 전지(10)가 출력하는 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환한다.
모터(15)는 인버터로부터 3상 교류 전압을 받아, 전기 자동차를 구동하기 위한 토크를 발생시킨다.
도 5는 본 실시 형태에 관한 전기 자동차의 제어 장치를 실시하기 위한 흐름도를 도시하는 도면이다. 본 흐름도는, 도 1에 도시하는 본 실시 형태에 관한 전기 자동차의 제어 장치(1)에 의해 실시할 수 있다.
전기 자동차의 주행 시에 있어서, 방전에 의해 리튬 이온 2차 전지(10)의 전극간 전위차(출력 전압)가 저하되어 하한 전압인 2.75V(소정값)에 도달한 것을, 전압 센서(11)로부터 수신한 전극간 전위차의 측정값에 기초하여 컨트롤러(12)가 검지한다(S500).
컨트롤러(12)는 하한 전압을 변경할지 여부를 판단한다(S501). 즉, 하한 전압을 변경함으로써 리튬 이온 2차 전지(10)의 방전을 더 행할 필요가 있는지 여부를 판단한다. 컨트롤러(12)는 전기 자동차를 더 주행 또는 이동시킬 필요가 있는 경우에 하한 전압을 변경할 필요가 있다고 판단한다.
전기 자동차를 더 주행 또는 이동시킬 필요가 있는 경우라 함은, 예를 들어 전기 자동차가 고속으로 주행하고 있으므로 급정차시킴으로써 위험이 발생하는 경우가 생각된다.
컨트롤러(12)가 하한 전압을 변경할 필요가 있다고 판단했을 때에는(S501, 예), 하한 전압을 2.75V로부터 2.5V로 변경(리미트의 임계값의 완화)함으로써 리튬 이온 2차 전지(10)의 재방전을 행하여(S502), 전기 자동차를 주행 또는 이동 가능하게 한다.
변경 후의 하한 전압의 값은 2.5V로 한정되지 않고, 더욱 낮아도 좋다.
리튬 이온 2차 전지(10)의 재방전은 재방전에 의해 전극간 전위차가 저하되어 변경 후의 하한 전압인 2.5V에 도달한 것을, 전압 센서(11)로부터 수신한 출력 전압의 측정값에 기초하여 컨트롤러(12)가 검지할(S503) 때까지 행할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 관한 전기 자동차의 제어 장치에 따르면, 2차 전지의 전지 용량이 감소하고 전지의 전극간 전위차가 저하되어 소정값으로 되어도 전지의 방전을 계속해서 가능하게 한다. 이에 의해, 전기 자동차를 필요에 따라서 더 주행시켜 원하는 위치까지 이동시킬 수 있다.
이하, 본 실시 형태에 관한 전기 자동차의 제어 장치(1)의 구성 요소인 리튬 이온 2차 전지(10)에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
[전극]
(집전체)
집전체(부극 집전체, 정극 집전체)로서는, 모두 전지용 집전체 재료로서 종래 사용되고 있는 부재가 적절하게 채용될 수 있다. 일예를 들면, 정극 집전체 및 부극 집전체로서는, 알루미늄, 니켈, 철, 스테인리스강(SUS), 티탄 또는 구리를 들 수 있다. 그 중에서도, 전자 전도성, 전지 작동 전위라고 하는 관점으로부터는, 정극 집전체로서는 알루미늄이 바람직하고, 부극 집전체로서는 구리가 바람직하다. 집전체의 일반적인 두께는 10 내지 20㎛이다. 단, 이 범위를 벗어나는 두께의 집전체를 사용해도 좋다.
(부극 활물질층)
부극 활물질층은 부극 활물질을 포함하고, 필요에 따라서 전기 전도성을 높이기 위한 도전제, 바인더, 전해질(폴리머 매트릭스, 이온 전도성 폴리머, 전해액 등), 이온 전도성을 높이기 위한 전해질 지지염(리튬염) 등을 더 포함하여 구성된다.
부극 활물질층 중에 포함되는 성분의 배합비는 특별히 한정되지 않고, 리튬 이온 2차 전지에 대한 공지의 지식을 적절하게 참조함으로써, 조정될 수 있다. 또한, 활물질층의 두께에 대해서도 특별히 제한은 없고, 리튬 이온 2차 전지에 대한 종래 공지의 지식이 적절하게 참조될 수 있다. 일예를 들면, 활물질층의 두께는 2 내지 100㎛ 정도이다.
부극의 용량 A와 정극의 용량 C의 비(이하, 단순히 「A/C비」라고 칭함)는 1.3 정도 이상이면 된다. 또한, 정극의 방전 커브의 제2 평탄부를 이용한 방전 용량을 크게 하기 위해, A/C비는 1.4 이상으로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 A/C비를 1.6 이상으로 한다.
부극에 리튬을 프리 도프하는 경우, A/C비가 2 정도까지는, A/C비가 커짐에 따라서 리튬 이온 2차 전지의 용량도 증대된다. 이는, 정극의 방전 커브의 제1 평탄부가 종료되는 말단에 있어서의 부극의 전위가 낮게 유지되기 때문이다.
A/C비는 클수록 좋지만, A/C비를 크게 하면 부극이 두꺼워져 용량 밀도를 손상시키므로, A/C비는 3 이하로 억제하는 것이 바람직하다. A/C비를 2 이하로 함으로써, 용량 밀도의 저하를 억제하면서 본 실시 형태의 효과가 얻어지므로, 더욱 바람직하다.
(a) 부극 활물질
부극 활물질은 리튬을 가역적으로 흡장 및 방출할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않고, 종래 공지의 부극 활물질을 모두 사용할 수 있지만, 탄소 재료 또는 리튬과 합금화하는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 탄소 재료나 리튬과 합금화하는 재료는 전지의 충전 시의 체적 팽창률이 크기 때문에, 본 발명의 효과를 현저하게 발휘할 수 있다.
이와 같은 리튬과 합금화하는 재료로서는, 리튬과 합금화하는 원소의 단체, 이들 원소를 포함하는 산화물 및 탄화물 등을 들 수 있다. 리튬과 합금화하는 재료를 사용함으로써, 탄소계 재료에 비해 높은 에너지 밀도를 갖는 고용량의 전지를 얻는 것이 가능해진다. 상기한 리튬과 합금화하는 원소로서는, 이하로 제한되는 경우는 없지만, 구체적으로는, Si, Ge, Sn, Pb, Al, In, Zn, H, Ca, Sr, Ba, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Cd, Hg, Ga, Tl, C, N, Sb, Bi, O, S, Se, Te, Cl 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 용량 및 에너지 밀도가 우수한 전지를 구성할 수 있는 관점으로부터, 부극 활물질은 Si, Ge, Sn, Pb, Al, In 및 Zn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 포함하는 것이 바람직하고, Si 또는 Sn의 원소를 포함하는 것이 보다 바람직하고, Si를 포함하는 것이 특히 바람직하다.
산화물로서는, 일산화규소(SiO), SiOx(0＜x＜2), 이산화 주석(SnO2), SnOx(0＜x＜2), SnSiO3 등을 사용할 수 있다. 또한, 탄화물로서는, 탄화규소(SiC) 등을 사용할 수 있다.
탄소 재료로서는, 고결정성 카본인 그라파이트(천연 그라파이트, 인조 그라파이트 등), 저결정성 카본(소프트 카본, 하드 카본), 카본 블랙(케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 채널 블랙, 램프 블랙, 오일 파네스 블랙, 서멀 블랙 등), 풀러렌, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 카본나노혼, 카본피브릴 등을 들 수 있다.
그밖에, 리튬-티탄 복합 산화물(티탄산리튬:Li4Ti5O12) 등의 리튬-천이 금속 복합 산화물 및 그 밖의 종래 공지의 부극 활물질이 사용 가능하다.
부극 활물질의 평균 입자 직경은 특별히 제한되지 않지만, 부극 활물질의 고용량화, 반응성, 사이클 내구성의 관점으로부터는, 바람직하게는 1 내지 100㎛, 보다 바람직하게는 1 내지 20㎛이다. 이와 같은 범위이면, 고출력 조건 하에서의 충방전 시에 있어서의 전지의 내부 저항의 증대가 억제되어, 충분한 전류를 취출할 수 있다.
또한, 이들 부극 활물질은 단독으로 사용해도 좋고, 경우에 따라서는, 2종 이상의 부극 활물질이 병용되어도 좋다. 단, 본 발명의 효과를 현저하게 발휘하기 위해서는, 탄소 재료 및/또는 리튬과 합금화하는 재료를 활물질 중에 바람직하게는 50질량％ 이상, 보다 바람직하게는 80질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 90질량％ 이상, 특히 바람직하게는 100질량％를 포함한다.
(b) 도전제
도전제라 함은, 도전성을 향상시키기 위해 배합되는 첨가물을 말한다. 본 실시 형태에 사용될 수 있는 도전제는 특별히 제한되지 않고, 종래 공지의 것을 이용할 수 있다. 예를 들어, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙 등의 카본 블랙, 그라파이트, 탄소 섬유 등의 탄소 재료를 들 수 있다. 도전제를 포함하면, 활물질층의 내부에 있어서의 전자 네트워크가 효과적으로 형성되어, 전지의 출력 특성의 향상에 기여할 수 있다.
(c) 바인더
부극 활물질층은 바인더를 포함해도 좋다. 바인더는 활물질끼리 또는 활물질과 집전체를 결착시켜 전극 구조를 유지하는 목적으로 첨가된다.
바인더로서는, 이하로 제한되는 경우는 없지만, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리초산비닐, 폴리이미드(PI), 폴리아미드(PA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리메틸아크릴레이트(PMA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에테르니트릴(PEN), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리아크릴로니트릴(PAN) 등의 열가소성 수지;에폭시 수지, 폴리우레탄 수지 및 요소 등의 열경화성 수지; 및 스티렌부타디엔 고무(SBR) 등의 고무계 재료를 들 수 있다.
(d) 전해질
전해질은 리튬 이온의 캐리어로서의 기능을 갖는다. 전해질로서는 이와 같은 기능을 발휘할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 액체 전해질 또는 폴리머 전해질이 사용될 수 있다.
액체 전해질은 가소제인 유기 용매에 지지염인 리튬염이 용해된 형태를 갖는다. 가소제로서 사용될 수 있는 유기 용매로서는, 예를 들어 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC) 등의 카보네이트류가 예시된다. 또한, 지지염(리튬염)으로서는, Li(CF3SO2)2N, Li(C2F5SO2)2N, LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiTaF6, LiClO4, LiCF3SO3 등의 전극의 합제층에 첨가될 수 있는 화합물이 마찬가지로 채용될 수 있다.
한편, 폴리머 전해질은 전해액을 포함하는 겔 폴리머 전해질(겔 전해질)과, 전해액을 포함하지 않는 진성 폴리머 전해질로 분류된다.
겔 폴리머 전해질은 이온 전도성 폴리머로 이루어지는 매트릭스 폴리머(호스트 폴리머)에, 상기한 액체 전해질이 주입되어 이루어지는 구성을 갖는다. 전해질로서 겔 폴리머 전해질을 사용함으로써 전해질의 유동성이 없어지고, 각 층 사이의 이온 전도성을 차단하는 것이 용이해지는 점에서 우수하다. 매트릭스 폴리머(호스트 폴리머)로서 사용되는 이온 전도성 폴리머로서는, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 폴리에틸렌옥시드(PEO), 폴리프로필렌옥시드(PPO), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리불화비닐리덴과 헥사플루오로프로필렌의 공중합체(PVDF-HFP), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 이들의 공중합체 등을 들 수 있다. 여기서, 상기한 이온 전도성 폴리머는 정극 합제층 및 부극 합제층에 있어서 전해질로서 사용되는 이온 전도성 폴리머와 동일해도 좋고, 달라도 좋지만, 동일한 것이 바람직하다. 전해액(전해질염 및 가소제)의 종류는 특별히 제한되지 않고, 상기에서 예시한 리튬염 등의 전해질염 및 카보네이트류 등의 가소제가 사용될 수 있다.
진성 폴리머 전해질은 상기한 매트릭스 폴리머에 지지염(리튬염)이 용해되어 이루어지는 구성을 갖고, 가소제인 유기 용매를 포함하지 않는다. 따라서, 전해질로서 진성 폴리머 전해질을 사용함으로써 전지로부터의 액 누설의 우려가 없어, 전지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
겔 폴리머 전해질이나 진성 폴리머 전해질의 매트릭스 폴리머는 가교 구조를 형성함으로써, 우수한 기계적 강도를 발현할 수 있다. 가교 구조를 형성시키기 위해서는, 적당한 중합 개시제를 사용하여, 고분자 전해질 형성용의 중합성 폴리머(예를 들어, PEO나 PPO)에 대해 열중합, 자외선 중합, 방사선 중합, 전자선 중합 등의 중합 처리를 실시하면 좋다.
이들 전해질은 1종 단독이라도 좋고, 2종 이상을 조합하여 사용해도 좋다.
(정극 활물질층)
정극 활물질층은 정극 활물질을 포함하고, 필요에 따라서 도전제, 바인더, 전해질, 전해질 지지염 등을 더 포함하여 구성된다. 정극 활물질층의 구성 요소 중, 정극 활물질 이외는 상기에서 설명한 내용과 마찬가지이므로, 여기서는 설명을 생략한다. 정극 활물질층 중에 포함되는 성분의 배합비 및 정극 활물질층의 두께에 대해서도 특별히 한정되지 않고, 리튬 이온 2차 전지에 대한 종래 공지의 지식이 적절하게 참조될 수 있다.
(정극 활물질)
본 실시 형태에 있어서는, 정극의 방전 커브에서 제1 평탄부와 제2 평탄부를 갖는 정극 활물질을 사용한다. 또한, 정극에는 1종의 정극 활물질만을 사용하는 것으로는 한정되지 않고, 방전 커브의 평탄부가 2개 이상 있으면, 2종 이상의 정극 활물질을 혼합하여 사용해도 좋다.
정극의 방전 커브에서 2개 이상의 평탄부를 갖는 것은, 정극에 대한 리튬의 삽입, 이탈 시에 정극 활물질의 결정 구조가 변화되는 것이 원인이고, 정극 활물질의 조성비를 바꿈으로써 충방전 중에 결정 구조가 변화되는 정극 활물질을 조정할 수 있다.
예를 들어, 폴리불화비닐리덴(PVdF) 용액[용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)]을 사용하여 LiMn2O4:카본 블랙:PVdF의 조성비를 84:10:6으로 조정한 정극 슬러리를 사용하여 정극 활물질을 조정할 수 있다.
정극 활물질의 평균 입자 직경은, 특별히 제한되지 않지만, 1 내지 100㎛이다. 이와 같은 범위이면, 고출력 조건 하에서의 충방전 시에 있어서의 전지의 내부 저항의 증대가 억제되어, 충분한 전류를 취출할 수 있다.
[전해질층]
전해질층은 비수전해질을 포함하는 층이다. 전해질층에 포함되는 비수전해질(구체적으로는, 리튬염)은 충방전 시에 정부극 사이를 이동하는 리튬 이온의 캐리어로서의 기능을 갖는다. 비수전해질로서는 이와 같은 기능을 발휘할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않지만, (d) 전해질의 항에서 설명한 액체 전해질, 겔 폴리머 전해질 및 진성 폴리머 전해질을 특별히 제한 없이 사용할 수 있다. 액체 전해질, 겔 폴리머 전해질 및 진성 폴리머 전해질의 구체적인 형태에 대해서는, 상기한 (d) 전해질의 항에서 설명하였으므로, 상세한 것은 여기서는 생략한다.
이들 전해질층에 포함되는 비수전해질은 1종 단독이라도 좋고, 2종 이상이라도 좋다. 또한, 상술한 활물질층에 사용한 전해질과 다른 전해질을 사용해도 좋고, 동일한 전해질을 사용해도 좋다.
또한, 전해질층이 액체 전해질이나 겔 폴리머 전해질로 구성되는 경우에는, 전해질층에 세퍼레이터를 사용한다. 세퍼레이터의 구체적인 형태로서는, 예를 들어 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀으로 이루어지는 미다공막을 들 수 있다.
전해질층의 두께는, 내부 저항을 저감시키기 위해서는 얇으면 얇을수록 좋다고 할 수 있다. 전해질층의 두께는 1 내지 100㎛, 바람직하게는 5 내지 50㎛로 하는 것이 좋다.
[절연층]
절연층(시일부)으로서는, 절연성, 고체 전해질의 탈락에 대한 시일성이나 외부로부터의 수분의 투습에 대한 시일성(밀봉성), 전지 동작 온도 하에서의 내열성 등을 갖는 것이면 좋다. 예를 들어, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리이미드 수지, 고무 등이 사용될 수 있다. 그 중에서도, 내식성, 내약품성, 제조 용이성(제막성), 경제성 등의 관점으로부터, 우레탄 수지, 에폭시 수지가 바람직하다.
[외장체]
리튬 이온 2차 전지에서는 사용 시의 외부로부터의 충격이나 환경 열화를 방지하기 위해, 발전 요소 전체를 외장체에 수용하는 것이 바람직하다. 외장체로서는, 종래 공지의 금속통 케이스를 사용할 수 있는 것 외에, 알루미늄을 포함하는 라미네이트 필름을 사용한 발전 요소를 덮을 수 있는 주머니 형상의 케이스를 사용할 수 있다. 라미네이트 필름에는, 예를 들어 PP, 알루미늄, 나일론을 이 순서대로 적층하여 이루어지는 3층 구조의 라미네이트 필름 등을 사용할 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 전혀 아니다.
[전지의 제조 방법]
본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지의 제조 방법으로서는, 특별히 제한되는 것은 아니고, 종래 공지의 방법을 적용하여 제작할 수 있다.
(1) 부극 활물질층의 형성 공정
부극 활물질층의 형성 방법은 특별히 한정되지 않고, 리튬 이온 2차 전지에 대해 공지의 방법을 바람직하게 사용할 수 있다. 구체적으로는, 우선, 부극 활물질 및 필요에 따라서 결착제, 도전제 및 전해질 등을 포함하는 전극 재료를 슬러리 점도 조정 용매에 분산하여, 부극 활물질 슬러리를 조제한다.
이때, 후술하는 (3) 적층체의 제작 공정에 있어서 사용하는 정극 활물질의 용량의 1.1배 초과의 용량에 상당하는 양의 부극 활물질을 포함하도록 한다. A/C비를 1.1보다도 크게 할 수 있다. 보다 구체적으로는, (1) 부극 활물질층의 형성 공정 및 (3) 적층체의 제작 공정에 있어서, A/C비가 원하는 범위로 되도록, 부극 활물질 및 정극 활물질의 도포량을 조절하면 좋다.
슬러리 점도 조정 용매로서는, 특별히 제한되는 경우는 없지만, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 메틸포름아미드 등을 들 수 있다. 슬러리는 호모지나이저 또는 혼련 장치 등을 사용하여 용매 및 고형분으로부터 잉크화된다. 활물질 및 필요에 따라서 결착제, 도전제 및 전해질 등의 전극 재료를 혼합ㆍ분산하는 순서는 특별히 제한되지 않는다. 이들 전극 재료를 동시에 혼합ㆍ분산해도 좋고, 원료 성분의 종류마다 단계적으로 혼합ㆍ분산하도록 해도 좋다.
계속해서, 부극 활물질층을 형성하기 위한 집전체를 준비하고, 상기에서 조제한 슬러리를, 집전체의 표면(편면 또는 양면)에 도포하여, 도막을 형성한다. 슬러리를 집전체에 도포하기 위한 도포 수단은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 자주형 코터, 닥터블레이드법, 스프레이법, 잉크젯법 등의 일반적으로 사용되는 수단이 채용될 수 있다.
계속해서, 집전체의 표면(편면 또는 양면)에 형성된 도막을 건조시킨다. 이에 의해, 도막 중의 용매가 제거된다. 도막을 건조시키기 위한 건조 수단도 특별히 제한되지 않고, 전극 제조에 대해 종래 공지의 지식이 적절하게 참조될 수 있다. 예를 들어, 가열 처리가 예시된다. 건조 조건(건조 시간, 건조 온도 등)은 슬러리의 도포량이나 슬러리 점도 조정 용매의 휘발 속도에 따라서 적절하게 설정될 수 있다. 얻어진 건조물을 프레스함으로써, 집전체의 표면(편면 또는 양면)에 부극 활물질층이 형성된다. 프레스 수단에 대해서는, 특별히 한정되지 않고, 종래 공지의 수단이 적절하게 채용될 수 있다. 프레스 수단의 일예를 들면, 캘린더 롤, 평판 프레스 등을 들 수 있다.
(2) 리튬 프리 도프층의 형성 공정
계속해서, 부극 활물질층의 표면에 리튬을 포함하는 리튬 프리 도프층이 형성된 부극 전구체를 제작한다. 부극 전구체는 후술하는 리튬 도프 공정에 있어서 리튬 프리 도프층 중의 리튬이 부극 활물질층에 도프됨으로써, 부극으로 된다.
리튬 프리 도프층은 부극 활물질층의 표면에 형성하면 좋다. 부극 전구체는 부극 집전체 상에 형성된 부극 활물질층의 표면에 금속 리튬을 포함하는 리튬 프리 도프층이 형성된 구조를 갖는다. 본 실시 형태에서는 후술하는 리튬 도프 공정에 있어서 리튬 프리 도프층 중의 리튬이 부극 활물질층에 도프되어, 부극이 얻어진다. 이때, 리튬 프리 도프층 중의 리튬의 양을 조정함으로써, 부극 활물질로의 리튬 이온의 도프 용량을 원하는 범위로 조정할 수 있다.
본 실시 형태에서는 부극의 용량이 정극의 제2 평탄부의 말단보다 커지도록 부극을 프리 도프한다. 즉, 방전에 의해 정극이 제2 평탄부의 종점에 이르렀을 때에 부극의 용량이 잔존하도록 부극에 프리 도프하기 위한 금속 리튬의 양을 조정하면 좋다.
상술한 바와 같이, 리튬 프리 도프층은 리튬을 포함하여 구성되어, 후술하는 리튬 도프 공정에 있어서 부극 활물질층에 도프하기 위한 리튬(이온)의 흡장층으로서 기능한다. 리튬 프리 도프층을 구성하는 리튬(리튬원)으로서는, 부극 활물질로의 도프가 가능하면 특별히 제한되지 않지만, 금속 리튬 또는 리튬 합금인 것이 바람직하다. 리튬 합금으로서는, (a) 부극 활물질의 항에서 설명한 리튬과 합금화하는 원소의 단체, 이들 원소를 포함하는 산화물 및 탄화물 등의 리튬 합금을 바람직하게 사용할 수 있다. 리튬 프리 도프층의 형태도 특별히 제한되지 않고, 리튬 금속박을 그대로 사용해도 좋고, 리튬 입자나 리튬 합금 입자의 집합체를 사용해도 좋다. 리튬 입자라 함은, 금속 리튬이 미세하게 분쇄된 리튬의 분말을 의미한다. 또한, 리튬 입자의 형상은 특별히 제한되지 않고, 구 형상, 막대 형상, 침 형상, 판 형상, 기둥 형상, 부정 형상, 인편 형상, 방추 형상 등 임의의 구조를 취할 수 있다.
리튬 프리 도프층의 형성 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 리튬 박을 부극 활물질층의 표면에 배치하는(부착하는) 방법, 리튬 입자를 부극 활물질층의 표면에 도포하는 방법, 리튬 증착막을 부극 활물질층의 표면에 전사하는 방법, 리튬 화합물을 환원하는 방법, 전기 화학적 방법에 의해 부극 활물질층의 표면에 리튬막을 형성하는 방법 등을 들 수 있다.
리튬 프리 도프층의 두께나 사이즈(면내 방향의 크기)는 부극 활물질로 도프하는 리튬의 용량이 원하는 범위로 되도록 조정하면 좋다. 일예를 들면, 리튬 프리 도프층의 두께는 1 내지 100㎛ 정도이다.
상기 공정에 의해, 부극 활물질층의 표면에 금속 리튬을 포함하는 리튬 프리 도프층이 형성된 부극 전구체가 얻어진다.
또한, 집전체 상에 형성된 부극 활물질층의 표면에 리튬 프리 도프층을 형성해도 좋지만, 예를 들어 집전체와 부극 활물질층 사이에 리튬 프리 도프층을 형성해도 좋다. 이 경우에는, 상기한 부극 활물질층의 형성 공정에 있어서, 집전체 상에 리튬 프리 도프층을 형성하고, 리튬 프리 도프층의 표면에 부극 활물질층을 형성하면 좋다.
(3) 적층체의 제작 공정
상기에서 얻어진 부극 전구체와 정극을 전해질층을 통해 적층시켜, 적층체를 제작한다.
우선, 정극을 제작한다. 정극의 제작 방법은 특별히 한정되지 않고, 리튬 이온 2차 전지에 대해 공지의 방법을 바람직하게 사용할 수 있다. 구체적으로는, 부극 활물질층의 형성과 마찬가지로 하여, 정극 활물질 및 필요에 따라서 결착제, 도전제 및 전해질 등을 포함하는 전극 재료를 슬러리 점도 조정 용매에 분산하여, 정극 활물질 슬러리를 조제한다. 그리고, 부극 활물질층의 형성과 마찬가지로 하여, 정극 활물질 슬러리를 집전체 상에 도포하여 건조시킨 후에 프레스함으로써, 집전체의 표면(편면 또는 양면)에 정극 활물질층이 형성된 정극이 얻어진다.
계속해서, 정극 또는 부극 전구체를, 세퍼레이터(전해질층에 상당)를 통해 정극 활물질층과 리튬 프리 도프층 또는 부극 활물질층이 대향하도록 적층시킴으로써 적층체를 제작할 수 있다.
그리고, 정극, 부극 전구체의 각각에 집전판 및/또는 리드를 접속하여, 집전판 또는 리드가 도출되도록, 적층체를 알루미늄의 라미네이트 필름 백에 수용한다. 그 후, 주액기에 의해 전해액을 주액하고, 감압 하에서 단부를 시일하여 전지로 한다.
(4) 리튬 도프 공정
계속해서, 리튬 프리 도프층의 금속 리튬을 부극 활물질에 도프함으로써 부극 전구체를 부극으로 변환한다. 구체적으로는, 전해액의 주액에 의해, 리튬 프리 도프층 내의 리튬이 부극 활물질에 도프된다. 또한, 리튬 프리 도프층이 금속 리튬으로 구성되는 경우, 즉 리튬 프리 도프층이 리튬 원소만으로 구성되는 경우에는, 리튬의 도프 후에는 리튬 프리 도프층이 소실되고, 부극 전구체는 부극으로 변환된다. 한편, 리튬 프리 도프층이 리튬 합금과 같이 리튬 원소 이외의 재료를 포함하여 구성되는 경우에는, 리튬의 도프 후에 있어서도 리튬 프리 도프층(예를 들어, 리튬 합금의 경우에는 리튬과 합금화하는 원소)이 잔존한다. 이에 의해, 리튬 이온이 도프된 부극 활물질을 포함하는 부극 활물질층을 갖는 리튬 이온 2차 전지가 얻어진다.
(에이징 공정)
상기 공정에 의해 얻어진 전지(발전 요소)는, 바람직하게는 소정의 시간 에이징된다. 당해 처리는 1회만 행해져도 좋고, 복수회 행해져도 좋다. 에이징 공정을 실시함으로써, 활물질층에 있어서의 단위 면적당의 리튬량을 균일화할 수 있어, 신뢰성이 향상된 전지가 얻어진다.
에이징의 온도는 리튬량의 균일화를 위해 필요한 시간(에이징 시간)을 단축하는 점에서 바람직하게는 20 내지 80℃, 보다 바람직하게는 40 내지 60℃이다. 또한, 에이징 시간은 리튬의 도프량에 따라서 다르지만, 통상 24 내지 120시간 정도이다.
상기에서는 전해질이 액체 전해질인 경우의 적층형 전지를 예로 들어 설명하였지만, 겔 전해질이나 진성 폴리머 전해질을 사용한 경우에 대해서도, 공지의 기술을 참조하여 실시 가능하고, 여기서는 생략한다.
[전기 자동차]
상술한 리튬 이온 2차 전지(10)는 전기 자동차의 구동용 전원으로서 사용된다. 리튬 이온 2차 전지(10)는, 예를 들어 자동차이면 하이브리드차, 전기 자동차[모두 4륜차(승용차, 트럭, 버스 등의 상용차, 경자동차 등) 외에, 이륜차(바이크)나 삼륜차를 포함함]에 사용될 수 있다. 이에 의해, 고수명이고 신뢰성이 높은 전기 자동차가 제공될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 관한 전기 자동차의 제어 장치에 대해 설명하였지만, 본 실시 형태는 이하의 효과를 발휘한다.
ㆍ 리튬 이온 2차 전지의 전지 용량이 감소하고 전지의 출력 전압이 저하되어 소정값으로 되어도 전지의 방전을 더욱 가능하게 한다. 이에 의해, 전기 자동차를 필요에 따라서 더 주행시켜 원하는 위치까지 이동시킬 수 있다.
ㆍ 또한, 부극의 방전 커브의 평탄부의 말단을 정극의 방전 커브의 제2 평탄부의 말단보다 우측에 위치시킨다. 이에 의해, 통상의 방전이 종료되어, 정극의 제2 평탄부의 용량을 이용한 방전을 실시할 때라도, 전지의 전극간 전위차의 저하에 의한 방전의 종료는 정극의 방전 커브의 전위 규제로 된다. 그로 인해, 전지 용량이 열화되어도 통상의 방전 후의 방전 용량을 크게 유지할 수 있다.
[실시예]
본 발명의 효과를, 이하의 실시예 및 비교예에 의해 설명한다. 단, 본 발명이 이하에 설명되는 실시예로 한정되는 것은 아니다.
[평가 방법]
각종 부극 전극을 작성하여, LiMn2O4를 대극으로 한 라미네이트 전지에 내장하여, 충방전 사이클 특성의 평가를 실시하였다.
25℃ 분위기 하에서, 전지의 전압이 2.5V로부터 4.2V 사이에서 충방전 사이클 테스트를 실시하였다. 충방전의 전류 밀도는 0.5㎃/㎠로 하였다.
[제1 실시예 내지 제3 실시예]
(a) 정극 슬러리의 조정
폴리불화비닐리덴(PVdF) 용액[용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)]을 사용하여 LiMn2O4:카본 블랙:PVdF의 조성비를 84:10:6으로 하여 정극 슬러리를 조정하였다.
(b) 부극 슬러리의 조정
폴리불화비닐리덴(PVdF) 용액(용매는 NMP)을 사용하여 MAG-D:카본 블랙:PVdF의 조성비를 90:2:8로 하여 부극 슬러리를 조정하였다.
(c) 전극의 제작
닥터블레이드를 사용하여, 정극 슬러리, 부극 슬러리를 각각 알루미늄박, 동박 상에 슬러리를 도포하고, 건조하여 전극을 제작하였다. 이와 같이 하여 제작한 전극을 펀칭하여, 프레스하였다.
(d) 리튬 프리 도프
리튬 프리 도프를 실시하는 셀에만, 두께 30㎛의 리튬박을 필요량만큼 부극 상에 적재하여, 프레스하였다.
(e) 전지 제작
상기한 정극과 부극, 폴리에틸렌제 다공질 필름을 적층하였다. 이 적층체를 외장체에 적재, 전해액을 주액하고, 밀봉함으로써 전지를 제작하였다. 전지 제작 후, 리튬을 부극에 도프시키기 위해, 60℃에서 3일간 에이징하였다.
(f) 전해액
1M LiPF6＋EC/DEC＝4/6을 사용하였다.
[제1 비교예 내지 제2 비교예]
리튬 프리 도프를 행하지 않는 것을 제외하고 실시예와 동일한 셀을 제작하였다.
[셀 구성]
실시예 및 비교예의 셀 구성은 하기 표 1과 같이 하였다.
Figure pat00001
[평가 결과]
하기 표 2에 평가 결과를 나타낸다.
Figure pat00002
표 2는 셀의 전극 전위차가 2.75V로 되었을 때 및 2.5V로 되었을 때의 방전 용량의 평가 결과를 각각 나타낸 것이다. 여기서, 방전 용량은 제1 비교예의 셀의 전극 전위차가 2.75V로 되었을 때의 용량을 100으로 한 경우의 상대값이다.
표 2에 따르면, 셀의 전극 전위차가 2.75V일 때와 2.5V일 때의 방전 용량의 차는 제1 실시예 내지 제3 실시예는 각각 6, 15, 41이다. 이들 방전 용량의 차에 상당하는 용량은 셀 방전 시에 있어서 셀의 하한 전압의 리미트를 완화함으로써 전기 자동차의 주행에 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 형태를 실시함으로써 재방전에 의해 전기 자동차는 충분히 주행할 수 있는 것이 실증되었다.
한편, 제1 비교예 내지 제2 비교예는 셀의 전극 전위차가 2.75V일 때와 2.5V일 때의 방전 용량의 차는 각각 2로, 재방전에 의해서도 전기 자동차는 주행할 수 없다.
1 : 전기 자동차의 제어 장치
10 : 리튬 이온 2차 전지
11 : 전압 센서(전위차 검출 수단)
12 : 컨트롤러(판단 수단, 방전 제어 수단)
13 : 전류 센서
14 : 인버터
15 : 모터
20 : 발전 요소
21 : 외장재
30 : 단전지층
31 : 정극 활물질층
32 : 부극 활물질층
33 : 집전체
34 : 전해질층
35 : 적층형 전지용 전극

Claims (4)

  1. 방전 커브에서 제1 평탄부와 제2 평탄부를 갖는 재료를 갖는 정극과, 방전에 의해 상기 정극이 상기 제1 평탄부의 종점에 이르렀을 때 용량이 잔존하는 부극을 갖는 리튬 이온 2차 전지와,
    상기 정극과 상기 부극의 전위차를 검출하는 전위차 검출 수단과,
    상기 전위차 검출 수단이 검출한 상기 전위차가 소정값으로 되었을 때, 상기 리튬 이온 2차 전지의 방전이 더 필요한지 여부를 판단하는 판단 수단과,
    상기 판단 수단이 방전이 더 필요하다고 판단했을 때, 또는 사람에 의한 방전의 지시가 있을 때에는 상기 정극의 상기 제2 평탄부를 사용하여 방전을 행하고, 상기 판단 수단이 상기 방전이 필요하지 않다고 판단했을 때, 또는 사람에 의한 방전의 지시가 없을 때에는 방전을 종료하는 방전 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 자동차의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부극은 방전에 의해 상기 정극이 상기 제1 평탄부의 종점에 이르렀을 때 용량이 잔존하도록 리튬이 프리 도프된 것을 특징으로 하는, 전기 자동차의 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 부극은 방전에 의해 상기 정극이 상기 제2 평탄부의 종점에 이르렀을 때 용량이 잔존하는 것을 특징으로 하는, 전기 자동차의 제어 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 부극은 방전에 의해 상기 정극이 상기 제2 평탄부의 종점에 이르렀을 때 용량이 잔존하도록 리튬이 프리 도프된 것을 특징으로 하는, 전기 자동차의 제어 장치.
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