KR20170100526A

KR20170100526A - 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법 및 그 충전 제어 시스템, 및 그 충전 제어 시스템을 구비한 전자기기 및 전지 팩

Info

Publication number: KR20170100526A
Application number: KR1020177017171A
Authority: KR
Inventors: 히로카즈 노무라; 구니히코 고야마
Original assignee: 히다치 막셀 가부시키가이샤
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-09-04
Also published as: JP2016123251A; JP6355552B2; WO2016104163A1; CN107112791A; US10320038B2; US20180013179A1

Abstract

본 발명의 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법은, 제 1 단계와 제 2 단계를 구비하고, 상기 제 1 단계에 있어서, 상기 리튬 이온 이차 전지의 충전율이 0％ 이상 40％ 미만의 영역에 있어서의 평균 충전 전류값을 A, 상기 충전율이 40％ 이상 60％ 이하의 영역에서의 평균 충전 전류값을 B, 상기 충전율이 60％를 초과하는 영역에서의 평균 충전 전류값을 C라고 하면, A>B, 또한, B<C의 관계가 성립되고, 상기 제 1 단계에 있어서, 충전 전류값의 최대값을 C_MAX라고 하고, 충전 전류값의 최소값을 C_MIN이라고 하면, C_MAX와 C_MIN의 비율 C_MAX/C_MIN이, 1.01 이상 3.00 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

리튬 이온 이차 전지의 충전 방법 및 그 충전 제어 시스템, 및 그 충전 제어 시스템을 구비한 전자기기 및 전지 팩{CHARGING METHOD FOR LITHIUM ION SECONDARY CELL AND CHARGING CONTROL SYSTEM THEREFOR, AND ELECTRONIC APPARATUS AND CELL PACK HAVING CHARGING CONTROL SYSTEM}

본 발명은, 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법 및 그 충전 제어 시스템, 및 그 충전 제어 시스템을 구비한 전자기기 및 전지 팩에 관한 것이다.

비수전해질 이차 전지의 일종인 리튬 이온 이차 전지는, 고전압·고용량인 점에서 넓은 범위에 사용되고, 보다 유효하게 사용하기 위해, 그 충전 방법에 대해서도 여러 가지 개량이 행해지고 있다. 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법으로서는, 일반적으로 정(定)전류 정전압(CCCV) 충전이 이용된다.

CCCV 충전은, 도 6에 나타내는 바와 같이 행해진다. 도 6에 있어서, 가로축은 시간, 세로축은 전압, 전류, 온도를 나타낸다. 도 6에는, 전류를 도시하는 바와 같이 제어하여 충전을 행했을 때의, 전압 및 온도의 변화가 나타나 있다. 충전 초기에는 우선 정전류(CC) 충전을 행한다. 즉, 완전 충전 상태의 전지를 1시간에 방전 가능한 전류값을 1C로 할 때, 예를 들면 0.7∼1C 정도의 정전류로 충전을 행한다. 충전에 수반하여 전압이 상승하고, 소정의 설정 전압 V_C, 예를 들면 4.2V에 도달할 때까지는, CC 충전을 계속한다. 설정 전압 V_C에 도달했을 때에 정전압(CV) 충전으로 전환하여, 설정 전압 V_C를 유지하도록 충전 전류를 감소시키면서 충전을 행한다.

최근, 충전을 단시간에 실현하기 위해, CCCV 충전에 있어서는, CC 충전시의 전류를 가능한 한 크게 하는 것이 요구되고 있다. 충전량은, 충전 전류와 시간을 적산한 값이기 때문에, 충전 전류를 증대시켜서 행하는 방법은, 충전 시간의 단축을 위해서는 유효하다. 그러나, 충전에는 발열이 수반되고, 그 발열량은 전류의 증가에 따라 커진다. 또한, 리튬 이온 이차 전지는, 고온 환경하에서 충전을 행하면, 충방전 사이클 특성이 저하되는 것이 알려져 있다. 이 때문에, 전지 특성을 저하시키지 않는 급속 충전 방법이 여러 가지 제안되고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 처음에 정전류로 규정 충전 전압까지 충전을 행한 후, 충전 전류를 순차 저감시키면서 단계적으로 충전을 행함으로써, 전지 전압이 높은 비수전해액 이차 전지에 대하여, 양호한 사이클 특성을 유지하면서 급속 충전이 가능한 충전 방법이 제안되고 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 충전 전류를 1CA보다도 충분히 큰 값으로부터 개시하고, 단계적으로 충전 전류를 저감함으로써, 리튬 이온 전지의 내구성을 확보하면서 단시간에 행할 수 있는 충전 방법이 제안되고 있다.

또한, 특허문헌 3에는, 충전 전의 전지 전압 및 전지 표면 온도를 측정하고, 전지 전압이 충전 심도 50％ 이하의 전지 전압이고, 또한 전지 표면 온도가 0℃ 이상 60℃ 이하의 경우에, 소정의 전류값으로 정전류 충전을 행하고, 그 후에 그 전류값보다도 작은 전류값으로 정전류 정전압 충전을 행함으로써, 단시간에 충분한 방전 용량을 확보하면서, 사이클 특성을 유지할 수 있는 충전 방법이 제안되고 있다.

또한, 특허문헌 4에는, 충전 전압 및 충전 전류를 전지에 인가하기 위한 특정의 가변 충전 프로파일을 이용함으로써, 사이클 수명으로의 급속 충전의 영향을 억제·배제하면서, 리튬 이온 전지의 충전 시간을 더욱 단축할 수 있는 충전 시스템이 제안되고 있다.

한편, 최근에는, 리튬 이온 이차 전지의 충전 상태와, 부극에 있어서의 리튬 이온의 확산 계수의 관계가 명확해지고 있다(비특허문헌 1). 여기에서, 부극에 있어서의 리튬 이온의 확산 계수는, 부극에 있어서의 리튬 이온의 이동의 용이함을 나타내는 물리 상수이며, 부극 활물질의 종류에 의해 결정되는 것이다. 비특허문헌 1의 도 5에는, 부극 활물질로서 흑연을 이용한 경우의 충전 상태와 리튬 이온의 확산 계수의 관계가 나타나 있다. 비특허문헌 1의 도 5에 의하면, 흑연 부극에서는, 충전 상태에 따라 리튬 이온의 확산 계수가 상이한 것을 알 수 있다.

통상, 리튬 이온 이차 전지의 충전시의 리튬 이온의 이동은, 부극측이 율속(律速)되어 있어, 충전 시간을 단축하기 위해 충전 전류를 증대시켜도 부극의 리튬 이온의 받아 들임 능력을 초과하면 충전 효율이 저하되고, 전지의 발열량이 증가하여 전지 특성의 저하로 연결된다. 여기에서, 부극의 리튬 이온의 받아 들임 능력은, 부극에 있어서의 리튬 이온의 확산 계수에 의존한다고 생각된다. 따라서, 부극에 있어서의 리튬 이온의 확산 계수를 고려한 충전 방법을 개발할 수 있으면 효율적이고 전지 특성을 저하시키지 않는 충전 방법을 제안할 수 있는 가능이 있다.

일본국 공개특허 특개평7-296853호 공보 일본국 공개특허 특개2005-185060호 공보 일본국 공개특허 특개2009-158142호 공보 일본국 공개특허 특개2011-24412호 공보

J. Phys. Chem. B 1997, 101, 4641-4647

그러나, 특허문헌 1∼4에 나타내는 바와 같이, 부극에 있어서의 리튬 이온의 확산 계수를 고려한 충전 방법은 종래로부터 제안되어 있지 않다.

본 발명은, 상기 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 부극에 있어서의 리튬 이온의 확산 계수를 고려한 충전 방식을 제공하는 것이다.

본 발명의 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법은, 소정의 설정 전압까지는 충전 전류를 증감시켜서 충전하는 제 1 단계와, 상기 설정 전압에 도달한 후에는, 정전압으로 충전하여, 상기 설정 전압을 유지하도록 충전 전류를 감소시키면서 충전하는 제 2 단계를 포함하는 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법으로서, 상기 제 1 단계에 있어서, 상기 리튬 이온 이차 전지의 충전율이 0％ 이상 40％ 미만의 영역에 있어서의 평균 충전 전류값을 A, 상기 충전율이 40％ 이상 60％ 이하의 영역에서의 평균 충전 전류값을 B, 상기 충전율이 60％를 초과하는 영역에서의 평균 충전 전류값을 C라고 하면, A>B, 또한, B<C의 관계가 성립되고, 상기 제 1 단계에 있어서, 충전 전류값의 최대값을 C_MAX라고 하고, 충전 전류값의 최소값을 C_MIN이라고 하면, C_MAX와 C_MIN의 비율 C_MAX/C_MIN이, 1.01 이상 3.00 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 리튬 이온 이차 전지의 충전 제어 시스템은, 소정의 설정 전압까지는 충전 전류를 증감시켜서 충전하는 제 1 단계와, 상기 설정 전압에 도달한 후에는, 정전압으로 충전하여, 상기 설정 전압을 유지하도록 충전 전류를 감소시키면서 충전하는 제 2 단계를 포함하는 충전 알고리즘을 구비한 리튬 이온 이차 전지의 충전 제어 시스템으로서, 상기 제 1 단계에 있어서, 상기 리튬 이온 이차 전지의 충전율이 0％ 이상 40％ 미만의 영역에 있어서의 평균 충전 전류값을 A, 상기 충전율이 40％ 이상 60％ 이하의 영역에서의 평균 충전 전류값을 B, 상기 충전율이 60％를 초과하는 영역에서의 평균 충전 전류값을 C라고 하면, A>B, 또한, B<C의 관계가 성립되고, 상기 제 1 단계에 있어서, 충전 전류값의 최대값을 C_MAX라고 하고, 충전 전류값의 최소값을 C_MIN이라고 하면, C_MAX와 C_MIN의 비율 C_MAX/C_MIN이, 1.01 이상 3.00 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 전자기기는, 상기 본 발명의 리튬 이온 이차 전지의 충전 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 전지 팩은, 상기 본 발명의 리튬 이온 이차 전지의 충전 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 충전 중의 전지의 발열을 억제하고, 고효율로의 충전을 가능하게 하고, 전지 특성을 저하시키지 않고 충전 시간의 단축화를 도모할 수 있는 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법 및 그 충전 제어 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 충전 방법의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 충전 알고리즘을 나타내는 플로우 차트이다.
도 3은, 실시예 1의 전지의 충전율과, 충전 전류 및 전지 온도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는, 비교예 1의 전지의 충전율과, 충전 전류 및 전지 온도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는, 비교예 6의 전지의 충전율과, 충전 전류 및 전지 온도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은, 종래의 일반적인 정전류 정전압(CCCV) 충전의 일 예를 나타내는 도면이다.

(본 발명의 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법)

본 발명의 발명자는, 흑연 부극의 충전 상태(SOC)와, 흑연 부극에 있어서의 리튬 이온의 확산 계수의 관계를 상세하게 검토한 결과, 흑연 부극의 리튬 이온의 확산 계수는, 충전율이 0％ 이상 40％ 미만의 영역에서 최대값을 나타내고, 충전율이 40％ 이상 60％ 이하의 영역에서 최소값을 나타내고, 충전율이 60％를 초과하는 영역에서는 상기 최대값과 상기 최소값의 중간값을 나타내는 것을 발견했다.

그래서, 본 발명자는, 종래의 CCCV 충전의 CC 충전 영역의 충전 방식을 개선하여, 상기 충전율의 영역마다 충전 전류를 증감시키는 충전 방법을 채용함으로써, 충전 중의 전지의 발열을 억제하고, 고효율로의 충전을 가능하게 하고, 전지 특성을 저하시키지 않고 충전 시간의 단축화를 도모할 수 있는 본 발명의 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법을 완성시켰다.

즉, 본 발명의 티움 이온 이차 전지의 충전 방법(이하, 본 발명의 충전 방법이라고 한다.)은, 소정의 설정 전압까지는 충전 전류를 증감시켜서 충전하는 제 1 단계와, 상기 설정 전압에 도달한 후에는, 정전압으로 충전하여, 상기 설정 전압을 유지하도록 충전 전류를 감소시키면서 충전하는 제 2 단계를 구비하고 있다. 또한, 상기 제 1 단계에 있어서, 상기 리튬 이온 이차 전지의 충전율이 0％ 이상 40％ 미만의 영역에 있어서의 평균 충전 전류값을 A, 상기 충전율이 40％ 이상 60％ 이하의 영역에서의 평균 충전 전류값을 B, 상기 충전율이 60％를 초과하는 영역에서의 평균 충전 전류값을 C라고 하면, A>B, 또한, B<C의 관계가 성립되고, 또한, 상기 제 1 단계에 있어서, 충전 전류값의 최대값을 C_MAX라고 하고, 충전 전류값의 최소값을 C_MIN이라고 하면, C_MAX와 C_MIN의 비율 C_MAX/C_MIN이, 1.01 이상 3.00 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 충전 방법은, 상기 제 1 단계를 구비하고 있기 때문에, 부극의 리튬 이온의 확산 계수가 가장 큰 영역, 즉, 충전율이 0％ 이상 40％ 미만의 영역에 있어서의 평균 충전 전류값 A, 및, 부극의 리튬 이온의 확산 계수가 다음으로 큰 영역, 즉, 충전율이 60％를 초과하는 영역에 있어서의 평균 충전 전류값 C보다도, 부극의 리튬 이온의 확산 계수가 가장 작은 영역, 즉, 충전율이 40％ 이상 60％ 이하의 영역에 있어서의 평균 충전 전류값 B를 작게 하고 있기 때문에, 충전에 의한 전지의 발열을 최소한으로 하여, 고효율의 충전을 행할 수 있다. 이에 따라, 전지의 충방전 사이클 특성 등의 전지 특성을 저하시키지 않고 충전 시간의 단축화를 도모할 수 있다.

여기에서, 충전율은, 완전 방전 상태의 전지의 충전율을 0％라고 하고, 완전 충전 상태의 전지의 충전율을 100％라고 하여, 충전율 100％의 시점에서의 충전 전류와 충전 시간을 적산한 값인 총충전량에 대한 충전량 비율을 의미한다. 또한, 상기 충전율은, 완전 방전 상태의 전지의 충전을 시판의 잔량 표시 IC를 이용하여 모니터함으로써 정확하게 측정할 수 있다.

상기 제 1 단계에 있어서는, 상기 충전율이 40％ 이상 60％ 이하의 영역에 충전 전류값의 최소값 C_MIN이 설정되게 된다. 단, 충전 중에 있어서의 어떠한 장해를 제거하기 위해, 예를 들면, 충전율이 0％ 이상 40％ 미만의 영역에 있어서 충전 전류값을 일시적으로 저하시키는 공정을 설정하여, 충전 전류값의 최소값이 충전율이 0％ 이상 40％ 미만의 영역에 존재하는 것이 되어도, 상기의 A>B, 또한, B<C의 관계는 성립되는 것이다.

또한, 상기 제 1 단계에 의한 충전 개시시의 전지의 충전율이 40％ 이상 60％ 이하인 경우, 즉 완전 방전 상태가 아닌 전지를 충전하는 경우에는, B<C의 관계만을 성립시키면 된다. 실용상, 완전 방전 상태가 아닌 전지의 충전율은, 그 전지의 전압으로부터 추정할 수 있다. 즉, 미리 동일 사양의 완전 방전 상태의 전지에 대해서 구한 전지 전압과 충전율의 관계를 측정한 후에, 이 관계에 완전 방전 상태가 아닌 전지의 전압을 적용함으로써, 완전 방전 상태가 아닌 전지의 충전율을 추정할 수 있다. 충전 개시시의 전지의 충전율을 검출함으로써, 평균 충전 전류값 A로 충전하는 공정을 생략할 수 있는 경우, 또는, 평균 충전 전류값 A로 충전하는 시간을 짧게 할 수 있는 경우가 있으며, 이에 따라 추가로 전체의 충전 시간을 단축시킬 수 있다.

또한, 상기 C_MAX는, 0.4C 이상 4.0C 이하인 것이 바람직하고, 상기 C_MIN은, 0.2C 이상 2.0C 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라, 보다 효율적으로 충전을 행할 수 있다.

본 발명의 충전 방법은, 부극에 이용하는 부극 활물질이 흑연만으로 이루어지는 경우에 가장 적절하게 적용할 수 있지만, 부극 활물질이 적어도 흑연을 포함하고 있으면, 본 발명의 충전 방법을 적용할 수 있다. 또한, 상기 부극 활물질이 흑연을 40질량％ 이상 포함하고 있으면, 본 발명의 충전 방법을 보다 적절하게 적용할 수 있다. 상기 부극 활물질에 포함되는 흑연의 양에 따라, 전지의 충전율과 리튬 이온의 확산 계수의 관계는 다소 변화하지만, 부극 전체의 리튬 이온의 확산 계수는, 흑연의 리튬 이온의 확산 계수에 크게 영향받기 때문이다.

상기 부극에 이용할 수 있는 흑연 이외의 부극 활물질로서는, 예를 들면, 실리콘(Si)을 포함하는 부극 재료를 들 수 있다. 또한, 상기 부극 재료로서는, Si의 초미립자가 SiO₂ 중에 분산된 구조를 가지는 복합 재료(SiO_x)를 이용할 수 있다. 상기 복합 재료(SiO_x)에 있어서, Si에 대한 산소의 원자비 x는, 통상 0.5≤x≤1.5이다. 또한, 상기 복합 재료를 추가로 탄소로 피복한 복합 재료(SiO_x-C)로 할 수도 있다.

다음으로, 본 발명의 충전 방법을 도면에 의거하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 충전 방법의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 1에 있어서, 가로축은 충전율(％), 세로축은 충전 전압, 충전 전류를 나타낸다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 충전 방법은, 소정의 설정 전압 V_C까지는 충전 전류를 증감시켜서 충전하는 제 1 단계와, 설정 전압 V_C에 도달한 후에는, 정전압으로 충전하여, 설정 전압 V_C를 유지하도록 충전 전류를 감소시키면서 충전하는 제 2 단계를 구비하고 있다. 또한, 제 1 단계에 있어서, 리튬 이온 이차 전지의 충전율이 0％ 이상 40％ 미만의 영역에 있어서의 평균 충전 전류값을 A, 상기 충전율이 40％ 이상 60％ 이하의 영역에서의 평균 충전 전류값을 B, 상기 충전율이 60％를 초과하는 영역에서의 평균 충전 전류값을 C라고 하면, A>B, 또한, B<C의 관계가 성립되고, 또한, 상기 제 1 단계에 있어서, 충전 전류값의 최대값을 C_MAX라고 하고, 충전 전류값의 최소값을 C_MIN이라고 하면, C_MAX와 C_MIN의 비율 C_MAX/C_MIN이, 1.01 이상 3.00 이하가 되도록 충전 전류값이 설정되어 있다.

설정 전압 V_C는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 4.2∼4.5V로 설정할 수 있고, 추가로 충전 용량을 증가시켜 전지의 에너지 밀도를 향상하는 관점에서 4.6V 이상이 되는 경우도 있다. 또한, 도 1에서는, 제 1 단계가 종료되고 제 2 단계(CV 충전)를 개시하는 시점의 충전율을 80％로 하고 있지만, 이것으로 한정되지 않고, 제 2 단계(CV 충전)를 개시하는 시점의 충전율은 70∼90％로 설정할 수 있다.

본 발명의 충전 방법에 있어서는, 상기 제 1 단계가 종료되고, 상기 제 2 단계로 이행한 후의 동작은, 종래의 CCCV 충전과 동일하다.

본 발명의 충전 방법에 의한 충전 시간은, 리튬 이온 이차 전지의 용량에 의해 변화하지만, 통상, 0.5∼2시간 정도이다. 상기 충전은, 전지의 충전율이 100％에 도달했을 때에 종료하지만, 그 때의 전류값은 전형적으로는 0.1C 이하이다.

본 발명의 충전 방법에 이용되는 충전 장치는, 본 발명의 충전 방법을 실시할 수 있으면 특별히 한정되지 않지만, 후술하는 본 발명의 리튬 이온 이차 전지의 충전 제어 시스템을 구비한 것이 바람직하다.

(본 발명의 리튬 이온 이차 전지의 충전 제어 시스템)

본 발명의 리튬 이온 이차 전지의 충전 제어 시스템(이하, 본 발명의 충전 제어 시스템이라고 한다.)은, 소정의 설정 전압까지는 충전 전류를 증감시켜서 충전하는 제 1 단계와, 상기 설정 전압에 도달한 후에는, 정전압으로 충전하여, 상기 설정 전압을 유지하도록 충전 전류를 감소시키면서 충전하는 제 2 단계를 포함하는 충전 알고리즘을 구비하고 있다. 또한, 상기 제 1 단계에 있어서, 상기 리튬 이온 이차 전지의 충전율이 0％ 이상 40％ 미만의 영역에 있어서의 평균 충전 전류값을 A, 상기 충전율이 40％ 이상 60％ 이하의 영역에서의 평균 충전 전류값을 B, 상기 충전율이 60％를 초과하는 영역에서의 평균 충전 전류값을 C라고 하면, A>B, 또한, B<C의 관계가 성립되고, 또한, 상기 제 1 단계에 있어서, 충전 전류값의 최대값을 C_MAX라고 하고, 충전 전류값의 최소값을 C_MIN이라고 하면, C_MAX와 C_MIN의 비율 C_MAX/C_MIN이, 1.01 이상 3.00 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 충전 제어 시스템은, 전술의 본 발명의 충전 방법을 실시하기 위한 충전 알고리즘을 구비하고 있기 때문에, 충전에 의한 전지의 발열을 최소한으로 하여, 고효율의 충전을 행할 수 있다. 이에 따라, 전지의 충방전 사이클 특성 등의 전지 특성을 저하시키지 않고 충전 시간의 단축화를 도모할 수 있다.

상기 충전 알고리즘은, 실질적으로는 전술의 본 발명의 충전 방법의 내용과 동일하다. 도 2에, 상기 충전 알고리즘을 나타내는 플로우 차트를 나타낸다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 충전이 시작되면, 우선 전지의 충전율을 검출한다(단계 S1). 다음으로, 검출된 충전율이 40％ 미만인지 여부를 판정한다(단계 S2). 충전율이 40％ 미만의 경우(단계 S2: Yes)에는, 단계 3으로 이동하여 평균 충전 전류값 A로 충전을 행한다. 충전율이 40％에 도달하면(단계 4: Yes), 평균 충전 전류값 B로 충전을 행한다(단계 5). 충전율이 60％에 도달하면(단계 6: Yes), 평균 충전 전류값 C로 충전을 행한다(단계 7). 이에 수반하여, 충전 전압이 정전압 설정값 V_C에 도달하면(단계 8: Yes), 단계 9로 이동하여 정전압 설정값 V_C로 CV 충전을 행한다. 이에 수반하여, 충전율이 100％에 도달하면(단계 10: Yes), 단계 11로 이동하여 충전 전류를 차단하고, 충전이 완료된다. 단, 도 2에는 나타내고 있지 않지만, 정전압 설정값 V_C에 도달할 때까지의 충전 전류값의 최대값을 C_MAX라고 하고, 그 충전 전류값의 최소값을 C_MIN이라고 하면, C_MAX와 C_MIN의 비율 C_MAX/C_MIN은, 1.01 이상 3.00 이하로 설정되어 있다.

본 발명의 충전 제어 시스템은 상기 충전 알고리즘을 구비하고 있으면, 그 구체적 형태는 상관없지만, 예를 들면, 리튬 이온 이차 전지를 충전하는 충전 장치를 포함하고, 상기 충전 장치는, 충전 전류 및 충전 전압을 전지에 인가하기 때문에, 상기 충전 알고리즘을 이용하여 충전을 행하는 회로를 포함하는 형태를 들 수 있다.

본 발명의 충전 제어 시스템의 다른 형태로서는, 리튬 이온 이차 전지를 충전하는 충전 장치를 제어하는 전자 시스템을 들 수 있다. 상기 전자 시스템에는, 각종 하드웨어, 예를 들면, 중앙 처리 장치(CPU), 마이크로 프로세서, 마이크로 컨트롤러, 시스템·온·칩(SOC) 등이 포함된다. 또한, 상기 전자 시스템으로서는, 상기 충전 알고리즘에 의거하여 프로그램된 컴퓨터 시스템도 포함된다.

(본 발명의 전자기기)

본 발명의 전자기기는, 상기 본 발명의 충전 제어 시스템을 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 전자기기는, 상기 본 발명의 충전 제어 시스템을 구비하고 있으면, 그 구체적 형태는 상관없지만, 예를 들면, 상기 본 발명의 충전 제어 시스템을 구비한 각종의 모바일 기기 등이 해당된다.

(본 발명의 전지 팩)

본 발명의 전지 팩은, 상기 본 발명의 충전 제어 시스템을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 전지 팩은, 상기 본 발명의 충전 제어 시스템을 구비하고 있으면, 그 구체적 형태는 상관없지만, 예를 들면, 리튬 이온 이차 전지와, 상기 본 발명의 충전 제어 시스템과, PTC 소자와, 보호 회로 등을 구비한 전지 팩을 들 수 있다.

실시예

이하, 실시예에 의해 본 발명을 상세하게 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

우선, 이하와 같이 하여 리튬 이온 이차 전지를 제조했다.

<정극의 제조>

정극 활물질인 LiCoO₂:96.5질량부와, 바인더인 폴리불화 비닐리덴(PVDF)을 10질량％의 농도로 포함하는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 용액: 20질량부와, 도전조제인 아세틸렌 블랙: 1.5질량부를, 이축 혼련기를 이용하여 혼련하고, 추가로 NMP를 더하여 점도를 조절하여, 정극 합제 함유 페이스트를 조제했다.

상기 정극 합제 함유 페이스트를, 두께가 12㎛의 알루미늄박(정극 집전체)의 양면에 도포한 후, 120℃에서 12시간의 진공 건조를 행하여, 알루미늄박의 양면에 정극 합제층을 형성했다. 그 후, 프레스 처리를 행하여, 정극 합제층의 두께 및 밀도를 조절하고, 알루미늄박의 노출부에 니켈제의 리드체를 용접하여, 길이 640㎜, 폭 65㎜의 띠 형상의 정극을 제조했다. 얻어진 정극에 있어서의 정극 합제층은, 편면당의 두께는 65㎛이었다.

<부극의 제조>

평균 입자경 D50％가 22㎛, 면 간격 d₀₀₂가 0.338㎚이고, BET법에 의한 비표면적이 3.8㎡/g인 흑연 A(표면을 비정질 탄소로 피복하고 있지 않은 흑연)와, 평균 입자경 D50％가 18㎛, 면 간격 d₀₀₂가 0.336㎚이고, BET법에 의한 비표면적이 3.9㎡/g인 흑연 B(흑연으로 이루어지는 모(母)입자의 표면을 비정질 탄소로 피복한 흑연)를, 30:70의 질량비로 혼합한 혼합물: 98질량부, 바인더인 카르복시메틸셀룰로오스(CMC): 1.0질량부 및 스티렌·부타디엔 러버(SBR): 1.0질량부를, 이온 교환수와 혼합하여, 수계의 부극 합제 함유 페이스트를 조제했다.

상기 부극 합제 함유 페이스트를, 두께가 6㎛의 구리박(부극 집전체)의 양면에 도포한 후, 100℃에서 12시간의 진공 건조를 행하여, 구리박의 양면에 부극 합제층을 형성했다. 그 후, 프레스 처리를 행하여, 부극 합제층의 두께 및 밀도를 조절하고, 구리박의 노출부에 니켈제의 리드체를 용접하고, 길이 640㎜, 폭 66㎜의 띠 형상의 부극을 제조했다. 얻어진 부극에 있어서의 부극 합제층은, 편면당의 두께는 70㎛이었다.

<비수 전해액의 조제>

에틸렌카보네이트(EC)와 디에틸카보네이트(DEC)의 용적비 3:7의 혼합물에, 비닐렌카보네이트를 3질량％ 용해시킨 용액에, LiPF₆을 1㏖/L의 농도로 용해시켜 비수 전해액을 조제했다.

<전지의 조립>

상기 띠 형상의 정극을, 폴리에틸렌(PE)제의 세퍼레이터(두께 12㎛)를 개재하여 상기 띠 형상의 부극에 겹치고, 소용돌이 형상으로 권회한 후, 편평 형상이 되도록 가압하여 편평 형상 권회 구조의 전극 권회체를 제조했다. 이 전극 권회체를 폴리프로필렌제의 절연 테이프로 고정했다. 다음으로, 외형 치수가 두께 5.5㎜, 폭 51㎜, 높이 72㎜의 알루미늄 합금제의 각형의 전지 케이스에 상기 전극 권회체를 삽입하고, 리드체의 용접을 행함과 함께, 알루미늄 합금제의 덮개판을 전지 케이스의 개구 단부에 용접했다. 그 후, 덮개판에 설치한 주입구로부터 상기 비수 전해액을 주입하고, 1시간 정치한 후에 주입구를 봉지하여, 리튬 이온 이차 전지를 얻었다.

<충전 공정>

다음으로, 제조한 리튬 이온 이차 전지를 표 1 및 표 2에 나타낸 실시예 1∼4 및 비교예 1∼7의 충전 방법에 의해 충전했다. 즉, 각 전지를 설정 전압 V_C까지는 충전 전류를 증감시켜서 충전하고(제 1 단계), 설정 전압 V_C에 도달한 후에는 CV 충전을 행했다(제 2 단계). 단, 편의상, 충전율이 70％에 도달한 단계의 충전 전압을 설정 전압 V_C로 했다.

또한, 표 1 및 표 2에서는, 각 충전율의 범위에 있어서의 충전 전류와, 충전율이 0％ 이상 40％ 미만의 범위에서의 평균 충전 전류값 A, 충전율이 40％ 이상 60％ 이하의 범위에서의 평균 충전 전류값 B, 충전율이 60％를 초과한 범위에서의 평균 충전 전류값 C와, 상기 제 1 단계에 있어서의 충전 전류값의 최대값 C_MAX와 충전 전류값의 최소값 C_MIN의 비율 C_MAX/C_MIN을 나타냈다. 또한, 표 1 및 표 2에는, C 레이트로 표시한 C_MAX 및 C_MIN의 값도 나타냈다. 표 1 및 표 2에서는, 충전 전류의 단위는 모두 암페어(A)로 했다.

<충전 방법의 평가>

상기 충전 공정에 있어서의 각 전지의 표면의 최대 온도(이하, 단순히 최대 온도라고 한다.)를 측정했다. 또한, 각 전지의 충전 개시로부터 충전율이 80％에 도달할 때까지의 시간(이하, 80％ 도달 시간이라고 한다.), 전지의 충전 개시로부터 충전율이 90％에 도달할 때까지의 시간(이하, 90％ 도달 시간이라고 한다.)을 측정했다.

<전지의 평가>

실시예 1∼4 및 비교예 1∼7의 각 전지에 대해서, 온도 23℃의 분위기 하에서, 각각 실시예 1∼4 및 비교예 1∼7의 충전 방법에 의한 충전(설정 전압 V_C: 4.35V, 충전 종지 전류: 0.1A)을 행한 후, 1C(3.0A)에 의한 정전류 방전(종지 전압: 2.75V)을 행하고, 이 충방전을 1사이클로 하여, 500사이클 충방전을 반복하고, 하기식에 의해 용량 유지율을 산출했다.

용량 유지율(％)＝(500사이클째의 방전 용량/1사이클째의 방전 용량)×100

상기 각 평가의 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다. 또한, 도 3에 실시예 1의 전지의 충전율과, 충전 전류 및 전지 온도의 관계를 나타내고, 도 4에 비교예 1의 전지의 충전율과, 충전 전류 및 전지 온도의 관계를 나타내고, 도 5에 비교예 6의 전지의 충전율과, 충전 전류 및 전지 온도의 관계를 나타냈다.

표 3 및 표 4로부터, 실시예 1∼4에서는, 최대 온도는 모두 36℃를 하회하고, 80％ 도달 시간은 모두 49분을 하회하고, 90％ 도달 시간은 모두 60분을 하회하고, 용량 유지율은 모두 83％ 이상이 된 것을 알 수 있다. 즉, 실시예 1∼4에서는, 충전 중의 전지의 발열을 억제하고, 고효율로의 충전을 가능하게 하고, 전지 특성을 저하시키지 않고 충전 시간의 단축화를 도모할 수 있는 것을 알 수 있다.

한편, 평균 충전 전류값 B(이하, 전류값 B라고 한다.)가 평균 충전 전류값 A (이하, 전류값 A라고 한다.) 및 평균 충전 전류값 C(이하, 전류값 C라고 한다.)보다 큰 비교예 1, 전류값 B가 전류값 C보다 큰 비교예 2 및 3에서는, 최대 온도는 모두 41℃를 초과하고, 용량 유지율은 모두 75％ 이하가 되었다. 또한, 전류값 B가 전류값 A보다 큰 비교예 4에서는, 80％ 도달 시간이 49분을 초과하고, 90％ 도달 시간이 62분을 초과하고, 용량 유지율이 78％가 되고, C_MAX/C_MIN이 3.00을 초과한 비교예 5에서는, 최대 온도가 39℃를 초과하고, 용량 유지율이 78％가 되었다. 또한, 종래의 표준의 CCCV 충전을 행한 비교예 6에서는, 80％ 도달 시간이 49분을 초과하고, 90％ 도달 시간이 62분을 초과했다. 또한, 종래의 표준의 CCCV 충전보다 충전 전류를 크게 한 비교예 7에서는, 최대 온도가 41℃를 초과하고, 용량 유지율이 74％가 되었다. 즉, 비교예 1∼7에서는, 최대 온도, 80％ 도달 시간, 90％ 도달 시간 및 용량 유지율의 적어도 1항목에 있어서, 실시예 1∼4보다 뒤떨어지는 것을 알 수 있다.

본 발명의 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법 및 충전 제어 시스템에 의하면, 전지의 온도 상승을 억제하면서, 효율적으로 충전을 행하는 것이 가능해지고, 각종 모바일 기기 등에 탑재된 모든 용도의 리튬 이온 이차 전지의 충전에 유효하다.

Claims

소정의 설정 전압까지는 충전 전류를 증감시켜서 충전하는 제 1 단계와, 상기 설정 전압에 도달한 후에는, 정전압으로 충전하여, 상기 설정 전압을 유지하도록 충전 전류를 감소시키면서 충전하는 제 2 단계를 포함하는 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법으로서,
상기 제 1 단계에 있어서, 상기 리튬 이온 이차 전지의 충전율이 0％ 이상 40％ 미만의 영역에 있어서의 평균 충전 전류값을 A, 상기 충전율이 40％ 이상 60％ 이하의 영역에서의 평균 충전 전류값을 B, 상기 충전율이 60％를 초과하는 영역에서의 평균 충전 전류값을 C라고 하면, A>B, 또한, B<C의 관계가 성립되고,
상기 제 1 단계에 있어서, 충전 전류값의 최대값을 C_MAX라고 하고, 충전 전류값의 최소값을 C_MIN이라고 하면, C_MAX와 C_MIN의 비율 C_MAX/C_MIN이, 1.01 이상 3.00 이하인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 단계에 있어서, 상기 충전율이 40％ 이상 60％ 이하의 영역에 상기 C_MIN이 설정되어 있는 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 C_MAX가, 0.4C 이상 4.0C 이하이고, 상기 C_MIN이, 0.2C 이상 2.0C 이하인 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 리튬 이온 이차 전지의 부극이, 부극 활물질로서 흑연을 포함하는 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 부극 활물질이, 상기 흑연을 40질량％ 이상 포함하는 리튬 이온 이차 전지의 충전 방법.
소정의 설정 전압까지는 충전 전류를 증감시켜서 충전하는 제 1 단계와, 상기 설정 전압에 도달한 후에는, 정전압으로 충전하여, 상기 설정 전압을 유지하도록 충전 전류를 감소시키면서 충전하는 제 2 단계를 포함하는 충전 알고리즘을 구비한 리튬 이온 이차 전지의 충전 제어 시스템으로서,
상기 제 1 단계에 있어서, 상기 리튬 이온 이차 전지의 충전율이 0％ 이상 40％ 미만의 영역에 있어서의 평균 충전 전류값을 A, 상기 충전율이 40％ 이상 60％ 이하의 영역에서의 평균 충전 전류값을 B, 상기 충전율이 60％를 초과하는 영역에서의 평균 충전 전류값을 C라고 하면, A>B, 또한, B<C의 관계가 성립되고,
상기 제 1 단계에 있어서, 충전 전류값의 최대값을 C_MAX라고 하고, 충전 전류값의 최소값을 C_MIN이라고 하면, C_MAX와 C_MIN의 비율 C_MAX/C_MIN이, 1.01 이상 3.00 이하인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 이차 전지의 충전 제어 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 단계에 있어서, 상기 충전율이 40％ 이상 60％ 이하의 영역에 상기 C_MIN을 설정하는 리튬 이온 이차 전지의 충전 제어 시스템.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 C_MAX가, 0.4C 이상 4.0C 이하이고, 상기 C_MIN이, 0.2C 이상 2.0C 이하인 리튬 이온 이차 전지의 충전 제어 시스템.
제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 리튬 이온 이차 전지의 충전 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기기.
제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 리튬 이온 이차 전지의 충전 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 팩.