KR20230074690A - 가요성을 갖는 축전지 및 전자 기기 - Google Patents

가요성을 갖는 축전지 및 전자 기기 Download PDF

Info

Publication number
KR20230074690A
KR20230074690A KR1020230065757A KR20230065757A KR20230074690A KR 20230074690 A KR20230074690 A KR 20230074690A KR 1020230065757 A KR1020230065757 A KR 1020230065757A KR 20230065757 A KR20230065757 A KR 20230065757A KR 20230074690 A KR20230074690 A KR 20230074690A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
storage battery
battery
terminal
voltage
circuit
Prior art date
Application number
KR1020230065757A
Other languages
English (en)
Inventor
마사키 야마카지
준페이 모모
료타 다지마
다카히로 가사하라
Original Assignee
가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 filed Critical 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
Publication of KR20230074690A publication Critical patent/KR20230074690A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/105—Pouches or flexible bags
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/488—Cells or batteries combined with indicating means for external visualization of the condition, e.g. by change of colour or of light density
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H01M50/117—Inorganic material
    • H01M50/119—Metals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H01M50/121—Organic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H01M50/124—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material having a layered structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H01M50/124—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/126—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material having a layered structure comprising three or more layers
    • H01M50/129—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material having a layered structure comprising three or more layers with two or more layers of only organic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/30—Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Sealing Battery Cases Or Jackets (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)

Abstract

본 발명은 가요성을 갖는 안전성이 높은 리튬 이온 축전지 또는 전자 기기를 제공한다.
본 발명의 일 형태는 양극과, 음극과, 양극과 음극 사이의 세퍼레이터와, 양극과 음극과 세퍼레이터를 둘러싸는 외장체와, 외장체를 따라 제공된 배선을 갖고, 배선 중 적어도 일부는 외장체보다도 변형에 대하여 취약한, 가요성을 갖는 축전지이다. 배선은 외장체보다 변형에 대하여 취약하므로, 외장체보다 빨리 손상된다. 배선의 손상을 검출하여 사용자에게 경고함으로써 외장체에 손상이 생기기 전에 축전지의 사용을 중단할 수 있다.

Description

가요성을 갖는 축전지 및 전자 기기{FLEXIBLE BATTERY AND ELECTRONIC DEVICE}
본 발명의 일 형태는 가요성을 갖는 축전지 및 전자 기기에 관한 것이다.
또한 본 발명의 일 형태는 상기 기술분야에 한정되지 않는다. 본 명세서 등에서 개시(開示)하는 발명의 일 형태가 속하는 기술분야는 물건, 방법, 또는 제조 방법에 관한 것이다. 또는, 본 발명의 일 형태는 공정(process), 기계(machine), 제품(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다. 그러므로, 본 명세서에서 개시하는 본 발명의 일 형태가 속하는 기술분야로서는, 구체적으로 반도체 장치, 표시 장치, 액정 표시 장치, 발광 장치, 조명 장치, 축전지, 기억 장치, 이들의 구동 방법, 또는 이들의 제조 방법을 일례로서 들 수 있다.
근년에 들어, 리튬 이온 축전지 등의 축전지, 리튬 이온 커패시터, 공기 전지, 연료 전지 등, 다양한 축전지가 활발히 개발되고 있다. 특히 고출력, 고에너지 밀도인 리튬 이온 축전지는 휴대폰, 스마트 폰, 노트북형 PC 등의 휴대 정보 단말, 휴대음악 플레이어, 디지털 카메라 등의 전자 기기, 또는 의료 기기, 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자동차(EV), 또는 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 등의 차세대 클린 에너지 자동차, 정치(定置)용 축전지 등, 반도체 산업의 발전 및 에너지 절약화의 요구가 높아짐에 따라 급속히 수요가 확대하여 현대 사회에 불가결한 것이 되고 있다. 또한 근년에 들어, 플렉시블 디바이스 또는 웨어러블 디바이스에 대한 기대가 높아지고 있으며, 디바이스의 변형에 따라 변형할 수 있는 가요성을 갖는 리튬 이온 축전지, 즉, 가요성을 갖는 축전지의 개발이 급무이며, 일부 시작되고 있다(특허문헌 1).
비수계 축전지의 하나인 리튬 이온 축전지는, 양극(positive electrode)과, 음극(negative electrode)과, 세퍼레이터와, 비수 전해액과, 이들을 덮는 외장체를 갖는다. 일반적으로 리튬 이온 축전지에서는, 알루미늄 등의 금속으로 이루어지는 양극 집전체의 양면에 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 양극 활물질을 포함하는 양극합제를 도포한 양극과, 구리 등으로 이루어지는 음극 집전체의 양면에 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 음극 활물질을 포함하는 음극합제를 도포한 음극이 사용된다. 또한 이들 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 끼워짐으로써 절연되어, 양극 및 음극은 외장체에 제공된 양극 단자 및 음극 단자와 전기적으로 접속되어 있다. 외장체는 원통형이나 각형 등의 일정한 형상을 갖는다.
일본국 특개 2008-146917호 공보
가요성을 갖는 리튬 이온 축전지는, 변형의 횟수가 늘수록 전지의 각 부재나 전해액을 유지하는 외장체에 피로(대미지)가 축적된다. 피로(대미지)의 축적이 진행되면, 이윽고 외장체 또는 밀봉 구조가 파괴되고, 축전지 내부에 공기가 들어가는 문제가 발생하는 경우가 있다. 또한 축전지의 양극 및 음극의 탭 전극(단자부)에서 피로(대미지)가 축적되고, 이윽고 단자부가 파괴되어 축전지가 기능하지 않게 되는 경우도 있다.
리튬 이온 축전지가 파손되어 내부에 공기가 들어가면, 축전지의 내부의 부재가 공기나 수분과 반응하여 발열하고 이윽고 발화하는 경우가 있고, 또한 폭발과 같은 중대한 사고로 이어지는 경우도 있다. 이를 방지하기 위하여, 외장체 등이 파손된 것을 검지하여 경고를 발하는 구조를 도입하여도, 외장체 등이 파손된 후에는 이러한 중대한 사고를 미리 방지하기 어렵다.
그러므로, 구성 부재의 피로(대미지)의 축적이 진행되어, 파손이 생기기 전에 사용자에게 경고할 수 있는 축전지가 필요하다.
상술한 문제를 감안하여, 본 발명의 일 형태는 가요성을 갖는 축전지에 있어서, 구성 부재에 피로(대미지)로 인한 손상이 생기기 전에 사용자에게 경고할 수 있는 기능을 갖는 축전지를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 가요성을 갖는 축전지의 안전성 확보를 실현하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또한 본 발명의 일 형태는 가요성을 갖는 안전성이 높은 리튬 이온 축전지 또는 전자 기기를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 본 발명의 일 형태는 신규 리튬 이온 축전지, 또는 신규 전자 기기 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또한 이들 과제의 기재는 다른 과제의 존재를 방해하는 것이 아니다. 또한 본 발명의 일 형태는 이들 과제 모두를 해결할 필요는 없는 것으로 한다. 또한 이들 이외의 과제는 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 저절로 명확해지는 것이며, 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 이들 이외의 과제를 추출할 수 있다.
본 발명의 일 형태는, 양극; 음극; 양극과 음극 사이의 세퍼레이터; 양극과 음극과 세퍼레이터를 둘러싸는 외장체; 외장체를 따라 제공된 배선을 갖고, 배선의 적어도 일부는 외장체보다 변형에 대하여 취약한, 가요성을 갖는 축전지이다.
또한 본 발명의 다른 일 형태는 양극; 음극; 탭 전극; 배선; 양극과 음극 사이의 세퍼레이터; 양극과 음극과 세퍼레이터를 둘러싸는 외장체를 갖고, 탭 전극은 양극 및 음극 중 한쪽과 접속되고, 배선은 탭 전극을 따라 제공되고, 배선의 적어도 일부는 탭 전극보다 변형에 대하여 취약한, 가요성을 갖는 축전지이다.
또한 본 발명의 일 형태에 있어서, 배선은 제 1 회로와 전기적으로 접속되고, 제 1 회로는 배선의 손상을 검지할 수 있는 기능을 갖는, 가요성을 갖는 축전지로 하여도 좋다. 또한 제 1 회로를 내포하는 가요성을 갖는 축전지로 하여도 좋다. 또한 제 1 회로는, 배선의 손상을 검지하였을 때에, 손상을 검지하지 않은 상태와 상이한 신호를 출력할 수 있는 기능을 갖는 가요성을 갖는 축전지로 하여도 좋다.
또한 본 발명의 일 형태에 따른 축전지에 더하여 표시부와, 제 1 회로를 갖고, 제 1 회로는 배선과 전기적으로 접속되고, 제 1 회로는 배선의 손상을 검지할 수 있는 기능을 갖는, 가요성을 갖는 전자 기기로 하여도 좋다. 또한 본 발명의 일 형태에 따른 축전지를 갖고, 또한 표시부와, 제 1 회로를 갖고, 제 1 회로는 배선과 전기적으로 접속되고, 제 1 회로는 배선의 손상을 검지할 수 있는 기능을 갖고, 표시부는, 제 1 회로가 배선의 손상을 검지하였을 때에, 손상을 검지하지 않은 상태와 상이한 표시를 할 수 있는 기능을 갖는 가요성을 갖는 전자 기기로 하여도 좋다.
본 발명의 일 형태로서는 피로(대미지)에 노출되는 부재를 따라 이 부재보다 취약한 배선을 제공하고, 부재가 변형할 때는 동시에 배선도 연동해서 변형하는 구조로 한다. 이로써, 변형으로 인한 피로(대미지)를 부재뿐만 아니라 배선도 받는다. 그러므로, 부재와 배선은 같은 피로(대미지)를 축적하게 되지만, 배선은 부재보다 취약하므로 부재보다 빨리 손상된다.
그래서, 배선에 접속된 회로를 배선의 손상을 검지할 수 있는 기능을 갖는 회로로 한다. 이로써, 배선이 피로(대미지)로 인하여 손상된 것을 회로가 검지하였을 때, 축전지 또는 전자 기기의 사용을 중단할 수 있다. 여기서, 배선에 접하는 구성 부재에도 상응한 피로(대미지)가 축적되므로, 축전지 또는 전자 기기를 계속 사용하여, 부재의 피로(대미지)가 더 축적되어 부재가 손상돼서 사고가 발생하는 사태를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 형태는, 가요성을 갖는 축전지에 있어서, 구성 부재에 피로(대미지)로 인한 손상이 생기기 전에 사용자에게 경고할 수 있는 기능을 갖는 축전지를 제공할 수 있다. 또는 가요성을 갖는 축전지의 안전성 확보를 실현할 수 있다.
또한 본 발명의 일 형태는, 가요성을 갖는 안전성이 높은 리튬 이온 축전지 또는 전자 기기를 제공할 수 있다. 또는 본 발명의 일 형태는 신규 리튬 이온 축전지, 또는 신규 전자 기기 등을 제공할 수 있다.
또한 이들 효과의 기재는 다른 효과의 존재를 방해하는 것이 아니다. 또한 본 발명의 일 형태는 이들 효과 모두를 가질 필요는 없는 것으로 한다. 또한 이들 이외의 효과는 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 저절로 명확해지는 것이며, 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 이들 이외의 효과가 추출될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 형태의 리튬 이온 축전지를 설명하는 도면.
도 2는 곡률 반경을 설명하는 도면.
도 3은 곡률 반경을 설명하는 도면.
도 4는 코인형 축전지를 설명하는 도면.
도 5는 원통형 축전지를 설명하는 도면.
도 6은 래미네이트형 축전지를 설명하는 도면.
도 7은 축전지의 외관을 도시한 도면.
도 8은 축전지의 외관을 도시한 도면.
도 9는 축전지의 제작 방법을 설명하기 위한 도면.
도 10은 가요성을 갖는 래미네이트형 축전지를 설명하는 도면.
도 11은 축전지의 예를 설명하기 위한 도면.
도 12는 축전지의 예를 설명하기 위한 도면.
도 13은 축전지의 예를 설명하기 위한 도면.
도 14는 축전지의 예를 설명하기 위한 도면.
도 15는 축전지의 예를 설명하기 위한 도면.
도 16은 축전지의 응용 형태를 도시한 도면.
도 17은 본 발명의 일 형태를 설명하는 블록도.
도 18은 본 발명의 일 형태를 설명하는 개념도.
도 19는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도.
도 20은 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도.
도 21은 본 발명의 일 형태를 설명하는 개념도.
도 22는 본 발명의 일 형태를 설명하는 블록도.
도 23은 본 발명의 일 형태를 설명하는 흐름도.
도 24는 본 발명의 일 형태에 따른 축전지의 외관 및 단면 구조를 도시한 도면.
도 25는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도.
이하에서는, 본 발명의 일 형태에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고, 그 형태 및 자세한 사항을 다양하게 변경할 수 있다는 것은 당업자라면 쉽게 이해할 수 있다. 또한 본 발명은 이하에서 제시하는 실시형태의 기재 내용에 한정되어 해석되는 것이 아니다.
또한 본 명세서에서 설명하는 각 도면에 있어서, 양극, 음극, 활물질층, 세퍼레이터, 외장체 등의 각 구성 요소의 크기나 두께 등은 각각 설명의 명료화를 위하여 과장된 경우가 있다. 따라서, 각 구성 요소는 반드시 그 크기에 한정되는 것은 아니고, 또한 각 구성 요소 사이에서의 상대적인 크기에 한정되지 않는다.
또한, 본 명세서 등에서 '제 1', '제 2', '제 3' 등으로 붙이는 서수사는 편의상 사용하는 것이며, 공정 순서나 상하 위치 관계 등을 나타내는 것이 아니다. 그러므로, 예를 들어 '제 1'은 '제 2', '제 3' 등으로 적절하게 바꿔 설명할 수 있다. 또한, 본 명세서 등에 기재되어 있는 서수사와, 본 발명의 일 형태를 특정하기 위하여 사용되는 서수사는 일치하지 않은 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 설명하는 본 발명의 구성에 있어서, 동일한 부분 또는 같은 기능을 갖는 부분에는 동일한 부호를 상이한 도면 간에서 공통적으로 사용하여, 반복되는 설명은 생략한다. 또한 같은 기능을 갖는 부분을 가리키는 경우에는 해치 패턴을 같게 하여, 특별히 부호를 부여하지 않는 경우가 있다.
또한 본 명세서에 있어서 가요성이란, 물체가 유연하고, 휠 수 있는 성질을 가리킨다. 물체에 가해지는 외력에 따라 물체가 변형할 수 있는 성질이며, 탄성이나 변형 전의 형상으로 돌아가는 복원성의 유무를 문제로 삼지 않는다. 가요성을 갖는 축전지는 외력에 따라 변형할 수 있다. 가요성을 갖는 축전지는 변형한 상태로 고정하여 사용할 수도 있고, 반복해서 변형시켜도 좋고, 변형하지 않은 상태에서 사용할 수도 있다.
또한 이 발명을 실시하기 위한 형태에 기재된 내용은 적절히 조합하여 사용할 수 있다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태에 따른 리튬 이온 축전지에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 형태에 따른 리튬 이온 축전지(110)의 제작 방법에 대하여 도 1의 (A) 및 (B)를 참조하여, 이하에서 설명한다. 도 1의 (B)는 리튬 이온 축전지(110)의 단면도이다. 양극 집전체(100)와, 양극 활물질층(101)과, 세퍼레이터(104)와, 음극 활물질층(103)과, 음극 집전체(102)를 적층하고, 전해액(105)과 함께 외장체(207)에 의하여 밀봉된 상태의 단면 모식도이다. 또한 활물질층은 집전체의 양면에 형성할 수도 있고, 축전지를 적층 구조로 할 수도 있다. 또한, 본 실시형태에서 일례로서 배선(206)을 외장체를 따라 제공하고, 또한 일례로서 배선(206)에 접속된 회로(208)를 외장체(207) 위에 제공한다.
≪배선 및 회로≫
본 발명의 일 형태에 따른 가요성을 갖는 리튬 이온 축전지(110)가 갖는 배선(206)과, 배선(206)의 손상을 검지할 수 있는 기능을 갖는 회로(208)에 대하여 설명한다.
배선(206)은 보호 대상의 부재를 변형으로 인한 파손으로부터 보호하기 위하여 제공된다. 그러므로, 배선(206)은 이 부재보다 변형으로 인한 피로(대미지)에 약하고, 파단 등의 손상이 생기기 쉬운 재료로 제작한다. 배선(206)을 이 부재를 따라 제공하여, 이 부재가 변형할 때는 동시에 배선(206)도 연동하여 변형하는 구조로 한다.
본 실시형태에서는 예를 들어, 외장체를 변형으로 인한 파손으로부터 보호하기 위하여 외장체를 따라 배선(206)을 제공한다. 배선(206)을 제공한 리튬 이온 축전지(110)를 변형시키면, 리튬 이온 축전지(110)를 구성하는 각 부재가 변형되므로, 보호 대상이 되는 부재도 피로(대미지)를 받는다. 변형으로 인한 피로(대미지)를 보호 대상인 부재뿐만 아니라 배선(206)도 받는다. 그러므로, 이 부재와 배선(206)은 같은 피로(대미지)를 축적하게 된다.
여기서, 배선(206)은 보호 대상인 부재보다도 변형으로 인한 피로(대미지)에 약하므로 피로(대미지)가 축적되어 한계에 달하면, 보호 대상인 부재보다도 빨리 파단 등의 손상이 생긴다. 손상이 생긴 배선(206)은 각종 물성이 변화되고, 예를 들어 도전성이나 열 전도성은 저하된다.
그래서, 본 발명의 일 형태에 있어서, 배선(206)의 손상으로 인한 물성의 변화(예를 들어 도전성의 저하)를 검지할 수 있는 기능을 갖는 회로(208)를 배선(206)에 접속한다. 이로써, 배선(206)이 피로(대미지)로 인하여 손상된 것을 회로(208)가 검지하였을 때, 배선(206)의 손상을 검지하였다는 정보를 탭 전극(516)을 통하여 리튬 이온 축전지(110)를 제공한 전자 기기에 보내, 이 전자 기기의 사용자에게 알릴 수 있다. 알림을 받은 사용자는 전자 기기를 자신의 사정에 맞는 타이밍에 중단시킬 수 있다. 배선(206)에 접하는 보호 대상인 부재에도 상응한 피로(대미지)가 축적되므로 리튬 이온 축전지(110) 또는 전자 기기를 계속 사용하여, 이 부재의 피로(대미지)가 더 축적되어 이 부재가 손상되고 사고가 발생하는 사태가 일어나기 전에 축전지를 교환할 수 있다.
또한, 회로(208)가 배선(206)의 손상을 검지하였을 때, 전자 기기에 정보를 전달하지 않아도, 회로(208)를 이 축전지의 과방전, 과충전, 과전류를 검지하는 제어 유닛(도시하지 않았음)에 접속하여, 손상을 검지하였을 때에 이 제어 유닛에 의하여 리튬 이온 축전지(110)의 방전 또는 충전을 자동적으로 차단하는 구성을 제공하여도 좋다.
어쨌든, 본 발명의 일 형태에 의하여, 리튬 이온 축전지(110)의 구성 부재가 손상되기 전에 리튬 이온 축전지(110)의 사용을 중단시켜 사고를 방지할 수 있다.
여기서, 배선(206)으로서는 변형으로 인한 피로(대미지)로 일어나는 파괴를 방지하고 싶은 부재보다도 취약한 재료를 사용할 수 있다. 그러므로, 배선(206)에는 이 부재의 성질에 따라 다양한 재료를 사용할 수 있다. 또한 본 명세서에 있어서는, 변형으로 인한 피로(대미지)의 축적으로 인하여 파괴 또는 파단이 일어나기 쉬운 성질을, 부서지기 쉽다, 취약하다, 피로(대미지) 한도가 작다, 변형으로 인한 피로(대미지)에 약하다, 또는 변형에 약하다고 표현하는 경우가 있다.
재료가 몇 번의 반복 응력에 견딜 수 있는지, 몇 번의 반복 응력을 가하였을 때 얼마만큼의 응력으로 인하여 파괴되는지를 나타내기 위하여 S-N 곡선이 널리 사용되고 있다. 일반적으로 재료의 피로 시험(JIS 규격: JISZ2273)에 의하여 재료의 피로(대미지)에 대한 강도를 얻지만, 시험에 있어서 재료에 가해지는 응력은 시간에 따른 진폭을 갖는 응력이며 정현파를 입력한다. S-N 곡선은 세로 축을 응력 진폭, 가로 축을 파단까지의 반복 횟수N으로 하여 피로 시험의 결과를 플롯하여 그래프로 나타낸 것이다.
이로써, 본 발명의 일 형태에 있어서, 배선(206)은 변형으로 인한 피로(대미지)로 일어나는 파괴를 방지하고 싶은 부재의 S-N 곡선보다도 가로 축에 가까운 형상의 S-N 곡선을 갖는 재료를 사용할 수 있다. 다만, 배선(206)의 재료는 이에 한정되지 않는다.
또한 본 발명의 일 형태가 실시된 리튬 이온 축전지(110)에 있어서, 리튬 이온 축전지(110)에서 배선(206)과 변형으로 인한 피로(대미지)로 일어나는 파괴를 방지하고 싶은 부재를 꺼내서 각각에 대하여 변형으로 인한 피로(대미지)에 대한 강도를 평가하는 것이 곤란한 경우가 있다. 본 발명의 일 형태에 있어서는, 리튬 이온 축전지(110)에 대하여 반복 굽힘 시험을 행하여, 배선(206)에 이 부재보다도 먼저 파괴 또는 파단 등의 손상이 생기는 것을 확인함으로써, 배선(206)은 이 부재보다도 변형으로 인한 피로(대미지)에 약하다고 평가할 수 있다.
다음에 배선(206)의 손상을 검지하는 회로(208)는 상술한 과방전, 과충전, 과전류를 검지하는 제어 유닛에 제공하여도 좋고, 제어 유닛과는 독립시켜서 제공하여도 좋다. 변형으로 인한 피로(대미지)로 일어나는 파괴를 방지하고 싶은 부재의 종류에 따라, 다른 기능을 갖는 유닛 또는 회로에 제공할 수 있다. 또한, 회로(208)의 구성의 일례 및 동작의 일례는 후술한다.
≪양극의 구성≫
양극에 대하여 설명한다. 양극은 양극 활물질층(101)과, 양극 집전체(100)를 포함한다.
양극 활물질층(101)에 사용되는 양극 활물질 재료로서는, 리튬 이온 등의 캐리어 이온이 삽입 및 탈리될 수 있는 재료를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 올리빈(olivine)형의 결정 구조, 층상 암염(rock-salt)형의 결정 구조, 또는 스피넬(spinel)형의 결정 구조를 갖는 리튬 함유 재료 등을 들 수 있다.
올리빈형 구조의 리튬 함유 재료(일반식 LiMPO4(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), 또는 Ni(II)))의 대표적인 예로서는, LiFePO4, LiNiPO4, LiCoPO4, LiMnPO4, LiFeaNibPO4, LiFeaCobPO4, LiFeaMnbPO4, LiNiaCobPO4, LiNiaMnbPO4(a+b는 1 이하, 0<a<1, 0<b<1), LiFecNidCoePO4, LiFecNidMnePO4, LiNicCodMnePO4(c+d+e는 1 이하, 0<c<1, 0<d<1, 0<e<1), LiFefNigCohMniPO4, (f+g+h+i는 1 이하, 0<f<1, 0<g<1, 0<h<1, 0<i<1) 등이 있다.
예를 들어, 인산 철 리튬(LiFePO4)은 안전성, 안정성, 고용량 밀도, 고전위, 초기 산화(충전) 시에 뽑아낼 수 있는 리튬 이온의 존재 등, 양극 활물질에 요구되는 사항을 균형 좋게 만족시키므로 바람직하다.
층상 암염형 결정 구조를 갖는 리튬 함유 재료로서는, 예를 들어, 코발트산 리튬(LiCoO2), LiNiO2, LiMnO2, Li2MnO3, LiNi0.8Co0.2O2 등의 NiCo계(일반식은, LiNixCo1-xO2(0<x<1)), LiNi0.5Mn0.5O2 등의 NiMn계(일반식은, LiNixMn1-xO2(0<x<1), LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 등의 NiMnCo계(NMC라고도 불림. 일반식은, LiNixMnyCo1-x-yO2(x>0, y>0, x+y<1))를 들 수 있다. 또한, Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2, Li2MnO3-LiMO2(M은 Co, Ni 또는 Mn) 등도 들 수 있다.
특히 LiCoO2는 용량이 큰 점, LiNiO2에 비하여 대기 중에서 안정적인 점, LiNiO2에 비하여 열적으로 안정적인 점 등의 이점이 있으므로 바람직하다.
스피넬형 결정 구조를 갖는 리튬 함유 재료로서는, 예를 들어, LiMn2O4, Li1+xMn2-xO4, Li(MnAl)2O4, LiMn1.5Ni0.5O4 등을 들 수 있다.
LiMn2O4 등의 망가니즈를 포함하는 스피넬형 결정 구조를 갖는 리튬 함유 재료에 소량의 니켈 산 리튬(LiNiO2이나 LiNi1-xMO2(M=Co, Al 등))을 혼합하면 망가니즈의 용출을 억제하는 점, 전해액의 분해를 억제하는 점 등의 이점이 있으므로 바람직하다.
또한 양극 활물질로서, 일반식 Li(2-j)MSiO4(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), 또는 Ni(II)))(j는 0 이상 2 이하)로 나타내어지는 복합 산화물을 사용할 수 있다. 일반식 Li(2-j)MSiO4의 대표적인 예로서는, Li(2-j)FeSiO4, Li(2-j)NiSiO4, Li(2-j)CoSiO4, Li(2-j)MnSiO4, Li(2-j)FekNilSiO4, Li(2-j)FekColSiO4, Li(2-j)FekMnlSiO4, Li(2-j)NikColSiO4, Li(2-j)NikMnlSiO4(k+l은 1 이하, 0<k<1, 0<l<1), Li(2-j)FemNinCoqSiO4, Li(2-j)FemNinMnqSiO4, Li(2-j)NimConMnqSiO4(m+n+q는 1 이하, 0<m<1, 0<n<1, 0<q<1), Li(2-j)FerNisCotMnuSiO4(r+s+t+u는 1 이하, 0<r<1, 0<s<1, 0<t<1, 0<u<1) 등을 들 수 있다.
또한, 양극 활물질로서 AxM2(XO4)3(A는 Li, Na, 또는 Mg)(M은 Fe, Mn, Ti, V, Nb, 또는 Al)(X는 S, P, Mo, W, As, 또는 Si)의 일반식으로 나타내어지는 나시콘형 화합물을 사용할 수 있다. 나시콘형 화합물로서는 Fe2(MnO4)3, Fe2(SO4)3, Li3Fe2(PO4)3 등을 들 수 있다. 또한 양극 활물질로서, Li2MPO4F, Li2MP2O7, Li5MO4(M은 Fe 또는 Mn)의 일반식으로 나타내어지는 화합물, NaFeF3, FeF3 등의 페로브스카이트(perovskite)형 불화물, TiS2, MoS2 등의 금속 칼코게나이드(chalcogenide)(황화물, 셀레늄화물, 텔루륨화물), LiMVO4 등의 역 스피넬형 결정 구조를 갖는 리튬 함유 재료, 바나듐 산화물계(V2O5, V6O13, LiV3O8 등), 망가니즈 산화물, 유기 황 등의 재료를 사용할 수 있다.
또한, 캐리어 이온이 리튬 이온 이외의 알칼리 금속 이온이나, 알칼리 토금속 이온인 경우, 양극 활물질로서, 상기 화합물이나 산화물에 있어서, 리튬 대신에 알칼리 금속(예를 들어 소듐, 포타슘 등), 알칼리 토금속(예를 들어 칼슘, 스트론튬, 바륨, 베릴륨, 마그네슘 등)을 사용하여도 좋다. 예를 들어, NaFeO2나, Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2 등의 소듐 함유 층상 산화물을 양극 활물질로서 사용할 수 있다.
또한, 양극 활물질로서, 상기 재료를 복수 조합한 재료를 사용하여도 좋다. 예를 들어, 상기 재료를 복수 조합한 고용체를 양극 활물질로서 사용할 수 있다. 예를 들어, LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2와 Li2MnO3의 고용체를 양극 활물질로서 사용할 수 있다.
양극 활물질은 일차 입자의 평균 입경이 50nm 이상 100μm 이하인 것을 사용하면 좋다.
양극 활물질은 음극 활물질과 함께, 축전지의 전지 반응의 중심적인 역할을 맡고, 캐리어 이온의 방출 및 흡수를 하는 물질이다. 축전지의 수명을 높이기 위해서는 전지 반응의 불가역적 반응에 따른 용량이 적은 재료인 것이 바람직하고, 충방전 효율이 높은 재료인 것이 바람직하다.
활물질은 전해액과 접하므로, 활물질과 전해액이 반응하고, 반응에 의하여 활물질이 상실되고 열화되면 축전지의 용량이 저하되므로, 열화가 적은 축전지를 실현하기 위해서는 축전지 내의 이러한 반응이 일어나지 않는 것이 바람직하다.
전극의 도전조제로서 아세틸렌 블랙(AB), 그래파이트(흑연) 입자, 카본 나노튜브, 그래핀, 플러렌 등을 사용할 수 있다.
도전조제에 의하여 전극 중에 전기 전도의 네트워크를 형성할 수 있다. 도전조제에 의하여 양극 활물질끼리의 전기 전도의 경로를 유지할 수 있다. 양극 활물질층 중에 도전조제를 첨가함으로써 높은 전기 전도성을 갖는 양극 활물질층(101)을 실현할 수 있다.
또한 바인더로서 대표적인 폴리 불화 바이닐리덴(PVDF) 외에, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리바이닐클로라이드, 에틸렌프로필렌다이엔 폴리머, 불소 고무, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌, 나이트로셀룰로스 등을 사용할 수 있다.
양극 활물질층(101)의 총량에 대한 바인더의 함유량은, 1wt% 이상 10wt% 이하가 바람직하고, 2wt% 이상 8wt% 이하가 더 바람직하고, 3wt% 이상 5wt% 이하가 더욱 바람직하다. 또한, 양극 활물질층(101)의 총량에 대한 도전조제의 함유량은, 1wt% 이상 10wt% 이하가 바람직하고, 1wt% 이상 5wt% 이하가 더 바람직하다.
도포법을 이용하여 양극 활물질층(101)을 형성하는 경우에는, 양극 활물질과 바인더와 도전조제와 분산매를 혼합하여 전극 슬러리를 제작하고, 양극 집전체(100) 위에 도포하고 건조시키면 좋다.
또한 양극 집전체(100)에는 스테인리스, 금, 백금, 알루미늄, 타이타늄 등의 금속, 및 이들의 합금 등, 도전성이 높고, 리튬 등의 캐리어 이온과 합금화하지 않는 재료를 사용할 수 있다. 또한, 실리콘, 타이타늄, 네오디뮴, 스칸듐, 몰리브데넘 등 내열성을 향상시키는 원소가 첨가된 알루미늄 합금을 사용할 수 있다. 또한, 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소로 형성하여도 좋다. 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소로서는 지르코늄, 타이타늄, 하프늄, 바나듐, 나이오븀, 탄탈럼, 크로뮴, 몰리브데넘, 텅스텐, 코발트, 니켈 등이 있다. 양극 집전체는 박(箔) 형상, 판자 형상(시트 형상), 그물 형상, 펀칭 메탈 형상, 강망(expanded-metal) 형상 등을 적절히 사용할 수 있다.
상술한 공정으로 리튬 이온 축전지의 양극을 제작할 수 있다.
≪음극의 구성≫
다음에 음극에 대하여 도 1의 (A)를 참조하면서 설명한다. 음극은 음극 활물질층(103)과, 음극 집전체(102)를 포함한다. 음극을 형성하는 공정을 이하에서 설명한다.
음극 활물질층(103)에 사용되는 음극 활물질로서, 탄소계 재료로서는, 흑연, 이흑연화성 탄소(소프트 카본), 난흑연화성 탄소(하드 카본), 카본 나노튜브, 그래핀, 카본 블랙 등을 들 수 있다. 흑연으로서는 메소카본 마이크로비즈(MCMB), 코크스계 인조 흑연, 피치계 인조 흑연 등의 인조 흑연이나, 구상 천연 흑연 등의 천연 흑연을 들 수 있다. 또한, 흑연의 형상으로서는 인편(鱗片) 형상이나, 구(球) 형상의 것이 있다.
음극 활물질로서, 탄소계 재료 이외에, 리튬과의 합금화 및 탈합금화 반응에 의하여 충방전 반응을 행할 수 있는 재료도 사용할 수 있다. 예를 들어, Ga, Si, Al, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Ag, Zn, Cd, In 등 중 적어도 하나를 포함하는 재료를 사용할 수 있다. 이러한 원소는 탄소에 비하여 용량이 크고, 특히 실리콘은 이론 용량이 4200mAh/g으로 높기 때문에 바람직하다. 이러한 원소를 사용한 합금계 재료로서는 예를 들어, Mg2Si, Mg2Ge, Mg2Sn, SnS2, V2Sn3, FeSn2, CoSn2, Ni3Sn2, Cu6Sn5, Ag3Sn, Ag3Sb, Ni2MnSb, CeSb3, LaSn3, La3Co2Sn7, CoSb3, InSb, SbSn 등이 있다.
또한, 음극 활물질로서, SiO, SnO, SnO2, 이산화 타이타늄(TiO2), 리튬 타이타늄 산화물(Li4Ti5O12), 리튬-흑연 층간 화합물(LixC6), 오산화 나이오븀(Nb2O5), 산화 텅스텐(WO2), 산화 몰리브데넘(MoO2) 등의 산화물을 사용할 수 있다.
또한, 음극 활물질로서, 리튬과 전이 금속의 질화물인, Li3N형 구조를 가진 Li3-xMxN(M은 Co, Ni 또는 Cu)를 사용할 수 있다. 예를 들어, Li2.6Co0.4N3는 큰 충방전 용량(900mAh/g, 1890mAh/cm3)를 나타내므로 바람직하다.
리튬과 전이 금속의 질화물을 사용하면, 음극 활물질 중에 리튬 이온을 포함하므로 양극 활물질로서 리튬 이온을 포함하지 않는 V2O5, Cr3O8 등의 재료와 조합할 수 있다. 또한, 양극 활물질에 리튬 이온을 포함하는 재료를 사용하는 경우에도 미리 양극 활물질에 포함되는 리튬 이온을 탈리시킴으로써 리튬과 전이 금속의 질화물을 음극 활물질로서 사용할 수 있다.
또한, 컨버전 반응이 일어나는 재료를 음극 활물질로서 사용할 수도 있다. 예를 들어, 산화코발트(CoO), 산화니켈(NiO), 산화철(FeO) 등의, 리튬과 합금화 반응을 일으키지 않는 전이 금속 산화물을 음극 활물질로 사용하여도 좋다. 컨버전 반응이 발생하는 재료로서는 Fe2O3, CuO, Cu2O, RuO2, Cr2O3 등의 산화물, CoS0.89, NiS, CuS 등의 황화물, Zn3N2, Cu3N, Ge3N4 등의 질화물, NiP2, FeP2, CoP3 등의 인화물, FeF3, BiF3 등의 불화물도 있다.
음극 활물질은 일례로서, 입경이 50nm 이상 100μm 이하인 것을 사용하면 좋다.
또한, 양극 활물질층(101)에 있어도, 음극 활물질층(103)에 있어도, 활물질은 복수의 재료를 특정한 비율로 조합하여 사용하여도 좋다. 활물질층에 복수의 재료를 사용함으로써, 더 상세히 활물질층의 성능을 선택할 수 있다.
전극의 도전조제로서, 아세틸렌 블랙(AB), 그래파이트(흑연) 입자, 카본 나노튜브, 그래핀, 플러렌 등을 사용할 수 있다.
도전조제에 의하여 전극 중에 전기 전도의 네트워크를 형성할 수 있다. 도전조제에 의하여 음극 활물질끼리의 전기 전도의 경로를 유지할 수 있다. 음극 활물질층 중에 도전조제를 첨가함으로써 높은 전기 전도성을 갖는 음극 활물질층(103)을 실현할 수 있다.
또한 바인더로서, 대표적인 폴리 불화 바이닐리덴(PVDF) 외에, 폴리이미드, 폴리바이닐클로라이드, 에틸렌프로필렌다이엔 폴리머, 스타이렌-뷰타다이엔 고무, 아크릴로나이트릴-뷰타다이엔 고무, 불소 고무, 폴리아세트산바이닐, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌, 나이트로셀룰로스 등을 사용할 수 있다.
음극 활물질층(103)의 총량에 대한 바인더의 함유량은, 1wt% 이상 10wt% 이하가 바람직하고, 2wt% 이상 8wt% 이하가 더 바람직하고, 3wt% 이상 5wt% 이하가 더욱 바람직하다. 또한, 음극 활물질층(103)의 총량에 대한 도전조제의 함유량은, 1wt% 이상 10wt% 이하가 바람직하고, 1wt% 이상 5wt% 이하가 더 바람직하다.
다음에 음극 집전체(102) 위에 음극 활물질층(103)을 형성한다. 도포법을 사용하여 음극 활물질층(103)을 형성하는 경우에는, 음극 활물질과, 바인더와, 도전조제와, 분산매를 혼합하여 슬러리를 제작하여, 음극 집전체(102)에 도포하고 건조시킨다. 또한, 건조 후에 필요하면 프레스 처리를 행하여도 좋다.
또한, 음극 집전체(102)에는, 스테인리스, 금, 백금, 철, 구리, 타이타늄, 탄탈럼 등의 금속, 및 이들의 합금 등, 도전성이 높고, 리튬 등의 캐리어 이온과 합금화하지 않는 재료를 사용할 수 있다. 또한 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소로 형성하여도 좋다. 실리콘과 반응시켜서 실리사이드를 형성하는 금속 원소로서는 지르코늄, 타이타늄, 하프늄, 바나듐, 나이오븀, 탄탈럼, 크로뮴, 몰리브데넘, 텅스텐, 코발트, 니켈 등이 있다. 음극 집전체(102)는 박 형상, 판자 형상(시트 형상), 그물 형상, 원기둥 형상, 코일 형상, 펀칭 메탈 형상, 강망 형상 등의 형상을 적절히 사용할 수 있다. 음극 집전체(102)는 두께가 5μm 이상 30μm 이하인 것을 사용하면 좋다. 또한 전극 집전체의 표면의 일부에, 그래파이트 등을 사용하여 언더코트층을 제공하여도 좋다.
상술한 공정으로 리튬 이온 축전지의 음극을 제작할 수 있다.
≪세퍼레이터의 구성≫
세퍼레이터(104)에 대하여 설명한다. 세퍼레이터(104)의 재료로서는, 종이, 부직포, 유리 섬유, 또는 나이론(폴리아마이드), 바이닐론(폴리바이닐알코올계 섬유), 폴리에스터, 아크릴, 폴리올레핀, 폴리우레탄과 같은 합성 섬유 등을 사용하면 좋다. 다만, 후술하는 전해액에 용해되지 않는 재료를 고를 필요가 있다.
더 구체적으로는 세퍼레이터(104)의 재료로서 예를 들어, 불소계 폴리머, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드 등의 폴리에터, 폴리에틸렌, 폴리프로펠렌 등의 폴리올레핀, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리염화바이닐리덴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리바이닐알코올, 폴리메타크릴로나이트릴, 폴리바이닐아세테이트, 폴리바이닐피롤리돈, 폴리에틸렌이민, 폴리뷰타다이엔, 폴리스타이렌, 폴리아이소프렌, 폴리우레탄계 고분자 및 이들의 유전체, 셀룰로스, 종이, 부직포 중에서 선택된 1종을 단독으로 사용하거나 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
세퍼레이터(104)는 양극과 음극의 접촉을 방지하는 절연 성능, 전해액을 유지하는 성능, 이온의 전도성이 있어야 한다. 세퍼레이터로서의 기능을 갖는 막을 제조하는 방법으로서, 막의 연신에 의한 방법이 있다. 예를 들어, 용융된 폴리머 재료를 전개하고 방열시켜, 얻어진 막을 막과 평행한 2축 방향으로 연신하여 공극(pore)을 형성하는, 연신 개공법이 있다.
다음에 세퍼레이터(104)를 축전지에 제공하는 방법으로서는 세퍼레이터를 양극과 음극 사이에 끼우는 방법을 들 수 있다. 또한 양극 및 음극 중 한쪽에 세퍼레이터(104)를 재치(載置)하고, 이에 양극 및 음극 중 다른 쪽을 합치는 방법도 있다. 양극, 음극, 및 세퍼레이터를 외장체에 수납하고, 전해액을 포함시킴으로써, 축전지를 형성할 수 있다.
또한, 세퍼레이터(104)를 양극 및 음극 중 한쪽의 양면을 덮을 수 있는 크기의 시트 형상 또는 봉투 형상으로 형성하여, 세퍼레이터(104)로 감싸인 전극으로 하면, 축전지의 제조에 있어서, 전극을 기계적인 손상으로부터 보호할 수 있고, 전극의 취급이 용이하게 된다. 세퍼레이터로 감싸인 전극과 다른 쪽의 전극을 함께 외장체에 수납하여, 전해액을 포함시킴으로써, 축전지를 형성할 수 있다. 도 1의 (B)는, 양극과 음극을 한 쌍 사용하여 제작한 축전지의 단면 구조를 나타내었지만, 양극과 음극을 복수 쌍 사용하여 적층형 축전지를 제작할 수도 있다.
또한, 세퍼레이터(104)는 복수층으로 하여도 좋다. 세퍼레이터(104)는 상술한 방법으로 형성할 수 있지만, 구성 재료와 막의 기계적 강도에 의하여, 막의 공극의 크기나 막의 두께의 범위에는 제한이 있다. 제 1 세퍼레이터 및 제 2 세퍼레이터를 각각 연신법에 의하여 제작하고, 이들을 함께 축전지에 사용할 수 있다. 제 1 세퍼레이터 및 제 2 세퍼레이터를 구성하는 재료에는 상기 재료 또는 상기 재료 이외의 재료로부터 1종류 이상을 선택하여 사용할 수 있고, 막의 형성 조건 및 연신 조건 등에 의하여, 막 중의 공극의 크기, 공극이 차지하는 체적의 비율(공극률이라고도 함), 막 두께 등의 특성을 각각 결정할 수 있다. 특성이 상이한 2개의 세퍼레이터를 함께 사용함으로써 한쪽의 막을 단독으로 사용하는 경우에 비하여 축전지의 세퍼레이터의 성능을 다양하게 선택할 수 있게 된다.
또한, 축전지가 가요성을 가져도 좋고, 가요성을 갖는 축전지에 변형 응력이 가해지는 경우에도, 제 1 세퍼레이터와 제 2 세퍼레이터의 계면에 있어서, 양쪽의 세퍼레이터가 접동(摺動)함으로써 응력을 완화할 수 있으므로, 복수의 세퍼레이터를 사용한 구조는 가요성을 갖는 축전지의 세퍼레이터의 구조로서도 적합하다.
상술한 공정으로 리튬 이온 축전지에 세퍼레이터를 제공할 수 있다.
≪전해액의 구성≫
본 발명의 일 형태에 따른 리튬 이온 축전지에 사용할 수 있는 전해액(105)은 전해질(용질)을 포함하는 비수용액(용매)으로 하는 것이 바람직하다.
전해액(105)의 용매로서는 캐리어 이온이 이동 가능한 재료를 사용한다. 예를 들어, 비프로톤성 유기 용매가 바람직하고, 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 뷰틸렌카보네이트, 클로로에틸렌 카보네이트, 바이닐렌 카보네이트, γ-뷰티로락톤, γ-발레로락톤, 다이메틸카보네이트(DMC), 다이에틸카보네이트(DEC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 폼산메틸, 아세트산메틸, 뷰티르산메틸, 1,3-다이옥산, 1,4-다이옥산, 다이메톡시에테인(DME), 다이메틸설폭사이드, 다이에틸에터, 메틸다이글라임, 아세토나이트릴, 벤조나이트릴, 테트라하이드로퓨란, 설폴레인, 설톤 등 중에서 1종류, 또는 이들 중 2종류 이상을 임의의 조합 및 비율로 사용할 수 있다.
또한, 전해액(105)의 용매로서 겔화된 고분자 재료를 사용함으로써, 누액성 등에 대한 안전성이 높아진다. 또한, 리튬 이온 축전지의 박형화 및 경량화가 가능하다. 겔화된 고분자 재료의 대표적인 예로서, 실리콘(silicone) 겔, 아크릴 겔, 아크릴로나이트릴 겔, 폴리에틸렌옥사이드계 겔, 폴리프로필렌옥사이드계 겔, 불소계 폴리머의 겔 등이 있다.
또한, 전해액의 용매로서, 난연성 및 난휘발성인 이온 액체(상온 용융염이라고도 함)를 하나 또는 복수 사용함으로써, 리튬 이온 축전지의 내부 단락이나, 과충전 등에 의하여 내부 온도가 상승하여도 리튬 이온 축전지의 파열이나 발화를 방지할 수 있다. 이로써, 리튬 이온 축전지의 안전성을 높일 수 있다.
또한, 축전지에 사용하는 전해액은 입자상의 먼지나 전해액의 구성 원소 이외의 원소(이하, 단순히 "불순물"이라고도 부름)의 함유량이 적은 고순도화된 전해액을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 전해액에 대한 불순물의 질량비를 1% 이하, 바람직하게는 0.1% 이하, 더 바람직하게는 0.01% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 전해액에 바이닐렌 카보네이트 등의 첨가제를 가하여도 좋다.
또한, 상기 용매에 용해시키는 전해질로서는 캐리어에 리튬 이온을 사용하는 경우, 예를 들어, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiAlCl4, LiSCN, LiBr, LiI, Li2SO4, Li2B10Cl10, Li2B12Cl12, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiC(CF3SO2)3, LiC(C2F5SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C4F9SO2)(CF3SO2), LiN(C2F5SO2)2 등의 리튬염을 1종류, 또는 이들 중 2종류 이상을 임의의 조합 및 비율로 사용할 수 있다.
또한, 상기 전해질에서는 캐리어 이온이 리튬 이온인 경우에 대하여 설명하였지만, 리튬 이온 이외의 캐리어 이온도 사용할 수 있다. 리튬 이온 이외의 캐리어 이온으로서는, 알칼리 금속 이온이나, 알칼리 토금속 이온인 경우, 전해질로서 상기 리튬염에 있어서, 리튬 대신에 알칼리 금속(예를 들어, 소듐이나 포타슘 등), 알칼리 토금속(예를 들어, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 베릴륨, 마그네슘 등)을 사용하여도 좋다.
또한, 전해액은 양극의 집전체와 반응하여 양극 집전체를 부식하는 경우가 있다. 그러한 부식을 방지하기 위하여 전해액에 수wt%의 LiPF6를 첨가하는 것이 바람직하다. 양극 집전체 표면에 부도체막이 생겨, 이 부도체막이 전해액과 양극 집전체 사이의 반응을 억제하기 때문이다. 다만, 양극 활물질층을 용해시키지 않기 위하여, LiPF6의 농도는 10wt% 이하, 바람직하게는 5wt% 이하, 더 바람직하게는 3wt% 이하로 하면 좋다.
≪외장체의 구성≫
다음에 외장체(207)에 대하여 설명한다. 외장체(207)에는 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 아이오노머, 폴리아마이드 등의 재료로 이루어지는 막 위에, 알루미늄, 스테인리스, 구리, 니켈 등의 가요성이 뛰어난 금속 박막을 제공하고, 또한 이 금속 박막 위에 외장체의 외면으로서 폴리아마이드계 수지, 폴리에스터계 수지 등의 절연성 합성 수지막을 제공한 3층 구조의 필름을 사용할 수 있다. 이러한 3층 구조로 함으로써 전해액이나 기체의 투과를 차단함과 함께, 절연성도 확보하고, 아울러 내전해액성을 갖는다. 외장체를 내측으로 접고 중첩하거나, 또는 2개의 외장체 각각의 내면을 대향하도록 중첩하고 열을 가함으로써, 내면의 재료가 융해되고 2개의 외장체를 융착시킬 수 있고, 밀봉 구조를 제작할 수 있다.
외장체가, 예를 들어 융착되어 밀봉 구조가 형성되는 부분을 밀봉부로 하면, 외장체를 내측으로 접고 중첩한 경우는, 접음선 이외의 부분에 밀봉부가 형성되고, 외장체의 제 1 영역과, 이 제 1 영역과 중첩되는 제 2 영역이 예를 들어 융착된 구조가 된다. 또한 2장의 외장체를 중첩한 경우는 열융착 등의 방법에 의하여 외주 모두에 밀봉부가 형성된다.
≪가요성을 갖는 축전지≫
본 실시형태에서 제시한 각 부재의 재료에서 가요성을 갖는 재료를 선택하여 사용하면, 가요성을 갖는 리튬 이온 축전지를 제작할 수 있다. 근년에 들어, 변형 가능한 디바이스의 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다. 그러한 디바이스에 사용하는 축전지로서, 가요성을 갖는 축전지의 수요가 생기고 있다.
2장의 필름을 외장체로 하여 전극 및 전해액 등(1805)을 끼우는 축전지를 만곡시켰을 때에는 축전지의 곡률 중심(1800)에 가까운 측의 필름(1801)의 곡률 반경(1802)은 곡률 중심(1800)에서 먼 측의 필름(1803)의 곡률 반경(1804)보다 작다(도 2의 (A) 참조). 축전지를 만곡시켜서 단면을 원호(圓弧) 형상으로 하면 곡률 중심(1800)에 가까운 필름의 표면에는 압축 응력이 가해지고, 곡률 중심(1800)에서 먼 필름의 표면에는 인장 응력이 가해진다(도 2의 (B) 참조).
가요성을 갖는 리튬 이온 축전지를 변형시켰을 때 외장체에 큰 응력이 가해지지만, 외장체의 표면에 오목부 또는 볼록부로 형성되는 무늬를 형성하면 축전지의 변형에 의하여 압축 응력이나 인장 응력이 가해져도 스트레인으로 인한 영향을 억제할 수 있다. 그러므로, 축전지는 곡률 중심에 가까운 측의 외장체의 곡률 반경이 50mm, 바람직하게는 30mm로 되는 범위로 변형할 수 있다.
면의 곡률 반경에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3의 (A)에 있어서, 곡면(1700)을 절단한 평면(1701)에서 곡면(1700)에 포함되는 곡선(1702)의 일부를 원호로 근사시켜 그 원의 반경을 곡률 반경(1703)으로 하고, 원의 중심을 곡률 중심(1704)으로 한다. 도 3의 (B)에 곡면(1700)의 상면도를 도시하였다. 도 3의 (C)에 평면(1701)에서 곡면(1700)을 절단한 단면도를 도시하였다. 곡면을 평면을 따라 절단할 때 곡면에 대한 평면의 각도나 절단하는 위치에 따라 단면에 나타나는 곡선의 곡률 반경은 상이한 것이 되지만, 본 명세서 등에서는 가장 작은 곡률 반경을 면의 곡률 반경으로 한다.
또한, 축전지의 단면 형상은 단순한 원호 형상에 한정되지 않고 일부가 원호를 갖는 형상으로 할 수 있으며, 예를 들어, 도 2의 (C)에 도시한 형상이나 파도 형상(도 2의 (D) 참조), S자 형상 등으로도 할 수 있다. 축전지의 곡면이 복수의 곡률 중심을 갖는 형상이 되는 경우는 복수의 곡률 중심 각각의 곡률 반경 중에서 가장 곡률 반경이 작은 곡면에 있어서 2장의 외장체의 곡률 중심에 가까운 측의 외장체의 곡률 반경이 50mm, 바람직하게는 30mm로 되는 범위로 축전지가 변형될 수 있다.
≪축전지의 조립 및 에이징≫
다음에 상술한 구성 부재를 조합하여 외장체(207)를 밀봉함으로써 도 1의 (A) 및 (B)에 도시한 바와 같이 양극 집전체(100)와, 양극 활물질층(101)과, 세퍼레이터(104)와, 음극 활물질층(103)과, 음극 집전체(102)를 중첩하여, 전해액(105)과 함께 외장체(207)에 의하여 밀봉된 상태로 한다.
다음에 에이징 공정을 수행한다. 먼저 환경 온도를 예를 들어 실온 정도로 유지하고, 낮은 레이트로 소정의 전압까지 정전류 충전을 수행한다. 이어서 충전에 의하여 외장체 내부의 영역에서 발생한 가스를 외장체 외부에 방출시킨다. 다음에 초회보다 더 높은 레이트로 충전한다.
그 다음에 약간 높은 온도의 환경하에서 장시간 보존한다. 예를 들어, 40℃ 이상의 환경하에서 24시간 이상 보존한다.
약간 높은 온도 환경하에서 장시간 보존한 뒤, 다시 외장체 내부의 영역에 발생한 가스를 방출시킨다. 또한 실온 환경하에서 0.2C의 레이트로 방전하고, 같은 레이트로 충전하고, 다시 같은 레이트로 방전한 다음, 같은 레이트로 충전한다. 그리고, 같은 레이트로 방전함으로써 에이징 공정을 종료한다.
상술한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 축전지를 제조할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
또한, 본 명세서 등에 있어서, 어떤 하나의 실시형태에서 설명하는 도면 또는 문장에서 적어도 하나의 구체적인 예가 기재되는 경우, 그 구체적인 예의 상위 개념을 도출하는 것은 당업자라면 쉽게 이해할 수 있다. 따라서, 어떤 하나의 실시형태에서 설명하는 도면 또는 문장에서 적어도 하나의 구체적인 예가 기재되는 경우, 그 구체적인 예의 상위 개념도 발명의 일 형태로서 개시되는 것이고 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 그리고, 그 발명의 일 형태는 명확하다고 할 수 있다.
또한, 본 명세서 등에 있어서 적어도 도면에 기재된 내용(도면 중 일부라도 좋다)은 발명의 일 형태로서 개시된 것이며, 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 따라서, 어떤 내용에 대하여 도면에 기재되어 있으면, 문장으로 설명하지 않아도 그 내용은 발명의 일 형태로서 개시된 것이고, 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 이와 마찬가지로, 도면의 일부를 취출한 경우에도 발명의 일 형태로서 개시된 것이므로 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 그리고, 그 발명의 일 형태는 명확하다고 할 수 있다.
또한 본 실시형태에 있어서, 본 발명의 일 형태에 대하여 설명하였다. 또는 다른 실시형태에서 본 발명의 일 형태에 대하여 설명한다. 다만, 본 발명의 일 형태는 이에 한정되지 않는다. 즉, 본 실시형태 및 다른 실시형태에는 다양한 발명의 형태가 기재되어 있으므로 본 발명의 일 형태는 특정한 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 일 형태로서 리튬 이온 이차 전지에 적용한 경우의 예를 제시하였지만, 본 발명의 일 형태는 이에 한정되지 않는다. 경우 또는 상황에 따라서, 본 발명의 일 형태는 다양한 이차 전지, 납 축전지, 리튬 이온 폴리머 이차 전지, 니켈·수소 축전지, 니켈 카드뮴 축전지, 니켈 철 축전지, 니켈 아연 축전지, 산화 은 아연 축전지, 고체 전지, 공기 전지, 일차 전지, 커패시터, 또는 전기 2중층 커패시터, 울트라 커패시터, 슈퍼 커패시터, 리튬 이온 커패시터 등에 적용하여도 좋다. 또한 예를 들어, 경우 또는 상황에 따라, 본 발명의 일 형태는 리튬 이온 이차 전지에 적용하지 않아도 된다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는, 상기 실시형태에서 설명한 리튬 이온 축전지의 외장체에 배선을 제공하는 구성의 일례 및 배선과 리튬 이온 축전지의 파단을 검지하기 위한 회로의 일례에 대하여 설명한다.
도 24의 (A)는 외장체에 배선을 제공한 래미네이트형 축전지의 모식도이다. 도 24의 (B)는 도 24의 (A) 중, 일점쇄선 X1-X2를 따라 자른 단면도이다. 도 24의 (A) 및 (B)에 나타낸 리튬 이온 축전지(110)의 외장체(5007)에는, 변형으로 인한 피로(대미지)로 손상되는 것을 방지하기 위하여 외장체(5007)의 형상을 따라 배선(5006)을 제공한다. 또한 외장체(5007)에는 배선(5006)의 파단 등의 손상을 검지하기 위한 회로(5008)를 제공한다.
배선(5006)은 손상을 방지하고 싶은 부재를 구성하는 재료, 여기서는 외장체(5007)의 재료보다도 변형에 약한 재료를 사용할 수 있다. 배선(5006)은 미리 준비한 것을 외장체(5007)에 부착하여도 좋고, 도전성의 페이스트 또는 슬러리를 외장체(5007) 위에 소정의 형상으로 도포 또는 인쇄하고 이것을 건조시켜도 좋다. 또한 배선(5006) 위에는 변형으로 인한 피로(대미지) 이외의 손상을 방지하기 위한 보호막을 제공하여도 좋다.
외장체(5007)의 재료는 실시형태 1에서 제시한 바와 같이, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 아이오노머, 폴리아마이드 등의 재료로 이루어지는 막 위에 알루미늄, 스테인리스, 구리, 니켈 등의 가요성이 뛰어난 금속 박막을 제공하고, 또한 이 금속 박막 위에 외장체의 외면으로서 폴리아마이드계 수지, 폴리에스터계 수지 등의 절연성 합성 수지막을 제공한 3층 구조의 필름을 사용할 수 있다. 이러한 3층 구조의 필름을 외장체에 사용한 경우, 변형을 반복해서 피로(대미지)가 축적되면 먼저 금속 박막층에 손상이 생기는 경우가 있다. 그러므로 배선(5006)은 이 금속 박막층보다도 변형에 대하여 취약하면 좋다.
3층 구조의 필름 형상의 외장체를 사용할 때, 배선(5006)을 금속 박막층보다 취약한 것으로 하기 위해서는, 기계적 강도가 이 금속 박막층보다 낮은 재료를 사용할 수 있다. 다양한 기계적 강도의 평가 방법이 알려져 있지만 어느 하나의 평가 방법으로 평가한 결과, 강도가 낮은 재료이면 좋고, 다양한 기계적 강도의 평가 방법을 사용할 수 있다.
도 24의 (A)에서는, 일례로서 배선(5006)을 2군데에 제공하였지만, 배선의 수는 2군데에 한정되지 않는다. 일련의 배선(5006)의 양단은 각각 회로(5008)와 전기적으로 접속되도록 제공한다.
도 24의 (A)에서는, 일례로서 회로(5008)를 외장체(5007) 위에 제공하였지만, 회로(5008)의 설치 장소에 한정은 없다. 예를 들어, 리튬 이온 축전지(110) 내부에 제공하여도 좋다. 또는, 리튬 이온 축전지(110)의 외부에 제공하여도 좋다. 또는, 리튬 이온 축전지(110)의 전지 제어 유닛BMU과 같은 기판 위에 제공하여도 좋다. 또는, 리튬 이온 축전지(110)로부터 전력을 공급받는 전자 기기에 제공하여도 좋다. 또한 회로(5008)를 구동하기 위한 전력은 직접 리튬 이온 축전지(110)로부터 공급하면 좋다. 이 경우, 리튬 이온 축전지(110)의 전압을 필요에 따라 승압 또는 강압하여 공급하면 된다.
도 25의 (A)에 도시한 회로도는, 도 24의 (A) 및 (B)에서 도시한 회로(5008)와 배선(5006)의 접속을 설명하는 도면이다. 또한 도 25의 (A)에서는 설명을 위하여, 외장체(5007) 내부의 전지 셀(5011), +단자, -단자, 파단 등의 손상의 유무를 출력하는 신호를 출력하는 단자Salert를 도시하였다. +단자, -단자, 및 단자Salert는 외부에 신호를 취출하기 위한 FPC 측에 있고, 회로(5008) 및 배선(5006)은 외장체(5007) 측에 있다.
도 25의 (A)에서, 배선(5006)의 한쪽 단자는 전지 셀(5011)의 양극과 전기적으로 접속되어 있다. 또한 배선(5006)의 다른 쪽 단자는 배선(5006)을 통하여 전지 셀(5011)의 양극과 전기적으로 접속되어 있다.
회로(5008)는 배선(5006)의 한쪽 단자 및 다른 쪽 단자 각각에 접속된다. 회로(5008)는 배선(5006)의 파단 등의 손상의 유무에 따라 신호를 출력하는 기능을 갖는다. 회로(5008)는 일례로서 배선(5006)의 한쪽 단자와 다른 쪽 단자의 전위차를 검출하여 단자Salert에 신호를 출력할 수 있다.
회로(5008)의 구성을 도 25의 (B)에 도시하였다. 회로(5008)는 배타적 논리합 회로(5009)와 D래치(5010)를 갖는다. 또한, 회로(5008)를 구성하는 트랜지스터의 채널 형성 영역에 산화물 반도체를 사용할 수 있고, 산화물 반도체로서 상술한 CAAC-OS막을 사용할 수도 있다.
배타적 논리합 회로(5009)의 입력은, 배선(5006)의 한쪽 단자의 전위(5006_1)와 배선(5006)의 다른 쪽 단자의 전위(5006_2)가 공급된다. 배타적 논리합 회로(5009)의 출력은 D래치(5010)의 D단자와 CK단자의 양쪽에 공급된다. D래치(5010)의 출력은 Q단자로부터 단자Salert에 공급된다. 단자Salert로부터 출력되는 파단 등의 손상의 유무를 출력하는 신호는 외부의 회로에 출력된다.
회로(5008)는, 배선(5006)에 파단 등의 손상이 없을 때, 로우 레벨(저전위)의 신호를 출력한다. 배선(5006)에 파단 등이 없고 손상이 없을 때, 배선(5006)의 저항은 작으므로, 전위(5006_1)와 전위(5006_2)는 같은 전위이다. 이 때, 배타적 논리합 회로(5009)는 저전위를 출력하고, D래치(5010)의 D단자와 CK단자에는 저전위가 입력되므로 D래치(5010)의 Q단자로부터도 저전위가 출력된다. 이것이 배선(5006)에 파단 등의 손상이 없는 상태의 동작이다.
한편, 회로(5008)는 배선(5006)에 파단 등의 손상이 있을 때, 하이 레벨(고전위)의 신호를 출력한다. 리튬 이온 축전지(110)가 반복해서 변형함으로써 배선(5006)과 외장체(5007)가 변형하여 피로(대미지)가 축적되면 먼저 배선(5006)에 파단 등의 손상이 발생하며 전기 저항이 증대된다. 그러면, 배선(5006)의 다른 쪽 단자의 전위(5006_2)는 전지 셀(5011)로부터의 전하의 공급이 중단되므로 전하가 외부로 방출됨으로써 전위가 저하된다. 한편으로, 배선(5006)의 한쪽 단자의 전위(5006_1)는 전지 셀(5011)로부터 전하의 공급이 있으므로 전위(5006_1)와 전위(5006_2)를 상이하게 할 수 있다. 배타적 논리합 회로(5009)는 전위(5006_1)와 전위(5006_2)가 상이한 전위인 경우, 고전위를 출력하여 D래치(5010)의 D단자와 CK단자에는 고전위가 입력되므로 D래치(5010)의 Q단자로부터도 고전위가 출력된다. 이것이 배선(5006)에 파단 등이 있는 상태의 동작이다.
회로(5008)는 배선(5006)에 파단 등의 손상이 있을 때 외부의 회로에 고전위를 신호로서 출력함으로써 배선(5006)의 이상 상태를 알리고 사용자에게 리튬 이온 축전지(110)의 사용을 정지하고 새로운 축전지와 교환하도록 경고할 수 있다. 그러므로, 리튬 이온 축전지(110)의 외장체(5007)에 손상이 생기기 전에 사용을 중단할 수 있으므로 외장체(5007)의 손상으로 인한 사고를 방지할 수 있다. 또한, 이 신호는 D래치(5010)에 의하여 형성되어 있으므로 한 번 출력되면 이 신호가 계속 출력된다.
본 실시형태에 있어서, 배선의 손상을 회로에서 검출하는 방법에 대하여 설명하였지만 배선의 손상을 검지하는 방법은 이에 한정되지 않는다. 배선의 피로(대미지)의 축적으로 인한 열 전도성의 변화, 체적의 변화 등, 다양한 변화하는 물성을 이용할 수 있다.
상술한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 리튬 이온 축전지는 반복된 변형에 기인하는 피로(대미지)의 축적으로 인한 부재의 파손 사고를 방지할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는 본 발명의 일 형태에 따른 축전지의 구조에 대하여 도 4~도 6을 참조하여 설명한다.
≪코인형 축전지≫
도 4의 (A)는 코인형(단층 편평(偏平)형) 축전지의 외관도이고, 도 4의 (B)는 그 단면도이다.
코인형 축전지(300)는 양극 단자를 겸한 양극 캔(301)과 음극 단자를 겸한 음극 캔(302)이 폴리프로필렌 등으로 형성된 개스킷(303)으로 절연되고 밀봉되어 있다. 양극(304)은 양극 집전체(305)와 이와 접촉되게 제공된 양극 활물질층(306)에 의하여 형성된다. 양극 활물질층(306)은, 양극 활물질 외에, 양극 활물질의 밀착성을 높이기 위한 결착제(바인더), 양극 활물질층의 도전성을 높이기 위한 도전조제 등을 가져도 좋다.
또한, 음극(307)은 음극 집전체(308)와, 이에 접촉되게 제공된 음극 활물질층(309)에 의하여 형성된다. 음극 활물질층(309)은 음극 활물질 외에, 음극 활물질의 밀착성을 높이기 위한 결착제(바인더), 음극 활물질층의 도전성을 높이기 위한 도전조제 등을 가져도 좋다. 양극 활물질층(306)과 음극 활물질층(309) 사이에는 세퍼레이터(310)와 전해질(도시하지 않았음)을 갖는다.
각 구성 부재에는, 실시형태 1에서 제시한 재료를 사용할 수 있다.
양극 캔(301), 음극 캔(302)에는 전해액에 대한 내부식성이 있는, 니켈, 타이타늄 등의 금속, 또는 이들의 합금이나 이들과 다른 금속의 합금(예를 들어 스테인리스 강 등)을 사용할 수 있다. 또한, 전해액으로 인한 부식을 방지하기 위하여 니켈 등을 피복하는 것이 바람직하다. 양극 캔(301)은 양극(304)과, 음극 캔(302)은 음극(307)과 각각 전기적으로 접속된다.
이들 음극(307), 양극(304) 및 세퍼레이터(310)를 전해액에 함침(含浸)시키고, 도 4의 (B)에 도시한 바와 같이, 양극 캔(301)을 아래로 하고 양극(304), 세퍼레이터(310), 음극(307), 음극 캔(302)을 이 순서대로 적층하고, 양극 캔(301)과 음극 캔(302)을 개스킷(303)을 개재(介在)하여 압착해서 코인형 축전지(300)를 제조한다.
여기서 도 4의 (C)를 참조하여 축전지의 충전 시의 전류의 흐름을 설명한다. 리튬을 사용한 축전지를 하나의 폐회로로 간주하였을 때, 리튬 이온의 움직임과 전류의 흐름은 동일한 방향이 된다. 또한 리튬을 사용한 축전지에서는 충전 시와 방전 시에 애노드와 캐소드가 서로 바뀌어 산화 반응과 환원 반응이 서로 바뀌므로 반응 전위가 높은 전극을 양극이라고 부르고, 반응 전위가 낮은 전극을 음극이라고 부른다. 따라서, 본 명세서에서는 충전 중이든, 방전 중이든, 역 펄스 전류를 흘리는 경우든, 충전 전류를 흘리는 경우든, 양극은 ‘양극’이라고 부르고, 음극은 ‘음극’이라고 부르기로 한다. 산화 반응이나 환원 반응에 관련된 애노드와 캐소드라는 용어를 사용하면, 충전 시와 방전 시에 반대가 되어, 혼란을 일으킬 가능성이 있다. 따라서 본 명세서에서는 사용하지 않기로 한다. 만약 애노드나 캐소드라는 용어를 사용하는 경우에는 충전 시인지 방전 시인지를 명기하고, 양극 및 음극 중 어느 쪽에 대응하는지도 병기하기로 한다.
도 4의 (C)에 도시한 2개의 단자에는 충전기가 접속되어, 축전지(400)가 충전된다. 축전지(400)의 충전이 진행되면 전극 사이의 전위차는 크게 된다. 도 4의 (C)에서는, 축전지(400)의 외부의 단자로부터 양극(402) 측으로 흐르고 축전지(400) 중에서, 양극(402)으로부터 음극(404) 측으로 흐르고 음극으로부터 축전지(400)의 외부의 단자 측으로 흐르는 전류의 방향을 양의 방향으로 한다. 즉, 충전 전류가 흐르는 방향을 전류가 흐르는 방향으로 한다.
≪원통형 축전지≫
다음에 원통형 축전지의 일례에 대하여 도 5를 참조하여 설명한다. 원통형 축전지(600)는 도 5의 (A)에 도시한 바와 같이, 상면에 양극 캡(전지 뚜껑)(601)을 갖고, 측면 및 저면에 전지 캔(외장 캔)(602)을 갖는다. 이들 양극 캡과 전지 캔(외장 캔)(602)은 개스킷(절연 패킹)(610)에 의하여 절연되어 있다.
도 5의 (B)는 원통형 축전지의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 중공 원통형의 전지 캔(602)의 내측에는 띠 형상의 양극(604)과 음극(606)이 세퍼레이터(605)를 사이에 두고 권회된 전지 소자가 제공되어 있다. 도시하지 않았지만, 전지 소자는 센터 핀을 중심으로 권회되어 있다. 전지 캔(602)은 일단이 닫히고 타단이 열려 있다. 전지 캔(602)에는 전해액에 대해서 내부식성이 있는 니켈, 타이타늄 등의 금속, 또는 이들의 합금이나 이들과 다른 금속의 합금(예를 들어, 스테인리스 강 등)을 사용할 수 있다. 또한, 전해액으로 인한 부식을 방지하기 위하여, 니켈 등을 피복하는 것이 바람직하다. 전지 캔(602)의 내측에서, 양극, 음극 및 세퍼레이터가 권회된 전지 소자는 대향하는 한 쌍의 절연판(608, 609) 사이에 끼여 있다. 또한, 전지 소자가 제공된 전지 캔(602)의 내부는 비수전해액(도시하지 않았음)이 주입되어 있다. 비수전해액은, 코인형 축전지와 같은 것을 사용할 수 있다.
양극(604) 및 음극(606)은, 상술한 코인형의 축전지의 양극 및 음극과 마찬가지로 제조하면 좋지만 원통형 축전지에 사용하는 양극 및 음극은 권회하므로 집전체의 양면에 활물질을 형성하는 점에서 상이하다. 양극(604)에는 양극 단자(양극 집전 탭)(603)가 접속되고, 음극(606)에는 음극 단자(음극 집전 탭)(607)가 접속된다. 양극 단자(603) 및 음극 단자(607)는 둘 다 알루미늄 등의 금속 재료를 사용할 수 있다. 양극 단자(603)는 안전 밸브 기구(612)에, 음극 단자(607)는 전지 캔(602)의 바닥에 각각 저항 용접된다. 안전 밸브 기구(612)는 PTC소자(Positive Temperature Coefficient)(611)를 통하여 양극 캡(601)과 전기적으로 접속되어 있다. 안전 밸브 기구(612)는 전지의 내압의 상승이 소정의 문턱 값을 넘었을 경우에, 양극 캡(601)과 양극(604)의 전기적 접속을 절단하는 것이다. 또한 PTC소자(611)는 온도가 상승한 경우에 저항이 증대하는 열감 저항 소자이며, 저항의 증대에 따라 전류량을 제한하여 이상 발열을 방지하는 것이다. PTC소자에는 타이타늄산 바륨(BaTiO3)계 반도체 세라믹스 등을 사용할 수 있다.
≪래미네이트형 축전지≫
다음에 래미네이트형 축전지의 일례에 대하여 도 6의 (A)를 참조하여 설명한다. 래미네이트형 축전지는, 가요성을 갖는 구성으로 하고, 가요성을 갖는 부위를 적어도 일부 갖는 전자 기기에 실장하면, 전자 기기의 변형에 맞춰서 축전지도 휠 수 있다.
도 6의 (A)에 도시한 래미네이트형 축전지(500)는 양극 집전체(501) 및 양극 활물질층(502)을 갖는 양극(503)과, 음극 집전체(504) 및 음극 활물질층(505)을 갖는 음극(506)과, 세퍼레이터(507)와, 전해액(508)과, 외장체(509)를 갖는다. 외장체(509) 내에 제공된 양극(503)과 음극(506) 사이에 세퍼레이터(507)가 설치되어 있다. 또한, 외장체(509) 내는 전해액(508)으로 채워져 있다. 전해액(508)에는 실시형태 1에서 설명한 전해액을 사용할 수 있다.
도 6의 (A)에 도시한 래미네이트형 축전지(500)에 있어서, 양극 집전체(501) 및 음극 집전체(504)는 외부와의 전기적 접촉을 얻는 단자의 역할도 겸하고 있다. 그러므로, 양극 집전체(501) 및 음극 집전체(504)의 일부는 외장체(509)로부터 외측으로 노출되도록 배치하여도 좋다. 또한, 양극 집전체(501) 및 음극 집전체(504)를 외장체(509)로부터 외측으로 노출시키지 않고, 탭 전극을 사용하고 이 탭 전극과 양극 집전체(501) 또는 음극 집전체(504)를 초음파 접합시켜서 탭 전극을 외측으로 노출되게 하여도 좋다.
래미네이트형 축전지(500)에 있어서, 외장체(509)에는 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 아이오노머, 폴리아마이드 등의 재료로 이루어지는 막 위에 알루미늄, 스테인리스, 구리, 니켈 등의 가요성이 뛰어난 금속 박막을 제공하고, 또한 이 금속 박막 위에 외장체의 외면으로서 폴리아마이드계 수지, 폴리에스터계 수지 등의 절연성 합성 수지막을 제공한 3층 구조의 래미네이트 필름을 사용할 수 있다.
또한, 래미네이트형 축전지(500)의 단면 구조의 일례를 도 6의 (B)에 도시하였다. 도 6의 (A)에서는 간략화를 위하여 2개의 집전체로 구성하는 예를 도시하였지만 실제는 복수의 전극층으로 구성한다.
도 6의 (B)에서는 일례로서, 전극층수를 16으로 하였다. 또한, 전극층수를 16으로 하여도 축전지(500)는 가요성을 갖는다. 도 6의 (B)에서는 음극 집전체(504)가 8층과, 양극 집전체(501)가 8층, 총 16층의 구조를 나타내고 있다. 또한 도 6의 (B)에는 음극의 추출부의 단면을 나타내었고, 8층의 음극 집전체(504)를 초음파 접합시키고 있다. 물론, 전극층수는 16에 한정되지 않으며, 많아도 좋고, 적어도 좋다. 전극층수가 많은 경우에는 더 많은 용량을 갖는 축전지로 할 수 있다. 또한, 전극층수가 적은 경우에는 박형화할 수 있어, 가요성이 뛰어난 축전지로 할 수 있다.
여기서, 래미네이트형 축전지(500)의 외관도의 일례를 도 7 및 도 8에 도시하였다. 도 7 및 도 8은, 양극(503), 음극(506), 세퍼레이터(507), 외장체(509), 양극 탭 전극(510) 및 음극 탭 전극(511)을 갖는다.
도 9의 (A)는 양극(503) 및 음극(506)의 외관도를 도시한 것이다. 양극(503)은 양극 집전체(501)를 갖고, 양극 활물질층(502)은 양극 집전체(501)의 표면에 형성되어 있다. 또한, 양극(503)은 양극 집전체(501)가 일부 노출되는 영역(탭 영역이라고 함)을 갖는다. 음극(506)은 음극 집전체(504)를 갖고, 음극 활물질층(505)은 음극 집전체(504)의 표면에 형성되어 있다. 또한 음극(506)은 음극 집전체(504)가 일부 노출되는 영역, 즉, 탭 영역을 갖는다. 양극 및 음극이 갖는 탭 영역의 면적이나 형상은, 도 9의 (A)에 도시한 예에 한정되지 않는다.
≪래미네이트형 축전지의 제작 방법≫
여기서, 도 7에 외관도를 도시한 래미네이트형 축전지의 제작 방법의 일례에 대하여 도 9의 (B) 및 (C)를 참조하여 설명한다.
먼저, 음극(506), 세퍼레이터(507) 및 양극(503)을 적층한다. 도 9의 (B)에 적층된 음극(506), 세퍼레이터(507) 및 양극(503)을 도시하였다. 여기서는 음극을 5쌍, 양극을 4쌍 사용한 예를 나타낸다. 다음에 양극(503)의 탭 영역끼리의 접합과 최표면의 양극의 탭 영역에 대한 양극 탭 전극(510)의 접합을 수행한다. 접합에는 예를 들어 초음파 용접 등을 사용하면 좋다. 마찬가지로, 음극(506)의 탭 영역끼리의 접합과 최표면의 음극의 탭 영역에 대한 음극 탭 전극(511)의 접합을 수행한다.
다음에 외장체(509) 위에 음극(506), 세퍼레이터(507) 및 양극(503)을 배치한다.
다음에 도 9의 (C)에 도시한 바와 같이, 외장체(509)를 파선으로 나타낸 부분에서 접는다. 그 후, 외장체(509)의 외주부를 접합한다. 접합에는 예를 들어 열압착 등을 사용하면 좋다. 이 때, 나중에 전해액(508)을 도입할 수 있도록 외장체(509)의 일부(또는 한 변)에 접합되지 않는 영역(이하 도입구라고 함)을 제공하였다.
다음에 외장체(509)에 제공된 도입구에서, 전해액(508)을 외장체(509)의 내측으로 도입한다. 전해액(508)의 도입은, 감압 분위기하, 또는 불활성 가스 분위기하에서 수행하는 것이 바람직하다. 그리고, 마지막에 도입구를 접합한다. 이렇게 하여, 래미네이트형 축전지인 축전지(500)를 제작할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 축전지로서, 코인형, 래미네이트형 및 원통형의 축전지를 설명하였지만, 이 외의 밀봉형 축전지, 각형 축전지 등, 다양한 형상의 축전지를 사용할 수 있다. 또한, 양극, 음극, 및 세퍼레이터가 복수 적층된 구조, 양극, 음극, 및 세퍼레이터가 권회된 구조라도 좋다.
또한, 가요성을 갖는 래미네이트형 축전지를 전자 기기에 실장하는 예를 도 10에 도시하였다. 플렉시블한 형상을 구비하는 축전지를 적용한 전자 기기로서, 예를 들어, 텔레비전 장치(텔레비전, 또는 텔레비전 수신기라고도 함), 컴퓨터용 등의 모니터, 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라, 디지털 포토 프레임, 휴대 전화기(휴대전화, 휴대 전화 장치라고도 함), 휴대형 게임기, 휴대 정보 단말, 음향 재생 장치, 파칭코기 등의 대형 게임기 등을 들 수 있다.
또한, 플렉시블한 형상을 구비하는 축전지를 가옥이나 빌딩 내벽 또는 외벽이나, 자동차의 내장 또는 외장의 곡면을 따라 제공할 수도 있다.
도 10의 (A)는, 휴대 전화기의 일례를 도시한 것이다. 휴대 전화기(7400)는 하우징(7401)에 제공된 표시부(7402) 외에, 조작 버튼(7403), 외부 접속 포트(7404), 스피커(7405), 마이크로폰(7406) 등을 구비한다. 또한, 휴대 전화기(7400)는 축전지(7407)를 갖는다.
도 10의 (B)는 휴대 전화기(7400)를 만곡시킨 상태를 도시한 것이다. 휴대 전화기(7400)를 외부의 힘에 의하여 변형시켜 전체를 만곡시키면, 그 내부에 제공된 축전지(7407)도 만곡된다. 또한 이 때 만곡된 축전지(7407)의 상태를 도 10의 (C)에 도시하였다. 축전지(7407)는 래미네이트형 축전지이다.
도 10의 (D)는 팔찌형 표시 장치의 일례를 도시한 것이다. 휴대 표시 장치(7100)는 하우징(7101), 표시부(7102), 조작 버튼(7103), 및 축전지(7104)를 구비한다. 또한, 도 10의 (E)에 만곡된 축전지(7104)의 상태를 도시하였다.
≪축전지의 구조예≫
축전지의 구조예에 대하여 도 11~도 15를 참조하여 설명한다.
도 11의 (A) 및 (B)는, 축전지의 외관을 도시한 도면이다. 축전지는, 회로 기판(900)과, 축전지(913)를 갖는다. 축전지(913)에는 라벨(910)이 붙여 있다. 또한, 도 11의 (B)에 도시한 바와 같이, 축전지는, 단자(951)와, 단자(952)와, 안테나(914), 안테나(915)를 갖는다.
회로 기판(900)은, 단자(911)와, 회로(912)를 갖는다. 단자(911)는 단자(951), 단자(952), 안테나(914), 안테나(915), 및 회로(912)에 접속된다. 또한, 단자(911)를 복수 제공하고, 복수의 단자(911)의 각각을 제어 신호 입력 단자, 전원 단자 등으로 하여도 좋다.
회로(912)는 회로 기판(900)의 이면에 제공되어도 좋다. 또한 안테나(914) 및 안테나(915)는 코일 형상으로 한정되지 않고, 예를 들어 선 형상, 판 형상이어도 좋다. 또한, 평면 안테나, 개구면 안테나, 진행파 안테나, EH 안테나, 자계(磁界) 안테나, 유전체 안테나 등의 안테나를 사용하여도 좋다. 또는, 안테나(914) 또는 안테나(915)는 평판 형상의 도체라도 좋다. 이 평판 형상의 도체는 전계 결합용의 도체의 하나로서 기능할 수 있다. 즉, 콘덴서가 갖는 2개의 도체 중 하나의 도체로서 안테나(914) 또는 안테나(915)를 기능시켜도 좋다. 이로써, 전자계, 자계뿐만이 아니라 전계에 의하여 전력을 교환할 수 있다.
안테나(914)의 선폭은, 안테나(915)의 선폭보다 큰 것이 바람직하다. 이로써 안테나(914)에 의하여 수전하는 전력량을 크게 할 수 있다.
축전지는, 안테나(914) 및 안테나(915)와, 축전지(913) 사이에 층(916)을 갖는다. 층(916)은 예를 들어 축전지(913)로 인한 전자계에 대한 영향을 방지할 수 있는 기능을 갖는다. 층(916)으로서는, 예를 들어 자성체를 사용할 수 있다.
또한, 축전지의 구조는 도 11에 한정되지 않는다.
예를 들어, 도 12의 (A-1) 및 (A-2)에 도시한 바와 같이, 도 11의 (A) 및 (B)에 도시한 축전지(913) 중 대향하는 한 쌍의 면 각각에 안테나를 제공하여도 좋다. 도 12의 (A-1)은 상기 한 쌍의 면 중 한쪽 방향으로부터 본 외관도이고, 도 12의 (A-2)는 상기 한 쌍의 면 중 다른 쪽 방향으로부터 본 외관도이다. 또한, 도 11의 (A) 및 (B)에 도시한 축전지와 같은 부분에 대해서는 도 11의 (A) 및 (B)에 도시한 축전지의 설명을 적절히 원용할 수 있다.
도 12의 (A-1)에 도시한 바와 같이, 축전지(913)의 한 쌍의 면 중 한쪽에 층(916)을 사이에 두고 안테나(914)가 제공되고, 도 12의 (A-2)에 도시한 바와 같이, 축전지(913)의 한 쌍의 면 중 다른 쪽에 층(917)을 사이에 두고 안테나(915)가 제공된다. 층(917)은 예를 들어, 축전지(913)에 의한 전자계에 대한 영향을 방지할 수 있는 기능을 갖는다. 층(917)으로서는 예를 들어, 자성체를 사용할 수 있다.
상기 구조로 함으로써, 안테나(914) 및 안테나(915)의 양쪽 사이즈를 크게 할 수 있다.
또는, 도 12의 (B-1) 및 (B-2)에 도시한 바와 같이, 도 11의 (A) 및 (B)에 도시한 축전지(913) 중 대향하는 한 쌍의 면 각각에 다른 안테나를 제공하여도 좋다. 도 12의 (B-1)은 상기 한 쌍의 면 중 한쪽 방향으로부터 본 외관도이고, 도 12의 (B-2)는 상기 한 쌍의 면 중 다른 쪽 방향으로부터 본 외관도이다. 또한, 도 11의 (A) 및 (B)에 도시한 축전지와 같은 부분에 대해서는 도 12의 (A) 및 (B)에 도시한 축전지의 설명을 적절히 원용할 수 있다.
도 12의 (B-1)에 도시한 바와 같이, 축전지(913)의 한 쌍의 면 중 한쪽에 층(916)을 사이에 두고 안테나(914) 및 안테나(915)가 제공되고, 도 12의 (B-2)에 도시한 바와 같이 축전지(913)의 한 쌍의 면 중 다른 쪽에 층(917)을 사이에 두고 안테나(918)가 제공된다. 안테나(918)는 예를 들어 외부 기기와 데이터 통신을 할 수 있는 기능을 갖는다. 안테나(918)에는 예를 들어 안테나(914) 및 안테나(915)에 적용 가능한 형상의 안테나를 적용할 수 있다. 안테나(918)를 통한 축전지와 다른 기기의 통신 방식으로서는 NFC 등, 축전지와 다른 기기 사이에서 사용할 수 있는 응답 방식 등을 적용할 수 있다.
또는, 도 13의 (A)에 도시한 바와 같이, 도 11의 (A) 및 (B)에 도시한 축전지(913)에 표시 장치(920)를 제공하여도 좋다. 표시 장치(920)는 단자(919)를 통하여 단자(911)에 전기적으로 접속된다. 또한 표시 장치(920)가 제공되는 부분에 라벨(910)을 제공하지 않아도 된다. 또한, 도 11의 (A) 및 (B)에 도시한 축전지와 같은 부분에 대해서는 도 11의 (A) 및 (B)에 도시한 축전지의 설명을 적절히 원용할 수 있다.
표시 장치(920)에는 예를 들어 충전중인지 여부를 나타내는 화상, 축전량을 나타내는 화상 등을 표시하여도 좋다. 표시 장치(920)로서는 예를 들어, 전자 페이퍼, 액정 표시 장치, 일렉트로루미네센스(EL이라고도 함) 표시 장치 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 전자 페이퍼를 사용함으로써 표시 장치(920)의 소비 전력을 저감할 수 있다.
또는 도 13의 (B)에 도시한 바와 같이, 도 11의 (A) 및 (B)에 도시한 축전지(913)에 센서(921)를 제공하여도 좋다. 센서(921)는 단자(922)를 통하여 단자(911)에 전기적으로 접속된다. 또한, 도 11의 (A) 및 도 11의 (B)에 도시한 축전지와 같은 부분에 대해서는 도 11의 (A) 및 (B)에 도시한 축전지의 설명을 적절히 원용할 수 있다.
센서(921)로서는 예를 들어, 변위, 위치, 속도, 가속도, 각속도, 회전수, 거리, 광, 액체, 자기, 온도, 화학 물질, 음성, 시간, 경도(硬度), 전기장, 전류, 전압, 전력, 방사선, 유량, 습도, 경사도, 진동, 냄새 또는 적외선을 측정할 수 있는 기능을 가지면 좋다. 센서(921)를 제공함으로써, 예를 들어, 축전지가 놓여 있는 환경을 나타낸 데이터(온도 등)를 검출하여, 회로(912) 내의 메모리에 기억할 수 있다.
또한, 축전지(913)의 구조예에 대하여 도 14 및 도 15를 참조하여 설명한다.
도 14의 (A)에 도시한 축전지(913)는 하우징(930) 내부에 단자(951)와 단자(952)가 제공된 권회체(950)를 갖는다. 권회체(950)는 하우징(930) 내부에서 전해액에 함침된다. 단자(952)는 하우징(930)에 접하고, 단자(951)는 절연재 등을 사용함으로써 하우징(930)에 접하지 않는다. 또한 도 14의 (A)에서는 편의상 하우징(930)을 분리시켜 도시하였지만, 실제는 권회체(950)가 하우징(930)에 덮여서, 단자(951) 및 단자(952)가 하우징(930) 외측으로 연장된다. 하우징(930)으로서는 금속 재료 또는 수지 재료를 사용할 수 있다.
또한, 도 14의 (B)에 도시한 바와 같이, 도 14의 (A)에 도시한 하우징(930)을 복수의 재료에 의하여 형성하여도 좋다. 예를 들어, 도 14의 (B)에 도시한 축전지(913)는 하우징(930a)과 하우징(930b)이 접합되어 있으며 하우징(930a) 및 하우징(930b)으로 둘러싸인 영역에 권회체(950)가 제공되어 있다.
하우징(930a)으로서는, 유기 수지 등, 절연 재료를 사용할 수 있다. 특히, 안테나가 형성되는 면에 유기 수지 등의 재료를 사용함으로써, 축전지(913)로 인한 전계의 차폐를 억제할 수 있다. 또한 하우징(930a)으로 인한 전계의 차폐가 작으면, 하우징(930a) 내부에 안테나(914)나 안테나(915) 등의 안테나를 제공하여도 좋다. 하우징(930b)으로서는 예를 들어 금속 재료를 사용할 수 있다.
또한, 권회체(950)의 구조에 대하여 도 15에 도시하였다. 권회체(950)는, 음극(931)과, 양극(932)과, 세퍼레이터(933)를 갖는다. 권회체(950)는 세퍼레이터(933)를 사이에 두고 음극(931)과 양극(932)이 중첩되어 적층되고, 이 적층 시트를 권회시킨 권회체이다. 또한, 음극(931)과, 양극(932)과, 세퍼레이터(933)의 적층을 더 복수 중첩하여도 좋다.
음극(931)은, 단자(951) 및 단자(952) 중 한쪽을 통하여 도 11에 도시한 단자(911)에 접속된다. 양극(932)은 단자(951) 및 단자(952) 중 다른 쪽을 통하여 도 11에 도시한 단자(911)에 접속된다.
≪전자 기기의 일례: 차량에 탑재하는 예≫
다음에 축전지를 차량에 탑재하는 예에 대하여 설명한다. 축전지를 차량에 탑재하면 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자동차(EV), 또는 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 등의 차세대 클린 에너지 자동차를 실현할 수 있다.
도 16에서, 본 발명의 일 형태를 사용한 차량을 예시하였다. 도 16의 (A)에 도시한 자동차(8100)는 주행을 위한 동력원으로서 전기 모터를 사용한 전기 자동차이다. 또는, 주행을 위한 동력원으로서 전기 모터와 엔진을 적절히 선택해서 사용할 수 있는 하이브리드 자동차이다. 본 발명의 일 형태를 사용함으로써 반복해서 충방전을 할 수 있는 차량을 실현할 수 있다. 또한, 자동차(8100)는 축전지를 갖는다. 축전지는 전기 모터를 구동할 뿐만 아니라, 헤드 라이트(8101)나 룸 라이트(도시하지 않았음) 등의 발광 장치에 전력을 공급할 수 있다.
또한, 축전지는 자동차(8100)가 갖는 스피드 미터, 회전 속도계 등의 표시 장치에 전력을 공급할 수 있다. 또한 축전지는 자동차(8100)가 갖는 내비게이션 시스템 등의 반도체 장치에 전력을 공급할 수 있다.
도 16의 (B)에 도시한 자동차(8200)는 자동차(8200)가 갖는 축전지에 플러그 인 방식이나 비접촉 급전 방식 등에 의하여 외부의 충전 설비로부터 전력 공급을 받아, 충전할 수 있다. 도 16의 (B)에, 지상 설치형의 충전 장치(8021)로부터 자동차(8200)에 탑재된 축전지에 케이블(8022)을 통하여 충전을 수행하는 상태를 도시하였다. 충전 시에는, 충전 방법이나 커넥터의 규격 등은 소정의 방식으로 적절히 수행하면 좋다. 충전 장치(8021)는 상용 시설에 제공된 충전 스테이션이라도 좋고, 또한 일반 주택의 전원이어도 좋다. 예를 들어, 플러그 인 기술에 의하여, 외부로부터의 전력 공급에 의하여 자동차(8200)에 탑재된 축전지(8024)를 충전할 수 있다. 충전은 ACDC 컨버터 등의 변환 장치를 통하여 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 수행할 수 있다.
또한 도시하지 않았지만, 수전 장치를 차량에 탑재하여 지상의 송전 장치에서 전력을 비접촉으로 공급하여 충전할 수 있다. 이 비접촉 급전 방식의 경우에는 도로나 외벽에 송전 장치를 조합함으로써 정차 시뿐만 아니라 주행 시에도 충전할 수 있다. 또한 이 비접촉 급전 방식을 이용하여 차량끼리 전력의 송수신을 하여도 좋다. 또한 차량의 외장부에 태양 전지를 제공하여 정차 시나 주행 시에 축전지의 충전을 하여도 좋다. 이러한 비접촉의 전력의 공급으로는 전자 유도 방식이나 자계 공명 방식을 이용할 수 있다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 축전지의 사이클 특성이 양호해지므로 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태에 따르면, 축전지의 특성을 향상시킬 수 있어, 축전지 자체를 소형 경량화할 수 있다. 축전지 자체를 소형 경량화할 수 있으면, 차량의 경량화에 기여하므로 주행 거리도 향상시킬 수 있다. 또한, 차량에 탑재한 축전지를 차량 이외의 전력 공급원으로서 사용할 수도 있다. 이 경우, 전력 수요의 피크 시에 상용 전원을 사용하는 것을 회피할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 4)
실시형태 1~3에서 설명한 축전지를 전지 셀로 하여, 이들과 조합하여 사용할 수 있는 전지 제어 유닛(Battery Management Unit: BMU) 및 이 전지 제어 유닛을 구성하는 회로에 적합한 트랜지스터에 대하여 도 17~도 23을 참조하여 설명한다. 본 실시형태에서는 특히 직렬로 접속된 전지 셀을 갖는 축전지의 전지 제어 유닛에 대하여 설명한다.
직렬로 접속된 복수의 전지 셀에 대하여 충방전을 반복하면, 각 전지 셀간에서 충방전 특성에 편차가 생겨 각 전지 셀의 용량(출력 전압)이 달라진다. 직렬로 접속된 복수의 전지 셀의 방전 시의 전체의 용량은 용량이 작은 전지 셀에 의존한다. 각 전지 셀의 용량에 편차가 있으면 방전 시의 전체 용량이 작아진다. 또한 용량이 작은 전지 셀을 기준으로 충전을 행하면 충전 부족이 될 우려가 있다. 또한 용량이 큰 전지 셀을 기준으로 충전을 행하면, 과충전이 될 우려가 있다.
그러므로, 직렬로 접속된 전지 셀을 갖는 축전지의 전지 제어 유닛은, 충전 부족이나 과충전의 원인이 될, 전지 셀간의 용량의 편차를 저감하는 기능을 갖는다. 전지 셀간의 용량의 편차를 저감하기 위한 회로 구성에는 저항 방식, 커패시터 방식, 또는 인덕터 방식 등이 있지만, 여기에서는 오프 전류가 작은 트랜지스터를 이용하여 용량의 편차를 저감할 수 있는 회로 구성을 일례로 들어 설명한다.
오프 전류가 작은 트랜지스터로서는 채널 형성 영역에 산화물 반도체를 갖는 트랜지스터(OS 트랜지스터)가 바람직하다. 오프 전류가 작은 OS 트랜지스터를 축전지의 전지 제어 유닛의 회로 구성에 사용함으로써 전지로부터 누설되는 전하량을 줄여, 시간의 경과로 인한 용량의 저하를 억제할 수 있다.
채널 형성 영역에 사용하는 산화물 반도체는, In-M-Zn 산화물(M은 Ga, Sn, Y, Zr, La, Ce, 또는 Nd)을 사용한다. 산화물 반도체막을 형성하기 위하여 사용하는 타깃에 있어서, 금속 원소의 원자수비를 In:M:Zn=x1:y1:z1로 하면, x1/y1은 1/3 이상 6 이하, 바람직하게는 1 이상 6 이하이고, z1:y1은 1/3 이상 6 이하, 더 나아가서는 1 이상 6 이하인 것이 바람직하다. 또한 z1:y1을 1 이상 6 이하로 함으로써 산화물 반도체막으로서 CAAC-OS막이 형성되기 쉬워진다.
여기서, CAAC-OS막에 대하여 설명한다.
CAAC-OS막은 c축 배향된 복수의 결정부를 갖는 산화물 반도체막의 하나이다.
투과형 전자 현미경(TEM: Transmission Electron Microscope)에 의하여, CAAC-OS막의 명시야상 및 회절 패턴의 복합 해석상(고해능 TEM 이미지라고도 함)을 관찰함으로써 복수의 결정부를 확인할 수 있다. 한편, 고분해능 TEM 이미지에서도 명확한 결정부끼리의 경계, 즉, 결정립계(그레인 바운더리라고도 함)를 확인할 수 없다. 그러므로, CAAC-OS막은 결정립계에 기인하는 전자 이동도의 저하가 발생하기 어렵다고 할 수 있다.
시료면과 실질적으로 평행한 방향으로부터, CAAC-OS막 단면의 고분해능 TEM 이미지를 관찰하면, 결정부에서 금속 원자가 층상으로 배열되어 있는 것을 확인할 수 있다. 금속 원자의 각 층은 CAAC-OS막의 막을 형성하는 면(피형성면이라고도 함) 또는 상면의 요철을 반영한 형상이며, CAAC-OS막의 피형성면 또는 상면과 평행하게 배열된다.
한편, 시료면과 실질적으로 수직인 방향으로부터, CAAC-OS막 평면의 고분해능 TEM 이미지를 관찰하면, 결정부에 있어서, 금속 원자가 삼각 형상 또는 육각형상으로 배치되어 있는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 상이한 결정부간에서, 금속 원자의 배열에 규칙성이 보이지 않는다.
CAAC-OS막에 대하여 X선 회절(XRD: X-Ray Diffraction) 장치를 사용해서 구조 해석을 행하면, 예를 들어 InGaZnO4의 결정을 갖는 CAAC-OS막의 out-of-plane법에 의한 해석에서는, 회절각(2θ)이 31° 근방에 피크가 나타나는 경우가 있다. 이 피크는 InGaZnO4의 결정의 (009)면에 귀속되기 때문에, CAAC-OS막의 결정이 c축 배향성을 갖고, c축이 피형성면, 또는 상면에 실질적으로 수직인 방향을 향하고 있는 것을 확인할 수 있다.
또한, InGaZnO4의 결정을 갖는 CAAC-OS막의 out-of-plane법에 의한 해석에서는, 2θ가 31° 근방인 피크 이외에, 2θ가 36° 근방에도 피크가 나타나는 경우가 있다. 2θ가 36° 근방일 때의 피크는 CAAC-OS막 중의 일부에 c축 배향성을 갖지 않는 결정이 포함되는 것을 나타낸다. CAAC-OS막은 2θ가 31° 근방인 피크가 나타나고, 2θ가 36° 근방인 피크가 나타나지 않는 것이 바람직하다.
CAAC-OS막은 불순물 농도가 낮은 산화물 반도체이다. 불순물은 수소, 탄소, 실리콘, 전이 금속 원소 등, 산화물 반도체막의 주성분 이외의 원소이다. 특히 산화물 반도체막을 구성하는 금속 원소보다도 산소와의 결합력이 강한 원소(실리콘 등)는 산화물 반도체막으로부터 산소를 뺏음으로써 산화물 반도체막의 원자 배열을 흐트러지게 하여, 결정성을 저하시키는 요인이 된다. 또한, 철, 니켈 등의 중금속, 아르곤, 이산화 탄소 등은 원자 반경(또는 분자 반경)이 크기 때문에, 산화물 반도체막 내부에 포함되면, 산화물 반도체막의 원자 배열을 흐트러지게 하여, 결정성을 저하시키는 요인이 된다. 또한, 산화물 반도체막에 포함되는 불순물은 캐리어 트랩이나 캐리어 발생원이 되는 경우가 있다.
또한, CAAC-OS막은 결함 준위 밀도가 낮은 산화물 반도체막이다. 예를 들어, 산화물 반도체막 중의 산소 결손은 캐리어 트랩이 되거나, 수소를 포획함으로써 캐리어 발생원이 될 수 있다.
불순물 농도가 낮고, 결함 준위 밀도가 낮은(산소 결손이 적은) 것을, 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성이라고 부른다. 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성인 산화물 반도체막은 캐리어 발생원이 적으므로, 캐리어 밀도를 낮게 할 수 있다. 따라서, 이 산화물 반도체막을 사용한 트랜지스터는 문턱 전압이 마이너스가 되는 전기 특성(노멀리 온이라고도 함)이 되는 일이 적다. 또한 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성인 산화물 반도체막은 캐리어 트랩이 작다. 따라서, 이 산화물 반도체막을 사용한 트랜지스터는 전기 특성의 변동이 작고, 신뢰성이 높은 트랜지스터가 된다. 또한, 산화물 반도체막의 캐리어 트랩에 포획된 전하는 방출되기까지 필요로 하는 시간이 길고, 마치 고정 전하처럼 행동하는 경우가 있다. 그러므로, 불순물 농도가 높고, 결함 준위 밀도가 높은 산화물 반도체막을 사용한 트랜지스터는 전기 특성이 불안정하게 되는 경우가 있다.
또한, CAAC-OS막을 사용한 트랜지스터는 가시광이나, 자외광의 조사로 인한 전기 특성의 변동이 작다.
또한, OS 트랜지스터는 채널 형성 영역에 실리콘을 갖는 트랜지스터(Si 트랜지스터)에 비해서 밴드 갭이 크므로 고전압을 인가하였을 때의 절연 파괴가 일어나기 어렵다. 직렬로 전지 셀을 접속하는 경우, 수백V의 전압이 생기게 되지만 축전지에 있어서 이러한 전지 셀에 적용되는 전지 제어 유닛의 회로 구성에는 상술한 OS 트랜지스터로 구성하는 것이 적합하다.
도 17에는 축전지의 블록도의 일례를 도시하였다. 도 17에 도시한 축전지(BT00)는 단자쌍(BT01)과, 단자쌍(BT02)과, 전환 제어 회로(BT03)와, 전환 회로(BT04)와, 전환 회로(BT05)와, 변압 제어 회로(BT06)와, 변압 회로(BT07)와, 직렬로 접속된 복수의 전지 셀(BT09)을 포함하는 전지부(BT08)를 갖는다.
또한, 도 17의 축전지(BT00)에 있어서, 단자쌍(BT01)과, 단자쌍(BT02)과, 전환 제어 회로(BT03)와, 전환 회로(BT04)와, 전환 회로(BT05)와, 변압 제어 회로(BT06)와, 변압 회로(BT07)로 구성되는 부분을 전지 제어 유닛이라고 할 수 있다.
전환 제어 회로(BT03)는, 전환 회로(BT04) 및 전환 회로(BT05)의 동작을 제어한다. 구체적으로는 전환 제어 회로(BT03)는 전지 셀(BT09)마다 측정된 전압에 따라 방전하는 전지 셀(방전 전지 셀군), 및 충전하는 전지 셀(충전 전지 셀군)을 결정한다.
또한 전환 제어 회로(BT03)는 이 결정된 방전 전지 셀군 및 충전 전지 셀군에 기초하여 제어 신호(S1) 및 제어 신호(S2)를 출력한다. 제어 신호(S1)는 전환 회로(BT04)로 출력된다. 이 제어 신호(S1)는 단자쌍(BT01)과 방전 전지 셀군을 접속시키도록 전환 회로(BT04)를 제어하는 신호이다. 또한 제어 신호(S2)는 전환 회로(BT05)로 출력된다. 이 제어 신호(S2)는 단자쌍(BT02)과 충전 전지 셀군을 접속시키도록 전환 회로(BT05)를 제어하는 신호이다.
또한, 전환 제어 회로(BT03)는, 전환 회로(BT04), 전환 회로(BT05), 및 변압 회로(BT07)의 구성을 감안하여, 단자쌍(BT01)과 방전 전지 셀군 사이, 또는 단자쌍(BT02)과 충전 전지 셀군 사이에서 같은 극성의 단자끼리 접속되도록, 제어 신호(S1) 및 제어 신호(S2)를 생성한다.
전환 제어 회로(BT03)의 동작의 상세한 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 전환 제어 회로(BT03)는 복수의 전지 셀(BT09)마다의 전압을 측정한다. 그리고 전환 제어 회로(BT03)는 예를 들어, 소정의 문턱 값 이상의 전압의 전지 셀(BT09)을 고전압의 전지 셀(고전압 셀), 소정의 문턱 값 미만의 전압의 전지 셀(BT09)을 저전압의 전지 셀(저전압 셀)이라고 판단한다.
또한, 고전압 셀 및 저전압 셀을 판단하는 방법에 대해서는 다양한 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 전환 제어 회로(BT03)는 복수의 전지 셀(BT09) 중에서 가장 전압이 높은, 또는 낮은 전지 셀(BT09)의 전압을 기준으로 하여, 각 전지 셀(BT09)이 고전압 셀인지, 저전압 셀인지를 판단하여도 좋다. 이 경우, 전환 제어 회로(BT03)는 예를 들어, 각 전지 셀(BT09)의 전압이 기준이 되는 전압에 대하여 소정의 비율 이상인지를 판정하여, 각 전지 셀(BT09)의 전압이 고전압 셀인지 저전압 셀인지를 판단할 수 있다. 그리고, 전환 제어 회로(BT03)는, 이 판단 결과에 따라 방전 전지 셀군과 충전 전지 셀군을 결정한다.
또한, 복수의 전지 셀(BT09) 중에서는, 고전압 셀과 저전압 셀이 다양한 상태로 혼재할 수 있다. 예를 들어, 전환 제어 회로(BT03)는 고전압 셀과 저전압 셀이 혼재하는 가운데 고전압 셀이 가장 많이 연속해서 직렬로 접속된 부분을 방전 전지 셀군으로 한다. 또한, 전환 제어 회로(BT03)는 저전압 셀이 가장 많이 연속해서 직렬로 접속된 부분을 충전 전지 셀군으로 한다. 또한 전환 제어 회로(BT03)는 과충전 또는 과방전에 가까운 전지 셀(BT09)을 방전 전지 셀군 또는 충전 전지 셀군으로 우선적으로 선택하도록 하여도 좋다.
여기서, 본 실시형태에서의 전환 제어 회로(BT03)의 동작예를 도 18을 참조하여 설명한다. 도 18은 전환 제어 회로(BT03)의 동작예를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 설명의 편의상 도 18에서는 4개의 전지 셀(BT09)이 직렬로 접속되어 있는 경우를 예로 설명한다.
먼저, 도 18의 (A)의 예에서는 전지 셀(a~d)의 전압을 전압(Va~Vd)으로 하면 Va=Vb=Vc>Vd의 관계가 되는 경우를 도시하였다. 즉, 연속하는 3개의 고전압 셀(a~c)과 1개의 저전압 셀(d)이 직렬로 접속되어 있다. 이 경우, 전환 제어 회로(BT03)는 연속하는 3개의 고전압 셀(a~c)을 방전 전지 셀군으로서 결정한다. 또한, 전환 제어 회로(BT03)는 저전압 셀(d)을 충전 전지 셀군으로 결정한다.
다음에 도 18의 (B)의 예에서는, Vc>Va=Vb>>Vd의 관계가 되는 경우를 도시하였다. 즉, 연속하는 2개의 저전압 셀(a, b)과, 1개의 고전압 셀(c)과, 1개의 과방전 직전의 저전압 셀(d)이 직렬로 접속되어 있다. 이 경우, 전환 제어 회로(BT03)는 고전압 셀(c)을 방전 전지 셀군으로서 결정한다. 또한, 전환 제어 회로(BT03)는 저전압 셀(d)이 과방전 직전이므로, 연속되는 2개의 저전압 셀(a, b)이 아니라, 저전압 셀(d)을 충전 전지 셀군으로 우선적으로 결정한다.
마지막으로, 도 18의 (C)의 예에서는, Va>Vb=Vc=Vd의 관계가 되는 경우를 도시하였다. 즉, 1개의 고전압 셀(a)과, 연속되는 3개의 저전압 셀(b~d)이 직렬로 접속되어 있다. 이 경우, 전환 제어 회로(BT03)는 고전압 셀(a)을 방전 전지 셀군으로서 결정한다. 또한, 전환 제어 회로(BT03)는 연속되는 3개의 저전압 셀(b~d)을 충전 전지 셀군으로서 결정한다.
전환 제어 회로(BT03)는 상기 도 18의 (A)~(C)의 예와 같이 결정된 결과에 따라, 전환 회로(BT04)의 접속처인 방전 전지 셀군을 나타내는 정보가 설정된 제어 신호(S1)와, 전환 회로(BT05)의 접속처인 충전 전지 셀군을 나타내는 정보가 설정된 제어 신호(S2)를 전환 회로(BT04) 및 전환 회로(BT05)에 대하여 각각 출력한다.
이상이 전환 제어 회로(BT03)의 동작의 상세한 내용에 관한 설명이다.
전환 회로(BT04)는, 전환 제어 회로(BT03)로부터 출력되는 제어 신호(S1)에 따라 단자쌍(BT01)의 접속처를 전환 제어 회로(BT03)에 의하여 결정된 방전 전지 셀군으로 설정한다.
단자쌍(BT01)은, 쌍을 이루는 단자(A1) 및 단자(A2)에 의하여 구성된다. 전환 회로(BT04)는, 이 단자(A1) 및 단자(A2) 중, 어느 한쪽을 방전 전지 셀군에서도 최상류(고전위 측)에 위치하는 전지 셀(BT09)의 양극 단자와 접속하고, 다른 쪽을 방전 전지 셀군에서도 최하류(저전위 측)에 위치하는 전지 셀(BT09)의 음극 단자와 접속함으로써, 단자쌍(BT01)의 접속처를 설정한다. 또한, 전환 회로(BT04)는 제어 신호(S1)에 설정된 정보를 사용하여 방전 전지 셀군의 위치를 인식할 수 있다.
전환 회로(BT05)는 전환 제어 회로(BT03)로부터 출력되는 제어 신호(S2)에 따라, 단자쌍(BT02)의 접속처를 전환 제어 회로(BT03)에 의하여 결정된 충전 전지 셀군으로 설정한다.
단자쌍(BT02)은 쌍을 이루는 단자(B1) 및 (B2)에 의하여 구성된다. 전환 회로(BT05)는 이 단자(B1) 및 (B2) 중, 어느 한쪽을 충전 전지 셀군에서 최상류(고전위 측)에 위치하는 전지 셀(BT09)의 양극 단자와 접속하여, 다른 쪽을 충전 전지 셀군에서 최하류(저전위 측)에 위치하는 전지 셀(BT09)의 음극 단자와 접속함으로써 단자쌍(BT02)의 접속처를 설정한다. 또한, 전환 회로(BT05)는 제어 신호(S2)에 설정된 정보를 사용하여 충전 전지 셀군의 위치를 인식할 수 있다.
전환 회로(BT04) 및 전환 회로(BT05)의 구성예를 나타낸 회로도를 도 19 및 도 20에 도시하였다.
도 19에서는, 전환 회로(BT04)는 복수의 트랜지스터(BT10)와, 버스(BT11) 및 버스(BT12)를 갖는다. 버스(BT11)는 단자(A1)와 접속되어 있다. 또한, 버스(BT12)는 단자(A2)와 접속되어 있다. 복수의 트랜지스터(BT10)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 각각 하나 걸러 교대로 버스(BT11) 및 버스(BT12)와 접속되어 있다. 또한 복수의 트랜지스터(BT10)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 각각 인접한 2개의 전지 셀(BT09) 사이에 접속되어 있다.
또한, 복수의 트랜지스터(BT10) 중, 최상류에 위치하는 트랜지스터(BT10)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 전지부(BT08)의 최상류에 위치하는 전지 셀(BT09)의 양극 단자와 접속되어 있다. 또한, 복수의 트랜지스터(BT10) 중, 최하류에 위치하는 트랜지스터(BT10)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 전지부(BT08)의 최하류에 위치하는 전지 셀(BT09)의 음극 단자와 접속되어 있다.
전환 회로(BT04)는, 복수의 트랜지스터(BT10)의 게이트에 공급하는 제어 신호(S1)에 따라, 버스(BT11)에 접속되는 복수의 트랜지스터(BT10) 중 1개와, 버스(BT12)에 접속되는 복수의 트랜지스터(BT10) 중 1개를 각각 도통 상태로 함으로써, 방전 전지 셀군과 단자쌍(BT01)을 접속한다. 이로써, 방전 전지 셀군 중 최상류에 위치하는 전지 셀(BT09)의 양극 단자는 단자쌍의 단자(A1) 및 단자(A2) 중 어느 한쪽과 접속된다. 또한, 방전 전지 셀군에서 최하류에 위치하는 전지 셀(BT09)의 음극 단자는, 단자쌍의 단자(A1) 및 단자(A2) 중 다른 쪽, 즉, 양극 단자와 접속되어 있지 않은 쪽의 단자에 접속된다.
트랜지스터(BT10)에는 OS 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다. OS 트랜지스터는 오프 전류가 작으므로, 방전 전지 셀군에 속하지 않는 전지 셀로부터 누설되는 전하량을 줄이고, 시간의 경과로 인한 용량의 저하를 억제할 수 있다. 또한 OS 트랜지스터는 고전압 인가 시의 절연 파괴가 일어나기 어렵다. 그러므로, 방전 전지 셀군의 출력 전압이 커도 비도통 상태로 하는 트랜지스터(BT10)가 접속된 전지 셀(BT09)과 단자쌍(BT01)을 절연 상태로 할 수 있다.
또한, 도 19에서는, 전환 회로(BT05)는, 복수의 트랜지스터(BT13)와, 전류 제어 스위치(BT14)와, 버스(BT15)와, 버스(BT16)를 갖는다. 버스(BT15) 및 버스(BT16)는, 복수의 트랜지스터(BT13)와, 전류 제어 스위치(BT14) 사이에 배치된다. 복수의 트랜지스터(BT13)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 각각 하나 걸러 교대로 버스(BT15) 및 버스(BT16)와 접속되어 있다. 또한, 복수의 트랜지스터(BT13)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은, 각각 인접한 2개의 전지 셀(BT09) 사이에 접속되어 있다.
또한, 복수의 트랜지스터(BT13) 중, 최상류에 위치하는 트랜지스터(BT13)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 전지부(BT08)의 최상류에 위치하는 전지 셀(BT09)의 양극 단자와 접속되어 있다. 또한, 복수의 트랜지스터(BT13) 중, 최하류에 위치하는 트랜지스터(BT13)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 전지부(BT08) 중 최하류에 위치하는 전지 셀(BT09)의 양극 단자와 접속되어 있다.
트랜지스터(BT13)에는 트랜지스터(BT10)와 같이, OS 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다. OS 트랜지스터는 오프 전류가 작으므로, 충전 전지 셀군에 속하지 않는 셀로부터 누설되는 전하량을 줄여, 시간의 경과로 인한 용량의 저하를 억제할 수 있다. 또한 OS 트랜지스터는 고전압 인가 시의 절연 파괴가 일어나기 어렵다. 그러므로, 충전 전지 셀군을 충전하기 위한 전압이 커도, 비도통 상태로 하는 트랜지스터(BT13)가 접속된 전지 셀(BT09)과 단자쌍(BT02)을 절연 상태로 할 수 있다.
전류 제어 스위치(BT14)는 스위치쌍(BT17)과 스위치쌍(BT18)을 갖는다. 스위치쌍(BT17)의 한쪽 단자는 단자(B1)에 접속된다. 또한, 스위치쌍(BT17)의 다른 쪽 단자는 2개의 스위치에 의하여 분기되어, 한쪽 스위치는 버스(BT15)에 접속되고 다른 쪽 스위치는 버스(BT16)에 접속되어 있다. 스위치쌍(BT18)의 한쪽 단자는, 단자(B2)에 접속되어 있다. 또한, 스위치쌍(BT18)의 다른 쪽 단자는 2개의 스위치에 의하여 분기되어, 한쪽 스위치는 버스(BT15)에 접속되고, 다른 쪽 스위치는 버스(BT16)에 접속되어 있다.
스위치쌍(BT17) 및 스위치쌍(BT18)이 갖는 스위치는, 트랜지스터(BT10) 및 트랜지스터(BT13)와 같이, OS 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다.
전환 회로(BT05)는 제어 신호(S2)에 따라, 트랜지스터(BT13), 및 전류 제어 스위치(BT14)의 온/오프 상태의 조합을 제어함으로써, 충전 전지 셀군과 단자쌍(BT02)을 접속한다.
전환 회로(BT05)는 일례로서, 이하와 같이 하여 충전 전지 셀군과 단자쌍(BT02)을 접속한다.
전환 회로(BT05)는 복수의 트랜지스터(BT13)의 게이트에 공급하는 제어 신호(S2)에 따라, 충전 전지 셀군 중에서도 최상류에 위치하는 전지 셀(BT09)의 양극 단자와 접속되어 있는 트랜지스터(BT13)를 도통 상태로 한다. 또한, 전환 회로(BT05)는 복수의 트랜지스터(BT13)의 게이트에 공급하는 제어 신호(S2)에 따라 충전 전지 셀군 중에서 최하류에 위치하는 전지 셀(BT09)의 음극 단자에 접속되어 있는 트랜지스터(BT13)를 도통 상태로 한다.
단자쌍(BT02)에 인가되는 전압의 극성은 단자쌍(BT01)과 접속되는 방전 전지 셀군, 및 변압 회로(BT07)의 구성에 따라 변할 수 있다. 또한, 충전 전지 셀군을 충전하는 방향으로 전류를 흘리기 위해서는, 단자쌍(BT02)과 충전 전지 셀군 사이에서 같은 극성인 단자끼리를 접속할 필요가 있다. 그러므로, 전류 제어 스위치(BT14)는 제어 신호(S2)에 의하여, 단자쌍(BT02)에 인가되는 전압의 극성에 따라 스위치쌍(BT17) 및 스위치쌍(BT18)의 접속처를 각각 전환하도록 제어된다.
일례로서, 단자(B1)가 양극, 단자(B2)가 음극이 되도록 하는 전압이 단자쌍(BT02)에 인가되어 있는 상태를 제시하여 설명한다. 이 때, 전지부(BT08)의 최하류의 전지 셀(BT09)이 충전 전지 셀군인 경우, 스위치쌍(BT17)은 제어 신호(S2)에 의하여 이 전지 셀(BT09)의 양극 단자와 접속되도록 제어된다. 즉, 스위치쌍(BT17)의 버스(BT16)에 접속되는 스위치가 온 상태가 되고, 스위치쌍(BT17)의 버스(BT15)에 접속되는 스위치가 오프 상태가 된다. 한편, 스위치쌍(BT18)은 제어 신호(S2)에 의하여 이 전지 셀(BT09)의 음극 단자와 접속되도록 제어된다. 즉, 스위치쌍(BT18)의 버스(BT15)에 접속되는 스위치가 온 상태가 되고, 스위치쌍(BT18)의 버스(BT16)에 접속되는 스위치가 오프 상태가 된다. 이와 같이 하여, 단자쌍(BT02)과 충전 전지 셀군 사이에서 같은 극성을 갖는 단자끼리 접속된다. 그리고, 단자쌍(BT02)으로부터 흐르는 전류의 방향이 충전 전지 셀군을 충전하는 방향이 되도록 제어된다.
또한, 전류 제어 스위치(BT14)는 전환 회로(BT05)가 아니라, 전환 회로(BT04)에 포함되어도 좋다. 이 경우, 전류 제어 스위치(BT14), 제어 신호(S1)에 따라, 단자쌍(BT01)에 인가되는 전압의 극성을 제어함으로써 단자쌍(BT02)에 인가되는 전압의 극성을 제어한다. 그리고, 전류 제어 스위치(BT14)는 단자쌍(BT02)으로부터 충전 전지 셀군으로 흐르는 전류의 방향을 제어한다.
도 20은 도 19와 상이한, 전환 회로(BT04) 및 전환 회로(BT05)의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 20에서는 전환 회로(BT04)는 복수의 트랜지스터쌍(BT21)과 버스(BT24) 및 버스(BT25)를 갖는다. 버스(BT24)는 단자(A1)와 접속되어 있다. 또한 버스(BT25)는 단자(A2)와 접속되어 있다. 복수의 트랜지스터쌍(BT21)의 한쪽 단자는 각각 트랜지스터(BT22)와 트랜지스터(BT23)에 의하여 분기된다. 트랜지스터(BT22)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 버스(BT24)와 접속되어 있다. 또한, 트랜지스터(BT23)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 버스(BT25)와 접속되어 있다. 또한, 복수의 트랜지스터쌍의 다른 쪽 단자는 각각 인접한 2개의 전지 셀(BT09) 사이에 접속되어 있다. 또한, 복수의 트랜지스터쌍(BT21) 중, 최상류에 위치하는 트랜지스터쌍(BT21)의 다른 쪽 단자는 전지부(BT08)의 최상류에 위치하는 전지 셀(BT09)의 양극 단자와 접속되어 있다. 또한, 복수의 트랜지스터쌍(BT21) 중, 최하류에 위치하는 트랜지스터쌍(BT21)의 다른 쪽 단자는 전지부(BT08)의 최하류에 위치하는 전지 셀(BT09)의 음극 단자와 접속되어 있다.
전환 회로(BT04)는 제어 신호(S1)에 따라 트랜지스터(BT22) 및 트랜지스터(BT23)의 도통/비도통 상태를 전환함으로써 이 트랜지스터쌍(BT21)의 접속처를 단자(A1) 및 단자(A2) 중 한쪽으로 전환한다. 자세히 말하면, 트랜지스터(BT22)가 도통 상태이면 트랜지스터(BT23)는 비도통 상태가 되고, 그 접속처는 단자(A1)가 된다. 한편, 트랜지스터(BT23)가 도통 상태이면 트랜지스터(BT22)는 비도통 상태가 되고, 그 접속처는 단자(A2)가 된다. 트랜지스터(BT22) 및 트랜지스터(BT23) 중 어느 쪽이 도통 상태가 되는지는 제어 신호(S1)에 의하여 결정된다.
단자쌍(BT01)과 방전 전지 셀군을 접속하기 위해서는 2개의 트랜지스터쌍(BT21)이 사용된다. 자세히 말하면, 제어 신호(S1)에 따라 2개의 트랜지스터쌍(BT21)의 접속처가 각각 결정됨으로써 방전 전지 셀군과 단자쌍(BT01)이 접속된다. 2개의 트랜지스터쌍(BT21)의 각각의 접속처는 한쪽이 단자(A1)가 되고, 다른 쪽이 단자(A2)가 되도록 제어 신호(S1)에 의하여 제어된다.
전환 회로(BT05)는 복수의 트랜지스터쌍(BT31)과, 버스(BT34) 및 버스(BT35)를 갖는다. 버스(BT34)는 단자(B1)와 접속되어 있다. 또한, 버스(BT35)는, 단자(B2)와 접속되어 있다. 복수의 트랜지스터쌍(BT31)의 한쪽 단자는, 각각 트랜지스터(BT32)와 트랜지스터(BT33)에 의하여 분기된다. 트랜지스터(BT32)에 의하여 분기되는 한쪽 단자는 버스(BT34)와 접속되어 있다. 또한, 트랜지스터(BT33)에 의하여 분기되는 한쪽 단자는 버스(BT35)와 접속되어 있다. 또한, 복수의 트랜지스터쌍(BT31)의 다른 쪽 단자는 각각 인접한 2개의 전지 셀(BT09) 사이에 접속되어 있다. 또한, 복수의 트랜지스터쌍(BT31) 중, 최상류에 위치하는 트랜지스터쌍(BT31)의 다른 쪽 단자는, 전지부(BT08)의 최상류에 위치하는 전지 셀(BT09)의 양극 단자와 접속되어 있다. 또한, 복수의 트랜지스터쌍(BT31) 중, 최하류에 위치하는 트랜지스터쌍(BT31)의 다른 쪽 단자는, 전지부(BT08)의 최하류에 위치하는 전지 셀(BT09)의 음극 단자와 접속되어 있다.
전환 회로(BT05)는 제어 신호(S2)에 따라 트랜지스터(BT32) 및 트랜지스터(BT33)의 도통/비도통 상태를 전환함으로써, 이 트랜지스터쌍(BT31)의 접속처를 단자(B1) 및 단자(B2) 중 한쪽으로 전환한다. 자세히 말하면, 트랜지스터(BT32)가 도통 상태이면 트랜지스터(BT33)는 비도통 상태가 되고, 그 접속처는 단자(B1)가 된다. 한편, 트랜지스터(BT33)가 도통 상태이면 트랜지스터(BT32)는 비도통 상태가 되고, 그 접속처는 단자(B2)가 된다. 트랜지스터(BT32) 및 트랜지스터(BT33) 중 어느 쪽이 도통 상태가 되는지는 제어 신호(S2)에 의하여 결정된다.
단자쌍(BT02)과 충전 전지 셀군을 접속하기 위해서는, 2개의 트랜지스터쌍(BT31)이 사용된다. 자세히 말하면, 제어 신호(S2)에 따라, 2개의 트랜지스터쌍(BT31)의 접속처가 각각 결정됨으로써 충전 전지 셀군과 단자쌍(BT02)이 접속된다. 2개의 트랜지스터쌍(BT31)의 각각의 접속처는 한쪽이 단자(B1)가 되고, 다른 쪽이 단자(B2)가 되도록 제어 신호(S2)에 의하여 제어된다.
또한, 2개의 트랜지스터쌍(BT31)의 각각의 접속처는 단자쌍(BT02)에 인가되는 전압의 극성에 따라 결정된다. 구체적으로는, 단자(B1)가 양극, 단자(B2)가 음극이 되도록 하는 전압이 단자쌍(BT02)에 인가되어 있는 경우, 상류측 트랜지스터쌍(BT31)은 트랜지스터(BT32)가 도통 상태가 되고, 트랜지스터(BT33)가 비도통 상태가 되도록 제어 신호(S2)에 의하여 제어된다. 한편, 하류측 트랜지스터쌍(BT31)은 트랜지스터(BT33)가 도통 상태, 트랜지스터(BT32)가 비도통 상태가 되도록 제어 신호(S2)에 의하여 제어된다. 또한, 단자(B1)가 음극, 단자(B2)가 양극이 되도록 하는 전압이 단자쌍(BT02)에 인가되어 있는 경우에는, 상류측 트랜지스터쌍(BT31)은 트랜지스터(BT33)가 도통 상태가 되고, 트랜지스터(BT32)가 비도통 상태가 되도록 제어 신호(S2)에 의하여 제어된다. 한편, 하류측 트랜지스터쌍(BT31)은 트랜지스터(BT32)가 도통 상태, 트랜지스터(BT33)가 비도통 상태가 되도록 제어 신호(S2)에 의하여 제어된다. 이와 같이 하여, 단자쌍(BT02)과 충전 전지 셀군 사이에서, 같은 극성을 갖는 단자끼리가 접속된다. 그리고, 단자쌍(BT02)으로부터 흐르는 전류의 방향이 충전 전지 셀군을 충전하는 방향이 되도록 제어된다.
변압 제어 회로(BT06)는, 변압 회로(BT07)의 동작을 제어한다. 변압 제어 회로(BT06)는, 방전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수와, 충전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수에 따라, 변압 회로(BT07)의 동작을 제어하는 변압 신호(S3)를 생성하여, 변압 회로(BT07)로 출력한다.
또한, 방전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수가 충전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수보다도 많은 경우는 충전 전지 셀군에 대하여 지나치게 큰 충전 전압이 인가되는 것을 방지할 필요가 있다. 그러므로, 변압 제어 회로(BT06)는 충전 전지 셀군을 충전할 수 있는 범위로 방전 전압(Vdis)을 강압하도록 변압 회로(BT07)를 제어하는 변압 신호(S3)를 출력한다.
또한, 방전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수가, 충전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수 이하인 경우는 충전 전지 셀군을 충전하기 위해서 필요한 충전 전압을 확보할 필요가 있다. 그러므로, 변압 제어 회로(BT06)는 충전 전지 셀군에 지나치게 큰 충전 전압이 인가되지 않는 범위에서 방전 전압(Vdis)을 승압하도록 변압 회로(BT07)를 제어하는 변압 신호(S3)를 출력한다.
또한, 지나치게 큰 충전 전압으로 하는 전압 값은 전지부(BT08)에서 사용되는 전지 셀(BT09)의 제품 사양을 감안하여 결정할 수 있다. 또한 변압 회로(BT07)에 의하여 승압 및 강압된 전압은 충전 전압(Vcha)으로서 단자쌍(BT02)에 인가된다.
여기서, 본 실시형태에서의 변압 제어 회로(BT06)의 동작예를 도 21의 (A)~(C)를 참조하여 설명한다. 도 21의 (A)~(C)는 도 18의 (A)~(C)에서 설명한 방전 전지 셀군 및 충전 전지 셀군에 대응한, 변압 제어 회로(BT06)의 동작예를 설명하기 위한 개념도이다. 또한 도 21의 (A)~(C)는 전지 제어 유닛(BT41)을 도시한 것이다. 전지 제어 유닛(BT41)은 상술한 바와 같이, 단자쌍(BT01)과, 단자쌍(BT02)과, 전환 제어 회로(BT03)와, 전환 회로(BT04)와, 전환 회로(BT05)와, 변압 제어 회로(BT06)와, 변압 회로(BT07)에 의하여 구성된다.
도 18의 (A)에서 설명한 바와 같이, 도 21의 (A)에 도시된 예에서는 연속되는 3개의 고전압 셀(a~c)과, 1개의 저전압 셀(d)이 직렬로 접속되어 있다. 이 경우, 도 18의 (A)에서 설명한 바와 같이, 전환 제어 회로(BT03)는 고전압 셀(a~c)을 방전 전지 셀군으로 결정하고 저전압 셀(d)을 충전 전지 셀군으로 결정한다. 그리고, 변압 제어 회로(BT06)는 방전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수를 기준으로 하였을 때의 충전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수의 비에 기초하여 방전 전압(Vdis)에서 충전 전압(Vcha)으로의 변환비(N)를 산출한다.
또한 방전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수가, 충전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수보다도 많은 경우에 방전 전압을 변압하지 않고 단자쌍(BT02)에 그대로 인가하면 충전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)에 단자쌍(BT02)을 통하여 지나치게 큰 전압이 인가될 가능성이 있다. 그러므로, 도 21의 (A)에 도시된 경우에는 단자쌍(BT02)에 인가되는 충전 전압(Vcha)을 방전 전압보다 강압할 필요가 있다. 또한 충전 전지 셀군을 충전하기 위해서는 충전 전압은 충전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 합계 전압보다 커야 한다. 그러므로, 변압 제어 회로(BT06)는 방전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수를 기준으로 하였을 때의 충전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수의 비보다도 변환비(N)를 크게 설정한다.
변압 제어 회로(BT06)는, 방전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수를 기준으로 하였을 때의 충전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수의 비에 대하여 변환비(N)를 1~10% 정도 크게 하는 것이 바람직하다. 이 때, 충전 전압은 충전 전지 셀군의 전압보다 크게 되지만, 실제로는 충전 전압은 충전 전지 셀군의 전압과 같게 된다. 다만, 변압 제어 회로(BT06)는 변환비(N)에 따라 충전 전지 셀군의 전압을 충전 전압과 같게 하기 위하여 충전 전지 셀군을 충전하는 전류를 흘리게 된다. 이 전류는 변압 제어 회로(BT06)에 의하여 설정된 값이 된다.
도 21의 (A)에 도시한 예에서는 방전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수가 3개이고, 충전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수가 1개이므로, 변압 제어 회로(BT06)는 1/3보다 조금 큰 값을 변환비(N)로서 산출한다. 그리고, 변압 제어 회로(BT06)는 방전 전압을 이 변환비(N)에 따라 강압하여, 충전 전압으로 변환하는 변압 신호(S3)를 변압 회로(BT07)에 출력한다. 그리고, 변압 회로(BT07)는 변압 신호(S3)에 따라 변압된 충전 전압을 단자쌍(BT02)에 인가한다. 그리고, 단자쌍(BT02)에 인가되는 충전 전압에 의하여, 충전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)이 충전된다.
또한, 도 21의 (B) 및 (C)에 도시된 예에서도, 도 21의 (A)와 같이 변환비(N)가 산출된다. 도 21의 (B) 및 (C)에 도시된 예에서는 방전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀군(BT09)의 수가 충전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수 이하이므로 변환비(N)는 1 이상이 된다. 따라서, 이 경우는 변압 제어 회로(BT06)는 방전 전압을 승압하여 충전 전압으로 변환하는 변압 신호(S3)를 출력한다.
변압 회로(BT07)는 변압 신호(S3)에 따라, 단자쌍(BT01)에 인가되는 방전 전압을 충전 전압으로 변환한다. 그리고, 변압 회로(BT07)는 변환된 충전 전압을 단자쌍(BT02)에 인가한다. 여기서, 변압 회로(BT07)는 단자쌍(BT01)과 단자쌍(BT02) 사이를 전기적으로 절연한다. 이로써, 변압 회로(BT07)는 방전 전지 셀군에서 최하류에 위치하는 전지 셀(BT09)의 음극 단자의 절대 전압과 충전 전지 셀군 중에서 최하류에 위치하는 전지 셀(BT09)의 음극 단자의 절대 전압의 차이로 인한 단락을 방지한다. 또한, 변압 회로(BT07)는 상술한 바와 같이, 변압 신호(S3)에 따라 방전 전지 셀군의 합계 전압인 방전 전압을 충전 전압으로 변환한다.
또한, 변압 회로(BT07)는, 예를 들어 절연형DC(Direct Current)-DC 컨버터를 사용할 수 있다. 이 경우, 변압 제어 회로(BT06)는 절연형DC-DC 컨버터의 온/오프비(듀티비)를 제어하는 신호를 변압 신호(S3)로서 출력함으로써 변압 회로(BT07)에 의하여 변환되는 충전 전압을 제어한다.
또한, 절연형 DC-DC 컨버터에는 플라이백 방식, 포워드 방식, RCC(ringing choke converter) 방식, 푸시풀 방식, 하프 브리지 방식, 및 풀 브리지 방식 등이 있지만, 목적으로 하는 출력 전압의 크기에 따라 적절한 방식이 선택된다.
절연형 DC-DC 컨버터를 사용한 변압 회로(BT07)의 구성을 도 22에 도시하였다. 절연형 DC-DC 컨버터(BT51)는, 스위치부(BT52)와 트랜스부(BT53)를 갖는다. 스위치부(BT52)는 절연형 DC-DC 컨버터의 동작의 온/오프를 전환하는 스위치이고, 예를 들어 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)나 바이폴러형 트랜지스터 등을 사용하여 구현된다. 또한, 스위치부(BT52)는 변압 제어 회로(BT06)에서 출력되는 온/오프비를 제어하는 변압 신호(S3)에 따라, 절연형 DC-DC 컨버터(BT51)의 온 상태와 오프 상태를 주기적으로 전환한다. 또한, 스위치부(BT52)는 사용되는 절연형 DC-DC 컨버터의 방식에 따라 다양한 구성이 될 수 있다. 트랜스부(BT53)는 단자쌍(BT01)에서 인가되는 방전 전압을 충전 전압으로 변환한다. 자세히 말하면, 트랜스부(BT53)는, 스위치부(BT52)의 온/오프 상태와 연동해서 동작하여, 그 온/오프 비에 따라 방전 전압을 충전 전압으로 변환한다. 이 충전 전압은 스위치부(BT52)의 스위칭 주기에서 온 상태인 시간이 길수록 크게 된다. 한편, 충전 전압은 스위치부(BT52)의 스위칭 주기에서 온 상태인 시간이 짧을수록 작게 된다. 또한 절연형 DC-DC 컨버터를 사용하는 경우, 트랜스부(BT53) 내부에서 단자쌍(BT01)과 단자쌍(BT02)은 서로 절연할 수 있다.
본 실시형태에서의 축전지(BT00)의 처리의 흐름을 도 23을 참조하여 설명한다. 도 23은 축전지(BT00)의 처리의 흐름을 나타낸 흐름도이다.
우선, 축전지(BT00)는 복수의 전지 셀(BT09)마다 측정된 전압을 취득한다(단계(S001)). 그리고, 축전지(BT00)는 복수의 전지 셀(BT09)의 전압 값을 같게 하는 동작의 시작 조건이 만족되는지 여부를 판정한다(단계(S002)). 이 시작 조건은 예를 들어, 복수의 전지 셀(BT09)마다 측정된 전압의 최대값과 최소값의 차분이 소정의 문턱값 이상인지 여부 등으로 할 수 있다. 이 시작 조건이 만족되지 않는 경우(단계(S002: NO))에는, 각 전지 셀(BT09)의 전압의 균형이 잡혀 있는 상태이므로, 축전지(BT00)는 이후의 처리를 실행하지 않는다. 한편, 시작 조건이 만족되는 경우(단계(S002: YES))에는 축전지(BT00)는 각 전지 셀(BT09)의 전압 값을 같게 하는 처리를 실행한다. 이 처리에서, 축전지(BT00)는 측정된 셀마다의 전압에 따라, 각 전지 셀(BT09)이 고전압 셀인지 저전압 셀인지를 판정한다(단계(S003)). 그리고, 축전지(BT00)는 판정 결과에 따라, 방전 전지 셀군 및 충전 전지 셀군을 결정한다(단계(S004)). 또한, 축전지(BT00)는 결정된 방전 전지 셀군을 단자쌍(BT01)의 접속처에 설정하는 제어 신호(S1) 및 결정된 충전 전지 셀군을 단자쌍(BT02)의 접속처에 설정하는 제어 신호(S2)를 생성한다(단계(S005)). 축전지(BT00)는 생성된 제어 신호(S1) 및 제어 신호(S2)를 전환 회로(BT04) 및 전환 회로(BT05)로 각각 출력한다. 그리고, 전환 회로(BT04)에 의하여 단자쌍(BT01)과 방전 전지 셀군이 접속되어, 전환 회로(BT05)에 의하여 단자쌍(BT02)과 방전 전지 셀군이 접속된다(단계(S006)). 또한, 축전지(BT00)는 방전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수와 충전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수에 따라, 변압 신호(S3)를 생성한다(단계(S007)). 그리고, 축전지(BT00)는 변압 신호(S3)에 따라, 단자쌍(BT01)에 인가되는 방전 전압을 충전 전압으로 변환하여, 단자쌍(BT02)에 인가한다(단계(S008)). 이로써, 방전 전지 셀군의 전하가 충전 전하 셀군으로 이동된다.
또한, 도 23의 흐름도에서는, 복수의 단계가 순차적으로 기재되어 있지만, 각 단계의 실행 순서는 그 기재 순서에 한정되지 않는다.
상술한 본 실시형태에 따르면, 방전 전지 셀군에서 충전 전지 셀군으로 전하를 이동시킬 때, 커패시터 방식과 달리, 방전 전지 셀군의 전하를 일단 축적한 다음에 충전 전지 셀군으로 방출시키는 등의 구성이 불필요하다. 이로써, 단위 시간당 전하 이동 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 전환 회로(BT04) 및 전환 회로(BT05)에 의하여 방전 전지 셀군 및 충전 전지 셀군 중 변압 회로와 접속되는 전지 셀을 개별로 전환할 수 있다.
또한, 변압 회로(BT07)에 의하여, 방전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수와 충전 전지 셀군에 포함되는 전지 셀(BT09)의 수에 따라, 단자쌍(BT01)에 인가되는 방전 전압이 충전 전압으로 변환되어, 단자쌍(BT02)에 인가된다. 이로써, 방전 측 및 충전 측의 전지 셀(BT09)이 어떻게 선택되더라도 문제 없이 전하의 이동이 실현될 수 있다.
또한, 트랜지스터(BT10) 및 트랜지스터(BT13)에 OS트랜지스터를 사용함으로써 충전 전지 셀군 및 방전 전지 셀군에 속하지 않는 전지 셀(BT09)에서 누설되는 전하의 양을 줄일 수 있다. 이로써, 충전 및 방전에 기여하지 않는 전지 셀(BT09)의 용량 저하를 억제할 수 있다. 또한 OS트랜지스터는 Si 트랜지스터에 비해서 열에 대한 특성의 변동이 작다. 이로써, 전지 셀(BT09)의 온도가 상승하여도 제어 신호(S1, S2)에 따른 도통 상태와 비도통 상태의 전환 등의 동작이 정상적으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
100: 양극 집전체
101: 양극 활물질층
102: 음극 집전체
103: 음극 활물질층
104: 세퍼레이터
105: 전해액
110: 리튬 이온 축전지
206: 배선
207: 외장체
208: 회로
300: 축전지
301: 양극 캔
302: 음극 캔
303: 개스킷
304: 양극
305: 양극 집전체
306: 양극 활물질층
307: 음극
308: 음극 집전체
309: 음극 활물질층
310: 세퍼레이터
400: 축전지
402: 양극
404: 음극
500: 축전지
501: 양극 집전체
502: 양극 활물질층
503: 양극
504: 음극 집전체
505: 음극 활물질층
506: 음극
507: 세퍼레이터
508: 전해액
509: 외장체
510: 양극 탭 전극
511: 음극 탭 전극
515: 탭 전극
516: 탭 전극
600: 축전지
601: 양극 캡
602: 전지 캔
603: 양극 단자
604: 양극
605: 세퍼레이터
606: 음극
607: 음극 단자
608: 절연판
609: 절연판
610: 개스킷
611: PTC 소자
612: 안전 밸브 기구
900: 회로 기판
910: 라벨
911: 단자
912: 회로
913: 축전지
914: 안테나
915: 안테나
916: 층
917: 층
918: 안테나
919: 단자
920: 표시 장치
921: 센서
922: 단자
930: 하우징
930a: 하우징
930b: 하우징
931: 음극
932: 양극
933: 세퍼레이터
951: 단자
952: 단자
1700: 곡면
1701: 평면
1702: 곡선
1703: 곡률 반경
1704: 곡률 중심
1800: 곡률 중심
1801: 필름
1802: 곡률 반경
1803: 필름
1804: 곡률 반경
1805: 전극 및 전해액 등
5006: 배선
5007: 외장체
5008: 회로
5009: 배타적 논리합 회로
5010: D래치
5011: 전지 셀
7100: 휴대 표시 장치
7101: 하우징
7102: 표시부
7103: 조작 버튼
7104: 축전지
7400: 휴대 전화기
7401: 하우징
7402: 표시부
7403: 조작 버튼
7404: 외부 접속 포트
7405: 스피커
7406: 마이크로폰
7407: 축전지
8021: 충전 장치
8022: 케이블
8024: 축전지
8100: 자동차
8101: 헤드 라이트
S1: 제어 신호
S2: 제어 신호
S3: 변압 신호
BT00: 축전지
BT01: 단자쌍
BT02: 단자쌍
BT03: 전환 제어 회로
BT04: 전환 회로
BT05: 전환 회로
BT06: 변압 제어 회로
BT07: 변압 회로
BT08: 전지부
BT09: 전지 셀
BT10: 트랜지스터
BT11: 버스
BT12: 버스
BT13: 트랜지스터
BT14: 전류 제어 스위치
BT15: 버스
BT16: 버스
BT17: 스위치쌍
BT18: 스위치쌍
BT21: 트랜지스터쌍
BT22: 트랜지스터
BT23: 트랜지스터
BT24: 버스
BT25: 버스
BT31: 트랜지스터쌍
BT32: 트랜지스터
BT33: 트랜지스터
BT34: 버스
BT35: 버스
BT41: 전지 제어 유닛
BT51: 절연형 DC-DC 컨버터
BT52: 스위치부
BT53: 트랜스부
S001: 단계
S002: 단계
S003: 단계
S004: 단계
S005: 단계
S006: 단계
S007: 단계
S008: 단계

Claims (1)

  1. 축전지에 있어서,
    양극(positive electrode);
    음극(negative electrode);
    상기 양극과 상기 음극 사이의 세퍼레이터;
    상기 양극, 상기 음극, 및 상기 세퍼레이터를 둘러싸는 외장체; 및
    상기 외장체를 따라 제공된 배선을 포함하고,
    상기 배선의 적어도 일부는 상기 외장체보다 변형에 대하여 취약한, 축전지.
KR1020230065757A 2014-11-27 2023-05-22 가요성을 갖는 축전지 및 전자 기기 KR20230074690A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2014-239736 2014-11-27
JP2014239736 2014-11-27
KR1020150163718A KR102536888B1 (ko) 2014-11-27 2015-11-23 가요성을 갖는 축전지 및 전자 기기

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150163718A Division KR102536888B1 (ko) 2014-11-27 2015-11-23 가요성을 갖는 축전지 및 전자 기기

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230074690A true KR20230074690A (ko) 2023-05-31

Family

ID=56079748

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150163718A KR102536888B1 (ko) 2014-11-27 2015-11-23 가요성을 갖는 축전지 및 전자 기기
KR1020230065757A KR20230074690A (ko) 2014-11-27 2023-05-22 가요성을 갖는 축전지 및 전자 기기

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150163718A KR102536888B1 (ko) 2014-11-27 2015-11-23 가요성을 갖는 축전지 및 전자 기기

Country Status (3)

Country Link
US (3) US10608290B2 (ko)
JP (4) JP6618338B2 (ko)
KR (2) KR102536888B1 (ko)

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6761638B2 (ja) 2015-02-04 2020-09-30 株式会社半導体エネルギー研究所 二次電池
JP6890956B2 (ja) 2015-12-10 2021-06-18 株式会社半導体エネルギー研究所 蓄電装置及び電子機器
KR20170101120A (ko) 2016-02-26 2017-09-05 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 축전 장치, 전지 제어 유닛 및 전자 기기
DE112017001004T5 (de) 2016-02-26 2018-11-08 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Verbindungselement, Leistungsversorgungsvorrichtung, elektronisches Gerät und System
TWI709128B (zh) 2016-06-30 2020-11-01 日商半導體能源研究所股份有限公司 資訊終端
KR20190035762A (ko) * 2016-08-15 2019-04-03 리텔퓨즈 인코퍼레이티드 배터리 관리 시스템을 구비한 플렉서블 정온도 계수 장치
US10707531B1 (en) 2016-09-27 2020-07-07 New Dominion Enterprises Inc. All-inorganic solvents for electrolytes
DE112017006110T5 (de) 2016-12-02 2019-08-22 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Energiespeichervorrichtung und elektronisches Gerät
US20180288889A1 (en) * 2017-03-30 2018-10-04 Google Inc. Circuit board and battery architecture of an electronic device
KR102606545B1 (ko) * 2017-05-12 2023-11-24 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 양극 활물질 입자
CN110770929B (zh) * 2017-06-19 2023-05-12 株式会社村田制作所 二次电池
US11211606B2 (en) 2017-12-28 2021-12-28 The Hong Kong Polytechnic University Electrode for battery and fabrication method thereof
USD929946S1 (en) * 2019-01-04 2021-09-07 Libest Inc. Electrode assembly
USD918132S1 (en) * 2019-06-24 2021-05-04 Libest Inc. Battery
USD928080S1 (en) * 2019-06-24 2021-08-17 Libest Inc. Battery
USD928698S1 (en) * 2019-06-24 2021-08-24 Libest Inc. Battery
US11349191B1 (en) * 2019-09-17 2022-05-31 Amazon Technologies, Inc. Ring-shaped devices with combined battery and antenna assemblies
KR20220085590A (ko) * 2020-12-15 2022-06-22 삼성전자주식회사 파우치형 플렉서블 배터리
KR20230115756A (ko) * 2022-01-27 2023-08-03 삼성에스디아이 주식회사 이차전지

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008146917A (ja) 2006-12-07 2008-06-26 Nippon Synthetic Chem Ind Co Ltd:The 全固体型リチウム二次電池

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05196680A (ja) 1992-01-23 1993-08-06 Mazda Motor Corp 断線誤動作防止回路
US7059769B1 (en) * 1997-06-27 2006-06-13 Patrick Henry Potega Apparatus for enabling multiple modes of operation among a plurality of devices
JP2000173559A (ja) 1998-12-03 2000-06-23 Tokai Rubber Ind Ltd 薄型電池用袋体
JP2002063938A (ja) 2000-08-18 2002-02-28 Sony Corp 二次電池及びその製造方法
JP2002117911A (ja) 2000-10-06 2002-04-19 Nec Mobile Energy Kk 電池搭載機器
US20020192549A1 (en) * 2000-12-07 2002-12-19 Tdk Corporation Electrode composition, and lithium secondary battery
JP4188591B2 (ja) 2000-12-13 2008-11-26 Ｔｄｋ株式会社 リチウム二次電池
JP2003151640A (ja) 2001-11-09 2003-05-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd 二次電池保護素子とその取付け方法
JP2003257408A (ja) 2002-02-27 2003-09-12 Japan Storage Battery Co Ltd 電 池
JP2008192432A (ja) 2007-02-02 2008-08-21 Sony Corp 二次電池及び二次電池装置
JP5217214B2 (ja) 2007-03-30 2013-06-19 Ｔｄｋ株式会社 電源装置及び電気化学素子の膨張検知方法
FR2916306B1 (fr) * 2007-05-15 2009-07-17 Batscap Sa Module pour ensembles de stockage d'energie electrique permettant la detection du vieillissement desdits ensembles.
US9219288B2 (en) * 2010-01-05 2015-12-22 Samsung Sdi Co., Ltd. Secondary battery
JP2011198616A (ja) 2010-03-19 2011-10-06 Nissan Motor Co Ltd 積層型電池
US20120183825A1 (en) 2011-01-14 2012-07-19 Seung-Hun Lee Secondary battery and method of manufacturing the same
JP2012243556A (ja) 2011-05-19 2012-12-10 Hitachi Ltd ラミネート電池とその膨張検知方法および電池モジュール
US9487880B2 (en) 2011-11-25 2016-11-08 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Flexible substrate processing apparatus
JP5719859B2 (ja) 2012-02-29 2015-05-20 株式会社半導体エネルギー研究所 蓄電装置
JP2013201027A (ja) 2012-03-26 2013-10-03 Hitachi Ltd 電池モジュール、及びそれを用いた電池システム
JP2014017141A (ja) 2012-07-10 2014-01-30 Canon Inc 電子機器
TWI673899B (zh) 2013-10-22 2019-10-01 日商半導體能源研究所股份有限公司 二次電池及電子裝置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008146917A (ja) 2006-12-07 2008-06-26 Nippon Synthetic Chem Ind Co Ltd:The 全固体型リチウム二次電池

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023011729A (ja) 2023-01-24
US10886572B2 (en) 2021-01-05
US10608290B2 (en) 2020-03-31
KR20160063992A (ko) 2016-06-07
KR102536888B1 (ko) 2023-05-25
JP2021068710A (ja) 2021-04-30
US20200194845A1 (en) 2020-06-18
US20210210794A1 (en) 2021-07-08
JP6618338B2 (ja) 2019-12-11
US11670807B2 (en) 2023-06-06
JP7447218B2 (ja) 2024-03-11
US20160156071A1 (en) 2016-06-02
JP2016111014A (ja) 2016-06-20
JP2020024946A (ja) 2020-02-13
JP6833004B2 (ja) 2021-02-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7447218B2 (ja) 蓄電池
JP7152566B2 (ja) リチウムイオン蓄電池
JP7364730B2 (ja) リチウムイオン蓄電池
JP7227309B2 (ja) リチウムイオン二次電池の製造方法
US20160118644A1 (en) Lithium-ion storage battery and fabricating method thereof
JP2016127016A (ja) 蓄電池
JP2016207493A (ja) 電極、蓄電池、及び電子機器
JP7019011B2 (ja) リチウムイオン蓄電池
JP6571349B2 (ja) 可撓性を有するリチウムイオン蓄電池
JP7259100B2 (ja) リチウムイオン蓄電池
WO2016113656A1 (ja) 可撓性を有する蓄電池及び電子機器
JP2023085451A (ja) 蓄電池

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
E902 Notification of reason for refusal