(57)【要約】【課題】全固体電池と電解液電池とを有する、より安全なハイブリッド電池システムを提供すること。【解決手段】全固体電池と電解液電池とを有するハイブリッド電池システムであって、ハイブリッド電池システムに通電したときの全固体電池の昇温が、電解液電池の昇温より早く、それによって、電解液電池より、全固体電池の方が早く所定の異常基準に達し、かつ全固体電池が所定の異常基準に達したことを検知して、ハイブリッド電池システムを制御する制御装置を有する、ハイブリッド電池システムを提供する。【選択図】図１
2015125919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全固体電池と電解液電池とを有するハイブリッド電池システムであって、
前記ハイブリッド電池システムに通電したときの前記全固体電池の昇温が、前記電解液電池の昇温より早く、それによって、前記電解液電池より、前記全固体電池の方が早く所定の異常基準に達し、かつ
前記全固体電池が前記所定の異常基準に達したことを検知して、前記ハイブリッド電池システムを制御する制御装置を有する、
ハイブリッド電池システム。
【請求項２】
前記所定の異常基準が、電池の温度である、請求項１に記載のハイブリッド電池システム。
【請求項３】
前記所定の異常基準が、電池の電圧である、請求項１に記載のハイブリッド電池システム。
【請求項４】
前記所定の異常基準が、電池からのガスの発生量である、請求項１に記載のハイブリッド電池システム。
【請求項５】
全固体電池から生ずるガスを排気する排気ダクトと、電解液電池から生ずるガスを排気する排気ダクトとを更に有し、
前記電解液電池から生ずるガスを排気する排気ダクトの、前記電解液電池の体積に対する割合が、前記全固体電池から生ずるガスを排気する排気ダクトの、前記全固体電池の体積に対する割合以下である、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のハイブリッド電池システム。
【請求項６】
前記全固体電池と前記電解液電池とを直列に含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のハイブリッド電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解液電池と全固体電池とを含むハイブリッド電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車、パソコン、携帯電話、及びタブレット端末等の電源として、小型で高性能な電池の開発が求められている。このような電池として、液体の電解質を用いた電解液電池と並んで、固体の電解質を用いた全固体電池の開発が盛んに行われている。また、全固体電池と電解液電池とを組み合わせて使用する「ハイブリッド電池システム」が知られている。例えば、特許文献１には、電解液電池と特定の硫化物固体電解質を含む全固体電池とを組み合わせることによって、電解液電池が作動困難な低温においても始動し得るハイブリッド電池システムが記載されている。
【０００３】
ところで、電池は、高温になると、例えば電極活物質の溶出、又は電解質の分解反応等に伴って、ガスを発生することがある。そのため、電池は、一般に、ガスを排気するための排気ダクトを有している。
【０００４】
ガスを効果的に排気するには、排気ダクトは大きいことが好ましいが、大きな排気ダクトは、電池のエネルギー密度の低下につながる。そのため、電池の体積に対する排気ダクトの体積の割合を低減する試みが行われている。例えば、特許文献２には、第一の電池室と、第二の電池室と、可動部材で二分された排気ダクトとを備える電池モジュールが記載されている。また、特許文献３には、電池モジュールのエンドプレートの内部に設けられた、ガスを案内するための配管と、電池ボックスの下部に設けられた排気ダクトとを備える電池が記載されている。
【０００５】
一般に、電解液電池から生ずるガスの量は、同じ体積の全固体電池から生ずるガスの量より多い。したがって、一般に、電解液電池から生ずるガスを排気するための排気ダクトの体積は、同じ体積の全固体電池から生ずるガスを排気するための排気ダクトの体積と比較して大きくなっている。
【０００６】
以下、電解液電池から生ずるガスを排気するための排気ダクトを「電解液電池の排気ダクト」ともいい、全固体電池から生ずるガスを排気するための排気ダクトを「全固体電池の排気ダクト」ともいう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−４１７４９号公報
【特許文献２】特開２０１２−１１９１３８号公報
【特許文献３】特開２０１３−１１４９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、全固体電池と電解液電池とを含むハイブリッド電池システムであって、電解液電池の異常を効果的に防止することができる、安全なハイブリッド電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、全固体電池と電解液電池とを有するハイブリッド電池システムであって、ハイブリッド電池システムに通電したときの全固体電池の昇温が、電解液電池の昇温より早く、それによって、電解液電池より、全固体電池の方が早く所定の異常基準に達し、かつ全固体電池が所定の異常基準に達したことを検知して、ハイブリッド電池システムを制御する制御装置を有する、ハイブリッド電池システムを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電解液電池よりも安定である全固体電池を基準にハイブリッド電池システムを制御することができるため、電解液電池の異常を効果的に防止することができる安全なハイブリッド電池システムが提供される。
【００１１】
また、その結果として、本発明のハイブリッド電池システムは、電解液電池から発生する可能性のあるガスの量を低減し、又はなくすことができるため、電解液電池の排気ダクトの体積を低減し、又はなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、全固体電池と電解液電池とを有する、本発明のハイブリッド電池システムの第一の実施形態を表す模式図である。
【図２】図２は、全固体電池と電解液電池とを有する、本発明のハイブリッド電池システムの第二の実施形態を表す模式図である。
【図３】図３は、全固体電池と電解液電池とを有する、本発明のハイブリッド電池システムの第三の実施形態を表す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
《ハイブリッド電池システム》
本発明のハイブリッド電池システムは、全固体電池と電解液電池とを有するハイブリッド電池システムであって、ハイブリッド電池システムに通電したときの全固体電池の昇温が、電解液電池の昇温より早く、それによって、電解液電池より、全固体電池の方が早く所定の異常基準に達し、かつ全固体電池が所定の異常基準に達したことを検知して、ハイブリッド電池システムを制御する制御装置を有する、ハイブリッド電池システムである。
【００１４】
一般に、液体の電解質は固体の電解質より化学的に不安定であるため、従来のハイブリッド電池システムでは、異常時において、全固体電池より電解液電池の方が早く昇温し、早く電圧が上昇し、かつ／又は早く多くのガスを発生する。また、電解液電池のガスの発生量は、全固体電池のガスの発生量より多く、したがって、一般に、電解液電池は全固体電池より大きな排気ダクトを必要とする。
【００１５】
一方、本発明のハイブリッド電池システムにおいては、異常時において、電解液電池よりも安定である全固体電池の方が早く昇温するようにしていることにより、電解液電池よりも全固体電池の方が早く異常基準に達し、例えば早く電圧が所定の値以上に上昇し、又は早く所定量のガスを発生するようにすることができる。したがって、全固体電池の温度、電圧、ガスの発生量等を検知することによって、全固体電池を基準にハイブリッド電池システムを制御することができ、電解液電池の異常をより効果的に防止することができるため、より安全なハイブリッド電池システムが提供される。
【００１６】
その結果として、本発明のハイブリッド電池システムにおいては、電解液電池の体積に対する電解液電池の排気ダクトの体積の割合を、全固体電池の体積に対する全固体電池の排気ダクトの体積の割合以下に低減することができ、又はなくすことができる。
【００１７】
本発明のハイブリッド電池システムは、全固体電池と電解液電池とを、任意に直列に、並列に、又はその組み合わせで有する。本発明のハイブリッド電池システムが、ハイブリッド電池システムの少なくとも一部において全固体電池と電解液電池とを直列に有する場合、ハイブリッド電池システムの制御がより容易となる。
【００１８】
本発明のハイブリッド電池システムにおいて、全固体電池と電解液電池とは同じ種類の金属イオンを使用した電池とすることができ、異なる種類の金属イオンを使用した電池であってもよい。全固体電池と電解液電池とが同種類の金属イオンを使用した電池である場合、本発明のハイブリッド電池システムの制御は、より容易となることがある。
【００１９】
〈全固体電池〉
本発明において、全固体電池とは、常温、例えば１５℃〜２５℃において、構成成分が固体である電池をいう。全固体電池としては、限定されないが、例えばリチウムイオン全固体電池、ナトリウムイオン全固体電池、カルシウムイオン全固体電池等の金属イオン全固体電池が挙げられる。
【００２０】
〈電解液電池〉
本発明において、電解液電池とは、常温、例えば１５℃〜２５℃において液体である電解質を用いた電池をいう。電解液電池としては、限定されないが、例えばリチウムイオン電解液電池、ナトリウムイオン電解液電池、カルシウムイオン電解液電池等の金属イオン電解液電池が挙げられる。
【００２１】
〈電池の昇温〉
本発明におけるハイブリッド電池システムは、ハイブリッド電池システムに通電したときの全固体電池の昇温が、電解液電池の昇温より早い。ここで、通電とは、放電及び任意に充電を指す。
【００２２】
ハイブリッド電池システムに通電したときの全固体電池の昇温を、電解液電池の昇温より早くする方法としては、限定されないが、例えば、全固体電池からの放熱量を低減すること、及び／又は全固体電池から発生するジュール熱を増大すること等が挙げられる。
【００２３】
全固体電池からの放熱量を低減する方法としては、例えば、全固体電池の一部若しくは全部を断熱材で覆うことによって断熱すること、及び／又は全固体電池の表面積を電解液電池と比較して小さくすること等が挙げられる。
【００２４】
断熱材としては、限定されないが、例えば、セルロースファイバー等の木質繊維材料、羊毛、又は炭化コルク等の天然材料、発泡ポリスチレン、発泡ポリエチレン、ウレタンフォーム、又はフェノールフォーム等の樹脂材料、並びにガラスウール、又はロックウール等の無機繊維材料が挙げられる。
【００２５】
全固体電池の表面積を電解液電池と比較して小さくする方法としては、限定されないが、例えば、シート型、角形、又はボックス型等の略直方体形状を有する電池の場合、全固体電池の形状を、電解液電池の形状よりも、立方体に近い形状にすることが考えられる。また、ボタン型、円筒型等の略円筒形状を有する電池の場合、全固体電池における底面の直径：高さの比を、電解液電池における比よりも、１：１に近づけることが考えられる。
【００２６】
全固体電池から発生するジュール熱を増大する方法としては、例えば、全固体電池の固体電解質層の厚みを増大すること等によって内部抵抗を増大すること、又は全固体電池から電気を出入力するための電極端子の断面積を小さくすること等が挙げられる。
【００２７】
〈異常基準〉
本発明のハイブリッド電池システムは、上記のような方法により、ハイブリッド電池システムに通電したときの全固体電池の昇温が、電解液電池の昇温より早くなっており、それによって、電解液電池より、全固体電池の方が早く所定の異常基準に達するようにされている。
【００２８】
本発明において、異常基準とは、全固体電池、及び／又は電解液電池における劣化、過充電、又は過放電等の異常を、直接的に、又は間接的に検知するための任意のパラメータを指す。異常基準としては、限定されないが、例えば電池の温度、電圧、電池からのガスの発生量、又はこれらの組合せ等の、任意のパラメータが挙げられる。電池が異常基準に達したと判断するための閾値、及び／又は判断基準は、電池の種類、ハイブリッド電池システムの使用目的、又は製造者の安全基準等に応じて任意に設定することができる。
【００２９】
例えば、電池の温度を異常基準として用いる場合、電池の一部又は全体の温度が、通常使用する温度の範囲を超える任意の温度以上、限定されないが、例えば５０℃以上、６０℃以上、７０℃以上、又は８０℃以上に達した場合に、異常基準に達したと判断することができる。全固体電池の昇温が、電解液電池の昇温より早いことにより、全固体電池の方が早く異常基準とする温度に達するようにすることができる。
【００３０】
また、電池の異常は、電圧の上昇によって検知することもできる。電池の電圧を異常基準として用いる場合、電池の一部又は全体の電圧が、通常使用する電圧の範囲を超える任意の電圧以上に達した場合に、異常基準に達したと判断することができる。全固体電池の昇温が、電解液電池の昇温より早いことにより、全固体電池の方が早く異常基準とする電圧に達するようにすることができる。
【００３１】
また、電池の異常は、電池からのガスの発生量により検知することもできる。電池からのガスの発生量を異常基準として用いる場合、電池からのガスの発生を検知した場合、又は所定量以上のガスの発生を検知した場合に、異常基準に達したと判断することができる。全固体電池の昇温が、電解液電池の昇温より早いことにより、全固体電池の方が早くガスを発生し、又は所定量以上のガスを発生するようにすることができる。
【００３２】
〈制御装置〉
本発明のハイブリッド電池システムは、全固体電池が異常基準に達したことを検知して、ハイブリッド電池システムを制御するための制御装置を有する。
【００３３】
検知は、少なくとも全固体電池が異常基準に達したことを検知することができれば、任意の方法で行うことができる。例えば、全固体電池の一部、全固体電池の全部、全固体電池及び電解液電池の一部、又は全固体電池及び電解液電池の全部を、温度センサー、電圧センサー、又はガスセンサー等の任意の検出器を用いて監視し、異常基準の到達を検知することができる。
【００３４】
制御とは、ハイブリッド電池システムの状態が通常使用する範囲内に留まるよう、ハイブリッド電池システムの状態を変化させることをいう。制御方法としては、限定されないが、具体的には、例えばハイブリッド電池システムの一部若しくは全体への通電を減少若しくは停止すること、及び／又はハイブリッド電池システムの一部若しくは全体を冷却すること等が挙げられる。
【００３５】
このような制御装置の他の態様として、検知と制御とを一体に行うことができる任意の機械的装置を使用してもよい。例えば、電池からのガスの発生量を異常基準として用いる場合、電池からのガスの発生によって電池ケース内の圧力が上昇した際に、その圧力によって導電経路の一部が変形することにより、ガスの発生を検知することができる。このような装置によれば、導電経路の一部が変形することによってガスの発生を検知すると共に、電極端子の接続が解放され、ハイブリッド電池システムへの通電を停止する、すなわち制御することができる。例えば、電流遮断装置（ＣＩＤ；Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ）を使用してもよい（例えば、特開２０１３―１６１７３１を参照）。
【００３６】
〈排気ダクト〉
本発明のハイブリッド電池システムは、全固体電池から生ずることがあるガスを排気するための排気ダクトを有することができ、任意に、電解液電池から生ずることがあるガスを排気するための排気ダクトを有することができる。全固体電池の排気ダクトと、電解液電池の排気ダクトとは、それぞれ分離していてもよく、一部又は全部を共有していてもよい。
【００３７】
本発明のハイブリッド電池システムは、結果として、電解液電池から生ずることがあるガスの量を低減し、又はなくすことができるため、電解液電池の排気ダクトの体積を低減し、又はなくすことができる。
【００３８】
例えば、電解液電池の体積に対する電解液電池の排気ダクトの体積の割合を、全固体電池の体積に対する全固体電池の排気ダクトの体積の割合以下、その９０％以下、８０％以下、７０％以下、６０％以下、５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下、１０％以下、又は最も好ましくはなくすことができる。
【００３９】
〈実施形態〉
以下、図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態について説明する。以下の実施形態は、本発明の説明のために用いるものであって、本発明の範囲を制限するものではない。
【００４０】
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明のハイブリッド電池システムの第一の実施形態を表す模式図である。本発明の第一の実施形態において、ハイブリッド電池システム（１０）は、全固体電池（１１）と電解液電池（１２）とを直列（図示せず）に有する。また、全固体電池を断熱材（１１ａ）で覆って放熱量を低減させることにより、全固体電池（１１）の昇温が、電解液電池（１２）の昇温より早くなっている。
【００４１】
第一の実施形態において、ハイブリッド電池システム（１０）は、図１（ｂ）に示すように、全固体電池（１１）及び電解液電池（１２）のそれぞれに、異常基準としての電池の温度を検知する温度センサー（１１ｂ、１２ｂ）を有し、いずれかの電池の温度が例えば５０℃に達したときに、ハイブリッド電池システムの通電を停止することができる制御装置（１３）を有する。なお、図１（ｂ）中の符号ｍは例えばモーター等の外部抵抗を表し、符号ｓは例えばスイッチを表す。
【００４２】
ただし、上記のように、全固体電池（１１）の昇温が、電解液電池（１２）の昇温より早くなっているため、異常があった際には、全固体電池（１１）が、電解液電池（１２）より先に異常基準である５０℃に達することとなる。
【００４３】
また、第一の実施形態において、ハイブリッド電池システム（１０）は、全固体電池から生ずることがあるガスを排気するための排気ダクト（１４）を有し、電解液電池の排気ダクトを有しない。
【００４４】
図２は、本発明のハイブリッド電池システムの第二の実施形態を表す模式図である。本発明の第二の実施形態において、ハイブリッド電池システム（２０）は、全固体電池（２１）と電解液電池（２２）とを直列（図示せず）に有する。また、全固体電池の厚みを電解液電池の厚みよりも厚くして、全固体電池の単位体積当たりの表面積を、電解液電池の単位体積当たりの表面積より小さくし、放熱量を低減させることによって、全固体電池（２１）の昇温が、電解液電池（２２）の昇温より早くなっている。
【００４５】
第二の実施形態において、ハイブリッド電池システム（２０）は、全固体電池及び電解液電池のそれぞれに、異常基準としての電池の電圧を検知する電圧センサー（図示せず）を有し、いずれかの電池の電圧が所定の値以上に達したときに、ハイブリッド電池システムの通電を停止することができる制御装置（図示せず）を有する。
【００４６】
ただし、上記のように、全固体電池（２１）の昇温が、電解液電池（２２）の昇温より早くなっているため、異常があった際には、全固体電池（２１）が、電解液電池（２２）より先に異常基準である電圧に達することとなる。
【００４７】
また、第二の実施形態において、ハイブリッド電池システム（２０）は、全固体電池から生ずることがあるガスを排気するための排気ダクト（２４）を有し、電解液電池の排気ダクトを有しない。
【００４８】
図３は、本発明のハイブリッド電池システムの第三の実施形態を表す模式図である。本発明の第三の実施形態において、ハイブリッド電池システム（３０）は、全固体電池（３１）と電解液電池（３２）とを直列（図示せず）に有する。また、全固体電池の固体電解質層（図示せず）の厚みを厚くして内部抵抗を増大させ、全固体電池（３１）から生ずるジュール熱を増大させることによって、全固体電池（３１）の昇温が、電解液電池（３２）の昇温より早くなっている。
【００４９】
第三の実施形態において、ハイブリッド電池システム（３０）は、異常基準としての電池からのガスの発生量を検知するガスセンサー（図示せず）を排気ダクト（３４）に有し、電池からの所定量以上のガスの発生を検知したときに、ハイブリッド電池システムの通電を停止することができる制御装置（図示せず）を有する。
【００５０】
ここで、上記のように、全固体電池（３１）の昇温が、電解液電池（３２）の昇温より早くなっているため、異常があった際には、全固体電池（３１）が、電解液電池（３２）より先にガスを生ずることとなる。
【００５１】
また、第三の実施形態においては、電解液電池の排気ダクトの体積の、電解液電池の体積に対する割合が、全固体電池の排気ダクトの体積の、全固体電池の体積に対する割合と同程度である。
【００５２】
本発明の第一、第二、及び第三の実施形態では、電解液電池よりも安定である全固体電池を基準にハイブリッド電池システムを制御することができるため、電解液電池の異常を効果的に防止することができる安全なハイブリッド電池システムが提供され、その結果として、電解液電池の排気ダクトの体積を低減し、又はなくすことができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０、２０、３０    ハイブリッド電池システム
１１、２１、３１    全固体電池
１１ａ    断熱材
１１ｂ、１２ｂ    温度センサー
１２、２２、３２    電解液電池
１３    制御装置
１４、２４、３４    排気ダクト
ｍ    モーター
ｓ    スイッチ
【図１】
2015125919.tif 000003
【図２】
2015125919.tif 000004
【図３】
2015125919.tif 000005