(57)【要約】【課題】ユーザのニーズに応じて、二次電池の電池容量を増大させたり、二次電池の劣化を低減して寿命を確保したりすることができる充電システム、充電装置、及び電池パックを提供する。【解決手段】多孔性保護膜３２５を備えた二次電池１４１と、基準電圧以下の電圧に設定された設定電圧Ｖ１を充電電圧電流供給回路３３によって二次電池１４１へ供給させる通常充電モードと、基準電圧を超える電圧に設定された設定電圧Ｖ２を充電電圧電流供給回路３３によって二次電池１４１へ供給させる高電圧充電モードとを有する充放電制御部２１１と、通常充電モードと高電圧充電モードとのうち、いずれか一方の設定を選択的に受け付ける設定スイッチＳＷ１とを備え、充放電制御部２１１は、設定スイッチＳＷ１により設定が受け付けられたモードによって、二次電池１４１の充電を行うようにした。【選択図】図１
2008167642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極と正極との間に、耐熱性を有する耐熱部材を備えた二次電池と、
前記二次電池を充電するための充電電圧を供給する充電電圧供給部と、
前記負極のリチウム基準における電位が実質的に０Ｖになる状態である満充電状態になったときの前記負極と前記正極との間の電圧を基準電圧とし、前記基準電圧に基づき前記充電電圧供給部の動作を制御する充電制御部と、
通常充電モードと高電圧充電モードとのうち、いずれか一方の設定を選択的に受け付けるモード設定受付部とを備え、
前記充電制御部は、前記モード設定受付部により前記通常充電モードの設定が受け付けられたとき、前記基準電圧以下の電圧に設定された第１設定電圧を前記充電電圧として前記充電電圧供給部によって前記二次電池へ供給させ、前記モード設定受付部により前記高電圧充電モードの設定が受け付けられたとき、前記基準電圧を超える電圧に設定された第２設定電圧を前記充電電圧として前記充電電圧供給部によって前記二次電池へ供給させることによって、前記二次電池の充電を行うこと
を特徴とする充電システム。
【請求項２】
前記耐熱部材は、樹脂結着剤と無機酸化物フィラーとを含む多孔性保護膜であること
を特徴とする請求項１記載の充電システム。
【請求項３】
前記耐熱部材は、セパレータであること
を特徴とする請求項１記載の充電システム。
【請求項４】
前記正極の活物質として、ＬｉａＭｂＮｉｃＣｏｄＯｅ（ＭはＡｌ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、およびＭｏからなる群から選択される少なくとも一種の金属であり、且つ０＜ａ＜１．３、０．０２≦ｂ≦０．５、０．０２≦ｄ／ｃ＋ｄ≦０．９、１．８＜ｅ＜２．２の範囲であって、更にｂ＋ｃ＋ｄ＝１であり、０．３４＜ｃである）を用いること
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の充電システム。
【請求項５】
前記二次電池を充電するための充電電流を供給する充電電流供給部と、
前記充電電流供給部から、予め設定された一定の電流を前記二次電池に供給させることにより、定電流充電を実行する定電流充電制御部と、
前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部とをさらに備え、
前記モード設定受付部によって前記通常充電モードの設定が受け付けられ、かつ前記定電流充電の実行期間中に、前記電圧検出部により検出された端子電圧が前記第１設定電圧に達した場合、前記定電流充電制御部は、前記定電流充電を停止すると共に、前記充電制御部は、前記定電圧充電を実行し、
前記モード設定受付部によって前記高電圧充電モードの設定が受け付けられ、かつ前記定電流充電の実行期間中に、前記電圧検出部により検出された端子電圧が前記第２設定電圧に達した場合、前記定電流充電制御部は、前記定電流充電を停止すると共に、前記充電制御部は、前記定電圧充電を実行すること
を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の充電システム。
【請求項６】
負極と正極との間に、耐熱性を有する耐熱部材を備えた二次電池に接続するための接続端子と、
前記接続端子に前記二次電池を充電するための充電電圧を供給する充電電圧供給部と、
前記負極のリチウム基準における電位が実質的に０Ｖになる状態である満充電状態になったときの前記負極と前記正極との間の電圧を基準電圧とし、前記基準電圧に基づき前記充電電圧供給部の動作を制御する充電制御部と、
前記通常充電モードと前記高電圧充電モードとのうち、いずれか一方の設定を選択的に受け付けるモード設定受付部とを備え、
前記充電制御部は、前記モード設定受付部により前記通常充電モードの設定が受け付けられたとき、前記基準電圧以下の電圧である第１設定電圧を前記充電電圧として前記充電電圧供給部によって前記接続端子へ供給させ、前記モード設定受付部により前記高電圧充電モードの設定が受け付けられたとき、前記基準電圧を超える電圧である第２設定電圧を前記充電電圧として前記充電電圧供給部によって前記接続端子へ供給させること
を特徴とする充電装置。
【請求項７】
外部からの指示に応じて二次電池を充電するための充電電圧を供給する充電装置と接続される電池パックであって、
負極と正極との間に、耐熱性を有する耐熱部材を備えた二次電池と、
前記負極のリチウム基準における電位が実質的に０Ｖになる状態である満充電状態になったときの前記負極と前記正極との間の電圧を基準電圧とし、前記基準電圧に基づき前記充電装置へ前記指示を出力する充電制御部と、
前記通常充電モードと前記高電圧充電モードとのうち、いずれか一方の設定を選択的に受け付けるモード設定受付部とを備え、
前記充電制御部は、前記モード設定受付部により前記通常充電モードの設定が受け付けられたとき、前記基準電圧以下の電圧である第１設定電圧を前記充電電圧として設定する旨の指示を前記充電装置へ出力することにより、前記充電装置によって前記第１設定電圧を前記二次電池へ供給させ、前記モード設定受付部により前記高電圧充電モードの設定が受け付けられたとき、前記基準電圧を超える電圧である第２設定電圧を前記充電電圧として設定する旨の指示を前記充電装置へ出力することにより、前記充電装置によって前記第２設定電圧を前記二次電池へ供給させることによって、前記二次電池の充電を行うこと
を特徴とする電池パック。
【請求項８】
前記モード設定受付部は、
前記充電制御部もしくは前記二次電池から電力供給を受ける負荷機器により提供される、機構的もしくは電子的な情報を読み取ることにより、前記通常充電モードと前記高電圧充電モードとのうち、いずれか一方の設定を選択的に受け付けること
を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の充電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池を充電する充電システム、充電装置、及び二次電池を備えた電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、従来技術による充電電圧および電流の管理方法を説明するためのグラフである。図８はリチウムイオン電池を定電流定電圧（ＣＣＣＶ）充電する場合のグラフであり、二次電池の端子電圧α１と、二次電池へ供給される充電電流α２と、ＳＯＣ（State Of Charge）α３の変化を示している。
【０００３】
まず、ＣＣＣＶ充電の場合には、充電開始から定電流（ＣＣ）充電領域となり、予め定める定電流Ｉ１、たとえば公称容量値ＮＣを定電流放電して、１時間で放電できるレベルを１Ｃとして、その７０％に、並列セル数ＰＮを乗算した充電電流が供給され、定電流（ＣＣ）充電が行われる。
【０００４】
これによって、電池パックの充電端子の端子電圧がセル当り４．２Ｖの予め定める終止電圧Ｖｆ（＝直列セル数ＳＮ×４．２Ｖ、したがって、たとえば３セル直列の場合は、１２．６Ｖ）となると、定電圧（ＣＶ）充電領域に切換わり、その終止電圧Ｖｆを超えないように充電電流値が減少されてゆき、前記充電電流値が温度によって設定される電流値Ｉ２まで低下すると満充電と判定して充電電流の供給が停止される。すなわち、充電電流値が電流値Ｉ２まで低下したときの充電深度α３が、１００％を示している。電流値Ｉ２は、満充電を検出するための判定値で、充電容量を満充電にするためには、理想的には０Ａが望ましいが、定電圧充電では、二次電池が満充電に近づくほど充電電流が減少して充電が遅くなるので、電流値Ｉ２を０Ａに設定したのでは、わずかな充電容量を増大させるために長時間必要となる。そのため、電流値Ｉ２は、充電容量と充電時間とのバランスにより適宜設定されており、例えば（０．１Ａ×並列セル数ＰＮ）程度の電流値が設定されている。この場合、０．１Ａは、電池容量Ｃに対して、例えば１／２０ＣＡとして設定されている。
【０００５】
図９は、リチウムイオン電池を充電した場合のリチウム基準に対する、正極電位Ｐｐと負極電位Ｐｍとの変化を示す説明図である。横軸はＳＯＣを示し、縦軸は電位を示している。図９に示すように、リチウムイオン電池が充電されると、ＳＯＣが増大するに従って、正極電位Ｐｐは増大し、負極電位Ｐｍは減少する。この場合、リチウムイオン電池の端子電圧は、正極電位Ｐｐと負極電位Ｐｍとの差であり、Ｐｐ−Ｐｍで与えられる。
【０００６】
そして、ＳＯＣが増大するに従って負極電位Ｐｍが減少し、負極電位Ｐｍが０Ｖになったときの正極電位Ｐｐと負極電位Ｐｍとの差で示される。ここで負極電位Ｐｍが、充電時の電流や温度バラツキなど、さらには製造時の重量バラツキなどを考慮してＳＯＣ１００％のときに０Ｖよりも高い電位（約０．１Ｖ）となるように電池の容量を設計する。これは、どのようなバラツキが重なったとしても負極電位が０Ｖ以下にならないように余裕を持った設計を行うためである。
【０００７】
すなわち、実質的に０Ｖとは、これらのバラツキ対策の設計を含むため、負極電位が約０．１Ｖになるまでを含む範囲を示す。
【０００８】
リチウムイオン電池の端子電圧は、充電電流値、温度、正極及び負極の活物質の組成のバラツキの影響を受けるものの、正極活物質として、主にコバルト酸リチウムやニッケル酸リチウムを用いた場合に略４．２Ｖ、正極活物質として、主に、マンガン酸リチウムや、複数の金属元素からなる正極活物質の一部をマンガンに置換したマンガン系の正極活物質を用いた場合に略４．２Ｖ以上に充電終止電圧を設定する場合もある。
【０００９】
また、負極電位Ｐｍが、負電位になると、正極から負極へ移動したリチウムイオンが負極表面で金属リチウムとして析出する。そして、負極表面で析出した金属リチウムは、柱状の樹枝状晶、いわゆるリチウムデンドライトとなって正極に向かって成長し、例えばポリエチレン等の樹脂材料で構成されたセパレータを貫通して負極と正極との間を短絡する。その結果、リチウムデンドライトを流れる短絡電流によってセパレータが溶融し、短絡箇所が拡大して電池が破損してしまうおそれがあることが知られている。
【００１０】
そのため、負極電位Ｐｍが負電位にならないように、一セル当たりの端子電圧が、正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いた場合には４．２Ｖを超えないように、正極活物質としてマンガン系の正極活物質を用いた場合には、例えば４．３Ｖを超えないように、終止電圧Ｖｆが設定されている。例えば、終止電圧Ｖｆは、正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いた場合には４．２Ｖ×直列セル数ＳＮ、正極活物質としてマンガン酸リチウムを用いた場合には４．３Ｖ×直列セル数ＳＮに設定されており、二次電池を充電する際に、充電電圧がこのように設定された終止電圧Ｖｆを超えないように、されている。
【００１１】
また、負極電位Ｐｍが０Ｖになったら、これ以上充電すると金属リチウムが析出してしまうために充電することはできないので、負極電位Ｐｍが０Ｖになるときの充電状態を満充電状態（ＳＯＣ：１００％）としている。
【特許文献１】特開平６−７８４７１号公報
【特許文献２】特開平７−２２０７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
二次電池に対しては、二次電池の電池容量を増大したいというニーズと、二次電池の劣化を低減して電池の寿命を確保したいというニーズとがある。二次電池の電池容量を増大させるには、充電電圧を高めて二次電池を定電圧充電する方法が考えられる。しかしながら、上述のように、負極のリチウム基準における電位が実質的に０Ｖになる状態である満充電状態になったときの負極と正極との間の電圧（以下、基準電圧と称する）を超えて、充電電圧を増大すると、リチウムデンドライトが形成されて負極と正極との間が短絡され、その短絡電流によってセパレータが溶融し、短絡箇所が拡大して電池が破損してしまうおそれがある。そのため、基準電圧を超えて充電電圧を増大させることができないという不都合があった。
【００１３】
ここで、上述したように、実質的に０Ｖとは、これらのバラツキ対策の設計を含むため、負極電位が約０．１Ｖになるまでを含む範囲を示す。
【００１４】
ところで、負極と正極との間に耐熱性の多孔質絶縁膜を形成することによって、上述のようにリチウムデンドライトが形成されて短絡電流が流れ、発熱した場合であっても、短絡箇所が拡大しないようにした二次電池が知られている（例えば、特許文献２参照。）。このように、短絡電流が流れて発熱しても、短絡箇所が拡大しないようにした二次電池を用いて、基準電圧を超えて充電電圧を増大させることにより、電池の充電容量を増大させることが可能になると考えられる。
【００１５】
しかしながら、このようなリチウムデンドライトによる短絡電流で生じた熱では短絡箇所が拡大しないようにした二次電池であっても、基準電圧を超える充電電圧が印加された場合には、部分的には、負極にリチウムが析出し、リチウムデンドライトが形成されて二次電池が劣化するおそれがある。そうすると、二次電池の劣化を低減して電池の寿命を確保したいというニーズに反する結果を招いてしまうという不都合があった。
【００１６】
本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、ユーザのニーズに応じて、二次電池の電池容量を増大させたり、二次電池の劣化を低減して寿命を確保したりすることができる充電システム、充電装置、及び電池パック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】
【００１７】
本発明に係る充電システムは、負極と正極との間に、耐熱性を有する耐熱部材を備えた二次電池と、前記二次電池を充電するための充電電圧を供給する充電電圧供給部と、前記負極のリチウム基準における電位が実質的に０Ｖになる状態である満充電状態になったときの前記負極と前記正極との間の電圧を基準電圧とし、前記基準電圧に基づき前記充電電圧供給部の動作を制御する充電制御部と、通常充電モードと高電圧充電モードとのうち、いずれか一方の設定を選択的に受け付けるモード設定受付部とを備え、前記充電制御部は、前記モード設定受付部により前記通常充電モードの設定が受け付けられたとき、前記基準電圧以下の電圧に設定された第１設定電圧を前記充電電圧として前記充電電圧供給部によって前記二次電池へ供給させ、前記モード設定受付部により前記高電圧充電モードの設定が受け付けられたとき、前記基準電圧を超える電圧に設定された第２設定電圧を前記充電電圧として前記充電電圧供給部によって前記二次電池へ供給させることによって、前記二次電池の充電を行う。ここで、実質的に０Ｖとは、上述したようなバラツキ対策の設計を含むため、負極電位が約０．１Ｖになるまでを含む範囲を示す。
【００１８】
この構成によれば、ユーザが二次電池の電池容量を増大させたい場合には、モード設定受付部を用いて高電圧充電モードを設定することで、基準電圧を超える電圧に設定された第２設定電圧が充電電圧として二次電池へ供給されて充電されるので、基準電圧以下の電圧で二次電池を充電する場合よりも電池容量を増大させることができる。この場合、リチウムデンドライトが形成されて負極と正極との間が短絡されるおそれがあるが、負極と正極との間に耐熱性を有する耐熱部材が設けられているので、リチウムデンドライトによって負極と正極との間に短絡電流が流れても、耐熱部材により短絡箇所の拡大が抑制される結果、二次電池を破損させることなく基準電圧を超えて充電電圧を増大させて、電池容量を増大させることができる。一方、ユーザが二次電池の劣化を低減して寿命を確保したい場合には、モード設定受付部を用いて通常モードを設定することで、基準電圧以下に設定された第１設定電圧が充電電圧として二次電池へ供給されて充電されるので、負極にリチウムが析出するおそれが低減される結果、二次電池の劣化が低減されて寿命が確保される。このように、ユーザのニーズに応じて、二次電池の電池容量を増大させたり、二次電池の劣化を低減して寿命を確保したりすることができる。
【００１９】
また、前記耐熱部材は、樹脂結着剤と無機酸化物フィラーとを含む多孔性保護膜であることが好ましい。この構成によれば、多孔性保護膜は耐熱性を有するので、負極と正極との間に前記設定電圧が印加されてリチウムデンドライトにより負極と正極とが短絡されて、発熱した場合であっても、多孔性保護膜は溶融、変形することがないので、短絡部が拡大して二次電池が破損するおそれが低減される。
【００２０】
また、前記耐熱部材は、セパレータであってもよい。この構成によれば、セパレータは耐熱性を有するので、負極と正極との間に前記設定電圧が印加されてリチウムデンドライトにより負極と正極とが短絡されて、発熱した場合であっても、セパレータの溶融、変形により短絡部が拡大して二次電池が破損するおそれが低減される。
【００２１】
また、前記正極の活物質として、ＬｉａＭｂＮｉｃＣｏｄＯｅ（ＭはＡｌ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、およびＭｏからなる群から選択される少なくとも一種の金属であり、且つ０＜ａ＜１．３、０．０２≦ｂ≦０．５、０．０２≦ｄ／ｃ＋ｄ≦０．９、１．８＜ｅ＜２．２の範囲であって、更にｂ＋ｃ＋ｄ＝１であり、０．３４＜ｃである）を用いることが好ましい。
【００２２】
正極の活物質として、ＬｉａＭｂＮｉｃＣｏｄＯｅ（ＭはＡｌ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、およびＭｏからなる群から選択される少なくとも一種の金属であり、且つ０＜ａ＜１．３、０．０２≦ｂ≦０．５、０．０２≦ｄ／ｃ＋ｄ≦０．９、１．８＜ｅ＜２．２の範囲であって、更にｂ＋ｃ＋ｄ＝１であり、０．３４＜ｃである）を用いた場合、充電による活物質の体積膨張が低減されるので、高電圧充電モードにおいて基準電圧を超えて充電電圧を増大させることで、満充電状態でさらに充電を行った場合であっても、電極を収容している容器内で正極活物質が膨張して電極が座屈を生じるおそれが低減される。
【００２３】
また、前記二次電池を充電するための充電電流を供給する充電電流供給部と、前記充電電流供給部から、予め設定された一定の電流を前記二次電池に供給させることにより、定電流充電を実行する定電流充電制御部と、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部とをさらに備え、前記モード設定受付部によって前記通常充電モードの設定が受け付けられ、かつ前記定電流充電の実行期間中に、前記電圧検出部により検出された端子電圧が前記第１設定電圧に達した場合、前記定電流充電制御部は、前記定電流充電を停止すると共に、前記充電制御部は、前記定電圧充電を実行し、前記モード設定受付部によって前記高電圧充電モードの設定が受け付けられ、かつ前記定電流充電の実行期間中に、前記電圧検出部により検出された端子電圧が前記第２設定電圧に達した場合、前記定電流充電制御部は、前記定電流充電を停止すると共に、前記充電制御部は、前記定電圧充電を実行することが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、通常充電モードでは、二次電池の端子電圧が第１設定電圧に達するまで二次電池が定電流充電された後、当該第１設定電圧による定電圧充電が実行され、高電圧充電モードでは、二次電池の端子電圧が第２設定電圧に達するまで二次電池が定電流充電された後、当該第２設定電圧による定電圧充電が実行される。この場合、高電圧充電モードでは、二次電池の端子電圧が第１設定電圧より高い第２設定電圧に達するまで二次電池が定電流充電された後、当該設定電圧による定電圧充電が実行される。そうすると、二次電池の端子電圧が第１設定電圧に達したときに定電流充電を定電圧充電に切り替える場合よりも、定電流充電を行う期間を延長することができる。定電流充電から定電圧充電に切り替えると、二次電池に流れる充電電流は徐々に減少するが、上述のように、高電圧充電モードにおいて定電流充電を行う期間を延長することにより、充電電流が減少されずに維持される期間が延長される結果、二次電池の端子電圧が第１設定電圧に達したときに定電圧充電に切り替える場合よりも、充電時間が短縮される。
【００２５】
また、前記モード設定受付部は、前記充電制御部もしくは前記二次電池から電力供給を受ける負荷機器により提供される、機構的もしくは電子的な情報を読み取ることにより、前記通常充電モードと前記高電圧充電モードとのうち、いずれか一方の設定を選択的に受け付けることが好ましい。
【００２６】
この構成によれば、ユーザの使用目的とは別に、二次電池に接続される充電電圧供給部や、二次電池から電力供給を受ける負荷機器の特性に応じて、充電制御を行うことができる。すなわち、例えば電力消費が大きく、大容量の電池を必要とする負荷機器の場合には、自動的に高電圧充電モードを選択する、といったことが可能となる。
【００２７】
また、本発明に係る充電装置は、負極と正極との間に、耐熱性を有する耐熱部材を備えた二次電池に接続するための接続端子と、前記接続端子に前記二次電池を充電するための充電電圧を供給する充電電圧供給部と、前記負極のリチウム基準における電位が実質的に０Ｖになる状態である満充電状態になったときの前記負極と前記正極との間の電圧を基準電圧とし、前記基準電圧に基づき前記充電電圧供給部の動作を制御する充電制御部と、前記通常充電モードと前記高電圧充電モードとのうち、いずれか一方の設定を選択的に受け付けるモード設定受付部とを備え、前記充電制御部は、前記モード設定受付部により前記通常充電モードの設定が受け付けられたとき、前記基準電圧以下の電圧である第１設定電圧を前記充電電圧として前記充電電圧供給部によって前記接続端子へ供給させ、前記モード設定受付部により前記高電圧充電モードの設定が受け付けられたとき、前記基準電圧を超える電圧である第２設定電圧を前記充電電圧として前記充電電圧供給部によって前記接続端子へ供給させる。
【００２８】
この構成によれば、接続端子に耐熱性を有する耐熱部材を備えた二次電池が接続されると、ユーザが二次電池の電池容量を増大させたい場合には、モード設定受付部を用いて高電圧充電モードを設定することで、基準電圧を超える電圧に設定された第２設定電圧が充電電圧として接続端子を介して二次電池へ供給されて充電されるので、基準電圧以下の電圧で二次電池を充電する場合よりも電池容量を増大させることができる。この場合、リチウムデンドライトが形成されて負極と正極との間が短絡されるおそれがあるが、負極と正極との間に耐熱性を有する耐熱部材が設けられているので、リチウムデンドライトによって負極と正極との間に短絡電流が流れても、耐熱部材により短絡箇所の拡大が抑制される結果、二次電池を破損させることなく基準電圧を超えて充電電圧を増大させて、電池容量を増大させることができる。一方、ユーザが二次電池の劣化を低減して寿命を確保したい場合には、モード設定受付部を用いて通常モードを設定することで、基準電圧以下に設定された第１設定電圧が充電電圧として接続端子を介して二次電池へ供給されて充電されるので、負極にリチウムが析出するおそれが低減される結果、二次電池の劣化が低減されて寿命が確保される。このように、ユーザのニーズに応じて、二次電池の電池容量を増大させたり、二次電池の劣化を低減して寿命を確保したりすることができる。
【００２９】
また、本発明に係る電池パックは、外部からの指示に応じて二次電池を充電するための充電電圧を供給する充電装置と接続される電池パックであって、負極と正極との間に、耐熱性を有する耐熱部材を備えた二次電池と、前記負極のリチウム基準における電位が実質的に０Ｖになる状態である満充電状態になったときの前記負極と前記正極との間の電圧を基準電圧とし、前記基準電圧に基づき前記充電装置へ前記指示を出力する充電制御部と、前記通常充電モードと前記高電圧充電モードとのうち、いずれか一方の設定を選択的に受け付けるモード設定受付部とを備え、前記充電制御部は、前記モード設定受付部により前記通常充電モードの設定が受け付けられたとき、前記基準電圧以下の電圧である第１設定電圧を前記充電電圧として設定する旨の指示を前記充電装置へ出力することにより、前記充電装置によって前記第１設定電圧を前記二次電池へ供給させ、前記モード設定受付部により前記高電圧充電モードの設定が受け付けられたとき、前記基準電圧を超える電圧である第２設定電圧を前記充電電圧として設定する旨の指示を前記充電装置へ出力することにより、前記充電装置によって前記第２設定電圧を前記二次電池へ供給させることによって、前記二次電池の充電を行う。
【００３０】
この構成によれば、ユーザが二次電池の電池容量を増大させたい場合には、モード設定受付部を用いて高電圧充電モードを設定することで、基準電圧を超える電圧に設定された第２設定電圧が充電装置から充電電圧として二次電池へ供給されて充電されるので、基準電圧以下の電圧で二次電池を充電する場合よりも電池容量を増大させることができる。この場合、リチウムデンドライトが形成されて負極と正極との間が短絡されるおそれがあるが、負極と正極との間に耐熱性を有する耐熱部材が設けられているので、リチウムデンドライトによって負極と正極との間に短絡電流が流れても、耐熱部材により短絡箇所の拡大が抑制される結果、二次電池を破損させることなく基準電圧を超えて充電電圧を増大させて、電池容量を増大させることができる。一方、ユーザが二次電池の劣化を低減して寿命を確保したい場合には、モード設定受付部を用いて通常モードを設定することで、基準電圧以下に設定された第１設定電圧が充電装置から充電電圧として二次電池へ供給されて充電されるので、負極にリチウムが析出するおそれが低減される結果、二次電池の劣化が低減されて寿命が確保される。このように、ユーザのニーズに応じて、二次電池の電池容量を増大させたり、二次電池の劣化を低減して寿命を確保したりすることができる。
【発明の効果】
【００３１】
このような構成の充電システム、充電装置、及び電池パックによれば、ユーザが二次電池の電池容量を増大させたい場合には、モード設定受付部を用いて高電圧充電モードを設定することで、基準電圧を超える電圧に設定された第２設定電圧が充電電圧として二次電池へ供給されて充電されるので、基準電圧以下の電圧で二次電池を充電する場合よりも電池容量を増大させることができる。この場合、リチウムデンドライトが形成されて負極と正極との間が短絡されるおそれがあるが、負極と正極との間に耐熱性を有する耐熱部材が設けられているので、リチウムデンドライトによって負極と正極との間に短絡電流が流れても、耐熱部材により短絡箇所の拡大が抑制される結果、二次電池を破損させることなく基準電圧を超えて充電電圧を増大させて、電池容量を増大させることができる。一方、ユーザが二次電池の劣化を低減して寿命を確保したい場合には、モード設定受付部を用いて通常モードを設定することで、基準電圧以下に設定された第１設定電圧が充電電圧として二次電池へ供給されて充電されるので、負極にリチウムが析出するおそれが低減される結果、二次電池の劣化が低減されて寿命が確保される。このように、ユーザのニーズに応じて、二次電池の電池容量を増大させたり、二次電池の劣化を低減して寿命を確保したりすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る充電システムの構成の一例を示すブロック図である。この充電システム１は、電池パック２に、それを充電する充電器３を備えて構成されるが、電池パック２から給電が行われる図示しない負荷機器をさらに含めて電子機器システムが構成されてもよい。また、充電器３は負荷機器の一部として構成されていてもよい。その場合、電池パック２は、図１では充電器３から充電が行われるけれども、該電池パック２が前記負荷機器に装着されて、負荷機器を通して充電が行われてもよい。電池パック２および充電器３は、給電を行う直流ハイ側の端子Ｔ１１，Ｔ２１と、通信信号の端子Ｔ１２，Ｔ２２と、給電および通信信号のためのＧＮＤ端子Ｔ１３，Ｔ２３とによって相互に接続される。前記負荷機器が設けられる場合も、同様の端子が設けられる。
【００３３】
ここで、負荷機器とは、例えば、電池パック２からの電力供給に基づき動作することで、アプリケーションを実現するアプリケーション機器である。アプリケーション機器の一例としては、例えば携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、等を挙げることができる。
【００３４】
電池パック２内で、端子Ｔ１１から延びる直流ハイ側の充電経路１１には、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）１２が介在されており、その充電経路１１が組電池１４のハイ側端子に接続される。組電池１４のロー側端子は、直流ロー側の充電経路１５を介してＧＮＤ端子Ｔ１３に接続され、この充電経路１５には、充電電流および放電電流を電圧値に変換する電流検出抵抗１６（電流検出部）が介在されている。
【００３５】
組電池１４は、複数の二次電池（セル）が直並列に接続されて成り、例えば３個の二次電池１４１が直列に接続されて構成されている。二次電池１４１の温度は温度センサ１７によって検出され、制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。また、各二次電池１４１の端子間電圧は電圧検出回路２０（電圧検出部）によって読取られ、制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。さらにまた、電流検出抵抗１６によって検出された電流値も、制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。アナログ／デジタル変換器１９は、各入力値をデジタル値に変換して、制御部２１へ出力する。なお、組電池１４の代わりに二次電池１４１が単体で使用されてもよい。
【００３６】
制御部２１は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、これらの周辺回路等とを備えて構成され、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、充放電制御部２１１（充電制御部）、及び定電流充電制御部２１２として機能する。
【００３７】
また、制御部２１には、組電池１４の電池容量を増大させる高電圧充電モードの設定と、高電圧充電モードよりも組電池１４の劣化を低減して電池の寿命を確保する通常モードの設定とのうち、いずれか一方の設定を選択的に受け付ける設定スイッチＳＷ１（モード設定受付部）が接続されている。設定スイッチＳＷ１は、例えばオフで通常モードの設定を、オンで高電圧充電モードの設定を示すようになっている。
【００３８】
設定スイッチＳＷ１としては、例えばディップスイッチやロータリスイッチ、ジャンパピン等のユーザが操作可能な種々の設定スイッチが用いられる。この場合、設定スイッチＳＷ１は、請求項におけるモード設定受付部に相当している。
【００３９】
なお、モード設定受付部は、必ずしも操作スイッチに限られず、例えば電池パック２や充電器３に接続されたパーソナルコンピュータ等の外部機器（負荷機器）から、高電圧充電モードの設定と、通常モードの設定とのうちいずれを設定するかの指示を受信する通信回路等であってもよい。例えば、充電器３と通信を行う通信インターフェイス回路である通信部２２をモード設定受付部として用いてもよい。
【００４０】
この場合、例えば、充電器３において、後述する充電制御部３１が、充電制御部３１における通信インターフェイス回路である通信部３２によって、高電圧充電モードと通常モードとのうちいずれを設定するかを示す指示を通信部２２へ送信させることで、通信部２２において当該指示が受け付けられる。また、前記指示は、電気的な信号（電子的な情報）によって送受信されればよく、通信信号によって送受信される例に限られない。
【００４１】
また、前記指示は、電気的な信号によって、送受信される例に限らず、例えば機構的な構造によって、高電圧充電モードと通常モードとのうちいずれを設定するかを示す指示を伝達するようにしてもよい。例えば、充電器３の筐体に、電池パック２が取り付けられる壁面から突出した突起部を設けるか否かによって、高電圧充電モードと通常モードとのうちいずれを設定するかを示してもよい。そして、電池パック２は、例えば充電器３に取り付けられた場合に前記突起部により押されてオンするスイッチをモード設定受付部として備え、当該スイッチのオン、オフに応じて、通常充電モードと高電圧充電モードとのうち、いずれか一方の設定を選択的に受け付けるようにしてもよい。
【００４２】
また、負荷機器（アプリケーション機器）が、高電圧充電モードと通常モードとのうちいずれを設定するかを示す指示を、充電器３（通信部３２）を介して、あるいは直接、電気的な信号や機構的な構造等の手段によって、電池パック２におけるモード設定受付部に伝達する構成としてもよい。
【００４３】
このような構成によれば、ユーザの使用目的とは別に、電池パック２が装着される充電器３や負荷機器の特性に応じて、充電制御を選択することができる。すなわち、例えば電力消費が大きく、大容量の電池を必要とする負荷機器の場合には、当該負荷機器に電池パック２を装着することにより、自動的に高電圧充電モードを選択する、といったことが可能となる。
【００４４】
充放電制御部２１１は、アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値に応答して、充電器３に対して、出力を指示する充電電流の電圧値、電流値を演算し、通信部２２から端子Ｔ１２，Ｔ２２；Ｔ１３，Ｔ２３を介して充電器３へ送信する。また、充放電制御部２１１は、アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値から、端子Ｔ１１，Ｔ１３間の短絡や充電器３からの異常電流などの電池パック２の外部における異常や、組電池１４の異常な温度上昇などを検出し、ＦＥＴ１２を遮断するなどの保護動作を行う。
【００４５】
定電流充電制御部２１２は、ＦＥＴ１２をオンすると共に、充電器３へ、予め設定された一定の電流Ｉｃｃを供給させる旨の指示を出力することにより、定電流充電を実行する。
【００４６】
そして、設定スイッチＳＷ１によって通常充電モードの設定が受け付けられ、かつアナログ／デジタル変換器１９で得られた組電池１４の端子電圧Ｖｂが、予め設定された電圧ＶＦ１以上になった場合、定電流充電制御部２１２は、定電流充電を停止すると共に、充放電制御部２１１は、充電器３へ、電圧ＶＦ１を供給させる旨の指示を出力することにより、定電圧充電を実行する。
【００４７】
また、設定スイッチＳＷ１によって高電圧充電モードの設定が受け付けられ、かつアナログ／デジタル変換器１９で得られた組電池１４の端子電圧Ｖｂが、予め設定された電圧ＶＦ２以上になった場合、定電流充電制御部２１２は、定電流充電を停止すると共に、充放電制御部２１１は、充電器３へ、電圧ＶＦ２を供給させる旨の指示を出力することにより、定電圧充電を実行する。
【００４８】
電圧ＶＦ１は、二次電池１４１の負極のリチウム基準における電位が実質的に０Ｖになる状態である満充電状態になったときの負極と正極との間の電圧を基準電圧とした場合に、基準電圧以下の電圧に設定された設定電圧Ｖ１（第１設定電圧）と、組電池１４に含まれる二次電池１４１の直列セル数ＳＮとを乗じた電圧にされている。すなわち電圧ＶＦ１＝設定電圧Ｖ１×直列セル数ＳＮとなるように設定されており、このように設定された電圧ＶＦ１が組電池１４に印加されることにより、各二次電池１４１に、充電電圧として設定電圧Ｖ１が供給されるようになっている。
【００４９】
ここで、上述したように、実質的に０Ｖとは、これらのバラツキ対策の設計を含むため、負極電位が約０．１Ｖになるまでを含む範囲を示す。
【００５０】
設定電圧Ｖ１は、基準電圧以下の電圧、例えば基準電圧と等しい電圧が設定され、二次電池１４１の正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いた場合、例えば基準電圧と等しい４．２Ｖに設定され、正極活物質としてマンガン酸リチウムを用いた場合、例えば基準電圧と等しい４．３Ｖに設定される。
【００５１】
リチウムイオン電池の端子電圧は、充電電流値、温度、正極及び負極の活物質の組成のバラツキの影響を受けるものの、正極活物質として、主にコバルト酸リチウムやニッケル酸リチウムを用いた場合に略４．２Ｖ、正極活物質として、主に、マンガン酸リチウムや、複数の金属元素からなる正極活物質の一部をマンガンに置換したマンガン系の正極活物質を用いた場合に略４．２Ｖ以上に充電終止電圧を設定する場合もある。
【００５２】
電圧ＶＦ２は、基準電圧を超える電圧に設定された設定電圧Ｖ２（第２設定電圧）と、組電池１４に含まれる二次電池１４１の直列セル数ＳＮとを乗じた電圧にされている。すなわち電圧ＶＦ２＝設定電圧Ｖ２×直列セル数ＳＮとなるように設定されており、このように設定された電圧ＶＦ２が組電池１４に印加されることにより、各二次電池１４１に、充電電圧として設定電圧Ｖ２が供給されるようになっている。
【００５３】
設定電圧Ｖ２は、基準電圧を超える電圧が設定され、二次電池１４１の正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いた場合、例えば略４．４Ｖに設定され、正極活物質としてマンガン酸リチウムを用いた場合、例えば略４．５Ｖに設定される。
【００５４】
以下、二次電池１４１の正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いた場合について説明し、設定電圧Ｖ１が４．２Ｖ、設定電圧Ｖ２が４．４Ｖに設定されている場合について説明する。
【００５５】
充電器３では、前記の指示を、制御ＩＣ３０において、通信手段である通信部３２で受信し、例えばマイクロコンピュータを用いて構成された充電制御部３１が充電電圧電流供給回路３３（充電電圧供給部、充電電流供給部）を制御して、前記の電圧値、電流値、およびパルス幅で、充電電流を供給させる。充電電圧電流供給回路３３は、ＡＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＤＣコンバータなどから成り、入力電圧を、充電制御部３１で指示された電圧値、電流値、およびパルス幅に変換して、端子Ｔ２１，Ｔ１１；Ｔ２３，Ｔ１３を介して、充電経路１１，１５へ供給する。
【００５６】
なお、制御部２１及び設定スイッチＳＷ１を電池パック２に備える例に限られず、充電器３に制御部２１及び設定スイッチＳＷ１を備えてもよく、あるいは制御部２１及び設定スイッチＳＷ１の一部を充電器３に備えるようにしてもよい。また、設定スイッチＳＷ１を充電器３に備える構成では、電池パック２は、設定スイッチＳＷ１に設定されたモードを示す情報を受信する通信回路等を、モード設定受付部として備えるようにしてもよい。
【００５７】
図２は、二次電池１４１の構成の一例を示す概略断面図である。図２に示す二次電池１４１は、巻回構造の極板群を有する円筒形の非水電解質二次電池、例えばリチウムイオン二次電池である。極板群３１２は、正極リード集電体３０２を備えた正極板３０１（正極）と、負極リード集電体３０４を備えた負極板３０３（負極）とが、セパレータ３０５を介して渦巻き状に巻回された構造を有している。また、負極板３０３とセパレータ３０５との間には、図略の多孔性保護膜が形成されている。
【００５８】
極板群３１２の上部には図略の上部絶縁板が、下部には下部絶縁板３０７が取り付けられている。そして、極板群３１２、及び図略の非水電解液（電解質）が入れられたケース３０８は、ガスケット３０９と封口板３１０と正極端子３１１とで封口されている。
【００５９】
そして、封口板３１０の略中央には、略円形もしくは略馬蹄形の溝３１３が形成されており、ケース３０８内でガスが発生して内部圧力が所定の圧力を超えると、溝３１３が破断してケース３０８内のガスを放出するようになっている。また、正極端子３１１の略中央部には、外部接続用の凸部が設けられ、この凸部に電極開口部３１４が設けられており、溝３１３が破断して放出されたガスを、電極開口部３１４から二次電池１４１の外部へ放出するようになっている。
【００６０】
図３は、極板群３１２の構成を詳細に示す断面図である。図３に示す極板群３１２は、負極集電体３２３、負極活物質３２４、多孔性保護膜３２５、セパレータ３０５、正極活物質３２２、及び正極集電体３２１がこの順に積層されて構成されている。
【００６１】
図３に示す正極板３０１は、例えばアルミ箔等の金属箔からなる正極集電体３２１の表面に、正極活物質３２２が略均一に塗着されて構成されている。
【００６２】
正極活物質３２２は、リチウムを含む遷移金属含有複合酸化物、例えば、非水電解質二次電池に使用されるＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２等の遷移金属含有複合酸化物を正極活物質として含有する。これらの遷移金属含有複合酸化物の中でも、高い充電終止電圧を使用でき、また高電圧状態で添加剤がその表面に吸着あるいは分解して良質な被膜を形成しうるＣｏの一部を他の元素で置換した遷移金属含有複合酸化物が好ましい。
【００６３】
このような遷移金属含有複合酸化物としては、具体的には、例えば、一般式ＬｉａＭｂＮｉｃＣｏｄＯｅ（ＭはＡｌ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、およびＭｏからなる群から選択される少なくとも一種の金属であり、且つ０＜ａ＜１．３、０．０２≦ｂ≦０．５、０．０２≦ｄ／ｃ＋ｄ≦０．９、１．８＜ｅ＜２．２の範囲であって、更にｂ＋ｃ＋ｄ＝１であり、０．３４＜ｃである）で表される遷移金属含有複合酸化物が挙げられる。特に、上記一般式において、Ｍが、Ｃｕ及びＦｅからなる群から選択される少なくとも一種の金属であることが好ましい。
【００６４】
このように構成された正極活物質３２２は、充電状態における体積膨張が低減されるので、例えば図９に示す満充電状態（ＳＯＣ１００％）を超えて充電を行った場合でも、ケース３０８内で正極活物質３２２が膨張して極板群３１２の中心部が座屈を生じるおそれが低減される。
【００６５】
なお、以下の説明においては、正極活物質３２２としてコバルト酸リチウムを用いた場合（二次電池１４１の負極板３０３のリチウム基準における電位が実質的に０Ｖになる状態である満充電状態になったときの負極板３０３と正極板３０１との間の電圧である基準電圧が、４．２Ｖである場合）を例に、説明する。（正極活物質３２２としてマンガン酸リチウムを用いた場合には、基準電圧は４．３Ｖとなる。）
また、図３に示す負極板３０３は、例えば銅箔等の金属箔からなる負極集電体３２３の表面に、負極活物質３２４が略均一に塗着されて構成されている。
【００６６】
負極活物質３２４としては、炭素材料、リチウム含有複合酸化物、リチウムと合金化可能な材料等、リチウムを可逆的に吸蔵放出可能な材料、及び金属リチウムを用いることができる。炭素材料としては、例えば、コークス、熱分解炭素類、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、黒鉛化メソフェーズ小球体、気相成長炭素、ガラス状炭素類、炭素繊維（ポリアクリロニトリル系、ピッチ系、セルロース系、気相成長炭素系）、不定形炭素、有機物の焼成された炭素材料等が挙げられる。これらは単独または二種以上を混合して使用してもよい。これらの中でもメソフェーズ小球体を黒鉛化した炭素材料や、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛材料が好ましい。また、リチウムと合金化可能な材料としては、例えば、Ｓｉ単体あるいはＳｉとＯとの化合物（ＳｉＯｘ）等が挙げられる。これらは単独または二種以上を混合して使用してもよい。上記のようなケイ素系の負極活物質を使用することにより、さらに高容量の非水電解質二次電池が得られる。
【００６７】
図３に示すセパレータ３０５は、大きなイオン透過度、及び所定の機械的強度を有する絶縁性の微多孔性薄膜が用いられる。また、セパレータ３０５は、２００℃以下の融点を有する樹脂材料をベースとするものが望ましく、特にボリオレフィンが好ましく用いられる。なかでも、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンープロピレン共重合体、ボリエチレンとボリプロピレンとの複合物などが好ましい。２００℃以下の融点を有するポリオレフィン製のセパレータは、電池が外的要因で短絡した場合に容易に溶融し、樹脂材料が軟化して細孔構造が閉塞することにより、イオンの移動が抑制されるいわゆるシャットダウン効果が得られ、二次電池１４１の安全性を向上することができる。
【００６８】
セパレータ３０５は、１種のポリオレフィン樹脂からなる単層膜であってもよく、２種以上のボリオレフィン樹脂からなる多層膜であってもよい。セパレータ３０５の厚みｔ１は、特に限定されないが、電池の設計容量を維持する観点から８〜３０μｍであることが好ましい。
【００６９】
図３に示す多孔性保護膜３２５（耐熱部材）は、例えば無機酸化物フィラーおよび樹脂結着剤を含む塗料（以下、多孔膜塗料）を調製し、これを負極板３０３の表面に塗布し、その塗膜を乾燥することで得られる。多孔膜塗料は、無機酸化物フィラーおよび樹脂結着剤を、フィラーの分散媒と混合することにより得られる。分散媒には、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、シクロヘキサノン等の有機溶媒や水が好ましく用いられるが、これらに限定されない。フィラー、樹脂結着剤および分散媒の混合は、プラネタリミキサ等の双腕式攪拌機やビーズミル等の湿式分散機を用いて行うことができる。多孔膜塗料を電極表面に塗布する方法としては、コンマロール法、グラビアロール法、ダイコート法等を挙げることができる。
【００７０】
なお、多孔性保護膜３２５は、樹脂結着剤と無機酸化物フィラーを含む微粒子スラリーが、負極又は正極の表面の少なくとも一方に塗布されるものであればよく、負極板３０３の表面に形成される例に限られず、正極板３０１の表面に形成されてもよく、正極板３０１及び負極板３０３の両方の表面に相対向するように形成されていてもよい。また、多孔性保護膜３２５の厚さｔ２は、０．１μｍ〜２００μｍの範囲内であることが好ましい。
【００７１】
耐熱性の高い多孔性保護膜３２５を得る観点からは、無機酸化物フィラーが２５０℃以上の耐熱性を有し、かつ非水電解液二次電池の電位窓内で電気化学的に安定であることが望まれる。多くの無機酸化物フィラーはこれらの条件を満たすが、無機酸化物のなかでも、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアなどが好ましく、特に、粒径が０．１μｍ〜５０μｍの範囲にあるアルミナ粉末又はＳｉＯ２粉末（シリカ）より選ばれることが好ましい。無機酸化物フィラーは１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【００７２】
イオン伝導性の良好な多孔性保護膜３２５を得る観点からは、無機酸化物フィラーの嵩密度（タップ密度）が０．２ｇ／ｃｍ３以上０．８ｇ／ｃｍ３以下であることが望ましい。嵩密度が０．２ｇ／ｃｍ３未満では、無機酸化物フィラーが嵩高くなり過ぎて、多孔性保護膜３２５の構造が脆弱になることがある。一方、嵩密度が０．８ｇ／ｃｍ３を超えると、フィラー粒子間に好適な空隙を形成することが困難になることがある。無機酸化物フィラーの粒子径は、特に限定されないが、粒子径が小さい方が嵩密度が低くなりやすい。無機酸化物フィラーの粒子形状は、特に限定されないが、複数個（例えば２〜１０個程度、好ましくは３〜５個）の一次粒子が連結固着した不定形粒子であることが望ましい。一次粒子は、通常、単一の結晶からなるため、不定形粒子は、必ず多結晶粒子となる。
【００７３】
多孔性保護膜３２５に含まれる樹脂結着剤の量は、無機酸化物フィラーの１００重量部に対して、１重量部以上２０重量部以下が望ましく、１重量部以上５重量部以下が更に望ましい。樹脂結着剤の量が２０重量部を超えると、多孔性保護膜３２５の細孔の多くが樹脂結着剤で塞がれてしまい、放電特性が低下することがある。一方、樹脂結着剤の量が１重量部未満では、多孔性保護膜３２５と電極表面との密着性が低下して、多孔性保護膜３２５が剥離することがある。
【００７４】
内部短絡の発生箇所が高温になっても多孔性保護膜３２５の熱的安定性を維持させる観点から、樹脂結着剤の融点または熱分解温度は２５０℃以上であることが好ましい。また、樹脂結着剤が結晶性高分子からなる場合には、結晶性高分子の融点が２５０℃以上であることが好ましい。ただし、多孔性保護膜３２５の主成分は耐熱性の高い無機酸化物であるから、本発明の効果は、樹脂結着剤の耐熱性に大きく依存されるものではない。
【００７５】
多孔質絶縁膜の多孔度Ｐの範囲は、セパレータの見かけ体積に対する真体積の割合をＲとした場合に−０．１０≦Ｒ−Ｐ≦０．３０を満たす範囲で決定すればよい。
【００７６】
多孔性保護膜の多孔度Ｐは、次の方法で求めることができる。まず、無機酸化物フィラーと、樹脂結着剤と、フィラーを分散させる分散媒を含む塗料（以下、多孔膜塗料）を調製する。多孔膜塗料を金属箔上に塗布し、乾燥する。乾燥後の塗膜を金属箔とともに任意の面積に切り取り、金属箔を取り除くことで、多孔性保護膜の試料が得られる。得られた試料の厚みと面積から、多孔性保護膜の見かけ体積Ｖａを求め、さらに試料の重量を測定する。次に、試料の重量と、無機物フィラーおよび樹脂結着剤の真比重を用いて、多孔性保護膜の真体積Ｖｔを求める。多孔度Ｐは、見かけ体積Ｖａおよび真体積Ｖｔから、以下の式（１）により求められる。
【００７７】
多孔度Ｐ＝（Ｖａ−Ｖｔ）／Ｖａ  ・・・（１）
多孔度Ｐは、無機酸化物フィラーの大きさ例えば平均粒径と、形状とを適宜設定することで、所望の値に設定することができ、例えば３５〜４５％程度が好適である。
【００７８】
セパレータ３０５の見かけ体積に対する真体積の割合Ｒは、次の方法で求めることができる。まず、セパレータ３０５の厚みと面積からセパレータ３０５の見かけ体積Ｖａｓを算出し、さらにセパレータ３０５の重量を測定する。次に、セパレータ３０５の重量と真比重を用いて、セパレータの真体積Ｖｔｓを求める。割合Ｒは、見かけ体積Ｖａｓおよび真体積Ｖｔｓから、以下の式（２）により求められる。
【００７９】
割合Ｒ＝Ｖｔｓ／Ｖａｓ  ・・・（２）
無機酸化物フィラーは、無機酸化物フィラーを多結晶粒子とすることで、樹枝状、珊瑚状、房状などの形状にすることができる。このような形状の多結晶粒子は、多孔性保護膜内で過度に緻密な充填構造を形成しにくいため、適度な空隙を形成するのに適している。多結晶粒子には、例えば２〜１０個程度の一次粒子が溶融により連結した粒子や、２〜１０個程度の結晶成長中の粒子が途中で接触して合体した粒子等が含まれる。
【００８０】
多結晶粒子の平均粒径（体積基準のメディアン径：Ｄ５０）は、例えばマイクロトラック社製の湿式レーザー粒度分布測定装置等により測定することができる。多結晶粒子の平均粒径が、一次粒子の平均粒径の２倍未満では、多孔性保護膜が過度に緻密な充填構造をとることがあり、１０μｍを超えると、多孔性保護膜の多孔度が過剰となって多孔性保護膜の構造が脆くなることがある。
【００８１】
多結晶粒子を得る方法は特に限定されないが、例えば無機酸化物を焼結して塊状物とし、塊状物を適度に粉砕すれば得られる。また、粉砕工程を経ずに、結晶成長中の粒子を途中で接触させることにより、多結晶粒子を直接得ることもできる。
【００８２】
例えばα−アルミナを焼結して塊状物とし、塊状物を適度に粉砕して、多結晶粒子を得る場合、焼結温度は８００〜１３００℃が好ましく、焼結時間は３〜３０分が好ましい。また、塊状物を粉砕する場合、ボールミル等の湿式設備やジェットミル・ジョークラッシャー等の乾式設備を用いて粉砕を行うことができる。その場合、当業者であれば、粉砕条件を適宜調整することにより、多結晶粒子を任意の平均粒径に制御することができる。
【００８３】
なお、セパレータ３０５を用いず、例えば図４に示す極板群３１２ａのように、多孔性保護膜３２５ａの多孔度Ｐ、厚さｔ２、あるいは曲路率その他の特性を適宜設定することにより、セパレータ３０５の代わりに多孔性保護膜３２５ａを用いる構成としてもよい。
【００８４】
また、多孔性保護膜３２５を備える代わりに、例えば図５に示す極板群３１２ｂのように、耐熱性のセパレータ３０５ａ（耐熱部材）を用いるようにしてもよい。図５に示す耐熱性セパレータ３０５ａは、例えばポリエチレンの基材３５５の表面に、耐熱材料であるアラミド樹脂層３５６を備えて構成されている。ポリエチレンの基材３５５の厚さｔ６は例えば１４μｍ程度、アラミド樹脂層３５６の厚さｔ７は例えば３〜４μｍ程度にされている。
【００８５】
次に、上述のように構成された充電システム１の動作について説明する。図６は、本発明の一実施形態に係る充電システム１の動作の一例を示す説明図である。図６は、通常モードにおける充電電流Ｉｃ、端子電圧Ｖｂ、及びＳＯＣを、Ｉｃ１、Ｖｂ１、及びＳＯＣ１で示し、高電圧充電モードにおける充電電流Ｉｃ、端子電圧Ｖｂ、及びＳＯＣを、Ｉｃ２、Ｖｂ２、及びＳＯＣ２で示している。また、図７は、本発明の一実施形態に係る充電システム１の動作の一例を示すフローチャートである。
【００８６】
まず、定電流充電制御部２１２によって、設定スイッチＳＷ１の設定状態が確認され（ステップＳ１）、設定スイッチＳＷ１がオンであれば高電圧充電モードで充電を行うべくステップＳ２へ移行し（ステップＳ１でＹＥＳ）、設定スイッチＳＷ１がオフであれば通常充電モードで充電を行うべくステップＳ６へ移行する（ステップＳ１でＮＯ）。
【００８７】
ここで、ユーザが組電池１４の電池容量を増大させたい場合、ユーザが設定スイッチＳＷ１をオンに設定することにより高電圧充電モードが選択され、ステップＳ２へ移行する。また、ユーザが組電池１４の劣化を抑えて電池寿命を確保したい場合、ユーザが設定スイッチＳＷ１をオフに設定することにより通常モードが選択され、ステップＳ６へ移行する。
【００８８】
また、同様に、上述の電気的な信号や機構的な構造等の手段によって、電池パック２が装着される充電器３や負荷機器（アプリケーション機器）の特性に応じて、充電制御モードを選択する場合もある。この場合は、電池パック２が装着される充電器３や負荷機器の特性に応じて、充電制御を行うモードが選択される。
【００８９】
まず、高電圧充電モードでの動作について説明すると、ステップＳ２において、定電流充電制御部２１２によって、ＦＥＴ１２がオンされると共に、通信部２２，３２を介して充電制御部３１へ、電流値Ｉｃｃの充電電流Ｉｃ２を出力すべき旨の指示が出力される。電流値Ｉｃｃは、たとえば公称容量値ＮＣを定電流放電して、１時間で放電できるレベルを１Ｃとして、その７０％に、並列セル数ＰＮを乗算した電流値（例えば、ＮＣ＝２０００ｍＡｈで、２個並列であるとき、７０％で２８００ｍＡ）に設定されている。そして、充電制御部３１からの制御信号に応じて充電電圧電流供給回路３３から、電流値Ｉｃｃに設定された充電電流Ｉｃ２が出力されて、定電流充電が行われる（タイミングＴ１）。
【００９０】
次に、定電流充電制御部２１２によって、電圧検出回路２０によって検出された組電池１４の端子電圧Ｖｂ２が確認され（ステップＳ３）、端子電圧Ｖｂ２が、電圧ＶＦ２以上になると（ステップＳ３でＹＥＳ）、定電流充電制御部２１２は定電流充電を停止し、定電圧充電を開始するべくステップＳ４へ移行する。ここで、電圧ＶＦ２は、基準電圧を超える電圧に設定された設定電圧Ｖ２と、組電池１４に含まれる二次電池１４１の直列セル数ＳＮとを乗じた電圧にされている。すなわち電圧ＶＦ２＝設定電圧Ｖ２×直列セル数ＳＮとなるように設定されており、このように設定された電圧ＶＦ２が組電池１４に印加されることにより、各二次電池１４１に、充電電圧として設定電圧Ｖ２が供給されるようになっている。設定電圧Ｖ２は、例えば二次電池１４１の正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いた場合の基準電圧である４．２Ｖを超える４．４Ｖに設定されており、ＶＦ２＝４．４×ＳＮ（組電池１４の直列セル数ＳＮが３であれば、ＶＦ２＝４．４Ｖ×３＝１３．２Ｖ）となる。
【００９１】
そうすると、端子電圧Ｖｂ２が設定電圧Ｖ２×直列セル数ＳＮ以上になることは、各二次電池１４１の端子電圧が原則的には、設定電圧Ｖ２以上になることを意味する。そうすると、二次電池１４１の負極板３０３のリチウム基準における電位は、実質的に０Ｖを下回ることとなり、負極活物質３２４の表面に金属リチウムが析出し始める。
【００９２】
ここで、図３、図４に示す多孔性保護膜３２５，３２５ａや図５に示すセパレータ３０５ａのような、耐熱部材を備えない従来の二次電池の場合には、負極表面で金属リチウムが析出すると、析出した金属リチウムがリチウムデンドライトとなって正極に向かって成長し、例えばポリエチレン等の樹脂材料で構成されたセパレータを貫通して負極と正極との間を短絡する結果、リチウムデンドライトを流れる短絡電流によってセパレータが溶融し、短絡箇所が拡大して電池が破損してしまうおそれがある。そのため、従来の二次電池では、負極にリチウムを析出させないために、二次電池の端子電圧が基準電圧を超えないように、例えば正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いた二次電池では４．２Ｖを超えないように、設定電圧Ｖ２が４．２Ｖ以下の電圧に設定されていた。そのため、従来の二次電池では、端子電圧Ｖｂが、４．２Ｖ×直列セル数ＳＮに達するタイミングＴ２までしか定電流充電を行うことができなかった。
【００９３】
しかし、二次電池１４１では、図３、図４に示す多孔性保護膜３２５，３２５ａや、図５に示すセパレータ３０５ａのような耐熱部材を備えることにより、リチウムデンドライトが形成されて正極板３０１と負極板３０３との間が短絡された場合であっても、セパレータの溶融により短絡箇所が拡大することが抑制されるので、設定電圧Ｖ２を、基準電圧（４．２Ｖ）を超える電圧、例えば４．４Ｖに設定することができる。そうすると、端子電圧Ｖｂが、４．４Ｖ×直列セル数ＳＮに達するタイミングＴ３まで定電流充電を行うことができる。
【００９４】
次に、ステップＳ４において、充放電制御部２１１によって、通信部２２，３２を介して充電制御部３１へ、電圧ＶＦ２の電圧を出力すべき旨の指示が出力される。そして、充電制御部３１からの制御信号に応じて充電電圧電流供給回路３３から、電圧ＶＦ２（＝設定電圧Ｖ２×直列セル数ＳＮ）の電圧、すなわち４．４Ｖ×３＝１３．２Ｖが出力されて、組電池１４の端子電圧Ｖｂ２が１３．２Ｖにされて定電圧充電が行われる。
【００９５】
図３、図４に示す多孔性保護膜３２５，３２５ａや、図５に示すセパレータ３０５ａのような耐熱部材を備えない従来の二次電池を充電する場合には、負極へのリチウムの析出を回避するために、４．２Ｖ×直列セル数ＳＮ以下の電圧で、定電圧充電を行う必要があった。しかし、二次電池１４１では、図３、図４に示す多孔性保護膜３２５，３２５ａや、図５に示すセパレータ３０５ａのような耐熱部材を備えることにより、上述したように、４．４Ｖ×直列セル数ＳＮの電圧で充電を行うことができる。
【００９６】
そして、充放電制御部２１１によって、電流検出抵抗１６で検出された充電電流Ｉｃが確認され（ステップＳ５）、充電電流Ｉｃが予め設定された終止電流Ｉｔｈ以下になると（ステップＳ５でＹＥＳ）、充放電制御部２１１は充電を終了するべくステップＳ１０へ移行する。終止電流Ｉｔｈは、温度に応じて適宜設定され、例えば（０．１Ａ×並列セル数ＰＮ）程度の電流値が用いられる。
【００９７】
次に、ステップＳ１０において、充放電制御部２１１によって、充電制御部３１へ充電電圧をゼロにすべき指示が出力され、充電制御部３１により充電電圧電流供給回路３３の出力電圧がゼロにされて充電を終了する（タイミングＴ５）。
【００９８】
以上、高電圧充電モードでは、ステップＳ２〜Ｓ５，Ｓ１０の処理により、基準電圧を超える電圧に設定された設定電圧Ｖ２、例えば４．４Ｖで各二次電池１４１が定電圧充電される。そうすると、図９の符号Ａで示すように、二次電池１４１の正極電位Ｐｐと負極電位Ｐｍとの差が４．４Ｖになるまで二次電池１４１が充電されるから、二次電池１４１は満充電状態（ＳＯＣ：１００％）を超えて充電されることとなり、二次電池１４１の電池容量が増大する結果、組電池１４の電池容量が増大する。
【００９９】
また、上述のように構成された正極活物質３２２は、充電状態における体積膨張が低減されるので、二次電池１４１のＳＯＣが１００％を超えるまで充電を行った場合であっても、ケース３０８内で正極活物質３２２が膨張して極板群３１２が座屈を生じるおそれが低減される。
【０１００】
次に、通常モードでの動作について説明する。まず、ステップＳ６において、定電流充電制御部２１２によって、ＦＥＴ１２がオンされると共に、通信部２２，３２を介して充電制御部３１へ、電流値Ｉｃｃの充電電流Ｉｃ１を出力すべき旨の指示が出力される。そして、充電制御部３１からの制御信号に応じて充電電圧電流供給回路３３から、電流値Ｉｃｃに設定された充電電流Ｉｃ１が出力されて、定電流充電が行われる（タイミングＴ１）。
【０１０１】
次に、定電流充電制御部２１２によって、電圧検出回路２０によって検出された組電池１４の端子電圧Ｖｂが確認され（ステップＳ７）、端子電圧Ｖｂ１が、電圧ＶＦ１以上になると（ステップＳ７でＹＥＳ、タイミングＴ２）、定電流充電制御部２１２は定電流充電を停止し、定電圧充電を開始するべくステップＳ８へ移行する。
【０１０２】
ここで、電圧ＶＦ１は、基準電圧以下の電圧に設定された設定電圧Ｖ１と、組電池１４に含まれる二次電池１４１の直列セル数ＳＮとを乗じた電圧にされている。すなわち電圧ＶＦ１＝設定電圧Ｖ１×直列セル数ＳＮとなるように設定されており、このように設定された電圧ＶＦ１が組電池１４に印加されることにより、各二次電池１４１に、充電電圧として設定電圧Ｖ１が供給されるようになっている。設定電圧Ｖ１は、例えば二次電池１４１の正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いた場合の基準電圧である４．２Ｖに設定されており、ＶＦ１＝４．２×ＳＮ（組電池１４の直列セル数ＳＮが３であれば、ＶＦ１＝４．２Ｖ×３＝１２．６Ｖ）となる。
【０１０３】
そうすると、端子電圧Ｖｂ１が設定電圧Ｖ１×直列セル数ＳＮになることは、各二次電池１４１の端子電圧が原則的には、設定電圧Ｖ１になることを意味する。そうすると、二次電池１４１の負極板３０３のリチウム基準における電位は、実質的に０Ｖ以上となり、負極活物質３２４の表面に金属リチウムが析出するおそれが低減される結果、高電圧充電モードと比べて二次電池１４１の劣化が低減される。
【０１０４】
次に、ステップＳ８において、充放電制御部２１１によって、通信部２２，３２を介して充電制御部３１へ、電圧ＶＦ１の電圧を出力すべき旨の指示が出力される。そして、充電制御部３１からの制御信号に応じて充電電圧電流供給回路３３から、電圧ＶＦ１（＝設定電圧Ｖ１×直列セル数ＳＮ）の電圧、すなわち４．２Ｖ×３＝１２．６Ｖが出力されて、組電池１４の端子電圧Ｖｂ１が１２．６Ｖにされて定電圧充電が行われる。そうすると、二次電池１４１の負極板３０３のリチウム基準における電位が実質的に０Ｖ以上となる範囲で定電圧充電が行われるので、負極活物質３２４の表面に金属リチウムが析出するおそれが低減される結果、高電圧充電モードと比べて二次電池１４１の劣化が低減される。
【０１０５】
そして、充放電制御部２１１によって、電流検出抵抗１６で検出された充電電流Ｉｃが確認され（ステップＳ９）、充電電流Ｉｃが予め設定された終止電流Ｉｔｈ以下になると（ステップＳ９でＹＥＳ）、充放電制御部２１１は充電を終了するべくステップＳ１０へ移行する。終止電流Ｉｔｈは、温度に応じて適宜設定され、例えば（０．１Ａ×並列セル数ＰＮ）程度の電流値が用いられる。
【０１０６】
次に、ステップＳ１０において、充放電制御部２１１によって、充電制御部３１へ充電電圧をゼロにすべき指示が出力され、充電制御部３１により充電電圧電流供給回路３３の出力電圧がゼロにされて充電を終了する（タイミングＴ４）。
【０１０７】
以上、通常モードでは、ステップＳ６〜Ｓ１０の処理により、基準電圧以下の電圧に設定された設定電圧Ｖ１、例えば４．２Ｖで各二次電池１４１が定電圧充電される。そうすると、二次電池１４１は図９に示す満充電状態（ＳＯＣ：１００％）を超えて充電されることがなく、負極電位Ｐｍは０Ｖ以上に維持されるから、負極活物質３２４の表面に金属リチウムが析出するおそれが低減される結果、高電圧充電モードと比べて二次電池１４１の劣化が低減され、二次電池１４１の寿命が確保される。
【０１０８】
以上、ステップＳ１〜Ｓ１０の処理により、ユーザが組電池１４の電池容量を増大させたい場合、ユーザが設定スイッチＳＷ１をオンに設定することにより高電圧充電モードが選択されて組電池１４の電池容量が増大され、ユーザが組電池１４の劣化を抑えて電池寿命を確保したい場合、ユーザが設定スイッチＳＷ１をオフに設定することにより通常モードが選択されて高電圧充電モードより二次電池１４１の劣化が低減され、二次電池１４１の寿命が確保されるので、ユーザのニーズに応じて、二次電池の電池容量を増大させたり、二次電池の劣化を低減して寿命を確保したりすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明は、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、等の電池搭載装置として使用される充電システム、これら電池搭載装置の電源として用いられる電池パック、及びこのような電池パックを充電する充電装置として好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る充電システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す二次電池の構成の一例を示す概略断面図である。
【図３】図２に示す極板群の構成の一例を詳細に示す断面図である。
【図４】図２に示す極板群の構成の他の一例を詳細に示す断面図である。
【図５】図２に示す極板群の構成の他の一例を詳細に示す断面図である。
【図６】図１に示す充電システムの動作の一例を示す説明図である。
【図７】図１に示す充電システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図８】背景技術に係る二次電池の充電時における一般的な充電電圧および電流の管理方法を説明するためのグラフである。
【図９】リチウムイオン電池を充電した場合のリチウム基準に対する、正極電位と負極電位との変化を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１  充電システム
２  電池パック
３  充電器
１４  組電池
１６  電流検出抵抗
１７  温度センサ
１９  アナログ／デジタル変換器
２０  電圧検出回路
２１  制御部
２２，３２  通信部
３１  充電制御部
３３  充電電圧電流供給回路
１４１  二次電池
２１１  充放電制御部
２１２  定電流充電制御部
３０１  正極板
３０２  正極リード集電体
３０３  負極板
３０４  負極リード集電体
３０５，３０５ａ  セパレータ
３０６  上部絶縁板
３０７  下部絶縁板
３０８  ケース
３０９  ガスケット
３１０  封口板
３１１  正極端子
３１２，３１２ａ，３１２ｂ  極板群
３２２  正極活物質
３２４  負極活物質
３２５，３２５ａ  多孔性保護膜
３５５  基材
３５６  アラミド樹脂層
ＳＷ１  設定スイッチ
Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ２１，Ｔ２２，  端子
Ｐｐ  正極電位
Ｐｍ  負極電位
【図１】
2008167642.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008167642.tif 000009
【図８】
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【図９】
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