(57)【要約】【課題】電池容器の変質や電池性能の低下を確実に防ぐことのできるリチウム二次電池及び組電池を提供することを目的とする。【解決手段】正極端子４及び負極端子５が絶縁物３を介して電池容器２に取り付けられているリチウム二次電池１において、正極端子４と電池容器２とを、抵抗素子１０を介して接続することにより、電池容器２を正極端子４と同電位とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極端子及び負極端子が絶縁物を介して電池容器に取り付けられているリチウム二次電池において、
前記正極端子と前記電池容器とが電流制限手段を介して接続されているリチウム二次電池。
【請求項２】
前記電流制限手段が、抵抗素子である請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項３】
前記正極端子あるいは前記負極端子に対する前記電池容器の電圧を計測する容器電圧計測手段を備える請求項１または請求項２に記載のリチウム二次電池。
【請求項４】
前記容器電圧計測手段により計測された容器電圧によって容器電位異常を検知し、充放電を停止する充放電制御手段を備える請求項３に記載のリチウム二次電池。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の複数のリチウム二次電池が直列または並列に接続された組電池。
【請求項６】
正極端子及び負極端子が絶縁物を介して電池容器に取り付けられている複数のリチウム二次電池が直列または並列に接続されている組電池であって、
全ての前記リチウム二次電池の前記電池容器が電気的に接続されているとともに、最も電位の高い前記リチウム二次電池において、その正極端子とその電池容器とが電流制限手段で接続されている組電池。
【請求項７】
正極端子及び負極端子が絶縁物を介して電池容器に取り付けられている複数のリチウム二次電池が直列または並列に接続されている組電池であって、
正常運転時において、全ての前記リチウム二次電池の前記電池容器が電気的に接続されているとともに、いずれか一つの前記電池容器と、いずれか一つの前記正極端子又は前記負極端子との間に、外部電源が接続されている組電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウム二次電池に係り、特に、電力貯蔵システム等に組電池として使用される大型のリチウム二次電池およびこれを用いた組電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、小型携帯用端末、携帯電話機等の小型電源として利用される小型のリチウム電池では、軽量化を図るために、容器にアルミ系材料を用いたものが知られている。アルミ系材料は、リチウムイオンと反応してＬｉＡｌへ合金化する性質を有するため、例えば、ＬｉＡｌへの合金化を防止するために、容器内面をリチウムに対してＬｉＡｌへ合金化しにくい金属で被覆することが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−２１８８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年、上述した小型のリチウム電池だけでなく、電力貯蔵システム等に、組電池として用いられるような大型のリチウム二次電池においても、軽量化や成形の容易さからアルミ系材料の使用が期待されている。この場合、リチウムイオンと容器との反応を回避するために、容器内面等を絶縁物で被覆することが考えられる。
しかしながら、容器内面等を絶縁物により完璧に被覆することは難しく、また、絶縁物に小さな傷が生じている場合もある。このような場合、上記箇所からリチウムイオンが侵食し、容器とのＬｉＡｌへの合金化が発生、進行し、容器の変質や電池性能の低下を招くこととなる。
特に、大型のリチウム電池では、小型のリチウム電池に比べて長期の寿命が要求されることから、性能低下等の原因となるＬｉＡｌへの合金化を確実に防止する必要がある。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、電池容器の変質や電池性能の低下を確実に防ぐことのできるリチウム二次電池及び組電池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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、正極端子及び負極端子が絶縁物を介して電池容器に取り付けられているリチウム二次電池において、前記正極端子と前記電池容器とが電流制限手段を介して接続されているリチウム二次電池を提供する。
【０００６】
このような構成によれば、正極端子と電池容器とを電流制限手段を介して接続するので、電池容器は正極端子と同電位となり、電解液と接する電池容器表面を酸化性雰囲気とすることが可能となる。電解液中に含まれるリチウムイオンと電池容器のＬｉＡｌへの合金化は、電池容器が負極と同電位となるような還元雰囲気下で電気化学的に進行するものであるから、電池容器の電位をリチウムイオンとのＬｉＡｌへの合金化を阻止できる電位域（例えば、負極端子に対する容器電圧が０．３Ｖ乃至０．５Ｖ以上）に保つことにより電池容器の合金化を防止することができる。
更に、正極端子と電池容器とを電流制限手段を介して接続することにより、例えば、負極端子と電池容器とが短絡する等の異常が発生しても正極端子から電池容器へ流れる電流を微小な電流、例えば、ｍＡ（ミリアンペア）オーダーに制限することが可能となる。上記電流制限手段としては、抵抗素子、ヒューズ、電池容器の電圧を外部から制御する回路等を採用することが可能であるが、抵抗素子やヒューズを用いる場合には、簡素な構成により正極端子と電池容器との間に流れる電流を抑制することができる。
特に、上記電流制限手段として、抵抗素子を用いた場合、非復帰式のヒューズと異なり、正極端子から電池容器へ電流が流れるような異常が解消された後も機能が維持されるため、ヒューズ交換の手間がかからず、より好適である。
【０００７】
上記リチウム二次電池において、前記正極端子あるいは前記負極端子に対する前記電池容器の電圧を計測する容器電圧計測手段を備えることとしてもよい。
【０００８】
上記構成によれば、電池容器の電位が、電解液中のリチウムイオンと電池容器のＬｉＡｌへの合金化を阻止できる電位域から外れた場合に、容器電位異常としてこれを早期に検知することができる。容器電圧計測手段は、例えば、電池の負極と容器間の電圧を計測する差動アンプ回路と、差動アンプ回路の出力をＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換するＡ／Ｄ変換器とを備えている。
【０００９】
上記リチウム二次電池において、前記容器電圧計測手段により計測された容器電圧によって容器電位異常を検知し、充放電を停止する充放電制御手段を備えることとしてもよい。
容器電圧計測手段により、例えば、負極端子と電池容器との間の電圧が計測される場合には、当該電圧が予め設定されている適正範囲（例えば、２．０Ｖから４．５Ｖ）外となった場合に、容器電位異常を検知することとしてもよい。また、正負極間電圧（電池電圧）と、負極端子と電池容器との間電圧との差が予め設定されている基準値（例えば、１００ｍＶ）以上となった場合に、容器電位異常を検知することとしてもよい。
そして、容器電位異常が検知された場合には、充放電制御手段により充放電が停止される。これにより、電池容器のリチウムイオンとの合金化に対し、早期に対応することが可能となる。この結果、合金化による容器の変質や電池性能の低下を防止することができる。
【００１０】
また、上記リチウム二次電池を直列または並列に複数接続されることにより、組電池を構成してもよい。
【００１１】
このような構成によれば、正極端子と電池容器とが抵抗で接続されている複数のリチウム二次電池を直列または並列に接続して組電池を構成するので、各リチウム電池における電池容器のＬｉＡｌへの合金化を防止することができ、組電池における容器の変質および電池性能の低下を防止することができる。
【００１２】
本発明は、正極端子及び負極端子が絶縁物を介して電池容器に取り付けられている複数のリチウム二次電池が直列または並列に接続されている組電池であって、全ての前記リチウム二次電池の前記電池容器が電気的に接続されているとともに、最も電位の高いリチウム二次電池において、その正極端子とその電池容器とが電流制限手段で接続されている組電池を提供する。
【００１３】
このような構成によれば、全てのリチウム二次電池の電池容器の電位を、電位の最も高いリチウム二次電池、換言すると、組電池の正極端子の電位とすることができる。これにより、全ての電池容器の電位をリチウムイオンとのＬｉＡｌへの合金化を阻止できる電位域（例えば、負極端子に対する容器電圧が０．３Ｖ乃至０．５Ｖ以上）に保つことが可能となるので、電池容器のＬｉＡｌへの合金化を防止することができる。この結果、組電池における容器の変質および電池性能の低下を防止することができる。
【００１４】
本発明は、正極端子及び負極端子が絶縁物を介して電池容器に取り付けられている複数のリチウム二次電池が直列または並列に接続されている組電池であって、正常運転時において、全ての前記リチウム二次電池の前記電池容器が電気的に接続されているとともに、いずれか一つの前記電池容器と、いずれか一つの前記正極端子又は前記負極端子との間に、外部電源が接続されている組電池を提供する。
【００１５】
このような構成によれば、正常運転時において、各リチウム二次電池において、負極端子に対する電池容器の電位をリチウムのＬｉＡｌへの合金化を防止する電位に保つことができる。これにより、全ての電池容器の電位をリチウムイオンとのＬｉＡｌへの合金化を阻止できる電位域（例えば、負極端子に対する容器電圧が０．３Ｖ乃至０．５Ｖ以上）に保つことが可能となるので、電池容器のＬｉＡｌへの合金化を防止することができる。この結果、組電池における容器の変質および電池性能の低下を防止することができる。
【００１６】
上記組電池は、例えば、電力貯蔵用の蓄電装置として利用されるのに好適なものである。また、上記各種態様は、可能な範囲で組み合わせて利用することができるものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電解液中のリチウムイオンとの反応による電池容器の変質や電池性能の低下を確実に防ぐことができるという効果を奏する。
また、電池容器と正極端子との間を電流制限素子で接続することにより、容器と負極間が短絡する等の異常時にも正極端子から電池容器に流れる電流を制限して過電流等による電池の損傷を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に係るリチウム二次電池の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るリチウム二次電池の概略外観図、図２は本実施形態に係るリチウム二次電池の内部構成を模式的に示した図である。
【００１９】
図１及び図２に示すように、本実施形態に係るリチウム二次電池１は、アルミ系材料で形成された電池容器２を備えている。アルミ系材料としては、例えば、Ａ３０００系（Ａ３００３，Ａ３００４），Ａ１５００系，A５０００系等が挙げられる。この電池容器２には、絶縁物３を介して正極端子４と負極端子５とが取り付けられている。
上記正極端子４には、リチウムイオンを吸蔵、放出可能なマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）が正極活性物質として塗布された正極集電体６が接続されている。この正極集電体６は、電池容器２の内部に収容されている。また、負極端子５には、カーボン或いはグラファイトで成形された負極集電体８が接続されている。この負極集電体８は、電池容器２内に収容されている。更に、電池容器２には、リチウムイオンを含む非水電解液が収容されている。
また、電池容器２の内面は、非水電解液と直接接していても構わないが、変性ポリオレフィン等の絶縁物で被覆されたものを用いることも出来る。この場合、電池容器２内に収容されている非水電解液中に放出されたリチウムイオンとアルミ系材料で形成された電池容器２とのＬｉＡｌへの合金化を一次的に防止することができる。
なお、上記リチウム二次電池の構造や材料は一例であり、各種公知の構造、材料を用いることが可能である。
【００２０】
このような構成を備えるリチウム二次電池１において、正極端子４と電池容器２とは、抵抗素子１０を介して接続されている。これにより、正極端子４と電池容器２とを同電位に保持することが可能となる。この結果、電池容器２の電位を、リチウムイオンとのＬｉＡｌへの合金化が阻止できる電位域に保つことができるので、仮に、上記電池容器２の内面に施された上記被覆の一部に欠損が生じ、リチウムイオンを含む非水電解液が電池容器２の内面に付着したとしても、その付着部分における上記リチウムイオンとのＬｉＡｌへの合金化反応を抑制することが可能となる。この結果、電池容器２の変質や電池性能の低下を確実に防ぐことができる。
なお、上記リチウムイオンとのＬｉＡｌへの合金化を阻止できる電位域とは、例えば、負極端子５に対する容器電圧が０．３Ｖ乃至０．５Ｖ以上をいう。
【００２１】
上記実施形態において、抵抗素子１０としては、負極端子５と電池容器２との間が短絡等することにより、正極端子４から電池容器２経由で負極端子５へと電流が流れたとしても、その電流値がｍＡ（ミリアンペア）オーダー以下となるような抵抗素子を採用することが好ましい。本実施形態においては、正極端子４と負極端子５との間の正常電圧が２．０Ｖから４．５Ｖ程度なので、１ｋΩ程度の抵抗素子１０を介して正極端子４と電池容器２との間を接続している。
これにより、負極端子５と電池容器２とが短絡するなどの異常が発生した場合であっても、正極端子４から電池容器２経由で負極端子５へ流れる電流を微小な電流に制限することができ、過電流等により電池が損傷することを防止できる。
【００２２】
なお、本実施形態においては、正極端子４と電池容器２との間を抵抗素子１０を介して接続することとしたが、抵抗素子１０に代えて、ヒューズを用いることとしてもよい。また、これらの例に限られず、正極端子４と電池容器２との間に流れる電流を制限する機能を有する素子或いは回路等を採用することが可能である。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施形態に係るリチウム二次電池について説明する。
本実施形態に係るリチウム二次電池が上述した第１の実施形態に係るリチウム二次電池と異なる点は、容器電位異常監視回路を更に備えている点である。
容器電位異常監視回路は、正極端子又は負極端子と電池容器２との間の電圧を監視し、容器電位異常を検知した場合に、充放電を停止させる機能を有している。
図３に示すように、容器電位異常監視回路１１は、例えば、負極端子５と電池容器２との電圧を計測する容器電圧計測回路（容器電圧計測手段）１２と、この電圧に基づいて電池容器の容器電位異常を検知して充放電を停止する充放電制御回路（充放電制御手段）１３とを備えている。
【００２４】
容器電圧計測回路１２は、例えば、負極端子５と電池容器２との間の電圧を検出し、充放電制御回路１３に電圧情報を送る。充放電制御回路１３はこの電圧が予め設定されている適正範囲（例えば、０．３Ｖ乃至０．５Ｖ以上）から外れた場合に、容器電位異常を検知し，電源（図示略）、負荷等の外部装置とリチウム二次電池１とを電気的に接続／切断する遮断器２０をオフ状態とすることにより、外部装置と当該リチウム二次電池１との電気的接続を切断する。或いは、充放電制御回路１３は、容器電圧計測回路１２の容器電圧と，正極端子４と負極端子５との間の電圧、つまり、電池電圧との電圧差が予め設定されている基準値（例えば、１００ｍＶ）以上となった場合に、容器電位異常を検知することとしてもよい。
【００２５】
このように、電池容器２の電位を計測する容器電圧計測回路１２と、電池容器２の容器電位異常が検知された場合に充放電を停止する充放電制御回路１３とを備えているので、電池容器２の電位がリチウムイオンとのＬｉＡｌへの合金化を阻止できる電位域を外れた場合，容器電位異常を早期に検知し、速やかに対応することが可能となる。これにより、ＬｉＡｌへの合金化による電池容器２の変質や電池性能の低下を確実に防ぐことができる。
【００２６】
なお、本実施形態においては、容器電圧計測回路１２は、負極端子５と電池容器２との間の電圧を計測することとしたが、これに換えて、正極端子４と電池容器２との間の電圧を計測し、充放電制御回路１３において，この電圧に基づいて容器電位異常を検知し，充放電を停止することとしてもよい。
【００２７】
次に、本発明の組電池に係る一実施形態について説明する。
図４に示すように、本発明の第１の実施形態に係る組電池３０は、上述した第１の実施形態に係るリチウム二次電池１を直列に接続した構成をとる。このように、正極端子４と電池容器２とが抵抗素子１０で接続されているリチウム二次電池１を直列に接続することで、各リチウム電池１における電池容器２のＬｉＡｌへの合金化を防止することが可能となる。これにより、組電池３０における電池容器２の変質、並びに、組電池３０の電池性能の低下を防止することができる。
なお、本実施形態では、リチウム二次電池１を直列に接続する場合について述べたが、リチウム二次電池１を並列に接続して組電池を構成することとしてもよい。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施形態に係る組電池について説明する。
図５に示すように、本実施形態に係る組電池３０ａは、互いに隣接するリチウム二次電池１，１´の電池容器２を導線１５で接続し、更に、電位の最も高いリチウム二次電池１において、正極端子４と電池容器２とを抵抗素子１０を介して接続する。
【００２９】
このような構成によれば、全てのリチウム二次電池１，１´の電池容器２の電位を、電位の最も高いリチウム二次電池１の正極端子４の電位、換言すると、組電池３０ａの正極端子の電位とすることができる。これにより、各リチウム二次電池１，１´における電池容器２のＬｉＡｌへの合金化を防止することができ、組電池３０ａにおける電池容器２の変質および組電池３０ａの電池性能の低下を防止することができる。
【００３０】
なお、本実施形態では、隣接するリチウム二次電池１，１´を導線１５により接続していたが、これに代えて、抵抗素子を介してそれぞれを接続することとしてもよい。
また、本実施形態では、リチウム二次電池１，１´を直列に接続する場合について述べたが、同様の接続方法により、リチウム二次電池１，１´を並列に接続して組電池を構成することとしてもよい。
【００３１】
更に、本実施形態に係る組電池３０ａは、図６に示すように、容器電位異常監視回路１１を更に備えていてもよい。図６において、容器電位異常監視回路１１は、組電池３０ａ内における電池容器２の電位を計測する容器電圧計測回路１２と、電池容器２の容器電位異常を検知して、充放電を停止する充放電制御回路１３とを備えている。容器電圧計測回路１２は、例えば、組電池３０ａの負極端子５といずれかのリチウム二次電池１，１´の電池容器２との間の電圧を検出する。充放電制御回路１３は，この電圧が予め設定されている適正範囲外となった場合に、いずれかのリチウム二次電池１，１´において容器電位異常を検知し，充放電を停止する。
【００３２】
このように、電池容器２の電位を計測する容器電圧計測回路１２と、容器電位異常を検知し，充放電を停止する充放電制御回路１３とを備えているので、容器電位異常を早期に検知し、速やかに対応することが可能となる。これにより、ＬｉＡｌへの合金化による電池容器２の変質や電池性能の低下を確実に防ぐことができる。
【００３３】
次に、本発明の第３の実施形態に係る組電池について説明する。
図７に示すように、本実施形態に係る組電池３０ｂは、互いに隣接するリチウム二次電池１，１´の電池容器２を導線１５で接続し、更に、いずれか一つのリチウム二次電池１の電池容器２と、いずれか一つのリチウム二次電池１の正極端子４又は負極端子５の間に外部電源４０を接続する。
【００３４】
上記外部電源４０の電圧は、全てのリチウム二次電池１，１´の電池容器２の電位を、リチウムイオンとのＬｉＡｌへの合金化を阻止できる電位域（例えば、負極端子に対する電位が０．３Ｖ乃至０．５Ｖ以上）に保つように設定されている。
これにより、各リチウム二次電池１，１´における電池容器２のＬｉＡｌへの合金化を防止することができ、組電池３０ｂにおける電池容器２の変質および組電池３０ｂの電池性能の低下を防止することができる。
【００３５】
なお、本実施形態では、隣接するリチウム二次電池１，１´を導線１５により接続していたが、これに代えて、抵抗素子を介してそれぞれを接続することとしてもよい。
また、本実施形態では、リチウム二次電池１，１´を直列に接続する場合について述べたが、同様の接続方法により、リチウム二次電池１，１´を並列に接続して組電池を構成することとしてもよい。
また、本実施形態に係る組電池３０ｂは、上述した第２の実施形態に係る組電池と同様に、容器電位異常監視回路１１を更に備えることとしてもよい。
【００３６】
次に、本発明の第４の実施形態に係る組電池について説明する。
図８に示すように、本発明の第４の実施形態に係る組電池３０ｃは、複数のリチウム二次電池１を並列に接続した構成をとる。各リチウム二次電池１には、容器電位異常監視回路１１がそれぞれ設けられている。各々の電池の容器電位異常監視回路１１の出力はＯＲ接続されており、いずれかの容器電位異常監視回路１１により容器電位異常が検知された場合には、遮断器２０がオフ状態とされることにより、充放電が停止されるようになっている。
【００３７】
次に、本発明の第５の実施形態に係る組電池について説明する。
図９に示すように、本発明の第５の実施形態に係る組電池３０ｄは、並列に接続された各リチウム二次電池において、隣接して配置されたリチウム二次電池１，１´の電池容器２を導線１５で接続するとともに、いずれかのリチウム二次電池１の電池容器２と組電池３０ｃの正極端子４とを抵抗素子１０を介して接続する。この場合、各リチウム二次電池１，１´の負極端子５の電位は同電位となる。また、同様に、各リチウム二次電池１，１´の電池容器２の電位は同電位となる。従って、１つの容器電位異常監視回路１１により、電池容器２の容器電位異常を検知することができる。これにより、組電池３０ｄの構成を簡素化することができる。
【００３８】
次に、本発明の第６の実施形態に係る組電池について説明する。
図１０に示すように、本発明の第６の実施形態に係る組電池３０ｅが、図８に示した第４の実施形態に係る組電池３０ｃと異なる点は、各リチウム二次電池１に対して遮断器２０をそれぞれ設け、各容器電位異常監視回路１１にて電池容器２の容器電位異常が検知された場合には、そのリチウム二次電池１に対応する遮断器２０のみをオフ状態とすることにより、当該リチウム二次電池のみ、充放電を停止させる。これにより、容器電位異常が検知されていない他のリチウム二次電池においては充放電を継続して行わせることが可能となる。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るリチウム二次電池の概略外観図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るリチウム二次電池の内部構成を模式的に示した図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るリチウム二次電池の概略構成を示した図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る組電池の概略回路図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る組電池の概略回路図である。
【図６】図５に示した組電池に合金化監視回路を付加した場合の概略回路図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る組電池の概略回路図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る組電池の概略回路図である。
【図９】本発明の第５の実施形態に係る組電池の概略回路図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態に係る組電池の概略回路図である。
【符号の説明】
【００４１】
１，１´  リチウム二次電池
２  電池容器
３  絶縁物
４  正極端子
５  負極端子
１０  抵抗素子
１１  容器電位異常監視回路
１２  容器電圧計測回路
１３  充放電制御回路
１５  導線
１６  ＯＲ回路
２０  遮断器
３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ  組電池
４０  外部電源
【図１】
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【図２】
2008186591.tif 000004
【図３】
2008186591.tif 000005
【図４】
2008186591.tif 000006
【図５】
2008186591.tif 000007
【図６】
2008186591.tif 000008
【図７】
2008186591.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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