(57)【要約】【課題】充電時間の短縮を図る。【解決手段】電池３０の両主面３０ａ，３０ｂを電池加圧部５で加圧しながら電池３０を充電することにより、正極と負極との対向する面同士を近接させて充電できることから、内部抵抗の上昇を抑えた状態で充電させることが可能となり充電時の充電電流値を大きくして充電時間の短縮を図れる。【選択図】  図３
2004213902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略平板状の電池に電気的に接続され、上記電池を充電する充電手段と、
上記電池の両主面を厚み方向から加圧する加圧手段とを備え、
上記加圧手段で上記電池の両主面を加圧しながら上記充電手段で上記電池を充電する電池の充電装置。
【請求項２】
上記加圧手段は、上記電池の両主面を厚み方向から０．５ｋｇ／ｃｍ２以上、１ｋｇ／ｃｍ２以下の範囲で加圧する請求項１記載の充電装置。
【請求項３】
上記加圧手段は、一対の抑え板を有し、
上記一対の抑え板のそれぞれの主面と上記電池の両主面とを対向させた状態で、上記一対の抑え板で上記電池を厚み方向から挟むようにして上記電池の両主面を抑えることで、上記電池の両主面を加圧する請求項１記載の電池の充電装置。
【請求項４】
上記電池は、正極と負極とがセパレータを介して積層された電池素子と、電解質塩と非水溶媒とを有する非水電解質とを備える非水電解質電池である請求項１記載の電池の充電装置。
【請求項５】
上記充電手段は、上記電池との電気的な接続のオン／オフを切り換える切換手段と、
上記切換手段のオン／オフを制御する制御手段と、
上記電池が所定の電圧値に達するまで上記電池に一定の値の充電電流を流すことで、上記電池に定電流充電を行う定電流充電手段と、
上記定電流充電手段により上記電池が所定の電圧値に達した後に、上記電池が所定の電圧値を保つように徐々に電流値が小さくなっていく充電電流を上記電池に流すことで、上記電池に定電圧充電を行う定電圧充電手段とを有し、
上記制御手段は、上記定電圧充電手段により上記電池に流れる充電電流の電流値が小さくなって所定の値にまで低下したときに、上記切換手段をオフに切り換える請求項１記載の電池の充電装置。
【請求項６】
略平板状の電池を充電する際に、
上記電池の両主面を厚み方向から加圧しながら、上記電池を充電することを特徴とする電池の充電方法。
【請求項７】
上記電池の両主面を、上記電池の厚み方向から０．５ｋｇ／ｃｍ２以上、１ｋｇ／ｃｍ２以下の範囲で加圧することを特徴とする請求項６記載の電池の充電方法。
【請求項８】
上記電池の両主面を抑える一対の抑え板が、この一対の抑え板のそれぞれの主面と上記電池の両主面とを対向させた状態で、上記電池の両主面を上記電池の厚み方向から挟むようにして抑えることで、上記電池の両主面を加圧することを特徴とする請求項６記載の電池の充電方法。
【請求項９】
上記電池として、正極と負極とがセパレータを介して積層された電池素子と、電解質塩と非水溶媒とを有する非水電解質とを備える非水電解質電池を用いることを特徴とする請求項６記載の電池の充電方法。
【請求項１０】
上記電池を充電する際に、
上記電池が所定の電圧値に達するまで上記電池に一定の値の充電電流を流すことで上記電池に対して定電流充電を行い、
上記定電流充電により上記電池が所定の電圧値に達した後に、上記電池が所定の電圧値を保つように徐々に電流値が小さくなっていく充電電流を上記電池に流すことで上記電池に対して定電圧充電を行い、
上記電池に流れる充電電流の電流値が小さくなって所定の値にまで低下したときに、上記電池に対して行われている上記定電圧充電を終了させることを特徴とする請求項６記載の電池の充電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池素子、電解質及び外装材を有する電池を短い時間で充電させることが可能な電池の充電装置、及び電池の充電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、携帯電話やノート型パーソナルコンピューター等のポータブル化された電子機器の普及により、これら電子機器の記憶装置や駆動系等の電源として電池の需要が高まっている。特に、エネルギー密度が高く、繰り返し充放電が可能な二次電池の開発が要求されている。このような二次電池としては、例えば鉛蓄電池やニッケルカドミウム電池等の水系電解液二次電池よりも高いエネルギー密度を有する非水電解質二次電池、特に正極にコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）等のリチウム含有複合酸化物、負極に炭素質材料等を用いたリチウムイオン二次電池等が知られている。
【０００３】
このようなリチウムイオン二次電池において、正極及び負極における充電反応式を下記式１に示す。
【０００４】
【化１】
2004213902.tif 000003
【０００５】
このリチウムイオン二次電池では、初回の充電が行われた際に、正極側のＬｉＣｏＯ２の所定量のリチウムが移動して式１のようにＬｉｘＣｙで示されるようなリチウムカーボンを形成する。すなわち、このリチウムイオン二次電池では、充電されるとＬｉＣｏＯ２からリチウムが脱ドープされて電池電圧が上昇し、電池電圧が制御されない場合、５Ｖ以上の過充電状態に陥り、ＬｉＣｏＯ２等が分解される等、電池特性が低下してしまう。
【０００６】
このような問題を解決するために、リチウムイオン二次電池では、定電圧充電を行っている。具体的には、充電時に電池電圧が４．２５Ｖ以上にならないように充電終止電圧を制御しながら充電を行っている。
【０００７】
また、リチウムイオン二次電池では、充電によりリチウムがカーボンにドープされる際に、負極側でドープされたリチウムが拡散していく速度と、負極にリチウムがドープされる速度とのバランスが崩れる、すなわちリチウムの拡散速度よりもリチウムがドープされる速度が早まると負極表面にリチウムが析出してきてしまう。そして、リチウムイオン二次電池では、負極表面に析出したリチウムがデンドライト状に成長してセパレータを突き破り内部短絡を引き起こすことがある。
【０００８】
このような問題を解決するために、リチウムイオン二次電池では、定電流充電を行っている。具体的には、充電時に負極表面にリチウムが析出しないように充電電流値を制御しながら充電している。
【０００９】
以上のように、リチウムイオン二次電池では、充電電流値と充電終止電圧とを制御しながら充電を行う、いわゆる定電流／定電圧充電を行うことで上述したような充電による不具合を改善することが可能となる。
ここで、リチウムイオン二次電池における定電流／定電圧で初回充電を行った際の充電電圧、充電電流、充電容量と充電経過時間との関係を示した特性図を図１０に示す。そして、図１０では、横軸に充電に要した時間を１００％としたときの経過時間を示し、３つの縦軸に充電電圧、充電電流は測定値で、充電容量は満充電を１００％としてそれぞれ示している。また、図１０中１００は充電電圧を示し、図１０中１０１は充電電流を示し、図１０中１０２は充電容量を示している。なお、この充電は、雰囲気温度を２５℃程度とし、充電終止電圧４．２５Ｖ、定電流充電時の電流値を３６０ｍＡで行った。
【００１０】
図１０に示す特性図から、充電開始から電池電圧が４．２５Ｖになるまでは充電電流が大電流にならないように定電流充電が行われ、電池電圧が４．２５Ｖになった時点で定電圧充電に切り換わり充電電流値を徐々に小さくして電池電圧を制御しながら過充電状態にならないようにしていることがわかる。
【００１１】
そして、図１１にリチウムイオン二次電池に対し、以上のような定電流／定電圧充電を行う際の充電回路２００を示す。この充電回路２００は、外部電源２０１とリチウムイオン二次電池２０２とが直列で接続されたものである。
【００１２】
リチウムイオン二次電池２０２では、図１１中Ｒｒで示す内部抵抗により降下する図１１中矢印Ｖｒで示す範囲の電位と、図１１中Ｅで示す電池の起電力の図１１中矢印Ｖｓで示す電位との合計の電位が、図１１中矢印Ｖｃで示す電池端部２０２ａ，２０２ｂにかかる電位、すなわち電池電圧となる。そして、充電回路２００においては、リチウムイオン二次電池２０２に対して定電流／定電圧充電を行う際に、リチウムイオン二次電池２０２の電圧と、図１１中矢印Ｖｄで示す外部電源の電圧とが同電位になると定電流充電から定電圧充電に切り換わり、定電圧充電では下記式２及び下記式３に示すような関係になって内部抵抗により降下する電位分の図１１中矢印Ｉで示す充電電流が流れることになる。
【００１３】
【数１】
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【００１４】
【数２】
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【００１５】
すなわち、充電回路２００では、定電圧充電になると、リチウムイオン二次電池における起電力の電位が外部電源２０１の電圧に近づくようにされて電流値が徐々に小さくなっていく充電電流でリチウムイオン二次電池２０２を充電することになる。
【００１６】
【特許文献１】
特開平１１−１１１３３９号公報（第３−５頁）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のような定電流／定電圧充電でリチウムイオン二次電池２０２の初回充電を行うと、図１０に示す特性図からも明らかなように、全ての電池容量のうち約９０％を充電する定電流による充電に対し、残りの１０％の電池容量を充電する定電圧による充電にかかる時間が長くなり、充電効率が低くなってしまう。
【００１８】
また、リチウムイオン二次電池２０２では、定電流／定電圧充電により初回充電を行い、満充電にした状態で所定の時間静置して内部短絡の有無を確認することから、定電流／定電圧充電による初回充電が生産された全ての電池に行われることになる。したがって、定電流／定電圧充電による充電効率が低いことは、初回充電の充電時間も長くなり、製造歩留まりも低下することになる。
【００１９】
このような充電効率の低下の原因については、以下に示すことが考えられる。具体的に、角型のリチウムイオン二次電池２０２では、図１２に示すように、充電するとリチウムがドープされた負極が膨張したり、電解液等が分解されることで電池内部にガスが発生したりして内圧が上昇し、電池素子２０３等を収納する外装缶２０４が厚み方向に膨らんでしまうことが確認されている。そして、リチウムイオン二次電池２０２では、充電していく途中で、電池内部に発生したガスが正極と負極との間に貯留していき、正極と負極との間隔を徐々に広げてしまい内部抵抗を大きくさせてしまう。
【００２０】
これにより、リチウムイオン二次電池２０２では、定電流充電により充電容量の約９０％まで充電された時点で電池内部に発生したガスで高くなった内部抵抗により、定電流充電から切り換わった定電圧充電の充電電流の電流値が小さくなり定電圧充電にかかる時間が長くなるといった不具合が起こる。
【００２１】
このような問題を解決するために、充電時に電池内部を加圧状態にしてガスの発生を抑制し、充電後に電池内部を常圧にする電池の製造方法が提案されている。具体的には、電解液を注液後、封口する前に加圧雰囲気下で初回充電を行い、初回充電後に封口する電池の製造方法等が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【００２２】
しかしながら、以上のような提案では、気密性の劣る電池を加圧雰囲気下で充電したり、電圧をもった活性な電池を封口したりする等、製造工程上で煩わしい作業が多いことから、製造歩留まりが低くなる等、不具合が改善されていないのが現状である。
【００２３】
そこで、本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、初充電にかかる充電時間を大幅に短縮させ、且つ電池特性を向上させることが可能な電池の充電装置、及び電池の充電方法を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成する本発明に係る電池の充電装置は、略平板状の電池に電気的に接続され、電池を充電する充電手段と、電池の両主面を厚み方向から加圧する加圧手段とを備え、加圧手段で電池の両主面を加圧しながら充電手段で電池を充電することを特徴としている。
【００２５】
この電池の充電装置では、加圧手段で略平板状の電池の両主面を加圧しながら充電手段で電池を充電させることにより、電池内部に備わる正極と負極との対向する面同士を近接させて内部抵抗が抑えられた状態で電池を充電できることから、従来よりも大きな電流値での充電が可能となって充電時間の短縮を図れる。
【００２６】
本発明に係る電池の充電方法は、略平板状の電池を充電する際に、電池の両主面を厚み方向から加圧しながら、電池を充電することを特徴としている。
【００２７】
この電池の充電方法では、略平板状の電池の両主面を加圧しながら電池を充電させることにより、電池内部に備わる正極と負極との対向する面同士を近接させて内部抵抗が抑えられた状態で電池を充電できることから、従来よりも大きな電流値での充電が可能となり、充電時間を短縮できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した電池の充電装置、及び電池の充電方法について、図１に示す充電装置１を参照にして説明する。この充電装置１は、例えば例えば製造された略矩形平板状のリチウムイオン二次電池（以下、電池を記す。）３０に対して初回充電を行うものである。具体的には、初回充電で満充電状態にした電池３０を所定の時間静置させ、静置後の電池電圧の落ち具合により内部短絡の有無を確認する検査工程の前段で、電池３０に対して初回充電を行うものである。
【００２９】
この充電装置１は、例えば家庭用交流電源等の外部電源から供給された交流電力を整える整流回路２と、電池３０に対して所定の条件で充電を行う充電回路部３、充電回路部３による電池３０に対する充電を制御する充電制御部４と、略矩形平板状の電池３０を厚み方向から加圧する電池加圧部５と、電池３０を保持する電池保持部６と、充電電圧状態を示す表示部７とを備えている。
【００３０】
整流回路２は、例えば家庭用交流電源等から交流電圧が供給されるコンセント等の電源供給端子が接続され、供給された交流電圧を所定の直流電圧に変換し、安定した電圧を有する直流電力に整えて充電回路部３に供給させる。
【００３１】
充電回路部３は、整流回路２より供給された直流電力を所定の条件の電力にして電池３０に供給させるために定電流回路８と、定電圧回路９と、入力部１０とを備え、後述するスイッチング素子１３を介して電池３０に接続されている。
【００３２】
定電流回路８は、電池３０に対して使用者が設定した所定の電流値の直流電力を供給させるように直流電力の電流値、いわゆる充電電流の電流値を制御する。定電圧回路９は、電池３０に対して使用者が設定した所定の電圧値で直流電力が供給されるように電池３０にかかる電圧値、いわゆる充電電圧を制御する。入力部１０は、充電装置１における電池３０に供給される充電電流や、電池３０にかかる充電電圧や、電池３０が充電されている時間等の条件を使用者がキー操作等で入力するためのスイッチや、充電を開始させるための充電開始スイッチ等を備えている。そして、この入力部１０は、使用者により入力された操作信号を、例えば定電流回路８、定電圧回路９、及び後述する制御回路１４等に出力する。
【００３３】
そして、充電回路部３では、電池３０の充電電圧が低い場合は主に定電流回路８が作動して所定の電流値の充電電流、いわゆる定電流を電池３０に供給し、電池３０の充電電圧が所定の電圧になった後は定電流回路８から定電圧回路９に切り換わって電池３０が所定の充電電圧状態、いわゆる定電圧状態で電池３０に充電電流が供給されるようにする。すなわち、充電回路部３は、電池３０に定電流／定電圧充電が行われるようにする。
【００３４】
充電制御部４は、電池３０に供給される充電電流を検出する電流検出回路１１と、電池３０の電圧を検出する電圧検出回路１２と、電池３０と充電回路部３との間の電気的な接続のオン／オフを切り換えるスイッチング素子１３と、これら電流検出回路１１、電圧検出回路１２、スイッチング素子１３を制御する制御回路１４とを備えている。
【００３５】
電流検出回路１１は、充電中の電池３０に供給される充電電流を検出し、その結果を電気信号として制御回路１４に出力する。
【００３６】
電圧検出回路１２は、充電中の電池３０の電圧を検出し、その結果を電気信号として制御回路１４に出力する。
【００３７】
スイッチング素子１３は、制御回路１４から送られる命令信号に基づいて、電池３０と充電回路部３との間の電気的な接続のオン／オフを切り換える、例えばトランジスタ素子等である。
【００３８】
制御回路１４は、例えばＩＣ（integrated circuit）チップ、ＬＳＩ（Large-scale Integrated Circuit）チップ等の集積回路等からなり、電流検出回路１１及び電圧検出回路１２が検出した値や入力部１０から供給される操作信号に基づいてスイッチング素子１３のオン／オフを制御する。また、制御回路１４は、電流検出回路１１及び電圧検出回路１２が検出した値を充電回路部３の定電流回路８及び定電圧回路９に電気信号として出力する。そして、充電装置１においては、制御回路１４から供給される電池３０の充電電流値や充電電圧値に基づいて充電回路部３による電池３０の定電流／定電圧充電が行われる。
【００３９】
電池加圧部５は、図２及び図３に示すように、略矩形平板状の一対の抑え板１１５，１６を有し、一対の抑え板１５，１６のそれぞれの主面１５ａ，１６ｂと電池３０の両主面３０ａ，３０ｂとを対向させた状態で、一対の抑え板１５，１６で電池３０を厚み方向から挟むようにして電池３０の両主面３０ａ，３０ｂを抑えることで、電池３０の両主面３０ａ，３０ｂを加圧させることになる。
【００４０】
一対の抑え板１５，１６は、例えば厚みが６ｍｍ程度の電池３０に対し、それぞれの厚みが３ｍｍ〜５ｍｍ程度にされ、電池３０の両主面を３０ａ，３０ｂを適切に加圧できるように例えば絶縁性樹脂や金属等からなる剛性が高い材料で形成されている。抑え板１５には、四隅に一主面から他主面に貫通する孔部１５ｂが設けられ、抑え板１６には、四隅に抑え板１５に設けられた孔部１５ｂと対向するように一主面から他主面に貫通する孔部１６ｂが設けられている。
【００４１】
そして、一対の抑え板１５，１６は、電池３０を挟んだ状態で孔部１５ｂ，１６ｂのうちの一方から他方に挿通させたボルト１７にナット１８を螺合し、螺合したナット１８を締め付けていくことで一対の抑え板１５，１６の電池３０と対向する主面１５ａ，１６ａ同士の図３中矢印Ａで示す距離が狭くなっていき電池３０の両主面３０ａ，３０ｂを加圧させることになる。
【００４２】
以上では、ボトル１７及びナット１８といった螺合部材を用いて一対の抑え板１５，１６で電池３０の両主面３０ａ，３０ｂを加圧させたが、このことに限定されることはなく、螺合部材を用いずに、例えば一対の抑え板１５，１６の電池３０と対向する主面１５ａ，１６ａとは反対側の主面、すなわち外側に臨む主面をコイルばねや板バネ等の弾性手段等で電池３０の厚み方向に押圧することで電池３０の両主面３０ａ，３０ｂを加圧することも可能である。この場合、弾性手段を例えば制御回路１４等で制御させることで、充電中は一対の抑え板１５，１６を押圧し、充電終了と同時に一対の抑え板１５，１６の押圧を停止させるように弾性手段の動作を自動化させることも可能である。
【００４３】
電池保持部６は、充電装置１で電池３０を充電する際に、電池３０を脱着可能な状態で保持させ、保持された電池３０の端面に位置する正極外部端子に接触させることで接続される正極端子１９と、正極外部端子とは反対側の端面に位置する負極外部端子に接触させることで接続される負極端子２０とを有している。
【００４４】
正極端子１９は、スイッチング素子１３を介して充電回路部３に電気的に接続されており、電池３０に対して充電電流を供給する。負極端子２０は、グランドと電気的に接続され、電池３０の負極外部端子がグランドに導通されるようにする。また、正極端子１９及び負極端子２０には、接続された電池３０の正極外部端子及び負極外部端子の接触面に対して略垂直に押圧させた状態で接触させるようにする例えばコイルばね等の弾性手段が備えられている。
【００４５】
そして、電池保持部６では、電池３０の正極外部端子に正極端子１９を押圧させ、電池３０の負極外部端子に負極端子２０を押圧させることで、電池３０が正極端子１９と負極端子２０とに挟持された状態で脱着可能に保持されることになる。
【００４６】
表示部７は、充電電圧状態を表示するものであり、例えば充電回路部３に接続され、充電回路部３から電気信号として供給される充電中／充電終了の情報に基づいて充電中はランプ等を点灯させ、充電が完了した場合にはランプを消灯するようになっている。
【００４７】
以上のような構成の充電装置１で初回充電が行われる電池３０は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、発電要素となる電池素子３１と、電池素子３１内でイオンを移動させる際の媒体となる非水電解液３２と、電池素子３１及び非水電解液３２を収容する外装缶３３と、外装缶３３の開口部を封止する封口蓋体３４とを有している。
【００４８】
電池素子３１は、長尺状の正極と長尺状の負極との間に長尺状のセパレータを介在させて扁平状に捲回された構造となっている。電池素子３１においては、捲回軸方向の一端面から、正極と電気的に接続されている正極リード端子３５及び負極と電気的に接続されている負極リード端子３６が突出している。
【００４９】
正極は、正極活物質と結着剤とを含有する正極合剤塗液を正極集電体上に塗布、乾燥することにより、正極集電体上に正極合剤層が形成された構造となっている。正極には、正極リード端子３５が正極集電体の所定の位置に、正極集電体の幅方向に突出するように接続されている。この正極リード端子３５には、例えばアルミニウム等の導電性金属等からなる短冊状金属片を用いる。
【００５０】
正極活物質には、例えばＬｉＭｘＯ２（式中ＭはＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｖ、Ｔｉ等による一種以上の遷移金属を表し、ｘは電池の充放電状態によって異なり、通常０．０５以上、１．１０以下である。）等の化学式で示されるリチウム複合酸化物等を使用することができる。このリチウム複合酸化物を構成する遷移金属Ｍとしては、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ等が好ましい。具体的には、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ２）、リチウムニッケル複合酸化物（ＬｉＮｉＯ２）、一般式ＬｉＮｉｙＣｏ１−ｙＯ２（式中、０＜ｙ＜１である。）で示されるリチウムニッケルコバルト複合酸化物、スピネル型のリチウムマンガン複合酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）等を挙げることができる。また、正極活物質としては、以上のようなリチウム複合酸化物等の他に、例えばＴｉＳ２、ＭｏＳ２、ＮｂＳｅ２、Ｖ２Ｏ５等の化学式で示される金属硫化物あるいは金属酸化物等を使用することができる。
【００５１】
正極では、正極合剤層の結着剤として、非水電解液電池の正極合剤層に用いられる公知の結着剤を用いることができる。具体的には、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等といった結着剤を用いることができる。正極では、正極集電体に、例えばアルミニウム等の導電性金属からなる箔状金属や網状金属等を用いる。
【００５２】
負極は、負極活物質と結着剤とを含有する負極合剤塗液を負極集電体上に塗布、乾燥することにより、負極集電体上に負極合剤層が形成された構造となっている。負極には、負極リード端子３６が負極集電体の所定の位置に、負極集電体の幅方向に突出するように接続されている。この負極リード端子３６には、例えばニッケル、銅等の導電性金属等からなる短冊状金属片を用いる。
【００５３】
負極活物質には、例えばリチウム対して２Ｖ以下の電位を有し、リチウムをドープ・脱ドープする材料を用いる。具体的には、例えばリチウム、リチウム合金、又はリチウムイオンをドープ・脱ドープできる炭素質材料等が用いられる。
【００５４】
リチウムイオンをドープ・脱ドープできる炭素質材料としては、例えば難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維あるいは活性炭等が挙げられる。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークスあるいは石油コークス等がある。有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂等の高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいい、一部には難黒鉛化性炭素又は易黒鉛化性炭素に分類されるものもある。
【００５５】
負極活物質としては、以上のような炭素質材料の他に、例えばリチウムをドープ・脱ドープする金属化合物等も使用可能である。このような金属化合物としては、例えば酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化チタン、酸化スズ等の比較的に卑な電位でリチウムをドープ・脱ドープする酸化物、これら酸化物の酸素を窒素で置換した窒化物等を使用できる。
【００５６】
負極では、負極合剤層の結着剤として、非水電解質電池の負極合剤に用いられる例えばポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等といった結着剤を用いることができる。負極では、負極集電体に、例えば銅等の導電性金属からなる箔状金属や網状金属等を用いる。
【００５７】
非水電解液３２は、例えば非水溶媒に電解質塩を溶解させた非水溶液である。非水電解液３２において、非水溶媒としては、例えば環状の炭酸エステル化合物、水素をハロゲン基やハロゲン化アクリル基で置換した環状炭酸エステル化合物や鎖状炭酸エステル化合物等を用いる。具体的には、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４メチル１，３ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、酪酸エステル、プロピオン酸エステル等が挙げられ、これらのうちの何れか一種又は複数種を混合して用いる。特に、非水溶媒としては、電圧安定性の点からプロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートを使用することが好ましい。
【００５８】
また、電解質塩としては、例えばＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢ（Ｃ６Ｈ５）４、ＬｉＣＨ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ等の化学式で示されるリチウム塩が挙げられ、これらのうちの何れか一種又は複数種を用いる。
【００５９】
外装缶３３は、例えば底面を略矩形状とする有底筒状の容器であり、電池素子３１を捲回軸方向に嵌入できる寸法にされている。このように、外装缶３３は、底面が略矩形状にされていることで、電池３０の外形形状が略矩形平板状にされることになる。
【００６０】
外装缶３３は、正極と電気的に接続される場合には、アルミニウム等の導電性金属等で形成され、負極と電気的に接続される場合には、鉄、ステンレス、ニッケル等の導電性金属等で形成されることになる。また、外装缶３３は、例えば鉄等で形成される場合、その表面にニッケルめっき等が施されても良い。
【００６１】
封口蓋体３４は、封口板材３７の略中心部に端子部３８が絶縁ガスケット３９を介して嵌合された構造となっている。封口板材３７は、正極と電気的に接続される場合には、アルミニウム等の導電性金属等で形成され、負極と電気的に接続される場合には、鉄、ステンレス、ニッケル等の導電性金属等で形成される。封口板材３７は、例えば鉄等で形成される場合、その表面にニッケルめっき等が施されても良い。
【００６２】
端子部３８は、正極リード端子３５が接続される場合には、アルミニウム等の導電性金属等で形成され、負極リード端子３６が接続される場合には、鉄、ステンレス、ニッケル等の導電性金属等で形成される。端子部３８も、例えば鉄等で形成される場合、その表面にニッケルめっき等が施されても良い。絶縁ガスケット３９には、例えばポリプロピレン等の絶縁性樹脂が用いられる。絶縁ガスケット３９は、例えばガラス等によるハーメチックシールで構成されても良い。
【００６３】
そして、以上のような構成の電池３０は、次のようにして製造される。先ず、正極を作製する。正極を作製する際は、正極活物質と結着剤とを含有する正極合剤塗液を、正極集電体上に均一に塗布、乾燥することで正極合剤層を形成し、所定の寸法に裁断する。次に、正極集電体の所定の位置に正極リード端子３５を例えば超音波溶接や、スポット溶接等により接続する。このようにして、長尺状の正極が作製される。
【００６４】
次に、負極を作製する。負極を作製する際は、負極活物質となる炭素質材料と、結着剤とを含有する負極合剤塗液を、負極集電体上に均一に塗布し、乾燥することで負極合剤層を形成し、所定の寸法に裁断する。次に、負極集電体の所定の位置に負極リード端子３６を例えば超音波溶接や、スポット溶接等により接続する。このようにして、長尺状の負極が作製される。
【００６５】
次に、以上のようにして得られて正極と負極とを、長尺状のセパレータ２７を介して積層し、扁平状に多数回捲回することにより電池素子３１を作製する。このとき、電池素子３１は、捲回軸方向の一端面から正極リード端子３５及び負極リード端子３６が突出するように扁平捲回されている。
【００６６】
次に、正極リード端子３５及び負極リード端子３６が突出している側の捲回端面上に絶縁性樹脂等からなり、内部に折り畳んだ状態の正極リード端子３５等を収納できる電極抑えケース４０を置載させた状態で、電池素子３１を外装缶３３に収納する。次に、正極リード端子３５の端部を封口蓋体３４の端子部３８に接合し、負極リード端子３６の端部を外装缶３３の内周側面に接合する。これにより、電池３０において、端子部３８が正極外部端子となり、外装缶３３が負極外部端子となる。そして、充電装置１で充電される際には、端子部３８に電池保持部６の正極端子１９が接続され、端子部３８と対向する位置にある外装缶３３の底面に電池保持部６の負極端子２０が接続されることになる。
【００６７】
次に、電池素子３１が収納された外装缶３３に非水電解液２３を注入する。次に、外装缶３３の開口縁部と、封口蓋体３４における封口板材３７の周縁部とを例えばレーザー溶接等によって隙間なく溶接し、密封する。このようにして、略矩形平板状の電池３０が製造される。
【００６８】
このような構成の電池３０を充電装置１で定電流／定電圧充電する方法について、図５に示すフローチャートを参照にして説明する。電池３０を充電する際は、先ず、使用者が、ステップＳ１において、一対の抑え板１５，１６のそれぞれの主面１５ａ，１６ａと電池３０の両主面３０ａ，３０ｂとが対向するように一対の抑え板１５，１６で電池３０を挟む。そして、使用者は、一対の抑え板１５，１６が電池３０を挟んだ状態で、孔部１５ｂ，１６ｂのうちの一方から他方に挿通させたボルト１７にナット１８を螺合させ、一対の抑え板１５，１６の電池３０と対向する主面１５ａ，１６ａ同士の距離を狭くするようにナット１８を締め付ける。これにより、電池３０の両主面３０ａ，３０ｂは、電池加圧部５に備わる一対の抑え板１５，１６によって加圧されることになる。
【００６９】
次に、両主面３０ａ，３０ｂが加圧された電池３０を、ステップＳ２において、電池保持部６に保持させる。電池３０を電池保持部６に保持する際は、電池３０の正極外部端子となる端子部３８に正極端子１９を所定の圧力で押圧させ、電池３０の負極外部端子となる外装缶３３の底面に負極端子２０を所定の圧力で押圧させるようにして電池３０を脱着可能に保持させる。
【００７０】
次に、使用者は、ステップＳ３において、入力部１０で定電流充電時の電流値や、定電圧充電時の充電電圧値や、充電時間等の条件が入力、設定する。
【００７１】
次に、充電装置１では、ステップＳ４において、使用者が入力部１０の充電開始スイッチをオンにすると同時に、入力部１０から定電流回路８、定電圧回路９、制御回路１４等に操作信号が送信され、制御回路１４がスイッチング素子１３をオンの状態されて電池３０の定電流／定電圧充電が開始される。このとき、表示部７では、充電中の示すランプ等を点灯する。
【００７２】
次に、制御回路１４では、ステップＳ５において、充電開始から経過した充電時間が入力部１０で設定された充電時間に達したか否かを判断する。充電開始からの充電経過時間が予め設定された充電時間に達した場合には、ステップＳ９に進み、定電流／定電圧充電が電池３０の充電状態にかかわらず強制的に終了される。一方、充電開始からの充電経過時間が予め設定された充電時間に達していない場合には、ステップＳ６に進む。
【００７３】
次に、電池保持部６に保持された電池３０には、ステップＳ６において、入力部１０で設定された電池電圧に達するまで定電流回路８によって入力部１０で設定された充電電流が供給される定電流充電が行われる。
【００７４】
次に、電池３０には、ステップＳ７において、電池電圧が設定された値に達すると定電流回路８から定電圧回路９に切り換わり電池３０に定電圧充電が行われる。具体的に、充電装置１では、定電圧充電状態になると、電池３０における起電力の電位が外部電源の電圧に近づくように電流値が徐々に小さくなっていく充電電流で電池３０の充電が行われることになる。
【００７５】
次に、制御回路１４は、ステップＳ８において、電流検出回路１１が検出した充電電流の値に基づき、予め設定された充電終止電流の値以下になったか否かを判断する。そして、充電電流の値が充電終止電流値より大きい場合には、ステップＳ５に戻って、充電経過時間が確認された後に、電池３０の定電流／定電圧充電をし続ける。一方、充電電流の値が充電終止電流値以下になった場合には、ステップＳ９に進む。
【００７６】
次に、制御回路１４では、ステップＳ９において、電池３０に流れる充電電流の値が充電終止電流値以下になったことや、充電経過時間が予め設定された充電時間に達したことが確認されたことにより、スイッチング素子１３をオフの状態にして定電流／定電圧充電を終了させる。このとき、表示部７では、点灯することで充電中を示していたランプ等が消灯される。
【００７７】
次に、電池保持部６では、ステップＳ１０において、電池３０が電池加圧部５ごと取り外される。
【００７８】
次に、電池加圧部５では、ステップＳ１１において、電池３０の両主面３０ａ，３０ｂを加圧していたる一対の抑え板が、ボルト１７に螺合されたナット１８を緩めることで外されて電池３０の両主面３０ａ，３０ｂの加圧を止める。
【００７９】
以上のような電池３０の充電方法では、例えばステップＳ５〜ステップＳ９における定電流／定電圧充電により電池内部に発生したガスが正極と負極との間に貯留しても、電池３０の両主面３０ａ，３０ｂを電池加圧部５で加圧しながら電池３０を充電するで、正極と負極との対向する面同士を近接させた状態で電池３０が充電されることから、従来のような充電により起こる電池の内部抵抗の上昇を抑えることができる。
【００８０】
したがって、この方法によれば、内部抵抗を抑制させた状態で電池３０の充電を行うことで、定電圧充電時に電池３０に流れる充電電流の値を大きくできることから、充電時間の大幅な短縮を図れる。
ここで、略矩形平板状のリチウムイオン二次電池を定電流／定電圧で初回充電を行った際に、両主面を加圧しながら初回充電を行ったリチウムイオン二次電池と、両主面を加圧せずに初回充電を行ったリチウムイオン二次電池とについて、充電電圧及び充電電流の変化を測定した結果を図６及び図７に示す。
【００８１】
図６では、横軸には両主面を加圧しないリチウムイオン二次電池の初回充電に要した時間を１００％としたときの経過時間を示し、２つの縦軸に充電電圧、充電電流をそれぞれ示している。図７では、横軸に充電経過時間を示し、縦軸に充電電流を示している。図６及び図７中５０ａは両主面を加圧しながら充電したリチウムイオン二次電池の充電電圧を示し、図６及び図７中５０ｂは両主面を加圧しながら充電したリチウムイオン二次電池の充電電流を示し、図６及び図７中５１ａは両主面を加圧しないで充電したリチウムイオン二次電池の充電電圧を示し、図６及び図７中５１ｂは両主面を加圧しないで充電したリチウムイオン二次電池の充電電流を示している。
【００８２】
なお、この充電は、雰囲気温度を２５℃程度とし、充電終止電圧４．２５Ｖ、定電流充電時の充電電流値を３６０ｍＡ、充電終止電流２ｍＡで行った。また、図７は、それぞれのリチウムイオン二次電池の充電終止電流に達した経過時間を明確に示すために充電経過時間を示す横軸及び充電電流を示す縦軸のスケールを大きくしている。
【００８３】
図６及び図７に示す測定結果から、図６及び図７中５０ａ，５０ｂで示す両主面を加圧しながら充電したリチウムイオン二次電池では、図６及び図７中５１ａ，５１ｂで示す両主面を加圧しないで充電したリチウムイオン二次電池に比べ、定電流充電の時間が長く、充電終止電流になる時間、すなわち定電圧充電の時間が大幅に短くなっていることがわかる。
【００８４】
図６及び図７中５１ａ，５１ｂで示す両主面を加圧しないで充電したリチウムイオン二次電池では、従来のような正極と負極との間に充電途中で電池内部に発生したガスの貯留が起きて内部抵抗が大きくなり、定電圧充電が小さな電流値の充電電流で行われて定電圧充電にかかる時間が長くなってしまう。
【００８５】
これに対し、図６及び図７中５０ａ，５０ｂで示す両主面を加圧しながら充電したリチウムイオン二次電池では、正極と負極との対向する面同士を近接させた状態で充電されることから、充電途中における内部抵抗の上昇を抑えることができる。したがって、このリチウムイオン二次電池では、定電圧充電を大きな電流値の充電電流で行うことが可能なことから、定電圧充電にかかる時間を大幅に短くでき、定電流／定電圧充電全体にかかる時間が短縮されることになる。
【００８６】
以上のことから、略矩形平板状のリチウムイオン二次電池を初回充電する際に、両主面を加圧しながら充電することは、充電時間の短縮を図る上で大変重要であることがわかる。
【００８７】
また、上述した方法により充電された電池３０では、電池素子３１における正極と負極とが互いの面同士を近接させた状態で充電されることにより、正極と負極との間でリチウムの移動が円滑に行われることになる。これにより、電池３０では、初回充電後に負極表面に析出して不活性となるリチウムの発生が抑制されることから、充放電効率の向上、すなわち電池容量の向上を図ることができる。
【００８８】
ここで、略矩形平板状のリチウムイオン二次電池を定電流／定電圧で初回充電を行った際に、両主面を加圧しながら初回充電を行ったリチウムイオン二次電池と、両主面を加圧せずに初回充電を行ったリチウムイオン二次電池とについて、負極表面上のリチウムの析出を測定した結果を図８に示す。
【００８９】
図８は、リチウムイオン二次電池における両主面の加圧の有無とリチウム析出量との関係を示す特性図であり、横軸にリチウムイオン二次電池における両主面の加圧の有無を示し、縦軸にそれぞれのリチウムイオン二次電池における初回充電後の負極表面のリチウムの析出量を示している。なお、リチウムの析出量は、初充電後に分解したリチウムイオン二次電池の負極表面における所定の範囲の面積内でリチウムが析出している面積の比率である。また、この充電は、雰囲気温度を２５℃程度とし、充電終止電圧４．２５Ｖ、定電流充電時の充電電流値を３６０ｍＡ、充電終止電流２ｍＡで行った。
【００９０】
図８に示す測定結果から、両主面を加圧しながら充電したリチウムイオン二次電池では、両主面を加圧しないで充電したリチウムイオン二次電池に比べ、初回充電後における負極表面のリチウムの析出が大幅に抑えられていることがわかる。
【００９１】
両主面を加圧しないで充電したリチウムイオン二次電池では、初回充電時に正極と負極との間にガスが貯留してリチウムが正負極間を移動する距離が長くなり、リチウムを負極に適切にドープさせることが困難になる。
【００９２】
これに対し、両主面を加圧しながら充電したリチウムイオン二次電池では、正極と負極との対向する面同士を近接させた状態で充電されることから、正極と負極との間でリチウムの移動が円滑に行われることになり、負極表面におけるリチウムの析出が抑制されることになる。
【００９３】
また、両主面を加圧しながら初回充電を行ったリチウムイオン二次電池と、両主面を加圧せずに初回充電を行ったリチウムイオン二次電池とについて、放電容量を測定した結果を図９に示す。
【００９４】
図９は、リチウムイオン二次電池における放電容量と電池電圧との関係を示す特性図であり、横軸に放電容量を示し、縦軸に放電時の電池電圧を示している。また、図９中６０は両主面を加圧しながら充電したリチウムイオン二次電池を放電した際の放電容量を示し、図９中６１は両主面を加圧しないで充電したリチウムイオン二次電池を放電した際の放電容量を示している。なお、これらのリチウムイオン二次電池では、充電を、雰囲気温度２５℃程度、充電終止電圧４．２５Ｖ、定電流充電時の充電電流値３６０ｍＡ、充電終止電流２ｍＡといった定電流／定電圧充電で行い、放電を、雰囲気温度２５℃程度、放電終止電圧３Ｖ、放電電流３６０ｍＡといった定電流放電で行った。
【００９５】
図９に示す測定結果から、両主面を加圧しながら充電したリチウムイオン二次電池では、両主面を加圧しないで充電したリチウムイオン二次電池に比べ、放電容量が大きくなっていることがわかる。
【００９６】
両主面を加圧しないで充電したリチウムイオン二次電池では、上述したように初回充電後の負極表面のリチウムの析出量が多く、析出したリチウムが不活性なリチウムとなって電池容量に寄与しなくなることから、電池容量が低下することになる。
【００９７】
これに対し、両主面を加圧しながら充電したリチウムイオン二次電池では、初回充電後の負極表面のリチウムの析出量が抑制され、不活性になるリチウムの量が少ないことから、電池容量の低下が抑えられることになり、両主面を加圧しないで充電した場合に比べて電池容量を大きくできる。
【００９８】
以上のことから、略矩形平板状のリチウムイオン二次電池を初回充電する際に、両主面を加圧しながら充電することは、充電後の負極表面におけるリチウムの析出が抑制されて電池容量の低下が抑制された、優れたリチウムイオン二次電池を得る上で大変重要であることがわかる。
【００９９】
ところで、電池３０においては、充電された際の電池内部に発生するガスや、リチウムがドープされた負極の膨張等により、初回充電後の電池内の圧力は０．４ｋｇ／ｃｍ２程度にまで上昇してしまうことがわかっている。
【０１００】
このため、電池３０の初回充電を行う際には、電池３０の両主面３０ａ，３０ｂが０．５ｋｇ／ｃｍ２以上、１ｋｇ／ｃｍ２以下の範囲で電池加圧部５により加圧されるようにしている。
【０１０１】
電池３０の両主面３０ａ，３０ｂを加圧する圧力が０．５ｋｇ／ｃｍ２より低い場合、電池３０の両主面３０ａ，３０ｂを適切に加圧することができず、充電時間の短縮や、電池容量の低下の抑制等を図ることが困難となる。一方、電池３０の両主面３０ａ，３０ｂを加圧する圧力が１ｋｇ／ｃｍ２より高い場合、電池３０の両主面３０ａ，３０ｂを加圧する圧力が高すぎて外装缶３３の変形等が起きる虞がある。
【０１０２】
したがって、略矩形平板状の電池３０を初回充電する際に、両主面３０ａ，３０ｂを０．５ｋｇ／ｃｍ２以上、１ｋｇ／ｃｍ２以下の範囲で加圧しながら充電することは、外装缶３３の変形を防止しつつ、充電時間の短縮を図り、且つ放電容量の低下を抑制させることが可能となる。
【０１０３】
なお、上述した実施の形態においては、非水電解液３２を用い、外装材３３に金属容器を用いた電池３０を例に挙げて説明したが、このことに限定されることはなく、例えば非水電解質としてマトリックス高分子中に電解質塩が分散された固体電解質やゲル状電解質等を用い、外装材にラミネートフィルム等を用いたポリマー電池等にも適用可能である。また、上述した実施の形態においては、外形形状が略矩形平板状の電池３０を例に挙げて説明しているが、このことに限定されることはなく、例えば外周側面を加圧することで正極と負極との相対する面が近接するような構造であればコイン型、ボタン型、ガム型等、様々な形状の二次電池にも適用可能である。さらに、リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−亜鉛電池、ニッケル−水素電池等の二次電池にも適用可能である。
【０１０４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、電池の両主面を加圧手段で加圧しながら電池を定電流／定電圧で充電することにより、正極と負極との対向する面同士を近接させた状態で電池が充電されることから、充電途中における電池の内部抵抗の上昇を抑えることができる。したがって、本発明によれば、電池の内部抵抗を抑制させた状態で充電させることによって定電圧充電時の充電電流の値を大きくすることが可能となり、充電時間の大幅な短縮を図ることができる。
【０１０５】
また、本発明によれば、加圧手段により正極と負極とが互いの面同士を近接させた状態で充電されることになり、正極と負極との間でリチウムの移動が円滑に行われることから、充電後に負極表面に析出するリチウムの発生が抑制されて電池容量の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した充電装置を示す模式図である。
【図２】同充電装置に備わる電池加圧部を示した斜視図である。
【図３】同充電装置に備わる電池加圧部によりリチウムイオン電池の主面が加圧されている状態を示す斜視図である。
【図４】同充電装置により充電されるリチウムイオン電池を示しており、同図（Ａ）は一部を切り欠いて内部構造を示した平面図であり、同図（Ｂ）は一部を切り欠いて内部構造を示した側面図である。
【図５】同充電装置でリチウムイオン二次電池を定電流／定電圧充電する際のフローチャートである。
【図６】両主面を加圧しながら初回充電したリチウムイオン二次電池と、両主面を加圧せずに初回充電したリチウムイオン二次電池とにおける充電電圧、充電電流と充電経過時間との関係を示した特性図である。
【図７】両主面を加圧しながら初回充電したリチウムイオン二次電池と、両主面を加圧せずに初回充電したリチウムイオン二次電池とにおける充電電流と充電経過時間との関係を示した特性図である。
【図８】両主面を加圧しながら初回充電したリチウムイオン二次電池と、両主面を加圧せずに初回充電したリチウムイオン二次電池とにおける初回充電後の負極表面のリチウム析出量を示した特性図である。
【図９】両主面を加圧しながら初回充電したリチウムイオン二次電池と、両主面を加圧せずに初回充電したリチウムイオン二次電池とにおける初回充電後の放電容量を示した特性図である。
【図１０】従来の充電方法により充電されたリチウムイオン二次電池の充電電圧、充電電流、充電容量と充電経過時間との関係を示した特性図である。
【図１１】同充電方法をリチウムイオン二次電池に行うことが可能な回路を示す模式図である。
【図１２】同充電方法により充電されたリチウムイオン二次電池を一部切り欠いて示した側面図である。
【符号の説明】
１  充電装置、２  整流回路、３  充電回路部、４  充電制御部、５  電池加圧部、６  電池保持部、７  表示部、８  定電流回路、９  定電圧回路、１０  入力部、１１  電流検出回路、１２  電圧検出回路、１３  スイッチング素子、１４  制御回路、１５，１６  抑え板、１５ｂ，１６ｂ  孔部、１７  ボルト、１８  ナット、１９  正極端子、２０  負極端子、３０  リチウムイオン二次電池、３１  電池素子、３２  非水電解液、３３  外装缶、３４  封口蓋体、３５正極リード端子、３６  負極リード端子、３７  封口板材、３８  端子部、３９  絶縁ガスケット、４０  電極抑えケース
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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