(57)【要約】【課題】たとえば１０年といった長期間を無交換／無保守で使用し続けるのに適した容量特性と保存特性を備えつつ、間欠的な大電流出力にも対応可能な複合電池を提供する。【解決手段】筒状に形成された金属リチウムを負極活物質とし、二酸化マンガンを正極活物質とし、両活物質がセパレータおよび非水電解液と共に有底筒状電池缶内に封入されてなるボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池１０と、一対のＰＡＳ（ポリアセン系有機半導体電極）を持つキャパシタ２０とを有し、上記一次電池１０の起電力を外部端子３１，３２へ導出する共に、上記キャパシタ２０を上記外部端子３１，３２に並列に接続して複合電池を構成する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状に形成された金属リチウムを負極活物質とし、二酸化マンガンを正極活物質とし、両活物質がセパレータおよび非水電解液と共に有底筒状電池缶内に封入されてなるボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池と、一対のポリアセン系有機半導体電極を持つキャパシタとを有し、上記一次電池の起電力が外部端子へ導出されると共に、上記キャパシタが上記外部端子に並列に接続されていることを特徴とする複合電池。
【請求項２】
外部から電源供給を受けずに電池だけで動作する回路が組み込まれた電子機器において、上記電池が請求項１に記載の複合電池であることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電池外部にキャパシタを並列接続した複合電池に関し、とくに、外部からの電源供給が期待できない状況下での使用を考慮した小型電子機器の内蔵電池に使用して有効なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、たとえばガスメータにおいては、内部にマイクロコンピュータ（マイクロ回路化されたコンピュータ：以下、マイコン）を組み込むことで新機能を備えたものが提供されている。具体的には、ガスメータ内にマイコンを組み込み、このマイコンを使ってガスの流量やその変化の状態を常時監視し、多量のガスが流れたり、流量に変化がない状態でガスを長時間使用し続けたときなどに、メーター内のガス遮断弁を自動的に作動させることが実用化されている。
【０００３】
このような電子化による新機能の創出において最大の問題（ネック）となるのは、動作電源の確保である。たとえば、上記マイコン内蔵のガスメータは、旧来のガスメータの代替品として設置されるが、その設置環境にて外部からの電源供給を期待することは現実に困難である。外部電源としては一般に商用電源（ＡＣ１００Ｖ）の利用が考えられるが、これを利用するためには配電等の設備条件があらかじめ整備されている必要がある。そうでなければ専用の電気工事が必要となる。また、一般の商用電源を利用する機器には、所定の電気保安基準が要求されるが、それを満たすための構成は大掛かりなものとなりやすい。このように、外部からの電源供給に頼る方式には、コスト、保守、小型／軽量化、および設置の自由度などにおいて、様々な制約が生じる。
【０００４】
そこで、たとえばマイコン内蔵のガスメータでは、外部からの電源供給を必要としない構成とするため、必要な動作電源を内蔵電池だけで賄うことが行われている。この場合、通常の乾電池では容量が不充分であり、電池交換の頻度が多くなってしまう。電池交換の頻度はできるだけ少ないことが望ましい。このため、マイコン内蔵のガスメータでは、エネルギー密度の高いリチウム電池が使用されている。リチウム電池には種々のタイプがあるが、１０年以上無交換で使用することを考慮すると、たとえば特許文献１や２に記載のボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池に限られてくる。
【０００５】
このボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池は、筒状に成形された金属リチウムを負極活物質とし、二酸化マンガンを正極活物質とし、両活物質がセパレータおよび非水電解液と共に有底筒状電池缶内に封入された構成を有する。このボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池は低出力であるため、大電流を必要とする用途には適さないが、小サイズの割に高容量である、保存特性がとくに良好で長期間にわたって使用できる、といった利点がある。つまり、低出力だが高容量であるという特質がある。
【０００６】
したがって、負荷条件さえ適合するならば、つまりマイコンなどの負荷機器が正常動作するのに必要な動作電流が上記ボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池の放電特性に適合するならば、上記ボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池は１０年以上無交換／無保守で使い続けることも可能である。
【０００７】
上述したように、ボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池は高容量だが低出力なので、取り出せる電流が小さく、たとえばデジタル・カメラやストロボのような大電流を必要とする一般用途には必ずしも適していないが、保存特性は他のリチウム電池あるいは非水電解液電池にくらべて特異的にすぐれている。したがって、取り出せる電流の大きさ、すなわち電流出力能力に拘らなければ、長期間無交換／無保守で使用するのに適している。
【特許文献１】特開２００１−２７３９１１
【特許文献２】特開２００３−２０８９０６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、マイコンの利用は種々の分野に及んでいる。上記マイコン内蔵ガスメータはその一例であるが、ガスメータ以外でも、マイコンを用いた処理装置や制御装置を内蔵することで、大幅な機能強化あるいは新規な機能を付与させることができる装置やユニットは多い。
【０００９】
たとえば、ガス検知器の場合、検知結果をマイコンで処理するとともに、この処理結果を無線転送するようにした、いわゆる無線式ガス検知器が提供されている。この場合も、問題となるのは、前述したように、電源の確保である。商用電源などの外部電源は、コスト、保守、小型／軽量化、および設置の自由度などに様々な制約が生じるため、利用できない場合が多い。この場合、上記ボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池の使用が有力である。
【００１０】
一方、マイコンなどのデジタル回路は必ずしも定常動作する必要は無く、必要時だけ瞬時的に動作して、その合間は休止するといった間欠動作で間に合う場合が多い。上記無線式ガス検知器の場合も、ガス検知や無線転送などの主要動作は連続して行う必要はなく、たとえば数秒に１回動作するだけで、所定の目的が達せられる場合が多い。
【００１１】
マイコンなどのデジタル回路の消費電力はその機能に応じて増大し、必要な機能を持たせた場合、その消費電力は少なくない。しかし、動作時には大電流を要しても、その動作を間欠的に行わせることにより、全体として大幅な低消費電力化が可能となる。
【００１２】
ところが、非常に短時間ではあっても、動作時の消費電流が多くなってくると、上記ボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池ではその消費電流を供給できなくなってくる。このため、従来においては、動作時の消費電流がある程度以上に大きくなる場合には、その消費電流に見合う電流出力能力を有する高出力電池が使用されていた。この高出力電池については従来から種々提案されている。
【００１３】
たとえば、特許文献３〜６には、電気二重層キャパシタとリチウムイオン二次電池とを組み合わせたハイブリッド電池、または電気二重層キャパシタとリチウムポリマー二次電池とを組み合わせたハイブリッド電池が開示されている。
【００１４】
しかし、リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池は二次電池を構成するのには適しているが、保存性能において上記ボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池よりも大幅に劣る。二次電池は、再充電を繰り返しながら使用するものであって、長期間無交換／無保守で使用することを前提としていない。一般に、二次電池は、一次電池に比べて保存特性において大幅に劣るため、仮に高容量かつ高出力であっても、たとえば１０年といった長期間を無交換／無保守で使用する用途にはまったく適さない。
【００１５】
また、たとえば特許文献６に記載されている積層構造の電池は高出力を得るには適しているが、高容量を得るには適しておらず、さらに、保存特性にいたっては上記ボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池に到底及ばない。
【００１６】
この発明は以上のような問題を鑑みてなされたもので、その目的は、たとえば１０年といった長期間を無交換／無保守で使用し続けるのに適した容量特性と保存特性を備えつつ、間欠的な大電流出力にも対応可能な複合電池を提供することにある。
【００１７】
また、外部から電源供給を受けずに内蔵電池だけで動作するデジタル回路が組み込まれた電子応用機器において、たとえば１０年といった長期間を無交換／無保守で動作し続けることが可能な電子機器を提供することにある。
【特許文献３】特開平１０−２９４１３５号公報
【特許文献４】特開平８−３０８１０３号公報
【特許文献５】特開２００１−３５１６８８号公報
【特許文献６】特開２００１−３１３２３７号公報
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の第１の手段は、筒状に形成された金属リチウムを負極活物質とし、二酸化マンガンを正極活物質とし、両活物質がセパレータおよび非水電解液と共に有底筒状電池缶内に封入されてなるボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池と、一対のＰＡＳ（ポリアセン系有機半導体）電極を持つキャパシタとを有し、上記一次電池の起電力が外部端子へ導出されると共に、上記キャパシタが上記外部端子に並列に接続されて複合電池を構成していることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の第２の手段は、外部から電源供給を受けずに電池だけで動作する回路が組み込まれた電子機器において、上記電池が上記第１の手段の複合電池であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
たとえば１０年といった長期間を無交換／無保守で使用し続けるのに適した容量特性と保存特性を備えつつ、間欠的な大電流出力にも対応可能な複合電池を提供することができる。
【００２１】
また、外部から電源供給を受けずに内蔵電池だけで動作するデジタル回路が組み込まれた電子応用機器において、たとえば１０年といった長期間を無交換／無保守で動作し続けることが可能な電子機器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明の一実施形態による複合電池１００の外観構成、図２はその等価結線図、図３は本発明で使用するボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池１０とキャパシタ２０の構成例をそれぞれ示す。
【００２３】
この実施形態の複合電池１００は、図１および図２に示すように、４個のボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池１０〜１０と２個のキャパシタ２０，２０により構成されている。４個のボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池１０〜１０は並列接続され、この並列接続端が正負のリード端子３１，３２に接続されている。
【００２４】
２個のキャパシタ２０，２０は必要な耐電圧を確保するために直列接続され、この直列接続端が上記リチウム一次電池１０〜１０に並列接続されている。リード端子３１，３２は複合電池１００の電池出力端子であって、マイコンなどを用いたパルス性の負荷機器５０の電源入力端子に接続される。
【００２５】
なお、各リチウム一次電池１０〜１０にはそれぞれ、図２に示すように、比較的な高い内部抵抗ｒｉが等価的に直列介在しているが、キャパシタ２０，２０はその内部抵抗ｒｉの外側に並列に接続している。
【００２６】
負荷機器５０はマイコンを用いたデジタル回路であって、パルス性の負荷特性を示す。この負荷機器５０は動作時に大電流を消費するが、その動作を間欠的に行わせることにより、全体として大幅な低消費電力化が行われている。上記複合電池１００は負荷機器５０内に内蔵電池として搭載されている。
【００２７】
ボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池１０は、図３の（ａ）に示すように、正極活物質として二酸化マンガンを含む合剤を円管状に成形した正極合剤１１、非水電解液が含浸される円筒状のセパレータ１２、円筒状（ボビン状）に成形された金属リチウムからなる負極活物質１３、負極集電リード１４、正極集電体および正極端子１６を兼ねる有底円筒状の金属製電池缶１５、この電池缶１５の封口体を形成する負極端子板１７および絶縁ガスケット１８などにより構成されている。このボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池１０は低出力だが高容量で、とくに保存特性にすぐれている。
【００２８】
キャパシタ２０は、図３の（ｂ）に示すように、一対の電極２１，２２と電解液を含んだセパレータ２３とにより形成される。電極２１と２２は、導電性高分子であるＰＡＳ（ポリアセン系有機半導体）を材料にして構成されている。ＰＡＳはフェノール樹脂を熱縮合させて得られる。一対のＰＡＳ電極２１と２２は電解液が含浸されたセパレータ２３を挟んで対向されられているとともに、スパイラル状に巻回されて円筒状密閉ケース２５内に封入されている。符号２６，２７はキャパシタ２０のリード端子を示す。
【００２９】
このＰＡキャパシタ２０は、ＰＡＳ電極２１，２２と電解液との接触界面にプラスとマイナスの電荷が分子レベルの距離を隔てて存在し、各電極２１，２２にそれぞれのイオンがドーピングされることにより、電気エネルギーを高密度に蓄えることができる。ＰＡＳ電極２１，２２は化学的に安定で、耐熱性、耐薬品性、耐酸化性にすぐれている。また、従来の電気二重層キャパシタに比べて、重負荷パルス放電特性にすぐれ、繰り返し充放電による劣化が少なく、過充電・過放電による劣化も少ないという特性を有する。
【００３０】
図４は、上記複合電池１００をパルス性負荷に接続したときの放電電流に対する端子電圧の挙動状態を示す。同図において、放電は、１Ａを１ｍｓｅｃ（ｍ秒）放電後、１００ｍＡを１４９ｍｓｅｃ放電し、ここで１００ｍｓｅｃの放電休止期間を置いた後、１Ａを１ｍｓｅｃ放電し、次に１００ｍＡを１４９ｍｓｅｃ放電して１６５０ｍｓｅｃの放電休止期間を置くというパターンで繰り返し行った。
【００３１】
このような放電パターンは、マイコンを用いたデジタル回路に特有の電流消費パターンを強調したものであるが、時間平均した場合の消費電流は少ない。しかし、間欠的に１Ａという大電流放電が行われる。このような間欠放電をボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池に単独で行わせると、図５に示すように、１Ａ／１ｍｓｅｃの大電流放電時に、電池の端子電圧Ｖｐが機器の最低動作電圧（動作保証電圧）Ｖｓを大幅に下回るところまで急降下してしまう。このように大きな電圧降下（Ｖｄ）が生じたのでは、負荷機器を正常動作させることができない。
【００３２】
これに対し、上記複合電池１００の場合は、図４に示すように、負荷機器に供給される端子電圧が、１Ａの大電流放電時においても、それほど大きな電圧降下（Ｖｄ）を生じることなく、負荷機器の最低動作電圧Ｖｓよりも十分に高い電圧（Ｖｐ＞Ｖｓ）を維持することができる。図４および図５において、Ｖｏは無負荷時の端子電圧、Ｖｐは１Ａ放電時の最低ピーク電圧、Ｖｓは負荷機器の動作を保証できる最低動作電圧を示す。
【００３３】
図６は、上記複合電池１００において上記パターンによる間欠放電を行ったときの無負荷電圧Ｖｏと最低ピーク電圧Ｖｐの経時変化状態を示す。同図に示すように、上記複合電池１００は、間欠的な大電流放電を伴うパルス性負荷機器に接続して使用しても、長期間にわたって必要な動作電圧（Ｖｐ＞Ｖｓ）を確保することができる。
【００３４】
上記パターンによる放電は加速条件であって、放電休止間隔を長くするなどして時間平均での消費電流を十分に低減させることにより、上記複合電池１００は、大電流放電時の最低ピーク電圧Ｖｐを必要な動作電圧Ｖｓよりも高く維持したまま、たとえば１０年といった長期間を無交換／無保守で使用し続けることが可能となる。
【００３５】
また、外部から電源供給を受けずに内蔵電池だけで動作するデジタル回路が組み込まれた電子応用機器において、上記複合電池１００を内蔵電池として組み込めば、たとえば１０年といった長期間を無交換／無保守で動作し続けることが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
たとえば１０年といった長期間を無交換／無保守で使用し続けるのに適した容量特性と保存特性を備えつつ、間欠的な大電流出力にも対応可能な複合電池を提供することができる。
【００３７】
また、外部から電源供給を受けずに内蔵電池だけで動作するデジタル回路が組み込まれた電子応用機器において、たとえば１０年といった長期間を無交換／無保守で動作し続けることが可能な電子機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による複合電池の一実施例を示す外観図である。
【図２】図１に示した複合電池の等価回路図である。
【図３】上記複合電池の構成要素であるボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池とキャパシタの概要をそれぞれ示す断面図である。
【図４】上記複合電池をパルス性負荷に接続したときの放電電流に対する端子電圧の挙動を示す特性グラフである。
【図５】ボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池を単独でパルス性負荷に接続したときの放電電流に対する端子電圧の挙動を示す特性グラフである。
【図６】上記複合電池で所定パターンの間欠放電を行ったときの無負荷電圧と最低ピーク電圧の経時変化状態を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１００  複合電池
１０  ボビン形二酸化マンガンリチウム一次電池
１１  正極合剤（二酸化マンガン）
１２  セパレータ（非水電解液）
１３  負極活物質（金属リチウム）
１４  負極集電リード
１５  金属製電池缶
１６  正極端子
１７  負極端子板
１８  絶縁ガスケット
２０  ＰＡＳキャパシタ
２１，２２  ＰＡＳ電極
２３  セパレータ（電解液）
２５  円筒状密閉ケース
２６，２７  リード端子
３１  正極側のリード端子
３２  負極側のリード端子
５０  パルス性の負荷機器
【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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