(57)【要約】【課題】本発明は、所定の出力密度とエネルギー密度をともに満足し、軽量、小型、かつ、キャパシタ用放熱設備が不要な電源システムおよびこれを用いた車両を提供することを目的とする。【解決手段】多孔質のリチウム含有アルミニウム合金製負極活物質を有したリチウムイオンキャパシタ２０とリチウムイオンキャパシタ２０に接続された充放電装置３０と充放電装置３０の充放電電力を制御するための充放電制御装置４０とを備えた電源システム４５と、電源システム４５に接続されたインバータ５０と、インバータ５０により駆動される電動機としての三相同期モータ６０と、を有した車両としての電気自動車からなる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源システムであって、キャパシタと、このキャパシタに接続された充放電装置と、この充放電装置の充放電電力を制御するための充放電制御装置とを備え、前記キャパシタは、多孔質のリチウム含有アルミニウム合金製負極活物質を有したリチウムイオンキャパシタであることを特徴とする電源システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電源システムと、この電源システムに接続されたインバータと、このインバータにより駆動される電動機とを有した車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源システムおよびこれを用いた車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化防止に配慮した自動車の研究開発が活発に行なわれている。その１つとして有望視されているのが、電気自動車であり、中でも出力密度の大きなキャパシタを電源システムに用いる電気自動車が注目されている。
【０００３】
例えば、電源システムに電気二重層キャパシタを用いた電気自動車として、車体底部またはフレームの一部に、車体構造体の補強を兼ねた電気二重層キャパシタの保護ケースを車体または車体フレームと一体化して設けたものが知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、建設機械のような分野においても、近年は電動式建設機械の開発が行なわれている。
【０００５】
例えば、ホイールローダ１０と呼ばれる車両において、複数の電気二重層キャパシタ（電源デバイス）からなるキャパシタモジュール２２を筐体２３で覆うとともに、この筐体２３を外部に露出して設け、外装カバーを兼用させる。そして、筐体２３を構成する少なくとも天板３０を、上下複数の面状部３１、３２を有した多重構造とし、これらの面状部３１、３２間には外気が流通する通風部３３を形成した構成のものが知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３５１３２９号公報
【特許文献２】特開２００８−１４０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に開示された電気自動車においては、電源システムに電気二重層キャパシタが用いられるため、出力密度は大きいもののエネルギー密度が不足する。したがって、十分なエネルギーを確保しようとすると、どうしても重量が重くなり、かつ、体積が大きくなってしまうという問題点を有していた。
【０００８】
また、上記特許文献２に開示されたホイールローダ１０においては、電気二重層キャパシタが用いられるため、エネルギー密度が不足することに加えて、内部抵抗による発熱もどうしても大きくなりやすい。このような大きな発熱があると、温度上昇による電気二重層キャパシタの性能劣化が生じてしまう。そのため、この性能劣化を防止するために、電源システム内の電気二重層キャパシタには、放熱設備を設けなければならないという問題点を有していた。
【０００９】
本発明の目的は、所定の出力密度とエネルギー密度をともに満足し、軽量、小型、かつ、キャパシタ用放熱設備が不要な電源システムおよびこれを用いた車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、電源システムであって、キャパシタと、このキャパシタに接続された充放電装置と、この充放電装置の充放電電力を制御するための充放電制御装置とを備え、前記キャパシタは、多孔質のリチウム含有アルミニウム合金製負極活物質を有したリチウムイオンキャパシタであることを特徴とする電源システムである。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電源システムと、この電源システムに接続されたインバータと、このインバータにより駆動される電動機とを有した車両である。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明の請求項１に記載の発明は、電源システムであって、キャパシタと、このキャパシタに接続された充放電装置と、この充放電装置の充放電電力を制御するための充放電制御装置とを備え、前記キャパシタは、多孔質のリチウム含有アルミニウム合金製負極活物質を有したリチウムイオンキャパシタであるため、所定の出力密度とエネルギー密度をともに満足し、軽量、小型、かつ、キャパシタ用放熱設備が不要な電源システムを提供することができる。また、車両や電気機器等にとって必要な所定電圧および所定電流も供給可能になる。さらに、キャパシタの過充電および過放電が防止されるため、キャパシタのサイクル寿命も一段と向上するという作用効果も得られる。したがって、電源システムとしての寿命も延びる。
また、本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電源システムと、この電源システムに接続されたインバータと、このインバータにより駆動される電動機とを有した車両であるため、車両としての構造も単純、かつ、軽量、コンパクトになる。また、前記電源システムが車両に採用されることで、走行距離の向上を図ることも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る負極活物質の一実施形態の合成方法を説明するための模式図である。
【図２】図１に示す合成方法により形成した負極活物質の一部拡大模式図である。
【図３】図２に示す負極活物質の表層部の表面を矢印Ａの方向から走査型電子顕微鏡により観察した表面状態を示す図面代用写真である。
【図４】図２に示す負極活物質のＢＢ断面を走査型電子顕微鏡により観察した断面状態を示す図面代用写真である。
【図５】図２に示す負極活物質の表層部の表面開孔率の定義を説明するための説明図である。
【図６】本発明に係るリチウムイオンキャパシタの一実施形態を説明するための模式構成図である。
【図７】本発明に係る電源システムおよびこれを用いた車両の一実施形態を説明するための概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は本発明に係る負極活物質の一実施形態の合成方法を説明するための模式図である。
【００１６】
図１において、１は容器、２は負極側に接続されたアルミニウム箔、３は正極側に接続されたリチウム板、４は容器１に注がれた電解液である。
【００１７】
アルミニウム箔２は、下記の前処理条件により予め準備しておく。
（アルミニウム箔２の前処理）
純度９９．９％、厚さ１１０μｍのアルミニウム箔を、１０質量％塩酸と０．１質量％硫酸を含む水溶液中、３８℃の電解液中で６０Ｈｚ、電流密度１８０ｍＡ／ｃｍ２で５００秒エッチングを行ない、イオン交換水で洗浄した。
【００１８】
図１において、正極側、負極側にそれぞれ接続されたリチウム板３、上記予め前処理されたアルミニウム箔２を電解液｛濃度１モル；  電解質（ＬｉＰＦ６）、有機溶媒（エチレンカーボネート（ＥＣ）：ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）＝１：１の混合溶液）｝４内に浸漬し対峙させ、アルミニウム箔２の電位を２５ｍＶ（対Ｌｉ／Ｌｉ＋）に制御して５０℃で電解することにより合金化し、下記表１に示す試験Ｎｏ．１の多孔質のリチウム含有アルミニウム合金製負極活物質１２｛以下、負極活物質１２と称す（図２〜図６参照）｝を合成した。
【表１】
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【００１９】
図２は、図１に示す合成方法により形成した負極活物質１２の一部拡大模式図である。図２において、負極活物質１２は表層部１２ａと母体部１２ｂからなることを示す。この表層部１２ａは、三次元網目状骨格をなし、かつ、多数の細孔を有する構造である（所謂、スポンジ状構造を呈する）。この細孔の開口径Ｄは、０．５μｍ〜２μｍである。また、ここで言う細孔とは、上記アルミニウム箔２の前処理条件等により発生する多少の穴を含んだ場合も含めた総称である。
【００２０】
図３は、図２に示す負極活物質１２の表層部１２ａの表面を矢印Ａの方向から走査型電子顕微鏡により観察した表面状態を示す図面代用写真である。
【００２１】
図４は、図２に示す負極活物質１２のＢＢ断面を走査型電子顕微鏡により観察した断面状態を示す図面代用写真である。図４より、表層部１２ａの平均厚さは、約５μｍである。この表層部１２ａの所定厚さは、本願発明の目的に照らすと、１μｍ〜５０μｍが好ましい。また、図２〜図４では、負極活物質１２の表面（一面側）の表層部１２ａが上記スポンジ状構造であることの説明を行なったが、負極活物質１２の裏面（他面側）にも表層部１２ａは存在し、この表層部１２ａの構造も上記スポンジ状構造である。
【００２２】
上述したように、表層部１２ａには、多数の細孔を有するが、この細孔の開口径Ｄとしては、０．１〜５μｍが好ましい。何故ならば、５μｍ超では負極活物質１２の表面積が減少して容量が減少し、０．１μｍ未満では、後述する電解液の上記細孔内への浸入が困難になるためである。ただし、細孔の断面形状は、円形に限定されるものではない。
【００２３】
また、多数の細孔を有する表層部１２ａの表面および断面の性状を上述した走査型電子顕微鏡により観察し、表面開口率を測定した。この表面開口率とは、図５に示す定義に従う。この定義において、細孔の開口径Ｄは、平均径であり、細孔間の距離Ｌも平均長さである。表層部１２ａの表面開孔率は、１０〜８０％が好ましい。何故ならば、１０％未満では、充電時に負極活物質１２内のリチウム含有量が増加することによる体積膨張に起因した応力の緩和が不十分であり、８０％超では負極活物質１２としての機械的強度が不十分であるためであると思われる。
【００２４】
本実施の形態においては、アルミニウム箔２として、厚さが１１０μｍの場合を例に説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、厚さが約５μｍ〜２００μｍのものを用いることができる。また、本実施の形態においては、アルミニウム合金として実質的にＡｌとＬｉとからなる例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、Ｌｉ以外にＭｇ、Ｚｎ等の元素を含有したアルミニウム合金とすることもできる。なお、本願発明のアルミニウム合金は、不可避不純物として、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｔｉ等を０．０５原子（ａｔ）％以下含有しても良い。また、本実施の形態においては、負極活物質１２を合成する条件として、純度９９．９％のアルミニウム箔２を負極側に接続し、電位を２５ｍＶ（対Ｌｉ／Ｌｉ＋）に制御して、５０℃の電解液中で電解することにより合金化する例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。電解することによりＬｉと合金化することができる。
【００２５】
（実施の形態２）
図６は、本発明に係るリチウムイオンキャパシタの一実施形態を説明するための模式構成図である。
【００２６】
図６において、１０は容器、１２は上記実施の形態１で述べた合成により得られた負極活物質、１３はアルミニウム製の集電体、１４は正極活物質、１５は電解液が含浸されたセパレータ、２０はリチウムイオンキャパシタである。本実施形態において、実施の形態１の構成と同一の要素に関しては同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
【００２７】
セパレータ１５は、負極活物質１２と集電体１３上に塗布乾燥して設けた活性炭（ＢＥＴ比表面積：８００〜１３００ｍ２／ｇ）を有した正極活物質１４とに挟まれた構成である。セパレータ１５に含浸されている電解液は、電解質（ＬｉＢＦ４）と有機溶媒｛エチレンカーボネート（ＥＣ）：エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）＝１：１の混合溶液｝からなる濃度１．５モルの電解液である。このようにして構成されたリチウムイオンキャパシタ２０を上述した実施の形態１の上記表１に示す試験Ｎｏ．１の負極活物質１２に合わせて、下記表２に示すように試験Ｎｏ．１とした。
【表２】
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【００２８】
上記表２に示す試験Ｎｏ．１は、充電時に負極活物質１２内のリチウム含有量が増加し、体積膨張するが、負極活物質１２の表層部１２ａが、三次元網目状骨格をなし、かつ、多数の細孔を有する構造である（所謂、スポンジ状構造）ため、充電時に負極活物質１２内のリチウム含有量が増加することによる体積膨張に起因した応力の緩和が図られる（影響が吸収される）。したがって、リチウムイオンキャパシタ２０が充放電制御なしで使用されたとしても、サイクル寿命は８００を示し、所定のサイクル寿命（６００以上）を満足する。また、本リチウムイオンキャパシタ２０は、化学反応に基づく蓄電メカニズムであり、エネルギー密度は上記表２に示すように７０（Ｗｈ／ｋｇ）となり、電気二重層キャパシタと比べて重量当り、および、体積当り共に約１０倍以上となる。このエネルギー密度｛７０（Ｗｈ／ｋｇ）｝は、電気自動車等の車両用の電源として要求されるエネルギー密度｛６０（Ｗｈ／ｋｇ）以上｝を満足し、前記電源としての必要な持続力（所定の走行距離を実現できる能力）を有する。また、本リチウムイオンキャパシタ２０は、出力密度が上記表２に示すように３１００（Ｗ／ｋｇ）となり、電気自動車等の車両用の電源として要求される出力密度｛３０００（Ｗ／ｋｇ）以上｝を満足し、前記電源としての必要な瞬発力を有する。また、本リチウムイオンキャパシタ２０は、デンドライトが生成されることもない。
【００２９】
本実施の形態においては、試験Ｎｏ．１に示すように負極活物質１２中のＬｉの含有量が３０ａｔ％である例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。負極活物質１２中のＬｉの含有量は、５ａｔ％〜５０ａｔ％が好ましい。その理由は、５ａｔ％未満では、電気自動車等の車両用の電源として要求されるエネルギー密度を満足できなくなり、５０ａｔ％を超えるとデンドライトが発生しやすくなるためである。負極活物質１２中のＬｉの含有量としては、上述した持続力とデンドライトの発生の点から、５ａｔ％〜５０ａｔ％とするのがより好ましい。
【００３０】
なお、本実施の形態においては、負極活物質１２に対して集電体を別途設けない構成について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、負極活物質１２を銅製の集電体に導電ペーストを介して軽く圧接し、負極とするなど、負極活物質１２に対して集電体を別途設けることも可能である。
【００３１】
（実施の形態３）
図７は、本発明に係る電源システムおよびこれを用いた車両の一実施形態を説明するための概略ブロック図である。本実施形態において、実施の形態１、２の構成と同一の要素に関しては同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３２】
図７において、４５はリチウムイオンキャパシタ２０と、リチウムイオンキャパシタ２０に接続された充放電装置３０と、この充放電装置３０の充放電電力を制御するための充放電制御装置４０とを有した電源システムである。また、８０は車両としての電気自動車であり、この電気自動車８０は電源システム４５と、この電源システム４５に接続されたインバータ５０と、このインバータ５０から供給される交流電力で駆動輪７０、７１を駆動する電動機としての三相同期モータ６０とを有している。電気自動車８０は前輪駆動方式を採用しており、電気自動車８０の後部には被駆動輪７２、７３が配置されている。  
【００３３】
充放電装置３０は、一般的にＤＣ−ＤＣコンバータ等で構成される。また、電源システム４５は、充放電装置３０の出力電圧を検出して、その出力電圧に対応した信号を出す電圧検出器（図示せず）の信号と、リチウムイオンキャパシタ２０の電圧を検出する電圧検出器（図示せず）の出力信号と、リチウムイオンキャパシタ２０の電流を検出する電流検出器（図示せず）の出力信号に基づいて、充放電装置３０の充放電電力を充放電制御装置４０で制御するように構成されている。したがって、所定の出力密度とエネルギー密度をともに満足し、軽量、小型、かつ、キャパシタ用放熱設備が不要な電源システムを実現できる。また、このような電源システム４５を用いることで、電気自動車８０にとって必要な所定電圧および所定電流も供給可能になる。すなわち、インバータ５０を介して三相同期モータ６０に所定の可変電圧、可変周波数の交流電力を供給可能になる。
【００３４】
また、電源システム４５内に充放電制御装置４０が採用されたことで、リチウムイオンキャパシタ２０の過充電および過放電が防止されるため、リチウムイオンキャパシタ２０のサイクル寿命も１２００というように、一段と向上するという作用効果も得られる（上記表２の試験Ｎｏ．２参照）。したがって、電源システム４５としての寿命も延びる。
【００３５】
また、電源システム４５が電気自動車８０に用いられることにより、車両としての構造も単純、かつ、軽量、コンパクトになる。また、電源システム４５が電気自動車８０に採用されることで、走行距離の向上を図ることも可能になる。
【００３６】
なお、本実施の形態においては、車両として電気自動車を例に説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、車両として、上記電源システム４５を有したホイールローダ等のような建設機械も本願発明の技術的範囲に包含される。このような建設機械においては、電源システム４５を走行距離の向上に寄与させることが可能であるばかりでなく、土砂などをダンプカーに積み込んだり、除雪する際に使用するバケットの駆動のために寄与させることも可能である。
【００３７】
また、本願発明の車両においては、回生ブレーキ時の回生エネルギーをリチウムイオンキャパシタ２０に貯蔵させるように構成するのがより好ましい。また、車両としては、本電源システム４５のみを用いた駆動に限定されることはなく、エンジンシステムを併用したハイブリッド方式とすることも可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１、１０  容器
２  アルミニウム箔
３  リチウム板
４  電解液
１２  負極活物質
１２ａ  表層部
１２ｂ  母体部
１３  集電体
１４  正極活物質
１５  電解液が含浸されたセパレータ
２０  リチウムイオンキャパシタ
３０  充放電装置
４０  充放電制御装置
４５  電源システム
５０  インバータ
６０  三相同期モータ
７０、７１  駆動輪
７２、７３  被駆動輪
８０  電気自動車
【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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