(57)【要約】【課題】充電時、放電時等、使用中において、簡単かつ正確に電極面内の電流分布を検出することができるリチウムイオン二次電池を提供する。【解決手段】正極板と負極板をセパレータを介して積層した電極体と、前記電極体を収納し、内部に電解液が充填されるケースと、前記正極板及び負極板にそれぞれ接続される正極端子及び負極端子と、を具備し、前記正極板又は負極板の複数箇所に電圧測定端子が接続され、前記電圧測定端子は前記接続される正極板又は負極板と同一の材料によって構成されるワイヤであり、前記電圧測定端子の前記正極板又は負極板との接続側と反対側の端部は、前記ケース外に導出され、前記電圧測定端子を用いて、前記正極板又は負極板の電極面内の電位差を外部で測定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板と負極板をセパレータを介して積層した電極体と、前記電極体を収納し、内部に電解液が充填されるケースと、前記正極板及び負極板にそれぞれ接続される正極端子及び負極端子と、を具備するリチウムイオン二次電池であって、
前記正極板又は負極板の複数箇所に電圧測定端子が接続され、
前記電圧測定端子は前記接続される正極板又は負極板と同一の材料によって構成されるワイヤであり、
前記電圧測定端子の前記正極板又は負極板との接続側と反対側の端部は、前記ケース外に導出され、前記電圧測定端子を用いて、前記正極板又は負極板の電極面内の電位差を外部で測定することを特徴とするリチウムイオン二次電池。
【請求項２】
前記電圧測定端子によって測定される電位差と、前記正極端子と負極端子との間に流れる電流値とに基づいて、前記電圧測定端子が接続される正極板又は負極板の電極面内の電流分布が検出され、その電流分布に基づいて充電時の印加電流値が決定される請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項３】
正極板と負極板をセパレータを介して積層した電極体と、前記電極体を収納し、内部に電解液が充填されるケースと、前記正極板及び負極板にそれぞれ接続される正極端子及び負極端子と、前記正極板又は負極板の複数箇所に接続される電圧測定端子とを具備するリチウムイオン二次電池を充電する際の制御方法であって、
前記正極端子と負極端子に電流を印加する際に、その電流値を前記電圧測定端子によって測定される前記正極板又は負極板の電極面内の電位差に応じて決定することを特徴とするリチウムイオン二次電池の充電制御方法。
【請求項４】
前記充電の初期は、通常充電の電流値よりも大きい電流値を用いて充電を行い、
前記電圧測定端子によって測定される電極面内の電位差が所定値よりも大きくなった後に、前記充電電流値を通常充電の電流値に変更する請求項３に記載のリチウムイオン二次電池の充電制御方法。
【請求項５】
前記電圧測定端子によって測定される電極面内の電位差が、前記正極端子と負極端子の電位差の二倍よりも大きくなった時に、前記充電電流値を通常充電の電流値に変更する請求項４に記載のリチウムイオン二次電池の充電制御方法。
【請求項６】
正極板と負極板をセパレータを介して積層した電極体と、前記電極体を収納し、内部に電解液が充填されるケースと、前記正極板及び負極板にそれぞれ接続される正極端子及び負極端子と、前記正極板又は負極板のうち、電流密度が大きくなる箇所に接続される電圧測定端子とを具備するリチウムイオン二次電池を充電する際の制御方法であって、
前記正極端子と負極端子に電流を印加する際に、その電流値を前記電圧測定端子によって測定される電圧と、前記正極端子と負極端子の間の電圧との電圧差に応じて決定することを特徴とするリチウムイオン二次電池の充電制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池及びその充電制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、複数の電極をセパレータを介して積層した電極体において、電極の積層方向における投影面内に参照電極を配置し、電極の面内の電位を測定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−７３５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の技術では、二次電池の使用状態、つまり充電状態、劣化状態、温度、充放電履歴などの複数の要因に起因して電極内に形成される電流分布を十分に把握することが困難である。また、二次電池内に参照極を配置する構成が複雑なものとなり、長期に渡る安定的な測定は期待できない。
本発明は、充電時、放電時等、使用中において、簡単かつ正確に電極面内の電流分布を検出することができるリチウムイオン二次電池を提供する。また、検出された電流分布に応じて充電電流の値を決定することによって、急速充電の安定性と耐久性を維持できる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のリチウムイオン二次電池は、正極板と負極板をセパレータを介して積層した電極体と、前記電極体を収納し、内部に電解液が充填されるケースと、前記正極板及び負極板にそれぞれ接続される正極端子及び負極端子と、を具備し、前記正極板又は負極板の複数箇所に電圧測定端子が接続され、前記電圧測定端子は前記接続される正極板又は負極板と同一の材料によって構成されるワイヤであり、前記電圧測定端子の前記正極板又は負極板との接続側と反対側の端部は、前記ケース外に導出され、前記電圧測定端子を用いて、前記正極板又は負極板の電極面内の電位差を外部で測定する。
【０００６】
前記電圧測定端子によって測定される電位差と、前記正極端子と負極端子との間に流れる電流値とに基づいて、前記電圧測定端子が接続される正極板又は負極板の電極面内の電流分布が検出され、その電流分布に基づいて充電時の印加電流値が決定されることが好ましい。
【０００７】
本発明のリチウムイオン二次電池の充電制御方法は、正極板と負極板をセパレータを介して積層した電極体と、前記電極体を収納し、内部に電解液が充填されるケースと、前記正極板及び負極板にそれぞれ接続される正極端子及び負極端子と、前記正極板又は負極板の複数箇所に接続される電圧測定端子とを具備するリチウムイオン二次電池を充電する際の制御方法であって、前記正極端子と負極端子に電流を印加する際に、その電流値を前記電圧測定端子によって測定される前記正極板又は負極板の電極面内の電位差に応じて決定するものである。
【０００８】
前記充電の初期は、通常充電の電流値よりも大きい電流値を用いて充電を行い、前記電圧測定端子によって測定される電極面内の電位差が所定値よりも大きくなった後に、前記充電電流値を通常充電の電流値に変更することが好ましい。
【０００９】
リチウムイオン二次電池の充電制御方法の一実施形態において、前記電圧測定端子によって測定される電極面内の電位差が、前記正極端子と負極端子の電位差の二倍よりも大きくなった時に、前記充電電流値を通常充電の電流値に変更することが好ましい。
【００１０】
本発明のリチウムイオン二次電池の充電制御方法の別実施形態は、正極板と負極板をセパレータを介して積層した電極体と、前記電極体を収納し、内部に電解液が充填されるケースと、前記正極板及び負極板にそれぞれ接続される正極端子及び負極端子と、前記正極板又は負極板のうち、電流密度が大きくなる箇所に接続される電圧測定端子とを具備するリチウムイオン二次電池を充電する際の制御方法であって、前記正極端子と負極端子に電流を印加する際に、その電流値を前記電圧測定端子によって測定される電圧と、前記正極端子と負極端子の間の電圧との電圧差に応じて決定するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、充電時、放電時等、使用中のリチウムイオン二次電池において、簡単かつ正確に電極面内の電流分布を検出することができる。また、このように正確に検出された電流分布に応じて充電電流を制御することによって、効率的な急速充電を実現するとともに、急速充電によるリチウムイオン二次電池の劣化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】リチウムイオン二次電池を示す概略図である。
【図２】リチウムイオン二次電池の断面図である。
【図３】リチウムイオン二次電池の充電制御のブロック図である。
【図４】リチウムイオン二次電池の充電制御のフローチャートであり、通常充電の場合を示す。
【図５】リチウムイオン二次電池の充電制御のフローチャートであり、急速充電の場合を示す。
【図６】通常充電及び急速充電における充電量／時間を示すグラフである。
【図７】リチウムイオン二次電池の充電制御の別形態を示すブロック図である。
【図８】リチウムイオン二次電池の別形態を示す図である。
【図９】リチウムイオン二次電池の電圧測定端子の配置の別形態を示す図であり、電極の側面に複数配置した例を示す。
【図１０】リチウムイオン二次電池の電圧測定端子の配置の別形態を示す図であり、電極面に対してマトリックス状に配置した例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１及び図２を参照して、電池１の構成について説明する。
図１に示すように、電池１は、電極体２をケース３内に収納し、電極体２にケース３内に充填される電解液を含浸させることによって繰り返し充放電可能な二次電池として構成される。電池１は、例えばリチウムイオン二次電池として構成される。
ケース３の一面からは、正極端子５及び負極端子６がそれぞれ突出して設けられる。正極端子５及び負極端子６は、それぞれ絶縁部材７を介してケース３に固定される。
【００１４】
図１及び図２に示すように、電極体２は、アルミ製の正極板１１と銅製の負極板１２とを、ポリエチレン製のセパレータ１３を介して互いに絶縁した状態で積層し、扁平状に巻回した巻回体である。電極体２の正極板１１と負極板１２は、電池１の集電板として機能する。
【００１５】
正極板１１の表面には、正極活物質を含む正極合剤２１が塗布されることにより、正極板１１が正極電極として機能する。正極合剤２１には、ニッケル酸リチウム等の正極活物質、アセチレンブラック等の導電材、及び、ポリテトラフルオロエチレン、カルボキシメチルセルロース等の結着剤が含まれる。
負極板１２の表面には、負極活物質を含む負極合剤２２が塗布されることにより、負極板１２が負極電極として機能する。負極合剤２２には、グラファイト粉末等の負極活物質、及び、結着剤等が含まれる。
【００１６】
正極板１１のうち、正極合剤２１が塗布されていない部位において、正極集電端子３１を介して正極端子５と接続される。負極板１２のうち、負極合剤２２が塗布されていない部位において、負極集電端子３２を介して負極端子６と接続される。
【００１７】
図１及び図２に示すように、正極板１１において、正極集電端子３１と接続される側と反対側の端部に、電圧測定端子４１・４２が接続されている。電圧測定端子４１・４２は、正極板１１と同一の材料によって構成されるワイヤである。より詳しくは、電圧測定端子４１・４２は、絶縁体で被覆されたワイヤであり、そのワイヤの正極板１１との接続部のみで被覆材が除去され、溶接等により接合されている。電圧測定端子４１・４２の正極板１１と接続される側の反対側の端部は、ケース３の外側面に設けられるコネクタ４３・４４にそれぞれ接続され、ケース３の外部に導出されている。
【００１８】
第一電圧測定端子４１は、電極体２における正極板１１の巻回中心部、つまり電極体２の内周側であって、正極集電端子３１が接続される側と反対側（負極集電端子３２が接続される側）の端部に接続される。第二電圧測定端子４２は、電極体２における正極板１１の巻回外周部、つまり電極体２の外周側であって、正極集電端子３１が接続される側と反対側（負極集電端子３２が接続される側）の端部に接続される。また、これらの電圧測定端子４１・４２は、扁平状に巻回される電極体２の正極板１１のＲ部下端に接続されている。
このように配置される電圧測定端子４１・４２によって、電極体２の内周側と外周側の電圧を正極板１１から直接測定可能である。電極体２において、電池１の充電時に内周側は電流密度が大きくなり、外周側は電流密度が小さくなる傾向があることから、電圧測定端子４１・４２によって、電極体２内に発生する電位差の最大値に近い値を検出できる。
【００１９】
以上のように、電池１では、電極体２の集電板である正極板１１に電圧測定端子４１・４２が接続され、電池１の使用中に正極板１１の電極面に発生する電位差が直接測定される。このように測定される電位差と、電池１の正極端子５及び負極端子６間に流れる電流値とを用いて、電極面内の電流分布を正確に検出することができる。このとき、正極板１１の抵抗値や電圧測定端子４１・４２の抵抗値は電池１の使用サイクルを繰り返しても劣化することがないため、電圧測定端子４１・４２によって測定される電位差とそれらの抵抗値を用いて正極板１１に流れる電流の分布を正確に把握することが可能である。
また、一般的なワイヤによって構成される電圧測定端子４１・４２を電池１の内部の正極板１１に接続し、ケース３外に取り出すという簡単な構成で実現可能であり、長期に渡る安定的な測定が期待できる。
なお、本実施形態では、正極板１１の二箇所に電圧測定端子４１・４２を接続しているが、負極板１２の同様の二箇所に接続して、負極板１２の電極面内の電流分布を検出しても良い。
【００２０】
次に、図３から図６を参照して、電池１の充電制御について説明する。
図３に示すように、電池１を充電する際、正極端子５及び負極端子６に適宜の電源装置を含む充放電装置５０を接続し、電池１に所定の電流を印加する。このときの電源装置から供給される電流値（Ａ）を測定する電流計５１と、正極端子５と負極端子６との間の電位差（Ｖ０）を測定する電圧計５２とがそれぞれ充放電装置５０に接続されている。
また、充放電装置５０の作動は、制御装置６０によって制御される。具体的には、制御装置６０によって充放電装置５０から電池１に印加する電流値が制御される。制御装置６０には、電流計５１と電圧計５２とが接続されており、電流計５１によって検出される電流値Ａと電圧計５２によって検出される電位差Ｖ０が入力される。
【００２１】
また、電池１を充電する際、コネクタ４３・４４は電圧計４５に接続される。電圧計４５は、コネクタ４３・４４間の電位差を測定する。つまり、電圧計４５によって、電圧測定端子４１・４２に接続された部位の間に生じる充電時の電位差（Ｖ１）を測定している。電圧計４５は、制御装置６０と接続され、制御装置６０に電位差Ｖ１を出力する。
上述のように、電位差Ｖ１は、正極板１１の中でも大きな電位差であることに加えて、正極板１１の抵抗値、及び電圧測定端子４１・４２の抵抗値は、電池１の使用サイクルを経てもほとんど変化することがない。このため、予めそれぞれの抵抗値を測定して制御装置６０に記憶させておき、これらの抵抗値、電流値Ａ及び電位差Ｖ１から正極板１１に生じる電流分布を検出することが可能である。
【００２２】
図４に示すように、電池１を通常充電する場合は、通常の電流値（Ｉ＝２Ｃ［Ａ］）に設定し、正極端子５と負極端子６との電位差Ｖ０が規定値より大きくなるまで充電し、充電時間が所定の時間（例えば３０分）よりも長くなった時点で満充電完了とする。
このように電池１を通常充電する際は、大きな電流が流れることがないため、電池１の電圧（端子間電位差Ｖ０）を用いて制御する。
【００２３】
図５に示すように、電池１を急速充電する場合は、通常充電よりも大きな電流（例えば通常の二倍の電流（Ｉ＝４Ｃ［Ａ］））で充電を開始し、電圧測定端子４１・４２間の電位差Ｖ１が所定値よりも小さい限り（例えば、電位差Ｖ１が端子間電位差Ｖ０の二倍よりも小さい場合（Ｖ１≦２Ｖ０））、大きな電流値を維持する。電位差Ｖ１が所定値よりも大きくなった後は、通常の電流値（Ｉ＝２Ｃ［Ａ］）に設定し、さらに所定の時間経過後、満充電完了として急速充電を終了する。
このように、通常の電流値よりも大きい電流を印加して急速充電する際に、正極板１１に発生する電位差Ｖ１をモニタリングする。つまり、充電されやすい箇所には初期から大きな電流が流れる一方で、他の箇所は充電不足の状態となるが、この状態を電位差Ｖ１で検出する。そして、電流分布が許容範囲を超えたと判断した場合に、電池１に印加する電流値を通常の値に下げて充電時の不具合の発生を防止する。
これにより、図６に示すように、過充電やリチウムの析出を防止しつつ効率良く電池１全体を急速充電できる。
【００２４】
例えば、低温では電解液抵抗が高く電流が流れ難いが、充電が進むにつれて内部発熱により温度が高くなることで抵抗が低下して電流が流れ易くなる。この場合、温度は内部から高くなるので、低温始動時には電極体２の内周部で電流集中が起き易い。
本実施形態では、集電板である正極板１１の内周部及び外周部に直接電圧測定端子４１・４２を接続して、内部の電位差を検出することにより、電極体２に流れる電流値を検出している。このため、電池１の温度が変化することによる電流分布を把握しながら急速充電を進めることができる。具体的には、電圧測定端子４１・４２間の電位差Ｖ１が所定値より大きくなった時に、電流値を４Ｃ［Ａ］から２Ｃ［Ａ］に変更することで、電流集中を防止している。
【００２５】
上述の実施形態では、二つの電圧測定端子４１・４２を用いて正極板１１における電位差を測定する構成を採用しているが、図７に示すように、正極板１１の内周部に接続される電圧測定端子４１を用いて、正極板１１のうち電流密度が大きくなる領域と、正極端子５との間の電位差（Ｖ２）を電圧計７０で測定する構成としても同様の効果が得られる。
すなわち、急速充電時に、電流が印加される正極端子５と正極板１１のうち電流が大きくなり易い部位との間の電位差Ｖ２の大きさに基づいて電流集中を検知することが可能であり、電流集中が発生したと判断する場合に、電流値を通常の値に戻すことによって過充電、リチウム析出等の不具合を未然に防止することができる。
【００２６】
図８に示すように、電極体２を積層体とする場合は、第一電圧測定端子４１を積層中央部に配置し、第二電圧測定端子４２を積層外周部に配置することで積層体の積層方向の電流分布を把握することができ、同様の効果が得られる。
また、ケース３は、金属製の筐体に限らず、ラミネート型のものでも良い。
【００２７】
図９に示すように、電極板の電位を測定する電圧測定端子を電極板の側面に多数配置することも可能である。この場合、電圧測定端子を電極板の周囲に所定の間隔を開けて配置することによって、電極面内の電流分布をより正確に知ることができ、より精密な急速充電制御を可能にする。
図１０に示すように、電極板の電位を測定する電圧測定端子は、電極面に対してマトリックス状に配置することがより好ましい。この場合、電極面の内部の電位を直接測定できるので、電極面内の電流分布をさらに正確に把握することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１：電池（リチウムイオン二次電池）、２：電極体、３：ケース、４：電解液、５：正極端子、６：負極端子、１１：正極板、１２：負極板、１３：セパレータ、３１：正極集電端子、３２：負極集電端子、４１：第一電圧測定端子、４２：第二電圧測定端子、４３：コネクタ、４４：コネクタ、４５：電圧計、５０：充放電装置、６０：制御装置
【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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