JP2002135990A - リチウムイオン二次電池の充電方法および充電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サイクル特性の著しい低下を引き起こすこと
なく、１時間未満あるいは１０〜２０分間などの短時間
で超急速充電を行うことを可能とするリチウムイオン二
次電池の充電方法および充電装置を提供する。 【解決手段】 充電対象のリチウムイオン二次電池２１
に充電電流を供給して充電を行うにあたり、充電電流を
リチウムイオン二次電池２１の公称容量を超えた電流値
に制御する充電電流制御部５と、リチウムイオン二次電
池２１の充電をその最大充電容量の半分以内に設定され
た目標充電量まで継続する充電量制御部７とを備えてお
り、リチウムイオン二次電池２１における最大充電容量
の半分以内の電気量までは、第１充電として公称容量を
超えた電流値の充電電流で充電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は例えば携帯用電子機
器などに用いられるリチウムイオン二次電池の充電方法
および充電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】リチウムイオン二次電池は、家庭用ビデ
オカメラ、携帯電話、ノート型パソコンなどの携帯可能
な電子機器用などに好適な携帯用電源であり、Ｎｉ−Ｃ
ｄ（ニッケル・カドミウム）二次電池やＮｉ−ＭＨ（ニ
ッケル・水素）二次電池に代るものとして、広く利用さ
れるようになって来ている。

【０００３】特に近年のＬｉＣｏＯ₂ あるいはＬｉＭｎ
₂ Ｏ₄ を用いたリチウムイオン二次電池や、ポリマー型
リチウムイオン二次電池は、Ｎｉ−Ｃｄ二次電池等と比
較して、充電密度が高く軽量で放電容量が大きいこと、
サイクルライフも例えば１０００回以上と長いこと、メ
モリー効果がほとんどなく、その点に関してＮｉ−Ｃｄ
二次電池のような充・放電管理上の煩雑さがないこと、
自然放電が少ないので長期に亘って確実に定格出力を保
つことができることなど、種々の特長を備えている。

【０００４】例えば、同じ単３型で、Ｎｉ−Ｃｄ二次電
池と、Ｎｉ−ＭＨ二次電池と、リチウムイオン二次電池
との放電電力量を比較すると、リチウムイオン二次電池
が最も優れた性能を備えていると言える。すなわち、Ｎ
ｉ−Ｃｄ二次電池は、定格電圧１．２［Ｖ］、放電容量
５００〜７００［ｍＡｈ］、放電電力量６００〜８４０
［ｍＷｈ］である。また、Ｎｉ−ＭＨ二次電池は、定格
電圧１．２［Ｖ］、放電容量１０００〜１２００［ｍＡ
ｈ］で、放電電力量１２００〜１４４０［ｍＷｈ］であ
る。一方、リチウムイオン二次電池は、放電容量が５０
０［ｍＡｈ］であるが、定格電圧が３．６［Ｖ］である
から、その放電電力量は１８００［ｍＷｈ］となり、実
質的にＮｉ−ＭＨ二次電池よりもさらに大容量なものと
なっている。また、３．６［Ｖ］の電圧をＮｉ−Ｃｄ二
次電池で達成するためには、３セルのＮｉ−Ｃｄ二次電
池を直列に接続することが必要となるが、これは、３つ
のＮｉ−Ｃｄ二次電池の内部抵抗を直列に接続したこと
になるので、その内部抵抗に起因して、出力電圧の損失
が大きくなってしまうことから、この点でもリチウムイ
オン二次電池には優位性がある。

【０００５】しかも、リチウムイオン二次電池は、Ｎｉ
−Ｃｄ二次電池などよりも大きな容量を、Ｎｉ−Ｃｄ二
次電池の約半分の重量で達成することができるので、軽
量でかつ長時間連続使用可能であることが強く望まれる
携帯用電子機器等に用いられる二次電池として、極めて
有望なものである。例えば、一例として、家庭用ビデオ
カメラに用いられるＮｉ−ＭＨ二次電池とリチウムイオ
ン二次電池とを比較すると、電力量１８０００［ｍＷ
ｈ］（３０００［ｍＡｈ］で６［Ｖ］）のＮｉ−ＭＨ二
次電池の場合、重量が約３５０［ｇ］であり、かなり重
いのに対して、同じ電力量１８０００［ｍＷｈ］（２５
００［ｍＡｈ］で７．２［Ｖ］）のリチウムイオン二次
電池の場合には約１８０［ｇ］でＮｉ−ＭＨ二次電池の
重量の約半分となっており、極めて軽量である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のリチ
ウムイオン二次電池の充電方法では、通常充電で８時間
程度、急速充電でも（最短でも）１時間から３時間程度
と、長い充電時間を要するものとなっており、１時間未
満や１０〜２０分間程度など、短時間での充電ができな
かった。すなわち、過大な電圧または過大な電流での充
電は、リチウムイオン二次電池のサイクル特性を著しく
低下させることから、充電電圧を所定の定格充電電圧以
下の電圧に保つと共に、０．３Ｃ〜１Ｃ （Ｃは定格放
電容量値）程度の定電流によって充電していたので、最
短でも１時間から３時間程度の充電時間を要していた。

【０００７】このため、例えば携帯用電子機器に用いら
れているリチウムイオン二次電池を出力電圧がカット・
オフ（cut off ）に達するまで放電させた場合、充電し
て携帯用電子機器が再び使用可能になるまでには、ユー
ザーは少くとも１時間から３時間程度もの充電時間を待
たされざるを得ないものとなっていた。

【０００８】このような充電時間の点では、Ｎｉ−Ｃｄ
二次電池やＮｉ−ＭＨ二次電池の場合、いわゆるデルタ
ピークカット（Δ-peak-cut ）法と呼ばれるような超急
速充電方法が行われており、例えば２４００［ｍＡｈ］
のような大容量のセルを１０分〜２０分程度の短時間で
充電することも可能となっている。Ｎｉ−Ｃｄ二次電池
や、それとの互換性を本来考慮して開発されたＮｉ−Ｍ
Ｈ二次電池を急速充電する場合には、そのサイクル特性
を低下させるようなダメージを与えないように、例えば
定格電圧の１．５倍程度の充電電圧を脈流状に印加して
行き、セルの端子間電圧が上昇から低下あるいは停滞に
転じると、それを検知し、満充電に達したものとして充
電を完了する。これが一般に「Δピーク」と呼ばれる所
以である。Ｎｉ−Ｃｄ二次電池やＮｉ−ＭＨ二次電池で
は、このような超急速充電方法によって、サイクル特性
の著しい低下を引き起こすことなく、大容量のセルを１
０分〜２０分程度の短時間で充電することが可能であ
る。

【０００９】Ｎｉ−Ｃｄ二次電池の場合、充電の際に正
極、負極で化学反応が起こって活物質が変化し、過充電
に至ると水が分解されるが、このとき正極活物質よりも
負極活物質が多いと正極から酸素ガスが発生して負極で
吸収されるので、その際にセル電圧が上昇から低下へと
転じる（−Δ［Ｖ］が生じる）こととなる。従って、こ
れを検出することにより、過充電に至ることなく超急速
充電を行うことができる。また、Ｎｉ−ＭＨ二次電池の
場合には、過充電時の温度上昇等に伴ってセル電圧が上
昇から停滞へと転じる（Δ＞０［Ｖ］からΔ＝０［Ｖ］
になる）ので、これを検出することにより、過充電に至
ることなく超急速充電を行うことができる。

【００１０】これに対し、リチウムイオン二次電池で
は、可動イオンが正極と負極とを行き来する際の酸化還
元反応によって充・放電が行われるので、Ｎｉ−Ｃｄ二
次電池やＮｉ−ＭＨ二次電池の場合のような充・放電作
用とはその電気化学的作用が根本的に異なっている。従
って、それらＮｉ−Ｃｄ二次電池やＮｉ−ＭＨ二次電池
の充電方法をリチウムイオン二次電池に適用することは
できない。このため、リチウムイオン二次電池の場合に
は、一般に、充電電圧が一定になるまでは０．３Ｃ〜１
Ｃ程度の定電流で充電し、その後は定電圧で充電して負
極に可能な限りリチウムイオンを挿入することにより、
充電量を可能な限り高くするようにしている。なお、定
電圧充電の期間中は充電電流が徐々に減少する。

【００１１】リチウムイオン二次電池の場合には、サイ
クル特性を低下させることなく１時間未満の超急速充電
を行う手法が確立されていなかったので、一旦カットオ
フ電圧に達するまで放電した後に、充電して使用再開す
ることができるまでには、少なくとも１〜３時間の待ち
時間が必要であり、この充電時間の点でＮｉ−Ｃｄ二次
電池やＮｉ−ＭＨ二次電池よりも不利なものとなってい
るという問題があった。

【００１２】また、そのような充電時間が長いという不
都合を克服するために、例えば非常用の電源としてアル
カリ乾電池のような一次電池をリチウムイオン二次電池
の代りに用意しておくといった手法も提案されている。
しかし、これはリチウムイオン二次電池の急速充電を可
能にするという根本的な対策ではないため、リチウムイ
オン二次電池とは別に重量がかさむ一次電池が必要とな
り、大容量の放電が可能でかつ軽量であるというリチウ
ムイオン二次電池の特長を生かすことができないという
新たな不都合が生じてしまうこととなる。

【００１３】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、リチウムイオン二次電池を充電する
にあたり、サイクル特性の著しい低下を引き起こすこと
なく、１時間未満あるいは１０〜２０分間などの短時間
で超急速充電を行うことを可能とするリチウムイオン二
次電池の充電方法および充電装置を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によるリチウムイ
オン二次電池の充電方法は、リチウムイオン二次電池を
充電するにあたり、そのリチウムイオン二次電池の公称
容量を超えた電流値に充電電流を制御しながら、そのリ
チウムイオン二次電池の最大充電容量の半分以内までの
電気量を充電する工程を含むものである。

【００１５】また、本発明によるリチウムイオン二次電
池の充電装置は、充電対象のリチウムイオン二次電池に
充電電流を供給して充電を行う充電装置であって、充電
電流をリチウムイオン二次電池の公称容量を超えた電流
値に制御する充電電流制御手段と、リチウムイオン二次
電池の充電を、そのリチウムイオン二次電池の最大充電
容量の半分以内に設定された目標充電量まで継続する充
電量制御手段とを備えたものである。

【００１６】本発明によるリチウムイオン二次電池の充
電方法および充電装置では、充電対象のリチウムイオン
二次電池における最大充電容量の半分以内の電気量まで
は、そのリチウムイオン二次電池の公称容量を超えた電
流値の充電電流で充電する。すなわち、本発明者らは、
最大充電容量の半分以内の電気量までであれば、公称容
量を超えた電流値の充電電流で充電しても、そのリチウ
ムイオン二次電池のサイクル特性に著しいダメージを与
えないことを、種々の実験等により確認した。従って、
公称容量を超えた電流値の充電電流で最大充電容量の半
分以内の電気量までを急速に充電して、サイクル特性に
著しいダメージを与えることなく充電時間の短縮化を図
る。

【００１７】リチウムイオン二次電池は一般に、Ｎｉ−
Ｃｄ二次電池等の約２倍あるいはそれ以上の充電密度を
備えているので、本発明による充電方法または充電装置
によってリチウムイオン二次電池を最大充電容量の半分
以内の電気量まで超急速充電することにより、重量比換
算でＮｉ−Ｃｄ二次電池等と同等あるいはそれ以上の電
気量が充電される。

【００１８】なお、サイクル特性に著しいダメージを与
えないようにすることが可能で、かつ充電時間の短縮化
を図ることが可能であるような電流値としては、そのリ
チウムイオン二次電池の公称容量の１倍超ないし３倍の
範囲内のいずれかの値に設定することが望ましい。例え
ば、１．２Ｃや２Ｃあるいは２．９Ｃなどに設定するこ
とが可能である。さらに詳細には、充電電流値とサイク
ル特性の低下との相関関係は、リチウムイオン二次電池
の種類や構造の違いごとで異なっているので、要請され
る急速充電の早さと、そのときにセルに生じることが想
定されるダメージ（サイクル特性の低下の程度）とに基
づいて、適宜に充電電流値の大きさを設定することが望
ましい。

【００１９】また、最大充電容量の半分を超えた電気量
の充電については、セルのサイクル特性の低下を回避す
るために、充電電流を公称容量以内の電流値に制御しな
がら行うことが望ましい。

【００２０】また、充電電圧は、充電対象のリチウムイ
オン二次電池の定格充電電圧以内に制御することが望ま
しい。ただし、充電時間を可能な限り短時間化するため
には、充電電圧を定格充電電圧の許容範囲の最大値（以
下、最大定格充電電圧と呼ぶ）に設定することが望まし
い。

【００２１】本発明の充電方法および充電装置では、正
極として一般式：Ｌｉ_x ｎＯ₂ （但し，ｎはＣｏ，Ｎ
ｉ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｖ，Ｔｉの少なくとも１種を表
す。）で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を用い、
負極にリチウム・炭素層間化合物あるいは金属リチウム
若しくはリチウムとの合金化合物を用い、また、非水電
解質としてリチウム塩を有機溶媒に溶解させた非水電解
質液や、リチウム塩を高分子化合物に溶解・混合させた
固体電解質や、前述の固体電解質に有機溶媒を混合させ
たゲル状電解質等のポリマー電解質を備えた非水二次電
池等を、充電対象とすることが可能である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００２３】図１は、本発明の一実施の形態に係るリチ
ウムイオン二次電池の充電装置の概要構成を表したもの
である。なお、本発明の実施の形態に係るリチウムイオ
ン二次電池の充電方法は、この充電装置の動作あるいは
作用によって具現化されるものであるから、以下、それ
らを併せて説明する。

【００２４】このリチウムイオン二次電池の充電装置
は、電池内電気量検出部１と、充電用電源３と、充電電
流制御部５と、充電量制御部７と、充電設定部９と、表
示部１１とを備えている。

【００２５】さらに詳細には、電池内電気量検出部１
は、電池電圧検出部１３と、電池内電気量演算部１５
と、第１充電量演算部１７と、第１充電目標電気量設定
部１９とから、その主要部が構成されている。この電池
内電気量検出部１は、リチウムイオン二次電池２１の内
部電気量をその端子間電圧に基づいて検出し、目標充電
量に対応して第１充電における追充電量を演算するもの
である。

【００２６】電池電圧検出部１３は、リチウムイオン二
次電池の正極と負極との端子間電圧を検出する。その電
圧に基づいて、電池内電気量演算部１５が、そのときの
リチウムイオン二次電池２１の内部電気量を演算する。
リチウムイオン二次電池では一般に、内部電気量と放電
電圧とが、図２に一例を示したように比較的明確な単調
減少関数の関係にある。これは他のＮｉ−Ｃｄ二次電池
などとは異なる特徴である。従って、このようなリチウ
ムイオン二次電池２１の一般的な放電特性を生かして、
リチウムイオン二次電池２１の端子間電圧に基づいて、
電池の内部に残存している電気量を実用上十分な正確さ
で計測することができる。

【００２７】第１充電量演算部１７は、電池内電気量演
算部１５によって演算されたリチウムイオン二次電池２
１の現状の内部電気量と、第１充電目標電気量設定部１
９に設定されている目標電気量との差を演算し、その差
の電気量を第１充電における追充電量とする。そして充
電電流の設定および充電電圧の設定に基づいて、第１充
電が完了するまでの所要時間を演算する。また、その所
要時間を表示部１１の画面（図示省略）に表示する。例
えば、リチウムイオン二次電池２１の内部電気量が５０
０［ｍＷｈ］で、第１充電の目標電気量が１０００
［ｍＷｈ］に設定されており、充電電流が５０００［ｍ
Ａ］に設定されている場合、内部電気量と目標電気量と
の差は５００［ｍＷｈ］となり、それを５０００［ｍ
Ａ］の充電電流で充電するのであるから、そのときに要
する充電時間は６分間（０．１時間）と演算される。

【００２８】充電用電源３は、例えば家庭用交流電源な
どの電源２３から供給される電源電圧を、充電電圧制御
部２５によって所定の直流電圧に変換し、その電圧を安
定的に充電電圧として出力するものである。その充電電
圧の値は、充電電圧設定部２９によって設定される。さ
らに、その充電電圧の設定は、入力部２９を介してユー
ザーが適宜に変更することが可能となっている。

【００２９】充電電流制御部５は、電池内電気量演算部
１５による演算の結果、リチウムイオン二次電池２１の
内部電気量がその最大充電容量の半分以下であった場合
には、第１充電として、そのリチウムイオン二次電池２
１の公称容量を超えた電流値に設定された充電電流を制
御する。その充電電流の値としては、充電対象のリチウ
ムイオン二次電池２１の公称容量の１倍超ないし３倍の
範囲内のいずれかの値に設定することが望ましい。その
範囲内で、最大充電容量の半分以下の充電を行ってもリ
チウムイオン二次電池２１のサイクル特性に著しいダメ
ージを与えなることがなく、かつ充電時間の短縮化を図
ることが可能であるような充電電流値の大きさを、適宜
に設定することが望ましい。そのような充電電流値の設
定は、あらかじめ推奨値を充電電流設定部３１に設定し
ておいてもよく、あるいは、その推奨値をユーザーが入
力部２９を介して変更可能としてもよい。

【００３０】充電量制御部７は、第１充電量演算部１７
によって演算された所要時間に亘って、前述したような
公称容量を超えた電流値に設定された充電電流による第
１充電を継続する。このようにして半分の充電量まで超
急速充電した後、ユーザーは、半分の充電量で構わない
場合には、リチウムイオン二次電池２１を充電装置から
取り外して、例えば携帯用電子機器などに再び装着して
利用する。あるいは、さらに充電を継続することをユー
ザーが所望する場合には、第１充電が完了した後、ユー
ザーによって入力部２９を介して第２充電を開始する命
令が入力すると、それに基づいて、充電量制御部７が、
定格充電電流（ここでは公称容量と同等）以下の電流値
に設定された充電電流で、残りの電気量の充電を行う。
また、この充電量制御部７は、充電が進んで、リチウム
イオン二次電池２１が満充電になると、その満充電状態
に対応した所定の最大電圧値が電池内電気量検出部１に
よってリチウムイオン二次電池２１から検出されるの
で、その最大電圧値の検出に基づいて、満充電（充電が
完了したこと）を検知し、第２充電を終了させる。

【００３１】なお、このような電池電圧検出部１３によ
って検出されるリチウムイオン二次電池２１の電圧値に
基づいて第２充電を停止するタイミングを判定する場合
には、充電装置を時分割駆動するなどして、充電電圧を
印加するデューティと、リチウムイオン二次電池２１自
体の無負荷状態での端子間電圧を電池電圧検出部１３に
よって検出するデューティとを、切り替えなければなら
ないので、充電装置の動作が繁雑なものとなることがあ
る。そこで、電池電圧に基づいてリチウムイオン二次電
池２１の内部電気量を判定する手法の他にも、例えば、
残りの電気量を満充電するまでに必要な所要充電時間を
算出し、その所要充電時間に亘って第２充電を継続し、
その所要充電時間が経過した後は、第２充電を終了する
というように、第１充電の場合と同様に充電を時間的に
制御するようにしてもよい。また、第１充電と第２充電
との間に充電休止時間を設けることもできる。これは、
制御部に予め設定することで実現され、電池性能を劣化
させることもない。

【００３２】次に、この充電装置による充電動作につい
て説明する。図３は、本発明の一実施の形態に係るリチ
ウムイオン二次電池の充電装置による第１充電の動作の
概要を表したものである。

【００３３】まず、充電対象のリチウムイオン二次電池
２１が充電装置に接続されると、電池電圧検出部１３
が、そのリチウムイオン二次電池２１の無負荷時の放電
電圧（正極と負極との端子間電圧）を検出する（Ｓ
１）。続いて、検出された放電電圧と内部電気量との相
関関係に基づいて、放電電圧の値に対応したリチウムイ
オン二次電池２１の内部電気量を演算し（Ｓ２）、その
値を表示部１１に表示する（Ｓ３）。

【００３４】ここで、リチウムイオン二次電池２１の内
部電気量が最大充電容量の半分以上の場合には（Ｓ４の
Ｎ）第１充電を行わないか、または第２充電に移行す
る。一般に、充電装置に二次電池が装着されるのは、放
電電圧がカットオフ電圧未満となったとき、換言すれば
残留電気量が残り少ない状態となったときがほとんどで
あるから、通常はリチウムイオン二次電池２１の内部電
気量が最大充電容量の半分未満となっている場合が多
い。このようにリチウムイオン二次電池２１の内部電気
量が最大充電容量の半分未満の場合には（Ｓ４のＹ）、
第１充電量演算部１７が、第１充電の際の目標値として
最大充電容量の半分までの値に設定されている目標電気
量とリチウムイオン二次電池２１の現状の内部電気量と
の差を演算し（Ｓ５）、その差の電気量を第１充電の際
に必要な追充電量とし、その追充電量と、充電電流およ
び充電電圧の設定とに基づいて、第１充電が完了するま
での所要時間を演算する（Ｓ６）。また、その第１充電
所要時間を表示部１１の画面に表示する（Ｓ７）。

【００３５】続いて、上記のようにして演算された第１
充電の所要時間に亘って、定格充電電流を超えた電流値
にあらかじめ設定された充電電流による充電を行う（Ｓ
８〜Ｓ９のＮの繰り返し）。その第１充電所要時間が経
過すると（Ｓ９のＹ）、充電量制御部７は、目標電気量
までの充電が完了したものとして第１充電を停止する
（Ｓ１０）。また、その第１充電が完了した旨を表示部
１１が表示する（Ｓ１１）。

【００３６】このようにして第１充電による超急速充電
が完了して、最大充電容量の半分以下の電気量が充電さ
れた状態のリチウムイオン二次電池２１は、ユーザーが
所望する場合には（Ｓ１２のＮ）、充電装置から取り外
されるなどして、再び携帯用電子機器などに装着されて
利用される。

【００３７】あるいは、さらに残り半分の電気量も充電
して満充電状態にすることをユーザーが所望する場合に
は（Ｓ１２のＹ）、図４に示したように、定格充電電流
以下の電流値による第２充電を行う（Ｓ１３）。その第
２充電の続行中は、所定の周期ごとに（Ｓ１４のＹ）、
充電電圧ではないリチウムイオン二次電池２１自体の無
負荷状態の電圧を検出する（Ｓ１５）。その電圧に基づ
いて、電池内電気量演算部１５が、その検出時点ごとの
リチウムイオン二次電池２１の充電量を算出する（Ｓ１
６）。

【００３８】充電量制御部７は、算出された充電量を最
大充電容量と比較し、内部電気量が最大充電容量未満の
場合には（Ｓ１７のＮ）第２充電を継続する。しかし内
部電気量が最大充電容量以上となった場合には（Ｓ１７
のＹ）、満充電が完了したものとして第２充電を停止し
（Ｓ１８）、その旨を表示部１１の画面に表示する（Ｓ
１９）。

【００３９】上記のような本実施の形態に係る充電方法
における充電電流および充電電圧ならびに充電量（充電
された内部電気量）の時間的な変化は、例えば図５，図
６に一例を示したようなものとなる。なお、図中では、
充電電流を実線で示し、充電電圧を点線で示している
（以下、このようなグラフでは同様に表現している）。
ここに示した一例では、公称電圧３．７［Ｖ］、公称容
量６５０［ｍＡｈ］のポリマー型リチウムイオン二次電
池２１を、公称容量の約２．９倍（約２．９Ｃ）の充電
電流である１９００［ｍＡ］で１０分間の第１充電を行
って、最大充電容量の約４９％の電気量である３１７
［ｍＡｈ］まで超急速充電し、その後、定格放電容量未
満の５００［ｍＡ］の電流で２．５時間に亘って第２充
電を行った結果を示したものである。なお、この図５お
よび図６に示した一例では、制御の繁雑化を避けるため
に、所要充電時間としてあらかじめ一律に定めた２．５
時間に亘って第２充電を継続して行うものとした。

【００４０】１９００［ｍＡ］の定電流で充電を開始す
ると、充電電圧は急峻に４［Ｖ］以上に達し、それから
さらに上昇して、１０分後には最大定格電圧の約４．２
［Ｖ］になる。この間、電流値はほとんど１９００［ｍ
Ａ］に保たれており、約３００［ｍＡｈ］の電気量が超
急速充電される。これは、従来の一般的な０．３Ｃ〜１
Ｃ程度の充電電流によって同じ３００［ｍＡｈ］の電気
量を充電するための必要充電時間３０分〜１時間３０分
と比較して、極めて短時間なものとなっている。

【００４１】このような第１充電の所要時間である約１
０分が経過すると、第１充電と同じく４．２ ［Ｖ］の
充電電圧で、５００［ｍＡ］の充電電流による第２充電
を開始する。充電電流は、この第２充電を開始してから
約３０分間は、５００［ｍＡ］でほぼ一定に保たれる。
それ以降は減少して行く。充電を開始してから約１２０
分後には、ほぼ０［ｍＡ］となり、実質的に満充電に達
して、第２充電が終了する。一方、充電電圧は、第２充
電の開始直後には充電電流の変更に伴って４．２［Ｖ］
から約４．０［Ｖ］に低下するが、その後の約３０分間
は徐々に上昇し、その３０分間が経過した後は４．２
［Ｖ］に達して、それ以降は変化することなく、ほぼ一
定となる。このような第２充電によって、第１充電の残
りの電気量をほぼ完全に充電することができる。この一
例では、第２充電によって満充電を行うために実質的に
要する時間は約１１０分間である。従って、第１充電を
開始してから満充電に達するまでの時間は合計１２０分
間となっている。

【００４２】このような第１充電および第２充電によっ
てリチウムイオン二次電池２１の内部に蓄積される電気
量の推移は図６に示したようなものとなる。最初の１０
分間の第１充電によって、最大充電容量の約４９％であ
る３００［ｍＡｈ］程度を充電することができる。この
約１０分間の第１充電が完了した時点でも、リチウムイ
オン二次電池２１には最大充電容量（満充電量）の約半
分の電気量が充電されているので、ユーザーは、そのよ
うな満充電の約半分の電気量に対応した動作継続時間で
の使用で済むのであれば、この約１０分程度の超急速充
電による第１充電で一旦充電を終了し、そのリチウムイ
オン二次電池２１を用いた携帯型電子機器の使用を再び
開始することができる。リチウムイオン二次電池は一般
に、重量比換算でＮｉ−Ｃｄ二次電池等の約２倍の最大
充電容量を備えている。従って、第１充電によってリチ
ウムイオン二次電池２１の最大充電容量の半分の電気量
を充電した状態であっても、同重量のＮｉ−Ｃｄ二次電
池等における満充電の電気量と同等の電気量が充電され
たことになる。従って、本発明に係る第１充電によれ
ば、リチウムイオン二次電池２１の半分の電気量を充電
することにより、少なくとも同重量のＮｉ−Ｃｄ二次電
池等における満充電の電気量と同等の電気量を、１０分
〜２０分程度の極めて短時間で急速に充電することがで
きる。

【００４３】さらに多くの電気量を充電することをユー
ザーが所望する場合には、第１充電の終了後、第２充電
を行うことにより、サイクル特性の低下を引き起こすこ
となく、さらに多くの電気量を充電することができる。

【００４４】満充電未満の電気量の充電と放電とを繰り
返しても、リチウムイオン二次電池２１には、いわゆる
メモリー効果がないので、そのメモリー効果に起因した
充電容量の低下などの不都合が生じることもない。しか
も、後述するように、定格充電電流値を超えた電流で最
大充電容量の半分までを超急速充電しても、リチウムイ
オン二次電池２１にはサイクル特性の顕著な低下が生じ
ないことが確認されており、上記のような超急速充電を
行っても、それに起因したリチウムイオン二次電池のサ
イクルライフの短命化を回避することができる。

【００４５】次に、公称容量を超えた電流による超急速
充電での充電量とサイクル特性の低下との相関関係を確
認するために本発明者らが行った実験およびその結果に
ついて説明する。

【００４６】まず、この実験を行った時点で８ｍｍビデ
オカメラ等に利用されている、重量４０［ｇ］、直径１
８［ｍｍ］、長さ６５［ｍｍ］の円筒形状で、負極にリ
チウム・炭素層間化合物を、正極にＬｉＣｏＯ₂ を採用
した、形式番号ＵＳ１８６５０のリチウムイオン二次電
池を、本実施の形態に係る充電方法によって充電する実
験を行った。公称電圧が３．７［Ｖ］、公称容量が１８
００［ｍＡｈ］のリチウムイオン二次電池を２サンプル
用意し、その各々を充電した。

【００４７】第１充電では、最大充電電圧を４．２
［Ｖ］に設定すると共に、充電電流を５０００［ｍＡ］
（２．７８Ｃ）に制御しながら、図７に示したように、
継続時間を５分間とした場合から１３分間とした場合ま
で、１分刻みに設定を変えて、合計９通りの場合につい
て実験した。また、第２充電では、最大充電電圧を４．
２［Ｖ］に設定すると共に、充電電流を１０００［ｍ
Ａ］（０．５６Ｃ）を超えないように制御しながら、
３．５時間に亘ってその充電を継続するものとした。こ
のように第１充電および第２充電を設定し、充電と放電
とを交互に１０サイクル繰り返した後、電池内部での負
極表面劣化度合および充電容量の低下を調べた。なお、
このときの放電条件は、雰囲気温度２３［℃］、放電負
荷１．８［Ｗ］、カットオフ電圧３．０［Ｖ］に設定し
た。このとき、充電比率（最大充電容量に対する実際上
の充電量の比率）は、いずれの充電電流の場合も５０％
以下となっている。

【００４８】その結果、第１充電を最長の１３分間に亘
って行った場合でも、負極表面の劣化はなく、また充電
容量の低下も一般的な充電方法の場合と同等であり、サ
イクル特性の低下が生じないことが確認された。

【００４９】次に、第２充電における充電電流をどの程
度まで大きな電流にすることができるかを確認する実験
を行った。この実験では、まず第１充電を、最大充電電
圧４．２［Ｖ］、充電電流５０００［ｍＡ］に制御しな
がら行って、最大充電容量１８００［ｍＡｈ］の３３．
４％に相当する約６００［ｍＡｈ］までの電気量を充電
した後、第２充電として、充電電流を上記よりも小さい
電流値である１２００［ｍＡ］（０．６７Ｃ）、１４０
０［ｍＡ］（０．７８Ｃ）、１６００［ｍＡ］（０．８
９Ｃ）、１８００［ｍＡ］（１Ｃ）の４通りに変えて、
その各場合ごとに３．５時間に亘る充電を行った。この
ように第１充電に続いて種々の設定で第２充電を行うも
のとし、その充電と放電とを交互に１０サイクル繰り返
した後、電池内部で負極表面劣化度合を調べた。

【００５０】その結果、第２充電の充電電流が１６００
［ｍＡ］の場合までは、いずれも負極表面の劣化は生じ
ていなかった。しかし、１８００［ｍＡ］の場合には劣
化が認められ、サイクル特性の低下が懸念されることが
判明した。この結果から、第２充電の際の充電電流は、
最大でも１８００［ｍＡ］（１Ｃ）未満とすることが望
ましく、さらにマージン（安全率）を見込んで１４００
〜１６００［ｍＡ］以下の電流値にすることが望ましい
ことが確認された。

【００５１】次に、上記と同様の構造で寸法が異なる、
形式番号ＵＳ１８５００のリチウムイオン二次電池を、
第１充電および第２充電によって充電する実験を行っ
た。このリチウムイオン二次電池は、公称電圧が３．７
［Ｖ］、公称容量が１２８０［ｍＡｈ］である。

【００５２】この実験では、第１充電を、最大充電電圧
４．２［Ｖ］、充電電流３５００［ｍＡ］（２．７３
Ｃ）に制御しながら、１５分間に亘って行い、それに続
いて、第２充電を、充電電流１０００［ｍＡ］（０．７
８Ｃ）以下に制御しながら、３時間に亘って行った。第
１充電では、最大充電容量の約４７％である６００［ｍ
Ａｈ］までの電気量が急速充電され、その後、残りの約
５３％である６８０［ｍＡｈ］が第２充電によって充電
された。そして充電が完了すると、放電条件を雰囲気温
度２３［℃］、放電負荷１．８［Ｗ］、カットオフ電圧
３．０［Ｖ］に設定して、定格放電を行った。

【００５３】このような充・放電を、２００サイクルに
亘って繰り返し行って、サイクル回数に対応した放電容
量の推移を調べた結果、図８に示したように、充・放電
を２００サイクルに亘って繰り返しても、放電容量は当
初の４．５［Ｗｈ］から若干低下しただけで、約４．０
［Ｗｈ］以上を保つことができることが確認された。こ
のとき、容量保持率としては、図９に示したように、２
００サイクル経過後でも８５〜９０％以上に保たれてい
る。これは、一般的な充電方法の場合と同等である。ま
た、負極表面の劣化も見受けられないことが確認され
た。

【００５４】次に、充電装置の動作の説明でポリマー型
の典型的なものとして例示したポリマー型リチウムイオ
ン二次電池について、公称容量を超えた電流による超急
速充電での充電量とサイクル特性の低下との相関関係を
確認するための実験を行った。

【００５５】この実験では、最大充電電圧を一律に４．
２［Ｖ］に設定すると共に、最大充電電流を６００［ｍ
Ａ］（０．９２Ｃ）、８００［ｍＡ］（１．２３Ｃ）、
１０００［ｍＡ］（１．５４Ｃ）、１３００［ｍＡ］
（２．００Ｃ）、１６００［ｍＡ］（２．４６Ｃ）、１
９００［ｍＡ］（２．９２Ｃ）の６通りに変えて、その
各場合ごとに、２．５時間に亘って充電を継続して、ポ
リマー型リチウムイオン二次電池の満充電を行った。こ
のような充電と、それに続いて放電電流２５０［ｍ
Ａ］、カットオフ３．０［Ｖ］の放電条件による放電と
を、交互に５０サイクル繰り返した後、各場合ごとでの
サイクル特性の低下を調べた。

【００５６】その結果、図１０に示したように、５０サ
イクル経過時の放電容量保持率は、６００［ｍＡ］
（０．９２Ｃ）の場合で９７．８％、８００［ｍＡ］
（１．２３Ｃ）の場合で９６．９％、１０００［ｍＡ］
（１．５４Ｃ）の場合で９３．９％、１３００［ｍＡ］
（２Ｃ）の場合で８８．９％となり、いずれも８５％以
上となった。しかし、２Ｃを超えた１６００［ｍＡ］
（２．４６Ｃ）の場合は８２．２％、１９００［ｍＡ］
（２．９２Ｃ）の場合は７７．３％となり、８５％未満
となった。また、放電容量および放電容量保持率の５０
サイクル経過までの推移は、図１１および図１２に示し
たようなものとなった。これらの図から、特に１６００
［ｍＡ］、１９００［ｍＡ］で長時間充電した場合に
は、サイクル経過に連れて急激に放電容量保持率が低下
して行くことが確認された。また、１３００［ｍＡ］の
場合も、放電容量の低減率が大きく、さらに充・放電サ
イクルを繰り返した後には、大幅に放電容量保持率が低
下して行き、例えば１００サイクルに至る前に８５％を
下回ってしまうことなどが想定される。

【００５７】なお、充電時の電池セルの表面の温度につ
いては、上記のいずれの場合も、３０［℃］〜３２．５
［℃］となっており、充電時の使用温度範囲内にあるこ
とが確認された。

【００５８】このようなサイクル特性の実験結果から、
定格充電電流（１Ｃ）を超えた電流値で長時間に亘って
ポリマー型リチウムイオン二次電池を充電する場合に
は、特に２Ｃ以上の電流値の場合に、放電容量保持率の
低下が著しくなることが確認された。そこで、特に１６
００［ｍＡ］および１９００［ｍＡ］の電流値で超急速
充電を行う場合について、上記と同じポリマー型リチウ
ムイオン二次電池を、本実施の形態に係る充電装置を用
いて第１充電および第２充電によって充電する実験を行
った。

【００５９】この実験では、第１の実験と第２の実験と
を行った。第１の実験では、最大充電電圧を４．２
［Ｖ］に制御すると共に、充電電流を１６００［ｍＡ］
に制御しながら、１２分間に亘って第１充電を行った
後、最大充電電圧４．２［Ｖ］で最大充電電流を５００
［ｍＡ］に制御しながら、２．５時間に亘って第２充電
を行うものとした。このような充電と、それに続いて放
電電流２５０［ｍＡ］、カットオフ３．０［Ｖ］という
放電条件による放電とを、交互に５０サイクル繰り返し
た後のサイクル特性の低下を調べた。また、第２の実験
では、最大充電電圧を４．２［Ｖ］に制御すると共に、
充電電流を１９００［ｍＡ］に制御しながら、１０分間
に亘って第１充電を行った後、最大充電電圧４．２
［Ｖ］で最大充電電流を５００［ｍＡ］に制御しなが
ら、２．５時間に亘って第２充電を行い、その充電に続
いて上記同様の放電を交互に５０サイクル繰り返して、
サイクル特性の低下を調べた。

【００６０】第１の実験では、１２分間の第１充電で、
公称容量６５０［ｍＡｈ］の４９％である３２０［ｍＡ
ｈ］の電気量が充電され、その後、２．５時間の第２充
電で残りの電気量が充電された。その結果、充・放電を
５０サイクル行った後の放電容量保持率は９７．０％と
なった。このときの充電電圧および充電電流の推移は、
図１３に示したようなものとなった。充電電流を１６０
０［ｍＡ］に制御しながら充電を開始すると、充電電圧
は、点線で示したように、急峻に４［Ｖ］以上に達し、
それからさらに上昇して、１２分後には最大定格充電電
圧の約４．２［Ｖ］になる。この間、電流値は、実線で
示したように１６００［ｍＡ］に保たれている。

【００６１】第１充電の１２分が経過すると、４．２
［Ｖ］の最大定格充電電圧で第２充電が開始されるが、
その開始後から約３０分の間、充電電流は５００［ｍ
Ａ］でほぼ一定に保たれ、それ以降は減少して行く。そ
して充電開始後約１２０分には、ほぼ０ ［ｍＡ］とな
り、実質的に満充電に達して、第２充電が終了する。一
方、充電電圧は、第２充電の開始直後には充電電流の変
更に伴って４．２［Ｖ］から約４．０［Ｖ］に一旦低下
するが、その後約３０分間は徐々に上昇し、４．２
［Ｖ］に達すると、それ以降は変化することなくほぼ一
定で満充電に至る。このときの充電量の推移は、第１充
電から第２充電に移行する時刻が１０分から１２分に変
わるだけで、その他は図６に示したような１９００［ｍ
Ａ］で第１充電を行った場合と同様となっている。

【００６２】第２の実験では、１０分間の第１充電で、
公称容量６５０［ｍＡｈ］の４９％である約３１７［ｍ
Ａｈ］の電気量が充電され、その後、２．５時間の第２
充電で残りの電気量が充電された。その結果、５０サイ
クルの充・放電経過後の放電容量保持率は９６．９％と
なった。このときの充電電圧および充電電流ならびに充
電量の推移は、既に図５、図６で説明した通りである。

【００６３】このような第１の実験および第２の実験に
おける放電容量および放電容量保持率の５０サイクル経
過までの推移は、図１５、図１６に示したようなものと
なり、サイクル特性に著しい低下は生じることがなく、
１Ｃ以下の電流値で１時間以上の充電時間をかけて充電
した場合のそれと同等であることが確認された。

【００６４】以上のように、本実施の形態に係る充電装
置を用いて第１充電および第２充電を行う充電方法によ
れば、充電対象のリチウムイオン二次電池にサイクル特
性の著しい低下を生じないようにしながら、充電時間の
短縮化を図ることが可能となる。特に、第１充電におけ
る充電電流を２Ｃ〜３Ｃの範囲内のいずれかの電流値に
設定することにより、定格充電容量の半分までの電気量
を１０〜１５分間程度の短時間で充電することが可能と
なる。また、その第１充電が完了した段階で充電を終了
してもよいが、それに続いて第２充電を行って、残りの
電気量を定格充電電流以下の電流で満充電することも可
能である。この第２充電を行った場合でも、第１充電に
おける充電時間の短縮化によって、満充電までに要する
充電時間を従来よりも大幅に短縮化することが可能とな
る。

【００６５】なお、本実施の形態に係る充電装置や充電
方法は、例えばノートブック型パソコンや家庭用ビデオ
カメラや携帯電話など、各種の携帯用電子機器に用いら
れるリチウムイオン二次電池（ポリマー型を含む）の充
電に好適なものであるが、それらのみには限定されない
ことは言うまでもない。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１ないし４
のうちいずれかに記載のリチウムイオン二次電池の充電
方法または請求項５ないし８のうちいずれかに記載のリ
チウムイオン二次電池の充電装置によれば、公称容量を
超えた電流値の充電電流で最大充電容量の半分以内の電
気量までを充電するようにしたので、充電対象のリチウ
ムイオン二次電池におけるサイクル特性に著しいダメー
ジを与えないようにしながら充電時間の短縮化を図るこ
とが可能となり、最大充電容量の半分以内の電気量を１
時間未満あるいは１０〜２０分間程度で超急速充電する
ことができるという効果を奏する。

【００６７】なお、本発明による充電方法または充電装
置によってリチウムイオン二次電池を最大充電容量の半
分以内の電気量まで超急速充電することで、重量比換算
でＮｉ−Ｃｄ二次電池等と同等あるいはそれ以上の電気
量を充電することができるので、本発明によれば、充電
時間の短縮化の点でも、Ｎｉ−Ｃｄ二次電池やＮｉ−Ｍ
Ｈ二次電池等に対してリチウムイオン二次電池を同等あ
るいはさらに優位なものとすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係るリチウムイオン二
次電池の充電装置の概要構成を示した図である。

【図２】リチウムイオン二次電池における内部電気量と
放電電圧との一般的な相関関係を示した図である。

【図３】第１充電による充電動作の概要を示した流れ図
である。

【図４】第２充電による充電動作の概要を示した流れ図
である。

【図５】本発明の一実施の形態に係る充電方法による充
電電流および充電電圧の時間的な変化の一例を示した図
である。

【図６】本発明の一実施の形態に係る充電方法による充
電量の時間的な変化の一例を示した図である。

【図７】第１充電の継続時間を５分間とした場合から１
３分間とした場合まで１分刻みに設定を変えて行った実
験の概要を示した図である。

【図８】充・放電を２００サイクルに亘って繰り返し行
って放電容量の推移を調べた結果を示した図である。

【図９】充・放電を２００サイクルに亘って繰り返し行
って放電容量保持率の推移を調べた結果を示した図であ
る。

【図１０】最大充電電流を６００［ｍＡ］から１９００
［ｍＡ］までの６通りに変えて、ポリマー型リチウムイ
オン二次電池の満充電を行った実験の概要を示した図で
ある。

【図１１】図１０に示した実験の結果に確認された放電
容量の５０サイクル経過までの推移を示した図である。

【図１２】図１０に示した実験の結果に確認された放電
容量保持率の５０サイクル経過までの推移を示した図で
ある。

【図１３】第１の実験により確認された充電電流および
充電電圧の時間的な変化を示した図である。

【図１４】第１の実験により確認された充電量の時間的
な変化を示した図である。

【図１５】第１の実験および第２の実験における放電容
量の５０サイクル経過までの推移を示した図である。

【図１６】第１の実験および第２の実験における放電容
量保持率の５０サイクル経過までの推移を示した図であ
る。

【符号の説明】

１…電池内電気量検出部、３…充電用電源、５…充電電
流制御部、７…充電量制御部、９…充電設定部、１１…
表示部

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リチウムイオン二次電池を充電するにあ
   たり、 そのリチウムイオン二次電池の公称容量を超えた電流値
   に充電電流を制御しながら、そのリチウムイオン二次電
   池の最大充電容量の半分以内までの電気量を充電する工
   程を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池の充
   電方法。
2. 【請求項２】 前記電流値を、前記公称容量の１倍超な
   いし３倍の範囲内のいずれかの値に設定したことを特徴
   とする請求項１記載のリチウムイオン二次電池の充電方
   法。
3. 【請求項３】 前記リチウムイオン二次電池の最大充電
   容量の半分の電気が既に充電されている場合には、それ
   以上の電気量の充電は、充電電流を前記公称容量以内の
   電流値に制御しながら行うことを特徴とする請求項１記
   載のリチウムイオン二次電池の充電方法。
4. 【請求項４】 前記充電電流の制御に加えて、さらに、
   充電電圧を前記リチウムイオン二次電池の定格充電電圧
   に制御しながら、前記充電を行うことを特徴とする請求
   項１記載のリチウムイオン二次電池の充電方法。
5. 【請求項５】 充電対象のリチウムイオン二次電池に充
   電電流を供給して充電を行う充電装置であって、 前記充電電流を前記リチウムイオン二次電池の公称容量
   を超えた電流値に制御する充電電流制御手段と、 前記リチウムイオン二次電池の充電を、そのリチウムイ
   オン二次電池の最大充電容量の半分以内に設定された目
   標充電量まで継続する充電量制御手段とを備えたことを
   特徴とするリチウムイオン二次電池の充電装置。
6. 【請求項６】 前記電流値が、前記公称容量の１倍超な
   いし３倍の範囲内のいずれかの値に設定されていること
   を特徴とする請求項５記載のリチウムイオン二次電池の
   充電装置。
7. 【請求項７】 前記充電電流制御手段は、さらに、前記
   リチウムイオン二次電池が最大充電容量の半分の電気量
   を既に充電されている場合には、充電電流を前記公称容
   量以内の電流値に制御するものであることを特徴とする
   請求項５記載のリチウムイオン二次電池の充電装置。
8. 【請求項８】 前記充電の際に充電電圧を前記リチウム
   イオン二次電池の定格充電電圧に制御する充電電圧制御
   手段を、さらに備えたことを特徴とする請求項５記載の
   リチウムイオン二次電池の充電装置。