JP2005294196A - 電池の充電方法、充電器及び充電システム - Google Patents

Abstract

【目的】 充放電サイクル性能を向上し、且つ、充電時間を短縮することのできる充電方法、充電器及び充電システム。
【構成】 特に非水電解質電池では、電池温度が４５℃以上の場合、定電流定電圧充電の充電終止電流値を０．２ＩｔＡ以上で切ることによって、充放電サイクル性能が低下するどころか、逆に向上するとの知見に基づき、これを応用した充電方法、充電器及び充電システムを提案する。
充電システムは、温度検出手段と、前記温度検出結果に基づいて複数の充電方法から１つを選択する充電方法判断手段と、前記複数の充電方法を実現可能な充電器とを備え、前記複数の充電方法が本発明の充電方法を含むものである。
【選択図】 なし

Description

本発明は、充放電サイクル性能を向上し、且つ、充電時間を短縮することのできる充電方法、充電器及び充電システムに関する。

近年、エネルギー密度の高い電池として、リチウムイオン電池に代表される非水電解質電池が特にポータブル機器の分野でさかんに用いられている。非水電解質電池の使用環境によっては、比較的高い温度となる場合がある。円筒型電池等の小型電池を複数本束ねて用いる場合もある。

また、電極活物質の改良や、大きなサイズの電極シートを安定に連続生産可能な製造技術の発達により、セル当たりの容量が大きい大容量で大型のリチウムイオン電池（以下「大容量リチウム電池」という）についても今後生産量が増大すると予測される。このような大容量リチウム電池は、１セルを単独で、又は、複数のセルを集合した集合電池として、電気自動車、電力貯蔵、無停電電源等の用途に用いられようとしている。

一般にリチウムイオン二次電池の充電方法としては、例えば特許文献１に記載されているように、定電流定電圧充電法が用いられている。定電流定電圧充電法とは、電池電圧が特定の電圧に達するまでは一定の電流で充電を行い（定電流モード）、前記特定の電圧に達した以降は一定の電圧を印加する（定電圧モード）充電方法をいう。一般に、該定電流定電圧充電法においては、充電の開始から一定時間が経過したことをもって、もしくは、電池電圧が前記特定の電圧に達してから一定の時間が経過したことをもって、又は、前記定電流モードにおいて流れる電流値が充分に小さい値にまで減衰したことをもって、あるいは、これら複数の条件を組み合わせていずれかの条件が満たされたことをもって、充電を終止するものとされている。ここで、充電を終止する判断基準となる定電流モードにおける電流値（充電終止電流値）は、例えば前記特許文献においては０．０５ＩｔＡ以下とされている。また、一般の携帯電話用充電器に採用されている充電方法における充電終止電流値は０．1ＩｔＡ程度に相当する値が採用されている。
特開平５−１１１１８４号公報

しかしながら、実際に使用される環境（実地フィールド）における非水電解質電池の充放電サイクル性能は、実験室で行われた試験結果に基づく性能を下回ることがある。例えば、大容量リチウム電池を実地フィールドに設置して繰り返し充放電サイクルを行うと、小容量のモデルセルによる試験結果や、実験室での大容量リチウム電池の試験結果から予測される性能よりも低いものとなる場合があった。

上記問題点に鑑み、本発明は、充放電サイクル性能を向上し、且つ、充電時間を短縮することのできる充電方法、充電器及び充電システムを提供することを目的とする。

上記問題点を解決するため、本発明者らは、実地フィールドにおける電池の充放電サイクル性能が充分なものとならない場合がある原因について鋭意検討した。その結果、実地フィールドの環境温度による影響が示唆された。即ち、例えば大型リチウム電池を集合して設置した場所では、環境が４５℃以上となっている場合が多かった。

そこで、本発明者らは、電池の温度と充放電サイクル性能との関係について検討を続けたところ、実に驚くべきことに、５０℃前後の温度においては、特定の充電条件としたときに、充放電サイクル性能の低下を大幅に抑制することができることを見いだし、本発明に至った。

即ち、前記したように、一般に非水電解質電池の充電においては、定電圧モードでの充電終止電流値は０．1ＩｔＡ程度である。これは、充電終止電流値がこれよりも大きいと、充電が不充分となり、放電容量が低下するためである。ところが、本発明者らの検討によれば、温度が４５℃以上の場合は、実に驚くべきことに、逆に充電終止電流値を０．５ＩｔＡとした場合の方が、充電終止電流値を０．０５ＩｔＡとした場合よりも、充放電サイクル性能が格段に向上することを見いだした。

即ち、本発明の構成と作用効果は次の通りである。但し、作用機構については推定を含んでおり、その作用機構の成否は、本発明を制限するものではない。

（１）充電電流が設定した充電終止電流値に達したことをもって充電を終止する定電流定電圧充電法において、前記充電終止電流値が０．２ＩｔＡ以上である電池の充電方法。
（２）温度が４５℃以上の電池に対して行う前記（１）項記載の電池の充電方法。
（３）前記（１）項又は（２）項記載の充電方法を実現可能な充電器。
（４）電池周囲の環境温度、及び、電池の電槽表面又は内部温度、のうちいずれか一方又は両方を測定する温度検出手段と、前記温度検出結果に基づいて前記（１）項記載の充電方法を含む複数の充電方法から１つを選択する充電方法判断手段と、前記複数の充電方法を実現可能な充電器とを備えた充電システム。

（１）項により、充放電サイクル性能を向上することのできる充電方法を提供できる。
（２）項により、充放電サイクル性能をさらに確実に向上することのできる充電方法を提供できる。
（３）項により、本発明の効果を奏することのできる充電方法を提供可能な充電器を提供できる。
（４）項により、周囲温度に応じて好ましい充電方法を選択して実行することにより、電池の充放電サイクル性能を充分なものとすることのできる充電システムを提供できる。

電流値の単位「ＩｔＡ」とは、電池の定格容量に対する電流値表示であり、例えば公称容量１０００ｍＡの電池において１．０ＩｔＡは１０００ｍＡに相当し、０．２ＩｔＡは２００ｍＡに相当する。

前記充電システムが備える前記複数の充電方法を実現可能な充電器は、ｎ種の充電方法を実現する物理的に別個なｎ種の電子回路を備えた１個〜ｎ個の部分からなる充電器であってもよく、１種の電子回路を用いてその回路を構成する素子の固有値を電子的に可変制御することによりｎ種の充電方法を実現可能とした充電器であってもよい。また、前記充電システムが備える前記複数の充電方法は、それぞれの充電条件が連続的に変化するものであって充電方法の数が不可算であるものであってもよい。

本発明の効果が奏される作用機構については必ずしも明らかではないが、本発明者らは、小型のリチウムイオン電池を種々の温度条件下で、充電の開始から一定時間が経過したことをもって充電終止とする定電流定電圧充電（例えば定電流値１ＩｔＡ、充電終止は充電開始から２．５時間）を採用して充放電サイクルを繰り返した場合、それぞれの電池の充放電サイクル性能は、温度４５℃以上になると急激に低下する現象を別途見いだしている。このことから、４５℃以上の温度環境下において充放電サイクル性能を低下させる原因としては充電時の副反応によるものが大きな割合を占め、またその副反応の程度は４５℃以上で急に高くなり、この副反応は充電時の定電圧モードで印加される電位と関連していると考えられた。そこで、本発明の方法によれば充電中の定電圧モードの時間が短縮できるため、充放電サイクルを繰り返したときの電池性能の低下が抑えられるものと推察している。

本発明の充電方法によれば、充放電サイクル性能を向上することのできる充電方法、充電器及び充電システムを提供できる。さらに、充電終止電流値が従来に比べて大きいので、充電時間が短縮できる。

前記した理由から、本発明の充電方法は、温度４５℃以上となりうる電池に対して行うことが好ましい。

本発明において、前記充電終止電流値は０．２ＩｔＡ以上である。充電終止電流値を０．２ＩｔＡ以上とすることによって、本発明の効果を充分に発揮させることができる。また、充電終止電流値は０．５ＩｔＡ以下とすることが好ましい。充電終止電流値を０．５ＩｔＡ以下とすることによって、充電量が不充分となる虞を低減できる。

定電流モードの電流値は、０．５ＩｔＡ以上とすると、定電流モードのうち定電圧モードで印加する電圧に近い高い電圧が印加される時間が長くなりすぎないので、副反応の影響を大きく受ける虞を避けることができるため、好ましい。また、定電流モードの電流値は、１．５ＩｔＡ以下とすると、定電流モードから定電圧モードへの切り替わり時期が早くなりすぎることがなく、従って定電圧モードにおいて高い電圧が印加される時間が長くなりすぎないので、副反応の影響を大きく受ける虞を避けることができるため、好ましい。

本発明の充電方法や充電器を適用する電池の種類については、限定されるものではないが、本発明の充電方法の前提である定電流定電圧充電は、リチウムイオン電池、金属リチウム電池、等に代表される非水電解質電池に適用することが好ましいことから、本発明の充電方法や充電器についても、非水電解質電池に適用することが好ましい。

以下、実施例ならびに比較例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの記載によって何ら限定されるものではない。

（供試電池）
あらかじめ数サイクルの初期充放電を含む初期化成工程を経て完成された定格容量６５０ｍＡｈのリチウムイオン電池を供試電池として用いた。この電池は、正極にＬｉＣｏＯ₂を用い、負極に黒鉛を用い、電解液には、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比１：１の割合で混合した混合溶媒に六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）を１モル／リットル溶解し、さらに２重量部のビニレンカーボネート及び２重量部の１，３−プロパンスルトンを添加した電解液を用いている。

（比較充電器）
周知の技術を用いて電子部品を組み合わせ、定電流値６５０ｍＡ（定格容量６５０ｍＡｈの電池に対して１．０ＩｔＡに相当）、定電圧値４．２Ｖ、充電終止電流値６５ｍＡ（定格容量６５０ｍＡｈの電池に対して０．１ＩｔＡに相当）の定電流定電圧充電器を作製した。これを比較充電器とする。

（本発明充電器１）
周知の技術を用いて電子部品を組み合わせ、定電流値６５０ｍＡ（定格容量６５０ｍＡｈの電池に対して１．０ＩｔＡに相当）、定電圧値４．２Ｖ、充電終止電流値１３０ｍＡ（定格容量６５０ｍＡｈの電池に対して０．２ＩｔＡに相当）の定電流定電圧充電器を作製した。これを本発明充電器１とする。

（本発明充電器２）
周知の技術を用いて電子部品を組み合わせ、定電流値６５０ｍＡ（定格容量６５０ｍＡｈの電池に対して１．０ＩｔＡに相当）、定電圧値４．２Ｖ、充電終止電流値３２５ｍＡ（定格容量６５０ｍＡｈの電池に対して０．５ＩｔＡに相当）の定電流定電圧充電器を作製した。これを本発明充電器２とする。

（本発明充電システム）
周知の技術を用いて電子部品を組み合わせて本発明充電システムを作製した。該本発明充電システムは、電池の電槽表面への貼付が容易な貼付手段を具備した温度センサーを備えた温度検出手段と、充電器として前記比較充電器及び前記本発明充電器１とを備え、前記温度検出手段によって検出された温度が４５℃以上の場合は、前記本発明充電器１が充電回路に接続され、前記温度検出手段によって検出された温度が４５℃未満の場合は、前記比較充電器が充電回路に接続されるように、検出温度によって回路が切り替わるように設計した。

（実証試験）
前記供試電池を用いて実証試験を行った。供試電池は一定温度に管理された恒温槽中に設置した。表１に示すように、試験温度条件と充電器とを組み合わせて１０００サイクルの充放電サイクル試験を行った。充電から放電への切替時及び放電から充電への切替時にはいずれも０．５時間の休止を設けた。放電電流は６５０ｍＡ（設計用量６５０ｍＡｈの電池に対して１．０ＩｔＡに相当）とし、放電終止電位は３．０Ｖとした。結果を表１に併せて示す。

表１の結果からわかるように、２５℃においては、１０００サイクル目の放電容量は、充電条件によってあまり変わらないか、むしろ従来充電器を用いて充電終止電流値を０．１ＩｔＡとした場合が最も高い。一方、５０℃においては、驚くべきことに、従来充電器を用いて充電終止電流値を０．１ＩｔＡとした場合の放電容量に比べ、本発明充電器を用いて充電終止電流値を０．２ＩｔＡ、さらには０．５ＩｔＡとした場合の方が、１０００サイクル目の放電容量が高くなっていることがわかる。

（大型リチウム電池）
定格容量２５Ａｈのリチウム電池を作製した。この電池の処方は前記供試電池と同様であり、電池寸法は、高さ１２４ｍｍ、幅１４５ｍｍ、奥行き３７ｍｍである。この、１セル当たりの定格容量が２５Ａｈの大型リチウム電池を７個集合して、集合電池（電池モジュール）とした。この集合電池の外形寸法は、高さ１５５ｍｍ、幅１５５ｍｍ、奥行き３８１ｍｍである。該集合電池を温度制御をしていない屋内に設置した。前記本発明充電システムを該集合電池に接続し、温度センサーを集合された７個の電池の３個目と４個目の間に挟むように貼付け、電槽表面の温度を検出できるようにした。このようにして、該集合電池の充放電試験を実施中であるが、本発明充電器を備えていない従来の充電システムを適用した場合に比べ、集合電池の放電容量は良好な推移を示している。

本発明は、温度４５℃以上となりうる電池に対して適用することが好ましく、電池形状は小容量の小型電池であっても大容量の大型電池であってもよい。１セル当たりの定格容量が２５Ａｈ以上の電池は、電池体積の割には電池表面積が小さいものとなりがちである為、蓄熱が起こりやすく、また複数個の電池を集合して用いることも多いことから、使用時の電池温度が４５℃以上となりやすい。この観点から、１セル当たりの定格容量が２５Ａｈ以上の電池に本発明を適用することは有効であり、好ましい。

Claims (4)

1. 充電電流が設定した充電終止電流値に達したことをもって充電を終止する定電流定電圧充電法において、前記充電終止電流値が０．２ＩｔＡ以上である電池の充電方法。
2. 温度が４５℃以上の電池に対して行う請求項１記載の電池の充電方法。
3. 請求項１又は２記載の充電方法を実現可能な充電器。
4. 電池周囲の環境温度、及び、電池の電槽表面又は内部温度、のうちいずれか一方又は両方を測定する温度検出手段と、前記温度検出結果に基づいて請求項１記載の充電方法を含む複数の充電方法から１つを選択する充電方法判断手段と、前記複数の充電方法を実現可能な充電器とを備えた充電システム。