JP2011216685A - Composite electricity storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、1つの電槽内にリチウムイオン二次電池部とリチウムイオンキャパシタ部とを収納した複合蓄電デバイスに関するものである。 The present invention relates to a composite electricity storage device in which a lithium ion secondary battery part and a lithium ion capacitor part are accommodated in one battery case.
太陽光発電や風力発電等の負荷平準化装置、コンピュータ等に代表される電子機器の瞬時電圧低下対策装置、電気自動車やハイブリッドカーのエネルギー回生装置などのような蓄電システムにおいては、エネルギー容量が大きくてかつ急速充放電が可能な蓄電デバイスが必要とされている。従来の鉛蓄電池やその他の二次電池では、大電流の充放電に弱くサイクル寿命が短いため、その蓄電システムに対応することは困難であった。そこで、それらの問題を解決しうる新たな蓄電デバイスとして、近年、非水系の蓄電デバイスが注目されている。 Energy storage systems such as load leveling devices such as photovoltaic power generation and wind power generation, instantaneous voltage drop countermeasure devices for electronic devices such as computers, and energy regeneration devices for electric vehicles and hybrid cars have a large energy capacity. There is a need for an electricity storage device that can be rapidly charged and discharged. Conventional lead-acid batteries and other secondary batteries are difficult to charge and discharge with a large current and have a short cycle life, so it is difficult to cope with the power storage system. Accordingly, in recent years, non-aqueous power storage devices have attracted attention as new power storage devices that can solve these problems.
非水系の蓄電デバイスとして、リチウムイオン二次電池やリチウムイオンキャパシタが提案されている。リチウムイオン二次電池は、エネルギー容量が大きいがサイクル寿命が短いといった特徴を有する。一方、リチウムイオンキャパシタは、サイクル寿命が長いがエネルギー容量が小さいといった特徴を有する。これらリチウムイオン二次電池の欠点(サイクル寿命が短い)とリチウムイオンキャパシタの欠点(エネルギー容量が小さい)とを補填するために、従来は二次電池とキャパシタとを並列に接続した蓄電モジュールが構成され各種装置に使用されている。この蓄電モジュールを使用する場合、別々のデバイスを接続しているため、装置サイズが大きくなるといった欠点があった。 Lithium ion secondary batteries and lithium ion capacitors have been proposed as non-aqueous power storage devices. A lithium ion secondary battery has a feature of a large energy capacity but a short cycle life. On the other hand, the lithium ion capacitor has a feature that the cycle life is long but the energy capacity is small. In order to compensate for the drawbacks of these lithium ion secondary batteries (short cycle life) and the drawbacks of lithium ion capacitors (low energy capacity), a conventional storage module consisting of a secondary battery and a capacitor connected in parallel has been configured. And used in various devices. When this power storage module is used, since different devices are connected, there is a drawback that the apparatus size is increased.
また、二次電池とキャパシタとの欠点を補填する技術として、リチウムイオン電池とリチウムイオンキャパシタとの構成を1つの電槽内に構成した蓄電デバイスが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このように蓄電デバイスを構成すれば、装置サイズの小型化が可能となる。 In addition, as a technique for compensating for the drawbacks of the secondary battery and the capacitor, an electricity storage device in which the configuration of the lithium ion battery and the lithium ion capacitor is configured in one battery case has been proposed (for example, see Patent Document 1). . If the power storage device is configured in this way, the apparatus size can be reduced.
ところで、特許文献1の蓄電デバイスでは、リチウムイオン電池とリチウムイオンキャパシタとで共通負極を有しており、その共通負極の一方の面にセパレータを介して電池正極が設けられるとともに、共通電極の他方の面にセパレータを介してキャパシタ正極が設けられている。つまり、特許文献1の蓄電デバイスは、リチウムイオン二次電池とリチウムイオンキャパシタとが同じ積層数で構成される。ここで、リチウムイオン二次電池は、同じ電極サイズ、同じ積層数でエネルギー容量を比較すると、リチウムイオンキャパシタの40倍〜50倍程度のエネルギー容量を有する。このため、特許文献1の蓄電デバイスでは、リチウムイオン電池のエネルギー容量と比較してリチウムイオンキャパシタのエネルギー容量が小さくなり、用途が限定されてしまう。 By the way, in the electrical storage device of patent document 1, a lithium ion battery and a lithium ion capacitor have a common negative electrode, and a battery positive electrode is provided on one surface of the common negative electrode via a separator, and the other of the common electrodes. The capacitor positive electrode is provided on the surface of this through a separator. That is, in the electric storage device of Patent Document 1, the lithium ion secondary battery and the lithium ion capacitor are configured with the same number of layers. Here, the lithium ion secondary battery has an energy capacity of about 40 to 50 times that of the lithium ion capacitor when comparing the energy capacity with the same electrode size and the same number of layers. For this reason, in the electrical storage device of patent document 1, the energy capacity of a lithium ion capacitor becomes small compared with the energy capacity of a lithium ion battery, and an application will be limited.
具体的には、例えば、急激かつエネルギーが大きな充放電が行われる電力回生装置等に用いる場合、そのエネルギーをキャパシタで吸収することができず、大きな電力が二次電池側に加わると、二次電池の寿命が短くなってしまうことがある。また、複数の蓄電デバイスを並列に設ければ、キャパシタ容量が大きくなり、エネルギーの吸収は可能となるが、装置サイズが大きくなることに加えて装置コストが高くなるといった問題が生じてしまう。 Specifically, for example, when used in a power regenerative device that is charged and discharged rapidly and with a large energy, the energy cannot be absorbed by the capacitor, and if a large amount of power is applied to the secondary battery side, Battery life may be shortened. If a plurality of power storage devices are provided in parallel, the capacitor capacity increases and energy can be absorbed. However, in addition to the increase in the device size, there is a problem that the device cost increases.
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、用途に応じてキャパシタのエネルギー容量と二次電池のエネルギー容量とを設定することができ、二次電池の視点から見て十分な寿命が確保可能であり、リチウムイオンキャパシタの視点から見てエネルギー容量が大きく過放電になり難く信頼性の高い複合蓄電デバイスを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to set the energy capacity of the capacitor and the energy capacity of the secondary battery according to the application, and from the viewpoint of the secondary battery. It is an object of the present invention to provide a highly reliable composite power storage device that can ensure a sufficient life, has a large energy capacity from the viewpoint of a lithium ion capacitor, and does not easily overdischarge.
上記課題を解決するための手段[1]〜[4]を以下に列挙する。 Means [1] to [4] for solving the above problems are listed below.
[1]リチウムを含む材料からなる第1の正極と、第1のセパレータと、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなる第1の負極とを積層または捲回したリチウムイオン二次電池部と、前記リチウムイオン二次電池部よりも小さな内部抵抗を有するように構成され、炭素材料からなる第2の正極と、前記第1のセパレータとは異なる第2のセパレータと、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなり、前記第1の負極の極板とは異なる別の極板を用いて構成された第2の負極とを積層または捲回したリチウムイオンキャパシタ部と、前記リチウムイオン二次電池部と前記リチウムイオンキャパシタ部とを積層してなる複合積層体を、リチウム塩を含む同一の電解液に浸した状態で収納する電槽とを備え、前記電槽内に配置されたリチウム金属を用いて前記第2の負極にリチウムイオンがあらかじめドープされる複合蓄電デバイスであって、前記複合積層体における少なくとも一方の主面の最外層に前記リチウムイオンキャパシタ部を配置したことを特徴とする複合蓄電デバイス。 [1] A lithium ion secondary battery unit in which a first positive electrode made of a material containing lithium, a first separator, and a first negative electrode made of a material capable of occluding and releasing lithium ions are laminated or wound. A second positive electrode made of a carbon material, a second separator different from the first separator, and a lithium ion occlusion and A lithium ion capacitor portion made of a material capable of being discharged and laminated or wound with a second negative electrode formed using another electrode plate different from the electrode plate of the first negative electrode; And a battery case for storing a composite laminate formed by laminating a secondary battery part and the lithium ion capacitor part in a state of being immersed in the same electrolyte containing a lithium salt, and disposed in the battery case. The lithium ion is preliminarily doped to the second negative electrode using lithium metal, and the lithium ion capacitor portion is disposed on the outermost layer of at least one main surface of the composite laminate. A composite power storage device.
従って、手段1に記載の発明によれば、リチウムイオン二次電池部とリチウムイオンキャパシタ部とからなる複合積層体を備えるので、エネルギー容量が大きくかつ急激な充放電が可能な高出力の複合蓄電デバイスを実現することができる。また、複合蓄電デバイスは、リチウムイオン二次電池部とリチウムイオンキャパシタ部とが1つの電槽内に収納された構成であるため、デバイスの小型化が可能となる。さらに、リチウムイオン二次電池部とリチウムイオンキャパシタ部とにおいて別々の電極が設けられており、用途に応じてそれら電極の積層数を変えることでキャパシタ部と二次電池部とのエネルギー容量の比率を調整することができる。また、急激な充放電によって高温となるリチウムイオンキャパシタ部が複合積層体の最外層となる位置に設けられているので、そのキャパシタ部が効率よく冷却される。リチウムイオンキャパシタ部がリチウムイオン二次電池部より内側にあった場合、発生した熱が二次電池部を通って外部に冷却されるため、二次電池部が劣化する。このため、比較的温度に弱いリチウムイオン二次電池部の寿命を延ばすことができ、複合蓄電デバイスを長時間にわたって使用することが可能となる。 Therefore, according to the invention described in the means 1, since the composite laminated body including the lithium ion secondary battery part and the lithium ion capacitor part is provided, the high-capacity composite electricity storage having a large energy capacity and capable of rapid charging / discharging. A device can be realized. In addition, since the composite power storage device has a configuration in which the lithium ion secondary battery part and the lithium ion capacitor part are housed in one battery case, the device can be miniaturized. Furthermore, separate electrodes are provided in the lithium ion secondary battery part and the lithium ion capacitor part, and the ratio of the energy capacity between the capacitor part and the secondary battery part can be changed by changing the number of stacked electrodes according to the application. Can be adjusted. Moreover, since the lithium ion capacitor part which becomes high temperature by rapid charging / discharging is provided in the position used as the outermost layer of a composite laminated body, the capacitor part is cooled efficiently. When the lithium ion capacitor part is located inside the lithium ion secondary battery part, the generated heat is cooled to the outside through the secondary battery part, so that the secondary battery part is deteriorated. For this reason, the lifetime of the lithium ion secondary battery part which is comparatively weak to temperature can be extended, and it becomes possible to use a composite electrical storage device for a long time.
[2]手段1において、複合積層体における両方の主面の最外層にそれぞれ前記リチウムイオンキャパシタ部を配置することで、前記リチウムイオン二次電池部をそれらの間に挟み込むようにしたことを特徴とする複合蓄電デバイス。 [2] In the means 1, the lithium ion secondary battery part is sandwiched between them by disposing the lithium ion capacitor part in the outermost layers of both main surfaces of the composite laminate. A composite electricity storage device.
従って、手段2に記載の発明によれば、リチウムイオンキャパシタ部を確実に冷却することができる。 Therefore, according to the invention described in the means 2, the lithium ion capacitor portion can be reliably cooled.
[3]手段1または2において、前記リチウムイオン二次電池部のエネルギー容量が前記リチウムイオンキャパシタ部のエネルギー容量の50%以上であることを特徴とする複合蓄電デバイス。 [3] The composite electricity storage device according to means 1 or 2, wherein the lithium ion secondary battery part has an energy capacity of 50% or more of the energy capacity of the lithium ion capacitor part.
従って、手段3に記載の発明によれば、リチウムイオン二次電池部のエネルギー容量が十分確保されるので、リチウムイオンキャパシタ部の過放電を防止することができる。具体的には、リチウムイオンキャパシタは、満充電の状態とすれば2年以上経過しても下限電圧に至ることがないよう設計される。キャパシタの電圧は、エネルギー容量に比例して変化する。二次電池の電圧は、エネルギー容量によらず電圧は比較的一定である。従って、二次電池部のエネルギー容量が大きければ、下限電圧に達し難くなる。また、リチウムイオンキャパシタが過放電になるまでに現状では約2年以上あるが、二次電池部をキャパシタ部の50%以上の容量にすることにより長期間を確保できる。従って、本発明のように、リチウムイオン二次電池部のエネルギー容量がリチウムイオンキャパシタ部のエネルギー容量の50%以上とすると、満充電の半分のエネルギー容量があれば、2年以上経過しても問題は生じることがなく、実用上好ましいものとなる。 Therefore, according to the invention described in the means 3, since the energy capacity of the lithium ion secondary battery part is sufficiently ensured, overdischarge of the lithium ion capacitor part can be prevented. Specifically, the lithium ion capacitor is designed so as not to reach the lower limit voltage even when two or more years have passed if it is fully charged. The voltage of the capacitor changes in proportion to the energy capacity. The voltage of the secondary battery is relatively constant regardless of the energy capacity. Therefore, if the energy capacity of the secondary battery part is large, it becomes difficult to reach the lower limit voltage. In addition, although there are currently about two years or more before the lithium ion capacitor is overdischarged, a long period of time can be secured by setting the secondary battery part to a capacity of 50% or more of the capacitor part. Therefore, as in the present invention, if the energy capacity of the lithium ion secondary battery part is 50% or more of the energy capacity of the lithium ion capacitor part, if there is an energy capacity that is half of the full charge, two years or more have passed. There is no problem and it is preferable in practice.
[4]手段1において、前記リチウムイオンキャパシタ部の耐電圧が前記リチウムイオン二次電池部の平均電圧よりも高く、前記リチウムイオン二次電池部の充電電圧が前記リチウムイオンキャパシタ部の耐電圧以下であり、かつ前記リチウムイオン二次電池部の平均電圧が前記リチウムイオンキャパシタ部の下限電圧より高い電圧であることを特徴とする複合蓄電デバイス。 [4] In means 1, the withstand voltage of the lithium ion capacitor part is higher than the average voltage of the lithium ion secondary battery part, and the charging voltage of the lithium ion secondary battery part is less than the withstand voltage of the lithium ion capacitor part. And an average voltage of the lithium ion secondary battery part is higher than a lower limit voltage of the lithium ion capacitor part.
従って、手段4に記載の発明によれば、リチウムイオンキャパシタ部の耐電圧よりも低くかつリチウムイオン二次電池部の電圧よりも高い電圧が加わった場合、その電圧のエネルギーがリチウムイオンキャパシタ部に吸収されてキャパシタ部が充電される。また、リチウムイオン二次電池部の平均電圧がリチウムイオンキャパシタ部の下限電圧より高いので、リチウムイオンキャパシタ部の電圧が下限電圧まで下がり難くなる。ここで、リチウムイオンキャパシタ部の電圧が下限電圧以下となると、電解液の還元分解によってガスが発生して特性が劣化する。これに対して、本発明では、リチウムイオンキャパシタ部の電圧が下限電圧まで下がり難いので、リチウムイオンキャパシタ部の特性劣化を回避することができる。また、一般的なリチウムイオンキャパシタは、エネルギー容量が小さいため、下限電圧を意識して用いる必要がある。この対策として、リチウムイオンキャパシタの放電によって下限電圧に近づいた場合、強制的に放電回路を切断する保護回路が設けられている。本発明では、リチウムイオンキャパシタ部が下限電圧まで下がり難くなるので、保護回路等による管理が容易となり、信頼性が高くなる。 Therefore, according to the invention described in the means 4, when a voltage lower than the withstand voltage of the lithium ion capacitor unit and higher than the voltage of the lithium ion secondary battery unit is applied, the energy of the voltage is applied to the lithium ion capacitor unit. It is absorbed and the capacitor part is charged. Moreover, since the average voltage of a lithium ion secondary battery part is higher than the minimum voltage of a lithium ion capacitor part, the voltage of a lithium ion capacitor part becomes difficult to fall to a minimum voltage. Here, when the voltage of the lithium ion capacitor portion is equal to or lower than the lower limit voltage, gas is generated due to reductive decomposition of the electrolytic solution, and the characteristics deteriorate. On the other hand, in the present invention, since the voltage of the lithium ion capacitor part is unlikely to drop to the lower limit voltage, the characteristic deterioration of the lithium ion capacitor part can be avoided. Moreover, since a general lithium ion capacitor has a small energy capacity, it is necessary to use it in consideration of the lower limit voltage. As a countermeasure, a protection circuit is provided that forcibly disconnects the discharge circuit when the voltage approaches the lower limit voltage due to the discharge of the lithium ion capacitor. In the present invention, since the lithium ion capacitor portion is unlikely to drop to the lower limit voltage, management by a protection circuit or the like is facilitated and reliability is increased.
以上詳述したように、手段1〜4に記載の発明によると、用途に応じてキャパシタのエネルギー容量と二次電池のエネルギー容量とを設定することができ、二次電池の視点から見て十分な寿命が確保可能であり、リチウムイオンキャパシタの視点から見てエネルギー容量が大きく過放電になり難く信頼性の高い複合蓄電デバイスを提供することができる。 As described in detail above, according to the inventions described in the means 1 to 4, the energy capacity of the capacitor and the energy capacity of the secondary battery can be set according to the use, which is sufficient from the viewpoint of the secondary battery. It is possible to provide a highly reliable composite power storage device that can ensure a long lifetime, has a large energy capacity from the viewpoint of a lithium ion capacitor, and does not easily overdischarge.
[第1の実施の形態]
以下、本発明を複合蓄電デバイスに具体化した第1の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図1は本実施の形態における複合蓄電デバイス10を示す側面図であり、図2はその複合蓄電デバイス10の平面図である。また、図3は、複合蓄電デバイス10を説明するための要部断面図であり、図4は、複合蓄電デバイス10を示す回路図である。なお、本実施の形態の複合蓄電デバイス10は、例えば自動車に搭載される電力回生装置に搭載される。
[First Embodiment]
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, a first embodiment in which the present invention is embodied in a composite power storage device will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a side view showing a composite
図1〜図4に示されるように、複合蓄電デバイス10は、リチウムイオン二次電池部11と、リチウムイオンキャパシタ部12と、リチウムイオン二次電池部11とリチウムイオンキャパシタ部12とを積層してなる複合積層体13を収納する蓄電容器14(電槽)とを備える。本実施の形態の複合蓄電デバイス10では、複合積層体13の一方の主面(図1では上面)の最外層にリチウムイオンキャパシタ部12が配置され、他方の主面(図1では下面)の最外層にリチウムイオン二次電池部11が配置されている。
As shown in FIGS. 1 to 4, the composite
複合蓄電デバイス10において、リチウムイオン二次電池部11とリチウムイオンキャパシタ部12とが並列に接続されている(図4参照)。また、蓄電容器14内において、複合積層体13のリチウムイオン二次電池部11とリチウムイオンキャパシタ部12とは、リチウム塩(例えば、LiPF6と表記されるリチウムヘキサフルオロフォスフェート等)を含む同一の電解液に浸された状態で密閉収納されている。蓄電容器14は、アルミ箔を樹脂フィルムにラミネートしてなるアルミニウム・ラミネートフィルムを用いて矩形袋状に加工したソフト容器である。
In the composite
リチウムイオン二次電池部11は、第1の正極21と第1の負極31とが第1のセパレータ41を介して交互に積み重ねられた積層構造体である。第1の正極21は、リチウムを含む材料(例えば、オリビン形リン酸鉄リチウムと炭素材料を混合した材料)からなる正極材22を正極集電体23上に形成した構造を有している。正極集電体23は、例えばアルミニウムからなる導電性金属板(極板)を用いて形成されている。正極集電体23は平面視矩形状に形成され、その四辺のうちの一辺からタブが突出している。正極集電体23のタブは、溶接等により正極用外部端子25に接続されている。
The lithium ion
第1の負極31は、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料(黒鉛やハードカーボンなどの炭素材料)からなる負極材32を負極集電体33上に形成した構造を有している。負極集電体33は、例えば銅からなる導電性金属板(極板)を用いて形成されている。負極集電体33は平面視矩形状に形成され、その四辺のうちの一辺からタブが引き出されている。負極集電体33のタブは、溶接等により負極用外部端子35に接続されている。第1のセパレータ41は、電解液や電極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する非導電性の多孔体等からなる。通常、ガラス繊維、ポリエチレン、ポリプロピレン等、セルロース等からなる不織布あるいは多孔体が用いられる。
The first
上述したように、正極材22としてオリビン形リン酸鉄リチウムを用いる場合、コバルト系やマンガン系の正極材を用いる場合と比較してリチウムイオン二次電池部11の電圧を低くすることができる。具体的には、本実施の形態のリチウムイオン二次電池部11の充電電圧は3.3Vとなる。
As described above, when olivine-type lithium iron phosphate is used as the
リチウムイオンキャパシタ部12は、第2の正極26と第2の負極36とが第2のセパレータ42を介して交互に積み重ねられた積層構造体であり、リチウムイオン二次電池部11よりも小さな内部抵抗を有している。具体的には、第2の正極26は、炭素材料からなる正極材27を正極集電体28上に形成した構造を有している。正極材27を形成する炭素材料としては、活性炭が用いられる。正極集電体28は、例えばアルミニウムからなる導電性金属板(極板)を用いて形成されている。正極集電体28は平面視矩形状に形成され、その四辺のうちの一辺からタブが突出している。正極集電体28のタブは、溶接等により正極用外部端子25に接続されている。
The lithium
第2の負極36は、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料(黒鉛やハードカーボンなどの炭素材料)からなる負極材37を負極集電体38上に形成した構造を有している。負極集電体38は、例えば銅からなる導電性金属板(極板)を用いて形成されている。負極集電体38は平面視矩形状に形成され、その四辺のうちの一辺からタブが引き出されている。負極集電体38のタブは、溶接等により負極用外部端子35に接続されている。第2のセパレータ42は、電解液や電極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する非導電性の多孔体等からなる。具体的には、ガラス繊維、ポリエチレン、ポリプロピレン等、セルロース等からなる不織布あるいは多孔体が第2のセパレータ42として用いられる。
The second
また、負極集電体38には、プレドープ用リチウム金属45が貼り付けられる貼付部46が設けられている。この貼付部46に設けられたリチウム金属45によって第2の負極36にリチウムイオンがあらかじめプレドープされる。このように、リチウムイオンをプレドープすると、負極電位が下がり、リチウムイオンキャパシタ部12の電圧を高くすることができる。具体的には、本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ部12の充電電圧は3.8Vとなっている。
The negative electrode
他のリチウムプレドープの方法として、正極集電体28と負極集電体38とに多数の孔の開いた集電体を使用した場合、プレドープ用リチウム金属は、リチウムイオンキャパシタ部12の一番外側に貼り付ければよい。この場合、多孔の集電体の形成や電極の塗工には工夫がいるが、リチウム金属を容易に貼ることができる。
As another lithium pre-doping method, when a current collector having a large number of holes is used for the positive electrode current collector 28 and the negative electrode
本実施の形態の複合蓄電デバイス10において、リチウムイオンキャパシタ部12の積層数(例えば、30層)は、リチウムイオン二次電池部11の積層数(例えば、3層)の10倍である。また、リチウムイオン二次電池部11のエネルギー容量は、リチウムイオンキャパシタ部12のエネルギー容量の4倍程度となっている。
In composite
次に、本実施の形態の複合蓄電デバイス10の動作について説明する。図5にはリチウムイオン二次電池部11の放電特性を示し、図6にはリチウムイオンキャパシタ部12の放電特性を示す。また、図7には複合蓄電デバイス10の放電特性を示している。
Next, the operation of the composite
図5に示されるように、リチウムイオン二次電池部11は、所定の時間が経過するまでは放電による電圧の低下が少なく電圧曲線はほぼ平らになっている。このため、リチウムイオン二次電池部11は、比較的高い電圧で維持される時間が長くなる。電池は、高い電圧では電解液が酸化分解しやすく劣化が早まる。本実施の形態では、正極材22としてオリビン形リン酸鉄リチウムを用い、リチウムイオン二次電池部11の充電電圧を低くしているため、電解液の酸化分解による劣化が防止され、電池寿命の低下が回避されている。
As shown in FIG. 5, the voltage curve of the lithium ion
図6に示されるように、リチウムイオンキャパシタ部12は、放電によって直線的に電圧が低下する。このため、リチウムイオンキャパシタ部12は、高い電圧で長時間維持されることはないが、容量が少なく下限電圧(2.2V)に低下するまでの時間が短い。
As shown in FIG. 6, the voltage of the lithium
図7に示されるように、複合蓄電デバイス10は、高い電圧ではリチウムイオンキャパシタ部12の放電により比較的短時間で電圧が低下し、その後、リチウムイオン二次電池部11の放電によって電圧が徐々に低下する。つまり、複合蓄電デバイス10において、瞬間的な充放電はリチウムイオンキャパシタ部12が担当し、長時間で徐々に行われる充放電はリチウムイオン二次電池部11が担当することとなる。リチウムイオンキャパシタ部12は、急激な充放電に強く、充放電深度が深くても長い寿命を維持することができるといった特徴がある。これに対して、リチウムイオン二次電池部11は、急激な充放電に弱く、充放電深度が深いと寿命が短くなる。
As shown in FIG. 7, the composite
図8に示されるように、波状に変動する電圧が複合蓄電デバイス10に加わった場合、リチウムイオンキャパシタ部12において変動部分が効率よく吸収される。このような電圧が加わった場合、リチウムイオン二次電池部11は充放電に殆ど寄与しないため、その部分の充放電深度は浅くなり、リチウムイオン二次電池部11の寿命を長く維持することが可能となる。
As shown in FIG. 8, when a voltage that fluctuates in a wave shape is applied to the composite
なお、本実施の形態の複合蓄電デバイス10において、リチウムイオン二次電池部11の平均電圧は3V程度となっており、リチウムイオンキャパシタ部12の下限電圧より高くなっている。また、リチウムイオンキャパシタ部12の耐電圧は、3.8Vであり、リチウムイオン二次電池部11の平均電圧よりも高い。さらに、リチウムイオン二次電池部11の充電電圧は、3.3Vであり、リチウムイオンキャパシタ部12の耐電圧以下となっている。
In the composite
また、複合蓄電デバイス10において、リチウムイオン二次電池部11は正極電位がフラットでその電位を変えることができないが、リチウムイオンキャパシタ部12は正極電位を自由に変えることができる。つまり、リチウムイオンキャパシタ部12は、高温で正極電位を下げることにより酸化分解が避けられるため、リチウムイオン二次電池部11よりも熱に強い。なお、リチウムイオン二次電池部11の使用温度の上限は60℃である。
In the composite
本実施の形態において、1kW以上の大電力で頻繁に充放電を行う場合、殆どの充放電は、内部抵抗の小さなリチウムイオンキャパシタ部12で行われる。このため、リチウムイオンキャパシタ部12の内部温度は、リチウムイオン二次電池部11の内部温度よりも高くなる。ここで、デバイス外部の冷却手段によって強制冷却を行うことなく、セル表面(蓄電容器14表面)の温度が60℃以上となる場合、高温となるリチウムイオンキャパシタ部12が複合積層体13の最外層となる位置に設けられているので、デバイス10のセル表面が効率よく冷却される。
In the present embodiment, when charging / discharging is frequently performed with high power of 1 kW or more, most charging / discharging is performed by the lithium
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1)本実施の形態の複合蓄電デバイス10は、リチウムイオン二次電池部11とリチウムイオンキャパシタ部12とが並列に接続された構成となっており、エネルギー容量が大きくかつ急激な充放電が可能な高出力の蓄電性能を有する。具体的には、複合蓄電デバイス10において、瞬間的な充放電はリチウムイオンキャパシタ部12が行い、比較的に長い時間の充放電はリチウムイオン二次電池部11が行う。このようにすると、高い電圧はリチウムイオンキャパシタ部12が吸収するため、リチウムイオン二次電池部11に高電圧が加わることがなく、リチウムイオン二次電池部11の寿命が長くなる。また、リチウムイオン二次電池部11はエネルギー容量が大きいため、リチウムイオンキャパシタ部12の下限電圧以下に電圧が下がり難くなる。従って、電解液の還元分解によるガス発生等を防止でき、蓄電特性を良好な状態に維持することができる。また、リチウムイオン二次電池部11とリチウムイオンキャパシタ部12とが1つの蓄電容器14内に収納された構成であるため、蓄電デバイス10の小型化が可能となる。
(1) The composite
(2)本実施の形態の複合蓄電デバイス10では、急激な充放電によって高温となるリチウムイオンキャパシタ部12が複合積層体13の最外層となる位置に設けられているので、そのキャパシタ部12が効率よく冷却される。このため、温度に弱いリチウムイオン二次電池部11の寿命を延ばすことができ、複合蓄電デバイス10を長時間にわたって使用することが可能となる。
(2) In the composite
(3)本実施の形態の複合蓄電デバイス10では、短い周期で変動する電圧が加わった場合でも、その変動分をリチウムイオンキャパシタ部12が吸収するため、リチウムイオン二次電池部11のサイクル寿命を延ばすことができる。
(3) In the composite
(4)本実施の形態の複合蓄電デバイス10において、リチウムイオン二次電池部11のエネルギー容量は、リチウムイオンキャパシタ部12のエネルギー容量の4倍(400%)程度となっている。また、リチウムイオン二次電池部11の平均電圧がリチウムイオンキャパシタ部12の下限電圧より高いので、リチウムイオンキャパシタ部12の電圧が下限電圧まで下がり難くなる。この結果、リチウムイオンキャパシタ部12の過放電を確実に防止することができる。
[第2の実施の形態]
(4) In the composite
[Second Embodiment]
次に、本発明を具体化した第2の実施の形態を図9に基づき説明する。図9に示されるように、本実施の形態の複合蓄電デバイス10Aは、複合積層体13Aが第1の実施の形態と異なる。本実施の形態では、複合積層体13Aの両方の主面(図9では上面及び下面)の最外層にリチウムイオンキャパシタ部12が配置され、リチウムイオン二次電池部11を各リチウムイオンキャパシタ部12の間に挟み込むよう構成されている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 9, the composite
本実施の形態の複合蓄電デバイス10Aでも、リチウムイオン二次電池部11及びリチウムイオンキャパシタ部12の構成(正極21,26、負極31,36、セパレータ41,42などの構成)は上記第1の実施の形態と同じである。また、リチウムイオン二次電池部11の積層数及びリチウムイオンキャパシタ部12の積層数も同じである。本実施の形態では、リチウムイオンキャパシタ部12が2つ設けられているので、複合蓄電デバイス10A全体としてのリチウムイオンキャパシタ部12のエネルギー容量を第1の実施の形態の複合蓄電デバイス10の容量の2倍に増加させることができる。また、リチウムイオンキャパシタ部12が複合積層体13Aの各主面の最外層に設けられているので、リチウムイオンキャパシタ部12が効率よく冷却される。このため、比較的温度に弱いリチウムイオン二次電池部11の温度上昇を抑えることができ、二次電池部11の寿命を延ばすことができる。
Also in the composite
なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。 In addition, you may change each embodiment of this invention as follows.
・上記各実施の形態の複合蓄電デバイス10,10Aにおいて、リチウムイオン二次電池部11及びリチウムイオンキャパシタ部12の積層数やそれらの配分は、用途に応じて適宜変更することができる。具体的には、キャパシタの機能を優先させる高出力用途の場合、例えば、正極21、負極31、及びセパレータ41を一対のみ積層してなるリチウムイオン二次電池部11を設け、リチウムイオンキャパシタ部12の積層数を増大させるように構成してもよい。なお、リチウムイオン二次電池部11とリチウムイオンキャパシタ部12とを同じ積層数とすると、リチウムイオン二次電池部11のエネルギー容量と比較して、リチウムイオンキャパシタ部12のエネルギー容量を十分に確保することができなくなる。従って、リチウムイオンキャパシタ部12の積層数をリチウムイオン二次電池部11の積層数の2倍以上とすることが好ましく、5倍以上とすることがより好ましい。また、リチウムイオンキャパシタ部12のエネルギー容量をリチウムイオン二次電池部11のエネルギー容量の10%以上とすると、瞬間的な充放電を行うキャパシタの性能を十分に発揮させることができるため、実用上好ましいものとなる。
In the composite
・上記各実施の形態の複合蓄電デバイス10,10Aでは、リチウムイオン二次電池部11及びリチウムイオンキャパシタ部12は、正極21,26、負極31,36、セパレータ41,42を積層した構造であったが、これに限定されるものではない。例えば、正極、負極、セパレータを捲回してリチウムイオン二次電池部及びリチウムイオンキャパシタ部を構成してもよい。
In the composite
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した各実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。 Next, in addition to the technical ideas described in the claims, the technical ideas grasped by the respective embodiments described above are listed below.
(1)手段1乃至4のいずれかにおいて、デバイス外部の冷却手段による強制冷却がない状態での作動時に、セル温度がリチウムイオン二次電池部の上限温度に達する充放電条件で使用されることを特徴とする複合蓄電デバイス。 (1) In any one of the means 1 to 4, the cell temperature is used under a charge / discharge condition in which the cell temperature reaches the upper limit temperature of the lithium ion secondary battery part when operated without the forced cooling by the cooling means outside the device. A composite electricity storage device characterized by the above.
(2)手段1乃至4のいずれかにおいて、前記リチウムイオンキャパシタ部の積層数は、前記リチウムイオン二次電池部の積層数の2倍以上であることを特徴とする複合蓄電デバイス。 (2) The composite power storage device according to any one of means 1 to 4, wherein the number of stacked lithium ion capacitor portions is twice or more the number of stacked lithium ion secondary battery portions.
(3)手段1乃至4のいずれかにおいて、前記リチウムイオンキャパシタ部のエネルギー容量が前記リチウムイオン二次電池部のエネルギー容量の10%以上であることを特徴とする複合蓄電デバイス。 (3) The composite power storage device according to any one of means 1 to 4, wherein an energy capacity of the lithium ion capacitor unit is 10% or more of an energy capacity of the lithium ion secondary battery unit.
10,10A…複合蓄電デバイス
11…リチウムイオン二次電池部
12…リチウムイオンキャパシタ部
13,13A…複合積層体
14…電槽としての蓄電容器
21…第1の正極
26…第2の正極
31…第1の負極
36…第2の負極
41…第1のセパレータ
42…第2のセパレータ
45…リチウム金属
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記リチウムイオン二次電池部よりも小さな内部抵抗を有するように構成され、炭素材料からなる第2の正極と、前記第1のセパレータとは異なる第2のセパレータと、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなり、前記第1の負極の極板とは異なる別の極板を用いて構成された第2の負極とを積層または捲回したリチウムイオンキャパシタ部と、
前記リチウムイオン二次電池部と前記リチウムイオンキャパシタ部とを積層してなる複合積層体を、リチウム塩を含む同一の電解液に浸した状態で収納する電槽と
を備え、前記電槽内に配置されたリチウム金属を用いて前記第2の負極にリチウムイオンがあらかじめドープされる複合蓄電デバイスであって、
前記複合積層体における少なくとも一方の主面の最外層に前記リチウムイオンキャパシタ部を配置したことを特徴とする複合蓄電デバイス。 A lithium ion secondary battery unit in which a first positive electrode made of a material containing lithium, a first separator, and a first negative electrode made of a material capable of occluding and releasing lithium ions are stacked or wound;
A second positive electrode made of a carbon material, a second separator different from the first separator, and occlusion and release of lithium ions; A lithium ion capacitor unit made of a possible material and laminated or wound with a second negative electrode formed using a different electrode plate from the electrode plate of the first negative electrode;
A battery case storing a composite laminate formed by laminating the lithium ion secondary battery part and the lithium ion capacitor part in the same electrolyte solution containing a lithium salt; A composite electricity storage device in which lithium ions are pre-doped into the second negative electrode using an arranged lithium metal,
A composite electricity storage device, wherein the lithium ion capacitor portion is disposed on an outermost layer of at least one main surface of the composite laminate.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2010083824A JP2011216685A (en) | 2010-03-31 | 2010-03-31 | Composite electricity storage device |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2022091603A1 (en) * | 2020-10-27 | 2022-05-05 | 武蔵精密工業株式会社 | Power storage device |
US11784300B2 (en) | 2018-07-27 | 2023-10-10 | Samsung Electronics Co., Ltd | Battery including multiple unit cells having different characteristics in electronic conductivity of anode and electronic device including same |
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- 2010-03-31 JP JP2010083824A patent/JP2011216685A/en active Pending
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