JP2015050062A

JP2015050062A - リチウムイオン二次電池の設計方法

Info

Publication number: JP2015050062A
Application number: JP2013181456A
Authority: JP
Inventors: 克弥松岡; Katsuya Matsuoka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2015-03-16

Abstract

【課題】適切な電池のシミュレーションを行って、適切に電池を設計できるリチウムイオン二次電池の設計方法を提供する。
【解決手段】リチウムイオン二次電池1の設計方法は、負極集電体領域12、負極活物質層領域13、正極集電体領域16、正極活物質層領域15、及び、セパレータ領域14、を含む電池1を模した解析モデル11を設定し、各領域における活物質電位φｓ，電解質電位φｅ，Ｌｉイオン濃度Ｃｅ，Ｌｉ濃度Ｃｓ，温度Ｔの各変数について、各々初期値を設定し、予め定めた電池駆動条件に従って、駆動直後の定常計算と、その後の非定常計算により、駆動開始後の任意の時刻tにおける各変数の値を算出する非定常シミュレーション工程S3を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池の設計方法に関する。

特許文献１に記載の二次電池の内部状態検知方法では、二次電池の内部状態を検知するに当たり、予めコンピュータシミュレーションにより取得した基礎データを用いることが記載されている。なお、この基礎データとしては、二次電池を各種温度下、各種電流で充放電したときに計測されるべき電池電圧、および蓄電量もしくは放電量が挙げられている。

特開２０１１−２５７４１１号公報

リチウムイオン二次電池（以下、単位、電池をもいう。）を設計するにあたり、このようなシミュレーションを用いて、電池の特性を予測し、電池の設計に反映させることが考えられる。
しかしながら、電池としては、ざまざまな形態がある。特に、ハイブリッド自動車（ＨＶ車，ＨＥＶ車）や電気自動車（ＥＶ車）、ハイブリッド電車などに用いる車載用の電池は、外形寸法も大きく場所による特性の偏りが生じやすい。また、電池に生じる反応は、高速で生じる電子による反応や、中程度の速度の酸化還元反応、緩やかに生じる活物質内イオンの拡散などが重なっているため、非線形に生じる。加えて、捲回型や積層型の電池では、活物質層、これを担持する集電体(集電箔)、セパレータなどが多数層をなす。このため、適切なシミュレーション結果を得て、電池の設計にこのシミュレーションの結果を反映させることが困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、適切な電池のシミュレーションを行って、適切に電池を設計できるリチウムイオン二次電池の設計方法を提供する。

その一態様は、リチウムイオン二次電池の設計方法であって、上記リチウムイオン二次電池を模し、負極集電体を模した負極集電体領域、負極集電体上の負極活物質層を模した負極活物質層領域、正極集電体を模した正極集電体領域、上記正極集電体上の正極活物質層を模した正極活物質層領域、及び、上記負極活物質層と上記正極活物質層との間に介在するセパレータを模したセパレータ領域、を含む解析モデルを設定し、上記負極活物質層領域における負極活物質電位、上記負極活物質層中の電解質電位、Ｌｉイオン濃度、Ｌｉ濃度及び負極活物質層温度、上記セパレータ領域における上記セパレータ中の電解質電位、Ｌｉイオン濃度、及びセパレータ温度、上記正極活物質層領域における正極活物質電位、上記正極活物質層中の電解質電位、Ｌｉイオン濃度、Ｌｉ濃度及び正極活物質層温度、上記負極集電体領域における上記負極活物質電位及び負極集電体温度、並びに、上記正極集電体領域における上記正極活物質電位及び正極集電体温度の各変数について、各々初期値を設定し、予め定めた電池駆動条件に従って、駆動開始直後の定常計算と、その後の非定常計算により、駆動開始後の任意の時刻における上記各変数の値を算出する非定常シミュレーション工程を含むリチウムイオン二次電池の設計方法である。

この設計方法では、上述の各領域における各変数を、駆動直後の定常状態及びこれに続く非定常状態を模した定常計算及び非定常計算で求める非定常シミュレーション工程を有しているので、電池を放電開始あるいは充電開始した後の、電池の各部の電位、温度等を適切にシミュレーションでき、これを反映した適切な形態を有する電池を設計することができる。

シミュレーションを行うソフトウェアとしては、例えば、熱流体力解析（ＣＦＤ）ソフトウェアを用いると良く、例えば、アンシスジャパン株式会社製のANSYS Flunetが挙げられる。
なお、電池の駆動条件には、電池の放電及び充電のいずれも含まれる。

電池の基本構造及び電池解析モデルの各領域を示す説明図である。実施形態にかかる捲回型の電池（発電体）及び電池解析モデルの断面図である。電池解析モデルについてのシミュレーションの処理手順を示すフローチャートである。図３のフローチャートのうち、駆動開始直後より後の非定常計算サブプログラムの処理手順を示すフローチャートである。

本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。まず、電池（発電体）１０の基本構造を、図１を参照して説明する。電池１は、負極集電箔２に担持された負極活物質層３と、正極集電箔６に担持された正極活物質層５との間に、セパレータ４を介在させ、Ｌｉイオンを含む電解液（図示しない）を、負極活物質層２、セパレータ３、及び正極活物質層４に含浸させた構造を有する。従って、電池１の特性のシミュレーションにあたり、これらの要素を模した領域を設定する。具体的には、電池１を模した電池解析モデル１１において、負極集電箔２を模した負極集電箔領域１２、負極集電体２上の負極活物質層３を模した負極活物質層領域１３、正極集電箔６を模した正極集電箔領域１６、正極集電体６上の正極活物質層５を模した正極活物質層領域１５、及び、セパレータ４を模したセパレータ領域１４を設定する。例えば、捲回型の電池解析モデル１１において、図２に示すように、負極集電箔領域１２、負極活物質層領域１３、正極集電箔領域１６、正極活物質層領域１５、及び、セパレータ領域１４を設定する。

次いで、この電池解析モデル１１を用いて、電池１のシミュレーションを行った例を説明する。なお、シミュレーションにあたり、ＣＤＦソフトウェアとして、アンシスジャパン株式会社製のANSYS Flunetを用いた。

シミュレーションにあたり、電池の主要な変数として、活物質電位φｓ（負極活物質電
位φｓ₂、正極活物質電位φｓ₁）、電解質電位φｅ（負極活物質層中、セパレータ中、正
極活物質層中での電解質電位φｅ₂，φｅ_se，φｅ₁）、電解質のＬｉイオン濃度Ｃｅ（負
極活物質層中、セパレータ中、正極活物質層中の電解質のＬｉイオン濃度Ｃｅ₂，Ｃｅ
_se，Ｃｅ₁）、活物質のＬｉ濃度Ｃｓ（負極活物質層中、正極活物質層中のＬｉ濃度Ｃｓ
₂，Ｃｓ₁）、及び温度Ｔ（負極集電箔、負極活物質層、セパレータ、正極活物質層、正極
集電箔の各温度Ｔ_nc，Ｔ₂，Ｔ_se，Ｔ₁，Ｔ_pc）を定義する。各領域において、変数として定義した電位φｓ，φｅあるいは濃度Ｃｅ，Ｃｓについての輸送方程式(数１参照)をＣＤＦソフトウェアで解く。添字のうち、１は正極、２は負極、ｓｅはセパレータ、ｎｃは負極集電箔、ｐｃは正極集電箔を示す。
なお、ＣＤＦソフトウェアのユーザ定義関数（ＵＤＦ）機能により、電位φｓ，φｅや濃度Ｃｅ，Ｃｓに関する輸送方程式を定義し、これをＣＤＦソフトウェアにより有限体積法を用いて解くと良い。
また、各領域と当該領域において解くべき変数（電位φｓ，φｅ、濃度Ｃｅ，Ｃｓ、温
度Ｔ）との関係を、表１に示す。

電池１の放電あるいは充電のシミュレーション（ＣＤＦソフトウェアを用いた解析)にあたり、時刻ｔ＝０以前において、電池１は、放電(あるいは充電)を行わず、所定のＯＣＶ(Open Circuit Voltage)及びＳＯＣ(State of Charge)を有しているとする。そして、時刻ｔ＝０に放電(あるいは充電)を開始するとする。図３のステップＳ１に示すように、まず、各領域における各変数のｔ＝０以前の値(初期値)を、表２に示すように設定する。なお、充放電を行っていない静止状態の電池では、活物質電位φｓ及びＬｉ濃度Ｃｓは、活物質組成値θの関数であると考えられる。また、活物質組成値θは、電池１のＯＣＶあるいはＳＯＣから得られるので、活物質組成値θの初期値θ⁰を算出し、これを用いて、活物質電位φｓ及びＬｉ濃度Ｃｓの初期値をそれぞれ設定する。表２では、活物質電位φｓ及びＬｉ濃度Ｃｓを、初期値θ⁰の関数として表現している。

次いで、電池の駆動条件を境界条件として、放電開始直後(あるいは充電開始直後)における、即ち、ｔ＝０における、活物質電位φｓの分布、電解質電位φｅの分布、及び反応電流ｊ_Liの分布を、定常計算で算出する(ステップＳ２）。なお、電解質のＬｉイオン濃度Ｃｅ及び活物質のＬｉ濃度Ｃｓは、一定(不変)であるとして計算する。

次いで、ｔ＝０より後の任意の時刻ｔにおける、活物質電位φｓの分布、電解質電位φｅの分布、反応電流ｊ_Liの分布、Ｌｉイオン濃度Ｃｅの分布、及び活物質のＬｉ濃度Ｃｓの分布を、温度Ｔの分布を、非定常計算により求める（ステップＳ３）。具体的には、図４のステップＳ３１に示すように、まず、時刻t-dtでの反応電流ｊ_Li(t-dt)から、時刻ｔでの活物質表面Ｌｉ濃度Ｃｓｈ(t)の分布を計算する。なお、添字ｈは、活物質表面を表す。
次いで、このステップＳ３１で算出した活物質表面Ｌｉ濃度Ｃｓｈ(t)の分布に応じた、活物質電位φｓの分布、電解質電位φｅの分布、反応電流ｊ_Liの分布、Ｌｉイオン濃度Ｃｅの分布、活物質のＬｉ濃度Ｃｓの分布、及び温度Ｔの分布を、収束計算する(ステップＳ３２参照)。

そして、ステップＳ３３では、時刻ｔを微少時間ｄｔだけ進める（ｔ＝ｔ＋ｄｔ）。
さらにステップＳ３４に進み、時刻ｔが予め定めた任意の時刻ｔ_endに達するまで、ステップＳ３１〜Ｓ３３を繰り返し計算し、時刻ｔが時刻ｔ_endに達したら、メインルーチン(図３参照)に戻り終了する。
これにより、時刻ｔ＝０〜ｔ_endの期間において、活物質電位φｓの分布、電解質電位φｅの分布、反応電流ｊ_Liの分布、Ｌｉイオン濃度Ｃｅの分布、及び活物質のＬｉ濃度Ｃｓの分布を、温度Ｔの分布が、どのように変化するかを知ることができる。このようにすることで、電池１を様々な条件で放電あるいは充電(充放電)させたときの、電池１の各領域の電位、温度等の分布を適切にシミュレーションが可能となる。従って、様々な条件についてのシミュレーション結果を反映し、適切な材料（材質）を用いたり適切な形態を有する電池を設計することができる。

さらに、予め定めた電池１の駆動条件に基づいて求めた上述の各変数(φｓ，φｅ，Ｃｅ，Ｃｓ，Ｔ）の分布を用いて、例えば、時刻ｔ＝０〜ｔ_endの期間における、電池１の内部抵抗をなす、反応抵抗、拡散抵抗、電子抵抗、イオン抵抗の変化を取得することができる。具体的には、電池１の内部抵抗をなす、反応抵抗Ｒη、拡散抵抗Ｒ^diff、電子抵抗Ｒ^ele、イオン抵抗Ｒ^ionの変化は、求められた上述の各変数(φｓ，φｅ，Ｃｅ，Ｃｓ，Ｔ）の分布を用いて、表３に示す各式により求める。
なお、添字のうち、１は正極、２は負極、seはセパレータ、hは活物質表面に関するものを示す。また添字のうち、eleは電子によることを、ionはイオンによることを、ηは反応によることを、diffは活物質内のLi拡散によることを示す。

また、予め定めた電池１の駆動条件に基づいて求めた各変数(φｓ，φｅ，Ｃｅ，Ｃｓ，Ｔ）の分布を用いて、時刻ｔ＝０〜ｔ_endの期間における、電池１の端子間電圧（負極集電箔２−正極集電箔６間の電圧）の変化を得ることもできる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。

１電池
２負極集電箔（負極集電体）
３負極活物質層
４セパレータ
５正極活物質層
６正極集電箔（正極集電体）
１１電池解析モデル
１２負極集電箔領域（負極集電体領域）
１３負極活物質層領域
１４セパレータ領域
１５正極活物質層領域
１６正極集電箔領域（正極集電体領域）

Claims

リチウムイオン二次電池の設計方法であって、
負極集電体を模した負極集電体領域、負極集電体上の負極活物質層を模した負極活物質層領域、正極集電体を模した正極集電体領域、上記正極集電体上の正極活物質層を模した正極活物質層領域、及び、上記負極活物質層と上記正極活物質層との間に介在するセパレータを模したセパレータ領域、を含む上記リチウムイオン二次電池を模した解析モデルを設定し、
上記負極活物質層領域における負極活物質電位、上記負極活物質層中の電解質電位、Ｌｉイオン濃度、Ｌｉ濃度及び負極活物質層温度、
上記セパレータ領域における上記セパレータ中の電解質電位、Ｌｉイオン濃度、及びセパレータ温度、
上記正極活物質層領域における正極活物質電位、上記正極活物質層中の電解質電位、Ｌｉイオン濃度、Ｌｉ濃度及び正極活物質層温度、
上記負極集電体領域における上記負極活物質電位及び負極集電体温度、並びに、
上記正極集電体領域における上記正極活物質電位及び正極集電体温度の
各変数について、
各々初期値を設定し、
予め定めた電池駆動条件に従って、駆動直後の定常計算と、その後の非定常計算により、駆動開始後の任意の時刻における上記各変数の値を算出する
非定常シミュレーション工程を含む
リチウムイオン二次電池の設計方法。