JP7249885B2 - 全固体リチウムイオン二次電池システム、並びに全固体リチウムイオン二次電池を充電するための装置および方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係る全固体リチウムイオン二次電池システムの構成を説明するためのブロック図である。
Ψ=(K1C)2/E’
の式に従って算出することができ、この際、E’は、
E’=E/(1-ν)2
の式に従って算出される値である。この際、Eは固体電解質層のヤング率[Pa]であり、νは固体電解質層のポアソン比である。
このように構成された二次電池システム1における充電処理の手順を説明する。
J=λc(T-Ts1)/Δx1
J=h1(Ts1-Ts2)
J=λM(Ts2-T∞)/Δx2
J=h2(Tm-T∞)
のように表される。これらをTについて解くことで、電池温度Tを算出することができる。このように補正された電池温度Tを用いて以下の制御を行うことで、より精密な制御が可能となり、デンドライトの成長に起因する短絡の発生をより確実に防止することが可能となる。
なお、負極活物質層の全面にわたって均一に金属リチウムが析出しない(負極活物質層の部位によって析出量がばらつく)こともありうるが、そのような場合を想定して、負極活物質層の異なる部位間での許容できるばらつきを予め設定しておき、そのばらつきの範囲内で金属リチウムの析出量が最大となる部位に対応する固体電解質層の部位における歪みの値を代表値として用い、同様にして歪みエネルギーUを算出してもよい。
図6は、本発明の一実施形態に係る双極型(バイポーラ型)の全固体リチウムイオン二次電池(双極型二次電池)を模式的に表した断面図である。図6に示す双極型二次電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、電池外装体であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。
集電体は、正極活物質層と接する一方の面から、負極活物質層と接する他方の面へと電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はない。集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
負極活物質層は、負極活物質を含む。そして、本発明において、負極活物質は、金属リチウムまたはリチウム含有合金を必須に含む。これらの負極活物質の種類としては、特に制限されないが、Li含有合金としては、例えば、Liと、In、Al、SiおよびSnの少なくとも1種との合金が挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。なお、金属リチウムまたはリチウム含有合金を必須に含むのであれば、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。
正極活物質層は、正極活物質を含む。正極活物質の種類としては、特に制限されないが、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、Li(Ni-Mn-Co)O2等の層状岩塩型活物質、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4等のスピネル型活物質、LiFePO4、LiMnPO4等のオリビン型活物質、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4等のSi含有活物質等が挙げられる。また上記以外の酸化物活物質としては、例えば、Li4Ti5O12が挙げられる。なかでも、リチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が好ましく用いられ、さらに好ましくはLi(Ni-Mn-Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの(以下、単に「NMC複合酸化物」とも称する)が用いられる。NMC複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属(Mn、NiおよびCoが秩序正しく配置)原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を持ち、遷移金属Mの1原子あたり1個のLi原子が含まれ、取り出せるLi量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の2倍、つまり供給能力が2倍になり、高い容量を持つことができる。
本形態に係る双極型二次電池の固体電解質層は、固体電解質を主成分として含有し、上述した正極活物質層と負極活物質層との間に介在する層である。固体電解質層に含有される固体電解質の具体的な形態については上述したものと同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板27と負極集電板25とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
また、図示は省略するが、集電体11と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
電池外装体としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図6に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができることから、外装体はアルミニウムを含むラミネートフィルムがより好ましい。
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
本形態の非水電解質二次電池は、長期使用しても放電容量が維持され、サイクル特性が良好である。さらに、体積エネルギー密度が高い。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大型化が求められるとともに、長寿命化が必要となる。したがって、上記非水電解質二次電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
2 全固体リチウムイオン二次電池、
3 電圧センサー、
4 温度センサー、
5 電圧電流調整部、
6 電流センサー、
7 ヒーター、
8 制御部、
9 外部電源、
10、50 双極型二次電池、
11 集電体、
11a 正極側の最外層集電体、
11b 負極側の最外層集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
23 双極型電極、
25 正極集電板(正極タブ)、
27 負極集電板(負極タブ)、
29、52 ラミネートフィルム、
58 正極タブ、
59 負極タブ、
81 CPU、
82 記憶部。
Claims (6)
- 正極活物質を含有する正極活物質層を含む正極と、
金属リチウムまたはリチウム含有合金を含む負極活物質を含有する負極活物質層を含む負極と、
前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在する固体電解質層と、
を有する発電要素を備えた全固体リチウムイオン二次電池と、
前記全固体リチウムイオン二次電池を充電する充電器と、
前記全固体リチウムイオン二次電池の温度を検出する温度検出部と、
前記全固体リチウムイオン二次電池の温度を調節する温度調節部と、
前記充電器が前記全固体リチウムイオン二次電池を充電する際に、前記全固体リチウムイオン二次電池の充電に伴って前記固体電解質層に生じる歪みエネルギーが、前記固体電解質層の破壊靱性値から算出される亀裂進展エネルギーよりも小さくなる温度から第1しきい温度を算出し、算出された前記第1しきい温度を上回るように前記全固体リチウムイオン二次電池の温度を制御する制御部と、
を備える、全固体リチウムイオン二次電池システム。 - 前記固体電解質層が、硫化物固体電解質を含む、請求項1に記載の全固体リチウムイオン二次電池システム。
- 前記制御部は、前記温度検出部による温度の検出位置と前記発電要素との間の熱抵抗値に基づいて、前記温度検出部が検出した前記全固体リチウムイオン二次電池の温度を補正する、請求項1または2に記載の全固体リチウムイオン二次電池システム。
- 前記温度調節部は、前記全固体リチウムイオン二次電池を構成する単セルの前記正極側の温度が前記負極側の温度よりも高くなるように前記全固体リチウムイオン二次電池を加熱することができる加熱手段である、請求項1~3のいずれか1項に記載の全固体リチウムイオン二次電池システム。
- 正極活物質を含有する正極活物質層を含む正極と、
金属リチウムまたはリチウム含有合金を含む負極活物質を含有する負極活物質層を含む負極と、
前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在する固体電解質層と、
を有する発電要素を備えた全固体リチウムイオン二次電池を充電するための充電装置であって、
前記全固体リチウムイオン二次電池を充電する充電器と、
前記全固体リチウムイオン二次電池の温度を検出する温度検出部と、
前記全固体リチウムイオン二次電池の温度を調節する温度調節部と、
前記充電器が前記全固体リチウムイオン二次電池を充電する際に、前記全固体リチウムイオン二次電池の充電に伴って前記固体電解質層に生じる歪みエネルギーが、前記固体電解質層の破壊靱性値から算出される亀裂進展エネルギーよりも小さくなる温度から第1しきい温度を算出し、算出された前記第1しきい温度を上回るように前記全固体リチウムイオン二次電池の温度を制御する制御部と、
を備える、全固体リチウムイオン二次電池用充電装置。 - 正極活物質を含有する正極活物質層を含む正極と、
金属リチウムまたはリチウム含有合金を含む負極活物質を含有する負極活物質層を含む負極と、
前記正極活物質層および前記負極活物質層との間に介在する固体電解質層と、
を有する発電要素を備えた全固体リチウムイオン二次電池の充電方法であって、
充電器が前記全固体リチウムイオン二次電池を充電する際に、前記全固体リチウムイオン二次電池の充電に伴って前記固体電解質層に生じる歪みエネルギーが、前記固体電解質層の破壊靱性値から算出される亀裂進展エネルギーよりも小さくなる温度から第1しきい温度を算出し、算出された前記第1しきい温度を上回るように前記全固体リチウムイオン二次電池の温度を制御することを含む、全固体リチウムイオン二次電池の充電方法。
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