ハイブリッド電源装置
【課題】複雑な制御システムを必要とする複数種の電池からなるハイブリッド電源を用いることなく、同一種の電池で長時間の連続放電が可能な高容量特性と大電流でのパルス放電が可能な高出力特性を同時に満足する電源装置を提供する。
【解決手段】放電特性の異なる高容量型非水電解質電池群と高出力型非水電解質電池群とが並列に接続されたハイブリッド電源装置であって、単電池当たりの０．２Ｃの放電容量は高容量型非水電解質電池群が高出力型非水電解質電池群より大きく、単電池当たりの０．２Ｃの放電容量に対する５Ｃの放電容量（５Ｃ放電容量／０．２Ｃ放電容量）は高出力型非水電解質電池群が高容量型非水電解質電池群より大きいハイブリッド電源装置。
【解決手段】放電特性の異なる高容量型非水電解質電池群と高出力型非水電解質電池群とが並列に接続されたハイブリッド電源装置であって、単電池当たりの０．２Ｃの放電容量は高容量型非水電解質電池群が高出力型非水電解質電池群より大きく、単電池当たりの０．２Ｃの放電容量に対する５Ｃの放電容量（５Ｃ放電容量／０．２Ｃ放電容量）は高出力型非水電解質電池群が高容量型非水電解質電池群より大きいハイブリッド電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話、パソコン等のモバイル分野、電動工具、掃除機等のパワーツール分野、電動自動車、電動産業用車両、電動バイク、電動アシスト自転車、電動車椅子、電動ロボット等の動力分野、ロードレベリング、ピークシフト、バックアップ等のシステム電源分野等に使用される電源装置に関し、より詳しくはその高性能化に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、パソコン等のモバイル分野に比べて、電動工具等のパワーツール分野、電動バイク等の動力分野では電源に対する負荷変動が大きく、また長時間連続使用されるため、高出力で、高容量の電源が求められている。
【０００３】
一般に、電池において高容量と高出力は相反する性能であり、両立させることが難しい。例えば、高容量型二次電池の代表であるリチウムイオン二次電池等の非水電解質電池は０．２Ｃ程度の低負荷で長時間の連続放電が可能であるためモバイル分野等の電源装置として主に利用されているが、前記のような低負荷時の電極面積当たりの電流密度は０．０１Ａ／ｃｍ２程度に過ぎない。このため、上記のような高容量型の非水電解質電池は電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２以上の大電流での放電が必要とされる電動バイク、電動アシスト自転車等の動力分野等で使用される高負荷用の電源としては不適である。また、上記のような動力分野では頻繁な電源のオン、オフが行われるため大電流のパルス放電特性が重要となるが、モバイル分野等で利用されている高容量型の非水電解質電池では十分なパルス放電容量が得られない。一方、高出力型の電源であるキャパシタ等では大電流放電は可能であるが、容量が極めて小さく長時間の連続放電が難しい。
【０００４】
このため、単一の電池では両特性を満足する電源を得ることが困難であり、長時間小出力型のエネルギー電源と短時間大出力型のパワー電源とを組み合わせて使用するハイブリッド電源装置が提案され、実用化に向けた試みが行われている。例えば、長時間小出力型のエネルギー電源として、鉛電池、ニカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池や燃料電池を用い、短時間大出力型のパワー電源として、キャパシタ（コンデンサ）を用いたハイブリッド電源装置が提案されている（特許文献１〜４）。
【０００５】
特許文献１では、電池と大容量コンデンサと電流制御回路を具備するハイブリッド電源装置が開示されており、負荷電流が大きいときに負荷に流す電池の放電電流が、負荷電流が小さいときに負荷に流す電池の放電電流及びコンデンサへの電池の充電電流との和にできるだけ近くなるように電流制御回路で制御することによって電池の利用効率を高めている。また、特許文献２では、主電池部に並列に補助電源が接続され、その補助電源に電圧昇圧手段が直列に接続されることによって効率よく二次電池を充電する電源が提案されている。また、特許文献３では、燃料電池と、単位二次電池が直列に接続された二次電池とを備え、単位二次電池の残容量検出手段と充電制御手段を組み込んだハイブリッド電源装置が提案されている。さらに、特許文献４では、一対のキャパシタ端子を有する電気二重層キャパシタ、エネルギー貯蔵装置、及び第１と第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとを有するハイブリッド電源装置が提案されている。
【特許文献１】特開平８−３０８１０３号公報
【特許文献２】特開２００４−４８９１３号公報
【特許文献３】ＷＯ２００２／０２５７６１パンフレット
【特許文献４】特開２００４−５６９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１〜４で提案されているような従来のハイブリッド電源装置は異種電源や異種部品を組み合わせて用いるため、これら異種電源や異種部品を最適に駆動するための電流制御回路、電圧昇圧手段、残容量検出手段、充電制御手段、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ等の複雑な制御システムが必要であった。
【０００７】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、複雑な制御システムを必要とする複数種の電源からなるハイブリッド電源を用いることなく、同一種の電池で、長時間の連続放電が可能な高容量特性と大電流でのパルス放電が可能な高出力特性を同時に満足する電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決した本発明とは、放電特性の異なる高容量型非水電解質電池群と高出力型非水電解質電池群とが並列に接続されたハイブリッド電源装置であって、単電池当たりの０．２Ｃの放電容量は前記高容量型非水電解質電池群が前記高出力型非水電解質電池群より大きく、かつ、単電池当たりの０．２Ｃの放電容量に対する５Ｃの放電容量（５Ｃ放電容量／０．２Ｃ放電容量）は前記高出力型非水電解質電池群が前記高容量型非水電解質電池群より大きいことを特徴とするハイブリッド電源装置である。
【０００９】
上記構成によれば、同種の高容量型非水電解質電池群と高出力型非水電解質電池群とが並列に接続された電源装置であるため、複雑な制御システムの組み込みが不要となる。また、大電流放電時には高出力型非水電解質電池群がその大電流の大部分を担い、小電流放電時には両電池群から放電されるとともに、両電池群が並列に接続されているため、高容量型非水電解質電池群から高出力型非水電解質電池群へ電位平衡が達成される電気量分の充電が行われる。これによって、電池内のリチウムイオンの分布が積極的に均一化され、パルス放電での電圧低下を低減することができる。
【００１０】
また、本発明は上記構成を有するハイブリッド電源装置において、前記高容量型非水電解質電池群及び高出力型非水電解質電池群の少なくとも一方の電池群が複数の単電池で構成されていることを特徴とする。
【００１１】
上記構成によれば、電池容量や出力電圧の異なる電池群を有するハイブリッド電源装置とすることができるため、種々の用途に対して最適な電源装置を容易に作製することができる。
【００１２】
また、本発明は前記複数の単電池が直列に接続されていることを特徴とするハイブリッド電源装置である。
【００１３】
上記構成によれば、各電池群で異なる出力電圧が得られるため、用途に応じて最適な電源装置を容易に作製することができる。
【００１４】
さらに、本発明は前記複数の単電池が並列に接続されていることを特徴とするハイブリッド電源装置である。
【００１５】
上記構成によれば、各電池群で異なる負荷特性が得られるため、用途に応じて最適な電源装置を容易に作製することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、同種の非水電解質電池を組み合わせて、複雑な制御システムを使用することなく、長時間の連続放電が可能な高容量特性と大電流でのパルス放電が可能な高出力特性を同時に満足する電源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（実施の形態１）
図１は本発明のハイブリッド電源装置３の一例を示す模式図である。この図１のハイブリッド電源装置３では、高容量型非水電解質電池群１と高出力型非水電解質電池群２とが並列に接続されており、各電池群はそれぞれ１つの単電池、非水電解質電池１ａ、２ａから構成されている。
【００１８】
本発明では、この高容量型非水電解質電池群１を構成する非水電解質電池１ａと高出力型非水電解質電池群２を構成する非水電解質電池２ａの放電特性が異なることを特徴とする。すなわち、本発明のハイブリッド電源装置３は、低負荷の０．２Ｃの放電容量は非水電解質電池１ａが非水電解質電池２ａより大きいが、０．２Ｃの放電容量に対する高負荷の５Ｃの放電容量（５Ｃ放電容量／０．２Ｃ放電容量）は非水電解質電池２ａが非水電解質電池１ａより大きくなるように設計されている。なお、上記０．２Ｃの放電容量及び５Ｃの放電容量は、単電池をそれぞれ使用機器での満充電に相当する電圧まで充電した後、放電終止電圧まで理論容量に対して０．２Ｃ放電あるいは５Ｃ放電を行ったときの容量である。
【００１９】
通常、モバイル分野等の低負荷用途で使用されている非水電解質電池は高容量型であり、０．２Ｃでの低負荷の放電特性には優れるが、電動アシスト自転車、電動バイク等の電源として利用される場合、スタート時や坂路では５Ｃ以上の大電流での放電が要求されるため十分な放電が得られ難く、さらに負荷が大きくなると放電ができなくなる。このため、本発明のハイブリッド電源装置３は高負荷時でも十分な放電が可能となるように高容量型の非水電解質電池１ａとともに、高出力型の非水電解質電池２ａとを組み合わせた電源とし、大電流放電時には高出力型の非水電解質電池２ａがその大電流の大部分を担い、小電流放電時には高負荷特性に優れる高容量型の非水電解質電池１ａと高出力型の非水電解質電池２ａの両方で放電を行うとともに、両電池が並列に接続されることにより高容量型の非水電解質電池１ａから高出力型の非水電解質電池２ａへ電位平衡が達成される電気量分の充電が行われるように構成されている。
【００２０】
また、非水電解質電池では大電流放電を行うと、リチウムイオン濃度が負極近傍で増大し正極近傍で減少して不均一なリチウムイオンの分布が発生する。特に、動力分野では電源の頻繁な電源のオン、オフが繰り返されるため大電流のパルス放電が行われるが、このような場合リチウムイオンの不均一な分布が増幅され、結果として電圧降下が生じパルス放電容量が低下する。本実施の形態のハイブリッド電源装置３では放電オン時に高出力型の非水電解質電池２ａが大電流放電するが、放電オフ時には高容量型の非水電解質電池１ａから高出力型の非水電解質電池２ａに充電が行われるため、単一の非水電解質電池のみからなる充電が行われない電源と比較して積極的に電池内のリチウムイオンの分布が均一化される。このため、大電流でのパルス放電が繰り返し行なわれても、高容量型あるいは高出力型非水電解質電池のみからなる電源より電圧降下が低減されパルス放電容量の低下が抑制される。
【００２１】
本発明において、高容量型非水電解質電池群１を構成する非水電解質電池１ａ及び高出力型非水電解質電池群２を構成する非水電解質電池２ａは各電池で正極活物質の種類、正極合剤の組成等を変えることにより放電特性を調整してもよいが、正極活物質の塗工量を変更して正極中の集電体と正極活物質の割合を変更すれば同一種の正極活物質を用いて簡便に低負荷と高負荷での放電容量を調整することができるため好ましい。例えば、モバイル分野で使用されている代表的な高容量型の非水電解質電池であるリチウムイオン二次電池では正極の容量当たりの極板面積が２００ｃｍ２／Ａｈ未満であるが、容量当たりの極板面積をさらに大きくすることにより、正極中の正極活物質と集電体との体積割合が変更され放電特性の異なる高出力型の非水電解質電池が得られる。
【００２２】
本発明において、同一の正極活物質を用いて上記のような容量当たりの極板面積を変更することにより放電特性の異なる非水電解質電池を作製する場合、容量当たりの極板面積が２００ｃｍ２／Ａｈ未満の正極を有する非水電解質電池を高容量型の非水電解質電池として用い、容量当たりの極板面積が２００ｃｍ２／Ａｈ以上、８００ｃｍ２／Ａｈ以下の正極を有する非水電解質電池を高出力型の非水電解質電池として用いることが好ましい。
【００２３】
上記容量当たりの極板面積が２００ｃｍ２／Ａｈ未満の正極を作製する場合、例えば代表的な正極活物質であるコバルト酸リチウムを用いる場合について説明すると、正極活物質の片面当たりの塗工量を１７．８ｍｇ／ｃｍ２以上とすることにより調整できる。また、同活物質を用いて容量当たりの極板面積が２００ｃｍ２／Ａｈ以上、８００ｃｍ２／Ａｈ以下の正極とする場合、正極活物質の片面当たりの塗工量を４．４〜１７．７ｍｇ／ｃｍ２とすることにより調整できる。
【００２４】
本発明において、容量当たりの極板面積を変更することにより放電特性の異なる非水電解質電池を作製する場合、高容量型の非水電解質電池１ａと高出力型の非水電解質電池２ａの各正極の容量当たりの極板面積の差は使用される機器の特性に基づいて適宜選択することができるが、１００ｃｍ２／Ａｈより大きいことが好ましい。高容量型の非水電解質電池の正極と高出力型の非水電解質電池の正極の容量当たりの極板面積の差が小さいと、低負荷に対する高負荷の放電特性に十分な差が得られ難くなる。
【００２５】
本発明の正極に用いられる構成材料としては従来から公知のものを使用することができる。正極活物質としては、具体的には、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム等のリチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。結着剤としては、具体的には、例えば、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の他、ポリアクリル酸系誘導体ゴム粒子（商品名ＢＭ−５００Ｂ，日本ゼオン（株）社製）等のゴム系結着剤を用いることができる。ＰＴＦＥやＢＭ−５００Ｂが結着剤として使用される場合、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）の他、変性アクリロニトリルゴム（商品名ＢＭ−７２０Ｈ，日本ゼオン（株）社製）等と組み合わせて用いることが好ましい。結着剤と増粘剤の添加量は、特に制限されるものではないが、正極活物質１００質量部当たりの結着剤量が０．１〜５質量部、増粘剤量が０．１〜５質量部であることが好ましい。また、本発明では他の任意成分として導電剤等を添加してもよい。導電剤としては、具体的には、例えば、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック、各種黒鉛等を用いることができる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００２６】
本発明の正極は、上記のような正極活物質、結着剤、必要により増粘剤及び導電剤をＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）等の溶媒を用いて混合することによりペーストを調整し、例えば、厚さ１０〜５０μｍのアルミニウム製の集電体上に正極活物質と集電体が各正極中で所定の厚みとなるように塗布し、乾燥、圧延後、裁断することにより得られる。
【００２７】
本発明の負極に用いられる構成材料としては従来から公知のものを使用することができる。負極活物質としては、具体的には、例えば、各種天然黒鉛、各種人造黒鉛、シリコン含有複合材料、各種合金材料等を用いることができる。結着剤としては、具体的には、例えば、スチレン−ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）、ＳＢＲのアクリル酸変性体等を用いることができる。また、本発明では他の任意成分として水溶性高分子からなる増粘剤を併用してもよく、水溶性高分子としては、具体的には、例えば、セルロース系樹脂が挙げられ、その中でもＣＭＣが好ましい。結着剤と増粘剤の添加量は、特に制限されるものではないが、負極活物質１００質量部当たりの結着剤量が０．１〜５質量部、増粘剤量が０．１〜５質量部であることが好ましい。
【００２８】
本発明の負極は、上記のような負極活物質、結着剤、必要により増粘剤及び導電剤をＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）等の溶媒を用いて混合してペーストを調整し、例えば、厚さ１０〜５０μｍの銅製の集電体上に所定厚みとなるように塗布し、乾燥、圧延後、裁断することにより得られる。なお、本発明の非水電解質電池は負極容量を正極容量より大きくした正極容量規制とされる。
【００２９】
次に、上記のようにして得られる正極及び負極をセパレータを介して対向させて電極が巻回あるいは積層された構造を有する電極体が作製される。
【００３０】
本発明で用いることができるセパレータとしては、融点が２００℃以下の樹脂製微多孔質フィルムが好ましい。これらの中でも、ポリエチレンやポリプロピレンもしくはポリエチレンとポリプロピレンの混合物や共重合体等からなるセパレータがより好ましい。このようなセパレータであれば電池が外部短絡した場合、セパレータが溶融することで電池の抵抗が高くなり、短絡電流が小さくなるため電池が発熱して高温になることを防ぐことができる。なお、セパレータの厚みはイオン伝導性を確保しつつエネルギー密度を維持する観点から、１０〜４０μｍの範囲が好ましい。
【００３１】
上記のようにして作製される電極体は各電極から集電が行われるように集電板と接続される。集電板との接続には、例えば、各電極の幅方向端部で集電体の露出部分を形成しておき、その露出部分と集電板とを多数点で接触させる方法を用いることができる。
【００３２】
本発明で用いることができる非水電解質としては、例えば、非水溶媒にＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４等の各種リチウム塩を溶質として１種または２種以上溶解したものが望ましい。非水溶媒としては、具体的には、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）等を用いることができる。非水溶媒は、１種を単独で用いることもできるが、２種以上を組み合わせて用いることが好ましい。また、正極および／または負極の活物質表面に皮膜を形成させ過充電時の安定性等を確保するために、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、シクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）、またはＶＣやＣＨＢの誘導体等を添加してもよい。なお、本発明の非水電解質は液体電解質だけでなく、ゲル状または固体電解質を用いてもよい。
【００３３】
本発明の非水電解質電池は上記のようにして作製される電極体及び非水電解質を用い、これらを電池缶内に挿入し、封口する工程を経て作製される。
【００３４】
（実施の形態２）
本発明のハイブリッド電源装置は、高容量型非水電解質電池群及び高出力型非水電解質電池群の少なくとも一方が複数の非水電解質電池からなる構成を有していてもよい。図２（ａ）〜（ｃ）は本実施の形態のハイブリッド電源装置の一例を示す模式図である。なお、本実施の形態で使用される各非水電解質電池の放電特性及び電極等の構成は実施の形態１で説明された各非水電解質電池と同様であるため、その説明は省略し、異なる点のみ説明する。
【００３５】
図２（ａ）は高容量型非水電解質電池群１が２つの非水電解質電池１ａを並列に接続した電池群からなり、その高容量型非水電解質電池群１と１つの非水電解質電池２ａからなる高出力型非水電解質電池群２とが並列に接続されたハイブリッド電源装置である。このような構成とすることにより、高容量型非水電解質電池群１は複数の非水電解質電池１ａを並列に接続して構成されているため、低負荷で大きな電池容量が求められる用途に好適な電源装置が得られる。
【００３６】
図２（ｂ）は、高容量型非水電解質電池群１及び高出力型非水電解質電池群２のいずれも各２個の非水電解質電池１ａあるいは２ａが並列に接続されたハイブリッド電源装置である。このような構成とすることにより、低負荷及び高負荷両方の容量が増加するため、両負荷特性で大きな電池容量が求められる用途に好適な電源装置が得られる。
【００３７】
図２（ｃ）は、高容量型非水電解質電池群１及び高出力型非水電解質電池群２のいずれも各２個の非水電解質電池１ａあるいは２ａが直列に接続されたハイブリッド電源装置である。このような構成とすることにより、各電池群で異なる電池電圧が得られるため、低負荷及び高負荷で高電圧が求められる用途に好適な電源装置が得られる。
【００３８】
なお、図２（ａ）〜（ｃ）では複数の単電池からなる電池群はいずれも２つの単電池が接続された形態で示されているが、使用機器で要求される特性に応じてその数は適宜変更することができる。また、図２では各電池群で単電池が並列または直列に接続された構成のみが説明されたが、使用機器で要求される特性に応じて接続形態を適宜変更することができる。例えば、一方の電池群は並列に接続し、他方の電池群は直列に接続した構成とすることもできる。
【００３９】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４０】
実施例
＜単電池の作製＞
（リチウムイオン二次電池Ａ）
コバルト酸リチウム３０ｋｇを、呉羽化学（株）製ＰＶＤＦ＃１３２０（固形分１２質量部のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液）１０ｋｇ、アセチレンブラック９００ｇおよび適量のＮＭＰとともに双腕式練合機にて撹拌し、正極ペーストを調整した。このペーストを１５μｍ厚のアルミニウム箔上に集電板と接続される露出部分を形成するため幅方向端部を除いて片面活物質量が３５．３ｍｇ／ｃｍ２となるように両面に塗布、乾燥し、総厚が２１５μｍとなるように圧延した後、幅５６ｍｍ、長さ４１１ｍｍの寸法に裁断し、正極を作製した。
【００４１】
上記とは別に、人造黒鉛２０ｋｇを、日本ゼオン（株）製のＳＢＲアクリル酸変性体であるＢＭ−４００Ｂ（商品名、固形分４０質量部）７５０ｇ、ＣＭＣ３００ｇおよび適量の水とともに双腕式練合機にて撹拌し、負極ペーストを作製した。このペーストを１０μｍ厚の銅箔上に正極と同様にして幅方向端部の銅箔の露出部分を除いて片面活物質量が１６．０ｍｇ／ｃｍ２となるように両面に塗布、乾燥し、総厚が２１５μｍとなるように圧延した後、幅５８ｍｍ、長さ４７１ｍｍの寸法に裁断し、負極を作製した。
【００４２】
上記の正極及び負極を、ポリエチレン製微多孔質セパレータ（旭化成社製９４２０Ｇ）を介して捲回し、円筒形の電極体を作製した。この際、電池缶に挿入したときの電極体の蓋面側には正極ペーストが塗布されていない無垢のアルミニウム箔が、底面側には負極ペーストが塗布されていない無垢の銅箔が、それぞれ露出するよう配置した。正極のアルミニウム箔部にはアルミニウム製の集電板（厚み０．３ｍｍ）を、負極の銅箔部には鉄製の集電板（厚み０．３ｍｍ）を溶接した後、直径１８ｍｍ、高さ６８ｍｍの円筒形の電池ケースに電極体を挿入した。その後、ＥＣとＥＭＣとの混合溶媒（体積比１：３）に１．０ＭのＬｉＰＦ６を溶解させた非水電解質を５ｇ注入し、封口加工を施して、電池ケース内径に対する電極体直径が９５％、理論容量２３００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が１００ｃｍ２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。
【００４３】
（リチウムイオン二次電池Ｂ）
リチウムイオン二次電池Ａの作製において、正極を片面活物質量が２２．８ｍｇ／ｃｍ２、圧延後の総厚が１４４μｍ、長さが５３６ｍｍ、負極を片面活物質量が１７．２ｍｇ／ｃｍ２、総厚が１４１μｍ、長さが５９６ｍｍとなるようにした以外は、リチウムイオン二次電池Ａと同様にして理論容量２０００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が１５０ｃｍ２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池Ｂを作製した。
【００４４】
（リチウムイオン二次電池Ｃ）
リチウムイオン二次電池Ａの作製において、正極を片面活物質量が１７．７ｍｇ／ｃｍ２、圧延後の総厚が１１５μｍ、長さが６４３ｍｍ、負極を片面活物質量が１５．０ｍｇ／ｃｍ２、総厚が１１１μｍ、長さが７０３ｍｍとなるようにした以外は、リチウムイオン二次電池Ａと同様にして理論容量１８００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が２００ｃｍ２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池Ｃを作製した。
【００４５】
（リチウムイオン二次電池Ｄ）
リチウムイオン二次電池Ａの作製において、正極を片面活物質量が１１．５ｍｇ／ｃｍ２、圧延後の総厚が８０μｍ、長さが８５８ｍｍ、負極を片面活物質量が１２．１ｍｇ／ｃｍ２、総厚が７５μｍ、長さが９１８ｍｍとなるようにした以外は、リチウムイオン二次電池Ａと同様にして理論容量１６００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が３００ｃｍ２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池Ｄを作製した。
【００４６】
（リチウムイオン二次電池Ｅ）
リチウムイオン二次電池Ａの作製において、正極を片面活物質量が８．９ｍｇ／ｃｍ２、圧延後の総厚が６５μｍ、長さが１０００ｍｍ、負極を片面活物質量が１１．０ｍｇ／ｃｍ２、総厚が６０μｍ、長さが１０６０ｍｍとなるようにした以外は、リチウムイオン二次電池Ａと同様にして理論容量１４００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が４００ｃｍ２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池Ｅを作製した。
【００４７】
（リチウムイオン二次電池Ｆ）
リチウムイオン二次電池Ａの作製において、正極を片面活物質量が４．４ｍｇ／ｃｍ２、圧延後の総厚が４０μｍ、長さが１５７２ｍｍ、負極を片面活物質量が８．９ｍｇ／ｃｍ２、総厚が３４μｍ、長さが１６３２ｍｍとなるようにした以外は、リチウムイオン二次電池Ａと同様にして理論容量１１００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が８００ｃｍ２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池Ｆを作製した。
【００４８】
上記のようにして作製した各リチウムイオン二次電池の０．２Ｃの放電容量及び５Ｃの放電容量を下記の条件で測定した。この結果を表１に示す。
【００４９】
［０．２Ｃ容量］
各電池を電流１Ａで４．２Ｖに達するまで充電を行った後、設計理論容量の０．２Ｃ放電を行い、電池電圧が２．５Ｖに達するまでの容量を測定した。
【００５０】
［５Ｃ容量］
各電池を電流１Ａで４．２Ｖに達するまで充電を行った後、設計理論容量の５Ｃ放電を行い、電池電圧が２．５Ｖに達するまでの容量を測定した。
【００５１】
【表１】
【００５２】
上記のようにして作製した各リチウムイオン二次電池を使用し、以下のハイブリッド電源装置を作製し、評価した。
【００５３】
＜ハイブリッド電源装置の作製＞
（実施例１）
リチウムイオン二次電池Ａとリチウムイオン二次電池Ｆの各１セルの電池群を並列に接続し、ハイブリッド電源装置を作製した。
【００５４】
（実施例２）
リチウムイオン二次電池Ａとリチウムイオン二次電池Ｅの各１セルの電池群を並列に接続し、ハイブリッド電源装置を作製した。
【００５５】
（実施例３）
リチウムイオン二次電池Ａとリチウムイオン二次電池Ｄを各１セルの電池群を並列に接続し、ハイブリッド電源装置を作製した。
【００５６】
（実施例４）
リチウムイオン二次電池Ｂとリチウムイオン二次電池Ｆの各１セルの電池群を並列に接続し、ハイブリッド電源装置を作製した。
【００５７】
（実施例５）
リチウムイオン二次電池Ａとリチウムイオン二次電池Ｆの各２セルが並列に接続された電池群を並列に接続し、ハイブリッド電源装置を作製した。
【００５８】
（実施例６）
リチウムイオン二次電池Ａの２セルが並列に接続された電池群とリチウムイオン二次電池Ｆの１セルの電池群とを並列に接続し、ハイブリッド電源装置を作製した。
【００５９】
（実施例７）
リチウムイオン二次電池Ａとリチウムイオン二次電池Ｆの各２セルが直列に接続された電池群を並列に接続して電源装置を作製した。
【００６０】
（比較例１）
２セルのリチウムイオン二次電池Ａを並列に接続して電源装置を作製した。
【００６１】
（比較例２）
２セルのリチウムイオン二次電池Ｂを並列に接続して電源装置を作製した。
【００６２】
（比較例３）
２セルのリチウムイオン二次電池Ｃを並列に接続して電源装置を作製した。
【００６３】
（比較例４）
２セルのリチウムイオン二次電池Ｄを並列に接続して電源装置を作製した。
【００６４】
（比較例５）
２セルのリチウムイオン二次電池Ｅを並列に接続して電源装置を作製した。
【００６５】
（比較例６）
２セルのリチウムイオン二次電池Ｆを並列に接続して電源装置を作製した。
【００６６】
（比較例７）
リチウムイオン二次電池Ｄとリチウムイオン二次電池Ｅの各１セルの電池群を並列に接続し、ハイブリッド電源装置を作製した。
【００６７】
上記のようにして作製した各電源について、以下の０．２Ｃ容量、最大パルス放電電流、パルス放電容量、パルス放電効率（パルス放電容量／０．２Ｃ容量）、Ｃレート（最大パルス放電電流／０．２Ｃ容量）、及び放電電圧を測定し評価した。この結果を表２に示す。
【００６８】
［０．２Ｃ容量］
実施例１〜６及び比較例１〜７の各電源を電流１Ａで４．２Ｖに達するまで充電を行った後、設計理論容量の０．２Ｃ放電を行い、電池電圧が２．５Ｖに達するまでの容量を測定した。また、実施例７の電源は電流１Ａで８．４Ｖに達するまで充電を行った後、設計理論容量の０．２Ｃ放電を行い、電池電圧が５．０Ｖに達するまでの容量を測定した。
【００６９】
［最大パルス放電電流］
実施例１〜６及び比較例１〜７の各電源を電流１Ａで４．２Ｖに達するまで充電を行った後、０．５秒ＯＮ、１０秒ＯＦＦの連続パルス放電を行った。この際、パルス電流値を増加させ、放電開始時に３．０Ｖ以上の電圧を維持可能な最大パルス放電電流を測定した。また、実施例７の電源は電流１Ａで８．４Ｖに達するまで充電を行った後、０．５秒ＯＮ、１０秒ＯＦＦの連続パルス放電を行い、放電開始時に６．０Ｖ以上の電圧を維持可能な最大放電電流を測定した。
【００７０】
［パルス放電容量］
実施例１〜６及び比較例１〜７の各電源を電流１Ａで４．２Ｖに達するまで充電を行った後、前記最大電流で０．５秒ＯＮ、１０秒ＯＦＦの連続パルス放電を行い、電圧が２．５Ｖに達するまでの容量を測定した。また、実施例７の電源は電流１Ａで８．４Ｖに達するまで充電を行った後、前記最大電流で０．５秒ＯＮ、１０秒ＯＦＦの連続パルス放電を行い、電源電圧が５．０Ｖに達するまでの容量を測定した。
【００７１】
［パルス放電効率］
各電源の０．２Ｃ容量に対するパルス放電容量の百分率をパルス放電効率とした。
【００７２】
［Ｃレート］
各電源の０．２Ｃ容量に対する最大パルス放電電流をＣレートとして評価した。
【００７３】
［放電電圧評価］
各電源の最大パルス放電電流での連続パルス放電中の放電平均電圧を測定した。
【００７４】
【表２】
【００７５】
表２に示すように、本発明の実施例１〜４のハイブリッド電源装置は、それぞれ各電池群に相当する同一の放電特性の電池群が並列に接続された比較例１〜６の電源の平均よりも高いパルス放電容量が得られており、高負荷の特性が改善されていることが分かる。これは放電オン時に高出力型非水電解質電池群が大電流放電し、放電オフ時には高容量型非水電解質電池群から高出力型非水電解質電池群に充電が行われるため、単一種の非水電解質電池のみからなる充電が行われない電源と比較して積極的に電池内のリチウムイオンの分布が均一化されるためである。このため、大電流でのパルス放電が繰り返し行なわれても、高容量型あるいは高出力型の非水電解質電池のみからなる電源より電圧降下が低減されパルス放電容量の低下が抑制される。なお、正極の容量当たりの極板面積が異なるリチウムイオン二次電池を有する比較例７の電源は、各電池群の０．２Ｃと５Ｃの放電特性で差がないため、高負荷の特性の改善が十分得られない。
【００７６】
また、並列あるいは直列に接続された非水電解質電池からなる電池群を有する実施例５〜７の電源によれば、高負荷特性を低下することなく高容量化あるいは高電圧化できることが分かる。
【００７７】
以上説明されたように、本発明のハイブリッド電源装置によれば、同種の非水電解質電池で、複雑な制御システムを使用することなく、長時間の連続放電が可能な高容量特性と大電流でのパルス放電が可能な高出力特性を同時に満足する電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施の形態１のハイブリッド電源装置の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態２のハイブリッド電源装置の一例を示す模式図である。（ａ）は２つの非水電解質電池１ａを並列に接続した高容量型非水電解質電池群１と１つの非水電解質電池２ａからなる高出力型非水電解質電池群２とが並列に接続されたハイブリッド電源装置、（ｂ）は各２個の非水電解質電池１ａあるいは２ａが並列に接続された高容量型非水電解質電池群１と高出力型非水電解質電池群２が並列に接続されたハイブリッド電源装置、（ｃ）は、各２個の非水電解質電池１ａあるいは２ａが直列に接続された高容量型非水電解質電池群１と高出力型非水電解質電池群２が並列に接続されたハイブリッド電源装置である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 高容量型非水電解質電池群
１ａ 高容量型の非水電解質電池
２ 高出力型非水電解質電池群
２ａ 高出力型の非水電解質電池
３ ハイブリッド電源装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話、パソコン等のモバイル分野、電動工具、掃除機等のパワーツール分野、電動自動車、電動産業用車両、電動バイク、電動アシスト自転車、電動車椅子、電動ロボット等の動力分野、ロードレベリング、ピークシフト、バックアップ等のシステム電源分野等に使用される電源装置に関し、より詳しくはその高性能化に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、パソコン等のモバイル分野に比べて、電動工具等のパワーツール分野、電動バイク等の動力分野では電源に対する負荷変動が大きく、また長時間連続使用されるため、高出力で、高容量の電源が求められている。
【０００３】
一般に、電池において高容量と高出力は相反する性能であり、両立させることが難しい。例えば、高容量型二次電池の代表であるリチウムイオン二次電池等の非水電解質電池は０．２Ｃ程度の低負荷で長時間の連続放電が可能であるためモバイル分野等の電源装置として主に利用されているが、前記のような低負荷時の電極面積当たりの電流密度は０．０１Ａ／ｃｍ２程度に過ぎない。このため、上記のような高容量型の非水電解質電池は電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２以上の大電流での放電が必要とされる電動バイク、電動アシスト自転車等の動力分野等で使用される高負荷用の電源としては不適である。また、上記のような動力分野では頻繁な電源のオン、オフが行われるため大電流のパルス放電特性が重要となるが、モバイル分野等で利用されている高容量型の非水電解質電池では十分なパルス放電容量が得られない。一方、高出力型の電源であるキャパシタ等では大電流放電は可能であるが、容量が極めて小さく長時間の連続放電が難しい。
【０００４】
このため、単一の電池では両特性を満足する電源を得ることが困難であり、長時間小出力型のエネルギー電源と短時間大出力型のパワー電源とを組み合わせて使用するハイブリッド電源装置が提案され、実用化に向けた試みが行われている。例えば、長時間小出力型のエネルギー電源として、鉛電池、ニカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池や燃料電池を用い、短時間大出力型のパワー電源として、キャパシタ（コンデンサ）を用いたハイブリッド電源装置が提案されている（特許文献１〜４）。
【０００５】
特許文献１では、電池と大容量コンデンサと電流制御回路を具備するハイブリッド電源装置が開示されており、負荷電流が大きいときに負荷に流す電池の放電電流が、負荷電流が小さいときに負荷に流す電池の放電電流及びコンデンサへの電池の充電電流との和にできるだけ近くなるように電流制御回路で制御することによって電池の利用効率を高めている。また、特許文献２では、主電池部に並列に補助電源が接続され、その補助電源に電圧昇圧手段が直列に接続されることによって効率よく二次電池を充電する電源が提案されている。また、特許文献３では、燃料電池と、単位二次電池が直列に接続された二次電池とを備え、単位二次電池の残容量検出手段と充電制御手段を組み込んだハイブリッド電源装置が提案されている。さらに、特許文献４では、一対のキャパシタ端子を有する電気二重層キャパシタ、エネルギー貯蔵装置、及び第１と第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとを有するハイブリッド電源装置が提案されている。
【特許文献１】特開平８−３０８１０３号公報
【特許文献２】特開２００４−４８９１３号公報
【特許文献３】ＷＯ２００２／０２５７６１パンフレット
【特許文献４】特開２００４−５６９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１〜４で提案されているような従来のハイブリッド電源装置は異種電源や異種部品を組み合わせて用いるため、これら異種電源や異種部品を最適に駆動するための電流制御回路、電圧昇圧手段、残容量検出手段、充電制御手段、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ等の複雑な制御システムが必要であった。
【０００７】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、複雑な制御システムを必要とする複数種の電源からなるハイブリッド電源を用いることなく、同一種の電池で、長時間の連続放電が可能な高容量特性と大電流でのパルス放電が可能な高出力特性を同時に満足する電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決した本発明とは、放電特性の異なる高容量型非水電解質電池群と高出力型非水電解質電池群とが並列に接続されたハイブリッド電源装置であって、単電池当たりの０．２Ｃの放電容量は前記高容量型非水電解質電池群が前記高出力型非水電解質電池群より大きく、かつ、単電池当たりの０．２Ｃの放電容量に対する５Ｃの放電容量（５Ｃ放電容量／０．２Ｃ放電容量）は前記高出力型非水電解質電池群が前記高容量型非水電解質電池群より大きいことを特徴とするハイブリッド電源装置である。
【０００９】
上記構成によれば、同種の高容量型非水電解質電池群と高出力型非水電解質電池群とが並列に接続された電源装置であるため、複雑な制御システムの組み込みが不要となる。また、大電流放電時には高出力型非水電解質電池群がその大電流の大部分を担い、小電流放電時には両電池群から放電されるとともに、両電池群が並列に接続されているため、高容量型非水電解質電池群から高出力型非水電解質電池群へ電位平衡が達成される電気量分の充電が行われる。これによって、電池内のリチウムイオンの分布が積極的に均一化され、パルス放電での電圧低下を低減することができる。
【００１０】
また、本発明は上記構成を有するハイブリッド電源装置において、前記高容量型非水電解質電池群及び高出力型非水電解質電池群の少なくとも一方の電池群が複数の単電池で構成されていることを特徴とする。
【００１１】
上記構成によれば、電池容量や出力電圧の異なる電池群を有するハイブリッド電源装置とすることができるため、種々の用途に対して最適な電源装置を容易に作製することができる。
【００１２】
また、本発明は前記複数の単電池が直列に接続されていることを特徴とするハイブリッド電源装置である。
【００１３】
上記構成によれば、各電池群で異なる出力電圧が得られるため、用途に応じて最適な電源装置を容易に作製することができる。
【００１４】
さらに、本発明は前記複数の単電池が並列に接続されていることを特徴とするハイブリッド電源装置である。
【００１５】
上記構成によれば、各電池群で異なる負荷特性が得られるため、用途に応じて最適な電源装置を容易に作製することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、同種の非水電解質電池を組み合わせて、複雑な制御システムを使用することなく、長時間の連続放電が可能な高容量特性と大電流でのパルス放電が可能な高出力特性を同時に満足する電源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（実施の形態１）
図１は本発明のハイブリッド電源装置３の一例を示す模式図である。この図１のハイブリッド電源装置３では、高容量型非水電解質電池群１と高出力型非水電解質電池群２とが並列に接続されており、各電池群はそれぞれ１つの単電池、非水電解質電池１ａ、２ａから構成されている。
【００１８】
本発明では、この高容量型非水電解質電池群１を構成する非水電解質電池１ａと高出力型非水電解質電池群２を構成する非水電解質電池２ａの放電特性が異なることを特徴とする。すなわち、本発明のハイブリッド電源装置３は、低負荷の０．２Ｃの放電容量は非水電解質電池１ａが非水電解質電池２ａより大きいが、０．２Ｃの放電容量に対する高負荷の５Ｃの放電容量（５Ｃ放電容量／０．２Ｃ放電容量）は非水電解質電池２ａが非水電解質電池１ａより大きくなるように設計されている。なお、上記０．２Ｃの放電容量及び５Ｃの放電容量は、単電池をそれぞれ使用機器での満充電に相当する電圧まで充電した後、放電終止電圧まで理論容量に対して０．２Ｃ放電あるいは５Ｃ放電を行ったときの容量である。
【００１９】
通常、モバイル分野等の低負荷用途で使用されている非水電解質電池は高容量型であり、０．２Ｃでの低負荷の放電特性には優れるが、電動アシスト自転車、電動バイク等の電源として利用される場合、スタート時や坂路では５Ｃ以上の大電流での放電が要求されるため十分な放電が得られ難く、さらに負荷が大きくなると放電ができなくなる。このため、本発明のハイブリッド電源装置３は高負荷時でも十分な放電が可能となるように高容量型の非水電解質電池１ａとともに、高出力型の非水電解質電池２ａとを組み合わせた電源とし、大電流放電時には高出力型の非水電解質電池２ａがその大電流の大部分を担い、小電流放電時には高負荷特性に優れる高容量型の非水電解質電池１ａと高出力型の非水電解質電池２ａの両方で放電を行うとともに、両電池が並列に接続されることにより高容量型の非水電解質電池１ａから高出力型の非水電解質電池２ａへ電位平衡が達成される電気量分の充電が行われるように構成されている。
【００２０】
また、非水電解質電池では大電流放電を行うと、リチウムイオン濃度が負極近傍で増大し正極近傍で減少して不均一なリチウムイオンの分布が発生する。特に、動力分野では電源の頻繁な電源のオン、オフが繰り返されるため大電流のパルス放電が行われるが、このような場合リチウムイオンの不均一な分布が増幅され、結果として電圧降下が生じパルス放電容量が低下する。本実施の形態のハイブリッド電源装置３では放電オン時に高出力型の非水電解質電池２ａが大電流放電するが、放電オフ時には高容量型の非水電解質電池１ａから高出力型の非水電解質電池２ａに充電が行われるため、単一の非水電解質電池のみからなる充電が行われない電源と比較して積極的に電池内のリチウムイオンの分布が均一化される。このため、大電流でのパルス放電が繰り返し行なわれても、高容量型あるいは高出力型非水電解質電池のみからなる電源より電圧降下が低減されパルス放電容量の低下が抑制される。
【００２１】
本発明において、高容量型非水電解質電池群１を構成する非水電解質電池１ａ及び高出力型非水電解質電池群２を構成する非水電解質電池２ａは各電池で正極活物質の種類、正極合剤の組成等を変えることにより放電特性を調整してもよいが、正極活物質の塗工量を変更して正極中の集電体と正極活物質の割合を変更すれば同一種の正極活物質を用いて簡便に低負荷と高負荷での放電容量を調整することができるため好ましい。例えば、モバイル分野で使用されている代表的な高容量型の非水電解質電池であるリチウムイオン二次電池では正極の容量当たりの極板面積が２００ｃｍ２／Ａｈ未満であるが、容量当たりの極板面積をさらに大きくすることにより、正極中の正極活物質と集電体との体積割合が変更され放電特性の異なる高出力型の非水電解質電池が得られる。
【００２２】
本発明において、同一の正極活物質を用いて上記のような容量当たりの極板面積を変更することにより放電特性の異なる非水電解質電池を作製する場合、容量当たりの極板面積が２００ｃｍ２／Ａｈ未満の正極を有する非水電解質電池を高容量型の非水電解質電池として用い、容量当たりの極板面積が２００ｃｍ２／Ａｈ以上、８００ｃｍ２／Ａｈ以下の正極を有する非水電解質電池を高出力型の非水電解質電池として用いることが好ましい。
【００２３】
上記容量当たりの極板面積が２００ｃｍ２／Ａｈ未満の正極を作製する場合、例えば代表的な正極活物質であるコバルト酸リチウムを用いる場合について説明すると、正極活物質の片面当たりの塗工量を１７．８ｍｇ／ｃｍ２以上とすることにより調整できる。また、同活物質を用いて容量当たりの極板面積が２００ｃｍ２／Ａｈ以上、８００ｃｍ２／Ａｈ以下の正極とする場合、正極活物質の片面当たりの塗工量を４．４〜１７．７ｍｇ／ｃｍ２とすることにより調整できる。
【００２４】
本発明において、容量当たりの極板面積を変更することにより放電特性の異なる非水電解質電池を作製する場合、高容量型の非水電解質電池１ａと高出力型の非水電解質電池２ａの各正極の容量当たりの極板面積の差は使用される機器の特性に基づいて適宜選択することができるが、１００ｃｍ２／Ａｈより大きいことが好ましい。高容量型の非水電解質電池の正極と高出力型の非水電解質電池の正極の容量当たりの極板面積の差が小さいと、低負荷に対する高負荷の放電特性に十分な差が得られ難くなる。
【００２５】
本発明の正極に用いられる構成材料としては従来から公知のものを使用することができる。正極活物質としては、具体的には、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム等のリチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。結着剤としては、具体的には、例えば、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の他、ポリアクリル酸系誘導体ゴム粒子（商品名ＢＭ−５００Ｂ，日本ゼオン（株）社製）等のゴム系結着剤を用いることができる。ＰＴＦＥやＢＭ−５００Ｂが結着剤として使用される場合、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）の他、変性アクリロニトリルゴム（商品名ＢＭ−７２０Ｈ，日本ゼオン（株）社製）等と組み合わせて用いることが好ましい。結着剤と増粘剤の添加量は、特に制限されるものではないが、正極活物質１００質量部当たりの結着剤量が０．１〜５質量部、増粘剤量が０．１〜５質量部であることが好ましい。また、本発明では他の任意成分として導電剤等を添加してもよい。導電剤としては、具体的には、例えば、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック、各種黒鉛等を用いることができる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００２６】
本発明の正極は、上記のような正極活物質、結着剤、必要により増粘剤及び導電剤をＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）等の溶媒を用いて混合することによりペーストを調整し、例えば、厚さ１０〜５０μｍのアルミニウム製の集電体上に正極活物質と集電体が各正極中で所定の厚みとなるように塗布し、乾燥、圧延後、裁断することにより得られる。
【００２７】
本発明の負極に用いられる構成材料としては従来から公知のものを使用することができる。負極活物質としては、具体的には、例えば、各種天然黒鉛、各種人造黒鉛、シリコン含有複合材料、各種合金材料等を用いることができる。結着剤としては、具体的には、例えば、スチレン−ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）、ＳＢＲのアクリル酸変性体等を用いることができる。また、本発明では他の任意成分として水溶性高分子からなる増粘剤を併用してもよく、水溶性高分子としては、具体的には、例えば、セルロース系樹脂が挙げられ、その中でもＣＭＣが好ましい。結着剤と増粘剤の添加量は、特に制限されるものではないが、負極活物質１００質量部当たりの結着剤量が０．１〜５質量部、増粘剤量が０．１〜５質量部であることが好ましい。
【００２８】
本発明の負極は、上記のような負極活物質、結着剤、必要により増粘剤及び導電剤をＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）等の溶媒を用いて混合してペーストを調整し、例えば、厚さ１０〜５０μｍの銅製の集電体上に所定厚みとなるように塗布し、乾燥、圧延後、裁断することにより得られる。なお、本発明の非水電解質電池は負極容量を正極容量より大きくした正極容量規制とされる。
【００２９】
次に、上記のようにして得られる正極及び負極をセパレータを介して対向させて電極が巻回あるいは積層された構造を有する電極体が作製される。
【００３０】
本発明で用いることができるセパレータとしては、融点が２００℃以下の樹脂製微多孔質フィルムが好ましい。これらの中でも、ポリエチレンやポリプロピレンもしくはポリエチレンとポリプロピレンの混合物や共重合体等からなるセパレータがより好ましい。このようなセパレータであれば電池が外部短絡した場合、セパレータが溶融することで電池の抵抗が高くなり、短絡電流が小さくなるため電池が発熱して高温になることを防ぐことができる。なお、セパレータの厚みはイオン伝導性を確保しつつエネルギー密度を維持する観点から、１０〜４０μｍの範囲が好ましい。
【００３１】
上記のようにして作製される電極体は各電極から集電が行われるように集電板と接続される。集電板との接続には、例えば、各電極の幅方向端部で集電体の露出部分を形成しておき、その露出部分と集電板とを多数点で接触させる方法を用いることができる。
【００３２】
本発明で用いることができる非水電解質としては、例えば、非水溶媒にＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４等の各種リチウム塩を溶質として１種または２種以上溶解したものが望ましい。非水溶媒としては、具体的には、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）等を用いることができる。非水溶媒は、１種を単独で用いることもできるが、２種以上を組み合わせて用いることが好ましい。また、正極および／または負極の活物質表面に皮膜を形成させ過充電時の安定性等を確保するために、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、シクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）、またはＶＣやＣＨＢの誘導体等を添加してもよい。なお、本発明の非水電解質は液体電解質だけでなく、ゲル状または固体電解質を用いてもよい。
【００３３】
本発明の非水電解質電池は上記のようにして作製される電極体及び非水電解質を用い、これらを電池缶内に挿入し、封口する工程を経て作製される。
【００３４】
（実施の形態２）
本発明のハイブリッド電源装置は、高容量型非水電解質電池群及び高出力型非水電解質電池群の少なくとも一方が複数の非水電解質電池からなる構成を有していてもよい。図２（ａ）〜（ｃ）は本実施の形態のハイブリッド電源装置の一例を示す模式図である。なお、本実施の形態で使用される各非水電解質電池の放電特性及び電極等の構成は実施の形態１で説明された各非水電解質電池と同様であるため、その説明は省略し、異なる点のみ説明する。
【００３５】
図２（ａ）は高容量型非水電解質電池群１が２つの非水電解質電池１ａを並列に接続した電池群からなり、その高容量型非水電解質電池群１と１つの非水電解質電池２ａからなる高出力型非水電解質電池群２とが並列に接続されたハイブリッド電源装置である。このような構成とすることにより、高容量型非水電解質電池群１は複数の非水電解質電池１ａを並列に接続して構成されているため、低負荷で大きな電池容量が求められる用途に好適な電源装置が得られる。
【００３６】
図２（ｂ）は、高容量型非水電解質電池群１及び高出力型非水電解質電池群２のいずれも各２個の非水電解質電池１ａあるいは２ａが並列に接続されたハイブリッド電源装置である。このような構成とすることにより、低負荷及び高負荷両方の容量が増加するため、両負荷特性で大きな電池容量が求められる用途に好適な電源装置が得られる。
【００３７】
図２（ｃ）は、高容量型非水電解質電池群１及び高出力型非水電解質電池群２のいずれも各２個の非水電解質電池１ａあるいは２ａが直列に接続されたハイブリッド電源装置である。このような構成とすることにより、各電池群で異なる電池電圧が得られるため、低負荷及び高負荷で高電圧が求められる用途に好適な電源装置が得られる。
【００３８】
なお、図２（ａ）〜（ｃ）では複数の単電池からなる電池群はいずれも２つの単電池が接続された形態で示されているが、使用機器で要求される特性に応じてその数は適宜変更することができる。また、図２では各電池群で単電池が並列または直列に接続された構成のみが説明されたが、使用機器で要求される特性に応じて接続形態を適宜変更することができる。例えば、一方の電池群は並列に接続し、他方の電池群は直列に接続した構成とすることもできる。
【００３９】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４０】
実施例
＜単電池の作製＞
（リチウムイオン二次電池Ａ）
コバルト酸リチウム３０ｋｇを、呉羽化学（株）製ＰＶＤＦ＃１３２０（固形分１２質量部のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液）１０ｋｇ、アセチレンブラック９００ｇおよび適量のＮＭＰとともに双腕式練合機にて撹拌し、正極ペーストを調整した。このペーストを１５μｍ厚のアルミニウム箔上に集電板と接続される露出部分を形成するため幅方向端部を除いて片面活物質量が３５．３ｍｇ／ｃｍ２となるように両面に塗布、乾燥し、総厚が２１５μｍとなるように圧延した後、幅５６ｍｍ、長さ４１１ｍｍの寸法に裁断し、正極を作製した。
【００４１】
上記とは別に、人造黒鉛２０ｋｇを、日本ゼオン（株）製のＳＢＲアクリル酸変性体であるＢＭ−４００Ｂ（商品名、固形分４０質量部）７５０ｇ、ＣＭＣ３００ｇおよび適量の水とともに双腕式練合機にて撹拌し、負極ペーストを作製した。このペーストを１０μｍ厚の銅箔上に正極と同様にして幅方向端部の銅箔の露出部分を除いて片面活物質量が１６．０ｍｇ／ｃｍ２となるように両面に塗布、乾燥し、総厚が２１５μｍとなるように圧延した後、幅５８ｍｍ、長さ４７１ｍｍの寸法に裁断し、負極を作製した。
【００４２】
上記の正極及び負極を、ポリエチレン製微多孔質セパレータ（旭化成社製９４２０Ｇ）を介して捲回し、円筒形の電極体を作製した。この際、電池缶に挿入したときの電極体の蓋面側には正極ペーストが塗布されていない無垢のアルミニウム箔が、底面側には負極ペーストが塗布されていない無垢の銅箔が、それぞれ露出するよう配置した。正極のアルミニウム箔部にはアルミニウム製の集電板（厚み０．３ｍｍ）を、負極の銅箔部には鉄製の集電板（厚み０．３ｍｍ）を溶接した後、直径１８ｍｍ、高さ６８ｍｍの円筒形の電池ケースに電極体を挿入した。その後、ＥＣとＥＭＣとの混合溶媒（体積比１：３）に１．０ＭのＬｉＰＦ６を溶解させた非水電解質を５ｇ注入し、封口加工を施して、電池ケース内径に対する電極体直径が９５％、理論容量２３００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が１００ｃｍ２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。
【００４３】
（リチウムイオン二次電池Ｂ）
リチウムイオン二次電池Ａの作製において、正極を片面活物質量が２２．８ｍｇ／ｃｍ２、圧延後の総厚が１４４μｍ、長さが５３６ｍｍ、負極を片面活物質量が１７．２ｍｇ／ｃｍ２、総厚が１４１μｍ、長さが５９６ｍｍとなるようにした以外は、リチウムイオン二次電池Ａと同様にして理論容量２０００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が１５０ｃｍ２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池Ｂを作製した。
【００４４】
（リチウムイオン二次電池Ｃ）
リチウムイオン二次電池Ａの作製において、正極を片面活物質量が１７．７ｍｇ／ｃｍ２、圧延後の総厚が１１５μｍ、長さが６４３ｍｍ、負極を片面活物質量が１５．０ｍｇ／ｃｍ２、総厚が１１１μｍ、長さが７０３ｍｍとなるようにした以外は、リチウムイオン二次電池Ａと同様にして理論容量１８００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が２００ｃｍ２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池Ｃを作製した。
【００４５】
（リチウムイオン二次電池Ｄ）
リチウムイオン二次電池Ａの作製において、正極を片面活物質量が１１．５ｍｇ／ｃｍ２、圧延後の総厚が８０μｍ、長さが８５８ｍｍ、負極を片面活物質量が１２．１ｍｇ／ｃｍ２、総厚が７５μｍ、長さが９１８ｍｍとなるようにした以外は、リチウムイオン二次電池Ａと同様にして理論容量１６００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が３００ｃｍ２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池Ｄを作製した。
【００４６】
（リチウムイオン二次電池Ｅ）
リチウムイオン二次電池Ａの作製において、正極を片面活物質量が８．９ｍｇ／ｃｍ２、圧延後の総厚が６５μｍ、長さが１０００ｍｍ、負極を片面活物質量が１１．０ｍｇ／ｃｍ２、総厚が６０μｍ、長さが１０６０ｍｍとなるようにした以外は、リチウムイオン二次電池Ａと同様にして理論容量１４００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が４００ｃｍ２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池Ｅを作製した。
【００４７】
（リチウムイオン二次電池Ｆ）
リチウムイオン二次電池Ａの作製において、正極を片面活物質量が４．４ｍｇ／ｃｍ２、圧延後の総厚が４０μｍ、長さが１５７２ｍｍ、負極を片面活物質量が８．９ｍｇ／ｃｍ２、総厚が３４μｍ、長さが１６３２ｍｍとなるようにした以外は、リチウムイオン二次電池Ａと同様にして理論容量１１００ｍＡｈ、正極の容量当たりの極板面積が８００ｃｍ２／Ａｈの円筒形のリチウムイオン二次電池Ｆを作製した。
【００４８】
上記のようにして作製した各リチウムイオン二次電池の０．２Ｃの放電容量及び５Ｃの放電容量を下記の条件で測定した。この結果を表１に示す。
【００４９】
［０．２Ｃ容量］
各電池を電流１Ａで４．２Ｖに達するまで充電を行った後、設計理論容量の０．２Ｃ放電を行い、電池電圧が２．５Ｖに達するまでの容量を測定した。
【００５０】
［５Ｃ容量］
各電池を電流１Ａで４．２Ｖに達するまで充電を行った後、設計理論容量の５Ｃ放電を行い、電池電圧が２．５Ｖに達するまでの容量を測定した。
【００５１】
【表１】
【００５２】
上記のようにして作製した各リチウムイオン二次電池を使用し、以下のハイブリッド電源装置を作製し、評価した。
【００５３】
＜ハイブリッド電源装置の作製＞
（実施例１）
リチウムイオン二次電池Ａとリチウムイオン二次電池Ｆの各１セルの電池群を並列に接続し、ハイブリッド電源装置を作製した。
【００５４】
（実施例２）
リチウムイオン二次電池Ａとリチウムイオン二次電池Ｅの各１セルの電池群を並列に接続し、ハイブリッド電源装置を作製した。
【００５５】
（実施例３）
リチウムイオン二次電池Ａとリチウムイオン二次電池Ｄを各１セルの電池群を並列に接続し、ハイブリッド電源装置を作製した。
【００５６】
（実施例４）
リチウムイオン二次電池Ｂとリチウムイオン二次電池Ｆの各１セルの電池群を並列に接続し、ハイブリッド電源装置を作製した。
【００５７】
（実施例５）
リチウムイオン二次電池Ａとリチウムイオン二次電池Ｆの各２セルが並列に接続された電池群を並列に接続し、ハイブリッド電源装置を作製した。
【００５８】
（実施例６）
リチウムイオン二次電池Ａの２セルが並列に接続された電池群とリチウムイオン二次電池Ｆの１セルの電池群とを並列に接続し、ハイブリッド電源装置を作製した。
【００５９】
（実施例７）
リチウムイオン二次電池Ａとリチウムイオン二次電池Ｆの各２セルが直列に接続された電池群を並列に接続して電源装置を作製した。
【００６０】
（比較例１）
２セルのリチウムイオン二次電池Ａを並列に接続して電源装置を作製した。
【００６１】
（比較例２）
２セルのリチウムイオン二次電池Ｂを並列に接続して電源装置を作製した。
【００６２】
（比較例３）
２セルのリチウムイオン二次電池Ｃを並列に接続して電源装置を作製した。
【００６３】
（比較例４）
２セルのリチウムイオン二次電池Ｄを並列に接続して電源装置を作製した。
【００６４】
（比較例５）
２セルのリチウムイオン二次電池Ｅを並列に接続して電源装置を作製した。
【００６５】
（比較例６）
２セルのリチウムイオン二次電池Ｆを並列に接続して電源装置を作製した。
【００６６】
（比較例７）
リチウムイオン二次電池Ｄとリチウムイオン二次電池Ｅの各１セルの電池群を並列に接続し、ハイブリッド電源装置を作製した。
【００６７】
上記のようにして作製した各電源について、以下の０．２Ｃ容量、最大パルス放電電流、パルス放電容量、パルス放電効率（パルス放電容量／０．２Ｃ容量）、Ｃレート（最大パルス放電電流／０．２Ｃ容量）、及び放電電圧を測定し評価した。この結果を表２に示す。
【００６８】
［０．２Ｃ容量］
実施例１〜６及び比較例１〜７の各電源を電流１Ａで４．２Ｖに達するまで充電を行った後、設計理論容量の０．２Ｃ放電を行い、電池電圧が２．５Ｖに達するまでの容量を測定した。また、実施例７の電源は電流１Ａで８．４Ｖに達するまで充電を行った後、設計理論容量の０．２Ｃ放電を行い、電池電圧が５．０Ｖに達するまでの容量を測定した。
【００６９】
［最大パルス放電電流］
実施例１〜６及び比較例１〜７の各電源を電流１Ａで４．２Ｖに達するまで充電を行った後、０．５秒ＯＮ、１０秒ＯＦＦの連続パルス放電を行った。この際、パルス電流値を増加させ、放電開始時に３．０Ｖ以上の電圧を維持可能な最大パルス放電電流を測定した。また、実施例７の電源は電流１Ａで８．４Ｖに達するまで充電を行った後、０．５秒ＯＮ、１０秒ＯＦＦの連続パルス放電を行い、放電開始時に６．０Ｖ以上の電圧を維持可能な最大放電電流を測定した。
【００７０】
［パルス放電容量］
実施例１〜６及び比較例１〜７の各電源を電流１Ａで４．２Ｖに達するまで充電を行った後、前記最大電流で０．５秒ＯＮ、１０秒ＯＦＦの連続パルス放電を行い、電圧が２．５Ｖに達するまでの容量を測定した。また、実施例７の電源は電流１Ａで８．４Ｖに達するまで充電を行った後、前記最大電流で０．５秒ＯＮ、１０秒ＯＦＦの連続パルス放電を行い、電源電圧が５．０Ｖに達するまでの容量を測定した。
【００７１】
［パルス放電効率］
各電源の０．２Ｃ容量に対するパルス放電容量の百分率をパルス放電効率とした。
【００７２】
［Ｃレート］
各電源の０．２Ｃ容量に対する最大パルス放電電流をＣレートとして評価した。
【００７３】
［放電電圧評価］
各電源の最大パルス放電電流での連続パルス放電中の放電平均電圧を測定した。
【００７４】
【表２】
【００７５】
表２に示すように、本発明の実施例１〜４のハイブリッド電源装置は、それぞれ各電池群に相当する同一の放電特性の電池群が並列に接続された比較例１〜６の電源の平均よりも高いパルス放電容量が得られており、高負荷の特性が改善されていることが分かる。これは放電オン時に高出力型非水電解質電池群が大電流放電し、放電オフ時には高容量型非水電解質電池群から高出力型非水電解質電池群に充電が行われるため、単一種の非水電解質電池のみからなる充電が行われない電源と比較して積極的に電池内のリチウムイオンの分布が均一化されるためである。このため、大電流でのパルス放電が繰り返し行なわれても、高容量型あるいは高出力型の非水電解質電池のみからなる電源より電圧降下が低減されパルス放電容量の低下が抑制される。なお、正極の容量当たりの極板面積が異なるリチウムイオン二次電池を有する比較例７の電源は、各電池群の０．２Ｃと５Ｃの放電特性で差がないため、高負荷の特性の改善が十分得られない。
【００７６】
また、並列あるいは直列に接続された非水電解質電池からなる電池群を有する実施例５〜７の電源によれば、高負荷特性を低下することなく高容量化あるいは高電圧化できることが分かる。
【００７７】
以上説明されたように、本発明のハイブリッド電源装置によれば、同種の非水電解質電池で、複雑な制御システムを使用することなく、長時間の連続放電が可能な高容量特性と大電流でのパルス放電が可能な高出力特性を同時に満足する電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施の形態１のハイブリッド電源装置の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態２のハイブリッド電源装置の一例を示す模式図である。（ａ）は２つの非水電解質電池１ａを並列に接続した高容量型非水電解質電池群１と１つの非水電解質電池２ａからなる高出力型非水電解質電池群２とが並列に接続されたハイブリッド電源装置、（ｂ）は各２個の非水電解質電池１ａあるいは２ａが並列に接続された高容量型非水電解質電池群１と高出力型非水電解質電池群２が並列に接続されたハイブリッド電源装置、（ｃ）は、各２個の非水電解質電池１ａあるいは２ａが直列に接続された高容量型非水電解質電池群１と高出力型非水電解質電池群２が並列に接続されたハイブリッド電源装置である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 高容量型非水電解質電池群
１ａ 高容量型の非水電解質電池
２ 高出力型非水電解質電池群
２ａ 高出力型の非水電解質電池
３ ハイブリッド電源装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電特性の異なる高容量型非水電解質電池群と高出力型非水電解質電池群とが並列に接続されたハイブリッド電源装置であって、
単電池当たりの０．２Ｃの放電容量は前記高容量型非水電解質電池群が前記高出力型非水電解質電池群より大きく、
単電池当たりの０．２Ｃの放電容量に対する５Ｃの放電容量（５Ｃ放電容量／０．２Ｃ放電容量）は前記高出力型非水電解質電池群が前記高容量型非水電解質電池群より大きいことを特徴とするハイブリッド電源装置。
【請求項２】
前記高容量型非水電解質電池群及び高出力型非水電解質電池群の少なくとも一方の電池群は複数の単電池から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド電源装置。
【請求項３】
前記複数の単電池が直列に接続されていることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド電源装置。
【請求項４】
前記複数の単電池が並列に接続されていることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド電源装置。
【請求項１】
放電特性の異なる高容量型非水電解質電池群と高出力型非水電解質電池群とが並列に接続されたハイブリッド電源装置であって、
単電池当たりの０．２Ｃの放電容量は前記高容量型非水電解質電池群が前記高出力型非水電解質電池群より大きく、
単電池当たりの０．２Ｃの放電容量に対する５Ｃの放電容量（５Ｃ放電容量／０．２Ｃ放電容量）は前記高出力型非水電解質電池群が前記高容量型非水電解質電池群より大きいことを特徴とするハイブリッド電源装置。
【請求項２】
前記高容量型非水電解質電池群及び高出力型非水電解質電池群の少なくとも一方の電池群は複数の単電池から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド電源装置。
【請求項３】
前記複数の単電池が直列に接続されていることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド電源装置。
【請求項４】
前記複数の単電池が並列に接続されていることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド電源装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００７−１８８８１７（Ｐ２００７−１８８８１７Ａ）
【公開日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−７３７４（Ｐ２００６−７３７４）
【出願日】平成１８年１月１６日（２００６．１．１６）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月１６日（２００６．１．１６）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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