説明

組電池の製造方法

【課題】組電池を構成する非水電解質二次電池の間に容量の差がある場合に、その影響を小さくすることができ、サイクル特性に優れた組電池の製造方法を提供すること。
【解決手段】組電池の製造方法は、各非水電解質二次電池を、定電流-定電圧充電にて満充電を行う工程と、満充電後、同一の所定容量の電気量を放電する放電工程と、前記各非水電解質二次電池を直列接続し、組電池を形成する工程とを備えたことを特徴とし、容量が異なる単電池を用いた組電池においても、充電時に単電池の過充電を抑制することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は組電池の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ノートPCや携帯電話等のポータブル機器用電池として使用されている非水電解質二次電池(以下単電池と称する)であるが、より高電圧な電源が要求されるノートPCなどにおいては、単電池を直列に接続し、組電池として機器に電源供給を行っている。組電池として直列に接続される二次電池は、単電池として充電や放電を行い、所定の電圧に揃えてから組電池への接続を行うのが一般的である。
【0003】
また、単電池の充電方法は定電流定電圧充電が一般的であり、最初の定電流充電は、電池の電圧が設定電圧に上昇するまで行われる。電池の電圧が設定電圧まで上昇すると、電池電圧が上昇しないように定電圧充電に切り換えられる。充電している電池の電圧が設定電圧よりも高くなるのを防止するためである。電池の電圧を設定電圧に保持して充電する定電圧充電によって、電池の充電電流は次第に減少する。充電電流が設定値よりも小さくなると、満充電されたと判定して充電を終了する。リチウムイオン二次電池は、満充電された電池電圧が、例えば4.1V、あるいは4.2V/セルとなるように設定電圧を設定している。
【0004】
また、単電池の放電方法は定電流放電、あるいは定電力放電が一般的であり、3Vあるいは2.75Vといった電圧まで放電される。
単電池を複数個直列につないだ組電池の場合、単電池毎の放電容量は変わらない。従って、例えば単電池2個を直列に組み合わせた組電池の場合、単セルと同じように定電流放電や定電力放電で6Vあるいは5.5Vまで放電されるのが一般的である。
複数の単電池を組み合わせて組電池とする場合の、組電池になる前の単電池の充放電の方法としては、特許文献1にあるように、単電池を所定の電圧まで放電した後、一定電気量を充電する。そして、一定電気量を充電した後に組電池とすることにより、組電池内の単電池の放電カット電圧を揃えて、過放電にならないような充電方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2001−257007号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、前記従来の方法を用いて充電された単電池を直列に接続した組電池においては、組電池を構成する単電池毎の容量が異なる場合には、組電池を充電した際には、各単電池に同量の電気量が充電されるため、容量の小さい単電池が過充電になる。そのため、過充電となる容量の小さい方の単電池が急速に容量低下し、結果として組電池のサイクル特性が悪くなるという問題がある。
【0007】
そのため、現状では容量の差が許容範囲にある単電池を直列接続して、組電池を製造することが行われている。すなわち、組電池の製造にあっては、大量に製造された単電池についてその容量を測定し、その測定結果からこれらの組電池を、容量の差が許容範囲内に入る電池群にクラス分けする。そして、それぞれのクラスに入る単電池同士を採用して組電池を製造するという手間をかけている。しかしながら、クラス範囲の上限と下限容量の単電池を組み合わせた場合、下限容量の単電池が過充電となり、結果として組電池のサイ
クル特性が低下する懸念がある。
【0008】
そこで本発明では、組電池パックを構成する二次電池の間に容量の差がある場合に、その影響を小さくすることができ、サイクル特性に優れた組電池の製造方法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】
【0009】
本発明の非水電解質二次電池の製造方法は、複数の非水電解質二次電池を直列に接続した組電池の製造方法において、前記各非水電解質二次電池を、定電流-定電圧充電にて満充電を行う充電工程と、満充電後に同一の所定容量の電気量を放電する放電工程を有し、その後非水電解質二次電池を直列接続し、組電池を形成する工程とを備えることを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法である。これにより、組電池を構成する直列接続された単電池間の容量差が大きい場合でも、組電池を充電した際に、組電池内の単電池の初期状態の満充電時の電圧を揃えることができる。
【0010】
例えば、4.2Vの充電電圧で容量が950mAhの単電池と、4.2Vの充電電圧で容量が1000mAhの単電池を直列に接続した組電池の場合、従来の製造方法で作られた放電後に、一定の電気量を充電した素電池同士を組み合わせた組電池では、定電流−定電圧充電における定電圧充電時に、組電池の充電電圧は8.4Vとなるが、容量の低い単電池が4.25V、容量の高い単電池が4.15Vとなる。そのため、組電池内の容量の低い単電池が従来の定格での定電流電圧4.2Vに対して過充電されることになる。このため、組電池の充放電を繰り返した場合、過充電された容量の低い電池は充電時に過充電が繰り返されるため容量低下が早く進行し、結果として組電池の容量低下が早くなる。
これに対し、本発明の製造方法で作られた、満充電後に一定電気量を放電した素電池同士を直列に接続した組電池では、組電池を定電圧充電をした際に組電池の充電電圧は8.4Vとなるが、容量の低い電池及び容量の高い電池はともに4.2Vとなり、容量の低い電池は初期の充電時に過充電状態になることは無く、単電池の容量低下及び組電池の容量低下を抑えることができ、組電池のサイクル特性を向上させることができる。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、非水電解質二次電池の容量差が大きい単電池を直列接続して組電池を構成した場合でも、組電池を充電した際に、組電池内の容量の小さな単電池の過充電を防止することができ、その結果、組電池のサイクル特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の実施の形態1における組電池を示す斜視図
【図2】本発明の実施の形態1における非水電解質二次電池の斜視図
【図3】本発明の実施の形態1における非水電解質二次電池の断面図
【図4】本発明の実施の形態1における非水電解質二次電池の断面図
【図5】本発明の実施の形態1における組電池および単電池の電圧と、充電時間の関係を示す図
【図6】本発明の実施の形態1における組電池および単電池の電圧と、放電時間の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【0013】
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における組電池を示す斜視図である。
【0014】
組電池は、単電池23、24を有し、単電池23、24は、通常に用いられている非水電解液二次電池である。また、これらの単電池23、24は、直列に接続されている。詳
細には、単電池23と24は、互いに正極と負極を反対の方向に向けており、金属タブ26により、単電池23の正極と単電池24の負極を電気的に接続している。
また、単電池23と単電池24との間には、単電池23および24の絶縁を確保する絶縁板25が配置されている。また、単電池23および24は、下ケース21に入れられると共に、上ケース22で蓋をされて収納される。なお、本実施の形態で製造される組電池は、上述の例に限定されるわけではない。すなわち、二次電池が2本直列に接続されているものばかりでなく、二次電池が4本、6本等その他の本数で直列もしくは多本直列を並列に接続されているものも含んでもよい。
【0015】
次に、図2は、本発明の実施の形態1における非水電解質二次電池である扁平な角形の単電池1の斜視図を示し、図3は図2で示す本発明の実施の形態1における非水電解質二次電池のA−A線での断面図を示し、図4は図2で示す本発明の実施の形態1における非水電解質二次電池のB−B線での断面図を示すものである。
【0016】
扁平な角形の単電池は、図3および図4に示されるように、正極板2と負極板3が隔離膜4を介して積層された極板群5と、非水電解質(図示せず)とが、有底筒状の電池ケース6に収容されている。隔離膜4としては、厚み16μmのポリエチレン製多孔質膜を用いている。電池ケース6は、アルミニウム(Al)金属で構成されている。電池ケース6は、正極端子として機能する。極板群5の上方には、樹脂製の枠体10が配置されている。電池ケース6の開口端部が、負極端子7を備えた封口板8にレーザーで溶接されて、電池ケース6の開口部が封口されている。なお、負極端子7は、封口板8とは絶縁されている。ニッケル製の負極リード線9の一端は負極板3に接続されている。負極リード線9の他端は、負極端子7と導通し、封口板8とは絶縁されている部分12に、レーザーで溶接されている。また、図4に示されるように、アルミニウム製の正極リード線11の一端が、正極板2に接続されている。正極リード線11の他端は封口板8に、レーザーで溶接されている。正極活物質として、組成式LiNi0.7Co0.2Al0.12で表されるリチウムニッケル複合酸化物を用い、導電材としてアセチレンブラックを3 重量部および結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)をN−メチル−2−ピロリド(NMP)に溶解した溶液を混練して、正極スラリーを作成した。正極集電体にはアルミニウム箔を用い、前記の正極用合剤を塗布して正極板用シートを作製、乾燥後、所定の厚さに圧延成形し、正極板2を作製した。正極板2には目的に応じてタブ式リードを超音波で溶接する。
【0017】
負極活物質として精製天然黒鉛にピッチを含む表面処理を施した材料を使用した。この負極活物質と、増粘剤としてCMCと、結着剤としてSBRが、重量比100:2:2になるように配合し、溶剤として水を加えながら混合し、負極スラリーとした。この負極スラリーを、負極集電体として厚さ10μmの銅箔の両面に塗布し、200℃で乾燥し、水を除去した。その後、ロールプレスを用いて圧延し、所定の寸法に切断し負極板3を作製した。非水電解質にはECとEMCとの体積比が1:1になるように混合した溶媒にLiPFが0.9mol/Lになるように溶解し調整した。作製した角形の非水電解質二次電池のサイズは、縦50mm、横34mm、幅5.5mmであった。
【0018】
以上のように構成された組電池について、以下動作、作用を説明する。
【0019】
組電池として直列接続される前に、接続される単電池は、定電流-定電圧充電にて満充電する工程と、電池を満充電後、同一の所定容量の電気量を放電する放電工程を有している。そして、その後、前記各非水電解質二次電池を直列接続し、組電池を形成する工程を有している。
【0020】
ここで、放電時の温度は、20℃〜45℃が好ましい。これ以下の温度で充放電を行った場合、充電時にリチウムイオンの析出が起こり、またこれ以上の温度で充放電を行った
場合は、充電時に単電池の劣化が起こり、ともに結果として組電池のサイクル特性が低下する可能性がある。
【0021】
また、前記単電池は、初期状態の25℃環境下において、4.2Vの定電流定電圧充電にて満充電を行った後に0.2Itの電流にて2.5Vまで放電した際の、2.5Vまでの放電容量を100として、2.75Vまでの放電容量が、99.7以下であることが好ましい。こうすることにより、組電池内で単電池の容量差が大きい場合、組電池を放電した際の放電末期で容量の少ない単電池が過放電状態になることなく、結果として組電池のサイクル特性を向上させることができる。
【0022】
また、前記単電池の正極活物質は、L i N i 1 - ( x + y )C oxy2( 0 . 1 ≦ x ≦ 0 . 3 5 ) ( 0 .0 3 ≦ y ≦ 0 . 2 ) ( M = A l 、T i 、S n から選ばれる少なくとも1 種の元素) で表されるリチウム含有複合酸化物であることが好ましい。こうすることにより、上記初期状態の25℃環境下において、4.2Vの定電流定電圧充電にて満充電を行った後に0.2Itの電流にて2.5Vまで放電した際の、2.5Vまでの放電容量を100として、2.75Vまでの放電容量が、99.7以下である単電池を作り出すことができ、組電池内で単電池の容量差が大きい場合、組電池を放電した際の放電末期で容量の少ない単電池が過放電状態になることなく、結果として組電池のサイクル特性を向上させることができる。
(実施例1)
以上のように作製した角形二次電池を、25℃の温度雰囲気下において、最大充電電流770mA(0.7It)の定電流で4.2Vまで充電し、その後定電圧で0.05Itになるまで電流を減衰させながら定電圧充電を行い、その後0.2Itの定電流で2.75Vまで放電を行った。その際の電池容量は平均で1100mAhであり、最低1050mAh〜最高1150mAhであった。また、満充電状態から0.2Itの定電流で2.5Vまで放電させた際の放電量は、2.5Vまでの放電量を100とした時に2.75Vまでの放電量は99.4であった。
【0023】
25℃環境下で充放電を行った際の初期電池容量が1150mAh及び1050mAhとなるような素電池を選び、容量が1150mAhの電池を単電池1、容量が1050mAhの電池を単電池2とした。
【0024】
単電池1及び2は、それぞれ25℃環境において満充電状態とし、その後1100mAの電流で40分放電させた。その後、単電池1及び2を直列に組み合わせることにより組電池を作製し、これを実施例1の組電池A1とした。
(実施例2)
単電池を直列に組み合わせる前の満充電状態及び1100mAの電流で40分放電させる環境を20℃で行った以外は実施例1と同様に作製した単電池を用い、組電池としたものを実施例2の組電池A2とした。
(実施例3)
単電池を直列に組み合わせる前の満充電状態及び1100mAの電流で40分放電させる環境を45℃で行った以外は実施例1と同様に作製した単電池を用い、組電池としたものを実施例3の組電池A3とした。
(実施例4)
非水電解質にECとEMCとの体積比が1:1になるように混合した溶媒にLiPFが1.2mol/Lになるように溶解し調整した以外は、実施例1と同様に作製した単電池を用い、組電池としたものを実施例4の組電池A4とした。
作製した単電池は、満充電状態から0.2Itの定電流で2.5Vまで放電させた際の放電量は、2.5Vまでの放電量を100とした時に2.75Vまでの放電量は99.4であった。
(実施例5)
非水電解質にECとEMCとの体積比が1:1になるように混合した溶媒にLiPFが1.5mol/Lになるように溶解し調整した以外は、実施例1と同様に作製した単電池を用い、組電池としたものを実施例5の組電池A5とした。
作製した単電池は、満充電状態から0.2Itの定電流で2.5Vまで放電させた際の放電量は、2.5Vまでの放電量を100とした時に2.75Vまでの放電量は99.7であった。
(比較例1)
実施例1と同様に、25℃環境下で電池容量が1150mAh及び1050mAhとなるような素電池を作製し、その後素電池をそれぞれ25℃の環境において0.2Itにて2.75Vまで放電し、1100mAの電流で20分充電させた。その後、上記容量の異なる2つの電池を直列に組み合わせることにより組電池を作製した。これを比較例の組電池B1とした。
(比較例2)
単電池を直列に組み合わせる前の満充電状態及び1100mAの電流で40分放電させる環境を15℃で行った他は実施例1と同様に作製した単電池を用い、組電池としたものを比較例2の組電池B2とした。
(比較例3)
単電池を直列に組み合わせる前の満充電状態及び1100mAの電流で40分放電させる環境を50℃で行った他は実施例1と同様に作製した単電池を用い、組電池としたものを比較例3の組電池B3とした。
(比較例4)
正極活物質として、組成式LiCoO2で表されるリチウム複合酸化物を用いた以外は、実施例1と同様に作製した単電池を用い、組電池としたものを比較例4の組電池B4とした。
作製した単電池は、満充電状態から0.2Itの定電流で2.5Vまで放電させた際の放電量は、2.5Vまでの放電量を100とした時に2.75Vまでの放電量は99.8であった。
【0025】
以上のように作製した組電池を25℃の温度雰囲気下にて、充放電を繰り返し行った。充放電条件は、最大充電電流770mA(0.7It)の定電流で8.4Vまで充電し、その後定電圧で55mA(0.05It)になるまで電流を減衰させながら定電圧充電を行い、その後1Itの定電流で5.5Vまで放電行う充放電を1サイクルとし、組電池を500サイクルまで充放電を行った際の、1サイクル目を基準とした時の維持率を算出した。
【0026】
図5は、組電池および単電池の電圧と、充電時間の関係を示す図である。図5に示すように、組電池A1、B1ともに、電圧8.4Vで定電圧充電が行われているが、単電池毎に見てみると、組電池A1では、単電池1及び2の定電圧充電での電圧値が変わらないのに対し、組電池B1では、単電池1が約4.1Vの定電圧充電、単電池2が約4.3Vの定電圧充電となっており、単電池2が過充電状態で充電されていることが分かる。これは、今回の組電池は単電池1及び2の容量を異なるものとしているため容量の小さい単電池2が過充電状態になって充電されているためと考えられる。それに対し、単電池の充電状態を満充電にしてから一定電気量を放電させた組電池A1では、単電池1、2ともに4.2Vの定電圧充電となっており、充電状態を揃えることによって容量の小さい電池の過充電を防止できることが分かる。
【0027】
また、図6は、組電池および単電池の電圧と、放電時間の関係を示す図である。図6に示すように組電池A1、B1ともに、電圧5.5Vまでの定電流放電を行っているが、単電池毎に見ると、組電池A1では単電池2が放電末期で電圧が大きく下がっており、単電
池1は電圧が下がりきっていないが、組電池B1の単電池は放電末期でほぼ電圧が揃っている。これは、組電池A1のうち、単電池1と比較して容量の小さい単電池2は先に放電が終了するのに対して、容量の大きい単電池1は放電電圧が高いため、合計で5.5Vとなる電圧まで放電するので、相対的に単電池2の電圧が低くなると考えられる。
【0028】
表1に、実施例A1〜A5及び比較例B1〜B4までの組電池における、500サイクル後の容量維持率を示した表を示す。
【0029】
【表1】

【0030】
(表1)の結果より、実施例A1〜A5は、単電池を放電後一定電気量を充電してから組電池とした比較例B1と比較して、500サイクル後の容量維持率が高いことが分かる。これは、実施例A1〜A5では、充電時の定電流充電及び定電圧充電時に、容量が小さい単電池が過充電になることが少なく、結果として組電池の容量低下を抑えることができたためと考えられる。
【0031】
また、実施例A1〜A3と比較例B2〜B3の結果より、単電池の充放電温度を20℃〜45℃の範囲で500サイクル後の容量維持率が高く、サイクル特性が優れていることが分かった。充電温度が15℃と低い比較例B2の組電池では、初期状態の単電池を満充電する際の温度が低いため、負極板上にリチウムイオンが析出したため、結果として組電池の容量低下が促進されたためと考えられる。同様に満充電を行う際の温度が高い比較例B3の組電池では、充放電時に電解液の溶媒や溶質の一部の分解が進み、本発明の充放電を行ってから組電池にとしたとしても、十分な効果が得られなかったものと考えられる。以上より、本発明の単電池の充放電処理条件は、20℃〜45℃の範囲が好ましい。
【0032】
また、実施例A4〜A5と比較例B4の結果より、単電池を満充電後、0.2Itの電流値で2.75Vまで放電し、更に2.5Vまで放電した際の、2.5Vまでの放電比率を100とした際、2.75Vまでの放電比率は99.7以下の単電池を用いた組電池で500サイクル後の容量維持率が高く、サイクル特性が優れていることが分かった。これは、本発明の組電池では容量の小さい電池は放電末期にカット電圧に対して過放電される傾向が見られるが、2.75Vまでの放電比率が99.8と高い単電池を用いて組電池にした場合は容量の小さい電池の過放電量が大きいため、結果としてサイクル特性が低下したものと考えられる。以上より、本発明の組電池に用いる単電池は、単電池を満充電後、0.2Itの電流値で2.75Vまで放電後、更に2.5Vまで放電した際の、2.5Vまでの放電比率を100とした際、2.75Vまでの放電比率は99.7以下が好ましい。
【0033】
以上説明したように、本発明の組電池を用いることにより、組電池内の単電池の容量差
が大きい場合においてもサイクル特性に優れた組電池を提供することができる。通常は、2つ以上の単電池を直列に繋いで組電池にする際は単電池の初期容量を測定し、ある容量帯毎に電池を選別し、その容量帯の電池のみを組み合わせるランク選別を行うことが一般的であるが、本発明の二次電池では組電池を行う際の単電池のランク選別を行わなくても組電池での良好なサイクル特性を維持できる。従って、本発明の組電池を用いることによって、単電池での選別工程を省略することができるというメリットもある。
【0034】
また、本実施例では、正極活物質に組成式LiNi0.7Co0.2Al0.12で表されるリチウムニッケル複合酸化物を用いた場合について説明したが、リチウムを吸蔵、放出する正極活物質、例えばLi(CoAlMg)O、Li(NiMnCo)O、LiMnO、LiMn、やこれらの混合物を用いても同様の効果が得られる。
【0035】
さらに、本実施例は、角形の非水電解質二次電池を用いた場合について説明したが、円筒形、コイン形、ボタン形、およびラミネート形など電池形状が異なっても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【0036】
以上のように、本発明にかかる非水電解質二次電池は、電子機器等の主電源に有用である。例えば、携帯電話やノート型パソコン等の民生用モバイルツールの主電源、電動ドライバー等のパワーツールの主電源、およびEV自動車等の産業用主電源の用途に適している。
【符号の説明】
【0037】
21 組電池の下ケース
22 組電池の上ケース
23 単電池
24 単電池
25 絶縁板
26 金属タブ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の非水電解質二次電池を直列に接続した組電池の製造方法において、
前記組電池の製造方法は、前記各非水電解質二次電池を、定電流-定電圧充電にて満充電を行う充電工程と、満充電後、同一の所定容量の電気量を放電する放電工程と、
前記各非水電解質二次電池を直列接続し、組電池を形成する工程とを備えたことを特徴とする組電池の製造方法。
【請求項2】
前記非水電解質二次電池は、初期状態の25℃環境下において、4.2Vの定電流定電圧充電にて満充電を行った後に0.2Itの電流にて2.5Vまで放電した際の、2.5Vまでの放電容量を100として、2.75Vまでの放電容量が、99.7以下であることを特徴とする、請求項1に記載の組電池の製造方法。
【請求項3】
前記非水電解質二次電池の正極活物質が、L i N i 1 - ( x + y )C o xy2
0 . 1 ≦ x ≦ 0 . 3 5 ) ( 0 .0 3 ≦ y ≦ 0 . 2 ) ( M = A
l 、T i 、S n から選ばれる少なくとも1 種の元素) で表されるリチウム含有複合酸化物であることを特徴とする、請求項1または2に記載の組電池の製造方法。
【請求項4】
前記放電工程は、20℃以上45℃以下で行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の組電池の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2012−209026(P2012−209026A)
【公開日】平成24年10月25日(2012.10.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−71646(P2011−71646)
【出願日】平成23年3月29日(2011.3.29)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】