JP6080911B2 - 電池の急速充電方法 - Google Patents

Description

本発明は電池分野に関し、特に電池の急速充電方法に関するものである。

リチウムイオン電池は２０数年の発展を経っており、エネルギー密度が非常に向上されていたが、リチウムイオン電池の技術は今までに発展されてきて、エネルギー密度の向上についてはすでにボトルネックになっている。限りがあるエネルギー密度の状況下で電池の充電速度を高めるのは、ユーザーの体験を有効的にアップすることができる。そのため、急速充電を実現できる高エネルギー密度のリチウムイオン電池は将来の競争の中で目立つようになるはずである。

高エネルギー密度を保証する前提で、リチウムイオン電池の充電速度を高めるために、リチウム電池の業者は電池活物質と集電体の変更、及び電解液成分の最適化等の面では、大量に仕事されており、電池の急速充電という機能を大幅に改善させている。しかし、それと同時に電池のコストの高価も引き起こされて、さらに関連するプロセスがより複雑になっている。リチウム電池の従来の配合と構造を変更しない上で、充電の条件を変更することによっても、ある程度の最適化効果を得ることができる。

従来の充電は定電流により一定の電位までに持続的に充電した後に、該電位において定電圧充電する方式である。このような充電方式は陰極の電位を上昇させ続けるが、陽極の電位を減少させ続ける。陽極の電位が０Ｖ以下になった際、リチウムイオンが陽極の表面においてリチウム金属に還元されて析出されることを引き起す。特に低温条件下で、リチウム電池自身のイオンと電子の導電性能が低下するため、充電過程において分極の程度の悪化を引き起こさせる。持続的に充電する方式は、このような分極をより一層見えやすくさせると同時に、リチウム析出になる可能性を増加させる。電極の表面にリチウムデンドライトが蓄積され、電池の安全性を大きく脅かすことである。

従来の技術に存在する問題に鑑み、本発明は電池の充電安全性を向上できる電池の急速充電方法を提供することを目的とする。

本発明の別の目的としては、電池の充電速度を向上できる電池の急速充電方法を提供するものである。

上記目的を達成すべく、本発明は下記（１）〜（４）のステップを有し、（１）定電流Ｉ_１で充電し、充電時間がｔ_１であり、（２）定電流Ｉ_２で充電し、充電時間がｔ_２であり、（３）定電流Ｉ_２で放電し、放電時間がｔ_３であり、このように電池の予備充電電圧までに繰り返し、（４）電池の予備充電電圧に到達した後、静置時間がｔ_４であり、定電流Ｉ_３で充電し、電池のカットオフ電圧に到達した後、カットオフ電流Ｉ_４までに定電圧で充電し、その中に、Ｉ_２＜Ｉ_１、ｔ_２＜ｔ_１、ｔ_３＜ｔ_１、Ｉ_２＜Ｉ_３≦Ｉ_１、Ｉ_４≦Ｉ_２である、電池の急速充電方法を提供することである。

本発明の有益効果は以下の通りである。
本発明は幅が広い大電流のパルスに、幅が狭い小電流のパルスを組み合わせる充電方式を採用することにより、大電流のパルスで充電することにより引き起こされた分極を減少させ、さらに幅が狭い小電流のパルスで放電を行い、分極をより一層除去する。これによって、電池の分極という問題を基本的に解決し、電池の陽極表面におけるリチウムイオン濃度を減少させることによって、陽極のリチウム析出を回避し、さらに陽極においてリチウム析出により引き起こされた電池の安全性問題を回避し、電池の充電安全性を高めた。同時に、本発明の電池の急速充電方法はパルス充電段階において分極を減少させることができるため、全体のパルス充電の時間が増加でき、これにより、電池フル充電の時間を短縮し、且つパルス充電段階（即ち、充電前期）における充電速度を大幅に高めた。

図１は本発明に係る電池の急速充電方法の過程を示す概略図である。
図２は本発明に係る電池の急速充電方法の実施例１の過程を示す概略図である。
図３は本発明に係る電池の急速充電方法の比較例の過程を示す概略図である。
図４は図２の実施例１と図３の比較例における充電電圧と充電ＳＯＣの経時変化グラフである。

以下、図面を参照して本発明の電池の急速充電方法について詳細に説明する。

図１を参照し、本発明に係る電池の急速充電の方法は：ステップ（１）定電流Ｉ_１で充電し、充電時間はｔ_１であり、ステップ（２）定電流Ｉ_２で充電し、充電時間はｔ_２であり、（３）定電流Ｉ_２で放電し、放電時間はｔ_３であり、このように電池の予備充電電圧までにステップ（１）〜ステップ（３）を繰り返し、ステップ（４）電池の予備充電電圧に到達した後、静置時間はｔ_４であり、定電流Ｉ_３で充電し、電池のカットオフ電圧に到達した後、カットオフ電流Ｉ_４までに定電圧で充電すること（その中に、Ｉ_２＜Ｉ_１、ｔ_２＜ｔ_１、ｔ_３＜ｔ_１、Ｉ_２＜Ｉ_３≦Ｉ_１、Ｉ_４≦Ｉ_２である）を含む。

本発明の電池の急速充電方法において、大電流（Ｉ_１）のパルス充電（即ち、ステップ（１））は充電時間を短縮することに有利し、小電流（Ｉ_２）のパルス充電（即ち、ステップ（２））は、一方、リチウムイオンが陽極表面に到達する速度を減少することで、分極の生成を遅らせ、もう一方、陽極表面のリチウムイオンが陽極の内部への拡散に一定のバッファ時間を与える。本発明は幅が広い（ｔ_１）大電流（Ｉ_１）のパルス（即ち、ステップ（１））に、幅が狭い（ｔ_２）小電流（Ｉ_２）のパルス（即ち、ステップ（２））を組み合わせる充電方式を採用し、大電流のパルスで充電することによって引き起こされた分極を減少させ、さらに幅が狭い（ｔ_３）小電流（Ｉ_３）のパルスで放電（即ち、ステップ（３））を行い、分極をより一層除去する。これによって、電池の分極という問題を基本的に解決し、電池の陽極表面にリチウムイオン濃度を減少させることによって、陽極のリチウム析出を回避し、さらに陽極のリチウム析出によって引き起こされた電池の安全性問題を回避し、電池の充電安全性を高めた。同時に、本発明の電池の急速充電方法におけるパルス充電段階では分極が減少できるため、全体のパルス充電の時間を増加することができ、さらにパルス充電段階（即ち、充電前期）の充電速度を大幅に高めことにより、電池フル充電の時間を短縮することができる。

本発明に係る電池の急速充電方法において、前述の電池の急速充電方法は常温下で行う。

本発明に係る電池の急速充電方法において、電流値Ｉ_１が２．５Ｃ−３Ｃであり、充電時間ｔ_１が１０ｓ−３０ｓであり、電流値Ｉ_２が０．０２Ｃ−０．２Ｃであり、充電時間ｔ_２が１ｓ−１０ｓであり、Ｉ_１／Ｉ_２の範囲が１２．５−１２５であり、ｔ_１／ｔ_２の範囲が２−１０であってもよい。電流値Ｉ_２が電流値Ｉ_１より小さく、電流Ｉ_１での充電により生じた分極の進行を遅らせ、充電時間ｔ_２は充電時間ｔ_１より小さく、小電流のパルスの時間が長すぎることによって充電速度に影響を与えることを回避する。

本発明に係る電池の急速充電方法では、ステップ（３）において、放電時間ｔ_３が１ｓ−１０ｓであってもよく、ｔ_１／ｔ_３の範囲が３−１０であってもよい。放電時間ｔ_３が１ｓ−１０ｓであることにより、陽極表面のリチウムイオン濃度をより低下させ、放電時間が長すぎると全体の充電速度に影響を与え、時間が短すぎると分極の除去が不十分である。

本発明に係る電池の急速充電方法では、ステップ（４）において、静置時間ｔ_４が１０ｓ−６０ｓであってもよく、電流値Ｉ_３が１Ｃ−３Ｃであってもよく、電流値Ｉ_４が０．０１Ｃ−０．１Ｃであってもよい。静置時間ｔ_４が１０ｓ−６０ｓであることにより、パルス充電による分極の程度を減少させ、後続の定電流充電に有利であり、定電流Ｉ_３が１Ｃ−３Ｃであることにより、各種電池のニーズを満足し、異なる値の範囲に適応できる。

本発明に係る電池の急速充電方法では、ステップ（３）において、予備充電電圧がＶ_０−Ｖ_ｋであってもよく、その中に、Ｖ_０が電池の臨界電圧値であり、Ｖ_ｋが陽極でリチウム析出を回避するために臨界電圧より低く設定された電圧値である。Ｖ_ｋは主にパルス充電段階で大きな分極が引き起こされ、陽極の電位が低すぎることでリチウム析出を回避するために設定されるものである。

本発明に係る電池の急速充電方法において、４．２≦Ｖ_０＜４．５Ｖ、０＜Ｖ_ｋ≦０．０５Ｖである。なお、Ｖ_ｋは高すぎに設定することができない。Ｖ_ｋが高すぎると、パルス充電段階における予備充電電圧を低下させ、本発明の技術効果が弱くなる。

本発明に係る電池の急速充電方法では、ステップ（４）において、カットオフ電圧がＶ_０であってもよい。

本発明に係る電池の急速充電方法では、ある実施例において、予備充電電圧が４．３４Ｖであり、カットオフ電圧が４．３５Ｖである。

本発明に係る電池の急速充電方法において、前述の電池はリチウムイオン電池、鉛酸電池、ニッケル水素電池、又はニカド電池であってもよい。

以下、本発明に係る電池の急速充電方法の電池の実施例、比較例、試験過程及び試験結果を用いて説明する。

実施例１
陰極、陽極、セパレータ、電解液及びパッケージシェルからなり、さらに組立、熟成及びエージング等のプロセスにより造られた電池である。その中に、陰極は９６．７％ＬｉＣｏＯ_２＋１．７％ＰＶＤＦ（バインダーとして）＋１．６％ＳＰ（導電剤として）を混合して構成され、陽極は９８％人造黒鉛＋１．０％ＳＢＲ（バインダーとして）＋１．０％ＣＭＣ（増粘剤として）を混合して構成され、セパレータはＰＰ／ＰＥ／ＰＰ複合フィルムであり、電解液は有機溶媒（３０％ＥＣ＋３０％ＰＣ＋４０％ＤＥＣ）と１ｍｏｌ／Ｌ ＬｉＰＦ_６、さらに添加剤（０．５％ＶＣ、５％ＦＥＣ、４％ＶＥＣ）から構成される。その中に、百分率はすべて質量百分率である。２５°Ｃでは、該電池の満充電容量（ＳＯＣ）が１７００ｍＡｈ（０．２Ｃ）であり、カットオフ電圧Ｖ_０は４．３５Ｖである。２５°Ｃの温度において、本発明の電池の急速充電方法により該電池に対して充電を行い、具体的なステップ（図２参照）は以下の通りである。
１）定電流２．５Ｃで充電し、充電時間は２０ｓであり、
２）定電流０．１Ｃで充電し、充電時間は２ｓであり、
３）定電流０．１Ｃで放電し、放電時間は３ｓであり、このように電池の予備充電電圧４．３４Ｖまでに繰り返した。
４）電池の予備充電電圧４．３４Ｖに到達した後、静置時間が３０ｓであり、定電流１．３Ｃで充電し、電池のカットオフ電圧４．３５Ｖに到達した後、定電圧でカットオフ電流０．０５Ｃまでに充電した。

実施例２
採用された電池は実施例１と同様であった。
２５℃の温度において、本発明の電池の急速充電方法を用いて該電池に対して充電を行い、具体的なステップは以下のようである。
１）定電流３Ｃで充電し、充電時間は２０ｓであり、
２）定電流０．０５Ｃで充電し、充電時間は２ｓであり、
３）定電流０．０５Ｃで放電し、放電時間は３ｓであり、このように電池の予備充電電圧４．３４Ｖまでに繰り返した。
４）電池の予備充電電圧４．３４Ｖに到達した後、静置時間が３０ｓであり、定電流１．３Ｃで充電し、電池のカットオフ電圧４．３５Ｖに到達した後、定電圧でカットオフ電流０．０５Ｃまでに充電した。

実施例３
採用された電池は実施例１と同様であった。
２５℃の温度において、本発明の電池の急速充電方法を用いて該電池に対して充電を行い、具体的なステップは以下のようである。
１）定電流２．５Ｃで充電し、充電時間は３０ｓであり、
２）定電流０．１Ｃで充電し、充電時間は５ｓであり、
３）定電流０．１Ｃで放電し、放電時間は１０ｓであり、このように電池の予備充電電圧４．３４Ｖまでに繰り返した。
４）電池の予備充電電圧４．３４Ｖに到達した後、静置時間が１０ｓであり、定電流１．３Ｃで充電し、電池のカットオフ電圧４．３５Ｖに到達した後、定電圧でカットオフ電流０．０５Ｃまでに充電した。

実施例４
採用された電池は実施例１と同様であった。
２５℃の温度において、本発明の電池の急速充電方法を用いて該電池に対して充電を行い、具体的なステップは以下のようである。
１）定電流２．５Ｃで充電し、充電時間は２０ｓであり、
２）定電流０．０２Ｃで充電し、充電時間は２ｓであり、
３）定電流０．０２Ｃで放電し、放電時間は３ｓであり、このように電池の予備充電電圧４．３４Ｖまでに繰り返した。
４）電池の予備充電電圧４．３４Ｖに到達した後、静置時間が２０ｓであり、定電流１．３Ｃで充電し、電池のカットオフ電圧４．３５Ｖに到達した後、定電圧でカットオフ電流０．１Ｃまでに充電した。

実施例５
採用された電池は実施例１と同様であった。
２５℃の温度において、本発明の電池の急速充電方法を用いて該電池に対して充電を行い、具体的なステップは以下のようである。
１）定電流２．５Ｃで充電し、充電時間は１０ｓであり、
２）定電流０．２Ｃで充電し、充電時間は２ｓであり、
３）定電流０．２Ｃで放電し、放電時間は１ｓであり、このように電池の予備充電電圧４．３４Ｖまでに繰り返した。
４）電池の予備充電電圧４．３４Ｖに到達した後、静置時間が３０ｓであり、定電流１．８Ｃで充電し、電池のカットオフ電圧４．３５Ｖに到達した後、定電圧でカットオフ電流０．０５Ｃまでに充電した。

実施例６
採用された電池は実施例１と同様であった。
２５℃の温度において、本発明の電池の急速充電方法を用いて該電池に対して充電を行い、具体的なステップは以下のようである。
１）定電流３Ｃで充電し、充電時間は１０ｓであり、
２）定電流０．１Ｃで充電し、充電時間は１ｓであり、
３）定電流０．１Ｃで放電し、放電時間は２ｓであり、このように電池の予備充電電圧４．３４Ｖまでに繰り返した。
４）電池の予備充電電圧４．３４Ｖに到達した後、静置時間が６０ｓであり、定電流１Ｃで充電し、電池のカットオフ電圧４．３５Ｖに到達した後、定電圧でカットオフ電流０．０５Ｃまでに充電した。

実施例７
採用された電池は実施例１と同様であった。
２５℃の温度において、本発明の電池の急速充電方法を用いて該電池に対して充電を行い、具体的なステップは以下のようである。
１）定電流３Ｃで充電し、充電時間は２０ｓであり、
２）定電流０．０５Ｃで充電し、充電時間は１０ｓであり、
３）定電流０．０５Ｃで放電し、放電時間は５ｓであり、このように電池の予備充電電圧４．３４Ｖまでに繰り返した。
４）電池の予備充電電圧４．３４Ｖに到達した後、静置時間が６０ｓであり、定電流３Ｃで充電し、電池のカットオフ電圧４．３５Ｖに到達した後、定電圧でカットオフ電流０．０１Ｃまでに充電した。

比較例
採用された電池は実施例１と同様であった。
２５℃の温度において、従来型の定電流定電圧充電方法を用いて該電池に対して充電を行い、具体的なステップ（図３参照）は：ステップ１）１．３Ｃで定電流充電を行い、ステップ２）電圧が電池のカットオフ電圧４．３５Ｖに到達した後、定電圧でカットオフ電流０．０５Ｃまでに充電した。

試験方法と過程
全ての充電過程はＮｅｗａｒｅ電池試験システム（型番：ＢＴＳ−４００８−Ｗ）にて行うとともに、電池の充電電圧と電流をリアルタイムで１ｓ毎に監視した。充電が完成した後にＳＯＣの計算を行い、充電ＳＯＣの計算方法は、充電容量／定格容量で計算した（充電容量は電流と時間の乗積である。）。

実施例１及び比較例の試験結果は図４に示され、実施例１−７及び比較例の試験結果は表１に示される。

実施例１及び比較例における電池の充電電圧と充電ＳＯＣの経時変化曲線が図４に示されている。その中に、濃色の曲線は実施例１（その中に、ブラック部分はパルス充電段階で電圧のジャンプ式の変化によるものである）を表し、浅色の曲線は比較例を表す。実線は充電電圧を表し、破線は充電ＳＯＣを表す。図４に示される充電ＳＯＣの曲線から、パルス充電段階（即ち、充電前期であり、図に示すよう、約６０％ＳＯＣ）では、実施例１の充電ＳＯＣ曲線の傾きが比較例の充電ＳＯＣ曲線の傾きにより明らかに大きいことが分かった。そのため、比較例に比較して、実施例１における電池がパルス充電段階（即ち、充電前期であり、図に示すよう、約６０％ＳＯＣ）において充電速度が明らかに高まった。

表１で実施例１−７及び比較例における電池が異なるＳＯＣまでに充電することに必要とする時間を比較した。表１から分かるように、本発明の電池の急速充電方法はパルス充電段階（即ち、充電前期であり、表１に示すよう、約８０％ＳＯＣである）における充電速度を明らかに高めることができるため、電池フル充電の時間を短縮することができる。

Claims (10)

1. 下記（１）〜（４）のステップを有し、
   （１）定電流Ｉ_１で充電し、充電時間がｔ_１であり、
   （２）定電流Ｉ_２で充電し、充電時間がｔ_２であり、
   （３）定電流Ｉ_２で放電し、放電時間がｔ_３であり、ステップ（１）〜（３）を電池の予備充電電圧までに繰り返し、
   （４）電池の予備充電電圧に到達した後、静置時間がｔ_４であり、定電流Ｉ_３で充電し、電池のカットオフ電圧に到達した後、カットオフ電流Ｉ_４までに定電圧で充電し、
   その中に、Ｉ_２＜Ｉ_１、ｔ_２＜ｔ_１、ｔ_３＜ｔ_１、Ｉ_２＜Ｉ_３≦Ｉ_１、Ｉ_４≦Ｉ_２となることを特徴とする、電池の急速充電方法。
2. 前記電池の急速充電方法が常温において行うことを特徴とする、請求項１に記載の電池の急速充電方法。
3. 電流値Ｉ_１が２．５Ｃ−３Ｃ、充電時間ｔ_１が１０ｓ−３０ｓであり、
   電流値Ｉ_２が０．０２Ｃ−０．２Ｃ、充電時間ｔ_２が１ｓ−１０ｓであり、
   Ｉ_１／Ｉ_２の範囲が１２．５−１２５であり、ｔ_１／ｔ_２の範囲が２−１０であることを特徴とする、請求項１に記載の電池の急速充電方法。
4. ステップ（３）において、放電時間ｔ_３が１ｓ−１０ｓであり、ｔ_１／ｔ_３の範囲が３−１０であることを特徴とする、請求項３に記載の電池の急速充電方法。
5. ステップ（４）において、静置時間ｔ_４が１０ｓ−６０ｓであり、電流値Ｉ_３が１Ｃ−３Ｃであり、電流値Ｉ_４が０．０１Ｃ−０．１Ｃであることを特徴とする、請求項４に記載の電池の急速充電方法。
6. ステップ（３）において、予備充電電圧がＶ_０−Ｖ_ｋであり、その中に、Ｖ_０が電池の臨界電圧値であり、Ｖ_ｋが陽極でリチウム析出を回避するために臨界電圧より低く設定された電圧値であることを特徴とする、請求項１に記載の電池の急速充電方法。
7. ４．２≦Ｖ_０＜４．５Ｖであり、
   ０＜Ｖ_ｋ≦０．０５Ｖであることを特徴とする、請求項６に記載の電池の急速充電方法。
8. ステップ（４）において、カットオフ電圧がＶ_０であることを特徴とする、請求項７に記載の電池の急速充電方法。
9. 予備充電電圧が４．３４Ｖであり、カットオフ電圧が４．３５Ｖであることを特徴とする、請求項８に記載の電池の急速充電方法。
10. 前記電池がリチウムイオン電池、鉛酸電池、ニッケル水素電池、或いはニカド電池であることを特徴とする、請求項１に記載の電池の急速充電方法。