JP7598210B2

JP7598210B2 - 再生二次電池の製造方法

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Publication number: JP7598210B2
Application number: JP2020138141A
Authority: JP
Inventors: 隆博荘田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2020-08-18
Publication date: 2024-12-11
Anticipated expiration: 2040-08-18
Also published as: JP2022034380A

Description

本発明は、再生二次電池の製造方法に関する。

使用済み二次電池の再利用方法として種々の方法が知られている（例えば、特許文献１～３参照）。特許文献１～３に記載の方法では、使用済み二次電池の電気特性を試験や使用履歴等から取得し、取得した電気特性に応じて、使用済み二次電池が再利用可能か否かを判定している。

特開２０１１－２１６３２８号公報特開２０１７－３３８０２号公報特開２０１７－１３４８９４号公報

ところで、複数の使用済み二次電池を再利用して組電池を製造する場合、当該組電池の製品としての用途や保証期間等によって当該組電池に要求される性能や品質は異なる。さらに、全ての電池セルの容量を余すことなく放電させることができるように組電池を構成することが要求される。ここで、劣化度の異なる電池セルが混在した組電池においては、充放電時に、劣化の進んだ電池セルが先に満充電または全放電状態になってしまう。この場合、他の電池セルの容量に余裕があったとしても充放電を停止しなければならず、全ての電池セルの容量を余すことなく組電池から放電させることができない。

本発明は上記事情に鑑み、複数の使用済み二次電池を組み合わせて製造する再生二次電池を製品としての用途や保証期間等に適応させることができると共に、再生二次電池を構成する複数の使用済み二次電池の各々の容量を効率良く使って充放電できる再生二次電池を提供できる、再生二次電池の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の再生二次電池の製造方法は、複数の使用済み二次電池を組み合わせて再生二次電池を製造する方法であって、前記使用済み二次電池の劣化度を推定し、推定された前記劣化度に応じて前記使用済み二次電池を複数群に分類し、同じ群に分類された複数の前記使用済み二次電池を組み合わせることにより複数群の前記再生二次電池を製造し、前記劣化度は、前記使用済み二次電池の充放電の繰り返し使用による劣化の度合いであるサイクル劣化度と、温度による劣化の度合いである温度劣化度との比である。

本発明の再生二次電池の製造方法は、複数の使用済み二次電池を組み合わせて再生二次電池を製造する方法であって、前記使用済み二次電池の劣化度を推定し、推定された前記劣化度に応じて前記使用済み二次電池を複数群に分類し、同じ群に分類された複数の前記使用済み二次電池を組み合わせることにより複数群の前記再生二次電池を製造し、前記劣化度は、前記使用済み二次電池の充放電の繰り返し使用による劣化の度合いであるサイクル劣化度と、高温環境に放置されることによる劣化の度合いである放置劣化度との比である。

本発明によれば、複数の使用済み二次電池を組み合わせて再生二次電池を製造する際に、使用済み二次電池を劣化度に応じて複数群に分類し、同じ群に分類された複数の二次電池を組み合わせて複数群の再生二次電池を製造することにより、各群が製品としての用途や保証期間等に適応する複数群の再生二次電池を提供できると共に、複数の使用済み二次電池の各々の容量を効率良く使って充放電できる再生二次電池を提供できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る再生二次電池の製造方法を用いて製造される再生二次電池の概略を示す図である。図２は、本発明の一実施形態に係る再生二次電池の製造方法の概略を示す図である。図３は、本発明の一実施形態に係る再生二次電池の製造方法を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾点が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用されていることはいうまでもない。

図１は、本発明の一実施形態に係る再生二次電池の製造方法を用いて製造される再生二次電池１０の概略を示す図である。この図に示すように、再生二次電池１０は、直列に接続されたｎ個（ｎは２以上の整数）の電池セルＣ１～Ｃｎを備える車載用あるいは定置用の電源である。電池セルＣ１～Ｃｎは、例えば、リチウムイオンバッテリ、リチウムイオンキャパシタ等の二次電池であり、不図示の充電回路から電力を供給されて充電され、充電された電力を放電して負荷Ｌに電力を供給する。

なお、再生二次電池１０は、直列に接続されたｎ個（ｎは２以上の整数）の電池モジュールを備える車載用あるいは定置用の電源であってもよい。その場合、各電池モジュールは、直列に接続された複数の電池セルを備える。

ここで、再生二次電池１０が備えるｎ個の電池セルＣ１～Ｃｎの劣化度は、後述する基準で同等に揃えられている。これにより、再生二次電池１０の使用中に各電池セルＣ１～Ｃｎの特性に差異が生じることが抑制される。従って、再生二次電池１０は、長期間に亘って全ての電池セルＣ１～Ｃｎの容量を余すことなく充電され放電する。

図２は、本発明の一実施形態に係る再生二次電池１０の製造方法の概略を示す図である。この図に示すように、本実施形態の再生二次電池１０の製造方法では、複数の電池セルＣ１～Ｃｎ又は複数の電池モジュール（以下、単に電池セルＣ１～Ｃｎという）を備える中古二次電池１を解体して複数の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎを取り出す。その後、取り出した複数の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの各々に対して充放電試験を実施して、複数の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの各々の劣化度を推定する。その後、推定した劣化度に応じて、複数の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎを複数群（例えば、図示するようにクラス１～９）に分類（クラス分け）する。その後、同じ群（クラス）に分類された複数の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎを組み合わせて再生二次電池１０を製造する。即ち、複数群の再生二次電池１０を製造する際、各群（各クラス）の再生二次電池１０を構成する複数の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの劣化度を同等に揃える。

電池の劣化度は、公知の方法により規定すればよい。例えば、充放電繰り返し回数と電池の劣化との関係を示すサイクル劣化度や、電池温度又は環境温度と電池の劣化との関係を示す温度劣化度や、放置時間と電池温度又は環境温度と電池の劣化との関係を示す放置劣化度や、電池非使用時の保存時間と電池の劣化との関係を示す保存劣化度や、未劣化時の電池の満充電容量に対する劣化時の満充電容量の割合を示す容量劣化度（ＳＯＨ：ＳｔａｔｅｏｆＨｅａｌｔｈ）や、保存時の充電率ＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）と電池の劣化との関係を示すＳＯＣ劣化度等の電池の劣化度を規定する種々のパラメータを少なくとも一つ以上用いて、電池の劣化度を規定すればよい。

本実施形態では、サイクル劣化度Ｃと温度劣化度Ｔとの比（以下、Ｃ／Ｔ比という）により、電池の劣化度を規定する。なお、Ｃ／Ｔ比は、電池の劣化要因に占めるサイクル劣化度Ｃと温度劣化度Ｔとの割合（支配割合）と換言することができる。

ここで、Ｃ／Ｔ比は、中古二次電池１の使用時の履歴情報を用いて算出してもよく、中古二次電池１から回収した使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎに対して充放電試験をすることにより算出してもよい。回収した使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎに対して充放電をすることにより算出する場合には、予め使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの特性値(容量劣化度ＳＯＨや温度やＣレートや周波数やインピーダンスや内部抵抗等）とＣ／Ｔ比との関係を実験により求めてデータベースを作成しておき、充放電試験により得られた使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの特性値とデータベースの情報とを比較して、Ｃ／Ｔ比を推定する。以下、Ｃ／Ｔ比の推定方法の一例について説明する。

まず、Ｃ／Ｔ比が所定値の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎにおける内部抵抗と容量劣化度ＳＯＨとの関係式を予め求めておく。さらに、Ｃ／Ｔ比が０．９～１．０の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎ（第１基準電池）とＣ／Ｔ比が０．１～０．２の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎ（第２基準電池）とについて、相互に異なる複数の容量劣化度ＳＯＨにおいて充電率ＳＯＣと内部抵抗との関係を予め求めておく。

次に、推定対象の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの内部抵抗を測定し、上述の内部抵抗と容量劣化度ＳＯＨとの関係式に代入することによって、推定対象の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの仮の容量劣化度ＳＯＨを求める。さらに、第１基準電池及び第２基準電池の充電率ＳＯＣと内部抵抗との関係を測定した複数の容量劣化度ＳＯＨのうち、仮の容量劣化度ＳＯＨと最も近いものを選択する。

次に、推定対象の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの内部抵抗を相互に異なるｎ種類（ｎは２以上の整数）の充電率ＳＯＣにおいて測定し、各内部抵抗を各軸の座標とする第１点をｎ次元の座標系にプロットする。選択した容量劣化度ＳＯＨにおける第１基準電池についても、ｎ種類の充電率における内部抵抗を各軸の座標とする第２点をｎ次元空間にプロットし、第２基準電池についても同様に第３点をプロットする。推定対象の使用済みの電池セルＣ１～ＣｎにおけるＣ／Ｔ比が第１基準電池に近いほど第１点と第２点との間の距離が小さくなり、推定対象の使用済みの電池セルＣ１～ＣｎにおけるＣ／Ｔ比が第２基準電池に近いほど第１点と第３点との間の距離が小さくなることから、各点間の距離の比を求めることでＣ／Ｔ比を推定することができる。

なお、電池温度又は環境温度と電池の劣化との関係を示す温度劣化度Ｔに代えて、温度劣化度Ｔを規定するパラメータに放置時間を加えた上記の放置劣化度Ｌを用いて、サイクル劣化度Ｃと放置劣化度Ｌとの比（以下、Ｃ／Ｌ比という）により、使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの劣化度を規定してもよい。ここで、サイクル劣化度Ｃと放置劣化度Ｌとについては、一例としてサイクル劣化が支配的な劣化要因の場合、電池の劣化が進行するにしたがって内部抵抗が大きくなっていき、内部抵抗は充電率ＳＯＣに依存せずに略一定の値となるのに対して、放置劣化が支配的な劣化要因の場合、電池の劣化が進行するにしたがって内部抵抗が大きくなっていき、内部抵抗は充電率ＳＯＣが大きくなるにしたがって高くなっていくという関係があることが知られている（例えば、特開２０１６－３８２７６号公報参照）。この既知の関係に基づいて、Ｃ／Ｌ比を推定することができる。

また、サイクル劣化度Ｃと放置劣化度Ｌとについては、一例としてサイクル劣化が支配的な劣化要因の場合、劣化が進行するにしたがって低充電率での電圧－充電率曲線が緩やかになり、所定の充電率ＳＯＣにおける電圧が低下していき、放電し難くなっていくのに対して、放置劣化が支配的な劣化要因の場合、劣化が進行するにしたがって低充電率での電圧－充電率曲線が急になり、所定の充電率における電圧が上昇していき、放電し易くなっていくという関係があることが知られている（例えば、特開２０１６－４５１４９号公報参照）。この既知の関係に基づいて、Ｃ／Ｌ比を推定することができる。

本実施形態では、中古二次電池１から回収した使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの劣化度（Ｃ／Ｔ比）を、コンピュータである劣化度解析器５により算出し、その後、回収した複数の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎを劣化度（Ｃ／Ｔ比）に応じてクラス分けする。例えば、Ｃ／Ｔ比が０．９以上１．０未満である使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎをクラス１、Ｃ／Ｔ比が０．８以上０．９未満である使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎをクラス２、Ｃ／Ｔ比が０．７以上０．８未満である使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎをクラス３というように、劣化度（Ｃ／Ｔ比）が０．１変わる毎にクラスが変わるように、回収した複数の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎをクラス分けする。

図３は、本発明の一実施形態に係る再生二次電池１０の製造方法を説明するためのフローチャートである。このフローチャートに示すように、ステップ１において、電気自動車やハイブリッド自動車やアイドリングストップ機能を有する自動車等で使用された中古二次電池１を回収する。次に、ステップ２において、中古二次電池１に対して外観検査等の簡易評価を実施し、凹みがあり電極に不良が生じる虞がある等の再利用に適さない中古二次電池１を除外する。

次に、ステップ３において、再利用に適した中古二次電池１を解体して使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎを回収する。次に、ステップ４において、回収した使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎに対して充放電試験を実施する。本ステップでは、充放電試験器２（図２参照）を用いて使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎに対して充放電を行い、使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの充放電時の電流値Ｉ及び電圧値Ｖを電流センサ３及び電圧センサ４（共に図２参照）により測定する。本ステップにおける充放電試験では、例えば、充電率ＳＯＣとＣレートとの組み合わせを変えて各組み合わせでの電流値Ｉ及び電圧値Ｖを測定する。

次に、ステップ５において、ステップ４で測定された電流値Ｉ及び電圧値Ｖに基づいて、電池の劣化度（Ｃ／Ｔ比）を推定する。電池の劣化度（Ｃ／Ｔ比）の推定は、劣化度解析器５を用いる。劣化度解析器５は、コンピュータであり、劣化度推定プログラムを実行する。劣化度解析器５は、例えば、上記のように充電率ＳＯＣとＣレートとの組み合わせを変えて各組み合わせでの電流値Ｉ及び電圧値Ｖが測定された場合、各組み合わせ間での電流値Ｉの差及び電圧値Ｖの差に基づいて使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの内部抵抗の値を算出し、算出した内部抵抗の値に基づいて使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの劣化度（Ｃ／Ｔ比）を推定する。なお、劣化度解析器５は、電流センサ３及び電圧センサ４により測定された電流値Ｉ及び電圧値Ｖに加えて、あるいは代えて、中古二次電池１の使用時のサイクル履歴情報や温度履歴情報を用いて、使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの劣化度（Ｃ／Ｔ比）を推定してもよい。

次に、ステップ６において、回収した使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎが所定の再利用基準を満足するか否かを判断する。例えば、回収した使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの内部抵抗や容量劣化度ＳＯＨが許容範囲内であるか、回収した使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの劣化度（Ｃ／Ｔ比）が、製品として利用できる値であるか等を判断する。ステップ６において再利用基準を満足すると判断された電池については、ステップ７において、劣化度（Ｃ／Ｔ比）毎にクラス分けして保管する。他方で、ステップ６において再利用基準を満足しないと判断された電池については、ステップ９において、リサイクル用の電池として選別する。

ステップ７に続くステップ８において、各クラス毎に保管した使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎを組み合わせて再生二次電池１０を製造する。ここで、例えば、Ｃ／Ｔ比が０．９以上１．０未満のクラス１の電池で構成された再生二次電池１０と、Ｃ／Ｔ比が０．８以上０．９未満のクラス２の電池で構成された再生二次電池１０とを、型式やグレードや保証期間等が相互に異なる再生二次電池１０として販売すること等が可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る再生二次電池１０の製造方法では、複数の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの劣化度を推定し、推定された劣化度に応じて複数の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎを複数群（クラス１～９）に分類し、同じ群に分類された複数の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎを組み合わせることにより複数群の再生二次電池１０を製造する。これにより、各群が製品としての用途や保証期間等に適応する複数群の再生二次電池１０を提供できる。また、再生二次電池１０を構成する複数の使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの各々の特性の差異を抑制できるので、長期間に亘って、全ての使用済み電池セルＣ１～Ｃｎの各々の容量を余すことなく使って充放電できる再生二次電池１０を提供できる。

また、使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの劣化度に応じて複数群の再生二次電池１０を製造することにより、再生二次電池１０の劣化を見越して再生二次電池１０の容量のマージンを設定したり、再生二次電池１０の劣化を見越して再生二次電池１０の劣化に対する保証期間を設定したりすることが可能となる。

さらに、使用中の二次電池の使用履歴を必要とせずに、使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの電池特性を取得して使用済みの電池セルＣ１～Ｃｎの劣化度（Ｃ／Ｔ比，Ｃ／Ｌ比）を推定することが可能である。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、適宜公知や周知の技術を組み合わせてもよい。

１０：再生二次電池
Ｃ１～Ｃｎ：電池セル（使用済み二次電池）
Ｃ：サイクル劣化度
Ｔ：温度劣化度
Ｌ：放置劣化度

Claims

複数の使用済み二次電池を組み合わせて再生二次電池を製造する方法であって、
前記使用済み二次電池の劣化度を推定し、
推定された前記劣化度に応じて前記使用済み二次電池を複数群に分類し、
同じ群に分類された複数の前記使用済み二次電池を組み合わせることにより複数群の前記再生二次電池を製造し、
前記劣化度は、前記使用済み二次電池の充放電の繰り返し使用による劣化の度合いであるサイクル劣化度と、温度による劣化の度合いである温度劣化度との比である再生二次電池の製造方法。
複数の使用済み二次電池を組み合わせて再生二次電池を製造する方法であって、
前記使用済み二次電池の劣化度を推定し、
推定された前記劣化度に応じて前記使用済み二次電池を複数群に分類し、
同じ群に分類された複数の前記使用済み二次電池を組み合わせることにより複数群の前記再生二次電池を製造し、
前記劣化度は、前記使用済み二次電池の充放電の繰り返し使用による劣化の度合いであるサイクル劣化度と、高温環境に放置されることによる劣化の度合いである放置劣化度との比である再生二次電池の製造方法。