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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024168516
(43)【公開日】2024-12-05
(54)【発明の名称】蓄電モジュール
(51)【国際特許分類】
   H01M 50/229 20210101AFI20241128BHJP
   H01G 11/08 20130101ALI20241128BHJP
【FI】
H01M50/229
H01G11/08
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023085264
(22)【出願日】2023-05-24
(71)【出願人】
【識別番号】598163064
【氏名又は名称】学校法人千葉工業大学
(71)【出願人】
【識別番号】521428941
【氏名又は名称】株式会社黒磯製作所
(71)【出願人】
【識別番号】596149578
【氏名又は名称】宇部興機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100165179
【弁理士】
【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100188558
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 雅人
(74)【代理人】
【識別番号】100175824
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100152272
【弁理士】
【氏名又は名称】川越 雄一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100181722
【弁理士】
【氏名又は名称】春田 洋孝
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 宣夫
(72)【発明者】
【氏名】角 真輝
(72)【発明者】
【氏名】小川 祐太
【テーマコード(参考)】
5E078
5H040
【Fターム(参考)】
5E078AA09
5E078AB06
5E078HA13
5E078JA11
5H040AA28
5H040AA29
5H040GG06
5H040LL04
(57)【要約】
【課題】瞬時的に高出力電流を発生することができ、かつ低温環境における充放電の性能に優れる蓄電モジュールを提供する。
【解決手段】二次電池11と、コンデンサ21と、ハイブリッドキャパシタ31と、を備え、二次電池11と、コンデンサ21と、ハイブリッドキャパシタ31とが並列に接続された、蓄電モジュール1。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
二次電池と、
コンデンサと、
ハイブリッドキャパシタと、
を備え、
前記二次電池と、前記コンデンサと、前記ハイブリッドキャパシタとが並列に接続された、蓄電モジュール。
【請求項2】
前記二次電池が複数個直列に接続された二次電池接続体と、
前記コンデンサが複数個直列に接続されたコンデンサ接続体と、
前記ハイブリッドキャパシタが複数個直列に接続されたハイブリッドキャパシタ接続体と、
を備え、
前記二次電池接続体と、前記コンデンサ接続体と、前記ハイブリッドキャパシタ接続体とが並列に接続された、請求項1に記載の蓄電モジュール。
【請求項3】
前記二次電池、前記コンデンサ、および前記ハイブリッドキャパシタが繊維強化プラスチックで包囲された、請求項1に記載の蓄電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、蓄電モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン二次電池は、高いエネルギー密度を有する蓄電素子として幅広い用途で活用されている。ただし、リチウムイオン二次電池は、他の蓄電池と比較すると、瞬時的に高出力電流を発生する用途や、低温環境における充放電には必ずしも適していない。
【0003】
低温環境でも充放電が可能な蓄電池としては、例えば、低温でも充放電できる二次電池と、一般的な二次電池と、を隣接させた蓄電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2022-85884号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1に記載されている、低温環境でも充放電できる二次電池と、一般的な二次電池と、を隣接させた蓄電池において、低温環境でも充放電できる二次電池には、2つの課題がある。1つめの課題としては、低温環境でも動作できる蓄電池があるならば、その蓄電池単体で用いればよいことが挙げられる。また、2つめの課題としては、特許文献1に低温環境の具体的な温度域が示されていないことが挙げられる。したがって、特許文献1の蓄電池は、瞬時的に高出力電流を発生する用途や、低温環境における充放電への適性が定かではなかった。
【0006】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、瞬時的に高出力電流を発生することができ、かつ低温環境における充放電の性能に優れる蓄電モジュール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】
【0007】
本発明は、以下の態様を有する。
[1]二次電池と、
コンデンサと、
ハイブリッドキャパシタと、
を備え、
前記二次電池と、前記コンデンサと、前記ハイブリッドキャパシタとが並列に接続された、蓄電モジュール。
[2]前記二次電池が複数個直列に接続された二次電池接続体と、
前記コンデンサが複数個直列に接続されたコンデンサ接続体と、
前記ハイブリッドキャパシタが複数個直列に接続されたハイブリッドキャパシタ接続体と、
を備え、
前記二次電池接続体と、前記コンデンサ接続体と、前記ハイブリッドキャパシタ接続体とが並列に接続された、請求項1に記載の蓄電モジュール。
[3]前記二次電池、前記コンデンサ、および前記ハイブリッドキャパシタが繊維強化プラスチックで包囲された、[1]または[2]に記載の蓄電モジュール。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、瞬時的に高出力電流を発生することができ、かつ低温環境における充放電の性能に優れる蓄電モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】本発明の一実施形態に係る蓄電モジュールを示す模式図である。
図2】実験例1において、リチウムイオンポリマー電池の放電容量の測定結果を示す図である。
図3】実験例2において、リチウムイオンキャパシタの放電容量の測定結果を示す図である。
図4】実験例3において、電気二重層キャパシタの放電容量の測定結果を示す図である。
図5】実施例において、蓄電モジュール全体の放電時における端子電圧を示す図である。
図6】実施例において、蓄電モジュール全体の放電時における電流出力を示す図である。
図7】実施例において、リチウムイオンポリマー電池接続体、リチウムイオンキャパシタ接続体、および電気二重層キャパシタ接続体のそれぞれの放電時における電流出力を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
【0011】
[蓄電モジュール]
図1は、本発明の一実施形態に係る蓄電モジュールを示す模式図である。
図1に示すように、本実施形態に係る蓄電モジュール1は、二次電池11と、コンデンサ21と、ハイブリッドキャパシタ31と、を備える。本実施形態に係る蓄電モジュール1では、二次電池11と、コンデンサ21と、ハイブリッドキャパシタ31とが並列に接続されている。
【0012】
本実施形態に係る蓄電モジュール1は、さらに、二次電池11、コンデンサ21およびハイブリッドキャパシタ31と並列に接続された電圧計41および電子負荷装置51を備えていてもよい。
本実施形態に係る蓄電モジュール1は、さらに、二次電池11と直列に接続された電流計61を備えていてもよい。
本実施形態に係る蓄電モジュール1は、さらに、コンデンサ21と直列に接続された電流計62およびスイッチ71を備えていてもよい。
本実施形態に係る蓄電モジュール1は、さらに、ハイブリッドキャパシタ31と直列に接続された電流計63およびスイッチ72を備えていてもよい。
本実施形態に係る蓄電モジュール1は、さらに、電子負荷装置51と直列に接続された電流計64を備えていてもよい。
【0013】
本実施形態に係る蓄電モジュール1は、二次電池11が4n(nは1以上の整数)個直列に接続された二次電池接続体15と、コンデンサ21が6n(nは1以上の整数)個直列に接続されたコンデンサ接続体25と、ハイブリッドキャパシタ31が4n(nは1以上の整数)個直列に接続されたハイブリッドキャパシタ接続体35と、を備え、二次電池接続体15と、コンデンサ接続体25と、ハイブリッドキャパシタ接続体35とが並列に接続されていることが好ましい。
【0014】
二次電池11としては、例えば、鉛電池、ニッカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等が挙げられる。二次電池11は、蓄電モジュール1の用途や、使用環境に応じて適宜選択される。例えば、蓄電モジュール1を低温環境で使用する場合には、二次電池11としては、低温環境における充放電性能に優れる電池が好ましい。
【0015】
コンデンサ21としては、例えば、フィルムコンデンサ、セラミックコンデンサ、電解コンデンサ、電気二重層コンデンサ(電気二重層キャパシタ;Electric Double-Layer Capacitor;EDLC)等が挙げられる。これらの中でも、電気二重層コンデンサは、容量が大きく、大きな電流通電により充放電が可能であり、かつ低温環境における動作が可能であることから、好適に用いられる。
【0016】
ハイブリッドキャパシタ31としては、例えば、リチウムイオンキャパシタ(Lithium Ion Capacitor;LIC)が挙げられる。リチウムイオンキャパシタは、電気二重層コンデンサよりもエネルギー密度が高いことから、好適に用いられる。
【0017】
電圧計41としては、蓄電モジュールに一般的に用いられるものが挙げられる。
【0018】
電子負荷装置51としては、蓄電モジュールに一般的に用いられるものが挙げられる。
【0019】
電流計61、62、63、64としては、蓄電モジュールに一般的に用いられるものが挙げられる。
【0020】
スイッチ71、72としては、蓄電モジュールに一般的に用いられるものが挙げられる。
【0021】
本実施形態に係る蓄電モジュール1は、二次電池11、コンデンサ21およびハイブリッドキャパシタ31等がラミネート材で外装されている。ラミネート材としては、蓄電モジュールに一般的に用いられるものが挙げられる。
本実施形態に係る蓄電モジュール1は、二次電池11、コンデンサ21およびハイブリッドキャパシタ31が、繊維強化プラスチックで包囲されていることが好ましい。すなわち、本実施形態に係る蓄電モジュール1は、二次電池11、コンデンサ21およびハイブリッドキャパシタ31等を外装するラミネート材が、繊維強化プラスチックで包囲されていることが好ましい。
【0022】
繊維強化プラスチックとしては、特に限定されないが、例えば、マトリックスとなるエポキシ樹脂やフェノール樹脂等の樹脂と、ガラス繊維や炭素繊維等の繊維とを複合したものが挙げられる。
【0023】
本実施形態に係る蓄電モジュール1は、低温環境において、二次電池11、コンデンサ21およびハイブリッドキャパシタ31が動作しやすくするためには、二次電池11、コンデンサ21およびハイブリッドキャパシタ31から選択される少なくとも1種を加熱する加熱手段を備えることが好ましい。
加熱手段としては、例えば、リボンヒータが挙げられる。
【0024】
本実施形態に係る蓄電モジュール1は、二次電池11と、コンデンサ21と、ハイブリッドキャパシタ31と、を備え、二次電池11と、コンデンサ21と、ハイブリッドキャパシタ31とが並列に接続されているため、瞬時的に高出力電流を発生することができ、かつ低温環境における充放電の性能に優れる。言い換えれば、本実施形態に係る蓄電モジュール1は、低温環境における充放電の性能が十分ではない二次電池11と、低温環境における動作が可能であるコンデンサ21と、電気二重層コンデンサよりもエネルギー密度が高いハイブリッドキャパシタ31とを組み合わせることにより、低温環境における二次電池11の動作を、コンデンサ21とハイブリッドキャパシタ31が補うことができ、瞬時的に高出力電流を発生することができ、かつ低温環境における充放電の性能に優れたものとなる。したがって、本実施形態に係る蓄電モジュール1は、ロケットの電動ターボポンプの駆動電源や、寒冷地仕様の自動車のバッテリー等、低温環境で使用される機器の電源として好適に用いられる。
【0025】
また、本実施形態に係る蓄電モジュール1は、コンデンサ21の容量およびハイブリッドキャパシタ31の容量の少なくとも一方を調整することにより、電流の出力を調整することができる。
【0026】
また、本実施形態に係る蓄電モジュール1は、二次電池11の個数と、コンデンサ21の個数と、ハイブリッドキャパシタ31の個数との比は耐電圧値が揃うようにすることが望ましい蓄電モジュールとなる。また、本実施形態に係る蓄電モジュール1は、電流の出力を上げるためには、蓄電モジュール1、上述のように、二次電池11の個数と、コンデンサ21の個数と、ハイブリッドキャパシタ31の個数との比を維持したまま、二次電池11、コンデンサ21およびハイブリッドキャパシタ31の個数をn(nは整数)とする。
【0027】
さらに、本実施形態に係る蓄電モジュール1は、ロケット用途等の低圧下で用いられた場合に、二次電池11、コンデンサ21およびハイブリッドキャパシタ31等を外装するラミネート材が膨張して、ラミネート材が破裂することがある。そこで、本実施形態に係る蓄電モジュール1は、二次電池11、コンデンサ21およびハイブリッドキャパシタ31が、繊維強化プラスチックで包囲されると、低圧下で用いられた場合にラミネート材が膨張して、ラミネート材が破裂することを抑制できる。
【実施例0028】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【0029】
[実験例1]
リチウムイオンポリマー電池の放電容量を、直流安定化電源(型番:P4K18-2、松定プレシジョン社製)で充電した後,電子負荷装置(型番:1W152-151D、テクシオ・テクノロジー社製)およびメモリハイコーダ(型番:8861-50、HIOKI社製)を用いて測定した。
リチウムイオンポリマー電池としては、耐電圧が4.2V、充電容量が1400mAhのものを用いた。
リチウムイオンポリマー電池の放電容量の測定は、定電流放電状態が、上記の電子負荷装置により、維持されることにより放電した。
リチウムイオンポリマー電池の放電容量の測定時の温度(環境温度)を、-20℃、-10℃、0℃、+10℃、+20℃、+30℃とした。リチウムイオンポリマー電池をそれぞれの温度の環境下に曝すために、リチウムイオンポリマー電池を恒温槽(型番:SU-221、ESPEC社製)内に配置した。
リチウムイオンポリマー電池の放電容量の測定結果を図2に示す。
図2に示す結果から、リチウムイオンポリマー電池は、低温環境において、容量が大幅に減少することが確認された。
【0030】
[実験例2]
リチウムイオンキャパシタの放電容量を、直流安定化電源(型番:P4K18-2、松定プレシジョン社製)で充電した後,電子負荷装置(型番:1W152-151D、TEXIO社製)およびメモリハイコーダ(型番:8861-50、HIOKI社製)を用いて測定した。
リチウムイオンキャパシタとしては、耐電圧が3.8V、静電容量が200Fのものを用いた。
リチウムイオンキャパシタの放電容量の測定は、定電流放電状態が、上記の電子負荷装置により、維持されることにより放電した。
リチウムイオンキャパシタの放電容量の測定時の温度(環境温度)を、-20℃、-10℃、0℃、+10℃、+20℃、+30℃とした。リチウムイオンキャパシタをそれぞれの温度の環境下に曝すために、リチウムイオンキャパシタを恒温槽(型番:SU-221 、ESPEC社製)内に配置した。
リチウムイオンキャパシタの放電容量の測定結果を図3に示す。
図3に示す結果から、リチウムイオンキャパシタは、低温環境において容量が減少するが、ある程度、利用できることが確認された。
【0031】
[実験例3]
電気二重層キャパシタの放電容量を、直流安定化電源(型番:P4K18-2、松定プレシジョン社製)で充電した後,電子負荷装置(型番:1W152-151D、TEXIO社製)およびメモリハイコーダ(型番:8861-50、HIOKI社製)を用いて測定した。
電気二重層キャパシタとしては、耐電圧が2.7V、静電容量が5Fのものを用いた。
電気二重層キャパシタの放電容量の測定は、定電流放電状態が、上記の電子負荷装置により、維持されることにより放電した。
電気二重層キャパシタの放電容量の測定時の温度(環境温度)を、-20℃、-10℃、0℃、+10℃、+20℃、+30℃とした。電気二重層キャパシタをそれぞれの温度の環境下に曝すために、電気二重層キャパシタを恒温槽(型番:SU-221、ESPEC社製)内に配置した。
電気二重層キャパシタの放電容量の測定結果を図4に示す。
図4に示す結果から、電気二重層キャパシタは、低温環境において容量がほとんど減少しないことが確認された。
【0032】
[実施例]
実験例1で用いたリチウムイオンポリマー電池(Li-Po)を4個直列に接続したリチウムイオンポリマー電池接続体を用意した。
実験例2で用いたリチウムイオンキャパシタ(LiCs)を4個直列に接続したリチウムイオンキャパシタ接続体を用意した。
実験例3で用いた電気二重層キャパシタ(EDLCs)を6個直列に接続した電気二重層キャパシタ接続体を用意した。
リチウムイオンポリマー電池接続体と、リチウムイオンキャパシタ接続体と、電気二重層キャパシタ接続体とを並列に接続し、図1に示すような蓄電モジュールを得た。
リチウムイオンポリマー電池接続体、リチウムイオンキャパシタ接続体、および電気二重層キャパシタ接続体のそれぞれに対して、図1に示すように電流計(電流プローブ)(商品名:TCPA300、Tektronix社製)を直列に接続した。この電流プローブにより、リチウムイオンポリマー電池接続体、リチウムイオンキャパシタ接続体、および電気二重層キャパシタ接続体のそれぞれについて、電流値を測定した。
リチウムイオンポリマー電池接続体、リチウムイオンキャパシタ接続体、および電気二重層キャパシタ接続体を、メモリハイコーダ(型番:8861-50、HIOKI社製)の電圧計測端子に対して並列となるように接続した。
蓄電モジュールについて、-20℃の環境下、電子負荷装置(商品名:LW151-151D、TEXIO社製)により、10Aの定電流放電の測定を行った。
蓄電モジュールを-20℃の環境下に曝すために、蓄電モジュールを恒温槽(型番:SU-221、ESPEC社製)内に配置した。
結果を図5図7に示す。
【0033】
図5は、蓄電モジュール全体の放電時における端子電圧を示す。図6は、蓄電モジュール全体の放電時における電流出力を示す。図7は、リチウムイオンポリマー電池接続体、リチウムイオンキャパシタ接続体、および電気二重層キャパシタ接続体のそれぞれの放電時における電流出力を示す。
図5および図6に示す結果から、電子負荷装置により、10Aの定電流放電が正しく行われていることが確認された。
また、図7に示す結果から、放電開始すると瞬時に電気二重層キャパシタが高出力電流を発生するとともに、リチウムイオンキャパシタが電流を発生するため、放電開始初期の時点では、リチウムイオンポリマー電池からの低い電流出力を、電気二重層キャパシタとリチウムイオンキャパシタが補っていることが確認された。
【符号の説明】
【0034】
1 蓄電モジュール
11 二次電池
15 二次電池接続体
21 コンデンサ
25 コンデンサ接続体
31 ハイブリッドキャパシタ
35 ハイブリッドキャパシタ接続体
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7