(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-11
(45)【発行日】2024-09-20
(54)【発明の名称】高電圧の３タブ型蓄電装置
(51)【国際特許分類】
H01M 10/04 20060101AFI20240912BHJP
H01M 10/058 20100101ALI20240912BHJP
H01M 10/44 20060101ALI20240912BHJP
H02J 7/02 20160101ALI20240912BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20240912BHJP
【ＦＩ】
H01M10/04 Z
H01M10/058
H01M10/44 P
H02J7/02 F
H02J7/00 302C
H02J7/00 301C
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2023519912
(86)(22)【出願日】2020-10-14
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-10-16
(86)【国際出願番号】 EP2020078941
(87)【国際公開番号】W WO2022078595
(87)【国際公開日】2022-04-21
【審査請求日】2023-03-30
(73)【特許権者】
【識別番号】522374652
【氏名又は名称】アーセーバイオード エス ア エール エル
【氏名又は名称原語表記】ＡＣ ＢＩＯＤＥ Ｓ．Ａ Ｒ．Ｌ．
【住所又は居所原語表記】７， ｒｕｅ ｄｕ ３１ Ａｏｕｔ １９４２， Ｌ－５８０９ Ｈｅｓｐｅｒａｎｇｅ， ＬＵＸＥＭＢＯＵＲＧ
(74)【代理人】
【識別番号】110001069
【氏名又は名称】弁理士法人京都国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】水沢 厚志
(72)【発明者】
【氏名】雪田 康夫
【審査官】前田 寛之
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－１７１０７５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ１０／００－１０／４８
Ｈ０１Ｇ１１／００－１１／８６
Ｈ０２Ｊ ７／００－ ７／１２
Ｈ０２Ｊ ７／３４－ ７／３６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
それぞれアノードタブ、バイオードタブ及びカソードタブという３つの電極タブ（端子）を持つｍ＋１個のＡＣ電池セル（ｍは１以上の整数）を備え、全てのアノードタブが互いに並列に接続され、ｍ番目のＡＣ電池セルのバイオードタブとｍ番目のＡＣ電池セルのカソードタブが、ｍ番目のＡＣ電池セルとｍ＋１番目のＡＣ電池セルの間に配置されたスイッチと接触しており、該スイッチがｍ番目のＡＣ電池セルのバイオードタブ－ｍ＋１番目のＡＣ電池セルのバイオードタブの接触をｍ番目のＡＣ電池セルのカソードタブ－ｍ＋１番目のＡＣ電池セルのバイオードタブに切り替え、ｍ＋１番目のＡＣ電池セルが最後のＡＣ電池セルであり、アノードタブとカソードタブがスイッチを持ち、該スイッチがｍ＋１番目のＡＣ電池セルのアノードタブ－１番目のＡＣ電池セルのバイオードタブの接触をｍ＋１番目のＡＣ電池セルのカソードタブ－１番目のＡＣ電池セルのバイオードタブに頻繁に切り替えるものであり、
ｍ番目のＡＣ電池セルとｍ＋１番目のＡＣ電池セルの間に配置されたスイッチと、ｍ＋１番目のＡＣ電池セルと１番目のＡＣ電池セルとの間に配置されたスイッチとが同期して切り替えられる、高電圧のＡＣ電池式蓄電装置。
【請求項2】
請求項１に記載の高電圧のＡＣ電池式蓄電装置の充電プロセスであって、最後のｍ＋１番目のＡＣ電池セルのカソードタブと１番目のＡＣ電池セルのバイオードタブとのスイッチ接続から始めることにより与えられ、それからスイッチ接続がｍ＋１番目のＡＣ電池セルのアノードタブと１番目のＡＣ電池セルのバイオードタブとの接続に切り替わり、そしてこれらのプロセスが連続的に繰り返される、充電プロセス。
【請求項3】
請求項１に記載の高電圧のＡＣ電池式蓄電装置の充電プロセスであって、最後のｍ＋１番目のＡＣ電池セルのアノードタブと１番目のＡＣ電池セルのバイオードタブとのスイッチ接続から始めることにより与えられ、それからスイッチ接続がｍ＋１番目のＡＣ電池セルのカソードタブと１番目のＡＣ電池セルのバイオードタブとの接続に変わり、そしてこれらのプロセスが連続的に繰り返される、放電プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、交流電流及び交流電力の生成が可能な充電式電池の構成、並びに、充電式電池システム、該充電式電池システムを充電するために構成された充電器及び同充電式システムを放電するために構成された放電器に関する。
【背景技術】
【0002】
電力の供給と使用は、電力供給のインフラストラクチャである電気回路及び配電網内で交流電力（ＡＣ）と直流電力（ＤＣ）を混合することにより、最大の効率を得るべく最適化されてきている。
【0003】
充電式（二次）電池は重要な電力供給源であるにも関わらず、歴史的にただＤＣとしてのみ開発され、使用されてきた。ひとえにＤＣ二次電池のせいで、これまで移動体用の電気回路及び自動車の電源装置において最大の効率を設計するための最良の方法が存在していなかった。
【0004】
二次電池において、ＡＣで充電及び放電する形式のものが特許文献１及び２に提案されている。この形式の充電式電池を「ＡＣ電池」と呼ぶ。これは、多くの目的で電気回路の最も効率的な設計を描くための様々な観点を与える。ＡＣ電池の単一のセルは正極（アノード：Ａｎｏｄｅ）、両性極（バイオード：Ｂｉｏｄｅ）及び負極（カソード：Ｃａｔｈｏｄｅ）という３つのタブ（端子）を持つ。電極材料の電位の順序は（低い側）アノード＜バイオード＜カソード（高い側）である。バイオードはスイッチ回路を通じて両性極として働く。そしてこのセルはＡＣで充電及び放電することができる（特許文献１及び２）。
【0005】
ＡＣ電池の単一セルの内部の電極構成パターンは極めて多様であるが、それと同時に主に２つのカテゴリに分けられる（表。後掲）。表の左列は電極の総数が４ｎ＋５（ｎは０以上の整数を意味する）である第１のカテゴリを示している。このカテゴリでは、アノード（Ａ）、バイオード（Ｂ）及びカソード（Ｃ）という３種類の電極が対称に構成されている。そして更に計４ｎ＋５個の電極が２つのパターンに分類される。即ち、ｎ＋１個のアノード、２ｎ＋２個のバイオード及びｎ＋２個のカソードと、ｎ＋２個のアノード、２ｎ＋２個のバイオード及びｎ＋１個のカソードである。例えばｎ＝０のとき、電極の総数は５であり、２つの電極構成パターンが存在する。１つ目は、１つのアノード（Ａ）、２つのバイオード（Ｂ）及び２つのカソード（Ｃ）であり、これは表の第１行に一例として示した電極構成ではＣＢＡＣＢと表されている。次は、２つのアノード（Ａ）、２つのバイオード（Ｂ）及び１つのカソード（Ｃ）であり、これはＡＢＣＢＡと表されている。ｎの数に関わらずセルには３つしかタブがない。それは内部の接触がＡ－Ａ－…、Ｂ－Ｂ－…、及びＣ－Ｃ－…となっているからである。
【0006】
電極総数の第２のカテゴリはｎをゼロ以上の整数として４ｎ＋３であり、表の右列に現れている。この第２のカテゴリでは、アノード（Ａ）、バイオード（Ｂ）及びカソード（Ｃ）という３種類の電極の構成パターンは、ＡＢＣ（ｎ＝０）、ＡＢＣＢＡＢＣ（ｎ＝１）、ＡＢＣＢＡＢＣＢＡＢＣ（ｎ＝２）、ＡＢＣＢＡＢＣＢＡＢＣＢＡＢＣ（ｎ＝３）、等のように常に非対称である。整数ｎが１に等しいとき、表の第２列に例示されているＡＢＣＢＡＢＣ（ｎ＝１）という電極構成パターンにおいて、Ａ－Ａ、Ｂ－Ｂ－Ｂ、Ｃ－Ｃのように同じ種類の電極を内部で接続しなければならない。
【0007】
電極間には必ずセパレータが挿入されており、全てのセルが電解液を含んでいる。
【0008】
ＡＣ電池セルを制御するためのスイッチは、（１）アノード－バイオード、（２）バイオード－カソード、及び、（３）フリー（これはどの電極間にも接続がないことを意味する）という３通りの接続を持つことができる。
【0009】
ＡＣ電池の放電プロセスを図４に示す。このＡＣ電池セルはアノードとして黒鉛（Ｃ６）、バイオードとしてチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）、そしてカソードとしてコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）を用いて構成されている。放電の最初のステップはアノードとバイオードの接続で始まる。電圧が図４中の（ａ）のようにマイナス（－）１．３７Ｖを示す。するとスイッチがカソードとバイオードの接続に切り替わる。電圧が図４中の（ｂ）のようにプラス（＋）２．３３Ｖになる。セルは交流の電力及び電流を発生させる。
【0010】
ＡＣ電池の放電プロセスはセルの最大容量を引き出すことが可能である。なぜアノード－バイオードとバイオード－カソードの両方の電位を０Ｖにできるかという理由。ＡＣ電池はＬｉＣｏＯ２の技術的に最も大きい容量としての最大容量１６０ｍＡｈｇ－１（図４）を利用するが、市販のリチウムイオン電池は３Ｖまで放電することができ、これは利用可能な容量１２０～１４０ｍＡｈｇ－１を意味している。
【0011】
市販のリチウムイオン電池（ＬＩＢ）の集電体である銅箔はアノード（Ｃ６）－カソード（ＬｉＣｏＯ２）電圧が３Ｖ未満に下がると溶解する。これは、電池が燃えて爆発する可能性が非常に高いため、ＬＩＢの利用者にとって最も危険なことである。
【0012】
アノードがカソードと接触する市販のリチウムイオン電池の設定は、電圧が３Ｖ未満の状態では基本的に爆発の危険をもたらす。なぜなら、ＬｉＣｏＯ２のカソードが活性電子を持たない黒鉛のアノードからより多くの電子を要求するからである。結果として、銅箔が黒鉛とともに溶解してカソードに電子を与える。この現象を阻止する方法はない。
【0013】
ＡＣ電池システムでは、作動中にアノードがバイオードと接続される。アノードは決してカソードとは接続されない。よってＡＣ電池はまったく安全である。アノードの銅箔はシステムが０Ｖ状態にあっても決して溶解しない。
【0014】
黒鉛のアノード、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２のバイオード及びＬｉＣｏＯ２のカソードを電極とするＡＣ電池システムにおいて、アノードが６０℃で６０日間、ほぼ０Ｖ（０～１４．２ｍＶ）で維持された。アノードの銅箔に損傷はない（図５）。ＡＣ電池はまったく安全である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0015】
【文献】特開２０１６－１７１０７５号公報
【文献】国際公開第２０２１／２０４３６４号
【発明の概要】
【0016】
ＡＣ電池は非常に安全なシステムであるものの、その電圧は市販のＬＩＢよりも決定的に低い。例えば、ＬｉＣｏＯ２のカソードとＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２のバイオードの間のプラス電圧は通常２．３３Ｖ、バイオードと黒鉛のアノードとの間のマイナス電圧は平均で－１．３７Ｖしかないが、普通のＬＩＢの電圧は３．７Ｖである。これは様々な種類の回路を用いる上で問題である。
【0017】
ＡＣ電池の長所は、アノードが、作動時にバイオードと接続されることにより、完全に安定していることである。
【0018】
アノード、バイオード及びカソードである３つの電極タブ（端子）をそれぞれ持つ複数のＡＣ電池セルはスイッチを用いてバイオードタブをバイオードタブと互いに又はカソードタブと互いに接続することにより高電圧のシステムとなることができる。同時に、全てのアノードタブは常に互いに接続されている。
【0019】
ＡＣ電池のこれらの接続により、バイオードとアノードの間の電圧が安定した状態で、カソードタブとバイオードタブの間に高電圧が付与される。
【0020】
最終的にこのシステムは高電圧の蓄電装置である。
【0021】
交流電流及び電力の高電圧蓄電装置が、アノードがバイオードに接続されたまったく安全な状況で実現される。高電圧の交流電流及び電力は、極めて安全なドローン、電気自転車及び電気自動車を効果的に製造するために必要である。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1A】３つのＡＣ電池と、４つのスイッチを持つ接触電線との構成。スイッチの制御回路は図示せず。
【図1B】３つのＡＣ電池と、４つのスイッチを持つ接触電線との上部の構成。
【図1C】３つのＡＣ電池と、４つのスイッチを持つ接触電線との下部の構成。
【図2】１つの黒鉛のアノード、１つのＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２のバイオード及び１つのＬｉＣｏＯ２のカソードを持つ３つのＡＣ電池の構成の放電プロセスとそのグラフ。スイッチの制御回路は図示せず。
【図3】１つの黒鉛のアノード、２つのＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２のバイオード及び２つのＬｉＣｏＯ２のカソードを持つ３つのＡＣ電池の構成の放電プロセスとそのグラフ。スイッチの制御回路は図示せず。
【図4】１つの黒鉛のアノード、１つのＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２のバイオード及び１つのＬｉＣｏＯ２のカソードを持つ単一のＡＣ電池の構成の放電プロセスとそのグラフ。スイッチの制御回路は図示せず。
【図5】６０℃で６０日間、０～１４．２ｍＶに保持する処理を行った後の黒鉛のアノードの表面の写真。黒鉛のアノード、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２のバイオード及びＬｉＣｏＯ２のカソードを電極とするＡＣ電池システムのアノードの銅箔に損傷はない。
【発明を実施するための形態】
【0023】
図１Ａ～１Ｃにおいて、３つのＡＣ電池（セル１、セル２、セル３）が同じ方向に置かれている。各ＡＣ電池はアノード２、両性極として働くバイオード３、及びカソード４という３つの電極タブ（端子）を持っている。図１Ａ～１Ｃにおいては以下の参照符号が用いられている。即ち、１．ＡＣ電池の単一のセルのケーシング、２．アノードタブ、３．バイオードタブ、４．カソードタブ、５．セル３のアノードとセル１のバイオードを結ぶ並列の位置にあるスイッチ、５’．セル１のバイオードとセル３のカソードを結ぶ直列の位置にあるスイッチ、６（１）、６（２）．バイオードとバイオードを結ぶ並列の位置にあるスイッチ、６’（１）、６’（２）．バイオードとカソードを結ぶ直列の位置にあるスイッチ、７．セル１のバイオードタブとスイッチ５の間のケーブル、８．アノード間のケーブル、９、１０．バイオード間のケーブル、１０’．セル２のカソードタブとスイッチ６（２）の間のケーブル、１１．セル３のアノードタブとスイッチ５の間のケーブル、及び、１２．セル３のカソードタブとスイッチ５の間のケーブルである。図１Ａ～１Ｃにはスイッチの制御回路は示していない。
【0024】
ケーシング１等の上のアノードタブは内部にｎ＋１個又はｎ＋２個のアノード電極を持ち、ケーシング１等の上のバイオードタブは内部に２ｎ＋２個のバイオード電極を持ち、ケーシング１等の上のカソードタブは内部にｎ＋２個又はｎ＋１個を持ち、合計４ｎ＋５個の電極がある（ｎは０以上の整数）。
【0025】
または、１つのセルの内部にある電極の総数が４ｎ＋３（ｎは０以上の整数）である場合、ケーシング１等上のアノードタブはｎ＋１個のアノード電極を持ち、ケーシング１等の上のバイオードタブは２ｎ＋１個のバイオード電極を持ち、ケーシング１等の上のカソードタブはｎ＋１個のカソード電極を持っている。
【0026】
セル１、２及び３の３つのアノードタブは電気ケーブル８で並列に接続されており、セル３のタブはアノードへの接続とカソードへの接続を切り替えるスイッチ５、５’を有している。
【0027】
セル１及び２の２つのバイオードタブはスイッチ６（１）、６（１）’を介して電気ケーブル９で接続されており、該スイッチはセル１、２のバイオードから電気ケーブル９’を持つセル１のカソードへ前後に切り替わる。そしてセル２及び３の２つのバイオードタブはスイッチ６（２）、６（２）’を介して電気ケーブル１０で接続されており、該スイッチはセル２、３のバイオードから電気ケーブル１０’を持つセル２のカソードへ前後に切り替わる。
【0028】
セル１のバイオードタブは電気ケーブル７でスイッチ５、５’に接続されており、該スイッチは電気ケーブル１１を持つセル３のアノードへの接続と電気ケーブル１２を持つセル３のカソードへの接続を切り替える。
【0029】
図１Ａ～１Ｃの３つのＡＣ電池を放電する状況においては、２重の切り替えステップにより一定周波数の交流電流及び電力を作り出す。従ってスイッチ５は、第１に、セル１のバイオードタブとセル３のアノードタブを接続するように設定され、第２に、切り替えられたスイッチ５’がセル１のバイオードタブをセル３のカソードタブと接続する。同時に、スイッチ５はスイッチ６（１）及び６（２）を同期させ、これらのスイッチはバイオード－バイオードタブの位置をスイッチ６（１）’及び６（２）’として示したバイオード－カソードタブの位置に変える。
【0030】
高電圧のＡＣ電池式蓄電装置が、それぞれアノードタブ、バイオードタブ及びカソードタブという３つの電極タブ（端子）を持つｍ個のＡＣ電池セル（ｍは１以上の整数）により作られる。ここで、全てのアノードタブは互いに並列に接続され、ｍ番目のバイオードタブとｍ番目のカソードタブが、ｍ番目のＡＣ電池セルとｍ＋１番目のセルの間に配置されたスイッチと接触しており、該スイッチはｍ番目のバイオードタブ－ｍ＋１番目のバイオードタブの接触をｍ番目のカソードタブ－ｍ＋１番目のバイオードタブに切り替え、ｍ＋１番目は最後のＡＣ電池セルであり、アノードタブとカソードタブがスイッチを持ち、該スイッチはｍ＋１番目のアノードタブ－１番目（ｍ＝１）のバイオードタブの接触をｍ＋１番目のカソードタブ－１番目（ｍ＝１）のバイオードタブに頻繁に切り替える。
【0031】
上の説明において、充電プロセスは最後のｍ＋１番目のＡＣ電池セルのカソードタブと１番目（ｍ＝１）のセルのバイオードタブとのスイッチ接続から始めることにより与えられ、それからスイッチ接続がｍ＋１番目のセルのアノードタブと１番目（ｍ＝１）のバイオードタブとの接続に変わり、そしてこれらのプロセスが連続的に繰り返される。
【0032】
この説明において、放電プロセスは最後のｍ＋１番目のＡＣ電池セルのアノードタブと１番目（ｍ＝１）のセルのバイオードタブとのスイッチ接続から始めることにより与えられ、それからスイッチ接続がｍ＋１番目のセルのカソードタブと１番目（ｍ＝１）のバイオードタブとの接続に変わり、そしてこれらのプロセスが連続的に繰り返される。
【実施例】
【0033】
実施例１
【0034】
図２は、高電圧の蓄電装置の三連型ＡＣ電池システムであって、１つの黒鉛のアノード、１つのＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２のバイオード及び１つのＬｉＣｏＯ２のカソードを持つ３つのＡＣ電池の構成で行った放電プロセスとそのグラフである。スイッチの制御回路は示していない。図２において、Ａはアノード、Ｂはバイオード、Ｃはカソードである。図２において、（ｂ）平均６．９９Ｖ、１６０ｍＡｈｇ－１と（ａ）平均－１．３７Ｖ、１６０ｍＡｈｇ－１との間で切り替わる。
【0035】
放電プロセスは２重の切り替えの繰り返しによりセル容量の終わりまで、つまりアノード－バイオードとバイオード－カソードという両方のシステム電圧がゼロになるまで継続することができた（図２）。
【0036】
ＡＣ電池セルを制御するためのスイッチは、（１）アノード－バイオード、（２）バイオード－カソード、及び、（３）フリー（これはどの電極間にも接続がないことを意味する）という３通りの接続を持つことができる。
【0037】
【表1】
【0038】
実施例２
【0039】
図３は、高電圧の蓄電装置の三連型ＡＣ電池システムであって、１つの黒鉛のアノード、２つのＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２のバイオード及び２つのＬｉＣｏＯ２のカソードを持つ３つのＡＣ電池の構成で行った放電プロセスである。スイッチの制御回路は示していない。図３において、Ａはアノード、Ｂはバイオード、Ｃはカソードである。図３では、平均－１．３７Ｖ、３２０ｍＡｈｇ－１（左側）と平均６．９９Ｖ、３２０ｍＡｈｇ－１（右側）との間で切り替わる。
【0040】
ＡＣ電池セルを制御するためのスイッチは、（１）アノード－バイオード、（２）バイオード－カソード、及び、（３）フリー（これはどの電極間にも接続がないことを意味する）という３通りの接続を持つことができる。
【0041】
比較例３
【0042】
図４は、通常電圧の蓄電装置のＡＣ電池システムであって、１つの黒鉛のアノード、１つのＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２のバイオード及び１つのＬｉＣｏＯ２のカソードを持つ単一のＡＣ電池の構成で行った放電プロセスとそのグラフである。スイッチの制御回路は示していない。図４において、Ａは黒鉛のアノード、ＢはＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２のバイオード、ＣはＬｉＣｏＯ２のカソードである。図４において、（ｂ）平均２．３３Ｖ、１６０ｍＡｈｇ－１（上側）と（ａ）平均－１．３７Ｖ、１６０ｍＡｈｇ－１（下側）との間で切り替わる。
【0043】
放電プロセスは２重の切り替えの繰り返しにより最大容量の終わりまで、つまりアノード－バイオードとバイオード－カソードという両方のシステム電圧がゼロになるまで継続することができた（図４）。
【0044】
図５において、１つの黒鉛のアノード、１つのＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２のバイオード及び１つのＬｉＣｏＯ２のカソードを持つ単一のＡＣ電池を６０日間、温度６０℃で電圧０～１４．２ｍＶに保持した後、分解してアノードの様子を観察した。ＡＣ電池セルのアノードの銅箔に損傷はない（６０℃、６０日間、１４．２ｍＶ→０ｍＶ）。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
