JP4134873B2 - 密閉型アルカリ蓄電池の充電方法および充電器 - Google Patents

密閉型アルカリ蓄電池の充電方法および充電器 Download PDF

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Description

本発明は、密閉型アルカリ蓄電池の充電方法に関するものであり、特に充電時に電池の内圧が予め定めた規定値を超えたときに電気回路を切断して充電を停止させ、内圧が前記規定値以下に低下したときに電気回路を導通させて充電を再開させるスイッチ機能を内蔵する密閉型アルカリ蓄電池の充電方法であって1時間未満の短時間で充電を終了させる急速充電方法および該充電に適用する充電器に関するものである。
密閉形のアルカリ蓄電池は、耐放電後放置性能、耐過充電性能に優れ、一般ユーザーにとって使い易い電池であるところから、携帯電話、小型電動工具、小型パーソナルコンピュータ等の携帯用小型電子機器類用の電源として広く利用されている。
前記密閉型アルカリ蓄電池の充電において、これまでは急速充電とはいえ、充電完了までに約1時間を要する充電であり、充電中に電池の内圧が異常に上昇してベントが動作(異常昇圧)したり、電池の温度が電池にとって好ましい温度の上限を超えて上昇する(異常昇温)ことはまれなので、充電を繰り返し行っても顕著な性能低下が認められず特に問題とはならなかった。しかし、近年30〜15分間という極めて短い時間で充電を完了するという従来にない急速な充電に対する要求が高まっている。このような急速充電を行うと、前記異常昇圧や異常昇温が頻繁におこり、電解液の消耗や電池構成材料の変質などが生じて電池性能が顕著に低下する虞があるため、前記急速充電に関する要求に対して、従来構造の電池で対応することは極めて困難であった。
前記従来になかった急速充電の要求に対応する方策として、特許文献1に密閉型電池に前記圧力スイッチ機能を持たせることが提案されている。該提案によれば、圧力スイッチ機能を働かせることによって、30〜15分間で充電を完了させる急速充電を行ったときにも電池温度が電池にとって好ましい温度範囲の上限を超えて上昇しないように電池温度を制御できるとしている。(特許文献1参照)
WO 02/35618 A1 号公報(FIG.2A、FIG.2B)
密閉型アルカリ蓄電池においては、正極の容量に比べてに負極の容量を大きくして、充電末期に正極で発生する酸素を負極で吸収する方式を採用している。該方式を酸素サイクル方式と称し、該方式の採用によって、原理的には過充電を行っても電池が破壊されることはない。しかし、前記負極による酸素吸収反応は、発熱反応であり、電池の内部温度を上昇させ、電池構成材料の変質を招来する虞がある。また、過充電による正極からの酸素の発生は、電池の内圧を高め、電極やセパレータから電解液を押し出して、電極やセパレータの液涸れ現象を招来する虞がある。また、過度に早すぎる充電の打ち切りは充電不足に繋がる。従って、密閉型アルカリ蓄電池の充電終了時点を適正に決めることは、蓄電池本来の性能を発揮させることと、蓄電池の性能を長期に亘り維持することにとって極めて重要である。
前記特許文献1には、前記圧力スイッチ機能を備えた蓄電池を定電圧で充電する充電方法が記載されている。該充電方法においては、アルカリ蓄電池の充電終了時点を決定する方法として、従来広く採用されている−ΔV充電制御方式(−ΔVを検知して充電を終了させるという充電終止の判定方式)が採用できない。
充電終止時点を決定する最も単純な方法は、充電開始からの経過時間によって決める方法である。しかし、この方法によれば充電するときの周囲温度によって充電受け入れ率(ここでいう充電受け入れ率とは、当該充電後における放電容量の、電池の定格容量に対する比率をいう。なお、定格容量とは、フルに充電した電池が本来持っている放電容量を意味し、ここでは、フルに充電した電池を常温において0.2ItAのレートで放電したときに得られる放電容量と定義する)や、充電効率(ここでいう充電効率とは当該充電後における放電容量の充電電気量に対する比率をいう)が周囲温度によって大きく変わる欠点がある。
また、特許文献1には、蓄電池の表面に外層缶の膨張変形を司るストレインゲージを取り付け該ゲージの指示値が規定値に達した時点で充電を終止させる方法が提案されているが、この方法はストレインゲージを必要とするので、充電器の構成が複雑になり、高価になる欠点がある。
本発明は、値前記従来技術の欠点に鑑みなされたものであって、前記急速に短時間で密閉型アルカリ蓄電池を充電する方法において、充電不足、過充電の発生を極力抑制することを可能とする充電打ち切りのタイミングを簡便な方法で決定する充電方法を提供せんとするものである。
本発明は、鋭意検討の結果、アルカリ蓄電池の充電受け入れ率や充電効率と、充電電流と電池の定格容量の比(AC/CN)や充電電流と充電電流のピーク値の比(AC/ACM)との間に相関性があり、該2つの比を充電打ち切り時点を決定するための指標として適用できること、また、上記2つの比を充電打ち切り時点決定の指標とすることにより、一定時間で充電を打ちきる方式に比べて充電受け入れ率や充電効率が充電時の周囲温度の影響を受け難いことを見出したことによってなされたものである。
本発明は、密閉型アルカリ蓄電池の充電方法を以下の構成とすることによって前記課題を解決する。
(1)本発明に係る密閉型アルカリ蓄電池の充電方法は、充電時に電池の内圧が予め定めた規定値を超えたときに電気回路を切断して充電を停止させ、内圧が前記規定値を下回ったときに電気回路を導通させて充電を再開させる圧力スイッチ機能を内蔵する急速に短時間で密閉型アルカリ蓄電池を充電する充電方法であって、1セル当たり1.5〜1.7Vの定電圧を印可して充電し、充電電流(AC)と電池の定格容量(CN)との比(AC/CN)が、1〜2(mA/mAh)の範囲内にある予め定めた規定値に達した時点をもって充電を打ちきる密閉型アルカリ蓄電池の充電方法である。なお、ここでいうところの充電電流(AC)は圧力スイッチが作動して充電回路がOFFにあるときではなく充電回路がONにあるときに流れる充電電流値を指す。
(2)本発明に係る密閉型アルカリ蓄電池の充電方法は、充電時に電池の内圧が予め定めた規定値を超えたときに電気回路を切断して充電を停止させ、内圧が前記規定値を下回ったときに電気回路を導通させて充電を再開させる圧力スイッチ機能を内蔵する急速に短時間で密閉型アルカリ蓄電池を充電する充電方法であって、1セル当たり1.5〜1.7Vの定電圧を印可して充電し、充電電流とピーク充電電流(充電電流のピーク値)の比(AC/ACM)が、0.25〜0.6の範囲内にある予め定めた規定比率に達した時点をもって充電を打ちきる密閉型アルカリ蓄電池の充電方法である。
(3)本発明に係る密閉型アルカリ蓄電池の充電器は、充電時に電池の内圧が予め定めた規定値を超えたときに電気回路を切断して充電を停止させ、内圧が前記規定値を下回ったときに電気回路を導通させて充電を再開させる圧力スイッチ機能を内蔵する密閉型アルカリ蓄電池用の充電器であって、1セル当たり1.5〜1.7Vの定電圧を印可して充電する機能を有し、充電電流を検知する機能と電池の定格容量を記録する機能、または、充電電流を検知する機能と充電電流のピーク値を記録する機能を備え、前記AC/CN、または、前記AC/ACMが予め定めた規定値に達したことを検知して充電を終了させる機能を持つ密閉型アルカリ蓄電池用充電器である。
本発明に係る密閉型アルカリ蓄電池の充電方法によれば、充電時に電池の内圧が予め定めた規定値を超えたときに電気回路を切断して充電を停止させ、内圧が前記規定値を下回ったときに電気回路を導通させて充電を再開させる圧力スイッチ機能を内蔵する急速に短時間で密閉型アルカリ蓄電池を充電するに際して、簡便な方法で、かつ、充電不足や過充電に陥るのを極力抑制するように充電を終了させることができる。(請求項1、請求項2)
本発明に係る密閉型アルカリ蓄電池の充電器は、充電時に電池の内圧が予め定めた規定値を超えたときに電気回路を切断して充電を停止させ、内圧が前記規定値を下回ったときに電気回路を導通させて充電を再開させる圧力スイッチ機能を内蔵する急速に短時間で密閉型アルカリ蓄電池を充電するに際して、簡単な構成で、充電不足や過充電に陥るのを極力抑制することのできる密閉型アルカリ蓄電池の充電器である。(請求項3)
本発明に係る充電方法は、前記圧力スイッチ機能を備えた密閉型アルカリ蓄電池を定電圧充電にて充電する充電方法であって、フル放電状態にある電池を、30〜15分間という短時間で充電を完了することのできる急速充電方法である。
前記圧力スイッチの構成は、特に限定されるものではないが1例として前記特許文献1に記載されている圧力スイッチが適用できる。具体的には、図1に示したような圧力スイッチ12を内蔵した密閉型アルカリ蓄電池11を充電の対象とする。該圧力スイッチ12は、図1に示すように筒状の電槽13の開放端(図の上部)に、電気絶縁性の封口部材1とリング状金属板5を配置し、封口部材1の中心部分に筒状の透孔2を設け、該透孔2に電極(正極)10とキャップ状端子6を結ぶ電気回路を構成する接続部材3を貫通させている。前記透孔2の内壁と接続部材3の側壁、封口部材1の外周面と電槽13の内壁およびリング状金属板5の外周壁と封口部材1をそれぞれ気密に当接させることによって電池を気密に密閉している。なお、封口部材1は、可撓性を有しており、接続部材3は、図の上下方向に位置を変えることができるのに対して、リング状金属板5は位置が固定されている。
電極10と接続部材3とはタブ端子9を介して接続している。接続部材3の側壁上部にはリング状の金属製接続片4が接合され、前記リング状金属板5の外面(図では上の面)にはキャップ状端子6が接合されており、端子6とリング状金属板5で囲まれた空間に弾性体7を挿入し、該弾性体7の押圧力によって接続部材3を電池の内側方向(図では下方向)に押圧している。
電池の内圧が規定値以下のときは、弾性体7の押圧力の大きさが電池の内圧の大きさを上回るため、接続部材3が電池の内方向(図では下方)に押されて、図に示すように、接続片4の下面がリング状金属板5の上面に当接し、電極10と端子6を結ぶ回路は導通状態になる。電池の内圧が規定値を超えたときには、電池の内圧が弾性体28の押圧力に勝るため、接続部材3が電池の外方向(図では上方向)押されて、接続片4とリング状金属板5が離れて電気回路が切断される構成をとっている。
本発明においては、充電電圧を1.5〜1.7Vの範囲内に設定することが望ましい。充電電圧が1.5V未満では充電の進行が遅く充電に長時間を要する虞がある。充電電圧が1.7Vを超えると、充電時に正極において酸素の発生が、負極において水素の発生が盛んになり、電池の温度が好ましい温度範囲を超えて上昇する他に、充電当初から圧力スイッチが動作し、短時間で充電ができない虞がある。
本発明においては、充電時の前記AC/CNが1〜2(mA/mAh)、より好ましくは1.3〜1.7(A/Ah)の範囲内にあって、予め定められた値に到達した時点で充電を打ちきる。AC/CNが1未満では過充電となり、該充電を繰り返すことによって電池性能の劣化を招く虞がある。また、AC/CNが2を超えると充電不足となり、電池の本来持っている性能を十分に生かせない虞がある。
本発明においては、充電時の前記AC/ACMが0.25〜0.6、より好ましくは0.25〜0.5の範囲内にあって、予め定められた値に到達した時点で充電を終了させる。AC/ACMが0.25未満では過充電となり、該充電を繰り返すことによって電池性能の劣化を招く虞がある。また、AC/ACMが0.6を超えると充電不足となり、電池の本来持っている性能を十分に生かせない虞がある。
以下、定電圧充電様式を適用した実施例によって、本発明の詳細を説明する。
(第1の実施形態:AC/CNが規定値に達した時点で充電打ち切り)
(実施例1)
正極にニッケル電極を、負極に水素吸蔵合金電極を備えた定格容量2000mAh、AAサイズ(単3サイズ)の密閉型ニッケル水素蓄電池であって、前記図1に示した圧力スイッチを備え、該圧力スイッチの動作圧力が2.4メガパスカル(MPa)である密閉型ニッケル水素蓄電池を作製した。
該蓄電池を5個用意し、各々の電池の表面に電池の温度を測定するための温度センサーを取り付けた。なお、定められた方法で電池を初期化成した後、周囲温度20℃において、充電電流0.2ItAにて6時間充電し、1時間放置した後同周囲温度において放電電流0.2ItAにて放電終止電圧を1.0Vとして放電した。該放電で得られた放電容量を実施例1の前記定格容量A(mAh)とした。
放電終了後の電池を周囲温度20℃、において、充電電圧1.65Vの定電圧で充電した。供試電池10個を本発明の実施形態に係る充電方法、具体的には前記AC/CNが1.3(mA/mAh)に到達した時点で充電を停止した。充電停止後2時間放置した後に周囲温度20℃において放電電流0.2ItAにて放電終止電圧を1.0Vとして放電した。該放電で得られた放電容量をB(mAh)とし、B(mAh)の前記A(mAh)に対する比率B/A(%)を定電圧充電を行ったときの充電受け入れ率とした。また、充電中の充電電流をモニターし、これを積算して充電電気量C(mAh)を求めた。前記放電容量B(mAh)の充電電気量C(mAh)に対する比率B/C(%)を算定し、該算定値を充電効率とした。
放電終了後の電池を周囲温度5℃と35℃と別々の温度において、充電電圧1.65Vの定電圧で充電した。供試電池10個を本発明の実施形態に係る充電方法、具体的には前記AC/CNが1.3(mA/mAh)に到達した時点で充電を停止した。充電停止後電池を周囲温度20℃の雰囲気に移して2時間放置した後に、同周囲温度において放電電流0.2ItAにて放電終止電圧を1.0Vとして放電した。
(実施例2〜実施例4)
前記実施例1と同じ構成の電池を周囲温度20℃、において、充電電圧1.65Vの定電圧で充電した。ただし、AC/CNが、それぞれ1、1.7、2(mA/mAh)に到達した時点で充電を打ち切り、実施例1と同様、充電停止後1時間放置した後に周囲温度20℃において放電電流0.2ItAにて放電終止電圧を1.0Vとして放電した。実施例1と同様の方法にて充電受け入れ率、充電効率を求めた。該充電方法をそれぞれ実施例2、実施例3、実施例4とする。
(比較例1、比較例2)
前記実施例1と同じ構成の電池を、AC/CNが、それぞれ0.8、2.3(mA/mAh)に到達した時点で充電をうち切り、実施例1と同様の方法にて充電受け入れ率、充電効率を求めた。該充電方法をそれぞれ比較例1、比較例2とする。
図2に実施例1〜実施例4、比較例1、比較例2の充電受け入れ率を、図3に実施例1〜実施例4、比較例1、比較例2の充電効率を示す。
図2に示したとおり、実施例1〜実施例4、および比較例1に比べて比較例2は、充電受け入れ率が低い。実施例、比較例共に1.65Vの定電圧で充電しているので、充電電流がいずれも同じ時間的推移を示すなかで、実施例1〜実施例4の場合は、充電時間が14〜20分間、比較例1の場合は、充電時間が25分間であるのに対して、比較例2においては、充電時間が約10分間であり短い。比較例2の場合は、充電時間が短いために充電不足になったものと考えられる。
また、図3に示した通り、比較例1は、実施例1〜実施例4、比較例2に比べて充電効率が低い。比較例1の場合は前記のように充電時間が長く、充電の末期正極からの酸素発生が盛ん(副反応が盛んに起きている状態)になったために充電効率が低くなったものと考えられる。
図2と図3に示した結果から、前記AC/CNが1〜2(mA/mAh)が良く、1.3〜1.7(mA/mAh)がより好ましいことが分かる。
(本発明の第2の実施形態:AC/ACMが規定値に達した時点で充電打ち切り)
(実施例5)
前記実施例1において充電電流とピーク充電電流の比(AC/ACM)が0.4に達した時点で充電を終了した。その他は、実施例1と同じとした。該充電方法を実施例7とする。
(実施例6〜実施例8)
前記実施例7において、充電電流とピーク充電電流の比(AC/ACM)がそれぞれ0.25、0.5、0.6になった時点で充電を終了した。それ以外は、実施例5と同じとした。該充電方法をそれぞれ実施例6、実施例7、実施例8とする。
(比較例3、比較例4)
前記実施例7において、充電電流とピーク充電電流の比(AC/ACM)がそれぞれ0.2、0.7になった時点で充電を終了した。それ以外は実施例7と同じとした。該充電方法をそれぞれ比較例3、比較例4とする。
図4に実施例5〜実施例8、比較例3、比較例4の充電受け入れ率を、図5にと実施例5〜実施例8、比較例3、比較例4の充電効率を示す。
図4に示したとおり、実施例1〜実施例4、および比較例4に比べて比較例3は、充電受け入れ率が低い。実施例、比較例共に1.65Vの定電圧で充電しているので、充電電流がいずれも同じ時間的推移を示すなかで、実施例1〜実施例4の場合は、充電時間が14〜20分間、比較例4の場合は、充電時間が25分間であるのに対して、比較例3においては、充電時間が約10分間であり短い。比較例3の場合は、充電時間が短いために充電不足になったものと考えられる。
また、図5に示した通り、比較例4は、実施例1〜実施例4、比較例3に比べて充電効率が低い。比較例4の場合は前記のように充電時間が長く、充電の末期正極からの酸素発生が盛ん(副反応が盛んに起きている状態)になったために充電効率が低くなったものと考えられる。
図4、図5に示した結果から、AC/ACMが0.25〜0.6が良く、0.25〜0.5がより好ましいことがことが分かる。
(本発明実施形態と一定時間で充電を打ちきる充電方式の比較)
(実施例9、実施例10)
前記実施例1と同じ構成の電池を実施例1と同じ試験に供した。但し、充電時の周囲温度を20℃、5℃と35℃の3種の温度で実施した。該実施例を実施例9とする。
前記実施例1と同じ構成の電池を実施例7と同じ試験に供した。但し、充電時の周囲温度を20℃、5℃と35℃の3種の温度で実施した。該実施例を実施例10とする。
(比較例5、比較例6)
実施例1と同じ構成の蓄電池5個を実施例9と同じ試験に供した。但し、充電開始後15分間経過した時点で充電をうち切った。該例を比較例5とする。
実施例1と同じ構成の蓄電池5個を実施例9と同じ試験に供した。但し、充電開始後20分間経過した時点で充電をうち切った。該例を比較例6とする。
図6と図7に周囲温度5℃、20℃、35℃における実施例9、実施例10、比較例5、比較例6に係る充電試験結果を示す。
図6、図7に示した通り、本発明に係る充電方法によれば、充電開始後一定時間経過後に充電を終了する比較例に比べて、充電時の周囲温度が変わっても充電受け入れ率、充電効率の変化が小さく周囲温度の影響を受け難い。一方比較例5においては図6に示したように5℃において充電受け入れ率が低い。比較例5の場合は、充電時の周囲温度が低いために充電電流が低くなったこと等により充電が不足したためと考えられる。また、比較例7の場合は図7に示したように充電時の周囲温度20℃および35℃における充電効率が低い。比較例7の場合は、充電時間を長く設定したために、充電により電池温度が上昇した後も充電が続行されたため、正極からの酸素ガス発生等の副反応の比率が増したために充電効率が低くなったものと考えられる。これに対して、実施例9や実施例10の場合は、充電打ち切り時点を決定するための指標をAC/CNやAC/ACMとすることにより、充電時の周囲温度によって充電時間を調節でき、充電受け入れ率や充電効率が充電時の周囲温度の影響を受け難くできたものと考えられる。
本発明に係る充電器は、密閉型アルカリ蓄電池を定電圧で充電する充電器であって、充電電流を検知する電気回路および入力された電池の定格容量を記録するメモリー回路を内蔵し、且つ、充電電流(AC)と電池の定格容量(CN)の比が予め設定された値に到達したときに充電回路を切断するスイッチ機能を備える。該構成の充電器とすることによって、本発明の充電方法にとって好適な充電器とすることができる。
本発明に係る充電器は、密閉型アルカリ蓄電池を定電圧で充電する充電器であって、充電電流を検知する電気回路とピーク充電電流を記録するメモリー回路を備え、且つ、充電電流(AC)とピーク充電電流(ACM)の比が予め設定された比率に到達したときに充電回路を切断するスイッチ機能を備える。該構成の充電器とすることによって、本発明の充電方法にとって好適な充電器とすることができる。
圧力スイッチ機能付きの密閉型アルカリ蓄電池の要部構造を模式的に示す図である。 充電打ち切り時点の充電電流と定格容量の比(AC/CN)と、充電受け入れ率の関係を示すグラフである。 充電打ち切り時点の充電電流と定格容量の比(AC/CN)と、充電効率の関係を示すグラフである。 充電打ち切り時点の充電電流とピーク充電電流の比(AC/ACM)と、充電受け入れ率の関係を示すグラフである。 充電打ち切り時点の充電電流とピーク充電電流の比(AC/ACM)と、充電効率の関係を示すグラフである。 充電時の周囲温度と充電受け入れ率の関係を示すグラフである。 充電時の周囲温度と充電効率の関係を示すグラフである。
符号の説明
11 圧力スイッチ内蔵密閉型アルカリ蓄電池
12 圧力スイッチ

Claims (3)

  1. 充電時に電池の内圧が予め定めた規定値を超えたときに電気回路を切断して充電を停止させ、内圧が前記規定値を下回ったときに電気回路を導通させて充電を再開させる圧力スイッチ機能を内蔵する密閉型アルカリ蓄電池を、1セル当たり1.5〜1.7Vの定電圧を印可して充電する充電方法であって、充電電流(A)と電池の定格容量(C)との比(A/C)が、1〜2(mA/mAh)の範囲内にある予め定めた規定値に達した時点をもって充電を打ちきる密閉型アルカリ蓄電池の充電方法。
  2. 充電時に電池の内圧が予め定めた規定値を超えたときに電気回路を切断して充電を停止させ、内圧が前記規定値を下回ったときに電気回路を導通させて充電を再開させる圧力スイッチ機能を内蔵する密閉型アルカリ蓄電池を、1セル当たり1.5〜1.7Vの定電圧を印可して充電する充電方法であって、充電電流とピーク充電電流の比(A/ACM)が、0.25〜0.6の範囲内にある予め定めた規定値に達した時点をもって充電を終了する密閉型アルカリ蓄電池の充電方法。
  3. 充電時に電池の内圧が予め定めた規定値を超えたときに電気回路を切断して充電を停止させ、内圧が前記規定値を下回ったときに電気回路を導通させて充電を再開させる圧力スイッチ機能を内蔵する密閉型アルカリ蓄電池用の充電器であって、1セル当たり1.5〜1.7Vの定電圧を印可して充電する機能を有し、充電電流を検知する機能を備え、充電電流と電池の定格容量との比(A /C )、または、充電電流とピーク充電電流との比(A /A CM が予め定めた規定値に達したことを検知して充電を終了させる機能を持つ密閉型アルカリ蓄電池用充電器。
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