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公開番号2025043104
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-28
出願番号2023150429
出願日2023-09-15
発明の名称電池容量推定装置及び電池容量推定プログラム
出願人株式会社KRI,大阪瓦斯株式会社
代理人弁理士法人R&C
主分類H01M 10/42 20060101AFI20250321BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】クラックによる影響を考慮した電池容量を推定できる電池容量推定装置を提供する。
【解決手段】正極活物質を含む正極と負極活物質を含む負極と電解質とを有する二次電池の電池容量を推定する電池容量推定装置であって、二次電池の充放電に伴って正極活物質の体積変化が生じることで、正極活物質において発生するクラックによる正極活物質の劣化状態量、及び、二次電池の充放電に伴って負極活物質の体積変化が生じることで、負極活物質の表面に形成されるSEI被膜において発生するクラックによるSEI被膜の劣化状態量の少なくとも一方を導出する劣化状態量導出部4と、劣化状態量導出部4が導出する劣化状態量に基づいて、二次電池の劣化後の電池容量を推定する電池容量推定部5とを備える。
【選択図】図17
特許請求の範囲【請求項１】
正極活物質を含む正極と負極活物質を含む負極と電解質とを有する二次電池の電池容量を推定する電池容量推定装置であって、
前記二次電池の充放電に伴って前記正極活物質の体積変化が生じることで、前記正極活物質において発生するクラックによる前記正極活物質の劣化状態量、及び、前記二次電池の充放電に伴って前記負極活物質の体積変化が生じることで、前記負極活物質の表面に形成されるＳＥＩ被膜において発生するクラックによる前記ＳＥＩ被膜の劣化状態量の少なくとも一方を導出する劣化状態量導出部と、
前記劣化状態量導出部が導出する前記劣化状態量に基づいて、前記二次電池の劣化後の電池容量を推定する電池容量推定部とを備える電池容量推定装置。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記正極活物質のＳＯＣを決定する正極ＳＯＣ決定部と、
前記正極活物質のＳＯＣと前記正極活物質の体積との関係を示す正極体積特性を参照して決定される、前記正極ＳＯＣ決定部が決定した所定タイミングでの前記正極活物質のＳＯＣに対応する前記正極活物質の体積変化率と、前記所定タイミングでの充放電電流との積に基づいて、前記所定タイミングでの前記正極活物質の粒子にかかる応力を導出する正極応力導出部と、を備え、
前記劣化状態量導出部は、前記正極応力導出部が複数のタイミングで導出した前記正極活物質の粒子にかかる応力の時間的な変化状態に基づいて導出される前記正極活物質に生じるクラックによる前記正極活物質の劣化状態量を導出する請求項１に記載の電池容量推定装置。
【請求項３】
前記正極ＳＯＣ決定部は、前記所定タイミングでの前記二次電池のＳＯＣと、前記所定タイミングより前の過去タイミングでの前記二次電池の電池容量と、前記正極活物質の容量域と前記負極活物質の容量域との間のズレ量とに基づいて、前記所定タイミングでの前記正極活物質のＳＯＣを決定し、
前記正極応力導出部は、前記正極活物質の体積変化率と、前記所定タイミングでの充放電電流と、前記過去タイミングでの前記二次電池の電池容量に対する前記二次電池の初期の電池容量の比率との積に基づいて、前記所定タイミングでの前記正極活物質の粒子にかかる応力を導出する請求項２に記載の電池容量推定装置。
【請求項４】
前記負極活物質のＳＯＣを決定する負極ＳＯＣ決定部と、
前記負極活物質のＳＯＣと前記負極活物質の体積との関係を示す負極体積特性を参照して決定される、前記負極ＳＯＣ決定部が決定した所定タイミングでの前記負極活物質のＳＯＣに対応する前記負極活物質の体積に基づいて、前記所定タイミングでの前記ＳＥＩ被膜の面方向に加わる応力を導出する負極応力導出部と、を備え、
前記劣化状態量導出部は、前記負極応力導出部が複数のタイミングで導出した前記ＳＥＩ被膜の面方向に加わる応力の時間的な変化状態に基づいて導出される前記ＳＥＩ被膜に生じるクラックによる前記ＳＥＩ被膜の劣化状態量を導出する請求項１～３の何れか一項に記載の電池容量推定装置。
【請求項５】
前記負極ＳＯＣ決定部は、前記所定タイミングでの前記二次電池のＳＯＣと、前記所定タイミングより前の過去タイミングでの前記二次電池の電池容量と、前記負極活物質の容量とに基づいて、前記負極活物質のＳＯＣを決定する請求項４に記載の電池容量推定装置。
【請求項６】
コンピュータを、請求項１～３の何れか一項に記載の電池容量推定装置が備える各部として機能させるための電池容量推定プログラム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池容量推定装置及び電池容量推定プログラムに関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
二次電池は使用用途等によって、充放電レート、上下限電圧、充電方式（定電流充電、定電流－定電圧充電、定電力－定電圧充電、多段充電等）、放置時間など、異なる充放電条件で使用されることがある。電池内部では一般に、複数の異なるメカニズムの劣化が進行し、充放電条件が異なると、それらの進行速度もそれぞれ複雑に変化する。
【０００３】
例えば特許文献１（特開２０２３－０６４７４６号公報）には、充放電時に正極活物質のリチウム複合酸化物の一次粒子の急激な体積変化が発生するか、または繰り返し充放電によるストレスが累積する場合、二次粒子内のクラック（ｃｒａｃｋ）が発生するか、または結晶構造の崩壊や結晶構造の変化（相転移）が発生するという問題が指摘されている。そして、特許文献１には、複数の粒子径の正極活物質を混合して粒子クラックの発生を抑制した二次電池が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２（国際公開第２０２１／０２０２９０号）には、負極活物質に酸化ケイ素を用いた場合、充放電に伴う膨張収縮の繰り返しにより、粒子の割れや孤立化が生じやすく、そのため、酸化ケイ素を用いた非水電解質蓄電素子は、充放電サイクルにおける容量維持率が低いという問題が指摘されている。そして、特許文献２には、充放電時の負極の利用電位範囲を制限することで負極活物質の粒子クラックを抑制する電池設計が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２０２３－０６４７４６号公報
国際公開第２０２１／０２０２９０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び特許文献２に記載のように、クラックに起因する劣化を抑制する活物質設計、電池設計の開発はなされているが、二次電池の長期間の使用に対して、クラックを完全に阻止することはできていない。
【０００７】
特に、活物質の膨張及び収縮に起因する粒子クラックあるいは負極のＳＥＩ（固体電解質界面）被膜のクラックに起因する放電容量低下は、充放電時のＳＯＣ（State Of Charge）依存性が大きく、特定ＳＯＣ領域で充放電した場合に顕著な容量低下が生じる場合がある。
【０００８】
そのため、長期間の使用において生じる電池の容量低下を考慮して、電力貯蔵システムや電気自動車等の二次電池システムを運用するためには、上述したようなクラックに起因する電池容量の低下を正確に予測する必要があるが、充放電サイクル数や総放電電気量などに基づく従来の単純な予測モデルでは、このようなＳＯＣ依存性の強い劣化を正確に予測することは困難であった。つまり、特許文献１、２では、クラックによる影響が記載されているが、それに基づいた電池容量の推定手法は示されていない。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、クラックによる影響を考慮した電池容量を推定できる電池容量推定装置及び電池容量推定プログラムを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明に係る電池容量推定装置の特徴構成は、正極活物質を含む正極と負極活物質を含む負極と電解質とを有する二次電池の電池容量を推定する電池容量推定装置であって、
前記二次電池の充放電に伴って前記正極活物質の体積変化が生じることで、前記正極活物質において発生するクラックによる前記正極活物質の劣化状態量、及び、前記二次電池の充放電に伴って前記負極活物質の体積変化が生じることで、前記負極活物質の表面に形成されるＳＥＩ被膜において発生するクラックによる前記ＳＥＩ被膜の劣化状態量の少なくとも一方を導出する劣化状態量導出部と、
前記劣化状態量導出部が導出する前記劣化状態量に基づいて、前記二次電池の劣化後の電池容量を推定する電池容量推定部とを備える点にある。
（【００１１】以降は省略されています）

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