リチウムイオン電池の組電池とは?組電池の接続方法と容量、電圧

リチウムイオン電池の組電池とは?組電池の接続方法と容量、電圧

 

近年、Galaxy note7などのリチウムイオン電池の発火事故が急増しており、リチウムイオン電池の危険性が認識されるようになってきました。

 

ただ、リチウムイオン電池は高電圧、高容量、高エネルギー密度、長寿命などのメリットがあるためスマホバッテリーや電気自動車搭載電池、家庭用蓄電池などの採用されています。

 

リチウムイオン電池の課題(欠点・デメリット)は危険性(安全性が低いこと)のみといえ、正極活物質にリン酸鉄リチウムを使用したり、負極活物質にチタン酸リチウムを使用することなどにより安全性を高める工夫がされています。

 

ところで、製品によってはリチウムイオン電池単体ではなく組立てることでできる組電池にする必要があります。

 

ここでは「リチウムイオン電池の並列接続」について解説していきます。

 

こちらのページでは電池の基礎的な用語である組電池に関係する

 

・そもそも組電池とは?

 

・組電池の接続方法(直列接続、並列接続)と容量、電圧

 

・単電池と組電池のエネルギー密度比較

 

について解説しています。

 

 

そもそも組電池とは?

リチウムイオン電池などの電池において、組電池という用語を使用します。

 

組電池とは言葉の通り、いくつかの単電池を組んだもののことを指します。電池モジュールや電池パックと及ぶ場合もあります。

 

具体的には、いくつかの単電池を金属部材により直列接続したり、並列接続し、組み立てたものと言えるでしょう。

 

つまり、単電池は使用する電池が一つであるのに対して、組電池では使用する電池が複数であることが、単電池と組電池の違いです。

 

ある最終製品に電池が必要であり、その最終製品の仕様を満たすために電池を組んで作動電圧容量を調整します。

 

どのような容量や形の電池を使用するのか、それを用いてどのように直列接続や並列接続を行うかなどは、コストであったり生産性、今までの量産している電池があれば出来る限りそれを使用したいなどの様々な理由から変化します。

 

時代の流れとしては、より高エネルギー密度高容量であり、より安全な組電池が求められています。

 

 

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組電池の接続方法(直列接続、並列接続)と容量、電圧

 

それでは具体的なリチウムイオン電池の組電池の構造例について解説します。

 

基本的なリチウムイオン電池では、正極活物質にコバルト酸リチウム負極活物質に黒鉛電解液に通常の有機系電解液、外装材にラミネート材などを使用します。

 

上記構造材料を用いて、容量が10Ah(10000mAh)のラミネート型の単電池を使用して、組電池を作製するとします。

 

平均作動電圧が3.7 V程度であるとします。

 

※下では、組電池に使用する単電池は容量のばらつきがなく、すべて10Ahであるという理想的な場合について解説しています。

 

実際は単電池の容量の若干のバラつきにより、組電池の容量は理想的な場合よりも小さくなります。
(つまり、直列接続時は単電池より組電池の容量は小さくなります。並列接続時は、単電池の容量×電池数>組電池の容量となるといった具合です

 

 

直列接続した場合

 

ラミネート電池のタブリード(端子)を下図のよう超音波溶接することで直列に接続したとします。

 

この際、容量は単電池の時と変化しませんが、電圧は2倍になります。

 

つまり平均作動電圧が3.7 × 2 = 7.4 Vとなります。

 

 

※上図では説明しやすくするため、簡易的に直列接続した例を記載しました。このような場合、最終端子の+と-が近い位置に来ているため、短絡防止の機構を別途つけた方が良いでしょう。

 

 

並列接続した場合

 

次に並列接続した場合を考えていきましょう。

 

 

この際、容量は単電池の時の2倍の20Ahとなり、電圧は変化せず、平均作動電圧が3.7Vのままとなります

 

これらのようにして、単電池をベースに組電池の容量や電圧を変化させることができるのです。

 

もちろんラミネート電池だけでなく、円筒型電池や缶ケースの電池を用いた場合は、バスバーと呼ばれる薄い金属部材により端子間を接続することが一般的です。

 

さらに、直列数や並列数、直列にした後に並列にするなど組み合わせは多々あり、最終製品の要求値により設計が最適化させれます。

 

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単電池と組電池のエネルギー密度比較

 

それでは、組電池(システムやケースも含めた出荷できる状態まで作製したもの)と単電池のエネルギー密度の比較をしてみましょう(リチウムイオン電池だけでなく電池全般でいえることです)。

 

以下のような質量、寸法の単電池があるとします。

 

そして、この単電池二つを用い、並列接続したものにシステム、外ケースを加え、以下の質量、寸法になったとします。

 

この際の質量エネルギー密度、体積エネルギー密度を計算してみると以下のようになります。

 

 

 

 

一般的に質量エネルギー密度より体積エネルギー密度の方が大きくなります。

 

これは、電池の構成材料や割合から密度つまり質量/体積の値が1 kg/Lよりも大きくなることが一般的だからです。

 

さらに組電池の完成品とすると電池以外の電気的エネルギーを持たない部分が必要となるため、質量エネルギー密度、体積エネルギー密度ともに小さくなる傾向にあります。

 

そのため、以下に無駄なスペースをなくし、軽い材料で組電池を作製するかが高エネルギー密度化の鍵となります。このように、単電池と組電池では違いは各性能面でみられます。

 

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