電源装置および携帯機器
【課題】重負荷放電特性に優れ、且つ体積効率に優れた電源装置及びこれを備える携帯機器を提供する。
【解決手段】この電源装置１は、電池２と、この電池２に並列接続されるリチウムイオンキャパシタ３と、電池２及びリチウムイオンキャパシタ３に共用される正極端子部４、負極端子部５とを有している。そして、電池２の内部抵抗値ＲBの、リチウムイオンキャパシタ３の内部抵抗値ＲCに対する比（ＲB／ＲC）が２以上７未満である。
【解決手段】この電源装置１は、電池２と、この電池２に並列接続されるリチウムイオンキャパシタ３と、電池２及びリチウムイオンキャパシタ３に共用される正極端子部４、負極端子部５とを有している。そして、電池２の内部抵抗値ＲBの、リチウムイオンキャパシタ３の内部抵抗値ＲCに対する比（ＲB／ＲC）が２以上７未満である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルスチルカメラ等の携帯機器の分野で好適に利用できる電源装置およびこれを備える携帯機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、ノートパソコン、携帯型ミュージックプレーヤー、またはコンパクトデジタルカメラ等の携帯機器の電源装置としては、大別して、携帯機器の当該機種専用の二次電池を使用するものと、市販の乾電池を使用するものとがある。
前者としては、携帯電話、ノートパソコン等に使用されているリチウムイオン二次電池やニッケル水素電池を用いた電源装置が該当し、後者としては、コンパクトデジタルカメラ等に使用されている乾電池を用いた電源装置が該当する。
【０００３】
乾電池とは、具体的にはマンガン乾電池、アルカリ乾電池、ニッケル乾電池、もしくはリチウム乾電池のような電解液を固体に担持させて使用する一次電池のことをいう。これらの乾電池は、サイズや定格電圧等が規格化されており、入手が容易というメリットを有する。
上記乾電池における定格電圧は１．５Ｖ付近のものが多い。携帯機器の電源装置においては、電子回路に必要な電圧を得るために、乾電池を直列に２つ接続して３．０Ｖ程度とした構成のものが広く使用されている。携帯機器は、電源装置で使用されている乾電池の電圧が一定以下になると動作しなくなるので、該乾電池を取り外して新しい乾電池と交換する必要がある。
【０００４】
ところで、上述した乾電池は、動作原理が化学反応（ファラデー反応）を利用したものであるために長期保存性やエネルギー密度に優れる一方で、放電に反応時間を要し、かつ内部抵抗が高い。そのため、乾電池だけを用いた電源装置においては、重負荷時の出力特性が低く、軽負荷では充分な時間使用できるとしても、重負荷では短時間しか使用できないことがある。
【０００５】
そこで、従来から、乾電池等の一次電池を使用した電源装置に対して、重負荷時の出力特性の向上を目的として、一次電池にキャパシタを並列接続する提案がなされている（例えば特許文献１ないし２参照）。
例えば、特許文献１には、非水電解液一次電池と電気二重層コンデンサ（キャパシタ）とが並列に接続されて一体化した組合せ電源素子が提案されている。これにより、非水電解液一次電池の重負荷放電特性の悪さを電気二重層コンデンサの優れた急速充放電特性によって補うことができる旨の記載がある。
【０００６】
また、補助電源としてエネルギ密度が５Ｗｈ／ｋｇ以上であると共にＬＥＤに０．８Ａ以上の電流を通電させる高出力電池を用いたＬＥＤフラッシュ装置が提案されており（特許文献３参照）、前記高出力電池として有機ラジカル二次電池、リチウムイオン二次電池、及びリチウムイオンキャパシタが例示され、内部抵抗比（主電源の内部抵抗／前記補助電源の内部抵抗）が1以上であることが好ましい旨の記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３７１４６５２号公報
【特許文献２】特開２００８−０２２６０５号公報
【特許文献３】特開２００９−２９５７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、一般的に電気二重層キャパシタは内部抵抗が低く重負荷放電特性には優れるが、自己放電特性に劣り、一次電池と電気二重層キャパシタとを常時接続していると、該電気二重層キャパシタを通じた自己放電によって該一次電池が消耗してしまうという問題がある。
この点につき、例えば特許文献２には、一次電池と電気二重層キャパシタとからなるキャパシタ一体型電池において、スイッチによって無負荷及び軽負荷の場合は一次電池とキャパシタの接続を切り離し、重負荷の場合のみ一次電池とキャパシタを接続することによって重負荷放電特性と低自己放電とを両立させることが提案されているものの、特許文献１，２に記載された電源装置はいずれも、重負荷時の放電特性の観点からはなお改良の余地を有するものであった。
【０００９】
特許文献３に記載された電源装置においては、高出力電池を用いることによりLEDに０．８A以上の電流を通電させることができるものの、電源装置の大きさを最適化させるという観点では不十分であり、重負荷放電特性に優れ、且つ高エネルギー密度を両立する電源装置の開発が望まれている。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、重負荷放電特性に優れた電源装置及びこれを備える携帯機器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、リチウムイオンキャパシタと電池とを並列接続した電源装置における、電池とリチウムイオンキャパシタの内部抵抗値の比と重負荷放電特性の相関に着目し、上記内部抵抗値の比を調整した電源装置によって前記課題を解決できることを見出し、本発明をなすに至った。
すなわち、本発明のうち第一の発明は、リチウムイオンキャパシタと電池とが並列接続された電源装置であって、前記電池および前記リチウムイオンキャパシタに共用される正極端子部、および負極端子部とを有し、前記電池の内部抵抗値ＲBの、前記リチウムイオンキャパシタの内部抵抗値ＲCに対する比（ＲB／ＲC）が２以上７未満であることを特徴とする。
【００１１】
また、第一の発明に係る電源装置において、前記電池の着脱機構を備えることは好ましい。
また、第一の発明に係る電源装置において、前記電池の電圧が、２．２Ｖを超えることは好ましい。
さらに、本発明のうち第二の発明は、リチウムイオンキャパシタと電池保持部とが並列接続された電源装置であって、前記電池保持部および前記リチウムイオンキャパシタに共用される正極端子部、および負極端子部とを有し、前記電池保持部に保持される電池の内部抵抗値ＲBの、前記リチウムイオンキャパシタの内部抵抗値ＲCに対する比（ＲB／ＲC）が２以上７未満であることを特徴とする。
さらに、本発明のうち第三の発明は、携帯機器であって、上記第一または第二の発明に係る電源装置を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、後述の実施形態および実施例によって明らかにするように、重負荷放電特性に優れ、且つ体積効率に優れた電源装置、及びこの電源装置を備えた携帯機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態を示す電源装置の電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す電源装置の電気回路図である。この電源装置１は、電池２と、この電池２に並列接続されるリチウムイオンキャパシタ３と、電池２及びリチウムイオンキャパシタ３に共用される正極端子部４、負極端子部５とを有する。なお、この電源装置１は、電池２の着脱機構を備えている。
【００１５】
電池２としては、例えば、乾電池や二次電池を使用することができる。
乾電池としては、より具体的には、例えばマンガン乾電池、アルカリ乾電池、ニッケル乾電池、もしくはリチウム乾電池を挙げることができ、電解液を固体に担持させて使用する一次電池が好ましく用いられる。
また、二次電池として、より具体的には、例えばニッケルカドミウム電池もしくはニッケル水素電池のような、サイズや定格電圧等が規格化されている密閉型のものが挙げられる。また、リチウムイオン二次電池のような、種々のサイズのパッケージが存在する密閉型のものがあげられる。
【００１６】
電池２としては、上述した乾電池や二次電池を複数個接続して用いることができる。なお、その接続方法としても特に制限はなく、直列に接続することも、並列に接続することも可能である。特に、電圧が２．２Ｖ以上の電池、たとえば電圧が１．５Ｖの乾電池や、電圧が１．２Vのニッケル水素電池２つを直列に接続した電池は、携帯機器において電子回路やモーターの制御に好適に使用できる。
【００１７】
なお、リチウムイオンキャパシタの定格電圧が４．０Ｖであるという観点から、電池の電圧（複数個の乾電池等を用いる場合には、全体としての電圧）は４．０V以下であることが好ましく、電池の電圧が４．０Vを超える場合には、電池の電圧が４．０V増加するごとにリチウムイオンキャパシタを１個の割合で直列に追加するというように、リチウムイオンキャパシタを複数個用いることが好ましい。
【００１８】
また、電源装置１が電池２の着脱機構を備える場合、その着脱機構としては公知のものを使用することができる。このような着脱機構としては、例えば、乾電池を金属電極とスプリングで狭持する機構や、２つの金属電極で狭持する機構、金属ピンで接続する機構が挙げられる。
リチウムイオンキャパシタ３としては、活性炭を正極活物質とする正極、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な物質を負極活物質とする負極、及びリチウム塩電解質を含む非水系電解液を有するキャパシタを好適に用いることができる。
【００１９】
中でも、負極活物質としてグラファイト、難黒鉛化性炭素材料（ハードカーボン）または活性炭の表面に炭素質材料を被着させた複合多孔質炭素材料が好適に使用される。
なお、上述した負極活物質は、良好な内部抵抗値を得る観点から下記の条件（１）および（２）を満たす複合多孔質材料であることが好ましい。
（１）ＢＪＨ法で算出されたメソ孔量（直径が２ｎｍ以上５０ｎｍ以下である細孔の量）Ｖｍ１（ｃｃ／ｇ）が０．０１≦Ｖｍ１＜０．１０である。
（２）ＭＰ法で算出されたマイクロ孔量（直径が２ｎｍ未満である細孔の量）Ｖｍ２（ｃｃ／ｇ）が０．０１≦Ｖｍ２＜０．３０である。
【００２０】
また、上述した正極活物質は、下記の条件（３）〜（５）を満たす活性炭であることが好ましい。
（３）ＢＪＨ法で算出されたメソ孔量Ｖ１（ｃｃ／ｇ）が、０．３≦Ｖ１＜０．８である。
（４）ＭＰ法で算出されたマイクロ孔量Ｖ２（ｃｃ／ｇ）が、０．５≦Ｖ２＜１．０である。
（５）ＢＥＴ法で測定された比表面積が１５００ｍ2／ｇ以上３０００ｍ2／ｇ以下である。
【００２１】
上記負極活物質ないし正極活物質が、上記（１）〜（５）を満たすことは、本実施の形態の電源装置の瞬間的高出力特性を向上させる観点、乃至長期間の保存特性を向上させる観点から好適である。
リチウムイオンキャパシタ３の構造は、単数または複数枚の正極と負極とセパレータとを積層して電極を形成し、これをアルミラミネートフィルムでパッケージして、電解液注入後に密閉して構成される薄型外装体（または「ラミネートフィルム外装体」ともいう。）とすると、機器内で電源装置が占めるスペースのわずかな厚みの増加により実装可能となるので好ましい。
【００２２】
リチウムイオンキャパシタ３の最大動作電圧は、定格電圧を超えた電圧で充電することによる劣化を防ぐ観点から、４．０Ｖ以下であることが好ましい。
なお、リチウムイオンキャパシタ３としては、複数のリチウムイオンキャパシタを接続して用いることができる。なお、その接続方法としても特に制限はなく、直列に接続することも、並列に接続することも可能である。
【００２３】
上記電源装置１は、電池２の内部抵抗値ＲBと、リチウムイオンキャパシタ３の内部抵抗値ＲCとを特定の関係に設定することにより、優れた重負荷放電特性を実現するものである。その作用機構についての詳細は詳らかではないが、内部抵抗の大きな電池単体では重負荷時において大きなＩＲドロップによる電圧降下のために放電が困難であり、内部抵抗の小さなリチウムイオンキャパシタを電池と並列に接続することにより、電池とリチウムイオンキャパシタの内部抵抗の比率に応じて重負荷時の電池の負荷を軽減し、電源装置の使用時間の延長が可能となる。そのため、この特性は電池とリチウムイオンキャパシタとの内部抵抗の比率に大きな影響を受けると推察される。
【００２４】
ここで、上記電源装置１は、電池２の内部抵抗値ＲBの、リチウムイオンキャパシタの内部抵抗値ＲCに対する比（ＲB／ＲC）としては、２以上であり、好ましくは２．５以上、更に好ましくは３以上である。上限は７未満であり、好ましくは６未満である。
なお、電池２の内部抵抗値ＲB（複数個の乾電池等を用いる場合には、全体としての内部抵抗値）は、デジタルスチルカメラ等の携帯機器に使用される電池の内部抵抗値の観点から、２０ｍΩ〜１４００ｍΩであることが好ましく、３０ｍΩ〜１０００ｍΩであることがより好ましい。また、リチウムイオンキャパシタの内部抵抗値ＲC（複数個のキャパシタを用いる場合には、全体としての内部抵抗値）は、電池の重負荷を軽減させるという観点から、５ｍΩ〜２００ｍΩであることが好ましく、１０ｍΩ〜１００ｍΩであることがより好ましい。
【００２５】
正極端子部４、負極端子部５としては公知のものを使用することができる。このような端子部としては、例えば圧着端子として裸圧着端子やギボシ端子、平形接続端子のようなものを用いても良いし、はんだ付けにより直接負荷に接続しても良い。端子部を構成する材料は、銅、金、銀、錫、ニッケル、亜鉛、クロム、および前記金属を含む合金によりメッキした金属、アルミニウム等の抵抗が小さく導電性に優れた金属、ステンレス等の腐食しにくい金属が好ましい。
【００２６】
電源装置１においては、リチウムイオンキャパシタと乾電池とを並列接続し、瞬間的高エネルギー負荷をかけた際に、それぞれの内部抵抗の比率に応じた電流が流れる。そのため、より抵抗の小さなリチウムイオンキャパシタを使用することにより、乾電池にかかる負荷を軽減することが可能となる。これにより、電源装置の内部電圧降下を小さく抑えることができるので、より長い動作時間を確保することが可能となる。
このような電源装置１は、携帯電話、ノートパソコン、コンパクトデジタルカメラ等の携帯機器に好適に使用される。
なお、上記各種パラメータについては特に記載のない限り、後述する実施例における測定方法に準じて測定される。
【実施例】
【００２７】
次に、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。なお、本発明が以下の実施例に限定されるものではない。
（１）電池２の内部抵抗は、ＪＩＳ Ｃ ５１６０−１に記載の交流抵抗法に準じて２０℃における交流抵抗値を測定した。
（２）また、リチウムイオンキャパシタ３の内部抵抗については、ＪＩＳ Ｃ ５１６０−１に記載の交流抵抗法に準じて２０℃における交流抵抗値を測定した。
【００２８】
（３）電池の容積は、ＪＩＳ Ｃ ８５１５に準じて算出した。
（４）リチウムイオンキャパシタの容積は、ＪＩＳ Ｃ ５１６０−１に準じて算出した。
（５）電池の電圧は、ＪＩＳ Ｃ ８５００に準じて測定した。
（６）パルス放電による放電容量（ｍＡｈ）は、パルス放電の条件として、デューティー比を５％（ベース電流を０．２秒、ピーク電流を０．０１秒とした）とし、ベース電流を０．１Ａ、ピーク電流を１Ａ〜５Ａとして測定を行った。カットオフ電圧は２．０Ｖとした。
【００２９】
（７）そして、デジタルスチルカメラによる撮影可能枚数（枚）は、デジタルスチルカメラ（キヤノン株式会社製、「ＰｏｗｅｒＳｈｏｔ」（登録商標） 型番ＰＳＡ４９５）の電池収納部に実施例または比較例の電源装置を接続し、このデジタルスチルカメラでＣＩＰＡ規格に基づいて撮影可能枚数を測定した。
（８）電源装置の体積エネルギー密度（Ｗｈ／Ｌ）は、放電電流値を０．１Ａとして測定を行い、得られた値を電源装置の体積で除することにより算出した。
【００３０】
［実施例１］
図１に示す電気回路で表される電源装置１を、市販の正極端子部４、負極端子部５を用いて作製した。電池２としては、内部抵抗が１２０ｍΩの単三アルカリ乾電池２個を直列に接続したものを用いた（ＲB＝１２０ｍΩ×２＝２４０ｍΩ、電池２個合計の容積ＶB＝１５０００ｍｍ3であった）。また、リチウムイオンキャパシタ３としては、静電容量が２５Ｆ、内部抵抗が４０ｍΩのリチウムイオンキャパシタを用いた（ＲC＝４０ｍΩ、容積ＶC＝４０００ｍｍ3であった）。
【００３１】
その後、２０℃の恒温槽に３時間放置し、電源装置１とした。つまり、この実施例１では、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）＝６であり、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）が２以上７未満の電源装置である。
この電源装置１についてパルス放電による放電容量の測定とデジタルスチルカメラ撮影可能枚数の測定、および０．１A放電における電源装置の体積エネルギー密度の測定を行った。測定結果を表１に示す。
【００３２】
［実施例２］
リチウムイオンキャパシタ３を、静電容量が１２Ｆ、内部抵抗が８０ｍΩのものに変更した他は（ＲC＝８０ｍΩ、容積ＶC＝３５００ｍｍ3であった）、上記実施例１と同様の条件で電源装置１を作成した。つまり、この実施例２では、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）＝３であり、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）が２以上７未満の電源装置である。この電源装置１のパルス放電による放電容量とデジタルスチルカメラ撮影可能枚数の測定結果、および０．１A放電における電源装置の体積エネルギー密度の測定を表１に示す。
【００３３】
［比較例１］
リチウムイオンキャパシタ３を、静電容量が４Ｆ、内部抵抗が２５０ｍΩのものに変更した他は（ＲC＝２５０ｍΩ、容積ＶC＝２０００ｍｍ3であった）、上記実施例１と同様の条件で電源装置を作成した。つまり、この比較例１では、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）＝０．９６であり、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）が２未満の電源装置である。この電源装置のパルス放電による放電容量とデジタルスチルカメラ撮影可能枚数の測定結果、および０．１A放電における電源装置の体積エネルギー密度の測定を表１に示す。
【００３４】
［比較例２］
リチウムイオンキャパシタ３を、静電容量が４０Ｆ、内部抵抗が２５ｍΩのものに変更した他は（ＲC＝２５ｍΩ、容積ＶC＝５０００ｍｍ3であった）、上記実施例１と同様の条件で電源装置を作成した。つまり、この比較例１では、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）＝９．６であり、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）が７以上の電源装置である。この電源装置のパルス放電による放電容量とデジタルスチルカメラ撮影可能枚数の測定結果、および０．１A放電における電源装置の体積エネルギー密度の測定を表１に示す。
【００３５】
［比較例３］
リチウムイオンキャパシタ３を用いなかった他は、実施例１と同様の条件で電源装置を作製した。この電源装置のパルス放電による放電容量とデジタルスチルカメラ撮影可能枚数の測定結果、および０．１A放電における電源装置の体積エネルギー密度の測定を表１に示す。
【００３６】
【表１】
【００３７】
表１に示すように、実施例１、および実施例２の電源装置１は、比較例１、比較例３の電源装置に比べ、高負荷時の放電特性が良好であることがわかる。比較例２においては、実施例１と同等の高負荷時の放電特性を示したが、電源装置の体積エネルギー密度で比較すると実施例１の方が良好な結果であり、体積効率に優れていることがわかる。
【符号の説明】
【００３８】
１ 電源装置
２ 電池
３ リチウムイオンキャパシタ
４ 正極端子部
５ 負極端子部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルスチルカメラ等の携帯機器の分野で好適に利用できる電源装置およびこれを備える携帯機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、ノートパソコン、携帯型ミュージックプレーヤー、またはコンパクトデジタルカメラ等の携帯機器の電源装置としては、大別して、携帯機器の当該機種専用の二次電池を使用するものと、市販の乾電池を使用するものとがある。
前者としては、携帯電話、ノートパソコン等に使用されているリチウムイオン二次電池やニッケル水素電池を用いた電源装置が該当し、後者としては、コンパクトデジタルカメラ等に使用されている乾電池を用いた電源装置が該当する。
【０００３】
乾電池とは、具体的にはマンガン乾電池、アルカリ乾電池、ニッケル乾電池、もしくはリチウム乾電池のような電解液を固体に担持させて使用する一次電池のことをいう。これらの乾電池は、サイズや定格電圧等が規格化されており、入手が容易というメリットを有する。
上記乾電池における定格電圧は１．５Ｖ付近のものが多い。携帯機器の電源装置においては、電子回路に必要な電圧を得るために、乾電池を直列に２つ接続して３．０Ｖ程度とした構成のものが広く使用されている。携帯機器は、電源装置で使用されている乾電池の電圧が一定以下になると動作しなくなるので、該乾電池を取り外して新しい乾電池と交換する必要がある。
【０００４】
ところで、上述した乾電池は、動作原理が化学反応（ファラデー反応）を利用したものであるために長期保存性やエネルギー密度に優れる一方で、放電に反応時間を要し、かつ内部抵抗が高い。そのため、乾電池だけを用いた電源装置においては、重負荷時の出力特性が低く、軽負荷では充分な時間使用できるとしても、重負荷では短時間しか使用できないことがある。
【０００５】
そこで、従来から、乾電池等の一次電池を使用した電源装置に対して、重負荷時の出力特性の向上を目的として、一次電池にキャパシタを並列接続する提案がなされている（例えば特許文献１ないし２参照）。
例えば、特許文献１には、非水電解液一次電池と電気二重層コンデンサ（キャパシタ）とが並列に接続されて一体化した組合せ電源素子が提案されている。これにより、非水電解液一次電池の重負荷放電特性の悪さを電気二重層コンデンサの優れた急速充放電特性によって補うことができる旨の記載がある。
【０００６】
また、補助電源としてエネルギ密度が５Ｗｈ／ｋｇ以上であると共にＬＥＤに０．８Ａ以上の電流を通電させる高出力電池を用いたＬＥＤフラッシュ装置が提案されており（特許文献３参照）、前記高出力電池として有機ラジカル二次電池、リチウムイオン二次電池、及びリチウムイオンキャパシタが例示され、内部抵抗比（主電源の内部抵抗／前記補助電源の内部抵抗）が1以上であることが好ましい旨の記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３７１４６５２号公報
【特許文献２】特開２００８−０２２６０５号公報
【特許文献３】特開２００９−２９５７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、一般的に電気二重層キャパシタは内部抵抗が低く重負荷放電特性には優れるが、自己放電特性に劣り、一次電池と電気二重層キャパシタとを常時接続していると、該電気二重層キャパシタを通じた自己放電によって該一次電池が消耗してしまうという問題がある。
この点につき、例えば特許文献２には、一次電池と電気二重層キャパシタとからなるキャパシタ一体型電池において、スイッチによって無負荷及び軽負荷の場合は一次電池とキャパシタの接続を切り離し、重負荷の場合のみ一次電池とキャパシタを接続することによって重負荷放電特性と低自己放電とを両立させることが提案されているものの、特許文献１，２に記載された電源装置はいずれも、重負荷時の放電特性の観点からはなお改良の余地を有するものであった。
【０００９】
特許文献３に記載された電源装置においては、高出力電池を用いることによりLEDに０．８A以上の電流を通電させることができるものの、電源装置の大きさを最適化させるという観点では不十分であり、重負荷放電特性に優れ、且つ高エネルギー密度を両立する電源装置の開発が望まれている。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、重負荷放電特性に優れた電源装置及びこれを備える携帯機器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、リチウムイオンキャパシタと電池とを並列接続した電源装置における、電池とリチウムイオンキャパシタの内部抵抗値の比と重負荷放電特性の相関に着目し、上記内部抵抗値の比を調整した電源装置によって前記課題を解決できることを見出し、本発明をなすに至った。
すなわち、本発明のうち第一の発明は、リチウムイオンキャパシタと電池とが並列接続された電源装置であって、前記電池および前記リチウムイオンキャパシタに共用される正極端子部、および負極端子部とを有し、前記電池の内部抵抗値ＲBの、前記リチウムイオンキャパシタの内部抵抗値ＲCに対する比（ＲB／ＲC）が２以上７未満であることを特徴とする。
【００１１】
また、第一の発明に係る電源装置において、前記電池の着脱機構を備えることは好ましい。
また、第一の発明に係る電源装置において、前記電池の電圧が、２．２Ｖを超えることは好ましい。
さらに、本発明のうち第二の発明は、リチウムイオンキャパシタと電池保持部とが並列接続された電源装置であって、前記電池保持部および前記リチウムイオンキャパシタに共用される正極端子部、および負極端子部とを有し、前記電池保持部に保持される電池の内部抵抗値ＲBの、前記リチウムイオンキャパシタの内部抵抗値ＲCに対する比（ＲB／ＲC）が２以上７未満であることを特徴とする。
さらに、本発明のうち第三の発明は、携帯機器であって、上記第一または第二の発明に係る電源装置を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、後述の実施形態および実施例によって明らかにするように、重負荷放電特性に優れ、且つ体積効率に優れた電源装置、及びこの電源装置を備えた携帯機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態を示す電源装置の電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す電源装置の電気回路図である。この電源装置１は、電池２と、この電池２に並列接続されるリチウムイオンキャパシタ３と、電池２及びリチウムイオンキャパシタ３に共用される正極端子部４、負極端子部５とを有する。なお、この電源装置１は、電池２の着脱機構を備えている。
【００１５】
電池２としては、例えば、乾電池や二次電池を使用することができる。
乾電池としては、より具体的には、例えばマンガン乾電池、アルカリ乾電池、ニッケル乾電池、もしくはリチウム乾電池を挙げることができ、電解液を固体に担持させて使用する一次電池が好ましく用いられる。
また、二次電池として、より具体的には、例えばニッケルカドミウム電池もしくはニッケル水素電池のような、サイズや定格電圧等が規格化されている密閉型のものが挙げられる。また、リチウムイオン二次電池のような、種々のサイズのパッケージが存在する密閉型のものがあげられる。
【００１６】
電池２としては、上述した乾電池や二次電池を複数個接続して用いることができる。なお、その接続方法としても特に制限はなく、直列に接続することも、並列に接続することも可能である。特に、電圧が２．２Ｖ以上の電池、たとえば電圧が１．５Ｖの乾電池や、電圧が１．２Vのニッケル水素電池２つを直列に接続した電池は、携帯機器において電子回路やモーターの制御に好適に使用できる。
【００１７】
なお、リチウムイオンキャパシタの定格電圧が４．０Ｖであるという観点から、電池の電圧（複数個の乾電池等を用いる場合には、全体としての電圧）は４．０V以下であることが好ましく、電池の電圧が４．０Vを超える場合には、電池の電圧が４．０V増加するごとにリチウムイオンキャパシタを１個の割合で直列に追加するというように、リチウムイオンキャパシタを複数個用いることが好ましい。
【００１８】
また、電源装置１が電池２の着脱機構を備える場合、その着脱機構としては公知のものを使用することができる。このような着脱機構としては、例えば、乾電池を金属電極とスプリングで狭持する機構や、２つの金属電極で狭持する機構、金属ピンで接続する機構が挙げられる。
リチウムイオンキャパシタ３としては、活性炭を正極活物質とする正極、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な物質を負極活物質とする負極、及びリチウム塩電解質を含む非水系電解液を有するキャパシタを好適に用いることができる。
【００１９】
中でも、負極活物質としてグラファイト、難黒鉛化性炭素材料（ハードカーボン）または活性炭の表面に炭素質材料を被着させた複合多孔質炭素材料が好適に使用される。
なお、上述した負極活物質は、良好な内部抵抗値を得る観点から下記の条件（１）および（２）を満たす複合多孔質材料であることが好ましい。
（１）ＢＪＨ法で算出されたメソ孔量（直径が２ｎｍ以上５０ｎｍ以下である細孔の量）Ｖｍ１（ｃｃ／ｇ）が０．０１≦Ｖｍ１＜０．１０である。
（２）ＭＰ法で算出されたマイクロ孔量（直径が２ｎｍ未満である細孔の量）Ｖｍ２（ｃｃ／ｇ）が０．０１≦Ｖｍ２＜０．３０である。
【００２０】
また、上述した正極活物質は、下記の条件（３）〜（５）を満たす活性炭であることが好ましい。
（３）ＢＪＨ法で算出されたメソ孔量Ｖ１（ｃｃ／ｇ）が、０．３≦Ｖ１＜０．８である。
（４）ＭＰ法で算出されたマイクロ孔量Ｖ２（ｃｃ／ｇ）が、０．５≦Ｖ２＜１．０である。
（５）ＢＥＴ法で測定された比表面積が１５００ｍ2／ｇ以上３０００ｍ2／ｇ以下である。
【００２１】
上記負極活物質ないし正極活物質が、上記（１）〜（５）を満たすことは、本実施の形態の電源装置の瞬間的高出力特性を向上させる観点、乃至長期間の保存特性を向上させる観点から好適である。
リチウムイオンキャパシタ３の構造は、単数または複数枚の正極と負極とセパレータとを積層して電極を形成し、これをアルミラミネートフィルムでパッケージして、電解液注入後に密閉して構成される薄型外装体（または「ラミネートフィルム外装体」ともいう。）とすると、機器内で電源装置が占めるスペースのわずかな厚みの増加により実装可能となるので好ましい。
【００２２】
リチウムイオンキャパシタ３の最大動作電圧は、定格電圧を超えた電圧で充電することによる劣化を防ぐ観点から、４．０Ｖ以下であることが好ましい。
なお、リチウムイオンキャパシタ３としては、複数のリチウムイオンキャパシタを接続して用いることができる。なお、その接続方法としても特に制限はなく、直列に接続することも、並列に接続することも可能である。
【００２３】
上記電源装置１は、電池２の内部抵抗値ＲBと、リチウムイオンキャパシタ３の内部抵抗値ＲCとを特定の関係に設定することにより、優れた重負荷放電特性を実現するものである。その作用機構についての詳細は詳らかではないが、内部抵抗の大きな電池単体では重負荷時において大きなＩＲドロップによる電圧降下のために放電が困難であり、内部抵抗の小さなリチウムイオンキャパシタを電池と並列に接続することにより、電池とリチウムイオンキャパシタの内部抵抗の比率に応じて重負荷時の電池の負荷を軽減し、電源装置の使用時間の延長が可能となる。そのため、この特性は電池とリチウムイオンキャパシタとの内部抵抗の比率に大きな影響を受けると推察される。
【００２４】
ここで、上記電源装置１は、電池２の内部抵抗値ＲBの、リチウムイオンキャパシタの内部抵抗値ＲCに対する比（ＲB／ＲC）としては、２以上であり、好ましくは２．５以上、更に好ましくは３以上である。上限は７未満であり、好ましくは６未満である。
なお、電池２の内部抵抗値ＲB（複数個の乾電池等を用いる場合には、全体としての内部抵抗値）は、デジタルスチルカメラ等の携帯機器に使用される電池の内部抵抗値の観点から、２０ｍΩ〜１４００ｍΩであることが好ましく、３０ｍΩ〜１０００ｍΩであることがより好ましい。また、リチウムイオンキャパシタの内部抵抗値ＲC（複数個のキャパシタを用いる場合には、全体としての内部抵抗値）は、電池の重負荷を軽減させるという観点から、５ｍΩ〜２００ｍΩであることが好ましく、１０ｍΩ〜１００ｍΩであることがより好ましい。
【００２５】
正極端子部４、負極端子部５としては公知のものを使用することができる。このような端子部としては、例えば圧着端子として裸圧着端子やギボシ端子、平形接続端子のようなものを用いても良いし、はんだ付けにより直接負荷に接続しても良い。端子部を構成する材料は、銅、金、銀、錫、ニッケル、亜鉛、クロム、および前記金属を含む合金によりメッキした金属、アルミニウム等の抵抗が小さく導電性に優れた金属、ステンレス等の腐食しにくい金属が好ましい。
【００２６】
電源装置１においては、リチウムイオンキャパシタと乾電池とを並列接続し、瞬間的高エネルギー負荷をかけた際に、それぞれの内部抵抗の比率に応じた電流が流れる。そのため、より抵抗の小さなリチウムイオンキャパシタを使用することにより、乾電池にかかる負荷を軽減することが可能となる。これにより、電源装置の内部電圧降下を小さく抑えることができるので、より長い動作時間を確保することが可能となる。
このような電源装置１は、携帯電話、ノートパソコン、コンパクトデジタルカメラ等の携帯機器に好適に使用される。
なお、上記各種パラメータについては特に記載のない限り、後述する実施例における測定方法に準じて測定される。
【実施例】
【００２７】
次に、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。なお、本発明が以下の実施例に限定されるものではない。
（１）電池２の内部抵抗は、ＪＩＳ Ｃ ５１６０−１に記載の交流抵抗法に準じて２０℃における交流抵抗値を測定した。
（２）また、リチウムイオンキャパシタ３の内部抵抗については、ＪＩＳ Ｃ ５１６０−１に記載の交流抵抗法に準じて２０℃における交流抵抗値を測定した。
【００２８】
（３）電池の容積は、ＪＩＳ Ｃ ８５１５に準じて算出した。
（４）リチウムイオンキャパシタの容積は、ＪＩＳ Ｃ ５１６０−１に準じて算出した。
（５）電池の電圧は、ＪＩＳ Ｃ ８５００に準じて測定した。
（６）パルス放電による放電容量（ｍＡｈ）は、パルス放電の条件として、デューティー比を５％（ベース電流を０．２秒、ピーク電流を０．０１秒とした）とし、ベース電流を０．１Ａ、ピーク電流を１Ａ〜５Ａとして測定を行った。カットオフ電圧は２．０Ｖとした。
【００２９】
（７）そして、デジタルスチルカメラによる撮影可能枚数（枚）は、デジタルスチルカメラ（キヤノン株式会社製、「ＰｏｗｅｒＳｈｏｔ」（登録商標） 型番ＰＳＡ４９５）の電池収納部に実施例または比較例の電源装置を接続し、このデジタルスチルカメラでＣＩＰＡ規格に基づいて撮影可能枚数を測定した。
（８）電源装置の体積エネルギー密度（Ｗｈ／Ｌ）は、放電電流値を０．１Ａとして測定を行い、得られた値を電源装置の体積で除することにより算出した。
【００３０】
［実施例１］
図１に示す電気回路で表される電源装置１を、市販の正極端子部４、負極端子部５を用いて作製した。電池２としては、内部抵抗が１２０ｍΩの単三アルカリ乾電池２個を直列に接続したものを用いた（ＲB＝１２０ｍΩ×２＝２４０ｍΩ、電池２個合計の容積ＶB＝１５０００ｍｍ3であった）。また、リチウムイオンキャパシタ３としては、静電容量が２５Ｆ、内部抵抗が４０ｍΩのリチウムイオンキャパシタを用いた（ＲC＝４０ｍΩ、容積ＶC＝４０００ｍｍ3であった）。
【００３１】
その後、２０℃の恒温槽に３時間放置し、電源装置１とした。つまり、この実施例１では、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）＝６であり、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）が２以上７未満の電源装置である。
この電源装置１についてパルス放電による放電容量の測定とデジタルスチルカメラ撮影可能枚数の測定、および０．１A放電における電源装置の体積エネルギー密度の測定を行った。測定結果を表１に示す。
【００３２】
［実施例２］
リチウムイオンキャパシタ３を、静電容量が１２Ｆ、内部抵抗が８０ｍΩのものに変更した他は（ＲC＝８０ｍΩ、容積ＶC＝３５００ｍｍ3であった）、上記実施例１と同様の条件で電源装置１を作成した。つまり、この実施例２では、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）＝３であり、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）が２以上７未満の電源装置である。この電源装置１のパルス放電による放電容量とデジタルスチルカメラ撮影可能枚数の測定結果、および０．１A放電における電源装置の体積エネルギー密度の測定を表１に示す。
【００３３】
［比較例１］
リチウムイオンキャパシタ３を、静電容量が４Ｆ、内部抵抗が２５０ｍΩのものに変更した他は（ＲC＝２５０ｍΩ、容積ＶC＝２０００ｍｍ3であった）、上記実施例１と同様の条件で電源装置を作成した。つまり、この比較例１では、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）＝０．９６であり、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）が２未満の電源装置である。この電源装置のパルス放電による放電容量とデジタルスチルカメラ撮影可能枚数の測定結果、および０．１A放電における電源装置の体積エネルギー密度の測定を表１に示す。
【００３４】
［比較例２］
リチウムイオンキャパシタ３を、静電容量が４０Ｆ、内部抵抗が２５ｍΩのものに変更した他は（ＲC＝２５ｍΩ、容積ＶC＝５０００ｍｍ3であった）、上記実施例１と同様の条件で電源装置を作成した。つまり、この比較例１では、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）＝９．６であり、内部抵抗値の比（ＲB／ＲC）が７以上の電源装置である。この電源装置のパルス放電による放電容量とデジタルスチルカメラ撮影可能枚数の測定結果、および０．１A放電における電源装置の体積エネルギー密度の測定を表１に示す。
【００３５】
［比較例３］
リチウムイオンキャパシタ３を用いなかった他は、実施例１と同様の条件で電源装置を作製した。この電源装置のパルス放電による放電容量とデジタルスチルカメラ撮影可能枚数の測定結果、および０．１A放電における電源装置の体積エネルギー密度の測定を表１に示す。
【００３６】
【表１】
【００３７】
表１に示すように、実施例１、および実施例２の電源装置１は、比較例１、比較例３の電源装置に比べ、高負荷時の放電特性が良好であることがわかる。比較例２においては、実施例１と同等の高負荷時の放電特性を示したが、電源装置の体積エネルギー密度で比較すると実施例１の方が良好な結果であり、体積効率に優れていることがわかる。
【符号の説明】
【００３８】
１ 電源装置
２ 電池
３ リチウムイオンキャパシタ
４ 正極端子部
５ 負極端子部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池と、前記電池に並列接続されるリチウムイオンキャパシタと、前記電池および前記リチウムイオンキャパシタに共用される正極端子部、および負極端子部とを有し、
前記電池の内部抵抗値ＲBの、前記リチウムイオンキャパシタの内部抵抗値ＲCに対する比（ＲB／ＲC）が２以上７未満であることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記電池の着脱機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記電池の電圧が、２．２Ｖを超えることを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
【請求項４】
電池保持部と、前記電池保持部に並列接続されるリチウムイオンキャパシタと、前記電池保持部および前記リチウムイオンキャパシタに共用される正極端子部、および負極端子部とを有し、前記電池保持部に保持される電池の内部抵抗値ＲBの、前記リチウムイオンキャパシタの内部抵抗値ＲCに対する比（ＲB／ＲC）が２以上７未満であることを特徴とする電源装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電源装置を備えたことを特徴とする携帯機器。
【請求項１】
電池と、前記電池に並列接続されるリチウムイオンキャパシタと、前記電池および前記リチウムイオンキャパシタに共用される正極端子部、および負極端子部とを有し、
前記電池の内部抵抗値ＲBの、前記リチウムイオンキャパシタの内部抵抗値ＲCに対する比（ＲB／ＲC）が２以上７未満であることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記電池の着脱機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記電池の電圧が、２．２Ｖを超えることを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
【請求項４】
電池保持部と、前記電池保持部に並列接続されるリチウムイオンキャパシタと、前記電池保持部および前記リチウムイオンキャパシタに共用される正極端子部、および負極端子部とを有し、前記電池保持部に保持される電池の内部抵抗値ＲBの、前記リチウムイオンキャパシタの内部抵抗値ＲCに対する比（ＲB／ＲC）が２以上７未満であることを特徴とする電源装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電源装置を備えたことを特徴とする携帯機器。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−２３１５６９（Ｐ２０１２−２３１５６９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９７２８５（Ｐ２０１１−９７２８５）
【出願日】平成２３年４月２５日（２０１１．４．２５）
【出願人】（０００００００３３）旭化成株式会社 (901)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２５日（２０１１．４．２５）
【出願人】（０００００００３３）旭化成株式会社 (901)
【Ｆターム（参考）】
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