JP2004152580A

JP2004152580A - 温度保護素子ユニット付き二次電池及び二次電池パック

Info

Publication number: JP2004152580A
Application number: JP2002315714A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yao; 剛史八尾; Yosuke Kita; 洋介喜多; Keigo Kodaira; 恵吾小平; 優 ▲高▼木; Masaru Takagi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-10-30
Also published as: JP4329326B2

Abstract

【課題】二次電池の過充電保護を目的とした温度保護素子の使用は、過充電時にはできるだけ低い温度で作動させ、電池が高温になって不安全な状態にならないことが、一方、通常の放電時には高温になっても作動しないことが望まれている。しかしながら電池設計上これらのバランスをとるのが難しかった。
【解決手段】二次電池に温度保護素子と直列に接続されたダイオード及びこれらと逆方向に並列に接続されたダイオードが接続され、充電時には前者の経路を、放電時には後者の経路を通じで電流が流れる構造にする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極、負極、セパレータ及び電解液からなる二次電池または複数個の二次電池からなる電池パックに関し、特に好適な温度保護素子ユニットにより過充電時の電池を保護する二次電池または電池パックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＡＶ機器やパソコン等、電子機器のコードレス化やポータブル化に伴って、非水電解質を備える高エネルギー密度のリチウムイオン二次電池やアルカリ電解質を備えるアルカリ蓄電池などの小型二次電池が多く採用されている。これら機器の高性能化、高機能化が進むのに伴い、より高容量で高出力が可能な電池が望まれている。
【０００３】
特にノートパソコンの場合、ＣＰＵの高速化により電池が使用される環境は、益々高温雰囲気へとシフトしている。リチウムイオン二次電池やリチウムポリマー電池などの非水系二次電池の場合、電解液に有機溶媒を使用していることもあり、充電器の故障などにより過充電状態になって電池の温度が上昇するのを温度ヒューズ、ＰＴＣなどの温度保護素子を使用して、ある一定温度以下に制限させている（例えば、特許文献１または２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１９８０３２号公報
【特許文献２】
特開平５−７４４９３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
小型二次電池においては、より高温でのハイレート放電、つまり通常の放電時には電池が高温になっても温度保護素子が作動しないことが望まれている。一方、過充電時にはできるだけ低い温度で温度保護素子を作動させて、電池が高温にならないことが求められている。しかしながら従来の方式では、過充電時以外でも放電時の電池自身の発熱に加え、温度保護素子にも電流が流れることによる自己発熱も加わるため、温度保護素子が作動することがある。このとき、例えば放電時に作動しにくいような温度保護素子を選択した場合、過充電時に温度保護素子が作動する温度が高くなるという相反した効果が生じ、電池設計上これらのバランスをとるのが難しかった。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決し、温度保護素子ユニット付き二次電池または電池パックにおいて、放電時には温度保護素子自身の自己発熱による温度上昇がなく、従来と比較してより高温でのハイレート放電を可能にすることを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の温度保護素子ユニット付き二次電池または二次電池パックは、正極、負極、セパレータ及び電解液からなる二次電池と温度保護素子を備えた温度保護素子ユニットからなる温度保護素子ユニット付き二次電池または二次電池パックにおいて、前記温度保護素子ユニットは、前記温度保護素子に充電時のみ電流が流れ、放電時には流れない構造であることを特徴としたものであり、高温でのハイレート放電が可能であるという作用を有する。
【０００８】
またこのとき、温度保護素子ユニットは、温度保護素子並びに前記温度保護素子と直列に接続された第１のダイオード及び前記温度保護素子と並列でかつ第１のダイオードとは逆方向に接続された第２のダイオードからなり、充電時には前記温度保護素子と第１のダイオードの経路を、放電時には第２のダイオードの経路を通じてのみ電流が流れる構造であると、複雑なスイッチ等を使わずに簡易な構成になるので好ましい。
【０００９】
ここで、温度保護素子には、従来公知のものが使えるが、温度ヒューズ、ブレーカーおよびＰＴＣ素子が、価格性能等で優れており好ましい。
【００１０】
さらに、本発明の二次電池を複数個接続して二次電池パックにしても構わない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明の好ましい実施の形態を説明する。
【００１２】
図１は本発明の温度保護素子ユニット付き二次電池の回路図、図２は従来の温度保護素子ユニット付き二次電池の回路図、図３は本発明の温度保護素子ユニット付き二次電池の斜視図である。図４は本発明の温度保護素子ユニット付き二次電池パックの回路図である。
【００１３】
図１から４を用いて本発明の基本構成を説明する。
【００１４】
図１の温度保護素子ユニット１ａは、電池４の負極端子側に直列に接続された温度保護素子２とダイオード３ａ及びこれらに並列に接続されたダイオード３ｂからなる。充電時は矢印Ｃで示すようにダイオード３ａと温度保護素子２を経由して電流が流れるため、電池４の発熱と温度保護素子２自身の発熱によって温度保護素子２の温度が規格値以上になった場合、温度保護素子２は作動して電流を遮断する。いずれの発熱も流れる電流値に比例するため、電流値が高い場合、動作温度に早く到達する。放電時はダイオードの特性からダイオード３ｂを経由して矢印Ｄで示すように電流が流れるため、高温雰囲気下のハイレート放電時においても温度保護素子２は温度保護素子２に流れる電流による自己発熱の影響はない。
【００１５】
一方、図２の従来の温度保護素子ユニット１ｂでは、充電時、放電時とも温度保護素子２に電流が流れるため、放電時に温度保護素子２自身の発熱の影響で温度保護素子２が作動しやすくなる。
【００１６】
図３は、図１に示した温度保護素子ユニット１ａを用い、電池４としてアルミニウム缶を外装缶７としたリチウムイオン二次電池を用いたものである。負極端子５からダイオード１と温度保護素子２を通じて外部端子６が電池４上に正極である外装缶７と絶縁されて設置されており、また、ダイオード３ａと逆方向のダイオード３ｂが、ダイオード３ａと温度保護素子２に並列に負極端子５と外部端子６を結んでいる。
【００１７】
図４は複数個の二次電池４からなる電池パック４ａに温度保護素子ユニット１ａを搭載させたものである。電池パック４ａの温度保護素子ユニット１ａに同様な機能を持たせる場合も同じ効果となる。
【００１８】
また、図１に示した温度保護素子ユニット付き二次電池を複数個つないで電池パックにしても良い。
【００１９】
【実施例】
以下に本発明の実施例について角形リチウムイオン二次電池を例にとり説明する。
【００２０】
正極板には、正極活物質としてコバルト酸リチウムを用い、これに導電性付与剤としてアセチレンブラック、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、増粘剤としてＣＭＣを混合し、水を分散媒としてスラリー状の正極用合剤を作製した。集電体にはアルミニウム箔を用い、上記正極用合剤を塗布して正極板用シートを作製、乾燥後、所定の厚さに圧延成形し、正極板を作製した。上記極板には目的に応じてタブ式リードを超音波で溶接した。
【００２１】
負極板には、活物質として黒鉛化メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、結着剤としてスチレン−ブタジエン重合ゴム（ＳＢＲ）、増粘剤としてＣＭＣを混合し、水を分散媒としてスラリー状の負極用合剤を作製した。集電体として銅箔を用い、上記集電体の両面に負極用合剤を塗布して負極板用シートを作製した。つぎに上記負極板用シートを乾燥し、所定の厚さに圧延し、所定の寸法に裁断して負極板を作製した。上記負極板の一部にはニッケル製のタブ式リードを超音波で溶着した。
【００２２】
上記の正極板と負極板を、ポリエチレンの微多孔膜であるセパレータを介して巻回して極板群を作製した。
【００２３】
上記極板群をケースに挿入後、非水電解液を注入した。電解液にはエチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比１：１の割合で混合した溶媒に六フッ化燐酸リチウム１．０ｍｏｌ／ｌを溶解させた非水電解質溶液を用いた。正極のタブ式リードはケースの内壁に導接した。負極のタブ式リードは封口板の端子部に接続し、封口板を用いて封口し、活性化充放電を数サイクル実施し、角形リチウムイオン二次電池を作製した。
【００２４】
このようにして得られた角形リチウムイオン二次電池に本発明の温度保護素子ユニットを取り付け、過充電試験及び定ワット放電試験を行った。今回の試験には、定格９２℃で作動する市販品の温度ヒューズ（松下電子部品（株）品番：ＥＹＰ４ＭＵ０９２Ｘ）一つと、ダイオードは定格５Ａ（新電元工業製ＤＥ５Ｓ４Ｍ）のものを二つ用いた。回路構成は、図１に示したとおりである。
【００２５】
過充電試験は、充電電源を１８Ｖ、１．３Ａ（０．７Ｃ相当）に設定し、連続充電を行った。この電池には温度保護素子ユニット以外の過充電保護素子は装着されていない。
【００２６】
定ワット放電試験は、２５℃で満充電まで充電後、６０℃雰囲気下で１５Ｗ放電を行った。
【００２７】
なお比較のため図２に示した従来の構成の温度保護素子ユニットを取り付けて同様な試験を行った。
【００２８】
図５に過充電試験の結果を示す。ここで、本発明の電池８も従来の電池９とほぼ同じ温度で充電電流１０および充電電圧１１が遮断され、破裂・発火しなかった。
【００２９】
図６に１５Ｗ放電試験を行った結果を示す。従来の電池９では約１５分放電した時点１２で温度ヒューズが作動し、放電できなくなった。一方、本発明の温度保護素子ユニットを取り付けた電池８では、約３３分（放電末期１３まで）放電できた。
【００３０】
以上のように本発明の温度保護素子ユニットを用いることにより、従来と比較して高温でのハイレート放電が可能となった。
【００３１】
なお、本発明の温度保護素子ユニットを用いた場合、外部短絡時に電流を遮断させることはできないが、外部短絡試験で発火・発煙することはなかった。
【００３２】
なお、本実施例では温度保護素子として温度ヒューズを用いたが、ＰＴＣ素子やブレーカーおよびその他公知の温度保護素子を用いても同様な結果となる。
【００３３】
また、本実施例では素電池に温度保護素子ユニットを装着した例を示したが、複数個の二次電池からなる電池パックに温度保護素子ユニットを搭載させた場合も同じである。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明は、正極、負極、セパレータ及び電解液からなる二次電池において、電池が過充電状態になり温度上昇するのを防止するための温度保護素子を備え、この温度保護素子には充電時のみ電流が流れ、放電時には流れない構造にすることにより、従来と比較して過充電時の電流遮断温度は同じで、高温でのハイレート放電を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の温度保護素子ユニット付き二次電池の回路図
【図２】従来の温度保護素子ユニット付き二次電池の回路図
【図３】本発明の温度保護素子ユニット付き二次電池の斜視図
【図４】本発明の温度保護素子ユニット付き二次電池パックの回路図
【図５】実施例電池と従来電池との過充電試験の結果を示す図
【図６】実施例電池と従来電池との６０℃１５Ｗ放電試験の結果を示す図
【符号の説明】
１ａ，１ｂ温度保護素子ユニット
２温度保護素子
３ａ，３ｂダイオード
４電池
４ａ電池ユニット
５負極端子
６外部端子
７外装缶
８本発明の電池
９比較の電池
１０充電電流
１１充電電圧

Claims

正極、負極、セパレータ及び電解液からなる二次電池と温度保護素子を備えた温度保護素子ユニットからなる温度保護素子ユニット付き二次電池において、前記温度保護素子ユニットは、前記温度保護素子に充電時のみ電流が流れ、放電時には流れない構造であることを特徴とする温度保護素子ユニット付き二次電池。
前記温度保護素子ユニットは、温度保護素子並びに前記温度保護素子と直列に接続された第１のダイオード及び前記温度保護素子と並列でかつ第１のダイオードとは逆方向に接続された第２のダイオードからなり、充電時には前記温度保護素子と第１のダイオードの経路を、放電時には第２のダイオードの経路を通じてのみ電流が流れる構造であることを特徴とする請求項１記載の温度保護素子ユニット付き二次電池。
前記温度保護素子が温度ヒューズ、ブレーカー、ＰＴＣである請求項１記載の温度保護素子ユニット付き二次電池。
複数個の二次電池からなる電池パックと温度保護素子を備えた温度保護素子ユニットとからなる温度保護素子ユニット付き二次電池パックにおいて、前記温度保護素子ユニットは、前記温度保護素子に充電時のみ電流が流れ、放電時には流れない構造であることを特徴とする温度保護素子ユニット付き二次電池パック。
前記温度保護素子ユニットは、温度保護素子並びに前記温度保護素子と直列に接続された第１のダイオード及び前記温度保護素子と並列でかつ第１のダイオードとは逆方向に接続された第２のダイオードからなり、充電時には前記温度保護素子と第１のダイオードの経路を、放電時には第２のダイオードの経路を通じてのみ電流が流れる構造であることを特徴とする請求項４記載の温度保護素子ユニット付き二次電池パック。
前記温度保護素子が温度ヒューズ、ブレーカー、ＰＴＣである請求項４記載の温度保護素子ユニット付き二次電池パック。
請求項１に記載の温度保護素子付き二次電池を複数個接続した二次電池パック。