JP2005038702A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部絶縁板７をバリスタ等の電圧可変抵抗素子で構成することにより、この電圧可変抵抗素子の素子部品を電池の外部に外付けしたり、電池容器内部に収納して接続することなく、過充電等を防止することができる電池を提供することを目的とする。
【解決手段】 負極端子８と正極端子である蓋板２との間の絶縁を行う外部絶縁板７の全部又は一部を、端子電圧が高くなると抵抗値が減少するバリスタ等の電圧可変抵抗素子で構成することにより、この外部絶縁板７の電圧可変抵抗素子に端子電圧が印加されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、過充電等の保護を行う電池に関するものである。

二次電池の充電器は、この二次電池の端子電圧が満充電電圧を超えると充電電流を遮断し充電を自動的に終了するものが多い。しかし、このような満充電を検出する機能のない充電器で充電したり、充電器の満充電検出機能が故障したり、その電池用のものではない充電器を誤って使用したような場合に、二次電池が過充電になるおそれがある。そして、二次電池がこのように過充電されると、活物質や電解質の分解反応が生じ、電池内部が異常な高温や高圧になるおそれがあり、特に非水電解質二次電池では、この温度や圧力の上昇が著しくなる場合がある。

そこで、従来から、電池の端子間に並列にバリスタを接続することにより過充電を防止する発明が提案されている（例えば特許文献１参照）。バリスタは、印加電圧が所定値（バリスタ電圧）以上に上昇すると、急激に抵抗値が減少して短絡状態となる電圧可変抵抗素子である。従って、電池が過充電となって端子電圧が満充電電圧を超えバリスタ電圧以上になると、この端子間に接続されたバリスタが短絡して、充電電流をそれ以上電池本体に流入させないようにすることができる。

従来は、上記バリスタを、セラミックスからなるバリスタ素子をパッケージに収納した素子部品として電池に接続していた。即ち、電池の外部に保護回路としてこのバリスタの素子部品を接続する場合と、電池の電池容器内部にこのバリスタの素子部品を収納して内部で接続する場合とがあった。

ところが、バリスタの素子部品を電池の外部に接続する場合は、このような素子部品が邪魔にならないように、電池と共に樹脂パッケージ等に収納してパック電池とするか、ユーザーがこの電池の機器への装着時に素子部品の接続作業を行う必要が生じるという問題があった。これに対して、電池の電池容器内部にバリスタの素子部品を収納する場合には、電池が単体で過充電保護機能を有するので、取り扱いが便利で汎用性の高いものとなる。しかしながら、この場合にも、電解液に耐性を有する素子部品を使用する必要があり、しかも、狭い電池容器内にこの素子部品の収納スペースを確保するために容量密度が低下したり、溶接やカシメ等の接続作業も細かい面倒な作業になるという問題があった。さらに、電池の過充電時にバリスタが短絡して大きな電流が流れると、この素子部品がジュール熱によって発熱するために電池内部が高温になるのを避けることができないという問題もあった。
特開２００２−２９８８２９公報

本発明は、バリスタ等の電圧可変抵抗素子を電池に並列に接続する場合に、このバリスタ等の素子部品を電池の外部に外付けするか、電池容器内部に収納して接続する他なかったという問題を解決しようとするものである。

請求項１の電池は、正負極間の絶縁を行う絶縁部材の全部又は一部を、この正負極間の電圧が高くなると抵抗値が減少する電圧可変抵抗素子で構成したことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、絶縁部材に電圧可変抵抗素子が用いられるため、過充電等により正負極間の電圧が異常に上昇すると、この電圧可変抵抗素子の抵抗が低下して短絡電流が流れるようになる。そして、これにより充電電流が電圧可変抵抗素子にバイパスされるので、過剰な電流が電池本体に流れ込んで活物質や電解質の分解反応が生じ、電池内部が異常な高温や高圧になるのを防止することができるようになる。

しかも、電圧可変抵抗素子は、元々正負極間の絶縁を行うために用いられている絶縁部材の全部又は一部となるので、電池の外部に別途電圧可変抵抗素子を接続する必要がなくなり、この電池と一体化することにより取り扱いが便利で汎用性も高いものとなる。特に、絶縁部材が部材間の封止も行う絶縁封止部材である場合には、正極側の部材と負極側の部材との間で圧迫されて配置されるので、電圧可変抵抗素子の電極となる部分を正極側と負極側に露出させておくだけで、この電圧可変抵抗素子を確実に正負極間に接続することができる。

また、電池容器内部に別途電圧可変抵抗素子の素子部品を収納して接続する必要もなくなるので、この素子部品の収納スペースにより容量密度が減少するようなことがなくなり、この素子部品を接続するための面倒な作業も不要になる。さらに、絶縁部材が電池容器の外側に配置されている場合には、過充電時等に電圧可変抵抗素子に大きな電流が流れて発熱を生じても、電池内部が高温になるのを避けることができるようになる。

以下、本発明の最良の実施形態について説明する。

本実施形態は、図２に示すように、小型角形の非水電解質二次電池について説明する。この非水電解質二次電池は、携帯電話機等の電源として用いるものであり、満充電電圧が４．２Ｖとなる単電池を薄い小型角形の電池容器に収納したものである。電池容器は、箱型容器状のアルミニウム製の電池缶１の開口部にアルミニウム板からなる蓋板２を嵌め込み溶接で封止することにより構成される。電池缶１の内部には、発電要素３が収納され、非水電解液が充填される。発電要素３は、正極３ａと負極３ｂをセパレータ３ｃを介して長円筒形に巻回したものである。この発電要素３は、最外周に巻回された正極３ａと負極３ｂの集電体基材であるアルミニウム箔と銅箔が、互いに重なり合わないように逆方向に幅を狭めて両端部側からリードとして引き出されている。

蓋板２は、図１及び図２に示すように、電池缶１の内側を向く裏面の一端側に正極集電接続板４が接続固定されると共に、この裏面の他端側に、内部絶縁板５を介して負極集電接続板６が配置される。正極集電接続板４は、アルミニウム板を断面Ｌ字形に折り曲げたものであり、折り曲げた一方の板片が溶接により蓋板２の裏面に直接接続固定される。負極集電接続板６は、銅板を断面Ｌ字形に折り曲げたものであり、折り曲げた一方の板片が内部絶縁板５を介して蓋板２の裏面に配置される。また、図１に示すように、この蓋板２の表面の中央部には、外部絶縁板７を介して負極端子８が配置されている。負極端子８は、蓋板２よりも十分に小さい方形厚板状の鉄材の本体の裏面中央部から接続突起８ａを突設したものである。そして、この負極端子８は、接続突起８ａを外部絶縁板７と蓋板２と内部絶縁板５の貫通孔に通し、さらに負極集電接続板６の貫通孔にも通して、ここでかしめることにより、これら外部絶縁板７と内部絶縁板５と負極集電接続板６と共に蓋板２に固定される。ただし、内部絶縁板５には、表面からスリーブ５ａが突設されていて、このスリーブ５ａが蓋板２と外部絶縁板７の貫通孔に嵌入する。また、負極端子８の接続突起８ａは、このスリーブ５ａの貫通孔に嵌入するようになっている。従って、この負極端子８は、裏面が外部絶縁板７の表面に圧接されるが、接続突起８ａは、内部絶縁板５のスリーブ５ａの貫通孔の内面に接触するだけで、負極集電接続板６にかしめられて接続固定される。

外部絶縁板７は、負極端子８よりも僅かに大きい方形板状のバリスタからなり、中央部に貫通孔が形成されている。バリスタは、ここでは酸化亜鉛系バリスタを指し、酸化亜鉛にビスマス等の元素を微量に添加して焼成した半導体セラミックスからなる。このため、原料を貫通孔を形成した方形板状に成形して焼成することにより、外部絶縁板７そのものをバリスタで構成することができる。この外部絶縁板７のバリスタは、方形板状の表裏面間の電位差が高くなるほど抵抗値が減少する電圧可変抵抗素子であり、バリスタ電圧が非水電解質二次電池の満充電時の電圧（４．２Ｖ）よりも少し高電圧の４．３〜５．０Ｖとなるように設定されている。内部絶縁板５は、絶縁性の樹脂を方形板状に成形したものであり、この成形時にスリーブ５ａと貫通孔が形成される。

上記蓋板２は、正極集電接続板４を接続固定すると共に、負極端子８と負極集電接続板６を外部絶縁板７と内部絶縁板５を介して絶縁固定しておき、図２に示すように、発電要素３から引き出された正極３ａのアルミニウム箔を正極集電接続板４に溶接すると共に、この発電要素３から引き出された負極３ｂの銅箔を負極集電接続板６に溶接する。そして、電池缶１に開口部から発電要素３を挿入すると共に、この開口部に蓋板２を嵌め込み周縁部を溶接することにより封止する。なお、非水電解液は、電池缶１や蓋板２に形成された図示しない注液口から注入し、この注液口は注液後に封口される。

上記構成の非水電解質二次電池は、発電要素３の正極３ａが正極集電接続板４を介して蓋板２と電池缶１に接続されるので、これらの蓋板２と電池缶１が正極端子となる。また、負極３ｂは、負極集電接続板６を介して負極端子８に接続される。この際、負極集電接続板６や負極端子８の接続突起８ａは、内部絶縁板５によって蓋板２との間が絶縁されている。また、外部絶縁板７は、表面に負極端子８の裏面が圧接されると共に、裏面に正極端子となる蓋板２の表面が圧接されるので、非水電解質二次電池の端子電圧が表裏面に印加されることになる。即ち、この非水電解質二次電池は、図３に示すように、負極端子８と正極端子である蓋板２との間にバリスタである外部絶縁板７が接続された構成となる。

ここで、非水電解質二次電池が正常に充放電を繰り返して使用されていれば、端子電圧が満充電時の電圧である４．２Ｖを超えることがないので、外部絶縁板７の表裏面にバリスタ電圧である４．３〜５．０Ｖ以上の電圧が印加されることはなく、この外部絶縁板７は高抵抗の絶縁体として機能する。しかしながら、過充電により非水電解質二次電池の端子電圧がバリスタ電圧以上になると、この外部絶縁板７は、抵抗値が急激に減少して導電体として機能する。従って、過充電が発生すると、正極端子である電池缶１や蓋板２から流入する充電電流は、外部絶縁板７で短絡されるので、発電要素３に過剰に供給されて、活物質や電解質の分解反応が生じ、電池容器内部が異常な高温や高圧になるのを防止することができる。また、この過充電時には、充電電流が外部絶縁板７に短絡電流となって流れるので、この外部絶縁板７で発熱が生じる。しかしながら、この外部絶縁板７は、蓋板２の表面、即ち電池容器の外側に配置されているので、発生した熱をこの電池容器内部に籠もらせることなく、円滑に外部に放出することができる。

この結果、本実施形態の非水電解質二次電池は、もともと負極端子８と正極端子である蓋板２との間の絶縁を行うための外部絶縁板７をバリスタで構成することにより、外部でこの非水電解質二次電池にバリスタの素子部品を接続する必要がなくなり、ユーザーが接続作業を行う手間をなくすだけでなく、外部に接続したバリスタの素子部品と共に非水電解質二次電池を樹脂パッケージ等に収納してパック電池とする必要もなくなる。また、このバリスタの素子部品を電池容器の内部に収納して接続する必要もなくなるので、この素子部品の収納スペースに占拠されて電池容量が減少するようなことがなくなり、この素子部品を内部で正極３ａや負極３ｂに接続するための面倒な作業も不要になる。

なお、上記実施形態では、外部絶縁板７をバリスタ電圧が４．３〜５．０Ｖのバリスタで構成する場合を示した。しかしながら、酸化亜鉛系バリスタの場合、１つの結晶粒界で約２Ｖのバリスタ電圧が得られるので、このような４．３〜５．０Ｖのバリスタ電圧を得るには２つか３つの結晶粒界が重なったバリスタを製造する必要があり、１つの結晶粒界の厚さは通常１μ程度となるため、これをそのまま外部絶縁板７として使うには、セラミックスの厚さが薄すぎることになる。そこで、現状の技術では、例えば薄いセラミック層を縦に重ね合わせた積層型のバリスタとすることにより、十分な厚さを有する外部絶縁板７を作製するようにしてもよい。また、このような薄いセラミック層を適当な厚さの導電板の表面又は裏面に張り付けて、外部絶縁板７を作製するようにしてもよく、２枚の導電板の間にこのセラミック層を挟持させてもよい。この場合、導電板はセラミック層の電極として機能し、これら全体がバリスタとなる。さらに、本実施形態のように外部絶縁板７が封止材としても用いられる場合には、導電板を導電性樹脂や導電性ゴム等によって構成することにより、蓋板２と負極端子８との間の封止を確実に行えるようにすることもできる。

また、上記実施形態では、非水電解質二次電池の過充電時に外部絶縁板７のバリスタが短絡電流に十分に耐え得るものとして説明したが、このバリスタは、短絡電流が許容電流を超えることにより短絡モードで破壊してもよい。バリスタが短絡モードで破壊した場合、以降は導電体となるので、過充電保護の機能は損なわれない。このバリスタが短絡電流に耐えられないものであり、かつ、このときに開放モードで破壊するようなものである場合には、外部絶縁板７として用いることができない。

また、上記実施形態では、満充電時の端子電圧が４．２Ｖとなる非水電解質二次電池について説明したが、この満充電電圧は必ずしもこのような電圧に限定されない。実際、非水電解質二次電池の単電池の場合、最近では３Ｖ系や５Ｖ系のものも開発されている。また、内部で単電池が複数個直列に接続されている非水電解質二次電池の場合には、満充電電圧がさらに高電圧となる場合もある。そして、これらの非水電解質二次電池にも本発明は同様に実施可能である。ただし、これらの非水電解質二次電池では、外部絶縁板７を構成するバリスタのバリスタ電圧も、それぞれの満充電電圧に応じて変える必要がある。この満充電電圧が十分に高い非水電解質二次電池であれば、現状の技術であっても、適当な厚さの１枚のセラミックス板だけで外部絶縁板７のバリスタを構成することができる。

また、上記実施形態では、端子電圧がバリスタ電圧未満の場合には外部絶縁板７のバリスタが絶縁体として機能し、バリスタ電圧以上になると導電体として機能する場合を示した。ただし、ここでいう絶縁体とは、実用上十分に高抵抗なものであればよく、例えば非水電解質二次電池の保護回路ＩＣが常時消費する数μＡ程度の電流が流れるようなものであってもよい。また、ここでいう導電体とは、実用上十分に低抵抗なものであればよく、例えば電池容量の３倍（３ＩｔＡ）以上の電流が流れればよい。さらに、この絶縁体の状態と導電体の状態は、バリスタ電圧を境に急激に変化するのが理想であるが、実際には電圧の上昇に伴って電流がオームの法則を超えて増大するにすぎない。従って、この電流の増大率、即ち抵抗値の減少率ができるだけ大きいバリスタを用いることにより、非水電解質二次電池の正常時には外部絶縁板７での無駄な電力消費が少なくなり、過充電時には外部絶縁板７にできるだけ大きな短絡電流が流れるようにすることが好ましい。

また、上記実施形態では、外部絶縁板７をバリスタで構成する場合を示したが、端子電圧が高くなると抵抗値が減少するものであれば、他の電圧可変抵抗素子を用いることもできる。このような電圧可変抵抗素子としては、シリコンバリスタ等の他のバリスタやツェナーダイオード等がある。特にツェナーダイオードは、バリスタ電圧に相当するツェナー電圧を低電圧から高電圧まで任意に設定することができ、電圧の上昇に伴う抵抗値の減少もバリスタより大きくすることができるので、無駄に電力を消費することなく過充電を確実に防止することができるようになる。ただし、バリスタは、半導体セラミックスからなるために成形が可能であるが、ツェナーダイオードは、半導体結晶上に作製されるものであるため、それ自体で外部絶縁板７を構成することは必ずしも容易ではない。しかも、このツェナーダイオードは、バリスタよりも許容電流が小さく、さらに、この許容電流以上の電流が流れた場合に開放モードで破壊することが多いという欠点もあり、実用化には工夫が必要となる。

また、上記実施形態では、外部絶縁板７の全部をバリスタ等の電圧可変抵抗素子で構成する場合を示したが、この外部絶縁板７の一部を電圧可変抵抗素子で構成することもできる。特にツェナーダイオード等のように形状の大きな電圧可変抵抗素子を作製することが困難な場合には、例えば樹脂やゴム等の絶縁体の一部に電圧可変抵抗素子を埋め込んで外部絶縁板７とすることができる。また、このように外部絶縁板７の一部に埋め込んだ電圧可変抵抗素子には、適宜電極となる導電体を接続することができる。

また、上記実施形態では、外部絶縁板７の全部又は一部をバリスタ等の電圧可変抵抗素子で構成する場合を示したが、内部絶縁板５の全部又は一部を電圧可変抵抗素子で構成することもできる。また、このような絶縁板ではなく、例えば発電要素３のセパレータ３ｃ等のように正負極間の絶縁を行う絶縁部材の全部又は一部を電圧可変抵抗素子で構成することもできる。特に、柔軟性を有するシート状の電圧可変抵抗素子が作製可能となれば、任意の絶縁部材に用いることができるようになる。ただし、内部絶縁板５やセパレータ３ｃ等のように電池容器の内部に配置される絶縁部材に用いた場合には、過充電時の短絡電流による発熱によって非水電解質二次電池の内部の温度を上昇させるおそれが生じる。

また、上記実施形態では、蓋板２が正極端子となり、ここに内部絶縁板５や外部絶縁板７を介して負極端子８を取り付ける端子構造の非水電解質二次電池について説明したが、この端子構造は任意である。さらに、上記実施形態では、非水電解質二次電池について説明したが、他の二次電池でも本発明を実施可能であり、一次電池の場合にも、誤って充電を行う危険を防止するために、同様に実施可能である。

正負極間の絶縁を行う絶縁部材の全部又は一部をバリスタ等の電圧可変抵抗素子で構成することにより、過充電等を防止することができる電池に適用できる。

本発明の一実施形態を示すものであって、非水電解質二次電池の蓋板部分の構成を示す組み立て斜視図である。 本発明の一実施形態を示すものであって、非水電解質二次電池の構造を説明するための組み立て斜視図である。 本発明の一実施形態を示すものであって、非水電解質二次電池の外部絶縁板にバリスタを用いた場合の等価回路を示す回路図である。

符号の説明

２ 蓋板
３ 発電要素
３ａ 正極
３ｂ 負極
３ｃ セパレータ
４ 正極集電接続板
５ 内部絶縁板
６ 負極集電接続板
７ 外部絶縁板
８ 負極端子

Claims (1)

1. 正負極間の絶縁を行う絶縁部材の全部又は一部を、この正負極間の電圧が高くなると抵抗値が減少する電圧可変抵抗素子で構成したことを特徴とする電池。

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