JP2005203250A - 二次電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】薄型二次電池の小型化の優位性を十分に引き出すことが可能で、かつ衝撃による割れ、薄型二次電池からの電解液の漏れ出しによる腐食を防止した筐体を備えた二次電池パックを提供する。
【解決手段】外装フィルム４内に電極群および電解液が密封、収納され、この電極群の正負極のリード端子６，７がその外装フィルムの一端側面から延出された薄型二次電池２と、この薄型二次電池を収納する有底矩形筒状のアルミニウムまたはその合金からなる筐体１と、この筐体の開口部に取付けられ、前記リード端子とそれぞれ接続される正負極の端子部１２，１５を有する蓋体と、前記二次電池の一方のリード端子およびこのリード端子と同極性の蓋体１０の端子部の間の電流経路に介装された電流遮断機構１８とを具備したこと特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、二次電池パックに関し、特にコードレス携帯型電子機器の電源に適した二次電池パックに係わる。

近年、非水系二次電池、特にリチウムイオン二次電池は高電圧、高エネルギー密度を有することから一体型ビデオカメラ、移動通信機、ノートブック型パソコン等のコードレス携帯型電子機器の電源として注目されている。とりわけ、角型二次電池の需要が伸びており、小型・軽量化への要求が進むに伴って電池の厚さを薄くすることが要望されている。このような要求に対し、小型・軽量かつ薄型の電池の開発が盛んに行なわれている。中でも、熱融着性プラスチックフィルム、金属フィルムおよび剛性を有するプラスチックフィルムの積層フィルムからなる外装フィルム内に電極群および電解液を密封して収納し、前記電極群の正負極に接続されたリード端子をその外装フィルムの一端側面から延出した構造の薄型二次電池はサイズが自由に選択できる等の特徴を有するために注目されている。

しかいしながら、前記薄型二次電池は外装フィルムが積層フィルムからなるため、外界からの機械的な力に対して弱く、変形等を生じる。その結果、この薄型二次電池はコードレス携帯型電子機器にアルカリ電池などの一次電池のように簡単な操作で搭載することが困難であった。

このようなことから、特許文献１には薄型二次電池をプラスチック筐体に収納した二次電池パックが開示されている。すなわち、この二次電池パックは２つのプラスチックからなる矩形凹状体を用意し、一方の矩形凹状体内に薄型二次電池をその約半分の厚さに相当する部分を収納し、この一方の矩形凹状体に他方の矩形凹状体をそれら矩形凹状体の開口縁部が互いに接するように被せるとともに、それら接合部を接着剤で接着させることにより前記薄型二次電池を中空矩形体（筐体）に収納した構造を有する。なお、一体化された中空矩形体の所定の側壁には正負極の端子部がそれぞれ取付けられ、これらの端子部にはその中空矩形体内に収納された前記薄型二次電池の一端側面から延出された正負極のリード端子がリードを通して接続されている。

しかしながら、従来の二次電池パックにおいてプラスチック筐体はその組立て性および強度を考慮して肉厚を厚くする必要があるため、収納する薄型二次電池に比べて外形寸法が相当大きくなる。その結果、従来の二次電池パックをコードレス携帯型電子機器に電源として搭載すると、その電池搭載スペースが増大して薄型二次電池の小型化の優位性を十分に引き出すことが困難になる。また、従来の二次電池パックは落下等による衝撃によりプラスチック筐体が割れたり、薄型二次電池（特に薄型リチウム二次電池）の電解液の漏れ出しによりプラスチック筐体が腐食したりする等の問題がある。
特開２０００−１４９８９３

本発明は、薄型二次電池の小型化の優位性を十分に引き出すことが可能で、かつ衝撃による割れ、薄型二次電池からの電解液の漏れ出しによる腐食を防止した筐体を備えた二次電池パックを提供しようとするものである。

本発明によると、少なくとも熱融着性プラスチックフィルム、金属フィルムおよび剛性を有するプラスチックフィルムをラミネートした積層フィルムからなる外装フィルムで電極群および電解液が収納され、この電極群の正負極のリード端子がその外装フィルムの一端側面から延出された薄型二次電池と、
前記薄型二次電池を収納する有底矩形筒状のアルミニウムまたはその合金からなる筐体と、
前記筐体の開口部に取付けられ、前記リード端子とそれぞれ接続される正負極の端子部を有する蓋体と、
前記二次電池の一方のリード端子およびこのリード端子と同極性である前記蓋体における端子部の間の電流経路に介装された電流遮断機構と
を具備したこと特徴とする二次電池パックが提供される。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る二次電池パックを示す斜視図、図２は図１の二次電池パックの横断面図、図３は図２の電流遮断機構を含む要部斜視図である。

有底矩形筒状のアルミニウム筐体１内には、薄型二次電池（薄型リチウムイオン二次電池）２がその筐体１の開口部３とその薄型二次電池２の間に後述する電流遮断機構を収める空間をあけて収納されている。なお、前記筐体１はアルミニウム合金から作られることを許容する。前記薄型二次電池２は、図２に示すように外装フィルム３内に図示しない扁平状の電極群および非水電解液を密封して収納した構造を有する。

前記外装フィルム４は、内側からポリエチレンフィルムのような熱融着性プラスチックフィルム、アルミニウム箔のような金属フィルムおよびポリエチレンテレフタレートフィルム（ＰＥＴフィルム）のような剛性を有するプラスチックフィルムをラミネートした積層フィルムからなる。前記外装フィルム４は、前記アルミニウム筐体１の底部側を除く３つの辺に前記熱融着性プラスチックフィルム同士を熱融着することにより形成されたシール部５ａ，５ｂ，５ｃにより前記電極群および非水電解液を密封している。前記アルミニウム筐体１の底部側と隣り合う２つのシール部５ａ、５ｃは図示しない扁平状の電極群の側面に向けて折り曲げられている。

前記電極群は、例えば正極および負極をその間にセパレータを介在させて渦巻き状に捲回し、さらに径方向に圧縮した扁平な矩形状を有する。この電極群の正極、負極にはリード端子６、７がそれぞれ接続され、リード端子６、７は前記アルミニウム筐体１の底部側と反対側の前記外装フィルムのシール部５ｂから外部に延出されている。

２つの矩形状端子挿入穴８、９を有するプラスチックのような絶縁材料からなる矩形板状の蓋体１０は、前記アルミニウム筐体１の開口部３に嵌着されている。すなわち、この蓋体１０は一方の面に矩形状の突起部１１が相似的に一体的に形成され、この突起部１１を前記アルミニウム筐体１の開口部３に挿入すると共に、突起部１１周辺の蓋体１０を筐体１の開口端に当接することにより前記蓋体１０が前記アルミニウム筐体１の開口部３に嵌着される。なお、前記矩形状端子挿入穴８、９は前記薄型二次電池２のリード端子６、７とそれぞれほぼ対向するように前記蓋体１０に開口されている。

正極端子部１２は、前記筐体１内から前記正極リード端子６と対向する前記蓋体１０の矩形状端子挿入穴８に嵌着されている。すなわち、この正極端子部１２は図３に示すように断面コ字形で前面が矩形状をなす突起片１３とこの突起片１３の両端にその矩形面と平行に延びる２つの脚部１４ａ、１４ｂとを有し、その突起片１３を前記筐体１内から前記蓋体１０の矩形状端子挿入穴８にその突起片１３先端が僅かに突出するように挿入すると共に、その２つの脚部１４ａ、１４ｂを前記蓋体１０内面に当接することにより嵌着されている。また、負極端子部１５は、前記筐体１内から前記負極リード端子７と対向する前記蓋体１０の矩形状端子挿入穴９に嵌着されている。すなわち、この負極端子部１５は図３に示すように前述した正極端子部１２と略同様な形状、つまり断面コ字形で前面が矩形状をなす突起片１６とこの突起片１６の両端にその矩形面と平行に延びる２つの脚部１７ａ、１７ｂとを有し、その突起片１６を前記筐体１内から前記蓋体１０の矩形状端子挿入穴９にその突起片１６先端が僅かに突出するように挿入すると共に、その２つの脚部１７ａ、１７ｂを前記蓋体１０内面に当接することにより嵌着されている。

前記薄型二次電池２の正極リード端子７と前記蓋体１０に取付けられた正極端子部１２の間の電流経路には電流遮断機構１８が介装されている。すなわち、この電流遮断機構１８は図２および図３に示すように復帰型保護素子であるＰＴＣ素子１９と非復帰型保護素子である板状の温度ヒューズ２０とを備えている。前記ＰＴＣ素子１９は、図３に示すように両面が垂直方向に延びるように直立して配置され、それら両面（前面および背面）に電極２１、２２が形成されている。例えば銅製の第１リード２３は、その一端が前記ＰＴＣ素子１９の背面（二次電池２側に位置する面）の電極２２に接続され、かつ他端が前記薄型二次電池２の屈曲して立ち上げられた正極リード端子６（立ち上げ部）に接続されている。前記温度ヒューズ２０は、図３に示すように両面が垂直方向に延びるように直立して配置され、前面（蓋体１０側に位置する面）に一対の端子（図示せず）がその前面の長手方向に沿って互いに所定の間隔をあけて形成されている。この温度ヒューズ２０は、例えば溶断部品である低融点金属帯をオイルとともに横置きされたプラスチック製の両端封じ扁平筒内に密封し、その低融点金属帯の両端（左右端）から融点の高い金属からなる端子線を通して前記各端子（図示せず）にそれぞれ接続した構造を有する。例えば銅製の第２リード２４は、その一端が前記ＰＴＣ素子１９の前面の電極２１に接続されている。前記温度ヒューズ２０は、前記ＰＴＣ素子１９の電極２１に前記第２リード２４を介して重ねられ、前記ＰＴＣ素子１９に対して熱的に結合して配置されている。前記第２リード２４は、その途中で前記温度ヒューズ２０側に向けて約１８０°折り曲げられ、その他端が前記温度ヒューズ２０前面の一方の端子（右側端子；図示せず）に接続されている。例えば銅製の第３リード２５は、一端が前記温度ヒューズ２０の他方の端子（左側端子；図示せず）に接続され、かつ他端が前記蓋体１０に取付けられた正極端子１２の左側の脚部１４ａに接続されている。つまり、前記ＰＴＣ素子１９および温度ヒューズ２０は前記薄型二次電池２の正極リード端子７と前記蓋体１０に取付けられた正極端子部１２の間の電流経路に第１〜第３のリード２３、２４、２５を通して直列接続されている。

なお、前記電流遮断機構１８を構成するＰＴＣ素子１９および温度ヒューズ２０はそれら素子における時間と電流の関係を示す図４のように常温時においてＰＴＣ素子１９が優先して動作するよう温度ヒューズ２０の溶断電流より低い電流で作動する構成のものを選択する。また、前記温度ヒューズ２０は同図４に示すように前記ＰＴＣ素子１９の動作時による発熱を拾ってその溶断電流がそのＰＴＣ素子１９の作動電流より低電流側にシフトする構成のものを選択する。前記第１〜第３のリード２３、２４、２５は銅の他にステンレス、ニッケルで作ってもよい。ただし、銅は抵抗値が低い上に熱伝導性が高いため、特にＰＴＣ素子１９および温度ヒューズ２０とを接続し、重ねる際、これら保護素子１９、２０間に介在される第２リード２４を銅で形成することが好ましい。

例えば銅製のリード２６は、その一端が前記薄型二次電池２の屈曲して立ち上げられた負極リード端子７（立ち上げ部）に接続され、かつ他端が前記蓋体１０に取付けられた負極端子部１５の右側の脚部１７ｂに接続されている。

このような図１〜図３に示す本実施形態の二次電池パックによれば、熱融着性プラスチックフィルム、金属フィルムおよび剛性を有するプラスチックフィルムをラミネートした積層フィルムからなる外装フィルム２で電極群および電解液が収納した構造の薄型二次電池２を有底矩形筒状のアルミニウム筐体１内に収納することによって、外界からの機械的な力に対して弱く、変形等を生じ易い前記薄型二次電池２を外界から保護できる。

また、薄型二次電池２を保護する筐体１は深絞り加工等により製作されるアルミニウムからなる有底矩形筒状をなし、従来の二次電池パックのプラスチック製筐体に比べて強度が同等以上で、肉厚を薄く（例えば０．２５ｍｍ）することが可能になる。その結果、この実施形態の二次電池パックを移動通信機のようなコードレス携帯型電子機器に電源として搭載する場合、その電子機器の電池搭載スペースを従来の二次電池パックに比べて縮小化でき、薄型二次電池の小型化の優位性を十分に引き出すことが可能になる。さらに、アルミニウム筐体１内に薄型二次電池２を収納して保護することによって、落下等の衝撃に対して筐体１の割れを防止でき、かつ薄型二次電池２からの電解液（特にリチウムイオン二次電池からの非水電解液）の漏れ出しによる筐体１の腐食を防止できるため、前記二次電池２を筐体１で良好に保護でき、安全性の高い二次電池パックを実現できる。

さらに、前記筐体１の開口部３に正負極の端子部１２，１５が嵌着された絶縁材料からなる蓋体１０を取付け、例えば薄型二次電池２の正極リード端子６と蓋体１０の正極端子部１２の電流経路に電流遮断機構１８を介装した構成にすることによって、過充電、内部短絡などの異常電流に伴う熱暴走を防ぐことが可能な二次電池パックを実現できる。

特に、本実施形態の二次電池パックに組み込まれる図２〜図４に示す電流遮断機構１８によれば、以下に詳述するようにコンパクトな構造で異常電流に伴う熱暴走を確実に防ぐことが可能になる。

すなわち、アルミニウム筐体１内に収納した薄型二次電池２の誤使用による短絡または過充電が生じて大きな電流が遮断電流機構１８の第１、第２のリード２３，２４を通してＰＴＣ素子１９および温度ヒューズ２０に流れた場合、図４に示すように常温時に温度ヒューズ２０より低い電流で作動するＰＴＣ素子１９が優先され、発熱を伴って抵抗が増大して電流抑制による素電池の保護がなされる。異常となる短絡、過充電の原因が解消されると、前記ＰＴＣ素子１９の抵抗値が下がって、前記薄型二次電池２の正極リード端子６と筐体１に取付けられた蓋体１０の正極端子部１２との間の電流経路が復帰され、二次電池パックが正常に動作する。

一方、前記短絡、過充電が継続している場合、薄型二次電池２の発熱が進行し、かつＰＴＣ素子１９の発熱も継続される。この時、ＰＴＣ素子１９に直列接続された温度ヒューズ２０はＰＴＣ素子１９の前面（電極２１）に第２リード２４を介して重ねられ、前記ＰＴＣ素子１９に対して熱的に結合して配置されているため、前記ＰＴＣ素子１９の動作時による発熱を拾って温度ヒューズ２０の溶断電流は図４に示すように低電流側にシフトする。すなわち、前記温度ヒューズ２０は薄型二次電池２の発熱の進行度合を前記ＰＴＣ素子１９から供給される熱量として検知してその熱量を拾うことによって、温度ヒューズ２０の温度が上昇してその溶断電流を前記ＰＴＣ素子１９の作動電流より低電流側にシフトする。

前記温度ヒューズ２０の溶断電流が低電流側にシフトする温度をＰＴＣ素子１９の動作時の発熱温度に合せることにより、温度ヒューズ２０を薄型二次電池２が熱暴走するに至る前に迅速に溶断して前記薄型二次電池２の正極リード端子６と筐体１に取付けられた蓋体１０の正極端子部１２との間の電流経路を遮断する。

したがって、このような電流遮断機構１８を有する二次電池パックは次のような効果を奏する。

１）復帰型保護素子であるＰＴＣ素子１９と非復帰型保護素子である温度ヒューズ２０と直列に併置することによって、薄型二次電池２の短期的な大電流に対してＰＴＣ素子１９が動作して復帰後に二次電池パックを正常な状態で使用することが可能になる。

２）温度ヒューズ２０をＰＴＣ素子１９と熱的に結合することによって、長時間の短絡や異常充電時にＰＴＣ素子１９の電流抑制に伴って発生する熱を利用して温度ヒューズ２０の溶断電流を図４に示すように低電流側にシフトできる。つまり、初段のＰＴＣ素子１９が発熱源となることで、後段の温度ヒューズ２０の溶断電流を低電流側にシフトできる。その結果、ＰＴＣ素子および温度ヒューズを薄型二次電池２に密着させることが不要になり、ＰＴＣ素子１９および温度ヒューズ２０の電流遮断（特に温度ヒューズ２０の電流遮断）の動作点を安定化できるため、薄型二次電池２が熱暴走に至る前に温度ヒューズ２０を迅速に溶断して電流を遮断でき、薄型二次電池２の破裂等を未然に防ぐことができる。

３）前記ＰＴＣ素子１９の耐圧不良に起因して導通状態に至ることがあるが、温度ヒューズ２０における動作点を安定化できるため、その導通状態に至る前に前記温度ヒューズ２０を作動することができる。その結果、薄型二次電池２に対して二重の保護がなされ、薄型二次電池２の異常電流の遮断、熱暴走を確実に防ぐことができる。

なお、前記実施形態では電流遮断機構を復帰型保護素子であるＰＴＣ素子と非復帰型保護素子である温度ヒューズとを熱的に結合して配置した構造にしたが、これに限定されない。例えば、前記各素子を分離させ、非復帰型保護素子である温度ヒューズを薄型二次電池に接触させて配置して電流遮断機構を構成してもよい。ただし、筐体の容積を縮小する観点から前述した実施形態のようにコンパクト化された電流遮断機構１８を筐体１内に組み込むことが好ましい。

前記実施形態では、電流遮断機構を正極の電流経路に介装したが、負極の電流経路、すなわち前記薄型二次電池２の負極リード端子７と筐体１に取付けられた蓋体１０の負極端子部１５との間の電流経路に介装してもよい。

前記実施形態の電流遮断機構では、非復帰型保護素子である温度ヒューズを復帰型保護素子であるＰＴＣ素子上にリードを介して重ねて配置することによりＰＴＣ素子と温度ヒューズとを熱的結合したが、この形態に限定されない。例えば、ＰＴＣ素子と温度ヒューズとをリードにより接続する際、それら側面同士が互いに接触するように配置して熱的結合を行なってもよい。

本発明によれば、薄型二次電池の小型化の優位性を十分に引き出すことが可能で、かつ衝撃による筐体の割れ、薄型二次電池からの電解液の漏れ出しによる筐体の腐食を防止することが可能で、一体型ビデオカメラ、移動通信機、ノートブック型パソコン等の電源として有用な二次電池パックを提供することができる。

本発明の実施形態に係る二次電池パックを示す斜視図。 図１の二次電池パックの横断面図。 図２の電流遮断機構を含む要部斜視図。 本発明に係る二次電池パックに組み込まれる電流遮断機構のＰＴＣ素子および温度ヒューズにおける時間と電流の関係を示す特性図。

符号の説明

１…アルミニウム筐体、２…薄型二次電池、４…外装フィルム、６…正極リード端子、７…負極リード端子、１０…蓋体、１２…正極端子部、１５…負極端子部、１８…電流遮断機構、１９…ＰＴＣ素子（復帰型保護素子）、２０…温度ヒューズ（非復帰型保護素子）。

Claims (5)

1. 少なくとも熱融着性プラスチックフィルム、金属フィルムおよび剛性を有するプラスチックフィルムをラミネートした積層フィルムからなる外装フィルムで電極群および電解液が収納され、この電極群の正負極のリード端子がその外装フィルムの一端側面から延出された薄型二次電池と、
   前記薄型二次電池を収納する有底矩形筒状のアルミニウムまたはその合金からなる筐体と、
   前記筐体の開口部に取付けられ、前記リード端子とそれぞれ接続される正負極の端子部を有する蓋体と、
   前記二次電池の一方のリード端子およびこのリード端子と同極性である前記蓋体における端子部の間の電流経路に介装された電流遮断機構と
   を具備したこと特徴とする二次電池パック。
2. 前記電流遮断機構は、温度に依存して電流遮断を行なう復帰型保護素子と、この復帰型保護素子に直列接続され、温度および電流に依存して電流遮断を行なう非復帰型保護素子とを備え、かつ前記各保護素子は互いに熱的に結合して配置されることを特徴とする請求項１記載の二次電池パック。
3. 前記各保護素子は、それらの一方の端子がリードで相互に接続されると共に、このリードを間に挟んで互いに重ねて配置されることを特徴とする請求項２記載の二次電池パック。
4. 前記復帰型保護素子および前記非復帰型保護素子は、それぞれＰＴＣ素子、温度ヒューズであることを特徴とする請求項２または３記載の二次電池パック。
5. 前記ＰＴＣ素子は、常温時において前記温度ヒューズの溶断電流より低い電流で作動し、かつ前記温度ヒューズは前記ＰＴＣ素子の動作時による発熱を拾ってその溶断電流がそのＰＴＣ素子の作動電流より低電流側にシフトすることを特徴とする請求項４記載の二次電池パック。

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