JP2005222701A - 組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】組立性を向上させ小型化を図ることができると共に、耐振性に優れた組電池を提供する。
【解決手段】組電池１２は、電気絶縁性の樹脂製ケース５、上枠９及び蓋体６で構成されるケース内に、４個の平板状単電池を積層した積層電池４が固定収容されている。積層電池４を構成する一の単電池から多層膜の外に突出した正負極端子のいずれか一方の端子と、積層方向で隣接する単電池から多層膜の外に突出した正負極端子のいずれか他方の端子とが対向するよう配置されて接合されており、該接合部分が、蓋体６に形成された開口部１０から突出しており、開口部１０には弾性シール材が充填されている。接合部分が固定される。
【選択図】図２

Description

本発明は組電池に係り、特に、正極、負極及びセパレータを含む電極群と電解液とがフィルム状電槽内に密封された平板状の単電池を、複数個垂直方向に積層し電気絶縁性のケース内に収容した組電池に関する。

近年、ノートパソコンや携帯電話をはじめとする電子機器は、ＣＰＵ等の高密度化、高性能化と相まって、小型化や多機能化が進められている。このような電子機器の電源には、一般にリチウムイオン電池等の二次電池が用いられている。このため、電子機器の小型化に伴い、二次電池にも小型化、軽量化の要請が高まっている。

このような要請に応えるために、金属層の両面を樹脂層で被覆した多層膜を外装材としたフィルム状電槽内に、正負極間にセパレータを介在させた電極群と電解液との発電要素を密封した平板状の密封電池の技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。更に、平板状単電池を積層した組電池も開発されている（例えば、特許文献２参照）。

特許３３６３９１０号 特開２００３−１７１１２号公報

しかしながら、多層膜で密封された密封電池は、一般に落下や衝撃に弱いため、密封電池の組立時や密封電池を直列ないし並列に組み合わせた組電池の作製時に、組立・製造上で検査を含む多くの注意が払われていた。また、このような密封電池は一般に極性を持ったタブ（出力端子）が同一辺から導出されており、密閉電池を垂直方向に積層して組電池とする場合には、積層された密閉電池のタブ間の距離も近接しているため、短絡を防止可能な構造を採用する必要がある。特に、リチウムイオン電池は、過充電・過放電を防止するために、各単電池の電圧を全て測定する必要があり、配線が複雑となる傾向にあり、その分短絡を生ずる可能性も高くなる。更に、組電池を、例えば、電気自動車に搭載するときのように、移動体の電源として使用する場合には、移動時の振動で出力端子自体ないし出力端子周辺の密封部に亀裂等を生じる、という問題を解決する必要がある。

本発明は上記事案に鑑み、組立性を向上させ小型化を図ることができると共に、耐振性に優れた組電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、正極、負極及びセパレータを含む電極群と電解液とがフィルム状電槽内に密封された単電池を、複数個垂直方向に積層し電気絶縁性のケース内に固定して収容した組電池であって、前記複数の単電池のうち一の単電池から前記フィルム状電槽の外に突出した正負極端子のいずれか一方の端子と、前記一の単電池に積層方向で隣接する単電池から前記フィルム状電槽の外に突出した正負極端子のいずれか他方の端子とが対向するよう配置されて接合されており、該接合部分が前記ケースに形成された開口部から突出しており、前記開口部にはシール材が充填されている。

本発明では、組電池を構成する単電池が複数個垂直方向に積層されケース内に固定されて収容されているので、組電池全体が落下や外部からの衝撃に対して耐性を有しており、更に、積層方向に隣接する異極端子同士の一方が対向するよう配置されて接合されているので、端子が導出されたフィルム状電槽への応力の集中が防止できると共に、接合部分がケースに形成された開口部から突出しており、開口部にはシール材が充填されているので、接合部分はケースの開口部に固定されるため、端子や端子が突出しているフィルム状電槽に力が加わることを防止でき、組電池の耐振性を高めることができる。

本発明において、接合部分の先端を、組電池の上端の高さ以下の位置とすれば、接合部分を支持する開口部をケースに確実に形成することができる。この場合に、接合部分に、単電池の各電圧を検出するための電圧検出線が接続されるようにしてもよい。このとき、電圧検出線の接合部分との接続端部が開口部の各々に配設される配線シートに配線されており、該接続端部が接合部分に溶接されているようにすれば、電圧検出線と接合部分との接続の位置出しが容易で、両者の接続を確実に行うことができ、耐振性を向上させることができる。また、フィルム状電槽から突出した正極端子及び負極端子が、クランク状に屈曲していれば、端子同士の接合面の位置出しが容易であり、かつ、ブスバ等の導電部材を必要としなくなるため、構成部材の削減及び接続作業の工数の低減を図ることができる。このとき、一の単電池と隣接する単電池との正負極端子が、共にフィルム状電槽の溶着部の一辺から突出しており、同極端子同士で上下に屈曲方向が同じであり、かつ、フィルム状電槽の溶着部の一辺での配置が一の単電池と隣接する単電池とで逆となるようにすれば、積層された複数個の単電池を直列に接続することができる。

本発明によれば、組電池を構成する単電池が複数個垂直方向に積層されケース内に固定されて収容されているので、組電池全体が落下や外部からの衝撃に対して耐性を有しており、更に、積層方向に隣接する異極端子同士の一方が対向するよう配置されて接合されているので、端子が導出されたフィルム状電槽への応力の集中が防止できると共に、接合部分がケースに形成された開口部から突出しており、開口部にはシール材が充填されているので、接合部分はケースの開口部に固定されるため、端子や端子が突出しているフィルム状電槽に力が加わることを防止でき、組電池の耐振性を高めることができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る組電池を平板状のリチウムイオン二次電池で構成した実施の形態について説明する。

（構成）
図１及び図２に示すように、本実施形態の組電池１２は、４個の平板状の単電池を積層した積層電池４が、電気絶縁性の樹脂製ケース５、上枠９及び蓋体６で構成されるケース内に収容されている。

図３及び図４に示すように、積層電池４は、２種類の単電池１Ａ、１Ｂを交互に垂直方向に積層したものである。単電池１Ａ、１Ｂは、後述するように、正負極端子の配置を除き、同一の形状を有している（以下、単電池１Ａ、１Ｂを総称する場合に、単電池１という。）。

単電池１は、正負極間にリチウムイオンが移動可能な微多孔性のポリエチレン製セパレータを介在させた電極群を、ポリアミド樹脂層、アルミニウム箔層、ポリエチレン樹脂層からなる多層膜で覆い、電解液を注液後、電極群が位置する外側となる多層膜全周囲を熱等のエネルギーを加え密封して平板状に形成したものである。

単電池１の正極には、例えば、正極活物質のマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）粉末１００重量部に、導電剤として１０重量部の鱗片状黒鉛（平均粒径：２０μｍ）と、結着剤として１０重量部のポリフッ化ビニリデンとを添加し、これに分散溶媒のN−メチルピロリドンを添加、混練したスラリをアルミニウム箔の両面に塗布して得られた正極板を、短冊状に切断したものを用いることができる。

一方、単電池１の負極には、例えば、負極活物質のグラファイト粉末１００重量部に、結着剤として１０重量部のポリフッ化ビニリデンを添加し、これに分散溶媒のN−メチルピロリドンを添加、混練したスラリを圧延銅箔の両面に塗布して得られた負極板を、短冊状に切断したものを用いることができる。

短冊状に切断された正極には、アルミニウム製の板状の正極端子が、負極には、銅製の板状の負極端子がそれぞれ接続されており、正負極端子は多層膜の溶着部の一辺から多層膜の外部まで導出されている。正負極端子はそれぞれクランク状に屈曲しており、図４に示すように、正負極端子の配置によって単電池１Ａと単電池１Ｂとの２種類が使用されている。

すなわち、単電池１Ａ、１Ｂは、それぞれ、正極端子２Ａ、２Ｂが上方にクランク状に（段差を形成するように）屈曲しており、負極端子３Ａ、３Ｂが下方にクランク状に屈曲している点で同じであるが、単電池１Ａの正極端子２Ａ、負極端子３Ａと単電池１Ｂの正極端子２Ｂと負極端子３Ｂとの配置がそれぞれ逆となっている点で相違している。つまり、単電池１Ａは、正極端子２Ａが図４の紙面奥側に配置されており、負極端子３Ａが紙面手前側に配置されているのに対し、単電池１Ｂは、正極端子２Ｂが図４の紙面手前側に配置されており、負極端子が紙面奥側に配置されている。

上方にクランク状に屈曲した単電池１Ａの正極端子２Ａは、下方にクランク状に屈曲した単電池１Ｂの負極端子３Ｂと対向するように配置されて接合されており、下方に屈曲した単電池１Ａの負極端子２Ａは、下方に屈曲した別の単電池１Ｂの正極端子２Ｂと対向するように配置されて接合されている（以下、これら正負極端子の接合部分を単に接合部分という。）。このような正負極端子間の接合には、例えば、超音波溶接を用いることができる。これにより、積層電池４は、４個の単電池１が直列に接続されている。なお、積層電池４の最低及び最高電位側の端子（一番下側の単電池１Ａの負極端子３Ａ及び一番上側の単電池１Ｂの正極端子２Ｂ）は、組電池１２の外部出力端子となり他の単電池１の異極とは接合されていない。

積層電池４は、複数の開口が形成された電気絶縁性の樹脂製ケース５内に固定された状態で収容されている。樹脂製ケース５に形成された開口は、樹脂製ケース５自体の軽量化を図る機能と、充放電に伴う積層電池４（単電池１）の発熱を外部へ放出する機能との２つの機能を有している。樹脂製ケース５の開口上面は、細長い複数の開口が形成された上枠９で覆われている。上枠９に形成された開口も上記２つの機能を有している。また、樹脂製ケース５の開口側面は蓋体６で覆われている。

蓋体６には、積層電池４の最低及び最高電位側の端子、並びに、上述した接合部分、の先端部（以下、これらの先端部を総称して端子先端部という。）を蓋体６の外側に突出させ、端子先端部を開口部１０に固定するための５つの矩形状開口部１０が形成されている。

図１に示すように、端子先端部及び配線シート１４の接続部１１は、開口部１０から蓋体６の外部へ突出しており、端子先端部と接続部１１とはハンダにより接続されている。単電池１間の接合部分の接続が、例えば、超音波溶接で行われる場合には、更に超音波溶接を行うと切れやクラック発生のおそれがあり、レーザ等で溶融させる方式でも接続箇所を傷めるおそれがあるため、ハンダによる接続が簡易で安全である。開口部１０には弾性シール材１３が充填されており、端子先端部及び接続部１１は、充填された弾性シール材１３により移動ないし位置偏倚が規制され、蓋体６に固定されている。

図２に示すように、配線シート１４は、単電池１の正負極端子間の略中央に配置され、各単電池１の電圧を検出するための金属製の５本の電圧検出線７を所定のパターンで配設し樹脂シートで固定したもので、各電圧検出線７の一方の薄板状の接続部１１は端子先端部に当接する位置まで延出されており、他方の端部はコネクタ８に接続されている。

（組立）
次に、本実施形態の組電池１２の組立手順について説明する。

まず、単電池１Ａ、１Ｂを正極端子と負極端子とが対向するように交互に重ね合わせて積層電池４を形成する。このとき、単電池１の平板状面に弾性接着剤を塗布して単電池１を各々固定する。次に、積層電池４を樹脂製ケース５内に収容する。このとき、積層電池４の底面に弾性接着剤を塗布して樹脂製ケース５と固定する。

樹脂製ケース５に積層電池４を固定・収容した後、単電池１Ａ、１Ｂの出力端子２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂを溶接する。溶接後、配線シート１４を、各電圧検出線７の接続部１１が蓋体６の開口部１０から外側に突出するように配置する。なお、配線シート６は、コネクタ８の底部が蓋体６の上部に配置されたときに、開口部１０の上方に位置するように寸法が設定されている（図１参照）。

次いで、蓋体６を樹脂製ケース５に固定する。このとき、端子先端部及び接続部１１は、接続部１１を端子先端部の上側として、開口部１０から蓋体６の外部へ突出した状態となる。蓋体６を樹脂製ケース５に固定した後、蓋体６の外部から接続部１１と端子先端部とを溶接する。これにより、電圧検出線と端子先端部とが接続される。

次に、開口部１１と端子先端部及び接続部１１との空隙に弾性シール材１３を充填して、端子先端部及び接続部１１とを蓋体６に固定する。最後に、上枠９を樹脂製ケース５に固定して、組電池１２の組立が完成する。

（作用等）
次に、本実施形態の組電池１２の作用等について説明する。

本実施形態の組電池１２は、組電池１２を構成する単電池１が複数個垂直方向に積層され、樹脂製ケース５、上枠９及び蓋体６で構成される電気絶縁性のケース内に固定・収容されているので、組電池１２全体を落下や外部からの衝撃に対して耐性を有する構造とすることができると共に、平板状の単電池１をそのまま積層する構造を採用したので、組電池１２の小型化を図ることができる。

また、本実施形態の組電池１２では、各単電池１が、積層方向に隣接する異極端子同士の一方が対向するよう配置されて接合されているので、正負極端子が導出された多層膜（フィルム状電槽）の溶着部への応力の集中を防止できると共に、端子先端部（接合部分）が電気絶縁性の蓋体６（蓋部材）に固定され蓋体に形成された開口部１０から突出しており、開口部１０には弾性シール材１３が充填されているので、端子先端部は蓋体６の開口部１０に固定されるため、正負極端子や正負極端子が突出している多層膜の溶着部に力が加わることを防止でき、組電池１２の耐振性を高めることができる。

更に、本実施形態の組電池１２では、接合部分を含む端子先端部を、積層電池４の上端の高さ以下及び積層電池４の下端の高さ以上の位置としたので、弾性シール材１３と共に端子先端部を支持する全ての開口部１０を蓋体６に形成して固定することができるため、組電池１２を構成する全ての単電池１に対し、最も外圧に弱い多層膜の溶着部への応力集中を避けることで組電池１２の耐振性の向上を図ることができる。

また、本実施形態の組電池１２では、樹脂シート、コネクタ８、電圧検出線７、接続部１１を一体とした配線シート６を用いたので、各接続部１１の開口部１０への配置を一手順で簡単に行うことができる。このため、電圧検出が必要なリチウムイオン二次電池を単電池に用いても、配線・接続作業、ひいては、組電池１２の組立性を向上させることができる。更に、配線シート６を一体に構成し、接続部１１を開口部１０の上方に位置するようにしたので、接合部１１と端子先端部とのハンダ付けのための位置出しが容易で、両者の接続を確実に行うことができ、耐振性を向上させることができると共に、組電池１２の組立性を向上させることができる。また、組電池１２を構成する各単電池１の電圧は、コネクタ８に出力されるので、コネクタ８に接続される別のコネクタを介して、容易に検出することができる。

また更に、本実施形態の組電池１２では、多層膜から突出した正極端子及び負極端子が、クランク状に屈曲しているので、端子同士の溶接面の位置出しが容易であり、かつ、ブスバ等の導電部材が不要となるため、構成部材の削減及び接続作業の工数の低減を図ることができる。しかも、積層方向の一の単電池１Ａと隣接する単電池１Ｂとの正負極端子が、共に多層膜の溶着部の一辺から突出しており、同極端子同士で上下に屈曲方向が同じであり、かつ、多層膜の溶着部の一辺での配置を一の単電池１Ａと隣接する単電池１Ｂとで逆となるように２種類の単電池１を用いたので、積層された４個の単電池を直列に接続することができる。

なお、本実施形態では、４個の単電池１を垂直方向に積層した組電池１２を例示したが、本発明は積層する単電池１の個数に制限されないことは云うまでもない。また、更に高電圧、高出力の電源が必要な場合には、組電池１２を複数個組み合わせる（接続する）だけの作業で得ることができるので、電源としての発展性も有している。

また、本実施形態では、単電池１Ａの正極端子２Ａ及び単電池１Ｂの正極端子２Ｂを上方にクランク状に屈曲させ、単電池１Ａの負極端子３Ａ及び単電池１Ｂの負極端子３Ｂを下方にクランク状に屈曲させた例を示したが、これらの端子の屈曲方向を上下方向で逆とするようにしてもよい。更に、組電池１２を構成する単電池１の直並列接続を考慮し、各単電池１の正負極端子の配置を本実施形態で示した配置（図４参照）の逆とするようにしてもよい。また、単電池１の各端子は、予め上下方向に屈曲させたものを正負極に接続しても、板状の各端子を正負極に接続し、接続後に上方方向に屈曲させたものであってもよい。

更にまた、本実施形態では、平板状の蓋体６、上枠９を例示したが、本発明にこれに限定されることなく、例えば、蓋体６と樹脂製ケース５の一側面を一体とし断面形状をＬ字状としたものや、上枠９と樹脂製ケース５の一側面を一体とし断面形状をＬ字状としたものを用いるようにしてもよい。

また、本実施形態では、耐性の観点から、端子先端部と接続部１１との溶接にハンダを例示したが、本発明は両者の接続方法に限定されるものではない。また、組立手順では、樹脂製ケース５に積層電池４を固定・収容した後、単電池１Ａ、１Ｂの出力端子２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂを溶接する例を示したが、各単電池１を弾性接着剤で接着し、単電池１Ａ、１Ｂの出力端子２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂを溶接した後、樹脂製ケース５に積層電池４を固定・収容するようにしてもよく、本発明は、上記例示した組立手順に制約されるものではない。

本発明は、組立性を向上させ小型化を図ることができ、耐振性に優れた組電池を提供するものであり、組電池の製造、販売に寄与するため、産業上の利用可能性を有する。

本発明を適用可能な実施形態の組電池の外観斜視図である。 実施形態の組電池の分解斜視図である。 実施形態の組電池を構成する積層電池の外観斜視図である。 積層電池を構成する２種類の単電池の外観斜視図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ 単電池
２Ａ、２Ｂ 正極端子
３Ａ、３Ｂ 負極端子
４ 積層電池
５ 樹脂製ケース（ケースの一部）
６ 蓋体（ケースの一部、蓋部材）
７ 電圧検出線
８ コネクタ
９ 上枠（ケースの一部）
１０ 開口部
１１ 接続部（接続端部）
１２ 組電池
１３ 弾性シール
１４ 配線シート

Claims (6)

1. 正極、負極及びセパレータを含む電極群と電解液とがフィルム状電槽内に密封された単電池を、複数個垂直方向に積層し電気絶縁性のケース内に固定して収容した組電池であって、前記複数の単電池のうち一の単電池から前記フィルム状電槽の外に突出した正負極端子のいずれか一方の端子と、前記一の単電池に積層方向で隣接する単電池から前記フィルム状電槽の外に突出した正負極端子のいずれか他方の端子とが対向するよう配置されて接合されており、該接合部分が前記ケースに形成された開口部から突出しており、前記開口部にはシール材が充填されていることを特徴とする組電池。
2. 前記接合部分の先端は、前記組電池の上端の高さ以下の位置に位置していることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
3. 前記接合部分には、前記単電池の各電圧を検出するための電圧検出線が接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の組電池。
4. 前記電圧検出線は、接続端部が前記開口部の各々に配設される配線シートに配線されており、該接続端部が前記接合部分に溶接されていることを特徴とする請求項３に記載の組電池。
5. 前記正極端子及び前記負極端子は、クランク状に屈曲していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の組電池。
6. 前記一の単電池と前記隣接する単電池との正負極端子は、共に前記フィルム状電槽の溶着部の一辺から突出しており、同極端子同士で上下に屈曲方向が同じであり、かつ、前記フィルム状電槽の溶着部の一辺での配置が前記一の単電池と前記隣接する単電池とで逆であることを特徴とする請求項５に記載の組電池。