JP2005310620A

JP2005310620A - 電池パック

Info

Publication number: JP2005310620A
Application number: JP2004127851A
Authority: JP
Inventors: Yukishige Inaba; 幸重稲葉; Takeshi Ishimaru; 毅石丸; Ryuichiro Ebi; 龍一郎海老; Takashi Yao; 剛史八尾
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】電池ケースとその一端開口部を封口する封口板のキャップとが互いに異なる極性の接続電極として構成されている電池の一端と、これら接続電極にそれぞれ接続される外部接続端子を有する端子ユニットとの間に圧縮状態で介在された弾性体とを備えて成る電池パックにおいて、外部からの異常加熱により電池内部から発生する電解液等の分解ガスを電池パックからスムーズに排出し電池パックの安全性を確保する。
【解決手段】電解液の沸点未満の温度で溶融する物質３６ａと電解液の沸点温度で溶融しない物質３６ｂの２層を有する弾性体３６を介在させた電池パックとする。
【選択図】図７

Description

本発明は小型の携帯電子機器等の電池電源に好適に適用される電池パックに関し、特に電池を外部から異常加熱した時の安全性の向上を図った電池パックに関するものである。

近年、携帯電子機器の小型化、薄型化、並びに高機能化の進展が著しく、それに伴ってその電源となる電池も小型、薄型で高容量化が要求されている。小型で高容量を可能にする電池としてリチウム系電池が有効であり、中でも扁平な角形のリチウムイオン二次電池は機器の薄型化に好適であり、繰り返し使用できる電池として携帯電話などの携帯電子機器への適用が増加している。

ところで、各種機器の電源用の電池パックとして、電池と、過大電流の制限手段や過充放電に対する保護回路及び外部接続端子などを設けた回路基板とを、外部接続端子を露出させる窓部を有する外装ケース内に収納配置し、回路基板と電池の接続端子をリードで接続して成る電池パックの形態に構成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、回路基板に代えて外部接続端子のみを設けた端子基板を用いた電池パックも知られている（例えば、特許文献２参照）。

一方、電子機器には、電池パックを丁度嵌合収納できる電池パック収容空間が形成され、電池パックを収納した状態で同一面に配置された外部接続端子に弾性的に当接して電気的に接続される接続端子が配設されている。

このように外部接続端子を設けた回路基板や端子基板を外装ケースに保持させた電池パックの構成例を図８を参照して説明する。５１は扁平な角形の電池パックで、リチウムイオン二次電池から成る電池５２と、回路基板５３又は端子基板を、厚さ方向に２分割された外装ケース５４内に収納配置し、回路基板５３と電池５２の接続端子５５ａ、５５ｂをリード５６にて接続して構成されている。

電池５２は、電池ケース５７内に発電要素５８が収容されるとともに電池ケース５７の一端開口が一方の極性の接続端子５５ａを突設した封口部材５９にて絶縁ガスケット６０を介して封口され、電池ケース５７が他方の極性の接続端子５５ｂを構成している。また、外装ケース５４の一端壁６１には回路基板５３に設けられた外部接続端子を露出させる窓部６２が形成され、かつ回路基板５３を一端壁６１の内面に当接させた状態で保持する係合突部６３が設けられている。
特開２００２−２３１２０１号公報特開平６−３３３５４７号公報

ところで、図８に示すような電池パック５１では、携帯電子機器の電池パック収容空間にこの電池パック５１を収納した状態で、その外部接続端子に接続端子が適正な弾性力で接触することで電気的接続が確保されるが、外部接続端子を設けた回路基板５３又は端子基板は、外装ケース５４の一端壁６１に当接するように配置されているため、外装ケース５４の高さ寸法Ｈの誤差によって、外部接続端子の位置が変化することになる。しかるに、外装ケース５４は樹脂成形品からなるとともに外装ケース５４の高さ寸法Ｈは大きいために、その誤差寸法も大きなものとなり、そのため電池パック５１の外部接続端子と電池パック収容空間の接続端子との接触状態に対する信頼性を十分に確保することができないという問題がある。

なお、電池５２とその他の部品を一体にモールド成形することで、電池パックの高さ寸法の公差を所定範囲に規制することも考えられているが、モールド成形は生産性が低く、設備コストがかかり、また成形トラブル発生で不良品が出るとそのロス金額が大きくなるという問題がある。

さらに上記のような構成の電池パックでは、非水電解液のリチウム二次電池が充電された状態、特に過充電状態でオーブンの中に入れられたり、ホットプレート上にのせられたりして、電池が外部から強制的に過熱されるような場合には、電池内部から発生する電解液等の気化、及び分解ガスにより電池の安全弁が作動し、オーブン内やホットプレート上から電池が移動することがあり、最悪の場合には電池が破裂するといった現象が見受けられる。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、電池が外部から強制的に過熱されるような場合でも電池パックから電解液の気化、及び分解ガスをスムーズに排出することにより、電池パックの急激な移動、破裂が生じない安全な電池を提供することを目的としている。

本発明の電池パックは、電池ケースとその一端開口部を封口する封口板のキャップとが互いに異なる極性の接続電極として構成されている電池の一端と、これら接続電極にそれぞれ接続される外部接続端子を有する端子ユニットとの間に圧縮状態で介在された弾性体とを備えて成る電池パックにおいて、前記弾性体が電解液の沸点温度で溶融しない物質と、電解液の沸点未満の温度で溶融する物質の２層からなることを特徴とするものである。

また、本発明の電池パックは、電池ケースとその一端開口部を封口する封口板のキャップとが互いに異なる極性の接続電極として構成されている電池と、これら接続電極にそれぞれ接続される外部接続端子と絶縁カバーとが一体化され、かつ少なくとも電池ケースの一端部を覆う端子ユニットと、電池ケースの一端と端子ユニットとの間に圧縮状態で介在された弾性体とを備えて成る電池パックにおいて、前記弾性体が電解液の沸点温度で溶融しない物質と、電解液の沸点未満の温度で溶融する物質の２層からなることを特徴とするものである。

特に前記電池パックにおいて、電池ケースの一端と端子ユニットの間に電池の安全弁が存在する場合には特に大きな効果が期待できる。

この構成によると、電池が外部から強制的に過熱されるような場合においても、端子ユニットと電池ケースの間に弾性体の溶融領域が溶解するため、電池内部から発生したガスを電池パック外部にスムーズに排出することが可能である。

さらに、上記弾性体が電解液の沸点温度で溶融しない物質と、電解液の沸点未満の温度で溶融する物質の２層からなることにより、電池が外部から強制的に過熱されるような場合においても、電池と電池パックの異なる極性の接続電極の接触を電解液の沸点温度で溶融しない物質が抑制し、短絡による急激なガス発生を抑制することができる。

一方、従来リチウム二次電池の電解液としては、沸点が２００℃から２５０℃付近であるプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ―ブチロラクトン等の環状カーボネートと、沸点が９０℃〜１３０℃付近のジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネートの混合物が用いられる。このような非水電解液リチウム二次電池が充電された状態、特に過充電状態でオーブンの中に入れられたり、ホットプレート上にのせられたりして、電池が外部から強制的に過熱されるような場合には、電解液の全ての成分が気化する際が電池の内圧が最大となる。そのため上記電解液の沸点温度で溶融しない物質の融点としては、２５０℃以上が好ましい。

上記電解液の沸点未満の温度で溶融する物質としては、２５０℃未満の融点を持つ化合物であれば特に断定されるものではないが、代表例として、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ブチルゴムが好ましい。これらの化合物は弾性体としての特徴を得るため、発泡状にして用いることもできる。さらにこれらの化合物は一種類、または二種以上を組み合わせて使用してもよい。

上記電解液の沸点温度で溶融しない物質の融点としては、２５０℃以上の融点を持つ化合物であれば特に断定されるものではないが、代表例として、フェノール樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、フッ素樹脂、紙、綿が好ましい。これらの化合物は弾性体としての特徴を得るため、発泡状にして用いることもできる。さらにこれらの化合物は一種類、または二種以上を組み合わせて使用してもよい。

上記電解液の沸点温度で溶融しない物質と電解液の沸点未満の温度で溶融する物質の厚みの比率に関しては特に限定されるものではないが、電池パックからガスを排出する観点から、電解液の沸点温度で溶融しない物質の厚みは薄く、電解液の沸点未満の温度で溶融する物質の厚みは厚い方がよく、上記電解液の沸点温度で溶融しない物質と電解液の沸点未満の温度で溶融する物質の厚みの比率は１：２０〜１：１の割合が好ましい。

以上のように、本発明によれば、オーブンの中に入れられたり、ホットプレート上にのせられたりして、電池が外部から強制的に異常に過熱されるような場合に、電池内部から発生する電解液等の気化、及び分解ガスを電池パックの系外にスムーズに排出することにより、上記のような異常加熱時にも電池の安全性を確保することができる。

以下、本発明の実施形態である電池パックについて図１から図７を参照して説明する。

図１において、１４は扁平な角形の電池パックで、リチウムイオン二次電池から成る電池１５を備えている。電池１５は、図２に示すように、電池ケース１６内に正極板と負極板をセパレータを介して積層した極板群と電解液から成る発電要素１７を収容して構成されている。電池ケース１６の一端開口は、突起部１８を備えたキャップ１９を有する封口板２０にて絶縁ガスケット２１を介して封口されており、キャップ１９が一方の極性の接続電極、電池ケース１６が他方の極性の接続電極を構成している。封口板２０は、フィルタ２２内にインナーガスケット２３を介して安全弁機構２４とＰＴＣ素子２５とキャップ１９を収容配置して構成され、フィルタ２２が発電要素１７に接続され、フィルタ２２とキャップ１９が安全弁機構２４とＰＴＣ素子２５を介して接続されている。

図１〜図３において、電池１５の一端部が端子ユニット２６にて覆われている。また、図３に示すように、端子ユニット２６の下部と電池ケース１６の外周面がフィルム状外装材２７にて被覆され、電池パック１４が構成されている。

端子ユニット２６は、図１〜図５に示すように、絶縁性樹脂から成る絶縁カバーと第１の外部接続端子２８と第２の外部接続端子２９とがインサート成形により一体化されている構成である。第１の外部接続端子２８は断面形状が略門型で、その両側の接続脚部３０が電池ケース１６の一端部外面に重なるように端子ユニット２６から下方に延出されている。

接続脚部３０には、図６に示すようにガス抜けの穴３０ａを設けるほうが、異常加熱時に発生するガスをスムーズに排出するのに好適であり、また特にその穴の個数、位置、形状は制限されない。

第２の外部接続端子２９は、一側端で横向きＵ字状に折り返され、第１の外部接続端子２８内に間隔をあけて侵入する接続片部３１が延出されており、この接続片部３１の下面が端子ユニット２６の下面に臨んでいる。

端子ユニット２６の端面には第１と第２の外部接続端子２８、２９を外部に露出させる窓部３２が開口されている。また、端子ユニット２６の下面外周部には環状突部３３が突設されて内部にリード板３５を収容配置する収容空間３４が形成されている。環状突部３３と電池ケース１６の開口端のかしめ部との間には、弾性体３６を介在させている。

弾性体３６としては、図７に示すように中央部に封口板２０のキャップ１９の突起部１８を第二リード板３５ｂと溶接するための穴３６ｃが存在する。また弾性体３６には電解液の沸点未満の温度で溶融する物質３６ａと電解液の沸点温度で溶融しない物質３６ｂの２層からなることを特徴とする材料が用いられる。電解液の沸点未満の温度で溶融する物質３６ａと電解液の沸点温度で溶融しない物質３６ｂの順序は特に関係がなく、上下が逆になっていてもよい。

特に弾性体３６としては耐電解液性を有する材料が好適に用いられる。例えば電解液の沸点未満の温度で溶融する物質を形成する材料としてはポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ブチルゴム等が、上記電解液の沸点温度で溶融しない物質を形成する材料としては、フェノール樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、フッ素樹脂、紙、綿等が挙げられる。

第１の外部接続端子２８の接続脚部３０は電池ケース２１の外面に溶接３７にて接続されている。この接続脚部３０と電池ケース２１の溶接３７は、図２に示すように、電池ケース１６の一端部の補強板３８の配置位置に配置されている。

また、第２の外部接続端子２９の接続片部３１にはリード板３５の一端が溶接３９ａにて接続され、リード板３５の他端が封口板のキャップ１９の突起部１８に溶接３９ｂにて接続されている。リード板３５は、図２、図３に示すように、第１リード板３５ａと第２リード板３５ｂの間にＰＴＣ素子４０を介装して構成され、所定温度以上になるとリード板３５の抵抗が急激に高くなって電流を遮断する機能を有している。また、第２リード板３５ｂには、図３に示すように、製造工程時に円滑に折り畳まれることで作業性が向上するように、適宜に屈曲部３５ｃが形成されている。

以上の実施形態の説明では、リード板３５にＰＴＣ素子４０を配置した例を示したが、ＰＴＣ素子４０に代えて温度ヒューズを配置しても良く、またリード板３５にこれらの安全機能は設けなくても良い。また、キャップ１９の突起部１８と第２の外部接続端子２９との接続には、必ずしもリード板３５による接続構成を採用する必要はなく、例えば突起部１８の側面に当接するように第２の外部接続端子２９の接続片部を形成し、端子ユニットに設けた開口を通して溶接して接続するようにしても良い。

以下に、本発明のさらなる具体例について実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例により何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能なものである。

本実施例では、図１などで説明した扁平な角形の電池パックを作製し評価を行った。

（実施例の電池）
弾性体として表１に示されるような、電解液の沸点未満の温度で溶融する物質と電解液の沸点温度で溶融しない物質を持つ弾性体を用い、前述の図１から８で説明した構成の電池パックＡ１〜Ａ８を作製した。

（比較例の電池）
弾性体として表２に示されるような、それぞれ電解液の沸点未満の温度で溶融する物質、電解液の沸点温度で溶融しない物質のみからなる弾性体を用いたこと以外は実施例電池と同様にして電池パックＢ１〜Ｂ６を作製した。

これらの実施例及び比較例の電池パックを２０℃において１時間で充電が終了する充電電流で充電終始電圧４．３Ｖの過充電状態まで充電を行い、さらに２５０℃に加熱されたホットプレート上に電池パックとホットプレートの接触面積が最大となるようにのせると、約１０分経過後に電池パックが変形し、電池の安全弁が作動し電解液の分解ガスを噴出し電池パックの移動が生じる。その際の電池パックのホットプレート上からの移動距離を測定した。結果を表３に示す。

なお、電池の安全弁の耐圧は約２０ｋｇ／ｃｍ²に設定してある。

表３の結果からわかるように、弾性体としてそれぞれ電解液の沸点未満の温度で溶融する物質、電解液の沸点温度で溶融しない物質のみを用いた比較例電池Ｂ１〜Ｂ６に比べて、弾性体として電解液の沸点未満の温度で溶融する物質と電解液の沸点温度で溶融しない物質の２層を持つ材料を用いたＡ１〜Ａ８の方がホットプレート試験時の電池の移動量が減少していることがわかる。このことからホットプレートのような高温において電解液の沸点未満の温度で溶融する物質が溶解し、電池内部で発生したガスを電池パックの外にスムーズに排出できていることがわかる。また、電解液の沸点未満の温度で溶融する物質のみの弾性体を用いた比較例電池Ｂ４〜Ｂ６においても電池の移動が起こっていることから、電解液の沸点未満の温度で溶融する物質のみの弾性体を用いた場合には、異なる極性の接続電極間での短絡による急激なガス発生が生じていると推測される。これらの結果から、弾性体としては、ガスを排出する機能としての電解液の沸点未満の温度で溶融する物質と、異なる極性の接続電極間での短絡を抑制する機能としての電解液の沸点温度で溶融しない物質の２層が存在していることが望ましく、更にその成分は特に限定されないことが分かった。

以上、実施例において様々な組み合わせを示してきたが、本発明は記載の実施例に限定されず、発明の趣旨から容易に類推可能な様々な組み合わせが可能である。特に、弾性体の原料となる電解液の沸点未満の温度で溶融する物質と電解液の沸点温度で溶融しない物質を形成する化合物の組み合わせおよびその比率は限定されるものではない。

本発明のリチウムイオン二次電池は、安全性の優れたポータブル用電源等として有用である。

本発明の一実施形態の電池パックを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視概略縦断面図図１（ｂ）のＢ部拡大詳細断面図図１（ａ）のＣ−Ｃ矢視拡大断面図同実施形態の電池パックにおける端子ユニットの外観斜視図同実施形態の電池パックにおける外部接続端子の分解斜視図同実施形態の電池パックにおける側面に穴を有する端子ユニットの外観斜視図同実施形態の電池パックにおける２層構造の弾性体の外観斜視図従来例の電池パックを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ矢視拡大断面図

符号の説明

１４電池パック
１５電池
１６電池ケース
１８キャップの突起部
１９キャップ
２６端子ユニット
２７フィルム状外装材
２８第１の外部接続端子
２９第２の外部接続端子
３０接続脚部
３５リード板
３６弾性体
３６ａ電解液の沸点未満の温度で溶融する物質
３６ｂ電解液の沸点温度で溶融しない物質
３６ｃ
３７溶接
３８補強板
４０ＰＴＣ素子

Claims

電池ケースとその一端開口部を封口する封口板のキャップとが互いに異なる極性の接続電極として構成されている電池の一端と、これら接続電極にそれぞれ接続される外部接続端子を有する端子ユニットとの間に圧縮状態で介在された弾性体とを備えて成る電池パックにおいて、前記弾性体が電解液の沸点温度で溶融しない物質と、電解液の沸点未満の温度で溶融する物質の２層からなることを特徴とする電池パック。
電池ケースとその一端開口部を封口する封口板のキャップとが互いに異なる極性の接続電極として構成されている電池と、これら接続電極にそれぞれ接続される外部接続端子と絶縁カバーとが一体化され、かつ少なくとも電池ケースの一端部を覆う端子ユニットと、電池ケースの一端と端子ユニットとの間に圧縮状態で介在された弾性体とを備えて成る電池パックにおいて、前記弾性体が電解液の沸点温度で溶融しない物質と、電解液の沸点未満の温度で溶融する物質の２層からなることを特徴とする電池パック。
前記端子ユニットと接続する側の電池内部に安全弁が存在することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電池パック。
前記電解液の沸点未満の温度で溶融する物質がポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂およびブチルゴムからなる群より選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれかに記載の電池パック。
前記電解液の沸点温度で溶融しない物質がフェノール樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、フッ素樹脂、紙および綿からなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれかに記載の電池パック。
前記電解液の沸点温度で溶融しない物質の融点が２５０℃以上であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項５のいずれかに記載の電池パック。