JP2005347080A

JP2005347080A - 電池

Info

Publication number: JP2005347080A
Application number: JP2004164726A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Miyoshi; 基寛三好; Yukio Tokuhara; 幸夫得原
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo GS Soft Energy Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo GS Soft Energy Co Ltd
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2005-12-15
Also published as: TW200541134A; KR20060048019A; KR100664575B1; TWI264842B; CN1705146A; US20050270847A1

Abstract

【課題】高信頼性及び底コストで過充電時に放電又は充電電流のバイパスを開始し、電池が使用不能になることを防止できる電池を提供する。
【解決手段】導電性を有する蓋板１４に絶縁体２２を挟んで負極端子１６が取付けられている電池において、前記負極端子１６及び前記蓋板１４間に接続されたＮチャネル型電界効果トランジスタ１８を備え、前記Ｎチャネル型電界効果トランジスタ１８のソース電極２４を負極端子１６と絶縁体２２との間に接続し、共通電極（ドレイン電極及びゲート電極）２６を蓋板１４に接続する。
【選択図】図２

Description

本発明は、正極及び負極間にＮチャネル型電界効果トランジスタ又はＰチャネル型電界効果トランジスタが接続されている電池に関する。

近年、携帯可能な電子機器の高性能化、小型軽量化が進んでおり、これら電子機器に使用する高エネルギー密度の電池として、リチウムイオン電池などの非水電解質二次電池の利用が拡大している。リチウムイオン電池は、例えば、セパレータを介して正極板及び負極板が巻回された発電要素と電解液とを、長方形状の底及び側壁を有するケースに収納し、負極端子を備える長方形状の蓋板によってケースの開口部を密封している。

リチウムイオン電池は、仕様を超えて過充電された場合、例えばガスが生じることがあり、生じたガスを電池外へ放出するための安全弁が例えば蓋板に設けられている。安全弁が作動（破断）した場合、その電池は使用不能な状態になっているため、例えばＩＣ（Integrated Circuit）及びＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を組合わせた電子回路、又は、温度を検出して作動するスイッチ素子などを用いて放電又は充電電流のバイパスを開始するようにして、過充電時に電池が使用不能になることを防止している（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１１６０１１号公報

しかし、温度を検出して作動するスイッチ素子を用いた場合は、温度環境に依存するため、動作が安定せず、信頼性が低いという問題がある。また、電子回路を用いる場合は、複数の部品を基板上に配置する必要があり、コスト及びサイズが増加するという問題がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、Ｎチャネル型電界効果トランジスタ（以下、Ｎチャネル型ＦＥＴという）のソース電極を負極に接続し、ドレイン電極及びゲート電極を正極に接続した構成とすることにより、高信頼性及び底コストで過充電時に放電又は充電電流のバイパスを開始し、電池が使用不能になることを防止できる電池を提供することを目的とする。

また、本発明は、Ｎチャネル型ＦＥＴのソース電極、又は、ドレイン電極及びゲート電極を電極端子と絶縁体との間に接続した構成にすることにより、Ｎチャネル型ＦＥＴが電池から取外されることを防止できる電池を提供することを他の目的とする。

また、本発明は、Ｐチャネル型ＦＥＴのソース電極を正極に接続し、ドレイン電極及びゲート電極を負極に接続した構成とすることにより、高信頼性及び底コストで過充電時に放電又は充電電流のバイパスを開始し、電池が使用不能になることを防止できる電池を提供することを他の目的とする。

また、本発明は、Ｐチャネル型ＦＥＴのドレイン電極及びゲート電極、又は、ソース電極を電極端子と絶縁体との間に接続した構成にすることにより、Ｐチャネル型ＦＥＴが電池から取外されることを防止できる電池を提供することを他の目的とする。

第１発明に係る電池は、正極及び負極間に接続されたＮチャネル型電界効果トランジスタを備え、前記Ｎチャネル型電界効果トランジスタのソース電極は負極に接続され、ドレイン電極及びゲート電極は正極に接続されていることを特徴とする。

第２発明に係る電池は、導電性を有する外装体に絶縁体を挟んで電極端子が取付けられており、前記電極端子が負極であり、前記外装体が正極である電池において、前記電極端子及び前記外装体間に接続されたＮチャネル型電界効果トランジスタを備え、前記Ｎチャネル型電界効果トランジスタのソース電極は電極端子と絶縁体との間に接続され、ドレイン電極及びゲート電極は外装体に接続されていることを特徴とする。

第３発明に係る電池は、導電性を有する外装体に絶縁体を挟んで電極端子が取付けられており、前記電極端子が正極であり、前記外装体が負極である電池において、前記電極端子及び前記外装体間に接続されたＮチャネル型電界効果トランジスタを備え、前記Ｎチャネル型電界効果トランジスタのドレイン電極及びゲート電極は電極端子と絶縁体との間に接続され、ソース電極は外装体に接続されていることを特徴とする。

第４発明に係る電池は、正極及び負極間に接続されたＰチャネル型電界効果トランジスタを備え、前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのソース電極は正極に接続され、ドレイン電極及びゲート電極は負極に接続されていることを特徴とする。

第５発明に係る電池は、導電性を有する外装体に絶縁体を挟んで電極端子が取付けられており、前記電極端子が負極であり、前記外装体が正極である電池において、前記電極端子及び前記外装体間に接続されたＰチャネル型電界効果トランジスタを備え、前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのドレイン電極及びゲート電極は電極端子と絶縁体との間に接続され、ソース電極は外装体に接続されていることを特徴とする。

第６発明に係る電池は、導電性を有する外装体に絶縁体を挟んで電極端子が取付けられており、前記電極端子が正極であり、前記外装体が負極である電池において、前記電極端子及び前記外装体間に接続されたＰチャネル型電界効果トランジスタを備え、前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのソース電極は電極端子と絶縁体との間に接続され、ドレイン電極及びゲート電極は外装体に接続されていることを特徴とする。

第１発明においては、Ｎチャネル型ＦＥＴのソース電極を負極に接続し、ドレイン電極及びゲート電極を正極に接続している。Ｎチャネル型ＦＥＴは、ソース電極（負極側）及びゲート電極（正極側）間の電圧が所定値を超えた場合に、ドレイン電極及びソース電極間の抵抗が低下し、ドレイン電極（正極側）からソース電極（負極側）へ電流が流れる。そのため、正極及び負極間の充電電圧が所定値を超えた過充電の状態では、正極から負極への放電又は充電電流のバイパスが開始される。過充電時に放電又は充電電流のバイパスを開始し、電池が使用不能になることを防止できる。また、Ｎチャネル型ＦＥＴを正負極間に接続しているだけなので、低コスト化及び小型化が可能である。また、温度を検出して作動するスイッチ素子などを用いないため、温度環境に依存することはなく、信頼性が高い。

第２、第３発明においては、Ｎチャネル型ＦＥＴのソース電極を、電極端子（負極）と絶縁体との間に接続し、ドレイン電極及びゲート電極を外装体（正極）に接続している。Ｎチャネル型ＦＥＴのソース電極を電極端子と絶縁体との間に接続することにより、前記ソース電極は電極端子及び絶縁体に挟まれた構成になるため、Ｎチャネル型ＦＥＴが電池から取外されることを防止することができる。また、仮にＮチャネル型ＦＥＴが電池から取外された場合、負極端子及びその周辺がダメージを受けて、使用不能になっている可能性が高く、Ｎチャネル型ＦＥＴが取外された電池の使用を防止することができる。ただし、電極端子が正極で、外装体が負極の場合は、Ｎチャネル型ＦＥＴのドレイン電極及びゲート電極を電極端子と絶縁体との間に接続し、ソース電極を外装体に接続する。

第４発明においては、Ｐチャネル型ＦＥＴのソース電極を正極に接続し、ドレイン電極及びゲート電極を負極に接続している。Ｐチャネル型ＦＥＴは、ゲート電極（負極側）及びソース電極（正極側）間の電圧が所定値を超えた場合に、ドレイン電極及びソース電極間の抵抗が低下し、ソース電極（正極側）からドレイン電極（負極側）へ電流が流れる。そのため、Ｎチャネル型と同様に、過充電時に放電又は充電電流のバイパスを開始し、電池が使用不能になることを防止できる。また、Ｐチャネル型ＦＥＴを正負極間に接続しているだけなので、低コスト化及び小型化が可能である。また、温度を検出して作動するスイッチ素子などを用いないため、温度環境に依存することはなく、信頼性が高い。

第５、第６発明においては、Ｐチャネル型ＦＥＴのドレイン電極及びゲート電極を電極端子（負極）と絶縁体との間に接続し、ソース電極を外装体（正極）に接続している。Ｐチャネル型ＦＥＴのドレイン電極及びゲート電極を電極端子と絶縁体との間に接続することにより、上述したＮチャネル型の場合と同様に、Ｐチャネル型ＦＥＴが電池から取外されることを防止でき、また、Ｐチャネル型ＦＥＴが取外された電池の使用を防止することができる。ただし、電極端子が正極で、外装体が負極の場合、Ｐチャネル型ＦＥＴのソース電極を電極端子と絶縁体との間に接続し、ドレイン電極及びゲート電極を外装体に接続する。

第１、第４発明によれば、高信頼性及び底コストで過充電時に放電又は充電電流のバイパスを開始し、電池が使用不能になることを防止できる。

第２、第３、第５、第６発明によれば、Ｎチャネル型ＦＥＴ又はＰチャネル型ＦＥＴが電池から取外されることを防止することができる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明に係る電池の斜視図である。電池は、セパレータを介して負極板及び正極板が巻回された発電要素と電解液とをアルミ製のケース１２に収容したものである。ケース１２は、長方形状の底及び側壁を有し、開口部には負極端子１６及びＦＥＴ（電界効果トランジスタ）１８を備える長方形状のアルミ製の蓋板１４がレーザー溶接によって溶着されている。

正極板は、正極ペーストを、例えば厚さ１５μｍのアルミ箔集電体に均一に塗布して、乾燥させた後、ロールプレスで圧縮成形することにより作製する。前記正極ペーストは、正極活物質としてのリチウムコバルト複合酸化物ＬｉＣｏＯ₂と、導電助剤としてのアセチレンブラックと、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを質量比で９５：２：３となるように混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを適量加えて撹拌して得る。正極板は正極リードを介してケース１２内面又は蓋板１４内面に接続されている。よって、ケース１２及び蓋板１４は正極端子として機能する。

また、負極板は、負極ペーストを、例えば厚さ１０μｍの銅箔集電体の両面に塗布し、乾燥後、プレスして作製する。前記負極ペーストは、グラファイト（黒鉛）と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを質量比で９０：１０とした負極合剤に、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを適量加えて得る。負極板は負極リードを介して負極端子１６に接続されている。なお、負極端子１６は蓋板１４と絶縁されている。

セパレータには、ポリエチレン製微多孔膜を用いる。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とエチルメチルカーボネートとの体積比が３：５：２の混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆を１ｍｏｌ／ｌ溶解させたものを用いる。また、ケース１２のサイズは、例えば縦幅４０ｍｍ、横幅３０ｍｍ、厚さ５ｍｍであり、電池の容量は６００ｍＡｈである。

図２は電池の蓋板１４部分の拡大斜視図である。また、図３は図１のＡ−Ａ線切断断面図である。ＦＥＴ１８は、Ｎチャネル型ＦＥＴであり、貫通孔２４ａが形成されたソース電極２４と、ゲート電極及びドレイン電極を接続した共通電極２６とを備える。負極端子１６は、板状であり、裏面中央に円筒状の突起が形成されている。また、蓋板１４の中央部には負極端子１６の前記円筒状の突起が挿入される貫通孔が形成されている。負極端子１６の前記突起を、まずＦＥＴ１８のソース電極２４の貫通孔２４ａに挿入し、次に絶縁体２２の貫通孔に挿入した後、蓋板１４の貫通孔に挿入する。絶縁体２２は、負極端子１６及びＦＥＴ１８のソース電極２４と蓋板１４との間を絶縁するためのものである。

蓋板１４の貫通孔に挿入され、蓋板１４の裏面から突出している、負極端子１６の前記突起には、まずパッキン３２の貫通孔が挿入され、次に負極接続板３４の貫通孔が挿入される。負極接続板３４は、前記負極リードが接続される金属板であり、パッキン３２は、負極接続板３４と蓋板１４裏面との間を絶縁すると共に、蓋板１４の貫通孔の密封性を保つものである。負極端子１６の前記突起の先端部をかしめることにより、負極接続板３４と負極端子１６の前記突起との接続、及び、負極端子１６とソース電極２４との接続が保持される。

ＦＥＴ１８の共通電極２６は、蓋板１４表面と接続されている。例えば共通電極２６がアルミ合金の場合、スポット溶接により、共通電極２６を蓋板１４表面に溶着することが可能である。また、例えば共通電極２６がニッケル合金の場合、アルミ層及びニッケル層を有するクラッド材を用いて、共通電極２６を蓋板１４表面に溶着することが可能である。また、負極端子１６とソース電極２４とを、スポット溶着などで溶着することも可能である。

図４（ａ）は、電池１０における発電要素２とＦＥＴ（Ｎチャネル型）１８との接続の概要を示す回路図である。負極端子１６にＦＥＴ１８のソース電極２４が接続され、蓋板１４（正極端子）にＦＥＴ１８の共通電極（ドレイン電極、ゲート電極）２６が接続されており、図４（ａ）に示すように、発電要素２とＦＥＴ１８とは並列に接続されている。なお、図４（ａ）に示すように、ＦＥＴ１８は、ソース電極及びドレイン電極間に、ソース側をアノードとするダイオード成分を有する。

図４（ｂ）は、ＦＥＴ１８のソース及びゲート間の電圧Ｖｇｓと、ドレイン及びソース間の抵抗Ｒｄｓとの関係を示す特性図である。図に示すように、電圧Ｖｇｓが４．５Ｖを超えた場合に抵抗Ｒｄｓが急激に低下する。電池１０に対する通常の充電電圧（Ｖｇｓ）は４．２Ｖであり、充電電圧（Ｖｇｓ）が４．５Ｖを超える過充電状態の場合、抵抗Ｒｄｓが低下し、発電要素２の放電又は充電電流のバイパスが開始される。なお、前記の抵抗Ｒｄｓが急激に低下し始める電圧（４．５Ｖ）については、充電電圧に応じた任意電圧のＦＥＴを用いることが可能である。

表１に、正極及び負極間にＦＥＴ１８を並列に接続した本発明の電池１０と、従来の電子回路を含む回路基板を接続した電池とに過充電を行った場合の試験結果を示す。なお、従来の電池においては、前記回路基板にＦＥＴが含まれている場合もあるが、ＦＥＴは電池と直列に接続されている。充電条件は、充電電圧を１０Ｖとし、充電電流が６００ｍＡ、８００ｍＡ、１０００ｍＡの３種類の各充電を、夫々３つの同様の電池に対して２．５時間行った。

表１に示すように、充電電圧１０Ｖ、充電電流６００ｍＡの場合、何れの電池においても、安全弁は作動せず、使用不能になっていない。充電電圧１０Ｖ、充電電流８００ｍＡの場合、本発明の電池は何れも安全弁は作動せず、使用不能になっていないが、従来の電池においては、２つの電池で安全弁が作動して、使用不能になっている。充電電圧１０Ｖ、充電電流１０００ｍＡの場合、本発明の電池は何れも安全弁は作動せず、使用不能になっていないが、従来の電池においては、全ての電池で安全弁が作動して、使用不能になっている。

ここで、図４（ｂ）において、電圧Ｖｇｓが増加して抵抗Ｒｄｓが最小値に収束した場合、ドレイン及びソース間の電流は最大値になるが、ＦＥＴ１８のソース及びドレイン間に流すことが可能な定格電流は、前記最大値よりも大きい。また、電圧Ｖｇｓが４．５Ｖより小さい通常充電時の抵抗Ｒｄｓは十分高く、ドレイン及びソース間の漏れ電流による放電は極めて少なく、ＦＥＴ１８を発電要素２と並列に接続したことによる電池の容量低下はほとんどない。

上述した実施の形態においては、負極端子１６及び絶縁体２２間にＦＥＴ１８のソース電極２４を接続したが、絶縁体２２上で、ソース電極２４を負極端子１６に接続することも可能である。図５は負極端子１６とＦＥＴ１８のソース電極２４との接続例を示す要部断面図である。負極端子１６と蓋板１４との間には絶縁体２２が設けられており、絶縁体２２上にＦＥＴ１８及びソース電極２４が配置され、ソース電極２４の先端が負極端子１６と接続されている。例えば負極端子１６及びソース電極２４がニッケル合金の場合、スポット溶接により、ソース電極２４先端を負極端子１６に溶着することが可能である。

ただし、図５に示すように絶縁体２２上でソース電極２４先端を負極端子１６に接続した場合、ＦＥＴ１８を電池１０から故意に取外すことは比較的容易である。また、ＦＥＴ１８を取外した状態で、電池を使用できる可能は高い。一方、図３に示すように、負極端子１６及び絶縁体２２間にソース電極２４が挟まれている場合は、ＦＥＴ１８を電池１０から故意に取外すことは困難である。特に、ソース電極２４の貫通孔２４ａに負極端子１６の前記突起が挿入されている場合、ＦＥＴ１８を電池１０から故意に取外すことは非常に困難である。また、仮にＦＥＴ１８が取外された場合、負極端子１６が外れたり、蓋板１４の貫通孔の密封性が低下するため、電池を使用できる可能性は非常に低い。そのため、ＦＥＴ１８が取外されて、過充電時の放電又は充電電流のバイパス機能が失われた電池が使用されることを防止できる。

上述した各実施の形態においては、Ｎチャネル型ＦＥＴを例にして説明したが、Ｐチャネル型ＦＥＴを用いることも勿論可能である。図６は、電池１０における発電要素２とＦＥＴ（Ｐチャネル型）１８との接続の概要を示す回路図である。負極端子１６にＦＥＴ１８の共通電極（ドレイン電極、ゲート電極）２６が接続され、蓋板１４（正極端子）にＦＥＴ１８のソース電極２４が接続されており、発電要素２とＦＥＴ１８とは並列に接続されている。この場合、図６に示すように、ＦＥＴ１８は、ソース電極及びドレイン電極間に、ドレイン側をアノードとするダイオード成分を有する。また、共通電極２６に貫通孔が形成される。過充電時は、電圧Ｖｇｓが増加し、抵抗Ｒｓｄが低下して、発電要素２の放電又は充電電流のバイパスが開始される。

本発明に係る電池の斜視図である。電池の蓋板部分の拡大斜視図である。図１のＡ−Ａ線切断断面図である。（ａ）は、電池における発電要素とＦＥＴ（Ｎチャネル型）との接続の概要を示す回路図であり、（ｂ）は、ＦＥＴのソース及びゲート間の電圧Ｖｇｓと、ドレイン及びソース間の抵抗Ｒｄｓとの関係を示す特性図である。負極端子とＦＥＴのソース電極との接続例を示す要部断面図である。電池における発電要素とＦＥＴ（Ｐチャネル型）との接続の概要を示す回路図である。

符号の説明

１０電池
１２ケース
１４蓋板
１６負極端子
１８ＦＥＴ
２２絶縁体
２４ソース電極
２６共通電極

Claims

正極及び負極間に接続されたＮチャネル型電界効果トランジスタを備え、
前記Ｎチャネル型電界効果トランジスタのソース電極は負極に接続され、ドレイン電極及びゲート電極は正極に接続されていることを特徴とする電池。
導電性を有する外装体に絶縁体を挟んで電極端子が取付けられており、前記電極端子が負極であり、前記外装体が正極である電池において、
前記電極端子及び前記外装体間に接続されたＮチャネル型電界効果トランジスタを備え、
前記Ｎチャネル型電界効果トランジスタのソース電極は電極端子と絶縁体との間に接続され、ドレイン電極及びゲート電極は外装体に接続されていることを特徴とする電池。
導電性を有する外装体に絶縁体を挟んで電極端子が取付けられており、前記電極端子が正極であり、前記外装体が負極である電池において、
前記電極端子及び前記外装体間に接続されたＮチャネル型電界効果トランジスタを備え、
前記Ｎチャネル型電界効果トランジスタのドレイン電極及びゲート電極は電極端子と絶縁体との間に接続され、ソース電極は外装体に接続されていることを特徴とする電池。
正極及び負極間に接続されたＰチャネル型電界効果トランジスタを備え、
前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのソース電極は正極に接続され、ドレイン電極及びゲート電極は負極に接続されていることを特徴とする電池。
導電性を有する外装体に絶縁体を挟んで電極端子が取付けられており、前記電極端子が負極であり、前記外装体が正極である電池において、
前記電極端子及び前記外装体間に接続されたＰチャネル型電界効果トランジスタを備え、
前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのドレイン電極及びゲート電極は電極端子と絶縁体との間に接続され、ソース電極は外装体に接続されていることを特徴とする電池。
導電性を有する外装体に絶縁体を挟んで電極端子が取付けられており、前記電極端子が正極であり、前記外装体が負極である電池において、
前記電極端子及び前記外装体間に接続されたＰチャネル型電界効果トランジスタを備え、
前記Ｐチャネル型電界効果トランジスタのソース電極は電極端子と絶縁体との間に接続され、ドレイン電極及びゲート電極は外装体に接続されていることを特徴とする電池。