JP2006278195A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 外装缶に付設された感熱素子が誤作動しにくい二次電池を提供することを目的とする。
【解決手段】 導電性の外装缶１４０内に電極体１２０を収納し、電極体１２０の一方の電極から外装缶１４０内面に電気的に接続するリード部１３０が延出されている二次電池であって、感熱素子１８０を間に挟み、一端が外装缶１４０外面と電気的に接続されてなる複合被覆リード線１７０が外装缶１４０外面に沿設されており、感熱素子１８０は、リード部１３０が配設されている領域と対応する外装缶１４０外面の位置に配されていることを特徴とする二次電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、感熱素子が付設された二次電池に関し、特に、感熱素子の温度検出能力を向上させる技術に関する。

近年、携帯機器用電源やバックアップ用電源としてニッケル−水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池が普及している。このような電池は一般に、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回したり、積層したりすることにより電極体を構成し、極板はリード板などを介して外装缶や封口体などの端子に接続される。
これら二次電池は、機器の故障などにより通常使用で想定する以上の大電流が流れることによって異常発熱が生じた場合に備えて、温度ヒューズやＰＴＣ素子などの感熱素子を電池に配しておくことが望ましい。

このように温度ヒューズやＰＴＣ素子などの感熱素子を配しておくと、電池が異常発熱した場合に電流経路が遮断されたり、流れる電流を小さくしたりすることができ、電池が熱暴走に至ることを防ぐことができる。このような感熱素子を電池に配する場合、外装缶内部に配することも考えられるが、製造方法やコストの問題から外装缶外部に設けることが好ましい。（例えば、特許文献１）
特開平7-169506号公報

しかしながら、このような外装缶の外部に感熱素子を設けるタイプでは、大電流が流れることにより電池内部で発生した熱が、上記感熱素子に伝導するまでに時間がかかるので、温度上昇が急激な程、電池の実際の温度と感熱素子との間の温度差が生じ易く、感熱素子の配設位置によっても上記温度差がばらついていた。
このため感熱素子の動作温度の設定値は、実際の使用温度限界よりも余裕をみて若干低く設定する必要がある。

ところが動作温度の設定値を低くすると、実際には電池が異常発熱していない状態にもかかわらず、周囲温度の上昇により動作温度に達してしまい、誤作動してしまうという問題が生じた。
本発明は、このような問題を解決しようとなされたものであって、外装缶外部に感熱素子が付設された二次電池において、感熱素子の誤作動が生じにくいものを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の二次電池は、導電性の外装缶内に電極体を収納し、前記電極体の一方の電極から前記外装缶内面に電気的に接続するリード部が延出される二次電池であって、感熱素子を間に挟み、一端が前記外装缶外面と電気的に接続されてなる給電路が前記外装缶外面に沿設されており、前記感熱素子は、前記リード部が配設されている位置と対応する前記外装缶外面の位置に配されていることを特徴とする。

上記構成では、電池に大電流が流れた場合、電流経路上で電流密度が極板に比べ高くなるリード部が、より発熱し易い。この発熱し易いリード部で極板と外装缶を接続する構造にして、外装缶外表面上において、発熱し易いリード部の配設位置と対応する外装缶外面の位置に感熱素子を配したことにより、感熱素子の温度が発熱するリード部の温度に近づく。このため、上述したように感熱素子が得る温度を実際の使用温度限界よりも余裕をみて若干低くして保護回路設計を行わなくても厳密な温度管理を行うことができる。したがって、誤作動することなく厳密な温度管理が行われる。

また、前記感熱素子が配されている位置の外装缶は、前記感熱素子の外形に沿った形状に変形されていることが望ましい。これにより、外装缶及び感熱素子間の隙間が小さくなり、これらの間の熱伝導に有効に働く伝熱面積を拡大することができ、発熱部位及び感熱素子間の温度勾配をより小さくすることができる。
また、前記変形形状は、溝形状であるとしてもよい。

溝形状内において前記感熱素子の配設位置が選択でき、上記溝の中の最も接続領域に近くなる位置に感熱素子を配設することにより、感熱素子の温度が発熱するリード部の温度に近づくため、より誤作動し難くなる。

＜実施の形態＞
＜構成＞
図１（ａ）は、実施の形態における、外装缶と電極体の一方の電極とを電気的に接続するリード部を有する二次電池の一例としてのピン型リチウムイオン電池１００の概略図である。

このピン型リチウムイオン電池１００は、胴体径7.0mm、高さ50mm及び容量は120mAhである。
このピン型リチウムイオン電池１００は、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、有底円筒形状の外装缶１４０の中心軸上において、外装缶１４０内の底面に敷設された絶縁プレート１５０にその一端が当接している棒状のピン部１１０が配設されており、このピン部１１０を軸として、その縁部において帯状のリード部１３０が溶接された正極板１２３と、セパレータ１２２と、負極板１２１と、セパレータ１２２とが順にサンドイッチされたものが巻回されてなる電極体１２０を収納し、さらに、外装缶１４０の開口部付近におけるピン部１１０には弾性及び絶縁性を兼ね備えるキャップ部１０５が圧入されている。

外装缶１４０を密閉するための押圧力を発生させ、さらに、リード部１３０を外装缶１４０の内面に押圧するために、外装缶１４０の内面とキャップ部１０５とが接触する領域における外装缶１４０の円周において、内方に向かって窪ませた溝部１４０ａが設けられ、キャップ部１０５を変形させており、当該キャップ部１０５の復元力、即ち前記押圧力が及ぶ領域まで、上記リード部１３０が延出されている。

さらに、外装缶１４０の外部においては、外装缶１４０の底部にステンレス製の導電プレート１６０が溶接されており、その縁部の一部から複合被覆リード線１７０が、外装缶１４０側面に沿ってピン部１１０が露出している外装缶上部側へと延出され、溝部１４０ａを略一周した後、外装缶１４０表面を離れてさらに上方へと立ち上がる。
また、露出したピン部１１０の先端からも被覆リード線１９０が上方へと延出されている。

なお、上記複合被覆リード線１７０の配設位置の固定及び正極板と同電位となっている外装缶１４０の絶縁を目的として、不図示の筒状熱収縮チューブ内にピン型リチウムイオン電池１００を挿入し、熱収縮させて密着させている。
以下各部の詳細について説明する。
ピン部１１０は、ステンレス材料からなる棒状の部材であって、長手方向において、ピン上部１１０ａとピン下部１１０ｃの２つに区分される。

ピン上部１１０ａには、さらに、局部的に外径が広がった鍔部１１０ｂが挿設されている。
ピン下部１１０ｃは、電極体１２０の負極板１２１と接続し、電流を集電する部材であり、ピン上部１１０ａよりも径が小さな棒状の部材であって、電極体１２０中心に挿設されている。

ピン上部１１０ａにおける鍔部１１０ｂとピン下部１１０ｃとに挟まれている中間領域の周囲に存在する外装缶１４０の対応領域において、キャップ部１０５を押圧して変形させる程度に内方へと窪ませてなる溝部１４０ａが設けられている。
さらに、外装缶１４０は、その開口端がカシメ加工などにより内方へと屈曲された屈曲部１４０ｂを有する。これは、気密の度合を高めるためのものである。

また、外装缶１４０は、上記正極板１２３に溶接されたリード部１３０と接触により電気的接続を果たしており、密閉容器の筐体としての役割の他、電池の正極としての役割を兼ねている。
前記接触は、溝部１４０ａとピン上部１１０ａ及び鍔部１１０ｂとで挟まれて変形しているキャップ部１０５の復元力によって、リード部１３０の端部（以下、「接触部」という。）を外装缶１４０内面に押圧することにより保持されている。

また、リード部１３０のもう一方の端（以下、「溶接端」という。）は、電極体１２０の外表面に露出している正極板１２３の縁部に溶接されている。
上記リード部は極板に比べ電流経路が制限されて、即ち、電流経路の断面積が小さく抑えられて電流密度が高くなるので、電力損失による発熱が他部より大きく、通電時の温度上昇が顕著となる。

電極体１２０は、上述のように、負極板１２１と、セパレータ１２２と、正極板１２３と、セパレータ１２２とを順にサンドイッチしたものを巻回したものである。
正極板１２３は、アルミニウム箔上に正極活物質（コバルト酸リチウム）及び炭素系導電剤などを膜形成したものである。
リード部１３０は厚さ４０μｍのアルミニウム箔製で幅は４ｍｍである。

負極板１２１は、銅泊上に人造黒鉛、スチレンブタジエンゴム（SBR）、カルポキシメチルセルロース（CMC）が含まれた膜体が形成されてなる。
セパレータ１２２は、ポリオレフィン系樹脂からなる絶縁性の膜体である。
キャップ部１０５は、柔軟性のあるポリプロピレン製のガスケットである。
非水電解液は、エチレンカーボネート（EC）プロピレンカーボネート（PC）およびジエチレンカーボネート（DEC）を体積比で2：1：7に混合し、六フッ化リン酸リチウム（L1PF6）を1mo1／1の濃度で溶解させた溶液である。

絶縁プレート１５０は、ポリプロピレン製の円柱状のプレートである。
導電プレート１６０は、ステンレス製のプレートであり、外装缶１４０と複合被覆リード線１７０とを確実に電気接続するために設けられる部材であって、外装缶１４０の底部外表面に溶接されており、外装缶１４０の底部から一部はみ出した箇所がある。
複合被覆リード線１７０は、図１（ｄ）に示すように、下部被覆リード線１７０ａ及び上部被覆リード線１７０ｂ間に感熱素子１８０が介され、それぞれ電気的接続がなされている。

下部被覆リード線１７０ａは、導電性の芯線を柔軟性と絶縁性を兼ね備えた被覆材で覆ったものである。
複合被覆リード線１７０の一端において、その芯線が導電プレート１６０の外装缶１４０の底部から僅かに突出している部分に接続され、外装缶１４０の側面に沿って、缶軸方向における外装缶１４０の開口部側に向かって配され、溝部１４０ａに至る部分で、缶軸と直角に折れ曲がり、この溝部１４０ａに入り込んでいる。

感熱素子１８０は、設定された温度以上に達すると内部の導電体が熱破壊を起こして短絡する円筒状のマイクロヒューズである。
この感熱素子１８０は、溝部１４０ａに嵌り込んでいる複合被覆リード線１７０のもう一方の端に接続されており、その内方にリード部１３０の上述の接触部が存在する位置の近傍に配されている。なお、感熱素子をリード部１３０の接触部に確実に配するために、電池の製造過程において電極体を挿入するときにタブ部が接触する部分にマーキングを施しておくとよい。

そして、より厳密には、上記接触部と感熱素子１８０との間の熱伝導度が、できるだけ最大に近づく位置に感熱素子１８０を配設する。
本実施の形態では、上記正極板１２３から延出されたリード部１３０の接触部が、溝部１４０ａの頂部の手前で終わっているので、外装缶１４０における溝部１４０ａよりも若干底部寄りに感熱素子１８０を配置した方が、感熱素子１８０とリード部１３０の接触部との距離が短くなるが、その一方で感熱素子１８０と外装缶１４０表面とが線接触に近づくので熱伝導度が小さくなる。

そのため、感熱素子１８０は、溝部１４０ａの中に嵌り込む状態で、最もリード部１３０の接触部に近づく位置に配した方が、上記接触部と感熱素子１８０との間の熱伝導度をより大きくすることができる。
以上のような構成を電気回路図に当てはめた状態を図２に示す。
即ち、外装缶１４０内、即ち、密閉容器の筐体内において、正極板１２３から導出される給電路の一部を構成するリード部１３０に抵抗が存在する。給電路中の他の部位どこよりも抵抗値が高いので、電力損失による発熱量が最も大きい。

本実施の形態のピン型リチウムイオン電池１００では、異常発熱時において、リード部１３０における電力損失による発熱量が、電極体１２０自体の発熱量よりも大きいため、発熱量が多い上記接触部の付近に感熱素子１８０を設けることにより温度検出のタイムラグを短縮することができる。
このことは、後述する試験結果においても裏付けられている。

上部被覆リード線１７０ｂは、導電性の芯線を柔軟性と絶縁性を兼ね備えた被覆材で覆い、その一端に接続用のカプラが配されたものであり、もう一方の端における芯線が感熱素子１８０と接続されている。
被覆リード線１９０は、導電性の芯線を柔軟性と絶縁性を兼ね備えた被覆材で覆い、その一端がピン上部１１０ａの端面に接続されており、もう一方の端に接続用のカプラが配されたものである。
＜過充電試験＞
目的） ：感熱素子の配設位置による動作状況の違いを確認する。

試験方法）：感熱素子１８０を以下の３箇所に配設し動作状況を確認した。
（各試験品と感熱素子の配設位置）
Ａ）実施例品：外装缶１４０の外側面上の溝部１４０ａ内であって、かつ、最もリード部１３０の接触部との距離が近づく位置
Ｂ）比較品１：外装缶１４０の外側面上における長手方向の中央部
Ｃ）比較品２：外装缶１４０の外側面上における長手方向の底部近傍
（電池仕様）
上記Ａ）実施例品のピン型リチウムイオン電池は、本実施の形態に記載のピン型リチウムイオン電池１００と同仕様であり、また、上記Ｂ）比較品１及びＣ）比較品２のピン型リチウムイオン電池は、本実施の形態のピン型リチウムイオン電池１００と複合被覆リード線１７０の配策経路及び感熱素子の配設位置が異なっている以外は、同一である。
（感熱素子仕様）
温度ヒューズ（公称動作温度：１０２℃）
（試験内容）
２３℃下で、６．５Ｖを電圧上限とし、７５０ｍＡの定電流で充電し、Ａ）実施例品、Ｂ）比較品１、Ｃ）比較品２における感熱素子の温度を観測した。
（温度上昇傾向について）
図３は、過充電を行った場合の経時的温度変化を示す図である。

Ａ）実施例品、Ｂ）比較品１、Ｃ）比較品２のうち、Ａ）実施例品がＢ）比較品１及びＣ）比較品２に比べ、発熱量が大きく温度上昇が早い。
このことより、リード部の電力損失による発熱量が、電極体自体の発熱量よりも大きいことが推測でき、温度変化が顕著な上記接触部付近に感熱素子を設けることは、接触部と感熱素子との温度差及び温度検出のタイムラグを短縮化に有効であることがわかった。

つまり、本実施の形態における二次電池のように、接触部と感熱素子とを近い位置に置くことで、感熱素子と接触部との間の温度差及び温度上昇時におけるタイムラグが小さくなり、感熱素子の動作温度の設定を本来の狙い値からずらす必要がなくなり、その結果感熱素子の誤作動が起こり難くなる。
（ｎ増し試験評価結果）
上述と同様の試験を標本数ｎ＝１００にして温度変化に伴う状況を確認した。

Ａ）実施例品では確実に温度ヒューズが作動し、外装缶の膨張変形、気密破れなどの形状異変は未然に防がれている。

一方、Ｂ）比較例品1、Ｃ）比較例品2では外装缶の膨張変形、気密破れなどのいずれかの形状異変が確認された。
また、本実施の形態では、感温素子として温度ヒューズを用いているが、これには限定されず、例えば、ＰＴＣ素子などを用いていもよい。
なお、本実施の形態では、本発明を適用した二次電池としてピン型リチウムイオン電池を例に挙げたが、これに限らず外装缶内において、リード部などにより局部的に抵抗値が高くなっている給電路を有する二次電池であれば、本発明は有効である。

（変形例）
本実施の形態では、ピン型リチウムイオン電池一本に対して、本発明を適用した場合の例を説明したが、複数の電池に電池に適用することもできる。
図４は、本発明を素電池が並列接続されるパック電池２００に適用した場合の例を示す図である。

図４に示すように、パック電池２００は、２本のピン型リチウムイオン電池１００ａ及び１００ｂが、それぞれの外装缶１４０ｅ及び外装缶１４０ｊの側面同士で接するように並設された状態で、外装缶１４０ｅ及び外装缶１４０ｊの底面が１つの導電性の導電プレート１６１を介して接合されている、並列のパック電池である。
ピン型リチウムイオン電池１００ａ及び１００ｂの各外装缶内部における構造は、本実施の形態におけるピン型リチウムイオン電池１００と同一である。

このような接合状態では、２つのピン型リチウムイオン電池１００ａ及び１００ｂの間には、長手方向に２つの凹部が形成されるので、そのうちの一方の凹部と外装缶底面とが交錯する位置まで、導電プレート１６１の一部が外装缶１４０ｅの底面からはみ出しており、このはみ出した部位から複合被覆リード線１７１が一方のピン型リチウムイオン電池１００ａの外装缶１４０ｅ側面に沿って、外装缶１４０ｅの上側へと延出され、外装缶１４０ｅ上部に設けられた溝部１４０ｆに達したところで、直角に折れ曲がって、この溝部１４０ｆに嵌り込み、この溝を略半周した後に、もう一方のピン型リチウムイオン電池１００ｂの外装缶１４０ｊ上部に設けられた溝部１４０ｋに嵌り込み、略半周したところで直角に折れ曲がり、さらに上方へと延出される。

また、ピン型リチウムイオン電池１００ａ及び１００ｂにそれぞれ配されているピン部１１１及びピン部１１２に導電性の導電プレート１９５溶接されており、この導電プレート１９５から被覆リード線が上方に延出されている。
この外装缶１４０ｅ及び外装缶１４０ｊは、これらに内包される正極板１２３と同電位となるため、外部との絶縁を図る目的と、複合被覆リード線１７１の配策位置を固定する目的とを兼ね、ピン型リチウムイオン電池１００ａ及び１００ｂを１との不図示の熱収縮チューブで覆い、互いに密着固定されている。

複合被覆リード線１７１は、１本の被覆リード線に２つの感熱素子が挿設されたものであり、下部被覆リード線１７１ａ、感熱素子１８０ａ、中部被覆リード線１７１ｂ、感熱素子１８０ｂ及び上部被覆リード線１７１ｃの順に接続されている。
感熱素子１８０ａは、外装缶１４０ｅの上部に設けられた溝部１４０ｆ内であって、ピン型リチウムイオン電池１００ａ内部にある不図示のリード部１３０の接触部に最も近い位置に配されている。

感熱素子１８０ｂは、外装缶１４０ｊの上部に設けられた溝部１４０ｋ内であって、ピン型リチウムイオン電池１００ｂ内部にある不図示のリード部１３０の接触部に最も近い位置に配されている。
このような構成にすることで、ピン型リチウムイオン電池１００ａまたはピン型リチウムイオン電池１００ｂのいずれかが異常過熱した場合、リード部１３０の接触部付近の温度が逸早く上昇するため、これら接触部の近傍に置かれた感熱素子１８０ａ及び感熱素子１８０ｂと、各接触部との温度差及び温度上昇時のタイムラグを小さくすることができる。

その結果、感熱素子の動作温度の設定を本来の狙い値からずらす必要がなく、外装缶に付設された感熱素子が誤作動し難くなる。
なお、本実施の形態では、外装缶１４０外表面と複合被覆リード線１７０とを確実に電気接続するために、導電プレート１６０を設けているが、製造上、品質上の問題がなければ設けなくてもよい。

また、外装缶１４０外表面と複合被覆リード線１７０と接続位置も外装缶１４０底部にする必要はなく、抵抗値を増大させることなく確実に接続することが可能であれば、外装缶１４０の溝部１４０ａ内に接続してもよい。
また、リード部１３０は、正極板及び負極板のいずれか一方に接続されていればよく、必ずしも正極板と極性を共にするものではない。

本実施の形態におけるピン型リチウムイオン電池１００の構成を説明するための図である。 本実施の形態におけるピン型リチウムイオン電池１００の回路図である。 過充電試験試験における経時的温度変化を示す図である。 発明を並列接続されるピン型リチウムイオン電池に適用した場合の例を示す図である。

符号の説明

１００ ピン型リチウムイオン電池
１００ａ ピン型リチウムイオン電池
１００ｂ ピン型リチウムイオン電池
１０５ キャップ部
１１０ ピン部
１１０ａ ピン上部
１１０ｂ 鍔部
１１０ｃ ピン下部
１１１ ピン部
１１２ ピン部
１２０ 電極体
１２１ 負極板
１２２ セパレータ
１２３ 正極板
１３０ リード部
１３０ 当該リード部
１４０ 外装缶
１４０ａ 溝部
１４０ｂ 屈曲部
１４０ｅ 外装缶
１４０ｆ 溝部
１４０ｊ 外装缶
１４０ｋ 溝部
１５０ 絶縁プレート
１６０ 導電プレート
１６１ 導電プレート
１７０ 複合被覆リード線
１７０ａ 下部被覆リード線
１７０ｂ 上部被覆リード線
１７１ 複合被覆リード線
１７１ａ 下部被覆リード線
１７１ｂ 中部被覆リード線
１７１ｃ 上部被覆リード線
１８０ 感熱素子
１８０ａ 感熱素子
１８０ｂ 感熱素子
１９０ 被覆リード線
１９５ 導電プレート
２００ パック電池

Claims (3)

1. 導電性の外装缶内に電極体を収納し、前記電極体の一方の電極から前記外装缶内面に電気的に接続するリード部が延出されている二次電池であって、
   感熱素子を間に挟み、一端が前記外装缶外面と電気的に接続されてなる給電路が前記外装缶外面に沿設されており、
   前記感熱素子は、前記リード部が配設されている位置と対応する前記外装缶外面の位置に配されていることを特徴とする二次電池。
2. 前記感熱素子が配されている位置の外装缶は、前記感熱素子の外形に沿った形状に変形されていることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
3. 前記変形形状は、溝形状であることを特徴とする請求項２記載の二次電池。

Images