JP2007173005A - 電池用保護素子及び電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】非復帰域電流遮断状態と復帰域電流遮断状態とを有する電池用保護素子及びリチウム２次電池を提供する。
【解決手段】互いに熱膨張率の異なる複数の金属板を貼り合わせた熱応答性可動板と、導電性材料からなる導電体と、前記熱応答性可動板を係止するストッパと、を備え、前記熱応答性可動板が前記ストッパに係止されておらず、前記熱応答性可動板と前記導電体との接触及び解離が可逆的である復帰域電流遮断状態と、前記熱応答性可動板が前記ストッパに係止され、前記熱応答性可動板と前記導電体とが不可逆的に解離してなる非復帰域電流遮断状態と、を有することを特徴とする電池用保護素子が提供される。
【選択図】図３
【解決手段】互いに熱膨張率の異なる複数の金属板を貼り合わせた熱応答性可動板と、導電性材料からなる導電体と、前記熱応答性可動板を係止するストッパと、を備え、前記熱応答性可動板が前記ストッパに係止されておらず、前記熱応答性可動板と前記導電体との接触及び解離が可逆的である復帰域電流遮断状態と、前記熱応答性可動板が前記ストッパに係止され、前記熱応答性可動板と前記導電体とが不可逆的に解離してなる非復帰域電流遮断状態と、を有することを特徴とする電池用保護素子が提供される。
【選択図】図３
Description
本発明は、電池用保護素子及び電池に関し、特に、異常発熱による発火や暴発等に対する防止機能を有する電池用保護素子及びそれを備えた電池に関する。
携帯用電子機器の駆動用電源として繰り返し充電及び放電が可能な環境負荷の少ない２次電池が開発されている。この２次電池において、正電極と負電極との間にセパレータが設けられた構造をしており、その電極間をリチウムイオン（Ｌｉ＋）が移動することで充電及び放電が可能となり、繰り返し再利用される。
一方、過充電や推奨使用条件範囲外での充放電サイクルが増加すると、負電極１５に針状のリチウム結晶（デンドライト）が析出する。このデンドライトが成長するとセパレータを貫通して、正電極に接触し短絡が生じる。そのため、電池内部で自己発熱が生じ、異常発熱によりセパレータに設けられた電解液が沸騰して発火や暴発等を引き起こす場合がある。これを未然に防止するため、２次電池には電池用保護素子が設けられている。
この電池用保護素子は、例えば、熱動継電器を有しており、異常発熱を感知して電池回路の通電電流を低減して発火爆発を防止すると伴に、残存した電池容量（電池エネルギー）を安全に放出して電池の安全性を向上させた２次電池用保護素子が開示されている（特許文献１）。
特開２０００−１８２５９８号公報
しかし、この熱動継電器は非復帰式であるため、一旦、異常発熱が生じた２次電池はどのような場合でも、繰り返し再利用できない。またその他にも、非復帰式のフューズや、復帰式のポリスイッチやバイメタルスイッチや、電流/電圧検出型保護回路等が考案され、複数組み合わせて作製されているが、その製造工程は非常に複雑であるうえに、構成部品点数が多くなるため、製造コストが増大する。
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、非復帰域電流遮断状態と復帰域電流遮断状態とを有する電池用保護素子及びこれを備えた電池を提供することにある。
本発明の一態様によれば、互いに熱膨張率の異なる複数の金属板を貼り合わせた熱応答性可動板と、導電性材料からなる導電体と、前記熱応答性可動板を係止するストッパと、を備え、前記熱応答性可動板が前記ストッパに係止されておらず、前記熱応答性可動板と前記導電体との接触及び解離が可逆的である復帰域電流遮断状態と、前記熱応答性可動板が前記ストッパに係止され、前記熱応答性可動板と前記導電体とが不可逆的に解離してなる非復帰域電流遮断状態と、を有することを特徴とする電池用保護素子が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、正極及び負極を有する電池部と、上記の電池用保護素子と、前記正極に接続された第１の出力端子と、前記負極に接続された第２の出力端子と、を備えたことを特徴とする電池が提供される。
本発明においては、所定温度範囲内では前記熱応答性可動板と前記導電板との接触及び解離が可逆的な前記復帰電流遮断状態になり、所定温度以上になると、前記熱応答性可動板が前記導電板から不可逆的に解離して前記留金で固定され、残存電池エネルギーを前記放電用抵抗体で消費する前記非復帰電流遮断状態になる前記電池用保護素子及びそれを備えた電池が得られる。
本発明によれば、非復帰域電流遮断状態と復帰域電流遮断状態とを有する電池用保護素子及び電池が提供される。
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係るリチウム２次電池５の要部を表す模式断面図である。
図１は、本実施形態に係るリチウム２次電池５の要部を表す模式断面図である。
本実施形態のリチウム２次電池５は、巻込式の構造を有し、帯状からなる負電極１５と電解液を保持するセパレータ２０と正電極２５とで順に積層して巻いた積層体を備え、その両平面端部には絶縁板３０ａ、３０ｂがそれぞれ設けられている。この積層体は、片側端部に底を有し、正電極端子を兼ねた電池缶３５に収納され、それに対向する開口側には密閉絶縁板３０ｃを介して、負電極端子４０が設けられている。
このリチウム２次電池５は、正電極２５あるいは負電極１５の層内にリチウムイオンがセパレータ２０を介して侵入したり解離することで充放電が可能になる。この際、過充電や推奨使用条件範囲外での充放電サイクル頻度が増加すると、負電極１５にデンドライトが析出する。このデンドライトが成長するとセパレータ２０を貫通して、正電極２５に接触し短絡が生じる。そのため、電池内部で自己発熱が生じ、異常発熱によりセパレータ２０に設けられた電解液が沸騰して発火や暴発等を引き起こす恐れがある。これを未然に防止するため、リチウム２次電池５には電池用保護素子４５が設けられている。
本実施形態の電池用保護素子４５は、導電板５０と、熱応答性可動（バイメタル）板５０と、フックを有する留金（ラッチ）６０と、が高抵抗のハウジング７０に収納された構造を有している。導電板５０の上にバイメタル板５５が設けられ、導電板５０とバイメタル板５５とは接点Ｐにより接続されている。このバイメタル板５５主面の略垂直方向には、ハウジング７０に固定されたラッチ６０が離れて設けられており、導電板５０とラッチ６０とバイメタル板５５は、後述するように放電回路７５に接続されている。
バイメタル板５５は、熱膨張率の異なる複数の合金板あるいは金属板を貼り合わせた構造を有し、熱応答可動性を有する。このバイメタル板５５は、外部から供給される熱と過電流時の自己発熱とにより動作するので、動作ポイントを体積抵抗率とわん曲係数とにより決定できる。つまり、適切な材料を選定することにより、所望の温度で動作させることができる。ここで、接点抵抗値が大きすぎると常時抵抗損失が発生し、接点抵抗値が小さすぎると自己発熱が少なく絶縁動作がルーズになる。素子抵抗は、例えば３０ミリオーム程度である。また、材質としては、例えば、Ｎｉ−Ｃｕ合金板とＮｉ板とを組み合わせたバイメタル板５５を用いることができる。
ラッチ６０は、複数設けられていてもよく、バネ材など高温時の信頼性を有し、非復帰及び復帰動作を能動的に且つ確実に行えると好適である。ラッチ６０材料には、例えば、金属合金材料や、カーボン粒子あるいは金属粒子を含有する導電性樹脂や、ＰＴＣ（positive temperature coefficient）材料等が好適である。このＰＴＣ材料には、例えば、ポリマー系やセラミックス系を用いることができ、ラッチング直後の電池発熱中では高抵抗のトリップ状態で放電せず、温度低下に伴い抵抗値が下降し、放電可能となる性質を有する。
次に、本実施形態の電池用保護素子４５の動作について説明する。
図２は、本実施形態に係る電池用保護素子４５の動作を表すフローチャートである。 また、図３は、本実施形態に係る電池用保護素子４５の動作を表す模式図であり、図３（ａ）が導通している復帰電流遮断状態を表し、図３（ｂ）が絶縁している復帰電流遮断状態を表し、図３（ｃ）が非復帰域電流遮断状態を表す。
図２は、本実施形態に係る電池用保護素子４５の動作を表すフローチャートである。 また、図３は、本実施形態に係る電池用保護素子４５の動作を表す模式図であり、図３（ａ）が導通している復帰電流遮断状態を表し、図３（ｂ）が絶縁している復帰電流遮断状態を表し、図３（ｃ）が非復帰域電流遮断状態を表す。
図３（ａ）に表すように、リチウム２次電池５を通常使用する場合は、バイメタル５５と導電板５０とが接点Ｐで接触して導通している。そして、２次電池の温度が上昇して所定の温度、例えば７５℃以上になると、図３（ｂ）に表すように、バイメタル板５５はラッチ方向に反り、接点は解離して絶縁状態になる。
また、リチウム２次電池５の温度が所定の温度範囲、例えば、７５℃〜１１０℃内であれば、温度の低下に伴いバイメタル板５５は、図３（ａ）に表すように、導電板５０と接触して復帰電流遮断状態になる。この復帰電流遮断状態では導通及び絶縁を可逆的に行うことが可能である（ステップＳ１００）。
一方、図３（ｃ）に表すように、リチウム２次電池５の温度が例えば１１０℃以上になると、バイメタル板５５がさらに湾曲し、ラッチ６０で不可逆的に固定される。これと同時に、バイメタル板５５とラッチ６０が通電して放電回路７５がオンになる。すなわち、放電回路７５の放電用抵抗体８０が発熱することで、残存した電池エネルギーが消耗され非復帰域電流遮断状態になる（ステップＳ１１０）。
この放電回路７５は、放電用抵抗体８０を有し、バイメタル板５５は２次電池５の例えば、負電極端子４０に接続され、ラッチ６０は放電用抵抗体８０を介して２次電池５の例えば、正電極端子兼電池缶３５に接続されている。図３（ａ）に表したように導電板５０４５とバイメタル５５の接点Ｐとが接触している状態においては、導電板５０を介して外部回路８５が２次電池５に接続されている。
また、図３（ｃ）に表したように、バイメタル５５がラッチ６０と接触した状態においては、放電回路７５が閉じられ、リチウム２次電池５の電力は放電要抵抗体８０に流れる。このように、バイメタル５５がラッチ６０に不可逆的に固定されると、リチウム２次電池５に残存した電池エネルギーは、放電用抵抗体８０により緩やかに放電される。この際に、放電用抵抗体８０を流れる電流値が大きすぎると、リチウム２次電池５の発熱量も大きくなる。後に詳述するように、放電用抵抗体８０の抵抗値を適宜設定すれば、リチウム２次電池５に残留した電力を時間をかけて緩やかに放電させ、過度の発熱を防ぐことができる。
このように、本実施形態の電池用保護素子４５によれば、所定温度範囲内ではバイメタル板５５と導電板５０との接触及び解離が可逆的な復帰電流遮断状態になり、所定温度以上になると、バイメタル板５５が導電板５０から解離してラッチ６０で不可逆的に固定され、非復帰電流遮断状態になり、リチウム２次電池５の残存した電池容量を安全に消費させることが可能となる。また、このような電池用保護素子４５部品点数を最小にでき、且つ、小形化できる。
次に、本発明者が実施した実験例を参照しつつ本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
表１は、本実施形態に係る電池用保護素子４５の非復帰遮断温度と過充電条件との関係を表す一覧表である。
ここで、列項目は過充電条件であり、行項目は非復帰遮断温度である。列項目の「過充電条件１」は１アンペアで１２ボルトの電力を印加した場合であり、「過充電条件２」は５アンペアで１２ボルトの電力を印加した場合である。行項目の「非復帰遮断温度」とは、バイメタル板５５がラッチ６０に固定され非復帰域電流遮断状態になるときの温度であり、その温度は、９０℃、１００℃、１１０℃、１２０℃とした。また、いずれの場合にも、バイメタル板５５の接点Ｐが導電板５０から離れる遮断温度を７５℃とした。
表１は、本実施形態に係る電池用保護素子４５の非復帰遮断温度と過充電条件との関係を表す一覧表である。
ここで、列項目は過充電条件であり、行項目は非復帰遮断温度である。列項目の「過充電条件１」は１アンペアで１２ボルトの電力を印加した場合であり、「過充電条件２」は５アンペアで１２ボルトの電力を印加した場合である。行項目の「非復帰遮断温度」とは、バイメタル板５５がラッチ６０に固定され非復帰域電流遮断状態になるときの温度であり、その温度は、９０℃、１００℃、１１０℃、１２０℃とした。また、いずれの場合にも、バイメタル板５５の接点Ｐが導電板５０から離れる遮断温度を７５℃とした。
評価結果は、「◎」が遮断動作が良好、「○」が素子の自己発熱により安全に遮断、「×」が大電流が流れたために電池が発熱したことを表す。使用した２次電池５は、容量１．０Ａｈの角形リチウムイオン電池である。
表１から、過充電条件１では、全ての温度で遮断動作が良好であることが分かる。これに対して、過充電条件２では、１２０℃で非復帰域電流遮断状態になると電池の発熱が顕著になった。従って、非復帰域電流遮断温度は９０〜１１０℃が好適であることが分かる。
次に、表２は、非復帰域電流遮断状態での放電時間を、放電用抵抗体８０の抵抗値と電池容量との関係で表した一覧表である。
ここで、列項目は放電用抵抗体８０の抵抗値であり、行項目は電池容量である。列項目の放電用抵抗体８０の抵抗値は、０．０１キロオーム、０．１キロオーム，１キロオーム，１０キロオームである。行項目の電池容量は、０．５Ａｈ、１．０Ａｈ、２．０Ａｈ、５．０Ａｈである。また、過充電試験条件は、１アンペアで１２ボルトである。また、評価結果は、「◎」が放電動作が非常に良好、「○」が放電動作は良好、「△」がやや発熱が顕著であり、「×」が放電電流が大きいために発熱が顕著であることをそれぞれ表す。また、表中カッコで表す数字は、電池容量が実質無くなるまでの放電時間である。
ここで、列項目は放電用抵抗体８０の抵抗値であり、行項目は電池容量である。列項目の放電用抵抗体８０の抵抗値は、０．０１キロオーム、０．１キロオーム，１キロオーム，１０キロオームである。行項目の電池容量は、０．５Ａｈ、１．０Ａｈ、２．０Ａｈ、５．０Ａｈである。また、過充電試験条件は、１アンペアで１２ボルトである。また、評価結果は、「◎」が放電動作が非常に良好、「○」が放電動作は良好、「△」がやや発熱が顕著であり、「×」が放電電流が大きいために発熱が顕著であることをそれぞれ表す。また、表中カッコで表す数字は、電池容量が実質無くなるまでの放電時間である。
表２から、放電用抵抗板８０の抵抗値を１．０〜１０キロオームにすると電池容量に関わらず、放電動作が良好であることが分かる。すなわち、このような放電用抵抗体８０を用いると、残存した電池容量を緩やかに消耗させることができ、安全なリチウム２次電池５が得られる。
一方、放電用抵抗体８０の抵抗値及び電池容量の増加に伴い、放電時間は増加することが分かる。例えば、放電用抵抗体８０の抵抗値が１０キロオームで電池の容量が５．０Ａｈの場合、放電に要する時間は、１年以上となる。
また、抵抗値が低く電池容量が大きくなるほど大きな電流が流れることが分かる。例えば、放電用抵抗体８０の抵抗値が０．０１キロオームあるいは０．１キロオームで電池の容量が５．０Ａｈの場合には、放電電流が大きくなるために発熱が生じ、放電用抵抗体８０が劣化することもあり得る。
また、抵抗値が低く電池容量が大きくなるほど大きな電流が流れることが分かる。例えば、放電用抵抗体８０の抵抗値が０．０１キロオームあるいは０．１キロオームで電池の容量が５．０Ａｈの場合には、放電電流が大きくなるために発熱が生じ、放電用抵抗体８０が劣化することもあり得る。
図４は、本実施形態に係る電池用保護素子４５の他の具体例であり、図４（ａ）はその復帰域電流遮断状態を表し、図４（ｂ）はそのＡ−Ａ線の模式断面図である。
また、図５は、図４の電池用保護素子４５であり、図５（ａ）はその非復帰域電流遮断状態を表し、図５（ｂ）はそのＡ−Ａ線の模式断面図である。
また、図５は、図４の電池用保護素子４５であり、図５（ａ）はその非復帰域電流遮断状態を表し、図５（ｂ）はそのＡ−Ａ線の模式断面図である。
図４に表したように、本具体例の電池用保護素子４５は、対向する一対のラッチ６０がバイメタル板５５の短手方向を挟むように設けられている。復帰域電流遮断状態においては、図３の（ａ）及び（ｂ）に関して前述したものと同様に、バイメタル板５５の接点ｐはラッチ６０と導電板５０との間を可逆的に可動する。
そして、所定の温度以上になると、図５に表したように、バイメタル板５５がラッチ６０方向にさらに湾曲し、バイメタル板５５の短手方向に設けられたラッチ６０で固定され、非復帰域電流遮断状態になる。
そして、所定の温度以上になると、図５に表したように、バイメタル板５５がラッチ６０方向にさらに湾曲し、バイメタル板５５の短手方向に設けられたラッチ６０で固定され、非復帰域電流遮断状態になる。
このように、バイメタル板５５の短手方向からバイメタル板５５を固定するようにラッチ６０を設けても図４と同様の効果が得られる。
また、図４及び図５では、対向する一対のラッチ６０を設けた具体例を表したが、バイメタル板５５の短手方向の片側のみにラッチ６０を設けても同様の効果が得られる。
また、図４及び図５では、対向する一対のラッチ６０を設けた具体例を表したが、バイメタル板５５の短手方向の片側のみにラッチ６０を設けても同様の効果が得られる。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
本実施形態の電池用保護素子４５は、バイメタル板５５とラッチ６０を用いて復帰遮断状態と非復帰遮断状態とを形成したが、可動特性を有するラッチ６０ａを用いても同様の効果が得られる。すなわち、図６（ａ）に表すように、ラッチ６０の支柱部９０が直立した状態から、図６（ｂ）に表したように一旦Ａ方向に反った後、元に戻る動作でもよい。あるいは、図７（ａ）に表すように、ラッチ６０の支柱９０が直立した状態から、図７（ｂ）に表すように、ラッチ６０のフック部９５をＡ’方向に曲げて、フック角度を鋭角化させても本実施形態と同様の効果が得られる。また、このような構造にすることで電池用保護素子４５を省スペース化することが可能となる。
本実施形態の電池用保護素子４５は、バイメタル板５５とラッチ６０を用いて復帰遮断状態と非復帰遮断状態とを形成したが、可動特性を有するラッチ６０ａを用いても同様の効果が得られる。すなわち、図６（ａ）に表すように、ラッチ６０の支柱部９０が直立した状態から、図６（ｂ）に表したように一旦Ａ方向に反った後、元に戻る動作でもよい。あるいは、図７（ａ）に表すように、ラッチ６０の支柱９０が直立した状態から、図７（ｂ）に表すように、ラッチ６０のフック部９５をＡ’方向に曲げて、フック角度を鋭角化させても本実施形態と同様の効果が得られる。また、このような構造にすることで電池用保護素子４５を省スペース化することが可能となる。
また、本実施形態のバイメタル板は熱伝導率の異なる２種類の金属板あるいは合金板を用いたが、これには限定せず、２種類以上の板を重ねても同様の効果が得られる。
また、本実施形態には角形状のリチウム２次電池を用いて説明したが、これには限定せず、円筒形状にしても同様の効果が得られる。
また、本実施形態には角形状のリチウム２次電池を用いて説明したが、これには限定せず、円筒形状にしても同様の効果が得られる。
本実施形態のバイメタル及びラッチの材質、形状、動作温度、寸法、極材料や、リチウム２次電池の形状等の構成に関して、当業者が各種の設計変更を加えたものであっても、本発明の特徴を有する限り、本発明の範囲に包含される。
５ リチウム２次電池
４５ 電池用保護素子
５０ 導電板
５５ 熱応答性可動（バイメタル）板
６０、６０ａ 留金（ラッチ）
７０ ハウジング
７５ 放電回路
８０ 放電用抵抗体
８５ 外部回路
９０ 支柱
９５ フック
ｐ 接点
４５ 電池用保護素子
５０ 導電板
５５ 熱応答性可動（バイメタル）板
６０、６０ａ 留金（ラッチ）
７０ ハウジング
７５ 放電回路
８０ 放電用抵抗体
８５ 外部回路
９０ 支柱
９５ フック
ｐ 接点
Claims (8)
- 互いに熱膨張率の異なる複数の金属板を貼り合わせた熱応答性可動板と、
導電性材料からなる導電体と、
前記熱応答性可動板を係止するストッパと、
を備え、
前記熱応答性可動板が前記ストッパに係止されておらず、前記熱応答性可動板と前記導電体との接触及び解離が可逆的である復帰域電流遮断状態と、
前記熱応答性可動板が前記ストッパに係止され、前記熱応答性可動板と前記導電体とが不可逆的に解離してなる非復帰域電流遮断状態と、
を有することを特徴とする電池用保護素子。 - 前記熱応答性可動板が第１の温度を超えると、前記復帰域電流遮断状態から前記非復帰域電流遮断状態に遷移することを特徴とする請求項１記載の電池用保護素子。
- 前記第１の温度は、９０℃以上１１０℃以下であることを特徴とする請求項２記載の電池用保護素子。
- 前記複数の金属板は、ニッケルを含む合金あるいは金属からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電池用保護素子。
- 前記ストッパは、カーボン粒子あるいは金属粒子を含有した導電性樹脂、金属あるいは合金、またはポリマーあるいはセラミックスからなるＰＴＣ材料のいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかひとつに記載の電池用保護素子。
- 正極及び負極を有する電池部と、
請求項１〜５のいずれか１つに記載の電池用保護素子と、
前記正極に接続された第１の出力端子と、
前記負極に接続された第２の出力端子と、
を備えたことを特徴とする電池。 - 前記正極と前記第１の出力端子との間と、前記負極と前記第２の出力端子との間と、の少なくともいずれかに設けられた放電用抵抗をさらに備えたことを特徴とする請求項６記載の電池。
- 前記放電用抵抗の電気抵抗値は、１．０キロオーム以上１０キロオーム以下であることを特徴とする請求項６または７に記載の電池保護素子。
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