JP2008507248A - ２次電池の過充電防止のための安全素子及びその安全素子が結合された２次電池 - Google Patents

Abstract

簡単な安全素子を用いて２次電池などの過充電時に生じる過電圧及び過熱から２次電池などを安全に保護可能に、過電圧状態で放電特性を有する定電圧素子と過熱状態で放電特性を有する金属・絶縁転移（ＭＩＴ）素子を物理的に接合してなる接合安全素子を提供する。
定電圧素子とＭＩＴ素子は、２次電池の正極リードと負極リードとの間にパラレル接続される。前記接合安全素子は、定電圧素子の放電／発熱特性と定電圧素子の発熱に直ちに反応するＭＩＴ素子の放電特性が結合されたものであって、過充電時に電圧及び温度の２要素によって放電を起こすため、過充電の防止効果に優れている。

Description

本発明は簡単な安全素子を用いて過充電時に過電圧及び過熱から２次電池を安全に保護する装置に関する。

２次電池は、充放電可能な電池、すなわち、従来のＮｉ／Ｃｄ電池、Ｎｉ／ＭＨ電池などと最近のリチウムイオン電池をいずれも含む。近年、リチウムイオン電池に関心が寄せられ、これに関する研究・開発が盛んに行われつつある。これは、リチウムイオン電池が従来のＮｉ／Ｃｄ電池、Ｎｉ／ＭＨ電池などに比べてエネルギー密度が遥かに高いという長所を有するからである。すなわち、リチウムイオン電池は小型軽量化できることから、携帯電話、カメラつきビデオ、ノート型パソコンを含む移動機器の電源として有用であるだけではなく、電気自動車の電源へとその使用範囲が広がるなど、次世代のエネルギー貯蔵媒体として注目を集めている。

これらの長所にも拘わらず、リチウムイオン電池は過充電に弱いという欠点を有している。すなわち、２次電池が過充電に対するいかなる保護装置なしに放置されたとき、爆発による発火が原因となって人命事故または財産上の損失を招くなど安全事故の恐れがある。

過充電時における電池の各構成物質間の反応を調べてみると、過充電によりリチウムイオン電池の正極の活物質としてのＬｉＣｏＯ_２と電解液との間の副反応が激しくなる。そして、この副反応は、正極活物質の構造崩壊と電解液の酸化反応などを伴う。このため、黒鉛などよりなる負極の活物質からリチウムが析出される場合がある。このような状態に達しているにも拘わらず、電圧が継続して上がると、やがて電池が爆発または発火してしまい、事故が起きる。

特に、２次電池に用いられている電源の規格が高電圧となっている場合には、問題は一層深刻化する。例えば、リチウムイオン２次電池に自動車用電源を接続して用いる場合、乗用車の場合に１２Ｖの電圧が加えられ、貨物車の場合には２つの１２Ｖ電源をシリアル接続するために２４Ｖの電圧が加えられる。このように、２次電池の規格によって定められている電圧以上の過電圧が瞬時に加えられる場合、瞬時的な過電圧から２次電池を保護できる安全装置が望まれる。

従来には、２次電池を過充電から保護するために、主として高価の複雑な構造を有し、しかも大面積を占める充放電制御回路が用いられていた。通常、充放電制御回路は、外部から入力する電圧と電池電圧または外部に出力される電圧及び電池電圧を比較して、充放電回路を選択的に切り換えるように構成される。しかし、充放電制御回路の制御パラメータが電圧となっているため、過熱（温度）から２次電池をほとんど保護できなくなる。ＰＴＣや温度ヒューズなどの温度反応素子をさらに取り付けて過熱から２次電池を保護する場合も考えられる。充放電制御回路にＰＴＣや温度ヒューズをさらに取り付けると、過充電時に印加電流の遮断により電池の過充電及び電池の昇温は防止可能である。しかし、ＰＴＣや温度ヒューズは一定温度以上でしか動作しないため、電池の温度もまたＰＴＣや温度ヒューズが動作する温度以上に高くなる必要がある。さらに、充電済みの電池の場合、外部からの衝撃、外部環境の変化、内部短絡などによる電池の昇温時に、単に電流の供給を切るだけのＰＴＣや温度ヒューズだけでは、電池の安全性を確保し難い。

本発明は、簡単な安全素子を用いて過充電時に過電圧及び過熱から２次電池などを安全に保護することを目的とする。

本発明は、安全素子を簡単な構造に製造するための新規な接合安全素子の構造を提案する。この接合安全素子は、過充電時に電圧及び温度といった２要素によって放電可能に、２つの素子を物理的に接合してなるところに特徴がある。

本発明に係る接合安全素子は、所定の電圧以上において放電／発熱特性を有する定電圧素子と所定の温度以上において放電特性を有するＭＩＴ素子を接合してなることを特徴とする。これにより、過充電時に定電圧素子から発せられた熱が物理的に隣り合うＭＩＴ素子に直ちに影響してＭＩＴ素子において放電を起こらせることから、低容量の定電圧素子を用いても２次電池などの安定性を高めることができる。

本発明に係る接合安全素子は、２次電池などの過充電時に２次電池の規格以上の過電圧印加分に対しては定電圧素子の放電特性によって１次的に放電され、定電圧素子の発熱特性によって前記１次放電時に定電圧素子から発せられる熱が定電圧素子に隣り合うように形成されたＭＩＴ素子を動作させて２次的に放電されるといった特徴を有する。このとき、ＭＩＴ素子は、昇温温度に反応して放電する特性を有するため、定電圧素子の発熱による昇温だけではなく、他の原因による昇温にも反応して放電される。これにより、２次電池の過充電時に電圧と温度といった２要素によって放電が可能であり、定電圧素子の放電／発熱特性と昇温に対するＭＩＴ素子の放電特性が結合して相補的に放電効果が上がる。放電状態の電池は、充電状態の電池よりも電池エネルギーが低くて且つ安全な活物質及び電化液の状態を有することから、外部環境の変化、外部からの衝撃、内部短絡などによる問題において一層安全である。

本発明によれば、所定の電圧以上において放電／（又は；及び／又は）発熱特性を有する定電圧素子と所定の温度以上において放電特性を有するＭＩＴ素子を接合してなる接合安全素子を２次電池の正極リードと負極リードとの間にパラレル接続することにより、２次電池の過充電時に電圧と温度といった２要素によって放電が起こる。

すなわち、過充電時に定電圧素子に向かって電流が流れると、定電圧素子が発熱され、このとき、接合されているＭＩＴ素子の方においても、定電圧素子の昇温に反応して抵抗が下がるため、電流を流すことにより放電効果を高めることができる。これにより、漏れ電流が小さく、且つ、漏れ電流が流れ始める電圧と電流が急激に通電される電圧との間の間隔が短い低容量の定電圧素子を用いても、ＭＩＴ素子との組み合わせにより十分な放電効果を得ることができる。

したがって、本発明のように電圧が上がると、電流を通電しながら素子の昇温が起こる定電圧素子とＭＩＴ素子を接合することにより、昇温による発火、爆発及び電圧の上昇による発火、爆発などの安全性の問題をいずれも解消できると共に、電圧の上昇による安全性の問題を一層効率よく解消することができる。

本発明は簡単でかつ新規な構造の接合安全素子を用いて過充電時に過電圧及び過熱から２次電池などを安全に保護することができる。すなわち、本発明に係る接合安全素子は、過電圧に反応する定電圧素子と過熱に反応するＭＩＴ素子を物理的に隣り合うように結合することにより、過充電時に定電圧素子から発せられた熱が直ちにＭＩＴ素子の動作を誘導する。

本発明に係る接合安全素子の各素子について具体的に述べると、定電圧素子は、ツェナーダイオードまたはバリスターなどであり、過充電時のように外部電圧が所定の電圧以上になると、電流が急激に流れる特性を有する。すなわち、過充電時に電流を放電して電池の電圧を下げることにより、電池の安全性が高まる。特に、低容量の定電圧素子は、漏れ電流が流れ始める電圧と急激に通電される電圧との間の間隔が短い。このため、過充電時に定電圧素子において漏れ電流が流れ始める時点では、定電圧素子において１次放電が起こり、次いで急激に通電される電圧に達すると、定電圧素子から発せられた熱がＭＩＴ素子に影響してＭＩＴ素子における放電を起こらせる。

このため、本発明に係る接合安全素子に低容量の定電圧素子を用いても安全性を高めることができる。

一方、ＭＩＴ素子は、例えば、ＶＯ，ＶＯ_２，Ｖ_２Ｏ_３などのバナジウム系の酸化物とＴｉ_２Ｏ_３などの物質またはこれらの物質にＳｔ，Ｂａ，Ｌａなどの元素が付加された物質よりなり、一定の温度以上において抵抗が急減する金属・絶縁体転移（ＭＩＴ：Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）特性を有する素子である。この素子は、昇温時に抵抗が急減して不導体から導体へと転じる。このため、昇温時における抵抗の低下により電流が放出されてやがて電圧が低くなり、これにより、電池を安全に保護することができる。

ＭＩＴ素子の臨界温度は、好ましくは、５０℃以上１５０℃未満である。５０℃以下において抵抗が低下すれば、通常の電池使用温度である−２０℃ないし６０℃において電池が放電されて電池の残留容量が減り、１５０℃以上において抵抗が低下すれば、それ以前に既に電池が外部からの衝撃や環境によって発火または爆発してしまうからである。

以下、添付した図面に基づき、本発明の実施の形態を詳述する。

図１Ａは、本発明の一実施の形態により接合安全素子と２次電池が結合された構成を示す。図１Ａに示す接合安全素子を構成する各素子間の結合関係及び２次電池の各端子との結合関係を述べると、先ず、定電圧素子１とＭＩＴ素子２が横方向の一方面（接合面）において接合され、定電圧素子１は金属線３を介して電池の正極リード１２と負極リード１１との間にパラレル接続され、ＭＩＴ素子２も金属線３を介して電池の正極リード１２にパラレル接続される。
図１Ｂは、図１Ａに示す結合素子の周りを防食及び防湿外装材４により塗布した構成を示す。この場合にも、定電圧素子とＭＩＴ素子は防食及び防湿外装材を介して物理的に接触されている。図１Ｂにおいて、電池の各電極端子と各接合素子の結合方式は、図１Ａに示す場合と同様である。
そして、図１Ｃは、定電圧素子とＭＩＴ素子の周りをそれぞれ防食及び防湿外装材により塗布し、これら２素子が横方向の一方面（接合面）において接合された構成を示す。この場合にも、定電圧素子とＭＩＴ素子は防食及び防湿外装材を介して物理的に接触されている。図１Ｃにおいて、電池の各電極端子と各接合素子の結合方式は、図１Ａに示す場合と同様である。
図１Ａないし図１Ｃに示す接合安全素子によれば、外部電圧が所定の電圧以上に上がるとき、定電圧素子の放電特性によって定電圧素子に接続された金属線を介して１次放電が起こり、定電圧素子の発熱特性によって１次放電時に定電圧素子から発せられた熱が定電圧素子と物理的に接触されているＭＩＴ素子を昇温させれば、ＭＩＴ素子に接続された金属線を介して２次放電が起こる。このため、ＭＩＴ素子は他の原因による昇温に対して独自に放電を引き起こすことはもちろん、過充電による電圧上昇に対してもそれが定電圧素子の発熱特性と結合して反応することになる。

そして、接合安全素子の各素子は、図１Ａに示すように、接合後に防食及び防湿外装材により塗布しても良く、図１Ｃに示すように、各素子を防食及び防湿外装材により塗布後に接合しても良い。

図２Ａは、本発明の他の実施の形態により接合安全素子と２次電池が結合された構成を示す。図２Ａを参照すれば、定電圧素子１とＭＩＴ素子２が横方向の一方面（接合面）において接合され、定電圧素子とＭＩＴ素子の縦方向の両端部に電気接触部５が形成され、電気接触部５を介して２次電池の正極リード１２と負極リード１１との間に接合安全素子１４の各素子が１本の共通金属線によりパラレル接続される。この場合にも、定電圧素子とＭＩＴ素子は両方とも２次電池の正極と負極との間にパラレル接続される。
そして、図２Ｂは、図２Ａの接合安全素子の周りを防食及び防湿外装材４により塗布した構成を示す。この場合にも、定電圧素子とＭＩＴ素子は防食及び防湿外装材を介して物理的に接触されている。
図２Ａ及び図２Ｂに示す接合安全素子は、定電圧素子とＭＩＴ素子が接合されてなる接合安全素子の縦方向の両端部に金属と導電性材料の電気接触部を形成し、この電気接触部を介して２次電池の正極リードと負極リードと接合安全素子を１本の共通金属線により接続することが可能であるところに特徴がある。

そして、図２Ａ及び図２Ｂに示す接合安全素子は、接合安全素子の縦方向の両端部に電気接触部を形成することにより、２次電池の正負極リードと接合安全素子の各素子を１本の共通金属線により接続すれば、定電圧素子とＭＩＴ素子のそれぞれにおいて個別の金属線を介して放電が起こるのではなく、共通する1本の金属線を介して放電が起こる。このとき、金属線と各素子の接続工程に要される半田付け工数が減るというメリットがある。

図３Ａは、本発明の他の実施の形態により接合安全素子と２次電池が結合された構成を示す。図３Ａを参照すれば、電気接触部５を介して定電圧素子１とＭＩＴ素子２が横方向の一方面（接合面）において接合され、各素子の横方向の他方面（対向面）に他の電気接触部５が形成され、定電圧素子とＭＩＴ素子の接合面の電気接触部５に２次電池の正極リード１２が接続される１本の共通金属線３が接続され、定電圧素子１とＭＩＴ素子２の横方向の他方面（対向面）にそれぞれ形成された電気接触部５に個別の金属線３を介して２次電池の負極リード１１が接続される。このため、定電圧素子１とＭＩＴ素子２は電池の正極リード１２と負極リード１１との間にパラレル接続される。

そして、図３Ｂは、図３Ａに示す接合安全素子の周りを防食及び防湿外装材４により塗布した構成を示す。この場合にも、定電圧素子とＭＩＴ素子は防食及び防湿外装材を介して物理的に接触されている。

図３Ａ及び図３Ｂに示す接合安全素子は、図２Ａ及び図２Ｂに示す接合安全素子のように接合安全素子の縦方向の両端部に電気接触部５が形成されることなく、各素子の横方向の他方面（対向面）に電気接触部５が形成される。このとき、２次電池の正極リード１２と各素子の接合面に相当する電気接触部を１本の共通金属線を介して接続し、定電圧素子とＭＩＴ素子の横方向の他方面（対向面）にそれぞれ形成された電気接触部５に金属線３を介して電池の負極リード１１が接続される。このため、定電圧素子とＭＩＴ素子は電池の正極リードと負極リードとの間にパラレル接続される。

図３Ａ及び図３Ｂに示す接合安全素子は、各素子の接合面と対向面に形成された電気接触部を介して２次電池の正負極リードと接続される。この場合、接合安全素子の電気接触部が蒸着などの方法により形成されることを考慮に入れると、図２Ａ及び図２Ｂに示すように縦方向の両端部に形成する場合よりも、２次電池の正負極リードを容易に形成することができる。

図４Ａは、本発明の一実施の形態により接合安全素子が電池パック（セル）の内部に組み込まれた構成を示し、図４Ｂは、本発明の一実施の形態により接合安全素子が電池パックの外部に取り付けられた構成を示す。

図１Ａないし図３Ｂに示す接合安全素子は、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、２次電池の正極リード１２と負極リード１１との間に接続され、電池パックの内部または外部に接続可能である。

図５は、定電圧素子の一種であるツェナーダイオードの電流−電圧特性を示すグラフである。

定電圧素子とは、所定値以上の電圧が加えられると漏れ電流が生じ、電圧超過分に対して電圧降下が起こる素子を言う。図５を参照すれば、逆方向に約３．５Ｖ以上の電圧が加えられると、漏れ電流区間に達し、電圧を高め続けると、素子が完全に破壊される区間である絶縁破壊（ｂｒｅａｋ ｄｏｗｎ）区間に達する。そして、定電圧素子の場合、低容量であるほど漏れ電流値が小さく、漏れ電流が発生し始める電圧と電流が急激に通電される電圧との間の差が小さくなる。そして、通電時には発熱現象が伴われる。定電圧素子の発熱現象については、後述する。

図６は、ＭＩＴ特性を有する物質の昇温または降温時の抵抗変化を示すグラフであり、図７は、負の温度係数（ＮＴＣ）サーミスタ素子の昇温または降温時の抵抗変化を示すグラフである。

図６を参照すれば、電池の温度を上げるとき、電池の温度が約７０℃に達すると、ＭＩＴ素子の抵抗が急減し、さらに電池の温度を下げるとき、電池の温度が約６２℃に達すると、ＭＩＴ素子の抵抗が急増して全体的にヒステリシス曲線を描くことになる。２次電池の使用温度が約５０℃ないし１５０℃であるため、ＭＩＴ素子の抵抗変化温度は、好ましくは、約５０〜１５０℃である。

図６に示すＭＩＴ素子が抵抗変化が急激に起こる様相を有することとは異なり、図７を参照すれば、ＮＴＣ素子は半導体の温度変化による抵抗変化特性を有するため、抵抗の変化が指数関数グラフの形を有する。半導体の場合、昇温に従い、伝導帯に向かって転移する電子が増え、伝導帯において移動する電子の運動量が増えるため、抵抗が低下する。このため、通常、約１３０℃の領域において汎用されるＮＴＣは、図７のような抵抗変化曲線を有する。このため、ＮＴＣサーミスタ素子は、通常、電池の使用温度領域である−２０℃ないし６０℃において漏れ電流が生じる結果、電池が放電される。このため、ＮＴＣサーミスタ素子は、使用に向いていない。

しかしながら、ＭＩＴ素子の場合、図６でのように、所定の温度において絶縁体から金属へと急激に抵抗が変わる金属・絶縁体転移特性を有するため、半導体の抵抗変化特性を有するＮＴＣ素子とは全く異なる抵抗−温度変化の様相を示す。このため、ＭＩＴ素子は、電池の通常の使用温度領域において抵抗の変化がほとんどないため、電池放電の不具合を生じることなく、安定的に使用できると共に、電池が過充電状態になってはじめて電池を放電する。この理由から、本発明においては、過充電防止のための安全素子の一要素として、ＭＩＴ素子を採択している。

図８は、定電圧素子の一種であるツェナーダイオードに１Ａの定電流を加える場合、電圧上昇による温度変化を示すグラフである。

図８より、ツェナーダイオードにおいて通電し始める時点で、昇温が起きていることが確認できる。

図９は、定電圧素子の一種であるバリスターに１Ａの定電流を加える場合、電圧上昇による温度変化を示すグラフである。
同様に、図９より、バリスターにおいて通電し始める時点で、急激な昇温が起きていることが確認できる。

本発明の一実施の形態により接合安全素子と電池が結合された構成を示す。 Ａに示す接合安全素子の周りを防食及び防湿外装材により塗布した構成を示す。 Ａに示す各素子の周りを防食及び防湿外装材により塗布後に接合した構成を示す。 本発明の他の実施の形態により接合安全素子と電池が結合された構成を示す。 Ａに示す接合安全素子の周りを防食及び防湿外装材により塗布した構成を示す。 本発明の他の実施の形態により接合安全素子と電池が結合された構成を示す。 Ａに示す接合安全素子の周りを防食及び防湿外装材により塗布した構成を示す。 本発明の一実施の形態により接合安全素子が電池パックの内部に組み込まれた構成を示す。 本発明の一実施の形態により接合安全素子が電池パックの外部に取り付けられた構成を示す。 定電圧素子の一種であるツェナーダイオードの電流−電圧特性を示すグラフ。 ＭＩＴ特性を有する物質の昇温または降温時の抵抗変化を示すグラフ。 負の温度係数（ＮＴＣ）サーミスター素子の昇温または降温時の抵抗変化を示すグラフ。 定電圧素子の一種であるツェナーダイオードに１Ａの定電流を加える場合、電圧上昇による温度変化を示すグラフ。 定電圧素子の一種であるバリスターに１Ａの定電流を加える場合、電圧上昇による温度変化を示すグラフ。

符号の説明

１：定電圧素子 ２：ＭＩＴ素子
３：金属線 ４：防食及び防湿外装材
１１：負極リード １２：正極リード
１３：２次電池 １４：接合安全素子

Claims (12)

1. 所定の電圧以上において放電／発熱特性を有する定電圧素子と、所定の温度以上において放電特性を有する金属・絶縁体転移（ＭＩＴ）素子を接合してなる、接合安全素子。
2. 前記ＭＩＴ素子の臨界温度が５０℃以上１５０℃未満である、請求項１に記載の接合安全素子。
3. 前記定電圧素子がツェナーダイオードまたはバリスターである、請求項１に記載の接合安全素子。
4. 前記定電圧素子が低容量のものである、請求項１に記載の接合安全素子。
5. 前記接合安全素子の前記定電圧素子と、前記ＭＩＴ素子の横方向の接合面に形成された電気接触部をさらに備えてなる、請求項１に記載の接合安全素子。
6. 前記接合安全素子の縦方向の両端面に形成された電気接触部をさらに備えてなる、請求項５に記載の接合安全素子。
7. 前記接合安全素子の横方向の接合面に対向する、前記定電圧素子と前記ＭＩＴ素子の横方向の対向面に形成された電気接触部をさらに備えてなる、請求項５に記載の接合安全素子。
8. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の接合安全素子において、前記定電圧素子と前記ＭＩＴ素子が、それぞれ別々の金属線を介して電池の正極リードと負極リードとの間に接続されてなる、２次電池。
9. 請求項６に記載の接合安全素子において、前記接合安全素子の縦方向の両端部の電気接触部に共通金属線を介して電池の正極リードと負極リードをそれぞれ接続してなる、２次電池。
10. 請求項７に記載の接合安全素子において、前記定電圧素子と前記ＭＩＴ素子の接合面に形成された電池接触部に共通金属線を介して電池の正極端子が接続され、前記定電圧素子と前記ＭＩＴ素子の前記接合面に対向する対向面にそれぞれ形成された電気接触部に個別の金属線を介して電池の負極端子が接続されてなる、２次電池。
11. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の接合安全素子が２次電池パックの内部において２次電池の正極リードと負極リードとの間に接続されてなる、２次電池。
12. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の接合安全素子が２次電池パックの外部において２次電池の正極リードと負極リードとの間に接続されてなる、２次電池。

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