JP2008520067A - リチウムイオン二次電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は、電極コアを保持する電極コア区画及び保護回路を保持する別個の保護回路区画を有するエンクロージャと、電極コア内の電極を保護回路内の回路と接続する端子リードとを有する、リチウムイオン二次電池に関する。エンクロージャは、プラスチック等の非導電性材料から作製される。本発明のリチウム電池は、それらのエンクロージャの材料の重量のためだけでなく、その非導電性特性により、金属部品を用いたエンクロージャに一般的に必要とされる追加的保護機能部の必要性がなくなるために、軽量である。
【選択図】図２

Description

［発明の分野］
本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。特に、本発明は、リチウムイオン二次電池用のエンクロージャに関する。
［相互参照］
本願は、中国出願番号第２００４２００９５５５８．４号の、「Lithium Ion Secondary Batteries」と題する中国特許出願（２００４年１１月１８日出願）による優先権を主張する。この出願は参照により本明細書に援用される。
［背景］
リチウムイオン二次電池は１９９０年代の成功的発展以来、比エネルギーが大きく、動作電圧が高く、自己放電率が低く、サイクル寿命が長く、且つ非汚染性であるため、次第にニッケルカドミウム電池及びニッケル水素電池等、従来のアルカリ二次電池の代わりとなってきている。リチウムイオン二次電池は、携帯電話、ノート型コンピュータ、ポータブルコンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ポータブルＤＶＤ／ＶＣＤプレーヤ及びポータブルＭＰ３プレーヤ等、最近のモバイル電子通信機器において広く使用されている。
現在、市販のリチウムイオン電池パックは、電極コア及び電解液を保持する金属シェル及びカバー、並びに保護回路及びプラスチック外殻等の他の装備品から成っている。このようなタイプの電池パックにはいくつかの不都合点がある。
第一に、金属シェルとその内容物との組み立てが複雑である。金属シェルの形成には、複数の切り込みに加え、縁部切り落とし、濯ぎ、及び熱乾燥が必要とされる。カバーを形成するにはスタンピング及び部分射出成形が必要となる。さらに、電極柱とカバーとの組み立てにも、複数のプロセスが必要となる。組み立ての複雑性の増大とともに、金属シェル及びカバーの製造の複雑性は、障害（complications）、製造サイクルの延長、及び高い製造コストを生じさせる。
電極コアと導電性金属シェル及びカバーとの間に短絡が生じ易い可能性があり、その結果、安全性の問題が生じる。これを解消するにはいくつかの形式の保護方法が採用される必要があり、このこともまた、電池の複雑性及び製造コストを増大させる。
第三に、金属シェル及びカバー板（それらの内容物ともども）、及び補助的な保護設備は全て、電池パッケージの内側に配置される必要がある。このため、重量及び体積が著しく増大し、電池の重量エネルギー密度及び体積エネルギー密度が減少する。今日の、高容量、軽量、且つ低コストの電池の必要性に伴い、この課題の早急な解決策が必要とされている。
第四に、このような電池構成の内側には複数の相互溶接スポットがある。これらの溶接スポットは、負極タブと接続板との間、接続板とカバー板との間、正極とカバーとの間等の接点に生じる。これらは、内部抵抗、発熱、及び潜在的な問題が浮上する可能性を増大しかねない。
したがって、従来技術には限界があるため、軽量であり、高エネルギー密度を有し、製造が簡単であり、コストの低い、新規のリチウムイオン二次電池が望ましい。
［発明の概要］
本発明の一目的は、高エネルギー密度を有する軽量なリチウムイオン二次電池を提供することである。
本発明の他の目的は、構造が単純で製造が容易であるとともに安価であるリチウムイオン二次電池を提供することである。
本発明は、電極コアを保持する電極コア区画及び保護回路を保持する別個の保護回路区画を有するエンクロージャと、電極コアと、保護回路と、電解液と、電極コア内の電極を保護回路内の回路と接続する端子リードとを有する、リチウムイオン二次電池に関する。エンクロージャは、プラスチック等の非導電性材料から作製される。本発明の利点は、本発明の実施形態であるリチウムイオン電池が単純な構造を有し、製造が容易であるとともに安価であるという点である。
本発明の他の利点は、本発明の実施形態であるリチウムイオン電池が、軽量であるとともに高エネルギー密度を有するという点である。
本発明の上記及び他の目的、態様、及び利点は、添付の図面とともに説明されれば本発明の好適な実施形態の以下の詳細な説明からより良好に理解されるであろう。
［発明の詳細な説明］
本発明のリチウムイオン二次電池の現時点で好適な実施形態は、保護回路を保持する区画（第１の区画すなわち保護回路コア区画）、電極コアを保持するもう一方の別個の区画（第２の区画すなわち電極コア区画）、及び電解液を有する、エンクロージャを備える。エンクロージャは、１つ又は複数のエンクロージャカバーを有し得る。これらのカバーは、エンクロージャ及び区画を覆い、好ましくは、これらの区画を密閉する。
好適な実施形態では、エンクロージャは、１つが電極区画を覆い（第２のカバー）、もう１つが保護回路区画を覆う（第１のカバー）、２つのカバーを有する。エンクロージャの材料（第１の非導電性材料）、一般的にエンクロージャカバー（複数可）の材料（第２の非導電性材料）、第１のカバーの材料（第３の非導電性材料）、及び第２のカバーの材料（第４の非導電性材料）は全て、プラスチック等の非導電性である材料から作製されることができる。第１の導電性材料、第２の導電性材料、第３の導電性材料、及び第４の導電性材料は、ポリテン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、パーフルオロアルコキシアルカン、ポリアミド、及びポリカーボネートから選択される１つ又は複数の材料とすることができる。
好適な実施形態では、エンクロージャカバー及びエンクロージャは、溝と突起による方式によって嵌合するとともに密閉される。すなわち、エンクロージャは、溝又は突起を有し、エンクロージャカバーは、エンクロージャがエンクロージャカバーによって覆われる際に突起（単数又は複数）が上記溝（単数又は複数）に挿入されるように、対応する突起又は溝を有する。電極コア区画及び保護回路区画が別個の第２のカバー及び第１のカバーを有する実施形態では、好ましくは、第２のカバー及び電極コア区画が溝と突起による方式によって嵌合するとともに密閉される。最適には、第１のカバー及び保護回路区画もまた、溝と突起による方式によって嵌合されるとともに密閉される。好適な実施形態では、電極コア区画はカバーと一緒に、完全に密閉される。完全な密閉を達成するための１つの方法は、溶接を用いることである。好適な溶接方法は、超音波溶接及び高周波溶接を含む。第１の区画及びそのカバーは、多くの異なる手段によって結合することができる。接続手段の例としては、機械的接続、溶接、又は接着がある。好適な方法は超音波溶接、高周波溶接、又は接着剤の使用である。
安全機能等の追加機能をエンクロージャに付与することができる。例えば、射出成形等の方法によりエンクロージャを形成している間、カバー又は１つ以上の区画に圧力逃し弁を形成することができる。
いくつかの実施形態では、保護回路は、過充電又は過放電を防止するためにリチウムイオン二次電池において一般的に使用される保護回路板を含むことができる。保護回路はまた、過熱又は大電流を防止するために、回路を遮断又は切り換える部品を含むこともできる。保護回路は、正極及び負極の接点タブに接続される。
多くのタイプの電極コアを用いることができる。一実施形態では、正極板、仕切り膜、及び負極板を連続層になるように巻回及びスタックすることによって作製された電極コアを用いる。一実施形態では、正極板及び負極板は、それぞれ誘導電流を生成することできる正極タブ及び負極タブに接続される。電極コアは、保護回路に電気的に接続される。次いで、電極コアの正極タブ及び負極タブは、正極及び負極のために端子リードによって保護回路の正極板及び負極板に電気的に接続される。
上記第２の区画との正極及び負極の上記端子リードの接点は、ホットメルトによって密閉される。さらに、この接点は、用いられる電解液中で密閉ゲルが安定したままであることができる限り、当該密閉ゲルによっても覆うことができる。
電解液を注入するための注入孔（注入口）は、電極コア区画又は区画用のカバーに配置することができる。注入孔の密閉には、金属エンクロージャに慣行的に用いられるのと同じ密閉機構を使用することができる。例えば、注入口用シーラーを使用することができる。この注入シーラーは金属リベット、金属ビーズ、又はプラスチックリベット等の非導電性リベットとすることができる。上記非導電性リベットの材料は、ポリテン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、パーフルオロアルコキシアルカン、ポリアミド、及びポリカーボネートから成る非導電性材料の群から１つ又は複数とすることができる。
非導電性エンクロージャを備えた、本発明のいくつかの実施形態は、金属シェル及びプラスチックシェルの双方を含む従来のエンクロージャに比して多くの利点を提供する。本発明の実施形態は単純な構造を有する。このようなタイプの非導電性エンクロージャは、金属シェル、及び従来の電池の電極コアの保護に必要とされる補助的な機能の代わりとなる。このことは、電池のスペース及び重量を著しく節減し、電池のエネルギー密度を増大させる。さらに、本発明の非導電性エンクロージャを製造する技術が大幅に単純化される。射出成形等の単純な技術を用いて、非導電性エンクロージャを作製することができる。さらに、非導電性であるエンクロージャでは、缶詰化、分離リングの設置、及びレーザ溶接等、金属部品を用いるエンクロージャに必要とされるプロセスがもはや必要とされなくなる。
また、非導電性エンクロージャの使用により、電池の安全性も改善される。圧力逃し安全機能部等の追加機能部を、コストをほとんど又は全く増大せずにエンクロージャのどこへでも容易に追加することができる。
さらに、これらの実施形態はまた、電池に必要とされる溶接スポットの数も減らす。これにより、内部抵抗が下がり、電池の大電流放電性能が改善される。
以下、図１〜図５に示す本発明の好適な実施形態の作製方法及び構造をさらに説明する。
この実施形態では、リチウムイオン電極コア８は、正極板、仕切り膜、及び負極板を連続層になるようにスタックする従来の方法によって作製される。次いで、リチウムイオン電極コアが、正極及び負極のために端子リードを有するエンクロージャの電極コア区画に配置される。次いで、電極コア８の正極タブ１２及び負極タブ１４が電極コア区画１の正極及び負極の端子リード３、４に、溶接によって接続される。次いで、電極コア区画は、当該電極コア区画の対応する溝１０に挿入される突起９を有する、電極コア区画用のプラスチックカバー６で覆われる。電極コア区画はカバーと一緒に超音波溶接によって完全に密閉される。電解液が注入孔又は注入口５を介して注入される。注入後、プラスチックリベットを用いて注入孔５を密閉し、電極コア区画の組み立てが完了する。
従来の方法を用いて、保護回路の正極及び負極の接片を、溶接によって保護回路区画２内の正極及び負極の端子リード３’、４’の導電端に接続する。次いで、保護回路区画２を覆い、プラスチックカバー７に溶接して、保護回路区画の組み立てを完了する。このようにして、図１に示すように組み立てられたリチウムイオン二次電池は、充電できる状態となる。
区画間の密閉が確実に維持されるように端子リードを固定するには、いくつかの好適な方法がある。プレハブ式では、端子リードは、非導電性材料の部品によって中央部分が密閉されていることによって作製される。次いで、このプレハブ型端子リードは、２つの区画間のプレカットされたスロットに挿通されて、適所に溶着される。この方法により、端子リードの非導電性中央部分は、区画と同じ材料とすることができ、電池の製造プロセスの際に容易に適所に溶着することができるため、密閉プロセスが単純となる。
端子リードを固定するさらに他の好適な方法は、区画間にスロットを直接プレカットすること（直接カット法）である。シーラントを先ずスロットに加え、端子リードをプレカットスロットに挿入し、シーラントを再びスロットに加える。この方法では、プレカットスロットの位置は選択的に設計されてもよい。図示のように、好適な実施形態では、端子リードは平板ストリップであり、この平板ストリップは区画間の平坦なプレカットスロットに配置される。
好適な実施形態において用いられる端子リードは、導電ストリップ、ワイヤストランド、又はソリッドワイヤとすることができることを理解されたい。代替的な好適な実施形態では、端子リードは、接触面を設けるために両端が平坦にスタンピングされた丸型ソリッドワイヤである。丸型端子リードは、プレハブ式又は直接カット法のいずれかによって適所に配置することができる。丸型ソリッドワイヤを用いる一利点は、振動しやすい環境においてより良好な密閉を維持することができるという点である。
他の実施形態では、２つの区画を接続する端子リードは、直線状ではない。一実施形態では、端子リードは「ｓ」波状に配置される。さらに他の実施形態では、端子リードは「Ｌ」字状に配置される。両者の場合とも、直線状に端子リードを配置するよりも、良好な密閉性を維持することができる。
本発明をいくつかの特定の好ましい実施形態を参照して説明してきたが、本発明がこのようないくつかの特定の実施形態に限定されないことを理解すべきである。むしろ、本発明は、特許請求の範囲に反映される最も広義の意味で理解及び解釈されることが、本発明者等の意図である。したがって、これらの特許請求の範囲は、本明細書に記載されている好ましい実施形態のみならず、当業者にとって明らかな、それらの実施形態の他の及びさらなる代替形態及び変更形態を全て援用していると理解すべきである。
本発明の一実施形態であるリチウムイオン二次電池の図である。 本発明の一実施形態であるリチウムイオン二次電池のエンクロージャの構造図である。 本発明の一実施形態であるリチウムイオン二次電池の電極コアの構造図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態であるリチウムイオン二次電池のカバーの構造図である。（ｂ）は、本発明の一実施形態であるリチウムイオン二次電池の他のカバーの構造図である。 本発明の一実施形態であるリチウムイオン二次電池のエンクロージャシェル及びカバーの断面図である。
符号の説明
１ 電極コア区画
２ 保護回路区画
３、３’及び４、４’ 正極及び負極の端子リード
５ 注入口
６ 上記電極コア区画用のカバー
７ 上記保護回路区画用のカバー
８ 電極コア
９ カバーの突起
１０ 突起９に対応する溝
１２ 正極接点タブ
１４ 負極接点タブ

Claims (20)

  1. リチウムイオン二次電池であって、
    第１の区画及び第２の区画を有するエンクロージャ、
    保護回路、及び
    電極コアを備え、
    前記エンクロージャは第１の非導電性材料から作製され、前記第１の区画は前記保護回路を保持し、前記第２の区画は前記電極コアを保持する、リチウムイオン二次電池。
  2. 前記エンクロージャ用の１つ又は複数のエンクロージャカバーをさらに備え、該エンクロージャカバーは第２の非導電性材料から作製される、請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
  3. 前記第１の区画用の第１のカバー及び
    前記第２の区画用の第２のカバーをさらに備え、
    前記第１のカバーは第３の非導電性材料から作製され、前記第２のカバーは第４の非導電性材料から作製される、請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
  4. 前記電極コアの電極は、前記保護回路に電気的に接続される、請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
  5. 端子リードをさらに備え、前記電極コアの正極及び負極は、該端子リードによって前記保護回路に接続される、請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
  6. 注入口用シーラーをさらに備え、
    前記第２の区画は注入口を有し、
    前記注入口用シーラーは前記注入口を密閉し、
    前記注入口用シーラーはリベット又は金属ビーズのいずれかである、請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
  7. 注入口用シーラーをさらに備え、
    前記第２のカバーは注入口を有し、
    前記注入口用シーラーは前記注入口を密閉し、
    前記注入口用シーラーはリベット又は金属ビーズである、請求項３に記載のリチウムイオン二次電池。
  8. 前記エンクロージャカバー及び前記エンクロージャは、溝と突起によって嵌合するとともに密閉される、請求項２に記載のリチウムイオン二次電池。
  9. 前記第２のカバー及び前記第２の区画は、溝と突起によって嵌合するとともに密閉される、請求項３に記載のリチウムイオン二次電池。
  10. 前記第１の区画と前記第２の区画との間の密閉が維持される、請求項５に記載のリチウムイオン二次電池。
  11. 前記第１の区画と前記第２の区画との間の密閉が、プレハブ型端子リードを溶着することによって維持される、請求項５に記載のリチウムイオン二次電池。
  12. 前記端子リードは、各端が平坦にスタンピングされたソリッドワイヤである、請求項５に記載のリチウムイオン二次電池。
  13. 前記端子リードは、前記第１の区画及び前記第２の区画を接続する際に波状に配置される、請求項５に記載のリチウムイオン二次電池。
  14. 前記端子リードは、前記第１の区画及び前記第２の区画を接続する際に「Ｌ」字状に配置される、請求項５に記載のリチウムイオン二次電池。
  15. 前記第１の非導電性材料、前記第３の非導電性材料、及び前記第４の非導電性材料はそれぞれ、ポリテン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、パーフルオロアルコキシアルカン、ポリアミド、及びポリカーボネートから成る群から選択される１つ又は複数の非導電性材料である、請求項３に記載のリチウムイオン二次電池。
  16. 前記リベットは金属リベット又は非導電性リベットであり、該非導電性リベットは、ポリテン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、パーフルオロアルコキシアルカン、ポリアミド、及びポリカーボネートから成る群から選択される１つ又は複数の非導電性材料から作製される、請求項６に記載のリチウムイオン二次電池。
  17. 注入口用シーラーをさらに備え、
    前記第２の区画又は前記第２のカバーは注入口を有し、
    前記注入口用シーラーは前記注入口を密閉し、
    前記注入口用シーラーはリベット又は金属ビーズである、請求項１５に記載のリチウムイオン二次電池。
  18. 前記第２のカバー及び前記第２の区画は、溝と突起によって嵌合するとともに密閉される、請求項１５に記載のリチウムイオン二次電池。
  19. 前記リベットは金属リベット又は非導電性リベットであり、該非導電性リベットは、ポリテン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、パーフルオロアルコキシアルカン、ポリアミド、及びポリカーボネートから成る群から選択される１つ又は複数の非導電性材料から作製される、請求項１７に記載のリチウムイオン二次電池。
  20. リチウムイオン二次電池であって、
    第１の区画及び第２の区画を有するエンクロージャと、
    保護回路と、
    電極コアと、
    前記第１の区画用の第１のカバーと、
    前記第２の区画用の第２のカバーと、
    端子リードと、
    注入口用シーラーとを備え、
    前記第１の区画は前記保護回路を保持し、
    前記第２の区画は前記電極コアを保持し、
    前記電極コアの正極及び負極は、前記端子リードによって前記保護回路に接続され、
    前記エンクロージャは第１の非導電性材料から作製され、
    前記第１のカバーは第３の非導電性材料から作製され、
    前記第２のカバーは第４の非導電性材料から作製され、
    前記第２の区画又は前記第２のカバーは注入口を有し、
    前記注入口用シーラーは前記注入口を密閉し、該注入口用シーラーはリベット又は金属ビーズであり、
    前記第２のカバー及び前記第２の区画は、溝と突起によって嵌合するとともに密閉され、
    前記端子リードは、前記第１の区画及び前記第２の区画を電気的に接続し、該第１の区画と該第２の区画との間の密閉が維持され、
    前記第１の非導電性材料、前記第３の非導電性材料、及び前記第４の非導電性材料は、ポリテン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、パーフルオロアルコキシアルカン、ポリアミド、及びポリカーボネートから成る群から選択される１つ又は複数の非導電性材料であり、
    前記リベットは金属リベット又は非導電性リベットであり、該非導電性リベットは、ポリテン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、パーフルオロアルコキシアルカン、ポリアミド、及びポリカーボネートから成る群から選択される１つ又は複数の非導電性材料から作製される、リチウムイオン二次電池。
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