JP2008529237A - 難燃剤接着性部材を有する小型バッテリーパック - Google Patents

Abstract

難燃剤接着性部材を有する小型バッテリーパックである。バッテリーセルに対して外側にある接着性部材、例えばバッテリーセルと、バッテリーセルを中に取り付けるバッテリーパックケースとの間の接着に使用する両面接着性テープ、包装部材をバッテリーセルまたはバッテリーパックケースに取り付けるのに使用する接着剤、等、に難燃性を付与した小型バッテリーパックを提供する。本発明により、バッテリーの機能的部品に悪影響を及ぼさずに、余分な空間を必要とせずに、さらに、バッテリーパックの製造工程を変えずに、あるいは新しい方法を加えずに、難燃性が改良されたバッテリーパックを製造することができる。

Description

発明の分野

本発明は、難燃剤接着性部材を有する小型バッテリーパックに関する。より詳しくは、本発明は、バッテリーセルに対して外側にある接着性部材、例えばバッテリーセルとバッテリーパックケースとの間の接着に使用する両面接着性テープ、包装部材をバッテリーセルまたはバッテリーパックケースに取り付けるのに使用する接着剤、等、に難燃性を付与することにより、バッテリーパックの発火を防止または抑制することができる小型バッテリーパックに関する。

発明の背景
モバイル装置の技術開発及び需要増加により、エネルギー供給源として二次バッテリーの需要が急速に伸びている。これらの二次バッテリーの中で、リチウム二次バッテリーに多くの調査及び研究が集中しており、そのようなリチウム二次バッテリーは商業化され、広く使用されている。

そのようなリチウム二次バッテリーが抱える最も重大な問題の一つは、バッテリーの安全性が低いことである。リチウム二次バッテリーは、様々な状況下で、例えば過充電、外部供給源からの加熱、物理的変形、等の下で発火の危険性にさらされ易い。そのような発火の危険性の原因となる過充電を防止するため、及び物理的変形により引き起こされる内部短絡を防止するために、様々な方法が提案されている。しかし、そのような様々な防止手段にも関わらず、発火を阻止できる、または発火した時に、燃焼の進行を少なくとも抑制することができる手段が依然として求められている。

他方、燃焼を防止及び抑制するために、問題とする材料の一部に難燃剤を添加する技術が様々な分野で広く使用されている。例えば、プラスチック複合体に添加された難燃剤は、火災が発生した時に、難燃剤が消火ガスを発生するか、または融解して複合体の表面上に酸素遮蔽被膜を形成する様式で燃焼抑制効果を発揮する。従って、難燃剤の使用は、燃焼の防止及び抑制に関して非常に効果的であることが立証されている。

さらに、そのような難燃剤の使用により燃焼を防止及び抑制するための多くの方法がバッテリーの分野で提案されている。例えば、先行技術は、リン酸エステルを電解質に添加する方法を開示しており、日本国公開第１９９９−１５４５３５号は、リン酸アンモニウムを電極、例えばアノードまたはカソード、の中に配合する方法を開示している。事実、これらの方法は、優れた燃焼抑制能力を与えることができるが、二次バッテリーの主要機能部品にそのような難燃剤を直接付けることにより引き起こされるバッテリー性能の低下に関連する不可避な問題があるのが難点である。

そのような問題を考慮して、難燃剤を、バッテリーの作動に影響しない部品または空間に加える方法を考えることができる。しかし、充電／放電可能な電極アセンブリーを中に含むバッテリーセルが特定のパックケースの中に取り付けられている構造を有する二次バッテリーには、バッテリーセルを包含する様々な部品がパックケースの限られた空間の中に緻密に配置されており、他の部品を加えることが非常に難しくなっている。すなわち、上記のように、バッテリーの主要機能部品に加えずに、バッテリーパックに他の部品を加えるための余分な空間は非常に限られている。

そのような余分の空間を確保するためのバッテリーパックの構造的変形または修正により、バッテリーパックのサイズはさらに増加することになるが、これは、バッテリーパックの小型化、スリム化及び重量低下に絶えず突き進む現在の開発傾向に逆行するので好ましくない。さらに、バッテリーセルの、カソード／セパレータ／アノードから構成される電極アセンブリーが電解質に含浸された状態でバッテリーケース中に収容されている内側空間には、バッテリーの機能部品に影響を及ぼさずに難燃剤を加えるための余分な空間は実質的に存在しない。

一方、バッテリーパックを構成する部品の中で、バッテリーパックが発火した時に燃焼し得る材料から製造された幾つかの構造的部品がある。そのような燃焼可能な材料は、一般的に化学的物質、例えば熱可塑性樹脂、からなり、毒性ガス及び可燃性ガスを発生しながら燃焼し、これがバッテリーパックの燃焼をさらに促進する。

従って、難燃剤を電解質、カソードまたはアノード活性材料、等に直接加えずに、さらに難燃剤を加えるための余分な空間を必要とせずに、バッテリーパックに難燃性を付与することができる技術を開発することが緊急に求められている。

従って、本発明は、上記の問題及びまだ未解決の他の問題を解決するためになされたものである。

上記の問題を解決するための広範囲で集中的な研究及び実験の結果、本発明者らは、小型バッテリーパックの製造に使用される接着性部材が一般的に可燃性であり、さらに、そのような接着性部材に難燃剤が添加されているか、または接着性部材が難燃性材料から製造されている場合、バッテリーの機能的部品に悪影響を及ぼさずに、余分な空間を必要とせずに、さらに、バッテリーパックの製造方法を変えずに、または新しい工程を加えずに、難燃性が改良されているバッテリーパックを製造できることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成された。

発明の概要
本発明の一態様で、上記の、及び他の目的は、難燃性を付与した接着性部材をバッテリーセルの外側に有するバッテリーパックを提供することにより達成することができる。

上で考察したように、バッテリーセルの構造的部品、すなわちカソード、アノード、セパレータ及び電解質、及びこれらのバッテリーセル部品が中に密封された状態で収容されているバッテリーケースの内側空間では、バッテリーの作動に直接影響を及ぼさずに難燃性を付与するための別の空間は無い。

これに対して、バッテリーセルの外側では、バッテリーの作動に悪影響を及ぼさずに難燃性を付与するために取り付けることができる幾つかの材料がある。例えば、小袋形バッテリーセルでは、バッテリーセルを保護するためにバッテリーセルの外側表面上に取り付けるパックケースは、バッテリーセルを中に収容できる長方形のパックケース本体、パックケース本体の中に収容されている状態でバッテリーセルの上に載せるキャップアセンブリー、及びパックケース本体の開いた上部を閉鎖するためのパックケースカバーから構成される。キャップアセンブリーは、バッテリーの作動に直接関与するのに対し、パックケース本体及びカバーは、バッテリーセル及びキャップアセンブリーを外部環境から保護する。従って、難燃剤をパックケース本体及びカバーに加える方法を考えることができる。この理由から、不燃性材料、例えばステンレス鋼、を使用してパックケース本体及び／またはカバーを製造する方法、または難燃剤をプラスチック材料に添加する方法が考えられる。しかし、難燃剤を可燃性材料に添加する後者の方法は、機械的特性、例えば強度、を低下させ、それによって、パックケース本来の特別な機能を損なうことがある。

しかし、本発明は、小袋形バッテリーセルをパックケース中に安定して固定するのに使用される両面接着性テープ、小袋形バッテリーセルのパックケースの外側表面を取り囲む包装部材または正方形バッテリーセルの外側表面を取り囲む包装部材を取り付けるのに使用される接着剤、等、に難燃性を付与することにより、所望の目的を達成する。両面接着性テープは、バッテリーセル及びバッテリーケースの両方に接着し、それによって、外部の衝撃により振動させることなく、バッテリーセルの固定状態を維持するのに役立つ。さらに、上記の接着剤は、包装部材をバッテリーセルまたはパックケースに取り付けるのに役立つ。そのような両面接着性テープ及び接着剤を包含する接着性部材は、それらの独自の接着力により上記の目的を達成するので、難燃剤の添加または難燃性材料の使用により引き起こされる機械的特性の低下が、接着性部材固有の機能を損なうことはない。

例えば、両面接着性テープは、一般的に十分な靱性を有するベースフィルム及びそのベースフィルムの両側に塗布された接着剤層から構成されるのに対し、包装部材は、上記のベースフィルム及びそのベースフィルムの片側に塗布された接着剤層から構成される。一般的に、ベースフィルムは、樹脂フィルム、例えばポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、等から形成され、接着剤層は、アクリル材料、ウレタン材料、等から形成される。本発明の一実施態様により、難燃性は、難燃剤をベースフィルム及び／または接着剤層に添加することにより、あるいは難燃性材料を使用してそのようなベースフィルム及び／または接着剤層を製造することにより、確保することができる。難燃剤を添加する場合、難燃剤の含有量は、ベースフィルム及び接着剤層の機能を損なわずに、難燃性を付与できる範囲内で決定することができる。同様に、ベースフィルム及び接着剤層を難燃性材料から製造する場合、ベースフィルム及び接着剤層の機能を過度に低下させずに、難燃性を付与できる好適な材料を選択するとよい。好ましい実施態様では、接着剤層に難燃剤を添加することにより、または難燃性材料を使用して接着剤層を形成することにより、両面接着性テープに難燃性を付与することができる。

難燃剤としては、ハロゲン系難燃剤、リン系難燃剤及び無機難燃剤を使用することができる。必要であれば、これらの材料は、単独で、またはいずれかの組合せで使用できる。

ハロゲン系難燃剤は、一般的に気相を発生するラジカルを実質的に安定化することにより、難燃性効果を発揮する。ハロゲン系難燃剤の例には、トリブロモフェノキシエタン、テトラブロモビスフェノール−Ａ（ＴＢＢＡ）、オクタブロモジフェニルエーテル（ＯＢＤＰＥ）、臭素化されたエポキシ、臭素化されたポリカーボネートオリゴマー、塩素化されたパラフィン、塩素化されたポリエチレン及び脂環式塩素系難燃剤が挙げられる。

リン系難燃剤は、一般的に、熱分解によりポリ−メタリン酸を発生し、生じたポリ−メタリン酸が保護層を形成するか、またはポリ−メタリン酸の発生により起こる脱水作用により形成された炭素皮膜が酸素を遮断する様式で難燃性効果を発揮する。リン系難燃剤の例には、赤リン、リン酸塩、例えばリン酸アンモニウム、ホスフィンオキシド、ホスフィンオキシドジオール、ホスファイト、ホスホネート、トリアリールホスフェート、アルキルジアリールホスフェート、トリアルキルキルホスフェート及びレゾルシノールビスジフェニルホスフェート（ＲＤＰ）が挙げられる。

無機難燃剤は、一般的に、熱分解を受けて不燃性ガス、例えば水蒸気、二酸化炭素（ＣＯ_２）、二酸化硫黄及び塩化水素、を放出し、吸熱反応を誘発し、それによって可燃性ガスを希釈して酸素の到達を阻止し、そのように誘発された吸熱反応により可燃性ガスが冷却され、熱分解生成物の発生を抑える様式で難燃性効果を発揮する。無機難燃剤の例には、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化アンチモン、水酸化スズ、酸化スズ、酸化モリブデン、ジルコニウム化合物、ホウ酸塩、カルシウム塩、等が挙げられる。

好適であれば、上に例示した難燃剤との混合物として使用した時に難燃性相乗的効果を誘発することができる他の添加剤をさらに包含することができる。

難燃性を付与した両面接着性テープとしては、ST#9553（Lihwa Corporation、韓国）が市販されている。難燃性接着剤テープの例は、韓国特許登録第３１５１３０号から公知である。従って、上記の従来製品及び技術を難燃性接着性部材と関連して、ここにその全体を参考として含める。

本発明のバッテリーパックにおけるバッテリーセルは、特に制限は無く、好ましくはバッテリーの安全性に関連する難点がある二次バッテリー、特にリチウム二次バッテリー、例えばリチウムイオン二次バッテリー及びリチウムイオン重合体二次バッテリー、でよい。さらに、バッテリーセルには、そのバッテリーセルがバッテリーパックケースの内側に取り付けられるか、またはバッテリーセルもしくはパックケースが包装部材により収容される限り、特に制限は無いので、本発明に適用できるバッテリーパックは、小袋形及び正方形バッテリーパックの両方を包含することができる。

本発明は、単位バッテリーとして複数のバッテリーセルを使用して形成される中型及び大型バッテリーパックの両方にも、そのようなバッテリーパックに接着性部材が使用される限り、適用できる。

本発明の好ましい実施態様

本発明の上記の、及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら記載する下記の詳細な説明により、より深く理解される。

ここで、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様を説明するが、本発明の範囲を制限するものではない。

図１〜３は、小袋形バッテリーセルがバッテリーパックケースの内側に収容され、固定されている、本発明の代表的な実施態様の透視図、部分的組立図及び分解組立透視図を図式的に示す。

図１及び２に関して、小型バッテリーパック１００は、カソード、アノード及びセパレータから構成された電極アセンブリー、及び電解質が小袋形バッテリーケース２１０の中に密封された状態で中に収容されている長方形バッテリーセル２００、バッテリーセル２００を収容できる内側空間を有するパックケース本体３００、及びバッテリーセル２００が中に収容されているパックケース本体３００と結合することにより、バッテリーセル２００を密封するためのパックケースカバー４００を備えてなる。

一般的に、そのような型のバッテリーパック１００は、それぞれプラスチック材料、例えばポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、等から製造されたパックケース本体３００とカバー４００との間を、超音波溶接方法を使用して結合することにより、組み立てられる。超音波溶接方法は、高周波、例えば２０，０００Ｈｚにおける機械的振動により発生した摩擦熱を使用して２個の接合表面溶融結合させる方法である。

図３に関して、カソードタップ２２０及びアノードタップ２３０がバッテリーセル２００から露出している。カソードタップ２２０は、カソードリード線５１０を通して保護回路モジュール（ＰＣＭ）５００に接続されているのに対し、アノードタップ２３０は、正温度係数（ＰＴＣ）素子５３０に接続されたアノードリード線５２０を通してＰＣＭ５００に接続されている。

パックケースカバー４００は、日本工業標準に従うステンレス鋼材料の一種であるＳＵＳ（Steel Use Stainless）材料から製造されている。従って、カバー４００がＰＣＭ５００、電極リード線２２０及び２３０及び／またはＰＴＣ５３０と接触すると、電気的短絡が起こることがあるので、絶縁部材６００及び６１０がそれらの間に設置されている。さらに、両面接着性テープ７００がパックケース本体３００とバッテリーセル２００との間、及びパックケースカバー４００とバッテリーセル２００との間に配置されているので、バッテリーセル２００を、パックケース本体３００及びカバー４００の中に収容された状態で安定して固定することができる。

本発明は、そのような両面接着性テープ７００及び７１０が難燃性を付与されており、それによって、バッテリーパック１００の燃焼を防止し、燃焼が起きても、それ以上の燃焼進行を抑制することを特徴とする。両面接着性テープ７００及び７１０は、バッテリーセル２００及びパックケース本体３００及びパックケースカバー４００を一体的に固定し、従って、バッテリーの作動との直接的な接続はない。さらに、そのような接着剤テープが接着力を発揮する限り、それらのテープは優れた機械的強度、例えば高い靱性、を必要としない。このようにして、本発明の所望の目的を達成することができる。

図４は、そのような両面接着性テープの断面図を図式的に示す。この図では、分かり易くするために、テープの幅に対する断面厚さを誇張している。

ここで図４に関して、両面接着性テープ７００に示すように、例えばアクリル系材料から形成された接着剤層７２０及び７２２が、ベースフィルム７１０、例えばポリエステルフィルム、の両側に塗布されており、保護性剥離ライナー７３０及び７３２が、接着剤層７２０及び７２２のそれぞれに取り付けられている。図３に示すように、両面接着性テープ７００をバッテリーセル２００及びパックケース本体３００及びパックケースカバー４００に取り付けるには、先ず第一剥離ライナー７３０を除去し、こうして露出した第一接着剤層７２０を、バッテリーセル２００の底部表面またはパックケース本体３００の上部表面に取り付ける。その後、接着剤テープの外側表面を形成する第二剥離ライナー７３２を除去し、第二接着剤層７２２を露出させ、次いでこの第二接着剤層を対応する表面、すなわちパックケース本体３００の上部表面またはバッテリーセル２００の、両面接着性テープ７００を取り付けていない底部表面に取り付ける。上記のようにバッテリーセル２００をパックケース本体３００に取り付けた状態で、パックケースカバー４００をバッテリーセル２００の上部表面に取り付け、上記様式と同様に、バッテリーセル２００とパックケース本体とカバー３００及び４００の間の結合を完了させる。

このように本発明は、ベースフィルム７１０または接着剤層７２０及び７２２に、もしくはそれらの両方に難燃性を付与することにより、安全性が改良された二次バッテリーを提供する。前に例示したように、難燃性の付与は、難燃剤をベースフィルム７１０及び／または接着剤層７２０及び７２２に添加することにより、あるいはそのようなベースフィルム及び／または接着剤層を難燃性材料を使用して製造することにより、実現することができる。

産業上の利用可能性
上記の説明から明らかなように、本発明により、バッテリーの機能的部品に悪影響を及ぼさずに、余分な空間を必要とせずに、さらに、バッテリーパックの製造工程を変えずに、あるいは新しい方法を加えずに、難燃性が改良された小型バッテリーパックを製造することができる。

本発明の好ましい実施態様を例示のために開示したが、当業者には明らかなように、請求項に記載する本発明の範囲及び精神から離れることなく、様々な修正、追加及び置き換えが可能である。

図１は、本発明の一実施態様による小型バッテリーパックの透視図である。 図２は、図１の部分組立図である。 図３は、図１の分解組立透視図である。 図４は、本発明の一実施態様により使用される難燃性両面接着性テープを図式的に示す断面図である。

Claims (11)

1. 小型バッテリーパックであって、
   カソード、アノード、セパレータ及び電解質から構成された電極アセンブリーと、並びに、前記電極アセンブリーを中に密封した状態で含むバッテリーパックケースとを備えてなるバッテリーセルの外側に、難燃剤接着性部材を有する、小型バッテリーパック。
2. 前記接着性部材が、前記バッテリーセルと、前記バッテリーセルを収容する前記バッテリーパックケースとの間を接着するための両面接着性テープである、請求項１に記載のバッテリーパック。
3. 前記接着性部材が、包装部材を前記バッテリーセルの外側表面またはバッテリーパックケースに取り付けるための接着剤である、請求項１に記載のバッテリーパック。
4. 前記両面接着性テープが、ベースフィルム及び前記ベースフィルムの両側に塗布された接着剤層から構成されてなり、
   難燃剤を、前記ベースフィルム又は接着剤層に、若しくは前記ベースフィルム及び接着剤層に添加することにより、或いは難燃性材料を使用して前記ベースフィルム及び／または接着剤層を製造することにより、難燃性が付与される、請求項２に記載のバッテリーパック。
5. 前記接着剤が、前記包装部材の片側に塗布された接着剤層である、請求項３に記載のバッテリーパック。
6. 前記難燃剤が前記接着剤層に添加され、それによって難燃性が付与される、請求項４又は５に記載のバッテリーパック。
7. 前記ベースフィルム又は包装部材がポリエステルフィルムであり、前記接着剤層がアクリル材料から形成されるものである、請求項４又は５に記載のバッテリーパック。
8. 前記バッテリーセルが二次バッテリーである、請求項１に記載のバッテリーパック。
9. 前記二次バッテリーがリチウム二次バッテリーである、請求項８に記載のバッテリーパック。
10. 前記バッテリーセルが小袋形バッテリーセル又は正方形バッテリーセルである、請求項１に記載のバッテリーパック。
11. 中型及び大型バッテリーパックであって、
    カソード、アノード、セパレータ及び電解質から構成された電極アセンブリーと、並びに、前記電極アセンブリーを中に密封された状態で含むバッテリーケースを備えてなるバッテリーセルを複数備えてなり、前記バッテリーセルの外側にある接着性部材に難燃性が付与されてなる、中型及び大型バッテリーパック。

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