JP2009187895A - 組電池および電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】 容積および重量を小さく保ちながら単電池の電極タブ間の接続を容易にした組電池および電池パックを提供すること。
【解決手段】 正極、負極および電解質を有する発電素子を金属箔と樹脂フィルムからなるラミネートフィルムで封止してなり、その正極および負極にそれぞれ接続された正極タブ１５および負極タブ１７を有する単電池を積層接続することで組電池を作製し、その正極タブ１５および負極タブ１７の先端部をファストン端子のタブ側の形状にすると共に厚さをファストン端子の規格値の１／２にする。また片側エンボス型ラミネート単電池を積層接続するときには、上側の単電池の正極タブ１５に同厚の補助タブ３０を重ねることで、全厚をファストン端子の規格値に合わせた後、ファストン端子レセプタクル１９を圧入する。また下側の単電池の負極タブ１７および補助タブ３０も同様に形成され、ファストン端子レセプタクル１９の圧入により、接続線２０を介して異極の電極タブ間の接続が行われる。
【選択図】 図１

Description

本発明は組電池および電池パックに関し、特に、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのラミネートフィルム外装型の単電池を直列、並列またはその組合せにより接続した組電池および電池パックに関する。

近年の電子機器、特に携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ビデオカメラなどの携帯用情報機器の発達や普及に伴い、小型、軽量で、かつエネルギー密度が高い二次電池の需要が大きく伸張し、さらに、高性能化の検討がなされている。このような二次電池として特にリチウムイオン二次電池が注目されている。

リチウムイオン二次電池の一般的な構造は、たとえば、特許文献１、特許文献２などに示され、リチウム−コバルト複合酸化物などの正極活物質粉末、導電性粉末、およびバインダからなる正極活物質層をアルミニウム箔からなる正極集電体表面に形成してなる正極と、炭素系の負極活物質粉末、およびバインダからなる負極活物質層を銅箔からなる負極集電体表面に形成してなる負極を、多孔質のフィルムからなるセパレータを介して重ね、電解液を含浸し発電素子としたものである。

小型化、軽量化のために、電解液を高分子電解質に替えたリチウムイオンポリマー電池が用いられ、また発電素子を封止する外装材としてアルミニウムなどの金属箔と高分子フィルムからなるラミネートフィルムが用いられている。

図８は、ラミネートフィルムを外装に用いた従来の単電池の一例を示す斜視図である。図８において、発電素子をラミネートフィルム１により封止してリチウムイオン電池が構成され、発電素子の正極に接続された正極タブ２、負極に接続された負極タブ３をそれぞれラミネートフィルムより突出させて設けている。このとき、電池容量に合わせてラミネート材に設けるエンボス加工形状を片側のラミネートフィルムだけに設けるもので外装した片側エンボス型ラミネート単電池、両側のラミネートフィルムに設けるもので外装した両側エンボス型ラミネート単電池を選択して作製することが出来る。図９は片側エンボス型ラミネート単電池の側面図、図１０は両側エンボス型ラミネート単電池の側面図であり、９１は電極タブ、９２はエンボス加工ラミネートフィルムである。

次に、ラミネートリチウムイオン電池を単電池として複数組み合わせた組電池について説明する。単電池間の接続については、各単電池の電圧を監視する必要性などから、先に直列接続を行った組電池を作製し、後にその組電池同士を並列接続し大容量の組電池を作製する方法が一般的であり、その際、タブ材を用いた抵抗溶接がよく行われる。しかし、リチウムイオン電池の場合、特性を高める必要性から、正極と負極の材質が違うので、単電池同士の異極タブ間の接続が難しく、また電池自体が熱を嫌うこともあり、電圧監視用の線材の接続にも比較的複雑な工程を必要とする。

例えば、図１１は、比較的容量の少ない片側エンボス型ラミネート単電池を用いた積層接続構造を示す斜視図である。まず、溶接の難しいＡｌ材の正極タブ４に溶接性の良いＮｉ材の補助タブ５を超音波溶接にて溶接しておく。次に、電圧監視用線材６を予め半田付け等で取り付けた端子間接続タブ９を１層目の単電池の負極タブ７と２層目の電池の正極タブ８との間を接続するようにそれぞれの電極タブに抵抗溶接により溶接する。このままでは、３層目以降の単電池を積層する障害となる為、前記接続された電極タブ材は抵抗溶接用の電極棒に干渉しない位置まで折り返される。以後同様な作業を繰り返し単電池を積層していく。

また、図１２は、比較的容量の大きい両側エンボス型ラミネート単電池を用いた積層接続構造を示す斜視図である。この場合は、上下の単電池の中心間距離がある程度確保できるので、単電池を反転させて上下に隣り合う層の正極タブ１０と負極タブ１１を直接溶接して接続していくことが可能である。ただし、この場合も電圧監視用線材６は、電池が熱を嫌うので、別の電圧監視線材取り付けタブ１３に取り付けたものを電極接続時に同時に溶接する必要があり、また、正極側には片側エンボス型の電池同様、Ｎｉ材の補助タブ１２を先に溶接しておく必要もある。

他の従来技術として、上記のような異種金属の溶接の困難さなどから金属ブロックで電極タブを挟み込んだり、重ね合わせた電極タブを絶縁シートで挟持しボルト・ナットなどで締め付けることで電極間接続を行い組電池を構成する例もある。たとえば、特許文献３、特許文献４または特許文献５にはそのような接続構造が開示されている。

特許第３２８３２１３号公報 特開２００５−１２９２３４号公報 特開２００４−２２３９５号公報 特開２００４−２７３３５１号公報 特開２００４−６１４１号公報

上記の従来技術のうち、図１１および図１２に示した接続構造については、Ｎｉ材の補助タブを用いた溶接が必要であるだけでなく、電池自体の熱負荷を低くする必要性から、接続工程の工数時間が長くなるという問題があった。

また、特許文献３、特許文献４または特許文献５の従来技術では、金属のブロックで電極タブを挟み込んだり、ボルト・ナットで締め付けるなどの方法を用いているが、接続部分に大きな空間が必要であり、重量も大きくなってしまうので、小型軽量というリチウムイオン電池の特性を生かせなくなることもあった。

そこで、本発明の課題は、容積および重量を小さく保ちながら単電池の電極タブ間の接続を容易にした組電池および電池パックを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の電池パックは、正極、負極および電解質を有する発電素子を金属箔と樹脂フィルムからなるラミネートフィルムで封止してなり、前記正極または負極に接続された電極タブを有する単電池の正極および負極タブ形状をいわゆるファストン端子（fast-on terminal）のタブ側の形状にすることにより、広く使用されている端子にて容易に接続可能とした構造を持つことを特徴としている。

また、上記正負極端子は、両側エンボス型ラミネートリチウム電池の場合、上下に隣り合う層の単電池の異極タブと重ね合わせて使用すること、および、重ね合わせた後の全厚が通常の規格値のファストンタブ端子の厚さに等しくなるように電極タブの厚さをファストンタブ端子の規格値の１／２の厚さに設定することが望ましい。特に、いわゆる１８７系と呼ばれるファストンタブ端子の厚さ０．５ｍｍの半分になる０．２５ｍｍに合わせることが最も効果的である。

片側エンボス型ラミネート単電池または両側エンボス型ラミネート単電池で組電池を構成する場合のいずれにおいても、最終的な正負極の出力端子部は隣り合う層の異極と重ね合わせることは無いので、正負極タブと同じ厚さでファストンタブ端子の１／２の厚さに設定された厚さ変換用の補助タブを使用して接続を行うこととなる。この厚さ変換用の補助タブには、位置決め、位置ズレ防止のための折り曲げ突起部を形成してもよい。

以上のように、本発明では、ラミネート単電池の正負極タブを厚さが規格値の１／２のファストンタブ端子の形状にすることにより溶接作業を必要とせず、かつ当該単電池の小型軽量といった特性を損なうことなく組電池を構成できる。

すなわち、本発明によれば、容積および重量を小さく保ちながら単電池の電極タブ間の接続を容易にした組電池および電池パックを提供することができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図４は本発明に係る電極タブを持つ片側エンボス型ラミネート単電池の斜視図であり、図５は本発明に係る電極タブを持つ両側エンボス型ラミネート単電池の斜視図である。図５では、下側に隠れているが、下側のラミネートフィルムにもエンボス加工が施されている。

本発明で用いる単電池は、図８に示した従来の単電池と同様に、正極、負極および電解質を有する発電素子を金属箔と樹脂からなるラミネートフィルムで封止してなるリチウムイオン電池であり、正極タブ１５、１６および負極タブ１７、１８のいずれの電極タブも厚さを規格値の１／２とするファストンタブ端子の形状に形成したものである。

ところで、正極タブの材質はＡｌ、負極タブの材質はＣｕが最もふさわしい。

図１は本発明に係る片側エンボス型ラミネート単電池を用いた積層接続構造を示す斜視図である。接続しようとする正極タブ１５および負極タブ１７の先端部に厚さ変換用の補助タブ３０を重ね合わせ、全厚を通常のファストンタブ端子と同厚にした状態で、接続線２０の両端に取り付けた市販のファストン端子レセプタクル１９を各異極に圧入することにより接続を行う。この厚さ変換用の補助タブ３０を図２に斜視図で示す。その補助タブ３０には、位置決め、位置ズレ防止のための折り曲げ突起部３４が形成されている。一例として１８７系のファストン端子に合わせて、補助タブ３０の圧入部を幅４．７５ｍｍ×長さ６．３５ｍｍ×厚さ０．２５ｍｍに形成するとよい。この接続作業が終わると、あとは積層枚数に応じて同じ作業を繰り返す。

図６は本発明に係る電圧監視用線材を付加した単電池を用いた積層接続構造を示す斜視図である。同図のように端子間接続線の片側に電圧監視用線材２３を共に取り付けておくことも可能である。

図７は本発明に係る厚さ変換用の補助タブ３０を挟んで外部接続線を電極タブに接続する構造を示す斜視図である。このように、最終的な出力用の正極または負極についても、厚さ変換用の補助タブ３０を重ねた状態で、出力線２２が取り付けられたファストン端子レセプタクル１９を圧入することで接続が可能となる。

図３は本発明に係る両側エンボス型ラミネート単電池を用いた積層接続構造を示す斜視図である。両側エンボス形状の場合、接続しない異極端子間の絶縁距離を確保できるので単電池の表裏を交互に入れ替えて上下の異極間の接続を直接行うことが可能である。補足すると、片側エンボス形状の場合には、エンボス側が対向するときは接続しない異極タブ間の絶縁距離を確保できるが、平坦側が対向するときに、接続しない異極タブ間の絶縁距離を確保することができない。それに対して、両側エンボス形状の場合には、そのように絶縁距離が確保できないことはない。そこで、片側エンボス時のような補助タブは使用しないでも、単電池の電極タブを重ね合わせるだけで通常のファストン端子の厚さと同等にできる。この状態で前記同様にファストン端子レセプタクル２１を圧入し接続を行う。このとき、図６と同様にこのファストン端子レセプタクルへ電圧監視用線材２３（図６）を予め接続しておくことも可能である。

また、両側エンボス形状の単電池による組電池であっても最終の出力用端子の場合は、図７と同様に、厚さ変換用の補助タブ３０を使用して接続を行う。

また、上記のように作製した組電池を、電圧監視回路を含む保護回路などと共に樹脂またはその複合材からなる外装ケースに収容することで本発明の電池パックを得る。

以上のように、本発明により、広く市販されているファストン端子を単電池タブ間の接続に使用できるようにし、比較的少ないコストと製造工数で小型軽量というリチウムイオンの特性を損なうことなく単電池間の接続を行う構造を得ることが可能となる。

ところで、単電池の容量が１Ａｈ未満の場合には、単電池の容積、重量共に小さく、組電池としてよりも単電池の状態で電池パックを構成することが多く、本発明に係る電極タブの接続構造は電池容量が１Ａｈ以上の単電池間の接続に適している。また、本発明に係る接続構造に適した電極タブを持つ単電池の最大容量は約１８Ａｈを想定している。

本発明に係る片側エンボス型ラミネート単電池を用いた積層接続構造を示す斜視図。 本発明に係る厚さ変換用の補助タブの斜視図。 本発明に係る両側エンボス型ラミネート単電池を用いた積層接続構造を示す斜視図。 本発明に係る電極タブを持つ片側エンボス型ラミネート単電池の斜視図。 本発明に係る電極タブを持つ両側エンボス型ラミネート単電池の斜視図。 本発明に係る電圧監視用線材を付加した単電池を用いた積層接続構造を示す斜視図。 本発明に係る厚さ変換用の補助タブを挟んで外部接続線を電極タブに接続する構造を示す斜視図。 従来の単電池の一例を示す斜視図。 片側エンボス型ラミネート単電池の側面図。 両側エンボス型ラミネート単電池の側面図。 従来の片側エンボス型ラミネート単電池を用いた積層接続構造を示す斜視図。 従来の両側エンボス型ラミネート単電池を用いた積層接続構造を示す斜視図。

符号の説明

１ ラミネートフィルム
２、４、８、１０、１５、１６ 正極タブ
３、７、１１、１７、１８ 負極タブ
５、１２、３０ 補助タブ
６、２３ 電圧監視用線材
９ 端子間接続タブ
１３ 電圧監視線材取り付けタブ
１９、２１ ファストン端子レセプタクル
２０ 接続線
２２ 出力線
３４ 折り曲げ突起部
９１ 電極タブ
９２ エンボス加工ラミネートフィルム

Claims (5)

1. 正極、負極および電解質を有する発電素子を、金属箔と樹脂フィルムからなるラミネートフィルムで封止し、前記正極および負極に電極タブを接続してなる二次電池の構成で単電池が形成され、前記単電池が複数個積層され直列または並列またはそれらの組み合わせにより互いに接続された組電池において、
   前記単電池の電極タブの先端部はファストン端子のタブ形状に形成され、
   前記先端部にはファストン端子レセプタクルが圧入され、単電池間または外部との電気接続がなされたことを特徴とする組電池。
2. 前記電極タブの先端部にこれと同厚の補助タブを装着後にファストン端子レセプタクルを圧入したことを特徴とする請求項１記載の組電池。
3. 積層方向に隣接する単電池間で異極の電極タブの先端部を重ね合わせた後にファストン端子レセプタクルを圧入したことを特徴とする請求項１記載の組電池。
4. 前記単電池の電池容量が１Ａｈ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の組電池。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の組電池および電圧監視回路を外装ケース内に含んでなることを特徴とする電池パック。

Images