JP2009211908A - 電池およびそれを用いた電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電池の製造工程や電池パックにおいて、電池の均一な加熱や発熱などによる熱を効率的に分散できる電池およびそれを用いた電池パックを提供することを目的とする。
【解決手段】少なくとも絶縁性外装チューブ２０を備えた電池１００であって、絶縁性外装チューブ２０は両端に開口部２６を有するとともに、その少なくとも外周面に凹部２２と凸部２４を有し、凸部２４と凹部２２が絶縁性外装チューブ２０に連続して設けられた構成を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の電池の製造工程や電池パックにおいて、電池の均一な加熱や発熱などによる熱を効率的に放出できる電池およびそれを用いた電池パックに関する。

近年、省資源や省エネルギーの観点から、繰り返し使用できるニッケル水素、ニッケルカドミウムやリチウムイオンなどの二次電池への需要が高まっている。中でもリチウムイオン二次電池は、軽量でありながら、起電力が高く、高エネルギー密度であるという特徴を有しているため、携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラ、ノート型パソコンなどの様々な種類の携帯型電子機器や移動体通信機器の駆動用電源としての需要が拡大している。

一般に、二次電池の製造工程においては、電池の形態で作製後、電池の特性を得るために種々の処理工程を経過後に、商品化される。そのとき、処理工程として、初期充放電工程、エージング工程や出荷充放電などが行われる。これにより、電池の軽微な内部ショートや、電池を構成している部品の機能などを検査し、高性能で信頼性の高い二次電池を供給している。そして、これらの処理工程は、生産性などを考慮して、複数の電池が、個別に分離された状態や、集合した状態でトレイに収納して行われる。

このとき、特にエージング工程においては、複数の電池を均一なエージング温度に保つ必要がある。また、充放電工程においては、充放電端子と電池との位置ずれを防止する必要がある。しかし、従来の電池では、電池間の短絡などを防止する絶縁性外装チューブは備えているが、図９に示すようにトレイに集合した状態で電池を収納した場合、周囲の電池５１０に囲まれた電池５００は、周囲の電池５１０の温度の影響により、温度上昇が大きくなる。また、複数の電池を、例えば隔壁部材を有するトレイで個別に分離した状態においては、隔壁部材と当接する部分としない部分で、エージング時の均一な温度を維持する温風などが均等に電池に当たらない。このため、均一な温度環境で、電池のエージングが行われず、高い信頼性や安全性を有する電池を効率よく生産できないという課題がある。

また、従来の電池を用いて、電池パックを構成する場合、筺体内に収納される電池の位置固定が困難で、電池パックの振動や落下衝撃などにより、位置ずれや接続端子などとの接続不良を生じやすかった。それを回避するために、電池と筺体間を、例えば両面テープなどを介して固定すると、充放電に伴う電池の発熱を均一に分散できず、また付加部材により生産性の低下を招いていた。

そこで、上記課題を解決するために、シート状の電池において、シート状電池を固定するシート状ケースまたは筺体の非対称な凹凸面を設けた電池パックの例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、電池体の表面または外装容器に内面の少なくとも一面に粗面を形成した電池パックの例が開示されている（例えば、特許文献２参照）。これにより、振動や衝撃に対する耐性の向上や電池の位置ずれを防止できるとしている。
特開２００３−１３２９３６号公報 特開平９−２４５７５２号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に示す電池パックでは、電池の位置ずれや、落下衝撃、振動に対する耐性は向上できるが、エージング工程の均一加熱や電池パック内での熱の分散に関しては何ら記載されていない。

本発明は、上記の課題を解決するものであり、複数の電池の製造工程や電池パックにおいて、電池の均一な加熱や発熱などによる熱を効率的に分散できる電池およびそれを用いた電池パックを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電池は、少なくとも絶縁性外装チューブを備えた電池であって、絶縁性外装チューブは両端に開口部を有するとともに、その少なくとも外周面に凹部と凸部を有し、凸部と凹部が絶縁性外装チューブに連続して設けられている構成を有する。

この構成により、絶縁性外装チューブの凸部により、振動や落下衝撃を吸収するとともに、凹部により電池自体の発熱や、エージング時の均一加熱のために流路を構成できる。

また、本発明の電池パックは、少なくとも上記に記載の電池を筺体に収納する電池パックであって、電池の絶縁性外装チューブの凸部を、筺体の内面に当接させた構成を有する。これにより、電池パック内での電池の位置ずれの防止や、衝撃などを効果的に緩和できる。さらに、凹部により、電池の熱を効率的に分散できるため、安全で信頼性の高い電池パックを実現できる。

本発明によれば、検査時や電池パック構成時において、熱の流路を確保するとともに、振動や衝撃を効率的に緩和して、周囲の電池の熱などの影響を受けない安全性や信頼性に優れた電池およびそれを用いた電池パックを実現できる。

本発明の第１の発明は、少なくとも絶縁性外装チューブを備えた電池であって、絶縁性外装チューブは両端に開口部を有するとともに、その少なくとも外周面に凹部と凸部を有し、凸部と凹部が絶縁性外装チューブに連続して設けられている構成を有する。

この構成により、絶縁性外装チューブの凸部により、振動や落下衝撃を吸収するとともに、凹部により電池自体の発熱や、エージング時の均一加熱のために流路を構成できる。

本発明の第２の発明は、第１の発明において、凹部と凸部が、絶縁性外装チューブの両端の開口部まで連続して設けられている。これにより、確実で効率的に熱を分散する流路を形成できる。

本発明の第３の発明は、第１の発明において、凹部と凸部が、絶縁性外装チューブの周囲に連続して設けられている。これにより、電池を横置きにした場合において、確実で効率的に熱を分散する流路を形成できる。

本発明の第４の発明は、第１の発明または第３の発明において、凹部と凸部が、螺旋状に設けられている。これにより、電池の配置によらず、確実で効率的に熱を分散する流路を形成できる。また、隣接する電池間を凸部により確実に離間することができる。

本発明の第５の発明は、第１の発明から第４の発明のいずれかにおいて、絶縁性外装チューブの少なくとも凸部が、弾性部材からなる。これにより、電池に加わる振動や衝撃を効率的に緩和できる。

本発明の第６の発明は、第１の発明から第５の発明のいずれかにおいて、絶縁性外装チューブが、少なくとも吸熱部材を含有する。これにより、電池の放熱効果を向上するとともに、電池パック時において、熱を筺体に伝達して温度上昇を抑制できる。

本発明の第７の発明は、第１の発明から第６の発明のいずれかにおいて、絶縁性外装チューブが、少なくとも消火剤を含有する。これにより、電池のガス噴出に引火した炎を効果的に消火できる。

本発明の第８の発明は、第１の発明から第７の発明のいずれかにおいて、少なくとも上記の発明の記載の電池を筺体に収納する電池パックであって、電池の絶縁性外装チューブの凸部を、筺体の内面に当接させた構成を有する。これにより、電池パック内での電池の位置ずれの防止や、衝撃などを効果的に緩和できる。さらに、凹部により、電池の熱を効率的に分散できるため、安全で信頼性の高い電池パックを実現できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、同一部分には同一符号を付して説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。また、以下では電池として、リチウムイオンなどの非水電解質二次電池（以下、「電池」と記す）を例に説明するが、これに限られないことはいうまでもない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電池の横断面図である。

図１に示すように、円筒型の電池は、例えばアルミニウム製の正極リード８を備えた正極１と、その正極１と対向する、例えば銅製の負極リード９を一端に備えた負極２とをセパレータ３を介して、捲回された電極群４を有する。そして、電極群４の上下に絶縁板１０ａ、１０ｂを装着して電池ケース５に挿入し、正極リード８の他方の端部を封口板６に、負極リード９の他方の端部を電池ケース５の底部に溶接する。さらに、リチウムイオンを伝導する非水電解質（図示せず）を電池ケース５内に注入し、電池ケース５の開放端部をガスケット７を介して正極キャップ１６、ＰＴＣ素子などの電流遮断部材１８および封口板６をかしめた構成を有する。また、正極キャップ１６には、電極群４の不具合により生じるガスを抜くための排気孔１７を設けている。そして、正極１は正極集電体１ａと正極活物質を含む正極層１ｂから構成されている。

また、電池ケース５の外周側面には、以下で詳細に説明する絶縁性外装チューブ（以下、「外装チューブ」と記す）２０が設けられている。

ここで、正極層１ｂは、例えばＬｉＣｏＯ_２やＬｉＮｉＯ_２、Ｌｉ_２ＭｎＯ_４、またはこれらの混合あるいは複合化合物などの含リチウム複合酸化物を正極活物質として含む。また、正極層１ｂは、さらに、導電剤と結着剤とを含む。導電剤として、例えば天然黒鉛や人造黒鉛のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック類を含み、また結着剤として、例えばＰＶＤＦ、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミドなどを含む。

また、正極１に用いる正極集電体１ａとしては、アルミニウム（Ａｌ）、炭素、導電性樹脂などが使用可能である。

非水電解質には有機溶媒に溶質を溶解した電解質溶液や、これらを含み高分子で非流動化されたいわゆるポリマー電解質層が適用可能である。非水電解質の溶質としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＣＯ_２）、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２などを用いることができる。さらに、有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）などを用いることができる。

また、負極２の負極集電体１１は、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタンなどの金属箔、炭素や導電性樹脂の薄膜などが用いられる。

さらに、負極２の負極層１５としては、黒鉛などの炭素材料や、ケイ素（Ｓｉ）やスズ（Ｓｎ）などのようにリチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する理論容量密度が８３３ｍＡｈ／ｃｍ^３を超える負極活物質を用いることができる。

以下、本発明の実施の形態１における電池の外装チューブについて、図２を用いて詳細に説明する。

図２（ａ）は本発明の実施の形態１における電池の斜視図で、図２（ｂ）は図２（ａ）の電池を正極キャップ側から見た平面図である。

図２に示すように、電池１００は、電池ケース５の外周側面に、例えばポリプロピレン樹脂などの熱収縮性の絶縁性樹脂材料よりなる両端に開口部２６を備えた外装チューブ２０を有している。そして、外装チューブ２０の外表面には、図２（ｂ）に示すように、例えば電池１００の円周方向に凹部２２と凸部２４が形成され、それらは電池１００の高さ方向で、両端の開口部２６に向けて連続して設けられている。

上記構成により、例えば図３に示すように、電池が円筒状の隔壁部材３２を有するトレイ３０に収納されたとき、外装チューブ２０の凸部２４が隔壁部材３２に当接しても、外装チューブ２０の凹部２２により、熱の流路を形成できる。この結果、エージング工程において、電池を加熱するための温風の流れを均一にし、電池を均一な温度でエージングできる。

このとき、外装チューブ２０は、例えばゴム系などの弾性部材で構成してもよい。これにより、電池１００に加わる振動や衝撃を効率的に緩和できる。また、外装チューブ２０に、例えば水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）などの吸熱部材を含有していてもよい。これにより、電池１００の熱を効率的に放出または伝熱できる。なお、ゴム系の弾性部材としては、例えばブタジエン系ゴムやプロピレン系ゴムなどが好ましい。また、吸熱部材としては、上記以外に、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）_３）や水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）などが好ましい。さらに、外装チューブ２０に、例えば炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）、炭酸水素カルシウム（ＫａＨＣＯ_３）などの消火剤を含有していてもよい。この場合、消火剤の含有量を電池の排気孔近傍で多くすることが好ましい。これにより、電池の排気孔から噴出する高温のガスに引火して炎が発生しても、消火剤で効果的に消火できる。

以下に、本発明の実施の形態１における電池の製造方法を、図４を用いて簡単に説明する。

図４は、本発明の実施の形態１における電池の製造方法を説明する図である。ここで、図４の左図は、本発明の実施の形態１における電池の製造方法を説明する側面図で、図４の右図は、本発明の実施の形態１における電池の製造方法を説明する正極キャップ側から見た平面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、円筒型の素電池１０２を準備する。なお、素電池１０２は、例えばリチウムイオン電池など通常知られている方法で作製できるので、説明は省略する。

つぎに、図４（ｂ）に示すように、例えばポリプロピレン樹脂を金型に充填して、型成型により凹部２２と凸部２４を有する円筒形の外装チューブ２０を形成する。このとき、円筒形の絶縁性のチューブに、凸部となる部材を、貼り付けや成型により形成して、凸部２４と凹部２２を個別に作製し、一体化してもよい。

つぎに、図４（ｃ）に示すように、素電池１０２の電池ケース５の外表面に沿って、外装チューブ２０を挿入し、例えば８０℃程度に加熱して外装チューブ２０を熱収縮させて、電池１００を作製する。

なお、凹部と凸部を形成したシートを素電池の外表面に貼り合せて形成してもよい。これにより、製造工程を簡略化できる。

なお、上記実施の形態では、外装チューブの開口部まで連続するように凹部と凸部を形成した例で説明したが、これに限られない。例えば、図５に示すように、外装チューブ４０の円周方向に連続する凹部４２と凸部４４を形成してもよい。この場合、特に電池を横置きに配置して、エージング処理する場合において、熱の流路を効果的に確保できる。また、隣接して電池を配置しても、凹部４２により隣接する電池間に流路を形成できる。

また、本実施の形態では、外装チューブに設けた４個または３個の凸部を設けた例で説明したが、これに限られない。例えば、凸部や凹部の数や形状（幅、厚み）などは、放熱効率などを考慮して任意に設計できる。

（実施の形態２）
図６（ａ）は本発明の実施の形態２における電池の斜視図で、図６（ｂ）は図６（ａ）の電池を正極キャップ側から見た平面図である。

本実施の形態は、外装チューブ２２０の凹部２２２と凸部２２４を、両端の開口部２２６に向かって螺旋状に設けた点で、実施の形態１とは異なる。なお、他の構成は実施の形態１と同様である。このとき、少なくとも螺旋の始端と終端の到達するまでに、電池２００の外周を１周することが好ましい。

上記構成により、例えば図７（ａ）に示すように、複数の電池２００自体を集合してトレイに収納しても、隣接する電池２００の外装チューブ２２０の螺旋状の凸部２２４が、図７（ｂ）に示すように必ず当接する。この結果、トレイに電池を個別に収納する隔壁部材を設ける必要がない。また、隔壁部材で囲まれる形状として、円形でなく角形など任意の形状の隔壁部材を有するトレイを用いることができる。さらに、凹部２２２が螺旋状に連続するため、エージング工程において、電池を加熱するための温風の流れに乱流を生じにくいので、より効果的に電池の温度を均一にできる。

（実施の形態３）
本実施の形態は、上記実施の形態１で説明した電池１００を用いて電池パックを構成したものである。

図８（ａ）は本発明の実施の形態３における電池パックの分解斜視図である。また、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ線断面図で、筺体に外部から付加が加わる前の状態を説明する図で、図８（ｃ）は図８（ｂ）において、筺体に外部から付加が加わった状態を説明する図である。なお、図８において、理解を助けるために、電池を断面図ではなく斜視図で示している。

図８に示すように、電池パック３００は、例えばポリカーボネート樹脂などからなる第１筺体３０１と第２筺体３０２を有し、それらに収納される電池１００で構成される。このとき、図８（ｂ）に示すように、電池１００の外装チューブ２０の凸部２４が、第１筺体３０１および第２筺体３０２に当接して収納される。また、電池パック３００の内部には、例えば電池と接続端子３３０を介して接続され、電池１００の充放電を制御する制御回路３１０や、第１筺体３０１または第２筺体３０２に、電池から電解液が漏液した場合に電解液などの制御回路３１０へ到達を防止するために隔壁３２０を有している。さらに、電池パック３００の第１筺体３０１または第２筺体３０２のいずれかに設けられる、外部機器と接続するための外部接続端子（図示せず）を有している。

ここで、外装チューブ２０は、例えばゴム系などの弾性部材で構成される。さらに、外装チューブ２０は、例えば水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）などの吸熱部材を含有していてもよい。

このとき、図８（ｂ）に示す上記構成の電池パック３００に、図面中の矢印で示すような、外部からの付加（例えば、振動、落下衝撃や押圧など）が加わり電池パック３００の第１筺体３０１または第２筺体３０２が変形する。

しかし、図８（ｃ）に示すように、電池１００の外装チューブ２０の凸部２４の弾性変形により、電池パック３００の第１筺体３０１または第２筺体３０２の変形を吸収し、緩和される。

本実施の形態によれば、電池１００の外装チューブ２０の凸部２４の弾性変形により、電池特性の低下を招きやすい電池ケース５の変形などを防止できる。

また、電池１００の外装チューブ２０の凸部２４の吸熱部材の含有および凹部２２による放熱空間を形成することにより、効率的に電池パックの各筺体に伝熱して、効率的に放熱できる。この結果、電池のハイレート放電などでの発熱を抑制し、信頼性や安全性を向上できる。

さらに、電池１００の外装チューブ２０の凸部２４の各筺体との当接により、電池の位置ずれを防止するとともに、電池と接続される接続端子の破断や接続不良を防止できる。

なお、本実施の形態では、第１筺体や第２筺体の材質をポリカーボネート樹脂を例に説明したが、これに限られない。例えば、フェノール樹脂、ユニレート、ガラスエポキシ樹脂、セラミックや発泡樹脂を用いてもよい。このとき、上記樹脂中に、炭素繊維やガラス繊維などのフィラーを含有することが好ましい。これは、含有されるフィラーにより、筺体の機械的強度を向上することができる。

また、本実施の形態では、１個の電池を有する電池パックを例に説明したが、これに限られず、複数の電池を収納する電池パックでもよい。この場合においても、電池間の外装チューブの凹部を介して、効率的に放熱するとともに、電池間の温度が不均一になることを回避し、電池間の特性ばらつきを防止できる。これにより、例えば充放電サイクルの長寿命化などを実現できる。

また、本実施の形態では、実施の形態１の電池を例に説明したが、これに限られず、他の実施の形態の電池を用いてもよく、同様の効果が得られる。

なお、各実施の形態では、外装チューブが、電池ケースの外周側面に形成した例で説明したが、これに限られない。例えば、電池の電極端子を部分的に露出できるのであれば、電池ケースの上面や下面を部分的に被覆してもよい。これにより、吸熱効果や消火効果を向上できる。

また、各実施の形態では円筒型の電池を例に説明したが、本発明に係わる電池の形状は、これに限定するものではなく、平型電池、捲回式または積層構造の角形電池にも適用することができる。

本発明は、高い信頼性と安全性が要求される、携帯用に電子機器などの電池や電池パックとして有用である。

本発明の実施の形態１における電池の横断面図 （ａ）本発明の実施の形態１における電池の斜視図（ｂ）図２（ａ）の電池を正極キャップ側から見た平面図 本発明の実施の形態１の電池を収納するトレイの平面図 本発明の実施の形態１における電池の製造方法を説明する図 （ａ）本発明の実施の形態１における電池の別の例を示す斜視図（ｂ）図５（ａ）の電池を正極キャップ側から見た平面図 （ａ）本発明の実施の形態２における電池の斜視図（ｂ）図６（ａ）の電池を正極キャップ側から見た平面図 （ａ）本発明の実施の形態２における電池の集合状態を説明する斜視図（ｂ）図７（ａ）の集合した電池を正極キャップ側から見た平面図 （ａ）本発明の実施の形態３における電池パックの分解斜視図（ｂ）図８（ａ）のＡ−Ａ線断面図で、筺体に外部から付加が加わる前の状態を説明する図（ｃ）図８（ｂ）において、筺体に外部から付加が加わった状態を説明する図 （ａ）従来の電池を集合した状態を説明する斜視図（ｂ）図９（ａ）の集合した電池を正極キャップ側から見た平面図

符号の説明

１ 正極
１ａ 正極集電体
１ｂ 正極層
２ 負極
３ セパレータ
４ 電極群
５ 電池ケース
６ 封口板
７ ガスケット
８ 正極リード
９ 負極リード
１０ａ，１０ｂ 絶縁板
１１ 負極集電体
１５ 負極層
１６ 正極キャップ
１７ 排気孔
１８ 電流遮断部材
２０，４０，２２０ 絶縁性外装チューブ（外装チューブ）
２２，４２，２２２ 凹部
２４，４４，２２４ 凸部
２６，２２６ 開口部
３０ トレイ
３２ 隔壁部材
１００，２００，５００，５１０ 電池
１０２ 素電池
３００ 電池パック
３０１ 第１筺体
３０２ 第２筺体
３１０ 制御回路
３２０ 隔壁
３３０ 接続端子

Claims (8)

1. 少なくとも絶縁性外装チューブを備えた電池であって、
   前記絶縁性外装チューブは両端に開口部を有するとともに、その少なくとも外周面に凹部と凸部を有し、前記凸部と前記凹部が前記絶縁性外装チューブに連続して設けられていることを特徴とする電池。
2. 前記凹部と前記凸部が、前記絶縁性外装チューブの両端の前記開口部まで連続して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電池。
3. 前記凹部と前記凸部が、前記絶縁性外装チューブの周囲に連続して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電池。
4. 前記凹部と前記凸部が、螺旋状に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池。
5. 前記絶縁性外装チューブの少なくとも前記凸部が、弾性部材からなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池。
6. 前記絶縁性外装チューブが、少なくとも吸熱部材を含有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電池。
7. 前記絶縁性外装チューブが、少なくとも消火剤を含有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電池。
8. 少なくとも請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電池を筺体に収納する電池パックであって、
   前記電池の前記絶縁性外装チューブの前記凸部を、前記筺体の内面に当接させたことを特徴とする電池パック。

Images