JP2009529209A - 二次電池用の安全装置および安全装置を利用する電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】電池の安全性を確保することができる、二次電池用の安全装置を提供する。加えて、その安全装置を利用する電池パックを提供する。
【解決手段】ここに示す発明は、電池セルが正常でない動作又は劣化により膨張するときに電流を発生させるように、可変的に固定する構造により形成されている上下動部材を用いて圧電素子を押圧することができ、また、発生した電流によって、保護回路を用いて電池の動作を制御することができ、これによって、電池の安全性を確保することができる、二次電池用の安全装置に関する。加えて、電池セルを有する電池パックにおいて、機械強度が低く変形しやすい電池セルが安全装置を有する枠部材の中に設けられており、これによって、電池の安全性が改善され、そして組み立て効率が改善されている電池パックに関する。

Description

本発明は、二次電池用の安全装置に関し、とりわけ、電池セルが正常でない動作又は劣化により膨張するときに電流を発生させるように、可変的に固定する構造により形成されている上下動部材を用いて圧電素子を押圧することができ、また、発生した電流によって、保護回路を用いて電池の動作を制御することができ、これによって、電池の安全性を確保することができる、二次電池用の安全装置に関する。加えて、電池セルを有する電池パックにおいて、機械強度が低く変形しやすい電池セルが安全装置を有する枠部材の中に設けられており、これによって、電池の安全性が改善され、そして組み立て効率が改善されている電池パックに関する。

携帯機器がますます発達するにつれて、そして携帯機器の需要が高まるにつれて、携帯機器の電源として用いられる二次電池の需要もまた急激に増加してきた。そして、様々な要求を満たすために、電池に関する多くの研究がなされてきた。

とりわけリチウム二次電池は、従来のニッケル‐カドニウム電池又は従来のニッケル‐水素合金電池よりも、高い電圧と優れた充放電サイクル特性を有しており、それゆえ、リチウム二次電池の需要も急激に増加してきた。

電池の形状に関しては、携帯電話などの製品に利用できるくらいに薄い、長方形の電池、又はポーチ形の電池への需要が非常に高い。電池の材料に関しては、リチウムコバルト重合体電池などの、高いエネルギー密度と高い放電電圧を有するリチウム二次電池への需要が非常に高い。

図１に、一般的な重合体電池の構造を示す。

図１に示すように、電池セル１００は、電池ケース１１０と、電池ケース１１０から突き出ている電極端子１０１、１０２とを備えている。

電池ケース１１０の中には、陰極と、陽極と、陰極と陽極の間に配置された隔壁板とを有する電極組立体（図示せず）が設けられている。電極端子１０１、１０２は、陽極と陰極の板に取り付けられている電極タップを電極導線に溶着することで形成されている。電極端子１０１、１０２は、部分的に電池ケース１１０から露出している。電極端子１０１、１０２が部分的に電池ケース１１０から露出している一方、電極組立体は電池ケース１１０の中に設けられており、そして、電池ケース１１０は電解液で満たされており、かつ、電池ケース１１０の上部および下部の端部１１１および１１２は、熱と圧力を加えることでそれぞれ熱的に溶着されている。このようにして、電池セル１００が製造される。

上述の構造を有するリチウム二次電池は、従来のニッケル‐カドニウム電池又は従来のニッケル‐水素合金電池よりも多くの利点を有しているが、リチウム二次電池はもろいという課題を有している。とりわけ、電池の製造工程において、電解液は最終工程において電池ケースの中に注入される。このため、沸点の低い有機溶媒が一般的に使用される。この場合、しかしながら、電池が過充電されたとき、又は電池が高温化におかれたとき、電池ケース内部の圧力が増加する。この結果、電極組立体又は電池ケースが膨らむことによる膨張現象により電池ケースの外観が変形し、このことにより、電池ケースが爆発する可能性がある。

上記の課題を解決するため、電解液を注入することなく、紫外線または電子ビームで平板状の電池を硬化させる方法、または、ゲルで電極板を被覆する方法が提案されている。（特許文献１乃至３）。これらの方法は、電極組立体又は電池ケースが膨らむことによる膨張現象をいくらかは取り除く。しかしながら、上述の方法では十分な安全性が得られない。
Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ．５９７２５３９ Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ．５２７９９１０ Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ．５４３７９４２

いくつかの先行技術においては、圧力センサー、例えば電池の表面に取り付けられた歪み計タイプのセンサーにより検出した値に従い、電池の端子（陰極と陽極）と入出力端子の間に配置した保護回路を通して、ポーチ形の電池の動作を中断するという方法が提案されている。すなわち、電池ケース、例えばポーチ形のケースが膨らむとき、膨張の程度がセンサーにより検出され、検出された値が保護回路に伝達される。そして、検出された値が所定の水準を越えたとき、保護回路は、陰極と陽極の間に流れる電流を止める。

しかしながら、電池ケースの膨張の程度を測定する方法には、高い信頼性を備えるという点で限界があり、かつ、センサーをポーチ形の電池の表面に安定して取り付けることは困難である。例えば、電池は、電池の寸法、重量、及び厚さの削減により最小化されている。従って、電池ケースの寸法が制限された条件下で、電池ケースの表面の変化を通して電池ケースの膨張の程度を正確に測定することは非常に困難である。その上、歪み計タイプのセンサーは、正確な測定を行うために大きな面積を必要とする。この結果、歪み計タイプのセンサーにより電池の放熱が乱され、このことにより、電池の温度がさらに上昇する可能性がある。このため、表面膨張の小さい薄い電池においては、歪み計タイプのセンサーを使用することができない。

それゆえ、上述の課題を根本的に解決する技術の必要性が非常に高まっている。

従って、本発明は、上記の課題およびその他の未解決の技術的課題を解決するためになされたものである。

上述の課題を解決するために、広域にわたって徹底的に、多様な研究と実験が行われた。この結果、本願の発明者は、電池が膨張するとき、可動的に固定する構造により形成されている所定の上下動部材を用いて圧電素子を押圧することにより電流を発生させ、発生した電流により、保護回路を用いて電池の動作を制御し、これによって電池の安全性を確保することにより、正常でない動作、または電池の劣化に起因する電池の膨張または爆発が効果的に防がれることを見出した。本発明は、上述の発見に基づいて完成された。

本発明の１つによると、上述の、およびその他の目的を、電気的に保護回路に接続され、加圧されたときに電流を発生させるための素子（圧電素子）と、平板状の電池セルの両側表面のうちの１つと接触している一端（ａ）と、圧電素子の表面の表面と接触している他端（ｂ）とを有する部材（上下動部材）とを備え、上下動部材は所定の部分に可動的に固定されており、それによって、一端（ａ）が電池セルの膨張により持ち上げられたとき、他端（ｂ）が下げられて圧電素子を押圧することを特徴とする二次電池用の安全装置を備えることで達成できる。

すなわち、正常でない動作、または電池の劣化に起因して電池が膨張するとき、本発明による二次電池用の安全装置は、上下動部材を用いて圧電素子を押圧して電流を発生させ、そして、発生した電流に基づいて保護回路モジュールを用いて、電池の動作を制御する。このことにより、安全装置は小さな変化に対して敏感に反応することができ、従って、電池の安全性が確保される。

図２は、本発明における上下動部材の動作原理を示す典型的な図である。

図２に示すように、電池の膨張現象が生じるとき、上下動部材の一端（ａ）は環状の回転運動をおこなう。このとき、Ｙ軸方向においてのみ、上下動部材の向かい合う他端（ｂ）に力が伝達される。なぜなら、上下動部材は、上下動部材の向かい合う両端の間に配置され、可動的に固定されている軸の周りで、構造上、Ｘ軸方向における動きが制限されているからである。従って、上下動部材の向かい合う他端（ｂ）において回転運動は線形運動に変換され、そして線形運動のエネルギーは圧電素子によって電気信号に変換される。また、一端（ａ）と可動的な固定軸との間の距離が、他端（ｂ）と可動的な固定軸との間の距離よりも長い場合、一端（ａ）における変化がより大きくなり、従って、距離の差に比例して、他端（ｂ）がより大きな力で圧電素子を下に押圧することになる。

好ましくは、圧電素子と上下動部材とが、電池セルが設けられている枠部材に取付けられている。この場合、枠部材により、機械強度が低く変形しやすいポーチ形の電池セルを、所定の標準的な電池パックの形に製造することができる。このことにより、端子がダメージを受けることを防ぎ、かつ、組立効率を改善することができる。

上下動部材が図２に示す動作原理により動作することができるように、上下動部材の一部が可動的に固定されるのであれば、上下動部材の固定方法は特に制限されない。好ましくは、上下動部材はヒンジ構造により枠部材に取付けられる。上下動部材が枠部材にヒンジ構造により取付けられる場合、ヒンジ構造は、可動的な回転軸として、可動的な固定部を形成する。従って、電池セルの表面に接触している上下動部材の一端（ａ）が電池セルの膨張により持ち上げられると、圧電素子の表面に接触している上下動部材の他端（ｂ）が下げられる。この結果、圧電素子から電流が発生する。発生した電流は、圧電素子に接続された電線を経由して保護回路に伝達される。

好ましい形態においては、くぼみが枠部材の上端の中央部に備えられており、圧電素子がそのくぼみの中に取付けられ、そして上下動部材の一端（ａ）側領域がそのくぼみに挿入され取付けられている。一般に、二次電池は小型で軽いことが要求される。このため、圧電素子と上下動部材とを備えることにより二次電池の寸法が増加することは望ましくない。従って、本発明におけるくぼみを形成することにより、圧電素子と上下動部材とを備える安全装置を実装することによる電池パックの寸法増加を最小にすることができる。

一般に、電池の内部圧力の増加は、電池の長さ方向よりも、電池の厚さ方向において大きい。とりわけ、電池の内部圧力が増加するとき、電池ケースの厚さの増加は、電池ケースの表面の膨張よりも大きい。従って、上下動部材が細長い板状に形成されており、上下動部材の一端（ｂ）が電池セルの中央部またはその近傍まで届く長さを有している場合、上述した電池の厚さの変化が検出され、これによって、圧電素子においてより正確な測定が実現される。

本発明のその他の形態として、上述のように形成された安全装置を有する電池パックがある。

本発明における技術は、多様な電池セルがその中に設けられる構造に形成された電池パックに利用することが可能である。とりわけ、本発明における技術は、金属層と樹脂層とを含むラミネートシートからなる電池ケースと、電池ケースに取り付けられた電極組立体とを有する電池セルを備え、電池セルの機械的強度が弱い電池パックに利用することができる。電池セルの典型例は、アルミニウムのラミネートシートからなる、折りたたみ式のポーチ型のケースの中に電極組立体を載置し、ポーチ型のケースの上端と向かい合う側面とを熱的に溶接し、これによってケースを封止することで製造された電池セルである。

好ましくは、電池パックは、電池セルの封止された上端と封止された向かい合う側面とを囲んでいる枠部材の中に取り付けられるような構造に形成されている。電池パックは、電池セルの封止された上端と封止された向かい合う側面とを囲む枠部材の中に取り付けられているので、電池として十分な強度を備え、これによって組立効率を改善した上で、電池を所定の基準に沿うように製造することができる。

その他の電池パックの構成、及び電池パックの製造方法は、本発明が関連する技術においてよく知られている。従って、それについての詳細な説明は記載しない。

発明を実施するための形態

本発明における、上述の、またはその他の課題、特徴、その他の利点は、以下の詳細な説明および図を参照してより明白になる。

ここで、図面を参照して、本発明における好ましい形態を詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲は以下で説明する形態には限られない。

図３は、本発明における好ましい形態による安全装置を備える電池パックの構造を示す典型的な図である。

図３に示すように、電池パック２００は、図１に示すように形成されているポーチ形の電池セル１００と、電池セル１００の外周を囲むことができるように電池セル１００に取り付けられているパック枠２１０とを備えている。特に、パック枠２１０は、側面の封止部が鉛直方向に沿って上方に曲げられている電池セル１００をパック枠２１０の中に設けることができるように、パック枠２１０の上部と下部とが開口している格子構造に形成されている。パック枠２１０の後部の上端にはくぼみ２１２が形成されており、そのくぼみ２１２の中には、パック枠２１０が電池セル１００に取り付けられるとき、電池セル１００の陰極端子１０１と陽極端子１０２が配置される。パック枠２４０の前部の上端には、圧電素子２２０が取り付けられている。パック枠２４０の前部の上端には、ヒンジ構造により上下動部材２３０も接続されている。

従って、パック枠２１０に取り付けられている電池セル１００が、正常でない動作又は劣化により膨張するとき、上下動部材２３０の一端２３０ａが電池セル１００の膨張により持ち上げられ、そして上下動部材２３０の他端２３０ｂが下げられて圧電素子２２０を押圧する。押圧された圧電素子２３０から生じる電流は、保護回路モジュール（図示せず）に伝達される。

図４を参照して詳細を以下に説明する。図４は、図３に示すパック枠に接続されている圧電素子と上下動部材を示す拡大図である。

図４に示すように、所定の寸法を有するくぼみ２１４がパック枠２４０の上端の中央部に形成されている。圧電素子２２０はくぼみ２１４の中に取り付けられている。圧電素子２２０は、一対の電線２２１、２２２を経由して、保護回路モジュール（図示せず）に接続されている。

上下動部材２３０の両側面は、ヒンジ２３２によりパック枠２４０のくぼみ２１４に完全に接続されている。上下動部材２３０は、上下動部材２３０の一端２３０ｂが圧電素子２２０の表面と接触又は隣接するように配置されている。ヒンジ２３２は、上下動部材２３０の一端２３０ｂが上方及び下方に可動できることを保証すると同時に、上下動部材２３０をパック枠２１０に固定している。この結果、ヒンジ２３２は上下動部材２３０の可動的な回転軸としての役割を果たす。ヒンジ２３２はくぼみ２１４の内側の表面に接続されているので、上下動部材２３０は、上下動部材２３０がくぼみ２１４にほぼ挿入される状態で配置されており、これによって、上下動部材２３０は電池パックの中に取り付けられているけれども、電池パックの寸法増加が最大限に抑制されている。

電池セル１００の表面に接触している上下動部材２３０の他端（図示せず）が電池セル１００の膨張により持ち上げられるとき、圧電素子２２０の表面に接触している上下動部材２３０の一端２３０ｂが下げられて圧電素子２２０を押圧する。これにより、電流が発生する。発生した電流は電線２２１、２２２を経由して保護回路に伝達され、これによって、電池の動作が保護回路により制御される。

説明のため、本発明の好ましい形態をここに示したが、請求の範囲に開示された発明の範囲および思想から逸脱することなく、様々な変更、付加、置換が可能であることは当業者にとって自明である。

産業上利用性

上述の説明で明らかなように、本発明における二次電池用の安全装置および電池パックは、可動的に固定されている上下動部材と圧電素子センサーを利用している。従って、正常でない動作又は電池の劣化による電池セルの膨張を正確に検出することにより、電池の動作を制御することが可能であり、これによって電池の安全性が改善される。さらに、機械的強度が低く変形しやすいポーチ形の電池セルが、安全装置を有する枠部材の中に取り付けられている。このことにより、電池セルへのダメージが防がれ、加えて、電池パックの組立を行う間、又は電池パックを使用している間の組立効率が改善される。

図１は、一般的な重合体電池を示す全体図である。 図２は、本発明における上下動部材の動作原理を示す典型的な図である。 図３は、本発明における好ましい形態による安全装置を備える電池パックの構造を示す全体図である。 図４は、本発明における好ましい形態による安全装置を備える電池パックの構造を示す部分的な拡大図である。

符号の説明

１００ 電池セル
１０１ 陰極端子
１０２ 陽極端子
２１０ 上下動部材
２１１ ヒンジ部材
２２０ 圧電素子
２４０ 枠部材

Claims (9)

1. 電気的に保護回路に接続され、加圧されたときに電流を発生させるための素子（圧電素子）と、
   平板状の電池セルの両側表面のうちの１つと接触している一端（ａ）と、圧電素子の表面の表面と接触している他端（ｂ）とを有する部材（上下動部材）と、を備え、
   上下動部材は所定の部分に可動的に固定されており、それによって、一端（ａ）が電池セルの膨張により持ち上げられたとき、他端（ｂ）が下げられて圧電素子を押圧することを特徴とする二次電池用の安全装置。
2. 圧電素子と上下動部材とが、電池セルが設けられている枠部材に取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の安全装置。
3. 上下動部材がヒンジ構造により枠部材に取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の安全装置。
4. くぼみが枠部材の上端の中央部に備えられており、圧電素子がそのくぼみの中に取付けられ、そして上下動部材の一端（ａ）側領域がそのくぼみに挿入され取付けられていることを特徴とする請求項２に記載の安全装置。
5. 上下動部材が細長い板状に形成されており、上下動部材の他端（ｂ）が電池セルの中央部またはその近傍まで届く長さを有していることを特徴とする請求項１に記載の安全装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の安全装置を含む電池パック。
7. 電池パックはさらに、金属層と樹脂層とを含むラミネートシートからなる電池ケースと、電池ケースに取り付けられた電極組立体とを有する電池セルを備え、電池ケースの中に安全装置が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の電池パック。
8. アルミニウムのラミネートシートからなる、折りたたみ式のポーチ型のケースの中に電極組立体を載置し、ポーチ型のケースの上端と向かい合う側面とを熱的に溶接し、これによってケースを封止することで電池セルが製造されることを特徴とする請求項７に記載の電池パック。
9. 電池セルは、枠部材の中に設けられ、
   枠部材は、その上部と下部とが開口した格子構造に形成されており、これによって、側面の封止部が鉛直方向に沿って上方に曲げられている電池セルを枠部材の中に設けることができ、
   枠部材の後部の上端には、電池セルの電極端子が配置されているくぼみが形成されており、
   枠部材の前部の上端には、圧電素子が取り付けられ、上下動部材がヒンジ構造により接続されているくぼみが形成されていることを特徴とする請求項８に記載の電池パック。

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