JP2012182022A - バッテリーパック - Google Patents

Abstract

【課題】釘等が複数の電池を貫通するような異常時においても、短絡電流による温度上昇を抑制できるバッテリーパックの構成を得る。
【解決手段】積層された複数の非水二次電池１０と、前記複数の非水二次電池１０相互間の電気的な接続と非接続とを制御する一または二以上の接続制御部２３と、前記複数の非水二次電池１０のうち、積層方向の最も外側に位置する非水二次電池１０の厚み方向の両側に配置された複数の導電性フィルム２１とを備える。前記一または二以上の接続制御部２３は、通常動作時には、前記複数の非水二次電池１０相互間を直列に接続し、前記複数の導電性フィルム２１のうち一つの非水二次電池１０の両側に配置された二つの導電性フィルム２１が短絡する異常時には、前記複数の非水二次電池１０相互間の電気的な接続を断つ。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の非水二次電池からなるバッテリーパックに関する。

非水二次電池は、産業機器用あるいは車載用といった用途で、複数の電池を電気的に接続したバッテリーパックとして使用されることがある。バッテリーパックとして使用した場合に、釘等が刺さり複数の電池を貫通するような事故が発生すると、電池単体の場合と比較して、短絡電流による発熱がより大きくなる。

特許文献１には、感熱素子の両端子を電池ケース外に取り出すため、電極端子とは異なる取り出し端子を電池ケースの一部に設けたことを特徴とする非水電解液二次電池が開示されている。この非水電解液二次電池では、電池ケース内に配置された感熱素子により検出された温度信号を電極端子とは異なる取り出し端子を介して外部に取り出し、発電要素による発熱を検知している。

特開平１０−２１４６１３号公報

しかし、前記特許文献１に開示されている非水電解液二次電池の感熱素子は、いずれも異常な温度または異常な電流が作動条件であり、異常な温度または異常な電流の発生そのものを回避する手段として完全ではなかった。

本発明の目的は、釘等が複数の電池を貫通するような異常時においても、短絡電流による温度上昇を抑制できるバッテリーパックの構成を得ることである。

本発明が開示するバッテリーパックの構成は、積層された複数の非水二次電池と、前記複数の非水二次電池相互間の電気的な接続と非接続とを制御する一または二以上の接続制御部と、前記複数の非水二次電池のうち、積層方向の最も外側に位置する非水二次電池の厚み方向の両側に配置された複数の導電性フィルムとを備える。前記一または二以上の接続制御部は、通常動作時には、前記複数の非水二次電池相互間を直列に接続し、前記複数の導電性フィルムのうち一つの非水二次電池の両側に配置された二つの導電性フィルムが短絡する異常時には、前記複数の非水二次電池相互間の電気的な接続を断つ。

上記の構成によれば、バッテリーパックが釘等の導電性異物で貫かれた場合、前記導電性異物を介して、前記複数の導電性フィルムのうち一つの非水二次電池の両側に配置された二つの導電性フィルムが短絡する。これを異常検出手段として、前記一または二以上の接続制御部は前記複数の非水二次電池相互間の電気的な直列接続を断つ。そのため、複数の電池が電気的な直列接続を維持したまま短絡することに起因する温度上昇を抑制できる。

本発明によれば、釘等が複数の電池を貫通するような異常時においても、短絡電流による温度上昇を抑制できるバッテリーパックの構成が得られる。

図１は、本発明の一実施形態にかかるバッテリーパックの概略構成を示す斜視図である。 図２は、本発明の一実施形態にかかるバッテリーパックを構成する非水二次電池の概略構成を示す正面図である。 図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図４は、図２におけるＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図５は、本発明の一実施形態にかかるバッテリーパックの、通常動作時における等価回路図である。 図６は、本発明の一実施形態にかかるバッテリーパックの、特定の導電性フィルム間が短絡した異常時における等価回路図である。 図７は、実施例と比較例の、それぞれのバッテリーパックの温度の時間変化を、釘が貫通した時点から測定したグラフである。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

[全体の構成]
図１は、本発明の一実施形態にかかるバッテリーパック２０の概略構成を示す斜視図である。バッテリーパック２０は、非水二次電池１０ａ〜１０ｇ、導電性フィルム２１ａ〜２１ｄ、電池間リード２２ａ〜２２ｆ、接続制御部２３ａ〜２３ｆ、外部接続リード２４ａ，２４ｂ、および外部接続制御部２５を備えている。

バッテリーパック２０では、非水二次電池１０ａ〜１０ｇを、一方向に積層させている。なお、以下では、非水二次電池１０ａ〜１０ｇのそれぞれを区別しない場合は、非水二次電池１０と呼ぶ。図１では、７枚の非水二次電池１０を積層させた構成を例示しているが、積層させる枚数は任意である。

積層された７枚の非水二次電池１０のうち、一方の最外面にある非水二次電池１０ａの厚み方向両側には、導電性フィルム２１ａと２１ｂが配置されている。同様に、他方の最外面にある非水二次電池１０ｇの厚み方向両側には、導電性フィルム２１ｃと２１ｄが配置されている。

導電性フィルム２１ａ〜２１ｄとしては、各種の金属箔や、導電性フィラーを添加した樹脂フィルム等を用いることができる。導電性フィルム２１ａ〜２１ｄは、正面視において、非水二次電池１０を完全に覆うように非水二次電池１０よりも大きな面積を有している。

この構成より、例えば外部から釘等の導電性異物が、非水二次電池１０ａの側から突き刺さる等して、非水二次電池１０ａと１０ｂとの間が短絡した場合には、必ず導電性フィルム２１ａと２１ｂとの間も短絡することになる。同様に、導電性異物が、非水二次電池１０ｇの側から突き刺さる等して、非水二次電池１０ｇと１０ｆとの間が短絡した場合には、必ず導電性フィルム２１ｄと２１ｃとの間も短絡することになる。従って、導電性フィルム２１ａと２１ｂとの間、または導電性フィルム２１ｄと２１ｃとの間の導通を検知することによって、非水二次電池１０相互間に短絡の発生した異常状態を検知できる。

なお、本実施形態では、導電性フィルム２１ａと２１ｄとが電気的に接続されている。また、導電性フィルム２１ｂと２１ｃとが電気的に接続されている。これにより、導電性フィルム２１ａと２１ｂとの間の短絡、および導電性フィルム２１ｃと２１ｄとの間の短絡を、同時に検知できる。ただし、これは任意の構成であって、両者を別々に検知する構成であっても良い。

非水二次電池１０は、正面視で略矩形の扁平形状をしており、その一辺から、正極タブ１１と負極タブ１２が延出している。なお、この構成はあくまで例示であって、非水二次電池１０は任意の形状を取り得るし、正極タブ１１と負極タブ１２を異なる辺から延出させても良い。非水二次電池１０の詳細については後述する。

非水二次電池１０aの負極タブ１２と、非水二次電池１０ｂの正極タブ１１とが、電池間リード２２ａおよび接続制御部２３ａを介して結合している。同様に、非水二次電池１０ｂの負極タブ１２と、非水二次電池２０ｃの正極タブ１１とが、電池間リード２２ｂおよび接続制御部２３ｂを介して結合している。以下、同様にして、非水二次電池１０ｃ〜１０ｆの負極タブ１２と、隣接する非水二次電池１０ｄ〜１０ｇの正極タブ１１とが、電池間リード２２ｃ〜２２ｆおよび接続制御部２３ｃ〜２３ｆを介して結合している。なお、以下では、接続制御部２３ａ〜２３ｆのそれぞれを区別しない場合は、接続制御部２３と呼ぶ。

この構成により、すべての接続制御部２３がＯＮ状態の場合には、すべての非水二次電池１０が、直列に接続される。接続制御部２３の詳細については後述する。

積層した複数の非水二次電池１０のうち、一方の最外面にある非水二次電池１０ａの正極タブ１１と、外部負荷（図示せず）とが、外部接続リード２４ａおよび外部接続制御部２５を介して結合している。また、他方の最外面にある非水二次電池１０ｇの負極タブ１２と、外部負荷とが、外部接続リード２４ｂを介して結合している。外部接続制御部２５の詳細については後述する。

本実施形態では、導電性フィルム２１ａが非水二次電池１０ａの正極タブ１１に電気的に接続されている。また、導電性フィルム２１ｂが外部接続制御部２５と外部負荷との間に、電気的に接続されている。このような配線についても、接続制御部２３および外部接続制御部２５とともに後述する。なお、本実施形態の配線は例示に過ぎず、配線をどのようにするかは任意の設計事項であって、本発明を限定するものではない。

[非水二次電池１０の構成]
続いて、図２〜図４を参照して、非水二次電池１０の構成について説明する。図２は、非水二次電池１０の概略構成を示す正面図である。図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図４は、図２におけるＩＶ−ＩＶ線断面図である。

非水二次電池１０は、複数のシート状正極１３と、複数のシート状負極１４と、複数のセパレータ１５と、ラミネート外装１６と、正極タブ１１と、負極タブ１２と、複数の正極リード１７と、複数の負極リード１８とを備えている。

非水二次電池１０では、図３および図４に示すように、複数のシート状正極１３と複数のシート状負極１４とが、セパレータ１５を挟んで複数積層されている。そして、これらは電解液（図示せず）とともに、ラミネート外装１６に収容されている。図３および図４では、シート状正極１３を２枚、シート状負極１４を３枚、それぞれ積層させた構成を例示しているが、積層させる枚数は任意である。２枚のシート状正極１３はそれぞれ、正極リード１７を介して、ラミネート外装１６の外部に引き出された正極タブ１１と結合している。同様に、３枚のシート状負極１４はそれぞれ、負極リード１８を介して、ラミネート外装１６の外部に引き出された負極タブ１２と結合している。

シート状正極１３は、その詳しい構成は図示していないが、集電体とその両面に形成された正極合剤層とを備える。

正極の集電体としては、アルミやチタン等の箔、平織金網、エキスパンドメタル、ラス網、またはパンチングメタル等を用いることができる。正極タブ１１および正極リード１７も、同種のものを用いることができる。

正極合剤層は、活物質と、導電助剤と、バインダとを有機溶媒中で混合してスラリーを調整し、これを集電体に塗布・乾燥させた後、加圧成型等を施して作製する。正極の活物質としては、マンガン酸リチウム、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、酸化バナジウム、または酸化モリブデン等を用いることができる。正極の導電助剤としては、黒鉛、カーボンブラック、またはアセチレンブラック等を用いることができるが、主成分としてカーボンブラックを用いることが好ましい。正極のバインダとしては、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアミドバインダ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ディスパージョン、ＰＴＦＥ粉末、ゴム系バインダ、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等を用いることができるが、ＰＶＤＦを用いることが好ましい。

シート状負極１４は、その詳しい構成は図示していないが、集電体とその片面または両面に形成された負極合剤層とを備える。

負極の集電体としては、銅・ニッケル・ステンレス等の箔、平織金網、エキスパンドメタル、ラス網、またはパンチングメタル等を用いることができる。負極タブ１２および負極リード１８も、同種のものを用いることができる。

負極合剤層は、活物質と、バインダとを純水中で混合してスラリーを調整し、これを集電体に塗布・乾燥させた後、加圧成型等を施して作製する。負極の活物質としては、天然黒鉛、メソフェーズカーボン、または非晶質カーボン等を使用することができる。負極のバインダとしては、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）・ヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）等のセルロースや、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）・アクリル等のゴムバインダを、単独または混合して用いることができる。

また、シート状負極１４の端面には、ラミネート外装１６と絶縁するために、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリオレフィン共重合体、またはポリアミド共重合体等が塗布される。

セパレータ１５としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、またはポリフェニルサルフィド（ＰＰＳ）等の、微孔性フィルムや不織布を用いることができる。

電解液としては、有機溶媒にリチウム塩を溶解させた溶液が使用される。有機溶媒としては、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、およびγーブチロラクトン等から、一種類または２種類以上を混合して用いることができる。リチウム塩としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、またはＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２等を用いることができる。

ラミネート外装１６としては、アルミラミネートシート等を用いることができる。ラミネート外装１６は、熱融着樹脂等を用いて封止される。

以上、本実施形態における非水二次電池１０の構成について説明した。上記から明らかなように、本実施形態では、非水二次電池１０がラミネート型のリチウムイオン二次電池である場合を例示している。本発明は、非水二次電池１０がこの種の電池の場合に特に有用である。しかし、これは本発明の用途を限定するものではなく、発明の趣旨の範囲で種々の非水二次電池に適用可能である。

[接続制御部２３および外部接続制御部２５の構成]
次に、図５および図６を参照して、接続制御部２３および外部接続制御部２５の構成および動作について説明する。

図５は、本実施形態にかかるバッテリーパック２０の、通常動作時における等価回路図である。簡単のために、バッテリーパック２０の略半分の構成、具体的には非水二次電池１０ａ、１０ｂ、および１０ｃにかかる構成のみを表している。

本実施形態では、接続制御部２３および外部接続制御部２５はリレーによって構成されている。すなわち、図１では詳しい構成を省略したが、接続制御部２３は電磁コイル２３１とスイッチ２３２とを備える。スイッチ２３２は、電磁コイル２３１と連動して、接点ｓ１とｓ２とを切り替える。電磁コイル２３１に電流が流れると、スイッチ２３２は、電磁コイル２３１に引き寄せられて接点ｓ２に切り替わる。一方、電磁コイル２３１に流れる電流が遮られると、スイッチ２３２は、スプリング等によって接点ｓ１に切り替わる。外部接続制御部２５も同様に、電磁コイル２５１とスイッチ２５２とを備える。これらの動作は接続制御部２３と同じであるため説明を省略する。

非水二次電池１０ａと１０ｂとの間には、接続制御部２３ａのスイッチ２３１ａが配置されている。同様に、非水二次電池１０ｂと１０cとの間には、接続制御部２３ｂのスイッチ２３１ｂが配置されている。なお、本実施形態では、接続制御部２３ａと２３ｂは電磁コイル２３１を共有している。

非水二次電池１０ａの正極は、外部接続制御部２５のスイッチ２５２に接続している。スイッチ２５２の他端は接続制御部２３ａと２３ｂが共有する電磁コイル２３１に接続している。電磁コイル２３１の他端は、外部負荷３０に接続している。

非水二次電池１０ａの正極は、スイッチ２５２と並列に、導電性フィルム２１ａおよび２１ｄと接続している。また、導電性フィルム２１ｂおよび２１ｃが、外部接続制御部２５の電磁コイル２５１に接続している。電磁コイル２５１の他端は、外部負荷３０に接続している。図５では、導電性フィルム２１ａと２１ｂ、および導電性フィルム２１ｃと２１ｄを、概念的に接点として表している。

通常動作時には、導電性フィルム２１ａと２１ｂとの間、および導電性フィルム２１ｃと２１ｄとの間には、どちらにも導通はないから、電磁コイル２５１には電流が流れていない。そのため、スイッチ２５２は接点ｓ１側にあり、電流が電磁コイル２３１に流れている。そのため、スイッチ２３２ａおよびスイッチ２３２ｂは、接点ｓ２側に接続されている。

よって通常動作時には、スイッチ２３２ａおよびスイッチ２３２ｂがＯＮ状態であり、非水二次電池１０ａ〜１０ｃ相互間は直列に接続されている。また、外部接続制御部２５のスイッチ２５２がＯＮ状態であり、非水二次電池１０ａの正極と外部負荷３０とが電気的に接続されている。

図６は、本発明の一実施形態にかかるバッテリーパック２０の、導電性フィルム２１ａと２１ｂが短絡した異常時における等価回路図である。

導電性フィルム２１ａと２１ｂとが短絡すると、電磁コイル２５１に電流が流れる。そのため、スイッチ２５２は接点ｓ２に切り替わり、電流が電磁コイル２３１に流れなくなる。そのため、スイッチ２３２ａおよびスイッチ２３２ｂは、接点ｓ１に切り替わる。

よって異常時には、スイッチ２３２ａおよびスイッチ２３２ｂがＯＦＦ状態に切り替わり、非水二次電池１０ａ〜１０ｃ相互間の電気的な接続が断たれる。また、外部接続制御部２５のスイッチ２５２がＯＦＦ状態に切り替わり、非水二次電池１０ａの正極と外部負荷３０との接続が断たれる。

また、非水二次電池１０ａ〜１０ｃ相互間の電気的な接続が断たれた後は、導電性フィルム２１ａと２１ｂとの短絡が解除されたとしても、電磁コイル２３１に電流が流れることはない。そのため、スイッチ２３２ａと２３２ｂは、接点ｓ１側にあり、非水二次電池１０ａ〜１０ｃ相互間の電気的な接続が断たれた状態が保たれる。すなわち、本実施形態の構成は、自己保持回路として機能する。

以上、接続制御部２３および外部接続制御部２５を、リレーとして構成した場合の動作について説明した。しかしこれはあくまで例示であり、接続制御部２３および外部接続制御部２５は、スイッチとして機能するものであればよく、種々の構成を取り得る。例えば、トランジスタやフォトカプラ等を用いることができる。また、接続制御部２３と外部接続制御部２５とを別の素子としても良い。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。なお、この実施例は本発明を限定するものではない。

正極の活物質として９４重量部のＬｉＭｎ_２Ｏ_４と、導電助剤として３重量部のカーボンブラックと、バインダとして３重量部のＰＶＤＦとを、Ｎメチル２ピロリドンを溶剤として均一になるように混合し、正極合剤層のスラリーを作製した。

そして、このスラリーを厚さ１５μｍのアルミ箔からなる集電体の両面に塗布し、１１０±１０℃で乾燥させた後、正極合剤層が所定の密度となるように加圧成型した。その後、正極合剤層が幅１０９ｍｍ、長さ１９７ｍｍとなるように切断してシート状正極を得た。

負極の活物質として９７．８重量部の黒鉛粉末と、バインダとして１．２重量部のＣＭＣと１重量部のＳＢＲの混合物とを、純水中で均一になるように混合し、正極合剤層のスラリーを作製した。

そして、このスラリーを厚さ１０μｍの銅箔からなる集電体の両面に塗布し、１１０±１０℃で乾燥させた後、負極合剤層が所定の密度となるように加圧成型した。その後、負極合剤層が幅１１７ｍｍ、長さ２０５ｍｍとなるように切断してシート状負極を得た。溶融したポリオレフィン共重合体を、このシート状負極に、その端面からの幅が１〜１．５ｍｍとなる様に塗布した。

セパレータとして、ＰＥ微孔フィルムとＰＥＴ不織布とからなる二層構造のシートを、幅１１７ｍｍ、長さ２１０ｍｍに切断して使用した。

１５枚のシート状正極と、１６枚のシート状負極とを、セパレータを間に挟んで交互に積層させ、ポリイミドテープで固定した。シート状正極に正極タブを、シート状負極に負極タブを、それぞれ正極リード、負極リードを介して接続した。その後、アルミラミネートシートからなる、外形で幅１５０ｍｍ、長さ２５０ｍｍのラミネート外装に収容した。電解液１ｍｌを注入後、ラミネート外装を熱融着樹脂で封止して、非水二次電池を作製した。

[実施例]
上記製法により得られた３枚の非水二次電池を、図５に示した回路となるように配置して配線を行い、バッテリーパックを作製した。導電性フィルムとして銅箔を用いた。

[比較例]
上記製法により得られた３枚の非水二次電池を、図５に示した回路を設けずに、直列に接続して、バッテリーパックを作製した。

実施例および比較例のバッテリーパックに、非水二次電池の積層方向と平行に、直径が約２．７ｍｍの釘を突き刺して貫通させた。図７は、実施例と比較例の、それぞれのバッテリーパックの温度の時間変化を、釘が貫通した時点から測定したグラフである。実施例のバッテリーパックでは、ほとんど温度上昇が見られない。これに対して、比較例のバッテリーパックでは、バッテリーパックを構成する非水二次電池間に形成される経路を通じて発熱がおこるため、大きな温度上昇が見られる。

本発明は、複数の非水二次電池からなるバッテリーパックに利用可能である。

１０，１０ａ〜１０ｇ 非水二次電池、１１ 正極タブ、１２ 負極タブ、１３ シート状正極、１４ シート状負極、１５ セパレータ、 １６ ラミネート外装、 １７ 正極リード、１８ 負極リード、２０ バッテリーパック、２１ａ〜２１ｄ 導電性フィルム、２２ａ〜２２ｆ 電池間リード、２３，２３ａ〜２３ｆ 接続制御部、２４ａ，２４ｂ 外部接続リード、２５ 外部接続制御部、３０ 外部負荷

Claims (4)

1. 積層された複数の非水二次電池と、
   前記複数の非水二次電池相互間の電気的な接続と非接続とを制御する一または二以上の接続制御部と、
   前記複数の非水二次電池のうち、積層方向の最も外側に位置する非水二次電池の厚み方向の両側に配置された複数の導電性フィルムとを備え、
   前記一または二以上の接続制御部は、通常動作時には、前記複数の非水二次電池相互間を直列に接続し、前記複数の導電性フィルムのうち一つの非水二次電池の両側に配置された二つの導電性フィルムが短絡する異常時には、前記複数の非水二次電池相互間の電気的な接続を断つ、バッテリーパック。
2. 前記接続制御部は、リレーまたはトランジスタである、請求項１に記載のバッテリーパック。
3. 請求項１または２に記載のバッテリーパックにおいて、
   前記複数の非水二次電池の出力と外部負荷との、電気的な接続と非接続とを制御する外部接続制御部をさらに備え、
   前記外部接続制御部は、通常動作時には、前記複数の非水二次電池と外部負荷とを電気的に接続し、前記異常時には、前記複数の非水二次電池と外部負荷との電気的な接続を断つ、請求項１または２に記載のバッテリーパック。
4. 前記外部接続制御部は、リレーまたはトランジスタである、請求項３に記載のバッテリーパック。
   

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