JP3683283B2 - 二次バッテリ用電流遮断素子 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、一般的に、バッテリに関し、更に特定すれば、過充電時に膨潤するセルを有する二次バッテリにおいて使用する安全素子に関するものである。
発明の背景
二次バッテリは、消耗後に再充電できるので、セルラ電話機（携帯電話機）のようなコンスーマ用商品と共に用いる場合、かかるバッテリは便利である。典型的に、一旦電話機またはその他の親装置(host device)による使用で消耗した場合、二次バッテリを充電器に挿入し、充電器が電流を与えバッテリを再充電する。充電器内部の回路がバッテリ電圧を検出し、一旦所定のバッテリ電圧に達したなら、充電を終了する。
しかしながら、互換性のない充電器を用いた場合、または充電器内部の検出回路が誤動作した場合、バッテリは不用意に過充電される可能性がある。過充電のために、バッテリ性能の低下，バッテリ寿命の短縮，あるいは出火または爆発を招く虞れさえもある。特に、リチウム・イオン・ポリマ・バッテリ・セル(lithium-ion polymer battery cell)は、過充電された場合、膨潤し点火する可能性がある。したがって、二次バッテリの過充電を中止させる安全素子が必要とされている。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の第１実施例による電流遮断素子を含む二次バッテリの側面図である。
第２図は、電流の流れを遮断した後の本発明の第１実施例による第１図の二次バッテリの側面図である。
第３図は、本発明の第２実施例による電流遮断素子を含む二次バッテリの側面図である。
第４図は、電流の流れを遮断した後の本発明の第２実施例による第３図の二次バッテリの側面図である。
第５図は、本発明の第３実施例による電流遮断素子を含む二次バッテリの側面図である。
第６図は、電流の流れを遮断した後の本発明の第３実施例による第５図の二次バッテリの側面図である。
第７図は、本発明の第４実施例による電流遮断素子を含む二次バッテリの側面図である。
第８図は、電流の流れを遮断した後の本発明の第４実施例による第７図の二次バッテリの側面図である。
好適実施例の詳細な説明
第１図は、リチウム・イオン・バッテリまたはリチウム・イオン・ポリマ・バッテリのように、過充電時に膨張(expand)する二次バッテリ１００の側面図である。バッテリ１００は、正極端子１１５および負極端子１２０を有する、少なくとも１つのセル１１０から成るセル構成を含む。筐体１０５が、セル１１０および従来のバッテリ機能を行うその他の電気回路を包囲し、これらを収容する。例えば、バッテリ１００内にサーミスタ（図示せず）を含ませ、バッテリ１００を充電する際に用いる充電器に温度情報を与えることができる。二次電池１００は、親装置や充電器等のような外部装置に、外部コンタクト１５０，１５５を介して電気的に接続されている。種々のバッテリ，充電器，および親装置の仕様に応じて、様々な数のコンタクトを備え得ることは認められよう。
本発明によれば、バッテリ１００は、セル１１０が過充電した場合に発生するような、セル１１０の膨潤(swell)に応答して電流遮断機能を行う機械的素子を含む。この機械的素子は、いくつかの異なる形態を取ることができる。
第１図に示す本発明の第１実施例によれば、機械的電流遮断素子は、ヒューズ１２５を介して負極端子１２０に電気的に接続されている第１導体を含む。ヒューズ１２５は、例えば、従来からの加鉛素子(leaded device)とすることができる。第２導体が正極端子１１５に電気的に接続され、２つの導体は、正常なセル動作の間、即ち、ヤル１１０が膨潤しない限り、互いに電気的に分離されるように、筐体１０５内に配置されている。正極および負極端子１１５，１２０は、他のバッテリ回路を介してというように、何らかの方法で、正極および負極の外部コンタクト１５０，１５５にそれぞれ電気的に接続されている。好ましくは、負極端子１２０への電気接続は、ヒューズ１２５の遠側１６０で行う。より具体的には、回路およびコンタクトは、負極端子１２０への電気信号または負極端子１２０からの電気信号のいずれもが、ヒューズ１２５によって与えられる経路を通過するように、負極端子１２０に電気的に接続する。
好ましくは、第１導体は第１金属タブ１３０から成り、これが、負極端子１２０に接続されているヒューズ１２５に接続されている。金属タブ１３０はセル１１０の上面上で折り曲げられ、その中央位置において終端する。タブ１３０から上に向かって延出するのは、直立部１３５であり、これは、タブ１３０自体の折り曲げ部分から成るものでも、タブ１３０の端部に形成されたピンのように、別個に形成された導電性エレメントから成るものでも可能である。第２導体は、正端子１１５に接続されている第２金属タブ１４０から成る。タブ１４０は、筐体１０５に向かって上方向に延出し、次いで折り曲げられ、筐体１０５に平行にかつこれに隣接して延びている。タブ１４０は、第１端部１３０が終端する領域のほぼ真上の位置で終端し、その端部にコンタクト１４５またはその他の拡大部分を含むことができる。図示のように、第１および第２タブ１３０，１４０は、通常、電気的に接触していない。
ヒューズ１２５と第１導体との間の電気接続，ならびにタブ１３０，直立部１３５，タブ１４０，およびコンタクト１４５のような、第１および第２導体の種々の部分間の電気接続は、様々な従来からの方法で行うことができる。例えば、はんだ付け，溶接，鋲着(riveting)等によって、電気接続を行うことができる。
第２図は、過充電またはその他の応力の結果として、一旦二次セル１１０が膨潤したバッテリ１００を示す。図示のように、セル１１０の膨潤によって、第１導体が筐体１０５内で上方向に押し上げられ、直立部１３５が、第２導体の拡大部１４５と電気的に接触する。このようにして、正極端子１１５が負極端子１２０に電気的に接続し、セル１１０を短絡させ、ヒューズ１２５が切れる。その結果、セル１１０からの電流およびセル１１０への電流は全て遮断され、これ以上の電流の通過を防止し、セル１１０のこれ以上の膨張を防止する。
次に第３図を参照し、本発明によるバッテリ３００の第２実施例を示す。バッテリ３００は、バッテリ１００と同様、筐体１０５，外部コンタクト１５０，１５５，過充電時に膨潤するセル１１０，および七ルの膨張に応答して電流の流れを遮断する機械的素子を含む。セル１１０は、少なくともコンタクト１５０，１５５を介して電力を供給するための、正極端子１１５および負極端子１２０を有する。好ましくは、負極の外部コンタクト１５５およびあらゆる電気回路は、負極端子１２０に接続されているヒューズ１２５’の遠側３６０においてというように、ヒューズ１２５’を介して負極端子１２０に電気的に接続する。
バッテリ３００の機械的電流遮断素子は、ヒューズ１２５’を介して負極端子１２０に電気的に接続されている第１導体と、正極端子１１５に電気的に接続されている第２導体とを含む。正常なセル動作の間、第１および第２導体は、互いから分離されている。本発明の第２実施例によれば、第１導体は、ポリイミドのような従来からの材料で形成された第１可撓性基板３０２を備え、その上に電気回路がめっきされている。電気回路は全体的にポリイミドのような絶縁材で被覆されるが、可撓性基板３０２の回路に電気信号を与えたり、この回路から電気信号を受信するコンタクトやパッドは、被覆しないまま残しておくことが好ましい。可撓性基板３０２は、従来のように負極端子１２０に電気的に接続されている第１端部を含む。基板３０２は、セル１１０の形状に従うように折り曲げられ、セル１１０の表面上に位置する。基板３０２の第２端部は、その上に配されたはんだボール３１０を含む。基板３０２の電気回路（図示せず）は、ヒューズ１２５’を介して、はんだボール３１０を負極端子１２０に電気的に接続する。ヒューズ１２５’は、好ましくは、従来のように基板３０２のパッドに装着された、表面実装コンポーネントである。
第２導体は、第２可撓性基板３０５から成り、その第１端部は、正極端子１１５に電気的に接続されている。基板３０５は、セル１１０から上方向に延出し、バッテリの筐体１０５に接触し、これと平行に延びる。基板３０５の第２端部上には、はんだボール３１５が配されており、第１可撓性基板３０２のはんだボール３１０のほぼ真上に、筐体１０５に隣接して位置付けられている。
第４図は、過充電に応答してというように、一旦セル１１０が膨張したバッテリ３００を示す。図示のように、セル１１０の膨潤により、基板３０２を上方向に押し上げるので、第１可撓性基板３０２のはんだボール３１０が、第２可撓性基板３０５のはんだボール３１５と接触し、ヒューズ１２５’を介して正極および負極端子１１５，１２０間に電気接続が生ずる。この短絡の結果、ヒューズ１２５’が切れることにより、バッテリ３００への電流の流れおよびバッテリ３００からの電流の流れを遮断し、セル１１０のこれ以上の過充電およびこれ以上の膨潤を防止する。
第１図ないし第４図に示す機械的安全素子は、電流の流れを遮断し、セルの膨張を防止する非常に信頼性の高い方法をもたらすことが認められよう。更に、これらの素子は、金属タブ，可撓性基板，および従来からのヒューズのように、低コストの部品による新規な構成から成るので、本発明による機械的安全素子は、大きな出費を伴うことなく、二次バッテリ内に内蔵することができる。逆に、従来の二次バッテリにおいて用いる安全回路は、精密な電気素子を含むことが多く、非常に高価でありしかも脆弱であるので、信頼性および製品コストに影響を及ぼす可能性がある。
次に第５図を参照し、本発明によるバッテリ５００の第３実施例を示す。バッテリ５００は、第３図および第４図に示した機械的安全素子と同様のものを含むが、バッテリ５００は、追加の安全機構も含む。即ち、バッテリ５００は、第１および第２可撓性基板３０２，３０５を含み、これらは、第３図におけると同様、正常なセル動作の間、電気的にされるように構成されている。加えて、バッテリ５００は、はんだボール３１０，３１５間に位置付けられた、紙片またはプラスチック片のような絶縁物５０５を含む。絶縁物５０５は、例えば、はんだボール３１０を覆うように、糊付けまたはテープによってセル１１０に接着することができる。このため、バッテリ５００を落下させた場合に生じ得るような、バッテリ筐体１０５のへこみ(compression)が、はんだボール３１５，３１５間の不用意な接触を起こすことはない。
第６図は、セル１１０が膨潤した場合のバッテリ５００を示す。この場合、セル１１０の膨張によって、絶縁物５０５を２つのはんだボール３１０，３１５間から引き出し、はんだボール３１０をはんだボール３１５に接触させ、セル１１０を短絡させる。これによって、全ての回路を負極端子１２０に接続するヒューズ１２５’を飛ばす。
第７図は、本発明によるバッテリ７００の第４実施例を示す。バッテリ７００の機械的電流遮断素子は、第１および第２導体を含む。これらは電気的に分離され、正極および負極の外部コンタクト１５０，１５５を介して外部装置に電力を供給する。第１導体は、好ましくは、第１および第２部分７０５，７２０を含み、これらは正常なセル動作の間電気的に接続されている。本発明によれば、第１および第２部分７０５，７２０は、金属タブまたは可撓性基板を用いて形成することができる。しかしながら、便宜上、第１および第２部分のことを以降第１および第２金属タブ７０５，７２０と呼ぶことにする。第１タブ７０５は、第１端部において、正極の外部コンタクト１５０に電気的に接続されているが、代わりに、第１タブ７０５の第１端部をバッテリ回路に電気的に接続し、一方、バッテリ回路が外部コンタクト１５０に電気的に接続するという構成も可能であることは認められよう。第１タブ７０５は、セル１１０の表面上に位置するように延び、拡大領域７１５を有する第２端部において終端する。拡大領域７１５は、例えば、タブ７０５上に配したはんだボール，またはこれに装着したコンタクトによって形成することができる。第１導体の第２タブ７２０は、正極端子１１５に電気的に電気的に接続された第１端部と、拡大領域７１０、例えば、コンタクトまたははんだボールを有する第２端部とを有する。第２タブ７２０は、正常状態では拡大領域７１０が第１タブ７０５の拡大領域７１５と接触状態となるように形成され、かつ位置付けられ、第１および第２タブ７０５，７２０を介して、正極端子１１５と正極の外部コンタクト１５０との間に電気経路を与える。
第２導体は、第１，第２，および第３部分７２５，７３０，７３５を含み、これらは、金属タブ，可撓性基板，または従来からのワイヤとすることでさえ可能である。第１部分７２５は、以降簡略化のために第１金属タブ７２５と呼ぶ。その第１端部は、負極端子１２０に電気的に接続されている。タブ７２５は、セル１１０の底面に沿って折れ曲がり、セル１１０の底面に隣接して位置付けられている第２端部において終端するように形成されている。第２部分７３０は、以降簡略化のために第２導体の第２金属タブ７３０と呼ぶことにする。これは、図示のように直接、または電気回路（図示せず）を介して、その第１端部が負極の外部コンタクト１５５に電気的に接続されている。タブ７３０は、筐体１０５の底面，内面を横切って延び、上に折り曲げられて、セル１１０の底面に接触する。タブ７３０の第２端部は、１センチメートルというような短い距離だけタブ７２５の端部から離れて、セル１１０の底面に隣接して位置付けられている。第２導体の第３部分７３５は、タブ７２５をタブ７３０に電気的に接続する。第３部分７３５は、比較的細いワイヤまたは薄いタブから成り、容易に破断可能であることが好ましい。あるいは、第３部分７３５は、１つ以上の比較的弱い接続部によって、第１および第２タブ７２５，７３０に電気的に接続することも可能である。
第８図は、セル膨張後のバッテリ７００を示す。この場合、セル１１０の膨潤により、第１導体の第１および第２金属タブ７０５，７２０双方が上方向に押し上げられ、互いの接触が外れることにより、正極端子１１５を他のセル回路および正極の外部コンタクト１５０から切断する。その結果、これ以上のセルの過充電および膨潤が防止される。第２導体の独特な形成および位置付けによって、冗長な安全構造が得られる。何故なら、セル１１０の膨張は、タブ７２５，７３０上および部分７３５上で下方向に押圧することにより、部分７３５を破断するか、あるいは部分７３５とタブ７２５，７３０との間の接続を切り離すからである。この結果、負極端子１２０がセル回路および負極の外部コンタクト１５５から切断されることになる。
第７図および第８図に示す第１および第２導体は、いずれも単独で機能し、セルの膨潤時に、バッテリ７００への電流およびバッテリ７００からの電流全ての確実な遮断を可能とすることは、当業者には理解されよう。しかしながら、２つの新規な導体を一緒に用いることにより、追加の安全対策を備え、セルの膨潤時には、バッテリ７００への電流およびバッテリ７００からの電流全てが確実に遮断される。
要約すれば、前述の二次バッテリは、正常なセル動作の間バッテリへの電流の流れおよびバッテリからの電流の流れを許す、機械的電流遮断素子を含む。しかしながら、過充電の場合に発生し得るようなセルの膨張に応答して、電流遮断素子は、膨張したバッテリ・セルと外部コンタクトとの間を分離するように機能することによって、状況が危機的になる前に、それ以上の膨張およびそれ以上の過充電を防止するので好都合である。
本発明によれば、機械的安全素子は、正極のセル端子と正極の外部コンタクトとの間に電気接続性を与える第１導体と、負極のセル端子と負極の外部コンタクトとの間に電気接続性を与える第２導体とを含む。第１および第２導体は、正常時には電気的に分離されているが、セルの膨張により押圧されて接触状態となることによって、回路内のヒューズを飛ばす。その結果、セルを電気的に分離するので、過充電が継続することはできない。本発明の他の態様によれば、第１および第２導体によって与えられる電気経路は、セルが膨潤した場合、物理的に破断されるので、ヒューズは不要である。
前述のように、機械的素子は、好ましくは、金属タブ，可撓性基板から成り，またはワイヤでも良いので、少ない費用で素子の製造および組み立てが可能である。同時に、この機械的素子は、比較的堅牢で、機械的および電気的双方の不良に強い。
これに対して、従来の安全回路は高価な精密素子を含むことが多く、これらは脆弱であり、機械的または電気的応力によって故障し易い。その結果、従来の安全回路を用いたバッテリは、本発明の機械的安全素子を用いたバッテリよりも高価であり、しかも安全性が低い可能性が高い。
したがって、二次バッテリの過充電を中止する改良型の安全装置が提供されたことが、以上の説明から認められよう。

Claims (12)

1. 電流遮断素子を有する二次バッテリであって：
   正極端子および負極端子を有するセル；
   前記セルの膨潤に応答して、前記正極端子を前記負極端子に電気的に接続する素子；および
   前記セルの膨潤に応答して、前記正極端子と前記負極端子との間に電気的に接続されるヒューズ；
   から成ることを特徴とする二次バッテリ。
2. 前記素子による前記正極端子の前記負極端子への電気的な接続に応答して、前記ヒューズが切れることを特徴とする請求項１記載の二次バッテリ。
3. 前記セル，前記素子，および前記ヒューズを包囲しかつ収容する筐体；
   を更に備えることを特徴とする請求項１記載の二次バッテリ。
4. 前記素子は：
   前記負極端子に電気的に接続された第１導体；および
   前記正極端子に電気的に接続された第２導体；
   を備え、正常なセル動作の間、前記第１導体は、前記第２導体から電気的に分離されていることを特徴とする請求項１記載の二次バッテリ。
5. 前記ヒューズは、前記第２導体と前記正極端子との間に電気的に接続されていることを特徴とする請求項４記載の二次バッテリ。
6. 前記ヒューズは、前記第１導体と前記負極端子との間に電気的に接続されていることを特徴とする請求項４記載の二次バッテリ。
7. 前記ヒューズは、前記第１および第２導体の一方に装着されている表面実装コンポーネントであることを特徴とする請求項４記載の二次バッテリ。
8. 前記第１および第２導体は、可撓性基板から成り、その上に電気回路が形成されていることを特徴とする請求項４記載の二次バッテリ。
9. 前記第１および第２導体は、過充電の間前記セルが膨潤した場合、電気的接触を生ずるように配置されていることを特徴とする請求項４記載の二次バッテリ。
10. 前記ヒューズは、前記負極端子に接続されており；
    前記第１導体は、前記ヒューズに接続された第１金属タブから成り；
    前記第２導体は、前記正極端子に接続された第２金属タブから成り、
    正常なセル動作の間、前記第１金属タブは前記第２金属タブから電気的に分離されており、前記セルが過充電となった場合、前記第１金属タブが前記第２金属タブに接触し、ヒューズが切れることを特徴とする請求項４記載の二次バッテリ。
11. 前記第１導体は、第１可撓性基板を備え、その上に配された第１はんだボールを有し、更に、前記第１はんだボールおよび前記負極端子に前記ヒューズを介して電気的に接続された回路を有し；
    前記第２導体は、第２可撓性基板を備え、その上に配された第２はんだボールを有し、更に前記第２はんだボールおよび前記正極端子に電気的に接続された回路を有し、
    正常なセル動作の間、前記第１可撓性基板の前記回路は、前記第２可撓性基板の前記回路から電気的に分離され、前記セルが過充電となった場合、前記第１はんだボールが前記第２はんだボールに接触し、前記ヒューズが切れることを特徴とする請求項４記載の二次バッテリ。
12. 前記第１導体と前記第２導体との間に位置付けられた絶縁物を更に備え、過充電の間に前記セルが膨潤した場合、前記絶縁物が前記第１導体と前記第２導体との間から引き出されることを特徴とする請求項４記載の二次バッテリ。

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