JP4231834B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に関し、より詳しくは、電極組立体、缶、キャップ組立体を備えてなる単位セル（ｂａｒｅ ｃｅｌｌ）と、単位セルに電気的に接続された保護回路基板とを溶融された樹脂で結合成形してなるパック型二次電池に関する。

二次電池は、再充電が可能で、小型化及び大容量化が可能であるため、最近、活発に研究開発されている。近来、開発されて、使われている代表的なものには、ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池、リチウム（Ｌｉ）電池、及びリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池がある。

これらの二次電池における単位セルの大部分は、陽極、陰極、及びセパレータからなる電極組立体を、アルミニウム、または、アルミニウム合金からなる缶に受納し、缶の開放部にキャップ組立体で封止した後、缶の内部に電解液を注入して封止することにより形成される。缶は鉄材で形成することもできるが、アルミニウム、または、アルミニウム合金により形成する場合、アルミニウムの軽いという属性により電池の軽量化が可能であり、さらには、高電圧下で長時間使用しても腐食されない等の長所がある。

封止された単位セルは、ＰＴＣ素子（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）、サーマルヒューズ（ｔｈｅｒｍａｌ ｆｕｓｅ）、及び保護回路基板（ＰＣＭ：Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｍｏｄｕｌｅ）等の安全装置、ならびに、その他の電池付属部品等と連結した状態で、別途のパックに受納される。あるいは、単位セルと保護回路基板、その他の電池付属部品等は、互いに接続された状態で、これらの間隙が成形樹脂により充填されながら相互に固定されたり、共に被覆されたりしてパック電池を成すことになる。

安全装置等は、リードプレート（ｌｅａｄ ｐｌａｔｅ）という導体構造により、単位セルの陽極端子及び陰極端子と連結し、電池の高温上昇や過度な充放電等によって電池の電圧が急上昇する場合、電流を遮断して電池の破裂等の危険を防止する。

図１は、成形樹脂により結合される前段階にある従来のリチウムイオンパック電池の一例に対する概略的分解斜視図であり、図２は成形樹脂により結合された状態の従来のリチウムイオンパック電池を示す斜視図である。

図１及び図２を参照すると、パック電池では、単位セル１０の電極端子１１、１２が形成された面に並んで、保護回路基板３０が配置される。そして、図２のように、単位セル１０と保護回路基板３０との間隙を成形樹脂で充填する。成形樹脂で充填する際、成形樹脂が保護回路基板３０の外側面まで覆うことができるが、電池の外部の入出力端子３１、３２は、外部に露出されるようにする。

単位セル１０において、保護回路基板３０と対向する側面には、陽極端子１１及び陰極端子１２が形成されている。陽極端子１１は、アルミニウム、あるいは、アルミニウム合金からなるキャッププレート自体、または、キャッププレート上に結合されたニッケル含有金属板とすることができる。陰極端子１２は、キャッププレート上に突起状で突出した端子であり、周囲に介された絶縁体ガスケットにより、キャッププレート１３と電気的に隔離されている。

保護回路基板３０は、樹脂からなるパネルに回路が形成されてなり、外側表面に外部入出力端子３１、３２等が形成されている。この保護回路基板３０は、単位セル１０の対向面（キャッププレート面）と、ほとんど同じ大きさ及び形態を有する。

保護回路基板３０において、外部入出力端子３１、３２が形成された面の裏側、即ち、内側面には回路部３５及び接続端子３６、３７が備えられる。回路部３５には、充放電時において、過充電、過放電から電池を保護するための保護回路等が形成されている。回路部３５と各々の外部入出力端子３１、３２とは、保護回路基板３０を通過する導電構造により電気接続されている。

単位セル１０と保護回路基板３０との間には、接続リード４１、４２、及び絶縁プレート４３等が配置されている。接続リード４１、４２は、通常ニッケルからなり、キャッププレート１３及び保護回路基板３０の接続端子３６、３７との電気接続のために形成され、‘Ｌ’字型構造、あるいは、平面構造からなる。接続リード４１、４２と各端子１１、１２、３６、３７との接続のためには、抵抗スポット熔接が使われうる。本例では、保護回路基板３０と陰極端子１２との間にある接続リード４２に、ブレーカー（ｂｒｅａｋｅｒ）等が別途に形成された場合を示している。この場合、保護回路基板３０の回路部３５にはブレーカーを設ける必要はない。絶縁プレート４３は、陰極端子１２と接続される接続リード４２と、陽極となるキャッププレート１３との間を絶縁するために設けられる。

ところが、上述しているように、単位セル１０と保護回路基板３０、及びその他の電池付属部品を、成形樹脂を用いて、パック電池１に形成する際、パック電池１の状態において、保護回路基板３０等の電池付属部品を単位セル１０に固定結合する成形樹脂部２０は、キャッププレート１３や缶のように金属からなる単位セル１０と材質が異なり、接している面積も大きくないので、外力による捩れや曲げに劣るという問題がある。

図３は、従来のパック電池に対し、捩れ外力が作用して、成形樹脂部２０が単位セル１０に対して捩れた状態を示す説明図である。

図１ないし図３を参照すると、図３で図示された方向に、成形樹脂部２０が単位セル１０に対して一定角度以上に捩れると、たとえ、成形樹脂部２０が完全に破損されなくても、単位セル１０の陽極端子１１、陰極端子１２から接続リード４１、４２を経て保護回路基板３０の外部入出力端子３１、３２に至るまでの電気的接続に、問題が生じることがあり、電池の安全装置等が作動しなくなることもある。

図３の矢印方向に作用する外力によるパック電池の捩れ等の問題と関連して、接続リード４１、４２が平面構造を取る場合、従来のパック電池では、成形樹脂部２０が外力により、単位セル１０と相対的に捩れる、あるいは、滑る際、そのような変形に抵抗する機能を有していた、キャッププレート１３面に対して垂直に突出した部分がなくなる。また、接続リード４１、４２、及び接続端子３６、３７はＬ字型で形成されて、熔接される部分がキャッププレート１３面に垂直に突出する場合も、これらの部分は電気接続のための構造に過ぎず、大きな機械的強度を有するように設けられたのではない。さらには、キャッププレート１３の全体に形成されたのでもないため、これら部分は捩れや曲げを与える外力に抵抗する支持体としての役目を果たし難い。

本発明は、上述の問題点を解決するためのものであって、成形樹脂によりパック電池形態で成形される際、パックの捩れや曲げによる単位セル部分と成形樹脂部との相対的な変形や破損を抑制できる構造を有する二次電池を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明は、陽極、陰極、及びセパレータを含んでなる電極組立体と、電極組立体と電解液とを受入れる缶と、缶の開放部を封止するキャップ組立体と、を備えてなる単位セルと、前記単位セルに接続される保護回路基板と、前記単位セルと前記保護回路基板との間隙を充填し、前記単位セルと前記保護回路基板とを相互に固定する成形樹脂部と、を含んでなる二次電池において、前記キャップ組立体には、前記キャップ組立体に一体成形または熔接されたものであり、前記成形樹脂部との界面から前記成形樹脂部に向かって突出する突出部と、前記突出部の突出高さよりも高い突出高さに形成され、前記突出部に結合されるホルダと、が備えられることを特徴とする。

本発明において、前記突出部は、キャップ組立体と一体成形されることにより、突出部とキャップ組立体のその他の部分との結合強度を高めることができる。結合強度が高められると、捩れや曲げのような外力による成形樹脂部の変形に対する突出部の抵抗強度を高めることができる。

その際、突出部をキャップ組立体と一体形成する方法の一つとして、射出法を使用することができる。キャップ組立体の本体を成す部分は、通常、キャッププレートであるので、突出部はキャッププレートと射出法により一体形成されることが望ましい。

本発明において、ホルダは、単位セル状態の電池に形成されている突出部に嵌合されたり、熔接されたりする形態で結合されうる。ホルダは、突出部と結合される方向を基準にして、突出部の突出高さより一層厚く形成され、突出部と結合された状態では、キャップ組立体の端部が、突出部の端部より一層高い位置にあることになる。

本発明において、突出部は、単位セルと保護回路基板との電気接続のために単位セルに取付けられる接続リードの反対側に１つ形成し、接続リードは、少なくともその一部が前記界面に対して垂直な構造を有するようにしうる。

本発明において、缶は、鉄やその他の金属から形成することができるが、アルミニウム、あるいは、アルミニウム合金といったアルミニウム含有金属からなることが望ましい。

本発明によれば、成形樹脂を用いてパック電池形態で成形される際、電池パックの捩れや曲げといった変形が抑制できるという長所を有する。

本発明によれば、キャッププレートに突出部を形成することと、突出部に嵌合されるホルダを準備する簡単な変更だけでも、外力による電池パックの捩れや曲げを相当に防止することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳しく説明する。

図４は、本発明の一実施の形態により、単位セルの突出部にホルダが結合される場合における、成形樹脂部を除外したリチウムパック電池に対する分解斜視図であり、図５は、本発明の一実施の形態に係る二次電池で、単位セルに保護回路基板を接続させる前の状態を示す斜視図である。

図４を参照すると、リチウムパック電池は、缶２１１と、この缶２１１の内部に受入れられる電極組立体２１２と、缶２１１の上段の開放部と結合して缶の上段を封止するキャップ組立体と、を備えてなる単位セルを有する。

電極組立体２１２は、薄板型、あるいは、膜型からなる陽極２１３、セパレータ２１４、陰極２１５、及びセパレータ２１４をこの順に積層してなる積層体を渦型で巻取って形成する。

陽極２１３は、導電性の優れる金属薄板、例えばアルミニウムホイールからなる陽極集電体と、その両面にコーティングされたリチウム系酸化物を主成分とする陽極活物質層とを含んでいる。陽極２１３には、陽極活物質層が形成されていない陽極集電体の領域に、陽極リード２１６が電気的に連結されている。

陰極２１５は、導電性の金属薄板、例えば銅ホイールからなる陰極集電体と、その両面にコーティングされた炭素材を主成分とする陰極活物質層とを含んでいる。陰極２１５にも、陰極活物質層が形成されていない陰極集電体の領域に、陰極リード２１７が接続されている。

陽極２１３及び陰極２１５と、陽極リード２１６及び陰極リード２１７とは、極性を異にして配置されることもでき、陽極リード２１６及び陰極リード２１７が電極組立体２１２から引出される界面部には、２つの電極２１３、２１５間の短絡を防止するために、絶縁テープ２１８が各々巻かれている。

セパレータ２１４は、ポリエチレンやポリプロピレン、あるいはポリエチレンと、ポリプロピレンの共重合体（ｃｏ−ｐｏｌｙｍｅｒ）とからなる。セパレータ２１４は、陽極２１３及び陰極２１５より広幅にして形成することが、極板間の短絡を防止するのに有利である。

本実施の形態のような角形缶２１１は、大略、直六面体の形状を有するアルミニウム、あるいは、アルミニウム合金から形成される。缶２１１の上段の開放部を通じて電極組立体２１２が受入れられて、缶２１１は電極組立体２１２及び電解液の容器としての役目をすることになる。缶２１１は、それ自体が端子の役目をすることが可能であるが、本実施の形態ではキャップ組立体のキャッププレート１１０が陽極端子の役目をすることになる。

キャップ組立体には、缶２１１の上段の開放部に対応する大きさ及び形状を有する平板型のキャッププレート１１０が設けられている。キャッププレート１１０の中央部には、電極端子が通過できるように端子用通孔１１１が形成される。キャッププレート１１０の中央部を貫通する電極端子１３０の外側には、電極端子１３０とキャッププレート１１０との電気的絶縁のために、チューブ形状のガスケット１２０が設けられている。キャッププレート１１０の中央部、端子用通孔１１１の付近には、キャッププレート１１０の下面に絶縁プレート１４０が配置されている。絶縁プレート１４０の下面には端子プレート１５０が設けられている。

電極端子１３０は、ガスケット１２０が外周面を覆った状態で端子用通孔１１１を通じて挿入されている。電極端子１３０の底面部は、絶縁プレート１４０を介した状態で端子プレート１５０と電気的に連結されている。

キャッププレート１１０の下面には、陽極２１３から引出された陽極リード２１６が熔接されており、電極端子１３０の下段部には陰極２１５から引出された陰極リード２１７が交互に折り曲げられた状態で熔接されている。

一方、電極組立体２１２の上面には、電極組立体２１２とキャップ組立体との電気的絶縁のため、かつ、前記電極組立体２１２の上段部を覆うことができるように絶縁ケース１９０が設けられている。絶縁ケース１９０は、絶縁性を有する高分子樹脂であり、ポリプロピレンからなることが望ましい。電極組立体２１２の中央部と陰極リード２１７とが通過できるように、リード通孔１９１が形成され、他の側方には電解液通過孔１９２が形成されている。電解液通過孔は、別途に形成されなくてもいい、陽極リード２１６のためのリード通孔が、陰極のための中央のリード通孔１９１の側部に形成されうる。

キャッププレート１１０の一側には電解液注入孔１１２が形成されている。前記電解液注入孔１１２には、電解液が注入された後に電解液注入孔を密閉させるために、栓１６０が設けられる。栓１６０はアルミニウムやアルミニウム合金からなるボール型の母材を電解液注入孔の上に置いて、機械的に電解液注入孔に圧入して形成する。封止のために、栓１６０は電解液注入孔１１２の周辺でキャッププレート１１０に熔接される。熔接の容易性のために、通常、栓１６０はキャッププレート１１０と同じ材質からなることが望ましい。

キャップ組立体を缶２１１と結合させることにより、キャッププレート１１０の周辺部と缶２１１の側壁との熔接がなされる。キャップ組立体が缶２１１に結合された後、缶２１１の開口を形成していた缶２１１側壁の上段部が、内側に折り曲げられて、キャッププレート１１０上にフランジ形態をなすように構成することができる。

図４及び図５を参照すると、キャッププレート１１０上では、平行した少なくとも一対の側壁と、側壁の下部を連結して栓１６０部分に通孔を有する底面とからなるリードプレート４１０が栓１６０の周辺に熔接される。リードプレートは、電気接続のためのものであるが、成形樹脂部との界面から、側壁が前記成形樹脂部に向かって突出することにより成形樹脂部の中に打込まれて、成形樹脂部と単位セルとを固定する役目をすることができる。リードプレート４１０は‘コ’の字型の側壁、あるいは、‘Ｌ’字型の側壁を有することもできる。

リードプレート４１０は、ニッケル、ニッケル合金、あるいは、ニッケルメッキされたステンレス鋼材からなることが望ましく、リードプレートの厚さは一般の範囲で通常０．０５ないし０．５ｍｍからなる。リードプレート４１０の厚さは、缶の厚さ及び熔接の便宜性と関連し、厚く形成される場合、キャップ組立体で封止した電池缶２１１と保護回路基板３００との間の空間を樹脂で充填して形成するパック電池において、電池を捩る（ｔｗｉｓｔｉｎｇ）、あるいは、曲げる（ｂｅｎｄｉｎｇ）際に、外力に対する抵抗強度を高めることができるので、有利な点がある。

キャッププレート１１０と各部との熔接は、キャッププレート１１０の材質がアルミニウム、あるいは、アルミニウム合金からなるため、キャッププレート１１０の熱伝導性が高く、抵抗が微小なので、抵抗熔接は適合されず、通常、レーザ熔接によりなされうる。キャッププレート１１０上にリードプレート４１０をレーザ熔接する際、熔接の深度は、通常、キャッププレートの厚さ、材質、及びリードプレートの材質によって、０．１ないし０．５ｍｍまでなされるが、キャッププレート１１０及びリードプレート４１０の厚さが厚いほど、より深くすることが熔接の強度を高めることができるので望ましい。

熔接の形態は、熔接がなされるプレートの形態と面積とによって異なった方式でなされうる。たとえば、熔接部が直線を成す直線型熔接、円形熔接、平行したいろいろな直線を成す熔接等が可能であり、‘Ｌ’字型、‘コ’の字型等から形成することもできる。

図６ａ及び図６ｂは、本発明の一実施の形態により形成される突出部と、突出部にホルダが結合される形態を示す一部斜視図である。

図４ないし図６を参照すると、キャッププレート１１０の上で、中央の電極端子１３０を基準にして、リードプレート４１０の反対側に、本発明の特徴を成す突出部３１０が形成されている。突出部３１０は上から見て、直角四角形を成す柱形状である。突出部３１０が外力に対して抵抗する支持体として作用するためには、突出部３１０とキャッププレート１１０との間の結合強度が高くなければならない。従って、突出部３１０は、キャッププレート１１０と同じ材質からなり、成形時に一体成形されることが望ましく、別途に成形される場合には、キャッププレートと充分な強度で熔接できる材質で形成される。突出部３１０をキャッププレート１１０と一体成形する方法の一つとしては、射出法を使用することができる。射出法とは、たとえば、金属粉末とバインダを混合し、可塑性を持たせ、射出成形機により金型内に注入させ、成形体を成形する手法である。

突出部３１０にはホルダ３２０が結合されている。ホルダ３２０は、上から見て、中央に突出部３１０が挿入される際、密に嵌合されうるように形成された被嵌合部を有する。従って、ホルダ３２０が突出部３１０に嵌合された状態でホルダ３２０の側方に力が加えられても、ホルダ３２０は突出部３１０から容易に離脱しない。ホルダ３２０は工程の単純化のため、突出部３１０に単に被せられる方法により結合されることもできるが、より確実な強度で結合するために熔接することが望ましい。熔接により突出部３１０と結合される場合、ホルダ３２０も突出部３１０と同じ材質、あるいは、類似する材質からなることが望ましい。

被嵌合部は、ホルダ３２０の下面のみに形成されることができるが、図５に示すように、ホルダ３２０を上面から下面まで貫通して形成される場合、成形樹脂が被嵌合部の残りの空間を充填することになるので、成形樹脂とホルダ３２０、及び単位セル１０との機械的結合力をより高めることができる。ホルダ３２０の高さは、キャッププレート１１０に形成された突出部３１０の高さ以上に形成する。その場合、キャッププレート１１０の成形の難しさにより、たとえば、突出部３１０が、ホルダ３２０の高さより低く形成される場合にも、ホルダ３２０が、キャッププレート１１０の平面に垂直に形成される構造体の高さを高める効果を有する。従って、パック電池に捩れ外力が作用する場合にも、成形樹脂部が、低い突出部の上を滑りながら単位セルと容易に分離されることを防止できる。

突出部３１０とホルダ３２０との関係と同様に、通常、キャッププレート１１０の上に突出形成されるキャップ組立体の中央の電極端子１３０にも別途のホルダ（図示していない）が取付けられる。前記ホルダは、導電性を有しなければならない。また、電極端子１３０は、キャッププレート１１０の中央にあるので、捩れ外力に抵抗する力は弱いが、曲げ（ｂｅｎｄｉｎｇ）外力に対する支持体の役目は十分果たすことができる。

以後、別途に形成されるブレーカー４２０、絶縁プレート４３０、電池の過充放電の防止のための保護回路が装着された保護回路基板３００、その他、電池付属部品を、リードプレート４１０が熔接された状態の電池に連結する。その際、リードプレート４１０は、陽極で保護回路基板３００の陽極接続端子３６０と連結され、電極端子１３０や、電極端子１３０に連結されるブレーカー４２０の他の端部は、陰極に作用して保護回路基板３００の陰極接続端子３７０と連結される。保護回路基板３００の外側表面には、外部入出力端子３１１、３２１等が形成されている。電極構造及び極性は、実施の形態によって変えることができる。保護回路基板３００及び電池付属部品の種類と形態によって、これらが結合された電池は別途の外装体（図示していない）に受納でき、あるいは、低温成形樹脂を用いて保護回路基板３００とキャッププレート１１０との間の空間をホットメルト（ｈｏｔ ｍｅｌｔ）方式により充填するといった、全般的な樹脂被覆手段を用いてパック電池に成形することになる。

成形樹脂により結合される前段階にある従来のリチウムイオンパック電池の一例に対する概略的一部分解斜視図である。 成形樹脂により結合された状態の従来のリチウムイオンパック電池を示す斜視図である。 従来のパック電池に対し、捩れ外力が作用して、成形樹脂部が単位セルで捩れた状態を示す説明図である。 本発明の一実施の形態により、単位セルの突出部にホルダが結合される場合における成形樹脂部を除外したリチウムパック電池に対する分解斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る二次電池において、単位セルに保護回路基板を接続させる前の状態を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態により形成される突出部を示す一部分斜視図である。 本発明の一実施の形態により形成される突出部に、ホルダが結合される形態を示す一部分斜視図である。

符号の説明

１０ 単位セル、
１１ 陽極端子、
１２ 陰極端子、
１３、１１０ キャッププレート、
２０ 成形樹脂部、
３０、３００ 保護回路基板、
３５ 回路部、
３６、３７、３６０、３７０ 接続端子、
３１、３２、３１１、３２１ 外部入出力端子、
４１、４２ 接続リード、
４３、４３０ 絶縁プレート、
１１１ 端子用通孔、
１１２ 電解液注入孔、
１２０ ガスケット、
１３０ 電極端子、
１４０ 絶縁プレート、
１５０ 端子プレート、
１６０ 栓、
１９０ 絶縁ケース、
１９１ リード通孔、
１９２ 電解液通過孔、
２１１ 缶、
２１２ 電極組立体、
２１３ 陽極、
２１４ セパレータ、
２１５ 陰極、
２１６ 陽極リード、
２１７ 陰極リード、
３１０ 突出部、
３２０ ホルダ、
４１０ リードプレート、
４２０ ブレーカー。

Claims (7)

1. 陽極、陰極、及びセパレータを含んでなる電極組立体と、前記電極組立体と電解液とを受入れる缶と、前記缶の開放部を封止するキャップ組立体と、を備えてなる単位セルと、
   前記単位セルに接続される保護回路基板と、
   前記単位セルと前記保護回路基板との間隙を充填し、前記単位セルと前記保護回路基板とを相互に固定する成形樹脂部と、を含んでなる二次電池において、
   前記キャップ組立体には、
   前記キャップ組立体に一体成形または熔接されたものであり、前記成形樹脂部との界面から前記成形樹脂部に向かって突出する突出部と、
   前記突出部の突出高さよりも高い突出高さに形成され、前記突出部に結合されるホルダと、が備えられることを特徴とする二次電池。
2. 前記突出部は、射出法により、前記キャップ組立体と一体成形されることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
3. 前記ホルダは、前記突出部に熔接により結合されることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
4. 前記ホルダは、前記突出部と同じ材質からなることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
5. 前記キャップ組立体上の一側には、電気接続のためのリードプレートが、前記成形樹脂部との界面から前記成形樹脂部に向かって突出するように形成され、
   前記キャップ組立体上の他側には、前記突出部が、形成されることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
6. 前記キャップ組立体の中央部に形成される電極端子には、導電性ホルダが取り付けられることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
7. 前記缶は、アルミニウム含有金属からなることを特徴とする請求項１記載の二次電池。

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