JP4591524B2 - 電気化学デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、複数のラミネート型の電気化学素子を含む電気化学デバイスに関する。
従来、ラミネート型の電気化学素子としては、ラミネート型の電池や電気二十層キャパシタが知られている。例えば、下記特許文献１は、ラミネート型電池を開示している。ラミネート型電池は、積層構造を有する電池要素と、電池要素を内部に封止するラミネートシート（フィルム状パッケージ）と、電池要素を外部と電気的に接続可能とするために、電池要素からラミネートシートの外部に引き出されるタブ型端子（電極端子）とを有している。
特開平１１−１６７９３０号公報
しかしながら、ラミネート電池のタブ型端子は、通常アルミ箔などの薄い金属からなる。このような箔状のタブ型端子は、容易に変形することができるため、電池の熱膨張や熱収縮に伴う歪を吸収することができるという利点がある。しかしながら、タブ型端子は箔状であるため、機械的強度が弱く、タブ型端子同士を直列又は並列に接続することが困難であり、また、タブ型端子が切れ易いなどの問題点があり、組電池への適用等が困難であった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、ラミネート型の電気化学素子の電極端子の機械的な強度を補完しつつ、ラミネート型の電気化学素子の集積化を容易にした電気化学デバイスを提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明に係る電気化学デバイスは、両面それぞれに第１及び第２の電極パッドを有する絶縁性の板状基体と、板状基体の両面それぞれに固定されており、箔状の第１及び第２の電極端子を有するラミネート型の電気化学素子と、を備え、第１の電極端子は、第１の電極パッドに電気的に接続されており、第２の電極端子は、第２の電極パッドに電気的に接続されており、前記板状基体の一面の前記第１の電極パッドは、前記板状基体の他面の前記第１及び第２の電極パッドの一方に対面しており、前記板状基体の前記一面の前記第２の電極パッドは、前記板状基体の前記他面の前記第１及び第２の電極パッドの他方に対面しており、前記板状基体は、前記板状基体を介して対面する一対の前記電極パッドの少なくとも一組を貫通する貫通孔を有しており、少なくとも１つの前記貫通孔には導電部材が配置されており、前記導電部材は、リベットであることを特徴とする。
本発明に係る電気化学素子では、両面それぞれに第１及び第２の電極パッドを有する絶縁性の板状基体の両面それぞれに、箔状の第１及び第２の電極端子を有するラミネート型の電気化学素子が固定されている。箔状の電極端子は電気化学素子の熱膨張・熱収縮を吸収することができるので、これらの要因による電極端子と電極パッドとの間の断線は抑制される。また、この構造では、絶縁性の板状基体と２つのラミネート型の電気化学素子とを一体化させつつ２つのラミネート型の電気化学素子を、板状基体を介して互いに離間させることができ、これに伴って、２つのラミネート型の電気化学素子間の意図しない短絡を防止することができる。
また、第１の電極端子は、第１の電極パッドに電気的に接続されており、第２の電極端子は、第２の電極パッドに電気的に接続されている。このように、板状基体の両面において、箔状の第１及び第２の電極端子が第１及び第２の電極パッドで支持される構造を採用することにより、板状基体の両面それぞれに固定された電子化学素子の第１及び第２の電極端子の機械的強度を補完しつつ、ラミネート型の電気化学素子の集積化を容易にすることができる。
また、上述のように、板状基体の一面の第１の電極パッドは、板状基体の他面の第１及び第２の電極パッドの一方に対面しており、板状基体の一面の第２の電極パッドは、板状基体の他面の第１及び第２の電極パッドの他方に対面しており、板状基体は、板状基体を介して対面する一対の電極パッドの少なくとも一組を貫通する貫通孔を有しており、板状基体には板状基体を介して対面する２つの電極パッド同士を貫通する貫通孔が設けられており、少なくとも１つの貫通孔には導電部材が配置されていることが好適である。
このような構成を採用することで、板状基体を介して対面する２つの電極パッド同士を電気的に接続することができる。また、これにより、板状基体の一面及び他面において、２つ電極パッドそれぞれに電気的に接続されている２つの電極端子を有する２つの電気化学素子を容易に直列又は並列に接続させることができる。
また、上述のように、導電部材は、リベットであることが好適である。これにより、容易に板状基体の貫通孔に容易に導電部材を配置することができ、対面する２つの電極パッド同士を、導電部材を介して電気的に接続することができる。
また、本発明の電気化学デバイスにおいては、前記絶縁性の前記板状基体は、その両面それぞれに前記第１及び第２の電極パッドが形成された突出部を有しており、前記突出部の前記第１及び第２の電極パッド間に設けられ、前記第１及び第２電極パッド間で前記電気化学素子に並列に接続された電子回路部を備え、前記電子回路部は、前記第１及び第２電極パッド間の電圧を検出し、検出された電圧値を出力端子に出力する電圧検出部を備えていることを特徴とする。
また、本発明の電気化学デバイスにおいては、前記電子回路部は、温度センサと、前記温度センサから出力される温度検出信号を、デジタル信号に変換して出力するＡ／Ｄコンバータと、を更に備えている、ことを特徴とする。
本発明によれば、ラミネート型の電気化学素子の電極端子の機械的な強度を補完しつつ、ラミネート型の電気化学素子の集積化を容易にすることができる。
以下、本発明による電気化学デバイスの好適な実施形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電気化学デバイス１Ａの斜視図である。また、図２は図１の矢印II方向から見た電気化学デバイス１Ａの側面図であり、図３は図１の矢印III方向から見た電気化学デバイス１Ａの側面図である。図１〜図３に示すように、第１実施形態に係る電気化学デバイス１Ａは、保持基体（板状基体）３と、保持基体３の両面１１，１３に固定されているラミネート型の電気化学素子２５１，２５２とを備える。
保持基体３は、絶縁性の薄板（例えば、プリント基板）であり、平坦な上面１１及び下面１３を有している。保持基体３は、長方形の固定部３Ａと、固定部３Ａの一端部から突出した長方形の突出部３ａ，３ｂとからなる。突出部３ａ及び突出部３ｂは、互いに離間しており、それぞれの突出部３ａ，３ｂの延びる方向が平行となっている。
保持基体３の上面１１において、突出部３ａには電極パッド５ａ（第１の電極パッド）が設けられており，突出部３ｂには電極パッド５ｂ（第２の電極パッド）が設けられている。また、保持基体３の下面１３において、突出部３ａには電極パッド７ａ（第１の電極パッド）が設けられており、突出部３ｂには電極パッド７ｂ（第２の電極パッド）が設けられている。このように、保持基体３を介して、電極パッド５ａは電極パッド７ａと対面しており、電極パッド５ｂは電極パッド７ｂと対面している。なお、各電極パッド５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂは、銅からなるが、アルミニウム等の他の金属からなることとしてもよい。
保持基体３の突出部３ａには、上面１１の電極パッド５ａと下面１３の電極パッド７ａとを貫通する貫通孔２１ａが設けられている。貫通孔２１ａには、電極パッド５ａ、保持基体３の突出部３ａ及び電極パッド７ａを束ねて固定する導電部材（リベット）２３ａが設けられており、導電部材２３ａは電極パッド５ａと電極パッド７ａとを電気的に接続している。
また、保持基体３の突出部３ｂには、上面１１の電極パッド５ｂと下面１３の電極パッド７ｂとを貫通する貫通孔２１ｂが設けられている。貫通孔２１ｂには、電極パッド５ｂ、保持基体３の突出部３ｂ及び電極パッド７ｂを束ねて固定する導電部材（リベット）２３ｂが設けられており、導電部材２３ｂは電極パッド５ｂと電極パッド７ｂとを電気的に接続している。
電極パッド５ａ及び７ａは突出部３ａの端部（先端部）の付近まで延びており、電極パッド５ｂ及び７ｂは突出部３ｂの端部（先端部）の付近まで延びていることが好ましい。それぞれの先端部から各電極パッドまでの最短距離は、それぞれの先端部から電極端子の接続位置までの最短距離よりも短く、各電極パッドの先端の方には電極端子が位置していない。電気化学デバイス１Ａの突出部３ａ及び突出部３ｂをオスコネクタとして用いるとき、これらを受け側のメスネクタに挿入することで、各電極パッド５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ及び電極端子２６１ａ、２６１ｂ、２６２ａ、２６２ｂ、を受け側のメスコネクタ（１０２:図４参照）と容易に電気的に接続させることが可能となる。
ラミネート型の電気化学素子２５１，２５２は、長方形薄板状のラミネート型リチウムイオン二次電池である。電気化学素子２５Ｘ（Ｘ＝１，２）は、素体２７と、素体２７を封入した封入フィルム（フィルム状パッケージ）２９とを有している。素体２７は、略平板状であり、少なくとも負電極と正電極とその間に設けられたセパレータとを有している。一例として、電気化学素子２５Ｘ（Ｘ＝１，２）の板厚はそれぞれ５ｍｍ程度であるとする。電気化学素子２５１は固定部３Ａの上面１１に固定されており、電気化学素子２５２は固定部３Ａの下面１３に固定されている。
電気化学素子２５１の負電極には負極用端子２６１ａ（第１の電極端子）が接続されており、電気化学素子２５１の正電極には正極用端子２６１ｂ（第２の電極端子）が接続されている。負極用端子２６１ａ及び正極用端子２６１ｂそれぞれの一端部は、封入フィルム２９の一側に露出しており、タブ型の負極用端子２６１ａ，２６１ｂは、引張り力が両端間に働かない緩い状態で、電極パッド５ａ，５ｂに接続されている。負極用端子２６１ａ及び正極用端子２６１ｂは、箔状のアルミニウム製であり、いわゆるタブ型端子である。
負極用端子２６１ａは、電極パッド５ａに導電性の接着剤による接着、超音波溶接、スポット溶接、レーザー溶接等の方法で固定されて電極パッド５ａと電気的に接続されている。また、正極用端子２６１ｂは、電極パッド５ｂに導電性の接着剤で固定されて電極パッド５ｂと電気的に接続されている。
なお、封入フィルム２９の一側に露出しているタブ型の負極用端子２６１ａ及び正極用端子２６１ｂそれぞれの一端部は、電極パッド５ａ及び電極パッド５ｂの中心部程度まで延在していることが好ましい。これにより、電気化学デバイス１Ａの突出部３ａ及び３ｂの部分をオスコネクタとして用いるとき、上述のように受け側のメスコネクタと負極用端子２６１ａ及び正極用端子２６１ｂとが接触することなく、負極用端子２６１ａ及び正極用端子２６１ｂを受け側のメスコネクタに接続することができる。
電気化学素子２５２の負電極には負極用端子２６２ａ（第１の電極端子）が接続されており、電気化学素子２５２の正電極には正極用端子２６２ｂ（第２の電極端子）が接続されている。負極用端子２６２ａ及び正極用端子２６２ｂそれぞれの一端部は、封入フィルム２９の一側に、露出しており、タブ型の負極用端子２６２ａ，２６２ｂは、引張り力が両端間に働かない緩い状態で、電極パッド７ａ，７ｂに接続されている。負極用端子２６２ａ及び正極用端子２６２ｂは、箔状のアルミニウム製、銅製、又はニッケル製であり、いわゆるタブ型端子である。
負極用端子２６２ａは、電極パッド７ａに導電性の接着剤で固定されて電極パッド７ａと電気的に接続されている。また、正極用端子２６２ｂは、電極パッド７ｂに導電性の接着剤で固定されて電極パッド７ｂと電気的に接続されている。これにより、電気化学素子２５１と電気化学素子２５２とは並列に接続されることとなる。
封入フィルム２９の一側に露出されている負極用端子２６２ａ及び正極用端子２６２ｂそれぞれの一端部は、電極パッド７ａ及び電極パッド７ｂの中心部程度まで延在していることが好ましい。これにより、電気化学デバイス１Ａの突出部３ａ及び３ｂの部分をオスコネクタとして用いるとき、受け側のメスコネクタと負極用端子２６２ａ及び正極用端子２６２ｂとが接触することなく、負極用端子２６２ａ及び正極用端子２６２ｂを受け側のメスコネクタに接続することができる。
本実施形態に係る電気化学デバイス１Ａでは、保持基体３の両面それぞれに、ラミネート型の電気化学素子２５１，２５２の主表面が接着剤で固定されている。また、保持基体３は、絶縁性のものである。これにより、保持基体３と２つのラミネート型の電気化学素子２５１，２５２とを一体化させつつ、２つのラミネート型の電気化学素子２５１，２５２を、保持基体３を介して互いに離間させることができ、したがって、電気化学素子２５１と電気化学素子２５２との間の意図しない短絡を防止することができる。
また、電気化学素子２５１の負極用端子２６１ａ及び正極用端子２６１ｂそれぞれは、電極パッド５ａ及び５ｂに固定されて電気的に接続されており、電気化学素子２５２の負極用端子２６２ａ及び正極用端子２６２ｂそれぞれは、電極パッド７ｂ及び７ａに固定されて電気的に接続されている。このように、電気化学素子２５１及び電気化学素子２５２の箔状の電極端子（負極用端子及び正極用端子）を電極パッドで支持する構造を採用することにより、箔状の電極端子２６１ａ，２６１ｂ，２６２ａ，２６２ｂの機械的強度を補完することができる。また、電極端子２６１ａ，２６１ｂ，２６２ａ，２６２ｂが箔状であるため、熱膨張・熱収縮に対する優位性を有する。すなわち、電極パッド５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂと電気化学素子本体との間の保持基体３や電気化学素子本体自身の熱膨張・熱収縮に起因するこれらの電極端子の剥離等が抑制される。
電極パッド５ａ及び７ａは、保持基体３を介して互いに対面しており、導電部材２３ａにより電気的に接続されているが、これらの電極パッド５ａ及び７ａそれぞれには、負極用端子２６１ａ及び負極用端子２６２ａが電気的に接続されている。また、電極パッド５ｂ及び７ｂは、保持基体３を介して互いに対面しており、導電部材２３ｂにより電気的に接続されているが、これらの電極パッド５ｂ及び７ｂそれぞれには、正極用端子２６１ｂ及び正極用端子２６１ｂが電気的に接続されている。このような構成を採用することで、電気化学素子２５１及び２５２を容易に並列に接続させることができる。
図４には、電気化学デバイス１Ａの具体的な利用方法が示されている。図４に示すように、電気化学デバイス１Ａを搭載する物体（例えば、電気機器や車等）中の基板１００上に、基板１００に対して垂直に突出する複数の受け側メスコネクタ１０２を並列に設ける。１つのメスコネクタ１０２は導電性のバネ材からなる一対の金属部材１０２ａ，１０２ｂから構成され、これらの金属部材１０２ａ，１０２ｂ間に板状基体を挿入すると、一対の金属部材１０２ａ，１０２ｂが板状部材を内側に付勢して保持し、金属部材１０２ａ，１０２ｂが各電極パッドに接触する。
このように、それぞれの受け側メスコネクタ１０２に、それぞれの電気化学デバイス１Ａの突出部３ａ，３ｂを挿入する。これにより、複数の電気化学デバイス１Ａを受け側メスコネクタ１０２の突出方向に垂直な方向に積層することができる。これにより、スペース効率よく、電気化学デバイス１Ａを集積することができる。また、積層された複数の電気化学デバイス１Ａを直列に接続することで、高電圧を得ることもできる。
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係る電気化学デバイス１Ｂを示す斜視図である。同図に示すように、第２実施形態に係る電気化学デバイス１Ｂと第１実施形態に係る電気化学デバイス１Ａとの相違点は、互いに離間して設けられた２つの突出部３ａ，３ｂに替えて、その上面１１及び下面１３それぞれに電極パッド５ａ，５ｂ及び電極パッド７ａ，７ｂを有する１つの突出部３３が設けられている点と、電極パッド５ａと電極パッド５ｂとの間に電子回路部４１を更に有する点である。その他の構成は、電気化学デバイス１Ａの構成と同等であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。
図６は、電子回路部４１を説明するための概略図である。同図に示すように、電子回路部４１は、電圧検出部４３と温度検出部４５とから構成されている。電圧検出部４３は、電気化学素子２５１及び２５２による電圧を検出するもので、電極パッド５ａと電極パッド５ｂとの間に並列に接続されている。電圧検出部４３は、電極パッド５ａと電極パッド５ｂとの間で検出された電圧値を出力端子に出力する。
また、温度検出部４５は、電気化学素子２５１，２５２を有する電気化学デバイス１Ｂの温度を検出するもので、温度センサ（例えば、サーミスタ）４５１と、温度センサ４５１から出力される温度検出信号Ｖｔを、デジタル信号Ｄｔに変換して出力するＡ／Ｄコンバータ４５２とを有している。
このような構成により、第１実施形態と同様な効果が得られるほか、電気化学デバイス１Ｂは、電極パッド５ａと電極パッド５ｂとの間に、電圧検出部４３及び温度検出部４５から構成されている電子回路部４１を更に備えているため、以下のような効果を得ることができる。すなわち、電圧検出部４３により、並列に接続されている電気化学素子２５１と電気化学素子２５２とによる電圧を正確に検出することができ、これに伴って、外部回路から、電気化学素子２５１，２５２に適切に充電し、モータなどの電力消費回路に、電気化学素子２５１，２５２から適切な量の放電を行うことができる。すなわち、検出電圧が上限値よりも高い場合には充電を停止し、下限値よりも低い場合には放電を停止することで、過充電・過放電を防止することができる。また、温度検出部４５により、電気化学デバイス１Ｂの温度を正確に検出することができ、検出値を電池の充電時の電圧制御値としてフィードバックすれば、基板の急激な温度上昇等を抑制することができる。すなわち、検出された温度が閾値を超えた場合には充電を停止することとすれば、フェールセーフ機能を奏することができる。
図７には、電気化学デバイス１Ｂの具体的な利用方法が示されている。図４に示した電気化学デバイス１Ａの具体的な利用方法と同様に、電気化学デバイス１Ｂも、電気化学デバイス１Ｂを搭載する物体（例えば、電気機器や車等）の基板１００上に、基板１００に対して垂直に突出する複数の受け側メスコネクタ１０２を並列に設けて、電気化学素子２５１，２５２を有する複数の電気化学デバイス１Ｂの突出部３３をコネクタとして用いて受け側メスコネクタ１０２に挿入する。これにより、電子回路部４１を有する電気化学デバイス１Ｂを受け側メスコネクタ１０２の突出方向に垂直な方向に積層することができる。これにより、スペース効率よく、電気化学デバイス１Ｂを集積することができる。また、積層された複数の電気化学デバイス１Ａを直列に接続させることで、高電圧を得ることもできる。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
例えば、第１実施形態においては、電極パッド５ａ（第１の電極パッド）と電極パッド７ａ（第１の電極パッド）とが電気的に接続され且つ電極パッド５ｂ（第２の電極パッド）と電極パッド７ｂ（第２の電極パッド）とを電気的に接続して、電気化学素子２５１と２５２とが並列に接続している。しかし、１つの電気化学デバイスにおいて、一方の突出部の貫通孔の形成を行わないことで、単一の電気化学デバイス内における対向する２つの電気化学素子２５１，２５２を直列接続することも可能である。
すなわち、電極パッド５ａ（第１の電極パッド）及び電極パッド７ｂ（第２の電極パッド）を対面させて接続するか、或いは電極パッド５ｂ（第２の電極パッド）及び電極パッド７ａ（第１の電極パッド）を対面させて接続することで、電気化学素子２５１と２５２とを直列に接続することもできる。電極パッド５ａ（第１の電極パッド）及び電極パッド７ｂ（第２の電極パッド）を接続する際には、導電部材２３ｂを除去し、電極パッド５ｂ（第２の電極パッド）及び電極パッド７ａ（第１の電極パッド）を接続する際には導電部材２３ａを除去する必要がある。この場合には、受け側のメスコネクタは、導電部材で接続されていない方の互いに対面する２つの電極パッドのそれぞれから電圧を取り出すような構造を有する必要がある。
また、それぞれの貫通孔２１ａ及び２１ｂ内には、導電部材２３ａ及び２３ｂが配置されており、これらはリベットからなることとしたが、導電部材２３ａ，２３ｂはメッキ金属層又は半田材料からなることとしてもよく、貫通孔２１ａ，２１ｂはこれらの材料で充填されていてもよい。これによっても、保持基体３を介して対面する、電極パッド５ａ及び電極パッド７ａを電気的に接続し、電極パッド５ｂ及び電極パッド７ｂを電気的に接続することができる。
また、第２実施形態において、電子回路部４１は突出部３３の上面の電極パッド５ａと５ｂとの間に設けられているが、突出部３３の下面に設けられていてもよく、また上面及び下面の両方に設けられていてもよい。また、電子回路部４１は、電圧検出部４３と温度検出部４５とからなるものであるが、他の要素を更に含んでいてもよい。例えば、電子回路４１には、電圧検出部４３と温度検出部４５との信号を外部の機器に伝えるための端子（図示せず）が設けられていてもよい。
本発明の第１実施形態に係る電気化学デバイス１Ａの斜視図である。 図１の矢印II方向から見た電気化学デバイス１Ａの側面図である。 図１の矢印III方向から見た電気化学デバイス１Ａの側面図である。 電気化学デバイス１Ａの具体的な利用方法の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る電気化学デバイス１Ｂの斜視図である。 電気化学デバイス１Ｂの電子回路部４１を説明するための概略図である。 電気化学デバイス１Ｂの具体的な利用方法の一例を示す図である。
符号の説明
１Ａ，１Ｂ…電気化学デバイス、３…保持基体、２５１，２５２…電気化学素子、５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ…電極パッド、２１ａ，２１ｂ…貫通孔、２３ａ，２３ｂ…導電部材、２６１ａ，２６２ａ…負極用端子、２６１ｂ，２６２ｂ…正極用端子。

Claims (3)

  1. 両面それぞれに第１及び第２の電極パッドを有する絶縁性の板状基体と、
    前記板状基体の前記両面それぞれに固定されており、箔状の第１及び第２の電極端子を有するラミネート型の電気化学素子と、を備え、
    前記第１の電極端子は、前記第１の電極パッドに電気的に接続されており、
    前記第２の電極端子は、前記第２の電極パッドに電気的に接続されており、
    前記板状基体の一面の前記第１の電極パッドは、前記板状基体の他面の前記第１及び第２の電極パッドの一方に対面しており、
    前記板状基体の前記一面の前記第２の電極パッドは、前記板状基体の前記他面の前記第１及び第２の電極パッドの他方に対面しており、
    前記板状基体は、前記板状基体を介して対面する一対の前記電極パッドの少なくとも一組を貫通する貫通孔を有しており、
    少なくとも１つの前記貫通孔には導電部材が配置されており、
    前記導電部材は、リベットであることを特徴とする電気化学デバイス。
  2. 前記絶縁性の前記板状基体は、その両面それぞれに前記第１及び第２の電極パッドが形成された突出部を有しており、
    前記突出部の前記第１及び第２の電極パッド間に設けられ、前記第１及び第２電極パッド間で前記電気化学素子に並列に接続された電子回路部を備え、
    前記電子回路部は、
    前記第１及び第２電極パッド間の電圧を検出し、検出された電圧値を出力端子に出力する電圧検出部を備えている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の電気化学デバイス。
  3. 前記電子回路部は、
    温度センサと、
    前記温度センサから出力される温度検出信号を、デジタル信号に変換して出力するＡ／Ｄコンバータと、
    を更に備えている、
    ことを特徴とする請求項２に記載の電気化学デバイス。
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