JP4830271B2 - 二次電池の構造および二次電池パック - Google Patents

Description

この発明は、二次電池の構造および二次電池パックに関し、特に、二次電池パックの強度を向上させる構造に関する。

現在、携帯電話やノート型パソコン、ＣＤ（Compact Disc）やＭＤ（Mini Disc）再生用のポータブルプレーヤーなど、二次電池を電源として内蔵した機器が多くの分野で用いられている。近年は機器の多機能化、小型化が進み、より携帯性の高い機器が多くなっている。そのため、機器の使用頻度が増すとともに、二次電池の需要が大きいものとなっている。これらの機器の小型化に伴い、本体に合わせて二次電池パックもより薄く、小型であるものが求められている。

これらの機器に用いられる二次電池パックは、プラスチック製の上ケースと下ケースとの間に電池および保護回路基板等を収容することにより構成されている。プラスチックケース内に収容された電池は、ラミネートシートで形成したケースに発電要素を収容した薄型電池で構成されている。

電池パック内部に収容される電池としては、従来からＮｉ−Ｃｄ（ニッケル−カドミウム）電池やＮｉ−ＭＨ（ニッケル水素）電池、Ｌｉ−ｉｏｎ（リチウムイオン）電池などが使用されてきたが、近年は電池の漏液防止を目的として、電解質にポリマーを用いたポリマーリチウム二次電池を用いる事が多い。さらに、ポリマーを電解質として用いるメリットとして、薄型形状が可能であること、および形状の自由度が高いことが挙げられる。

上述のように、電池パック内部に収容する電池の電解質にポリマーを用いることにより、電池セル自体の薄型化、小型化が可能となる。このため、それに合わせてプラスチックケースの肉厚を薄くすることにより、さらに電池の薄型化、小型化を図ることが可能となる。

しかしながら、上述のように、プラスチックケースの肉厚を薄くすることにより作製した二次電池パックは、電池外形構造上外部圧力に対して弱いものとなっていた。

さらに、図１に示すように、電池パック内部のポリマー電池１の形状は、外形に対して段差を有するものである。なお、参照符号２で示すのは、リードであり、保護回路基側の金属タブと接することにより充放電を可能とするものである。このようなポリマー電池を上下に分かれたプラスチックケース内に収容する。

図２に示すとおり、ポリマー電池１を下ケース６に入れた場合、段差部分の外側にはＰＴＣ素子３、金属タブ４などが配設された保護回路基板５が組み込まれるようになされているが、段差部分は空間となったままである。

このため、電池パックケース上の段差部分に位置する部分は強度が弱く、外部圧力が大きくかかることにより電池パックの変形や、溶着部の剥がれが生じる原因となっていた。

以下に、上述のような従来の電池パックに外圧がかかった場合の変形状態を調べるために行った加圧試験について説明する。

図３に、加圧試験に用いる装置の概要を示す。加圧試験では、参照符号１１で示される計測器（ＩＭＡＤＡ製ＤＰＳ−２０Ｒ）および参照符号１２で示されるスタンド（ＩＭＡＤＡ製ＳＵ−５−ＨＨ）を用いる。計測器１１は加えた荷重を測定するためのものであり、スタンド１２は荷重を加える電池パックを載置するためのものである。

計測器には参照符号１３で示される直径１０ｍｍの円柱状端末が備えられており、この端末の先端を電池パック１４に当て、荷重を加えるものである。

図４に、加圧試験を行う際の加圧ポイントを示す。図４Ａは二次電池パックの正面図（上ケース部分）、図４Ｂは裏面図（下ケース部分）、図４Ｃは左側面図、図４Ｄは右側面図、図４Ｅは底面図、図４Ｆは上面図（端子部）である。電池パックケース内にはポリマー電池および保護回路基板等が配設されており、上ケースと下ケースは超音波溶着によって接着されている。また、パックケースの厚さは０．３ｍｍ以下とする。

電池パックには加圧ポイント１から加圧ポイント３１までがあり、上述の装置を用いて各個所で１０ｋｇの荷重をかけ、変形などの様子を調べる。

まず、図４Ａに示す二次電池パックの上ケース側の加圧ポイント１から加圧ポイント９まで順に加圧する。すると、二次電池パック内の空間部上に位置する加圧ポイント１、加圧ポイント３、加圧ポイント５で、大きなへこみが確認された。

次に、図４Ｂに示す下ケース側の加圧ポイント１０から加圧ポイント１８まで順に加圧する。すると、上ケース側の時と同様に、二次電池パック内の空間部上に位置する加圧ポイント１０、加圧ポイント１１、加圧ポイント１４で、大きなへこみが確認された。

次に、図４Ｃに示す電池パック左側面を加圧する。まず、左側面の加圧ポイント１９から加圧ポイント２１を順に加圧する。すると、空間部の側面に位置する加圧ポイント１９で、加圧ポイント２０、加圧ポイント２１より深いへこみが確認された。

また、図４Ｄに示す右側面も加圧ポイント２２から加圧ポイント２４まで順に加圧する。すると、加圧ポイント２２加圧後、超音波溶着された上下パックケースの加圧ポイント３１付近の端子部で溶着剥がれが発生した。

さらに、図４Ｅ，図４Ｆに示す底面部、上面部についても加圧を行う。まず、図４Ｅに示す底面部の加圧ポイント２５から加圧ポイント２７まで順に加圧する。すると、加圧ポイント２７の加圧後に上ケースに膨らみが生じ、電池が変形した。

次に、図４Ｆに示す上面部の加圧ポイント２８から加圧ポイント３１まで順に加圧する。すると、加圧ポイント３０の加圧後に上下ケースの変形が大きくなるとともに、保護回路基板に陥没が生じた。ここで、加圧ポイント２８，２９は５ｋｇ程度の加圧で変形したため、１０ｋｇまで加圧することができなかった。

このように、従来のように内部に空間部を有する電池パックでは、外部圧力に対して弱い構造となっており、強度の弱い部分では５ｋｇ程度の加圧で電池パックの機能を損なう程度の変形が生じてしまう。

したがって、この発明の目的は、二次電池および外装用薄肉ケース（０．３ｍｍ厚以下）を用いて作製された小型・薄型である電池パックにおいて、強度が高く、外部圧力に対してへこみ、変形を生じない二次電池の構造および二次電池パックを提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明の第１の態様は、正極および負極を備える発電要素がラミネートシートで外装され、正極および負極からそれぞれリードが外部に導出された１以上の電池セルと、リードが接続されるとともに、外部機器と電気的に接続する端子部が設けられた回路基板とを下ケースおよび上ケースを接合してなる電池パックケース内部に収納してなる電池パックにおいて、電池セルは、ラミネートシートからリードが導出される部分が発電要素の収容部分に対して薄く形成された、電池パックの外形に対して段差を有する段差部を備え、電池セルの段差部の外側に回路基板が組み込まれ、電池セルの端部の段差部に、上ケースおよび下ケース間に介在し、絶縁性を有するスペーサーが配置され、スペーサーが、段差部と上ケースとに接する構造を有する電池パックである。

この発明によれば、１０ｋｇ以上の外部圧力がかかった場合でも変形することのない電池パックを作製することができ、また、構造の強度の向上によって二次電池パックの品質の向上を図ることができる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

この発明では、従来型の電池パックで用いたものと同様の形状であるパックケース、ポリマー電池、保護回路基板、ＰＴＣ素子およびタブを用い、これらを用いて作製された電池パックにおいて、強度を向上させるものである。

今回、電池パックの強度を向上させるために、図５のような強度を向上させるための部材（以下、スペーサーと適宜称する）２０を作製し、このスペーサー２０をポリマー二次電池の段差部に配置する。スペーサー２０は、ポリカーボネート（ＰＣ）もしくはアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂等の樹脂材料を射出成型することにより作製する。なお、図５Ａはスペーサーの上面図、図５Ｂは正面図、図５Ｃは底面図、図５Ｄは背面図である。

また、図６はスペーサーの斜視図である。図６Ｂは、図６Ａに示したスペーサーの底面部を上にした場合の様子を示している。

スペーサー２０は、ポリマー電池の段差部に安定して配置するためのベース部３１と、ベース部３１から垂直に植立する板状の背面部３０と、上方から見て略コ字状の係合用突起２９と、スペーサー２０の両端に位置する上方から見てＬ字状のＬ字状突起３２から構成されている。

背面部３０からは、上ケース２７と接合させるための接合部３０ａ，３０ｂが設けられている。この接合部３０ａおよび３０ｂを上ケースと接合することにより、従来の電池パックのように上下のケースが膨らみ、変形することを防ぐことが可能である。

また、Ｌ字状突起３２は、参照符号２６ａで示される、下ケース２６の内側に設けられた突起によって、下ケース２６内でスペーサー２０が移動しないように位置決めがされる。また、Ｌ字状突起３２で保護回路基板２５の両端を支持することにより、保護回路基板２５の位置を固定するとともに、端子部からの外圧に対して電池パックが変形しないように強度を向上させる効果を有する。このとき、保護回路基板２５の中ほどの部分は係合用突起２９で支持されており、端子部方向からの外圧に対してさらに強度を向上させることができるようになされている。

係合用突起２９は、上述のように端子部の強度向上のほか、コ字状部分を上ケースに設けられたリブに嵌合させることにより、嵌合位置を容易に合わせることができるという効果を有する。

図７に、図５で示したスペーサーの配置の様子を示す。ポリマー電池２１の段差部に、図７のような向きでスペーサー２０を配置する。参照符号２２で示されるのは、ポリマー電池２１から導出されたリードである。

図８に、スペーサー２０をポリマー電池２１の段差部に配置し、ＰＣＴ素子２３、保護回路基板２５等の部品とともに電池パックの下ケース２６に挿入した時の様子を示す。図８に示すように、従来の電池パックでは空間になっていた部分にスペーサーが配置されている。図９は、このときの配置の様子を示す上面図である。この図では、スペーサーを斜線で示している。

ここで、スペーサーは絶縁性を有するものとする。この段差部分には、電池内部の保護回路基板２５から接続された金属タブ２４およびポリマー電池２１から導出されたリード２２が配置されている。従来の電池パックでは、この部分に例えば０．１ｍｍ厚の絶縁テープを張ることにより内部短絡を防いでいた。今回、スペーサーに絶縁性を持たせることで、さらに絶縁用のテープ、もしくは部品等を必要とせず、スペース効率が高まる。

最後に、図１０に示すように、スペーサー２０、ポリマー電池２１、保護回路基板２５等を組み込んだ下ケース２６に、上ケース２７を嵌め込み、接合する。接合は、超音波溶着や接着剤を用いて接着する。

この時、スペーサー２０の背面部３０ａと３０ｂとを上ケース２７に接合する。スペーサー２０は、下ケース２６と上ケース２７の接合と同時に上ケース２７の内側表面に接合されるものとし、接合方法も下ケース２６と上ケース２７の接合と同様に超音波溶着または接着剤などを用いることができる。これにより、ケースとスペーサーに一体性を持たせ、強度を向上させることができる。

図１１に、超音波溶着もしくは接着剤により、スペーサー２０と上ケース２７を接着する場合の一例を示す。スペーサー２０の斜線部が上ケース２７と接着するようになし、超音波溶着を用いる場合には、斜線部が上ケース２７と接着するようにする。

なお、接着剤を用いる場合は無溶剤タイプの接着剤を用いることとする。無溶剤タイプの接着剤としては、一例としてスーパーＸ（商品名、セメダイン製）などが挙げられる。また、接着剤の塗布位置は特に規定しないものとする。

また、図１２に示すように、上ケース２７に嵌合のための嵌合リブ２８が設けられており、スペーサー２０の係合部２９と嵌合する構造を有している。図１３は、嵌合リブ２８と係合部２９を嵌合させたときの状態を示している。

上述のように、二次電池の空間部にスペーサーを配置して作製した電池パックについて、従来の電池パックの場合と同様の装置を用いて加圧試験を行う。

また、図１４に示すように、加圧ポイントも従来の電池パックの場合と同様とし、変形や溶着の剥がれ、割れ等がないかを確認する。

この発明を適用して作製した電池パックに加圧試験を行った結果、加圧ポイント４１，４３，４５および加圧ポイント５０，５１，５４のへこみは微量であった。この加圧ポイントはスペーサーの配置されている部分に位置し、従来の電池パックにおいては二次電池の段差部に位置していたため、へこみ量が大きかった部分である。

また、側面部を加圧した場合、従来の電池パックのポイント２２を加圧後端子部の溶着に剥がれが生じたが、この発明を適用した電池パックのポイント６２では、加圧後も溶着剥がれはなく、また外観上の変形等も生じなかった。

さらに、加圧ポイント６５，６６，６７、端子部の６８，６９，７０，７１を順に加圧した後も変形や溶着剥がれは生じなかった。なお、従来の電池パックでは、加圧ポイント６７と同位置の加圧ポイント２７を加圧した際、上ケースが変形し、膨らみが生じ、加圧ポイント７０と同位置の加圧ポイント３０を加圧後に、配線板の陥没および上下ケースの膨らみが生じている。

これら加圧試験の結果から、従来型の電池パックでは５ｋｇ程度の加圧で使用不可能となるような変形を生じたが、今回の発明を適用した電池パックでは１０ｋｇ以上の加圧によっても変形が生じず、使用可能な状態に保つことができる。

以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、接着剤を用いてスペーサーをポリマー電池に接着させ、一体性を持たせる構造としても良い。

また、電池セルとして用いる電池はポリマー電池に限定されるものではなく、固体電池など、二次電池としての要求を満たすものであれば使用可能である。

電池パック内部のポリマー電池の形状を示す斜視図である。 従来の電池パック内部の構造を示す斜視図である。 電池パックの加圧試験を行う際に用いる装置を示す略線図である。 従来型の電池パックに対する加圧試験を行う際に、圧力を加える加圧ポイントを示す略線図である。 電池パックの強度を向上させるために用いる部材（スペーサー）を示す上面図、正面図、底面図、背面図である。 スペーサーの構造を示す斜視図である。 電池セル（ポリマー電池）の段差部分にスペーサーを配置したときの状態を示す斜視図である。 この発明を適用して作製した電池パックの内部の構造を示す斜視図である。 この発明を適用して作製した電池パックの内部の構造を示す上面図である。 この発明を適用して作製した電池パックの外観を示す斜視図である。 超音波溶着もしくは接着剤により、スペーサーと上ケースを接着する場合の一例を示す略線図である。 上ケースに設けられた嵌合リブとスペーサーを嵌合させる場合の嵌合リブの構造を示す略線図である。 上ケースに設けられた嵌合リブとスペーサーを嵌合させた場合の構造を示す略線図である。 この発明を適用して作製した電池パックに対する加圧試験を行う際に、圧力を加える加圧ポイントを示す略線図である。

符号の説明

１・・・ポリマー電池
２・・・リード
３・・・ＰＣＴ素子
４・・・金属タブ
５・・・保護回路基板
６・・・下ケース
１１・・・計測器
１２・・・スタンド
１４・・・電池パック
２０・・・スペーサー
２６ｂ・・・端子部
２８・・・嵌合リブ
２９・・・係合用突起
３１・・・ベース部
３０ａ，３０ｂ・・・接合部

Claims (4)

1. 正極および負極を備える発電要素がラミネートシートで外装され、正極および負極からそれぞれリードが外部に導出された１以上の電池セルと、
   上記リードが接続されるとともに、外部機器と電気的に接続する端子部が設けられた回路基板とを下ケースおよび上ケースを接合してなる電池パックケース内部に収納してなる電池パックにおいて、
   上記電池セルは、上記ラミネートシートから上記リードが導出される部分が上記発電要素の収容部分に対して薄く形成された、該電池パックの外形に対して段差を有する段差部を備え、
   上記電池セルの上記段差部の外側に上記回路基板が組み込まれ、
   上記電池セルの端部の段差部に、上記上ケースおよび上記下ケース間に介在し、絶縁性を有するスペーサーが配置され、該スペーサーが、該段差部と該上ケースとに接する構造を有する電池パック。
2. 請求項１に記載の電池パックにおいて、
   上記絶縁性を有するスペーサーは、樹脂材料からなることを特徴とする電池パック。
3. 請求項１に記載の電池パックにおいて、
   上記絶縁性を有するスペーサーは、電池パックケースおよび電池パックケースに形成されたリブにより勘合する構造、もしくは、超音波溶着および接着剤によって電池パックケースに接着することが可能な構造であることを特徴とする電池パック。
4. 請求項３に記載の電池パックにおいて、
   上記接着剤は無溶剤タイプの接着剤を用いることを特徴とする電池パック。

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