JP4916722B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に関し、より詳細には、ベアセルに保護回路が結合されてなる二次電池に関する。

二次電池は、再充電が可能であり、小型及び大容量化の可能性から、近年に盛んに研究開発されつつある。近年に開発されて使用されているもののうち、代表的には、ニッケル−水素(Ni-MH)電池と、リチウム(Li)電池と、リチウムイオン(Li-ion)電池とがある。

これらの二次電池において、ベアセル(Bare Cell)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、通常、アルミニウム、または、アルミニウム合金からなる筐体に収納し、筐体をキャップアセンブリで仕上げた後、筐体の内部に電解液を注入してシールすることで形成される。筐体は、鉄材で形成され得るが、アルミニウム、または、アルミニウム合金で形成すると、アルミニウムの軽量な特性から電池の軽量化が達成でき、高電圧のもとで長時間使用した時でも腐食されないなど、有利な点がある。

しかしながら、筐体を金属で形成する場合、筐体自体が、通常一電極を成すようになることから、他の極性の電極との短絡を容易に引き起こすという短所がある。また、筐体が２つの電極から絶縁され、２つの電極が、別々に筐体から取り出される場合でも、筐体は、内部の２つの電極に接触しやすく、筐体を通じた２つの電極間の短絡が生じることがある。

特に、角形の電池において、シールされたベアセルは、PTC素子(Positive Temperature Coefficient)と、サーマルヒューズ(Thermal Fuse)及び保護回路基板(PCM: Protective Circuit Module)などの安全装置と、その他の電池付属品とに連結された状態で、別のハードパックに収納されるか、または、ホットメルト樹脂を利用してモールドを形成するようになる。

ベアセルと安全装置との連結は、ベアセルの各電極端子がおよそ基板上に形成された保護回路の当該電極端子に連結されて行われる。この時、ベアセルと保護回路との連結は、電気的な連結を主として行われるものである。したがって、これらの結合が機械的強度を持って保持されるためには、電気的端子のみが結合されたベアセルと保護回路とを型に入れて、これらの間の空間に溶融樹脂を埋め込んでモールドで結合させるか、または、両者を共に別のハードケースに嵌め込む方法が利用される。

しかしながら、ハードケースに嵌め込む方法は、別のハードケースが必要となり、作業が面倒である。また、樹脂モールド方法も、型に樹脂を注入する方法を使用するため、面倒であり、樹脂モールドと金属ベアセルとの間の接触面が機械的強度を保持しにくく、ねじり外力や曲げ外力が作用する時、この部分が脆弱であるという問題がある。

本発明は、ベアセルに別の保護回路が結合されるような従来の二次電池において、前述したような問題点を解決するためのもので、二次電池においてベアセルと保護回路との間の結合を簡便にし、機械的に高い強度を保持するようにするためのものである。

本発明は、ベアセルと保護回路との結合工程を単純でかつ簡便にし、その結合強度を高めることのできる二次電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明の缶型二次電池は、
互いに異なる極性の２つの電極とこれらの電極間の短絡を防止するセパレータとを備えてなる電極組立体と、この電極組立体を収容する筐体と、筐体の開口部を仕上げるキャップアセンブリとを備えてなるベアセルと、
保護回路などの安全装置が設けられ、前記ベアセルとは、前記キャップアセンブリが設けられた面で結合される保護回路部とを含み、
ベアセルにおいて、前記保護回路部に接触して結合される接触部の少なくとも一部は、合成樹脂材質からなることを特徴とする。

本発明において、ベアセルの接触部と保護回路部の合成樹脂部分とは、互いに融着されて結合され得る。この時、融着は、熱融着、超音波融着などの方法で行われ得る。

本発明において、ベアセルの接触部と保護回路部とは、接着剤によって接着され得る。この時、接着剤は、接着される両側のいずれに対しても接着性に優れた材質を使用することが望ましい。

本発明において、ベアセルと保護回路部との結合部分は、同じ種類の合成樹脂からなることが望ましい。この場合、融着あるいは接着剤によって結合される場合よりも有利なこともあり得る。

本発明において、ベアセルは、電極組立体が収容される筐体の上端開口部にキャップアセンブリが結合されてなる。通常、キャップアセンブリは、キャッププレートと電極端子などの複数の部品を備えてなり得るが、単一の材質のキャッププレートだけでなることもある。例えば、キャッププレートは、電極タブのスルーホールを有する合成樹脂からなり得る。この時、キャッププレートの上面には、安全装置が含まれた保護回路部が融着などの方法で結合され得る。

本発明によれば、二次電池においてベアセルと保護回路との間の結合を簡便にし、これらの結合が機械的に高い強度を保持するようにすることができる。

また、本発明は、ベアセルと保護回路との結合工程を、単純でかつ簡便にすることができる。

一方、筐体やキャッププレートを合成樹脂で形成する場合、従来の金属缶型の二次電池を形成するに際して、キャップアセンブリを形成していた多くの部品を減らすことができるので、二次電池の生産コストを低減することもできる。

以下、図面を参照しながら、実施の形態に基づいて本発明をより詳細に説明する事にする。

図１は、本発明の二次電池を成すベアセルの一例であって、金属缶に合成樹脂キャッププレートが結合されたベアセルの構成を示す分解斜視図であり、図２は、その正面から見た上部断面図である。

図１及び図２を参照して、ベアセル電池の形成方法を説明すれば、ベアセル状の角形リチウムイオン電池は、ほぼ直方体に形成される角形金属缶１００と、この缶１００の内部に収容される電極組立体１２と、缶１００の開放された上端に結合され、缶の上端をシールする合成樹脂材質のキャッププレートとを備えてなる。

電極組立体１２は、薄板状あるいは膜状に形成された第１の電極板１３と、セパレータ１４と、第２の電極板１５との積層体を、巻き取るか、または、重ね合せて形成する。各電極板１３には、活物質層がコートされていない集電体の領域に電極タブ１６が電気的に連結されている。タブ１６、１７が電極組立体１２から取り出される境界部には、タブと２つの電極板１３、１５との間の短絡を防止するために、タブに絶縁テープ１８がそれぞれ巻き取られることができる。セパレータ１４を電極板１３、１５より幅広く形成することは、極板間の短絡を防止することから有利である。

電極組立体の電極が缶により短絡されることを防止するために、ゼリー・ロール型の電極組立体の最側面は、セパレータ及びテープで取り囲まれ、下端は、仕上げテープで取り囲まれる。

缶１００は、ほぼ直方体形状を有したアルミニウム、あるいは、アルミニウム合金で形成される。缶１００の開放された上端を通じて電極組立体１２が収容され、缶１００は、電極組立体及び電解液の容器の役割を果たすことになる。

キャップは、缶１００の開放された上端に対応する大きさと形状を有する平板状の合成樹脂プレートを備えてなる。キャッププレート１１０の２つの部分には、電極タブ１６、１７が通過可能にスルーホール１１２が形成される。キャッププレートの周辺部と缶の開口部とは、加熱溶接でシールされることもできるが、材質差による溶接の困難性があるため、接着剤などの手段を使用するのが、より現実的に考えられる。符号１１４は、電解液注入口を示す。

電極タブがスルーホールを通過すると、スルーホールとタブとの間の微細な隙間は、後にシールされる。シールのためには、エポキシ、その他の接着剤を使用するか、または、溶接棒などを用いた溶接を使用してもよい。スルーホールを通過した電極タブは、キャッププレートの上で折り曲げられて、キャッププレート面においてベアセルの電極端子を形成するようになる。

図３及び図４は、図１及び図２のベアセルが、本発明の一実施の形態において、保護回路を含み合成樹脂からなる基板に結合される方法を示す概略斜視図である。

図３及び図４を参照すれば、電極タブのうち、キャッププレート１１０のスルーホールを通過した部分は、折り曲げられて、ベアセルの２つの電極端子１６'、１７'を成すようになる。一方、保護回路基板を含む安全装置が備えられた保護回路部２００が用意される。保護回路部は、保護回路基板及びリードプレートの周囲をホットメルトで処理して形成するか、または、合成樹脂射出物に保護回路基板などを装着して組み立てる方式で形成することができる。

保護回路部２００の上側(ベアセルと相対向する側の反対側)には、電池を外部負荷と接続させるための外部端子２１２が形成されている。ベアセルに対向する側の面には、ベアセルの２つの電極端子１６'、１７'に電気的に接続されるリードプレート２１４が形成されている。

図３に示しているように、電極タブからなるベアセルの２つの電極端子１６'、１７'が、キャッププレート１１０の上面で一部折り曲げられているように、合成樹脂基板２００の２つのリードプレート２１４も下面で一部折り曲げられている。一部折り曲げられた状態で、互いに相対向する面どうしが溶接される。その状態で、保護回路部２００をベアセルの側に押し付けると、一部折り曲げられた電極タブからなる電極端子１６'、１７'とリードプレート２１４とは、キャッププレート１１０の上面に並んで完全に折り曲げられて重ね合わされる。

リードプレートが形成された合成樹脂基板２００の周辺段差部２１０の下面と、合成樹脂材質のキャッププレート１１０の上面とも、周辺部で互いに接するようになる。このような状態で、互いに接した２つの面の周辺部を溶接する。溶接には、超音波溶接や直接加熱溶接を使用してもよい。図４は、キャッププレート１１０の上面と、保護回路部２００の周辺に設けられた段差部２１０の下面とが、周辺部で溶接された状態を示す。このように形成された二次電池の側面、あるいは、側面と下面とをビニルの外装材などで取り囲むようなチュービングが行われて完成された外部の二次電池を実現することができる。

図中、１１８は、キャッププレートと缶との間の接着部を示し、１１６は、キャッププレートのスルーホールと電極組立体の電極タブとの間の隙間をシールする接着剤や溶接材を示す。そして、図面符号１５０は、キャッププレートと合成樹脂基板との間の溶接部を示す。

図５及び図６は、本発明の他の実施の形態において、ベアセルが合成樹脂からなる基板に結合される方法を示す概略斜視図である。

図５及び図６の例では、電極組立体を収容する筐体が、金属材に換えて、合成樹脂を使った角形筐体１０１であるものとしている。キャッププレート１１０は、筐体１０１の開口部の内側面に嵌め込まれた後、互いに接する部分を溶接するか、または、接着剤で貼り付ける方法で筐体シールが行われ得る。

スルーホールと電極タブとの間の微細な隙間の接着剤１１６によるシールや、電極タブの折り曲げによるベアセル電極端子１６'、１７' の形成は、先の図３及び図４の実施の形態と同様に行われることができる。保護回路などの安全装置を含む保護回路部２００も、図３及び図４に示された例と同様に構成される。

但し、本実施の形態では、キャッププレート１１０の周辺部が合成樹脂筐体１０１の開口部の内面に取り囲まれるので、ベアセルと保護回路部２００との結合面におけるベアセルの周辺部は、キャッププレートの周辺部ではなく、筐体１０１の開口部の外面となる。但し、本実施の形態では、筐体１０１が合成樹脂からなるので、結合面において、筐体１０１と上側の保護回路部２００の段差部２１０とが溶接によっても結合しやすい。勿論、ベアセルと保護回路部とは、接着剤などの他の手段でも結合されることができる。このような面から、筐体１０１と保護回路部２００とを形成する合成樹脂は、同じ材質で互いに融接され得るものを使用することが望ましい。

図７及び図８は、図３のような例において、本発明の実施の形態の正断面及び側断面を、ベアセルと保護回路部２００との接続部を中心として概略的に示す断面図である。

接触面での周辺部の結合のために、保護回路部２００の周辺部が段差をもって下方に突出して段差部２１０を成しており、一部折り曲げられたリードプレート２１４及び電極タブの末端からなる２つの電極端子１６'、１７'が示されている。リードプレート２１４と電極タブとが一部折り曲げられて形成された電極端子部分は、一旦溶接などで結合された後、保護回路部２００に上方から圧力を加えて、段差部２１０がキャッププレート１１０の周辺部及び筐体の開口部の端面に当接するようにすると、ギャッププレート１１０の上面に平行になるように完全に折り曲げられる。

キャッププレート１１０の上面で、電極タブが折り曲げられて重ね合わされる部分に溝を形成するか、合成樹脂基板２００の内側面のリードプレート２１４に重ね合わされる部分に溝を形成してもよい。このような実施の形態では、相対的にリードプレート２１４や電極端子１６'、１７'が折り曲げられた状態で置かれる空間が確保される。したがって、合成樹脂基板２００の周辺に段差をもって突出する段差部２１０が形成されていなくても、キャッププレート１１０と保護回路部２００の周辺部とで隙間なく当接することができ、容易に融接が行われ得る。

図５乃至図８において、１１８は、キャッププレートと缶との間の接着部を示し、１１６は、キャッププレートのスルーホールと電極組立体の電極タブとの間の隙間をシールする接着剤や溶接材を示す。そして、図面符号１５０'は、キャッププレートと合成樹脂基板との間の溶接部を示す。

以上の実施の形態で使用可能な合成樹脂としては、金属との溶接性、同じ材質間の溶接性及び加工性にいずれも優れたエンジニアリングプラスチック類を使用することが望ましい。近年に開発されたエンジニアリングプラスチックは、アルミニウムよりも軽く、高い機械的強度を保持できるものなどがあり、接着剤は、電解質によって分解されるか、または、変性されないように、耐化学性、耐熱性を持つものなどを使用することが望ましい。

例えば、金属缶とプラスチックキャッププレートとが当接する箇所を密着させる接着材としては、エポキシなどが使用できる。この時、エポキシは、加工効率を高めるために、硬化時間を短くすることが望ましい。

そして、以上の例では、キャッププレートに電極タブの取り出しのためのセンターホールを形成する形態を示したが、キャッププレートの周辺部にタブの取り出しのための溝を形成し、キャッププレートと缶の開口部とが出会う所に、この溝によって電極タブの取り出しのためのホールが形成される効果を奏するような他の本発明の実施の形態を提示することも可能である。但し、筐体が金属であれば、筐体と電極タブとの電気的な接触が防止できる絶縁材を、電極タブと筐体との間に介在させることが必要となる。

本発明の二次電池を成すベアセルの一例であって、金属缶に合成樹脂キャップが結合されたベアセルに対する構成を示す分解斜視図である。 図１のベアセルに対する上部正断面図である。 図１及び図２のベアセルが、本発明の一実施の形態において、保護回路を含み多くの外面が合成樹脂からなる保護回路部に結合される方法を説明するための概略斜視図である。 図１及び図２のベアセルが、本発明の一実施の形態において、保護回路を含み多くの外面が合成樹脂からなる保護回路部に結合される方法を説明するための概略斜視図である。 本発明の他の実施の形態において、ベアセルが保護回路部に結合される方法を示す概略斜視図である。 本発明の他の実施の形態において、ベアセルが保護回路部に結合される方法を示す概略斜視図である。 図３と同じ実施の形態をベアセルの接続部と保護回路部とを中心として概略的に示す正断面図である。 図３と同じ実施の形態をベアセルの接続部と保護回路部とを中心として概略的に示す側断面図である。

符号の説明

１００: 缶
１０１: 筐体
１１０: キャッププレート
２００: 保護回路部
２１０: 段差部
２１４: リードプレート
１６',１７': 電極端子
１１２: スルーホール
１１８: 接着部
１５０, １５０': 溶接部。

Claims (7)

1. 互いに異なる極性の２つの電極と前記２つの電極間の短絡を防止するセパレータとを備えてなる電極組立体と、前記電極組立体を収容する金属材質からなる缶である筐体と、前記筐体の開口部の端面上を覆うように形成されたキャップアセンブリとを備えてなるベアセルと;
   保護回路を含む安全装置を備えてなり、底面の少なくとも一部が合成樹脂材質からなり、前記キャップアセンブリの上部に結合される保護回路部と;を含み、
   前記キャップアセンブリにおける前記保護回路部に接触する接触部の少なくとも一部が、合成樹脂材質からなり、
   前記接触部と前記保護回路部とは、合成樹脂材質からなる部分が融着されて結合されることを特徴とする二次電池。
2. 前記融着は、熱融着及び超音波融着のいずれか一つの方法で行われることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 互いに異なる極性の２つの電極と前記２つの電極間の短絡を防止するセパレータとを備えてなる電極組立体と、前記電極組立体を収容する金属材質からなる缶である筐体と、前記筐体の開口部の端面上を覆うように形成されたキャップアセンブリとを備えてなるベアセルと;
   保護回路を含む安全装置を備えてなり、底面の少なくとも一部が合成樹脂材質からなり、前記キャップアセンブリの上部に結合される保護回路部と;を含み、
   前記キャップアセンブリにおける前記保護回路部に接触する接触部の少なくとも一部が、合成樹脂材質からなり、
   前記接触部と前記保護回路部とは、接着剤によって接着されることを特徴とする二次電池。
4. 前記接触部と前記保護回路部との合成樹脂材質からなる部分は、同じ材質の合成樹脂からなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の二次電池。
5. 前記合成樹脂は、エポキシであるエンジニアリングプラスチックからなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の二次電池。
6. 前記キャップアセンブリのキャッププレートは、前記電極組立体の電極タブが取り出されるスルーホールを有し、前記スルーホールに取り出された前記電極タブの部分が、前記ベアセルの電極端子を形成することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の二次電池。
7. 前記電極タブに電気的に接続される前記保護回路部のリードプレートは、前記電極タブと接続された後で折り曲げられ、前記キャップアセンブリのキャッププレートの上面に平行に重ね合わされるように折り曲げられることを特徴とする請求項６に記載の二次電池。

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