JP5372495B2 - 二次電池の保護回路及びそれを備えた二次電池 - Google Patents

Description

本発明は二次電池に係り、より詳しくは、過充電による温度上昇を防止すると共に二次電池が高温に曝された場合にも二次電池を保護することができる二次電池の保護回路及びそれを備えた二次電池に関する。

近年、二次電池は、携帯電話をはじめとして、ビデオ付きカメラ及びノート型パソコン、さらには、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ：Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）や電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）のエネルギーへまでその適用分野が拡大するに伴い、該電池への研究・開発についての努力が加速化しつつある。

現在適用されている二次電池の中で、１９９０年代の初めに開発されたリチウム二次電池は、水溶液電解液を使用するＮｉ−ＭＨ、Ｎｉ−Ｃｄ、硫黄酸−鉛電池などの在来式の電池に比べて作動電圧が高く、しかも、エネルギー密度が遥かに高いという長所を持つことから、脚光を浴びている。

一般に、リチウムイオン電池などのような二次電池は、所定の電圧以上に過充電すると、正極活物質と電解液との副反応が激しくなる。そして、ひどい場合は、正極活物質の構造崩壊、電解液の酸化反応などが起こりうる。それにより、負極活物質からリチウムが析出することもある。このような状態が続いて電圧が上がると、二次電池が爆発または発火し得る。

また、リチウムイオン電池は、所定の温度以上の高温に曝されると、電極活物質が不安定な状態で活性化し、電解液と急激に反応しながら二次電池が膨らみ上がる。そして、爆発または発火する場合もある。

このような高温への曝露による爆発及び発火可能性は、二次電池の充電状態により変わる。より詳述すると、二次電池は、充電時に二次電池内部のエネルギー密度が増大し、電極活物質の不安定性が深化するため、充電比率が高いほど爆発や発火可能性が高くなる。

このような問題を解決するために、従来では、ＰＴＣレジスタ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｒｅｓｉｓｔｏｒ）と呼ばれる能動素子を両極に直列に接続し、上記ＰＴＣレジスタの内部抵抗が過充電による二次電池の温度上昇に対応して上昇し、入力電流を遮断して過充電を防止していた。

しかしながら、上記ＰＴＣレジスタは、過充電になって二次電池の温度が上昇する場合に該二次電池への入力電流を遮断するだけなので、既に充電された二次電池が高温に曝される場合、二次電池を保護することができないという問題があった。

そこで、本発明は、従来技術で発生する上述の問題点を解決するためになされたものであり、過充電によって温度が上昇すると、二次電池への入力電流を遮断するだけでなく、既に充電された二次電池が外部または内部の温度上昇によって高温に曝される場合にも二次電池を保護することができる二次電池の保護回路及びそれを備えた二次電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による二次電池の保護回路は、その一端が上記二次電池の第１極に接続された電流制限手段と、温度に感応して上記二次電池の第２極と外部電極の第１極とを接続し、または上記二次電池の第２極と上記電流制限手段の他端とを接続するスイッチング手段と、上記二次電池の第１極と上記外部電極の第２極とを接続する導線とを含むことを特徴とする。

特に、上記スイッチング手段は、高温時に所定のスイッチング動作を行うバイメタルであることを特徴とする。

また、上記電流制限手段は、上記二次電池の第１極に形成された伝導体を介して上記二次電池の第１極に接続され、上記バイメタルが破壊しないように十分に大きな抵抗値を有し、且つ上記二次電池が安全に放電するに足りる十分に小さい抵抗値を有する抵抗であることを特徴とする。

さらに、本発明による二次電池の保護回路は、上記二次電池の第１極と外部電極の第１極との間に接続される電流制限手段と、温度に感応して上記二次電池の第２極と上記外部電極の第２極とを接続し、または上記二次電池の第２極と上記外部電極の第１極とを接続するスイッチング手段とを含むことを特徴とする。

上記本発明による二次電池の保護回路において、上記バイメタルが、常温では二次電池の正極（＋）と外部電極の正極（＋）に直列に接続されて電流が流れるようにしている。温度が上昇すると、外部電極の正極（＋）に接続されたバイメタルが外部電極の負極（−）に接続され、二次電池の正極と負極とを短絡させることで外部電極からの電流の流入を遮断する。さらに、バイメタルはそれを通じて放電を誘導する。これにより、本発明では、二次電池の過充電時における温度上昇だけでなく、二次電池の外部または二次電池内部における温度上昇時にも二次電池に印加される電流が遮断されることで二次電池の温度上昇を防止する。

一方、上記バイメタルを流れる電流による放熱によって二次電池自体が不安定になることを防止するために、バイメタルの一端に電流制限手段としての抵抗を接続してバイメタルから発生する放電電流量を調節することで、バイメタル及び二次電池の発熱量を低減させる。ここで、上記抵抗は、バイメタルに直接接続されるか、または導線を介して接続されればよい。

本発明は、電池の過充電時における該電池の温度上昇を防止するためにＰＴＣを使う従来技術とは異なり、本発明によると、温度に感応して所望のスイッチング動作を行う素子を利用する。本発明は、高温時には二次電池に印加される外部電極の電流を遮断すると共に放電させることで、二次電池の安全性を向上するという効果を奏する。

上述した本発明の目的、特徴及び利点は添付図面を参照して、以下の本発明の好適な実施の形態の詳細な説明を通じてより明確に理解できるであろう。

添付図面を参照した以下の説明において、通常に求められる公知の装置及びその構成に関する詳細な説明は省く。

本発明は、温度の変化に応じて曲がる性質を持っているバイメタルを利用して、二次電池が高温に曝されると、上記二次電池に流入される入力電流を遮断する。上記バイメタルとして使われる材料において、膨張の小さい材料としては、ニッケルと鉄との合金、膨張の大きい材料としては、銅と亜鉛との合金、ニッケル・マンガン・鉄の合金、ニッケル・モリブデン・鉄の合金、マンガン・ニッケル・銅の合金など、各種の材料を使うことができる。最も簡単なバイメタルは、低温では直線状であったのが高温になるとニッケル・鉄合金の方へ曲がる。低温ではバイメタルを通じて電流が流れるが、高温ではバイメタルが接点との接続が断たれて電流が流れなくなる。

本発明の一実施の形態によると、バイメタルの三つの端子を二次電池の正極（＋）、外部電極の正極（＋）、外部電極の負極（−）にそれぞれ接続する。上記バイメタルが、常温時には上記二次電池の正極（＋）と外部電極の正極（＋）とを接続させ、高温時には上記二次電池の正極（＋）と外部電極の負極（−）とを接続させる。ここで、上記二次電池の負極（−）及び外部電極の負極（−）は互いに接続されている。

上記のように二次電池の温度が上昇すると、外部電極の正極（＋）に接続されていたバイメタルが二次電池の正極（＋）に接続されていた外部電極の負極（−）に接続されることにより、二次電池の正極（＋）がバイメタルを介して外部電極の負極（−）に接続される。これは、二次電池の正極と負極とをバイメタルを介して短絡させて、外部電極からの電流の流入を遮断すると共にバイメタルを通じての放電を誘導することで、二次電池は安全な状態を保持できるようになる。

上述のように、本発明では、温度に感応して所望のスイッチング動作を行うバイメタルを利用して、二次電池の過充電によって温度が上昇したり、外部または内部の影響によって温度が上昇したりする場合に、上記二次電池に印加される電流を遮断し二次電池の放電を誘導することで、二次電池を安全な状態に保持させる。

しかしながら、短絡時に上記バイメタルを二次電池に直接接続すると、上記二次電池から放電する電流が急激に上記バイメタルに流れるようになり、上記電流の流れの二乗に比例する発熱量によって上記バイメタルから非常に大きな発熱が起こる。この発熱によって上記バイメタルが破壊されたり、または上記バイメタルを機構的に支持している物理的支持体が損傷を受けたりすることもある。また、約６０℃以上の高温状態で上記バイメタルを作動させると、二次電池が急激に放電し、それにより発熱が生じ、二次電池をさらに不安定にし得る。

このため本発明では、上記バイメタルによって外部短絡が生じた時は、上記バイメタル及び上記二次電池の発熱量を調節するために上記バイメタルと二次電池との間に抵抗を接続する。上記抵抗は、放電電流量を調節して発熱量を低減させる。例えば、１０ｍΩの抵抗を持つバイメタルの場合、現在のリチウムイオン二次電池のフル充電電位である４．２Ｖで最大に流れ得る電流は４２０Ａｈである。そのため、バイメタルの抵抗が同じである時、１Ωの外部抵抗を接続することにより、生じ得る電流を４．２Ａまで低減させることができ、発熱量をも著しく低減することができる。

このように、本発明による二次電池用保護回路に提供される抵抗は、バイメタルが破壊しないように十分に大きな値を有し、且つ二次電池が安全に放電するに足りる十分に小さい値を有する。本発明の好適な実施の形態によると、上記抵抗は、１Ω〜２５Ωの抵抗値を有する。すなわち、抵抗が１Ωより小さい場合は、バイメタルから発生する発熱量を調節するにはその値が小さ過ぎるため、バイメタルから非常に大きな発熱が起こる。抵抗が２５Ωより大きい場合は、その抵抗自体からの発熱が大き過ぎるため、その発熱によって二次電池が不安定になる。

以下、本発明の具体的な実施例を多くの比較例と関連付けて詳細に説明する。

第１実施例：三端子バイメタルと抵抗の接続
図１には、本発明の第１実施例による二次電池の保護回路の構成を示している。

上記二次電池の保護回路は、バイメタルＢＭ１と抵抗Ｒ１とを含む。上記バイメタルＢＭ１の三つの端子のうち一つは二次電池Ｖ１の正極（＋）に接続され、他の一つは図示しない外部電極の正極（＋）に接続され、残りの一つは抵抗Ｒ１の一端に接続される。上記抵抗Ｒ１の他端は、二次電池Ｖ１の負極（−）に接続される。また、二次電池Ｖ１及び外部電極の負極（−）は互いに接続される。ここで、上記抵抗Ｒ１は、上記バイメタルＢＭ１に直接接続されてよく、または導線を介して接続されてもよい。

このように構成される二次電池の保護回路の動作を説明する。

上記バイメタルＢＭ１は、常温時には二次電池Ｖ１の正極（＋）と外部電極の正極（＋）とを接続し、高温時には抵抗Ｒ１を介して二次電池Ｖ１の正極（＋）と外部電極の負極（−）とを接続する。上記高温時には、二次電池Ｖ１が短絡されることで外部電極からの電流供給が遮断されると共にバイメタルＢＭ１及び抵抗Ｒ１を通じて放電が行われる。

第２実施例：バイメタルと導線及び抵抗の接続
図２には、本発明の第２実施例による二次電池の保護回路の構成を示している。

上記二次電池の保護回路は、バイメタルＢＭ２と抵抗Ｒ２とを含む。上記バイメタルＢＭ２の三つの端子のうち一つは二次電池Ｖ２の正極（＋）に接続され、他の一つは図示しない外部電極の正極（＋）に接続され、残りの一つは導線を介して抵抗Ｒ２の一端及び外部電極の負極（−）に接続される。上記抵抗Ｒ２の他端は、二次電池Ｖ２の負極（−）に接続される。

上記第２実施例の構成は、第１実施例に比べて抵抗Ｒ２が二次電池Ｖ２の負極（−）と外部電極の負極（−）との間に接続されるという点を除いては、第１実施例の構成と同じである。

第３実施例：バイメタルと伝導体及び抵抗の接続
正極活物質としてのＬｉＣｏＯ_２と導電剤、バインダーを混ぜ合わせてスラリーを調製し、該スラリーをアルミニウム箔にコーティングして正極を作製した。負極は、活物質としてカーボン系活物質を使用し、導電剤、バインダーを混ぜ合わせてスラリーを調製した後、該スラリーを銅箔にコーティングして負極を作製した。このような方式で作製された両電極の間にＰＥ（ポリエチレン）／ＰＰ（ポリプロピレン）からなるセパレータを挟み込んで、巻回して金属缶からなる外装材に挿入することにより角形二次電池を構成した。ここで、上記角形二次電池における電解液としてはＥＣ／ＰＣ系を使用し、二次電池の容量は８００ｍＡｈであった。

このように構成した二次電池の正極にバイメタルの作動温度以下に電流を流す２つの端子を直列に接続し、バイメタル作動温度以上に電流を流す残りの一端子を１Ωの抵抗に接続し、該抵抗の他方を負極端子に接続して二次電池の保護回路を構成した。

上記二次電池を４．４Ａｈまで充電した後にオーブンに入れて１５０℃まで５℃／分の速度で昇温し、１５０℃で１時間保持した。次に、二次電池の温度変化の測定と爆発及び／又は発火の有無の検出により二次電池の安全性を実験した。

図３に上記実験結果をグラフで示しており、図４は、実験後に観察した二次電池及びバイメタルの写真図である。

上記図４に示すように二次電池の爆発や発火は起こらず、バイメタルの破壊も起こらなかった。

比較例１
バイメタルと抵抗を使っていないことを除いては、第３実施例と同様にして二次電池を用意し、第３実施例と同じ方法にて実験を施した。その結果を図５及び図６に示す。図５及び図６を参照すれば、上記二次電池が高温で爆発することが分かる。

比較例２
抵抗を使っていないことを除いては、第３実施例と同様にして二次電池を用意し、第３実施例と同じ方法にて実験を施した。その結果を図７及び図８に示す。図７及び図８を参照すれば、上記二次電池が爆発しバイメタルが破壊していることが分かる。

第４実施例
２Ωの抵抗を使っていることを除いては、第３実施例と同様にして二次電池を用意し、第３実施例と同じ方法にて実験を施した。その結果を図９及び図１０に示す。図９及び図１０を参照すれば、上記二次電池の爆発や発火、バイメタルの破壊現象は起こっていないことが分かる。

第５実施例
５Ωの抵抗を使っていることを除いては、第３実施例と同様にして二次電池を用意し、第３実施例と同じ方法にて実験を施した。その結果を図１１及び図１２に示す。図１１及び図１２を参照すれば、上記二次電池の爆発や発火、バイメタルの破壊現象は起こっていないことが分かる。

以上、本発明を、上述した好適な実施例に基づいて説明したが、本発明は、それら実施例に限定されるものではなく、本発明の思想及び範囲を逸脱することなく各種の方式にて変更、修正可能であることは、当業者であれば理解できるであろう。したがって、本発明は、特許請求の範囲及びその均等物に対しては全ての本発明の範囲に属する。

本発明の好適な第１実施例による二次電池の保護回路を示す図である。 本発明の好適な第２実施例による二次電池の保護回路を示す図である。 本発明の好適な第３実施例の実験グラフを示す図である。 本発明の好適な第３実施例によって実験した後に観察した二次電池及びバイメタルを例示する図である。 第１比較例の実験グラフを示す図である。 第１比較例の方法で実験した後に観察した二次電池を例示する図である。 第２比較例の実験グラフを示す図である。 第２比較例の方法で実験した後に観察した二次電池及びバイメタルを例示する図である。 本発明の好適な第４実施例の実験グラフを示す図である。 本発明の好適な第４実施例の方法で実験した後に観察した二次電池及びバイメタルを例示する図である。 本発明の好適な第５実施例の実験グラフを示す図である。 本発明の好適な第５実施例の方法で実験した後に観察した二次電池及びバイメタルを例示する図である。

Claims (8)

1. 二次電池の保護回路であって、
   前記二次電池の負極と外部電極の負極との間に第１端が共通に接続され、第２端がバイメタルに接続された抵抗と、
   第１端と第２端とを備えたバイメタルと、
   前記二次電池の負極と前記外部電極の負極とを接続する導線とを含んでなり、
   室温で、前記バイメタルの第１端が、前記二次電池の正極と前記外部電極の正極とに接続され、前記バイメタルの第２端が抵抗の第２端と接続され、
   高温で、前記バイメタルの第２端が、前記二次電池の正極と前記外部電極の負極とを抵抗を介して接続し、前記バイメタルの第１端が、前記二次電池の正極に正続されない、二次電池の保護回路。
2. 前記抵抗が、前記二次電池の負極に形成された伝導体を介して前記二次電池の負極に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池の保護回路。
3. 前記抵抗が、前記バイメタルが破壊しないように十分に大きな抵抗値を有し、且つ、
   前記二次電池が安全に放電するに足りる十分に小さい抵抗値を有する抵抗であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の二次電池の保護回路。
4. 前記抵抗が、前記バイメタルに直接接続され、又は前記バイメタルに導線を介して接続されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池の保護回路。
5. 二次電池の保護回路であって、
   第１端が前記二次電池の負極と接続され、第２端が外部電極の負極に接続される抵抗と、
   第１端と第２端とを備えたバイメタルとを含んでなり、
   室温で、前記バイメタルの第１端が、前記二次電池の正極と前記外部電極の正極とに接続され、前記バイメタルの第２端が、前記抵抗の第２端と前記外部電極の負極とに接続され、
   高温で、前記バイメタルの第２端が、前記二次電池の正極と、前記外部電極の負極と、及び前記抵抗の第２端に接続され、前記バイメタルの第１端が、前記二次電池の正極に正続されない、二次電池の保護回路。
6. 前記抵抗が、前記二次電池の負極に形成された伝導体を介して前記二次電池の負極に接続されることを特徴とする、請求項５に記載の二次電池の保護回路。
7. 前記抵抗が、前記バイメタルが破壊しないように十分に大きな抵抗値を有し、且つ、
   前記二次電池が、安全に放電するに足りる十分に小さい抵抗値を有する抵抗であることを特徴とする、請求項５又は６に記載の二次電池の保護回路。
8. 請求項１乃至７の何れかに記載の二次電池の保護回路を備えた、二次電池。

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