JP5816167B2 - Ｐｔｃデバイスおよびそれを有する２次電池 - Google Patents

Description

本発明は、ＰＴＣデバイスおよびそれを有して成る電気デバイス、例えば２次電池に関する。

導電性フィラー及びポリマー材料を含んで成る層状ポリマーＰＴＣ要素と、層状ポリマーＰＴＣ要素の両側の表面に配置された金属電極とを有して成るポリマーＰＴＣ素子が種々の電気デバイスにおいて使用されている。例えば、携帯電話の２次電池を充電する際の過充電等の問題を防止するために、２次電池を充電する回路では、そのようなＰＴＣ素子が回路保護素子として用いられている。このＰＴＣ素子はリードを介して保護回路内に配置され、ＰＴＣ素子およびリードを有して成るＰＴＣデバイスならびに保護回路は、２次電池の正極端子の外側に配置され、これらが一体となって電気デバイスを構成し、いわゆる「電池パック」として用いられている。電気装置は、電池パックを内蔵するため、もし、内蔵する電池パックをよりコンパクトできれば、電気装置をよりコンパクトにできる。

他方、乾電池型の種々の２次電池が用いられている。この２次電池の中で、例えば単３型または単４型の場合、それが占める体積を大きくすることに制約があるため、ＰＴＣ素子が配置されていない。

そのような乾電池型の２次電池の例としてニッケル水素電池を、その内部構造が分かるように、図１に断面図にて模式的に示す。この電池１００では、正極１０２に水酸化ニッケルを、負極１０４に水素吸蔵合金を使用し、これらの電極の間にセパレータおよび電解液が存在する。例えば放電の際には、合金に吸蔵されている水素が電子を放出し、水素イオンが電解液中を負極から正極へ移動する。正極は正極タブ１０６に接続され、これが封口板１０８を介して正極端子１１０に接続されている。

使用されている電解液は、アルカリを基剤とするものであり、それには例えば水酸化カリウムのようなカリウム塩が含まれている。他のアルカリとして、ナトリウム、リチウム等の種々の塩が使用されている場合もある。このようなアルカリは、一般的に腐食性であり、正極タブは、そのようなアルカリの雰囲気にさらされることになる。従って、正極タブに用いる材料としては、アルカリによる腐食に対して耐性を有するものを選択する必要がある。例えば、正極タブの材料としてニッケルが使用されている。ニッケルはアルカリ雰囲気では不動体を形成する結果、腐食に対する耐性を有する。

特開２００８−１８１８５５号公報

発明者が、ＰＴＣデバイス、ＰＴＣデバイスおよび２次電池を有して成る電池パックならびに乾電池型の２次電池のような電気デバイスをよりコンパクトなものにすべく、鋭意検討を重ねた結果、上述の乾電池型の２次電池においては、その正極タブ１０６が存在する空間１１２（本明細書では、この空間を「正極タブ空間」とも呼ぶことがある）にＰＴＣデバイスを配置することができるなら、２次電池の体積をより小さくすることができることを想到した。また、電池パックにおいては、２次電池の外側に配置されているＰＴＣデバイスを２次電池の内部に配置することができるなら、電池パックの体積をより小さくできることを想到した。

しかしながら、正極タブ空間にＰＴＣデバイスを配置するには、あるいは電池パックの２次電池内にＰＴＣデバイスを配置するには、上述のようなアルカリによる腐食を考慮する必要がある。これについて、更に検討を重ねた結果、ＰＴＣデバイスを構成する種々の要素の内、２次電池の電解液に含まれるアルカリによって、腐食等の悪影響を受けやすい部分を、アルカリを吸収または包接できる材料で覆うことによって、そのような悪影響を最小限に抑制できることを見出し、本発明のＰＴＣデバイスに到った。

従って、第１の要旨において、本発明は、
（１）（Ａ）（ａ１）導電性フィラー、及び
（ａ２）ポリマー材料
を含んで成る層状ポリマーＰＴＣ要素、
（Ｂ）ポリマーＰＴＣ要素の両側の表面に配置された金属電極
を有して成るＰＴＣ素子、ならびに
（２）少なくとも一部分がＰＴＣ素子の金属電極上に位置し、導電性材料によって金属電極に接続されたリード
を有して成り、上記導電性材料の露出部分は、アルカリを吸収または包接できる材料を含んで成る保護部材によって覆われていることを特徴とするＰＴＣデバイスを提供する。

本発明のＰＴＣデバイスを構成する要素の内、ＰＴＣ素子は周知であり、本発明においても、そのようなＰＴＣ素子を用いることができる。リードは、ＰＴＣ素子を所定の回路に電気的に接続するために必要な要素であり、これ自体も周知であり、本発明においても、そのようなリード、例えばニッケルリード、ニッケルメッキステンレスリード、ニッケル−鉄合金（コバール）リード等を用いることができる。
また、ＰＴＣ素子の各金属電極と各リードとを接続する導電性材料は、これらを電気的に接続できる材料であれば、特に限定されるものではないが、本発明においても、そのような導電性材料を用いることができる。例えば、ハンダ、ハンダペースト、導電性接着剤等を使用できる。

本発明が有用であるのは、そのような導電性材料が、電池を構成する電解液、特にそれに含まれるアルカリ成分、例えばナトリウム、カリウム、リチウム等のアルカリ金属の塩および／またはイオンによって腐食等の悪影響を受ける可能性がある場合である。そのような導電性材料が、例えば錫、亜鉛、鉛等を含む場合である。本発明は、導電性材料として、特にハンダ、特に鉛フリーハンダ、例えば錫、銀および銅の合金ハンダ、錫およびビスマスの合金ハンダ、錫およびインジウムの合金ハンダ等を用いる場合に特に有用である。

本発明において、「アルカリを吸収または包接できる材料」とは、アルカリ金属（特にナトリウム、カリウムおよび／またはリチウム）の塩および／またはイオンを一時的または永久的に取り込める材料を意味する。そのような材料は、種々知られており、例えば特定の構造および／または官能基を有するクラウンエーテル類（例えばシクロデキストリン）、グライム類等を例示できる。

例えば、特開平６−２８９１４号公報（クラウンエーテルを側鎖として有するポリマー）、特開２００３−１８７８６４号公報（グライム、クラウンエーテル）、特開２００２−２４１３７６号公報（クラウンエーテル）、特開２００３−２４９３６７号公報（クラウンエーテル）、特開２００５−６３８７１号公報（クラウンエーテル）、および特開平６−１３１１０号公報（グライム、クラウンエーテル、クリプタンド）等には、リチウム、カリウム、ナトリウム等のアルカリ金属のイオンおよび／または塩を捕捉する材料が開示されている。例えば、種々のクラウンエーテル構造を形成し、必要に応じて種々の官能基を側鎖にもつ有機高分子が種々開示されている。

尚、これらの特許公開公報の内容は、ここで参照することによって、本発明の課題を解決することに特に不適切である場合を除いて、本明細書の一部を構成するものとする。

このような「アルカリを吸収または包接できる材料」は、導電性材料の上記露出部分に保護部材を単体で形成できる場合もあるが、必要に応じて他の成分（例えば樹脂のような賦形剤、溶剤または可塑剤）との混合物の形態で存在してよい。保護部材は、いずれの適当な形態であってもよい。保護部材は、例えば保護コーティングの形態であってよい。その場合、上述のような単体または混合物を露出部分を覆うように、単体または混合物の形態に応じて、例えばハケ塗り、スプレー等によって適用する。

別の態様では、上述のような単体または混合物からフィルムを得、このフィルムによってＰＴＣ素子を包み込み、リードの端部のみが突出するようにしてもよい。即ち、保護部材は、ＰＴＣ素子を包み込むフィルムの形態であってよい。更に別の態様では、ＰＴＣ素子を金型に配置した状態で溶融状態の単体または混合物を金型に注入するインサート成形によって、露出部分を含めてＰＴＣ素子の大部分を上述のような単体または混合物によって包囲してもよい。即ち、保護部材は、ＰＴＣ素子を包囲する、上述のような単体または混合物の成形部材であってよい。

本発明の最も広い要旨において、本発明のＰＴＣデバイスは、「アルカリを吸収または包接できる材料」がＰＴＣ素子の周囲の少なくとも一部分を覆うように配置されている。即ち、そのような一部分は、上述のように導電性材料の露出部分であっても、あるいはそのような露出部分でなくてもよい。好ましい態様では、少なくとも露出部分がそのような材料によって覆われている。例えば、実質的に露出部分のみ、あるいは露出部分およびその周囲の部分がそのような材料によって覆われている。勿論、リードの端部分を除いて、保護部材がＰＴＣ素子およびリードを実質的に全部覆っていてよい。

このような本発明の１つの態様では、上述のような単体または混合物の粒状物またはフィルムの小片をＰＴＣ素子の表面の少なくとも一部分、好ましくは導電性材料の露出部分またはその近傍、あるいは露出部部分およびその近傍に配置し、そのように配置した粒状物（もしくは粉末）または小片が移動しないように、例えばＰＴＣ素子とそれに配置された粒状物または小片とが（電解質のアルカリに対して実質的に不活性である樹脂の）薄いフィルムで一緒にで包み込まれた状態にある（但し、リードの端部分は巻き込んでいるフィルムから突出している）。このような態様では、ＰＴＣ素子に接近する電解質のアルカリを捕捉して、導電性材料に接触するのを防止できるので、アルカリがＰＴＣデバイスに悪影響を与えるのを未然に抑制できる。

このような本発明の種々のＰＴＣデバイスは、２次電池の内部に、特に正極タブ空間内に配置して、正極タブとして機能することができる。従って、本発明は、第２の要旨において、電気デバイスとしての２次電池を提供する。そのような２次電池は、乾電池型であってもよい。別の態様では、ＰＴＣデバイスを外側に含む電池パックの形態であってもよい。尚、保護素子として本発明のＰＴＣデバイスを使用できる限り、そのようなＰＴＣデバイスを含む他の電気デバイスをも本発明は提供する。

この２次電池は、正極、負極、ならびにこれらの間に配置されたセパレータおよび電解液を有して成り、正極と正極端子との間で本発明のＰＴＣデバイスが、より詳しくはＰＴＣデバイスのリードが、これらに直接または間接的に電気的に接続されていることを特徴とする。このような本発明の２次電池は、乾電池型であるが、上述のように別の態様では、本発明の２次電池は、２次電池の外側に保護回路および本発明のＰＴＣデバイスを有する電池パックの形態であってもよい。

本発明のＰＴＣデバイスは、電解質に含まれるアルカリによる腐食の影響を受けやすい、導電性材料の露出部分が、「アルカリを吸収または包接できる材料」の保護部材によって覆われているため、ＰＴＣデバイスがアルカリ雰囲気下に配置されても、保護部材が、アルカリを吸収および／または包接するので、アルカリが導電性材料に実質的に達することを抑制でき、その結果、導電性材料の、従って、ＰＴＣ素子の、アルカリによる腐食の影響を最小限に抑制できる。

従って、２次電池が含む電解液の雰囲気下にＰＴＣデバイスが配置される、あるいは電解液とＰＴＣデバイスが偶発的に接触するとしても、ＰＴＣデバイスが受ける、電解質による悪影響は最小限となり、ＰＴＣデバイスは回路保護素子として機能できる。

特に、ＰＴＣデバイスを２次電池内の余分な空間内に配置する場合、ＰＴＣデバイスのために必要な空間を節約できることになる。例えば、上述の２次電池の正極タブ空間内に本発明のＰＴＣデバイスを配置できる。

内部構造を模式的に示した２次電池の断面図を示す。 本発明の１つの態様のＰＴＣデバイスを模式的に断面図にて示す。 本発明の別の態様のＰＴＣデバイスを模式的に断面図にて示す。 本発明の更に別の態様のＰＴＣデバイスを模式的に断面図にて示す。 本発明のＰＴＣデバイスを有する、図１に示す２次電池を断面図にて示す。

以下、図面を参照して、本発明を更に詳細に説明する。
本発明の１つの態様のＰＴＣデバイスを図２に示す。図示したＰＴＣデバイス１０は、導電性フィラー及びポリマー材料を含んで成る層状ポリマーＰＴＣ要素１２、ポリマーＰＴＣ要素の両側の表面１４および１６上に金属電極（例えば金属箔電極）１８および２０を有するＰＴＣ素子２２ならびにリード２４および２６を有して成る。

リード２４は、金属電極１８の一部分に導電性材料２８によって電気的に接続され、リード２６は、金属電極２０上の全体に導電性材料３０によって電気的に接続されている。その結果、ＰＴＣ素子２２において、導電性材料は、保護部材が存在しない場合には、その側面部３２で露出することになる部分を有する。

本発明のＰＴＣデバイス１０では、そのような導電性材料の露出部分がアルカリを吸収または包接できる材料を含んで成る保護コーティング３４としての保護部材によって覆われている。

保護コーティングは、いずれの形態であってもよく、図２に示す態様では、導電性材料の露出部分としての側面部分ならびにその上側および／または下側の比較的狭い領域が保護コーティングによって覆われている。このような保護コーティングは、露出部分に保護コーティング形成材料（例えば、アルカリを吸収または包接できる材料を含んで成る溶液または分散液）をハケ塗り、スプレー等によって適用し、必要に応じて、それを乾燥することによって形成できる。勿論、保護コーティングは、リードの端部分を除いて、ＰＴＣ素子およびリードを実質的に全部覆っていてよい。その場合、保護コーティングは、後述する図４のフィルム（５８，６０）と実質的に同様の形態であってよい。

図３に、本発明の別の態様のＰＴＣデバイスを模式的に示す。図示した態様では、ＰＴＣデバイス４０は、ＰＴＣ素子４２ならびに両側のリード４４および４６を有して成り、このＰＴＣデバイスは、その周囲に成形部材４８を有する。尚、図示した態様では、簡単のため、ＰＴＣ素子４２を全体として図示し、また、ＰＴＣ素子４２とリード４４，４６との間に位置する導電性材料の図示は省略している。

このようなデバイスは、リードを接続したＰＴＣ素子を金型にインサートして、その後、アルカリを吸収または包接できる材料を含んで成る成形材料を金型に注入して固化する射出成形を実施することによって、導電性材料の露出部分を含む、ＰＴＣ素子４２の露出表面を保護部材としての成形部材４８を形成することによって製造できる。但し、図３に示すように、リードの端部分については、成形部材から突出した状態となっている。そのため、射出成形時にＰＴＣ素子のリードの端部分には成形部材が形成されないように金型にインサートする必要がある。

図４に、本発明の別の態様のＰＴＣデバイス５０を示す。図示した態様では、ＰＴＣデバイスは、ＰＴＣ素子５２ならびに両側のリード５４および５６を有して成り、リード５４，５６の端部分が突出した状態で、２枚のフィルム５８および６０の間にＰＴＣ素子が挟み込まれている。容易に理解できるように、このフィルム５８および６０は、導電性材料の露出部分を含めて、ＰＴＣ素子およびリードの露出部分（但し、その端部分を除く）の露出表面を覆い、本発明のＰＴＣデバイスの保護部材として機能できる。尚、図３と同様に、図示した態様では、簡単のため、ＰＴＣ素子５２を全体として図示し、また、ＰＴＣ素子５２とリード５４，５６との間に位置する導電性材料の図示は省略している。

このようなＰＴＣデバイスは、導電性材料によって電気的に接続されたリードを有するＰＴＣ素子を、リードの端部分がフィルムから突出した状態で、２枚のフィルムの間に挟んだ状態で、これらのフィルムを一体に圧着することによって製造できる。

図５に、本発明のＰＴＣデバイスを組み込んだ本発明の２次電池を、図１と同様に、模式的に示す。図示した態様では、２次電池７０は、正極タブ空間７２内に本発明のＰＴＣデバイス７４を有し、その一方のリード７６の一端が封口板７８を経て正極端子８０に接続され、他方のリード８２が正極８４に接続されていることを特徴とする。このように、正極タブに代えて本発明のＰＴＣデバイスが配置されている点を除いて、本発明の２次電池の他の部分は、公知の２次電池と同様であってよい。

別の態様では、本発明の２次電池は、保護回路をその外部に有し、そして、２次電池の外側、例えば正極端子の外側に配置された本発明のＰＴＣデバイスを有して成る。この場合、そのような２次電池では、ＰＴＣデバイスが保護回路内に配置され、これらが一体となって２次電池を保護するように作用し、２次電池、ＰＴＣデバイスおよび保護回路は、電池パックを構成する。このようにＰＴＣデバイスが２次電池の外部に配置される場合であっても、２次電池内の電解質が僅かに漏洩するときには、電解質による導電性材料への悪影響を抑制できる。

本発明のＰＴＣデバイスは、２次電池の内部の余分な空間に配置しても、電池内の電解質による影響を最小限に抑制することができる。

１０…ＰＴＣデバイス、１２…ポリマーＰＴＣ要素、１４，１６…表面、
１８，２０…金属電極、２２…ＰＴＣ素子、２４，２６…リード、
２８，３０…導電性材料、３２…側面部、３４…保護コーティング、
４０…ＰＴＣデバイス、４２…ＰＴＣ素子、４４，４６…リード、４８…成形部材、
５０…ＰＴＣデバイス、５２…ＰＴＣ素子、５４，５６…リード、
５８，６０…フィルム、７０…２次電池、７２…正極タブ空間、
７４…ＰＴＣデバイス、７６…リード、７８…封口板、８０…正極端子、
８２…リード、１００…ニッケル水素電池、１０２…正極、１０４…負極、
１０６…正極タブ、１０８…封口板、１１０…正極端子。

Claims (8)

1. （１）（Ａ）（ａ１）導電性フィラー、及び
   （ａ２）ポリマー材料
   を含んで成る層状ポリマーＰＴＣ要素、及び
   （Ｂ）ポリマーＰＴＣ要素の両側の表面に配置された金属電極
   を有して成るＰＴＣ素子、ならびに
   （２）少なくとも一部分がＰＴＣ素子の金属電極上に位置し、導電性材料によって金属電極に接続されたリード
   を有して成り、上記導電性材料の露出部分は、アルカリを吸収または包接できる材料を含んで成る保護部材によって覆われていることを特徴とするＰＴＣデバイス。
2. 導電性材料は、錫を含んで成る請求項１に記載のＰＴＣデバイス。
3. アルカリを吸収または包接できる材料は、クラウンエーテル類である請求項１または２に記載のＰＴＣデバイス。
4. 保護部材は、リードの端部分が突出した状態でＰＴＣ素子およびリードの残りの部分を包囲する成形部材の形態である請求項１〜３のいずれかに記載のＰＴＣデバイス。
5. 保護部材は、リードの端部分が突出した状態でＰＴＣ素子およびリードの残りの部分を包囲するフィルムの形態である請求項１〜３のいずれかに記載のＰＴＣデバイス。
6. 正極、負極、これらの間に配置されたセパレータおよび電解液を有して成り、正極と正極端子との間で請求項１〜５のいずれかに記載のＰＴＣデバイスが配置されていることを特徴とする２次電池。
7. 正極と正極端子の間に位置する正極タブ空間内に、ＰＴＣデバイスが配置されている、乾電池型である請求項６に記載の２次電池。
8. ２次電池と、請求項１〜５のいずれかに記載のＰＴＣデバイスと、保護回路とを含む電池パックであって、保護回路と共にＰＴＣデバイスが二次電池の外側に配置されている電池パック。

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