JP6352095B2 - 保護素子 - Google Patents

Description

本発明は、保護素子に関する。

リチウムイオン二次電池が異常発熱した場合に電流を遮断する保護素子として、温度ヒューズ素子、ＰＴＣ（positive temperature coefficient）素子、およびバイメタル素子とＰＴＣ素子とを並列に接続した保護デバイス（特許文献１）等が使用されている。中でも、大きな電流（例えば、３０Ａ）が流れるような用途、例えば電動自転車等の輸送機器のリチウムイオンポリマー二次電池の保護に用いる場合、サイズの大きなＰＴＣ素子、またはバイメタル素子とＰＴＣ素子とを並列に接続した保護デバイスが用いられている。

国際公開ＷＯ２００８／１１４６５０号

上記した保護素子のうち、温度ヒューズ素子は、その設置位置が、異常発熱が生じる位置から離れていると、迅速かつ確実な保護を提供することが難しくなる。したがって、温度ヒューズ素子は、迅速かつ確実に異常発熱に応答できるような位置に設置する必要があるが、異常発熱が生じうる箇所が広範囲にわたる場合、そのような設置箇所を決定することは必ずしも容易ではない。

ＰＴＣ素子には、ポリマーＰＴＣ素子およびセラミックＰＴＣ素子がある。このうちポリマーＰＴＣ素子は、トリップ温度が比較的高温であり、比較的低温の異常発熱、例えば異常発熱の温度が８０℃である場合には、適切な保護を提供するのが必ずしも容易ではない。また、セラミックＰＴＣ素子は、衝撃に弱く、特に平型で大きな素子は、衝撃により割れが生じやすい。

バイメタル素子とＰＴＣ素子とを並列に接続した保護デバイスは、保持電流を大きくすることができるが、機械的な接点を有しているため、環境による不具合、例えば腐食などによる接点不良、あるいは衝撃による瞬断などが生じやすい。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、異常温度をより確実に感知して動作することができ、耐衝撃性および耐環境性に優れた保護素子を提供することである。

第１の要旨において、
（ｉ）絶縁性樹脂を含んで成る層状要素、
（ｉｉ）層状要素を貫通する少なくとも１つの低融点金属部材、および
（ｉｉｉ）層状要素の両主表面に位置し、低融点金属部材により電気的に接続されている一対の層状の金属電極
を有して成る、保護素子を提供する。

第２の要旨において、上記保護素子を有して成ることを特徴とする二次電池を提供する。

本発明の保護素子は、層状の金属電極を用いることにより表面積が大きくなるので、より確実に異常発熱による熱を拾うことができ、より確実な保護を提供することができる。また、本発明の保護素子は、機械的な接点を有しないので、腐食などによる接点不良および衝撃による瞬断を起こさず、耐環境性および耐衝撃性に優れている。

図１は、本発明の一の態様の保護素子の斜視図を模式的に示す。 図２は、図１の保護素子の直線ｘ−ｘを含む平面に対して垂直な面に沿った断面図を模式的に示す。 図３は、別の態様の保護素子の断面図を図２と同様に模式的に示す。 図４は、さらに別の態様の保護素子の断面図を図２と同様に模式的に示す。 図５は、本発明の保護素子の層状要素の一の態様の斜視図を模式的に示す。 図６は、本発明の保護素子の層状要素の別の態様の斜視図を模式的に示す。

以下に図面を参照して、本発明の保護素子を詳細に説明する。但し、本発明の保護素子は、図示する態様に限定されない。

図１に、本発明の一の態様の保護素子の斜視図を模式的に示し、図２に、図１に示す保護素子の直線ｘ−ｘを含む平面に対して垂直な面に沿った断面図を模式的に示す。本発明の保護素子１は、層状要素２、層状要素を貫通する低融点金属部材４、およびこれらを覆う一対の層状の金属電極６を有して成る。

本発明の保護素子１は、絶縁性樹脂を含んで成る層状要素２を有する。

一の態様において、層状要素２は、絶縁性樹脂により形成される（以下、この絶縁性樹脂により形成された層状要素を、「層状樹脂要素」ともいう）。この態様において、平常時、電流は、一方の金属電極６から低融点金属部材４を介して他方の金属電極６に流れる。異常時、周囲で生じた熱が金属電極６を介して低融点金属部材４に伝わり、低融点金属部材４が溶断して、電流が遮断される。ここに、「平常時」とは、異常発熱が生じておらず、保護素子および保護すべき回路・機器ならびにそれらの周囲環境の温度が所定の温度以下であることを意味する。「異常時」とは、異常発熱が生じ、保護すべき回路・機器またはその周囲の温度が、所定の温度、例えば不具合が生じうる温度以上になることを意味する。

層状要素を構成する絶縁性樹脂は、電気的に絶縁性を有する樹脂であれば特に限定されるものではなく、例えば、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂、具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、フッ素系樹脂、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）樹脂、ポリカーボネート−ＡＢＳアロイ樹脂、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタラート）樹脂、エラストマー等の樹脂を含む。該絶縁性樹脂は、本発明の保護素子の動作温度よりも高い分解温度および融点を有する樹脂であることが好ましい。ここに、「動作温度」とは、保護素子が動作して電流を遮断する最低温度を意味する。保護素子の動作温度よりも高い分解温度および高い融点を有する絶縁性樹脂を用いることにより、異常発熱が生じた場合に、絶縁性樹脂の分解温度または融点に達する前に保護素子が動作して電流を遮断するので、絶縁性樹脂の分解および溶融を防止することができる。また、本発明の保護素子は異常発熱により動作することを目的としているので、低融点金属部材に熱を伝えやすいという観点から、絶縁性樹脂は、熱伝導性が高い樹脂であることが好ましい。好ましい絶縁性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレン、フェノール系樹脂等が上げられる。

別の態様において、層状要素２は、絶縁性樹脂に導電性フィラーを含む組成物、いわゆるＰＴＣ組成物により形成される（以下、このＰＴＣ組成物により形成された層状要素を、「層状ＰＴＣ要素」ともいう）。層状要素として層状ＰＴＣ要素を用いることにより、低融点金属部材が溶断する際、低融点金属部材を流れている電流が、層状ＰＴＣ要素に転流するので、低融点金属部材の溶断に伴うアークの発生を抑制することができる。即ち、保護素子の耐電圧を向上させることができる。

上記ＰＴＣ組成物は、例えば、導電性フィラーを含むポリマー材料（例えば、カーボンブラック粒状物質を分散状態で含む高密度ポリエチレン）であって、ＰＴＣ特性を示すポリマー組成物であり、自体既知のものであってよく、本発明の保護素子に用いることができるものである限り、特に限定されるものではない。

好ましくは、上記層状ＰＴＣ要素の動作温度は、低融点金属部材４を構成する低融点金属の融点よりも高い温度、例えば５℃高い温度、１０℃高い温度、または２０℃高い温度とすることができる。このような動作温度とすることにより、低融点金属部材が溶断する際、低融点金属部材を流れている電流を、より確実に層状ＰＴＣ要素に転流させることができる。ここに、「動作温度」とは、層状ＰＴＣ要素が動作（トリップ）する最低温度を意味する。

さらに別の態様において、層状要素２は、層状樹脂要素および層状ＰＴＣ要素の組み合わせであってもよい。層状樹脂要素および層状ＰＴＣ要素の大きさ、形状および配置は、特に限定されるものではなく、製造の容易性、負荷される電圧・電流、用いるＰＴＣ組成物の種類、低融点金属の種類などの因子に応じて、適宜決定できる。例えば、図５に示されるように、層状樹脂要素８および層状ＰＴＣ要素１０は、互いに隣接して存在してもよい。また、図６に示されるように、層状ＰＴＣ要素１０は、層状樹脂要素８に囲まれるように位置してもよい。なお、図５および６において、簡単のため貫通開口部は省略されている。図示した態様では、層状ＰＴＣ要素１０と層状樹脂要素８は、接触して配置されているが、これに限定されず、離隔して配置してもよい。

上記層状要素の形態は、厚さ方向のディメンションが他のディメンションより小さいもの（例えば板状またはシート状形態）であれば、特に限定されるものではない。具体的には、厚さに対する長さまたは幅の比が、３以上、例えば５〜１００であるものが好ましい。層状要素の平面形状（層状要素を真上から見た場合の形状、または層状要素の厚さ方向に垂直な方向の断面形状）は、特に限定されるものではなく、例えば、円形、正方形、長方形、菱形、環状等の形状であってもよい。この層状要素の平面形状は、保護すべき機器、例えば二次電池セルの平面形状と実質的に同一であることが好ましい。このように、層状要素の平面形状と保護すべき機器の平面形状を実質的に一致させることにより、保護すべき機器で異常発熱が生じた場合、より迅速かつ確実に熱を拾い、低融点金属部材に伝えることができるので、より迅速かつ確実な保護を提供することができる。

上記層状要素の厚さは、特に限定されるものではないが、異常時における一対の電極間の絶縁を確実にし、低融点金属部材の溶断を容易にするために、１ｍｍ以上であることが好ましく、異常時に迅速に低融点金属部材全体に熱を伝えるために、また、小型化の観点から、１０ｍｍ以下であることが好ましい。例えば、層状要素の厚さは、１〜８ｍｍ、好ましくは１〜６ｍｍの範囲である。

上記層状要素は、少なくとも１つの貫通開口部を有し、この貫通開口部を低融点金属部材が貫通する。層状樹脂要素および層状ＰＴＣ要素の両方が存在する場合、この貫通開口部は、層状樹脂要素および層状ＰＴＣ要素のどちらに存在してもよく、両方に存在してもよい。この貫通開口部は、層状要素の厚さ方向に沿って延びて層状要素を貫通しており、その厚さ方向に垂直な方向の断面形状は特に限定されるものではなく、例えば円形、正方形、菱形、長方形、楕円形であってもよい。貫通開口部の数は、用いる低融点金属部材の数に応じて適宜選択できる。

本発明の保護素子１は、上記層状要素２の貫通開口部を貫通し、一対の層状の金属電極６のそれぞれに電気的に接続されている低融点金属部材４を有する。

層状要素の厚さ方向に垂直な方向の低融点金属部材の断面形状は特に限定されるものではなく、例えば円形、正方形、菱形、長方形、楕円形または円環状であってもよい。

低融点金属部材の厚さ（層状要素の厚さ方向の厚さ）は、実質的に層状要素の厚さと同じである。

図２に示した態様では、上記低融点金属部材の数は、１つであるがこれに限定されず、２つ以上、例えば２つ、３つ、４つまたはそれ以上であってもよい。低融点金属部材の数を増やすことにより、保護素子の保持電流を大きくすることができる。したがって、低融点金属部材の数は、保護素子に要求される保持電流の程度に応じて、適宜選択できる。ここに、「保持電流」とは、本発明の保護素子が、動作することなく流すことができる最大電流を意味する。

低融点金属部材が複数存在する場合、それらは、図３に示すように互いに接触するように配置していてもよく、または、図４に示すように互いに離隔するように配置してもよい。

低融点金属部材を、互いに接触するように配置する場合、これらは、層状要素の主要面に対して垂直な方向から見た場合に、直線状となるように配置してもよく、あるいは、円周形、稲妻形、波形または凹凸形となるように配置してもよい。この場合、互いに接触した低融点金属部材は、より大きな１つの低融点金属部材とみなすこともできる。

低融点金属部材を、互いに離隔して配置する場合、これらは層状要素に均等に配置することが好ましい。ここに、「均等に配置」とは、低融点金属部材の配置が、対称軸または対称点を有することを意味する。好ましくは、低融点金属部材の配置の対称軸または対称点が、層状要素の主表面の対称軸または対称点と一致する。例えば、低融点金属部材を直線的に配置する場合、隣り合う各低融点金属部材同士の距離が等しく、層状要素の主表面の中心線の両側に同じ数の低融点金属部材が存在するように配置することができる。また、低融点金属部材を円周状に配置する場合、層状要素の主表面の中心点から等距離に、等角度、例えば４５°毎に低融点金属部材が存在するように配置することができる。また、１つまたはそれ以上の直線的な配置および１つまたはそれ以上の円周状の配置を組み合わせて配置してもよい。

上記低融点金属部材は、低融点金属により構成されている。この低融点金属としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｎ、Ｂｉ−Ｃｄ合金、Ｂｉ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｃｄ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ−Ｃｄ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ−Ｃｄ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐ−Ｇｅ合金、Ｓｎ−Ｃｄ合金、Ｓｎ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｃｄ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金およびＳｎ−Ｓｂ合金が挙げられる。

本発明の保護素子の動作温度は、低融点金属部材を構成する低融点金属の融点と実質的に同じになる。したがって、低融点金属の融点を調整することにより、保護素子の動作温度を変更することができる。例えば、低融点金属の融点を８０℃とすると、異常発熱としては比較的低温である８０℃の温度に対しても保護を提供することができる。低融点金属の融点は、用いる金属または合金を変更することにより、適宜調整することができる。

好ましい態様において、低融点金属部材は、８０〜９０℃の融点を有する。このような８０〜９０℃の融点を有する低融点金属としては、特に限定されないが、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ−Ｃｄ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ−Ｃｄ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ合金等が挙げられる。

また、低融点金属部材は、その溶断を補助するフラックスを含有していてもよく、あるいは、層状要素の貫通開口部においてフラックスと共存していてもよい。例えば、貫通開口部において、１つまたはそれ以上の低融点金属部材および１つまたはそれ以上のフラックス部を交互に隣接して配置することができる。

本発明の保護素子１は、層状要素２の２つの主表面の少なくとも一部およびこの主表面から露出した低融点金属部材４を覆うように配置され、低融点金属部材４により互いに電気的に接続されている一対の層状の金属電極６を有する。

上記金属電極を構成する金属材料は、特に限定されないが、Ｆｅまたは貴金属および卑金属を含む非鉄金属、具体的には、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｍｏ、Ｂｅなど、またはこれらの合金を用いることができる。中でも、熱伝導性が高いことから、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕおよびＡｌが好ましい。

上記金属電極の厚さは、特に限定されず、例えば板状または箔状であり得るが、異常時に熱を効率的に低融点金属部材に伝えるために、十分な量の熱容量を確保しつつ、熱を電極の温度上昇に消費してしまわないような厚み、例えば０．１〜２ｍｍであることが好ましい。

上記金属電極は、層状要素の主表面の一部を覆っていてもよく、または全部を覆っていてもよい。異常時に広範囲から熱をより確実に拾うことができるので、層状要素の主表面の全部を覆うことが好ましい。また、金属電極は、層状要素の外縁よりも外側まで延在してもよい。

上記金属電極の表面（層状要素の主要面と接する面に対向する面）の形状は、特に限定されないが、製造の容易性の観点からは平面形状であることが好ましく、また、異常時に熱を拾いやすいという観点からは、保護素子を設置する面、例えば保護すべき機器の表面の形状に一致することが好ましい。

上記、低融点金属部材と金属電極との電気的接続は、特に限定されないが、例えば、圧着、溶着、メッキによる接合、または導電性接着材などによる接着などにより行うことができる。

図示した態様では、一対の金属電極は、層状要素の主表面上に直接接触するように配置されているが、これに限定されるものではなく、低融点金属部材と電気的に接続されている限り、他の部材を介していてもよい。例えば、層状要素の主表面上に金属薄層を配置し、その上に金属電極を配置してもよい。

本発明の保護素子は、保護すべき機器に直接設置することができる。しかしながら、例えば、保護すべき機器の設置面の形状が、保護素子の設置面の形状と一致しない場合、熱伝導性がよい樹脂、例えばシリコーン樹脂を介して設置してもよい。

本発明の保護素子、種々の方法により製造することができ、当業者であれば、本発明の保護素子の構成から、その製造方法を理解することができる。例えば、本発明の保護素子は、以下のように製造することができる。最初に絶縁性樹脂のシートを準備し、これを所定の寸法および形状に打ち抜き、所望の数および形状の貫通開口部を形成する。貫通開口部に溶融した低融点金属を流し込み、貫通開口部の壁面に沿って低融点金属の層を形成して、低融点金属部材を形成する。ついで、層状の金属電極を、層状要素の主表面および低融点金属部材を覆うように、例えば導電性接着剤などを用いて層状要素の表面に貼り付けて、本発明の保護素子を製造することができる。所望により、一方の金属電極を貼り付けた後、貫通開口部に低融点金属部材の溶断を補助するフラックスを注入して、他方の金属電極を貼り付けて封じてもよい。

本発明の保護素子は、異常温度をより確実に感知して動作することができ、さらに機械的接点を有しないので、腐食などによる接点不良および衝撃による瞬断を起こさないので、種々の電子・電気機器、例えば二次電池に好適に用いることができる。したがって、本発明は、本発明の保護素子を有して成ることを特徴とする電子・電気機器、例えば二次電池をも提供する。

本発明の保護デバイスは、保持電流が大きく、異常発熱に応答よく動作することができるので、例えば高容量のリチウムイオン二次電池用の保護素子として好適に利用できる。

１…保護素子
２…層状要素
４…低融点金属部材
６…金属電極
８…層状樹脂要素
１０…層状ＰＴＣ要素

Claims (14)

1. （ｉ）貫通開口部を有する絶縁性樹脂を含んで成る層状要素、
   （ｉｉ）層状要素を貫通する少なくとも１つの低融点金属部材、および
   （ｉｉｉ）層状要素の両主表面に位置し、低融点金属部材により電気的に接続されている一対の層状の金属電極
   を有して成り、
   前記層状要素の厚さは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、
   前記低融点金属部材は、前記貫通開口部の壁面に沿った層を形成し、
   フラックスが、前記貫通開口部に注入されており、
   前記低融点金属部材は、異常時に溶断して電流を遮断する、保護素子。
2. 層状要素の一部または全部が、ＰＴＣ組成物により形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の保護素子。
3. ２つ以上の低融点金属部材を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の保護素子。
4. ２つ以上の低融点金属部材が、互いに接触して配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の保護素子。
5. ２つ以上の低融点金属部材が、互いに離隔して配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の保護素子。
6. ２つ以上の低融点金属部材が、均等に配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の保護素子。
7. 低融点金属部材が、Ｓｎ、Ｂｉ−Ｃｄ合金、Ｂｉ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｃｄ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ−Ｃｄ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ−Ｃｄ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐ−Ｇｅ合金、Ｓｎ−Ｃｄ合金、Ｓｎ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｃｄ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金およびＳｎ−Ｓｂ合金からなる群から選択される１種またはそれ以上の低融点金属から形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の保護素子。
8. 低融点金属が、８０〜９０℃の融点を有することを特徴とする、請求項７に記載の保護素子。
9. 低融点金属が、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ−Ｃｄ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ−Ｃｄ−Ｉｎ合金およびＳｎ−Ｂｉ−Ｉｎ合金からなる群から選択される１種またはそれ以上であることを特徴とする、請求項８に記載の保護素子。
10. 金属電極が、貴金属および卑金属を含む非鉄金属からなる群から選択される１種またはそれ以上の金属から形成されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の保護素子。
11. 非鉄金属が、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｂ、ＭｏおよびＢｅからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１０に記載の保護素子。
12. 絶縁性樹脂が、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂からなる群から選択される１種またはそれ以上の樹脂であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の保護素子。
13. 絶縁性樹脂が、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、およびポリプロピレンからなる群から選択される１種またはそれ以上の樹脂であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の保護素子。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の保護素子を有して成ることを特徴とする二次電池。

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