JP7422142B2 - プロテクタ、電池セル及び電池 - Google Patents

Description

本願は、電池技術分野に関し、具体的には、プロテクタ、電池セル及び電池に関する。

リチウムイオン電池には、プロテクタとして、通常温度感知遮断器（ＴＣＯ）が設けられている。電池セルが過充電されるなど電池が濫用される場合には、発熱により温度感知遮断器が作動し、電流を遮断または大幅に低減して、電池セルに対して保護する役割を果たす。

しかしながら、現在の温度感知遮断器には、通常すぐに作動できない問題があり、これにより、遮断器は電流をタイムリーに遮断または大幅に低減できず、電池セルを効果的に保護することができない。

関連技術における上記の問題に対して、本発明は、プロテクタの動作がもっと適時であり、電池セル及び電池を効果的に保護することができるプロテクタ、電池セル及び電池を提案する。

本願の技術案はこのようにして実現される。

本発明の一態様によるプロテクタは、一方のタブと結合するための第１中継片と、第１インピーダンス素子と、前記第１インピーダンス素子及び前記第１中継片に結合された第２中継片と、前記第１インピーダンス素子と前記第２中継片との間に接続された第２インピーダンス素子と、を含む。

本発明の一実施例によれば、前記第１インピーダンス素子は、第１接続部材と、第２接続部材と、第１素子と、バネとを含み、
前記バネの温度が第１温度より小さい場合に、前記第１接続部材と前記第２接続部材とが直接に電気的に接続され、
前記バネの温度が前記第１温度よりも大きい若しくは等しい場合に、前記第１接続部材、前記第１素子、前記バネ及び前記第２接続部材は直列回路を形成する。

本発明の一実施例によれば、前記第１素子は、前記第１接続部材と前記バネとの間に位置し、
前記バネは、前記第１素子と前記第２接続部材との間に位置する。

本発明の一実施例によれば、前記第１素子は、正温度係数のサーミスタである。

本発明の一実施例によれば、前記第２インピーダンス素子は、電気抵抗を含む。

本発明の一実施例によれば、前記第２インピーダンス素子の抵抗値は、１ｍΩよりも大きい若しくは等しい、且つ１０ｍΩよりも小さい若しくは等しいである。

本発明の一実施例によれば、前記第２インピーダンス素子は、正温度係数のサーミスタであるまたは前記第１インピーダンス素子と同じである。

本発明の一実施例によれば、前記プロテクタは、前記第２インピーダンス素子を少なくとも２つ備える。

本発明の別の態様には、上述のプロテクタと、前記第１中継片に結合される第１タブが設けられた電池セル本体と、を備えた電池セルが提供される。

本発明のさらに別の態様には、上記の電池セルを含む電池が提供される。

本願は、第１インピーダンス素子と第２中継片との間に第２インピーダンス素子を接続することで、第１インピーダンス素子から第２中継片までの放熱経路を、第１インピーダンス素子から第２インピーダンス素子まで、さらに第２中継片までと延長される。そこで、第１インピーダンス素子から第２中継片までの放熱距離を延長し、第１インピーダンス素子の放熱速度を低減した。電池セルが過充電される過程において、第２インピーダンス素子自体が熱を発生することができ、第１インピーダンス素子が外に放熱することを抑制できるので、本願のプロテクタは、適時に動作して、電池セルを効果的に保護する役割を果たすことができる。

本願の実施例または従来技術における技術案をより明確に説明するために、以下に実施例において必要な図面を簡単に紹介する。明らかなように、以下において説明される図面は、ただ本願のいくつかの実施例に過ぎず、当業者にとって、創造的労働を支払わない前提で、これらの図面に基づいて他の図面を得ることもできる。

図１は、本願発明の実施例による温度感知遮断器の概略構成図である。 図２は、本願発明の実施例によるプロテクタの概略構成図である。 図３は、本願発明の一実施例による第１インピーダンス素子の概略構成図である。 図４は、本願の各実施例によるプロテクタの構成を示す模式図である。 図５は、本願の各実施例によるプロテクタの構成を示す模式図である。 図６は、本願の各実施例によるプロテクタの構成を示す模式図である。 図７は、本発明の実施例による電池セルの概略構成図である。

以下、本願実施例における図面を合わせて、本願実施例における技術案を明確且つ全体的に説明するが、ここで述べる実施例は、あらゆる実施例ではなく、本願の一部の実施例に過ぎないことが明らかである。本願の実施例に基づき、創造的な労働なしに当業者に得られるあらゆる他の実施例についても、本願の保護範囲内に属される。

ある要素がもう１つの要素に「接続される」と考えられる場合、それは前記もう１つの要素に直接に接続されてもよく、または他の要素を介して前記もう１つの要素に接続されてもよい。ある要素がもう１つの要素に「設けられる」と考えられる場合、それは前記もう１つの要素に直接に設けられてもよく、または他の要素を介して前記もう１つの要素に設けられてもよい。

別段の定義がない限り、本文で使用するすべての技術及び科学的用語は、本願の技術分野に属する技術者が一般的に理解する意味と同様である。本願明細書において使用する用語は、具体的な実施例を説明する目的に過ぎず、本願を限定する旨ではない。本明細書で使用される用語「または／及び」は、１つまたは複数の関連する項目の任意及びすべての組み合わせを含む。

図１は、従来技術の温度感知遮断器（ＴＣＯ）の構成を模式的に示している。温度感知遮断器１００は、第１中継片１１０と、遮断器１２０と、第２中継片１３０と、を含む。遮断器１２０は、第１中継片１１０と第２中継片１３０との間に接続され、且つ第１中継片１１０を介して電池セルと直列に接続されている。具体的には、第１中継片１１０は、電池セルのタブと結合するために用いられる。電池セルが過充電される過程において、第２中継片１３０の温度がより低いため、遮断器１２０から第２中継片１３０へ熱が伝わり、遮断器１２０の温度が低下することを招き、遮断器１２０の動作が遅延され、ひいては電池セルが更に充電されて過熱燃焼する。

温度感知遮断器が適時に作動できない問題を解決するために、作動温度の低い温度感知遮断器を用い、電池セルが発熱する時に、温度感知遮断器が適時に作動することを保証することが一つの方法となる。しかし、作動温度の低い温度感知遮断器を用いることは、電池セルの大電流放電能力を制限したり、大電力放電モードで温度感知遮断器を作動させたりするので、電池セルが正常に作動できなくなり、設備がシャットダウンするなどの問題が発生する。もう一つの方法は、電解液を改善することにより電池システムの過充電性能を向上させることである。しかし、改善された電解液は、電池セルの電気化学的性質、例えば、電池セルの高温貯蔵性能などを悪化させる。

図２は、本発明の実施例によるプロテクタの構成を示す図であり、プロテクタ２００は、第１中継片２１０と、第１インピーダンス素子２２０と、第２中継片２３０と、第２インピーダンス素子２４０とを備える。第１インピーダンス素子２２０は、第１中継片２１０と第２中継片２３０とに結合されている。ここで、第１中継片２１０は、電池セルの第１タブと結合するために用いられる。第２インピーダンス素子２４０は、第１インピーダンス素子２２０と第２中継片２３０との間に接続されている。

上記の技術態様によれば、第１インピーダンス素子２２０と第２中継片２３０との間に第２インピーダンス素子２４０が接続されることで、第１インピーダンス素子２２０から第２中継片２３０までの放熱経路が、第１インピーダンス素子２２０から第２インピーダンス素子２４０まで、さらに第２中継片２３０までと延長されるため、第１インピーダンス素子２２０から第２中継片２３０までの放熱距離が延長される。これと同時に、電池セルが過充電される過程において、第２インピーダンス素子２４０自体が熱を発生でき、第１インピーダンス素子２２０が外へ放熱することが抑制されるため、第１インピーダンス素子２２０の放熱速度は低下される。よって、本願のプロテクタは、電池セルに対して効果的な保護作用を奏するように適時に作動することができる。

また、図２に示すように、第１中継片２１０と第１インピーダンス素子２２０、第１インピーダンス素子２２０と第２インピーダンス素子２４０、及び第２インピーダンス素子２４０と第２中継片２３０との間は、レーザ溶接により接続されてもよい。いくつかの実施例において、第１中継片２１０と第１インピーダンス素子２２０、第１インピーダンス素子２２０と第２インピーダンス素子２４０、第２インピーダンス素子２４０と第２中継片２３０との間も、他の適切な方法で接続されてもよい。

第２インピーダンス素子２４０は、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，正温度係数）サーミスタ２４１を含んでもよい。ＰＴＣサーミスタは、温度感受性を有する半導体抵抗であり、一定の温度（キュリー温度）を超えると、温度の上昇に伴ってその抵抗値がステップアップする。このため、ＰＴＣサーミスタ２４１を第１インピーダンス素子２２０と第２中継片２３０との間に接続することにより、第１インピーダンス素子２２０から第２中継片２３０までの放熱距離を長くした一方で、ＰＴＣサーミスタ２４１自体が抵抗値を有しており、熱を発生し、第１インピーダンス素子２２０の外への放熱を抑制することができる。

図３は、本実施例による第１インピーダンス素子２２０の構成を模式的に示している。第１インピーダンス素子２２０は、第１接続部材２２２、第２接続部材２２４、第１素子２２６及びバネ２２８を含んでいる。バネ２２８の温度が第１温度（例えば、所定の作動温度）より小さい場合には、第１接続部材２２２と第２接続部材２２４とが直接に電気的に接続される。例えば、第１接続部材２２２と第２接続部材２２４は、接点２２９により直接電気的に接続される。バネ２２８の温度が第１温度よりも大きい若しくは等しい場合には、第１接続部材２２２、第１素子２２６、バネ２２８及び第２接続部材２２４は直列回路を形成する。例えば、バネ２２８は、第１接続部材２２２と第２接続部材２２４とを直接接続するための接点２２９が切断されるように、変形される。また、バネ２２８は、第１接続部材２２２と第１素子２２６とバネ２２８と第２接続部材２２４とが直列回路をなすように、変形される。

一実施例では、第１素子２２６が第１接続部材２２２とバネ２２８との間に位置し、バネ２２８が第１素子２２６と第２接続部材２２４との間に位置している。なお、第１インピーダンス素子２２０の第１接続部材２２２、第２接続部材２２４、第１素子２２６及びバネ２２８の配置形態を任意に適宜配置してもよく、本願はこれに限定されない。

図３に示すように、第１素子２２６は、ＰＴＣサーミスタであってもよい。上述したように、一定の温度（キュリー温度）を超えると、温度の上昇に伴ってＰＴＣサーミスタの抵抗値はステップアップする。従って、バネ２２８の温度が第１温度よりも大きい若しくは等しい場合に、第１接続部材２２２、第１素子２２６、バネ２２８及び第２接続部材２２４は直列回路を形成し、このとき、ＰＴＣサーミスタには大きな電流が流れ、ＰＴＣサーミスタの抵抗値は上昇し、第１接続部材２２２、第１素子２２６、バネ２２８及び第２接続部材２２４からなる直列回路に大きな抵抗が直列に接続されることに相当する。これにより、回路が遮断に近づき、温度の継続的な上昇を避けて、電池セルを保護する。

図４は、本発明の実施例によるプロテクタの構成を示す概略図である。図４に示すように、第２インピーダンス素子２４０は、電気抵抗２４２を含む。第１インピーダンス素子２２０と第２中継片２３０との間に電気抵抗２４２を接続することにより、第１インピーダンス素子２２０から第２中継片２３０までの放熱距離を長くすることができる。しかも、電気抵抗２４２自体が抵抗値を有し、熱を発生することができるので、第１インピーダンス素子２２０の外への放熱を抑制することができる。

いくつかの実施例において、プロテクタ２００は、少なくとも２つの第２インピーダンス素子２４０を含む。つまり、第２インピーダンス素子２４０の数は２つまたは２つ以上であることが可能である。図５は、本発明の実施例によるプロテクタの構成を模式的に示している。図５には、第２インピーダンス素子２４０の数が２つであり、２つの第２インピーダンス素子２４０が何れも電気抵抗２４２を有する様子が示されている。なお、具体的な応用により、第２インピーダンス素子２４０は他の任意の適切な要素であってもよく、第２インピーダンス素子２４０の数も他の任意の適切な数であってもよい。

図６は、本発明の実施例によるプロテクタの構成を示す模式図である。図６に示すように、第２インピーダンス素子２４０は、第１インピーダンス素子２２０と同じ素子であってもよい。一実施例において、第２インピーダンス素子２４０は、図３に示す構造を有していてもよい。本実施例では、第１インピーダンス素子２２０の接続ピンと第２インピーダンス素子２４０の接続ピンとは、レーザ溶接を直接使用することができない金属（例えば、銅）であり、ニッケル（Ｎｉ）シートによって第１インピーダンス素子２２０と第２インピーダンス素子２４０とを接続することができる。第２インピーダンス素子２４０が第１インピーダンス素子２２０と同じ素子であるため、第２インピーダンス素子２４０は、第１インピーダンス素子２２０の放熱経路を延長させながら、電池セルと第２インピーダンス素子２４０との間の熱伝導を改善し、第１インピーダンス素子２２０の外への放熱を抑制することができる。

いくつかの実施例において、第２インピーダンス素子２４０の抵抗値は、１ｍΩよりも大きい若しくは等しい且つ１０ｍΩよりも小さい若しくは等しいである。具体的な応用によれば、第２インピーダンス素子２４０の抵抗値を適切に配置することができ、本願はこれに限定されない。

以下、本発明のプロテクタによる作用効果について実施例により説明する。本願に係るプロテクタを電池セルに接続して過充電試験を行う。第２インピーダンス素子を有さない温度感知遮断器を備える電池セルを比較例１として、１Ｃ／１０Ｖ過充電試験を行い、各実施例及び比較例１の過充電通過率を観察して記録する。各実施例と比較例１との過充電通過率の比較結果を表１に示す。

［実施例１]
実施例１の電池セルは、図６に示すプロテクタ２００を用いている。ここで、第１インピーダンス素子２２０と第２インピーダンス素子２４０の抵抗値がいずれも３ｍΩであり、実施例１の電池セルについて１Ｃ／１０Ｖ過充電試験を行った。

［実施例２]
実施例２の電池セルは、図２に示すプロテクタ２００を用いている。ここで、ＰＴＣサーミスタ２４１の抵抗値が５ｍΩであり、実施例２の電池セルについて１Ｃ／１０Ｖ過充電試験を行った。

［実施例３]
実施例３の電池セルは、図４に示すプロテクタ２００を用いている。ここで、電気抵抗２４２の抵抗値が４ｍΩであり、実施例３の電池セルについて１Ｃ／１０Ｖ過充電試験を行った。

［実施例４]
実施例４の電池セルは、図５に示すプロテクタ２００を用いている。ここで、２つの電気抵抗２４２の抵抗値が何れも２ｍΩであり、実施例４の電池セルについて１Ｃ／１０Ｖ過充電試験を行った。

表１に示す過充電試験の結果から、実施例１～実施例４の通過率は何れも１０／１０Ｐａｓｓであり、比較例１の通過率である７／１０Ｐａｓｓよりも顕著に優れている。また、実施例１から実施例４のプロテクタの作動時における電池セルの表面温度も比較例１よりも低い。これは、本願が提供するプロテクタが電池セルの過充電試験過程においてより作動し易いこと（トリガー）を示す。換言すると、本願が提供するプロテクタは、電池セルの過充電試験過程において動作がより適時である。また、実施例１の第２インピーダンス素子は、第１インピーダンス素子の放熱経路の延長に有利であり、第２インピーダンス素子と電池セルとの間の熱伝導の改善に有利であるため、実施例１の電池セルの改善効果はより顕著である。

図７に示すように、本願の他の一態様による電池セル７００は、電池セル本体７１０と上記のプロテクタ２００とを備え、電池セル本体７１０には第１タブ７１２が設けられ、第１タブ７１２はプロテクタ２００の第１中継片２１０に結合されている。図７には、図２に示したプロテクタ２００を電池セルが備えている様子を示しており、本願の電池セルは上述のいずれのプロテクタを含んでいても良いことが理解されるべきである。

本発明のさらに別の態様には、上記の電池セルを含む電池が提供される。

以上述べた内容は、本願の好適な実施例に過ぎず、本願をいかなる形態で制限されるものではなく、本願の好ましい実施例については既に上述のように開示されたが、上記の実施例は本願を限定するものではない。本技術分野に精通した技術者は、本出願の技術案から逸脱しない範囲で、上記開示の技術内容を利用して、若干の変更または修正を行って、等価な実施例を得ることができる。本願の技術案の主旨から逸脱していない限り、本願の技術的精神に基づいて上記の実施例に対して行ったいかなる簡単な修正、均等な変化及び修飾は、いずれも本願の技術案の範囲内に属される。

Claims (7)

1. プロテクタと、タブが設けられた電池セル本体と、を備え、
   前記プロテクタは、
   前記タブと結合するための第１中継片と、
   第２中継片と、前記第１中継片および第２中継片とに結合された第１インピーダンス素子と、
   前記第１インピーダンス素子と前記第２中継片との間に接続された第２インピーダンス素子と、を含み、前記第１インピーダンス素子は、遮断器であり、
   前記第１中継片及び前記第２中継片は、金属片であり、
   前記第２インピーダンス素子は、電気抵抗を含み、前記第２インピーダンス素子の抵抗値は、１ｍΩよりも大きい若しくは等しい且つ１０ｍΩよりも小さい若しくは等しいことを特徴とする電池セル。
2. 前記第１インピーダンス素子は、第１接続部材と、第２接続部材と、第１素子と、バネとを含み、
   前記バネの温度が第１温度より小さい場合に、前記第１接続部材と前記第２接続部材とが直接に電気的に接続され、
   前記バネの温度が前記第１温度よりも大きい若しくは等しい場合に、前記第１接続部材、前記第１素子、前記バネ及び前記第２接続部材は直列回路を形成する、請求項１に記載の電池セル。
3. 前記第１素子は、前記第１接続部材と前記バネとの間に位置し、
   前記バネは、前記第１素子と前記第２接続部材との間に位置する、請求項２に記載の電池セル。
4. 前記第１素子は、正温度係数のサーミスタである、請求項２に記載の電池セル。
5. 前記第２インピーダンス素子は、正温度係数のサーミスタである、または前記第１インピーダンス素子と同じである、請求項１に記載の電池セル。
6. 前記第２インピーダンス素子を少なくとも２つ備える、請求項１に記載の電池セル。
7. 請求項１～６の何れか一項に記載の電池セルを備えることを特徴とする電池。