JPWO2006123571A1 - 封口体およびそれを用いた電池パック - Google Patents

Abstract

缶状体（１００）およびその開口部を封じる封口体（１０２）を有して成る二次電池、ならびにＰＴＣ素子（１２０）を有して成る電池パックにおいて、封口体が、その上に取り付けられたＰＴＣ素子を有して成ることを特徴とする、よりコンパクトな電池パックを提供する。

Description

本発明は、封口体（または封口板）およびそれを有する電池パックに関する。

種々の二次電池が携帯用の電気または電子デバイスに使用されている。そのようなデバイスでは、それを構成する要素、例えば二次電池パックが占める体積を最小限にすべく、種々の工夫が為されている。

体積を最小限にしようとする場合であっても、要素の本来の機能および付属の機能が阻害されてはならず、携帯用のデバイスに用いる二次電池にはＰＴＣ素子が配置され、電池の充電時および放電時における過剰電流が流れるのを未然に防止し、あるいはデバイスまたは要素が異常に高温になることを未然に防止するようになっている。

そのようなＰＴＣ素子として、カーボンブラックが分散している導電性ポリマー要素を挟むように電極が配置された、いわゆるポリマーＰＴＣ素子（またはＰＰＴＣ素子）が使用されている。そのようなＰＴＣ素子を有する二次電池を電池パックの例として図４に斜視図で模式的に示す。

図示した電池パックにおいて、それを構成する電池のケーシングとしてアルミまたはスチールの缶状体１０が用いられ、これは、電池の一方の極（＋または−極）の端子としての機能も有する。そして、ケーシングの一方の端部に配置された封口体１２から突出する端子１４（見えないので破線で図示）が他方の極（−または＋極）の端子として機能する。ＰＴＣ素子１６は、缶状体の側面１８に配置され、安全性が高められた電池パックを構成している。ＰＴＣ素子の一方のリード２０は、端子１４と電気的に接続されている。ＰＴＣ素子の他方のリード２２（ＰＴＣ素子を介してリード２０と対向する）は、所定のように他の回路（図示せず）に電気的に接続される。

このような電池パックでは、ＰＴＣ素子が缶状体の側面に配置されているために電池パックの全体としての嵩を大きくすることになるので、より一層の小型化を要求される携帯用デバイス用の電池パックとしては必ずしも好ましくない。しかしながら、市販のＰＴＣ素子を用いるためには、そのような電池パックとならざるを得ず、このような電池パックが現在使用されている。

尚、電池の缶状体の底部にＰＴＣ素子を配置した電池パックが提案されている（下記特許文献１参照）。しかしながら、この電池パックは、缶状体の底面に凹部を形成し、その凹部にＰＴＣ素子を配置しているので、結果的に、電池に必要な缶状体の全体としての嵩が凹部の分だけ大きくなってしまう。従って、ＰＴＣ素子を缶状体の底部に配置した電池パックについても、ＰＴＣ素子が缶状体の側面に配置されている態様と同様に、嵩高い電池パックとなってしまう。
特開平７−１６９５０６号公報

従って、発明が解決しようとする課題は、よりコンパクトな電池パックを提供することである。

上述の課題について検討を重ねた結果、この課題は、電池の封口体がその上にＰＴＣ素子を有すること、即ち、電池の封口体にＰＴＣ素子を直接（または直上に）配置することにより解決されることが見出された。

従って、第１の要旨において、本発明は、缶状体およびその開口部を封じる封口体を有して成る二次電池、ならびにＰＴＣ素子を有して成る電池パックであって、
封口体は、その上に取り付けられたＰＴＣ素子を有して成ることを特徴とする電池パック
を提供する。

本発明において、ＰＴＣ素子は、封口体の直ぐ上に取り付けられている。この取り付けは、ＰＴＣ素子と封口体とが隣接状態で配置され、これらを電気的に（そして機械的に）接続するように、これらの間に存在する接続要素によって達成される。そのような接続要素として、例えば後述するハンダ（ハンダペーストによって形成されるものであってもよい）、導電性接着剤等の接着材料を例示できる。このような接続要素は、ＰＴＣ素子（より詳しくはその金属層、例えば金属箔）を封口体に接続する。

具体的には、接続要素として存在するハンダ、導電性接着剤等の接着材料が、ＰＴＣ素子（より詳しくは素子の金属層）と封口体との間に層の形態で存在するのが好ましい。そのような層は、ＰＴＣ素子と封口体との間でＰＴＣ素子の下面の全部にわたって封口体との間で存在するのが好ましいが、必要な導電性が得られる限り、必ずしもＰＴＣ素子の下面の全部にわたって存在する必要はない（層が存在しない部分は空隙部として存在してよい）。

別の態様では、隣接状態にあるＰＴＣ素子（より詳細にはその金属層）と金属リードとを電気的に（そして機械的に）接続し、そのような金属リードが封口体と隣接状態で封口体に電気的に（そして機械的に）接続されていてよい。この場合、ＰＴＣ素子と金属リードとの間の接続は、例えばハンダ、導電性接着剤等の接着材料（好ましくは層の形態のもの）によって実施でき、また、金属リードと封口体との間の接続は、例えばハンダ、導電性接着剤等の接着材料（好ましくは層の形態のもの）によって実施できる。従って、この場合、ＰＴＣ素子と封口体との間に位置する接続要素は、金属リードおよびその両側の接着材料の層によって構成されると言える。尚、金属リードと封口体との間の接続は、溶接によって実施することができ、通常、そのように実施するのが特に好ましい。この場合、ＰＴＣ素子と封口体との間に位置する接続要素は、金属リードおよびそのＰＴＣ素子側に位置する接着材料（好ましくは層の形態のもの）によって構成されると言える。

尚、金属リードは、ＰＴＣ素子と封口体とを上述のように接続できる限り、いずれの適当な形態であってもよく、通常は、プレートまたはストリップの形態である。また、ＰＴＣ素子の下面（即ち、封口体に対向する面）の全体にわたって延在しても、あるいは一部分にわたって延在してもよく、別の態様では、ＰＴＣ素子の下面からＰＴＣ素子の外側に向かって延在している部分を有してもよい（後述の図３参照）。

上述の別の態様において、先に説明した接続要素として接着材料を用いる場合の説明が同様に当て嵌まる（即ち、接続すべき２つの対象の間の全体にわたって接着材料が存在する必要は必ずしも無い）。尚、金属リードを溶接によって封口体に接続する場合、ＰＴＣ素子と封口体との間にこれらが溶着した溶接部が形成さる。そのような溶接部（層の形態であってもよい）は、金属リードおよびそれに隣接する封口体を、これらの間の接触界面において、溶融して（その後、冷却されて）形成される部分である。溶融は、そのような接触界面にて適当な手段によって熱を生じさせることによって（例えば超音波溶接を用いて）実施でき、溶接部は、接触界面の全体であっても、あるいは必要な導電性が得られる限り、接触界面の一部分に形成されてもよい（例えば図３参照）。

尚、本発明において、二次電池を構成するために必要な要素（例えば、缶状体、封口体、缶状体内の正極板、負極板、セパレータ、電解質等）は、従来のものと実質的に同じであってよく、即ち、常套的に二次電池において使用されているものであってよい。上述および後述の本発明の電池パックは、必要に応じてそのような要素を含んで成ることは勿論である。尚、周知のように、缶状体は開口部を有し、封口体は缶状体の開口部を閉じて封じる。

本発明の特徴の１つは、封口体の直ぐ上に、上述の種々の態様の接続要素のいずれかを介在させて、ＰＴＣ素子が取り付けられていることであり、このことを意味することを意図して、「（ＰＴＣ素子を）直接配置する（または取り付ける）」なる表現を本明細書において用いている。

更に、第２の要旨において、本発明は、ＰＴＣ素子が上に配置された、即ち、直接配置された封口体を提供する。この封口体は、缶状体および他の二次電池を構成する要素と組み合わせて、二次電池パックを製造するために使用できる。尚、「上」とは、電池パックに組み合わせた場合に露出する、封口体の一方の側を意味する。

電池パックにおいて、通常、封口体から突出している端子が存在するので、ＰＴＣ素子の封口体上への取り付けは、電池パックを構成するに際して封口体から端子が突出するのを阻害しない状態で、封口体上にＰＴＣ素子が位置することとなるように実施する。

先に説明したように、二次電池の封口体では、その表面から端子が突出しており、従って、封口体の表面（即ち、上側の表面）からその端子の頂部までの間の空間部分が端子のために必要である。本発明においてＰＴＣ素子を封口体上に配置する場合、そのような空間部分内にＰＴＣ素子の大部分、好ましくは実質的に全部を収容することが可能となり（即ち、空間部分を有効に利用でき）、ＰＴＣ素子を配置することによって生じる電池パックの体積の増加を最小限にすることができ、好ましくは、実質的に増加しないようにできる。

本発明の電池パックの上方部分の模式的断面図である。 図１の電池パックのＰＴＣ素子を取り付けた封口体の一部分の拡大模式図である。 図１の電池パックのＰＴＣ素子を取り付けた別の態様の封口体の一部分の拡大模式図である。 従来の電池パックの模式的斜視図である。

符号の説明

１００…缶状体、１０２…封口体、１０４…端子、１０６…集電体、
１０８…薄層部、１１０…電解質供給口、１１２…パッキング、
１２０…ＰＴＣ素子、１２２…ＰＴＣ要素、１２４，１２６…電極、
１２８…金属リード、１３０…接着材料、１３２…金属リード、１３４…接着材料、
１３６…溶接部。

発明を実施するための形態

本発明において、ＰＴＣ素子は、導電性フィラーとしてのカーボンブラックが分散している導電性のポリマー（例えばポリエチレン）から形成されるＰＴＣ要素（好ましくは層状のＰＴＣ要素）、およびその両側に配置された電極（好ましくは金属材料の層状電極、より好ましくは箔状電極）を有して成る常套のポリマーＰＴＣ素子であってよい。

しかしながら、特に好ましいＰＴＣ素子は、導電性フィラーとしてニッケル粉またはニッケルおよびコバルトの合金の粉末をフィラーとして含むものである。尚、そのような合金は、導電性フィラーとしての粉末を構成する粒子の表面部分のみを構成してもよく、内側部分は、ニッケルで構成されていてもよい。このようなコバルトを含むニッケル粉は、例えばＷＯ２００５／０２３４６１号に開示されており、そこに開示されているニッケル粉をフィラーとして含むポリマーＰＴＣ素子を本発明において使用するのが特に好ましい。尚、ニッケル粉については、例えば日本国特許第３６３５０８９号に開示されており、そこに開示されているニッケル粉をフィラーとして含むポリマーＰＴＣ素子を本発明において使用するのも好ましい。

このようなフィラーを用いる場合、ＰＴＣ素子自体の大きさが非常に小さくなり、ＰＴＣ素子が占有する封口体の面積を小さくできる。従って、ＰＴＣ素子を搭載する機能以外に種々の機能（電解質供給口を提供すること、極薄部分を形成して安全性を高めること、端子を突出させること等）を有する封口体には、そのようなフィラーを用いて形成したＰＴＣ素子が特に好ましい。

本発明において、ＰＴＣ素子は、封口体の上に取り付けられている。このようなＰＴＣ素子と封口体との位置関係を、上述のように、「ＰＴＣ素子が封口体に直接取り付けられている」と表現する。封口体を構成する金属表面には、ＰＴＣ素子の一方の電極が、電気的に接続されているか、あるいは金属リード、好ましくはストリップ形態の金属リードを介して電気的に接続されている。この電気的接続に際して、ＰＴＣ素子の一方の電極を封口体の金属表面に、あるいは金属リードに接続する場合は、例えばハンダまたは導電性接着剤等の接着材料を用いることが好ましく、金属リードを封口体の金属表面に接続する場合は、例えば溶接（超音波溶接等）を用いることが好ましい。このような電気的接続が、同時に機械的な接続をもたらすことは言うまでもない。

本発明の電池パックの上方部分（封口体が配置されている部分）を模式的断面図にて図１に示す。図示した態様では、電池の缶状体１００の開口部に封口体（または封口板）１０２が嵌め込まれて缶状体が封じられている。封口体１０２の中央付近では、端子１０４が貫通して嵌め込まれ、下方の集電要素１０６と接続されている。尚、図示した態様では、簡単のため、これらを一体状態で示している。缶状体１００、従って、それに嵌め込まれた封口体１０２は一方の極（例えば＋極）の電極として作用し、端子１０４は、他方の極（例えば−極）の電極として作用する。

一般的に、封口体は、アルミニウム、スチール等の金属の薄板で形成されており、安全弁として機能できる極薄層部１０８を有し、また、電解質を缶状体内に供給する口１１０を有してよい。尚、端子１０４と封口体１０２とを絶縁状態で維持するために、これらの間に絶縁材料１１２が配置されている。絶縁材料は、パッキングとしても作用する。

ＰＴＣ素子１２０は、封口体１０２上に直接配置されている。ＰＴＣ素子１２０は、導電性ポリマー要素１２２、ならびにその両側に配置された箔の形態の金属層１２４および１２６を電極として有して成る。図示した態様では、金属層１２４の上に金属リード１２８が配置されている。金属リード１２８はいずれの適当な方法で配置されていてもよく、例えば溶接、導電性接着剤、ハンダ等の接続手段によって金属層１２４と電気的に接続されている（尚、図１〜３では、このような接続手段を省略して図示せず）。図示した態様では、ＰＴＣ素子の金属層１２６を封口体１０２に直接的に電気的に接続することによって、封口体１０２上にＰＴＣ素子１２０が取り付けられている。

尚、金属リード１２８は、いずれの適当な形態であってもよい。図示した態様では、金属リード１２８は、ＰＴＣ素子の電極１２４と同じサイズのプレート形態であるが、別の態様では、ＰＴＣ素子の電極１２４の一部分上に配置されていてもよい。また、金属リードは、ＰＴＣ素子の電極１２４の少なくとも一部分の上に配置される部分に加えて、電極１２４の周囲の一部分、一辺、あるいは全周から外向きに延在する部分を有してもよい。例えば、金属リード１２８は、ＰＴＣ素子の電極１２４の少なくとも一部分上に配置される部分および電極から外向きに延在する部分を有するストリップ形態であってもよい（図３参照）。この場合、ＰＴＣ素子の電極１２４上に金属リードの一部分を配置して、これらをスポット状に電気的に接続してよい（例えばスポット溶接してよい）。

図２に、図１に示した態様におけるＰＴＣ素子１２０を有する封口体の一部分を拡大して模式的に示す。図２に示す態様は、導電性接着剤１３０を用いてＰＴＣ素子を封口体１０２に直接的に電気的に接続している様子を示す。ＰＴＣ素子１２０、詳しくはその金属層１２６が封口体１０２と隣接状態にあり、これらの間に導電性接着剤１３０が層の形態で配置されている。図示した態様では、ＰＴＣ素子の下面全体にわたって接着剤の層が存在するが、必ずしも全体にわたって存在する必要はない。尚、導電性接着剤１３０の層は、それが存在することを明確にするため、厚さを誇張して図示している。

図示した封口体は、封口体１０２上に導電性接着剤を塗布し、その上にＰＴＣ素子１２０を配置した状態で加熱することによって製造できる。導電性接着剤に代えてハンダペーストを塗布しても同様に製造できる。この場合、ＰＴＣ素子１２０を有する封口体１０２を用いて２次電池を形成することによって、２次電池パックを得ることができる。別の態様では、常套法によって封口体を用いて２次電池を形成した後、上述のように封口体１０２に導電性接着剤またはハンダペーストを適用してＰＴＣ素子を接着して、２次電池パックを製造してもよい。

図３は、封口体１０２上に直接配置したＰＴＣ素子１２０を、図２と同様に模式的に示す。但し、図示した態様では、ＰＴＣ素子１２０は、封口体１０２側に配置したリード１３２を介して封口体１０２に（図２の場合の「直接的」とは対照的に）間接的に電気的に接続されている。尚、ＰＴＣ素子１２０と金属リード１３２とは、ハンダまたは導電性接着剤の層１３４によって接続されている。金属リード１３２は、ＰＴＣ素子１２０の周辺部の少なくとも一部分から外側に延在し、その部分にて封口体１０２に溶接されている。図示した態様では溶接部１３６にて封口体１０２に接続されている。尚、溶接部は、ＰＴＣ素子の全周辺の外側で形成されていてもよく、あるいはその一部分で形成されていてもよい。

例えば、ＰＴＣ素子の電極１２６がニッケル箔である場合、これをハンダ、導電性接着剤等のような接着材料によってアルミニウム製の封口体１０２に直接的に接続すると、これらの間の抵抗値は、異種材料間の接続のために大きくなり易い。このような場合、ＰＴＣ素子と封口体１０２との間にニッケルリード１３２を介在させ、ニッケルリード１３２と封口体１０２とを溶接し、ニッケルリードとＰＴＣ素子とを電気的に接続すると、全体としての抵抗がニッケルリードを使用しない場合より小さくなる可能性があるし、ＰＴＣ素子と封口体との接続強度も大きくなり得る。このようにＰＴＣ素子の電極と同じ材料のリードを用い、そのリードを封口体１０２に溶接するのが好ましい。

このような封口体１０２を製造するには、ＰＴＣ素子１２０に導電性接着剤またはハンダ等の接着材料によって金属リード１３２を接着したＰＴＣ素子を得、そのようなＰＴＣ素子を封口体１０２に溶接によって接着してよい。このような封口体１０２を用いて２次電池を形成することによって、２次電池パックを得ることができる。別法では、先と同様に、２次電池を形成した後、金属リード１３２を接着したＰＴＣ素子１２０を封口体１０２に溶接してよい。

本発明の特に好ましい態様では、上述のように封口体１０２にＰＴＣ素子１２０が接続された電池パックを製造した後、封口体１０２を樹脂によってモールドして、ＰＴＣ素子を樹脂中に埋設する。このようにすることによって、ＰＴＣ素子が露出しないようになるので、ＰＴＣ素子が損傷を受けることを防止できると共に、リードが長い距離にわたって露出することがないのでショートの可能性も激減し、電池パックの安全性が向上する。更に、元々突出部が存在する封口体にＰＴＣ素子を配置するので、従来の電池パックのようにＰＴＣ素子が単独で側面に配置されて突出している場合と比較して、ＰＴＣ素子に外力が加わりにくくなる。

上述のような本発明の封口体を用いると、２次電池にＰＴＣ素子を配置するに際して、電池パックの体積の増加が最小限になる、好ましくは２次電池パックの嵩が実質的に増加しない。更に、缶状体１００とＰＴＣ素子とが直接配置されるので、ＰＴＣ素子を缶状体の側面に配置する場合に必要であるような長いリードを必要としないので、その分だけ不必要な抵抗値増を防止できる。

尚、上述の封口体１０２においては、ＰＴＣ素子は、封口体１０２に隣接してその上に配置しているが、別の態様では、封口体１０２から突出する端子１０４上にＰＴＣ素子を配置してもよい。この場合も上記配置と同様に、安全な電池パックを実現することができ、また、長いリードを必要としないという利点がある。

本発明の封口体を用いると、よりコンパクトな２次電池パックを構成でき、携帯用電子デバイス等の小型化に有用である。

尚、本願は、日本国特許出願第２００５−１４３０２４号（２００５年５月１６日出願、発明の名称：電池パックおよびそれに用いる封口体）に基づくパリ条約上の優先権を主張し、この引用により、上記出願に記載された内容は、本明細書の一部分を構成する。

Claims (14)

1. 缶状体およびその開口部を封じる封口体を有して成る二次電池、ならびにＰＴＣ素子を有して成る電池パックであって、
   封口体は、その上に取り付けられたＰＴＣ素子を有して成ることを特徴とする電池パック。
2. ＰＴＣ素子は封口体に隣接した状態で配置され、これらを電気的に接続するようにこれらの間に存在する接続要素によって、封口体にＰＴＣ素子が取り付けられている請求項１に記載の電池パック。
3. 接続要素は、接着材料の層である請求項２に記載の電池パック。
4. 接続要素は、金属リードおよびその両側の接着材料の層である請求項２に記載の電池パック。
5. 接続要素は、金属リードおよびそれとＰＴＣ素子との間に位置する接着材料の層であり、接着材料の層はＰＴＣ素子と金属リードとを接続し、金属リードは、溶接によって封口体に接続されている請求項２に記載の電池パック。
6. 接着材料は、導電性接着剤またはハンダである請求項３〜５のいずれかに記載の電池パック。
7. ＰＴＣ素子は、ニッケル粉末またはニッケル・コバルト粉末を導電性フィラーとして使用するＰＴＣ要素を有する請求項１〜６のいずれかに記載の電池パック。
8. 缶状体およびその開口部を封じる封口体を有して成る二次電池、ならびにＰＴＣ素子を有して成る電池パックを製造する場合に使用する、ＰＴＣ素子が上に取り付けられた封口体。
9. ＰＴＣ素子は封口体に隣接した状態で配置され、これらを電気的に接続するように、これらの間に存在する接続要素によって封口体にＰＴＣ素子が取り付けられている請求項８に記載の封口体。
10. 接続要素は、接着材料の層である請求項９に記載の封口体。
11. 接続要素は、金属リードおよびその両側の接着材料の層である請求項９に記載の封口体。
12. 接続要素は、金属リードおよびそれとＰＴＣ素子との間に位置する接着材料の層であり、接着材料の層はＰＴＣ素子と金属リードとを接続し、金属リードは、溶接によって封口体に接続されている請求項９に記載の封口体。
13. 接着材料は、導電性接着剤またはハンダである請求項１０〜１２のいずれかに記載の封口体。
14. ＰＴＣ素子は、ニッケル粉末またはニッケル・コバルト粉末を導電性フィラーとして使用するＰＴＣ要素を有する請求項８〜１３のいずれかに記載の封口体。
    

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