(57)【要約】【課題】充電時および放電時のそれぞれに最適な動作温度で電池セルを保護することが可能な二次電池システムを提供すること。【解決手段】充放電が可能な電池セル４と、電池セル４の端子電極に接続され、電池セル４を保護する保護素子１０とを有する二次電池システムである。保護素子１０が、充電用ポリマーＰＴＣ素子２０と放電用ポリマーＰＴＣ素子２２とを有し、これらのポリマーＰＴＣ素子２０，２２の動作温度が異なる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電が可能な電池セルと、
前記電池セルの端子電極に接続され、前記電池セルを保護する保護手段とを有する二次電池システムであって、
前記保護手段が、充電用保護素子と放電用保護素子とを有し、これらの保護素子の動作温度が異なる二次電池システム。
【請求項２】
前記充電用保護素子と前記放電用保護素子とが、それぞれ温度上昇に伴い抵抗値が増加する素子である請求項１に記載の二次電池システム。
【請求項３】
前記放電用保護素子の動作温度が、前記充電用保護素子の動作温度よりも高い請求項1または２に記載の二次電池システム。
【請求項４】
前記充電用保護素子と前記放電用保護素子とは、それぞれの電極の一部が共用化されている共通電極を有する請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池システム。
【請求項５】
前記共通電極を挟んで、前記充電用保護素子の素子本体と前記放電用保護素子の素子本体とが、積層してある請求項４に記載の二次電池システム。
【請求項６】
前記共通電極の表面に、前記充電用保護素子の素子本体と前記放電用保護素子の素子本体とが、同一平面上に形成してある請求項４に記載の二次電池システム。
【請求項７】
前記充電用保護素子の素子本体と前記放電用保護素子の素子本体とが直接または他の部材を介して接触している請求項６に記載の二次電池システム。
【請求項８】
前記充電用保護素子が、前記放電用保護素子に比較して、前記電池セルに近い位置に配置してある請求項１〜７に記載の二次電池システム。
【請求項９】
前記保護手段が、さらに保護回路を有し、
前記保護回路と前記電池セルとの間に、前記充電用保護素子と前記放電用保護素子とが接続してある請求項１〜８のいずれかに記載の二次電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充放電が可能な二次電池を有効に保護することができる二次電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、二次電池の構成としては、充放電回路に、一般には１個の保護素子（例えばＰＴＣ）を取り付けて保護している（たとえば特許文献１参照）。ところが、最近の電池の小型・高容量化に伴い、通常使用（放電）でも電池は高温になるため、より高温でも動作（トリップ）しない保護素子が求められている。
【０００３】
一方、通常ではあり得ない条件での充電（過充電）を行うと、電池は発熱して暴走する虞がある。したがって、過充電時には、より低い温度でトリップする保護素子が必要となる。これらの相反する要求を同時に満足する二次電池システムが求められるようになってきている。しかしながら、従来の二次電池システムでは、保護素子が単一であったために、これらの相反する要求を同時に満足することが困難であった。
【特許文献１】特開２００５−１１８１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、充電時および放電時のそれぞれに最適な動作温度で電池セルを保護することが可能な二次電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明に係る二次電池システムは、
充放電が可能な電池セルと、
前記電池セルの端子電極に接続され、前記電池セルを保護する保護手段とを有する二次電池システムであって、
前記保護手段が、充電用保護素子と放電用保護素子とを有し、これらの保護素子の動作温度が異なる。
【０００６】
本発明に係る二次電池システムでは、相互に動作温度が異なる充電用保護素子と放電用保護素子とを有するため、充電時および放電時のそれぞれに最適な動作温度で電池セルを保護することが可能になり、動作が安定し、電流遮断の精度が向上する。
【０００７】
好ましくは、前記充電用保護素子と前記放電用保護素子とが、それぞれ温度上昇に伴い抵抗値が増加する素子（ＰＴＣ素子）である。ＰＴＣ素子は、温度ヒューズと異なり、繰り返し使用可能である。また、ＰＴＣ素子は、バイメタルと異なり、機械的接点がないので、融着などによる動作不良などのおそれもない。
【０００８】
好ましくは、前記放電用保護素子の動作温度が、前記充電用保護素子の動作温度よりも高い。このような動作温度に設定することで、最近の電池の小型・高容量化に適合させることができる。すなわち、最近では、電池の小型・高容量化に伴い、通常使用（放電）でも電池は高温になるが、本発明のシステムでは、充電時よりも、放電時において、保護素子を高温で動作させることができる。
【０００９】
好ましくは、前記充電用保護素子と前記放電用保護素子とは、それぞれの電極の一部が共用化されている共通電極を有する。たとえば前記共通電極を挟んで、前記充電用保護素子の素子本体と前記放電用保護素子の素子本体とが、積層してもよい。あるいは、前記共通電極の表面に、前記充電用保護素子の素子本体と前記放電用保護素子の素子本体とが、同一平面上に形成してもよい。さらに、前記充電用保護素子の素子本体と前記放電用保護素子の素子本体とが直接または他の部材を介して接触させてもよい。
【００１０】
このように構成することで、システムのコンパクト化を図ることができる。しかも、充電用保護素子と放電用保護素子とを、それぞれ熱的に結合させることができ、一方の素子の温度が他方の素子に伝わり、一方の素子が動作したときに、他方の素子も動作させることが可能になる。そのため、たとえば放電時に放電用保護素子が動作温度に到達して電流を遮断した場合に、同時に充電用保護素子も動作して電流を遮断することができる。あるいはその逆も可能である。
【００１１】
好ましくは、前記充電用保護素子が、前記放電用保護素子に比較して、前記電池セルに近い位置に配置してある。放電用保護素子に比較して動作温度が低い充電用保護素子を、電池セルに対して近づけることで、電池セルの温度上昇を、より高感度に検知し、電池セルの保護が確実になる。しかも、動作温度が高い放電用保護素子を比較的に電池セルに対して離すことで、放電時には、充電時に比較して、より高温での使用が可能になる。
【００１２】
好ましくは、前記保護手段が、さらに保護回路を有し、
前記保護回路と前記電池セルとの間に、前記充電用保護素子と前記放電用保護素子とが接続してある。本発明のシステムが保護回路をさらに有することで、保護素子の動作温度に到達する前の状態で、電池セルを有効に保護することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１は本発明の１実施形態に係る二次電池システムの概略構成図、
図２（Ａ）は図１に示すシステムに用いられる保護素子の一例を示す概略断面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）に示す保護素子の変形例を示す概略断面図、図２（Ｃ）はさらに他の変形例に係る保護素子の概略断面図、
図３は図１に示すシステムの一例に係る回路図、
図４は本発明の他の実施形態に係る二次電池システムの回路図である。
【００１４】
図１に示すように、本発明の１実施形態に係る二次電池システム２は、充放電が可能な電池セル４を有する。電池セル４は、セル本体５を有し、その上部に突起状の負極端子６を有する。なお、電池セル４の本体５の外周面は、正極端子７を構成している。
【００１５】
二次電池システム２は、電池セル４を保護するための保護回路８を有すると共に、保護回路８と電池セル４との間には、保護素子１０が接続してある。保護回路８は、たとえば回路基板上に搭載された集積回路およびその他の回路で構成され、過大な電流が流れないようにするための回路である。保護回路８が形成される回路基板には、充電用端子１２、放電用端子１４、共通端子１６およびモニタ用端子１８が形成してある。
【００１６】
共通端子１６は、電池セル４の正極端子７に接続してある。モニタ用端子１８は、図３に示すように、ＮＴＣサーミスタ５０を介して電池セル４に接続してある。なお、図１では、ＮＴＣサーミスタ５０の図示を省略してある。モニタ用端子１８は、電池セル４の温度をモニタするための端子である。
【００１７】
図１および図３に示す共通端子１６と充電用端子１２との間には、図示省略してある充電回路が接続される。また、共通端子１６と放電用端子１４との間には、図示省略してある放電回路が接続される。充電回路としては、電池セル４に充電を行う回路であれば、特に限定されないが、たとえば電圧変換用トランスを含む電源回路が例示される。
【００１８】
また、放電回路としては、用途に応じて変化し、特に限定されず、たとえば携帯電話、パソコン、テ゛シ゛タルスチルカメラ、テ゛シ゛タルオーテ゛ィオフ゜レーヤーなどの電子機器の回路が例示される。図１に示す二次電池システム２は、一体的に構成され、上述した電子機器に対して着脱自在に装着される。
【００１９】
本実施形態では、図１に示す保護素子１０は、図２（Ａ）に示すように構成され、充電用ポリマーＰＴＣ素子２０と、放電用ポリマーＰＴＣ素子２２とが一体化してある。充電用ポリマーＰＴＣ素子２０は、充電用素子本体３０と、その素子本体３０を両面から挟み込む一対の端子電極３４および３６とを有する。また、放電用ポリマーＰＴＣ素子２２は、放電用素子本体３２と、その素子本体３２を両面から挟み込む一対の端子電極３６および３８とを有する。
【００２０】
この実施形態では、端子電極３６が、双方のＰＴＣ素子２０および２２に対して共通の電極となり、共用化されている。共用化された端子電極３６は、図１に示すように、電池セル４の負極端子６に接続してある。また、端子電極３４は、充電用端子１２に接続してあり、端子電極３８は、放電用端子１４に接続してある。
【００２１】
充電用素子本体３０と放電用素子本体３２とは、正の抵抗温度特性（ＰＴＣ特性）を有する導電性ポリマーで構成してある。これらの素子本体３０および３２は、放電用素子本体３２の方が充電用素子本体３０に比較して動作温度が高い以外は、同様にして製造される。なお、動作温度とは、素子本体において、急激に電気抵抗が上昇し、電流を遮断する温度である。
【００２２】
これらの充電用と放電用の動作温度の相違は、例えば１Ａの電流では好ましくは２０〜３０°Ｃ、さらに好ましくは１０〜２０°Ｃである。また、充電用素子本体３０の動作温度は、好ましくは８０〜９０°Ｃである。ただし、ポリマーＰＴＣ素子においては、素子本体に流れる電流によっても、動作温度が変化する。たとえば１アンペア（Ａ）の電流で動作温度が９０°Ｃだとしても、３Ａの電流では、動作温度が７５°Ｃに低下することもある。
【００２３】
充電用素子本体３０の動作温度は、電流が少ない条件（たとえば０．９５Ａ）で、電池セル４の暴走温度（たとえば９５°Ｃ）を超えないように設定されることが好ましい。ただし、動作温度が低すぎると、頻繁に電流が遮断される傾向にある。また、放電用素子本体３２の動作温度は、電流が多い条件（たとえば１．６Ａ）でも、比較的に高い動作温度（たとえば８０°Ｃ以上）であることが好ましい。放電時には、エネルギーが電池セル４から外部の放電回路に出ていくだけなので、短絡電流（たとえば４０Ａ）で動作可能であればよいので、放電用素子本体３２では、１００°Ｃを超える温度の動作温度に設定することも可能である。
【００２４】
素子本体３０または３２の動作温度を調節するためには、下述する素子本体３０または３２を構成する重合体の種類を変えること（融点を変えること）、導電性粒子の種類や粒径や形状を変えること、導電性粒子の配合割合を変えることなどで実現することができる。
【００２５】
素子本体３０，３２は、それぞれ、主成分である重合体（熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の高分子化合物）および導電性粒子を含む樹脂組成物（導電性ポリマー）から構成される。なお、素子本体３０，３２は、重合体として、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との両方を含んでもよい。
【００２６】
素子本体３０または３２の製造に際しては、まず、高分子化合物（熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等）、導電性粒子（金属粉、カーボンブラック等）、低分子有機化合物および、高分子化合物同士を架橋反応させるための反応開始剤等を秤量、混練し、ＰＴＣ組成物を調整する。混練の方法としては、特に限定されないが、ニーダ、押出機、ミル等が例示される。また、ＰＴＣ組成物に含有させる導電性粒子としては、ふるい機等によって所定の粒径をもつ導電性粒子のみを分級し、これを用いる。次に、このＰＴＣ組成物を成形し、素子本体３０，３２を得る。
【００２７】
熱硬化性樹脂としては、特に限定されないが、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂及びフェノール樹脂等が挙げられる。好ましくは、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる。エポキシ樹脂を用いることによって、ポリマーＰＴＣ素子が、十分な抵抗変化量及び耐熱性を有することができる。熱硬化性樹脂の分子量は、通常、重量平均分子量Ｍｗが３００〜１００００程度である。上記の熱硬化性樹脂は単独で用いてもよく、また複数種の樹脂を用いてもよい。また、異なる種類の熱硬化性樹脂同士が架橋された構造を有する化合物を用いてもよい。
【００２８】
熱可塑性樹脂としては、特に限定されないが、好ましくは、結晶性ポリマーを用いる。熱可塑性樹脂の融点は、特に限定されないが、好ましくは、７０〜２００℃程度である。
【００２９】
熱可塑性樹脂としては、特に限定されないが、ポリエチレン等のポリオレフィン、エチレン−酢酸ビニルコポリマ−等のコポリマ−、ポリビニルクロライド、ポリビニルフルオライド、ポリビニリデンフルオライド等のハロゲン化ビニルおよびビニリデンポリマ−、１２−ナイロン等のポリアミド、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、熱可塑性エラストマ−、ポリエチレンオキサイド、ポリアセタ−ル、熱可塑性変性セルロ−ス、ポリスルホン類、ポリメチル（メタ）アクリレ−ト等が挙げられる。
【００３０】
熱可塑性樹脂の重量平均分子量Ｍｗは、特に限定されないが、好ましくは、１００００〜５００００００である。これらの熱可塑性樹脂は単独で用いてもよく、また複数種の樹脂を用いてもよい。
【００３１】
素子本体３０，３２に含まれる導電性粒子としては、特に限定されないが、金属粉、カーボンブラック等が例示される。好ましくは、導電性粒子として金属粉を用いる。この金属粉としては、好ましくは、ニッケルを主成分とするものを用いる。金属粉の平均粒径は、好ましくは０．１μｍ以上、より好ましくは０．５〜４．０μｍ程度である。
【００３２】
素子本体３０，３２において、樹脂組成物中の導電性粒子の含有量は、樹脂組成物全体に対して、好ましくは、７０〜８５質量％である。導電性粒子の含有量をこの範囲内とすることによって、非動作時の室温抵抗値を十分に低くすることができ、また、大きな抵抗変化量を得ることができる。さらには、素子抵抗のバラツキを十分に減少させることができる。
【００３３】
素子本体３０，３２を構成する樹脂組成物は、上記の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、および導電性粒子以外に、例えば、ワックス、油脂、脂肪酸、高級アルコ−ル等の低分子有機化合物を更に含んでもよい。その結果、素子本体３０，３２の温度上昇に伴う抵抗変化量を増大させることができる。
【００３４】
素子本体３０，３２は、内部に空隙を有し、この空隙に上記樹脂組成物を充填することが可能な基材を含んでもよい。このような基材としては、上記の役割を果たすことが可能なものであれば特に制限されず、織布、不織布、連続多孔質体等が例示される。
【００３５】
素子本体３０，３２には、必要に応じて、電子線照射を行う。この電子線照射によって、反応開始剤が機能し、高分子同士の架橋反応が促進される。架橋反応のエネルギー源としては、電子線に限定されず、ガンマ線、紫外線、熱等も用いられる。照射する電子線の加速電圧及び電子線照射量は、素子本体３０，３２に含まれる高分子化合物の種類、あるいは素子本体の寸法等に応じて、適宜調整すればよい。なお、電子線照射は、端子電極３４，３６，３６の接合後であっても良い。
【００３６】
各端子電極３４，３６，３６は、たとえば所定厚みのニッケル金属板あるいはニッケル合金板を打ち抜き成型して形成される。端子電極３４，３６，３６と素子本体３０，３２との接合は、たとえば熱圧着により行われる。熱圧着時の素子本体３０，３２の加熱温度は、素子本体３０，３２の材質にもよるが、好ましくは、９０〜１７０°Ｃ、さらに好ましくは９０°Ｃ以上１６０°Ｃ未満である。
【００３７】
本実施形態に係る二次電池システム２では、相互に動作温度が異なる充電用ポリマーＰＴＣ素子２０と放電用ポリマーＰＴＣ素子２２とから成る保護素子１０を有するため、充電時および放電時のそれぞれに最適な動作温度で電池セル４を保護することが可能になる。しかも、システム２の動作が安定し、電流遮断の精度が向上し、電池セルの保護が確実になる。
【００３８】
また、ポリマーＰＴＣ素子２０，２２は、温度ヒューズと異なり、繰り返し使用可能である。また、ＰＴＣ素子２０，２２は、バイメタルと異なり、機械的接点がないので、融着などによる動作不良などのおそれもない。
【００３９】
さらに本実施形態では、放電用ポリマーＰＴＣ素子２０の動作温度が、充電用ポリマーＰＴＣ素子２２の動作温度よりも高い。このような動作温度に設定することで、最近の電池の小型・高容量化に適合させることができる。すなわち、最近では、電池の小型・高容量化に伴い、通常使用（放電）でも電池は高温になるが、本実施形態のシステム２では、充電時よりも、放電時において、保護素子１０を高温で動作させることができる。
【００４０】
さらにまた本実施形態では、充電用ポリマーＰＴＣ素子２０と放電用ポリマーＰＴＣ素子２２とは、それぞれの電極の一部が共用化されている共通の端子電極３６を有する。このように構成することで、システム２のコンパクト化を図ることができる。しかも、ポリマーＰＴＣ素子２０，２２を相互に熱的に結合させることができ、一方の素子２２の温度が他方の素子２０に伝わり、一方の素子２２が動作したときに、他方の素子２０も動作させることが可能になる。
【００４１】
そのため、たとえば放電時に放電用ポリマーＰＴＣ素子２２が動作温度に到達して電流を遮断した場合に、同時に充電用ポリマーＰＴＣ素子２０も動作して電流を遮断することができる。あるいはその逆も可能である。すなわち、たとえば充電時に充電用ポリマーＰＴＣ素子２０が動作温度に到達して電流を遮断した場合に、同時に放電用ポリマーＰＴＣ素子２２も動作して電流を遮断することができる。さらに本実施形態のシステム２は、保護回路８を有することで、保護素子１０の動作温度に到達する前の状態で、電池セル４を有効に保護することができる。
【００４２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
【００４３】
たとえば、上述した実施形態では、図２（Ａ）に示すように、共通の端子電極２６を挟んで、充電用素子本体３０と放電用素子本体３２とが積層してあるが、それに限らず、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）に示すように、共通の端子電極３６ａまたは３６ｂの表面に、充電用素子本体３０ａまたは３０ｂと放電用素子本体３２ａまたは３２ｂとを、同一平面上に形成して保護素子１０ａ，１０ｂを構成しても良い。なお、図２（Ｂ）に示す保護素子１０ａでは、素子本体３０ａ，３０ｂの間に、絶縁層４０が介在してあるが、図２（Ｃ）に示すように、素子本体３０ａ，３０ｂを直接接触させても良い。
【００４４】
図２（Ｂ）および図２（Ｃ）に示す保護素子１０ａ，１０ｂを有する二次電池システムにおいても、図２（Ａ）に示す保護素子１０を有する二次電池システムと同様な作用効果を奏する。なお、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）に示す実施形態において、図２（Ａ）に示す実施形態と共通する部材には、類似する符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
さらに、上述した実施形態では、図３に示すように、単一の保護回路８を用いたが、図４に示すように、各ポリマーＰＴＣ素子２０，２２毎に、個別の保護回路を設けても良い。
【００４６】
なお、図１では、説明の容易化のために、保護素子１０を、電池セル４に対して離れて描いてあるが、実際には、保護素子１０を電池セル４に対して密着させることが好ましい。特に、保護素子１０の充電用ポリマーＰＴＣ素子２０を、電池セル４に対して密着させることが好ましい。放電用ポリマーＰＴＣ素子２２に比較して動作温度が低い充電用ポリマーＰＴＣ素子２０を、電池セル４に対して密着させることで、より高感度にセル４の温度上昇を検知し、電池セル４の保護が確実になる。しかも、動作温度が高い放電用ポリマーＰＴＣ素子３２を比較的に電池セル４に対して離すことで、放電時には、充電時に比較して、より高温での使用が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は本発明の１実施形態に係る二次電池システムの概略構成図である。
【図２】図２（Ａ）は図１に示すシステムに用いられる保護素子の一例を示す概略断面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）に示す保護素子の変形例を示す概略断面図、図２（Ｃ）はさらに他の変形例に係る保護素子の概略断面図である。
【図３】図３は図１に示すシステムの一例に係る回路図である。
【図４】図４は本発明の他の実施形態に係る二次電池システムの回路図である。
【符号の説明】
【００４８】
２…  二次電池システム
４…  電池セル
８…  保護回路
１０，１０ａ，１０ｂ…  保護素子
２０，２０ａ，２０ｂ…  充電用ポリマーＰＴＣ素子
２２，２２ａ，２２ｂ…  放電用ポリマーＰＴＣ素子
３０，３０ａ，３０ｂ…  充電用素子本体
３２，３２ａ，３２ｂ…  放電用素子本体
３６，３６ａ，３６ｂ…  共通の端子電極
４０…  絶縁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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