(57)【要約】この発明は、電池ケース（１）と電池コア（２）と電解質を備える内蔵保護回路付きリチウム２次電池に関する。この発明によれば、内蔵保護回路モジュール（４）は、電池内で、陽極および陰極電極端子（２１、２２）と、陽極および陰極電極出力端（３１、３２）との間の接続回路として働くように設けられる。この発明の電池は、使用時の短絡、過充電、過放電および過電流に対する安全で信頼性のある保護という利点を有し、そのために携帯電話などのような携帯電子機器用の信頼性の高い電源となる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つずつ重なり合った、陽極電極板、セパレータ、陰極電極シート、および電解質からなる電池コアと、電池ケースとを備えた内蔵保護回路付きリチウム２次電池において、内蔵保護回路モジュール（４）が、陽極および陰極電極の端子（２１、２２）と電池内の陽極および陰極電極の出力端（３１、３２）との間の接続体として働くように設けられ、保護回路モジュール（４）は、過充電、過放電および電池の過電流を検出して制御することを特徴とする、リチウム２次電池。
【請求項２】
保護回路モジュール（４）がＩＣとＦＥＴとを備え、ＣＯＢ技術によって製造されたことを特徴とする請求項１記載のリチウム２次電池。
【請求項３】
保護回路モジュール（４）は、陽極および陰極電極端子（２１、２２）と、陽極および陰極電極出力端（３１、３２）にそれぞれ接続される３つの足を有することを特徴とする請求項２記載のリチウム２次電池。
【請求項４】
保護回路モジュール（４）のＩＣのＶＤＤ端が足（４１１）として働き、足（４１１）は陽極電極端子（２１）と陽極電極出力端（３１）とに接続され、ＶＳＳ端が足（４１２）として働き、足（４１２）は陰極電極端子（２２）に接続され、ＤＯ又はＣＯ端はＦＥＴに接続されてＦＥＴを介して導出されて足（４２１）として働き、足（４２１）は陰極電極出力端（３２）に接続されたことを特徴とする請求項１記載のリチウム２次電池。
【請求項５】
陽極電極は、酸化リチウムコバルト、酸化リチウムニッケル、および酸化リチウムマンガンなどのような、リチウムイオンを可逆的に吸蔵又は放出しうるリチウム含有材料を含み、陰極電極は、天然黒鉛、人工黒鉛、およびコルクなどのような、リチウムイオンを可逆的に吸蔵又は放出し得るカーボン材料を含み、電解質は非水性、固体状またはゲル状の電解質であることを特徴とする請求項１記載のリチウム２次電池。
【請求項６】
保護回路モジュールは、電解質から隔離されるように、電解質に対して耐腐食性を有する密封材料で包まれていることを特徴とする請求項１記載のリチウム２次電池。
【請求項７】
電池が円筒、立方体又はシートの形を有することを特徴とする請求項１記載のリチウム２次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリチウム二次電池に関連している。詳細に言えば、電池本体に内蔵している保護電気回路を有するリチウム二次電池に関わるものである。
【０００２】
発明の背景
携帯電話、携帯パソコンなどの携帯式通信製品では、ニッケル水素電池、ニッカド電池等のアルカリ二次電池の代わりに、リチウム二次電池は良く電源として採用されている。電池外部の電気回路が短絡になった時、電池を流れる短絡電流が非常に大きいので、電池本体が熱くなり、爆発する危険も有る。上記の危険を避けるために、バッテリが短絡した時に即時に電流を切る必要がある。従来の技術はこの目的のための方法を開示している。例えば、中国特許出願CN1197534Aは、PTC部品を使用した電池を開示している。
【０００３】
正常充電の時、PTC部品の電気抵抗は小さい。電池が短絡された時、PTC部品を流れる電流が大きくなるので、PTC部品の温度が短期間で急激に上昇する。所定の温度まで上昇すると、PTC部品の電気抵抗が突然増大する。従って、電気回路は遮断状態に近くなる。
PTC部品の温度が下がると、電気抵抗は通常の低抵抗状態に戻り、電気回路が再び導通状態になる。このようなPTC部品を使用すると、電池を短絡ループから即時に遮断でき、PCT部品は複数回の短絡電流衝撃に耐えられる。
【０００４】
また、中国特許CN1177217Aは、外部短絡回路によって生じる損傷を防止する保護回路を有する電池を開示している。この保護回路は電池の状態を検出することができる。電池が接続されている電子装置から遮断された場合、その保護回路は外部回路の離脱を検出し、短絡を防ぐために、外部電源との接続を遮断する。この保護回路を使用すると、外部電源の短絡による電池の短絡を十分に防ぐことができる。
【０００５】
また、中国特許ZL01235497Xは短絡保護機能を持つアルカリ二次電池を開示している。
この種の電池において、電極の導電端子は、ニッケル、錫、銅、又は鉛で作られる。電極の端子に細首、穴状、網状、又はそれらの組合せの欠陥部分が設置されている。30A以上の短絡電流がそこを通過した時、導電端子は0-2秒で溶断するので、バッテリの長期間短絡による電池の過熱及び爆発、液漏れなどの危険を避けることができる。
本発明の発明者の研究により、上記の特許出願および特許に開示された技術は、電動の玩具や工具に用いられるカドミウムーニッケル電池と水素―ニッケル電池に主に適用され、それらがリチウム二次電池に適用されると、次の欠点を示すことが分かった。
【０００６】
(1)使用する材料の物理的性質を利用して保護を行うので、安全保護の信頼性が低下する。(2)保護装置が一定の外部空間を占めるので、同じサイズの電池に対して、対応する電池の容量が減少する。
【０００７】
発明の開示
この発明の目的は、上記の欠陥を克服し、構造が簡単で、安全保護機能が信頼性を有する内蔵保護回路を有するリチウム二次電池を提供することである。
この発明は、１つずつ重なり合った、陽極電極板、セパレータ、および陰極電極板と、電解質とを含む電池コア（２）と、電池ケース（１）とを備え、内蔵保護回路モジュール（４）は、陽極と陰極電極の端子（２１、２２）を電池空洞内の陽極および陰極電極の出力端（３１、３２）に接続されるように設けられたことを特徴とする、内蔵保護回路付きリチウム２次電池を提供するものである。
【０００８】
好ましくは、モジュール（４）は、集積回路（ＩＣ）と電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備え、ＣＯＢ（チップオンボード）技術によって製造される。さらに好ましくは、モジュール（４）は、陽極および陰極電極の端子（２１、２２）と、陽極および陰極電極の出力端（３１、３２）にそれぞれ接続される３つの足を有する。最も好ましくは、モジュール（４）の集積回路のＶＤＤ端が、陽極電極の端子（２１）と陽極電極の出力端（３１）とに接続された足（４１１）として働き、モジュール（４）の集積回路のＶＳＳ端が、陰極電極の端子（２２）に接続される足（４１２）として働き、ＤＯ又はＣＯ端がＦＥＴに接続され、ＦＥＴから導出されて陰極電極の出力端（３２）に接続される足（４２１）として働く。
【０００９】
陽極電極はリチウム含有材料を含み、その材料は、酸化リチウムコバルト、酸化リチウムニッケル、酸化リチウムマンガンなどのように、リチウムイオンを可逆的に吸蔵又は放出し得る。陰極電極はカーボン材料を含み、その材料は、天然黒鉛、人工黒鉛およびコルクなどのようにリチウムイオンを可逆的に吸蔵又は放出し得る。電界質は非水性、固体状又はゲル状の電解質である。
【００１０】
保護回路モジュールは、電解質から隔離されるように、電解質に対して耐腐蝕性を有する材料によって包まれている。
【００１１】
この発明のリチウム２次電池は、円筒、立方体又はシートの形をとることができる。
【００１２】
従来技術の一般的なリチウム２次電池は、内蔵保護回路モジュールを備えないのに対して、この発明のリチウム２次電池は電池コア内に挿入された保護回路モジュールを備える。
従来技術と比較すると、この発明の電池は、次の利点を有する。
【００１３】
高い安全性と信頼性
従来技術におけるリチウム２次電池には、その陽極電極と陰極電極とが短絡されたときや電池が過充電された時には、潜在的な安全上の問題が存在する。さらに、従来技術の電池の性能は、過放電や過電流によって影響を受ける。従来の電池と比較すると、この発明のリチウム２次電池は、陽極と陰極の短絡、過充電、過放電および過電流に関する危険に対して保護されているので、その安全性と信頼性は非常に向上した。
【００１４】
電池容量の増加
携帯電話に用いられる電池のサイズは、徐々に小さくなってきている。リチウム電池の特性のため、電池はそれぞれ保護回路板を備えなければならないが、その回路板は電池の一定空間を占めるので電池容量の損失につながる。従来の電池に比べて、この発明の安全で利口なリチウム２次電池はＣＯＢ（チップオンボード）技術によって製造された保護回路モジュールを備える。そのモジュールのサイズは小さく、その形状は電池セルとその内部構造に応じてデザインすることができる。さらに、そのモジュールは電池内部の接続部材として働くので、そのモジュールは、従来技術の同じサイズを有する電池に対して、電池の体積と容量の増加につながるスペースを若干占めるにすぎない。
【００１５】
この発明を実施するベストモード
次に、添付図を参照して、この発明の実施するためのベストモードを説明する。
48×30×5(mm)のサイズの電池が例として用いられた。通常の方法で電池の電極が作成された。
【００１６】
１．陽極電極板の作成
活性物質としての83wt%の酸化リチウムコバルト（LiCoO2）、導電剤としての8 wt%のアセチレンブラック、バインダとしての4 wt%のポリ弗化ビニリデン（PVdF）、および溶剤としての5 wt%のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を混合してペースト作成した。得られたペーストをコレクタとして用いるアルミ箔に塗布した。塗布されたアルミ箔を加熱し、残った溶剤を蒸発させ、ある程度の厚さになるようにローラで加圧した。最後に、加圧された箔を所望の方形状又は帯状電極板にカットした。
【００１７】
２．陰極電極板の作成
炭素材料としての90 wt%の天然グラファイトと、バインダとしての5 wt%のPVdFとを混合して混合物を作成した。作成した混合物を溶剤としての5 wt%のNMPに加え、撹拌して均一なペーストを得た。コレクタとして用いる銅箔にそのペーストを塗布した。
次に、その箔を加熱し、残った溶剤を蒸発させ、ある程度の厚さになるようにローラで加圧した。最後に、加圧された箔を、上記工程で得られた電極板の形に合うように、方形状又は帯状陰極電極板にカットした。
陽極および陰極電極板にそれぞれ導電端子を溶接し、１つずつセパレータで覆って電池コアを得た。
【００１８】
図1に示すように、電池ケース1が、陽極電極の出力端３１であるカバー板(図示していない)の上に溶接された。ポリスチレンによってカバー板から隔離されたカバーキャップを、陰極電極の出力端32とした。保護回路モジュール4内の集積回路(図示していない)上で、VDD端は足411として働き、足４１１は電池コア2から導出される陽極電極端子２１、および陽極電極出力端３１に接続された。VSS端は足412として働き、足４１１は電池コア2から導出される陰極電極端子22に接続された。DO又はCO端がFET(図示していない)に接続されると共にＦＥＴから導出されて、足421として働き、足４２１は陰極電極出力端32に接続された。
好ましいことには、陽極および陰極電極端子と足411、412、421とを作成するために、ニッケル、銅、又はアルミニウム製のシート又はワイヤが選択された。
【００１９】
図2に示すように、集積回路[図では制御 ICとも表示される]は検出と制御の機能を有し、FET（図ではMOSFETとも表示される）はスイッチとして働いた。制御ICのVDD端は足411として働き、陽極電極端子21（図では陽極とも表示される）と、陽極電極出力端31（図ではB+とも表示される）とに接続された。VSS端は足412として働き、陰極電極端子22（図では陰極とも表示される）に接続された。制御ICは、過充電試験電圧以上、又は過放電試験電圧以下の電池電圧を検出した場合、MOSFETを制御するCO又はDO端に低レベル信号を送り、MOSFETが陰極と陰極電極出力端３２（図ではB_とも表示される）間の接続を遮断し、それによって、過充電又は過放電に対する保護を実現できた。さらに、保護回路は過電流と短絡に対する保護機能も持った。
【００２０】
電池が過大電流で放電する場合、陰極と B_間に電圧降下が発生した。制御ICがそれを検出した場合、その電圧降下がMOSFETを駆動して陰極とB_間の接続を遮断した。
この発明の保護回路モジュールは、COB(チップオンボード)技術により製造される。保護回路モジュールのサイズは小さく、その形は電池ケースと内部構造に従って設計できる。
さらに、保護回路モジュールは、電池内の接続回路として働く。従って、同サイズの電池に対して電池の容積や容量を増加させる空間を、このモジュールはわずかしか占めない。
さらに、このモジュールは陽極−陰極電極間短絡、過充電、過放電および過電流に対する保護を与えるので、このモジュールを用いた電池の安全性と信頼性が非常に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１はこの発明の内蔵保護回路付きリチウム二次電池の内部構成図である。
【図２】この発明の内蔵保護回路付きリチウム２次電池の作動原理図である。
【図１】
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【図２】
2005517274.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成16年7月15日(2004.7.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つずつ重なり合った、陽極電極板、セパレータ、陰極電極シート、および電解質からなる電池コアと、電池ケースとを備えた内蔵保護回路付きリチウム２次電池において、電池の過充電、過放電およびおよび過電流を検出して制御可能な内蔵保護回路モジュール（４）を備え、保護回路モジュール（４）はＩＣとＦＥＴを備え、モジュール（４）は３つの足（４１１）、（４１２）および（４２１）を有し、足（４１１）および（４１２）は電池の一方の電極の出力端子と他方の電極の出力端子にそれぞれ接続され、ＦＥＴは足（４１２）、（４２１）とＩＣに接続されたことを特徴とするリチウム２次電池。
【請求項２】
保護回路モジュール（４）がＣＯＢ技術によって製造されたことを特徴とする請求項１記載のリチウム２次電池。
【請求項３】
保護回路モジュール（４）のＩＣのＶＤＤ端が足（４１１）として働き、足（４１１）は陽極電極端子（２１）と陽極電極出力端（３１）とに接続され、ＶＳＳ端が足（４１２）として働き、足（４１２）は陰極電極端子（２２）とＦＥＴに接続され、ＤＯ又はＣＯ端はＦＥＴに接続されてＦＥＴを介して導出されて足（４２１）として働き、足（４２１）は陰極電極出力端（３２）に接続されたことを特徴とする請求項１記載のリチウム２次電池。
【請求項４】
保護回路モジュール（４）のＩＣ上のＶＤＤ端は足（４１１）として働き、足（４１１）は陰極電極端子（２２）と、陰極電極出力端（３２）とに接続され、ＶＳＳ端は足（４１２）として働き、足（４１２）は陽極電極（２１）の端子とＦＥＴに接続され、ＤＯ又はＣＯ端はＦＥＴに接続され、ＦＥＴを介して導出されて足（４２１）として働き、足（４２１）は陽極電極の出力端（３１）に接続されることを特徴とする請求項１記載のリチウム２次電池。
【請求項５】
陽極電極は、酸化リチウムコバルト、酸化リチウムニッケル、および酸化リチウムマンガンなどのような、リチウムイオンを可逆的に吸蔵又は放出し得るリチウム含有材料を含み、陰極電極は、天然黒鉛、人工黒鉛、およびコルクなどのような、リチウムイオンを可逆的に吸蔵又は放出し得るカーボン材料を含み、電解質は非水性、固体状又はゲル状電解質であることを特徴とする請求項１記載のリチウム２次電池。
【請求項６】
保護回路モジュールは、電解質から隔離されるように、電解質に対して耐腐食性を有する密封材料で包まれていることを特徴とする請求項１記載のリチウム２次電池。
【請求項７】
電池が円筒、立方体又はシートの形を有することを特徴とする請求項１記載のリチウム２次電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
好ましくは、モジュール（４）は、集積回路（ＩＣ）と電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備え、ＣＯＢ（チップオンボード）技術によって製造される。さらに好ましくは、モジュール（４）は、陽極および陰極電極の端子（２１、２２）と、陽極および陰極電極の出力端（３１、３２）にそれぞれ接続される３つの足を有する。最も好ましくは、モジュール（４）の集積回路のＶＤＤ端が、陽極電極の端子（２１）と陽極電極の出力端（３１）とに接続された足（４１１）として働き、モジュール（４）の集積回路のＶＳＳ端が、陰極電極の端子（２２）とＦＥＴとに接続される足（４１２）として働き、ＤＯ又はＣＯ端がＦＥＴに接続され、ＦＥＴから導出されて陰極電極の出力端（３２）に接続される足（４２１）として働く。
また、モジュール（４）の集積回路のＶＤＤ端が陰極電極端子（２２）と陰極電極出力端（３２）とに接続される足（４１１）として働き、モジュール（４）の集積回路のＶＳＳ端が陽極電極端子（２１）とＦＥＴとに接続される足（４１２）として働き、ＤＯ又はＣＯ端がＦＥＴに接続され、ＦＥＴから導出されて陽極電極の出力端（３１）に接続される足（４１２）として働く。
【国際調査報告】
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