(57)【要約】【課題】収納された電池が変形するような外部からの物理的衝撃を電池パックが受けても、低コストで、かつ体積エネルギー密度を低下させることなく損傷を最小限に押さえることができる電池パックを提供する。【解決手段】正極板１と負極板２とセパレータ３からなる電極群４を電池缶６に装填し、一方の電極は電池缶と導通させ他方の電極は電池端子２７と導通させた構成の電池を収容した電池パック２１であって、前記電池パックは導電部材からなるパックケース１４を有し、前記パックケース１４は前記電池端子２７と導通しかつ前記電池との間に絶縁体を介在させる。【選択図】図１
2007059170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板と負極板とセパレータからなる電極群を電池缶に装填し、一方の電極は電池缶と導通させ他方の電極は電池端子と導通させた構成の電池を収容した電池パックであって、前記電池パックは導電部材からなるパックケースを有し、前記パックケースは前記電池端子と導通しかつ前記電池との間に絶縁体を介在させたことを特徴とする電池パック。
【請求項２】
前記パックケースに欠損部を設けたことを特徴とする請求項１記載の電池パック。
【請求項３】
前記絶縁体は、前記パックケースの内周面に形成されたパック絶縁体であることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項４】
前記絶縁体は、前記電池缶の外周面に形成された電池缶絶縁体であることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項５】
前記絶縁体は、前記パックケースの内周面に形成されたパック絶縁体および前記電池缶の外周面に形成された電池缶絶縁体であることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項６】
前記パック絶縁体は、前記パックケースの内周面に部分的に形成したことを特徴とする請求項３または５に記載の電池パック。
【請求項７】
前記パック絶縁体は、少なくとも前記パックケースと前記電池の空間部を埋めるように設けたことを特徴とする請求項３に記載の電池パック。
【請求項８】
前記パックケースの外周面に絶縁部材を形成したことを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項９】
前記パック絶縁体と前記絶縁部材は同一材料であり、かつ前記パックケースの欠損部で連続する構造としたことを特徴とする請求項８記載の電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部から物理的衝撃に対し安全性を確保する電池パックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の多様化にともない高容量、高電圧、高出力で高安全な電池や電池パックが求められている。特に安全な電池を提供するための手段としては、一般的に電池パックには安全回路が搭載され、また電池には電池温度の上昇を防ぐためのＰＴＣや温度ヒューズ、さらには電池の内部圧力を感知して電流を遮断させる保護手段等が備えられている。
【０００３】
しかしながら、従来のような保護手段を備えていても、外部からの物理的衝撃により電池パックおよび電池が変形または破壊されることで、瞬時に電池の内部で正極と負極とが短絡した場合、急激な温度上昇に追随して保護機能を発揮させることが難しく、電池の温度の上昇やガスの発生を生じる可能性があった。
【０００４】
このような現象を防止する方法として、電池が変形するような外部からの物理的衝撃が加わった場合に、電池の内部で正極と負極とが短絡するより早く電池の外部で正極と負極とを短絡させることで、電池缶内の電気エネルギーを低減させる方法が検討されている。
【０００５】
例えば一方の電極と電気的に接触している電池缶の外周部に、もう一方の電極と電気的に接触させた導電体を絶縁体を介して積層することで、外部からの物理的衝撃があった時この絶縁体を突き破り電池の外部で短絡させることで安全性を向上させることが提案されている（特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開平９−２７４９３４号公報
【特許文献２】特開平１１−２０４０９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載されている電池においては、電池ごとに外部短絡させる導電部材を積層あるいは巻装しているため、コストが高く、かつ生産性が悪い。さらには、発電要素の電池の体積に占める割合が小さくなるため、高容量化に不利であり、かつ複数個の電池で構成される電池パックにおいては、体積エネルギー密度および重量エネルギー密度の低下につながるという課題を有していた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために本発明の電池パックは、正極板と負極板とセパレータからなる電極群を電池缶に装填し、一方の電極は電池缶と導通させ他方の電極は電池端子と導通させた構成の電池を収容した電池パックであって、前記電池パックは導電部材からなるパックケースを有し、前記パックケースは前記電池端子と導通しかつ前記電池との間に絶縁体を介在させたことを特徴とする電池パックである。
【０００８】
本発明の電池パックは、個々の電池から導電部材を取り除き電池パックの筐体機能と一体化させたパックケースを用いることで、電池パックの体積エネルギー密度の低下を防止でき、特に電池の異常による発熱時でもパックケース自体の放冷効果により、より安全な電池パックを得ることができる。また、電池ごとに導電部材を用いることがないため、部品点数、加工工程の増加を抑えることができるためコストの上昇を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、低廉な価格で外部から物理的衝撃が加わった場合の電池の内部短絡による温度上昇を抑制することを可能とし、より高容量かつより安全性の高い電池パックを提供するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の電池パックは、正極板と負極板とセパレータからなる電極群を電池缶に装填し、一方の電極は電池缶と導通させ他方の電極は電池端子と導通させた構成の電池を収容した電池パックであって、前記電池パックは導電部材からなるパックケースを有し、前記パックケースは前記電池端子と導通しかつ前記電池との間に絶縁体を介在させたことを特徴とする電池パックである。
【００１１】
本構成の電池パックでは、外部から物理的衝撃が加わった場合、電池の内部で正極負極が短絡するより早く、パックケースと電池缶の間に介在する絶縁体を破断させ短絡させることで、電池の温度上昇を回避することができる。本発明のパックケースに用いる導電部材としては鉄、ニッケル、アルミニウム、銅等の金属材料用いることができる。特に軽量化および電気抵抗の観点からアルミニウムを用いることがより好ましい。また、導電部材は、部分的に欠損部が存在していてもよく、さらにはストライプ状、格子状等であってもよい。
【００１２】
本発明のパックケースと電池との間に介在させる絶縁体としては、パックケースの内周面にパック絶縁体として形成されていても、または電池缶の外周面に電池缶絶縁体として形成されていても、さらには両方に介在させていてもよい。
【００１３】
パックケースの内面にパック絶縁体として形成する方法としては、パックケースの内周面に絶縁体を接着、印刷、塗布、スプレー、ディップ等の通常利用できる方法で直接形成することができる。さらにはあらかじめパック絶縁体の枠体、または部品を形成してからパックケースへ挿入、貼付けする方法、またはあらかじめ構成したパック絶縁体の外周面に導電部材を形成することでパックケースを構成することも可能である。この場合は、蒸着、メッキ等の方法で得ることができる。パック絶縁体は、好ましくは耐熱温度が１００℃以上のものが好ましい。電池の温度上昇により、パック絶縁体が溶融、変質してしまうと短絡効果が得られない可能性があるからである。またパック絶縁体の材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、またはポリカーボネート等のエステル系樹脂が挙げられる。中でも加工性等の観点から、ポリカーボネートが好ましい。
【００１４】
一方、電池缶の外周面に電池缶絶縁体として形成した場合は、電池構成完了時から電池を電池パックへ搭載する時までの作業中に誤って短絡することを抑制できる点で好ましい。電池缶の外周面に電池缶絶縁体を形成する方法としては、絶縁フィルムを電池缶の外周面へ巻装する方法、または絶縁材料を電池外周面に塗着する等の方法で得ることができる。電池缶絶縁体の材料としては、熱収縮樹脂が好ましく、材料としてはポリオレフィン系樹脂が挙げられる。
【００１５】
また、当然絶縁体をパックケースおよび電池缶の両方に形成した場合も同様の効果が得られる。本発明の電池パックにおいて、パックケースの厚みは１００μｍ〜５００μｍが好ましく、絶縁体の総厚みは５０μｍ〜４００μｍが好ましい。５０μｍ以下であると通常時の絶縁が難しく、４００μｍ以上であると物理的衝撃が発生した場合、絶縁体の破断が確実に得られないからである。
【００１６】
また本発明のパック絶縁体としては前記パックケースの内周面に部分的に形成させてもよい。部分的に形成させる方法としては、その機能に応じて様々な様態が可能である。例えば、絶縁体としてパック絶縁体のみ搭載する場合、効率よく絶縁機能を作用させるために、電池とパックケースの接点部には少なくともパック絶縁体を設けることが考えられる。また、絶縁体としてパック絶縁体と電池缶絶縁体とを併用する場合は、電池が搭載されたパックケース中の空隙部にパック絶縁体を介在させることで、電池の体積占有率を下げることなく高容量化が達成できる。さらにこのように部分的に配置させる場合は、パックケース内へ電池を挿入する場合において位置決め効果が得られるだけではなく、使用時においても電池をパックケースの内部で固定できることから、振動による電池の不良を回避することも可能となる。
【００１７】
また、本発明の電池パックはパックケースの外周面に絶縁部材を形成したことを特徴とするものである。パックケースの外周面に絶縁部材を形成することで、電池パックの作製時から電池パックを電子機器へ搭載するまでの作業中での外部短絡を防ぐことができる。さらにこの絶縁部材は電池パック外周面の全面に形成される必要はなく、部分的に形成していてもかまわない。さらにこの場合、パック絶縁体と外周面の絶縁部材は同一材料を用い、パックケースの欠損部で連続した構造とすることが好ましい。特にインサートモールトド成型をすることにより容易にパック絶縁体を設けることが可能となる。
【００１８】
（図１）に、円筒形１８６５０サイズのリチウムイオン二次電池を二本直列した電池パックを示す。電池パック２１は、鉄、ニッケル、アルミニウム、銅等の導電部材を用いたパックケース１４を有した電池収納部２２とパック蓋２３から構成される。またパックケース１４の外周面には絶縁部材１５が形成され、内周面にはパック絶縁体２６を形成している。電池パック２１の内部には（図２）に示した組電池１８を収容している。組電池１８は各電池に電池缶絶縁体１７が巻装され、電池端子２７には接続板１６が溶接されている。この接続板１６は接続リード２４を介してパックケース１４と導通している。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【実施例】
【００２０】
（実施例１）
（図１１）はリチウムイオン二次電池の断面図である。リチウムイオン二次電池は帯状の正極集電体に正極活物質層が塗布された正極板１と、帯状の負極集電体に負極活物質層が塗布された負極板２とが、セパレータ３を間に配して渦巻き状に捲回され電極群４を構成し電解液とともに電池容器５内に収納されている。セパレータ３は電極群４の最外周と電池缶６の内周面との間にも配置されており、さらに正極板１および負極板２の活物質塗布部の両端縁よりも上下の外側に端部が突出している。電池容器５は負極端子となる円筒容器状の電池缶６と正極端子となる電池蓋７とから構成され、電池缶６の側周部６ａの上端開口部を絶縁性ガスケット８を介して板状の電池蓋７の外周にかしめつけることで電池容器５は密閉されている。６ｂは絶縁性ガスケット８をかしめつけるために前記電池缶６の側周部６ａに周設された凹溝であり、６ｃは絶縁性ガスケット８をかしめつけるために折曲げられた頂面外縁部である。この絶縁性ガスケット８は、電池缶６と電池蓋７とを電気的に絶縁している。また、正極リード１０は一端を正極板１に他端を電池蓋７に溶接されており、正極板１と電池蓋７とを電気的に接続している。負極リード１１は一端を負極板２に他端を電池缶６の底部６ｄに溶接されており負極板２と電池缶６とを電気的に接続している。また電極群４と電池蓋７との間には上部絶縁板１２が、電極群４と電池缶６の底部６ｄの間には底部絶縁板９が介在している。
【００２１】
本実施例１では電解液として、エチレンカーボネイト（ＥＣ）とジエチルカーボネイト（ＤＥＣ）を体積比１：１の配合比で混合した混合溶媒に、溶質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を１ｍｏｌ／ｄｍ3の濃度に溶解したものを用いた。また正極合剤は、電解二酸化マンガン（ＭｎＯ2）と炭酸リチウム（Ｌｉ2ＣＯ3）とをＬｉ／Ｍｎ＝１／２となるように混合し、８００℃で２０時間大気中で焼成して製造したＬｉＭｎ2Ｏ4と、導電剤のアセチレンブラックと、結着剤のポリフッ化ビニリデンとを、それぞれ重量比で９２：３：５の割合で混合したものを用いた。なお、正極合剤はペースト状に混練するため、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンは溶媒であるｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）に溶解した液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この正極活物質を含んだペーストを、厚み１５μｍのアルミニウム箔から成る正極集電体の両面に塗布し、正極活物質層を形成し正極板１を作製した。その後、正極板１の厚みが２００μｍになるように圧縮成形した。負極合剤は、人造黒鉛と結着剤のスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）とを重量比９７：３の割合で混合したものを用いた。なお、負極合剤をペースト状に混練するため、結着剤としてのスチレンブタジエンゴムは水溶性のディスパージョン液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この負極活物質を含んだペーストを、厚み１４μｍの銅箔から成る負極集電体の両面に塗布し、負極活物質層を形成し負極板２とした。その後、負極板２の厚みが１７０μｍになるように圧縮成形した。完成した電池に電池缶絶縁体１７として、厚み８０μｍのポリエチレンテレフタレート製の熱収縮チューブを頂面外縁部６ｃまで覆い、９０℃の温風で熱収縮させ完成電池とした。
【００２２】
次に（図２）に示すように、完成した二本の円筒型リチウムイオン二次電池をニッケル製の厚み０．２ｍｍの接続板１６で直列接続し、さらに電池パックを構成するパックケース１４と導通させるための接続リード２４を接続板１６に取り付けて組電池１８を製作した。
【００２３】
（図３）に本実施例１の電池パック外観図を示す。本実施例１ではパックケース１４として用いる導電部材として、０．２ｍｍのアルミニウム板を用いた。電池収納部２２のアルミニウム板には、電池と直接接していない空間部に直径３ｍｍの孔を８箇所打抜いてアルミニウム板の欠損部を作製した。またパック蓋２３のアルミニウム板にも同様に電池と直接接していない空間部に直径３ｍｍの孔を４箇所打抜いてアルミニウム板の欠損部を作製した。その後インサートモールド成型により、それぞれのアルミニウム板の外周面に厚さ０．１５ｍｍのポリカーボネート樹脂（難燃性ＵＬ９４Ｖ−０クラス）からなる絶縁部材１５を形成させると同時に、アルミニウム板の内側面の空間部に直径４ｍｍ、厚み０．１５ｍｍのパック絶縁体２６を成型し、パック絶縁体２６と絶縁部材１５とがアルミニウム板の欠損部で連結させた構造とした。
【００２４】
次に組電池１８の正極側から電池収納部２２とパック蓋２３のパックケース１４に接続リード２４を導通させた後に電池収納部２２とパック蓋２３を超音波溶着し電池パック２１を製作した。この時、組電池は４．２Ｖの充電状態である。
【００２５】
（実施例２）
（図４）に示すように、電池収納部２２とパック蓋２３とのパックケースの内側面に導電部材を露出させた５ｍｍ×５ｍｍの導電部材露出部２５を残し、それ以外はパック絶縁体２６を実施例１と同様の方法で形成し、パック絶縁体２６と絶縁部材１５とがアルミニウム板の欠損部で連結させた構造とした。その後、組電池１８の正極側から接続リード２４を用いて導電部材露出部２５と導通させることで電池パックを構成した。電池パックの断面図を（図５）に示す。
【００２６】
（実施例３）
実施例２と同様に、電池パック２１を構成する電池収納部２２とパック蓋２３のそれぞれの内側面には５ｍｍ×５ｍｍの導電部材露出部２５を残し、それ以外はパック絶縁体を形成させると同時に、外周面には４ｍｍφの絶縁部材１５を成型し、パック絶縁体２６と絶縁部材１５とがアルミニウム板の欠損部で連結させた構造とした。その後、組電池１８の正極側から接続リード２４を用いて導電部材露出部２５と導通させることで電池パックを構成した。（図６）に本実施例３の電池パックの外観図、（図７）に電池パックの断面図を示す。
【００２７】
（実施例４）
（図８）のように５ｍｍ×５ｍｍの孔を有したポリカーボネート樹脂製のパック絶縁体２６を真空成型し厚さ０．１５ｍｍで作製した。このパック絶縁体をパックケース１４としてアルミニウム板を用いた電池収納部２２へ挿入した。その後、組電池１８の正極側から接続リード２４を用いて導電部材露出部２５と導通させることで電池パックを構成した。電池パックの断面図を（図９）に示す。
【００２８】
（実施例５）
電池缶６の外周部に電池缶絶縁体１７をつけなかったこと以外、実施例４と同様に電池パックを構成した。
【００２９】
（実施例６）
パック絶縁体２６を電池収納部２２へ挿入しなかったこと以外実施例４と同様に電池パックを構成した。
【００３０】
（比較例）
電池収納部２２とパック蓋２３は、厚さ０．３５ｍｍのポリカーボネート樹脂（難燃性ＵＬ９４Ｖ−０クラス）を真空成形し形成したものを用いた以外は実施例１と同じ電池パックを比較例とし、（図１０）に示す。
【００３１】
以上の実施例および比較例で得られた各電池パックについて、以下の評価を行った。
【００３２】
（ｉ）釘刺し試験
完成した電池パックを１０個、環境温度２０℃および４０℃中において、直径２ｍｍの鉄製の釘を用い、毎秒５ｍｍの速度で電池パック内にある一つの電池の高さ方向および直径方向の中心部を通過するように、電池パックを貫通するまで刺し、電池の発熱による電池パックの損傷および電池のガス噴出を観察した。結果を（表１）に示す。
【００３３】
【表１】
2007059170.tif 000003
【００３４】
（ｉｉ）圧壊試験
完成した電池パックを１０個、環境温度２０℃および４０℃中において、直径１０ｍｍの鉄製の丸棒を長手方向で用い、毎秒５０ｍｍの速度で、電池パックの厚みが初期の５０％以下になるまで電池パックを圧壊した。この時、丸棒の長手方向の位置は、電池パック内にある２本の電池の高さ方向に対し垂直方向とした。また、電池パックを圧壊する位置は、電池の高さ方向の中心部を圧壊した。その時の電池の発熱による電池パックの溶融および電池のガス噴出を観察した。結果を（表２）に示す。
【００３５】
【表２】
2007059170.tif 000004
【００３６】
上記（表１）、（表２）に示すように、電池パック２１に導電部材からなるパックケース１４を用いたものについては、環境温度に関わらず、電池パックの樹脂部分が電池の発熱によって溶融したり、電池からガスが噴出することはなかった。しかし、電池パックにパックケース１４を用いていないものについては、環境温度が高い場合に電池パックに損傷を与える結果となった。これは、環境温度が高いと環境温度が電池の温度上昇に寄与するため、電池パックの溶融やガス噴出が発生したと思われる。このように、電池パックに導電部材からなるパックケース１４を用いることで、環境温度が高い状況下で、外部から電池パックや電池が変形するような物理的衝撃を受けたとしても、電池内部での短絡より早くパックケースと電池缶が短絡し、電池缶の外部で電気エネルギーが消費される。よって、電池の内部の短絡による急激な温度上昇に伴う異常反応を誘発することはなく電池の安全性を確保できる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の電池パックは、電池パックや電池が変形するような外部からの物理的衝撃を受けても、安全性、信頼性に優れた電池パックを低コストで、かつ体積エネルギー密度を低下させることなく提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】上記実施例１の電池パックの断面図
【図２】上記実施例１の組電池の外観図
【図３】上記実施例１の電池パックの外観図
【図４】上記実施例２の電池パックの外観図
【図５】上記実施例２の電池パックの断面図
【図６】上記実施例３の電池パックの外観図
【図７】上記実施例３の電池パックの断面図
【図８】上記実施例４の電池パックの外観図
【図９】上記実施例４の電池パックの断面図
【図１０】上記比較例の電池パックの断面図
【図１１】本発明の電池の断面図
【符号の説明】
【００３９】
１    正極板
２    負極板
３    セパレータ
４    電極群
５    電池容器
６    電池缶
６ａ  側周部
６ｂ  凹溝
６ｃ  頂面外縁部
６ｄ  底部
７    電池蓋
８    絶縁性ガスケット
９    底部絶縁板
１０  正極リード
１１  負極リード
１２  上部絶縁板
１４  パックケース
１５  絶縁部材
１６  接続板
１７  電池缶絶縁体
１８  組電池
２１  電池パック
２２  電池収納部
２３  パック蓋
２４  接続リード
２５  導電部材露出部
２６  パック絶縁体
２７  電池端子
【図１】
2007059170.tif 000005
【図２】
2007059170.tif 000006
【図３】
2007059170.tif 000007
【図４】
2007059170.tif 000008
【図５】
2007059170.tif 000009
【図６】
2007059170.tif 000010
【図７】
2007059170.tif 000011
【図８】
2007059170.tif 000012
【図９】
2007059170.tif 000013
【図１０】
2007059170.tif 000014
【図１１】
2007059170.tif 000015