(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水分および酸素の浸入および液状電解質の浸出に対して密封可能な電池ボックスであって、
第１の端部と、該第１の端部に対向する第２の端部と、該第１および第２の端部の間に延び、相互接続リード線により相互接続された複数のリチウム電池セルを収容するためのチャンバを郭成する側壁とを備え、
前記第１の端部および側壁は金属製であり、実質的に水分および酸素不透過性の接合部をそれらの間に有し、
前記第２端部は接合媒体を介して前記側壁に接合してそれらの間に実質的に水分および酸素不透過性の接合を形成可能であり、
前記第２の端部は前記端部を貫通して延びている電気コネクタを有し、前記リチウム電池セルの集電体と前記電池ボックスの外側との間に水分およびガス不透過性の接続を作製することが可能であり、
前記第２の端部は非導電性の実質的に剛性の基体の上に実質的に水分および酸素不透過性の金属製内側箔層を有し、該内側箔層は前記基体の実質的にすべてを覆うが、複数のそれぞれ孤立したコネクタ領域を有し、前記孤立したコネクタ領域は前記内側箔層の残部から前記内側箔層内のそれぞれの割れ目により電気的に単離され、
前記内側箔層はその上に延びている絶縁コーティングを有し、前記第２の端部の周りに延びている箔の縁は露出されたままに残されて前記側壁に接合できる表面を提供し、
前記電気コネクタは、前記孤立したコネクタ領域と前記電池ボックスの外側との間に延びており、さらに、主リード線を介して前記リチウム電池セルと接続しており、かつ
実質的に酸素および水分不透過性のオーバーレイが前記割れ目のそれぞれを覆い、前記オーバーレイは前記オーバーレイを貫通する穴を有し、前記電気コネクタは前記穴の中に前記オーバーレイが前記電気コネクタから離隔するように配置されてなり、かつ
前記相互接続リード線、前記主リード線および前記集電体のそれぞれと前記金属製の側壁との間を絶縁する絶縁手段を設けてなる電池ボックス。
【請求項２】
前記第２の端部が銅／熱硬化性プラスチック／銅・プリント回路基板から製造され、
前記箔の上の絶縁コーティングがプラスチック積層物であり、
前記割れ目が前記絶縁コーティングの適用に先立って前記内部箔層からエッチングにより形成され、
前記電気コネクタはメッキされた貫通穴部であり、
前記第２の端部が前記前記基体の前記内側箔層と対向する面上に外側箔層を有し、
前記外側箔層がそのなかの適当な隙間により相互に電気的に絶縁された複数の孤立する導線ストリップに分割され、各導線ストリップが前記電気コネクタのそれぞれと電気的に連絡し、それにより前記内側薄層の前記孤立したコネクタ領域と前記孤立したコネクタ領域に対向する前記外側薄層の導線ストリップとを電気的に接続して末端部がそれぞれの電池端子を形成し、かつ
前記第１および第２の端部が前記側壁に溶接により接合して前記実質的に水分および酸素ガス不透過性の接合部をそれらの間に形成可能である請求項１記載の電池ボックス。
【請求項３】
さらに、前記電池ボックスの排気のために貫通する密封可能なポートを有する請求項３記載の電池ボックス。
【請求項４】
請求項１、２または３記載の電池ボックス内に複数のリチウム蓄電池セルを気密に密封して備えたリチウム蓄電池。
【請求項５】
各リチウム蓄電池が、
正極、負極、電解質、正極集電体、および負極集電体を備え、
前記リチウム蓄電池セルが前記電池ボックス内に積み重ねられ、絶縁媒体が隣接する前記セルユニット間および前記セルユニットと前記電池ボックスとの間に散在し、
前記集電体同士はそれぞれ直列に接続され、前記集電体はさらに前記電気コネクタに接続されている請求項４記載のリチウム蓄電池。
【請求項６】
前記電解質が液状であり、
各前記リチウム蓄電池セルが非導電性の電解質不透過性のパウチ内に薄層として設けられ、
それぞれのリード線が前記正極集電体および負極集電体のそれぞれから前記パウチを通して電解質を透過しないように延びている請求項５記載のリチウム蓄電池。
【請求項７】
前記電池ボックスが注封材料で充填されている請求項５記載のリチウム蓄電池。
【請求項８】
前記電池ボックスが注封材料で充填されている請求項６記載のリチウム蓄電池。
【請求項９】
さらに、前記ボックスの内部に前記リチウム蓄電池セルに接続され充電放電を監視する電子回路を有する請求項６記載のリチウム蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明はリチウム蓄電池セルからなるリチウム蓄電池の構造およびアセンブリに関する。
【０００２】
（発明の背景）
リチウム蓄電池セルは一般に円筒状金属管または箔パウチ内に個々のセルユニットとして包装されている。各セルユニットは正極、負極、電解質、正極集電体および負極集電体を含む。これら集電体は包装体の外側から接近可能でこれらに電気的接続をとることができなければならない。
【０００３】
リチウム蓄電池に使用されている材料のために、セルは水分と酸素の侵入から保護し望ましくない反応を防止する必要がある。さらに、液状電解質を使用する場合、包装は液状電解質の脱出を防止することができるものでなければならない。セルの密封は典型的には嵩張り、重量があり、セルの重量と体積の１０％を越えることが多い。
【０００４】
種々の予備容量および電圧の要件を満たすために、複数のリチウム蓄電池セルを典型的にはプラスチック製のボックスに収容しそれらの間に適当なセル相互接続を設けている。この電池ボックスは主に電池セルを収容する構造を提供するものである。セル自体は酸素および水分が浸入しないように、そして液状電解質が浸出しないように密封されているので、過去においてはリチウム電池セルについては気密シール電池ボックスを設けることは不必要であるか、費用効率がよくないと考えられていた。
【０００５】
「箔」パウチで包装したリチウム電池セルでは、ポリマーを塗布した箔を使用すると、集電体からのリード線が箔材料に接触し、それにより「短絡する」ことがないように十分に保護する必要がある。この問題は、普通その寸法に切断され、導電性の箔がリード線にごく接近する箔被覆の外縁に沿って激しくなるため、この領域のリード線を遮蔽する必要が生じる。
【０００６】
本発明の目的は機械的に強く気密シール可能な、リチウム蓄電池セル用の電池ボックスを提供することである。
【０００７】
本発明のさらなる目的はリチウム蓄電池セルを、個々のセルを箔で封入する必要がなく封入材料をより薄くすることが可能な電池ボックスと組み合わせる方法を提供することである。
【０００８】
（発明の要約）
水分および酸素の進入および液状電解質の脱出に対して密封可能な電池ボックスである。この電池ボックスは第１の端部と、この第１の端部に対向する第２の端部と、これら第１および第２の端部の間に延び、相互接続リード線により相互接続された複数のリチウム蓄電池セルを収容するためのチャンバを郭成する側壁とを備える。
【０００９】
これら第１および第２の端部は金属製であり、それらの間に実質的に水分および酸素ガス不透過性の接続部を有する。
【００１０】
この第２の端部は金属−プラスチック積層体からなり、接合媒体により側壁に接合してそれらの間に実質的に水分および酸素不透過性の接合部を形成することが可能である。この第２の端部はその中に延びている電気コネクタを有し、リチウム蓄電池セルの集電体と電池ボックスの外側との間に水分およびガス不透過性の接続を作製することが可能である。
【００１１】
正極、負極、電解質、正極集電体および負極集電体を有するリチウム蓄電池セルユニットからリチウム電池を組み立てる方法が提供される。この方法は、複数のセルユニットを気密シール可能なボックス内に積み重ねる工程と、
１．隣接するセルユニット同士の間およびセルユニットとボックスとの間に電気的に絶縁性のバリヤを設ける工程と、
２．正極集電体および負極集電体から選択されたもの同士の間に任意の所望の電気的接続を作製する工程と、
３．上記集電体から選択されたものと上記電池ボックスの外側との間に電気的連続性を提供する工程と、
４．上記電池ボックスを気密シールする工程とを備える。
【００１２】
（好適な実施態様の説明）
本発明の好適な実施態様を以下に添付図面を参照して説明する。
本発明のリチウム蓄電池は図２において全体を符号１０で示す。この電池１０は３つのリチウム蓄電池セル１２を含み、これらは第１の端部１６、第２の端部１８および側壁２０を有するボックス１４内に積み重ねられている。３つのリチウムイオン・セルを図示したが、実際の数は用途によって変えることができる。
【００１３】
図１は典型的な、箔で包んだリチウム電池セル１２を示す。このセルは正極２２、負極２４、電解質２６並びに正および負の「リード線」または「集電体」２８および３０をそれぞれパウチ３２内に包んでなる。リード線２８および３０は正極２２、負極２４のそれぞれとパウチ３２の外側との間の電気的連絡を提供する。
【００１４】
リチウム蓄電池は通常リチウムイオン含有負極を含むが、その代わりにリチウム金属またはリチウム合金負極を含んでいてもよい。本明細書の教示がリチウム金属またはリチウムイオン含有負極に適用される限りにおいて、「リチウム電池セル」および「リチウム電池」という表現はこれら両変種を含むものとする。
【００１５】
上記背景技術において述べたように、水分と酸素がリチウム電池セルの内部と接触するのを防止する必要がある。部分的にこれは、実質的に水分および酸素不透過性、すなわち「気密シールされた」シェル内に各リチウムイオン・セルを包むことによりセル毎に達成されてきた。例えば、図１の従来のリチウム電池セル１２の場合、パウチ３２は適当な金属箔に少なくとも内側表面、好ましくは両面にプラスチックの積層物（ラミネート）を塗布して作製してもよい。アルミニウムが通常選択される金属箔であるが、銅その他の金属で適当な厚さに形成でき水分および酸素不透過性が良好であるものであれば使用できる。
【００１６】
残念なことに、箔パウチは比較的厚くないと水分およびガス不透過性が十分でないため、得られた箔パッケージはセルの重量および体積の１０％も占めることがある。さらに、この箔は、リチウム電池セル１２をきつく充填された容器内に詰め込もうとすると、隅部が壊れやすい。
【００１７】
本発明によれば、電池ボックス１４は水分と酸素の浸入を密封する機能を有する点で、基本的に個々に密封されたセルに対するホルダーとして働く従来の電池ボックスとは異なる。こうすることにより、より薄く、より軽いパウチ３２を使用することができ、非金属製、例えばポリマーフィルム製のパウチ３２の使用が可能となる。非液状電解質の場合、パッケージングを省略して単に個々のリチウム電池１２同士からおよびこれらを電池ボックス１４から電気的に隔離すればよい。非金属製パウチの一つの利点は集電体２８またはリード線３０とパウチ３２の縁に露出された金属箔との間の短絡を回避できることである。
【００１８】
液状電解質を使用する場合、パウチ３２は単に、電解質の浸出に対して実質的に不透過性でなければならないが、これは酸素または水分の浸入よりも満たすべき度合いの低い要件である。従って、パウチ３２はずっと薄くてもよく、典型的な箔パウチを用いた場合よりもコンパクトなボックス内に「くしゃくしゃに」詰め込んだ際に漏れの傾向が少ないものであってもよい。はっきりさせるために、「水分」とはここでは主に水、特に水蒸気形態のものをいうことを了解すべきである。
【００１９】
電池ボックス１０は錫のような金属材料製の第１の端部１６と側壁２０を有する。第１の端部１６は側壁２０と一体であるが、別体の第１の端部１６を任意の適当な手段、例えば溶接またはポリマー接着剤により側壁２０と接合し得るようにすることもできる。この場合、集電体や主リード線、相互接続リード線との電気的接続を避けるために当技術において既知の適宜の絶縁手段をとることができる。この目的で上述の電気的に絶縁性のバリヤを設けることができる。具体的には後述の注封材料を用いて絶縁することができる。集電体（リード線）との絶縁は例えば、本出願人の特許第３，４３０，４７２号明細書に記載の絶縁構造を用いることもできる。
【００２０】
図示の側壁２０は一般に矩形形状である。これは必要条件ではないが、図示のリチウム電池セル１２の形状に単に適合しているからである。他の形状も適宜選択することができる。
【００２１】
リチウム電池セル１２同士は相互接続リード線３４により適宜直列または並列に相互接続することができる。主出力リード線３６は第１および最後のリチウム電池セル１２上の、反対の極性を持つ相互接続されていない集電体を、電池ボックス１４の第２の端部１８を介して延びている電気コネクタ４０に接続する。さらに、出力リード線３８は相互接続リード線３４を、第２の端部１８を介して延びているさらなる電気コネクタ４０に接続する。セルの相互接続のすべてを、内部的に充電および放電の為に正極および負極集電体２８、３０のそれぞれに別個の電気コネクタ４０として作製する必要はなく、セルの相互接続は所望により外部に作製することもできる。
【００２２】
電池ボックス１４の第２の端部１８は側壁２０に密封可能に接合し、一方電気コネクタ４０においてボックスの外側に対して別個の電気接続をとることができるものでなければならない。
【００２３】
酸素および水分不透過性の見地から、金属製の第２の端部１８が好ましいが、これは、分離した電気コネクタ４０を設けるには適当に絶縁性の密封配置を必要とするからである。適度の水分および空気不透過性が下記のように電気コネクタ４０の領域に適当な変更を加えた銅／熱硬化性プラスチック／銅・プリント回路基板から得られることが見出された。
【００２４】
ここで、第２の端部１８を詳細に図示する図３、図４および図５を参照する。図３は内面４２を示し、内面４２は典型的には銅製の内側箔層４４を有し、この内側箔層４４は非導電性の実質的に剛性の基体４６、例えば典型的な熱硬化性プラスチック製印刷回路版基体の上に積層されている。内側箔層４４は、内面４２の実質的に全面にわたって延びているが、電気コネクタ４０の周りに延びている円形の割れ目には除かれており、複数の孤立した電気的に単離された集電領域５０を形成している。
【００２５】
絶縁コーティング５２、例えばプラスチック積層物、が内側箔層４４の上に延びており、内面４２の外周の周りに延びている露出された縁５４と電気コネクタ４０として働く露出領域とを残している。露出された縁５４は第２の端部１８と側壁２０の間に溶接接合をすることを可能にする。
【００２６】
割れ目４８において基体を通る酸素と水分の移動を回避するために、実質的に水分および酸素不透過性のオーバーレイ５６が割れ目４８の上に置かれる。このオーバーレイ５６は接着剤の箔で作製されたものであってもよく、電池ボックス１４内に面して非導電性ポリマーコーティングを持っていてもよい。各オーバーレイ５６はこれを貫通し、関連する電気コネクタ４０から離隔した円形開口部５８を有しているため、このコネクタ４０が露出しそれらの間の電気的導通が無いようにしている。
【００２７】
電気コネクタ４０は内側箔層４４と外側箔層６４の隣接する部分の間で基体４６を貫通して伸びる穴部にメッキを施した、メッキされた貫通穴部であってもよい。電気コネクタ４０は電池ボックスの内側と外側の導電性層同士の間の電気的連続性を与える。そのようなものとして、任意の所望の電気的接続を電気コネクタ４０に対してとることができる。しかしながら、一般的にはストリップの縁に沿って図３および図５の電池端子６０のような電気端子を設けるのがより好都合であり、これらはメッキされた貫通穴部であってもよい。電池端子６０は電気コネクタ４０のそれぞれに導線ストリップ６２により電気的に接続される。導線ストリップ６２は第２の端子１８の外面上の外側箔層６４内に、外側箔層６４の部分をエッチングにより取り去り、孤立した導線ストリップ６２を残すことにより形成することができる。
【００２８】
外側絶縁コーティング６６、例えばプラスチック積層物を外側箔層６４の上に適用して外側箔層６４との望ましくない電気的接触を回避するようにしてもよい。
【００２９】
電池ボックス１４は、図２の符号６８に模式的に示すような電気回路を任意に含み、これをリチウム電池セル１２に接続して電池の充電放電過程を監視するようにしてもよい。あるいはまた、電子回路６８を外部から電池端子６０に接続してもよいが、これは必ずしも電池１０の一部ではない。
【００３０】
密封可能なポ−ト７０を設けて排気し、適当な注封材料を用いて（全部又は一部）封入または埋め戻しできるようにしてもよい。密封可能なポート７０は電気コネクタ４０と同様に溶接により密封可能なメッキされた貫通穴部であってもよい。
【００３１】
上記説明は説明のためのものであり、限定的意味をもたない。記載された特定の部品および方法に対する変更は当該技術の専門家には自明である。そのような変更は特許請求の範囲内のものであり、各請求項に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の再充電可能なリチウム電池セルの一部切欠き斜視図である。
【図２】  本発明の再充電可能なリチウム電池の展開斜視図である。
【図３】  本発明の電池ボックスの第２の端部の上面図である。
【図４】  本発明の電池ボックスの第２の端部の底面図である。
【図５】  図３の５−５線に沿う断面図であり、断面のみを示す。
【符号の説明】
１０      リチウム蓄電池
１２      リチウム蓄電池セル
１４      ボックス（電池ボックス）
１６      第１の端部
１８      第２の端部
２０      側壁
２２      正極
２４      負極
２６      電解質
２８      正のリード線（集電体）
３０      負のリード線（集電体）
３２      パウチ
３４      リード線
３６      主出力リード線
３８      出力リード線
４０      電気コネクタ
４２      内面
４４      内側箔層
４６      基体
４８      割れ目
５０      領域
５２      絶縁コーティング
５４      露出された
５６      オーバーレイ
５８      円形開口部
６０      電池端子
６２      導線ストリップ
６４      外側箔層
６６      外側絶縁コーティング
６８      電気回路または電子回路
７０      ポ−ト
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003892297.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003892297.tif 000006