(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に水分の浸入および電解質の浸出に対して実質的に不透過性の第１のカバー内に包まれた複数の電気的に相互接続された、電解質を含有する、シールされたパウチ・セルと、
前記第１のカバーを通って前記パウチ・パウチ・セルから延びている少なくとも１つの正極リードと負極リードと、
前記第１のカバーを実質的に水分が透過しないように包囲している実質的に剛性の外側カバーであって、実質的に前記電解質とは非反応性である外側カバーと、
前記外側カバーを通って延びているそれぞれの導線により、実質的に流体に対してシールされるように、前記正極リード線および負極リード線に接続された、前記外側カバーの外側の正極端子および負極端子とを備えるリチウム電池。
【請求項２】
前記シールされたパウチ・セルは相互接続リード線により相互接続され、
前記正極リード線および負極リード線は電荷監視・制御回路盤に接続され、
前記正極端子および負極端子も前記回路盤に接続され、かつ
監視リード線が複数の前記相互接続リード線と前記回路盤との間に延びている請求項１記載のリチウム電池。
【請求項３】
前記電荷監視・制御回路盤は前記外側カバー内に配置されている請求項２記載のリチウム電池。
【請求項４】
前記電荷監視・制御回路盤は前記外側カバーの外側に配置されている請求項２記載のリチウム電池。
【請求項５】
前記外側カバーは、前記電解質の液体部分が前記外側カバーの表面から蒸発できる速度を越えない速度で前記外側カバーを通って拡散することを可能にする材料で作製されている請求項３または４記載のリチウム電池。
【請求項６】
前記第１のカバーはプラスチック積層物を被覆した金属箔製であり、前記外側カバーがポリプロピレン、ポリエチレンおよびエチルアクリレートポリマー類からなる群から選ばれた材料製である請求項５記載のリチウム電池。
【請求項７】
前記外側カバーは金属であり、かつ少なくともその内側面上に非導電性コーティングを塗布した請求項１、２、３または４記載のリチウム電池。
【請求項８】
前記外側カバーは金属であり、かつ少なくともその内側面上に非導電性コーティングを塗布した請求項１、２、３または４記載のリチウム電池。
【請求項９】
側壁と第１および第２の対向する端部壁とを有する実質的に剛性のボックス内に配置された気密にシールされた第１のカバー内の複数のシールされたパウチ・セルを備え、
前記第１の端部壁は前記側壁に第１の接合部において気密に接合され、
前記第１の端部壁および前記第１の接合部は前記第１の端部壁と前記側壁に気密に係合するゴム化されたコーティング内に、少なくとも前記第１の接合部にわたって包まれ、
前記第２の端部壁は前記側壁に第２の接合部において気密に接合され、
前記複数のシールされたパウチ・セルは相互接続リード線により少なくとも１つの正極リード線および負極リード線に相互接続され、
前記正極リード線および負極リード線は前記第１のカバーを通って気密にシールされるように、かつ前記第２の接合部を通って少なくとも水分に対してシールされるように相互接続され、
前記第２の端部壁および第２の接合部はゴム化されたコーティング内に包まれ、かつ
前記正極リード線および負極リード線は前記第２の端部を包む前記ゴム化されたコーティングを通って各正極端子および負極端子に接続されているリチウム電池。
【請求項１０】
前記正極リード線および負極リード線は電荷監視・制御回路盤に接続され、
前記正極端子および負極端子も前記回路盤に接続され、
監視リード線が前記相互リード線と前記回路盤との間に延びており、かつ
前記監視リード線は前記第１のカバーを通って気密にシールされるように延びている請求項９記載のリチウム電池。
【請求項１１】
前記電荷監視・制御回路盤は前記ボックスの内部に配置されている請求項１０記載のリチウム電池。
【請求項１２】
前記回路盤は前記ボックスの外部に配置され、かつ前記第２の端部を包む前記ゴム化されたコーティング内に包まれている請求項１０記載のリチウム電池。
【請求項１３】
前記ボックスは半田付け可能な金属製であり、
前記第１の端部が前記側壁に半田でシールされ、
前記正極リード線、負極リード線および監視リード線は前記第２の接合部を通って延びている部分以外において、前記第２の端部が前記側壁に半田接合され、かつ
前記正極リード線、負極リード線および監視リード線は前記第２の接合部を通って延びている部分において、前記第２の端部が前記側壁に接着剤によりシールされている請求項９、１０、１１または１２記載のリチウム電池。
【請求項１４】
前記ボックスはプラスチック材料製である請求項９、１０、１１または１２記載のリチウム電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は単一セルおよび多セルリチウム電池に関し、特にそのような電池における複数の箔パッケージされたセルの包装に関する。
【０００２】
（発明の背景）
リチウム電池（本願ではリチウムイオン電池およびリチウム電極を有する電池の両方をいう）は実質的に水分および酸素が透過性しないように密封して電解質との望ましくない反応を避ける必要がある。一般に「電池」（ｂａｔｔｅｒｙ）は一または複数の相互に接続されたリチウム「セル」（ｃｅｌｌ）であって通常各セルは個別に密封されているものを含む。携帯電話のような用途については単一のセルが電源である。
【０００３】
リチウム電池は非水電解質で動作するのが普通である。この電解質は乖離性リチウム塩を担持する固体ポリマーであることができるが、電解質はリチウム塩が溶解された液体であることが多い。一般的には、多層であってもよい、多孔質のポリマー製セパレータ積層物にこの液体を含浸するが、場合によっては多孔質のセパレータ自体がリチウム塩含有ポリマー積層物である。リチウム塩を溶解した液体は炭酸エチレン、炭酸プロピレンその他のアルキル基担持炭酸エステルまたは同様の有機化合物であり、５０℃を越える沸点と、室温で比較的に低い蒸気圧を有する。この電解質層は電極間に配置されている。層状リチウム電池は少なくとも３層から構成され、この層状構造を電流担体と一緒に柔軟なポリマー積層物内に包装して、パウチを形成する。
【０００４】
上記のことから推察されるように、リチウム・セルを密封する、ここでは「密封されたパウチ・セル」という、一つの方法はセルをプラスチック積層物で覆った箔パウチ内に包装することである。箔は通常アルミニウム製である。このような構成を図１に示す。図１は密封されたパウチ・セルの一部切欠き斜視図である。全体を符号１０で示すこのセルは正極１２、負極１４、電解質１６、並びに正極および負極「リード線」または「集電体」１８および２０を箔パウチ２２内に包んでいる。リード線１８および２０は正極１２および負極１４とパウチ２２の外側との間の電気的連絡を提供している。
【０００５】
箔パウチ２２はポリマー積層物を塗布した内面２４を有し、箔を電解質１６から保護するとともに正極１２および負極１４とリード線１８および２０との間の短絡を防止している。箔パウチ２２の外面もポリマー積層物を塗布されているのが好ましい。
【０００６】
箔パウチ２２は３つの縁２６に沿って熱シールされる。第４の縁２８は典型的にはパウチを構成する箔を折り曲げることにより形成されるため、熱シールを必要としない。リード線１８および２０が箔と、特に熱シール操作の間に、接触することがないことを確実にするために、一般に別体の絶縁されたスリーブ３０を熱シールに先立ってリード線１８および２０のそれぞれの上に縁２６の近傍に置く。絶縁されたスリーブ３０はシールを形成するが水分の浸入または電解質の浸出の経路として動作してはならない。そのようなシールはここでは「気密にシールされた」という。
【０００７】
自明の理由から、リチウム電池は水分および雰囲気による腐食を受けやすいので、ポリマー・パウチを通常はポリマー積層物の縁の周りに圧力と熱を適用することによりシールする。ポリマー積層物を他のポリマー積層物に熱シールすると、通常は非常に満足のゆく接着が得られるが、ポリマー層間に存在する金属リード線や集電体ではシールが不完全となり、堅固なシールを達成するあらゆる努力にもかかわらず電解質液が浸出する結果となる可能性がある。
【０００８】
シールされたパウチ・セルはそれらの構造および比較的に薄い断面に関連する多くの利点を有するものの、それらはより剛性のある包装物内に包まれているセルよりも損傷を受け易い。このため、リチウム電池、特に充電式のものは一般に高価な電子装置に用いられており、そこでは漏れによる損傷は非常に高くつき全く受け入れられないため、大きな問題を生じる。
【０００９】
リード線１８および２０は一般に金属タブの形をとり、通常はアルミニウム、銅またはニッケル製であり、それらはかなりの量の電流を通電しても電圧降下が認められように十分な厚さと寸法を有していなければならない。このため、金属タブが出口を有する領域の周りに箔パウチをシールする際に２つの問題点がある。第１の問題点は金属タブが熱シールの間に熱を急速に除去するためシール温度の制御が不確実になることである。さらに、金属タブはその厚さのために不均一な圧力を生じ、これもシーリングを不確実なものにする。前述したように、リチウム・セルは水分または酸素の浸入あるいは電解質のセルからの浸出を許容できない。そのような漏れはセルに災害をもたらし、電池またはセルを利用する装置を損傷することもある。
【００１０】
さらに、水分子および酸素がポリマーシール表面を通って拡散することによる問題も生じるが、このポリマーシール表面はポリマーシールの箔パウチ内の金属に平行する領域である。水分子と酸素分子の金属を通る拡散は極端に低いが、水分子と酸素分子のポリマー本体を通る拡散は非常に多い。従って、ポリマーシール表面を通るこの破壊的な拡散によりセルの性能が劣化し耐用年数が短縮されることとなる。リチウム・セルの用途は電気式乗り物であるかまたはラップトップコンピュータあるいは携帯電話であるかによらず長い寿命が要求され水および酸素の浸入によるセルの故障はいささかも許容することができない。また、多数のセルを用いて作製される電池スタックにおいても、単一のセルが早期に故障すると完全なバッテリーパックに対する災害となる。これらの問題があるため、箔パウチの形に形成されたリチウム・セルおよび電池は研究および商業化に数十億ドルを費やしたにもかかわらず未だ商業化に成功していない。
【００１１】
本発明の目的は機械的損傷に抵抗性があり、漏れに対して少なくとも２倍のシールを施したリチウム電池を提供することである。
【００１２】
さらに本発明の目的は機械的に強く、水分の浸入および電解質の浸出に対して効果的なシールを形成するリチウム電池様の包装体を提供することである。
【００１３】
（発明の要約）
実質的に水分の浸入および電解質の浸出に対して実質的に不透過性の第１のカバー内に包まれたシールされたパウチ・セルを含有する少なくとも１つの電解質を有するリチウム電池である。少なくとも１つの正極リードと負極リードが第１のカバー内のシールされた開口部（アパーチャ）を通ってパウチ・セルから延びている。実質的に剛性の外側カバーが第１のカバーを実質的に水分が透過しないように包囲している。この外側カバーは実質的に電解質とは非反応性であり、少なくとも若干の機械的保護と水分に対するシールを提供している。この外側カバー上およびその外側の正極端子および負極端子はそれぞれ実質的に流体に対してシールされるように外側カバーを通って延びているそれぞれの導線により正極リード線および負極リード線に接続されている。
【００１４】
このリチウム電池は正極リード線および負極リード線に接続された電荷監視・制御回路盤および任意の複数のパウチ・セルを任意の所望の配置で相互接続する任意の相互接続リード線も備えていてもよい。この電荷監視・制御回路盤は外側カバーの内側または外側に配置されていてもよい。任意に、電荷監視・制御回路盤はパウチと第１のカバーとの間に配置されていてもよい。
【００１５】
外側カバーはプラスチック材料製であってもよい。このプラスチック材料を選択して電解質の液体部分が、液体部分が蒸発できる速度を越えない速度でそれを通って拡散することができ、外側カバー上およびその外側に液体が出現することがない様にしてもよい。
【００１６】
（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。
本発明のリチウム電池は図２および図４において全体を符号４０により示す。このリチウム電池４０は複数の（上記発明の背景に記載されたタイプの）シールされたパウチ・セル１０を有し、相互接続リード線４２により所望の配置で相互接続されている。３つのパウチ・セル１０が図示されているが、任意の所望のまたは必要な数を用いることができる。例えば、あるリチウム電池は１つのパウチ・セル１０を必要とすることもあり、本明細書におけるパウチ・セルへの言及は全体の構造がそのような解釈を容認する場合には単数を含むものと解釈されるべきである。相互接続は直列、並列またはそれらの組み合わせであってもよく、電圧および蓄電容量の必要条件によって決められる。
【００１７】
パウチ・セル１０は第１のカバー４４内に包まれるが、このカバーは各パウチ・セル１０を包む箔パウチ２２と同様のさらなるプラスチック積層物箔パウチであってもよいが、もちろん所望により、より剛性の高い構造を用いてもよい。この第１のカバー４４は水分の浸入および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。第１のカバー４４は熱シール性プラスチック製であってもよく、２層以上であってもよい。第１のカバー４４はパウチ２２のいずれかが漏れ始めた場合のバックアップとして動作する。
【００１８】
電解質の浸出は、第１のカバー４４が２つのパウチ・セルを収容する場合、パッケージされシールされたそれぞれの第１のカバー４４の重量損失が２ｍｇ／日未満となるように抑える必要がある。第１のカバー４４が３つ以上のパウチ・セル１０を含む場合、その重量損失はそれに比例して大きくしてもよい。水分の浸入が各パウチ・セル１０において１日あたり０．２ｍｇ未満の水に維持されるのが好ましい。水分の浸入を、各パウチ・セル１０を開封し各パウチにより吸収される水の量をカール−フィッシャー（Ｃａｒｌ−Ｆｉｓｃｈｅｒ）滴定により測定することにより実験的に決めることができる。
【００１９】
少なくとも１つの正極リード線４６と負極リード線４８が一連のパウチ・セルから第１のカバー４４を通して気密にシールされた状態で延びている。典型的には、図２の監視リード線５０は相互接続リード線４２から第１のカバー４４を通して延び、第１のカバー４４では電池４０は２つ以上のパウチ・セル１０を収容している。監視リード線５０は電荷監視・制御回路盤５２に接続され、その択一的配置が図３に図示され、以下に説明される。
【００２０】
単一のパウチ・セルを第１のカバー４４内に包む場合、正極リード線４６および負極リード線４８は典型的にはそれぞれシールされたパウチ・セル１０の正極リード線１８および負極リード線２０の延長である。従って、そのような構成では、正極リード線１８および負極リード線２０はそれぞれ「二重にシールされている」と考えられる。第１のカバー４４はパウチ・セル１０のパウチ２２と正極リード線１８および負極リード線２０のそれぞれとの間に電解質の漏れが生じた場合にこれを収容する液溜めとして動作する。
【００２１】
第１のカバー４４はさらに、図３において全体を符号５４により示される実質的に剛性の外側カバーにより包囲されていてもよい。この外側カバー５４は側壁５６、第１の端部壁５８、第２の端部壁６０を有する。第１の端部壁５８は第１の接合部６２において側壁５６に気密に接合される。第２の端部壁６０は第２の接合部６４において側壁５６に気密に接合される。外側カバー５４は主にリチウム電池を機械的に保護するためのものであるが、好適な実施態様では、追加のバリヤとして動作して電解質の浸出と水分の浸入を防止する。
【００２２】
外側カバー５４は剛性プラスチック、半剛性プラスチック、流延エポキシ、ゴムコンパウンドまたは金属製のボックスであってもよい。金属製ボックスを選択すると、全体的なプラスチック積層物製ライニングまたは絶縁スリーブ３０のようなプラスチック製絶縁スリーブを正極リード線４６および負極リード線４８の周りにそれぞれ使用してもよい。ここで正極リード線４６および負極リード線４８は外側カバーを出る。
【００２３】
正極リード線４６および負極リード線４８は第２の接合部６４を通って好ましくはシールされた状態で延びている。正極リード線４６および負極リード線４８はそれぞれ通常は任意の監視リード（図２の５０、図３では図示しない）と同様に、電荷監視・制御回路盤５２に接続されている。正極リード線４６および負極リード線４８はもちろん電気的に分離されてそれら同士の間の短絡を防止されていなければならない。回路盤５２は図３の点線で輪郭を示したように、外側カバー５４内に配置されていてもよい。あるいはまた、図３の実線で輪郭を示すように、回路盤５２は外側カバー５４の外側に配置されていてもよい。後者の場合、任意の電荷監視リード線は第２の接合部をシールされた状態で通過する必要がある。他の（図示しない）実施態様では、回路盤５２はリチウム電池とは別体にしてもよい。そのような場合、監視リード線５０に接続をとる必要がある。
【００２４】
第１の接合部６２および第２の接合部６４のシール方法は外側カバー５４の材料によって決まる。外側カバー５４が半田付け可能な金属（例えば、錫または銅）であるときは、第１の接合部６２は半田接合であり、第２の接合物６４は、正極リード線４６および負極リード線４８および任意の監視リード線５０のような任意のリード線が第２の接合部６４を通して延びている場所以外は、実質的に半田接合であってもよい。エポキシその他のシーラントのようなもう一つのシール手段は典型的には任意のリード線の周りに使用される。
【００２５】
外側カバー５６がプラスチック材料製であるときは、第１の接合部６２および第２の接合物６４は接着によりまたは（熱または超音波応接のような）その他の適当な方法により接合することができ、第２の接合部６４を通って伸びる任意のリード線には適当な公隙をもたせることはもちろんである。
【００２６】
個々のパウチ・セル１０と第１のカバー４４は水分の浸入と電解質の浸出に対してシールされているので、外側カバー５４を用いた場合、これを酸素の浸入に対してシールすることは必須ではない。外側カバー５４は第１のカバー４４に対して機械的保護として動作しパウチ・セル１０と第１のカバー４４を逃れる電解質の浸出を防止する。２つ以上の第１のカバー４４を収容するパウチ・セル１０を単一の外側カバー５４内に収容してもよい。
【００２７】
外側カバー５４は電解質の液体部分がそれを通して、この液体が蒸発する速度を越えない制御された速度で拡散して外側カバー５４の外部に液体がいささかも出現しないようにすることができる材料で作製してもよい。制御された拡散を可能にする適当なプラスチックとしてはポリプロピレン、ポリエチレンおよびエチルアクリレートポリマー類である。制御された拡散が不必要であるときは、他のプラスチックを選択してもよい。
【００２８】
外側カバー５４が金属製であるときは、非導電性コーティングを内側表面６６に適用して、外側カバー５４とそのなかに収容されている任意の部品との間の望まない不注意による電気的連絡を防止することができる。あるいはまた、各第１のカバー４４をプラスチック内に包みまたはシールしてもよい。
【００２９】
第１の接合部６２と第２の接合部６４のそれぞれにおけるさらなるシールとして、外側カバー５４の端部をゴムコンパウンド７０内に包んでもよく、実際外側カバー全体をゴムまたはプラスチック材料製の成形されたオーバーレイ内に包むことができる。外側カバー５４が金属製であるときは、ゴムコンパウンド７０を選択して上述したように電解質の液体部分の制御された拡散が可能となるようにしてもよい。ゴムコンパウンド７０はさらなるシールとして動作し、また第１の接合部６２および第２の接合部６４の上にクッションとして設けて機械的損傷を防止してもよい。回路盤５２はゴム化コーティング７０内に成形により作製してもよい。
【００３０】
正極端子７２および負極端子７４はそれぞれゴムコンパウンド７０の外側に設けてリチウム電池４０に電気的接続をとることを可能にしている。
【００３１】
上記は説明のためのものであり、限定的な意味はない。実際に説明した事項に対して当業者は特許請求の範囲に定義された本発明の範囲内において種々変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来のパウチ・セルの一部切欠き斜視図である。
【図２】  本発明のリチウム電池の展開図である。
【図３】  本発明のリチウム電池の断面図である。
【符号の説明】
１０      セル
１２      正極
１４      負極
１６      電解質
１８      正極用リード線または集電体
２０      負極用リード線または集電体
２２      箔パウチ
３０      絶縁スリーブ
４０      リチウム電池
４２      相互接続リード線
４４      第１のカバー
４６      正極リード線
４８      負極リード線
５０      監視リード線
５２      電荷監視・制御回路盤
５４      外側カバー
５６      側壁
５８      第１の端部壁
６０      第２の端部壁
６２      第１の接合部
６４      第２の接合部
６６      内側表面
７０      ゴムコンパウンド（ゴム化コーティング）
７２      正極端子
７４      負極端子
【図１】
0004079639.tif 000002
【図２】
0004079639.tif 000003
【図３】
0004079639.tif 000004