(57)【要約】【課題】通常使用時における電池特性を劣化させることなく、電池が高温になり内部から高温ガスが放出された場合であっても、パック全体への類焼を抑制し、損傷を低減することが出来る電池パックを提供する。【解決手段】電池３と、前記電池３を収納する筐体２と、熱が加えられることに応じて、前記電池３と前記筐体２との間の内部間隙を減少させることが可能な熱膨張部とを有している。【選択図】図１
2009021223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池と、
前記電池を収納する筐体と、
熱が加えられることに応じて、前記電池と前記筐体との間の内部間隙を減少させることが可能な熱膨張部とを有していることを特徴とする電池パック。
【請求項２】
前記熱膨張部は、前記電池の表面の少なくとも一部を覆う熱膨張材料により構成されてい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３】
前記筐体内に設けられる電池隔壁をさらに備え、
前記熱膨張部は、前記筐体、および前記電池隔壁の少なくとも一部に用いられた熱膨張材料により構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池パック。
【請求項４】
前記熱膨張部は、前記筐体の内壁被覆材の少なくとも一部に用いられた熱膨張材料により構成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電池パック。
【請求項５】
前記熱膨張材料は、熱膨張黒鉛を含有する材料であることを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の電池パック。
【請求項６】
前記熱膨張材料は、膨張時にガスを発生する材料を含有することを特徴とする請求項２から５の何れか１項に記載の電池パック。
【請求項７】
請求項１から６の何れか１項に記載の電池パックを搭載したことを特徴とする電池搭載機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器等の電源として用いられる電池パックに関し、特に安全性を確保した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、かつ、高い安全性を有する電池や電池パックが求められている。特に、安全な電池や電池パックを提供するための手段として、一般的に電池には、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、電池パックには、安全回路等が搭載されている。
【０００３】
また、安全性と別の観点からパック内部に断熱材を挿入する構成が示されている。具体的に、パックに内蔵された電池では、電池の温度が周囲温度と同一となるため、周囲の環境が低温下においては、バッテリの特性が低下するという欠点がある。そこで、特許文献１には、上記欠点を改良する目的で、パック内部に断熱材を挿入することにより電池が周囲温度と遮断される構成にすることにより、周囲の温度に左右されず、使用に際して特性が低下することのないパックを提供する方法が提案されている。
【特許文献１】特開平５−２３４５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、断熱材を用いる従来の技術では、低温環境下に於ける電池の保温を目的としており、室温以上の温度領域で電池が使用された場合、断熱材が設置されていることにより正常な放熱が行われず、電池周囲の温度が上昇することで電池特性の劣化を引き起こす恐れがある。
【０００５】
本発明の目的は、電池周囲の温度の上昇があっても、電池特性の劣化を起こすこと無しに、異常時の安全性を高めた電池パックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の一局面に係る電池パックは、電池と、前記電池を収納する筐体と、熱が加えられることに応じて、前記電池と前記筐体との間の内部間隙を減少させることが可能な熱膨張部とを有している。
【０００７】
本発明によれば、電池が高温になり、電池内部から高温ガスが排出された場合に、熱膨張部が電池パックの筐体内の内部間隙を減少させる。その結果、高温の電池が熱的に隔離され、筐体や隣接する正常な電池への悪影響が抑制され、さらには、電池パックの安全性を高めることができる。
【０００８】
具体的に、前記熱膨張部は、前記電池の表面の少なくとも一部を覆う熱膨張材料、電池隔壁、もしくは前記筐体の少なくとも一部に用いられた熱膨張材料、及び前記筐体の内壁被覆材の少なくとも一部に用いられた熱膨張材料のうちの少なくとも１つにより構成することができる。
【０００９】
この構成によれば、通常時は伝熱性の良好な材料として電池使用時に発生する発熱を効率的にパック外部へ放熱し、電池温度を正常な温度に保つ。さらには仮に電池パック内で電池が高温状態になった場合や、さらに電池の温度上昇により安全弁などから高温のガスの排出があった場合であっても、高温部分の周辺で熱膨張することで高温部分や高温のガスの熱を奪うとともに酸素を遮断でき燃焼を最小限にとどめ、電池パックの筐体や隣接する正常な電池への悪影響を抑制することができる。
【００１０】
また、その他の作用としては、熱膨張材料が膨張することにより単位体積当たりの熱伝導率が低下するため、高温になった電池を熱的に隔離し、電池や電池パックへの悪影響が抑制される。
【００１１】
熱膨張材料を用いる箇所としては、必ずしも筐体や電池の表面を全て覆う必要はなく、電池同士が最も近接する領域や、パック内で高温の排出ガスが通過・接触する壁面にのみ配置してもよい。これにより、パックの省スペース化や省コスト化を図ることが出来る。
【００１２】
熱膨張材料としては、膨張黒鉛を含有しているものが好ましい。膨張黒鉛は、膨張時に吸熱しかつ不活性ガスを発生させるため難燃材料としても働き、パックの類焼抑制としても効果的に働く。
【００１３】
また、熱膨張材料としては、高温で分解してガスを発生する材料を含有しているものが好ましい。高温で分解してガスを発生する材料としては、炭酸マグネシウム、炭酸水素ナトリウム、リン酸二水素アンモニウム、水酸化アルミニウム、ジニトロペンタメチレンテトラミン、アゾジカルボンアミド、オキシビスベンゼンスルホニルヒドラジド、ヒドラゾジカルボンアミド、５‘５’−ビス−Ｈ−テトラゾールなどが挙げられる。これらの材料をポリプロピレン、ポリエチレン、ポリウレタンなどの樹脂を組み合わせることによって熱膨張材料とすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
このような構成の電池パック及び電池搭載機器によれば、電池が高温になり、電池内部より高温ガスが排出された場合に、熱膨張材料が、電池パック及び電池搭載機器の筐体内で膨張することにより内部空隙を充填する。その結果、高温の電池が熱的に隔離され、筐体や隣接する正常電池への悪影響が抑制され、さらには、電池パックや電池搭載機器に影響を及ぼすおそれが低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電池パックの構成を示す斜視図である。また、図２は、図１に示す電池パック１のII−II線断面図である。また、本発明の一実施形態に係る電池搭載機器は、図１に示す電池パック１を搭載し、電源として用いる例えば携帯型パーソナルコンピュータやビデオカメラ等の電子機器、電動工具などのパワーツール、四輪車や二輪車等の車両、その他の電池搭載機器である。
【００１６】
図１に示す電池パック１は、図６で詳細を説明する円筒形の電池３が複数接続されて構成された組電池３１と、充放電を制御し安全性を確保するための安全制御回路（図示せず）と、組電池３１及び安全制御回路を内部に収納するための略箱状の筐体２（収納室）とを備えている。筐体２は、電池収納部２１と電池パック蓋２２とを備えている。
【００１７】
筐体２の内壁、すなわち電池収納部２１及び電池パック蓋２２の内壁及び、電池と電池との間には、熱膨張材料４が取り付けられている。電池収納部２１及び電池パック蓋２２は、例えば鉄、ニッケル、アルミニウム、チタン、銅、ステンレス等、不燃材料である金属や、液晶性全芳香族ポリエステル、ポリエーテルサルホン、芳香族ポリアミドなどの耐熱性のある樹脂、または金属と樹脂との積層体を用いて構成されている。そして、電池収納部２１の開口部が電池パック蓋２２によって封口されることにより、略方形箱状の筐体２が構成されるようになっている。
【００１８】
一方、電池パック１は、電池搭載機器の筐体内に収納されたり、あるいは電池搭載機器の外壁に取り付けられたりして使用されるため、機器筐体への収納のし易さ、取り付け易さから、筐体２は方形の箱状にされるのが一般的である。そうすると、電池３は円筒形、筐体２は方形になるため、方形の筐体２に円筒形の電池３を収納すると、互いに形状が異なるために電池３と筐体２内壁との間に空隙ができる。その結果、異常発熱時には、筐体２内部のこれらの空隙を介した空気対流などで熱が容易に移動してしまう。しかし、図１、図２に示す電池パック１では、筐体２の内壁と電池３との間に熱膨張材料４が取り付けられているので、異常発熱時に筐体２内の空隙を減少させることで、異常発熱した電池を熱的に隔離することができる。
【００１９】
上述のように形成された電池パック１は、電池３が内部短絡や過充電などで発熱し、電池３内部からガスが噴出した場合であっても、熱膨張材料４によって熱的に隔離されるため、筐体や他の電池への類焼を抑制し、電池パック１の損傷を低減することができる。また、熱膨張材料４は、筐体２の内壁と電池３との間に設けられた例を示したが、例えば、図３に示すように、筐体２内に配置された電池３の外周表面に密着させつつ、当該電池３を覆うように、熱膨張材料４を配置してもよい。
【００２０】
また、熱膨張材料は、熱分解材料をフィラーとして樹脂と共に成形される場合の他に、熱膨張材料を塗料状、テープ状、粘土状、又はパテ状にすることによって電池表面や、筐体表面への取り付けが容易になる。特に電池表面への取り付けは、密着性が高いほど熱伝導がよくなるため延焼抑制の効果が高くなる。
【００２１】
なお、前記実施形態では、熱膨張材料４を筐体２の内壁と電池３との間に設ける例、及び筐体２内に配置された電池３の外周表面に密着させつつ、当該電池３を覆うように熱膨張材料４を取り付ける例を示したが、必ずしも前記の例のように取り付けられている必要はない。例えば、図４に示すように、筐体２の材料として熱膨張材料４との複合材を使用してもよく、図５に示すように、筐体の空隙に熱膨張材料を配置するようにしてもよい。
【００２２】
また、熱膨張材料４は、筐体２内の空隙を減少させることで高温になった電池を熱的に隔離させるものであればよく、材料は限定されない。好ましい材料として、例えば、住友スリーエム株式会社のFire Barrier（モーダブルパテMPP-4S）のような耐火性，熱膨張性、吸熱性を兼ね備えた材料や、積水化学工業株式会社のフィブロック、株式会社アクセスのアクセラコートＦのような熱膨張性耐火材、又はゴムもしくは樹脂に膨張性黒鉛を配合した材料や熱膨張性と耐火性を備えたセラミックファイバー複合材を用いることができる。
【００２３】
このような熱膨張材料４を用いることで、電池３が内部短絡や過充電などで発熱したり、電池３の内部で高温ガスが発生した場合であっても、熱膨張材料４が膨張し、筐体２内の空隙を減少させることができる。その結果、高温になった電池３を熱的に隔離し、筐体２や隣接する正常な電池３への類焼を抑制することにより、電池パック１の損傷を最小限に留めることが出来る。
【００２４】
また、電池パック１は、円筒形の電池３を筐体２に複数収納していたが、電池３は、円筒形に限られず、また、筐体２に収納される電池３は１個であってもよい。なお、筐体２に複数の電池３が収納されている電池パック１においては、いずれか一つの電池３が内部短絡や過充電などにより発熱し、当該電池３から高温ガスが放出された場合であっても、当該電池３の周囲が熱的に隔離されるので、発熱した電池３以外の電池３への損傷を低減することができる。
【００２５】
図６は、電池３の構成の一例を示す概略断面図である。図６に示す電池３は、巻回構造の極板群を有する非水電解質二次電池、例えば円筒形１８６５０サイズのリチウムイオン二次電池である。極板群３１２は、正極リード集電体３０２を備えた正極板３０１と、負極リード集電体３０４を備えた負極板３０３とが、セパレータ３０５を介して渦巻き状に巻回された構造を有している。極板群３１２の上部には上部絶縁板３０６が、下部には下部絶縁板３０７が取り付けられている。そして、極板群３１２、及び図略の非水電解液が入れられたケース３０８は、ガスケット３０９と封口板３１０と正極端子３１１とで封口されている。
【００２６】
図６に示す正極板３０１は、例えばアルミ箔等の金属箔からなる正極集電体３０２の表面に、正極活物質が略均一に塗着されて構成されている。正極活物質は、リチウムを含む遷移金属含有複合酸化物、例えば、非水電解質二次電池に使用されるＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２等の遷移金属含有複合酸化物を含有する。これらの遷移金属含有複合酸化物の中でも、高い充電終止電圧を使用でき、また高電圧状態で添加剤がその表面に吸着あるいは分解して良質な被膜を形成しうるＣｏの一部を他の元素で置換した遷移金属含有複合酸化物が好ましい。このような遷移金属含有複合酸化物としては、具体的には、例えば、一般式ＬｉａＭｂＮｉｃＣｏｄＯｅ（ＭはＡｌ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、およびＭｏからなる群から選択される少なくとも一種の金属であり、且つ０＜ａ＜１．３、０．０２≦ｂ≦０．５、０．０２≦ｄ／ｃ＋ｄ≦０．９、１．８＜ｅ＜２．２の範囲であって、更にｂ＋ｃ＋ｄ＝１であり、０．３４＜ｃである）で表される遷移金属含有複合酸化物が挙げられる。特に、上記一般式において、Ｍが、Ｃｕ及びＦｅからなる群から選択される少なくとも一種の金属であることが好ましい。
【００２７】
また、図６に示す負極板３０３は、例えばアルミ箔等の金属箔からなる負極集電体３０４の表面に、負極活物質が略均一に塗着されて構成されている。
【００２８】
負極活物質としては、炭素材料、リチウム含有複合酸化物、リチウムと合金化可能な材料等、リチウムを可逆的に吸蔵放出可能な材料、及び金属リチウムを用いることができる。炭素材料としては、例えば、コークス、熱分解炭素類、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、黒鉛化メソフェーズ小球体、気相成長炭素、ガラス状炭素類、炭素繊維（ポリアクリロニトリル系、ピッチ系、セルロース系、気相成長炭素系）、不定形炭素、有機物の焼成された炭素材料等が挙げられる。これらは単独または二種以上を混合して使用してもよい。これらの中でもメソフェーズ小球体を黒鉛化した炭素材料や、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛材料が好ましい。また、リチウムと合金化可能な材料としては、例えば、Ｓｉ単体あるいはＳｉとＯとの化合物（ＳｉＯｘ）等が挙げられる。これらは単独または二種以上を混合して使用してもよい。上記のようなケイ素系の負極活物質を使用することにより、さらに高容量の非水電解質二次電池が得られる。
【００２９】
そして、封口板３１０の略中央には、略円形の溝３１３が形成されており、ケース３０８内でガスが発生して内部圧力が所定の圧力を超えると、溝３１３が破断してケース３０８内のガスを放出するようになっている。また、正極端子３１１の略中央部には、外部接続用の凸部が設けられ、この凸部に電極開口部３１４（放出口）が設けられており、溝３１３が破断して放出されたガスを、電極開口部３１４から電池３の外部へ放出するようになっている。
【００３０】
図７は、組電池３１の概略構成を示す説明図である。図７に示す組電池３１は、電池３を３個１セットとして並列配置し、それを３セット直列に接続した９本の電池を用いた構成である。接続板３２と、各電池３とは、例えば溶接されて接続されている。また、各電池３には、シート状の電池缶絶縁体３３（図６参照）が巻装されて、電池３間の絶縁が図られている。
【００３１】
このように構成された９個の電池３による回路の両端部が、接続リード線３４を介して２つの電池パック端子２４にそれぞれ接続されている。
【００３２】
図６に示すように、極板群３１２を渦巻き状に巻回することで電池３を構成すると、極板面積を増大させつつコンパクトな形状にすることが容易となる。そのため、極板群３１２を渦巻き状に巻回することにより電池３を構成することが、一般的に広く行われている。そして、このように極板群３１２を渦巻き状に巻回して電池３を構成すると、電池３は、必然的に円筒形状となる。
【００３３】
以下、電池パックの変形例及び電池パックを搭載した機器について説明する。
【００３４】
図９は、電池パック４０を搭載したノート型パソコン４１の全体構成を示す斜視図である。図１０は、図９の電池パック４０の分解斜視図である。図１１は、図９のXI−XI線断面図である。図１２は、図１１のXII−XII線断面図である。
【００３５】
各図に示すように、ノート型パソコン４１は、ディスプレイ４２を有するパソコン本体４３と、このパソコン本体４３の後部に装着された電池パック４０とを備えている。
【００３６】
電池パック４０は、前記電池３を６個組み合わせた組電池４４と、前記各電池３を仕切るための電池隔壁４５と、組電池４４及び電池隔壁４５を収納する筐体４６とを備えている。
【００３７】
組電池４４は、直列に接続された３個の電池３を１セットとし、２セットを並列に接続したものである。
【００３８】
電池隔壁４５は、前記電池３のセット同士の間に配置される第１仕切り板４７と、直列に接続される電池３同士の間に配置される一対の第２仕切り板４８、４８とを備えている。各第２仕切り板４８、４８は、第１仕切り板４７に対してそれぞれ直交する方向に組み付けられている。
【００３９】
具体的に、第１仕切り板４７は、その長手方向の２箇所に形成されたスリット４７ａ、４７ａを有している。第２仕切り板４８は、長手方向の中央部にスリット４８ａを有している。前記各スリット４７ａ、４７ａに対しスリット４８ａを噛み合わせるようにして、第１仕切り板４７と第２仕切り板４８とを組み合わせることにより、筐体４６内を６分割する電池隔壁４５が形成される。
【００４０】
また、前記第２仕切り板４８には、前記スリット４８ａを挟んで両側に形成された一対の貫通孔４８ｂ、４８ｂを有している。これら貫通孔４８ｂ、４８ｂは、それぞれ電池３の正極端子３１１を隣の電池３の負極端子に接触させるために、当該電池３の正極端子３１１を通すためのものである。
【００４１】
筐体４６は、電池収納部４９と、電池パック蓋５０とを備えている。電池収納部４９及び電池パック蓋５０は、それぞれ有底容器状に形成され、互いの開口端同士を付き合わせるようにして組み合わせることにより、前記組電池４４及び電池隔壁４５を収納することが可能となっている。
【００４２】
前記電池パック４０では、図１２に示すように、電池収納部４９及び電池パック蓋５０の内壁、及び電池隔壁４５の表面のそれぞれに熱膨張材料４が取り付けられている。
【００４３】
前記電池パック４０においても、電池３が内部短絡や過充電などで発熱し、電池３内部からガスが噴出した場合であっても、熱膨張材料４によって熱的に隔離されるため、筐体４６や他の電池３への類焼を抑制し、電池パック４０の損傷を低減することができる。
【００４４】
以下、電池パックの変形例及びその電池パックを搭載した電動アシスト型の電気自転車について説明する。
【００４５】
図１３は、電池パック５１を搭載した電気自転車５２の全体構成を示す側面図である。図１４は、図１３の電池パック５１の分解斜視図である。図１５は、図１４のXV−XV線断面図である。
【００４６】
各図に示すように、電気自転車５２は、自転車本体５３と、この自転車本体５３に設けられたホルダ５４と、このホルダ５４に装着される電池パック５１とを備え、電池パック５１の電力により図外のモータを駆動するようになっている。
【００４７】
電池パック５１は、前記電池３を１２個組み合わせた組電池５５と、各電池３を仕切るための電池隔壁５６と、組電池５５及び電池隔壁５６を収納する筐体５７とを備えている。
【００４８】
組電池５５は、直列に接続された３個の電池３を１セットとし、４セットを並列に接続したもの（図１４では２セットをそれぞれ並列に接続した状態を示している）である。また、組電池５５は、直列に接続される各電池３の間にそれぞれ設けられたアダプタ５８を備えている。
【００４９】
アダプタ５８は、電池３の正極側の端面と、隣の電池３の負極側の端面とを連結するためのものである。具体的に、アダプタ５８は、円盤状の底部５８ａと、この底部５８ａの周縁部から表裏両側に立設された側壁部５８ｂとを有し、この側壁部５８ｂの内側に電池３の端部を保持するようになっている。前記底部５８ａには、貫通孔５８ｃが形成されている。貫通孔５８ｃは、それぞれ電池３の正極端子３１１を隣の電池３の負極端子に接触させるために、当該電池３の正極端子３１１を通すためのものである。
【００５０】
電池隔壁５６は、前記電池３のセット同士の間に配置される４枚の仕切り板５６ａを有する十字型の部材である。
【００５１】
筐体５７は、電池収納部５９と、電池パック蓋６０とを備え、これら電池収納部５９と電池パック蓋６０とを組み合わせることにより全体として略直方体の中空容器を構成する。具体的に、電池収納部５９及び電池パック蓋６０は、中空容器を側面視においてＬ字型に区分するような形状とされている。電池収納部５９の内部に前記電池隔壁５６を配置するとともに、この電池隔壁５６により区画された室内に各電池３のセットを収納し、この電池収納部５９に電池パック蓋６０を装着することにより組電池５５及び電池隔壁５６が筐体５７に収納される。
【００５２】
前記電池パック５１では、図示を省略するが、電池収納部５９及び電池パック蓋６０の内壁、及び電池隔壁５６の表面のそれぞれに熱膨張材料が取り付けられている。
【００５３】
前記電池パック５１においても、電池３が内部短絡や過充電などで発熱し、電池３内部からガスが噴出した場合であっても、熱膨張材料によって熱的に隔離されるため、筐体５７や他の電池３への類焼を抑制し、電池パック５１の損傷を低減することができる。
【００５４】
以下、電池パックの変形例及びその電池パックを搭載したハイブリッド式自動車について説明する。
【００５５】
図１６は、電池パック６１を搭載したハイブリッド式自動車６２の全体構成を示す側面図である。図１７は、図１６の電池パック６１の分解斜視図である。図１８は、図１７のXVIII−XVIII線断面図である。
【００５６】
ハイブリッド式自動車６２は、複数の電池パック６１と、これら電池パック６１の電力に応じて駆動するモータ６３と、エンジン６４と、モータ６３又はエンジン６４からの動力を受けて回転駆動する車軸６５とを備えている。このハイブリッド式自動車６２は、制動時等の運動エネルギーをモータ６３により回生して各電池パック６１に充電するようになっている。
【００５７】
電池パック６１は、前記電池３を１５個組み合わせた組電池６６と、各電池３を仕切るための電池隔壁６７と、組電池６６及び電池隔壁６７を収納する筐体６８とを備えている。
【００５８】
組電池６６は、直列に接続された３個の電池３を１セットとし、５セットを直列に接続したものである。
【００５９】
電池隔壁６７は、上述した第１仕切り板４７（図９参照）及び第２仕切り板４８を備えている。具体的に、電池隔壁６７は、４枚の第１仕切り板４７と、２枚の第２仕切り板４８とを備え、筐体６８内を１５の室に区画するようになっている。
【００６０】
筐体６８は、電池収納部６９と、電池パック蓋７０とを備えている。電池収納部６９及び電池パック蓋７０は、それぞれ有底容器状に形成され、互いの開口端同士を付き合わせるようにして組み合わせることにより、前記組電池６６及び電池隔壁６７を収納することが可能となっている。
【００６１】
前記電池パック６１では、図１８に示すように、電池収納部６９及び電池パック蓋７０の内壁、及び電池隔壁６７の表面のそれぞれに熱膨張材料４が取り付けられている。
【００６２】
電池パック６１においても、電池３が内部短絡や過充電などで発熱し、電池３内部からガスが噴出した場合であっても、熱膨張材料４によって熱的に隔離されるため、筐体６８や他の電池３への類焼を抑制し、電池パック６１の損傷を低減することができる。
【００６３】
なお、図９〜図１８においては、ノート型パソコン、電動式自転車、及びハイブリッド式電気自動車について説明したが、電池パックを搭載した機器としては、単電池で使用する携帯電話やオーディオプレーヤー、また複数の電池を使用する例としてはデジタルスチルカメラ、電動式工具などの電動機器や電子機器が挙げられる。
【００６４】
以上説明したように、前記実施形態によれば、電池３が高温となり、電池３内部から高温ガスが排出された場合に、熱膨張材料４が筐体内の内部間隙を減少させる。その結果、高温の電池３が熱的に隔離され、筐体や隣接する正常な電池への悪影響が抑制され、さらには、電池パックの安全性を高めることができる。
【実施例１】
【００６５】
図６に示す電池３を、以下のようにして作製した。正極板３０１としては、アルミニウム箔集電体に正極合剤を塗着したものを用いた。負極板３０３としては、銅箔集電体に負極合剤を塗着したものを用いた。また、セパレータ３０５の厚みを２５μｍとした。正極リード集電体３０２と、アルミニウム箔集電体とをレーザ溶接した。また、負極リード集電体３０４と、銅箔集電体とを抵抗溶接した。負極リード集電体３０４を、金属製有底ケース３０８の底部に対し抵抗溶接により電気的に接続した。正極リード集電体３０２を、金属製有底ケース３０８の開放端から防爆弁を有した封口板３１０の金属製フィルターに対しレーザ溶接により電気的に接続した。金属製有底ケース３０８の開放端から非水電解液を注入した。金属製有底ケース３０８の開放端に対して溝を入れて座を形成し、正極リード集電体３０２を折り曲げるとともに、金属製有底ケース３０８の座部に樹脂製アウターガスケット３０９と封口板３１０とを装着して、金属製有底ケース３０８の開放端全周囲をかしめて封口した。
【００６６】
（１）正極板３０１の作製
正極板３０１は以下のようにして作製する。正極合剤として、コバルト酸リチウム粉末を８５重量部、導電剤として炭素粉末を１０重量部、および結着剤としてポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと略す）のＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰと略す）溶液をＰＶＤＦが５重量部相当を混合する。この混合物を厚み１５μｍのアルミニウム箔集電体に、塗布、乾燥した後、圧延して厚みが１００μｍの正極板３０１を作製する。
【００６７】
（２）負極板３０３の作製
負極板３０３は以下のようにして作製する。負極合剤として人造黒鉛粉末を９５重量部、及び結着剤としてＰＶＤＦのＮＭＰ溶液を、ＰＶＤＦが５重量部相当となるように混合する。この混合物を厚み１０μｍの銅箔集電体に、塗布、乾燥した後、圧延して厚みが１１０μｍの負極板３０３を作製する。
【００６８】
（３）非水電解液の調整
非水電解液は以下のように調製する。非水溶媒として、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを体積比１：１で混合し、これに溶質として、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）が１ｍｏｌ／Ｌになるように溶解する。このように調製した非水電解液
を１５ｍｌ用いる。
【００６９】
（４）密閉型二次電池３の作製
正極板３０１と負極板３０３の間に厚み２５μｍのセパレータ３０５を配置して捲回し、円筒状の極板群３１２を構成した後、金属製有底ケース３０８に挿入、封口して密閉型非水電解質二次電池３を得た。この電池は、直径２５ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒型電池で、電池の設計容量は２０００ｍＡｈであった。完成した電池３に電池缶絶縁体３３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まで覆い、９０℃の温風で熱収縮させ完成電池とした。
【００７０】
（５）組電池の製作
上述のように構成した９本の円筒型リチウムイオン二次電池の電池３を、図７に示すように配列し、ニッケル製の厚み０．２ｍｍの接続板３２で接続した。さらに接続された電池３を電池パック端子２４と導通させるための接続リード線３４を、電池３に取り付けて組電池３１を製作した。この組電池３１を電池収納部２１に収納し、電池パック蓋２２を電池収納部の外周部に溶着した。
【００７１】
（実施例１）
図１、図２に示すように、筐体２に電池３を配列し、電池収納部２１、電池パック蓋２２の内壁表面と各電池３間に、住友スリーエム株式会社のFire Barrier（モーダブルパテMPP-4S）、つまり熱膨張材料４を配置した構成にして実施例１の電池パックを作製した。
【００７２】
（実施例２）
図１、図３に示すように、筐体２に電池３を配列し、各電池３の表面に対し住友スリーエム株式会社のFire Barrier（モーダブルパテMPP-4S）を密着させることにより、当該各電池３の表面を被覆して実施例２の電池パックを作製した。
【００７３】
（実施例３）
筐体材料として用いているポリカーボネートを７０重量％と、膨張黒鉛粉末（エア・ウォーター株式会社製モエヘンＺ  ＭＺ−６００）を３０重量％とを混合し、実施例1と同様の形状に射出成形した電池収納部２１および電池パック蓋２２を用い、図１、図４に示すように筐体２に電池３を配列し、実施例３の電池パックを作製した。
【００７４】
（実施例４）
図１、図５に示すように、電池３と筐体２の内壁との隙間に、住友スリーエム株式会社のFire Barrier（モーダブルパテMPP-4S）を充填した構成にして実施例４の電池パックを作製した。
【００７５】
（実施例５）
実施例２の電池パックの熱膨張材料を株式会社アクセスのアクセラコートＦに変更したものを実施例５に係る電池パックとして作製した。
【００７６】
（比較例１）
住友スリーエム株式会社のFire Barrier（モーダブルパテMPP-4S）を使用しない点を除き、実施例１と同様の構成を採用（実施例１と同様の電池３の配列を採用）し、比較例１の電池パックを作製した。
【００７７】
（比較例２）
図１、図５に示すように、電池３と筐体２の内壁との隙間に、断熱材としてガラスウール（株式会社マグ社製  ハイパーマグウールマグルージュ）を充填した構成にして比較例１の電池パックを作製した。
【００７８】
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。
【００７９】
（６）放電試験
完成した電池パックを充電時の最大電流を４．５Ａ、充電終了電流を０．１５Ａとして１２．６Ｖまで充電した。さらに、電流６Ａ、終止電圧９Ｖで放電を行い、また同時に、放電による熱影響を判断するために、図８にＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄで示す４個の電池の表面温度を測定した。
【００８０】
（７）釘刺し試験
完成した電池パックを充電時の最大電流を４．５Ａ、充電終了電流を０．１５Ａとしたときに１２．６Ｖの充電が通常のところ、パックの過充電保護回路と電池の電流遮断（ＣＩＤ）をバイパスすることにより１３．５Ｖまで定電流定電圧の充電を行った。その後、温度２０℃中において、直径２．５ｍｍの鉄製の釘を用い、毎秒５ｍｍの速度で電池パックごと、内部にある電池（図８Ａ）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、電池を貫通するまで刺し、釘を刺した。釘を刺した電池が高温状態になることにより、釘を刺さない他の電池が類焼するか否かを観察した。また同時に、熱影響を判断するために図８にＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄで示す４個の電池の表面温度を測定した。
【００８１】
上述の実施例１から５及び比較例１、２において放電試験及び釘刺し試験を実施し、位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄについて測定された温度のピーク値を下記の表１に示す。なお、釘刺し試験を実施する前の状態では、各電池の温度は、周囲温度と等しい２０℃である。
【００８２】
【表１】
2009021223.tif 000003
【００８３】
表１に記載の類焼とは、釘刺し以外の電池への類焼の有無を示している。類焼が発生していると、電池内部の電解液などが燃焼するため電池重量が減少する。類焼が発生したか否かは、釘刺し試験の実施前後の各電池３の重量を比較することで判定した。すなわち、釘刺し試験後に重量が減少していた場合に類焼が発生したものと判定した。
【００８４】
上記（表１）に示すように、熱膨張材料をパック内に配置することで、他の電池への影響はかなり低減できることが分かる。
【００８５】
すなわち、通常の充放電時には、実施例１から５と比較例２とを比べると、実施例のパックは放電により発生する廃熱を効率よくパック外に放熱することが出来るため、温度上昇が少ない。これに対し比較例２のパックでは、断熱材のため放熱を行うことが出来ないため、電池温度が非常に高くなっていることが確認できる。これより比較例２の電池パックでは、パック内に熱がこもることにより電池特性が劣化することが懸念される。
【００８６】
釘刺し試験時においては、実施例１から５及び比較例２のパックでは、類焼を抑制できているのに対し、比較例１のパックでは、全ての電池が類焼してしまった。これは、実施例のパックにおいて電池が高温になることにより周囲の熱膨張材料４が膨張し、高温になった電池を熱的に隔離することが出来、類焼が抑制されたためである。
【００８７】
実施例４のパックでは、熱膨張材料を筐体内の全ての隙間に配置した為、釘刺し試験後に熱膨張による筐体の変形を確認した。この結果から、膨張による体積増大を考慮して、筐体内にある程度の隙間を確保することが望ましいことが分かる。
【００８８】
これらの熱膨張材料としては、熱膨張黒鉛を含有するものが最も有効であり、熱膨張黒鉛は、膨張時に吸熱し不活性ガスを排出するため不燃効果も有する。そのため、電池パックの類焼抑制には特に効果的に作用する。
【００８９】
また、熱膨張材料の中にホウ酸亜鉛やポリリン酸アンモニウム等の難燃剤やリン酸系の消火剤等を同時に含有することでさらに類焼抑制効果が高くなることを確認している。
【００９０】
なお、本実施例では、パテ状の熱膨張材料を用いたが塗料化、ペースト化して筐体やセルにコートしてもよく、成形や粒子化して隙間に充填しても良い。
【００９１】
次に、電池搭載機器の実施例について説明する。
（１）正極板の作製
ＮｉＳＯ4水溶液に所定比率のＣｏおよびＡｌの硫酸塩を加え、飽和水溶液を調製した。この飽和水溶液を撹拌しながら、水酸化ナトリウム溶液をこの飽和溶液にゆっくりと滴下した。これにより飽和溶液が中和され、その結果、三元系の水酸化ニッケルＮｉ0.7Ｃｏ0.2Ａｌ0.1（ＯＨ）2の沈殿物を生成することができた（共沈法）。生成された沈殿物をろ過した後に水洗し、８０℃で乾燥させた。得られた水酸化ニッケルの平均粒径は、約１０μｍであった。
【００９２】
得られたＮｉ0.7Ｃｏ0.2Ａｌ0.1（ＯＨ）2に対して大気中９００℃で１０時間の熱処理を行い、酸化ニッケルＮｉ0.7Ｃｏ0.2Ａｌ0.1Ｏを得た。このとき、粉末Ｘ線回折法を用いて得られた酸化ニッケルＮｉ0.7Ｃｏ0.2Ａｌ0.1Ｏを回折し、酸化ニッケルＮｉ0.7Ｃｏ0.2Ａｌ0.1Ｏが単一相の酸化ニッケルであることを確認した。そして、Ｎｉの原子数とＣｏの原子数とＡｌの原子数との和がＬｉの原子数と等量になるように、酸化ニッケルＮｉ0.7Ｃｏ0.2Ａｌ0.1Ｏに水酸化リチウム１水和物を加え、乾燥空気中８００℃で１０時間の熱処理を行うことにより、リチウムニッケル複合酸化物ＬｉＮｉ0.7Ｃｏ0.2Ａｌ0.1Ｏ2を得た。
【００９３】
粉末Ｘ線回折法を用いて得られたリチウムニッケル複合酸化物ＬｉＮｉ0.7Ｃｏ0.2Ａｌ0.1Ｏ2を回折すると、そのリチウムニッケル複合酸化物ＬｉＮｉ0.7Ｃｏ0.2Ａｌ0.1Ｏ2が単一相の六方晶層状構造であること、及び、そのリチウムニッケル複合酸化物ではＣｏおよびＡｌが固溶していることを確認した。そして、リチウムニッケル複合酸化物を粉砕した後、分級し、粉末状とした。この粉末の平均粒径は９．５μｍであり、ＢＥＴ法に従ってこの粉末の比表面積を求めると、その比表面積は、０．４ｍ2／ｇであった。
【００９４】
得られたリチウムニッケル複合酸化物を３ｋｇと、アセチレンブラックを９０ｇと、ＰＶＤＦ溶液を１ｋｇとを、適量のＮメチル２ピロリドン（ＮＭＰ，N-methylpyrrolidone）とともにプラネタリーミキサーにおいて混練し、スラリー状の正極合剤を作製した。この正極合剤を、厚みが２０μｍであり幅が１５０ｍｍであるアルミ箔上に塗布した。このとき、アルミ箔の幅方向における一端には、幅が５ｍｍである未塗工部を形成した。その後、正極合剤を乾燥させ、アルミ箔の上に正極合剤層を形成した。そして、正極合剤層の厚みとアルミ箔の厚みとの合計厚が１００μｍとなるようにプレスした後、円筒形１８６５０サイズのリチウムイオン二次電池用の正極板Ａ１と、タブレス集電構造の電池用の正極板とを作成した。タブレス集電構造の電池用の極板を、極板の幅が１０５ｍｍであり合剤塗布部の幅が１００ｍｍとなるように切断し、タブレス集電構造の正極板Ｂ１を作製した。
【００９５】
（２）負極板の作製
人造黒鉛を３ｋｇと、スチレン−ブタジエン共重合体からなるゴム粒子（結着剤）の水溶液（固形分の重量は４０重量％）を７５ｇと、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ；carboxymethylcellulose）を３０ｇとを、適量の水とともにプラネタリーミキサーにおいて混練し、スラリー状の負極合剤を作製した。この負極合剤を、厚みが１０μｍであり幅が１５０ｍｍである銅箔上に塗布した。このとき、銅箔の幅方向における一端には、幅が５ｍｍである未塗工部（露出部）を形成した。その後、負極合剤を乾燥させ、銅箔の上に負極合剤層を形成した。そして、負極合剤層の厚みと銅箔の厚みの合計厚が１１０μｍとなるようにプレスした後、円筒形１８６５０サイズのリチウムイオン二次電池用の負極板Ａ２と、タブレス集電構造の電池用の負極板とを作成した。タブレス集電構造の電池用の極板を、極板の幅が１１０ｍｍであり合剤塗布部の幅が１０５ｍｍになるように切断し、タブレス集電構造の負極板Ｂ２を作製した。
【００９６】
（３）円筒型１８６５０サイズの密閉型電池の作製
正極板Ａ１と負極板Ａ２とを用いた以外は、実施例１で用いた円筒電池と同様の方法で公称容量２．４Ａｈの円筒型１８６５０サイズの密閉型電池Ａを作製した。
【００９７】
（４）タブレス集電構造の密閉型電池の作製
作製した正極と負極との間にポリエチレン製のセパレータを挟み、セパレータの端面から正極の露出部と負極の露出部とを互いに逆向きに突出させた。その後、正極、負極およびセパレータを捲回して円筒形とした。
【００９８】
続いて、露出部に補強部材を形成した。
【００９９】
具体的には、非水電解液の溶媒であるＥＣを５０℃に加熱して溶融させ、液状のＥＣを得た。液状のＥＣに、正極の露出部の端面から１０ｍｍの部分を浸漬した。その後、室温に自然放置し、液状のＥＣを固化させた。同様に、液状のＥＣに、負極の露出部の端面から１０ｍｍの部分を浸漬した。その後、室温に自然放置し、液状のＥＣを固化させた。これにより、正極の露出部および負極の露出部には、補強部材が設けられ、電極群を形成することができた。
【０１００】
その後、集電構造を形成した。
【０１０１】
具体的には、まずアルミニウム製の集電板を正極の露出部の端面に押し当て、縦横十文字にレーザーを照射した。これにより、アルミニウム製の集電板を正極の露出部の端面に接合することができた。
【０１０２】
また、ニッケル製の集電板の円形部を負極の露出部の端面に押し当て、縦横十文字にレーザーを照射した。これにより、ニッケル製の集電板を負極の露出部の端面に接合することができ、集電構造が形成された。
【０１０３】
形成された集電構造を、ニッケルめっきされた鉄製の円筒状のケースに挿入した。その後、ニッケル製の集電板のタブ部を折り曲げて、ケースの底部に抵抗溶接させた。また、アルミニウム製の集電板のタブ部を封口板にレーザー溶接させ、ケース内に非水電解液を注入した。このとき、非水電解液は、ＥＣとエチルメチルカーボネイト（ＥＭＣ；ethylmethyl carbonate）とを体積比が１：３である配合比で混合された混合溶媒に、溶質として六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を１ｍｏｌ／ｄｍ3の濃度で溶解させることにより、調製された。その後、封口板をケースにかしめて封止した。これにより、公称容量５Ａｈのタブレス集電構造の密閉型電池である直径３２ｍｍ、高さ１２０ｍｍのサイズの円筒形の密閉型リチウムイオン二次電池Ｂを作製した。
【０１０４】
（実施例５）
円筒型１８６５０サイズの密閉型電池Ａを用いて、図９〜１２に示すような電池搭載機器である市販のノート型ＰＣに搭載可能な電池パックを試作した。具体的には、筐体４６の内壁部分と、電池隔壁４５の両側に熱膨張材料（住友スリーエム株式会社のFire Barrier（モーダブルパテMPP-4S））を有する電池パック４０とした。
【０１０５】
（実施例６）
タブレス集電構造の密閉型電池Ｂを用いて、図１３〜１５に示すような電池搭載機器である電気自転車５２に搭載可能な電池パックを試作した。具体的には、筐体５７の内壁部分と、電池隔壁５６の両側に熱膨張材料（住友スリーエム株式会社のFire Barrier（モーダブルパテMPP-4S））を有する電池パック５１とした。
【０１０６】
（比較例３）
筐体の内壁部分及び、電池隔壁の両側に熱膨張材料を有しない電池パックを準備し、比較例３の電池パックとした。
【０１０７】
（比較例４）
筐体の内壁部分及び、電池隔壁の両側に熱膨張材料を有しない電池パックを準備し、比較例４の電池パックとした。
【０１０８】
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。
【０１０９】
（i）放電試験
完成した電池搭載機器を環境温度２０℃中において、１セルあたりの充電時の最大電流を０．７Ｉｔ（１Ｉｔは、電池容量が５Ａｈのとき５Ａとなる）、充電終了電流を０．０５Ｉｔとして全ての電池が４．２Ｖとなるよう充電を行った。さらに、１セルあたり電流５Ｉｔ、終止電圧２．５Ｖで放電を行った。また同時に、放電による熱影響を判断するために、電池の表面温度を測定した。
【０１１０】
（ii）過充電試験
完成した電池搭載機器を環境温度２０℃中において、１セルあたりの充電時の最大電流を０．７Ｉｔ（１Ｉｔは、電池容量が５Ａｈのとき５Ａとなる）、充電終了電流を０．０５Ｉｔとして全ての電池が４．２Ｖとなるよう充電を行った。さらに、電池パック内の電池のうちの１セルのみについて、４．２Ｖの充電の充電が通常であるところ、パックの過充電保護回路とセルの電流遮断（ＣＩＤ）をバイパスすることにより最大電流を３Ｉｔで１０Ｖまで定電流定電圧の充電を行う過充電試験を行った。これにより電池パック内の１セルのみを強制的に２００℃以上の高熱状態とし、パック内にある他のセルへの影響を確認する評価を行った。
【０１１１】
放電試験においては、実施例５と比較例３、実施例６と比較例４では、実施例の方が電池温度が平均して２〜３℃高くなる以外は、大きな熱影響は観測されなかった。これより、比較例とほぼ同等の放熱を行うことができていることが確認できた。
【０１１２】
また、過充電試験においては、比較例３及び４では、隣接セルが連鎖的に２００℃以上の高温状態となることが確認され、その後、電池パックの筐体及び電池搭載機器に着火が確認された。これは、過充電セルからの高熱が隣接セルおよび電池パックの筐体及び電池搭載機器への類焼を引き起こしたためである。これに対し、実施例５及び６では、過充電セルのみが高温状態となった以外は、隣接セルおよび電池パックの筐体への類焼も観測されなかった。
【０１１３】
過充電を実施したセル以外への類焼を抑制できたのは、異常な高温時のみにおいて発揮される熱膨張材料による断熱効果によるものである。
【０１１４】
今回、電池パックのみの類焼確認試験を行ったが、実際に機器本体へ搭載した場合においても電池およびパック筐体の類焼が抑制されるため、機器本体の損傷も最小限に抑制される。
【０１１５】
このように、電池パック内部に熱膨張材料を用いることにより、通常使用時においては良好な廃熱効果を持ち、電池の異常発生時のみにおいて断熱性を発揮し隣接セルや電池パックの筐体及び電池搭載機器への類焼を起こさない安全な電池搭載機器を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明に係る電池パックは、通常使用時の特性を劣化させることなく、電池パック内の電池に異常が発生し電池が高温状態になったときでも高い安全性を示すので、電子機器等の電源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る電池パックの構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す電池パックのII−II線断面図である。
【図３】実施の形態の説明に用いた電池パックの構成の変形例を示す図である。
【図４】実施の形態の説明に用いた電池パックの構成の第２の変形例を示す図である。
【図５】実施の形態の説明に用いた電池パックの構成の第３の変形例を示す図である。
【図６】図１に示す電池の構成の一例を示す概略断面図である。
【図７】図１に示す組電池の概略構成を示す説明図である。
【図８】釘刺し試験の温度測定位置を示す図である。
【図９】電池パックを搭載したノート型パソコンの全体構成を示す斜視図である。
【図１０】図９の電池パックの分解斜視図である。
【図１１】図１１は、図９のXI−XI線断面図である。
【図１２】図１２は、図１１のXII−XII線断面図である。
【図１３】電池パックを搭載した電気自転車の全体構成を示す側面図である。
【図１４】図１３の電池パックの分解斜視図である。
【図１５】図１４のXV−XV線断面図である。
【図１６】電池パックを搭載したハイブリッド式自動車の全体構成を示す側面図である。
【図１７】図１６の電池パックの分解斜視図である。
【図１８】図１７のXVIII−XVIII線断面図である。
【符号の説明】
【０１１８】
１、４０、５１、６１    電池パック
２、４６、５７、６８    筐体
３    電池
４    熱膨張材料
２１、４９、５９、６９    電池収納部
２２、５０、６０、７０    電池パック蓋
４１    ノート型パソコン
４５、５６、６７    電池隔壁
５２    電気自転車
６２    ハイブリッド式自動車
【図１】
2009021223.tif 000004
【図２】
2009021223.tif 000005
【図３】
2009021223.tif 000006
【図４】
2009021223.tif 000007
【図５】
2009021223.tif 000008
【図６】
2009021223.tif 000009
【図７】
2009021223.tif 000010
【図８】
2009021223.tif 000011
【図９】
2009021223.tif 000012
【図１０】
2009021223.tif 000013
【図１１】
2009021223.tif 000014
【図１２】
2009021223.tif 000015
【図１３】
2009021223.tif 000016
【図１４】
2009021223.tif 000017
【図１５】
2009021223.tif 000018
【図１６】
2009021223.tif 000019
【図１７】
2009021223.tif 000020
【図１８】
2009021223.tif 000021