JP4842282B2 - 安定性を改善した電池パック - Google Patents

Description

本発明は、安定性を改善した電池パックに関し、更に詳細には、電極アッセンブリと、内部に密封状態で収容された電解質とを含む矩形の電池がパックケースに受け入れられており、パックケースの上端の内面と電池の上端との間に形成された空間が絶縁材で充填してある電池パックに関する。これによって、この電池パックは、薄型に製造され、電池パックの組み立てプロセスは非常に簡単であり、電池が動いたときに起こることのある電池パックの短絡や電池パックからの電力供給の中断を、電池パックを落としたり電池パックに衝撃が外部から加わったりした場合でも、効果的になくす。

ますます多くのモバイルデバイスが開発され、このようなモバイルデバイスの要求が増大するにつれ、モバイルデバイスのエネルギ源として二次電池の要求が急速に増大している。二次電池の一つは、エネルギ密度が高く、放電電圧が高いリチウム二次電池である。これには多くの研究がなされてきており、現在、商業的に及び広範に使用されている。

リチウム二次電池は、その外部形状に基づいて、一般的に、円筒形電池、矩形電池、又はポーチ状電池にクラス分けされる。リチウム二次電池は、その電解質に基づいて、リチウムイオン電池又はリチウムイオンポリマー電池にクラス分けされる。

モバイルデバイスが小型化されるに従って、比較的薄型の矩形電池及びポーチ状電池に対する要求が増大している。従来のポーチ状電池を図１及び図２に示す。図１は、従来のポーチ状電池の分解斜視図である。図２は、従来のポーチ状電池の組み立てた状態の斜視図である。

図１及び図２を参照すると、ポーチ状電池１０は、所定の大きさの内部空間２１を形成するポーチ状ケース２０と、このポーチ状ケース２０にヒンジ連結されたカバー３０と、カソードプレート４１、アノードプレート４２、及びセパレータ４３を含み、ポーチ状ケース２０の受け入れ部分２１に配置される電極アッセンブリ４０と、この電極アッセンブリ４０のカソードプレート４１及びアノードプレート４２の夫々の端部から延びる電極タップ４１ａ及び４２ａと、これらの電極タップ４１ａ及び４２ａの夫々に接続された電極端子５０及び５１とを含む。

ポーチ状ケース２０の受け入れ部分２１の上縁部には、熱溶着用の所定の幅を持つ側方延長部分２２が形成されている。電極タップ４１ａ及び４２ａに連結された電極端子５０及び５１の中央には、熱溶着機（図示せず）によってポーチ状ケース２０の側方延長部分２２とカバー３０の側部分とを互いに取り付けたとき、電極端子５０及び５１の間で短絡が起こらないようにするため、絶縁体でできた端子テープ５２が付けてある。

上述の構造を持つ従来のポーチ状電池の製造方法を以下に説明する。

先ず最初に、カソードプレート４１、アノードプレート４２、及びセパレータ４３を含む電極アッセンブリ４０をポーチ状ケース２０の受け入れ部分２１内に配置した後、所定量の電解質をポーチ状ケース２０の内部空間に注入する。このとき、電極アッセンブリ４０の電極タップ４１ａ及び４２ａを、中央に端子テープ５２が付けてある対応する電極端子５０及び５１に接続する。電極端子５０及び５１、及び端子テープ５２はポーチ状ケース２０及びカバー３０から部分的に突出する。

次いで、カバー３０をポーチ状ケース２０とぴったりと接触させ、電解質がポーチ状ケース２０から漏出しないように、ポーチ状ケース２０の側方延長部分２２とカバー３０の側部分３１とを熱溶着機（図示せず）によって密封状態で互いに取り付ける。

上文中に説明したポーチ状電池が内部に取り付けられた電池パックの代表的な形状を図３に示す。図４は、電池パックの組み立て前の電池パックの分解斜視図である。

図３及び図４を参照すると、電池パック６０は、カソード、アノード、及びセパレータを含む電極アッセンブリと、内部に密封状態で収容された電解質とを含む矩形電池１０と、この電池１０を受け入れるための内部空間を持つケース本体７０と、電池１０を密封するため、電池１０が受け入れられるケース本体７０の上部分に取り付けられた上カバー８０とを備えている。ケース本体７０と電池１０との間、及び上カバー８０と電池１０との間には両面接着テープ９０が配置されている。

一般的には、上述の構造を持つ電池パック６０は、ポリカーボネート（ＰＣ）やポリアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）等のプラスチック材料で形成されたケース本体７０及び上カバー８０を超音波溶着法で取り付けることによって組み立てられる。超音波溶着法は、例えば２００００Ｈｚの高い振動数の振動が発生する摩擦熱を使用して二つの表面を取り付ける溶着法である。

しかしながら、電池パックの厚さを更に薄くするという要求が高まるにつれ、ケース本体７０及び上カバー８０の厚さは０．３ｍｍ乃至０．３５ｍｍまで薄くなった。その結果、ケース本体及び上カバーをダイキャスト及び射出成形によって製造するのは困難である。更に、溶着強度が低下し、及び従って、溶着の品質が低下する。

電池のケースとして缶を使用する場合、缶は、その厚さが小さくても、その構造上の特徴により、外部からの衝撃に関して適切な強度を提供できる。他方、図１に示すポーチ状電池１０は、外部からの衝撃に関する構造強度が低い。この理由により、電池パックへの厚さが小さいケースの適用が制限される。

更に、電池パックに衝撃が外部から加えられたとき、電池１０は、電池１０及びケース本体７０が両面接着テープ９０で互いに取り付けられており且つ電池１０及び上カバー８０が両面接着テープ９０で互いに取り付けられていても、ケース本体７０と上カバー８０との間に形成された内部空間内で上方及び下方に移動し、その結果、短絡や電力供給の中断が生じる。

この理由により、製造が容易で、外部からの衝撃に関して適切な強度を持ち、短絡や電池パックからの電力供給の中断に対する抵抗が高い電池パックが非常に必要とされている。

従って、本発明の目的は、上述の従来技術の問題点並びに従来から求められている技術上の問題点を実質的になくすことである。

特定的には、本発明の目的は、簡単な組み立てプロセスで製造でき、これによって電池パックの製造費を低減する電池パックを提供することである。

本発明の別の目的は、厚さが小さいケースを使用した場合でも耐衝撃性が高く、電池パックに衝撃が外部から加わった場合でも電池パックの構成要素間で短絡が起こらないようにでき、又は電池パックからの電力の供給の中断が起こらないようにできる電池パックを提供することである。

本発明の特徴によれば、以上の及び他の目的は、カソード、アノード、及びセパレータを含む電極アッセンブリと、内部に密封状態で収容された電解質とを含む矩形電池と、電池を受け入れるための内部空間を持つパックケースと、パックケースの上端の内面と電池の上端との間に形成された空間部を充填する絶縁体とを含む、電池パックを提供することによって達成できる。

本発明による電池パックでは、超音波溶着機を使用せずに電池をパックケース内に固定的に配置でき、及び従って、ケースの大きさ及び構造は特に制限されない。更に、ケースの内部空間で電池が動かないように拘束され、及び従って、衝撃が外部から加わることによる電池パックの短絡や電池パックからの電力供給の中断が効果的に阻止される。

パックケースは、パックケースが電池を受け入れるための内部空間を有する場合、パックケースが電池の側面を取り囲む限り、特に制限されない。パックケースは、電池の側面だけを取り囲むフレーム状部材であってもよいし、電池の側面及び下面を取り囲む箱状部材であってもよい。好ましくは、パックケースは、その下部分が閉鎖された箱状部材である。パックケースは、フレーム状部材であろうと箱状部材であろうと、少なくともその上部分が開放しているため、電池は、パックケースの開放した上部分を通してパックケースの内部空間内に配置される。

パックケースの材料は、電池がパックケースによって保護される限り、特に制限されない。例えば、パックケースは、ポリカーボネート（ＰＣ）やポリアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）等のプラスチック材料で形成されていてもよいし、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属材料で形成されていてもよい。

好ましくは、電池は、厚さが小さく軽量に製造できるポーチ状電池であるが、ポーチ状電池の機械的強度は低い。更に好ましくは、電池は、電解質が漏出する可能性が低いリチウムイオンポリマー電池である。ポーチ状電池をパックケースの内部空間に配置するとき、ポーチ状電池の上端に取り付けられた、又はポーチ状電池の上端に連結された電極端子、保護回路モジュール（ＰＣＭ）、及び絶縁部材の構造により、パックケースの上端の内面とポーチ状電池の上端との間に空間部が形成される。電池の上端は比較的弱く、そのため、電池パックを落としたり電池パックに衝撃が外部から加わると、電池の上端が容易に変形し、及び従って、電池パックが故障する。例えば、電池パックを落としたり電池パックに衝撃が外部から加わったために電池がパックケースの内部空間の上端に向かって動くと、電池パックの構成要素間が電気的に接触することにより、短絡が生じる。他方、電池がパックケースの内部空間の下端に向かって動くと、電池の上端に配置された構成要素間の接続が壊れる。

本発明は、電池パックを落としたり電池パックに衝撃が外部から加わったときに衝撃吸収機能を果たし、電気接続部強化機能を果たすため、パックケースの上端の内面と電池の上端との間に形成された空間部を絶縁体で充填することを特徴とする。

好ましくは、絶縁体は熱で溶融され、空間部に充填され、次いで凝固される。例えば、絶縁体はプラスチック樹脂であってもよいが、絶縁体には特に制限はない。好ましくは、プラスチック樹脂は、融点がパックケースの上端の内面と電池の上端との間に配置された構成要素が変形しない温度範囲にある、熱可塑性樹脂である。しかしながら状況によっては、絶縁体には、空間部の充填後に化学反応又は物理的反応によって凝固する材料である限り、特に制限はない。化学反応には、熱、光（可視光、紫外線、等）又は触媒による材料の凝固が含まれ、物理的反応には、溶剤の気化による材料の凝固が含まれる。

場合によっては、絶縁体は、更に、電池の外面とパックケースの内面との間に形成された他の空間部を充填してもよい。

本発明の好ましい実施例では、電池パックの外面にパッキングラベルを貼付してもよい。パッキングラベルは、様々な形状で形成されていてもよく、例えば、フィルム状、開放した上端及び下端を持つ薄壁チューブ状、又は開放した上端を持つ薄壁の箱状に形成されていてもよい。

本発明の以上の及び他の目的、特徴、及び他の利点は、以下の詳細な説明を添付図面と関連して読むことにより、更に明瞭に理解されるであろう。

次に、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲は、例示の実施例によって限定されない。

先ず最初に、本発明の好ましい実施例による電池パックで使用できる例示のポーチ状電池の製造プロセスを、図５乃至図９を参照して説明する。

図５を参照すると、電極アッセンブリ及び電解質を電池パックに入れた状態で、熱溶着によって互いに取り付けられた、ケースのシールされた外縁部１２０及び１３０が上方に曲げられている。上述したように曲げられた、シールされた上側の外縁部１２０に第１絶縁部材２００を取り付け、カソード端子１４０及びアノード端子１５０を、これらの端子が第１絶縁部材２００上に配置されるように下方に曲げる。第１絶縁部材２００は、電極端子１４０及び１５０と、電池のケース本体との間の電気絶縁を安定的に維持するのに役立つ。

図６及び図７を参照すると、例えばニッケルプレート製の電極リード３００及び３１０をカソード端子１４０及びアノード端子１５０の夫々に連結する。好ましくは、電極端子１４０及び１５０と電極リード３００及び３１０との間の連結は、スポット溶接によって行われる。電極リード３００及び３１０は、電極端子１４０及び１５０に連結された部分とは反対側の接触端３０１及び３１１を上方に曲げた構造を有する。

図８を参照すると、第２絶縁部材２１０が、接触端３０１及び３１１を除く電極リード３００及び３１０の残りの部分を覆うように取り付けられている。第２絶縁部材２１０は、接触端３０１及び３１１を除く電極リード３００及び３１０の残りの部分が、保護回路モジュール（ＰＣＭ）（図示せず）に電気的に接続されないようにするのに役立つ。

図９を参照すると、保護回路モジュール（ＰＣＭ）４００が取り付けられており、次いで、電極リード（図示せず）と保護回路モジュール（ＰＣＭ）４００との間を電気的に接続する。保護回路モジュール（ＰＣＭ）４００は、電池を過充電、過放電、及び過電流から保護するための保護回路である。保護回路モジュール（ＰＣＭ）４００は、更に、外部装置（図示せず）に電気的に接続するための外部入出力端子４１０と、電池が水没したかどうかを確認するための試験点４２０とを備えている。保護回路モジュール（ＰＣＭ）４００と電気リード（図示せず）との間の連結は、例えばスポット溶接、レーザー溶接、又ははんだ付け等の様々な方法で行うことができる。

上文中に説明したように製造されたポーチ状電池は、電池１００の上端と保護回路モジュール（ＰＣＭ）４００との間に大きな空間部がある。その結果、ポーチ状電池は、落としたり外部から衝撃が加わったりした場合に比較的弱い。

図１０は、本発明の好ましい実施例に従って電池をパックケースの内部空間に取り付けることによって電池パック５００を製造するプロセスを概略的に示す分解斜視図である。

パックケース６００は矩形の部材であり、電池１００の外面と対応する形状の内部空間Ｓを備えている。パックケース６００は、その上部分が開放している。パックケース６００は、電池の側面を取り囲むフレーム６１０、６２０、及び６３０と、これらのフレーム６１０、６２０、及び６３０と一体成形されたプレート６４０とを含む。上フレーム６２０にはウィンドウ６２１が形成されており、これらのウィンドウを通して、保護回路モジュール（ＰＣＭ）４００の外部入出力端子４１０が露呈される。更に、上フレーム６２０には穴６２２が形成されており、これらの穴を通して試験点４２０が露呈される。電池１００は、パックケース６００の開放した上部分を通して、フレーム６１０、６２０、及び６３０と、下プレート６４０とによって形成されたパックケース６００の内部空間Ｓに配置される。

図１１は、図１０のプロセスによってパックケースに配置した電池の概略斜視図である。

図１１を参照すると、パックケース６００の上端の内面、特定的にはパックケースの上フレーム６２０の内面と、電池１００の上端、特定的には電池１００のケース本体の上端との間に空間部が残っていることがわかる。即ち、電極リード、絶縁部材、及び保護回路モジュール（ＰＣＭ）が配置された、パックケース６００の上端の内面と電池１００の上端との間の領域に複数の空間部が残っている。このような空間部は、電気リードと保護回路モジュール（ＰＣＭ）との間を電気的に接続し、絶縁部材を取り付けるときに不可避に形成される。電池パックは、空間部が存在するため、電池パックを落としたり電池パックに衝撃が外部から加わった場合、一般的に弱い。

図１２は、図１１に示す空間部を充填した絶縁体を概略に示す。上文中に説明したように、絶縁体７００の充填は、様々な種類の絶縁体を、対応する領域の空間に注入し、絶縁体を凝固することによって行われる。パックケース６００の上端の内面と、電池１００の上端との間に充填した絶縁体７００は、電池パックを落としたり電池パックに衝撃が外部から加わった場合に生じる問題点を効果的になくし、電気リードと保護回路モジュール（ＰＣＭ）との間の電気的接続及び絶縁体の取り付け状態を安定的に維持する。場合によっては、上文中に言及した空間部に加え、更に、パックケース６００と電池１００との間の空間部を絶縁体７００で充填してもよい。充填されるべき空間部には、例えば、電池１００をパックケース６００に配置した後の、パックケース６００の側フレーム６１０及び／又は下フレーム６３０と、電池１００の側面及び電池１００の上端との間の空間部が含まれる。これらの特定の空間部を絶縁体７００で部分的に充填してもよいし、完全に充填してもよい。空間部を絶縁体７００で充填することにより、電池１００がパックケース６００に更に安定して固定される。

図１３は、図１２に示す電池パックの外面に貼付したパッキングラベルを概略的に示す斜視図である。

図１３を参照すると、上フレーム６２０及び下フレーム６３０を除く全てのフレームと、電池（図示せず）と、絶縁体（図示せず）とを完全にシールするように、パッキングラベル８００が電池パックの外面に貼付してある。パッキングラベル８００は、電池がパックケース６００に安定的に固定されていることを保証し、電池及び絶縁体を外部から保護するのに役立つ。しかしながらパッキングラベル８００の貼付可能範囲は、特に限定されない。

図１４は、本発明の別の好ましい実施例による、フレーム部材と電池との間の連結態様を示す斜視図である。

図１４に示す連結態様は、開放した上部分及び下部分を持つパックケース６０１を使用し、パックケース６０１の側フレーム６１１を、電池本体１４１と、電池本体１４１に向かって曲げられた、電池のシールした外縁部１２１（電池のケース本体の側方延長部分と、ケースカバーの側部分とを熱溶着によって互いに取り付けた領域）の曲げた部分との間に固定的に挿入したことを特徴とする。特定的には、パックケース６０１は、側フレーム６１１の他に上フレーム６２１及び下フレーム６３１しか備えておらず、その結果、パックケース６０１は、その上下の部分が開放した構造を有する。その結果、電池本体１４１と、この電池本体１４１に向かって曲げたシールした外縁部１２１との間に形成された空間内に、側フレーム６１１を固定的に挿入できる。この詳細は、本出願人の名前で出願したＰＣＴ国際特許出願（ＰＣＴ／ＫＲ２００４／００２４６２）に開示されている。同特許出願に触れたことにより、この特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。

他方、上フレーム６２１は、図１１におけるように電池１０１の上端に取り付けられた保護回路モジュール（ＰＣＭ）４０１を取り囲んでおり、下フレーム６３１は、電池１０１の下端を取り囲んでいる。従って、パックケース６０１と電池１０１とを互いに図１１におけるように連結したとき、パックケース６００の上端の内面と電池の上端との間に空間部が残る。この空間部を、図１２におけるように、絶縁体で充填する。更に、図１３におけるように、製造した電池パック５０１の外面にパッキングラベルを貼付してもよい。

本発明の好ましい実施例を例示の目的で開示したが、特許請求の範囲に開示した本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、様々な変更、追加、代替が可能であるということは当業者には理解されよう。例えば、パックケースと電池との間を容易に連結するため、パックケースのフレームに溝を設け、この溝に電池のシールされた外縁部を固定的に挿入してもよい。更に、パックケースの上フレーム、又はパックケースの上フレームと隣接したパックケースの下プレートに内部構造（例えば、保護回路モジュールの外周面の形状と対応する溝）を設け、電池の上端に取り付けられた保護回路モジュール（ＰＣＭ）をこの内部構造に安定的に連結してもよい。従って、本発明の範疇の全ての変更、追加、代替を含もうとするものである。

以上の説明から明らかなように、超音波溶着法を使用せずに、本発明による薄型の電池パックを製造できる。従って、高価な精密超音波溶着機を使用する必要がなく、パックパックの組み立てプロセスが非常に簡単である。更に、パックケースの上端の内面と電池の上端との間に形成された空間部を絶縁体で充填し、次いで絶縁体を凝固させる。従って、電池パックを落としたり、電池パックに衝撃が外部から加わった場合でも、電池が動くことによって起こる電池パックの短絡や電池パックからの電力供給の中断を効果的になくす。

図１は、従来のポーチ状電池を示す分解斜視図である。 図２は、図１に示すポーチ状電池の組み立てた状態の斜視図である。 図３は、ポーチ状電池が取り付けられた従来の電池パックを示す斜視図である。 図４は、図３に示す電池パックの斜視図である。 図５は、好ましくは、本発明の好ましい実施例による電池パックで使用できる、例示のポーチ状電池の製造プロセスを概略に示す斜視図である。 図６は、好ましくは、本発明の好ましい実施例による電池パックで使用できる、例示のポーチ状電池の製造プロセスを概略に示す斜視図である。 図７は、好ましくは、本発明の好ましい実施例による電池パックで使用できる、例示のポーチ状電池の製造プロセスを概略に示す斜視図である。 図８は、好ましくは、本発明の好ましい実施例による電池パックで使用できる、例示のポーチ状電池の製造プロセスを概略に示す斜視図である。 図９は、好ましくは、本発明の好ましい実施例による電池パックで使用できる、例示のポーチ状電池の製造プロセスを概略に示す斜視図である。 図１０は、図９に示す電池を使用する、本発明の好ましい実施例による電池パックの製造プロセスを概略に示す斜視図である。 図１１は、図９に示す電池を使用する、本発明の好ましい実施例による電池パックの製造プロセスを概略に示す斜視図である。 図１２は、図９に示す電池を使用する、本発明の好ましい実施例による電池パックの製造プロセスを概略に示す斜視図である。 図１３は、図９に示す電池を使用する、本発明の好ましい実施例による電池パックの製造プロセスを概略に示す斜視図である。 図１４は、本発明の別の好ましい実施例による、ポーチ状電池とパックケースとの間の連結態様を示す斜視図である。

符号の説明

１００ ポーチ状電池
２００ 絶縁部材
３００ 電極端子
４００ ＰＣＭ
５００ 電池パック
６００ パックケース
７００ 絶縁体
８００ パッキングラベル

Claims (11)

1. 電池パックであって、
   カソード、アノード、及びセパレータを含む電極アッセンブリと、内部に密封状態で収容された電解質とを備えてなる、矩形電池と、
   前記矩形電池がポーチ状電池であり、
   前記電池を受け入れるための内部空間を持つパックケースと、
   前記パックケースの上端の内面と前記電池の上端との間に形成された空間部を充填する絶縁体と、及び
   前記矩形電池の上端に向かって曲げられた保護回路モジュールとを備えてなり、
   前記保護回路モジュールの背面が前記矩形電池の上端に面している、電池パック。
2. 前記パックケースが、前記電池の側面だけを取り囲むフレーム状部材であるか、或いは、前記電池の前記側面及び下面を取り囲む箱状部材である、請求項１に記載の電池パック。
3. 前記箱状パックケースが、
   前記電池の前記側面を取り囲むフレームと、
   前記フレームと一体成形された下プレートとを備えてなる、請求項２に記載の電池パック。
4. 前記絶縁体が、熱で溶融され、前記空間部に充填され、その後凝固されている、請求項１に記載の電池パック。
5. 前記絶縁体が、プラスチック樹脂である、請求項４に記載の電池パック。
6. 前記プラスチック樹脂が、融点が前記パックケースの前記上端の前記内面と前記電池の前記上端との間に配置された構成要素が変形しない温度範囲にある熱可塑性樹脂である、請求項５に記載の電池パック。
7. 前記絶縁体が、前記空間部に充填された後に化学反応及び／又は物理的反応によって凝固された材料からなる、請求項１に記載の電池パック。
8. 前記絶縁体が、更に、前記電池の前記外面と前記パックケースの前記内面との間に形成された他の空間部を充填してなる、請求項１に記載の電池パック。
9. 前記電池パックの前記外面に貼付したパッキングラベルを更に備えてなる、請求項１に記載の電池パック。
10. 前記パックケースが、上部分が開放した箱状パックケースであり、
    前記電池が、前記パックケースの前記側フレームの内側に挿入され、前記電池のシールされた外縁部が電池本体に向かって曲げられてなる、請求項１に記載の電池パック。
11. 前記パックケースが、上部分及び下部分が完全に開放したフレーム状パックケースであり、
    前記フレーム状パックケースの側フレームが、電池本体と、前記電池本体に向かって曲げられた、前記電池のシールされた外縁部の曲げた部分との間に挿入されてなる、請求項１に記載の電池パック。

Images