JP2005174661A - 電源装置及び電池と基板との接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電池の小型化を図る。
【解決手段】 正極２３と負極２４との間にセパレータ２６を介して積層した電池素子２１を有し、正極２３及び負極２４のそれぞれからリード端子２７、２８が導出された電池２と、基板３１と、基板３１上に少なくとも１つ以上面実装される制御素子３２とを有し、電池２に対して電流を制御する制御基板３とを備え、正極２３及び２４負極からそれぞれ導出されているリード端子２７、２８の少なくとも一方が、１つの制御素子３２に直接接続されている
【選択図】図２

Description

本発明は、小型化が図られた電源装置及び電池と基板との接続方法に関する。

近年、カメラ一体型ビデオテープレコーダ、携帯電話、携帯用コンピュータ等のポータブル電子機器が数多く登場し、その小型、軽量化が図られている。この電子機器の小型、軽量化に伴って、これらのポータブル電源として用いられる電源装置に対しても、高エネルギーを有し、小型、軽量化されることが求められている。電源装置としては、例えば高容量なリチウムイオン二次電池に制御基板を設けたものがある（例えば、特許文献１を参照）。

電源装置には、リチウムイオン二次電池が過充電や過電流による加熱状態となった場合や過放電となった際に、リチウムイオン二次電池に流れる電流を制御する制御素子や制御回路等が設けられている。これにより、電源装置は、安全性や信頼性が維持されている。電源装置では、制御素子として例えばリチウムイオン二次電池に流れる電流を制御するＰＴＣ素子（Positive Temperature Coefficient）をリチウムイオン二次電池と回路基板との間に設ける。ＰＴＣ素子は、リチウムイオン二次電池の充放電電流やリチウムイオン二次電池からの熱により温度上昇した際に、インピーダンスが上がり、リチウムイオン二次電池に流れる電流をしぼる。このようにＰＴＣ素子は、リチウムイオン二次電池が過充電や過電流、過放電になることを阻止する役割をもっており、リチウムイオン二次電池が過剰な発熱状態とならないようにしている。

電源装置では、ＰＴＣ素子をリチウムイオン二次電池と制御基板との間に設ける場合、ＰＴＣ素子とリチウムイオン二次電池の正極又は負極から導出するリード端子との間、及びＰＴＣ素子と回路基板との間をタブで接続している。すなわち、電源装置では、電池と回路基板との間にタブを介してＰＴＣ素子が設けられ、ＰＴＣ素子はリチウムイオン二次電池及び回路基板と電気的に接続されている。このような電源装置では、例えば外筐ケース等に収納されてパックを形成する際、ＰＴＣ素子とリチウムイオン二次電池及び回路基板とを接続しているタブを収納するスペースが外筐ケースに必要となり、パックを大型化させてしまう。また、電源装置では、製造工程において、タブとＰＴＣ素子及びリチウムイオン二次電池のリード端子とをそれぞれスポット溶接したり、タブと制御基板とをはんだ付けするなど、各タブに対してそれぞれ接続作業を行わなければならないため、接続工程が多くなり、リチウムイオン二次電池と制御基板との接続が煩雑となってしまうおそれがある。また、電源装置では、タブで接続することによって、リチウムイオン二次電池と回路基板との間の接続箇所が多くなり、リチウムイオン二次電池と回路基板との電気的接続が不安定となる。さらに、電源装置では、タブを用いることによって、リチウムイオン二次電池と回路基板との接続が間接的となるため、リチウムイオン二次電池と回路基板との間の電気抵抗が大きくなり、電池特性が低下してしまう。したがって、このような電源装置では、リチウムイオン二次電池と回路基板との間の電気抵抗を小さくする必要がある。

特開２００２−８６０８号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、電池及び制御基板との接続を簡略化し、小型化且つ電池特性の向上が図られた電源装置及び電池と基板との接続方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成する本発明に係る電源装置は、正極と負極との間にセパレータを介して積層させた電池素子を有し、正極及び負極のそれぞれからリード端子が導出された電池と、基板と、基板上に少なくとも１つ以上面実装される制御素子とを有し、電池に対して電流を制御する制御基板とを備え、正極及び負極からそれぞれ導出されているリード端子の少なくとも一方が、１つの制御素子に直接接続されている。

上述した構成からなる電源装置では、基板に面実装された制御素子に電池のリード端子を直接接続することによって、電池と制御基板との間の接続が簡略化され、従来のような他の接続部材を必要とせず小型化が図られる。また、電源装置では、制御素子に電池のリード端子を直接接続することによって、電池と制御基板との間の接続箇所が少なくなるため、制御基板と電池の電気的接続が良好となり、電気抵抗が小さくなることから電池特性の低下を抑えることができる。

また、上述した目的を達成する本発明に係る電池と基板との接続方法は、電池は正極と負極との間にセパレータを介して積層した電池素子を有し、正極及び負極のそれぞれからリード端子が導出され、正極及び負極のそれぞれから導出されたリード端子の少なくとも一方を、基板上に少なくとも１つ以上面実装された制御素子に直接接続する。

上述した構成からなる電池と基板との接続方法では、電池のリード端子を基板上に面実装された制御素子に直接接続することによって、電池と基板との間の接続箇所を少なくすることができ、基板と電池との電気的接続を良好にし、電池特性の低下を抑えることができる。

本発明では、基板に面実装された制御素子に電池のリード端子を直接接続することによって、電池と制御基板との接続が簡略化されるため、小型化が図られている。また、本発明では、制御素子にリード端子を直接接続することによって、制御基板と電池との電気的接続が良くなり、且つ電源装置の歩留まりが向上する。

以下、本発明の実施の形態においては、本発明を適用した電源装置をパック状に形成した電池パック１について図面を参照して詳細に説明する。電池パック１は、図１及び図２に示すように、電子機器等に電力を供給する電池としてリチウムイオン二次電池２と、リチウムイオン二次電池２と電気的に接続されている制御基板３と、このリチウムイオン二次電池２と制御基板３とを収納する電池ケース４とを備える。

リチウムイオン二次電池２は、高容量を有し軽量であるため、携帯用の電源として用いられている。リチウムイオン二次電池２は、図３乃至図５に示すように、電池素子２１と、電池素子２１を収容する外装材２２とから構成されている。

電池素子２１は、正極２３と、負極２４と、正極２３の両面及び負極２４の両面に形成されるゲル電解質２５と、ゲル電解質２５が形成された正極２３とゲル電解質２５が形成された負極２４との間に介在させるセパレータ２６とからなる。電池素子２１は、正極２３のゲル電解質２５と負極２４のゲル電解質２５との間にセパレータ２６を介在させた状態で捲回されており、正極２３に正極リード２７が接続され、負極５に負極リード２８が接続され、これら正極リード２７と負極リード２８とが一方端面に突出した構造となっている。これにより、リチウムイオン二次電池２は、この電池素子２１の一端面から突出している正極リード２７と負極リード２８とを外装材２２の貼合せ面２２ａの間に挟み込んだ状態で、電池素子２１を外装材２２に封入させた構造となっている。

正極２３は、正極集電体２３ａの両主面上にリチウムイオンをドープ・脱ドープすることが可能な正極活物質層２３ｂが形成されてなる。

正極集電体２３ａには、材料は限定されないが、例えば網状や箔状の導電性金属等が用いられる。具体的に、正極集電体２３ａとなる導電性金属としては、例えばアルミニウム等が用いられる。正極集電体２３ａには、一端に正極リード２７が超音波溶接等の溶接方法で溶接される。

正極活物質層２３ｂは、この正極集電体２３ａの両主面上に、正極活物質と、必要に応じて正極活物質に結着剤や導電剤等を混合して正極合剤を塗布し、乾燥させることで形成される。

正極活物質としては、電池容量を比較的大きくすることができる、例えばＬｉ_ｘＭＯ_２（式中、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｖ、Ｔｉ等のうち、何れか１種以上の遷移金属を表し、０．５≦ｘ≦１．１０である。）を主体とするリチウム複合酸化物等が用いることができる。また、このリチウム複合酸化物を構成する遷移金属Ｍとしては、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ等を用いることが好ましく、このようなリチウム複合酸化物の具体例としては、Ｌｉ_ｘＣｏＯ_２、Ｌｉ_ｘＮｉＯ_２、Ｌｉ_ｘＮｉ_ｙＣｏ_１−ｙＯ_２（式中、０＜ｙ＜１である。）、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４等を挙げることができる。また、正極活物質としては、安価で結晶構造が安定している、例えばＬｉ_ｘＭ_ｙＰＯ_４（式中、Ｍは、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｂ、Ｎｂ、ＳｎＣａ、Ｓｒのうち１種以上を表し、０．５≦ｘ≦１．１であり、０．５≦ｙ≦１である。）を主体とする化合物等を用いることができ、その具体例としては、ＬｉＦｅＰＯ_４等を挙げることができる。さらに、正極活物質としては、例えばＴｉＳ_２、ＭｏＳ_２、ＮｂＳｅ_２、Ｖ_２Ｏ_５等の金属硫化物も用いることができる。

また、正極活物質としては、上述したリチウム複合酸化物等にオリビン構造を有する化合物を添加したものを用いてもよい。オリビン構造を有する化合物としては、例えば、一般式Ｌｉ_ＸＦｅ_１−ｙＭ_ｙＰＯ_４（ただし、ＭはＭｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｂ、Ｎｂの少なくとも１種以上を表し、０．０５≦ｘ≦１．２、０≦ｙ≦０．８である。）で表されるリチウム鉄リン酸化物を用いることができる。このようなリチウム鉄リン酸化物の具体例としては例えばＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＦｅ_０．２Ｍｎ_０．８ＰＯ_４、ＬｉＦｅ_０．２Ｃｒ_０．８ＰＯ_４、ＬｉＦｅ_０．２Ｃｏ_０．８ＰＯ_４、ＬｉＦｅ_０．２Ｃｕ_０．８ＰＯ_４、ＬｉＦｅ_０．２Ｎｉ_０．８ＰＯ_４、ＬｉＦｅ_０．２５Ｖ_０．７５ＰＯ_４、ＬｉＦｅ_０．２５Ｍｏ_０．７５ＰＯ_４、ＬｉＦｅ_０．２５Ｔｉ_０．７５ＰＯ_４、ＬｉＦｅ０．３Ｚｎ_０．７ＰＯ_４、ＬｉＦｅ_０．３Ａｌ_０．７ＰＯ_４、ＬｉＦｅ_０．３Ｇａ_０．７ＰＯ_４、ＬｉＦｅ_０．２５Ｍｇ_０．７５ＰＯ_４、ＬｉＦｅ_０．２５Ｂ_０．７５ＰＯ_４、ＬｉＦｅ_０．２５Ｎｂ_０．７５ＰＯ_４等を挙げることができる。なお、オリビン構造を有する化合物としては、上述したリチウム鉄リン酸化物の他に、ＬｉＣｏＰＯ_４、ＬｉＭｎＰＯ_４、ＬｉＣｕＰＯ_４等を用いてもよい。

これらのオリビン構造を有する化合物は、熱的安定性が高いため、リチウム複合酸化物に添加することによって、リチウムイオン二次電池２の過充電安全性や過放電耐久性を向上させることができる。また、リチウム複合酸化物等に添加するオリビン構造を有する化合物の割合は、正極活物質層２３ｂを形成する正極活物質全体に対して約１０％程である。

結着剤としては、一般的な非水電解質電池に用いられる正極合剤に用いられる、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリビニルピリジンやポリテトラフルオロエチレン等である。また、正極合剤には、例えば炭素質材料等を導電材として添加したり、他にも公知の添加剤等を添加するようにしてもよい。

また、正極２３には、例えばアルミニウム等が短冊状に形成されてなる正極リード２７が電気的に接続されている。この正極リード２７は、正極２３の長手方向の一端（例えば内周側の端部）に設けられた正極集電体２３ａの露出部分、すなわち正極リード２７の幅に合わせて正極活物質層２３ｂが形成されずに正極集電体２３ａが露出してなる部分に抵抗溶接や超音波溶接等により接合されている。また、正極リード２７は、一端が正極２３の幅方向から延長して設けられている。

負極２４は、負極集電体２４ａの両主面上にリチウムイオンをドープ・脱ドープすることが可能な負極活物質層２４ｂが形成されてなる。

負極集電体２４ａには、材料は限定されないが、例えば網状や箔状の導電性金属等が用いられる。具体的に、負極集電体２４ａとなる導電性金属としては、例えばニッケルや銅等が用いられる。負極集電体２４ａには、一端に負極リード２８が超音波溶接等の溶接方法で溶接される。

負極活物質層は、負極活物質と、必要に応じて負極活物質に結着剤や導電剤等を混合して形成される。

負極活物質は、例えば、充放電反応に伴いリチウム等のアルカリ金属をドープ・脱ドープする材料であれば、特に限定されるものではない。負極活物質としては、具体的にポリアセチレン、ポリピロール等の導電性ポリマー、熱分解炭素類、コークス類、カーボンブラック、ガラス状炭素、有機高分子材料焼成体、炭素繊維等の炭素材料を用いることができる。有機高分子化合物焼成体とは、フェノール樹脂、フラン樹脂等の有機高分子材料を、不活性ガス中、あるいは真空中において５００℃以上の適当な温度で焼成したものをいう。コークス類には、石油コークス、ピッチコークス等がある。カーボンブラックには、アセチレンブラック等がある。このような炭素材料は、単位体積あたりのエネルギー密度が大きいという特性から、負極活物質として大変有効である。また、負極活物質として、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属やそれらを含有する合金を用いてもよい。

また、結着剤としては、一般的な非水電解質電池の負極合剤に用いられる、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリビニルピリジンやポリテトラフルオロエチレン等を挙げることができる。

また、負極２４には、例えばニッケル等が短冊状に形成されてなる負極リード２８が電気的に接続されている。この負極リード２８は、負極２４の長手方向の一端（例えば外周側の端部）に設けられた負極集電体２４ａの露出部分、すなわち負極リード２８の幅に合わせて負極活物質層１６が形成されずに負極集電体２４ａが露出している部分に抵抗溶接や超音波溶接等により接合されている。また、負極リード２８は、一端が負極２４の幅方向から正極リード２７と同一方向に延長して設けられている。

ゲル電解質２５は、高分子材料と電解液と電解質塩とを混合してゲル状化した電解質である。高分子材料は、電解液に相溶する性質を有するものを用いる。このような高分子材料としては、例えばシリコンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポリフォスファゼン変性ポリマー、ポリエチレンオキサイド、及びこれらの複合ポリマーや架橋ポリマー、変性ポリマー等、若しくはフッ素系ポリマー等の高分子材料、及びこれらの混合物が各種使用される。

電解液としては、上述した高分子材料を分散可能とし、非プロトン性溶媒として例えばエチレンカーボネート（ＥＣ）やプロピレンカーボネート（ＰＣ）或いはブチレンカーボネート（ＢＣ）等が用いられる。

電解質塩としては、電解液に相溶する性質を有するものを用いる。このような電解質塩としては、例えばＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣＨ_３ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ等が挙げられ、これらのうちの何れか一種又は複数種を混合して用いる。特に、酸化還元電位が安定しているＬｉＰＦ_６やＬｉＢＦ_４を用いる。このような構成からなるゲル電解質２５は、上述した正極２３及び負極２４の両主面上に、高分子材料と電解質塩とを含有する電解液を塗布した後、固化することで形成される。

セパレータ１７は、上述した正極２３と負極２４とが短絡するのを防止するため、正極２３と負極２４とを離間させるものである。セパレータ１７としては、この種の非水電解質電池の絶縁性多孔質膜として通常用いられている公知の材料、例えばポリプロピレン、ポリエチレン等の高分子フィルムからなる。

上述した電池素子２１を封入する外装材２２は、樹脂フィルムと金属箔とが積層されて貼り合わされたラミネートフィルムからなる。このうち、樹脂フィルムとしては、正極リード２７及び負極リード２８に対する接着性を示し且つ気密性に優れた材料、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン及びこれらの共重合体、ポリオレフィン樹脂等の有機樹脂材料が用いられている。一方、金属箔には、例えばアルミニウム、ステンレス、ニッケル、鉄等が用いられている。

そして、この外装材２２は、電池素子２１を挟み込み電池素子２１の外形に沿って外縁部分が熱融着により貼り合わせて、電池素子２１を封止する。このとき、外装材２２は、樹脂フィルムを内面とすると共に、熱融着により貼り合わされる貼合せ面６ａ，６ｂ，６ｃのうち、貼合せ面６ａの間から、正極リード２７及び負極リード２８が外部へと引き出された状態とする。

貼り合わされる外装材２２の間には、外装材２２と正極リード２７及び負極リード２８との密着性をより向上させるために、正極リード２７及び負極リード２８と、外装材２２との接触部分に熱溶着により溶融される樹脂片２９を設ける。この樹脂片２９としては、正極リード２７及び負極リード２８に対する熱溶着性を有する材料、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂及びこれらの共重合体等を用いることができる。以上のようにして、図３に示すようなリチウムイオン二次電池２が構成される。

上述した電池と接続される制御基板３は、図２及び図６に示すように、リチウムイオン二次電池２の短辺とほぼ同じ長さを有し、略矩形状の板体からなる基板３１と、この基板３１の一方の面に設けられる制御素子のＰＴＣ素子３２とから構成され、リチウムイオン二次電池２に対する電流を制御する。

基板３１には、一方の面にＰＴＣ素子３２が設けられ、他方の面には外部の電源と接続される外部端子３３が設けられており、これらＰＴＣ素子３２や外部端子３３を電気的に接続するパターン配線３４やビアホール３５が形成されている。基板３１としては、フレキシブル基板やリジッド基板等を用いることができる。また、基板３１には、後述するＰＴＣ素子３２の他にリチウムイオン二次電池２を保護する保護回路が形成されている。

基板３１に設けられるＰＴＣ素子３２は、基板３１の一方の面に面実装されており、ポリエチレン等の結晶性樹脂と、カーボンブラック等の導電性粒子との混合物からなる樹脂層３６と、この樹脂層３６を挟むように形成された電極板３７ａ、３７ｂとから構成されている。ＰＴＣ素子３２は、樹脂層３６と基板３１との間に形成されている電極板３７ａを基板３１上に形成されているパターン配線３４上にはんだ付け等により接続し、パターン配線３４と電気的に接続されている。また、ＰＴＣ素子３２は、樹脂層３６上に形成された電極板３７ｂとリチウムイオン二次電池２の正極リード２７又は負極リード２８の一方とを接続することによって、リチウムイオン二次電池２と電気的に接続されている。

具体的に、ＰＴＣ素子３２とリチウムイオン二次電池２との電気的な接続は、電極板３７ｂの樹脂層３６と対向する面にリチウムイオン二次電池２のリード端子である正極リード２７及び負極リード２８の一方、例えば図６に示すように、負極リード２８の端部を接続する。負極リード２８とＰＴＣ素子３２との接続は、接続方法は特に限定されないが、例えばスポット溶接等の溶接方法やはんだ付け等の接続方法を用いて行う。

なお、電極板３７ａ、３７ｂと、リード端子とが異種金属の場合では、ＰＴＣ素子３２上又はＰＴＣ素子３２上のリード端子を接続する部分に、Ｎｉ等の導電性金属からなる接続層をはんだ等により形成し、この接続層上にリード端子を接続するようにしてもよい。このようにＰＴＣ素子３２上に接続層を設けることによって、ＰＴＣ素子３２と負極リード２８との接続信頼性が向上する。また、基板３１上に複数のＰＴＣ素子３２を形成するようにしてもよく、正極リード２７、負極リード２８を異なるＰＴＣ素子３２に直接接続するようにしてもよい。

また、ＰＴＣ素子３２は、リチウムイオン二次電池２に過剰な電流が流れたとき、外部ショート等でリチウムイオン二次電池２から大電流が流れでるとき、又はリチウムイオン二次電池２の温度が所定の温度よりも高くなったときにリチウムイオン二次電池２から流れる電流が小さくなるように制御する。これは、リチウムイオン二次電池２に過電流が流れたり、リチウムイオン二次電池２が過剰な発熱を起こした際に、樹脂層３６の導電粒子間の距離が広がり、ＰＴＣ素子３２の電気抵抗が上昇してリチウムイオン二次電池２に流れる電流が小さくなる。ＰＴＣ素子３２は、リチウムイオン二次電池２に流れる電流を小さくさせて、リチウムイオン二次電池２の温度が所定の温度まで低下すると、樹脂層３６の導電粒子間の距離が縮まり、電気抵抗が小さくなり、再びリチウムイオン二次電池２に電流が流れるようにする。

上述したように、ＰＴＣ素子３２に正極リード２７又は負極リード２８を直接接続することによって、ＰＴＣ素子３２と正極リード２７又は負極リード２８との間に従来用いていた中継用のタブを必要としないため、接続部分が簡略化され電池パック１の小型化及び軽量化が図られる。

また、ＰＴＣ素子３２に正極リード２７又は負極リード２８とを直接接続することによって、リチウムイオン二次電池２とＰＴＣ素子３２との間の電気抵抗が小さくなるため、電気伝導性及び熱伝導性が良好となり、ＰＴＣ素子３２のリチウムイオン二次電池２に対する制御が向上される。また、電池パック１を形成する際に、電池ケース４内でＰＴＣ素子３２をリチウムイオン二次電池２に接触させたり、リチウムイオン二次電池２の側面の近くに配置して、リチウムイオン二次電池２からの熱を伝わりやすくする必要がなくなる。これにより、電池ケース４内の制御基板３の位置を限定することなく電池ケース４内に制御基板３を収納できるため、制御基板３に設けられている外部端子３３を電池パック１の用途に合わせて電池ケース４から外部に露出させることができる。

また、制御基板３では、例えばリチウムイオン二次電池２の正極２３の正極活物質にリチウム複合酸化物等とオリビン構造を有する化合物とを添加したものを用いた場合、この正極２３によりリチウムイオン二次電池２の過充電安全性や過放電耐久性が向上することから、リチウムイオン二次電池２を過充電や過放電から保護する保護回路等を省くことができる。これにより、電池パック１では、電気抵抗を小さくすることができるため、リチウムイオン二次電池２のパックとしての負荷特性や低温特性が向上する。

電池ケース４は、プラスチックケースからなり、図２に示すように、略扁平箱状の上ケース４ａと、下ケース４ｂとを互いに突き合わすことで、内部にリチウムイオン二次電池２及び制御基板３を収納する収納空間を形成する。下ケース４ａの長手方向の端部には、制御基板３が固定される凹部４１が設けられており、制御基板３に設けられた外部端子３３を外部に臨ませるために開口された開口孔４２が略中央に設けられている。

上述した電池パック１では、ＰＴＣ素子３２にリチウムイオン二次電池２の正極リード２７又は負極リード２８を直接接続することによって、ＰＴＣ素子３２と正極リード２７又は負極リード２８との間に中継用のタブを用いる必要がないため、電池パック１全体の小型化、軽量化が図られている。

また、電池パック１では、ＰＴＣ素子３２に正極リード２７又は負極リード２８を直接接続することによって、リチウムイオン二次電池２と制御基板３との間の電気抵抗が小さくなるため、ＰＴＣ素子３２とリチウムイオン二次電池２の電気伝導性及び熱伝導性が良好となる。これにより、電池パック１では、ＰＴＣ素子３２をリチウムイオン二次電池２と接触させたり、リチウムイオン二次電池２の近くに配置することなく、ＰＴＣ素子３２のリチウムイオン二次電池２に対する制御が向上させることができる。したがって、電池パック１では、電池ケース４内の制御基板３の位置を限定することなく電池ケース４内に制御基板３を収納することができるため、制御基板３に設けられている外部端子３３を電池パック１の用途に合わせて電池ケース４から外部に露出させることができる。

更に、電池パック１では、リチウムイオン二次電池２の正極２３の正極活物質にオリビン構造を有する化合物が添加されたものを用いることによって、正極２３によりリチウムイオン二次電池２の過充電安全性や過放電耐久性が向上される。これにより、電池パック１では、制御基板３に設けられている保護回路を省くことができ、電気抵抗を小さくすることができるため、リチウムイオン二次電池２のパックとして負荷特性や低温特使得が向上する。

次に、上述した電池パック１の製造方法について説明する。先ず、正極集電体２３ａの両面に正極活物質層２３ｂを形成し、正極２３を作製する。具体的には、正極２３は、正極活物質と結着剤とを混合した正極合剤を、正極集電体２３ａとなる例えばアルミニウム箔等の金属箔の正極リード２７を接続する部分を除いた両面に均一に塗布し、乾燥することにより、正極集電体２３ａの両面に正極活物質層２３ｂが形成されて作製される。正極合剤の結着剤としては、公知の結着剤を用いることができるほか、正極合剤に公知の添加剤等を添加することができる。また、キャスト塗布、焼結等の手法を用いて正極活物質層２３ｂを形成することもできる。

次に、負極集電体２４ａの両面に負極活物質層２４ｂを形成し、負極２４を作製する。具体的に、負極２４は、負極活物質と結着剤とを混合した負極合剤を、負極集電体２４ａとなる例えば銅箔等の金属箔の負極リード２８を接続する部分を除いた両面に均一に塗布し、乾燥することにより、負極集電体２４ａ上に負極活物質層２４ｂが形成されて作製される。負極合剤の結着剤としては、公知の結着剤を用いることができるほか、負極合剤に公知の添加剤等を添加することができる。また、キャスト塗布、焼結等の手法を用いて負極活物質層２４ｂを形成することもできる。

ゲル電解質２５は、マトリックス高分子に非水電解液を可塑剤として加えてなるゲル状電解質や、高分子に電解質塩を溶かし込んだ高分子固体電解質からなり、これらは、上述した正極２３及び負極２４の両主面上に、高分子化合物と電解質塩とを含有する非水電解液を塗布した後に、ゲル化することで形成される。

次に、正極集電体２３ａの一端に正極リード２７を超音波溶接し、負極集電体２４ａの一端に負極リード２８を超音波溶接する。

次に、以上のように作製した正極２３と負極２４との間にセパレータ１７を介在させ、正極２３及び負極２４のそれぞれに形成されたゲル電解質２５を対向させて、正極リード２７及び負極リード２８が一端から導出されるように積層し、巻回して扁平状の電池素子２１を作製する。

次に、リチウムイオン二次電池２と制御基板３のＰＴＣ素子３２とを接続し、リチウムイオン二次電池２と制御基板３とを電気的に接続する。リチウムイオン二次電池２の正極リード２７又は負極リード２８のどちらか一方、例えば、図６に示すように負極リード２８をＰＴＣ素子３２にスポット溶接やレザー溶接、はんだ付け、超音波等の溶接方法によって、負極リード２８の端部をＰＴＣ素子３２上の電極板３６ｂに直接接続する。なお、ＰＴＣ素子３２上にＮｉタブをはんだ付けして設け、このＮｉタブ上にＰＴＣ素子３２を接続するようにしてもよい。また、正極活物質にリチウム複合酸化物とオリビン構造を有する化合物を用いた場合、基板３１にリチウムイオン二次電池２を制御する保護回路を設けなくてもよい。

次に、リチウムイオン二次電池２及び制御基板３を、電池ケース４の上ハーフ４ａと下ハーフ４ｂとの間に収納した後、これら上ハーフ４ａと下ハーフ４ｂとを接合し、制御基板３に実装されている外部端子３３を開口孔４２から外部へ臨ませ、図１に示すような電池パック１が構成される。

上述した電池パック１の製造方法では、リチウムイオン二次電池２と制御基板３とを接続する際に、ＰＴＣ素子３２に正極リード２７又は負極リード２８を直接接続することによって、ＰＴＣ素子３２と正極リード２７又は負極リード２８との間の接続が簡略化されるため、小型化及び軽量化が図られた電池パック１が得られる。

また、この電池パック１の製造方法では、ＰＴＣ素子３２に正極リード２７又は負極リード２８を直接接続することによって、リチウムイオン二次電池２と制御基板３との間の電気抵抗が小さくなりリチウムイオン二次電池２からＰＴＣ素子３２への電気伝導性や熱伝導性が良好となる。これにより、電池パック１の製造方法では、ＰＴＣ素子３２をリチウムイオン二次電池２と接触させたり、リチウムイオン二次電池２の近くに配置することなく、ＰＴＣ素子３２のリチウムイオン二次電池２に対する制御が向上させることができる。したがって、電池パック１の製造方法では、電池ケース４内の制御基板３の位置を限定することなく電池ケース４内に制御基板３を収納し、制御基板３に設けられている外部端子３３を電池パック１の用途に合わせて電池ケース４から外部に露出させることができる。

また、上述した電池パック１の製造方法では、正極２３の正極活物質にオリビン構造を有する化合物を添加することによって、電池パック１の過充電安全性や過放電耐久性が向上するため、制御基板３にリチウムイオン二次電池２を保護する保護回路を省くことができる。これにより、この電池パック１の製造方法では、電池パック１全体の電気抵抗が小さくすることができるため、保護回路を併用していたときよりもリチウムイオン二次電池２のパックとしての負荷特性や低温特性を向上させることができる
また、上述した電池パック１では、リチウムイオン二次電池２及び制御基板３を電池ケース４に収納して作製したが、このことに限定せず、例えば図７に示すような電池パック５０でもよい。なお、以下の電池パック５０の説明では、上述した電池パック１と同等の部位については、説明を省略すると共に図面において同じ符号を付すものとする。

電池パック５０は、図７及び図８に示すように、リチウムイオン二次電池５１と、このリチウムイオン二次電池５１及び制御基板３を囲む略矩形状のフレーム５２と、フレーム５２内で制御基板３を固定する固定部材５３と、フレーム５２からリチウムイオン二次電池５１が露出する領域を覆う外装材５４とから構成される。

リチウムイオン二次電池５１は、リチウムイオンをドープ・脱ドープすることが可能な電池素子２１と、この電池素子２１を覆う第１の包装体６１と、電池パック５０の外装材を兼ねた第２の包装体６２とを有している。

電池素子２１を収納する第１の包装体６１は、図９に示すように、略矩形状からなり、電池素子２１が収納される収納凹部６３が予め形成されている。そして、収納凹部６３の周囲には、後述する第２の包装体６２と接合される接合片６４が設けられている。また、第１の包装体６１には、両短辺の接合片６４の両端に、切欠部６５が形成されている。

この第１の包装体６１は、内側から順にポリプロピレン（ＰＰ）層、アルミニウム（Ａｌ）層、ナイロン層（Ｎｙ）がこの順に積層された積層構造を有する。ここで、アルミニウム層は、内部への水分の浸入を防止する。ポリプロピレン層は、固体電解質１６の変質を防ぐとともに、第１の包装体６１を第２の包装体６２と接合する際や、フレーム５２に接合する際の接合面となる。すなわち、第２の包装体６２との接合やフレーム５２との接合の際には、このポリプロピレン層を第２の包装体６２のポリプロピレン層やフレーム５２に対向させて約１７０℃で熱融着することにより接合を行う。ナイロン層は、第１の包装体６１に一定の強度を与える。なお、第１の包装体６１の構成は、これに限定されるものではなく、各種材料及び積層構造を有するラミネートフィルム等を用いることができる。第１の包装体６１の構成材料としては、例えば、アルミニウム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、無軸延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）、酸変性ポリプロピレン、アイオノマー、ＯＮ等が挙げられる。また、その接合方法も熱溶着に限定されるものではない。

第２の包装体６２は、図９に示すように、略矩形状に形成され、第１の包装体６１の収納凹部６３に収納された電池素子２１の外部に露出している面を覆う被覆部６７と、第１の包装体６１の接合片６４と接合される接合部６８とを有する。

被覆部６７は、電池素子２１の外部に露出している面とほぼ同面積を有する。接合部６８は、第１の包装体６１の接合片６４よりも、長辺方向及び短辺方向に大きく形成されている。この接合部６８の第１の包装体６１の接合片６４よりも大きく形成された部分が、フレーム５２の側壁部５２ｃと接合される際の糊代部６８ａとなる。この糊代部６８ａは、ポリプロピレン層が第１の包装体６１側に露出している。また、第２の包装体６２には、第１の包装体６１と同様に一方の短辺の両端に切欠部６９が設けられている。

このような構成の第２の包装体６２は、第１の包装体６１と接合されることによって、電池素子２１の露出している面を覆うと共に、電池パック５０の一方の主面を形成する。また、第２の包装体６２の接合部６８と、第１の包装体６１の接合片６４との結合部分は、フレーム５２の側壁部５２ｃと第２の包装体６２の糊代部６８ａとが接合されることによって、電池パック５０の３つの側面を形成する。

貼り合わされる第１の包装体６１と第２の包装体６２との間には、電池素子２１の一端から導出している正極リード２７及び負極リード２８が介在される。このため、第１の包装体６１と第２の包装体６２との間には、正極リード２７及び負極リード２８との密着性を向上させるために、正極リード２７及び負極リード２８と、第１の包装体６１及び第２の包装体６２との接触部分に熱融着により溶融される樹脂片３６を設ける。

上述した第２の包装体６２は、樹脂層と、金属層とからなり、内側から順にポリプロピレン（ＰＰ）層、アルミニウム層（Ａｌ）、ナイロン（Ｎｙ）層がこの順に積層された積層構造からなるラミネートフィルムである。ポリプロピレン層は、フレーム５２の側壁部５２ｃと接合する際の接合面となる。アルミニウム層は、電池パック５０の気密性を維持する。ナイロン層は、突き刺し等の外部からの衝撃に耐える強度を有し、且つ電池パック５０の外部とアルミニウム層との絶縁を維持している。

上述した構成からなるリチウムイオン二次電池５１は、上述した電池パック１と同様に、正極リード２７又は負極リード２８の一方を制御基板３に設けられているＰＴＣ素子３２に直接接続し、他方を配線パターン４４に接続することによって、制御基板３と電気的に接続されている。

リチウムイオン二次電池５１及び制御基板３を収納するフレーム５２は、図８及び図１０に示すように、電池素子２１の外形形状にあわせた大きさの枠型部材であり、電池素子２１のリード端子が導出される側に配される前壁部５２ａと、電池素子２１のリード端子とは反対側の短辺に配される後壁部５２ｂと、電池素子２１の側面に配される側壁部５２ｃと、上壁部５２ｄとから構成される。前壁部５２ａには、制御基板３をフレーム５２の内部に固定した際に、制御基板３に設けられている外部端子３３を外部に露出させるための開口孔７０と、後述する固定部材５３を係止させる係合凹部７１と、外側の上部両端には内部に配設される制御基板３の大きさに合わせるための凹部７２が設けられている。

また、フレーム５２の後壁部５２ｂ及び側壁部５２ｃの下端側には、図１０及び図１１に示すように、第１の包装体６１の接合片６４の端部が係合される第１の段差部７４が設けられ、さらに、この第１の段差部７４より上側に第２の包装体６２の接合部６８の端部が係合されている第２の段差部７５が設けられている。また、フレーム５２の上壁部５２ｄの全周に亘って、外装材５４の端部が係合される第３の段差部７６が設けられている。

第１の段差部７４は、具体的に、フレーム５２の内側に向かって幅を有し、下側に向かって切欠くように形成され、この切欠きの幅は係合される第１の包装体６１の厚さと略同一の幅である。第２の段差部７５は、第１の段差部７４に連続するように切り欠かれて形成され、この切欠きは係合される第２の包装体６２の厚さと略同一の幅をもって、フレーム５２の内側に向かって切り欠かれている。第３の段差部７６は、上壁部５２ｄの全周が上端に開放するように、段差が設けられている。

第１の段差部７４及び第２の段差部７５は、第１の段差部７４に第１の包装体６１の接合片６４の端部が係合され、第１の段差部７４より上側の第２の段差部７５により第２の包装体６２の接合部６８の端部が係合される。これにより、第１の包装体６１の接合片６４の端部と、第２の包装体６２の接合部６８の端部とは、側壁部５２ｃ上において位置がずらされるようになり、各々の端部を構成する導電性の金属層同士が接触し、ショートすることが防止されている。

また、第３の段差部７６によって、外装材５４の端部と、第２の段差部７５に係合される第２の包装体６２の接合部６８とが離間されることから、外装材５４と、第２の包装体６２との間のショートが防止される。

また、第１の段差部７４から第３の段差部７６をフレーム５２に設けることによって、第１の包装体６１の端部及び第２の包装体６２の端部が外部に露出しないようになるため、これらの包装体の端部によって、電池パック５０が外部に傷害等を与えることが防止される。

また、フレーム５２をリチウムイオン二次電池５１及び制御基板３の周囲に配することで、例えば落下等の衝撃から、リチウムイオン二次電池５１及び制御基板３を保護することができる。このフレーム５２は、各種プラスチック材料から構成することができる。特に、包装体との接合を考えると、第１の包装体６１や第２の包装体６２、及び後述する外装材５４に用いられるポリプロピレンと同じ材質、すなわちポリプロピレンや、ポリプロピレンと同等の融点を有する材料が好ましいものとして挙げられる。

固定部材５３は、図８に示すように、制御基板３を支持する支持部８１と、この支持部８１の外側両端に設けられ、フレーム５２の前壁部５２ａに設けられた係合凹部７１と係合される係合突部８２とからなる。支持部８１は、略コの字状に形成されており、制御基板３の両端を挟み込むことで支持している。係合突部８２は、フレーム５２内に配設させると、フレーム５２の前壁部５２ａの内部に設けられた係合凹部７１に係合し、フレーム５２内に固定される。したがって、固定部材５３は、制御基板３と共に、フレーム５２内に配設されることによって、支持部８１材及び係合突部８２で制御基板３を固定する。

外装材５４は、図７及び図８に示すように、略矩形状に形成されており、第１の包装体６１の収納凹部６３をフレーム５２上から覆う。この外装材５４には、一方の短辺にフレーム５２の前壁部５２ａに形成された凹部７２に合わせて切欠部９１が形成されている。外装材５４は、端部を第３の段差と突き合わせフレーム５２と接合されることによって、第１の包装体６１の収納凹部６３を覆うと共に、電池パック５０の他方の主面を形成する。

上述した電池パック５０では、ＰＴＣ素子３２にリチウムイオン二次電池５１の正極リード２７又は負極リード２８を直接接続し、且つリチウムイオン二次電池５１及び制御基板３をフレーム５２で囲み、第２の包装体６２及び外装材５４で包むことによって、更に小型化及び軽量化が図られている。

また、電池パック５０では、ＰＴＣ素子３２に正極リード２７又は負極リード２８を直接接続することによって、リチウムイオン二次電池５１とＰＴＣ素子３２との間の電気抵抗が小さくなるため、リチウムイオン二次電池５１とＰＴＣ素子３２との電気伝導性及び熱伝導性が良好となる。これにより、電池パック５０では、ＰＴＣ素子３２をリチウムイオン二次電池５１に接触させたり、リチウムイオン二次電池５１の側面に配置させることなく、ＰＴＣ素子３２のリチウムイオン二次電池５１に対する制御を向上させることができる。

更に、電池パック５０では、正極１４の正極活物質にオリビン構造を有する化合物を添加することにより、リチウムイオン二次電池５１の過充電安全性や過放電耐久性を向上させることができるため、制御基板３に設けられているリチウムイオン二次電池５１を保護する保護回路を省くことができる。これにより、電池パック５０では、電気抵抗が小さくなり、保護回路を併用していたときよりもリチウムイオン二次電池５１のパックとしての負荷特性や低温特性が向上する。

次に、上述した電池パック５０の製造方法について説明する。先ず、上述した電池パック１の電池素子２１と同様の方法で電池素子２１を作製して、リチウムイオン二次電池５１を作製する。

具体的には、図９中の矢印Ａに示すように、第１の包装体６１の収納凹部６３に電池素子２１を収納する。このとき、電池素子２１の正極リード２７及び負極リード２８は、第１の包装体６１の短辺側に導出されるようにする。

次に、図９中の矢印Ｂ方向に示すように、第２の包装体６２のポリプロピレン層が第１の包装体６１側となるように、電池素子２１が露出する側から第２の包装体６２を第１の包装体６１に重ね、第１の包装体６１の収納凹部６３に収納された電池素子２１の外部に露出する面を覆う。そして、第１の包装体６１と、第２の包装体６２とを接合する。接合は、収納凹部６３に収納されて電池素子２１の周囲４方において、第１の包装体６１の接合片６４のポリプロピレン層と、第２の包装体６２の接合部６８のポリプロピレン層とを約１７０℃で熱溶着することで行う。

このとき、図１２に示すように、減圧ポンプ１００を用いて、接合と同時に減圧も行う。これにより、電池素子２１は、第１の包装体６１と、第２の包装体６２とで覆われ、密閉される。なお、このとき、電池素子２１の正極リード２１及び負極リード２２は、第１の包装体６１と、第２の包装体６２との接合面に挟み込まれて、包装体の外部に導出された状態となる。

ここで、減圧の際、第１の包装体６１の収納凹部６３の内部は吸引される。これにより、図１２に示すように、収納凹部６３に収納された電池素子２１は第１の包装体６１によって引き絞られて、収納凹部６３の底面側が小さく、第２の包装体６２が接合されている側が大きい、断面略台形形状となり、リチウムイオン二次電池５１の体積が小さくなる。

次に、リチウムイオン二次電池５１のリード端子と制御基板３のＰＴＣ素子３２とを上述した電池パック１と同様の方法で直接接続する。

次に、図８に示すように、リチウムイオン二次電池５１と制御基板３とをフレーム５２内に配設する。次に、図８中矢印Ｃ方向に示すように、制御基板３をＰＴＣ素子３２と電池素子２１の側面が対向するように折り曲げる。次に、図８中矢印Ｄ方向に示すように、第１の包装体６１側からフレーム５２を配設すると共に、正極リード２１及び負極リード２２が接続された制御基板３を支持する固定部材５３をフレーム５２の前壁部５２ａに設ける。この際に、制御基板３は、フレーム５２内に固定部材５３が配設されることによって、固定部材５３の係合突部８２とフレーム５２に形成された係合凹部７１とが係合され、フレーム５２内に固定される。また、フレーム５２を電池素子２１の周囲に配することで、電池素子２１をプラスチックケース内に収納しなくとも、プラスチックケースを用いた場合と同等の機械的強度、端子の信頼性を維持することができる。

次に、第１の包装体６１の接合片６４と、第２の包装体６２の接合部６８との結合部分を、図８中矢印Ｅ方向に示すように、折曲げ、電池素子２１の周囲に配されたフレーム５２の側壁部５２ｃ及び後壁部５２ｂに沿って配される。次に、第２の包装体６２の糊代部６８ａと、フレーム５２の側壁部５２ｃ及び後壁部５２ｂとを熱溶着する。この溶着により、図８及び図１１に示すように、第１の包装体６１の接合片６４と、第１の段差部７４とが当接され、第２の包装体６２と第２の段差部７５とが当接され、電池パック５０の側面が形成される。

次に、図８中矢印Ｆ方向に示すように、外装材５４のポリプロピレン層が収納凹部６３側となるように、第１の包装体６１の収納凹部６３の周囲に配設されたフレーム５２の上壁部５２ｃに外装材５４を配する。そして、外装材５４のポリプロピレン層と、フレーム５２の上壁部５２ｄとを１７０℃で熱溶着する。溶着により、外装材５４の端部が、フレーム５２に設けられた第３の段差部７６に当接され、フレーム５２の上壁部５２ｃは面一となり、電池パック５０の上面が形成され、図７に示すような電池パック５０が完成する。

上述したように、電池パック５０の製造方法では、ＰＴＣ素子３２にリチウムイオン二次電池５１の正極リード２７又は負極リード２８を直接接続し、且つリチウムイオン二次電池５１及び制御基板３をフレーム５２で囲み、第２の包装体６２及び外装材５４で包むことによって、更に小型化及び軽量化が図られた電池パック５０が得られる。

また、電池パック５０の製造方法では、ＰＴＣ素子３２とリチウムイオン二次電池５１の正極リード２７又は負極リード２８を直接接続することによって、従来のように中継用のタブを用いた場合よりも接続箇所が少なり、リチウムイオン二次電池５１とＰＴＣ素子３２との間の電気抵抗が小さくするため、リチウムイオン二次電池５１とＰＴＣ素子３２との電気伝導性及び熱伝導性が良好となる。これにより、電池パック５０では、ＰＴＣ素子３２をリチウムイオン二次電池５１に接触させたり、リチウムイオン二次電池５１の側面に配置することなく、ＰＴＣ素子３２のリチウムイオン二次電池５１に対する制御を向上させることができる。

更に、電池パック５０の製造方法では、正極１４の正極活物質にオリビン構造を有する化合物を添加したものを用いることにより、正極よりリチウムイオン二次電池５１が保護されるため、制御基板３に設けられている保護回路を省くことができ、電池パック５０の電気抵抗を小さくすることができる。これにより、電池パック５０の製造方法では、保護回路を併用していたときよりもリチウムイオン二次電池５１のパックとしての負荷特性や低温特性が向上する。

本発明を適用した電池パックの斜視図である。 同電池パックの分解斜視図である。 電池の斜視図である。 図３中の線分Ｘ−Ｘにおける断面図である。 図３中の線分Ｙ−Ｙにおける断面図である。 正極リード及び負極リードと制御基板との接続部分を示す断面図である。 本発明を適用した他の電池パックの斜視図である。 同電池パックの分解斜視図である。 電池を第１の包装体及び第２の包装体で覆う様子を示す斜視図である。 同電池パックに用いるフレームの斜視図である。 図５中の線分Ｚ−Ｚにおける断面図である。 収納凹部の減圧状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 電池パック、２ リチウムイオン二次電池、３ 制御基板、４ 電池ケース、３１ 基板、３２ ＰＴＣ素子、３３ 外部端子、

Claims (6)

1. 正極と負極との間にセパレータを介して積層した電池素子を有し、上記正極及び上記負極のそれぞれからリード端子が導出された電池と、
   基板と、上記基板上に少なくとも１つ以上面実装される制御素子とを有し、上記電池に対して電流を制御する制御基板とを備え、
   上記正極及び上記負極からそれぞれ導出されているリード端子の少なくとも一方が、１つの上記制御素子に直接接続されている電源装置。
2. 上記制御素子は、ＰＴＣ素子である請求項１記載の電源装置。
3. 上記電池は、ポリマー電池である請求項１記載の電源装置。
4. 上記正極は、リチウム複合酸化物を正極活物質に有し、上記負極は、炭素質材料を負極活物質に有している請求項１記載の電源装置。
5. 上記正極活物質には、オリビン構造を有する化合物が添加されている請求項４記載の電源装置。
6. 電池と基板との接続方法であって、
   上記電池は、正極と負極との間にセパレータを介して積層した電池素子を有し、上記正極及び上記負極のそれぞれからリード端子が導出され、
   上記正極及び上記負極のそれぞれから導出されたリード端子の少なくとも一方を、基板上に少なくとも１つ以上面実装された制御素子に直接接続する電池と基板との接続方法。

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