JP4554621B2 - 特殊なパッケージ構造を有する電池 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

発明の背景
本発明は、電池の蓄電容量と出力を増大させるパッケージ構造をもつ電池、より詳しくは、電池パッケージの大きさは同じでも電池の蓄電容量と出力が増すように、電池ケースの長さと、電池ケース内に収容される電極集成体の長さを、上部接合部を電池ケースの上端に向けて折り曲げて接合部の長さ方向の幅を狭めた分だけ長くした電池、好ましくは、上部接合部に対応する内側のかどの曲率半径を大きくして優れた封止力を実現させた電池、より好ましくは、電池の蓄電容量と出力を更に高めるために、電池ケースの上体部と下体部とを互いに分け、電極集成体を入れるための収容部を上体部と下体部にそれぞれ形成した電池に関するものである。

図１〜図５に示すように、リチウムイオンポリマー電池１０は、陽極、陰極、及びこれら陽極と陰極との間に配置されたセパレータを含む電極集成体２０と、この電極集成体２０、及び所定量の電解液を収容し、電極集成体２０の陽極、及び陰極の対応するタップに接続された二つの電極端子４０を、これら二つの電極端子が外側に露出するように密封するための電池ケース３０とからなっている。

電池ケース３０は、電極集成体２０と所定量の電解液を入れるための収容部３０ａを有する下体部３２、及びこの下体部３２の下端と一体的につながっている、ケースの蓋の役目をする上体部３４を含んでいる。所定の幅をもつ延長部分が、下体部３２と上体部３４の両側、及び上端に沿って形成されていて、下体部３２と上体部３４とを接合するのに用いられている。

図１〜図５を参照しながら、上記のパッケージ構造をもつ従来のリチウムイオンポリマー電池１０の組立工程を、以下に詳しく説明する。

先ず、超音波溶接もしくはスポット溶接により、電極集成体２０の陽極、及び陰極の対応するタップに電極端子４０をつなぐ。電極集成体２０を下体部３２の収容部３０ａに入れ、この収容部３０ａに所定量の電解質を注入する。二つの電極端子４０が外側に露出するように、上体部３４を下体部３２にかぶせる。下体部３２と上体部３４の延長部分同士を接触させ、熱溶接機（図示せず）を用いて圧をかけながらそれらを加熱し、それによって電池ケース３０の上部接合部３０’、及び側部接合部３０’’を形成する。

その後、電池ケース３０の下体部３２と上体部３４の側部接合部３０’’を、電池ケース３０の隣接する側辺に向けて直角に折り曲げる。保護回路５０を、電極端子４０が保護回路５０の対応部分につながるように、電池ケース３０の上部接合部３０’に、電池ケース３０の縦の方向に配置する（図５を参照のこと）。

上記の構造をもつ従来の電池の長さには制限があり、しかも従来の電池の電池ケースの上部接合部は、電池ケースの縦の方向に伸びているので、電池ケース内の構成部品、すなわち電極集成体は限定された長さをもち、そのために電池の蓄電容量、及び出力が低下する。

発明の要旨
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、本発明の一つの目的は、電池ケースの収容部の長さ、及び収容部に入れる電極集成体の長さを、電池ケースの上部接合部が電池ケースの縦の方向に占める幅の分だけ長くし、それによって電池パッケージの大きさは同じでも電池の蓄電容量と出力を高めることができるパッケージ構造をもつ電池を提供することである。

本発明の更なる目的は、電池ケースの上部接合部を電池ケースの上端に向けて容易に折り曲げることができ、また上部接合部の突き出た両端に丸みをもたせてあるので、作業者が電池を取り扱う際に、上部接合部の突き出た端でけがをしないようにすることのできる構造をもつ電池を提供することである。

本発明の他の目的は、上部接合部を電池ケースの上端に向けて折り曲げるために電池ケースの上部接合部と両側部との共通部分を切り落とした後でも、共通部分に対応する電極集成体内側のかどの優れた封止力によって、真空にすることで生じた電池の減圧状態が保持されるパッケージ構造をもつ電池を提供することである。

本発明のまた別の目的は、電池ケースの上体部と下体部を互いに分け、電極集成体を入れるための収容部を上体部と下体部にそれぞれ形成して、電極集成体の長さだけでなく電極集成体の厚みを増加させ、それによって電池の蓄電容量、及び出力を最大にすることができるパッケージ構造をもつ電池を提供することである。

本発明によれば、上記の目的、及びその他の目的は、陽極板、陰極板、及びセパレータを含む電極集成体と、この電極集成体、及び所定量の電解液を収容し、且つ電極集成体の陽極板、及び陰極板の対応する電極タップに接続された二つの電極端子が外側に露出するように電極集成体を封入するための電池ケースであって、その両側の側部接合部を隣接するその側辺に向けて折り曲げた電池ケースとからなり、電極集成体の長さを長くして電池の蓄電容量と出力を高めるために電池ケースの上部接合部を電池ケースの上端に向けて折り曲げ、しかも上部接合部に配置されている二つの電極端子を電池ケースの縦の方向に曲げた電池を提供することにより、達成できる。

好ましくは、電池ケースの上部接合部と両側部との共通部分を、所定の大きさまで切り落としてもよい。上部接合部を電池ケースの上端に向けて折り曲げ、また側部接合部を電池ケースの両側辺に向けて折り曲げる場合、切り落とす共通部分の大きさは、上部接合部と側部接合部とが重なり合った部分の大きさによって決まる。従って、接合部の大きさが大きければ、切り落とす共通部分の大きさも大きい。

電池ケースの上部接合部と両側部との共通部分が切り落とされた端部に丸みをもたせて、電池の組立て過程で作業者が、共通部分が切り落とされた端部の鋭利な先端でけがをしないようにすることもできる。

好ましくは、共通部分を切り落とすことで狭められた接合部の幅を補うために、上部接合部に対応する内側のかどの曲率半径を大きくしてもよい。上部接合部が側部接合部と交わる共通部分の幅は、共通部分を切り落としたことで上部接合部の幅や側部接合部の幅よりも狭くなっているので、共通部分の封止力は低い。

上部接合部は折り曲げられて電池ケースの上端と接触しているので、保護回路を、保護回路の裏面が電池ケースの上端に接触するように、電池ケースの上端に配置する。そのため、電池パッケージ上に取り付けられた保護回路を備えた電池パッケージの外部の長さは、図５に示す従来の電池パッケージの外部の長さよりも短い。

電極集成体は、積層型電極集成体であっても、ゼリーロール型電極集成体であってもよい。電池ケースの内側のかどの曲率半径を上記のように大きくすると、電極集成体の端部は内側のかどの曲率半径と一致した形状になり、そのために電池の容量が増す。

本発明の電池の電池ケースの形状、及び大きさには制限はない。好ましくは、電池ケースは、
（ｉ）上体部の下端が下体部の下端と一体的に形成されていて、収容部が下体部のみに形成された構造、
（ｉｉ）上体部と下体部が互いに分かれていて、収容部が下体部に形成された構造、
（ｉｉｉ）上体部と下体部が互いに分かれていて、収容部が上体部と下体部にそれぞれ形成された構造、及び
（ｉｖ）上体部の下端が下体部の下端と一体的に形成されていて、収容部が上体部と下体部にそれぞれ形成された構造
からなる群から選ばれる一つの構造をもっていてよい。

上体部と下体部が互いに分かれている構造（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）において、上体部と下体部の間に電極集成体を配置した状態で上体部と下体部とを接合する場合には、電池ケースの上端だけでなく下端にも封止接合部を形成する必要がある。また、上体部の下端が下体部の下端と一体的に形成されていて、収容部が上体部と下体部にそれぞれ形成された構造（ｉｖ）においては、上体部と下体部を折り曲げる際に収容部が歪まないよう、電池ケースの下端にも接合部を形成する必要がある。

より好ましくは、電池ケースの構造は（ｉｉｉ）もしくは（ｉｖ）であってよい。本発明の電池においては、電池ケースは主としてアルミニウム積層板で作り、電池ケースに収容部を形成するために深絞り成形により加工する。深さが５〜６ｍｍ以上の収容部を深絞り成形により得る場合には、ピンホールやクラックが発生する。従って、蓄電容量、及び出力の大きい電池を製造するには、電池の幅は大きい方がよい。その場合、電池の構造は（ｉｉｉ）もしくは（ｉｖ）であるのが好ましく、電池の易成形性や製品の安定性を高めるためには、電池の構造は（ｉｉｉ）であるのがより好ましい。

上部接合部と同様に下部接合部を電池ケースの下端に形成する場合には、下部接合部は、（ａ）下部接合部が電池ケースの両側部と交わる共通部分を切り落とした形状、（ｂ）電池ケースの下部接合部と両側部との共通部分が切り落とされた端部に丸みをもたせた形状、及び（ｃ）下部接合部に対応する電極集成体内側のかどの曲率半径を大きくした形状のいずれかを、好ましくは全てを有していてよい。

本発明の上記の目的やその他の目的、また本発明の特徴や他の利点は、添付の図面を用いてなされる以下の詳細な説明から、より明確になるであろう。

好ましい態様の詳細な説明
さて、添付の図面を参照しながら本発明の好ましい態様を詳しく説明する。

図６〜図１０は、本発明の一つの態様に係る電池パッケージの構造、及び組立て過程を説明する概略斜視図、及び概略断面図である。

図６〜図１０によれば、本態様の電池パッケージ１００は、陽極板、陰極板、及びセパレータを含む電極集成体２００と、この電極集成体２００の陽極板、及び陰極板の対応する電極タップに接続された二つの電極端子４００を、これら電極端子４００が外側に露出するように密封するための電池ケースであって、下体部３１０と上体部３２０とを含む折り曲げ可能な電池ケースとからなっている。

下体部３１０は、電極集成体２００と所定量の電解液を入れるための、電極集成体２００の形状と一致した凹形状をもつ収容部３３０を含んでいる。下体部３１０の収容部３３０の縁に沿って、上部接合部３１１と二つの側部接合部３１２が形成されている。

下体部３１０と上体部３２０を互いに接合させた状態で、電池ケース３００の上部接合部３１１を電池ケース３００の上端に向けて折り曲げると、電極集成体２００の長さを増大させる結果となり、そのために電池パッケージ１００の蓄電容量、及び出力が増大する。上部接合部３１１に配置されている二つの電極端子４００は、電池ケース３００の縦の方向に曲げる。

上部接合部３１１を容易に折り曲げられるよう、上部接合部３１１が側部接合部３１２と交わる共通部分３４０を切り落とす。そのため、上部接合部３１１、及び側部接合部３１２を折り曲げる工程は容易に実施できる。共通部分３４０を切り落とした端部に丸みをもたせ、それによって電池パッケージ１００を取り扱う作業者が、共通部分３４０が切り落とされた鋭利な端部でけがをしないようにするのが、より好ましい。

上部接合部３１１が側部接合部３１２と交わる共通部分３４０を切り落とすことにより、共通部分３４０が切り落とされた端部は、上部接合部３１１や側部接合部３１２に比べて、封止力が比較的低い。正常な状態においては、真空にすることによる電極集成体２００の減圧は、共通部分３４０が切り落とされた端部に集中する。この問題を解決するために、本発明の好ましい態様においては、電池ケース３００の上部接合部３１１に対応する内側上部のかど３１４の曲率半径を大きくして、接合部の厚みを厚くする。すなわち、共通部分３４０を切り落とすことで小さくなった接合部の大きさを内側上部のかど３１４で補い、それによって優れた封止力を得る。

ここで、内側上部のかど３１４の曲率半径は、内側下部のかど３１５の曲率半径よりも大きい。しかしながら、内側上部のかど３１４の曲率半径はこれに限定されるものではなく、上記の条件を満たすのであればどのような値であってもよい。例えば、内側上部のかど３１４の周囲に十分な接合領域を確保して電池ケース３００の収容部にかかる圧力を適切に分散させるためには、内側上部のかど３１４の曲率半径を、内側下部のかど３１５の曲率半径の少なくとも３倍にする。内側上部のかど３１４の曲率半径の上限の値はかなり大きくてもよく、また内側上部のかど３１４の内面は、ほぼ直線になるように傾いていてもよい。

別の見方をすれば、内側上部のかど３１４の曲率半径を適切な値に設定して、電極集成体１００の安定性をコントロールする。一般的に、電池は、電池内の不適切な圧により生じる安全性についての問題を解決できるような構造をもつことが、どうしても必要である。例えば、円筒形の電池の内圧が臨界値以上になった時に圧縮ガスを放出するために、円筒形の電池のキャップ集成部品中に安全弁を取り付ける。一方、本発明の上記構造をもつ電池では、内圧が臨界値以上になると電池ケースの接合部が外れ、そこから圧縮ガスが放出される。従って、本発明の上記構造をもつ電池の内圧が臨界値以上になると、圧縮ガスは、外面が切り落とされた接合部が外れることで生じる空隙を通って、電池から外部に放出される。電池の安定性の観点からは、電池の構造を、所定の部分から圧縮ガスが放出されるようなものにすることで、高い安定性をもつ電池が得られる。従って、例えば、電池が正常な作動状態にある時には内側上部のかど３１４が良好な封止力をもち、高い内圧が生じることで電池の作動状態が異常になった時には内側上部のかど３１４が分解し、そこから圧縮ガスが放出されるように、内側上部のかど３１４の曲率半径を所定の範囲に設定する

再び図６〜図１０に戻ると、ヒューズ、バイメタル、もしくはＰＴＣのような安全素子（図示せず）を、二つの電極端子４００に取り付けてもよい。安全素子は、温度によって電池の電流の流れを断続的にコントロールするためのＰＴＣを用いたものであるのが好ましい。折り曲げて電池ケース３００の上端に接触させた上部接合部３１１に保護回路５００を配置した電池パッケージの外部の長さを最小にするために、保護回路５００を、保護回路５００の裏面が上部接合部３１１の外面に接触するように、上部接合部３１１と平行に配置する（図１０を参照のこと）。

共通部分３４０を完全には取り除かない状態で電池ケース３００の上端に向けて上部３１１を折り曲げる場合は、共通部分３４０の一部分を対角線の方向に切り落とすか、もしくは重ね合わせればよい。

電池ケース３００だけでなく上部接合部３１１、及び側部接合部３１２中にアルミニウム板を入れ、それによって、上部接合部３１１を隣接する電池ケース３００上端に向けて折り曲げた時に、上部接合部３１１が折り曲げられた状態に保たれるようにする。

図６〜図１０に示すような上記構造をもつ電池パッケージ３００には、次のような効果がある。

第一に、側部接合部３１２を電池ケース３００の対応する側辺に向けて折り曲げ、且つ上部接合部３１１を電池ケース３００の上端に向けて折り曲げることにより、電池ケース３００の収容部３３０の長さ、及び収容部３３０に入れる電極集成体２００の長さを、電池ケース３００の上部接合部３１１が電池ケース３００の縦の方向に占める幅の分だけ長くすることができ、それによって、電池パッケージの大きさは同じでも、電池の蓄電容量、及び出力を大きくすることができる。

第二に、電池ケースの３００の上部接合部３１１と側部接合部３１２との共通部分３４０を切り落としてあるので、上部接合部３１１を電池ケース３００の上端に向けて折り曲げる際に、上部接合部３１１が側部接合部３１２にぶつかることがなく、そのために上部接合部３１１を容易に折り曲げることができる。

第三に、共通部分３４０を切り落とすことで得られる、上部接合部３１１、及び側部接合部３１２の切り落とし部分に丸みをつけることにより、切り落とされた部分のとがった先端で作業者がけがをしないようにすることができる。

第四に、電池ケース３００の内側上部のかど３１４の曲率半径が内側下部のかど３１５の曲率半径よりも大きいので、電極集成体は、電池ケース３００の内側上部のかど３１４の周囲に十分な寸法の接合部を確保することができ、そのために内圧が均一に分散されることで高い封止力を実現することができる。更に、内圧が臨界値を超えた時に圧縮ガスを放出することができるよう、内側上部のかど３１４の曲率半径を適切な範囲に設定することができ、それによって高い安全性を確保することができる。

図１１〜図１３は、本発明の別の態様に係る電池パッケージの構造を示す概略図である。

図１１〜図１３によれば、電池ケース３００は互いに分かれた下体部３１０と上体部３２０を含んでいて、電極集成体２００を入れるための収容部３３１及び３３２が、下体部３１０と上体部３２０にそれぞれ形成されている。延長部分３１６及び３２６が、下体部３１０と上体部３２０の下端から伸びている。電極集成体２００を収容部３３１及び３３２に入れた状態で下体部３１０と上体部３２０の四つの延長部分を熱溶融すると、上部接合部３１１、側部接合部３１２、及び下部接合部３１７が形成される（図３Ｂを参照のこと）ので、上部接合部３１１、側部接合部３１２、及び下部接合部３１７を、電池ケース３００の上端、側辺、及び下端に向けてそれぞれ折り曲げる（図１３を参照のこと）。

下部接合部３１７が側部接合部３１２と交わる下部共通部分３４０を、上部共通部分と同じ方法で切り落とす。共通部分３４０の切り落としは、下体部３１０と上体部３２０を作るための最初の段階で行なってもよいし、図１２に示すように接合部３１１、３１２、及び３１７を熱溶融した後の工程で行なってもよい。

下部接合部３１７に対応する下体部３１０と上体部３２０の内側下部のかど３１５及び３２５は、内側上部のかど３１３及び３２３のように曲率半径が大きい。電極集成体２００の両下端２０５の形状は、内側下部のかど３１５及び３２５の形状と一致している。

上記のように深絞り成形により電池ケース３００を作る場合、５〜６ｍｍ以上の深さをもつ欠陥のない収容部３３１及び３３２を形成するのは困難である。図１１に示すように下体部３１０と上体部３２０にそれぞれ収容部３３１及び３３２が形成されている場合には、厚さの厚い電極集成体４００を用いることができる。下体部３１０の収容部３３１の深さは、上体部３２０の収容部３３２の深さと同じである必要はない。電解液を入れるのを容易にするというように、電池の組立て工程を容易にするために、下体部３１０の収容部３３１の深さを上体部３２０の収容部３３２の深さより大きくしてもよい。

図１４、及び図１５は、本発明のまた別の態様に係る電池パッケージの構造を示す概略図である。

図１４、及び図１５によれば、本態様の電池ケース３００は、下体部３１０の下端が上体部３２０の下端と一体的に形成されているという点では、図６に示す先の態様の電池ケース３００と同じである。しかしながら、本態様の電池ケース３００は、収容部３３１及び３３２が下体部３１０と上体部３２０にそれぞれ形成されていて、延長部分３１６及び３２６が下体部３１０と上体部３２０の下端から伸びているという点で、図６に示す先の態様の電池ケース３００とは異なっている。収容部３３１及び３３２は、下部延長部分３１６及び３２６のない下体部３１０と上体部３２０に形成することもできる。しかしながらこの場合、下体部３１０と上体部３２０の下端は深絞り成形中に損傷を受けることがある。従って、深絞り成形を確実に行なうためには、好ましくは、下部延長部分３１６及び３２６が必要である。

図１５は、電極集成体を電池ケース３００中に封入する前の電池ケース３００の平面図、及び側面図である。ここで、電池ケース３００の上端、及び下端の両側にある共通部分は既に切り落とされている。

本発明の電池パッケージは、図６〜図１５に示すような上記の構造に限定されるものではなく、他の様々な構造をもつことができる。

上記の説明から明らかなように、本発明は、電池ケースの収容部の長さと、収容部に配置される電極集成体の長さを、電池ケースの上部接合部が電池ケースの縦の方向に占める幅の分だけ長くし、それにより、電池パッケージの大きさは同じでも電池の蓄電容量、及び出力を高めることのできる電池パッケージの構造を提供するものである。電池ケースの上体部と下体部にそれぞれ収容部を形成すれば、電池の蓄電容量、及び出力が最大になる。

更に、電池ケースの上部接合部と両側部との共通部分を切り落とすと、電池ケースの上部接合部は、電池ケースの上端に向けて折り曲げやすくなる。また、上部接合部の突き出た両端に丸みをもたせてあるので、本発明の電池は、作業者が電池を取り扱う際に上部接合部の突き出た端でけがをしないようにすることができる。

それに加えて、上部接合部（もしくは下部接合部）が電池ケースの両側部と交わる共通部分に対応する内側のかどの曲率半径が大きいので、電池ケースの上端に向けて上部接合部を折り曲げやすくするために共通部分を切り落とした後でも、内側のかどは所定の封止力を示して電池の内圧を保ち、それによって所定の密閉寸法をもつことができ、また電池の内圧に耐えることができる。

説明のために本発明の好ましい態様を開示してきたが、添付の特許請求の範囲に開示されている本発明の範囲、及び精神から外れることなく、様々な変更、追加、及び置き換えが可能なことが、当業者には分かるであろう。

図１は、従来の電池パッケージの構造を示す概略図である。 図２は、従来の電池パッケージの構造を示す概略図である。 図３は、従来の電池パッケージの構造を示す概略図である。 図４は、従来の電池パッケージの構造を示す概略図である。 図５は、従来の電池パッケージの構造を示す概略図である。 図６は、本発明の一つの態様に係る電池パッケージの構造を示す概略図である。 図７は、本発明の一つの態様に係る電池パッケージの構造を示す概略図である。 図８は、本発明の一つの態様に係る電池パッケージの構造を示す概略図である。 図９は、本発明の一つの態様に係る電池パッケージの構造を示す概略図である。 図１０は、本発明の一つの態様に係る電池パッケージの構造を示す概略図である。 図１１は、本発明の別の態様に係る電池パッケージの構造を示す概略図である。 図１２は、本発明の別の態様に係る電池パッケージの構造を示す概略図である。 図１３は、本発明の別の態様に係る電池パッケージの構造を示す概略図である。 図１４は、本発明の更に別の態様に係る電池パッケージの構造を示す概略図である。 図１５は、本発明の更に別の態様に係る電池パッケージの構造を示す概略図である。

Claims (10)

1. 陽極板、陰極板、及びセパレータを包含する電極集成体と、
   該電極集成体及び所定量の電解液を収容し、かつ、前記電極集成体の前記陽極板、及び前記陰極板に対応する電極タップに接続された二つの電極端子が外側に露出するように前記電極集成体を封入する為の、両側の側部接合部を隣接するその側辺に向けて折り曲げられた電池ケースとを備えてなり、
   前記電極集成体の長さを長くして電池の蓄電容量及び出力を高めるために前記電池ケースの上部接合部を前記電池ケースの上端に向けて折り曲げ、及び、前記上部接合部に配置されている前記二つの電極端子を前記電池ケースの縦方向に曲げてなり、
   保護回路が前記電池ケースの上端に配置し、それに向けて上端接合部を折り曲げて、前記保護回路の裏面が前記上端接合部に接触してなる、電池。
2. 前記電池ケースの上部接合部と両側部との共通部分を切り落としてなる、請求項１に記載の電池。
3. 前記電池ケースの上部接合部と両側部との共通部分が切り落とされた端部が丸みを有するものである、請求項２に記載の電池。
4. 前記共通部分を切り落とすことで狭められた接合部の幅を補うために、前記上部接合部に対応する内側のかどの曲率半径を大きくした、請求項２又は３に記載の電池。
5. 前記電極集成体が積層型電極集成体、もしくはゼリーロール型電極集成体である、請求項１に記載の電池。
6. 前記電極集成体の端部が、内側のかどの曲率半径と一致した形状を有するものである、請求項４に記載の電池。
7. 前記電池ケースが、
   （ｉ）上体部の下端が下体部の下端と一体的に形成されていて、収容部が下体部のみに形成された構造と、
   （ｉｉ）上体部と下体部が互いに分かれていて、収容部が下体部に形成された構造と、
   （ｉｉｉ）上体部と下体部が互いに分かれていて、収容部が上体部と下体部にそれぞれ形成された構造と、及び
   （ｉｖ）上体部の下端が下体部の下端と一体的に形成されていて、収容部が上体部と下体部にそれぞれ形成された構造とからなる群から選択されてなる一種の構造を有してなる、請求項１に記載の電池。
8. （ｉｉ）、（ｉｉｉ）、及び（ｉｖ）からなる群から選択されてなる一種の構造を有してなる電池ケースの上体部と下体部の中に電極集成体を入れた状態で上体部と下体部を互いに接合する際に、上体部と下体部を接合することで得られる電池ケースの下端に封止接合部を形成してなる、請求項７に記載の電池。
9. 電池ケースが（ｉｉｉ）と（ｉｖ）からなる群から選択されてなる一種の構造を有する、請求項７に記載の電池。
10. 電池ケースが（ｉｉｉ）の構造を有する、請求項９に記載の電池。

Images