JP4654589B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は電池パック、詳しくはリチウムイオン二次電池を備えた電池パックに関する。

繰り返し充放電可能なリチウムイオン二次電池を備えた電池パックが、携帯端末等の電源に広く利用されている。この電池パックを利用する際に、リチウムイオン二次電池に対して過充電をすると、リチウムイオン二次電池が激しく発熱したり内圧が上昇したりする等、種々の不具合が起こることがある。したがって、リチウムイオン二次電池に対して過充電を行わないようにすることが重要である。

そして、従来は、充電履歴や電池特性等に応じて充電電圧を制御する過充電防止保護回路を有する充電器で電池パックのリチウムイオン二次電池を充電して過充電を防止している（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１５０７３０号公報

しかしながら、上述のような方法は充電履歴を取得する必要があって煩雑であり、より簡便にリチウムイオン二次電池の過充電を防止できる電池パックが求められている。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、リチウムイオン二次電池の過充電を簡易に防止することが可能な電池パックを提供することを目的とする。

本発明に係る電池パックは、リチウムイオンを含む電解質、正極活物質及び前記リチウムイオンをインターカレートかつデインターカレートする負極活物質を有し、正極活物質を含む正極層、セパレータ層及び負極活物質を含む負極層をこの順に積層した積層構造体を有するリチウムイオン二次電池と、リチウムイオン二次電池を積層構造体の積層方向の両側から挟み、積層構造体に対向する面の面積が、当該面に対向する負極層の面の面積以上である一対のプレートと、リチウムイオン二次電池の正極活物質又は負極活物質に電気的に接続された導電路と、を備えている。そして、この導電路は一方のプレート及び他方のプレートにそれぞれ固定されることにより一方のプレートと他方のプレートとを連結し、所定の引張力がかかると導電を遮断する。

本発明の電池パックによれば、充電時にリチウムイオンが負極活物質にインターカレートして負極活物質が膨張し、これによってリチウムイオン二次電池の体積が膨張する。そして、このリチウムイオン二次電池の体積膨張量は、負極活物質にインターカレートしたリチウムイオンの量、すなわち、電池の残存容量と相関関係がある。そして、リチウムイオン二次電池の充電が進んで残存容量が増え、これに応じてリチウムイオン二次電池の体積が大きくなると、一対のプレートの間隔が広がる。これによって、一対のプレートを連結する導電路に引張力が働くこととなる。そして、この引張力が所定の引張力である閾値を超えると、導電路の導通が遮断される。したがって、導電路の引張力の閾値をあらかじめ適切に設定しておき、この導電路を介して電池パックのリチウムイオン二次電池を充電すれば、リチウムイオン二次電池への過充電を未然に防止できる。そして、負極活物質を含む負極層の厚み方向の膨張により起こる積層構造体の膨張が、一対のプレート間の間隔の広がりとして顕れるので、リチウムイオン二次電池の充電状態に応じて精度良く導電路の遮断が可能となる。また、負極層が面内で不均一に膨張する、例えば、負極層の中央部分が特に膨張する場合でも、一対のプレートによって負極層の膨張を感度よく検出して、導電路の遮断を好適に起こさせることができる。

ここで、リチウムイオン二次電池は、正極層を表面に有する正極集電体及び、負極層を表面に有する負極集電体をさらに備え、導電路のうちプレートへ固定された部分は、導電路と正極集電体又は負極集電体との接続部側から、接続部側の反対側に向かって設けられていることが好ましい。また、リチウムイオン二次電池が、正極層を表面に有する正極集電体及び、負極層を表面に有する負極集電体をさらに備え、導電路が、導電路と正極集電体又は負極集電体との接続部側から、積層構造体の積層方向上方に向かい、一方のプレートの上面に沿って、上記接続部側と反対側に向かって進み、上記接続部側と反対側の積層構造体の端面に沿って積層方向下方に伸び、他方のプレートの下面に沿って、上記接続部側に向かって延びていることが好ましい。

ここで、導電路はリード線を有し、このリード線が一方のプレート及び他方のプレートにそれぞれ固定されて一方のプレートと他方のプレートとを連結することが好ましい。

これによれば、リチウムイオン二次電池が充電されて残存容量が増加し、一対のプレート間の間隔が長くなと、一対のプレートにそれぞれ固定されたリード線に引張力が働いて、所定の引張力、例えば、リード線の引張強度に達するとリード線が破断する。これによって、導電路の導通が遮断され、過充電を未然に防ぐことが可能となる。

また、引張力によってリード線が破断すると、リード線を介した放電は不可能となり、積層構造体の厚みは通常維持される。したがって、プレート間の間隔は広がったままでリード線は再び導通しない。したがって、このようにして所定の閾値を超えるような充電がなされた電池パックの再利用を防止する効果もある。

ここで、リード線に切り込みが入れられていると、リード線の切り込みに応力が集中するので、導電路の導通を所望の引張力の閾値、すなわち、所望の残存容量において精度よく遮断しやすくなる。

一方、導電路は、互いに結合可能なプラグ及びジャックを有し、プラグは一方のプレートに固定され、ジャックは他方のプレートに固定され、ジャック及びプラグが結合することにより一方のプレートと他方のプレートとが連結されていてもよい。また、本発明に係る電池パックは、リチウムイオンを含む電解質、正極活物質及びリチウムイオンをインターカレートかつデインターカレートする負極活物質を有するリチウムイオン二次電池と、リチウムイオン二次電池を挟む一対のプレートと、リチウムイオン二次電池の正極活物質又は負極活物質に電気的に接続された導電路と、を備えている。この導電路は互いに結合可能なプラグ及びジャックを有し、プラグは一方のプレートに固定され、ジャックは他方のプレートに固定され、ジャック及びプラグが結合することにより一方のプレートと他方のプレートとが連結され、所定の引張力がかかると導電を遮断する。

これによれば、リチウムイオン二次電池が充電されて残存容量が増加し、一対のプレート間の間隔が長くなると、各プレートに固定されたプラグとジャックとが反対方向に引っ張られてこれらの結合が解除されるので、導電路の導通が遮断される。また、引張り力によってプラグとジャックとの結合が解除されたのち、放電がされない限りプレート間の間隔は広がったままで積層構造体の厚みは維持されるので、導電路は再び導通しない。したがって、このような導電路遮断の閾値を超えた充電状態の電池パックの再利用を防止する効果もある。

また、上述のいずれの電池パックにおいては、リチウムイオン二次電池及びこれを挟む一対のプレートを収容する外ケースと、一対のプレートの少なくとも一方のプレートと外ケースとの間に設けられたクッションと、をさらに有すると好ましい。また、本発明に係る電池パックは、リチウムイオンを含む電解質、正極活物質及びリチウムイオンをインターカレートかつデインターカレートする負極活物質を有するリチウムイオン二次電池と、リチウムイオン二次電池を挟む一対のプレートと、リチウムイオン二次電池の正極活物質又は負極活物質に電気的に接続された導電路と、リチウムイオン二次電池及び一対のプレートを収容する外ケースと、一対のプレートの少なくとも一方のプレートと外ケースとの間に設けられたクッションと、を備えている。そして、この導電路は一方のプレート及び他方のプレートにそれぞれ固定されて一方のプレートと他方のプレートとを連結し、所定の引張力がかかると導電を遮断する。

この場合、リチウムイオン二次電池及び一対のプレートが外ケース内に収容されるので電池パックの取り扱い性が向上する。また、外ケースとプレートとの間にクッションがあるので外ケース内でリチウムイオン二次電池が十分に膨張でき、したがって、プレート間の間隔が十分広くなるので、過充電防止機能を十分に発揮できる。

さらに、リチウムイオン二次電池の負極活物質はＳｉを含むことが好ましい。このようにＳｉを含む負極活物質は、リチウムイオンのインターカレート及びデインターカレートに伴う体積の膨張収縮が著しく大きい。したがって、残存容量の多寡に応じたリチウムイオン二次電池の体積の変化が大きくなり、極めて精度の良い過充電防止動作が可能となる。

本発明によれば、リチウムイオン二次電池を備えた電池パックの過充電を簡易に防止することができる。

（第一実施形態）
次に、本発明の具体的な第一実施形態について図１〜図３を参照して説明する。図１は電池パックの一部破断斜視図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ矢視図、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図である。

本実施形態に係る電池パック１は、主として、リチウムイオン二次電池５と、リチウムイオン二次電池５を挟む一対のプレート７０，７２と、リチウムイオン二次電池５内と外部とを電気的に接続するための正極リード４１及び負極リード（導電路）４６と、クッション８０と、これらを収容するケース９０とを備える。

（リチウムイオン二次電池）
リチウムイオン二次電池５は、図１及び図２に示すように、主として、積層構造体５０と、積層構造体５０を密閉した状態で収容するパック（電池容器）５５とを有している。

（積層構造体）
積層構造体５０は、上から順に、正極集電体４０、二次電池要素３５、負極集電体４５、二次電池要素３５、及び、正極集電体４０を有し、それぞれ板状を呈している。

二次電池要素３５は、カソード層（正極層）１０、セパレータ層３０、アノード層（負極層）２０が、この順に積層されてなる。

ここで、各二次電池要素３５は、アノード層２０が負極集電体４５の表面に接し、カソード層１０が正極集電体４０の表面に接する向きに、正極集電体４０及び負極集電体４５間に配置されている。ここでアノード及びカソードは説明の便宜上、リチウムイオン二次電池５の放電時の極性を基準に決定したものである。リチウムイオン二次電池５の充電時においては電荷の流れる方向が放電時の逆になるため、アノード及びカソードが互いに入れ替わる。

（アノード層）
アノード層２０は、負極活物質、導電助剤、結着剤等を含む層である。以下アノード層２０について説明する。

負極活物質は、リチウムイオンの脱離（デインターカレーション）及び挿入（インターカレーション）を可逆的に進行させることが可能な物質であれば特に限定されず、公知の負極活物質を使用できる。このような活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等の炭素材料、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ等のリチウムと化合することのできる金属又はその合金、ＳｉＯ₂、ＳｎＯ₂等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム（Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂）が挙げられる。中でも、インターカレートやデインターカレートに伴う膨張収縮率を大きくすべく、Ｓｉやその合金を用いることが好ましい。Ｓｉの合金としては、例えば、ＬｉＳｉが挙げられる。

導電助剤は、アノード層２０の導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラック類、炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げら
れる。

結着剤は、上記の負極活物質の粒子と導電助剤の粒子とを負極集電体４５に結着することができれば特に限定されず、公知の結着剤を使用できる。例えば、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（FEP）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（PEA）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ETFE）、ポリクロロトリフルオロエチレン（PCTFE）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（ECTFE）、ポリフッ化ビニル（PVF）等のフッ素樹脂及びスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）等が挙げられる。

（カソード層）
カソード層１０は、正極活物質、導電助剤、結着剤等を含む層である。以下カソード層１０について説明する。

正極活物質には、公知の電極活物質を使用でき、リチウムイオンのデインターカレーション及びインターカレーションを可逆的に進行させることができる物質が好ましい。例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ₂）、リチウムマンガンスピネル（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）、及び、一般式：ＬｉＮｉ_xＣｏ_yＭｎ_ｚＯ₂（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物（ＬｉＶ₂Ｏ₅）、オリビン型ＬｉＭＰＯ₄（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ又はＦｅを示す）、チタン酸リチウム（Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂）等の複合金属酸化物が挙げられる。

カソード層１０に含まれる正極活物質以外の各構成要素は、アノード層２０を構成するものと同様の物質を使用することができる。また、カソード層１０においても、アノード層２０と同様の電子伝導性の粒子を含有させることが好ましい。

（セパレータ層）
アノード層２０とカソード層１０との間に配置されるセパレータ層３０は、電気絶縁性の多孔体から形成されている。セパレータ層３０の材料は特に限定されず、公知のセパレータ材料を使用することができる。例えば、電気絶縁性の多孔体としては、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、或いは、セルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも１種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。

ここで、図２に示すように、各二次電池要素３５について、セパレータ層３０、アノード層２０、カソード層１０の順に面積が小さくなっており、アノード層２０の端面はカソード層１０の端面よりも外側に突出し、セパレータ層３０の端面はアノード層２０及びカソード層１０の端面よりも外側に突出するようになっている。

これによって、製造時の誤差等によって、各層が積層方向と交差する方向に多少位置ずれを起こした場合でも、各二次電池要素３５において、カソード層１０の全面をアノード層２０に対向させることが容易となる。従って、カソード層１０から放出されたリチウムイオンがセパレータ層３０を介してアノード層２０に十分に取り込まれる。さらに、セパレータ層３０がカソード層１０やアノード層２０より大きく、カソード層１０やアノード層２０の端面から突出しているので、カソード層１０とアノード層２０とが接触することによる短絡も低減されている。

（負極集電体）
アノード層２０と結着する負極集電体４５の材料はリチウムイオン二次電池のアノード用集電体として通常用いられる金属材料であれば特に限定されず、例えば、銅やニッケル等が挙げられる。負極集電体４５の端部は、図２に示すように、外側にリボン状に延びて舌状部４５ａを形成している。

（正極集電体）
カソード層１０と結着する正極集電体４０はリチウムイオン二次電池のカソード用集電体として通常用いられる金属材料であれば特に限定されず、例えばアルミニウム等が挙げられる。正極集電体４０の端部は、図３に示すように、それぞれ外側にリボン状に延びて舌状部４０ａを形成している。

（電解質溶液）
電解質溶液は、アノード層２０及びカソード層１０、及びセパレータ層３０の孔の内部に含有されている。電解質溶液は、特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池要素に用いられている、リチウム塩を含む電解質溶液（電解質水溶液、有機溶媒を使用する電解質溶液）を使用することができる。ただし、電解質水溶液は電気化学的に分解電圧が低いことにより、充電時の耐用電圧が低く制限されるので、有機溶媒を使用する電解質溶液（非水電解質溶液）であることが好ましい。二次電池要素の電解質溶液としては、リチウム塩を非水溶媒（有機溶媒）に溶解したものが好適に使用される。リチウムイオンの源となるリチウム塩としては、例えば、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＣＦ₃、ＣＦ₂ＳＯ₃、ＬｉＣ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₃、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＣＦ₂ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）（Ｃ₄Ｆ₉ＳＯ₂）、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＣＦ₂ＣＯ）₂等の塩が使用される。なお、これらの塩は１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

また、有機溶媒としては、公知の二次電池要素に使用されている溶媒を使用することができる。例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、及び、ジエチルカーボネート等が好ましく挙げられる。これらは単独で使用してもよく、２種以上を任意の割合で混合して使用してもよい。

なお、本実施形態において、電解質溶液は液状以外にゲル化剤を添加することにより得られるゲル状電解質であってもよい。また、電解質溶液に代えて、固体電解質（固体高分子電解質又はイオン伝導性無機材料からなる電解質）が含有されていてもよい。

（パック）
パック５５は、図１〜図３に示すように、矩形状の可撓性のシートを長手方向の略中央部で２つ折りにして形成したものであり、積層構造体５０を積層方向（上下方向）の両側から挟み込んでいる。具体的には、図１に示すように、２つ折りにされたシート５５ｓの端部のうち、折り返し部５５ａを除く３辺のシール部５５ｂがヒートシール又は接着剤により接着されており、図２及び図３に示すように、積層構造体５０が内部に密封されている。このパック５５は、パック５５内部へ空気や水分が進入することや、パック５５内から電解質溶液が漏れることを防止する。特に、３層構造のシート５５ｓにより形成されたパック５５を用いることが好ましい。具体的には、シート５５ｓにおける最内層５５ｈは無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）等の合成樹脂から形成された樹脂層、中間層５５ｉはアルミニウム等から形成された金属層、最外層５５ｊは無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）等の合成樹脂から形成された樹脂層である。

なお、パック５５は、このような３層構造のものに限定されず、公知の二次電池要素に用いられている１層（樹脂層）又は２層（樹脂層＋金属層）等のパックを使用することができる。

（プレート）
プレート７０，７２は、図１〜図３に示すように、板状形状をなしてリチウムイオン二次電池５の上下にそれぞれ重ねられており、リチウムイオン二次電池５を積層構造体５０の積層方向の両側から挟み込んでいる。

具体的には、プレート７０は、リチウムイオン二次電池５のパック５５と、ケース９０の上板９０ａとの間に重ねられ、プレート７２は、リチウムイオン二次電池５のパック５５と、クッション８０との間に重ねられている。プレート７０とプレート７２とは互いに対向している。

また、プレート７０、７２の面積は、図２及び図３に示すように、積層構造体５０の面積と同等以上とされ、これらプレート７０，７２は、積層構造体５０の全面と対向している。

プレート７０の材料は特に限定されず、ポリプロピレン等の樹脂材料や、ステンレス、アルミニウム等の金属材料を使用できる。特に、リチウムイオン二次電池５の膨張収縮を吸収しないように、硬質材料を用いることがよく、金属材料や硬質樹脂等が好ましい。

（負極リード及び正極リード）
負極リード（導電路）４６は、リボン状に延びる帯状のリード線であり、その一端は、図２に示すように、リチウムイオン二次電池５のパック５５内において、負極集電体４５の舌状部４５ａに接続されている。負極リード４６の材料は、負極集電体４５と同等の材料を利用できる。負極リード４６の他端は、図１及び図２に示すように、パック５５のシール部５５ｂを介してのパック５５の外へ突出している。

正極リード４１も、リボン状に延びる導電路であり、図３に示すように、その一端はリチウムイオン二次電池５のパック５５内において、各正極集電体４０の舌状部４０ａに接続されている。正極リード４１の材料は正極集電体４０と同等の材料を利用できる。正極リード４１の他端は、図１〜図３に示すように、パック５５のシール部５５ｂを介してパック５５の外へ突出している。

負極リード４６及び正極リード４１において、パック５５のシール部５５ｂに挟まれた部分は、図１〜図３に示すように、シール性を高めるべく、樹脂等の絶縁体１４によって被覆されている。絶縁体１４の材質は特に限定されないが、例えば、それぞれ合成樹脂から形成されていることが好ましい。

そして、本実施形態では、特に、リチウムイオン二次電池５から外に出た負極リード４６は、図１及び図２に示すように、リチウムイオン二次電池５を挟んだ状態のプレート７０，７２をほぼ一周取り囲むように配線されて、プレート７０，７２を連結している。

具体的には、負極リード４６は、図１及び図２に示すように、リチウムイオン二次電池５のパック５５から出た後、積層構造体５０の積層方向上方にすすんでプレート７０の端面７０ｃ上に達し、その後プレート７０の上面７０ａに沿って折れ曲がる。そして、負極リード４６は、この上面７０ａに沿って、パック５５の折り返し部５５ａに向かって進み、プレート７０の反対側の端面７０ｄに沿って折れ曲がる。続いて、負極リード４６は、プレート７０の端面７０ｄから離れて、パック５５の折り返し部５５ａに沿って積層構造体５０の積層方向下方に伸び、プレート７２の端面７２ｄ上に達する。その後、負極リード４６は、プレート７２の下面７２ｂにそって折れ曲がり、プレート７２の下面７２ｂに沿って、再び、リチウムイオン二次電池５において負極リード４６がパック５５から突出した側に向かって延び、さらに、プレート７２から突出している。

さらに、このように引き回された負極リード４６は、プレート７０及びプレート７２に対して接着剤等により固定されており、プレート７０とプレート７２とを連結している。

加えて、負極リード４６において、プレート７０からプレート７２まで掛け渡されている部分、すなわち、積層構造体５０の側面と対向する部分の縁には、図１に示すように、Ｖ字状の切り込み４６ｃが形成されている。具体的には、切り込み４６ｃは、リボン状の負極リード４６の両縁に互いに向かい合う位置に一対ずつ設けられている。

（クッション）
クッション８０は、図１〜図３に示すように板状部材であり、ゴム、発泡樹脂製等の弾力性を有する材料から形成されている。このクッション８０は、プレート７２とケース９０の下板９０ｂとの間に配置されている。このクッション８０は、ケース９０内においてリチウムイオン二次電池５の積層方向への膨張収縮を可能としつつ、リチウムイオン二次電池５をケース９０内に固定させるものである。なお、クッション８０を、プレート７２とケース９０との間ではなく、プレート７０とケース９０との間に挿入してもよく、また、クッション８０を、プレート７２とケース９０との間及びプレート７０とケース９０との間に両方挿入してもよい。

（ケース）
ケース（外ケース）９０は、一側面が開放された箱形容器であり、上板９０ａ、この上板９０ａと対向する下板９０ｂ、及び、上板９０ａと下板９０ｂとの間隔を保つべく上板９０ａと下板９０ｂとを連結する３つの側板９０ｃとを有している。

上板９０ａと、下板９０ｂとの間には、スペーサ７０、リチウムイオン二次電池５、プレート７２及びクッション８０が互いに密着して重ねられて収容されており、上板９０ａ及び下板９０ｂは、スペーサ７０、リチウムイオン二次電池５、プレート７２及びクッション８０を、これらを重ねた方向（図示上下方向）の両側から挟みこんでいる。

ケース９０の材料は特に限定されないが、ポリプロピレン等の樹脂材料や、ステンレス、アルミニウム等の金属材料を使用できる。

（製造方法）
次に、上述した電池パック１の作製方法の一例について図４及び図５を参照して簡単に説明する。

最初に、リチウムイオン二次電池５を作成する。まず、図４に示すように、舌状部４０ａが設けられた正極集電体４０の片面にカソード層１０を形成して２層積層体１２０を２つ得る。カソード層１０は、前述の正極活物質、導電助剤、結着剤等を有する溶剤を正極集電体４０に塗布することにより形成できる。

また、舌状部４５ａが設けられた負極集電体４５の両面にアノード層２０を形成し３層積層体１４０を得る。アノード層２０は、前述の負極活物質、導電助剤、結着剤等を有する溶剤を負極集電体４５に塗布することにより形成できる。

続いて、絶縁性の多孔質材料からなるセパレータ層３０を２つ用意する。そして、２層積層体１２０／セパレータ層３０／３層積層体１４０／セパレータ層３０／２層積層体１２０のように積層し、これらの積層方向の両側の面内中央部分を挟んで加熱して図２及び図３に示す積層構造体５０を作成する。さらに、正極リード４１及び負極リード４６を用意し、図２に示すように、負極集電体４５の舌状部４５ａに負極リード４６を接続すると共に、図３に示すように、正極集電体４０の各舌状部４０ａを正極リード４１に接続する。

次に、図５（ａ）に示すように、アルミニウム箔を熱接着性樹脂層でラミネートした矩形状のシート５５ｓを折り曲げて重ね合わせ、２辺のシール部５５ｂ、５５ｂを、例えばシール機等でヒートシールし、積層構造体５０を導入するための開口部５５ｃが形成された袋状のパック５５を得る。

そして、開口部５５ｃを有した状態のパック５５の内部に、積層構造体５０を挿入し、真空容器内でパック５５内を減圧しつつパック５５内に電解質溶液を注入して積層構造体５０を電解質溶液に浸漬させる。その後、正極リード４１、負極リード４６の端部をそれぞれパック５５内から外部に突出させ、ヒートシール機を用いて、パック５５の開口部５５ｃをシールする。これにより、図１に示すようなリチウムイオン二次電池５の作製が完了する。

続いて、図５（ｂ）に示すように、所定の厚みのプレート７０及びプレート７２を用意思、このプレート７０，７２でリチウムイオン二次電池５を挟むと共に、負極リード４６を、プレート７０／リチウムイオン二次電池５／プレート７２からなる積層体Ｌの外周に約一周巻きまわすと共に、この正極リード４６をプレート７０，７２に接着して固定する。そして、プレート７２の下面にクッション８０を重ねた上で、プレート７０／リチウムイオン二次電池５／プレート７２からなる積層体Ｍを、所定の大きさのケース９０中に格納する。ここで、積層体Ｍの厚みの総和は、ケース９０の上板９０ａと下板９０ｂとの間隔とほぼ同じかそれ以下とされている。これにより、図１に示すような本実施形態の電池パック１が完成する。

本実施形態の電池パック１によれば、正極リード４１及び負極リード４６を介して電池パック１の充電を行うと、リチウムイオンがアノード層２０の負極活物質にインターカレートして負極活物質、すなわちアノード層２０が膨張し、これによってリチウムイオン二次電池５の積層構造体５０の体積が膨張する。そして、この積層構造体５０の体積膨張量は、負極活物質にインターカレートしたリチウムイオンの量、すなわち、電池の残存容量と相関関係がある。そして、リチウムイオン二次電池５の充電が進んで残存容量が増えると、これに応じて積層構造体５の体積が増加して一対のプレート７０，７２間の間隔が長くなり、負極リード４６に引張力が働く。そして、さらに充電がなされて残存容量が増加し、積層構造体５０の体積が所定の値まで増加すると、一対のプレート７０，７２にそれぞれ固定されてこれらを連結する負極リード４６に引張強度よりも大きな引張力が働いて、負極リード４６が切り込み４６ｃに沿って破断する。これによって、負極リード４６の導通が遮断され、リチウムイオン二次電池５へのこれ以上の過充電を未然に防ぐことが可能となる。

ここでは、所定の最大過充電率（例えば、過充電率５％）に対応する積層構造体５０の厚みを予め求め、積層構造体５０がこの厚みまで膨張したときに負極リード４６にかかる力と、負極リード４６の引張強度と、が同等となるように負極リード４６の形態等を設定すればよい。具体的には、例えば、負極リード４６の厚みや幅、さらには、切り込み４６ｃの深さ、位置、幅、個数等を調節することにより、引張強度を任意好適に設定できる。

また、本実施形態では、閾値を超える引張力が働いて負極リード４６が一回破断すると、負極リード４６を介した放電は不可能となり、積層構造体５０の厚みは通常維持される。したがって、プレート７０，７２間の間隔は広がったままであり負極リード４６は再び導通することはない。したがって、このようにして所定の閾値を超えるような充電がなされた電池パック１の再利用を防止する効果がある。

また、一対のプレート７０，７２で積層構造体５０を積層方向の両側から挟んでいるので、積層構造体５０においてアノード層２０が面内で不均一に、例えば、中央部分が特に膨張する場合でも、効率よくプレート７０，７２間の間隔が開くため、負極リード４６の破断を効率よく起こさせることができる。

また、負極リード４６においてプレート７０とプレート７２とを連結する部分に、切り込み４６ｃが形成されている。これにより、一対のプレート７０，７２の間隔が広がって負極リード４６に引張力がかかったときに、切り込み３６ｃへの応力集中により負極リード４６がより確実に破断する。したがって、所望の引張力の閾値、すなわち、所望の残存容量や過充電率となったときに精度よく負極リード４６の導通を遮断できる。

また、リチウムイオン二次電池５及びこれを挟む一対のプレート７０，７２を収容するケース９０と、一対のプレート７０，７２の少なくとも一方のプレートとケース９０との間にクッション８０を有している。

これにより、リチウムイオン二次電池５及び一対のプレート７０，７２がケース９０内に収容されるので電池パック１の取り扱い性が向上する。また、ケース９０とプレート７０，７２との間にクッション８０があるのでケース９０内でリチウムイオン二次電池５の積層構造体５０が十分に膨張でき、したがって、プレート７０，７２間の間隔が十分広くなるので、過充電防止機能を十分に発揮できる。

さらに、リチウムイオン二次電池の負極活物質がＳｉを含むと、リチウムイオンのインターカレート及びデインターカレートに伴う負極活物質、すなわち、アノード層２０の体積の膨張収縮が著しく大きい。したがって、残存容量の多寡に応じたリチウムイオン二次電池５の体積の変化が大きくなり、極めて精度の良い過充電防止のための導通遮断動作が可能となる。

加えて、リチウムイオン二次電池５は、リチウムイオンを含む電解質溶液、正極活物質を含むカソード層１０及び負極活物質を含むアノード層２０を密閉するパック５５をさらに有しているので、電解質溶液がリチウムイオン二次電池５から漏れ出しにくくなり好適である。

（第二実施形態）
続いて、図６を参照して、第二実施形態にかかる電池パック２について説明する。本実施形態に係る電池パック２が、第一実施形態に係る電池パック１と異なる点は、負極リード４６の途中に互いに結合可能なプラグ４７及びジャック４８が接続されている点である。そして、プラグ４７は一方のプレート７０に固定され、ジャック４８は他方のプレート７２に固定されている。また、プラグ４７及びジャック４８が結合することにより、プレート７０及びプレート７２が連結されている。

なお、プラグ４７やジャック４８の形態は特に限定されず、プラグ４７をジャック４８に挿入することによりこれらが導通し、プラグ４７からジャック４８を引き抜くことによりこれらの導通が遮断される物であればよい。

これによれば、第一実施形態と同様にしてリチウムイオン二次電池５が充電されてリチウムイオン二次電池５の残存容量が増加すると、リチウムイオン二次電池５の積層構造体５０が膨張し、一対のプレート７０，７２間の間隔が長くなる。そうすると、各プレート７０，７２に固定されたプラグ４７とジャック４８とが互いに反対方向に引っ張られてこれらの結合が解除されるので、負極リード４６の導通が遮断される。したがって、第一実施形態と同様にリチウムイオン二次電池５の過充電を未然に防止できる。これ以外の作用効果は第一実施形態と同様である。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されずさまざまな変形態様を取ることが可能である。

例えば、上記実施形態では、一対のプレート７０，７２間を負極リード４６やプラグ４７及びジャック４８により連結しているが、所定の引張力によって導通が遮断される物であればよい。

また、上記実施形態では、負極リード４６によってプレート７０，７２を連結し、負極リード４６の導通が遮断されるように構成しているが、正極リード４１によってプレート７０，７２を連結してこの正極リード４１の導通を遮断させるように構成してもよい。

また、第一実施形態では、プレート７０とプレート７２とを１本の負極リード４６で連結しているが、複数本の負極リードや、正極リード及び負極リードの両方で連結するようにしても良い。この場合、プレート７０及びプレート７２の一方側の端部同士を複数のリードで連結しても良いが、プレート７０及びプレート７２の一方側の端部同士及び他方側の端部同士をそれぞれリードで連結してもよく、さらに、プレート７０及びプレート７２の４辺同士をそれぞれリードで連結しても良い。

また、上記実施形態においては、積層構造体５０は単セルとしての二次電池要素３５を２つ有するものであったが、二次電池要素を２つより多く有していてもよく、又、１つでもよい。

以下、本実施形態に係る電池パックの実施例を挙げて本発明についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

まず、カソード積層体を以下の手順により作製した。まず、正極活物質としてＬｉＣｏＯ_２、導電助剤としてカーボンブラック及びグラファイト、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ；アトフィナ社製ＰＶｄＦホモポリマー粒子 Kynar741, 重量平均分子量Ｍｗ５．５×１０^５、平均粒径０．２μｍ、ＮＭＰに可溶）を用意し、これらの重量比が正極活物質：カーボンブラック：グラファイト：結着剤＝９０：３：３：４となるようにプラネタリーミキサで混合分散した後、これに溶媒としてのＮＭＰを、ＮＭＰ：結着剤の重量比が９４：６となるように室温下で混合し、スラリー状のカソード用塗布液（スラリー）を調整した。続いて、厚さ６０μｍのアルミニウム箔の片面にカソード用塗布液をドクターブレード法により塗布して乾燥させ両端用のカソード積層体とし、また、厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面にカソード用塗布液をドクターブレード用により塗布して乾燥させ中間層用のカソード積層体とした。

続いて、アノード積層体を以下の手順により作製した。まず、負極活物質としてシリコン粉末、導電助剤としてカーボンブラックとグラファイト、結着剤としてカソードに用いたのと同じＰＶｄＦを用意し、これらの重量比が負極活物質：カーボンブラック：グラファイト：結着剤＝７５：３：１２：１０となるように配合してプラネタリーミキサで混合分散した後、これに溶媒としてのＮＭＰを、ＮＭＰ：結着剤の重量比が９３：７となるように室温下で混合し、スラリー状のアノード用塗布液を調整した。次に、集電体としての銅箔（厚さ：１０μｍ）を用意し、アノード用塗布液をドクターブレード法により銅箔の両面に塗布して乾燥させてアノード積層体を得た。

次に、セパレータとしてポリオレフィン製の多孔膜を用意し、両端用カソード積層体／セパレータ／アノード積層体／セパレータ／中間層用カソード積層体／・・・・・・／セパレータ／アノード積層体／セパレータ／両端用カソード積層体のように積層して積層構造体とし、両端面から熱圧着して固定した。ここでは、積層構造体の最外層に、片面にカソードが担持されたカソード積層体が配置されるように積層した。

つぎに、エチレンカーボネート（ＥＣ）及びジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を混合した溶媒に、ＬｉＰＦ_６を濃度が１ｍｏｌ／ｄｍ^３となるように溶媒に溶かして非水電解質溶液とした。

次に、アルミラミネートフィルムを袋状に形成したパックを用意し、積層構造体を挿入し、真空槽中で非水電解質溶液を注入して積層構造体を非水電解質溶液に含浸させた。その後、減圧状態のままで、リードの一部が外装体から突き出るようにしてパックの入り口部をシールし、初期充放電を行うことにより積層型リチウムイオン二次電池を得た。

このようなリチウムイオン二次電池に対して、充放電サイクルを繰り返したところ、リチウムイオン二次電池の厚みは、図７の線Ａに示すように、放電すると大きく膨張し、放電すると大きく収縮することが確認された。なお、負極活物質として黒鉛を用いたリチウムイオン二次電池も制作したが、この場合でも図７の線Ｂに示すように充電放電に応じて厚みの変動は起こった。

続いて、所定の厚みのステンレス製の一対のプレート、クッション、及び、所定の開口幅の絞り出し成形されたアルミニウム箱形ケースを用意し、リチウムイオン二次電池を一対のプレートで挟み、負極リードをこれらの積層体の周りに巻きまわして一対のプレートを連結し、さらに、下側にクッションを重ねてケース内に挿入し、電池パックを完成させた。クッションの厚みは、ケース内で厚み方向に隙間ができないように設定した。また、負極リードは過充電率が５％に対応すると破断するように設定した。

そして、このような電池パックに正極リード及び負極リードを介して定電流充電を行った場合の、リチウムイオン二次電池の厚さ及び電流値の経時変化を図８に示す。充電が進むにつれて、リチウムイオン二次電池の厚さが増えるが、過充電率が５％となる厚さになると負極リードが破断して、それ以後の充電はなされなかった。

第一実施形態に係る電池パックの一部破断斜視図である。 図１の電池パックのＩＩ−ＩＩ矢視図である。 図１の電池パックのＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図である。 電池パックを製造する方法を説明する断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、電池パックを製造する方法を説明する図３に続く斜視図である。 第二実施形態に係る電池パックの一部破断斜視図である。 実施例に係る電池パックに用いたリチウムイオン二次電池の充放電に伴う厚みの変化を示すグラフである。 実施例に係る電池パックに定電流充電をした時の、厚み及び電流の経時変化を示すグラフである。

符号の説明

１…電池パック、５…リチウムイオン二次電池、１０…カソード層（正極層）、２０…アノード層（負極層）、３０…セパレータ層、４６…負極リード（導電路、リード線）、４７…プラグ、４８…ジャック、４６ｃ…切り込み、５０…積層構造体、５５…パック（電池容器）、７０，７２…プレート、８０…クッション、９０…ケース（外ケース）。

Claims (11)

1. リチウムイオンを含む電解質、正極活物質及び前記リチウムイオンをインターカレートかつデインターカレートする負極活物質を有し、前記正極活物質を含む正極層、セパレータ層及び前記負極活物質を含む負極層をこの順に積層した積層構造体を有するリチウムイオン二次電池と、
   前記リチウムイオン二次電池を前記積層構造体の積層方向の両側から挟み、前記積層構造体に対向する面の面積が、当該面に対向する前記負極層の面の面積以上である一対のプレートと、
   前記リチウムイオン二次電池の前記正極活物質又は前記負極活物質に電気的に接続された導電路と、を備え、
   前記導電路は一方の前記プレート及び他方の前記プレートにそれぞれ固定されて前記一方のプレートと前記他方のプレートとを連結し、所定の引張力がかかると導電を遮断する電池パック。
2. 前記リチウムイオン二次電池は、前記正極層を表面に有する正極集電体及び、前記負極層を表面に有する負極集電体をさらに備え、
   前記導電路のうち前記プレートへ固定された部分は、前記導電路と前記正極集電体又は前記負極集電体との接続部側から、前記接続部側の反対側に向かって設けられている、請求項１に記載の電池パック。
3. 前記リチウムイオン二次電池は、前記正極層を表面に有する正極集電体及び、前記負極層を表面に有する負極集電体をさらに備え、
   前記導電路が、前記導電路と前記正極集電体又は前記負極集電体との接続部側から、前記積層構造体の積層方向上方に向かい、一方の前記プレートの上面に沿って、前記接続部側と反対側に向かって進み、前記接続部側と反対側の前記積層構造体の端面に沿って積層方向下方に伸び、他方の前記プレートの下面に沿って、前記接続部側に向かって延びている、請求項１に記載の電池パック。
4. リチウムイオンを含む電解質、正極活物質及び前記リチウムイオンをインターカレートかつデインターカレートする負極活物質を有するリチウムイオン二次電池と、
   前記リチウムイオン二次電池を挟む一対のプレートと、
   前記リチウムイオン二次電池の前記正極活物質又は前記負極活物質に電気的に接続された導電路と、を備え、
   前記導電路は、互いに結合可能なプラグ及びジャックを有し、
   前記プラグは一方の前記プレートに固定され、前記ジャックは他方の前記プレートに固定され、前記ジャック及び前記プラグが結合することにより一方の前記プレートと他方の前記プレートとが連結され、所定の引張力がかかると導電を遮断する電池パック。
5. リチウムイオンを含む電解質、正極活物質及び前記リチウムイオンをインターカレートかつデインターカレートする負極活物質を有するリチウムイオン二次電池と、
   前記リチウムイオン二次電池を挟む一対のプレートと、
   前記リチウムイオン二次電池の前記正極活物質又は前記負極活物質に電気的に接続された導電路と、
   前記リチウムイオン二次電池及び前記一対のプレートを収容する外ケースと、前記一対のプレートの少なくとも一方のプレートと前記外ケースとの間に設けられたクッションと、を備え、
   前記導電路は一方の前記プレート及び他方の前記プレートにそれぞれ固定されて前記一方のプレートと前記他方のプレートとを連結し、所定の引張力がかかると導電を遮断する電池パック。
6. 前記リチウムイオン二次電池は、前記正極活物質を含む正極層、セパレータ層及び前記負極活物質を含む負極層をこの順に積層した積層構造体を有し、
   前記一対のプレートは、前記リチウムイオン二次電池を前記積層構造体の積層方向の両側から挟む請求項４又は５に記載の電池パック。
7. 前記導電路はリード線を有し、前記リード線が一方の前記プレート及び他方の前記プレートにそれぞれ固定されて前記一方のプレートと前記他方のプレートとを連結する請求項１〜３、５、６のいずれか一項に記載の電池パック。
8. 前記リード線には切り込みが形成されている請求項７に記載の電池パック。
9. 前記導電路は、互いに結合可能なプラグ及びジャックを有し、
   前記プラグは一方の前記プレートに固定され、前記ジャックは他方の前記プレートに固定され、前記ジャック及び前記プラグが結合することにより一方の前記プレートと他方の前記プレートとが連結された請求項１〜３、５、６のいずれか一項に記載の電池パック。
10. 前記リチウムイオン二次電池及び前記一対のプレートを収容する外ケースと、前記一対のプレートの少なくとも一方のプレートと前記外ケースとの間に設けられたクッションと、をさらに有する請求項１〜４、６〜９の何れかに記載の電池パック。
11. 前記リチウムイオン二次電池の前記負極活物質はＳｉを含む請求項１〜１０の何れかに記載の電池パック。

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