JP4056239B2

JP4056239B2 - 過電流又は加熱制限素子及びこの素子を用いた電池

Info

Publication number: JP4056239B2
Application number: JP2001304413A
Authority: JP
Inventors: 大樹寺岡; 幹隆玉井; 厚司渡部; 隆史長谷川
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2003109580A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流供給側端子と、電流取出側端子と、筐体内に設けられた可動アームとを有し、且つ、通常時にはこの可動アームが上記両端子と接触して、上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられ、異常時には上記可動アームが、上記両端子のうち一方の端子と非接触状態となって、上記電流経路が遮断される構造の過電流又は加熱制限素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えばＶＴＲ等の電気機器に使用されるニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池、リチウムイオン電池等の電池を保護するための小型サーキットブレーカーは、数Ａ以上の電流が流れると作動し、回路を遮断する機能を有するものである。
【０００３】
図１８（ａ）（ｂ）は、このような小型サーキットブレーカーの従来例を示す断面図であり、樹脂５０・５１から成る樹脂ケース（筐体）５４からは２つのリード５６・５７が延出されており、これらリード５６・５７のうち一方のリード５６には可動アーム５５が一体的に（電気的に接続された状態で）形成されている。この可動アーム５５の先端には接点板５２が固定されており、また、可動アーム５５は、上記樹脂５１に固定され反転湾曲可能なバイメタル５８により変形可能な構造となっている。上記リード５６・５７のうち他方のリード５７には接点５３が取り付けられている。上記構造の小型サーキットブレーカーにおいて、通常時には、図１８（ａ）に示すように、接点板５２と接点５３とが接触して、上記両リード５６・５７間に電流経路が設けられる一方、異常時には、図１８（ｂ）に示すように、バイメタル５８が反転湾曲し、接点板５２と接点５３とが離れた状態となって、上記電流経路が遮断される。
【０００４】
しかしながら、上記従来の小型サーキットブレーカーを用いた場合には、一方のリード５６と電池の封口体とを接続する一方、他方のリード５７を基板等に接続する必要があるため、小型サーキットブレーカーと電池本体部とを備えた電池パックとした場合に、少なくとも小型サーキットブレーカーの分だけ電池パックが大きくなるため、電池パック中に占める電池の割合が少なくなって、体積効率が悪くなるという課題を有していた。
また、リード５６・５７を折り曲げる等して基板或いは電池本体部に接続する必要が生じるときもあるため、製造工程が煩雑化して、製造コストが上昇するという課題も有していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の事情に鑑みなされたものであって、電池パック中に占める電池の割合が多くすることにより、体積効率を向上させ、且つ製造工程が煩雑化するのを防止して、製造コストを低減することができる過電流又は加熱制限素子及びこの素子を用いた電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうちで請求項１記載の発明は、電流供給側端子と、電流取出側端子と、筐体内に設けられた可動アームとを有し、且つ、通常時にはこの可動アームが上記両端子と接触して、上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられ、異常時には上記可動アームが、上記両端子のうち一方の端子と非接触状態となって、上記電流経路が遮断される構造の過電流又は加熱制限素子において、上記筐体における一面に上記電流供給側端子が設けられ、且つ上記筐体における上記電流供給側端子が設けられ面以外の面に電流取出側端子が設けられていることを特徴とする。
つまり、上記筐体における下面に上記電流供給側端子が設けられ、且つ上記筐体における上面に電流取出側端子が設けられている。
【０００７】
上記構成であれば、電流供給側端子を直接電池等の部品に固定し、且つ電流取出側端子を電池の一方の極の外部端子等として用いることができるので、従来例の如くリードを折り曲げる等して基板或いは電池に接続する必要が生じない。したがって、製造工程の煩雑化を防止することができるので、過電流又は加熱制限素子を用いた部品（電池パック等）の製造コストを低減することができる。
加えて、電流取出側端子を電池の一方の極の外部端子等として用いることができるので、例えば本発明の過電流又は加熱制限素子を電池に用いた場合、従来の如く小型サーキットブレーカー（過電流又は加熱制限素子）の分だけ電池パックが大きくなるのを抑制することができる。したがって、電池パック中に占める電池の割合が多くなるので、体積効率を向上させることができる。
【０００８】
また、上記筐体における上記電流供給側端子が設けられた面と対向する面に電流取出側端子が設けられていることを特徴とする。
電流供給側端子が設けられた面と対向する面に電流取出側端子が設けられていれば、プリント基板等の基板上に電流取出側端子を直接載置することができるので、リフロー法等により簡単に実装することができるので、過電流又は加熱制限素子を用いた部品（電池パック等）の製造コストを一層低減することができる。
【０００９】
上記可動アームがバイメタルから成る通電方式が用いられることを特徴とする。
このような通電方式のものを用いれば、下記無通電方式のものを用いた場合に比べて、部品点数を削減することができるので、製造コストをより一層低減することができる。
【００１０】
上記可動アームが別途設けられたバイメタルにより作動する無通電方式が用いられることを特徴とする。
上記通電方式のものでは、バイメタルに直接電流を流すことになるので、可動アームであるバイメタル自体が発熱する。したがって、可動アームに流す電流を低く規制しておく必要がある。これに対して、上記無通電方式の如くバイメタルを別途設けていれば、可動アームには熱が伝わり難くなるので、可動アームに流す電流が高くなるように設定することが可能となる。
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の他の発明は、内部に電極体が配置された外装缶と、この外装缶の開口部を封口する封口体と、過電流又は加熱制限素子とを備え、且つ、この過電流又は加熱制限素子は、電流供給側端子と、電流取出側端子と、筐体内に設けられた過電流又は加熱制限部とを有し、この過電流又は加熱制限部により、通常時には上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられる一方、異常時には上記電流経路が遮断され或いは上記電流経路の電流を規制する構造の過電流又は加熱制限素子を用いた電池において、上記筐体における一面に上記電流供給側端子が設けられ、且つ上記筐体における上記電流供給側端子が設けられた面以外の面に電流取出側端子が設けられており、上記電流供給側端子が、上記電極体の一方の電極と電気的に接続された上記封口体又は外装缶に固定されていることを特徴とする。
上記構成であれば、前記請求項１に記載した作用効果を得ることができる。
特に、電流供給側端子を、他極の外部端子が設けられた封口体に固定し、且つ電流取出側端子と他極の外部端子の先端面が略面一となるように規制すれば、電池パック中に占める電池の割合がより多くなるので、体積効率を一層向上させることができる。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明のうちで更に他の発明は、内部に電極体が配置された外装缶と、この外装缶の開口部を封口する封口体と、過電流又は加熱制限素子とを備え、且つ、この過電流又は加熱制限素子は、電流供給側端子と、電流取出側端子と、筐体内に設けられた過電流又は加熱制限部とを有し、この過電流又は加熱制限部により、通常時には上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられる一方、異常時には上記電流経路が遮断され或いは上記電流経路の電流を規制する構造の過電流又は加熱制限素子を用いた電池において、上記封口体又は上記外装缶が上記電流供給側端子を構成し、且つ上記筐体における何れかの面に電流取出側端子が設けられており、上記封口体又は外装缶が、上記電極体の一方の電極と電気的に接続されていることを特徴とする。
このように、封口体又は外装缶が電流供給側端子を構成していれば、別途電流供給側端子を設ける必要がないので、電池の製造コストが低くなる。
【００１３】
上記筐体における上記電流供給側端子が設けられ面と対向する面に電流取出側端子が設けられていることを特徴とする。
上記構成であれば、上述に記載した作用効果を得ることができる。
【００１４】
上記過電流又は加熱制限部が可動アームから成り、この可動アームの一端は上記両端子のうち一方の端子に固定される一方、上記可動アームの他端である自由端は、通常時には上記両端子のうち他方の端子と接触して、上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられ、異常時には上記両端子のうち他方の端子とが非接触状態となって、上記電流経路が遮断される構造のサーキットブレーカーにより過電流又は加熱制限素子が構成されることを特徴とする。
【００１５】
上記可動アームがバイメタルから成る通電方式が用いられることを特徴とする。
上記構成であれば、上述に記載した作用効果を得ることができる。
上記可動アームが別途設けられたバイメタルにより作動する無通電方式が用いられることを特徴とする。
上記構成であれば、上述に記載した作用効果を得ることができる。
【００１６】
また、上記封口体に設けられた注液口を、上記過電流又は加熱制限素子が塞ぐ構成とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図１〜図１７に基づいて、以下に説明する。
図１は小型サーキットブレーカーにおける通常状態を示す断面図、図２は小型サーキットブレーカーにおける異常状態を示す断面図、図３は図１及び図２の小型サーキットブレーカーの作動状態を示す概念図、図４は図１及び図２の小型サーキットブレーカーを用いたリチウムイオン電池の断面図、図５は小型サーキットブレーカーの変形例における通常状態を示す断面図、図６は小型サーキットブレーカーの変形例における異常状態を示す断面図、図７は図５及び図６の小型サーキットブレーカーの作動状態を示す概念図、図８は小型サーキットブレーカーの変形例における作動状態を示す概念図、図９は小型サーキットブレーカーの他の変形例における作動状態を示す概念図、図１０は小型サーキットブレーカーによって電解液の注液口を封止する場合の状態を示す断面図、図１１は小型サーキットブレーカーの固定位置を変えた場合の状態を示す断面図、図１２は電池の端子を変形して電流取出位置を変える場合の状態を示す断面図、図１３は図１２の電池における電流取出位置を示す平面図、図１４は過電流又は加熱制限素子としてＰＴＣ素子を用いた場合の断面図、図１５は小型サーキットブレーカーの更に他の変形例における作動状態を示す概念図、図１６は薄型電池の正面図、図１７は図１６の薄型電池を電池パックとしたときの断面図である。
【００１８】
図４に示すように、本発明のリチウムイオン電池は、筒状の外装缶８を有しており、この外装缶８内には、アルミニウム合金から成る芯体にＬｉＣｏＯ₂を主体とする活物質層が形成された正極と、銅から成る芯体に黒鉛を主体とする活物質層が形成された負極と、これら両電極を離間するセパレータとから成る偏平渦巻き状の電極体７が収納される。また、上記外装缶８内には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とが体積比で４：６の割合で混合された混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆が１Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解された電解液が注入されている。更に、上記外装缶８の開放孔にはアルミニウム合金から成る封口体６（厚さ：１ｍｍ）がレーザー溶接されており、これによって電池が封口される。
【００１９】
上記封口体６は、ガスケット１１、絶縁板１２及び導電板１４と共に、注液孔１８を有する挟持部材１６により挟持されており、この挟持部材１６上には負極端子キャップ１０が固定されている。また、上記負極から延設される負極タブ１５は、上記導電板１４と挟持部材１６とを介して、上記負極端子キャップ１０と電気的に接続される一方、上記正極は正極タブ１７を介して、上記外装缶８と電気的に接続されている。
尚、図４中の２は樹脂であり、この樹脂２の剥がれを防止すると共に外部短絡を防止するためのラベルが、上記外装缶８の側面に設けられている。
【００２０】
ここで、上記封口体６の一部には凹部３が形成されており、この凹部３には小型サーキットブレーカー１が固定されている。この小型サーキットブレーカー１における通常状態での構成は、図１に示すように、上記封口体６とスポット溶接法により固定される長尺の電流供給側端子２０を有しており、この電流供給側端子２０上には、反転湾曲可能なバイメタル２２がフレーム２１を介して固定されている。また、上記電流供給側端子２０上には電流供給側端子２０と電気的に接続された接点２３が設けられている。一方、上記電流供給側端子２０と対向する面には、電池の正極端子を兼用する電流取出側端子２５が設けられており、この電流取出側端子２５の一端近傍には可動アーム２４が取り付けられている。この可動アーム２４の先端には、上記接点２３と対向して、接点板２４ａが設けられている。上記構成により、電池内の正極と電気的に接続された封口体６と電流取出側端子２５とは、接点２３、可動アーム２４を介して電気的に接続されて電流経路が設けられる。この状態の理解を容易とするため、図３に概念図を示す。図３において、可動アーム２４とバイメタル２２とが実線で示されているのが、通常状態である。尚、図１中、２６、２７、２８は樹脂であり、筐体の一部を構成している。
【００２１】
一方、上記小型サーキットブレーカー１における異常状態（電池温度が約７０℃以上となった状態）での構成は、図２に示すように、バイメタル２２が反転湾曲して、可動アーム２４の接点板２４ａと接点２３とが離れた状態となっている。これにより、電流供給側端子２０と電流取出側端子２５との間の電流経路が遮断される。上記図３において、可動アーム２４とバイメタル２２とが二点鎖線で示されているのが、異常状態である。
【００２２】
上記構造のリチウムイオン電池を、以下のようにして作製した。
先ず、正極活物質としてのＬｉＣｏＯ₂を９０質量％と、導電剤としてのカーボンブラックを５質量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを５質量％と、溶剤としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶液とを混合してスラリーを調製した後、上記スラリーを正極集電体としてのアルミニウム箔の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みにまで圧縮した後、所定の幅及び長さになるように切断し、更にアルミニウム合金製の正極集電タブを溶接した。
【００２３】
これと並行して、負極活物質としての黒鉛粉末を９５質量％と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを５質量％と、溶剤としてのＮＭＰ溶液とを混合してスラリーを調製した後、上記スラリーを負極集電体としての銅箔の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みにまで圧縮した後、所定の幅及び長さになるように切断し、更にニッケル製の負極集電タブを溶接した。
【００２４】
次に、上記正極と負極とをポリエチレン製微多孔膜から成るセパレータを介して巻回して偏平渦巻き状の電極体７を作製した後、この電極体７を外装缶８内に挿入した後、封口体６、ガスケット１１、絶縁板１２及び導電板１４を挟持部材１６により挟持した。
【００２５】
しかる後、外装缶８と封口体６とをレーザー溶接した後、注液孔１８から外装缶８内に電解液を注入し、更に挟持部材１６上に負極端子キャップ１０を固定した。
この後、インサート成形法により作製された小型サーキットブレーカー１を封口体６の凹部３にスポット溶接法により固定した後、外部端子を除き、樹脂２にて封口体６の上面を覆うことによりリチウムイオン電池を作製した。
【００２６】
〔その他の形態〕
（１）小型サーキットブレーカー１としては上記無通電方式のものに限定するものではなく、図５〜図７に示すように、上記の如くバイメタルを別途設けるのではなく、可動アーム２４自体がバイメタルから成るような通電方式であっても良い。
【００２７】
（２）小型サーキットブレーカー１の可動アーム２４は、電流取出側端子２５に固定される構造に限定するものではなく、図８に示すように、内部端子２９を介して（或いは、直接に）電流供給側端子２０と固定される構造であっても良い。
（３）小型サーキットブレーカー１の可動アーム２４の自由端に設けられる接点板２４ａは１つに限定するものではなく、図９に示すように、電流取出側端子２５から突出した凸部２５ａと樹脂３０から突出した凸部３０ａとの間に可動アーム２４を挟持し、この可動アーム２４の両端に接点板２４ａをそれぞれ設けるような構造であっても良い。
【００２８】
（４）図１０に示すように、負極キャップ１０内に電解液の注液口１８を設けないで、封口体６に別途注液口１８を形成するような場合には、小型サーキットブレーカー１の下面に設けられ電解液の漏れを防止するゴム３２を注液口１８上に配置するようにして、小型サーキットブレーカー１により注液孔１８を塞ぐ構成としても良い。
（５）小型サーキットブレーカー１の固定位置は封口体６に限定するものではなく、図１１に示すように、外装缶８における封口体６と対向する面であっても良い。
【００２９】
（６）図１２に示すように、小型サーキットブレーカー１以外の端子を延設すれば、樹脂２のモールド状態を変えることにより、電流取出位置を変えることが可能となる。具体的には、図１２の実線のように樹脂２をモールドすると、図１３（ａ）に示すような電流取出位置３４・３５となり、図１２の二点鎖線のように樹脂２をモールドすると、図１３（ｂ）に示すような電流取出位置３４・３５となる。加えて、樹脂２をモールドすることにより、電池が落下等して電池に外力が加えられた場合であっても、出力端子が保護される。
【００３０】
（７）過電流又は加熱制限素子としては小型サーキットブレーカー１に限定するものではなく、図１４に示すように、電流取出側端子２５と電流供給側端子２０との間にＰＴＣ樹脂層３６が形成されたＰＴＣ素子であっても良いし、また、図示はしないがヒューズであっても良い。
（８）上記構成の如く電流供給側端子２０を別途設ける必要はなく、図１５に示すように、封口体６が電流供給側端子２０を兼用する構造であっても良く、また図示はしないが、外装缶８が電流供給側端子２０を兼用する構造であっても良い。また、この場合、可動アームは、図１５に示すように、電流供給側端子２０側に固定する構造に限定するものではなく、封口体６又は外装缶８に固定する構造であっても良い。
【００３１】
（９）電池としては、上記円筒型の電池に限定するものではなく、図１６に示すように、電極体（図示せず）が内部に収納されたラミネート外装体４０の一端から、正極集電タブ４１と負極集電タブ４２とが突出している構造の薄型電池にも適用し得る。このような薄型電池では、図１７に示すように、Ｕ字状に折り曲げられた負極集電タブ４２に小型サーキットブレーカー１がスポット溶接され、この小型サーキットブレーカー１は、出力リード４４と電気的に接続された基板４３にリフロー半田される構造である。そして、その製造方法は、基板４３に小型サーキットブレーカー１をリフロー半田した後、この小型サーキットブレーカー１付き基板４３を負極集電タブ４２にスポット溶接し、最後に負極集電タブ４２をＵ字状に折り曲げることにより行う。尚、負極集電タブ４２に小型サーキットブレーカー１を接続するような構造に限定するものではなく、正極集電タブ４１に小型サーキットブレーカー１を接続するような構造であっても良いことは勿論である。
（１０）電流取出側端子は電流供給側端子の対向面に設ける構造に限定するものではなく、電流供給側端子が設けられていない面に設ける構造であっても良い。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電池パック中に占める電池の割合が多くなるので、体積効率を向上させることができ、且つ製造工程が煩雑化するのが抑制されるので、製造コストを低減することができるといった優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】小型サーキットブレーカーにおける通常状態を示す断面図。
【図２】小型サーキットブレーカーにおける異常状態を示す断面図。
【図３】図１及び図２の小型サーキットブレーカーの作動状態を示す概念図。
【図４】図１及び図２の小型サーキットブレーカーを用いたリチウムイオン電池の断面図。
【図５】小型サーキットブレーカーの変形例における通常状態を示す断面図。
【図６】小型サーキットブレーカーの変形例における異常状態を示す断面図。
【図７】図５及び図６の小型サーキットブレーカーの作動状態を示す概念図。
【図８】小型サーキットブレーカーの変形例における作動状態を示す概念図。
【図９】小型サーキットブレーカーの他の変形例における作動状態を示す概念図。
【図１０】小型サーキットブレーカーによって電解液の注液口を封止する場合の状態を示す断面図。
【図１１】小型サーキットブレーカーの固定位置を変えた場合の状態を示す断面図。
【図１２】電池の端子を変形して電流取出位置を変える場合の状態を示す断面図。
【図１３】図１２の電池における電流取出位置を示す平面図。
【図１４】過電流又は加熱制限素子としてＰＴＣ素子を用いた場合の断面図。
【図１５】小型サーキットブレーカーの更に他の変形例における作動状態を示す概念図。
【図１６】薄型電池の正面図。
【図１７】図１６の薄型電池を電池パックとしたときの断面図。
【図１８】従来の小型サーキットブレーカーの断面図。
【符号の説明】
７：電極体
８：外装缶
６：封口体
２０：電流供給側端子
２２：バイメタル
２４：可動アーム
２５：電流取出側端子

Claims

電流供給側端子と、電流取出側端子と、筐体内に設けられた可動アームとを有し、且つ、通常時にはこの可動アームが上記両端子と接触して、上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられ、異常時には上記可動アームが、上記両端子のうち一方の端子と非接触状態となって、上記電流経路が遮断される構造の過電流又は加熱制限素子において、
上記筐体における一つの面が上記電流供給側端子により構成され、且つ上記筐体における上記一つの面に対向する他の面が上記電流取出側端子により構成されていることを特徴とする過電流又は加熱制限素子。
上記可動アームがバイメタルから成る通電方式が用いられる、請求項１記載の過電流又は加熱制限素子。
上記可動アームが別途設けられたバイメタルにより作動する無通電方式が用いられる、請求項１記載の過電流又は加熱制限素子。
内部に電極体が配置された外装缶と、この外装缶の開口部を封口する封口体と、過電流又は加熱制限素子とを備え、且つ、この過電流又は加熱制限素子は、電流供給側端子と、電流取出側端子と、
筐体内に設けられた可動アームとを有し、且つ、通常時にはこの可動アームが上記両端子と接触して、上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられ、異常時には上記可動アームが、上記両端子のうち一方の端子と非接触状態となって、上記電流経路が遮断される構造の過電流又は加熱制限素子を用いた電池において、
上記筐体における一つの面が上記電流供給側端子により構成され、且つ上記筐体における上記一つの面に対向する他の面が上記電流取出側端子により構成されており、上記電流供給側端子が、上記電極体の一方の電極と電気的に接続された上記封口体又は外装缶に固定されていることを特徴とする過電流又は加熱制限素子を用いた電池。
内部に電極体が配置された外装缶と、この外装缶の開口部を封口する封口体と、過電流又は加熱制限素子とを備え、且つ、この過電流又は加熱制限素子は、電流供給側端子と、電流取出側端子と、
筐体内に設けられた可動アームとを有し、且つ、通常時にはこの可動アームが上記両端子と接触して、上記電流供給側端子から上記電流取出側端子に電流経路が設けられ、異常時には上記可動アームが、上記両端子のうち一方の端子と非接触状態となって、上記電流経路が遮断される構造の過電流又は加熱制限素子を用いた電池において、
上記筐体における一つの面が上記電流供給側端子により構成され、且つ上記筐体における上記一つの面に対向する他の面が上記電流取出側端子により構成されており、
上記封口体又は上記外装缶が上記電流供給側端子を構成し、上記封口体又は外装缶が、上記電極体の一方の電極と電気的に接続されていることを特徴とする過電流又は加熱制限素子を用いた電池。
上記可動アームがバイメタルから成る通電方式が用いられる、請求項４又は５記載の過電流又は加熱制限素子を用いた電池。
上記可動アームが別途設けられたバイメタルにより作動する無通電方式が用いられる、請求項４又は５記載の過電流又は加熱制限素子を用いた電池。
上記封口体に設けられた注液口を、上記過電流又は加熱制限素子が塞ぐ構成とする請求項４記載の過電流又は加熱制限素子を用いた電池。