JP4765439B2 - 電池パック - Google Patents

Description

この発明は、例えば、角型形状のポリマー電池に適用して好適な電池パックに関する。

近年、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、ＰＤＡ(Personal Digital Assistants)等の携帯型電子機器が普及し、電源として高電圧、高エネルギー密度、軽量といった利点を有するリチウムイオン電池が広く使用されている。

さらに、液系電解液を用いた場合に問題となる液漏れの対策として、例えば電解質として、ポリマーに非水電解液を含浸させてなるゲル状高分子膜を用いたもの、或いは全固体状の電解質を用いた、リチウムイオンポリマー二次電池が実用化されている。

リチウムイオンポリマー二次電池は、正極、負極、ポリマー電解質を有し、正極および負極からそれぞれリードが導出された電池素子が外装フィルム、例えばアルミラミネートで被覆された電池セルの構成とされている。さらに、電池セルが保護回路、接続端子などを有する配線基板と共に、上下一対の樹脂製のケースからなる箱型のモールドケース内に収納される構成とされていた。

このように、従来のポリマー電池は、アルミラミネートで被覆された電池素子や配線基板などを、上下一対のケースからなるモールドケースで覆ったものを、最終的に電池パックとしてユーザなどに商品として販売していた。

このような電池パックには、体積エネルギー効率の向上が望まれる。例えば、特許文献１には、電池セルの相互に連なった４つの面を、一枚の樹脂フィルムで連続して覆い、電池セルの面積の小さい一面内に、電池セルを覆う樹脂フィルムが重なる接合部を位置させることで、厚みを薄くする構造の角型電池が提案されている。

特開２００２−１８４３６４号公報

しかしながら、従来の電池パックには、以下のような問題点があった。モールドケースで電池セルを覆う従来の電池パックの構造では、外部からの衝撃などから電池セルを保護するために、モールドケースの厚みは、０．３ｍｍ乃至０．４ｍｍ程度が必要であった。その為、電池セルをモールドケースに固定するための両面テープや、モールドケースの成型時の公差などを考慮すると、電池パックの厚みは、電池セルの厚みに対して、０．８ｍｍ乃至１．０ｍｍ程度増加してしまう。

また、上下一対の樹脂製のケースからなるモールドケースで電池セルを覆う構造では、上下のケースを例えば超音波溶着により良好に接合する場合、接合部には、０．７ｍｍ程度の厚みが必要とされる。そのため、電池パックの厚みは、電池セルの厚みに対して、１．４ｍｍ程度増加することになり、厚みが４．０ｍｍ程度の電池セルの場合には、電池パックは電池セルの１．３倍乃至１．４倍程度の容積の増加が余儀なくされた。

さらに、現在のポリマー電池の電池パックは、電池素子を厚さ０．１ｍｍ程度のラミネートフィルムで包み込み、電池素子周辺部のラミネートフィルムを熱溶着などにより封止したものを、さらにプラスック製のケースに収納している。よって、これをそのまま液系電池と同様の金属缶に収納することは、体積効率が落ちてしまうという問題点があった。

そこで、金属製のケースで電池セルを覆うことで、厚みが薄くても十分な硬度を有する電池パックを構成することができる。例えば、リチウムイオン電池などの液系の電解質を使用する角型の電池パックの外装ケースには、アルミニウム缶が使用されている。アルミニウムなどで形成される角型の金属缶は、主に絞り加工で成型される。

ところが、その絞り加工により成型される金属缶の厚みは、現状で０．２ｍｍ程度が薄型化の限界とされている。これは、絞り加工で成型される金属缶の開口高さが絞りの金型（ダイセット）の強度に依存するためである。よって、通常の絞り加工だけで０．１ｍｍ程度以下の厚みを実現することは困難であった。

したがって、この発明は、電池セルを覆う外装ケースの厚みを薄くすることで、外装ケースによる容量の増加を小さくし、かつ機械的強度、端子の信頼性および安全性を確保することができる電池パックを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明では、ＤＩ成型法もしくはロールフォーミング法により周面の厚みが薄く形成された円筒を角型電池セルの外形にほぼ合致した筒形状に成型してなる金属製の外装ケースに角型電池セルを挿入し、外装ケースの両端の開口部にそれぞれキャップを嵌合して電池パックを作製する。このとき、角型電池セルは電池素子をフィルム状外装体で外装したものであっても、電池素子をそのまま用いたものであっても良い。また、アルミニウムからなる外装ケースの内壁面に陽極酸化皮膜もしくは樹脂フィルムからなる絶縁層が設けられる。また、電池素子部分への水分浸入を抑制するために、外装ケースの両端の開口部に嵌合したキャップを構成する樹脂に水分を吸収する水分トラッパーを混合してキャップを作製することも可能である。

この発明によれば、外装ケースが角型電池セルの外形にほぼ合致した筒形状であっても、周面の厚みを非常に薄く、かつ継ぎ目なく形成することができるため、角型の電池セルであっても極めて厚みが薄い高強度の外装ケースを使用することができる。これにより、電池パックの外装ケースのために要する容量の増加を小さくし、かつ十分な機械的強度、端子の信頼性および安全性を確保することができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。上述のとおり、この発明では外装ケースに収容する電池セルとしては、電池素子をラミネートフィルムで外装したものであっても、電池素子をそのまま用いたものであっても用いることができる。まず、電池素子をラミネートフィルムで外装した電池セルについて詳細に説明する。

図１は、一実施形態による電池パックの分解斜視図である。参照符号１は、電池例えばリチウムイオンポリマー二次電池の電池セルを示す。電池セル１は、電池素子を外装材としてのラミネートフィルムで被覆したものである。電池セル１の外形形状は、ほぼ矩形とされている。

図２に示すように、電池素子１０は、帯状の正極１１と帯状の負極１２とがセパレータ１３ａおよび１３ｂと積層され、長手方向に巻回されると共に、正極１１および負極１２からそれぞれリード２および３が導出されている。なお、セパレータとともに正極と負極を積層した積層電極体は、長手方向に巻回する他に、折り曲げや積み重ねなどによって積層する構造としても良い。

正極１１は、帯状の正極集電体上に正極活物質層が形成されてなり、さらに、正極活物質層上にポリマー電解質層１４が形成されている。また、負極１２は、帯状の負極集電体上に負極活物質層が形成されてなり、さらに、負極活物質層上にポリマー電解質層１４が形成されている。リード２および３は、それぞれ正極集電体および負極集電体に接合されている。正極活物質、負極活物質、ポリマー電解質としては、既に提案されている以下の材料を用いることができる。

［正極］
正極は、目的とする電池の種類に応じて金属酸化物、金属硫化物または特定の高分子を正極活物質として構成することができる。例えばリチウムイオン電池を構成する場合では、正極活物質として、Ｌｉ_XＭＯ₂（式中、Ｍは、一種以上の遷移金属を表し、ｘは、電池の充放電状態によって異なり、通常０．０５以上１．１０以下である。）を主体とするリチウム複合酸化物等を使用することができる。リチウム複合酸化物を構成する遷移金属Ｍとしては、コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），マンガン（Ｍｎ）等が好ましい。

このようなリチウムイオン複合酸化物の具体例としては、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＮｉ_yＣｏ_1-yＯ₂（０＜ｙ＜１）等を挙げることができる。これらのリチウム複合酸化物は、高電圧を発生でき、エネルギー密度が優れたものである。また、正極活物質としてＴｉＳ₂、ＭｏＳ₂、ＮｂＳｅ₂、Ｖ₂Ｏ₅等のリチウムを有しない金属硫化物または酸化物を使用しても良い。正極には、これらの正極活物質の複数種を併せて使用してもよい。また、以上のような正極活物質を使用して正極を形成するに際して、導電剤や結着剤等を添加しても良い。

ここで、導電剤としては、例えばカーボンブラックあるいはグラファイトなどの炭素材料等が用いられる。また、結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド等が用いられる。

［負極］
負極材料としては、リチウムをドープ、脱ドープできる材料を使用することができる。例えば、難黒鉛化炭素系材料や黒鉛系材料の炭素材料を使用することができる。より具体的には、熱分解炭素類、コークス類（ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス）、黒鉛類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体（フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの）、炭素繊維、活性炭等の炭素材料を使用することができる。さらに、リチウムをドープ、脱ドープできる材料としては、ポリアセチレン、ポリピロール等の高分子やＳｎＯ₂等の酸化物を使用することができる。このような材料から負極を形成するに際して、結着剤等を添加しても良い。結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム等が用いられる。

［ポリマー電解質］
ポリマー電解質は、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をポリマー中に取り込んだものとされている。高分子材料は、電解液に相溶する性質を有し、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、ポリプロピレンオキサイド、およ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として、例えばポリ（ビニリデンフルオロライド）、ポリ（ビニリデンフルオロライド−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）、或いはポリ（ビニリデンフルオロライド−ｃｏ−トリフルオロエチレン）等の高分子材料、およびこれらの混合物が使用される。

電解液成分は、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。電解質塩には、溶剤に相溶するものが用いられ、カチオンとアニオンとが組み合わされてなる。カチオンには、アルカリ金属やアルカリ土類金属が用いられる。アニオンには、Ｃｌ^-、Ｂｒ^-、Ｉ^-、ＳＣＮ^-、ＣｌＯ₄ ^-、ＢＦ₄ ^-、ＰＦ₆ ^-、ＣＦ₃ＳＯ₃ ^-等が用いられる。電解質塩には、具体的には六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）や四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ₄）が電解液に対して溶解可能な濃度で用いられる。

［ラミネートフィルム］
ラミネートフィルムは、フィルム状の金属と合成樹脂とを貼り合わせた多層フィルムであり、例えば、電池素子と接する内側から順に、熱融着層、金属層、表面保護層が積層された構成とされている。熱融着層としてはポリプロピレン（ＰＰ）層またはポリエチレン（ＰＥ）層を、金属層としてはアルミニウム（Ａｌ）層を、表面保護層としてはナイロン層またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）層を用いることができる。

ポリプロピレン層およびポリエチレン層は、熱溶着を行う機能と、ポリマー電解質の変質を防ぐ機能を有する。ポリプロピレン層として、無軸延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）等、エチレン層として無軸延伸の低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）等が使用される。例えば３０μｍ程度の厚みのポリプロピレン（ＰＰ）層が形成される。ポリプロピレン（ＰＰ）層およびポリエチレン層は、熱溶着時に電池セル１に加わる熱によって電池セル１が影響を受けない程度の融点を有する。

アルミニウム層は、内部への水分の侵入を防ぐ機能を有する。アルミニウム層としては、焼きなまし処理済のアルミニウム（８０２１−Ｏ ＪＩＳ Ｈ ４１６０）または（８０７９−Ｏ ＪＩＳ Ｈ ４１６０）等を用いることができ、厚みが３０μｍ〜１３０μｍ程度の範囲のものが使用される。またラミネートフィルムを構成する樹脂や接着剤に水分を吸収する機能や、水分進入をバリアする蒸着膜が付与されている場合はこの金属層を省略することができる。

ナイロン層またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）層は、アルミニウム層と電池セル１の外部とを絶縁する機能を有し、厚みが１０μｍ〜３０μｍ程度とされる。電池素子と接するアルミニウム層の内側をポリプロピレン層とし、外側をナイロン層またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）層とすることで、ポリプロピレン層は、ナイロン層またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）層よりも先に溶融するので、例えば、熱溶着によってラミネート材を封止する場合に、容易に接合することができる。

［電池パックの作製］
電池セル１の一方（フロント側）の端面から、正極および負極とそれぞれ接続されたリード２および３が導出される。リード２および３には、例えばリード２および３を共に狭持するように、保持部材４が取り付けられている。保持部材４は、例えば絶縁性を有する合成樹脂材料で形成されており、回路基板５を安定して保持すると共に、回路基板５と電池セル１とを絶縁する。

保持部材４から突出したリード２および３に対して回路基板５が抵抗溶接、超音波溶接等によって固着されている。回路基板５は、電池パックの外部と電池素子とを接続する役割を有する。回路基板５には、ヒューズ、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient：熱感抵抗素子）、サーミスタ等の温度保護素子を含む保護回路、電池パックを識別するためのＩＤ抵抗等がマウントされている。ＰＴＣは、電池素子と直列に接続され、電池の温度が設定温度に比して高くなると、電気抵抗が急激に高くなって電池に流れる電流を実質的に遮断する。ヒューズや、サーミスタも電池素子と直列に接続され、電池の温度が設定温度より高くなると、電池に流れる電流を遮断する。

リード２および３と固着された回路基板５は、フロントキャップ６の内側に収納される。フロントキャップ６側の回路基板５上には、複数例えば３個の接点部が形成されている。

フロントキャップ６およびリアキャップ７は、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）、ポリアミド系のホットメルト樹脂などの合成樹脂材料、または、後述する外装ケース８と同じ材質、例えばアルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）などの金属材料から成型されるモールド品である。フロントキャップ６およびリアキャップ７は、筒形状の外装ケース８の両端の開口部にそれぞれ取り付けられ、外装ケース８を閉塞する。

フロントキャップ６の内側には、収納される回路基板５が揺動しないように保持する保持部が設けられている。回路基板５が有する接点部と対応するフロントキャップ６の位置には、図３に示すように開口９が形成されている。この開口９を介して回路基板５の接点部が外部に臨むことになる。開口９は、フロントキャップ６の内側に固定された回路基板５上に設けられた接点部と外部回路とを電気的に接続するためのものである。なお、フロントキャップ６は、開口９を有するため、合成樹脂材料で形成することが好ましい。

フロントキャップ６およびリアキャップ７からなる一対のキャップは、その材質に適した取り付け方法によって外装ケース８に接合される。キャップが合成樹脂材料によって形成されている場合には、例えば、外装ケース８とキャップとの接合面に、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などの薄膜をラミネート処理しておき、接合面を加熱することにより、熱溶融でキャップと外装ケース８とを固着することができる。

また、シリコーン変形ポリマーが主成分の化学反応型接着剤などの樹脂系接着剤、例えばセメダイン株式会社製のスーパーＸシリーズなどで、フロントキャップ６およびリアキャップ７と外装ケース８とを接着しても良い。また、ホットメルト系樹脂を用いれば、フロントキャップ６およびリアキャップ７の外形形状の成型と同時に外装ケース８とキャップとを接着することができる。また、外装ケース８とフロントキャップ６およびリアキャップ７とは、かしめによって接合しても良い。

また、フロントキャップ６およびリアキャップ７が外装ケース８と同じ材質、例えばアルミニウムなどの金属材料によって形成されている場合には、従来のリチウムイオンポリマー電池で使用されているアルミニウム製の角缶の形成で行っている溶接などによって接合できる。

外装ケース８は、電池セル１を内部に挿入して収納する筒形状とされている。外装ケース８の厚みは、後述する成型方法によって、０．１ｍｍ程度と非常に薄く形成されている。外装ケース８は、薄くても外部からの衝撃等から内部の電池セル１を保護することができる材料、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス（ＳＵＳ）などの金属から形成されている。アルミニウムとしては，ＪＩＳ規格におけるＡ３００３Ｈ−Ｈ１８、Ａ３００４Ｈ−Ｈ１８、Ａ１Ｎ３０Ｈ−Ｈ１８などを用いることができる。これらアルミニウム材料は、ビッカース硬度が２０以上のため、外装ケースの厚みが０．１ｍｍ程度と非常に薄い場合であっても強度を確保することができる。

以上のような構成要素によって、図３に示す外観の電池パックが構成される。

ここで、外装ケース８の成型方法について説明する。基本的に、角型の筒形状よりも円筒形状の方が、側壁を薄く形成する際の強度が強く、側壁を薄くすることができる。例えば、角型の筒形状の側壁の厚みは、０．２ｍｍ程度が薄型化の限界とされているが、円筒形状の側壁の厚みは、０．１ｍｍ程度まで薄くすることができる。このことを利用して、外装ケース８は、まず、図４に示すように、円筒形状に形成して円筒の周面の厚みを０．１ｍｍ程度まで薄く加工する。次いで、電池セル１の外形にほぼ合致した筒形状、すなわち角型の筒形状に成型する。側壁の厚みが薄い円筒形状のケース部材は、例えば、ＤＩ成型法によって成型する。ＤＩ成型法は、プレス加工技術の一種であり、絞り（Drawing）としごき（Ironing）によって側壁の厚みを薄くできる。

図５および図６を参照して、ＤＩ成型法によるケース部材（外装ケース）の形成の一例について説明する。まず、ブランク抜き工程において、厚みが０．３ｍｍ程度の金属板２０からブランクと称する円板２１を打ち抜く。カッピング工程では、打ち抜いたブランク２１の外周側を押さえ、ブランク２１の中心部を押圧して、側壁の低いコップ状のケース部材２２を成型する。

深絞りおよびしごき工程では、丸缶、すなわちコップ状のケース部材２２を、深絞りによって円筒部の直径を所望の大きさまで小さくすると共に、しごき成型によって円筒部の側壁を薄く延ばす。これによって、周面の厚みが０．１ｍｍ程度と非常に薄いケース部材２３を得ることができる。なお、ケース部材２３の円筒部の内径は、電池セル１を挿入可能なように、電池セル１の挿入面の面積よりもやや大きい面積となるようにする。

トリミング工程では、深絞りとしごきを行ったケース部材２３の両端を切断する。これによって、所望の厚みの周面および内径を有する円筒形状のケース部材２４が形成される。深絞りおよびしごきによって形成されたケース部材２３の側壁端の凹凸部を切り離すと共に、底部もトリミングにより切り離すのは、丸缶ではなく角型の筒形状を得るためである。

カッティング工程では、ケース部材２４の側壁の高さを、収納する電池セル１の長さに応じた長さに切断し、電池セル１の形状に合った円筒形状のケース部材２５を形成する。これにより、図４に示したような円筒形状のケース部材が形成される。例えば、トリミング工程で得られた１個の円筒から、電池セル１の形状に合った複数個の円筒形状のケース部材１５を得ることができる。

ここで、図６を用いて、深絞りとしごきの方法について詳しく説明する。コップ状のケース部材２２は、パンチ３０を用いて深絞りを施されるとともに、アイアニングダイ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄによってしごかれる。なお、図６中では、コップ状のケース部材２２を薄いケース部材２３とするための途中工程のケース部材２２ａが示されている。このとき、ケース部材２２ａは参照符号３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄで示される潤滑・冷却剤により、成型性を向上させることができる。

このようにして厚みの薄い円筒形状のケース部材２５を形成後、その形成したケース部材２５を電池セル１の外形にほぼ合致した角型の筒形状に成型する。角型の筒形状は、例えば、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、円筒形状のケース部材２５に対して、金型３４ａ，３４ｂおよび成型部材３５を使用して成型することができる。これによって、図７Ｂに示したように電池セル１の挿入に適した角型の筒形状の外装ケース８を形成することができる。

また、図８Ａおよび図８Ｂに示す方法も用いることができる。この場合、円筒形状のケース部材２５に対して、金型３６ａ，３６ｂおよび成型部材３７ａ，３７ｂを使用することにより、断面略楕円形状の外装ケースを得ることができる。

なお、この角型の筒形状の成型方法は、円筒形状から角型の筒形状に成型できるのであれば、特に限定されるものではない。

従来の角型の筒形状の形成では、強度的に周面の厚みを０．２ｍｍ程度以下にすることは困難であったが、円筒形状によって円筒の周面の厚みを薄くしてから、電池セル１の形状に合わせた角型の筒形状に成型することで、周面の厚みが０．１ｍｍ程度と非常に薄い角型の筒形状を形成することができる。以上のように、周面の厚みが非常に薄く、継ぎ目のない丈夫な角型の筒形状の外装ケース８が形成される。

角型の筒形状の外装ケース８内に、回路基板５が接合された電池セル１を挿入し、フロントキャップ６とリアキャップ７とで、外装ケース８の両端をそれぞれ閉塞することで、電池パックが形成される。なお、回路基板５は、電池セル１を外装ケース１に挿入してから電池セル１に接合しても良い。電池セル１は、初期充電によって膨張し、その後、充放電状態に関わらず元の大きさには戻らないという特徴がある。よって、例えば、外装ケース８内に初期充電前の電池セル１を挿入してから電池素子を充電することで、電池セル１の膨張によって、外装ケース８内に電池セル１を密着させ、電池セル１を固定することができる。

なお、外装ケース８の絶縁および体裁面の処理などは、必要に応じて従来のリチウムイオンポリマー二次電池の電池パックの場合と同様の方法で行う。なお、外装ケース８の外面に樹脂層等を形成して絶縁処理とする場合、この樹脂層に文字や絵等の情報をレーザにより印刷、印字することも可能である。これにより、ラベルを使用せずに意匠印刷や製品情報の印字が可能となり、更なる体積効率の向上に寄与することができる。

以上説明したように、この一実施形態による電池パックでは、外装ケース８を形成する際に、ＤＩ成型法などによって、側壁の厚みの薄い円筒形状に形成してから、電池セル１の挿入に適した角型の筒形状に成型するため、外装ケース８が角型の筒形状であっても、側壁の厚みを非常に薄く、かつ継ぎ目なく形成することができる。よって、電池セル１が角型であっても極めて厚みが薄い高強度の外装ケース８を使用することができる。これにより、外装ケース８のために要する容量の増加を小さくし、かつ十分な機械的強度、端子の信頼性および安全性を確保することができる。従来のモールドケースを用いた電池パックは電池本体に対する体積効率が７８％程度であるのに対して、この発明による電池パックでは９０％以上の体積効率を得ることができる。

また、絞りやしごきによって外装ケース８を成型する場合、使用する金型の一部を変更することによって幅、深さ、高さなどの外装ケース８の外形サイズを容易に変更できる。よって、外装ケース８を形成する際の自由度が高く、容易に様々な大きさの電池セル１に合わせた外装ケース８を形成することができる。

また、外装ケース８は、金属材料から形成されている為、内面処理や外装処理が容易である。したがって、例えば、外装ケース８の内面および／または外面に絶縁や表面保護などのための処理を施すことが容易であり、電池パックの安全性を容易に向上することができる。

また、外装ケース８は金属ケースであるので電池内への水分進入を防ぐ効果があるために、ケースに挿入する電池セルは電池素子をアルミラミネートフィルムでなく樹脂フィルムに封入したものを用いても良い。樹脂フィルムは、アルミラミネートフィルムのアルミ層外面に貼着する外側樹脂層と、アルミ層内面に貼着する内側樹脂層とを直接貼着した複合フィルムである。この複合フィルムを用いる場合、アルミ層（金属層）を必要としないため、体積効率をさらに向上させることができる。

また、フロントキャップは図９に示すように、キャップ４３側に嵌合突部４３ａを、外装ケース４２側に嵌合孔部４２ａを設け、外装ケース４２にキャップ４３を圧入した時に嵌合突部４３ａが嵌合孔部４２ａに嵌ることで確実にキャップ４３を外装ケース４２に固定することができる。なお、このような場合、キャップ４３には、外装ケース４２への進入を容易にするために、その一側縁にテーパ面４３ｂを設けてもよい。このようにキャップ４３によって外装ケース４２を閉塞することで、電池パックは、外装ケース４２内を確実に密閉して水分や埃等の進入を防ぐことができ、高い信頼性を得ることができる。

上記電池パック１では、種々の変更が可能であり、例えばキャップ４３や回路基板４５の組み付け構造として、図１０に示すような組み付け構造を採用することもできる。以下、このキャップ４３と回路基板４５の組み付け構造について説明する。

まず、この場合のキャップ４３は、先の例と同様、外装ケース４２の開口部を塞ぐキャップ板５１を主体とするものであり、その両端部に外装ケース４２へ係止するための係止爪５２が外方に向かって突出するように設けられている。また、各係止爪５２の内側位置には、キャップ４３を外装ケース４２に取り付けた際に電池５０の当接し、これを固定する電池本体支持突起５３が設けられている。さらに、上記キャップ板５１と所定の間隔、すなわち回路基板４５の厚さとほぼ等しい間隔をもって基板両端支持部５４、および基板中央支持部５５が設けられている。そして、回路基板４５は、キャップ板５１と、前記基板両端支持部５４および基板中央支持部５５との間の間隙に挿入され、キャップ４３に保持されている。

図１１は、キャップ４３の詳細構成を示すものである。各基板両端支持部５４は、回路基板４５の背面を支持する支持板５４ａの他、回路基板４５の一側縁を支持する側縁支持部５４ｂを有する。したがって、回路基板４５を前記間隙に挿入した場合には、挿入方向において、回路基板４５は前記側縁支持部５４ｂによって位置決めされる。

また、基板中央支持部５５は、一側縁側がキャップ板５１と連結されており、他側縁５５ａ側が自由端とされている。この基板中央支持部５５は、例えば樹脂が有する弾性力によりキャップ板５１側に付勢されており、これに抗して回路基板４５を挿入することで、回路基板４５は基板中央支持部５５によって背面が付勢された状態でキャップ４３に取り付けられる。基板中央支持部５５の前記他側縁５５ａ側には、一対の係止爪５５ｂが設けられており、回路基板４５が装着された際には、これら係止爪５５ｂが回路基板４５の側面を支持して先の側縁支持部５４ｂとともに回路基板４５を図中上下方向で位置決めし、回路基板４５の不用意な逸脱を防止するような構造とされている。

さらに、上記基板中央支持部５５の基端側には、位置決め孔５５ｃが設けられるとともに、回路基板４５にはこれと対応する位置に位置決め突起４５ａが設けられている。回路基板４５を前記間隙に装着した時には、回路基板４５の位置決め突起４５ａを基板中央支持部５５の位置決め孔５５ｃに挿入することで、回路基板４５のキャップ４３に対する位置決め、特に図中左右方向での位置決めがなされる。

図１２は、キャップ４３の外装ケース４２への取り付け状態を示すものである。キャップ４３を電池５０とともに押し込み、キャップ４３の係止爪５２を外装ケース４２の嵌合孔部４２ａに係止させることで、外装ケース４２のキャップ４３による閉塞を行うことができる。このとき、キャップ４３に設けられた電池本体支持突起５３が電池５０の端面に当接し、その結果、電池５０が外装ケース４２内で確実に固定される。

次に、他の実施形態として、ラミネートフィルムで外装されていない電池素子を用いた電池パックについて説明する。以下、この電池パックについて図面を参照して説明する。

図１３は、ラミネートフィルムで外装されていない電池セルとして用いた電池パックの分解斜視図である。参照符号６１は、電池例えばリチウムイオンポリマー二次電池の電池素子を示している。この電池素子６１は、前述の実施形態と同様の材料および方法で作製することができる。

前述の一実施形態と同様に、保持部材６４が取り付けられたリード６２および６３が電池素子６１のフロント側の一端面から導出される。保持部材６４は例えば絶縁性を有する合成樹脂材料で形成されており、回路基板６５を安定して保持すると共に、回路基板６５と電池素子６１とを絶縁する。なお、回路基板６５は保持部材６４から突出したリード６２および６３に対して抵抗溶接、超音波溶接等によって固着されており、保護回路およびＩＤ抵抗等がマウントされている。

リード６２および６３と固着された回路基板６５は、フロントキャップ６６の内側に収納される。フロントキャップ６６側の回路基板６５上には、複数（例えば３個）の接点部が形成されている。

フロントキャップ６６およびリアキャップ６７は、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトル−ブタジエン−スチレン）、ポリアミド系のホットメルト樹脂などの合成樹脂材料から成型されるモールド品である。フロントキャップ６６およびリアキャップ６７は、筒形状の外装ケース６８の両端の開口部にそれぞれ取り付けられ、外装ケース６８を閉塞する。なお、電池素子をラミネートフィルムにて外装せずに用いる場合、フロントキャップ６６およびリアキャップ６７は絶縁性が求められるため、アルミニウムまたはステンレス（ＳＵＳ）等の材料は用いない。

ここで、フロントキャップ６６およびリアキャップ６７を構成する樹脂には水分バリア性向上のため、水分トラッパーが混合されていても良い。水分トラッパーとしては、一般式がＭＳＯ₄もしくはＭ₂ＳＯ₄で示される硫酸塩（式中、Ｍは、Ｎａ，Ｋ，Ｍｇ，Ｃａから選択される。）、もしくは一般式が（−ＣＨ₂−ＣＨ（ＣＯＯＭ）−）_nで示されるポリアクリル酸塩（式中、Ｍは、Ｎａ，Ｋ，Ｍｇ，Ｃａから選択される。）など水和物を形成しやすいものが好適に用いられ、樹脂に対して０．２％以上１０％以下の割合で混合される。

フロントキャップ６６およびリアキャップ６７からなる一対のキャップは、その材質に適した取り付け方法によって外装ケース６８に接合される。キャップが合成樹脂材料によって形成されている場合には、例えば、外装ケース６８とキャップとの接合面に、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などの薄膜をラミネート処理しておき、接合面を加熱することにより、熱溶融でキャップと外装ケース６８とを固着することができる。

また、ホットメルト系樹脂を用いれば、キャップの外形形状の成型と同時に外装ケース６８とキャップとを接着することができる。ここで、ホットメルト系樹脂に水分バリア性向上のため、水分トラッパーが混合されていても良い。水分トラッパーとしては一般式がＭＳＯ₄もしくはＭ₂ＳＯ₄で示される硫酸塩（式中、Ｍは、Ｎａ，Ｋ，Ｍｇ，Ｃａから選択される。）、もしくは一般式が（−ＣＨ₂−ＣＨ（ＣＯＯＭ）−）_nで示されるポリアクリル酸塩（式中、Ｍは、Ｎａ，Ｋ，Ｍｇ，Ｃａから選択される。）など水和物を形成しやすいものが好適に用いられ、樹脂に対して０．２％以上１０％以下の割合で混合される。

外装ケース６８は、前述の実施形態の場合と同様に、電池素子６１を内部に挿入して収納する筒形状であり、厚みはＤＩ成型法により０．１ｍｍ程度の厚さで形成される。外装ケース６８は、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス（ＳＵＳ）などの金属から形成されている。アルミニウムとしては，３００３Ｈ１８あるいは３００４Ｈ１８、１Ｎ３０Ｈ１８などを用いることができる。これらアルミニウム材料は、ビッカース硬度が２０以上のため、外装ケースの厚みが０．１ｍｍ程度と非常に薄い場合であっても強度を確保することができる。

以上のような構成要素により、電池パックが作製される。なお、電池パックを作製する際に用いる部品およびその材料は、前述の実施形態に用いたものと同様のものを用いることができる。

また、電池素子をラミネートフィルムで外装せずに用いるため、外装ケース６８の内面に絶縁処理を施すことが重要となる。絶縁処理の方法としては、具体的に、外装ケース６８がアルミニウムにより形成されている場合に、その内壁部分をアルマイト処理する方法を挙げることができる。アルマイト処理は、アルミニウムの表面に陽極酸化被膜を形成するものであり、この酸化被膜が絶縁層の役割を果たす。アルマイト処理によれば、外装ケース６８の厚さを増すことなく表面の絶縁化を図ることができる。なお、アルマイト処理を施すのは、少なくとも電池素子６１と接触する可能性のある外装ケース６８の内壁であるが、これに限らず、外装ケース全体にアルマイト処理を施してもよい。

あるいは、アルマイト処理の代わりに、アルミニウムに樹脂フィルムを貼り合わせた複合素材を深絞り加工することにより外装ケース６８を形成し、内壁側に前記樹脂フィルムが配されるようにすることで、電池素子６１に対する絶縁性を確保するようにしてもよい。この場合には、外装ケース６８の大部分はアルミニウムで形成され、その内壁面にポリプロピレン、ポリエチレン、アイオノマー、エチレン・メタアクリレート共重合体、エチレン・メタクリル酸共重合体、エチレン・メチルアクリレート共重合体等の樹脂フィルムを貼り合わせた状態となる。

ここで、樹脂フィルムの厚みとしては５〜３０ｍｍが好ましい。外装ケース６８は、円筒形状のものを角型に成型して用いるため、角型に成型し、電池素子６１を収容した後にも元の形に戻ろうとして膨らんだ形状に変形していく場合がある。樹脂フィルムを貼り合わせることにより、内部に収容する電池素子に対して熱接着性を得ることができるため、出来上がりのパックが変化していくのを抑制することができる。

また、電池素子６１の作製時に正極および負極間に配置するセパレータを正極および負極よりも長くなるようにし、電池素子６１の外周部分がセパレータにて覆われるような構造や、内壁部分に塗料をスプレーコート後、焼付け処理する方法によっても絶縁が可能である。

以上説明したように、この実施形態による電池パックでは、内部に収容する電池素子をラミネートフィルムで外装せずに用いるため、十分な機械的強度、端子の信頼性および安全性を確保することができるとともに、より一層体積効率を向上させることができる。従来のモールドケースを用いた電池パックは電池本体に対する体積効率が７８％程度であるのに対してこの実施形態の電池パックでは９５%以上の体積効率を得ることができる。

なお、上述した実施形態では、円筒形状のケース部材（金属管）をＤＩ成型法によって形成したが、円筒形状のケース部材の形成はこれに限ったものではなく、図１４に示すようなロールフォーミング法などで形成しても良い。ロールフォーミング法によって形成する場合、丸缶の外周側に複数個の回転する成型用のローラを配置し、その複課数個のローラ間に徐々に丸缶を通すことで、必要な形状に成型する。

以下、実施例によりこの発明を説明する。実施例では、電池素子の構成（ラミネートフィルム外装の有無）、外装ケースを変えて電池パックを作製し、体積効率を比較する。

＜実施例１＞
ＤＩ成型法により作製した厚さ０．１ｍｍの円筒形金属管を、角型形状に成型した円筒つぶし缶に、厚さ０．１ｍｍのアルミラミネートで厚さ４．０ｍｍの電池素子を外装した電池セルに回路基板等を接続したものを挿入し、円筒つぶし缶の両開口端部に樹脂成型により作製したフロントキャップおよびリアキャップを嵌合し、外装ケースと溶着して電池パックとした。

＜実施例２＞
ロールフォーミング法により作製した厚さ０．１ｍｍの円筒形金属管を、角型形状に成型した円筒つぶし缶に、厚さ０．１ｍｍのアルミラミネートで厚さ４．０ｍｍの電池素子を外装した電池セルに回路基板等を接続したものを挿入し、円筒つぶし缶の両開口端部に樹脂成型により作製したフロントキャップおよびリアキャップを嵌合し、外装ケースと溶着して電池パックとした。

＜実施例３＞
ＤＩ成型法により作製した厚さ０．１ｍｍの円筒形金属管を角型形状に成型した円筒つぶし缶に、回路基板等を接続した厚さ４．０ｍｍの電池素子を厚さ０．０５ｍｍの複合フィルムで外装し、円筒つぶし缶の両開口端部に樹脂成型により作製したフロントキャップおよびリアキャップを嵌合し、外装ケースと溶着して電池パックとした。

＜実施例４＞
ロールフォーミング法により作製した厚さ０．１ｍｍの円筒形金属管を角型形状に成型した円筒つぶし缶に、回路基板等を接続した厚さ４．０ｍｍの電池素子を厚さ０．０５ｍｍの複合フィルムで外装し、円筒つぶし缶の両開口端部に樹脂成型により作製したフロントキャップおよびリアキャップを嵌合し、外装ケースと溶着して電池パックとした。

＜比較例１＞
樹脂成型により作製したモールドケースに、厚さ４．０ｍｍの電池素子を厚さ０．１ｍｍのアルミラミネートフィルムで外装した電池セルに回路基板等を接続したものを挿入し、電池パックとした。

＜比較例２＞
深絞りにより作製した厚さ０．２ｍｍの角缶に、厚さ４．０ｍｍの電池素子を厚さ０．１ｍｍのアルミラミネートフィルムで外装した電池セルに回路基板等を接続したものを挿入し、電池蓋を溶接して電池パックとした。

上述のようにして作製した各電池パックについて、電池パックの体積および電池内部に収容した電池素子の体積を測定し、電池素子の体積／電池パックの体積より体積効率を求めた。

以下の表１に、測定の結果を示す。

上記結果より、ラミネートフィルムに外装された電池セルを樹脂モールドケースに挿入した従来のような構成の電池パックでは体積効率が７８％であるのに対して、ＤＩ成型法またはロールフォーミング法により作製した金属管を角型に成型した外装ケースに電池セルを挿入した今回の発明による電池パックは、体積効率が９２％以上であり、大幅に体積効率が向上することがわかる。

中でも、電池素子をラミネートフィルムで外装しない電池セルを用いた電池パックでは体積効率が９５％となり、電池素子を構造のむだなく作製することができる。これにより、外装ケースの外形寸法を一定とする場合には、内部に収納する電池本体の寸法を大きくして電池容量を増加させ、また、逆に電池容量を一定とするならば、バッテリパックを小型化することができる。

この発明は、上述した二つの実施形態等に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。上述した実施形態では、ゲル状の電解質を用いるリチウムイオンポリマー二次電池について説明したが、電池の種類はこれに限ったものではなく、筒形状の外装ケースを使用できる他の種類の電池、例えば、固体の電解質や液状電解質を用いる電池素子に適用しても良い。

また、回路基板５およびフロントキャップ６などの取り付けは、図１に示した保持部材４を用いたものに限らず、例えば、回路基板５とフロントキャップ６とでリード２および３を挟持して、挟持した部分と電池素子１との間のリード２および３を折り曲げ、フロントキャップ６を押し込むように外装ケース８に圧入して外装ケース８とフロントキャップ６とを接合しても良い。もちろん、この方法は、図１２に示すような電池素子をラミネートフィルムで外装しない場合にも用いることができる。

この発明を適用した電池パックの構成を示す模式図である。 電池パックの内部に収容する電池素子の構成を示す模式図である。 この発明を適用した電池パックの外観を示す模式図である。 この発明を適用した外装ケースの作製方法を示す模式図である。 ＤＩ成型法の工程を示す模式図である。 ＤＩ成型法を具体的に示す模式図である。 この発明を適用した外装ケースの作製方法を示す模式図である。 この発明を適用した外装ケースの作製方法を示す模式図である。 キャップの嵌合方法の他の例を示す模式図である。 キャップの嵌合方法の他の例を示す模式図である。 キャップの嵌合方法の他の例を示す模式図である。 キャップの嵌合方法の他の例を示す模式図である。 この発明を適用した電池パックの構成を示す模式図である。 この発明を適用した外装ケースをロールフォーミング法にて作製する場合の工程を示す略線図である

符号の説明

１・・・電池セル
２，３，６２，６３・・・リード
４・・・保持部材
５・・・回路基板
６・・・フロントキャップ
７・・・リアキャップ
８，４２・・・外装ケース
９・・・開口
１０・・・電池素子
１１・・・正極
１２・・・負極
１３ａ，１３ｂ・・・セパレータ
１４・・・ポリマー電解質
２０・・・金属板
２１・・・ブランク
２２，２２ａ，２３，２４，２５・・・ケース部材
３０・・・パンチ
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ・・・アイアニングダイ
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ・・・潤滑・冷却剤
３４ａ，３４ｂ，３６ａ，３６ｂ・・・金型
３５，３７ａ，３７ｂ・・・成型部材
４２ａ・・・嵌合孔部
４３・・・キャップ
４３ａ・・・嵌合突部
４３ｂ・・・テーパ面
４４・・・保持部材
４５・・・回路基板
５０・・・電池
５１・・・キャップ板
５３・・・電池本体支持突起
５４・・・基板両端支持部
５４ｂ・・・前記側縁支持部
５５・・・基板中央支持部

Claims (27)

1. 電池素子が絶縁性を有するフィルム状外装体に収容されてなる電池セルと、
   ＤＩ成型法もしくはロールフォーミング法により金属材料を円筒形状に形成した後に上記電池素子の外形に略合致した筒形状に成型され、両端に開口部を有する筐体状の外装ケースと、
   上記外装ケースの開口部にそれぞれ嵌合される一対のキャップと
   を備え、
   上記金属材料がアルミニウムからなり、
   上記外装ケースの内壁面に、陽極酸化皮膜からなる絶縁層が設けられ、
   上記電池セルが上記外装ケースに収容され、上記開口部が上記一対のキャップにより閉塞されていることを特徴とする電池パック。
2. 上記外装ケースは、厚さは０．１ｍｍ以下である
   請求項１に記載の電池パック。
3. 上記金属材料は、ビッカース硬度が２０以上であることを特徴とする請求項２に記載の電池パック。
4. 上記アルミニウムは、ＪＩＳ規格におけるＡ３００３Ｈ−Ｈ１８、Ａ３００４Ｈ−Ｈ１８、Ａ１Ｎ３０Ｈ−Ｈ１８からなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
5. 上記フィルム状外装体は、樹脂フィルムを積層することにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
6. 上記フィルム状外装体は、１０μｍ以上２５μｍ以下の外層樹脂フィルムと、２５μｍ以上３５μｍ以下の内層樹脂フィルムとを接着剤により貼り合わせて作製された
   ことを特徴とする請求項５に記載の電池パック。
7. 上記外層樹脂フィルムは、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレートからなる群より選択されることを特徴とする請求項６に記載の電池パック。
8. 上記内層樹脂フィルムは、ポリプロピレン、マレイン酸変性したポリプロピレン、ポリエチレン、マレイン酸変性したポリエチレン、アイオノマー、エチレン・メタアクリレート共重合体、エチレン・メタクリル酸共重合体、エチレン・メチルアクリレート共重合体からなる群より選択されることを特徴とする請求項６に記載の電池パック。
9. 上記外層樹脂フィルムの外面および上記内層樹脂フィルムの内面の少なくとも一方に、金属もしくは金属酸化物の蒸着膜が形成されることを特徴とする請求項６に記載の電池パック。
10. 上記一対のキャップのうち少なくとも一方のキャップの内側に回路基板が配されることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
11. 上記電池素子は、ゲル状または固体状の電解質を有することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
12. 上記外装ケースの外面が絶縁処理されることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
13. 上記絶縁処理が、意匠印刷をかねていることを特徴とする請求項１２に記載の電池パック。
14. 上記意匠印刷にレーザ印字していることを特徴とする請求項１３記載の電池パック。
15. 電池素子と、
    ＤＩ成型法もしくはロールフォーミング法により金属材料を円筒形状に形成した後に上記電池素子の外形に略合致した筒形状に成型され、両端に開口部を有する筐体状の外装ケースと、
    上記外装ケースの開口部に嵌合される、第１および第２のキャップからなる一対のキャップと
    を備え、
    上記金属材料がアルミニウムからなり、
    上記外装ケースの内壁面に、陽極酸化皮膜もしくは樹脂フィルムからなる絶縁層が設けられ、
    上記電池素子が上記外装ケースに収容され、上記開口部が上記一対のキャップにより閉塞されていることを特徴とする電池パック。
16. 上記外装ケースの厚さが０．１ｍｍ以下である
    請求項１５に記載の電池パック。
17. 上記金属材料は、ビッカース硬度が２０以上であることを特徴とする請求項１５に記載の電池パック。
18. 上記アルミニウムは、ＪＩＳ規格におけるＡ３００３Ｈ−Ｈ１８、Ａ３００４Ｈ−Ｈ１８、Ａ１Ｎ３０Ｈ−Ｈ１８からなる群より選択されることを特徴とする請求項１７に記載の電池パック。
19. 上記第１および第２のキャップからなる一対のキャップのうち少なくとも一方のキャップの内側に回路基板が配されることを特徴とする請求項１５に記載の電池パック。
20. 上記第１および第２のキャップからなる一対のキャップは樹脂成型により作製されることを特徴とする請求項１５に記載の電池パック。
21. 上記第１および第２のキャップからなる一対のキャップの樹脂材料には水分を吸収する水分トラッパーが混合されることを特徴とする請求項１５に記載の電池パック。
22. 上記水分トラッパーは、一般式がＭＳＯ₄もしくはＭ₂ＳＯ₄で示される硫酸塩（式中、Ｍは、Ｎａ，Ｋ，Ｍｇ，Ｃａから選択される。）、もしくは一般式が（−ＣＨ₂−ＣＨ（ＣＯＯＭ）−）_nで示されるポリアクリル酸塩（式中、Ｍは、Ｎａ，Ｋ，Ｍｇ，Ｃａから選択される。）からなる群より選択され、
    ０．２％以上１０％以下の濃度で混合されることを特徴とする請求項２１に記載の電池パック。
23. 上記電池素子は、ゲル状または固体状の電解質を有することを特徴とする請求項１５に記載の電池パック。
24. 上記樹脂フィルムを構成する樹脂材料が、ポリプロピレン、マレイン酸変性したポリプロピレン、ポリエチレン、マレイン酸変性したポリエチレン、アイオノマー、エチレン・メタアクリレート共重合体、エチレン・メタクリル酸共重合体、エチレン・メチルアクリレート共重合体からなる群より選択されることを特徴とする請求項１５に記載の電池パック。
25. 上記外装ケースの外面が絶縁処理されることを特徴とする請求項１５に記載の電池パック。
26. 上記絶縁処理が、意匠印刷をかねている請求項２５に記載の電池パック。
27. 上記意匠印刷にロット情報などがレーザ印字されている請求項２６に記載の電池パック。

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