ラミネート電池とその膨張検知方法および電池モジュール
【課題】体積膨張の検知が容易なシート状薄型のラミネート電池、および膨張している電池を個別に検知できる電池モジュールを提供する。
【解決手段】正極端子３および負極端子４とを外側に突出させて、電極集合体５と電解液とをフィルム部材により袋状に収納してなる扁平型のラミネート電池パッケージ２の体積膨張を検知するために、前記ラミネート電池パッケージ２の所定部位に、前記フィルム部材を封止するときの減圧処理によって所定の深さ以上の凹部１７を形成し、前記所定部位に形成された凹部１７の深さの減少を検知する電極（検知手段）１８，１９によって前記ラミネート電池パッケージ２の膨張を検知する。また、前記検知手段１８，１９を、電池モジュール２０を構成する前記各ラミネート電池パッケージ２毎に配設する。
【解決手段】正極端子３および負極端子４とを外側に突出させて、電極集合体５と電解液とをフィルム部材により袋状に収納してなる扁平型のラミネート電池パッケージ２の体積膨張を検知するために、前記ラミネート電池パッケージ２の所定部位に、前記フィルム部材を封止するときの減圧処理によって所定の深さ以上の凹部１７を形成し、前記所定部位に形成された凹部１７の深さの減少を検知する電極（検知手段）１８，１９によって前記ラミネート電池パッケージ２の膨張を検知する。また、前記検知手段１８，１９を、電池モジュール２０を構成する前記各ラミネート電池パッケージ２毎に配設する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電要素がラミネートフィルムに封止されたシート状薄型の二次電池であるリチウムイオン電池等のラミネート電池に関し、特に、内圧上昇による電池の体積膨張を検知するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
充放電反応にリチウムイオンの吸蔵および放出を利用するリチウムイオン二次電池（以下、「リチウムイオン電池」）は、大きなエネルギー密度を有すること、充放電反応に寄与するリチウムがほとんど金属リチウムとして電極に析出しないため、金属リチウムが電極から脱落して失活する可能性が低く、充放電を繰り返した際の容量の再現性に優れており、安定な充放電特性を得ることができること等の理由から、従来の鉛電池やニッケルカドミウム電池に代わる電池として大いに期待されている。
【０００３】
様々なリチウムイオン電池が上市されているが、市場規模の大きさを考慮してこれらを分類すると、反応系（発電要素）を金属缶（円筒型と角型とを含む。）に封止して形成される金属缶型リチウムイオン電池と、反応系をラミネートフィルムに封止して形成されるラミネート型リチウムイオン電池とに大別される。これまで、これらの電池の用途は、電池単体の機械的特性を考慮して決定され、例えば、電動工具や移動体などの、振動条件や高温条件におかれる機械や、落下によって衝撃を受ける危険性をもつ携帯電話やノートパソコンなどのポータブル電子機器には頑丈な金属缶型リチウムイオン電池が使用され、振動や高温や衝撃の危険性の低い家庭用農機などには、金属缶型リチウムイオン電池と比較して機械的強度は劣るが、その代わり軽量であるラミネート型リチウムイオン電池が使用されてきた。しかしながら、近年、電池単体の安全性を電池モジュールの筐体で補う構想のもと、安全な電池モジュールが検討されるようになり、電池単体の機械的強度は、電池の用途を決定する要因ではなくなってきた。
【０００４】
リチウムイオン電池においては、過充電や短絡等によって熱暴走すると、電解液や電極の分解ガス、あるいは電解液の気化ガス等によって電池内圧が急上昇する。著しく大きい内圧を有するリチウムイオン電池は、外部からの衝撃等により破裂して、周囲に内容物をまき散らす場合があるので、慎重な取り扱いが必要となる。金属缶型リチウムイオン電池の場合、例えば、特許文献１に記載されているような、缶蓋に備えた電流遮断機構の作用によって反応を強制停止させて破裂を防止する方法が提案されている。
【０００５】
他方、ラミネート型リチウムイオン電池の場合、金属缶型リチウムイオン電池で提案されているような電流遮断機構を施すことは困難であるため、内圧が上昇して破裂に至る間に電池の体積が膨張することに着目し、電池の体積膨張を検知して、電流を止めることで反応を停止させ、電池の破裂を未然に防ぐ方法が提案されている。例えば、特許文献２には、ラミネート型リチウムイオン電池の積層モジュールの中央付近に、導電材を配置したテープを巻きつけ、導電材の破断による導電率の変化から電池の体積膨張を検知する方法が提案されている。また、特許文献３には、ラミネート型リチウムイオン電池の中央付近に、外壁との間の圧力によって導電率が変化する導電材を配置して、その導電率の変化から電池の体積膨張を検知する方法が提案されている。
【０００６】
しかしながら、前記のような方法では次のような問題があった。即ち、リチウムイオン電池は、電池一個当たりの動作電圧は３．０Ｖから４．２Ｖであるため、電池一個で使用するのではなく、システム規模に合わせて電池モジュールとして使用したいという要求があるが、特許文献３の方法は、電池モジュールでは使用できない。また、特許文献２の方法は、この要求を満足することができるが、その一方で、電池モジュールにおいて、膨張している電池を個別に検知したいという要求を満たすことができない。
【０００７】
これら二つの要求を同時に満足する方法があれば、ラミネート型リチウムイオン電池などの体積膨張の検知方法として大いに有用と考えられ、例えば、特許文献４には、ラミネート電池の外周部の非接着部の変位を利用して体積膨張を検知する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平２−１１２１５１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１２１９２号公報
【特許文献３】特開２００９−７６２６５号公報
【特許文献４】特開２００７−１０９４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献４にて提案されている方法において発明の核となる電池の非接着部は、電池の他の部分と比較して非常に柔らかいため、この部分の形状は電池毎に異なるものとなる。例えば、電池の封止工程における減圧処理によるシワ発生や、電池の輸送・取り扱い工程における変形などが、この部分の形状を電池毎に変える要因となる。そのため、特許文献４にて提案されている方法では、非接着部のシワ発生や変形の影響を受けないように、膨張を検知するセンサ類を電池毎に個別に調整して配置する必要がある。個別調整は、電池モジュール作製の工程時間を伸長させて、結果として電池モジュール作製コストを高くする原因となるため、好ましくない。
【００１０】
本発明は、前記の課題を解決するためになされたものであり、体積膨張の検知が容易なシート状薄型のラミネート電池、および膨張している電池を個別に検知できる電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するために、本発明では、ラミネート電池の非接着部の変位を利用して体積膨張を検知するときの検知対象部位の初期の形状を積極的に制御するものとした。
【００１２】
具体的には、本発明は、正極端子および負極端子を外側に突出させて、電極集合体と電解液とをフィルム部材により封止してなる扁平型のラミネート電池パッケージの体積膨張を検知するために、前記ラミネート電池パッケージの所定部位に、前記フィルム部材により封止するときの減圧処理によって凹部を形成し、前記所定部位に形成された前記凹部の深さの減少を検知する検知手段（センサ）が前記ラミネート電池パッケージの膨張を検知することを主たる特徴とする。なお、かかる凹部は、ラミネート電池パッケージに特殊形状の構造体を封入したり、あるいは電極集合体の形状を工夫したりすることによって形成する。
【００１３】
また、前記検知手段（センサ）を、電池モジュールを構成する前記各ラミネート電池パッケージ毎に配設することにより、膨張している電池を個別に検知することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、体積膨張の検知が容易なシート状薄型のラミネート電池、および膨張している電池を個別に検知できる電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るラミネート型リチウムイオン電池の単セルの例を示す外観図。
【図２】図１のラミネート型リチウムイオン電池が体積膨張したときの外観図。
【図３】電池パッケージに封入する構造体の形状を示す図。
【図４】電池パッケージに封入する他の構造体の形状を示す図。
【図５】電池パッケージに封入する他の構造体の形状を示す図。
【図６】構造体の近傍を熱溶着させたラミネート型リチウムイオン電池の外観図。
【図７】構造体を電極集合体と一体化したラミネート型リチウムイオン電池の外観図。
【図８】切り欠き部を有する電極集合体を用いたラミネート型リチウムイオン電池の外観図。
【図９】（ａ）電池モジュールの外観図、（ｂ）電池モジュールの断面図。
【図１０】電池モジュールの構造についての説明図。
【図１１】凹部の深さの変位を検知する検知手段についての説明図。
【図１２】凹部の深さの変位を検知する他の検知手段についての説明図。
【図１３】電池モジュールの膨張を検知する回路についての説明図。
【図１４】電池モジュールの膨張を検知する他の回路についての説明図。
【図１５】比較例のラミネート型リチウムイオン電池の単セルの概略構成図。
【図１６】図１５のラミネート型リチウムイオン電池の部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態を、適宜図面を参照しながら説明するが、本発明の実施の態様はこれに限定されるものではない。また、参照する図面は、略図であり、図中の位置関係や寸法等の正確さを保証するものではない。
【００１７】
（比較例のラミネート電池）
図１５は、比較例のラミネート電池であるラミネート型リチウムイオン電池（以下、適宜「ラミネート電池」または「電池」と略記。）１６の単セルの概略構成図である。ラミネート電池１６は、フィルム封止されたパッケージ（ラミネート電池パッケージ）２と、正極リード（正極端子）３と、負極リード（負極端子）４とを備えている。パッケージ２の内部には、電極集合体５と電解液（図示せず。）とが収容されている。パッケージ２の外周部には、電解液を封止する接着部６が形成され、接着部６と電極集合体５との間には、フィルムが未接着となっている未接着部７が形成されている。電極集合体５は、予めセパレータで包んだ正極シートと、負極シートとが積層されて形成されている。正極シートは正極リード３に、負極シートは負極リード４に接続されている。正極リード３はアルミニウム製の板材から、負極リード４は銅製の板材からなる。正極リード３と負極リード４とは、パッケージ２の内側から、未接着部７及び接着部６を通過して、パッケージ２の外側へ引き出されている。
【００１８】
正極シートはアルミニウム製の集電箔で形成されており、その集電箔の両面に正極電極層が設けられている。正極電極層は、リチウムイオン電池の正極活物質とバインダと導電助剤とを含んでいる。バインダは、正極活物質と導電助剤と集電箔とを結着する役割を果たし、導電助剤は、正極活物質と正極活物質との間、および正極活物質と集電箔との間に入り、電極内の電気的な接続を容易とし、電極の電子抵抗を下げる役割を果たす。正極活物質には、例えば、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＭＯ２（Ｍ＝Ｃｏ，Ｎｉ，ＮｉｘＡｌｙ（ｘ＋ｙ＝1）、ＭｎｘＮｉｙＣｏｚ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝1））等が用いられる。導電助剤には、例えば、カーボンブラックやカーボンファイバが用いられる。バインダには、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が用いられる。
【００１９】
負極シートは銅製の集電箔で形成されており、その集電箔の両面に負極電極層が設けられている。負極電極層は、リチウムイオン電池の負極活物質とバインダと導電助剤とを含んでいる。バインダは、負極活物質と導電助剤と集電箔とを結着する役割を果たし、導電助剤は、負極活物質と負極活物質との間、および負極活物質と集電箔との間に入り、電極内の電気的な接続を容易とし、電極の電子抵抗を下げる役割を果たす。負極活物質には、例えば、グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）等の炭素材料や、チタンやバナジウムの金属酸化物等が用いられる。導電助剤には、例えば、カーボンブラックやカーボンファイバが用いられる。バインダには、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が用いられる。
【００２０】
セパレータには、例えば、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）やポリプロピレン樹脂（ＰＰ）が用いられる。また、セパレータの機械的強度や耐熱性を考慮して、これらの樹脂を積層して用いる場合もある。
【００２１】
電解液は、有機溶媒にリチウム塩を溶解させることで得られる。有機溶媒には、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、γ―ブチロラクトン（ＧＢＬ）等が用いられるが、電解液の貯蔵性や使用温度でのイオン電導性等を考慮して、複数の溶媒をブレンドした混合溶媒を使用することが好ましい。混合溶媒としては、例えば、ＥＣ：ＥＭＣ：ＤＭＣが２：４：４の質量比である混合溶媒が用いられる。リチウム塩には、例えば、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）が用いられる。
【００２２】
図１６は、図１５に示したラミネート電池１６のＡ−Ａ部分断面図である。図１６に示すように、電池１６を構成するパッケージ２は、ラミネートフィルム８とラミネートフィルム９とを、電極集合体５を収容するように重ね合わせて端部を封止することにより構成される。ラミネートフィルム８，９は、耐水性やガス透過性等を考慮して多層構造となっている機能性フィルムであり、ナイロン樹脂製の外面層１０と、アルミニウム製のバリア層１１と、ポリプロピレン樹脂製の溶着層１２とが積層されて形成されている。ラミネートフィルム８とラミネートフィルム９とを重ね合わせた電極集合体５の外周部近傍を熱溶着させることで、一点鎖線で示したラミネートフィルム８の溶着層１２とラミネートフィルム９の溶着層１２との接触面付近に接着部６が形成され、熱溶着されなかった二つの溶着層１２によって未接着部７が形成される。
【００２３】
パッケージ２は、向かい合った状態で略平行に伸びている扁平面１３と扁平面１４とを有しており、この扁平面１３と扁平面１４との間に、電極集合体５や電解液等を収容している。扁平面１３と扁平面１４とにおけるラミネートフィルム８とラミネートフィルム９間の距離Ｌ１と、未接着部７におけるラミネートフィルム８とラミネートフィルム９間の距離Ｌ２とを比較すると、Ｌ１＞Ｌ２であり、扁平面１３と扁平面１４における電池１６の厚みに比べて、未接着部７における電池１６の厚みは薄くなっている。
【００２４】
（本発明に係るラミネート電池）
図１は、本発明に係るラミネート電池であるラミネート型リチウムイオン電池（以下、適宜「ラミネート電池」または「電池」と略記。）１の単セルの例を示す外観図である。
図１に示すように、本実施形態に係るラミネート電池１は、図１５および図１６を用いて説明した比較例のラミネート電池１６の未接着部７に、パッケージ２の体積膨張によって形状が変化する凹部１７の形成に寄与する板状「コの字」形状の構造体１５（詳細は後記する。）が封入されている。
【００２５】
ここで、電極集合体５、電解液、および構造体１５をパッケージ２に収容する方法を簡単に説明する。
まず、二枚のラミネートフィルムを用意する。一方のラミネートフィルム上の所定の位置に電極集合体５を配置し、次いで、もう一方のラミネートフィルムで電極集合体５を覆う。この状態で、正極リード３と負極リード４との近辺を除いて、二枚のラミネートフィルムを電極集合体５の外周部に沿って適度な未接着部７が形成されるように袋状に熱溶着させる。
【００２６】
次に、正極リード３と負極リード４との近辺に残されているパッケージ２の開口部分から、パッケージ２内に電解液を注入する。電解液の注入後、パッケージ２内の正極リード３と負極リード４との間に位置決め用治具等を用いて構造体１５を配置する。その後、減圧処理により、パッケージ２内から気体及び余分な電解液を除いたのち、開口部分を熱溶着させることで、図１に例示するような、パッケージ２の表面に構造体１５の寄与による凹部１７を有するラミネート電池１を得ることができる。
【００２７】
ここで、減圧処理後に構造体１５の寄与によって生じた凹部１７に着目すると、凹部１７の形状は、パッケージ内の圧力に依存して不可逆に変化する。即ち、過充電によるガス発生や、高温による電解液の気化等の不具合によってパッケージ２内の体積が膨張しない限り、電池作製時の減圧処理によりパッケージ２内の圧力が大気圧よりも低くなっているため、図１に示すように、凹部１７は電池作製時のままの形状で維持される。また、ラミネート電池１の使用時に、前記のような不具合によってパッケージ２内の体積が膨張し、パッケージ２内の圧力が高まると、発生したガスやガスによって押し出された電解液が凹部１７に流れ込んで、二枚のラミネートフィルを引き離そうとする力が作用する。その結果、凹部１７における二枚のラミネートフィルム間の距離が徐々に大きくなるため、凹部１７は電池作製時のままの形状を維持できなくなり、やがては図２の破線にて示すように、構造体１５の寄与による凹部１７は解消されることとなる。
【００２８】
このとき、凹部１７は、発生したガスや電解液等が流れ込み易い構造となっており、流入可能な容量が小さいので、凹部１７の形状変化の方が、他の未接着部７の膨張よりも先に進行する。そこで、凹部１７の深さの減少を検知するセンサ（検知手段）を配設しておくことにより、膨張が始まってから比較的短時間で電池１の膨張を検知することが可能となる。また、凹部１７の位置や形状にある程度の誤差があったとしても、その深さの減少を安定して検知することが可能であるので、センサを個別調整する手間を減らすことができる。
【００２９】
続いて、本発明の技術的特徴をなす凹部１７と構造体１５とについて説明する。
構造体１５の形状は、電池作製時の減圧処理によって所定の深さ以上の凹部１７を形成可能である限りにおいて限定されるものではない。例えば、図３に例示するような板状「コの字」形状や、図４に例示するような板状「コの字」部材１５１と板状部材１５２とを貼り合わせた形状や、図５に例示するような板状部材１５２の四隅に角柱１５３を立てた形状などを用いることができ、構造の自由度は大きい。しかしながら、電池１を積層してモジュール化するときの積層のし易さや、構造体１５を隣接電池との間の隔壁等で抑え込むときの安定性や取り扱いの容易性などを考慮すると、図３から図５に例示したような板状を基調とする形状とするのが好ましい。
【００３０】
また、構造体１５の厚さは、電池１を積層したときの凹部１７の形状の安定性や膨張検知の精度を確保することを考慮すると、構造体１５の厚さをＬ３、電極集合体５の最大厚さをＬ４とするとき、Ｌ３≒Ｌ４ かつ Ｌ３≧Ｌ４ であることが好ましい。つまり、構造体１５の厚さは、電極集合体５の最大厚さに等しいか、または、それよりも少しだけ厚いことが好ましい。なお、構造体１５の厚さとは、構造体１５をパッケージ２内に配置した状態での電池１の積層方向における長さである。電極集合体５の最大厚さとは、充放電時の化学反応に伴うリチウムイオンのインターカレーション（吸蔵）・デインターカレーション（放出）による電極厚さの変化を考慮したときの最大厚さである。
【００３１】
また、構造体１５の材質は、構造体１５からの溶出物がリチウムイオン電池の電池反応に影響せず、かつ、構造体１５が本発明の効果を失わせる程に変形しない限りにおいて限定的ではなく、例えば、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）やポリプロピレン樹脂（ＰＰ）を使用することができる。
【００３２】
なお、図１の例では、構造体１５の周辺の比較的広い範囲に未接着部７が形成されているが、膨張検知の感度を高めるためには未接着部７の面積を小さくすることが好ましい。その方法として、図６に例示するように、構造体１５の外周部に沿って二枚のラミネートフィルムを熱溶着させてもよく、図７に例示するように、構造体１５の横幅を電極集合体５の横幅と一致させ、両者を密着させて一体化したのちに正極リード３と負極リード４との近辺を熱溶着させてもよい。また、凹部１７は、必ずしも構造体１５を電池１に組み込むことで形成する必要はなく、図８に例示するように、電極集合体５の外周部に切り欠き部を設けるなど、電極集合体５の形状を操作することによって形成してもよい。
【００３３】
（凹部の形状変化検知手段）
次に、凹部１７の形状変化検知手段を、ラミネート電池１を積層してなる電池モジュールに配設する例について説明する。
【００３４】
使用可能な形状変化検知手段としては、例えば、凹部１７の底面と、底面に対向する上面との双方に電極を配置して、それら電極間の抵抗値の変化を検知する接触型の検知手段や、レーザーなどによって凹部１７の底面の変位を計測する非接触型の検知手段を用いることが可能であるが、検知手段の実装容易性やコスト等を考慮すると、接触型の検知手段を用いるのが好ましい。
【００３５】
ここでは、電池１に内包する構造体１５は、図４に示した板状「コの字」部材１５１と板状部材１５２とを貼り合わせた形状のものを用い、凹部１７の形状変化検知手段としては、一対の電極（電極１８と電極１９）の接触の有無を検知する接触型の検知手段（接点出力）を用いる例について説明する。なお、この例では、検知手段は電池モジュールを構成する全ての電池１に配設するものとしている。
【００３６】
図９（ａ）は電池モジュール２０の外観図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図９（ｂ）に示すように、電池モジュール２０は、略箱状の樹脂ケース２１（外殻）に、電池１と、電池１どうしを隔てる隔壁２２と、緩衝材２４とが収容され、電池１と隔壁２２とは交互に積層されている。なお、電池１の下側の面と隔壁２２との間にも、緩衝材２４を設けてもよい。
【００３７】
図１０は、樹脂ケース上蓋２６とその直下の緩衝材２４とを取り除き、更にその状態で一番上の隔壁２２をわきに開いたときの、電池モジュール２０を樹脂ケース上蓋２６側から見た状態を示している。図１０に示すように、回路基板２３は、正極線２８によって各電池１の正極リード３に接続され、負極線２９によって各電池１の負極リード４に接続されている。また、回路基板２３には二つで１組の電極１８，１９が各電池１毎に接続されている。回路基板２３と電池１との間の空間は、何らかの原因で電池１から電解液が漏れ出しても、漏れ出した電解液が回路基板２３に触れないようにシール部２７で仕切られている。正極線２８、負極線２９、電極１８、および電極１９は、このシール部２７の中を通る構成になっている。
【００３８】
回路基板２３には、外部と接続するための接続端子（図示せず。）が取り付けられおり、接続端子は、樹脂ケース２１に設けられた開口部２５（図９）から、外部に露出するようになっている。接続端子は、電池１を充電するための充電装置を接続したり、電池１からの放電電流により駆動される電池駆動機器を接続したりするための端子である。
【００３９】
また、電極１８は、例えば帯状の形状を有し、電池１の表面に沿って凹部１７まで配設されている。電極１９は、例えば帯状の形状を有し、隔壁２２の表面に沿って、隔壁２２と電池１とを積層した場合に凹部１７に対向する位置まで配設されている。電極１８および電極１９は、例えばフレキシブル基板上に形成された銅箔パターンによって構成されるが、凹部１７における電極どうしの接触部以外は絶縁されている構成が好ましい。
【００４０】
図１１は、電池モジュール２０から、ある１つの電池１を挟持する上下二枚の隔壁２２を抜き出し、それを構造体１５の部分で切断して得られる断面図である。ここで、図１１（ａ）は、電池１が膨張していない状態の断面図であり、図１１（ｂ）は、電池１が膨張している状態の断面図である。
【００４１】
前記のように、構造体１５の厚さは、構造体の厚さをＬ３、電極集合体５の最大厚さをＬ４とするとき、Ｌ３≧Ｌ４を満たす厚さとなっていれば、両図に示すように、構造体１５は上下二枚の隔壁２２で挟持され保持される。また、図１１（ａ）に示すように、電極１８と電極１９とは、凹部１７において所定の間隔をもって対向するように配置されている。
【００４２】
図１１（ａ）に示すように、電池１が膨張していないときは、電極１８と電極１９とは離間しており、電池１が膨張すると、図１１（ｂ）に示すように、電極１８が凹部１７から突出する方向に変位して電極１９に接触するようになる。よって、回路基板２３を通して電極１８と電極１９との間の抵抗値を観測することで、抵抗値の変化から電池１の体積膨張を検知することができる。
【００４３】
また、接触型の他の検知手段（接点出力）として、例えば、図１２に示すように、電池１のラミネートフィルム８の表面側には何も手を施さず、上側の隔壁２２にボタン３０を配置するものとしてもよい。図１２（ａ）は、電池１が膨張していない状態の断面図であり、図１２（ｂ）は電池１が膨張している状態の断面図である。図１２（ａ）に示すように、電池１が膨張していないときは、ボタン３０と凹部１７を形成しているラミネートフィルム８の表面とは離間しており、電池１が膨張すると、図１２（ｂ）に示すように、凹部１７を形成していたラミネートフィルム８の表面が押し上げられてボタン３０を加圧するようになる。よって、ボタン３０の押圧力によって値が変化するオン・オフ信号を回路基板２３を通して観測することで、電池１の体積膨張を検知することができる。なお、ボタン３０ではなく押圧力を計測する圧力センサを用いるようにしてもよい。
【００４４】
（電池モジュールの膨張検知手段）
次に、本発明に係る電池モジュールの膨張検知手段について説明する。
図１３は、電池１の膨張の有無を、電池単位で個別管理する場合の膨張検知手段の例を示したものである。この膨張検知手段は、電池１が直列接続された電池ストリング回路３１と、電池ストリング回路３１に直列接続された開閉手段３２と、全ての電池１に個別に配設された接触型の膨張検知手段（接点出力３３）と、接点出力３３からの信号を受けて電池１の膨張の有無を判断し、開閉手段３２の開閉動作を制御する回路基板２３とを有してなる。
【００４５】
開閉手段３２は、電池ストリング回路３１のオン・オフを切り換えるスイッチであり、通常はオン状態となっている。接点出力３３は、電気的にオンまたはオフ状態となるものであり、電池１が膨張していないときには図１３に示すようにオフ状態となり、電池１が膨張しているときにはオン状態となる。接点出力３３には、常に電圧が印加されており、電池１が膨張して接点出力３３がオン状態となると、ここに短絡電流が生じる仕組みになっている。この短絡電流は、電池１の膨張を接点出力３３から外部へ伝える信号となる。回路基板２３は、常時もしくは電池管理者が決めた時間間隔で、各接点出力３３における短絡電流の有無を監視しており、短絡電流を検出した場合には、開閉手段３２をオフ状態に切り換える指令を出力して、電池ストリング回路３１を外部回路から切り離す。このとき、回路基板２３は、どの接点出力３３がオン状態となったかを識別することで、膨張が発生した電池１を個別に識別することが可能であり、利用者に膨張が発生した電池１を個別に通知することが可能となる。
【００４６】
図１４は、電池１の膨張の有無を、電池モジュールの単位で一括管理する場合の膨張検知手段の例を示したものである。電池モジュールの単位での一括管理は、接点出力３３または３４を直列あるいは並列に接続することで可能となる。図１４（ａ）は、接点出力３３を並列接続する場合、図１４（ｂ）は、接点出力３４を直列接続する場合の例を、それぞれ示している。
【００４７】
図１４（ａ）のように、接点出力３３を並列接続する場合には、各接点出力３３は、電池１が膨張していないときにオフ状態となり、電池１が膨張しているときにオン状態となるようにし、回路基板２３は、並列接続されたいずれかの接点出力３３において短絡電流が発生したことを検出した場合に、開閉手段３２をオフ状態に切り換える指令を出力する。また、図１４（ｂ）のように、接点出力３４を直列接続する場合には、各接点出力３４は、電池１が膨張していないときにオン状態となり、電池１が膨張しているときにオフ状態となるようにし、回路基板２３は、直列接続された接点出力３４における短絡電流が途絶えたことを検出した場合に、開閉手段３２をオフ状態に切り換える指令を出力する。
【符号の説明】
【００４８】
１ ラミネート型リチウムイオン電池（ラミネート電池）
２ パッケージ（ラミネート電池パッケージ）
３ 正極リード（正極端子）
４ 負極リード（負極端子）
５ 電極集合体
６ 接着部
７ フランジ部
８，９ ラミネートフィルム（フィルム部材）
１０ 外面層
１１ バリア層
１２ 溶着層
１３，１４ 扁平面
１５ 構造体
１６ ラミネート型リチウムイオン電池
１７ 凹部
１８，１９ 電極（検知手段）
２０ 電池モジュール
２１ 樹脂ケース
２２ 隔壁
２３ 回路基板（保護回路）
２４ 緩衝材
２５ 開口部
２６ 樹脂ケース上蓋
２７ シール部
２８ 正極線
２９ 負極線
３０ ボタン（検知手段）
３１ 電池ストリング回路
３２ 開閉手段
３３，３４ 接点出力（接点信号）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電要素がラミネートフィルムに封止されたシート状薄型の二次電池であるリチウムイオン電池等のラミネート電池に関し、特に、内圧上昇による電池の体積膨張を検知するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
充放電反応にリチウムイオンの吸蔵および放出を利用するリチウムイオン二次電池（以下、「リチウムイオン電池」）は、大きなエネルギー密度を有すること、充放電反応に寄与するリチウムがほとんど金属リチウムとして電極に析出しないため、金属リチウムが電極から脱落して失活する可能性が低く、充放電を繰り返した際の容量の再現性に優れており、安定な充放電特性を得ることができること等の理由から、従来の鉛電池やニッケルカドミウム電池に代わる電池として大いに期待されている。
【０００３】
様々なリチウムイオン電池が上市されているが、市場規模の大きさを考慮してこれらを分類すると、反応系（発電要素）を金属缶（円筒型と角型とを含む。）に封止して形成される金属缶型リチウムイオン電池と、反応系をラミネートフィルムに封止して形成されるラミネート型リチウムイオン電池とに大別される。これまで、これらの電池の用途は、電池単体の機械的特性を考慮して決定され、例えば、電動工具や移動体などの、振動条件や高温条件におかれる機械や、落下によって衝撃を受ける危険性をもつ携帯電話やノートパソコンなどのポータブル電子機器には頑丈な金属缶型リチウムイオン電池が使用され、振動や高温や衝撃の危険性の低い家庭用農機などには、金属缶型リチウムイオン電池と比較して機械的強度は劣るが、その代わり軽量であるラミネート型リチウムイオン電池が使用されてきた。しかしながら、近年、電池単体の安全性を電池モジュールの筐体で補う構想のもと、安全な電池モジュールが検討されるようになり、電池単体の機械的強度は、電池の用途を決定する要因ではなくなってきた。
【０００４】
リチウムイオン電池においては、過充電や短絡等によって熱暴走すると、電解液や電極の分解ガス、あるいは電解液の気化ガス等によって電池内圧が急上昇する。著しく大きい内圧を有するリチウムイオン電池は、外部からの衝撃等により破裂して、周囲に内容物をまき散らす場合があるので、慎重な取り扱いが必要となる。金属缶型リチウムイオン電池の場合、例えば、特許文献１に記載されているような、缶蓋に備えた電流遮断機構の作用によって反応を強制停止させて破裂を防止する方法が提案されている。
【０００５】
他方、ラミネート型リチウムイオン電池の場合、金属缶型リチウムイオン電池で提案されているような電流遮断機構を施すことは困難であるため、内圧が上昇して破裂に至る間に電池の体積が膨張することに着目し、電池の体積膨張を検知して、電流を止めることで反応を停止させ、電池の破裂を未然に防ぐ方法が提案されている。例えば、特許文献２には、ラミネート型リチウムイオン電池の積層モジュールの中央付近に、導電材を配置したテープを巻きつけ、導電材の破断による導電率の変化から電池の体積膨張を検知する方法が提案されている。また、特許文献３には、ラミネート型リチウムイオン電池の中央付近に、外壁との間の圧力によって導電率が変化する導電材を配置して、その導電率の変化から電池の体積膨張を検知する方法が提案されている。
【０００６】
しかしながら、前記のような方法では次のような問題があった。即ち、リチウムイオン電池は、電池一個当たりの動作電圧は３．０Ｖから４．２Ｖであるため、電池一個で使用するのではなく、システム規模に合わせて電池モジュールとして使用したいという要求があるが、特許文献３の方法は、電池モジュールでは使用できない。また、特許文献２の方法は、この要求を満足することができるが、その一方で、電池モジュールにおいて、膨張している電池を個別に検知したいという要求を満たすことができない。
【０００７】
これら二つの要求を同時に満足する方法があれば、ラミネート型リチウムイオン電池などの体積膨張の検知方法として大いに有用と考えられ、例えば、特許文献４には、ラミネート電池の外周部の非接着部の変位を利用して体積膨張を検知する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平２−１１２１５１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１２１９２号公報
【特許文献３】特開２００９−７６２６５号公報
【特許文献４】特開２００７−１０９４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献４にて提案されている方法において発明の核となる電池の非接着部は、電池の他の部分と比較して非常に柔らかいため、この部分の形状は電池毎に異なるものとなる。例えば、電池の封止工程における減圧処理によるシワ発生や、電池の輸送・取り扱い工程における変形などが、この部分の形状を電池毎に変える要因となる。そのため、特許文献４にて提案されている方法では、非接着部のシワ発生や変形の影響を受けないように、膨張を検知するセンサ類を電池毎に個別に調整して配置する必要がある。個別調整は、電池モジュール作製の工程時間を伸長させて、結果として電池モジュール作製コストを高くする原因となるため、好ましくない。
【００１０】
本発明は、前記の課題を解決するためになされたものであり、体積膨張の検知が容易なシート状薄型のラミネート電池、および膨張している電池を個別に検知できる電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するために、本発明では、ラミネート電池の非接着部の変位を利用して体積膨張を検知するときの検知対象部位の初期の形状を積極的に制御するものとした。
【００１２】
具体的には、本発明は、正極端子および負極端子を外側に突出させて、電極集合体と電解液とをフィルム部材により封止してなる扁平型のラミネート電池パッケージの体積膨張を検知するために、前記ラミネート電池パッケージの所定部位に、前記フィルム部材により封止するときの減圧処理によって凹部を形成し、前記所定部位に形成された前記凹部の深さの減少を検知する検知手段（センサ）が前記ラミネート電池パッケージの膨張を検知することを主たる特徴とする。なお、かかる凹部は、ラミネート電池パッケージに特殊形状の構造体を封入したり、あるいは電極集合体の形状を工夫したりすることによって形成する。
【００１３】
また、前記検知手段（センサ）を、電池モジュールを構成する前記各ラミネート電池パッケージ毎に配設することにより、膨張している電池を個別に検知することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、体積膨張の検知が容易なシート状薄型のラミネート電池、および膨張している電池を個別に検知できる電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るラミネート型リチウムイオン電池の単セルの例を示す外観図。
【図２】図１のラミネート型リチウムイオン電池が体積膨張したときの外観図。
【図３】電池パッケージに封入する構造体の形状を示す図。
【図４】電池パッケージに封入する他の構造体の形状を示す図。
【図５】電池パッケージに封入する他の構造体の形状を示す図。
【図６】構造体の近傍を熱溶着させたラミネート型リチウムイオン電池の外観図。
【図７】構造体を電極集合体と一体化したラミネート型リチウムイオン電池の外観図。
【図８】切り欠き部を有する電極集合体を用いたラミネート型リチウムイオン電池の外観図。
【図９】（ａ）電池モジュールの外観図、（ｂ）電池モジュールの断面図。
【図１０】電池モジュールの構造についての説明図。
【図１１】凹部の深さの変位を検知する検知手段についての説明図。
【図１２】凹部の深さの変位を検知する他の検知手段についての説明図。
【図１３】電池モジュールの膨張を検知する回路についての説明図。
【図１４】電池モジュールの膨張を検知する他の回路についての説明図。
【図１５】比較例のラミネート型リチウムイオン電池の単セルの概略構成図。
【図１６】図１５のラミネート型リチウムイオン電池の部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態を、適宜図面を参照しながら説明するが、本発明の実施の態様はこれに限定されるものではない。また、参照する図面は、略図であり、図中の位置関係や寸法等の正確さを保証するものではない。
【００１７】
（比較例のラミネート電池）
図１５は、比較例のラミネート電池であるラミネート型リチウムイオン電池（以下、適宜「ラミネート電池」または「電池」と略記。）１６の単セルの概略構成図である。ラミネート電池１６は、フィルム封止されたパッケージ（ラミネート電池パッケージ）２と、正極リード（正極端子）３と、負極リード（負極端子）４とを備えている。パッケージ２の内部には、電極集合体５と電解液（図示せず。）とが収容されている。パッケージ２の外周部には、電解液を封止する接着部６が形成され、接着部６と電極集合体５との間には、フィルムが未接着となっている未接着部７が形成されている。電極集合体５は、予めセパレータで包んだ正極シートと、負極シートとが積層されて形成されている。正極シートは正極リード３に、負極シートは負極リード４に接続されている。正極リード３はアルミニウム製の板材から、負極リード４は銅製の板材からなる。正極リード３と負極リード４とは、パッケージ２の内側から、未接着部７及び接着部６を通過して、パッケージ２の外側へ引き出されている。
【００１８】
正極シートはアルミニウム製の集電箔で形成されており、その集電箔の両面に正極電極層が設けられている。正極電極層は、リチウムイオン電池の正極活物質とバインダと導電助剤とを含んでいる。バインダは、正極活物質と導電助剤と集電箔とを結着する役割を果たし、導電助剤は、正極活物質と正極活物質との間、および正極活物質と集電箔との間に入り、電極内の電気的な接続を容易とし、電極の電子抵抗を下げる役割を果たす。正極活物質には、例えば、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＭＯ２（Ｍ＝Ｃｏ，Ｎｉ，ＮｉｘＡｌｙ（ｘ＋ｙ＝1）、ＭｎｘＮｉｙＣｏｚ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝1））等が用いられる。導電助剤には、例えば、カーボンブラックやカーボンファイバが用いられる。バインダには、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が用いられる。
【００１９】
負極シートは銅製の集電箔で形成されており、その集電箔の両面に負極電極層が設けられている。負極電極層は、リチウムイオン電池の負極活物質とバインダと導電助剤とを含んでいる。バインダは、負極活物質と導電助剤と集電箔とを結着する役割を果たし、導電助剤は、負極活物質と負極活物質との間、および負極活物質と集電箔との間に入り、電極内の電気的な接続を容易とし、電極の電子抵抗を下げる役割を果たす。負極活物質には、例えば、グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）等の炭素材料や、チタンやバナジウムの金属酸化物等が用いられる。導電助剤には、例えば、カーボンブラックやカーボンファイバが用いられる。バインダには、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が用いられる。
【００２０】
セパレータには、例えば、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）やポリプロピレン樹脂（ＰＰ）が用いられる。また、セパレータの機械的強度や耐熱性を考慮して、これらの樹脂を積層して用いる場合もある。
【００２１】
電解液は、有機溶媒にリチウム塩を溶解させることで得られる。有機溶媒には、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、γ―ブチロラクトン（ＧＢＬ）等が用いられるが、電解液の貯蔵性や使用温度でのイオン電導性等を考慮して、複数の溶媒をブレンドした混合溶媒を使用することが好ましい。混合溶媒としては、例えば、ＥＣ：ＥＭＣ：ＤＭＣが２：４：４の質量比である混合溶媒が用いられる。リチウム塩には、例えば、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）が用いられる。
【００２２】
図１６は、図１５に示したラミネート電池１６のＡ−Ａ部分断面図である。図１６に示すように、電池１６を構成するパッケージ２は、ラミネートフィルム８とラミネートフィルム９とを、電極集合体５を収容するように重ね合わせて端部を封止することにより構成される。ラミネートフィルム８，９は、耐水性やガス透過性等を考慮して多層構造となっている機能性フィルムであり、ナイロン樹脂製の外面層１０と、アルミニウム製のバリア層１１と、ポリプロピレン樹脂製の溶着層１２とが積層されて形成されている。ラミネートフィルム８とラミネートフィルム９とを重ね合わせた電極集合体５の外周部近傍を熱溶着させることで、一点鎖線で示したラミネートフィルム８の溶着層１２とラミネートフィルム９の溶着層１２との接触面付近に接着部６が形成され、熱溶着されなかった二つの溶着層１２によって未接着部７が形成される。
【００２３】
パッケージ２は、向かい合った状態で略平行に伸びている扁平面１３と扁平面１４とを有しており、この扁平面１３と扁平面１４との間に、電極集合体５や電解液等を収容している。扁平面１３と扁平面１４とにおけるラミネートフィルム８とラミネートフィルム９間の距離Ｌ１と、未接着部７におけるラミネートフィルム８とラミネートフィルム９間の距離Ｌ２とを比較すると、Ｌ１＞Ｌ２であり、扁平面１３と扁平面１４における電池１６の厚みに比べて、未接着部７における電池１６の厚みは薄くなっている。
【００２４】
（本発明に係るラミネート電池）
図１は、本発明に係るラミネート電池であるラミネート型リチウムイオン電池（以下、適宜「ラミネート電池」または「電池」と略記。）１の単セルの例を示す外観図である。
図１に示すように、本実施形態に係るラミネート電池１は、図１５および図１６を用いて説明した比較例のラミネート電池１６の未接着部７に、パッケージ２の体積膨張によって形状が変化する凹部１７の形成に寄与する板状「コの字」形状の構造体１５（詳細は後記する。）が封入されている。
【００２５】
ここで、電極集合体５、電解液、および構造体１５をパッケージ２に収容する方法を簡単に説明する。
まず、二枚のラミネートフィルムを用意する。一方のラミネートフィルム上の所定の位置に電極集合体５を配置し、次いで、もう一方のラミネートフィルムで電極集合体５を覆う。この状態で、正極リード３と負極リード４との近辺を除いて、二枚のラミネートフィルムを電極集合体５の外周部に沿って適度な未接着部７が形成されるように袋状に熱溶着させる。
【００２６】
次に、正極リード３と負極リード４との近辺に残されているパッケージ２の開口部分から、パッケージ２内に電解液を注入する。電解液の注入後、パッケージ２内の正極リード３と負極リード４との間に位置決め用治具等を用いて構造体１５を配置する。その後、減圧処理により、パッケージ２内から気体及び余分な電解液を除いたのち、開口部分を熱溶着させることで、図１に例示するような、パッケージ２の表面に構造体１５の寄与による凹部１７を有するラミネート電池１を得ることができる。
【００２７】
ここで、減圧処理後に構造体１５の寄与によって生じた凹部１７に着目すると、凹部１７の形状は、パッケージ内の圧力に依存して不可逆に変化する。即ち、過充電によるガス発生や、高温による電解液の気化等の不具合によってパッケージ２内の体積が膨張しない限り、電池作製時の減圧処理によりパッケージ２内の圧力が大気圧よりも低くなっているため、図１に示すように、凹部１７は電池作製時のままの形状で維持される。また、ラミネート電池１の使用時に、前記のような不具合によってパッケージ２内の体積が膨張し、パッケージ２内の圧力が高まると、発生したガスやガスによって押し出された電解液が凹部１７に流れ込んで、二枚のラミネートフィルを引き離そうとする力が作用する。その結果、凹部１７における二枚のラミネートフィルム間の距離が徐々に大きくなるため、凹部１７は電池作製時のままの形状を維持できなくなり、やがては図２の破線にて示すように、構造体１５の寄与による凹部１７は解消されることとなる。
【００２８】
このとき、凹部１７は、発生したガスや電解液等が流れ込み易い構造となっており、流入可能な容量が小さいので、凹部１７の形状変化の方が、他の未接着部７の膨張よりも先に進行する。そこで、凹部１７の深さの減少を検知するセンサ（検知手段）を配設しておくことにより、膨張が始まってから比較的短時間で電池１の膨張を検知することが可能となる。また、凹部１７の位置や形状にある程度の誤差があったとしても、その深さの減少を安定して検知することが可能であるので、センサを個別調整する手間を減らすことができる。
【００２９】
続いて、本発明の技術的特徴をなす凹部１７と構造体１５とについて説明する。
構造体１５の形状は、電池作製時の減圧処理によって所定の深さ以上の凹部１７を形成可能である限りにおいて限定されるものではない。例えば、図３に例示するような板状「コの字」形状や、図４に例示するような板状「コの字」部材１５１と板状部材１５２とを貼り合わせた形状や、図５に例示するような板状部材１５２の四隅に角柱１５３を立てた形状などを用いることができ、構造の自由度は大きい。しかしながら、電池１を積層してモジュール化するときの積層のし易さや、構造体１５を隣接電池との間の隔壁等で抑え込むときの安定性や取り扱いの容易性などを考慮すると、図３から図５に例示したような板状を基調とする形状とするのが好ましい。
【００３０】
また、構造体１５の厚さは、電池１を積層したときの凹部１７の形状の安定性や膨張検知の精度を確保することを考慮すると、構造体１５の厚さをＬ３、電極集合体５の最大厚さをＬ４とするとき、Ｌ３≒Ｌ４ かつ Ｌ３≧Ｌ４ であることが好ましい。つまり、構造体１５の厚さは、電極集合体５の最大厚さに等しいか、または、それよりも少しだけ厚いことが好ましい。なお、構造体１５の厚さとは、構造体１５をパッケージ２内に配置した状態での電池１の積層方向における長さである。電極集合体５の最大厚さとは、充放電時の化学反応に伴うリチウムイオンのインターカレーション（吸蔵）・デインターカレーション（放出）による電極厚さの変化を考慮したときの最大厚さである。
【００３１】
また、構造体１５の材質は、構造体１５からの溶出物がリチウムイオン電池の電池反応に影響せず、かつ、構造体１５が本発明の効果を失わせる程に変形しない限りにおいて限定的ではなく、例えば、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）やポリプロピレン樹脂（ＰＰ）を使用することができる。
【００３２】
なお、図１の例では、構造体１５の周辺の比較的広い範囲に未接着部７が形成されているが、膨張検知の感度を高めるためには未接着部７の面積を小さくすることが好ましい。その方法として、図６に例示するように、構造体１５の外周部に沿って二枚のラミネートフィルムを熱溶着させてもよく、図７に例示するように、構造体１５の横幅を電極集合体５の横幅と一致させ、両者を密着させて一体化したのちに正極リード３と負極リード４との近辺を熱溶着させてもよい。また、凹部１７は、必ずしも構造体１５を電池１に組み込むことで形成する必要はなく、図８に例示するように、電極集合体５の外周部に切り欠き部を設けるなど、電極集合体５の形状を操作することによって形成してもよい。
【００３３】
（凹部の形状変化検知手段）
次に、凹部１７の形状変化検知手段を、ラミネート電池１を積層してなる電池モジュールに配設する例について説明する。
【００３４】
使用可能な形状変化検知手段としては、例えば、凹部１７の底面と、底面に対向する上面との双方に電極を配置して、それら電極間の抵抗値の変化を検知する接触型の検知手段や、レーザーなどによって凹部１７の底面の変位を計測する非接触型の検知手段を用いることが可能であるが、検知手段の実装容易性やコスト等を考慮すると、接触型の検知手段を用いるのが好ましい。
【００３５】
ここでは、電池１に内包する構造体１５は、図４に示した板状「コの字」部材１５１と板状部材１５２とを貼り合わせた形状のものを用い、凹部１７の形状変化検知手段としては、一対の電極（電極１８と電極１９）の接触の有無を検知する接触型の検知手段（接点出力）を用いる例について説明する。なお、この例では、検知手段は電池モジュールを構成する全ての電池１に配設するものとしている。
【００３６】
図９（ａ）は電池モジュール２０の外観図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図９（ｂ）に示すように、電池モジュール２０は、略箱状の樹脂ケース２１（外殻）に、電池１と、電池１どうしを隔てる隔壁２２と、緩衝材２４とが収容され、電池１と隔壁２２とは交互に積層されている。なお、電池１の下側の面と隔壁２２との間にも、緩衝材２４を設けてもよい。
【００３７】
図１０は、樹脂ケース上蓋２６とその直下の緩衝材２４とを取り除き、更にその状態で一番上の隔壁２２をわきに開いたときの、電池モジュール２０を樹脂ケース上蓋２６側から見た状態を示している。図１０に示すように、回路基板２３は、正極線２８によって各電池１の正極リード３に接続され、負極線２９によって各電池１の負極リード４に接続されている。また、回路基板２３には二つで１組の電極１８，１９が各電池１毎に接続されている。回路基板２３と電池１との間の空間は、何らかの原因で電池１から電解液が漏れ出しても、漏れ出した電解液が回路基板２３に触れないようにシール部２７で仕切られている。正極線２８、負極線２９、電極１８、および電極１９は、このシール部２７の中を通る構成になっている。
【００３８】
回路基板２３には、外部と接続するための接続端子（図示せず。）が取り付けられおり、接続端子は、樹脂ケース２１に設けられた開口部２５（図９）から、外部に露出するようになっている。接続端子は、電池１を充電するための充電装置を接続したり、電池１からの放電電流により駆動される電池駆動機器を接続したりするための端子である。
【００３９】
また、電極１８は、例えば帯状の形状を有し、電池１の表面に沿って凹部１７まで配設されている。電極１９は、例えば帯状の形状を有し、隔壁２２の表面に沿って、隔壁２２と電池１とを積層した場合に凹部１７に対向する位置まで配設されている。電極１８および電極１９は、例えばフレキシブル基板上に形成された銅箔パターンによって構成されるが、凹部１７における電極どうしの接触部以外は絶縁されている構成が好ましい。
【００４０】
図１１は、電池モジュール２０から、ある１つの電池１を挟持する上下二枚の隔壁２２を抜き出し、それを構造体１５の部分で切断して得られる断面図である。ここで、図１１（ａ）は、電池１が膨張していない状態の断面図であり、図１１（ｂ）は、電池１が膨張している状態の断面図である。
【００４１】
前記のように、構造体１５の厚さは、構造体の厚さをＬ３、電極集合体５の最大厚さをＬ４とするとき、Ｌ３≧Ｌ４を満たす厚さとなっていれば、両図に示すように、構造体１５は上下二枚の隔壁２２で挟持され保持される。また、図１１（ａ）に示すように、電極１８と電極１９とは、凹部１７において所定の間隔をもって対向するように配置されている。
【００４２】
図１１（ａ）に示すように、電池１が膨張していないときは、電極１８と電極１９とは離間しており、電池１が膨張すると、図１１（ｂ）に示すように、電極１８が凹部１７から突出する方向に変位して電極１９に接触するようになる。よって、回路基板２３を通して電極１８と電極１９との間の抵抗値を観測することで、抵抗値の変化から電池１の体積膨張を検知することができる。
【００４３】
また、接触型の他の検知手段（接点出力）として、例えば、図１２に示すように、電池１のラミネートフィルム８の表面側には何も手を施さず、上側の隔壁２２にボタン３０を配置するものとしてもよい。図１２（ａ）は、電池１が膨張していない状態の断面図であり、図１２（ｂ）は電池１が膨張している状態の断面図である。図１２（ａ）に示すように、電池１が膨張していないときは、ボタン３０と凹部１７を形成しているラミネートフィルム８の表面とは離間しており、電池１が膨張すると、図１２（ｂ）に示すように、凹部１７を形成していたラミネートフィルム８の表面が押し上げられてボタン３０を加圧するようになる。よって、ボタン３０の押圧力によって値が変化するオン・オフ信号を回路基板２３を通して観測することで、電池１の体積膨張を検知することができる。なお、ボタン３０ではなく押圧力を計測する圧力センサを用いるようにしてもよい。
【００４４】
（電池モジュールの膨張検知手段）
次に、本発明に係る電池モジュールの膨張検知手段について説明する。
図１３は、電池１の膨張の有無を、電池単位で個別管理する場合の膨張検知手段の例を示したものである。この膨張検知手段は、電池１が直列接続された電池ストリング回路３１と、電池ストリング回路３１に直列接続された開閉手段３２と、全ての電池１に個別に配設された接触型の膨張検知手段（接点出力３３）と、接点出力３３からの信号を受けて電池１の膨張の有無を判断し、開閉手段３２の開閉動作を制御する回路基板２３とを有してなる。
【００４５】
開閉手段３２は、電池ストリング回路３１のオン・オフを切り換えるスイッチであり、通常はオン状態となっている。接点出力３３は、電気的にオンまたはオフ状態となるものであり、電池１が膨張していないときには図１３に示すようにオフ状態となり、電池１が膨張しているときにはオン状態となる。接点出力３３には、常に電圧が印加されており、電池１が膨張して接点出力３３がオン状態となると、ここに短絡電流が生じる仕組みになっている。この短絡電流は、電池１の膨張を接点出力３３から外部へ伝える信号となる。回路基板２３は、常時もしくは電池管理者が決めた時間間隔で、各接点出力３３における短絡電流の有無を監視しており、短絡電流を検出した場合には、開閉手段３２をオフ状態に切り換える指令を出力して、電池ストリング回路３１を外部回路から切り離す。このとき、回路基板２３は、どの接点出力３３がオン状態となったかを識別することで、膨張が発生した電池１を個別に識別することが可能であり、利用者に膨張が発生した電池１を個別に通知することが可能となる。
【００４６】
図１４は、電池１の膨張の有無を、電池モジュールの単位で一括管理する場合の膨張検知手段の例を示したものである。電池モジュールの単位での一括管理は、接点出力３３または３４を直列あるいは並列に接続することで可能となる。図１４（ａ）は、接点出力３３を並列接続する場合、図１４（ｂ）は、接点出力３４を直列接続する場合の例を、それぞれ示している。
【００４７】
図１４（ａ）のように、接点出力３３を並列接続する場合には、各接点出力３３は、電池１が膨張していないときにオフ状態となり、電池１が膨張しているときにオン状態となるようにし、回路基板２３は、並列接続されたいずれかの接点出力３３において短絡電流が発生したことを検出した場合に、開閉手段３２をオフ状態に切り換える指令を出力する。また、図１４（ｂ）のように、接点出力３４を直列接続する場合には、各接点出力３４は、電池１が膨張していないときにオン状態となり、電池１が膨張しているときにオフ状態となるようにし、回路基板２３は、直列接続された接点出力３４における短絡電流が途絶えたことを検出した場合に、開閉手段３２をオフ状態に切り換える指令を出力する。
【符号の説明】
【００４８】
１ ラミネート型リチウムイオン電池（ラミネート電池）
２ パッケージ（ラミネート電池パッケージ）
３ 正極リード（正極端子）
４ 負極リード（負極端子）
５ 電極集合体
６ 接着部
７ フランジ部
８，９ ラミネートフィルム（フィルム部材）
１０ 外面層
１１ バリア層
１２ 溶着層
１３，１４ 扁平面
１５ 構造体
１６ ラミネート型リチウムイオン電池
１７ 凹部
１８，１９ 電極（検知手段）
２０ 電池モジュール
２１ 樹脂ケース
２２ 隔壁
２３ 回路基板（保護回路）
２４ 緩衝材
２５ 開口部
２６ 樹脂ケース上蓋
２７ シール部
２８ 正極線
２９ 負極線
３０ ボタン（検知手段）
３１ 電池ストリング回路
３２ 開閉手段
３３，３４ 接点出力（接点信号）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極端子および負極端子を外側に突出させて、電極集合体と電解液とをフィルム部材により封止してなる扁平型のラミネート電池であって、
所定の凹部形成部位に、前記フィルム部材により封止された内容物の体積膨張を検知するための凹部が形成されている
ことを特徴とするラミネート電池。
【請求項２】
請求項１に記載のラミネート電池において、
前記凹部は、前記フィルム部材により前記電極集合体と前記電解液とを封止するときに形成される前記フィルム部材の接着部の内側の未接着部に形成される
ことを特徴とするラミネート電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のラミネート電池において、
前記凹部は、前記電極集合体の所定位置に備えられる切り欠き部によって形成される
ことを特徴とするラミネート電池。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載のラミネート電池において、
前記凹部は、前記電極集合体の外側に収納される構造体によって形成される
ことを特徴とするラミネート電池。
【請求項５】
請求項４に記載のラミネート電池において、
前記構造体は、板状を基調とする形状を有する
ことを特徴とするラミネート電池。
【請求項６】
請求項４に記載のラミネート電池において、
前記構造体は、コの字形状を有する
ことを特徴とするラミネート電池。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のラミネート電池の前記フィルム部材により封止された部分の体積膨張を検知するための膨張検知方法であって、
前記凹部の深さの減少を検知する検知手段を備え、
前記検知手段により前記凹部の深さの減少を検知することによって、前記体積膨張を検知する
ことを特徴とする膨張検知方法。
【請求項８】
請求項７に記載の膨張検知方法において、
前記検知手段は、前記凹部の底面と、前記凹部に対向する扁平面とに配設され、前記凹部の深さが減少したときに互いに接触する２つの電極である
ことを特徴とする膨張検知方法。
【請求項９】
請求項８に記載の膨張検知方法において、
前記検知手段は、前記凹部と対向する扁平面に配設され、前記凹部の深さが減少したときに前記フィルム部材により押下される押しボタンまたは圧力センサである
ことを特徴とする膨張検知方法。
【請求項１０】
請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の膨張検知方法によって、前記フィルム部材により封止された部分の体積膨張が検知される、少なくとも二個以上の前記ラミネート電池が直列接続された電池ストリング回路と、
前記電池ストリング回路に直列接続される開閉手段と、
いずれかの前記ラミネート電池の前記体積膨張が検知された場合に、前記開閉手段を開状態にして外部機器との接続を遮断する保護回路と
を備えることを特徴とする電池モジュール。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電池モジュールであって、
それぞれの前記ラミネート電池の前記体積膨張が検知された場合に、前記検知手段から電気的にオン状態となる接点信号が出力され、
前記保護回路は、それらの接点信号を並列接続した信号に基づいて前記開閉手段を開状態にする
ことを特徴とする電池モジュール。
【請求項１２】
請求項１０に記載の電池モジュールであって、
それぞれの前記ラミネート電池の前記体積膨張が検知された場合に、前記検知手段から電気的にオフ状態となる接点信号が出力され、
前記保護回路は、それらの接点信号を直列接続した信号に基づいて前記開閉手段を開状態にする
ことを特徴とする電池モジュール。
【請求項１】
正極端子および負極端子を外側に突出させて、電極集合体と電解液とをフィルム部材により封止してなる扁平型のラミネート電池であって、
所定の凹部形成部位に、前記フィルム部材により封止された内容物の体積膨張を検知するための凹部が形成されている
ことを特徴とするラミネート電池。
【請求項２】
請求項１に記載のラミネート電池において、
前記凹部は、前記フィルム部材により前記電極集合体と前記電解液とを封止するときに形成される前記フィルム部材の接着部の内側の未接着部に形成される
ことを特徴とするラミネート電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のラミネート電池において、
前記凹部は、前記電極集合体の所定位置に備えられる切り欠き部によって形成される
ことを特徴とするラミネート電池。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載のラミネート電池において、
前記凹部は、前記電極集合体の外側に収納される構造体によって形成される
ことを特徴とするラミネート電池。
【請求項５】
請求項４に記載のラミネート電池において、
前記構造体は、板状を基調とする形状を有する
ことを特徴とするラミネート電池。
【請求項６】
請求項４に記載のラミネート電池において、
前記構造体は、コの字形状を有する
ことを特徴とするラミネート電池。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のラミネート電池の前記フィルム部材により封止された部分の体積膨張を検知するための膨張検知方法であって、
前記凹部の深さの減少を検知する検知手段を備え、
前記検知手段により前記凹部の深さの減少を検知することによって、前記体積膨張を検知する
ことを特徴とする膨張検知方法。
【請求項８】
請求項７に記載の膨張検知方法において、
前記検知手段は、前記凹部の底面と、前記凹部に対向する扁平面とに配設され、前記凹部の深さが減少したときに互いに接触する２つの電極である
ことを特徴とする膨張検知方法。
【請求項９】
請求項８に記載の膨張検知方法において、
前記検知手段は、前記凹部と対向する扁平面に配設され、前記凹部の深さが減少したときに前記フィルム部材により押下される押しボタンまたは圧力センサである
ことを特徴とする膨張検知方法。
【請求項１０】
請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の膨張検知方法によって、前記フィルム部材により封止された部分の体積膨張が検知される、少なくとも二個以上の前記ラミネート電池が直列接続された電池ストリング回路と、
前記電池ストリング回路に直列接続される開閉手段と、
いずれかの前記ラミネート電池の前記体積膨張が検知された場合に、前記開閉手段を開状態にして外部機器との接続を遮断する保護回路と
を備えることを特徴とする電池モジュール。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電池モジュールであって、
それぞれの前記ラミネート電池の前記体積膨張が検知された場合に、前記検知手段から電気的にオン状態となる接点信号が出力され、
前記保護回路は、それらの接点信号を並列接続した信号に基づいて前記開閉手段を開状態にする
ことを特徴とする電池モジュール。
【請求項１２】
請求項１０に記載の電池モジュールであって、
それぞれの前記ラミネート電池の前記体積膨張が検知された場合に、前記検知手段から電気的にオフ状態となる接点信号が出力され、
前記保護回路は、それらの接点信号を直列接続した信号に基づいて前記開閉手段を開状態にする
ことを特徴とする電池モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−２４３５５６（Ｐ２０１２−２４３５５６Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１２２４０（Ｐ２０１１−１１２２４０）
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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