電池パック
【課題】 体積効率が良く、かつトップカバーと電極端子の干渉や電池厚さの増加を引き起こさない、品質、生産性の高い電池パックを得る。
【解決手段】 トップカバーを構成する上部ホルダーにおいて、電池セルの電極端子導出部に対向し、電極端子が干渉する一部分に切り欠きを設け、上部ホルダーと電極端子の干渉が起こらないようにする。電池パック厚みが小さい場合は、上部ホルダーとともにトップカバーを構成する下部ホルダーの電極端子引き回し経路の一部分にも切り欠きを設け、電極端子が切り欠きに収納されるようにしてトップカバーを嵌合する。
【解決手段】 トップカバーを構成する上部ホルダーにおいて、電池セルの電極端子導出部に対向し、電極端子が干渉する一部分に切り欠きを設け、上部ホルダーと電極端子の干渉が起こらないようにする。電池パック厚みが小さい場合は、上部ホルダーとともにトップカバーを構成する下部ホルダーの電極端子引き回し経路の一部分にも切り欠きを設け、電極端子が切り欠きに収納されるようにしてトップカバーを嵌合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばリチウムイオンポリマー二次電池に適用される電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カメラ一体型ＶＴＲ（Videotape recorder：ビデオテープレコーダ）、携帯電話あるいはラップトップコンピュータなどのポータブル電子機器が多く登場し、それらの小型化および軽量化が図られている。それに伴い、ポータブル電子機器の電源として用いられる電池の需要が急速に伸びており、機器の小型軽量化実現のために、機器に接続する電池パックの設計も軽く、薄型であり、かつ機器内の収容スペースを効率的に使うことが求められている。このような要求を満たす電池として、エネルギー密度および出力密度の大きいリチウムイオン電池が最も好適である。
【０００３】
中でも、従来の液系電解液を用いた場合に問題となる液漏れを防止するために、ゲル状のポリマー電解質を用いたリチウムイオンポリマー二次電池が広く用いられている。リチウムイオンポリマー二次電池は、電極端子を接続し、両面にポリマー電解質を塗布した帯状の正極および負極をセパレータを介して積層した後、長手方向に巻回して作製した電池素子をラミネートフィルムで外装して電池セルとしている。電池セルからは正極、負極と接続された電極端子が導出されており、回路基板を接続した後にプラスチック製モールドケースに収納して電池パックとしていた。以下の特許文献１には、かかる構成のリチウムイオンポリマー二次電池の一例が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２６０６０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、モールドケース内に電池セルを収納する従来の構成では、モールドケースの肉厚が０．３〜０．４ｍｍ程度となり、固定のための両面テープや公差を考慮すると、セルの厚みに対して０．８〜１．０ｍｍ程度厚みが増加していた。また、外周方向でも上下のモールドケースを超音波溶着するための形状が必要となり、そのために、０．７ｍｍ程度の肉厚が求められる。結果として、従来の電池パックはセルの容積に対して１．３〜１．４倍の容積の増加が余儀なくされた。
【０００５】
また、電池セルをモールドケース内に収納することで放熱性が悪くなり、電池性能が低下したり電池が発熱するおそれもあった。
【０００６】
そこで我々は、両端に第１及び第２の開口を有する硬質の外装材内に電池素子を収納し、この第１及び第２の開口に対して樹脂成型で製造した第１及び第２のカバーをそれぞれ嵌合し、第１の開口に嵌合される第１のカバー内に上記電池素子の電極端子と接合される回路基板を収納する電池パックを提案した。
【０００７】
この構成による電池パックでは、電池素子をモールドケースに収納する必要がないため、体積効率（体積あたり電気容量／１電池パック）に優れ、かつ放熱性も良く、電池性能の向上に寄与する。また、電池パックの組み立てが容易であり、生産性に優れた構成となっている。
【０００８】
上述のような電池パックでは、回路基板９を上部ホルダー４ａおよび下部ホルダー４ｂからなるトップカバー４に収納してこれを外装材５の一開口部に嵌合する際に、図１に示すように回路基板９と接合した電極端子２が折りたたまれるようにして電池パックに収容される。この場合、電池素子６とトップカバー４の間に十分な空間があれば、屈曲した電極端子２が上部ホルダー４ａの電極端子導出部に対向する部分７と干渉することなく構成することができる。ところが、これではスペース効率を高めた電池パックとしての本来の目的に反してしまう。
【０００９】
また、この空間を狭くした場合、電極端子導出部の構造の影響で、電極端子導出部側に設けた上部ホルダー４ａと外装材５との融着部が極めて小さくなってしまい、トップカバー４と外装材５との熱融着強度が不充分となってしまう。また、電池厚が比較的小さい場合は図１Ｂに示すように下部ホルダー４ｂ底面の電極端子導出部に対向する部分８が電極端子２を圧迫し、電極端子が電池厚み方向に突出湾曲して、電極端子部において電池厚が他の部分比べて大きくなってしまうことがある。この場合、電子機器側の電池パック挿入部の寸法に合わなくなるおそれがあった。
【００１０】
したがって、この発明では、電池パック内部で電極端子がトップカバーと干渉したり、電極端子が電池厚み方向に突出湾曲して電極端子部における電池厚さ外形寸法が他の部分比べて大きくなることを防ぎ、さらに生産性の高い電池パックを得ることを目標とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、この発明の第１の態様は、両端に第１及び第２の開口を有する硬質の外装材内に角形もしくは扁平型の電池素子が収納され、第１及び第２の開口が第１及び第２のカバーによってそれぞれ覆われ、第１の開口に嵌合される第１のカバー内に電池素子の電極端子リードと接合される回路基板が収納される構造であり、第１のカバーは、回路基板の電池素子側とは反対側から回路基板を保持する樹脂成型で製造された上部ホルダーと、回路基板の電池素子側に配置される樹脂成型で製造された下部ホルダーとを少なくとも有し、上部ホルダーと下部ホルダーとは接着または機械的係合手段によって接合される角形もしくは扁平型の電池パックにおいて、上部ホルダーは、電池素子から電極端子が導出された電極端子導出部に対向する部分に切り欠きを有することを特徴とする電池パックである。
【００１２】
また、加えて、下部ホルダーは、電極端子導出部に対向する底面部の一側面および電極端子の通り道となる底面部の他側面のそれぞれに切り欠きを設けることにより、より効果的に上記不具合を解消することができる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、回路基板を収納するカバーに切り欠きを設けることにより、カバーを外装材に嵌合する際にも屈曲して収納される電極端子の湾曲形態を十分収納することが可能となり、カバーと外装材を熱融着した後も電池パック厚に影響を及ぼさない。また、熱融着部が剥がれにくくなり、品質の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図２に、この発明を適用したリチウムイオンポリマー二次電池の電池パックの構成の一例を示す。この電池パックは、外装材としての硬質ラミネート材に電池素子を収納し、両端開口部に樹脂成型カバーを嵌合したものである。
【００１６】
図３は、この電池パックに用いる電池素子２０の構成を示す。図３Ａは、電池素子２０の斜視図であり、図３Ｂは正極２１および負極２２の巻終端部の構成を示す断面図である。この電池素子２０は、帯状の正極２１と、セパレータ２３ａと、正極２１と対向して配された帯状の負極２２と、セパレータ２３ｂとを順に積層し、長手方向に巻回されており、正極２１および負極２２の両面にはポリマー電解質２４が塗布されている。ポリマー電解質は、図３Ｂに示すように、正極２１および負極２２の終端部を完全に覆うように塗布されている。また、電池素子２０からは正極２１と接続された正極端子１２ａおよび負極２２と接続された負極端子１２ｂが導出されており（以下、特定の端子を指さない場合は電極端子１２とする）、正極端子１２ａおよび負極端子１２ｂのそれぞれの両面には後に外装するラミネートフィルムとの接着性を向上させるために樹脂片であるシーラント１３ａおよび１３ｂ（以下、特定のシーラントを示さない場合はシーラント１３と適宜称する）が被覆されている。
【００１７】
以下、電池素子の材料について詳しく説明する。
【００１８】
［正極］
正極２１は、正極活物質を含有する正極活物質層が、正極集電体の両面上に形成されてなる。正極集電体としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）箔，ニッケル（Ｎｉ）箔あるいはステンレス（ＳＵＳ）箔などの金属箔により構成されている。
【００１９】
正極活物質層は、例えば正極活物質と、導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。これらを均一に混合して正極合剤とし、この正極合剤を溶剤中に分散させてスラリー状にする。ついで、このスラリーをドクターブレード法等により正極集電体上に均一に塗布し、高温で乾燥させて溶剤を飛ばすことにより形成される。ここで、正極活物質、導電剤、結着剤および溶剤は、均一に分散していればよく、その混合比は問わない。
【００２０】
正極活物質としては、ＬｉXＭＯ2（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、リチウムと遷移金属との複合酸化物が用いられる。リチウム複合酸化物を構成する遷移金属としては、コバルト（Ｃｏ），Ｎｉ，マンガン（Ｍｎ）等が用いられる。
【００２１】
このようなリチウム複合酸化物として、具体的には、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4、ＬｉＮｉyＣｏ1-yＯ2（０＜ｙ＜１）等が挙げられる。また、遷移金属元素の一部を他の元素に置換した固溶体も使用可能である。ＬｉＮｉ0.5Ｃｏ0.5Ｏ2、ＬｉＮｉ0.8Ｃｏ0.2Ｏ2等がその例として挙げられる。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。さらに、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。
【００２２】
また、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。また、溶剤としては、例えばＮ−メチルピロリドン等が用いられる。
【００２３】
正極２１は集電体の一端部にスポット溶接または超音波溶接で接続された正極端子１２ａを有している。この正極端子は金属箔、網目状のものが望ましいが、電気化学的および化学的に安定であり、導通がとれるものであれば金属でなくとも問題はない。正極端子の材料としては、例えばＡｌ等が挙げられる。
【００２４】
［負極］
負極２２は、負極活物質を含有する負極活物質層が、負極集電体の両面上に形成されてなる。負極集電体としては、例えば銅（Ｃｕ）箔，Ｎｉ箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。
【００２５】
負極活物質層は、例えば負極活物質と、必要であれば導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。これらを均一に混合して負極合剤とし、この負極合剤を溶剤中に分散させてスラリー状にする。次にこのスラリーをドクターブレード法等により負極集電体上に均一に塗布し、高温で乾燥させて溶剤を飛ばすことにより形成される。ここで、負極活物質、導電剤、結着剤および溶剤は、均一に分散していればよく、その混合比は問わない。
【００２６】
負極活物質としては、リチウム金属、リチウム合金またはリチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料または金属系材料と炭素系材料との複合材料が用いられる。具体的に、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料としてはグラファイト、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素等が挙げられ、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。
【００２７】
また、リチウムを合金化可能な材料としては多様な種類の金属等が使用可能であるが、スズ（Ｓｎ）、コバルト（Ｃｏ）、インジウム（Ｉｎ）、Ａｌ、ケイ素（Ｓｉ）およびこれらの合金がよく用いられる。金属リチウムを使用する場合は、必ずしも粉体を結着剤で塗布膜にする必要はなく、圧延したＬｉ金属板でも構わない。
【００２８】
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。また、溶剤としては、例えばＮ−メチルピロリドン、メチルエチルケトン等が用いられる。
【００２９】
負極２２も正極２１と同様に、集電体の一端部にスポット溶接または超音波溶接で接続された負極端子１２ｂを有している。この負極端子は金属箔、網目状のものが望ましいが、電気化学的および化学的に安定であり、導通がとれるものであれば金属でなくとも問題はない。負極端子の材料としては、例えば銅、Ｎｉ等が挙げられる。
【００３０】
なお、正極端子１２ａおよび負極端子１２ｂは同じ方向から導出されていることが好ましいが、短絡等が起こらず電池性能にも問題がなければ、どの方向から導出されていても問題はない。また、正極端子１２ａおよび負極端子１２ｂの接続箇所は、電気的接触がとれているのであれば取り付ける場所、取り付ける方法は上記の例に限られない。
【００３１】
［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。
【００３２】
電解質材料としては、リチウムイオン電池に一般的に使用される電解質塩と非水溶媒が使用可能である。非水溶媒としては、具体的には、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、またはこれらの炭酸エステル類の水素をハロゲンに置換した溶媒等が挙げられる。これらの溶媒は１種類を単独で用いてもよいし、複数種を所定の組成で混合してもよい。
【００３３】
電解質塩としては、上記非水溶媒に溶解するものが用いられ、カチオンとアニオン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。具体的には、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2、ＬｉＮ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2、ＬｉＣｌＯ4等が挙げられる。電解質塩濃度としては、上記溶媒に溶解することができる濃度であれば問題ないが、リチウムイオン濃度が非水溶媒に対して０．４ｍｏｌ／ｋｇ以上、２．０ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲であることが好ましい。
【００３４】
［セパレータ］
セパレータは、例えばポリプロピレン（ＰＰ）あるいはポリエチレン（ＰＥ）などのポリオレフィン系の材料よりなる多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これら２種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリエチレン、ポリプロピレンの多孔質フィルムが最も有効である。
【００３５】
一般的にセパレータの厚みは５〜５０μｍが好適に使用可能であるが、７〜３０μｍがより好ましい。セパレータは、厚すぎると活物質の充填量が低下して電池容量が低下するとともに、イオン伝導性が低下して電流特性が低下する。逆に薄すぎると、膜の機械的強度が低下する。
【００３６】
上述のようにして作製した電池素子２０を、硬質ラミネート材１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂにて外装し、成型して電池セル１６を作製する。
【００３７】
図４に、電池セル１６の構成を示す。電池セル１６は、参照符号２０で示される電池素子の上下に硬質ラミネート材１１ａと軟質ラミネート材１１ｂとを配置し、熱融着した後、硬質ラミネート材１１ａが外装となるように成形して作製する。軟質ラミネート材１１ｂには電池素子２０を配置するための凹部が設けられており、内側樹脂層である無軸延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）層側から絞り加工を施すことによって凹部が形成される。
【００３８】
図５に、硬質ラミネート材１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂの主な構成を示す。硬質ラミネート材１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂは、参照符号３０で示される金属層が、外側樹脂層３１および内側樹脂層３２に挟まれた３層構造となっており、防湿性、絶縁性を有する多層フィルムである。金属層３０は水分、酸素、光の進入を防いで電池素子を守る最も重要な役割を担っており、軽さ、伸び性、価格、加工のしやすさからアルミニウム（Ａｌ）が最もよく使われる。外側樹脂層３１には外観の美しさや強靱さ、柔軟性などからナイロン（Ｎｙ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）のいずれかが用いられる。内側樹脂層３２は熱や超音波で溶け、互いに融着する部分であり、無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）またはポリエチレン（ＰＥ）が多用される。
【００３９】
金属層３０と外側樹脂層３１とは接着層３３を設けて貼り合せる。一方、金属層３０と内側樹脂層３２とは接着層３４を設ける方法の他、ＣＰＰまたはＰＥを熱して溶かし、金属層３０に接着させる方法やＣＰＰフィルムまたはＰＥフィルムを熱ローラ等により張り合わせる方法など、種々の方法が使用可能である。
【００４０】
硬質ラミネート材１１ａの金属層としてＡｌを用いる場合には、焼きなまし処理を施さないＡｌ（ＪＩＳ Ａ３００３Ｐ−Ｈ１８）または（ＪＩＳ Ａ３００４Ｐ−Ｈ１８）等を用いる。また、金属層には上述のＡｌの他、銅（Ｃｕ）、鉄、ニッケル（Ｎｉ）、ステンレス（ＳＵＳ）またはチタン（Ｔｉ）等が使用できる。また、軟質ラミネート材１１ｂの金属層としてＡｌを用いる場合には、焼きなまし処理を施したＡｌ（ＪＩＳ Ａ８０２１Ｐ−Ｏ）または（ＪＩＳ Ａ８０７９Ｐ−Ｏ）等を用いる。
【００４１】
上述の軟質ラミネート材１１ｂに設けた凹部に電池素子２０を収納し、凹部の開口部を覆うように硬質ラミネート材１１ａを重ねる。硬質ラミネート材料１１ａおよび軟質ラミネート材料１１ｂのそれぞれは、互いの内側樹脂層であるＣＰＰ層（もしくはＰＥ層）が対向するようにして重ねて配置する。
【００４２】
次いで、電池素子２０の周辺の四辺を減圧下で熱融着して封止する。一般的に、電極端子を封止部界面から取り出しラミネート外装材を封止する場合には、電極端子の厚みを吸収するために表面にゴムのような弾性体をライニングするか、上下のヒータヘッド表面（ラミネートフィルムに接する面）に切り欠きを設ける。平らな金属ヘッドを用いた場合、熱融着時に電極端子部分に大きな圧力がかかり電極端子が切断されたり、電極端子を挟まない部分に金属ヘッドが当たらず、封止性が悪くなるのを防ぐためである。
【００４３】
さらに、硬質ラミネート材料１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂを電池素子の形状に沿って湾曲させ、図２の電池セル１６のように断面が楕円形状になるように成型することで、硬質ラミネート材料１１ａが最外装として電池素子２０を保護するように電池パック１０を作製する。
【００４４】
このとき、軟質ラミネート材１１ｂに設けた凹部の底面の外側に粘着シートを配置することが好ましい。粘着シートは軟質ラミネート材１１ｂのＮｙ層同士、もしくはＰＥＴ層同士、ＰＥＮ層同士を高温をかけて接着するために用いる補助的部材である。
【００４５】
次いで、所定の形状に成型された電池セル１６のトップ部から導出された正極端子１２ａおよび負極端子１２ｂと、回路基板上にあらかじめマウントされた保護回路とを抵抗溶接、超音波溶接等により固着する。電池素子２０と接続された回路基板は、例えば図６に示すようなあらかじめ成型された上部ホルダー１４ａおよび下部ホルダー１４ｂを嵌合してなるトップカバー１４に挿入される。
【００４６】
回路基板には、ヒューズ、ＰＴＣ、サーミスタ等の温度保護素子を含む保護回路の他、電池パックを識別するためのＩＤ、抵抗等がマウントされ、更に複数個の接点部が形成されている。保護回路には、二次電池の監視とＦＥＴ（Field Effect Transistor）の制御を行うＩＣ及び、充放電制御ＦＥＴを含んだ保護回路にも適用される。
【００４７】
熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient：ＰＴＣ素子）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。また、二次電池の監視とＦＥＴの制御を行うＩＣ及び、充放電制御ＦＥＴを含んだ保護回路は、二次電池の端子電圧が４．３Ｖ〜４．４Ｖを超えると、発熱・発火など危険な状態になる可能性があるので、二次電池の電圧を監視し、４．３Ｖ〜４．４Ｖを越えると充電制御ＦＥＴをオフし、充電を禁止する。さらに二次電池の端子電圧が放電禁止電圧以下まで過放電し、二次電池電圧が０Ｖになると二次電池が内部ショート状態となり再充電不可能となる可能性があるので、二次電池電圧を監視し、放電禁止電圧を下回ると放電制御ＦＥＴをオフし、放電を禁止する。
【００４８】
上述のような電池パックでは、回路基板９を上部ホルダー４ａおよび下部ホルダー４ｂからなるトップカバー４に収納してこれを外装材５の一開口部に嵌合する際に、図１に示すように回路基板９と接合した電極端子２が折りたたまれるようにして電池パックに収容される。
【００４９】
この発明の理解を容易とするために、図６に従来の電池パックにおける電極端子導出部と上部ホルダー４ａの位置関係を示す。図６の点線で示す電極端子導出部では、外装材である硬質ラミネート材の略端部から電極端子が導出しているため、トップカバーを嵌合した際に、図６の太線で示す上部ホルダー４ａの電極端子導出部に対向する部分が電極端子２を圧迫してしまう。
【００５０】
この場合、屈曲した電極端子２が上部ホルダー４ａの電極端子導出部に対向する部分と干渉することがないようにするには、トップカバー４と電池素子の間に空間を設けるか、もしくは外装材と熱融着する嵌合部分を短く設計する必要がある、しかし、前者ではスペース効率が悪くなり、後者ではトップカバーと硬質ラミネート材の熱融着強度が十分に得られない。
【００５１】
そこで、図７に示すように、この発明では、上部ホルダー１４ａの電極端子１２が干渉する一部分のみに切り欠き１９ａを設けた。このような上部ホルダー１４ａを嵌合した場合の、電極端子導出部分の様子を図８に示す。図８に示すように、上部ホルダー１４ａの嵌合部分は軟質ラミネート材１４ｂの端部まで挿入されるが、上部ホルダー１４ａに切り欠き１９ａが設けられていることにより、電極端子１２と上部ホルダー１４ａが干渉しないようになされていることが分かる。このように、上部ホルダー１４ａの電極端子１２と対向する部分のみに切り欠きを設けることにより、トップカバー１４と電池素子２０との空間を小さくし、さらに十分な熱融着強度も維持したままで、電極端子１２とトップカバー１２との干渉のない電池パックを作製することができる。
【００５２】
さらに、電池パック厚が小さい場合において、電極端子１２が下部ホルダーと干渉し、押されて電池厚み方向に膨らむのを防止するために、図９に示すように下部ホルダー１４ｂ底面の電極端子引き回し経路に該当する部分に切り欠き１９ｂ，１９ｃを設け、電極端子１２が切り欠き１９ｂ，１９ｃに収納されるようにして屈曲させるようにした。
【００５３】
この場合、下部ホルダー１４ｂ底面の側面部に切り欠き１９ｂ，１９ｃを設けることで、切り欠きを有する底面部分の面積が小さくなってしまい、下部ホルダー１４ｂ自身の強度が低下してしまうのと同時に、樹脂成型時に部品のそりが発生しやすくなってしまう。そこで、図９に示すように、部品強度の維持および部品の成型性維持のため、底面部の長手方向に底面部の厚みと同等もしくはそれ以上の高さの突起壁１７を設けることが望ましい。
【００５４】
ここで、図１０に、トップカバー嵌合時の下部ホルダー１４ｂと電極端子１２の位置関係を示す。なお、図１０Ａは電池セルの電極端子導出部が下になるように下部ホルダー１４ｂおよび電池素子２０を配置した場合の模式図であり、図１０Ｂは電池セルの電極端子導出部が上になるように下部ホルダー１４ｂおよび電池素子２０を配置した場合の模式図である。また、実際はトップカバー嵌合時の下部ホルダー１４ｂの位置は電池素子２０に近接しているが、図１０では説明のため、実際よりも下部ホルダー１４ｂと電池素子２０が離れている。
【００５５】
図１０から、下部ホルダー１４ｂの所定の位置に切り欠き１９ｂ，１９ｃを設けたことにより、電極端子１２が収納されるスペースを確保して電極端子１２への圧迫や電池厚の増大を防ぐことができることがわかる。
【００５６】
上述のように、電池パック厚が小さい場合には、図１１に示すように切り欠き１９ａを設けた上部ホルダー１４ａと、切り欠き１９ｂ、１９ｃを設けた下部ホルダー１４ｂを組み合わせて使うことで、より効果的に電極端子への圧迫を防止することが可能となる。
【００５７】
なお、電池パック厚が比較的大きい場合、下部ホルダー１４ｂ底面部の電池厚さ方向の寸法を上部ホルダーよりも小さくすることにより、切り欠きを設けたときと同様の効果を得ることができるため、下部ホルダー１４ｂには必ずしも切り欠きは必要ではない。また、電池パック厚が大きい場合は上部ホルダー１４ａの電池厚さ方向の寸法も大きいため、下部ホルダーの電池厚さ方向の寸法を上部ホルダー１４ａに比して小さく設計しても強度的に問題ない。一方、この発明で用いた電池セルの構成を用いる限り、電池が厚くなっても電極端子導出部の位置が変わらないため、上部ホルダー１４ａには切り欠きが必要となる。
【００５８】
以下に、図１２〜図１５を参照して、回路基板をトップカバーに収納し、外装材である硬質ラミネート材１１ａと接合するまでの流れを説明する。図１２〜図１４は、トップカバー１４を嵌合する際の様子を示す斜視図であり、図１５はトップカバー１４および電極端子１２の屈曲の様子を示す断面図である。
【００５９】
まず、図１２に示すように、電池セル１６と接合した回路基板１８上を、上部ホルダー１４ａが覆うように配置し、次いで図１３および図１５Ａに示すように、下部ホルダー１４ｂを上部ホルダー１４ａの位置と合わせて回路基板１８を収納する。さらに図１４および図１５Ｂに示すように、下部ホルダー１４ｂが電池セル１６に近い位置となるようにトップカバー１４の方向を変え、電池セル１６の一開口部に嵌合した後（図１５Ｃおよび図１５Ｄ）、熱融着によりトップカバー１４と電池セル１６の外装材を接合する。トップカバー１４の嵌合時には、電極端子１２が下部ホルダーの切り欠き１９ｂ，１９ｃに収納されるように屈曲されている。
【００６０】
図１５Ｄから、上部ホルダー１４ａおよび下部ホルダー１４ｂのそれぞれに切り欠き１９ａ，１９ｂおよび１９ｃを設けたことにより、電池セル１６の電極端子導出部への圧迫がなくなり、より効果的に電池厚の増大を防ぐことができることがわかる。また、下部ホルダー１４ｂの切り欠き１９ｂは、電極端子１２が屈曲されて収納されているため、少なくともシーラント１３を両面に被覆した電極端子１２が２枚収納されるだけの切り欠きが必要である。もう一方の切り欠き１９ｃは、電極端子１２の引き回しの経路であり、シーラント１３を被覆した電極端子１２が１枚収納できるだけの深さがあればよい。
【００６１】
トップカバー１４を嵌合した開口部の反対側開口部には、図１に示すように、あらかじめ射出成型により作製した樹脂モールド品のリアカバー１５を嵌合し、熱融着によりリアカバー１４と電池セル１６の外装材である硬質ラミネート材１１ａを接合する。なお、リアカバー１５と外装材との接合は熱融着だけに限らず、温めた樹脂材料（ホットメルト剤）を流し込んで接合する方法も併用することができる。なお、温めた樹脂を流し込む場合には、回路基板が熱により変形したり損傷したりしないように構成する必要がある。
【００６２】
このようにして電池パックを作製することにより、体積効率が良く、かつ電極端子への圧迫や電池厚さの増加を引き起こさない、品質、生産性の高い電池パックを得ることができる。
【実施例】
【００６３】
以下、実施例によりこの発明を具体的に説明する。
【００６４】
図２に示すように構成した試験用電池パックにて、電池厚みを３．９７ｍｍに設計した電池パックを作製し、トップカバーと外装材とを熱融着した後の熱融着部分での電池厚さを測定して比較した。試験用電池パックは
（１）上部ホルダーと下部ホルダーのそれぞれに切り欠き有り
（２）上部ホルダー切り欠き有り、下部ホルダー切り欠き無し
（３）上部ホルダー切り欠き無し、下部ホルダー切り欠き有り
（４）上部ホルダーと下部ホルダーのそれぞれに切り欠き無し
のそれぞれの組み合わせ毎に１０個ずつ作製する。
【００６５】
電池厚みは、設計上最大を４．００ｍｍとし、熱融着後の試験用電池パックの良、不良を判断する。以下の表１に、試験用電池パックの熱融着後の電池厚さの測定結果を示す。
【００６６】
【表１】
【００６７】
上記結果より、上部ホルダー及び下部ホルダー共に切り欠きを有さないものは、電池厚み設計最大値を越えてしまったものがあったが、上部ホルダーおよび／または下部ホルダーに切り欠きを有したものは設計最大値を越えるものはなかった。また、特に上部ホルダーと下部ホルダーのいずれにも切り欠きを有したものは、電池厚みのバラツキ面でも均一なものとなった。
【００６８】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００６９】
例えば、上述の一実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【００７０】
また、硬質ラミネート材および軟質ラミネート材に用いるＡｌ箔は上記のものに限らず、種々の材料を用いることができる。特に、硬質ラミネート材においては、ＪＩＳ規格による１１００Ｈの他、２０００番系、５０００番系、６０００番系の硬質アルミ材料を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】従来の電池パックの構造を示す断面図である。
【図２】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。
【図３】この発明で用いる電池素子の構造を示す模式図である。
【図４】この発明で用いる電池セルの構造を示す模式図である。
【図５】この発明で用いるラミネートフィルム材料の構成を示す断面図である。
【図６】従来の電池パックにおいて用いたトップカバーと電池セルの構成を示す模式図である。
【図７】この発明で用いるトップカバーの上部ホルダーの構成を示す模式図である。
【図８】この発明で用いたトップカバーを嵌合した場合の、電池セルの電極端子導出部の様子を示す模式図である。
【図９】この発明で用いるトップカバーを構成する下部ホルダーの構成を示す模式図である。
【図１０】この発明を用いた場合の電池パック内の電極端子の引き回しの様子を示す模式図である。
【図１１】この発明を用いた上部ホルダー、下部ホルダーおよび電池セルの構成を示す模式図である。
【図１２】この発明を用いて作製したトップカバーを電池セルに嵌合する様子を示す模式図である。
【図１３】この発明を用いて作製したトップカバーを電池セルに嵌合する様子を示す模式図である。
【図１４】この発明を用いて作製したトップカバーを電池セルに嵌合する様子を示す模式図である。
【図１５】この発明を用いて作製したトップカバーを電池セルに嵌合する様子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
２，１２・・・電極端子
３，１３ａ，１３ｂ・・・シーラント
４，１４・・・トップカバー
４ａ，１４ａ・・・上部ホルダー
４ｂ、１４ｂ・・・下部ホルダー
５・・・外装材
６・・・電池素子
９・・・回路基板
１０・・・電池パック
１１・・・ラミネート材料
１１ａ・・・硬質ラミネート材
１１ｂ・・・軟質ラミネート材
１５・・・リアカバー
１６・・・電池セル
１７・・・突起壁
１８・・・回路基板
２０・・・電池素子
２１・・・正極
２２・・・負極
２３ａ，２３ｂ・・・セパレータ
２４・・・ポリマー電解質
３０・・・金属層
３１・・・外側樹脂層
３２・・・内側樹脂層
３３，３４・・・接着層
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばリチウムイオンポリマー二次電池に適用される電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カメラ一体型ＶＴＲ（Videotape recorder：ビデオテープレコーダ）、携帯電話あるいはラップトップコンピュータなどのポータブル電子機器が多く登場し、それらの小型化および軽量化が図られている。それに伴い、ポータブル電子機器の電源として用いられる電池の需要が急速に伸びており、機器の小型軽量化実現のために、機器に接続する電池パックの設計も軽く、薄型であり、かつ機器内の収容スペースを効率的に使うことが求められている。このような要求を満たす電池として、エネルギー密度および出力密度の大きいリチウムイオン電池が最も好適である。
【０００３】
中でも、従来の液系電解液を用いた場合に問題となる液漏れを防止するために、ゲル状のポリマー電解質を用いたリチウムイオンポリマー二次電池が広く用いられている。リチウムイオンポリマー二次電池は、電極端子を接続し、両面にポリマー電解質を塗布した帯状の正極および負極をセパレータを介して積層した後、長手方向に巻回して作製した電池素子をラミネートフィルムで外装して電池セルとしている。電池セルからは正極、負極と接続された電極端子が導出されており、回路基板を接続した後にプラスチック製モールドケースに収納して電池パックとしていた。以下の特許文献１には、かかる構成のリチウムイオンポリマー二次電池の一例が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２６０６０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、モールドケース内に電池セルを収納する従来の構成では、モールドケースの肉厚が０．３〜０．４ｍｍ程度となり、固定のための両面テープや公差を考慮すると、セルの厚みに対して０．８〜１．０ｍｍ程度厚みが増加していた。また、外周方向でも上下のモールドケースを超音波溶着するための形状が必要となり、そのために、０．７ｍｍ程度の肉厚が求められる。結果として、従来の電池パックはセルの容積に対して１．３〜１．４倍の容積の増加が余儀なくされた。
【０００５】
また、電池セルをモールドケース内に収納することで放熱性が悪くなり、電池性能が低下したり電池が発熱するおそれもあった。
【０００６】
そこで我々は、両端に第１及び第２の開口を有する硬質の外装材内に電池素子を収納し、この第１及び第２の開口に対して樹脂成型で製造した第１及び第２のカバーをそれぞれ嵌合し、第１の開口に嵌合される第１のカバー内に上記電池素子の電極端子と接合される回路基板を収納する電池パックを提案した。
【０００７】
この構成による電池パックでは、電池素子をモールドケースに収納する必要がないため、体積効率（体積あたり電気容量／１電池パック）に優れ、かつ放熱性も良く、電池性能の向上に寄与する。また、電池パックの組み立てが容易であり、生産性に優れた構成となっている。
【０００８】
上述のような電池パックでは、回路基板９を上部ホルダー４ａおよび下部ホルダー４ｂからなるトップカバー４に収納してこれを外装材５の一開口部に嵌合する際に、図１に示すように回路基板９と接合した電極端子２が折りたたまれるようにして電池パックに収容される。この場合、電池素子６とトップカバー４の間に十分な空間があれば、屈曲した電極端子２が上部ホルダー４ａの電極端子導出部に対向する部分７と干渉することなく構成することができる。ところが、これではスペース効率を高めた電池パックとしての本来の目的に反してしまう。
【０００９】
また、この空間を狭くした場合、電極端子導出部の構造の影響で、電極端子導出部側に設けた上部ホルダー４ａと外装材５との融着部が極めて小さくなってしまい、トップカバー４と外装材５との熱融着強度が不充分となってしまう。また、電池厚が比較的小さい場合は図１Ｂに示すように下部ホルダー４ｂ底面の電極端子導出部に対向する部分８が電極端子２を圧迫し、電極端子が電池厚み方向に突出湾曲して、電極端子部において電池厚が他の部分比べて大きくなってしまうことがある。この場合、電子機器側の電池パック挿入部の寸法に合わなくなるおそれがあった。
【００１０】
したがって、この発明では、電池パック内部で電極端子がトップカバーと干渉したり、電極端子が電池厚み方向に突出湾曲して電極端子部における電池厚さ外形寸法が他の部分比べて大きくなることを防ぎ、さらに生産性の高い電池パックを得ることを目標とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、この発明の第１の態様は、両端に第１及び第２の開口を有する硬質の外装材内に角形もしくは扁平型の電池素子が収納され、第１及び第２の開口が第１及び第２のカバーによってそれぞれ覆われ、第１の開口に嵌合される第１のカバー内に電池素子の電極端子リードと接合される回路基板が収納される構造であり、第１のカバーは、回路基板の電池素子側とは反対側から回路基板を保持する樹脂成型で製造された上部ホルダーと、回路基板の電池素子側に配置される樹脂成型で製造された下部ホルダーとを少なくとも有し、上部ホルダーと下部ホルダーとは接着または機械的係合手段によって接合される角形もしくは扁平型の電池パックにおいて、上部ホルダーは、電池素子から電極端子が導出された電極端子導出部に対向する部分に切り欠きを有することを特徴とする電池パックである。
【００１２】
また、加えて、下部ホルダーは、電極端子導出部に対向する底面部の一側面および電極端子の通り道となる底面部の他側面のそれぞれに切り欠きを設けることにより、より効果的に上記不具合を解消することができる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、回路基板を収納するカバーに切り欠きを設けることにより、カバーを外装材に嵌合する際にも屈曲して収納される電極端子の湾曲形態を十分収納することが可能となり、カバーと外装材を熱融着した後も電池パック厚に影響を及ぼさない。また、熱融着部が剥がれにくくなり、品質の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図２に、この発明を適用したリチウムイオンポリマー二次電池の電池パックの構成の一例を示す。この電池パックは、外装材としての硬質ラミネート材に電池素子を収納し、両端開口部に樹脂成型カバーを嵌合したものである。
【００１６】
図３は、この電池パックに用いる電池素子２０の構成を示す。図３Ａは、電池素子２０の斜視図であり、図３Ｂは正極２１および負極２２の巻終端部の構成を示す断面図である。この電池素子２０は、帯状の正極２１と、セパレータ２３ａと、正極２１と対向して配された帯状の負極２２と、セパレータ２３ｂとを順に積層し、長手方向に巻回されており、正極２１および負極２２の両面にはポリマー電解質２４が塗布されている。ポリマー電解質は、図３Ｂに示すように、正極２１および負極２２の終端部を完全に覆うように塗布されている。また、電池素子２０からは正極２１と接続された正極端子１２ａおよび負極２２と接続された負極端子１２ｂが導出されており（以下、特定の端子を指さない場合は電極端子１２とする）、正極端子１２ａおよび負極端子１２ｂのそれぞれの両面には後に外装するラミネートフィルムとの接着性を向上させるために樹脂片であるシーラント１３ａおよび１３ｂ（以下、特定のシーラントを示さない場合はシーラント１３と適宜称する）が被覆されている。
【００１７】
以下、電池素子の材料について詳しく説明する。
【００１８】
［正極］
正極２１は、正極活物質を含有する正極活物質層が、正極集電体の両面上に形成されてなる。正極集電体としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）箔，ニッケル（Ｎｉ）箔あるいはステンレス（ＳＵＳ）箔などの金属箔により構成されている。
【００１９】
正極活物質層は、例えば正極活物質と、導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。これらを均一に混合して正極合剤とし、この正極合剤を溶剤中に分散させてスラリー状にする。ついで、このスラリーをドクターブレード法等により正極集電体上に均一に塗布し、高温で乾燥させて溶剤を飛ばすことにより形成される。ここで、正極活物質、導電剤、結着剤および溶剤は、均一に分散していればよく、その混合比は問わない。
【００２０】
正極活物質としては、ＬｉXＭＯ2（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、リチウムと遷移金属との複合酸化物が用いられる。リチウム複合酸化物を構成する遷移金属としては、コバルト（Ｃｏ），Ｎｉ，マンガン（Ｍｎ）等が用いられる。
【００２１】
このようなリチウム複合酸化物として、具体的には、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4、ＬｉＮｉyＣｏ1-yＯ2（０＜ｙ＜１）等が挙げられる。また、遷移金属元素の一部を他の元素に置換した固溶体も使用可能である。ＬｉＮｉ0.5Ｃｏ0.5Ｏ2、ＬｉＮｉ0.8Ｃｏ0.2Ｏ2等がその例として挙げられる。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。さらに、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。
【００２２】
また、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。また、溶剤としては、例えばＮ−メチルピロリドン等が用いられる。
【００２３】
正極２１は集電体の一端部にスポット溶接または超音波溶接で接続された正極端子１２ａを有している。この正極端子は金属箔、網目状のものが望ましいが、電気化学的および化学的に安定であり、導通がとれるものであれば金属でなくとも問題はない。正極端子の材料としては、例えばＡｌ等が挙げられる。
【００２４】
［負極］
負極２２は、負極活物質を含有する負極活物質層が、負極集電体の両面上に形成されてなる。負極集電体としては、例えば銅（Ｃｕ）箔，Ｎｉ箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。
【００２５】
負極活物質層は、例えば負極活物質と、必要であれば導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。これらを均一に混合して負極合剤とし、この負極合剤を溶剤中に分散させてスラリー状にする。次にこのスラリーをドクターブレード法等により負極集電体上に均一に塗布し、高温で乾燥させて溶剤を飛ばすことにより形成される。ここで、負極活物質、導電剤、結着剤および溶剤は、均一に分散していればよく、その混合比は問わない。
【００２６】
負極活物質としては、リチウム金属、リチウム合金またはリチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料または金属系材料と炭素系材料との複合材料が用いられる。具体的に、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料としてはグラファイト、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素等が挙げられ、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。
【００２７】
また、リチウムを合金化可能な材料としては多様な種類の金属等が使用可能であるが、スズ（Ｓｎ）、コバルト（Ｃｏ）、インジウム（Ｉｎ）、Ａｌ、ケイ素（Ｓｉ）およびこれらの合金がよく用いられる。金属リチウムを使用する場合は、必ずしも粉体を結着剤で塗布膜にする必要はなく、圧延したＬｉ金属板でも構わない。
【００２８】
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。また、溶剤としては、例えばＮ−メチルピロリドン、メチルエチルケトン等が用いられる。
【００２９】
負極２２も正極２１と同様に、集電体の一端部にスポット溶接または超音波溶接で接続された負極端子１２ｂを有している。この負極端子は金属箔、網目状のものが望ましいが、電気化学的および化学的に安定であり、導通がとれるものであれば金属でなくとも問題はない。負極端子の材料としては、例えば銅、Ｎｉ等が挙げられる。
【００３０】
なお、正極端子１２ａおよび負極端子１２ｂは同じ方向から導出されていることが好ましいが、短絡等が起こらず電池性能にも問題がなければ、どの方向から導出されていても問題はない。また、正極端子１２ａおよび負極端子１２ｂの接続箇所は、電気的接触がとれているのであれば取り付ける場所、取り付ける方法は上記の例に限られない。
【００３１】
［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。
【００３２】
電解質材料としては、リチウムイオン電池に一般的に使用される電解質塩と非水溶媒が使用可能である。非水溶媒としては、具体的には、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、またはこれらの炭酸エステル類の水素をハロゲンに置換した溶媒等が挙げられる。これらの溶媒は１種類を単独で用いてもよいし、複数種を所定の組成で混合してもよい。
【００３３】
電解質塩としては、上記非水溶媒に溶解するものが用いられ、カチオンとアニオン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。具体的には、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2、ＬｉＮ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2、ＬｉＣｌＯ4等が挙げられる。電解質塩濃度としては、上記溶媒に溶解することができる濃度であれば問題ないが、リチウムイオン濃度が非水溶媒に対して０．４ｍｏｌ／ｋｇ以上、２．０ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲であることが好ましい。
【００３４】
［セパレータ］
セパレータは、例えばポリプロピレン（ＰＰ）あるいはポリエチレン（ＰＥ）などのポリオレフィン系の材料よりなる多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これら２種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリエチレン、ポリプロピレンの多孔質フィルムが最も有効である。
【００３５】
一般的にセパレータの厚みは５〜５０μｍが好適に使用可能であるが、７〜３０μｍがより好ましい。セパレータは、厚すぎると活物質の充填量が低下して電池容量が低下するとともに、イオン伝導性が低下して電流特性が低下する。逆に薄すぎると、膜の機械的強度が低下する。
【００３６】
上述のようにして作製した電池素子２０を、硬質ラミネート材１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂにて外装し、成型して電池セル１６を作製する。
【００３７】
図４に、電池セル１６の構成を示す。電池セル１６は、参照符号２０で示される電池素子の上下に硬質ラミネート材１１ａと軟質ラミネート材１１ｂとを配置し、熱融着した後、硬質ラミネート材１１ａが外装となるように成形して作製する。軟質ラミネート材１１ｂには電池素子２０を配置するための凹部が設けられており、内側樹脂層である無軸延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）層側から絞り加工を施すことによって凹部が形成される。
【００３８】
図５に、硬質ラミネート材１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂの主な構成を示す。硬質ラミネート材１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂは、参照符号３０で示される金属層が、外側樹脂層３１および内側樹脂層３２に挟まれた３層構造となっており、防湿性、絶縁性を有する多層フィルムである。金属層３０は水分、酸素、光の進入を防いで電池素子を守る最も重要な役割を担っており、軽さ、伸び性、価格、加工のしやすさからアルミニウム（Ａｌ）が最もよく使われる。外側樹脂層３１には外観の美しさや強靱さ、柔軟性などからナイロン（Ｎｙ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）のいずれかが用いられる。内側樹脂層３２は熱や超音波で溶け、互いに融着する部分であり、無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）またはポリエチレン（ＰＥ）が多用される。
【００３９】
金属層３０と外側樹脂層３１とは接着層３３を設けて貼り合せる。一方、金属層３０と内側樹脂層３２とは接着層３４を設ける方法の他、ＣＰＰまたはＰＥを熱して溶かし、金属層３０に接着させる方法やＣＰＰフィルムまたはＰＥフィルムを熱ローラ等により張り合わせる方法など、種々の方法が使用可能である。
【００４０】
硬質ラミネート材１１ａの金属層としてＡｌを用いる場合には、焼きなまし処理を施さないＡｌ（ＪＩＳ Ａ３００３Ｐ−Ｈ１８）または（ＪＩＳ Ａ３００４Ｐ−Ｈ１８）等を用いる。また、金属層には上述のＡｌの他、銅（Ｃｕ）、鉄、ニッケル（Ｎｉ）、ステンレス（ＳＵＳ）またはチタン（Ｔｉ）等が使用できる。また、軟質ラミネート材１１ｂの金属層としてＡｌを用いる場合には、焼きなまし処理を施したＡｌ（ＪＩＳ Ａ８０２１Ｐ−Ｏ）または（ＪＩＳ Ａ８０７９Ｐ−Ｏ）等を用いる。
【００４１】
上述の軟質ラミネート材１１ｂに設けた凹部に電池素子２０を収納し、凹部の開口部を覆うように硬質ラミネート材１１ａを重ねる。硬質ラミネート材料１１ａおよび軟質ラミネート材料１１ｂのそれぞれは、互いの内側樹脂層であるＣＰＰ層（もしくはＰＥ層）が対向するようにして重ねて配置する。
【００４２】
次いで、電池素子２０の周辺の四辺を減圧下で熱融着して封止する。一般的に、電極端子を封止部界面から取り出しラミネート外装材を封止する場合には、電極端子の厚みを吸収するために表面にゴムのような弾性体をライニングするか、上下のヒータヘッド表面（ラミネートフィルムに接する面）に切り欠きを設ける。平らな金属ヘッドを用いた場合、熱融着時に電極端子部分に大きな圧力がかかり電極端子が切断されたり、電極端子を挟まない部分に金属ヘッドが当たらず、封止性が悪くなるのを防ぐためである。
【００４３】
さらに、硬質ラミネート材料１１ａおよび軟質ラミネート材１１ｂを電池素子の形状に沿って湾曲させ、図２の電池セル１６のように断面が楕円形状になるように成型することで、硬質ラミネート材料１１ａが最外装として電池素子２０を保護するように電池パック１０を作製する。
【００４４】
このとき、軟質ラミネート材１１ｂに設けた凹部の底面の外側に粘着シートを配置することが好ましい。粘着シートは軟質ラミネート材１１ｂのＮｙ層同士、もしくはＰＥＴ層同士、ＰＥＮ層同士を高温をかけて接着するために用いる補助的部材である。
【００４５】
次いで、所定の形状に成型された電池セル１６のトップ部から導出された正極端子１２ａおよび負極端子１２ｂと、回路基板上にあらかじめマウントされた保護回路とを抵抗溶接、超音波溶接等により固着する。電池素子２０と接続された回路基板は、例えば図６に示すようなあらかじめ成型された上部ホルダー１４ａおよび下部ホルダー１４ｂを嵌合してなるトップカバー１４に挿入される。
【００４６】
回路基板には、ヒューズ、ＰＴＣ、サーミスタ等の温度保護素子を含む保護回路の他、電池パックを識別するためのＩＤ、抵抗等がマウントされ、更に複数個の接点部が形成されている。保護回路には、二次電池の監視とＦＥＴ（Field Effect Transistor）の制御を行うＩＣ及び、充放電制御ＦＥＴを含んだ保護回路にも適用される。
【００４７】
熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient：ＰＴＣ素子）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。また、二次電池の監視とＦＥＴの制御を行うＩＣ及び、充放電制御ＦＥＴを含んだ保護回路は、二次電池の端子電圧が４．３Ｖ〜４．４Ｖを超えると、発熱・発火など危険な状態になる可能性があるので、二次電池の電圧を監視し、４．３Ｖ〜４．４Ｖを越えると充電制御ＦＥＴをオフし、充電を禁止する。さらに二次電池の端子電圧が放電禁止電圧以下まで過放電し、二次電池電圧が０Ｖになると二次電池が内部ショート状態となり再充電不可能となる可能性があるので、二次電池電圧を監視し、放電禁止電圧を下回ると放電制御ＦＥＴをオフし、放電を禁止する。
【００４８】
上述のような電池パックでは、回路基板９を上部ホルダー４ａおよび下部ホルダー４ｂからなるトップカバー４に収納してこれを外装材５の一開口部に嵌合する際に、図１に示すように回路基板９と接合した電極端子２が折りたたまれるようにして電池パックに収容される。
【００４９】
この発明の理解を容易とするために、図６に従来の電池パックにおける電極端子導出部と上部ホルダー４ａの位置関係を示す。図６の点線で示す電極端子導出部では、外装材である硬質ラミネート材の略端部から電極端子が導出しているため、トップカバーを嵌合した際に、図６の太線で示す上部ホルダー４ａの電極端子導出部に対向する部分が電極端子２を圧迫してしまう。
【００５０】
この場合、屈曲した電極端子２が上部ホルダー４ａの電極端子導出部に対向する部分と干渉することがないようにするには、トップカバー４と電池素子の間に空間を設けるか、もしくは外装材と熱融着する嵌合部分を短く設計する必要がある、しかし、前者ではスペース効率が悪くなり、後者ではトップカバーと硬質ラミネート材の熱融着強度が十分に得られない。
【００５１】
そこで、図７に示すように、この発明では、上部ホルダー１４ａの電極端子１２が干渉する一部分のみに切り欠き１９ａを設けた。このような上部ホルダー１４ａを嵌合した場合の、電極端子導出部分の様子を図８に示す。図８に示すように、上部ホルダー１４ａの嵌合部分は軟質ラミネート材１４ｂの端部まで挿入されるが、上部ホルダー１４ａに切り欠き１９ａが設けられていることにより、電極端子１２と上部ホルダー１４ａが干渉しないようになされていることが分かる。このように、上部ホルダー１４ａの電極端子１２と対向する部分のみに切り欠きを設けることにより、トップカバー１４と電池素子２０との空間を小さくし、さらに十分な熱融着強度も維持したままで、電極端子１２とトップカバー１２との干渉のない電池パックを作製することができる。
【００５２】
さらに、電池パック厚が小さい場合において、電極端子１２が下部ホルダーと干渉し、押されて電池厚み方向に膨らむのを防止するために、図９に示すように下部ホルダー１４ｂ底面の電極端子引き回し経路に該当する部分に切り欠き１９ｂ，１９ｃを設け、電極端子１２が切り欠き１９ｂ，１９ｃに収納されるようにして屈曲させるようにした。
【００５３】
この場合、下部ホルダー１４ｂ底面の側面部に切り欠き１９ｂ，１９ｃを設けることで、切り欠きを有する底面部分の面積が小さくなってしまい、下部ホルダー１４ｂ自身の強度が低下してしまうのと同時に、樹脂成型時に部品のそりが発生しやすくなってしまう。そこで、図９に示すように、部品強度の維持および部品の成型性維持のため、底面部の長手方向に底面部の厚みと同等もしくはそれ以上の高さの突起壁１７を設けることが望ましい。
【００５４】
ここで、図１０に、トップカバー嵌合時の下部ホルダー１４ｂと電極端子１２の位置関係を示す。なお、図１０Ａは電池セルの電極端子導出部が下になるように下部ホルダー１４ｂおよび電池素子２０を配置した場合の模式図であり、図１０Ｂは電池セルの電極端子導出部が上になるように下部ホルダー１４ｂおよび電池素子２０を配置した場合の模式図である。また、実際はトップカバー嵌合時の下部ホルダー１４ｂの位置は電池素子２０に近接しているが、図１０では説明のため、実際よりも下部ホルダー１４ｂと電池素子２０が離れている。
【００５５】
図１０から、下部ホルダー１４ｂの所定の位置に切り欠き１９ｂ，１９ｃを設けたことにより、電極端子１２が収納されるスペースを確保して電極端子１２への圧迫や電池厚の増大を防ぐことができることがわかる。
【００５６】
上述のように、電池パック厚が小さい場合には、図１１に示すように切り欠き１９ａを設けた上部ホルダー１４ａと、切り欠き１９ｂ、１９ｃを設けた下部ホルダー１４ｂを組み合わせて使うことで、より効果的に電極端子への圧迫を防止することが可能となる。
【００５７】
なお、電池パック厚が比較的大きい場合、下部ホルダー１４ｂ底面部の電池厚さ方向の寸法を上部ホルダーよりも小さくすることにより、切り欠きを設けたときと同様の効果を得ることができるため、下部ホルダー１４ｂには必ずしも切り欠きは必要ではない。また、電池パック厚が大きい場合は上部ホルダー１４ａの電池厚さ方向の寸法も大きいため、下部ホルダーの電池厚さ方向の寸法を上部ホルダー１４ａに比して小さく設計しても強度的に問題ない。一方、この発明で用いた電池セルの構成を用いる限り、電池が厚くなっても電極端子導出部の位置が変わらないため、上部ホルダー１４ａには切り欠きが必要となる。
【００５８】
以下に、図１２〜図１５を参照して、回路基板をトップカバーに収納し、外装材である硬質ラミネート材１１ａと接合するまでの流れを説明する。図１２〜図１４は、トップカバー１４を嵌合する際の様子を示す斜視図であり、図１５はトップカバー１４および電極端子１２の屈曲の様子を示す断面図である。
【００５９】
まず、図１２に示すように、電池セル１６と接合した回路基板１８上を、上部ホルダー１４ａが覆うように配置し、次いで図１３および図１５Ａに示すように、下部ホルダー１４ｂを上部ホルダー１４ａの位置と合わせて回路基板１８を収納する。さらに図１４および図１５Ｂに示すように、下部ホルダー１４ｂが電池セル１６に近い位置となるようにトップカバー１４の方向を変え、電池セル１６の一開口部に嵌合した後（図１５Ｃおよび図１５Ｄ）、熱融着によりトップカバー１４と電池セル１６の外装材を接合する。トップカバー１４の嵌合時には、電極端子１２が下部ホルダーの切り欠き１９ｂ，１９ｃに収納されるように屈曲されている。
【００６０】
図１５Ｄから、上部ホルダー１４ａおよび下部ホルダー１４ｂのそれぞれに切り欠き１９ａ，１９ｂおよび１９ｃを設けたことにより、電池セル１６の電極端子導出部への圧迫がなくなり、より効果的に電池厚の増大を防ぐことができることがわかる。また、下部ホルダー１４ｂの切り欠き１９ｂは、電極端子１２が屈曲されて収納されているため、少なくともシーラント１３を両面に被覆した電極端子１２が２枚収納されるだけの切り欠きが必要である。もう一方の切り欠き１９ｃは、電極端子１２の引き回しの経路であり、シーラント１３を被覆した電極端子１２が１枚収納できるだけの深さがあればよい。
【００６１】
トップカバー１４を嵌合した開口部の反対側開口部には、図１に示すように、あらかじめ射出成型により作製した樹脂モールド品のリアカバー１５を嵌合し、熱融着によりリアカバー１４と電池セル１６の外装材である硬質ラミネート材１１ａを接合する。なお、リアカバー１５と外装材との接合は熱融着だけに限らず、温めた樹脂材料（ホットメルト剤）を流し込んで接合する方法も併用することができる。なお、温めた樹脂を流し込む場合には、回路基板が熱により変形したり損傷したりしないように構成する必要がある。
【００６２】
このようにして電池パックを作製することにより、体積効率が良く、かつ電極端子への圧迫や電池厚さの増加を引き起こさない、品質、生産性の高い電池パックを得ることができる。
【実施例】
【００６３】
以下、実施例によりこの発明を具体的に説明する。
【００６４】
図２に示すように構成した試験用電池パックにて、電池厚みを３．９７ｍｍに設計した電池パックを作製し、トップカバーと外装材とを熱融着した後の熱融着部分での電池厚さを測定して比較した。試験用電池パックは
（１）上部ホルダーと下部ホルダーのそれぞれに切り欠き有り
（２）上部ホルダー切り欠き有り、下部ホルダー切り欠き無し
（３）上部ホルダー切り欠き無し、下部ホルダー切り欠き有り
（４）上部ホルダーと下部ホルダーのそれぞれに切り欠き無し
のそれぞれの組み合わせ毎に１０個ずつ作製する。
【００６５】
電池厚みは、設計上最大を４．００ｍｍとし、熱融着後の試験用電池パックの良、不良を判断する。以下の表１に、試験用電池パックの熱融着後の電池厚さの測定結果を示す。
【００６６】
【表１】
【００６７】
上記結果より、上部ホルダー及び下部ホルダー共に切り欠きを有さないものは、電池厚み設計最大値を越えてしまったものがあったが、上部ホルダーおよび／または下部ホルダーに切り欠きを有したものは設計最大値を越えるものはなかった。また、特に上部ホルダーと下部ホルダーのいずれにも切り欠きを有したものは、電池厚みのバラツキ面でも均一なものとなった。
【００６８】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００６９】
例えば、上述の一実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【００７０】
また、硬質ラミネート材および軟質ラミネート材に用いるＡｌ箔は上記のものに限らず、種々の材料を用いることができる。特に、硬質ラミネート材においては、ＪＩＳ規格による１１００Ｈの他、２０００番系、５０００番系、６０００番系の硬質アルミ材料を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】従来の電池パックの構造を示す断面図である。
【図２】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。
【図３】この発明で用いる電池素子の構造を示す模式図である。
【図４】この発明で用いる電池セルの構造を示す模式図である。
【図５】この発明で用いるラミネートフィルム材料の構成を示す断面図である。
【図６】従来の電池パックにおいて用いたトップカバーと電池セルの構成を示す模式図である。
【図７】この発明で用いるトップカバーの上部ホルダーの構成を示す模式図である。
【図８】この発明で用いたトップカバーを嵌合した場合の、電池セルの電極端子導出部の様子を示す模式図である。
【図９】この発明で用いるトップカバーを構成する下部ホルダーの構成を示す模式図である。
【図１０】この発明を用いた場合の電池パック内の電極端子の引き回しの様子を示す模式図である。
【図１１】この発明を用いた上部ホルダー、下部ホルダーおよび電池セルの構成を示す模式図である。
【図１２】この発明を用いて作製したトップカバーを電池セルに嵌合する様子を示す模式図である。
【図１３】この発明を用いて作製したトップカバーを電池セルに嵌合する様子を示す模式図である。
【図１４】この発明を用いて作製したトップカバーを電池セルに嵌合する様子を示す模式図である。
【図１５】この発明を用いて作製したトップカバーを電池セルに嵌合する様子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
２，１２・・・電極端子
３，１３ａ，１３ｂ・・・シーラント
４，１４・・・トップカバー
４ａ，１４ａ・・・上部ホルダー
４ｂ、１４ｂ・・・下部ホルダー
５・・・外装材
６・・・電池素子
９・・・回路基板
１０・・・電池パック
１１・・・ラミネート材料
１１ａ・・・硬質ラミネート材
１１ｂ・・・軟質ラミネート材
１５・・・リアカバー
１６・・・電池セル
１７・・・突起壁
１８・・・回路基板
２０・・・電池素子
２１・・・正極
２２・・・負極
２３ａ，２３ｂ・・・セパレータ
２４・・・ポリマー電解質
３０・・・金属層
３１・・・外側樹脂層
３２・・・内側樹脂層
３３，３４・・・接着層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端に第１及び第２の開口を有する硬質の外装材内に角形もしくは扁平型の電池素子が収納され、上記第１及び第２の開口が第１及び第２のカバーによってそれぞれ覆われ、上記第１の開口に嵌合される上記第１のカバー内に上記電池素子の電極端子リードと接合される回路基板が収納される構造であり、
上記第１のカバーは、回路基板の電池素子側とは反対側から回路基板を保持する樹脂成型で製造された上部ホルダーと、回路基板の電池素子側に配置される樹脂成型で製造された下部ホルダーとを少なくとも有し、上記上部ホルダーと上記下部ホルダーとは接着または機械的係合手段によって接合される角形もしくは扁平型の電池パックにおいて、
上記上部ホルダーは、上記電池素子から電極端子が導出された電極端子導出部に対向する部分に切り欠きを有することを特徴とする電池パック。
【請求項２】
上記下部ホルダーは、電極端子導出部に対向する底面部の一側面および電極端子の通り道となる底面部の他側面にそれぞれ切り欠き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。
【請求項３】
上記下部ホルダーは、底面部の回路基板側に回路基板を支持する突起部を有するとともに、下部ホルダーの長手方向に沿って上記突起部より高さの低い突起壁を有していることを特徴とする請求項２に記載の電池パック。
【請求項４】
電極端子が上記下部ホルダーに設けた切り欠きに収納されるようにして屈曲させて上記第１のカバーを嵌合させたことを特徴とする請求項２に記載の電池パック。
【請求項１】
両端に第１及び第２の開口を有する硬質の外装材内に角形もしくは扁平型の電池素子が収納され、上記第１及び第２の開口が第１及び第２のカバーによってそれぞれ覆われ、上記第１の開口に嵌合される上記第１のカバー内に上記電池素子の電極端子リードと接合される回路基板が収納される構造であり、
上記第１のカバーは、回路基板の電池素子側とは反対側から回路基板を保持する樹脂成型で製造された上部ホルダーと、回路基板の電池素子側に配置される樹脂成型で製造された下部ホルダーとを少なくとも有し、上記上部ホルダーと上記下部ホルダーとは接着または機械的係合手段によって接合される角形もしくは扁平型の電池パックにおいて、
上記上部ホルダーは、上記電池素子から電極端子が導出された電極端子導出部に対向する部分に切り欠きを有することを特徴とする電池パック。
【請求項２】
上記下部ホルダーは、電極端子導出部に対向する底面部の一側面および電極端子の通り道となる底面部の他側面にそれぞれ切り欠き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。
【請求項３】
上記下部ホルダーは、底面部の回路基板側に回路基板を支持する突起部を有するとともに、下部ホルダーの長手方向に沿って上記突起部より高さの低い突起壁を有していることを特徴とする請求項２に記載の電池パック。
【請求項４】
電極端子が上記下部ホルダーに設けた切り欠きに収納されるようにして屈曲させて上記第１のカバーを嵌合させたことを特徴とする請求項２に記載の電池パック。
【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】
【公開番号】特開２００６−２０２６２９（Ｐ２００６−２０２６２９Ａ）
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１３８６３（Ｐ２００５−１３８６３）
【出願日】平成１７年１月２１日（２００５．１．２１）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２１日（２００５．１．２１）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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