JP2003168419A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

非水電解質二次電池

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JP2003168419A JP2002273249A JP2002273249A JP2003168419A JP 2003168419 A JP2003168419 A JP 2003168419A JP 2002273249 A JP2002273249 A JP 2002273249A JP 2002273249 A JP2002273249 A JP 2002273249A JP 2003168419 A JP2003168419 A JP 2003168419A
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Tomoshi Kataoka
智志 片岡
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兼人 増本
Hajime Konishi
始 小西
Takeshi Ishimaru
毅 石丸
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電池自体に二重〜三重の安全機能を設けた非
水電解質二次電池を提供する。 【解決手段】 極板群14を収容した電池缶1の開口端
を封口板3にて封口し、封口板3上に正負極の接続端子
を露出させる絶縁部材11を配置してなり、極板群14
を構成する極板から引き出された正負極リード12,1
3にPTC素子9等の復帰式電流規制素子、及び温度ヒ
ューズ8等の非復帰式電流遮断素子を接続し、さらに正
極端子、負極端子とを接続する。正負極間が外部短絡さ
れたような場合には復帰式電流規制素子の温度上昇に伴
う抵抗値の急増により過大電流を規制し、これに規制さ
れない温度上昇が生じたときには非復帰式電流遮断素子
の溶断により回路を遮断する二重の安全機能を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、異なる動作特性を
有する複数の電流規制/遮断素子を具備した非水電解質
二次電池に関するもので、特に、高温状態に曝された場
合に熱暴走の加速を防止する機能を電池自体に設け、信
頼性を向上させた非水電解質二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】非水電解質二次電池の一例であるリチウ
ムイオン二次電池はエネルギー密度が高く、電解液とし
て可燃性の有機溶媒を用いているため、水溶液系の電池
に比して安全性の配慮が重要となる。何らかの原因によ
って異常が生じたときにも人体や機器に損傷を与えない
ように安全性を確保する必要がある。例えば、電池の正
極端子と負極端子との間に金属片等が接触して外部短絡
が生じた場合、エネルギー密度の高い電池では過大な短
絡電流が流れ、この電流が内部抵抗によってジュール熱
を発生させ、電池温度を上昇させてしまう。電池が高温
になると正負極活物質と電解液との反応や電解液の気
化、分解などが生じて電池内部の圧力が急上昇し、電池
の破裂や発火に至る恐れがある。
【0003】電池が異常な状態に陥る原因は、上記のよ
うな外部短絡だけでなく、電気的、機械的、熱的など種
々の要因が考えられる。リチウムイオン二次電池をはじ
めとする非水電解質二次電池では、電池が異常状態に陥
ることを防止すると共に異常状態に陥った場合にも危険
な状態にならないようにする機能が設けられている。
【0004】電池内部の機能として、極板の活物質や電
解液が過剰な反応を起こしにくいように工夫され、正極
板と負極板とを隔てるセパレータには、ポリオレフィン
系微多孔膜の場合では、電池が異常な高温になると軟化
して細孔が塞がれ、リチウムイオンの流出が防がれるた
め、異常反応を抑制するシャットダウン機能が備わって
いる。
【0005】円筒形のリチウムイオン二次電池では、図
15に示すように、電池缶61の開口端を封口する封口
部62に、リング状のPTC(Positive Th
ermal Coefficient)素子67が配設
され、短絡電流等の過大電流が流れたときに、PTC素
子67が過大電流により自己発熱するに伴う抵抗値の急
増によって過大電流を規制して外部短絡から電池を保護
する機能が設けられている。また、電池缶61内側に配
設された下金属薄板65と、膨出部が形成された上金属
薄板66とは、それぞれの中心点Aで溶接されており、
温度上昇に伴って電池の内圧が異常上昇した場合の外方
への押圧により上金属薄板66の膨出部が反転し、中心
点Aの溶接が離れて電流回路が遮断される。更なる内圧
上昇があったときには、上金属薄板66は薄肉化された
易破断部66aから破断して内圧を外部に排出する。こ
の構成では、電流規制、電流遮断、内圧排出の作用が段
階を追って実行されるようになっている。
【0006】また、リチウムイオン二次電池は、PTC
素子や温度ヒューズと共にパックケース内に収容した電
池パック(例えば、特許文献1参照)や過充電や過放電
等から電池を保護する電池保護回路を構成した回路基板
と共にパックケース内に収容した電池パックの形態に構
成されるのが一般的である。電池単独で機器に装填され
る場合でも、接続回路に上記PTC素子や電池保護回路
が設けられる。
【0007】電池が危険な状態に陥るのは、電池の温度
が異常上昇することが最大の要因であって、上記電池パ
ックを構成する場合でも、温度ヒューズを電池缶に接触
させて配置したり、電池温度をサーミスタ等によって検
出することにより、異常な電池温度が検出された場合に
入出力回路を遮断する制御がなされる。しかし、電池温
度の検知は電池の外部から行っているため、異常温度の
検出に遅れが生じたり、検出精度が低い問題がある。電
池内部で温度を検出して異常高温に対応するのが最も好
ましい処置である。これを実現すべく、電池缶の開口部
に温度ヒューズを内蔵した封口体を配した密閉型電池も
提案されている(例えば、特許文献2参照)。
【0008】
【特許文献1】特開平6−349480号公報
【0009】
【特許文献2】特開平9−153355号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】携帯電話機やPDA
(携帯情報端末)等の小型軽量化、高機能化の進展は、
その電源である電池の小型軽量化、更には高容量化によ
るところが大きい。このような携帯機器の電池電源とし
てリチウムイオン二次電池が主流となっており、小型軽
量化、高容量化を実現している。携帯機器の小型軽量化
に対応するリチウムイオン二次電池は、機器に装填した
場合の空間利用効率が高い扁平な角形電池が多く用いら
れている。
【0011】しかし、角形電池のように小型化あるいは
薄型化された電池には、前述したようなPTC素子や電
流遮断機構を設けた排出弁を設けるスペースを確保する
ことが困難であるため、電池パックの形態に構成して、
電池の外部に電池保護回路やPTC素子を設け、電池が
危険な状態に陥ることを防止している。前述したように
電池が危険な状態に陥る温度状態を電池の外部から検出
しても、検出の遅れや検出精度に問題があり、小型薄型
化された電池内の温度に対応して動作する電池安全機能
を設けることが望まれている。
【0012】この点で、電池の内部に温度ヒューズを設
けた構成(特許文献2に記載)は、電池内の温度で動作
がなされるため、短絡によって電池が高温になり、破裂
や発火に至る以前に短絡電流回路を遮断するのに効果的
である。しかし、温度ヒューズの溶断温度を低く設定す
ると、安全性は高まるものの温度ヒューズが一度溶断す
ると電池は使用できなくなる。従って、温度ヒューズの
溶断温度は危険な状態に至る直前の温度に設定される
が、そこに至るまでの温度で電池は損傷を受けることに
なる。また、前記溶断温度に達するまで短絡電流が電池
に流れ続けるために、有機電解液等の分解に起因する電
池の内圧上昇も懸念される。
【0013】本発明が目的とするところは、電池の安全
機能が異なる複数の条件で作動するようにして電池の安
全性を確保し、小型薄型化された電池にも適用可能とし
た非水電解質二次電池を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る非水電解質二次電池は、発電要素を収容
した電池缶の開口端を閉塞する封口板を有し、正極端
子、負極端子の導体面を外部露出させる絶縁部材を前記
封口板の上部に配置してなり、前記発電要素を構成する
極板群から引き出された正極リード及び負極リードをそ
れぞれ正極端子及び負極端子に接続する正極接続ライン
及び/又は負極接続ラインを備え、前記正極接続ライ
ン、負極接続ラインの少なくとも何れか一方に、所定の
動作温度及び/又は動作電流で電流を規制する復帰式電
流規制素子と、所定の動作温度及び/又は動作電流で電
流を遮断する非復帰式電流遮断素子とが接続され、前記
復帰式電流規制素子、非復帰式電流遮断素子の双方が、
前記封口板と絶縁部材に囲まれる空間部に配設されるこ
とを特徴とする。
【0015】この構成によれば、電池缶の開口端を封口
する封口板と、正負極接続端子の導体面を露出させる絶
縁部材とによって形成される空間部に、非復帰式電流遮
断素子、及び復帰式電流規制素子を配置している。これ
により、デッドスペースとなっていた空間部を有効活用
でき、電池の体積を増加させることなく安全機能を備え
た電池に構成することができる。さらに、複数の異なる
温度/電流条件で電流を規制/遮断する素子を設け、こ
れら素子が共に正負極の各端子よりも発電要素側に配置
され、且つ電池表面に前記端子のみを露出させる構成と
することで、電池単体としての安全性を大幅に向上させ
るものである。
【0016】尚、上記の構成において、正極端子及び負
極端子は、非水電解質二次電池とこの電池を使用、或い
は充電する機器との接続用途に供せられる端子部分を指
すものである。これら端子は、封口板の上部に配置され
る基板に形成する構成、非復帰式及び/又は復帰式の電
流規制素子の表面に形成する構成、さらには封口板等の
電池構成要素に形成する構成を、単独或いは組み合わせ
たものである。従って、本発明における正負極の接続端
子は、電池缶及び封口板の表面において正負極の各電位
を呈する部分を指すものではない。
【0017】一方、絶縁部材は、封口板の上部に配置さ
れており、前記正極端子、負極端子を含む端子の導体面
を露出させ、他の部位を絶縁被覆するものである。この
絶縁部材は、接続端子を露出させるための開口部を設け
た形状に樹脂成形する事で得られる。また、前記の樹脂
成型された絶縁部材を用いる構成に代えて、基板上に接
続端子を形成し、他の部位を絶縁被覆することで端子部
分を露出させる構成、或いは基板上に端子部分を形成
し、これら端子とリード、接続ラインとを電気的に接続
した後に、端子部分が露出する様に樹脂成形を行う構成
でも良い。
【0018】また、非復帰式電流遮断素子、及び復帰式
電流規制素子は、共に所定の動作温度及び/又は動作電
流で電流を遮断/規制する。これら素子は、過大な電流
が流れることで、温度上昇を生じ、この温度上昇により
電流を規制/遮断する作用効果を奏するものである。ま
た、素子が高温環境下におかれた場合には、温度上昇に
より電流を規制/遮断するものである。従って、これら
素子は、温度、電流の条件により別個独立に作動するの
ではなく、素子に加わる温度、及び電流により生じた温
度上昇の両因子が密接に絡み合って作動するものであ
る。本発明に係る非水電解質電池は、復帰式電流規制素
子による電流規制が非復帰式電流遮断素子による電流遮
断に優先して生じさせるものであり、両素子の動作温度
及び電流は、素子の特性、電池の使用条件等を鑑みて決
定するのが好ましい。特に、非復帰式電流遮断素子は、
温度による作動条件を優先すると、過大な短絡電流が流
れた際に、電池自体の内部抵抗によってジュール熱が発
生し、過度な温度上昇を招く虞がある。そこで、電流に
よる作動条件を優先させ、ジュール熱による異常な温度
上昇が生ずる前に非復帰式電流遮断素子を作動させるこ
とで、信頼性を高める効果が得られる。この設定は、非
復帰式電流遮断素子が動作する電流値を低く設定するこ
とで実現できる。
【0019】上記構成において、復帰式電流規制素子の
動作温度は80〜100℃に、非復帰式電流遮断素子の
動作温度は100〜130℃に設定すると、復帰式電流
規制手段による動作がなされなかった場合にも、非復帰
式電流遮断手段による動作がなされるので、二重の安全
機能を構成することができる。
【0020】また、復帰式電流規制手段は、所定の動作
温度以上に加熱された、或いは所定値以上の電流が加わ
った際に、抵抗値が急増するPTC素子が好適であり、
抵抗値の急増により過大電流を規制することができる。
また、所定値を超える動作温度、電流が加わった際に、
変形により回路を開くバイメタルを適用することもでき
る。このバイメタルは、作動時には電流を遮断し、電流
/温度が正常値に戻ると、再度、閉状態に復帰するもの
である。このように、復帰式電流規制素子は、異常状態
に有る場合のみに電流を規制、或いは遮断するものであ
る。さらに、PTC素子、バイメタルに代えて、復帰式
電流規制素子としては、形状記憶合金を用いたスイッチ
機構やサーミスタ素子を用いることができる。後者のサ
ーミスタ素子は、所定の動作温度に到達すると電流を規
制する素子である。
【0021】また、非復帰式電流遮断手段は、所定の動
作温度以上に達した際に、溶融して回路を開く温度ヒュ
ーズが好適であり、所定の動作温度以上に達した際に、
記憶する形状に戻って回路を開き、温度が低下しても開
状態を維持するように設定された形状記憶合金を用いた
スイッチ機構を適用することもできる。
【0022】また、復帰式電流規制素子と非復帰式電流
遮断素子とを直列接続すると共に、一体に接合すること
により、両素子を1つのパーツとして取り扱うことがで
き、収容スペースの削減や接続等の工数を減少させるこ
とができる。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。
尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であ
って、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【0024】(第1の実施形態)本実施形態は、非水電
解質二次電池の一例であるリチウムイオン二次電池につ
いて説明する。図1は、本実施形態に係るリチウムイオ
ン二次電池の外観を示すもので、扁平な角形電池として
形成されている。この角形電池は、電池缶の開口端を封
口する封口板に電池缶内側に向けた凹部(図1には図示
せず)を形成している。また、絶縁板11は、封口板1
1の上部に配置されており、封口板11の凹部と絶縁板
11とにより囲まれた空間に、非復帰式電流遮断素子及
び復帰式電流規制素子の双方を配置している。
【0025】図1において、本実施形態に係るリチウム
イオン二次電池は、ニッケルメッキ鋼によって断面形状
が長円形である有底筒状に形成された電池缶内に発電要
素が収容され、電池缶の開口部は後述する封口板3によ
って封口され、封口板3上に設けられた正極端子(+)
及び負極端子(−)を構成する部位が封口板3上を閉じ
る絶縁板11に形成された開口部から外部に露出するよ
うに構成されている。絶縁板11の周縁部を含む電池缶
の側周面は外装フィルム28によって被覆され、製造者
名、品番、消費者への警告等の表示の用に供される。
【0026】図2及び図3は、上記リチウムイオン二次
電池の内部構成を示す部分断面図で、図3(a)(b)
(c)は、それぞれ図2に示すA−A線、B−B線、C
−C線位置での矢視断面であり、電池上部の内部構造を
示している。電池缶1内には正極板と負極板とをセパレ
ータを介して巻回した極板群14が収容され、枠体2に
よって収容位置から移動しないように位置固定されてい
る。電池缶1の開口端には缶内側に向けて凹部を形成し
た封口板3が嵌め合わされ、その周囲が電池缶1にレー
ザー溶接されることにより電池缶1の開口端が封口され
ている。封口板3の両側に形成された開口部の一方の開
口部には上ガスケット7と下ガスケット5とにより封口
板3と絶縁すると共に封口性を保ち、ワッシャ4及び後
述するPTC素子9の下極板9aを取り付けてリベット
6が固定されている。他方の開口部は封口板3が電池缶
1上に取り付けられた後に、電池缶1内に電解液を注液
するためのもので、注液後は図示するように封栓10が
挿入され、封栓10を封口板3に溶接することにより閉
じられる。
【0027】このように封口板3に形成された開口部に
ガスケット5を介してリベット6を嵌入し、締結により
封口板3に固定することで、リベット3が電池缶1内と
封口板3上との間を電気的に接続することを可能にす
る。さらに、リベット6の電池缶1内側に極板群14か
ら引き出されたリードを接合することで、封口性を保っ
た状態でリードとの接続を封口板3上に導くことができ
る。さらに、リベット6は電池缶1内側にリード接続用
の延出部を形成しておくことで、リードの接続が容易に
なる効果を奏する。さらにまた、リベット6を締結する
際に、後述する復帰式電流規制素子、又は非復帰式電流
規制素子の端子を同時に締結すると、前記素子とリベッ
ト6との電気的接続が同時になされ、電池缶1内側で接
続されたリードとの接続が別途の接続手段を用いること
なくなされる。
【0028】図2、図3においては、前記極板群14を
構成する正極板から引き出された正極リード12は、前
記リベット6の延出部6aに溶接接続され、負極板から
引き出された負極リード13は封口板3の底面に溶接接
続される。封口板3の凹部内には、上ガスケット7によ
って封口板3と絶縁されたPTC素子(復帰式電流規制
素子)9と、樹脂モールドされた温度ヒューズ(非復帰
式電流遮断素子)8とが配設されている。温度ヒューズ
8は所定の動作温度になったとき溶断する低融点合金を
樹脂モールドして低融点合金の保護と伝熱性の安定化を
図ったもので、低融点合金の一端は樹脂モールドの上面
に配置された端子板8aに接続され、低融点合金の他端
は樹脂モールド外にリード板8bとして引き出されてい
る。このリード板8bは前記PTC素子9の上電極9b
に半田付けにより接合されている。
【0029】封口板3の上部は、図示するように正極開
口部11a及び負極開口部11bを設けた絶縁板11に
よって閉じられる。前記正極開口部11aからは温度ヒ
ューズ8の端子板8aが外部露出して正極端子(+)の
用に供され、負極開口部11bからは前記封栓10の天
面が外部露出して負極端子(−)の用に供される。この
端子構成により、正極端子(+)及び負極端子(−)を
形成するための部材を用いることなく端子の形成がなさ
れる。
【0030】上記のように、極板群14を構成する正極
板は正極リード12、リベット6、PTC素子9、温度
ヒューズ8を通じて正極端子(+)に接続され、負極板
は負極リード13、封口板3、封栓10を通じて負極端
子(−)に接続される。即ち、図4に回路図として示す
ように、極板群14の正極板と正極端子Aとの間には、
温度ヒューズ8とPTC素子9とが直列に接続されたリ
チウムイオン二次電池に構成される。
【0031】前記PTC素子9は、有機ポリマー材料に
導電性カーボンを分散させたPTC導電性ポリマーを平
板状に形成し、その上下面に上極板9b、下極板9aを
取り付けて構成され、上極板9b、下極板9a間の抵抗
値は平常時に0.1Ω以下の低抵抗値であるが、所定の
動作温度(トリップ温度)になると、抵抗値が10の4
乗〜6乗Ωにも急増するものである。温度ヒューズ8
は、所定の動作温度で溶融する低融点合金の両端をそれ
ぞれ端子板8a、リード板8bに接続したもので、所定
の動作温度によって溶融したとき端子板8aとリード板
8bとの間の導通が遮断されるものである。
【0032】上記構成において、温度ヒューズ8はその
動作温度が100〜130℃に設定され、PTC素子9
の動作温度、即ちトリップ状態となる温度が80〜10
0℃に設定される。PTC素子9のトリップ状態になる
温度を80℃、温度ヒューズ8の動作温度を100℃に
設定した場合、このリチウムイオン二次電池が装填され
た機器の故障や、金属物が正極端子(+)と負極端子
(−)との間に接触したような外部短絡が生じたとき、
過大な短絡電流によりPTC素子9は温度上昇し、その
温度がトリップ状態となる温度80℃に達すると、抵抗
値が急増するので短絡電流は一気に制限され、短絡によ
って電池が危険な状態に至る前に阻止することができ
る。短絡状態が解除されると、過大な短絡電流がなくな
るので、PTC素子9の温度は低下してトリップ状態か
ら外れ、抵抗値も下がるので再び正常な電池使用が可能
となる。
【0033】また、このリチウムイオン二次電池が装填
された機器の故障などの原因によって高電圧が印加され
たり、逆充電がなされたような場合に、PTC素子9が
絶縁破壊され、それによる電流規制の作用が働かなかっ
たときには、電池温度の急激な上昇により100℃の温
度状態に達すると、温度ヒューズ8が溶断して、PTC
素子9が動作し得ない状態での危険状態への移行が阻止
される。このような二重の安全機能によってエネルギー
密度の高いリチウムイオン二次電池を安全に使用するこ
とができる。
【0034】また、真夏の炎天下に駐車したクルマの車
内に電池又はそれが装填された機器が放置されていたよ
うな場合に、電池温度は80℃を超えるまでになること
がある。このとき、PTC素子9はトリップ状態となっ
て抵抗値が増大するために電池の使用はできず、電池が
異常温度になっている状態で使用されることが防止でき
る。電池が通常の温度環境に戻されると、PTC素子9
はトリップ状態から復帰するので、再度正常な電池使用
が可能である。電池が100℃を超えるような高温環境
下に曝されたような場合には、電解液や極板活物質が熱
により変質し、正常な充放電反応が得られない恐れがあ
る。このような高温状態に陥った場合には、温度ヒュー
ズ8が溶断して電池の使用を不可にすることで危険状態
への移行を阻止することができる。
【0035】上記温度ヒューズ8とPTC素子とは、封
口板3上に取り付けられる以前に一体化された1つの複
合パーツとして構成され、PTC素子9の下電極9aに
形成された穴にリベット6の軸部を差し込み、リベット
6を上ガスケット7及び下ガスケット5を介して封口板
3に締結することにより、電気的接続と共に封口板3上
への取り付けがなされる。
【0036】上記構成になる電池の製造は、以下に示す
手順により実施することができる。まず、封口板3の凹
部内に上ガスケット7を配し、その上に温度ヒューズ8
とPTC素子9とを一体化した複合パーツを置き、封口
板3の底面側に下ガスケット5を配してリベット6によ
り下ガスケット5、上ガスケット7、PTC素子9の下
極板9a、ワッシャ4を締結すると、封口板3に安全機
能及び端子を備えた更なる複合パーツが形成される。更
に、封口板3の凹部内の温度ヒューズ8やPTC素子9
が収容された部位は凹部の側壁及び突出部33によって
囲まれているので、そこに配設された構成要素を包み込
んでシリコン樹脂やエポキシ樹脂等の樹脂材料が充填さ
れる。樹脂充填は側壁及び突出部33で囲まれた中で行
なわれるので、樹脂が負極端子(−)となる封栓10に
付着しないように充填することができる。この樹脂充填
により封口板3の凹部内に配置された各構成要素が絶縁
体で被覆固定され、電池に振動や衝撃が加わったときに
も各構成要素が保護され、絶縁性が向上すると同時に熱
伝導性がよくなり、PTC素子9や温度ヒューズ8に対
する伝熱性を向上させることができる。
【0037】このように複合パーツに構成された封口板
3と、極板群14を収容した電池缶1との間で正極リー
ド12及び負極リード13の接続を行なう。正極リード
12及び負極リード13は、極版群14から枠体2に設
けられた穴から外部に引き出され、電池缶1より外に置
かれた封口板3との接続作業が容易にできるように長く
引き出されている。このリード接続がなされた後、電池
缶1の開口端に封口板3を嵌め込むと、正極リード12
及び負極リード13は、図3(a)(b)に示すよう
に、枠体2上に折り畳まれる。電池缶1の開口端に嵌め
込まれた封口板3の周縁と電池缶1の内周縁との間はレ
ーザー溶接され、封口板3は電池缶1に固定される。
【0038】次いで、封口板3の開口部から電池缶1内
に電解液が注入された後、開口部には封栓10を嵌入さ
せて開口部を閉じると共に、レーザー溶接によって封口
板3に固定される。この後、封口板3上を閉じるように
絶縁板11が封口板3及び電池缶1に接合されると、絶
縁板11に形成された正極開口部11aから温度ヒュー
ズ8の端子板8aが外部露出し、負極開口部11bから
封栓10の天面が外部露出して正極端子(+)及び負極
端子(−)が形成される。前記絶縁板11の周囲には、
図2、図3に示すように、板厚を薄くした段差が形成さ
れており、破線で示すように、熱収縮性のフィルム又は
チューブの外装フィルム28で絶縁板11の周囲を含め
て電池缶1を被覆できるように構成され、図1に示すよ
うな外観に形成される。この外装フィルム28は、PE
T等の樹脂フィルムによって形成することができる。ま
た、絶縁板11の段差上に外装フィルム28が被ること
により、絶縁板11の上面は段差に外装フィルム28が
載って面一の状態になり、外観の向上と絶縁性の向上を
図ることができる。
【0039】図1、図2に示すように、正極端子(+)
及び負極端子(−)が電池の天面の一方に偏った位置に
形成されているので、機器の電池収容スペースに対して
逆装填されることが防止できる。この電池では機器との
接続は、正極端子(+)及び負極端子(−)に機器側に
設けられたプローブが圧接することによってなされ、電
池の形状は左右対称になっているので、逆装填される恐
れは多分にあるが、この偏った位置に端子が形成されて
いることにより、逆装填は確実に防止できる。
【0040】本実施形態に示した角形の電池では、従来
は発電要素を収容した電池缶の開口部は平らな封口板で
封口され、封口板と極板群との間の空間は極板群から引
き出されたリードの接続空間としての用に供されるだけ
の空間であったが、上述のように本実施形態の構成のよ
うに、凹部を形成した封口板3によって電池缶1の開口
部が閉じられることにより、封口板3の凹部に電池の安
全機構を設けて空間が有効活用され、安全機能を備えた
角形リチウム二次電池が構成される。
【0041】前記封口板3は、プレス加工により所要の
板材を絞り加工して凹部を形成した後、電池缶1の内径
寸法に対応する形状に外形抜き加工することによって形
成される。この外形抜き加工を行なうプレス金型を変
更、即ち、抜き形状寸法を変更することにより、電池容
量により電池の短側面の幅が異なる電池にも容易に対応
させることができる。角形のリチウムイオン二次電池の
場合、電池の短側面の幅を大きくすると、巻回する正負
極板の長さを増加させることができ、極板群14の反応
面積を増加させることができるので、同一形状でありな
がら電池の短側面の幅が異なり、電池容量が異なる複数
品種の電池が構成される。このとき、各品種毎の電池を
製造するのに用意される封口板3を製作するために、各
品種毎の封口板3を製作する金型を複数に準備すること
なく、外形抜きの金型を変更するだけで複数の品種に対
応させることができる。
【0042】図5は、電池の短側面の幅が異なる2種類
の電池を製造するための封口板3の外形寸法変更の例を
示すもので、図5(a)に示すように、共通の絞り加工
金型により板材26を絞り加工して凹部29を形成する
と、凹部29の周囲にフランジ部分が形成される。この
後、本実施形態に示した電池のように短側面の幅W1が
小さい場合には、凹部29の立ち上がり部外側の至近位
置でフランジ部分を打ち抜く外形抜き加工がなされて形
成された封口板3は、図5(b)に示すように、短側面
の幅W1が小さい電池缶1の開口部に嵌り合う状態とな
る。一方、短側面の幅をW2に増加させた電池の場合に
は、外形抜き金型の加工位置を大きくすると、図5
(c)に示すように、短側面の幅をW2に増加させた電
池缶1aに対応する封口板3aに形成することができ
る。
【0043】以上説明した各実施形態において、PTC
素子9が適用された復帰式電流規制素子は、所定の動作
温度以上になったとき変形して接点を開き、温度が低下
すると元の状態に復帰して接点を閉じるバイメタルによ
って構成することもできる。また、温度ヒューズ8が適
用された非復帰式電流段素子は、所定の動作温度以上に
なったとき記憶された形状に戻って接点を開き、電流回
路を遮断する形状記憶合金を備えたスイッチ構造によっ
て構成することもできる。
【0044】また、本実施形態の構成では、正極接続ラ
インに温度ヒューズ8及びPTC素子9を配設している
が、負極接続ラインに配設することもできる。また、温
度ヒューズ8とPTC素子9とを正極接続ラインと負極
接続ラインとに振り分けて配設することもできる。要は
電池の入出力ライン上に配設されていれば、その効果は
同様に発揮される。
【0045】また、各実施形態に説明したPTC素子9
と温度ヒューズ8とによる二重の安全機能に加えて、電
池缶1内の圧力が異常上昇したとき、異常内圧を外部に
排出する異常内圧排出構造を設け、三重の安全機能を構
成することができる。前記異常内圧排出構造は、内圧に
よって動作する弁体を用いた構成、クラッド板の薄板部
分を内圧で破断する構成、電池缶1の一部をスクライブ
又は刻印によって薄肉化して内圧で薄肉部分を破断させ
る構成を適用することができる。
【0046】図1に示したように、小型薄型化された本
実施形態のリチウムイオン二次電池では、異常内圧排出
構造はスペース占有率が少ない構成が望ましく、図6及
び図7に例を示す構成が好適である。
【0047】図6は、電池缶1の胴部分にスクライブ2
4を形成し、電池缶1の材厚をスクライブ24によって
部分的に薄肉化した異常内圧排出構造の例を示すもので
ある。スクライブ24は電池缶1の材厚を5〜90%ま
で減少させるように溝状に形成する。温度上昇に伴うガ
スの発生により内圧が異常上昇し、内圧がスクライブ2
4による電池缶1の破断強度を越えたとき、電池缶1は
スクライブ24から破断するので、異常内圧は外部に排
出されて破裂等の危険な状態に陥ることが防止できる。
【0048】図7は、封口板3をステンレススチール板
21にアルミニウム板22を接合したクラッド板で形成
し、所要位置のステンレススチール板21に排気穴20
を設け、この排気穴20を薄いアルミニウム板22で塞
いだ異常内圧排出構造の例を示すものである。温度上昇
に伴うガスの発生により内圧が異常上昇し、内圧がアル
ミニウム板22の破断強度を越えたとき、排出穴20を
塞ぐアルミニウム板22は破断するので、異常内圧は外
部に排出されて破裂等の危険な状態に陥ることが防止で
きる。排気穴20内のアルミニウム板22は、図示する
ように穴内に膨出する球面に形成しておくことにより、
圧力が球面に集中するため安定した破断動作が得られ
る。この異常内圧排出構造は、封口板3上に配置される
構成要素により閉塞されない位置に形成される。
【0049】上記例に示すような異常内圧排出構造は、
温度ヒューズ8が溶断し、それでも電池温度が100℃
以上である場合に、ガス発生による内圧の上昇によって
排出動作が起動するように構成される。従って、復帰式
電流規制素子及び非復帰電流遮断素子の動作が正常に働
かない状態にあっても、最終の安全機能として動作す
る。この異常内圧排出構造を設けることによって、PT
C素子9、温度ヒューズ8に加えて三重の安全機能を備
えたリチウムイオン二次電池を構成することができ、更
にはセパレータのシャットダウンによる安全機能が約1
50℃で働くことから、高エネルギー密度の電池を安全
使用することができる。
【0050】また、以上説明した実施形態は、ニッケル
メッキ鋼を用いた電池缶1を扁平な角形に形成した例に
ついて説明したが、アルミニウム合金やステンレス鋼を
用いることもでき、それらを円筒形に形成した電池に品
構成を適用することもできる。
【0051】以上のように、第1の実施形態に係る非水
電解質二次電池は、封口板に形成した凹部内に電池の安
全機能となる復帰式電流規制素子や非復帰電流遮断素子
などの電池の構成要素を配設することで、電池缶内の極
板群と封口板との間にできるデッドスペースとなってい
た空間を有効に活用し、電池の体積を増加させることな
く安全機能を備えた電池に構成することができる。ま
た、封口板上に配設された構成要素の導体面を正極端子
又は負極端子として外部露出させることができ、端子を
形成するための部材を設けることなく、部品点数を減ら
してコストダウンを図ることができる。
【0052】(第2の実施形態)本実施形態は、第1の
実施形態と同様に非水電解質二次電池の一例であるリチ
ウムイオン二次電池について説明する。図8は、本実施
形態に係るリチウムイオン二次電池100a,100b
の外観を示すもので、扁平な角形電池として形成されて
いる。
【0053】本実施形態では、正極端子、負極端子を含
む接続端子が端子板102上に形成している。この端子
板は絶縁性の樹脂材料からなり、電池の表面に露出する
外面側には、前記接続端子のみが露出している。一方、
端子板の内面側には、非復帰式の電流規制素子が形成さ
れている。また、端子板102と電池本体101との間
には、復帰式の電流規制素子が配置されている。従っ
て、各電流規制素子が前記端子板と電池本体101の封
口板により形成される空間に配置されることになる。
【0054】以下、本実施形態に係るリチウムイオン二
次電池の構成について詳述する。図8において、電池本
体101はその正極及び負極に接続された端子板(基
板)102と樹脂モールド体103により一体化され、
端子板102の外面上に正極端子104及び負極端子1
05が形成されている。電池100aは、端子板102
を電池本体101の封口面と平行に配置し、正極端子1
04及び負極端子105を上面に設けた構成である。電
池100bは、端子板102を電池本体101の側面と
平行に配置し、正極端子104及び負極端子105を側
面端に設けた構成である。
【0055】前記電池本体101は、図9に示すよう
に、横断面形状が長円形の有底筒状に形成されたアルミ
ニウム製の電池缶122内に発電要素を収容し、その開
口端は封口板123がレーザー溶接されることによって
封口されている。電池缶122に接合して電池正極とな
る封口板123には、その中央に上ガスケット124a
及び下ガスケット124bにより絶縁して電池負極とな
るリベット125が締結されている。また、封口板12
3の一部は箔状板を貼り合わせたクラッド板に形成され
ており、クラッド板部分に放出口120aを形成した安
全弁120が構成されている。また、封口板123の両
側には樹脂モールド体103を電池本体101に係合す
る一対の係合部材126が形成されている。この係合部
材126の形成方法は、封口板123にプレス加工によ
り形成する方法、係合部材126を封口板123に溶接
接合する方法のいずれかを採用することができる。尚、
封栓127は電解液注入口を閉じる用途に供され、電池
缶122内に電解液を注入した後、電解液注入口は封栓
127によって閉じられ、封栓127は封口板123に
溶接される。
【0056】上記構成になる電池本体101には、図1
0に示すように、リベット125に一方の電極板を接合
してバイメタル素子110が配設され、バイメタル素子
110の他方電極板は封口板123上に貼着された絶縁
シート121上に配置され、後述する正極接続リード板
(正極接続ライン)108と接合される。このバイメタ
ル素子110は、可動接点構造を有している。この接点
に過電流が流れることで発生する過度の温度上昇や高温
環境により、接点が反転し、完全に電流を遮断する復帰
式電流規制素子である。このバイメタル素子の動作温度
は、上述した第1の実施形態と同様に80〜100℃に
設定される。この設定は、可動接点を構成する熱膨張係
数の異なる2種類の金属の貼り合わせ状態、形状等を制
御することで、任意に設定可能である。また、このバイ
メタル素子は、通電時で10mΩ程度の接触抵抗値を示
し、PTC素子に比べて3分の1となることから、電池
の負荷を低減する効果を有する。このようなバイメタル
素子110は、後述する樹脂の充填成形時に溶融状態に
ある成形樹脂に接することになる。バイメタル素子11
0は、成形時の熱負荷に耐えうる特性を有しているが、
バイメタル素子110が熱破壊されないように断熱シー
ト116を配設するのが好ましい。また、安全弁120
の放出口120aを覆って樹脂シート140が貼着され
る。
【0057】端子板102は、図11に示すように、外
面側となる一方面に正極端子104及び負極端子105
が形成され、電池本体101に対向する内面側となる他
方面に電池本体101と接続する正極接続ランド106
及び負極接続ランド107が形成されている。前記正極
端子104及び負極端子105は板面上に貼り付けられ
た銅箔をエッチングして形成することができるが、板面
に端子部材を取り付けて構成することもできる。
【0058】また、電池100bのように側面に正極端
子104及び負極端子105を設けた構成は、機器側の
接続端子と摺動接触させるのに好適な構造なので、板状
の端子部材を端子板102に取り付けることが望まし
い。更に好ましくは、略コ字状に形成された端子部材を
用い、端子板102の内面側と外面側とを接続する構成
とすることで、端子板102の両面に接続端子を容易に
形成できる。
【0059】端子板102は、その一方面と他方面との
間を図示しないスルーホールにて接続している。また、
回路パターンにより要所が接続されている。この回路パ
ターンは、端子板102の内面側、外面側の何れの面に
形成することができるが、外面側に形成した場合には接
続パターンを絶縁被覆する構成が必要となる。
【0060】さらに端子板102の内面側には、前記回
路パターン、正極及び負極の接続ランドに加えて、パタ
ーンヒューズも形成されている。このパターンヒューズ
は、前記の回路パターンに比べて極細のパターンを端子
板102上に形成することで得られる。高温状態になる
と、パターンヒューズは端子板102上で溶断し、電気
的接続が断ち切られる。同様に、過大な電流が付加され
た場合にも、パターンヒューズに発生する過度の温度上
昇により、ヒューズ部分が溶断し、完全に電流を遮断す
る非復帰式電流遮断素子の特性を示す。本実施形態のよ
うに、端子板状にパターンヒューズを形成する構成で
は、上述したバイメタル素子110と合わせて、電池本
体101と端子板102との間に別途配置する必要が無
く、構成の簡素化、及びコストの削減を可能にする。ま
た、前記の回路パターンと同時に端子板102上に形成
可能なため、製造工程の簡略化にもつながる。
【0061】前記正極接続ランド106及び負極接続ラ
ンド107には、図11(c)に示すように、それぞれ
正極接続ラインである正極接続リード板108、負極接
続ラインである負極接続リード板109の一端が半田付
けにより接合される。この端子板102は、図12に示
すように、正極接続リード板108の他端を封口板12
3に接合し、負極接続リード板109の他端を前記バイ
メタル素子110の他方電極板に接合して電池本体10
1に接続される。図8(a)に示した電池100aに構
成する場合には、端子板102は図12(a)に示すよ
うに封口板123と平行になるように正極接続リード板
108及び負極接続リード板109を折り曲げる。図8
(b)に示した電池100bに構成する場合には、図1
2(a)に示すように封口板123に対して直交した状
態のままでよい。
【0062】上記のように電池本体101と端子板10
2とを接続した後、図13に示すように、電池本体10
1と端子板102との間に樹脂を充填成形して電池本体
101と端子板102とを一体化する。電池本体101
はその表面の大部分が金属体であり、充填成形された樹
脂モールド体103と接合し難いが、封口板123上に
取り付けられた係合部材126が樹脂モールド体103
に包み込まれ、そのアンダーカット部分で樹脂モールド
体103に係合するので、樹脂モールド体103に対す
る投錨効果が得られ、樹脂モールド体103は電池本体
101に接合した状態となる。端子板102は正極接続
リード板108や負極接続リード板109が樹脂モール
ド体103内に包み込まれて樹脂モールド体103と係
合するが、更に係合性を向上させるには、リベット状の
突起を設けると、係合部材126と同様の効果が得られ
る。充填成形される樹脂としては、熱可塑性ポリアミド
樹脂が用いられる。この樹脂は、接着性、電気絶縁性、
耐薬品性に優れており、さらに190℃〜230度の範
囲で成型可能なことから電池本体101、バイメタル素
子110等への熱影響を抑制することができる。
【0063】さらに、端子板102及び電池本体101
の樹脂モールド体103と接する面に樹脂及び金属と接
着性のよい接着剤を塗布することによって、樹脂モール
ド体103と電池本体101及び端子板102との接合
性を向上させることもできる。この接着剤としては、ポ
リアミド樹脂のホットメルト接着剤や、エポキシ樹脂
系、シリコン変成樹脂系の接着剤が用いられる。
【0064】このように本実施形態では、樹脂モールド
体103により端子板102と電池本体101とを一体
化する構成を採用している。この樹脂モールド103に
よる一体化に代えて、予め復帰式電流規制素子や正負極
の接続リードを電池本体、及び端子板に接続しておき、
電池本体と端子板との間に樹脂枠体を配置し、これらを
一体化することで本実施形態と同様の効果を得ることが
できる。
【0065】次に、本実施形態に係るリチウムイオン二
次電池における非復帰式電流遮断素子、及び復帰式電流
規制素子の動作を説明する。
【0066】上記構成になる電池100a,100b
は、正極端子104と負極端子105との間が何らかの
原因によって外部短絡された場合に、短絡による過大な
短絡電流によってバイメタル素子110の可動接点が温
度上昇し、その温度が設定された可動接点の反転温度を
越えたとき、通常温度状態では極少な抵抗値であるバイ
メタル素子110は可動接点の形状変化により電流が遮
断される。このため、短絡電流はバイメタル素子110
により遮断され、電池が外部短絡により温度上昇して破
裂等の事態に陥ることを防止する。
【0067】また、電池100a,100bが高温環境
に曝された際にも、バイメタル素子が温度上昇によって
可動接点を反転させるので、高温環境で電池が使用状態
となることを防止する。即ち、電池100a,100b
はバイメタル素子110の内蔵した安全機能を備えたも
のとなる。そして、短絡電流や高温環境というバイメタ
ル素子110を作動させる要因が除去され、電池が正常
な条件下で使用可能な状態になると、バイメタル素子1
10の可動接点は導通を再開し、電池は使用可能な状態
になる。
【0068】一方、電池が外部短絡されているにも拘わ
らず、バイメタル素子110による電流遮断機構が動作
しない場合、あるいはバイメタル素子110を破壊する
ような過大な電流が付加された場合には、これら電流に
よりパターンヒューズが溶断し、電流が遮断される。ま
た、バイメタル素子110の作動温度よりも高温環境に
曝された場合にも、パターンヒューズが溶断し、電池を
使用不能な状態とする。
【0069】さらに電池100a,100bが、前記の
各電流規制素子の作動温度を超える異常温度にまで上昇
して電池本体101内にガスが発生すると、電池本体1
01が破裂に至る恐れがあるが、発生したガスの圧力が
安全弁120を作動圧力に達すると、安全弁120はそ
の箔状板部分が破断して異常上昇した内圧を外部に放出
する。安全弁120の放出口120a上は樹脂シート1
40により塞がれ、更に樹脂モールド体103で覆われ
ているので、放出口120aから噴出したガスは樹脂シ
ート140及び樹脂モールド体103と電池本体101
との界面から外部に放出される。従って、電池本体10
1が温度上昇によって破裂に至ることは防止され、前記
バイメタル素子110、パターンヒューズと共に三重の
安全機能が設けられた電池100a,100bに構成す
ることができる。
【0070】上記のように構成された電池100a、1
00bは、更に外装被覆を設けることによって外観及び
強度の向上を図ることができる。外装被覆は、図13
(b)に示すように、正極端子104及び負極端子10
5上に開口部を形成して端子板102上を被覆し、樹脂
モールド体103の側周面を被覆する二次モールド体1
50と、電池本体101の側周面に巻着した巻着シート
151とによるもので、図14に示すような外観の電池
100c,100dに仕上げることができる。巻着シー
ト151は、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレンテレフ
タレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、及びこれらを含
む樹脂等が用いられ、この樹脂に粘着層を付与すること
で、電池100a、100bに貼付されるものであり、
電池の意匠性を向上させる効果が得られる。尚、外装被
覆を採用した構成では、端子板102は、正極端子10
4、負極端子105を露出するように二次モールド体1
50によって被覆されており、本発明における絶縁部材
の機能を奏するものである。
【0071】
【発明の効果】以上の説明の通り本発明によれば、携帯
電子機器等の電源として好適な小型の二次電池内にその
安全機能を設けることができ、それを低コストに信頼性
を確保して実現することができる。即ち、PTC素子等
の復帰式電流規制素子による安全機能により外部短絡等
による電池温度の上昇を防止し、これを上回る温度上昇
には温度ヒューズ等の非復帰電流遮断素子による安全機
能により電池を二重に保護することができる。更に、異
常内圧排出手段を併せて設けることにより、三重の安全
機能が構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係る角形のリチウムイオン二
次電池の構成を示す外観斜視図。
【図2】第1の実施形態に係る電池の内部構成を示す部
分断面図。
【図3】同上構成の(a)はA−A線、(b)はB−B
線、(c)はC−C線での矢視断面図。
【図4】同上構成の回路図。
【図5】封口板のプレス加工による形成を示す断面図。
【図6】スクライブによる異常内圧排出手段を設けた電
池の斜視図。
【図7】クラッド板を用いた異常内圧排出手段の構成を
示す部分断面図。
【図8】第2の実施形態に係る電池の外観を示す斜視
図。
【図9】同電池の本体の構成を示す(a)は平面図、
(b)は断面図。
【図10】同電池の本体にバイメタル素子を取り付けた
状態での(a)は平面図、(b)は断面図。
【図11】端子板の構成を(a)は外面側、(b)は内
面側、(c)はリード板取付け状態をそれぞれ示す斜視
図。
【図12】端子板の電池本体への取付け状態を示す斜視
図。
【図13】端子板と電池本体とを樹脂モールド体で一体
化した状態を示す断面図。
【図14】電池の外装被覆を施した状態の電池の斜視図
【図15】従来技術に係る安全構造の例を示す部分断面
図。
【符号の説明】
1 電池缶 3 封口板 6 リベット 6a 延出部 8 温度ヒューズ(非復帰式電流遮断素子) 9 PTC素子(復帰式電流規制素子) 9a 下電極 11 絶縁板 11a 正極開口部 11b 負極開口部 12 正極リード 13 負極リード 14 極板群 16 樹脂 100a、100b、100c、100d 電池 101 電池本体 102 端子板(基板) 103 樹脂モールド体 104 正極端子 105 負極端子 116 バイメタル素子 123 封口板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 片岡 智志 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 増本 兼人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 小西 始 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 石丸 毅 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5G041 AA07 AA08 BB11 DA11 DB06 DB07 DC01 DD01 5H022 AA09 CC00 EE01 EE07 KK01 5H029 AJ12 BJ27 CJ04 CJ05 CJ06 DJ05 EJ01 HJ14 HJ20

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 発電要素を収容した電池缶の開口端を閉
    塞する封口板を有し、正極端子、負極端子の導体面を外
    部露出させる絶縁部材を前記封口板の上部に配置してな
    る非水電解質二次電池であって、 前記発電要素を構成する極板群から引き出された正極リ
    ード及び負極リードをそれぞれ正極端子及び負極端子に
    接続する正極接続ライン及び/又は負極接続ラインを備
    え、前記正極接続ライン、負極接続ラインの少なくとも
    何れか一方に、所定の動作温度及び/又は動作電流で電
    流を規制する復帰式電流規制素子と、所定の動作温度及
    び/又は動作電流で電流を遮断する非復帰式電流遮断素
    子が接続され、前記復帰式電流規制素子、非復帰式電流
    遮断素子の双方が、前記封口板と絶縁部材に囲まれる空
    間部に配設されてなることを特徴とする非水電解質二次
    電池。
  2. 【請求項2】 復帰式電流規制素子の動作温度は80〜
    100℃であり、非復帰式電流遮断素子の動作温度は1
    00〜130℃である請求項1に記載の非水電解質二次
    電池。
  3. 【請求項3】 復帰式電流規制素子は、所定の動作温度
    以上に温度上昇したとき、抵抗値が急増するPTC素子
    である請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池。
  4. 【請求項4】 復帰式電流規制素子は、所定の動作温度
    以上に温度上昇したとき、変形により回路を開くバイメ
    タルである請求項1又は2に記載の非水電解質二次電
    池。
  5. 【請求項5】 非復帰式電流遮断素子は、所定の動作温
    度以上に温度上昇したとき溶断して回路を開く温度ヒュ
    ーズである請求項1又は2に記載の非水電解質二次電
    池。
  6. 【請求項6】 非復帰式電流遮断素子は、所定の動作温
    度以上に温度上昇したとき、記憶する形状に戻ることに
    より回路を開く形状記憶合金を備えたスイッチ機構であ
    る請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池。
  7. 【請求項7】 復帰式電流規制素子と非復帰式電流遮断
    素子とが直列接続されると共に、一体に接合されてなる
    請求項1〜6いずれか一項に記載の非水電解質二次電
    池。
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