JP3237010U - ボタン型電池モジュール及びその電池装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来の欠陥に対して、斬新なボタン型電池モジュール及びその電池装置を提供する。【解決手段】主に電池セル40と、電池セルを封止した金属シェル30とを含み、個別で且つ完全に封止された複数の電池ユニット20が互いに接触することで直列、並列接続するか又は直列・並列接続を混合することで電池セルを構成しており、金属シェルは上蓋31と下蓋32とを含み、上蓋と下蓋との両者の間は電気的に絶縁され且つ該電池セルの異なる極性端に接触して正極端及び負極端を構成している、ボタン型電池モジュール60及びその電池装置とする。【選択図】図2A

Description

本考案は電池ユニットに関し、とりわけ完全に且つ個別に封止された電池ユニットで電池セルを構成するとともに、金属シェルで封止したボタン型電池モジュールに関する。
従来の電池装置では、各種の分野に応用されるべく十分な容量と電圧を得るために、多くの場合には単一の電池ユニットをZ軸方向で直列、並列接続するか、又は直列・並列接続を混合した方式で、垂直に積層した電池セルを構成し、更に水平の導体でこの垂直に積層した電池セルを水平に接続して所望の電池装置を構成している。
先行出願には、例えば本出願人のTW107135860及びTW107135859があるが、このような接続構造には以下のような数点の欠点がある。
1.組立が簡単ではない。例えば、単一のセルの積層・組立・位置合わせの検査は手順が複雑であり、時間もかかってしまう。
2.単一の電池セルに問題が生じたときに、速やかに交換するのが難しく、保守の難度が大幅に上昇してしまう。
以上の問題に鑑み、本考案では上記の欠陥に対して、斬新なボタン型電池モジュール及びその電池装置を提供する。
本考案の主な目的は、完全に且つ個別のモジュールである電池ユニットを積層して電池セルを構成し、金属シェルに直接接触して電気的に接続することで、電池セルの電流経路を最大化するボタン型電池モジュールを提供することにある。
本考案の他の目的は、直接積層し接続することで所望の電池装置を構成することができるとともに、パターニング導体層と合わせて他方の軸方向で接続することで、組立がより簡単でしかも検査及び保守、交換が容易となるボタン型電池モジュールを提供することにある。
本考案は、電池セルと金属シェルとを含み、電池セルは複数の電池ユニット同士が積層されて直列、並列接続するか、又は直列・並列接続を混合した形態で構成されており、且つ各々の電池ユニットはいずれも個別で且つ完全なモジュールであり、そして金属シェルは上蓋と下蓋とを含み、電池セルがその中に封止されており、しかも電池セルの最外側の正極及び負極集電層が金属シェルの上蓋及び下蓋に直接引き出されて、ボタン型電池モジュール全体の正極端及び負極端とすることで、電池セルの電流経路を最大化する、ボタン型電池モジュールを提供する。
本考案に開示する電池装置は、前記ボタン型電池モジュールを直接積層するとともに、金属シェルの上蓋及び下蓋を直接電気的に接続して、所望の電池装置を構成しており、組立がより簡単でしかも検査及び保守、交換が容易となる等の長所を備える。また一方では更に、パターニング導体層と合わせて他方の軸方向で接続することで、二軸方向の拡張が可能となる。
更に、電池セルと金属シェルとの間には、放熱剤又は難燃剤を充てんすることで、放熱効果を高めて電池の性能を維持するとともに、電池装置の安全性を向上することができる。
以下にて具体的な実施例により詳細な説明を行うことで、本考案の目的、技術内容、特長及びこれにより達成する効果をより一層理解しやすくする。
本考案のボタン型電池モジュールの電池ユニットの概略図である。 本考案のボタン型電池モジュールの電池ユニットの他の実施例の概略図である。 本考案のボタン型電池モジュールの電池ユニットの分解概略図である。 本考案のボタン型電池モジュールの直列タイプの概略図である。 本考案のボタン型電池モジュールの端面絶縁形態の概略図である。 本考案のボタン型電池モジュールの端面絶縁形態の概略図である。 本考案のボタン型電池モジュールの並列タイプの概略図である。 本考案のボタン型電池モジュールの直列・並列混合タイプの概略図である。 本考案のボタン型電池モジュールの電池セルに放熱導電性ホルダを組み合わせた概略図である。 本考案のボタン型電池モジュールの電池セルに放熱導電性ホルダを組み合わせた概略図である。 本考案のボタン型電池モジュールを電池装置として結合した概略図である。 本考案のボタン型電池モジュールを電池装置として結合した概略図である。
本考案の長所、技術思想及び特徴をより明確に理解しやすくするために、以下では実施例に合わせて前記図面を参照して詳述する。言明しておくべきことは、これら実施例は単に本考案の代表的な実施例に過ぎず、これをもって本考案の実施形態及び請求範囲をこれら実施例の形態に限定するものではない、ということである。これらの実施例を提供する目的は、本考案の開示する内容をより全般的に理解しやすくするために過ぎない。
本考案で開示する各種実施例中で使用する用語は、特定の実施例を記述する目的に用いるのみで、本考案で開示する各種実施例を限定するものではない。はっきりとした指示がない限り、使用される単数形式は複数形式も含むものである。別途の限定がない限り、本明細書中で使用される全ての用語(技術用語及び科学用語を含む)は、本考案で開示する各種実施例における当業者が通常理解する意味と同じ意味を有する。上記の用語(例えば一般的に使用される辞書中で限定される用語)は、同じ技術分野中での文脈語意と同じ意味を有すると解釈されるとともに、理想化された意味又は正式のものを越える意味として解釈されるべきではない。ただし本願で開示する各種の実施例中にてはっきりと限定している場合はこの限りではない。
本明細書中の記載において、参考用語「一つの実施例」、「一つの具体的な実施例」等で記述するものは、該実施例を結合して記述する具体的な特徴、構造、材料又は特長が本考案の少なくとも1つの実施例中に含まれることを意味している。本明細書中にて、上記用語の概略的な表現は必ずしも同じ実施例を意味するものではない。しかも、記述する具体的な特徴、構造、材料又は特長はいずれか一つ又は複数の実施例中にて適宜の方式で結合することができる。
本考案の記述中にて、説明しておくべきことは、別途規定又は限定がない限り、用語「結合」、「接続」、「設ける」は広義的に理解されるべきであって、例えば、機械に接続される、又は電気的に接続されるというものは、2つの素子内部の連通であってもよく、直接接続でも、中間媒体を介した繋がりであってもよく、当業者にとっては、具体的な状況に応じて上記の用語の具体的な意味を理解することができる、ということである。
本考案のボタン型電池モジュールは、完全に且つ個別に封止された電池ユニット20を組み合わせたものであることから、まず完全に且つ個別に封止された電池ユニット20の部分について説明する。
図1A、図1Cを参照されたい。例えば、本考案の電池ユニット20は正極集電層24と、負極集電層25と、電気化学システム201と、接着性枠体26とを含む。電気化学システム201はセパレータ層21と、2層の活性材料層22、23と、該活性材料層22、23及びセパレータ層21中に含浸又は混練されている電解質体とを含み、セパレータ層21の材料は高分子材料、セラミックス材料又はグラスファイバ材料、又は粉末セラミックスが塗布されている高分子材料基材又はグラスファイバ材料基材から選択することができる。
セパレータ層はイオンを通過させ得る微細孔を有しており、微細孔は直線孔としても、屈曲孔(非直線で貫通した形態)の形態としてもよく、場合によっては多孔質材料を直接採用して実現してもよい。このうちセラミックス材料が絶縁材料から選択される場合、マイクロメートルレベル及びナノメートルレベルの二酸化チタン(TiO)、酸化アルミニウム(Al)、二酸化ケイ素(SiO)等の材質又はアルキル化したセラミックス粒子により形成することができる。セラミックス材料は、例えばリチウムランタンジルコニウムオキサイド(lithium lanthanum zirconium oxide; LiLaZr12;LLZO)又はリン酸チタンアルミリチウム(LATP)等とから選択してもよい。また、セラミックス材料は、上記絶縁セラミックス材料と酸化物固体電解質とを混合してなるものでもよい。上記したセパレータ層は、例えばポリフッ化ビニリデン(Polyvinylidene fluoride;PVDF)、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF-HFP)、ポリテトラフルオロエチレン(Polytetrafluoroethene;PTFE)、アクリル酸系接着剤(Acrylic Acid Glue)、エポキシ樹脂(Epoxy)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)又はポリイミド(PI)等の高分子接着剤を更に含むことできる。
電気化学システム201は、活性材料層22、23と、活性材料層22、23の両者に間にあるセパレータ層21と、活性材料層22、23中に含浸/混練されている電解質体とを含む。電解質体は液状、ゲル状、固体電解質、又はその任意の組合せの混合電解質とすることができる。活性材料層22、23は、中間のセパレータ層21により隔絶されるとともに、その活性材料成分により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して使用する(電力供給)か、又は電気エネルギーを化学エネルギーに変換してシステムに蓄電(充電)することができ、イオンの伝導とマイグレーションを同時に実現することができ、発生した電子は正極集電層24、負極集電層25から直接外部に導出することができる。ここで正極集電層24、負極集電層25の材料は一般的なものは銅及びアルミニウムであるが、当然のこと、ニッケル、スズ、銀、金等のその他金属又は金属の合金であっても、又は高分子導電性材料としてもよい。
接着性枠体26の材質は、エポキシ樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、熱可塑性ポリイミド、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、シリコーン又はUV硬化型接着剤とすることができる。接着性枠体は正極集電層24、負極集電層25の周縁に設けられるとともに、電気化学システム201(活性材料層22、23と中間のセパレータ層21)を囲んで封止すると同時に、正極集電層24、負極集電層25を接着するのに用いられ、しかも電解質体が2層の集電層24、25の間で漏れないように、且つ電池ユニット20の他の電解質体と互いに流動しないように封止している。よって、電池ユニット20は、正極集電層24、負極集電層25及び接着性枠体26を直接的にパッケージ構造として採用して形成されている個別で且つ完全な電力供給モジュールである。
接着性枠体26の封止効果をより好適にするために、シリコーン材質を採用する場合、接着性枠体26が3層構造を持つように設計することができる。
図1Bを参照されたい。上下2つの層は変性シリコーン層261、262であって、中間はシリコーン層263であり、両側の変性シリコーン層261、262は、シリコーンを付加型シリコーンと縮合型シリコーンとの組成割合を調整するか、又は添加物を添加することで変性して、異種材料(つまり正極集電層24、負極集電層25及び中間シリコーン層263)の接着に適合させたものである。この設計により、その界面の接着力が向上し、同時に、全体的な外観の整合性がより高まり、生産上の歩留まりも向上させることができる。
前記した電池ユニット20で積層した後に、更に金属シェル30で封止することができる。
図2Aを参照されたい。複数の電池ユニット20は同方向で積層するものであり、言い換えれば、同じ極性の正極集電層24はいずれも上向きに設けられて、下方の負極集電層25は隣接する電池ユニット20の正極集電層24に直接接触することから、順次電気的に接続されて直列タイプの電池セル40を構成することで封止を行う。
金属シェル30は上蓋31と、下蓋32と、中間の絶縁層33とを含む。上蓋31及び下蓋32により前記電池セル40がその内部に被覆され、更に中間の絶縁層33で隔離・絶縁して、上蓋31及び下蓋32が接触することで短絡するのを防止する。ここで特に説明するが、金属シェル30の形態は図中に示す形態に限定されることなく、更には、絶縁層33はシリコーン材質を採用することで、絶縁以外に、更に防水の効果を実現することができる。
本考案の電池ユニット20は完全且つ個別のモジュールである。言い換えれば、電池ユニット20内の電解質体は個別のモジュールとして完全に封止されることで、互いの間の電解質体同士が接触することなく、電池ユニット20間には電解質を共用していないことから、電解質が劣化する問題はない。つまり電池ユニット20の外(金属シェル30との間)には共用の電解液を充てんする必要はなく、加えて本考案の電池ユニット20最外側はつまり正極集電層24、負極集電層25であることから、金属シェル30(上蓋31及び下蓋32)に直接接触することで電気的に接続されて(つまり上蓋31と下蓋32とはそれぞれ異なる極性端に電気的に接続されている)、正極端と負極端を構成して、電力を外部に出力するように導出することができる。よって、電池セル40の電流経路を最大化して、従来では必要だった別途接続する、又は配線することで派生的に生じる問題を解消することができる。
また一方で、電池ユニット20の端面でも金属シェル30(上蓋31及び下蓋32)に接触して短絡する可能性があることから、図2Bを参照するに、金属シェル30の内側、積層した電池ユニット20の両側に絶縁体34を設けることで、電池ユニット20の端面が接触して金属シェル30内部と不要な接触が生じて短絡するのを回避することができる。絶縁層33は絶縁性を有することから、図2Cに示すように、直接的に絶縁層33を内向きに延在させることで、金属シェル30の内側、積層した電池ユニット20の両側を被覆することから、絶縁体41を設けなくてもよい。
引き続き図3を参照されたい。これは並列タイプのパッケージであり、複数の電池ユニット20が順次反対方向に積層されている。言い換えれば、同じ極性の正極集電層24、負極集電層25は順次互いに接触し、更に電極タブ又は導電性ホルダ等によって同じ極性の全ての正極集電層24、負極集電層25を接続して、並列タイプの電池セル40を構成して封止を行う。パッケージが電気的に接触するその他の部分は、前記実施例と同じであることから、重複説明はしない。
例えば直列・並列混合タイプは図4を参照されたい。直列並列タイプは実際の必要性に応じて、例えば容量、電圧の大きさ等により調整することができるものであって、ここでは図面のみで説明する。図示するように、電池ユニット20は3個を1組として先に並列接続を行っており、並列方式は前記図3と同じである。その後、更に3個並列の組を直列接続するが、同様に、直列方式は前記図2の形態と同じであることから、直列・並列の混合タイプを構成することができる。
同様に、並列タイプ(図3参照)又は直列・並列混合タイプ(図4参照)であっても、例えば絶縁体34を増設するか(図2B参照)、又はこの絶縁層33を内向きに延在させる(例えば図2C)の設計としてもよく、この部分の内容は與前記と同じであることから、重複して説明しない。しかも前記した金属シェル30内、つまり金属シェル30と電池セル40との間にも放熱剤又は難燃剤を充てんすることで、放熱効果を高めて電池の性能を維持するとともに、電池装置の安全性を向上することができる。
また一方で、放熱効果を向上するために、電池セル40には更に、並列接続型導電性ホルダが含まれ得る。
図5A、5Bを参照されたい。これは、正極並列接続型導電性ホルダ41と、負極並列接続型導電性ホルダ42とを含むものであって、正極並列接続型導電性ホルダ41は板状本体411と、複数の板状延在部412とを含み、負極並列接続型導電性ホルダ42は板状本体421と、複数の板状延在部422とを含む。正極並列接続型導電性ホルダ41の板状延在部412は正極集電層24の表面に接触し、負極並列接続型導電性ホルダ42の板状延在部422は負極集電層25の表面に接触する。
つまりこの実施形態は、電池セル40の電池ユニット20は同方向で積層されている。言い換えれば、同じ極性の正極集電層24はいずれも上向きに設けられるとともに、いずれも正極並列接続型導電性ホルダ41の延在部412に直接接触するように電気的に接続されている。同様に、他極性の負極集電層25はいずれも下向きになるとともに負極並列接続型導電性ホルダ42の延在部422に直接接触するように電気的に接続されており、正極並列接続型導電性ホルダ41の延在部412と負極並列接続型導電性ホルダ42の延在部422とは互い違いに配置された形態となることで、並列の接続形態を構成する。よって、正極並列接続型導電性ホルダ41及び負極並列接続型導電性ホルダ42はいずれも導電性材料で構成される。このとき、中間にある正極並列接続型導電性ホルダ41の延在部412と負極並列接続型導電性ホルダ42の延在部422とが互いに接触して短絡するのを回避するために、両者の間に絶縁板50を増設して隔絶することができる。この大面積の接触方式により、電池セル40の動作により生じた熱を効果的に熱伝導して、電池セル40の最適な性能を維持することができる。
実際の応用では、十分な電気量及び電圧を得るために、前記金属シェル30で封止した電池セル40が構成するボタン型電池モジュール60は1つの電池単体と見なすことができる。更にこの単体を直列、並列接続するか又は直列・並列混合で接続して電池装置を形成する。
図6Aを参照されたい。前記した図4に開示するボタン型電池モジュール60に、第1のパターニング導体層711を有する第1の絶縁層71と、第2のパターニング導体層721を有する第2の絶縁層72とを組み合わせて対向するように設けており、つまり第1のパターニング導体層711と第2のパターニング導体層721とが対向して内向きとなるように設けられている。中間には更にボタン型電池モジュール60を設けるようにすることで、ボタン型電池モジュール60外側両端の正極端と負極端とは第1のパターニング導体層711、第2のパターニング導体層721とが電気的に接続されている。
また、Z軸(垂直)で互いに直列接続した後、更にX軸(水平)方向で直列を拡張する、つまり2個以上で互いに異なる垂直軸方向で積層した形態としてもよい。図6Bに示すように、ボタン型電池モジュール60は少なくとも1個のボタン型電池モジュール60を1個の縦方向グループとすることで、複数の縦方向グループを形成するものであって、これら縦方向グループは横方向に延在している形態で第1の絶縁層71と第2の絶縁層72との間に設けられている。
上記したように、採用したボタン型電池モジュール60は図4のような形態を採用するもののみに限定することなく、図2、3又はその他任意の直列、並列形態で配置したボタン型電池モジュール60の形態としてもよい。同様に、ボタン型電池モジュール60で構成される電池装置の積層接続もまた図6A、6Bの形態にのみに限定されるものではなく、任意に積層し接続するか、又は任意の方向で拡張することができるものであって、例えば本出願人の出願TW107135860、TW107135859、TW109203275等を参照して、3D方向の拡張が可能である。
上記をまとめると、本考案では、個別で且つ完全なモジュールである電池ユニットを直列、並列接続するか又は直列・並列接続を混合することで電池セルを構成し、金属シェルで封止を行い、電池セルが最外側の集電層と金属シェルの上蓋及び下蓋とに直接接触することで電気的に接続されて、直接この電池モジュールの統合した電極(正極端及び負極端)とすることで、電流経路を最大化する目的を実現する、ボタン型電池モジュールを提供する。更に、本考案のボタン型電池モジュールで構成される電池装置は、ボタン型電池モジュールを垂直方向に積層し、更に個別に垂直に積層した電池モジュールに跨がって接続されるパターニング導体層により電気的に接続しており、単一の電池モジュールは歩留まり検査済みであることから、組み立てて電池装置を構成するとき、検査場での作業難度を大幅に低減し、組立時に必要な手順及び時間も削減される。更に、単一の電池モジュールに問題が生じたときには、簡便に、迅速に、しかも手軽に交換を行うことができる。
上記は単に本考案の好ましい実施例に過ぎず、本考案の範囲を限定するためのものではない。よって本考案の実用新案登録請求の範囲に記載する特徴及び技術思想によりなされる均等な変化又は付加はいずれも本考案の実用新案登録請求の範囲に含まれる。
20 電池ユニット
201 電気化学システム
21 セパレータ層
22、23 活性材料層
24 正極集電層
25 負極集電層
26 接着性枠体
261 変性シリコーン層
262 変性シリコーン層
263 シリコーン層
30 金属シェル
31 上蓋
32 下蓋
33 絶縁層
34 絶縁体
40 電池セル
41 正極並列接続型導電性ホルダ
411 本体
412 延在部
42 負極並列接続型導電性ホルダ
421 本体
422 延在部
50 絶縁板
60 ボタン型電池モジュール
71 第1の絶縁層
711 第1のパターニング金属層
72 第2の絶縁層
721 第2のパターニング金属層

Claims (11)

  1. 複数の電池ユニットが互いに積層されて直列、並列接続するか又は直列・並列接続を混合した形態で構成されている電池セルと、
    電気的に絶縁されている上蓋と下蓋とを含み、該電池セルを内部に封止しており、且つ該上蓋及び該下蓋は各々該電池セルの異なる極性端に電気的に接続されることで、正極端と負極端とをそれぞれ形成している金属シェルとを含み、
    各々の該電池ユニットは、互いに平行に設けられている正極集電層及び負極集電層と、
    該正極集電層と該負極集電層との間に設けられており、互いに接触しない電解質体とを含む電気化学システムとを含む、ことを特徴とする、
    ボタン型電池モジュール。
  2. 前記電解質体はゲル状、液状、固体電解質又はその組合せである、請求項1に記載のボタン型電池モジュール。
  3. 隣接する前記複数の電気化学システムは電荷の移動のみで電気化学反応は行わない、請求項2に記載のボタン型電池モジュール。
  4. 前記電気化学システムは、2層の板状集電層にそれぞれ設けられるとともに接触している2層の活性材料層と、該2層の活性材料層の間に設けられているセパレータ層と、前記2層の板状集電層の間に設けられ且つ前記電気化学システムの周囲を囲んでいる接着性枠体と、を含む、請求項1に記載のボタン型電池モジュール。
  5. 前記複数の電池ユニットは異なる極性の前記集電層が直接互いに接触することで直列接続を構成している、請求項1に記載のボタン型電池モジュール。
  6. 前記複数の電池ユニットは同じ極性の前記集電層が互いに接触することで並列接続を構成している、請求項1に記載のボタン型電池モジュール。
  7. 前記複数の電池ユニットは正極並列接続型導電性ホルダ及び負極並列接続型導電性ホルダを介して電気的に接続されており、該正極並列接続型導電性ホルダ及び該負極並列接続型導電性ホルダの各々は板状本体と、該板状本体から延在している複数の板状延在部とを含み、該正極並列接続型導電性ホルダの該板状延在部は前記電池セル中の該正極集電層に接触し、該負極並列接続型導電性ホルダの該板状延在部は前記電池セル中の該負極集電層に接触しており、該正極並列接続型導電性ホルダの該板状本体及び該負極並列接続型導電性ホルダの該板状本体の各々は前記上蓋及び前記下蓋に電気的に接続されている、請求項1に記載のボタン型電池モジュール。
  8. 前記金属シェル内には放熱剤又は難燃剤が充てんされている、請求項1に記載のボタン型電池モジュール。
  9. 前記金属シェルは更に、前記上蓋と前記下蓋とを電気的に絶縁する絶縁層を含む、請求項1に記載のボタン型電池モジュール。
  10. 請求項1から9のいずれか一項に記載の複数のボタン型電池モジュールを含み、
    前記複数のボタン型電池モジュールは、少なくとも1つの垂直軸方向で積層され、且つ単一の該垂直軸方向上で、互いの間が前記上蓋及び前記下蓋を介して直接電気的に接続されていることを特徴とする、
    電池装置。
  11. 前記複数のボタン型電池モジュールが2個以上互いに異なる垂直軸方向に積層された形態を有し、少なくとも1つのパターニング導体層を更に含み、前記少なくとも1つのパターニング導体層が、垂直軸方向に積層した前記複数のボタン型電池モジュールを他の軸方向に電気的に接続している、請求項10に記載の電池装置。
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