JP3237011U - 個別モニタリング式金属シェル型電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルの電流経路を最大化し、内部の各電池ユニット状態を効果的に把握することができる個別モニタリング式金属シェル型電池装置を提供する。【解決手段】個別モニタリング式金属シェル型電池装置は、電池セルと、金属シェルと、回路板モジュール３４と、複数のモニタリング端子５０を含み、個別で且つ完全な電池ユニット２０が互いに接触して直列、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、更に金属シェルで封止した。電池セルの最外側が金属シェルと直接接触することで、電流経路を最大化する。電池ユニット２０の間には電荷の移動のみで電気化学的反応は行わない。金属シェル内に設けられている回路板モジュール３４に、電池ユニット２０内のモニタリング端子５０が接続されていることで、各々の電池ユニットを個別に検知し、モニタリングすることができる。【選択図】図４Ｂ

Description

本考案は電池装置に関し、とりわけ完全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同時に、各々の電池ユニットを個別モニタリング式金属シェル型電池装置に関する。

従来の電池装置では、各種分野に応用されるべく十分な容量と電圧を得るために、多くの場合に必要数の電池ユニットを直列、並列接続するか、又は直列・並列接続を混合した方式で、積層した電池セルを構成することで、各種の異なる分野に適用可能なように十分な電気量及び電圧を得ている。

先行出願として、例えばＣＮ１１０４４７１４２のボタン型二次電池では、電池セルに複数の電池ユニットを直列又は並列形態で積層する構造を採用して、単位体積あたりのエネルギー密度を向上する技術を開示している。しかしながら、その構造では、シェル内に積層されている電池セルの状態を検知及びモニタリングすることができず、シェル内に密封されている複数の電池ユニットにとっては、安全性において潜在的な懸念がある。

以上の問題に鑑み、本考案は上記欠陥に対して、斬新であり、個別モニタリング式金属シェル型電池装置を提供する。

本考案の主な目的は、完全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、合わせて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、個別モニタリング式金属シェル型電池装置を提供することにある。

本考案の他の目的は、各々の電池ユニットのいずれにもモニタリング端子を設けることができ、合わせて金属シェル内に回路板モジュールが設けられ、各々の電池ユニットを電気的にモニタリングすることで、電池の過充電・過放電を回避して安全性を向上することが可能となる、個別モニタリング式金属シェル型電池装置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、回路板モジュールと、複数のモニタリング端子とを含み、電池セルは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を形成して構成されており、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、金属シェルにより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に直接引き出されて接続されることで、電池セルの電流経路を最大化し、同時に各々の電池ユニットのいずれにもモニタリング端子を設けることができ、合わせて回路板モジュールを金属シェル内に設けて、モニタリング端子の信号を受信し整合して外部に出力し、各々の電池ユニットを電気的にモニタリングすることで、電池の過充電・過放電を回避して安全性を向上することが可能となる、個別モニタリング式金属シェル型電池装置を提供する。

他方、電池セルと金属シェルとの間に、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。

本考案の個別モニタリング式金属シェル型電池装置の概略図である。 本考案の個別モニタリング式金属シェル型電池装置の概略図である。 本考案の個別モニタリング式金属シェル型電池装置の電池ユニットの概略図である。 本考案の個別モニタリング式金属シェル型電池装置の電池ユニットの他の実施例の概略図である。 本考案の個別モニタリング式金属シェル型電池装置の電池ユニットの分解概略図である。 本考案の個別モニタリング式金属シェル型電池装置の電池セルの直列タイプの概略図である。 本考案の個別モニタリング式金属シェル型電池装置の電池セルの並列タイプの概略図である。 本考案の個別モニタリング式金属シェル型電池装置の電池セルの直列・並列混合タイプの概略図である。 本考案の個別モニタリング式金属シェル型電池装置の断面概略図である。 本考案の個別モニタリング式金属シェル型電池装置の断面概略図である。

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。また、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、別途の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。

図１Ａ、１Ｂを参照されたい。本考案の個別モニタリング式金属シェル型電池装置は金属シェル３０で電池セル４０をその中に収容して封止していることから、まず電池ユニット２０の部分について説明する。
図２Ａ、図２Ｃを参照されたい。本考案の電池ユニット２０は、２層の集電層２４、２５と、電気化学システム２０１と、接着性枠体２６とを含み、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、活性材料層２２、２３中に含浸又は混練されている電解質体とを含む。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から選択することができ、その上に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_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）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；Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２；ＬＬＺＯ）又はリン酸チタンアルミリチウム（ＬＡＴＰ）等の酸化物固体電解質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。

電解質体は、液状、ゲル状、固体電解液、又はその任意の組合せの混合電解液とすることができ、活性材料層２２、２３中に含浸されている。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電気化学システム２０１を構成している。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する（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る。発生した電子は集電層２４、２５から直接外部に導出することができる。なお集電層２４、２５の材料の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２層の集電層２４、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）を囲んで封止し、２層の集電層２４、２５を接着するのに用いられるとともに、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、集電層２４、２５及び接着性枠体２６を直接的に封止構造として採用して形成されている個別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２Ｂ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である。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（つまり集電層２４、２５及び中間のシリコーン層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、生産での歩留まりも向上させることができる。

よって、前記した電池ユニット２０を電池セル４０として積層した後に、更に金属シェル３０で封止することができる（図１Ａを参照されたい）。積層組合せの方式により、直列、並列及び直列・並列混合タイプに分けることができる。
図３Ａ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、同じ極性の集電層２４はいずれも上向きに設けられて、下方の集電層２５は隣接する電池ユニット２０の集電層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。

引き続き図３Ｂを参照されたい。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、同じ極性の集電層２４、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集電層２４、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。

直列・並列混合タイプは例えば図３Ｃ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。

よって、必要性に応じて所望の接続タイプ（直列、並列又は直列・並列混合）及び数量を選択するが、ここでは図面を合わせて例示して説明する。図４Ａ、４Ｂを参照されたい。金属シェル３０は金属上蓋３１と、金属下蓋３２と、絶縁板３３とを含み、金属上蓋３１及び金属下蓋３２により前記電池セル４０がその内部に被覆され、更に絶縁板３３で隔絶することで、金属上蓋３１と金属下蓋３２とを絶縁し、金属上蓋３１と金属下蓋３２と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、絶縁板３３はシリコーン材質を採用することで、絶縁以外に、防水の効果を実現することができる。

更に、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ことで、電池ユニット２０外部（金属シェル３０との間）には電解液又はその他有機溶剤を充てんする必要が無く、加えて本考案の電池ユニット２０最外側はつまり集電層２４、２５であることから、金属シェル３０（金属上蓋３１及び金属下蓋３２）に直接接触することで電気的に接続されて、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に接続する、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。

引き続き図４Ａ、４Ｂを参照されたい。各々の電池ユニット２０上にはいずれもモニタリング端子５０を備えている。一般的には、モニタリング端子５０は電池ユニット２０に電気的に接続されることで、電力状況をモニタリングすると同時に、金属シェル３０内に設けられている回路板モジュール３４にて、モニタリング端子５０が回路板モジュール３４に電気的に接続されている。そして検知及びモニタリングした信号を回路板モジュールに送信することができ、更に金属シェル３０上に実装されているモニタリングポート３５により、モニタリングポート３５が回路板モジュール３４にも電気的に接続されていることから、その取得した各々の電池ユニット２０に対しての検知及びモニタリング信号を受信することで、システマティックなモニタリングを提供するように外部に出力することができる。
このように、各々の電池ユニット２０を電気的にモニタリングすることで、電池の過充電・過放電を回避して安全性を向上することが可能となる。更に回路板モジュール３４、モニタリングポート３５を保護するために、金属シェル３０の一側に、追加的な支持性を提供することで、回路板モジュール３４、モニタリングポート３５を支持する支持側面板３６を更に備えることができる。

更に、金属シェル３０上には、金属シェル３０内部に連通して、酸素及び水分を隔絶するために真空吸引可能とする逆止弁３７を更に備えてもよい。同時に金属シェル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。

上記をまとめると、本考案は、個別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するとともに、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（正極及び負極）とすることで、電流経路を最大化する目的を実現する、個別モニタリング式金属シェル型電池装置を提供する。更に、金属シェル内部には回路板モジュールが備えられており、合わせて各々の電池ユニットには回路板モジュールに電気的に接続されているモニタリング端子が設けられて、各々の電池ユニットを電気的にモニタリングすることで、電池の過充電・過放電を回避して安全性を向上することができる。

ただし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、２５ 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 金属上蓋
３２ 金属下蓋
３３ 絶縁板
３４ 回路板モジュール
３５ モニタリングポート
３６ 支持側面板
３７ 逆止弁
４０ 電池セル
５０ モニタリング端子

Claims (10)

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、
   該電池セルを内部に封止しており、且つ該電池セルに直接接触することで電気的に接続している金属シェルと、
   該金属シェル内に設けられ、且つ該電池セルに隣接している回路板モジュールと、
   該電池セルの該複数の電池ユニットに設けられるとともに、該回路板モジュールに電気的に接続されており、モニタリング状態を該回路板モジュールに送信可能な複数のモニタリング端子と、を含み、
   各々の該電池ユニットは、
   平行に設けられている２層の集電層と、
   該２層の集電層の間に設けられている電気化学システムと、
   該２層の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、を含み、
   該電気化学システムは、
   該２層の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、を含むことを特徴とする、
   個別モニタリング式金属シェル型電池装置。
2. 前記複数の活性材料層に電解質体を含浸しており、該電解質体はゲル状、液状、固体電解液、又はその任意の組合せである、請求項１に記載の個別モニタリング式金属シェル型電池装置。
3. 前記複数の電気化学システムの前記電解質体は互いに流動せず、且つ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に記載の個別モニタリング式金属シェル型電池装置。
4. 前記複数の電池ユニットは異なる極性の前記集電層が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に記載の個別モニタリング式金属シェル型電池装置。
5. 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に記載の個別モニタリング式金属シェル型電池装置。
6. 前記接着性枠体はシリコーン層と、該シリコーン層の両側の２層の変性シリコーン層とを含む、請求項１に記載の個別モニタリング式金属シェル型電池装置。
7. 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に記載の個別モニタリング式金属シェル型電池装置。
8. 金属シェルは金属上蓋と、金属下蓋と、絶縁板とを含む、請求項１に記載の個別モニタリング式金属シェル型電池装置。
9. 前記回路板モジュールに電気的に接続されているモニタリングポートを更に含む、請求項１に記載の個別モニタリング式金属シェル型電池装置。
10. 支持側面板を更に含む、請求項１に記載の個別モニタリング式金属シェル型電池装置。
    

Images