JP5039866B2 - 電池パック - Google Patents

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Description

本発明は、複数の単電池が外装体内に収容された電池パックに関する。
近年、省資源や省エネルギーの観点から、繰り返し使用できるニッケル水素、ニッケルカドミウムやリチウムイオンなどの二次電池の需要が高まっている。中でも、リチウムイオン二次電池は、軽量でありながら起電力が高く、高エネルギー密度であるという特徴を有しているため、携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ノート型パソコンなどの様々な種類の携帯型電子機器や移動体通信機器の駆動用電源、また、コードレス化した電動工具の動力用電源としての需要が拡大している。一方、石油などの化石燃料の使用量の低減やＣＯ2の排出量を削減するために、自動車などのモータ駆動用の電源として、複数の電池を組み合わせて、所望の電圧や容量を得ることができる電池パックも開発されている。
電池の高エネルギー密度化が進むに伴って、電池自体の安全性とともに、それらを集合して用いる電池パックにおける安全性がより重要となっている。
外部から強い衝撃を受けて、電池内部、あるいは電池パック内部で短絡が起きると、極めて大きな電流が電池パック内に流れて、破裂や発火が生じるおそれがある。これを防止するために、従来の電池パックは、種々の保護回路を内蔵している。しかしながら、このような電池パックは、衝撃により、保護回路自身が故障するおそれがある。
また、機器の小型・軽量化に伴い、搭載する電池パック自体も、重量や形状に制限が設けられることから、安全性を図りながら、より設計自由度の高いものが要求されている。
特許文献１には、電池パックが受けた衝撃を検知することによって、電池を連結する連結手段による接続状態を解除する解除手段を備えた電池パックが開示されている。
また、特許文献２には、電池を収納する収納部に隣接して、電池パックに衝撃が加わると破壊される衝撃吸収部を備えた電池パックが開示されている。
特開平９−２７４９０６号公報 特開２００３−４５３９２号公報
特許文献１に開示された電池パックは、電池パックを大きく変形させるような衝撃が加わった場合、連結手段が大きく変形すると、電池自体が接触するおそれがある。そのため、電池の短絡を防止するためには、電池パックの外装体を強固なものにする必要がある。
また、特許文献２に開示された電池パックは、電池を収納する収納部とは別個に、衝撃吸収部を設ける必要があるため、電池パックの外装体の形状に制約が加わる。
すなわち、従来の電池パックでは、安全性を確保するために、電池パックの外装体の強度や形態等に制約が加わるため、電池パックの設計自由度に高めることが難しい。
本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その主な目的は、通常時は柔軟性が高く、衝撃を受けたときには電池を保護する機能が付加される、設計自由度の高い電池パックを提供することにある。
本発明に係る電池パックは、複数の単電池を接続した組電池が外装体内に収納されてなる電池パックであって、複数の単電池の少なくとも一部が、ダイラタンシー特性を有する緩衝部材で覆われていることを特徴とする。
上記緩衝部材は、ダイラタンシー特性を付与するポリマーベース材料または有機物質を含有した樹脂材料または多孔質材料からなることが好ましい。また、上記緩衝部材は、ダイラタンシー特性を付与する液状またはゲル状の物質が充填された袋体からなるものであってもよい。
ある好適な実施形態において、上記有機物質は、ゲル状物質からなり、緩衝部材は、衝撃を吸収して硬化したとき、ゲル状物質が結合することにより、熱伝導性がさらに付与される。
上記緩衝部材は、外装体の外表面または内表面に設けられていることが好ましい。また、上記緩衝部材は、外装体で構成されていてもよい。
なお、本発明における「ダイラタンシー特性」とは、非線形粘弾性の一種であり、通常は粘度が小さいが、流動の速度が大きくなると急激に粘度が増大する特性をいう。ダイラタンシー特性の典型的な例としては、瞬間的な衝撃が加わったときに、硬化する特性が挙げられる。
本発明によると、通常時は柔軟性が高く、衝撃を受けたときには電池を保護する機能が付加される、設計自由度の高い電池パックを提供することができる。
本発明の一実施形態における電池パックの構成を示した斜視図である。 図１の電池パックのＸ−Ｘ’に沿った断面図である。 電池パックに収納される単電池の構成を示した部分断面斜視図である。 複数の単電池を接続した組電池の構成を示した斜視図である。 本発明の他の実施形態における緩衝部材の構成を示した断面図である。 本発明の他の実施形態における緩衝部材の構成を示した断面図である。 本発明の他の実施形態における緩衝部材の構成を示した断面図である。 本発明の他の実施形態における緩衝部材の構成を示した断面図である。 本発明の他の実施形態における緩衝部材の構成を示した断面図である。 本発明の他の実施形態における緩衝部材の構成を示した断面図である。 本発明の他の実施形態における緩衝部材の構成を示した断面図である。 本発明の他の実施形態における緩衝部材の構成を示した断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の他の実施形態における緩衝部材の構成を示した斜視図である。 本発明の他の実施形態における緩衝部材の構成を示した断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
図１は、本発明の一実施形態における電池パック１の構成を示した斜視図である。また、図２は、図１に示す電池パック１のＸ−Ｘ’に沿った断面図である。
図１に示すように、電池パック１は、略直方体の箱状の筐体２の内部に、複数の円筒形の単電池３が電気的に接続されて構成された組電池４を収納している。
図２に示すように、筐体２は、電池パックの外装体７と、ダイラタンシー特性を有する緩衝部材（保護層）８とで構成されている。本実施形態では、外装体７の外表面を、緩衝部材８で覆うことによって、複数の単電池３が、緩衝部材８で覆われた状態になっている。
ここで、外装体７は、例えば、鉄、ニッケル、アルミニウム、チタン、銅、ステンレス等、不燃材料である金属や、液晶性全芳香族ポリエステル、ポリエーテルサルホン、芳香族ポリアミドなどの耐熱性のある樹脂、または金属と樹脂との積層体を用いて構成されている。
また、緩衝部材８は、ダイラタンシー特性を付与するポリマーベース材料または有機物質を含有した樹脂材料または多孔質材料からなる。
例えば、緩衝部材８は、ポリウレタン発泡体又はセルロース発泡体等の連続気泡発泡体の空孔中に、ダイラタンシー特性を付与するポリマーベース材料を含有させた複合材料で構成されている。
ダイラタンシー特性を付与するポリマーベース材料としては、例えば、シリコーン・バウンシング・パテ（silicon bouncing putties）が挙げられる。ここで、シリコーン・バウンシング・パテは、ジメチルシロキサンをホウ酸を触媒として重合してなるホウ素含有シロキサンポリマーである。この材料は、変形速度に敏感な、せん断増粘性の材料であり、低速のひずみ変形では粘性流になるが、高速のひずみ変形では、十分な粘度上昇を果たす。
また、ダイラタンシー特性を付与する有機材料としては、例えば、粘性流体中の固体粒子の分散液とした液状もしくはゲル状の物質が挙げられる。なお、これらの有機材料は、袋体に充填されて、緩衝部材８を構成することができる。
袋体としては、軽量で柔軟性を持ち、比較的加工が容易な樹脂材料が望ましく、例えば、フィルム、シート、ファイバー等の形状に加工したものを用いることができる。また、樹脂材料を、中空体または発泡体に加工することにより、樹脂内部にダイラタンシー特性を付与する有機材料を内封させることも可能である。
本発明によれば、複数の単電池３を、ダイラタンシー特性を有する緩衝部材８で覆うことによって、電池パック１が外部から衝撃を受けたときに、緩衝部材８が硬化することによって、単電池３を衝撃から保護することができる。また、緩衝部材８は、ダイラタンシー特性を付与するポリマーベース材料または有機物質を含有した樹脂材料または多孔質材料で構成することができるため、通常時は、軽量、かつ柔軟な形態で利用することができる。これにより、安全で、設計自由度の高い電池パック１を実現することができる。
なお、ダイラタンシー特性を付与する有機物質として、ゲル状物質を用いた場合、緩衝部材８は、衝撃を吸収して硬化したとき、ゲル状物質が結合することにより、熱伝導性をさらに付与することができる。これにより、電池パックに過度の衝撃が加わって、単電池に内部短絡等が生じて単電池が発熱しても、熱伝導性が付与された緩衝部材８を介して、発生した熱を外部に逃がすことができる。その結果、内部短絡が生じた単電池以外の正常な単電池の温度上昇による熱暴走を防止することができる。
このようなゲル状物質としては、例えば、熱伝導性シリコーングリース等を挙げることができる。具体的には、シリコーンポリマーに、アルミニウム、銀、銅、ニッケル、酸化亜鉛、アルミナ、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化珪素、ダイヤモンド、グラファイト、カーボンナノチューブ、金属珪素、カーボンファイバー、フラーレン等の熱伝導性材料を、少なくとも１種類以上含む材料が挙げられる。
図３は、電池パック１に収納される単電池３の構成を模式的に示した部分断面斜視図である。なお、本発明において、電池パック１に収納される単電池３の種類は、特に制限されない。図３に例示する単電池３は、円筒形のリチウムイオン二次電池である。
図３に示すように、正極板１７と負極板１９とが、セパレータ２１を介して捲回された電極群２８が、電解液（不図示）とともに、電池ケース２４内に収容されている。電極群２８の上下には、絶縁板２２、２３がそれぞれ配設され、電池ケース２４の開口部は、ガスケット２５、封口板２６、及び正極端子２７とで封口されている。また、正極板１７は、正極リード１８を介して、封口板２６及び正極端子２７に接続され、負極板１９は、負極リード２０を介して、負極端子を兼ねる電池ケース２４の底部に接続されている。
封口板２６の中央には、円形の溝２９が形成されており、電池ケース２４内でガスが発生して内部圧力が所定の圧力を超えると、溝２９が破断するようになっている。また、正極端子２７の凸部には、開口部３０（放出口）が設けられており、溝２９が破断したとき、電池ケース２４内で発生したガスは、開口部３０から外部へ放出させるようになっている。
正極板１７は、アルミニウム箔等からなる正極集電体の表面に、正極活物質が塗布されている。正極活物質は、リチウムを含む遷移金属含有複合酸化物、例えば、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2等の遷移金属含有複合酸化物を使用することができる。
負極板１９は、銅箔等の金属箔からなる負極集電体の表面に、負極活物質が塗布されている。負極活物質は、炭素材料、リチウム含有複合酸化物、リチウムと合金化可能な材料等、リチウムを可逆的に吸蔵放出可能な材料、及び金属リチウム等を使用することができる。
図４は、複数の単電池３を接続した組電池４の構成を示した斜視図である。
図４に例示した組電池４は、複数の単電池３が、接続板１２によって直列接続されて構成されている。単電池３の外周は、絶縁シート１３が巻かれており、組電池４の両端にある単電池３からは、外部機器への接続用の接続リード線１４が延出している。なお、組電池４を構成する単電池３は、並列接続されていてもよい。
本発明では、図２に示したように、複数の単電池３を、ダイラタンシー特性を有する緩衝部材８で覆うことによって、電池パック１が外部から衝撃を受けたときに、緩衝部材８が硬化することにより、単電池３を衝撃から保護することができる。
ここで、緩衝部材８が、複数の単電池３を覆う形態は、図２に示した構成に限定されず、様々な形態を取り得る。
以下、図５〜図１４を参照しながら、他の実施形態における緩衝部材８の構成を説明する。
図５に示す電池パック１は、緩衝部材８を電池パック１の外装体で構成したものである。例えば、緩衝部材８は、ダイラタンシー特性を付与する有機物質を含有させたプラスチック、ゴム、もしくは繊維を織り込んだ樹脂材料で構成することができる。この場合、緩衝部材８は、電池パック１の外装体として、単電池３を保護する役目も果たす。
図６に示す電池パック１は、外装体７の表面の一部に緩衝部材８を取り付けたものである。例えば、外装体７の強度が脆弱な部分に緩衝部材８を取り付けることにより、効果的に衝撃を吸収することができる。
図７に示す電池パック１は、外装体７の内側に緩衝部材８を取り付けたものである。外観上、緩衝部材８が電池パック１内部に隠れるため、外装体７の形状や機能を維持することができる。
図８に示す電池パック１は、外装体７の内側の一部分に緩衝部材８を取り付けるとともに、緩衝部材８によって、単電池３の固定を図ったものである。これにより、単電池３をより安定して保護することができる。
図９に示す電池パック１は、外装体７と単電池３との空間にゲル状物質からなる緩衝部材８を充填したものである。これにより、単電池３をより安定して保護することができる。
図１０に示す電池パック１は、隣接する単電池３間に緩衝部材８を設けたものである。緩衝部材８を、単電池３を仕切る収納壁としても機能させることにより、単電池３を衝撃から保護するとともに、外装体７の構造をより強固にすることができる。
図１１に示す電池パック１は、外装体７の内部に、空孔を有する基材３２を充填し、空孔内にダイラタンシー特性を付与する有機物質を充填させたものである。基材３２は、発泡スチロールやセラミック多孔体等を用いることができ、ダイラタンシー特性を付与する有機材料は、液状またはゲル状のものが好ましい。
図１２に示す電池パック１は、緩衝部材８を、ダイラタンシー特性を付与する液状またはゲル状の物質が充填された袋体で構成したものである。袋体は、例えば、アルミニウム箔製の袋を用いることができる。
また、図１３、１４に示すように、緩衝部材８は、単電池３もしくは組電池４の外周に、直接取り付けてもよい。
図１３（ａ）は、円筒形の単電池３の外周に緩衝部材８を取り付けて例を示し、図１３（ｂ）は、角形の単電池３の外周に緩衝部材８を取り付けて例を示す。また、図１４は、組電池４の外周に緩衝部材８を取り付けて例を示す。
以下に、図３に示したリチウムイオン二次電池を用いて電池パックを構成した実施例を説明する。
（１）正極板の作製
正極活物質としてコバルト酸リチウム粉末（８５質量部）、導電剤として炭素粉末（１０質量部）、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）（５質量部）のＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰと略す）溶液を混合して、正極合剤を作製した。この正極合剤を、厚み１５μｍのアルミニウム箔からなる集電体に塗布し、乾燥させた後に圧延して、厚みが１００μｍの正極板１７を作製した。
（２）負極板の作製
負極活物質として人造黒鉛粉末（９５質量部）、及び結着剤としてＰＶＤＦ（５質量部）のＮＭＰ溶液を混合して、負極合剤を作製した。この負極合剤を、厚み１０μｍの銅箔からなる集電体に塗布し、乾燥させた後に圧延して、厚みが１１０μｍの負極板１９を作製した。
（３）非水電解液の調整
非水溶媒として、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを体積比１：１で混合し、これに、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）が１ｍｏｌ／Ｌになるように溶解させて、１５ｍｌの非水電解液を調整した。
（４）二次電池の作製
正極板１７と負極板１９とを、厚み２５μｍのセパレータ２１を介して捲回し、円筒状の電極群２８を作製した後、電極群２８を、非水電解液とともに金属製の電池ケース２４内に収容し、電池ケース２４の開口部を封口して、直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒形リチウムイオン二次電池３を作製した。電池の設計容量は２０００ｍＡｈであった。なお、電池ケース２４の外周は、厚み８０μｍのポリエチレンテレフタレート製の熱収縮チューブで覆った。
（５）組電池の製作
作製した二次電池３を４本、図４に示したように配列し、ニッケル製の厚み０．２ｍｍの接続板１２で直列接続した。さらに、直列接続された単電池３と電池パック１の端子とを導通させるための接続リード線１４を、両端の単電池３に取り付けて組電池４を製作した。
（６）電池パックの作製
作製した組電池４を外装体７に収納し、以下の実施例１〜１２、および比較例１の電池パック１を作製した。
（実施例１）
図２に示したように、外装体７の外周面に緩衝部材８を設けた構造の電池パック１を作製した。緩衝部材８としては、ダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料を含有させたプラスチックを使用し、厚みを０．３ｍｍとした。なお、ポリマーベース材料は、シリコーンオイルを主原料としホウ素を結合させた樹脂材料を用いた。また、外装体７にはエポキシ樹脂を用い、厚みを０．２ｍｍとした。
（実施例２）
図５に示したように、緩衝部材８を外装体で構成した構造の電池パック１を作製した。緩衝部材８としては、ダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料を含有させたプラスチックを使用し、厚みを０．５ｍｍとした。なお、ポリマーベース材料は、シリコーンオイルを主原料としホウ素を結合させた樹脂材料を用いた。
（実施例３）
図６に示したように、外装体７の表面の一部に緩衝部材８を取り付けた構成の電池パック１を作製した。緩衝部材８としては、ダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料を含有させたプラスチックを使用し、外形寸法を１５ｍｍ×５０ｍｍ、厚みを０．３ｍｍとした。なお、ポリマーベース材料は、シリコーンオイルを主原料としホウ素を結合させた樹脂材料を用いた。
（実施例４）
図７に示したように、外装体７の内側に緩衝部材８を取り付けた構成の電池パック１を作製した。緩衝部材８としては、ダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料を含有させたプラスチックを使用し、厚みを０．３ｍｍとした。なお、ポリマーベース材料は、シリコーンオイルを主原料としホウ素を結合させた樹脂材料を用いた。
（実施例５）
図８に示したように、外装体７の内側の一部分に緩衝部材８を取り付けるとともに、緩衝部材８によって、単電池３を固定した構成の電池パック１を作製した。緩衝部材８としては、ダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料を含有させたプラスチックを使用し、外形寸法を１５ｍｍ×５０ｍｍ、厚みを０．３ｍｍとした。なお、ポリマーベース材料は、シリコーンオイルを主原料としホウ素を結合させた樹脂材料を用いた。
（実施例６）
図９に示したように、外装体７と単電池３との空間にゲル状物質からなる緩衝部材８を充填した構成の電池パック１を作製した。緩衝部材８としては、シリコーンオイルを主原料としホウ素を結合させたダイラタンシー特性を有する樹脂材料を用いた。
（実施例７）
図１０に示したように、隣接する単電池３間に緩衝部材８を設けた構成の電池パック１を作製した。緩衝部材８としては、ダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料を含有させたプラスチックを使用し、外形寸法を１８ｍｍ×６５ｍｍ、厚みを０．５ｍｍとした。なお、ポリマーベース材料は、シリコーンオイルを主原料としホウ素を結合させた樹脂材料を用いた。
（実施例８）
図１１に示したように、外装体７の内部に、空孔を有する基材３２を充填し、空孔内にダイラタンシー特性を付与する有機物質を充填させた構成の電池パック１を作製した。基材３２には、発泡シリコーンを用い、緩衝部材８としては、ポリジオルガノシロキサンとホウ素を結合させたダイラタンシー特性を有する樹脂材料流体を用いた。
（実施例９）
図１２に示したように、緩衝部材８を、ダイラタンシー特性を付与するゲル状物質が充填された袋体で構成した電池パック１を作製した。緩衝部材８としては、ダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料を充填し密閉したアルミニウム箔製の袋を用いた。ダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料としては、石英砂を８０％、グリセリンを１６％、および水を４％混合したものを用いた。
（実施例１０）
図１３（ａ）に示したように、単電池３の外周に緩衝部材８を取り付けた構成の電池パック１を作製した。緩衝部材８としては、ダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料を含有させたプラスチックを使用し、厚みを０．３ｍｍとした。なお、ポリマーベース材料は、シリコーンオイルを主原料としホウ素を結合させた樹脂材料を用いた。
（実施例１１）
図１４に示したように、組電池４の外周に緩衝部材８を取り付けた構成の電池パック１を作製した。緩衝部材８としては、ダイラタンシー特性を示すポリマーベース材料を含有させたプラスチックを使用し、厚みを０．３ｍｍとした。なお、ポリマーベース材料は、シリコーンオイルを主原料としホウ素を結合させた樹脂材料を用いた。
（比較例１）
実施例１の電池パック１において、緩衝部材８のない構成の電池パック１を作製した。
以上の実施例および比較例で得られた各電池パックについて、以下の評価を行った。
（７）落下試験
安全性を確認するために、電池パック１を、高さ１６ｍの位置からコンクリート壁へ落下させる落下試験を実施した。表１は、その結果を示した表で、単電池３の破壊（ひび割れを含む）が発生しなかったものを○、破壊してしまったものを×で表している。
Figure 0005039866
実施例１〜１１は落下試験によって単電池３の破壊は発生しなかったが、比較例１では破壊された。このことから、緩衝部材８を有する電池パック１は、安全性が向上していることが分かる。
上記実施例では、電池パックのみの落下試験を行ったが、実際に、機器本体へ搭載した電池パックが衝撃を受けた場合においても、単電池が破壊されることにより発生する発熱や漏液等による機器本体の損傷も、最小限に抑制される。特に、落下破損しやすい携帯型電子機器や移動体通信機器、衝突により強い衝撃を受ける自動車には高い安全性の効果が見込まれる。
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては、単電池３をリチウムイオン二次電池としたが、これ以外の二次電池（例えばニッケル水素電池）であっても良い。
本発明は、電子機器、自動車、電動バイク又は電動遊具等の電源として有用である。
１ 電池パック
２ 筐体
３ 単電池
４ 組電池
７ 外装体
８ 緩衝部材
１２ 接続板
１３ 絶縁シート
１４ 接続リード線
１７ 正極板
１８ 正極リード
１９ 負極板
２０ 負極リード
２１ セパレータ
２２、２３ 絶縁板
２４ 電池ケース
２５ ガスケット
２６ 封口板
２７ 正極端子
２８ 電極群
２９ 溝
３０ 開口部
３２ 基材

Claims (9)

  1. 複数の単電池を接続した組電池が外装体内に収納されてなる電池パックであって、
    前記複数の単電池の少なくとも一部が、ダイラタンシー特性を有する緩衝部材で覆われている、電池パック。
  2. 前記緩衝部材は、ダイラタンシー特性を付与するポリマーベース材料または有機物質を含有した樹脂材料または多孔質材料からなる、請求項１に記載の電池パック。
  3. 前記緩衝部材は、ダイラタンシー特性を付与する液状またはゲル状の物質が充填された袋体からなる、請求項１に記載の電池パック。
  4. 前記有機物質は、ゲル状物質からなり、
    前記緩衝部材は、衝撃を吸収して硬化したとき、前記ゲル状物質が結合することにより、熱伝導性がさらに付与される、請求項３に記載の電池パック。
  5. 前記ゲル状物質は、シリコーンポリマーに、アルミニウム、銀、銅、ニッケル、酸化亜鉛、アルミナ、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化珪素、ダイヤモンド、グラファイト、カーボンナノチューブ、金属珪素、カーボンファイバー、フラーレンからなる群の中から選択された少なくとも１種の熱伝導性材料を含むものからなる、請求項４に記載の電池パック。
  6. 前記緩衝部材は、前記外装体の外表面または内表面に設けられている、請求項１に記載の電池パック。
  7. 前記緩衝部材は、前記外装体で構成されている、請求項１に記載の電池パック。
  8. 前記緩衝部材は、隣接する前記単電池間に設けられている、請求項１に記載の電池パック。
  9. 前記緩衝部材は、前記単電池の外周部に設けられている、請求項１に記載の電池パック。
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