特許 7487746 全固体電池モジュール、電子機器および全固体電池モジュールの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-13

(45)【発行日】2024-05-21

(54)【発明の名称】全固体電池モジュール、電子機器および全固体電池モジュールの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20240514BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20240514BHJP

   H01M 10/0562 20100101ALI20240514BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 A

H01M10/44 P

H01M10/0562

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021575671

(86)(22)【出願日】2021-01-08

(86)【国際出願番号】 JP2021000421

(87)【国際公開番号】W WO2021157281

(87)【国際公開日】2021-08-12

【審査請求日】2022-06-21

(31)【優先権主張番号】P 2020016867

(32)【優先日】2020-02-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100123973

【弁理士】

【氏名又は名称】杉浦 拓真

(74)【代理人】

【識別番号】100082762

【弁理士】

【氏名又は名称】杉浦 正知

(72)【発明者】

【氏名】森 靖

【審査官】右田 勝則

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１５７４４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３０６７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００３－５０３９９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０１Ｍ １０／４４

Ｈ０１Ｍ １０／０５６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

全固体電池と、
前記全固体電池の正極に接続される第１の電気経路と、
前記全固体電池の負極に接続される第２の電気経路と、
前記全固体電池が実装された回路基板と、
前記第１の電気経路または前記第２の電気経路上に接続される充放電制御スイッチと、
前記充放電制御スイッチのオン／オフを制御し、前記全固体電池が電位を有しない状態では前記充放電制御スイッチをオフする保護ＩＣと、
を有し、
前記充放電制御スイッチと前記正極との間または前記充放電制御スイッチと前記負極との間に、所定の充電端子が接続されている
全固体電池モジュール。

【請求項2】

ケースと、
前記ケース内に収納される全固体電池モジュールと、
を有し、
前記全固体電池モジュールは、
全固体電池と、
前記全固体電池の正極に接続される第１の電気経路と、
前記全固体電池の負極に接続される第２の電気経路と、
前記全固体電池が実装された回路基板と、
前記第１の電気経路または前記第２の電気経路上に接続される充放電制御スイッチと、
前記充放電制御スイッチのオン／オフを制御し、前記全固体電池が電位を有しない状態では前記充放電制御スイッチをオフする保護ＩＣと、
を有し、
前記充放電制御スイッチと前記正極との間または前記充放電制御スイッチと前記負極との間に、所定の充電端子が接続されている
電子機器。

【請求項3】

前記充電端子は、前記ケースの外部からの使用を制限する処理が施されている
請求項２に記載の電子機器。

【請求項4】

前記充電端子が前記ケースから外部に露出しないように構成されている
請求項３に記載の電子機器。

【請求項5】

前記充電端子と前記全固体電池の正極または負極との間に第３の電気経路が設けられており、前記第３の電気経路が切断可能とされている
請求項３に記載の電子機器。

【請求項6】

電位を有しない全固体電池を、充放電制御スイッチのオン／オフを制御し、前記全固体電池が電位を有しない状態では前記充放電制御スイッチをオフする保護ＩＣを有する回路基板に実装する工程と、
前記全固体電池の正極に接続される第１の電気経路上または前記全固体電池の負極に接続される第２の電気経路上に接続される前記充放電制御スイッチと、前記全固体電池の正極または負極との間に接続される所定の充電端子を介して前記全固体電池を充電し活性化させる工程と
を含む全固体電池モジュールの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、全固体電池モジュール、電子機器および全固体電池モジュールの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電池を基板にリフロー装置で実装する場合、他の電子部品もリフロー前のため、電気的に接続されていない。リフロー時に電池が充電状態であると、半田ペーストが溶けて電子部品と基板ランドとが接続された際に、電子部品に電池からの電位がかかる。ＩＣ(Integrated Circuit)等の電子部品は通常、実装された後、グランドが接続された状態で電源が入ることを前提に作られているため、グランドが接続されていない状態で他の端子に電位が印加されると故障する可能性がある。かかる点に鑑み、下記の特許文献１に記載の技術では、略０Ｖの放電状態の電池を基板に実装した後に、当該電池を充電するようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開２００７／０８６２８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の技術では、電池を略０Ｖの放電状態にする必要がある。一度、充電された電池を略０Ｖまで放電してしまうことは、電池を劣化させる虞がある。また、今後、普及が見込まれる全固体電池は、基板にそのまま実装されることが多くなると考えられる。全固体電池を含むモジュールは、通常、安全性を確保するための動作を行う保護ＩＣを有している。保護ＩＣには、０Ｖ程度の電池への充電を禁止する機能が搭載されていることが一般的である。このため、０Ｖ程度の全固体電池をリフロー等によって基板に実装したとしても、保護ＩＣの動作によって当該全固体電池を充電することができず、電池として使用を開始することができないという問題があった。

【0005】

したがって、本発明は、全固体電池を劣化させることなく、且つ、当該全固体電池を安全に使用開始することができる全固体電池モジュール、電子機器および全固体電池モジュールの製造方法を提供することを目的の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、
全固体電池と、
全固体電池の正極に接続される第１の電気経路と、
全固体電池の負極に接続される第２の電気経路と、
全固体電池が実装された回路基板と、
第１の電気経路または第２の電気経路上に接続される充放電制御スイッチと、
充放電制御スイッチのオン／オフを制御し、全固体電池が電位を有しない状態では充放電制御スイッチをオフする保護ＩＣと、
を有し、
充放電制御スイッチと正極との間または充放電制御スイッチと負極との間に、所定の充電端子が接続されている
全固体電池モジュールである。

【0007】

本発明は、
ケースと、
ケース内に収納される全固体電池モジュールと、
を有し、
全固体電池モジュールは、
全固体電池と、
全固体電池の正極に接続される第１の電気経路と、
全固体電池の負極に接続される第２の電気経路と、
全固体電池が実装された回路基板と、
第１の電気経路または第２の電気経路上に接続される充放電制御スイッチと、
充放電制御スイッチのオン／オフを制御し、全固体電池が電位を有しない状態では充放電制御スイッチをオフする保護ＩＣと、
を有し、
充放電制御スイッチと正極との間または充放電制御スイッチと負極との間に、所定の充電端子が接続されている
電子機器である。

【0008】

本発明は、
電位を有しない全固体電池を、充放電制御スイッチのオン／オフを制御し、全固体電池が電位を有しない状態では充放電制御スイッチをオフする保護ＩＣを有する回路基板に実装する工程と、
全固体電池の正極に接続される第１の電気経路上または全固体電池の負極に接続される第２の電気経路上に接続される充放電制御スイッチと、全固体電池の正極または負極との間に接続される所定の充電端子を介して全固体電池を充電し活性化させる工程と
を含む全固体電池モジュールの製造方法である。

【発明の効果】

【0009】

本発明の少なくとも実施形態によれば、全固体電池を劣化させることなく、且つ、当該全固体電池を安全に使用開始することができる。なお、本明細書で例示された効果により本発明の内容が限定して解釈されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、一般的な全固体電池モジュールの構成を説明するための図である。

【図2】図２は、一実施形態にかかる全固体電池モジュールの構成例を示す図である。

【図3】図３は、一実施形態にかかる充電端子が使用できないようにされた処理の一例が説明される際に参照される図である。

【図4】図４は、変形例を説明するための図である。

【図5】図５は、応用例を説明するための図である。

【図6】図６は、応用例を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態等について図面を参照しながら説明する。なお、説明は以下の順序で行われる。
＜一般的な全固体電池モジュールの構成＞
＜一実施形態＞
＜変形例＞
以下に説明する実施形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。

【0012】

＜一般的な全固体電池モジュールの構成＞
始めに、本発明の理解を容易とするために、図１を参照しつつ、一般的な全固体電池モジュールについて説明する。図１に示すように、一般的な全固体電池モジュール（全固体電池モジュール１）は、保護ＩＣ２と、全固体電池３と、充電制御スイッチ４と、放電制御スイッチ５とを有している。全固体電池３の正極側からはパワーラインＰＬ１が導出されており、当該パワーラインＰＬ１には正極端子Ｔ１が接続されている。また、全固体電池３の負極側からはパワーラインＰＬ２が導出されており、当該パワーラインＰＬ２には負極端子Ｔ２が接続されている。

【0013】

全固体電池モジュール１は、全固体電池３が電位を有しない状態（０Ｖまたは略０Ｖの状態）で回路基板６に実装される。実装後、全固体電池３を電池として使用できる状態とする処理、すなわち、全固体電池３を活性化させる処理として、全固体電池３を充電する処理（以下、初期充電と適宜、称する）が行われる。初期充電は、正極端子Ｔ１および負極端子Ｔ２に対して充電装置を接続して行われる。初期充電は、例えば、全固体電池モジュール１の出荷前に行われる。

【0014】

しかしながら、全固体電池３が電位を有しない状態であるため、保護ＩＣ２が充電制御スイッチ４をオフにして全固体電池３への充電を禁止している。このため、全固体電池３に対する初期充電を行うことができず、全固体電池３を有する全固体電池モジュール１を使用開始することができないという問題がある。かかる問題に鑑みてなされた本発明の一実施形態について、以下、詳細に説明する。

【0015】

＜一実施形態＞
［全固体電池モジュールの構成例］
図２は、本実施形態にかかる全固体電池モジュール（全固体電池モジュール１００）の構成例を示す図である。図２に示すように、全固体電池モジュール１００は、保護ＩＣ１２と、全固体電池１３と、充放電制御スイッチ１４とを有している。充放電制御スイッチ１４は、充電制御スイッチ１４Ａと、放電制御スイッチ１４Ｂとを有している。

【0016】

全固体電池１３の正極には、第１の電気経路（電気回路の経路を意味する）の一例であるパワーラインＰＬＡが接続されており、当該パワーラインＰＬＡを介して正極端子ＴＡが導出されている。また、全固体電池１３の負極には、第２の電気経路の一例であるパワーラインＰＬＢが接続されており、当該パワーラインＰＬＢを介して負極端子ＴＢが導出されている。また、全固体電池モジュール１００は、全固体電池１３が実装される回路基板１６を有している。

【0017】

保護ＩＣ１２は、充放電制御スイッチ１４を適宜、オン／オフすることにより、充放電を制御する充放電制御部として機能する。例えば、保護ＩＣ１２が全固体電池１３に異常等なく問題なく充放電できると判断した場合には充電制御スイッチ１４Ａと放電スイッチ１４Ｂとをオンにする。また、保護ＩＣ１２は、全固体電池１３の電圧が過充電禁止電圧に達した場合等の充電を禁止する必要がある場合には、少なくとも充電制御スイッチ１４Ａをオフする。また、保護ＩＣ１２は、全固体電池１３の電圧が過放電禁止電圧に達した場合等の放電を禁止する必要がある場合には、少なくとも放電制御スイッチ１４Ｂをオフする。また、保護ＩＣ１２は、全固体電池１３が深放電して再充電禁止領域に達した場合には、充電制御スイッチ１４Ａおよび放電制御スイッチ１４Ｂをオフして充放電を停止する。なお、保護ＩＣ１２が、過電流検出等の他の公知の保護動作を行うようにしてもよい。

【0018】

全固体電池１３としては、例えば、リチウムイオン全固体電池、ナトリウムイオン全固体電池、カルシウムイオン全固体電池等の金属イオン全固体電池が挙げられる。本実施形態では、全固体電池１３として、公知の構造や公知の材料を有する全固定電池を適用することができる。なお、本明細書において全固体電池とは、少なくとも固体電解質層を有する二次電池をいい、その全ての構成が固体である必要は無い。

【0019】

充電制御スイッチ１４Ａおよび放電制御スイッチ１４Ｂは、保護ＩＣ１２によってオン／オフが制御されるスイッチである。充電制御スイッチ１４Ａおよび放電制御スイッチ１４Ｂとしては、例えば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）を使用することができる。なお、本実施形態では、充放電制御スイッチ１４は、パワーラインＰＬＡ上に接続されている。

【0020】

本実施形態にかかる全固体電池モジュール１００の特徴の一つとして、充放電制御スイッチ１４と全固体電池１３の正極との間に、第３の電気経路の一例であるパワーラインＰＬＣが接続されている。パワーラインＰＬＣを介して、端子ＴＣが導出されている。端子ＴＣは、初期充電を行う際に使用される所定の充電端子である。

【0021】

なお、正極端子ＴＡ、負極端子ＴＢおよび端子ＴＣの全部または一部は、全固体電池１３そのものから物理的に導出される端子でもよいし、回路基板１６上に形成されているランド等であってもよい。

【0022】

以上説明した全固体電池モジュール１００は、回路基板１６上に他の電子部品と共に実装される。全固体電池モジュール１００および他の適宜な電子部品が実装された回路基板１６が、種々の電子機器に対して適用される。

【0023】

［初期充電の方法］
次に、全固体電池モジュール１００に対する初期充電の方法について説明する。全固体電池モジュール１００に対して初期充電を行う場合には、充電器が端子ＴＣおよび負極端子ＴＢに接続されて初期充電が行われる。ここで、端子ＴＣからパワーラインＰＬＣを経由して全固体電池１３の正極までの電気経路には、充放電制御スイッチ１４が存在しない。このため、充電制御スイッチ１４Ａがオフであったとしても初期充電を行うことができる。

【0024】

上述した初期充電後には、通常と同様に、正極端子ＴＡおよび負極端子ＴＢが適宜な負荷に接続されて全固体電池モジュール１００が使用される。しかしながら、端子ＴＣが使用可能な状態であると、端子ＴＣを介して充電制御スイッチ１４Ａを経由しない充電が再度行われてしまったり、端子ＴＣから電力が出力されるため、好ましくない状態となり得る。

【0025】

そこで、本実施形態では、初期充電後に、端子ＴＣに対して、全固体電池モジュール１が収納されるケースの外部からの使用を制限する処理が施される。なお、使用を制限する処理とは、端子ＴＣを物理的に使用できない処理の他、端子ＴＣを実質的に使用できない処理、すなわち、端子ＴＣを使用しても、端子ＴＣを介して、全固体電池１３に電力が供給されたり、全固体電池１３の電力が出力されないようにする処理を含む。以下、かかる処理の具体例について説明する。

【0026】

例えば、図２に示す全固体電池モジュール１００が電子機器のケース（外装ケース）内に収納される。この場合には、端子ＴＣがケースの外部に露出しないように構成される。これにより、端子ＴＣが誤って使用されてり、ユーザーによって触れられたりすることを防止することができる。

【0027】

また、端子ＴＣを含む箇所に粘着シートやラベル等を貼付して隠すようにしてもよい。これにより、端子ＴＣが誤って使用されてり、ユーザーによって触れられたりすることを防止することができる。

【0028】

他の例として、切断可能とされたパワーラインＰＬＣが切断されてもよい。パワーラインＰＬＣは、例えば、レーザ等によってカットされ物理的に切断される。また、図３に示すように、パワーラインＰＬＣ上にヒューズ３１が接続されてもよい。ヒューズ３１としては、例えば、ＳＣＰ（Self Control Protector）を適用することができる。ＳＣＰは、ヒーター付ヒューズであり、電池（本例では、全固体電池１３）の電力によりヒーターを加熱することでヒューズを切断するデバイスである。ヒーターに電力を供給するタイミングを変化させることにより、任意のタイミングでヒューズを切断することができる。初期充電後の適宜なタイミングで保護ＩＣ１２がヒューズ３１を切断するための制御を行うことにより、パワーラインＰＬＣが切断される。これにより端子ＴＣが使用できなくされる。

【0029】

なお、上述した処理は、必ずしも独立して行われる必要は無く、組み合わされて行われてもよい。

【0030】

［製造方法］
全固体電池モジュール１００および当該全固体電池モジュール１００および他の電子部品を含む電子機器は、例えば、以下のようにして製造される。

【0031】

始めの工程において、電位を有しない全固体電池１３がリフロー等により回路基板１６に実装される。この工程において、全固体電池１３以外の電子部品が回路基板１６に実装されてもよい。
次の工程において、全固体電池１３の正極と接続される端子ＴＣと、負極端子ＴＢとを使用して、全固体電池１３を充電し活性化させる初期充電にかかる処理が行われる。なお、この工程を行う際に、パワーラインＰＬＣおよびパワーラインＰＬＣから導出される端子ＴＣを、充放電制御スイッチ１４の接続態様に対応するように、回路基板１６上にパターニングする処理が行われてもよい。
次の工程において、端子ＴＣが使用できないようにされた処理が行われる。

【0032】

［効果］
以上、説明した本実施形態にかかる全固体電池モジュール１００によれば、例えば、以下の効果を得ることができる。
リフロー等によって全固体電池１３を回路基板１６に実装する際に、全固体電池１３が電位を有しない状態であるため、他の電子部品に悪影響を与えてしまうことを防止することができる。また、実装時に全固体電池１３を深放電させる必要がなく、全固体電池１３が劣化してしまうことを防止することができる。
電位を有しない状態で回路基板１６に実装された全固体電池１３に対して、当該全固体電池１３を活性化させる初期充電を行うことができる。
初期充電後には、端子ＴＣが使用できないようにされた処理が施されるので、端子ＴＣを使用した再充電（保護回路としての充放電制御スイッチ１４を介さない充電）や、誤ってユーザーが端子ＴＣを触れてしまうこと等を防止することができる。したがって、全固体電池モジュール１００や全固体電池モジュール１００が適用される電子機器の安全性を確保しつつ、使用開始することができる。

【0033】

［応用例］
本発明にかかる全固体電池モジュール１００は、各種の電子機器、電動工具、電動車両等に搭載又は電力を供給するために使用することができる。

【0034】

具体的な応用例について説明する。例えば、上述した全固体電池モジュールは、携帯情報端末の機能を有するウェアラブル機器、いわゆるウェアラブル端末の電源として、使用することができる。ウェアラブル端末としては、例えば腕時計型端末、メガネ型端末などが挙げられるが、これに限定されるものではない。

【0035】

図５は、全固体電池モジュールを内蔵したウェアラブル端末の一例を示す。図５に示すように、応用例にかかるウェアラブル端末６３０は、腕時計型端末であり、その内部に電池パック６３２を有している。電池パック６３２として本発明にかかる全固体電池モジュールを適用することができる。ウェアラブル端末６３０は、ユーザーに装着されて使用できるものである。ウェアラブル端末６３０は、変形が可能なフレキシブルなものであってもよい。

【0036】

図６に示すように、応用例にかかるウェアラブル端末６３０は、電子機器本体の電子回路６３１と、電池パック６３２とを備える。電池パック６３２は、電子回路６３１に対して電気的に接続されている。ウェアラブル端末６３０は、例えば、ユーザーにより電池パック６３２を着脱自在な構成を有している。なお、ウェアラブル端末６３０の構成はこれに限定されるものではなく、ユーザーにより電池パック６３２をウェアラブル端末６３０から取り外しできないように、電池パック６３２がウェアラブル端末６３０内に内蔵されている構成を有していてもよい。

【0037】

電池パック６３２の充電時には、電池パック６３２の正極端子６３４Ａ、負極端子６３４Ｂがそれぞれ、充電器（図示せず）の正極端子、負極端子に接続される。一方、電池パック６３２の放電時（ウェアラブル端末６３０の使用時）には、電池パック６３２の正極端子６３４Ａ、負極端子６３４Ｂがそれぞれ、電子回路６３１の正極端子、負極端子に接続される。

【0038】

（電子回路）
電子回路６３１は、例えば、ＣＰＵ、周辺ロジック部、インターフェース部および記憶部等を備え、ウェアラブル端末６３０の全体を制御する。

【0039】

（電池パック）
電池パック６３２は、全固体電池セル６１０（実施形態における全固体電池１３）と、充放電回路６３３とを備える。

【0040】

本応用例では、電池パック６３２として本発明にかかる全固体電池モジュールを適用した例を示したが、電子機器本体の電子回路６３１に本案かかる全固体電池モジュールが搭載されていてもよい。

【0041】

＜変形例＞
以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、本発明の内容は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

【0042】

図４は、変形例にかかる全固体電池モジュール（全固体電池モジュール１００Ａ）の構成例を示している。上述した一実施形態では、充放電制御スイッチ１４がパワーラインＰＬＡに接続されていたが、パワーラインＰＬＢ上に接続されていてもよい。そして、充放電制御スイッチ１４と全固体電池１３の負極との間に、パワーラインＰＬＣが接続されていてもよい。パワーラインＰＬＣを介して、端子ＴＣが導出される。かかる全固体電池モジュール１００Ａの構成によっても一実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0043】

上述した実施形態、変形例で説明した事項は、適宜組み合わせることが可能である。また、実施形態で説明された材料、工程等はあくまで一例であり、例示された材料等に本発明の内容が限定されるものではない。

【符号の説明】

【0044】

１２・・・保護ＩＣ
１３・・・全固体電池
１４・・・充放電制御スイッチ
１６・・・回路基板
１００・・・全固体電池モジュール
ＰＬＡ，ＰＬＢ，ＰＬＣ・・・パワーライン
ＴＣ・・・端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】