JP2004214181A - リチウム二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 リチウム二次電池を提供する。
【解決手段】 本発明は、正極板、負極板及び前記正極板と負極板間に介在されたセパレータを具備する電極組立体を電解液と共に収容し、キャップ組立体によりその上端開口部が密封され、伝導性金属材で形成された缶と、この缶の外部底面に接合された底プレートと、一端部が缶の外部底面に接合され、他端部が安全装置と連結されて缶を安全装置と電気的に連結するリードプレートと、を具備するリチウム二次電池である。これにより、缶とリードプレートとが直接接合されるので電池の電圧降下を最小化できる。また、リードプレートを缶の外部底面に溶接する時、リードプレートの溶接位置が底プレートにより決定されるためにその作業性が改善される。
【選択図】 図３

Description

本発明はリチウム二次電池に係り、より詳細には電池の安全装置と缶との電気的連結構造を改善したリチウム二次電池に関する。

一般的にリチウム二次電池は再充電、かつ小型及び大容量化が可能なものであって、作動電圧が高くて単位重量当りエネルギー密度が高いという長所があって携帯電話、ノート型パソコン、カムコーダなどの先端電子機器分野で広く使われている。

前記リチウム二次電池は正極板、負極板及びセパレータを具備する発電要素、すなわち、電極組立体を電解液と共にアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成された缶に収納し、この缶の上端開口部をキャップ組立体により密封することによって形成される。前記缶をアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成する理由は、アルミニウムが鉄やその他伝導性金属に比べて軽くて電池を軽量化でき、高電圧下で長時間使用する時にも腐食されない点で優れるからである。このようなリチウム二次電池は通常上部に缶と絶縁された電極端子を具備し、この電極端子が電池のいずれか一極をなす。この時、電池の缶自体、例えば電池の底面が他極となる。

一方、前記リチウム二次電池は外部短絡、機械的な衝撃による内部短絡または過充放電などの場合、電圧が急上昇して電池が破裂される危険に晒されている。前記のような危険を回避するために、通常リチウム二次電池はＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子、サーマルヒューズ及び保護回路などの安全装置と電気的に連結されたまま電池パックに収納され、このような安全装置は電池の電圧が急上昇する時に電流を遮断して電池の破裂を未然に防止する。

このような電池の安全装置はリードにより電池の正極と負極とに連結されるが、このリードは通常リードとしての所定硬度及び伝導性を有するためにニッケルまたはニッケル合金や、ニッケルがメッキされたステンレス鋼を使用する。

ところで、ニッケルまたはニッケル合金で形成されたリードはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成された缶との溶接に多少問題が発生する。すなわち、ニッケルの不溶性のために超音波溶接が難しく、アルミニウムの優れた電気伝導度及び熱伝導度のために接合面での熱集中が難しくて抵抗溶接が非常に困難である。このためにレーザー溶接を行わねばならないが、このようなレーザー溶接はレーザービームが保護回路に伝導されてその信頼性を低下させるという問題を発生させる。

前記のような問題を解決するために、図１に示されたように、特許文献１にはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成された缶１の底面１ａにニッケルまたはニッケル合金で形成された底プレート２をあらかじめレーザー溶接により接合させ、この底プレート２にリード３を溶接棒５により溶接して保護回路４などの安全装置を連結する電池が開示されている。

ところで、開示された従来の二次電池ではアルミニウムより相対的に電気抵抗が高いニッケルまたはニッケル合金で形成された前記底プレート２を介してリード３を連結するために電気抵抗の増加による電池全体の電圧降下も増える。

また、底プレート２上にリード３を溶接する時、リード３の溶接位置に対する基準がないためにリード３の溶接位置を一定に維持するための追加的な工程が必要になり、このために作業性が落ちる。
米国特許第５，９７６，７２９号明細書

本発明は上記の問題点を解決するために創出されたものであって、電池の電圧降下を最小化して缶とリードとの溶接時にその作業性を向上させるために缶とリードとの連結構造を改善したリチウム二次電池を提供するところにその目的がある。

前記目的を達成するために本発明のリチウム二次電池は、正極板、負極板及び前記正極板と負極板間に介在されたセパレータを具備する電極組立体を電解液と共に収容し、キャップ組立体によりその上端開口部が密封され、伝導性金属材で形成された缶と、前記缶の外部底面に接合された底プレートと、一端部が前記缶の外部底面に接合され、他端部が安全装置と連結されて前記缶を安全装置と電気的に連結するリードプレートと、を具備する。

本発明の他の特徴によれば、前記リードプレートの一端部は前記缶の外部底面と前記底プレート間に介在される。

前記底プレートは前記缶の外部底面に溶接された溶接部と、収容部と前記缶の外部底面との間に前記リードプレートの一端部を収容する収容部と、を含むことが望ましい。この時、前記収容部は前記溶接部から折曲がるように延びる。

ここで、前記缶はアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されたことが望ましい。この時、前記リードプレートはニッケルまたはニッケル合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金よりなる群から選択された少なくともいずれか一つで形成される。一方、前記リードプレートはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されたクラッド層と、前記クラッド層上に形成され、かつニッケルまたはニッケル合金で形成されたリード層とを含むこともある。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記リードプレートと前記底プレートとは互いに分離され、前記缶の外部底面にそれぞれ接合される。

ここでも、前記缶はアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されたことが望ましい。この時、前記リードプレートはニッケルまたはニッケル合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金よりなる群から選択された少なくともいずれか一つで形成される。一方、前記リードプレートはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されたクラッド層と、前記クラッド層上に形成され、かつニッケルまたはニッケル合金で形成されたリード層とを含むこともある。

本発明によるリチウム二次電池によれば次のような効果を得られる。

第１に、缶とリードプレートとが直接接合されるために電池の電圧降下を最小化できる。

第２に、リードプレートの端部が底プレートの収容部と缶の外部底面間に挿入された後に溶接される本発明の一実施例によれば、リードプレートを缶に溶接する時にリードプレートの溶接位置が底プレートにより決定されるために作業性が改善される。

第３に、リードプレートの端部が底プレートと缶の外部底面間に介在されて溶接される本発明の一実施例によれば、リードプレートの端部が上、下両側で溶接されるためにその接合力が増加して信頼性が向上する。

以下、添付した図面を参照して本発明による望ましい実施例を詳細に説明する。

図２及び図３に示されたように、前記リチウム二次電池は缶１０と、この缶１０の内部に収容される電極組立体１２と、前記缶１０の上端開口部１０ｂを密封するキャップ組立体２０と、前記缶１０の一側に提供されるＰＴＣ素子５０及び／または保護回路７０などの安全装置と、電池の正極端子１０ａ（缶１０の底面）とＰＴＣ素子５０、電池の負極端子２４と保護回路７０とをそれぞれ電気的に連結するリード４１、６０、８０と、を具備する。

前記缶１０はほぼ直方体の形状を有する金属材で形成され、それ自体が端子の役割を行える。前記缶１０は軽量の伝導性金属であるアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成される。また、前記缶１０は、図２に示されたように、その一面が開口された開口部１０ｂを含み、この開口部１０ｂを通じて電極組立体１２が収容される。そして、前記缶１０の底面１０ａには安全ベント１１が形成されている。このような安全ベント１１は前記底面１０ａの中央部に所定サイズで形成された部分であって、前記缶１０の他の部分より薄く成形されている。前記安全ベント１１は電池の過充電などにより内圧が上昇すれば他の部分より先に破断されることによって電池の安全性を向上させる役割をしている。

前記電極組立体１２は正極板１３と、負極板１５及びセパレータ１４を含む。前記正極板１３及び負極板１５はセパレータ１４を介在して積層された後、ゼリーロール状に巻き取られる。前記正極板１３には正極リード１６が溶接されており、この正極リード１６の端部は前記電極組立体１２の上方に突出している。前記負極板１５にも負極リード１７が溶接されており、この負極リード１７の端部も前記電極組立体１２の上方に突出している。

前記キャップ組立体２０にはキャッププレート２１が設けられている。前記キャッププレート２１は前記缶１０の上端開口部１０ｂと相応するサイズ及び形状を有する金属板である。前記キャッププレート２１の中央には所定サイズの端子通り孔２１ａが形成されている。前記端子通り孔２１ａには電極端子、例えば負極端子２４が挿入可能に位置している。前記負極端子２４の外面には負極端子２４とキャッププレート２１との絶縁のためにチューブ型のガスケット２３が設置されている。前記キャッププレート２１の下面には絶縁プレート２５が設置されている。前記絶縁プレート２５の下面には端子プレート２６が設置されている。前記負極端子２４の底面部は前記端子プレート２６と電気的に連結されている。前記電極組立体１２の上部には前記電極組立体１２とキャップ組立体２０との電気的絶縁のために絶縁ケース２７が設置されている。そして、キャップ組立体２０を缶１０の開口部１０ｂに溶接させた後にはキャッププレート２１に形成された電解液注入口２１ｂを通じて電解液を注入した後、プラグ２２を通じてこれを密封する。

このように密封されたリチウム二次電池において、図３及び図４に示されたように、正極端子の役割を行う缶１０の外部底面１０ａとＰＴＣ素子５０とはリードプレート４１により電気的に連結されており、ＰＴＣ素子５０と保護回路７０間及び保護回路７０と負極端子２４間もリード６０、８０により電気的に連結されている。ただし、図３及び図４に図示された安全装置５０、７０と正極及び負極端子１０ａ、２４間の電気的連結構造は例示的なものであって、前記缶１０の外部底面１０ａはＰＴＣ素子５０なしに直接保護回路７０に連結されることもあり、また保護回路７０やＰＴＣ素子５０のうちいずれか一つだけ採用されることもある。

前記のように構成されたリチウム二次電池において、前記缶１０の外部底面１０ａには、図３に示されたように、底プレート３０が溶接される。前記底プレート３０は安全ベント１１が形成された缶１０の外部底面１０ａを保護するために安全ベント１１が形成された底面１０ａをカバーできるサイズ及び幅を有している。このような底プレート３０は伝導性に優れた金属板、例えばニッケルまたはニッケル合金で形成できる。

このような本発明の一実施例で、前記リードプレート４１は前記缶１０の外部底面１０ａに直接接合される。すなわち、リードプレート４１はアルミニウム材より伝導性が落ちるニッケル材で形成された底プレート３０を介さずに缶１０と安全装置とを電気的に連結する。したがって、底プレート３０の抵抗による電池の電圧降下を低減することができる。

ここで、本発明の一特徴によれば、図３及び図４に示されたように、前記リードプレート４１の一端部４１ａは前記缶１０の外部底面１０ａと底プレート３０間に介在される。このために、前記底プレート３０は缶１０の外部底面１０ａに溶接される溶接部３１と、前記缶１０の外部底面１０ａとの間に前記リードプレート４１の一端部４１ａを収容する収容部３２と、を含むように構成される。

ここで、前記収容部３２は、図３及び図４に示されたように、溶接部３１から折曲がって延びる。したがって、リードプレート４１を缶１０の外部底面１０ａに溶接する時、リードプレート４１は底プレート３０によりその溶接位置が一定に維持されるために作業性が改善される。ただし、図３及び図４に図示された収容部３２の構造は例示的なものであって、前記収容部３２はリードプレート４１の端部４１ａを収容できるものであれば、いかなる構造でもよい。

前記リードプレート４１はアルミニウムより電気伝導度及び熱伝導度が低いニッケルまたはニッケル合金で形成される。この時、前記底プレート３０の収容部３２とリードプレート４１間、及び前記缶１０の外部底面１０ａとリードプレート４１間はそれぞれ抵抗溶接される。このような抵抗溶接によって、ニッケル材で形成された底プレート３０の収容部３２とニッケル材で形成されたリードプレート４１間は、アルミニウム材で形成された缶１０の外部底面１０ａとニッケル材で形成されたリードプレート４１間より相対的に強く抵抗溶接される。そして、リードプレート４１はその上、下両側で底プレート３０及び缶１０の外部底面１０ａとそれぞれ溶接されるので、缶１０とリードプレート４１との安定した接合が保証されて信頼性が向上する。

また、前記リードプレート４１はニッケルより溶融性に優れたアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されることもある。この時、前記底プレート３０の収容部３２とリードプレート４１間、及び前記缶１０の外部底面１０ａとリードプレート４１間はそれぞれ超音波溶接される。このような超音波溶接によって、アルミニウム材で形成された缶１０の外部底面１０ａとアルミニウム材で形成されたリードプレート４１間はニッケル材で形成された底プレート３０の収容部３２とアルミニウム材で形成されたリードプレート４１間より相対的に強く超音波溶接される。ここでも、リードプレート４１はその上、下両側で底プレート３０及び缶１０の外部底面１０ａとそれぞれ溶接されるので、缶１０とリードプレート４１との安定した接合が保証されて信頼性が向上する。

一方、図５には図４に図示されたリードプレートの他の実施例を表した断面図が図示されている。ここで、図４に表した参照符号と同じ参照符号は同じ構成及び作用を有する同じ部材を表すので反復的な説明は省略する。

図示されたように、前記リードプレート４２は、缶１０の外部底面１０ａに接合され、かつアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されたクラッド層４２ａと、このクラッド層４２ａ上に形成されて前記底プレート３０に接合され、かつニッケルまたはニッケル合金で形成されたリード層４２ｂと、を含む。

ここで、前記底プレート３０の収容部３２とリードプレート４２のリード層４２ｂ間及び前記缶１０の外部底面１０ａとリードプレート４２のクラッド層４２ａ間はそれぞれ超音波溶接される。このような超音波溶接によって、アルミニウム材で形成された缶１０の外部底面１０ａとアルミニウム材で形成されたリードプレート４２のクラッド層４２ａ間は、ニッケル材で形成された底プレート３０の収容部３２とニッケル材で形成されたリードプレート４２のリード層４２ｂ間より相対的に強く超音波溶接され、リードプレート４２はその上、下両側で溶接されるので缶１０とリードプレート４２との安定した接合が保証されて信頼性が向上する。

また、前記底プレート３０の収容部３２とリードプレート４２のリード層４２ｂ間及び前記缶１０の外部底面１０ａとリードプレート４２のクラッド層４２ａ間はそれぞれ抵抗溶接されることもある。このような抵抗溶接によって、ニッケル材で形成された底プレート３０の収容部３２とニッケル材で形成されたリードプレート４２のリード層４２ｂ間は十分な接着力を有するように強く溶接されて、缶１０とリードプレート４２との安定した接合を保証する。

以下、本発明の望ましい第２実施例を説明する。

図６は本発明の第２実施例によるリチウム二次電池を表した分解斜視図であり、図７は図６の結合断面図である。ここで、図３及び図４に表した参照符号と同じ参照符号は同じ構成及び作用を有する同一部材を表すので反復的な説明は省略する。

図面を参照すれば、前記リードプレート４１０と底プレート３００とは互いに分離されて、前記缶１０の外部底面１０ａにそれぞれ接合される。すなわち、前記リードプレート４１０の一端部４１０ａは前記底プレート３００とは互いに接触せず、缶１０の外部底面１０ａにのみ接合される。ここでも、前記缶１０はアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成される。また、前記底プレート３００は安全ベント１１が形成された缶１０の外部底面１０ａを保護して、ニッケルまたはニッケル合金で形成される。前記リードプレート４１０の他端部４１０ｂはＰＴＣ素子５０などの安全装置と電気的に連結される。

ここで、前記リードプレート４１０は前記ニッケルより溶融性に優れたアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成される。この時、缶１０の外部底面１０ａとリードプレート４１０間は超音波溶接される。このような超音波溶接によって、アルミニウム材で形成された缶１０の外部底面１０ａとアルミニウム材で形成されたリードプレート４１０とは十分な接合力を有するように溶接される。

一方、図８には図７に図示されたリードプレートの他の実施例を表した断面図が図示されている。ここで、図７に表した参照符号と同じ参照符号は同じ構成及び作用を有する同一部材を表すので反復的な説明は省略する。

図示されたように、前記リードプレート４２０は、缶１０の外部底面１０ａに接合され、かつアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されたクラッド層４２０ａと、このクラッド層４２０ａ上に形成され、かつニッケルまたはニッケル合金で形成されたリード層４２０ｂと、を含む。

ここで、前記缶１０の外部底面１０ａとリードプレート４２０のクラッド層４２０ａ間は超音波溶接される。このような超音波溶接によって、アルミニウム材で形成された缶１０の外部底面１０ａとアルミニウム材で形成されたリードプレート４２０のクラッド層４２０ａ間は十分な接合力を有するように溶接される。

本発明は添付した図面に図示された実施例を参考として説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者であればこれより多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるという点を理解できる。したがって、本発明の真の保護範囲は特許請求の範囲の技術的思想により決まらねばならない。

本発明は携帯電話、ノート型パソコン、カムコーダなどの先端電子機器分野に使用されるリチウム二次電池に適用でき、それ以外にも１次電池など多様な電池にも広く適用できる。

従来の二次電池の一例を表した断面図である。 本発明の一実施例によるリチウム二次電池を表した分離斜視図である。 図２のリチウム二次電池に安全装置が結合された状態を表した分離斜視図である。 図３に図示された安全装置の結合断面図である。 図４に図示された安全装置の他の実施例を表した断面図である。 本発明の第２実施例によるリチウム二次電池を表した分離斜視図である。 図６に図示された安全装置の結合断面図である。 図７に図示された安全装置の他の実施例を表した断面図である。

符号の説明

１０ 缶
１０ａ 正極端子
１１ 安全ベント
２１ キャッププレート
２２ プラグ
２３ ガスケット
２４ 負極端子
３０ 底プレート
３１ 溶接部
３２ 収容部
４１ リードプレート
４１ａ、４１ｂ 端部
５０ ＰＴＣ素子
６０、８０ リード
７０ 保護回路

Claims (17)

1. 正極板、負極板及び前記正極板と負極板間に介在されたセパレータを具備する電極組立体を電解液と共に収容し、キャップ組立体によりその上端開口部が密封され、伝導性金属材で形成された缶と、前記缶の外部底面に接合された底プレートと、一端部が前記缶の外部底面に接合され、他端部が安全装置と連結されて前記缶を安全装置と電気的に連結するリードプレートと、を具備することを特徴とするリチウム二次電池。
2. 前記リードプレートの一端部は前記缶の外部底面と前記底プレートとの間に介在されたことを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
3. 前記底プレートは前記缶の外部底面に溶接された溶接部と、収容部と前記缶の外部底面との間に前記リードプレートの一端部を収容する収容部と、を含むことを特徴とする請求項２に記載のリチウム二次電池。
4. 前記収容部は前記溶接部から折曲がって延びたことを特徴とする請求項３に記載のリチウム二次電池。
5. 前記缶はアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されたことを特徴とする請求項２ないし４のうちいずれか１項に記載のリチウム二次電池。
6. 前記リードプレートはニッケルまたはニッケル合金で形成されたことを特徴とする請求項５に記載のリチウム二次電池。
7. 前記リードプレートと前記底プレートとの間、及び前記リードプレートと前記缶の外部底面との間は抵抗溶接されたことを特徴とする請求項６に記載のリチウム二次電池。
8. 前記リードプレートはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されたことを特徴とする請求項５に記載のリチウム二次電池。
9. 前記リードプレートと前記底プレートとの間、及び前記リードプレートと前記缶の外部底面との間は超音波溶接されたことを特徴とする請求項８に記載のリチウム二次電池。
10. 前記リードプレートはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されたクラッド層と、前記クラッド層上に形成され、かつニッケルまたはニッケル合金で形成されたリード層と、を含むことを特徴とする請求項５に記載のリチウム二次電池。
11. 前記リード層と前記底プレートとの間、及び前記クラッド層と前記缶の外部底面との間は抵抗溶接または超音波溶接されたことを特徴とする請求項１０に記載のリチウム二次電池。
12. 前記リードプレートと前記底プレートとは互いに分離され、前記缶の外部底面にそれぞれ接合されたことを特徴とする請求項２に記載のリチウム二次電池。
13. 前記缶はアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されたことを特徴とする請求項１２に記載のリチウム二次電池。
14. 前記リードプレートはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されたことを特徴とする請求項１３に記載のリチウム二次電池。
15. 前記リードプレートと前記缶の外部底面との間は超音波溶接されたことを特徴とする請求項１４に記載のリチウム二次電池。
16. 前記リードプレートはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されたクラッド層と、前記クラッド層上に形成され、かつニッケルまたはニッケル合金で形成されたリード層と、を含むことを特徴とする請求項１３に記載のリチウム二次電池。
17. 前記クラッド層と前記缶の外部底面との間は超音波溶接されたことを特徴とする請求項１６に記載のリチウム二次電池。
    
    

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