JP2004311395A - 保護素子及びこれを備えたリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】保護素子及びこれを具備したリチウム二次電池を提供する。
【解決手段】温度が上昇すれば、抵抗が高まって流入される電流を遮断するＰＴＣ素子と、このＰＴＣ素子に連結された入力端子であり、伝導性金属材で形成された第１リードと、ＰＴＣ素子から連結されて出てきた出力端子であり、第１リードとは相異なる伝導性金属材で形成された第２リードと、を備える保護素子及びこれを備えたリチウム二次電池が開示される。本発明によれば、従来必要とした底プレートが削除されたために、電池の製造工程が単純化し、これにより、製造コストも節減される。また、缶とリード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。
【選択図】図２
【解決手段】温度が上昇すれば、抵抗が高まって流入される電流を遮断するＰＴＣ素子と、このＰＴＣ素子に連結された入力端子であり、伝導性金属材で形成された第１リードと、ＰＴＣ素子から連結されて出てきた出力端子であり、第１リードとは相異なる伝導性金属材で形成された第２リードと、を備える保護素子及びこれを備えたリチウム二次電池が開示される。本発明によれば、従来必要とした底プレートが削除されたために、電池の製造工程が単純化し、これにより、製造コストも節減される。また、缶とリード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。
【選択図】図２
Description
本発明は保護素子及びこれを備えたリチウム二次電池に係り、より詳細には電池の保護素子と缶の電気的な連結構造を改善したリチウム二次電池とに関する。
通常的にリチウム二次電池は、再充電が可能で小型及び大容量化が可能であるものであって、作動電圧が高くて単位重量当りのエネルギー密度が高いという長所のため、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備える発電要素、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って密封することで形成される。
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れ以外の伝導性金属に比べて重さが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が優れるためである。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備え、この電極端子が電池の何れか一極をなす。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の場合、電圧が急上昇し、電池が破裂される危険に露出されている。前記のような危険を解消するために、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のような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あらかじめ防止する。
このような電池の安全装置は、リードによって電池の正極と負極とに連結するが、このリードは通常リードとしての所定軽度と伝導性とを有させ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。
しかし、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しうる。すなわち、ニッケルの不溶性によって超音波溶接が難しく、アルミニウムの優秀な電気伝導度及び熱伝導度によって接合面での熱の集中が難しいため、抵抗溶接が非常に難しい。このため、レーザ溶接を行なわなければならないが、このようなレーザ溶接はレーザ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溶接によって接合させ、この底プレート２にリード３を溶接棒５で溶接して保護回路４のような安全装置を連結する電池が開示されている。
しかし、開示された従来の二次電池では底プレート２を媒介して缶１とリード３とを連結するため、工程が複雑になり、電池の製造コストも上昇する。
また、アルミニウムより相対的に電気抵抗の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を媒介してリード３を連結するため、電気抵抗の上昇による電池全体の電圧降下も大きくなる。
米国特許第５，９７６，７２９号公報
本発明は前記問題点を勘案して創出されたものであって、その目的はコストを節減し、電池の電圧降下を最小化するために、その連結構造を改善した保護素子及びこれを備えたリチウム二次電池を提供することである。
前記目的を達成するために本発明の一側面によれば、温度が上昇すれば、抵抗が高まって流入される電流を遮断するＰＴＣ素子と、前記ＰＴＣ素子に連結された入力端子であり、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成された第１リードと、前記ＰＴＣ素子から連結されて出てきた出力端子であり、ニッケルまたはニッケル合金で形成された第２リードと、を含む保護素子及びこれを備えるリチウム二次電池が提供される。
また、本発明のさらに他の側面によれば、温度が上昇すれば、抵抗が高まって流入される電流を遮断するＰＴＣ素子と、前記ＰＴＣ素子に連結された入力端子であり、前記ＰＴＣ素子に接触してニッケルまたはニッケル合金で形成されたニッケル層と、前記ニッケル層の下面に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を含む第１リードと、前記ＰＴＣ素子から連結して出てきた出力端子であり、ニッケルまたはニッケル合金で形成された第２リードと、を含む保護素子及びこれを備えるリチウム二次電池が提供される。
さらに、本発明のさらに他の側面によれば、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備え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って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、温度が上昇すれば、抵抗が高まって流入される電流を遮断するＰＴＣ素子と、前記ＰＴＣ素子に連結された入力端子としてニッケルまたはニッケル合金で形成された入力リードと、ニッケルまたはニッケル合金で形成されたニッケル層と、前記ニッケル層の下面に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を含み、前記缶の外部底面と前記保護素子の入力リードとを電気的に連結する第１リードと、ニッケルまたはニッケル合金で形成されて前記ＰＴＣ素子と保護回路または外部端子とを電気的に連結する第２リードと、を備えるリチウム二次電池が提供される。
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。
一方、前記缶の内部圧力が高まる時、内部ガスを放出させる安全ベントは、前記缶の上端部に提供されたことが望ましい。
本発明による保護素子及びこれを備えたリチウム二次電池によれば、次のような効果を得うる。
第一に、従来必要とした底プレートが不要となるので、製造工程が単純になり、これにより製造コストも節減される。
第二に、缶とリードとが直接接合されるため、電池の電圧降下を最小化できる。
以下、添付され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の一側に提供されて前記缶１０と電気的に連結された保護素子４３を備える。
前記缶１０は、ほぼ直方体状の金属材で形成され、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うる。また、前記缶１０は、その一面が開口した開口部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。
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と負極板１５とは、セパレータ１４を介在して積層された後にゼリーロール状に巻取られる。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と相応するサイズと形状と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孔２１ａが形成されている。前記端子通孔２１ａには電極端子、例えば、負極端子２４が挿し込み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を通じて電極組立体１２に電解液を注入した後、プラグ２２を通じてこれを密封する。
本発明の望ましい一実施例によれば、図３及び図４に示されたように、前記缶１０の一側に保護素子４０が備えられる。前記保護素子４０は、温度が上昇すれば、抵抗が高まって流入される電流を遮断するＰＴＣ素子４３を含む。このようなＰＴＣ素子４３は、第１リード４１によって缶１０の外部底面１０ａと電気的に連結され、第２リード４２によって過充放電の防止のための保護回路７０と電気的に連結される。一方、前記保護回路７０と負極端子２４とも第３リード７１によって電気的に連結される。ただ、図３及び図４に示された電気的連結構造は例示的なものであって、前記リチウム二次電池は、保護回路７０を備えず、前記保護素子４０は直接外部端子（図示せず）と連結されることもある。
前記のような実施例で、本発明の一特徴によれば、前記第１リード４１はアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成され、前記第２リード４２はニッケルまたはニッケル合金で形成されうる。
ここで、前記缶１０の外部底面１０ａと第１リード４１とはニッケル材より溶融性が相対的に優秀なアルミニウム材質で形成されるため、超音波溶接によって十分な接合力を有するように接着されうる。
一方、本発明のリチウム二次電池には、過充電によって前記缶１０の内部圧力が高まる時、内部ガスを放出させて電池の安全性を確保する安全ベント２８が提供されうる。このような安全ベント２８は、缶１０の他の部分より薄く成形された部分であり、内圧が高まれば、優先的に破断されて内部ガスを放出させる。しかし、このような安全ベントが缶１０の外部底面１０ａに提供されれば、前記安全ベントは化成工程中に損傷されて破損される恐れがある。なぜなら、リチウム二次電池の初期充・放電テスト時にテスト用プローブのうち何れか一つは缶１０の外部底面１０ａを支持するが、このプローブの先端によって安全ベントが損傷される危険があるためである。したがって、前記安全ベント２８は、図３及び図４に示されたように、前記缶１０の上端部に提供されることが望ましい。さらに望ましくは、前記キャップ組立体２０のキャッププレート２１上に提供されうる。
図５には本発明の他の実施例による保護素子４００が結合されたリチウム二次電池を示す部分結合断面図が示されている。ここで、図４に示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示すので、反復的な説明は省略する。
図示されたように、缶１０の外部底面１０ａとＰＴＣ素子４３とを電気的に連結する第１リード４１０は、ＰＴＣ素子４３と接触し、ニッケルまたはニッケル合金で形成されたニッケル層４１０ｂと、このニッケル層４１０ｂの下面に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４１０ａを含みうる。そして、前記ＰＴＣ素子４３と保護回路７０または外部端子とを電気的に連結する第２リード４２は、ニッケルまたはニッケル合金で形成された出力リード４３２を含みうる。
ここで、前記缶１０の外部底面１０ａと第１リード４１０のクラッド層４１０ａとは、ニッケル材より溶融性に優れたアルミニウム材で形成される。したがって、前記缶１０の外部底面１０ａと第１リード４１０のクラッド層４１０ａとは、超音波溶接などによって十分な接合力を有するように接着されうる。
一方、前述した実施例と同様に、缶１０の内部圧力が高まる時に内部ガスを放出させる安全ベント（図４の２８）は、前記缶１０の上端部に提供されることが望ましい。さらに望ましくは、前記安全ベント２８はキャップ組立体（図４の２０）のキャッププレート（図４の２１）上に提供されうる。
図６には本発明のさらに他の実施例による保護素子５００が結合されたリチウム二次電池を示す部分断面図が示されている。ここでも、図４及び図５に示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示すので、反復的な説明は省略する。
図示されたように、保護素子５００は、ＰＴＣ素子４３に連結された入力端子であり、ニッケルまたはニッケル合金で形成された入力リード５０をさらに含む。前記保護素子５００の入力リード５０と缶１０の外部底面１０ａとは第１リード５１０によって電気的に連結される。このような第１リード５１０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５１０ａと、このクラッド層５１０ａ上にニッケルまたはニッケル合金で形成されたニッケル層５１０ｂとを含みうる。また、前述した実施例と同様に、ＰＴＣ素子４３と保護回路７０または外部端子とはニッケルまたはニッケル合金で形成された第２リード４２によって電気的に連結されうる。
ここで、前記缶１０の外部底面１０ａと第１リード５１０のクラッド層５１０ａはと、ニッケル材より溶融性に優れたアルミニウム材質で形成されるため、超音波溶接によって十分な接合力を有するように接着されうる。
また、ここでも前述した実施例と同様に、缶１０の内部圧力が高まる時に内部ガスを放出させる安全ベント（図４の２８）は前記缶１０の上端部に提供されることが望ましい。さらに望ましくは、前記安全ベント２８はキャップ組立体（図４の２０）のキャッププレート（図４の２１）上に提供されうる。
本発明は添付図面に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、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であることが分かる。よって、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って決まらなければならない。
本発明の保護素子は二次電池だけでなく、温度上昇によって電流の流れを遮断しなければならない各種の電子装置の安全部品として利用されうる。
本発明の二次電池は携帯電話、ノート型パソコン、カムコーダのような先端電子機器のエネルギー源として利用されうる。
１０ 缶
１０ａ 外部底面
１０ｂ 開口部
１２ 電極組立体
１３ 正極板
１４ セパレータ
１５ 負極板
１６ 正極リード
１７ 負極リード
２０ キャップ組立体
２１ キャッププレート
２１ａ 端子通孔
２１ｂ 電解液注入口
２２ プラグ
２３ ガスケット
２４ 負極端子
２５ 絶縁プレート
２６ 端子プレート
２７ 絶縁ケース
２８ 安全ベント
１０ａ 外部底面
１０ｂ 開口部
１２ 電極組立体
１３ 正極板
１４ セパレータ
１５ 負極板
１６ 正極リード
１７ 負極リード
２０ キャップ組立体
２１ キャッププレート
２１ａ 端子通孔
２１ｂ 電解液注入口
２２ プラグ
２３ ガスケット
２４ 負極端子
２５ 絶縁プレート
２６ 端子プレート
２７ 絶縁ケース
２８ 安全ベント
Claims (11)
- 温度が上昇すれば、抵抗が高まって流入される電流を遮断する正温度係数ＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子で連結された入力端子であり、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成された第１リードと、
前記ＰＴＣ素子から連結されて出てきた出力端子であり、ニッケルまたはニッケル合金で形成された第２リードと、を備えることを特徴とする保護素子。 - 温度が上昇すれば、抵抗が高まって流入される電流を遮断するＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子で連結された入力端子として、前記ＰＴＣ素子に接触し、ニッケルまたはニッケル合金で形成されたニッケル層と、
前記ニッケル層の下面に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を含む第１リードと、
前記ＰＴＣ素子から連結されて出てきた出力端子であり、ニッケルまたはニッケル合金で形成された第２リードと、を備えることを特徴とする保護素子。 - 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備え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って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、
温度が上昇すれば、抵抗が高まって流入される電流を遮断するＰＴＣ素子と、
アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されて前記缶の外部底面と前記ＰＴＣ素子とを電気的に連結する第１リードと、
ニッケルまたはニッケル合金で形成されて前記ＰＴＣ素子と保護回路または外部端子とを電気的に連結する第２リードと、を備えることを特徴とするリチウム二次電池。 - 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３に記載のリチウム二次電池。
- 前記缶の内部圧力が高まる時、内部ガスを放出させる安全ベントが、前記缶の上端部に提供され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。
- 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備え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って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、
温度が上昇すれば、抵抗が高まって流入される電流を遮断するＰＴＣ素子と、
ニッケルまたはニッケル合金で形成されたニッケル層と、
前記ニッケル層の下面に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を含み、前記缶の外部底面と前記ＰＴＣ素子とを電気的に連結する第１リードと、
ニッケルまたはニッケル合金で形成されて前記ＰＴＣ素子と保護回路または外部端子とを電気的に連結する第２リードと、を備えることを特徴とするリチウム二次電池。 - 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６に記載のリチウム二次電池。
- 前記缶の内部圧力が高まる時、内部ガスを放出させる安全ベントが、前記缶の上端部に提供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。
- 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備え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って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、
温度が上昇すれば、抵抗が高まって流入される電流を遮断するＰＴＣ素子と、
前記ＰＴＣ素子に連結された入力端子であり、ニッケルまたはニッケル合金で形成された入力リードと、
ニッケルまたはニッケル合金で形成されたニッケル層と、
前記ニッケル層の下面に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を含み、前記缶の外部底面と前記保護素子の入力リードとを電気的に連結する第１リードと、
ニッケルまたはニッケル合金で形成されて前記ＰＴＣ素子と保護回路または外部端子とを電気的に連結する第２リードと、を備えることを特徴とするリチウム二次電池。 - 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９に記載のリチウム二次電池。
- 前記缶の内部圧力が高まる時、内部ガスを放出させる安全ベントは、前記缶の上端部に提供されたことを特徴とする請求項９に記載のリチウム二次電池。
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