JP2004349243A - パウチ型リチウム二次電池とその製造方法 - Google Patents

パウチ型リチウム二次電池とその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 パウチ型リチウム二次電池とその製造方法を提供する。
【解決手段】 正極板３３、セパレータ３５、負極板３４が順次配置された電池部３１と、電池部の各極板からそれぞれ引出された複数の電極タブ３６、３７と、電池部が収容される空間部３２ｃが形成され、空間部の縁部に沿って熱融着される密閉面３２ｄ，３２ｅが形成されたケース３２と、電極タブと電気的に連結された保護回路基板３００と、を含むパウチ型リチウム二次電池３０。これにより、ケースの密閉面から外部に露出される電極タブは密閉面の先端部から直立する方式で折り曲げ、折り曲げられた電極タブに電気的に連結された保護回路基板はケースの外側壁と電極タブ間に配置することによって、ケースの密閉面領域を最小化させうる。
【選択図】 図３

Description

本発明はリチウム二次電池に係り、より詳細には電極タブと電気的に連結される保護回路基板との結合構造と、これによる結合方法が改善されたパウチ型リチウム二次電池とその製造方法に関する。
通常的に、充電及び放電が可能な二次電池は携帯電話、ノート型パソコン、カムコーダ等の携帯用電子機器の開発につれて活発な研究が進みつつある。このような二次電池としてはニッケル−カドミウム電池、ニッケル−メタルハイドライド電池、ニッケル−水素電池、リチウム二次電池などが挙げられる。特に、リチウム二次電池は作動電圧が３．６Ｖ以上であって、携帯用電子装備電源として多く使われているニッケル−カドミウム電池や、ニッケル−メタルハイドライド電池よりも３倍も高く、単位重量当りエネルギー密度が高いという側面で急速に伸張しつつある。
このようなリチウム二次電池は電解液の種類によって液体電解質電池と高分子電解質電池とに分類できる。一般的に、液体電解質を使用する電池をリチウムイオン電池といい、高分子電解質を使用する電池をリチウムポリマー電池という。
リチウム二次電池は色々な形状に製造できるが、代表的な形状としては円筒形、角形が挙げられる。最近に脚光を浴びているリチウムポリマー電池は柔軟性を有するパウチ型に製造されてその形状が比較的自由である。また、リチウムポリマー電池は安全性も優秀でかつ軽くて携帯用電子機器のスリム化及び軽量化に有利であるといえる。
図１は従来のパウチ型リチウム二次電池１０を示したものであり、図２は図１のリチウム二次電池１０を切開して示したものである。
図面を参照すれば、前記リチウム二次電池１０は電池部１１と、前記電池部１１が収容される空間部１２ａを提供するケース１２と、を含んでいる。
前記電池部１１は正極板１３と、負極板１４と、その間に介在されるセパレータ１５とからなっている。前記電池部１１は正極板１３、セパレータ１５、負極板１４の順に配置されており、このような状態でジェリーロール型にワインディングされるか、ラミネートされている。
前記各極板１３、１４は正極タブ１６及び負極タブ１７と電気的に連結されており、前記正極及び負極タブ１６、１７はケース１２の密閉面１２ｂの外部に所定長さ突出している。前記電極タブ１６、１７が密閉面１２ｂと接触する部分にはそれぞれの絶縁テープ１８が巻かれて密閉性を強化している。
前記ケース１２は厚膜の金属板で成形した円筒形や角形のリチウム二次電池とは異なり、薄膜の金属ホイールよりなる中間層と、その両面に絶縁フィルムよりなる内皮層、外皮層とがそれぞれ付着されて折り曲げ自由なパウチ型が望ましい。
この時、前記密閉面１２ｂの外部に露出される電極タブ１６、１７は保護回路基板１００と電気的に接続されている。前記保護回路基板１００にはＰＴＣ素子（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）のような安全手段が備えられており、保護回路基板１００上に配置された正極及び負極端子１０１、１０２に前記正極及び負極タブ１６、１７がそれぞれ連結されている。前記保護回路基板１００は前記電極タブ１６、１７と接続された後に前記ケース１２の密閉面１２ｂ上に位置する。
ところが、従来のリチウム二次電池１０は次のような問題点を有している。
パウチ型リチウム二次電池１０は円筒形や角形リチウム二次電池とは異なり、保護回路基板１００を付着するために一定幅のケース１２の密閉面１２ｂを確保する必要がある。
このような保護回路基板１００を前記密閉面１２ｂ上に位置させるためには密閉面１２ｂから引出された正極及び負極タブ１６、１７を少なくとも１回以上折り曲げて保護回路基板１００の位置を設定する。
すなわち、図２に図示されたように、前記正極及び負極タブ１６、１７の端部は引出された部分から前記密閉面１２ｂに向かって１回折り曲げられた後、再び反対方向に折り曲げられた「Ｓ」状の構造になっている。このように折り曲げられた電極タブ１６、１７の上面に保護回路基板１００が載置されている。
前記のような方式で保護回路基板１００を位置させるためには前記保護回路基板１００の幅と対応する幅Ｗ１を有するように一定の密閉面１２ｂの領域が確保されねばならない。
最近ではリチウム二次電池１０の大容量化のために電池部１１の体積が大きくなるにつれて電池部１１が収容される空間部１２ａを拡大させ、その代りに密閉面１２ｂの領域を最小化させているのが実情である。これにより、前記保護回路基板１００の効率的な付着方法の開発が大きな問題点となっている。
特に、前記電極タブ１６、１７は「Ｓ」状に折り曲げられる方式であるため、前記電極タブ１６、１７は折り曲げ工程で折り曲げられる部分が切断される現象が頻繁に発生する。また、前記電極タブ１６、１７が密閉面１２ｂから引出される部分で切断工程によってケース１１の縁部に沿って露出された中間層と電気的に接触して短絡を発生させることもある。
本発明は前記の問題点を解決するために、電極タブと電気的に接続される保護回路基板がケースの外面に付着される構造を改善してケースの密閉面領域を最小化させたパウチ型リチウム二次電池とその製造方法を提供するところにその目的がある。
本発明の他の目的は、ケースの外部に引出される電極タブが折り曲げられる構造を改善してケースと電極タブとの短絡を防止したパウチ型リチウム二次電池とその製造方法を提供するところにある。
前記の目的を達成するために本発明の一側面によるパウチ型リチウム二次電池は、正極板、セパレータ、負極板が順次配置された電池部と、前記電池部の各極板からそれぞれ引出された複数の電極タブと、前記電池部が収容される空間部が形成され、前記空間部の縁部に沿って熱融着される密閉面が形成されたケースと、前記電極タブと電気的に連結された保護回路基板と、を含むものであって、前記電極タブは密閉面を通じてケースの外部に突出した部分が前記ケースの密閉面に対して直立方向に折り曲げられていることを特徴とする。
本発明の他の側面によるパウチ型リチウム二次電池の製造方法は、正極板、セパレータ、負極板が順次配置された電池部を完成する段階と、前記電池部をケース内の空間部に収容し、前記空間部の縁部に沿って形成された密閉面を熱融着してケース内部を密閉する段階と、前記ケースの外部に突出し、前記電池部の各極板と電気的に連結された電極タブを電池に異常がある時に電流の流れを遮断する保護回路基板の各端子と電気的に連結する段階と、前記密閉面を通じてケースの外部に突出した電極タブ部分を前記ケースの密閉面に対して直立方向に折り曲げる段階と、を含むことを特徴とする。
本発明のさらに他の側面によるパウチ型リチウム二次電池は、電池部が収容される空間部を提供し、前記空間部の縁部に沿って熱融着される密閉面が形成されたケースと、前記電池部からケースの外部に引出される電極タブと電気的に連結された保護回路基板と、を含むものであって、前記電極タブは密閉面上で前記保護回路基板の各電極端子と連結された状態でケースの厚さ方向に折り曲げられたことを特徴とする。
本発明のパウチ型リチウム二次電池とその製造方法によれば、次のような効果を得られる。
第１に、ケースの密閉面から外部に露出される電極タブを密閉面の先端部から直立する方式で折り曲げ、折り曲げられた電極タブに電気的に連結された保護回路基板をケースの外側壁と電極タブとの間に配置することによって、ケースの密閉面領域を最小化させうる。
第２に、電極タブと電気的に連結された保護回路基板を密閉面上に幅方向に配置することによって、ケースの密閉面領域を最小化させうる。
第３に、ケースの密閉面領域を縮小させることによって、これに該当する領域だけケース内部を拡張できる。これにより、ケース内部に収容される電池部の容量を増やすことができる。
第４に、電極タブがケースに対して直立する方式であるために、電極タブの折り曲げによる損傷を未然に防止できる。これにより、電池の安全性を保証できる。
第５に、電極タブがケースの密閉面先端部から折り曲げられる部分に絶縁テープが巻かれているために、電極タブとケースとの電気的短絡を防止できる。
以下、添付した図面を参照して本発明の一実施例によるリチウム二次電池を詳細に説明する。
図３は本発明の一実施例によるパウチ型リチウム二次電池３０を示したものである。
図３を参照すれば、前記リチウム二次電池３０は電池部３１と、前記電池部３１を収容するケース３２とを含んでいる。
前記電池部３１は正極板３３と、負極板３４と、前記正極板３３及び負極板３４間に介在されるセパレータ３５とを含む。
前記正極板３３は、ストリップ状の金属薄板、例えばアルミニウムホイールよりなる正極集電体上に、リチウム系酸化物を主成分としてバインダー、可塑剤、導電材などが混合された正極スラリーがコーティングされている。前記正極板３３には正極タブ３６が溶接されている。
前記負極板３４は、ストリップ状の金属薄板、例えば銅ホイールよりなる負極集電体上に、炭素材を主成分としてバインダー、可塑剤、導電材などが混合された負極スラリーがコーティングされている。前記負極板３４には負極タブ３７が溶接されている。
前記セパレータ３５は正極板３３と負極板３４との間の絶縁のために少なくとも１枚以上配置されている。前記セパレータ３５はポリエチレンや、ポリプロピレンや、ポリエチレンとポリプロピレンとの複合フィルムよりなっている。前記セパレータ３５は正極及び負極板３３、３４よりも幅を広く形成することが極板３３、３４間の短絡を防止するために有利であるといえる。
前記ケース３２は上部ケース３２ａと、前記上部ケース３２ａと結合される下部ケース３２ｂとを含んでいる。前記上部及び下部ケース３２ａ、３２ｂは少なくとも一面が一体に接合されており、接合されていない面は相互分離されている。前記ケース３２は上部及び下部ケース３２ａ、３２ｂが接合される時にほぼ直六面体状を維持している。前記上部及び下部ケース３２ａ、３２ｂのうち少なくともいずれか１箇所には前記電池部３１が収容される空間部３２ｃが形成されている。
また、前記上部及び下部ケース３２ａ、３２ｂが相互接合される部分には、前記電池部３１が空間部３２ｃに収容された後に熱融着によってケース３２の内部を密閉するための上部及び下部密閉面３２ｄ、３２ｅが備えられている。前記下部密閉面３２ｅは前記空間部３２ｃの縁部に沿って形成されており、前記上部ケース３２ａには前記下部密閉面３２ｅと対応する部分にこれと接触して密閉面を提供する上部密閉面３２ｄが形成されている。
このような上部及び下部ケース３２ａ、３２ｂは実質的に同じ素材で製造されることが望ましく、ポリマー素材の絶縁層よりなる内皮層と、成形性を維持するために金属ホイールよりなる中間層と、ポリマー素材の絶縁体層よりなる外皮層とよりなる多重層の構造をなしている。
前記のような構造を有する電池部３１は正極板３３、セパレータ３５、負極板３４の順に配置された状態で一方向にワインディング、いわゆるジェリーロール型にワインディングできる。ワインディングされた電池部３１は空間部３２ｃに収容されている。この時、前記電池部３１の各極板３３、３４から引出された正極及び負極タブ３６、３７の端部は密閉されたケース３２の外部に露出されている。
そして、前記正極及び負極タブ３６、３７の外面には絶縁テープ３８が巻かれている。前記絶縁テープ３８の一端部側は前記上部及び下部密閉面３２ｄ、３２ｅ間に介在されてケース３２の熱融着時に共に溶融密閉され、他端部側はケース３２の外部に露出されている。
前記ケース３２の外部に露出された正極及び負極タブ３６、３７の端部は保護回路基板３００と電気的に接続されている。前記保護回路基板３００は電池３０の作動中に過充電などの異常がある時に電流の流れを迅速に遮断して発火、爆発を防止するためのものであって、ＰＴＣ素子のような安全手段が配置されている。前記保護回路基板３００に形成された正極及び負極端子３０１、３０２には電池部３１の各極板３３、３４から引出された正極及び負極タブ３６、３７が電気的に連結されている。
前記のような構造を有するパウチ型リチウム二次電池３０は、図４に図示されたように電池部３１がケース３２内に装着された状態で、前記上部密閉面３２ｄと下部密閉面３２ｅとを相互熱融着してケース３２の内部を密閉している。
この時、前記ケース３２の外部に露出された正極及び負極タブ３６、３７の端部は前記保護回路基板３００の正極及び負極端子３０１、３０２にそれぞれ電気的に連結されており、前記正極及び負極タブ３６、３７の端部は前記ケース３２の厚さ方向に折り曲げられる。
より詳細には図５に図示された通りである。
図面を参照すれば、前記上部及び下部ケース３２ａ、３２ｂの結合によって形成された空間部３２ｃには正極板３３、セパレータ３５、負極板３４の順にワインディングされた電池部３１が配置されており、前記正極及び負極板３３、３４から引出された正極及び負極タブ３６、３７は上部及び下部密閉面３２ｄ、３２ｅの間を通過して所定長さ外部に突出している。この時、前記正極及び負極タブ３６、３７の外面にはこれらとケース３２との電気的絶縁のために絶縁テープ３８が巻かれている。
前記絶縁テープ３８が巻かれた正極及び負極タブ３６、３７の端部は保護回路基板３００の正極及び負極端子３０１、３０２と接続されている。前記正極及び負極タブ３６、３７のうちケース３２の外部に露出される部分は接合された上部及び下部密閉面３２ｄ、３２ｅの先端部から前記ケース３２の厚さ方向、例えば前記空間部３２ｃが形成された下部ケース３２ｂの厚さ方向に折り曲げられている。この時、前記正極及び負極タブ３６、３７は約９０°の角度で折り曲げられている。
また、前記正極及び負極タブ３６、３７は折り曲げられた状態で前記上部及び下部密閉面３２ｄ、３２ｅに向かって再び折り曲げられる方式ではなく、前記ケース３２の側壁と平行な方向に直立する方式である。これにより、前記正極及び負極タブ３６、３７は前記上部及び下部密閉面３２ｄ、３２ｅが置かれる方向と垂直になっている。
この時、前記正極及び負極タブ３６、３７が前記上部及び下部密閉面３２ｄ、３２ｅの先端部と接して折り曲げられる部分では前記電極タブ３６、３７とケース３２との電気的短絡を防止するために前記正極及び負極タブ３６、３７の外面に絶縁テープ３８が巻かれることが望ましい。
このような正極及び負極タブ３６、３７と電気的に連結された保護回路基板３００は前記上部及び下部密閉面３２ｄ、３２ｅ上に配置されている。すなわち、前記保護回路基板３００は前記正極及び負極タブ３６、３７が前記上部及び下部密閉面３２ｄ、３２ｅに対して垂直方向に折り曲げられる時、前記下部ケース３２ｂの外側壁と前記電極タブ３６、３７との間に位置している。これにより、前記保護回路基板３００は前記上部及び下部密閉面３２ｄ、３２ｅ上に位置可能である。
また、前記保護回路基板３００は幅方向に前記下部ケース３２ｂの外側壁と前記電極タブ３６、３７との間に直立配置されているために、前記上部及び下部密閉面３２ｄ、３２ｅは前記保護回路基板３００が収容される最小限の幅Ｗ２を確保すればよい。これにより、前記上部及び下部密閉面３２ｅ、３２ｄの幅Ｗ２は保護回路基板が直立していない方式で配置された従来の技術による密閉面（図２の１２ｂ参照）の幅Ｗ１に比べて相対的に幅が狭いといえる。
代案としては、前記電極タブ３６、３７のうちケース３２の外部に突出する部分は前記上部及び下部密閉面３２ｄ、３２ｅの先端部側と共に９０°折り曲げられて、下部密閉面３２ｅの外側壁と電極タブ３６、３７との間に保護回路基板３００が配置されることもある。
表１は、前記保護回路基板３００が直立するにつれて前記空間部３２ｃの拡大によって電池部３２の容量が増加したことを示したものである。
Figure 2004349243
表１を参照すれば、サンプル１ないしサンプル４の既存容量はそれぞれ１１６５ｍＡｈ、９８４ｍＡｈ、８５７ｍＡｈ、８４３ｍＡｈである。このようなサンプルの既存密閉面は４．５ｍｍであるのに対して、本願発明による同じサンプルの密閉面を２ｍｍ減らして２．５ｍｍとした場合にはサンプル１ないしサンプル４の容量はそれぞれ１２２０ｍＡｈ、１０３０ｍＡｈ、８９８ｍＡｈ、８７５ｍＡｈとなった。すなわち、サンプルはそれぞれ５５ｍＡｈ、４６ｍＡｈ、４１ｍＡｈ、３２ｍＡｈに容量が増加した。
本発明は図面に図示された一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、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲の技術的思想により定められねばならない。
本発明は電極タブがケースの密閉面から直立する方式で折り曲げられたパウチ型リチウム二次電池とその製造方法を提供してケースの密閉面領域を最小化させうる。
従来のリチウム二次電池を示した平面図である。 図１のリチウム二次電池を一部切開して示した断面図である。 本発明の一実施例によるリチウム二次電池を一部拡大して示した分離斜視図である。 図３のリチウム二次電池を示した斜視図である。 図３のリチウム二次電池を一部切開して示した断面図である。
符号の説明
３０ リチウム二次電池
３１ 電池部
３２ ケース
３２ａ 上部ケース
３２ｂ 下部ケース
３２ｃ 空間部
３２ｄ 上部密閉面
３２ｅ 下部密閉面
３３ 正極板
３４ 負極板
３５ セパレータ
３６ 正極タブ
３７ 負極タブ
３８ 絶縁テープ
３００ 保護回路基板
３０１ 正極端子
３０２ 負極端子

Claims (15)

  1. 正極板、セパレータ、負極板が順次配置された電池部と、
    前記電池部の各極板からそれぞれ引出された複数の電極タブと、
    前記電池部が収容される空間部が形成され、前記空間部の縁部に沿って熱融着される密閉面が形成されたケースと、
    前記電極タブと電気的に連結された保護回路基板と、を含むパウチ型リチウム二次電池であって、
    前記電極タブは密閉面を通じてケースの外部に突出した部分が前記ケースの密閉面に対して直立方向に折り曲げられていることを特徴とするパウチ型リチウム二次電池。
  2. 前記電極タブは前記密閉面の先端部から前記ケースの厚さ方向に所定長さ折り曲げられていることを特徴とする請求項１に記載のパウチ型リチウム二次電池。
  3. 前記電極タブは約９０°折り曲げられていることを特徴とする請求項２に記載のパウチ型リチウム二次電池。
  4. 前記保護回路基板は前記ケースの外側壁と折り曲げられた電極タブとの間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のパウチ型リチウム二次電池。
  5. 前記電極タブは前記密閉面の先端部側と共に前記電池部が収容されるケースの厚さ方向に所定長さ折り曲げられていることを特徴とする請求項１に記載のパウチ型リチウム二次電池。
  6. 前記保護回路基板は前記ケースの外側壁と折り曲げられた電極タブとの間に配置されていることを特徴とする請求項５に記載のパウチ型リチウム二次電池。
  7. 前記保護回路基板は前記密閉面上にその幅方向に位置していることを特徴とする請求項１に記載のパウチ型リチウム二次電池。
  8. 前記電極タブは密閉面の先端部から折り曲げられる部分に電極タブと密閉面との電気的絶縁のために絶縁テープが巻かれていることを特徴とする請求項１に記載のパウチ型リチウム二次電池。
  9. 正極板、セパレータ、負極板が順次配置された電池部を完成する段階と、
    前記電池部をケース内の空間部に収容し、前記空間部の縁部に沿って形成された密閉面を熱融着してケース内部を密閉する段階と、
    前記ケースの外部に突出し、前記電池部の各極板と電気的に連結された電極タブを、電池に異常がある時に電流の流れを遮断する保護回路基板の各端子と電気的に連結する段階と、
    前記密閉面を通じてケースの外部に突出した電極タブ部分を前記ケースの密閉面に対して直立方向に折り曲げる段階と、
    を含むことを特徴とするリチウム二次電池の製造方法。
  10. 前記電極タブを折り曲げる段階では、
    前記電極タブは前記密閉面の先端部から前記電池部が収容されるケースの厚さ方向に所定長さ折り曲げることを特徴とする請求項９に記載のリチウム二次電池の製造方法。
  11. 前記電極タブを折り曲げる段階では、
    前記保護回路基板は前記ケースの外壁と折り曲げられた電極タブとの間に幅方向に配置することを特徴とする請求項９に記載のリチウム二次電池の製造方法。
  12. 電池部が収容される空間部を提供し、前記空間部の縁部に沿って熱融着される密閉面が形成されたケースと、
    前記電池部からケースの外部に引出される電極タブと電気的に連結された保護回路基板と、を含むパウチ型リチウム二次電池であって、
    前記電極タブは密閉面上で前記保護回路基板の各電極端子と連結された状態でケースの厚さ方向に折り曲げられていることを特徴とするパウチ型リチウム二次電池。
  13. 前記保護回路基板は前記ケースの外側壁と折り曲げられた電極タブとの間に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載のパウチ型リチウム二次電池。
  14. 前記電極タブは前記密閉面の先端部側と共に折り曲げられていることを特徴とする請求項１２に記載のパウチ型リチウム二次電池。
  15. 前記電極タブは前記密閉面の先端部から折り曲げられる部分に電極タブと密閉面との電気的絶縁のために絶縁テープが巻かれていることを特徴とする請求項１２に記載のパウチ型リチウム二次電池。

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