JP2005276838A - キャップ組立体とこれを備えた二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極組立体でキャップ組立体に向かう電流流れ上で発生することがある抵抗因子を最少化しながら、ベントの円滑な作用を誘導することができる二次電池用キャップ組立体を提供すること。
【解決手段】キャップカバー２２と、このキャップカバーの一側に配置されるタブプレート１６と、前記キャップカバーと前記タブプレートとの間に配置されるベントプレート１８とを含む。ここで、前記タブプレートは所定の力によって破裂される電流遮断部１６ａを有し、前記ベントプレートは所定の力によって変形または破裂されるベント１８ａを有する。前記電流遮断部は前記ベントに固定され、この時、前記ベントに対する前記電流遮断部の固定点と前記電流遮断部の中心点は一致しない。
【選択図】図１

Description

本発明は二次電池に関し、より詳しくは二次電池のキャップ組立体に関するものである。

一般に二次電池は充電が不可能な一次電池とは異なって充電と放電が可能な電池であって、代表的にニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池とリチウム（Ｌｉ）電池及びリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池などがある。特に、リチウム二次電池は作動電圧と単位重量当りエネルギー密度が高くて携帯用電子機器分野にさらに適しており、最近はハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）のモータ駆動源としての適用が活発に研究されている。

前記二次電池は充電条件以上に過充電されたり電極組立体の正極と負極が短絡される場合には電池内部にガスが発生し、このガスによって内部圧力が高くなって爆発及び発火の危険がある。

したがって、二次電池は過充電と短絡による問題点を解決するために内部に安全装置を備えているが、この安全装置としてはシャット-ダウンセパレータ(shutdown separator)
、正の温度係数(（ＰＴＣ）、及び安全弁などがよく知られている。

図６は従来技術による二次電池の断面図である。

図面に示すように、二次電池は隔離板１を間に置いて配置された正極３と負極５で形成される電極組立体７と、電解液と共に電極組立体７を収容するケース９と、ガスケット１１を媒介としてケース９の開口部に位置してケース９を密封するキャップ組立体１３を含む。

前記キャップ組立体１３はその上から下にキャップカバー１７、ベントプレート１５、絶縁体１９及びタブプレート２１が順次に位置する。

ここで、タブプレート２１には電極組立体７の正極３と連結された正極タブ２３が固定され、ガス通過のための複数の孔２１ａが形成されている。

また、ベントプレート１５にはその中央に凹んだ形状のベント１５ａが形成されているが、このベント１５ａはタブプレート２１に溶接によって固定される。このベント１５の周囲に沿って機械的方法或いはエッチング法によって一定の深さを有する切欠１５ｂが形成されるが、この切欠１５ｂによってベント１５ａがベントプレート１５の他の部位に比べて相対的に弱くなって変形を起こすことがある。この時、ベント１５ａはその中心点Oがタブプレート２１との溶接点Ａと一致する円形或いは楕円形の構造からなる。

したがって、従来の二次電池はその内部にガスが発生して内圧が高くなればベント１５ａが上に上昇しながらタブプレート２１と分離されて、そのために正極タブ２３からキャップカバー１７を向かう電流流れが遮断され、内圧がさらに上昇する場合には切欠１５ｂ部分を基準にベント１５ａが破裂されながらガスを排出する。

このように従来の二次電池はその安全装置として、ベント１５ａが溶接点Ａを基準にタブプレート２１から分離されながら電流を遮断する構造を有しているが、この時、ベント１５ａとタブプレート２１の溶接強度はベント１５ａの容易な作動のためにあまり大きく設定されないのが一般的である。つまり、従来はタブプレート２１とベントプレート１５との間に電流通路のみが形成されるように最小限の溶接強度でベント１５ａとタブプレート２１を固定している。

したがって従来の二次電池はベント１５ａによる安全装置の機能は十分に有している反面、ベント１５ａとタブプレート２１との間の不十分な溶接強度のためにこの部分に対する接触抵抗を高めて、電極組立体７から電流をキャップ組立体１３に十分に誘導できなくて当該電池の特性を極大化することができない問題点がある。

このような安全装置の構造は、特にＨＥＶなどのモータ駆動用のような高出力電池では適していない。

したがって、本発明は前記問題点を解消するために電極組立体からキャップ組立体に向かう電流流れ上で発生し得る抵抗因子を最少化しながら、ベントの円滑な作用を誘導することができる二次電池用キャップ組立体を提供する。

また、本発明は前記キャップ組立体を有する二次電池を提供する。

本発明による二次電池のキャップ組立体は、キャップカバーと、このキャップカバーの一側に配置されるタブプレートと、前記キャップカバーと前記タブプレートとの間に配置されるベントプレートとを含む。ここで、前記タブプレートは所定の力によって破裂される電流遮断部を有し、前記ベントプレートは所定の力によって変形または破裂されるベントを有する。前記電流遮断部は前記ベントに固定され、この時、前記ベントに対する前記電流遮断部の固定点と前記電流遮断部の中心点は一致しない。

前記電流遮断部の周囲に沿って前記タブプレート上に切欠を形成することができる。

前記タブプレートに少なくとも一つの通気孔を形成することができる。

前記電流遮断部は、前記固定点を通る仮想の線を基準にして両分される部位の形状が非対称であっても良く、その全体の形状は梯形または三角形などであっても良い。

前記電流遮断部と前記ベントは溶接によって固定できる。

前記電流遮断部周囲の少なくともある一部分に対応して前記電流遮断部と前記タブプレート本体との間にスリットを形成することができ、この時、このスリットは前記固定点を中心にして対向配置できる。

前記固定点から前記電流遮断部周縁のある一点までの距離をａとし、前記固定点から前記キャップカバーまでの距離をｂとする時、条件式ａ＜ｂを満足する。

また、本発明による二次電池は、ケースと、正極と負極との間に隔離板を介在して前記ケースに収納される電極組立体及び前記ケースの開口部に結合されて前記ケースを密閉させるキャップ組立体を含む。前記キャップ組立体は、キャップカバーと、このキャップカバーの一側に配置されるタブプレート及び前記キャップカバーと前記タブプレートとの間に配置されるベントプレートを含む。前記タブプレートは所定の力によって破裂される電流遮断部を有し、前記ベントプレートは所定の力によって変形または破裂されるベントを有する。前記電流遮断部は前記ベントに固定され、前記ベントに対する前記電流遮断部の固定点と前記電流遮断部の中心点が一致しない。

前記二次電池は円筒形からなることができる。

前記二次電池はモータ駆動形からなることができる。

本発明による二次電池は電極組立体の正極からタブ、タブプレート及びベントプレートを経てキャップカバーを向かう電流経路上で発生することがある抵抗因子を最少化して高電流流れを容易にし、その結果電池の出力性能を高める効果を有する。

以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例をより詳細に説明する。

図１は本発明の実施例による二次電池の断面図である。

図面に示すように、二次電池は正極２と負極４が隔離板６を間に置いて位置して形成される電極組立体８と、電解液と共に電極組立体８を収容するケース１０と、ガスケット１２を媒介としてケース１０の開口部上端に位置してケース１０を密閉するキャップ組立体１４を含む。

ケース１０はアルミニウム、アルミニウム合金またはニッケルがメッキされたスチールのような導電性金属材料で形成され、その形状は電極組立体８が位置する内部空間部を有する円筒形からなるが、本発明におけるケースの形状は必ずこれに限定されない。

電極組立体８は正極２と負極４が隔離板６を間に置いて積層された構成または正極２と隔離板６及び負極４が積層された状態でこれらが巻かれて形成されたジェリーロールタイプからなることができる。

本実施例でケース１０は円筒形で、電極組立体８はジェリーロール形態で形成されている。

前記のように構成された電極組立体８は、ケース１０内部に挿入されて負極４においてはこの負極４の集電体に活物質が塗布されずに形成された無地部４ａをケース１０と接触させることによってこのケース１０が負極端子として機能でき、正極２においてはこの正極２の集電体に活物質が塗布されずに形成された無地部２ａと結合される集電板１５に連結されたタブ２０をキャップ組立体１４に電気的に連結することによってキャップ組立体１４が正極端子として機能できるようにする。

本実施例でキャップ組立体１４はその上から下に順次に配置されるキャップカバー２２、ベントプレート１８、絶縁体２４及びタブプレート１６を含む。

タブプレート１６はその上部面はベントプレート１８のベント１８ａに溶接によって固定され、下部面には正極タブ２０が溶接によって固定される。また、タブプレート１６は二次電池の作用時にケース１０内部で発生したガスの通過のための複数の通気孔１６ｂを備える。

本発明はこのような二次電池において、タブ２０からタブプレート１６及びベントプレート１８を経てキャップカバー２２に向かう電流経路上で発生することがある抵抗因子を最少化するためにタブプレート１６の構造を改善して電池の出力性能を高めた構成を提供する。

図２は図１に示したタブプレートの底面図である。

図１と図２に示すように、タブプレート１６はその本体１６ｄに前記通気孔１６ｂとこれと共に電流遮断部１６ａを形成しているが、ここで電流遮断部１６ａはベントプレート１８のベント１８ａと溶接によって固定される。

電流遮断部１６ａはタブプレート１６の他の部位に比べて所定の力を受ければ相対的に弱くなって容易に変形を起こして破裂される部分であって、そのためにこの電流遮断部１６ａの周囲を沿っては機械的方法或いはエッチング法で一定の深さを有する切欠１６ｃが形成されている。

この時、切欠１６ｃは必ず電流遮断部１６ａの周囲全体に沿って形成される必要はない。

図面に示すように、電流遮断部１６ａの周囲に沿ってこの周囲の少なくとも一部分にはスリット１６ｅが形成されても良い。このスリット１６ｅは電流遮断部１６ａがタブプレート１６から破裂される時、さらに容易に行われるように作用する部位であって、図２ではこのスリット１６ｅが固定点Ｐを中心にして対向配置される場合を示している。

通気孔１６ｂは電流遮断部１６ａ外側に位置した本体１６ｄ部分に形成され、この本体１６ｄにはタブ２０が溶接によって固定される。

一方、本発明において、タブプレート１６は電流遮断部１６ａをベントプレート１８のベント１８ａに固定させる時、溶接強度を従来より高くして堅く固定される。これはこれらの固定点Ｐ、つまり、溶接点における接触抵抗を低くして前記電流の経路における電流流れを容易にするためである。

このような二次電池は内圧上昇で電流流れの遮断が必要である時、その安全装置としてタブプレート１６とベントプレート１８が固定点Ｐを基準にして分離されず、電池内部で発生したガスがベント１８ａを押し上げる力によって電流遮断部１６ａがタブプレート１６で破裂されて分離される構造を有している。

ここで、前記電流遮断部１６ａはベント１８ａとの固定点Ｐが自身の中心点と一致せずに偏心された形状からなって、内圧上昇時に前記タブプレート１６から破裂される時に固定点Ｐと近い周縁部位から先に破断が起こるようにしている。

たとえば、電流遮断部１６ａは固定点Ｐにこの固定点Ｐを通る仮想の線Ｌを置いた時、この線によって両分される部位の形状が非対称であり得る。図２では電流遮断部１６ａが固定点Ｐの近い部位から遠い部位へ行くほど順次にその面積が拡張される形状（例:貝の模様）で形成される場合を示している。

このような電流遮断部１６ａがキャップ組立体１４の全構成においては、条件式ａ＜ｂを満足するのが良い。

ここで、ａは固定点Ｐから電流遮断部１６ａ周縁のある一点（図２で線Ｌに対して垂直な状態で配置される点）までの距離であり、ｂは固定点Ｐからキャップカバー２２までの距離を示す。

図３Ａ乃至図３Ｃは本発明の作用状態を見せる断面図である。

二次電池が充電条件以上に過充電されたり電極組立体の正極と負極が短絡されて電池内部にガスが発生して内部圧力が高くなれば、ガスがタブプレート１６の通気孔１６ｂを通じてベントプレート１８のベント１８ａを押し上げる。

この時、電流遮断部１６ａとベント１８ａは溶接によって堅固に固定されているので従来のように固定点Ｐから分離されず、ベント１８ａが上に上昇する変形に伴って電流遮断部１６ａも変形されてタブプレート１６から離れる。

この時、その分離は上述したように固定点Ｐで近い部位から始まって（図３Ａ参照）、固定点Ｐから遠い部位まで連続的に進められるが、その結果電流遮断部１６ａはタブプレート１６から完全に分離される（図３Ｂ参照）。

このような電流遮断部１６ａの分離は、固定点Ｐと電流遮断部１６ａの中心点が一致しないようにこの電流遮断部１６ａが形成されることに基づき、この時、この電流遮断部１６ａ周囲に沿って配置された切欠１６ｃ及びスリット１６ｅはこの電流遮断部１６ａの分離を促進する役割を果たす。

このような電流遮断部１６ａの分離で、二次電池が内圧上昇による異常状態である場合、電極組立体の正極からキャップ組立体に連結される電流経路を切って安全状態を維持する。

さらに、二次電池が前記段階の後にもその内圧が上昇し続けて爆発または発火の危険が招来される場合には、ベント１８ａがベントプレート１８から破断されてガス排出が外部に迅速に行われるようにして、その安全状態を図る（図３Ｃ参照）。

このように本発明の二次電池は、タブプレート１６とベントプレート１８を固定させる部位に対する固定強度を強化させてこの部分に対する接触抵抗を低くして、それが作用する時、電極組立体の正極から電流集電が良好に行われるようにして、高出力性能を有するのに異常が発生しないようにすることができる。

また、本発明の二次電池は電流遮断部１６ａとベント１８ａとの固定位置を改善して、電流遮断部１６ａがタブプレート１６から容易に分離されるようにして、この電流遮断部１６ａを電流遮断機として良好に作用させる。

図４Ａ乃至図４Ｃ及び図５Ａ乃至図５Ｃは電流遮断部の他の実施例を説明するために示したタブプレートの底面図である。

図４Ａ乃至図４Ｃに示した電流遮断部３０ａ、３０ｂ、３０ｃは上述した実施例の電流遮断部条件を充足しながら、その全体的な形状を梯形で形成している。

この時、各電流遮断部３０、３０ｂ、３０ｃの周囲に沿っては切欠３０ｄが形成され、さらにこの電流遮断部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ周囲の少なくともある一部分にはスリット３０ｅを形成することができる。

図４Ａはスリットが形成されない場合を、図４Ｂはスリット３０ｅが電流遮断部３０ｂの一側に形成された場合を、図４Ｃはスリット３０ｅが固定点Ｐを中心にして対向配置して形成される場合を示している。

図５Ａ乃至図５Ｃに示す電流遮断部４０ａ、４０ｂ、４０ｃはまた上述した実施例の電流遮断部が有する条件を充足しながらその全体的な形状を三角形で形成している。この時、各電流遮断部４０ａ、４０ｂ、４０ｃの周囲に形成される切欠４０ｄ及びスリット４０ｅは図４Ａ乃至図４Ｃに示す場合と同様に形成できる。

もちろん、本発明における電流遮断の形状は上述した場合にのみ限定されるわけではなく、上述した形状の条件を満足する場合であれば全て適用することができる。

以上で説明した二次電池は、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、無線掃除機、電動自転車、電動スクーターなどのようにモータを使用して作動する機器において、当該機器のモータを駆動するためのエナジ−源として使用することができる。

前記では本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することができ、これもまた本発明の範囲に属する。

本発明の実施例による二次電池の断面図である。 図１に示したタブプレートの底面図である。 本発明の作用状態を説明する図である。 本発明の作用状態を説明する図である 本発明の作用状態を説明する図である 本発明の他の実施例による電流遮断部を説明する図である。 本発明の他の実施例による電流遮断部を説明する図である。 本発明の他の実施例による電流遮断部を説明する図である。 本発明の他の実施例による電流遮断部を説明する図である。 本発明の他の実施例による電流遮断部を説明する図である。 本発明の他の実施例による電流遮断部を説明する図である。 一般的な二次電池の断面図である。

符号の説明

２ 正極
２ａ 無地部
４ 負極
４ａ 無地部
６ 隔離板
８ 電極組立体
１０ ケース
１２ ガスケット
１４ キャップ組立体
１５ 集電板
１６ タブプレート
１６ａ、３０、３０ｂ、３０ｃ、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ 電流遮断部
１６ｂ 通気孔
１６ｃ、３０ｄ、４０ｄ 切欠
１６ｄ 本体
１６ｅ、３０ｅ、４０ｅ スリット
１８ ベントプレート
１８ａ ベント
２０ 正極タブ
２２ キャップカバー
２４ 絶縁体
Ｌ 線
Ｐ 固定点

Claims (19)

1. キャップカバーと、
   このキャップカバーの一側に配置されるタブタブプレートと、
   前記キャップカバーと前記タブプレートとの間に配置されるベントプレートとを含み、
   前記タブプレートは所定の力によって破裂される電流遮断部を有し、
   前記ベントプレートは所定の力のよって変形または破裂されるベントを有し、
   前記電流遮断部は前記ベントに固定され、
   前記ベントに対する前記電流遮断部の固定点と前記電流遮断部の中心点とが一致しない二次電池のキャップ組立体。
2. 前記電流遮断部の周囲に沿って前記タブプレート上に切欠が形成される、請求項１に記載の二次電池のキャップ組立体。
3. 前記タブプレートに少なくとも一つの通気孔が形成される、請求項１に記載の二次電池のキャップ組立体。
4. 前記電流遮断部は、前記固定点を通る仮想の線を基準にして両分される部位の形状が非対称の形である、請求項１に記載の二次電池のキャップ組立体。
5. 前記電流遮断部は梯形または三角形のうちのいずれか一つの形状からなる、請求項４に記載の二次電池のキャップ組立体。
6. 前記電流遮断部と前記ベントが溶接で固定される、請求項１に記載の二次電池のキャップ組立体。
7. 前記電流遮断部周囲の少なくともある一部分に対応して前記電流遮断部と前記タブプレート本体との間にスリットが形成された、請求項１に記載の二次電池のキャップ組立体。
8. 前記スリットが前記固定点を中心にして対向配置される、請求項７に記載の二次電池のキャップ組立体。
9. 前記固定点から前記電流遮断部周縁のある一点までの距離をａとし、前記固定点から前記キャップカバーまでの距離をｂとする時、条件式ａ＜ｂを満足する、請求項１に記載の二次電池のキャップ組立体。
10. ケースと、
    正極と負極との間に隔離板を介在して前記ケースに収納される電極組立体と、
    前記ケースの開口部に結合されて前記ケースを密閉させるキャップ組立体とを含み、
    前記キャップ組立体が、
    キャップカバーと、
    このキャップカバーの一側に配置されるタブプレートと、
    前記キャップカバーと前記タブプレートとの間に配置されるベントプレートとを含み、
    前記タブプレートは所定の力によって破裂される電流遮断部を有し、
    前記ベントプレートは所定の力によって変形または破裂されるベントを有し、
    前記電流遮断部は前記ベントに固定され、
    前記ベントに対する前記電流遮断部の固定点と前記電流遮断部の中心点が一致しない二次電池。
11. 前記電流遮断部の周囲に沿って前記タブプレート上に切欠が形成される、請求項１０に記載の二次電池。
12. 前記電流遮断部は、前記固定点を通る仮想の線を基準にして両分される部位の形状が非対称の形である、請求項１０に記載の二次電池。
13. 前記電流遮断部は梯形または三角形のうちのいずれか一つの形状からなる、請求項１２に記載の二次電池。
14. 前記電流遮断部と前記ベントが溶接で固定される、請求項１０に記載の二次電池。
15. 前記電流遮断部周囲の少なくともある一部分に対応して前記電流遮断部と前記タブプレート本体との間にスリットが形成された、請求項１０に記載の二次電池。
16. 前記スリットが前記固定点を中心にして対向配置される、請求項１５に記載の二次電池。
17. 前記固定点から前記電流遮断部の周縁のある一点までの距離をａとし、前記固定点から前記キャップカバーまでの距離をｂとする時、条件式ａ＜ｂを満足する、請求項１６に記載の二次電池。
18. 前記二次電池は円筒形である、請求項１０に記載の二次電池。
19. 前記二次電池はモータ駆動型である、請求項１０に記載の二次電池。
    

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