JP2005332816A - 二次電池及び二次電池用電極組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解液含浸が迅速かつ容易に行われるようにした二次電池用電極組立体と、これを有する二次電池を提供する。
【解決手段】 正極１１と負極１２との間にセパレータ１３が介されて形成される電極群１０と、前記電極群１０が内蔵されるケース２０と、前記ケース２０と結合されて当該ケース２０を密閉し、前記電極群１０と電気的に接続されるキャップ組立体３０と、前記電極１１，１２のうちのいずれか一つの電極に電気的に接続されて前記ケース２０の内側底部に配置される集電板５０と、前記集電板５０に形成される電解液通路部５３と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は二次電池及び二次電池用電極組立体に関し、特に集電板の構造を改善して電解質の含浸効率を高めた二次電池及び二次電池用電極組立体に関するものである。

二次電池は、充電が不可能な一次電池とは異なり充電及び放電が可能な電池であって、一つの電池セルがパック形態で包装された低容量電池の場合、携帯電話、ノートブックコンピュータ及びカムコーダのような携帯が可能な小型電子機器に使用され、電池セルを数十個連結した電池パック単位の大容量電池の場合には、ハイブリッド自動車などのモータ駆動用電源として広く使用されている。

前記二次電池は多様な形状で製造されているが、代表的な形状としては円筒形、角形、そしてパウチ形があり、帯状の正極及び負極の間に絶縁体であるセパレータを介在させて、これを渦流状で巻いて形成した電極群、または前記正極及び負極及び前記セパレータを積層して形成した電極群をケースの内部に設置し、前記ケースに外部端子が形成されたキャップ組立体を設置して構成される。

ここで、前記正極及び負極には、電池作用時に電極群から発生する電流を集電してこれを前記外部端子に誘導するための導電性タブが各々取り付けられる。

前記二次電池が高出力用として用いられる場合には、電流集電部位の抵抗を減少させるために前記タブの代わりに板状の集電部材が適用されているが、このような構造は下記特許文献１に開示されている。
米国特許第６，１９３，７６５号明細書

しかし、従来の二次電池では、電解液がケース内部に注入されて電極群に含浸される時、その進行速度が遅いため、良好に含浸が行われない問題点がある。

これは、通常二次電池における電解液の含浸は毛細管現象によって行われるが、従来の二次電池ではケース内部に注入された電解液がこのケース底部から毛細管現象によって電極群内部へ吸い上げられる時に、ケース内部の底部に位置する負極用集電板によってその進行が妨げられるためである。

特に、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）用のようなモータ駆動用二次電池は、その特性上、高出力を出せるように良質の状態で構成しなければならないが、前述した問題が誘発される場合には、その問題がさらに大きくなる。

したがって、本発明は前述した問題点を解消するためのものであって、電解液含浸が迅速に、かつ容易に行われるようにする二次電池用電極組立体を提供することを目的とする。

また、本発明は、前記二次電池用電極組立体を有する二次電池を提供することを目的とする。

そこで、本発明による二次電池は、正極と負極との間にセパレータが介されて形成される電極群と、前記電極群が内蔵されるケースと、前記ケースと結合されて当該ケースを密閉し、前記電極群と電気的に接続されるキャップ組立体と、前記電極のうちのいずれか一つの電極に電気的に接続されて前記ケース内側底部に配置される集電板と、前記集電板に形成される電解液通路部と、を含む。

前記電解液通路部は、前記集電板に形成される少なくとも一つの孔部で構成できる。

前記孔部の全面積は、前記集電板の全面積の３０〜３５％から成ることができる。

前記電極のうちの他の一つの電極に、前記集電板と対向して配置される他の集電板が電気的に連結され、前記電解液通路部は、前記他の集電板に形成される電解液注入口に対応して位置できる。

前記集電板は、前記電極に接触して固定される接触部を有し、前記電解液通路部は、前記接触部を間に置いて位置できる。

前記電解液通路部は、前記集電板に形成される少なくとも一つのスリットから成ることができる。

前記集電板は、前記ケースと溶接される突出部を有し、前記スリットは、前記突出部に形成できる。

また、本発明による二次電池用電極組立体は、各々周縁部に沿って活物質が塗布されていない無地部が形成される正極、負極及び、前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極群と、前記負極の無地部に固定される負極用集電板と、前記負極用集電板に形成される電解液通路部と、を含む。

前記正極の無地部と前記負極の無地部は逆側に配置され、前記正極の無地部に、電解液注入口を有する正極用集電板が電気的に接続される。

前記電解液注入口と前記電解液通路部は、同一中心軸上に位置できる。

本発明の二次電池は、電極群の両端に位置する各集電板に電解液の移動通路を形成することによって、電解液が電極群に容易に浸透して電解液含浸時間を最少化することができる。

また、電解液が電極群の全ての部位に均一に含浸されて電極群を良質の状態に製造することができ、その結果、本発明の二次電池は、その特性の向上に利点を有する。

したがって、本発明は高出力性能が要求されるハイブリッド電気自動車、電気自動車、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ネルギー源として使用することができる。

さらに、本発明の二次電池は、従来の同種の二次電池に比べて負極集電板自体の重量を減らして二次電池の全重量を減らし、比エネルギー（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ：Ｗｈ／ｋｇ）を向上させることができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施形態をより詳細に説明する。

図１は本発明に係る二次電池の断面図であり、図２は本発明の第１実施形態に係る二次電池の電極組立体を示す斜視図である。

前記図面を参照すれば、二次電池は、正極１１と負極１２がセパレータ１３を間に置いて位置する電極群１０と、電解液と共に電極群１０を収容できるように一側先端が開放されたケース２０と、ガスケット３１を介して前記ケース２０の開口に設置されて、ケース２０を密封するキャップ組立体３０と、前記電極群１０の正極１１と電気的に接続される正極集電板４０と、前記電極群１０の負極１２と電気的に接続される負極集電板５０と、を含む。

より具体的には、前記ケース２０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で製作され、その形状は電極群１０を収納できる内部空間を有する円筒形、六面体形、またはそれ以外の形状から成ることができる。

前記電極群１０は、各々の集電体１１ａ、１２ａに正極活物質（図示せず）と負極活物質（図示せず）がコーティングされて構成された正極１１と負極１２がセパレータ１３を間に置いて積層された構成、または正極１１、セパレータ１３及び負極１２が積層された状態でこれらが巻かれて形成されたゼリーロールタイプから成ることができる。

本実施形態では、ケース２０は円筒形に、電極群１０はゼリーロール形態に形成されている。

前述のように構成された電極群１０の正極１１と負極１２のそれぞれには、発生する電流を集電するために、集電板４０、５０が電気的に接続される。

本発明において、前記電極群１０と集電板４０、５０は、一つの電極組立体６０を形成する。

ここで、集電板４０、５０が正極１１と負極１２に接触する部位には無地部１１ｂ、１２ｂが形成されており、この無地部１１ｂ、１２ｂは、正極、負極１１、１２の集電体１１ａ、１２ａの一側周縁に沿って当該活物質が塗布されていない部位である。

電極群１０が構成される際には、この正極１１の無地部１１ｂと負極１２の無地部１２ｂは逆側に配置され、セパレータ１３より高く突き出されて位置する。

キャップ組立体３０は、外部端子３２ａを有するキャッププレート３２と、ケース２０とキャッププレート３２を絶縁させるガスケット３１とを含み、設定された圧力条件で破損されてガスを放出することにより電池の爆発を防止するベントプレート３３をさらに含むことができ、前記ベントプレート３３はリード４１を介して正極集電板４０と電気的に接続される。

前記ベントプレート３３は、設定された圧力条件で電極群１０からキャップ組立体３０に接続される電気的な通路を遮断することができる構造であれば、図示した形状に限定されずに多様に変更して使用することができる。

以下、本実施形態による前記負極集電板５０を説明する。

本実施形態では正極集電板４０に４つの電解液注入口４２が形成される場合における負極集電板の構造について説明する。

図２に示すように、前記負極集電板５０は円板形態から成り、中央部にはケース２０の内側面と溶接できるようにケース２０に向かって突き出された突起部５１が形成されるが、この突起部５１の内部には凹部５４が形成されている。

前記突起部５１を中心に放射方向に配置される４つの接触部５２は、前記突起部５１とは反対方向、つまり、負極１２の無地部１２ａに向かって突出形成され、接触部５２の間には円形の孔部から成る通路部５３が形成されている。ここで、この通路部５３は、電解液がケース２０内部に注入されて電極群１０の電極１０、１２及び、セパレータ１３に含浸される際、前記ケース２０の底部からも前記負極集電板５０を通過して電極１０、１２及びセパレータ１３に含浸されるようにするために、負極集電板５０上に備えられる。

前記接触部５２は溝形態に加工できるが、これは負極集電板５０をエンボス加工することで、突起部５１と同様に形成できる。本実施形態では、この接触部５２は、突起部５１を中心に置いて十字状に配置されている。

このような負極集電板５０は、ケース２０内部に挿入されて、その突起部５１をケース２０の底面に密着させた状態でレーザー溶接などによって固定される。この時、その固定部位はケース２０の底面に密着された突起部５１である。

また、負極集電板５０は、電極群１０との関係において、その接触部５２が負極１２の無地部１２ａに密着されて、この接触部５２の長さ方向に沿ってこの接触部５２にレーザー溶接が実施される。この接触部５２が負極１２の無地部１２ａに固定されるようにして、これらが電気的に接続される。

一方、負極集電板５０に形成される通路部５３は、正極集電板４０に形成される電解液注入口４２と対応するように４つ形成され、その位置において、対応する各電解液注入口４２と同一線上に配置される（図２参照）。

このような二次電池は、図１に図示するように、キャップ組立体３０が上側に配置されるように位置させた状態で、正極集電板４０をケース２０の上部に位置させ、負極集電板５０をケース２０の下部に位置させる。この時、両集電板４０、５０の間に位置する電極群１０は、各集電板４０、５０に形成される電解液注入口４２と通路部５３を通じて、その上端と下端部位、つまり、各無地部１１ｂ、１２ｂの部位が開放される。このような構造は、電解液がケース２０の内部に提供される時に、ケース２０の下部側でも毛細管現象によって電極群１０に含浸されるようにすることができ、これについての具体的な作用は後述する。

一方、通路部５３はその面積全体が負極集電板５０の全面積の３０〜３５％に維持されるようにすることが好ましい。

ここで、通路部５３の面積が負極集電板５０の全面積の３０％以下になる場合には、電解液の含浸速度が低下し、負極集電板５０の重量によって全体的な二次電池の重量が増大する問題点が発生することがある。また、前記通路部５３の面積が負極集電板５０の全面積の３５％より大きくなる場合には、負極集電板５０自体の構造的な変形を招くことがあり、この負極集電板５０によって負極１２で発生する電流が誘導される時に、電子移動経路が狭くなり抵抗が大きくなる問題点を誘発する。

図３は本発明の第１実施形態に対する変形例であって、この場合の負極集電板７０は前述した負極集電板と同一の構成を持ちながら、通路部７２を三角形状の孔部に形成している。

このように、第１実施形態による負極集電板５０は電解液含浸のための通路部５３を孔形態に形成されるが、その形状は円形だけでなく、三角形をはじめとした多角形に形成されることができる。

以下では、本発明の二次電池における電解液含浸過程を説明する。

二次電池の製造工程において、電解液の注入はケース２０内部に電極組立体６０が挿入された後に行われる。

つまり、ケース２０の内部空間に電極組立体６０が収納された後、電解液がケース２０の内部に提供されることにより（この時、二次電池はケースの開口が上側に位置し、ケースの底が下側に位置するように配置される）、電池の上側では、正極集電板４０の電解液注入口４２を通じて電解液が電極群１０の内部に流入されながらセパレータ１３及び電極１１、１２に含浸される。

また、電池の下側からも電解液が、毛細管現象によって電極群１０へ移動しながらセパレータ１３及び電極１１、１２に含浸されるが、この時、電解液は負極集電板５０の通路部５３を通じて電極群１０側に容易に移動することができる。

つまり、従来の二次電池は、電極組立体がケース内部に配置されて、その後負極集電板がケースに溶接によって固定されているが、この負極集電板はその内部に電解液が通過できる部位（本発明における通路部）を別に持っていないために、前述したように電池の下側から電解液が電極群側に移動する際に、この移動経路が遮断されて、電解液の含浸を遅くする要因として作用する。しかし、本発明においては負極集電板５０が電解液含浸のための通路部５３を有しているため、電解液含浸が円滑に行われる。

図４は本発明の第２実施形態による負極集電板８０を示す斜視図であって、この負極集電板８０は、前述した例の負極集電板とその基本的な構成が同一である。

ただし、この負極集電板８０は電解液含浸のための通路部８２が、前述した例のように円形または三角形状の孔形態に形成されず、スリット形態で形成されており、この通路部８２は負極集電板８０の中心部に配置された突起部８４の周囲に沿って形成されている。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲の範囲内で多様に変形して実施することができ、これも本発明の範囲に属する。

本発明による二次電池の断面図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池の負極集電板を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態の変形例による二次電池の負極集電板を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る二次電池の負極集電板を示す斜視図である。

符号の説明

１０ 電極群、
１１ 正極、
１１ａ、１２ａ 集電体、
１１ｂ、１２ｂ 無地部、
１２ 負極、
１３ セパレータ、
２０ ケース、
３１ ガスケット、
３２ キャッププレート、
３３ ベントプレート、
４０ 正極集電板、
４１ リード、
４２ 注入口、
５０、８０ 負極集電板、
５１、８４ 突起部、
５３、８２ 通路部、
５４ 凹部、
６０ 電極組立体。

Claims (16)

1. 正極と負極との間にセパレータが介されて形成される電極群と、
   前記電極群が内蔵されるケースと、
   前記ケースと結合されて当該ケースを密閉し、前記電極群と電気的に接続されるキャップ組立体と、
   前記電極のうちのいずれか一つの電極に電気的に接続されて前記ケースの内側底部に配置される集電板と、
   前記集電板に形成される電解液通路部と、を含むことを特徴とする二次電池。
2. 前記電解液通路部は、前記集電板に形成される少なくとも一つの孔部であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記孔部の全面積は、前記集電板の全面積の３０〜３５％であることを特徴とする請求項２に記載の二次電池。
4. 前記電極のうちの他の一つの電極に、前記集電板と対向配置される他の集電板が電気的に接続され、前記電解液通路部は、前記他の集電板に形成される電解液注入口に対応して位置することを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
5. 前記集電板は、前記電極に接触して固定される接触部を有し、前記電解液通路部は、前記接触部を間に置いて位置することを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
6. 前記孔部は、円形で形成されることを特徴とする請求項２に記載の二次電池。
7. 前記孔部は、多角形で形成されることを特徴とする請求項２に記載の二次電池。
8. 前記電解液通路部は、前記集電板に形成される少なくとも一つのスリットであることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
9. 前記集電板は、前記ケースと溶接される突出部を有し、前記スリットは、前記突出部に形成されることを特徴とする請求項８に記載の二次電池。
10. 前記二次電池は、円筒形であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
11. 前記二次電池は、モータ駆動用であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
12. 各々周縁部に沿って活物質が塗布されていない無地部が形成される正極、負極及び、前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極群と、
    前記負極の無地部に固定される負極用集電板と、
    前記負極用集電板に形成される電解液通路部と、を含むことを特徴とする二次電池用電極組立体。
13. 前記正極の無地部と前記負極の無地部が逆側に配置され、前記正極の無地部に、電解液注入口を有する正極用集電板が電気的に接続されることを特徴とする請求項１２に記載の二次電池用電極組立体。
14. 前記電解液注入口と前記電解液通路部は、同一中心軸上に位置することを特徴とする請求項１３に記載の二次電池用電極組立体。
15. 前記電解液通路部は、前記負極用集電板に形成される少なくとも一つの孔部であることを特徴とする請求項１４に記載の二次電池用電極組立体。
16. 前記電解液通路部は、前記負極用集電板に形成される少なくとも一つのスリットであることを特徴とする請求項１２に記載の二次電池用電極組立体。

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