JP2006012845A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 タブの溶接性を向上させながら集電効率を増大させ，瞬間的な出力を良くしてハイブリッド電気自動車のように大型電池が要求する産業分野に適用可能な二次電池を提供することである。
【解決手段】 セパレータを間に置いて正極と負極を巻取りして形成される電極組立体と，前記電極組立体が収納されるケースと，組立てるとケースの形状になり，前記ケースを密閉しながら，前記電極組立体と電気的に連結されるキャップ組立体と，前記電極組立体に結合される負極集電板とを含み，前記負極集板が部分的に表面処理された接触部を通じて前記電極組立体に固定されることを特徴とする，２次電次に関する。
【選択図】 図５

Description

本発明は二次電池にかかり，特に溶接性を改善した二次電池に関する。

二次電池はその用途や電池容量を勘案すれば，一個または数個の電池セルをパック形態に包装して使用する低容量二次電池（以下，‘小型電池’と言う）と，電池セルを数十個集めて使用する電池パック単位のモータ駆動用大容量二次電池（以下，‘大型電池’と言う）に区分することができる。

このうち，小型電池は主に携帯電話，ノートブックコンピュータおよびカムコーダのような小型電子装置の電源として使用され，大型電池はハイブリッド自動車のようにモータ駆動用電源として使用される。

小型電池が一つのセルで構成されるときには，主に円筒形や四角形の外形を有して形成されるが，帯状の正極および負極の間に絶縁体であるセパレータを介在し，これを渦流状に巻いて電極組立体（または，ゼリーロール）を形成し，これを特定形状のケース内部に挿入して電池を構成する。

そして，前記正極および負極にはリード端子，つまり，電池が作用するときに正極および負極で発生した電流を集電するための役割として導電性タブが各々付着され，この導電性タブは電極組立体に溶接などで付着されて，各々正極および負極で発生した電流を正極および負極端子に誘導する。

このように構成される小型電池の構造をそのまま大型電池に適用する場合には，容量や出力の面で大型電池の動作特性を満足させられないため，複数のタブを電極組立体の間に付着して使用するマルチタブ構造が提案された（特許文献１参照）。この二次電池は電極組立体の一方向に複数のタブを形成し，これらタブを外部端子と連結する内部端子と結合した構造である。

特開第２００３-７３４６号公報

このように構成される二次電池のタブは集電体と一体に形成し，別途に備えて集電体に溶接される。しかし，タブが集電体の一部として構成される場合には，集電体材料の消耗が激しいために大型電池で要求する出力特性を満足させることが難しく，別途のタブを備える場合には多くの作業工程数が所要される問題点がある。特に，タブを溶接する場合，タブから発生する熱によって電極組立体が影響を受けるために，これを最少化するためにはタブの長さが相対的に長くなり，そのために電池内部でタブの占有空間が大きくなって単位体積当りエネルギー密度を低下させる問題点がある。

一方，モータ駆動用としてパック単位に使用される大型電池はその用途の特性のために高出力の動作特性を要求する。したがって，電流の集電過程で生じる抵抗成分が最少になるようにタブを設計する必要がある。しかし，上述した従来技術では単位面積の小さいタブによって集電が行われるために，抵抗が相対的に大きくなって集電効率を落とす問題がある。

本発明は，従来の二次電池が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，タブの溶接性を向上させながら，集電効率を増大させることの可能な，新規かつ改良された二次電池を提供することである。

さらに，本発明の別の目的は，瞬間的な出力を良くしてハイブリッド電気自動車のように大型電池が要求する産業分野に適用の可能な，新規かつ改良された二次電池を提供することである。

上記課題を解決するため，本発明の第１の観点によれば，二次電池は，セパレータを間に置いて正極と負極を巻取りして形成される電極組立体と，前記電極組立体が収納されるケースと，前記ケースに組立てられてこのケースを開閉しながら，つまり，組立てるとケースの形状になり，前記ケースを密閉しながら，前記電極組立体と電気的に連結されるキャップ組立体と，前記電極組立体に結合される負極集電板とを含み，前記負極集板が部分的に表面処理された接触部を通じて前記電極組立体に固定される構造とすることができる。

前記負極集電板は第１接触部を通じて前記電極組立体に固定され，第２接触部を通じては前記ケースに固定される構造とすることができる。

前記第１接触部は負極集電体の材質と異なる金属で部分的に表面処理され，第２接触部は表面処理されないことができる。

このとき，前記ケースは負極集電体の材質と異なる材質，例えばアルミニウムやアルミニウム合金物質を腐食防止用金属でメッキした導電性金属材からなるが，前記負極集電板は部分的に負極集電体の材質と異なる材質で表面処理されて前記第１接触部を構成している。

また，前記第１接触部と，互いに反対方向に表面処理されていない第２接触部が突出形成される。つまり，前記第２接触部は前記ケースに向かって突出形成され，前記第２接触部は前記負極集電板の中心で円形に形成することができる。

また，前記第１接触部は前記第２接触部を中心に置いて放射状に少なくとも２つ以上が配置される構造とすることができる。

このような本実施形態で提供する二次電池は，前記電極組立体が円筒形ゼリーロール形態に形成して二次電池の形状が円筒形に形成されることができる。その理由としては，前記電極組立体２０が挿入安着できる空間が形成できるからであり，このようなセル単位の二次電池が直列に複数連結されてモータ駆動用として使用されることができる。

以上のように，本発明によれば，負極集電板と負極無地部との間の溶接をさらに堅固に行うことができるので，電池を構造的に安定化させることができ，負極集電板と負極無地部との間の接触抵抗が減って集電効率が増大する効果がある。

以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかる二次電池の好適な実施形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１実施形態）
以下，添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例について当業者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし，本発明は多様で相異なる形態に実現することができ，ここで説明する実施例に限られるわけではない。

図１は第１実施形態による二次電池を示した断面図であり，この図面を参照して本発明の二次電池を説明する。

第１実施形態の二次電池は円筒形または六面体形状を有し，一部が開放されたケース１１に，絶縁物質であるセパレータ２１を間に置いて正極２３および負極２２を巻取りして形成した電極組立体２０を挿入し，ガスケット３２を媒介としてケース１１の開放された部分をキャップ組立体３０で密封した形態に形成される。

まず，ケース１１はアルミニウムやアルミニウム合金物質を腐食防止用金属でメッキした導電性金属材からなるが，その形状は前記電極組立体２０が挿入安着できる空間が形成された円筒形に形成されるのが好ましいが，これに限定される必要はない。

次に，電極組立体２０は正極２３と負極２２との間にセパレータ２１を介在し，これを巻取りして形成した電極組立体２０と，前記電極組立体２０の長さ方向端部（図面では上下）に形成された無地部２３ｂ，２２ｂと選択的に連結された正極および負極集電板７０，５０を含んでなる。この電極組立体２０については以下で詳細に説明する。

一方，図１ではケース１１にゼリーロールタイプの電極組立体２０が位置する場合を例として示しており，以下でもこれを基準に説明するが，本発明がこれに限定されるわけではない。

そして，キャップ組立体３０は外部端子３１ａを有するキャッププレート３１と，前記ケース１１と前記キャッププレート３１を絶縁させるガスケット３２を含むが，このキャップ組立体３０には内部圧力を緩衝させることができる空間部を有し，設定された圧力で破損してガスを放出することで電池の爆発を防止する安全辺（図示せず）を有するベントプレート３３をさらに含むことができる。

前記ガスケット３２は絶縁物質で構成されてケース１１を密封しながら，正極からなるキャップ組立体３０と負極からなるケース１１の間を絶縁させる。これについては以下で詳細に説明する。

このように構成されたキャップ組立体３０はリード線６０を通じて本発明による電極組立体２０と電気的に連結される。

図２は，本実施形態による電極組立体を示した斜視図である。以下，図２を参照して本実施形態による電極組立体について説明する。電極組立体２０は正極２３と負極２２が無地部２２ｂ，２３ｂを長さ方向の端部に沿って形成した状態で，セパレータ２１を間に置いて交互に横に巻取りして形成される。

より詳しくは，正極および負極活物質２３ａ，２２ａを各々の集電体２３１，２２１にコーティングし正極２３と負極２２を構成し，これらを巻いてゼリーロールタイプに電極組立体２０を形成する。このとき，電池で正極を形成する正極集電体２３１，２２１はアルミニウム材質からなり，負極の集電体２２１は銅材質からなる。

そして，正極２３と，負極２２の各々には長さ方向の端部，つまり，集電体２３１，２２１の周縁（図面の上下）に活物質が塗布されていない無地部２３ｂ，２２ｂが形成される。このとき，前記無地部２３ｂ，２２ｂはセパレータ２１を間に置いて正極と負極が互いに交差するように配置される。

また，前記無地部２３ｂ，２２ｂは電極２３，２２を巻取りするとき，上（正極集板が結合される方向）には正極無地部２３ｂが電極組立体外部に出るように配置され，下には負極無地部２２ｂが出るように配置される。これによって電極組立体２０の上には正極無地部２３ｂが突出形成され，下には負極無地部２２ｂが突出した形状になる。

このように電極組立体２０を構成した状態において，電極組立体２０の上には正極集電板７０を無地部２３ｂに接触されるように置き，下には負極集電板５０を負極無地部２２ｂに接触させた状態で，これらを電極組立体２０と溶接して固定させることで電極組立体２０が完成される。

このとき，前記集電板の各々は前記集電体と同一物質で製作されるが，つまり，正極集電板７０はアルミニウムで製作され，負極集電板５０は銅で製作される。その結果，同一物質からなる負極集電板５０と負極無地部２２ｂが互いに接触するが，公知のように銅-銅間溶接は非常に難しいという短所があるため，負極集電板５０と負極無地部２２ｂとの間の固定が難しいという問題が発生する。

そこで，本実施実態ではこのような問題点を解決するために以下のような負極集電板を開示する。

図３は本実施形態による負極集電板の形状を示す斜視図であり，図４は図３のＩ−Ｉ’線に沿って切断した断面図である。

図３および図４に示すように，本実施形態の負極集電板７０は電極組立体２０と同一な形状のプレート５１に負極無地部２２ｂと接触して固定される第１接触部５３と，ケースと固定される第２接触部５５を形成して構成される。

このとき，前記プレート５１は銅材質で製作され，その形状が図３のように円形になることができるが，これに限定される必要はなく，電極組立体２０の断面形状と同一に形成されることが好ましい。したがって，多様な形態に形成することができる。

また，前記第１接触部５３はスリット形態になって突起された部分が負極無地部２２に向かうように形成される。このとき，第１接触部５３の突起部分は平坦になって負極無地部２２ｂとの接触を容易にする。この第１接触部５３は円板に形成されたプレート５１をビーディング加工することで形成することができる。また，第１実施形態で第１接触部５３はプレートの中心（または，以下で説明する第２接触部の中心）を置いて放射状に複数個が配置される構造になる。

そして，前記第１接触部５３には表面処理層５２が備えられて電解液による金属の酸化を防止しながら，負極無地部２２ｂとの溶接が容易に行われるように構成される。つまり，負極無地部２２ｂと集電板５０は同一な銅材質で製作されるために溶接がよく行われないので，その間に表面処理層５２を置いて，これを媒介として両者の溶接が容易に行われるようにする。

このとき，前記表面処理物質としてはニッケル，錫，亜鉛などが好ましいが，銅を除いた物質であればいずれも使用することができる。特に，この中で，負極集極板に用いられる銅と溶接性の良いニッケルが最も好ましい。前記表面処理層の厚さは１μｍ〜５０μｍの範囲にあることが好ましい。前記表面処理層の厚さが１μｍ未満であれば表面処理効果が十分でなく，表面処理層の厚さが５０μｍを超えれば導電性が低下して好ましくない。

また，第１実施形態の負極集電板５０はケース１１と接触される第２接触部５５をさらに備えるが，前記第２接触部５５は前記第１接触部５３と反対方向にケース１１に向かって突出形成される。このとき，前記第２接触部５５は，ケース（ニッケルメッキスチール）と接触するため，銅材質がそのまま露出されるように表面処理層５２を形成しないことが好ましい。このように構成する一つの方法として，第２接触部５５にパターン化されたマスクを被せて表面処理作業を実施する方法があり得る。集電板表面に表面処理する好ましい方法としてはコーティング法またはクラッド法があり，前記コーティング法としては電解メッキ，無電解メッキなどを使用することができる。

このように形成された負極集電板５０は電極組立体２０の負極無地部２２ｂが上に向かうように位置させた状態で，この負極無地部２２ｂと接触するように電極組立体２０の上面に置かれ，この状態で負極集電板５０と負極無地部２２ｂが電気的に連結される。つまり，集電板５０の第１接触部５３と負極２２の無地部２２ｂが互いに接触した状態でこの第１接触部５３に沿ってレーザー溶接することによって負極集電板５０が無地部２２ｂに結合される。このとき，銅-異種金属の間の異種接合を通じて溶接作業が実施されるので，負極集電板５０と負極無地部２２ｂとの間の固定が容易に行われる。

（第２実施形態）
第２実施形態にかかる正極集電板７０は，上記第１実施形態にかかる負極集電板５０に，さらに，正極無地部２３ｂにも負極集電板５０と類似な形態の正極集電板７０を付加することができる。

このように電極組立体に負極集電板を固定して電極組立体２０が完成し，ケース１１に正極集電板７０がキャップ組立体３０に向かうように収納される。したがって，負極２２と互いに連結されている負極集電板５０がケース１１の底面に接触され，この状態で負極集電板５０と底面を抵抗溶接によって固定する。つまり，ケースの底に向かって突出した第２接触部５５がケースの底に接合して接合面Sを形成し，正極集電板７０の中央に形成された中孔７７を通じて抵抗熔接用バーがケース１１内部に挿入され，前記接合面Ｓを通じて負極集電板５０をケース１１に固定させる。このとき，ニッケルと銅の溶接性が良いため，前記ケースの内部は酸化防止のためにニッケルなど金属でメッキされることが好ましく，そのために前記接合面Ｓが銅と異種金属の異種接合を形成するので抵抗溶接を容易にする長所がある。前記異種金属としてはニッケル，錫，亜鉛などが好ましい。

その結果，ケース１１が電池の負極を形成する。次に，ケース１１の開放された部分を通じて電解液をケース１１内部に供給することで電極組立体２０を含浸させる。また，正極２３と電気的に連結されている正極集電板７０はリード線６０を通じてキャップ組立体３０と電気的に連結される。その結果，キャップ組立体３０が電池の正極を形成する。

このとき，前記キャップ組立体３０は集電板構造でなくタブ構造によっても電極組立体２０と連結できる。

以上，添付図面を参照しながら本発明にかかる二次電池の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の二次電池は，高出力/大容量が要求される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ネルギー源として使用することができる。

第１実施形態による二次電池の断面図である。 第１実施形態による電極組立体を示した斜視図である。 第１実施形態による負極集電板の形状を示す斜視図である。 図３のＩ−Ｉ’線による断面図である。 負極無地部，負極集電板，負極集電板，ケースの接触関係を示す説明図である。

符号の説明

１１ ケース
２０ 電極組立体
２１ セパレータ
２２ 負極
２２ａ 負極活物質
２２ｂ 負極無地部
２３ 正極
２３ａ 正極活物質
３０ キャップ組立体
３１ キャッププレート
３１ａ 外部端子
３２ ガスケット
３３ ベントプレート
５０ 正極集電板
５１ プレート
５２ 表面処理層
５３ 第１接触部
５５ 第２接触部
６０ リード線
７０ 負極集電板
７７ 中孔
２２１ 集電体
２３１ 集電体
Ｓ 接合面

Claims (15)

1. セパレータを間に置いて正極と負極を巻取りして形成される電極組立体と，
   前記電極組立体が収納されるケースと，
   組立てるとケースの形状になり，前記ケースを密閉しながら，前記電極組立体と電気的に連結されるキャップ組立体と，
   前記電極組立体に結合される負極集電板と，
   を含み，
   前記負極集板が部分的に表面処理された接触部を通じて前記電極組立体に固定されることを特徴とする，二次電池。
2. 前記負極集電板は，第１接触部を通じて前記電極組立体に固定され，第２接触部を通じて前記ケースに固定されることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。
3. 前記第１接触部は負極集電体の材質と異なる材質で表面処理され，前記第２接触部は表面処理されていないことを特徴とする，請求項２に記載の二次電池。
4. 前記ケースは負極集電体の材質と異なる材質で表面処理されることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池。
5. 前記負極集板が部分的に負極集電体の材質と異なる材質で表面処理されて，前記第１接触部を構成することを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池。
6. 前記第２接触部は前記ケースに向かって,突出形成されることを特徴とする，請求項１〜５のいずれかに記載の二次電池。
7. 前記第２接触部は前記負極集電板の中心で円形に形成されることを特徴とする，請求項６に記載の二次電池。
8. 前記第２接触部と前記ケースとの接合面に対して抵抗溶接が行われることを特徴とする，請求項７に記載の二次電池。
9. 前記正極と前記負極には活物質を塗布せずに形成した無地部が備えられ，前記負極集電板の第１接触部が前記無地部に接合されることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。
10. 前記第１接触部が前記無地部に向かって，前記接合面が平坦に突出形成されることを特徴とする，請求項９に記載の二次電池。
11. 前記第１接触部はスリット形状に形成されることを特徴とする，請求項１０に記載の二次電池。
12. 前記第１接触部は前記第２接触部を中心に置いて放射状に少なくとも２個以上配置される構造になることを特徴とする，請求項１１に記載の二次電池。
13. 前記スリットに沿ってレーザー溶接することで負極集板が前記無地部に固定されることを特徴とする，請求項１１に記載の二次電池。
14. 前記電極組立体は円筒形または角形に形成されることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。
15. 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。

Images