JP2006093143A - パウチ形リチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 電極組立体部分の異常により熱が発生する際，この熱を速く感知して，電池の電流を迅速に遮断できる手段を備えたパウチ形リチウム二次電池を提供する。
【解決手段】 電極組立体と保護回路とを電気的に接続する接続リードが，陽性温度素子の役割を同時に遂行することにより，安全性が向上したパウチ形リチウム二次電池に関するものであって，第１電極板，第２電極板および第１電極板と第２電極板との間に介されたセパレータを備える電極組立体と，電極組立体を受け入れるための空間を備えるパウチ外装材と，電極組立体の充電または放電を制御する保護回路基板と，保護回路基板と電極組立体とを電気的に接続し，温度上昇の際，回路を遮断する接続リードとを備えるパウチ形リチウム二次電池を提供する。
【選択図】図２Ａ
【解決手段】 電極組立体と保護回路とを電気的に接続する接続リードが，陽性温度素子の役割を同時に遂行することにより，安全性が向上したパウチ形リチウム二次電池に関するものであって，第１電極板，第２電極板および第１電極板と第２電極板との間に介されたセパレータを備える電極組立体と，電極組立体を受け入れるための空間を備えるパウチ外装材と，電極組立体の充電または放電を制御する保護回路基板と，保護回路基板と電極組立体とを電気的に接続し，温度上昇の際，回路を遮断する接続リードとを備えるパウチ形リチウム二次電池を提供する。
【選択図】図２Ａ
Description
本発明はパウチ形リチウム二次電池にかかり，特に電極組立体と保護回路とを電気的に接続する接続リード構造を有するパウチ形リチウム二次電池に関する。
最近は，携帯電話，ノート型コンピュータ，カムコーダなどのコンパクト，かつ，軽量化した電気／電子装置らが活発に開発および生産されている。このような携帯用電気／電子装置は，別途の電源が備えられていない場所でも作動できるように電池パックを内蔵している。内蔵された電池パックは，携帯用電気／電子装置を一定期間の間の駆動させるために一定のレベルの電圧を出力させることができるように，内部に1つ以上の電池（ｂａｒｅ ｃｅｌｌ）を備えている。
電池パックは，経済的な面を考慮して，最近は充電または放電が可能な二次電池を採用している。二次電池の代表的なものは，代表的に，ニッケル−カドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）電池とニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池と，リチウム（Ｌｉ）電池およびリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池などのリチウム二次電池などがある。
特に，リチウム二次電池は，作動電圧が３．６Ｖであって，携帯用電子装備の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−水素電池より３倍も高くて，単位質量当たりエネルギー密度が高いという面から急速に伸張している。
このようなリチウム二次電池は，主に，正極活物質としてリチウム系酸化物を，負極活物質として炭素材を使用している。一般的に，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され，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。また，リチウム二次電池は，様々な形状で製造されているが，代表的な形状としては，例えば，円筒形，角形，および，パウチ形が挙げられる。
通常的に，パウチ形リチウム二次電池は，パウチ外装材が，金属ホイル層とこれを覆う合成樹脂層の多層膜から構成される。パウチ形リチウム二次電池を使用する場合には，金属缶を使用する円筒形または角形リチウム二次電池より，電池の重さを顕著に減らすことができる。このためリチウム二次電池の軽量化の開発は，パウチ形リチウム二次電池の開発方向に発展してきた。
このようなパウチ形リチウム二次電池は，正極・負極電極板と正極・負極電極板間に介されたセパレータが複数回巻き取られた形態の電極組立体がパウチ外装材に受け入れられ，パウチ外装材の一側面の外部に正極タブおよび負極タブが突出して保護回路モジュールと接続される。
保護回路モジュール（ＰＣＭ；ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｕｌｅ）は，一般的に，印刷回路基板（ＰＣＢ；Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）上に多様な保護回路および陽性温度素子（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：ＰＴＣ）を備える構造からなる。
しかし，陽性温度素子が保護回路モジュールに装着されていると，電極組立体部分での異常により発生した熱が，電極タブと接続リードを通過した後，保護回路モジュールの陽性温度素子に伝えられる。従って，陽性温度素子の動作は，熱が他の部分を経て，保護回路モジュールに伝えられた後になされるので，反応速度が遅いという問題がある。陽性温度素子の反応速度が遅い場合，リチウム二次電池の爆発の危険性がある。
本発明は，従来のパウチ形リチウム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，電極組立体部分の異常により熱が発生する際，この熱を速く感知して電池での電流を遮断することの可能な，新規かつ改良されたパウチ形リチウム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，電極組立体の異常発熱を速く感知して，電池内の電気接続を遮断することにより，安全性が向上することの可能な，新規かつ改良されたパウチ形リチウム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，本発明のある観点によれば，第１電極板と，第２電極板と，第１電極板と第２電極板との間に介されたセパレータとを備える電極組立体と，電極組立体を受け入れるための空間を備えるパウチ外装材と，電極組立体の充電または放電を制御する保護回路基板と，保護回路基板と電極組立体とを電気的に接続して，温度上昇の際，内部の電流を遮断する接続リードとを備えるパウチ形リチウム２次電池が提供される。かかる構造を有することにより，本発明に係るパウチ形リチウム二次電池では，電極組立体と保護回路基板を電気的に接続する接続リードが，陽性温度素子の役割を遂行する。従って，従来の陽性温度素子とは異なり，陽性温度素子の役割を持つ接続リードが電極組立体から発生した熱をより直接的に受けることになり，陽性温度素子の反応速度と反応信頼性を向上させることができる。また，陽性温度素子の反応速度が向上することにより，パウチ形リチウム二次電池の爆発の危険性を低減させることができる。
また，本発明の他の観点によれば，第１電極板と，第２電極板と，第１電極板と第２電極板との間に介されたセパレータとを備える電極組立体と，電極組立体を受け入れるための空間を備えるパウチ外装材と，電極組立体の充電または放電を制御する保護回路基板と，保護回路基板と電極組立体とを電気的に接続し，陽性温度素子と一体化した接続リードとを備えるパウチ形リチウム二次電池が提供される。かかる構造を有することにより，本発明に係るパウチ形リチウム二次電池では，電極組立体と保護回路基板とを電気的に接続する接続リードが，陽性温度素子の役割を遂行する。従って，従来の陽性温度素子とは異なり，接続リードを兼ねた陽性温度素子が電極組立体から発生した熱をより直接的に受けることになり，陽性温度素子の反応速度と反応信頼性を向上させることができる。また，陽性温度素子の反応速度が向上することにより，パウチ形リチウム二次電池の爆発の危険性を低減させることができる。
接続リードは，上部導電板，下部導電板および上部導電板と下部導電板との間に介された陽性温度素子材料層を備えて，陽性温度素子のような層構造でなされることができる。
接続リードは，上部導電板と下部導電板のいずれか一方は，電極組立体と電気的に接続され，他方は，保護回路基板と電気的に接続され，上部導電板と下部導電板のうち少なくとも１つは，Ｌ字形でなされることができる。
また，上部導電板および下部導電板は，ニッケル（Ｎｉ）からなることができる。
また，陽性温度素子材料層の厚さは，０．３ｍｍ以下とすることができる。この理由として，陽性温度素子材料層の厚さが０．３ｍｍ以上に厚い場合，例えば，保護回路基板がパウチ外装材の接合部の中の電極タブが引出された部分の上に位置する際，保護回路基板が高く位置することになり，パウチ形リチウム二次電池をハードケース（図示せず）に内蔵し，結合してハードパック電池を形成する場合に，パウチ形リチウム二次電池がハードケースに内蔵し，結合することができなくなる可能性があるためである。また，陽性温度素子材料層は，スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ，Ｓｔｙｒｅｎｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ）にカーボンが分散した形態で形成されることができる。
以上のように，本発明によれば，電極組立体と保護回路とを電気的に接続する接続リードが，陽性温度素子の役割を同時に遂行することにより，安全性が向上したパウチ形リチウム二次電池を提供することができる。
以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかるパウチ形リチウム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）
図１Ａは，第１実施形態に係るパウチ形リチウム二次電池のパウチ外装材が封入される前の状態を示す斜視図であり，図１Ｂは，第１実施形態に係るパウチ形リチウム二次電池のパウチ外装材が封入された後の状態を示す斜視図である。
図１Ａは，第１実施形態に係るパウチ形リチウム二次電池のパウチ外装材が封入される前の状態を示す斜視図であり，図１Ｂは，第１実施形態に係るパウチ形リチウム二次電池のパウチ外装材が封入された後の状態を示す斜視図である。
図１Ａおよび図１Ｂを参照すると，本実施形態に係るパウチ形リチウム二次電池１００は，電極組立体１１０と，電極組立体１１０を受け入れるパウチ外装材１２０と，電極組立体１１０の充電または放電を制御するための保護回路基板１３０と，電極組立体１１０と保護回路基板１３０とを電気的に接続させ，陽性温度素子の役割を同時に遂行する接続リード１４０，１４５とを備える構造からなる。
電極組立体１１０は，正極活物質と負極活物質のいずれか一方，例えば，正極活物質がコーティングされた第１電極板１１１と，正極活物質と負極活物質のいずれか他方，例えば，負極活物質がコーティングされた第２電極板１１２と，第１電極板１１１および第２電極板１１２との間に位置して，第１電極板１１１と第２電極板１１２とのショート（ｓｈｏｒｔ）を防止し，リチウムイオンの移動のみ可能にするセパレータ１１３とからなり，第１電極板１１１と第２電極板１１２との間にセパレータ１１３が介されて積層された後ゼリーロール形態で巻き取られている。また，第１電極板１１１は，一般的にアルミニウム（Ａｌ）材質からなり，上部に一定の長さが突出して，正極タブとして作用する第１電極タブ１１４が接合している。また，第２電極板１１２は，一般的にニッケル（Ｎｉ）材質からなり，下部に一定の長さが突出して，負極タブとして作用する第２電極タブ１１５が接合しているが，本発明において上記の材質に限るのではない。また，第１電極タブ１１４および第２電極タブ１１５とパウチ外装材１２０との間の短絡を防止するため，絶縁テープ１１６を更に備えることもできる。
この際，正極活物質としては，カルコゲナイド（ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）化合物が使われており，その例として，ＬｉＣｏＯ２，ＬｉＭｎ２Ｏ４，ＬｉＮｉＯ２，ＬｉＮｉ１-ｘＣｏｘＯ２(Ｏ<ｘ<１)，ＬｉＭｎＯ２等の複合金属酸化物が使われている。負極活物質は，炭素（Ｃ）系物質，Ｓｉ，Ｓｎ，酸化スズ，スズ合金複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｔｉｎ ａｌｌｏｙｓ），遷移属酸化物，リチウム金属ナイトライド，または，リチウム金属酸化物などが使われている。また，一般的に，正極電極板は，アルミニウム（Ａｌ）材質を，負極電極板は，銅（Ｃｕ）材質を使用し，セパレータは，一般的にポリエチレン（ＰＥ）またはポリプロピレン（ＰＰ）を使用するが，本発明において，上記の材質に限るのではない。
パウチ外装材１２０は，電極組立体１１０が受け入れられる空間１２１ａが形成された下面１２１と，空間１２１ａが形成された下面１２１をカバーする上面１２２からなる。下面１２１の空間１２１ａの縁は，パウチ外装材１２０に前記電極組立体１１０を受け入れた後，接合して封入する接合部１３（図示せず）である。また，電極組立体１１０を受け入れるための空間１２１ａは，プレス（ｐｒｅｓｓ）加工などを通じて形成される。また，パウチ外装材１２０は，下面１２１の空間１２１ａに電極組立体１１０を受け入れた後，上面１２２を覆って接合して封入する。
電極組立体１１０の第１電極タブ１１４および第２電極タブ１１５は，パウチ外装材１２０の接合部１２３のある一側面と接して，外部に突引される。このような第１電極タブ１１４および第２電極タブ１１５は，第１接続リード１４０および第２接続リード１４５と接合して，保護回路基板１３０と電気的に接続され，パウチ外装材１２０内に受容される。
保護回路基板１３０は，電極組立体１１０の充電または放電および誤作動を制御するためのものであって，例えば，電極組立体１１０から過電流が流れた際，過電流を遮断する役割を遂行する。また，保護回路基板１３０は，図面上に図示してはいないが，一般的に，多様な保護回路を備える構造からなる。
接続リード１４０，１４５は，電極組立体１１０の第１電極タブ１１４および第２電極タブ１１５を保護回路基板１３０と電気的に接続させる第１接続リード１４０および第２接続リード１４５からなる。第１接続リード１４０と第２接続リード１４５のうち少なくとも１つ，例えば，負極タブとして作用する第２電極タブ１１５と電気的に接続される第２接続リード１４５は，陽性温度素子の役割を同時に遂行する。従って，従来の陽性温度素子とは異なり，陽性温度素子の役割を持つ接続リード１４５が電極組立体１１０から発生した熱をより直接的に受けることになり，陽性温度素子の反応速度と反応信頼性が向上する。また，陽性温度素子の反応速度が向上することにより，パウチ形リチウム二次電池１００の爆発の危険性が低減する。
第１接続リード１４０および第２接続リード１４５の一端が，第１電極タブ１１４および第２電極タブ１１５の端部に溶接され結合し，第１接続リード１４０および第２接続リード１４５の他端が，保護回路基板１３０に接合し，第１電極タブ１１４および第２電極タブ１１５を保護回路基板１３０と電気的に接続することができる。この際，第１接続リード１４０および第２接続リード１４５は，一般的に，‘Ｌ字’形状からなるが，本発明においてその形状に限るのではない。
また，接続リード１４０，１４５と電極タブ１１４，１１５及び保護回路基板１３０を電気的に接続した後，図１Ｂに示すように，第１電極タブ１１４および第２電極タブ１１５と第１接続リード１４０（図１Ａ参照）および第２接続リード１４５（図１Ａ参照）を曲げて，保護回路基板１３０を，パウチ外装材１２０（図１Ａ参照）の接合部のうち，第１電極タブ１１４および第２電極タブ１１５の引出された部分の上に位置させる。
（第２実施形態）
一方，図２Ａは，第２実施形態に係るパウチ形リチウム二次電池の接続リードを説明するための斜視図であり，図２Ｂは第２実施形態に係るパウチ形リチウム二次電池の接続リードを説明するための断面図である。
一方，図２Ａは，第２実施形態に係るパウチ形リチウム二次電池の接続リードを説明するための斜視図であり，図２Ｂは第２実施形態に係るパウチ形リチウム二次電池の接続リードを説明するための断面図である。
図２Ａおよび図２Ｂを参照すると，本実施形態に係るパウチ形リチウム二次電池の接続リード２００は，陽性温度素子と一体化した構造でなされる。この際，接続リード２００は，上部導電板２００ａ，下部導電板２００ｃおよび上部導電板２００ａと下部導電板２００ｃとの間に介された陽性温度素子材料層２００ｂを備える積層構造で形成される。
上部導電板２００ａと下部導電板２００ｃのいずれかの一方，例えば，上部導電板２００ａは，図１Ａに示されたパウチ形リチウム二次電池１００の電極タブ１１４，１１５および保護回路基板１３０のいずれかの１つ，例えば，保護回路基板１３０と電気的に接続される。また，上部導電板２００ａと下部導電板２００ｃのいずれか他方，例えば，下部導電板２００ｃは，図１Ａに示されたパウチ形リチウム二次電池１００の電極タブ１１４，１１５および前記保護回路基板１３０のいずれかの１つ，例えば，負極タブとして作用する第２電極タブ１１５と電気的に接続される。
上部導電板２００ａと下部導電板２００ｃのいずれか一方，例えば，保護回路基板１３０と電気的に接続される上部導電板２００ａは，Ｌ形でなされるが，本発明においてその形状に限るのではない。また，上部導電板２００ａおよび下部導電板２００ｃは，ニッケル（Ｎｉ），ニッケル合金（Ｎｉ ａｌｌｏｙ）およびこれらの等価物からなることができるが，本発明においてその材質に限るのではない。
陽性温度素子材料層２００ｂは，高分子複合物からなることができ，特に，スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ，Ｓｔｙｒｅｎｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ）にカーボンが分散した形態でなされることができる。これは，陽性温度素子の材料として，最も頻繁に使われている。また，陽性温度素子材料層２００ｂの厚さは，０．３ｍｍ以下のものが好ましい。この理由として，陽性温度素子材料層２００ｂの厚さが０．３ｍｍ以上に厚い場合，保護回路基板１３０がパウチ外装材１２０の接合部の中の，第１電極タブ１１４および第２電極タブ１１５が引出された部分の上に位置する際，保護回路基板１３０が高く位置することになり，パウチ形リチウム二次電池１００をハードケース（図示せず）に内蔵し，結合してハードパック電池を形成する場合に，パウチ形リチウム二次電池１００がハードケースに内蔵し，結合することができなくなる可能性があるためである。
本実施形態に係るパウチ形リチウム二次電池１００は，電極組立体１１０と保護回路基板１３０とを電気的に接続する接続リード１４０，１４５，２００が，陽性温度素子の役割を遂行する。従って，従来の陽性温度素子とは異なり，接続リードを兼ねた陽性温度素子が電極組立体から発生した熱をより直接的に受けることになり，陽性温度素子の反応速度と反応信頼性が向上する。また，陽性温度素子の反応速度が向上することにより，パウチ形リチウム二次電池１００の爆発の危険性が低減する。
即ち，接続リード１４０，１４５，２００が，陽性温度素子と一体化することにより，パウチ形リチウム二次電池１００の温度上昇による回路の遮断を，より速くすることができる。従って，パウチ形リチウム二次電池１００の安全性が向上し，本発明のパウチ形リチウム二次電池１００を備えるバッテリーパックの爆発などの危険性が低減する。
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかるパウチ形リチウム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。
本発明のパウチ形リチウム二次電池は，電極組立体と保護回路とを電気的に接続する接続リードが，陽性温度素子の役割を同時に遂行することにより，安全性が向上するため，リチウム二次電池の製造分野での使用が可能である。
１００ パウチ形リチウム二次電池
１１０ 電極組立体
１１１ 第１電極板
１１２ 第２電極板
１１３ セパレータ
１１４ 第１電極タブ
１１５ 第２電極タブ
１１６ 絶縁テープ
１２０ パウチ外装材
１２１ 下面
１２１ａ 空間
１２２ 上面
１２３ 接合部
１３０ 保護回路基板
１４０ 接続リード
１４５ 接続リード
２００ 接続リード
２００ａ 上部導電板
２００ｂ 陽性温度素子材料層
２００ｃ 下部導電板
１１０ 電極組立体
１１１ 第１電極板
１１２ 第２電極板
１１３ セパレータ
１１４ 第１電極タブ
１１５ 第２電極タブ
１１６ 絶縁テープ
１２０ パウチ外装材
１２１ 下面
１２１ａ 空間
１２２ 上面
１２３ 接合部
１３０ 保護回路基板
１４０ 接続リード
１４５ 接続リード
２００ 接続リード
２００ａ 上部導電板
２００ｂ 陽性温度素子材料層
２００ｃ 下部導電板
Claims (10)
- 第１電極板と，
第２電極板と，
前記第１電極板と前記第２電極板との間に介されたセパレータと，
を備える電極組立体と；
前記電極組立体を受け入れるための空間を備えるパウチ外装材と；
前記電極組立体の充電または放電を制御する保護回路基板と；
前記保護回路基板と前記電極組立体とを電気的に接続して，温度上昇の際，内部の電流を遮断する接続リードと；
を備えることを特徴とする，パウチ形リチウム二次電池。 - 前記接続リードは，
上部導電板と，
下部導電板と，
前記上部導電板と前記下部導電板との間に介された陽性温度素子材料層と，
を備えることを特徴とする，請求項１に記載のパウチ形リチウム二次電池。 - 前記上部導電板と前記下部導電板のいずれか一方は，前記電極組立体と電気的に接続され，前記上部導電板と前記下部導電板のいずれか他方は，前記保護回路基板と電気的に接続されることを特徴とする，請求項２に記載のパウチ形リチウム二次電池。
- 前記上部導電板と前記下部導電板のうち少なくとも１つは，Ｌ字形であることを特徴とする，請求項２または３に記載のパウチ形リチウム二次電池。
- 前記上部導電板および前記下部導電板は，ニッケル（Ｎｉ）からなることを特徴とする，請求項２〜４のいずれかに記載のパウチ形リチウム二次電池。
- 前記陽性温度素子材料層の厚さは，０．３ｍｍ以下であることを特徴とする，請求項２〜５のいずれかに記載のパウチ形リチウム二次電池。
- 前記陽性温度素子材料層は，スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ，Ｓｔｙｒｅｎｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ）にカーボンが分散した形態で形成されることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載のパウチ形リチウム二次電池。
- 第１電極板と，
第２電極板と，
前記第１電極板と第２電極板との間に介されたセパレータと，
を備える電極組立体と；
前記電極組立体を受け入れるための空間を備えるパウチ外装材と；
前記電極組立体の充電または放電を制御する保護回路基板と；
前記保護回路基板と前記電極組立体とを電気的に接続し，前記陽性温度素子と一体化した接続リードと；
を備えることを特徴とする，パウチ形リチウム二次電池。 - 前記陽性温度素子と一体化した接続リードは，
前記電極組立体と電気的に接続される上部導電板と，
前記保護回路基板と電気的に接続される下部導電板と，
前記上部導電板と下部導電板との間に介された陽性温度素子材料層と，
からなることを特徴とする，請求項８に記載のパウチ形リチウム二次電池。 - 前記陽性温度素子材料層の厚さは０．３ｍｍ以下であることを特徴とする，請求項８または９に記載のパウチ形リチウム二次電池。
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