JP2006269410A - 円筒形リチウム二次電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、ＳＵＳ（steel use stainless）より軟質（soft）で、かつ、比重の低い材質からなる巻芯部材を使用して、巻芯部材の移動により発生し得るキャップ組立体、特に安全ベントの変形及び破壊を防止して、安定性が向上した円筒形リチウム二次電池を提供するためのものである。
【解決手段】本発明は、第１電極板、第２電極板、前記第１電極板及び第２電極板間に介されたセパレータを備え、中心に所定の空間が形成された電極組立体と、ＳＵＳ（steel use stainless）より軟質（soft）で、かつ、比重の低い材質からなり、前記電極組立体の中心空間に結合する棒形の巻芯部材と、前記電極組立体を受容する空間を備え、上部が開口されたケースと、前記ケースの上部と結合してこれを封入するキャップ組立体と、を含んでなされる。
【選択図】図１ｂ

Description

本発明は、円筒形リチウム二次電池に関し、より詳しくは、ＳＵＳ（steel use stainless）より軟質（soft）で、かつ、比重の低い材質からなる巻芯部材を使用して、巻芯部材の移動により生じ得るキャップ組立体、特に安全ベントの変形及び破壊を防止して、安定性が向上した円筒形リチウム二次電池に関する。
一般に、円筒形リチウムイオン二次電池は略円筒形態で巻き取られた電極組立体と、前記電極組立体が結合する円筒形態の缶と、前記缶の内側に注入されてリチウムイオンの移動を可能にする電解液と、前記缶の一側に結合して前記電解液の漏液を防止し、電極組立体の離脱を防止するキャップ組立体からなっている。
このような円筒形リチウムイオン二次電池は、通常、その容量が２０００〜２４００ｍＡ程度であるので、主に大容量の電力が必要なノートＰＣ（note PC）、デジタルカメラ、キャムコーダなどに取り付けられている。一例として、このような円筒形リチウムイオン二次電池は複数個が必要となる個数だけ直並列で連結され、また保護回路が装着されたまま、所定形態のハードパックで組立てられて前記電子機器に電源用に結合して利用される。
このような円筒形リチウムイオン二次電池の製造方法は下記の通りである。
まず、所定の活物質層が形成された負極板、セパレータ、及び所定の活物質層が形成された正極板を共に積層した後、棒形態の巻取軸に一端を結合した後、略円筒形態で巻き取って電極組立体を形成する。次に、前記電極組立体を円筒形ケースに挿入した後、電解液を注入し、次に、キャップ組立体を前記円筒形ケースの上部に熔接することによって、略円筒形態のリチウムイオン二次電池を完成する。
一方、最近には前記リチウムイオン二次電池の充・放電中、前記電極組立体が変形しないように、前記電極組立体の中央に略棒形態の巻芯部材を結合させている。
しかしながら、前記のような円筒形リチウム二次電池は落下などの外部衝撃などによって前記巻芯部材の移動が発生するおそれがある。このような巻芯部材の移動は巻芯部材の上部のキャップ組立体に影響を及ぼすことになる。特に、キャップ組立体の安全ベントと衝突する場合、前記安全ベントの反転あるいは破壊を発生する問題がある。
このような安全ベントの反転または破壊は、リチウム二次電池の安定性に深刻な影響を及ぼすおそれがある。
本発明は、前記の従来技術の問題を解決するためのものであって、本発明はＳＵＳ（steel use stainless）より軟質（soft）で、かつ、比重の低い材質からなる巻芯部材を使用して、巻芯部材の移動により生じ得るキャップ組立体、特に安全ベントの変形及び破壊を防止して、安定性が向上した円筒形リチウム二次電池を提供することをその目的とする。
前記目的達成のための本発明の一側面によれば、円筒形リチウム二次電池は、第１電極板、第２電極板、前記第１電極板及び第２電極板間に介されたセパレータを備え、中心に所定の空間が形成された電極組立体と、ＳＵＳ（steel use stainless）より軟質（soft）で、かつ、比重の低い材質からなり、前記電極組立体の中心空間に結合する棒形の巻芯部材と、前記電極組立体を受容する空間を備え、上部が開口されたケースと、前記ケースの上部と結合してこれを封入するキャップ組立体と、を含んでなされる。
前記巻芯部材は合成樹脂からなることが好ましく、前記巻芯部材はポリフェニレンスルファイド（PPS）からなることができる。
前記巻芯部材は中心部に長さ方向に沿って貫通したホールを備えることができる。
前記巻芯部材は外部面に長手方向に沿って形成された少なくとも１つの溝を備えることができる。例えば、前記巻芯部材は外部面に長手方向に沿って形成された４個の溝を備えることができる。
本発明の他の側面によれば、円筒形リチウム二次電池は、第１電極板、第２電極板、前記第１電極板及び第２電極板間に介されたセパレータを備え、中心に所定の空間が形成された電極組立体と、複数の羽部を備え、前記電極組立体の中心空間に結合される巻芯部材と、前記電極組立体を受容する空間を備え、上部が開口されたケースと、前記ケースの上部と結合されてこれを封入するキャップ組立体と、を含んでなされる。
前記巻芯部材は４個の羽部を備えて、その断面の形状が十字型（cross type）であることが好ましい。
前記巻芯部材の羽部の終端は全体的にラウンド形状からなることができ、また、前記巻芯部材の羽部の終端はラウンドした四角形の形状からなることができる。
前記のように、本発明によれば、本発明はＳＵＳ（steel use stainless）より軟質（soft）で、かつ、比重の低い材質からなる巻芯部材を使用して、巻芯部材の移動により生じ得るキャップ組立体、特に安全ベントの変形及び破壊を防止して、安定性が向上した円筒形リチウム二次電池を提供することができる。
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
図面の同じ参照符号は同じ構成要素を示す。
図１ａは本発明の実施形態に係る円筒形リチウム二次電池を説明するための斜視図であり、図１ｂは図１ａのＡ−Ａラインに沿う断面図であり、図１ｃは図１ａのＢ−Ｂラインに沿う断面図である。
図１ａ乃至図１ｃに示すように、本発明の実施形態に係る円筒形リチウム二次電池１００は、充・放電時に電圧差を発生させる電極組立体２００と、前記電極組立体２００を受納する円筒形のケース３００と、前記円筒形ケース３００の上部に組立てられて前記電極組立体２００が離脱しないようにするキャップ組立体４００と、前記電極組立体の中央部の空間に位置する巻芯部材５００とを備える構造からなっている。
前記電極組立体２００は正極活物質及び負極活物質中のいずれかの１つ、例えば、正極活物質がコーティングされた第１電極板２１０、前記正極活物質及び負極活物質中の他の１つ、例えば、負極活物質がコーティングされた第２電極板２２０、並びに、前記第１電極板２１０及び第２電極板２２０間に位置して前記第１電極板２１０と第２電極板２２０のショート（short）を防止し、リチウムイオンの移動のみを可能にするセパレータ２３０からなる。また、前記第１電極板２１０、第２電極板２２０及びセパレータ２３０は略円形で巻き取られて前記円筒形ケース３００に受納される。また、前記第１電極板２１０には一般にアルミニウム（Ａｌ）材質からなり、上部に一定の長さが突出した第１電極タブ２１５が接合している。前記第２電極板２２０に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た第２電極タブ２２５が接合しているが、本発明は上記の材質に限るのではない。併せて、前記電極組立体２００の上・下部には各々直接的なキャップ組立体４００または円筒形ケース３００との接触を避けるために上・下部絶縁プレート２４１、２４５が更に取り付けられている。
前記円筒形ケース３００は前記電極組立体２００が結合できるように所定の空間を有して一定の直径を有する円筒面３１０が形成されており、前記円筒面３１０の下部にはその円筒面３１０の下部空間を塞いだ下面３２０が形成されており、前記円筒面３１０の上部は前記電極組立体２００を挿入するために開口されている。一方、前記円筒形ケース３００の下面３２０の中央に前記電極組立体２００の第１電極タブ２１５及び第２電極タブ２２５中のいずれかの１つ、例えば、第２電極タブ２２５が接合することにより、前記円筒形ケース３００自体は第２電極板２２０と同一な電極、例えば、負極端子の役割を遂行することになる。また、前記円筒形ケース３００は一般にアルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）またはこれらの合金で形成される。併せて、前記円筒形ケース３００は上部から前記キャップ組立体４００に圧力を加えるように片方に撓んだクリッピング（criping）部３３０が形成され、下部から上部方向に前記キャップ組立体４００に圧力を加えるように内側に凹んだビーディング（beading）部３４０が更に形成されている。
前記キャップ組立体４００は前記第１電極タブ２１５が熔接されたと共に、過充電または異常発熱の際、形態が反転する導電性安全ベント４１０と、前記導電性安全ベント４１０の上部に電気的及び機械的に連結されて、前記安全ベント４１０の反転の際、回路が途絶える印刷回路基板（PCB、Printed Circuit board）４２０と、前記印刷回路基板４２０の上部に電気及び機械的に連結されて所定の温度以上になると回路が途絶える陽性温度素子４３０と、前記陽性温度素子４３０の上部に電気的及び機械的に連結されて実際の電流を外部に印加する導電性電極キャップ４４０と、前記安全ベント４１０、印刷回路基板４２０、陽性温度素子４３０及び電極キャップ４４０の側部の周りを覆いかぶせる形態をなし、前記円筒形ケース３００から前記並べたものを絶縁させる絶縁ガスケット４５０からなる。この際、前記電極キャップ４４０は前記電極組立体２００の第１電極タブ２１５及び第２電極タブ２２５中のいずれかの１つ、例えば、第１電極タブ２１５が接合して第１電極板２１０と同一な電極、例えば、正極端子の役割を遂行する。
前記巻芯部材５００は前記巻取型電極組立体２００の中央の空間に挿入されて、前記巻取型電極組立体２００が弛緩して解かれることを防止し、外圧による前記巻取型電極組立体２００の変形を防止する役割も遂行する。このような巻芯部材５００は略棒形からなっている。
また、前記巻芯部材５００はＳＵＳ（steel use stainless）より軟質で、かつ、軽量の合成樹脂からなることが好ましく、ポリフェニレンスルファイド（polyphenylenesulfide: ＰＰＳ）からなることができる。これは前記巻芯部材５００を前記ＳＵＳ（steel use stainless）より軟質で、かつ、軽量の合成樹脂からなるようにすることによって、落下及び圧縮などによって外部圧力が作用する場合、前記巻芯部材５００の移動により前記キャップ組立体４００の安全ベント４１０が破壊及び変形することを防止するためである。特に、前記安全ベント４１０が変形される場合、前記電極組立体４００の安全ベント４１０及び前記保護回路基板４２０がショート（short）する場合があるが、前記巻芯部材５００を合成樹脂からなるようにすることによって、これを防止するものである。
また、前記巻芯部材５００は中心部に前記巻芯部材５００の長手方向に沿って貫通したホール５１０と、前記巻芯部材５００の外部面に長手方向に沿って形成された少なくとも１つの溝５２０を備える（図１ｃ参照）。
また、前記巻芯部材５００は前記電極組立体２００が有する全体高さの略９０％乃至１１０％程度で形成されており、下段は前記第２電極タブ２２５上に位置する。このような前記巻芯部材５００の高さが前記電極組立体２００の高さの９０％以下であれば、前記電極組立体２００の固定力及び支持力があまりに弱くて、また、１１０％以上であれば、前記キャップ組立体３００の構成要素と接触するおそれがあるので好ましくない。
一方、図示してはいないが、前記円筒形ケース３００内の前記電極組立体２００間にリチウムイオンの移動が可能に電解液が注入される。前記電解液は充・放電の際、内部の正極及び負極で電気化学的反応によって生成するリチウムイオン（Li Ion）の移動媒体の役割をし、これはリチウム塩と高純度有機溶媒類との混合物である非水質系有機電解液であることが可能である。併せて、前記電解液は高分子電解質を利用したポリマーであることも可能で、ここで、前記電解液物質の種類を限るのではない。
図２ａは本発明の一実施形態に係る円筒形リチウム二次電池の巻芯部材を説明するための斜視図であり、図２ｂは図２ａのＣ−Ｃラインによる断面図である。
図２ａ及び図２ｂを参照すれば、本発明の一実施形態に係る円筒形リチウム二次電池１００の巻芯部材５００はＳＵＳ（steel use stainless）より軟質で、かつ、軽量の合成樹脂からなる。
また、前記巻芯部材５００は中心部に前記巻芯部材５００の長手方向に沿って貫通したホール５１０と、前記巻芯部材５００の外部面に長手方向に沿って形成された少なくとも１つの溝５２０を備える。前記ホール５１０及び溝５２０は前記巻芯部材５００の挿入後、電解液を注入して初期充・放電する工程中、前記円筒形リチウム二次電池１００の内部から発生するガスの排気をより容易にするためのものである。
また、前記巻芯部材５００は前記溝５２０が形成された形態によって複数個の羽部５３０を備える構造からなる。
例えば、前記巻芯部材５００は前記巻芯部材５００の外部面に長手方向に沿って形成された４個の溝５２０を介して図２ａ及び図２ｂでのように、４個の羽部を備えて断面の形状が十字型（cross type）からなることが可能である。
この際、前記断面の形状が十字型である巻芯部材５００をなす４個の羽部５３０は図２ａ及び図２ｂに示すように、前記羽部５３０の終端が全体的にラウンドした形状からなることが可能である。
これは前記巻芯部材５００が前記電極組立体２００の中央の空間に挿入された後、外部圧力により前記巻芯部材５００が回転及び変形される場合、前記巻芯部材５００が前記電極組立体２００に影響を及ぼして前記電極組立体２００のショート（short）が発生することを防止するためである。
図３ａは、本発明の他の実施形態に係る円筒形リチウム二次電池の巻芯部材を説明するための斜視図であり、図３ｂは図３ａのＤ−Ｄラインに沿う断面図である。
図３ａ及び図３ｂを参照すれば、本発明の他の実施形態に係る円筒形リチウム二次電池の巻芯部材は、図２ａ及び図２ｂに図示された本発明の一実施形態と構造的に類似している。但し、前記巻芯部材の羽部５３０の終端がラウンドした四角形状からなる構造が違うだけである。
言い換えると、前記巻芯部材５００は前記巻芯部材５００の外部面に長手方向に沿って形成された４個の溝５２０を介して４個の羽部を備えて断面の形状が十字型（cross type）からなり、前記巻芯部材５００の羽部５３０の終端がラウンドした四角形の形状からなるものである。
図４は、本発明の実施形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明するためのフローチャートである。
図４を参照すれば、本発明の実施形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法は電極組立体２００の形成ステップＳ１、電極組立体２００の結合ステップＳ２、巻芯部材６００の挿入ステップＳ３、電解液注入ステップＳ４及びキャップ組立体４００の結合ステップＳ５を含む。
図５ａ乃至図５ｄは、本発明の実施形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明するための図である。以下では、前記図４と共に円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明する。
図５ａを参照すれば、まず前記電極組立体２００の形成ステップＳ１では、第１電極板２１０、セパレータ２３０、第２電極板２２０を順次に積層し、これの一段には巻取軸６００を結合した後、略円筒形で巻き取って電極組立体２００を形成する。勿論、前記巻取り以前に、前記第１電極板２１０には第１電極タブ２１５が、第２電極板２２０には第２電極タブ２２５が取り付けられる。
図５ｂを参照すれば、前記電極組立体２００の結合ステップＳ２では前記略円筒形の電極組立体２００を前記円筒形ケース３００に結合する。勿論、前記結合後には前記電極組立体２００から前記巻取軸６００を分離し、この際、前記電極組立体２００の中心部には略円形の空間が形成される。勿論、前記巻取軸６００は前記電極組立体２００の結合前に予め分離することができ、本発明はその順序を限るのではない。また、前記円筒形ケース３００には予め下部絶縁板２４１（図５ａ、図５ｂには示していない）が結合している。
図５ｃを参照すれば、前記巻芯部材５００の挿入ステップＳ３では前記巻取軸６００が分離されて前記電極組立体２００の中心部に形成された空間に、図２ａ及び図２ｂ、図３ａ及び図３ｂに図示されたような巻芯部材５００を挿入する。
ここで、前記巻芯部材５００の挿入前、前記電極組立体２００中、第１電極タブ２１５及び第２電極タブ２２５中のいずれかの１つ、例えば、前記第２電極タブ２２５は円筒形ケース３００の下面３２０に抵抗熔接などの方法により予め付着・固定することができる。したがって、前記巻芯部材５００は前記第２電極タブ２２５の上面に接触したままに位置し、前記第２電極タブ２２５をより強く前記円筒形ケース３００に結合させる役割もする。一方、前記のように、前記巻芯部材５００は前記電極組立体２００が有する高さの略９０％乃至１１０％程度であることが好ましい。 即ち、前記巻芯部材５００の高さが前記電極組立体２００の９０％以下であると、前記電極組立体２００を固定及び支持する力があまりに弱くなり、また、１１０％以上の場合には、前記キャップ組立体４００の構成要素と接触するおそれがあるので好ましくない。
次に、前記電解液注入ステップＳ４では、前記電極組立体２００の上段まで電解液を注入する。また、前記電解液は前記電極組立体２００において、前記第１電極板２１０と第２電極板２２０との間に充・放電の際、リチウムイオンの移動が可能であるようにする役割を遂行する。
図５ｄを参照すれば、前記キャップ組立体４００の結合ステップＳ５では前記円筒形ケース３００の上部に複数の構成要素からなるキャップ組立体４００を結合して、上述の電極組立体２００、巻芯部材５００及び電解液が外部に離脱または漏洩しないようにして、円筒形リチウム二次電池１００を形成する。
より詳細に説明すれば、前記円筒形ケース３００の上部に略リング形態である絶縁ガスケット４５０を結合し、次に、その内側に順次に電極組立体２００中の第１電極タブ２１５及び第２電極タブ２２５中のいずれかの１つ、例えば、第１電極タブ２１５と電気的に連結される導電性安全ベント４１０、印刷回路基板４２０、陽性温度素子４３０及び電極キャップ４４０を順次に結合する。
次に、前記絶縁ガスケット４５０の下段に該当する円筒形ケース３００をビーディングして内側方向に陥没したビーディング部３４０を形成し、その上段をクリッピングしてクリッピング部３３０を形成することによって、前記キャップ組立体４００が外部に離脱しないようにして、円筒形リチウム二次電池１００を形成するものである。
前記のように、本発明の実施形態に係る円筒形リチウム二次電池１００は合成樹脂からなる巻芯部材５００を備えることによって、前記巻芯部材５００の移動により発生する前記安全ベント４１０の変形及び破壊を防止することができる。
また、前記巻芯部材５００の中心部を貫通するホール５１０及び外周面に長手方向に沿って形成された少なくとも１つの溝５２０を備えることによって、前記円筒形リチウム二次電池１００の内部から発生するガスの排気をより容易にすることができる。
また、前記巻芯部材５００が断面の形状が十字型（cross type）からなり、十字型の羽部５３０の終端が全体的にラウンドした形状からなるか、または、羽部５３０の終端がラウンドした四角形の形状からなるようにして、前記巻芯部材５００が前記電極組立体２００の中央の空間に挿入された後、外部圧力によって前記巻芯部材５００が回転及び変形される場合、前記巻芯部材５００が前記電極組立体２００に影響を及ぼして前記電極組立体２００のショート（short）の発生を防止することができる。
前記では本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該技術分野の熟練した当業者であれば特許請求範囲に記載された本発明の事象及び領域から外れない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることができるということが分るはずである。
本発明の実施形態に係る円筒形リチウム二次電池を説明するための斜視図である。 図１ａのＡ−Ａラインによる断面図である。 図１ａのＢ−Ｂラインによる断面図である。 本発明の一実施形態に係る円筒形リチウム二次電池の巻芯部材を説明するための斜視図である。 図２ａのＣ−Ｃラインによる断面図である。 本発明の他の実施形態に係る円筒形リチウム二次電池の巻芯部材を説明するための斜視図である。 図３ａのＤ−Ｄラインによる断面図である。 本発明の実施形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明するための図である。
符号の説明
１００ 円筒形リチウム二次電池
２００ 電極組立体
２１０ 第１電極板
２１５ 第１電極タブ
２２０ 第２電極板
２２５ 第２電極タブ
２３０ セパレータ
２４１、２４５ 絶縁プレート
３００ 円筒形ケース
３１０ 円筒面
３２０ 下面
３３０ クリッピング部
３４０ ビーディング部
４００ キャップ組立体
４１０ 安全ベント
４２０ 印刷回路基板
４３０ 陽性温度素子
４４０ 電極キャップ
４５０ 絶縁ガスケット
５００ 巻芯部材
５１０ ホール
５２０ 溝
５３０ 羽部

Claims (13)

  1. 第１電極板、第２電極板、前記第１電極板及び第２電極板間に介されたセパレータを備え、中心に所定の空間が形成された電極組立体と、
    ＳＵＳ（steel use stainless）より軟質（soft）で、かつ、比重の低い材質からなり、前記電極組立体の中心空間に結合する棒形の巻芯部材と、
    前記電極組立体を受容する空間を備え、上部が開口されたケースと、
    前記ケースの上部と結合してこれを封入するキャップ組立体と、
    を含むことを特徴とする円筒形リチウム二次電池。
  2. 前記巻芯部材は合成樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の円筒形リチウム二次電池。
  3. 前記巻芯部材はポリフェニレンスルファイド（PPS）からなることを特徴とする請求項２に記載の円筒形リチウム二次電池。
  4. 前記巻芯部材は中心部に長手方向に沿って貫通したホールを備えることを特徴とする請求項１に記載の円筒形リチウム二次電池。
  5. 前記巻芯部材は外部面に長手方向に沿って形成された少なくとも１つの溝を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の円筒形リチウム二次電池。
  6. 前記巻芯部材は外部面に長手方向に沿って形成された４個の溝を備えることを特徴とする請求項５に記載の円筒形リチウム二次電池。
  7. 第１電極板、第２電極板、前記第１電極板及び第２電極板間に介されたセパレータを備え、中心に所定の空間が形成された電極組立体と、
    複数の羽部を備え、前記電極組立体の中心空間に結合する巻芯部材と、
    前記電極組立体を受容する空間を備え、上部が開口されたケースと、
    前記ケースの上部と結合して、これを封入するキャップ組立体と、
    を含むことを特徴とする円筒形リチウム二次電池。
  8. 前記巻芯部材は４個の羽部を備え、その断面の形状が十字型（cross type）であることを特徴とする請求項７に記載の円筒形リチウム二次電池。
  9. 前記巻芯部材の羽部の終端は全体的にラウンド形状からなることを特徴とする請求項７に記載の円筒形リチウム二次電池。
  10. 前記巻芯部材の羽部の終端はラウンドした四角形の形状からなることを特徴とする請求項７に記載の円筒形リチウム二次電池。
  11. 前記巻芯部材は合成樹脂からなることを特徴とする請求項７に記載の円筒形リチウム二次電池。
  12. 前記巻芯部材はポリフェニレンスルファイド（PPS）からなることを特徴とする請求項１１に記載の円筒形リチウム二次電池。
  13. 前記巻芯部材は中心部に長手方向に沿って貫通したホールを更に備えることを特徴とする請求項７に記載の円筒形リチウム二次電池。
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