JP2006269420A - リチウム二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極ピンの頭部に突出部を形成して電池の化成工程中に化成工程用接触ピンが電池の電極ピンの頭部から滑ることにより発生する接触不良を改善して、電池の品質を向上させ、歩留まりを高めることができるリチウム二次電池を提供する。
【解決手段】第１電極３１３、第２電極３１５及びこれらの間に介されたセパレータ３１４が共に巻取られた電極組立体３１２と、前記電極組立体３１２を収容する缶３１０と、前記缶３１０の上段開口部に結合されて端子通孔３４１が形成されているキャッププレート３４０と、前記端子通孔３４１に挿入される電極ピン３３０と、を含むリチウム二次電池であって、前記電極ピン３３０は、平板型の頭部１３２と前記頭部１３２の下面から延びている柱部１３６とを含み、前記頭部１３２の上面の縁に沿って突出部１３４が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２ａ

Description

本発明は、リチウム二次電池に関し、より詳しくは、電池の化成工程中に、化成工程用接触ピンが電池の電極ピンの頭部から滑ることにより発生する接触不良を改善できるリチウム二次電池に関する。

最近、先端電子産業の発達により電子装備の小量化及び軽量化が可能になることによって、携帯用電子機器の使用が増大している。このような携帯用電子機器の電源に、高いエネルギー密度を有する電池の必要性が増大し、リチウム二次電池の研究が活発に行われている。

リチウム二次電池は、リチウムイオンが正極及び負極でインターカレーション（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）／デインターカレーション（ｄｅｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）される際の酸化、還元反応によって電気エネルギーを生成する。リチウム二次電池は、リチウムイオンの可逆的なインターカレーション／デインターカレーション可能な物質を正極と負極の活物質として使用して、前記正極と負極との間に有機電解液またはポリマー電解液を充填させて製造される。

リチウム二次電池の正極活物質としては、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎＯ_２）などのリチウム含有金属酸化物を使用しており、リチウム二次電池の負極活物質としては、リチウム金属またはリチウム合金を使用する。しかしながら、リチウム金属を使用する場合、デンドライト（ｄｅｎｄｒｉｔｅ）の形成による電池の短絡により爆発の危険性があるため、リチウム金属の代わりに非晶質炭素または結晶質炭素などの炭素系物質に取り替えることができる。リチウム二次電池はいろいろ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、角形及びパウチ形を挙げることができる。

図１は、従来のリチウム二次電池を示す分解斜視図である。

図１を参照すれば、リチウム二次電池は、第１電極１３、第２電極１５及びセパレータ１４からなる電極組立体１２を電解液と共に缶１０に収納し、この缶１０の上段部をキャップ組立体２０で封止することにより形成される。

前記キャップ組立体２０は、キャッププレート４０、絶縁プレート５０、ターミナルプレート６０及び電極ピン３０を含んで構成される。前記キャップ組立体２０は、別途の絶縁ケース７０により前記電極組立体１２と絶縁されながら前記缶の上段開口部に結合されて缶１０を封止する。

前記キャッププレート４０は、前記缶１０の上段開口部と相応する大きさと形状を有する金属板で形成される。前記キャッププレート４０の中央には所定の大きさの端子通孔４１が形成され、端子通孔４１には電極ピン３０が挿入される。前記電極ピン３０が端子通孔４１に挿入される際には、電極ピン３０とキャッププレート４０との絶縁のために、電極ピン３０の外面にチューブ型のガスケット３５が結合されて共に挿入される。一方、前記キャッププレート４０の一側には電解液注入口４２が所定の大きさで形成され、他側には安全ベント（図示していない）が形成されることができる。前記安全ベントはキャッププレート４０の断面の厚さを薄くして一体形成される。前記キャップ組立体２０が前記缶１０の上段開口部に組立てられた後、電解液注入口４２を通じて電解液が注入され、電解液注入口４２は栓４３によって密閉される。

前記電極ピン３０は、前記第２電極１５の第２電極タブ１７または前記第１電極１３の第１電極タブ１６に連結されて、第２電極端子または第１電極端子として作用することになる。前記第１電極タブ１６及び第２電極タブ１７が電極組立体１２から引出される部分には、電極１３、１５間の短絡を防止するために絶縁テープ１８が巻き付けられている。前記第１電極または第２電極は正極または負極として作用することになる。

上記のように組立が完了したリチウム二次電池は、電池の構造を安定化させて使用可能な状態にするための、充電、エージング、放電などを含む一連の化成工程を経ることになる。この際、電池の特性を有するように充電するか、電池の性能を検査する化成工程用接触ピンが、前記電極ピンの頭部から横向きに滑ることにより、接触不良が生じて電池の性能及び寿命が低下し、かつ、安全性などに影響を与える問題がある。

本発明は、前記のような問題を解決するためのものであって、本発明の目的は電極ピンの頭部に突出部を形成して、電池の化成工程中に化成工程用接触ピンが電池の電極ピンの頭部から滑ることにより発生する接触不良を改善し、電池の品質を向上させて歩留まりを高めることができるリチウム二次電池を提供することにある。

前記の目的の達成のために、本発明は、第１電極、第２電極及びこれらの間に介されたセパレータが共に巻取られた電極組立体と、前記電極組立体を収容する缶と、前記缶の上段開口部に結合され端子通孔が形成されているキャッププレートと、前記端子通孔に挿入される電極ピンと、を含むリチウム二次電池であって、前記電極ピンは、平板型の頭部と前記頭部の下面から延びている柱部とを含み、前記頭部の上面の縁に沿って突出部が形成されていることを特徴とする。

前記突出部は、プレス加工により形成されることができる。

前記突出部と前記頭部の上面との間の段差は、前記頭部の上面の厚さの４倍以内でなされることができる。

上述のように、電極ピンの頭部に突出部が形成されているリチウム二次電池は、電池の化成工程中に化成工程用接触ピンが電池の電極ピンの頭部から滑ることにより発生する接触不良を改善して電池の品質及び歩留まりを高めることができ、また、電池の安定性を向上させることができる。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。

図２ａは本発明の一実施形態に係る電極ピンの斜視図であり、図２ｂは図２ａのＡ−Ａ’線に沿う断面図である。

図２ａ及び２ｂを参照すれば、電極ピン１３０は、平板型頭部１３２と、前記頭部の下面１３２ｂから延びる柱部１３６を含み、前記頭部１３２の上面１３２ａの縁に沿って突出部１３４が形成されている。

前記電極ピンは電気伝導性が良く、価格や加工性に優れるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましい。

前記頭部１３２は、円形または楕円形で形成されることができるが、その形状はこれに限られない。前記頭部１３２の上面１３２ａの縁に沿って形成されている前記突出部１３４が上方に所定の高さ突出しており、その突出の高さは、適切に選択可能である。化成工程用接触ピンが電極ピン１３０の頭部１３２に接触する際に、前記突出部１３４によって化成工程用接触ピンが、前記頭部１３２の上面１３２ａから滑ることを防止することができる。

前記突出部１３４は、前記頭部１３２をプレス加工して形成することができる。この際、前記突出部１３４と前記頭部１３２の上面１３２ａとの間の段差（ｔ_１）は、前記頭部１３２の上面１３２ａの厚さ（ｔ_２）の４倍以下で形成されることが好ましい。前記段差（ｔ_１）が前記頭部１３２の上面１３２ａの厚さ（ｔ_２）の４倍を超える場合、前記頭部１３２に成形応力が過大に作用して前記電極ピン１３０の強度を低下させ、または変形を起こす可能性がある。前記電極ピン１３０の材質の特性によって段差の程度を適切に選択することが好ましい。

図３は本発明の他の実施形態に係る電極ピンの斜視図である。

図３を参照すれば、電極ピン２３０は、四角平板型頭部２３２と前記頭部の下面から延びている柱部２３６とを含み、前記頭部２３２の上面の縁に沿って突出部２３４が形成されている。図示してはいないが、前記突出部が互いに異なる突出高さを有する多段形態で構成されることもできる。

図４は本発明に係るリチウム二次電池の部分断面図を示す。

図４を参照すれば、リチウム二次電池は、缶３１０と、前記缶３１０の内部に収容される電極組立体３１２と、前記缶３１０の上部に結合されるキャップ組立体３２０とを含んで形成される。

前記缶３１０は、上部が開放された略角形の金属材で形成され、好ましくは、軽くて、軟性のあるアルミニウムまたはアルミニウム合金、ステンレス鋼などで形成されるが、これらの種類に限定されない。前記缶３１０はそれ自体が端子の役割を果たすことが可能である。

前記電極組立体３１２は、第１電極３１３と第２電極３１５とセパレータ３１４とを含む。前記第１電極３１３と第２電極３１５は、セパレータ３１４を介して積層された後、ゼリーロール（ｊｅｌｌｙ−ｒｏｌｌ）形態で巻き取られることができる。前記第１電極３１３には第１電極タブ３１６が、前記第２電極３１５には第２電極タブ３１７が、レーザー熔接、超音波熔接、または抵抗熔接のような熔接や、導電性接着剤によって通電可能に取り付けられ、各々上方に引出されている。

前記第１電極３１３及び第２電極３１５は互いに極性を異にして、正極または負極として使用することができる。前記第１電極３１３及び第２電極３１５は、集電体と、集電体の少なくとも一面に塗布される電極活物質、即ち、正極活物質または負極活物質を含む。

前記第１電極３１３または第２電極３１５が正極として使われる場合、電極集電体としては、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタンまたはこれらの合金、アルミニウムまたはステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀を表面処理させたもの等を使用することができ、これらの中では、アルミニウムまたはアルミニウム合金が好ましい。前記第１電極３１３または第２電極３１５が負極として使われる場合、電極集電体としては、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタンまたはこれらの合金、銅またはステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀を表面処理させたもの等を使用することができ、これらの中では、銅または銅合金が好ましい。

前記正極活物質としては、通常、リチウム含有遷移金属酸化物またはリチウムカルコゲナイド化合物を全て使用することができ、その代表的な例としては、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、または、ＬｉＮｉ_{１−ｘ−ｙ}Ｃｏ_ｘＭ_ｙＯ_２（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１、ＭはＡｌ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｌａなどの金属）などの金属酸化物が使われることができる。前記負極活物質としては、結晶質炭素、非晶質炭素、炭素複合体、炭素繊維などの炭素材料、リチウム金属、リチウム合金などが使われることができる。

前記セパレータ３１４は、前記第１電極３１３及び第２電極３１５間の短絡を防止して、リチウムイオンの移動通路を提供するものであって、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィン系高分子膜またはこれらの多重膜、微細多孔性フィルム、織布及び不織布のような公知のものを使用することができる。

前記缶３１０の上部に結合するキャップ組立体３２０は、キャッププレート３４０、絶縁プレート３５０、ターミナルプレート３６０、および電極端子３３０を含んで構成される。前記キャッププレート３４０は、前記缶３１０の上段開口部と対応する大きさと形状を有する金属板で形成される。前記キャッププレート３４０の中央には所定の大きさの端子通孔３４１が形成され、一側には電解液注入孔３４２が形成され、前記電解液注入孔３４２を通じて電解液が注入された後、この電解液注入孔３４２は栓３４３と結合して密閉される。

前記端子通孔３４１には電極ピン３３０が挿入され、前記電極ピン３３０の外面には、前記キャッププレート３４０との電気的絶縁のためのチューブ形状のガスケット３４６が設けられている。前記電極ピン３３０の頭部３３２の上面には、この上面の縁に沿って突出部３３４が形成されている。前記突出部３３４は所定の高さで上方に突出しているので、前記電極ピン３３０の頭部３３２の上面に接触する化成工程装備の接触ピンが滑ることを防止することができる。

前記ガスケット３４６は、ポリプロピレンまたは熱可塑性フッ素系樹脂からなることができる。前記熱可塑性フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニールエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などが使われることができる。

前記キャッププレート３４０の下面には絶縁プレート３５０が設けられており、前記絶縁プレート３５０の下面にはターミナルプレート３６０が配置されている。前記電極ピン３３０の底面部は、前記絶縁プレート３５０が介された状態で前記ターミナルプレート３６０と電気的に接続されている。

前記キャッププレート３４０の下面には前記第１電極タブ３１６が熔接されており、前記ターミナルプレート３６０には前記第２電極タブ３１７が熔接されている。前記第１電極タブ３１６及び第２電極タブ３１７はニッケル金属からなる。

前記電極組立体３１２の上部には、前記電極組立体３１２とキャップ組立体３２０とを電気的に絶縁させており、前記電極組立体３１２、第１電極タブ３１６および第２電極タブ３１７の位置を固定させる絶縁ケース３７０が設けられている。前記絶縁ケース３７０は、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ：ＰＰ）のような絶縁性高分子樹脂からなることが好ましい。

本発明に関し、前記実施形態を参考にして説明したが、これは例示に過ぎないものであり、本発明に属する技術分野の通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるはずである。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想により定まるべきである。

従来のリチウム二次電池を示す分離斜視図である。 本発明の一実施形態に係る電極ピンの斜視図である。 図２ａのＡ−Ａ’線に沿う断面図である。 本発明の他の実施形態に係る電極ピンの斜視図である。 本発明に係るリチウム二次電池を示す部分断面図である。

符号の説明

１３０、２３０、３３０ 電極ピン、
１３２、２３２、３３２ 電極ピンの頭部、
１３４、２３４、３３４ 頭部の突出部、
１３６、 ２３６ 電極ピンの柱部、
１３２ａ 頭部の上面、
１３２ｂ 頭部の下面。

Claims (8)

1. 第１電極、第２電極及びこれら間に介されたセパレータが共に巻取られた電極組立体と、前記電極組立体を収容する缶と、前記缶の上段開口部に結合されて端子通孔が形成されているキャッププレートと、前記端子通孔に挿入される電極ピンと、を含むリチウム二次電池であって、
   前記電極ピンは、平板型の頭部と前記頭部の下面から延びている柱部とを含み、前記頭部の上面の縁に沿って突出部が形成されていることを特徴とするリチウム二次電池。
2. 前記突出部は、プレス加工により形成されることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
3. 前記突出部と前記頭部の上面との間の段差は、前記頭部の上面の厚さの４倍以内であることを特徴とする請求項２に記載のリチウム二次電池。
4. 前記頭部は、円形、楕円形、および四角形の中から選択されるいずれかの１つの形状であることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
5. 前記電極ピンは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
6. 前記電極ピンの外面に、絶縁ガスケットが結合されて前記端子通孔に挿入されることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
7. 前記絶縁ガスケットは、ポリプロピレンまたは熱可塑性フッ素系樹脂からなることを特徴とする請求項６に記載のリチウム二次電池。
8. 前記熱可塑性フッ素系樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニールエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体の中から選択されるいずれかの１つであることを特徴とする請求項７に記載のリチウム二次電池。

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