JP2007035622A - Ｐｔｃ素子を備えた二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、バッテリーパック製造時に、高温のホットメルト樹脂がＰＴＣ本体部の表面に直接接触しないように、ＰＴＣ本体部の表面にカバー部材を設けることによって、ＰＴＣ本体部のトリップ現象を防止し、ＰＴＣ素子の作動時にＰＴＣ本体部が体積膨脹できる空間を確保するＰＴＣ素子を備える二次電池を提供する。
【解決手段】本発明の二次電池は、ベアセルの１つの電極と電気的に接続する第１導電部と、保護回路基板に電気的に接続する第２導電部と、前記第１導電部と前記第２導電部との間に位置するＰＴＣ本体部と、前記ＰＴＣ本体部の表面の少なくとも一部を覆うカバー部材とを備えたＰＴＣ素子を内蔵したことを特徴とする。
【選択図】図３
【解決手段】本発明の二次電池は、ベアセルの１つの電極と電気的に接続する第１導電部と、保護回路基板に電気的に接続する第２導電部と、前記第１導電部と前記第２導電部との間に位置するＰＴＣ本体部と、前記ＰＴＣ本体部の表面の少なくとも一部を覆うカバー部材とを備えたＰＴＣ素子を内蔵したことを特徴とする。
【選択図】図３
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［関連出願についての記載］
本出願は、２００５年７月２５日に韓国特許庁に出願された特許出願第２００５−００６７１９２号の優先権を主張している。該出願のすべての内容が、引用によって、本願明細書に含められている。
本出願は、２００５年７月２５日に韓国特許庁に出願された特許出願第２００５−００６７１９２号の優先権を主張している。該出願のすべての内容が、引用によって、本願明細書に含められている。
本発明は、二次電池に関し、より詳しくは、バッテリーパック製造時に高温のホットメルト樹脂がＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient device）本体部の表面に直接接触しないようにＰＴＣ本体部の表面にカバー部材を設けることによって、ＰＴＣ本体部のトリップ現象を防止し、ＰＴＣ素子の作動時にＰＴＣ本体部が体積膨脹できる空間を確保した二次電池に関する。
一般的に、二次電池（secondary battery）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をいうものであって、セルラーホン、ノートブックコンピュータ、カムコーダなどの高度な電子機器分野で広く使われている。特に、リチウム二次電池は作動電圧が３.６Ｖであって、電子機器用電源にたくさん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倍も高電圧であり、しかも単位重量当たりのエネルギー密度が高いために、リチウム二次電池は、高度な電子技術分野において、広範囲に亘り利用されている。
このようなリチウム二次電池には、主に正極活物質としてリチウム系酸化物が、負極活物質として炭素材が使用される。また、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。
角形二次電池は、ベアセルと、保護回路が形成された保護回路基板と、この保護回路基板とベアセルとの間に位置する安全素子であるＰＴＣ素子と、保護回路基板とベアセルとの間の空間に充填された成形樹脂部とを含む。
ベアセルは、缶と、該缶の内部に収容される電極組立体と、前記缶に結合するキャップ組立体とを含む。
電極組立体は、正極、セパレータ及び負極とを備えており、前記正極、セパレータ及び負極は、順番に積み重ねられ、ゼリーロール（Jelly Roll）の状態で巻き取られている。前記正極及び負極から正極及び負極タップが各々引き出されている。
キャップ組立体は前記缶の上部に結合するキャッププレートと、ガスケットを用いて前記キャッププレートから絶縁される電極端子と、前記キャッププレートの下面に設けられる絶縁プレートと、前記絶縁プレートの下面に設けられて前記電極端子と通電される端子プレートとを含む。前記正極タップは前記キャッププレートと電気的に接続されており、前記負極タップは前記端子プレートを通じて電極端子と電気的に接続されている。但し、前記正極及び負極タップは極性を逆にして接続されることができる。
また、缶の外部にはＰＴＣ素子（Positive Temperature Coefficient device）、サーマルヒューズ（thermal fuse）及び保護回路基板のような安全装置が設けられる。この安全装置は電池の正極端子と負極端子とに各々接続され、電池の高温上昇や過度な充・放電などによって電池の電圧が急激に上昇する場合、電流を遮断して電池の破損を防止する役割をする。
図１は、従来のＰＴＣ素子を備えた二次電池の部分斜視図である。
図１を参照すると、従来の二次電池のＰＴＣ素子１７０においては、負極または正極と電気的に接続される第１導電部１７２は、円柱状の平坦構造を有するＰＴＣ本体部１７４の上面と接続され、第２導電部１７６の一端は外部に接触する１つの端子と電気的に接続され、その他端はＰＴＣ本体部１７４の下面と接続される。缶１１は第１導電部１７２と接続された電極とは反対極性の電極と接続されるので、短絡を防止するためにＰＴＣ本体部１７４と第２導電部１７６とは絶縁部材１８５をその下部に位置させた状態でキャッププレート１１０上に設けられる。
ここで、ＰＴＣ本体部１７４は、導電性粒子を結晶性高分子に分散させて製造される。従って、設定温度以下では第１導電部１７２と第２導電部１７６との間を通電するブリッジとして役割を果たし、二次電池の内部温度が設定温度を超えた場合には、二次電池の破損を防止する安全装置として役割を果たす。二次電池の内部温度が設定温度を超えた場合には、抵抗が急激に大きくなる間に、導電性粒子間の間隔が大きくなるため、第１導電部と第２導電部との間の電流は、遮断されるか又はごく僅かに流れるのみとなり、これによって二次電池の破損を防止することができる。
ところが、従来のＰＴＣ素子１７０には、次のような問題がある。
第一に、ＰＴＣ素子などの安全装置が備えられた二次電池は、保護回路基板とキャッププレートとの間に形成された隙間にエポキシ成形化合物のようなホットメルト樹脂（hot-melt resin）を充填することにより、バッテリーパックとして製造される。ホットメルト樹脂が冷却すると、該ホットメルト樹脂と接触するＰＴＣ本体部１７４が収縮する場合がある。その上、ＰＴＣ素子１７０が正常に作動可能な温度においてさえ、ＰＴＣ本体部１７４と接触しており、しかも冷却された樹脂により、ＰＴＣ本体部１７４が遮断されて、ＰＴＣ素子１７０は正常に作動しなくなる。その結果として、ＰＴＣ素子１７０を作動させるためには、より高い温度又はより大きな電流が必要となり、このことを原因として、ＰＴＣ素子装置が誤作動してしまう。
さらに、ホットメルト樹脂がＰＴＣ本体部１７４の表面に直接接触した場合には、ＰＴＣ本体部１７４はトリップ（trip）現象に陥り、これによって抵抗値にばらつきが生じる。言い換えると、ＰＴＣ素子１７０は、本来、二次電池内部の異常加熱により、二次電池の内部温度が設定温度まで上昇した場合に、電流を遮断する一方で、二次電池の内部温度が再び設定温度より下がるまでは、二次電池を通じて電流を流すという可逆的な素子である。しかしながら、バッテリーパック製造時に２００℃程度のホットメルト樹脂と直接接触した後に、ＰＴＣ素子１７０が冷却される場合には、ＰＴＣ素子は、ＰＴＣ素子１７０の作動温度の本来の設計値とは異なる異常な温度下で作動する可能性がある。このような場合には、ＰＴＣ本体部１７４内に均一に分散した導電性粒子が、部分的に偏在して、これにより、抵抗値にばらつきが生じる。
本発明は前記のような問題を解決するものであり、ＰＴＣ本体部の表面にカバー部材を設けることによって、バッテリーパック製造時に高温のホットメルト樹脂がＰＴＣ本体部の表面に直接接触しないようにして、ＰＴＣ本体部のトリップ現象を防止し、ＰＴＣ素子の作動時にＰＴＣ本体部の体積が十分に膨脹できる空間を提供することをその目的とする。
前記のような目的の達成のために、本発明に係る二次電池は、電極組立体と、前記電極組立体が収容される缶と、該缶の開口された上部と結合するキャップ組立体とを備えたベアセルと、保護回路を形成する保護回路基板と、前記ベアセルの１つの電極と電気的に接続する第１導電部と、前記保護回路基板と電気的に接続する第２導電部と、前記第１導電部と前記第２導電部との間に位置するＰＴＣ本体部と、前記ＰＴＣ本体部の表面の少なくとも一部を覆うカバー部材とを備えたＰＴＣ素子と、前記保護回路基板と前記ベアセルとの間の空間に充填された成形樹脂部と、を含んでなることを特徴とする。
本発明の好ましい実施例によると、前記第１導電部は、平坦構造を有する前記ＰＴＣ本体部の上面の一部と接触して、前記第２導電部は、前記第１導電部と対向して、前記ＰＴＣ本体部の下面の一部と接触する。
また、前記カバー部材は、前記ＰＴＣ本体部の上面又は前記ＰＴＣ本体部の上面及び下面を覆うことができる。前記カバー部材は、緩衝材を含むか、または内部空間部を形成される。前記緩衝材は、接着テープ又は両面テープを含む弾性材により構成されることが好ましい。
さらに、前記ＰＴＣ素子は前記ＰＴＣ本体部の表面に形成された酸化防止コーティング層を更に含んでなることができる。
前記ＰＴＣ本体部は、導電性粒子を結晶性高分子に分散させてなる。前記導電性粒子は、金属粒子または炭素粒子を備える。
上記のように、本発明に係る二次電池においては、バッテリーパックの製造時に高温のホットメルト樹脂がＰＴＣ本体部の表面に直接接触しないように、ＰＴＣ本体部の表面にカバー部材を備えることによって、ＰＴＣ本体部のトリップ現象を防止することができる。さらに、ＰＴＣ素子の作動時にＰＴＣ本体部の体積が膨脹可能な空間を確保することによって、ＰＴＣ素子の誤動作を防止することができ、二次電池の安定性を改善することができる。
本発明の好ましい実施例が図面により説明されたが、これは例示的なものであり、特許請求の範囲及び技術的思想を逸脱しない範囲で本発明の技術分野における通常の知識を有する者が想到することができる多様な変形及び均等な他実施形態が含まれる点に留意すべきである。
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明に係る二次電池に関する好ましい実施形態を詳細に説明する。以下の記載及び図面において、同一の参照番号を使用して、同一又は類似する構成要素を規定する。なお、同一又は類似する構成要素に関する重複記載は、省略する。
図２は本発明の一実施形態に係る二次電池の分解斜視図である。
図２を参照すると、二次電池１０は、ベアセルと、保護回路が形成された保護回路基板３００と、前記保護回路基板３００とベアセルとの間に位置する安全素子であるＰＴＣ素子１７０ａと、保護回路基板とベアセルとの間の空間に充填された成形樹脂部（図示していない）とを含む。
ベアセルは、電極組立体１２と、電極組立体１２を収容する缶１１と、前記缶１１と結合するキャップ組立体１００とを含む。
電極組立体１２は、電気容量を大きくするために、平板上に形成された正極１３及び負極１５を備える。セパレータ１４を正極１３と負極１５との間に挿入して、正極１３を負極１５から絶縁する。正極１３、セパレータ１４及び負極１５は順番に積み重ねられ、ゼリーロールの状態に巻き取られている。負極１５は、銅箔からなる負極の集電体の上に、炭素のような負極活物質をコーティングして形成される。正極１３は、アルミニウム箔からなるコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）のような正極の集電体の上に、正極活物質をコーティングして形成される。セパレータ１４は、ポリエチレン、ポリプロピレン、または、ポリエチレンとポリプロピレンとの共重合体（co−polymer）を含む。セパレータ１４の幅は正極１３及び負極１５の幅より広いため、正極１３と負極１５との間の短絡を防止することができる。正極１３及び負極１５と接続された正極及び負極タップ１６，１７が、電極組立体１２から上方に伸びている。さらに、絶縁テープ１８が、正極及び負極タップ１６，１７と電極組立体１２との間の境界領域において、前記正極タップ１６及び負極タップ１７の周りに巻かれているので、絶縁テープ１８のそれぞれにより、正極１３と負極１５との間の短絡を防止することができる。
角形二次電池の場合には、缶１１は、略直六面体の形状を有する金属材質の容器であり、深絞り加工により形成される。したがって、缶１１が、端子の役割を果たすことが可能である。缶を構成する材質は、アルミニウム又はアルミニウム合金のような軽量な導電性金属が好ましい。缶１１は、電極組立体１２と電解液とを収容するために、上部に開口部が設けられ、該開口部は、キャップ組立体１００により封入される。
キャップ組立体１００は、キャッププレート１１０、電極端子１３０及びホルダー１８２を備える。キャッププレート１１０には端子孔１１１が形成されており、電極端子１３０は、キャッププレート１１０の端子孔１１１を挿通している。このとき、ガスケット１２０は電極端子１３０に挿通されるため、電極端子１３０をキャッププレート１１０から絶縁することが可能である。
キャッププレート１１０の下には、絶縁プレート１４０が取り付けられており、この絶縁プレート１４０の下には、端子プレート１５０が取り付けられている。電極端子１３０の下端部は、端部プレート１５０と結合している。電極組立体１２の負極１５は、負極タップ１７と端部プレート１５０を通じて電極端子１３０と電気的に接続している。電極組立体１２の正極１３の場合には、正極タップ１６がキャッププレート１１０又は缶１１に溶接されている。端部プレート１５０の下には絶縁ケース１９０を取り付けることができる。一方、正極及び負極の極性を相互に入れ替えることにより、二次電池を設計することも可能である。
電解液注入孔１１２が、キャッププレート１１０の一端に形成されており、缶１１に電解液を注入することができる。缶１１への電解液注入が完了した後、栓１６０又はボール（ball）を圧入して電解液注入孔１１２を密閉する。さらに、ホルダー１８２がキャッププレート１１０の他側に取り付けられることにより、捩り力又は曲げ力に対する成形樹脂の抵抗力が高められる。これにより、ホットメルト加工プロセス（hot-melting process）を通じて、バッテリーパックが形成される。
また、缶１１の外部には、ＰＴＣ素子１７０ａと保護回路基板３００のような安全装置が取り付けられている。この安全装置は二次電池の正極端子と負極端子とに接続されているので、二次電池が高温状態になったこと又は二次電池の過度な充・放電に起因して、二次電池の電圧が急激に上昇する場合に、電流を遮断することができる。これにより、電池の破損を防止することができる。
また、ホットメルト加工プロセスを通じて、保護回路基板３００とベアセルとの間の空間に充填された成形樹脂が外部の曲げ力又は衝撃を支持する構造として役割を果たす。
ＰＴＣ素子に関する詳細な記載は、以下の通りである。
図３は、本発明の一実施例による二次電池のＰＴＣ素子１７０ａを示す分解斜視図であり、図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。
図３及び４を参照すると、本発明に係る二次電池のＰＴＣ素子１７０ａは、ベアセルの１つの電極と電気的に接続される第１導電部１７２と、保護回路基板と電気的に接続される第２導電部１７６と、第１導電部１７２を第２導電部１７６へ接続するＰＴＣ本体部１７４と、前記ＰＴＣ本体部１７４の上部及び下部の表面をそれぞれ覆うカバー部材１７７とを含んでなる。
図３に示すように、第１導電部１７２は、円柱状の平坦構造を有するＰＴＣ本体部１７４の上面と部分的に接続している。第２導電部１７６の一端部分は、前記第１導電部１７２と対向してＰＴＣ本体部１７４の下面と部分的に接続され、第２導電部１７６の他端部分は、外部機器に接続する１つの端子（図示していない）に電気的に接続される。
しかしながら、本発明の他の実施形態によると、第１導電部と第２導電部とを、それぞれＰＴＣ本体部の左部分及び右部分に接続することができる。
さらに本発明の他の実施形態によると、第１導電部が、独立して提供されない場合には、キャッププレート又は電極端子が、第１導電部としての役割を果たすことができる。この場合、キャッププレート又は電極端子は、電極組立体の１つの電極と電気的に接続されていなくてはならない。
一方、円柱状の平坦構造を有しているＰＴＣ本体部１７４が、図３に示されているが、ＰＴＣ本体部１７４は、多様な形状を有することができる。
ここで、ＰＴＣ本体部１７４は、導電性粒子を結晶性高分子に分散させてなる。このように、二次電池の内部温度が設定温度以下の場合では、導電性粒子が凝固して、第１導電部１７２と第２導電部１７６との間を通電するブリッジの役割を果たす。しかしながら、二次電池の過電流、過電圧又は大きな電力消費により、二次電池の内部温度が設定温度を超えた場合、結晶性高分子が膨脹して、導電性粒子が分散して、抵抗が急激に増加する。従って、二次電池の供給される電流が遮断され、又は二次電池を通じて流れる電流がごく僅かとなり、これによって電池の破損を防止する安全装置としての役割を果たす。そして、二次電池の内部温度が再び設定温度以下になった場合には、結晶性高分子が収縮して、導電性粒子は再度結合して、第１導電部と第２導電部との間で通電可能となる。導電性粒子には、ニッケルパウダーなどの金属粒子または炭素粒子が含まれる。さらに、結晶性高分子には、ポリエチレンまたはポリオレフィン系樹脂などの合成樹脂が含まれる。
また、カバー部材１７７は、流動可能な緩衝材を含むか、又は内部空間と共に形成されるが、このことにより、バッテリーパックを製造するためのホットメルト加工プロセスの際に、ＰＴＣ本体部１７４がホットメルト樹脂（図示しない）と直接接触することを防止する。ホットメルト樹脂がＰＴＣ本体部１７４の表面に直接接触しないことによって、ホットメルト樹脂の冷却の際に、ＰＴＣ本体部１７４を収縮させていた問題を解消し、また、トリップ（trip）現象を防止することができる。
さらに、前記ＰＴＣ素子１７０ａは前記ＰＴＣ本体部１７４の表面に形成された酸化防止コーティング層（図示しない）を更に含んでなることもできるが、このような酸化防止コーティング層を覆う前記カバー部材１７７によりコーティング層と高温の溶融樹脂との直接接触しないので、前記コーティング層の流動又は変形を防止できることになる。
カバー部材１７７内に形成された内部空間部によって、ＰＴＣ素子１７０ａが正常に作動する場合におけるＰＴＣ本体部１７４の体積が膨脹できる空間を確保される。緩衝材は、接着テープや両面テープのような弾性材を含むことが好ましい。特に、両面テープの場合には、その一面をＰＴＣ本体部１７４及び第２導電部１７６と接着し、他面を絶縁部材と接着することにより、ＰＴＣ素子１７０ａを固定する（図２参照）。
カバー部材１７７は、ＰＴＣ本体部１７４の表面の全体を覆うことが好ましい。しかしながら、円柱状の平坦構造を有するＰＴＣ本体部１７４の場合には、ＰＴＣ本体部１７４の上面及び下面は、その側面に比べてホットメルト樹脂との接触面積が大きく、ＰＴＣ本体部１７４の体積膨脹について、より多くの影響を及ぼすので、前記カバー部材１７７により、前記ＰＴＣ本体部１７４の上面及び下面のみを覆うこともできる。代わりに、前記ＰＴＣ本体部１７４の上面のみを覆うことも可能であり、この場合にも、本発明の効果を低下させることはない。
１０ 二次電池
１１ 缶
１２ 電極組立体
１００ キャップ組立体
１１０ キャッププレート
１１２ 電解液注入孔
１７０ ＰＴＣ素子
１７０ａ ＰＴＣ素子
１７２ 第１導電部
１７４ ＰＴＣ本体部
１７６ 第２導電部
１７７ カバー部材
１８５ 絶縁部材
１１ 缶
１２ 電極組立体
１００ キャップ組立体
１１０ キャッププレート
１１２ 電解液注入孔
１７０ ＰＴＣ素子
１７０ａ ＰＴＣ素子
１７２ 第１導電部
１７４ ＰＴＣ本体部
１７６ 第２導電部
１７７ カバー部材
１８５ 絶縁部材
Claims (10)
- 電極組立体と、該電極組立体が収容される缶と、該缶の開口された上部と結合するキャップ組立体とを備えたベアセルと、
保護回路が形成された保護回路基板と、
前記ベアセルの１つの電極と電気的に接続する第１導電部と、前記保護回路基板に電気的に接続する第２導電部と、前記第１導電部と前記第２導電部との間に位置するＰＴＣ本体部と、該ＰＴＣ本体部の表面の少なくとも一部を覆うカバー部材とを備えたＰＴＣ素子と、
前記保護回路基板と前記ベアセルとの間の空間に充填された成形樹脂部と、
を含んでなることを特徴とする二次電池。 - 前記第１導電部は、平坦構造を有する前記ＰＴＣ本体部の上面の一部と接触して、
前記第２導電部は、前記第１導電部と対向して、前記ＰＴＣ本体部の下面の一部と接触することを特徴とする請求項１に記載の二次電池。 - 前記カバー部材は、前記ＰＴＣ本体部の上面を覆うことを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池。
- 前記カバー部材は、前記ＰＴＣ本体部の上面及び下面を覆うことを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池。
- 前記カバー部材は、流動可能な緩衝材であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記緩衝材は、接着テープ又は両面テープを含む弾性材であることを特徴とする請求項５に記載の二次電池。
- 前記カバー部材は、内部空間と共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。
- 前記ＰＴＣ素子は、前記ＰＴＣ本体部の表面に形成された酸化防止コーティング層を更に含んでなることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記ＰＴＣ本体部は、導電性粒子を結晶性高分子に分散させてなることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記導電性粒子は、金属粒子または炭素粒子を含むことを特徴とする請求項９に記載の二次電池。
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