JP2007184233A - 円筒型リチウムイオン二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電解液の含浸性を向上させるため、電解液注入工程後、センターピンを電極組立体に挿入し得る構造の円筒型リチウムイオン二次電池を提供する。
【解決手段】本発明は、電極組立体及び電極組立体を収容するケースと、電極組立体の中心部に挿入されるセンターピンと、電極組立体の上端開口部を封止するキャップ組立体と、電極組立体とキャップ組立体との間に位置する上部絶縁板を備えており、上部絶縁板は、電解液注入後、センターピンが通過するように中央に中空部が形成されると同時に、センターピンの通過後、そのセンターピンが外側に離脱しないようにセンターピン離脱防止部をさらに有する円筒型リチウムイオン二次電池を開示する。
【選択図】図３

Description

本発明は、円筒型リチウムイオン二次電池に関し、より詳細には、上部絶縁板の中空部に電極組立体方向にのみ曲がるセンターピン離脱防止部を形成し、電解液注入工程の後、センターピン挿入工程を行えるようにすることにより、電解液の含浸性が向上した円筒型リチウムイオン二次電池に関する。

最近、携帯電話機、ノートパソコン、カムコーダ等のコンパクトかつ軽量化された電気/電子装置が活発に開発及び生産されている。このようなポータブル電気/電子装置は別に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が内蔵されている。内蔵された電池パックはポータブル電気/電子装置を所定期間の間に駆動させるため、一定レベルの電圧を出力できるように、内部に少なくとも一つの電池を備えている。

上記電池パックは、経済的な面を考慮して、最近は充放電が可能な二次電池を採用している。代表的な二次電池として、ニッケル-カドミウム電池とニッケル-水素電池、及びリチウム電池とリチウムイオン電池等のリチウムイオン二次電池などがある。

特に、リチウムイオン二次電池の作動電圧は、通常３．６Ｖで、ポータブル電子装備の電源として多く利用されているニッケル-カドミウム電池やニッケル-水素電池より３倍も高く、単位重量に対するエネルギー密度が高いことからその使用分野が急速に拡大されている。

このようなリチウムイオン二次電池は、主に正極活物質としてリチウム系酸化物を、負極活物質としては炭素材を使用する。一般に、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に分類され、液体電解質を用いる電池をリチウムイオン電池と言い、高分子電解質を用いる電池をリチウムポリマー電池と言う。また、上記リチウムイオン二次電池は、様々な形状に製造されており、代表的な形として円筒型、角形、パウチ形がある。

一般に、上記円筒型リチウムイオン二次電池は、正極活物質がコーティングされた正極電極板、負極活物質がコーティングされた負極電極板及び上記正極電極板と負極電極板との間に位置してショートを防止し、リチウムイオンの移動のみを可能にするセパレーターがほぼ円筒型に巻かれた電極組立体と、上記電極組立体を電解液と共に収容する円筒型ケースと、上記円筒型ケースを封止するキャップ組立体からなっている。

このような円筒型リチウムイオン二次電池は下記のような方法で製造される。

まず、上記正極活物質がコーティングされて正極タブが連結された正極電極板と、負極活物質がコーティングされて負極タブが連結された負極電極板及びセパレーターを積層した後、これを円筒型に巻いて、電極組立体を製造する。その後、上記円筒型の電極組立体を上記円筒型ケースに収容し、上記電極組立体が外れないようにした後、上記円筒型ケースに電解液を注入し、キャップ組立体で封止して円筒型リチウムイオン二次電池を完成する。

上記円筒型ケースに電極組立体を挿入する前、電極組立体と円筒型ケースとの絶縁のために下絶縁板が挿入される。また、電極組立体を挿入した後、封止する前に電極組立体とキャップ組立体との絶縁のために上部絶縁板が挿入される。

一方、巻かれた電極組立体の中心部には、電極組立体の変形を防止し、電池内部のガス発生の放出通路として利用するため、センターピンが挿入される。

通常、上記センターピンを電極組立体の中心部に挿入した後、電解液が注入される。この場合、センターピンの挿入によって電極組立体とケースとの密着度合がさらに大きくなり、また、電極組立体自体も圧搾される。この結果、電解液の含浸速度がさらに遅くなるので、電解液の含浸性を向上させるため、電解液注入工程後、センターピンを挿入するのが好ましい。

しかし、従来の上部絶縁板の構造は電池の落下等、外部衝撃時、センターピンが抜けないように、上部絶縁板に形成された中空部の直径をセンターピンの外径より小さくしているため、電解液注入工程後、センターピンを挿入することはできない。

また、上部絶縁板に形成された中空部の直径をセンターピンの外径より大きくすれば、電解液注入工程後、センターピンを挿入することはできるが、外部衝撃時、センターピンが上部絶縁板の上に突出して安全ベントの下部を打撃する問題点がある。

本発明は、上述した従来のリチウムイオン二次電池の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、上部絶縁板の中空部に電極組立体方向にのみ曲がるセンターピン離脱防止部を形成して、電解液注入工程後、センターピン挿入工程を実施できるようにすることで、電解液の含浸性を向上させ、電池に外部衝撃が加わった場合にも、センターピンがキャップ組立体方向に外れないようにすることで、安全性が向上した円筒型リチウムイオン二次電池を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明の円筒型リチウムイオン二次電池は、電極組立体と、上記電極組立体を収容するケースと、上記電極組立体の中心部に挿入されるセンターピンと、上記電極組立体の上端開口部を封止するキャップ組立体と、上記電極組立体と上記キャップ組立体の間に位置する上部絶縁板を備えており、上記上部絶縁板は中央に上記電極組立体方向にのみ曲がるセンターピン離脱防止部が形成されたことを特徴とする。

この時、上記センターピン離脱防止部は、上記中空部に上記センターピンを挿入した後には、上記上部絶縁板の表面と平行になるように復元できることを特徴とする。

また、上記センターピン離脱防止部は矢印形状に形成され、上記センターピン離脱防止部は複数個形成されることを特徴とする。

また、上記センターピン離脱防止部は、上記中空部に連結され、上記センターピン挿入時、上記電極組立体の方向に曲がる変形部と、上記変形部の端部と連結され、上記センターピン挿入時、上記変形部を中心として上記電極組立体方向に一定角度で回転する回転部を備えてなることを特徴とする。

この時、上記連結部は上記上部絶縁板の厚み方向において中央の位置より下側に位置することが好ましい。

また、上記連結部は断面が矩形状に形成され、上記連結部は材質が弾性体であることを特徴とする。この場合、上記弾性体の材質はポリエチレンテレフタルレート(PET)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリイミド(PI)のいずれか一つであることを特徴とする。

また、上記回転部は断面が直角三角形状に形成され、上記直角三角形状は上記上部絶縁板の厚み方向と垂直な辺を底辺とし、上記上部絶縁板の厚み方向と平行な辺を底辺に直角な辺として、前記底辺に直角な辺が上記変形部と連結できるように形成されることを特徴とする。

この時、上記変形部の長さは上記回転部の底辺の長さより短く形成されることが好ましい。また、上記下辺と直角面の端は斜辺で連結され、上記斜辺は一定角度で傾くように形成されることが好ましい。

また、上記上部絶縁板には複数個のホールが形成され、この場合、上記ホールは上記中空部から最外郭まで放射状の扇形に形成されることを特徴とする。

本発明による円筒型リチウムイオン二次電池によれば、上部絶縁板の中空部に電池の下部方向に曲がるセンターピン離脱防止部を形成し、電池内部に電解液を注入した後、センターピンを挿入できるようにすることで、センターピンの適用に係わらず、電解液の含浸性を一定に維持することができる。

また、センターピンの挿入後、電解液を注入する場合に生ずる含浸性低下問題を解決し、全工程時間を短縮し、生産性を向上させることができる。

なお、落下等の外部衝撃時、センターピンが安全ベントを打撃して安全ベントが破損する危険を防止することができる。

以下、図面に示すように、本発明に係る好ましい実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係る円筒型リチウムイオン二次電池の斜視図であり、図２は、図１のA-Aの断面図である。

円筒型リチウムイオン二次電池１００は、図１及び図２に示すように、電極組立体２００と、上記電極組立体２００と電解液を収容する円筒型ケース３００と、上記円筒型ケース３００上部に組み立てられて上記円筒型ケース３００を封止し、上記電極組立体２００から発生する電流が外部装置に流れるようにするキャップ組立体４００を備える。

上記電極組立体２００は、図２に示すように、正極集電体の表面に正極活物質層がコーティングされた正極版２１０と、負極集電体の表面に負極活物質層がコーティングされた負極板２２０と、上記正極板２１０及び負極板２２０との間に位置して、上記正極板２１０と、負極板２２０を電気的に絶縁させるセパレーター２３０がゼリーロール状に巻かれて形成されている。

上記正極板２１０は、導電性の優れた金属薄板、例えば、アルミニウム(Al)ホイル(foil)からなる正極集電体と、その両面にコーティングされた正極活物質層を有する。上記正極活物質としては、LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiNiO₂、LiMnO₂などのリチウム酸化物が使用できる。上記正極板２１０の両末端には、正極活物質層が形成されない正極集電体領域、つまり正極無地部が形成されている。上記正極無地部の一段には、一般にアルミニウム(Al)材質で形成され、電極組立体２００の上部に所定の長さで突出した正極タブ２１５が接合される。

上記負極板２２０は、電導性金属薄板、例えば、銅(Cu)または、ニッケル(Ni)ホイルからなる負極集電体と、その両面にコーティングされた負極活物質層を有する。上記負極板２２０の両末端には負極活物質層が形成されない負極集電体領域、即ち、負極無地部が形成される。上記負極無地部の一端には、一般にニッケル(Ni)材質で形成され、電極組立体２００の下部に所定の長さで突出された負極タブ２２５が接合される。なお、上記電極組立体２００の上部及び下部には、それぞれキャップ組立体４００または、円筒型ケース３００との接触を防止するための絶縁板２４１、２４５がさらに備えられて形成される。

図３は、本発明に係る中空部にセンターピン離脱防止部が形成されている上部絶縁板の平面図であり、図４は、図３のB-Bの断面図である。

上部絶縁板２４１は、図２及び図３に示すように、上記キャップ組立体４００、特に安全ベント４１０と、上記電極組立体２００上部との間に位置する。上記上部絶縁板２４１は、電極タブ、例えば正極タブ２１５に電気的に接続された安全ベント４１０を備えるキャップ組立体４００と、電極組立体２００との間に生ずる短絡を防止する。

上記上部絶縁板は、図３に示すように、注入された電解液が沈降する通路になる放射状のホール２５０と、電極タブ、例えば、正極タブ２１５が通過する通路になる両極タブ用ホール２５２と、センターピンの一側端部と接する中空部２５４が形成される。

上記放射状のホール２５０は、上記中空部２５４から最外郭まで、扇形に形成され、電解液の円滑な沈降のために複数個が形成されている。上記放射状のホール２５０の大きさと個数は、電極組立体２００の上部と、キャップ組立体４００間の短絡を防止することができる範囲内では制限がない。

また、上部絶縁板２４１をケース３００の内部に設けた後、センターピンを挿入するために上記上部絶縁板２４１の中空部２５４にはセンターピン離脱防止部２５６が備えられる。上記センターピン離脱防止部２５６は、電池の下部方向、即ち、電極組立体２００が位置されている方向に曲がるが、電池の上部方向、即ち、キャップ組立体４００が位置している方向に曲がらないようにする構造に形成されている。これは、コンピューターに用いられる様々なケーブルを綺麗に片付けるために利用するケーブルタイと、その構造が似ている。ケーブルタイは、ヒンジを備えている四角形形状のホールの中に、一側面にのみ溝が形成されている平たい線を押し入れれば、ヒンジが変形して線が挿入できる。しかし、これを抜き出す時は、ヒンジは変形せず、このため、ヒンジと線に形成された溝が噛み合って、線が抜けない構造となっている。即ち、上記センターピン離脱防止部２５６は、上記中空部２５４にセンターピンを挿入した後、上記上部絶縁板２４１の表面と平行になるように復元される。

上記センターピン離脱防止部２５６は、図３に示すように、矢印形状に複数個形成され、一旦挿入されたセンターピンが再び外れないようにしている。上記センターピン離脱防止部２５６は、図４に示すように、上記中空部２５４に連結され、センターピン挿入時、上記電極組立体２００の方向に曲がる変形部２６０と、上記変形部２６０の端部と連結され、センターピン挿入時、上記変形部２６０を中心に上記電極組立体２００の方向に回転する回転部２５８からなる。この時、上記変形部２６０は、断面が矩形状に形成され、上記回転部２５８は断面が直角三角形状に形成される。

より詳細には、上記回転部２５８の直角三角形状は、上記上部絶縁板２４１の厚み方向と垂直な辺を直角三角形の底辺とし、上記上部絶縁板２４１の厚み方向と平行で、上記変形部２６０と直接連結する辺を直角三角形の「底辺に直角な辺」としてなり、上記「底辺に直角な辺」が上記変形部２６０と連結される。上記変形部２６０は、上記上部絶縁板２４１の厚み方向から、中央の位置より下側に位置することが好ましい。

万一、上記変形部２６０が上記上部絶縁板２４１の厚み方向から、中央に位置すれば、上記変形部２６０が電池の上部方向と、下部方向に変形する角度が近似するようになる。上記変形部２６０の位置を、上部絶縁板２４１の厚み方向から見て、電池の下部方向、即ち、電極組立体２００の方向に移動するにつれ、上記変形部２６０が電池の上部方向、即ち、キャップ組立体４００の方向に変形する角度が小さくなる。これは、上記中空部２５４の外周面と、上記回転部２５８の角がお互いにぶつかって上記回転部２５８が電池の上部方向には、それ以上回転できないためである。また、上記変形部２６０の長さは、上記回転部２５８の底辺の長さより短く形成されることが好ましい。

上述したように、上記回転部２５８が電池の上部方向に回転できないことは、中空部２５４の外周面と、上記回転部２５８の角がぶつかるためであり、このような効果を得るためには変形部２６０の長さが短いほど良い。

従って、上記変形部２６０は、回転部２５８の回転に対応して変形を生じるぐらいの長さであれば、十分である。上記変形部２６０は、センターピンが挿入される時、変形が生ずる部分であるので、センターピンが挿入された後、再び元の形状に復元されなければならない。従って、変形部２６０の材質は弾性体である必要があり、上記弾性体としては、上記上部絶縁板２４１の材質と同様にポリエチレンテレフタルレート(PET)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリイミド(PI)のいずれか一つにしても構わない。しかし、ここで本発明が上記上部絶縁板の材質を限定するものではない。

図５aは、センターピン離脱防止部が形成された中空部を介して、センターピンを挿入する状態を示す断面図であり、図５bは、センターピン離脱防止部が形成された中空部を介して、センターピンの挿入が完了された状態を示す断面図である。

図５aに示すように、上部絶縁板２４１を電池内部に設けた後、センターピン２７０を挿入させるため、上記中空部２５４の外径は、センターピン２７０の外径より大きくなる。センターピン２７０を中空部２５４に挿入すれば、まず、センターピン２７０の一側端部と回転部２５８の斜辺が接触され、センターピン２７０が下部に滑る易くなる。上記回転部２５８に加えられた力は、変形部２６０に影響して、上記変形部２６０が電池の下部方向に変形する。これにより、上記回転部２５８が電池の下部方向に回転し、この時、形成された空間を介して、センターピン２７０が挿入される。一応、電池内部に挿入されたセンターピン２７０は、図５bに示すように、上記回転部２５８が上記センターピン２７０の一側端部を支持する役割をするので、電池の上部方向に突出しない。従って、落下等の外部衝撃があっても、センターピン２７０が電極組立体２００の外部に突出し安全ベント４１０を打撃することがないようにすることで、上記安全ベント４１０が変形したり破損する危険性が防止される。

また、一般に、円筒型リチウムイオン二次電池は、センターピン２７０を電極組立体２００の巻芯部に挿入した後、上部絶縁板２４１をケース３００の内部に挿入し、上記上部絶縁板２４１と上記電極組立体２００とを固定させるため、ケースの側面板３１０にビーディング(beading)部を形成した後、電解液を注入する。この場合、電極組立体２００の巻芯部に挿入されたセンターピン２７０のため電極組立体２００が圧縮力を受け、電極板２１０、２２０と、セパレーター２３０の間で電解液が含浸する空間が減る。

本発明に係る上部絶縁板２４１の構造によれば、電解液を注入した後に、センターピン２７０を挿入できるようにすることで、センターピン２７０による電解液の含浸性の低下を防止することができる。

上記円筒型ケース３００は、図２に示すように、上記円筒型電極組立体２００が収容できる所定の空間が形成されるように、所定の直径を有する円筒型側面板３１０と、上記円筒型側面板３１０の下部を封止する下面板３２０を有して構成されており、上記円筒型側面板３１０の上部は、上記電極組立体２００を挿入するために、開口されている。上記円筒型ケース３００の下面板３２０の中央に上記電極組立体２００の負極タブ２２５が接合され、上記円筒型ケース３００自体は負極の役割を果たすことができる。また、上記円筒型ケース３００は、一般にアルミニウム(Al)、鉄(Fe)、これらの合金からなるが、本発明においてこのような材質を限定するものではない。なお、上記円筒型ケース３００には、上部の開口に結合される上記キャップ組立体４００の上部を圧迫するように、上端から内部に曲がったクリンピング(crimping)部３３０が形成されている。また、上記円筒型ケース３００は、上記クリンピング部３３０から下方に上記キャップ組立体の厚さに対応する距離だけ離隔した位置に上記キャップ組立体４００の下部を圧迫するように、内側に凹んだビーディング(beading)部３４０がさらに形成されている。

上記キャップ組立体４００は、図２に示すように、安全ベント４１０と、電流遮断手段４２０と、二次保護素子４８０及びキャップアップ４９０を有して構成される。上記安全ベント４１０は、板状で、中央から下部に突出される突出部が形成され、上記キャップ組立体４００の下部に位置し、二次電池の内部から生じた圧力によって突出部が上部方向に変形する。上記安全ベント４１０下面の所定位置には、電極組立体２００の正極板２１０及び負極板２２０のうち一方の電極板、例えば、正極板２１０から引き出した正極タブ２１５が溶接され、上記安全ベント４１０と、電極組立体２００の両極板２１０が電気的に接続される。ここで正極板２１０及び負極板２２０のうち、他方の電極板、例えば、負極タブは直接接触方式により、ケース３００と電気的に接続される。

以上、本発明は、上述した特定の好適な実施例に限定されるものではなく、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲で請求する本発明の基本概念に基づき、様々な実施変形が可能であり、そのような変形は本発明の特許請求の範囲に属するものである。

本発明の実施例に係る円筒型リチウムイオン二次電池の斜視図。 図１のA-A断面図。 本発明の実施例に係る上部絶縁板の平面図。 図３のB-B断面図。 センターピンを挿入し始めた時、センターピン離脱防止部の変形状態を示す断面図。 センターピンが挿入された後、センターピン離脱防止部の状態を示す断面図。

符号の説明

１００ 円筒型リチウムイオン二次電池
２００ 電極組立体
２１０ 両極版
２１５ 両極タブ
２２０ 負極板
２２５ 負極タブ
２３０ セパレーター
２４１ 上部絶縁板
２５０ 放射状ホール
２５２ 両極タブ用ホール
２５４ 中空部
２５６ センターピン離脱防止部
２５８ 回転部
２６０ 変形部
２７０ センターピン
３００ ケース
３１０ 側面板
３２０ 下面板
３３０ クリンピング部
３４０ ビーディング部
４００ キャップ組立体
４１０ 安全ベント

Claims (15)

1. 電極組立体と、
   上記電極組立体を収容するケースと、
   上記電極組立体の中心部に挿入されるセンターピンと、
   上記電極組立体の上端開口部を封止するキャップ組立体と、
   上記電極組立体と上記キャップ組立体との間に位置する上部絶縁板と、を備えており、
   上記上部絶縁板は、上記センターピンが貫通できるように、中央に中空部が形成され、上記中空部には上記センターピンの貫通時、上記電極組立体方向に曲がるセンターピン離脱防止部が形成されることを特徴とする円筒型リチウムイオン二次電池。
2. 上記センターピン離脱防止部は、上記中空部に上記センターピンを挿入した後、上記上部絶縁板の表面と平行になるように復元されることを特徴とする請求項１に記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
3. 上記センターピン離脱防止部は、矢印形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
4. 上記センターピン離脱防止部は、複数個形成されることを特徴とする請求項１に記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
5. 上記センターピン離脱防止部は、
   上記中空部に連結され、上記センターピン挿入時、上記電極組立体の方向に曲がる変形部と、
   上記変形部の端部と連結され、上記センターピン挿入時、上記変形部を中心として上記電極組立体方向に一定角度で回転する回転部を備えてなることを特徴とする請求項１に記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
6. 上記変形部は、上記上部絶縁板の厚み方向において中央の位置より下側に位置することを特徴とする請求項５に記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
7. 上記変形部は、上記上部絶縁板の厚み方向の断面が矩形状であることを特徴とする請求項５に記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
8. 上記変形部は、材質が弾性体であることを特徴とする請求項５に記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
9. 上記弾性体は、ポリエチレンテレフタルレート(PET)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリイミド(PI)のいずれか一つであることを特徴とする請求項８に記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
10. 上記回転部は、断面が直角三角形状であることを特徴とする請求項５に記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
11. 上記直角三角形状は、上記上部絶縁板の厚み方向と垂直な辺を底辺とし、上記上部絶縁板の厚み方向と平行な辺を底辺に直角な辺として、前記底辺に直角な辺が上記変形部と連結されることを特徴とする請求項１０に記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
12. 上記変形部の長さは、上記回転部の低辺の長さより短く形成されることを特徴とする請求項１１に記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
13. 上記低辺と直角面の端は斜辺で連結され、上記斜辺は一定角度で傾くように形成されたことを特徴とする
    請求項１１に記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
14. 上記上部絶縁板には、複数のホールが形成されることを特徴とする請求項１に記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
15. 上記ホールは、上記中空部から最外郭まで放射状の扇形に形成されることを特徴とする請求項１４に記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
    

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