JP2008078118A - 向上した安全性を有するパウチ型二次電池 - Google Patents

向上した安全性を有するパウチ型二次電池 Download PDF

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Abstract

【課題】電極組立体の収納部外壁に前記収納部の外周面に沿って位置する電池ケースの熱融着シーリング部全体を折り曲げて密着させることで、電池の外面に対する安全性を向上でき、正極端子と負極端子を前記収納部を基準にして互いに異なるシーリング部上に位置させることで、短絡に対する安全性を向上できる二次電池を提供する。
【解決手段】収納部を備えたシート型ケースに正極／分離膜／負極構造の電極組立体が装着された後、シート型ケースが熱融着によって密封された構造の二次電池であり、前記熱融着によって収納部の外周面全体にシーリング部が形成され、前記シーリング部がそれぞれ垂直に折り曲げられて収納部の側壁に密着され、正極端子と負極端子が収納部を基準にして互いに異なるシーリング部上に位置する二次電池を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、向上した安全性を有するパウチ型二次電池に関するもので、一層詳細には、収納部を備えたシート型ケースに正極／分離膜／負極構造の電極組立体が装着された後、シート型ケースが熱融着によって密封された構造の二次電池であり、前記熱融着によって収納部の外周面全体にシーリング部が形成され、前記シーリング部はそれぞれ垂直に折り曲げられて収納部の側壁に密着され、正極端子と負極端子は収納部を基準にして互いに異なるシーリング部上に位置することを特徴とする二次電池に関するものである。
モバイル機器に対する技術開発及び需要が増加するにつれて、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加している。特にリチウム二次電池は、高いエネルギー密度及び放電電圧を有することから大いに研究されており、商用化されて広く用いられている。
リチウム二次電池は、その外形によって円筒形電池、角形電池、パウチ型電池などに分類され、モバイル機器の小型化に対する最近の傾向に合わせて、薄い厚さを有する角形電池、パウチ型電池に対する需要が増加している。このうち、パウチ型電池は、容易な形態変形、低廉な製造費用、小さい重量などのために大いなる関心を集めている。
一般的に、パウチ型二次電池は、パウチ型電池ケースの内部に正極、負極及びこれら正極と負極との間に配置される分離膜からなる電極組立体が装着された状態で、前記電極組立体から突出した正極及び負極タップと電気的に連結される二つの電極リードが電池ケースの一側で外部に露出された密封構造となっている。
しかしながら、上記のようなパウチ型電池は、電池ケースが約１１３μmの厚さを有し、ＯＮｙ（延伸ナイロンフィルム）からなる外部被覆層、アルミニウムからなるバリア層、及びＣＰＰ（無延伸ポリプロピレンフィルム）からなる内部シーラント層のみで構成されるので、物理的な衝撃を受けたり、尖った物体によって押さえられるとき、容易に損傷されて発火または爆発をもたらすという問題点を有する。したがって、このような問題点を解決するために、例えば、シートの厚さを増加させる技術、または機械的剛性に優れた材料からなる外部ケースなどの別途の部材を用いる技術が適用される。しかし、このようなケース厚さの増加または別途の部材の使用によれば、電池の体積が増加したり、製造工程が複雑になるという二次的な問題点が発生する。
したがって、本発明では、電池ケースのシーリング部を変形させることで、電池の体積を増加させるか、製造工程に悪影響を及ぼすことなく、衝撃に対する電池ケースの安全性を向上できる技術を提供している。
これと関連して、日本特許出願公開第２００５―１１６２７８号は、電池ケースのシーリング部を電極組立体の収納部が位置する方向に巻き取って密着させる技術を開示している。しかし、上記の技術は、電池ケース内部での電解液漏れを防止するための技術であり、巻き取られた状態のシーリング部と収納部との間で電池ケースが脆弱になって破損される可能性が高いという短所を有する。
また、日本登録特許第３５２７８５８号は、電極組立体の収納部の外周面に沿って形成されたシーリング部を折り曲げ、その端部を再び塑性変形によって折り曲げる技術を開示している。上記の技術は、電池ケースの一側で同一方向に突出した電極端子を含んでいる。このような構造の電極端子は、電極タップに対する連結作業が困難であり、外力の印加時に短絡を誘発するという短所を有する。また、シーリング部を折り曲げ及び塑性変形によって変形させることで、ラミネートシートからなり、熱融着によって形成されたシーリング部の過度な変形のために機械的強度及び結合力が低下し、製造工程が複雑になるという問題点を有する。
本発明は、上記のような従来技術の問題点及び技術的課題を解決することを目的とする。
本出願の発明者たちは、深度ある研究及び多様な実験を繰り広げた結果、収納部を備えたシート型ケースに正極／分離膜／負極構造の電極組立体が装着された後、シート型ケースが熱融着によって密封された構造の二次電池において、前記電極組立体の収納部外壁に前記収納部の外周面に沿って位置する電池ケースの熱融着シーリング部全体を折り曲げて密着させる場合、電池の外面に対する安全性を向上でき、正極端子と負極端子を前記収納部を基準にして互いに対向するシーリング部上に位置させる場合、短絡に対する安全性を向上できることを確認し、これに基づいて本発明を完成するに至った。
本発明に係る二次電池は、収納部を備えたシート型ケースに正極／分離膜／負極構造の電極組立体が装着された後、シート型ケースが熱融着によって密封された構造の二次電池であり、前記熱融着によって収納部の外周面全体にシーリング部が形成され、前記シーリング部はそれぞれ垂直に折り曲げられて収納部の側壁に密着され、正極端子と負極端子は収納部を基準にして互いに異なるシーリング部上に位置することを特徴とする。
したがって、本発明に係る二次電池は、収納部の外周面全体にシーリング部が形成されており、全てのシーリング部を収納部の側壁に密着させることで、電池の外面をなす電池ケースの剛性を向上でき、各電極端子を互いに異なるシーリング部上に位置させることで、短絡に対する安全性を向上できるという長所を有する。
本発明において、前記シート型ケースは、樹脂層及び金属層を含むラミネートシート、特にアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに電極組立体が内蔵された二次電池に好ましく適用される。
前記各電極端子は、上述したように、収納部を基準にして互いに異なるシーリング部上に位置するが、それぞれの電極端子が同一のシーリング部上に位置しない構造であれば、前記収納部を基準にして相互対称的な構造、非対称的な構造などが全て可能である。一例として、前記各電極端子は、前記収納部を基準にして互いに対向するシーリング部上で、前記シーリング部の中心を通過する中心軸または前記中心軸と平行な多数の軸から選択される一つの軸上に位置して対称構造で形成されるか、前記多数の軸から選択される二つの互いに異なる軸上にそれぞれ位置して非対称構造で形成される。場合によって、各電極端子は、隣接したシーリング部上にそれぞれ位置することもある。
前記電極組立体は、正極と負極及びこれら正極と負極との間に介在された分離膜からなる構造であれば、特別に制限されることなく、例えば、フォルディング型、スタック型またはスタック／フォルディング型構造を挙げることができる。スタック／フォルディング型構造の電極組立体に対する詳細な内容は、本出願人の韓国特許出願公開第２００１―００８２０５８号、第２００１―００８２０５９号及び第２００１―００８２０６０号に開示されており、上記の出願は、本発明の内容に参照として組み込まれる。
好ましい例として、前記電極組立体は、多数の正極、負極及び分離膜が順次積層された構造であり、全体的に板状型の六面体構造である。この場合、電極組立体を密封する電池ケースは、前記電極組立体に対応する六面体構造の収納部と、前記収納部の外周面に沿って形成されて平面四角形構造からなるシーリング部とを含む。四角形構造からなる前記シーリング部は、容易に折り曲げられて前記収納部の側面に密着されるように、各シーリング部が交差する角部で所定の大きさに面取りされる。
一つの好ましい構造の例として、前記電極端子が位置する垂直に折り曲げられたシーリング部には、収納部の側壁に位置する方向に保護回路部が搭載される。一層具体的に、前記保護回路部は、電極端子に電気的に接続された状態で、前記収納部の側壁に密着されたシーリング部上に搭載される。このとき、前記保護回路部は、収納部の側壁と平行な構造で搭載されることで、一層安定的に装着される。このような構造によって、本発明の二次電池は、前記保護回路部の装着による体積増加を最小化できるという長所も有する。
上記のような構造で、保護回路部は、正極端子側シーリング部及び負極端子側シーリング部から選択される一つまたは全てに搭載されるが、このうち、正極端子側シーリング部と負極端子側シーリング部上にそれぞれ搭載された構造が好ましい。
他の好ましい構造の例として、電極端子側シーリング部に隣接した側面シーリング部において、上部ケース及び／または下部ケースは、収納部の幅に対応する大きさの剰余部を含むこともある。この場合、前記シーリング部を垂直に折り曲げて収納部の側壁に密着させた状態で、前記剰余部で収納部の上面または下面を覆うことができる。例えば、前記剰余部で収納部の上面を覆う場合、前記剰余部が延長された一側面シーリング部は、前記収納部の上面に向かうように上方に垂直に折り曲げられて収納部の一側壁に密着され、一側面シーリング部から延長された剰余部は、前記収納部の他側壁に向かうように垂直に折り曲げられて収納部の上面に密着される。また、前記剰余部で収納部の下面を覆う場合、前記剰余部が延長された一側面シーリング部は、前記収納部の下面に向かうように下方に垂直に折り曲げられて収納部の一側壁に密着され、一側面シーリング部から延長された剰余部は、前記収納部の他側壁に向かうように垂直に折り曲げられて収納部の下面に密着される。
場合によって、電池ケースによる体積増加を最小化するために、前記剰余部は、上部ケースまたは下部ケースから選択される一つのケースでシーリング部から延長されることが好ましく、特に、前記シーリング部の折り曲げ方向の内部に位置するケースでシーリング部から延長されることが一層好ましい。すなわち、前記剰余部は、この剰余部が延長されたシーリング部を収納部の上面に向かうように折り曲げた場合、折り曲げ方向の内部に位置する上部ケースに形成される。
上記のような構造において、前記剰余部は、電極端子側シーリング部に隣接した両側面シーリング部のケースにそれぞれ形成される。例えば、前記両側面シーリング部のうち一側面シーリング部から延長された剰余部で収納部の上面を覆い、他側面シーリング部から延長された剰余部で収納部の下面を覆う場合、前記一側面シーリング部は、前記収納部の上面に向かうように上方に垂直に折り曲げられて収納部の一側壁に密着され、一側面シーリングから延長された剰余部は、前記収納部の他側壁に向かうように垂直に折り曲げられて収納部の上面に密着される。一方、前記他側面シーリング部及びこの他側面シーリング部から延長された剰余部は、前記収納部の下面に向かうように下方に折り曲げられて収納部の下面に密着される。このような構造によって、本発明の二次電池は、前記両側面シーリング部からそれぞれ延長された剰余部で前記収納部の上面及び下面を全て覆うことで、外力に対する電池ケースの安全性を一層向上させることができる。
また、本発明は、上記のような二次電池がパックケースに装着された構造の電池パックを提供する。電池自動車、ハイブリッド電気自動車などに使われる中大型電池パックは、振動及び衝撃などの外力が印加される苛酷な条件に長時間露出され、多数の単位電池の組み合わせによって構成されるので、単位電池の外面が外力によって破損されるか、各単位電池の順次的な連結工程が非常に複雑になる。そのため、上記のような構造の二次電池が単位電池として好ましく適用される。
本発明に係る二次電池は、電極組立体の収納部外壁に前記収納部の外周面に沿って位置する電池ケースの熱融着シーリング部全体を折り曲げて密着させることで、電池の外面に対する安全性を向上でき、正極端子と負極端子を前記収納部を基準にして互いに異なるシーリング部上に位置させることで、短絡に対する安全性を向上できるという効果を有する。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明するが、この実施例は、本発明を一層容易に理解するためのものに過ぎなく、本発明の範疇がこれによって限定されることはない。
図１は、本発明の一つの実施例に係る二次電池において、ケースのシーリング部が収納部の側壁に密着される過程を示した平面図である。
図１に示すように、パウチ型二次電池１００は、電極組立体２００がラミネートシートの電池ケース３００に内蔵された構造であり、正極端子２１０と負極端子２２０は、電極組立体の収納部３５０を基準にして互いに対向する上端シーリング部３１０と下端シーリング部３２０からそれぞれ突出している。また、パウチ型二次電池１００は、電池ケース３００を密封することで、収納部３５０の外周面に沿って形成されたシーリング部３１０，３２０，３３０，３４０を矢印方向にそれぞれ折り曲げて収納部３５０に密着させることを特徴とする。
収納部３５０の外周面に沿って形成されたシーリング部３１０，３２０，３３０，３４０は、平面四角形構造からなり、矢印方向にそれぞれ折り曲げられて収納部３５０の側面に密着される。このような構造は、図１に示した二次電池のＡ―Ａ線断面図及びＢ―Ｂ線断面図である図２及び図３によって、一層容易に確認することができる。
まず、図２に示すように、上端シーリング部３１０及び下端シーリング部３２０は、収納部３５０との隣接部でそれぞれ１次的に折り曲げられて収納部の側壁３５１に密着され、正極端子２１０及び負極端子２２０は、上端及び下端シーリング部３１０，３２０との隣接部でそれぞれ２次的に折り曲げられて収納部の側壁３５１と垂直構造をなす。場合によって、正極端子２１０と負極端子２２０は、上端シーリング部３１０と下端シーリング３２０との隣接部で収納部の側壁３５１に向かうように追加的に垂直に折り曲げることもでき、この状態で、図４に示した保護回路部４００（後述する）を搭載することもできる。
図３に示すように、両側シーリング部３３０，３４０は、収納部３５０との隣接部で折り曲げられて収納部の側壁３５１に密着される。
再び図１を参照すると、四角形構造のシーリング部３１０，３２０，３３０，３４０は、上端シーリング部３１０と両側シーリング部３３０，３４０、及び下端シーリング部３２０と両側シーリング部３３０，３４０とが交差する角部分（点線円Ｃ）が面取りされることで、収納部３５０の側面に一層容易に折り曲げられる。
他の例として、各電極端子は、収納部３５０を基準にして両側シーリング部３３０，３４０上に互いに対向して位置することもある。例えば、正極端子２１０ｂが左側シーリング部３３０上に位置し、負極端子２２０ｂが右側シーリング部３４０上に位置する構造も可能である。場合によって、各電極端子は、隣接したシーリング部に位置することもある。例えば、正極端子２１０が上端シーリング部３１０上に位置し、負極端子２２０ｂが右側シーリング部３４０上に位置することで、収納部３５０を基準にして約９０度の位置に各電極端子が形成されることもある。
図４は、図１に示した二次電池の一つの好適な変形例を示した平面図である。
図４に示すように、二次電池１０１は、図２のように折り曲げられた正極端子２１０に別途の保護回路部４００を電気的に連結することができる。保護回路部４００は、正極端子２１０を上端シーリング部３１０との隣接部で収納部の側壁３５１に向かうように垂直に折り曲げることで、収納部の側壁３５１に密着された上端シーリング部３１０上に装着することができる。図面に示していないが、負極端子２２０が形成された下端シーリング部３２０にも、上記のような方法で保護回路部４００が装着される。
図５は、図１に示した二次電池の他の好適な変形例を示した平面図である。
図５に示すように、二次電池１０２は、両側シーリング部３３０，３４０から延長された剰余部３３１，３４１で収納部の上面３５２と収納部の下面３３を覆う構造となっている。左側シーリング部３３０は、図３に示すように、収納部３５０との隣接部で１次的に折り曲げられて収納部の側壁に密着され、左側シーリング部３３０から延長された左側剰余部３３１は、左側シーリング部３３０との隣接部で２次的に折り曲げられて収納部の上面３５２を覆う。
一方、右側シーリング部３４０及びこの右側シーリング部３４０から延長された右側剰余部３４１は、収納部３５０との隣接部で折り曲げられて収納部の下面３５３を覆う。上記のような構造によって、電池ケース３００の外力に対する安全性を一層向上させることができる。
本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、上記のような内容に基づいて本発明の範疇内で多様に応用及び変形可能であろう。
本発明の一つの実施例に係る二次電池において、ケースのシーリング部が収納部の側壁に密着される過程を示した平面図である。 図１に示した二次電池のＡ―Ａ線断面図である。 図１に示した二次電池のＢ―Ｂ線断面図である。 図１に示した二次電池の一つの好適な変形例を示した断面図である。 図１に示した二次電池の他の好適な変形例を示した平面図である。
符号の説明
１００ 二次電池
２００ 電極組立体
２１０ 正極端子
２１０ｂ 正極端子
２２０ 負極端子
２２０ｂ 負極端子
３００ 電池ケース
３１０ 上端シーリング部
３２０ 下端シーリング部
３３０ 左側シーリング部
３４０ 右側シーリング部
３５０ 収納部

Claims (11)

  1. 収納部を備えたシート型ケースに正極／分離膜／負極構造の電極組立体が装着された後、シート型ケースが熱融着によって密封された構造の二次電池であって、
    前記熱融着によって収納部の外周面全体にシーリング部が形成され、
    前記シーリング部がそれぞれ垂直に折り曲げられて収納部の側壁に密着され、
    正極端子と負極端子が収納部を基準にして互いに異なるシーリング部上に位置することを特徴とする、二次電池。
  2. 前記シート型ケースが、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートからなることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記シートが、アルミニウムラミネートシートであることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  4. 前記各電極端子が、収納部の中心を基準にして対称または非対称位置にシーリング部から突出されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  5. 前記電極組立体が、フォルディング型構造、スタック型構造またはスタック／フォルディング型構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  6. 前記電極組立体が、板状型の六面体構造からなり、
    前記シーリング部の角が、容易に折り曲げられるように所定大きさに面取りされてなることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  7. 前記電極端子が位置する垂直に折り曲げられたシーリング部には、収納部の側壁に位置する方向に保護回路部が搭載されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  8. 前記保護回路部が、正極端子側シーリング部及び負極端子側シーリング部上にそれぞれ搭載されることを特徴とする、請求項７に記載の二次電池。
  9. 電極端子側シーリング部に隣接した側面シーリング部において、上部ケース及び／または下部ケースは収納部の幅に対応する大きさの剰余部を含み、シーリング部を垂直に折り曲げて収納部の側壁に密着させた状態で、前記剰余部が収納部の上面または下面を覆うことを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  10. 前記剰余部が、電極端子側シーリング部に隣接した両側面シーリング部のケースにそれぞれ形成されており、前記両側面シーリング部の剰余部によって収納部の上面及び下面を全て覆うことを特徴とする、請求項９に記載の二次電池。
  11. 請求項１乃至１０の何れか一項による二次電池がパックケースに装着された構造の電池パック。
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