JP2009117362A - 二次電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】キャップ組立体が一体型に形成され、缶の開口部と結合可能な二次電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】電極組立体１３０と、一端部に開口部が形成されて電極組立体を収容する缶１２０と、キャップアップ１３１、キャップアップの下部に配置される安全素子１３２、安全素子の下部に配置される安全ベント１３３、キャップアップ、安全素子及び安全ベントの外郭部を包み込む絶縁ガスケット１３４、及び絶縁ガスケットの外郭部をクランプするキャップボディ１３５を含んで形成されるキャップ組立体と、を含み、キャップボディは、缶の開口部に少なくとも一部が挿入されて缶に結合される。
【選択図】図１ｅ

Description

本発明は、二次電池に関し、より詳しくは、キャップ組立体を一体型で形成し、キャップ組立体と缶を結合させた二次電池及びその製造方法に関する。
最近、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、カムコーダなど、コンパクトで軽量化された携帯用電気/電子装置が活発に開発及び生産されている。携帯用電気/電子装置は、別途の電源が備えられてない場所でも作動可能なように電池パックを内蔵している。上記電池パックには、経済的な面を考慮して最近では、充放電可能な電池が採用されている。代表的な二次電池として、ニッケル−カドミウム(Ｎｉ−Ｃｄ)電池、ニッケル−水素(Ｎｉ−ＭＨ)電池、リチウム(Ｌｉ)電池、及びリチウムイオン(Ｌｉ−ｉｏｎ)電池などがある。
特に、リチウムイオン二次電池は、携帯用電子装置の電源として広く用いられる、ニッケル−カドミウム電池及びニッケル−水素電池より作動電圧が約３倍も高い。また、単位重量当たりエネルギー密度が高いため広く用いられている。
一方、二次電池の製造工程では、開口部が形成された缶に電極組立体を収容する収容工程、缶の側面にビーディングを形成するビーディング工程、及びビーディング工程以後に絶縁ガスケット及びキャップアップにより缶の開口部を覆った後に、缶の開口部を曲げるクランプ工程により電極組立体を密閉する。
しかし、上記工程のうちビーディング工程では、工程時の僅かな誤差によりビーディング部位が破断されたり、ビーディング時に金属異物が電極組立体に落ちて電池の性能が低下したりする場合がある。また、ビーディング工程が過度に行われて製造された二次電池は、ノート型ＰＣのような携帯用電子製品に用いられると、外部衝撃によりビーディング部位と電極組立体がショートして発火を誘発する場合がある。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、キャップ組立体が一体型に形成され、缶の開口部と結合可能な二次電池及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、缶に収容される電極組立体の流動を防止可能な二次電池を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、缶の内部に形成される空き空間を最小限に低減可能な二次電池を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、缶と結合されるキャップ組立体を一体型に形成して収率を向上可能な二次電池及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、缶と結合されるキャップ組立体を一体型に形成して生産コストを節減低減可能な二次電池及び二次電池の製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によれば、電極組立体と、一端部に開口部が形成されて上記電極組立体を収容する缶と、キャップアップ、上記キャップアップの下部に配置される安全素子、上記安全素子の下部に配置される安全ベント、上記キャップアップ、上記安全素子及び上記安全ベントの外郭部を包み込む絶縁ガスケット、及び上記絶縁ガスケットの外郭部をクランプするキャップボディを含んで形成されるキャップ組立体とを含み、上記キャップボディは、上記缶の開口部に少なくとも一部が挿入されて上記缶に結合されることを特徴とする二次電池が提供される。
また、上記安全ベントの下部には、サブ組立体が形成され、上記サブ組立体は、上記安全ベントの下部に配置される絶縁プレート、上記絶縁プレートに密着されるメインプレート、及び上記メインプレートに接続されるサブプレートを含んで形成される。この場合、上記絶縁プレートは、上記安全ベントと上記メインプレートとを絶縁し、上記サブプレートは、上記安全ベントと接続されて上記電極組立体と電気的に連結されることを特徴とする。
上記課題を解決するために、本発明の第２の観点によれば、電極組立体と、一端部に開口部が形成されて上記電極組立体を収容する缶と、キャップアップ、上記キャップアップの下部に配置される安全素子、上記安全素子の下部に配置される安全ベント、上記安全ベントと上記安全素子との間に配置される電流遮断素子、上記キャップアップ、上記安全素子、上記安全ベント及び上記電流遮断素子の外郭部を包み込む絶縁ガスケット、及び上記絶縁ガスケットの外郭部をクランプするキャップボディを含んで形成されるキャップ組立体とを含み、上記キャップボディは、上記缶の開口部に少なくとも一部が挿入されて上記缶に結合されることを特徴とする二次電池が提供される。
また、上記電流遮断素子は、枠基板、上記枠基板を横切るクロス基板、上記枠基板の上部に形成されて上記安全素子と電気的に連結される上部回路パターン、及び上記枠基板の下部に形成されて上記安全ベントと電気的に連結される下部回路パターンを含んで形成される。この場合、上記上部回路パターンと上記下部回路パターンは、上記クロス基板の中央で電気的に連結され、上記安全ベントは、上記クロス基板の中央を破断することができる。
一方、上記二次電池は、下記のような構成要素をさらに含んで形成され、それぞれの構成要素は下記のような構造と結合関係を構成することができる。
先ず、上記缶は、円筒状に形成され、上記缶の開口部と結合されるキャップ組立体は、円筒形状に形成されることを特徴とする。
また、上記絶縁ガスケットは、上記キャップアップの上面のうち枠を包み込む第１絶縁部と、上記キャップアップ及び上記安全ベントの側面を包み込む第２絶縁部と、上記安全ベントの下部面のうち枠を包み込む第３絶縁部とを含んで形成される。この場合、上記第２絶縁部及び上記第３絶縁部は、上記第２絶縁部と上記第３絶縁部が接触する部位にストッパが突出して形成されることを特徴とする。
また、上記キャップボディは、上記第１絶縁部を包み込む第１折曲部と、上記第３絶縁部を包み込む第２折曲部と、上記第１折曲部と上記第２折曲部を連結して上記第２絶縁部を包み込む外枠部とを含んで形成されることを特徴とする。また、上記キャップボディは、上記外枠部に段差が形成され、上記キャップボディの段差と上記缶の開口部が相接し、上記キャップボディの段差と上記缶が相接する部位の外郭に溶接部が形成されることを特徴とする。
また、上記二次電池は、流動防止用絶縁板をさらに含んで形成され、流動防止用絶縁板は、中央に通孔が形成され、上記キャップボディの第２折曲部と相接し、上記電極組立体の上部面と相接して形成できる。この場合、上記流動防止用絶縁板は、上記キャップボディの第２折曲部と相接する上部突出部と、上記通孔の周辺で下部に突出する下部突出部とを含んで形成されることを特徴とする。また、上記流動防止用絶縁板は、中央に上記通孔の直径より大きい安着溝が形成され、上記通孔の周辺にタブ挿入孔がさらに形成されることを特徴とする。
一方、上記二次電池は、上部絶縁板及び不燃性弾性部材を含んで形成される。この場合、上記上部絶縁板は、上記電極組立体の上部面に安着され、上記不燃性弾性部材は、上記上部絶縁板の上部面に安着されて上記キャップボディと密着して形成されることを特徴とする。
上記課題を解決するために、本発明の第３の観点によれば、キャップアップ、安全素子及び安全ベントを絶縁ガスケットに挿入し、上記絶縁ガスケットの外周面をキャップボディでクランプしてキャップ組立体を形成するクランプ段階と、開口部が形成された缶に収容される電極組立体を上記キャップ組立体と電気的に連結させ、上記キャップ組立体を上記缶の開口部と相接するように結合する結合段階と、上記缶と上記キャップボディが相接する部位を溶接する溶接段階とを含んで構成されることを特徴とする二次電池製造方法が提供される。
また、上記クランプ段階において、上記安全素子と上記安全ベントとの間に電流遮断素子をさらに挿入することを特徴とする。
また、上記クランプ段階の以前に、上記安全ベントにサブ組立体が付着されることができる。
また、上記クランプ段階において、上記絶縁ガスケットの内側に形成されたストッパに上記キャップアップ及び上記安全ベントを固定させた後、上記キャップボディをクランプすることができる。
また、上記溶接段階において、上記缶と上記キャップ組立体が相接する状態で、上記缶及び上記キャップ組立体を円周方向に回転させ、上記回転する缶及び上記キャップ組立体が相接する部位にレーザ溶接を行うことができる。
本発明によれば、キャップ組立体が一体型に形成され、缶の開口部と結合可能な二次電池及びその製造方法を提供することができる。
また、本発明によれば、缶に収容される電極組立体の流動を防止可能な二次電池を提供することができる。
また、本発明によれば、缶の内部に形成される空き空間を最小限に低減可能な二次電池を提供することができる。
また、本発明によれば、缶と結合されるキャップ組立体を一体型に形成して収率を向上可能な二次電池及びその製造方法を提供することができる。
また、本発明によれば、缶と結合されるキャップ組立体を一体型に形成して生産コストを低減可能な二次電池及び二次電池の製造方法を提供することができる。
以下に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図１ａ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１ｂは、図１ａに示された二次電池のうちキャップ組立体のみが組立てられた状態の分解斜視図である。図１ｃは、図１ｂに示されたキャップ組立体をＩ−Ｉ線で切開した状態の斜視図である。図１ｄは、図１ｂに示された二次電池が結合された状態の斜視図である。図１ｅは、図１ｄに示された二次電池をＩ−Ｉ線で切開した状態の断面図である。図１ｆは、図１ｅに示された安全ベントが変形された状態の断面図である。
図１ａ〜図１ｅに示すように、本発明の一実施形態に係る二次電池１００は、電極組立体１１０、缶１２０、及びキャップ組立体１３０を含んで形成される。また、二次電池１００は、流動防止用絶縁板１４０をさらに含んで形成される。また、二次電池１００は、サブ組立体１５０をさらに含んで形成される。
上記電極組立体１１０は、陽極板１１１と陰極板１１２との間にセパレータ１１３を介在して積層した後、ゼリーロール状に巻回して形成される。また、電極組立体１１０は、陽極板１１１に付着された陽極タブ１１４、及び陰極板１１２に付着された陰極タブ１１５をさらに含んで形成される。ここで、電極組立体１１０の巻回中心部には、通路１１０ａが形成され、上記通路１１０ａにセンターピン１１６が挿入されることで電極組立体１１０の変形を防止することができる。
上記陽極板１１１は、陽極集電体及び陽極活物質層からなっている。陽極活物質層は、リチウムを含む層状化合物、結合力を向上させるバインダー、導電性を向上させる導電材からなることができる。陽極集電体は、一般的にアルミニウムが用いられ、陽極活物質層で発生する電荷の移動通路となり、陽極活物質層を支持する役割を果たす。
上記陰極板１１２は、陰極集電体及び陰極活物質層からなっている。陰極活物質層は、炭素を含んで一般的に広く用いられるハードカーボンまたは黒鉛、活物質粒子間の結合力を向上させるバインダーからなることができる。陰極集電体は、一般的に銅が用いられ、陰極活物質層で発生する電荷の移動通路となり、陰極活物質層を支持する役割を果たす。
上記セパレータ１１３は、陽極板１１１と陰極板１１２との間に介在されて陽極板１１１と陰極板１１２とを絶縁し、陽極板１１１及び陰極板１１２の電荷を通過させる。一般的に、セパレータ１１３の材質としては、ポリエチレン(ＰＥ)またはポリプロピレン(ＰＰ)が使用されるが、その材質が限定されるものではない。
上記缶１２０は、一端部に開口部１２１が形成され、電極組立体１１０を収容する。また、缶１２０は、ステンレスのような導電性の金属材質により形成される。ここで、缶１２０の下部面には、下部絶縁板１６０が挿入されて電極組立体１１０の下部面と缶１２０を絶縁させることができる。また、下部絶縁板１６０には、陰極タブ１１５を挿通させるホールが形成され、上記ホールに陰極タブ１１５が挿通されて缶１２０と電気的に連結される。
上記キャップ組立体１３０は、キャップアップ１３１、安全素子１３２、安全ベント１３３、絶縁ガスケット１３４、及びキャップボディ１３５を含んで形成される。図１ｂ〜１ｃに示されたキャップ組立体１３０は、キャップアップ１３１、安全素子１３２、安全ベント１３３、絶縁ガスケット１３４、及びキャップボディ１３５が一体型に形成された状態にある。
上記キャップアップ１３１は、円型板１３１ａ、及び上記円型板１３１ａの中央から突出した突出部１３１ｂを含んで形成される。また、キャップアップ１３１は、ガスを排出するための通孔１３１ｃを含んで形成される。上記キャップアップ１３１は、ステンレスのような金属材質により形成される。
上記安全素子１３２は、キャップアップ１３１と安全ベント１３３との間に配置される。また、安全素子１３２は、円型リング形状に形成され、キャップアップ１３１と安全ベント１３３を電気的に連結させる。上記安全素子１３２は、ＰＴＣ素子により形成される。安全素子１３２は、キャップアップ１３１と安全ベント１３３との間に過電流が一定時間流れるか、キャップアップ１３１と安全ベント１３３との間の温度が臨界値以上に上昇すると、キャップアップ１３１と安全ベント１３３との間の電流を遮断して二次電池１００の過熱及び爆発を防止する。
上記安全ベント１３３は、上記安全素子１３２の下部に配置される。また、安全ベント１３３は、下部に突出部１３３ａを備え、突出部１３３ａの中央には、中央溝１３３ｂ、及び中央溝１３３ｂを基準として十字溝１３３ｃが形成される。上記安全ベント１３３は、缶１２０の内部圧力の上昇時に上部に膨脹し、中央溝１３３ｂ及び十字溝１３３ｃの周辺が破断される。これにより、安全ベント１２０が開封され、缶１２０の内部に充満したガスが外部に排出されるので、二次電池１００の爆発が防止される。図１ｆは、安全ベント１３３が缶１２０の内部圧力の上昇により変形し、中央溝１３３ｂがまだ破断されていない状態を示している。一方、安全ベント１３３は、導電性の金属材質で形成され、安全素子１３２と電極組立体１１０を電気的に連結させることができる。
上記絶縁ガスケット１３４は、外郭円周部の一部が折曲されて上記キャップアップ１３１と上記安全ベント１３３の外郭円周部を包み込む。図１ａに示された絶縁ガスケット１３４は、上端部が折曲された形態にある。図１ｃに示すように、絶縁ガスケット１３４は、キャップアップ１３１及び安全ベント１３３が絶縁ガスケット１３４に包まれた状態で、第１絶縁部１３４ａ、第２絶縁部１３４ｂ、及び第３絶縁部１３４ｃを備える。第１絶縁部１３４ａは、キャップアップ１３１の上面のうち枠を包み込み、第３絶縁部１３４ｃは、安全ベント１３３の下面のうち枠を包み込む。また、第２絶縁部１３４ｂは、キャップアップ１３１及び安全ベント１３３の側面外周部を包み込む。ここで、上記絶縁ガスケット１３４は、ＰＥＴ(Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ)やＰＥ(Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ)のような樹脂材質により形成できる。
また、絶縁ガスケット１３４には、第２絶縁部１３４ｂと第３絶縁部１３４ｃが接触する部位に安全ベント１３３を挿入して固定するためのストッパ１３４ｄを突出形成することができる。上記ストッパ１３４ｄは、突起形状に形成され、安全ベント１３３の下部外郭部を掛けるように形成されことで、安全ベント１３３、安全素子１３２及びキャップアップ１３１を絶縁ガスケット１３４に１次的に固定する。図１ｃ〜１ｅに示されたストッパ１３４ｄの形状は、キャップボディ１３５がクランプされて変形された状態にある。
上記キャップボディ１３５は、キャップアップ１３１及び安全ベント１３３を包み込んでいる絶縁ガスケット１３４の外郭円周部を包み込む。この場合、キャップボディ１３５は、第１折曲部１３５ａ、第２折曲部１３５ｃ、及び外枠部１３５ｂを含んで形成される。第１折曲部１３５ａは、絶縁ガスケット１３４の外郭円周部のうち第１絶縁部１３４ａを包み込む。第２折曲部１３５ｃは、絶縁ガスケット１３４の外郭円周部のうち第３絶縁部１３４ｃを包み込む。外枠部１３５ｂは、第１折曲部１３５ａと第２折曲部１３５ｃとを連結して第２絶縁部１３４ｂを包み込む。ここで、外枠部１３５ｂの外周面には、段差１３５ｄが形成される。上記段差１３５ｄは、第１段差１３５ｄ１、上記第１段差１３５ｄ１より深い深さにつながる第２段差１３５ｄ２、及び上記第２段差１３５ｄ２より深い深さにつながる第３段差１３５ｄ３により形成され、段差１３５ｄのうち第１段差１３５ｄ１は、上記缶１２０の開口部の上部面と相接するようになる。
また、上記キャップボディ１３５と上記缶１２０が相接する外郭部位のうち少なくとも一部には、溶接部１３６が形成される。図１ｄでは、キャップボディ１３５と缶１２０が相接する部位である円周部に溶接部１３６が形成された状態を示している。ここで、溶接部１３６は、キャップボディ１３５と上記缶１２０が相接する部位のうち外郭全体に沿って溶接することができる。よって、溶接部１３６は、キャップ組立体１３０と缶１２０とを密閉する役割を果たすことで、缶１２０の内部に収容された電解液が外部に流出しないように遮断し、缶１２０の内部が外部の空気と接触しないようにして湿気を遮断する。
上記流動防止用絶縁板１４０は、上部面の外郭部に上部突出部１４１が形成される。この場合、上記上部突出部１４１は、キャップボディ１３５の第２折曲部１３５ｃと相接するようになる。一方、流動防止用絶縁板１４０の下部面は、電極組立体１１０の上部面と相接するようになる。流動防止用絶縁板１４０は、キャップボディ１３５と電極組立体１１０との間に挟みこまれるように挿入されることで、電極組立体１１０の流動を防止するようになる。
また、流動防止用絶縁板１４０の中央には、通孔１４０ａが形成される。通孔１４０ａは、電極組立体１１０及び電解液から発生したガスを排出するための通路である。また、中央に形成された通孔１４０ａの周辺には、下部に突出して下部突出部１４２が形成される。下部突出部１４２は、電極組立体１１０に形成されたセンターホール１１０ａに挿入され、流動防止用絶縁板１４０を電極組立体１１０と結合する。よって、電極組立体１１０は、下部突出部１４２によって流動が防止される。
また、流動防止用絶縁板１４０の中央には、陽極タブ１１４が折られて収容され、通孔１４０ａの直径より大きい安着溝１４０ｂが形成される。安着溝１４０ｂは、陽極タブ１１４が折れることを防止し、陽極タブ１１４の疲労破壊を防止する。
また、流動防止用絶縁板１４０には、通孔１４０ａの周辺にタブ挿入孔１４０ｃがさらに形成される。この場合、陽極タブ１１４は、タブ挿入孔１４０ｃを介して通過される。タブ挿入孔１４０ｃは、陽極タブ１１４を通過させ、陽極タブ１１４が折れる時に電極組立体１１０の上部と陽極タブ１１４がショートしないようにする。また、タブ挿入孔１４０ｃを通過した陽極タブ１１４は、一定部分に限って流動が防止されるので、外部衝撃や振動による疲労が防止される。ここで、タブ挿入孔１４０ｃが形成されない絶縁板(図示せず)を用いる場合、陽極タブ１１４は通孔１４０ａを介して通過される。
上記サブ組立体１５０は、安全ベント１３３の下部面に配置される。上記サブ組立体１５０は、絶縁プレート１５１、絶縁プレート１５１に密着されたメインプレート１５２、及びメインプレート１５２に接続されたサブプレート１５３を含んで構成される。
上記絶縁プレート１５１は、安全ベント１３３とメインプレート１５２とを絶縁させる。この場合、絶縁プレート１５１は、メインプレート１５２の円周外郭部にのみ形成され、安全ベント１３３とメインプレート１５２とを絶縁させることができる。
上記メインプレート１５２は、メインプレート１５２の直径より小さな下部突出部が形成され、下部突出部の中央には中央ホール１５２ａが形成される。また、メインプレート１５２に形成された中央ホール１５２ａの周辺には、缶１２０の内部で発生したガスを円滑に排出するためのホール１５２ｂが形成される。
上記サブプレート１５３は、メインプレート１５２の中央ホール１５２ａを包み込むようにメインプレート１５２の下部に接続される。また、サブプレート１５３は、安全ベント１３３の中央溝１３３ｂと接続されて安全ベント１３３と電気的に連結される。この場合、サブプレート１５３は、超音波溶接によって安全ベント１３３の中央溝１３３ｂと局所的に溶接される。ここで、図１ｆに示すように、安全ベント１３３は、缶１２０の内部圧力の上昇によって変形してサブプレート１５３と電気的に切断される。一方、サブプレート１５３は、下部面が陽極タブ１１４と溶接されて電気的に連結される。
上記のように、安全ベント１３３の下部面に付着されたサブ組立体１５０は、絶縁プレート１５１によって安全ベント１３３と一部が絶縁される。また、サブプレート１５３は、陽極タブ１１４と安全ベント１３３とを電気的に連結させる。ここで、図１ｆは、缶の内部圧力の上昇により変形した安全ベント１３３を示す断面図である。図１ｆに示すように、安全ベント１３３は、缶１２０の内部圧力が臨界値以上に増加すると、中央溝１３３ｂの周辺が上部に突出して変形する。この場合、安全ベント１３３は、中央溝１３３ｂの周辺が破断されて缶１２０の内部で発生したガスを外部に排出させるようになる。また、安全ベント１３３は、中央溝１３３ｂの変形によってサブプレート１５３との間で電気的な連結が遮断される。よって、二次電池は、サブ組立体１５０によって安全性が向上され、一体型に形成されたキャップ組立体１３０と缶１２０の結合によって組立性が向上される。
一方、本実施形態では、上記缶１２０が円筒状に形成される。また、上記缶１２０の開口部と結合するキャップ組立体１３０が円筒状に形成される。特に、キャップ組立体１３０は、一回の工程でもクランプが容易な円型の構造を有する。また、上記缶１２０と上記キャップ組立体１３０とを結合して形成される円筒状の二次電池１００は、缶１２０とキャップ組立体１３０に相接する円周部に溶接部１３６を形成することで、密閉力が向上し、製造工程が非常に簡略化される。
図２は、本発明の他の実施形態に係る二次電池を切開した部分断面図である。
図２に示すように、本発明の他の実施形態に係る二次電池２００は、電極組立体１１０、缶１２０、及びキャップ組立体１３０を含んで形成される。また、本発明の他の実施形態に係る二次電池２００は、上部絶縁板２４１、及び上記上部絶縁板２４１と上記キャップ組立体１３０との間に形成された不燃性弾性部材２４２をさらに含んで形成される。上記実施形態の説明において、電極組立体１１０、缶１２０、及びキャップ組立体１３０について説明したので、重複説明は省略する。また、本実施形態において、上部絶縁板２４１及び不燃性弾性部材２４２について重点的に説明する。
上部絶縁板２４１は、電極組立体１１０の上部面に安着されて電極組立体１１０の上部面を絶縁する。上記上部絶縁板２４１は、円型の板状に形成され、中央にホール２４１ａが形成される。また、上部絶縁板２４１は、中央に形成されたホール２４１ａの周辺から下部に突出した突出部２４１ｂが形成される。この場合、突出部２４１ｂは、電極組立体１１０の中央ホール１１０ａに挿入されて電極組立体１１０と結合されることで、電極組立体１１０との結合性が向上される。
上記不燃性弾性部材２４２は、上部絶縁板２４１の上部に安着される。また、上記不燃性弾性部材２４２の中央には、ホール２４２ａが形成され、上記ホール２４２ａは、陽極タブ１１４が折られた状態で収容できる空間を提供する。また、不燃性弾性部材２４２の上部外郭には、キャップボディ１３５と相接する上部突出部２４２ｂが形成される。上記上部突出部２４２ｂは、キャップボディ１３５と相接し、キャップボディ１３５の第２折曲部１３５ｃによって押される。よって、不燃性弾性部材２４２の下部に配置された上部絶縁板２４１は、電極組立体１１０の上部面を押すようになる。これにより、電極組立体１１０は、下部方向に力を受けることで流動が防止される。また、不燃性弾性部材２４２は、電極組立体１１０が受ける衝撃を吸収して電極組立体１１０の流動をさらに防止することができる。
図３ａは、本発明のさらに他の実施形態に係る二次電池の分解斜視図である。図３ｂは、図３ａに示された二次電池が結合された状態の斜視図である。図３ｃは、図３ｂに示された二次電池をＩＩＩ−ＩＩＩ線で切開した状態の部分断面図である。図３ｄは、図３ｃに示された二次電池の電流遮断素子が作動した状態を示す部分断面図である。
図３ａ〜図３ｄに示すように、本発明のさらに他の実施形態に係る二次電池３００は、電極組立体１１０、缶１２０、及びキャップ組立体３３０を含んで形成され、キャップ組立体３３０は、キャップアップ１３１、安全素子１３２、安全ベント３３３、絶縁ガスケット１３４、キャップボディ１３５、及び電流遮断素子３３６を備えて形成される。本実施形態では、安全素子１３２を円型ＰＴＣ素子として示し、電流遮断素子３３６及び安全ベント３３３について重点的に説明する。
上記電流遮断素子３３６は、円型リング状の枠基板３３６ａ、及び上記枠基板３３６ａを横切るクロス基板３３６ｂを含んで形成される。また、電流遮断素子３３６には、回路パターン３３６ｃ、３３６ｄが形成される。回路パターン３３６ｃ、３３６ｄは、枠基板３３６ａの上部に形成された上部回路パターン３３６ｃ、及び枠基板３３６ａの下部に形成された下部回路パターン３３６ｄにより形成される。上部回路パターン３３６ａと下部回路パターン３３６ｄは、クロス基板３３６ｂの中央に形成されるビアホール３３６ａ１または中央の側部で電気的に連結される。
上記安全ベント３３３は、突出溝３３３ａが下部に形成され、電流遮断素子３３６の下部面に密着して結合される。ここで、図３ｄを参照すれば、安全ベント３３３は、缶１２０の内部圧力が臨界値以上に上昇すると、突出溝３３３ａの円周部が上昇してクロス基板３３６ｂの中央を破断させる。これにより、安全ベント３３３と安全素子１３２は電気的に切断されるので、電流の流れが遮断される。この場合、安全ベント３３３の中央は、破断されて缶１２０の内部で発生したガスを排出させる。図３ｄは、安全ベント３３３の中央が破断する前の状態を示している。
上記二次電池３００では、缶１２０の内部で発生したガスが安全ベント３３３の開封によって外部に排出され、二次電池３００の爆発が防止される。また、上記二次電池３００は、電流遮断素子３３６が安全ベント３３３の変形によって破断されることで、キャップアップ１３１が陽極タブ１１４と電気的に切断される。
図４ａは、本発明の一実施形態に係る二次電池の製造方法に関する手順図である。図４ｂ〜図４ｆは、図４ａに示された製造工程による二次電池製造方法の工程図である。
図４ａに示すように、本発明の一実施形態に係る二次電池製造方法は、クランプ段階Ｓ１、結合段階Ｓ２、及び溶接段階Ｓ３を含んで形成される。本実施形態では、前述したキャップアップ１３１、安全素子１３２、絶縁ガスケット１３４、及びキャップボディ１３５を含むキャップ組立体１３０と、サブ組立体１５０とを一例に示して説明する。
図４ｂに示すように、クランプ段階Ｓ１では、キャップアップ１３１、安全素子１３２、及び安全ベント１３３を順次に絶縁ガスケット１３４の第１絶縁部１３４ａに相接するように挿入する。この場合、絶縁ガスケット１３４の外郭部では、キャップボディ１３５の第１折曲部１３５ａが絶縁ガスケット１３４の第１絶縁部１３４ａを包み込む形態になる。ここで、サブ組立体１５０のサブプレート１５３は、超音波溶接等の工程によって安全ベント１３３の中央溝１３３ｂと電気的に接続される。また、図４ｃに示すように、キャップボディ１３５は、第２折曲部１３５ｃを形成する。この場合、第２折曲部１３５ｃは、キャップアップ１３１の上部と安全ベント１３３の下部と密着して結合される。以後の工程において、図４ｄに示すように、キャップボディ１３３は、外枠部１３５ｂが形成され、外郭枠部１３５ｂに段差を形成するためにプレス工程が行われる。この場合、段差１３５ｄは、第１段差１３５ｄ１と第２段差１３５ｄ２及び第３段差１３５ｄ３により形成される。ここで、第１段差１３５ｄ１は、缶１２０の開口部と相接するための結合面を形成し、第２段差１３５ｄ２及び第３段差１３５ｄ３は、プレス工程による第１段差１３５ｄ１の過度な塑性変形を防止するために形成される。
図４ｅに示すように、結合段階Ｓ２では、クランプ段階Ｓ１で形成されたキャップ組立体１３０のサブプレート１５３と缶１２０に収容された電極組立体１１０の陽極タブ１１４が溶接等で接合される。この場合、缶１２０に収容された電極組立体１１０は、陰極タブ１１５(図示せず)が缶１２０の内側に電気的に連結された状態である。また、缶１２０の内側と電極組立体１１０は、電解液を注液した状態とすることができる。その後、キャップ組立体１３０を缶１２０の開口部と結合する工程が行われる。この場合、缶１２０は、キャップボディ１３５に形成された第１段差１３５ｄ１と缶１２０の開口部のうち上部面１２１ａが密着されて結合される。そして、図１ｅに示すように、キャップ組立体１３０が缶１２０の開口部と結合される。
図４ｆに示すように、溶接段階Ｓ３では、缶１２０の開口部とキャップ組立体１３０が相接する部位にレーザ溶接装置４５０でレーザを照射して溶接が行われる。ここで、キャップ組立体１３０と缶１２０は、ジグ４６０により回転されている状態で相接する部位が溶接される。よって、二次電池は、溶接性が向上され、溶接時間が短縮される。
上記段階Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を経て製造された本発明の実施形態に係る二次電池は、製造工程が従来の工程より簡略化されて収率が向上するだけでなく、安全性の面でも従来の工程より非常に優れている。また、上記段階Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を経て製造された二次電池は、製造単価が従来の二次電池より抑えられ、市場で競争力を確保することができる。
一方、クランプ段階Ｓ１では、キャップアップ１３１、安全素子１３２、及び安全ベント１３３を絶縁ガスケット１３４の第１絶縁部１３４ａと順次に結合する時、絶縁ガスケット１３４の内側に形成されたストッパ１３４ｄに安全ベント１３３の下部面を掛けるように結合することができる。図４ｂに示されたストッパ１３４ｄは、キャップアップ１３１、安全素子１３２、及び安全ベント１３３を絶縁ガスケット１３４の第１絶縁部１３４ａに密着させた状態で、ストッパ１３４ｄに安全ベント１３３の下面を掛けている状態である。よって、キャップアップ１３１、安全素子１３２及び安全ベント１３３は、ストッパ１３４ｄによって１次的に固定される。この後、図４ｃに示すように、キャップボディ１３５に第２折曲部１３５ｃを形成するクランプ工程が行われ、キャップアップ１３１、安全素子１３２、及び安全ベント１３３がストッパ１３４ｄによって固定される。よって、ストッパ１３４ｄは、キャップボディ１３５をクランプするときの組立誤差を低減し、二次電池の収率及び信頼性を向上させる役割を果たす。
本発明の実施形態に係る二次電池及びその製造方法によれば、一体型に形成されたキャップ組立体１３０、３３０と缶１２０を結合することで、組立性を向上させることができる。
また、本発明の実施形態に係る二次電池及びその製造方法によれば、ビーディング工程が省略されるので、ビーディング工程により金属異物が缶１２０の内部に流入することを防止することができる。
また、本発明の実施形態に係る二次電池及びその製造方法によれば、缶１２０の密閉圧が従来の２０〜３０ｋｇｆ/ｃｍ２から３０ｋｇｆ/ｃｍ２以上の高圧に変更されるので、缶１２０の内部圧力により設計が制約されないようにすることができる。
また、本発明の実施形態に係る二次電池及びその製造方法によれば、缶１２０の内部に形成される空き空間が従来よりも低減されるので、過度な圧力による内部ガスが外部に排出され易い構造に形成され、過充電設計に対して有効となる。
また、本発明の実施形態に係る二次電池及びその製造方法によれば、ビーディング工程が省略されるので、従来の二次電池よりも内部空間の確保が容易となり、電池容量を更に増加させることができる。
また、本発明の実施形態に係る二次電池及びその製造方法によれば、缶１２０の開口部のうち切断面に形成される腐食防止用の金メッキを省略することができる。
また、本発明の実施形態に係る二次電池によれば、キャップアップ１３１、キャップボディ１３５、絶縁ガスケット１３４、及び安全ベント１３３等が一体型に形成されたキャップ組立体１３０，３３０が単一の部品として統合管理されることで、資材コードの簡素化、輸入検査の簡素化、及び工程管理要素を大幅に減少させることができる。
また、本発明の実施形態に係る二次電池によれば、上部絶縁板２４１を外部に抜き出した状態で電解液を注液することで、電極組立体１１０の注液性及び含湿性を向上させることができる。これにより、電池の均一性が向上されて開放電圧(ＯＣＶ)の電圧偏差を減少させることができ、サイクル特性の向上により電池の寿命を増加させることができる。
また、本発明の実施形態に係る二次電池によれば、キャップ組立体１３０，３３０と電極組立体１１０との間を絶縁する流動防止用絶縁板１４０がキャップ組立体１３０，３３０と電極組立体１１０との間に挟みこまれて組立てられるので、電極組立体１１０の流動を防止することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
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１ａに示された二次電池のキャップ組立体のみが組立てられた状態を示す分解斜視図である。 １ｂに示されたキャップ組立体をＩ-Ｉ線で切開した状態を示す斜視図である。 図１ｂに示された二次電池が結合された状態を示す斜視図である。 図１ｄに示された二次電池をＩ-Ｉ線で切開した状態を示す断面図である。 図１ｅに示された安全ベントが変形された状態を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る二次電池を切開した状態を示す部分断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る二次電池の分解斜視図である。 図３ａに示された二次電池が結合された状態を示す斜視図である。 図３ｂに示された二次電池をＩＩＩ-ＩＩＩ線で切開した状態を示す部分断面図である。 図３ｃに示された二次電池の電流遮断素子が作動した状態を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池製造方法を示す手順図である。 図４ａに示された製造工程による二次電池製造方法の工程図である。 図４ａに示された製造工程による二次電池製造方法の工程図である。 図４ａに示された製造工程による二次電池製造方法の工程図である。 図４ａに示された製造工程による二次電池製造方法の工程図である。 図４ａに示された製造工程による二次電池製造方法の工程図である。

Claims (25)

  1. 電極組立体と、
    一端部に開口部が形成されて前記電極組立体を収容する缶と、
    キャップアップ、前記キャップアップの下部に配置される安全素子、前記安全素子の下部に配置される安全ベント、前記キャップアップ、前記安全素子及び前記安全ベントの外郭部を包み込む絶縁ガスケット、及び前記絶縁ガスケットの外郭部をクランプするキャップボディを含んで形成されるキャップ組立体と、
    を含み、
    前記キャップボディは、前記缶の開口部に少なくとも一部が挿入されて前記缶に結合されることを特徴とする二次電池。
  2. 前記絶縁ガスケットは、前記キャップアップの上面のうち枠を包み込む第１絶縁部と、前記キャップアップ及び前記安全ベントの側面を包み込む第２絶縁部と、前記安全ベントの下部面のうち枠を包み込む第３絶縁部とを含んで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。
  3. 前記第２絶縁部及び前記第３絶縁部は、前記第２絶縁部と前記第３絶縁部が接触する部位にストッパが突出して形成されることを特徴とする、請求項２に記載の二次電池。
  4. 前記キャップボディは、前記第１絶縁部を包み込む第１折曲部と、前記第３絶縁部を包み込む第２折曲部と、前記第１折曲部と前記第２折曲部を連結して前記第２絶縁部を包み込む外枠部とを含んで形成されることを特徴とする、請求項２に記載の二次電池。
  5. 前記キャップボディは、前記外枠部に段差が形成され、前記キャップボディの段差と前記缶の開口部が相接し、前記キャップボディの段差と前記缶が相接する部位の外郭に溶接部が形成されることを特徴とする、請求項４に記載の二次電池。
  6. 中央に通孔が形成され、前記キャップボディの第２折曲部と相接し、前記電極組立体の上部面と相接する流動防止用絶縁板をさらに含んで形成されることを特徴とする、請求項４に記載の二次電池。
  7. 前記流動防止用絶縁板は、前記キャップボディの第２折曲部と相接する上部突出部と、前記通孔の周辺で下部に突出する下部突出部とを含んで形成されることを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。
  8. 前記流動防止用絶縁板は、中央に前記通孔の直径より大きい安着溝が形成されることを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。
  9. 前記流動防止用絶縁板は、前記通孔の周辺にタブ挿入孔がさらに形成されることを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。
  10. 前記電極組立体の上部面に安着される上部絶縁板と、前記上部絶縁板の上部面に安着されて前記キャップボディと密着する不燃性弾性部材とをさらに含んで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。
  11. 前記安全ベントの下部に配置される絶縁プレート、前記絶縁プレートに密着されるメインプレート、及び前記メインプレートに接続されるサブプレートを含むサブ組立体が形成され、
    前記絶縁プレートは、前記安全ベントと前記メインプレートとを絶縁し、前記サブプレートは、前記安全ベントと接続されて前記電極組立体と電気的に連結されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  12. 電極組立体と、
    一端部に開口部が形成されて前記電極組立体を収容する缶と、
    キャップアップ、前記キャップアップの下部に配置される安全素子、前記安全素子の下部に配置される安全ベント、前記安全ベントと前記安全素子との間に配置される電流遮断素子、前記キャップアップ、前記安全素子、前記安全ベント及び前記電流遮断素子の外郭部を包み込む絶縁ガスケット、及び前記絶縁ガスケットの外郭部をクランプするキャップボディを含んで形成されるキャップ組立体と、
    を含み、
    前記キャップボディは、前記缶の開口部に少なくとも一部が挿入されて前記缶に結合されることを特徴とする二次電池。
  13. 前記電流遮断素子は、枠基板、前記枠基板を横切るクロス基板、前記枠基板の上部に形成されて前記安全素子と電気的に連結される上部回路パターン、及び前記枠基板の下部に形成されて前記安全ベントと電気的に連結される下部回路パターンを含んで形成され、
    前記上部回路パターンと前記下部回路パターンは、前記クロス基板の中央で電気的に連結され、前記安全ベントは、前記クロス基板の中央を破断することを特徴とする、請求項１２に記載の二次電池。
  14. 前記絶縁ガスケットは、前記キャップアップの上面のうち枠を包み込む第１絶縁部と、前記キャップアップ及び前記安全ベントの側面を包み込む第２絶縁部と、前記安全ベントの下部面のうち枠を包み込む第３絶縁部とを含んで形成されることを特徴とする、請求項１２に記載の二次電池。
  15. 前記第２絶縁部及び前記第３絶縁部は、前記第２絶縁部と前記第３絶縁部が接触する部位にストッパが突出して形成されることを特徴とする、請求項１４に記載の二次電池。
  16. 前記キャップボディは、前記第１絶縁部を包み込む第１折曲部と、前記第３絶縁部を包み込む第２折曲部と、前記第１折曲部と前記第２折曲部を連結して前記第２絶縁部を包み込む外枠部とを含んで形成されることを特徴とする、請求項１４に記載の二次電池。
  17. 前記キャップボディは、前記外枠部に段差が形成され、前記キャップボディの段差と前記缶の開口部が相接し、前記キャップボディの段差と前記缶が相接する部位の外郭に溶接部が形成されることを特徴とする、請求項１６に記載の二次電池。
  18. 中央に通孔が形成され、前記キャップボディの第２折曲部と相接し、前記電極組立体の上部面と相接する流動防止用絶縁板をさらに含んで形成されることを特徴とする、請求項１６に記載の二次電池。
  19. 前記流動防止用絶縁板は、前記キャップボディの第２折曲部と相接する上部突出部と、前記通孔の周辺で下部に突出する下部突出部とを含んで形成されることを特徴とする、請求項１８に記載の二次電池。
  20. 前記電極組立体の上部面に安着される上部絶縁板と、前記上部絶縁板の上部面に安着されて前記キャップボディと密着する不燃性弾性部材とをさらに含んで形成されることを特徴とする、請求項１２に記載の二次電池。
  21. キャップアップ、安全素子及び安全ベントを絶縁ガスケットに挿入し、前記絶縁ガスケットの外周面をキャップボディでクランプしてキャップ組立体を形成するクランプ段階と、
    開口部が形成された缶に収容される電極組立体を前記キャップ組立体と電気的に連結させ、前記キャップ組立体を前記缶の開口部と相接するように結合する結合段階と、
    前記缶と前記キャップボディが相接する部位を溶接する溶接段階と、
    を含んで構成されることを特徴とする二次電池製造方法。
  22. 前記クランプ段階において、前記安全素子と前記安全ベントとの間に電流遮断素子をさらに挿入することを特徴とする、請求項２１に記載の二次電池製造方法。
  23. 前記クランプ段階の以前に、前記安全ベントにサブ組立体が付着されることを特徴とする、請求項２１に記載の二次電池製造方法。
  24. 前記クランプ段階において、前記絶縁ガスケットの内側に形成されたストッパに前記キャップアップ及び前記安全ベントを固定させた後、前記キャップボディをクランプすることを特徴とする、請求項２１に記載の二次電池製造方法。
  25. 前記溶接段階において、前記缶と前記キャップ組立体が相接する状態で、前記缶及び前記キャップ組立体を円周方向に回転させ、前記回転する缶及び前記キャップ組立体が相接する部位にレーザ溶接を行うことを特徴とする、請求項２１に記載の二次電池製造方法。
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