JP2009527885A

JP2009527885A - 高出力電池用安全装置

Info

Publication number: JP2009527885A
Application number: JP2008556227A
Authority: JP
Inventors: ションモヤン; ジョンキュンオ; ユリムド; ゼミュンリ
Original assignee: SK Energy Co Ltd
Current assignee: SK Energy Co Ltd
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2009-07-30
Also published as: US20100233536A1; EP1987555A4; CN101385162A; ATE537572T1; EP1987555A1; WO2007097518A1; KR101048225B1; CN101385162B; KR20070087381A; EP1987555B1

Abstract

高出力電池用安全装置、特に高出力電池に適用されるタブにＰＴＣ機能を統合させた高出力電池用安全装置を開示する。この安全装置は、ケース２１２と；前記ケース２１２内に、第１極板２１１ａ、セパレーター２１１ｃ、第２極板２１１ｂの順に配置されてなる電池部２１１と；前記第１極板２１１ａの四辺の中でいずれか一辺に第１極タブウェルディング部２１３ａを介して接続され、前記ケース２１２から突出している第１極タブ２１３と；前記第２極板２１１ｂの四辺の中でいずれか一辺に第２極タブウェルディング部２１４ａを介して接続され、前記ケース２１２から突出している第２極タブ２１４とを含み、前記第１極タブ２１３は、前記第１極タブ２１３と第２極タブ２１４が短絡するとき、一定部位が破裂することにより、前記第１極板２１１ａと第２極板２１１ｂの短絡を防止する。

Description

本発明は高出力電池用安全装置に係り、特に高出力電池に適用されるタブにＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）機能を統合させた高出力電池用安全装置に関するものである。

通常、一次電池とは異なり、充電及び放電の可能な二次電池は、デジタルカメラ、携帯電話、ノート型パソコン、ハイブリッド自動車などの先端分野の開発につれて活発な研究が進んでいる。二次電池としては、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−メタルハイドライド電池、ニッケル−水素電池、リチウム二次電池などを挙げることができる。この中で、リチウム二次電池は、作動電圧が３．６Ｖ以上で、携帯用電子器機の電源として使用されるか、あるいは多数個を直列で連結して高出力のハイブリッド自動車に使用され、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−メタルハイドライド電池に比べ、作動電圧が３倍高く、単位重量当たりエネルギー密度の特性にも優れて、その使用が急速に増加している。

リチウム二次電池は多様な形態に製造可能であるが、代表的な形状としては、リチウムイオン電池に主に使用される円筒形及び角形を挙げることができる。最近になって脚光を浴びるリチウムポリマー電池は、柔軟性を有するパウチ型に製造されるので、多様な形状に形成できる。また、リチウムポリマー電池は安全性にも優れ、重さが軽くて携帯用電子器機の薄型化及び軽量化に有利である。

このようなリチウム二次電池は、高出力を得るために、セル（ｃｅｌｌ）抵抗をできる限り低めることになる。その結果、短絡が発生する場合には、低いセル抵抗によって電流の流量が大幅に増えることになり、電池の温度が上昇して爆発することになる。

このように、短絡状況で爆発を防止するために、重合体ＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）装置を電池に結合させることで、短絡状況で重合体ＰＴＣが作動して、急激な電流上昇の際に爆発を防止することができる。

ここで、重合体ＰＴＣとは、熱膨脹によって導電性を変化させる導電性重合体の正の抵抗温度特性、すなわちＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を利用して通電を断続する素子である。

重合体ＰＴＣの一例を図に基づいて説明する。図１は従来の重合体ＰＴＣの斜視図である。図１において、符号１０１は導電性重合体、１０２、１０３は導電性重合体１０１に接合された電極、１０４、１０５は導電性重合体の間で電極１０２、１０３を被覆する非導電性樹脂膜である。

導電性重合体１０１は、平面から見て、厚さの均一な長方形の板状のもので、例えばポリエチレンとカーボンブラックを混練した後、放射線によって架橋してなった高分子樹脂体である。

導電性重合体１０１の内部は、常温ではカーボンブラックの粒子が連結されて存在するので、電流が流れる多数の導電パスが形成されて良好な導電性を発揮する。

しかし、周辺の環境温度の上昇、または導電パスを流れる電流の超過などによって、導電性重合体１０１が熱膨脹すれば、カーボンブラックの粒子間の距離が大きくなって導電
パスが切断されて、導電性を急激に低下させる（抵抗値を増大させる）。

電極１０２、１０３は板状の導電性重合体１０１の両端にそれぞれ取り付けられている。電極１０２は、導電性重合体１０１の一側面１０１ａに沿って設置された銅製の電極部材１０２ａと、電極部材１０２ａに連結され、導電性重合体１０１の一端部に設置された基部１０２ｂと、導電性重合体１０１と電極部材１０２ａとの間に介在するニッケル箔１０２ｃとからなっている。

電極１０３も電極１０２と同一構造のもので、導電性重合体１０１の他側面１０１ｂに沿って設置された銅製の電極部材１０３ａと、電極部材１０３ａに連結され、導電性重合体１０１の他端部に設置された基部１０３ｂと、導電性重合体１０１と電極部材１０３ａの間に介在するニッケル箔１０３ｃとからなっている。

電極部材１０２ａは導電性重合体１０１と同一幅のもので、先端部は長方形に形成され、相対の電極１０３［後述する電極部材１０３ｄ］の間に平行な間隙が与えられるように形成されている。基部１０２ｂは、導電性ポリマー１０１の一側面に形成された電極部材１０２ａと、導電性ポリマー１０１の他側面１０１ｂに残された銅製の電極部材１０２ｄとを被覆層１０２ｅに半田付けで一体化して形成されている。

電極部材１０３ａは導電性重合体１０１と同一幅を有し、先端部は長方形に形成され、相対の電極１０２［前述した電極部材１０２ｄ］の間に平行な間隙が与えられるように形成されている。

基部１０３ｂは、電極部材１０３ａと、伝導性ポリマー１０１の一側面１０１ａに残された銅製の電極部材１０３ｄを被覆層１０３ｅに半田付けで一体化して形成されている。

樹脂膜１０４は、導電性重合体１０１の側面１０１ａに、基部１０２ｂ及び電極部材１０２１ｄを除いた電極部材１０２ａを被覆するように形成されている。樹脂膜１０５も、導電性重合体１０１の他側面１０１ｂに、基部１０３ｂ及び電極部材１０３ｄを除いた電極部材１０３ａを被覆するように形成されている。

このように構成された重合体ＰＴＣは、導電性重合体１０１のＰＴＣ特性を用いて、周辺の環境温度が所定の温度（導電性重合体が熱膨脹する温度）より低ければ、電流が流れるようにし、環境温度が所定の温度以上になれば、導電性重合体１０１が熱膨脹して通電を停止させるように、導電性重合体１０１が置かれる環境温度をトリガーとするスイッチとして機能することができる。

また、前記重合体ＰＴＣは、電極１０２、１０３の間に過電流が生じたときには、導電性重合体１０１がジュール熱による自体発熱によって熱膨脹して通電を停止し、過電流が解除されれば、通電可能な状態に復帰するように、電極１０２、１０３の間に通電する電流の大きさをトリガーするスイッチとして機能することも可能である。

前記重合体ＰＴＣにおいては、導電性重合体１０１の一側面に電極部材１０２ａが重なって配置されているので、導電性重合体１０１の長手方向の一側面に電極部材１０２ａ及びニッケル箔１０２ｃの側面及び角部が露出している。

同様に、導電性重合体１０１の他側面に電極部材１０３ａが重なって配置されているので、導電性重合体１０１の長手方向の他側面に電極部材１０３ａ及びニッケル箔１０３ｃの側面及び角部が露出している。

一方、前述した重合体ＰＴＣは小容量及び小出力の小型電池用に開発されて適用されている。１００Ａ以上の電流を発生させる高出力のリチウム二次電池に使用するためには、大容量のものが開発されなければならないが、容量が大きくなれば、体積が大きくなるため、実用化しにくいという問題点があった。

したがって、本発明は前記のような問題点を解決するためになされたもので、高出力電池に適用されるタブにＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）機能を統合させることで、追加のＰＴＣ空間または連結作業なしに低費用でコンパクトにＰＴＣ機能を具現するようにして、短絡が発生した場合、爆発を防止するようにした高出力電池用安全装置を提供することをその目的とする。

前記のような本発明によれば、高出力リチウム二次電池のタブにＰＴＣ機能を統合させることで、短絡状況で電池の爆発を防止するようにする効果がある。

また、本発明によれば、高出力リチウム二次電池のタブにＰＴＣ機能を統合させることで、追加のＰＴＣ空間または連結作業なしに、低費用でコンパクトにＰＴＣ機能を具現するようにする効果がある。

前記のような目的を達成するために、本発明は、ケースと、前記ケース内に、第１極板、セパレーター、第２極板の順に配置されてなる電池部と、前記第１極板の四辺の中でいずれか一辺に第１極タブウェルディング部を介して接続され、前記ケースから突出している第１極タブと、前記第２極板の四辺の中でいずれか一辺に第２極タブウェルディング部を介して接続され、前記ケースから突出している第２極タブとを含み、前記第１極タブは、前記第１極タブと第２極タブが短絡するとき、一定部位が破裂することにより、前記第１極板と第２極板の短絡を防止する、短絡安全装置を提供する。

以下、図２ないし図６に基づいて本発明の好ましい一実施例による高出力電池用安全装置について詳細に説明する。

図２は本発明による短絡安全装置が使用されたパウチ型リチウム二次電池の斜視図である。

図２を参照すれば、本発明による短絡安全装置が使用されたパウチ型リチウム二次電池２１０は、電池部２１１と、前記電池部２１１が収容される空間２１２ａを提供するケース２１２とを含んでいる。

前記電池部２１１は、正極板、セパレーター、負極板の順に配置されて一方向に巻き付けられるか、あるいは多数の正極板、セパレーター、負極板が積層された形状である。前記電池部２１１の各極板は、正極タブ及び負極タブ２１３、２１４に、正極及び負極タブウェルディング部２１３ａ、２１４ａを介して電気的に連結されている。

前記正極及び負極タブ２１３、２１４は、ケース２１２の密閉面２１２ｂの外部に突出している。突出した正極タブ２１３の一端部は正極タブウェルディング部２１３ａに付着されている。そして、正極ウェルディング部２１３ａは正極タブ２１３と正極板の接続を
提供するもので、一側は正極タブ２１３に、かつ他側は正極板に接続されている。また、突出した負極タブ２１４の一端部は負極タブウェルディング部２１４ａに付着されている。そして、負極タブウェルディング部２１４ａは負極タブ２１４と負極板の接続を提供するもので、一側は負極タブ２１４に、かつ他側は負極板に接続されている。

前記正極及び負極タブ２１３、２１４、並びに正極及び負極タブウェルディング部２１３ａ、２１４ａの外面には、これらと密閉面２１２ｂが互いに接触する部分で、前記ケース２１２、電極タブ２１３、２１４、及び正極及び負極タブウェルディング部２１３ａ、２１４ｂの間の電気的短絡を防止するために、それぞれの密閉テープ２１５が巻き付けられてている。

また、前記正極タブ２１３は、図５に示すように、正極タブ２１３と負極タブ２１４が導電部２１６などによって短絡する場合、図６に示すように、一定部位２１７が破裂して分離される安全タブとして設計されている。このような安全タブによって、内部電池部２１１は急激な電流上昇によって爆発しないように保護される。そして、このような安全タブに設計された正極タブ２１３と負極タブ２１４は短絡安全装置をなす。

一方、前記ケース２１２は、厚肉の金素材で成形された円筒形または角形になったカン構造とは異なり、中問層が金属ホイルであり、金属ホイルの両面に付着される内外皮層が絶縁性フィルムでなったパウチ型ケースである。パウチ型ケースは成形性に優れて、曲げ変形自在である。前記ケース２１２には、前述したように、電池部２１１を収容することができる空間部２１２ａが形成され、前記空間部２１２ａの縁部に沿って熱融着面に密閉面２１２ｂが形成されている。

図３は図２のＩ−Ｉ線についての拡大断面図である。

同図を参照すれば、前記ケース２１２は、金属ホイル、つまりアルミニウムホイルでなった中問層２１２ｃと、前記中問層２１２ｃの内面及び外面に付着されて前記中問層２１２ｃを保護する絶縁性フィルムでなった内皮層２１２ｄ及び外被層２１２ｅとからなる複合フィルムである。

前記ケース２１２内に形成された空間２１２ａには、正極板２１１ａ、セパレーター２１１ｃ、負極板２１１ｂの順に配置された電池部２１１が収容されており、前記正極及び負極板２１１ａ、２１１ｂからは、図２のように、正極タブ２１３と負極タブ２１４が引き出されている。

図面において、突出した正極タブ２１３の一端部は正極タブウェルディング部２１３ａに付着されている。そして、正極タブウェルディング部２１３ａは正極タブ２１３と正極板２１１ａの接続を提供するもので、一側は正極タブ２１３に、かつ他側は正極板２１１ａに接続されている。

前記正極タブ２１３及び正極タブウェルディング部２１３ａの外面には、これらと密閉面２１２ｂが接触する部分で、前記ケース２１２、電極タブ２１３、及び正極タブウェルディング部２１３ａの間の電気的短絡を防止するために、それぞれの密閉テープ２１５が巻き付けられてている。

前記のような構造を有するパウチ型リチウム二次電池２１０は、正極及び負極タブ２１３、２１４を正極及び負極タブウェルディング部２１３ａ、２１４ａを介して正極板２１１ａと負極板２１１ｂに電気的に連結した後、正極板２１１ａ、２１１ｃ、２１１ｂの順に配置した状態で、一方向に巻き付けることで、電池部２１１を完成することになる。

図４はこのようなパウチ型リチウム二次電池の正極タブ２１３と正極タブウェルディング部２１３ａの斜視図である。平面上で見て、正極タブ２１３と正極タブウェルディング部２１３ａは厚さの均一な長方形の板状のもので、アルミニウム及びアルミニウム合金などの材料が使用可能である。

このような正極タブ２１３は、厚さが０．１ｍｍ〜０．４ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍであり、ケース２１２に平行な辺の長さ（幅）は２０ｍｍ〜２００ｍｍ、ケースに垂直した辺の長さは１８ｍｍ〜５０ｍｍである。

また、正極タブ２１３は断面積が２〜８０ｍｍ^２が好ましく、抵抗は２．３６×１０^−４Ω〜１．６４×１０^−５Ωである。

そして、正極ウェルディング部２１３ａの面積は４０〜８００ｍｍ^２が好ましい。

そして、本発明の実施例では、正極タブ２１３を安全タブにする装置について開示しているが、負極タブを安全タブにすることもできる。

以上、本発明を特定の実施例に基づいて図示及び説明したが、当業者であれば、以下の特許請求範囲によって決められる本発明の精神及び範囲を逸脱せずに、本発明の多様な変形、追加及び置換が可能であろう。

従来技術による重合体ＰＴＣの一例示図である。本発明の一実施例による短絡安全装置が適用されたリチウム二次電池の構造図である。図２のＩ−Ｉ線についての断面図である。図２の正極タブの斜視図である。本発明の一実施例による短絡安全装置が適用されたリチウム二次電池の短絡状態を示す例示図である。本発明の一実施例による短絡安全装置が適用されたリチウム二次電池の短絡による安全タブの破裂を示す例示図である。

符号の説明

２１０：リチウム二次電池
２１１：電池部
２１２：ケース
２１３：正極タブ
２１３ａ：正極タブウェルディング部
２１４：負極タブ
２１４ａ：負極タブウェルディング部
２１６：導電板
２１７：破裂部位

Claims

ケースと；前記ケース内に、第１極板、セパレーター、第２極板の順に配置されてなる電池部と；前記第１極板の四辺の中でいずれか一辺に第１極タブウェルディング部を介して接続され、前記ケースから突出している第１極タブと；前記第２極板の四辺の中でいずれか一辺に第２極タブウェルディング部を介して接続され、前記ケースから突出している第２極タブとを含み、前記第１極タブは、前記第１極タブと第２極タブが短絡するとき、一定部位が破裂することにより、前記第１極板と第２極板の短絡を防止することを特徴とする、短絡安全装置。
前記第１極タブは、抵抗が２．３６×１０^−４Ω〜１．６４×１０^−５Ωであることを特徴とする、請求項１に記載の短絡安全装置。
前記第１極タブは正極タブであることを特徴とする、請求項１または２に記載の短絡安全装置。
前記第１極タブは負極タブであることを特徴とする、請求項１または２に記載の短絡安全装置。
前記第１極タブの材質はアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする、請求項１または２に記載の短絡安全装置。
前記第１極タブは板状を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の短絡安全装置。
前記第１極タブは、厚さが０．１ｍｍ〜０．４ｍｍであることを特徴とする、請求項６に記載の短絡安全装置。
前記第１極タブは、前記ケースに平行な辺の長さ（幅）が２０ｍｍ〜２００ｍｍ、ケースに垂直した辺の長さが１８ｍｍ〜５０ｍｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の短絡安全装置。
前記第１極タブは、断面積が２〜８０ｍｍ^２であることを特徴とする、請求項１または２に記載の短絡安全装置。
前記第１極タブウェルディング部は、面積が４０〜８００ｍｍ^２であることを特徴とする、請求項１または２に記載の短絡安全装置。