JP2010205728A - ２次電池及び２次電池モジュール - Google Patents

２次電池及び２次電池モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】過充電から安全性を確保する２次電池及び２次電池モジュールを提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態による２次電池は、電極群を内蔵するケースと、前記ケースの開口に結合して密閉するキャッププレートと、前記キャッププレートの外面と内面にそれぞれ提供される外側インシュレータ及び内側インシュレータと、前記外側インシュレータ、前記キャッププレート、及び前記内側インシュレータを貫いて前記電極群に一対で接続し、一対のいずれか一つが前記ケースに電気的に接続し、他の一つが前記ケースに電気的に絶縁する電極端子と、前記ケースの外面に形成される絶縁層と、前記ケースのスウェリング時、前記ケースに絶縁した前記電極端子を前記ケースに短絡させる短絡部とを含む。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、２次電池及び２次電池モジュールに関し、より詳しくは、過充電から安全性を確保する２次電池及び２次電池モジュールに関する。
大容量の２次電池（ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ）は、電気自動車またはハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ：Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などのモータ駆動用電源として使用される。大容量の２次電池は、単位セルの２次電池を複数具備し、単位セルを直列に接続して形成される。
大容量の２次電池は円形または角型をしており、角型は円形に比べて優れた放熱性能を有する。そのため、角型は過充電に対する安全性の側面で円形より有利である。したがって、円形の２次電池は過充電の際に電流を遮断するための電流遮断装置（ＣＩＤ：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ）を備えるが、角型の２次電池はＣＩＤを備えない。
しかし、最近の傾向を見る時、ＨＥＶ、ＰＨＥＶ（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）及び電気自動車に適用される２次電池は高容量であることが要求されるので、大きさが増加し得る。この場合、角型は厚さの増加によって単位セルの内外部で放熱差を起こし、これによって充電に対する安全性の確保が困難となる恐れがある。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、過充電から安全性を確保することが可能な、新規かつ改良された２次電池及び２次電池モジュールを提供することにある。
また、本発明の他の目的とするところは、角型において、厚さが増加しても過充電から安全性を確保することが可能な、新規かつ改良された２次電池及び２次電池モジュールを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、電極群を内蔵するケースと、前記ケースの開口に結合して密閉するキャッププレートと、前記キャッププレートの外面と内面にそれぞれ提供される外側インシュレータ及び内側インシュレータと、前記外側インシュレータ、前記キャッププレート、及び前記内側インシュレータを貫いて前記電極群に一対で接続し、一対のいずれか一つが前記ケースに電気的に接続され、他の一つが前記ケースに電気的に絶縁する電極端子と、前記ケースの外面に形成される絶縁層と、前記ケースのスウェリング時、前記ケースに絶縁した前記電極端子を前記ケースに短絡させる短絡部とを含む、２次電池が提供される。
前記ケースは角型六面体に形成され、前記短絡部は前記ケースのいずれか一面に形成することができる。
前記ケースは、互いに対向して大面積を形成する一対の第１面と第２面、前記第１面と前記第２面と間の両側で互いに対向し、前記第１面及び前記第２面の大面積より小さい小面積を形成する一対の第３面と第４面、及び前記第３面及び前記第４面と同一の厚さを有して前記開口の反対側を形成する第５面を含むことができる。
前記短絡部は、前記第３面及び前記第４面のいずれか一面に形成することができる。前記絶縁層は、前記短絡部が形成される前記第３面及び前記第４面のいずれか一面を除いた他面に形成することができる。
前記第１面と前記第２面のいずれか一面は、熱伝達媒体の流動通路を形成するように第１方向に伸張し、前記第１方向と交差する第２方向に沿って離隔する複数の隔壁を含むことができる。前記絶縁層は前記隔壁の外面にさらに形成することができる。
前記短絡部は、前記ケースに電気的に離隔する電極端子側の前記ケースの一面に、前記ケースの厚さより薄く形成されるスウェリング誘導部、及び前記スウェリング誘導部の外面に対向して前記ケースに電気的に離隔した前記電極端子に接続する短絡部材を含むことができる。
前記スウェリング誘導部は、前記ケースの内面に凹むように形成され、前記短絡部材は、前記ケースに電気的に離隔した前記電極端子に装着される装着部、及び前記装着部で垂直に折り曲げられて前記スウェリング誘導部に対向する短絡端を含むことができる。
前記短絡部は、前記ケースに接続して前記短絡端を支持するブラケット、及び前記ブラケットを貫く前記短絡端と前記ブラケットとの間に介在する絶縁部材をさらに含むことができる。
前記一対の電極端子は、前記ケースに接続する正電極端子、及び前記ケースと電気的に絶縁する負極端子を含むことができる。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、隣接して配置される２つ以上の単位セル、及び前記単位セルを直列に接続する一つ以上のバスバーを含む。前記単位セルは、電極群を内蔵するケースと、前記ケースの開口に結合して密閉するキャッププレートと、前記キャッププレートの外面と内面にそれぞれ提供される外側インシュレータと内側インシュレータと、前記外側インシュレータ、前記キャッププレート、及び前記内側インシュレータを貫いて前記電極群に接続し、前記バスバーによって直列に接続し、各々前記ケースに電気的に接続し、前記ケースに電気的に絶縁する正電極端子及び負電極端子と、前記ケースの一面で熱伝達媒体を通過させる隔壁の外面及び前記ケースの外面に形成される絶縁層と、前記ケースのスウェリング時、前記負電極端子を前記ケースに短絡させる短絡部とを含む、２次電池モジュールが提供される。
前記短絡部は、前記負電極端子側の前記ケースの一面に前記ケースの厚さより薄く形成されるスウェリング誘導部、及び前記スウェリング誘導部の外面に対向して前記負電極端子に接続する短絡部材を含むことができる。
前記スウェリング誘導部は、前記ケースの内面に凹むように形成され、前記短絡部材は、前記負電極端子に装着される装着部、及び前記装着部で垂直に折り曲げられて前記スウェリング誘導部に対向する短絡端を含むことができる。
前記短絡部は、前記ケースに接続して前記短絡端を支持するブラケット、及び前記ブラケットを貫く前記短絡端と前記ブラケットとの間に介在する絶縁部材をさらに含むことができる。
以上説明したように本発明によれば、ケースの外面に絶縁層を形成し、一つの電極端子をケースに電気的に接続して、ケースのスウェリング時、他の電極端子とケースとの間に備えられる短絡部を短絡させるので、過充電時、安全性を確保する効果がある。つまり、電流を遮断することなく充電を持続しながらも、短絡により充電される電流を放電するので、電圧及び温度の増加を止める効果がある。
本発明の一実施形態による２次電池モジュールの斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って単位セルを切断して示した本発明の一実施形態による短絡部の作動前の２次電池の断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って単位セルを切断して示した本発明の一実施形態による短絡部の作動後の２次電池の断面図である。 図１の平面図である。 図１の短絡部の作動前の状態を示した断面図である。 図１の短絡部の作動後の状態を示した断面図である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は種々の相異な形態に実現でき、ここで説明する実施形態に限られない。図面において、本発明を明確に説明するために、説明上不必要な部分は省略し、明細書の全体にわたって同一または類似する構成要素については同一の参照符号を付けた。
図１は、本発明の一実施形態による２次電池モジュールの斜視図である。図１を参照すると、一実施形態による２次電池モジュールＭは、隣接して順次に配置される２つ以上の単位セル１０と、単位セル１０を直列に接続する一つ以上のバスバー２０とを含む。
バスバー２０が、単位セル１０の正電極端子１１と、隣接する他の単位セル１０の負電極端子１２とを互いに直列に接続するので、高出力用の２次電池モジュールＭが形成できる。２次電池モジュールＭの出力は、直列に接続する単位セル１０の個数により決定される。
図２Ａは、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って単位セルを切断して示した本発明の一実施形態による短絡部の作動前の２次電池の断面図であり、図２Ｂは、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って単位セルを切断して示した本発明の一実施形態による短絡部の作動後の２次電池の断面図である。図３は、図１の平面図である。図２Ａ、図２Ｂ及び図３を参照すると、単位セル１０は、正電極端子１１と負電極端子１２とを有する２次電池を形成する。
単位セル１０は、正電極端子１１と負電極端子１２に接続する電極群１３と、電極群１３を内蔵し、正電極端子１１に連結部材１９（図２Ａに図示）を通じて電気的に接続（図示せず）するケース１４と、ケース１４の一側に形成される開口を覆うキャッププレート１５と、キャッププレート１５の外面に設置される外側インシュレータ１６と、キャッププレート１５の内面に設置される内側インシュレータ１７とを含む。
単位セル１０は、ケース１４の外面に形成される絶縁層１８と、過充電によりケース１４が膨張するスウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）時、負電極端子１２をケース１４に短絡させる短絡部４０とをさらに含む。絶縁層１８は、絶縁材を付着した絶縁シートまたは絶縁材をコーティングした絶縁コーティング層で形成することができる。
電極群１３は、正極３１と負極３２を絶縁体のセパレータ３３の両面にそれぞれ配置し、正極３１、負極３２、及びセパレータ３３を共に巻取りすることによってゼリーロール形態をしている。
正極３１及び負極３２は、薄板の金属箔で形成された集電体に、活物質がコーティングされた領域のコーティング部と、活物質がコーティングされない領域の無地部３１ａ、３２ａとを含む。
無地部３１ａ、３２ａは、正極３１及び負極３２の長さ方向の一側端に形成され、互いに反対側にそれぞれ形成される。無地部３１ａ、３２ａは、集電部材３４を通じて正電極端子１１と負電極端子１２にそれぞれ接続する。
ケース１４は、単位セル１０の全体的な外形を形成し、アルミニウム、アルミニウム合金、またはニッケルメッキのスチールのような導電性金属で形成される。ケース１４は、電極群１３を内蔵する空間を形成し、一例を挙げれば、六面体の角型とすることができる。
例えば、ケース１４は、互いに対向して大面積を形成する一対の第１面１４１と第２面１４２、第１面１４１と第２面１４２間の両側で互いに対向し、第１面１４１及び第２面１４２の大面積より小さい小面積を形成する一対の第３面１４３と第４面１４４、及び第３面１４３及び第４面１４４と同一の厚さを有し、開口の反対側を形成する第５面１４５を含む。
キャッププレート１５は、薄い板材で形成し、ケース１４の一側に形成される開口に結合して開口を密閉し、密閉された内部に電解液を注入する電解液注入口（図示せず）を有する。
電解液注入口は、電解液注入後、密封キャップ１５１により密封される。キャッププレート１５は、単位セル１０の爆発を防止するために、設定された内部圧力により切開されるベント部１５２を有することができる。
キャッププレート１５は、正電極端子１１と負電極端子１２とが締結される一対の端子孔１５３を備える。正電極端子１１及び負電極端子１２はキャッププレート１５の端子孔１５３に締結されることにより、ケース１４の内部で集電部材３４に接続し、また、集電部材３４を通じて電極群１３に接続する。
外側インシュレータ１６は、キャッププレート１５の外側で端子孔を１５３に部分的に挿入されて、負電極端子１２をキャッププレート１５から電気的に絶縁させる。つまり、外側インシュレータ１６は、負電極端子１２をキャッププレート１５の外面から絶縁させると同時に、負電極端子１２をキャッププレート１５の端子孔１５３の内面から絶縁させる。本実施形態のように、外側インシュレータ１６は、キャッププレート１５の外面に対応する部分と、端子孔１５３の内面に対応する部分とを一体に形成することができるが、また、互いに分離して形成することも可能である（図示せず）。
バスバー２０は、隣接する単位セル１０の正電極端子１１と負電極端子１２に対応して形成される一対の端子孔を２１を備える。バスバー２０は、端子孔２１に正電極端子１１と負電極端子１２をそれぞれ通過させることによって外側インシュレータ１６上に設けられる。そして、正電極端子１１と負電極端子１２にナット１１１、１２１を締結することにより、バスバー２０は一対の単位セル１０で正電極端子１１と負電極端子１２とを直列に接続する。この時、外側インシュレータ１６はキャッププレート１５とバスバー２０との間でバスバー２０を支持する。
内側インシュレータ１７は、キャッププレート１５の内側で端子孔を１５３に対応して提供されるので、キャッププレート１５の内面で集電部材３４をキャッププレート１５から電気的に絶縁させる。この時、一対の集電部材３４のそれぞれは、電極群１３の正極３１と負極３２を正電極端子１１と負電極端子１２に接続する。
一方、本実施形態の単位セル１０では、正電極端子１１が連結部材１９を通じてケース１４に電気的に接続するが、単位セル１０の正常的な作動のために、負電極端子１２とケース１４は電気的に互いに絶縁される。前記連結部材１９は銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）のような導電性素材からなることができる。
また、単位セル１０では、負電極端子１２がケース１４に電気的に接続し、正電極端子１１とケース１４が電気的に互いに絶縁されることもできる（図示せず）。この場合、過充電時、短絡部４０は正電極端子１１とケース１４とを短絡させる。
単位セル１０が正常作動範囲（図２Ａ及び図４Ａ参照）を逸脱して過充電されると（図２Ｂ及び図４Ｂ参照）、短絡部４０は負電極端子１２をケース１４に短絡させる。したがって、電流の充電が持続する中で、短絡部４０はケース１４と負電極端子１２とを電気的に接続して電流を放電させることにより、単位セル１０の追加的な電圧上昇及び温度上昇が防止される。つまり、過充電に対する単位セル１０の安全性が確保される。
このように、外側インシュレータ１６と内側インシュレータ１７は負電極端子１２とケース１４とを絶縁させ、短絡部４０は負電極端子１２とケース１４とを選択的に短絡させる、互いに相反する作用を行う。
このために、短絡部４０は、ケース１４の一面、つまり、第３面１４３及び第４面１４４のいずれか１面に形成され、絶縁層１８は短絡部４０が形成されない他面に形成される。本実施形態では、短絡部４０は第３面１４３に形成され、絶縁層１８は第１面１４１、第２面１４２、第４面１４４、及び第５面１４５に形成される。絶縁層１８は、短絡部４０に対応する部分を除いて、第３面１４３の残りの部分にさらに形成することもできる（図示せず）。また、本実施形態では、短絡部４０は、第３面１４３に形成されたが、ケース１４のいずれか１面に形成することもできる（図示せず）。
また、第１面１４１及び第２面１４２のいずれか一面、図３における第１面１４１は、熱伝達媒体の流動通路Ｐを形成するように複数の隔壁１４６を備える。隔壁１４６は、第１方向（図３のｚ軸方向）に伸張し、ｚ軸方向と交差する第２方向（ｘ軸方向）に沿って予め設定された間隔で離隔する。
つまり、流動通路Ｐは、隣接する２つの単位セル１０の間で、一側単位セル１０の第１面１４１に形成される隔壁１４６の間と、他側単位セル１０の第２面１４２の間の空間に設定される。
また、第１面１４１に形成される絶縁層１８は、第１面１４１に形成される隔壁１４６の外面にも形成される。隔壁１４６に形成される絶縁層１８は、隣接する単位セル１０で正電極端子１１に電気的に接続するケース１４が直列に接続することを防止する。
短絡部４０は全体的に第３面１４３に形成され、スウェリング誘導部４１と短絡部材４２を含む。スウェリング誘導部４１はケース１４側に形成され、短絡部材４２は負電極端子１２に接続するスウェリング誘導部４１に対向して形成される。
図４Ａ及び図４Ｂは、図１の短絡部の作動前後の状態を示した断面図である。図４Ａを参照すると、スウェリング誘導部４１は、ケース１４の第３面１４３で第３面１４３の第１厚さＴ１より薄い第２厚さＴ２に形成される（図４Ａ参照）。したがって、ケース１４の内圧上昇時、第１面〜第５面１４１、１４２、１４３、１４４、１４５は膨張せず、第３面１４３のスウェリング誘導部４１がまず膨張し得る（図４Ｂ参照）。一例を挙げれば、スウェリング誘導部４１は、第３面１４３の内面で凹むように形成され、内圧を集中的に受けるように形成される。
短絡部材４２は、一側で負電極端子１２に電気的に接続し、他側でスウェリング誘導部４１の外面と対向して配置される。つまり、短絡部材４２は、負電極端子１２に装着される装着部４２１、及び装着部４２１で垂直に折り曲げられてスウェリング誘導部４１と対向する短絡端４２２を含む。したがって、スウェリング誘導部４１が膨張する時、第３面１４３、つまり、スウェリング誘導部４１と短絡部材４２とが電気的に短絡することができる。つまり、スウェリング誘導部４１と短絡端４２２とが短絡するので、負電極端子１２、装着部４２１、短絡端４２２、及びスウェリング誘導部４１が電気的に接続される。スウェリング誘導部４１が、ケース１４の第３面１４３で正電極端子１１に電気的に接続するので、正電極端子１１と負電極端子１２は短絡状態となる。したがって、単位セル１０で充電が持続されるが、充電される電流は短絡部材４２を通じて放電するので、過充電に対する安全性が確保される。
また、短絡部４０はブラケット４３と絶縁部材４４をさらに含むことができる。ブラケット４３は第３面１４３に接続して、短絡端４２２を安定的に支持し、短絡端４２２がスウェリング誘導部４１に不必要に短絡することを防止する。絶縁部材４４は、ブラケット４３を貫く短絡端４２２とブラケット４３との間に介在して、両者を電気的に絶縁状態に維持させる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の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、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１０ 単位セル
１１ 正電極端子
１２ 負電極端子
１３ 電極群
１４ ケース
１５ キャッププレート
１６ 外側インシュレータ
１７ 内側インシュレータ
１８ 絶縁層
１９ 連結部材
２０ バスバー
３１ 正極
３２ 負極
３１ａ，３２ａ 無地部
３３ セパレータ
４０ 短絡部
４１ スウェリング誘導部
４２ 短絡部材
４３ ブラケット
４４ 絶縁部材
１４１ 第１面
１４２ 第２面
１４３ 第３面
１４４ 第４面
１４５ 第５面
１４６ 隔壁
１５１ 密封キャップ
１５２ ベント部
１５３ 端子孔
４２１ 装着部
４２２ 短絡端
Ｍ ２次電池モジュール
Ｐ 流動通路
Ｔ１ 第１厚さ
Ｔ２ 第２厚さ

Claims (15)

  1. 電極群を内蔵するケース；
    前記ケースの開口に結合して密閉するキャッププレート；
    前記キャッププレートの外面と内面にそれぞれ提供される外側インシュレータと内側インシュレータ；
    前記外側インシュレータ、前記キャッププレート、及び前記内側インシュレータを貫いて前記電極群に一対で接続し、一対のいずれか一つが前記ケースに電気的に接続し、他の一つが前記ケースに電気的に絶縁する電極端子；
    前記ケースの外面に形成される絶縁層；及び
    前記ケースのスウェリング時、前記ケースに絶縁した前記電極端子を前記ケースに短絡させる短絡部；
    を含む２次電池。
  2. 前記ケースは角型六面体に形成され、
    前記短絡部は前記ケースのいずれか一面に形成される、請求項１に記載の２次電池。
  3. 前記ケースは、
    互いに対向して大面積を形成する一対の第１面と第２面、
    前記第１面と前記第２面との間の両側で互いに対向し、前記第１面及び前記第２面の大面積より小さい小面積を形成する一対の第３面と第４面、及び
    前記第３面及び前記第４面と同一の厚さを有し、前記開口の反対側を形成する第５面を含む、請求項１に記載の２次電池。
  4. 前記短絡部は、前記第３面及び前記第４面のいずれか一面に形成される、請求項３に記載の２次電池。
  5. 前記絶縁層は、
    前記短絡部が形成される前記第３面及び前記第４面のいずれか一面を除いた他の面に形成される、請求項４に記載の２次電池。
  6. 前記第１面と前記第２面のいずれか一面は、
    熱伝達媒体の流動通路を形成するように第１方向に伸張し、前記第１方向と交差する第２方向に沿って離隔する隔壁を含む、請求項３〜５のいずれか１項に記載の２次電池。
  7. 前記絶縁層は前記隔壁の外面にさらに形成される、請求項６に記載の２次電池。
  8. 前記短絡部は、
    前記ケースに電気的に離隔する電極端子側の前記ケースの一面に、前記ケースの厚さより薄く形成されるスウェリング誘導部、及び
    前記スウェリング誘導部の外面に対向して、前記ケースに電気的に離隔した前記電極端子に接続する短絡部材を含む、請求項１に記載の２次電池。
  9. 前記スウェリング誘導部は、
    前記ケースの内面に凹むように形成され、
    前記短絡部材は、
    前記ケースに電気的に離隔した前記電極端子に装着される装着部、及び
    前記装着部で垂直に折り曲げられて前記スウェリング誘導部に対向する短絡端を含む、請求項８に記載の２次電池。
  10. 前記短絡部は、
    前記ケースに接続して前記短絡端を支持するブラケット、及び
    前記ブラケットを貫く前記短絡端と前記ブラケットとの間に介在する絶縁部材をさらに含む、請求項９に記載の２次電池。
  11. 前記一対の電極端子は、
    前記ケースに接続する正電極端子と、
    前記ケースと電気的に絶縁する負極端子を含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の２次電池。
  12. 隣接して配置される２つ以上の単位セル；及び
    前記単位セルを直列に接続する一つ以上のバスバー；を含み、
    前記単位セルは、
    電極群を内蔵するケース；
    前記ケースの開口に結合して密閉するキャッププレート；
    前記キャッププレートの外面と内面にそれぞれ提供される外側インシュレータと内側インシュレータ；
    前記外側インシュレータ、前記キャッププレート、及び前記内側インシュレータを貫いて前記電極群に接続し、前記バスバーによって直列に接続し、各々前記ケースに電気的に接続し、前記ケースに電気的に絶縁する正電極端子と負電極端子；
    前記ケースの一面で熱伝達媒体を通過させる隔壁の外面及び前記ケースの外面に形成される絶縁層；及び
    前記ケースのスウェリング時、前記負電極端子を前記ケースに短絡させる短絡部；を含む２次電池モジュール。
  13. 前記短絡部は、
    前記負電極端子側の前記ケースの一面に前記ケースの厚さより薄く形成されるスウェリング誘導部、及び
    前記スウェリング誘導部の外面に対向して前記負電極端子に接続する短絡部材を含む、請求項１２に記載の２次電池モジュール。
  14. 前記スウェリング誘導部は、
    前記ケースの内面に凹むように形成され、
    前記短絡部材は、
    前記負電極端子に装着される装着部、及び
    前記装着部で垂直に折り曲げられて前記スウェリング誘導部に対向する短絡端を含む、請求項１３に記載の２次電池モジュール。
  15. 前記短絡部は、
    前記ケースに接続して前記短絡端を支持するブラケット、及び
    前記ブラケットを貫く前記短絡端と前記ブラケットとの間に介在する絶縁部材をさらに含む、請求項１４に記載の２次電池モジュール。

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