JP2010245027A - 二次電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、所定の圧力条件で変形が容易であると共に高温で容易に劣化しない遮断プレートを含む二次電池を提供する。
【解決手段】電流を生成する電極群と、前記電極群を収容する開口部が形成されたケースと、前記開口部で前記ケースと結合されるキャップ組立体とを含み、前記キャップ組立体は、前記ケースの内部で圧力の上昇によって変形して、前記電極群から流れる電流を遮断する遮断プレートを含み、前記遮断プレートは、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、及び亜鉛(Zn)を含む二次電池を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、二次電池に関するものであり、より詳細には、キャップ組立体の構造を改善した二次電池に関するものである。
二次電池(rechargeable
battery)は、充電が不可能な一次電池とは異なって、充電及び放電が可能な電池である。1つのセルからなる低容量二次電池は、携帯電話機や、ノートパソコン、そしてカムコーダなどの携帯が可能な小型電子機器に使用されている。複数のセルがパック形態に連結された大容量二次電池は、ハイブリッド電気自動車などのモータ駆動用電源に幅広く使用されている。
このような二次電池は、多様な形状に製造されるが、代表的な形状として、円筒型や角型がある。
そして、このような二次電池は、大電力を必要とする電気自動車などのモータ駆動に使用されるように直列に連結されて、大容量二次電池モジュールを構成することができる。
二次電池は、正極及び負極がセパレータを間において位置する電極群、電極群が内蔵される空間が形成されたケース、ケースを密閉するキャップ組立体を含む。
二次電池が円筒型に形成される場合、電極群の正極及び負極には活物質が塗布されない無地部が形成され、正極無地部及び負極無地部は互いに異なる方向に向かうように配置される。
負極無地部には負極集電板が付着され、正極無地部には正極集電板が付着される。負極集電板はケースと電気的に連結され、正極集電板はキャップ組立体と電気的に連結されて、外部に電流を誘導するようになる。したがって、ケースが負極端子の役割を果たし、キャップ組立体に設置されたキャップアップが正極端子の役割を果たす。
二次電池が充電及び放電を繰り返す間に二次電池の内部にガスが発生して内部圧力が上昇し、二次電池の内部圧力の上昇を放置すると、二次電池が爆発する危険がある。これを防止するために、キャップアップ下には所定の圧力で破断されるように切欠が形成された遮断プレートが設置される。
しかし、遮断プレートは、熱に弱く、二次電池に充電及び放電が繰り返される間に劣化する。この場合、遮断プレートは、所定の圧力以下で変形して、寿命が短縮される。
本発明が解決しようとする課題は、所定の圧力条件で変形が容易であると共に高温で容易に劣化しない遮断プレートを含む二次電池を提供することにある。
本発明の一実施形態による二次電池は、電流を生成する電極群と、前記電極群を収容する開口部が形成されたケースと、前記開口部で前記ケースと結合されるキャップ組立体とを含み、前記キャップ組立体は、前記ケースの内部で圧力の上昇により変形して、前記電極群から流れる電流を遮断する遮断プレートを含み、前記遮断プレートは、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、及び亜鉛(Zn)を含む。
前記遮断プレートは、0.3乃至1.3質量%のマグネシウム(Mg)、0.1乃至0.3質量%の亜鉛(Zn)、及び残量のアルミニウム(Al)を含むことができる。
前記遮断プレートは、ケイ素(Si)、鉄(Fe)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、及びチタン(Ti)から選択された少なくとも1つをさらに含むことができる。
前記遮断プレートは、0.2乃至0.4質量%のケイ素(Si)、0.3乃至1.0質量%の鉄(Fe)、0.2乃至1.0質量%の銅(Cu)、及び0.9乃至2.0質量%のマンガン(Mn)を含むことができる。
前記アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、及び亜鉛(Zn)は、アニーリング処理されている。
前記キャップ組立体は、キャップアップ及びキャップダウンを含み、前記遮断プレートは、前記キャップアップ及び前記キャップダウンの間に位置することができる。
前記遮断プレートは、前記キャップアップの下部に位置する凸部を含むことができる。
前記キャップ組立体は、前記遮断プレートの下部に位置するサブプレートをさらに含むことができ、前記サブプレートは、前記凸部に溶接されている。
前記キャップダウンは、前記遮断プレート及び前記サブプレートの間に位置し、前記キャップダウン及び前記サブプレートの間には突起が形成されている。
前記二次電池は、前記遮断プレートの凸部及び前記サブプレートの間に位置する電流遮断部をさらに含むことができる。
本発明の他の実施形態による二次電池は、電流を生成する電極群と、前記電極群を収容する開口部が形成されたケースと、キャップダウン、キャップアップ、前記電極群と結合されているサブプレート、及び前記キャップアップ及び前記キャップダウンの間に位置する遮断プレートを含むキャップ組立体とを含み、前記遮断プレートは、前記サブプレートと結合されていて、前記キャップ組立体の少なくとも1つの部分は、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、及び亜鉛(Zn)を含む。
前記キャップ組立体の少なくとも1つの部分は、遮断プレートを含むことができる。
前記遮断プレートは、0.3乃至1.3質量%のマグネシウム(Mg)、0.1乃至0.3質量%の亜鉛(Zn)、及び残量のアルミニウム(Al)を含むことができる。
前記遮断プレートは、ケイ素(Si)、鉄(Fe)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、及びチタン(Ti)から選択された少なくとも1つをさらに含むことができる。
前記遮断プレートは、0.2乃至0.4質量%のケイ素(Si)、0.3乃至1.0質量%の鉄(Fe)、0.2乃至1.0質量%の銅(Cu)、及び0.9乃至2.0質量%のマンガン(Mn)を含むことができる。
前記アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、及び亜鉛(Zn)は、アニーリング処理されている。
前記遮断プレートは、前記キャップアップの下部に位置する凸部を含むことができる。
前記サブプレートは、前記遮断プレートの下部に位置し、前記サブプレートは、前記電極群に電気的に連結されている前記凸部に溶接されている。
前記キャップダウンは、前記遮断プレート及び前記サブプレートの間に位置し、前記遮断プレート及び前記サブプレートの間には突起が形成されている。
前記二次電池は、前記遮断プレートの前記凸部及び前記サブプレートの間に位置する電流遮断部をさらに含むことができる。
本発明によるアルミニウム合金から形成された遮断プレートは、所定の圧力条件で変形が容易であると共に高温で容易に劣化しないので、信頼性及び安全性が優れた二次電池を製造することができる。
本発明の一実施形態による二次電池を示した切開斜視図である。 遮断プレートが分離されて破断される過程を示した工程図である。 遮断プレートが分離されて破断される過程を示した工程図である。 遮断プレートが分離されて破断される過程を示した工程図である。 本発明の実施例及び比較例によるアルミニウム合金の温度による引張強度を示したグラフである。
以下に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する。なお、本明細書及び図面において、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。
まず、図1を参照して、本発明の一実施形態による二次電池を説明する。
図1は本発明の一実施形態による二次電池を示した切開斜視図である。
図1を参照すれば、本実施形態による二次電池100は、正極112及び負極113がセパレータ114を間において位置する電極群110、電解液と共に電極群110を収容することができるように一側先端に開口部が形成されたケース120を含む。そして、ケース120の開口部には、ケース120を密封するキャップ組立体140がガスケット144を媒介として設置される。
より具体的に説明すれば、前記ケース120は、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金(Al
alloy)、またはニッケル(Ni)がメッキされたスチールなどの導電性金属からなる。
そして、本実施形態によるケース120の形状は、電極群110が位置する内部空間が形成された円筒型からなる。キャップ組立体140をケース120に嵌合した後でクランピングして固定させるが、この過程で、ケース120にはビ−ディング部123及びクランピング部125が形成される。
本実施形態による電極群110は、正極112、セパレータ114、及び負極113が積層された後で渦流状に巻かれた円筒型タイプからなるが、電極群110の構造が必ずしもこれに限定されるのではなく、他の構造からなってもよい。
そして、正極112の上端には正極活物質が塗布されない正極無地部112aが形成されて、正極集電板138と電気的に連結される。また、負極113の下端には負極活物質が塗布されない負極無地部113aが形成されて、負極集電板132と電気的に連結される。
負極113は、銅またはアルミニウムなどからなる集電体に負極活物質が塗布された構造からなり、正極112は、アルミニウムなどからなる集電体に正極活物質が塗布された構造からなる。
負極活物質は、炭素系活物質、シリコン系活物質、またはチタン系活物質からなり、正極活物質は、炭素系活物質、ニッケル系活物質、マンガン系活物質、コバルト系活物質、または三元系活物質からなる。
キャップ組立体140は、突出した外部端子143a及び排気口143bが形成されたキャップアップ143、及びキャップアップ143下に設置されて、設定された圧力条件で破断されてガスを放出することができるように切欠163が形成された遮断プレート160を含む。遮断プレート160は、設定された圧力条件で電極群110及びキャップアップ143の電気的連結を遮断する役割を果たす。
キャップアップ143及び遮断プレート160の間には正温度係数素子(positive
temperature coefficient element)141が設置され、正温度係数素子141は、一定の温度を超えると電気抵抗がほぼ無限大まで大きくなる装置であって、二次電池100の温度が一定の温度以上になった時に電流の流れを遮断する役割を果たす。
遮断プレート160の中央には下へ突出した凸部165が形成され、凸部165の下面にはサブプレート147が溶接で接合される。
遮断プレート160及びサブプレート147の間にはキャップダウン146が設置され、キャップダウン146は、円板形態に構成されて、中央には凸部165を挿入することができるようにホールが形成される。
キャップダウン146及び遮断プレート160の間には絶縁部材145が設置されて、キャップダウン146及び遮断プレート160を絶縁するが、絶縁部材145にもキャップアップ143の凸部165が挿入されるようにホールが形成される。
それによって、遮断プレート160の凸部165がホールを通過してサブプレート147と容易に接合される。
サブプレート147は、凸部165及びキャップダウン146に各々溶接される。サブプレート147は、キャップダウン146を媒介として上記電極群110と電気的に連結され、キャップダウン146は、リード部材150を通じて電極群110と電気的に連結される。それによって、遮断プレート160に容易に電流を伝達することができ、遮断プレート160は、キャップアップ143と接合されて、キャップアップ143の外部端子143aに電流を伝達する。
図2A乃至図2Cは遮断プレートが分離されて破断される過程を示した工程図である。
図2A乃至図2Cを参照して説明すれば、サブプレート147及び凸部165は、超音波溶接で接合されて、サブプレート147及び凸部165の間に電流遮断部170が形成される。また、サブプレート147及びキャップダウン146は、レーザー溶接で接合されて、サブプレート147及びキャップダウン146の間に突起形状の溶接部174、176が形成される。
充電及び放電を繰り返す間に膨張(swelling)現象が発生して、二次電池の内部圧力が上昇すると、図2Bに示されているように、遮断プレート160の凸部165が圧力によってサブプレート147から離脱する。凸部165がサブプレート147から離脱すると、凸部165及びサブプレート147の間に位置する電流遮断部170が分離されて、遮断プレート160及びサブプレート147の間の電流が遮断される。この時、凸部165がサブプレート147から離脱する圧力を電流遮断圧という。
また、図2Cに示したように、電池の内部圧力がさらに上昇すると、遮断プレート160に形成された切欠163が破断されて電池の内部のガスが外部に放出される。この時、切欠163が破断される圧力をベント破断圧という。
電流が遮断される電流遮断圧及び遮断プレート160の切欠163が破断されるベント破断圧は、二次電池の信頼性及び安全性の側面から大変重要な要素である。
このように、遮断プレート160は、二次電池の内部圧力が所定の圧力以上に上昇した場合に、サブプレート147から離脱して、遮断プレート160及びサブプレート147の間の電流を遮断し、その後も継続して圧力が上昇する場合には、遮断プレート160に形成された切欠163が破断されて、二次電池の内部のガスを外部に放出して、爆発の危険を防止する。
したがって、遮断プレート160は、所定の圧力条件で変形が容易な素材から形成されることによって、二次電池が爆発するのを防止することができる。
しかし、一般的に変形が容易な素材は、熱などによって容易に劣化する。二次電池の場合、充電及び放電が繰り返される間に内部で一定の温度以上の熱が発生し、このような熱によって遮断プレート160が劣化する。遮断プレート160が劣化すると、適正な圧力条件以下または以上で変形して、電流の遮断が早すぎたりまたは遅すぎたりして、電流遮断の役割を確実に果たすことができない。
本発明によれば、遮断プレート160は、所定の圧力条件で変形が容易であると共に高温によって容易に劣化しないアルミニウム合金から形成される。
本発明の一実施形態において、上記遮断プレート160は、アルミニウム(Al)を主成分としてマグネシウム(Mg)及び亜鉛(Zn)を含むアルミニウム合金から形成される。ここで、アルミニウム合金は、約0.3乃至1.3質量%のマグネシウム、約0.1乃至0.3質量%の亜鉛、及び残量のアルミニウムを含む。
また、上記アルミニウム合金は、上記成分以外に、ケイ素(Si)、鉄(Fe)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、及びチタン(Ti)から選択された少なくとも1つをさらに含むことができる。ここで、アルミニウム合金は、約0.2乃至0.4質量%のケイ素(Si)、約0.3乃至1.0質量%の鉄(Fe)、約0.2乃至1.0質量%の銅(Cu)、及び約0.9乃至2.0質量%のマンガン(Mn)をさらに含むことができる。
上記アルミニウム合金は、アニーリング(annealing)処理されている。
上記アルミニウム合金の物理的特性をテストした。
[引張強度(tensile strength)]
表1は本発明の実施例によるアルミニウム合金及び比較例によるアルミニウム合金の組成を示したものである。
Figure 2010245027
比較例1乃至3によるアルミニウム合金は、約200℃で約1時間アニーリング処理されている。
表1の実施例1及び2、比較例1乃至3のアルミニウム合金の温度を高くして、温度による引張強度を測定した。その結果は図3に示した。
図3は本発明の実施例及び比較例によるアルミニウム合金の温度による引張強度を示したグラフである。
図3を参照すれば、比較例1の場合には、温度が上昇するのに伴って引張強度が低くなり、比較例2及び3の場合には、温度が上昇するのに伴って引張強度は少しずつ上昇するが、その絶対値が大きくないことが分かる。
これに反して、本発明による実施例1及び実施例2の場合には、常温(約25℃)でも約230N/mm以上の比較的高い引張強度を示すと同時に、温度が上昇するのに伴って引張強度が高くなることが分かる。
[引張強度及び降伏強度(yield strength)]
表2は本発明の実施例によるアルミニウム合金及びまた他の比較例によるアルミニウム合金の組成を示したものである。
Figure 2010245027
表2で、実施例3は上記実施例2のアルミニウム合金と同一な組成比を有するが、実施例3及び比較例4によるアルミニウム合金は、約350℃で約10分間アニーリング処理されている。
表3は表2の実施例3及び比較例4によるアルミニウム合金を使用した場合の温度変化による引張強度及び降伏強度の変化程度を示したものである。
Figure 2010245027
表3を参照すれば、本発明の実施例3によるアルミニウム合金は、温度変化によって引張強度及び降伏強度が変化せず、劣化率が0%である反面、比較例4によるアルミニウム合金は、温度変化によって引張強度及び降伏強度が各々22.5%及び8.8%低くなることが分かる。これにより、本発明の実施例によるアルミニウム合金は熱によって劣化しないことが分かる。
[遮断プレート(CID)の動作テスト]
表4は本発明の実施例によるアルミニウム合金及びまた他の比較例によるアルミニウム合金の組成を示したものである。



Figure 2010245027
表4で、実施例1は上記引張強度テスト時に使用したアルミニウム合金と同一な組成比を有する。
表4の実施例1及び比較例5のアルミニウム合金によって図1の二次電池の遮断プレート160を製造した。そして、上記遮断プレートが作動する内部圧力(初期CID作動圧力)を測定した後、上記遮断プレートを約85℃で3日間放置して、遮断プレートが作動する内部圧力を再び測定した。
その結果は表5及び表6の通りである。






























Figure 2010245027
Figure 2010245027
表5は実施例1によるアルミニウム合金を使用した場合の結果を示し、表6は比較例5によるアルミニウム合金を使用した場合の結果を示したものである。
表5で、実施例1による遮断プレートの初期CID作動圧力は5.89kgf/cmであり、表6で、比較例5による遮断プレートの初期CID作動圧力は5.9kgf/cmであった。表5及び6で、f(%)は内部圧力/初期CID作動圧力×100である。
表6に示したように、比較例5によるアルミニウム合金を使用した場合には、内部圧力が約3kgf/cmである時にCIDが作動することが分かる。これは、CIDが約85℃の高温で劣化して、適正な圧力条件以下で作動したことを意味する。
これに反して、本発明の実施例1によるアルミニウム合金を使用した場合には、内部圧力が約4.9kgf/cmになるまでCIDが作動しないことが分かる。これは、CIDが約85℃の高温に放置された場合にも熱によってほとんど劣化せず、適正な圧力条件で作動することを意味する。
このように、本発明の実施例によるアルミニウム合金から形成された遮断プレートは、所定の圧力条件で変形が容易であると共に高温で容易に劣化しないので、信頼性及び安全性が優れた二次電池を製造することができる。
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。
100 二次電池
110 電極群
112 正極
113 負極
114 セパレータ
120 ケース
140 キャップ組立体
141 正温度係数素子
143 キャップアップ
145 絶縁部材
146 キャップダウン
147 サブプレート
160 遮断プレート
163 切欠
165 凸部
170 電流遮断部

Claims (20)

  1. 電流を生成する電極群と、
    前記電極群を収容する開口部が形成されたケースと、
    前記開口部で前記ケースと結合されるキャップ組立体とを含み、
    前記キャップ組立体は、前記ケースの内部で圧力の上昇によって変形して、前記電極群から流れる電流を遮断する遮断プレートを含み、
    前記遮断プレートは、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、及び亜鉛(Zn)を含む、二次電池。
  2. 前記遮断プレートは、0.3乃至1.3質量%のマグネシウム(Mg)、0.1乃至0.3質量%の亜鉛(Zn)、及び残量のアルミニウム(Al)を含む、請求項1に記載の二次電池。
  3. 前記遮断プレートは、ケイ素(Si)、鉄(Fe)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、及びチタン(Ti)から選択された少なくとも1つをさらに含む、請求項1または2に記載の二次電池。
  4. 前記遮断プレートは、0.2乃至0.4質量%のケイ素(Si)、0.3乃至1.0質量%の鉄(Fe)、0.2乃至1.0質量%の銅(Cu)、及び0.9乃至2.0質量%のマンガン(Mn)を含む、請求項3に記載の二次電池。
  5. 前記アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、及び亜鉛(Zn)は、アニーリング処理されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の二次電池。
  6. 前記キャップ組立体は、キャップアップ及びキャップダウンを含み、
    前記遮断プレートは、前記キャップアップ及び前記キャップダウンの間に位置する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の二次電池。
  7. 前記遮断プレートは、前記キャップアップの下部に位置する凸部を含む、請求項6に記載の二次電池。
  8. 前記キャップ組立体は、前記遮断プレートの下部に位置するサブプレートをさらに含み、
    前記サブプレートは、前記凸部に溶接されている、請求項7に記載の二次電池。
  9. 前記キャップダウンは、前記遮断プレート及び前記サブプレートの間に位置し、
    前記キャップダウン及び前記サブプレートの間には突起が形成されている、請求項8に記載の二次電池。
  10. 前記遮断プレートの凸部及び前記サブプレートの間に位置する電流遮断部をさらに含む、請求項9に記載の二次電池。
  11. 電流を生成する電極群と、
    前記電極群を収容する開口部が形成されたケースと、
    キャップダウン、キャップアップ、前記電極群と結合されているサブプレート、及び前記キャップアップ及び前記キャップダウンの間に位置する遮断プレートを含むキャップ組立体とを含み、
    前記遮断プレートは、前記サブプレートと結合されていて、
    前記キャップ組立体の少なくとも1つの部分は、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、及び亜鉛(Zn)を含む、二次電池。
  12. 前記キャップ組立体の少なくとも1つの部分は、遮断プレートを含む、請求項11に記載の二次電池。
  13. 前記遮断プレートは、0.3乃至1.3質量%のマグネシウム(Mg)、0.1乃至0.3質量%の亜鉛(Zn)、及び残量のアルミニウム(Al)を含む、請求項12に記載の二次電池。
  14. 前記遮断プレートは、ケイ素(Si)、鉄(Fe)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、及びチタン(Ti)から選択された少なくとも1つをさらに含む、請求項12または13に記載の二次電池。
  15. 前記遮断プレートは、0.2乃至0.4質量%のケイ素(Si)、0.3乃至1.0質量%の鉄(Fe)、0.2乃至1.0質量%の銅(Cu)、及び0.9乃至2.0質量%のマンガン(Mn)を含む、請求項14に記載の二次電池。
  16. 前記アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、及び亜鉛(Zn)は、アニーリング処理されている、請求項11〜15のいずれか1項に記載の二次電池。
  17. 前記遮断プレートは、前記キャップアップの下部に位置する凸部を含む、請求項11〜16のいずれか1項に記載の二次電池。
  18. 前記サブプレートは、前記遮断プレートの下部に位置し、
    前記サブプレートは、前記電極群に電気的に連結されている前記凸部に溶接されている、請求項17に記載の二次電池。
  19. 前記キャップダウンは、前記遮断プレート及び前記サブプレートの間に位置し、
    前記遮断プレート及び前記サブプレートの間には突起が形成されている、請求項18に記載の二次電池。
  20. 前記遮断プレートの前記凸部及び前記サブプレートの間に位置する電流遮断部をさらに含む、請求項19に記載の二次電池。

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