JP2011049148A - 二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】貫通及び圧壊安全性が向上した二次電池を提供する。
【解決手段】貫通及び圧壊安全性が向上した二次電池は、電極組立体、電極組立体が収容されるケース、第１電極端子、第２電極端子、蓋板及び短絡回路誘導部材を含む。電極組立体は、第１電極、セパレータ及び第２電極を含む。ケースは電極組立体を収容する。第１電極端子及び第２電極端子は第１電極及び第２電極にそれぞれ電気的に連結される。短絡回路誘導部材は電極組立体とケースの間に位置し、二次電池が貫通または圧壊された時に二次電池を短絡させる。
【選択図】図１ｂ
【解決手段】貫通及び圧壊安全性が向上した二次電池は、電極組立体、電極組立体が収容されるケース、第１電極端子、第２電極端子、蓋板及び短絡回路誘導部材を含む。電極組立体は、第１電極、セパレータ及び第２電極を含む。ケースは電極組立体を収容する。第１電極端子及び第２電極端子は第１電極及び第２電極にそれぞれ電気的に連結される。短絡回路誘導部材は電極組立体とケースの間に位置し、二次電池が貫通または圧壊された時に二次電池を短絡させる。
【選択図】図１ｂ
Description
本発明は二次電池に関するものであって、より詳細には、貫通及び圧壊安全性が向上した二次電池に関するものである。
リチウムイオン二次電池は、ノートパンコンや携帯電話のような小型電子装置に主に使用される。尚、リチウムイオン二次電池は他の種類の二次電池に比べて高出力、高容量及び軽量などの特性を有するので、ハイブリッド自動車または電気自動車にも使用されている。
自動車に使用されるリチウムイオン二次電池は、苛酷な環境での安全性及び信頼性を満足させなければならない。安全性テストは色々な項目を含むが、その中で最も苛酷なテストとしては貫通、圧壊及び過充電の三つがある。
貫通と圧壊テストは、自動車の事故時二次電池に発生する損傷現象を予想して実施するものであって、非常に重要な安全性項目である。特に、二次電池の釘貫通試験や圧壊試験のような厳格な条件のテストにおいて、貫通及び圧壊後の電池の温度が過度に上昇してはならない。
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、貫通及び圧壊安全性が向上した、新規かつ改良された二次電池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、第１電極、第２電極及び前記第１電極と前記第２電極の間のセパレータを含む電極組立体と、前記電極組立体を収容するケースと、前記ケースに結合された蓋板と、前記第１電極及び前記第２電極から分離され、前記電極組立体に巻回され、前記第１電極または前記第２電極の少なくとも何れか一つに電気的に連結された短絡回路誘導部材とを含む、二次電池が提供される。
前記短絡回路誘導部材の第１端は前記短絡回路誘導部材の第２端に重畳してもよい。
前記短絡回路誘導部材は７回まで前記電極組立体に巻回されてもよい。
前記ケースの内部に他の電極組立体をさらに含み、前記短絡回路誘導部材は前記電極組立体に巻回された第１短絡回路誘導部材と、前記他の電極組立体に巻回された第２短絡回路誘導部材とを含んでもよい。
前記ケースの内部に他の電極組立体をさらに含み、前記短絡回路誘導部材は前記すべての電極組立体に一体に巻回されてもよい。
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、第１電極、第２電極及び前記第１電極と前記第２電極の間のセパレータを含む電極組立体と、前記電極組立体を収容するケースと、前記ケースに結合された蓋板と、前記電極組立体に巻回され、前記電極組立体に電気的に連結され、第１金属板、第２金属板及び前記第１金属板と前記第２金属板の間の第１フィルムからなる短絡回路誘導部材とを含む、二次電池が提供される。
前記短絡回路誘導部材は、前記二次電池が貫通または圧壊された時に前記第１金属板と前記第２金属板が電気的に連結され、前記電極組立体が短絡されるようにしてもよい。
前記第１金属板は前記電極組立体に密着し、前記第２金属板は前記ケースに密着し、前記短絡回路誘導部材は前記第２金属板と前記ケースの間に位置した第２フィルムをさらに含んでもよい。
前記第１金属板は前記第１電極に電気的に連結され、前記第２金属板は前記第２電極に電気的に連結されてもよい。
前記第１電極は金属箔を含み、前記第１金属板及び前記第２金属板は前記金属箔と同一材料からなってもよい。
第１金属板の抵抗と前記第２金属板の抵抗は、第１電極の活物質の抵抗または第２電極の活物質の抵抗より小さくてもよい。
前記第１金属板及び前記第２金属板は銅を含んでもよい。
前記第１金属板はアルミニウムを含み、前記第２金属板は銅を含んでもよい。
前記第１金属板及び前記第２金属板は前記ケースの材質と異なる材質を含んでもよい。
前記第１金属板と前記第２金属板はそれぞれ１００μｍ〜２００μｍの厚さに形成されてもよい。
前記第１金属板と前記第２金属板は単層または複層構造からなってもよい。
前記第１電極は第１金属箔を含み、前記第２電極は第２金属箔を含み、前記それぞれの第１金属板及び第２金属板は前記第１金属箔または前記第２金属箔の厚さより厚くてもよい。
前記第１電極は前記電極組立体の第１側部に延びる第１無地部を含み、前記第２電極は前記電極組立体の第２側分に延びる第２無地部を含み、前記第１金属板は前記第１無地部に電気的に連結され、前記第２金属板は前記第２無地部に電気的に連結されてもよい。
前記第１金属板及び前記第１無地部は互いに溶接され、前記第２金属板及び前記第２無地部も互いに溶接されてもよい。
第１電極端子及び第２電極端子をさらに含み、前記第１電極は前記電極組立体の第１側部に延びた第１無地部を含み、前記第２電極は前記電極組立体の第２側部に延びた第２無地部を含み、前記第１金属板、前記第１無地部及び前記第１電極端子は電気的に連結され、前記第２金属板、前記第２無地部及び前記第２電極端子は電気的に連結されてもよい。
以上説明したように本発明によれば、電極組立体とケースの間に短絡回路誘導部材が介在されることで、二次電池の貫通または圧壊時に前記短絡回路誘導部材が先に短絡される。前記短絡回路誘導部材は、電気抵抗が非常に小さいので、短絡時に熱を殆ど発生させず、大電流を迅速に消耗するようになる。これによって、二次電池の貫通または圧壊時に発熱現象が殆ど発生しないことで、二次電池の安全性及び信頼性が大きく向上する。
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。
図１ａは本発明の一実施形態にかかる貫通及び圧壊安全性が向上した二次電池を示す斜視図であり、図１ｂは図１ａの部分断面図であり、図１ｃは電極組立体及び電極端子を示す斜視図である。
本発明の一実施形態にかかる貫通及び圧壊安全性が向上した二次電池１００は、電極組立体１１０、ケース１２０、第１電極端子１３０、第２電極端子１４０、蓋板１５０及び短絡回路誘導部材１６０を含む。前記ケース１２０は缶とも称される。
前記電極組立体１１０は、第１電極、セパレータ及び第２電極からなる。また、前記電極組立体１１０は略渦巻（Ｊｅｌｌｙ Ｒｏｌｌ）状に巻回された形状を有する。前記第１電極は正極板であり、前記第２電極は負極板であることができる。勿論、その逆に前記第１電極が負極板であり、前記第２電極は正極板であることもできる。前記第１電極は第１金属箔及び第１活物質を含む。第１電極が正極板である場合、前記第１金属箔はアルミニウムであることができ、前記第１活物質はリチウム系酸化物であることができる。前記第２電極も第２金属箔及び第２活物質を含む。前記第２電極が負極板である場合、前記第２金属箔は銅であることができ、前記第２活物質は黒鉛であることができる。勿論、ここで前記材質で本発明を限定するのではない。前記セパレータは多孔性のＰＥ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＰＰ（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）及びその等価物のうち選択された何れか一つで形成されることができるが、このような材質で本発明を限定するのではない。前記セパレータは実質的に前記第１電極の両側面に位置するか、または前記第２電極の両側面に位置することができる。さらに、前記第１電極は、正極活物質がコーティングされない第１無地部を含み、前記第１無地部はセパレータの一側を越えて外部に突出することができる。また、前記第２電極も、負極活物質がコーティングされない第２無地部を含み、前記第２無地部はセパレータの他側を越えて外部に突出することができる。すなわち、前記第１無地部及び第２無地部の突出方向は前記セパレータを中心に互いに反対であることができる。このような構造は以下でまた詳しく説明する。
前記ケース１２０は、二つの広い側面１２１ａ、１２１ｂ、二つの狭い側面１２２ａ、１２２ｂ及び一つの底面１２３を含む。勿論、前記ケース１２０の上部は開放されている。このようなケース１２０には前記電極組立体１１０が電解液とともに収容される。この時、前記電極組立体１１０の第１無地部及び第２無地部がそれぞれ二つの狭い側面１２２ａ、１２２ｂに向ける。また、前記ケース１２０はアルミニウム、銅、鉄、ＳＵＳ、セラミック、ポリマー及びその等価物のうち選択された何れか一つで形成されることができるが、ここでその材質を限定するのではない。さらに、前記ケース１２０は、実質的に前記電極組立体１１０の第１電極または第２電極のうち何れか一つと電気的に接続されることができる。すなわち、前記ケース１２０は正極または負極のうち選択された何れか一つの極性を有することができる。
前記第１電極端子１３０及び前記第２電極端子１４０は、それぞれ前記電極組立体１１０の第１電極及び第２電極に電気的に接続されている。すなわち、前記第１電極端子１３０は前記第１電極に溶接され、前記第２電極端子１４０は前記第２電極に溶接されることができる。もっと具体的に、前記第１電極端子１３０は第１電極の第１無地部と短絡回路誘導部材１６０のうち第１金属板に一緒に溶接されることができる。また、前記第２電極端子１４０は第２電極の第２無地部と短絡回路誘導部材１６０のうち第２金属板に一緒に溶接されることができる。このような構造についても下記でまた詳しく説明する。
図１ｂにおいて参照符号１６０ａ及び１６０ｂは、短絡回路誘導部材１６０のうち第１金属板１６１及び電極組立体１１０のうち第１電極の第１無地部を相互間溶接した跡であり、参照符号１６０ｃは短絡回路誘導部材１６０のうち第１金属板１６１及び電極組立体１１０のうち第１電極の第１無地部を第１電極端子１３０に溶接した跡である。また、図１ｂにおいて参照符号１６０ｄ及び１６０ｅは短絡回路誘導部材１６０うち第２金属板１６３及び電極組立体１１０のうち第２電極の第２無地部を相互間溶接した跡であり、参照符号１６０ｆは短絡回路誘導部材１６０のうち第２金属板１６３及び電極組立体１１０のうち第２電極の第２無地部を第２電極端子１４０に溶接した跡である。
また、前記第１電極端子１３０は、溶接部１３１、第１延長部１３２、第２延長部１３３及びボルト延長部１３４を含み、前記溶接部１３１が前記電極組立体１１０のうち第１電極、すなわち、第１無地部の内側に挿入される。また、前記第２電極端子１４０も、溶接部１４１、第１延長部１４２、第２延長部１４３及びボルト延長部１４４を含み、前記溶接部１４１が前記電極組立体１１０のうち第２電極、すなわち、第２無地部の内側に挿入される。さらに、前記第１電極端子１３０及び前記第２電極端子１４０の各ボルト延長部１３４、１４４は蓋板１５０を貫通して外側に突出する。
前記蓋板１５０は、前記第１電極端子１３０及び前記第２電極端子１４０が外部に突出するようにしながら、前記ケース１２０を覆う。勿論、前記蓋板１５０と前記ケース１２０の間の境界はレーザで溶接されることができる。さらに、前記第１電極端子１３０及び前記第２電極端子１４０のうちそれぞれのボルト延長部１３４、１４４は前記蓋板１５０を貫通するが、その外周縁にそれぞれ絶縁材１５１ａ、１５１ｂが形成されることができる。それによって、前記第１電極端子１３０及び前記第２電極端子１４０は蓋板１５０と電気的に絶縁される。勿論、場合によって前記第１電極端子１３０及び第２電極端子１４０のうち何れか一つは絶縁材１５１ａまたは１５１ｂなしに蓋板１５０に直接接触しながら貫通することができる。例えば、絶縁材１５１ａが第１電極端子１３０のボルト延長部１３４を囲まないことで、前記第１電極端子１３０のボルト延長部１３４は直接蓋板１５０に接触することができる。このような場合、前記蓋板１５０及びケース１２０は前記第１電極端子１３０と同じ極性を有するようになる。
さらに、前記第１電極端子１３０及び前記第２電極端子１４０のうちボルト延長部１３４、１４４には、それぞれナット１３５、１４５が結合されている。よって、前記第１電極端子１３０及び前記第２電極端子１４０は蓋板１５０にしっかりと固定される。さらに、前記蓋板１５０には電解液栓１５２が結合されることができ、相対的に薄い厚さを有する安全ベント１５３が形成されることもできる。実質的に、このような蓋板１５０は前記ケース１２０と同じ材質で形成されることができる。
前記短絡回路誘導部材１６０は、前記電極組立体１１０と前記ケース１２０の間に位置し、二次電池１００の貫通または圧壊時に最も先に短絡される。勿論、このような短絡回路誘導部材１６０は電極組立体１１０と電気的に連結されているので、前記短絡回路誘導部材１６０は電極組立体１１０の全体を短絡させる。言い換えれば、短絡回路誘導部材１６０は二次電池が外部で短絡されたような効果を生み出す。
このような短絡回路誘導部材１６０は、前記電極組立体１１０の表面に略１回〜７回程度巻回された形状を有する。前記巻回数が１回未満であれば、短絡回路誘導部材１６０が前記電極組立体１１０全体を囲むことができないため、貫通または圧壊時に強制短絡されないおそれがある。言い換えれば、貫通または圧壊が前記短絡回路誘導部材が形成されていない領域で起きるおそれがある。また、前記巻回数が７回を超過すると、前記短絡回路誘導部材１６０が巻回された前記電極組立体１１０のサイズが大きくなって、ケース１２０に挿入されないおそれがある。したがって、その分電極組立体１１０のサイズを小さくしなければならないので、二次電池１００の容量が低下する。
また、前記短絡回路誘導部材１６０は、第１金属板１６１、第１フィルム、第２金属板１６３及び第２フィルム１６４を含む。前記第１金属板１６１の所定領域は第１フィルムの一端から延びて、前記電極組立体１１０のうち第１電極の第１無地部と電気的に接続されている。また、前記第２金属板１６３の所定領域は第２フィルム１６４の他端から延びて、前記電極組立体１１０のうち第２電極の第２無地部と電気的に接続されている。すなわち、前記第１金属板１６１と前記第２金属板１６３は互いに反対方向に突出している。勿論、上述したように前記第１金属板１６１は結局第１無地部を介して第１電極端子１３０に電気的に接続され、前記第２金属板１６３は結局第２無地部を介して第２電極端子１４０に電気的に接続される。
ここで、図１ｂ及び図１ｃにおいて第１フィルムは示されていない。このような短絡回路誘導部材１６０と電極組立体１１０の相互間結合関係は下記でもっと詳しく説明する。
図２ａは本発明の一実施形態にかかる貫通及び圧壊安全性が向上した二次電池のうち電極組立体に短絡回路誘導部材を巻回する方法を説明するための図であり、図２ｂは図２ａの領域２を拡大した図である。
図２ａに示すように、短絡回路誘導部材１６０は別途に備えられ、前記電極組立体１１０に巻回されることができる。すなわち、前記短絡回路誘導部材１６０は前記電極組立体１１０とは異なる製造工程によって備えられ、完成された電極組立体１１０に別途に巻回されることができる。言い換えれば、前記短絡回路誘導部材１６０は、前記電極組立体１１０から延びた領域ではない。前記短絡回路誘導部材１６０は前記電極組立体と一体に形成されたものではない。さらに、前記短絡回路誘導部材１６０の巻回後には、前記短絡回路誘導部材１６０が電極組立体１１０から解けないようにシーリングテープ１６５が接着される。
図２ｂに示すように、短絡回路誘導部材１６０は電極組立体１１０に密着した第１金属板１６１、前記第１金属板１６１上に密着した第１フィルム１６２、前記第１フィルム１６２上に密着した第２金属板１６３及び前記第２金属板１６３上に密着した第２フィルム１６４を含む。
前記第１金属板１６１及び前記第２金属板１６３は第１金属箔１１１ａまたは第２金属箔１１２ａと同じ材質で形成されることができる。すなわち、前記第１金属板１６１及び第２金属板１６３は両方ともアルミニウム箔で形成されることができる。また、前記第１金属板１６１及び第２金属板１６３は両方とも銅箔に形成されることもできる。また、前記第１金属板１６１はアルミニウム箔で、前記第２金属板１６３は銅箔で形成されることができる。また、前記第１金属板１６１は銅箔で、前記第２金属板１６３はアルミニウム箔で形成されることができる。さらに、前記第１金属板１６１及び前記第２金属板１６３は、前記ケース１２０と異なる材質で形成されることができる。例えば、前記ケース１２０がアルミニウム材質で形成される場合、前記第１金属板１６１及び前記第２金属板１６３は銅材質で形成されることができる。勿論、その逆の場合も可能である。実質的に、前記第１金属板１６１及び前記第２金属板１６３が銅で形成される場合、短絡回路誘導部材１６０の短絡効果が最も優れる。それは、アルミニウムの抵抗よりは銅の抵抗が小さいからである。
一方、前記第１金属板１６１及び第２金属板１６３はそれぞれ第１金属箔１１１ａまたは第２金属箔１１２ａより相対的に厚く形成されることができる。例えば、前記第１金属板１６１及び前記第２金属板１６３は１００〜２００μｍの厚さに形成されることができる。前記第１金属板１６１及び前記第２金属板１６３の厚さが１００μｍ未満であれば、貫通または圧壊時の短絡効率が良くない。また、前記第１金属板１６１及び前記第２金属板１６３の厚さが２００μｍを超過すれば、その分電極組立体１１０のサイズを減らさなければならないので、二次電池１００の容量が低下する。さらに、前記第１金属板１６１及び前記第２金属板１６３はそれぞれ一枚からなるか、積層された複数枚からなることができる。例えば、第１金属箔１１１ａまたは第２金属箔１１２ａを複数枚積層して、前記第１金属板１６１または第２金属板１６３として用いることもできる。勿論、この時前記第１金属板１６１または第２金属板１６３が電極組立体１１０を成す第１電極１１１または第２電極１１２から延びるという意味ではない。さらに、第１金属板１６１及び第２金属板１６３は第１電極１１１及び第２電極１１２からそれぞれ分離されている。
前記第１フィルム１６２及び前記第２フィルム１６４は多孔性のＰＰまたはＰＥ材質で形成されることができるが、このような材質で本発明を限定するのではない。実質的に、前記第１フィルム１６２及び前記第２フィルム１６４は前記セパレータと同じ材質で形成されることができる。
ここで、図２ｂに示すように、前記電極組立体１１０は、例えば第１金属箔１１１ａ（例えば、アルミニウム箔）及び第１活物質１１１ｂ（例えば、リチウム系酸化物）からなる第１電極１１１を含む。また、前記電極組立体１１０は、例えば第２金属箔１１２ａ（例えば、銅箔）及び第２活物質１１２ｂ（例えば、黒鉛）からなる第２電極１１２を含む。さらに、前記第１電極１１１の両側面にはＰＰまたはＰＥ材質のセパレータ１１３ａ、１１３ｂがそれぞれ位置する。勿論、前記第２電極１１２の両側面にもセパレータ１１３ａ、１１３ｂが位置することができる。よって、電極組立体１１０の最外郭に位置した第２電極１１２と前記短絡回路誘導部材１６０のうち第１金属板１６１の間にはセパレータ１１３ｂが介在される。すなわち、前記第１金属板１６１と第２電極１１２は電気的に分離されている。
このような構造によって、本発明の一実施形態にかかる二次電池１００は、貫通や圧壊時、前記短絡回路誘導部材１６０のうち第１フィルム１６２が破れて第１金属板１６１及び第２金属板１６３が相互間短絡される。勿論、このような第１金属板１６１は第１電極１１１と電気的に連結されており、前記第２金属板１６３は第２電極１１２と電気的に連結されているので、二次電池１００が外部に短絡されたような状態になる。さらに、このような短絡回路誘導部材１６０の第１金属板１６１及び第２金属板１６３は、電気抵抗が高いかまたは不導体である活物質が全く形成されないことで、熱を殆ど発生させずに大電流を消費する。すなわち、二次電池１００が熱を殆ど発生させずに、電気エネルギーを迅速に取り除く。例えば、本発明の一実施形態にかかる二次電池１００は、貫通または圧壊時に約５０〜７０℃の温度を維持し、前記温度範囲を超過しない。さらに、二次電池１００の貫通や圧壊時、前記短絡回路誘導部材１６０のうち第２フィルム１６４が破れて、第２金属板１６３とケースが相互間短絡されることができる。この時、もし前記ケースが導電性を有し、前記第２金属板１６３と反対極性を有する構造であれば、前記短絡効果は極大化される。さらに、前記ケースも低い抵抗を有する金属で形成されることができるので、相対的に発熱現象が小さく、また二次電池１００の電気エネルギーも迅速に除去される。
図３は本発明の一実施形態にかかる貫通及び圧壊安全性が向上した二次電池のうち電極組立体、短絡回路誘導部材及び電極端子の間の溶接方法を説明するための図である。
図３に示すように、電極組立体１１０と、その表面に別途に巻回された短絡回路誘導部材１６０が多数の領域で相互間溶接されることができる。このような溶接は、通常の抵抗溶接、超音波溶接及びレーザ溶接のうち選択された何れか一つによって行われ、ここでその溶接方法を限定するのではない。図面において矢印１７０ａ、１７０ｂは電極組立体１１０と短絡回路誘導部材１６０の間の溶接ポイントを示している。
続いて、電極端子１３０が電極組立体１１０に結合される。すなわち、電極端子１３０のうち溶接部１３１が電極組立体１１０に結合される。もっと具体的に説明すると、第１電極端子１３０のうち溶接部１３１は電極組立体１１０のうち第１無地部に形成される隙間に結合され、第２電極端子１４０のうち溶接部１４１が電極組立体１１０のうち第２無地部に形成される隙間に結合される。図面には第１電極端子１３０のみが示されている。
続いて、溶接部１３１、電極組立体１１０及び短絡回路誘導部材１６０が相互間溶接される。すなわち、電極端子のうち溶接部１３１に電極組立体１１０及び短絡回路誘導部材１６０が密着した後、通常の抵抗溶接、超音波溶接及びレーザ溶接のうち選択された何れか一つによって溶接が行われる。しかし、ここで前記溶接方法を限定するのではない。図面において参照符号１７０ｃは電極端子１３０の溶接部１３１、電極組立体１１０及び短絡回路誘導部材１６０の間の溶接ポイントを示している。
図４ａは本発明の一実施形態にかかる貫通及び圧壊安全性が向上した二次電池のうち短絡回路誘導部材が広げられた状態（すなわち、短絡回路誘導部材がまだ巻回されていない状態）を示す分解斜視図であり、図４ｂは短絡回路誘導部材及び電極組立体が広げられた状態（すなわち、電極組立体及び短絡回路誘導部材がまだ巻回されていない状態）を示す分解斜視図である。
図４ａに示すように、完成された電極組立体１１０は、まずセパレータ１１３ｂの一側を介して第１電極１１１の第１無地部１１１ｃが外部方向（前方）に突出し、前記セパレータ１１３ｂの他側を介して第２電極１１２の第２無地部１１２ｃが外部方向（後方）に突出している。すなわち、前記第１無地部１１１ｃと前記第２無地部１１２ｃは互いに反対方向に突出している。ここで、電極組立体１１０の最外郭にセパレータ１１３ｂが巻回されている。
一方、前記短絡回路誘導部材１６０は、第１金属板１６１、第１フィルム１６２、第２金属板１６３及び第２フィルム１６４を含む。ここで、前記第１金属板１６１は、前記第１電極１１１の幅と類似または同一の幅に形成される。また、前記第１金属板１６１の位置も前記第１電極１１１の位置と重畳する。よって、前記第１金属板１６１の一定領域は前記第１電極１１１の第１無地部１１１ｃに接続される。勿論、前記第１金属板１６１は前記第２電極１１２の第２無地部１１２ｃには接続されない。また、前記第１フィルム１６２は前記第１金属板１６１の幅より小さな幅を有する。すなわち、前記第１フィルム１６２はセパレータ１１３ｂの幅と同じ幅を有する。さらに、前記第１フィルム１６２の位置は前記セパレータ１１３ｂの位置と重畳する。よって、前記第１金属板１６１の一定領域は前記第１フィルム１６２を介して、例えば前方方向に突出する。
前記第２金属板１６３は前記第２電極１１２の幅と類似または同一の幅に形成される。また、前記第２金属板１６３の位置も前記第２電極１１２の位置と重畳する。よって、前記第２金属板１６３の一定領域は前記第２電極１１２の第２無地部１１２ｃに接続される。勿論、前記第２金属板１６３は前記第１電極１１１の第１無地部１１１ｃには接続されない。また、前記第２フィルム１６４は前記第２金属板１６３の幅より小さな幅を有する。すなわち、前記第２フィルム１６４はセパレータ１１３ｂの幅と同じ幅を有する。さらに、前記第２フィルム１６４の位置は前記セパレータ１１３ｂの位置と重畳する。よって、前記第２金属板１６３の一定領域は前記第２フィルム１６４を介して、例えば後方方向に突出する。
このような構造によって、前記短絡回路誘導部材１６０は前記電極組立体１１０の表面を殆どまたは完全に囲む。すなわち、前記短絡回路誘導部材１６０は前記電極組立体１１０に少なくとも１回〜７回巻回される。したがって、前記短絡回路誘導部材１６０の第１金属板１６１は前記電極組立体１１０のうち第１電極１１１の第１無地部１１１ｃに自然に接続され、前記第２金属板１６３は前記電極組立体１１０のうち第２電極１１２の第２無地部１１２ｃに自然に接続される。
図面のうち説明されていない符号１６１ａ、１６２ａ及び１６３ａは接着剤である。このような接着剤は、短絡回路誘導部材１６０を前記電極組立体１１０に巻回する時、前記短絡回路誘導部材１６０を成す構成要素が互いに分離されないようにする。すなわち、前記接着剤は、前記第１金属板１６１、第１フィルム１６２、第２金属板１６３及び第２フィルム１６４が巻回途中に互いに分離されないようにする。
ここで、前記第１金属板１６１及び前記第２金属板１６３には活物質が全く形成されていないことが重要である。したがって、貫通または圧壊時に前記第１フィルム１６２が破れて、第１金属板１６１及び第２金属板１６３が相互間広い領域で短絡される。さらに、前記第２フィルム１６４が破れて、前記第２金属板１６３とケースが相互間広い領域で短絡される。したがって、前記短絡回路誘導部材１６０によって二次電池１００の電圧が迅速に０Ｖに落ちて、二次電池１００に保存されたエネルギーが迅速に消耗される。
図４ｂに示すように、電極組立体１１０は、第１金属箔１１１ａ、第１活物質１１１ｂ（例えば、リチウム系酸化物）及び第１無地部１１１ｃを有する第１電極１１１と、第１セパレータ１１３ａと、第２金属箔１１２ａ、第２活物質１１２ｂ（例えば、黒鉛）及び第２無地部１１２ｃを有する第２電極１１２と、第２セパレータ１１３ｂとを含む。また、前記第１電極１１１、第１セパレータ１１３ａ、第２電極１１２及び第２セパレータ１１３ｂは積層されて積層構造を成す。さらに、このような積層構造の端部が巻回軸２０１に結合されて多数回巻回されることで、渦巻状の電極組立体１１０を構成する。
図４ｂに示すように、第１セパレータ１１３ａ及び第２セパレータ１１３ｂに比べて第１電極１１１及び第２電極１１２の幅がもっと大きいので、前記第１セパレータ１１３ａの一側（前方）を越えて第１無地部１１１ｃが延び、他側（後方）を越えて第２無地部１１２ｃが延びる。勿論、上述したように、前記第１無地部１１１ｃには短絡回路誘導部材１６０のうち第１金属板１６１が接触され、前記第２無地部１１２ｃには短絡回路誘導部材１６０のうち第２金属板１６３が接触される。
一方、ここで前記短絡回路誘導部材１６０を成す第１金属板１６１及び第２金属板１６３はそれぞれ一枚ずつ用いられたので、それぞれの第１金属板１６１及び第２金属板１６３は少なくとも前記電極組立体１１０の第１電極１１１または第２電極１１２の厚さより厚いものを使用することが好ましい。
さらに、図面において前記第１電極１１１、第１セパレータ１１３ａ、第２電極１１２、第２セパレータ１１３ｂの長さは理解の便宜のために実際より小さく示されている。
図５は本発明の他の実施形態にかかる貫通及び圧壊安全性が向上した二次電池のうち短絡回路誘導部材と電極組立体が広げられた状態（電極組立体及び短絡回路誘導部材がまだ巻回されていない状態）を示す分解斜視図である。
図５に示すように、短絡回路誘導部材２６０は、電極組立体１１０を成す第１電極１１１及び第２電極１１２の長さ方向端部にそれぞれ接触、接続または溶接されることができる。すなわち、短絡回路誘導部材２６０のうち第１金属板２６１は前記第１電極１１１のうち第１活物質１１１ｂが形成されない端部１１１ｄに接続され、前記第２金属板２６３は前記第２電極１１２のうち第２活物質１１２ｂが形成されない端部１１２ｄに接続されることができる。勿論、第１フィルム２６２も第１セパレータ１１３ａの長さ方向端部に接触または接続され、第２フィルム２６４も第２セパレータ１１３ｂの長さ方向端部に接触または接続されることができる。
このようにして、短絡回路誘導部材２６０を構成する第１金属板２６１及び第２金属板２６３は、それぞれ第１無地部１１１ｃ及び第２無地部１１２ｃだけでなく、それぞれ第１電極１１１及び第２電極１１２の端部１１１ｄ、１１２ｄにも電気的に連結されることで、短絡回路誘導部材２６０と電極組立体１１０の間の電気的連結信頼性がより向上する。
図６は本発明のまた他の実施形態にかかる貫通及び圧壊安全性が向上した二次電池のうち短絡回路誘導部材が広げられた状態（短絡回路誘導部材がまだ巻回されていない状態）を示す分解斜視図である。
図６に示すように、短絡回路誘導部材３６０は、第１金属板３６１及び第２金属板３６３がそれぞれ多数の層からなることができる。例えば、第１金属板３６１の場合、第１金属箔１１１ａを多数積層して具現することができる。また、第２金属板３６３の場合、第２金属箔１１２ａを多数積層して具現することができる。このようにして、短絡回路誘導部材３６０を比較的容易に具現することができる。すなわち、別途の厚い第１金属板及び第２金属板を具備する代わり、電極組立体１１０に使用される通常の第１金属箔１１１ａ及び第２金属箔１１２ａを直接用いることができるからである。勿論、第１金属板３６１及び第２金属板３６３には活物質が形成されない。
図７ａ及び図７ｂは本発明のまた他の実施形態にかかる貫通及び圧壊安全性が向上した二次電池のうち電極組立体を示す断面図である。
図７ａに示すように、電極組立体２１０は一対の電極組立体１１０からなることができる。さらに、それぞれの電極組立体１１０には独立的に短絡回路誘導部材１６０が巻回されることができる。勿論、それぞれの電極組立体１１０は両方とも電極端子２３０に電気的に接続される。ここで、前記電極端子２３０は、二つの溶接部２３１、第１延長部２３２、第２延長部２３３及びボルト延長部２３４からなる。また、前記溶接部２３１は各電極組立体１１０に挿入される。続いて、通常の溶接方法によって短絡回路誘導部材１６０及び電極組立体１１０が前記溶接部２３１に溶接される。このようにして、二次電池の容量が増加すると同時に、貫通または圧壊時に電極組立体の強制短絡が迅速に行われる。
図７ｂに示すように、電極組立体３１０は一対の電極組立体１１０からなることができる。さらに、一対の電極組立体１１０には一体に短絡回路誘導部材３６０が巻回されることができる。すなわち、一つの短絡回路誘導部材３６０が一対の電極組立体１１０を同時に完全に囲む。このようにして、二次電池の体積当たり容量が増加すると同時に、電極組立体３１０の強制短絡が迅速に行われる。さらに、電極組立体３１０が一つの短絡回路誘導部材３６０によって完全に囲まれることで、電極組立体３１０の取り扱いが容易になる。
図８ａは短絡回路誘導部材がない場合の貫通及び圧壊時電圧‐温度特性を示すグラフであり、図８ｂは短絡回路誘導部材がある場合の貫通及び圧壊時電圧‐温度特性を示すグラフである。
ここで、Ｘ軸は、二次電池の貫通または圧壊時の経過時間（ｍｉｎ）を表し、左側のＹ軸は電圧（Ｖ）を表し、右側のＹ軸は温度（℃）を表す。また、試験条件は無負荷電圧４．１Ｖで、８０ｍｍ／sｅｃの速度で３ｍｍの直径を有する釘で二次電池を貫通した。
図８ａに示すように、短絡回路誘導部材がない二次電池の場合、貫通が始まった直後、電池電圧が殆ど即刻略０Ｖに下降した。また、安全ベント、第１電極端子（正極端子）及び第２電極端子（負極端子）の温度が略２００℃を超過してから下降し、以後一定時間第１電極端子及び第２電極端子は略１５０〜１９０℃の温度を維持した。また、安全ベントも一定時間略７０〜９０℃の温度を維持した。すなわち、短絡回路誘導部材のない二次電池の場合は、貫通または圧壊時に温度が略２００℃を超過して上昇するので、二次電池の安全性及び信頼性が悪い。
図８ｂに示すように、短絡回路誘導部材がある二次電池の場合、貫通が始まった直後、電池電圧が即刻略０Ｖに下降した。ところが、安全ベント、第１電極端（子正極端子）及び第２電極端子（負極端子）の温度は略５０〜７０℃を超過しなかった。すなわち、短絡回路誘導部材がある二次電池の場合は、貫通または圧壊時に温度が殆ど増加しないので、二次電池の安全性及び信頼性が優れている。
上記のように短絡回路誘導部材がない場合に温度が過度に上昇する理由は、二次電池の貫通時に電極組立体を構成する抵抗が高いか不導体である活物質同士で強制に短絡されて電流が流れるからと考えられる。すなわち、電気抵抗が高い物質に電流が流れる時、熱が多く発生するからである。例えば、負極活物質として用いられた黒鉛の場合、抵抗が略７〜１２×１０−６Ω・ｍであり、正極活物質として用いられたリチウム形酸化物は殆ど不導体である。
一方、本発明の一実施形態にかかる短絡回路誘導部材のうち銅の抵抗が略１．７２×１０−８Ω・ｍであり、アルミニウムの抵抗は略２．７５×１０−８Ω・ｍであって、前記黒鉛またはリチウム系酸化物に比べて抵抗が相当に底いことが分かる。したがって、このような銅材質またはアルミニウム材質の短絡回路誘導部材が短絡された場合、大電流が消耗されながらも熱は殆ど発生しなくなる。
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 電極組立体
１１１ 第１電極
１１１ａ 第１金属箔
１１１ｂ 第１活物質
１１１ｃ 第１無地部
１１２ 第２電極
１１２ａ 第２金属箔
１１２ｂ 第２活物質
１１２ｃ 第２無地部
１１３ａ、１１３ｂ セパレータ
１２０ ケース
１２１ａ、１２１ｂ 広い側面
１２２ａ、１２２ｂ 狭い側面
１２３ 底面
１３０ 第１電極端子
１３１ 溶接部
１３２ 第１延長部
１３３ 第２延長部
１３４ ボルト延長部
１３５ ナット
１４０ 第２電極端子
１４１ 溶接部
１４２ 第１延長部
１４３ 第２延長部
１４４ ボルト延長部
１５０ 蓋板
１５１ａ、１５１ｂ 絶縁材
１５２ 電解液栓
１５３ 安全ベント
１６０ 短絡回路誘導部材
１６１ 第１金属板
１６２ 第１フィルム
１６３ 第２金属板
１６４ 第２フィルム
１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄ、１６０ｅ、１６０ｆ 溶接跡
１１０ 電極組立体
１１１ 第１電極
１１１ａ 第１金属箔
１１１ｂ 第１活物質
１１１ｃ 第１無地部
１１２ 第２電極
１１２ａ 第２金属箔
１１２ｂ 第２活物質
１１２ｃ 第２無地部
１１３ａ、１１３ｂ セパレータ
１２０ ケース
１２１ａ、１２１ｂ 広い側面
１２２ａ、１２２ｂ 狭い側面
１２３ 底面
１３０ 第１電極端子
１３１ 溶接部
１３２ 第１延長部
１３３ 第２延長部
１３４ ボルト延長部
１３５ ナット
１４０ 第２電極端子
１４１ 溶接部
１４２ 第１延長部
１４３ 第２延長部
１４４ ボルト延長部
１５０ 蓋板
１５１ａ、１５１ｂ 絶縁材
１５２ 電解液栓
１５３ 安全ベント
１６０ 短絡回路誘導部材
１６１ 第１金属板
１６２ 第１フィルム
１６３ 第２金属板
１６４ 第２フィルム
１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄ、１６０ｅ、１６０ｆ 溶接跡
Claims (20)
- 第１電極、第２電極及び前記第１電極と前記第２電極の間のセパレータを含む電極組立体と、
前記電極組立体を収容するケースと、
前記ケースに結合された蓋板と、
前記第１電極及び前記第２電極から分離され、前記電極組立体に巻回され、前記第１電極または前記第２電極の少なくとも何れか一つに電気的に連結された短絡回路誘導部材とを含むことを特徴とする、二次電池。 - 前記短絡回路誘導部材の第１端は前記短絡回路誘導部材の第２端に重畳することを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
- 前記短絡回路誘導部材は７回まで前記電極組立体に巻回されることを特徴とする、請求項１または２に記載の二次電池。
- 前記ケースの内部に他の電極組立体をさらに含み、前記短絡回路誘導部材は前記電極組立体に巻回された第１短絡回路誘導部材と、前記他の電極組立体に巻回された第２短絡回路誘導部材とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
- 前記ケースの内部に他の電極組立体をさらに含み、前記短絡回路誘導部材は前記すべての電極組立体に一体に巻回されたことを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
- 第１電極、第２電極及び前記第１電極と前記第２電極の間のセパレータを含む電極組立体と、
前記電極組立体を収容するケースと、
前記ケースに結合された蓋板と、
前記電極組立体に巻回され、前記電極組立体に電気的に連結され、第１金属板、第２金属板及び前記第１金属板と前記第２金属板の間の第１フィルムからなる短絡回路誘導部材とを含むことを特徴とする、二次電池。 - 前記短絡回路誘導部材は、
前記二次電池が貫通または圧壊された時に前記第１金属板と前記第２金属板が電気的に連結され、前記電極組立体が短絡されるようにすることを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。 - 前記第１金属板は前記電極組立体に密着し、前記第２金属板は前記ケースに密着し、前記短絡回路誘導部材は前記第２金属板と前記ケースの間に位置した第２フィルムをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。
- 前記第１金属板は前記第１電極に電気的に連結され、前記第２金属板は前記第２電極に電気的に連結されたことを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。
- 前記第１電極は金属箔を含み、前記第１金属板及び前記第２金属板は前記金属箔と同一材料からなることを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。
- 第１金属板の抵抗と前記第２金属板の抵抗は、第１電極の活物質の抵抗または第２電極の活物質の抵抗より小さいことを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。
- 前記第１金属板及び前記第２金属板は銅を含むことを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。
- 前記第１金属板はアルミニウムを含み、前記第２金属板は銅を含むことを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。
- 前記第１金属板及び前記第２金属板は前記ケースの材質と異なる材質を含むことを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。
- 前記第１金属板と前記第２金属板はそれぞれ１００μｍ〜２００μｍの厚さ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。
- 前記第１金属板と前記第２金属板は単層または複層構造からなることを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。
- 前記第１電極は第１金属箔を含み、
前記第２電極は第２金属箔を含み、
前記それぞれの第１金属板及び第２金属板は前記第１金属箔または前記第２金属箔の厚さより厚いことを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。 - 前記第１電極は前記電極組立体の第１側部に延びる第１無地部を含み、
前記第２電極は前記電極組立体の第２側分に延びる第２無地部を含み、
前記第１金属板は前記第１無地部に電気的に連結され、
前記第２金属板は前記第２無地部に電気的に連結されることを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。 - 前記第１金属板及び前記第１無地部は互いに溶接され、
前記第２金属板及び前記第２無地部も互いに溶接されたことを特徴とする、請求項１８に記載の二次電池。 - 第１電極端子及び第２電極端子をさらに含み、
前記第１電極は前記電極組立体の第１側部に延びた第１無地部を含み、
前記第２電極は前記電極組立体の第２側部に延びた第２無地部を含み、
前記第１金属板、前記第１無地部及び前記第１電極端子は電気的に連結され、
前記第２金属板、前記第２無地部及び前記第２電極端子は電気的に連結されたことを特徴とする、請求項６に記載の二次電池。
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