JP2011054561A - 二次電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】安全性が向上した二次電池を提供する。
【解決手段】第１電極、第２電極、および前記第１電極と前記第２電極の間に介在した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、前記ケースの開口を覆うキャッププレート、前記第１電極と電気的に連結した第１タップ、前記キャッププレートに変形可能に支持された可変プレート、および前記可変プレートに付着した中間部材を含み、前記ケースと結合するキャップ組立体と、を含み、前記可変プレートが変形するとき、前記中間部材が前記第１電極と前記第２電極の間で電気通路を形成する二次電池。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池に関する。
二次電池（ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ）は充電が不可能な一次電池とは異なり、充電および放電が可能な電池である。低容量の二次電池は携帯電話機やノートパソコンおよびキャムコーダのように携帯が可能な小型電子機器に用いられ、大容量の電池はハイブリッド自動車などのモータ駆動用電源として幅広く用いられている。
最近、高エネルギー密度の非水電解液を用いた大容量・高出力の二次電池が開発されており、このような大容量・高出力二次電池は大電力を必要とする機器、例えば、電気自動車などのモータ駆動に用いることができるように複数の二次電池を直列に連結して高出力の二次電池として構成される。
また、１つの高出力二次電池は、通常、直列に連結する複数の二次電池からなり、二次電池は円筒形と角形などからなる。
角形二次電池は、陽極と陰極がセパレータを間に置いて位置する電極組立体と、電極組立体が内蔵される空間を備えたケースと、ケースを密閉して端子が挿入される端子ホールが形成されたキャッププレートと、電極組立体と電気的に連結し、キャッププレートの端子ホールに挿入されてケースの外側に突出する端子とを含む。
ところで、二次電池の内部で過度な熱が発生したり電解液が分解して内部圧力が上昇すれば、電池の安全性が損なわれる恐れがある。特に、角形電池は、円筒形電池に比べて端子構造の特殊性のために、電流を遮断又は放電する構造を備えることが容易でない実情にある。
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、安全性を向上させることが可能な、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、および前記第１電極と前記第２電極の間に介在した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、前記ケースの開口を覆うキャッププレート、前記第１電極と電気的に連結した第１タップ、前記キャッププレートに変形可能に支持された可変プレート、および前記可変プレートに付着した中間部材を含み、前記ケースと結合するキャップ組立体と、を含む二次電池が提供される。
前記可変プレートが変形するとき、前記中間部材が前記第１電極と前記第２電極の間で電気通路を形成することができる。
前記可変プレートは前記ケースの内圧の増加に応じて変形し、前記中間部材が前記第１タップと電気的に接触して前記第１電極および前記第２電極と電気的に連結することができる。
前記中間部材の材質は可変プレートの材質よりも高い溶融点を有することができる。
前記中間部材はアルミニウム、ステンレススチール（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）、および銅を含む群より選択された１つの材質からなり、前記可変プレートはアルミニウムおよびステンレススチールを含む群より選択された１つの材質からなることができる。
前記中間部材の厚さは前記可変プレートの厚さよりも大きいことができる。
前記中間部材は連結バーを通じて前記可変プレートに付着することができる。
前記中間部材は前記第１タップと前記電極組立体の間に存在することができる。
前記キャップ組立体は前記第２電極と電気的に連結する第２タップをさらに含み、前記連結バーは前記第１タップの端部と前記第２タップの端部の間に存在することができる。
前記中間部材は前記第１タップと前記可変プレートの間に存在することができる。
前記第１タップは前記ケース内に存在することができる。
前記電極組立体は前記第１電極と電気的に連結する第１リードタップをさらに含み、前記第１タップは前記第１リードタップに付着することができる。
前記第１タップは前記ケースの外部に存在することができる。
前記可変プレートは前記キャッププレートに溶接されることができる。
前記キャップ組立体は絶縁部材をさらに含み、前記絶縁部材は前記第１タップと前記キャッププレートの間において、前記第１タップを前記キャッププレートから電気的に絶縁することができる。
前記第１タップは開口を含み、前記第１電極と電気的に連結した第１端子は、前記開口を通じて前記ケースの内側から前記ケースの外側に突出することができる。
前記第２電極は前記キャッププレートと電気的に連結することができる。
前記可変プレートは前記ケースの内部に向かって湾曲して突出することができる。
前記キャップ組立体は第１端子、第２端子、および第２タップをさらに含み、前記第１タップは前記第１端子と電気的に連結し、前記第２タップは前記第２端子と電気的に連結し、前記可変プレートは前記ケースの内圧の増加に応じて変形して前記中間部材が前記第１タップおよび前記第２タップと電気的に連結することができる。
以上説明したように本発明によれば、二次電池の内部圧力が上昇するときに短絡を誘発させることで、二次電池の安全性が向上する。
本発明の第１実施形態に係る二次電池を示す斜視図である。 図１においてＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した断面図である。 本発明の第２実施形態に係る二次電池を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る二次電池を示す断面図である。
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。
本記載において「可変プレート」とは、圧力の上昇に応じて変形が生じるすべての種類のプレートを含む概念であり、特にその形状は限定しない。
図１は本発明の第１実施形態に係る二次電池を示す斜視図であり、図２は図１においてＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した断面図である。
図１および図２を参照して説明すれば、本実施形態に係る二次電池１１０は、第１電極１１と第２電極１２の間に絶縁体であるセパレータ１３を介在して巻かれた電極組立体１０と、電極組立体１０が内蔵されるケース１５と、ケース１５の開口に結合したキャップ組立体２０とを含む。
本第１実施形態に係る二次電池１１０はリチウムイオン二次電池であって、角形（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ ｔｙｐｅ）であるものを例示して説明する。ただし、本発明がこれに制限されるものではなく、本発明はリチウムポリマ電池または円筒形リチウムイオン二次電池などの多様な形態の電池に適用されることができる。
第１電極１１および第２電極１２は、薄板の金属箔で形成された集電体に活物質が塗布された領域であるコーティング部と、活物質がコーティングされない領域の無地部１１ａ、１２ａとを含む。本実施形態では第１電極１１が陽極（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｉｖｅ）となり、第２電極１２が陰極（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｉｖｅ）となる。しかしながら、本発明がこれに限定されるものではなく、第１電極１１が陰極となり第２電極１２が陽極となることもできる。
第１電極無地部１１ａは第１電極１１の長さ方向に沿って第１電極１１の一方側端に形成され、第２電極無地部１２ａは第２電極１２の長さ方向に沿って第２電極１２の他方側端、例えば、第１電極の無地部の反対側に形成される。そして、第１電極１１および第２電極１２は、絶縁体であるセパレータ１３を間に介在した後に巻かれる。
ただし、前記電極組立体１０は、リチウムポリマ電池のように複数のシート（ｓｈｅｅｔ）からなる第１電極１１と第２電極１２がセパレータ１３を間に置いて交互に積層した構造からなることもできる。
ケース１５は大略直六面体からなり、一面には開口が形成される。キャップ組立体２０は、ケース１５の開口を覆うキャッププレート２８と、第１電極１１と電気的に連結した第１端子２１および第２電極１２と電気的に連結した第２端子２２と、第１端子２１と電気的に連結した第１タップ４２および第２端子２２と電気的に連結した第２タップ４６と、キャッププレート２８に固定された可変プレート４１とを含む。
キャッププレート２８は薄い板からなり、ケース１５の開口に結合する。キャッププレート２８に形成された電解液注入口２９には密封キャップ２７が設けられる。また、キャッププレートには、ベントホール２４に設置されて設定された圧力によって開放が可能なようにノッチ２６ａまたは厚さが薄い部分が形成されたベントプレート２６が設けられる。
第１端子２１および第２端子２２はキャッププレート２８を貫通して設置され、第１端子２１および第２端子２２それぞれの下部にはキャッププレート２８の下に支持されたフランジが形成される。キャッププレート２８の外側に突出した上部柱の外周面はねじのように加工される。また、端子２１、２２にはそれぞれの上部で支持するナット３５が締結される。
第１端子２１および第２端子２２とキャッププレート２８の間には上部ガスケット３８と下部ガスケット３９が設置され、端子２１、２２とキャッププレート２８の間を密封して絶縁する。
第１端子２１は第１リードタップ３１を媒介として第１電極１１と電気的に連結し、第２端子２２は第２リードタップ３２を媒介として第２電極１２と電気的に連結する。
一方、キャッププレート２８の下には下部絶縁部材３４が配置されることにより、端子２１、２２の下端とリードタップ３１、３２の上端は下部絶縁部材３４に挿入配置される。
このような構造により、第１リードタップ３１は第１端子２１と第１電極１１を電気的に連結し、第２リードタップ３２は第２端子２２と第２電極１２を電気的に連結する。
第１短絡タップ４２は大略板形状からなり、キャッププレート２８の下に配置される。第１タップ４２の一方端部は第１リードタップ３１に溶接で固定され、第１タップ４２の他方端部は可変プレート４１の下まで続く。
本実施形態では、第１タップ４２が第１リードタップ３１に溶接で固定されているが、本発明がこれに制限されるものではなく、第１タップ４２は第１端子２１に溶接で固定されたり、第１リードタップ３１及び第１端子２１に溶接で固定されることができる。
第２タップ４６は大略板形状からなり、キャッププレート２８の下に配置される。第２タップ４６の一方端部が第２リードタップ３２に溶接で固定され、第２タップ４６の他方端部は可変プレート４１の下まで続く。
第１タップ４２と第２タップ４６は離隔して配置され、２つのタップ４２、４６は電気的に連結していない。
キャッププレート２８には短絡ホール２５が形成され、この短絡ホール２５の下に可変プレート４１が設置または付着される。
可変プレート４１はキャッププレート２８に溶接で付着され、平らなリング形状からなる枠部４１ａと、枠部４１ａの内側に形成され、二次電池の内側または電極組立体１０に向かって弧形に湾曲して突出した可変部４１ｂとを有する。
可変プレート４１の下には中間部材４３が設置されるが、中間部材４３は連結バー４７を通じて可変プレート４１に連結する。
中間部材４３は可変プレート４１よりもさらに大きい厚さを有するように形成され、大略円板形状からなる。可変プレート４１の厚さは０．３〜０．５ｍｍであることができ、中間部材４３の厚さは１〜２ｍｍであることができる。しかしながら、本発明がこれらの厚さ範囲に限定されるものではない。連結バー４７はタップ４２、４６の間を通過して下まで延長して形成され、連結バー４７の下端に中間部材４３が固定される。これにより、中間部材４３はタップ４２、４６よりもさらに下に配置され、第１タップ４２の端部と第２タップ４６の端部は中間部材４３と可変プレート４１の間に位置する。
二次電池１１０の内部圧力が過度に上昇すれば、下に突出した可変部４１ｂが上に反転し、これによって中間部材４３が上昇しながら第１タップ４２と第２タップ４６を電気的に連結する。
可変プレート４１は一定の圧力で反転変形するように設計されるため、厚さを増加させることに限界がある。したがって、可変プレート４１がタップ４２、４６と直接接触すれば、短絡のときに流れる過度な電流によって可変プレート４１が溶融することがあり、これによって短絡状態が中断するという問題が生じる。
しかしながら、本実施形態によれば、中間部材４３がタップ４２、４６と接触し、中間部材４３は可変プレート４１よりも厚く形成されるため、短絡後に中間部材５４を通じて過度な電流が流れる場合にも短絡状態が中断することを防ぐことができる。
また、ばねやスプリングなどの弾性部材には平常時にも持続的に加圧力が印加されるため、長時間設置しておけば弾性が減少したり失われるという問題がある。二次電池１１０の寿命と関連して安全性を確保するためには、二次電池１１０の期待寿命の間、弾性部材が設定された圧力下で弾性を失わずに作動しなければならない。二次電池の正常作動時に弾性部材に圧力が印加されれば、弾性部材の弾性は減少したり失われることがあり、したがって、二次電池１１０の期待寿命の間に正常に作動しないことがあり、安定性の問題が生じる場合がある。しかしながら、本実施形態によれば、弾性部材すなわち可変プレート４１は、二次電池１１０の正常作動中に設定された圧力下で変形せずに作動することができ、相対的に長時間作動することができる。
図３は本発明の第２実施形態に係る二次電池を示す断面図である。
図３を参照しながら説明すれば、本第２実施形態に係る二次電池１２０は、タップと中間部材の構造を除いては上述した第１実施形態に係る二次電池と同じ構造からなるため、同じ構造についての重複した説明は省略する。
図３に示すように、本実施形態に係る二次電池１２０は、電極組立体１０と、電極組立体１０が収容されるケース１５と、ケース１５を密閉するキャップ組立体５０とを含む。キャップ組立体５０は、ケース１５の開口に結合したキャッププレート２８と、第１電極１１と電気的に連結した第１端子２１と、第２電極１２と電気的に連結した第２端子２２とを含む。
キャッププレート２８は薄い板からなり、中央に短絡ホール２５を有する。
また、第１端子２１には第１端子２１と電気的に連結し、短絡ホール２５の上部に位置する第１タップ５２が設置される。第２端子２２には第２端子２２と電気的に連結し、短絡ホール２５の上部に位置する第２タップ５６が設置される。
第１タップ５２と第２タップ５６はキャッププレート２８の上部で離隔した状態で配置され、キャッププレート２８とも直接に接触しない。
短絡ホール２５の下部には可変プレート５１が設置され、可変プレート５１の上には中間部材５３が可変プレート５１に溶接で固定されている。
中間部材５３は可変プレート５１の周りに沿って可変プレート５１に溶接で固定され、可変プレート５１よりもさらに厚い素材からなる。
二次電池１２０の内部圧力が上昇すれば、可変プレート５１が二次電池１２０の外部に向かって上に膨らむように変形し、中間部材５３が上に上昇する。
上昇した中間部材５３は第１タップ５２と第２タップ５６を電気的に連結して短絡を誘導する。そして、中間部材５３による外部短絡が生じると、電池の内部充電による反応がそれ以上進行されない。
このように、本実施形態によれば、タップ５２、５６を電気的に連結することによって二次電池１２０の内圧が過度に上昇して電池が膨張することを防ぐことができ、タップ５２、５６がすべてケース１５の外側に位置することにより、短絡電流によって二次電池１２０内部で熱が過度に生じることを防ぐことができる。また、キャッププレート２８を通じて電流が流れないため、キャッププレート２８が過熱することを防ぐことができる。
さらに、第１タップ５２と第２タップ５６がすべて外部に位置するため、第１タップ５２と第２タップ５６を通じて熱を外部に容易に放出することができ、短絡部分が電解液の位置する部分と離れているため、電解液に悪影響を与えることを防ぐことができる。
図４は本発明の第３実施形態に係る二次電池を示す断面図である。
本実施形態に係る二次電池１３０は、電極組立体１０と、電極組立体１０が収容されるケース１５と、ケース１５を密閉するキャップ組立体６０とを含む。キャップ組立体６０は、ケース１５の開口に結合したキャッププレート２８と、第１電極１１と電気的に連結した第１端子２１と、第２電極１２と電気的に連結した第２端子２２とを含む。
キャッププレート２８は薄い板からなり、中央に短絡ホール２５を有する。
また、第１端子２１には第１端子２１と電気的に連結して短絡ホール２５の上部に位置する第１短絡タップ６７が設置される。
第１短絡タップ６７は大略板形状からなり、キャッププレート２８の上に配置される。第１短絡タップ６７のホールに第１端子２１が挟まれ、第１タップ６７の上部に設置されて第１端子２１に結合したナット３５によって第１端子２１に固定される。これにより、第１タップ６７はナット３５を通じて第１端子２１と電気的に連結する。
第２端子２２とナット３５の間には導電性連結タップ３６が設置されているが、導電性連結タップ３６は第２端子２２とキャッププレート２８を電気的に連結する役割を果たす。導電性連結タップ３６のホールに第２端子２２が挟まれているが、導電性連結タップ３６は上に設置されたナット３５を通じてキャッププレート２８に密着する。これにより、本実施形態では、キャッププレート２８が第２短絡タップとなる。
第１タップ６７とキャッププレート２８の間にはキャッププレート２８から第１タップ６７を絶縁するための上部絶縁部材６８が設置される。上部絶縁部材６８は一部が第１端子２１を囲み、上部絶縁部材６８の他の部分は第１タップ６７の側端を囲むように形成される。これにより、第１タップ６７が上部絶縁部材６８を通じて安定的に支持され、可変プレート６１の変形などによって接触するときにも第１タップ６７が変形することを最小化することができる。
また、短絡ホール２５の上部の第１タップ６７には円形の通気孔６７ａが形成される。また、上部絶縁部材６８にも短絡ホール２５の上部に対応する部分にホールが形成される。
可変プレート６１は短絡ホール２５の上部に設置されてキャッププレート２８に固定され、中間部材６３は可変プレート６１に溶接で固定されている。これにより、可変プレート６１は、キャッププレート２８を通じて第２電極１２と電気的に連結する。
可変プレート６１は上述した第１実施形態と同じ構造からなる。中間部材６３は可変プレート６１よりも溶融点がさらに高い素材からなる。可変プレート６１はアルミニウム、ステンレススチール（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）、またはその他の適切な物質からなり、中間部材６３はアルミニウム、ステンレススチール、銅、またはその他の適切な物質からなる。中間部材６３は大略円板形状で形成され、可変プレート６１の周りに沿って可変プレート６１に溶接で固定する。
二次電池１３０の内部圧力が上昇すれば、可変プレート６１が上に膨らむように変形して中間部材６３が上に上昇する。上昇した中間部材６３は第１短絡タップ６７とキャッププレート２８を電気的に連結して外部短絡を誘導し、内部充電による反応を進行させないことで、二次電池の膨張を防ぐ。
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。
１１０、１２０、１３０：二次電池
１０：電極組立体
１１：第１電極
１２：第２電極
１３：セパレータ
１５：ケース
２０、５０、６０：キャップ組立体
２１：第１端子
２２：第２端子
２５：短絡ホール
２８：キャッププレート
３４：下部絶縁部材
３６：導電性連結タップ
３８：上部ガスケット
３９：下部ガスケット
４１、５１、６１：可変プレート
４１ａ：可変プレート枠部
４１ｂ：可変部
４２、５２、６７：第１タップ
４６、５６：第２タップ
４３、５３、６３：中間部材
４７：連結バー
６７ａ：通気孔
６８：上部絶縁部材

Claims (19)

  1. 第１電極、第２電極、および前記第１電極と前記第２電極の間に介在した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、
    前記ケースの開口を覆うキャッププレート、前記第１電極と電気的に連結した第１タップ、前記キャッププレートに変形可能に支持された可変プレート、および前記可変プレートに付着した中間部材を含み、前記ケースと結合するキャップ組立体と、
    を含む二次電池。
  2. 前記可変プレートが変形するとき、前記中間部材が前記第１電極と前記第２電極の間で電気通路を形成する、請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記可変プレートは前記ケースの内圧の増加に応じて変形し、前記中間部材が前記第１タップと電気的に接触して前記第１電極および前記第２電極と電気的に連結する、請求項１又は２に記載の二次電池。
  4. 前記中間部材の材質は可変プレートの材質よりも高い溶融点を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次電池。
  5. 前記中間部材はアルミニウム、ステンレススチール（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）、および銅を含む群より選択された１つの材質からなり、
    前記可変プレートはアルミニウムおよびステンレススチールを含む群より選択された１つの材質からなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池。
  6. 前記中間部材の厚さは前記可変プレートの厚さよりも大きい、請求項１〜５のいずれか１項に記載の二次電池。
  7. 前記中間部材は連結バーを通じて前記可変プレートに付着する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の二次電池。
  8. 前記中間部材は前記第１タップと前記電極組立体の間に存在する、請求項７に記載の二次電池。
  9. 前記キャップ組立体は前記第２電極と電気的に連結する第２タップをさらに含み、
    前記連結バーは前記第１タップの端部と前記第２タップの端部の間に存在する、請求項７に記載の二次電池。
  10. 前記中間部材は前記第１タップと前記可変プレートの間に存在する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の二次電池。
  11. 前記第１タップは前記ケース内に存在する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の二次電池。
  12. 前記電極組立体は前記第１電極と電気的に連結する第１リードタップをさらに含み、
    前記第１タップは前記第１リードタップに付着する、請求項１１に記載の二次電池。
  13. 前記第１タップは前記ケースの外部に存在する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の二次電池。
  14. 前記可変プレートは前記キャッププレートに溶接される、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の二次電池。
  15. 前記キャップ組立体は絶縁部材をさらに含み、
    前記絶縁部材は前記第１タップと前記キャッププレートの間において、前記第１タップを前記キャッププレートから電気的に絶縁する、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の二次電池。
  16. 前記第１タップは開口を含み、
    前記第１電極と電気的に連結した第１端子は、前記開口を通じて前記ケースの内側から前記ケースの外側に突出する、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の二次電池。
  17. 前記第２電極は前記キャッププレートと電気的に連結する、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の二次電池。
  18. 前記可変プレートは前記ケースの内部に向かって湾曲して突出する、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の二次電池。
  19. 前記キャップ組立体は第１端子、第２端子、および第２タップをさらに含み、
    前記第１タップは前記第１端子と電気的に連結し、前記第２タップは前記第２端子と電気的に連結し、前記可変プレートは前記ケースの内圧の増加に応じて変形して前記中間部材が前記第１タップおよび前記第２タップと電気的に連結する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の二次電池。
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