JP2011054567A

JP2011054567A - ２次電池

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Publication number: JP2011054567A
Application number: JP2010184437A
Authority: JP
Inventors: Dong-Hyun Lee; 東▲ヒョン▼ 李
Original assignee: SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: SB LiMotive Co Ltd
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2030-08-19
Also published as: US8697272B2; JP5297424B2; CN102005602A; US20110052975A1; KR101191661B1; KR20110025036A; ATE557435T1; EP2290732B1; CN102005602B; EP2290732A1

Abstract

【課題】電極群及びケースを安定的に絶縁しながら、電極群の形状を維持することが可能な２次電池を提供する。
【解決手段】共に巻き取られる正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に位置するセパレータを含む電極群と、電極群が内蔵されるケースと、電極群と電気的に連結される端子と、電極群と前記ケースとの間に位置して、ベース及び前記ベースから延びる四つの絶縁板を含む絶縁部材とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、２次電池に関する。

２次電池（rechargeable battery）は、充電が不可能な１次電池とは異なって、充電及び放電が可能な電池である。低容量の２次電池は、携帯電話やノートパソコン及びカムコーダーなどの携帯が可能な小型電子機器に主に使用され、大容量の２次電池は、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使用されている。

最近では、高エネルギー密度の非水電解液を利用した大容量高出力２次電池が開発されており、前記大容量高出力２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使用されるように、複数の２次電池を直列に連結して、高出力２次電池に構成される。

また、一つの高出力２次電池は、通常、直列に連結される複数の２次電池から構成され、２次電池は、円筒型及び角型などに形成される。

角型２次電池は、一般に、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、電極群と電気的に連結され、端子ホールに挿入されて、ケースの外側に突出する端子を含む。

ここで、電極群とケースとの間を絶縁する必要があるが、電極群とケースとの間に絶縁フィルムを設置する工程が複雑であるだけでなく、設置する工程で絶縁フィルムが破れる不良が発生する恐れがある。絶縁フィルムが破れると、内部短絡を誘発して、２次電池が膨張するなどの問題が発生する。

また、電極群は、正極と負極との間にセパレータを介在させて積層し、これを巻き取った後で平たく加圧することによって、ゼリーロール状に形成されるが、この場合、両側端部が中間部分に対して凸状の亜鈴型断面構造を有するようになる。すなわち、両側端部が中間部分に比べて厚い断面構造となる。そのため、電極群において、凸状の両端部分に比べて平らな部分は相対的に厚さが薄くて、界面が安定的に密着しない問題がある。

２次電池が充電及び放電を繰り返すことによって電極群が膨張及び収縮を繰り返すが、このとき、電極群が不規則に膨張または収縮されると、２次電池の性能が低下する問題がある。また、膨張する過程で電極群の間に間隙が発生し、このような間隙は界面の不均一をもたらして、２次電池の性能を低下させる原因となる。

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、電極群及びケースを安定的に絶縁しながら、電極群の形状を維持することが可能な、新規かつ改良された２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、共に巻き取られる正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に位置するセパレータを含む電極群と、電極群が内蔵されるケースと、電極群と電気的に連結される端子と、電極群と前記ケースとの間に位置して、ベース及び前記ベースから延びる四つの絶縁板を含む絶縁部材とを備えることを特徴とする２次電池が提供される。

上記ベースは、前記ケースの底部内面と接触してもよい。

上記電極群は、第１部分及び前記第１部分の両側端部に各々形成される第２部分を含み、絶縁部材は、前記第１部分に対応する突出部を含んでもよい。

上記突出部は、二つの傾いた部分の間に位置した平らな部分を含んでもよい。

上記絶縁板のうちの一つは、前記電極群が膨張して内部に進入するようにする緩衝溝を備えてもよい。

上記絶縁部材は、前記電極群と前記ケースとの間の相対的な移動を防止してもよい。

上記ベースは、前記電極群の湾曲した端部を収容するように弧形の曲面を有してもよい。

上記絶縁部材は、フィルムが積層されたシートを含んでもよい。

上記フィルムは、ＰＰ（Polypropylene）、ＰＥ（Polyethylene）、ＰＰＳ（Polyphenylene sulfide）、ＰＢＴ（Polybutylene Terephthalate）、ＰＴＦＥ（Poly tetra fluoro ethylene）、ＰＦＡ（Perfluoroalkoxy）、ＦＥＰ（Fluorinated Ethylene Propylene）、ＰＶＤＦ（Polyvinylidene fluoride）、及びこれらの組み合わせから構成された群より選択されてもよい。

上記絶縁部材には前記ベースと前記絶縁板との間の境界に溝が形成され、絶縁部材が前記溝に沿って折り曲げられてもよい。

上記四つの絶縁板のうちの二つの絶縁板は平板であってもよい。

上記各々の絶縁板は、前記ケースの各側壁と接触してもよい。

上記ケースを密封するキャッププレートに設置される端子に前記電極群を連結するリードタップをさらに含んでもよい。

上記絶縁板のうちの一つが前記リードタップと前記ケースとの間に位置してもよい。

上記リードタップと前記ケースとの間に位置した前記絶縁板は平板であってもよい。

上記絶縁部材は、前記ケースの内面と接触してもよい。

以上説明したように本発明によれば、電極群の界面を均一に維持することによって、安定した容量を維持することができ、絶縁部材を電極群とケースとの間の位置に容易に設置して、電極群及びケースを安定的に絶縁することができる。

本発明の第１の実施形態に係る２次電池を示した分解斜視図である。図１の２次電池を結合した状態を示した斜視図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断して示した断面図である。図２のＩＶ−ＩＶ線に沿って切断して示した断面図である。本発明の第１の実施形態及び比較例による２次電池の充放電サイクルによる容量の変化を示したグラフである。本発明の第１の実施形態に係る絶縁部材を示した部分断面図である。本発明の第１の実施形態の変形例に係る絶縁部材を示した部分断面図である。本発明の第１の実施形態の変形例に係る絶縁部材を示した部分断面図である。本発明の第１の実施形態の変形例に係る絶縁部材を示した部分断面図である。本発明の第２の実施形態に係る絶縁部材を示した斜視図である。本発明の第２の実施形態に係る２次電池を示した縦断面図である。

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。

図１は本発明の第１の実施形態に係る２次電池を示した分解斜視図である。図２は図１の２次電池を結合した状態を示した斜視図である。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断して示した断面図であり、図４は図２のＩＶ−ＩＶ線に沿って切断して示した断面図である。

上記図面を参照して説明すると、２次電池１００は、正極１１及び負極１２、この正極１１と負極１２との間に介在されたセパレータ１３を含む電極群１５、内部に電極群１５を収容する空間が形成されたケース１４、ケース１４の開口部１４ａと結合されたキャッププレート１７、及びキャッププレート１７に設置されて、電極群１５と電気的に連結される正極端子２１及び負極端子２２を含む。

また、正極１１及び負極１２は、各々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、及び活物質が塗布されない領域である無地部１１ａ、１２ａを含む。正極無地部１１ａは、正極１１の長さ方向に沿って一側端に形成され、負極無地部１２ａは、負極１２の長さ方向に沿って他側端に形成される。

正極１１及び負極１２は、絶縁体であるセパレータ１３を中心に介在して積層され、巻取ロールなどを利用して巻き取られて、ゼリーロール状の電極群１５を構成する。電極群１５は、ケース１４に内蔵されるようにプレスなどで加圧されて、平たい形態からなるが、この時、加圧される複数の極板が両側に押し出されて、両側端部（第２部分の一例）が中間部分（第１部分の一例）に比べて盛り上るように膨らんで凸部１５ｂが形成され、凸部１５ｂの間には平らな構造の平坦部１５ａが形成される。図２〜図４を参照して説明すると、電極群１５の側面端部に形成された正極無地部１１ａには正極端子２１のリードタップ２１ａが溶接で付着され、負極無地部１２ａには負極端子２２のリードタップ２２ａが溶接で付着される。

ケース１４は、アルミニウム、アルミニウム合金、またはニッケルがメッキされたスチールなどの導電性金属で製作され、その形状は、電極群１５が内蔵される空間が形成されたものであり、一面に開口部１４ａが形成された例えば六面体の角型に構成される。

図１に示したように、ケース１４と電極群１５との間にはこれらの電気的な絶縁のための絶縁部材３０が設置される。絶縁部材３０は展開すると十字形に構成され、ケース１４の底部（より正確には底部内面）に密着するベース３１と、ベース３１の第１側端３１ａから延びる第１絶縁板３２と、第１側端３１ａの反対側に形成されたベース３１の第２側端３１ｂから延びる第２絶縁板３４とを含む。また、絶縁部材３０は、第１側端３１ａと交差する第３側端３１ｃから延びる第３絶縁板３６と、第３側端３１ｃの反対側に形成された第４側端３１ｄから延びる第４絶縁板３８とをさらに含む。第１〜第４絶縁板３２、３４、３６、３８は、ケース１４の内面と各々接触する。

絶縁部材３０は、ＰＰ（Polypropylene）、ＰＥ（Polyethylene）、ＰＰＳ（Polyphenylene sulfide）、ＰＢＴ（Polybutylene Terephthalate）、ＰＴＦＥ（Poly tetra fluoro ethylene）、ＰＦＡ（Perfluoroalkoxy）、ＦＥＰ（Fluorinated Ethylene Propylene）、ＰＶＤＦ（Polyvinylidene fluoride）などから構成された群より選択される一つまたは二つ以上の物質を含むことができる。

このような絶縁部材３０は、図１に示したようにケース１４の開口部１４ａ上に位置し、電極群１５がケース１４に挿入される過程で絶縁板３２、３４、３６、３８が折り曲げられる。そして、絶縁部材３０が電極群１５を概ね囲むように挿入される。

絶縁部材３０は、ほぼ上部が開口された直方体を展開した形態に最初に設置されるが、絶縁部材３０の折り曲げられる前の最初の形態は十字形に構成される。

本実施形態のように絶縁部材３０を十字形に形成すると、電極群１５を挿入する過程で絶縁部材３０が折り曲げられて、電極群１５とケース１４との間に容易に設置される。

電極群１５がケース１４に挿入された後には端子２１、２２にナット２５が締結されて、電極群１５を電極群１５の上から支持する。ナット２５とキャッププレート１７との間にはこれらの間の絶縁のためのガスケット２８が備えられる。

図１及び図４を参照して説明すると、第１絶縁板３２には電極群１５の平坦部１５ａに密着した支持部（突出部）３２ａが突出形成される。また、第２絶縁板３４にも電極群１５の他面に形成された平坦部１５ａに密着した支持部（突出部）３４ａが形成される。

支持部３２ａ、３４ａは、平坦部１５ａの前面と接して、平坦部１５ａと隣接した凸部１５ｂと接するように電極群１５の両面に各々密着し、支持部３２ａ、３４ａの両側端部が傾いた構造に構成される。

支持部３２ａ、３４ａは、平坦部１５ａと接する部分は平面からなり、凸部１５ｂと接する部分は傾くように形成されて、平坦部１５ａを安定的に支持し、凸部１５ｂの一部とも安定的に接することができる構造に構成される。つまり、支持部３２ａ、３４ａは、二つの傾いた部分の間に位置する平坦部を含み、これによって支持部３２ａ、３４ａの縦断面は、図１及び図４に示すように、ほぼ台形に構成される。

一方、第３絶縁板３６及び第４絶縁板３８は、リードタップ２１ａ、２２ａとケース１４との間に位置して、リードタップ２１ａ、２２ａがケース１４と接触するのを防止する。絶縁部材３０がケース１４内に挿入されると、絶縁部材３０はほぼ上部が開口された直方体に構成される。この第３絶縁板３６及び第４絶縁板３８は、第１絶縁板３２や第２絶縁板３４のような支持部が形成されずに、平面のみから形成された平板であってもよい。

２次電池１００が充電及び放電を繰り返す間に電極群１５が膨張及び収縮を繰り返し、支持部３２ａ、３４ａがケース１４と電極群１５との間で電極群１５の平坦部１５ａを加圧して、電極群１５の形態が維持されるようにすることによって、電極群１５の界面が不均一になるのを防止することができる。

図５は本発明の第１の実施形態及びその変形に係る２次電池、比較例による２次電池の充放電サイクルによる容量の変化を示したグラフである。２次電池は全て５Ａの定格電流を有するものが使用され、２．８Ｖから４．２Ｖまで充電及び放電を１Ｃで実施した。

第１の実施形態（First embodiment）においては、２４枚のフィルムを積層して支持部３２ａ、３４ａを形成した。本実験では、支持部の高さを明確にするために、一体に構成された支持部を使用せずに複数枚のフィルムを積層して形成した。第１の実施形態の変形（Embodiment modified from the first embodiment）においては、１２枚のフィルムを積層して支持部を形成し、第１の比較例（Comparative Example 1）は、支持部を形成せず、第２比較例（Comparative Example 2）は、支持部を形成せずに電極群の界面が最初から不均一な２次電池を使用した。

図５に示したように、支持部を形成した電極群は、２００サイクルの充放電後に容量が殆ど減少しなかったが、支持部を形成しない電極群は、容量が約９８％まで減少した。また、４００サイクルの充放電後には、支持部を形成した電極群は容量が９６％まで減少したが、支持部を形成しない電極群は容量が殆ど９３％まで減少した。

本実施形態のように支持部を形成した２次電池の場合は、支持部を形成しない場合より容量維持率が高かった。これは、支持部が電極群を支持して、界面が均一に維持されたためである。また、２４枚のフィルムを使用した場合が１２枚のフィルムを使用した場合より容量維持率が高かった。

図６Ａ〜図６Ｄは、本発明の第１の実施形態及び多様な変形例に係る絶縁部材を示した部分断面図である。

図６Ａに示したように、絶縁部材３０において、ベース３１と第１〜第４絶縁板３２、３４、３６、３８との間の境界には、第１〜第４絶縁板３２、３４、３６、３８がより簡単に折り曲げられるように溝３５が形成される。第１の実施形態の溝３５は、絶縁部材３０の上面に三角形の断面に形成される。

また、図６Ｂに示したように、絶縁部材４１の下面に三角形の断面を有する溝４１ａが形成され、図６Ｃに示したように、絶縁部材４２の上面に四角形の断面を有する溝４２ａが形成されてもよい。また、図６Ｄに示したように、絶縁部材４３の下面に四角形の断面を有する溝４３ａが形成されてもよい。

図７は本発明の第２の実施形態に係る絶縁部材を示した斜視図であり、図８は本発明の第２実施形態に係る２次電池を示した縦断面図である。

図７及び図８を参照して説明すると、本実施形態による２次電池は、絶縁部材５０の構造を除いては上記第１の実施形態による２次電池と同一な構造からなるため、同一な構造に関する重複説明は省略する。

本実施形態による絶縁部材５０は、ケース１４の底部に密着するベース５１と、ベース５１の第１側端５１ａから延びる第１絶縁板５２と、第１側端５１ａの反対側に形成されたベース５１の第２側端５１ｂから延びる第２絶縁板５４とを含む。また、絶縁部材５０は、第１側端５１ａと交差する第３側端５１ｃから延びる第３絶縁板５６と、第３側端５１ｃの反対側に形成された第４側端５１ｄから延びる第４絶縁板５８とをさらに含む。

ベース５１は、凸状の弧形に形成された電極群１５の下端を安定的に支持することができるように、電極群１５と接する上面が凹状の弧形に形成される。これにより、ベース５１が電極群１５を安定的に支持することができ、外部の衝撃などによって電極群１５が揺れたり電極群１５が離脱するのを防止することができる。電極群１５が揺れたり離脱すると、端子２１、２２と電極群１５との間の接触が不良になるなどの問題が発生するが、本実施形態のようにベース５１の上面を弧形に形成すれば、電極群１５をより安定的に支持することができる。

第１絶縁板５２には電極群１５の平坦部１５ａに密着して支持する支持部５２ａが突出形成され、支持部５２ａの中央には四角形の緩衝溝５２ｂが形成される。

支持部５２ａは、平坦部と接する部分は平面に形成され、凸部１５ｂと接する部分は傾斜した弧形の曲面５２ｃに形成される。凸部１５ｂは平坦部の上下と接するため、支持部５２ａには二つの凹んだ曲面５２ｃが形成される。

第２絶縁板５４にも電極群１５の平坦部１５ａに密着して支持する支持部５４ａが突出形成され、支持部５４ａの中央には緩衝溝５４ｂが形成される。

支持部５４ａは、平坦部１５ａと接する部分は平面に形成され、凸部１５ｂと接する部分は弧形の凹部に形成される。

本実施形態のように、弧形の凹んだ曲面５２ｃ、５４ｃを形成すると、曲面５４ｃが凸部１５ｂと密着する。密着した曲面５２ｃ、５４ｃは、電極群１５を両端で支持して引っ張る役割を果たす。それによって、電極群１５の界面が不良になるのを防止することができる。

また、充電及び放電が進められる間に電極群１５は膨張するが、膨張した電極群１５が加圧されると電極群１５の劣化が促進され、２次電池２００の寿命が短縮される問題がある。本実施形態においては、電極群１５を安定的に支持しながら、電極群１５の劣化を防止するために、緩衝溝５２ｂ、５４ｂを形成した。

より正確には、電極群１５が膨張すると、緩衝溝５２ｂ、５４ｂに進入して、電極群１５に加圧力が強く作用するのを防止することができる。

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、２００２次電池
１４ケース
１５電極群
１５ａ平坦部
１５ｂ凸部
１７キャッププレート
２１正極端子
２２負極端子
３０、５０絶縁部材
３１、５１ベース
３１ａ、５１ａ第１側端
３１ｂ、５１ｂ第２側端
３１ｃ、５１ｃ第３側端
３１ｄ、５１ｄ第４側端
３２、５２第１絶縁板
３４、５４第２絶縁板
３６、５６第３絶縁板
３８、５８第４絶縁板
３２ａ、３４ａ、５２ａ、５４ａ支持部
３５溝
５２ｂ、５４ｂ緩衝溝
５２ｃ、５４ｃ曲面

Claims

共に巻き取られる正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に位置するセパレータを含む電極群と、
前記電極群が内蔵されるケースと、
前記電極群と電気的に連結される端子と、
前記電極群と前記ケースとの間に位置して、ベース及び前記ベースから延びる四つの絶縁板を含む絶縁部材と、
を備えることを特徴とする、２次電池。
前記ベースは、前記ケースの底部内面と接触することを特徴とする、請求項１に記載の２次電池。
前記電極群は、第１部分及び前記第１部分の両側端部に各々形成される第２部分を含み、
前記絶縁部材は、前記第１部分に対応する突出部を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の２次電池。
前記突出部は、二つの傾いた部分の間に位置した平らな部分を含むことを特徴とする、請求項３に記載の２次電池。
前記絶縁板のうちの一つは、前記電極群が膨張して内部に進入するようにする緩衝溝を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の２次電池。
前記絶縁部材は、前記電極群と前記ケースとの間の相対的な移動を防止することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の２次電池。
前記ベースは、前記電極群の湾曲した端部を収容するように弧形の曲面を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の２次電池。
前記絶縁部材は、フィルムが積層されたシートを含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の２次電池。
前記フィルムは、ＰＰ（Polypropylene）、ＰＥ（Polyethylene）、ＰＰＳ（Polyphenylene sulfide）、ＰＢＴ（Polybutylene Terephthalate）、ＰＴＦＥ（Poly tetra fluoro ethylene）、ＰＦＡ（Perfluoroalkoxy）、ＦＥＰ（Fluorinated Ethylene Propylene）、ＰＶＤＦ（Polyvinylidene fluoride）、及びこれらの組み合わせから構成された群より選択されることを特徴とする、請求項８に記載の２次電池。
前記絶縁部材には前記ベースと前記絶縁板との間の境界に溝が形成され、
前記絶縁部材が前記溝に沿って折り曲げられることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の２次電池。
前記四つの絶縁板のうちの二つの絶縁板は平板であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の２次電池。
前記各々の絶縁板は、前記ケースの各側壁と接触することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の２次電池。
前記ケースを密封するキャッププレートに設置される端子に前記電極群を連結するリードタップをさらに含むことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の２次電池。
前記絶縁板のうちの一つが前記リードタップと前記ケースとの間に位置することを特徴とする、請求項１３に記載の２次電池。
前記リードタップと前記ケースとの間に位置した前記絶縁板は平板であることを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の２次電池。
前記絶縁部材は、前記ケースの内面と接触することを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の２次電池。