JP2013534711A - 差等的リード構造の二次電池 - Google Patents

Abstract

本発明の一態様による差等的リード構造の二次電池は、正極タブを有する正極板、負極タブを有する負極板、及び前記正極板と負極板との間に介在される分離膜を含む電極組立体；前記電極組立体を収容する電池ケース；前記正極タブと電気的に連結される正極リード；及び前記正極リードと異なる材質からなり、前記負極タブと電気的に連結される負極リード；を含み、前記正極リード及び負極リードは相互差等的な断面積を有し、電気伝導度の低いリードが電気伝導度の高いリードより断面積が大きいことを特徴とする。

Description

本発明は、電気的構造を改善した二次電池に関し、より詳しくは、高容量二次電池の電気的特性を一層向上させるため、電気的特性を差等的に具現できるように構成したリードを有する二次電池に関する。

本出願は、２０１０年７月１９日出願の韓国特許出願第１０−２０１０−００６９４９９号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。

二次電池は、製品群に応じた適用性が高く、且つ、高いエネルギー密度などの電気的特性を有するため、携帯用機器だけでなく、電気的駆動源によって駆動する電気（車両）自動車（ＥＶ、Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）またはハイブリッド（車両）自動車（ＨＶ、Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などに適用されつつある。

このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少させ得るという一次的な長所だけでなく、エネルギー使用に伴う副産物が全く生じないという点で、環境にやさしく、エネルギー効率を向上できるため、新しいエネルギー源として注目を集めている。

二次電池（セル）は、外装の種類、構造などによってパウチ型、缶型、角形などに分類でき、電極構造体の構造的特性によってゼリーロール型（Ｊｅｌｌｙ‐ｒｏｌｌ ｔｙｐｅ、巻取型）、スタック型、スタック／折り畳み型（ｓｔａｃｋ／ｆｏｌｄｉｎｇ ｔｙｐｅ）などに分類することもできる。それぞれのタイプの基本的原理および構成などは相互対応するので、図１及び図２に示されたパウチ型二次電池を例示的な形態にして二次電池の概略的な構造を説明する。

図１に示されたように、パウチ型二次電池１０はパウチなどで構成される電池ケース２０及び電極集電体３０（電極組立体とも称される）を基本構造にし、前記電極集電体３０は、正極板、負極板、及び前記正極板と負極板との間に介在され、前記正極板と負極板との間を電気的に絶縁させるセパレータ（分離膜）などで構成される。

前記電極集電体３０は、正極板から延設される正極タブ３２及び負極板から延設される負極タブ３４を備える。前記正極タブ３２及び負極タブ３４は、導電性材質からなる正極リード３６及び負極リード３８と超音波溶接などの方法でそれぞれ接合される。このように接合されて延設される前記電極リード３６、３８は、二次電池と外部機器とを相互電気的に連結する所定の電極インターフェースとして機能する。

前記電極集電体３０などは、図１に示されたように、パウチケース２０の内部空間２３に収納された後、電解液が注入され、封止工程、エージング（Ａｇｉｎｇ）工程、成形工程などの後処理工程を経て二次電池セルになる。

図１には、１つのパウチケース２０が上部ケース２１及び下部ケース２２からなり、前記電極集電体３０が収納される内部空間２３が両方のケースに形成される形態を示したが、図２に示されたように、片方のケースのみに収納空間２３が形成されることもできる。

当業者であれば、ケースの物理的二元化如何または電極集電体が収納される空間などはパウチの原料、製品特性、工程環境、製品仕様などに応じて多様に組合せ又は変形できることは言うまでもない。

一方、二次電池の単位固体はセル（ｃｅｌｌ）と称され、二次電池の集合体はバッテリーアセンブリ（ｂａｔｔｅｒｙ ａｓｓｅｍｂｌｙ）又はバッテリーパック（ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ）と称される。以下、特に言及しない限り、本明細書における二次電池とは、セルだけでなくバッテリーアセンブリ又はバッテリーパックをも総称する。

近来、エネルギー効率性が強調され、且つ、容量増大が求められるにつれて、高容量又は大容量二次電池の使用が増加している。二次電池は内部の電気化学的反応によって充電または放電を繰り返すが、このように二次電池が高容量化される場合、充放電に伴う発熱は著しく増加する。

発熱の原因は多様な面で考えられる。その１つとして電極構造の電気的特性が挙げられる。特に、高容量二次電池では二次電池と外部機器との間に高電流が流れ、上記のような電極構造、特に、前記二次電池と外部機器との間の電気的導通のインターフェースとして働く電極リードの電気的抵抗は発熱の一要因になり、二次電池の性能具現に相当な影響を及ぼす要素になり得る。

このような発熱現象は、電気化学的反応をする二次電池に致命的な性能低下をもたらし得るため、高電流環境におけるこのような二次電池の問題点の改善がさらに求められる。

また、二次電池の物性的特性が挙げられる。一般に、正極電極構造と負極電極構造とを形成する材質は異なるものが使用される。例えば、正極電極構造は主にアルミニウム材質が使用され、負極電極構造は銅が主に使用される。

このような構造的な問題点により、二次電池内で電極間の抵抗不均一が生じ、このような抵抗不均一は局地的且つ部分的な不等発熱または副反応を引き起こす。このような不等発熱などは電池性能の均一性を低下させ、二次電池の退化速度をさらに加速化させ得る。

さらに、二次電池の抵抗特性改善を目的として単に電極構造を大きくすれば、膨れ（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象、外部の物理的影響などによって電極間短絡が起り得るため、このような要因を全て考慮した包括的な改善策が必要である。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、二次電池に採用されるリードの厚さ又は断面積を差等的に構成することで、高容量二次電池により高い適用性を具現し、部分発熱及びそれによる電池性能の低下に対処できる二次電池を提供することを目的とする。

本発明の他の目的及び長所は後述される本発明の実施例を通じて理解できるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に記載される構成とそれらの組合せによって実現することができる。

上記の目的を達成するため、本発明の差等的リード構造の二次電池は、正極タブを有する正極板、負極タブを有する負極板、及び前記正極板と負極板との間に介在される分離膜を含む電極組立体；前記電極組立体を収容する電池ケース；前記正極タブと電気的に連結される正極リード；及び前記正極リードと異なる材質からなり、前記負極タブと電気的に連結される負極リード；を含み、前記正極リード及び負極リードは相互差等的な断面積を有し、電気伝導度の低いリードが電気伝導度の高いリードより断面積が大きい。

より望ましい実施形態を具現するため、前記正極リード及び負極リードは相互差等的な厚さを有し、電気伝導度の低いリードが電気伝導度の高いリードより厚い。

望ましくは、前記正極リードはアルミニウム材質で構成され、前記負極リードは銅材質で構成される。

望ましくは、前記正極リードの断面積が前記負極リードの断面積より１．２ないし２．０倍である。

望ましくは、前記正極リードの厚さが前記負極リードの厚さより１．２ないし２．０倍である。

より望ましい実施形態を具現するため、前記正極リード及び負極リードを前記電池ケースの異なる面に備えることができる。

また、上記の目的を達成するため、本発明による自動車は上述した差等的リード構造の二次電池を含むことができる。

本発明による差等的リード構造の二次電池は、高電流が流れても二次電池の抵抗を効果的に分散又は均一化でき、高容量二次電池の性能を向上させることができる。

また、電極リードの断面積または厚さを電極の極性によって差等的に適用することで、両電極間の抵抗不均一現象を解消できるため、不等発熱及び不均一な電池の退化などを効率的に防止することができ、より経済的であって、競争力のある二次電池を具現することができる。

本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
二次電池の基本的な構造を示した斜視図である。 二次電池の他の基本的な構造を示した斜視図である。 本発明による二次電池を構成する各要素を示した平面図である。 本発明による二次電池の電極組立体の構成を示した分解図である。 本発明による二次電池の電極タブと電極リードとの結合関係を示した図である。 本発明の望ましい一実施例による電極リードの構造的特徴を示した図である。 本発明の他の望ましい実施例による電極リードの構造的特徴を示した図である。 本発明のさらに他の望ましい実施例による電極リードの構造的特徴を示した図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

図３は、本発明による差等的リード構造の二次電池（以下、二次電池と称する）１００を構成する各要素を示した平面図である。図３に示されたように、本発明の二次電池１００は電極組立体１１０、電極タブ１２０、１３０、電極リード１４０、１５０、及び電池ケース１６０を含む。

前記電極組立体１１０は、図４に示されたように、正極板５０、負極板５２、及び前記正極板５０と負極板５２との間に介在される所定形態の分離膜５１が交互に積層された構造である。上述したように、実施形態によっては巻取型、スタック型、スタック／折り畳み型などの多様な電極組立体を適用することができる。

正極集電体とも称される前記正極板５０は、主にアルミニウム材質でなるが、ステンレススチール、ニッケル、チタン、焼成炭素、またはアルミニウムやステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものを使用でき、二次電池に化学的変化を起こさず、高い導電性を有する材質であれば制限なく使用することができる。

前記正極板５０の一部領域には１つ以上の正極タブ１２０が備えられる。前記正極タブ１２０は、前記正極板５０が延びた形態でも良く、前記正極板５０の所定部位に導電性材質の部材を溶接などで結合する形態で構成しても良い。また、正極材料を前記正極板５０外周の一部領域に塗布及び乾燥する方式などの多様な方法で製作することもできる。

負極集電体とも称され、前記正極板に対応する負極板５２は、主に銅材質でなるが、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、またはアルミニウム‐カドミウム合金などを使用することができる。

前記負極板５２は、前記正極板と同様に、表面に微細な凹凸を形成して活物質の結合力を強化させることができ、フィルム、シート、ホイル、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態で具現することができる。

同様に、前記負極板５２も一部領域に１つ以上の負極タブ１３０が備えられる。上述した正極タブ１２０と同様に、前記負極板５２が延びた形態でも良く、負極板５２の所定部位に導電性材質の部材を溶接などで結合する形態で構成しても良い。また、負極材料を前記負極板５２外周の一部領域に塗布及び乾燥する方式などの方法で具現することもできる。

図４に示されたような複数の正極タブ１２０及び複数の負極タブ１３０は、図５に示されたように、一定方向に集められた後、それぞれのリード１４０、１５０と結合される。

すなわち、前記正極リード１４０及び負極リード１５０の一端は、それぞれ前記正極タブ１２０及び負極タブ１３０と結合され、他端は上述したように、電池ケース１６０の外部に露出する形態で構成される。このような構成によって、前記正極リード１４０及び負極リード１５０は二次電池の電池端子として機能するようになる。

前記正極リード１４０及び負極リード１５０は、結合されるタブ及び極板との電気的特性を同等に維持し、充放電による電気的効率を向上させるため、結合される電極構造によって異なる材質でなることが望ましい。

すなわち、極板及びタブの物性的材質、電気抵抗値の大きさ、費用効率などを総合的に考慮し、さらに二次電池の電極電位を最も安定した状態に維持するため、前記正極リード１４０はアルミニウム（Ａｌ）材質の導電性部材を使用し、前記負極リード１５０は銅（Ｃｕ）またはニッケル（Ｎｉ）がコーティングされた銅を使用することが望ましい。

このように構成される二次電池１００の電気的特性を見れば、電極リードを含む電極構造の材質が二元化しており、負極（Ｃｕ）よりは正極（Ａｌ）の方に電気抵抗が大きくかかるようになる。

小型二次電池を短期的且つ一時的に使用するときは、このような電極における電気抵抗の不等性は大した問題にならない。しかし、大型二次電池で持続的に充電または放電が繰り返されるときは、高電流が流れることによる発熱や発熱によって二次的に引き起こされる性能減退などは大きい問題になる。

さらに、上記のような二元化した材質による電気抵抗の差は、部分的ないし局所的な不等発熱及び不均一な性能退化をさらに加速化し得るため、このような問題点を改善するため、電気抵抗などの電気的特性を均一化することが望ましい。

そのために本発明では、図６に示されたように、相対的に電気伝導度の低いアルミニウム材質でなる正極リード１４０が電気伝導度の高い銅材質でなる負極リード１５０より大きい断面積を有するように構成する。

すなわち、電流の流れる導電媒体における断面積の大きさは電気抵抗と反比例するため、相対的に電気伝導度の低い（抵抗成分が大きい）正極リード１４０の断面積は大きくし、逆に、相対的に電気伝導度の高い負極リード１５０の断面積は小さくする差等的な構成を採ることで、各電極における電気抵抗に対する同等性を確保することができるようになる。

ここで、断面積の大小は、絶対的な基準ではなく、上述したように、電気伝導度の相異なる電極リードにおいて一方の電極リードの断面積を他方の電極リードの断面積より大きくするという相対的概念で解釈されなければならない。

一方、二次電池は過充電されたり、電気的環境が急激に変化すれば、正極では電解液分解現象が生じ、負極ではリチウム金属の析出現象が生じ得る。このような現象が発生すれば、二次電池の性能が低下するだけでなく、化学反応に伴う発熱によってガスが発生することがある。

また、電解液にはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどの溶媒を使用するが、このような溶媒は高温で分解されてガスなどが発生し、それに伴う圧力の増加により一種の膨れ（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象が発生する恐れを内在している。このような膨れ現象は電気的短絡を引き起こし得るだけでなく、膨れた状態で外部の衝撃が加えられればスパークが発生して発火に繋がり、さらに危険である。

すなわち、このような膨れ現象が生じれば、二次電池の物理的大きさ又は体積の変化が引き起こされ、このような変化によって電極リード間の物理的接触（短絡）が生じ得る。

このように二次電池では、電気的短絡を防止し、最小化する必要がある。上述したように、電極リードの抵抗を相対的に調整して低減させるために、図６に示されたように、電極リード１４０、１５０の幅ｂ、ｂ’を相互差等的に構成して各電極リード１４０、１５０の断面積を調整することもできる。しかし、このような場合、膨れ現象によって電極間の物理的接触（短絡）が発生する可能性が相対的に高いと言えるので、図６に示されたように、二次電池の実施形態のうち電極リード構造が同一側面に共に配置される実施例の場合は、正極リードと負極リードとの厚さパラメーターｃ、ｃ’を相互差等的に構成することがさらに望ましい。

すなわち、同一側面に電極リードが設けられる実施形態では、二次電池の製造に対する制限条件が許容される範囲内で、電極リード間の間隔はなるべく離隔して構成することが望ましく、両電極リード間の電気的抵抗の差については、本発明で提案するように両電極リードの厚さｃ、ｃ’を相対的に差等的に構成することで実現することが望ましい。

また、さらに望ましい実施形態を具現するため、本発明の正極リード１４０の厚さは負極リード１５０の厚さより１．２ないし２．０倍になるように構成する。アルミニウムの電気伝導度は銅の電気伝導度の６０％程度であるため、このような電気的特性を反映して上記のような相対的厚さに構成すれば、誤差範囲を考慮して実質的に同じレベルの電気抵抗特性値を維持することができる。

一方、図６に示されたように、同一側面に電極リード構造が設けられる実施例では、電気的特性に対する電池設計段階、工程ライン環境、組合せ工程の効率性などを考慮すれば、厚さに対するパラメーターを調整して各電極リードの断面積を差等的に構成し、正極リード１４０及び負極リード１５０の幅ｂ、ｂ’及び長さａ、ａ’に対するパラメーターは同等なレベルに構成することが望ましい。電極リード１４０、１５０の長さａ、ａ’を調整して相互間の抵抗成分を調整できることは勿論である。

以下、本発明の他の態様による実施例を図７及び図８を参照して説明する。二次電池の詳細構成、構造、機能などは、上記の説明と同一又は対応するため、詳しい説明は省略する。

図７及び図８は、正極リード１４０と負極リード１５０とが電池ケース１６０の異なる側面に設けられる実施例を示している。

このように電極リード１４０、１５０をそれぞれ電池ケース１６０の相異なる側面に設ける場合、上述した膨れなどによる電極短絡の可能性が相対的に低くなるため、各電極リードの幅に対するパラメーター調整に相対的に大きい自由度が与えられる。

一方、図７及び図８は、電極リードが電池ケース１６０の上側面、下側面に設けられる実施例を示しているが、左側面、右側面を含み、多様な組合せで電極リードを構成することができる。この場合、正極タブ、負極タブもそれと対応する形態で構成することが望ましい。

図７は、電極リード１４０、１５０の厚さを差等的に構成することで、それぞれの断面積を差等的に構成した実施例を示している。上述したように、電気伝導度の低い電気的特性を有する電極リード１４０の厚さｃを電気伝導度の高い電気的特性を有する電極リード１５０の厚さｃ’より厚く構成することで、各電極の全体的な電気抵抗的特性の同等性を確保することができる。

図８は、電極リード１４０、１５０の幅を差等的に構成する実施例である。図８に示されたように、電気伝導度の低い材質で構成される電極リードである正極リード１４０の幅ｂを電気伝導度の高い材質で構成される電極リードである負極リード１５０の幅ｂ’より広く構成する実施例である。

勿論、図７と図８との実施例を組み合わせて電極リード１４０、１５０の厚さ及び幅に対するパラメーターを組合せして差等的に適用することで、各電極リードの電気抵抗を相互対応するように構成することもできる。

このような二次電池は、自動車用バッテリーパックに適用することができる。すなわち、本発明による自動車は、上述した二次電池を含むことができる。例えば、本発明による電気自動車またはハイブリッド自動車は、上述した二次電池を含むことができる。

以上のように、本発明は、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で多様に置換、変形、及び変更することができるため、上述した実施例及び添付する図面によって限定されるものではない。

Claims (8)

1. 差等的リード構造を有する二次電池であって、
   正極タブを有する正極板と、負極タブを有する負極板と、及び前記正極板と負極板との間に介在される分離膜とを備えてなる電極組立体と、
   前記電極組立体を収容する電池ケースと、
   前記正極タブと電気的に連結される正極リードと、並びに
   前記正極リードと異なる材質からなり、前記負極タブと電気的に連結される負極リードとを備えてなり、
   前記正極リード及び負極リードが、
   相互差等的な断面積を有し、電気伝導度の低いリードが電気伝導度の高いリードより断面積が大きいことを特徴とする、差等的リード構造の二次電池。
2. 前記正極リード及び負極リードが、
   相互差等的な厚さを有し、電気伝導度の低いリードが電気伝導度の高いリードより厚いことを特徴とする、請求項１に記載の差等的リード構造の二次電池。
3. 前記正極リードが、アルミニウム材質でなることを特徴とする、請求項２に記載の差等的リード構造の二次電池。
4. 前記負極リードが、銅材質でなることを特徴とする、請求項３に記載の差等的リード構造の二次電池。
5. 前記正極リードの厚さが、前記負極リードの厚さより１．２ないし２．０倍であることを特徴とする、請求項４に記載の差等的リード構造の二次電池。
6. 前記正極リードの断面積が、前記負極リードの断面積より１．２ないし２．０倍であることを特徴とする請求項１に記載の差等的リード構造の二次電池。
7. 前記正極リード及び負極リードが、前記電池ケースの異なる面に備えられることを特徴とする、請求項１に記載の差等的リード構造の二次電池。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の差等的リード構造の二次電池を備えた、車両。

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