JP2014212098A - 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】本発明の一実施形態にかかる二次電池は、負極と正極とを含む電極アセンブリと、前記電極アセンブリが内蔵される空間を有するケースと、前記電極アセンブリと電気的に連結され、前記ケースの外側に突出した端子と、前記端子と前記電極アセンブリとを電気的に連結する集電部材と、前記集電部材を部分的に囲む絶縁部材と、を含み、前記集電部材には、複数のヒューズ部が形成され、前記ヒューズ部は、前記絶縁部材によって囲まれた第1ヒューズ部と、前記絶縁部材によって囲まれずに露出した第2ヒューズ部とを含む。【選択図】図3

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、過電流の発生時に危険性を低減することができる安全装置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、携帯電話やノートパソコンおよびビデオカメラのように携帯可能な小型電子機器に用いられ、大容量電池は、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高出力二次電池が開発されており、前記高出力二次電池は、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の駆動に使用できるように、複数の二次電池を直列に連結して大容量の二次電池として構成される。
また、1つの大容量二次電池は、通常、直列に連結される複数の二次電池からなり、二次電池は、円筒形や角形などとなり得る。
金属などの材質からなるケースを有する二次電池の内部に過電流が流れると、二次電池の温度が上昇して発火する危険性がある。また、過電流により二次電池の内部で電解液分解されるなどの原因で二次電池の内部圧力が上昇すると、二次電池が爆発する危険性がある。
そこで、本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、安全性が向上した二次電池を提供することである。
本発明の一実施形態にかかる二次電池は、負極と正極とを含む電極アセンブリと、前記電極アセンブリが内蔵される空間を有するケースと、前記電極アセンブリと電気的に連結され、前記ケースの外側に突出した端子と、前記端子と前記電極アセンブリとを電気的に連結する集電部材と、前記集電部材を部分的に囲む絶縁部材と、を含み、前記集電部材には、複数のヒューズ部が形成され、前記ヒューズ部は、前記絶縁部材によって囲まれた第1ヒューズ部と、前記絶縁部材によって囲まれずに露出した第2ヒューズ部とを含む。
集電部材には、ヒューズホールが形成され、ヒューズホールの一側端に第1ヒューズ部が連結形成され、ホールの他側端に第2ヒューズ部が連結形成され得、前記集電部材は、端子に固定される端子接合部と、端子接合部から折曲形成された側板と、側板から折曲形成され、無地部に固定された集電片とを含むことができる。
前記集電部材は、前記側板の下部に連結形成された連結部と、前記連結部から折曲形成され、無地部に固定された集電片とを含むことができ、前記絶縁部材は、前記端子接合部を囲む上部絶縁部を含み、前記上部絶縁部には、前記第2ヒューズ部を露出させる切開部が形成され得る。
前記集電部材には、ヒューズホールが形成され、前記上部絶縁部には、前記ヒューズホールに挿入される離隔支持部が形成され得、前記絶縁部材は、前記側板を囲む側面絶縁部と、前記側板に連結された集電片を囲む集電絶縁部とを含むことができる。
前記絶縁部材は、前記連結部を囲む下部絶縁部と、前記連結部から折曲形成された集電片を囲む集電絶縁部とを含むことができ、前記第1ヒューズ部と前記第2ヒューズ部は、前記絶縁部材の幅方向に沿って平行に配置され得る。
前記集電部材には、第1ヒューズホールと第2ヒューズホールが形成され、前記第1ヒューズホールと前記第2ヒューズホールは、前記集電部材の幅方向に沿って平行に配置され得る。
前記第1ヒューズホールの一側端に前記第1ヒューズ部が連結形成され、前記第2ヒューズホールの側端に前記第2ヒューズ部が連結形成され、前記第1ヒューズホールと前記第2ヒューズホールとの間に第3ヒューズ部が形成され得る。
前記絶縁部材には、前記第1ヒューズ部と前記第2ヒューズ部を露出させる切開部が形成され得、前記絶縁部材は、インサート射出で形成され得る。また、前記絶縁部材は、ポリプロピレン(PP)、ペルフルオロアルコキシ(PFA)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)からなる群より選択されるいずれか1つの物質を含むことができる。
本発明によれば、過電流によりヒューズが作動する時、ヒューズが順次に切れるため、アークの発生を低減し、安全性が向上する。
本発明の第1実施形態にかかる二次電池を示す斜視図である。 図1におけるII−II線断面図である。 本発明の第1実施形態にかかる電極アセンブリと集電部材を示す分解斜視図である。 図3におけるIV−IV線断面図である。 本発明の第1実施形態にかかる集電部材を示す斜視図である。 本発明の第1実施形態にかかる絶縁部材を示す斜視図である。 本発明の第2実施形態にかかる集電部材と絶縁部材を示す斜視図である。 本発明の第2実施形態にかかる集電部材を示す斜視図である。
以下、添付した図面を参考にして、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように本発明の実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、種々の異なる形態で実現可能であり、以下に説明する実施形態に限定されない。そして、本明細書および図面において、同一の符号は同一の構成要素を表す。
図1は、本発明の第1実施形態にかかる二次電池を示す斜視図であり、図2は、図1におけるII−II線断面図である。
図1および図2を参照して説明すれば、第1実施形態にかかる二次電池101は、正極11と負極12との間にセパレータ13を介在して巻き取られた電極アセンブリ10と、電極アセンブリ10が内蔵されるケース31と、ケース31の開口に結合されたキャッププレート25と、キャッププレート25を貫通して設けられた正極端子21および負極端子22とを含む。
第1実施形態にかかる二次電池101は、リチウムイオン二次電池であって角形のものを例として説明する。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、リチウムポリマー電池または円筒形電池など、多様な形態の電池に適用可能である。
正極11は、アルミニウムなどからなる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の正極コーティング部と、活物質がコーティングされていない領域の正極無地部11aとを含む。負極12は、銅などからなる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の負極コーティング部と、活物質がコーティングされていない領域の負極無地部12aとを含む。
正極無地部11aは、正極11の長手方向に沿って正極11の一側端に形成され、負極無地部12aは、負極12の長手方向に沿って負極12の他側端に形成される。そして、正極11および負極12は、絶縁体のセパレータ13を間に介在した後に巻き取られる。
ただし、本発明がこれに制限されるものではなく、電極アセンブリ10は、複数のシート(sheet)からなる正極と負極とがセパレータを挟んで積層された構造となっていてもよい。
ケース31は、略直方体からなり、一面には開放された開口が形成される。キャッププレート25は、ケース31の開口に結合され、薄い金属板からなる。キャッププレート25には、キャッププレート25の外側に突出し、正極11と電気的に連結された正極端子21と、キャッププレート25の外側に突出し、負極12と電気的に連結された負極端子22とが設けられる。
キャッププレート25には、電解液の注入のための電解液注入口が形成され、密封栓23が電解液注入口に設けられ、これを密封する。また、キャッププレート25には、設定された内部圧力に応じて破断可能に切欠が形成されたベント部材27が設けられる。
正極端子21は、キャッププレート25を貫通して設けられるが、キャッププレート25と正極端子21との間には、密封のための下部ガスケット26が設けられる。正極端子21は、外周にねじ山が形成された円柱形状となるが、正極端子21には、正極端子21を上部で支持するナット29が設けられる。正極端子21とナット29との間には連結板32が設けられる。
正極端子21に連結板32が嵌合した後、連結板32の上部にナット29が締結される。連結板32は、正極端子21とキャッププレート25とを電気的に連結する。これにより、キャッププレート25とケース31は、正極11と電気的に連結される。正極端子21の下部には、集電部材51と、正極端子21を支持する下部絶縁部材36とが設けられる。一方、正極端子21は、集電部材51を介して正極無地部11aと電気的に連結され、正極端子21の下端には、集電部材51に結合される端子フランジが形成される。
負極端子22は、キャッププレート25を貫通して設けられるが、キャッププレート25と負極端子22との間には、密封のための下部ガスケット26が設けられる。負極端子22は、外周にねじ山が形成された円柱形状となるが、負極端子22には、負極端子22を上部で支持するナット29が設けられる。負極端子22とナット29との間には、密封および絶縁のための上部ガスケット24が設けられる。
負極端子22の下部には、集電部材52と、負極端子22を支持し絶縁する下部絶縁部材35とが設けられる。一方、負極端子22は、集電部材52を介して負極無地部12aと電気的に連結され、負極端子22の下端には、集電部材52に結合される端子フランジが形成される。
図3は、本発明の第1実施形態にかかる電極アセンブリと集電部材を示す分解斜視図であり、図4は、図3におけるIV−IV線断面図であり、図5は、本発明の第1実施形態にかかる集電部材を示す斜視図である。
図3ないし図5を参照して説明すれば、本実施形態にかかる二次電池101は、4個の電極アセンブリ10を含む。ただし、本発明がこれに制限されるものではなく、本実施形態にかかる二次電池は、少なくとも1つの電極アセンブリを含むとよい。
集電部材51は、正極端子21に固定される端子接合部512と、端子接合部512から折曲形成された側板513と、正極無地部11aに固定された集電片517、518と、端子接合部512に形成された第1ヒューズ部515および第2ヒューズ部514とを含む。
負極端子22に結合設置された集電部材52は、正極端子21に結合設置された集電部材51と同じ構造となるので、これに関する重複説明は省略する。
端子接合部512は、四角板形状となり、中央に正極端子21の挿入される支持ホール512aが形成される。また、端子接合部512は、正極端子21の下部に溶接で接合される。側板513は、端子接合部512からケース31の底に向かって直角に折曲形成され、ケース31の側面と平行に配置される。
側板513の両側端には、2個の集電片517が連結形成され、側板513の下部には、連結部516が形成される。連結部516の両側端には、正極無地部11aに溶接で接合される2個の集電片518が連結形成される。
集電片517は、側板513の両側端から曲がって正極無地部11aに並んで配置された状態で正極無地部11aに溶接で接合される。集電片517は、電極アセンブリ10のうち、外側に位置する電極アセンブリ10に溶接で接合される。また、集電片518は、連結部516の両側端から曲がって正極無地部11aに並んで配置された状態で正極無地部11aに溶接で接合される。集電片517は、電極アセンブリ10のうち、外側に位置する電極アセンブリ10に溶接で接合され、集電片518は、電極アセンブリ10のうち、内側に位置する電極アセンブリ10に溶接で接合される。
端子接合部512には、ヒューズホール512bが形成され、ヒューズホール512bは、支持ホール512aからケースの側端に向かって離隔配置されている。ヒューズホール512bの一側端部と当接して第1ヒューズ部515が形成され、他側端部と当接して第2ヒューズ部514が形成される。第1ヒューズ部515と第2ヒューズ部514は、端子接合部512の幅方向に互いに平行に配置され、ヒューズホール512bによって離隔している。
ヒューズホール512bの形成により、第1ヒューズ部515と第2ヒューズ部514の断面積を合わせた値は、他の部分の断面積よりも小さく形成されるため、集電部材51に過電流が流れる時、第1ヒューズ部515および第2ヒューズ部514が溶融して電流を遮断する。
図6は、本発明の第1実施形態にかかる絶縁部材を示す斜視図である。
図4ないし図6を参照して説明すれば、集電部材51には、絶縁およびアーク防止のための絶縁部材61が設けられるが、絶縁部材61は、集電部材51を部分的に囲むように設けられる。絶縁部材61は、側板513および連結部516を囲み、端子接合部512と集電片517、518の一部を囲むように設けられる。
絶縁部材61は、インサート射出方式で形成され、端子接合部512から集電片517、518の上部まで囲むようにつながって形成される。絶縁部材61は、ポリプロピレン(PP)、ペルフルオロアルコキシ(PFA)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルーエーテルケトン(PEEK)からなり得る。絶縁部材61は、集電部材51の表面に薄い厚さにコーティングされ、集電部材51がケース31と接触するのを防止し、集電部材51で発生したアークが電解液と接触するのを遮断する。集電部材51で発生したアークが電解液と接触すると、高い熱によって電解液が発火したり、爆発することがある。
絶縁部材61は、端子接合部512を囲む上部絶縁部612と、側板513を囲む側面絶縁部615と、連結部516を囲む下部絶縁部616と、集電片517、518の上部を囲む複数の集電絶縁部617、618とを含む。絶縁部材61は、集電部材51を挿入できるように内部空間619を有する。側面絶縁部615は上部絶縁部612から屈曲して下部につながり、下部絶縁部616は側面絶縁部615の下に位置する。集電絶縁部617は側面絶縁部615から屈曲し、集電絶縁部618は下部絶縁部616から屈曲する。
一方、図4および図6に示されるように、上部絶縁部612には、切開部613が形成され、切開部613は、第2ヒューズ部514を露出させる。これにより、第1ヒューズ部515は絶縁部材61によって囲まれるが、第2ヒューズ部514は露出する。また、図4に示されるように、絶縁部材61は、ヒューズホール512bに挿入される離隔支持部614を有する。離隔支持部614は、ヒューズホール512bに挿入され、ヒューズ部が溶融した場合、溶融した部分が互いに接触せずに離隔した状態を維持するように支持する。
本実施形態のように、第1ヒューズ部515は絶縁部材61によって被覆され、第2ヒューズ部514は露出するように形成されると、第2ヒューズ部514が第1ヒューズ部515に比べて先に溶融する。また、第1ヒューズ部515は、第2ヒューズ部514が溶融した後に差をもって後に溶融する。これは、絶縁部材61によって被覆された第1ヒューズ部515の場合、熱がより放出されやすいからである。被覆された絶縁部材61は、第1ヒューズ部515で発生した熱を側方に伝達させ、第1ヒューズ部515の溶融を遅延させる。
第1ヒューズ部および第2ヒューズ部がいずれも絶縁部材によって囲まれた場合は、第1ヒューズ部と第2ヒューズ部が同時に溶融する。また、ヒューズが溶融する時、大きいアークが発生し、アークの発生時に絶縁部材が共に溶融しながら、集電部材の残渣物と絶縁部材の残渣物とが混合される。このようなアーク残渣物の二次接触によって再び大きいアークが発生し、このアークによってむしろ二次電池が爆発したり、発火する危険性が増加する。
しかし、本実施形態のように、第1ヒューズ部515のみを絶縁部材で囲んだ場合は、第2ヒューズ部514が溶融する時には、第1ヒューズ部515が連結された状態であるため、アークが発生しない。また、第2ヒューズ部514が先に溶融した状態で第1ヒューズ部515が溶融するため、相対的にアークの大きさを減少させることができ、これにより、爆発および発火のおそれを低減することができる。
図7は、本発明の第2実施形態にかかる集電部材と絶縁部材を示す斜視図であり、図8は、本発明の第2実施形態にかかる集電部材を示す斜視図である。
図7および図8を参照して、本発明の第2実施形態にかかる二次電池について説明する。本実施形態にかかる二次電池は、集電部材および絶縁部材を除いては、第1実施形態にかかる二次電池と同じ構造となるので、同じ構造に関する重複説明は省略する。
本実施形態にかかる正極端子21に固定される端子接合部812と、端子接合部812から折曲形成された側板813と、正極無地部11aに固定された集電片817、818と、端子接合部812に形成された第1ヒューズ部816、第2ヒューズ部815および第3ヒューズ部819とを含む。
端子接合部812は、四角板形状となり、中央に正極端子21の挿入される支持ホール812aが形成される。また、端子接合部812は、正極端子21の下部に溶接で接合される。側板813は、端子接合部812からケース31の底に向かって直角に折曲形成され、ケース31の側面と平行に配置される。
側板813の両側端には、2個の集電片817が連結形成され、側板813の下部には、連結部814が形成される。連結部814の両側端には、正極無地部11aに溶接で接合される2個の集電片818が連結形成される。
端子接合部812には、第1ヒューズホール812bと第2ヒューズホール812cが形成され、第1ヒューズホール812bと第2ヒューズホール812cは、支持ホール812aからケースの側端に向かって離隔配置されている。第1ヒューズホール812bと第2ヒューズホール812cは、端子接合部812の幅方向に沿って互いに平行に配置される。
第2ヒューズホール812cの一側端部と当接して第1ヒューズ部816が形成され、第1ヒューズホール812bの一側端部と当接して第2ヒューズ部815が形成され、第1ヒューズホール812bと第2ヒューズホール812cとの間に第3ヒューズ部819が形成される。
第1ヒューズ部816、第2ヒューズ部815および第3ヒューズ部819は、端子接合部812の幅方向に沿って互いに平行に配置される。第1ヒューズ部816と第3ヒューズ部819は、第2ヒューズホール812cによって離隔配置され、第2ヒューズ部815および第3ヒューズ部819は、第1ヒューズホール812bによって離隔配置される。
第1ヒューズホール812bおよび第2ヒューズホール812cの形成により、第1ヒューズ部816、第2ヒューズ部815および第3ヒューズ部819の断面積を合わせた値は、他の部分の断面積よりも小さく形成されるため、集電部材81に過電流が流れる時、第1ヒューズ部816、第2ヒューズ部815および第3ヒューズ部819が溶融して電流を遮断する。
集電部材81には、絶縁およびアーク防止のための絶縁部材82が設けられるが、絶縁部材82は、集電部材81を部分的に囲むように設けられる。絶縁部材82は、側板813および連結部814を囲み、端子接合部812と集電片817、818の一部を囲むように設けられる。
絶縁部材82は、端子接合部812を囲む上部絶縁部821と、側板813を囲む側面絶縁部823と、連結部814を囲む下部絶縁部824と、集電片817、818の上部を囲む複数の集電絶縁部825、826とを含む。
上部絶縁部821には、切開部822が形成され、切開部822は、第2ヒューズ部815と第3ヒューズ部819を露出させる。これにより、第1ヒューズ部816は絶縁部材82によって囲まれるが、第2ヒューズ部815および第3ヒューズ部819は露出する。
本実施形態のように、第1ヒューズ部816は絶縁部材82によって被覆され、第2ヒューズ部815および第3ヒューズ部819は露出するように形成されると、第2ヒューズ部815および第3ヒューズ部819が第1ヒューズ部816に比べて先に溶融する。また、第1ヒューズ部816は、第2ヒューズ部815が溶融した後に時間差をもって溶融する。これは、絶縁部材82によって被覆された第1ヒューズ部816の場合、熱がより放出されやすいからである。被覆された絶縁部材82は、第1ヒューズ部816で発生した熱を側方に伝達させ、第1ヒューズ部816の溶融を遅延させる。
しかし、本実施形態のように、第1ヒューズ部816のみを絶縁部材で囲んだ場合は、第2ヒューズ部815および第3ヒューズ部819が溶融する時には、第1ヒューズ部816が連結された状態であるため、アークが発生しない。また、第2ヒューズ部815および第3ヒューズ部819が先に溶融した状態で第1ヒューズ部816が溶融するため、相対的にアークの大きさを減少させることができ、これにより、爆発および発火のおそれを低減することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施可能である。
101 二次電池
10 電極アセンブリ
11 正極
12 負極
21 正極端子
22 負極端子
25 キャッププレート
31 ケース
35、36 下部絶縁部材
51、52 集電部材
512 端子接合部
512a 支持ホール
512b ヒューズホール
513 側板
515 第1ヒューズ部
514 第2ヒューズ部
516 連結部
517、518 集電片
61 絶縁部材
612 上部絶縁部
613 切開部
614 離隔支持部
615 側面絶縁部
616 下部絶縁部
617、618 集電絶縁部

Claims (14)

  1. 負極と正極とを含む電極アセンブリと、
    前記電極アセンブリが内蔵される空間を有するケースと、
    前記電極アセンブリと電気的に連結され、前記ケースの外側に突出した端子と、
    前記端子と前記電極アセンブリとを電気的に連結する集電部材と、
    前記集電部材を部分的に囲む絶縁部材と、を含み、
    前記集電部材には、複数のヒューズ部が形成され、前記ヒューズ部は、前記絶縁部材によって囲まれた第1ヒューズ部と、前記絶縁部材によって囲まれずに露出した第2ヒューズ部とを含むことを特徴とする二次電池。
  2. 前記集電部材には、ヒューズホールが形成され、前記ヒューズホールの一側端に第1ヒューズ部が連結形成され、前記ヒューズホールの他側端に第2ヒューズ部が連結形成されたことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
  3. 前記集電部材は、前記端子に固定される端子接合部と、前記端子接合部から折曲形成された側板と、前記側板から折曲形成され、前記正極または前記負極に固定された集電片とを含むことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
  4. 前記集電部材は、前記側板の下部に連結形成された連結部と、前記連結部から折曲形成され、前記正極または前記負極に固定された集電片とを含むことを特徴とする請求項3に記載の二次電池。
  5. 前記絶縁部材は、前記端子接合部を囲む上部絶縁部を含み、前記上部絶縁部には、前記第2ヒューズ部を露出させる切開部が形成されたことを特徴とする請求項3に記載の二次電池。
  6. 前記集電部材には、ヒューズホールが形成され、前記上部絶縁部には、前記ヒューズホールに挿入される離隔支持部が形成されたことを特徴とする請求項5に記載の二次電池。
  7. 前記絶縁部材は、前記側板を囲む側面絶縁部と、前記側板に連結された集電片を囲む集電絶縁部とを含むことを特徴とする請求項5に記載の二次電池。
  8. 前記絶縁部材は、前記連結部を囲む下部絶縁部と、前記連結部から折曲形成された集電片を囲む集電絶縁部とを含むことを特徴とする請求項4に記載の二次電池。
  9. 前記第1ヒューズ部と前記第2ヒューズ部は、前記絶縁部材の幅方向に沿って離隔配置されたことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
  10. 前記集電部材には、第1ヒューズホールと第2ヒューズホールが形成され、前記第1ヒューズホールと前記第2ヒューズホールは、前記集電部材の幅方向に沿って離隔配置されたことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
  11. 前記第1ヒューズホールの端部に前記第1ヒューズ部が連結形成され、前記第2ヒューズホールの端部に前記第2ヒューズ部が連結形成され、前記第1ヒューズホールと前記第2ヒューズホールとの間に第3ヒューズ部が形成されたことを特徴とする請求項10に記載の二次電池。
  12. 前記絶縁部材には、前記第1ヒューズ部と前記第2ヒューズ部を露出させる切開部が形成されたことを特徴とする請求項11に記載の二次電池。
  13. 前記絶縁部材は、インサート射出で形成されたことを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の二次電池。
  14. 前記絶縁部材は、ポリプロピレン(PP)、ペルフルオロアルコキシ(PFA)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)からなる群より選択されるいずれか1つの物質を含むことを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の二次電池。
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