JP2014212116A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】スウェリングが抑制され、電池セルの安定性が向上された電池モジュールを提供する。
【解決手段】上側に延びて形成された電極タブ１２０が折り曲げられて、電池モジュールに垂直な方向に溶接面を有する溶接部を、トップハット型レーザビーム又はガウス型レーザビームを用いて重ね溶接や突合せ溶接方式でスポット溶接し、電池セル１１０をくるむようにスウェリングパーティション１３０を備えることで、電池セルの内部問題によって体積が増加するスウェリングが発生した際に、スウェリングの位置を調節して上側に集中させて電極タブ溶接部１２１の電気的接続を遮断することのできる電池モジュール。
【選択図】図８

Description

本発明は、電池モジュールに関し、より詳細には、電池セルの内部問題によって体積が増加する際に、電極タブが短絡されて電気的接続が切断されるようにすることで、電池セルの安定性を向上させた電池モジュールに関する。

通常、二次電池は、一次電池と異なって充電及び放電が可能であるため、デジタルカメラ、携帯電話、ノートパソコン、ハイブリッド自動車などの様々な分野に適用されており、その研究が活発に行われつつある。二次電池としては、ニッケル‐カドミウム電池、ニッケル‐金属ハイドライド電池、ニッケル‐水素電池、リチウム二次電池などが挙げられる。

このような二次電池の中でも、高いエネルギー密度及び放電電圧を有するリチウム二次電池に関する研究が多く行われており、常用化されて広く用いられている。このようなリチウム二次電池は、多様な形態に製造可能であって、代表的には、円筒型（cylinder type）及び角型（prismatic type）が主に用いられる。最近脚光を浴びているリチウムポリマー電池は、柔軟性のある袋型（pouched type）に製造され、その形状が比較的自由である。通常、この袋型の電池セルを多数個連結して、モジュール形態に構成して用いる。この際、電池セルの外部に突出している電極タブを連結することで、それぞれの電池セルの電気的接続を形成する。このようなモジュールは、二次電池の特性上、過充電や過放電が発生したときに、分子構造の崩壊や内部短絡による火事、燃焼及び爆発の危険を持っている。このような理由から、電池セルの安定性を確保するために、安全ベント（safety vent）、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）、及びＣＩＤ（Current Interrupt Device）素子などの様々な方法が用いられている。このような方法は、通常、電池セルの所定領域を破損することで内部圧力を低めて、火事、燃焼及び爆発の危険を最小化する方式を取る。

しかし、このような方法は、電池セルの破損部位が不規則的に形成されて、内部の電解質が破損部分を介して外部に流出されてしまう問題が発生し得る。

本発明は上記の問題点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、上側に延びて形成された電極タブが折り曲げられて、電池モジュールに垂直な方向に溶接面を有する溶接部を形成し、その溶接部を、トップハット型レーザビームまたはガウス型レーザビームを用いて重ね溶接方式または突合せ溶接方式でスポット溶接し、スウェリングパーティションを備えて、電池セルの内部問題によって体積が増加するスウェリングが発生した際に、スウェリングの位置を調節して電極タブが短絡されて電気的接続が切断されるようにすることで、スウェリングが抑制され、電池セルの安定性が向上された電池モジュールを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の電池モジュールは、二つ以上の電池セルと、それぞれの前記電池セルから延びて互いにレーザ溶接された電極タブと、を含む電池モジュールであって、前記電池モジュールは、上側に延びて形成された電極タブが折り曲げられて、前記電池セルに垂直な方向に溶接面を有する溶接部を含むように形成される。

また、前記電極タブは、隣合う負極の電極タブと正極の電極タブの前記溶接部が重なった状態で溶接される重ね溶接（lap welding）方式、または隣合う負極の電極タブと正極の電極タブの前記溶接部の端部が突合せられた状態で溶接される突合せ溶接（butt welding）方式により溶接される。

また、前記溶接部は、トップハット（Top‐hat）型レーザビームまたはガウス（Gaussian）型レーザビームを用いて溶接され、レーザスポット溶接（spot laser welding）により溶接される。

この際、本発明の電池モジュールは、前記電池セルの下側の所定領域に前記電池セルをくるむように形成され、前記電池セルのスウェリングの位置（swelling position）を誘導するスウェリングパーティション（swelling partition）を有する。

本発明の電池モジュールは、上側に延びて形成された電極タブが折り曲げられて、電池モジュールに垂直な方向に溶接面を有する溶接部を形成し、その溶接部を、トップハット型レーザビームまたはガウス型レーザビームを用いて重ね溶接方式または突合せ溶接方式でスポット溶接することで、平常時には安定して結合されているが、電池セルの体積が増加するスウェリングが発生した際には短絡されて、スウェリングの進行を遮断することができる。

また、スウェリングパーティションを備えて、スウェリングの位置を調節することで、電極タブの短絡に必要な物理的な力を効果的に供給することができる。これにより、電池セルの内部異常によってスウェリングが発生した際に、電池セルの密閉力を失うことなく、スウェリングの発生を電気的短絡を利用してできるだけ抑制することができるため、電池セルの内部の電解質などが外部に流出されず、電池セルの内部の圧力をより安全に処理することができる。

本発明の電池モジュールの斜視図である。 本発明の重ね溶接の実施例を示した図面である。 本発明の重ね溶接の他の実施例を示した図面である。 本発明の突合せ溶接の実施例を示した図面である。 本発明の対称なガウス型レーザビームを示した図面である。 本発明のトップハット型レーザビームを示した図面である。 本発明のスウェリングパーティションの実施例を示した図面である。 本発明のスウェリングパーティションの他の実施例を示した図面である。

以下、上述の本発明の電池モジュールを添付図面を参照して詳細に説明する。以下で紹介される図面は、本発明の思想を当業者に十分に伝達するための例として提供されるものである。従って、本発明は、以下で提示される図面に限定されず、他の形態に具体化されることもできる。そして、明細書の全体にわたって、同一の参照番号は同一の構成要素を示す。

図１は本発明の電池モジュールの斜視図であり、図２は本発明の重ね溶接の実施例を示した図面であり、図３は本発明の重ね溶接の他の実施例を示した図面であり、図４は本発明の突合せ溶接の実施例を示した図面であり、図５は本発明の対称なガウス型レーザビームを示した図面であり、図６は本発明のトップハット型レーザビームを示した図面であり、図７は本発明のスウェリングパーティションの実施例を示した図面であり、図８は本発明のスウェリングパーティションの他の実施例を示した図面である。

本発明の電池モジュール１００は、図１に図示したように、二つ以上の電池セル１１０と、それぞれの前記電池セル１１０から延びて、互いにレーザ溶接された電極タブ１２０と、を含む。

この際、前記電池モジュール１００は、上側に延びて形成された電極タブ１２０が折り曲げられて、前記電池セル１１０に垂直な方向に溶接面を有する溶接部１２１を成すように形成される。また、前記電極タブ１２０は、隣合う負極の電極タブ１２０と正極の電極タブ１２０の前記溶接部１２１が重なった状態で溶接される重ね溶接（lap welding）方式、または隣合う負極の電極タブ１２０と正極の電極タブ１２０の前記溶接部１２１の端部が突合せられた状態で溶接される突合せ溶接（butt welding）方式により溶接される。

すなわち、前記溶接部１２１は、それぞれの前記電池セル１１０から上側に延びて、所定領域が前記電池セル１１０に垂直な方向に折り曲げられて形成される。このように折り曲げられて形成された前記溶接部１２１は、負極の前記電極タブ１２０と隣合う正極の前記電極タブ１２０とが重なった構造を有する。このように重なった前記溶接部１２１の中央の所定領域を、レーザで溶接する重ね溶接または突合せ溶接により溶接する。

図２及び図３に図示したように、重ね溶接は、一つのレーザを用いて所定領域を溶接するため、作業が簡便であり、重なった部分が他の溶接方式に比べ広くて、狭い溶接部位を溶接する際に発生し得る溶接部位の追尾エラーによる溶接不良を最小化することができるため、工程不良率を最小化することができる。

また、図４に図示したように、突合せ溶接は、前記溶接部１２１の端部を突合わせた状態で溶接するため、他の溶接方式で溶接する場合に比べ、短絡が容易である。したがって、電池モジュールに異常が発生してスウェリングが発生した際に、より迅速に前記溶接部１２１を短絡させることができる。

また、図２から図４では、本発明の前記電極タブ１２０がアルミニウム及び銅素材からなっている場合を例示した。この際、より効率的な溶接のためにそれぞれの前記電極タブ１２０を密着させるためには、両端部及び中央部支持力を有するように、３つの個所で支持されるように構成することが好ましい。

このような３つの個所で支持される構成のために、それぞれの前記電極タブ１２０は、前記溶接部１２１の形成において所定の規則性を有することが好ましい。この際、前記溶接部１２１の形成規則は、通常、前記電極タブ１２０に用いられるアルミニウム素材が９％以上の延伸率を有し、銅素材が６％以上の延伸率を有することを考慮して、アルミニウムの半径がより小さいように形成されることが好ましい。すなわち、延伸率の高いアルミニウム素材が、銅素材と溶接される際に伸び得るため、銅素材より短く形成されることが好ましい。

尚、前記溶接部１２１は、トップハット（Top‐hat）型レーザビームまたはガウス（Gaussian）型レーザビームを用いて溶接される。一般に溶接に用いられるレーザは、対称なガウス（Symmetric gauss）型レーザビームであって、図５に図示している。このような対称なガウス型レーザビームは、エネルギー密度が均一ではなく、中央に集中される形態を有する。したがって、エネルギー密度の低い周辺部では、溶接対象である母材への深い溶け込みが得られず、溶接効率が劣るという問題点がある。このような問題点を解決するために、本発明では、図６に図示したようなトップハット型レーザビームを用いることが好ましい。このようなトップハット型レーザビームは、周辺部及び中央部のエネルギー密度が均一であるため、溶接対象である母材への溶け込みが同一の深さになされるという長所がある。

また、前記溶接部１２１は、レーザスポット溶接（Spot laser welding）により溶接する。このレーザスポット溶接は、所定領域を所定幅で溶接する線形（Linear）溶接により溶接する際における引張強度を基準として演算して、スポット溶接のスポット数を算定することができる。すなわち、線形溶接を用いた際の溶接面積を、スポット溶接に用いられるスポットの面積で徐することで、スポットの個数を算定して溶接する。したがって、レーザ線形溶接とレーザスポット溶接は、同一の溶接面積を有することになるが、溶接位置が異なる。

これは、レーザ線形溶接の場合、固定された領域にのみ溶接が可能であるが、レーザスポット溶接の場合、溶接スポットの位置を移動することができるため、必要に応じて調整することができるという点に起因したものである。本発明の電池モジュールは、レーザスポット溶接を用いて、電池モジュールのスウェリングが発生した際に生成される物理的な力により溶接部が分離されて短絡されるように、溶接スポットを構成する。この際、溶接スポットは重なり得る。

尚、本発明の電池モジュール１００は、前記電池セル１１０の下側の所定領域に前記電池セル１１０をくるむように形成され、前記電池セル１１０のスウェリングの位置（swelling position）を誘導するスウェリングパーティション（swelling partition）１３０を有する。貫通、高温放置、過充電、外部短絡などの理由により、前記電池セル１１０の内部の化学作用によって膨張される形態で発生するスウェリングは、その発生位置及び形態が、それぞれの発生原因によって異なる。また、スウェリングは、その発生部位から全方位に前記電池セル１１０を膨張させるため、物理的な力が分散される。

したがって、スウェリングにより電池セルが変形される際に発生する物理的な力を用いるためには、その物理的な力を必要な領域に集中させる必要がある。このように物理的な力を集中させるためには、前記電池セル１１０を全方位に膨張させるスウェリングを、物理的な力が必要な領域に集中させるためのガイド部材が必要である。そのために、本発明の電池モジュールは、図７に図示されたように、前記電池セル１１０の下側の所定領域に前記電池セル１１０をくるむように形成されたスウェリングパーティション１３０を用いて、スウェリングの位置を前記電極タブ１２０が位置している上側に集中させることができる。

図８に図示したように、下側に位置した前記スウェリングパーティション１３０の誘導により、スウェリングの位置が上側に集中されることで、スウェリングによって発生する物理的な力が上側に集中されることとなって、前記電極タブ１２０の連結が短絡される。

すなわち、前記電池セル１１０の下側をくるむように形成された前記スウェリングパーティション１３０により、前記電池セル１１０の下側への延伸を防止することで、貫通、高温放置、過充電、外部短絡などの問題により発生する前記電池セル１１０のスウェリングが上側に集中されるようにする。この際、上側に集中されたスウェリングの物理的な力を用いて、前記電池セル１１０の上側に形成されている前記電極タブ１２０の前記溶接部１２１の連結を短絡させることで、電気的接続を遮断することができる。これにより、化学反応を最小化して、スウェリングの進行を遮断することができる。したがって、本発明の電池モジュールは、電気的接続を遮断させる手段または電池セルの保護手段を別に備えなくても、前記電池セル１１０の爆発または発火などの安全事故を予防することができる。これにより、同一のサイズの電池モジュールに連結され得る前記電池セル１１０の個数を増加させることができる。

以上、本発明では具体的な構成要素などの特定事項及び限定された実施例を図面を参照して説明したが、これは、本発明のより全体的な理解のために提供されたものにすぎず、本発明が上記の実施例に限定されるものではなく、本発明が属する分野において通常の知識を有する者であれば、このような記載から多様な修正及び変形が可能である。

したがって、本発明の思想は、上述の実施例に限定して決まってはならず、添付の特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等または等価的変形のある全てのものなどが本発明の思想の範疇に属するとするべきである。

１００ 電池モジュール
１１０ 電池セル
１２０ 電極タブ
１２１ 溶接部
１３０ スウェリングパーティション

Claims (6)

1. ２つ以上の電池セルと、
   それぞれの前記電池セルから延びて互いにレーザ溶接された電極タブと、を含む電池モジュールであって、
   上側に延びて形成された電極タブ（１２０）が折り曲げられて、前記電池セル（１１０）に垂直な方向に溶接面を有する溶接部（１２１）を含むように形成されることを特徴とする、電池モジュール。
2. 前記電極タブ（１２０）は、隣合う負極の電極タブ（１２０）と正極の電極タブ（１２０）の前記溶接部（１２１）が重なった状態で溶接される重ね溶接（lap welding）方式により溶接されることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記電極タブ（１２０）は、隣合う負極の電極タブ（１２０）と正極の電極タブ（１２０）の前記溶接部（１２１）の端部が突合せられた状態で溶接される突合せ溶接（butt welding）方式により溶接されることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
4. 前記溶接部（１２１）は、トップハット（Top‐hat）型レーザビームまたはガウス（Gaussian）型レーザビームを用いて溶接されることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
5. 前記溶接部（１２１）は、レーザスポット溶接（spot laser welding）により溶接されることを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。
6. 前記電池セル（１１０）の下側の所定領域に前記電池セル（１１０）をくるむように形成され、前記電池セル（１１０）のスウェリングの位置（swelling position）を誘導するスウェリングパーティション（swelling partition）（１３０）を有することを特徴とする、請求項１に記載の電池モジュール。

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