JP2015005506A - 二次電池及びそれを含む二次電池パック - Google Patents

二次電池及びそれを含む二次電池パック Download PDF

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Abstract

【課題】電極体の界面抵抗の増加、変形、及び微小短絡の発生を防止することができる二次電池及びそれを含む二次電池パックを提供する。【解決手段】本発明の二次電池及びそれを含む二次電池パックは、パウチの内部に収容されて密閉される電極体の一側面または両側面に、強度補強のための第１部材と、高温で変形されて電極体を密着させることができる第２部材と、を備えることで、高温でガスが発生してパウチが膨張する場合にも、パウチの内部に収容された電極体の界面抵抗の増加を抑えて性能低下を防ぐことができるとともに、電極体の変形を防止して微小短絡を防ぐことができて、安全性を向上させることができる。【選択図】図４

Description

本発明は、パウチの内部に収容された電極体の界面抵抗の増加を抑えて二次電池の性能低下を防ぐとともに、電極体の変形を防止して微小短絡を防ぐことができて、安全性が向上された二次電池及びそれを含む二次電池パックに関する。
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。
また、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）が主に用いられている。また、最近脚光を浴びているリチウムポリマー電池は、柔軟性のあるパウチ型（pouched type）に製造され、その形状が比較的自由である。
ここで、パウチ型二次電池は、パウチの内部に電極体が収容され、且つ電極体に連結された電極タブがパウチの外部に突出するように、パウチにより電極体が密閉されて形成される。
米国特許第８１３３６０９号明細書
ところで、このパウチ型二次電池の場合、充放電時における温度上昇により、高温でパウチの内部でガスが生じてパウチが膨張するスウェリング（swelling）現象が発生する。これにより、電極体の界面抵抗が増加して、二次電池の性能が低下するという問題点がある。また、スウェリング現象により電極体が変形して、微小短絡が発生し得るため、発火の危険性が高くなるという問題点がある。
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、高温でパウチが膨張する際にも電極体が密着されるようにすることで、電極体の界面抵抗の増加、変形、及び微小短絡の発生を防止することができる二次電池及びそれを含む二次電池パック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による二次電池は、パウチと、前記パウチの内部に収容されて密閉される電極体と、前記パウチの内部に備えられ、且つ前記電極体の一側または両側に備えられて電極体を支持する第１部材と、前記パウチの内部に前記第１部材と並ぶように備えられ、且つ前記第１部材とパウチとの間に備えられて、温度上昇に伴ってパウチの側に凸状に変形される第２部材と、を含む。
また、前記第２部材は、少なくとも一側が第１部材に結合されて固定される。
また、前記第２部材は、常温を基準として、温度上昇に伴って変形される程度が大きくなる。
また、前記第２部材は、パウチの内部にガスが発生する前に変形され始める。
また、前記第２部材は、断面が弧形状に変形される。
また、前記第２部材の一部分は温度が上昇しても変形されず、変形されていない部分は前記第１部材と並ぶように維持される。
また、本発明の二次電池パックは、並んで積層配列されて電気的に連結される多数個の二次電池と、前記多数個の二次電池が内部に収容されるケースと、前記ケースに形成され、最外側に配置された二次電池の電極タブに連結される電極端子と、を含み、前記二次電池の第２部材は、変形後に元の形態に戻らず、変形された状態に維持されることで、温度上昇によって前記二次電池が膨張した時に、前記電極端子と最外側の二次電池の電極タブとが短絡されて再び連結されないように形成される。
本発明の二次電池は、高温でパウチが膨張する際にも電極体が密着された状態に維持されるため、電極体の界面抵抗の増加を抑えて二次電池の性能低下を防ぐことができる。
また、本発明の二次電池は、電極体の変形を防止して微小短絡を防ぐことができるため、二次電池の発火及び爆発の危険性を減少させることができる。
また、本発明の二次電池パックは、変形後に元に戻らない第２部材により、過充電または過放電を防止することができるため、安全性を向上させることができる。
本発明の一実施例による二次電池を示した分解斜視図である。 本発明の一実施例による二次電池を示した組立斜視図である。 図２のＡ−Ａ’の断面図である。 温度上昇に伴って第２部材が変形された後の状態を示した断面図である。 本発明による第２部材の変形実施例を示した断面図である。 本発明の一実施例による二次電池パックを示した断面概略図である。 本発明の二次電池の第２部材の変形による膨張後の二次電池パックを示した断面概略図である。
以下、上述の本発明の二次電池及び二次電池パックを添付図面を参照して詳細に説明する。
図１及び図２は本発明の一実施例による二次電池を示した分解斜視図及び組立斜視図であり、図３及び図４は本発明による二次電池の断面図であって、図３は変形される前の状態を示し、図４は温度上昇に伴って変形された後の状態を示す。
図示されたように、本発明の一実施例による二次電池１０００は、パウチ１００と、前記パウチ１００の内部に収容されて密閉される電極体２００と、前記パウチ１００の内部に備えられ、且つ前記電極体２００の一側または両側に備えられて電極体２００を支持する第１部材３００と、前記パウチ１００の内部に前記第１部材３００と並ぶように備えられ、且つ前記第１部材３００とパウチ１００との間に備えられて、温度上昇に伴ってパウチ１００の側に凸状に変形される第２部材４００と、を含む。
先ず、図１及び図２のように、パウチ１００は、電極体２００を包んでシールするように形成される。この際、電極体２００の一側または両側に電極タブ２１０が延長形成されて、パウチ１００が電極タブ２１０を除いた電極体２００のみを包んでシールするように構成される。
すなわち、パウチ１００は、電極体２００をシールするように形成されるが、パウチ１００の内部に電極体２００が収容された状態でパウチ１００の端部を熱融着することで、電極体２００がシールされ、且つ電極タブ２１０がパウチ１００の外部に引き出されるように形成されることができる。
この際、パウチ１００は、アルミニウムラミネート包装材からなることができる。アルミニウムラミネート包装材は、薄いアルミニウム（Ａｌ）板にポリエチレン（ＰＥ）などのプラスチック薄膜を蒸着することで、薄く且つフレキシブルな形態に製作した包装材であって、電極体２００との絶縁性を確保することができ、熱融着により前記電極タブ２１０が外部に引き出されるようにして、容易にシールされる。
電極体２００の一側または両側に電極タブ２１０が形成されることができる。すなわち、電極体２００の一側に正極タブ及び負極タブが形成されるか、または電極体２００の一側に正極タブが形成され、他側に負極タブが形成されることができる。
また、電極体２００は、多数個の正極板と負極板とが交互に並ぶように積層形成されており、正極板と負極板との間にそれぞれセパレータが介在される。このような電極体２００は、正極板と負極板との電気的な短絡を防止するために、正極板と負極板との間及び最外側に配置された正極板または負極板の外側にセパレータが設けられて密着されることができる。
また、電極体２００が収容されて密閉されるパウチ１００の内部には電解質が充填されることができる。電解質は、正極板と負極板との間におけるイオンの移動を可能とする中間媒体であって、液体（liquid）、ゲル（gel）、または固体（solid）の形態に形成されることができる。この際、電解質はパウチ１００の内部に充填されて、イオンが正極板と負極板との間のセパレータを通過して伝達されるように構成される。
第１部材３００は、パウチ１００の内部に備えられ、且つ電極体２００の一側または両側に備えられることができる。この際、第１部材３００は、電極体２００に密着された状態でパウチ１００の内部に収容されて密閉され、電極体２００を支持することができる。第１部材３００は、高い剛性を有する材質の板形態に形成され、電極体２００の変形を防止するために電極体２００に密着される。この際、第１部材３００は、電極体２００の全体面に密着されることができるように、電極体２００と同一のサイズに形成されることが好ましい。
また、第１部材３００は電極体２００の一側にのみ備えられてもよいが、図示されたように、電極体２００の両側に第１部材３００が備えられることで、電極体２００の両側に密着されて電極体２００の変形を防止することができる。
第２部材４００は、パウチ１００の内部に、第１部材３００と並ぶように備えられる。また、第２部材４００は、第１部材３００とパウチ１００との間に備えられて、温度上昇に伴ってパウチ１００の側に凸状に変形されるように形成される。
すなわち、図３のように、第２部材４００は、第１部材３００と並ぶように、第１部材３００に密着されて積層された形態にパウチ１００の内部に備えられる。また、第２部材４００は、図４のように、充放電による電極体２００の温度上昇に伴って、パウチ１００の側に凸状に反るように構成される。
この際、第２部材４００は、温度変化に伴ってその形態が変形されるように、形状記憶合金またはバイメタルなどからなることができる。
二次電池の場合、充放電によって電極体２００の温度が上昇すると、パウチ１００の内部に充填された電解質の蒸発によりパウチ１００が膨張したり、電極体２００の微小短絡により温度が上昇して発火性ガスが発生したりする。これにより、電極体２００が密着されず、電極体２００を構成する正極板、負極板、及びセパレータの界面抵抗が増加するため、二次電池の性能が低下する恐れがある。また、パウチ１００の内部で発生したガスによりパウチ１００が膨張して電極体２００が変形され、微小短絡が発生する恐れがある。これにより発火性ガスが発生して、発火及び爆発の危険性が高くなる。
本発明の実施例による二次電池１０００は、充放電によって電極体２００の温度が上昇すると、それに伴って第２部材４００がパウチ１００の側に凸状に反るように変形される。このように変形された第２部材４００により、第１部材３００が電極体２００を密着させることで、電極体２００を構成する正極板、負極板、及びセパレータが密着されることとなるため、界面抵抗が増加しないように維持されることができて、二次電池の性能が低下することを防ぐことができる。また、電極体２００が変形されないため、電極体２００の微小短絡を防止することができて、短絡による発火性ガスの発生、発火及び爆発の危険性を減少させることができる。
この際、前記第２部材４００は、少なくとも一側が第１部材３００に結合されて固定されることができる。すなわち、第２部材４００は、一側が第１部材３００に結合されて固定された一体型に形成されてもよく、両側が第１部材３００に結合されるか、両側及び中央部が結合される形態に形成されてもよい。このように第１部材３００に第２部材４００が結合された形態に形成されることで、組み立てが容易となり、第２部材４００が第１部材に固定されるため、第２部材４００が温度上昇に伴って変形されても、パウチ１００の内部で第２部材４００の平面方向への離脱及びこれによるパウチ１００の破損（破れ）を防止することができる。
また、前記第２部材４００は、常温を基準として、温度上昇に伴って変形される程度が大きくなるように形成されることができる。すなわち、常温では、第２部材４００が変形されていない平板状に第１部材３００とパウチ１００との間に密着されていて、温度が上昇するに伴って変形される程度が大きくなり、次第にパウチ１００の側に凸状に反るように形成されることができる。これは、温度が上昇するにつれてパウチ１００の内部で発生するガスが多くなるため、温度に伴って第２部材４００が変形される程度が大きくなるように形成することで、温度が次第に上昇する際にも電極体２００が完全に密着されるようにするのである。これにより、温度上昇による電極体２００の界面抵抗の増加を抑えることができるため、二次電池の性能低下を防ぐことができる。
また、前記第２部材４００は、パウチ１００の内部でガスが発生する前に変形され始めるように形成されることができる。これは、パウチ１００の内部でガスが発生すると、パウチ１００が膨張して電極体２００を密着させることができないため、ガスが発生する温度になる前から第２部材４００が変形されるようにするのである。この際、ガスが発生し始める温度は約３０℃〜４０℃であるため、約３０℃になる前から第２部材４００が変形され始めるように形成されることが好ましい。
また、前記第２部材４００の断面は弧形状に変形される。すなわち、温度上昇に伴って第２部材４００が変形されるが、この際、その断面が弧形状に変形されることで、第２部材４００の変形によってパウチ１００に作用される力が均一に分散されることができる。これにより、第２部材４００の変形によるパウチ１００の破損を防止することができ、且つ変形された第２部材４００の両側が第１部材３００を加圧して電極体２００が第１部材３００に密着されることができる。また、第２部材４００の断面が弧形状に変形されるため、変形前に平面形態であった第２部材４００の中央部が凸状の球面形態に変形されることができる。
また、前記第２部材４００の一部分は温度が上昇しても変形されず、この変形されていない部分は前記第１部材３００と並ぶように維持されることができる。すなわち、図５のように、第２部材４００は、中央部のみが凸状に変形されて変形部４２０となり、第２部材４００の両側は変形されずに水平部４１０となって、水平部４１０が第１部材３００と並んで密着されるように形成されることができる。これにより、第２部材４００が変形された際に、第１部材３００がより安定して電極体２００に密着されることができる。この際、第２部材４００は、図５（ａ）のように、両側が水平部４１０となるように形成されてもよく、縁部全体が水平部４１０となるように形成されてもよい。また、図５（ｂ）のように、第２部材４００の両側及び中央部が水平部４１０となり、水平部４１０の間に変形部４２０が形成されるように構成されてもよい。また、多数個の変形部４２０が形成されてもよく、エンボス状などの多様な形態に形成されてもよい。
また、本発明の二次電池パック２０００は、並んで積層配列されて電気的に連結される多数個の二次電池１０００と、前記多数個の二次電池１０００が内部に収容されるケース１１００と、前記ケース１１００に形成され、最外側に配置された二次電池１０００の電極タブ２１０に連結される電極端子１２００と、を含む。前記二次電池１０００の第２部材４００は、変形後に元の形態に戻らず、変形された状態に維持されることで、温度上昇によって前記二次電池１０００が膨張した時に前記電極端子１２００と最外側の二次電池１０００の電極タブ２１０とが短絡されて再び連結されないように形成される。
すなわち、図６のように、ケース１１００の内部に、並んで積層配列される多数個の二次電池１０００が収容され、この二次電池１０００は電気的に連結されている。また、ケース１１００に形成された電極端子１２００は、最外側の二次電池１０００の電極タブ２１０に連結される。この際、電極端子１２００と電極タブ２１０とは、所定以上の力が加えられると互いに短絡されるように結合される。また、二次電池１０００は、第２部材４００が温度上昇に伴って変形された後、温度が下降しても元の形態に戻らずに変形された状態に維持されるように形成される。これにより、図７のように、外部温度の上昇または二次電池の内部の電池セルの損傷衝撃による電池セルの温度上昇によって二次電池１０００が膨張すると、二次電池１０００の積層方向の長さが増加することとなり、これにより、互いに結合されて電気的に連結されていた電極タブ２１０と電極端子１２００とが短絡されて、電気的な連結が遮断される。ここで、温度が下降しても二次電池１０００の第２部材４００は元の状態に戻らず、変形された形態に維持されるため、二次電池１０００の積層方向の長さは再び減少することがない。したがって、電極タブ２１０と電極端子１２００とが短絡された状態に維持される。
上記の本発明の二次電池パックは、過充電または過放電時に変形された後、元に戻らない第２部材の特性を利用して、安全装置として用いられることができる。
ここで、微小短絡によってパウチ１００の内部で多量のガスが発生した時に、発生したガスによってパウチ１００の一部が開封または破裂してガスがパウチ１００の外部に放出される場合にも、変形された状態に維持される第２部材４００により、二次電池１０００の形態が膨張された状態に維持されることができるため、短絡が発生した二次電池の過充電または過放電を防止することができる。
本発明は、上記の実施例に限定されず、適用範囲が多様であり、本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば、誰でも特許請求の範囲にて請求する本発明の要旨を外れることなく多様な変形実施が可能である。
１０００ 二次電池
１００ パウチ
２００ 電極体
２１０ 電極タブ
３００ 第１部材
４００ 第２部材
４１０ 水平部
４２０ 変形部
１１００ ケース
１２００ 電極端子
２０００ 二次電池パック

Claims (7)

  1. パウチと、
    前記パウチの内部に収容されて密閉される電極体と、
    前記パウチの内部に備えられ、且つ前記電極体の一側または両側に備えられて電極体を支持する第１部材と、
    前記パウチの内部に前記第１部材と並ぶように備えられ、且つ前記第１部材とパウチとの間に備えられて、温度上昇に伴ってパウチの側に凸状に変形される第２部材と、を含む二次電池。
  2. 前記第２部材は、少なくとも一側が第１部材に結合されて固定される、請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記第２部材は、常温を基準として、温度上昇に伴って変形される程度が大きくなる、請求項１に記載の二次電池。
  4. 前記第２部材は、パウチの内部にガスが発生する前に変形され始める、請求項１に記載の二次電池。
  5. 前記第２部材は、断面が弧形状に変形される、請求項１に記載の二次電池。
  6. 前記第２部材の一部分は温度が上昇しても変形されず、変形されていない部分は前記第１部材と並ぶように維持される、請求項１に記載の二次電池。
  7. 並んで積層配列されて電気的に連結される多数個の請求項１乃至６の何れか１項に記載の二次電池と、
    前記多数個の二次電池が内部に収容されるケースと、
    前記ケースに形成され、最外側に配置された二次電池の電極タブに連結される電極端子と、を含み、
    前記二次電池の第２部材は、変形後に元の形態に戻らず、変形された状態に維持されることで、温度上昇によって前記二次電池が膨張した時に、前記電極端子と最外側の二次電池の電極タブとが短絡されて再び連結されないように形成される、二次電池パック。
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