JP2015508564A - 新規な構造の内蔵型電池セル - Google Patents

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Abstract

本発明は、電解液が含浸されているとともに、充放電が可能な、正極／分離膜／負極構造の電極組立体と、該電極組立体が内蔵されている、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる電池ケースと、前記電池ケースの外面の少なくとも一部に塗布されており、電気絶縁性の高分子を含んでいる保護コーティング層と、を有していることを特徴とする電池セルを提供する。

Description

本発明は、内蔵型電池セルに関し、特に、電解液が含浸されており、充放電が可能な、正極／分離膜／負極の構造の電極組立体と、該電極組立体が内蔵されている、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる電池ケースと、該電池ケースの外面の少なくとも一部に塗布されており、電気絶縁性の高分子を含んでいる保護コーティング層と、を有していることを特徴とする電池セルに関する。
モバイル機器の技術開発と需要が増加するに伴い、エネルギー源としての二次電池の需要が急増している。
二次電池は、それが用いられる外部機器の種類によって、単一電池の形態で用いられることもあり、複数の単位電池を電気的に連結した電池パックの形態で用いられることもある。例えば、携帯電話のような小型デバイスは、電池１個の出力及び容量で所定時間作動可能であるのに対し、ノートパソコン、携帯用ＤＶＤ（ｐｏｒｔａｂｌｅ ＤＶＤ）、小型ＰＣ、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などのような中型又は大型デバイスは、出力及び容量の問題で、複数の電池を内蔵した電池パックの使用が要求される。
二次電池の中でもリチウム二次電池は、高出力特性及び大容量を有する点から多用されている。
しかしながら、リチウム二次電池には各種の可燃性物質が含まれているため、過充電、過電流、その他の物理的外部衝撃などによって発熱、爆発などが起こる危険性があり、安全性を著しく欠いている。そのため、リチウム二次電池には、過充電、過電流などの異常状態を效果的に制御できる安全素子としてＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子、保護回路モジュール（Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｍｏｄｕｌｅ：ＰＣＭ）などが、電池セルに接続された状態で搭載されている。
一般に、ＰＣＭなどは導電性ニッケルプレートを介して溶接又はソルダリング方式で電池セルに連結される。すなわち、ＰＣＭの電極タブにニッケルプレートをそれぞれ溶接又はソルダリングして接続した後、これらのニッケルプレートを電池セルの電極端子にそれぞれ溶接又はソルダリングする方法でＰＣＭを電池セルに連結して電池パックを製造する。
このようなＰＣＭを含んだ安全素子は、電極端子と電気的接続を維持する一方で、電池セルの他の部分とは電気的絶縁状態を維持しなければならない。このような接続形態を構成するためには多数の部品が要求されるため、電池パックの組立工程が複雑になり、収納する空間も相対的に減少するという問題点がある。
しかも、上記のような部品を収納するための電池ケースは、アルミニウム、アルミニウム合金、又はニッケルのメッキされた金属のような電気伝導度に優れた導電性金属で作製されるため、上記の電池セルの他の部分と接触して内部短絡（ｓｈｏｒｔ）を引き起こすという問題点がある。
したがって、従来の電池セルを利用し、従来の組立方式を極力活用しながらも、電池セルの収納空間及び絶縁性を確保するとともに電池ケース外部の表面腐食又は摩耗の発生を抑制することができる電池セルが強く望まれている。
本発明は、上記のような従来技術の問題点及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
本出願の発明者等は、深い研究と様々な実験を重ねた結果、後述するように、電池セルの絶縁性及び容量が増大するよう、電池ケースを高分子素材でコートした電池セルを開発し、本発明を完成するに至った。
したがって、本発明の目的は、アルミニウム製の電池ケースの外面を電気絶縁性の高分子素材でコートすることによって、電池ケースの耐食性、耐摩耗性及び絶縁性が向上した電池セルを提供することである。
このような目的を達成するための本発明に係る電池セルは、
電解液が含浸されており、充放電が可能な、正極／分離膜／負極構造の電極組立体と、
前記電極組立体が内蔵されている、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる電池ケースと、
前記電池ケースの外面の少なくとも一部に塗布されており、電気絶縁性の高分子を含んでいる保護コーティング層と、
を有していることを特徴とする。
したがって、本発明に係る電池セルは、電気絶縁性の高分子を含んでいる保護コーティング層によって電池ケースの耐久性及び耐食性が大きく向上し、ラベルのような別途の部材を使用する必要がないため、電池セルの製造工程性が向上するだけでなく、同一規格において電池容量をより増加させることができる。
前記保護コーティング層は様々な類型の高分子成分によって様々な方式で形成することができる。
第一の例において、保護コーティング層は、プライマー（ｐｒｉｍｅｒ）としてアクリル樹脂、及びコーティング基材としてウレタン樹脂の塗布後、低温乾燥して形成されてよい。
第二の例において、保護コーティング層は、プライマーとしてエポキシ樹脂、及びコーティング基材としてアクリル樹脂の塗布後、高温乾燥して形成されてもよい。
第三の例において、保護コーティング層は、プライマーを別途に使用せず、アクリル樹脂とシリコン樹脂との混合溶液の塗布後、硬化剤で硬化して形成されてもよい。
但し、保護コーティング層の素材及び形成方法が上記の内容に限定されるものではない。
前記電池ケースの形状も様々にすることができ、例えば、角形の電池ケースであってもよいが、これに限定されないことは勿論である。
一つの好適例において、前記保護コーティング層は、前記電池ケースの上端外周から下方に所定大きさの不コーティングマージン区間をおいた状態で電池ケースの外面にコートされている構造であってもよい。このような不コーティングマージン区間は、例えば、電池ケースの開放上端にキャッププレートなどを装着した後レーザー溶接を行う時、容易な溶接性を提供する。
より好ましくは、前記不コーティングマージン区間は、前記電池ケースの上端外周から下方に０．５ｍｍ乃至５ｍｍの長さに形成されてもよい。この長さが長すぎると、保護コーティング層による電池ケースの所望の耐久性が発揮し難く、逆に、短すぎると、レーザー溶接が容易でないため、好ましくない。
前記不コーティングマージン区間を形成する方法は特に制限されず、例えば、電池ケース上に絶縁物質を塗布したり、絶縁体又は絶縁テープを装着又は貼付したりした状態でコートした後、前記絶縁物質、絶縁体又は絶縁テープを除去することによって形成することができる。
一つの好適例において、前記保護コーティング層の厚さは０．０１ｍｍ乃至０．０５ｍｍであればよい。
一般に、電池セルは、製造過程において電池セル活性化工程を経るようになる。電気セル活性化工程とは、電極組立体に電解液を含浸させた状態で初期充放電を行って負極の表面に保護被膜などを形成する工程のことを指す。このような電池セル活性化工程は、充電ピンの接続方式によって２通りの方式に大別することができ、その方式に対応して本発明の電池セルも変形した構成を有することができる。
第一の例として、電池セル活性化工程は、電池セルの上端に正極充電ピンと負極充電ピンが接続された状態で行われ、前記電池ケースの下端面全体に保護コーティング層が塗布されている構造であってよい。
第二の例として、電池セル活性化工程は、電池セルの上端に負極（又は正極）充電ピンが接続され、電池セルの下端に正極（又は負極）充電ピンが接続された状態で行われ、前記正極（又は負極）充電ピンの接続のための接続用開口区間を除く電池ケースの下端面全体に保護コーティング層が塗布されている構造であってもよい。
前記接続用開口区間は、充電ピンに対応する形態であれば特に制限されず、例えば、平面視で円形、楕円形又は多角形などの様々な形態にすることができる。
前記接続用開口区間は、電池ケースの下端面の一部に絶縁物質を塗布したり、絶縁体又は絶縁テープを装着又は貼付したりした状態でコートした後、前記絶縁物質、絶縁体又は絶縁テープを除去することによって形成することができる。
他の好適例において、前記電池ケースは円筒形の電池ケースであってもよい。
このような円筒形の電池ケースにおいて、保護コーティング層は電池ケースの側面全体に塗布されていてもよい。
好ましくは、前記電池セルの製造過程において、電池セル活性化工程は、電池セルの上端に正極（又は負極）充電ピンが接続され、電池セルの下端に負極（又は正極）充電ピンが接続された状態で行われ、前記負極（又は正極）充電ピンの接続のための接続用開口区間を除く電池ケースの下端面全体に保護コーティング層が塗布されている構造であってもよい。
具体的に、前記接続用開口区間は、電池ケースの下端面の一部に絶縁物質を塗布したり、絶縁体又は絶縁テープを装着又は貼付したりした状態でコートした後、前記絶縁物質、絶縁体又は絶縁テープを除去することによって形成することができる。
上述の様々な例において、接続用開口区間は、電池セル活性化工程の後に絶縁部材で封止されてもよい。
前記絶縁部材は、接続用開口区間を外部から保護すると同時に電気的絶縁状態を維持する素材であれば、特に制限されない。
前記電池セルは、その種類が特に制限されることはなく、例えば、リチウム二次電池セルであってよい。前記二次電池は、１つの電池セルで構成される単位電池であってもよく、２つ以上の電池セルが組み立てられた組立電池であってもよく、よって、特定の種類に制限されるものではない。
リチウム二次電池を含んだ二次電池の構成、構造、製造方法などは、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には明らかであり、その具体的な説明は省略するものとする。
また、本発明は、電池セルがパックケースに装着されている二次電池パックを提供する。このような二次電池パックは、エンベデッドパック（ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｐａｃｋ）であることができる。
本発明はまた、二次電池パックが電源として内蔵されているモバイルデバイスを提供する。具体的に、前記モバイルデバイスは、一般に厚さの薄い、ノートパソコン、ネットブック、タブレットＰＣ、スマートパッドなどであればよいが、これらに限定されるものではない。
また、上記の二次電池パックは、電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）、プラグ−インハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ-ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ）又は電力貯蔵装置などの動力源又は電源として用いることができる。
上記のようなデバイス又は装置は当業界に公知のものであり、本明細書ではその具体的な説明を省略する。
本発明の一実施形態に係る電池パックを示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る電池セルに保護コーティング層を形成する方式を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る電池セルの上端部を示す部分斜視図である。 図３の部分側面図である。 電池セルの活性化のための充電過程で用いられる接続ピンが結合されている電池セルを示す正面図である。 電池セル、保護コーティング層、及び絶縁テープを示す分解斜視図である。 電池セルの下端部を示す部分斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る円筒形電池セル及び保護コーティング層を示す分解斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る円筒形電池セルの下端面を示す図である。
以下では、本発明の実施形態に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解を助けるためのもので、本発明の範ちゅうを限定するためのものではない。
図１には、本発明の一実施形態に係る二次電池パックの分解斜視図が模式的に示されており、図２には、本発明の一実施形態に係る電池セルに保護コーティング層を形成する方式が模式的に示されている。
図１及び図２を参照すると、本発明に係る二次電池パック１００は、電池セル１１０、絶縁性装着部材２２０、保護回路基板２３０、一対の接続部材２１０，２１２、上端キャップ２４０、保護コーティング層１５５の塗布された電池ケース１５０などで構成されており、電池セル１１０の上端面に絶縁性装着部材２２０、接続部材２１０，２１２、保護回路基板２３０、及び上端キャップ２４０が順次に装着される。
絶縁性装着部材２２０には、電池セル１５０の電極端子２５３，２５４が露出されるように開口（図示せず）が設けられており、絶縁性装着部材２２０は電池セル１１０の上端面に直接搭載される。電池セル１１０の上端面への絶縁性装着部材２２０の結合は、接着剤によって達成されてもよい。
絶縁性上端キャップ２４０は、接続部材２１０，２１２と保護回路基板２３０が搭載された状態で、絶縁性装着部材２２０を覆いながら電池セル１１０の上端部に結合され、電池セル１１０の上端部の外側面を覆うことができるように所定の長さで下方に延びている。
保護コーティング層１５５は、例えば、図２に示すように、絶縁性の高分子を含んでいるコーティング液を、スプレー２５０を用いて電池セル１１０の外面に噴射した後に乾燥する方式で形成することができる。
図３には、電池セルの上端部の部分斜視図が示されており、図４には、図３の部分拡大側面図が示されており、図５には、電池セルの活性化のための充電過程で用いられる接続ピンが結合されている電池セルの正面図が示されており、図６には、電池セル、保護コーティング層及び絶縁テープの分解斜視図が示されており、図７には、電池セルの下端部の部分斜視図が示されている。
図３乃至図７を参照すると、電池ケース１５０は、電池ケース１５０の上端外周から下方に約３ｍｍの長さｈの不コーティングマージン区間１５１をおいた状態で、電池ケースの全体表面に保護コーティング層（図２の１５５参照）が形成されている。このような不コーティングマージン区間１５１は、電池ケース１５０上に絶縁物質（図示せず）を臨時に塗布した状態でコートした後、絶縁物質を除去することによって形成する。
また、正極／分離膜／負極の構造の電極組立体が、電解液とともに、アルミニウム製の電池ケース１５０の内部に封止されている電池セル１１０を製造するために、まず、電池セル１１０の活性化工程のための充電ピン１６０，１６１の接続のために接続用開口区間１６２を電池ケース１５０の下端面１５９に形成した状態で、電池ケースの全体表面に保護コーティング層１５５を形成する。次いで、電池ケース１５０の内部に電極組立体を装着し、電池ケース１５０の開放上端にキャッププレート１５２を上方で電池セル１１０の外周に沿ってレーザー溶接した後（図３の矢印を参照）、キャッププレート１５２の電解液注入口１５３から電解液を注入し、電池セル活性化工程を行う。その後、電解液を補充した後、電解液注入口１５３を封止する。
接続用開口区間１６２は、平面視で四角形の形状になっているが、その他の様々な形状にしてもよい。
このような接続用開口区間１６２は、電池ケース１５０の下端面の一部に絶縁物質（図示せず）を付着した状態で、保護コーティング層１５５を形成した後、絶縁物質を除去することによって形成する。
最終には、接続用開口区間１６２を絶縁テープである絶縁部材１６５で封止する。
電池セル活性化工程は、第１充電ピン１６０をキャッププレート１５２の上端電極端子１３１に接続させ、第２充電ピン１６１を電池ケース１５０の接続用開口区間１６２に接続させた状態で行う。
したがって、接続用開口区間１６２によって第２充電ピン１６１の接続を容易に行うことができる。
図８には、本発明の他の実施形態に係る円筒形電池セル及び保護コーティング層の分解斜視図が示されており、図９には、本発明の他の実施形態に係る円筒形電池セルの下端面が示されている。
図８及び図９を参照すると、円筒形電池セル３００は、円筒形の電池ケース３５０の内部に電極組立体が電解液とともに封止されており、電池セル３００の活性化工程のための充電ピン（図示せず）の接続のために接続用開口区間３６０を除く電池ケース３５０の全体表面が保護コーティング層５００で被覆されている。
円筒形電池セル３００の上端面３１０には、電池ケース３５０と絶縁された状態で上方に突出した正極端子３２０が設けられており、電池セル３００の下端面には負極端子３３０が設けられている。
円筒形電池セル３００において、接続用開口区間３６０、及び電池ケース３５０の全体表面における保護コーティング層５００の形成技術は、上述した不コーティングマージン区間（図４において１５１）を形成しない以外は、図１乃至図７における円筒形電池セル３００と同様であり、その説明は省略するものとする。
以上、本発明の実施形態に係る図面を参照して説明してきたが、本発明の属する分野における通常の知識を有する者にとっては、上記の内容に基づいて、本発明の範ちゅう内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
上述したように、本発明に係る酸化被膜の形成された電池ケースは、必要に応じて電池ケースの特定部位に接続用開口区間をおいた状態で、電池ケースの全体表面に、電気絶縁性の高分子を含んでいる保護コーティング層を形成することによって、耐久性、耐摩耗性、及び絶縁性を向上させることができる。
また、電池ケースの外面にラベル（Ｌａｂｅｌ）を貼る別途の工程が不要なため、製造過程が容易であり、実質的に同一規格において電池の容量がより向上する効果を奏する。
１００ 二次電池パック
１１０ 電池セル
１５０ 電池ケース
１５１ 不コーティングマージン区間
１５２ キャッププレート
１５３ 電解液注入口
１５５ 保護コーティング層
１６０，１６１ 充電ピン
２１０，２１２ 接続部材
２２０ 絶縁性装着部材
２３０ 保護回路基板
２４０ 上端キャップ

Claims (21)

  1. 電解液が含浸されており、充放電が可能な、正極／分離膜／負極構造の電極組立体と、
    前記電極組立体が内蔵されている、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる電池ケースと、
    前記電池ケースの外面の少なくとも一部に塗布されており、電気絶縁性の高分子を含んでいる保護コーティング層と、
    を有していることを特徴とする、電池セル。
  2. 前記保護コーティング層は、プライマー（ｐｒｉｍｅｒ）としてアクリル樹脂、及びコーティング基材としてウレタン樹脂の塗布後、乾燥して形成されることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  3. 前記保護コーティング層は、プライマーとしてエポキシ樹脂、及びコーティング基材としてアクリル樹脂の塗布後、乾燥して形成されることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  4. 前記保護コーティング層は、アクリル樹脂とシリコン樹脂との混合溶液の塗布後、硬化剤の硬化作用によって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  5. 前記電池ケースは、角形の電池ケースであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  6. 保護コーティング層は、前記電池ケースの上端外周から下方に所定の大きさの不コーティングマージン区間をおいた状態で、電池ケースの外面にコートされていることを特徴とする、請求項５に記載の電池セル。
  7. 前記不コーティングマージン区間は、前記電池ケースの上端外周から下方に０．５ｍｍ乃至５ｍｍであることを特徴とする、請求項６に記載の電池セル。
  8. 前記不コーティングマージン区間は、電池ケース上に絶縁物質を塗布したり、絶縁体又は絶縁テープを装着又は貼付したりした状態で、保護コーティング層を形成した後、前記絶縁物質、絶縁体又は絶縁テープを除去することによって形成されることを特徴とする、請求項６又は７に記載の電池セル。
  9. 前記保護コーティング層の厚さは、０．０１乃至０．０５ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  10. 前記電池セルの製造過程において、電池セル活性化工程は、電池セルの上端に正極充電ピンと負極充電ピンが接続された状態で行われ、前記電池ケースの下端面全体に保護コーティング層が塗布されていることを特徴とする、請求項５に記載の電池セル。
  11. 前記電池セルの製造過程において、電池セル活性化工程は、電池セルの上端に負極（又は正極）充電ピンが接続され、電池セルの下端に正極（又は負極）充電ピンが接続された状態で行われ、前記正極（又は負極）充電ピンの接続のための接続用開口区間を除く電池ケースの下端面全体に保護コーティング層が塗布されていることを特徴とする、請求項５に記載の電池セル。
  12. 前記接続用開口区間は、電池ケースの下端面の一部に絶縁物質を塗布したり、絶縁体又は絶縁テープを装着又は貼付したりした状態で、保護コーティング層を形成した後、前記絶縁物質、絶縁体又は絶縁テープを除去することによって形成されることを特徴とする、請求項１１に記載の電池セル。
  13. 前記電池ケースは、円筒形の電池ケースであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  14. 前記電池ケースの側面全体に保護コーティング層が塗布されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  15. 前記電池セルの製造過程において、電池セル活性化工程は、電池セルの上端に正極（又は負極）充電ピンが接続され、電池セルの下端に負極（又は正極）充電ピンが接続された状態で行われ、前記負極（又は正極）充電ピンの接続のための接続用開口区間を除く電池ケースの下端面全体に保護コーティング層が塗布されていることを特徴とする、請求項１３に記載の電池セル。
  16. 前記接続用開口区間は、電池ケースの下端面の一部に絶縁物質を塗布したり、絶縁体又は絶縁テープを装着又は貼付したりした状態で、保護コーティング層を形成した後、前記絶縁物質、絶縁体又は絶縁テープを除去することによって形成されることを特徴とする、請求項１４に記載の電池セル。
  17. 前記接続用開口区間は、電池セル活性化工程の後に絶縁部材で封止されることを特徴とする、請求項１２又は１５に記載の電池セル。
  18. 前記電池セルは、リチウム二次電池セルであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  19. 請求項１に記載の電池セルがパックケースに装着されていることを特徴とする、二次電池パック。
  20. 二次電池パックはエンベデッドパック（ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｐａｃｋ）であることを特徴とする、請求項１９に記載の二次電池パック。
  21. 請求項２０に記載の二次電池パックが電源として内蔵されている、モバイルデバイス。
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