JP2015520932A - 単一電極端子結合部を有する電池組合体 - Google Patents

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Abstract

本発明は、正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在した分離膜の電極組立体が電池ケースに内蔵されている２つ以上の電池セルが直列または並列接続されている電池組合体であって、電池セル間の直列または並列接続部位において、第１電池セルの電極端子と第２電池セルの電極端子は１つの部材からなることを特徴とする電池組合体を提供する。【選択図】図４

Description

本発明は、単一電極端子結合部構造を有する電池組合体に係り、より詳細には、正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在した分離膜の電極組立体が電池ケースに内蔵されている、２つ以上の電池セルが直列または並列接続されている電池組合体であって、電池セル間の直列または並列接続部位において、第１電池セルの電極端子と第２電池セルの電極端子は１つの部材からなることを特徴とする電池組合体に関する。
充放電可能な二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの大気汚染などを解決するための方案として提示されている電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−Ｉｎ ＨＥＶ）などを含めて、高出力大容量が要求されるデバイスの動力源として注目されている。
このようなデバイスには、高出力大容量の提供のために多数の電池セルを電気的に接続した中大型電池モジュールが使用される。
中大型電池モジュールは、可能な限り小さい大きさ及び重量で製造されることが好ましいので、高い集積度で充積することができ、容量に比べて重量の小さい角形電池、パウチ型電池などが中大型電池モジュールの電池セル（単位電池）として主に使用されている。特に、アルミニウムラミネートシートなどを外装部材として使用するパウチ型電池は、重量が小さく、製造コストが低く、形状の変形が容易であるという利点により、最近多くの関心を集めている。
最近は、スタック型またはスタック／フォールディング型電極組立体をアルミニウムラミネートシートのパウチ型電池ケースに内蔵した構造のパウチ型電池が、低い製造コスト、小さい重量、容易な形状変形などを理由で関心を集めており、また、その使用量が次第に増加している。
特に、このようなパウチ型二次電池の電極タブは、一般に、０．５ｍｍ以下の薄板（ｆｏｉｌ）で形成されており、多数の電極タブ（正極タブまたは負極タブ）を１つの電極リード（正極リードまたは負極リード）に超音波融着によって結合して電極端子を形成し、電極端子が連続的に相互隣接するように長手方向に配列した状態で、電極端子を相互溶接して結合させた後、２つの単位で電池セルを重なるように折り畳むことによってパウチ型二次電池を作製する。
前記電池セルの電極端子と電極端子、または電極端子とバスバーは、レーザー溶接または超音波溶接により互いに連結される。
しかし、このような反復的な溶接過程でバスバーが電池モジュールに固定される構造であるので、電池モジュールに衝撃ないし振動が印加されて電池セルと電池モジュールとの間の相対運動が発生する場合に、バスバーと電池セルを連結する電極端子、または電池セルと電池セルを連結する電極端子の部位に外力が集中することによって、構造的に弱いという短所がある。
このような現象は、電池モジュールが車両などに搭載されて反復的な外部衝撃と振動にさらされる時にも発生する。
さらに、アルミニウム素材からなる正極端子の場合に、銅素材で形成される負極端子よりも素材自体の特性上強度が弱いため、外部衝撃と振動に対してさらに脆弱であるという問題がある。
したがって、高出力大容量の電力を提供しながらも、構造的な信頼性を維持すると共に、外部衝撃による内部短絡及び破断を根本的に防止することができる二次電池に対する必要性が高い実情である。
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。
本出願の発明者らは、鋭意研究と様々な実験を重ねた結果、電池セル間の直列または並列接続部位において、隣接する電池セルの電極端子を１つの部材で構成することによって、電極端子間の溶接工程の回数が大きく減少するだけでなく、外部の衝撃または振動による外力が発生しても電極端子の結合力を維持することができる新しい概念の電極端子結合部を有する電池組合体を開発するに至った。
したがって、本発明に係る電池組合体は、正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在した分離膜の電極組立体が電池ケースに内蔵されている２つ以上の電池セルが、直列または並列接続されている電池組合体であって、電池セル間の直列または並列接続部位において、第１電池セルの電極端子と第２電池セルの電極端子は１つの部材からなる構造で構成される。
本発明によれば、電池組合体は、電池セル間の直列または並列接続部位において、第１電池セルの電極端子と第２電池セルの電極端子が単一部材、すなわち、１つの部材で構成されることによって、溶接工程の回数が大きく減少して、外部の衝撃または振動による外力が発生しても電極端子と電極端子との結合力を確保することができる。
前記電池セルは、好ましくは、板状の電池セルであってもよく、前記板状の電池セルは、電池モジュールの構成のために充積されたときに全体の大きさを最小化できるように、薄い厚さ、相対的に広い幅及び長さを有する電池セルである。
そのような好ましい例として、金属層と樹脂層を含むラミネートシートのケースに電極組立体を内蔵した後、外周面を熱融着シールした構造であってもよい。具体的に、アルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに電極組立体が内蔵されている構造であってもよい。このような構造の二次電池を、‘パウチ型電池セル’と呼ぶこともある。
前記電極組立体は、巻き取り型、スタック型またはスタック／フォールディング型構造であってもよいが、これらに限定されるものではない。好ましくは、スタック型またはスタック／フォールディング型構造であってもよい。前記スタック／フォールディング型構造は、両面が同じ電極からなる積層構造のバイセル、または両面が互いに異なる電極からなる多数個のフルセルを分離フィルムで巻き取った構造である。
好ましくは、前記電池セルの電極端子は、アルミニウムからなる正極端子とニッケルメッキ銅からなる負極端子とで構成されてもよく、前記電池セルは、上下の両端部に正極端子及び負極端子が電池ケースの両端に対向する構造で突出している構造であってもよい。
一つの好ましい例において、前記電池セルは、電極組立体の極板からそれぞれ延びた電極タブが１つの電極リードに結合されている構造となっており、電池セル間の直列または並列接続部位において、第１電池セルの電極タブと第２電池セルの電極タブは１つの電極リードに結合されている構造となっていてもよい。
したがって、１つの電極リードによって第１電池セル及び第２電池セルのそれぞれの電極タブが接続される構造であるので、溶接工程数が顕著に減少する。
本発明はまた、前記電池組合体を１つ以上含む電池モジュールを提供する。
一つの好ましい例において、本発明に係る電池モジュールを構成する電池セルは、２単位の電池セルが電池組合体として構成される構造であってもよく、好ましくは、前記電池組合体の電池セルは積層配列されており、前記電池セル相互間の直列または並列接続部位において、電極端子は、電池セルの積層配列のために折れ曲がっている構造であってもよい。
具体的に、電池組合体相互間の電池セルは直列または並列方式で接続されており、好ましい例において、電池セルをその電極端子が連続的に相互隣接するように長手方向に直列または並列配列した状態で、電極端子を結合させた後、２つ又はそれ以上の単位で電池セルを重なるように折り畳み、所定の単位でセルカバーによって覆うことによって、多数の電池組合体を製造することができる。
前記電池組合体の電池セルは、好ましくは、積層された電池セルの外面が、相互結合される一対のセルカバーによって覆われている構造であってもよく、前記セルカバーは、機械的剛性の低い電池セルを保護すると共に、充放電時の反復的な膨張及び収縮の変化を抑制することで、電池セルのシール部位が分離されることを防止する役割を果たす。
一つの好ましい例において、電池組合体相互間の電気的接続は、第１電池組合体における１つの電池セルの電極端子と、第２電池組合体における１つの電池セルの電極端子とが直接結合されて達成されてもよい。
また、本発明は、前記電池モジュールを電源として使用するデバイスを提供し、このようなデバイスの好ましい例としては、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車または電力貯蔵装置などを挙げることができるが、これに限定されるものではない。
このようなデバイスの構造及び製造方法もまた当業界で公知となっているので、本明細書では、それについての詳細な説明を省略する。
パウチ型電池の斜視図である。 図１のパウチ型電池が２つ直列に接続された電池組合体の斜視図である。 図１のパウチ型電池が２つ直列に接続された電池組合体の斜視図である。 本発明の一つの実施例に係る電池組合体の部分垂直断面図である。 単位モジュールの構成のために図１の電池セルが装着されるセルカバーの斜視図である。 多数の電池組合体が接続された単位モジュール積層体の斜視図である。 図６の単位モジュール積層体の平面図である。
以下では、本発明の実施例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のためのものであり、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
図１には、パウチ型電池の斜視図が模式的に示されている。図１を参照すると、第１電池セル１０１は、２つの正極端子１１０及び負極端子１２０が互いに対向して電池本体１３０の上端部と下端部にそれぞれ突出している構造となっている。電池ケース１４０は、上下２単位からなっており、その内面に形成されている収納部に電極組立体（図示せず）を装着した状態で、相互接触部位である両側面１４０ｂ、上端部及び下端部１４０ａ，１４０ｃを貼り合わせることによって第１電池セル１０１が作製される。電池ケース１４０は、樹脂層／金属箔層／樹脂層のラミネート構造となっているので、互いに接する両側面１４０ｂ、上端部及び下端部１４０ａ，１４０ｃに熱と圧力を加えて樹脂層を相互融着させて貼り合わせることができ、場合によっては、接着剤を用いて貼り合わせてもよい。
両側面１４０ｂは、上下の電池ケース１４０の同一の樹脂層が直接接するので、溶融により均一な密封が可能である。一方、上端部１４０ａと下端部１４０ｃには正極端子１１０と負極端子１２０が所定の長さで突出しているので、電極端子１１０，１２０の厚さ及び電池ケース１４０の素材との異質性を考慮して密封性を高めることができるように、電極端子１１０，１２０との間にフィルム状のシール部材１６０を介在した状態で熱融着させる。
図２及び図３には、図１のパウチ型電池セルが２つ直列に接続された電池組合体の斜視図が模式的に示されている。
これら図面を図１と共に参照すると、電池セル積層体１００ａは、２つのパウチ型電池セルとして第１電池セル１０１と第２電池セル１０２とが直列接続されており、直列接続部位においてこれらの電極端子は、１つの部材である電極リード連結部１５０で構成されている。図３の電池セル積層体１００ａは、電池セル１０１，１０２が重畳しており、電極リード連結部１５０は、平面視において‘
Figure 2015520932
’字状に折れ曲がっている。
図４には、本発明の一つの実施例に係る電池組合体の部分垂直断面図が模式的に示されている。
図４を参照すると、２つの電池セルである第１電池セル１０１と第２電池セル１０２は、電極組立体３０と、電極組立体３０から延びている電極タブ４０，５０と、それぞれの電極タブ４０，５０に溶接され、１つの部材で形成された電極リード連結部１５０と、電極組立体３０を収容する電池ケース１４０とを含むものと構成されている。
電極組立体３０は、分離膜が介在した状態で、電極活物質が両面にそれぞれ塗布されている正極と負極が順次積層されている発電素子であって、スタック型またはスタック／フォールディング型構造となっている。電極タブ４０，５０は、電極組立体３０の各極板から延びており、電極リード連結部１５０は、各極板から延びた複数個の電極タブ４０，５０と、例えば、溶接によりそれぞれ電気的に接続されており、電池ケース１４０の外部に一部が露出している。また、電極端子１５０の両端部側の上下面の一部には、電池ケース１４０との密封度を高めると同時に、電気的絶縁状態を確保するために絶縁フィルム１６０が付着されている。
電池ケース１４０は、アルミニウムラミネートシートからなっており、電極組立体３０を収容可能な収納空間を提供し、全体的にパウチ状を有している。図１のような積層型電極組立体３０の場合、多数の正極タブ４０及び多数の負極タブ５０が電極リード連結部１５０に共に結合可能なように、電池ケース１４０の内部上端は電極組立体３０から離隔している。
図５には、単位モジュールの構成のために、図１の電池セルが２つ装着されるセルカバーが斜視図として示されている。
図５を参照すると、セルカバー２００は、図１でのようなパウチ型電池セル（図示せず）を２つ内蔵し、それの機械的剛性を補完するだけでなく、モジュールケース（図示せず）に対する装着を容易にする役割を果たす。２つの電池セルは、その一側の電極端子が直列に相互接続された状態で折れ曲がって密着した構造でセルカバー２００の内部に装着される。
セルカバー２００は、相互結合方式の一対の部材２１０，２２０で構成されており、高強度の金属板材からなっている。セルカバー２００の左右両端に隣接した外面には、モジュールの固定を容易にするための段差２３０が形成されており、上端及び下端にもまた同じ役割を果たす段差２４０が形成されている。また、セルカバー２００の上端及び下端には、幅方向に固定部２５０が形成されているので、モジュールケース（図示せず）に対する装着を容易にする。
図６には、多数の単位モジュールが連結された単位モジュール積層体の斜視図が示されており、図７には、セルユニット積層体の平面図が模式的に示されている。
これら図面を参照すると、単位モジュール積層体３００は、４個の単位モジュール２０１，２０２，２０３，２０４からなり、各単位モジュール２００当たり２つの電池セル（図示せず）が内蔵されているので、全体的に総８個の電池セルが含まれている。電池セル相互間及び単位モジュール相互間の電極端子の結合は直列方式であり、１つの部材で形成された電極リード連結部１５０は、モジュールアセンブリの構成のために、断面視において‘
Figure 2015520932
’字状に折れ曲がっており、そのうち最外側にある単位モジュール２０１，２０４の外側の電極端子３２０，３２１は、他の電極リード連結部１５０よりも少し突出した状態で内側に向かって断面視において‘
Figure 2015520932
’字状に折れ曲がっている。
以上、本発明の実施例に係る図面を参照して説明したが、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
以上で説明したように、本発明に係る電池組合体は、電池セル間の直列または並列接続部位において、第１電池セルの電極端子と第２電池セルの電極端子を１つの部材で構成することによって、電極端子相互間の溶接工程の回数が大きく減少するだけでなく、外部の衝撃または振動による外力が発生しても電極端子の結合力を安定的に維持することができる。
したがって、本発明に係る二次電池は、電池パックの組立時または使用時に発生する外力などが電極端子に伝達されても、電極端子の結合力を維持することができる。

Claims (14)

  1. 正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在した分離膜の電極組立体が電池ケースに内蔵されている２つ以上の電池セルが直列または並列接続されている電池組合体であって、電池セル間の直列または並列接続部位において、第１電池セルの電極端子と第２電池セルの電極端子は１つの部材からなることを特徴とする、電池組合体。
  2. 前記電池セルは板状の電池セルであることを特徴とする、請求項１に記載の電池組合体。
  3. 前記板状の電池セルは、金属層と樹脂層を含むラミネートシートのケースに電極組立体を内蔵した後、外周面を熱融着シールした構造からなることを特徴とする、請求項２に記載の電池組合体。
  4. 前記電極組立体は、巻き取り型、スタック型またはスタック／フォールディング型構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池組合体。
  5. 前記電池セルの電極端子は、アルミニウムからなる正極端子とニッケルメッキ銅からなる負極端子とで構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池組合体。
  6. 前記電池セルは、正極端子及び負極端子が電池ケースの両端に対向する構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池組合体。
  7. 前記電池セルは、電極組立体の極板からそれぞれ延びた電極タブが１つの電極リードに結合されている構造からなっており、電池セル間の直列または並列接続部位において、第１電池セルの電極タブ及び第２電池セルの電極タブは１つの電極リードに結合されている構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池組合体。
  8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の電池組合体を１つ以上含むことを特徴とする、電池モジュール。
  9. 前記電池モジュールを構成する電池セルは、２単位の電池セルが電池組合体として構成されていることを特徴とする、請求項８に記載の電池モジュール。
  10. 前記電池組合体の電池セルは積層配列されており、前記電池セル相互間の直列または並列接続部位において電極端子は、電池セルの積層配列のために折れ曲がっていることを特徴とする、請求項９に記載の電池モジュール。
  11. 前記電池組合体の電池セルは、積層された電池セルの外面が、相互結合される一対のセルカバーによって覆われていることを特徴とする、請求項９に記載の電池モジュール。
  12. 電池組合体相互間の電気的接続は、第１電池組合体における１つの電池セルの電極端子と、第２電池組合体における１つの電池セルの電極端子とが直接結合されて達成されることを特徴とする、請求項９に記載の電池モジュール。
  13. 請求項１２に記載の電池モジュールを含むことを特徴とする、デバイス。
  14. 前記デバイスは、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車または電力貯蔵装置であることを特徴とする、請求項１３に記載のデバイス。
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