JP2016506610A - エネルギー密度が向上した二次電池 - Google Patents
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Abstract
本発明は、正極／分離膜／負極の積層構造を含む電極組立体と、収容部が形成された下面と前記収容部を覆う上面とで構成され、前記収容部に１つまたは複数個の電極組立体が収容されたパウチ型外装材と、前記パウチ型外装材の外部に形成された電極端子とを含む二次電池において、前記パウチ型外装材の周辺部を接合したシーリング部を含み、但し、電極端子が外装材の外部に形成されていない面のシーリング部が下面方向に９０度折り畳まれた二次電池に関する。本発明によれば、パウチ型二次電池のシーリング部を下面方向に９０度折り畳んで固定することで、シーリング部を最小化して単位体積当たりの出力を高めることができ、かつパックサイズを縮小することができる。
Description
本発明は、二次電池に関し、より具体的には、パウチ型二次電池においてパウチのシーリング部が占める面積を最小化することにより、二次電池のエネルギー密度がより向上した二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池は、電解質の種類に応じて液体電解質を用いるリチウムイオン電池と、高分子固体電解質を用いるリチウムイオンポリマー電池とに区分することができる。
液体電解質を用いるリチウムイオン二次電池は、通常、円筒や角型の金属缶を容器にして溶接密封させた形態に用いられる。このような金属缶を容器として用いる缶型二次電池は形態が固定されるので、これを電源として用いる電気製品のデザインを制約する欠点があり、体積を減少させるのに困難である。したがって、２つの電極と分離膜、電解質をフィルム製のパウチに入れ密封して用いるパウチ型二次電池が開発され用いられている。
通常用いられるリチウムイオンポリマー電池のパウチは、順次、内部層として、熱接着性を有してシーリング材の役割を担う熱接着層であるポリオレフィン系樹脂層（Ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ Ｌａｙｅｒ）、中間層として、機械的強度を維持し、水分と酸素のバリア層としての役割を担う金属箔のアルミニウム層（ＡＬ／Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｌａｙｅｒ）、外部層として、基材及び保護層として働くナイロン層（Ｎｙｌｏｎ Ｌａｙｅｒ）が積層された多層膜構造から構成されている。
最近、充放電が可能な二次電池は、ワイヤレス機器のエネルギー源として広く用いられている。また、二次電池は、化石燃料を用いる既存のガソリン車、ディーゼル車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）などの動力源としても注目されている。
さらに、機器等の軽量化及び小型化の傾向に伴い、それに用いられる二次電池もやはりさらに軽くて薄い構造が求められている。但し、従来のパウチ型外装材は、二次電池の充電及び放電サイクル中のスウェリング現象やガスの発生に対する二次電池の安全性を高めるため、相対的にシーリング部の幅を広くした。但し、このようにシーリング部の幅を広くする場合、二次電池を収容するバッテリーモジュール及びパックが大型化され、これに伴い、前記バッテリーモジュール及びパックを収容する機器等もまた大型化されるとの問題点があった。
本発明は、シーリング部の大きさを最小化して二次電池の単位体積当たりの出力を向上させることにより、二次電池のエネルギー密度の向上を図る。
また、本発明は、前記二次電池を収容するバッテリーモジュール及びパックの体積の最小化を図る。
本発明は、正極／分離膜／負極の積層構造を含む電極組立体と、収容部が形成された下面と前記収容部を覆う上面とで構成され、前記収容部に１つまたは複数個の電極組立体が収容されたパウチ型外装材と、前記パウチ型外装材の外部に形成された電極端子を含む二次電池において、前記パウチ型外装材の周辺部を接合したシーリング部とを含み、但し、電極端子が外装材の外部に形成されていない面のシーリング部が下面方向に９０度折り畳まれた二次電池を提供する。
前記折り畳まれたシーリング部は、二次電池の側面に密着されることが好ましい。
前記シーリング部の幅は、二次電池の厚さ以下であることが好ましい。
また、前記パウチ型外装材は、上面及び下面に収容部が形成されてよい。
このとき、前記パウチ型外装材は、上面及び下面の収容部が対称であってよい。
このとき、前記シーリング部の幅は、二次電池の厚さの１／２以下であることが好ましい。
また、前記パウチ型外装材は、上面及び下面の収容部が非対称であってよい。
このとき、前記シーリング部の幅は、前記パウチ型外装材の上面及び下面のうち、収容部の深さ方向の寸法がさらに大きい面の深さ方向の寸法以下であることが好ましい。
また、前記シーリング部は、前記パウチ型外装材の上面及び下面のうち、収容部の深さ方向の寸法がさらに大きい面の方向に９０度折り畳まれることが好ましい。
また、前記シーリング部は、折り畳まれてパウチ型外装材の片面に固定されてよい。
前記シーリング部は、折り畳まれて熱融着または絶縁テープによりパウチ型外装材の片面に固定されてよい。
また、前記絶縁テープは、最外側がポリオレフィン系高分子、ポリエステル系高分子及びナイロンの中から選択されてよい。
前記二次電池は、リチウムイオン二次電池またはリチウムイオンポリマー二次電池であってよい。
本発明は、前記二次電池を２以上含む電池パックを提供する。
さらに、本発明は、前記二次電池を１つ以上含むデバイスを提供し、前記デバイスは、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、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ってよい。
本発明によれば、パウチ型二次電池のシーリング部を下面方向に９０度折り畳んで固定することで、シーリング部を最小化して単位体積当たりの出力を高めることができる。また、これを介して二次電池のエネルギー密度を向上させることができる。
また、前記二次電池を収容するバッテリーモジュール及びパックの体積を最小化することができる。
以下、図を参照し、本発明の好ましい実施形態等を説明する。しかし、本発明の実施形態は、幾多の他の形態に変形可能であり、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。図において各要素の形状及び大きさなどは、より明確な説明のために誇張され得る。
図１から図４は、一般的なパウチ型二次電池を概略的に示した図であり、図５は、本発明によりシーリング部が下面方向に９０度折り畳まれたパウチ型二次電池を概略的に示した図である。
本発明は、二次電池のシーリング部が下面方向に９０度折り畳まれたパウチ型二次電池の提供を図る。
図１から図５に示す通り、通常、パウチ型二次電池は、正極／分離膜／負極の積層構造を含む電極組立体３０と、収容部１０が形成された下面と収容部１０を覆う上面４０とから構成され、収容部１０に１つまたは複数個の電極組立体が収容されたパウチ型外装材と、前記外装材の外部に形成された電極端子２０とを含む。このとき、前記パウチ型外装材の周辺部を接合したシーリング部を含み、但し、図５に示す通り、電極端子２０が外装材の外部に形成されていない面のシーリング部が下面方向に９０度折り畳まれ、前記折り畳まれたシーリング部を固定すると、パウチの末端がモジュール内のクーリングフィンなどと接触することにより絶縁される問題を防止することができる。
このとき、前記シーリング部の幅は、二次電池の厚さ以下であることが好ましい。二次電池の厚さを超過する場合は、シーリング部を折り畳むとき、一部のシーリング部が二次電池の厚さを超えて相対的に空間を多く占めるとの問題点がある。
前記電極組立体の正極、負極及び分離膜の材質は特に限定されないものであって、本技術分野で通常用いられるものであれば、本発明でも特別な制限なく用いられ得る。
例えば、これに限定するものではないが、前記負極は、銅、ニッケル、銅合金またはこれらの組み合わせによって製造された負極電流集電体の両面に、リチウム金属、リチウム合金、カーボン、石油コークス、活性化カーボン、グラファイトなどのような負極活物質をコーティングして形成されたものを用いることができる。また、正極は、アルミニウム、ニッケルまたはこれらの組み合わせにより製造された正極電流集電体の両面に、リチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物などのような正極活物質をコーティングして形成されたものであり得る。
一方、前記分離膜は、例えば、微細多孔構造を有するポリエチレン、ポリプロピレン、またはこれらの組み合わせによって製造される多層膜や、ポリビニリデンフルオリド、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルまたはポリビニリデンフルオリドヘキサフルオロプロピレン共重合体のような固体高分子電解質用またはゲル型高分子電解質用高分子膜を用いることができる。
本発明の二次電池は、前記電極組立体をパウチ型外装材の内部に内蔵し、電解液を注入することにより得ることができる。前記電極組立体をパウチ型外装材内に内蔵して二次電池を製造する具体的な方法は特に限定せず、本技術分野で通常用いられる方法を本発明でも好適に適用することができる。
このとき、前記パウチ型外装材は、電極組立体の形状に対応される形状であってよいが、特に限定されるものではない。例えば、図に示してはいないが、前記パウチ型外装材は、前記電極組立体をパウチ型外装材の内部に内蔵するため、上面及び下面に収容部が形成されてよく、前記収容部には１つまたは複数個の電極組立体が収容されてよい。
このとき、前記パウチ型外装材は、上面及び下面が対称であってよい。前記シーリング部の幅は、二次電池の厚さの１／２以下であることが好ましい。前記シーリング部の幅が二次電池の厚さの１／２を超過する場合は、シーリング部を折り畳むとき、一部のシーリング部が二次電池の厚さを超えて相対的に空間を多く占めるとの問題点がある。
また、前記パウチ型外装材は、上面と下面の収容部が非対称であってよい。このとき、前記シーリング部の幅は、前記パウチ型外装材の上面または下面のうち、収容部の深さ方向への寸法がさらに大きい面の収容部の深さと同一であるか、より小さいことが好ましい。前記シーリング部の幅が、前記パウチ型外装材の上面または下面のうち、収容部の深さ方向の寸法がさらに大きい面の収容部の深さよりさらに大きい場合は、シーリング部を折り畳むとき、一部のシーリング部が二次電池の厚さを超えることになるので、相対的に空間を多く占めるとの問題点がある。
このとき、前記折り畳みは、前記パウチ型外装材の上面及び下面のうち、収容部の深さ方向の寸法がさらに大きい面の方向に９０度折り畳まれることが好ましい。前記パウチ型外装材の上面及び下面のうち、収容部の深さ方向の寸法がさらに小さい面の方向に折り畳む場合は、シーリング部を折り畳むとき、一部のシーリング部が二次電池の厚さを超えて相対的に空間を多く占めるとの問題点がある。
前記のように折り畳まれたシーリング部は、シーリング部自体の張力によって折り畳まれた状態を維持せず外装材から離隔され得る。したがって、必要に応じて前記折り畳まれたシーリング部は、パウチ型外装材の片面に固定され得る。前記固定のための手段は特に限定されず、熱融着、絶縁テープによる接着などの多様な方法により行われてよい。
一方、前記パウチ型外装材は、ラミネートシートからなってよく、このとき前記ラミネートシートは、最外側をなす外側樹脂層、物質の貫通を防止する遮断性金属層、密封のための内側樹脂層からなってよいが、これに限定されるものではない。
また、前記パウチ型外装材は、電極組立体の二次電池の電極端子等を電気的に接続するための電極リードが外部に露出された構造に形成されることが好ましく、図示してはいないが、前記電極リードの上下面には電極リードを保護するための絶縁フィルムが付着されてよい。
本発明の前記絶縁テープは、電気絶縁性を有するものであれば特に制限されず用いることができ、例えば、最外側がポリオレフィン系高分子、ポリエステル系高分子及びナイロン材質のテープであってよく、さらに、他の基材上に上記のような物質がコーティングされているものを用いることもできる。
一方、前記二次電池は、これに限定されるものではないが、例えば、好ましくは、リチウムイオン電池またはリチウムイオンポリマー電池であってよい。
上記のような本発明の方法により得られた二次電池は、単独で用いられてもよく、２以上の二次電池を含む電池パックの形態に用いられてもよい。このような本発明の二次電池及び／または二次電池パックは、多様なデバイス、例えば、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、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に有用に用いられ得る。
１０：収容部
２０：電極端子
３０：電極組立体
４０：パウチ型外装材の上面
２０：電極端子
３０：電極組立体
４０：パウチ型外装材の上面
Claims (16)
- 正極／分離膜／負極の積層構造を含む電極組立体と、収容部が形成された下面と前記収容部を覆う上面とで構成され、前記収容部に１つまたは複数個の前記電極組立体が収容されたパウチ型外装材と、前記パウチ型外装材の外部に形成された電極端子とを含む二次電池において、
前記パウチ型外装材の周辺部を接合したシーリング部を含み、但し、前記電極端子が外装材の外部に形成されていない面の前記シーリング部が下面方向に９０度折り畳まれている二次電池。 - 折り畳まれた前記シーリング部は、二次電池の側面に密着されている請求項１に記載の二次電池。
- 前記シーリング部の幅は、二次電池の厚さ以下である請求項１に記載の二次電池。
- 前記パウチ型外装材は、上面及び下面に収容部が形成されている請求項１に記載の二次電池。
- 前記パウチ型外装材は、上面及び下面の収容部が互いに対称である請求項４に記載の二次電池。
- 前記シーリング部の幅は、二次電池の厚さの１／２以下である請求項５に記載の二次電池。
- 前記パウチ型外装材は、上面及び下面の収容部が互いに非対称である請求項４に記載の二次電池。
- 前記シーリング部の幅は、前記パウチ型外装材の上面及び下面のうち、収容部の深さ方向の寸法が大きい方の面の深さ方向の寸法以下である請求項７に記載の二次電池。
- 前記シーリング部は、前記パウチ型外装材の上面及び下面のうち、収容部の深さ方向の寸法が大きい方の面の方向に９０度折り畳まれている請求項８に記載の二次電池。
- 前記シーリング部は、折り畳まれて前記パウチ型外装材の片面に固定されている請求項１に記載の二次電池。
- 前記シーリング部は、折り畳まれて熱融着または絶縁テープにより前記パウチ型外装材の片面に固定されている請求項１に記載の二次電池。
- 前記絶縁テープは、最外側がポリオレフィン系高分子、ポリエステル系高分子及びナイロンの中から選択される物質からなる請求項１１に記載の二次電池。
- 前記二次電池は、リチウム二次電池である請求項１から１２のいずれか１項に記載の二次電池。
- 請求項１から１２のいずれか１項に記載の二次電池を２以上含む電池パック。
- 請求項１から１２のいずれか１項に記載の二次電池を１つ以上含むデバイス。
- 前記デバイスは、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、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請求項１５に記載のデバイス。
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