JP2019536225A - パウチ型二次電池に適用される電流の遮断構造 - Google Patents

Abstract

本発明は、パウチ型二次電池に適用される電流の遮断構造に係り、更に詳しく端、三角（Ｖ）形状の破断溝１２２と、三角溝が延びた形状の破断ライン１２４とにより構成される二重破断構造を設計することにより、スウェリング現象が生じたときに前記破断溝により破断ラインに応力が集中することにより、正確に且つきれいに破断されることにより、電流の流れを遮断することのできる電流の遮断構造に関する。

Description

本発明は、パウチ型二次電池に適用される電流の遮断構造に係り、更に詳しくは、電極タブの一部の構造であって、スウェリング現象による応力により破断されるようにして電流の遮断が可能なように設計された構造に関する。

現代社会において、モバイル機器などをはじめとする多種多様なＩＴ機器に関する技術が開発され、且つ、需要が増加することに伴い、ＩＴ機器のエネルギー源としての役割を果たす二次電池に関する技術の開発もまた盛んに行われ、二次電池へのニーズが増える傾向にある。

二次電池は、電池ケースの形状に応じて、円筒型、角型、パウチ型の二次電池などに分類できるが、ここで、パウチ型二次電池は、製品に応じて形状を変形し易く、製造コストが安価であり、しかも、重量が小さいなどのメリットがあることから、最近小型化が進んでいるモバイル機器など種々のＩＴ機器に適用して好適である。

パウチ型二次電池は、電極組立て体、前記電極組立て体から延びる電極タブ、前記電極タブと溶接により電気的に接合連結される電極リード及び前記電極組立て体を収容するパウチ外装材を備えてなる。このようなパウチ型二次電池は、許容可能な電流／電圧を超える過充電状態又は内部短絡などにより電池内部の温度が上がるが、このとき、電池内部の温度の上昇による電解液の気化などにより電池内部の圧力が高くなる。電池内部の圧力が高くなると、セルが膨らむスウェリング（Ｓｗｅｅｌｉｎｇ）現象が生じるが、前記スウェリング現象が続く場合には、電池が発火したり爆発したりするリスクがある。

このような問題を解決するためには、スウェリング現象が生じると、適切な時点において電池内部における電流の流れを遮断して、電池が発火したり爆発したりするリスクを防止できるように、電池内部構造の特定の領域を電流遮断の機能を行える構造に設計することが必要である。

本発明は、スウェリング現象が生じることに伴い、電池内部の電流の流れを遮断することのできるパウチ型二次電池に適用可能な構造が求められる。

本発明に係るパウチ型二次電池は、一枚以上の正極板及び負極板が積層される電極組立て体１００と、前記電極組立て体から延びる電極タブ１１０と、前記電極タブと接合連結される電極リード２００と、前記電極リードの一部が露出されるように前記電極組立て体を取り囲んで封止するパウチ外装材３００と、を備えてなり、前記電極リード２００は、前記電極タブ１１０と電気的に結合される第１の溶接領域Ｆ１を備え、前記電極タブ１１０は、前記第１の溶接領域Ｆ１と電気的に結合される第２の溶接領域Ｆ２と、前記第２の溶接領域Ｆ１と破断部連結領域１２０により仕切られ、前記電極組立て体１００と電気的に連結される電極連結部１１２と、前記第２の溶接領域Ｆ２と前記電極連結部１１２とを繋ぎ、応力が生じたときに破断されて前記第２の溶接領域Ｆ２と前記電極連結部１１２とを分離する破断部連結領域１２０と、を備えてなることを特徴とする。

一方、前記破断部連結領域１２０は、前記電極タブ１１０の表面に長手方向に、応力が生じたときに表面に垂直な方向に折れ曲がって破断される溝が線形状に形成された破断ライン１２４を備えてなることを特徴とする。

一方、前記破断ラインの両端部には、前記電極タブ１１０の表面に平行な方向に破断溝１２２が形成されたことを特徴とする。

前記破断溝１２２は、所定の第１の内角Ａをなす第１の斜辺部ａと第２の斜辺部ｂとにより形成される三角（Ｖ）溝の形状であることを特徴とする。

前記破断ライン１２４は、所定の第２の内角Ｂをなす第３の斜辺部ｃと第４の斜辺部ｄ及び前記電極タブ１１０の表面に垂直な方向の長さを高さｈとする三角溝の形状に延びて形成されることを特徴とする。

また、前記破断ライン１２４は、前記破断溝１２２の幅方向に向かい合う形状に破断部連結領域１２０の上部及び下部の表面に形成されたことを特徴とする。

一方、前記所定の第１の内角Ａは、少なくとも１５０°以下の大きさであることを特徴とする。

更に、前記所定の第２の内角Ｂは、少なくとも９０°以下の大きさであることを特徴とする。

本発明は、電極タブが電極リードと電気的に連結される領域と、前記電極タブが電極組立て体と電気的に連結される領域とが繋がる部分に三角形状の溝を二重構造に設計して、スウェリング現象が生じたときに応力が集中して正確に且つきれいに破断されて、電池内部の電流の流れを遮断して、スウェリング現象が続くことにより生じる各種のリスクを防ぐことができる。

パウチ型二次電池の内部構造を示す上面図。 図１の断面図。 本発明の実施形態に係る電極タブと電極リードの平面図。 図３の電極タブと電極リードとが結合された状態を示す平面図。 図４の状態での破断動作の原理を示す平面図及び破断構造の拡大図 本発明の実施形態に係る破断構造により破断された状態を示す平面図。

以下では、添付図面に基づいて、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できる程度に本発明の実施形態を詳しく説明する。しかしながら、本発明は、種々の異なる形態に具体化可能であり、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。なお、図中、本発明を明確に説明するために、説明とは無関係な部分は省略し、明細書の全般に亘って、類似の部分には類似の図面符号を付している。

「第１の」、「第２の」など序数を含む言い回しは、様々な構成要素を説明するうえで使用可能であるが、前記構成要素は、前記言い回しによって何等限定されない。前記言い回しは、ある構成要素を他の構成要素から区別する目的でしか使えない。例えば、本発明の権利範囲を逸脱しないつつも、第１の構成要素は第２の構成要素と命名されてもよく、同様に、第２の構成要素もまた第１の構成要素と命名されてもよい。本出願において用いた用語は、単に特定の実施形態を説明するために用いられたものであり、本発明を限定しようとする意図はない。単数の表現は、文脈からみて明らかに他の意味を有さない限り、複数の言い回しを含む。

明細書の全般に亘って、ある部分が他の部分と「連結」されているとか、「繋」がるとか、「繋」がったとか、と言及された場合、前記ある部分が前記他の部分に直接的に連結されたり繋がったりすると理解されるべきであるか、または、新たな他の部材を介して電気的に連結されたり繋がったりすると理解されるべきである。なお、ある部分がある構成要素を「備える」としたとき、これは、特に断りのない限り、他の構成要素を除外するわけではなく、他の構成要素をさらに備えていてもよいことを意味する。

本願の明細書の全般に亘って用いられる度合いの言い回しである「〜するステップ」又は「〜のステップ」は、「〜のためのステップ」を意味するものではない。

本発明において用いられる用語としては、本発明における機能を考慮したうえで、できる限り現在汎用されている通常の用語を選択したが、これは、当分野に携わっている技術者の意図又は判例、新たな技術の出現などに応じて異なる。なお、特定の場合、出願人が任意に選定した用語もあり、この場合、対応する発明の説明の部分において詳しくその意味を記載する。したがって、本発明において用いられる用語は、単なる用語の名称ではなく、その用語が有する意味と本発明の全般に亘たっての内容に基づいて定義されるべきである。

以下、図面に基づいて、本発明を詳述する。

図１は、本発明に係るパウチ型二次電池の内部の連結構造を示す上面図である。

前記図１を参照すると、パウチ型二次電池は、大きく、電極組立て体１００、電極タブ１１０、電極リード２００、パウチ外装材３００、及び前記電極タブ１１０の一部の領域である破断部連結領域１２０を備えていてもよい。

前記電極組立て体１００は、一枚以上の正極板、セパレーター及び負極板が積層されてなる。ここで、正極板及び負極板は、アルミニウム、銅などの薄い板状の金属集電板に電極活物質を塗布し且つ乾燥させることにより製造される。

前記電極タブ１１０は、前記電極組立て体から延びる構造を有する別途の導電部材、又は溶接などにより連結された別途の導電部材であって、正極板及び負極板と連結される。ここで、図１には詳しく示されていないが、前記電極タブ１１０は、電極リード２００と溶接される領域を介して前記電極リード２００と電気的に結合される。

前記破断部連結領域１２０は、電池の過充電状態又は内部短絡などによるスウェリング現象が生じると、これにより、パウチ及びセルが変形し、これに伴い生じた力により前記電極タブ１１０が電極リード２００と電気的に接続／連結される領域と、前記電極タブ１１０のその残りの領域である電極組立て体１００と電気的に連結された領域とが分離されるように設計された領域であって、これは、つまり、電池内部の電流の流れを遮断する機能を行ってもよい。

前記図１には、破断部連結領域１２０を目視で区別がつくように破断部連結領域１２０を別途の部分として示したが、前記破断部連結領域１２０は、別途の装置や構成要素ではなく、前記電極タブ１１０が電極リード２００と電気的に接続／連結される領域と、前記電極タブ１１０のその残りの領域である電極組立て体１００と電気的に連結された領域とが分離されるように設計された電極タブ１１０に含まれる領域である。

前記破断部連結領域１２０には、前記電極タブ１１０の表面に長手方向にスウェリング現象による応力が生じたときに表面に垂直な方向に折れ曲がって破断される溝が線形状に形成された破断ライン１２４が形成され、前記電極タブ１１０の表面に平行な方向の破断溝が前記破断ライン１２４の両端部に形成されてもよい。これについては、図面に基づいて詳しく後述する。

参考までに、前記図１は、パウチ外装材３００のうちの下側部分と電極リード２００とが繋がった状態のみが示されているものであり、実際には、パウチ外装材３００が電極タブ１１０の上面にも接着連結される。これについては、図２に基づいて後述する。

図２は、図１に示す構造のパウチ型二次電池の内部構造を側方から眺めた状態を示すものである。

前記図２を参照すると、電極タブ１１０は、上部側のパウチ外装材３００と接着連結され、電極リード２００は、下部側のパウチ外装材３００と接着連結される。

また、叙上したように、電極タブ１１０と電極リード２００は、それぞれ別々に設けられた溶接領域を溶接して接合連結された状態であり、前記溶接領域を介して電極タブ１１０と電極リード２００とが電気的に結合されてもよい。これについては、図３に基づいて詳しく後述する。このような図２の状態で、パウチ型二次電池が許容可能な電流や電圧、すなわち、基準となる電流／電圧を超える過充電状態又は内部短絡などの非正常的な状況が生じる場合に電池内部の温度が上がる。前記電池内部の温度が上がることに伴い、電解液の気化などにより電池内部の圧力が高くなり、これにより、電池セルが膨らむスウェリング現象が生じる。

前記スウェリング現象が生じると、電池セルが膨らみ、これに伴い、パウチ外装材３００が変形する。

即ち、上側のパウチ外装材３００には上方の力が作用し、且つ、下側のパウチ外装材３００には下方の力が作用して、上側のパウチ外装材３００と下側のパウチ外装材３００に互いに逆方向の力が作用する捩れ現象が生じる。これにより、パウチ外装材３００の上部側に接着連結された電極タブ１１０と下部側に接着連結された電極リード２００にも、それぞれ上方の力、下方の力といった互いに逆方向の力が作用する。

したがって、電極タブ１１０が電極リード２００と溶接により接合された領域Ｆ１、Ｆ２と、その残りの領域に対応する電極組立て体１００と電気的に連結された領域１１２とが繋がる領域である破断部連結領域１２０に破断溝１２２と破断ライン１２４を形成して、捩れ現象による応力が集中的に生じるようにし、これにより、破断ライン１２４が破断されて、電極タブ１１０が電極リード２００と溶接により接合された領域Ｆ１、Ｆ２と、その残りの領域に対応する電極組立て体１００と電気的に連結された領域１１２とが分離されるようにするのである。上述したように分離されることにより、電極リード２００と電極組立て体１００との間の電流の流れを遮断することができる。

以下の説明に当たっては、図３に示すように、電極タブ１１０が電極リード２００と溶接されて電気的に結合される領域と仕切られ、前記電極タブ１１０が電極組立て体１００と電気的に連結される領域を電極連結部１１２と呼ぶ。

図３は、電極タブ１１０と電極リード２００との結合前の状態を示す平面図であり、これに基づいて、破断部連結領域１２０の構造について詳しく説明する。

まず、前記電極リード２００は、電極タブ１１０と溶接されて電気的に結合される第１の溶接領域Ｆ１を備えていてもよい。

前記電極タブ１１０は、前記図３に示すように、前記電極リード２００に設けられたそれぞれの第１の溶接領域Ｆ１と溶接されて電気的に結合されるそれぞれの第２の溶接領域Ｆ２が設けられ、前記第２の溶接領域Ｆ２と仕切られ、前記電極組立て体１００と電気的に連結される電極連結部１１２と、前記第２の溶接領域Ｆ２と前記電極連結部１１２とを繋ぎ、スウェリング現象による応力が生じたときに破断されて前記第２の溶接領域Ｆ２と前記電極連結部１１２とを分離する破断部連結領域１２０と、により構成されてもよい。前記図３を参照すると、前記電極タブ１１０の第２の溶接領域Ｆ２と、前記電極連結部１１２とを連結し且つ分離する前記破断部連結領域１２０は４つであることを想定している。

したがって、スウェリング現象による応力が生じたときに、前記本発明の実施形態に係る破断構造に設計された４つの破断部連結領域１２０が破断されることにより、前記電極リード２００に設けられたそれぞれの第１の溶接領域Ｆ１と溶接されて電気的に結合された前記電極タブ１１０に設けられたそれぞれの第２の溶接領域Ｆ２と前記電極連結部１１２とが分離可能になるのである。

前記電極タブ１１０と電極リード２００は、図４に示すように、Ｆ１、Ｆ２で示す領域、即ち、電極リード２００に設けられたそれぞれの第１の溶接領域Ｆ１と、前記電極タブ１１０に設けられたそれぞれの第２の溶接領域Ｆ２とを溶接して電気的に接続／連結し、前記第１の溶接領域Ｆ１と電気的に接続／連結された電極タブ１１０の第２の溶接領域Ｆ２により電極組立て体１００と電気的に連結される電極連結部１１２が電極リード２００と電気的に連結可能になるのである。

即ち、同図に示すように、前記電極タブ１１０において、前記第１の溶接領域Ｆ１と電気的に結合された前記第２の溶接領域Ｆ２と電極連結部１１２とが繋がった領域である破断部連結領域１２０が、電極リード２００と電極組立て体１００の電流の流れの通路になるといえる。

図３及び図５に示す拡大図に基づいて、破断部連結領域１２０の構造について詳しく説明する。

まず、破断部連結領域１２０は、全体的に、電極タブ１１０の表面に長手方向にライン状の破断ライン１２４が形成され、前記破断ライン１２４の両端部には、前記電極タブ１１０の表面に平行な方向に破断溝１２２が形成された構造であってもよい。

前記図３に示す破断溝１２２の断面図を参照すると、前記破断溝１２２は、所定の第１の内角Ａをなす第１の斜辺部ａと第２の斜辺部ｂとにより形成される三角（Ｖ）溝の形状であってもよい。これは、叙上したように、前記電極タブ１１０の表面に長手方向に破断ライン１２４の両端部に形成されたものであり、破断ライン１２４の上端と下端にそれぞれ形成されて向かい合う形状の三角（Ｖ）溝の形状に形成されるものである。

前記破断溝１２２と破断ライン１２４のより正確な構造について説明するために、前記破断溝１２２と破断ライン１２４の一部を拡大して立体的に示す図５の（ａ）を参照すると、前記破断ライン１２４は、電極タブ１１０の表面に長手方向に、捩れ現象による応力が生じたときに表面に垂直な方向に折れ曲がって破断されるように溝が線形状に形成されたものである。前記図５の（ａ）を上方から見下ろした方向にして示す破断ライン１２４の断面図である（ｂ）に基づいて説明すると、前記破断ライン１２４は、所定の第２の内角Ｂをなす第３の斜辺部ｃと第４の斜辺部ｄ、及び前記電極タブ１１０の表面に垂直な方向の長さを高さｈとする三角溝の形状に延びて形成されてもよい。ここで、前記破断ライン１２４は、図面には詳しく示されていないが、前記破断溝１２２の幅方向に向かい合う三角溝の形状に破断部連結領域１２０の上部及び下部の表面に形成されたものである。ここで、前記高さｈは、立体的に説明すれば、破断部連結領域１２０において、電極タブ１１０の表面に垂直な方向に形成された溝の長さであるといえる。

即ち、叙上したように、破断部連結領域１２０において、前記電極タブ１１０の表面に三角溝が延びた形状の破断ライン１２４の両端部に破断溝１２２が形成されるのであり、叙上したように、前記破断溝１２２もまた、所定の第１の内角Ａをなす第１の斜辺部ａと第２の斜辺部ｂとにより形成される三角（Ｖ）溝の形状に、且つ前記破断ライン１２４の上端及び下端に向かい合う形状に形成されるのである。

したがって、スウェリング現象による応力が生じたとき、三角（Ｖ）溝の形状の破断溝１２２により三角溝が延びた形状の破断ライン１２４に応力が集中し、これにより、破断ライン１２４において電極タブ１１０の表面に垂直な方向に折れ曲がる力が強く発生して、図６に示すように、破断部連結領域１２０の上部及び下部の表面に形成された破断ライン１２４に沿ってきれいに且つ正確に破断可能である。

これは、破断溝１２２と破断ライン１２４をそれぞれ三角（Ｖ）溝の形状に形成して、三角（Ｖ）溝の二重構造にしたためであり、これにより、応力が三角溝に集中して強く作用することができるのである。

このように、前記破断ライン１２４が破断されることにより、前記溶接により電気的に結合された領域Ｆ１、Ｆ２と、前記電極組立て体１００と電気的に結合された電極連結部１１２とが分離され、その結果、図５に１２０で示す４つの破断部連結領域１２０がそれぞれ破断されて、図６に示すように、電気的に結合された３つの前記第１の溶接領域Ｆ１及び第２の溶接領域Ｆ２のそれぞれが電極連結部１１２と分離された形状になるのである。即ち、電極タブ１１０が電極リードと電気的に結合された領域Ｆ１、Ｆ２と、電極タブ１１０が電極組立て体１００と電気的に連結された領域（電極連結部１１２）とが分離されることにより、電極リード２００と電極組立て体１００との間の電流の流れの通路が遮断されるといえる。

ここで、前記第１の斜辺部ａと第２の斜辺部ｂとがなす所定の第１の内角Ａが大き過ぎる場合には、三角（Ｖ）形状よりは平らな形状に近くなり、その結果、前記三角（Ｖ）形状による応力の集中効果、すなわち、破断ライン１２４に応力を集中させる効果が低下する虞があるため、前記所定の第１の内角Ａの大きさは、１５０°以下に設定されることが好ましい。

また、上記と同様に、前記第３の斜辺部ｃと第４の斜辺部ｄとがなす所定の第２の内角Ｂが大き過ぎる場合、応力が三角（Ｖ）形状の溝に集中する効果が低下する虞がある。したがって、前記所定の第２の内角Ｂをなす部分は自ら破断される部分であるため、破断ライン１２４により正確に且つきれいに破断されるために、前記所定の第１の内角Ａよりは小さく形成されることが好ましく、具体的には、９０°以下の角度に形成されることが好ましい。

このように、本発明に係る破断部連結領域１２０に形成された破断溝１２２と破断ライン１２４の構造により、応力が生じると、前記三角（Ｖ）形状の破断溝１２２により、電極タブ１１０の表面に長手方向に、前記破断部連結領域１２０の上部及び下部の表面に三角（Ｖ）溝が延びて形成された破断ライン１２４に応力が集中して破断されることにより、図６に示すように、電極タブ１１０が電極リード２００と溶接されて電気的に接続／連結される領域Ｆ１、Ｆ２と、電極組立て体１００と電気的に連結された部分である電極連結部１１２とが分離される。これは、つまり、電極組立て体１００と電極リード２００とが電気的に分離されることにつながり、その結果、電流を遮断することができるのである。

したがって、スウェリング現象が生じたときに、三角（Ｖ）形状の破断溝１２２により破断ライン１２４に応力が集中的に生じて、前記破断ラインに形成された三角溝に大きな応力が作用して、前記破断ライン１２４がより正確に且つきれいに破断可能になる。

一方、本発明の技術的思想は、前記実施形態に基づいて具体的に記述されたが、前記実施形態はその説明のためのものであり、その制限のためのものではないということに留意すべきである。なお、本発明の技術分野における当業者であれば、本発明の技術思想の範囲内において種々の実施形態が採用可能であるということが理解できる筈である。

１００ 電極組立て体
１１０ 電極タブ
１１２ 領域、電極連結部
１２０ 破断部連結領域
１２２ 破断溝
１２４ 破断ライン
２００ 電極リード
３００ パウチ外装材
Ｆ１ 第１の溶接領域
Ｆ２ 第２の溶接領域

Claims (7)

1. 一枚以上の正極板及び負極板が積層される電極組立て体（１００）と、
   前記電極組立て体から延びる電極タブ（１１０）と、
   前記電極タブと接合連結される電極リード（２００）と、
   前記電極リードの一部が露出されるように前記電極組立て体を取り囲んで封止するパウチ外装材（３００）と、
   を備えてなり、
   前記電極リード（２００）は、前記電極タブ（１１０）と電気的に結合される第１の溶接領域（Ｆ１）を備え、
   前記電極タブ（１１０）は、
   前記第１の溶接領域（Ｆ１）と電気的に結合される第２の溶接領域（Ｆ２）と、
   前記第２の溶接領域（Ｆ１）と破断部連結領域（１２０）により仕切られ、前記電極組立て体（１００）と電気的に連結される電極連結部（１１２）と、
   前記第２の溶接領域（Ｆ２）と前記電極連結部（１１２）とを繋ぎ、応力が生じたときに破断されて前記第２の溶接領域（Ｆ２）と前記電極連結部（１１２）とを分離する破断部連結領域（１２０）と、
   を備えてなることを特徴とするパウチ型二次電池。
2. 前記破断部連結領域（１２０）は、
   前記電極タブ（１１０）の表面に長手方向に、応力が生じたときに表面に垂直な方向に折れ曲がって破断される溝が線形状に形成された破断ライン（１２４）を備えてなることを特徴とする請求項１に記載のパウチ型二次電池。
3. 前記破断ラインの両端部には、前記電極タブ（１１０）の表面に平行な方向に破断溝（１２２）が形成されたことを特徴とする請求項２に記載のパウチ型二次電池。
4. 前記破断溝（１２２）は、
   所定の第１の内角（Ａ）をなす第１の斜辺部（ａ）と第２の斜辺部（ｂ）により形成される三角（Ｖ）溝の形状であることを特徴とする請求項３に記載のパウチ型二次電池。
5. 前記破断ライン（１２４）は、
   所定の第２の内角（Ｂ）をなす第３の斜辺部（ｃ）と第４の斜辺部（ｄ）及び前記電極タブ（１１０）の表面に垂直な方向の長さを高さ（ｈ）とする三角溝の形状に延びて形成されることを特徴とする請求項４に記載のパウチ型二次電池。
6. 前記破断ライン（１２４）は、
   前記破断溝（１２２）の幅方向に向かい合う形状に破断部連結領域（１２０）の上部及び下部の表面に形成されたことを特徴とする請求項５に記載のパウチ型二次電池。
7. 前記所定の第２の内角（Ｂ）は、前記所定の第１の内角（Ａ）よりも小さく設定されることを特徴とする請求項５に記載のパウチ型二次電池。