JP2020520074A - 溶接用柱を含む円筒型二次電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は、長いシート状の陽極及び陰極の間に分離膜が介装された状態で巻き取られた構造のゼリーロール型電極組立体と、前記ゼリーロール型電極組立体を収容するための円筒型電池ケースと、前記円筒型電池ケースの開放上端に装着されるキャップアセンブリーと、を含み、前記円筒型電池ケースの底面に対して垂直に溶接用柱が形成されている円筒型二次電池に関するものである。

Description

本出願は２０１７年１２月２１日付の韓国特許出願第２０１７−０１７６８２２号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容はこの明細書の一部として含まれる。
本発明は溶接用柱を含む円筒型二次電池に関するものであり、具体的に、電池ケースに対するゼリーロール型電極組立体の溶接を容易に遂行し、溶接強度を確保するために、円筒型電池ケースの底面に対して垂直に溶接用柱が形成されている円筒型二次電池に関するものである。
モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するにつれて充放電の可能な二次電池が多様なモバイル機器のエネルギー源として広範囲に使われている。また、二次電池は、化石燃料を使う既存のガソリン車両、ディーゼル車両などによる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、ハイブリッド電気自動車などのエネルギー源としても注目されている。
一般に、二次電池は電池ケースの形状によって、電極組立体が円筒型又は角型の金属缶に内蔵されている円筒型電池及び角型電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに内蔵されているパウチ型電池とに分類される。
前記電池ケースに内蔵される電極組立体は、陽極、陰極、及び前記陽極と前記陰極の間に介装された分離膜の構造を有する充放電の可能な発電素子であり、活物質が塗布された長いシート状の陽極と陰極の間に分離膜を挟んで巻き取ったゼリーロール型及び所定大きさの多数の陽極と陰極の間に分離膜を挟んでいる状態で順次積層したスタック型に分類される。その中で、ゼリーロール型電極組立体は製造が容易であり、重量当たりエネルギー密度が高い利点を持っているので、高容量の二次電池の適用が必要な分野に広く使われている。
前記円筒型電池は、前記ゼリーロール型電極組立体を電解液とともに円筒型電池ケースに収納する方式で製造され、一般的に、前記ゼリーロール型電極組立体は上方に突出した陽極タブがキャップアセンブリーに結合してトップキャップが陽極端子の役割をし、下方に突出した陰極タブは電池ケースに結合して電池ケースが陰極端子の役割をすることになる。
しかし、前記陰極タブは通常電池ケースの底に溶接で付着されるが、溶接過程で電極組立体の損傷を防止することが重要なイシューになっており、損傷防止の次元でレーザー溶接を適用することが難しいという問題がある。
よって、陰極タブの溶接時に抵抗溶接を使っており、ゼリーロール型電極組立体の中心部の空間に溶接棒が挿入された状態で溶接が進行され、前記溶接棒はゼリーロール型電極組立体の中心部の大きさ及び形態を考慮して適用される。よって、電池ケースに陰極タブを付着するために使われる溶接棒の汎用性が低いという問題がある。
これに関連して、特許文献１はレーザーを用いて陰極タブを円筒型ケースの下面板に溶接する円筒型リチウム二次電池に関するものであり、前記陰極タブの溶接のために電極組立体の中央空間にセンターピンを挿入して前記陰極タブに圧力を加えることにより、前記陰極タブが電池ケースの下面板に接触するようにする。
すなわち、特許文献１はレーザー溶接方法を用いているが、陰極タブを電池ケースの下面板に溶接するためにセンターピン及びプッシャーという別途の部材を使う点で工程効率性が低いという問題がある。
特許文献２は電池缶の開口部側端部の内周面に陰極タブが溶接される円筒型二次電池を開示しているが、ゼリーロール型電極組立体の位置が固定されないから、電池の使用過程で溶接部が損傷されることがあるという問題がある。
このように、円筒型二次電池を使う場合、電池ケースの底面に陰極タブを溶接するために溶接棒を使うことによって電極組立体が損傷されるか、多様な大きさの電極組立体に対する溶接棒の汎用性が落ちる問題を解決し、電極組立体の位置を固定することが可能な技術に対する必要性が高い。
韓国公開特許第２００５−０１２２６８２号公報 韓国公開特許第２０１６−０１３２５６７号公報
本発明は前記のような問題点を解決するためのもので、円筒型電池ケースの底面に対して垂直に溶接用柱が形成された構造の円筒型二次電池を使う場合には、前記溶接用柱に陰極タブを溶接するので、電池ケースが陰極端子の役割をすることができ、溶接棒を使っても電極組立体が損傷される問題を防止することができる。
また、電池ケースの中心部に溶接用柱が形成され、ゼリーロール型電極組立体が電池ケースの内部で位置固定されることができるので、外部衝撃などによって損傷される危険を減らすことができる。
このような目的を達成するための本発明による円筒型二次電池は、長いシート状の陽極及び陰極の間に分離膜が介装された状態で巻き取られた構造のゼリーロール型電極組立体と、前記ゼリーロール型電極組立体を収容するための円筒型電池ケースと、前記円筒型電池ケースの開放上端に装着されるキャップアセンブリーとを含み、前記円筒型電池ケースの底面に対して垂直に溶接用柱が形成された構造を有する。
一般に、円筒型二次電池は、長いシート状の陽極及び陰極の間に分離膜が介装された状態で巻き取られた構造のゼリーロール型電極組立体を使い、前記ゼリーロール型電極組立体には陽極タブ及び陰極タブが付着されている。前記陽極タブは上方に延びてキャップアセンブリーに結合され、前記陰極タブは下方に延びて電池ケースの下面に付着される。
しかし、本発明の円筒型二次電池は、電池ケースの底面に対して垂直に円筒形又は多角形柱形態の溶接用柱が形成されているので、前記ゼリーロール型電極組立体の陽極タブは前記キャップアセンブリーに結合し、陰極タブは前記溶接用柱に結合する。具体的に、前記陰極タブは前記溶接用柱の最上端に結合できる。
このように、陰極タブの溶接のための溶接用柱が電池の内部に形成されているので、従来に前記陰極タブを電池ケースの底面に結合させる過程でゼリーロール型電極組立体が損傷される問題を防止することができる。
また、前記溶接用柱は円筒型電池ケースの底と連結され、前記キャップアセンブリーとは絶縁されているので、従来のように電池ケースが陰極端子の役割をすることができる。
前記溶接用柱は前記ゼリーロール型電極組立体の巻取中心に位置し、前記溶接用柱と電池ケース間の空間にゼリーロール型電極組立体が位置するので、ゼリーロール型電極組立体の相対的な位置固定ができる効果を得ることができる。したがって、二次電池の使用過程で又は外部衝撃によって電極組立体の位置が移動することによって溶接部が分離されることによって短絡が発生することを防止することができる。
前記溶接用柱の長さは前記ゼリーロール型電極組立体の巻取軸方向の長さと同じかそれより大きい大きさに形成でき、前記ゼリーロール型電極組立体の上端部に前記溶接用柱の上端が位置するので、陰極タブの溶接を容易に遂行することができ、前記溶接用柱の上端は電池ケースの底面に平行な平面になって溶接面が確保されるので、溶接性が向上することができる。
また、前記のように上方に突出して延びる構造の溶接用柱に対して溶接が行われるので、溶接棒のような別途の道具がなくても多様な方法の溶接方式を適用することができる。例えば、前記陰極タブは前記溶接用柱に対して抵抗溶接、超音波溶接又はレーザー溶接のいずれか一の方法で結合できる。
本発明の円筒型二次電池は陽極タブ及び陰極タブが共に上方に延びる構造のゼリーロール型電極組立体を使っているので、前記陽極タブ及び陰極タブの接触を防止するために、巻き取られた状態で互いに離隔するように配置されることが好ましい。具体的に、前記ゼリーロール型電極組立体の陽極タブは陽極シートの巻取開始部に付着され、陰極タブは陰極シートの巻取末端部に付着できるので、このような陽極シート及び陰極シートを巻き取れば、陽極タブは電極組立体の中心部に位置し、陰極タブは電極組立体の外側部に位置するようになる。
しかし、前記陽極タブ及び陰極タブの接触を遮断することができる構造又は配置の適用が可能であれば、前記陽極タブ及び陰極タブの位置や個数は特に制限されない。
一具体例で、前記円筒型二次電池は、円柱形柱又は多角形柱形態の溶接用柱が円形の電池ケースの底面に付着された構造を有することができる。このような場合には、円筒型電池ケースを成形した後、前記電池ケースの底に前記溶接用柱を付着する過程が必要である。
他の一具体例で、前記溶接用柱は前記円筒型電池ケースの底中心部が上方に突出するように延びる構造を有することができる。
すなわち、前記円筒型電池ケースの底の平面図はドーナツ状になり、中心部が上方に延びることにより、前記溶接用柱は底面が開放した形態を有することができる。
また、本発明は、前記円筒型電池を含む電池パックを提供することができる。
具体的に、前記電池パックは、高温安全性及び長いサイクル特性と高いレート特性などが要求されるデバイスの電源として使われることができる。このようなデバイスの詳細な例としては、モバイル電子機器（ｍｏｂｉｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）、ウェアラブル電子機器（ｗｅａｒａｂｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）、電池的モーターによって動力を受けて動作するパワーツール（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）；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）などを含む電気車；電気自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）、電気スクーター（Ｅ−ｓｃｏｏｔｅｒ）を含む電気二輪車；電気ゴルフカート（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）；電力貯蔵装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）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。
これらのデバイスの構造及びその製作方法は当該分野に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は省略する。
一実施例による円筒型電池ケースの斜視図である。 一実施例によるゼリーロール型電極組立体の巻取前の状態を示した平面図である。 一実施例による円筒型二次電池の垂直断面図である。
以下、添付図面に基づいて本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる実施例を詳細に説明する。ただ、本発明の好適な実施例についての動作原理を詳細に説明するにあたり、関連した公知の機能又は構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにする可能性があると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。
また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を付ける。明細書全般で、ある部分が他の部分と連結されていると言う場合、これは直接的に連結されている場合だけではなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
本発明を図面を参照して詳細な実施例に基づいて説明する。
図１は一実施例による円筒型電池ケースの斜視図を模式的に示している。
図１を参照すると、電池ケース１００は、上面が開放した形態の円筒型構造を有し、底面１０１の中心１０２が上方に突出するように延びる構造の溶接用柱１１０が形成されている。
溶接用柱１１０は円柱状に示されているが、多角柱状の溶接用柱も可能であり、溶接用柱の上面１１１は電池ケースの底に平行な平面に形成されている。
溶接用柱１１０の下面１０２は開放しているものとして示されているが、電池ケースの円形底面１０１に円柱状の溶接用柱が付加される構造の場合には、溶接用柱１１０の下面１０２は開放していない構造に形成される。
図２は一実施例によるゼリーロール型電極組立体の巻取前の状態を示した平面図を模式的に示している。
図２を参照すると、ゼリーロール型電極組立体２００は、陽極２１０、分離膜２２０、陰極２３０及び分離膜２４０が積層された状態で矢印方向に巻き取られてゼリーロール型形態の電極組立体をなすことになる。
陽極２１０は、長いシート状の陽極集電体２１１の両面に陽極合剤層２１２がコーティングされており、陽極合剤層２１２がコーティングされていない未コーティング部には陽極タブ２１３が上方に突出するように付着されている。
陰極２３０は、長いシート状の陰極集電体２３１の両面に陰極合剤層２３２がコーティングされており、陰極合剤層２３２がコーティングされていない未コーティング部には陰極タブ２３３が上方に突出するように付着されている。
図３は一実施例による円筒型二次電池の垂直断面図を模式的に示している。
図３を参照すると、円筒型二次電池３００は、電池ケース３１０の内部に図２のゼリーロール型電極組立体２００が巻き取られた状態で収納されている。
電池ケース３１０は図１に示した電池ケース１００の形態を有し、底面の中心部が上方に延びて溶接用柱３３０が形成され、溶接用柱３３０は内部３３１が空いており、下部が開放した形態を有する。
陽極タブ２１３はゼリーロール型電極組立体２００の巻取中心部から上方に延びてキャップアセンブリー３２０の下面に結合され、陰極タブ２３３はゼリーロール型電極組立体２００の巻取外周部から上方に延びて溶接用柱３３０の上面３３２に溶接で結合される。
溶接用柱３３０の高さはゼリーロール型電極組立体２００の高さと対応するかそれより大きな長さに形成されるので、溶接用柱３３０に対する陰極タブ２３３の溶接を容易に遂行することができる。
本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形が可能であろう。
以上で説明したように、本発明による円筒型二次電池は、ゼリーロール型電極組立体を収容するための円筒型電池ケースの底面に、溶接用柱が垂直に形成された円筒型二次電池を使うので、陰極タブを前記溶接用柱に容易に溶接することができ、電極組立体が損傷されることを防止することができ、多様な溶接方式の適用が可能である。
また、溶接工程が容易になるので、溶接性が向上して陰極タブが安定に固定され、電池ケースと連結された溶接用柱が前記ゼリーロール型電極組立体の巻取中心に位置するから電極組立体の位置固定が可能であり、外部衝撃による電極組立体の位置移動によって溶接部が分離されることを防止することができる。
１００ 円筒型電池ケース
１０１ 円筒型電池ケースの底面
１０２ 円筒型電池ケースの底面の中心（溶接用柱の下面）
１１０ 溶接用柱
１１１ 溶接用柱の上面
２００ ゼリーロール型電極組立体
２１０ 陽極
２１１ 陽極集電体
２１２ 陽極合剤層
２１３ 陽極タブ
２２０、２４０ 分離膜
２３０ 陰極
２３１ 陰極集電体
２３２ 陰極合剤層
２３３ 陰極タブ
３００ 円筒型二次電池
３１０ 電池ケース
３２０ キャップアセンブリー
３３０ 溶接用柱
３３１ 溶接用柱の内部
３３２ 溶接用柱の上面

Claims (8)

  1. 長いシート状の陽極及び陰極の間に分離膜が介装された状態で巻き取られた構造のゼリーロール型電極組立体と、
    前記ゼリーロール型電極組立体を収容するための円筒型電池ケースと、
    前記円筒型電池ケースの開放上端に装着されるキャップアセンブリーと、
    を含み、
    前記円筒型電池ケースの底面に対して垂直に溶接用柱が形成されている、円筒型二次電池。
  2. 前記ゼリーロール型電極組立体の陽極タブは前記キャップアセンブリーに結合し、陰極タブは前記溶接用柱に結合する、請求項１に記載の円筒型二次電池。
  3. 前記溶接用柱は前記ゼリーロール型電極組立体の巻取中心に位置する、請求項１または２に記載の円筒型二次電池。
  4. 前記溶接用柱の長さは前記ゼリーロール型電極組立体の巻取軸方向の長さと同じかそれより大きい、請求項１から３のいずれか一項に記載の円筒型二次電池。
  5. 前記陰極タブは前記溶接用柱に対して抵抗溶接、超音波溶接又はレーザー溶接で結合される、請求項２に記載の円筒型二次電池。
  6. 前記ゼリーロール型電極組立体の陽極タブは陽極シートの巻取開始部に付着されており、陰極タブは陰極シートの巻取末端部に付着されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の円筒型二次電池。
  7. 前記溶接用柱は前記円筒型電池ケースの底中心部が上方に突出するように延びる構造を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の円筒型二次電池。
  8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の円筒型二次電池を含む、電池パック。
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