JP2023504380A - 接着部及びスポット溶接によって結合された電極リード結合部を含む電極組立体及びこれを含むパウチ型電池セル - Google Patents
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Abstract
本発明は、複数の電極が分離膜を介在した状態で積層され、前記電極から突出した電極タブは電極タブ束を形成した状態で電極リードと結合し、前記電極リードは、前記電極タブと結合する第１電極リード、及び前記第１電極リードと結合する第２電極リードを含み、前記第１電極リードと前記第２電極リードが結合する電極リード結合部は、接着部及びスポット溶接部を含む電極組立体に関するものである。
Description
本出願は２０２０年２月１０日付の韓国特許出願第２０２０－００１５５９６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すべての内容はこの明細書の一部として含まれる。
本発明は接着部及びスポット溶接によって結合された電極リード結合部を含む電極組立体及びこれを含むパウチ型電池セルに関し、具体的には、パウチ型電池セルの内圧増加によって充放電の際に流れる電流が遮断されても弱く流れる電流によって電圧を測定することによりパウチ型電池セルの電圧測定が可能な電極組立体及びこれを含むパウチ型電池セルに関する。
リチウム二次電池は、正極、分離膜及び負極が積層されて形成され、電池の寿命、充放電容量、及び安全性などを考慮して前記正極、分離膜及び負極の素材を選択する。前記リチウム二次電池は、リチウムイオンが正極のリチウム金属酸化物から負極の黒鉛電極などに挿入及び脱離される過程を繰り返しながらリチウム二次電池の充放電が進められる。
前記リチウム二次電池は、外部衝撃による内部短絡、過充電及び過放電などによる発熱及びこれによる電解質分解及び熱暴走現象などの安全性問題に脆弱な欠点がある。具体的には、リチウム二次電池は、充放電過程で電解液と電極活物質との間に電気化学反応が起こり、この過程で気体が発生する。前記気体はリチウム二次電池の内部圧力を上昇させることになり、これは、部品間の結合力弱化、電池ケースの破損、保護回路の早期作動、電極の変形、内部短絡、及び爆発などの問題を引き起こす。
このような問題を防止するために、ＣＩＤ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ）をリチウム二次電池に内蔵することにより、過充電状況で内圧が上昇すれば、前記ＣＩＤが作動して電流供給を遮断させる技術が提案された。
これに関連して、特許文献１は、一端が電極組立体と連結され、他端がパウチケースの接合部まで延びた第１電極リード、前記第１電極リードと着脱可能に連結され、前記パウチケースの外部まで延びて露出される第２電極リード、前記第１電極リードと前記第２電極リードとの間を結合さする連結層、及び前記電極リードと前記パウチケースを結合する密封層を含み、前記連結層は前記密封層より弱く結合され、前記密封層の一端にノッチが形成されているパウチ型二次電池に関するものであり、前記密封層に形成されたノッチがパウチ型二次電池の膨張の際に破断されることにより、電極リードの電気的連結が完全に遮断される構造である。
特許文献２は、タブ連結部とリードのそれぞれはパウチシーリング部の上面または下面のうちのいずれか１ヶ所にそれぞれ固定され、前記パウチの内部圧力が上昇してシーリング部の上面と下面が広がれば、タブ連結部とリードの溶接は破断され、前記タブ連結部とリードの溶接部位は一側と他側の剥離強度（ｐｅｅｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）が異なるように形成され、相対的に剥離強度の弱い側から破断が始まる二次電池に関するものであり、前記タブ連結部とリードの溶接部はパウチの内部圧力上昇の際に破断されて電気的連結が遮断される構造である。
特許文献３は、一端が前記電極タブと連結される第１電極リード、一端が前記第１電極リードの他端と連結され、他端が前記電池ケースの外部に突出する第２電極リード、及び前記第１電極リード及び前記第２電極リードを互いに接着させて連結する連結部を含み、前記第１及び第２電極リードのうちの少なくとも一方には前記連結部を介して互いに接着される接着面に少なくとも一つのノッチが形成されたパウチ型二次電池に関するものであり、前記ケースの内部で気体が発生して圧力が増加すれば、複数の電極リードが段階的に脱着されることにより、電気的連結が完全に遮断される前に予め使用者が交替時期を知ることができる。
前記特許文献３は、電極リードの抵抗を脱着段階ごとに測定することにより、電池の交替が必要な時期を使用者に知らせることができる。
このように、従来技術等は、電極リードが切れて電気的連結を完全に遮断する方法を開示しているだけで、電気的連結が切れた後にも電池セルの状態を確認することができる技術は全然認識していない。
本発明は前記のような問題を解決するためのものであり、電流の流れを完全に遮断しない形態のＣＩＤ構造を含むことにより、前記ＣＩＤが作動する状態でも電池セルの状態を把握することができるように接着部及びスポット溶接によって結合された電極リード結合部を含む電極組立体及びこれを含むパウチ型電池セルを提供することを目的とする。
このような目的を達成するための本発明による電極組立体は、複数の電極が分離膜を介在した状態で積層され、前記電極から突出した電極タブは電極タブ束を形成した状態で電極リードと結合し、前記電極リードは、前記電極タブと結合する第１電極リード、及び前記第１電極リードと結合する第２電極リードを含み、前記第１電極リードと前記第２電極リードが結合する電極リード結合部は、接着部及びスポット溶接部を含む構造を有することができる。
前記スポット溶接部は前記接着部内に形成されることができる。
前記スポット溶接部は前記接着部と重畳しないように形成されることができる。
前記電極リード結合部の上面及び下面には絶縁性フィルムが付着されることができる。
前記接着部は導電性物質が混合された接着性物質からなることができる。
前記導電性物質は、銀、銅、ニッケル及び炭素からなる群から選択される１種以上を含むことができる。
前記接着性物質は、エポキシ系またはイミド系のポリマーを含むことができる。
前記接着部によって結合された部分の接着力はスポット溶接によって結合された部分の結合力より弱いことができる。
前記電極は正極及び負極のうちの少なくとも一つであってもよい。
また、本発明は、前記電極組立体を含むパウチ型電池セルを提供し、前記パウチ型電池セルの内圧増加によって電池ケースが膨張するとき、前記電極リード結合部の接着部では第１電極リードと第２電極リードが分離され、スポット溶接部では第１電極リードと第２電極リードの結合が維持される構造を有することができる。
前記パウチ型電池セルは、前記電池ケースの膨張の際、前記絶縁性フィルムによってパウチ型電池セルの密封状態を維持することができる。
また、前記電池ケースの膨張の際、スポット溶接によって結合が維持される部分を介して電圧測定が可能である。
以上で説明したように、本発明による電極組立体は、電池ケースの膨張によって電極リード結合部の電気的連結が部分的に切れても、結合力の強いスポット溶接部は結合状態を維持することができる。
結合状態が維持される前記スポット溶接部を介して微小電流が流れることができるので、電池セルの電圧測定が可能である。
このように、電池セルの電圧を測定することにより、電池セルの状態を持続的にモニタリングすることができ、過充電による高電圧状態であるか、及び廃棄のための移動が可能な低電圧状態であるかを判断することができるので、電池セルを安全に廃棄することができるだけでなく、安定化まで待つ時間を縮めることができる。
以下、添付図面を参照し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対する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また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使う。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とき、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。
構成要素を限定するか付け加えて具体化する説明は、特別な制限がない限り、すべての発明に適用することができ、特定の発明に限定されない。
本発明を図面に基づいて詳細な実施例と一緒に説明する。
本発明による電極組立体は、複数の電極が分離膜を介在した状態で積層され、前記電極から突出した電極タブは電極タブ束を形成した状態で電極リードと結合する。
前記電極は、正極、負極、または正極及び負極であることができ、一般的に正極／分離膜／負極が順に積層された状態に構成されることができる。
具体的には、前記電極組立体は、長シート状の正極と負極を分離膜を介在した状態で巻き取った構造のゼリーロール型（巻取型）電極組立体、所定サイズの単位で切り取った多数の正極と負極を分離膜を介在した状態で順次積層したスタック型（積層型）電極組立体、所定単位の正極と負極を分離膜を介在した状態で積層したバイセル（Ｂｉ－ｃｅｌｌ）、フルセル（Ｆｕｌｌ ｃｅｌｌ）を分離膜シートで巻いた構造のスタック／フォルディング型電極組立体、及び前記バイセル、フルセルを分離膜を介在した状態で積層して接合した構造のラミネーション／スタック型電極組立体に分類することができる。
前記スタック型電極組立体、スタック／フォルディング型電極組立体、及びラミネーション／スタック型電極組立体は所定サイズの単位で切り取った多数の正極及び負極から構成され、前記正極と負極を含む電極組立体の電極は一側方向に突出した電極タブを含む。前記電極タブは地面に対して垂直な方向に積層されて電極タブ束を形成し、前記電極タブ束は電池ケースの外部に延びて電極端子の役割を果たす電極リードと結合して電気的連結をなすことができる。
これに関連して、図１は第１実施例による電極リード結合部の分解斜視図であり、図２は図１において絶縁性フィルムが省略された電極リード結合部の平面図である。
図１及び図２を参照すると、本発明による電極組立体は、２個の単位で構成される電極リードを含み、複数の電極タブは地面に対して垂直な方向に積層されて電極タブ束１１０を構成し、第１電極リード１１１の電極組立体方向の末端には電極タブ束１１０を構成する最上端の電極タブが結合し、第１電極リード１１１の反対方向の末端には第２電極リード１１２が結合する。
第１電極リード１１１と第２電極リード１１２が結合された電極リード結合部１２０は接着部１２１とスポット溶接部１２２が形成されており、接着部１２１は、第１電極リード１１１と第２電極リード１１２とが電気的に連結されるように、導電性物質が混合された接着性物質からなることができる。
前記導電性物質は、銀、銅、ニッケル及び炭素からなる群から選択される１種以上を含むことができ、具体的には、銀粒子／ワイヤ、Ｃｕ／Ｎｉコア－シェル（ｃｏｒｅ－ｓｈｅｌｌ）粒子、銅粒子／ワイヤまたは炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）の形態を有することができる。
また、前記導電性物質は、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サマーブラックなどのカーボンブラック；炭素繊維または金属繊維などの導電性繊維；フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル、金、銀、銅粉末などの金属粉末；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などを１種またはそれ以上混合して使うことができる。
前記接着性物質は、熱硬化性高分子樹脂として、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ＥＰＤＭ（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｄｉｅｎｅ Ｍｏｎｏｍｅｒ）樹脂、ＣＰＥ（Ｃｈｌｏｒｉｎａｔｅｄ Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）樹脂、シリコン、ポリウレタン、ウレア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、不飽和エステル樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、及びポリアミドのうちの少なくとも１種以上を含むことができ、例えば、エポキシ樹脂またはイミド系のポリマーを含むことができる。
一般に、接着性物質による結合力はスポット溶接による結合力より弱く、本発明でも接着部の結合力がスポット溶接部の結合力より弱い結合力を有する。
電極タブ束と第１電極リードとの間の結合の際、これらの上下方向位置、及び第１電極リードと第２電極リードとの間の結合の際、これらの上下方向位置は図１に示したものに限定されない。
すなわち、電極タブが２グループに分けられて第１電極リードの上面及び下面のそれぞれに付着されることができ、第２電極リードが第１電極リードの上面に付着されることができるというのは言うまでもない。
また、第１電極リード１１１と第２電極リード１１２のｙ方向の幅は相異なるサイズを有することができ、または同じサイズを有するように構成されることができる。
接着部１２１は第１電極リード１１１と第２電極リード１１２が重畳する部分に形成され、両面接着テープを付着するか接着性物質を塗布する方式で構成されることができる。
スポット溶接は、２個の金属を重ねて電極の間に固定した状態で、電流を集中させれば前記電極と接触している金属部分が局部的に加熱され、これと同時に電極で圧力をかければ前記２個の金属が接合される一種の抵抗溶接に相当する。
前記スポット溶接は維持費が安く、早くて簡単に溶接を遂行することができ、第１電極リードと第２電極リードの厚さが薄いので、本発明で第１電極リードと第２電極リードを結合するための用途に適切に使うことができる。
一具体例で、スポット溶接部１２２は接着部１２１内に形成され、接着部１２１から第１電極リード１１１及び第２電極リード１１２の結合が解除されてもスポット溶接部１２２では第１電極リード１１１及び第２電極リード１１２の結合が維持されなければならない点を考慮すると、スポット溶接部１２２は接着部１２１内で一側に偏る位置に形成されることが好ましい。例えば、スポット溶接部１２２は接着部１２１の外周辺エッジ部に形成されることができる。
また、図１を参照すると、電極リード結合部１２０の上面及び下面には絶縁フィルム１３０が設けられるので、絶縁フィルム１３０が設けられた第１電極リード１１１及び第２電極リード１１２が電池ケースのシーリング部上に配置された後、熱融着によりシーリングされるとき、電池ケースと第１及び第２電極リードとの間の絶縁性を確保することができる。
また、電池ケースの内圧増加によって前記電極リード結合部から第１電極リードと第２電極リードが分離されても、前記絶縁性フィルムによって電池ケースの密封性を１次的に確保することができる。しかし、第１電極リードと第２電極リードの分離の後、電池ケースの内圧が持続的に増加する場合には、前記絶縁性フィルムによる密封が解除され、ベンティング（ｖｅｎｔｉｎｇ）が起こることができる。
図３は第２実施例による電極リード結合部の平面図である。
図３を参照すると、電極タブ束１１０、第１電極リード１１１及び第２電極リード１１２は図２に示した構成と同様な素材及びサイズを有するものを使うことができ、接着性物質が適用された接着部１２１とスポット溶接部１２２が第１電極リード１１１と第２電極リード１１２とが重畳した部分に形成される点で同一である。
しかし、図３の電極リード結合部１２０内で、接着部１２１とスポット溶接部１２２とは互いに重複する位置に形成されない点で図２と異なる。
このような場合には、接着部１２１から第１電極リード１１１と第２電極リード１１２が完全に分離され、スポット溶接部１２２でだけ結合が維持されることができるので、図２に示した電極リード結合部より第１電極リードと第２電極リードの結合が維持される部分をより狭く確保することができる。
図４は第３実施例による電極リード結合部の平面図であり、図５は図４の電極リード結合部の変形状態を示す斜視図である。
図４及び図５を参照すると、電極タブ束２１０の末端には第１電極リード２１１が付着され、電極タブ束２１０が付着された第１電極リード２１１の側の反対側には第２電極リード２１２が付着された状態である。
第１電極リード２１１と第２電極リード２１２が重畳した部分には電極リード結合部２２０が形成され、接着剤が付け加えられた接着部２２１がスポット溶接部２２２と重畳しないようにそれぞれ位置する。
接着剤が付け加えられた接着部２２１とスポット溶接部２２２の位置が互いに重畳しないように形成されることを除き、前記接着部及びスポット溶接部についての説明は図１及び図２の説明で記載したものと同様に適用されることができる。
図４及び図５に示した構造の電極リード結合部を形成する場合は、正常状態では接着部２２１及びスポット溶接部２２２を介して第１電極リード２１１及び第２電極リード２１２の間の電気的連結が安定的になされることができ、電池セルの内圧増加によって電池ケースが膨張して接着部２２１から第１電極リード２１１と第２電極リード２１２の間の結合が解除されても、接着部２２１と重畳しないように形成されたスポット溶接部２２２による結合をより確かに維持することができる。
図６は本発明によるパウチ型電池セルの垂直断面図であり、パウチ型電池セルの内圧増加によって電池ケースが膨張する前と膨張した後の垂直断面図である。
図６を参照すると、パウチ型電池セル３００は、ラミネートシートからなる電池ケース３０１に電極組立体が収納され、一側に突出した電極タブが電極タブ束３１０をなしており、電極タブ束３１０に第１電極リード３１１が結合し、第１電極リード３１１には第２電極リード３１２が結合する。
第１電極リード３１１と第２電極リード３１２が結合された電極リード結合部の上面及び下面には絶縁性フィルム３３０が付着されている。絶縁性フィルム３３０が付着された第１電極リード３１１と第２電極リード３１２が電池ケース３０１のシーリング部に配置された状態で前記シーリング部を加熱及び押圧することにより、電池ケースを密封することができる。
パウチ型電池セル３００は、充放電が繰り返されるに伴い、電解液の電気化学反応による副反応によってガスが発生し、前記ガスによってパウチ型電池セルの内圧が増加し、電池ケース３０１が膨張することになる。このように増加する電池ケースの内圧が電池ケースの密封力より大きい場合には、電池ケースが裂けながら爆発することができる。よって、前もって電池セルの充電を終了させることにより、パウチ型電池セルの爆発を防止することができる。
第１電極リード３１１は絶縁性フィルム３３０によって上部電池ケースに付着され、第２電極リード３１２は絶縁性フィルム３３０によって下部電池ケースに付着されているので、電池ケース３０１が膨張すれば、第１電極リード３１１が上部電池ケースの膨張方向に移動し、第２電極リード３１２が下部電池ケースの膨張方向に移動するに伴い、接着部３２１から第１電極リード３１１と第２電極リード３１２が分離される。よって、このような第１電極リード及び第２電極リードの分離によって電流の流れが急に減少すれば、パウチ型電池セル３００の充電が終了し、それ以上電池ケース３０１が膨張しない。
スポット溶接部３２２の結合力は接着部３２１の結合力より強いので、電池ケースがそれ以上膨張しなければ、スポット溶接部３２２での第１電極リード３１１と第２電極リード３１２の結合は維持される。
スポット溶接部３２２を介しては微小電流のみが流れるので、パウチ型電池セルの電圧測定が可能である。よって、第１電極リードと第２電極リードの結合が接着部で解除された状態でも電池セルの状態を確認することができる。
このように測定された電圧の大きさは電池セルの状態を知らせる指標になることができる。従来、過充電される場合には、電極リードが分離されて充電が終了すれば、それ以上電池セルの状態を確認することができなかったが、本発明は、充電電流が流れることができないように電極リードが分離された状態でもスポット溶接部を介して微細電流が流れるので、電池セルの電圧を測定することができる。このように、測定された電圧の大きさから電池セルの状態を把握することができるので、発火などの事故が発生することに予め備えるために運送過程で非常に高い注意を傾けることができ、安全性を確保した状態で電池セルの廃棄を進めることができる。
また、本発明は、異常環境で電極リードが作動して電流の流れが切れても電圧を測定することができるので、電池セルの内部で電圧が低下することを確認することができる。よって、電池セルの内部で相異なる電極間の接触のような内部短絡が起こることが分かるので、安全事故などに先立ち予め危険状態を警告することにより、待避に必要な時間を確保することができる。
また、電圧の測定が難しかった従来には安定化に必要なものと予想される任意の時間の間に電池セルを放置するしかなかったが、本発明は、電池セルの廃棄が可能な状態に至ったかについても電圧の測定によって確認することができるので、放置時間を縮めることができるだけでなく、安全性が確保された状態では安定化設備などの具備が不必要であるので、廃棄費も節減することができる。
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囲内で多様な応用及び変形をなすことが可能であろう。
以上で説明したように、本発明による電極組立体は、電池ケースの膨張によって電極リード結合部の電気的連結が部分的に切れても、結合力の強いスポット溶接部は結合状態を維持することができる。
結合状態が維持される前記スポット溶接部を介して微小電流が流れることができるので、電池セルの電圧測定が可能である。
このように、電池セルの電圧を測定することによって電池セルの状態を持続的にモニタリングすることができるので、過充電による高電圧状態であるか、及び廃棄のための移動が可能な低電圧状態であるかを判断することができ、よって電池セルを安全に廃棄することができるだけでなく、安定化まで待つ時間を縮めることができる。
１１０、２１０、３１０ 電極タブ束
１１１、２１１、３１１ 第１電極リード
１１２、２１２、３１２ 第２電極リード
１２０、２２０ 電極リード結合部
１２１、２２１、３２１ 接着部
１２２、２２２、３２２ スポット溶接部
１３０、３３０ 絶縁フィルム
３００ パウチ型電池セル
３０１ 電池ケース
１１１、２１１、３１１ 第１電極リード
１１２、２１２、３１２ 第２電極リード
１２０、２２０ 電極リード結合部
１２１、２２１、３２１ 接着部
１２２、２２２、３２２ スポット溶接部
１３０、３３０ 絶縁フィルム
３００ パウチ型電池セル
３０１ 電池ケース
Claims (12)
- 複数の電極が分離膜を介在した状態で積層され、
前記電極から突出した電極タブは電極タブ束を形成した状態で電極リードと結合し、
前記電極リードは、前記電極タブと結合する第１電極リード、及び前記第１電極リードと結合する第２電極リードを含み、
前記第１電極リードと前記第２電極リードが結合する電極リード結合部は、接着部及びスポット溶接部を含む、電極組立体。 - 前記スポット溶接部は前記接着部内に形成される、請求項１に記載の電極組立体。
- 前記スポット溶接部は前記接着部と重畳しないように形成される、請求項１に記載の電極組立体。
- 前記電極リード結合部の上面及び下面には絶縁性フィルムが付着される、請求項１～３の何れか一項に記載の電極組立体。
- 前記接着部は、導電性物質が混合された接着性物質からなる、請求項１～４の何れか一項に記載の電極組立体。
- 前記導電性物質は、銀、銅、ニッケル及び炭素からなる群から選択される１種以上を含む、請求項５に記載の電極組立体。
- 前記接着性物質は、エポキシ系またはイミド系のポリマーを含む、請求項５に記載の電極組立体。
- 前記接着部によって結合された部分の接着力はスポット溶接によって結合された部分の結合力より弱い、請求項１～７の何れか一項に記載の電極組立体。
- 前記電極は正極及び負極のうちの少なくとも一つである、請求項１に記載の電極組立体。
- 請求項１～９のいずれか一項に記載の電極組立体を含むパウチ型電池セルであって、
前記パウチ型電池セルの内圧増加によって電池ケースが膨張するとき、前記電極リード結合部の前記接着部では前記第１電極リードと前記第２電極リードが分離され、前記スポット溶接部では前記第１電極リードと前記第２電極リードの結合が維持される、パウチ型電池セル。 - 前記電池ケースの膨張の際、前記絶縁性フィルムによってパウチ型電池セルの密封状態を維持する、請求項１０に記載のパウチ型電池セル。
- 前記電池ケースの膨張の際、スポット溶接によって結合が維持される部分を介して電圧測定が可能である、請求項１０に記載のパウチ型電池セル。
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