JP2023531586A - 安全性向上のための金属部材が缶本体に挿入されている二次電池 - Google Patents
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Abstract
本発明は、正極、分離膜、および負極を含む電極組立体が電解液と共に電池ケースに収納されている二次電池であって、前記電池ケースは、金属からなり、前記電池ケースは、前記電極組立体と電解液とが収納される収納部を含み、上部が開放された缶本体と、前記缶本体の開放された上部に結合されるキャップ組立体とを含み、前記缶本体は、前記収納部の上部に内側に折曲げられたビーディング部と、前記ビーディング部の上部から前記キャップ組立体の位置した方向に曲がったクリンピング部とを含み、前記缶本体の底部および前記クリンピング部の少なくとも１つには、その内部に金属部材が挿入されており、前記金属部材は、前記缶本体の金属より融点が低い二次電池を提供する。
Description
関連出願との相互参照
本出願は、２０２１年５月２８日付の韓国特許出願第１０－２０２１－００６９４７５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本明細書の一部として含まれる。
本出願は、２０２１年５月２８日付の韓国特許出願第１０－２０２１－００６９４７５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本明細書の一部として含まれる。
本発明は、安全性向上のための金属部材が缶本体に挿入されている二次電池に関する。
化石燃料使用の急激な増加によって代替エネレギーやクリーンエネルギーの使用に対する要求が増加しており、その一環として最も活発に研究されている分野が電気化学を利用した発電、蓄電分野である。
現在、このような電気化学的エネルギーを用いる電気化学素子の代表例として二次電池が挙げられ、次第にその使用領域が拡大する傾向にある。
最近は、携帯用コンピュータ、携帯用電話、カメラなどの携帯用機器に対する技術開発と需要の増加に伴ってエネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加しており、そのような二次電池の中で、高い充放電特性と寿命特性を示し、環境にやさしいリチウム二次電池について多くの研究が行われてきており、また、商用化されて幅広く用いられている。
また、環境問題への関心が大きくなるにつれ、大気汚染の主因の一つであるガソリン車両、ディーゼル車両など化石燃料を使用する車両から代替可能な電気自動車、ハイブリッド電気自動車などに関する研究が多く進められている。このような電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの動力源としては、主にニッケル水素金属二次電池が用いられているが、高いエネルギー密度と放電電圧のリチウム二次電池を用いる研究が活発に進められており、一部商品化の段階にある。
前記二次電池は一般に、電池ケースの形態により電池ケースとして金属からなる缶にスタック／フォールディング型、または巻取型電極組立体を収納する円筒形、または角形二次電池、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などがある。
一方、前記電気自動車用電池として前記円筒形電池が用いられるにつれ、円筒形電池の安全性の面がより重要な問題として浮上している。
特に、車両に火災が発生した時、円筒形電池１個の発火が他の電池に影響を与えると、電池の連鎖的な発火につながり、より大きな事故につながる可能性がある。
そこで、電池が高温に露出して発火した時、円筒形缶の側面が損傷せず、その状況が終了する必要性があるが、現在の円筒形缶の設計では缶の側面が損傷しないという保障がない状況である。
したがって、このような問題を解決して、電池缶本体の側面における損傷を防止できる二次電池の技術開発が必要である。
本発明は、上記の従来技術の問題点と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。
具体的には、本発明の目的は、缶本体の側面の損傷を防止することによって、周辺の二次電池に与える影響を最小化して連続的な発火を防止できるように、二次電池の内部発火時、圧力上昇による圧力が、缶本体の側面ではない、上端部と下端部に作用するようにする二次電池を提供することである。
このような目的を達成するための、本発明の一実施例による二次電池は、正極、分離膜、および負極を含む電極組立体が電解液と共に電池ケースに収納されている二次電池であって、
前記電池ケースは、金属からなり、
前記電池ケースは、前記電極組立体と電解液とが収納される収納部を含み、上部が開放された缶本体と、前記缶本体の開放された上部に結合されるキャップ組立体とを含み、
前記缶本体は、前記収納部の上部に内側に折曲げられたビーディング部と、前記ビーディング部の上部から前記キャップ組立体の位置した方向に曲がったクリンピング部とを含み、
前記缶本体の底部および前記クリンピング部の少なくとも１つには、その内部に金属部材が挿入されており、
前記金属部材は、前記缶本体の金属より融点が低いことを特徴とする。
前記電池ケースは、金属からなり、
前記電池ケースは、前記電極組立体と電解液とが収納される収納部を含み、上部が開放された缶本体と、前記缶本体の開放された上部に結合されるキャップ組立体とを含み、
前記缶本体は、前記収納部の上部に内側に折曲げられたビーディング部と、前記ビーディング部の上部から前記キャップ組立体の位置した方向に曲がったクリンピング部とを含み、
前記缶本体の底部および前記クリンピング部の少なくとも１つには、その内部に金属部材が挿入されており、
前記金属部材は、前記缶本体の金属より融点が低いことを特徴とする。
この時、前記缶本体は、１０００℃～２０００℃の融点を有する金属からなり、前記金属部材は、２００℃～６００℃の融点を有する金属からなる。
具体的には、前記電池ケースは、アルミニウム、ニッケル、ステンレススチール（ＳＵＳ）、銅、鉄、青銅、および黄銅からなる群より選択されるいずれか１つを含む金属からなり、前記金属部材は、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、および鉛（Ｐｂ）からなる群より選択されるいずれか１つを含む金属からなる。
また、前記金属部材は、前記缶本体の底部および前記クリンピング部ともに含まれる。
前記缶本体の底部に含まれる前記金属部材の平面上の形状は、多角形、円形、または楕円形であってもよく、前記クリンピング部に含まれる前記金属部材は、前記クリンピング部の周りの長手方向に一部または全部において連続的または非連続的な帯状に含まれる。
この時、前記金属部材は、前記缶本体の部において、前記底部の全体面積の１０％～９０％の大きさに含まれ、前記クリンピング部において、前記クリンピング部の全体面積の１０％～９０％の大きさに含まれる。
また、前記金属部材は、前記缶本体をなす金属の厚さの２０％～９０％の厚さを有するように含まれる。
一つの具体例において、前記缶本体は、円筒形ケースであってもよく、前記電極組立体は、ゼリーロール型またはスタック／フォールディング型電極組立体であってもよい。
以下、本発明に対する理解のために、本発明をより詳細に説明する。
本明細書および特許請求の範囲に使用された用語や単語は通常または辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自らの発明を最も最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則り、本発明の技術的な思想に符合する意味と概念で解釈されなければならない。
本明細書で使用される用語は単に例示的な実施例を説明するために使用されたもので、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明らかに異なって意味しない限り、複数の表現を含む。
また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。
本発明の一実施例によれば、
正極、分離膜、および負極を含む電極組立体が電解液と共に電池ケースに収納されている二次電池であって、
前記電池ケースは、金属からなり、
前記電池ケースは、前記電極組立体と電解液とが収納される収納部を含み、上部が開放された缶本体と、前記缶本体の開放された上部に結合されるキャップ組立体とを含み、
前記缶本体は、前記収納部の上部に内側に折曲げられたビーディング部と、前記ビーディング部の上部から前記キャップ組立体の位置した方向に曲がったクリンピング部とを含み、
前記缶本体の底部および前記クリンピング部の少なくとも１つには、その内部に金属部材が挿入されており、
前記金属部材は、前記缶本体の金属より融点が低い二次電池が提供される。
正極、分離膜、および負極を含む電極組立体が電解液と共に電池ケースに収納されている二次電池であって、
前記電池ケースは、金属からなり、
前記電池ケースは、前記電極組立体と電解液とが収納される収納部を含み、上部が開放された缶本体と、前記缶本体の開放された上部に結合されるキャップ組立体とを含み、
前記缶本体は、前記収納部の上部に内側に折曲げられたビーディング部と、前記ビーディング部の上部から前記キャップ組立体の位置した方向に曲がったクリンピング部とを含み、
前記缶本体の底部および前記クリンピング部の少なくとも１つには、その内部に金属部材が挿入されており、
前記金属部材は、前記缶本体の金属より融点が低い二次電池が提供される。
以下、「金属」とは、単一金属だけでなく、合金も含む概念である。
この時、前記缶本体は、高温の融点を有する金属であれば限定されないが、例えば、１０００℃～２０００℃の融点を有する金属からなり、さらに具体的には、アルミニウム、ニッケル、ステンレススチール（ＳＵＳ）、銅、鉄、青銅、および黄銅からなる群より選択されるいずれか１つを含む金属からなる。
ここで、いずれか１つを含む金属とは、前記物質中に１つ以上を含むならば、合金でも単一金属でもすべて含む概念である。
ただし、詳しくは、前記缶本体は、鉄またはステンレススチールからなる。
これに対し、前記金属部材は、前記缶本体をなす金属（合金または単一金属）より融点が低い金属からなる。
具体的には、前記金属部材は、融点が缶本体の金属より低ければその種類に限定はないが、例えば、２００℃～６００℃の融点を有する金属からなり、さらに具体的には、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、および鉛（Ｐｂ）からなる群より選択されるいずれか１つを含む金属からなる。
これも、前記缶本体の金属に関する説明と同一であり、詳しくは、前記金属部材は、スズまたは亜鉛であってもよい。
このように缶本体の底部やクリンピング部をなす金属内に融点が低い金属部材を含む場合、二次電池の内部発火時、温度上昇により缶本体の底部および／またはクリンピング部が弱くなり、このため、圧力上昇による圧力の作用が前記底部や前記クリンピング部に作用することから、缶本体の側面には圧力の作用が最小化し、このため、周辺の二次電池への影響を減少させることができる。
本発明では、このような二次電池の模式図を下記の図１に示した。
図１を参照すれば、本発明による二次電池１００は、正極、分離膜、および負極を含む電極組立体１２０が電解液と共に電池ケースとして収納部１１１を含み、上部が開放された形状の缶本体１１０に収納されており、缶本体１１０の開放された上部にキャップ組立体１３０が結合されている構造からなる。
ここで、缶本体１１０は、円筒形ケースであってもよい。
具体的には、缶本体１１０は、電極組立体１２０を支持し、底部１１４および底部から上部に延びている側面を含む収納部１１１と、収納部１１１の上部に内側に折曲げられたビーディング部１１２と、ビーディング部１１２の上部からキャップ組立体１３０の位置した方向に曲がったクリンピング部１１３とを含む。
この時、缶本体１１０の底部１１４およびクリンピング部１１３には、これをなす金属内部にそれぞれの金属部材１６０、１７０が挿入されている。
もちろん、これらの少なくとも１つにのみ含まれてもよいが、缶本体１１０の側面への影響をさらに減少させるために、上部および下部の両側に圧力が作用することが有利であることから、図１のように、底部１１４およびクリンピング部１１３ともに金属部材１６０、１７０がそれぞれ挿入されていることがより好ましい。
一方、それぞれの金属部材１６０、１７０は、缶本体１１０の底部１１４およびクリンピング部１１３に、本発明による効果を発揮する程度でのみ含まれていれば良く、その形状、面積、厚さなどに限定はない。
これに関連し、図２には、缶本体１１０の底部１１４に挿入された金属部材１６０を説明するために、底部１１４の上面図が模式的に示されている。
図２を参照すれば、缶本体１１０の底部１１４に挿入された金属部材１６０の平面上の形状は、多角形（ａ）、円形（ｂ）、または楕円形（ｃ）であってもよく、限定されない。
一方、その平面上の面積も、本発明が意図した効果を発揮する程度で含まれていれば大きく限定されない。ただし、本発明による効果を効果的に発揮するためには、その面積Ｓが底部１１４の全体面積Ａの１０％～９０％であってもよく、詳しくは２０％～９０％、さらに詳しくは３０％～８０％含まれる。
前記範囲を超えて、過度に小さい場合には、本発明が意図した効果がわずかであり、過度に大きい場合には、缶本体１１０自体の剛性が弱くなりうるので、好ましくない。
一方、図３には、缶本体１１０のクリンピング部１１３に挿入された金属部材１７０を説明するために、クリンピング部１１３に相当する部位を周り方向に仮想展開した状態を模式的に示した。
クリンピング部１１３に含まれる金属部材１７０も、その形状に限定はないが、側面から周り方向に形成されていることが好ましく、このため、図３に示したように、クリンピング部１１３の周りの長手方向に一部または全部において帯状に含まれる。
一方、図３の（ａ）のように、連続的な帯状に含まれてもよいし、図３の（ｂ）のように、非連続的な帯状に形成されてもよい。
また、金属部材１７０の形成面積（Ｓ'ａ＋Ｓ'ｂ＋Ｓ'ｃ＋Ｓ'ｄ）においても、前記底部１１４と同様に、本発明が意図した効果を発揮できる程度であれば限定されないが、本発明による効果を効果的に発揮するためには、その面積Ｓ'がクリンピング部１１３の全体面積Ａ'の１０％～９０％であってもよく、詳しくは２０％～９０％、さらに詳しくは３０％～８０％含まれる。
ここで、面積を説明する基準において、クリンピング部１１３は、ビーディング部１１２との関係から、ビーディング部１１２の折曲げられた部分から抜け出して電極組立体１２０の挿入方向と平行な方向に形成された直線部位から、キャップ組立体１３０の方向に曲がってキャップ組立体１３０と結合された缶本体１１０の端部までをクリンピング部１１３と見なす。
前記数値限定の意味も、底部１１４における金属部材１６０の面積の数値限定の理由と同一である。
一方、再び図１を参照すれば、缶本体１１０の底部１１４および／またはクリンピング部１１３に含まれるそれぞれの金属部材１６０、１７０の厚さｔは、すべて缶本体１１０をなす金属の厚さＴの１０％～９０％、詳しくは２０％～８０％、さらに詳しくは３０％～６０％含まれる。
前記範囲を超えて、過度に薄い場合には、本発明の効果がわずかであり、過度に厚い場合には、缶本体１１０自体の剛性が弱くなりうることから、好ましくない。
以下、その他の二次電池の構成について詳しく説明する。
電極組立体１２０は、限定されないが、ゼリーロール型またはスタック／フォールディング型電極組立体であってもよい。
前記ゼリーロール型電極組立体は、シート状の正極と、シート状の負極との間にシート状の分離膜を介在して巻取って製造される。
前記スタック／フォールディング型電極組立体は、単位電極、単位電極と分離膜、両端に互いに同一の極性の電極が位置するように積層されたフルセル、両端に互いに異なる極性の電極が位置するように積層されたバイセルをシート状の分離フィルム上で巻取って製造される。
このようなゼリーロール型電極組立体およびスタック／フォールディング型電極組立体の具体的な構成は従来知られていることから、本明細書においては詳しい説明は省略する。
また、本発明の電極組立体の具体的な構成、正極、負極、および分離膜と、電解液の具体的な説明はすでに従来知られているので、本出願では具体的な説明は省略する。
さらに、本発明による二次電池１００は、缶本体１１０のビーディング部１１２の上部に取り付けられたガスケット１４０を含み、キャップ組立体１３０が、上端キャップ１３１と、上端キャップ１３１の下部に積層されている電流遮断用安全素子（ＰＴＣ素子）１３２と、内部圧力降下用安全ベント１３３と、安全ベント１３３の下端に形成された電流遮断装置（ＣＩＤ）１３４とを含む構造からなる。
また、電極組立体１２０からは正極タブ１２１と負極タブ１２２が引出されており、正極タブ１２１は、キャップ組立体１３０に電気的に連結されており、負極タブ１２２は、缶本体１３０の底部１１４に連結されている構造からなる。
ここで、電流遮断用安全素子１３２、安全ベント１３３、および電流遮断装置１３４は、すべて電流の通る構造物であることが好ましく、二次電池の安全性を確保するために形成される。
その他の具体的な内容は、従来知られているので、本出願ではこれに関する説明を省略する。
さらに、本発明による二次電池１００は、電極組立体１２０の中央部に挿入される中空構造のセンターピン１５０を含む。
この時、センターピン１５０も、缶本体１１０と同様に、金属、詳しくは、アルミニウム、ニッケル、ステンレススチール（ＳＵＳ）、銅、鉄、青銅、および黄銅からなる群より選択されるいずれか１つを含む金属からなる。
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、上記の内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用および変形を行うことが可能であろう。
以上説明したように、本発明の一実施例による二次電池は、電池ケースの缶本体の底部および／またはクリンピング部において、その内部に、缶本体をなす金属より融点が低い金属部材が挿入されていることから、二次電池の内部発火時、温度上昇により缶本体の底部および／またはクリンピング部が弱くなり、このため、圧力上昇による圧力の作用が二次電池の下端部と上端部に作用することによって、缶本体の側面への圧力作用を最小化できるので、周辺の二次電池に与える影響を減少させて連鎖的な発火を防止できる効果がある。
Claims (10)
- 正極、分離膜、および負極を含む電極組立体が電解液と共に電池ケースに収納されている二次電池であって、
前記電池ケースは、金属からなり、
前記電池ケースは、前記電極組立体と前記電解液とが収納される収納部を含み、上部が開放された缶本体と、前記缶本体の開放された上部に結合されるキャップ組立体とを含み、
前記缶本体は、前記収納部の上部に内側に折曲げられたビーディング部と、前記ビーディング部の上部から前記キャップ組立体の位置した方向に曲がったクリンピング部とを含み、
前記缶本体の底部および前記クリンピング部の少なくとも１つには、その内部に金属部材が挿入されており、
前記金属部材は、前記缶本体の金属より融点が低い二次電池。 - 前記缶本体は、１０００℃～２０００℃の融点を有する金属からなり、
前記金属部材は、２００℃～６００℃の融点を有する金属からなる、請求項１に記載の二次電池。 - 前記電池ケースは、アルミニウム、ニッケル、ステンレススチール（ＳＵＳ）、銅、鉄、青銅、および黄銅からなる群より選択されるいずれか１つを含む金属からなり、
前記金属部材は、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、および鉛（Ｐｂ）からなる群より選択されるいずれか１つを含む金属からなる、請求項１または２に記載の二次電池。 - 前記金属部材は、前記缶本体の底部および前記クリンピング部ともに含まれる、請求項１から３のいずれか一項に記載の二次電池。
- 前記缶本体の底部に含まれる前記金属部材の平面上の形状は、多角形、円形、または楕円形である、請求項１から４のいずれか一項に記載の二次電池。
- 前記クリンピング部に含まれる前記金属部材は、前記クリンピング部の周りの長手方向に一部または全部において連続的または非連続的な帯状に含まれる、請求項１から５のいずれか一項に記載の二次電池。
- 前記金属部材は、前記缶本体の底部において、前記底部の全体面積の１０％～９０％の大きさに含まれ、前記クリンピング部において、前記クリンピング部の全体面積の１０％～９０％の大きさに含まれる、請求項１から６のいずれか一項に記載の二次電池。
- 前記金属部材は、前記缶本体をなす金属の厚さの１０％～９０％の厚さを有するように含まれる、請求項１から６のいずれか一項に記載の二次電池。
- 前記缶本体は、円筒形ケースである、請求項１から８のいずれか一項に記載の二次電池。
- 前記電極組立体は、ゼリーロール型またはスタック／フォールディング型電極組立体である、請求項１から９のいずれか一項に記載の二次電池。
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