JP4180574B2 - リードプレートが付着された角形二次電池 - Google Patents

Description

本発明は二次電池に関し、特に、リードプレートが付着される角形二次電池に関する。

二次電池は再充電が可能で、小型化及び大容量化の可能性を有するため、最近多く開発されて使用されている。最近開発、使用される代表的な二次電池としてはニッケル水素電池、リチウム電池及びリチウムイオン電池などを挙げることができる。

これら二次電池のベアセル（ｂａｒｅ ｃｅｌｌ）の大部分は正極、負極及びセパレーターからなる電極組立体を、鉄やアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるカンに収納して、カンにキャップアセンブリーを被せて仕上げした後、カン内部に電解液を入れ込んでキャップアセンブリーを密封することで形成される。カンをアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成するようにすれば、アルミニウムの軽いという属性のため電池を軽量化することができ、高電圧下で長期間使用するときにも腐食されないなどの有利な点がある。

これら二次電池のベアセルでは一般的に、上部に周り部分と絶縁された電極端子が備えられて、この電極端子がベアセル内で電極組立体の一電極と接続されて電池の正極端子または負極端子をなすようになる。そして、カン自体は電極端子と反対の極性を有する。

密封された二次電池ベアセルの電極端子は、ＰＴＣ素子（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）及び保護回路基板（ＰＣＭ：Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｍｏｄｕｌｅ）などの安全装置の端子と電気的に接続される。安全装置は正極と負極に連結されて、電池の高温上昇や過度な充放電などで電池の電圧が急上昇する場合に、電流を遮断して電池の破裂などの危険を防止する。

通常、ベアセルの電極と保護回路基板などの電気端子を直接熔接して電気接続させることは、ベアセルの形態上、材質上容易ではない。そのため、リードプレートと呼ばれる導体構造が電池の正極、負極と保護回路基板のような安全装置の電気端子を連結する役割をする。リードプレートの材質としては通常ニッケルまたはニッケル合金や、ニッケルがメッキされたステンレス鋼が使用される。安全装置とベアセルとは、電気的に接続された状態で別途のパックに収納されるか、または溶融された樹脂で間の空間が満たされて被覆されて完成された電池パックをなすようになる。

ところが、ニッケルよりなるリードプレートは、アルミニウムよりなるカンとの熔接に問題を発生させることがある。すなわち、ニッケルとアルミニウムは、ニッケルの不溶性と、アルミニウムのすぐれた伝導性によって超音波熔接や抵抗熔接が非常に困難である。そのため、カンとリードプレートは通常レーザーで熔接する。当初は、このようなレーザー熔接は、リードプレートと保護回路が連結された状態でのレーザービーム照射時に、帯電現象と電気衝撃とを発生させて、安全装置等の信頼性を低下させる問題もあった。最近は、カン型電池に先にリードプレートを熔接して、熔接されたリードプレートに保護回路側の端子プレートを抵抗熔接する方法が使用されている。

一方、カンの底面など直接カンに対してリードプレートをレーザー熔接することは、電池の薄型軽量化傾向によってカンの厚さが０．２ないし０．３ｍｍ程度に非常に薄いことから、その熔接強度を正確に調節しなければレーザーの熔接部で電解液が漏洩されるなどの問題を起こすことがある。よって、最近ではカン型電池のキャップアセンブリー、主にキャッププレート、一部にリードプレートを形成する場合が多い。

キャッププレートにリードプレートが連結される場合、ベアセルと保護回路基板は、リードプレート熔接で連結された状態で成形樹脂用モールドに固定されて、成形樹脂で間隙が満たされて樹脂モールディング型二次電池でなされる場合が多い。このような樹脂モールディング型二次電池は、別途のハードパック用ケースを使用する場合に比べて外観をきれいにし、ケースに該当する厚さを減らすことができ、ケースに装入する不便がないという利点がある。

図１は従来の一例として角形二次電池ベアセルのキャッププレートの一側にリードプレートが熔接結合される場合の問題点を示すためのベアセル上部に対する側断面図である。

図１を参照して説明すれば、負極１５、正極１３、セパレーター１４が積層に巻き取られた電極組立体１２がカン１１の内部に挿入された後、開放されたカンの上部にはキャップアセンブリーが結合される。キャップアセンブリーはキャッププレート１１０が本体になって、キャッププレート１１０の中央ホールには絶縁ガスケット１２を介して負極端子１３０が設置されている。負極端子１３０を中心にその一側にはキャッププレート１１０に電解液の注入口１１２が形成されており、その他側には図示しないが安全弁が設置されることができる。電解液の注入口１１２は、カン１１がキャップアセンブリーで仕上げされた後、電解液をカンの内部に入れ込むために形成されたものである。電解液の注入後に、電解液の注入口１１２にはアルミニウムボールを圧入して形成した栓１６０で密封される。

ところが、このような従来の樹脂モールディング型二次電池の構成で、栓１６０は、キャッププレートに形成された電解液の注入口にアルミニウムボールを圧入する方法で形成される。したがって、電解液の注入口１１２と栓１６０との間の微細隙間が存在しやすく、この隙間から電解液が漏洩されることを防止するために、栓の周辺で栓とキャッププレートとの間のレーザー熔接がなされる。また、栓１６０上には液状の樹脂を塗布するか、または樹脂液滴を落としてこれを光や熱で硬化させて樹脂封止材２５０を形成することで、電解液の漏洩を二重で防止することもできる。

樹脂を利用した封止材２５０や栓１６０は、形成方法上キャッププレート面上に一部突出形成される。一方、リードプレート２１０は少なくともベアセルのキャッププレート１１０との面と面結合するための一定広さ以上の底部２１１と、保護回路基板の電気端子との結合のために底部２１１から保護回路基板の方に垂直に突出される壁体部２１３を有する。大きさを勘案する場合、リードプレート２１０は電解液の注入口１１２上に一部が重なって形成されるようになる。リードプレートの底部２１１をキャッププレート１１０に結合させるために熔接をするとき、電解液の注入口１１２上に突出される栓１６０や樹脂封止材２５０は、図１に多少誇張されて現わされているように、リードプレート底部２１１がキャッププレート１１０面で浮き上がるようにして熔接を邪魔し、熔接される場合にも熔接を弱化させる問題がある。

リードプレートは、ベアセルの正極端子であるキャッププレートを保護回路基板の接続端子と連結する伝導路をなして、樹脂モールディング型の二次電池で保護回路基板とベアセルとを結合させる成形樹脂部に挿入されて、ベアセルを堅く固定させる役割も果たす。よって、リードプレートとキャッププレートとの間の熔接がまともになされることができなければ、リードプレートのこのような機能が適切にできず、完成された二次電池に機械的強度の不良や電気接続の不良を誘発させる。

本発明は上述した問題点を解決するためのものであり、リードプレートの底部とキャッププレート面との間の熔接を容易にし、これらの間の結合強度を確保することができるようにするリードプレートが付着された角形二次電池を提供することを目的とする。

また、本発明はキャッププレート表面での突出部の影響を遮断して、リードプレートとキャッププレートとの間の浮き上がることを防止することができるリードプレートが付着された角形二次電池を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するための本発明の角形二次電池は、
正極、負極及びセパレーターからなる電極組立体、電極組立体と電解液を収容する容器となる角形カン、および角形カンの開放された上部を仕上げするようにキャッププレートを有するキャップアセンブリーを備えるベアセルの、前記キャッププレートの表面一側の電解液の注入口上に、リードプレートが前記キャッププレート面と結合されており、リードプレートの底部の前記電解液の注入口に対応する部分が上に膨らんで溝が形成されることを特徴とする。

リードプレートは、平板形態の底部のみで形成されることができるが、通常保護回路基板の電極タップと結合されるために、底部から上に突出される壁体部を有する。

本発明によれば、リードプレートとキャップアセンブリーの熔接部の強度を充分に確保できるため、電池パックに外力が加えられる場合、あるいはリードプレートを熔接した後の工程で、リードプレートがキャップアセンブリーから易しく分離されることを防止することができ、電気接続面でも安定した接続をなすことができる。

また、本発明によればリードフレートとキャッププレートとが密着された状態で安定した熔接が可能であるために、熔接に必要なレーザー出力を適切に調節することができる。

以下に、図面を参照しながら実施例を通じて本発明をより詳しく説明する。

図２は本発明の実施形態に係るものであり、成形樹脂によって結合される前の段階で保護回路基板とベアセルが結合された状態にある角形二次電池に対する分解斜視図であり、図３は本発明の実施形態に係るベアセルとリードプレートが結合された部分斜視図、図４は図１に対応される本発明の実施形態に係るベアセルとリードプレートが結合された状態の角形二次電池の正断面図である。

図２を参照すれば、リチウムパック電池は、カン１１と、このカン１１の内部に収容される電極組立体１２と、カン１１の開放された上端と結合してカン上端を密封するキャップ組立体と、を備えてなるベアセルを有する。

電極組立体１２は薄い板型、あるいは膜型で形成された正極１３、セパレーター１４、負極１５、セパレーターの積層体を渦型に巻き取って形成される。正極及び負極リード１６、１７が電極組立体１２から引き出される境界部には、二つの電極１３、１５の間の短絡を防止するために絶縁テープ１８がそれぞれ巻かれている。角形カン１１は通常、直六面体の形象を有したアルミニウム、あるいはアルミニウム合金で形成される。カン１１の開放された上端を通じて電極組立体１２が収容されて、カン１１は電極組立体１２及び電解液容器の役割を果たす。キャップ組立体のキャッププレート１１０がベアセルの正極端子の役割を果たす。

キャップ組立体には、カン１１の開放された上端に対応する大きさと形状を有する平板型のキャッププレート１１０が設けられ、中央部には電極端子（負極端子）１３０が通過することができるように端子用通孔が形成される。負極端子１３０の外側には負極端子１３０とキャッププレート１１０との電気的絶縁のためにチューブ形状のガスケット１２０が設置されている。キャッププレート１１０の下面に絶縁プレート１４０が配置されている。絶縁プレート１４０の下面には負極端子と連結される端子プレート１５０が設置されている。キャッププレート１１０の下面には正極リード１６が熔接されており、負極端子１３０の下端部には負極リード１７が熔接されている。

一方、電極組立体１２の上端部をカバーすることができるように絶縁ケース１９０が設置されることができ、絶縁ケースにはリード通孔１９１と電解液通過孔１９２が形成される。負極端子を中心にキャッププレート１１０の一側には電解液の注入孔１１２が形成されて、他の一側には安全弁（図示せず）が設置されることができる。電解液の注入孔１１２には電解液が注入された後に電解液の注入孔を密閉させるために栓１６０が設置される。栓１６０の上側には示されなかったが、樹脂封止材が設置される。キャッププレート１１０の周辺部とカン１１の側壁上端は熔接で結合される。

保護回路基板３００で外部端子３１０、３２０が形成された裏面、すなわち、内側面には回路部及び接続端子３６０、３７０が具備される。接続端子３６０、３７０はベアセルに結合されたリードプレート４１０、４２０と抵抗スポット熔接で結合されることができる。保護回路基板と負極端子との間にあるリードプレート４２０にはブレーカーなどが結合形成されることができる。絶縁プレート４３０は負極端子１３０と接続されるリードプレート４２０とキャッププレートとの間を絶縁するためのものであり、両面テープなどを利用することができ、キャッププレート１１０に安全弁が設置される場合に安全弁を保護しながらリードプレート４２０を結合させる役割をすることができる。栓１６０の上に設置されるリードプレート４１０はその底部面でキャッププレート面と結合される。リードプレート４１０は、通常キャッププレートと結合される底部がおおよそ直方形に形成され、底部の周縁部の少なくとも一部にはキャッププレート面を基準に垂直に突出される壁体部を有する。ただし、本発明では栓１６０や樹脂封止材のような電解液の注入口１１２に対応するリードプレート４１０の底部は、上に膨らむように溝が形成される。

以下、図３、図４を参照して説明すれば、溝４１５の部分では、リードプレート底部の下面はキャッププレート１１０と離隔された状態になって、リードプレートの溝４１５の部分とキャッププレート１１０との間には空間が形成される。溝４１５が形成する空間には、キャッププレート１１０の電解液の注入口１１２の部分でキャッププレート１１０面上に突出形成される栓１６０や樹脂封止材２５０が収容される。

したがって、従来と異なり、リードプレート底部４１１の溝４１５が形成された部位以外の他の部分で、リードプレート底部４１１がキャッププレート面と密着することができる。これら他の部分でリードプレートとキャッププレートとの間の熔接の信頼性が向上して、ベアセルに対するリードプレートの機械的、電気的接続を安定にすることができる。

溝４１５は角形溝や半球型溝、緩い曲面溝など多様な形態で形成されることができるが、キャッププレート１１０から突出される栓１６０や樹脂封止材２５０の通常の形態と符合する大きさ及び形態で形成されることが望ましい。溝の大きさがあまり大きくなれば、相対的にキャッププレートと触れるリードプレートの底部４１１面積が減って、熔接が難しくなって熔接強度が小さくなることがある。

溝はプレス技法で形成されることができる。たとえ、リードプレート全体をその形態に合うように切断して、折曲してリードプレートの底部と壁体とを形成した後、底部の一部を半球型ジグを有したプレスで押して溝を形成するか、または壁体を成形しながらともに溝をプレス成形することができる。その他、溝の形態を有したモールドに材料を注いで入れて、リードプレートを鋳造するなどの方法でリードプレート全体を形成することもできる。

リードプレートは通常のようにニッケル、あるいはニッケル合金材質からなり、溝が形成されない底部を通じて多様な形態でキャッププレートとレーザー熔接がなされることができる。リードプレートをレーザー熔接するとき、熔接の深度はリードプレートの厚さとキャッププレートの厚さ及び必要な熔接強度によって通常０．１５ないし０．４ｍｍまでなされることができる。

リードプレートの厚さは０．０５ないし０．４５ｍｍであることが望ましい。リードプレートの厚さはカンの厚さ及び熔接の便宜と係わって決定され、厚く形成される場合、キャップ組立体で密封した電池カンと保護回路基板との間の空間を樹脂で満たして形成するパック電池は、電池に作用する捻り、または曲げなどの外力に対する抵抗強度を高めることができるので有利な側面がある。

熔接は多様な形態でなされることができる。例えば、点熔接を底部に均一に分布させることもできるが、線溶接で熔接強度をさらに高めることが望ましい。線溶接は円型のような閉曲線をなすか、または直線型、┐形やコ形などの折った線形などでリードプレート底部の大きさ及び形態によって多様になされることができる。

線溶接の一形態で、リードプレート底部の周辺に沿って熔接をすれば、底部の上側でレーザー熔接をすることに比べてリードプレートとキャッププレートとの接触部分を直接熔接することになるので、熔接の強度を調節して不良を減らすのにより適している。

その後、電池の過充電、放電を防止するための保護回路が装着された保護回路基板、その他電池の付属物が、リードプレートが熔接された状態の電池に連結される。このとき、リードプレートは正極で、電極端子は負極で作用する。電極構造と極性とは実施形態によって変わることができる。保護回路基板と電池の付属物の種類と形態によって、これらが結合された電池は別途の外装体に収納されることができ、あるいは低温成形樹脂を利用して基板とキャッププレートとの間の空間をホットメルト方式で満たすか、または全般的に樹脂被覆を被せてパック電池に成形することができる。

以上では本発明を実施形態によって詳細に説明したが、本発明は実施形態によって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を逸脱することなく、本発明を修正または変更できるであろう。

従来の一例として角形二次電池ベアセルのキャッププレートの一側にリードプレートが熔接結合される場合の問題点を示すためのベアセルの上部に対する側断面図である。 本発明の実施形態に係るものであり、成形樹脂によって結合される前の段階で保護回路基板とベアセルが結合された状態にある角形二次電池に対する分解斜視図である。 本発明の実施形態に係るベアセルとリードプレートが結合された部分斜視図である。 図１に対応される本発明の実施形態に係るベアセルとリードプレートが結合された状態の角形二次電池の正断面図である。

符号の説明

１１ カン、
１２ 電極組立体、
１３ 正極、
１４ セパレーター、
１５ 負極、
１６ 正極リード、
１７ 負極リード、
１８ 絶縁テープ、
１１０ キャッププレート、
１１１ 通孔、
１１２ 電解液の注入口、
１２０ ガスケット、
１３０ 負極端子、
１４０ 絶縁プレート、
１５０ 端子プレート、
１９０ 絶縁ケース、
１９１ リード通孔、
１９２ 電解液通過孔、
１６０ 栓、
２５０ 樹脂封止材、
２１０、４１０、４２０ リードプレート、
２１１、４１１ 底部、
２１３、４１３ 壁体部、
４１５ 溝。

Claims (7)

1. 正極、負極及びセパレーターからなる電極組立体、電極組立体と電解液を収容する容器となる角形カン、および角形カンの開放された上部を仕上げするためのキャッププレートを有するキャップアセンブリーを備えるベアセルと、
   前記キャッププレートの一部分に結合されるリードプレートと、を有する角形二次電池において、
   前記キャッププレートの一側に電解液の注入口が設けられ、
   前記リードプレートは前記電解液の注入口を覆うとともに、少なくとも一部分で前記キャッププレートと面で結合する底部を有し、
   前記底部の内で前記電解液の注入口に対応する部分は、上に膨らんで突出して溝を形成することを特徴とする角形二次電池。
2. 前記リードプレートは、他の電池部品との結合のために前記底部から上に突出する壁体部を有することを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
3. 前記電解液の注入口は、アルミニウム圧入により形成された栓及び樹脂封止材で仕上げられ、
   前記溝で前記底部の前記ベアセル側の面は、前記樹脂封止材の形態に対応する曲面で形成されることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
4. 前記溝は、任意の角形溝で形成されることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
5. 前記の底部は、底部面に閉曲線、あるいは直線形態の線溶接された部分を有し、前記キャッププレートと結合されることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
6. 前記の底部は、周縁部で線溶接されて前記キャッププレートと結合されることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
7. 前記溝は、プレス技法で形成されることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
   

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