JP4280741B2 - リチウム二次電池 - Google Patents

Description

本発明は，リチウム二次電池に関し，より詳細には，電解液注入口を通じて電解液を注入する際，キャッププレートが撓むことを防止できるリチウム二次電池に関する。

近日，携帯用電子機器の小型化および軽量化が急速に進展するにつれて，これらの駆動電源として使われる電池の小型化および高容量化に対する必要性が増大している。特に，リチウム二次電池は急速に伸張している趨勢である。リチウム二次電池は，作動電圧が３．６Ｖ以上であって，携帯用電子機器の電源に多用されているニッケル-カドミウム電池や，ニッケル-水素電池より３倍程度高く，また単位重量当たりのエネルギー密度が高いからである。

リチウム二次電池は，リチウムイオンが正極および負極で挿入（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）／脱離（ｄｅｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）される時の酸化，還元反応によって電気エネルギーを生成する。リチウム二次電池は，リチウムイオンの可逆的な挿入／脱離可能な物質を正極と負極の活物質とし，上記正極と負極との間に有機電解液またはポリマー電解液を充填させて製造される。

リチウム二次電池の正極活物質としては，リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２），リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２），リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎＯ_２）などのリチウム含有金属酸化物を使用している。リチウム二次電池の負極活物質としてはリチウム金属またはリチウム合金を使用されていた。しかし，負極活物質としてリチウム金属を使用する場合，デンドライト（ｄｅｎｄｒｉｔｅ）の形成による電池の短絡により爆発危険性があるため，リチウム金属は，非晶質炭素または結晶質炭素などの炭素系物質に代替される傾向にある。リチウム二次電池は様々な形状で製造されているが，代表的な形状として円筒形，角形およびパウチ形を挙げることができる。

図１は，従来のリチウム二次電池を示す分離斜視図である。図１を参照すると，缶１０には，第１電極１３，第２電極１５およびセパレータ１４からなる電極組立体１２と電解液が受納され，リチウム二次電池は，当該缶１０の上段部をキャップ組立体２０で封入されることにより形成される。

上記キャップ組立体２０は，キャッププレート４０，絶縁プレート５０，ターミナルプレート６０および電極端子３０を含んで構成される。上記キャップ組立体２０は，別途の絶縁ケース７０により上記電極組立体１２と絶縁しながら上記缶の上段開口部に結合して缶１０を封入することになる。

上記キャッププレート４０は，上記缶１０の上段開口部と相応する大きさと形状を有する金属板で形成される。上記キャッププレート４０の中央には所定の大きさの端子通孔４１が形成され，端子通孔４１には電極端子３０が挿入される。上記電極端子３０が端子通孔４１に挿入される時は，電極端子３０の外面にはチューブ型のガスケット３５が結合して共に挿入される。電極端子３０と上記キャッププレート４０との絶縁のためである。一方，上記キャッププレート４０の一側には電解液注入口４２が所定大きさで形成され，他側には安全ベント（図示していない）が形成されるとしてもよい。上記安全ベントはキャッププレート４０の断面の厚さを薄くして一体形成される。上記キャップ組立体２０が上記缶１０の上段開口部に組立てられた後，電解液注入口４２を通じて電解液が注入され，電解液注入口４２は栓４３により密閉される。

上記電極端子３０は，上記第２電極１５の第２電極タブ１７または上記第１電極１３の第１電極タブ１６に連結されて第２電極端子または第１電極端子として作用することになる。上記第１電極タブ１６および第２電極タブ１７が電極組立体１２から引出される部分には，電極１３，１５間の短絡を防止するために絶縁テープ１８が巻かれている。上記第１電極または第２電極は正極または負極として作用することになる。

上記のようなリチウム二次電池において，電解液は，電池反応を円滑になす役割を有する。電解液は，イオンの供給源およびイオンが移動できる媒質だからである。このような電解液の注入は電池の性能および寿命を決定するのに重要な要素となる。電解液注入方法には，常圧注入法，遠心注入法，真空注入法などがあり，近日は特に真空注入法が使用されている。

電解液の注入方法として使われている真空注入法には多様な方法がある。代表的には，電解液注入口に注入ノズルを付着して，電解液注入装置の排気手段を通じて缶の内部を真空にした後，所定量の電解液を供給すると，缶の内部の気圧と大気圧との圧力差により電解液が缶の内部に注入される方法がある。

しかし，上記のように電解液を注入する際，キャッププレートの電解液注入口の周りに加えられる外力により，キャッププレートが撓むことがある。このようなキャッププレートの撓みは缶の密閉性を低下させることがあった。

そこで本発明は，従来のキャッププレートが有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，キャッププレートの電解液注入口の周りにリブを形成して，上記電解液注入口を通じて電解液を注入する際，キャッププレートの撓みを防止できるリチウム二次電池を提供することである。

上記の目的の達成のために，本発明は，第１電極，第２電極および第１電極，第２電極の間に介されたセパレータと共に巻回された電極組立体と；上記電極組立体を収容する缶と；上記缶の上段開口部に結合するキャッププレートと；を含むリチウム二次電池において：上記キャッププレートには電解液注入口とリブが形成され，上記リブは上記電解液注入口の周りに配置されるとしてもよい。係る構成により，上記キャッププレートは所定の剛性を得ることができる。

上記リブは，上記キャッププレートの上面または下面をプレスして形成されるとしてもよい。係る構成により，上記キャッププレートは一のプレートを加工することにより形成でき，例えばコストを削減することが可能となる。

上記リブの形成により上記キャッププレートの上面または下面に段差部，例えば凹部が形成されてもよく，上記段差部と周りとの段差は上記キャッププレートの厚さの２倍以下とされるとしてもよい。係る構成により，上記キャッププレートに作用する成形応力を所定値より抑制することができる。

上記段差は，上記キャッププレートの厚さ以下であるとしてもよい。係る構成により，上記キャッププレートに作用する成形応力を，上記所定値よりさらに抑制することができる。

上記リブは，上記キャッププレートの表面に四角形，円形，半円型および楕円形のうちのいずれかの１つの形状，または，上記形状を組合せて形成されたものとしてもよい。係る構成により，実施の形態に応じた形状のリブを形成でき，上記キャッププレートは所定の剛性を得ることが可能となる。

上記リブは，電解液注入口の周りで互いに平行するように配置された１対のリブであってもよい。係る構成により，上記キャッププレートは，上記キャッププレートの任意方向に所定の剛性を得ることができる。

上記リブは，電解液注入口の周りから上記キャッププレート長辺方向に配置されるとしてもよい。係る構成により，上記キャッププレートは，上記キャッププレート長辺方向に所定の剛性を得ることができる。

上記リブは，電解液注入口の周りから上記キャッププレート短辺方向に配置されるとしてもよい。係る構成により，上記キャッププレートは，上記キャッププレート短辺方向に所定の剛性を得ることができる。

上記リブは，上記電解液注入口の周囲に沿って断続的または連続的に形成されていてもよい。係る構成により，上記キャッププレートは，任意の位置での凹凸を備えることができる。

上記リブは，キャッププレートと一体型で形成されてもよい。

上記キャッププレートは，アルミニウム，アルミニウム合金，またはステンレス鋼からなるとしてもよい。係る構成により，所定の剛性を保ちつつ，上記キャッププレートを軽量化することができる。

上述のように，本発明に係るリチウム二次電池は，キャッププレートの電解液注入口の周りにリブを形成することにより，電解液注入口を通じて電解液を注入する時，キャッププレートが撓むことを防止することができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図２は，本発明の一実施形態に係るリチウム二次電池を示す分離斜視図である。

図２を参照すると，リチウム二次電池は，缶１１０と，上記缶１１０の内部に受け入れられる電極組立体１１２と，上記缶１１０の上部に結合するキャップ組立体１２０とを含んで形成される。

上記缶１１０は，上部が開放された略角形の金属材で形成され，軽くて軟性のあるアルミニウムまたはアルミニウム合金，ステンレス鋼などで形成されるが，ここにその種類を限るのではない。上記缶１１０はそれ自体が端子の役割を遂行することが可能である。

上記電極組立体１１２は，第１電極１１３と第２電極１１５とセパレータ１１４とを含む。上記第１電極１１３と第２電極１１５はセパレータ１１４を介して積層された後，ゼリーロール（ｊｅｌｌｙ−ｒｏｌｌ）形態で巻回されるとしてもよい。上記第１電極１１３には第１電極タブ１１６が，上記第２電極１１５には第２電極タブ１１７がレーザー溶接，超音波溶接，抵抗溶接のような溶接や導電性接着剤によって通電可能に取付けられており，各々の電極タブが上方に引出されている。

上記第１電極１１３および第２電極１１５は，互いに極性を異にして，正極または負極として使用することができる。上記第１電極１１３および第２電極１１５は，集電体と上記集電体の少なくとも一面に塗布される電極活物質，即ち，正極活物質または負極活物質を含む。

上記第１電極１１３または第２電極１１５を正極として使う場合，電極集電体としてはステンレス鋼，ニッケル，アルミニウム，チタン，またはこれらの合金，アルミニウム，またはステンレス鋼の表面に，カーボン，ニッケル，チタン，銀を表面処理したもの等を使用することができ，代表的には，アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることができる。上記第１電極１１３または第２電極１１５を負極として使う場合，電極集電体としては，ステンレス鋼，ニッケル，銅，チタン，またはこれらの合金，銅またはステンレス鋼の表面にカーボン，ニッケル，チタン，銀を表面処理したもの等を使用することができ，代表的には，銅または銅合金を用いることができる。

上記正極活物質としては，通常，リチウム含有遷移金属酸化物，または，リチウムカルコゲナイド化合物を全て使用することができ，その代表的な例としては，ＬｉＣｏＯ_２，ＬｉＮｉＯ_２，ＬｉＭｎＯ_２，ＬｉＭｎ_２Ｏ_４，または，ＬｉＮｉ_１-ｘ-ｙＣｏ_ｘＭ_ｙＯ_２（０≦ｘ≦１， ０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１，Ｍは，Ａｌ，Ｓｒ，Ｍｇ，Ｌａなどの金属）などの金属酸化物を挙げることができる。上記負極活物質としては，結晶質炭素，非晶質炭素，炭素複合体，炭素繊維などの炭素材料，リチウム金属，リチウム合金などを使うことができる。

上記セパレータ１１４は，上記第１電極１１３と第２電極１１５との間の短絡を防止し，リチウムイオンの移動通路を提供するものである。上記セパレータ１１４には，ポリプロピレン，ポリエチレンなどのポリオレフィン系高分子膜，またはこれらの多重膜，微細多孔性フィルム，織布および不織布などを使用することができる。

上記缶１１０の上部に結合するキャップ組立体１２０は，キャッププレート１４０と絶縁プレート１５０とターミナルプレート１６０と電極端子１３０とを含んで構成される。

上記キャッププレート１４０は缶１１０の上段開口部に対応する大きさと形状を有する平板型の金属材で形成され，中央部の端子通孔１４１と一側の電解液注入口１４２と上記電解液注入口１４２の周りに形成されているリブ１４５ａを含んで構成される。上記キャッププレート１４０は，缶１１０との溶接性の向上のために缶１２０と同一のアルミニウムやアルミニウム合金またはステンレス鋼で形成されるとしてもよい。上記電解液注入口１４２は電解液注入後，栓１４３と結合して密閉される。

上記リブ１４５ａは，上記電解液注入口１４２の周りで上記キャッププレート１４０の長辺方向に配置されている四角形で形成されており，上記キャッププレート１４０の上面をプレスして形成されるとしてもよい。上記リブ１４５ａの形状はここに限るのではなく，円形，楕円形，半円形など，いろいろな形状およびこれら形状を組合して構成されてもよい。上記リブ１４５ａの形成により，上記キャッププレート１４０は，所定の剛性を得られる。これにより，電解液注入の際，上記キャッププレート１４０に生じる局部的な応力集中や，局部変形が緩和し，上記キャッププレート１４０が撓むことを防止できる。

上記端子通孔１４１には電極端子１３０が挿入されている。上記電極端子１３０の外面には上記キャッププレート１４０との電気的絶縁のためのチューブ形状のガスケット１３５が設けられている。上記キャッププレート１４０の下面には絶縁プレート１５０が設けられている。上記絶縁プレート１５０の下面にはターミナルプレート１６０が配置されている。上記電極端子１３０の底面部は上記絶縁プレート１５０を介在させた状態で上記ターミナルプレート１６０と電気的に連結されている。

上記キャッププレート１４０の下面には，上記第１電極タブ１１６および第２電極タブ１１７のうちのいずれかの１つ，例えば，第１電極タブ１１６が溶接されるとしてもよい。すると，上記ターミナルプレート１６０には上記第２電極タブ１１７が溶接されることにより，上記電極端子１３０と電気的に連結される。上記第１電極タブ１１６および第２電極タブ１１７はニッケル金属からなっている。

上記電極組立体１１２の上部には，上記電極組立体１１２とキャップ組立体１２０とを電気的に絶縁させてやり，上記電極組立体１１２と第１電極タブ１１６と第２電極タブ１１７の位置を固定させる絶縁ケース１７０が設けられている。上記絶縁ケース１７０は絶縁性高分子樹脂であって，例えば，ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ：ＰＰ）からなる。

図３ａは，図２に図示されたキャッププレート１４０の平面図を示す。図３ｂおよび３ｃは，図３ａのＡ−Ａ'線に沿って截取した断面図を示す。

図３ａ，図３ｂおよび図３ｃを参照すると，上記キャッププレート１４０は端子通孔１４１と，電解液注入口１４２と，電解液注入口１４２の周りに形成されている撓み補強用リブ１４５ａを含む。上記撓み補強用リブ１４５ａは電解液注入口１４２の周りに上記キャッププレート１４０の長辺方向に１対が平行するように配置されている。上記リブ１４５ａは上記キャッププレート１４０の長辺方向だけでなく，上記キャッププレート１４０の短辺方向にも配置されてもよく，上記電解液注入口１４２の周囲に沿って断続的に，または，連続的に形成されるとしてもよい。キャッププレート１４０の撓み強度は長さが増すにしたがい低下するので，上記キャッププレート１４０の変形が生じやすい上記キャッププレート１４０の長辺方向，即ち，横方向にリブを配置してもよい。なお，リブの付け根には応力集中が生じるため，曲率を設けてもよい。

上記リブ１４５ａは，図３ａのように，上記キャッププレート１４０の上面をプレスし，または図３ｂのように，上記キャッププレート１４０の下面をプレスして形成されるとしてもよい。図３ａに示すように，上記キャッププレート１４０の上面をプレスすると，上記キャッププレート１４０の上面は引き込まれて凹部が形成されて，その下面に突起が突出する。上記キャッププレート１４０の下面をプレスする場合には上記キャッププレート１４０の下面に凹部が形成されて，その上面に突起が突出する。上記プレスにより上記キャッププレート１４０の上面または下面が引き込まれて形成される段差（ｔ_２）は上記キャッププレート１４０の厚さ（ｔ_１）の２倍以下で形成されるとしてもよく，上記キャッププレートの厚さ（ｔ_１）以下で形成されてもよい。上記段差（ｔ_２）が上記キャッププレートの厚さ（ｔ_１）の２倍を超える場合，上記キャッププレート１４０に成形応力が過多に作用してキャッププレートの強度を低下させたり変形を起こしたりすることがある。ここで，成形応力とは，例えばプレスによってキャッププレートにリブを形成する時，キャッププレートに加えられる応力を意味する。したがって，上記キャッププレートの材質特性によって段差の程度を適切に選択することができる。

図４ａは，本発明の他の一実施形態に係るキャッププレートの平面図を示す。図４ｂおよび４ｃは，図４ａのＢ−Ｂ'線に沿って截取した断面図を示す。

図４ａ，４ｂおよび４ｃを参照すると，リブ１４５ｂは，上記キャッププレート１４０の電解液注入口１４２の周りに上記キャッププレート１４０の短辺方向に１対が平行するように配置されており，直四角形形状からなっている。上記リブ１４５ｂも上記キャッププレート１４０の上面または下面をプレスして形成されるとしてもよく，上記キャッププレート１４０の上面または下面が所定深さで引き込まれて段差が形成される。

図５〜図８は，本実施形態に係るキャッププレートの平面図を示す。図５を参照すると，撓み補強用リブ１４５ｃは四角形形状からなっており，上記キャッププレート１４０の電解液注入口１４２の周りに沿って連続的に形成されている。

図６を参照すると，撓み補強用リブ１４５ｄは半円形状からなっており，上記キャッププレート１４０の電解液注入口１４２の周りに配置されている。

図７を参照すると，撓み補強用リブ１４５ｅは円形状からなっており，上記キャッププレート１４０の電解液注入口１４２の周りに沿って連続的に形成されている。

図８を参照すると，撓み補強用リブ１４５ｆは四角形と円形とを結合した形状からなっており，上記キャッププレート１４０の電解液注入口１４２の周りに，上記キャッププレート１４０の長辺方向に１対が平行するように配置されている。

上記のように，キャッププレート１４０の電解液注入口１４２の周りに形成されている撓み補強用リブ１４５ａ，１４５ｂ，１４５ｃ，１４５ｄ，１４５ｅ，１４５ｆは，電解液注入口１４２を通じて電解液を注入する際，上記キャッププレート１４０に加えられる局部的な応力集中を減少させて，上記キャッププレート１４０の強度を増加させることにより，上記キャッププレート１４０の撓みを防止することができる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば，補強用リブ１４５aを一組に限らず複数設けても，上記リブを上記キャッププレート両面に設けても良い。

本発明は，電解液注入口を通じて電解液を注入する際，キャッププレートが撓むことを防止できるリチウム二次電池に適用可能である。

従来のリチウム二次電池を示す分離斜視図である。 本発明の一実施形態に係るリチウム二次電池を示す分離斜視図である。 図２に図示されたキャッププレートの平面図である。 図３ａのＡ−Ａ'線に沿って截取した断面図である。 図３ａのＡ−Ａ'線に沿って截取した断面図である。 本実施形態に係るキャッププレートの平面図である。 図４ａのＢ−Ｂ'線に沿って截取した断面図である。 図４ａのＢ−Ｂ'線に沿って截取した断面図である。 本実施形態に係るキャッププレートの平面図である。 本実施形態に係るキャッププレートの平面図である。 本実施形態に係るキャッププレートの平面図である。 本実施形態に係るキャッププレートの平面図である。

符号の説明

１１０ 缶
１１２ 電極組立体
１１３ 第１電極
１１４ セパレータ
１１５ 第２電極
１１６ 第１電極タブ
１１７ 第２電極タブ
１１８ 絶縁テープ
１２０ キャップ組立体
１３０ 電極端子
１３５ ガスケット
１４０ キャッププレート
１４１ 端子通孔
１４２ 電解液注入口
１４３ 栓
１４５，１４５ａ，１４５ｂ，１４５ｃ，１４５ｄ，１４５ｅ，１４５ｆ リブ
１５０ 絶縁プレート
１６０ ターミナルプレート
１７０ 絶縁ケース

Claims (11)

1. 第１電極，第２電極および第１電極，第２電極の間に介されたセパレータと共に巻回された電極組立体と；前記電極組立体を収容する缶と；前記缶の上段開口部に結合するキャッププレートと；を含むリチウム二次電池において：
   前記キャッププレートには電解液注入口と一対のリブが形成され，前記一対のリブは前記電解液注入口の周りに断続的かつ対称的に配置されることを特徴とする，リチウム二次電池。
2. 前記一対のリブは，前記キャッププレートの上面または下面をプレスして形成されることを特徴とする，請求項１に記載のリチウム二次電池。
3. 前記キャッププレートの上面または下面に段差部が形成されることを特徴とする，請求項１または２に記載のリチウム二次電池。
4. 前記段差部と周りとの段差は前記キャッププレートの厚さの２倍以下であることを特徴とする，請求項３に記載のリチウム二次電池。
5. 前記段差は，前記キャッププレートの厚さ以下であることを特徴とする，請求項４に記載のリチウム二次電池。
6. 前記一対のリブは，前記キャッププレートの表面に四角形，円形，半円型および楕円形のうちのいずれかの１つの形状，または，前記形状を組合せて形成されたものであることを特徴とする，請求項１〜５のいずれかに記載のリチウム二次電池。
7. 前記一対のリブは，電解液注入口の周りで互いに平行するように配置されることを特徴とする，請求項１〜５のいずれかに記載のリチウム二次電池。
8. 前記一対のリブは，電解液注入口の周りから前記キャッププレート長辺方向に配置されていることを特徴とする，請求項７に記載のリチウム二次電池。
9. 前記一対のリブは，電解液注入口の周りから前記キャッププレート短辺方向に配置されていることを特徴とする，請求項７に記載のリチウム二次電池。
10. 前記一対のリブは，キャッププレートと一体型で形成されていることを特徴とする，請求項１に記載のリチウム二次電池。
11. 前記キャッププレートは，アルミニウム，アルミニウム合金，またはステンレス鋼からなることを特徴とする，請求項１に記載のリチウム二次電池。
    

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