JP4323465B2

JP4323465B2 - 二次電池

Info

Publication number: JP4323465B2
Application number: JP2005183884A
Authority: JP
Inventors: 圭雄 ▲そう▼
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2025-06-23
Also published as: JP2006012830A; CN1713438A; CN100365860C; US20050287431A1; KR20050121906A; KR100590006B1; US7790311B2

Description

本発明は二次電池に関し、より詳しくは電極群とリードエレメントとの結合構造に特徴を有する二次電池に関するものである。

二次電池は、充電が不可能な一次電池とは異なり充電及び放電が可能な電池である。一つの電池セルからなる低容量電池としての電池パックは、携帯電話、ノートブックコンピュータ、またはカムコーダのような携帯可能な小型電子機器に使用され、数十個の電池セルを連結して構成された大容量電池としての電池パックは、ハイブリッド電気自動車などのモータ駆動用電源として広く使用される。

前記二次電池は、多様な形状に製造されうるが、主に円筒形、または角形に製造される。二次電池は、帯状の正極、同じく帯状の負極、および前記正極と負極との間に配置される絶縁体であるセパレータが、渦流状（またはゼリーロール）に巻かれることによって形成される電極群をケース内に設置した後、外部端子が形成されたキャップ組立体を前記ケースに設置することによって形成される。

そして、前記正極及び負極のそれぞれには、電池起電時に発生する電流を集電する機能を発揮するために、導電性のリードエレメントが取り付けられ、このリードエレメントは正極及び負極のそれぞれにおいて発生した電流を正極及び負極端子に誘導する。

しかし、前記正極端子及び負極端子からなる電極群と外部端子を連結するリードエレメントが一つに備えられる時には、電極組立体の各部位から発生した電圧の引出しが容易ではなく、電極群とリードエレメントが溶接された領域と、この領域から離隔する領域との間に電位差の発生を招く。この電位差は、電池の充電及び放電が継続した場合、リードエレメントと溶接される部位における劣化を深刻化させ、結果的には電池の出力低下と寿命を短縮させる。このような現象は短時間に充電と放電とが繰り返されるモータ駆動用電池において、顕著に現れる。

このため、高出力の二次電池を製造するにあたって、リードエレメントとしてマルチタブを使用するものがある（特許文献１）。

しかし、前記文献に記載された技術をはじめとする従来の技術における二次電池では、マルチタブが、電極群を形成する正極及び負極集電体に溶接で取り付けられたり、またはこの集電体の一部分に形成されるが、このような場合には、当該二次電池の製造工程において、多くの作業が必要となり、作業効率が低下する。

また、マルチタブ方式のリードエレメントは、正極及び負極に部分的に連結されて、正極及び負極から発生した電流を集電する。このため、モータ駆動用電池のように高出力を必要とする電池の場合には、これに相応する十分な電流集電が図られずに、当該電池の特性を低下させる確率が多い。
特開２００３−７３４６号公報

本発明はリードエレメント及びこのリードエレメントと電極群との結合構造を改善して、集電効率を向上させることのできる二次電池を提供する。

また、本発明は製造工程における作業効率を向上させることができる二次電池を提供する。

上記課題を解決するために、本発明による二次電池は、正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極群と、前記電極群が内蔵されるケースと、前記ケースに結合されることによって前記ケースを密閉するためのキャップ組立体と、前記キャップ組立体に設置され、前記電極群にそれぞれ電気的に接続される正極端子及び負極端子と、前記電極群、前記正極端子、及び前記負極端子に電気的に接続されるリードエレメントとを含み、前記正極及び前記負極は、活物質が塗布されない正極無地部及び負極無地部をそれぞれ有し、前記正極無地部及び前記負極無地部は、それぞれ複数層構造を呈するとともに、当該複数層構造をなすように重ね合わされた層の面が互いに密着するように密着成形されており、前記リードエレメントは、前記密着成形済みの正極無地部の外周部と前記密着形成済みの負極無地部の外周部における少なくとも１／２以上の範囲の領域と結合される板材からなる接触部と、前記接触部を構成する前記板材から一体的に延伸するように形成され前記正極端子及び前記負極端子に連結される先端部とを含む。

前記電極群は、前記正極無地部、前記負極無地部、及び前記セパレータがゼリーロールタイプに巻かれた状態で、加圧されることによって、プレートタイプに形成されうる。

前記リードエレメントは、前記密着成形済みの正極無地部及び前記密着形成済みの負極無地部が有する少なくとも一対の辺を覆いながら、前記正極無地部及び前記負極無地部に結合されうる。

前記リードエレメントは、前記密着成形済みの正極無地部及び前記密着成形済みの負極無地部の外周部の互いに対向する２つの側面のうち、少なくとも一方の側面を覆うように、前記正極無地部及び前記負極無地部に結合されうる。

前記リードエレメントは、前記密着成形済みの正極無地部及び前記密着成形済みの負極無地部に溶接で固定されうる。

本発明によれば、リードエレメントと電極群無地部との接触面積が広くなって接触抵抗を減らすことによって、電流集電効率を向上させて、高出力の電池を提供することができる。

したがって、本発明は、高出力性能が要求されるハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、無線掃除機、電動自転車、電動スクーターなどのようにモータを使用して作動する機器におけるモータを駆動するためのエネルギー源として使用することができる。

図１は本発明の実施形態における二次電池を示した斜視図であり、図２は本発明の実施形態における電極群を示した分解斜視図である。これらの図面を参照して本発明の二次電池を説明する。

本実施例の二次電池は、六面体形状を呈し、一部が開放されたケース１１に、絶縁体であるセパレータ２１を間に介在させて正極２２及び負極２３を巻くことによって形成した電極群２０を挿入し、ケース１１の開放された部分をキャップ組立体３０で密封した形態に構成される。

ケース１１は、アルミニウム、アルミニウム合金、またはニッケルがメッキされたスチールなどの導電性金属材で形成され、その形状は、前記電極組立体２０が挿入できる開口部１１ａが形成された六面体形状であるが、必ずしも、これに限定される必要はない。

電極群２０は、正極２２と負極２３との間にセパレータ２１を介在させた状態で、これらを巻線軸Ｏを中心にしてゼリーロールタイプに巻くことによって形成される。ゼリーロールタイプに巻かれた電極群２０は、加圧されることによって、最終的にプレートタイプに形成される。

この電極群２０の両端部のそれぞれには、正極無地部２２ａと負極無地部２３ａとが対向するように配置される。正極無地部２２ａと負極無地部２３ａは、電極群２０がゼリーロールタイプに形成されることによって、複数層構造を呈する。

正極無地部２２ａ及び負極無地部２３ａは、それぞれ活物質２２ｃ，２３ｃが塗布されていない部位であって、それぞれ正極集電体２２ｂと負極集電体２３ｂの一方の側端に形成され、正極無地部２２ａ及び負極無地部２３ａに結合されるリードエレメント５０，７０と共に、電極群２０で発生した電流を集電する媒体となる機能を発揮する。

このような電極群２０とリードエレメント５０，７０は、正極無地部２２ａ及び負極無地部２３ａ（以下、無地部２２ａ，２３ａと略記する。）が左右の両端部に配置される状態でケース１１に内蔵される。

キャップ組立体３０は、ケース１１の開口部１１ａに固定されることによって、ケース１１を密封するベースプレート３０１を含む。

このベースプレート３０１には、リードエレメント５０，７０とそれぞれ電気的に接続された正極端子３０１ａと負極端子３０１ｂとが、その一部を外部に突出するように固定される。

正極端子３０１ａ及び負極端子３０１ｂには、それぞれネジ山Ｓが形成され、正極端子３０１ａ及び負極端子３０１ｂは、ベースプレート３０１との間にガスケット３０３を介在させた状態で、ネジ山Ｓにボルト３０５が締結されることによって、ベースプレート３０１に固定されうる。

また、ベースプレート３０１には、電解液注入口（図示せず）及びベント部材（図示せず）をさらに形成することができる。

このような本実施例の二次電池は、ハイブリッド電気自動車などのモータ駆動用電池モジュールに適用されうる。この場合、数十個の二次電池が一列に配列され、この配列上の隣接する２つの二次電池において、一方の二次電池に設けられる端子と、当該端子と極性が反対の他方の二次電池に設けられる端子とが、対向するように配置される。前記隣接する２つの二次電池は連結孔を介して直列に連結される。

ここで、一つの二次電池は、モータ駆動用電池モジュールに適用されるために、高出力である特性を有していなければならないが、このためには単位体積当りのエネルギー密度を高めて、電流の集電効率を向上させなければならない。

以下、このような点に注目して本実施例における電極群と、この電極群に結合されるリードエレメントについてより具体的に説明する。

はじめに、図２及び図３を用いて電極群２０について説明し、次に、図４を用いて電極群２０とリードエレメント５０，７０との結合構造について説明する。

図２に示すように、本実施例において、電極群２０は、正極２２と負極２３との間にセパレータ２１を介在させた状態で、これらを巻線軸Ｏを中心に巻くことによって形成する。このとき、電極群２０の両端部には、無地部２２ａ，２３ａが、セパレータ２１上に突出するように形成される。

より詳しくは、図２に示すように正極及び負極用活物質２２ｃ，２３ｃを集電体２２ｂ，２３ｂのそれぞれにコーティングして、正極２２と負極２３を形成し、これらを巻線軸Ｏを中心にゼリーロールタイプに巻いた状態でプレス機のような加圧装置で加圧して図３に示すようにプレートタイプに形成する。

つまり、正極２２と負極２３との間に、正極２２と負極２３とを絶縁するためのセパレータ２１を介在させた状態で、これらを巻くことによって形成される円筒形の電極群を、プレス機で加圧して、プレートタイプの電極群２０を最終的に形成する。

このとき、無地部２２ａ，２３ａは、正極２２と負極２３とのそれぞれの幅方向の端部、つまり、集電体２２ｂ，２３ｂの側端部に形成される。また、正極２２と負極２３とがセパレータ２１を介して交互に配置されて巻かれた状態において、正極無地部２２ａと負極無地部２３ａはそれぞれ複数層構造を呈する。

この状態から、正極無地部２２ａと、負極無地部２３ａとのそれぞれにおける層間を、集電効率の向上のために密着する。このとき、層間が密着した正極無地部２２ａ及び負極無地部２３ａの厚さは、電極群２０の他の部位の厚さよりも薄くなる。

このように層間が密着した正極無地部２２ａと負極無地部２３ａとに、リードエレメント５０，７０が結合されるが、これについて、図４〜６を参照して説明する。

リードエレメント５０，７０が結合される無地部２２ａ，２３ａは、上述したように巻線軸Ｏと直交する方向（図４に示すＺ軸方向）に形成され、高さＨ，Ｈ’が、それぞれ幅Ｗ，Ｗ’よりも長い長方形を呈する。

リードエレメント５０，７０は、無地部２２ａ，２３ａの外周部における少なくとも１／２以上の範囲の領域と接触される。

ここで、リードエレメント５０，７０が接触する無地部２２ａ，２３ａの外周部とは、複数層構造を呈する無地部２２ａ，２３ａの最外郭の部位を意味し、本実施例では、リードエレメント５０，７０は、無地部２２ａ，２３ａの外周部における１／２程度の範囲の領域、言い換えれば無地部２２ａ，２３ａの外周部の互いに対向する２つの側面のうち、少なくとも一方の側面を全体的に覆うように、無地部２２ａ，２３ａと結合される場合を例示している。

リードエレメント５０，７０の先端は、ケース１１の内部に配置された正極端子３０１ａと負極端子３０１ｂの一部分に接触して結合される（図１参照）。

一方、リードエレメント５０，７０と無地部２２ａ，２３ａとは、溶接によって結合される。

この溶接は、図４に示すように、無地部２２ａ，２３ａ上にリードエレメント５０，７０が配置された状態で、リードエレメント５０，７０上に設定される溶接ポイントＰに抵抗溶接や超音波溶接が施される。このとき、溶接ポイントＰの数は、リードエレメント５０，７０が無地部２２ａ，２３ａから浮き上がる現象が発生しないように、無地部２２ａ，２３ａの外周部の面積に基づき設定される。

図５は、電極群２０を図４に示すＹ方向から見た正面図であり、図６は、電極群２０を図４に示すＸ方向から見た側面図である。

このようにリードエレメント５０，７０を無地部２２ａ，２３ａのそれぞれに結合させることによって、無地部２２ａ，２３ａとリードエレメント５０，７０との接触面積が広くなるので、接触抵抗によって集電効率が低下することを防止することができる。

また、本実施例の二次電池では、無地部全体を通じて電流の集電が行われるために、集電体上にタブを部分的に配置して、電流の集電が行われる従来の二次電池に比べて均一に電流の集電を行うことができ、さらに一つのリードエレメントを無地部に結合させることによって上述した効果が得られるために、複数個のタブを集電体に配置して電流集電を行う従来の二次電池に比べて製造面において有利である。

図７Ａ〜７Ｃは、本発明の他の実施形態において電極群にリードプレートが結合された状態を示した側面図である。

図７Ａに示されたリードエレメント８０は、無地部８２の外周面において互いに対向する２つの側面の両方の側面を部分的に覆うように無地部８２と密着された状態に結合され、図７Ｂに示されたリードエレメント８４は無地部８６の外周面において互いに対向する２つの側面のうち一方の側面を全体的に覆うとともに、他方の側面を部分的に覆うように無地部８２と密着して結合され、図７Ｃに示されたリードエレメント８８は無地部９０の外周面を全体的に覆うように無地部８２と密着して結合される場合である。

ここで、リードエレメント８０，８４，８８と無地部８２，８６，９０は、正極及び負極に共通に適用することができる。

このように他の実施形態においては、リードエレメントが、無地部の外周部における２／３以上の範囲の領域と結合することによって、無地部との接触面積を増やしてその電流集電効果を極大化させることができる。

前記では本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することができ、これも本発明の範囲に属することは当然である。

本発明の実施形態における二次電池を示した斜視図である。本発明の実施形態における電極群を示した分解斜視図である。本発明の実施形態における電極群を示した斜視図である。本発明の実施形態において電極群にリードエレメントが結合された状態を示した斜視図である。本発明の実施形態において電極群にリードエレメントが結合された状態を示した正面図である。本発明の実施形態において電極群にリードエレメントが結合された状態を示した側面図である。本発明の他の実施形態において電極群にリードエレメントが結合された状態を示した側面図である。本発明の他の実施形態において電極群にリードエレメントが結合された状態を示した側面図である。本発明の他の実施形態において電極群にリードエレメントが結合された状態を示した側面図である。

符号の説明

１１ケース、
１１ａ開口部、
２０電極群、
２１セパレータ、
２２正極、
２２ａ正極無地部、
２２ｂ正極集電体、
２２ｃ、２３ｃ活物質、
２３負極、
２３ａ負極無地部、
２３ｂ負極集電体、
３０キャップ組立体、
５０、７０、８０、８４リードエレメント、
８２、８６、８８、９０無地部、
３０１ベースプレート、
３０１ａ正極端子、
３０１ｂ負極端子、
３０５ボルト、
Ｏ巻線軸、
Ｓネジ山。

Claims

正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極群と、
前記電極群が内蔵されるケースと、
前記ケースに結合されることによって前記ケースを密閉するためのキャップ組立体と、
前記キャップ組立体に設置され、前記電極群にそれぞれ電気的に接続される正極端子及び負極端子と、
前記電極群、前記正極端子、及び前記負極端子に電気的に接続されるリードエレメントとを含み、
前記正極及び前記負極は、活物質が塗布されない正極無地部及び負極無地部をそれぞれ有し、
前記正極無地部及び前記負極無地部は、それぞれ複数層構造を呈するとともに、当該複数層構造をなすように重ね合わされた層の面が互いに密着するように密着成形されており、
前記リードエレメントは、前記密着成形済みの正極無地部の外周部と前記密着形成済みの負極無地部の外周部における少なくとも１／２以上の範囲の領域と結合される板材からなる接触部と、前記接触部を構成する前記板材から一体的に延伸するように形成され前記正極端子及び前記負極端子に連結される先端部とを含む、二次電池。
前記電極群は、前記正極無地部、前記負極無地部、及び前記セパレータがゼリーロールタイプに巻かれ状態で加圧されることによって、プレートタイプに形成される、請求項１に記載の二次電池。
前記リードエレメントは、前記密着成形済みの正極無地部及び前記密着形成済みの負極無地部が有する少なくとも一対の辺を覆いながら、前記正極無地部及び前記負極無地部に結合される、請求項２に記載の二次電池。
前記リードエレメントは、前記密着成形済みの正極無地部及び前記密着成形済みの負極無地部の外周部の互いに対向する２つの側面のうち、少なくとも一方の側面を覆うように、前記正極無地部及び前記負極無地部に結合される、請求項２に記載の二次電池。
前記リードエレメントは、前記密着成形済みの正極無地部及び前記密着成形済みの負極無地部に溶接で固定される、請求項１に記載の二次電池。
前記二次電池は、角形に形成される、請求項１に記載の二次電池。
前記二次電池は、モータ駆動用である、請求項１に記載の二次電池。