JP4430587B2 - 二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は二次電池にかかり，特に電極群の電極を備えた二次電池に関する。
二次電池はその用途や電池容量を勘案すれば，一個または数個の電池セルをパック形態に包装して使用する低容量二次電池（以下，‘小型電池’と言う）と，電池セルを数十個集めて使用する電池パック単位のモータ駆動用大容量二次電池（以下，‘大型電池’と言う）に区分することができる。
このうち，小型電池は主に携帯電話，ラップトップコンピュータおよびカムコーダのような小型電子装置の電源として使用され，大型電池はハイブリッド電気自動車のようにモータ駆動用電源として使用される。
小型電池が一つのセルで構成されるときには，主に円筒形や四角形の外形を持って形成されるが，帯状の正極および負極の間に絶縁体であるセパレータを介在して，これを渦流状に巻いて電極群を形成し，これを円筒形のケース内部に挿入して電池を構成する。
そして，前記正極および負極には，電池作用ときに発生する電流を集電するための役割として導電性リードエレメントが各々付着され，このリードエレメントは，正極および負極で発生した電流を正極および負極端子に誘導する。
このように構成される小型電池の構造を大型電池に適用する場合には，容量や出力の面で大型電池の動作特性を満足させることができないために，複数のタブを電極群の間に付着して使用するマルチタブ構造を有する二次電池が特許文献１で提案された。この二次電池は電極群の一方向に配置される複数のタブを前記電極群に形成し，これらタブを外部端子と連結させて構成される。
しかし，このようなマルチタブ構造は多くの作業工程数がかかる問題点がある。特に，タブ方式の電流集電構造は基本的にこのタブの単位面積が小さいために大型電池で必要とする出力特性を満足させることができない限界がある。
一方，リードエレメントに関する他の例として，板状に形成される集電板がある。この集電板は上述したマルチタブに比べて単位面積が広いため，集電効率をタブ方式より増大させることができ，ケース内でリードエレメントが占める占有空間をタブ方式より減らすことができる。つまり，二次電池の単位体積当りエネルギー密度を高めることができる長所がある。
ところで，前記集電板の場合には，電極群との固定状態を堅固にすることができない問題点がある。つまり，従来の集電板は通常溶接によって電極群に固定されるが，電極群がゼリーロール方式，つまり，上述した正極，負極およびセパレータが渦流状に巻かれて形成され，ここに集電板が溶接で固定される場合には，電極群の中心部上に比べて外郭部位で集電板に対する電極群の接触面積が相対的に小さいために，この部位に対する溶接が良く行われなくて電極群に対する集電板の全体的な固定状態を不安定になる。
さらに，上述した構造では電極群の外郭部位で実施される溶接熱（例えば，レーザー）が電極群の電極において必要でない電極に伝達されて，たとえば，電極群の正極にのみ接触して固定されるべき正極集電板が前記正極に隣接した負極にも固定されて短絡による二次電池の不良を招くことがある。
本発明は，従来の二次電池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，電極群から電流集電のために備えられるリードエレメントが電極群に堅固な状態に固定するこの可能な，新規かつ改良された二次電池を提供することである。
さらに，本発明の別の目的は，電極群から電流集電のために備えられるリードエレメントが電極群に短絡なく良好な状態に連結することの可能な，新規かつ改良された二次電池を提供することである。
上記課題を解決するため，本発明の第１の観点によれば，ケースと，正極および負極と，前記正極と前記負極の間に介されるセパレータとを含んで，前記ケースに収納される電極群と，前記ケースに結合されてこれを密閉しながら前記電極群と電気的に連結されるキャップ組立体と，前記正極と前記負極のうちの少なくともいずれか一つの電極に電気的に連結される集電板と，活物質無しに前記集電板に接触される無地部とを備えた電極を含み，前記無地部は，前記電極群の外郭に配置される領域を前記電極群の中心に配置される領域より大きくすること，言い換えれば，前記電極群の外郭部を中心部より大きい拡張部を有することができる，二次電池が提供される。
前記無地部の形状を以下のようにすると，レーザー溶接で，前記集電板を前記無地部に固定させるときに，集電板と面接触を形成している拡張部が，電極群の外郭部分で既存に集電板に接触される無地部の量が足りないことを補充し，溶接過程で発生する熱を大気中に発散させてセパレータが融解されることを防止することができる。
前記無地部は前記電極群の中心部からこの電極群の外郭へ行くほど漸進的にその領域を大きくすること，言い換えれば，前記電極群の中心部から外郭部へ行くほど漸進的に拡張部を大きくすることができる。
前記無地部は，ゼリーロール方式，つまり，正極，負極およびセパレータが渦流状に巻かれて，複数の層をなし，前記正極の無地部と前記負極の無地部は，対向配置して形成することができる。
前記電極群の外郭に位置する無地部の幅は，前記電極群の中心に位置する無地部の幅より大きく形成することができる。
前記無地部は，前記電極群の中心に向かい曲り，前記集電板と面接面を形成することができる。
前記無地部は，前記電極群の中心から前記電極群の外郭に向かっていくほど，その面積を大きくして形成することができる。
前記無地部先端の両端点を連結する線は，斜線形に形成することができる。
前記無地部先端の両端点を連結する線は，階段形に形成することができる。
以上のように，本発明によれば，集電板と電極群との間の接触面積が広くなってこれらの間の接触抵抗を減らすことができ，さらにこれらの固定状態を強化させて集電効率の増大を期待することができる。
以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかる二次電池の好適な実施形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，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１は本実施形態による二次電池を示す断面図である。図１に示すように，本実施形態の二次電池は，円筒形または六面体形状を有し，一部が開放されたケース１１に，正極２２と負極２３との間に絶縁物質であるセパレータ２１を置き，これを巻取りして形成した電極群２０を挿入し，ガスケット３２を媒介としてケース１１の開放された部分をキャップ組立体３０に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，ニッケルなどがメッキされたスチールのような導電性金属材からなる。その形状は，本実施形態においては，前記電極群２０が挿入安着できる空間が形成される円筒形を例としてあげるが，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を介在し，これを巻取りして形成される。このとき，正極２２と負極２３は活物質のない部位である無地部２２ｂ，２３ｂを各々有し，この正極無地部２２ｂと負極無地部２３ｂには，電流集電のための正極集電板５０と負極集電板７０が連結される。ここで，電極群２０については図２を例とし，以下で説明する。
本実施形態の図１では，ケース１１にゼリーロールタイプの電極群２０が位置する場合を例として示しており，以下でもこれを基準に説明するが，発明がこれに限定されるわけではない。
そして，キャップ組立体３０は外部端子３１ａを有するキャッププレート３１と，前記ケース１１と前記キャッププレート３１を絶縁させるガスケット３２を含むが，このキャップ組立体３０には内部圧力を緩衝させることができる空間部を有し，設定された圧力で破損してガスを放出することによって電池の爆発を防止する安全辺を有するベントプレート３３をさらに含むことができる。前記安全辺はベントプレート３３に形成されたものに限定されず，設定された圧力下で電極群２０と外部端子３１ａを電気的に断線させられる構造であればいずれも可能である。
また，前記ガスケット３２は絶縁物質で構成されてケース１１を密封しながら，二次電池における正極になるキャップ組立体３０と負極になるケース１１との間を電気的に絶縁させる。
このように構成されるキャップ組立体３０はリード線６０を通じて本実施形態による電極群２０と電気的に連結される。
図２は，電極群の形容を示した斜視図である。図２に示すように，電極群２０は正極２２と負極２３がセパレータ２１を間に置いて配置された状態で渦流状に巻取りして形成される。このとき，正極２２と負極２３は各々自分の集電体２２１，２３１に当該活物質２２ａ，２３ａを塗布して形成されるが，この集電体２２１，２３１の一側周縁に沿っては活物質が塗布されず，この活物質のない部位が前記無地部２２ｂ，２３ｂを構成する。
このとき，正極無地部２２ｂと負極無地部２３ｂは電極群２０が完成した後，対向する形に配置され，さらにこれらはセパレータ２１より突き出された形態に配置される。
このように電極群２０を構成した状態で，正極集電板５０を正極無地部２２ｂに接触させて負極集電板７０を負極無地部２３ｂに接触させ，これらをレーザー溶接のような方法によって結合させて電気的に連結させる。
このとき，各無地部２２ｂ，２３ｂと各集電板５０，７０との間の接触抵抗を最少化するために，本実施形態では前記無地部２２ｂ，２３ｂを電極群２０の中心に向かうように曲げて集電板５０，７０と無地部２２ｂ，２３ｂが接触するときに面接触が行われるようにする。
一方，前記無地部２２ｂ，２３ｂと前記集電板５０，７０を結合させるとき，溶接過程で発生する熱がセパレータ２１を融解させて電極群２０の正極２２と負極２３を互いに接触させることによって電極群２０の短絡を誘導してしまう。これは，電極群２０の外郭部位に配置される正極無地部２２ｂまたは負極無地部２３ｂの形状が，正極集電板５０または負極集電板７０に接触部分よりも，電極群２０の中心部部分のほうが小さいためである。
このような問題点を改善するために，本実施形態では次のような電極構造を提案している。図３〜図５はその形状の一例を示す説明図である。
以下の説明は便宜上正極のみを例に挙げて説明するが，負極も同一に形成されることはは当然である。
図３は，正極の拡張部形状を示す説明図である。図３に示すように，正極２２の一側周縁，つまり，この正極２２の長さ方向による先端に形成された無地部２２ｂは図面を基準に座標の原点部分，言い換えれば，電極群２０の中心に対応する部分に対する幅Ｇ１が電極群２０の外郭に対応する部分に対する幅Ｇ２より小さく形成される。
そのために，正極無地部２２ｂには，この正極２２の長さ方向（図面におけるＸ軸方向）に沿って拡張部２２ｃが形成される。この拡張部２２ｃは，電極群２０の外郭に対応する正極無地部２２ｂの面積を広めて，正極集電板５０を正極無地部２２ｂに固定する溶接過程で発生する熱を発散させ，これがセパレータ２２に伝達されないようにする。
このとき，前記拡張部２２ｃは電極群２０の外郭，つまり，図面を基準に見るとき，Ｘ軸の正の方向に行くほど漸進的にその面積が大きく形成されるのが好ましい。例えば，この拡張部２２ｃは，正極無地部２２ｂの両端の点を連結する線が斜線形になるように形成することができる。
図４は，負極の拡張部形状を示す説明図である。図４に示したように，負極２３においても，上述した方式で負極無地部２３ｂには，拡張部２３ｃが形成される。
一方，図５は，図３および図４と異なる他の一例を示した説明図である。図５の例は，正極および負極２２，２３の無地部２２ｂ，２３ｂに適用される拡張部２２ｃ’，２３ｃ’は，無地部２２ｂ，２３ｂの両端の点に連結する線が階段形になるように形成している。
このような拡張部２２ｃ（２２ｃ’），２３ｃ（２３ｃ’）を備える正極２２と負極２３は，その間にセパレータを介在した状態で巻取りされてゼリーロール形態に電極群２０を完成する。この電極群２０を断面基準に見るとき，正極無地部２２ｂと負極無地部２３ｂが電極群２０の中心に向かって凹んだ形態に形成される（図６参照）。
この状態で，この電極群２０の両端，つまり，正極無地部２２ｂと負極無地部２３ｂに各々集電板５０，７０が接触して固定されるが，このとき，前記無地部２２ｂ，２３ｂは，電極群２０の中心に向かって曲がる。このように無地部２２ｂ，２３ｂが，電極群２０の中心に向かって曲がった状態で，前記集電板５０，７０の各々無地部２２ｂ，２３ｂ上に置かれれば，この無地部２２ｂ，２３ｂは前記集電板５０，７０に面接触する。
そして，レーザー溶接によって、前記集電板５０，７０を前記無地部２２ｂ，２３ｂに固定させることにより，電極群２０と集電板５０，７０が一つの組立体に完成する（図７参照）。このとき，集電板５０，７０と面接触を形成している拡張部２２ｃ，２３ｃは，電極群２０の外郭部分で集電板に接触される無地部の量が足りない既存の部分を補充し，溶接過程で発生する熱を大気中に発散させて，セパレータが融解されることを防止する。
このように組立てられた電極群２０と正極および負極集電板５０，７０はケース１１内部に正極集電板５０が上に向かうように収納される。これによって負極２２と連結されている負極集電板７０は，ケース１１の底面に接触され，この状態で負極集電板７０とケース１１の底面を抵抗溶接によって固定させ，その結果，ケース１１は電池の負極を形成する。選択的には負極集電板７０を使用せずに負極無地部２３ｂをケース１１に直接接触させることもできる。
次に，正極集電板５０に形成された注入口（図示せず）を通じて電解液をケース１１内部に供給し，これを電極群２０に含浸させる。また，正極集電板５０はリード線６０を通じてケース１１の開口に結合されるキャップ組立体３０と電気的に連結される。その結果，キャップ組立体３０が電池の正極を形成し，本実施形態による二次電池が完成する。
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかる二次電池の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の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。
本発明による二次電池は，高出力特性を要求するＨＥＶ（ハイブリッド自動車），ＥＶ（電気自動車），無線掃除機，電動自転車，電動スクーターなど，モータを使用して作動する機器において，当該機器のモータを駆動するためのエネルギー源として利用可能である。
１１ ケース
２０ 電極群
２１ セパレータ
２２ 正極
２２ａ 正極活物質
２２ｂ 正極無地部
２２ｃ 正極拡張部
２２ｃ’ 正極拡張部
２３ 負極
２３ａ 負極活物質
２３ｂ 負極無地部
２３ｃ’ 負極拡張部
３０ キャップ組立体
３１ キャッププレート
３１ａ 外部端子
３２ ガスケット
３３ ベントプレート
５０ 正極集電板
６０ リード線
７０ 負極集電板
２２１ 集電体
２３１ 集電体
Ｇ１ 電極群の中心に対応する部分に対する幅
Ｇ２ 電極群の外郭に対応する部分に対する幅
２０ 電極群
２１ セパレータ
２２ 正極
２２ａ 正極活物質
２２ｂ 正極無地部
２２ｃ 正極拡張部
２２ｃ’ 正極拡張部
２３ 負極
２３ａ 負極活物質
２３ｂ 負極無地部
２３ｃ’ 負極拡張部
３０ キャップ組立体
３１ キャッププレート
３１ａ 外部端子
３２ ガスケット
３３ ベントプレート
５０ 正極集電板
６０ リード線
７０ 負極集電板
２２１ 集電体
２３１ 集電体
Ｇ１ 電極群の中心に対応する部分に対する幅
Ｇ２ 電極群の外郭に対応する部分に対する幅
Claims (11)
- ケースと，
正極および負極と，前記正極と前記負極の間に介されるセパレータとを含んで，前記ケースに収納される電極群と，
前記ケースに結合されてこれを密閉しながら前記電極群と電気的に連結されるキャップ組立体と，
前記正極と前記負極のうちの少なくともいずれか一つの電極に電気的に連結される集電板と，
活物質無しに前記集電板に接触される無地部と，
を備えた電極を含み，
前記無地部は，
前記電極群の外郭部において中心部より大きくなる拡張部を有し，
前記電極群の中心に向かって曲がって前記集電板と面接触をなし，
前記拡張部により，前記集電板と面接触する面積を、前記電極群の外郭部において中心部よりも拡大させることを特徴とする，二次電池。 - 前記無地部は，前記電極群の中心部から外郭部へ行くほど漸進的に拡張部を大きくすることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。
- 前記無地部は，渦流状に巻かれて，複数の層をなし，前記正極の無地部と前記負極の無地部は，対向配置されることを特徴とする，請求項１又は２に記載の二次電池。
- 前記電極群の外郭に位置する無地部の幅が前記電極群の中心に位置する無地部の幅より大きく拡張部を形成されることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池。
- 前記無地部が前記電極群の中心から前記電極群の外郭に向かっていくほどその面積を大きくする拡張部を形成することを特徴とする，請求項４に記載の二次電池。
- 前記無地部先端の両端点を連結する線が斜線形に形成されることを特徴とする，請求項５に記載の二次電池。
- 前記無地部先端の両端点を連結する線が階段形に形成されることを特徴とする，請求項５に記載の二次電池。
- 前記無地部と前記集電板が溶接によって結合されることを特徴とする，請求項１〜７のいずれかに記載の二次電池。
- 前記電極群はゼリーロール形態に形成されることを特徴とする，請求項１〜８のいずれかに記載の二次電池。
- 前記二次電池は円筒形に形成されることを特徴とする，請求項１〜９のいずれかに記載の二次電池。
- 前記二次電池はモータ駆動用であることを特徴とする，請求項１〜１０のいずれかに記載の二次電池。
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