JP4537334B2 - 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、特に、電池縦圧縮の際、キャップ部分が外方に曲がって電池内の短絡による安全上の事故などが防止できるように安全性を向上させたリチウム二次電池に関する。

一般に、ビデオカメラ、携帯型電話、携帯型コンピュータなどのような携帯型無線機器の軽量化及び高機能化が進行するのにつれて、その駆動電源として使われる二次電池についての多くの研究がなされている。このような二次電池は、例えば、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがある。これらの中で、リチウム二次電池は再充電が可能であり、小型及び大容量化が可能なものであって、作動電圧が高くて単位重量当たりエネルギー密度が高いという長所のため、尖端電子機器分野で広く使われている。

図１は、従来のリチウム二次電池に対する分離斜視図である。図２は、従来のリチウム二次電池の作用を示す斜視図である。

前記リチウム二次電池は、正極板１１３、負極板１１５及びセパレータ１１４から構成される電極組立体１１２を電解液と共に缶１１０に受納し、この缶１１０の上段開口部１１０ａをキャップ組立体１２０で封入することにより形成される。

前記缶１１０は一般にアルミニウムまたはその合金材質で形成され、ディップスローイング方式により製作される。前記缶１１０の下面１１０ｂは一般にほとんど平面形状で形成される。

前記電極組立体１１２は、正極板１１３と負極板１１５との間にセパレータ１１４が介されながら巻き取られて形成される。前記正極板１１３には正極タブ１１６が結合されて電極組立体１１２の上段部に突出し、負極板１１５には負極タブ１１７が結合されて電極組立体の上段部に突出する。前記電極組立体１１２において前記正極タブ１１６と負極タブ１１７は所定距離離れて形成されて、電気的に絶縁するようにする。前記正極タブ１１６と負極タブ１１７は一般にニッケル金属で形成される。

前記キャップ組立体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及び電極端子１３０を含んで構成される。キャップ組立体１２０は別途の絶縁ケース１７０と結合されて缶の上段開口部１１０ａに結合されて缶１１０を封入することになる。

前記キャッププレート１４０は前記缶１１０の上段開口部１１０ａと相応する大きさと形状を有する金属板で形成される。前記キャッププレート１４０の中央には所定の大きさの端子通孔（１）１４１が形成され、端子通孔（１）１４１には電極端子１３０が挿入される。前記電極端子１３０が端子通孔（１）１４１に挿入される時は電極端子１３０とキャッププレート１４０の絶縁のために電極端子１３０の外面にはチューブ型のガスケットチューブ１４６が結合されて共に挿入される。一方、前記キャッププレート１４０の一側にある電解液注入口１４２は前記キャッププレート１４０の他側に所定大きさで形成される。前記キャップ組立体１２０が前記缶１１０の上段開口部１１０ａに組立てられた後、電解液注入孔１４２を通じて電解液が注入され、電解液注入孔１４２は別途の密閉手段により密閉される。

前記電極端子１３０は前記負極板１１５の負極タブ１１７または前記正極板１１３の正極タブ１１６に連結されて負極端子または正極端子として作用することになる。

前記絶縁プレート１５０はガスケットのような絶縁物質で形成され、キャッププレート１４０の下面に結合される。絶縁プレート１５０には前記キャッププレート１４０の端子通孔（１）１４１に対応する位置に前記電極端子１３０が挿入される端子通孔（２）１５１が形成されている。前記絶縁プレート１５０の下面には、前記ターミナルプレート１６０が安着するようにターミナルプレート１６０の大きさに相応する安着溝１５２が形成される。

前記ターミナルプレート１６０は、一般にＮｉ合金で形成され、前記絶縁プレート１５０の下面に装着される。前記ターミナルプレート１６０にはキャッププレート１４０の端子通孔（１）１４１に対応する位置に前記電極端子１３０が挿入される端子通孔（３）１６１が形成されており、前記電極端子１３０が前記ガスケットチューブ１４６により絶縁されながらキャッププレート１４０の端子通孔（１）１４１を通じて結合されるので前記ターミナルプレート１６０は前記キャッププレート１４０と電気的に絶縁されながら前記電極端子１３０と電気的に連結される。

前記ターミナルプレート１６０の一側には前記負極板１１５に結合された負極タブ１１７が熔接され、キャッププレート１４０の他側には前記正極板１１３に結合された正極タブ１１６が熔接される。前記負極タブ１１７と正極タブ１１６を結合させる熔接方法としては、抵抗熔接、レーザー熔接などが使われ、一般的には抵抗熔接が使われる。

最近、リチウム二次電池はエネルギー密度が高まることにつれて薄型化が進行して、リチウム二次電池の衝撃、圧縮に脆弱になる問題が発生している。したがって、リチウム二次電池が衝撃または圧縮を受ける場合、缶の内部に受容された電極組立体の変形とそれに係る電極板間ショートなどによりリチウム二次電池の発火、爆発などが発生する問題がある。

特に、図１及び図２に示すように、リチウム二次電池の安全性の項目の１つである縦圧縮試験でリチウム二次電池が縦圧力Ｆａにより縦軸ｂを基準にして変形される際、ほとんど平面に形成されたキャップ組立体の下面が内方に屈曲しながら缶の内部に受容された電極組立体の上部に局部的な圧力を加えて電極板間ショートを誘発して、発火、破裂などが発生する問題がある。

本発明は、上記の問題を解決するために案出したものであって、特に、リチウム二次電池のキャッププレートの中央部を外側に凸に段差が生じるように形成して電池に縦圧縮が作用する際、キャッププレートが電池の外側に変形されることによる、電極内の短絡事故を防止して安全性を向上させたリチウム二次電池を提供することをその目的とする。

前記のような課題を解決するために案出した本発明のリチウム二次電池は、正極板と負極板及び前記正極板と負極板との間に介されるセパレータを備える電極組立体と、前記電極組立体が上段開口部に挿入されて受容される缶と、キャッププレートを備えるキャップ組立体を含むリチウム二次電池であって、前記キャッププレートは上方に突出する突出部が備えられたことを特徴とする。

この際、前記突出部は、前記キャッププレートの中央に上方に形成された段差部であることができる。但し、ここで、段差部の各面に対し、垂直面部分を段差部の側面、水平面部分を段差部の上面と記載する。

この際、前記キャッププレートはホールと電解液注入口を含む直四角形状で形成されることができるが、本発明では前記キャッププレートの中央に上方に突出する段差部が形成されて、段差部の側面が段差部の上面を基準にして所定の角度を有する傾斜平面形状に形成されることができる。また、本発明において前記段差部は段差部の側面が垂直平面形状で形成されることができ、前記段差部は段差部の側面が所定の曲率を有する曲面形状で形成されることができる。但し、ここで、傾斜平面の角度と曲面の曲率を限るのではない。

また、本発明において、前記段差部は実際のキャップ組立体での装着可能性を考慮する際、高さがキャッププレートの厚さの少なくとも５０％を超過するように、好ましくは、０．１〜０．５ｍｍになるように形成されることが適当である。また、前記段差部は長側辺の長さがキャッププレートの長側辺の長さの２０〜７０％になるように、好ましくは、段差部の短側辺がキャッププレートの短側辺から１〜１０ｍｍになる位置に形成されることが適当である。

一方、前記突出部は前記キャッププレートの上方に凸に線状に形成され、前記突出部を境界に区画された前記キャッププレートの上面は同一平面上に位置するように形成されることができる。この際、前記突出部は平面形状が１１字形状または四角形状で形成されることができる。

本発明に係るリチウム二次電池用キャッププレートによれば、キャッププレートの中央に上方に段差部が形成されることによって、リチウム二次電池が縦圧力により変形される際、キャップ組立体部分が外部に変形されるので、内部に受容された電極組立体の上部に局部的な圧力を加えられることが防止されて電極板間ショートが防止できる効果がある。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明に係る好ましい実施形態を詳細に説明する。

図３は、本発明に係るリチウム二次電池の斜視図である。図４ａは、本発明の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレートの平面図である。図４ｂは、図４ａのＡ−Ａ断面図である。図５ａは、本発明の他の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレートの平面図である。図５ｂは、図５ａのＢ−Ｂ断面図である。図６ａは、本発明のさらに他の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレートの平面図である。図６ｂは、図６ａのＣ−Ｃ断面図である。図７ａは、本発明のさらに他の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレートの平面図である。図７ｂは、図７ａのＤ−Ｄ断面図である。図８ａは、本発明のさらに他の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレートの平面図である。図８ｂは、図８ａのＥ−Ｅ断面図である。図９は、本発明の実施形態に係るリチウム二次電池の作用を示す斜視図である。

前記リチウム二次電池は、正極板３１３、負極板３１５及びセパレータ３１４から構成される電極組立体３１２を電解液と共に缶３１０に受納し、この缶３１０の上段開口部３１０ａをキャップ組立体３２０で封入することにより形成される。

前記電極組立体３１２は正極板３１３と負極板３１５との間にセパレータ３１４が介されながら巻き取られて形成される。前記正極板３１３には正極タブ３１６が結合されて電極組立体３１２の上段部に突出し、負極板３１５には負極タブ３１７が結合して電極組立体の上段部に突出する。前記正極タブ３１６と負極タブ３１７は前記電極組立体３１２から所定距離離れて形成されて電気的に絶縁するようにする。前記正極タブ３１６と負極タブ３１７は一般にニッケル金属で形成される。

前記キャップ組立体３２０は、キャッププレート３４０、絶縁プレート３５０、ターミナルプレート３６０及び電極端子３３０を含んで構成される。キャップ組立体３２０は別途の絶縁ケース３７０と結合されて缶の上段開口部３１０ａに結合されて缶３１０を封入することになる。

前記電極端子３３０は前記負極板３１５の負極タブ３１７または前記正極板３１３の正極タブ３１６に連結されて負極端子または正極端子として作用することになる。

前記絶縁プレート３５０はガスケットのような絶縁物質で形成され、キャッププレート３４０の下面に結合される。絶縁プレート３５０には前記キャッププレート３４０の端子通孔（１）３４１に対応する位置に前記電極端子３３０が挿入される端子通孔（２）３５１が形成されている。前記絶縁プレート３５０の下面には前記ターミナルプレート３６０が安着するようにターミナルプレート３６０の大きさに相応する安着溝３５２が形成される。

前記ターミナルプレート３６０は一般にＮｉ合金で形成され、前記絶縁プレート３５０の下面に装着される。前記ターミナルプレート３６０にはキャッププレート３４０の端子通孔（１）３４１に対応する位置に前記電極端子３３０が挿入される端子通孔（３）３６１が形成されており、前記電極端子３３０が前記ガスケットチューブ３４６により絶縁されながらキャッププレート３４０の端子通孔（１）３４１を通じて結合されるので前記ターミナルプレート３６０は前記キャッププレート３４０と電気的に絶縁されながら前記電極端子３３０と電気的に連結される。

前記ターミナルプレート３６０の一側には前記負極板３１５に結合された負極タブ３１７が熔接され、キャッププレート３４０の他側には前記正極板３１３に結合された正極タブ３１６が熔接される。前記負極タブ３１７と正極タブ３１６を結合させる熔接方法としては、抵抗熔接、レーザー熔接などが使われ、一般的には抵抗熔接が使われる。

本発明に係るキャッププレート４００は、前記缶３１０の上段開口部３１０ａと相応する大きさと形状を有する金属板で形成される。前記キャッププレート４００の中央には所定大きさの端子通孔（１）４２０が形成され、端子通孔（１）４２０には電極端子３３０が挿入される。前記電極端子３３０が端子通孔（１）４２０に挿入される際は、電極端子３３０とキャッププレート４００の絶縁のために、電極端子３３０の外面にはチューブ型のガスケットチューブ３４６が結合されて共に挿入される。一方、前記キャッププレート４００の一側にある電解液注入孔４３０は前記キャッププレート４００の他側に所定の大きさで形成される。

前記段差部４１０は、図４ｂを参照すれば、突出する高さがキャッププレート厚さの少なくとも５０％になるように、好ましくは、０．１ｍｍないし０．５ｍｍになるように形成される。これは実際にキャップ組立体３２０にキャッププレート３４０が装着される時の状態を考慮して決定された深さである。突出する深さが０．１ｍｍより小さくなれば、缶３１０の縦圧縮の際、キャップ組立体３２０が外方に折曲される効果が小さくなる。また、前記段差部４１０の突出する深さが０．５ｍｍより大きくなれば、キャップ組立体３２０に装着の際、規格が合わなくなる。但し、規格が相異している機種の場合には前記段差部４１０の深さを制限する必要が無いことは勿論である。

また、図４ｂを参照すれば、前記段差部４１０の側面は傾斜平面形状で形成される。これは縦圧縮の際、キャッププレート４００が外方に折曲されることをより容易にするためのものである。

図５ａは、本発明の他の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレートの平面図を示す。図５ｂは、図５ａのＢ−Ｂ断面図を示す。

本発明の他の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレート５００は、図５ａと図５ｂを参照すれば、上方に突出する端子部５１０を含んで形成される。より詳細に説明すれば、前記段差部５１０は側面が垂直平面形状で形成される。これは図５ｂの斜線形状に比べて外方に折曲される程度が多少減少することができるが、電池の縦圧縮の際、キャップ部分が外方に折曲されて、電池内の短絡による安全事故などが防止できるということは同一である。

図６ａは、本発明のさらに他の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレートの平面図を示す。図６ｂは、図６ａのＣ−Ｃ断面図を示す。

本発明のさらに他の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレート６００は、図６ａと図６ｂを参照すれば、上方に突出する端子部６１０を含んで形成される。より詳細に説明すれば、前記端子部６１０は側面が曲面形状で形成される。これは、段差部の側面を緩やかな曲線形状で処理して、前記段差部６１０の形成の際と電池縦圧縮の際に材料に加えられる負担を低減させることができる。

図７ａは、本発明のさらに他の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレートの平面図である。図７ｂは、図７ａのＤ−Ｄ断面図である。

本発明のさらに他の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレート７００は、図７ａと図７ｂを参照すれば、上方に突出する段差部７１０を含んで形成される。より詳細に説明すれば、以上の実施形態の各々に対し、前記段差部７１０の形成の際、段差部の長側辺の長さはキャッププレートの長側辺の長さの２０〜７０％になるように形成することができる。段差部の長側辺の長さがキャッププレートの長側辺が７０％を越えれば、即ち、段差部の長側辺の長さがあまり長ければ、キャッププレートの短側辺と缶の上段開口部との熔接部位があまりに狭くなって充分な接着力を持たせられないだけでなく、電池縦圧縮の際、キャップ部分が外方に折曲される程度が小さくて発明の目的を達成することができない。また、段差部の長側辺の長さがキャッププレート長側辺の長さの２０％未満であれば、即ち、段差部の長側辺の長さがあまり短かければ、キャップ組立体の形成の際、絶縁プレートとターミナルプレートの装着が不安定になりえる。好ましくは、前記段差部の短側辺はキャッププレート短側辺からの長さが１〜１０ｍｍになるように形成されることが適当である。キャッププレートの厚さが０．８ｍｍであるので、キャッププレートと缶の上段開口部の熔接部分の安全性のために、１ｍｍ以上であることが好ましくて、キャッププレートの下方に装着される絶縁プレートとターミナルプレートの長さを考慮する際、キャッププレートの段差部により下部に装着された絶縁プレートとターミナルプレートが影響を受けないために、１０ｍｍ以下になることが好ましい。但し、同様に、規格が相異している機種の場合には段差部の長側辺の長さが流動的になることは勿論である。

図８ａは、本発明のさらに他の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレートの平面図を示す。図８ｂは、図８ａのＥ−Ｅ断面図を示す。

本発明のさらに他の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレート８００は、図８ａと図８ｂを参照すれば、上方に凸に突出した突出部８１０を備え、前記突出部８１０の以外のキャッププレート８００の上面部分は同一平面上に位置するように形成される。即ち、図４ａの実施形態乃至図７ａの実施形態は面領域が突出して段差部を形成したが、図８ａの実施形態は線領域が突出して突出部８１０を形成し、前記突出部８１０を除外したキャッププレート８００の上面は同一な高さを有することになる。

前記突出部８１０は平面形状がアラビア数字の１１字形状、四角形状、または、楕円形状で形成することができる。但し、ここで、前記突出部８１０の平面形状を限るのではない。図８ａでは前記突出部８１０が四角形状で形成された場合を例として図示した。前記突出部８１０は電極端子８２０周りを囲むように形成される。前記突出部８１０はキャッププレート８００の上方に隆起しているので、縦圧縮が加えられればキャッププレート８００の中央部分が上方に変形されるようにする。

次に、本発明の実施形態に係るキャッププレートが適用されたリチウム二次電池の作用について説明する。

本発明の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレートは、図９を参照すれば、リチウム二次電池が縦圧力を受けることになって縦軸を基準にして畳まれたり、縦軸に垂直な方向に圧縮する場合に、前記キャップ組立体部分が内方でなく外方に折曲られる。前記キャップ組立体部分が外方に折曲られれば前記キャップ組立体の内部に受容されている電極組立体（図示していない）の上部に局部的に加えられる力がなくなるので、電極組立体の電極板間ショートが発生しなくなる。したがって、リチウム二次電池の安全性が向上する。

また、図４ａないし図８ａのように、多様な形状で段差部が形成されれば、規定された力により行われる縦圧縮試験の際、前記電極組立体に加えられる圧力が最小化でき、リチウム二次電池の安全性を向上させることができることになる。

前記ではリチウム二次電池の角形電池に対する実施形態にて説明したが、リチウム二次電池の円筒形電池を含む他の二次電池にも本発明に係る二次電池用キャッププレートが適用できることは勿論である。

以上、説明したように、本発明は上述の特定の好ましい実施形態に限るのではなくて、特許請求範囲から請求する本発明の要旨を外れない範囲で、当該発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば誰でも多様な変形の実施が可能であることは勿論であり、そのような変更は特許請求範囲の記載の範囲内にあることになる。

従来のリチウム二次電池の分離斜視図である。 従来のリチウム二次電池の作用を示す斜視図である。 本発明に係るリチウム二次電池の分離斜視図である。 本発明の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレートの平面図である。 図４ａのＡ−Ａ断面図である。 本発明の他の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレートの平面図である。 図５ａのＢ−Ｂ断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るリチウム二次電池用缶の平面図である。 図６ａのＣ−Ｃ断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るリチウム二次電池用缶の平面図である。 図７ａのＤ−Ｄ断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るリチウム二次電池用キャッププレートの平面図である。 図８ａのＥ−Ｅ断面図である。 本発明の実施形態に係るリチウム二次電池の作用を示す斜視図である。

符号の説明

４００、５００、６００、７００、８００ キャッププレート
４１０、５１０、６１０、７１０、８１０ 突出部（段差部）
４２０、５２０、６２０、７２０、８２０ 電極端子
４３０、５３０、６３０、７３０、８３０ 電解液注入口

Claims (11)

1. 正極板、負極板、及び前記正極板と前記負極板との間に介されるセパレータを備える電極組立体と、
   前記電極組立体が上段開口部に挿入されて受容される缶と、
   キャッププレートと電極端子とを備える前記缶の前記上段開口部を覆うためのキャップ組立体を含むリチウム二次電池であって、
   前記キャッププレートは、前記正極板及び前記負極板の一方に電気的に接続されており、前記電極端子は、前記正極板及び前記負極板の他方にターミナルプレートを介して電気的に接続されており、
   前記電極端子、前記キャッププレート及び前記ターミナルプレートは機械的に連結されており、
   前記キャッププレートは、該キャッププレートの中心部に上方に突出する突出部を備え、
   前記ターミナルプレート及び前記電極端子は、前記キャッププレートの前記突出部に対応する領域に収容されている、
   ことを特徴とするリチウム二次電池。
2. 前記突出部は前記キャッププレートの中央に上方に形成された段差部であ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. 前記段差部は側面が段差部の上面を基準に所定の角度を有する傾斜平面形状で形成されることを特徴とする請求項２に記載のリチウム二次電池。
4. 前記段差部は側面が垂直平面形状で形成されることを特徴とする請求項２に記載のリチウム二次電池。
5. 前記段差部は側面が所定の曲率を有する曲面形状で形成されることを特徴とする請求項２に記載のリチウム二次電池。
6. 前記段差部は高さがキャッププレートの厚さの少なくとも５０％になるように形成されることを特徴とする請求項２に記載のリチウム二次電池。
7. 前記段差部は高さが０．１〜０．５ｍｍになるように形成されることを特徴とする請求項２に記載のリチウム二次電池。
8. 前記段差部の長側辺の長さは、前記キャッププレートの長側辺の長さの２０~７０％になるように形成されることを特徴とする請求項２に記載のリチウム二次電池。
9. 前記段差部の短側辺は、前記キャッププレートの短側辺からの長さが１~１０ｍｍになる部分に位置するように形成されることを特徴とする請求項２に記載のリチウム二次電池。
10. 前記突出部は、前記キャッププレートの上方に凸に線状（linear）に形成され、前記突出部を境界に区画された前記キャッププレートの上面は同一平面上に位置す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. 前記突出部は平面形状がアラビア数字の１１字形状または四角形状で形成されることを特徴とする請求項１０に記載のリチウム二次電池。

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