JP4583324B2 - 二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池に関し、より詳細には、第１の電極板、第２の電極板、及び第１の電極板と第２の電極板との間に挟まれるセパレータから形成される電極組立体を含む二次電池に関する。
近年、携帯電話、ノート型パソコン、及びビデオカメラなどのコンパクトで軽量化された電気／電子装置が活発に開発及び生産されている。このような携帯用電気／電子装置は、別途の電源が具備されていない場所でも作動できるように、電池パックを内蔵している。内蔵した電池パックは、携帯用電気／電子装置を一定の期間駆動するために、一定レベルの電圧を出力できるように、内部に少なくとも一つの電池を備えている。
電池パックは、経済的な側面を考慮して、最近では、充放電可能な二次電池を採用している。二次電池には、代表として、ニッケル−カドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）電池、ニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池、ならびにリチウム（Ｌｉ）電池及びリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池などのリチウム二次電池などがある。
特に、リチウム二次電池は、作動電圧が３．６Ｖであり、携帯用電子装置の電源として多く使われているニッケル−カドミウム電池及びニッケル−水素電池よりも３倍も高く、単位重量当たりのエネルギー密度が高いという側面から、急速に伸長している趨勢にある。
このようなリチウム二次電池は、主として、正極活物質としてリチウム系酸化物、負極活物質として炭素材を使っている。一般的には、電解液の種類によって液体電解質電池と、高分子電解質電池とに分類され、液体電解質を使用する電池をリチウムイオン電池と称し、高分子電解質を使用する電池をリチウムポリマー電池と称する。また、リチウム二次電池は、様々な形状に製造されており、代表的な形状としては、円筒形、角形、及びパウチ形が挙げられる。
通常、リチウム二次電池は、正極活物質が塗布された正極電極板と、負極活物質が塗布された負極電極板と、正極電極板と負極電極板との間に位置されて短絡を防止し、リチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）の移動のみを可能とするセパレータとが巻き取られて形成される電極組立体、電極組立体を収容するリチウム二次電池用筐体、及びリチウム二次電池用筐体の内側に注入されて、リチウムイオンの移動を可能とする電解液などからなる。
ところが、このような一般的な二次電池は、高い所から落下する場合などにおいて外部から衝撃を受けると、筐体と異なる極性を持つ電極板が筐体と接触し、あるいは、第１の電極板と第２の電極板とが接触して、第１の電極板と第２の電極板とが電気的に短絡するという問題点を有する。
より詳しく説明すれば、電極組立体を構成するセパレータは、互いに異なる極性の電極板が接触することを防止するために、電極板よりもその幅が広く形成される。しかしながら、筐体に外部衝撃が加えられると、セパレータと電極板とは一側に折り曲げられ、特に、角部は、力が集中して、さらに変形がひどくなる。この過程で、セパレータの一部が損傷されて、筐体と異なる極性を持つ電極板と筐体とが接触する、あるいは、互いに異なる極性の電極板が接触することがあり得る。
本発明は、上述したような問題点を解消するために案出されたもので、本発明の目的は、外部の衝撃に対しても、互いに異なる極性を持つ筐体と電極板とが接触し、あるいは、極性の異なる電極板同士が接触して、電極板間の電気的な短絡が発生することを防止できる二次電池を提供することにある。
上記のような目的を達成するための本発明は、第１の電極板と第２の電極板との間にセパレータが挟まれて、ゼリーロール状に巻き取られて形成された電極組立体と、前記電極組立体を収容する筐体と、前記筐体を仕上げるキャップ組立体と、前記電極組立体の外周面を取り囲むように当該電極組立体の外周面に貼り付けられて前記ゼリーロール状に巻き取られた第１の電極板、第２の電極板、及びセパレータが緩むことを防止する帯状の固定テープが前記筐体の開口部側及び底部側の両方に前記第１の電極板以上のレベルに延長されることにより形成され、前記第１の電極板と前記第２の電極板とが電気的に短絡することを防止する短絡防止部材と、を含む二次電池を提供するものである。
前記短絡防止部材は、電極組立体の開口部側及び電極組立体の底部側において、第１の電極板が外力によって変形されることを防止するように、第１の電極板を支持することができる。通常、負極板が正極板よりも広く形成される場合が多く、本発明の第１の電極板は、負極板であることができる。
本発明において、前記短絡防止部材の幅は、前記セパレータと等しい幅を有するように形成されることができる。
本発明は、角形及び円筒形などの二次電池に共通的に適用可能であり、固定テープは、ＰＥＴまたはＰＰ材質からなることができ、厚さは、２０〜２５μｍ以上に形成されることができる。
本発明によれば、二次電池は、電極板支持部材によって、第１の電極板、第２の電極板、またはセパレータが折り曲げられることが防止されるので、外部から衝撃が加えられても、第１の電極板が曲げられて第２の電極板に電気的に接触することが防止されるというメリットがある。
また、二次電池は、第１の電極板と第２の電極板との電気的な接触が防止されるので、二次電池の短絡が防止されて、製品の信頼性が向上するというメリットがある。
以下、図面を参照して、本発明に係る二次電池の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る電極組立体を示した図であり、図２は、本発明の一実施の形態に係る二次電池を示した分解斜視図であり、図３は、図２をＡ−Ａ’方向に沿った断面を示した断面図である。これらの図に示されたように、二次電池１００は、二次電池用筐体１１０と、筐体１１０の内部に収容されたゼリーロール状の電極組立体２００と、筐体１１０の上部に結合されるキャップ組立体３００とから構成される。
筐体１１０は、ほぼ円筒形及び四角箱状の角形などで、金属材質からなり、上端に開口部を有する。筐体１１０は、それ自体が端子の役割を果たすことができる。
この時、筐体１１０は、角形の場合には負極極性を持ち、円筒形の場合には正極極性を持つことになる。
電極組立体２００は、第１の電極タブ２１５が取り付けられた第１の電極板２１０と、第２の電極タブ２２５が取り付けられた第２の電極板２２０と、第１の電極板２１０と第２の電極板２２０との間に挟まれたセパレータ２３０とが、ゼリーロール状に巻き取られた形状となっている。ここで、電極組立体２００には、第１の電極板２１０と第２の電極板２２０との電気的な短絡を防止する短絡防止部材が設けられる。
第１の電極板２１０が正極の場合、第１の電極板２１０は、導電性に優れている金属薄板、例えば、アルミニウム（Ａｌ）箔（ｆｏｉｌ）からなる電極集電体の両面に正極活物質層が塗布されて形成される。活物質としては、カルコゲニド（Ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）化合物が使われており、その例として、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＮｉ１−ｘＣｏｘＯ２（０＜ｘ＜１）、及びＬｉＭｎＯ２などの複合金属酸化物が使われているが、本実施の形態においてその物質を限定するものではない。
第２の電極板２２０が負極の場合、伝導性金属薄板、例えば、銅（Ｃｕ）またはニッケル（Ｎｉ）箔からなる電極集電体の両面に負極活物質層が塗布されて形成される。活物質は、炭素（Ｃ）系物質、Ｓｉ、Ｓｎ、酸化スズ、複合スズ合金（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｔｉｎ Ａｌｌｏｙｓ）、遷移金属酸化物、リチウム金属ナイトライド、及びリチウム金属酸化物などが使われているが、本実施の形態においてその物質を限定するものではない。
セパレータ２３０は、第１及び第２の電極板２１０，２２０間に挟まれて短絡を防止し、リチウム二次電池１００の電荷（Ｃｈａｒｇｅ）、例えば、リチウムイオンの移動だけを可能とするもので、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びポリエチレンとポリプロピレンとの共重合体（ｃｏ−ｐｏｌｙｍｅｒ）からなる群から選択されるいずれか一つからなっているが、本実施の形態においてその材質を限定するものではない。セパレータ２３０は、第１及び第２の電極板２１０，２２０よりも幅広に形成されることが、第１の電極板２１０と第２の電極板２２０との間の短絡を防止するのに有利である。したがって、セパレータ２３０は、第１及び第２の電極板２１０，２２０よりも大きく形成されるので、筐体１１０の底部に接触することになる。
ここで、第１の電極板２１０が負極極性を持つ場合、イオンが放出される第１の電極板２１０は、第２の電極板２２０よりも大きく形成され、セパレータ２３０は、第１の電極板２１０と第２電極板２２０とが接触することを防止するために、第１の電極板２１０よりも大きく形成される。より具体的には、たとえば、第１の電極板２１０の幅は、第２の電極板２２０の幅よりも筐体１１０の上側（開口部側）及び／又は下側（底部側）に広く形成される。
第１の電極板２１０、第２の電極板２２０、及びセパレータ２３０がゼリーロール状に巻き取られて形成された電極組立体２００には、最外周面に固定テープを貼り付けて、巻き取られた第１及び第２の電極板２１０，２２０とセパレータ２３０とが緩むことを防止する。
短絡防止部材は、一般的な固定テープから上側及び／又は下側にそれぞれ延設された上側及び下側電極板支持部２６０ａ，２６０ｂを有した固定テープと一体型の電極板支持部材２６０であることができる。なお、固定テープは、ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）またはＰＰ（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）材質からなることができ、電極組立体２００を保持する見地から、その厚さは、２０〜２５μｍ以上であることが好ましい。
すなわち、固定テープと一体型の電極板支持部材２６０には、固定テープより幅が電極組立体２００の上側及び／又は下側に延設された電極板支持部２６０ａ，２６０ｂが含まれる。
この時、電極板支持部２６０ａ，２６０ｂは、電極組立体２００の外面に貼り付けられて電極組立体２００を覆う固定テープが、上側及び／又は下側に電極組立体２００の幅よりも長く形成された部分である。
ここで、電極板支持部材２６０は、第２の電極板２２０よりも大きく形成された第１の電極板２１０を覆うように、固定テープの幅が、第１の電極板２１０の幅と等しく、又は、第１の電極板２１０の幅よりも大きく形成されたものであることができる。また、電極板支持部材２６０は、第１の電極板２１０と第２電極板２２０との間に挟まれ、第１及び第２の電極板２１０，２２０の短絡を防止するセパレータ２３０を覆うように、固定テープの幅が、セパレータ２３０の幅と等しい大きさに形成されたものであることができる。
角形の筐体１１０の開口部を覆うキャップ組立体３００は、キャッププレート３１０、絶縁プレート３４０、ターミナルプレート３５０、及び電極端子３２０を含んで構成される。キャップ組立体３００は、別の絶縁ケース３６０と結合して、筐体１１０の上端の開口部に結合されて、筐体１１０を封止することになる。
キャッププレート３１０は、筐体１１０の開口部に対応する大きさ及び形状を有した金属板で形成される。キャッププレート３１０の中央には、所定の大きさの第１の端子通孔３１１が形成され、第１の端子通孔３１１には、電極端子３２０が挿通される。
電極端子３２０が第１の端子通孔３１１に挿通される際は、電極端子３２０とキャッププレート３１０との絶縁のために、電極端子３２０の外面には、チューブ状のガスケット３３０が結合されて、一緒に挿通される。
一方、キャッププレート３１０の一側には、所定の大きさの電解液注入孔３１２が形成される。電解液注入孔３１２は、キャップ組立体３００が筐体１１０の開口部に組み込まれた後、電解液注入孔３１２を通じて電解液が注入され、電解液注入孔３１２は、封止ピン３１５によって密閉される。
電極端子３２０は、負極電極板２２０の負極タブ２２５、又は、正極電極板２１０の正極タブ２１５に連結されて、負極端子、又は、正極端子として機能するようになる。
絶縁プレート３４０は、ガスケット３３０と同様に絶縁物質で形成され、キャッププレート３１０の下面に結合される。絶縁プレート３４０は、キャッププレート３１０の第１の端子通孔３１１に対応する位置に、電極端子３２０が挿通される第２の端子通孔３４１が形成される。
ターミナルプレート３５０は、Ｎｉ金属、又は、その合金で形成され、絶縁プレート３４０の下面に結合される。ターミナルプレート３５０には、キャッププレート３１０の第１の端子通孔３１１に対応する位置に、電極端子３２０が挿通される第３の端子通孔３５１が形成され、電極端子３２０が、ガスケット３３０によって絶縁されながら、キャッププレート３１０の第１の端子通孔３１１を通じて結合されるので、ターミナルプレート３５０は、キャッププレート３１０から電気的に絶縁されながら、電極端子３２０に電気的に連結される。
一方、電極端子３２０を、キャッププレート３１０、絶縁プレート３４０、及びターミナルプレート３５０に結合させる方法としては、電極端子３２０を回転させながら一定の力を加えて、キャッププレート３１０の第１の端子通孔３１１に挿通されるようになる。
電極端子３２０は、第１の端子通孔３１１を通過すると、再びキャッププレート３１０の下面に結合されている絶縁プレート３４０とターミナルプレート３５０に形成された第２の端子通孔３４１と第３の端子通孔３５１とを通過する。この時、絶縁プレート３４０に形成された第２の端子通孔３４１の内径は、挿通される電極端子３２０の外径と等しいかやや大きめに形成され、電極端子３２０の挿通時には、電極端子３２０の外面が密着して強制的に挿通される。
一方、電極組立体２００の上面には、電極組立体２００とキャップ組立体３００とを電気的に絶縁させると共に、電極組立体２００の上端部を覆う絶縁ケース３６０が設けられる。
絶縁ケース３６０は、キャッププレート３１０の電解液注入口３１２と対応する位置に、電解液注入通孔３１５が形成されて、電解液を注入できるようにする。また、絶縁ケース３６０は、絶縁性を持つ高分子樹脂であり、好ましくは、ポリプロピレンからなるが、本実施の形態においてその材質を限定するものではない。
前述したような二次電池１００は、筐体１１０の内部に電極組立体２００が収容された後、電解液が注入され、キャップ組立体３００によって封止されて仕上げられる。
二次電池１００は、外部から衝撃を加えられる場合、電極組立体２００の最外周面の一定の幅を取り囲む一般的な固定テープを上側及び／又は下側に延設してなる電極板支持部２６０ａ，２６０ｂが、電極組立体２００の最外周面に取り付けられ、電極組立体２００の上端部、又は、下端部の外側で電極板が折り曲げられることを防止する。したがって、異なる極性を有する筐体１１０と電極板２１０，２２０とが接触することが防止されるとともに、異なる極性を有する電極板２１０，２２０が相互に接触することが防止される。その結果として、第１の電極板２１０と第２の電極板２２０とが電気的に短絡することが防止される。
一方、図４に示された円筒形の筐体１１０ａは、円筒形の筐体１１０ａの開口部と対応するキャップ組立体３００ａによって封止され、電極板支持部２６０ａ，２６０ｂは、角形の二次電池１００と同様に機能するようになる。
図示していないが、本発明の電極板支持部材は、固定テープと別に形成されるフィルム状の支持部材であることができる。この場合、電極板支持部材は、固定テープと一緒に使用することもでき、固定テープは、使用されないこともある。例えば、フィルム状の電極板支持部材を、ゼリーロール状の最外周から１乃至２層目に、電極板及びセパレータと一緒に巻き取って使用することもできる。
１００ 二次電池、
１１０ 筐体、
２００ 電極組立体、
２１０ 第１の電極板、
２１５ 第１の電極タブ、
２２０ 第２の電極板、
２２５ 第２の電極タブ、
２３０ セパレータ、
２６０ 電極板支持部材、
２６０ａ，２６０ｂ 電極板支持部、
３００ キャップ組立体、
３１０ キャッププレート、
３１１ 第１の端子通孔、
３２１ 電解液注入孔、
３１５ 封止ピン、
３２０ 電極端子、
３３０ ガスケット、
３４０ 絶縁プレート、
３４１ 第２の端子通孔、
３５０ ターミナルプレート
３５１ 第３の端子通孔、
３６０ 絶縁ケース。
１１０ 筐体、
２００ 電極組立体、
２１０ 第１の電極板、
２１５ 第１の電極タブ、
２２０ 第２の電極板、
２２５ 第２の電極タブ、
２３０ セパレータ、
２６０ 電極板支持部材、
２６０ａ，２６０ｂ 電極板支持部、
３００ キャップ組立体、
３１０ キャッププレート、
３１１ 第１の端子通孔、
３２１ 電解液注入孔、
３１５ 封止ピン、
３２０ 電極端子、
３３０ ガスケット、
３４０ 絶縁プレート、
３４１ 第２の端子通孔、
３５０ ターミナルプレート
３５１ 第３の端子通孔、
３６０ 絶縁ケース。
Claims (7)
- 第１の電極板、第２の電極板、及び当該第１の電極板と第２の電極板との間に挟まれたセパレータがゼリーロール状に巻き取られて形成される電極組立体と、
前記電極組立体を収容する筐体と、
前記筐体を仕上げるキャップ組立体と、
前記電極組立体の外周面を取り囲むように当該電極組立体の外周面に貼り付けられて前記ゼリーロール状に巻き取られた第１の電極板、第２の電極板、及びセパレータが緩むことを防止する帯状の固定テープが前記筐体の開口部側及び底部側の両方に前記第１の電極板以上のレベルに延長されることにより形成され、前記第１の電極板と前記第２の電極板とが電気的に短絡することを防止する短絡防止部材と、を含む二次電池。 - 前記短絡防止部材は、前記セパレータと等しい幅を有するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記第１の電極板は、負極板であることを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池。
- 前記筐体は、円筒形の缶で形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次電池。
- 前記筐体は、角形の缶で形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次電池。
- 前記固定テープは、ＰＥＴまたはＰＰ材質で形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の二次電池。
- 前記固定テープの厚さは、２０〜２５μｍ以上に形成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の二次電池。
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