JP4611843B2 - リチウム二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム二次電池に関し、より詳細には、電池に物理的外力が加えられた際、電極組立体に加えられる応力を均一に分散させて、電池の短絡を防止できるリチウム二次電池に関する。
一般的に、二次電池（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）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をいうものであって、携帯電話、ノートブックコンピュータ、及びカムコーダなどの最先端の電子機器分野で広く使われている。特に、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頻繁に使われるニッケル−カドミウム電池又はニッケル−水素電池より３倍も高く、単位重量当たりエネルギー密度が高いという側面から、業界で急速に普及している。
リチウム二次電池は、主に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用している。一般に、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いい、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いう。また、リチウム二次電池はいろいろな形状で製造されており、代表的な形状としては、円筒形、角形、及びパウチ形を挙げることができる。
図１は、一般的な缶型リチウム二次電池の概略的な分解斜視図である。
図１を参照すると、リチウム二次電池は、第１電極１３、第２電極１５、及びセパレータ１４からなる電極組立体１２を電解液と共に缶１０に収納し、この缶１０の上段部をキャップ組立体７０で封止することにより形成される。
キャップ組立体７０は、キャッププレート７１、絶縁プレート７２、ターミナルプレート７３、及び電極端子７４を含んで構成される。キャップ組立体７０は、別途の絶縁ケース７９を介して、缶１０の上段開口部に結合して缶１０を封止することになる。
キャッププレート７１は、缶１０の上段開口部に対応する大きさと形状を有する金属板で形成される。キャッププレート７１の中央には所定の大きさの端子通孔が形成され、端子通孔には電極端子７４が挿入される。電極端子７４が端子通孔に挿入される場合、電極端子７４とキャッププレート７１との絶縁のために、電極端子７４の外面にはチューブ型のガスケットチューブ７５が結合して共に挿入される。一方、電解液注入孔７６は、キャッププレート７１の一側に所定の大きさで形成される。キャップ組立体７０が缶１０の上段開口部に組立てられた後、電解液注入孔７６を通じて電解液が注入され、電解液注入孔７６は栓７７により密閉される。
電極端子７４は、第２電極１５の第２電極タブ１７または第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。第１電極タブ１６及び第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。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。
上記の缶型リチウム二次電池において、絶縁ケース７９は、キャップ組立体７０と電極組立体１２との間に挿入されて電極組立体１２及び電極タブ１６，１７の位置を固定する役割をし、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）材質で作られる。ポリプロピレン材質で作られた絶縁ケースは製造会社毎に形態の差はあるが、厚さを増加させることに限界があり、剛性が弱く、落下試験などにおいて電極組立体がキャップ組立体側に偏る場合、絶縁ケースが変形されながら局部的な応力（ｓｔｒｅｓｓ）が電極組立体の上部に加えられることになり、それによって短絡が生じることになる。このような物理的外力による短絡を防止するために製造会社毎に絶縁ケースの形態を変更する努力をしているが、ポリプロピレン材質自体の剛性により短絡の危険性は相変わらず残っている。
本発明は、上記のような問題を解決するためのものであって、本発明の目的は、物理的外力が加えられても変形が容易に起こらず、流動時に電極組立体に加えられる応力を均一に分散させることができる絶縁ケースを用いて、電池の短絡を防止し、安全性を向上させることができるリチウム二次電池を提供するものである。
上記のような目的を達成するために、本発明の一側による、第１電極、第２電極、及び当該第１電極と第２電極との間に介されたセパレータが巻き取られて形成された電極組立体と、前記電極組立体の上部に位置する絶縁ケースと、を含むリチウム二次電池において、前記絶縁ケースは、本体部と、前記本体部の上面に互いに離隔されて位置する一対の支持部と、を含み、引張強度が５００ｋｇｆ／ｃｍ２（４９ＭＰａ）以上である樹脂または樹脂複合材料で形成され、前記一対の支持部は、前記本体部の両側端部上に位置する側端支持部であることを特徴とする。
また、前記樹脂または樹脂複合材料は、圧縮強度が９００ｋｇｆ／ｃｍ２（８８ＭＰａ）以上のものが好ましい。
本発明は強度の優れた材質で形成された絶縁ケースを用いることにより、物理的外力が加えられても電極組立体に加えられる応力を均一に分散させることができ、電池の短絡を防止し、安全性を向上させることができる。
以下、本発明をより詳細に説明する。
絶縁ケースは、リチウム二次電池の缶に収納される電極組立体と、前記電極組立体の第１電極及び第２電極から引出される電極タブの位置を固定させる役割をし、その材質は、電極タブ間の短絡を防止するために、通常の絶縁性材質であるポリプロピレンからなっている。ところが、ポリプロピレン絶縁ケースはその強度が弱くて、電池の落下テストなどの物理的外力により変形を起こすことができる。
一般的に、物体に外力が作用すれば、変形すると共に抵抗力が生じて外力と平衡状態になる。この抵抗力を内力といい、単位面積当たりの内力の大きさを応力という。このような応力は垂直応力とせん断応力とに分類され、垂直応力は、更に、引張応力と圧縮応力とに分かれる。
引張強度は材料が耐えることができる最大応力であって、材料に引張荷重を加える時の破壊荷重を最初の断面積で割った値である。圧縮強度は圧縮荷重に耐えることができる材料強度を示す特性値であり、単位面積当たりの圧縮破壊荷重を圧縮強度という。ポリプロピレンは引張強度が３４０ｋｇｆ／ｃｍ２（３３ＭＰａ）であり、圧縮強度が５００ｋｇｆ／ｃｍ２（４９ＭＰａ）である。このことは、垂直に作用する外力に対する垂直応力がよくないことを意味する。
図２は、物理的外力により変形されたポリプロピレン絶縁ケース７９を示す断面図である。図１に図示された絶縁ケース７９は電極組立体の上部面の全体にわたって均等に力を加えているが、図２のように、変形されたポリプロピレン絶縁ケース７９は、その中心部Ａで電極組立体に集中的な荷重を加えることになる。このように変形されたポリプロピレン絶縁ケースにより電極組立体の上部の中心部に局部的な応力が加えられ、電池の短絡（ｓｈｏｒｔ）が引き起こされる。
本発明では、絶縁ケース材質として、強度の優れる樹脂または樹脂複合材料を使用することにより、物理的外力が加えられても絶縁ケースが容易に変形されず、従って、強い衝撃時にも電極組立体に局部的な応力を加えることなく、応力を均一に分散させることができる。なお、リチウム二次電池自体の構成は、図１に示す一般的なリチウム二次電池と同様であるため、説明は省略する。
本発明の絶縁ケースは、引張強度が５００ｋｇｆ／ｃｍ２以上の樹脂または樹脂複合材料で形成されることが好ましい。樹脂または樹脂複合材料の引張強度が５００ｋｇｆ／ｃｍ２より小さいと、電池の落下テストなどにおいて絶縁ケースの変形減少効果が僅かであるので、好ましくない。同様に、絶縁ケースの変形現象効果の見地から、上記樹脂または樹脂複合材料の圧縮強度は、９００ｋｇｆ／ｃｍ２（８８ＭＰａ）以上であることがより好ましい。引張強度はＡＳＴＭ Ｄ６３８方法により測定でき、圧縮強度はＡＳＴＭ Ｄ６９５方法により測定できる。
本発明の絶縁ケースは、上記のような優れた強度を有しつつ、リチウム二次電池に使われるリチウム塩を含有した非水性電解液と反応しない材質で形成されることが好ましい。リチウム二次電池の非水性電解液は、カーボネート、エステル、エーテル、またはケトンの有機溶媒を含むので、絶縁ケースがこのような有機溶剤に対し、安定な耐溶剤性を有しない場合、有機溶剤により浸食されるおそれがある。
上記樹脂としては、フェノール樹脂、ガラス繊維強化樹脂、または炭素繊維強化樹脂が使われることができる。あるいは、フェノール樹脂とガラス繊維とにより構成される複合材料およびフェノール樹脂と炭素繊維とによって構成される複合材料などが使われることもできる。しかしながら、本発明で使われることができる樹脂または樹脂複合材料は、これらに限定されるものではない。
フェノール樹脂は、１９００年初頭に米国のベークランド（ｂａｋｅｌａｎｄ）により発明され、工業化された合成樹脂であり、“ベークライト（ｂａｋｅｌｉｔｅ）”という商品名で呼ばれている。フェノール樹脂はフェノールとホルムアルデヒドとの反応により生じる熱硬化性樹脂であって、電気絶縁性、機械的強度、及び耐熱性が優れる。フェノールとホルムアルデヒドとの反応工程中、酸性触媒により生じる第１次樹脂をノボラック（ｎｏｖｏｌａｋ）、塩基性触媒により生じる樹脂をレゾール（ｒｅｓｏｌ）という。フェノール樹脂の引張強度は５２０ｋｇｆ／ｃｍ２（５１ＭＰａ）であり、圧縮強度は１４００ｋｇｆ／ｃｍ２（１３７ＭＰａ）である。
図３ａ及び図４は、本発明の一実施の形態に係る絶縁ケースの斜視図である。
図３ａを参照すると、絶縁ケース１７９は、本体部１８１と、本体部１８１の両側端部上に位置する側端支持部１８３，１８４と、を含んでなる。本体部１８１は、図１に図示された缶１０の上段開口部に対応する大きさと形状とからなる。側端支持部１８３，１８４は、本体部１８１の両側端部からそれぞれ上方に所定の高さ突出して、本体部１８１を両側端部から支持し、缶１０が揺れたり、衝撃を受けたりする際、絶縁ケース１７９と電極組立体１２の流動を抑制する役割を果たす。本体部１８１の一側には第２電極タブ１７が引き出される電極タブ引出口１８７が形成されており、他側には電解液を電極組立体１２内に流入することができる経路を提供する電解液注入孔１８８が形成されている。本体部１８１の側面には、第１電極タブを引き出すことができる段差部１８９が形成されている。
図４を参照すると、絶縁ケース１７９は、本体部１８１と、本体部１８１の両側端部上に位置する側端支持部１８３，１８４と、本体部１８１の両側面（長手方向の側面）上において少なくとも１つの側面支持部１８５，１８６と、を含んでなる。側面支持部１８５，１８６は、本体部１８１の側面の所定の位置から上方に所定の高さ突出しており、本体部１８１を側面上でより安定的に支持する。
本発明に係る絶縁ケース１７９は、引張強度が５００ｋｇｆ／ｃｍ２以上の樹脂または樹脂複合材料で形成されており、物理的な外力にも容易に変形されないので、電極組立体に加えられる応力を均一に分散させることができる。
ポリプロピレン絶縁ケースの場合、強度が多少弱く、側面支持部のような構成要素を必要としたが、本発明に係る絶縁ケースは強度の優れる材質で形成されるので、側面支持部のような構成要素を含むこともでき、含まないこともできる。また、その厚さをより薄く構成しても強度低下のおそれがない。このように絶縁ケースを強度の優れる材質で形成することにより、絶縁ケースの形状及び寸法選択の幅が広くなることができる。
図３ｂは、図３ａに図示された絶縁ケースの平面図である。
図３ｂを参照すると、絶縁ケース１７９の本体部１８１には電極タブ引出口１８７、電解液注入孔１８８、及び段差部１８９が形成されることができる。このような開口部（電極タブ引出口１８７及び電解液注入孔１８８）及び段差部１８９の形成においても、その大きさや位置などは絶縁ケースの強度が低下しない範囲内でなされるので、本発明のように、絶縁ケースの材質の強度が増加すると、本体部１８１に形成できる電極タブ引出口１８７、電解液注入孔１８８、及び段差部１８９などの形状及び寸法選択の幅が広くなることができる。
本発明に対し、上記実施の形態を参考にして説明したが、これは例示的なことに過ぎないのであり、本発明に属する技術分野の通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な他実施の形態が可能であるという点を理解するはずである。従って、本発明の真の技術的保護範囲は添付の特許請求範囲の技術的事象により決まるべきである。
１７９ 絶縁ケース、
１８１ 本体部、
１８３，１８４ 絶縁ケースの側端支持部、
１８５，１８６ 絶縁ケースの側面支持部。
１８１ 本体部、
１８３，１８４ 絶縁ケースの側端支持部、
１８５，１８６ 絶縁ケースの側面支持部。
Claims (7)
- 第１電極、第２電極、及び当該第１電極と第２電極との間に介されたセパレータが巻き取られて形成された電極組立体と、前記電極組立体の上部に位置する絶縁ケースと、を含むリチウム二次電池において、
前記絶縁ケースは、本体部と、前記本体部の上面に互いに離隔されて位置する一対の支持部と、を含み、引張強度が５００ｋｇｆ／ｃｍ２以上である樹脂または樹脂複合材料で形成され、
前記一対の支持部は、前記本体部の両側端部上に位置する側端支持部であることを特徴とするリチウム二次電池。 - 前記樹脂または樹脂複合材料は、圧縮強度が９００ｋｇｆ／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１記載のリチウム二次電池。
- 前記樹脂または樹脂複合材料は、電解液と反応しないことを特徴とする請求項１記載のリチウム二次電池。
- 前記絶縁ケースは、フェノール樹脂、ガラス繊維強化樹脂、及び炭素繊維強化樹脂よりなる群から選択される材料で形成されることを特徴とする請求項１記載のリチウム二次電池。
- 前記絶縁ケースは、ベークライトで形成されることを特徴とする請求項１記載のリチウム二次電池。
- 前記側端支持部は、前記本体部から上方に突出していることを特徴とする請求項１記載のリチウム二次電池。
- 前記絶縁ケースの本体部に、電極タブ引出口及び電解液注入孔の少なくとも一方が形成されていることを特徴とする請求項１記載のリチウム二次電池。
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