JP4632862B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は二次電池に係り，特に，二重安全装置を備えて電池の寿命を延長させることができる二次電池に関するものである。

一般的に，二次電池は，充電が不可能な一次電池とは異なって充電及び放電が可能な電池であって，最近，高エネルギー密度の非水電解液を利用した高出力二次電池が開発されている。一つの電池セルがパック形態に包装された低容量電池の場合，携帯電話やノートブックコンピュータ及びカムコーダのような携帯が可能な小型電子機器に使用され，大電力を必要とする機器，例えば，電気自動車などのモータ駆動用電源の場合には，前記電池セル数十個を直列又は並列に連結して大容量の二次電池を構成する。

前記二次電池は多様な形状に製造されているが，代表的な形状には，円筒形，角形があり，帯状の正極，負極の間に絶縁体であるセパレータを介在し，これを渦流状に巻いて電極群（又は，ゼリーロール）を形成したり，正極と負極及びセパレータを複数に積層して電極群を形成したりした後，これをケースに内蔵設置し，前記ケースに外部端子が形成されたキャップ組立体を設置して電池を構成する。

このような二次電池のキャップ組立体は，電極群の極板と電気的に連結される外部端子とケースを密閉させるガスケット以外に，設定された圧力条件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装置をさらに含む。

つまり，二次電池は，充放電の時に過大な電流を検出し，電流を遮断するなどの保護回路が備えられているが，電池使用中に前記保護回路が正常に動作しなかったり電池の予想以外の異常反応が起こったりした場合には，電池内部の化学反応により気体が発生して電池内部で圧力が上昇し，最悪の場合には電池が爆発，燃焼する可能性がある。

したがって，従来にも下記特許文献１のように，ケースに設置されるキャッププレートに一定の圧力条件で破損する圧力開放バルブを設置し，電池の異常作動による爆発を防止する技術が開示されている。

特開２０００−２２３１０２号公報

しかし，前記従来の技術は圧力開放バルブが単一構造を有し，設定された圧力条件で開放されてガスを電池外部に排出させるが，作動後，外部の空気と水分が電池内部に流入して電池を使用できなくなる問題点がある。

つまり，従来技術の場合，二次電池が耐えられる程度の適正水準の圧力を超えると，直ちに圧力開放バルブが爆発して電池内部の気密状態を解除させるため，電池もまたそれ以上使用できなくなるという問題点があった。

このような問題点は電池の使用寿命を短縮する結果を招き，特に，ＨＥＶ用二次電池の場合には高出力大容量が要求されるので，電池内部に保存するエネルギー量も著しく大きくなり，そのために電池内部圧力の変化も大きくなるが，前記のように圧力変化によって直ちに電池の圧力開放バルブが爆発するため，要求されるＨＥＶ用電池特性は得られなくなる。

したがって，本発明は前記問題点を解消するためのものであって，本発明の目的は，二次電池の安全バルブ構造を改善して多段階に電池の圧力を低くすることにより，電池の寿命を極大化させることができる二次電池と二次電池のキャップ組立体，及びこれに使用される安全バルブを提供することにある。

上記の目的を達成するために，本発明の二次電池は，キャップ組立体に設置される安全バルブが多段階に作動して，電池内部で自体的に圧力を低くするようにすることをその要旨とする。

このために本発明は，正極と負極がセパレータを隔てて位置する電極群をケース内部に設置している二次電池において，前記ケースの一側に多重安全バルブが設置された構造を有する。

ここで，前記二次電池は，電極群が角形又は円筒形ケースに設置されることができる。

前記電極群は，ゼリーロール形態又は積層形態であることができる。

また，前記二次電池は，モーター駆動用であることができる。

また，前記安全バルブは，ケースを密閉しながら前記電極群と電気的に連結される端子が備えられたキャップ組立体の一側に設置されるが好ましい。

また，前記安全バルブは，電池内部のガスを外部に排出させる前まで少なくとも一つ以上の安全バルブを形成するのが好ましい。このように一つ以上の安全バルブを設けることによって，電池内部圧力が一段階以上降下するようにする。

つまり，前記安全バルブは，二次電池の内部圧力上昇に応じて設定された圧力条件で開放される少なくとも一つ以上の内部圧力板と，前記各内部圧力板の間に備えられる空間部，前記最外側の内部圧力板と空間部を隔てて連結設置され，設定された圧力条件で開放されてガスを外部に排出させる最終圧力板とを含む。

前記内部圧力板と最終圧力板は，同一であるか又は相違した破断強度を有することができる。破断強度が相違した場合，内部圧力板から最終圧力板に向かうほど破断強度がさらに増加するのが好ましい。

より好ましくは，二次電池の内部圧力上昇に応じて設定された圧力条件で開放される内部圧力板と，この内部圧力板と空間部を隔てて連結設置され，設定された圧力条件で開放されてガスを外部に排出させる最終圧力板との二つのみを含むことができる。

したがって，電池内部圧力の上昇によって，まず内部圧力板が開放されれば，内部圧力板と最終圧力板との間に形成された空間部によって電池内部圧力が落ち，電池圧を低くしながらも電池の気密はそのまま維持することができる。

もちろん，本発明の安全バルブは前記のような二つの圧力板に限定されず，複数の内部圧力板を備えて各圧力板の間に空間部を形成することにより，外部に連結された最終圧力板が開放されて電池の気密が解除される前まで電池内部の圧力を多段階に低くすることができる。

ここで，前記安全バルブを構成する各圧力板は薄板で形成され，一定の圧力条件で開放できるように少なくとも一つ以上の溝部が形成されて，その部分の厚さを他の部分より薄くする。

前記二次電池のキャップ組立体は，角形二次電池に適用できるように，ケースに気密を維持した状態で結合されるキャッププレートと，このキャッププレートに設置され，前記ケース内に設置される電極群と電気的に連結される正極端者及び負極端子と，前記キャッププレートに設置されて電池内部圧力を段階的に減らす多重安全バルブとを含む。

また，円筒形二次電池に適用できるように，本発明の他の実施形態によるキャップ組立体は，電池内部の電極群と電気的に連結される外部端子を有するキャッププレートと，ケースとキャッププレートを絶縁させるガスケットと，前記キャッププレート内に設置されて電池内部圧力を段階的に減らす多重安全バルブとを含む。

前記安全バルブは，電池の設定された内部圧力条件に応じて開放される複数の圧力板と，各圧力板の間に備えられて圧力板開放時に電池の内圧を低くする空間部とを含む。

以上のように，本発明によれば，ガスを外部に放出せずに電池の圧力を電池内部で自体的に低くするようにすることにより，電池の安定性を確保するとともに電池の寿命を延長させることができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明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。

（第１の実施形態）
図１は，本発明の第１の実施形態にかかる二次電池を示した断面図であり，図２は，本発明の第１の実施形態にかかる二次電池の安全バルブを詳細に示した断面図である。

図面を参照して，まず，角形二次電池について見てみれば，二次電池は，正極と負極がセパレータを隔てて位置する電極群１２と，電極群が内蔵される空間部を備えたケース１３，ケース１３の開口部に設置されてケースを密閉するキャップ組立体３０，正極，負極とタップ１５を媒介として電気的に連結され，キャップ組立体３０の外側に突出した正極端者１６と負極端子１７，キャップ組立体３０に設置された多重安全バルブ２０を含む。多重安全バルブは，電池内部圧力を段階的に減らして電池の安全性と信頼性を向上させることができる。

ケース１３は，アルミニウム，アルミニウム合金又はニッケルがメッキされたスチールのような導電性金属で製作され，その形状は，電極群１２が位置する内部空間部を有する六面体又はその以外の形状に構成される。

本実施形態で電極群１２は，各々の活物質が集電体にコーティングされて構成された正極と負極がセパレータを隔てて積層された状態で，これらが渦流状に巻かれて形成されたゼリーロールタイプからなり，正極無地部１２ａと負極無地部１２ｂが電極群１２の両端に対向配置されて，ケース１３を垂直に立ててキャップ組立体３０が上，下方向に置かれた場合を基準にケース１３の両側面に電極群１２の無地部１２ａ，１２ｂが位置するように内蔵設置され，電極群１２の両端の無地部１２ａ，１２ｂに各々設置されるタップ１５（又は集電板）を媒介として，キャップ組立体の正極，負極端子１６，１７が電気的に連結される。

さらに具体的に，キャップ組立体３０は，ガスケットを媒介としてケース１３上端に気密を維持した状態で結合されるキャッププレート３２と，このキャッププレート３２の両側に設置され，各々タップ（又は集電板）を媒介として電極軍医無地部１２ａ，１２ｂと電気的に連結される正極，負極端子１６，１７とを含み，キャッププレート３２の中央に安全バルブ２０が配置された構造を有する。

本実施形態によれば，安全バルブ２０は二つの段階にかけて圧力を減少できるようになっているが，電池が開放されてガスが排出される前まで電池内部で圧力を段階的に減らすことができれば，特にこれに限定されない。

つまり，安全バルブ２０は，キャッププレート３２の少なくとも一表面２７に形成された開口部３３に設置されて外部と対面しており，設定された電池の内部圧力条件で開放されてガスを排出させる最終圧力板２１と，最終圧力板２１と一定の空間部２２を形成しながら電池の内部と対面し，設定された電池の内部圧力条件で開放される内部圧力板２３とを含む。

したがって，一次的に内部圧力板２３が圧力条件に応じて開放されれば，内部圧力板２３と最終圧力板２１との間の空間部２２にガスが流入しながら空間部の領域に比例して電池内部圧力は低くなり，最終圧力板２１は開放されない状態で電池の動作はそのまま維持することができるようになる。

ここで各圧力板２１，２３を見てみれば，図２に示されているように，最終圧力板２１の表面２７は，キャッププレート３２と同一な外側面をなすように板形態を有しながら，内側面には電池の圧力上昇時に圧力板２１が容易に破れることができるように少なくとも一つ以上の溝部２４を形成して，圧力板の厚さを一部薄く形成させた構造を有する。

また，内部圧力板２３は，最終圧力板２１と気密を維持した状態で結合され，空間部２２を向かって膨らんで曲がった構造を有し，空間部２２を向かう面には溝部２５が少なくても一つ以上形成されて，圧力板の厚さを薄くすることにより電池の圧力上昇時に溝部が容易に開放できるようになっている。

ここで，安全バルブ２０を構成する各圧力板２１，２３の厚さと溝部２４，２５の構造と厚さについては特に限定されず，電池の特性とそれにともなう電池の内圧条件に応じて多様に変更することができる。

以下，安全バルブの作用について説明する。

電池の作動中にガスが発生して内圧が上昇すれば，キャッププレート３２に設置された安全バルブ２０が作動して電池の内圧を段階的に低くし，最終的にガスを外部に放出させて電池の爆発を防止する。

つまり，内圧が設定された圧力条件を超えると，一次的に安全バルブの内部圧力板２３に形成された溝部２５が破れながら内部圧力板２３が開放される。

内部圧力板２３が開放されることによって電池内部のガスは内部圧力板２３より排出され，内部圧力板２３と最終圧力板２１との間の空間部２２に流入して，電池の内部圧力は低くなる。

したがって，電池の内部圧力を低下させても最終圧力板２１はそのまま開放されないので，電池の気密を維持している状態で電池をそのまま使用できるようになる。

この状態で電池の内部圧力が継続して上昇し，設定された圧力条件を超えると，最終的に最終圧力板２１の溝部２４が破れながら最終圧力板２１が開放され，電池内部のガスは最終圧力板を通して外部に放出されて電池の爆発を防止する。

このように安全バルブ２０を多重に開放されるようにして，最終的にガスを電池外部に放出させる前に電池内部の圧力を段階的に低くし，電池の使用をさらに持続させることができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態として円筒形二次電池について説明する。

図３は，本発明の第２の実施形態にかかる二次電池としての円筒形二次電池を示した断面図である。

図３によれば，本実施形態にかかる二次電池は，正極４１と負極４２がセパレータ４７を隔てて位置する電極群４０と，電解液と共に電極群が収容され，電極群と電気的に連結される円筒形のケース５０と，ケース５０の開口部上端に設置されてケース５０を密封し，電極群と電気的に連結されるキャップ組立体６０と，キャップ組立体６０に設置されて電池内部圧力を段階的に減らす多重安全バルブ７０とを含む。

ここで，電極群４０は，正極の無地部４１ａと負極の無地部４２ａが電極群４０の両端に対向配置されてセパレータ４７を隔ててゼリーロール形態に巻かれた構造であり，ケース５０を垂直に立ててキャップ組立体６０が上，下方向に置かれた場合を基準にケース５０の底部に負極４２の無地部４２ａが位置して，負極集電板４４を媒介としてケース５０と電気的に連結され，正極４１の無地部４１ａはケース５０上部に位置して，正極集電板４３とリード４５を媒介としてキャップ組立体６０と連結されるようにする。

また，キャップ組立体６０は，正極４１と電気的に連結され，外側に突出した正極端子６１が形成されたキャッププレート６２と，ケース５０とキャッププレート６２を絶縁させるガスケット６３とを含み，キャッププレート６２の正極端子６１内側に安全バルブ７０が設置された構造を有する。

また，キャッププレート６２に形成される正極端子６１は，最終的に安全バルブ７０が開放された時，電池内部のガスが外部に排出できるように表面に孔６４がさらに形成される。

本実施形態にかかる円筒形二次電池に適用される安全バルブ７０は，キャッププレート６２とガスケット６３との間に気密を維持した状態で設置され，正極端子６１内側に位置して設定された電池の内部圧力条件で開放されてガスを排出させる最終圧力板７１と，最終圧力板７１と一定の空間部７３を形成しながら電池の内側に設置され，設定された電池の内部圧力条件で開放される内部圧力板７２とを含む。

したがって，一次的に内部圧力板７２が圧力条件に応じて開放されれば，内部圧力板７２と外部圧力板７２との間の空間部７３にガスが流入しながら空間部７３の領域に比例して電池内部圧力は低くなり，最終圧力板７１は開放されない状態で電池の動作はそのまま維持できるようになる。

ここで言及したように，安全バルブ７０はキャッププレート６２に形成される正極端子６１内側に位置するので，外部環境から各圧力板７１，７２が保護されることができる。

各圧力板を見てみれば，最終圧力板７１は，キャッププレート６２より外側に突出形成される正極端子と６１対応するように外側に突出形成され，折曲した部位の内側角部部位に電池の圧力が上昇する場合に容易に破れるように少なくとも一つ以上の溝部７４を形成して，圧力板の厚さを他の部分より薄く形成させた構造を有する。

また，内部圧力板７２は，最終圧力板とガスケットとの間に気密を維持した状態で結合され，最終圧力板７１との間の空間部７３に向かって膨らんで曲がった構造を有し，空間部７３に対向する面には圧力板の少なくとも一つ以上の溝部７５が形成されて，圧力板の厚さを他の部分より薄くすることによって，電池の圧力上昇時に溝部が容易に破れるようになっている。

ここで，圧力バルブ７０を構成する各圧力板７１，７２の厚さと溝部７４，７５の構造と厚さについては特に限定されず，電池の特性とそれにともなう電池の内圧条件に応じて多様に変更することができる。

したがって，円筒形二次電池の内圧が上昇して設定された圧力を超えると，一次的に内部圧力板７２の溝部７５が破れながら内部圧力板７２が開放されて電池内部のガスが空間部７３に排出され，電池の内圧は低くなる。

もちろん，内部圧力板７２が開放されても，最終圧力板７１は開放されない状態で電池はそのまま使用できる。

この状態で，電池の内圧が上昇して設定された圧力条件を超えると，最終圧力板７１の溝部７４が破れながら電池内部のガスを外部に放出させ，最終圧力板７１から放出されるガスはキャッププレート６２の正極端子６１に形成された孔６４を介して放出される。

以上のような本発明の二次電池と電池モジュールは，高出力/大容量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用いることができるが，本発明の用途が前記用途にのみ限定されるわけではない。

以上，添付図面を参照しながら本発明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。

本発明の第１の実施形態にかかる二次電池を示した断面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる二次電池の安全バルブを詳細に示した断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる二次電池を示した断面図である。

符号の説明

１２，４０ 電極群
１２ａ，４１ａ 正極無地部
１２ｂ，４２ａ 負極無地部
１３，５０ ケース
１５ タップ
１６，６１ 正極端子
１７ 負極端子
２０，７０ 多重安全バルブ
２１，７１ 最終圧力板
２２，７３ 空間部
２３，７２ 内部圧力板
２４，２５，７４，７５ 溝部
３０，６０ キャップ組立体
３２，６２ キャッププレート
３３ 開口部
４１ 正極
４２ 負極
４４ 負極集電板
４５ リード
４７ セパレータ
６３ ガスケット
６４ 孔

Claims (9)

1. 二次電池において，
   正極と負極がセパレータを隔てて位置する電極群をケース内部に設置し，
   前記ケースの一側に多重安全バルブが設置され，
   前記多重安全バルブは，二次電池の内部圧力上昇に応じて設定された圧力条件で開放される少なくとも一つ以上の内部圧力板と，前記各内部圧力板の間に備えられる空間部，前記最外側の内部圧力板と空間部を隔てて連結設置され，設定された圧力条件で開放されてガスを外部に排出させる最終圧力板を含む多重安全バルブであり，
   前記最終圧力板は，前記内部圧力板が開放されることによって電池内部のガスが前記空間部に流入したとき開放されない圧力条件に設定されていることを特徴とする，
   二次電池。
2. 前記多重安全バルブは，ケースを密閉しながら前記電極群と電気的に連結される端子が備えられたキャップ組立体の一側に設置されることを特徴とする，
   請求項１に記載の二次電池。
3. 前記多重安全バルブは，二次電池の内部圧力上昇に応じて設定された圧力条件で開放される内部圧力板と，前記各内部圧力板の間に備えられる空間部，前記最外側の内部圧力板と空間部を隔てて連結設置され，
   設定された圧力条件で開放されてガスを外部に排出させる最終圧力板を含む二重安全バルブであることを特徴とする，
   請求項１に記載の二次電池。
4. 前記内部圧力板と最終圧力板は，同一な破断強度を有するように形成されることを特徴とする，
   請求項１に記載の二次電池。
5. 前記内部圧力板と最終圧力板は，相違した破断強度を有するように形成されることを特徴とする，
   請求項１に記載の二次電池。
6. 前記多重安全バルブは，内部圧力板から最終圧力板に向かうほど破断強度が増加することを特徴とする，
   請求項１に記載の二次電池。
7. 前記ケースは角形であることを特徴とする，
   請求項１に記載の二次電池。
8. 前記ケースは円筒形であることを特徴とする，
   請求項１に記載の二次電池。
9. 前記二次電池はモーター駆動用であることを特徴とする，
   請求項１に記載の二次電池。

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