JP4701071B2 - 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かかり，特に巻心部材の変形方向をあらかじめ決めて，電池安全性が向上したリチウム二次電池に関する。
最近には，携帯電話，ノ−ト型コンピュ−タ，カムコ−ダなどのコンパクト，かつ，軽量化された電気／電子装置が活発に開発および生産されている。このような携帯用電気／電子装置は，別途の電源が備えら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。内蔵された電池パックは，携帯用電気／電子装置を一定期間の間に駆動するために一定のレベルの電圧を出力することができるように，内部に1つ以上の電池を具備している。
電池パックは，経済的な面を考慮して，最近は，充放電が可能な二次電池を採用している。二次電池の代表的なものは，ニッケル−カドミウム(Ｎｉ−Ｃｄ)電池と，ニッケル−水素(Ｎｉ−ＭＨ)電池と，リチウム(Ｌｉ)電池およびリチウムイオン(Ｌｉ−ｉｏｎ)電池などのリチウム二次電池となどがある。
特に，リチウム二次電池は，作動電圧が３.６Ｖであって，携帯用電子装備の電源として多く使われているニッケル−カドミウム電池や，ニッケル−水素電池よりも３倍も高くて，単位質量当たりのエネルギ−密度が高いという面から，急速に伸張している。
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を，負極活物質としては炭素材を使っている。一般的には，電解液の種類によって，液体電解質の電池と，高分子電解質の電池とに分類され，液体電解質を使う電池をリチウムイオン電池といい，高分子電解質を使う電池をリチウムポリマ−電池という。また，リチウム二次電池は，様々な形状に製造されているが，代表的な形状としては，例えば円筒形，角形，および，パウチ型が挙げられる。
通常，円筒形リチウム二次電池は，正極活物質がコ−ティングされた正極電極板と，負極活物質がコ−ティング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，ショ−トを防止し，リチウムイオン(Ｌｉ−ｉｏｎ)の移動のみを可能にするセパレ−タとがほぼ円筒形に巻き取られた電極組立体とこの電極組立体を収容する円筒形ケ−スと円筒形ケ−スの内側に注入され，リチウムイオンの移動を可能にする電解液とからなっている。
このような円筒形リチウム二次電池は，下記のように製造される。
まず，正極活物質がコ−ティングされて正極タップが繋がれた正極電極板と，負極活物質がコ−ティングされて負極タップが繋がれた負極電極板と，セパレ−タとを積層した後，これをほぼ円筒形に巻き取って電極組立体を製造する。
次に，前記ほぼ円筒形の電極組立体を円筒形ケ−スに収容して，電極組立体が離脱しないようにした後，円筒形ケ−スに電解液を注入した後，封止して円筒形リチウム二次電池を完成する。
上述したような円筒形リチウム二次電池は，一般的に電極組立体の中心部に空間が生じる。このような空間は，電極組立体の融解および変形を発生させるという問題点がある。
一方，上述したような問題点を解決するために，電極組立体の中心部の空間に図１に示されたような巻心部材１００を挿入する方法が導入された。
巻心部材１００は，一般的に一種のプレ−ト(Ｐｌａｔｅ)を巻いて形成され，断面が円型である管状であって，長手方向に沿って一部分が切り込まれた形状からなる。
なお上記において，構成要素に付随して記した参照符号は，理解を容易にするため，後述の実施形態および図面における対応する構成要素および記号を一例として記したに過ぎず，本発明がこれに限定されるものではない。
ところで，上記の巻心部材は，外部圧力による圧縮などの変形により容易に変形されるか，あるいは，容易に破壊されるという問題点がある。
特に，巻心部材１００が変形または破壊される場合には，電極組立体のセパレ−タを破壊することができ，このようなセパレ−タの破壊は，正極電極板および負極電極板との間のショ−トを誘発して，リチウム二次電池，特に円筒形リチウム二次電池の破壊または爆発を起こすことができるという致命的な問題点がある。
また，巻心部材１００は，外部圧力，特に，横方向圧力による変形時に，管状の断面が不均一に変形することができる。このような断面の不均一な変形は，セパレ−タの破壊が起こる原因となる可能性がある。
本発明は，上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は巻心部材の変形方向をあらかじめ決めて，電池の安全性を向上させることが可能な，新規かつ改良されたリチウム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，リチウム二次電池は，第１の電極板と，第２の電極板と，前記第１の電極板と前記第２の電極板との間に介在されたセパレ−タとを備える巻取型電極組立体と，長手方向に沿って切り込み溝が形成され，前記電極組立体の中心空間に挿入され，かつ，外圧の作用時に内側に巻かれるようにした管状の巻心部材と，前記電極組立体を収容するケ−スと，前記ケ−スの上部と結合され，前記ケースを封止するキャップ組立体と，を含み，前記巻心部材の外面の一部分には，切欠き部が形成され，前記切欠き部は，前記切り込み溝が形成された位置の反対側に位置し，前記巻心部材の長手方向に形成されている。
巻心部材は，切り込み溝の両側端のいずれか一端が他端の内側に位置するようにして，外圧の作用時に螺旋状に巻かれるようにすることができる。その理由として，巻心部材の撓み変形を防止し，電極組立体に影響を与えることを最小化し，縦方向の外圧に対する抵抗力がより向上させるためである。
巻心部材は，その外部面の一部分に切欠き部が形成されることもできる。この切欠き部は，切り込み溝の反対側に位置し，巻心部材の長手方向に形成することができる。これにより，巻心部材に横方向の外圧が作用する場合，巻心部材の変形がより容易になされるようにすることもできる。この切欠き部が，切り込み溝の反対側に位置することにより，巻心部材が横方向の圧力を受ける場合，切欠き部を中心として巻心部材の断面変形が均一になされるようにすることもできる。
電極組立体とケ−スの下面との間には，下部絶縁板が位置され，電極組立体とキャップ組立体との間には，上部絶縁板が位置されることができる。
第１の電極板または第２の電極板のいずれか一つは，電極タップを介してケ−スの下部の下面に電気的に繋がれ，巻芯部材は，下面に電気的に繋がれる電極タップの上に位置することができる。
また，本発明の他の観点によれば，リチウム二次電池は，第１の電極板と，第２の電極板と，前記第１の電極板と前記第２の電極板との間に介在されたセパレ−タとを備える巻取型電極組立体と，長手方向に沿って切り込み溝が形成され，前記電極組立体の中心空間に挿入され，かつ，前記切り込み溝の両側端のいずれか一端は，他端の内側に位置するようにして，外圧の作用時に内側に巻かれるようにした巻心部材と，前記電極組立体を収容する空間を備えるケ−スと，前記ケ−スの上部と結合され，これを封止するキャップ組立体と，を含み，前記巻心部材は，一部分に切欠き部を更に備え，前記切欠き部は，前記切り込み溝が形成された位置の反対側に位置し，前記巻心部材の長手方向に形成されている。
以上のように，本発明によれば，巻心部材の変形方向をあらかじめ定めて，電池安全性が向上したリチウム二次電池を提供することができる。
以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかる円筒形リチウム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。
（第１実施形態）
図２Ａは，本発明の一実施例による円筒形リチウム二次電池を説明するための斜視図であり，図２Ｂは，図２ＡのＡ−Ａ線による断面図である。
図２Ａは，本発明の一実施例による円筒形リチウム二次電池を説明するための斜視図であり，図２Ｂは，図２ＡのＡ−Ａ線による断面図である。
図２Ａおよび図２Ｂに示されたように，第１実施形態による円筒形リチウム二次電池２００は，充・放電時に電圧差を発生させる電極組立体３００と，電極組立体３００を収納するケース，例えば，円筒形，角形など，形状は円筒形に限定されるものではない。本実施形態では，円筒形ケース４００を備える構造とする。また，円筒形ケ−ス４００と，円筒形ケ−ス４００の上部に組み立てられ，記電極組立体３００が離脱しないようにするキャップ組立体５００と，円筒形ケ−ス４００に注入され，電極組立体３００の間にリチウムイオンの移動ができるようにする電解液６００と，電極組立体の中央部の空間に位置する巻心部材７００とを備える構造からなっている。
電極組立体３００は，正極活物質または負極活物質のいずれか一つ，例えば，正極活物質がコ−ティングされた第１の電極板３１０と，正極活物質または負極活物質の他の一つ，例えば，負極活物質がコ−ティングされた第２の電極板３２０と，前記第１の電極板３１０と第２の電極板３２０との間に位置して前記第１の電極板３１０と第２の電極板３２０とのショ−ト(Ｓｈｏｒｔ)を防止し，リチウムイオンの移動のみを可能にするセパレ−タ３３０とからなる。また，前記第１の電極板２１０，第２の電極板３２０およびセパレ−タ３３０は，円型に巻き取られて，円筒形ケ−ス４００に収納される。また，第１の電極板３１０には，一般的にアルミニウム(Ａｌ)材質からなり，上部に一定の長さ突出された第１の電極タップ３１５が接合されている。第２の電極板３２０には，一般的にニッケル(Ｎｉ)材質からなり，下部に一定の長さ突出された第２の電極タップ３２５が接合されているが，上記の材質を限定することではない。なお，電極組立体３００の上・下部には，それぞれ直接的なキャップ組立体５００が取り付けられている。また，円筒形ケ−ス４００との接触を避けるために，上・下部の絶縁板３４１，３４５が更に取り付けられている。
円筒形ケ−ス４００は，円筒形の電極組立体３００が結合されるように，所定の空間を有し，一定の直径を持つ円筒形側面板４１０が形成されており，円筒形側面板４１０の下部には，その円筒形側面板４１０の下部空間を塞いだ下面板４２０が形成されており，円筒形側面板４１０の上部は，電極組立体３００を挿入するために開口されている。一方，円筒形ケ−ス４００の下面板４２０の中央に電極組立体３００の第１の電極タップ３１５または第２の電極タップ３２５のいずれか一つ，例えば，第２の電極タップ３２５が接合されることにより，円筒形ケ−ス４００自体は，第２の電極板３２０と等しい電極，例えば，負極端子の役目を行うことになる。また，円筒形ケ−ス４００は，一般的にアルミニウム(Ａｌ)，鉄(Ｆｅ)またはこれらの合金で形成される。なお，円筒形ケ−ス４００は，上部からキャップ組立体５００を圧迫するように，片方に撓んだクリピング(Ｃｒｉｍｐｉｎｇ)部４３０が形成され，下部から上部方向にキャップ組立体５００を圧迫するように，内側に凹んだビ−ディング(Ｂｅａｄｉｎｇ)部４４０が更に形成されている。
キャップ組立体５００は，第１の電極タップ３１５が溶接された同時に，過充電または異常発熱時に形態が反転される導電性の安全ベント５１０と，導電性の安全ベント５１０上部に電気的および機械的に繋がれ，安全ベント５１０の反転時に回路が切れる印刷回路基板(ＰＣＢ，Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ)５２０と，印刷回路基板５２０上部に電気的および機械的に繋がれ，所定の温度以上で回路が切れる陽性温度素子５３０と，陽性温度素子５３０上部に電気的および機械的に繋がれ，実際の電流を外部に印加する導電性電極キャップ５４０と，安全ベント５１０，印刷回路基板５２０，陽性温度素子５３０および電極キャップ５４０の側部の周りを取り囲み，円筒形ケ−ス４００内に並べ，上記の設備を絶縁させる絶縁ガスケット５５０とからなる。この電極キャップ５４０は，電極組立体３００の第１の電極タップ３１５または第２の電極タップ３２５のいずれか一つ，例えば，第１の電極タップ３１５が接合され，第１の電極板３１０と等しい電極，例えば，正極端子の役目を行う。
電解液６００は，充・放電時に電池内部の正極および負極で電気化学的反応により生成されるリチウムイオン(Ｌｉ Ｉｏｎ)の移動媒体の役目をするため，リチウム塩と高純度の有機溶媒類との混合物である非水系有機電解液であることができる。なお，電解液６００は，高分子電解質を用いたポリマ−であることもでき，ここで，電解液物質の種類を限定することではない。
巻心部材７００は，管状からなり，また，長手方向に沿って切り込み溝が形成されており，切り込み溝の両側端のいずれか一端は，より内側に位置し，他端はより外側に位置する。このような巻心部材７００は，巻取型電極組立体３００の中心空間に挿入され，巻取型電極組立体３００が，融解することを防止し，外圧による巻取型電極組立体３００の変形を防止する役目を行う。また，巻心部材７００は，巻取型電極組立体３００の中心空間に挿入され，電極組立体３００の第２の電極タップ３２５を円筒形ケ−ス４００の下面４２０の中央部に溶接する場合に，第２の電極タップ３２５に圧力をかけて，第２の電極タップ３２５が円筒形ケ−ス４００の下面４２０に接触するようにする役目を行うこともできる。
（第２実施形態）
一方，図３Ａは，第２実施形態による円筒形リチウム二次電池の巻心部材を示す斜視図であり，図３Ｂは，図３ＡのＢ−Ｂ線による断面図である。
一方，図３Ａは，第２実施形態による円筒形リチウム二次電池の巻心部材を示す斜視図であり，図３Ｂは，図３ＡのＢ−Ｂ線による断面図である。
図３Ａおよび図３Ｂを参照すれば，第２実施形態による円筒形リチウム二次電池の巻心部材７００は，長手方向に沿って形成された切り込み溝７１０を備える管状からなり，切り込み溝７１０の両側端のいずれか一端は，より内側に位置し，他端はより外側に位置する。
これは，巻心部材７００が外圧により変形される時，巻心部材７００の変形方向をあらかじめ設定するためのものであって，巻心部材７００の変形が発生しても電極組立体３００に影響を与えることを最小化するためである。特に，巻心部材７００の変形時に，電極組立体３００のうちのセパレ−タ３３０の破壊が発生する確率が一番高いが，これを防止するために，巻心部材７００の切り込み溝７１０の両側端のいずれか一端を他端よりも内側に位置させることにより，巻心部材７００が横方向の外圧を受けて変形が発生する場合，巻心部材７００が一種の螺旋状に内部に巻かれるようにし，巻心部材７００の撓み変形を防止し，電極組立体３００に影響を与えることを最小化できるものである。また，このような場合，巻心部材７００は，縦方向の外圧に対する抵抗力がより向上することができる。
また，巻心部材７００の外部面の一部分に切欠き部７２０を形成することにより，巻心部材７２０に横方向の外圧が作用する場合，巻心部材７００の変形がより容易になされるようにすることもできる。この切欠き部７２０は，切り込み溝７１０の反対側に位置するのが望ましい。これは，切欠き部７２０が切り込み溝７１０の反対側に位置するように形成することにより，巻心部材７００が横方向の圧力を受ける場合，切欠き部７２０を中心として巻心部材７００の断面変形が均一になされるようにすることができる。
（第３実施形態）
図４は，第３実施形態による円筒形リチウム二次電池の製造の形成段階の説明図である。
図４は，第３実施形態による円筒形リチウム二次電池の製造の形成段階の説明図である。
図４を参照すれば，第３実施形態による円筒形リチウム二次電池の製造方法は，電極組立体３００の形成段階(Ｓ１)，電極組立体３００の結合段階(Ｓ２)，巻心部材７００の挿入段階(Ｓ３)，電解液６００の注入段階(Ｓ４)およびキャップ組立体５００の結合段階(Ｓ５)を含む。
図５Ａ〜図５Ｄは，第３実施形態による円筒形リチウム二次電池の製造方法の説明図である。以下では，図４と共に，本実施形態による円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明する。
図５Ａを参照すれば，まず，電極組立体３００の形成段階(Ｓ１)では，第１の電極板３１０，セパレ−タ３３０，第２の電極板３２０を順次積層し，これらの一端には，巻取軸８００を結合した後，ほぼ渦形に巻き取って電極組立体３００を形成する。勿論，巻取工程前に，第１の電極板３１０には第１の電極タップ３１５が，第２の電極板３２０には第２の電極タップ３２５が取り付けられる。
図５Ｂを参照すれば，電極組立体３００の結合段階(Ｓ２)では，ほぼ円筒形の電極組立体３００を円筒形ケ−ス４００に結合する。勿論，電極組立体３００を円筒形ケ−ス４００に結合した後は，電極組立体３００から巻取軸８００を取り外し，この電極組立体３００の中心部に，ほぼ円型の空間が形成される。勿論，巻取軸８００は，電極組立体３００の結合前にあらかじめ取り外すことができ，その手順を限定することではない。また，円筒形ケ−ス４００には，あらかじめ下部絶縁板３４１(図５上には図示せず)が結合されている。
図５Ｃを参照すれば，巻心部材７００の挿入段階(Ｓ３)では，巻取軸８００が取り外され，電極組立体３００の中心部に形成された空間に，図３Ａおよび図３Ｂに示されたような巻心部材７００を挿入する。
ここで，巻心部材７００の挿入前に，電極組立体３００の第１の電極タップ３１５または第２の電極タップ３２５のいずれか一つ，例えば，第２の電極タップ３２５は，円筒形ケ−ス４００の下面４２０に抵抗溶接などの方法であらかじめ付着・固定されることができる。したがって，巻心部材７００は，第２の電極タップ３２５の上面に接触されたまま位置して，第２の電極タップ３２５をより強く円筒形ケ−ス４００に結合させる役目もする。一方，上記のように，巻心部材７００は，電極組立体３００が持つ高さの概ね９０％から１１０％程度であることが望ましい。その理由として，巻心部材７００の高さが電極組立体３００の９０％以下であれば，電極組立体３００を固定および支持する力が弱くなり過ぎ，１１０％以上の場合は，キャップ組立体５００の構成要素と接触する恐れがあるからである。
次に，電解液の注入段階(Ｓ４)では，電極組立体３００の上端まで電解液６００を注入する。また，電解液６００は，電極組立体３００で第１の電極板３１０と第２の電極板３２０との間に充・放電時にリチウムイオンの移動ができるようにする役目を行う。
図５Ｄを参照すれば，キャップ組立体５００の結合段階(Ｓ５)において，円筒形ケ−ス４００上部に複数の構成要素からなるキャップ組立体５００を結合し，上述した電極組立体３００，巻心部材６００および電解液が外部に離脱または漏れないようにして，円筒形リチウム二次電池２００を形成する。
より詳しく説明すると，前記円筒形ケ−ス４００の上部にリング状の絶縁ガスケット５５０を結合し，電極組立体３００の第１の電極タップ３１５または第２の電極タップ３２５のいずれか一つ，例えば第１の電極タップ３１５と電気的に繋がれる導電性の安全ベント５１０，印刷回路基板５２０，陽性温度素子５３０および電極キャップ５４０を順次結合する。
次に，絶縁ガスケット５４０の下端に該当する円筒形ケ−ス４００をビ−ディングして内側方向に陷沒されたビ−ディング部４４０を形成し，その上端をクリピングしてクリピング部４３０を形成することにより，キャップ組立体５００が外部に離脱しないようにして，円筒形リチウム二次電池２００を形成するものである。
図６は，第３実施形態による円筒形リチウム二次電池の巻心部材の外圧による変形の説明図である。
図６を参照すれば，円筒形リチウム二次電池２００に外部圧力，特に横方向の圧力が作用する場合，巻心部材７００は，切り込み溝７１０の両側端のいずれか一つが他の一つよりも内側に位置し，切欠き部７２０が巻心部材７００の外側面に位置するので，巻心部材７００は，螺旋状に巻かれながら変形される。
上記したように，本実施形態による円筒形リチウム二次電池２００の巻心部材７００は，横方向の外圧が作用する場合，螺旋状に内部に巻かれながら変形される。したがって，巻心部材７００の撓み変形を防止することができる。すなわち，巻心部材７００は，外圧に対する抵抗性が向上する。
したがって，円筒形リチウム二次電池２００の外圧に対する安全性が向上する。
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかるリチウム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。
本発明は，円筒形リチウム二次電池に適用可能であり，より詳しくは，巻心部材の変形方向をあらかじめ決めて，電池安全性が向上したリチウム二次電池に適用可能である。
１００ 巻芯部材
２００ 円筒形リチウム二次電池
２１０ 第１の電極板
３００ 電極組立体
３１０ 第１の電極板
３１５ 第１の電極タップ
３２０ 第２の電極板
３２５ 第２の電極タップ
３３０ セパレ−タ
３４１ 絶縁板
３４５ 絶縁板
４００ 円筒形ケ−ス
４１０ 円筒面
４２０ 下面
４３０ クリピング部
４４０ ビ−ディング部
５００ キャップ組立体
５１０ 安全ベント
５２０ 印刷回路基板
５３０ 陽性温度素子
５４０ 電極キャップ
５５０ 絶縁ガスケット
６００ 電解質
７００ 巻心部材
７１０ 切り込み溝
７２０ 切欠き部
８００ 巻取軸
２００ 円筒形リチウム二次電池
２１０ 第１の電極板
３００ 電極組立体
３１０ 第１の電極板
３１５ 第１の電極タップ
３２０ 第２の電極板
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３４１ 絶縁板
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５５０ 絶縁ガスケット
６００ 電解質
７００ 巻心部材
７１０ 切り込み溝
７２０ 切欠き部
８００ 巻取軸
Claims (5)
- 第１の電極板と，第２の電極板と，前記第１の電極板と前記第２の電極板との間に介在されたセパレ−タとを備える巻取型電極組立体と；
長手方向に沿って切り込み溝が形成され，前記電極組立体の中心空間に挿入され，かつ，外圧の作用時に内側に巻かれるようにした管状の巻心部材と；
前記電極組立体を収容するケ−スと；
前記ケ−スの上部と結合され，前記ケースを封止するキャップ組立体と；
を含み，
前記巻心部材の外面の一部分には，切欠き部が形成され，
前記切欠き部は，前記切り込み溝が形成された位置の反対側に位置し，前記巻心部材の長手方向に形成されていることを特徴とする，リチウム二次電池。 - 前記巻心部材は，前記切り込み溝の両側端のいずれか一端が，他端の内側に位置するようにして，外圧の作用時に螺旋状に巻かれるように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。
- 前記電極組立体と前記ケ−スの下面との間には，下部絶縁板が配置され，前記電極組立体と前記キャップ組立体との間には上部絶縁板が配置されていることを特徴とする，請求項１または２に記載のリチウム二次電池。
- 前記第１の電極板および第２の電極板のいずれか一つは，電極タップを介して前記ケ−スの下部の下面に電気的に接続され，前記巻心部材は，前記下面に電気的に接続された前記電極タップの上に位置することを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載のリチウム二次電池。
- 第１の電極板と，第２の電極板と，前記第１の電極板と前記第２の電極板との間に介在されたセパレ−タとを備える巻取型電極組立体と；
長手方向に沿って切り込み溝が形成され，前記電極組立体の中心空間に挿入され，かつ，前記切り込み溝の両側端のいずれか一端は，他端の内側に位置するようにして，外圧の作用時に内側に巻かれるようにした巻心部材と；
前記電極組立体を収容する空間を備えるケ−スと；
前記ケ−スの上部と結合され，これを封止するキャップ組立体と；
を含み，
前記巻心部材は，一部分に切欠き部を更に備え，
前記切欠き部は，前記切り込み溝が形成された位置の反対側に位置し，前記巻心部材の長手方向に形成されていることを特徴とする，リチウム二次電池。
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