JP4787046B2 - 円筒状のリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、円筒状のリチウムイオン二次電池に関し、より詳細には、外圧の作用に対する安全性が向上した円筒状のリチウム二次電池に関する。
一般的に、円筒状のリチウムイオン二次電池は、略円筒状に巻き取られた電極組立体と、前記電極組立体が結合される円筒状の缶と、前記缶の内部に注入され、リチウムイオンの移動ができるようにする電解液と、前記缶の一側に結合され、前記電解液の漏液を防止し、電極組立体の離脱を防止するキャップ組立体とから構成される。
このような円筒状のリチウムイオン二次電池は、通常、その出力が２０００〜２４００ｍＡ程度であるため、主に大容量の電力が必要となるノート型パソコン、デジタルカメラ、またはビデオカメラなどに装着されている。一例として、このような円筒状のリチウムイオン二次電池は、上記のような電子機器を作動させるために、必要な個数を直並列的に連結し、また、保護回路が装着されたままで所定の形態のハードパックに組み立てられ、前記電子機器の電源用として用いられる。
このような円筒状のリチウムイオン二次電池は、一般的に、以下に示すような方法で製造される。
まず、所定の活物質層が形成された負極板、セパレータ及び所定の活物質層が形成された正極板を共に積層した後、棒状の巻取軸に一端を結合した後、略円筒状に巻き取って電極組立体を形成する。続いて、前記電極組立体を円筒状の缶に挿入した後、電解液を注入し、次に、キャップ組立体を、前記円筒状の缶の上部に溶接することによって、略円筒状のリチウムイオン二次電池が完成する。
ところで、近年、前記リチウムイオン二次電池を充電または放電させている間、前記電極組立体が変形しないように、前記電極組立体の中央に、略棒状の巻心部材を結合させている。
しかし、前記のような巻心部材は、外圧により変形したり、破壊されたりするという問題点がある。
特に、前記巻心部材が変形または破壊される場合には、前記電極組立体のセパレータが破壊され、このようなセパレータの破壊は、前記正極電極板と前記負極電極板との間が短絡し、前記円筒状のリチウム二次電池の破壊または爆発を起こせるという致命的な問題点がある。
また、前記巻心部材は、外圧、特に縦方向の圧力による変形時、管状の端面が不均一に変形される。このような端面の不均一な変形は、前記セパレータの破壊が発生する可能性が極めて高くなるという問題点がある。
本発明は、上記した従来技術の問題点を解決するためのもので、外圧の作用に対する安全性が向上した円筒状のリチウム二次電池を提供することを目的とする。
上記した目的を達成するための本発明に係る円筒状のリチウム二次電池は、第１の電極板、第２の電極板、及び前記第１の電極板と第２の電極板との間に介在されたセパレータとを備える巻取型の電極組立体と、長手方向に沿って切欠き溝が形成された管状からを呈し、前記電極組立体の内部に挿入される巻心部材と、前記電極組立体を収容する空間を備える筐体と、前記筐体の上部に結合され、前記筐体封止するキャップ組立体と、を含み、前記切欠き溝をなす対向する２つの面のうち少なくとも一方は、前記巻心部材の内周面となす角度が鋭角であって前記巻心部材の外周面となす角度が鈍角であり、前記巻心部材は、切欠き溝の周方向の両端部が、当該巻心部材の周面の内側に折り曲げられ、前記巻心部材の内側に折り曲げられた部分は、平坦な面からなることを特徴とする。
前記切欠き溝をなす対向する２つの面は、当該巻心部材の内周面または外周面に傾斜して接するように形成されることを特徴とする。
前記切欠き溝をなす対向する２つの面をそれぞれ延長した面は、前記巻心部材の内部で交差することが望ましい。
前記切欠き溝をなす対向する２つの面をそれぞれ延長した面が交差してなす角度は、６０゜以上であることが望ましい。
前記巻心部材の高さは、前記電極組立体の高さの９０％〜１１０％であることが望ましい。
前記切欠き溝をなす対向する２つの面のうち少なくとも一方と前記巻心部材の内周面とがなす角度は、６０゜以下であることが望ましい。
前述のように、本発明によれば、外圧の作用に対する安全性が向上した円筒状のリチウム二次電池を提供することができる。
以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施の形態について説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一の構成要素を示している。
図１ａは本実施の形態に係る円筒状のリチウム二次電池を説明するための斜視図であり、図１ｂは図１ａのＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図１ｃは図１ａのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
図１ａ〜図１ｃに示されているように、本実施の形態に係る円筒状のリチウム二次電池１００は、充放電時に電圧差を発生する電極組立体２００と、電極組立体２００を収納する円筒状の筐体３００と、円筒状の筐体３００の上部に組み付けられ、電極組立体２００が離脱しないようにするキャップ組立体４００と、電極組立体２００の中央部の空間に位置する巻心部材５００とを備える。
電極組立体２００は、正極活物質及び負極Ｆ活物質のいずれか一つ、例えば、正極活物質がコートされた第１の電極板２１０、負極活物質がコートされた第２の電極板２２０、及び第１の電極板２１０と第２の電極板２２０との間に介在されるセパレータ２３０と、を備える。
セパレータ２３０は、第１の電極板２１０と第２の電極板２２０との間の短絡を防止し、リチウムイオンの移動を可能とするものである。
第１の電極板２１０、第２の電極板２２０、及びセパレータ２３０は、略円形状に巻き取られ、円筒状の筐体３００に収納される。また、第１の電極板２１０には、一般に、アルミニウム（Ａｌ）を含む材質から形成され、上部へ一定の長さだけ突出した第１の電極タブ２１５が取り付けられている。第２の電極板２２０には、一般に、ニッケル（Ｎｉ）を含む材質から形成され、下部へ一定の長さだけ突出した第２の電極タブ２２５が取り付けられている。なお、本発明において上記の材質を限定するものではない。さらに、電極組立体２００の上部、または、下部には、各々直接的なキャップ組立体４００、または、円筒状の筐体３００との接触を避けるために、上部に絶縁プレート２４１、下部に絶縁プレート２４５が更に取り付けられている。
円筒状の筐体３００には、電極組立体２００が結合できるように所定の空間を有し、一定の直径を持つ円筒面３１０が形成されており、円筒面３１０の下部には、円筒面３１０の下部空間を塞ぐ下面３２０が形成されており、円筒面３１０の上部は、電極組立体２００を挿入するための開口部が形成されている。一方、円筒状の筐体３００の下面３２０の中央部に、電極組立体２００の第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５のいずれか一つ、例えば、第２の電極タブ２２５が取り付けられることで、円筒状の筐体３００自体は、第２の電極板２２０と同じ電極、例えば、負極端子の役割を果たすことになる。また、円筒状の筐体３００は、一般に、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、または、これらの合金により形成される。さらに、円筒状の筐体３００は、上部からキャップ組立体４００を押し付けるように片方に曲げられたクリンピング（Ｃｒｉｍｐｉｎｇ）部３３０が形成され、下部から上部方向へ前記キャップ組立体４００を押し付けるように内側に凹んだビーディング（ｂｅａｄｉｎｇ）部３４０が更に形成されている。
キャップ組立体４００は、第１の電極タブ２１５が溶接されると共に、過充電または異常な発熱時に形態が変化する導電性安全ベント４１０と、導電性安全ベント４１０上部に電気的及び機械的に連結され、安全ベント４１０の作動時、回路が切断される印刷回路基板（ＰＣＢ、Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）４２０と、印刷回路基板４２０の上部に電気的及び機械的に連結され、所定の温度以上で回路が切断される陽性温度素子４３０と、陽性温度素子４３０の上部に電気的及び機械的に連結され、電流を外部に印加する導電性電極キャップ４４０と、安全ベント４１０、印刷回路基板４２０、陽性温度素子４３０、及び電極キャップ４４０の側部の周りを取り囲むように形成され、円筒状の筐体３００からこれらを絶縁させる絶縁ガスケット４５０と、を備える。この時、電極キャップ４４０は、電極組立体２００の第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５のいずれか一つ、例えば、第１の電極タブ２１５が取り付けられ、第１の電極板２１０と同じ電極、例えば正極端子の役割を果たす。
巻心部材５００は、巻取型の電極組立体２００の中央部に挿入され、巻取型の電極組立体２００が緩んで筐体から外れることを防止し、また、外圧による巻取型の電極組立体２００の変形を防止する役割も果たす。このような巻心部材５００は、略管状形状を呈している。また、巻心部材５００の長手方向に沿って切欠き溝５１０が形成されているが、このような切欠き溝５１０は、巻心部材５００が電極組立体２００に結合された状態では、密着されている。勿論、場合によっては、切欠き溝５１０は、一定の距離だけ離隔された状態を維持することもできる。
また、巻心部材５００の切欠き溝５１０を構成する２つの面の少なくとも一方の面５２０は、傾斜面からなることが望ましい。また、巻心部材５００の切欠き溝５１０が形成された両端の一部分は、巻心部材５００の内部に向かうように折り曲げられている。
また、巻心部材５００は、電極組立体２００が有する全高さの約９０％〜１１０％程度に形成されており、下端は、第２の電極タブ２２５上に位置する。このような巻心部材５００の高さが電極組立体２００の高さの９０％以下であれば、電極組立体２００を固定及び支持する力が弱く、また、電極組立体２００の高さの１１０％以上であれば、キャップ組立体３００の構成要素と接触してしまうので、望ましくない。
一方、図には示していないが、円筒状の筐体３００に、電極組立体２００間でリチウムイオンの移動ができるように、電解液が注入される。前記電解液は、充放電の際に、電池の内部の正極及び負極から電気化学的反応によって生成されるリチウムイオン（Ｌｉ−Ｉｏｎ）の移動媒体役割を果たし、これは、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質系有機電解液であることができる。さらに、前記電解液は、高分子電解質を用いたポリマーであることもでき、ここで、前記電解液物質の種類を限定するものではない。
図２ａは本実施の形態に係る円筒状のリチウム二次電池の巻心部材を説明するための斜視図であり、図２ｂは図２ａのＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
図２ａ及び図２ｂを参照すれば、本実施の形態に係る円筒状のリチウム二次電池１００の巻心部材５００は、略管状を呈しており、巻心部材５００の長手方向に沿って切欠き溝５１０が形成されている。
また、巻心部材５００の切欠き溝５１０をなす対向する２つの面のうち少なくとも一方の面５２０は、傾斜面からなることが望ましく、さらに望ましくは、切欠き溝５１０をなす２つの面５２０がそれぞれ傾斜面からなることが望ましい。
この時、巻心部材５００の切欠き溝５１０をなす対向する２つの面５２０は、その延長面が巻心部材５００の内部で交差するように傾斜していることが望ましく、より望ましくは、切欠き溝５１０をなす対向する２つの面５２０の延長面と切欠き溝５１０を構成する他の面５２０とが交差してなす角度αは、６０゜以上であることが望ましい。
また、巻心部材５００は、切欠き溝５１０が形成された両端部の一の部分が、巻心部材５００の内部に向かうように形成されている。具体的には、巻心部材５００は、切欠き溝５１０の周方向の両端部が、巻心部材５００の周面の内側に折り曲げられている。
これは、巻心部材５００が、平坦部５３０及び傾斜面を備えることによって、所定の圧力以上の外圧によって変形される時、巻心部材５００の変形方向を予め設定された方向、すなわち、巻心部材５００が切欠き溝５１０を基準として内部方向に変形するようにすることで、電極組立体２００に影響を与えることを最小化するためである。
換言すれば、巻心部材５００の変形時、巻心部材５００の切欠き溝５１０の一の部分がセパレータ２３０と当接して、セパレータ２３０を破壊することにより発生する、電極組立体２００の短絡を防止することである。
また、巻心部材５００の切欠き溝５１０をなす対向する２つの面のうち少なくとも一方の面５２０と巻心部材５００の内周面とがなす角度（γ）は、鋭角であることが望ましく、より望ましくは、巻心部材５００の切欠き溝５１０をなす対向する２つの面のうち少なくとも一方の面５２０と巻心部材５００の内周面とがなす角度（γ）は、６０゜以下であることが望ましい。換言すれば、巻心部材５００の切欠き溝５１０が形成された両端部は、巻心部材５００の円心を基準として、内部の角度、すなわち、内周面と切欠き溝５１０をなす少なくとも一方の面５２０とがなす角度（γ）が鋭角をなし、これによって、外部の角度、すなわち、外周面と切欠き溝５１０をなす少なくとも一方の面５２０とがなす角度（β）が鈍角であることが望ましい。より望ましくは、巻心部材５００の切欠き溝５１０が形成された両端部は、巻心部材５００の円心を基準として、内部の角度（γ）は６０゜以下であることが望ましい。
これは、巻心部材５００が外部の圧力によって回転または変形される場合、巻心部材５００の切欠き溝５１０が形成された両端の内部の角度（γ）が９０゜以上になることから、前記外部の角度（β）が９０゜以下である場合よりも、電極組立体２００を破壊して、短絡が発生する確率が少ないためである。
また、巻心部材５００は、電極組立体２００が有する全高さの約９０％から１１０％程度に形成されており、下端は、第２の電極タブ２２５上に位置する。このような巻心部材５００の高さが電極組立体２００の高さの９０％以下であれば、電極組立体２００を固定及び支持する力があまり弱く、また、１１０％以上であれば、キャップ組立体３００の構成要素と接触してしまうので、望ましくない。
図３は、本実施の形態に係る円筒状のリチウム二次電池の製造方法を説明するための説明図である。
図３を参照すれば、本実施の形態に係る円筒状のリチウム二次電池の製造方法は、電極組立体２００を形成するステップ（Ｓ１）と、電極組立体２００を結合するステップ（Ｓ２）と、巻心部材６００を挿入するステップ（Ｓ３）と、電解液を注入するステップ（Ｓ４）と、キャップ組立体４００を結合するステップ（Ｓ５）と、を含む。
図４ａ〜図４ｄは、本実施の形態に係る円筒状のリチウム二次電池の製造方法を説明するための図である。以下では、図３と共に、円筒状のリチウム二次電池の製造方法を説明する。
図４ａを参照すれば、まず、電極組立体２００を形成するステップ（Ｓ１）では、第１の電極板２１０、セパレータ２３０、及び第２の電極板２２０を順次積層し、その一端には、巻取軸７００を結合した後、略円筒状に巻き取って、電極組立体２００を形成する。勿論、前記巻取前に、第１の電極板２１０には第１の電極タブ２１５が、第２の電極板２２０には第２の電極タブ２２５がそれぞれ取り付けられる。
図４ｂを参照すれば、電極組立体２００を結合するステップ（Ｓ２）では、前記略円筒状の電極組立体２００を円筒状の筐体３００に結合する。勿論、前記結合後には、電極組立体２００から巻取軸７００を取り外し、この時、電極組立体２００の中心部には、略円形状の空間が形成される。勿論、巻取軸７００は、電極組立体２００の結合前に予め取り外すことができ、本発明においてその順序を限定するものではない。また、円筒状の筐体３００には、予め下部の絶縁板（図示せず）が結合されている。
図４ｃを参照すれば、巻心部材５００を挿入するステップ（Ｓ３）では、巻取軸７００が取り外され、電極組立体２００の中心部に形成された空間に、図２ａ及び図２ｂに示されているような巻心部材５００を挿入する。
ここで、巻心部材５００の挿入前に、電極組立体２００のうち、第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５のいずれか一方、例えば、第２の電極タブ２２５は、円筒状の筐体３００の下面３２０に、抵抗溶接などの方法で、予め付着・固定し得る。そのため、巻心部材５００は、第２の電極タブ２２５の上面に接触したままで位置し、第２の電極タブ２２５をより一層強固に円筒状の筐体３００に結合する役割も果たす。一方、上記したように、巻心部材５００は、電極組立体２００が有する高さの約９０％から１１０％程度であることが望ましい。すなわち、巻心部材５００の高さが電極組立体２００の９０％以下であり、電極組立体２００を固定及び支持する力があまり弱くなり、また、１１０％以上である場合には、キャップ組立体４００の構成要素と接触できるので、望ましくない。
次に、前記電解液を注入するステップ（Ｓ４）では、電極組立体２００の上端まで電解液を注入する。また、前記電解液は、電極組立体２００において、第１の電極板２１０と第２の電極板２２０との間で、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割を果たす。
図４ｄを参照すれば、キャップ組立体４００を結合するステップ（Ｓ５）では、円筒状の筐体３００の上部に、多数の構成要素からなるキャップ組立体４００を結合して、前述した電極組立体２００、巻心部材５００、及び電解液が外部に離脱または漏れないようにして、円筒状のリチウム二次電池１００を形成する。
より詳細に説明すれば、円筒状の筐体３００の上部に、略リング状の絶縁ガスケット４５０を結合し、続けて、その内部に、順次、電極組立体２００のうち、第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５のいずれか一方、例えば、第１の電極タブ２１５に電気的に連結される導電性安全ベント４１０、印刷回路基板４２０、陽性温度素子４３０、及び電極キャップ４４０を結合する。
次に、絶縁ガスケット４５０の下端に該当する円筒状の筐体３００をビーディングして内側方向に凹んだビーディング部３４０を形成し、その上端をクリンピングしてクリンピング部３３０を形成することで、キャップ組立体４００が外部に離脱しないようにして、円筒状のリチウム二次電池１００を形成することである。
上記したような円筒状のリチウム二次電池１００は、所定の圧力以上の外圧が作用して巻心部材５００の変形が発生する場合、巻心部材５００の切欠き溝５１０が形成された両端が、巻心部材５００の内部に巻き込まれるようにすることで、巻心部材５００の外圧に対する抵抗性が向上し、また、切欠き溝５１０によって電極組立体２００のセパレータ２３０が破壊されることを防止すると共に、電極組立体５００の短絡を防止するものである。
それによって、円筒状のリチウム二次電池１００の外圧に対する安全性が向上する。
本発明は、図面に示した実施の形態を参考にして説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者であれば、この実施の形態から多様な変形及び均等な他の実施の形態が可能であるという点を理解できる。したがって、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲により決定されなければならない。
二次電池に関する技術分野に有用である。
１００ 円筒状のリチウム二次電池、
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、
２４１、２４５ 絶縁プレート、
３００ 円筒状の筐体、
３１０ 円筒面、
３２０ 下面、
３３０ クリンピング部、
３４０ ビーディング部、
４００ キャップ組立体、
４１０ 安全ベント、
４２０ 印刷回路基板、
４３０ 陽性温度素子、
４４０ 電極キャップ、
４５０ 絶縁ガスケット、
５００ 巻心部材、
５１０ 切欠き溝、
５２０ 傾斜面、
５３０ 平坦面。
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、
２４１、２４５ 絶縁プレート、
３００ 円筒状の筐体、
３１０ 円筒面、
３２０ 下面、
３３０ クリンピング部、
３４０ ビーディング部、
４００ キャップ組立体、
４１０ 安全ベント、
４２０ 印刷回路基板、
４３０ 陽性温度素子、
４４０ 電極キャップ、
４５０ 絶縁ガスケット、
５００ 巻心部材、
５１０ 切欠き溝、
５２０ 傾斜面、
５３０ 平坦面。
Claims (7)
- 第１の電極板、第２の電極板、及び前記第１の電極板と第２の電極板との間に介在されたセパレータを備える巻取型の電極組立体と、
長手方向に沿って切欠き溝が形成された管状を呈し、前記電極組立体の内部に挿入される巻心部材と、
前記電極組立体を収容する空間を備える筐体と、
前記筐体の上部に結合され、前記筐体を封止するキャップ組立体と、
を含み、
前記切欠き溝をなす対向する２つの面のうち少なくとも一方は、前記巻心部材の内周面となす角度が鋭角であって前記巻心部材の外周面となす角度が鈍角であり、
前記巻心部材は、切欠き溝の周方向の両端部が、当該巻心部材の周面の内側に折り曲げられ、
前記巻心部材の内側に折り曲げられた部分は、平坦な面からなることを特徴とする円筒状のリチウム二次電池。 - 前記切欠き溝をなす対向する２つの面は、当該巻心部材の内周面または外周面に傾斜して接するように形成されることを特徴とする請求項１に記載の円筒状のリチウム二次電池。
- 前記切欠き溝をなす対向する２つの面をそれぞれ延長した面は、前記巻心部材の内部で交差することを特徴とする請求項１または２に記載の円筒状のリチウム二次電池。
- 前記切欠き溝をなす対向する２つの面をそれぞれ延長した面が交差してなす角度は、６０゜以上であることを特徴とする請求項３に記載の円筒状のリチウム二次電池。
- 前記巻心部材の高さは、前記電極組立体の高さの９０％〜１１０％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の円筒状のリチウム二次電池。
- 前記切欠き溝をなす対向する２つの面のうち少なくとも一方と前記巻心部材の内周面とがなす角度は、６０゜以下であることを特徴とする請求項１に記載の円筒状のリチウム二次電池。
- 前記切欠き溝をなす対向する２つの面のうち少なくとも一方は、内周面と４５゜以上９０゜未満の角度をなすことを特徴とする請求項１に記載の円筒状のリチウム二次電池。
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