JP4809253B2 - 二次電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池に関し、より詳しくは、キャッププレートに形成された電解液注入口の密閉性を向上させた二次電池に関する。
二次電池（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）は、充電が不可能な一次電池とは違って充電及び放電が可能な電池のことを言い、携帯電話、ノートパソコン、カムコーダなどの先端電子器機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であり、電子装備の電源として広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点で急速に伸びている。
このような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、負極活物質としては炭素材を用いている。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、液体電解質を用いる電池をリチウムイオン電池と言い、高分子電解質を用いる電池をリチウムポリマー電池と言う。また、リチウム二次電池は、様々な形状で製造されているが、代表的な形状としては円筒状、角形、そしてパウチ型がある。
図１には、従来の角形二次電池１０を示している。図１に示したように、二次電池１０は、缶１１と、前記缶１１の内部に収容された電極組立体１２と、前記缶１１に結合されたキャップ組立体２０とを含んで構成されている。
前記電極組立体１２は、正極板１３、セパレータ１４、負極板１５の順に巻き取られ、前記正極板１３及び負極板１５からは正極タップ１６及び負極タップ１７がそれぞれ引き出されている。
前記キャップ組立体２０は、前記缶１１の上部に結合されたキャッププレート２１と、前記キャッププレート２１にガスケット２２を媒介させて絶縁される負極端子２３と、前記キャッププレート２１の下部面に設けられた絶縁板２４と、前記絶縁板２４の下部面に設けられて前記負極端子２３と通電する端子プレート２５とを備えている。
前記正極タップ１６は、キャッププレート２１と電気的に接続され、前記負極タップ１７は端子プレート２５を介して負極端子２３と電気的に接続されている。
また、前記キャッププレート２１には、缶１１の内部に電解液を注入するための通路を提供する電解液注入口２６が形成され、前記電解液注入口２６には密閉部材２７が結合されている。
図２ａは、図１の電解液注入口が密閉される以前の状態を示し、図２ｂは、図２ａの電解液注入口が密閉された後の状態を示している。
図２ａ及び図２ｂを参照すれば、キャッププレート２１には電解液注入口２６が形成されている。前記電解液注入口２６が形成されたキャッププレート２１の上部面には、その周りに沿ってテーパー部２８が形成されている。前記テーパー部２８には、電解液が注入された後に電解液注入口２６を密閉するため、通常アルミニウム材質のボール２７が配置される。
前記ボール２７は、その上部からプレス１のような加圧手段で前記電解液注入口２６に圧着される。前記電解液注入口２６に対してボール２７が圧着されると、前記ボール２７はキャッププレート２１に圧着された境界部分に沿ってレーザー熔接され、熔接部２９を形成し、電解液注入口２６を密閉する。
ところが、従来の電解液注入口２６の密閉構造は、前記キャッププレート２１の上面から電解液注入口２６を拡張したテーパー部２８が形成され、前記ボール２７をテーパー部２８に載置した状態で電解液注入口２６に対して圧着するようになっているが、圧着後にボール２７の位置を確保できない一方でボール２７の上部面が正確に円形にならず、キャッププレート２１との境界部に沿って熔接部２９がきちんと形成できないことがある。
これにより、電池１０の内部に注入された電解液が、前記電解液注入口２６に沿って矢印で示したように外部に漏水する現象が発生するか、あるいは漏水電解液によって熔接時に過度なスパークが発生するか、内部電解液が電解液注入口２６の方に逆流してボール２７と電解液注入口２６の内周面との間にピンホール（ｐｉｎ−ｈｏｌｅ）が形成され、電解液注入口２６における密閉性が保証できないという問題点がある。
このような問題点に鑑みて案出された本発明の目的は、電解液注入口に載置されたボールの熔接時に、電解液注入口とボールとの間においてピンホールの発生を防止し、電解液の漏洩を防止することのできる二次電池を提供することにある。
前記目的を達成するための本発明に係る二次電池の一態様によれば、正極板、セパレータ、負極板を順に巻き取って形成した電極組立体と、前記電極組立体を収容した缶と、端子通孔及び電解液注入口が形成されたキャッププレートと、前記端子通孔を通じて結合した電極端子と、前記電極端子と前記キャッププレートとの間に介在して前記電極端子を絶縁するガスケットと、前記キャッププレートの電解液注入口に押し込まれて前記電解液注入口を密閉する栓とを含み、前記栓の外周面に樹脂材をコーティングしたことを特徴とする。
本発明に係る二次電池の他の態様によれば、正極、負極及びセパレータで構成された電極組立体と、前記電極組立体及び電解液を共に収納する缶と、前記缶の開口部を密封し、一端に電解液注入口が形成されたキャッププレートと、前記キャッププレートの電解液注入口を密閉する栓とを含む二次電池において、前記電解液注入口と前記栓との間に弾性材質の被膜が形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る二次電池の製造方法は、正極、負極及びセパレータ構成された電極組立体を形成するステップと、前記電極組立体を缶の開口部に収納し、一端に電解液注入口が形成されたキャッププレートを含むキャップ組立体を前記缶の開口部に結合するステップと、前記電解液注入口に被膜を形成するステップと、前記被膜が形成された電解液注入口を通じて電解液を前記缶の内部に注入するステップと、ボール（ｂａｌｌ）を前記被膜が形成された前記電解液注入口に押し込んで前記電解液注入口を密閉するステップとを含むことを特徴とする。
本発明の一実施例に係る二次電池は、電解液注入口を密閉する栓の外周面に樹脂材をコーティングし、このように樹脂材のコーティングされた栓を圧着した状態でキャッププレートに熔接するので、栓と電解液注入口との間にピンホールが発生することを防止し、これによって栓による電解液注入口の密閉性能を著しく向上させる効果がある。
また、本発明の他の実施例に係る二次電池は、電解液注入口に樹脂またはゴム材質の物質を含む液体溶剤をつけた後、溶剤を乾燥させて形成した被膜を備え、その被膜にボール（ｂａｌｌ）を押し込んで残存する被膜を圧縮することによって密閉性を確保する。これにより、従来ではボールの押し込み後に熔接で電解液注入口を密閉させる際に熔接不良によって発生していた電解液の漏出を防止することができる。
そして、本発明の他の実施例に係る二次電池は、電解液注入口に被膜を形成してボールを押し込むことで電解液注入口を密閉するので、従来では電解液注入口を密閉する際に実施されていたボール押込工程、熔接工程、光硬化樹脂塗布工程などの複雑な工程の中から、熔接、光硬化樹脂塗布などの工程を省いて工程を単純化することができる。これにより、本発明の缶型二次電池の製造方法では作業の効率性を高めることが可能である。
以下、本発明の望ましい実施例を添付図面に基づいてより詳細に説明する。
図３及び図４に示したように、本発明の一実施例に係る二次電池３０は、缶３１と、前記缶３１の内部に収容された電極組立体３２と、前記缶３１の開放された上端部を密封するキャップ組立体４０とを含んで構成されている。
前記缶３１は、上端部が開放された四角筒体であり、材質は金属で、それ自体が電極端子の役割を果たすことが可能である。
前記缶３１の内部に収容された電極組立体３２は、正極板３３と、セパレータ３４と、負極板３５の順に配置され、ゼリーロール状（ｊｅｌｌｙ−ｒｏｌｌ ｔｙｐｅ）に巻き取られている。
通常リチウム二次電池の場合、前記正極板３３は薄板のアルミニウムからなる正極集電体と、その両面にリチウム系酸化物を主成分とするスラリーがコーティングされ、前記負極板３５は薄板の銅からなる負極集電体と、その両面に炭素材を主成分とするスラリーがコーティングされている構成を有する。
前記正極板３３及び負極板３５からは、電極組立体３２の上部に一部が突き出された正極タップ３７及び負極タップ３６がそれぞれ引き出されている。前記正極タップ３７及び負極タップ３６は、熔接によって正極集電体及び負極集電体に固定されている。
一方、前記正極タップ３７及び負極タップ３６は極性を逆にして配置することも可能である。前記正極タップ３７及び負極タップ３６が正極板３３及び負極板３５の外部に突き出された部分では、正極板３３と負極板３５との間の短絡を防止するために絶縁テープ３８が巻かれている。
前記缶３１の開放された上端部には、キャップ組立体４０が設けられているが、このようなキャップ組立体４０の構成は、キャッププレート４１と、前記キャッププレート４１の下面に当接して設けられた絶縁プレート４６と、前記絶縁プレート４６の下面に当接して設けられた端子プレート４７とから構成されている。
前記キャッププレート４１は、中央に端子通孔４２が形成され、前記端子通孔４２には前記缶３１の内部に貫通する負極端子４５が設けられている。前記負極端子４５の外周面には、ガスケット４４が設けられ、前記負極端子４５と前記キャッププレート４１とを絶縁させている。前記端子プレート４７には、前記負極端子４５が結合される。
また、前記キャップ組立体４０と電極組立体３２との間には、絶縁ケース４８がさらに設けられている。
前記正極タップ３７は、熔接などによって前記キャッププレート４１に直接固定され、前記負極タップ３６は前記端子プレート４７を介して負極端子４５と熔接などによって固定されて電気的に接続される。これとは逆に、前記電極の極性を逆にして二次電池３０を設計することも可能である。
また、前記キャップ組立体４０の構成は前述した構成に限定されるわけではない。
前記キャッププレート４１の一端には、前記缶３１の内部に電解液の注入が可能な電解液注入口４３が形成され、前記電解液注入口４３は栓５０によって密閉されている。
図４に示すように、前記電解液注入口４３を密閉するための栓５０は、ボール５１を用い、このボール５１の外周面に樹脂材５２がコーティングされている。
前記栓５０は、前記ボール５１の他にも、図示していないがピン（ｐｉｎ）タイプを用いることもできる。
前記ボール５１は、アルミニウムまたはアルミニウム合金が主に用いられ、ステンレス鋼を用いることもできる。
前記樹脂材５２は、速乾性硬化樹脂を用い、望ましくはエポキシ樹脂を用いる。通常エポキシ樹脂は、単独で用いられる場合はほとんどなく、３次元の熱硬化性物質に変化させるために硬化剤と配合して用いられる。そして、その性能は硬化剤の選択に大きく左右される。このような硬化剤は、種類によって使用量が数ＰＨＲから略同一量で用いられるものまで多様であり、硬化物の性質、混合時の添加時間、粘度、硬化温度、硬化時間、発熱等の用いる硬化剤の種類によって差がある。
このようにして形成された栓５０により電解液注入口４３が密閉された状態の作用を図５に基づいて説明する。
キャッププレート４１に形成された電解液注入口４３に栓５０を配置した状態で圧着させると、ボール５１とボール５１の外周面にコーティングされた樹脂材５２とが電解液注入口４３に圧着される。
そして、キャッププレート４１の上面において、圧着された栓５０の境界部分に沿ってレーザー熔接を施すと、栓５０の上部周辺に熔接部４９が形成されて栓５０の上端部エッジがキャッププレート４１に固定され、栓５０によって電解液注入口４３が密閉される。このように、キャッププレート４１に栓５０を固定するために熔接部４９を形成する過程において、前記栓５０はボール５１の外周面にコーティングされた樹脂材５２によって電解液注入口４３と密着して間隙が発生しないため、缶３１内部の電解液が電解液注入口４３を通って逆流することを遮断する。したがって、熔接時に電解液の逆流によるピンホールの発生を防止し、電解液の漏洩を遮断することができる。
前記ボール５１の外周面にコーティングされた樹脂材５２は、熔接後速かに凝固し、栓５０が電解液注入口４３の内周面に密着した状態を保持する。
次に、本発明の他の実施例に係る二次電池を図６及び図７を参照して説明する。
本発明の他の実施例に係る二次電池６０は、缶６１と、缶６１の内部に収容された電極組立体６２と、缶６１の開放された上端と結合して缶６１の上端を密封するキャップ組立体７０とを備えている。
缶６１は、略直方体の容器形状を有したアルミニウム、アルミニウム合金、鉄などの金属材で形成され、それ自体が電極端子の役割を果たすことが可能である。
正極板６３は、導電性に優れた金属薄板、例えばアルミニウムホイルからなる正極集電体と、その両面にコーティングされたリチウム系酸化物を主成分にした正極活物質層とを含んでいる。正極板６３には、正極活物質層が形成されていない領域に正極タップ６６が電気的に接続されている。
負極板６５は、伝導性の金属薄板、例えば銅ホイルからなる負極集電体と、その両面にコーティングされた炭素材を主成分にした負極活物質層とを含んでいる。負極板６５にも、負極活物質層が形成されていない領域に負極タップ６７が接続されている。
正極板６３及び負極板６５と、正極タップ６６及び負極タップ６７は極性を逆にして配置することもでき、正極タップ６６及び負極タップ６７が電極組立体６２から引き出される境界部には、正極板６３と負極板６５との間の短絡を防止するために絶縁テープ６８がそれぞれ巻かれている。
セパレータ６４は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンとポリプロピレンとの共重合体（ｃｏ−ｐｏｌｙｍｅｒ）で形成されている。セパレータ６４は、正極板６３及び負極板６５よりも幅が広く形成され、極板間の短絡を防止する。
キャップ組立体７０には、缶６１の開放された上端に対応した大きさと形状を有する平板型のキャッププレート７１が設けられている。キャッププレート７１の中央部には、電極端子が通過できるように端子用通孔が形成されている。キャッププレート７１の中央部を貫通する電極端子７３の外周には、電極端子７３とキャッププレート７１との電気的絶縁のためにチューブ状のガスケット７２が設けられている。キャッププレート７１の中央部、端子用通孔の周辺には、キャッププレート７１の下面に絶縁プレート７４が配設されている。絶縁プレート７４の下面には、端子プレート７５が設けられている。
電極端子７３は、ガスケット７２が外周面を包んだ状態で端子用通孔を通って挿入されている。電極端子７３の底面部は、絶縁プレート７４を介在した状態で端子プレート７５と電気的に接続されている。
キャッププレート７１の下面には、正極板６３から引き出された正極タップ６６が熔接され、電極端子７３の下端部には負極板６５から引き出された負極タップ６７が蛇行して折り畳まれた状態で熔接されている。
一方、電極組立体６２の上面には、電極組立体６２とキャップ組立体７０との電気的絶縁のためと、電極組立体６２の上端部をカバーできるようにするために絶縁ケース６９が設けられている。絶縁ケース６９は、絶縁性を有する高分子樹脂であり、ポリプロピレンからなるものが望ましい。
キャッププレート７１の一端には、上部と下部とから構成され、上部と下部との間に段差が形成されるように上部の内径が下部の内径よりも大きく形成された電解液注入口７６が形成されている。このような電解液注入口７６には、電解液が注入された後に電解液注入口７６を密閉するために栓７７が設けられている。栓７７は、通常アルミニウムやアルミニウムを含む金属で作られたボール（ｂａｌｌ）によって形成され、このボールを電解液注入口７６上に載置し、電解液注入口７６に押し込んで形成する。
図７は、図６に示した二次電池のキャッププレートに形成された電解液注入口を拡大して示した拡大断面図である。
図７に示したように、キャッププレート７１の一端に位置した電解液注入口７６は所定の位置に被膜７８を有し、形成された被膜７８にボールが圧着されて形成される栓７７によって密閉される。被膜７８は、栓７７の外側壁を連続的に囲むように電解液注入口７６の上部内側面と、電解液注入口７６の上部と下部との間にある段差面７９に形成されている。ここで、被膜７８は樹脂またはゴム材質の液体溶剤を乾燥させて形成される。液体溶剤に含まれている樹脂は、フッ素系樹脂またはポリオレフィン（ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ）系樹脂などからなり、液体溶剤に含まれているゴムは、フッ素系ゴム、ブタジエンゴム（Ｂｕｔａｄｉｅｎｄ ｒｕｂｂｅｒ）またはブチルゴム（Ｉｓｏｂｕｔｙｌｅｎｅ−Ｉｓｏｐｒｅｎｅｒｕｂｂｅｒ）などからなる。このように形成された被膜７８にボールが押し込まれ、電解液注入口７６を密閉する。
図８は、本発明の他の実施例に係る二次電池を製造する方法を示したフローチャートである。
図８を参照すれば、本発明の他の実施例に係る缶型二次電池の製造方法は次のようである。
まず、電極組立体を形成するステップＳ１において、正極と、セパレータと、負極とを順に配設し、ゼリーロール状（ｊｅｌｌｙ−ｒｏｌｌ ｔｙｐｅ）に巻き取って電極組立体を形成する。
この後、このように形成された電極組立体を缶の開口部に収納する（Ｓ２）。
それから、電解液注入口が形成されたキャッププレートを含むキャップ組立体を熔接方式で缶と結合する（Ｓ３）。
次に、キャッププレートに形成されている電解液注入口を通じて電解液を注入する（Ｓ４）。
最後に、ボールを被膜が形成された電解液注入口に押し込み圧着して電解液注入口を密閉する（Ｓ５）。
図９ａ乃至図９ｅは、本発明の他の実施例に係る二次電池の製造方法の中で皮膜を形成するステップを説明するためのキャッププレートの部分断面図である。
図９ａに示すように、まず積荷物質８２を積んでいる積荷機８０を用意し、密閉される電解液注入口７６の上部に位置させる。この時、積荷機８０の焦点を電解液注入口７６の一端に合わせる。
その後、図９ｂに示すように、電解液注入口７６の一端に焦点を合わせた積荷機８０から積荷物質８２を落とす。ここで、積荷物質８２は大きい弾性を有する樹脂またはゴム材質の物質と、その物質を溶解させる液体を含む液体溶剤である。所定の液体溶剤８２を電解液注入口７６の一端に落とした後、以下に示す栓の外側壁を連続的に囲む被膜を形成するため、積荷機８０を電解液注入口７６上部のエッジに沿って移動させながら液体溶剤８２を落としていく。ここで、液体溶剤に含まれた樹脂は、フッ素系樹脂またはポリオレフィン（ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ）系樹脂などからなり、ゴムはフッ素系ゴム、ブタジエンゴム（Ｂｕｔａｄｉｅｎｄ ｒｕｂｂｅｒ）またはブチルゴム（Ｉｓｏｂｕｔｙｌｅｎｅ−Ｉｓｏｐｒｅｎｅ ｒｕｂｂｅｒ）などからなる。
次に、図９ｃに示すように、電解液注入口７６に落ちた液体溶剤を乾燥させる。すると、液体溶剤が付着した電解液注入口７６上部の内側面と、電解液注入口７６の上部と下部との間にある段差面７９とに樹脂またはゴム材質の物質だけが残存し、被膜７８が形成される。
以後、電解液を注入し、図９ｄに示すように電解液注入口７６の直径と同じか大きい直径を有するボールＢを電解液注入口７６に挿入して押し込む。
これにより、図９ｅに示すように、被膜７８が形成された電解液注入口７６にボールＢが圧着されて栓７７が形成されることで、電解液注入口７６が密閉される。
このように、電解液注入口に樹脂またはゴム材質の物質を含む液体溶剤を用いて被膜を形成し、ボールを圧着して密閉する方式は、従来のボールを押し込んだ後に熔接する方式を用いる際、熔接不良で発生していた電解液の漏出を防止することができ、また従来の熔接方式では追加して必要であった光硬化樹脂を塗布する工程を省くことができる。
本発明は、前述した特定の望ましい実施例に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を脱することなく当業者なら誰でも多様な変形の実施が可能であることは勿論であり、そのような変更は特許請求の範囲内にあることは明らかである。
３０、６０ 二次電池
３１、６１ 缶
３２、６２ 電極組立体
４０、７０ キャップ組立体
４１、７１ キャッププレート
４３、７６ 電解液注入口
５０、７７ 栓
５１、Ｂ ボール
５２、７８ 樹脂材
３１、６１ 缶
３２、６２ 電極組立体
４０、７０ キャップ組立体
４１、７１ キャッププレート
４３、７６ 電解液注入口
５０、７７ 栓
５１、Ｂ ボール
５２、７８ 樹脂材
Claims (9)
- 正極、負極及びセパレータで構成された電極組立体と、
前記電極組立体及び電解液を共に収納する缶と、
前記缶の開口部を密封し、一端に電解液注入口が形成されたキャッププレートと、
前記キャッププレートの電解液注入口を密閉する栓とを含む二次電池において、
前記電解液注入口と前記栓との間に弾性材質の被膜が形成され、
前記電解液注入口は、上部と下部とから構成され、前記上部と前記下部との間に段差が形成されるように前記上部の内径が前記下部の内径よりも大きく形成され、
前記上部の内径と同じか大きい直径を有するボール（ｂａｌｌ）が、前記被膜が形成された前記電解液注入口に押し込まれた後に熔接されることにより前記電解液注入口が密閉されていることを特徴とする二次電池。 - 前記被膜は、前記栓の外側壁を連続的に囲むように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記被膜は、前記電解液注入口の上部の内側面と、前記電解液注入口の上部と下部との間にある段差面とに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記被膜は、フッ素系樹脂またはポリオレフィン（ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ）系樹脂であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の二次電池。
- 前記被膜は、フッ素系ゴム、ブタジエンゴム（Ｂｕｔａｄｉｅｎｄｒｕｂｂｅｒ）またはブチルゴム（Ｉｓｏｂｕｔｙｌｅｎｅ−Ｉｓｏｐｒｅｎｅｒｕｂｂｅｒ）であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の二次電池。
- 正極、負極及びセパレータで構成された電極組立体を形成するステップと、
前記電極組立体を缶の開口部に収納し、一端に上部と下部とから構成され、前記上部と前記下部との間に段差が形成されるように前記上部の内径が前記下部の内径よりも大きく形成されている電解液注入口が形成されたキャッププレートを含むキャップ組立体を前記缶の開口部に結合するステップと、
前記電解液注入口に弾性材質の被膜を形成するステップと、
前記被膜が形成された電解液注入口を通じて電解液を前記缶の内部に注入するステップと、
前記上部の内径と同じか大きい直径を有するボール（ｂａｌｌ）を前記被膜が形成された前記電解液注入口に押し込んだ後に熔接して前記電解液注入口を密閉するステップと
を含むことを特徴とする二次電池の製造方法。 - 前記電解液注入口に被膜を形成するステップは、
液体溶剤が積み込まれた積荷機を用意するステップと、
上部と下部とから構成された前記電解液注入口の上部の一端に前記積荷機の焦点を合わせるステップと、
前記積荷機の焦点が合わされた前記電解液注入口の上部の一端に前記積荷機から前記液体溶剤を落とすステップと、
前記積荷機を前記電解液注入口の上部のエッジに沿って移動させながら前記液体溶剤を落とすステップと、
前記電解液注入口の上部に塗布された液体溶剤を乾燥させ、前記被膜を形成するステップと
を含むことを特徴とする請求項６に記載の二次電池の製造方法。 - 前記ボールを前記被膜が形成された前記電解液注入口に押し込んで前記電解液注入口を密閉するステップは、
前記被膜が形成された電解液注入口の中にボールを挿入するステップと、
前記電解液注入口の中に挿入されたボールを押し込んで栓を形成し、前記電解液注入口を密閉するステップと
を含むことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の二次電池の製造方法。 - 前記液体溶剤は、弾性が大きい樹脂またはゴム材質の物質と、その物質を溶解する液体とを含むことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の二次電池の製造方法。
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