JP4918242B2 - 二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は二次電池にかかり，特に二次電池における電極群と端子を連結するリードエレメントおよびタブを備えた二次電池に関する。
二次電池はその用途や電池容量を勘案すれば，一個または数個の電池セルを使用する低容量二次電池（以下，‘小型電池’と言う）と，電池セルを数十個集めて使用するパック単位のモータ駆動用大容量二次電池（以下，‘大型電池’と言う）に区分することができる。
このうち，小型電池は主に携帯電話，ノートブックコンピュータおよびカムコーダのような小型電子装置の電源として使用され，大型電池はHEV（ハイブリッド自動車），EV（電気自動車），無線掃除機，電動自転車，電動スクーターのような所でモータ駆動用電源として使用される。
小型電池が一つのセルとして構成されるときには，主に円筒形や角形の外形を有して形成される。帯状の正極および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を形成し，これを円筒形のケース内部に挿入して電池が構成される。
そして，前記正極および負極にはリード，つまり，電池の作用ときに正極および負極で発生する電流を集電するための役割として導電性タブが各々付着され，この導電性タブは電極組立体に溶接などによって付着されて各々正極および負極に発生した電流を正極および負極端子に誘導する。
このように構成される小型電池の構造をそのまま大型電池に適用する場合には，容量や出力の面で大型電池の動作特性を満足させないために，複数のタブを電極組立体の間に付着して使用するマルチタブ構造が提案されており，さらに板状のプレートをリードエレメントとして使用する二次電池が提案された。
このような構成を有する二次電池は，その形状が円筒形または直六面体のような角形に形成され，複数（約４０個前後）の二次電池を集めて電池モジュールを構成する。
ところで，大容量高出力が要求される電池モジュール用二次電池の動作特性を勘案すれば，各二次電池を単位体積当りエネルギー密度が高く構成しなければならないことはもちろん，その集電性能もまた考慮しなければならない。これを解決する一つの方法が集電板とこの集電板が連結される電極群との間に起こり得る接触抵抗を最大限に減らすように集電板の構造を改善することである。
本発明は，従来の二次電池が有する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，接触抵抗を低減させて集電効率を向上することの可能な，新規かつ改良された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，二次電池は，各々周縁部に沿って活物質のない無地部を形成した正極，負極および前記正極と前記負極の間に配置されるセパレータを含む電極群と，前記電極群が内蔵されるケースと，前記ケースに結合されてこれを密閉するキャップ組立体と，前記無地部の全面をカバーしながら，これに接触されて結合されるリードエレメントと，前記リードエレメントから延長形成されながら，このリードエレメントの領域内に位置するタブとを含む二次電池が提供される。
内部抵抗を最小にして，大型電池が要求する動作特性を満足させるため，前記リードエレメントと前記タブが一体に形成することができる。かかる構造にすることにより，これらの間に接触部位がないため接触抵抗も減少させることができる。
正極無地部に結合される正極リードエレメントと，負極無地部に結合される負極リードエレメントとを含み，前記正極リードエレメントと前記負極リードエレメントは，前記キャップ組立体が含む正極端子と負極端子に各々電気的に連結されることができる。また，かかる構造にすることにより，製造効率を良くすることができる。
前記正極リードエレメントと前記負極リードエレメントは，各々前記タブと前記正極端子と前記負極端子に連結される連結部材を通じて前記正極端子と前記負極端子に電気的に連結できる。また，かかる構造にすることにより，製造効率を良くすることができる。
前記タブは各々前記正極リードエレメントと前記負極リードエレメントに結合される正極用タブと負極用タブを含み，前記正極用タブと前記負極用タブは各々前記正極リードエレメントと前記負極リードエレメントの領域外に延長形成され，前記正極端子と前記負極端子に直接連結できる。また，かかる構造にすることより，作業効率を良くすることができる。
前記リードエレメントは，２つ以上に分割されて互いに密着された状態で，前記無地部に結合される複数のリード板を含むことができる。
前記タブは，前記リード板の密着面の中央部に配置されることにより，最適なタブの形状ができる。
前記複数のリード板のうちの２つのリード板は，この密着面を基準に対称な形状に形成することにより最適なタブの形状ができる。
前記リードエレメントは，１つの板状部材を用いて，一体になるように形成されることができる。かかる構造にすることにより，前記リードエレメントが無地部に接触される時，前記リード板が互いに接触されず微細に間隔をおいて離れることを防止し，内部抵抗を減少させることができる。
前記タブは前記リードエレメントの周縁から延長形成することができる。かかる構造にすることにより，連結部材を使用せずタブを端子に直接連結させることができ，製造工程を簡単にすることができる。
前記リードエレメントは前記無地部にレーザー溶接によって固定できる。これは正極リードエレメントと負極リードエレメントが正極無地部と負極無地部に電気的に連結されたとき，リード板の間の接触状態による抵抗を減らせるためである。
前記キャップ組立体は前記ケースに対向配置され，このケースに結合される正極用キャップ組立体と負極用キャップ組立体を含む二次電池が提供される。
前記二次電池は，前記電極群がケース内部に挿入安着できるように，開口が形成された角形，例えば，六面体形状に形成されることができる。
前記二次電池は，高出力／大容量が要求されるハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）用電池として効果的に使用することができるが，必ずその用途がＨＥＶ用にのみ限られるわけではない。つまり，前記システムはモータ駆動用電池モジュールに効果的に適用することができる。
以上のように，本発明によれば，電極群に連結されるリードエレメントとタブの構造で集電効率を増大させる効果を有する。特に，リードエレメントが電極群の無地部全面をカバーすることができる板状の構造を有することによって，集電性能を高めることができ，さらに，このリードエレメントとタブを一体に形成することによって，内部抵抗を最小にして，大型電池が要求する動作特性を満足させることができる。
以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかる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１は第１実施形態による二次電池を示した斜視図であり，図２は第１実施形態による電極群を示した斜視図である。
図１および図２に示すように，本実施形態の二次電池は六面体形状を有し，一部が開放されたケース１１に絶縁物質であるセパレータ２１を間に置いて配置された正極２２および負極２３を巻取りして形成した電極群２５を挿入し，ケース１１の開放された部分をキャップ組立体３０で密封した形態の角形タイプの電池である。
ケース１１はアルミニウムやアルミニウム合金またはニッケルがメッキされたスチールなどのような導電性金属材からなるが，その形状は前記電極群２５が，ケース１１内部に挿入安着できるように，開口１１ａが形成された六面体形状に形成されるが，本発明において必ずこれに限定される必要はない。
電極群２５は正極２２と負極２３との間にセパレータ２１を介在し，これらを巻線軸を中心に巻いて形成したゼリーロールタイプに形成される。この電極群２５はまず，ゼリーロールタイプに巻かれて形成された後，加圧されて最終プレートタイプに形成される。
このような電極群２５の両端部には正極無地部２２ａと負極無地部２３ａが対向配置される。このとき，正極無地部２２ａと負極無地部２３ａは電極群２５が前述したようにゼリーロールタイプに形成されるために，複数層をなしながら対向配置された形状を有する。
ここで，無地部２２ａ，２３ａは正極集電体２２ｂと負極集電体２３ｂの一側周縁に沿って当該活物質２２ｃ，２３ｃが塗布されていない部位である。
このような電極群２５は前記無地部２２ａ，２３ａが左右両端に配置される状態を維持しながらケース１１内部に内蔵される。
キャップ組立体３０はケース１１の開口１１ａに溶接によって固定され，ケース１１を密封するベースプレート３０１を含む。
このベースプレート３０１には正極端子３１と負極端子３３がその一部をケース１１外部に露出させながら固定されている。
このとき，正極端子３１と負極端子３３の外周面には螺糸山Ｓが形成されているが，これらはベースプレート３０１との間にガスケットＧを介在した状態で螺糸山Ｓに結合されるナットＮによってベースプレート３０１に固定できる。
さらに，ベースプレート３０１にはベント部材４０と電解液注入口（図示せず）をさらに形成することができる。
前記で正極端子３１と負極端子３３には前記正極無地部２２ａと負極無地部２３ａに各々接触されて結合される正極リードエレメント３５と負極リードエレメント３７が連結される。
正極端子３１と負極端子３３は任意の高さを有する円筒形に形成され，その外周上には前述したように螺糸山Ｓが形成される。ここで，前記端子３１，３３の長さはケース１１内外部に位置しながら，二次電池が複数個集まって電池モジュールを構成するとき，二次電池が互いに電気的に連結できるように前記端子３１，３３に任意の連結部材が締結できる程度の長さを確保すれば充分である。
正極リードエレメント３５と負極リードエレメント３７はケース１１内部に位置して正極無地部２２ａと負極無地部２３ａに接触されることによって，実質的に前記端子３１，３３と電極群２５を電気的に連結する。このとき，この正極リードエレメント３５と負極リードエレメント３７は各々正極無地部２２ａと負極無地部２３ａの全面をカバーしながら，これに接触されて溶接によって固定される。
図３は，第１実施形態によるリードエレメントとタブを示した斜視図である。本実施形態における正極リードエレメント３５と負極リードエレメント３７は，接触抵抗による集電効率の低下を最大限に防止することができる構造で形成されるが，図３を通じてその構造を具体的に説明する。
本実施形態における正極リードエレメント３５と負極リードエレメント３７は，互いに同じ形状に形成されるので，図３では，便宜上，一つの図面でこれを示しており，正極リードエレメント３５と負極リードエレメント３７を共に説明する。
図３に示すように，本実施形態で正極リードエレメント３５と負極リードエレメント３７は，２つ以上に分割されて互いに密着された状態に配置されるリード板３５ａ，３５ｂ，３７ａ，３７ｂを含む。本実施形態における正極リードエレメント３５と負極リードエレメント３７は，その密着面のを基準に対称された形状を有する２つのリード板３５ａと３５ｂまたは，３７ａと３７ｂで構成されている。言い換えれば，前記複数のリード板のうちの２つのリード板３５ａと３５ｂまたは，３７ａと３７ｂは，この密着面を基準に対称な形状に形成することができる。
このような正極リードエレメント３５と負極リードエレメント３７には，これらリードエレメント３５，３７から延長形成されたタブ３９，４１がこのリードエレメント３５，３７の領域内に配置されている。
本実施形態で，このタブ３９，４１は，前記リード板３５ａ，３５ｂ，３７ａ，３７ｂの密着面の中央に位置しながら所定の長さでこのリード板３５ａ，３５ｂ，３７ａ，３７ｂに対して垂直状態に配置される。本実施形態で，このようなリードエレメント３５，３７とタブ３９，４１は，１つの板状部材を用いて，一体になるように，つまり，単一板状部材で形成される。この理由としては，リードエレメントを構成するリード板が溶接によって互いに付着されて一体に形成されないと，前記リードエレメントが無地部に接触される時，前記リード板が互いに接触されず微細に間隔をおいて離れるようになり，電極群から電流がリードエレメントを通して集電される時，分離されたリード板を通して，他の経路に沿って誘導されるため，リード板を溶接で固定させたリードエレメントに比べて，さらに内部抵抗を有するようになるためである。さらに，リードエレメントとタブが一つの板状部材として形成される場合は，これらの間に接触部位がないため接触抵抗も減少させることができる。
図４は，第１実施形態によるリードエレメントとタブの製造過程を示した説明図である。
図４に示すように，予め任意の形状を有して備えられた単一の板状部材４７を決められた順によって加工し，これを前述した形状を有する正極リードエレメント３５と負極リードエレメント３７に形成する。
このとき，リード板３５ａ，３５ｂ，３７ａ，３７ｂは溶接を通じて互いに付着されることが好ましい。これは正極リードエレメント３５と負極リードエレメント３７が正極無地部２２ａと負極無地部２３ａに電気的に連結されたとき，リード板３５ａ，３５ｂ，３７ａ，３７ｂの間の接触状態による抵抗を減らせるためである。
さらに，本実施形態でリードエレメント３５，３７とタブ３９，４１は前記のように一つの部材を通じて形成されるので，つまり，一体に形成されるので，これらの間の接触による抵抗も最小にすることができる。
ここで，リードエレメント３５，３７は前述したように，無地部２２ａ，２３ａの全面をカバーしながらこれと結合してこれらの間の接触面積を大きくするので，その結果，本実施形態の二次電池における電極群２５から正極端子３１と負極端子３３に誘導される電流集電効率を極大化することができる。
一方，この実施形態で前記端子３１，３３とタブ３９，４１の電気的な連結はこれらの間に連結される別途の連結部材４３，４５を通じて行われる。
（第２実施形態）
図５は，第２実施形態によるリードエレメントとタブを示した斜視図である。
図５に示すように，第２実施形態でリードエレメント５１は，無地部の全面をカバーしながら，この無地部に接触されて結合されるリード板５１ａを含む。このリード板５１ａは，単一の板状部材からなっている。ここで，タブ５３は，このリードエレメント５１の周縁からこのリードエレメント５１に対して垂直状態に延長形成されている。
第２実施形態では，タブ５３をリードエレメント５１の側面に配置しながらその領域内に位置させ，リードエレメント５１が一つのリード板５１ａによって構成されながら無地部全面に固定できるようにし，第１実施形態のような集電効率の向上を図っている。
（第３実施形態）
図６は，第３実施形態によるリードエレメントとタブを示した斜視図である。
第３実施形態によるリードエレメント６１は，基本的に前述した第１実施形態のリードエレメントのように２個のリード板６１ａ，６１ｂが組み合わせられてなる。
ここで，タブ６３はやはり前述した第１実施形態のように，リード板６１ａ，６１ｂの中心部位に配置されてこのリード板６１ａ，６１ｂと一体に形成されるが，このとき，このタブ６３はリードエレメント６１の領域内に配置される第１部位６３ａを有するだけでなく，この第１部位６３ａから拡張されてリードエレメント６１の領域外に配置される第２部位６３ｂをさらに含む。
このようなリードエレメント６１とタブ６３は，このリードエレメント６１の領域外に配置されたタブ６３の第２部位６３ｂを端子６５に直接連結して，これらの間の電気的なパスを形成することができる。このとき，この第２部位６３ｂは端子６５と別個に形成されたり，または，一体に形成されることができ，その形状は図面のような形態に限定されず，多様な形態に変形することができる。
したがって，第３実施形態のリードエレメント６１とタブ６３を使用して二次電池を製造するときには，別途の連結部材を通じてタブ６３と端子６５を連結する必要がないために当該製造工程を簡単に行うことができる。
正極リードエレメントと負極リードエレメントおよび正極と負極の各タブは，正極と負極で互いに同じ形状に形成されるので，便宜上，１つの図面でこれを示し説明しており，第２実施形態と第３実施形態によるリードエレメントとタブは，正極および負極ともに適用することができる。
（第４実施形態）
図７は，第４実施形態として，第１実施形態と同様のリードエレメントとタブの構造体が適用された第１実施形態とは違う構造の二次電池を示している。図８は，第４実施形態のリードエレメントとタブを説明するために示した斜視図である。
図７に示すように，電極群２５’の長さ方向（図面に表記したＸ軸方向）に長い六面体形状を有し，この長さ方向に両端が開放されたケース１１’に電極群２５’を挿入し，ケース両側の開放された部分をキャップ組立体３０’，３０”で密封した形態になる。
ここで，電極群２５’は前述した第１実施形態の電極群と同様の構成を持つために，ここではその詳細な説明を省略する。このような電極群２５’は正極無地部２２ａ’と負極無地部２３ａ’がケース１１’の両側開口１１０ａ’，１１２ａ’に位置するようにこのケース１１’内部に挿入される。
キャップ組立体３０’，３０”は各々正極端子３１’と負極端子３３’を備えながらケース１１’の開口１１０ａ’，１１２ａ’に結合されて溶接を通じて固定される。
このような二次電池は製造完成された後，前述した第１実施形態の二次電池とは異なって，ケース１１’に対向配置される両開口１１０ａ’，１１２ａ’にキャップ組立体３０’，３３’が設置され，このキャップ組立体ら３０’，３３’に各々設置された正極端子３１’と負極端子３３’がケース１１’の両端に突き出された形態の構成を有する。
正極リードエレメント７１と負極リードエレメント７３が正極無地部２２ａ’と負極無地部２３ａ’に各々固定され，このとき，正極リードエレメント７１に形成されたタブ７５は正極端子３１’に，負極リードエレメント７３に形成されたタブ７７は負極端子３３’に直接連結される。
一方，タブはケース外部に延長配置されてそれ自体が端子としての役割を兼ねることができる。図８に示すように，リードエレメント８１に形成されたタブ８３はその一部分に螺糸山Ｓを形成して，キャップ組立体８５のベースプレート８５ａに形成された孔８５ｂを通じてケース８７外部に露出される。
このように，タブ８３をケース８７外部に延長形成して，このタブを二次電池の端子として利用すれば，タブと端子を一つのエレメントに構成することができるので，それによる製造単価の節減および製造工程上の利点を期待することができる。
したがって、本実施形態の二次電池は、高出力／大容量が要求されるハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）用電池として効果的に使用することができるが、必ずその用途がＨＥＶ用にのみ限られるわけではない。つまり、前記システムは電気自動車、スクーター、電気自転車、電気掃除機など他のモータ駆動用電池モジュールに効果的に適用ことができる。
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかる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。
本発明の二次電池は，高出力／大容量が要求されるハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）用電池として効果的に使用することができるが，必ずその用途がＨＥＶ用にのみ限られるわけではない。つまり，前記システムは電気自動車，スクーター，電気自転車，電気掃除機など他のモータ駆動用電池モジュールに効果的に適用することができる。
第１実施形態による二次電池の斜視図である。 第１実施形態による二次電池の電極群を示した斜視図である。 第１実施形態によるリードエレメントとタブを示した斜視図である。 第１実施形態によるリードエレメントとタブの製造過程を示した説明図である。 第２実施形態によるリードエレメントとタブを示した斜視図である。 第３実施形態によるリードエレメントとタブを示した斜視図である。 第４実施形態による二次電池を示した斜視図である。 第４実施形態によるリードエレメントとタブ示した斜視図である。
符号の説明
１１ ケース
１１’ ケース
１１ａ 開口
２１ セパレータ
２２ 正極
２２ａ 正極無地部
２２ａ’ 正極無地部
２２ｂ 正極集電体
２２ｃ 正極活物質
２３ 負極
２３ａ 負極無地部
２３ａ’ 負極無地部
２３ｂ 負極集電体
２３ｃ 負極活物質
２５ 電極群
２５’ 電極群
３０ キャップ組立体
３０’ キャップ組立体
３０” キャップ組立体
３１ 正極端子
３１’ 正極端子
３３ 負極端子
３３’ 負極端子
３５ 正極リードエレメント
３５ａ リード板
３５ｂ リード板
３７ 負極リードエレメント
３７ａ リード板
３７ｂ リード板
３９ タブ
４０ ベント部材
４１ タブ
４３ 連結部材
４５ 連結部材
４７ 板状部材
５１ リードエレメント
５１ａ リード板
５３ タブ
６１ リードエレメント
６１ａ リード板
６１ｂ リード板
６３ タブ
６３ａ 第１部材
６３ｂ 第２部材
６５ 端子
７１ 正極リードエレメント
７３ 負極リードエレメント
７５ タブ
７７ タブ
８１ リードエレメント
８３ タブ
８５ キャップ組立体
８５ａ ベースプレート
８５ｂ 孔
８７ ケース
１１０ａ’ 開口
１１２ａ’ 開口
３０１ ベースプレート
Ｇ ガスケット
Ｓ 螺子山
Ｎ ナット

Claims (10)

  1. 各々周縁部に沿って活物質のない無地部を形成した正極，負極および前記正極と前記負極の間に配置されるセパレータを含む電極群と，
    前記電極群が内蔵されるケースと，
    前記ケースに結合されてこれを密閉するキャップ組立体と，
    前記無地部の全面をカバーしながら，これに接触されて結合され，１つの板状部材を用いて，一体になるように形成されるリードエレメントと，
    前記リードエレメントと一体に形成され，前記リードエレメントから延長形成されながら，このリードエレメントの領域内に位置するタブと，
    を含み，
    前記リードエレメントは，２つ以上に分割されて互いに密着された状態で，前記無地部に結合される複数のリード板を含むことを特徴とする，二次電池。
  2. 正極無地部に結合される正極リードエレメントと，
    負極無地部に結合される負極リードエレメントと，
    を含み，
    前記正極リードエレメントと前記負極リードエレメントは，前記キャップ組立体が含む正極端子と負極端子に各々電気的に連結されることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記正極リードエレメントは，前記タブと前記正極端子と連結される連結部材を通じて，
    前記正極端子と電気的に連結され，前記負極リードエレメントは，前記タブと前記負極端子に連結される連結部材を通じて，前記負極端子に電気的に連結されることを特徴とする，請求項２に記載の二次電池。
  4. 前記タブは，前記正極リードエレメントに結合される正極用タブを含み，前記正極用タブは，前記正極リードエレメント領域外に延長形成され，前記正極端子に直接連結される，同様に，前記負極リードエレメントに結合される負極用タブを含み，前記負極用タブは，前記負極リードエレメントの領域外に延長形成され，前記負極端子に直接連結されることを特徴とする，請求項２に記載の二次電池。
  5. 前記タブは，前記リード板の密着面の中央部に配置されることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。
  6. 前記複数のリード板のうちの２つのリード板は，この密着面を基準に対称な形状に形成することを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。
  7. 前記リードエレメントは，前記無地部にレーザー溶接によって固定されることを特徴とする，請求項１〜６のいずれかに記載の二次電池。
  8. 前記キャップ組立体は，前記ケースに対向配置され，このケースに結合される正極用キャップ組立体と負極用キャップ組立体を含むことを特徴とする，請求項１〜７のいずれかに記載の二次電池。
  9. 前記二次電池は，角形に形成されることを特徴とする，請求項１〜８のいずれかに記載の二次電池。
  10. 前記二次電池は，モータ駆動用であることを特徴とする，請求項１〜９のいずれかに記載の二次電池。


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