JP4970600B2 - 板形状二次バッテリー及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、新規な構造の密封部分を有する二次バッテリーに関し、より詳しくは、
排気案内密封部分と、及び
該排気案内密封部分が、バッテリーケースの密封部分に、該排気案内密封部分の幅が、該密封部分の内側から該密封部分の外側に向けて減少する構造に形成されており、該排気案内密封部分が低い密封力を示し、
該排気案内密封部分に形成されたブリッジ密封部分とを包含し、該ブリッジ密封部分が、比較的高い密封力を示し、正常な作動条件では所望の密封性を達成し、バッテリーセル中の高圧ガスを所望の区域を通して効果的に排出し、それによって、バッテリーが発火または爆発する可能性を下げ、バッテリーの安全性及び作動信頼性を改良する、二次バッテリーに関する。
排気案内密封部分と、及び
該排気案内密封部分が、バッテリーケースの密封部分に、該排気案内密封部分の幅が、該密封部分の内側から該密封部分の外側に向けて減少する構造に形成されており、該排気案内密封部分が低い密封力を示し、
該排気案内密封部分に形成されたブリッジ密封部分とを包含し、該ブリッジ密封部分が、比較的高い密封力を示し、正常な作動条件では所望の密封性を達成し、バッテリーセル中の高圧ガスを所望の区域を通して効果的に排出し、それによって、バッテリーが発火または爆発する可能性を下げ、バッテリーの安全性及び作動信頼性を改良する、二次バッテリーに関する。
可動装置の開発が進み、そのような可動装置の需要が増加するにつれて、可動装置用のエネルギー供給源として二次バッテリーの需要も急速に増加している。特に、高いエネルギー密度及び放電電圧を有するリチウム二次バッテリーに多くの研究がなされており、リチウム二次バッテリーは、現在、商業的に広く使用されている。
一般的に、二次バッテリーは、カソード、アノード、及びカソードとアノードとの間に配置されたセパレータを包含する電極アセンブリーを積み重ねるか、または巻き上げ、その電極アセンブリーを、金属容器またはラミネートシートから形成されたバッテリーケースの中に配置し、電解質をバッテリーケースの中に注入するか、または電極アセンブリーを電解質で含浸することにより、製造される。
二次バッテリーに関して解決すべき主要問題の一つは、二次バッテリーの安全性を改良することである。例えば、二次バッテリーは、二次バッテリーの異常作動、例えば内部短絡、許容電流及び電圧を超える過充電、高温への露出、落下、または外部衝撃により引き起こされる変形、のために二次バッテリー内に誘発されることがある高温及び高圧により、爆発することがある。特に小袋形バッテリーでは、バッテリーケースの密封力が低下するために、電解質がバッテリーケースから漏れることがある。
図1は、従来の代表的な小袋形二次バッテリーの一般的な構造を典型的に例示する分解組立透視図である。
図1に関して、小袋形二次バッテリー10は、電極アセンブリー30、電極アセンブリー30から伸びる複数の電極タブ40及び50、電極タブ40及び50にそれぞれ溶接された電極リード線60及び70、及び電極アセンブリー30を受け入れるためのバッテリーケース20を包含する。
電極アセンブリー30は、カソード及びアノードを、カソードとアノードとの間にセパレータをそれぞれ配置した状態で連続的に積み重ねたものを包含する電力発生素子である。電極アセンブリー30は、積重構造または積重/折り重ね構造に構築することができる。電極タブ40及び50は、電極アセンブリー30の対応する電極板から伸びている。電極リード線60及び70は、電極アセンブリー30の対応する電極板から伸びる電極タブ40及び50に、例えば溶接により、それぞれ電気的に接続されている。電極リード線60及び70は、バッテリーケース20の外側に部分的に露出している。電極リード線60及び70の上側及び下側表面には、部分的に絶縁フィルム80が取り付けられ、バッテリーケース20と電極リード線60及び70との間の密封性を改良し、同時に、バッテリーケース20と電極リード線60及び70との間の電気的絶縁性を確保している。
バッテリーケース20は、アルミニウムラミネートシートから形成される。バッテリーケース20は、その中に、電極アセンブリーを受け入れるための空間が限定されている。バッテリーケース20は、全体的に小袋の形状に形成される。
二次バッテリー10は、バッテリーケース20の受け入れ空間中に電極アセンブリー30を取り付けた状態で、バッテリーケース20の外周部にある接触区域を熱的に溶接することにより、製造される。
二次バッテリーを異常作動状態、例えば内部短絡、過充電、または高温への露出、に置くと、二次バッテリー中の電解質が分解し、その結果、高圧ガスが発生する。発生した高圧ガスは、バッテリーケースを変形させ、二次バッテリーの耐用寿命を縮めることがある。さらに、二次バッテリーは、高圧ガスのために、発火または爆発することもある。従って、二次バッテリーの圧力が、二次バッテリーが発火または爆発する高圧レベルに到達する前に、熱的に溶接された区域を相互に分離し、その分離区域を通してガスを外側に排出することが好ましい。しかし、人体に有害なガスが不特定区域を通して外側に排出される場合、有害ガスの排出を制御することは困難である。
そのため、高圧ガスが発生した時にバッテリーの燃焼または爆発を阻止し、ガスを外側に効率的に排出するための様々な試みがなされている。
一例として、日本国特許出願公開第2006-185713号明細書は、バッテリーケースの、内側表面がたわみ性の熱可塑性樹脂から形成された上側及び下側部分が重なり合い、発電素子を受け入れる部分の周りの平らな部分が熱的に溶接される構造に構築されており、その熱溶接区域に、垂直に屈曲した凹凸部分が形成される二次バッテリーを開示している。
上記の技術では、垂直に屈曲した凹凸部分が、バッテリーケースの内側から発生した高圧ガスを、対応する区域を通して選択的に排出するのに役立つ。しかし、開示されている二次バッテリーには、垂直に屈曲した凹凸部分の周囲にある熱的に溶接された平らな部分が、凹凸部分により僅かに変形し、そのために二次バッテリーの密封力が低下するという問題がある。
別の例として、日本国特許出願公開第2005-116235号明細書は、ラミネートフィルムの、電極アセンブリーが中に取り付けられる外周部が熱溶接され、ラミネートフィルムを密封する構造に構築されたバッテリーにおける、特殊なガス排出機構を形成する技術を開示している。開示されているのは、ラミネートフィルムの最も内側にある密封層を、その最も内側にある密封層の接着強度が、ラミネートフィルムの残りの区域の接着強度よりも低くなるように、密封層を部分的に除去するか、または低い連結力を示す重合体樹脂を密封層の一部に連結させる方法を使用して、変形させる技術である。
しかし、密封層を部分的に除去する方法では、密封層区域及び密封層の周囲区域が比較的弱くなる。その結果、バッテリーが正常に作動する状態で発生した圧力下でも、内部ガスがこれらの区域に集中し、従って、これらの区域が容易に破裂することがある。そのため、密封層が密封性を確保することが困難になる。他方、低い連結力を示す重合体樹脂を密封層の一部に連結させる方法では、異なった重合体間の界面における密封性は、密封層の重合体樹脂と低い連結力を示す重合体樹脂との間の材料の違いにより、大きく低下することがある。
従って、上記の技術は、選択された区域を通して高圧ガスを排出し、安全性を確保することはできるが、バッテリーが正常に作動している状態で信頼性のある密封性を発揮することは困難である。
従って、本発明は、上記の問題及び他の未解決の技術的問題を解決するためになされたものである。
上記の問題を解決するための、様々な広範囲で集中的な研究及び実験の結果、本発明者らは、排気案内密封部分と、及び
該排気案内密封部分が、バッテリーケースの密封部分に、該排気案内密封部分の幅が、該密封部分の内側から該密封部分の外側に向けて減少する構造に形成されており、該排気案内密封部分が低い密封力を示し、
該排気案内密封部分に形成されたブリッジ密封部分とを包含し、該ブリッジ密封部分が比較的高い密封力を示す二次バッテリーを開発し、そのような二次バッテリーが、正常な作動状態で所望の密封性を達成し、バッテリーセル中の高圧ガスを、所望の区域を通して効果的に排出し、それによって、バッテリーが発火または爆発する可能性を下げ、バッテリーの安全性及び作動信頼性を改良することができることを見出した。
該排気案内密封部分が、バッテリーケースの密封部分に、該排気案内密封部分の幅が、該密封部分の内側から該密封部分の外側に向けて減少する構造に形成されており、該排気案内密封部分が低い密封力を示し、
該排気案内密封部分に形成されたブリッジ密封部分とを包含し、該ブリッジ密封部分が比較的高い密封力を示す二次バッテリーを開発し、そのような二次バッテリーが、正常な作動状態で所望の密封性を達成し、バッテリーセル中の高圧ガスを、所望の区域を通して効果的に排出し、それによって、バッテリーが発火または爆発する可能性を下げ、バッテリーの安全性及び作動信頼性を改良することができることを見出した。
具体的には、本発明の目的は、特殊な構造の密封部分を有する二次バッテリーを提供し、二次バッテリーの作動信頼性及び安全性を改良することである。
本発明の一態様により、上記の、及び他の目的は、
カソード/セパレータ/アノード構造の電極アセンブリーがバッテリーケース中に取り付けられ、該バッテリーケースが熱溶接により密封される構造に構築された板形状二次バッテリーであって、該バッテリーケースが、該バッテリーケースの電極アセンブリー受け入れ部分の周囲にある密封部分に排気案内密封部分を備え、該排気案内密封部分が、該排気案内密封部分の幅が該密封部分の内側から該密封部分の外側に向けて減少する構造に形成されているので、バッテリーセル中に高圧ガスが発生した時に、該排気案内密封部分の密封力が先ず解消し（最初に解放され）、従って、該高圧ガスが外側に排出され、該排気案内密封部分が、残りの区域(「残りの密封部分」)に配置された密封部分の密封力より小さい密封力で熱溶接されており、該バッテリーケースが、該排気案内密封部分の中央にブリッジ密封部分をさらに備えており、該ブリッジ密封部分が該電極アセンブリーと平行して伸び、該残りの密封部分の対向する側部を予め決められた幅で相互接続し、該ブリッジ密封部分が、該排気案内密封部分の密封力より大きい密封力で熱溶接されている、板形状二次バッテリーを提供することにより、達成される。
カソード/セパレータ/アノード構造の電極アセンブリーがバッテリーケース中に取り付けられ、該バッテリーケースが熱溶接により密封される構造に構築された板形状二次バッテリーであって、該バッテリーケースが、該バッテリーケースの電極アセンブリー受け入れ部分の周囲にある密封部分に排気案内密封部分を備え、該排気案内密封部分が、該排気案内密封部分の幅が該密封部分の内側から該密封部分の外側に向けて減少する構造に形成されているので、バッテリーセル中に高圧ガスが発生した時に、該排気案内密封部分の密封力が先ず解消し（最初に解放され）、従って、該高圧ガスが外側に排出され、該排気案内密封部分が、残りの区域(「残りの密封部分」)に配置された密封部分の密封力より小さい密封力で熱溶接されており、該バッテリーケースが、該排気案内密封部分の中央にブリッジ密封部分をさらに備えており、該ブリッジ密封部分が該電極アセンブリーと平行して伸び、該残りの密封部分の対向する側部を予め決められた幅で相互接続し、該ブリッジ密封部分が、該排気案内密封部分の密封力より大きい密封力で熱溶接されている、板形状二次バッテリーを提供することにより、達成される。
従って、本発明の二次バッテリーでは、密封部分が、バッテリーの正常な作動状態で望ましい密封力を示す。他方、バッテリーの異常作動状態により、バッテリーセル中に高圧ガスが発生した場合、排気案内密封部分が残りの区域よりも早く破裂し、その結果、高圧ガスが排気案内密封部分を通して外側に排出される。従って、有害ガスを望ましい場所で排出し、バッテリーが発火または爆発する可能性を下げることができる。
排気案内密封部分は、排気案内密封部分の幅が、密封部分の内側から密封部分の外側に向けて減少する構造に形成されているので、バッテリーセル中の高圧ガスにより引き起こされる膨脹応力が排気案内密封部分に集中する。従って、バッテリーセル中に高圧ガスが発生した時に、排気案内密封部分が残りの区域よりも早く破裂し、ガスを排出する。
排気案内密封部分は、比較的大きい下側末端(内側)幅の10〜50％に等しい比較的小さな上側末端(外側)幅を有することができる。排気案内密封部分の下側末端(内側)幅が大きすぎる場合、正常作動状態におけるバッテリーの密封力が低下することがある。反対に、排気案内密封部分の下側末端(内側)幅が小さすぎる場合、ガスを所望の程度に排出することが困難になる。従って、排気案内密封部分の下側末端(内側)幅を、上に規定する範囲内に適切に決定するとよい。
代表的な例では、排気案内密封部分は、バッテリーケースの長軸長さの5〜30％に等しい下側末端(内側)幅を有することができる。
排気案内密封部分の形状には、排気案内密封部分の幅が、密封部分の内側から密封部分の外側に向けて減少する構造に形成される限り、特に制限は無い。例えば、排気案内密封部分は、半円形、三角形、及び台形からなる群から選択された少なくとも一つの水平平面形状に形成することができる。好ましくは、排気案内密封部分は台形形状に形成する。
ブリッジ密封部分は、排気案内密封部分の形成により弱くなることがある密封部分310の密封力を効果的に増加する。すなわち、バッテリーセル中の高圧ガスにより引き起こされる膨脹応力は排気案内密封部分に集中するが、ブリッジ密封部分は、ガスの排出が必要とされるガス圧力でのみ破裂するので、バッテリーの作動を信頼性良く確保することができる。
前に記載したように、ブリッジ密封部分は、排気案内密封部分の密封力よりは大きく、残りの密封部分の密封力に等しい、より小さい、またはより大きい密封力を示す。代表的な例では、ブリッジ密封部分は、排気案内密封部分の密封力より30〜100％大きい密封力を示すことができる。
ブリッジ密封部分の幅が大きすぎる場合、バッテリー中で発生した高圧ガスの排出が妨げられることがある。反対に、ブリッジ密封部分の幅が小さすぎる場合、密封部分は低圧ガスによっても容易に弱くなる。従って、好ましくは、ブリッジ密封部分の幅は、残りの密封部分の幅の10〜60％に等しい。
状況に応じて、バッテリーケースは、排気案内密封部分と残りの密封部分との間の界面に、残りの密封部分の密封力より大きい密封力で熱溶接された界面密封部分をさらに備えることができる。
界面密封部分は、排気案内密封部分の周りにある区域の密封力が、排気案内密封部分の形成により弱められる可能性を下げる。また、バッテリー中で高圧ガスが発生した場合、界面密封部分は、ガスを排出する際の、排気案内密封部分及び排気案内密封部分に隣接する残りの密封部分の変形及び密封力解消（解放）を防止し、それによって、ガスを排気案内密封部分に、より高い信頼性で案内する。
上記の構造では、界面密封部分の幅は必要に応じて変えることができる。例えば、界面密封部分は、残りの密封部分の幅の2〜20％に等しい幅を有することができる。
代表的な例では、界面密封部分は、残りの密封部分の密封力より30〜150％大きい密封力を有することができる。この時、ブリッジ密封部分の密封力は、界面密封部分の密封力より小さくてよい。しかし、状況に応じて、ブリッジ密封部分の密封力は、界面密封部分の密封力と等しくてよい。
排気案内密封部分の位置には、特に制限は無い。例えば、排気案内密封部分の位置は、所望のガス排出経路に応じて適切に決定することができる。すなわち、予め決められた排気部材をバッテリーセル自体またはバッテリーケースに取り付け、有害な内部ガスがバッテリーセルから外に不意に排出されるのを防止することができ、排気案内密封部分の位置を、排気案内密封部分が排気部材と連絡するように決定することができる。
代表的な例では、排気案内密封部分は、バッテリーケースの中央を基準にして、バッテリーケースの短軸上に配置された対向側部密封部分のそれぞれの中央に形成することができる。ここで、バッテリーケースの中央とは、バッテリーケースの長軸の中央と短軸の中央との間の交差点及びその周辺区域を意味する。バッテリーケースの中央は、バッテリー中でガス流動経路が最短であり、バッテリーケースの体積膨脹が最大であり、従って、ガスの排出を急速に、効率的に達成できる区域である。
バッテリーケースは、好ましくは、電極アセンブリーが、ラミネートシート、特に樹脂層および金属層を包含するアルミニウムラミネートシート、から形成された小袋形ケース中に取り付けられる構造に構築された二次バッテリーに使用できる。
ラミネートシートは、重合体フィルムから形成された外側被覆層、金属ホイルから形成されたバリヤー層、及びポリオレフィン系材料から形成された内側シーラント層を包含する。外側被覆層は、外部環境に対する優れた耐性を示す必要があり、従って、外側被覆層は、予め決められた引張強度及び耐候性を示す必要がある。この観点から、外側被覆層用の重合体樹脂として、延伸ナイロンフィルムまたはポリエチレンテレフタレート(PET)を使用するのが好ましい。バリヤー層は、異物、例えばガスまたは湿分、の侵入または漏れを阻止し、バッテリーケースの強度を増加するために、好ましくはアルミニウムから製造する。内側シーラント層は、好ましくは、高い熱溶接特性(熱的密着特性)、電解質の浸透を抑制するための低い吸湿性、及び電解質により膨脹または腐食しない特性を示すポリオレフィン系材料、より好ましくはキャスティングされたポリプロピレン(cPP)から製造することができる。
電極アセンブリーの構造には、電極アセンブリーが、カソード、アノード、及びカソードとアノードとの間に配置されたセパレータを包含する構造に構築される限り、特に制限は無い。例えば、電極アセンブリーは、折り重ね、積重、または積重/折り重ね型構造に構築することができる。積重/折り重ね型電極アセンブリーの詳細は、本出願者の名前で提出された韓国公開特許出願第2001-0082058号、第2001-0082059号、及び第2001-0082060号の各明細書に開示されている。上記の特許出願の開示全文をここに参考として含める。
本発明の二次バッテリーは、好ましくはリチウム二次バッテリーでよい。特に、本発明の二次バッテリーは、好ましくは、電極アセンブリーにゲル形態のリチウム含有電解質を含浸させた、いわゆるリチウムイオン重合体バッテリーに適用される。
本発明の別の態様により、単位電池として二次バッテリーを包含する中または大型バッテリーモジュールを提供する。
特に、本発明の二次バッテリーは、長い耐用寿命及び優れた耐久性を必要とする高出力、大容量バッテリー、または複数のそのようなバッテリーを単位電池として包含する中または大型バッテリーモジュール及び中または大型バッテリーパックに使用するのが好ましい。中または大型バッテリーモジュールは、例えば電気自動車、ハイブリッド電気自動車、電動モーターサイクル、及び電動自転車用の電力供給源として使用することができる。
中または大型バッテリーモジュール及び中または大型バッテリーパックの構造及びそれらの製造方法は、本発明が関与する分野で良く知られており、それらの詳細な説明は行わない。
本発明の別の態様により、二次バッテリーの製造方法であって、電極アセンブリーをバッテリーケースの受入部分に取り付け、バッテリーケースの外周部にある密封部分を、排気案内密封部分、ブリッジ密封部分、及び／または界面密封部分に対応し、密封部分の密封力に逆比例する深さを有する、彫りつけた形状に形成された加熱ジグ上で熱溶接することを包含する、方法を提供する。
密封部分を形成するための熱溶接は、密封すべき部分(例えば、バッテリーケースの外周部)を同時に、加熱及び加圧することにより、達成される。密封力は、一般的に熱溶接のための加圧力に比例する。従って、加熱ジグの彫りつけ深さが小さい程、加熱ジグに対応する密封部分の密封力は大きくなる。
従って、本発明の製造方法では、所望の排気案内密封部分、ブリッジ密封部分、及び界面密封部分を、彫りつけ深さによるだけで、同時に、形成することができる。従って、本発明は、加熱ジグを修正すれば、従来の製造方法に適用できる。
本発明の上記の、及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら記載する下記の詳細な説明により、より深く理解される。
従来の小袋形二次バッテリーの一般的な構造を例示する分解組立透視図である。
本発明の一実施態様による排気案内密封部分を有する二次バッテリーを例示する透視断面図である。
図2のＢ区域を典型的に例示する拡大水平断面図である。
本発明の別の実施態様による排気案内密封部分を典型的に例示する水平断面図である。
図4の排気案内密封部分を形成するための、Ｃ-Ｃ区域に対応する、加熱ジグ及びバッテリーケースを典型的に例示する垂直断面図である。
ここで、添付の図面を参照しながら、本発明の代表的な実施態様を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示する実施態様に限定されるものではない。
図2は、本発明の一実施態様による排気案内密封部分を有する二次バッテリーを例示する透視断面図であり、図3は、図2のＢ区域を典型的に例示する拡大水平断面図である。
これらの図に関して、二次バッテリー100は、電極アセンブリー320、電極アセンブリー320を受け入れるためのバッテリーケース、及び電極アセンブリー320の電極タブに電気的に接続された2個の電極リード線420及び421を包含する。
2個の電極リード線420及び421は、電極アセンブリー320の対応する電極板から伸びる電極タブ(図には示していない)に、溶接により電気的に接続されている。2個の電極リード線420及び421は、バッテリーケース300の外側に部分的に露出されている。電極リード線420及び421の上側及び下側表面には、絶縁性フィルム430が取り付けられ、バッテリーケース300と電極リード線420及び421との間の密封性を改良し、同時に、バッテリーケース300と電極リード線420及び421との間の電気的絶縁性を確保している。カソード及びアノードを構成する2個の電極リード線420及び421は、図に示す様に、対向する方向に配置することができる。あるいは、2個の電極リード線420及び421は、同じ方向で隣り合わせに配置することもできる。
バッテリーケース300は、アルミニウムラミネートシートから形成される。バッテリーケース300は、その中に電極アセンブリー320を受け入れるための受け入れ部分が限定されている。受け入れ部分の周囲にある密封部分310、上側バッテリーケース及び下側バッテリーケースを溶接により互いに連結し、バッテリーケース300を全体的に小袋形状に形成する。
密封部分310は排気案内密封部分200を有し、この排気案内密封部分200は、台形の形状に、すなわち排気案内密封部分200の幅が密封部分310の内側から密封部分310の外側に向かって減少する構造に構築されている。バッテリー中にガスが発生すると、バッテリーケース300は、中央区域Ｍで最も大きく膨潤し、その結果、変形力は、バッテリーケース300の短軸Ｓ上に配置された対向側部密封部分310で最大になる。従って、排気案内密封部分200は、バッテリーケース300の中央Ｍを基準として、バッテリーケース300の短軸Ｓ上に配置された対向側部密封部分310のそれぞれの中央区域に形成する。その結果、バッテリーの内部ガスにより造り出された内部圧力により、排気案内密封部分200が最初に破裂し、その結果、バッテリーの密封性が解消（解放）され、従って、内部ガスが、破裂した排気案内密封部分200を通してバッテリーセルの外に排出される。
排気案内密封部分200は、バッテリーケース300の長軸長さＬの約10％に等しい下側末端(内側)幅Ｔを有する。排気案内密封部分200は、下側末端(内側)幅Ｔの約40％に等しい上側末端(外側)幅ｔを有する。
排気案内密封部分200の中央には、電極アセンブリー(図には示していない)に対して平行に伸びる、密封部分310の対向側部を相互接続するための、幅Ｅを有するブリッジ密封部分210が形成されている。
ブリッジ密封部分210は、排気案内密封部分200の密封力よりは大きく、密封部分310の密封力に等しい、より小さい、またはより大きい密封力を示す。
ブリッジ密封部分210は、排気案内密封部分200の形成により弱められることがある密封部分310の密封力を効果的に増加する。ブリッジ密封部分210は、ガスの排出が必要とされるガス圧力によってのみ破裂するので、バッテリーの作動を信頼性良く確保することができる。
ブリッジ密封部分210の幅Ｅは、密封部分310の幅Ｗの約25％に等しい。
一方、この図面で、電極リード線420及び421は、バッテリーケース300の中央Ｍを基準にして、長軸Ｌ上に配置された対向側部密封部分310から外向きに突き出ている。すなわち、電極リード線420及び421が位置する区域は、高い密封性及び絶縁性を維持する必要があり、従って、ブリッジ密封部分210は、電極リード線420及び421が配置されている区域とは異なった区域に形成するのが好ましい。
図4は、本発明の別の実施態様による排気案内密封部分を典型的に例示する水平断面図である。
図4に関して、ブリッジ密封部分210と密封部分310との間に界面密封部分220が形成されている。界面密封部分220は、密封部分310の密封力より大きい密封力を示す。状況に応じて、図4に示すように、界面密封部分220の密封力は、ブリッジ密封部分210の密封力と等しくてもよい。
界面密封部分220は、界面密封部分220の周りにある区域の密封力が、排気案内密封部分200の形成により弱められる可能性を阻止する。また、バッテリー中で高圧ガスが発生した場合、界面密封部分220は、ガスを排出する際の、排気案内密封部分200に隣接する密封部分310の変形及び密封力解消（解放）を防止する。従って、界面密封部分220は、ガスの排出を、排気案内密封部分を通してより高い信頼性で案内することができる。
界面密封部分220は、密封部分310の幅Ｗの約15％に等しい幅Ｄを有する。
図5は、図4の排気案内密封部分を形成するための、Ｃ-Ｃ区域に対応する、加熱ジグ及びバッテリーケースを典型的に例示する垂直断面図である。
図5に関して、バッテリーケースの上側シート301及び下側シート302が、一対の加熱ジグ500及び501により、上側シート301及び下側シート302が互いに熱溶接されるように加熱される。
上側加熱ジグ500の表面には、密封部分310、排気案内密封部分200、及び界面密封部分220に対応する彫りつけた構造510が形成されている。彫りつけた構造510は、下側加熱ジグ501に形成されすることもできる。あるいは、彫りつけた構造510は、上側加熱ジグ500の表面のみならず、下側加熱ジグ501の表面にも形成することができる。
彫りつけた構造510の彫りつけ深さは、密封部分の密封力に逆比例する。すなわち、界面密封部分220に対応する区域の深さを基準にして、排気案内密封部分200に対応する深さｔａが最大であり、密封部分310に対応するｔｂは、排気案内密封部分200に対応する深さｔａ以下である。従って、熱溶接の際、排気案内密封部分200には最小の圧力が作用し、その結果、排気案内密封部分200の密封力は比較的低くなるのに対し、界面密封部分220には最大圧力が作用し、その結果、界面密封部分220の密封力は比較的高くなる。
従って、彫りつけた構造510を有する上側加熱ジグ500を使用して、図4の構造を容易に製造することができる。
以下に、本発明の例をより詳細に説明する。しかし、無論、本発明の範囲は、例示する例により制限されるものではない。
[例1]
カソードは、一般的に公知の組成により混合した酸化リチウムコバルト、PVdF、及び導電性試剤を包含するスラリーをアルミニウム集電装置上に塗布することにより、製造した。アノードは、一般的に公知の組成により混合したグラファイト、PVdF、及び導電性試剤を包含するスラリーを銅集電装置上に塗布することにより、製造した。
カソードは、一般的に公知の組成により混合した酸化リチウムコバルト、PVdF、及び導電性試剤を包含するスラリーをアルミニウム集電装置上に塗布することにより、製造した。アノードは、一般的に公知の組成により混合したグラファイト、PVdF、及び導電性試剤を包含するスラリーを銅集電装置上に塗布することにより、製造した。
カソードとアノードとの間に、カソード及びアノードのサイズより幾分大きいサイズに切断したセパレータを配置し、電極アセンブリーを製造した。この電極アセンブリーを、ラミネートシートから形成された小袋形状のバッテリーケースの、それぞれ受け入れ部分を有する上側ケースと下側ケースとの間に取り付けた。
ラミネートシートは、キャスティングされたポリプロピレン(cPP)から製造された内側樹脂層、絶縁性アルミニウム金属層、及びポリエチレンテレフタレート(PET)から製造された外側樹脂層を寸法クル構造に構築されている。
上側ケース及び下側ケースの受け入れ部分の周囲に形成された密封部分を図5の加熱ジグ上に配置し、熱溶接により相互に連結させた。排気案内密封部分が、排気案内密封部分の比較的大きい下側末端(内側)幅の40％に等しい比較的小さい上側末端(外側)幅を有するように、排気案内密封部分を密封部分に形成した。ブリッジ密封部分は、ブリッジ密封部分の幅が残りの密封部分の幅の25％に等しくなるように形成した。界面密封部分は、界面密封部分の幅が残りの密封部分の幅の15％に等しくなるように形成した。熱溶接は、排気案内密封部分が、残りの密封部分の密封力の約60％に等しい密封力を有し、ブリッジ密封部分が、残りの密封部分の密封力の約120％に等しい密封力を有するように行った。
[比較例1]
排気案内密封部分を二次バッテリーに形成しなかった以外は、例1と同じ様式で二次バッテリーを製造した。
排気案内密封部分を二次バッテリーに形成しなかった以外は、例1と同じ様式で二次バッテリーを製造した。
[比較例2]
ブリッジ密封部分も界面密封部分も二次バッテリーに形成しなかった以外は、例1と同じ様式で二次バッテリーを製造した。
ブリッジ密封部分も界面密封部分も二次バッテリーに形成しなかった以外は、例1と同じ様式で二次バッテリーを製造した。
[実験例1]
例1及び比較例1及び2により製造した30個のバッテリーに対して、200サイクルの充電及び放電を、4.3 V充電及び3.0 V放電の条件で行い、バッテリーからガスが排出されるか、否かを確認した。
例1及び比較例1及び2により製造した30個のバッテリーに対して、200サイクルの充電及び放電を、4.3 V充電及び3.0 V放電の条件で行い、バッテリーからガスが排出されるか、否かを確認した。
また、バッテリーを内部温度約90度のチャンバー中に配置してバッテリーを膨潤させ、バッテリーが発火または爆発するか、内部ガスの排出方向、及びガス排出の際のバッテリー膨潤偏差を確認した。排出方向は、内部ガスが排出された時に破裂した密封部分の数により決定した。すなわち、全てのバッテリーの同じ位置に配置された密封部分が破裂した場合、排出方向は1と設定した。幾つかのバッテリーの異なった位置に配置された密封部分が破裂した場合、破裂した密封部分の数を加えた。また、ガス排出の際のバッテリー膨潤偏差を、ガス排出の際の最小膨潤度を示すバッテリーの厚さの、ガス排出の際の最大膨潤度を示すバッテリーの厚さに対する百分率に換算した。
表1から分かるように、正常な作動条件では例1の全てのバッテリーからガスは排出されず、高温条件でバッテリーが膨潤した時も、内部ガスがバッテリーから効果的に排出されたために、バッテリーは発火または爆発しなかった。また、バッテリー内部ガスは、1方向または2方向で排出された。
他方、比較例1の多数のバッテリーが発火または爆発したことが確認された。また、内部ガスの排出の際に破裂した区域が変化したことも確認された。
比較例2のバッテリーは、高温条件で膨潤したバッテリーから内部ガスが効果的に排出されたことにより、発火または爆発しなかったが、正常な作動条件で多数のバッテリーからガスが排出されたことも確認された。
上記の説明から明らかなように、本発明の二次バッテリーは、正常な作動条件では高い密封力を示し、バッテリーセル中で高圧のガスが発生すると、排気案内密封部分の密封力が先ず解消され（最初に解放され）、所望の区域を通して高圧ガスを選択的に排出することができる。従って、本発明には、バッテリーが発火または爆発する可能性を阻止し、それによって、バッテリーの安全性を著しく改良し、有害ガスの不注意な排出により引き起こされる問題を解決するという効果がある。さらに、排気案内密封部分は、バッテリー製造の際に、予め決められた加熱ジグを使用して容易に製造することができ、それによって、バッテリーの製造コスト増加を引き起こすことはない。
本発明の好ましい実施態様を例示のために開示したが、当業者には明らかなように、請求項に記載する本発明の範囲及び精神から離れることなく、様々な修正、追加、及び置き換えが可能である。
Claims (15)
- 板形状二次バッテリーであって、
カソード/セパレータ/アノード構造の電極アセンブリーがバッテリーケース中に取り付けられ、かつ、前記バッテリーケースが熱溶接により密封されてなる構造において構築されてなり、
前記バッテリーケースが、前記バッテリーケースの電極アセンブリー受け入れ部分の周囲にある密封部分に排気案内密封部分を備えてなり、前記排気案内密封部分が、前記排気案内密封部分の幅が前記密封部分の内側から前記密封部分の外側に向けて減少する構造に形成されてなるものであり、バッテリーセル中に高圧ガスが発生した時に、前記排気案内密封部分の密封力が最初に解放され、従って、前記高圧ガスが外側に排出されてなるものであり、前記排気案内密封部分が、残りの密封部分に配置された密封部分の密封力より小さい密封力で熱溶接されてなるものであり、
前記バッテリーケースが、前記排気案内密封部分の中央にブリッジ密封部分をさらに備えてなり、前記ブリッジ密封部分が前記電極アセンブリーと平行して伸びてなり、前記残りの密封部分の対向する側部を予め決められた幅で相互に接続し、前記ブリッジ密封部分が、前記排気案内密封部分の密封力より大きい密封力で熱溶接されてなる、板形状二次バッテリー。 - 前記排気案内密封部分が、前記排気案内密封部分の比較的大きい下側末端幅の10〜50％に等しい比較的小さな上側末端幅を有する、請求項１に記載の二次バッテリー。
- 前記排気案内密封部分が、前記バッテリーケースの長軸長さの5〜30％に等しい下側末端幅を有する、請求項１に記載の二次バッテリー。
- 前記排気案内密封部分が、半円形、三角形、及び台形からなる群から選択された少なくとも一つの水平平面形状に形成されてなる、請求項１に記載の二次バッテリー。
- 前記排気案内密封部分が台形形状に形成されてなる、請求項４に記載の二次バッテリー。
- 前記ブリッジ密封部分が、前記残りの密封部分の幅の10〜60％に等しい幅を有する、請求項１に記載の二次バッテリー。
- 前記バッテリーケースが、前記排気案内密封部分と前記残りの密封部分との間の界面に、前記残りの密封部分の密封力より大きい密封力で熱溶接された界面密封部分をさらに備えてなる、請求項１に記載の二次バッテリー。
- 前記界面密封部分が、前記残りの密封部分の幅の2〜20％に等しい幅を有する、請求項７に記載の二次バッテリー。
- 前記排気案内密封部分が、前記バッテリーケースの中央を基準にして、前記バッテリーケースの短軸上に配置された片側または両側密封部分の中央に形成されてなる、請求項１に記載の二次バッテリー。
- 前記バッテリーケースが、樹脂層および金属層を包含するラミネートシートから形成されてなる、請求項１に記載の二次バッテリー。
- 前記シートがアルミニウムラミネートシートである、請求項１０に記載の二次バッテリー。
- 前記電極アセンブリーが、折り重ね型構造、積重型構造、または積重型及び折り重ね型構造に構築されてなる、請求項１に記載の二次バッテリー。
- 前記バッテリーがリチウムイオンポリマーバッテリーである、請求項１に記載の二次バッテリー。
- 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の二次バッテリーを単位電池として備えてなる、中または大型バッテリーモジュール。
- 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の二次バッテリーの製造方法であって、
前記電極アセンブリーを前記バッテリーケースの前記受け入れ部分に取り付けること、及び
前記バッテリーケースの外周部にある密封部分を、前記排気案内密封部分、又は前記ブリッジ密封部分、又は前記界面密封部分に対応し、前記密封部分の密封力に逆比例する深さを有する、彫りつけた形状に形成された加熱ジグ上で熱溶接することを備えてなる、製造方法。
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