JP5160559B2 - 安全性を高めた折り曲げ形状のリチウムイオンバッテリー - Google Patents

安全性を高めた折り曲げ形状のリチウムイオンバッテリー Download PDF

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Description

発明の分野
本発明は、安全性を高めた折り曲げ形状の二次バッテリーに関し、より詳しくは、電極アセンブリーが内部に取り付けられている円筒形容器の、キャップアセンブリーが取り付けられている、開いた上側末端に折り曲げ区域(crimping region)が形成される構造に構築された円筒形二次バッテリーであって、該折り曲げ区域が、該円筒形容器の該折り曲げ区域の上側末端が予め決められた曲率半径で連続的に2回屈曲する構造に構築され、従って、外部の物理的衝撃、例えば振動または落下、がバッテリーに作用した時、及び該バッテリーの内部圧力が増加した時、密封部分が互いに分離するのが防止され、それによって、電解質の漏れが阻止されるので、バッテリーの安全性が大きく改良され、曲率半径が小さい該折り曲げ区域の前端部が屈曲した時に、該容器の変形、例えばしわ、が最少に抑えられる、円筒形二次バッテリーに関する。
発明の背景
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、それらの可動装置用のエネルギー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、高エネルギー密度及び高放電電圧を有するリチウム二次バッテリーに対して多くの研究が行われており、このバッテリーが現在商業化され、広く使用されている。
二次バッテリーを携帯電話またはラップトップコンピュータ用の電源として使用する場合、その二次バッテリーには、予め決められたレベルの電力を安定して供給することが求められる。他方、二次バッテリーを動力工具、例えば電気ドリル、用の電源として使用する場合、その二次バッテリーには、高レベルの電力を瞬間的に供給し、同時に、外部の物理的衝撃、例えば振動または落下、に対して安定していることが求められる。
図1は、従来の円筒形二次バッテリーの構造を例示する垂直断面図である。
図1に関して、円筒形二次バッテリー10は、一般的に円筒形容器20、容器20の中に取り付けられたゼリーロール型電極アセンブリー30、容器20の上側末端に連結されたキャップアセンブリー40、及びキャップアセンブリー40が取り付けられている折り曲げ区域50を包含する。
電極アセンブリー30は、カソード31及びアノード32を、カソード31とアノード32の間にセパレータ33をそれぞれ挿入した状態でゼリーロール型形状に巻き上げた構造に構築されている。カソード31には、キャップアセンブリー40に接続されたカソードタブ34が取り付けられている。アノード32には、容器20の下側末端に接続されたアノードタブ(図には示していない)が取り付けられている。
キャップアセンブリー40は、カソード端子を構成するトップキャップ41、バッテリーの内側温度が増加した時にバッテリー抵抗が大きく増加することにより電気回路を遮断するための正温度係数(PTC)素子42、バッテリーの内側圧力が増加した時に電流及び／または排出ガスを遮断するための屈曲安全部材43、特定部分を除いて屈曲安全部材43をキャッププレート45から電気的に隔離するための絶縁部材44、及びカソード31に取り付けられているカソードタブ34に接続されたキャッププレート45を包含する。キャップアセンブリー40は、トップキャップ41、PTC素子42、屈曲安全部材43、絶縁部材44、及びキャッププレート45を連続的に積み重ねた構造に構築される。
折り曲げ区域50は、キャップアセンブリー40を容器20の開いた上側末端に取り付けることができるように、容器20の上側末端に形成する。より詳しくは、折り曲げ区域50は、容器20の内側に窪みが形成されるように、容器20の上側末端に丸みを付け(beading)、ガスケット60を取り付け、キャッププレート45、絶縁部材44、屈曲安全部材43、及びトップキャップ41の外周部分を順次挿入し、容器20の上側末端を曲げることにより、形成される。その結果、折り曲げ区域50は、折り曲げ区域50の内側に配置されたガスケット60を取り囲む形状に形成される。キャップアセンブリー40は、折り曲げ及びプレス加工により、折り曲げ区域50に取り付けられる。
しかし、外部の衝撃が上記の構造を有する円筒形二次バッテリーに作用すると、円筒形二次バッテリーの密封性が低下し、円筒形二次バッテリーの電気的接続区域における抵抗が変動し、円筒形二次バッテリーの安全性が低下し、円筒形二次バッテリーが所望の性能を発揮するのが困難になることが分かっている。
この理由から、本発明者らは、韓国特許出願第2006−22950号明細書に開示されている、図2に示すような構造が改良された二次バッテリーを提案している。
図2に関して、円筒形二次バッテリー100は、電極アセンブリー110を容器200の中に挿入し、電解質を容器200の中に注入し、キャップアセンブリー300を容器200の開いた上側末端に取り付けることにより製造（形成）される。円筒形二次バッテリー100の製造方法は、従来型円筒形バッテリーを製造する方法と一般的に同等である。しかし、円筒形二次バッテリー100の構造は、従来型円筒形バッテリーの構造とは異なっている。その違いを以下に詳細に説明する。
キャップアセンブリー300は、気密性を維持するために、トップキャップ310及び内部圧力を下げるための屈曲安全部材320が、容器200の上側丸み部分210に取り付けたガスケット400の内側で互いに緊密に接触する構造に構築されている。トップキャップ310は、トップキャップ310の中央部分が上方向に突き出るように形成され、従って、トップキャップ310が、外部回路に接続されるカソード端子として作用する。トップキャップ310は、その突き出た部分の周辺部に沿って複数の通し孔312を備え、それらの通し孔を通して加圧されたガスが容器200から外に排出される。
屈曲安全部材320は、薄膜構造であり、そこを通して電流が流れる。屈曲安全部材320の中央部分は、凹んでおり、凹んだ中央部分322を形成し、深さが異なった2個の切欠き部324及び326が中央部分322の上側及び下側屈曲区域にそれぞれ形成されている。屈曲安全部材320の下には、バッテリーの外にガスを排出し、同時に、電流を遮断するための電流遮断部材600が取り付けてある。
屈曲安全部材320の末端328は、トップキャップ310の外周表面314を取り囲み、トップキャップ310の下側末端表面に輪状突起316が形成されている。
上記の構造を有する円筒形二次バッテリー100は、電気的接続区域における密封性に関連する問題及び抵抗変動の問題を解決する。しかし、本発明者らが行った実験により、外部衝撃が円筒形二次バッテリーに連続的に作用した時、図1の構造に構築された折り曲げ区域ならびに図2の構造に構築された折り曲げ区域は容易に変形し、トップキャップ、屈曲安全部材、及びガスケット間の接触表面が互いに分離するために、円筒形二次バッテリーの密封性が低下することが分かった。
図3は、図2に示す円筒形二次バッテリーの折り曲げ区域を例示する部分的拡大図である。説明の都合上、容器の、折り曲げ区域を形成する部分だけを示す。
図3に関して、折り曲げ区域500は、ガスケット400(図2参照)がキャップアセンブリー300と容器200の開いた上側末端との間に配置された状態で、キャップアセンブリー300(図2参照)が容器200(図2参照)の開いた上側末端に安定して取り付けられるように、折り曲げ区域500の末端が屈曲した構造に構築される。折り曲げ区域500の屈曲した前端部510は内側に伸びており、折り曲げ区域500の屈曲した前端部510が予め決められた角度で傾斜した状態で、折り曲げ区域500の屈曲した前端部510がガスケット400(図2参照)を圧迫し、高い密封性を与える。ほとんどの円筒形二次バッテリーでは、屈曲区域の曲率半径(Ｒ)は約1.3 mm以上である。
しかし、この構造では、バッテリーの側部に外部力が(水平矢印で示す方向で)頻繁に作用した時、折り曲げ区域500は破線の形状に変形する結果、ガスケットの密封状態が部分的に解除され、従って、屈曲安全性部材及びトップキャップが瞬間的に互いに分離する。その結果、屈曲安全性部材とトップキャップの間に限定された隙間を通して電解質が円筒形二次バッテリーから漏れ、それによって、円筒形二次バッテリーの安全性が大きく低下する。また、円筒形二次バッテリーの内部圧力が増加すると、円筒形二次バッテリーの内側から作用する圧力のために、上記の変形が起こり、電解質が円筒形二次バッテリーから漏れる。
折り曲げるための屈曲工程を行う際に曲率半径を小さくし、円筒形二次バッテリーに作用する外部衝撃による折り曲げ区域の変形及び円筒形二次バッテリーの内部圧力増加を抑制することが考えられる。しかし、この場合、屈曲区域は、曲率半径が小さいために、ゆるやかに傾斜(slop)せず、容器にしわが形成されることがある。
また、円筒形バッテリー中のガスケットに作用する力を大きく増加するために、折り曲げ区域の前端部を、折り曲げ区域の屈曲前端部がガスケットをほぼ直角に圧迫するように屈曲させることも考えられる。この構造の一例は、米国特許第5,150,602号明細書及び第4,656,736号明細書の図面に部分的に開示されている。しかし、折り曲げ区域の屈曲前端部がガスケットをほぼ直角に圧迫すると、ガスケットを構成する弾性材料の疲労現象が大きく増加し、外部衝撃及び内部圧力の増加により亀裂が発生することがあり、従って、円筒形バッテリーの密封性が急激に低下する。
一方、円筒形二次バッテリー容器の外側表面は、一般的に絶縁性チューブにより覆われ、容器の、電極端子区域を除く外側表面を外部から絶縁し、容器の外側表面が引っ掻き傷により損傷を受けるのを防止する。
絶縁性チューブは、通常、ポリ塩化ビニル(PVC)から製造（形成）される。しかし、PVCチューブは、耐熱性が低く、PVCチューブの高温処理の際にPVCチューブに二次的な収縮が起こり、PVCチューブを廃棄すると、有害物質が発生する結果、幾つかの問題、例えば環境汚染、がPVCチューブから発生する。この理由から、絶縁性チューブは、PVCの代わりに、主として他の重合体樹脂から製造（形成）する。
しかし、本発明者らが行った実験により、そのようなチューブは耐衝撃性が低く、従って、動力工具用の電源として使用する二次バッテリーに外部の力が作用すると、そのチューブは望ましいレベルの衝撃吸収性を示さないことが分かった。従って、折り曲げ構造及び絶縁性チューブを改良することにより、より優れた特性を発揮する円筒形二次バッテリーが強く求められている。
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、外部の小さな衝撃、関連する疲労、内部圧力の増加、負荷、等により起こることがある電解質の漏れは、円筒形バッテリーの折り曲げ区域の形状を変えることにより、効果的に防止されることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成された。
本発明により、上記の、及び他の目的は、電極アセンブリーが内部に取り付けられている円筒形容器の、キャップアセンブリーが取り付けられている開いた上側末端に折り曲げ区域が形成される構造に構築された円筒形バッテリーであって、該折り曲げ区域が、該折り曲げ区域が該折り曲げ区域の内側に配置されたガスケットを取り囲むように、該折り曲げ区域の上側末端がゆるやかに屈曲し、屈曲した前端部が、連続的に2回屈曲し、該屈曲した前端部が内側に伸びている状態で該ガスケットを圧迫し、該容器の外周部における第一屈曲区域の曲率半径(Ｒ１)が第二屈曲区域の曲率半径(Ｒ２)より小さくなる構造に構築されている、円筒形バッテリーを提供することにより、達成される。
一般的に、円筒形二次バッテリーを動力工具用の電源として使用する場合、その工具には、その作動環境特性により内部または外部の物理的衝撃、例えば振動または落下、が頻繁に作用し、動力工具から発生する振動が電源に直接伝達される。前に説明したように、これらの物理的衝撃は、折り曲げ区域の変形を引き起こし、その結果、トップキャップ、屈曲安全性部材、及びガスケット間の接触表面における密封性が低下する。
従って、上記の問題を解決するには、ガスケットを取り囲む折り曲げ区域の角度を水平面から大きく増加させることが必要になろう。しかし、この場合、外部の力がバッテリーに作用するか、またはバッテリー内部圧力が増加すると、ガスケットの弾性力により、折り曲げ区域が、垂直矢印で示すように上向きに容易に広がり、その結果、電解質が容器から漏れることがある。従って、屈曲区域における曲率半径を小さくした構造を考えることができる。しかし、この場合、容器上にしわが形成されることがある。
他方、本発明では、該折り曲げ区域が、該折り曲げ区域の上側末端がゆるやかに屈曲するように、該折り曲げ区域の上側末端が連続的に2回屈曲し、該容器の外周部における第一屈曲区域の曲率半径(Ｒ１)が第二屈曲区域の曲率半径(Ｒ２)より小さくなる構造に構築される。従って、本発明は、特に動力工具の振動による小さな衝撃に対して優れた屈曲保持性を与え、それによって、ガスケットと折り曲げ区域との間の密封効果、すなわち密封性、を大きく改良し、小さな曲率半径により容器上にしわが発生するのを阻止する。
第一屈曲区域の曲率半径(Ｒ１)が第二屈曲区域の曲率半径(Ｒ２)より小さいとは、第二屈曲区域が第一屈曲区域より、ゆるやかに屈曲していることを意味する。屈曲区域における曲率半径は、上記の条件で構築された構造に、従来の技術では予想されなかった著しい効果を発揮する。それらの結果は、以下に記載する例及び比較例により確認することができる。
他方、第一屈曲区域の曲率半径(Ｒ１)が第二屈曲区域の曲率半径(Ｒ２)より大きくなるように折り曲げ区域を形成すると、緩やかに屈曲している第一屈曲区域が、連続的な小さな衝撃により容易に変形することがある。また、第二屈曲区域は比較的突き出た構造を有し、従って、外部の力がバッテリーの上からバッテリーに作用すると、その衝撃は第二屈曲区域に集中するので、屈曲末端の形状が酷く変形することがある。さらに、折り曲げ区域と、折り曲げ区域の内側に位置するガスケットとの間の接触面積が減少し、従って、ガスケットを十分に圧迫できなくなる。従って、バッテリーの密封性は、所望の程度に改良されない。
好ましい実施態様では、Ｒ１の値は0.4〜1.5 mmであり、Ｒ２の値は3〜4 mmである。Ｒ１の値が大きすぎるか、またはＲ２の値が小さすぎると、Ｒ１の値とＲ２の値の差が大きく低下し、外部の力がバッテリーに作用するか、またはバッテリーの内部圧力が増加した時に、屈曲を所望の程度に保持できなくなる。他方、Ｒ１の値が小さすぎる場合、外部の力または内部圧力に対して優れた屈曲性を維持できるが、外部の力がバッテリーの上からバッテリーに作用した時に、応力が屈曲区域に集中するので、対応する区域に亀裂が生じることがある。状況に応じて、屈曲工程の際に、しわが容器上に形成されることがある。また、Ｒ２の値が大きすぎる場合、屈曲末端がガスケットを効果的に圧迫することができず、従って、所望の密封性を達成するのが困難になる。
より好ましくは、Ｒ１の値は0.5〜1.4 mmであり、Ｒ２の値は3.5〜3.8 mmである。
好ましい実施態様では、折り曲げ区域は、第一屈曲区域と第二屈曲区域との間に直線区域が形成されるように構築する。バッテリーに作用する外部衝撃を吸収するための接触面積は、直線的な区域を設けることにより、相対的に増加する。特に、バッテリーの角部またはバッテリーの上部に衝撃が作用した時、あるいはバッテリーが落下した時、バッテリーに作用する衝撃は、比較的急速に分散し、それによって、バッテリーの安全性が改良される。
直線区域を形成する時点には、特に制限は無い。例えば、直線区域は、第一及び第二屈曲工程の際に曲率半径(Ｒ１)及び曲率半径(Ｒ２)を維持する時に自然に形成することができる。あるいは、直線的区域は、屈曲工程の後に、追加のプレス加工工程により形成することもできる。
また、直線区域の長さ及び傾斜は、第二屈曲区域の曲率半径(Ｒ２)より小さな第一屈曲区域の曲率半径(Ｒ１)に応じて変えることができる。すなわち、直線区域の長さ及び傾斜には、特に制限は無く、屈曲区域とバッテリーの全体的な外観の関係により、適切に決定することができる。好ましい実施態様では、直線区域の長さは0.1〜1 cmであり、傾斜角度は0〜20度である。
ガスケットは、屈曲安全性部材をトップキャップから隔離し、バッテリーの内部を密封する。しかし、ガスケットを取り囲む折り曲げ区域が変形した場合、バッテリーの密封性は大きく低下し、従って、電解質がバッテリーから漏れることがある。従って、折り曲げ区域の変形を阻止することは非常に重要である。このため、折り曲げ区域の屈曲した前端部は、その屈曲した前端部が、ガスケットの深刻な変形を阻止しながら、ガスケットを十分に圧迫するように、内側に向けて伸びる。また、折り曲げ区域の屈曲した前端部は、予め決められた角度で、折り曲げ区域の側部から傾斜している。
折り曲げ区域の屈曲した前端部の、内側に向かって伸びる長さは、容器の機械的強度およびガスケットの弾性力及び持続性を考慮して、適切に決定することができる。好ましい実施態様では、折り曲げ区域の屈曲した前端部は、折り曲げ区域の側部から1〜3 mmだけ伸びている。
また、折り曲げ区域の屈曲した前端部は、ガスケットと折り曲げ区域との間の緊密な接触が維持されるように、折り曲げ区域の側部から40〜80の角度、好ましくは60〜75度の角度で屈曲することができる、ガスケットが圧迫されるように、予め決められた圧力をガスケットに加える。例えば、折り曲げ区域の前端部を予め決められた曲率半径で1回屈曲させる場合、折り曲げ区域の側壁に対する傾斜角度(α)を80度以下に下げることは、ガスケットの弾性力のために、困難である。他方、本発明により折り曲げ区域の前端部を予め決められた曲率半径で連続的に2回屈曲させる場合、折り曲げ区域の側壁に対する傾斜角度(α)を80度以下に維持することが可能であり、それによって、折り曲げ区域の、ガスケットを圧迫する力がさらに増加し、従って、電解質の漏れがさらに効果的に阻止される。
折り曲げ区域の屈曲した前端部の、内側に向かって伸びる長さが小さすぎるか、または折り曲げ区域の屈曲した前端部の傾斜角度が大きすぎる場合、折り曲げ区域が変形するために、ガスケットを十分に圧迫することは不可能であり、従って、電解質の漏れ現象が起こることがある。他方、折り曲げ区域の屈曲した前端部の、内側に向かって伸びる長さが大きすぎるか、または折り曲げ区域の屈曲した前端部の傾斜角度が小さすぎる場合、折り曲げ区域の屈曲した前端部はガスケットを過度に圧迫するために、ガスケットが損傷を受けることがある。
屈曲工程には、特に制限は無い。例えば、屈曲工程は、間欠的に行うことができる。具体的には、折り曲げ区域の屈曲した前端部がトップキャップの中央軸に対してほぼ直角になるように、折り曲げ区域の屈曲した前端部を曲率半径(Ｒ１)で、折り曲げ区域の側部から一次的に屈曲させ、折り曲げ区域の屈曲末端がガスケットの上側末端と緊密に接触するように、折り曲げ区域の屈曲した前端部を曲率半径(Ｒ２) で、トップキャップの中央軸に対して40〜80度の角度で二次的に屈曲させる。この時、一次的屈曲工程と二次的屈曲工程との間の時間間隔は、屈曲時に応力が集中する屈曲区域から応力が十分に分散する僅かな時間間隔を意味する。この間欠的屈曲工程により、屈曲区域の破損する可能性が大きく低下する。
好ましくは、円筒形容器の厚さは0.15〜0.35 mmである。円筒形容器の厚さが小さすぎる場合、バッテリーの機械的強度が低下し、カソードリード線を円筒形容器の底部に溶接する際に溶接欠陥が起こることがある。その結果、円筒形容器の底部は、溶接する時に破壊されるか、または深刻な損傷を受けることがある。反対に、円筒形容器の厚さが大きすぎる場合、バッテリーの総重量が増加し、電極アセンブリーの区域が相対的に小さくなり、バッテリーの容量が低下する。また、容器の開いた上側末端に丸みを付ける、及び折り曲げ加工を行うのが困難になる。
円筒形容器の材料に、特に制限は無い。好ましくは、円筒形容器は、ステンレス鋼、鋼、アルミニウム、及びそれらの同等品からなる群から選択された材料から製造（形成）する。
好ましい実施態様では、円筒形容器の、電極端子を除く外側表面は、絶縁性フィルムで覆い、この絶縁性フィルムは、高い衝撃吸収性を示す重合体樹脂から製造（形成）する。
絶縁性フィルムは、例えばチューブの形状に形成する。バッテリーをこのチューブに挿入し、このチューブに熱を作用させ、熱収縮によりバッテリーの外側表面にチューブを接触させる。従って、絶縁性フィルムが高い熱収縮性、電気的絶縁性、及び衝撃耐性を有する限り、絶縁性フィルムに特に制限は無いが、高い引張強度及び伸長性を有する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。特に、軟質PET樹脂は一般的なPET樹脂よりもたわみ性が高いので、一般的なPET樹脂よりも軟質PET樹脂を使用するのが好ましい。
軟質PET樹脂は、電気的絶縁性、熱収縮性が高く、バッテリーの外側表面と非常に緊密に接触する。特に、軟質PET樹脂は、非常にたわみ性が高く、従って、小さな衝撃を吸収する優れた効果を発揮する。さらに、軟質PETに機械的な力を作用させても、軟質PETは、脆化及び破断せず、その軟質性のために、引き伸ばされ、それによって、絶縁性フィルムが亀裂を生じたり、除去された場合に起こることがある外部短絡の発生を阻止し、従って、バッテリーの安全性が改良される。
本発明のバッテリーは、頻繁に起こる振動及び衝撃にさらされる装置の電源として使用するのが好ましい。その装置は、使用中に非常に大きな振動を生じる動力工具、例えば電気ドリル、でよい。
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。
好ましい実施態様の詳細な説明
ここで、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい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4は、本発明の好ましい実施態様による円筒形二次バッテリーの折り曲げ区域を例示する拡大垂直断面図である。図4は、折り曲げ区域の屈曲区域の曲率半径、及び折り曲げ区域の屈曲した前端部の延長形状及び角度を示す。
図4に関して、折り曲げ区域501は、図3の曲率半径(Ｒ)と異なり、連続的に形成された曲率半径(Ｒ１)の第一屈曲区域及び曲率半径(Ｒ２)の第二屈曲区域を有する。第一屈曲区域の曲率半径(Ｒ１)は、第二屈曲区域の曲率半径(Ｒ２)より小さく、図3の曲率半径(Ｒ)より遙かに小さい。従って、折り曲げ区域501の屈曲した前端部511は、折り曲げ区域500の屈曲した前端部510と比較して、内側に伸びる長さが等しい条件下で、ガスケット(図には示していない)に対して大きな圧迫力及び高い密封性を示す。
さらに、小さな曲率半径(Ｒ１)を有する屈曲区域は、側部方向に加えられる外部力による変形は僅かであり、従って、小さな曲率半径(Ｒ１)を有する屈曲区域とガスケットとの間の緊密な接触があまり低下しない。
屈曲した前端部511は、その屈曲した前端部511が予め決められた角度(α)で折り曲げ区域501の側部から屈曲した状態で、伸びている。また、曲率半径(Ｒ２)を有する第二屈曲区域は、屈曲した前端部511に形成される。その結果、傾斜角度(α)を80度以下に下げることができる。これによって、ガスケットを圧迫する力がさらに増加し、従って、二次バッテリーからの電解質の漏れが阻止される。
他方、折り曲げ区域が第一屈曲区域にのみ形成される場合、前に説明したように、屈曲を維持する力が大きくなく、従って、ガスケットの弾性力のために、傾斜角度(α)を80度以下に下げることが困難になる。
また、容器200の外側表面は、高い衝撃吸収性を示す軟質ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂から製造（形成）された絶縁性フィルム700で覆う。絶縁性フィルム700は、熱収縮により容器200の外側表面と緊密に接触し、従って、絶縁性フィルム700は、容器200の外側形状に対応する形状を有する。
矢印で示すように、外部の力が側方方向で容器200に作用すると、絶縁性フィルム700は、その衝撃を主として吸収するように作用する。また、特定の曲率半径(Ｒ１及びＲ２)で連続的に2回屈曲している折り曲げ区域500は、外部の力に対して高い耐性を示し、従って、変形を抑制する。
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]
冷間圧延し、ニッケル(Ｎｉ)被覆した炭素鋼シート(SPCE)を使用してトップキャップ及び円筒形容器を製造し、電極アセンブリーを円筒形容器に取り付け、その円筒形容器に、電極アセンブリーの上側末端に対応する区域で、丸みを付ける加工を行い、折り曲げ区域を形成し、ガスケットを折り曲げ区域の内側に挿入し、キャップアセンブリーを折り曲げ区域に取り付けた。続いて、折り曲げ区域の、キャップアセンブリーから離れた部分を、第一屈曲区域の曲率半径(Ｒ１)が0.6 mmになり、第二屈曲区域の曲率半径(Ｒ２)が3.65 mmになるように、容器の側部に対して65度の角度プロファイルで屈曲させた。続いて、折り曲げ及びプレス加工加工工程を行い、標準的な18650円筒形二次バッテリー(直径18 mmおよび長さ65 mmを有する)を製造した。折り曲げ区域の屈曲した前端部は、折り曲げ区域の側部から内側に向けて約2.4 mm伸びていた。
[例2]
折り曲げ区域の第一屈曲区域が曲率半径(Ｒ１)1.3 mmを有し、折り曲げ区域の第二屈曲区域が曲率半径(Ｒ２)3.65 mmを有する以外は、例1と同じ様式で円筒形二次バッテリーを製造した。
[比較例1]
折り曲げ区域の第一屈曲区域が曲率半径(Ｒ１)0.6 mmを有し、折り曲げ区域の第二屈曲区域が曲率半径(Ｒ２)0 mm(直線的)を有する以外は、例1と同じ方法で円筒形二次バッテリーを製造した。この時、第一屈曲工程の際に、容器にしわの発生が観察された。
[比較例2]
図3に示すように、折り曲げ区域の第一屈曲区域が曲率半径(Ｒ１)1.3 mmを有し、折り曲げ区域の第二屈曲区域が曲率半径(Ｒ２)0 mm(直線的)を有する以外は、例1と同じ方法で円筒形二次バッテリーを製造した。
[比較例3]
折り曲げ区域の第一屈曲区域が曲率半径(Ｒ１)3.65 mmを有し、折り曲げ区域の第二屈曲区域が曲率半径(Ｒ２)0.6 mmを有する以外は、例1と同じ方法で円筒形二次バッテリーを製造した。
[例3]
例1の方法により製造した円筒形二次バッテリーを、電極端子を除いて、一般的なPETチューブの中に挿入し、PETチューブに熱を作用させてPETチューブを収縮させた。
[例4]
例1の方法により製造した円筒形二次バッテリーを、電極端子を除いて、軟質PETチューブの中に挿入し、PETチューブに熱を作用させてPETチューブを収縮させた。
[比較例4]
比較例1の方法により製造した円筒形二次バッテリーを、電極端子を除いて、一般的なPETチューブの中に挿入し、PETチューブに熱を作用させてPETチューブを収縮させた。
[比較例5]
比較例2の方法により製造した円筒形二次バッテリーを、電極端子を除いて、一般的なPETチューブの中に挿入し、PETチューブに熱を作用させてPETチューブを収縮させた。
[比較例6]
比較例2の方法により製造した円筒形二次バッテリーを、電極端子を除いて、軟質PETチューブの中に挿入し、PETチューブに熱を作用させてPETチューブを収縮させた。
[比較例7]
比較例3の方法により製造した円筒形二次バッテリーを、電極端子を除いて、一般的なPETチューブの中に挿入し、PETチューブに熱を作用させてPETチューブを収縮させた。
[実験例1]
例1及び例2に記載するようにして製造した30個のバッテリー、及び比較例1及び比較例2に記載するようにして製造した30個のバッテリーに、バッテリーの上下を逆さにして配置し、屈曲安全性部材が作動するまで圧力を作用させ、電流遮断部材が作動する前に電解質が漏れるか、否かを確認した。結果を下記の表1に示す。
Figure 0005160559
上記の表1から、例1及び例2のバッテリーからは電解質が漏れなかったのに対し、比較例1のバッテリー2個、比較例2のバッテリー5個、及び比較例3のバッテリー6個からは、電解質が、電流遮断部材の作動前及び後に漏れたことが分かる。従って、本発明の、屈曲した前部を特殊な条件下で連続的に2回屈曲させたバッテリーは、電流遮断部材が破損した後でも、優れた密封性を示すことが分かる。
[実験例2]
例3及び例4に記載するようにして製造した30個のバッテリー、及び比較例4〜比較例7に記載するようにして製造した30個のバッテリーを、4 A及び4.2 Vで完全充電し、八角形のドラム中に入れ、66 rpmで、30分間間隔で150分間回転させ、インピーダンスが増加したか、及び電解質が漏れ出したか、否かを確認した。結果を下記の表2に示す。インピーダンス増加率がドラム試験後に10％未満であり、電解質が漏れ出さなかった場合、バッテリーは優れた機械的安定性を示すと決定した。
Figure 0005160559
これらの試験結果は、例3及び例4の大部分のバッテリーが、150分間のドラム試験後に、10％未満のインピーダンス増加率を示し、電解質がバッテリーから漏れないことを示している。また、300分間のドラム試験後にも、ほとんど全てのバッテリーから電解質が漏れなかった。これらの試験結果から、本発明のバッテリーは、バッテリーに外部の力が作用しても、安定して維持されることが分かる。
特に、300分間のドラム試験後にも、例4の全てのバッテリーから電解質が漏れなかった。従って、曲率半径(Ｒ１及びＲ２)が等しい場合、動的状態、例えばドラム試験で、軟質PETチューブを使用して円筒形容器の外側表面を覆うのが、電解質の漏れを阻止するのにさらに効果的であることが分かる。
他方、300分間のドラム試験中に、比較例4〜比較例7の全てのバッテリーから電解質が漏れた。具体的には、比較例4のバッテリーでは、容器の外側表面に形成された折り曲げ区域が部分的に破損し、破損部分から電解質が漏れ出した。比較例5〜比較例7のバッテリーでは、折り曲げ区域の上側末端の、上向きの運動により形成された隙間を通して電解質が漏れ出したことが確認された。特に、比較例7のバッテリーでは、バッテリーの屈曲した前端部が酷く変形したことが確認された。
従って、屈曲した前端部を連続的にして2回屈曲させ、円筒形容器の外側表面をPETチューブで覆った例3及び例4のバッテリーは、動的ドラム試験後に、比較例4〜比較例7のバッテリーよりも優れた機械的密封性を示した。
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。
上記の説明から明らかなように、本発明には、曲率半径が小さい屈曲構造を形成する時に、容器の外側表面に生じることがある、折り曲げ区域の変形、例えばしわ、を最少に抑え、外部の物理的衝撃、例えば振動または落下、がバッテリーに作用した時に、接続区域における接触抵抗の増加を抑制し、振動及び衝撃に頻繁にさらされる装置における電解質の漏れを阻止し、それによって、円筒形バッテリーの安全性を大きく改良するという効果がある。さらに、円筒形バッテリーの外側表面を、優れた衝撃吸収性を示す絶縁性フィルムで覆うと、その絶縁性フィルムが外部衝撃を部分的に吸収し、それによって、バッテリーの安全性がさらに改良される。
図1は、従来型円筒形二次バッテリーの代表的上側構造を典型的に例示する断面図である。 図2は、韓国特許出願第2006−22950号明細書に開示されている、円筒形二次バッテリーを典型的に例示する断面図である。 図3は、図2に示す折り曲げ区域の拡大垂直断面図である。 図4は、本発明の好ましい実施態様による円筒形二次バッテリーの折り曲げ区域を例示する拡大垂直断面図である。

Claims (7)

  1. 円筒形バッテリーであって、
    キャップアセンブリーが電極アセンブリーを内部に取り付けられている円筒形容器の開いた上側末端に取り付けられ、折り曲げ区域が形成されてなる構造において構築されてなり、
    前記折り曲げ区域が、
    前記折り曲げ区域の上側末端がゆるやかに屈曲し、前記折り曲げ区域が前記折り曲げ区域の内側に配置されたガスケットを取り囲んでなり、
    屈曲した前端部が、連続的に2回屈曲し、前記屈曲した前端部が内側に伸びている状態で前記ガスケットを圧迫し、前記容器の外周部において、第一屈曲区域の曲率半径(Ｒ１)が第二屈曲区域の曲率半径(Ｒ２)より小さくなる構造に構築されてなり、
    電極端子を除く、前記円筒形容器の外側表面が、絶縁性フィルムで覆われてなり、
    前記絶縁性フィルムが、高い衝撃吸収性を示す重合体樹脂から形成されてなる、円筒形バッテリー。
  2. 前記Ｒ１の値が0.4〜1.5 mmであり、
    前記Ｒ２の値が3〜4 mmである、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
  3. 前記折り曲げ区域が、前記第一屈曲区域と前記第二屈曲区域との間に直線区域が形成されるように構築されてなる、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
  4. 前記円筒形容器が、ステンレス鋼、鋼、アルミニウム、及びそれらの同等品からなる群から選択された材料から形成されてなり、
    前記円筒形容器の厚さが0.15〜0.35 mmである、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
  5. 前記屈曲した前端部が、前記折り曲げ区域の側部から40〜80度の角度で傾斜してなる、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
  6. 前記屈曲した前端部が、前記折り曲げ区域の側部から1〜3 mmだけ伸びている、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
  7. 前記バッテリーが、振動及び衝撃に頻繁にさらされる装置の電源として使用される、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
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