JP5190048B2 - 円筒形リチウムイオン二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、円筒形リチウムイオン二次電池に関し、より詳細には、過充電の際の電流遮断時間を短縮して、熱的安全性を向上させるとともに爆発及び発火を防止することができる円筒形リチウムイオン二次電池に関する。
一般的に、円筒形リチウムイオン二次電池は、センターピンが結合された円筒形の電極組立体と、電極組立体が結合される円筒形の缶と、缶の内側に注入されてリチウムイオンの移動を可能にする電解液と、缶の一側に結合されて電解液の漏出を防止して、電極組立体の離脱を防止するキャップ組立体と、からなっている。
このような円筒形リチウムイオン二次電池は、通常、その容量が２０００〜２４００ｍＡ程度であるので、主に、大容量の電力が必要なノートパソコン（ｎｏｔｅ ＰＣ）、デジタルカメラ、及びカムコーダなどに用いられている。一例として、このような円筒形リチウムイオン二次電池は、複数個が必要な個数だけ直並列に連結され、また、保護回路が搭載された状態で、所定の形態のハードパック（ｈａｒｄ ｐａｃｋ）に組立てられ、電子機器に電源用として結合されて用いられる。
また、このような円筒形リチウムイオン二次電池の製造方法は、負極活物質がコーティングされた負極板、セパレータ、及び正極活物質がコーティングされた正極板を共に積層した後、棒形態の巻取軸に一端を結合した後、略円筒形に巻き取って電極組立体を形成する。次に、電極組立体を円筒形缶に挿入した後、電極組立体にセンターピンを挿入する。そして、円筒形缶に電解液を注入して、キャップ組立体を円筒形缶の上部（開口部）に結合することにより、略円筒形のリチウムイオン電池を完成する。
一方、このような円筒形リチウムイオン二次電池は、過充電の際の爆発を防止するために、過充電による内部圧力増加に応じて形態が変形される安全ベント、及び、安全ベントの形態変形により電流が遮断される回路基板が設けられている。通常、安全ベント及び回路基板は、総称してＣＩＤ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ）ともいい、キャップ組立体の一構成要素である。
このような円筒形リチウムイオン二次電池の安全ベント及び回路基板の作用をより詳細に説明すると次の通りである。
例えば、円筒形リチウムイオン二次電池が過充電状態になると、電極組立体の略上部領域から電解液が蒸発して抵抗が増加し始める。更に、この際、リチウムが析出して、電極組立体の略中心領域から変形が起こり始める。勿論、電極組立体の上部領域の抵抗増加によって局部的に発熱が始まって電池温度も急上昇する。
このような状態になると、通常、過充電の際に分解してガスを発生するシクロヘキシルベンゼン（Ｃｙｃｌｏ Ｈｅｘｙｌ Ｂｅｎｚｅｎｅ：ＣＨＢ）及びビフェニル（Ｂｉｐ ｈｅｎｙｌ：ＢＰ）（電解液添加剤）などの作用により内部圧力が急激に増加することになる。このような内部圧力は、キャップ組立体の一構成要素である安全ベントを外方に押し出して（即ち、外方に変形させて）、これによって、その上に設けられていた回路基板が破損することにより、電流を遮断することになる。即ち、回路基板に形成された配線パターンが切断されることにより、これ以上電流が流れないことになる。勿論、電流が遮断されると過充電状態が防止されることにより、電池の発熱、漏液、発煙、爆発、及び発火なども防止される。
一方、上記のような過充電状態により電池内部の圧力がしきい値以上になると、安全ベント自体が破裂して内部ガスが全て外部に放出されることもある。
ところが、一般的に、電池の内部にはボイドボリューム（ｖｏｉｄ ｖｏｌｕｍｅ）、または、デッドボリューム（ｄｅａｄ ｖｏｌｕｍｅ）というものが存在する。即ち、電極組立体とキャップ組立体との間の空間、及び、センターピンの内部の空間などを全てボイドボリュームと見ることができる。このようなボイドボリュームは、上述の安全ベントの変形または破裂時間を遅延させる一要因と考えられている。言い換えると、ボイドボリュームは、電流遮断時間を遅延させて電池の各種安全性を阻害するものと考えられている。
例えば、電池の種類によって若干の差があるが、電池の内部の安全ベントを変形させる圧力（または、回路基板を破壊させる圧力）は、約５〜１１ｋｇｆ／ｃｍ２であり、ボイドボリュームが約２ｍｌであれば、安全ベントの変形のために、約１０〜２２ｍｌのガスが必要であると知られている。しかし、計算上、電解液中に含まれた０．７％のシクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）が全て分解するとしても、約４．１１６ｍｌのガスが発生し、また、０．３％のビフェニル（ＢＰ）が全て分解するとしても、約１．８３３ｍｌのガスが発生する。加えて、脱ガス工程で約１．５ｍｌのガスが更に発生する。しかし、このような３つのガスを全て合わせても約７．４４９ｍｌに過ぎず、この場合、約３．５ｋｇｆ／ｃｍ２の力を安全ベントに加えるに過ぎない。即ち、過充電の際、安全ベントを変形させたり、または、これによって回路基板を破壊させたりする圧力は約５〜１１ｋｇｆ／ｃｍ２必要であるが、実際には、ボイドボリュームにより約３．７５ｋｇｆ／ｃｍ２だけ提供される。その結果、安全ベントが動作しなかったり、または、安全ベントの動作時間が遅れたりする。言い換えると、過充電の際に、電流遮断時間が遅れる。従って、その遅れた時間だけ過充電が進行され、また、電池温度もさらに増加することにより、電池の爆発や発火が生じる確率が非常に高まるという問題がある。勿論、電解液の添加剤であるシクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）及びビフェニル（ＢＰ）などの含有量を増加させると、過充電時に発生するガス量が増加するが、この場合には、トレードオフ（ｔｒａｄｅ ｏｆｆ）関係にある電池の容量、寿命、及び品質が低下するとともに、他の色々な問題が発生する。
本発明は、上述の問題を解決するためのものであって、電池の内部のボイドボリュームを縮めて、過充電の際に、安全ベントの変形時間及び電流遮断時間を短縮することができる円筒形リチウムイオン二次電池を提供することをその目的とする。
本発明の他の目的は、電池の過充電と同時に温度がしきい値以上になると内部ガス圧力をより増加させて、また、このようなガスが安全ベント側によりよく流れるようにして、安全ベントの変形時間及び電流遮断時間をより短縮することができる円筒形リチウムイオン二次電池を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、電池の温度がしきい値以上になると、機能性センターピンから電池の内部に難燃部材などの電池安全性に寄与できる物質が電池の内部に導入されて、漏液、発熱、発煙、爆発、及び発火を未然に防止できる円筒形リチウムイオン二次電池を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、電池の充電電圧が予め設定した過充電電圧に到達すると、直ちに微細ショートを誘発させて過充電電圧が消費されるようにした円筒形リチウムイオン二次電池を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、電池の充電電圧が予め設定した過充電電圧に到達すると、直ちに多量のガスが発生するようにして、安全ベントが迅速に作動するようにすることにより、電池の安全性を向上させることができる円筒形リチウムイオン二次電池を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、電池の充電電圧が予め設定した過充電電圧に到達すると、直ちに多量の難燃材料が電解液に混ざるようにすることにより、電池の発火を抑制できる円筒形リチウムイオン二次電池を提供することにある。
上記目的の達成のために、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池は、電極組立体と、前記電極組立体に結合されたセンターピンと、前記センターピンに組込まれ、充電電圧が基準電圧以上になる場合にショートされる回路部材と、前記回路部材が組込まれたセンターピン及び電極組立体が収容された缶と、前記缶の開口部に結合されたキャップ組立体と、を含み、前記回路部材は、基準電圧を提供する基準電圧源と、一の端子には前記基準電圧源からの基準電圧が入力され、他の端子には電池電圧が入力されて、前記電池電圧が前記基準電圧以上の場合にショート信号を出力する電圧比較器と、前記電極組立体に並列に連結されると共に、前記電圧比較器からのショート信号によりオンされて当該電極組立体をショートさせるショート用スイッチと、を含むことができる。
ここで、前記回路部材には、ショートにより発熱する発熱部材が更に含まれることができる。また、前記発熱部材には、所定温度でガス化して内圧を増加させるガス化部材と、所定温度でガス化して発火を抑制する難燃部材とが装着されることができる。
上記のようにして、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池は、充電電圧が予め設定した過充電電圧に到達すると、センターピンの内部で強制的に微細ショートを発生させて過充電電圧が消費され、これによって電池の過充電による爆発を未然に防止することができる。即ち、電池の安全性が向上される。
また、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池は、充電電圧が予め設定した過充電電圧に到達すると多量のガスが迅速に発生するようにして、安全ベントが直ちに作動することにより、電池の過充電による爆発を未然に防止することができる。即ち、電池の安全性が向上される。
また、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池は、充電電圧が予め設定した電圧に到達すると、多量の難燃物質がセンターピンの外部に迅速に噴出することにより、電池の過充電による発火を直ちに防止することができる。即ち、電池の安全性が向上される。
言い換えると、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池は、予め設定した過充電電圧において正確かつ迅速に過充電状態が停止されることにより、電池の安全性及び信頼性が大きく向上される。
上述のように、本発明に係る機能性センターピンを有する円筒形リチウムイオン二次電池は、センターピンの両端が閉塞されることにより、安全ベント（または、回路基板）の動作時間を遅延させるボイドボリューム（または、デッドボリューム）を格段に低減させることができる。即ち、ボイドボリュームが電極組立体及びセンターピンとキャップ組立体との間の領域のみで形成され、従って、電池の過充電の際、内部圧力が迅速に集中して安全ベントを動作させることにより、電流遮断時間が速くなり、これによって過充電現象も迅速に停止する。
また、電池の温度が所定温度以上になると、センターピン内部のガス化部材が排出されて、このようなガス化部材は所定電圧以上で迅速に分解されてガス化することにより、安全ベントの動作時間がより速くなる。勿論、電池の温度もこれ以上増加しなくなることにより、電池の熱的安全性も向上する。
さらに、電池の温度が所定温度以上になると、センターピンの内部の難燃部材も外部に排出されることにより、電池の発煙及び発火を根本的に防止できる。
言い換えると、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池は、内部のボイドボリュームを縮めて、安全ベントの動作時間を従来に比べて格段に短縮する。また、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池は、センターピンの内部にガス化部材及び／または難燃部材を有し、電池の過充電、発煙、爆発、及び発火を根本的に防止できる。
また、上述のように、本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池は、充電電圧が予め設定された過充電電圧に到達すると、センターピンの内部で強制的に微細ショートを発生させて過充電電圧が消費されるようにし、これによって電池の過充電による爆発を未然に防止することになる。即ち、電池の安全性が向上される。
また、本発明による過充電保護回路が組込まれたセンターピンを有する円筒形リチウムイオン二次電池は、充電電圧が予め設定された過充電電圧に到達すると、多量のガスが迅速に発生するようにして、安全ベントが直ちに作動するようにすることにより、電池の過充電による爆発を未然に防止することになる。即ち、電池の安全性を向上させる。
また、本発明による過充電保護回路が組込まれたセンターピンを有する円筒形リチウムイオン二次電池は、充電電圧が予め設定された電圧に到達すると、多量の難燃物質がセンターピンの外部に迅速に噴出されるようにすることにより、電池の過充電による発火を直ちに防止することになる。即ち、電池の安全性が向上される。
言い換えると、本発明による過充電保護回路が組込まれたセンターピンを有する円筒形リチウムイオン二次電池は、一般的に使用していて電気化学的または化学的方法で具現されていた過充電保護方法の代わりに、予め設定された過充電電圧において正確かつ迅速に具現されるようにした過充電保護方法を利用することにより、電池の安全性及び信頼性が大きく向上される。
以上の説明は、本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池を実施するための一実施の形態に過ぎないものであって、本発明は、上記の実施の形態に限るのではなく、特許請求の範囲で請求するように、本発明の要旨を外れない範囲で該発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば、誰でも多様な変更が可能な範囲まで本発明の技術的精神があることは明らかである。
本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウムイオン二次電池を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウムイオン二次電池を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウムイオン二次電池を示す分解斜視図である。 機能性センターピンを拡大図示した斜視図である。 機能性センターピンを拡大図示した断面図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンを拡大図示した斜視図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンを拡大図示した断面図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンを拡大図示した斜視図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンを拡大図示した断面図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンを拡大図示した斜視図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンを拡大図示した断面図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンを拡大図示した斜視図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンを拡大図示した断面図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンを拡大図示した斜視図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンを拡大図示した断面図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンを拡大図示した斜視図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンを拡大図示した断面図である。 本発明に係る機能性センターピンを有する円筒形リチウムイオン二次電池において、センターピンによるボイドボリュームの減少により安全ベントが低い圧力で動作する状態を示す概略図である。 センターピンに形成された閉塞部材の溶融、または、破裂により安全ベントがより速かに動作する状態を示す概略図である。 本発明に係る機能性センターピンを有する円筒形リチウムイオン二次電池と、従来のセンターピンを有する円筒形リチウムイオン二次電池の過充電の際、電圧／電流、電流遮断時間及び電池表面温度との関係を示すグラフである。 本発明の別の実施の形態に係る円筒形リチウムイオン二次電池を示す断面図である。 本発明の別の実施の形態に係る円筒形リチウムイオン二次電池を示す分解斜視図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池における回路部材が組込されたセンターピンを示す断面図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池におけるセンターピンに組込されることができる回路部材の一例を示すブロック図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池におけるセンターピンに組込されることができる回路部材の他の例を示すブロック図である。 本発明に係る円筒形リチウムイオン二次電池におけるセンターピンに組込されることができる回路部材の一例を示す回路図である。
以下、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できる程度に、本発明の好ましい実施の形態を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃを参照すると、本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウムイオン二次電池を示す斜視図、断面図、及び分解斜視図がそれぞれ示されており、図１Ｄ及び図１Ｅを参照すると、機能性センターピンの拡大斜視図及び断面図がそれぞれ示されている。
まず、図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃに示すように、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池１００は、電極組立体１１０と、電極組立体１１０に結合されると共に両端（上端及び下端）が閉塞されたセンターピン１２０と、電極組立体１１０及びセンターピン１２０が収容された缶１３０と、缶１３０の上部に設けられた開口部を覆うキャップ組立体１４０と、を含む。
電極組立体１１０は、負極活物質（例えば、黒鉛及び炭素等）がコーティングされた負極板１１１、正極活物質（例えば、遷移金属酸化物（ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、及びＬｉＭｎ２Ｏ４等））がコーティングされた正極板１１２、及び負極板１１１と正極板１１２との間に位置してショート（短絡）を防止し、リチウムイオンの移動のみを可能にするセパレータ１１３からなっており、上記の負極板１１１、正極板１１２、及びセパレータ１１３は、略円柱形態で巻き取られて円筒形缶１３０に収容される。ここで、負極板１１１は銅（Ｃｕ）ホイル、正極板１１２はアルミニウム（Ａｌ）ホイル、セパレータ１１３はポリエチレン（ＰＥ）またはポリプロピレン（ＰＰ）であることができるが、本発明において上記の材質に限定するものではない。また、負極板１１１には下部に所定の長さ突出して延びた負極タブ１１４が、正極板１１２には上部に所定の長さ突出した正極タブ１１５が熔接されることができるが、その逆も可能である。併せて、負極タブ１１４はニッケル（Ｎｉ）材質、正極タブ１１５はアルミニウム（Ａｌ）材質であることができるが、本発明において上記の材質に限定するものではない。
センターピン１２０は、電極組立体１１０の略中央に結合しており、これは電池の充放電中、電極組立体１１０の変形を抑制する役割を果たす。また、センターピン１２０は、上端と下端が閉塞されていることにより、缶１３０の内部でのボイドボリューム（または、デッドボリューム）が最小化できるようになっている。即ち、従来は、センターピン１２０の上端と下端が開いた形態を成すことにより、センターピン１２０の内部自体もボイドボリューム（または、デッドボリューム）として作用したが、本発明はそうでない。このようなセンターピン１２０の構造及び作用は、下記に詳細に説明する。
缶１３０は、略円筒形態であって、所定の直径を有する円筒面１３１と、円筒面１３１の下部に形成された略円板形態の底面１３２を有し、上部は開放されている。従って、電極組立体１１０及びセンターピン１２０は、円筒形缶１３０の上部の開口部を通じて内部に直ちに挿入されることができる。ここで、電極組立体１１０の負極タブ１１４は、円筒形缶１３０の底面１３２に熔接されることができる。従って、円筒形缶１３０は、負極として動作することができる。勿論、逆に、正極タブ１１５が円筒形缶１３０の底面１３２に熔接されることができ、その場合、円筒形缶１３０は、正極として動作することができる。また、電極組立体１１０の下面には下部絶縁板１１６及び上部には上部絶縁板１１７が各々位置し、電極組立体１１０と円筒形缶１３０の不要な電気的ショートを防止できるようになっている。一方、円筒形缶１３０は、スチール、ステンレススチール、アルミニウム、または、これの等価物で形成することができるが、その材質を限定するものではない。
キャップ組立体１４０は、円筒形缶１３０の上部領域（即ち、電極組立体１１０及びセンターピン１２０の上部領域）に略リング形態で絶縁性ガスケット１４１が結合し、絶縁性ガスケット１４１には導電性安全ベント１４２が結合してなることができる。ここで、安全ベント１４２には、正極タブ１１５が接続されることができる。勿論、逆に、安全ベント１４２には、負極タブ１１４が接続されることもできる。安全ベント１４２は、周知のように、缶１３０の内部の圧力が上昇する場合、変形または破裂して下記の回路基板１４３を破損させたり、または、ガスを外部に放出させたりする役割を果たす。また、安全ベント１４２の上部には、安全ベント１４２の変形の際、破損または破壊されて電流が遮断される回路基板１４３が更に位置しており、回路基板１４３の上部には過電流時に電流が遮断されるＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子１４４が位置している。併せて、ＰＴＣ素子１４４の上部には外部に正極電圧（または、負極電圧）を提供するとともに、ガス排出が容易であるように複数の通孔１４５ａが形成された導電性正極キャップ１４５（または、負極キャップ）が更に位置している。勿論、上述の安全ベント１４２、回路基板１４３、ＰＴＣ素子１４４、及び正極キャップ１４５は、全て絶縁性ガスケット１４１の内側に装着されることにより、円筒形缶１３０との直接的なショートが防止されるようになっている。併せて、回路基板１４３の表面には、配線パターン１４３ａが形成されているが、このような配線パターン１４３ａは、回路基板１４３が破損または破壊すると自然に切断されるようになっている。
一方、円筒形缶１３０には、キャップ組立体１４０が外部に離脱しないように、キャップ組立体１４０の下部には内側に凹んだビーディング部（ｂｅａｄｉｎｇ ｐａｒｔ）１３３が形成され、上部には内側に折り曲げられたクリンピング部（Ｃｒｉｍｐｉｎｇ ｐａｒｔ）１３４が形成されている。このようなビーディング部１３３及びクリンピング部１３４は、キャップ組立体１４０を円筒形缶１３０に堅く固定及び支持する役割を果たし、また、後述する電解液が外部に漏出しないようにする役割を果たす。
併せて、円筒形缶１３０の内側には電解液（図示してはいない）が注入されており、これは、充放電の際、電池の内部の負極板１１１及び正極板１１２で電気化学的反応により生成するリチウムイオンを移動可能にする役割を果たす。このような電解液は、リチウム塩と高純度有機溶媒類の混合物である非水質系有機電解液であり得る。併せて、電解液は、高分子電解質を用いたポリマーであることができるが、ここで、電解液の種類を限定するものではない。
次に、図１Ｄ及び図１Ｅに示すように、本発明による機能性センターピン１２０は、所定長さの胴体部１２１と、胴体部１２１の上端と下端を閉塞する閉塞部材１２３と、を含む。
まず、胴体部１２１は、長手方向（上下方向）に貫通すると共に、所定の長さを有する略円形パイプ形態で形成されることができる。勿論、胴体部１２１は、円形パイプ形態の代わりに、三角パイプ、四角パイプ、多角パイプ、及び楕円形パイプ等、多様な形態が可能であり、ここで、胴体部１２１の形態が限定されるものではない。また、胴体部１２１は、上述の電極組立体１１０の高さと同一であったり、若干長かったり、または、若干短いことがあり、ここで、その長さが限定されるものではない。また、胴体部１２１は、電極組立体１１０の変形を十分抑制できるように、高強度を有するスチール、ステンレススチール、アルミニウム、及びその等価物中から選択されたいずれかの１つの物質により形成されることができるが、ここで、その材質が限定されるものではない。併せて、胴体部１２１は、上端と下端が最も容易に変形されることができ、変形が最小化するために、上端と下端には、各々直径が小さくなるチャンファ（ｃｈａｍｆｅｒ：面取り）またはテーパ（ｔａｐｅｒ）１２２が形成されることができるが、このような形態に本発明が限定されるものではない。
一方、閉塞部材１２３は、胴体部１２１の上端及び下端を含む全体を略封筒形態で覆うフィルムであり得る。さらに、このような閉塞部材１２３は、所定温度で溶融または破裂する材質であり得る。より具体的には、閉塞部材１２３は、電池の内部温度が約８０〜１２０℃（この際、電池の表面温度は約３０〜６０℃）になると溶融または破裂することにより、センターピン１２０をなす胴体部１２１の上端及び下端が開放されるようにする。このようにして、本発明によるセンターピン１２０は、電池の過充電の初期には上端と下端を閉塞することによりボイドボリュームを大幅に減らし、これによって安全ベント１４２が迅速に動作するようにする。しかし、電池の内部温度が８０〜１２０℃に至ると、電池が発熱、漏液、発煙、爆発、及び発火のおそれにさらされるので、この時には、閉塞されたセンターピン１２０に意味がない。即ち、その時には、センターピン１２０がガス通路として作用することが好ましい。言い換えると、電解液に含まれたシクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）及びビフェニル（ＢＰ）などが分解して形成されたガスがセンターピン１２０の胴体部１２１の内部に沿って安全ベント１４２に集中するようにすることが、電池の発熱、漏液、発煙、爆発、及び発火を防止できる安全性の面において好ましい。
ここで、閉塞部材１２３は、通常の高分子樹脂であり得るが、このような材質に本発明は限定されるものではない。より具体的には、閉塞部材１２３は、ポリエチレン、エポキシ、アセタール、インジウム、及びその等価物中から選択されたいずれかの１つが用いられるが、このような材質に本発明が限定されるものではない。即ち、本発明に用いられた閉塞部材は、電池の内部温度が８０〜１２０℃になると溶融または破裂するいかなる材質で形成されても良い。さらに、閉塞部材１２３は、厚さが１〜２００μｍ、より好ましくは、２５〜７５μｍで形成することが良い。閉塞部材１２３の厚さが１μｍ以下の場合には、希望しない低い温度で溶融されたり破裂したりする問題があり、閉塞部材１２３の厚さが２００μｍ以上の場合には、希望する温度で溶融されたり破裂したりしない問題がある。しかし、このような厚さは、閉塞部材１２３の多様な材質により変更できるので、ここで、その厚さが限定されるものではない。
ここで、閉塞部材１２３の溶融温度は、電池の種類、容量、模様、大きさ、及び形態によって異なるように設定されることができる。即ち、電池の内部温度が８０℃以下でも安全性が極めて落ちる場合、閉塞部材１２３は８０℃以下でも溶融または破裂するものを用いる。また、電池の内部温度が１２０℃以上でも安全性に何ら問題がない場合、閉塞部材１２３は１２０℃以上で溶融または破裂するものを用いる。
次に、胴体部１２１の内側には、所定電圧以上で分解されてガスを発生させるガス化部材１２４が挿入されることができる。このようなガス化部材１２４は、通常、電池が過充電状態の場合、即ち、電池電圧が４〜４．５Ｖ以上の場合、分解されてガス化する。より具体的には、ガス化部材１２４は、電解液に添加されたもののように、シクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）、ビフェニル（ＢＰ）、及びその等価物中から選択されたいずれかの１つ物質が用いられるが、このような材質は本発明を限定するものではない。即ち、電解液に含まれたシクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）及びビフェニル（ＢＰ）などは電池寿命を減少させる不利な機能があるが、センターピン１２０の胴体部１２１の内側に形成されたガス化部材１２４は、平常時に電解液と反応せず、いかなる材質を使用しても良い。言い換えると、一度、安全ベント１４２が作動してしまえば、もはや電池を使用することはできないので、ガス化部材１２４は、できるだけ多くのガスを発生させる材料であればいかなるものも使用可能である。しかし、ガス化部材１２４は、電池の安全性を落とす程度の過度なガスを発生させてはいけない。併せて、本発明は、上記のようにシクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）及びビフェニル（ＢＰ）などを全てセンターピン１２０の胴体部１２１の内側にガス化部材１２４として入れることができるため、電解液には、シクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）及びビフェニル（ＢＰ）などのような各種添加剤を入れなくても良い。従って、電池容量及び寿命などを最適化させることができる。
以上のとおり、例えば、電池の過充電により電池内部の温度が約８０〜１２０℃になると、閉塞部材１２３が溶融または破裂することにより、ガス化部材１２４が電池の内部に導入され、即ち、ガス化部材１２４がセンターピン１２０の外側である電解液または電極組立体側に伝えられて、また、この際の電圧は過充電電圧である約４〜４．５Ｖ以上であるので、ガス化部材１２４が迅速に分解されて多量のガスを発生させる。従って、多量のガスは、安全ベント１４２をより速く変形または破裂させることにより、回路基板１４３を破壊すると共に、そのガスは、正極キャップ１４５を通じて外部に排出されることもできる。すなわち、ガス化部材１２４により過充電が防止されると共に、熱的安全性も格段に向上されることができる。勿論、上述のように、センターピン１２０からガス化部材１２４が全て抜け出ると、センターピン１２０は上端と下端が完全に貫通した形態を成すので、センターピン１２０は、ガス通路としての機能を十分に発揮する。
併せて、胴体部１２１の内側には難燃部材１２５が更に挿入されることができる。勿論、このような難燃部材１２５は、ガス化部材１２４と混合して共に挿入されたり、または、難燃部材１２５だけ充填されたりすることができる。このようにして、本発明は、電池の内部温度が上述のように８０〜１２０℃の範囲に至ると、閉塞部材１２３が溶融または破裂することにより、難燃部材１２５がセンターピン１２０の外側に移動されて、このような難燃部材１２５の移動により電池の発火可能性が格段に低くなる。例えば、最終的に、電池は外観上何らの変化もない形状を帯びる。ここで、難燃部材１２５は、水酸化マグネシウム系、水酸化アルミニウム系、ハロゲン系、三酸化アンチモン系、メラミン系、燐酸塩系、及びその等価物のうち少なくともいずれかの１つ物質が含まれたものが用いられるが、このような材質に本発明は限定されるものではない。勿論、難燃部材１２５は、人体に害のない環境親和的な物質を用いることが好ましい。
ここで、ガス化部材１２４及び難燃部材１２５は、通常の気体、液体、または、固体状態が全て可能であり、ある１つの状態に限定されるものではない。
図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンの拡大斜視図及び断面図が示されている。
このような本発明の他の機能性センターピン２２０は、上述のセンターピン１２０とほぼ同一な形状を有するので、その差異のみを説明することにする。
図示のように、本発明の他の機能性センターピン２２０は、胴体部２２１の上端と下端に別途のチャンファまたはテーパが形成されていない。勿論、胴体部２２１の内側にはガス化部材２２４及び／または難燃部材２２５が充填されており、胴体部２２１の表面全体は、フィルム形態の閉塞部材２２３で覆われている。このような機能性センターピン２２０は、上端と下端にチャンファまたはテーパが形成されていないことにより、比較的安価で製造できる利点がある。
図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンの拡大斜視図及び断面図が示されている。
このような本発明の他の機能性センターピン３２０も、上述のセンターピン１２０とほぼ同一な形状を有するので、その差異のみを説明する。
図示のように、本発明の他の機能性センターピン３２０は、胴体部３２１の長手方向に沿って貫通スリット３２６が形成されている。併せて、このような貫通スリット３２６は、センターピン３２０の変形の際、電極組立体を破損させないように、内側に所定長さだけ陥没した形態を有することができる。また、胴体部３２１の上端と下端にはチャンファ３２２が形成されることができる。勿論、上記のようなチャンファ３２２は形成されないこともある。また、胴体部３２１の内側にはガス化部材３２４及び／または難燃部材３２５が充填されている。また、胴体部３２１の表面全体はフィルム形態の閉塞部材３２３で覆われている。即ち、胴体部３２１の貫通した上端、下端、及び貫通スリット３２６は、全て閉塞部材３２３で覆われている。このようにして、センターピン３２０は、閉塞部材３２３の溶融または破裂の際、胴体部３２１の上端と下端だけでなく、貫通スリット３２６を通じてもガス化部材３２４及び／または難燃部材３２５が電池の内部に導入される。
図４Ａ及び図４Ｂには、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンの拡大斜視図及び断面図が示されている。
このような本発明の他の機能性センターピン４２０も、上述のセンターピン１２０とほぼ同一な形状を有するので、その差異のみを説明する。
図示のように、本発明の他の機能性センターピン４２０は、胴体部４２１に複数の貫通ホール４２６が形成されている。また、胴体部４２１の上端と下端には、チャンファ４２２が形成されることができる。勿論、上記のようなチャンファ４２２は形成されないこともある。また、胴体部４２１の内側にはガス化部材４２４及び／または難燃部材４２５が充填されている。また、胴体部４２１の表面全体は、フィルム形態の閉塞部材４２３で覆われている。即ち、胴体部４２１の上端、下端、及び複数の貫通ホール４２６は、全て閉塞部材４２３で覆われている。このようにして、センターピン４２０は、閉塞部材４２３の溶融または破裂の際、胴体部４２１の上端と下端だけでなく、複数の貫通ホール４２６を通じてもガス化部材４２４及び／または難燃部材４２５が電池の内部に導入される。
図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンの拡大斜視図及び断面図が示されている。
機能性センターピン５２０は、やはり上述のセンターピン１２０とほぼ同一であるので、その差異のみを説明する。
図示のように、閉塞部材５２３は、センターピン５２０を成す胴体部５２１の上端及び下端を塞ぐ蓋形態となっている。即ち、蓋形態で閉塞部材５２３を形成した後、これを胴体部５２１の上端と下端に各々結合させたものである。勿論、このような閉塞部材５２３は、やはり所定温度（電池の内部温度が８０〜１２０℃）で溶融または破裂する高分子樹脂、例えば、ポリエチレン、エポキシ、アセタール、インジウム、及びその等価物から選択されたいずれかの１つ物質が用いられるが、このような材質に限定されるものではない。ここで、胴体部５２１の上端と下端には、直径が小さくなるチャンファ５２２が各々形成されている。同様に、胴体部５２１の内側には上述のように、ガス化部材５２４及び／または難燃部材５２５が更に挿入されて位置することができる。従って、このようなセンターピン５２０を採択した電池においても内部温度が８０〜１２０℃に至ると、閉塞部材５２３が溶融または破裂することにより、ガス化部材５２４及び／または難燃部材５２５が電池の内部に導入される。結果的に、ガス化部材５２４及び／または難燃部材５２５により安全ベントが速かに動作して過充電状態を停止させ、また、発熱、漏液、発煙、発火、及び爆発も抑制することができる。勿論、これ以上の温度増加も抑制される。
図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンの拡大斜視図及び断面図が示されている。
機能性センターピン６２０も、上述のセンターピン５２０とほぼ同一な形状を有するので、その差異のみを説明する。
図示のように、本発明の他の機能性センターピン６２０は、胴体部６２１が略円筒形パイプ形態を有する。即ち、胴体部６２１の上端と下端にチャンファ（又は、テーパ）が形成されていない。また、胴体部６２１の上端と下端には、各々、閉塞部材６２３が蓋形態で結合されている。勿論、このような閉塞部材６２３は、やはり所定温度で溶融または破裂する材質である。また、胴体部６２１の内側には、ガス化部材６２４及び／または難燃部材６２５が充填されている。このようにして、センターピン６２０は、閉塞部材６２３の溶融又は破裂の際、胴体部６２１の上端と下端を通じてガス化部材６２４及び／または難燃部材６２５が電池の内部に導入される。
図７Ａ及び図７Ｂを参照すると、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池における他の機能性センターピンの拡大斜視図及び断面図が示されている。
機能性センターピン８２０も、上述のセンターピン６２０とほとんど同一な形状を成すので、その差異点のみを説明する。
図示のように、本発明の他の機能性センターピン８２０は、胴体部８２１が略円筒形パイプ形態を成す。即ち、胴体部８２１の上端と下端にチャンファが形成されていない。また、胴体部８２１の上端と下端には、各々、閉塞部材８２３が蓋形態で結合している。閉塞部材８２３は、胴体部８２１に結合される結合部８２３ａと、胴体部８２１の外側に一定長さ露出され、先端に向かって断面積（直径）が漸次小さくなるテーパ部８２３ｂと、結合部８２３ａとテーパ部８２３ｂとの間に形成され、胴体部８２１を塞ぐフィルム８２３ｃと、を含む。ここで、上記のようにテーパ部８２３ｂを形成する理由は、センターピン８２０を電極組立体の中央部に比較的容易に結合させ、また、結合の際に、電極組立体が損傷するのを防止するためである。上述したとおり、このような閉塞部材８２３は、所定温度で溶融または破裂する材質である。また、胴体部８２１の内側には、ガス化部材８２４及び／または難燃部材８２５が充填されている。このようにして、センターピン８２０は、閉塞部材８２３（フィルム８２３ｃ）の溶融または破裂の際、胴体部８２１の上端と下端を通じてガス化部材８２４及び／または難燃部材８２５が電池の内部に導入される。
図８Ａを参照すると、本発明に係る機能性センターピンを有する円筒形リチウムイオン二次電池において、センターピンによるボイドボリュームの減少により安全ベントが低い圧力で動作する状態が概略的に示されており、図８Ｂを参照すると、センターピンに形成された閉塞部材の溶融または破裂により安全ベントがより速かに動作する状態が概略的に示されている。図面中の矢印は、電池の内部のガス方向（または、圧力が及ぼす方向）を示したものである。
まず、図８Ａに示すように、電池の過充電により低い内部圧力が発生した場合には、その低い圧力により安全ベント１４２が外側方向に変形する。即ち、内部ガスが安全ベント１４２を外側方向に押し出す。このように、安全ベント１４２が外側方向に変形されると、安全ベント１４２上に設けられていた回路基板１４３が破壊されつつ、その表面に形成された配線パターン１４３ａが切断される。従って、電池の過充電及び温度増加が停止する。
ここで、安全ベント１４２の下方で電極組立体１１０に挟まれたセンターピン１２０は、上端及び下端（図示していない）が全て閉塞されている。より具体的には、センターピン１２０を形成する胴体部１２１の上端及び下端は、閉塞部材１２３により完全に塞がれている。従って、電池の内部におけるボイドボリューム（Ｖ）は、安全ベント１４２の下部領域とセンターピン１２０及び電極組立体１１０の上部領域との間となる。従って、過充電の際、電解液に添加されたシクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）及び／またはビフェニル（ＢＰ）などの分解により生成したガスがより小さくなったボイドボリュームに満たされることにより、その圧力は従来に比べてより大きくなる。すなわち、従来に比べてボイドボリューム内の圧力がより大きくなることにより、安全ベント１４２の動作時間及び電流遮断時間はより短縮される。ここで、上記のような動作は、電池の内部の温度が約８０〜１２０℃以下の状態で生じる現象であるが、このような動作温度は、電池の種類及び形態によって変化されることができることは勿論である。また、上記のように、ボイドボリューム（Ｖ）を減らすことにより、電解液に添加される過充電防止剤（ＣＨＢ及びＢＰ等）をより少なく使用することができ、従って、電池容量及び寿命をより増加させることができる。
次に、図８Ｂに示すように、電池が過充電状態であると共に、内部温度が８０〜１２０℃（電池の表面温度は３０〜６０℃）以上まで増加して熱的状態が不安定になると、発煙、爆発、及び発火の危険性が非常に高くなる。本発明による電池は、このような条件になると、センターピン１２０を塞いでいた閉塞部材１２３が溶融または破裂する。即ち、センターピン１２０を形成する胴体部１２１の上端と下端に形成された閉塞部材１２３が、８０〜１２０℃以上の温度になると溶融または破裂する。また、このように閉塞部材１２３が溶融または破裂すると、センターピン１２０の内側にいたガス化部材１２４及び／または難燃部材１２５が外部の電解液及び電極組立体１１０側に移動する。更に、センターピン１２０は、ガス通路の役割を果たすことにより、電池の内部のガスが安全ベント１４２側に速かに移動するようにすることにより、安全ベント１４２に一層多くの応力（ストレス）を与えることになる。
さらに、ガス化部材１２４は、過充電電圧である４〜４．５Ｖ以上で分解されてガス化する特性があるので、自然にガス化する。従って、安全ベント１４２をより強い力で外側方向に押し出したり変形させたりする。このようなガス化部材１２４により、通常は、安全ベント１４２が破裂しながら内部のガスが正極キャップ１４５の通孔１４５ａを通じて外部に抜け出すこともある。従って、電池の爆発が未然に防止される。勿論、この際、回路基板１４３も破損して、配線パターン１４３ａが切断されることにより、充電は停止する。その結果、電池の熱的安全性も向上する。
併せて、難燃部材１２５も電池内部に導入されることにより、電池の発煙または発火を根本的に抑制する。即ち、難燃部材１２５が電解液や電極組立体１１０に分布することにより、電解液及び電極組立体の発煙または発火を抑制することになる。
図９を参照すると、本発明に係る機能性センターピンを有する円筒形リチウムイオン二次電池と、従来のセンターピンを有する円筒形リチウムイオン二次電池の過充電における電圧／電流、回路基板作動時間、及び電池表面温度の関係がグラフで示されている。
図示のように、左側Ｙ軸に電圧／電流値が、右側Ｙ軸に電池表面温度値が、下部Ｘ軸に回路基板作動時間（即ち、過充電停止時間）が表示されている。
また、グラフ中、破線で示されたものは、ボイドボリュームを考慮していない従来のセンターピンを用いた円筒形リチウムイオン二次電池の過充電の際の傾向を示したものであり、実線で示されたものは、ボイドボリュームを考慮した本発明によるセンターピンを用いた円筒形リチウムイオン二次電池の過充電の際の傾向を示したものである。
図示のように、従来の電池は、電圧が約４．６Ｖである過充電状態が約１２分持続した後に電流が遮断されることが分かる。即ち、爆発又は発火の危険性のある状態が１２分持続するものである。さらに、この際の電池温度（表面温度）は、電流が遮断された後にも最高８０℃以上になることにより、熱的にも非常に不安定な状態であることが分かる。勿論、電池内部の温度は、約２００℃であって、爆発又は発火のおそれがある。
これに対し、本発明による電池は、電圧が約４．６Ｖである過充電状態が約８分持続した後に電流が遮断されることが分かる。即ち、従来に比べて約４分短縮される。更に、この際の電池温度（表面温度）は、４０℃以上にならないことで、熱的でも非常に安定な状態であることが分かる。即ち、電池内部の温度も約８０〜１２０℃であって、爆発又は発火の危険性がほとんどないということができる。なお、安全ベント１４２は、たとえば、充電電圧が４〜４．５Ｖ以上の場合、２〜１０分以内に動作して回路基板１４３の電流を遮断するように設定されることができる。また、このとき、電池の表面温度が３０〜６０℃に維持されつつ、充電が停止されることができる。
図１０Ａ及び図１０Ｂを参照すると、本発明の他の実施の形態による円筒形リチウムイオン二次電池の断面図及び分解斜視図が示されている。
図示のように、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池７００は、電極組立体７１０と、電極組立体７１０に結合されたセンターピン７２０と、センターピン７２０に組込まれて過充電の際、微細ショートを生じる回路部材７３０と、回路部材７３０が組込まれたセンターピン７２０及び電極組立体７１０が収容された缶７４０と、缶７４０の開口部を覆うキャップ組立体７５０と、を含む。
電極組立体７１０は、負極活物質（例えば、黒鉛）がコーティングされた負極板７１１、正極活物質（例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２））がコーティングされた正極板７１２、及び負極板７１１と正極板７１２との間に位置してショートを防止し、リチウムイオンの移動のみ可能にするセパレータ７１３からなっており、負極板７１１、正極板７１２、及びセパレータ７１３は、略円柱形態に巻き取られて円筒形缶７４０に収容される。ここで、負極板７１１は銅（Ｃｕ）ホイル、正極板７１２はアルミニウム（Ａｌ）ホイル、セパレータ７１３はポリエチレン（ＰＥ）またはポリプロフィレン（ＰＰ）であることができるが、本発明において上記の材質に限定されるものではない。また、負極板７１１には、下部に所定の長さが突出して延びた負極タブ７１４が、正極板７１２には、上部に所定の長さが突出した正極タブ７１５が熔接されることができるが、その逆も可能である。併せて、負極タブ７１４は、ニッケル（Ｎｉ）材質、正極タブ７１５は、アルミニウム（Ａｌ）材質であることができるが、本発明において上記の材質に限定されるものではない。
センターピン７２０は、電極組立体７１０の略中央に結合されており、これは電池の充放電中、電極組立体７１０の変形を抑制する役割を果たす。また、センターピン７２０は、上端と下端にテーパ７２１が形成されることができ、これは、センターピン７２０が電極組立体７１０に容易に挟まれるようにする役割を果たす。勿論、このようなテーパ７２１は、コスト節減のために形成されないこともある。
回路部材７３０は、センターピン７２０の内側に設けられている。このような回路部材７３０は、複数の電子部品７３２が組込まれた回路基板７３１を含む。勿論、回路基板７３１には、複数の配線パターン７３３が形成されており、このような配線パターン７３３に電子部品７３２が組込まれる。併せて、配線パターン７３３は、下記のキャップ組立体及び缶に第１導電タブ７３５及び第２導電タブ７３６を通じて電気的に連結されている。このような回路部材７３０の外形及び電気的接続関係は、下記に詳細に説明する。
缶７４０は、略円筒形態であって、所定の直径を有する円筒面７４１を有し、円筒面７４１の下部には略円板形態の底面７４２を有し、上部は開放されている。従って、電極組立体７１０及び回路部材７３０が結合したセンターピン７２０は、円筒形缶７４０の上部を通じて内部に直ちに挿入されることができる。ここで、電極組立体７１０の負極タブ７１４は、円筒形缶７４０の底面７４２に熔接されることができる。従って、円筒形缶７４０は、負極として動作する。勿論、逆に、正極タブ７１５が、円筒形缶７４０の底面７４２に熔接されて、円筒形缶７４０が正極として動作することもできる。併せて、回路部材７３０において、第２導電タブ７３６が底面７４２または負極タブ７１５上に接続されることができる。また、電極組立体７１０の下面には、下部絶縁板７１６及び上部には上部絶縁板７１７が各々位置し、電極組立体７１０と円筒形缶７４０の不要な電気的ショートが防止されるようになっている。一方、円筒形缶７４０は、スチール、ステンレススチール、アルミニウム、及びこれの等価物から選択される物質で形成可能であるが、ここで、その材質が限定されるものではない。
キャップ組立体７５０は、円筒形缶７４０の上部領域（即ち、電極組立体７１０及びセンターピン７２０の上部領域）に略リング形態で絶縁性ガスケット７５１が結合されて、絶縁性ガスケット７５１に、上述の正極タブ７１５と接続する導電性安全ベント７５２が結合されて構成されることができる。ここで、導電性安全ベント７５２には、回路部材７３０のうち第１導電タブ７３５が接続されることができる。安全ベント７５２は、周知のように、缶７４０の内部の圧力上昇の際、変形または破裂して、下記の回路基板７５３を破損させたり、または、ガスを外部に放出させたりする役割を果たす。また、安全ベント７５２の上部には、安全ベント７５２の変形の際、破損または破壊して電流が遮断される回路基板７５３が更に位置しており、回路基板７５３の上部には、過電流時に電流が遮断されるＰＴＣ素子７５４が位置している。併せて、ＰＴＣ素子７５４の上部には、外部に正極電圧または負極電圧を提供し、ガス排出が容易であるように、複数の通孔７５５ａが形成された導電性正極キャップ７５５が更に位置している。勿論、上述の安全ベント７５２、回路基板７５３、ＰＴＣ素子７５４、及び正極キャップ７５５は、全て絶縁性ガスケット７５１の内側に装着されることにより、円筒形缶７４０との直接的なショートが防止されるようになっている。併せて、回路基板７５３の表面には、配線パターン７５３ａが形成されているが、このような配線パターン７５３ａは、回路基板７５３が破損または破壊すると自然に切断されるようになっている。
一方、円筒形缶７４０には、キャップ組立体７５０が外部に離脱しないように、キャップ組立体７５０の下部には内側に凹んだビーディング部（ｂｅａｄｉｎｇ ｐａｒｔ）７４３が形成され、上部には内側に折り曲げられたクリンピング部（ｃｒｉｍｐｉｎｇ ｐａｒｔ）７４４が形成されている。このようなビーディング部７４３及びクリンピング部７４４は、キャップ組立体７５０を円筒形缶７４０に堅く固定及び支持する役割を果たし、また、下記の電解液が外部に漏出しないようにする役割を果たす。
併せて、円筒形缶７４０の内側には電解液（図示していない）が注入されており、これは充放電の際、電池の内部の負極板７１１及び正極板７１２で電気化学的反応により生成するリチウムイオンを移動可能にする役割を果たす。このような電解液は、リチウム塩と高純度有機溶媒類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。併せて、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るが、ここで、電解液の種類が限定されるものではない。
図１０を参照すると、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池における回路部材が組込まれたセンターピンの断面図が示されている。
図示のように、回路部材７３０は、センターピン７２０の内側に挿入された回路基板７３１を含む。回路基板７３１は、表面に複数の配線パターン７３３が形成されており、このような配線パターン７３３には、所定の機能を有する複数の電子部品７３２が組込まれている。また、電子部品７３２のうち、特定のものはガス化部材７３４ａ及び／または難燃部材７３４ｂにより覆われている。このようなガス化部材７３４ａ及び／または難燃部材７３４ｂの作用は、下記に詳細に説明する。一方、回路基板７３１のうち、他の特定の配線パターン７３３には、第１導電タブ７３５の一端が電気的に接続している。このような第１導電タブ７３５は、配線７３５ａと、配線７３５ａを覆う絶縁フィルム７３５ｂとからなっている。勿論、配線７３５ａにおいて電気的に接続される領域は、絶縁フィルム７３５ｂを通じて外部に露出する。併せて、第１導電タブ７３５において配線７３５ａの他端は、上述のキャップ組立体７５０の一構成要素である安全ベント７５２に接続されることができる。また、回路基板７３１において他の特定の配線パターン７３３には、第２導電タブ７３６の一端が電気的に接続されている。このような第２導電タブ７３６は、配線７３６ａと、配線７３６ａを覆う絶縁フィルム７３６ｂとからなることができる。勿論、配線７３６ａにおいて電気的に接続される領域は、絶縁フィルム７３６ｂを通じて外部に露出する。併せて、第２導電タブ７３６において配線７３６ａの他端は、上述の円筒形缶７４０の底面７４２または負極タブ７１４に接続することができる。ここで、第１導電タブ７３５及び第２導電タブ７３６は、絶縁フィルムなしに導電性配線のみにより構成されることもできる。勿論、この際、第１導電タブ７３５及び第２導電タブ７３６の配線のうちいずれか１つは、センターピン７２０とショートしないようにしなければ、正常充放電の際、内部ショートが発生することになる。
図１２を参照すると、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池においてセンターピンに組込まれることができる回路部材の一例がブロック図として示されている。
図示のように、回路部材７３０は、基準電圧源７３２ａ、電圧比較器７３２ｂ、ショート用スイッチ７３２ｃ、発熱部材７３２ｄ、ならびにガス化部材７３４ａ及び／または難燃部材７３４ｂからなることができる。ここで、図中、電池７１０と表示されたものは実際に充放電可能な電極組立体を意味するが、以下では説明の便宜上、単純に電池と呼ぶことにする。また、図面符号７３２ａ、７３２ｂ、７３２ｃ、及び７３２ｄなどは全て上述の電子部品７３２である。
基準電圧源７３２ａは、電圧比較器７３２ｂの一側端子に基準電圧を入力する。このような基準電圧は、電池の過充電電圧であるようにすることが好ましい。より具体的には、基準電圧は、電池の種類毎に異なることができるが、約４〜５Ｖ範囲から選択された値を設定し、電圧比較器７３２ｂの一側端子に入力することができる。
電圧比較器７３２ｂは、上述のように、一側端子には基準電圧源７３２ａによる基準電圧が入力され、他側端子には電池７１０の電圧が入力されるようになっている。また、電圧比較器７３２ｂは、入力された電池電圧が基準電圧より大きい場合、ショート信号を出力するようになっている。例えば、電圧比較器７３２ｂは、基準電圧を４Ｖと設定したならば、電池電圧が４Ｖ以上の場合、直ちにショート信号を出力する。このような電圧比較器７３２ｂは、ほとんどの場合、ＯＰアンプが用いられるので、電池電圧が基準電圧以上の場合、ＯＰアンプの電源電圧が直ちに出力される。ここで、ＯＰアンプは、電圧比較器７３２ｂの一例として言及したことに過ぎず、このようなＯＰアンプに本発明が限定されるものではない。即ち、上記のように、電圧比較器７３２ｂには、基準電圧より電池電圧が大きい場合、所定電圧を出力する全ての素子及び回路を用いることができる。
ショート用スイッチ７３２ｃは、電池７１０と並列に連結されており、また、電圧比較器７３２ｂによりオン／オフされるようになっている。勿論、電池電圧が過充電電圧以上の場合、ショート用スイッチ７３２ｃはオープンの状態であり、電池電圧が過充電電圧以上の場合には、電圧比較器７３２ｂの出力信号によりオンされる。当然ながら、ショート用スイッチ７３２ｃがオンされると電池７１０はショート状態になり、ショート用スイッチ７３２ｃで所定の電力を消費することになる。
発熱部材７３２ｄは、ショート用スイッチ７３２ｃと電池７１０との間に設けられている。従って、ショート用スイッチ７３２ｃがオンされると、発熱部材７３２ｄは、電池７１０から電源の供給を受けて所定温度まで発熱することになる。このような発熱部材７３２ｄは、センターピンの内部から局部的に発熱するので、円筒形リチウムイオン二次電池全体の温度を急激には上昇させない。
併せて、発熱部材７３２ｄは、ガス化部材７３４ａ及び／または難燃部材７３４ｂで覆われている。勿論、ガス化部材７３４ａ及び難燃部材７３４ｂは、発熱部材７３２ｄの発熱の際、分解されてガス化する。さらに、このようにガス化したガス化部材７３４ａ及び難燃部材７３４ｂは、センターピンの外側に迅速に噴出して缶の内部の圧力を急速に増加させ、また発火を抑制する。
ここで、ガス化部材７３４ａは、所定電圧でガス化し易いシクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）、ビフェニル（ＢＰ）、及びその等価物のうちいずれか１つの物質であることができるが、このような材質に本発明が限定されるものではない。また、難燃部材７３４ｂは、水酸化マグネシウム系、水酸化アルミニウム系、ハロゲン系、三酸化アンチモン系、メラミン系、燐酸塩系、及びその等価物のうちいずれか１つ物質であることができるが、このような材質に本発明が限定されるものではない。一方、発熱部材７３２ｄは、上述のガス化部材７３４ａ及び難燃部材７３４ｂが全てガス化した後、温度が急激に増加することができる。例えば、発熱部材７３２ｄは、約２００〜３００℃の温度まで増加することができる。このように温度が増加した状態では、電池の電流遮断素子が作動して過充電が停止された状態であるが、電池の温度を続けて上げる余地があるので、自動的に切断されることが好ましい。従って、発熱部材７３４ｄは、２００〜３００℃で自然に切断されるヒューズを採択することが好ましい。勿論、上記のように発熱部材７３２ｄが２００〜３００℃になる前に、電池の過充電が停止されたり、または、完全放電がなされたりすることができることは当然である。
図１３を参照すると、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池においてセンターピンに組込まれる回路部材の他の例がブロック図で示されている。
図１２に示された回路部材７３０は、ショート用スイッチ７３２ｃの作動により電池７１０の電力が消費されることにより、電池電圧が基準電圧源７３２ａにおける基準電圧以下に低下することができる。従って、上述の電圧比較器７３２ｂは、ショート用スイッチ７３２ｃをオンさせる信号の出力を停止できる余地がある。勿論、このようなショート用スイッチ７３２ｃのオフ状態は、発熱部材７３２ｄの作動を止まらせ、これによってガス化部材７３４ａ及び／または難燃部材７３４ｂもこれ以上分解されなくなる。一方、一般的に電池が一度過充電されると、電池の安全性及び信頼性が大きく低下するので、再使用が困難であるため、過充電された電池は、廃棄処分されやすい。従って、この際には、過充電された電池が完全放電するようにし、廃棄処分の際、危険な状況を起こさないようにすることが好ましい。
従って、図１３に図示された回路部材７３０では、ショート用スイッチ７３２ｃが一旦オンされると、基準電圧源７３２ａによる基準電圧を０Ｖに低下させる接地用スイッチ７３２ｅが更に開示される。即ち、基準電圧源７３２ａと接地との間には接地用スイッチ７３２ｅが更に連結され、このような接地用スイッチ７３２ｅは、電圧比較器７３２ｂの出力端子から出力される信号により制御されるようになっている。例えば、４Ｖの基準電圧が電圧比較器７３２ｂに入力されている場合、電池電圧が４Ｖになると電圧比較器７３２ｂがショート用スイッチ７３２ｃを作動させるように所定電圧を出力する。この際、接地用スイッチ７３２ｅも共にオンされることにより、基準電圧源７３２ａによる基準電圧は０Ｖとなり、従って、電池は、０Ｖになる時まで続けて放電する。
図１４を参照すると、本発明による円筒形リチウムイオン二次電池においてセンターピンに組込まれる回路の一例が回路図で示されている。
図示のように、基準電圧源７３２ａは、約４〜５Ｖを基準電圧であると共に、抵抗（Ｒ１）を通じて電圧比較器７３２ｂの一側端子に連結されることができる。
電圧比較器７３２ｂは、通常のＯＰアンプであることができ、これは反転端子（−）が基準電圧源７３２ａに連結されており、非反転端子（＋）が電池７１０の一側端子に連結される。勿論、その逆も可能である。勿論、電圧比較器７３２ｂの非反転端子（＋）と電池７１０とを連結する部材は、第１導電タブ７３５であることができる。
ショート用スイッチ７３２ｃは、通常のトランジスタ（Ｑ１）であることができ、これはコレクタとエミッタが電池と並列に連結されており、ベースは抵抗（Ｒ２）を通じて電圧比較器７３２ｂの出力端子と連結されることができる。ここで、トランジスタは、通常のコレクタ、エミッタ、及びベースを有するバイポーラトランジスタを例としたが、これは、ドレーン、ソース、及びゲートを有する電界効果型トランジスタであることもできる。
発熱部材７３２ｄは、ショート用スイッチ７３２ｃ、即ち、トランジスタ（Ｑ１）のエミッタとグラウンド（接地）との間に連結されている。勿論、グラウンドと電池７１０は、第２導電タブ７３６により連結された状態である。このような発熱部材７３２ｄは、通常のヒューズ、コイル、及びその等価物中のうちから選択されたいずれかの１つであることができるが、このような部材に本発明が限定されるものではない。
また、発熱部材７３２ｄは、上述のように、ガス化部材７３４ａ及び／または難燃部材７３４ｂで覆われることができる。ここで、ガス化部材７３４ａ及び難燃部材７３４ｂは正常条件において固体形態であり、発熱部材７３２ｄを覆っている。しかし、ショート用スイッチ７３２ｃの作動により発熱部材７３２ｄが発熱する場合、気化する物質を使用する。一例として、ガス化部材７３４ａは、シクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）、ビフェニル（ＢＰ）、及びその等価物のうちいずれかの１つの物質であるが、このような材質に本発明が限定されるものではない。また、難燃部材７３４ｂは、水酸化マグネシウム系、水酸化アルミニウム系、ハロゲン系、三酸化アンチモン系、メラミン系、燐酸塩系、及びその等価物のうちいずれか１つの物質であるが、このような材質に本発明が限定されるものではない。また、発熱部材７３２ｄは、上述のガス化部材７３４ａ及び難燃部材７３４ｂが全てガス化した後には、温度が急激に増加することがある。例えば、発熱部材７３２ｄは、約２００〜３００℃の温度まで増加することができる。このように、温度が増加した状態では勿論、電池の電流遮断素子が作動して過充電が停止された状態であるが、電池の温度を続けて上げる余地があるので、自動的に切断されるようにすることもできる。従って、発熱部材７３２ｄは、２００〜３００℃で自然に絶えるヒューズを採択することもできるが、必ずしもこのように切断される材質を選択しなければならないわけではない。
一方、基準電圧源７３２ａとグラウンドとの間には、他の接地用スイッチ７３２ｅが更に連結されることができる。例えば、このような接地用スイッチ７３２ｅは、通常のトランジスタ（Ｑ２）であることができ、これはコレクタが基準電圧源７３２ａに、エミッタがグラウンドに連結されており、ベースは抵抗（Ｒ３）を通じて電圧比較器７３２ｂの出力端子と連結されることができる。ここで、接地用スイッチ７３２ｅ、即ち、トランジスタ（Ｑ２）は、通常のコレクタ、エミッタ、及びベースを有するバイポーラトランジスタを例としたが、これはドレーン、ソース、及びゲートを有する電界効果型トランジスタであってもよい。このようにして、例えば、４Ｖの基準電圧が電圧比較器７３２ｂに入力されている際、電池電圧が４Ｖ以上になると、電圧比較器７３２ｂがショート用スイッチ７３２ｃを作動させるように所定の電圧を出力する。この際、接地用スイッチ７３２ｅも共にオンされることにより、基準電圧源７３２ａによる基準電圧は０Ｖとなり、その結果、電池７１０は０Ｖになるまで続けて放電することが可能である。
１００ 本発明に係る機能性センターピンを有する円筒形リチウムイオン二次電池、
１１０ 電極組立体、
１１１ 負極板、
１１２ 正極板、
１１３ セパレータ、
１１４ 負極タブ、
１１５ 正極タブ、
１１６ 下部絶縁板、
１１７ 上部絶縁板、
１２０ センターピン、
１２１ 胴体部、
１２２ テーパ、
１２３ 閉塞部材、
１２４ ガス化部材、
１２５ 難燃部材、
１３０ 缶、
１３１ 円筒面、
１３２ 底面、
１３３ ビーディング部、
１３４ クリンピング部、
１４０ キャップ組立体、
１４１ ガスケット、
１４２ 安全ベント、
１４３ 回路基板、
１４３ａ 配線パターン、
１４４ 陽性温度素子、
１４５ 正極ギャップ、
１４５ａ 通孔。

Claims (18)

  1. 電極組立体と、
    前記電極組立体に結合されたセンターピンと、
    前記センターピンに組込まれ、充電電圧が基準電圧以上になる場合にショートされる回路部材と、
    前記回路部材が組込まれたセンターピン及び電極組立体が収容された缶と、
    前記缶の開口部に結合されたキャップ組立体と、を含み、
    前記回路部材は、
    基準電圧を提供する基準電圧源と、
    一の端子には前記基準電圧源からの基準電圧が入力され、他の端子には電池電圧が入力されて、前記電池電圧が前記基準電圧以上の場合にショート信号を出力する電圧比較器と、
    前記電極組立体に並列に連結されると共に、前記電圧比較器からのショート信号によりオンされて当該電極組立体をショートさせるショート用スイッチと、を含むことを特徴とする円筒形リチウムイオン二次電池。
  2. 前記基準電圧源の基準電圧は、４〜５Ｖの間に設定されることを特徴とする請求項１に記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
  3. 前記ショート用スイッチは、トランジスタであって、コレクタ及びエミッタが前記電極組立体と並列に連結され、ベースが前記電圧比較器の出力端子に連結されることを特徴とする請求項１または２に記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
  4. 前記トランジスタのエミッタと前記電極組立体との間には、発熱部材が連結されることを特徴とする請求項３に記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
  5. 前記発熱部材には、所定温度でガス化して内圧を増加させるガス化部材が装着されることを特徴とする請求項４に記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
  6. 前記発熱部材には、所定温度でガス化して発火を抑制する難燃部材が装着されることを特徴とする請求項４に記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
  7. 前記発熱部材には、所定温度でガス化して内圧を増加させるガス化部材と、所定温度でガス化して発火を抑制する難燃部材とが装着されることを特徴とする請求項４に記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
  8. 前記発熱部材は、前記ガス化部材を全てガス化させた後、２００〜３００℃の温度になると溶断されるヒューズであることを特徴とする請求項５または７に記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
  9. 前記発熱部材は、前記難燃部材を全てガス化させた後、２００〜３００℃の温度になると溶断されるヒューズであることを特徴とする請求項６または７に記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
  10. 前記ガス化部材は、シクロヘキシルベンゼン及びビフェニルのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項５、７、８のいずれか１つに記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
  11. 前記難燃部材は、水酸化マグネシウム系、水酸化アルミニウム系、ハロゲン系、三酸化アンチモン系、メラミン系、及び燐酸塩系物質よりなる群から選択される少なくとも１つの物質を含むことを特徴とする請求項６、７、９のいずれか１つに記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
  12. 前記基準電圧源には、前記電圧比較器がショート信号を出力した後、当該基準電圧源を接地させて前記基準電圧を０Ｖに下降させる接地用スイッチが連結されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
  13. 前記接地用スイッチは、トランジスタであって、コレクタ及びエミッタが前記基準電圧源と接地との間に連結されており、ベースが前記電圧比較器の出力端子に連結されることを特徴とする請求項１２に記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
  14. 前記キャップ組立体は、
    前記センターピン近傍に位置した安全ベントと、
    前記安全ベント上に位置した回路基板と、を含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
  15. 前記回路部材は、
    前記センターピンの内側に位置し、複数の電子部品が組込まれた回路基板と、
    前記回路基板の一端と前記安全ベントとを連結する第１導電タブと、
    前記回路基板の他端と前記缶とを連結する第２導電タブと、を含むことを特徴とする請求項１４に記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
  16. 電極組立体の中央部にセンターピンが結合された円筒形リチウムイオン二次電池であって、
    前記センターピンの内部には、過充電時にショートされて電流を消費させる回路部材が設けられ、
    前記回路部材は、
    基準電圧を提供する基準電圧源と、
    一の端子には前記基準電圧源からの基準電圧が入力され、他の端子には電池電圧が入力されて、前記電池電圧が前記基準電圧以上の場合にショート信号を出力する電圧比較器と、
    前記電極組立体に並列に連結されると共に、前記電圧比較器からのショート信号によりオンされて当該電極組立体をショートさせるショート用スイッチと、を含むことを特徴とする円筒形リチウムイオン二次電池。
  17. 前記回路部材には、ショートにより発生する熱で分解されてガスを発生し、内圧を高めるガス化部材が装着されることを特徴とする請求項１６に記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
  18. 前記回路部材には、ショートにより発生する熱で分解されて発火を抑制する難燃部材が装着されることを特徴とする請求項１６または１７に記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
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