JP5229480B2 - 高出力充電式リチウム電池用ケース - Google Patents

Description

本発明は高出力リチウムポリマーユニットセルのケース構造に関するものである。
より具体的に、本発明は、柔軟性を有する多数のリチウムポリマーユニットセルを保護する構造を有するとともに、体積を縮小するためにコンパクトな構造を有し、組立て工程が簡単であり、高出力充放電の際に発生する熱を最小化することができるケース構造に関するものである。

通常、二次電池は、一次電池とは異なり、充電及び放電が可能である。デジタルカメラ、セルラーホン、ノートブックコンピュータ、ハイブリッド自動車などに、二次電池を適用するために、二次電池に関する研究が進められている。二次電池の例として、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−メタルハイドライド電池、ニッケル−水素電池、リチウム二次電池（充電式リチウム電池）等がある。このうち、リチウム二次電池は、作動電圧が３．６Ｖ以上であり、携帯用電子機器の電源として使用される。さらに、複数個を直列で接続して、ハイブリッド自動車に使用される。リチウム二次電池の作動電圧は、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−メタルハイドライド電池に比べ、３倍高い。さらに、リチウム二次電池は、単位重量当たり、高いエネルギー密度を有する。これらの理由で、リチウム二次電池の使用が、急速に増大している。

リチウム二次電池は、多様な形態に製造可能であり、例えば、円筒状及び角柱状でリチウムイオン電池に使用される。最近、脚光を浴びているリチウムポリマー電池は、柔軟性を有するパウチ型に製造されるので、その形状は比較的自由である。また、リチウムポリマー電池は、安定性にも優れ、重さが軽くて、携帯用電子機器のスリム化及び軽量化に有利である。

図１に示すように、従来のパウチ型リチウム二次電池１０は、電池部１１と、ケース１２を含んでいる。ケース１２は、そこに前記電池部１１を収容する空間１２ａを備えている。前記電池部１１は、陽極板、セパレータ、陰極板の順に配置され、一方向にそれらを巻き付けるか、又は、複数枚の陽極板、セパレータ、陰極板が積層されて作られている。前記電池部１１の各極板は、陽極および陰極タブ１３、１４と電気的に接続されている。

前記陽極及び陰極タブ１３、１４の一端部は、ケース１２の密閉面１２ｂを通じて外部に突出している。突出した陽極及び陰極タブ１３、１４の一端部は、図示しない保護回路基板の端子と接続される。
前記陽極及び陰極タブ１３、１４それぞれの外面の接続部の周囲には、密閉面１２ｂと接触する部分において、前記ケース１２と電極タブ１３、１４との間で電気的短絡を防止するために、密閉テープ１５が巻き付けられている。

前記ケース１２は、厚膜の金素材で形成された円筒状や角柱状のカン（can-like）構造ではなく、中間層が金属箔（ホイル）で、金属箔の両面に付着される内外層が絶縁性フィルムからなるパウチ型ケースである。パウチ型ケースは、可塑性（成形性）に優れ、変形自在である。前記ケース１２には、前述したように、電池部１１を収容することができる空間部１２ａが形成されており、前記空間部１２ａの外縁に沿って、熱融着される面に密閉面１２ｂが形成されている。

図２は、図１のＩ−Ｉ線に沿う拡大図である。
同図に示すように、前記ケース１２は、中間層と、内側層及び外側層とからなる複合フィルムである。中間層は、金属ホイル、例えばアルミニウムホイルからなる。内側層及び外側層は、前記中間層の内面及び外面に付着されて、前記中間層を保護する絶縁性フィルムからなる。

前記ケース１２内に形成された空間１２ａには、陽極板１１ａ、セパレータ１１ｃ、陰極板１１ｂの順に配置された電池部１１が収容されている。前記陽極及び陰極板１１ａ、１１ｂからは、図１のように、陽極タブ１３と、陰極タブ１４が引き出されている。引き出された電極タブ１３、１４の端部は、ケース１２の密閉面１２ｂを通じて外部に露出している。前記密閉面１２ｂにおいて、密閉テープ１５が電極タブ１３、１４の外面を取り囲んでいる。

前記のような構造を有するパウチ型リチウム二次電池１０の電池部１１は、前記工程によって得られる。先ず、陽極板１１ａと陰極板１１ｂが、陽極及び陰極タブ１３、１４に電気的に接続される。次に、陽極板１１ａ、セパレータ１１ｃ、陰極板１１ｂの順に配置される。そのような状態で、それらは、一方向に巻き付けられ、電池部１１が完成される。

完成された電池部１１は、引き抜き加工（drawing process）によって空間１２ａが形成されたケース１２内に実装される。実装の際、各電極タブ１３、１４の一端部は、ケース１２の外部に露出される。この状態で、前記ケース１２の密閉面１２ｂに、所定の熱及び圧力を加えられ、熱融着される。そのようにして、パウチ型リチウム二次電池１０が完成する。完成されたパウチ型リチウム二次電池１０は、充電、エージング、放電などの一連の形成プロセスを経て、それによって欠陥のある電池が検出され、また電池の構造を安定化させる。

これに関し、大韓民国公開特許公報２００５−５９４号は、パウチ型リチウム二次電池をケーシングする方法の従来技術を開示している。この文献のパウチ型リチウム二次電池は、ケースの金属層と陽極タブに同一の陽極電位を印加することにより、ケースの内側層を破壊する。この内側層の破壊によって、陰極タブとケースの金属層が接触する際、短絡を引き起こして、開路電圧差を手軽く検出することができる構造を有する。

一方、ハイブリッド自動車などのように、高出力のリチウム電池が要求される場合は、図１及び図２に示すパウチを数十個ないし数百個積層し、これを直列で接続して高電圧を得ることになる。
このようなパウチ型リチウムポリマー電池は、容易に撓むか曲げることができる壊れやすいアルミニウムのパウチで構成され、そのパウチは堅固なケース装置で保護することにより長期間使用することができる。従来技術によれば、このような直列接続のために、各パウチの陽極タブ及び陰極タブを回路パターンの形成されたＰＣＢ（プリント基板）によって接続される。この接続されたパウチが、ケースに入れられる。

しかし、このような従来のリチウムポリマーパウチを積層して高出力リチウム電池を構成する方法によれば、脆弱な構造のリチウムポリマーパウチを完全に保護することが困難であるという問題がある。また、パウチを複数積層してＰＣＢに接続する方式も完全ではなく、外部衝撃などの環境変化の影響を受けやすい。 したがって、高出力電源として使用されるリチウム電池を構成するパウチユニットを、より堅固で安定的に積層し、これらを信頼性があるように直列で接続することができる方法が要求される。

したがって、本発明は、従来技術で生じる前記問題に留意してなされたもので、多数のリチウム電池ユニットセルを堅固で安定的に積層することができる構造を提供することを、その目的とする。
また、本発明の他の目的は、多数のリチウム電池ユニットセルを、別途の接続素子（device）なしに、積層と同時に接続させることができる積層構造を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、多数のリチウム電池ユニットセルを別途の固定装置なしに、容易に積層することができる積層構造を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明のバッテリーケースは、パウチと、該パウチの側面から突出し、一端部に折曲げ部を有する電極タブとを含むユニットセルにおいて、前記パウチを支持するパウチ支持フレーム、前記パウチ支持フレームの一面に形成され、前記パウチから発生する熱を排出する空間を定める棚型の放熱部、及び、前記放熱部の一側に壁部を形成して、該壁部を前記電極タブの折曲げ部に接続し、前記ユニットセルの電極タブを支持するとともに、前記ユニットセルの電極タブのそれぞれをタブ固定部を用いて固定する壁型のタブ支持部、を含み、
前記電極タブは、前記折曲げ部をそれぞれ有する陽極タブと陰極タブからなり、前記ユニットセルが複数個積層されるとき、前記陽極タブと前記陰極タブの各折曲げ部が直接接続されることを特徴とする。

また、本発明は、一対のケースからなるバッテリーケースを提供する。それぞれのケースが、パウチと、該パウチの側面から突出し、一端部に折曲げ部を有する電極タブとを含むユニットセルにおいて、前記パウチを支持するパウチ支持フレーム、前記パウチ支持フレームの一面に形成され、前記パウチから発生する熱を排出する空間を定める棚型の放熱部、及び、前記放熱部の一側に壁部を形成して、該壁部を前記電極タブの折曲げ部に接続し、前記ユニットセルの電極タブを支持するとともに、前記ユニットセルの電極タブのそれぞれをタブ固定部を用いて固定する壁型のタブ支持部を、含む一対のケース、から構成され、前記一対のケースは、それぞれの前記パウチ支持フレーム及び前記タブ支持部に形成されたフレーム連結部によって互いに固定され、
前記電極タブは、前記折曲げ部をそれぞれ有する陽極タブと陰極タブからなり、前記ユニットセルが複数個積層されるとき、前記陽極タブと前記陰極タブの各折曲げ部が直接接続されることを特徴とする。

以上説明したように、本発明は、多数のリチウム電池ユニットセルを堅固で安定的に積層することができる構造を提供する。
また、本発明によれば、別途の接続装置なしに、多数のリチウム電池ユニットセルを積層するとともに、接続させることができる。
また、本発明によれば、別途の固定装置なしに、多数のリチウム電池ユニットセルを容易に積層することができる。

以下、添付図面に基づいて、本発明の好ましい実施形態を、より詳細に説明する。
図３は、本発明によるリチウム電池ユニットセル３１の斜視図である。
本発明によれば、リチウム電池ユニットセル３１は、パウチ３４と、一対の陽極タブ３２及び陰極タブ３３とを含む。パウチ３４は、内部にリチウム２次電池構造を含む。それぞれ棚形状を有する陽極タブ３２及び陰極タブ３３は、パウチ３４の一面に形成される。

パウチ３４は、図２に示すような通常の従来のパウチ型リチウム二次電池の構造、すなわち陽極板、陰極板及びセパレータが順に数回積層された構造でよい。また、このようなパウチは、典型的な金属やプラスチックと異なり、硬くなく、柔軟性を有する。
陽極タブ３２及び陰極タブ３３は、それぞれ前記パウチ３４内部の陽極板及び陰極板（図示せず）に接続されている。それらの端部は、それぞれ前記パウチ３４に対し反対方向に折り曲げられている。

好ましくは、図３に示すように、前記陽極タブ３２及び陰極タブ３３とパウチ３４との間の接続部３５は、他のユニットセルの電極タブとの接続を容易にするために、段差部を有する。
また、好ましくは、前記陽極タブ３２はアルミニウムで、かつ前記陰極タブ３３はニッケル又は銅で形成できる。

図４は、本発明による図３の二つのユニットセル３１ａ、３１ｂが積層された構造を示す。
図４に示す第１ユニットセル３１ａ及び第２ユニットセル３１ｂは、同一形状を有する。それぞれの陽極タブの端部は、互いに反対方向に折り曲げられている。同様に、陰極タブの端部は、互いに反対方向に折り曲げられている。
一つのユニットセルが、同一形態の他のユニットセルに重ねられる時、後者のユニットセルは、裏返しにされる。すなわち、図４に示すようにユニットセルが重ねられる。それぞれの陽極タブ及び陰極タブが互いに交互に接続され、結局二つのユニットセルが直列で接続された形態になる。

すなわち、図４に示すように、第１ユニットセル３１ａの陽極タブ３２ａの端部は、下方に折り曲げられており、陰極タブ３３ａの端部は、上方に折り曲げられている。さらに、第２ユニットセル３１ｂの陽極タブ３３ｂは、下方に折り曲げられており、陰極タブ３２ｂの端部は、上方に折り曲げられている。
第１ユニットセル３１ａの陽極タブ３２ａは、第２ユニットセル３１ｂの陰極タブ３２ｂに接続されている。

このような構成によって、第１ユニットセル３１ａ及び第２ユニットセル３１ｂは、従来技術のＰＣＢのような別途の接続ユニットなしに、単に積層によって互いに直列で接続できる。その接触抵抗は、非常に低くなる。
図４に示す積層構造には、必要に応じて、追加のユニットセルが積層できる。追加のユニットセルも、陽極タブと陰極タブが交互に接続されて直列接続される形態になるように積層される。

図５は、本発明によるものであり、図３のパウチ及び電極タブからなるユニットセル、又はその他のパウチ又は電極タブからなるバッテリーユニットを包装するための、メインフレーム４１の斜視図である。
メインフレーム４１は、パウチ支持フレーム４７、放熱部４６、及びタブ支持部４２から構成される。パウチ支持フレーム４７は、ユニットセルのパウチを支持する。放熱部４６は、前記パウチ支持フレーム４７の一側面に棚型に取り付けられている。タブ支持部４２は、前記放熱部４６の側壁に壁の形状に取り付けられ、ユニットセルの電極タブを支持する

メインフレーム４１全体は、一体化したプラスチック成形物で製造することが望ましい。
パウチ支持フレーム４７は、パウチを収容し、その外部面によってパウチを支持する役目をする。放熱部４６は、パウチ内で発生する熱を放出させる役目をする。
図５に示すように、パウチ支持フレーム４７は、その内部にパウチを収容するように、所定の深さを有することが望ましい。
好ましくは、パウチ支持フレーム４７は、その内部に支持格子４３を含み、支持格子４３は、メインフレーム４１に収容されるパウチを安定的に支える役目をする。

パウチ支持フレーム４７は、他のフレームに接続され、ネジで固定できるフレーム固定部４４ａ、４４ｂを含むことができる。
タブ支持部４２は、ユニットセルの陽極タブ及び陰極タブを支持する役目をする。好ましくは、陽極タブ及び陰極タブをネジで固定するように、タブ固定部４５を含むことができる。
また、タブ支持部４２の両端部には、他のフレームとの接続の際、他のフレームのフレーム接続（連結）部と接続固定されるように、フレーム接続（連結）部４８ａ、４８ｂが形成される。好ましくは、メインフレーム４１は、他のフレームとの接続のために、他のフレーム固定部４４ｃを含むことができる。

図６は、図５のメインフレーム４１上に積層されるとともに、メインフレーム４１に接続固定されて、ユニットセルを覆うカバーフレーム５１の斜視図である。
カバーフレーム５１は、メインフレーム４１と同様に、パウチ支持フレーム５７、放熱部５６、及びタブ支持部５２から構成される。パウチ支持フレーム５７は、ユニットセルのパウチを支持する。放熱部５６は、前記パウチ支持フレーム５７の一側面に棚型に取り付けられる。タブ支持部５２は、前記放熱部５６の側壁に壁の形状に取り付けられ、ユニットセルの電極タブを支持する。

カバーフレーム５１全体は、一体化したプラスチック成形物で製造することが望ましい。メインフレーム４１及びカバーフレーム５１は、バッテリーケースを構成する。カバーフレーム５１は、メインフレーム４１に積層されて接続固定され、好ましくはメインフレーム４１を覆うふた（カバー）のような役目をする。この際、メインフレーム４１のフレーム接続（連結）部４８ａ、４８ｂは、それぞれカバーフレーム５１のフレーム接続（連結）部５８ａ、５８ｂに接続される。
すなわち、メインフレーム４１にユニットセルを収容し、カバーフレーム５１はその上を覆って、ユニットセルを安定的にケーシングすることになる。

図７は、このような積層構造を説明する図である。メインフレーム４１とカバーフレーム５１を交互に積層し、その間に、図３に示すユニットセルを挿入する。その場合、ユニットセルの電極タブは、その陽極タブと陰極タブが互いに交差して直列で接続されるように積層される。
このような積層構造によって、メインフレーム４１とカバーフレーム５１間は、別途の固定装置や接続装置なしに安定的に接続固定できる。その構造内に柔軟性を有するユニットセルが挿入できる。

また、必要に応じて、パウチ支持フレーム４７、５７やタブ支持部４２、５２に形成されたフレーム固定部４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、５４ａ、５４ｂ、５４ｃに、ネジ又はボルトを利用して固定することにより、その安定度を高めることができる。また、タブ支持部４２、５２に形成されたタブ固定部４５、５５に、ネジ又はボルトを利用して電極タブを固定することができる。

メインフレーム、ユニットセル及びカバーフレームを１単位とし、その間に他のユニットセルを挿入してさらに積層して、多数、例えば１００個のユニットセルを、直列で接続した構造を形成することができる。
図８は、このような積層方式によって積層した複数のメインフレーム及びカバーフレーム、およびそれらの間に挿入されたユニットセルを含むリチウムバッテリーシステムの積層構造を示す斜視図である。

以上説明したように、本発明は、多数のリチウム電池ユニットセルを堅固で安定的に積層することができる。
また、本発明によれば、多数のリチウム電池ユニットセルを別途の接続装置なしに、積層するとともに接続させることができる。
また、本発明によれば、多数のリチウム電池ユニットセルを別途の固定装置なしに、容易に積層することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態が、説明された目的のために開示されたが、当業者であれば、添付の請求の範囲に記載された本発明の精神と範囲から逸脱することなく、種々の変形、付加、代替が可能であることは理解されるであろう。

図１は、従来のパウチ型リチウム二次電池の構造を示す。 図２は、図１の従来のパウチ型リチウム二次電池の、Ｉ−Ｉ線に沿う拡大図である。 図３は、本発明によるリチウム電池ユニットセルの斜視図である。 図４は、本発明による図３のユニットセル二つが積層された構造を示す。 図５は、本発明によるユニットセルを収容するためのメインフレームの斜視図である。 図６は、本発明によるユニットセルを覆うためのカバーフレームを示す斜視図である。 図７は、本発明によるユニットセル積層構造を説明する図である。 図８は、本発明によるリチウムバッテリーシステムの積層構造を示す斜視図である。

Claims (6)

1. パウチと、該パウチの側面から突出し、一端部に折曲げ部を有する電極タブとを含むユニットセルの前記パウチを収容して支持するパウチ支持フレーム、
   前記パウチ支持フレームの一面に形成され、前記パウチから発生する熱を排出する空間を定める棚型の放熱部、及び、
   前記放熱部の一側に壁部を形成して、該壁部を前記電極タブの折曲げ部に接続し、前記ユニットセルの電極タブを支持するとともに、前記ユニットセルの電極タブのそれぞれをタブ固定部を用いて固定する壁型のタブ支持部、を含み、
   前記電極タブは、前記折曲げ部をそれぞれ有する陽極タブと陰極タブからなり、前記ユニットセルが複数個積層されるとき、前記陽極タブと前記陰極タブの各折曲げ部が直接接続されることを特徴とするバッテリーケース。
2. 前記ユニットセルの前記パウチ支持フレームは、その内部に、前記パウチを支持する支持格子を含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリーケース。
3. 前記タブ支持部は、他のフレームのフレーム連結部に接続固定されるフレーム連結部を含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリーケース。
4. それぞれが、
   パウチと、該パウチの側面から突出し、一端部に折曲げ部を有する電極タブとを含むユニットセルの前記パウチを収容して支持するパウチ支持フレーム、
   前記パウチ支持フレームの一面に形成され、前記パウチから発生する熱を排出する空間を定める棚型の放熱部、及び、
   前記放熱部の一側に壁部を形成して、該壁部を前記電極タブの折曲げ部に接続し、前記ユニットセルの電極タブを支持するとともに、前記ユニットセルの電極タブのそれぞれをタブ固定部を用いて固定する壁型のタブ支持部を、含む一対のケース、から構成され、
   前記一対のケースは、それぞれの前記パウチ支持フレーム及び前記タブ支持部に形成されたフレーム連結部によって互いに固定され、
   前記電極タブは、前記折曲げ部をそれぞれ有する陽極タブと陰極タブからなり、前記ユニットセルが複数個積層されるとき、前記陽極タブと前記陰極タブの各折曲げ部が直接接続されることを特徴とするバッテリーケース。
5. 前記パウチ支持フレームは、その内部に支持格子を含むことを特徴とする請求項４に記載のバッテリーケース。
6. 前記タブ支持部は、他のケースのフレーム連結部に接続固定されるフレーム連結部を含むことを特徴とする請求項４に記載のバッテリーケース

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