JP5271218B2 - 二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は二次電池に関するものである。
リチウムイオン二次電池は、ベアセルおよび保護回路モジュールで構成されるコアパックを含むことができる。
ベアセルは、正極板、負極板、電解質およびセパレータで構成され、外部電子機器に電源を供給し、充放電を繰り返して使うことができる。保護回路モジュールは、過充電および過電流から二次電池を保護し、過放電による性能低下を防止することができる。
本発明の目的は、製造工程および製造コストを低減することにより、歩留まりを向上させ、小型化された二次電池を提供することにある。
本発明が解決しようとする課題は上述した技術的課題に制限されなく、上述されていない他の技術的課題は、下記から本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者に明確に理解されるはずである。
本発明の実施例に係る二次電池は、缶、電極組立体およびキャップ組立体を含むベアセルと、ベアセル上に位置する保護回路モジュールとを含み、保護回路モジュールは金属からなる保護回路基板を含むことができる。
前記キャップ組立体は、キャッププレート、電極端子、ガスケット、負極リードプレートからなり、保護回路モジュールは、前記保護回路基板上に位置する絶縁層と充放電端子および保護回路部で構成される。保護回路基板は、例えばアルミニウムからなる。また、絶縁層は例えばエポキシ材質からなる。この時、電極端子およびガスケットと対応する保護回路基板には電極端子とガスケットが挿通される第2端子孔が形成される。
上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、前記キャップ組立体は、第1端子孔を有するキャッププレートと、前記第1端子孔に挿通される電極端子と、前記電極端子と前記キャッププレートとの間に位置するガスケットと、を含み、前記保護回路モジュールは、前記保護回路基板上に位置する絶縁層と、前記絶縁層上に位置する充放電端子および保護回路部と、を含んでいてもよい。
前記電極端子および前記ガスケットと対応する前記保護回路基板には、前記電極端子および前記ガスケットが挿通される第2端子孔が形成されていてもよい。
前記保護回路基板は、前記キャッププレートの上面に安着するものであってもよい。
前記ガスケットは、前記第2端子孔の内側と接触するものであってもよい。
前記電極端子は、前記第2端子孔の内側と離隔されるものであってもよい。
前記絶縁層上には、前記電極端子と電気的に接続される負極リードプレートが位置してもよい。
前記保護回路基板は、両側部が前記キャッププレートの両側部と溶接されるものであってもよい。
保護回路基板は、金属からなり、キャッププレートの上面に安着するため別途のリードプレートを必要としない。ガスケットは第2端子孔の内側と接触し、電極端子は第2端子孔の内側と離隔される。保護回路基板はキャッププレートと溶接されるため電気的および機械的に強く接合される。
保護回路基板の下部面の両側部には突出部がさらに形成される。突出部はキャッププレートの両側に位置する嵌合孔と押し込み嵌合方式で嵌合される。
本発明の実施例に係る二次電池は、保護回路基板を金属で作製してベアセル上に直接装着させることにより、既存のリードプレートによる保護回路モジュールとベアセルとの間の離隔空間を除去して、二次電池を小型化させることができる。
また、既存リードプレートの製作コストを低減し、タブを設けるための半田付けおよび溶接工程を減らすことにより、二次電池の製造コストおよび工程を低減することができる。
また、保護回路モジュールにおいて金属基板を使用することによって、二次電池の強度を高めることができる。
本発明の実施例に係る二次電池の分解斜視図である。 本発明の実施例に係るベアセルの分解斜視図である。 本発明の実施例に係る保護回路モジュールの斜視図である。 本発明の実施例に係る二次電池の断面図である。 本発明の他の実施例に係る二次電池の断面図である。
後述する実施例の具体的な事項は、詳細な説明および図面に含まれている。本発明の利点および特徴、そしてそれらを達成する方法は添付した図面と共に詳細に後述されている実施例を参照すると明確になるだろう。明細書全体にかけて同一図面符号は同一構成要素を示す。
以下、添付の図面を参照して本発明の様々な実施例に係る二次電池について詳しく説明する。ただし、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
図1は本発明の実施例に係る二次電池10の分解斜視図であり、図2は本発明の実施例に係るベアセル100の分解斜視図である。
図1に示すように、本発明の実施例に係る二次電池10は、ベアセル100、保護回路モジュール140、ラベル150、上部ケース160および下部ケース170を含むことができる。ベアセル100上には前記保護回路モジュール140が位置し、相互電気的および機械的に接続可能である。ベアセル100の外面はラベル150により覆われて保護される。上部ケース160は、保護回路モジュール140およびベアセル100の上部を覆うように位置し、下部ケース170はベアセル100の下部を覆うように位置する。
図2を図1と共に参照すると、ベアセル100は、缶110、缶110の内部に収容される電極組立体120、缶110の上端開口部110aを閉塞するキャップ組立体130を含むことができる。
前記缶110は、略直六面体状からなり、一側部が開口した上端開口部110aを含むことができる。缶110は例えば金属材料からなり、そのものが端子の役割をすることができる。前記缶110には前記上端開口部110aを通じて後述する電極組立体120が挿入される。
前記電極組立体120は第1電極板121、第2電極板122、セパレータ123を含むことができる。また、電極組立体120は第1電極板121と第2電極板122との間にセパレータ123が位置し、渦巻き(Jelly−Roll)状に巻回される。
前記第1電極板121は第1電極集電体(図示せず)および第1電極活物質層(図示せず)からなる。
前記第1電極集電体は、第1電極板121が正極である場合、例えば導電性が優れるアルミニウム(Al)箔からなる。
前記第1電極活物質層は、第1電極集電体上に位置し、第1電極活物質、導電材料およびバインダーなどからなる。ここで第1電極活物質は、例えば、リチウムコバルトオキシド(LiCoO)、リチウムマンガンオキシド(LiMn)またはリチウムニッケルオキシド(LiNiO)等である。導電材料としてはカーボンブラック(carbon black)等が使用される。バインダーとしてはPVDF、SBRまたはPTFEなどを揮発性溶媒のNMPや有機溶剤または水などで溶解および分散させて使用することができる。
前記第1電極集電体は、両側端に第1電極活物質層が形成されていない第1電極無地部を備えることができる。第1電極無地部には第1電極タブ121aが取り付けられて、缶110の上端開口部110a方向に突出する。第1電極タブ121aはアルミニウムなどからなる。第1電極タブ121aが電極組立体120から引き出される部分には、缶110以外の部分との短絡を防止するために第1絶縁テープ(図示せず)が形成される。
前記第2電極板122は第2電極集電体(図示せず)および第2電極活物質層(図示せず)からなる。
前記第2電極集電体は、第2電極板122が負極である場合、例えば導電性が優れる銅(Cu)箔からなる。
前記第2電極活物質層は、前記第2電極集電体の上に位置し、第2電極活物質、導電材料およびバインダーなどからなる。ここで第2電極活物質は炭素(C)系物質、Si、Sn、スズ酸化物、スズ合金複合体(composite tin alloys)、移転金属酸化物、リチウム金属窒化物またはリチウム金属酸化物などが使用できる。代表的な第2電極活物質は炭素(C)系物質である。導電材料としてはカーボンブラック等が使用できる。バインダーとしてはPVDR、SBRまたはPTFEなどを揮発性溶媒のNMPや有機溶剤または水などで溶解および分散させて使用することができる。第2電極板122は、第2電極活物質自体の導電性が高いため導電材料を使用しない場合がある。
第2電極集電体は、両側端に第2電極活物質層が形成されていない第2電極無地部を備えることができる。第2電極無地部には、第2電極タブ122aが取り付けられて、缶110の上端開口部110a方向に突出する。第2電極タブ122aは銅(Cu)またはニッケル(Ni)等からなる。第2電極タブ122aが電極組立体120から引き出される部分には、電極端子134以外の部分との短絡を防止するために第2絶縁テープ(図示せず)が形成される。
上述した説明では、第1電極板121が正極、第2電極板122が負極である場合を例として説明したが、第1電極板121が負極、第2電極板122が正極であることも可能である。この場合、それぞれの集電体および活物質層を形成する材料は互いに逆となる。
一般に、角形二次電池10において端子機能を遂行する缶110は正極である。この場合、第1電極板121が正極であれば、渦巻状の電極組立体120の最外側電極板は正極の第1電極板121となる。また、第1電極板121が負極であれば、渦巻状の電極組立体120の最外側電極板は正極の第2電極板122となる。
以下では、第1電極板121が正極、第2電極板122が負極である場合の実施例を仮定して説明する。
前記セパレータ123は、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)またはこれらの複合フィルムを使用した多孔性膜からなる。セパレータ123は、電極組立体120で第1電極板121と第2電極板122との電子の伝導を遮断し、リチウムイオンの移動を円滑にする。セパレータ123は、第1電極板121と第2電極板122との接触を防止する役割以外に、外部ショートなどによる二次電池10の温度上昇時にシャットダウン(Shut−down)等によって温度上昇を防止する役割をする。
前記第1電極板121および第2電極板122の一面または両面には、第1電極板121と第2電極板122間の短絡を防止するために、セパレータ123以外にも例えばセラミックス物質をバインダーと混合したセラミックス層がさらに形成される。
前記電極組立体120では、充電時にリチウムイオンが第1電極板121から第2電極板122に移動して挿入(intercalation)可能である。放電時には、リチウムイオンが第2電極板122から第1電極板121に脱離(deintercalation)し、外部電源に電圧を印加することができる。
前記キャップ組立体130は、キャッププレート131、絶縁プレート132、ターミナルプレート133、電極端子134、ガスケット135を含むことができる。キャップ組立体130は、別途の絶縁ケース136と共に缶110の上端開口部110aで電極組立体120と結合されて、缶110を密封することができる。絶縁ケース136には、電解液を電極組立体120に注入できるように孔136aが形成される。
前記キャッププレート131は、例えば缶110の開口部110aと相応する大きさの金属板から形成される。キャッププレート131の中央には所定の大きさの第1孔131aが形成される。キャッププレート131の中央に形成された孔を第1端子孔を131aとする。キャッププレート131の一側には電解液注入孔131bが形成される。電解液注入孔131bは、電解液を缶110に入れた後、ボールなどの栓131cで密閉できる。
前記電解液注入孔131bと栓131cを電解液注入部とする。第1端子孔131aを中心に電解液注入孔131bと対応するキャッププレート131の一面には、例えば安全ベント(safety bent)131dが形成される。安全ベント131dはキャッププレート131の一面に溝が形成され、周囲のキャッププレート131部分と一定の段差を有する。ベアセル100の内部に高圧ガスが発生する時に、安全ベント131dが破裂すると共にガスが外部へ放出される。キャッププレート131は第1電極タブ121aと接触して電気的に接続できる。したがってキャッププレート131は第1電極板121と同じ極性を有することができる。
前記絶縁プレート132は、板状に形成されてキャッププレート131の下部に位置し、第1端子孔131aと対応する位置に第2孔132aを含むことができる。絶縁プレート132は例えばガスケット135と同じ絶縁物質からなる。
前記ターミナルプレート133は、板状に形成されて絶縁プレート132の下部に位置し、前記第2孔132aと対応する位置に第3孔133aを含むことができる。ターミナルプレート133は例えばニッケルまたはニッケル合金からなる。
前記電極端子134は、第1孔131a、前記第2孔132aおよび前記第3孔133aを通じて前記キャッププレート131、前記絶縁プレート132および前記ターミナルプレート133に挿通可能である。電極端子134は第2電極タブ122aと接触して電気的に接続される。したがって電極端子134は第2電極板122と同じ極性を有することができる。
前記ガスケット135は、電極端子134がキャッププレート131の第1端子孔131aに挿通される時、電極端子134とキャッププレート131の絶縁のために電極端子134とキャッププレート131との間に位置させる。
前記保護回路モジュール140は、ベアセル100の上面に位置して過充電および過電流から二次電池10を保護し、過放電による性能低下を防止することができる。以下、図3および図4によって、保護回路モジュール140とベアセル100の接続構造に関して詳しく説明する。
図3は本発明の実施例に係る保護回路モジュール140の斜視図であり、図4は本発明の実施例に係る二次電池10の断面図である。
図3および図4に示すように、保護回路モジュール140は、保護回路基板141、絶縁層142、充放電端子143、保護回路部144および負極リードプレート145を含むことができる。
前記保護回路基板141は例えばキャッププレート131と対応する板状構造を有する。保護回路基板141は金属からなり、好ましくはアルミニウム(Al)からなる。保護回路基板141は、キャッププレート131と面接触して電気的に接続され、第1電極板121と同じ極性を有することができる。保護回路基板141に関しては次に詳しく説明する。
前記絶縁層142は保護回路基板141上に位置する。絶縁層142は例えば前記保護回路基板141と対応する板状構造を有する。絶縁層142には保護回路基板141、充放電端子143、保護回路部144および負極リードプレート145の相互間を電気的に接続する導電性金属パターン(図示せず)が形成できる。絶縁層142は、絶縁材としての役割をする材料ならば制限がないが、好ましくはエポキシ系の樹脂などが使用可能である。保護回路基板141および絶縁層142において、電極端子134およびガスケット135と対応する位置には、例えば第2端子孔140aが形成され、電極端子134およびガスケット135は前記第2端子孔140aに挿通される。また、保護回路基板141および絶縁層142において、キャッププレート131の電解液注入部に対応する位置には、例えば注入部孔140bが形成される。
前記充放電端子143は、保護回路基板141、保護回路部144、負極リードプレート145および導電性金属パターンと電気的に接続され、外部電子機器との電気的通路の役割をすることができる。
前記保護回路部144は、保護回路を含んだ受動、能動素子が導電性金属パターンと電気的に接続される。保護回路は、電池の充放電状態および電池の電流、電圧、温度などの情報を点検し、電池を保護する役割を遂行することができる。
前記負極リードプレート145は、絶縁層142上に位置し、電極端子134と電気的に接続される。負極リードプレート145は、絶縁層142と半田付けされる部分、電極端子134と溶接される部分、前記半田付け部分と溶接部分を連結する部分で構成される。
前記保護回路基板141は、前記ベアセル100の上面、より詳しくはキャッププレート131の上面と面接触をしながら安着する。保護回路基板141は、金属からなり、キャッププレート131との面接触によって電気的に接続されるので、保護回路基板141もまた正の極性を有することになる。保護回路基板141において絶縁層142が形成されていない両側部141aは、キャッププレート131の両側部とのレーザ溶接によって、保護回路基板141とキャッププレート131との電気的および機械的接合を強化させることができる。
上述したように、前記ベアセル100のガスケット135および電極端子134は、保護回路モジュール140の第2端子孔140aに挿通され、ベアセル100の電解液注入部と対応する保護回路モジュール140には例えば注入部孔140bが形成される。したがって、保護回路基板141は、歪んだり傾くことなく、キャッププレート131上に安着することができる。
この時、前記電極端子134は、保護回路基板141との離隔が可能であり、より詳しくは、電極端子134は第2端子孔140aの内側と離隔可能である。電極端子134は、負の極性を有しているため、保護回路基板141と電極端子134の接触を防止するために電極端子134は第2端子孔140aの内側から離隔されなければならない。このために、ガスケット135は第2端子孔140aの内側と接触して、電極端子134が保護回路基板141から離隔される構造を確保することができる。
既存の二次電池10において、保護回路モジュール140は非金属材質で、ベアセル100のキャッププレート131と保護回路モジュール140を接続させるために、別途の正極リードプレート(またはタブ)を含んでいる。この時、正極リードプレートは、保護回路モジュール140とベアセル100との間に一定の離隔空間を形成した状態で、保護回路基板141およびベアセル100と半田付けされるか、あるいは溶接される。したがって、ベアセル100と保護回路モジュール140の電気的な接続のために不必要な空間が形成され、これは二次電池10の小型化を阻害していた。
本発明の実施例に係る二次電池10において、保護回路基板141は、金属からなってそのものが正極リードプレートの役割をする。保護回路基板141は、キャッププレート131と面接触して電気的に接続されるので、ベアセル100と保護回路モジュール140との間に離隔空間が形成されない。したがって、二次電池10は、正極リードプレートによってベアセル100と保護回路モジュール140との間に形成された離隔空間が除去されるため、よりスリムで、且つコンパクト化して製造することができる。
また、既存の正極リードプレートの製作コスト、正極リードプレートをベアセル100および保護回路モジュール140に接続させるための半田付けおよび溶接などに必要なコストおよび工程を省略することができるため、二次電池10のコスト競争力および歩留まりを確保することができる。
また、保護回路モジュール140のメインボードとなる保護回路基板141を金属で作製することによって、保護回路モジュール140の強度および二次電池10の強度を高めることができる。
図5は本発明の他の実施例に係る二次電池20の断面図である。以下では図1〜図4との差異点を中心に説明する。
図5に示すように、本発明の他の実施例に係る二次電池20はベアセル200および保護回路モジュール240を含むことができる。
前記保護回路モジュール240は、保護回路基板241、絶縁層142、充放電端子143、保護回路部144および負極リードプレート145を含むことができる。ここで保護回路基板241の下面の両側にはそれぞれ突出部246が形成される。突出部246は例えば円筒状または六面体状から形成される。突出部246は、保護回路基板241と一体に鋳造して、あるいは保護回路基板241の下面の両側部に溶接して、または保護回路基板241において突出部246が形成される場所をプレッシングして形成される。本実施例では、保護回路基板241と一体に鋳造して形成された構造を示したことを明らかにしておく。
前記ベアセル200のキャッププレート231において、前記突出部246と対応する位置には、例えばそれぞれ嵌合孔231eが形成される。
前記保護回路基板241は、前記ベアセル200の上面、より詳しくはキャッププレート231の上面と面接触しながら安着する。保護回路基板241は、金属からなり、キャッププレート231との面接触によって電気的に接続されるため、保護回路基板241も正の極性を有することになる。ここで、保護回路基板241は、キャッププレート231と面接触して電気的に接続されるため、ベアセル200と保護回路モジュール240との間に離隔空間が形成されない。したがって、二次電池20は、正極リードプレートによってベアセル200と保護回路モジュール240との間に形成された離隔空間が除去されるため、よりスリムで、且つコンパクト化して製造することができる。
また、既存の正極リードプレートの製作コスト、正極リードプレートをベアセル200および保護回路モジュール240に接続させるための半田付けおよび溶接などに必要なコストおよび工程を省略することができるため、二次電池20のコスト競争力および歩留まりを確保することができる。また、保護回路モジュール240のメインボードとなる保護回路基板241を金属で製作することによって、保護回路モジュール240の強度および二次電池20の強度を高めることができる。
この時、突出部246は、前記嵌合孔231eと押し込み嵌合形式で嵌合できる。押し込み嵌合(interference fit)とは孔に軸を嵌める時の隙間がない孔と軸の結合をいう。突出部246と嵌合孔231eとの押し込み嵌合によって、保護回路基板241とキャッププレート231は電気的および機械的に堅固に接続され接合される。この時、突出部246と嵌合孔231eとの間には、伝導性接着剤をさらに塗布して電気的および機械的接続および接合をより一層強くすることができる。
10, 20 二次電池
100 ベアセル
110 缶
110a 上端開口部
120 電極組立体
121 第1電極板
122 第2電極板
123 セパレータ
130 キャップ組立体
131 キャッププレート
131a 第1孔
131b 電解液注入孔
131c 栓
131d 安全ベント(safety bent)
132 絶縁プレート
132a 第2孔
133 ターミナルプレート
133a 第3孔
134 電極端子
135 ガスケット
136 絶縁ケース
136a 孔
140,240 保護回路モジュール
140a 第2端子孔
140b 注入部孔
141 保護回路基板
141a 両側部
142 絶縁層
143 充放電端子
144 保護回路部
145 負極リードプレート
150 ラベル
160 上部ケース
170 下部ケース
200 ベアセル
231 キャッププレート
231e 嵌合孔
241 保護回路基板
246 突出部

Claims (12)

  1. 缶、電極組立体、キャップ組立体およびキャッププレートを含むベアセルと、
    前記ベアセル上に位置する保護回路モジュールと
    前記保護回路モジュールは金属からなる保護回路基板を含む、二次電池であって、
    前記保護回路基板は、前記キャッププレートと面接触することにより、前記保護回路基板と前記ベアセルとが、電気的に接続されること、を特徴とする二次電池。
  2. 前記キャップ組立体は、
    第1端子孔を有する前記キャッププレートと、
    前記第1端子孔に挿通される電極端子と、
    前記電極端子と前記キャッププレートとの間に位置するガスケットと、を含み、
    前記保護回路モジュールは、
    前記保護回路基板上に位置する絶縁層と、
    前記絶縁層上に位置する充放電端子および保護回路部と、
    を含むことを特徴とする、請求項1に記載の二次電池。
  3. 前記電極端子および前記ガスケットと対応する前記保護回路基板には、前記電極端子および前記ガスケットが挿通される第2端子孔が形成されることを特徴とする、請求項2に記載の二次電池。
  4. 前記保護回路基板は、前記キャッププレートの上面に安着することを特徴とする、請求項2又は3に記載の二次電池。
  5. 前記ガスケットは、前記第2端子孔の内側と接触することを特徴とする、請求項3に記載の二次電池。
  6. 前記電極端子は、前記第2端子孔の内側と離隔されることを特徴とする、請求項3に記載の二次電池。
  7. 前記絶縁層上には、前記電極端子と電気的に接続される負極リードプレートが位置することを特徴とする、請求項2〜6のいずれかに記載の二次電池。
  8. 前記保護回路基板は、両側部が前記キャッププレートの両側部と溶接されることを特徴とする、請求項2〜7のいずれかに記載の二次電池。
  9. 前記保護回路基板はアルミニウムからな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. 前記絶縁層はエポキシ材質からなることを特徴とする、請求項2〜9のいずれかに記載の二次電池。
  11. 前記保護回路基板の下部面の両側部には突出部がさらに形成され、前記キャッププレートの両側には前記突出部と嵌合する嵌合孔がさらに形成されることを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載の二次電池。
  12. 前記突出部と前記嵌合孔は押し込み嵌合されることを特徴とする、請求項11に記載の二次電池。


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