JP5275271B2 - ２次電池 - Google Patents

Description

本発明は、２次電池に関するものであり、より詳しくは、集電体の構造を有する２次電池に関するものである。

２次電池（ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ）は、充電が不可能な１次電池とは異なって、充電及び放電が可能な電池である。低容量の２次電池は携帯電話やノートパソコン及びカムコーダーなどの携帯可能な小型電子機器に使用され、大容量電池はハイブリッド自動車などのモータ駆動用電源として幅広く使用されている。

最近、高エネルギー密度の非水電解液を用いた高出力２次電池が開発されており、前記高出力２次電池は、大電力を必要とする機器、例えば電気自動車などのモータの駆動に用いることができるように、複数の２次電池を直列に連結して大容量の２次電池に構成される。

また、一つの大容量２次電池は、通常直列に連結される複数の２次電池から構成され、２次電池は円筒形型や角型などに構成される。

角型２次電池は、正極と負極とがセパレータを間において位置する電極群と、電極群が内蔵される空間を備えたケースと、ケースを密閉すると共に端子が挿入される端子孔が形成されたキャッププレートと、電極群と電気的に接続され、端子孔に挿入されてケースの外側に突出する端子とを含む。

従来の角型２次電池は、電極群と端子とを電気的に接続するリードタップを無地部の側面に超音波溶接で固定した。しかし、無地部の側面にリードタップを溶接すると、無地部が一定の長さを持たなければならないため、電極群の不要な体積が増加するという問題があった。

また、リードタップを通して超音波を無地部に伝達しなければならないため、リードタップの厚さが薄くなければならない。しかし、リードタップの厚さが薄いとリードタップの抵抗が大きくなる問題があり、抵抗が大きくなると熱が多く発生して出力が低下する。

また、２次電池に外部の衝撃が伝達されるとリードタップと電極群との間の接触が不良になる問題があり、接触が不良になると内部から熱が多く発生して出力が低下する。

リードタップを無地部の側端に溶接する構造を有する場合には、無地部が薄くてリードタップが無地部に安定的に溶接で固定されない問題がある。特に、リチウムイオン電池は、無地部がとても薄くて強度が弱いため、リードタップと無地部とを密着するのが難しいだけでなく、溶接で付着するのが難しいという問題があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、電極群と端子とを安定的に接続することができる２次電池を提供することにある。

本発明の第１実施形態に係る２次電池は、正極、負極、無地部、及び前記正極と前記負極との間に介されたセパレータを含み、ラウンド状の屈曲部と平らな平坦部とを有する電極群と、前記電極群が内蔵される空間を有するケースと、前記ケースに結合されたキャッププレートと、前記電極群と電気的に接続されて外部に露出される端子と、前記電極群と前記端子とを電気的に接続し、前記電極群の屈曲部で前記電極群の側端面に溶接で接合された集電体とを含む。

前記集電体は、前記屈曲部に向かって突出して前記無地部に溶接で接合される溶接突起を備え、前記溶接突起は、半円状に形成されてもよい。

また、前記集電体には前記無地部と溶接された溶接ラインが形成され、前記溶接ラインは放射状に形成され、前記集電体には複数の溶接突起が形成され、前記複数の溶接突起は放射状につながって形成されてもよい。

一方、前記溶接突起の反対側には溝が形成され、前記端子と前記集電体とを電気的に接続するリード部材は、前記溝に挿入されるリード突起を備えることができる。

前記集電体は、上端または下端がラウンド状に形成され、前記集電体は、前記電極群に向かって突出して前記屈曲部を挿入する支持リブを備えることができる。また、前記集電体の一側端部に形成された支持リブは、弧状の断面を有するように形成されてもよい。

前記端子と前記集電体とを電気的に接続するリード部材は、前記支持リブに溶接で付着される溶接リブを備えることができ、前記溶接リブは、弧状の断面を有するように形成されてもよい。

前記集電体は、前記電極群の上端に設置された上部集電部と前記電極群の下端に設置された下部集電部とを含み、前記上部集電部は、前記電極群の上端に位置する屈曲部に溶接で接合され、前記下部集電部は、前記電極群の下端に位置する屈曲部に溶接で接合されてもよい。前記上部集電体と前記下部集電体とは接続バーによって接続されてもよい。また、前記端子と前記集電体とを電気的に接続するリード部材は、前記接続バーの長手方向の中央部分に溶接で接合されてもよい。

前記２次電池は、前記電極群を構成する正極の活物質中にリチウム化合物が含まれているリチウムイオンタイプの２次電池に構成されてもよい。前記集電体は、前記無地部にレーザー溶接で付着されてもよい。

以上説明したように本発明によれば、集電体が電極群の屈曲部で電極群の側端面に溶接で接合されるため、集電体と無地部とが密着した状態でより安定に集電体と電極群とが溶接で接合され、それによって端子と電極群とが安定的に接続される。

本発明の第１実施形態に係る２次電池を示した斜視図である。 図１でＩＩ−ＩＩ線に沿って切断して示した断面図である。 本発明の第１実施形態に係る電極群と集電体とを示した分解斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る電極群に集電体が溶接された状態を示した側面図である。 本発明の第１実施形態に係る集電体とリード部材とを示した分解斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る２次電池の集電体とリード部材とを示した切開斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る電極群と集電体とを示した分解斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る集電体とリード部材とを示した斜視図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。本発明は多様な形態に具現でき、以下で説明する実施形態に限られない。

図１は本発明の第１実施形態による２次電池を示した斜視図であり、図２は図１のＩＩ-ＩＩ線に沿って切断して示した断面図である。

図１及び図２を参照して説明すると、第１実施形態による２次電池１００は、正極１１と負極１２との間に絶縁体であるセパレータ１３を介して巻き取られた電極群１０と、電極群１０が内蔵されるケース３４と、電極群１０と電気的に接続される正極端子２１、負極端子２２、及びケース３４の開口部に結合されたキャッププレート３０とを含む。第１実施形態による２次電池１００は、リチウムイオン２次電池であって、角型の例を説明する。

正極１１及び負極１２は、薄板の金属箔から形成された集電体に活物質が塗布された領域であるコーティング部と、活物質がコーティングされていない領域である無地部（１１ａ、１２ａ）とを含む。ここで、正極活物質はリチウムを含み、本実施形態による２次電池は、リチウムイオンタイプの２次電池に形成される。

正極無地部１１ａは、正極１１の長手方向に沿って正極１１の一側端に形成され、負極無地部１２ａは、負極１２の長手方向に沿って負極１２の他側端に形成される。また、正極１１及び負極１２は、絶縁体であるセパレータ１３を間に介した後に巻き取られる。

キャッププレート３０は、薄い板から構成され、キャッププレート３０には電解液が注入される電解液注入口が形成され、電解液注入口には封止キャップ３８が設置される。また、キャッププレート３０には内部圧力が設定された基準値に至る場合に破断されるように溝が形成されたベント部材３９が設置される。

キャッププレート３０と端子２１、２２との間には上部ガスケット２５と下部ガスケット２７とが介されて、キャッププレート３０と端子２１、２２を絶縁させる。本記載において、端子は正極端子と負極端子とを含む概念である。

下部ガスケット２７は、端子孔に嵌合されて設置され、上部ガスケット２５は、キャッププレート３０上に設置される。上部ガスケット２５上には締結力を緩衝させるワッシャー２４が設置される。正極端子２１及び負極端子２２には端子２１、２２を上部で支持するナット２９が設置される。

このような電極群１０の正極無地部１１ａには集電体４０が溶接で付着され、集電体４０はリード部材５０を介して正極端子２１と電気的に接続される。また、負極無地部１２ａには集電体４０が溶接で付着され、集電体４０はリード部材５０を介して負極端子２２と電気的に接続される。リード部材５０とキャッププレート３０との間には絶縁のための絶縁部材２６が設置される。リード部材５０は、端子２１、２２に接続された端子リード部５１と集電体４０に付着される集電リード部５２とを含む。

図３は本発明の第１実施形態による電極群と集電体とを示した分解斜視図である。

図３を参照して説明すると、本第１実施形態による電極群１０は、巻き取られた状態で板状に加圧され、それによって平板状の平坦部１８と平坦部１８の両端にラウンド状（湾曲した形状）の屈曲部１９とが形成される。

集電体４０は、電極群１０の屈曲部に密着して電極群１０に溶接で付着される溶接突起４３と周縁に沿って突出したリブ（ｒｉｂ）４５とを含む。

集電体４０は、屈曲部１９と対応するように一端、例えば上端がラウンド状に形成され、側端はラウンド部分から直線につながって形成される。支持リブ４５は、集電体４０でラウンド部分とこれに接続された側端に沿って接続されて形成され、集電体４０の下端には支持リブ４５が形成されていない。支持リブ４５は、電極群１０の上端屈曲部１９を挿入して電極群１０の外周面に密着する。それによって支持リブ４５が上下左右方向に電極群１０に対して集電体４０を支持して集電体４０が正確な位置に設置され、集電体４０が電極群１０に対して揺れるのを防止して、振動によって集電体４０と無地部１１ａ、１２ａとの間の接触が不良になるのを防止することができる。なお、図３では、集電体４０の上端がラウンド状に形成される場合について説明したが、集電体４０の下端がラウンド状に形成されてもよい。

集電体４０は、正極無地部１１ａ及び負極無地部１２ａに溶接で固定されるが、電極群１０に向かって突出した溶接突起４３が無地部１１ａ、１２ａの側端面に密着した状態でレーザー溶接を実施して溶接突起４３と無地部１１ａ、１２ａとを固定する。ここで、側端面とは、積層された無地部１１ａ、１２ａの端部が露出された電極群１０の端面を意味する。溶接突起４３は、ほぼ半円状に形成されるが、弧（ａｒｃ）と弧の両端を連結する直線とが形成する図形の断面を有する。

図４に示したように、溶接突起４３は、電極群１０の側端面、より詳しくは屈曲部１９に密着してレーザー溶接で固定されるが、この時、溶接突起４３に形成された溶接ライン４９は、無地部１１ａ、１２ａが連結される方向と垂直な方向に放射状につながって形成される。このように溶接ライン４９が放射状につながって形成されると、各々の溶接ライン４９が積層された無地部１１ａ、１２ａと接触して溶接突起４３を通じて電流を均一に引き出すことができ、一部の溶接突起４３に過度な電流が集中するのを防止することができる。

屈曲部１９では無地部１１ａ、１２ａに引張力が作用しており、引っ張られた無地部１１ａ、１２ａは平坦部１８に比べて密集する。また、無地部１１ａ、１２ａは、屈曲部１９で弧状に屈曲されて側方向に一定の強性を有する。それによって無地部１１ａ、１２ａに溶接突起４３を密着させる時、無地部１１ａ、１２ａが側方向に曲がったり屈曲されたりして密着性が低下するのを防止することができる。溶接突起４３を無地部１１ａ、１２ａに密着させた状態で無地部１１ａ、１２ａと溶接突起４３とをレーザー溶接で安定的に固定する。

平坦部１８の場合には、無地部１１ａ、１２ａが密集せず、横方向に支持する構造が無いため、無地部１１ａ、１２ａと集電体４０とを密着させるのが難しい問題がある。特に、リチウム２次電池の場合には、無地部１１ａ、１２ａが非常に薄くて、無地部１１ａ、１２ａが十分な力を支持することができない。また、無地部１１ａ、１２ａを密集させるためには、無地部１１ａ、１２ａが十分な幅を持たなければならず、無地部１１ａ、１２ａを密集させる構造物が必要であるが、この場合には不要な部分が増加して、単位体積当りの出力が低くなるという問題がある。

しかし、本実施形態によれば、無地部１１ａ、１２ａが十分な力に耐えられて、集電体４０と無地部１１ａ、１２ａとを安定的に結合することができるだけでなく、支持リブ４５が集電体４０を安定的に支持することができる。

図５は本発明の第１実施形態による集電体とリード部材とを示した分解斜視図である。

図５を参照して説明すると、本実施形態によるリード部材５０は、端子と接続される端子リード部５１、集電体４０に付着される集電リード部５２、及び集電体４０の外側面に形成された溝４２に嵌合されるリード突起５３を有する。溶接突起４３は、集電体４０で屈曲されて形成され、それによって溶接突起４３の反対側には溝４２が形成される。

リード突起５３は、溝４２とほぼ対応する半円状に形成され、リード突起５３と溝４２とが挿入結合された状態でリード突起５３が溝４２に溶接で固定される。

このようにリード突起５３を集電体４０の溝４２に挿入結合させると、外部の振動や衝撃によってリード部材５０と集電体４０との接触が不良になるのを防止することができる。

このような構造によって無地部１１ａ、１２ａに集電された電流は、集電体４０とリード部材５０とを通して端子２１、２２に伝達される。

図６は本発明の第２実施形態による２次電池の集電体とリード部材とを示した切開斜視図である。

図６を参照して説明すると、第２実施形態による２次電池は、集電体６０及びリード部材７０の構造を除いては前記第１実施形態による２次電池と同じ構造に構成されるため、同じ構成に関する重複説明は省略する。

本実施形態による集電体６０は、電極群１０の側面に密着する板部６６と、板部６６の側端と上端とに沿ってつながって形成されたリブ６３とを含む。

板部６６の上部はラウンド状に形成され、上部には半径方向につながった複数の溶接突起６２が形成される。板部６６の上部は電極群１０の屈曲部１９と密着し、上部周縁に沿ってつながって形成されたリブ６３も屈曲部１９の外周に密着して集電体６０を支持する。

溶接突起６２は放射状につながったリブ（ｒｉｂ）状に形成され、無地部１１ａ、１２ａが連結された方向とほぼ垂直につながって形成される。集電体６０が無地部１１ａ、１２ａに密着配置された状態で溶接突起６２の長手方向にレーザーを照射して、集電体６０と無地部１１ａ、１２ａとを溶接で接合する。

この時、溶接突起６２は、無地部１１ａ、１２ａを加圧して、無地部１１ａ、１２ａと面接触した状態を維持し、溶接突起６２の長手方向に沿ってレーザーを照射して、集電体６０と無地部とを溶接で接合する。

集電体６０と溶接で接合されるリード部材７０は、端子と接続される端子リード部７１、集電体６０に付着される集電リード部７２、及び集電リード部７２の下端に形成されて支持リブ６３に付着される溶接リブ７３を含む。

溶接リブ７３は、弧形の断面を有するように形成され、溶接リブ７３の形状は支持リブ６３の上部形状と対応する形状に構成される。それによって溶接リブ７３は支持リブ６３の上端に密着し、密着した状態で溶接リブ７３と支持リブ６３とが溶接で接合される。

このように溶接リブ７３を支持リブ６３の上端に接合すれば、電流の通路を最短距離に形成して、電力損失及び発熱を最少化することができる。

電流は最短距離で移動する属性を有し、それによって電流は端子と無地部との間の最短距離を移動する。本実施形態のように無地部１１ａ、１２ａの上端に集電体６０を固定し、集電体６０の上端の支持リブ６３にリード部材７０を固定すれば、電流の移動が不要な部分を通らずに移動することができる。電流の移動距離が短縮されれば、部材の固有抵抗による電力損失を最少化することができて、発熱を減少させることができる。

また、溶接リブ７３と支持リブ６３とが接触する部分が弧状であるため、側方向への流動を機構的に支持して、側方向の振動によって接触が不良になるのを防止することができる。

図７は本発明の第３実施形態による電極群と集電体とを示した分解斜視図であり、図８は本発明の第３実施形態による集電体とリード部材とを示した斜視図である。

図７及び図８を参照して説明すると、本実施形態による集電体８０は、上部集電部８２、下部集電部８３、上部集電部８２と下部集電部８３とを接続する接続バー８５を含む。

上部集電部８２は、電極群１０の上端部に位置する屈曲部１９に溶接で接合されて、無地部１１ａ、１２ａに向かう方向に突出した溶接突起８２ａと、周縁に沿って接続されて、上端屈曲部１９の外周と接する支持リブ８２ｂとを含む。

下部集電部８３は、電極群１０の下端部に位置する屈曲部１９に溶接で接合されて、無地部１１ａ、１２ａに向かう方向に突出された溶接突起８３ａと、周縁に沿って接続されて、下端屈曲部１９の外周と接する支持リブ８３ｂとを含む。

上部集電部８２は上端がラウンド状に形成され、下部集電部８３は下端がラウンド状に形成される。また、上記の集電部８０を屈曲部１９に接合することで電流の通路を最短にすることが可能となる。

接続バー８５は四角形の棒状に形成され、上部集電部８２と下部集電部８３とを電気的及び機構的に接続させる。本実施形態のように、上部集電部８２と下部集電部８３とを設置すれば、電極群１０の上端と下端とにおいて電流を集電するため、無地部の一側に電流が集中するのを防止することができる。また、接続バー８５を通して上部集電部８２と下部集電部８３とが接続されるため、集電体８０が電極群１０の上下方向に揺れるのを防止することができる。

集電体８０と溶接で接合されるリード部材９０は、端子と接続される端子リード部９１、集電体８０に付着される集電リード部９５、及び集電リード部９５と端子リード部９１とを接続する接続リード部９２を含む。集電リード部９５は、接続バー８５の長手方向の中央部分に溶接で接合され、それによって上部集電部８２と下部集電部８３とに集電された電流を均等にリード部材９０を通して端子に伝達することができる。集電リード部９５が上部集電部８２または下部集電部８３の一側により近く設置されると、電流の特性上、一側の集電部を通してより多くの電流が伝達される問題があるが、本実施形態のように中央部分に接続すれば、均等に電流を伝達することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１００ ２次電池
１０ 電極群
１１ 正極
１１ａ 正極無地部
１２ 負極
１２ａ 負極無地部
１３ セパレータ
１８ 平坦部
１９ 屈曲部
２１、２２ 端子
３０ キャッププレート
３４ ケース
４０ 集電体
４２ 溝
４３ 溶接突起
４５ 支持リブ
４９ 溶接ライン
５０ リード部材
５１ 端子リード部
５２ 集電リード部
５３ リード突起
７３ 溶接リブ
８２ 上部集電部
８３ 下部集電部
８５ 接続バー

Claims (13)

1. 正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に介されたセパレータを含み、ラウンド状の屈曲部及び平らな平坦部を有する電極群と、
   前記電極群が内蔵される空間を有するケースと、
   前記ケースに結合されたキャッププレートと、
   前記電極群と電気的に接続されて外部に露出される端子と、
   半円状に形成されて、前記屈曲部に向かって突出し、前記電極群の屈曲部において前記正極及び前記負極の無地部の端部に溶接で接合される溶接突起を備え、前記電極群と前記端子とを電気的に接続する集電体と、
   を含み、
   前記集電体の前記溶接突起には前記無地部と溶接された溶接ラインが形成され、
   前記溶接ラインは、前記無地部が連結される方向と垂直な方向に放射状につながって形成されることを特徴とする、２次電池。
2. 前記集電体には前記溶接突起が複数形成され、
   複数の前記溶接突起は、前記無地部が連結される方向と垂直な方向に放射状につながって形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の２次電池。
3. 前記溶接突起の反対面には溝が形成され、
   前記端子と前記集電体とを電気的に接続するリード部材は、前記溝に挿入されるリード突起を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の２次電池。
4. 前記集電体は、一端がラウンド状に形成されたことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の２次電池。
5. 前記集電体は、前記電極群に向かって突出し、前記屈曲部を挿入する支持リブを有することを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の２次電池。
6. 前記集電体の一側端部に形成された前記支持リブは、弧状の断面を有することを特徴とする、請求項５に記載の２次電池。
7. 前記端子と前記集電体とを電気的に接続するリード部材は、前記支持リブに溶接で付着される溶接リブを有することを特徴とする、請求項５又は６に記載の２次電池。
8. 前記端子と前記集電体とを電気的に接続するリード部材は、前記支持リブに溶接で付着される溶接リブを有し、
   前記溶接リブは、弧状の断面を有することを特徴とする、請求項６に記載の２次電池。
9. 前記集電体は、前記電極群の上端に設置された上部集電部と、前記電極群の下端に設置された下部集電部と、を含み、
   前記上部集電部は、前記電極群の上端に位置する屈曲部に溶接で接合され、
   前記下部集電部は、前記電極群の下端に位置する屈曲部に溶接で接合されることを特徴とする、請求項１に記載の２次電池。
10. 前記上部集電部と前記下部集電部とは、接続バーによって接続されたことを特徴とする、請求項９に記載の２次電池。
11. 前記端子と前記集電体とを電気的に接続するリード部材は、前記接続バーの長手方向の中央部分に溶接で接合されたことを特徴とする、請求項１０に記載の２次電池。
12. 前記電極群を構成する正極の活物質中にリチウム化合物が含まれていることを特徴とする、請求項１〜１１の何れか１項に記載の２次電池。
13. 前記集電体は、前記無地部にレーザー溶接で付着されたことを特徴とする、請求項１〜１２の何れか１項に記載の２次電池。

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