JP5289370B2 - 2次電池 - Google Patents

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Description

本発明は2次電池に関するものであって、より詳しくは2次電池の過熱による爆発を防止して、製造原価を安くすることができる2次電池に関するものである。
一般に、2次電池(secondary 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2次電池は、携帯電話機やノートパソコン、及びカムコーダーなどの携帯が可能な小型電子機器に使用され、大容量2次電池は、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。
このような2次電池の一種として、発電素子の外側を密閉するためにアルミニウム素材にポリプロピレンをコーティングしたパウチ(pouch)方式がある。しかし、2次電池のパウチ方式は、アルミニウム及びポリプロピレンの変形によってパウチの外形の成型に限界があり、6〜7mm以上の厚さに構成するのが難しいという問題がある。また、アルミニウム素材は、価格が相対的に高いため、製造原価が高くなるという問題がある。それと共に、2次電池の内部に異常な過熱が発生する時に爆発する危険もあるという問題がある。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の第1の目的とするところは、2次電池を密閉するための素材としてアルミニウムの代わりに代替金属素材を使用し、レーザー溶接などによって結合して、製造原価を安くし、厚さをより厚く形成することが可能な、新規かつ改良された2次電池を提供することにある。
また、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の第2の目的とするところは、2次電池の過熱による爆発を防止することが可能な、新規かつ改良された2次電池を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、第1金属板、前記第1金属板に結合されて六面体の五つの面を構成し、空洞及び前記空洞に向かって開口された前記六面体の第6面を形成する開口部を定義する第2金属板、前記空洞に位置して、前記開口部に近い側に少なくとも一つの連結部材を含む発電素子、及びインシュレータ及び前記少なくとも一つの連結部材に連結される少なくとも一つの電極リードを含んで、前記開口部を閉鎖するキャップアセンブリを含み、前記第1金属板または第2金属板のうちの少なくとも一つは、ベース及び前記ベースの少なくとも2つの対向する周縁から延長される側壁を含む、2次電池が提供される。
前記第1金属板及び第2金属板は、アルミニウム以外の金属、鉄、またはステンレススチールを含んでもよい。
前記第1金属板及び第2金属板のうちの少なくとも一つは、前記ベース面に実質的に平行な少なくとも一方向に前記各側壁から突出されるフランジ部を含んでもよい。前記第1金属板及び第2金属板は、前記フランジ部で溶接によって互いに固定されてもよい。前記第1金属板及び第2金属板は、前記フランジ部でクリンプリング(crimpring)によって互いに固定されてもよい。
前記少なくとも一つの電極リードは、前記インシュレータに装着されてもよい。前記少なくとも一つの電極リードは、複数の突出部を含み、前記インシュレータは、前記複数の突出部を収容する複数の挿入孔を含み、前記電極リードは、前記インシュレータに装着されてもよい。前記インシュレータは、少なくとも一つの凹面で構成される少なくとも一つのグルーブを含み、前記少なくとも一つの凹面は、前記少なくとも一つの電極リードと接触すると共に、前記複数の挿入孔を含むことができる。
前記インシュレータは、前記開口部に強制嵌合結合されてもよい。前記インシュレータは、前記空洞に向かって延長される方向に沿ってテーパ状に形成される少なくとも一つの側面を有することができる。前記インシュレータの少なくとも一つのテーパ状の側面は、1度乃至10度の範囲内の角度でテーパ状に形成されてもよい。前記インシュレータの少なくとも一つのテーパ状の側面は、対向する二つのテーパ状の側面を含むことができる。
前記キャップアセンブリは、前記インシュレータの部分溶融によって前記第1金属板及び第2金属板に固定されてもよい。前記第1金属板及び第2金属板は、溶接工程によって互いに固定され、前記インシュレータは、前記溶接工程で発生した熱によって少なくとも部分的に溶融されることができる。
前記キャップアセンブリは、溶接によって前記第1金属板及び第2金属板に固定されてもよい。前記キャップアセンブリは、エポキシでコーティングされて、前記第1金属板及び第2金属板にエポキシで固定されてもよい。
前記インシュレータは、融点が100℃〜130℃の範囲である高分子素材を含むことができる。前記高分子素材の融点は110℃であってもよい。
キャップアセンブリは、貫通孔を含み、前記貫通孔に挿入されて選択的に閉鎖する開閉部材をさらに含んでもよい。
前記第1金属板及び第2金属板は、ベースと、前記ベースの少なくとも2つの対向する周縁から延長される側壁と、前記各々の側壁から前記ベース面と実質的に平行な方向に突出されるフランジ部とを含むことができる。
以上説明したように本発明によれば、2次電池の密閉の構成のための素材として金属素材を利用し、レーザー溶接などによって結合させるので、製造原価を安くして、経済性が向上する。
また、本発明によれば、2次電池の密閉の構成のための素材として金属素材を利用するので、8mm以上の厚さを実現することができる。
また、本発明によれば、2次電池の内部に過熱が発生する時に、キャップアセンブリが自動的に破損されるので、過熱による爆発を防止して、安定性が向上する。
本発明の第1実施形態による2次電池を概略的に示した分解斜視図である。 図1のベース部材及びカバー部材を結合した状態でキャップアセンブリを分離した状態を示した斜視図である。 図1の発電素子及びキャップアセンブリが結合された状態を概略的に示した斜視図である。 キャップアセンブリの電極リード及びインシュレータが結合された状態を示した斜視図である。 図4のV−V線に沿って切断して示した断面図である。 本発明の第2実施形態による2次電池を概略的に示した分解斜視図である。 本発明の第3実施形態による2次電池のキャップアセンブリの電極リード及びインシュレータが分解された状態を示した分解斜視図である。 図7のインシュレータの挿入孔が形成された面を示した斜視図である。 本発明の第4実施形態による2次電池のキャップアセンブリの電極リード及びインシュレータが結合された状態を示した斜視図である。 本発明の第5実施形態による2次電池のキャップアセンブリの電極リード及びインシュレータが結合された状態を示した斜視図である。 本発明の第6実施形態による2次電池のキャップアセンブリの電極リード及びインシュレータが結合された状態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。本発明は以下で開示される実施形態に限られるのではなく、互いに異なる多様な形態に具現され、本実施形態は単に本発明の開示が完全になるようにして、通常の知識を有する者に発明の範囲を完全に知らせるために提供されるものである。
まず、本発明の第1実施形態による2次電池を、添付図面を参照して詳しく説明する。
本発明の第1実施形態による2次電池は、ベース部材(「第1金属板」)と、ベース部材に溶接によって結合されて、ベース部材との間に装着空間を形成するカバー部材(「第2金属板」)と、装着空間に装着される発電素子と、発電素子の正極及び負極から各々延長された連結部材と、前記連結部材に各々結合される電極リード、及び電極リードに結合されて、ベース部材とカバー部材との間に装着されるインシュレータを含むキャップアセンブリとを含む。
キャップアセンブリは、ベース部材とカバー部材との間に強制嵌合結合されて、ベース部材及びカバー部材の溶接結合時にベース部材とカバー部材との間で融着結合される。
キャップアセンブリは、ベース部材とカバー部材との間に装着する時にエポキシが塗布されて結合される。インシュレータは、長さ方向の両側から幅方向にテーパ状をなして、ポリプロピレン素材で形成される。
インシュレータには装着空間と連通される貫通孔が形成され、貫通孔を選択的に開閉する開閉部材が装着される。
発電素子は、スタック型またはゼリーロール型である。カバー部材は、プレート状をなし、ベース部材は、カバー部材が安着されるように周縁に沿って突出されたフランジ部が形成される。
本発明の第2実施形態による2次電池において、カバー部材は、周縁がベース部材方向に折曲げられ、折曲げられた先端にはカバーフランジ部が形成され、ベース部材は、カバーフランジ部が結合されるベースフランジ部が周縁に沿って形成される。
本発明の第3実施形態による2次電池のキャップアセンブリにおいて、電極リードにはインシュレータ方向に複数の突出部が形成され、インシュレータには長さ方向の一側は平面に形成され、対向する一側はテーパ状に形成されて、平面には突出部が挿入される挿入孔が形成されて、電極リードに結合される。
図1は本発明の第1実施形態による2次電池を概略的に示した分解斜視図であり、図2は図1のベース部材及びカバー部材を結合した状態でキャップアセンブリを分離した状態を示した図面であり、図3は図1の発電素子及びキャップアセンブリが結合された状態を概略的に示した図面である。
図1乃至図3に示したように、本発明の第1実施形態による2次電池100は、ベース部材10と、ベース部材10に溶接によって結合されて、ベース部材10との間に装着空間を形成するカバー部材20と、装着空間に装着される発電素子30と、発電素子30の正極及び負極から各々延長された連結部材31、32と、連結部材31、32に各々結合される電極リード41、42、及び電極リード41、42に結合されて、ベース部材10とカバー部材20との間に装着されるインシュレータ43を含むキャップアセンブリ40とを含む。
ベース部材10は、角部を有する多角形をなし、内部には発電素子30を装着するための引入部11または側壁が形成される。このような引入部11は、結合されるカバー部材20との間に装着空間を形成して、発電素子30の装着を可能にする。本発明の実施形態においては、ベース部材10は、角部を有する多角形を例示したが、角部のない丸い形状に形成されてもよい。ベース部材10が角部のない丸い形状に形成されても、内部には引入部11が形成されて、発電素子30の装着が可能である。
ベース部材10の側面には周縁に沿って突出したベースフランジ部13が形成される。ベースフランジ部13にはカバー部材20が装着される。選択的に、前記ベース部材10は、前記ベースフランジ部13が形成されなくてもよい。
カバー部材20は、ベース部材10に溶接によって結合される。カバー部材20は、プレート形状で、ベース部材10の上側に安着されて、周縁に沿って溶接によって結合される。カバー部材20及びベース部材10の結合によって内部には装着空間が形成されて、発電素子30が装着される。カバー部材20及びベース部材10の溶接は、アーク溶接、ガス溶接、レーザー溶接などが可能であり、このうちのいずれか一つに限定されずに選択的に適用される。
ベース部材10及びカバー部材20は、鋼材(steel material)からなり、ステンレス材からなってもよい。カバー部材20及びベース部材10を溶接によって結合することによって、従来のアルミニウム素材の適用に代替えされて、製造原価を安くすることができる。本実施形態による2次電池には多様な金属素材の適用が可能になるので、安価な金属素材の適用が可能で、製造原価を安くすることができる。本発明の実施形態によるカバー部材20及びベース部材10は、溶接によって結合されることを例示したが、クリンプリング(crimping)工程によって結合されてもよい。
カバー部材20及びベース部材10の結合によって形成された装着空間には発電素子30が装着される。
発電素子30は、本発明の実施形態において、スタック型またはゼリーロール型で装着される。スタック型発電素子及びゼリーロール型発電素子は公知されており、その構成及び詳しい作動の説明は本発明の実施形態では省略する。発電素子30の一側には発電素子の正極及び負極から各々延長された連結部材31、32が突出される。連結部材31、32にはキャップアセンブリ40が結合される。
図4はキャップアセンブリの電極リード及びインシュレータが結合された状態を示した斜視図であり、図5は図4のV−V線に沿って切断して示した断面図である。
図4及び図5に示したように、キャップアセンブリ40は、連結部材31、32(図1及び図3に図示)に各々結合される電極リード41、42と、電極リード41、42に結合されて、ベース部材10とカバー部材20との間に装着されるインシュレータ43とを含む。
電極リード41、42は、連結部材31、32に溶接によって結合される。電極リード41、42は、インシュレータ43を貫通して連結部材31、32に連結可能である。電極リード41、42は、連結部材31、32の負極及び正極と各々結合されるように、一対で装着される。
インシュレータ43は、電極リード41、42を支持して、ベース部材10及びカバー部材20が結合された側面に装着される。このために、ベース部材10及びカバー部材20が結合された側面には開口部12が形成される(図2に図示)。開口部12は、ベースフランジ部13が形成されないベース部材10の側面に形成される。
インシュレータ43は、開口部12に強制嵌合方法で装着される。このために、インシュレータ43は、開口部12の開口された大きさより大きく形成される。より詳しくは、インシュレータ43は、角部を有する多角形に形成され、幅方向の側面がテーパ状に形成される。インシュレータ43のテーパ状の側面は、長さ方向の上側及び下側から幅方向に沿って各々形成される。このようなインシュレータ43のテーパ角度(α)は、1度〜10度の角度範囲で形成される。このようなインシュレータ43のテーパ角度が1度未満である場合には、開口部12における嵌合圧力が顕著に低下し、テーパ角度が10度を超える場合には、開口部12とインシュレータ43との間に過剰な圧力がかかる。従って、インシュレータ43のテーパ角度を1度〜10度の角度範囲内に形成して、インシュレータ43の開口部12への強制嵌合結合を容易にする。
インシュレータ43は、開口部12に強制嵌合することができるようにポリプロピレン素材で形成される。インシュレータ43がポリプロピレン素材で形成されるのは、前述のように、開口部12に強制嵌合結合するためであり、同時に、2次電池100の爆発を防止するためである。より具体的に説明すると、ポリプロピレンは、110℃以上で溶ける性質を有するため、2次電池の温度が異常に上昇すると、インシュレータ43が溶けて2次電池100の開口部12が開放される。それによって、2次電池100の内部は開口部12の開放によって圧力が降下されて、突然の爆発を防止することができるようにして、安定性が向上する構造からなる。本発明の実施形態においては、インシュレータ43の素材をポリプロピレンに限定したが、110℃に近い温度、例えば100℃から130℃の間の温度で溶ける高分子素材に代替えすることもできる。
インシュレータ43の装着時に、エポキシ(図示せず)を装着補助媒介物として使用してもよい。このような構成を有するキャップアセンブリ40は、カバー部材20及びベース部材10の溶接結合時に、開口部12に強制嵌合と共に熱融着によって結合が行われる。つまり、強制嵌合して組み立てられた状態で、キャップアセンブリ40と接しているカバー部材20及びベース部材10に外部から熱を加えてエポキシ及びインシュレータを部分的に溶かすことによって、熱融着が可能である。
また、インシュレータ43には発電素子30の対向方向に貫通孔45が形成される。このような貫通孔45は、2次電池の内部に電解液を注入する。貫通孔45には開閉部材47が装着されて、貫通孔45を選択的に開閉することができる。貫通孔45は、インシュレータ43の長さ方向に沿って一つまたは複数形成される。
開閉部材47は、2次電池100の充電または放電時に2次電池の内部にガスが発生すると、貫通孔45を開放してガスを除去する。また、貫通孔45にはベント(Vent)(図示せず)が装着されて、ガスが排出される。
このように、本実施形態による2次電池100は、ベース部材10にカバー部材20を金属素材で製造し、ベース部材10及びカバー部材20を溶接によって結合することによって、厚さが8mm以上の2次電池を実現することができる。
前記構成を有する本実施形態による2次電池の作用について、以下で説明する。
まず、ベース部材10にカバー部材20を溶接によって結合する。ベース部材10とカバー部材20との間の空間には発電素子30が装着される。ベース部材10及びカバー部材20の溶接結合によって2次電池は厚さが8mm以上になるように形成される。
ここで、ベース部材10及びカバー部材20の側面には開口部12が形成され、溶接工程においてキャップアセンブリ40が強制嵌合及び熱融着によって結合される。インシュレータ43は、2次電池において過剰に温度が上昇すると、溶けて開口部12を開放して、爆発を防止する。
次に、キャップアセンブリ40のインシュレータ43に形成された貫通孔45を通して電解液が供給される。貫通孔45には開閉部材47が装着されるため、貫通孔45を選択的に開閉することができる。
このように、本発明の2次電池は厚さが8mm以上になるように形成することが容易であり、異常な圧力が発生する時にも爆発するのを防止する構造からなる。
図6は本発明の第2実施形態による2次電池200を概略的に示した斜視図である。図1乃至図5と同一な参照番号は同一な機能を有する同一な部材である。以下、同一な参照番号に対する詳しい説明は省略する。
図6に示したように、カバー部材120は、側面にカバーフランジ部121が形成される。カバーフランジ部121は、カバー部材120の周縁に沿って折曲げられた先端に形成される。このようなカバーフランジ部121は、ベース部材10´のベースフランジ部13´と接して溶接によって結合される。前記カバー部材120は、前記カバーフランジ部121がこれから延長される(図6に図示)引入部または側壁を含んだり、選択的実施形態として、引入部は含んでカバーフランジ部121は含まなくてもよい。
図7は本発明の第3実施形態による2次電池のキャップアセンブリを概略的に示した分解斜視図であり、図8は図7のインシュレータの挿入孔が形成された面を示した斜視図である。
図1乃至図5と同一な参照番号は同一な機能を有する同一な部材である。以下、同一な参照番号に対する詳しい説明は省略する。
図7及び図8に示したように、本発明の第3実施形態による2次電池のキャップアセンブリ340は、電極リード341に複数の突出部345が形成される。そして、インシュレータ343には突出部345が挿入される挿入孔347が形成される。それによって、電極リード341、342及びインシュレータ343は、突出部345が挿入孔347に挿入されることによって結合される。
ここで、インシュレータ343は、挿入孔347が形成される一側(A)は平面であり、平面に対向する他側面(B)はテーパ状に形成される。それによって、電極リード341の結合と共に開口部12に強制嵌合結合が容易に行われる。
図9は本発明の第4実施形態による2次電池のキャップアセンブリ440の電極リード及びインシュレータが結合された状態を示した斜視図である。
図9を参照すると、本実施形態によるキャップアセンブリ440は、インシュレータ443に電極リード441、442が結合されて形成され、前記電極リード441、442には少なくとも1つ以上の孔441a、442aが形成される。前記孔441a、442aは、貫通孔で形成されたり溝で形成されて、前記電極リード441、442がインシュレータ443に結合される時に結合力を向上させることができる。つまり、インシュレータ443が弾性を有するため、前記孔441a、442aの形成によって前記電極リード441、442は挿入方向に前記インシュレータ443との間に摩擦力が大きくなる。
図10は本発明の第5実施形態による2次電池のキャップアセンブリ540の電極リード及びインシュレータが結合された状態を示した斜視図である。
図10を参照すると、本実施形態によるキャップアセンブリ540は、インシュレータ543に電極リード541、542が結合されて形成され、前記インシュレータ543にはベース部材及びカバー部材と接する周縁に沿ってグルーブ543aが形成される。このようなグルーブ543aは、2つ以上が並んで形成され、前記キャップアセンブリ540の挿入後に密閉性を向上させることができる。
図11は、本発明の第6実施形態による2次電池のキャップアセンブリの電極リード及びインシュレータが結合された状態を示した斜視図である。
図11を参照すると、本実施形態によるキャップアセンブリ640は、インシュレータ643に電極リード641、642が結合されて形成され、前記インシュレータ643にはベース部材及びカバー部材と接する周縁に沿って金属製ケース646が被せられる。このようなインシュレータ643は、前記ベース部材及びカバー部材と溶接などによって結合される。
以上で、本発明を図面に示された実施形態を参照して説明した。しかし、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は、本発明と均等な範囲に属する多様な変形または他の実施形態が可能である。従って、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲によって決められなければならない。
また、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。
10 ベース部材
11 引入部
13 ベースフランジ部
20 カバー部材
30 発電素子
31、32 連結部材
40 キャップアセンブリ
41、42 電極リード
43 インシュレータ
45 貫通孔

Claims (17)

  1. 第1金属板、
    前記第1金属板に結合されて六面体の五つの面を構成し、空洞及び前記空洞に向かって開口された前記六面体の第6面を形成する開口部を定義する第2金属板、
    前記空洞に位置して、前記開口部に近い側に少なくとも一つの連結部材を含む発電素子、及び
    インシュレータ、及び前記少なくとも一つの連結部材に連結される少なくとも一つの電極リードを含んで、前記開口部を閉鎖するキャップアセンブリを含み、
    前記第1金属板または第2金属板のうちの少なくとも一つは、ベース及び前記ベースの少なくとも2つの対向する周縁から延長される側壁を含み、
    前記第1金属板及び第2金属板は、鉄またはステンレススチールを含み、
    前記第1金属板及び第2金属板のうちの少なくとも一つは、前記ベースに実質的に平行な少なくとも一方向に前記各側壁から突出されるフランジ部を含み、
    前記インシュレータは、前記インシュレータの幅が前記空洞の奥側方向ほど狭くなるようにテーパ状に形成された少なくとも1つの側面を含むことを特徴とする、2次電池。
  2. 前記第1金属板及び第2金属板は、前記フランジ部で溶接によって互いに固定されることを特徴とする、請求項1に記載の2次電池。
  3. 前記第1金属板及び第2金属板は、前記フランジ部でクリンプリングによって互いに固定されることを特徴とする、請求項1に記載の2次電池。
  4. 前記少なくとも一つの電極リードは、前記インシュレータに装着されることを特徴とする、請求項1に記載の2次電池。
  5. 前記少なくとも一つの電極リードは、複数の突出部を含み、前記インシュレータは、前記複数の突出部を収容する複数の挿入孔を含み、前記電極リードは、前記インシュレータに装着されることを特徴とする、請求項4に記載の2次電池。
  6. 前記インシュレータは、少なくとも一つの凹面で構成される少なくとも一つのグルーブを含み、前記少なくとも一つの凹面は、前記少なくとも一つの電極リードと接触して、前記複数の挿入孔を含むことを特徴とする、請求項5に記載の2次電池。
  7. 前記インシュレータは、前記開口部に強制嵌合結合されることを特徴とする、請求項1に記載の2次電池。
  8. 前記インシュレータの少なくとも一つのテーパ状の側面は、1度〜10度の範囲内の角度でテーパ状に形成されることを特徴とする、請求項7に記載の2次電池。
  9. 前記インシュレータの少なくとも一つのテーパ状の側面は、対向する二つのテーパ状の側面を含むことを特徴とする、請求項7に記載の2次電池。
  10. 前記キャップアセンブリは、前記インシュレータの部分溶融によって前記第1金属板及び第2金属板に固定されることを特徴とする、請求項1に記載の2次電池。
  11. 前記第1金属板及び第2金属板は、溶接工程によって互いに固定され、前記インシュレータは、前記溶接工程で発生した熱によって少なくとも部分的に溶融されることを特徴とする、請求項10に記載の2次電池。
  12. 前記キャップアセンブリは、前記インシュレータの前記第1金属板及び第2金属板と接する周縁に沿って被せられる金属製ケースを有し、溶接によって前記第1金属板及び第2金属板に固定されることを特徴とする、請求項1に記載の2次電池。
  13. 前記キャップアセンブリは、エポキシでコーティングされ、前記第1金属板及び第2金属板にエポキシで固定されることを特徴とする、請求項1に記載の2次電池。
  14. 前記インシュレータは、融点が100℃〜130℃の範囲である高分子素材を含むことを特徴とする、請求項1に記載の2次電池。
  15. 前記高分子素材の融点は110℃であることを特徴とする、請求項14に記載の2次電池。
  16. キャップアセンブリは、貫通孔を含み、
    前記貫通孔に挿入されて選択的に閉鎖する開閉部材をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の2次電池。
  17. 前記第1金属板及び第2金属板は、ベースと、前記ベースの少なくとも2つの対向する周縁から延長される側壁と、前記側壁の各々から前記ベースの面と実質的に平行な方向に突出されるフランジ部とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の2次電池。

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