JP5298077B2 - リチウムポリマー二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池に関し、特に、リチウムポリマー二次電池に関する。
一般的に、リチウムポリマー二次電池は、正極板と負極板及びこれら二つの電極板の間に介在されたセパレーターで構成された電極組立体を電解液と共にパウチ型外装ケースに収納して形成される。
かかるリチウムポリマー二次電池は、電極端子を保護するための構造が設けられないため、外部の機械的衝撃に弱いという短所がある。
特に、高容量電池の場合は、多数の単位電極とセパレーターで形成された積層型または巻回型電極組立体が使用される。
しかし、このような高容量リチウムポリマー二次電池は、多数の電極タブが引き出されるので、電極タブが揺動したら電気的短絡が発生するおそれがあった。
さらに、高容量電池は、電極組立体の多数の電極タブによって電極端子で電池の充放電時に高熱が発生する。従って、多数の電極タブで発生する高熱により電極端子が熱にさらされるおそれがあった。
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、外部の機械的衝撃から保護されるようにしたリチウムポリマー電池を提供することにある。
本発明の他の目的は、高容量電池において、多数の電極タブを含む電極端子の揺動を防止して、電極タブの揺動による電気的短絡を防止するようにしたリチウムポリマー電池を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、高容量電池において、多数の電極タブで発生する高熱により電極端子が熱にさらされることを防止するようにしたリチウムポリマー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電極及び第２電極、並びに、前記第１電極及び前記第２電極の間に介在されたセパレーターを含む電極組立体と、前記電極組立体の外部を囲む外装材と、前記外装材を密封するカバーと、を含み、前記電極組立体と前記カバーとの間には、前記電極組立体の電極端子を保護する端子保護部材が設けられるリチウムポリマー二次電池が提供される。
上記端子保護部材は、上記電極組立体の外郭に対応する大きさ及び形状に形成されてもよい。
上記端子保護部材は、外壁を形成する垂直部と、上記垂直部を連結する水平部とを含んでもよい。
上記水平部には、上記電極端子が貫通する端子孔が形成されてもよい。
上記端子保護部材は、ポリプロピレン（ＰＰ）またはポリエチレン（ＰＥ）などのような絶縁材質で形成されてもよい。
上記端子保護部材は、上記外装材の内側面に融着することで固定されてもよい。
上記端子保護部材は、上記外装材の内側面と分離されてもよい。
上記端子保護部材は、上記電極組立体と嵌合していてもよい。
上記端子保護部材は、上記電極組立体に載置される状態で設けられてもよい。
上記端子保護部材は、上記カバーに融着することで固定されてもよい。
上記端子保護部材とカバーとの間に二次保護素子が設けられ、上記電極組立体と電気的に連結されてもよい。
上記二次保護素子は、温度ヒューズであってもよい。
上記端子保護部材の上側には、保護回路を備える回路基板が設けられてもよい。
上記回路基板は、上記カバーの内部に設けられてもよい。
上記外装材の両端部である一辺と他辺が融着されてシーリング部が形成されてもよい。
上記外装材の一側に、電解液を注入し充放電時に発生するガスが排出されるガス室がさらに備えられてもよい。
上記外装材は略矩形のシートであるラミネートフィルムで形成されてもよい。
上記外装材は１７０〜３００μｍの厚さに形成されてもよい。
上記外装材は、外部層、遮断層及び内部層が積層されて形成されてもよい。
上記カバーは、上記電極組立体の上端部を密封する第１カバー及び上記電極組立体の下端部を密封する第２カバーを含んでもよい。
上記カバーは内部の電極タブ収容空間を有していてもよい。
上記カバーは、一面が開放されて内部の空間を有するキャップの形状に形成されてもよい。
上記カバーは、ポリプロピレン（ＰＰ）またはポリエチレン（ＰＥ）のうち選択される何れか一つの材質で形成されてもよい。
上記カバーは上記外装材と融着されて密封されてもよい。
上記融着は熱融着であってもよい。
以上説明したように本発明によれば、リチウムポリマー電池のセルに別途の外部パックを備えられなくても、外部の機械的衝撃から電極組立体と電極端子を保護することができる。
本発明によると、多数の電極タブが整列するようにし、電極タブの揺動を防止して電池内部の短絡発生を防止することで、製品の信頼度を向上させることができる。
本発明によると、多数の電極タブで発生する高熱により電極端子が熱にさらされることを防止することができる。
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。
以下、上記のような本発明の好ましい実施例を添付図面に基づいてより詳しく説明する。
図１は本発明の一実施例に係るリチウムポリマー二次電池の分解斜視図であり、図２は図１のＩＩ部分拡大図であり、図３は本発明の一実施例に係るリチウムポリマー二次電池の斜視図であり、図４は図３の断面図であり、図５は本発明の一実施例に係るリチウムポリマー二次電池にガス室が備えられた状態を示す図である。
図１〜図４を参照すると、本発明の一実施例に係るリチウムポリマー二次電池１００は、互いに異なる極性を有し、外部に電流を伝達する多数の電極タブ１１４、１１５がそれぞれ付着した第１電極１１１及び第２電極１１２、並びに、上記第１電極及び第２電極の間に介在されたセパレーター１１３を含む電極組立体１１０と、上記電極組立体１１０の外部を囲む外装材１２０と、上記外装材１２０の両端部に融着、好ましくは熱融着される第１、２カバー１３０、１４０と、を含む。上記電極組立体１１０は、第１電極１１１、セパレーター１１３及び第２電極１１２が順に積層されるか、渦巻状に巻回されて形成される。
上記電極組立体１１０と第１カバー１３０との間には端子保護部材１５０が設けられ、上記端子保護部材１５０と第１カバー１３０との間には二次保護素子１６０が設けられる。そして、上記端子保護部材１５０の上部には、回路基板１７０が設けられる。
上記電極組立体１１０は、上記第１電極１１１を正極板で形成し、上記第２電極１１２を負極板で形成することを一例として説明する。しかし、上記第１電極と第２電極の極性が変わってもよい（すなわち、第１電極と第２電極の極性が逆であってもよい）。
上記正極板１１１は、正極集電体（図示せず）と上記正極集電体上に形成された正極活物質層（図示せず）とを含む。上記正極集電体の端部には、上記正極活物質層が形成されない部分である正極無地部（図示せず）が形成される。上記正極無地部には、正極集電体に集まった電子が外部回路に流れるよう、外部回路と電気的に連結される第１電極の電極タブである正極タブ１１４が付着する。上記正極集電体は電気伝導度の優れたアルミニウム（Ａｌ）などで形成され、上記正極タブもアルミニウム（Ａｌ）などで形成される。上記正極タブ１１４は上記正極無地部に、通常、超音波溶接で溶接される。上記正極活物質層は、リチウムイオンが吸蔵または脱離されるよう、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）のようなリチウム金属酸化物に導電材とバインダーを混合して形成する。また、上記正極タブ１１４が正極無地部に溶接された後は、正極タブの離脱を防止するためにテープを付着させる。
上記負極板１１２は、化学反応によって発生した電子を集める負極集電体（図示せず）と、上記負極集電体の上部に形成された負極活物質層（図示せず）を含む。上記負極集電体の端部には、上記負極活物質層が形成されない負極無地部（図示せず）が形成される。上記負極無地部には、上記負極集電体に集まった電子が外部回路に流れるよう、外部回路と電気的に連結される第２電極の電極タブである負極タブ１１５が付着する。上記負極タブ１１５には、負極無地部から離脱しないようにテープが付着する。上記負極集電体は、通常、電気伝導度の優れた銅（Ｃｕ）またはニッケル（Ｎｉ）で形成され、上記負極タブは、通常、ニッケル（Ｎｉ）で形成される。上記負極活物質層は、リチウムイオンが吸蔵、脱離されることができるよう、炭素材料に導電材とバインダーを混合して形成される。
上記正極板１１１に付着した多数の正極タブ１１４は、第１電極端子１１６と溶接される。上記負極板１１２に付着した負極タブ１１５は、第２電極端子１１７と溶接される。
上記外装材１２０は、巻回された電極組立体１１０の側面を取り囲む。上記巻回された電極組立体１１０は、両方から加圧されて、直方体の形状を有するようになる。この時、外装材１２０は、このような電極組立体１１０の大面的に該当する側面を取り囲む。
上記外装材１２０の内側には、上記電極組立体１１０と共に電解質（図示せず）が収容される。そして、上記外装材１２０は、両端部である一辺と他辺が融着、好ましくは熱融着されて、シーリング部１２４を形成する。一方、上記シーリング部１２４の一側には、電解液を注入し、充放電時に発生するガスが排出されるガス室が形成されることができる。このようなガス室の構造は、製造方法でより具体的に説明する。
上記外装材１２０の内側には、上記電極組立体１１０と共に電解質（図示せず）が収容される。そして、上記外装材１２０は、両端部である一辺と他辺が融着、好ましくは熱融着されて、シーリング部１２４を形成する。一方、上記シーリング部１２４の一側には、電解液を注入し、充放電時に発生するガスが排出されるガス室が形成されることができる。このようなガス室の構造は、製造方法でより具体的に説明する。
上記外装材１２０は、略矩形シートであるラミネートフィルムで形成される。上記ラミネートフィルムは１７０〜３００μｍの厚さに形成される。これによって、上記ラミネートフィルムは、電極組立体を保護すると共に電解質の外部漏洩を防止するように、耐衝撃性の大きい高強度性質を有する。この時、上記ラミネートフィルムの厚さが１７０μｍより小さいと、外部衝撃に対する剛性を確保し難い。また、厚さが３００μｍより大きいと、金属材質の缶形外装材に比して、電池を高容量化し難い。
上記外装材１２０は、遮断層１２１と、上記遮断層１２１の一面に形成された外部層１２２と、上記遮断層１２１の他面に形成された内部層１２３を含む。
上記遮断層１２１は金属材質で形成される。このような金属材質は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）のうち選択された少なくとも一つの金属であることができる。このような金属は、機械的強度及び耐食性が強い。これによって、外装材の機械的強度が向上し、電解液に対する耐食性も向上する。上記金属は、電池の外部から内部への水分浸透を完璧に抑制する効率も高い。一方、このような金属は、延伸率が２０〜６０％であることが好ましい。このような材質的な特性を有する上記遮断層１２１の厚さは、２０〜１５０μｍであることが好ましい。
上記外部層１２２は、外装材１２０の外側に該当する面に形成する。上記外部層１２２は、引張強度、衝撃強度及び耐久性の優れたナイロンまたはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のうち選択された何れか一つであることができる。このような外部層１２２は、上記遮断層１２１の外部面に高熱によるラミネート方式で形成されることができる。また、上記外部層１２２は、略５〜３０μｍの厚さに形成されることが好ましい。上記ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）は、合金膜（ａｌｌｏｙ ｆｉｌｍ）であることができる。上記ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の成分に接着剤が入っていない場合もある。このような場合には、上記遮断層１２１の一面に接着剤を予め塗布した後、上記ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を接着する。
上記内部層１２３は、上記外装材１２０の内側に該当する面の表面に形成される。上記内部層１２３は、変性ポリプロピレン（ＣＰＰ）であることができる。上記内部層１２３は、略３０〜１５０μｍの厚さに塗布されることができる。
上記第１カバー１３０は、電極組立体１１０の正極タブ１１４に接続された第１電極端子１１６と負極タブ１１５に接続された第２電極端子１１７が引き出される位置に結合される。上記第１カバー１３０は、略一面が開放され、電極組立体１１０に対応する大きさを有する直方体として形成される。即ち、上記第１カバー１３０は、一面が開放され、内部の空間を有するキャップの形状に形成される。上記第１カバー１３０は、ポリプロピレン（ＰＰ）またはポリエチレン（ＰＥ）のうち選択される何れか一つの材質で形成されることが好ましいが、これに限定するのではない。
上記第２カバー１４０は、電極組立体１１０の第１電極端子１１６及び第２電極端子１１７が引き出されない位置に結合される。上記第２カバー１４０は、上記電極組立体１１０の大きさに対応する直方体のキャップ形状に形成される。または必要によって、上記第２カバー１４０は板状に形成されることもできる。上記第２カバー１４０は、ポリプロピレン（ＰＰ）またはポリエチレン（ＰＥ）のうち選択される何れか一つの材質で形成されることが好ましいが、これに限定するのではない。
上記端子保護部材１５０は、上記電極組立体１１０の多数の正極タブ１１４と負極タブ１１５及びこれらと接続される第１電極端子１１６及び第２電極端子１１７を保護する。
上記端子保護部材１５０は、略電極組立体１１０の横断面と対応する大きさと形状を有する。即ち、電極組立体１１０の端部に対応する大きさに外壁のみを有して形成されることができる。
または、端子保護部材１５０は、外壁を形成する垂直部１５１と、上記垂直部１５１を連結する水平部１５２を含む。上記水平部１５２には、上記第１電極端子１１６と第２電極端子１１７が貫通する端子孔１５３が形成される。
上記端子保護部材１５０は、ポリプロピレン（ＰＰ）またはポリエチレン（ＰＥ）などのような絶縁材質で形成される。
上記端子保護部材１５０は、上記外装材１２０の内側面と融着、好ましくは熱融着されることが好ましい。この時、端子保護部材１５０の垂直部１５１が外装材１２０の内側面と融着、好ましくは熱融着される。これによって、電極組立体１１０と第１カバー１３０の間に端子保護部材１５０が位置するので、外装材１２０が端子保護部材１５０と固定されると、外装材１２０がより安定的にセルに固定された状態を維持するようになる。
しかし、端子保護部材１５０が外装材１２０と融着されなくてもよい。このように端子保護部材１５０が外装材１２０と融着されない場合、上記端子保護部材１５０は上記電極組立体１１０の第１電極端子１１６及び第２電極端子１１７が引き出される位置に、嵌合するように結合されて固定されてもよい。勿論、このように端子保護部材１５０が電極組立体１１０に固定された状態で、外装材１２０と融着、好ましくは熱融着されることもできる。
または、上記端子保護部材１５０は、上記電極組立体１１０の第１電極端子１１６及び第２電極端子１１７が引き出される位置である上面に載置された状態で設けられることもできる。
一方、上記端子保護部材１５０は、上記第１カバー１３０と相互融着、好ましくは相互熱融着によって固定されることができる。即ち、上記端子保護部材１５０と上記第１カバー１３０は、互いにＰＰまたはＰＥなどの類似材質で形成されるので、相互融着、好ましくは相互熱融着によって固定することが容易である。従って、外部衝撃に対して第１カバー１３０と端子保護部材１５０が電極組立体１１０の電極タブを含む電極端子１１６、１１７を保護するに適合する。
上記二次保護素子１６０としては、ＰＴＣ素子、温度ヒューズなどを使用することができる。本発明の一実施例では、温度ヒューズを使用して電極組立体１１０の過熱発生時に電流を遮断する。
上記第１カバー１３０の内側には、保護回路（図示せず）を備える回路基板１７０が設けられる。上記回路基板１７０の一面には、電極組立体１１０の第１電極端子１１６及び第２電極端子１１７を介して伝達される電流を外部に伝達するための外部端子１７１が設けられる。
以下、このように構成される本発明の好ましい一実施例に係る二次電池の製造方法を説明する。
正極板１１１、セパレーター１１３及び負極板１１２を順に積層してから巻回して、略渦巻状の電極組立体１１０を形成する。そして、正極板１１１の無地部に正極タブ１１４を付着させ、負極板１１２の無地部に負極タブ１１５を付着させる。多数の正極タブ１１４は第１電極端子１１６と溶接され、多数の負極タブ１１５は第２電極端子１１７と溶接される。
そして、上記電極組立体１１０の第１電極端子１１６及び第２電極端子１１７が引き出された上端部には、端子保護部材１５０が結合される。即ち、第１電極端子１１６及び第２電極端子１１７が、端子保護部材１５０の端子孔１５３を通過するようになる。この時、端子保護部材１５０は、電極組立体１１０の一側に嵌合方式で結合されるか、または単に載置される形で設けられることができる。
上記端子保護部材１５０は、正極タブ１１４及び負極タブ１１５を含む第１電極端子１１６と第２電極端子１１７を外部衝撃から保護する。さらに、第１電極端子１１６及び第２電極端子１１７の揺動を防止する。
上記端子保護部材１５０を貫通する第１電極端子１１６は、回路基板１７０の一つの極性を有する内部端子（図示せず）と電気的に連結される。また、上記端子保護部材１５０を貫通する第２電極端子１１７は、安全素子としての温度ヒューズ１６０と電気的に連結される。そして、上記温度ヒューズ１６０は、上記回路基板１７０の他の極性を有する内部端子と電気的に連結される。
上記回路基板１７０は第１カバー１３０の内部に設けられ、回路基板１７０の内部端子は外部端子１７１と電気的に連結される。上記外部端子１７１は、第１カバー１３０の外部に突出し、電池の電流を外部に伝達する。
よって、上記第１カバー１３０は、端子保護部材１５０と温度ヒューズ１６０及び回路基板１７０が設けられた状態で、電極組立体１１０の上端部に結合される。そして、第２カバー１４０は電極組立体１１０の下端部に結合される。
外装材１２０は、上記電極組立体１１０と第１、２カバー１３０、１４０の側面を取り囲む。外装材１２０の両端部が重なってシーリング部１２４が形成される。そして、外装材１２０の上端部は第１カバー１３０の下端部と融着、好ましくは熱融着され、外装材１２０の下端部は第２カバー１４０の上端部に融着、好ましくは熱融着される。上記第１、２カバー１３０、１４０は、ポリプロピレン材質で形成され、上記外装材１２０の内面は変性ポリプロピレン（ＣＰＰ）材質で形成される。従って、上記外装材１２０と第１、２カバー１３０、１４０は同一系列のＰＰ材質からなり、接着状態を良好に維持するようになる。また、上記第１、２カバー１３０、１４０は、ポリエチレン材質で形成されてもよい。
上記外装材１２０が上記第１、２カバー１３０、１４０と融着、好ましくは熱融着されるとともに、上記端子保護部材１５０の外壁に該当する垂直部１５１の外表面にも融着、好ましくは熱融着されることができる。
このような本発明の一実施例において、上記外装材１２０の内部に電解液を注入するために別途のガス室を形成することができる。
図５を参照すると、上記外装材１２０の上記電極組立体が収納される空間１８０からシーリング部１２４の一側が延びた延長部２１０にガス室２２０を形成する。上記電極組立体収納空間１８０と上記ガス室２２０を連結する電解液注入通路２３０を形成する。これによって、上記ガス室２２０と電解液注入通路２３０を通して電極組立体収納空間１８０の内部に電解液を注入することができるようになる。そして、充電と放電を実施する過程で電極組立体収納空間１８０で発生するガスはガス室２２０に排出される。充電と放電が完了したら、ガス室２２０とその周辺領域である延長部２１０を除去し、外装材１２０のシーリング部１２４を加熱加圧してシーリングすると、電池の製造が完了する。
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 リチウムポリマー二次電池
１１０ 電極組立体
１２０ 外装材
１３０ 第１カバー
１４０ 第２カバー
１５０ 端子保護部材
１６０ 二次保護素子
１７０ 回路基板
１８０ 電極組立体収納空間
２１０ 延長部
２２０ ガス室
２３０ 電解液注入通路
１１０ 電極組立体
１２０ 外装材
１３０ 第１カバー
１４０ 第２カバー
１５０ 端子保護部材
１６０ 二次保護素子
１７０ 回路基板
１８０ 電極組立体収納空間
２１０ 延長部
２２０ ガス室
２３０ 電解液注入通路
Claims (16)
- 第１電極及び第２電極、並びに、前記第１電極及び前記第２電極の間に介在されたセパレーターを含む電極組立体と、
前記電極組立体の外部を囲む外装材と、
ポリプロピレン（ＰＰ）によって形成され、前記外装材を密封するカバーと、
を含み、
前記電極組立体と前記カバーとの間には、前記電極組立体の電極端子を外部衝撃から保護する端子保護部材が設けられており、
前記端子保護部材は、ポリプロピレン（ＰＰ）からなる絶縁材質で形成され、前記電極組立体の外郭に対応する大きさ及び形状に形成されており、
前記外装材は、外部層、遮断層及び内部層が積層されて、１７０〜３００μｍの厚さに形成されており、
前記遮断層は、延伸率２０〜６０％の金属材料を用いて形成され、
前記内部層は、変性ポリプロピレン（ＣＰＰ）によって形成され、
前記端子保護部材は、前記外装材の内側面及び前記カバーに融着することで固定され、
前記カバーは、前記外装材の内側面と融着されて密封される、
ことを特徴とする、リチウムポリマー二次電池。 - 前記端子保護部材は、外壁を形成する垂直部と、前記垂直部を連結する水平部とを含むことを特徴とする、請求項１に記載のリチウムポリマー二次電池。
- 前記水平部には、前記電極端子が貫通する端子孔が形成されたことを特徴とする、請求項２に記載のリチウムポリマー二次電池。
- 前記端子保護部材は、前記電極組立体と嵌合していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のリチウムポリマー二次電池。
- 前記端子保護部材は、前記電極組立体に載置される状態で設けられたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のリチウムポリマー二次電池。
- 前記端子保護部材とカバーとの間に二次保護素子が設けられ、前記電極組立体と電気的に連結されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のリチウムポリマー二次電池。
- 前記二次保護素子は、温度ヒューズであることを特徴とする、請求項６に記載のリチウムポリマー二次電池。
- 前記端子保護部材の上側に、保護回路を備える回路基板が設けられたことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のリチウムポリマー二次電池。
- 前記回路基板は、前記カバーの内部に設けられたことを特徴とする、請求項８に記載のリチウムポリマー二次電池。
- 前記外装材の両端部である一辺と他辺とが融着されてシーリング部が形成されたことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のリチウムポリマー二次電池。
- 前記外装材の一側に、電解液を注入し充放電時に発生するガスが排出されるガス室がさらに備えられたことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のリチウムポリマー二次電池。
- 前記外装材は、矩形のシートであるラミネートフィルムで形成されたことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のリチウムポリマー二次電池。
- 前記カバーは、前記電極組立体の上端部を密封する第１カバー及び前記電極組立体の下端部を密封する第２カバーを含むことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のリチウムポリマー二次電池。
- 前記カバーは、内部の電極タブ収容空間を有することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のリチウムポリマー二次電池。
- 前記カバーは、一面が開放されて内部の空間を有するキャップの形状に形成されたことを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のリチウムポリマー二次電池。
- 前記外装材又は前記カバーでの融着は、熱融着であることを特徴とする、請求項１又は１０に記載のリチウムポリマー二次電池。
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