JP5329527B2 - 安全性を改良したバッテリーセル - Google Patents
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Description
本発明は、安全性を改良したバッテリーセルに関し、より詳しくは、金属層及び樹脂層を包含するラミネートシートから製造されたバッテリーケース中に電極アセンブリーが取り付けられており、該バッテリーケースが、該バッテリーケースの受入部分の縁部に沿って熱的に溶接され、密封部分を形成する構造に構築されたバッテリーセルであって、該密封部分の、該電極アセンブリーに接続された電極リード線(a、b)の一方、例えばたわみ性が比較的低い電極リード線(a)、に対応する部分(電極リード線対応部分)に、脆弱部分が形成されており、予め決められた圧力が該脆弱部分に作用した時に、内部のガスが該脆弱部分を通って外側に排出されるように、該脆弱部分が物理的に変形し、該脆弱部分が、他方の電極リード線(b)の電極リード線対応部分には形成されない、バッテリーセルに関する。
可動装置が開発が進み、そのような可動装置の需要が益々増加するにつれて、可動装置用のエネルギー供給源としての二次バッテリーの需要も急速に伸びている。特に、高エネルギー密度及び高放電電圧を有するリチウム二次バッテリーに多くの研究が行われ、リチウム二次バッテリーは、現在、商業的に広く使用されている。
二次バッテリーは、電力駆動装置、例えば電動自転車(E-バイク)、電気自動車(EV)、またはハイブリッド電気自動車(HEV)、用のエネルギー供給源、ならびに携帯ワイヤレス電子装置、例えば携帯電話、デジタルカメラ、パーソナルデジタルアシスタント(PDAs)、及びラップトップコンピュータ、用のエネルギー供給源として、非常に大きな関心を集めている。
内部にバッテリーセルを装填した小型バッテリーパックは、小型装置、例えば携帯電話及びデジタルカメラ、に使用される。他方、互いに並列及び／または直列に接続された2個以上のバッテリーセル(以下、「マルチ-セル」と呼ぶことがある)を包含するバッテリーパックを内部に装填した中または大型バッテリーパックは、中または大型装置、例えばラップトップコンピュータ及び電気自動車、に使用される。
前に記載したように、リチウム二次バッテリーは、優れた電気的特性を有するが、リチウム二次バッテリーの安全性は低い。例えば、リチウム二次バッテリーの異常な操作、例えば過充電、過放電、高温への露出、電気的短絡、が生じた時、バッテリーの構成成分である活性材料及び電解質の分解が引き起こされ、その結果、熱及びガスが発生し、熱及びガスの発生により引き起こされる高温及び高圧条件が上記の分解を促進する。最終的に、火災または爆発が起こることがある。
この理由から、リチウム二次バッテリーは、安全装置、例えばバッテリーの過充電、過放電、または過電流を中断するための保護回路、バッテリーの温度が増加した時に抵抗が大きく増加することにより電気回路を遮断するための正温度係数(PTC)素子、及びガスの発生により圧力が増加した時に電流または排出ガスを遮断するための屈曲安全部材。を備えている。例えば小型円筒形二次バッテリーの場合、PTC素子及び屈曲安全部材は、通常、円筒形ケースに取り付けられた、カソード／セパレータ／アノード構造を有する電極アセンブリー(発電素子)の上部に配置される。他方、プリズム形または小袋形の小型二次バッテリーの場合、保護回路モジュール及びPTC素子は、通常、発電素子が内部に密封状態で取り付けられているプリズム形ケースまたは小袋形ケースの上側末端に取り付けられる。
リチウム二次バッテリーの安全性問題は、マルチ-セル構造を有する中または大型バッテリーパックでは、さらに深刻である。マルチ-セル構造では、複数のバッテリーセルが使用されているので、バッテリーセルの幾つかが異常作動すると、他のバッテリーセルの異常作動が引き起こされ、その結果、火災または爆発が起こることがあり、大規模な事故につながることがある。この理由から、中または大型バッテリーパックは、バッテリーセルを過充電、過放電、及び過電流から保護するための安全装置、例えばヒューズ、バイメタル、及びバッテリー管理装置(BMS)を備えている。
しかし、リチウム二次バッテリー連続的に使用されるにつれて、すなわちリチウム二次バッテリーが連続的に充電及び放電されるにつれて、発電素子及び電気的接続部材が次第に劣化する。例えば、発電素子の劣化は、電極材料及び電解質の分解につながり、それによってガスが発生する。その結果、バッテリーセル(円筒形またはプリズム形ケースもしくは小袋形ケース)が次第に膨脹する。リチウム二次バッテリーの正常状態では、安全装置、すなわちBMS、が過放電、過充電、及び過電流を検出し、バッテリーパックを制御／保護する。しかし、リチウム二次バッテリーの異常状態では、BMSが作動しない場合、危険の可能性が増加し、バッテリーパックを制御し、バッテリーパックの安全性を確保することが困難になる。中または大型バッテリーパックは、一般的に複数のバッテリーセルが予め決められたケース中に固定される構造に構築される。その結果、それぞれの膨脹するバッテリーセルがそれぞれのケース中でさらに加圧され、従って、バッテリーパックの異常作動条件下では、火災または爆発の可能性が大きく増加する。
二次バッテリーの安全性に関連する問題を解決するための様々な試みがなされている。特に、二次バッテリーの過充電及び過放電により二次バッテリーが膨脹した時に、二次バッテリーの内部ガスを、バッテリーケースの予め決められた区域に排出する技術が開発されている。
例えば、韓国特許出願公開第2002-49208号明細書は、小袋形バッテリーケースの密封部分の融点より低い融点を有する樹脂材料から製造された開放片(open piece)が、小袋形バッテリーケースの密封部分に包含されており、バッテリーの内部温度または内部圧力が過度に増加すると、その開放片が融解し、それによって、バッテリーの密封状態が解除され、バッテリーの燃焼または爆発が防止される。
また、日本国特許出願公開第2001-93489号明細書は、バッテリーケースを構成するラミネートシートの熱溶接層樹脂フィルムの融点より低い融点を有する樹脂フィルムが、バッテリーケースの密封部分の一部に内側層として包含されており、その樹脂フィルムが高温及び高圧でバッテリーの温度と応答する結果、低い融点を有する樹脂フィルム部分が軟化し、融解し、変形することにより、密封部分が部分的に開き、ガスがバッテリーから排出される。
しかし、上記の技術は、追加の構成部品、例えば開放片または樹脂フィルム、を必要とし、その結果、バッテリーの製造コストが増加する。また、追加の工程も必要であり、その結果、バッテリーの生産性が低下する。さらに、上記の構造は、予め決められた部材の融点に応じて、予め決められた区域が開く構造に構築されており、その結果、作動信頼性が低い。
また、韓国特許出願公開第2006-112035号明細書は、シーラントが電極リード線に、シーラントがケースと緊密に接触し、電極リード線とケースとの間の密封を達成するように取り付けられており、シーラントが、その片側に応力集中部分を備え、その部分がケースの内部圧力により破損し、ガスを外側に排出する、二次バッテリーを開示している。この文書によれば、図5に示すように、応力集中部分は、密封部分に挿入された絶縁フィルム(シーラント)上に形成されており、応力集中部分は電極リード線の上部及び底部に取り付けられ、応力集中部分は、切欠き部（ノッチ）または非取付区域として構築されている。
しかし、予め決められた切欠き部または非取付区域が絶縁フィルム上に形成される場合、バッテリーの電気的絶縁体特性及び密封部分の密封性が弱くなり、その結果、内部短絡が起こるか、または外部の湿分もしくは空気がバッテリー中に導入され、それによって、バッテリーの効率が低下することがある。さらに、応力集中部分は、バッテリーの正常作動中に発生する僅かな量のガスにも容易に応答し、その結果、バッテリーの密封状態が解除されることがある。
従って、追加の構成部品を使用せずに、バッテリーセルの誤作動の際に発生するバッテリーセルの内部圧力を予め決められた方向に誘導し、バッテリーセルの正常作動の際にはバッテリーセルの密封性を確保し、それによって、バッテリーセルの安全性を高い信頼性で確保することができる技術が強く求められている。
従って、本発明は、上記の問題及び他の未解決の技術的問題を解決するためになされたものである。
上記の問題を解決するための、様々な広範囲で集中的な研究及び実験の結果、本発明者らは、ラミネートシートから製造されたバッテリーケース中に取り付けられた電極アセンブリーに接続された電極リード線の一方、例えば比較的低いたわみ性を示す電極リード線、に対応して、簡単な工程を加えるだけで、バッテリーケースに脆弱部分を形成することにより、バッテリーの過充電及び過放電によりバッテリーが膨脹した時に予め決められた方向で外側に排出することができ、それによって、バッテリーの安全性が大きく改良されることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成された。
本発明の一態様により、上記の、及び他の目的は、金属層及び樹脂層を包含するラミネートシートから製造されたバッテリーケース中に電極アセンブリーが取り付けられており、該バッテリーケースが、該バッテリーケースの受入部分（受容部分）の縁部に沿って熱的に溶接され、密封部分を形成する構造に構築されたバッテリーセルであって、該密封部分の、該電極アセンブリーに接続された電極リード線(a、b)の一方、例えばたわみ性が比較的低い電極リード線(a)、に対応する部分(電極リード線対応部分)に、脆弱部分が形成されており、予め決められた圧力が該脆弱部分に作用した時に、内部のガスが該脆弱部分を通って外側に排出されるように、該脆弱部分が物理的に変形し、該脆弱部分が、他方の電極リード線(b)の電極リード線対応部分には形成されない、バッテリーセルを提供することにより、達成される。
すなわち、本発明のバッテリーセルは、バッテリーを密封するために、バッテリーセルのカソードリード線またはアノードリード線、特にたわみ性が低い電極リード線、の上部及び底部に溶接されているバッテリーケースの密封部分の一部に、脆弱部分が形成される構造に構築される。従って、本発明のバッテリーセルは、バッテリーの誤作動、例えば過充電、過放電、内部短絡、等により、バッテリーの内部圧力が異常に増加した時に、バッテリーケースの他の密封区域よりも密封力が低い、脆弱部分を通して、ガスを予め決められた方向で外側に排出することができる。
一般的に、電極アセンブリーに接続された電極リード線(カソードリード線及びアノードリード線)は、二次バッテリーの作動特性によって異なった材料から製造される。電極リード線が異なった材料から製造されるために、電極リード線は、異なったたわみ性を有する。従って、バッテリーの異常な内部圧力によりバッテリーケースが膨脹すると、たわみ性が比較的高い電極リード線の部分は、バッテリーケースの変形した形状と類似の形状で変形する。他方、たわみ性が比較的低い電極リード線は、高い強度を示し、従って、低たわみ性電極リード線のひずみは小さく、その結果、高い内部圧力が発生すると、応力が低たわみ性電極リード線に対応するバッテリーケースの密封区域に集中する傾向がある。
従って、本発明では、バッテリーケースの、低たわみ性電極リード線に対応する区域に脆弱部分を形成するので、バッテリーケースの内部圧力が危険なレベルに増加すると、ガスの排出を予め決められた方向に誘導することができ、それによって、バッテリーセルの安全性が改良される。ガス排出方向は、ガスが予め決められた位置に向けられるように特定し、従って、毒性のガスを排出するための別の排出口を形成することができる。例えば、複数のバッテリーセルを包含する中または大型バッテリーパックを電力供給源として使用する電気自動車またはハイブリッド電気自動車では、バッテリーセルから発生した毒性ガスの排出方向を、車両の乗客空間以外の区域に向けて誘導することができる。
本発明により、バッテリーケースは、金属バリヤー層および樹脂層を包含するラミネートシートから製造する。好ましくは、バッテリーケースは、アルミニウムラミネートシートから製造された小袋形ケースである。小袋形ケースを使用するバッテリーセルでは、電極アセンブリーの電極板から伸びる電極タブが、対応する電極リード線に、例えば溶接により、電気的に接続される。また、電極リード線の、バッテリーケースと接触する上部及び底部に、絶縁フィルムを部分的に取り付け、電極リード線とバッテリーケースとの間の密封性を改良し、同時に、電極リード線とバッテリーケースとの間の電気的絶縁性を確保することができる。
好ましくは、バッテリーケースのラミネートシートは、高い耐久性を示す外側樹脂層が、金属バリヤー層の一方の主要表面(外側表面)に取り付けられ、熱溶接可能な内側樹脂層が、金属バリヤー層の他方の主要表面(内側表面)に取り付けられる構造に構築される。
好ましい実施態様では、金属バリヤー層は、ガス遮断特性及び薄いフィルムの形態に適合するのに十分な延性を示すアルミニウム、またはアルミニウム含有材料から製造する。外側樹脂層は、外部環境に対して高い耐性を示す必要がある。この理由から、外側樹脂層は、予め決められた特性を超えた引張強度及び耐候性を示す重合体樹脂、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)または延伸されたナイロンフィルム、から製造するのが好ましい。また、内側樹脂層は、熱溶接可能な特性(熱接着特性)、電解質の浸透を抑制するための低い吸湿性、及び電極により膨潤または腐食しない特性を示す、キャスティングされたポリプロピレン(CPP)、から製造することができる。
一般的に、小袋形バッテリーセルに使用する電極アセンブリーは、カソードリード線及びアノードリード線の両方が電極アセンブリーの片側に位置する構造に構築された電極アセンブリー、またはカソードリード線及びアノードリード線が互いに対向する構造に構築された電極アセンブリーに区分することができる。本発明では、カソードリード線及びアノードリード線が互いに対向する構造に構築された電極アセンブリーをバッテリーケース中に取り付ける。対向する構造のバッテリーセルには、複数のバッテリーセルを積み重ねる構造に構築された中または大型バッテリーモジュールの単位電池の電極タブを電気的に接続するのが容易であり、短絡の可能性が低減されるという利点がある。
本発明では、電極リード線は、様々な材料から製造することができる。例えば、一方の電極リード線、すなわち電極リード線(b)、をアルミニウムから製造し、他方の電極リード線、すなわち電極リード線(a)、をニッケル-銅合金から製造することができる。すなわち、各電極リード線の一端に電極タブを取り付けた状態で、各電極リード線の一端をバッテリーケース中に配置し、電極リード線の他端をバッテリーケースの外側に露出する。電極リード線の一方、すなわちカソードリード線、をアルミニウムの薄い箔から製造し、他方の電極リード線、すなわちアノードリード線、をニッケル-銅の薄い箔から製造することができる。バッテリーセルを製造する際、電極タブを一般的に対応する電極リード線にスポット溶接により連結する。しかし、連結方法は、スポット溶接に制限するものではない。
セパレータがカソードとアノードの間にそれぞれ配置された構造に電極アセンブリーが構築される限り、電極アセンブリーには特に制限は無い。例えば、電極アセンブリーは、折り曲げ、積重、または積重／折り曲げ型構造に構築することができる。積重／折り曲げ型電極アセンブリーの詳細は、本出願者の名前で提出された韓国公開特許出願第2001-0082058号、第2001-0082059号、及び第2001-0082060号の各明細書に開示されている。上記特許出願の開示全文をここに参考として含める。
本発明により、脆弱部分は、密封部分で、電極リード線に対応する区域、すなわち電極リード線対応部分、に形成するのが好ましい。従って、電極リード線対応部分における密封性は、絶縁フィルムにより十分に達成され、従って、本発明により、切欠き部が絶縁フィルムに形成される従来技術より高い密封力が得られる。
脆弱部分が、バッテリーケースの内部圧力が危険なレベルに増加した時にバッテリーケースの密封性を解除する構造に構築されている限り、脆弱部分の形状には、特に制限は無い。好ましくは、脆弱部分はスリット構造に形成する。ここで、スリットは、幅が比較的小さく、長さが比較的大きい穴を意味する。
この構造では、バッテリーセルの異常作動により、バッテリーの内部圧力が危険レベルに増加し、その結果、スリットが開いた時に、スリットが形成されている区域の密封性が解除される。これによって、バッテリーケース中のガスが外側に排出され、それによって、バッテリーの爆発が阻止される。
スリットは、密封部分の電極リード線対応部分を通して形成することができる。あるいは、スリットは、内側樹脂層だけ、及び／または密封部分のバリヤー層を通して形成することもできる。
スリットは、バッテリーセルの誤作動により発生した高圧ガスをバッテリーケースの外側に効果的に排出する構造に構築する。好ましくは、スリットは、電極アセンブリーの横方向(幅方向)に配置する。
この場合、一個以上のスリットを形成することができる。好ましくは、スリットは、電極リード線の幅の30〜90％の長さで配置する。スリットの配置長さが電極リード線の幅の30％未満である場合、バッテリーケースの内部ガスが高くても、スリットは容易に開かず、その結果、バッテリーケースの内部ガスを外側に排出するのが困難になる。反対に、スリットの配置長さが電極リード線の幅の90％を超える場合、バッテリーケースの内部ガスが低くても、スリットは容易に開く。従って、バッテリーの充電及び放電により引き起こされるバッテリーの正常な膨脹及び収縮によっても、スリットの長さが増加し、その結果、スリットが形成されている区域が電極リード線対応部分から偏位することがあり、従って、密封区域の密封性が大きく低下する。密封区域の密封性が低下すると、バッテリーの正常作動の際にも、水分がバッテリーの中に浸透することがある。
前に記載したように、脆弱部分は、密封部分の、電極リード線に対応する区域、すなわち電極リード線対応部分、に形成されるので、脆弱部分は、電極リード線が変形しない条件下では密封区域の密封性に影響を及ぼさない。
脆弱部分は、様々な方法で形成することができる。例えば、対応する区域は、予め決められた部材を使用して圧迫することができる。あるいは、対応する区域をパンチまたはカッターを使用して切り開くか、または切り取ることができる。また、脆弱部分は、密封部分を熱溶接により密封する前に、密封性部分の電極リード線対応部分に形成することができる。あるいは、脆弱部分は、密封部分を熱溶接により密封した後に、密封部分の電極リード線対応部分に形成することができる。
本発明のバッテリーセルは、長い耐用寿命及び高い安全性を示すので、バッテリーセルは、高出力及び大容量を有する中または大型バッテリーモジュールの単位電池として使用するのが好ましい。従って、本発明は、単位電池としてバッテリーセルを包含する中または大型バッテリーモジュールも提供する。中または大型バッテリーモジュールの構造及び中または大型バッテリーモジュールの製造方法は、本発明が関与する分野で良く知られており、従って、その詳細な説明は行わない。
本発明の上記の、及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら記載する下記の詳細な説明により、より深く理解される。
ここで、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示する実施態様に限定されるものではない。
図1は、従来の代表的な小袋形バッテリーセルを例示する透視図であり、図2は、図1の線A-Aの方向で見た時のバッテリーセルの形状を例示する典型的な図である。
これらの図に関して、小袋形バッテリーセル10は、2個の電極リード線11及び12が、互いに対向しながら、電極アセンブリー13の下側末端からそれぞれ伸びる構造に構築されている。バッテリーケース14は、上側ケース及び下側ケースを包含する2ユニット構造に構築されている。バッテリーケース14の接触部分、すなわちバッテリーケース14の側部14a同士、上側末端部14b同士、及び下側末端部14c同士、は、互いに取り付けられ、一方、電極アセンブリーは、バッテリーケース14中、すなわち上側ケース及び下側ケースの間、に限定された受入部分の中に取り付けられ、それによって、バッテリーセル10が製造される。
バッテリーケース14は、一般的に樹脂層／金属フィルム層／樹脂層のラミネート構造に構築される。従って、バッテリーケース14の樹脂層は、バッテリーケース14の側部14a、上側末端部14b、及び下側末端部14cに、それぞれの部分を対応する部分と接触させた状態で、熱及び圧力を作用させることにより、互いに溶接される。状況によっては、接着剤を使用してバッテリーケース14の側部14a、上側末端部14b、及び下側末端部14cを互いに取り付けることができる。バッテリーケース14の側部14aで、上側及び下側バッテリーケースの樹脂層を、それらの樹脂層同士を直接接触させた状態で、互いに溶接し、それによって、バッテリーケース14の側部14aで、一様な密封が達成される。しかし、電極リード線11及び12は、バッテリーケース14の上側末端部14b及び下側末端部14cから突き出ているので、電極リード線11及び12の厚さ及び電極リード線11及び12とバッテリーケース14の材料の違いを考慮して、バッテリーケース14の上側末端部14b及び下側末端部14cは、フィルム形状の密封部材16を電極リード線11及び12とバッテリーケース14との間に配置した状態で、互いに熱溶接する。
図3及び4は、図1のバッテリーセルの、バッテリーセルの内部圧力増加により膨脹する形状をそれぞれ例示する、カソードリード線及びアノードリード線区域におけるバッテリーセルの垂直断面である。
先ず図3に関して、カソードリード線11'は、高いたわみ性を示すアルミニウムから製造される。バッテリーセルの異常作動により、バッテリーセルの内部圧力が増加すると、バッテリーケース14'が膨脹する結果、バッテリーケース14'の密封区域は、バッテリーケース14'の残りの区域の変形した形状に応じて、無秩序な曲線の形状に変形する。この時、高いたわみ性を示すアルミニウムから製造されたカソードリード線11'の断面は、密封区域の変形した形状に応じて、ある程度変形する。
他方、図4に示すように、カソードリード線11'より低いたわみ性を示すニッケル-銅合金から製造されたアノードリード線12'は、バッテリーセルの内部圧力増加によりバッテリーケース14'の密封区域が変形した時に、全く変形しないか、または僅かに変形する。その結果、密封区域に作用する変形力は、バッテリーケース14'のアノードリード線12'の周りに応力として残る。従って、バッテリーセルの内部圧力が益々増加すると、密封区域、特に密封区域の脆弱部分16'が、この応力により破損することがある。
図6は、本発明の一実施態様によるスリットを含む小袋形バッテリーセルを典型的に例示する透視図であり、図7は、図6の、アノードリード線が突き出ている区域Bを典型的に例示する拡大図である。
これらの図に関して、小袋形バッテリーセル100は、電極リード線110及びアノードリード線120が、互いに対向しながら、バッテリーケース140の上側末端及び下側末端からそれぞれ突き出る構造に構築されている。バッテリーケース140は、上側ケース及び下側ケースを包含する2ユニット構造に構築されている。電極アセンブリーは、バッテリーケース140中、すなわち上側ケース及び下側ケースの間、に限定された受入部分144の中に取り付けられている。電極アセンブリーの電極タブ(図には示していない)に接続部されたカソードリード線110及びアノードリード線120の上部及び底部に絶縁フィルム160が付けられ、バッテリーケース140は、熱溶接法により密封される。
特に、バッテリーケース140の上側ケース及び下側ケースは、延伸ナイロンフィルム(ONy)から製造された外側樹脂層140a、アルミニウムから製造された金属バリヤー層140b、及びキャスティングされたポリプロピレン(CPP)から製造され内側樹脂層140cをそれぞれ包含する。上側ケースの内側樹脂層140c及び下側ケースの内側樹脂層140cは、熱溶接により部分的に融解し、接合され、その結果、バッテリーケースが密封される。
また、スリット142は、バッテリーケース上の、アノードリード線120に対応する密封区域に、バッテリーケース140の横方向で、スリット142が電極リード線の幅Cの80％に等しい長さで配置されるように形成される。従って、バッテリーセルの異常作動によりバッテリーセルの内部圧力が増加すると、他の密封区域より密封力が低いスリット142が形成されている部分が最初に開き、その結果、バッテリーケース140中のガスが外側に排出される。スリット142は、バッテリーケース上の、アノードリード線120に対応する密封区域に形成されるので、スリット142は、バッテリーセルが正常作動する際には、密封区域の密封力に影響を及ぼさない。
図8は、本発明の別の実施態様によるスリットを含む小袋形バッテリーセルを例示する分解組立透視図であり、図9は、図8のバッテリーセルの上側末端を典型的に例示する拡大垂直断面図である。
これらの図に関して、バッテリーケースは、その中に限定された、電極アセンブリー230を受け入れるための空間を有する受入部分244、及び受入部分244を密封するためのカバー243を包含する。受入部分244及びカバー243は、一体化された構造で互いに接続される。受入部分244の縁部には、カバー243を受入部分244の縁部に配置した状態で、熱溶接によりバッテリーセル200を密封するための密封部分240が形成されている。
電極アセンブリー230は、カソードリード線210及びアノードリード線220の両方が電極アセンブリー230の片側に形成される構造に構築される。電極リード線210及び220の外側表面には、密封部分240の幅よりも大きい幅を有する絶縁性フィルム260が取り付けられている。
上記の構造を有する電極アセンブリーは、電極アセンブリーの、電極リード線210及び220が突き出る区域が、バッテリーケースの上側末端側部に位置するように、受入部分244の中に取り付ける。
この時、脆弱部分242は、密封部分240の、アノードリード線220が位置する区域に対応する部分、すなわち電極リード線対応部分241、に形成される。脆弱部分242は、電極アセンブリー230の横方向で線状に配置される。各脆弱部分242は、スリット、すなわち比較的小さな幅及び比較的大きい長さを有する孔、の形状に形成される。図9に示すように、スリット242は、密封部分全体にわたって形成する。あるいは、スリット242は、密封部分240の最も内側に位置する内側樹脂層240c、及び／または密封部分240のバリヤー層240bだけを通して形成することもできる。また、スリット242は、受入部分244の縁部密封部分側またはカバー243の縁部密封部分側に形成することもできる。
上記の構造を有するバッテリーセルの内部圧力がバッテリーセルの異常作動により増加すると、スリット242が形成されている電極リード線対応部分241が先ず開き、その結果、バッテリーセル中のガスが外側に排出される。絶縁性フィルム260がアノードリード線220に取り付けられているので、スリット242は、バッテリーセルの正常作動の際には密封区域の密封力に影響を及ぼさない。
以下に、本発明の例を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示する例により限定されるものではない。
[例1]
カソード活性材料として、ＬｉＣｏＯ２95重量％、Super-P(導電性材料)2.5重量％、及びPVdF(結合剤)2.5重量％を包含する混合物を、溶剤としてのNMP(N-メチル-2-ピロリドン)に加え、カソード混合物スラリーを製造した。アノード活性材料として、人造グラファイト95重量％、Super-P(導電性材料)1重量％、及びPVdF(結合剤)4重量％を包含する混合物を、溶剤としてのNMPに加え、アノード混合物スラリーを製造した。カソード混合物スラリー及びアノード混合物スラリーを、アルミニウムホイル及び銅ホイルにそれぞれ塗布し、次いで、アルミニウムホイル及び銅ホイルを切断し、カソード板及びアノード板をそれぞれ製造した。続いて、カソード板及びアノード板を、セパレータとしてCellGuard(商品名)(TONEN)をカソード板とアノード板の間にそれぞれ配置して積み重ね、電極アセンブリーを製造した。
カソード活性材料として、ＬｉＣｏＯ２95重量％、Super-P(導電性材料)2.5重量％、及びPVdF(結合剤)2.5重量％を包含する混合物を、溶剤としてのNMP(N-メチル-2-ピロリドン)に加え、カソード混合物スラリーを製造した。アノード活性材料として、人造グラファイト95重量％、Super-P(導電性材料)1重量％、及びPVdF(結合剤)4重量％を包含する混合物を、溶剤としてのNMPに加え、アノード混合物スラリーを製造した。カソード混合物スラリー及びアノード混合物スラリーを、アルミニウムホイル及び銅ホイルにそれぞれ塗布し、次いで、アルミニウムホイル及び銅ホイルを切断し、カソード板及びアノード板をそれぞれ製造した。続いて、カソード板及びアノード板を、セパレータとしてCellGuard(商品名)(TONEN)をカソード板とアノード板の間にそれぞれ配置して積み重ね、電極アセンブリーを製造した。
電極リード線を電極アセンブリーの電極タブに超音波溶接により接続し、図6に示すように、スリットを、バッテリーケースの、ニッケル-銅合金から製造されたアノードリード線に対応する密封区域上に、スリットが、アノードリード線の幅の80％に等しい長さで配置されるように形成した。続いて、電極アセンブリーをバッテリーケース中に密封された状態で取り付け、バッテリーを製造した。
[比較例1]
バッテリーケースのアノードリード線に対応する密封区域にスリットを形成しなかった以外は、例1と同様にしてバッテリーを製造した。
バッテリーケースのアノードリード線に対応する密封区域にスリットを形成しなかった以外は、例1と同様にしてバッテリーを製造した。
[比較例2]
韓国特許出願公開第2006-112035号明細書に開示されているように、カソードリード線及びアノードリード線に取り付けた絶縁性フィルムの中央区域に切欠き部を形成し、バッテリーケースのアノードリード線に対応する密封区域にスリットを形成しなかった以外は、例1と同様にしてバッテリーを製造した。
韓国特許出願公開第2006-112035号明細書に開示されているように、カソードリード線及びアノードリード線に取り付けた絶縁性フィルムの中央区域に切欠き部を形成し、バッテリーケースのアノードリード線に対応する密封区域にスリットを形成しなかった以外は、例1と同様にしてバッテリーを製造した。
[実験例1]
例1及び比較例1及び2により製造した30個のバッテリーに対して、内部圧力増加実験を行った。結果を下記の表1に示す。内部圧力増加実験では、それぞれ30個のバッテリーの内部圧力を、空気を使用し、バッテリーの巻き付け材料が通気するまで、0.1 kgf/mm２で30秒間間隔で増加させ、通気部分が形成された区域間で比較した。
例1及び比較例1及び2により製造した30個のバッテリーに対して、内部圧力増加実験を行った。結果を下記の表1に示す。内部圧力増加実験では、それぞれ30個のバッテリーの内部圧力を、空気を使用し、バッテリーの巻き付け材料が通気するまで、0.1 kgf/mm２で30秒間間隔で増加させ、通気部分が形成された区域間で比較した。
表1から分かるように、例1により製造した30個のバッテリーに対して内部圧力増加実験を行った時、バッテリーの全てが、それらのアノードリード線密封区域で一様に通気した。また、バッテリーが通気した時のバッテリーの内部圧力は、ほぼ等しかった。
他方、比較例1により製造したバッテリーのほとんどは、それらの側方密封区域で通気し、通気した区域は一様ではなく、バッテリーが通気した時のバッテリーの内部圧力は等しくなかった。比較例2により製造したバッテリーでは、多くのバッテリーが低い内部圧力で通気した。これは、切欠き部が絶縁性フィルムに形成されたため、密封力が大きく低下したためと考えられる。比較例2により製造したバッテリーでは、カソードリード線の変形により引き起こされた密封性低下のため、カソードリード線密封区域で通気したバッテリーの数が比較的大きかった。さらに、これらのバッテリーは、カソードリード線密封区域、アノードリード線密封区域、及び側方密封区域で通気した。すなわち、ガスの排出方向が一様ではなかった。
本発明の好ましい実施態様を例示のために開示したが、当業者には明らかなように、請求項に記載する本発明の範囲及び精神から離れることなく、様々な修正、追加、及び置き換えが可能である。
上記の説明から明らかなように、本発明のバッテリーセルは、バッテリーセルの異常作動、例えば過充電、過放電、内部短絡、等、のためにバッテリーセルの内部圧力が増加した時に、脆弱部分を通して予め決められた方向でガスを外側に排出することができる。従って、本発明には、バッテリーの安全性を改良する効果がある。また、本発明のバッテリーセルは、追加の部材を全く必要としない。従って、本発明には、バッテリーの製造コストを下げる効果がある。
Claims (12)
- 電極アセンブリーがバッテリーケース中に取り付けられてなる構造で構築されてなるバッテリーセルであって、
前記バッテリーケースが、金属層及び樹脂層を包含するラミネートシートから製造されてなり、及び
前記バッテリーケースが、前記バッテリーケースの受入部分の縁部に沿って熱的に溶接され、密封部分を形成してなり、
異なったたわみ性を有する電極リード線(a,b)のうち、たわみ性が比較的低い電極リード線(a)に対応する密封部分の一部分に、応力に対する脆弱部分を形成してなり、
前記脆弱部分が物理的に変形し、予め決められた圧力が前記脆弱部分に作用した時に、内部のガスが前記脆弱部分を通って外側に排出されるように、
前記脆弱部分が、他方の電極リード線(b)の電極リード線対応部分には形成されていない、バッテリーセル。 - 前記バッテリーケースが小袋形ケースであり、及び
絶縁性フィルムが、前記バッテリーケースと接触する前記電極リード線の上部及び底部に取り付けられてなる、請求項１に記載のバッテリーセル。 - 前記バッテリーケースが、
高い耐久性を示す外側樹脂層が、金属バリヤー層の一方の主要表面に取り付けられてなり、及び
熱溶接可能な内側樹脂層が、前記金属バリヤー層の他方の主要表面に取り付けられてなる構造で構築されてなる、請求項１に記載のバッテリーセル。 - 前記電極アセンブリーが、カソードリード線及びアノードリード線がバッテリーケースの両側からそれぞれ突き出る構造で構築されてなる、請求項１に記載のバッテリーセル。
- 前記電極リード線(b)がアルミニウムから製造され、及び
前記電極リード線(a)がニッケル・銅合金から製造されてなる、請求項１に記載のバッテリーセル。 - 前記電極リード線(b)がカソードリード線であり、
前記電極リード線(a)がアノードリード線である、請求項５に記載のバッテリーセル。 - 前記電極アセンブリーが、折り曲げ構造、積重構造、または積重／折り曲げ型構造に構築されてなる、請求項１に記載のバッテリーセル。
- 前記脆弱部分が、スリット構造に形成されてなる、請求項１に記載のバッテリーセル。
- 前記脆弱部分が、前記密閉部分における電極リード線が位置する区域に対応する部分に形成されてなる、請求項１に記載のバッテリーセル。
- 前記スリットが、前記電極アセンブリーの短手方向に配置されてなる、請求項８に記載のバッテリーセル。
- 前記スリットが、前記電極リード線の幅の50〜90％に等しい長さで配置されてなる、請求項１０に記載のバッテリーセル。
- 単位電池として、請求項１に記載のバッテリーセルを包含してなる、バッテリーモジュール。
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