JP5398756B2 - 2次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、2次電池に関し、より詳しくは、ベント部材の構造を改善した2次電池に関する。
2次電池(rechargeable battery)は、充電が不可能な一次電池とは異なり、充電および放電が可能な電池である。低容量の2次電池は、携帯電話機やノートパソコンおよびキャムコーダーのように携帯が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または大容量電力貯蔵装置として使用されている。
最近、高エネルギー密度の非水電解液を利用した高出力2次電池が開発されており、このような高出力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駆動に使用され得るように複数の2次電池を直列に連結して大容量の電池モジュールで構成される。このような2次電池は、円筒型と角型などで構成されても良い。
2次電池が充電と放電を反復する間、2次電池の内部にはガスが発生して内部圧力が上昇する。2次電池内部の圧力上昇をそのまま放置すれば、2次電池が爆発する危険がある。
従って、本発明は前記のような問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、ガスを迅速に排出することによって安全性が向上した2次電池を提供することにある。
本発明の一実施形態による2次電池は、電極組立体、前記電極組立体を収容するケース、およびヘッド(head)と少なくとも一つの排気口とを有するキャッププレートおよび2つ以上の切欠(notch)と支持部とを有するベント部材を含むキャップ組立体を含む。前記ベント部材は、前記2つ以上の切欠で破断されて前記支持部に隣接した2つ以上のラインに沿って折り曲げられる。
前記支持部は、前記切欠と前記ライン(line)との間で定義されても良い。
前記支持部の少なくとも一部分は、前記キャッププレートの前記ヘッドの下に位置しても良い。
少なくとも一つの前記切欠が破断されて少なくとも一つの前記ラインに沿って折り曲げられる時、前記ベント部材は少なくとも一つのフラップ(flap)を形成しても良い。
前記少なくとも一つのフラップは、前記キャッププレートの前記ヘッドの縁部と接触するエッジ(edge)を含んでも良い。
前記少なくとも一つのフラップは、前記キャッププレートのヘッドの底面と接触するエッジを含んでも良い。
前記少なくとも一つのフラップにおいて、少なくとも一つの前記ラインと少なくとも一つの前記切欠との間の長さは、少なくとも一つの前記ラインと前記キャッププレートの前記ヘッドの縁部との間の距離と同一であっても良い。
前記少なくとも一つのフラップにおいて、少なくとも一つの前記ラインと少なくとも一つの前記切欠との間の長さは、少なくとも一つの前記ラインと前記キャッププレートの前記ヘッドの縁部との間の距離よりも小さく形成されても良い。
少なくとも一つの前記ラインと少なくとも一つの前記切欠との間の前記長さは、前記ベント部材と前記キャッププレートの前記ヘッドとの間の高さと同一であるか、あるいはそれよりも大きく形成されても良い。
前記少なくとも一つのフラップは、前記ベント部材に対して30°〜90°の角度で折り曲げられるように形成されても良い。
前記2つ以上の切欠は、前記ベント部材の円周方向に沿って曲線で形成されても良い。
前記支持部は、前記2つ以上の切欠の間で前記ベント部材の中央部に配置される延長部で形成されても良い。
前記切欠は、3つ以上で形成されて前記ベント部材の円周方向に沿って曲線で形成されても良く、前記支持部は、3つ以上の前記切欠の間で前記ベント部材の中央部に配置されても良い。
3つ以上の前記切欠と前記支持部との間のそれぞれの距離は同一であっても良い。
前記2つ以上のラインは、前記キャッププレートの前記ヘッドの長さと同一であるか、あるいはそれよりも小さい長さを有しても良い。
前記ベント部材は、前記少なくとも一つの排気口を通じて前記電極組立体からガスを放出するように形成されても良い。
前記電極組立体は、正極および負極を含んでも良く、前記正極および前記負極のうちのいずれか一つは、前記ベント部材と電気的に連結されても良く、前記正極および前記負極のうちの他の一つは、前記ケースの底と電気的に連結されても良い。
本発明の他の一実施形態による2次電池は、電極組立体、前記電極組立体を収容するケース、および複数の切欠を有する下部プレートを含むキャップ組立体を含む。前記下部プレートは、前記切欠で破断されて前記切欠の間の中心部に位置するラインに沿って折り曲げられる。
前記切欠は、前記下部プレートの円周方向に沿って曲線で形成されても良い。
前記下部プレートは、前記切欠で破断され、前記ラインに沿って折り曲げられて複数のフラップを形成しても良く、前記フラップは、隣接するフラップが折り曲げられる角度を制限しても良い。
本発明の一実施形態によれば、ベント部材において、開口率が向上し、ガスの排出通路を安定的に確保して、2次電池の安全性が向上する。
本発明の第1実施形態による2次電池を示した切開斜視図である。 本発明の第1実施形態による2次電池のベント部材を示した斜視図である。 図2Aに示されたベント部材の切欠が破れて開放された状態を示した斜視図である。 本発明の第1実施形態による2次電池のベント部材とキャッププレートの関係を示した平面図である。 本発明の第1実施形態による2次電池の部分断面図である。 図3のベント部材の切欠が破れて開放された状態を示した部分断面図である。 本発明の第2実施形態による2次電池を示した部分断面図である。 図5Aに示された切欠が破れてベント部材が開放された状態を示した部分断面図である。 本発明の第3実施形態による2次電池のベント部材を示した斜視図である。 図6Aに示されたベント部材の切欠が破れて開放された状態を示した斜視図である。 本発明の第3実施形態による2次電池を示した部分断面図である。
以下、添付図面を参照して本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように本発明の実施形態を詳しく説明する。しかしながら、本発明は多様な異なる形態で具現することができ、以下で説明する実施形態に限定されない。そして、本明細書および図面から同一の符号は同一の構成要素を示す。
図1は、本発明の一実施形態による2次電池を示した切開斜視図である。
図1を参照して説明すれば、本実施形態による2次電池100は、正極112と負極113がセパレータ114を間に置いて位置する電極組立体110と、電解液と電極組立体110を収容することができるように一側先端に開口部が形成されたケース120とを含む。そして、ケース120の開口部には、ケース120を密封するキャップ組立体140が設けられる。
より具体的に説明すれば、ケース120は、アルミニウム、アルミニウム合金またはニッケルがメッキされたスチールのような導電性金属で形成されても良い。そして、本実施形態によるケース120の形状は、電極組立体110が位置する内部空間を有する円筒型で形成されても良い。キャップ組立体140をケース120に挿入した後、クランピングしてキャップ組立体140をケース120に固定させることができ、この過程でケース120にはビーディング部123とクランピング部125が形成されても良い。
本実施形態による電極組立体110は、正極112とセパレータ114および負極113が積層された後、渦流状で巻き取られた円筒型で形成されても良いが、電極組立体110の構造が必ずしもこれに限定されるのではなく、他の構造で形成されても良い。正極112、負極113、およびセパレータ114は一方向に連結された帯形状で形成されても良い。
正極112は、正極集電体と正極集電体の両面に形成された正極活物質層を含んでも良く、負極113は負極集電体と負極集電体の両面に形成された負極活物質層を含んでも良い。セパレータ114は、正極112と負極113との間に介されて正極112と負極113を絶縁し、イオンが移動する通路を提供しても良い。
そして、正極112の上端には正極活物質層が形成されない正極無地部112aが形成されても良く、負極113の下端には負極活物質層が形成されない負極無地部113aが形成されても良い。本実施形態では正極無地部112aおよび負極無地部113aが電極組立体110の上端および下端にそれぞれ形成されたものを例示しているが、本発明がこれに制限されるのではない。正極無地部112aは、正極112の長さ方向一側端部に形成され、負極無地部113aは、負極113の長さ方向他側端部に形成されても良い。
キャップ組立体140は、キャッププレート143と、キャッププレート143の下に設けられたベント部材160とキャッププレート143を囲みながらケース120と接するように配置されたガスケット144、およびキャップ組立体140とベント部材160との間に配置された安全プレート141を含んでも良い。
キャッププレート143には、上部に突出したヘッド(head)143aと貫通された排気口143bが形成されても良く、ベント部材160には設定された圧力条件で破れる切欠161、163が形成されても良い。キャッププレート143とベント部材160との間にはキャッププレート143とベント部材160とを電気的に連結する安全プレート141が設置されても良い。安全プレート141は、陽性温度素子(positive temperature coefficient element)で形成されても良いが、陽性温度素子は一定の温度を越えると、電気抵抗がほとんど無限代まで大きくなる素子として、2次電池100が定められた値以上の温度を超えると、充電および放電電流の流れを遮断させる役割を果たす。
ガスケット144は、キャッププレート143、安全プレート141、ベント部材160の周りを囲むように設けられ、キャップ組立体140をケース120と絶縁することができる。
正極112は、正極集電タブ135を媒介としてベント部材160と電気的に連結されても良く、負極113は、負極集電タブ136を媒介としてケース120の底と電気的に連結されても良い。本実施形態では正極集電タブ135がベント部材160に直接連結されたものを例示しているが、本発明がこれに制限されるのではなく、ベント部材160に中間部材が設けられてベント部材160と正極集電タブ135とが中間部材を媒介として連結されても良い。
図2Aは、本発明の第1実施形態によるベント部材を示した斜視図であり、図2Bは、図2Aに示されたベント部材の切欠が破れて開放された状態を示した斜視図である。また、図2Cは、本発明の第1実施形態による2次電池のベント部材とキャッププレートの関係を示した平面図である。
図2A、図2Bおよび 図2Cを参照して説明すれば、本実施形態によるベント部材160には、第1切欠161と第2切欠163が形成されるが、切欠161、163は、それぞれ弧形の線分で形成されて良い。本実施形態では切欠161、163が弧形で形成されたものを例示しているが、本発明がこれに制限されるのではなく、切欠は三角形、四角形など多様な形態で構成されても良い。本実施形態による第1切欠161および第2切欠163は半円形で形成され、第1切欠161と第2切欠163とは互いに離隔配置される。各切欠161、163の両端を連結する折曲ライン164の間には支持部165が形成されても良いが、支持部165は切欠161、163が破れて形成された開口162を分離する役割を果たす。第1切欠161と第2切欠163とは支持部165を間に置いて対称形態で構成されても良い。
切欠161、163は、折曲ライン164でベント部材160の外側に向かって凸状に突出した線形で形成されても良く、第1切欠161と支持部165との間には第1切欠161の破断時に折り曲げられて上昇する第1破断切れ167が位置しても良く、第2切欠163と支持部165との間には第2切欠163の破断時に折り曲げられて上昇する第2破断切れ168が位置しても良い。一方、本実施形態でこれら破断切れ167、168はフラップ(flap)で形成されても良い。
第2切欠は、第1切欠と同一な構造で形成されるため、第1切欠についての説明で第2切欠についての説明を代替する。
図2Cを参照すれば、支持部165はキャッププレート143のヘッド143aの下に位置し、これを越えて延長することはない。つまり、上部から見るとき、折曲ライン164と支持部165はヘッド143aの内側に位置する。
もし、折曲ライン164がヘッド143aの内側に位置しなければ、ベント部材160が開放されるとき、ヘッド143aの外郭に位置した支持部165の一部分が排気口143bに向かう通路を遮断するようになる。しかし、本実施形態の折曲ライン164はヘッド143aの内側に位置するため、支持部165が排気口143bに向かう通路を遮断することなく、第1及び第2破断切れ167、168は、ガスが開口162から排気口143bに排出されるように案内する。
図3に示されているように、折曲ライン164で第1切欠161までの最大距離を長幅L2とする時、本実施形態による第1切欠161の長幅L2は、折曲ライン164でキャッププレート143に形成された排気口143bの上端、つまり、ヘッド143aの縁部までの距離L3と同一の距離で形成されても良い。これによって、図4に示されているように、2次電池の内部圧力が上昇して第1切欠161が破れる場合、第1破断切れ167の上端が排気口143bの内側端と当接してガスが移動する通路を十分に確保することができる。ただし、本発明がこれに制限されるのではなく、長幅L2は折曲ライン164で排気口143bの上端までの距離L3よりも小さく形成されても良い。
また、切欠161、163が支持部165を間に置いて離隔形成されるため、切欠161、163が破断する時、各切欠161、163が互いに干渉することなく容易に破断され得、開口162が2ヶ所以上形成されても良い。
また、第1切欠161が折曲ライン164に対してベント部材160の外側に向かって凸状に形成されるため、第1切欠161が破断されて第1破断切れ167が上昇すると、第1破断切れ167は第1切欠161の破断で形成された開口162と排気口143bとの間に位置せず、排気口143bと開口162の横側に位置するようになる。つまり、図面から分かるように、第1破断切れ167の下端は開口162の内側端に接することができ、第1破断切れ167の上端、つまり、第1破断切れ167のエッジ(edge)も排気口143bの内側端に接し得ることが分かる。この時、内側とは、ベント部材160の中央を基準として内側に位置することを意味する。これによって、開口162を通じて放出されたガスは、第1破断切れ167に案内されて排気口143bに移動することができ、より迅速にガスが排出され得る。しかしながら、第1切欠161が折曲ライン164よりも内側に位置し、排気口143bがキャッププレート143の中心から離隔して円周方向に配置された場合には、開口162と排気口143bとの間に第1破断切れ167が位置するようになるため、第1破断切れ167がガスの進行を妨害するという問題が発生する。
内圧の上昇で第1切欠161が破断されると、第1破断切れ167は折曲ライン164で支持部165に対して30°〜90°の傾斜で折り曲げられても良い。第1破断切れ167の折曲角度が30°よりも小さければ、2次電池内部のガスが迅速に排出され得ないという問題点があり、第1破断切れ167の折曲角度が90°よりも大きければ、第1破断切れ167の上端と隣接した領域で渦流が発生してガスの排出速度が低下するという問題がある。つまり、第1破断切れ167の折曲傾斜が90°よりも大きければ、ガスが排出される方向と逆方向に進入して逆流する現象が発生することがあり、これによって、逆流するガスによりガスの排出が遅延することがある。
ガスの排出速度は、2次電池の安全性側面で極めて重要であるが、ガスの排出速度が遅延されれば、条件に応じて2次電池が爆発する深刻な問題が発生するおそれがある。ガスの排出は急迫状況で短時間に行われるため、より短時間で迅速にガスを排出してこそ安全性を向上させることができる。
10個の2次電池が含まれている電池モジュールを火炎状況に置いて爆発するかを実験した。半円よりも大きい一つの切欠が形成された比較例の2次電池は、4個の電池が爆発し、6個の電池が発火したが、本実施形態による2次電池は、10個の全てが発火のみし、爆発が発生しなかった。前記実験を通じて火災現場や極めて温度が高い異常状況でも本実施形態による2次電池は爆発しないこと確認することができた。これは2次電池が爆発する前にベント部材160が迅速に開放されて内部のガスを外部に排出することができるためである。
図5Aは、本発明の第2実施形態による2次電池を示した部分断面図であり、図5Bは、図5Aで切欠が破れてベント部材が開放された状態を示した部分断面図である。図5A及び図5Bを参照して説明すれば、本実施形態による2次電池は、ベント部材170の構造を除いては前記第1実施形態による2次電池と同一の構造で構成されるため、同一の構造についての重複説明は省略する。
ベント部材170には、第1実施形態と同様に、弧形で形成された第1切欠171と第2切欠172とが支持部175を間に置いて離隔形成されても良い。第1切欠171と第2切欠172とは支持部175を基準として対称形成されても良い、第1切欠171の両端を連結する線分と第2切欠172の両端を連結する線分とは、折曲ライン174となっても良い。2次電池の内圧が上昇すると第1切欠171が破断されて折曲ライン174で第1破断切れ177が折り曲げられて上昇し、第2切欠172も破断されて折曲ライン174で第2破断切れ178が折り曲げられて上昇しても良い。
本実施形態によるベント部材170は、折曲ライン174で第1切欠までの最大距離である長幅L4は、折曲ライン174で排気口143bの内側端までの距離L5よりも小さく形成されても良く、折曲ライン174でキャッププレート143の上端、つまり、ヘッド143aの底面までの距離h1よりも大きく形成されても良い。これによれば、破断切れ177、178の上端が排気口143bの内側端と折曲ライン174の直上方との間に位置することができ、開口173を通じて排出されるガスを排気口143bに迅速に案内することができる。
図6Aは、本発明の第3実施形態による2次電池のベント部材を示した斜視図であり、図6Bは、図6Aのベント部材で切欠が破れて開放された状態を示した斜視図である。
図6Aおよび図6Bを参照して説明すれば、本実施形態による2次電池は、ベント部材180を除いては前記第1実施形態による2次電池と同一の構造で形成されるため、同一の構造についての重複説明は省略する。
ベント部材180には、第1切欠181と第2切欠182、および第3切欠183が形成される。切欠181、182、183はベント部材180の円周方向に沿って等間隔で配置されても良く、ベント部材180の外側に向かって凸状に湾曲した曲線で形成されても良い。この時、切欠181、182、183の両端を連結する線分が折曲ライン184となっても良い。キャッププレート143には3つの排気口143bが形成されても良く、排気口143bの数に対応するように3つの切欠181、182、183が形成されても良い。この時、切欠181、182、183は各排気口の下に対応する位置に配置されても良い。2次電池の内圧上昇により切欠181、182、183が破れると第1破断切れ186、第2破断切れ187、および第3破断切れ188が折曲ライン184で折り曲げられて上昇しても良い。切欠181、182、183の間のベント部材180の中央には破断切れ186、187、188を支持する支持部185が形成されても良い。
破断切れ186、187、188が上昇するとベント部材180に開口189が形成されるが、開口は排気口の下に対応する位置に形成されても良い。これによって、各開口189を通じて排出されるガスは対応する排気口143bを通じて迅速に排出され得る。
第2切欠182と第3切欠183は第1切欠181と同一の構造で構成されるため、第1切欠181についての説明で第2切欠182と第3切欠183についての説明を代替する。
折曲ライン184で第1切欠181までの最大距離である長幅L2は、折曲ライン184でキャッププレート143の上端、つまり、ヘッド143aの底面までの距離h1よりも小さく形成されても良い。これによって、破断切れ186、187、188は破断圧力に応じて任意の角度で自由に折り曲げられ得るが、隣接した破断切れ186、187、188と干渉が発生して折曲角度が制限され得、破断切れ186、187、188が過度に折り曲げられることを防止することができる。
以上で本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属することは当然である。
100…2次電池
110…電極組立体
112…正極
113…負極
114…セパレータ
120…ケース
135…正極集電タブ
136…負極集電タブ
140…キャップ組立体
141…安全プレート
143…キャッププレート
143a…ヘッド
143b…排気口
144…ガスケット
160、170、180…ベント部材
161、171、181…第1切欠
163、172、182…第2切欠
162、173、189…開口
164、174、184…折曲ライン
165、175、185…支持部
167、177、186…第1破断切れ
168、178、187…第2破断切れ
183…第3切欠
188…第3破断切れ

Claims (15)

  1. 電極組立体;
    前記電極組立体を収容するケース;および
    ヘッドと少なくとも一つの排気口とを有するキャッププレートおよび2つ以上の切欠と支持部とを有するベント部材を含むキャップ組立体;を含み、
    前記ベント部材は、前記2つ以上の切欠で破断されて前記支持部に隣接した2つ以上のラインに沿って折り曲げられ、該ラインに沿って折り曲げられる時、前記ベント部材には少なくとも一つのフラップが形成される構成とされ、
    前記キャップ組立体の前記切欠は前記折曲ラインよりも外側に位置し、かつ前記排気口がキャッププレートの中心から離隔して円周方向に配置されるとともに、前記支持部は前記各切欠における両端を連結する折曲ラインの間で定義され、
    前記少なくとも一つのフラップは、前記キャッププレートの前記ヘッドの縁部でありかつ前記排気口の周縁部と接触するエッジを含む、2次電池。
  2. 前記支持部の少なくとも一部分は、前記キャッププレートの前記ヘッドの下に位置する、請求項1に記載の2次電池。
  3. 前記少なくとも一つのフラップにおいて、少なくとも一つの前記ラインと少なくとも一つの前記切欠との間の長さは、少なくとも一つの前記ラインと前記キャッププレートの前記ヘッドの縁部との間の距離と同一である、請求項1に記載の2次電池。
  4. 少なくとも一つの前記ラインと少なくとも一つの前記切欠との間の長さは、前記ベント部材と前記キャッププレートの前記ヘッドとの間の高さと同一であるか、あるいはそれよりも大きい、請求項1に記載の2次電池。
  5. 前記少なくとも一つのフラップは、前記ベント部材に対して30°〜90°の角度で折り曲げられるように形成される、請求項1に記載の2次電池。
  6. 前記2つ以上の切欠は、前記ベント部材の円周方向に沿って曲線で形成される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の2次電池。
  7. 前記支持部は、前記2つ以上の切欠の間で前記ベント部材の中央部に配置される延長部で形成される、請求項6に記載の2次電池。
  8. 前記切欠は、3つ以上で形成されて前記ベント部材の円周方向に沿って曲線で形成され、
    前記支持部は、3つ以上の前記切欠の間で前記ベント部材の中央部に配置される、請求項6に記載の2次電池。
  9. 3つ以上の前記切欠と前記支持部との間のそれぞれの距離は同一である、請求項8に記載の2次電池。
  10. 前記2つ以上のラインは、前記キャッププレートの前記ヘッドの縁部の長さと同一であるか、あるいはそれよりも小さい長さを有する、請求項1に記載の2次電池。
  11. 前記ベント部材は、前記少なくとも一つの排気口を通じて前記電極組立体からガスを放出するように形成される、請求項1〜10のいずれか1項に記載の2次電池。
  12. 前記電極組立体は、正極および負極を含み、
    前記正極および前記負極のうちのいずれか一つは、前記ベント部材と電気的に連結され、前記正極および前記負極のうちの他の一つは、前記ケースの底と電気的に連結される、請求項1〜11のいずれか1項に記載の2次電池。
  13. 電極組立体;
    前記電極組立体を収容するケース;および
    複数の切欠を有する下部プレートを含むキャップ組立体;を含み、
    前記下部プレートは、前記切欠で破断されて前記切欠の間の中心部に位置するラインに沿って折り曲げられ、
    前記切欠で破断されかつ前記折曲ラインに沿って折り曲げられるフラップは、前記キャップ組立体の上部に位置するヘッドの縁部であり、かつ該ヘッドと間に形成される排気口の周縁部と接触するエッジを含む、2次電池。
  14. 前記切欠は、前記下部プレートの円周方向に沿って曲線で形成される、請求項13に記載の2次電池。
  15. 前記下部プレートは複数の前記フラップを形成し、前記フラップは、隣接するフラップが折り曲げられる角度を制限する、請求項13又は14に記載の2次電池。
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