JP5424218B2 - 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、安全装置の構造を改善した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ビデオカメラのように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、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、角型などで構成されても良い。
しかし、2次電池の外部で釘や錐などの導電性異物が内部に侵入した場合、2次電池内部で短絡が発生することがある。このように短絡が発生すると2次電池内部の温度が急激に上昇して2次電池が発火する恐れや爆発する恐れがある。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、安全性が向上された、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電極および第2電極を含んで充電および放電を行なう複数の電極アセンブリーと、前記複数の電極アセンブリーが内蔵されるケースと、前記複数の電極アセンブリーのうちの一側外側に配置された電極アセンブリーの第1平坦面に接するように配置された第1側板と、前記第1平坦面に対向する前記電極アセンブリーの第2平坦面に接するように配置された第2側板と、前記第1側板および前記第2側板を電気的に連結する連結部とを有する安全部材と、を含み、前記安全部材は、前記第1電極に電気的に連結された、2次電池が提供される。
前記連結部は、対向面を有するように2段折り曲げられた板形態で形成されてもよい。
前記第1電極は、活物質がコーティングされずに集電体が露出した無地部を含み、前記連結部は、前記無地部を嵌合して前記無地部に溶接で固定されてもよい。
前記ケースは、前記第2電極と電気的に連結されてもよい。
前記2次電池は、前記ケースに結合されたキャッププレートと、前記第2電極と電気的に連結され、前記キャッププレートの外側に突出した第2電極端と、をさらに含み、前記第2電極端子には、前記キャッププレートと接触する連結部材が設置されてもよい。
前記第1電極は負極であってもよい。
前記第1側板および前記第2側板の表面には絶縁フィルムが付着されてもよい。
前記安全部材は、複数の電極アセンブリーのうちの積層方向に最外側に配置された二つの電極アセンブリーをそれぞれ嵌合してもよい。
前記安全部材が嵌合設置された前記電極アセンブリーは、安全部材が嵌合設置されない電極アセンブリーと隣接して配置されてもよい。
前記連結部は、前記第1側板および前記第2側板の一側側端に連結されてもよい。
前記連結部は、前記第1側板および前記第2側板の上端または下端に連結されてもよい。
前記第1側板または前記第2側板には、前記電極アセンブリーに溶接で固定された接続突起が形成されてもよい。
前記安全部材は、他側外側に配置された第2電極アセンブリーの平坦面に接する第3側板および第4側板と、前記第3側板および前記第4側板を連結する第2連結部とをさらに含み、前記第1側板および前記第4側板は、電極アセンブリーの最外側に配置され、前記第2側板および前記第3側板には、前記第2側板および前記第3側板を連結する第3連結部が形成されてもよい。
前記安全部材は、ジグザグ形態に折り曲げられて形成されてもよい。
以上説明したように本発明によれば、外部で導体異物が侵入した時、内部短絡による発火および爆発を防止して2次電池の安全性が向上する。
本発明の第1実施例による2次電池を示した斜視図である。 図1のII−II線に沿って切断した断面図である。 本発明の第1実施例による電極アセンブリーおよび安全部材を示した分解斜視図である。 図3に示された部材が結合された状態を示した平面図である。 本発明の第1実施例の変形例による2次電池を示した断面図である。 本発明の第2実施例による安全部材および電極アセンブリーを示した分解斜視図である。 本発明の第2実施例による2次電池を示した断面図である。 本発明の第3実施例による2次電池の安全部材を示した斜視図である。 本発明の第3実施例による2次電池を示した断面図である。 本発明の第5実施例による2次電池を示した断面図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の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。
図1は、本発明の第1実施例による2次電池を示した斜視図であり、図2は、図1でII−II線に沿って切断した断面図である。
図1および図2を参照して説明すれば、本第1実施例による2次電池101は、正極11と負極12との間にセパレータ13を介在して巻き取られた複数の電極アセンブリー10と、電極アセンブリー10が内蔵されるケース34と、ケース34の開口に結合されたキャップアセンブリー20とを含む。
本第1実施例による2次電池101は、リチウムイオン2次電池であって角型のものを例に挙げて説明する。ただし、本発明がこれに制限されるのではなく、本発明はリチウムポリマー電池または円筒型電池など多様な形態の電池に適用され得る。
正極11および負極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11がケースと連結された第2電極となり、負極12は安全部材40と連結された第1電極となる。ただし、本発明がこれに制限されるのではなく、正極11が第1電極となり、負極12が第2電極となっても良い。
本実施例では4個の電極アセンブリー10がケース34内に設置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、ケース内には複数の電極アセンブリーが設置されても良い。
正極無地部11aは、正極11の長さ方向に沿って正極11の一側側端に形成され、負極無地部12aは、負極12の長さ方向に沿って負極12の他側側端に形成される。そして正極11および負極12は、絶縁体であるセパレータ13を間に介在して巻き取られる。また、電極アセンブリー10の外面には電極アセンブリー10の形態を支持する仕上げテープ(図示せず)が設置されても良い。
ただし、本発明がこれに制限されるのではなく、前記電極アセンブリー10は複数のシート(sheet)からなる正極および負極がセパレータを介在して交互に積層された構造で構成されても良い。
ケース34は、ほぼ直六面体で形成され、一面には開放された開口が形成される。ケース34と電極アセンブリー10との間には、絶縁のための絶縁封止17が設置される。絶縁封止17は、フィルム形態で形成され、上部が開放されている。
キャップアセンブリー20は、ケース34の開口を覆うキャッププレート30と、キャッププレート30の外側に突出し、正極11と電気的に連結された正極端子21と、キャッププレートの外側に突出し、負極と電気的に連結された負極端子22、および設定された内部圧力により破断され得るように切欠39aが形成されたベント部材39を含む。ここで、正極端子21は第2電極と連結された第2電極端子となり、負極端子22は第1電極と連結された第1電極端子となる。
キャッププレート30は、薄板で形成され、一側に電解液の注入のための電解液注入口27が形成され、電解液注入口27には密封キャップ38が設置される。
キャッププレート30と端子21、22との間には下部ガスケット28が設置されてキャッププレート30と端子21、22との間を密封する。本記載における端子21、22とは、正極端子21と負極端子22とを含む。
下部ガスケット28は、端子ホールに挿入設置され、キャッププレート30の下面に密着配置される。端子21、22は、円柱形状で形成され、端子21、22には端子21、22を上部で支持するナット29が設置され、端子21、22の外周にはナット29が締結され得るようにねじ山が形成される。
正極端子21には、連結板35が嵌合されて設置され、連結板35は、ナット29とキャッププレート30との間に設置される。連結板35は、キャッププレート30と正極端子21とを電気的に連結する役割を果たす。これによって、キャッププレート30およびケース34は正極21と電気的に連結される。
負極端子22には、上部ガスケット25が挿入設置され、上部ガスケット25は、下部ガスケット28の上に配置されてキャッププレート30の上面と接触する。上部ガスケット25は、負極端子22とキャッププレート30とを絶縁する役割を果たす。上部ガスケット25の上にはナット29と上部ガスケット25との間で締結力を緩衝するワッシャー24が設置される。
一方、端子21、22の下端には下部で端子を支持する端子フランジ21a、22aが形成される。
端子フランジ21a、22aとキャッププレート30との間には絶縁のための下部絶縁部材26が設置され、下部絶縁部材26には端子21、22が挿入される。端子フランジ21a、22aには、正極11または負極12と電気的に連結された集電部材32が溶接で付着され、端子フランジ21a、22aおよび集電部材32は下部絶縁部材26の下面に形成された溝に嵌合される。集電部材32は下部に突出した複数のタブ32aを備え、複数のタブ32aはそれぞれの電極アセンブリー10の無地部11a、12aに溶接で付着される。
また、複数の電極アセンブリー10中で両側側端に配置された電極アセンブリー10には負極12に電気的に連結された安全部材40が設置される。
図3は、本発明の第1実施例による電極アセンブリーおよび安全部材を示した分解斜視図であり、図4は、図3に示された部材が結合された状態を示した平面図である。
安全部材40は、複数の電極アセンブリー10中の両側側端に配置された電極アセンブリー10を嵌合するように設置される。安全部材40は、複数の電極アセンブリー10中の両側側端に配置された電極アセンブリー10の各々の外側に配置された第1平坦面10aに付着された第1側板41と、第1平坦面10aと対向する当該電極アセンブリー10の第2平坦面10bに付着される第2側板42と、第1側板41および第2側板42を連結する連結部46とを含む。
本記載における平坦面とは、電極アセンブリー10の外周面における上端および下端の屈曲部分を除いた平坦面を意味する。なお、平坦面は、完全に平坦である必要はなく、曲面であってもよいし、凹凸領域などを含んでもよい。
第1側板41、第2側板42、および連結部46は、銅、ステンレススチールなどの導電性を有する金属板で形成される。本実施例による第1側板41と第2側板42および連結部46は、一体化した一つの板が折り曲げられてそれぞれの部分として形成される。
連結部46は、対向面を有するように2段折り曲げられた板形状で形成され、第1側板41および第2側板42は連結部46により平行に配置される。連結部46は、第1側板41および第2側板42の側端で第1側板41および第2側板42を連結する。
連結部46は、第1側板41および第2側板42に付着され、側端に行くほど電極アセンブリー10の内側で傾斜して形成された案内板46aと、両端が折り曲げられて案内板46aと連結された連結板46bとを含む。連結板46bは、案内板46aを媒介として第1側板41および第2側板42を連結し、図4に示されたように連結板46bには負極無地部12aが挿入される。連結板46bは、負極無地部12aに溶接されて負極無地部12aと電気的に連結され、負極無地部12aを支持して負極無地部12aが外部の衝撃や振動で揺れることを防止する。そして、集電部材32は、連結板46bを媒介として負極無地部12aに溶接されたり、連結板46bの間に切開部が形成されて負極無地部12aに直接溶接で接合されても良い。
電極アセンブリー10が外部の衝撃や振動により揺れると、無地部11a、12aと集電部材32との間の接触が不良になる問題が発生する。しかしながら、本実施例のように安全部材40が電極アセンブリー10を嵌合して支持すると、外部の衝撃や振動などにより電極集電部材32の間の接触が不良になることを防止することができる。
一方、第1側板41および第2側板42における電極アセンブリー10と接触する面には、絶縁フィルム43が付着設置される。絶縁フィルム43は、ポリマー材質で形成され、電極アセンブリー10の正極と安全部材40とが電気的に連結されること防止する役割を果たす。
図4に示されているように、衝撃や事故などにより2次電池101の外部から釘や錐などの導電性異物60が侵入した場合、正極と負極が導電性異物60を媒介として短絡されると、内部で過度な熱が発生して2次電池が爆発したり発火するおそれがある。しかしながら、本実施例のように安全部材を設置すると、第1側板41または第2側板42とケース34とが短絡されて充電された電流を安全に放電することができる。
このように本実施例によれば、外部から異物が侵入して短絡するおそれがある場合、電流を放電して発火の危険を除去することによって2次電池101の安全性が向上する。
本実施例によれば、電極アセンブリー10を安全部材40に嵌合することによって簡単に安全部材40を電極アセンブリー10の間に設置し、安全部材40が電極アセンブリー10を支持するようにできる。
図5は、本発明の第1実施例の変形例による2次電池の断面図である。本実施例による2次電池102には、5個の電極アセンブリーが設置される。電極アセンブリー10、10’、10”、10’’’、10’’’’が5個設置された場合には、最外側に配置された電極アセンブリー10、10’に安全部材40を設置し、安全部材40が設置された電極アセンブリー10、10’と隣接した電極アセンブリー10”、10’’’には安全部材40を設置せず、中央に配置された電極アセンブリー10’’’’には安全部材40を設置する。これによって、外部から導電性異物が侵入した場合、負極12と電気的に連結された安全部材40と、正極端子21と電気的に連結されたケース34とが短絡されて電流を安定的に放電することができる。
また、同様な方式で電極アセンブリーが6個設置された場合には、最外側に配置された電極アセンブリーに安全部材40を設置し、これと隣接した中間に配置された電極アセンブリーには安全部材40を設置せず、中央に配置された2個の電極アセンブリーの外側面に安全部材40を設置すれば良い。
図6は、本発明の第2実施例による安全部材および電極アセンブリーを示した分解斜視図であり、図7は、本発明の第2実施例による2次電池を示した断面図である。
図6および図7を参照して説明すれば、本実施例による2次電池103は、安全部材の構成を除いては前記第1実施例による2次電池と同一の構造で構成されるため、同一の構造に対する重複説明は省略する。
2次電池103は、ケース34と、ケース34内に設置された4個の電極アセンブリー10と、電極アセンブリー10を嵌合する2個の安全部材50とを含む。
ケース34は、正極端子21と電気的に連結されている。ケース34内には4個の電極アセンブリー10が重畳配列され、外側に配置された2個の電極アセンブリー10に安全部材50が嵌合設置される。安全部材50は、電極アセンブリー10で外側に向かう第1平坦面10aに接触された第1側板51と、第1平坦面10aと反対方向に向かう第2平坦面10bに接触される第2側板52と、第1側板51および第2側板52を連結する連結部53とを含む。
連結部53は、平板形態で形成され、第1側板51および第2側板52は連結部53で折り曲げられて平行に配置される。第1側板51と第2側板52および連結部53は一つの板で第1側板51および第2側板52が折り曲げられて形成される。第1側板51および第2側板52の下端に連結部53が形成されている。
第1側板51の側端には、負極無地部12aに溶接で付着される接続タブ54が突出形成される。本実施例では接続タブ54が第1側板51で突出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、接続タブ54は第1側板51または第2側板52の側端で突出されても良い。
このように本実施例によれば、第1側板51および第2側板52の下端が連結部53により固定されているので、電極アセンブリー10を安全部材50間に嵌合することによって容易に安全部材50を設置することができる。また、一つの接続タブにより第1側板51および第2側板52が負極と電気的に連結されるため、安全部材50の設置がより簡便である。
このような安全部材50は、外部から釘などの導電性物質が侵入した時、安全部材50とケース34との短絡を誘導して2次電池の発火および爆発を防止することができる。
図8は、本発明の第3実施例による2次電池の安全部材を示した斜視図であり、図9は、本発明の第3実施例による2次電池を示した断面図である。
図8および図9を参照して説明すれば、本実施例による2次電池104は、ケース34と、ケース34内に設置された4個の電極アセンブリー10、10’、10”、10’’’と、電極アセンブリー10、10’、10”、10’’’に接するように配置された安全部材80とを含む。ケース34は、正極端子21と電気的に連結されている。
安全部材80は、一側外側に配置された電極アセンブリー10で外側に向かう平坦面に接するように配置された第1側板81と、第1側板81と接する平坦面と反対方向に向かう平坦面に接するように配置された第2側板82と、第1側板81および第2側板82の下端に折り曲げられて形成された第1連結部85とを含む。
また、安全部材80は、他側外側に配置された電極アセンブリー10’で外側に向かう平坦面に接するように配置された第3側板83と、第3側板83が設置された平坦面と反対方向に向かう平坦面に接するように配置された第4側板84と、第3側板83および第4側板84の下端に折り曲げられて形成された第2連結部86とを含む。
また、安全部材80は、第2側板82および第4側板84の上端に折り曲げられて形成された第3連結部87を含む。このように各側板81、82、83、84は、連結部85、86、87により端部が交互に連結される。安全部材80は板形状で形成されるが、平板がジグザグ形態に折り曲げられて側板81、82、83、84および連結部85、86、87が形成される。
第1側板81と第2側板82との間には一側周縁に配置された一つの電極アセンブリー10が挿入され、第3側板83と第4側板84との間には他側周縁に配置された一つの電極アセンブリー10’が挿入される。また、第2側板82と第4側板84との間には中央に配置される2個の電極アセンブリー10”、10’’’が挿入配置される。
第1側板81および第3側板83には側板81、83が接する電極アセンブリー10、10’の負極無地部12aに溶接で付着される接続タブ88が突出形成されている。このような接続タブ88は、安全部材80と電極アセンブリー10とを電気的に連結する役割を果たし、負極無地部12aに溶接される。
このように本実施例によれば、安全部材80がジグザグ形態に折り曲げられて形成されるため、一つの安全部材80により複数の電極アセンブリー10、10’、10”、10’’’を安定的に支持することができる。また、2次電池104の両側面で錐などの導電性異物60が侵入した場合、安全部材80とケース34とが短絡されるため、発火なしに迅速に電流を放電することができる。
図10は、本発明の第5実施例による2次電池を示した断面図である。図10を参照して説明すれば、本実施例による2次電池105は、ケース34と、ケース34内に設置された複数の電極アセンブリー10、10’、10”、10’’’と、電極アセンブリー10、10’、10”、10’’’に接するように配置された安全部材70とを含む。この時、ケースは正極端子21と電気的に連結されている。
安全部材70は、板形状の連結部75と、連結部75で突出した複数の側板71、72、73、74とを含む。
連結部75は、平板形態で形成され、電極アセンブリー10、10’、10”、10’’’の配列方向に連結されて電極アセンブリー10、10’、10”、10’’’の下端に位置する。連結部75には、一側外側に配置された電極アセンブリー10で外側に向かう平坦面に接するように配置された第1側板71と第1側板71と接する平坦面と反対方向に向かう平坦面に接するように配置された第2側板72と、他側外側に配置された電極アセンブリー10で外側に向かう平坦面に接するように配置された第3側板73と、第3側板73が設置された平坦面と反対方向に向かう平坦面に接するように配置された第4側板74とが突出形成される。
第1側板71と第2側板72との間には一側外側に配置された電極アセンブリー10が挿入され、第3側板73と第4側板74との間には他側外側に配置された電極アセンブリー10’が挿入される。そして、第2側板72と第4側板74との間には内側に配置された2個の電極アセンブリー10”、10’’’が挿入設置される。
このように本実施例によれば、連結部75で突出した複数の側板71、72、73、74を有する一つの安全部材70を利用して電極アセンブリー10、10’、10”、10’’’を安定的に支持することができる。また、2次電池105の両側面から錐などの導電性異物60が侵入しても、安全部材70とケース34とが短絡されて電流が放電されるため、発火および爆発を防止することができる。
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。
101、102、103、104、105…2次電池
10…電極アセンブリー
10a…第1平坦面
10b…第2平坦面
11…正極
12…負極
11a…正極無地部
12a…負極無地部
13…セパレータ
17…絶縁封止
20…キャップアセンブリー
21…正極端子
22…負極端子
21a、22a…端子フランジ
24…ワッシャー
25…ガスケット
26…絶縁部材
27…電解液注入口
29…ナット
30…キャッププレート
32…集電部材
34…ケース
38…密封キャップ
39…ベント部材
39a…切欠
40、50、70、80…安全部材
41、51、71、81…第1側板
42、52、72、82…第2側板
43…絶縁フィルム
46、53、75…連結部
46a…案内板
46b…連結板
54、88…接続タブ
73、83…第3側板
74、84…第4側板
85…第1連結部
86…第2連結部
87…第3連結部

Claims (14)

  1. 第1電極および第2電極を含んで充電および放電を行なう複数の電極アセンブリーと;
    前記複数の電極アセンブリーが内蔵されるケースと;
    前記複数の電極アセンブリーのうちの一側外側に配置された電極アセンブリーの第1平坦面に接するように配置された第1側板と、前記第1平坦面に対向する前記電極アセンブリーの第2平坦面に接するように配置された第2側板と、前記第1側板および前記第2側板を電気的に連結する連結部とを有する安全部材と;
    を含み、
    前記安全部材は、前記第1電極に電気的に連結された、2次電池。
  2. 前記連結部は、対向面を有するように2段折り曲げられた板形態で形成された、請求項1に記載の2次電池。
  3. 前記第1電極は、活物質がコーティングされずに集電体が露出した無地部を含み、前記連結部は、前記無地部を嵌合して前記無地部に溶接で固定された、請求項1または2に記載の2次電池。
  4. 前記ケースは、前記第2電極と電気的に連結された、請求項1〜3のいずれか一項に記載の2次電池。
  5. 前記ケースに結合されたキャッププレートと、
    前記第2電極と電気的に連結され、前記キャッププレートの外側に突出した第2電極端と、
    をさらに含み、
    前記第2電極端子には、前記キャッププレートと接触する連結部材が設置された、請求項4に記載の2次電池。
  6. 前記第1電極は負極である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の2次電池。
  7. 前記第1側板および前記第2側板の前記電極アセンブリーと接触する面には絶縁フィルムが付着された、請求項1〜6のいずれか一項に記載の2次電池。
  8. 前記安全部材は、複数の電極アセンブリーのうちの積層方向に最外側に配置された二つの電極アセンブリーをそれぞれ嵌合する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の2次電池。
  9. 前記安全部材が嵌合設置された前記電極アセンブリーは、安全部材が嵌合設置されない電極アセンブリーと隣接して配置された、請求項8に記載の2次電池。
  10. 前記連結部は、前記第1側板および前記第2側板の一側側端に連結された、請求項1〜9のいずれか一項に記載の2次電池。
  11. 前記連結部は、前記第1側板および前記第2側板の上端または下端に連結された、請求項1〜9のいずれか一項に記載の2次電池。
  12. 前記第1側板または前記第2側板には、前記電極アセンブリーに溶接で固定された接続突起が形成された、請求項11に記載の2次電池。
  13. 前記安全部材は、他側外側に配置された第2電極アセンブリーの平坦面に接する第3側板および第4側板と、前記第3側板および前記第4側板を連結する第2連結部とをさらに含み、
    前記第1側板および前記第4側板は、電極アセンブリーの最外側に配置され、
    前記第2側板および前記第3側板には、前記第2側板および前記第3側板を連結する第3連結部が形成された、請求項1に記載の2次電池。
  14. 前記安全部材は、ジグザグ形態に折り曲げられて形成された、請求項1〜13のいずれか一項に記載の2次電池。
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