JP5474019B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、キャッププレートを改善して内部短絡に対する安定性を向上させる二次電池に関する。

二次電池（ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ）は、一次電池とは異なり、充電および放電を反復して実行する電池である。小容量の二次電池は、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が可能な小型電子機器に用いられ、大容量二次電池は、ハイブリッド自動車などのモータ駆動用電源として用いられる。

例えば、二次電池は、電極組立体、電極組立体を収容するケース、ケースの開口に結合するキャッププレート、およびキャッププレートに設置されて電極組立体に連結する電極端子を含む。キャッププレートは、電極端子を設置する端子孔およびベント孔を備え、ベント孔にキャッププレートよりも薄い板材で構成されてベントプレートを溶接する。電極組立体の充電および放電作用によって二次電池の内部で発生するガスによって内圧が上昇すれば、ベントプレートが切開してガスを排出する。

二次電池の内部短絡が発生するとき、すなわち電極組立体の正極と負極が短絡するとき、充電された正極と負極の電位差が急激に狭くなりながら熱が発生し、電解液が分解する。電解液が分解しながら、メタン、水素、および二酸化炭素のようなガスが大量に発生する。このガスは、正常的な充電および放電作用に比べ、二次電池の内部圧力を急激に上昇させる。

しかし、通常はキャッププレートが平面で形成されるため、内部圧力を瞬間的に上昇させるガスをベントプレートに迅速に誘導することができない。したがって、内部圧力が瞬間的に上昇してベントプレートが切開する前に、二次電池が爆発することがある。

本発明の一実施形態は、内部短絡が発生するときに発生するガスをベントプレートに迅速に誘導して安定性を向上させる二次電池を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る二次電池は、セパレータの両面に電極を備えた電極組立体、前記電極組立体を内蔵するケース、および前記電極組立体に連結する電極端子を備え、前記ケースの開口に結合するキャッププレートを含み、前記キャッププレートは前記ケースの連結側にラウンド部を形成する。

前記ラウンド部は、前記ケースの内部に向かって凹むように形成されてもよい。

前記ラウンド部は、第１曲率半径を有し、前記ケースの内面に接線で連結してもよい。

前記キャッププレートは、前記開口の周囲に沿って前記ラウンド部を形成し、前記ラウンド部に囲まれて前記ラウンド部の第１曲率半径に接線で連結する平面部を有してもよい。

前記キャッププレートは内部ガスを排出するベント孔を有し、前記ベント孔は前記平面部に形成されてもよい。

前記電極端子は、リードタップによって前記電極に連結し、前記キャッププレートの端子ホールにインシュレータを介在して設置され、前記リードタップと前記キャッププレートの間に絶縁部材が設置され、前記絶縁部材は前記平面部に載置されてもよい。

前記絶縁部材の側面と前記ラウンド部は、ガス通路を形成してもよい。

前記ラウンド部は、前記ケースに連結する長さ方向の両端の間で第２曲率半径に形成されてもよい。

前記キャッププレートは、中央のベント孔側で最小厚さを形成し、前記ラウンド部の最外郭で最大厚さを形成してもよい。

前記ラウンド部は、第１曲率半径を有し、前記ケースの内面に接線で連結する第１ラウンド部、および前記第１曲率半径よりも大きい第２曲率半径に前記第１ラウンド部に連結する第２ラウンド部を含んでもよい。

前記キャッププレートは、前記第１ラウンド部で厚さが急激に減少し、前記第２ラウンド部で厚さが第１ラウンド部よりも緩慢に減少してもよい。

本発明の一実施形態によれば、キャッププレートにラウンド部を形成するため、内部短絡が発生するときに発生するガスをラウンド部を介してベントプレートに迅速に誘導する効果がある。ベントプレートに誘導されたガスは、ベントプレートを切開してベント孔に排出される。したがって、二次電池の爆発が防がれ、二次電池の内部短絡に対して安定性（ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）が向上する。

本発明の第１実施形態に係る二次電池の斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断した断面図である。 図２のラウンド部の拡大断面図である。 本発明の第２実施形態に係る二次電池の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る二次電池の断面図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について、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が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は多様に相違した形態に実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。図面において、本発明を明確に説明するために説明上の不必要な部分は省略し、明細書全体に渡って同一または類似する構成要素については、同一する参照符号を付与する。

図１は本発明の第１実施形態に係る二次電池１００の斜視図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した断面図であり、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断した断面図である。

図１〜図３を参照すれば、第１実施形態に係る二次電池１００は、充電および放電作用する電極組立体１０、電極組立体１０と電解液を内蔵するケース２０、およびケース２０の開口に結合するキャッププレート３０を含む。

電極組立体１０は、絶縁体であるセパレータ１３の両面に電極、すなわち負極１１と正極１２を備え、負極１１、セパレータ１３、および正極１２をゼリーロール状態に巻き取って形成される。

例えば、電極組立体は、セパレータを間において単一板でそれぞれ構成される負極と正極を積層して組み立てられてもよく、負極、セパレータ、および正極をジグザグ方式に折って積層して組み立てられてもよい（図示せず）。

負極および正極１１、１２は、集電体に活物質を塗布して形成されるコーティング部１１ａ、１２ａ、およびコーティング部１１ａ、１２ａの各一側で活物質が塗布されていない集電体の露出部に形成される無地部１１ｂ、１２ｂを含む。例えば、負極１１の集電体は銅で形成され、正極１２の集電体はアルミニウムで形成されてもよい。

負極１１の無地部１１ｂは、巻き取られる負極１１に沿って負極１１の一側端部に形成される。正極１２の無地部１２ｂは、巻き取られる正極１２に沿って正極１２の一側端部に形成される。すなわち、無地部１１ｂ、１２ｂは、電極組立体１０の両端にそれぞれ配置され、電気的な連結を可能にする。

ケース２０は、一側に開口２１を形成し、開口２１を介して電極組立体１０の挿入を可能にし、電極組立体１０と電解液の収容空間を形成する直六面体の形状を有してもよい。

キャッププレート３０は、ケース２０の開口２１に結合し、ケース２０と共に密閉された収容空間を設定する。例えば、ケース２０とキャッププレート３０はアルミニウムで形成されるため、互いに結合した後に溶接するときに優れた溶接性を有する。

キャッププレート３０は、電解液注入口３１とベント孔３２を有する。電解液注入口３１は、キャッププレート３０をケース２０に結合した後、ケース２０の内部への電解液の注入を可能にする。電解液が注入された後、電解液注入口３１は、密封キャップ３３によって密封される。

ベント孔３２は、充電と放電作用によって発生するガスを二次電池１００の外部に排出し、二次電池１００の爆発を防ぐことができるように溶接されるベントプレート３４によって密閉される。二次電池１００の内部圧力が設定値に達せば、ベントプレート３４が切開する。ベントプレート３４に形成されるノッチ３４ａは、ベントプレート３４の切開を誘導する。ベントプレート３４の切開によってベント孔３２が開放し、二次電池１００内部のガスが排出される。

一方、キャッププレート３０は、ケース２０の内部と外部を連結するように貫通する端子ホール３１１、３１２を有する。電極端子、すなわち負極および正極端子４１、４２は、キャッププレート３０の端子ホール３１１、３１２にそれぞれ設置され、電極組立体１０に電気的に連結する。すなわち、負極端子４１は電極組立体１０の負極１１に電気的に連結し、正極端子４２は電極組立体１０の正極１２に電気的に連結する。

負極および正極端子４１、４２は、キャッププレート３０の端子ホール３１１、３１２に設けられた状態で、ケース２０の内側ではフランジ４１ａ、４２ａによって負極および正極リードタップ４３、４４に連結し、ケース２０の外側ではターミナルプレート４１ｂ、４２ｂに連結する。ターミナルプレート４１ｂ、４２ｂはバスバー（図示せず）に連結し、複数の二次電池１００の直列または並列連結を可能にする。

また、一実施形態の二次電池１００は、負極および正極端子４１、４２とキャッププレート３０の端子ホール３１１、３１２の間で電気的な絶縁構造と電解質のシーリング構造を形成するために、これらの間に介在するガスケット４５、４６とインシュレータ４７、４８を備える。

ガスケット４５、４６は、負極および正極端子４１、４２と端子ホール３１１、３１２の間に介在し、フランジ４１ａ、４２ａとキャッププレート３０の内面の間に延長し、負極および正極端子４１、４２とキャッププレート３０を電気的に絶縁させ、端子ホール３１１、３１２をシーリングする。

インシュレータ４７、４８は、負極および正極端子４１、４２と端子ホール３１１、３１２の間に介在し、ターミナルプレート４１ｂ、４２ｂとキャッププレート３０の外面の間に延長し、負極および正極端子４１、４２とキャッププレート３０を電気的に絶縁させ、端子ホール３１１、３１２をシーリング作用する。

負極および正極リードタップ４３、４４は導電性部材で形成され、負極および正極端子４１、４２を電極組立体１０の負極および正極１１、１２の無地部１１ｂ、１２ｂに電気的に連結する。すなわち、負極および正極リードタップ４３、４４を負極および正極端子４１、４２の下端に結合し、負極および正極リードタップ４３、４４下端をコーキングすることにより、負極および正極リードタップ４３、４４はフランジ４１ａ、４２ａに支持されながら、負極および正極端子４１、４２の下端に導電構造によって締結する。

また、一実施形態の二次電池１００は、負極および正極リードタップ４３、４４とキャッププレート３０を電気的に絶縁させる絶縁部材５１、５２をさらに含む。すなわち、絶縁部材５１、５２は、負極および正極リードタップ４３、４４とキャッププレート３０の間に設けられる。

例えば、絶縁部材５１、５２は、電極端子４１、４２のフランジ４１ａ、４２ａを収容してキャッププレート３０の内面に結合し、フランジ４１ａ４２ａとキャッププレート３０を電気的に絶縁し、フランジ４１ａ、４２ａに連結する負極および正極リードタップ４３、４４を収容し、負極および正極リードタップ４３、４４とキャッププレート３０を電気的に絶縁する。

また、一実施形態の二次電池１００は、内部短絡に対して爆発を防ぐことができるように構成される。例えば、キャッププレート３０は、ケース２０の連結側にラウンド部２５を形成する。

キャッププレート３０がケース２０の開口２１に連結するため、ラウンド部２５は開口２１に隣接して形成され、内部で発生するガスをベント孔３２およびベントプレート３４に迅速に誘導することにより、ケース２０やキャッププレート３０の特定部分にガスが集中する現象を防ぐ。

実際に、キャッププレート３０とケース２０が結合する開口２１側でガス集中現象が発生する場合がある。したがって、ラウンド部２５は、キャッププレート３０の長さ方向の両端（図２参照）とキャッププレート３０の幅方向の両端に形成され（図３参照）、キャッププレート３０の周囲に沿って連結する。

図４を参照すれば、ラウンド部２５は、ケース２０の内部に向かって凹むように形成される。ケース２０内部のガスがケース２０の内壁に沿って上昇するとき、ラウンド部２５は、ガスの流れ方向をベント孔３２およびベントプレート３４に誘導する。このとき、ラウンド部２５は、第１曲率半径（Ｒ１）を有し、ケース２０の内面に接線で連結する。したがって、ケース２０内部のガスは、ケース２０の内面でベントプレート３４に向かって自然に誘導される。

ラウンド部２５が開口２１の周囲に対応するようにキャッププレート３０の内面の周囲に沿って形成されるため、キャッププレート３０は、ラウンド部２５とラウンド部２５に囲まれる平面部２６を有するようになる。すなわち、キャッププレート３０の内面は、平面部２６、および平面部２６の外郭を囲んで平面部２６から突出するラウンド部２５を有する。ラウンド部２５は、第１曲率半径（Ｒ１）の接線で平面部２６に連結し、ベント孔３２は平面部２６に形成される。

絶縁部材５１、５２は平面部２６に載置するため、平面部２６の外郭に形成されるラウンド部２５とこれに対向する絶縁部材５１、５２の側面の間にガスが流れるガス通路（Ｐ）を設定する（図３参照）。ガス通路（Ｐ）は、平面部２６を介してベント孔３２およびベントプレート３４に連結する（図２参照）。したがって、ケース２０内部で発生するガスは、ラウンド部２５によってガス通路（Ｐ）を介してベント孔３２に誘導される。

二次電池１００で内部短絡が発生するとき、負極１１と正極１２の電位差が急激に狭くなり、これによって熱が発生して電解液が分解する。電解液の分解によって瞬間的に発生する大量のガスは、ケース２０の開口２１側でラウンド部２５によってベント孔３２に案内される。瞬間的にベントプレート３４にガスが集中してベントプレート３４が切開することにより、キャッププレート３０とケース２０が結合する開口２１側における二次電池１００の爆発を防ぐことができる。

以下、本発明の他の実施形態について説明するが、第１実施形態および上述して説明された実施形態と比較して、同じ構成についての説明は省略し、互いに異なる構成についてのみ比較説明する。

図５は、本発明の第２実施形態に係る二次電池２００の断面図である。図５を参照すれば、第２実施形態の二次電池２００において、ラウンド部２２５は、電極組立体１０を内蔵したケース２０に連結する長さ方向（図５において左右方向）の両端の間で、ケース２０の収容空間に向かって第２曲率半径（Ｒ２）に凹むように形成される。したがって、キャッププレート２３０は、中央のベント孔２３２およびベントプレート３４側で最小厚さ（Ｔ１）を形成し、ラウンド部２２５の最外郭で最大厚さ（Ｔ２）を形成する。

すなわち、第１実施形態において、ラウンド部２５は、ケース２０の開口２１に対応するようにキャッププレート３０の内面外郭に備えられる。これに比べ、すなわち第２実施形態において、ラウンド部２２５は、キャッププレート２３０の内面全体に渡ってアーチ（ａｒｃｈ）構造に形成される。したがって、キャッププレート２３０の全領域において、内部ガスをベント孔２３２およびベントプレート３４側に誘導することができる。アーチ構造は、キャッププレート２３０の機械的剛性を増大させる。

図６は、本発明の第３実施形態に係る二次電池３００の断面図である。図６を参照すれば、第３実施形態の二次電池３００において、ラウンド部３２５は、電極組立体を内蔵したケース２０の内面に第１曲率半径（Ｒ１１）の接線で連結する長さ方向にキャッププレート３０の両端と幅方向（図示せず）にキャッププレート３０の両端に形成された第１ラウンド部２５ａ、および長さ方向と幅方向（図示せず）の間の第１曲率半径（Ｒ１１）よりも大きい長さ方向の両端の間の第２曲率半径（Ｒ１２）（図６において右側および左側方向）に第１ラウンド部２５ａに連結する第２ラウンド部２５ｂを含む。

すなわち、第１ラウンド部２５ａはケース２０の開口２１側に形成され、第２ラウンド部２５ｂは両側第１ラウンド部２５ａの間に形成される。すなわち、キャッププレート３３０は、第１ラウンド部２５ａで厚さが急激に減少し、第２ラウンド部２５ｂで厚さが第１ラウンド部２５ａよりもさらに緩慢に減少する。

第１ラウンド部２５ａは、第１実施形態でのように、ガスが集中する開口２１側で内部ガスをベント孔３３２およびベントプレート３４側に迅速に誘導し、第２ラウンド部２５ｂは、第１ラウンド部２５ａの誘導に続き、第２実施形態でのように、キャッププレート３３０の全領域で内部ガスをベント孔３３２およびベントプレート３４側に誘導することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明、および添付の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。

１０：電極組立体
１１：負極
１１ａ、１２ａ：コーティング部
１１ｂ、１２ｂ：無地部
１２：正極
１３：セパレータ
２０：ケース
２１：開口
２５、２２５、３２５：ラウンド部
２５ａ、２５ｂ：第１、第２ラウンド部
２６：平面部
３０、２３０、３３０：キャッププレート
３１：電解液注入口
３２、２３２、３３２：ベント孔
３３：密封キャップ
３４：ベントプレート
３４ａ：ノッチ
４１、４２：負極および正極端子
４１ａ、４２ａ：フランジ
４１ｂ、４２ｂ：ターミナルプレート
４３、４４：正極リードタップ
４５、４６：ガスケット
４７、４８：インシュレータ
５１、５２：絶縁部材
１００、２００、３００：二次電池
３１１、３１２：端子ホール
Ｒ１、Ｒ１１：第１曲率半径
Ｒ２、Ｒ１２：第２曲率半径
Ｔ１：最小厚さ
Ｔ２：最大厚さ

Claims (7)

1. セパレータの両面に電極を備えた電極組立体、
   前記電極組立体を内蔵するケース、および
   前記電極組立体に連結する電極端子を備え、前記ケースの開口に結合するキャッププレートを含み、
   前記キャッププレートは、
   内部ガスを排出するベント孔を有すると共に、前記ケースの連結側にラウンド部を形成し、
   前記ラウンド部は、
   前記ケースの内部に向かって凹むように形成されると共に、第１曲率半径を有して前記ケースの内面に接線で連結する、二次電池。
2. 前記キャッププレートは、前記開口の周囲に沿って前記ラウンド部を形成し、
   前記ラウンド部に囲まれて前記ラウンド部の前記第１曲率半径に接線で連結する平面部を有する、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記ベント孔は、
   前記平面部に形成される、請求項２に記載の二次電池。
4. 前記電極端子は、
   リードタップによって前記電極に連結し、
   前記キャッププレートの端子ホールにインシュレータを介在して設置され、
   前記リードタップと前記キャッププレートの間に絶縁部材が設置され、
   前記絶縁部材は、
   前記平面部に載置される、請求項２に記載の二次電池。
5. 前記絶縁部材の側面と前記ラウンド部はガス通路を形成する、請求項４に記載の二次電池。
6. 前記ラウンド部は、
   前記第１曲率半径を有し、前記ケースの内面に接線で連結する第１ラウンド部、および
   前記第１曲率半径よりも大きい第２曲率半径を有し、前記第１ラウンド部に連結する第２ラウンド部を含む、請求項１に記載の二次電池。
7. 前記キャッププレートは、
   前記第１ラウンド部で厚さが前記ケースの内部に向かって前記第２ラウンド部よりも急激に減少し、
   前記第２ラウンド部で厚さが前記ケースの内部に向かって前記第１ラウンド部よりも緩慢に減少する、請求項６に記載の二次電池。