JP5495448B2 - 二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、二次電池に関する。
一般的に、二次電池は、正極板と、負極板と、この両電極板の間に介在されたセパレーターとにより構成された電極組立体を電解液とともにケースに収納して形成される。この二次電池は、ケースの形状によって、円筒形、角形及びパウチ形に分類できる。
正極板には正極無地部が、負極板には負極無地部が具備される。電極組立体は、正極タブと負極タブをさらに含み、正極無地部には正極タブが接合され、負極無地部には負極タブが接合される。正極タブと負極タブは、電極組立体の上部または/及び下部に所定長さで突出され、これの端部は各々二次電池の所定の部品と接合される。
本発明の目的は、外部の振動または落下などの外部衝撃によってケースの内部で電極タブが動くことを防ぐことができる二次電池を提供することにある。
上述の目的を達成するために、本発明の一態様による二次電池は、外部に引出された第1の電極タブと第2の電極タブを含む電極組立体と、電解液と、電極組立体を受容するケースと、を含み、第1の電極タブと第2の電極タブのうち少なくとも一つの一部分には、電解液と接触すると粘着性を示す動き防止テープが付着されることを特徴とする。
また、本発明の一態様による二次電池は、電極組立体から延長された第1の電極タブと第2の電極タブであって、互いに離隔されるように位置された第1の末端部を有する第1の電極タブと第2の末端部を有する第2の電極タブと、電解液と、第1の末端部及び第2の末端部のうち少なくとも一つの一面に付着された動き防止テープと、電極組立体、第1の電極タブ、第2の電極タブ及び動き防止テープを受容するカンとを含み、動き防止テープは少なくとも一部分が電解液と接触すると粘着性を有するように形成されてもよい。
また、動き防止テープは、第1の末端部と第2の末端部のうち少なくとも一つの外周面を囲む粘着層と、該粘着層の上に形成される基材層を含み、基材層は少なくとも一部分が電解液と接触すると粘着性を有するように形成されてもよい。
また、基材層の粘着部分は、少なくとも0.1kgf/cmの粘着力を有するものに形成されてもよい。
また、基材層は、高分子フィルムであるものに形成されてもよい。
また、電解液は、カーボネート系溶媒を含み、カーボネート系溶媒は高分子フィルムの少なくとも一部分を溶融するように構成されてもよい。
また、高分子フィルムは、少なくとも一部が収縮及び拡張されるよう形成されてもよい。
また、高分子フィルムは、ポリスチレン(PS)、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネート、ポリエチレンビニルアセテート及びOPS(Oriented Polystyrene)のうち少なくとも一つから形成されてもよい。
また、基材層は、略10μm〜50μmの厚さで形成されてもよい。
また、粘着層は、PMMA(poly methyl methacrylate)、PEMA(poly ethyl methacrylate)及びPBMA(poly buthyl methacrylate)のうち少なくとも一つから形成されてもよい。
また、粘着層は、略1μm〜30μmの厚さに形成されてもよい。
また、第1の電極タブと第2の電極タブは、第1,2の長さ(引出される長さ)を有し、第1の電極タブと第2の電極タブのうち少なくとも一つの電極タブの長さの2/3部分から電極組立体まで基材層が形成されてもよい。
また、動き防止テープは、第1の電極タブと第2の電極タブのうち少なくとも一つの電極タブに全体的に完全に囲むように形成されてもよい。
また、カンを完全に密封するように形成されるキャップ組立体と、カンに受容され、キャップ組立体に付着されるサブプレートであって、キャップ組立体よりも電極組立体のより近く位置されたサブプレートと、電極組立体の表面に形成された絶縁部材と、をさらに含み、電極組立体の表面とサブプレートは、対向するように形成され、動き防止テープの粘着力を示す部分は、サブプレートと絶縁部材の少なくとも一面に付着されるように形成されてもよい。
また、第1の末端部と第2の末端部のうち少なくとも一つと、動き防止テープとの間に絶縁テープをさらに含むように形成されてもよい。
また、第1の電極タブが、電極組立体の上部に位置され、第2の電極タブが、電極組立体の下部に位置されるように形成されてもよい。
また、第1の電極タブ及び第2の電極タブは、電極組立体の同一面に位置するように形成されてもよい。
また、動き防止テープは、第1の末端部と第2の末端部に付着されるように形成されてもよい。
本発明の他の実施形態による二次電池は、電極組立体と、電極組立体から延長された第1の電極タブと第2の電極タブであって、互いに離隔されるように位置され、第1の末端部を有する第1の電極タブと第2の末端部を有する第2の電極タブと、第1の末端部と第2の末端部のうち少なくとも一つに最小領域に付着する動き防止テープと、電極組立体、電極タブ及び動き防止テープを受容するカンと、カンを完全に密封するように形成されたキャップ組立体と、を含み、動き防止テープの少なくとも一部分は、キャップ組立体と電極組立体のうち少なくとも一つと接触するように形成されてもよい。
また、電極組立体は、少なくとも一部分に動き防止テープが付着されるように形成されてもよい。
また、動き防止テープは、第1の末端部と第2の末端部のうち少なくとも一方の外周面を囲む粘着層と、粘着層の上に形成される基材層とを含んでもよい。
また、基材層は、少なくとも0.1kgf/cmの粘着量を有してもよい。
また、キャップ組立体とカンに受容するサブプレートと、電極組立体の表面に形成される絶縁部材と、をさらに含み、電極組立体の表面はサブプレートと対向するように形成され、基材層の一部分はサブプレートと絶縁部材のうち少なくとも一つと接触してもよい。
また、基材層はポリスチレン(PS)、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネート、ポリエチレンビニルアセテート及びOPS(Oriented Polystyrene)のうち少なくとも一つから形成されるものであってもよい。
本発明の二次電池によると、電極組立体の外部に引出される電極タブに付着される動き防止テープが電解液と接触しながら粘着性を示して、粘着性を示す部分の粘着力によって電極タブがケースの内部で堅固に固定される。すなわち、本発明による二次電池は、外部の振動または落下などの外部衝撃によって二次電池のケースの内部で電極タブが動くことを防ぐことができる。
本発明の一実施形態による円筒形二次電池の分解斜視図である。 図1に示す第1の電極タブのA−A断面図である。 図1に示す円筒形二次電池に電解液が注入されてない状態を示す断面図である。 図1に示す円筒形二次電池に電解液が注入された以後の形態を示す断面図である。 図3bに示す3cの部分の拡大図である。 図3に示す円筒形二次電池で上端をカットしてキャップ組立体を分離した状態を示す図である。 本発明の他の実施形態による円筒形二次電池に適用される電極組立体の斜視図である。 図5に示す第1の電極タブのB−B断面図である。 本発明のさらに別の実施形態による角形二次電池を説明するための分解斜視図である。 本発明のさらに別の実施形態によるパウチ形二次電池を説明するための分解斜視図である。
一般的に、二次電池は、外部振動または落下などの外部からの衝撃を受けるとケース内部の正極タブまたは負極タブなどの電極タブが動く。電極タブが動くことにより、電極組立体の無地部または他の部品から電極タブが取り外される。電極タブが電極組立体の無地部または他の部品から取り外されると、内部抵抗が増加し、発熱するため、改善が要求される。
以下、添付の図面を参照して本発明による好ましい実施形態を詳しく説明する。
図1〜図4に示すように、本発明の一実施形態による円筒形二次電池100は、ケース110、電極組立体120、上部絶縁部材140、下部絶縁部材150、キャップ組立体160及びガスケット170を備える。
ケース110は、二次電池100の形態にしたがって、円筒形、角形またはパウチ形であってもよい。図1〜図4の実施形態では、円筒形二次電池である場合について説明する。他の実施形態では、二次電池が角形またはパウチ形である場合について説明することにする。
ケース110は、円筒形状を有し、アルミニウムまたはアルミニウム合金のような軽量の導電性金属材質からなり、深絞り(deep drawing)などのような加工方法によって製造できる。ケース110は、電極組立体120の形状にしたがって異なる形態を有してもよい。
ケース110は、円形の底板112と、底板112の縁部から上側に延びた円筒形の側壁113を備える。図3aを参照すると、側壁113の上部には、外周に沿って内部に屈曲されたビーディング部111が形成される。ビーディング部111は、上部絶縁部材140、電極組立体120及び下部絶縁部材150が、ケース110の内部で底板112とほぼ垂直である方向に動くことを防止する。側壁113の上端には、圧接(crimping)部116が形成される。圧接部116は、ケース110とキャップ組立体160の間を密閉する。
図1を参照すると、側壁113の上には、ケース110の内部に下部絶縁部材150、電極組立体120、上部絶縁部材140、ガスケット170及びキャップ組立体160が順に挿入されるように、開口部114が形成される。
電極組立体120は、第1の電極板121、第2の電極板122及びセパレーター123を含む。セパレーター123は、第1のセパレーター123a及び第2のセパレーター123bを含むこともできる。電極組立体120は、第1の電極板121、第1のセパレーター123a、第2の電極板122及び第2のセパレーター123bを順次に積層した状態で、円筒形に巻回して形成される。電極組立体120の上部には、第1の電極タブ127が引出されてその末端部がキャップ組立体160のサブプレート165と連結され、下部には、第2の電極タブ128が引出されてその末端部がケース110の底板112に連結される。
第1の電極板121及び第2の電極板122のうち何れか一つ、例えば第1の電極板121は正極板として使用され、他の一つ、例えば第2の電極板122は負極板として使用されてもよい。一方、第2の電極板122が正極板で、第1の電極板121が負極板であってもよい。以下では、第1の電極板121が正極板で、第2の電極板122が負極板であるとして説明する。
詳しく示されてはいないが、正極板としての第1の電極板121は、正極集電体と、正極集電体の少なくとも一面にコーティング形成された正極活物質層を備える。
正極集電体は、導電性の優れた金属薄板、例えば、アルミニウム(Al)箔(foil)からなってもよい。しかし、本発明でこのような正極集電体の材料を限定するものではない。
正極活物質層は、正極活物質と導電材及びバインダーの混合物を正極集電体の少なくとも一面にコーティングして形成される。正極活物質としては、一般的にLiCoO、LiMn、LiNiO、LiNi1‐xCo(0<x<1)、LiMnOなどの複合金属酸化物が使用される。しかし、本発明でこのような正極活物質の材料を限定するものではない。
第1の電極板121の巻回方向の一部または両端部のうち少なくとも何れには、正極活物質がコーティングされない第1の無地部が形成される。第1の無地部には、正極タブとなる第1の電極タブ127が溶接のような方式によって結合されて、電極組立体120から外部に引出されるように形成され、外部に引出される第1の電極タブ127の末端部は、キャップ組立体160のサブプレート165と溶接などによる方式で結合されて電気的に接触する。
詳しく示されていないが、負極板としての第2の電極板122は、負極集電体と負極集電体の少なくとも一面にコーティング形成された負極活物質層を備える。
負極集電体は、導電性の優れた薄板、例えば、銅(Cu)またはニッケル(Ni)箔からなってもよい。しかし、本発明でこのような負極集電体の材料を限定するものではない。
負極活物質層は、負極活物質と導電材及びバインダーの混合物を負極集電体の少なくとも一面にコーティングして形成される。負極活物質としては、一般的に炭素(C)系物質、Si、Sn、酸化錫、錫合金複合体(composite tin alloys)、遷移金属酸化物、リチウム金属窒酸化物またはリチウム金属酸化物などが使用される。しかし、本発明でこのような負極活物質の材料を限定するものではない。
第2の電極板122の巻回方向の一部または両端部のうち少なくとも何れには、負極活物質がコーティングされない第2の無地部が形成される。第2の無地部には負極タブとなる第2の電極タブ128が溶接のような方式によって結合されて、電極組立体120から外部に引出されるように形成される。外部に引出された第2の電極タブ128の末端部は、ケース110の底板112に、溶接のような方式によって結合されることができる。それによって、ケース110は負の極性を有するようになり、特にケース110の底板112は円筒形二次電池100の負極端子として用いられる。
セパレーター123は、第1の電極板121と第2の電極板122を互いに分離する。セパレーター123は、第1のセパレーター123a及び第2のセパレーター123bを含むこともできる。第1及び第2のセパレーター123a、123bには微細気孔が形成され、その微細気孔を通してリチウムイオンが通過する。第1及び第2のセパレーター123a、123bは、ポリエチレン(PE)またはポリプロピレン(PP)のような高分子樹脂で形成されることもできる。しかし、本発明でこのようなセパレーターの材質を限定するものではない。
電極組立体120から引出される第1の電極タブ127と第2の電極タブ128のうち何れか一つの少なくとも一部には、電解液と接触した場合に粘着性を示す動き防止テープ130が付着される。
動き防止テープ130は、第1の電極タブ127または第2の電極タブ128の一方のみに付着するか、第1の電極タブ127及び第2の電極タブ128の両方に付着してもよい。動き防止テープ130は、第1の電極タブ127の少なくとも一部に付着してもよい。図3bを参照すると、第1の電極タブ127は、電極組立体120から引出されてその末端部がサブプレート165に結合されることによってサブプレート165と上部絶縁部材140との間に位置する。このとき、第1の電極タブ127に付着した動き防止テープ130が電解液に接触すると、図3b、図3c及び図4に示すように動き防止テープ130は、部分的に溶融して粘着性を示す。本発明の他の実施形態では、動き防止テープ130が電解液に接触する少なくとも一部が収縮または拡張することができる。本発明の他の実施形態は、下記に説明する。
それによって粘着性を示す部分が上部絶縁部材140とサブプレート165との間に位置することになって、その粘着力によって第1の電極タブ127の動きが防止される。すなわち、図3b及び図3cに示すように、粘着力を示す部分の一部は、電極組立体120の上面に付着され、一部はサブプレート165に付着されて、それにしたがう粘着力によって第1の電極タブ127の動きが防止される。
図2を参照すると、動き防止テープ130は、電解液と接触すると少なくとも一部が粘着性を示す基材層131と、基材層131の背面に形成された粘着層132を含むことができる。
基材層131は、電解液との接触によって少なくとも一部が溶融して部分的に粘着性を有する高分子フィルムからなる。例えば、高分子フィルムは、電解液との接触の際に電解液のうちカーボネート系溶媒が高分子と高分子の間に浸透してフィルムの少なくとも一部を溶融させて粘着性を有するようになるフィルムである。本発明の一実施形態による高分子フィルムは、電解液と接触すると電解液のうちカーボネート系溶媒が高分子と高分子の間に浸透してフィルムの少なくとも一部分を溶融させ、それによって高分子は少なくとも収縮され、一部は拡張されて粘着性を有することができる。
このとき、粘着性を示す部分は、図3b及び図3cを参照すると、上部絶縁部材140とサブプレート165の間に位置して第1の電極タブ127を堅固に固定させる。それによって、円筒形二次電池100に外部から衝撃が加えられても第1の電極タブ127は動かない。
高分子フィルムは、電解液との接触によって溶融されて粘着性を有するものであれば、何れでも使用することができる。高分子フィルムは、高分子間の距離が広くて、電解液のうちカーボネート系溶媒が容易に浸透できるポリスチレン(PS)、ポリアミド、ポリアクリロ二トリル、ポリカーボネート、ポリエチレンビニルアセテートフィルムを使用できる。
必ずしも制限されるものではないが、基材層131は10μm〜50μmの厚さに形成されることが好ましい。基材層131の厚さがその範囲内に含まれる場合、第1の電極タブ127の動き防止に優れた効果が得られる。
粘着層132は、基材層131の背面に塗布形成され、第1の電極タブ127の外部表面に接触する。
粘着層132には、一般的に使用される粘着剤であれば何れでも使用できる。好ましく、粘着層132は、アクリル系粘着剤を基材層131に塗布して形成されたものであってもよい。アクリル系粘着剤としては、PMMA(polymethylmethacrylate)、PEMA(polyethylmethacrylate)またはPBMA(polybutylmethacrylate)から選択されたものを使用することもできる。
粘着層132は、基材層131上に様々な公知の方法によって様々な厚さにコーティング形成されることができる。例えば、粘着層132は、粘着剤をナイフコーティングによって1〜30μmの厚さにコーティングして形成されたものであってもよい。
動き防止テープ130は、電極組立体120から引出される第1の電極タブ127の末端部を除いた部位に付着することもできる。第1の電極タブ127の末端部は、キャップ組立体160のサブプレート165に溶接される部分であるので、動き防止テープ130の付着は不要である。好ましくは動き防止テープ130は、第1の電極タブ127が引出された境界面を基にして、少なくとも2/3まで付着することがよい。動き防止テープ130は、電極組立体120から引出される第1の電極タブ127の周辺を少なくとも1回まわして付着させることもできる。
上部絶縁部材140は、電極組立体120とケース110のビーディング部111との間を絶縁するために、略円板形態に形成される。上部絶縁部材140の中央には、電極組立体120から引出される第1の電極タブ127が通過するホール140aが形成されており、第1の電極タブ127は、ホール140aを通過してキャップ組立体160に電気的に接触される。
図1を参照すると、下部絶縁部材150は、電極組立体120とケース110の底板112との間を絶縁するために、略円板形態に形成される。下部絶縁部材150には、電極組立体120から引出される第2の電極タブ128が通過するホール150aが形成されており、第2の電極タブ128は、ホール150aを通過してケース110の底板112と電気的に接触される。
図1〜図3aを参照すると、キャップ組立体160は、キャップアップ161、キャップアップの下部に位置する安全ベント(safety vent)162、安全ベント162の下部に位置する絶縁体(insulator)163、絶縁体の下部に位置するキャップダウン164、キャップダウン164の下面に位置するサブプレート165及びこれらを外側から囲むガスケット170を含む。
キャップアップ161は、板状の円形で、上端突出部161aが中心部分から上に突出された形態に構成される。また、上端突出部161aの側部には、二次電池100の内部から発生されたガスを外部に排出するための複数個の通孔161bが形成される。キャップアップ161は、円筒形の二次電池100の内部から発生する電流を外部に通電する端子の役割を果たす。また、キャップアップ161は、ステンレスのような金属の材質で形成されてもよい。
安全ベント162は、板状の円形に形成され、キャップアップ161の下部に位置する。安全ベント162の中央には、下方に突出された下端突出部162aが形成されて、周辺部は略Z状になる。安全ベント162は、伝導性である金属材質で形成されてもよい。一方、下端突出部162aは、中央の中央溝(図示せず)及び中央溝(図示せず)を基にする十字溝(図示せず)をさらに含んでもよい。安全ベント162は、ケース110の内部からガスが発生し、これに応じてケース110の内部の圧力が臨界値以上に上昇する場合、下端突出部162aが上方に膨張される。このとき、下端突出部162aの中央溝(図示せず)と十字溝(図示せず)周辺が破断することによって下部に設置されるサブプレート165と分離されて電気的に短絡になり電流の流れが遮断される。なお、下端突出部162aの破断に応じて解放する領域にケース110の内部に含まれていたガスが外部に排出される構造に設計される。すなわち、安全ベント162は、円筒形二次電池100の内部のガス圧による爆発を未然に防止するための安全装置の一つである。
図面には示してないが、キャップアップ161と安全ベント162の間に必要に応じて二次保護素子がさらに含まれる。二次保護素子は、円筒形二次電池100の温度が上がれるとともに電流の流れを遮断するPTC(positive temperature coefficient)素子で形成されることもある。PTC素子は、樹脂と炭素粉末で形成される素子層及び素子層の上、下面に結合される伝導板により形成され、PTC素子の温度が上がれるとともに素子層の樹脂が膨張されることに応じて炭素粉末の連結が切れて電流を遮断する。
図1を参照すると、絶縁体163は、リング状を有し、安全ベント162とキャップダウン164を絶縁させるために安全ベント162とキャップダウン164の間に形成される。
キャップダウン164は、板状の円形に形成され、絶縁体163の下部に位置する。また、キャップダウン164の中央には中央管通孔164aが形成されるが、中央管通孔164aは、安全ベント162の下端突出部162aが挿入及び通過されてキャップ組立体160の下側に露出されるようにする通路を提供する役割を果たす。また、キャップダウン164には、中央管通孔164aの周辺に複数個の通孔164bが形成される。通孔164bは、電極組立体120から発生するガスを放出する機能を有する。
図3aを参照すると、サブプレート165は、キャップダウン164の中央管通孔164aを遮断する状態に固定される同時に、安全ベント162の下端突出部162aに結合される。サブプレート165の下面には、電極組立体120から引出された第1の電極タブ127である正極タブが付着してサブプレート165と電気的に接触される。サブプレート165は、金属製の材質で形成されることが好ましい。ここで、安全ベント162とサブプレート165が互いに結合され、同時に、キャップダウン164とサブプレート165が互いに結合される。よって、安全ベント162、キャップダウン164及びサブプレート165は、一体的に結合された状態の電流遮断素子(CID;current interrupt device)になる。
ガスケット170は、円筒形ケース110の開口部114の内側とキャップ組立体160の間に介在され電池を気密に維持する。ガスケット170は、内側に安着するキャップアップ161と、キャップアップ161の下部に結合される安全ベント162の外郭を上、下部から圧迫する形態に構成される。ガスケット170は、ポリエチレンテレフタラート(polyethyleneterephthalate)またはポリエチレン(polyethylene)のような樹脂から形成されてもよい。このようなガスケット170は、ケース110からキャップ組立体160が分離することを防止できる。
本発明の実施形態による二次電池100は電解液を含む。
電解液は、カーボネート系溶媒を含むこともできる。カーボネート系溶媒の例としては、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)などがある。例示されたカーボネート系溶媒のうちDMC、DEC及びDPCからなる群から選択される少なくとも一つを含むことが好ましい。このようなカーボネート系溶媒は、ポリスチレンのように高分子間に距離がある形態の高分子の間に容易に浸透することができる。したがって、カーボネート系溶媒が動き防止テープ130に接触した場合に、基材層131の高分子の間に浸透して基材層131を溶融させて、基材層に粘着性を与える。
電解液中のカーボネート系溶媒は、電解液の全体含量に対して重量分率で10重量%〜60重量%含有されることが好ましい。含量は、高分子に対する浸透性及び動き防止可能にする最大の比率で提供されてもよい。しかし前記の比率外であって他の含量比率で提供されてもよい。
本発明による電解液には、当該分野で一般的に使用される成分が含まれることもできる。すなわち、本発明による電解液としては、カーボネート系溶媒、特にDMC、DECまたはDPCを含む電解液を使用できる。
図5は、他の形態による円筒形二次電池に適用される電極組立体の斜視図で、図6は、図5に示す第1の電極タブのB−B断面図である。
図5及び図6に示すように、他の実施形態による電極組立体120は、第1の電極タブ127が具備された第1の電極板121、第2の電極タブ128が具備された第2の電極板122及びセパレーター123を含み、電極組立体120から第1の電極タブ127と第2の電極タブ128が引出される境界部には、絶縁テープ129が付着して、絶縁テープ129の外側には、動き防止テープ130が絶縁テープ129を覆って付着する。
本発明の実施形態では、第1の電極タブ127及び第2の電極タブ128に絶縁テープ129が付着するとともに第1の電極タブ127に付着した絶縁テープ129を覆うように動き防止テープ130が付着したことを例としてあげているが、勿論、第2の電極タブ128の絶縁テープ129を覆うように動き防止テープ130が付着されてもよい。
動き防止テープ130と絶縁テープ129を除いた他の電極組立体120の構成は、上述の図1〜図3と同様であるので、これについての詳細な説明は省略する。
絶縁テープ129は、第1の電極タブ127と第2の電極板122の間、または第2の電極タブ128と第1の電極板121の間の短絡を防止するためのものである。好ましくは、絶縁テープ129は、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリイミド(PI)のようなフィルムの底面に粘着剤が塗布されたものを使用できる。ここで、粘着剤は、粘着力を有するものに制限されるわけではなく、動き防止テープ130に適用される粘着剤が使用されてもよい。
第1の電極タブ127の絶縁テープ129の上には、動き防止テープ130が付着する。動き防止テープ130の構成は、上述の図1〜図3と同様であるので、これについての詳細な説明は省略する。
第1の電極タブ127及び第2の電極タブ128に絶縁テープ129を付着させた後、その上部に動き防止テープ130を適用した場合、絶縁テープ129を付着せずに動き防止テープ130を適用した場合に比べて優れた絶縁特性を得ることができる。
図7は、さらに他の実施形態による角形二次電池を説明するための分解斜視図である。
図7を参照すると、角形二次電池200は、略角形の形状を有するケース210と、ケース210の内部に受容される電極組立体220及びケース210の上部に結合されるキャップ組立体240を含む。
ケース210は、略四角形状の金属材質のカンからなり、それ自体が端子の役割を果たすことが可能である。
電極組立体220は、第1の電極板、第2の電極板、セパレーターを含み、第1の電極板と第2の電極板の間にセパレーターを介在した状態で略四角形状に巻回して形成される。
電極組立体220は、第1の電極タブ227と第2の電極タブ228を含む。電極組立体220から引出される第1の電極タブ227と第2の電極タブ228には、動き防止テープ230が付着される。
電極組立体220が略矩形状に形成されること、第2の電極タブ228が第1の電極タブと同じ方向に引出されること、及び第1の電極タブ227と第2の電極タブ228の両方に動き防止テープ230が付着されることを除く電極組立体220の各構成は、上述の円筒形二次電池で説明したものと同様であるので、これについての詳細な説明は省略する。なお、電極タブ227,228に付着される動き防止テープ230は、上述の円筒形二次電池で説明したものと同様であるので、これについての詳細な説明は省略する。
上述の円筒形二次電池の説明と同様に、第1の電極タブ227と第2の電極タブ228が引出される境界部には第1の電極板と第2の電極板の間の短絡を防止するための絶縁テープ(図示せず)が形成されてもよく、動き防止テープ230が絶縁テープを囲むように形成されてもよい。
動き防止テープ230は、電解液と接触すると少なくとも一部が粘着性を示し、粘着性を示す部分の粘着力によって第1の電極タブ227と第2の電極タブ228の動きが防止される。
キャップ組立体240は、ケース210の開口部と対応する大きさと形状を有する蓋板241を含む。蓋板241の中央部には、端子通孔241aが形成されており、蓋板241の一側には、電解液を注入するための電解液注入孔241bが形成されている。電解液注入孔241bは、栓241cと結合されて密閉される。
端子通孔241aには、電極端子242、例えば、負極端子が挿入されることもできる。電極端子242の外部面には、蓋板241との電気的絶縁のためにガスケット243が具備される。蓋板241の下面には絶縁板244が配置される。絶縁板244の下面には端子板245が設けられる。
電極端子242は、ガスケット243が外周面を囲む状態で端子通孔241aを介して挿入されている。電極端子242の底面部は、絶縁板244を介在した状態で、端子板245と電気的に接続されている。
蓋板241の下面には、第1の電極板から引出された第1の電極タブ227が溶接されており、電極端子242の下部には、第2の電極板から引出された第2の電極タブ228が溶接される。
一方、電極組立体220の上面には、電極組立体220とキャップ組立体240を電気的に絶縁し、同時に電極組立体220の上部をカバーすることができる絶縁ケース246が設けられている。絶縁ケース246は、蓋板241の電解液注入口241bと対応する位置に電解液注入通孔246bを具備して、電解液を注入できるようにする。絶縁ケース246は、絶縁性を有する高分子樹脂として、好ましくはポリプロピレンからなるが、本発明の実施形態でその材質を限定するものではない。
一方、図面上には示されていないが、角形二次電池200は、保護回路モジュールと上部カバーを備えることができる。例えば、保護回路モジュールは、電極組立体220の充放電及び誤作動を制御するためのものであって、例えば、電極組立体220から過電流が流れたとき、この過電流を遮断する役割を果たす。また、保護回路モジュールは、一般的に様々な保護回路を備える構造からなる。さらに、上部カバーは、保護回路モジュールを覆うように形成されることもできる。保護回路モジュールと上部カバーは、当該分野における通常の知識を有する者であれば容易に形成することができるものである。
角形二次電池200は、電極タブ227,228に付着された動き防止テープ230が電解液と接触する場合、動き防止テープ230の少なくとも一部分が溶融されながら粘着性を示す。粘着性を示す部分が、キャップ組立体240と電極組立体220の間に位置することによって電極タブ227、228が動くことを防ぐ。すなわち、電極タブ227、228が粘着力によって堅固に固定されることで、ケース210の内部で動くことが防止される。
図8は、さらに他の実施形態によるパウチ形二次電池を説明するための分解斜視図である。
図8を参照すると、パウチ形二次電池400は、パウチからなるケース410と、ケース410に収容され第1の電極タブ427と第2の電極タブ428を含む電極組立体420と、第1の電極タブ427と第2の電極タブ428の少なくとも一部に付着する動き防止テープ430とを含む。
ケース410は、その材質がアルミニウム(Al)のような金属材質からなる芯部410aと、芯部410aの上部面上に形成された熱融着層410bと、芯部410aの下部面上に形成された絶縁膜410cとからなることもできる。熱融着層410bは、ポリマー樹脂である変性ポリプロピレン、例えばCPP(Casted Polypropylene)を使用して接着層として作用し、絶縁膜410cは、ナイロンやポリエチレンテレフタレート(PET)のような樹脂で形成されてもよいが、また、ケース410は、電極組立体420が受容される空間411aを具備する下面411と、空間411aが形成された下面411をカバーする上面412からなる。また、電極組立体を受容するための空間411aは、プレス(press)加工などによって形成されることもできる。ポリマータイプケース410は、図示された形状に限定されるものではない。
ケース410は、下面411の空間411aに電極組立体420を収容した後、上面412で覆い、密封して接合される。
電極組立体420及び電極組立体420の第1の電極タブ427及び第2の電極タブ428に付着する動き防止テープ430は、上述の角形二次電池で説明したものと同様であるので、これについての詳細な説明は省略する。
電極組立体420は、ケース410に収納される。第1の電極タブ427と第2の電極タブ428は、電極組立体420がケース410に収納された後、所定の方向に所定の長さだけ外部に引出される。このとき、動き防止テープ430は、ケース410の内部に位置する電極タブの部分にだけ付着して、外部に引出される部分には付着しない。
一方、図面に示されてはいないが、パウチ形二次電池400は、保護回路モジュールをさらに備えることもできる。保護回路モジュールは、電極組立体420の充放電及び誤作動を制御するためのものであって、例えば、電極組立体420から過電流が流れたとき、過電流を遮断する役割を果たす。また、保護回路モジュールは、一般的に様々な保護回路を備える構造からなる。このとき、保護回路モジュールは、電極組立体420の第1の電極タブ427及び第2の電極タブ428と電気的に接続される。
このようなパウチ形二次電池400の場合、動き防止テープ430が電解液と接触する場合、少なくとも一部が溶融して粘着性を示す。このとき、粘着性を示す部分は、粘着力によって電極タブ427,428がケース410の内面で動くことを抑える効果がある。
以下、二次電池の製造方法を提供する。上述の実施形態は、製造過程から追加、除去、または変更して行うことができる。
二次電池の製造方法は、電極組立体の外部に引出される第1の電極タブ及び/または第2の電極タブの表面の少なくとも一部に、電解液と接触すると少なくとも一部が粘着性を示す基材層を含む動き防止テープを付着させ、ケースに電極組立体を挿入する電極組立体挿入段階と、動き防止テープに電解液を接触させて少なくとも一部に粘着性を与える電解液注入段階とを含む。
以下、添付の図1〜図3を参照して、二次電池の製造方法の一例を説明する。但し、以下で説明される二次電池の製造方法は、円筒形二次電池を基準とするが、角形及びパウチ形二次電池にこれを適用することは、当業者に容易なことである。
円筒形二次電池100の製造方法は、電極組立体120挿入段階と電解液注入段階を含む。
電極組立体120挿入段階は、電極組立体120から引出される第1の電極タブ127の外部表面の少なくとも一部に電解液と接触すると少なくとも一部が粘着性を示す動き防止テープ130を付着させ、ケース110に電極組立体120を挿入する段階である。
ここで、動き防止テープ130は、上述の円筒形二次電池100で詳細に説明したので、それについての詳細な説明は省略する。
電極組立体120をケース110に挿入する前または後に、その他の二次電池100の構成の一部を組み立てることができる。
例えば、下部絶縁部材150、電極組立体120、及び上部絶縁部材140が下側から順に位置した状態で、電極組立体120の第2の電極タブ128をケース110の底板112に溶接等の方法で結合する。このとき、ケース110にはビーディング部111と圧接部116が形成されていない状態である。
次に、ケース110の側壁113にビーディング部111を形成して、下部絶縁部材150、電極組立体120、及び上部絶縁部材140がケース110の内部で底板112の垂直方向に動くことを防止する。
上記のように、電極組立体120をケース110の内部に収納し、その他の構成を組み立てた後、電解液注入段階に進む。
電解液注入段階は、動き防止テープ130を電解液に接触させて、動き防止テープ130の少なくとも一部に粘着性を与える段階である。
電解液は、充放電の際に電極での電気化学反応によって生成されるリチウムイオンを移動可能にする役割を果たす。電解液は、上述したものと同様であるので、これに対する説明は省略する。
電解液がケース110の内部に注入されると、電極組立体120の第1の電極タブ127に付着した動き防止テープ130に電解液が接触するようになる。このとき、動き防止テープ130は、少なくとも一部が溶融されて粘着力を有する。粘着力を有する部分によって第1の電極タブ127がケース110内部で動くことが防止される。
電解液注入段階の後、その他の二次電池100の構成を組み立てる。例えば、ガスケット170をケース110の開口部114を通して挿入し、ビーディング部111上に載置する。その後、キャップ組立体160をガスケット170の内部に位置させた後、ケース110の側壁113の上端に圧接部116を形成して、ガスケット170及びキャップ組立体160を固定する。
上記のように二次電池100を組み立てた後は、通常的に続く後処理工程である化成工程及びエージング工程を実施することもできる。化成工程及びエージング工程は、角形やパウチ形二次電池にも共通して適用されることができる。
化成工程は、電池を組み立てた後、充放電を繰り返して電池を活性化する工程である。化成工程で、充電の際に正極として使用されるリチウム金属酸化物から生成されたリチウムイオンが負極として使用されるカーボン電極に移動して挿入されるが、このとき、リチウムは反応性が強いので、カーボン負極と反応して、LiCO、LiO、LiOHなどの化合物を生成し、これらはカーボン電極の表面にSEI(Solid Electrolyte Interface)という被膜を形成する。
エイジング工程は、SEI被膜を安定化するために、電池を所定期間の間放置する工程である。通常、エイジング工程は、組み立て段階を経た二次電池100を50℃〜70℃の環境に18時間〜36時間の間露出させることで行われる。このようなエイジング工程を経て、動き防止テープ130は、少なくとも一部が溶融されて十分な粘着力を有するようになり、それによって電極タブの動きを効果的に防止する。
以下、本発明を下記の実施例を通じてより詳細に説明するが、これは本発明の理解を容易にするためのもので、本発明をこれに限定するものではない。
正極活物質としてLiCoO、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)及び導電材としてカーボンを92:4:4の重量比で混合した後、N‐メチル‐2‐ピロリドンに分散させて、正極スラリーを製造した。このスラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔にコーティングした後、乾燥、圧延して、正極板を製造した。
負極活物質として人造黒鉛、バインダーとしてスチレン‐ブタジエンゴム及び増粘剤としてカルボキシメチルセルロースを96:2:2の重量比で混合した後、水に分散させて、負極活物質スラリーを製造した。このスラリーを厚さ15μmの銅箔にコーティングした後、乾燥、圧延して、負極板を製造した。
セパレーターとしては、厚さ20μmのポリエチレン/ポリプロピレン多孔性膜(Hoest Cellanese社、米国)を使用した。正極板と負極板の間にセパレーターを配置してこれを巻回して電極組立体を製造した。このとき、電極組立体から引出される正極タブに動き防止テープを付着させた。このとき、動き防止テープとしては、32μmのOPSフィルム上にPMMA粘着剤を15μmの厚さで塗布したものを使用し、電極組立体としては、長径が17.00mmで短径が16.56mmであるものを使用した。動き防止テープは、正極タブを1回まわして付着され、電極組立体から引出される第1の電極タブの境界面を基に2/3まで付着される。
渦巻状に巻回された電極組立体をアルミニウム円筒形電池ケースに挿入した後、電解液を注入し、密封して、二次電池を完成した。
このとき、電解液としては、1.1M濃度のLiPF6が溶解されたエチレンカーボネート(EC)/ジメチルカーボネート(DMC)/プロピレンカーボネート(PC)/フルオロベンゼン(FB)(体積比でEC:EMC:PC:FBの混合比は30:55:5:10)の混合有機溶媒を使用した。
特定の物質(電極物質、バインダー、導電体、セパレーター、基材層、粘着層、ソルベント、電解液など)または変数(厚さ、直径、粘着力、引張強度など)を備えた実施形態が、実験例1で採用された。実質的に同一であるか類似の利点が、図1〜8と関連して上述の物質または変数の他の実施形態から得ることが出来ると予想される。
(実験例)
実施例1と同様な方法で製造された二次電池5個の各々に対して化成工程を実施した後、ビーディング部を切断して、キャップ組立体のサブプレートに溶接された第1の電極タブの上端部を切断した。このときの状態は、図4に示すとおりである。
次に、プッシュプルゲージ(pushpull gage)に第1の電極タブの上端部を連結した後、引っ張ってその力(粘着力)を測定した結果を下記の表1に示す。
(比較実験例)
動き防止テープの代わりにPI絶縁テープを付着したことを除いては、実施例1と同様に実施して製造された二次電池5個の各々に対して化成工程を実施した後、ビーディング部を切断して、キャップ組立体のサブプレートに溶接された第1の電極タブの上端部を切断した。
次に、プッシュプルゲージ(pushpull gage)に第1の電極タブの上端部を連結した後、引っ張ってその力(粘着力)を測定した結果を下記の表1に示す。
表1に示すように、電極組立体から引出される正極タブに付着する動き防止テープは、少なくとも一部分が溶融され粘着性を示したことを確認することができる。これによって、本発明による二次電池は、ケース内部での電極タブの動きを効率的に防止することが分かる。
本実施形態によると、電極タブは動き防止テープの粘着部分の粘着力でケースに安定的に固定される。よって、二次電池は外部振動や落下などの外部衝撃によるケース内部の正極タブまたは負極タブなどの電極タブの動きを防止することができる。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく本発明の技術的な要旨を外さない範囲内において多様に修正・変更され実施されることは本発明の当該分野における通常の知識を有する者であれば自明なものである。
100、200、400 二次電池
110、210、220 ケース
120、220、420 電極組立体
130、230、430 動き防止テープ
131 基材層
132 粘着層

Claims (21)

  1. 電極組立体と、
    前記電極組立体から延長された第1の電極タブと第2の電極タブであって、互いに離隔されるように位置された第1の末端部を有する第1の電極タブと第2の末端部を有する第2の電極タブと、
    電解液と、
    前記第1の末端部及び第2の末端部のうち少なくとも一つの一面に付着された動き防止テープと、
    前記第1の末端部と第2の末端部のうち少なくとも一つと、前記動き防止テープとの間に付着された絶縁テープと、
    前記電極組立体、第1の電極タブ、第2の電極タブ、動き防止テープ及び絶縁テープを受容するカンと、を含み、
    前記動き防止テープは、少なくとも一部分が前記電解液と接触すると粘着性を有するように形成されたことを特徴とする二次電池。
  2. 前記動き防止テープは、
    前記第1の末端部と第2の末端部のうち少なくとも一つの外周面を囲む粘着層と、
    前記粘着層上に形成される基材層と、
    を含み、
    前記基材層は、少なくとも一部分が電解液と接触すると粘着性を有するように形成されたことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
  3. 前記基材層の粘着部分は、少なくとも0.1kgf/cmの粘着力を有することを特徴とする請求項2に記載の二次電池。
  4. 前記基材層は高分子フィルムであることを特徴とする請求項2に記載の二次電池。
  5. 前記電解液は、カーボネート系溶媒を含み、
    前記カーボネート系溶媒は、高分子フィルムの少なくとも一部分を溶融することを特徴とする請求項4に記載の二次電池。
  6. 前記高分子フィルムは、少なくとも一部は収縮及び拡張されるように形成されたことを特徴とする請求項4に記載の二次電池。
  7. 前記高分子フィルムは、ポリスチレン(PS)、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネート、ポリエチレンビニルアセテート及びOPS(Oriented Polystyrene)の少なくとも一つから形成されたことを特徴とする請求項4に記載の二次電池。
  8. 前記基材層は、10μm〜50μmの厚さを有することを特徴とする請求項2に記載の二次電池。
  9. 前記粘着層は、PMMA(poly methyl methacrylate)、PEMA(poly ethyl methacrylate)及びPBMA(poly butyl methacrylate)の少なくとも一つから形成されたことを特徴とする請求項2に記載の二次電池。
  10. 前記粘着層は、1μm〜30μmの厚さを有することを特徴とする請求項2に記載の二次電池。
  11. 前記第1の電極タブと第2の電極タブは、第1、2の長さ(引出された長さ)を有し、前記第1の電極タブと第2の電極タブの少なくとも一つの電極タブの長さの、電極組立体と接触している部分を基準として2/3部分から電極組立体までに基材層が形成されたことを特徴とする請求項2に記載の二次電池。
  12. 前記動き防止テープは、前記第1の電極タブと第2の電極タブのうち少なくとも一つの電極タブに全体的に完全に巻回されるように形成されることを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
  13. 前記カンを完全に密封するように形成されたキャップ組立体と、
    前記カンに受容され、キャップ組立体に付着するサブプレートであって、前記キャップ組立体よりも前記電極組立体の近くに位置されたサブプレートと、
    前記電極組立体の表面に形成された絶縁部材と、
    をさらに含み、
    前記電極組立体の表面と前記サブプレートとは対向するように形成され、
    前記動き防止テープの粘着力を示す部分は、前記サブプレートと前記絶縁部材の少なくとも一面に付着することを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
  14. 前記第1の電極タブが、前記電極組立体の上部に位置され、第2の電極タブが、前記電極組立体の下部に位置されたことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
  15. 前記第1の電極タブ及び第2の電極タブは、電極組立体の同一面に位置されたことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
  16. 前記動き防止テープは、第1の末端部と第2の末端部に付着されたことを特徴とする請求項15に記載の二次電池。
  17. 電極組立体と、
    前記電極組立体から延長された第1の電極タブと第2の電極タブであって、互いに離隔されるように位置された第1の末端部を有する第1の電極タブと第2の末端部を有する第2の電極タブと、
    前記第1の末端部及び第2の末端部のうち少なくとも一つの一面に付着された動き防止テープと、
    前記第1の末端部と第2の末端部のうち少なくとも一つと、前記動き防止テープとの間に付着された絶縁テープと、
    前記電極組立体、電極タブ、動き防止テープ及び絶縁テープを受容するカンと、
    前記カンを完全に密封するように形成されたキャップ組立体と、
    を含み、
    前記動き防止テープの少なくとも一部分は、前記キャップ組立体と電極組立体のうち少なくとも一つと接触し、
    前記動き防止テープは、前記第1の末端部と第2の末端部のうち少なくとも一つの外周面を囲む粘着層と、前記粘着層上に形成される基材層とを含むことを特徴とする二次電池。
  18. 前記電極組立体は、少なくとも一部分に前記動き防止テープが付着されたことを特徴とする請求項17に記載の二次電池。
  19. 前記基材層は、少なくとも0.1kgf/cmの粘着力を有することを特徴とする請求項17に記載の二次電池。
  20. 前記キャップ組立体とカンに受容されるサブプレートと、
    前記電極組立体の表面に形成される絶縁部材と、
    をさらに含み、
    前記電極組立体の表面は前記サブプレートと対向するように形成され、
    前記基材層の一部分は、サブプレートと絶縁部材のうち少なくとも一つと接触することを特徴とする請求項17に記載の二次電池。
  21. 前記基材層は、ポリスチレン(PS)、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネート、ポリエチレンビニルアセテート及びOPS(Oriented Polystyrene)のうち少なくとも一つから形成されることを特徴とする請求項17に記載の二次電池。
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