JP5564338B2 - リチウムイオン電池 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン電池に関する。

二次電池は、一度だけ使用して廃棄する一次電池と異なり、充電を通じて再び使用することができる電池であり、ノートブックＰＣ、携帯電話及びビデオカメラなどの携帯用通信機器及びコンピューターのほとんど大部分に採用されている核心部品である。

また、内燃機関の排気によって発生される環境汚染問題を解決するための方法の一環として電気自動車の開発が進行している。これら電気自動車に二次電池を装着するため、経済性があって、高速充電が可能であり、安全性が高い高エネルギー密度の二次電池開発が要求されている。

二次電池は、負極材料や正極材料によって鉛蓄電池、ニッケル／カドミウム（Ｎｉ／Ｃｄ）電池、ニッケル／水素（Ｎｉ／ＭＨ）電池、リチウムイオン電池などがあり、電極材料の固有特性によって電位とエネルギー密度が決定される。特に、リチウムイオン電池は、リチウムの低い酸化還元電位と分子量によってエネルギー密度が高いために携帯用電子機器及び電気自動車の駆動電源として多く使われている。

ところで、略六面体で形成されたリチウムイオン電池の缶における底面の一対の短辺を缶の中心方向に圧縮するとき（縦圧縮時）の電池の安全性が問題になる。すなわち、従来のリチウムイオン電池では、縦圧縮の結果、リチウムイオン電池が任意の方向に畳まれるだけであり、内部ガスが放出されないだけでなく、電極組立体が電気的にショートされることがあるという問題があった。

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、縦圧縮時の安全性を向上させることが可能な、新規かつ改良されたリチウムイオン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、缶と、缶に収容された電極組立体と、缶を密封するキャップ組立体とを備え、缶は底面に相対的に厚さが薄い予備分離部が形成されることを特徴とするリチウムイオン電池が提供される。

上記予備分離部は、底面の長辺と離隔されて、長辺に平行に形成されてもよい。

上記予備分離部は、底面の長辺自体に形成されてもよい。

上記予備分離部は、連続した直線状の実線形態で形成されてもよい。

上記予備分離部は、不連続的で断続した点線又は破線形態で形成されてもよい。

上記予備分離部は、相互間離隔されつつ、相互間平行な一対であってもよい。

上記予備分離部は、底面の長辺と離隔されて、長辺に平行に形成されたノッチまたはトレンチであってもよい。

上記予備分離部は、底面の長辺自体に形成された段差であってもよい。

上記予備分離部は、底面の厚さに対して２０〜９０％の深さで形成されてもよい。

上記予備分離部は、底面の厚さが５ｍｍであるとき、０．１〜０．４５ｍｍの深さで形成されてもよい。

上記予備分離部は、底面の外部表面に形成されてもよい。

上記缶は、底面の長辺から垂直方向に延長された一対の長側面を有し、予備分離部は、底面及び長側面の境界領域に共通で形成されてもよい。

上記缶は、底面の短辺から垂直方向に延長された一対の短側面を有し、予備分離部は、一対の短側面を圧縮するとき分離されてもよい。

以上説明したように本発明によれば、缶の底面のうち長辺に予備分離部が形成されることで、電池の縦圧縮安全性が向上される。すなわち、本発明の一実施例によるリチウムイオン電池は、縦圧縮時に缶の底面に形成された予備分離部が迅速で正確に分離されることで、電池の縦圧縮安全性が向上される。

本発明の第一の実施形態に係るリチウムイオン電池を示す上部斜視図である。 同実施形態に係るリチウムイオン電池を示す下部斜視図である。 同実施形態に係るリチウムイオン電池を示す分解斜視図である。 同実施形態に係るリチウムイオン電池を示す正断面図である。 同実施形態に係るリチウムイオン電池を示す底面図である。 図３の４ａ−４ａ線で切断した断面図である。 図３の４ｂ−４ｂ線で切断した断面図である。 本発明の第二の実施形態に係るリチウムイオン電池を示す底面図である。 本発明の第三の実施形態に係るリチウムイオン電池を示す下部斜視図である。 同実施形態に係るリチウムイオン電池の缶を示す一部断面図である。 本発明の第四の実施形態に係るリチウムイオン電池を示す底面図である。 予備分離部が形成されたリチウムイオン電池の縦圧縮試験方法を示す説明図である。 予備分離部が形成されたリチウムイオン電池の縦圧縮試験方法及びその結果を示す説明図である。 予備分離部が形成されないリチウムイオン電池の縦圧縮試験方法を示す説明図である。 予備分離部が形成されないリチウムイオン電池の縦圧縮試験方法及びその結果を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な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。

（第一の実施形態）
まず図１ａ及び図１ｂを参照して、本発明の第一の実施形態に係るリチウム電池について説明する。図１ａ及び図１ｂは、本発明の第一の実施形態に係るリチウムイオン電池を示した上部斜視図及び下部斜視図である。

図１ａ及び図１ｂに示されたところのように、本発明の第一の実施形態に係るリチウムイオン電池１００は、おおよそ六面体形態の缶１１０と、該缶１１０の上部に結合されたキャップ組立体１３０を含む。

缶１１０は、底面１１１を含んで、底面１１１には縦圧縮時に迅速で正確に分離される一対の予備分離部１１７が形成されている。このような予備分離部１１７の構造及び機能は、下でより詳しく説明する。

キャップ組立体１３０は、缶１１０に結合されたキャッププレート１３１を含む。キャッププレート１３１には、相対的に厚さが薄い安全ベント１３１ｂが形成されることができる。安全ベント１３１ｂは、缶１１０の内部圧力が基準圧力より大きければ分離することで、内部ガスを外部に放出する。また、キャッププレート１３１には電解液注液口１３１ａを塞ぐプラグ１３２が結合されることができる。併せて、キャッププレート１３１には、絶縁ガスケット１３３が介された電極端子１３４が結合されている。なお、図１には一つの電極端子１３４が示されているが、このような電極端子１３４は複数個が具備されることもできる。

図２ａ及び図２ｂは、本発明の第一の実施形態に係るリチウムイオン電池を示した分解斜視図及び正断面図である。

図２ａ及び図２ｂに示したように、本発明の第一の実施形態に係るリチウムイオン電池１００は、缶１１０と、該缶１１０に収容される電極組立体１２０と、缶１１０に注入されてリチウムイオンの移動ができるようにする電解液（図示せず）と、缶１１０を塞いで電極組立体１２０及び電解液が外部に離脱されないようにするキャップ組立体１３０を含む。

缶１１０は、底面１１１、一対の長側面１１４及び一対の短側面１１５を含む。底面１１１は一対の長辺１１２と一対の短辺１１３を有する。また、底面１１１には、一対の予備分離部１１７が形成されている。一対の長側面１１４は、底面１１１の長辺１１２からおおよそ垂直方向に延長されている。一対の短側面１１５は、底面１１１の短辺１１３からおおよそ垂直方向に延長されている。そして、長側面１１４と短側面１１５はお互いに連結されている。さらに、缶１１０は、底面１１１と対向した上部に開口部１１６が形成されている。すなわち、缶１１０は、上部が開放されて内部が空いているおおよそ直方体の形態をする。缶１１０は、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、合金またはこれの等価物で形成されることができるし、ここでその材質を限定するものではない。

電極組立体１２０は、正極活物質（例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２））（図示せず。）を付着した正極板１２１、負極活物質（例えば、黒鉛）（図示せず。）を付着した負極板１２２、及び正極板１２１と負極板１２２との間に位置されて電気的ショートを防止してリチウムイオンの移動を可能にさせるセパレーター１２３で構成される。そして、正極板１２１、負極板１２２及びセパレーター１２３は、おおよそゼリーロール（jelly roll）形態で複数回巻取られて缶１１０の内部に収容される。正極板１２１は、例えばアルミニウム（Ａｌ）の金属箔、負極板１２２は例えば銅（Ｃｕ）の金属箔、セパレーター１２３は例えばポリエチレン（ＰＥ）、またはポリプロピレン（ＰＰ）である。なお、ここでその材質を限定するものではない。また、正極板１２１には上部方向に延長された正極リード１２１ａが接続されていて、負極板１２２にも上部方向に延長された負極リード１２２ａが接続されている。正極リード１２１ａは、例えばアルミニウム（Ａｌ）、負極リード１２２ａは、例えばニッケル（Ａｌ）である。なお、ここでその材質を限定するものではない。

電解液（図示せず）は、缶１１０の内部に注入されて、電極組立体１２０の正極板１２１と負極板１２２との間に位置する。このような電解液は、充放電時電池内部の正極板１２１及び負極板１２２で電気化学的反応によって生成されるリチウムイオンの移動媒体の役割を果たす。電解液は、例えば、リチウム塩と高純度有機溶媒類の混合物である非水質系有機電解液である。また、電解液高分子電解質を利用したポリマーでもよい。

一方、電極組立体１２０の上部を構成する部品として、缶１１０の開口部１１６には絶縁ケース１２９がさらに結合されてもよい。そして、絶縁ケース１２９には、負極リード１２２ａが貫通するようにリード通孔１２９ａが形成される。また、絶縁ケース１２９には、後述するキャッププレート１３１を通じて電解液を注入すれば、電極組立体１２０側に電解液が容易に流れるように電解液通孔１２９ｂも形成されることができる。

キャップ組立体１３０は、キャッププレート１３１、プラグ１３２、絶縁ガスケット１３３、電極端子１３４、絶縁プレート１３５及び端子プレート１３６を含む。キャッププレート１３１は、缶１１０の開口部１１６に結合されて、これは長辺と短辺を有する板形態でなされている。キャッププレート１３１の一側には電解液注液口１３１ａが形成される。プラグ１３２は、電解液注液口１３１ａに結合される。また、キャッププレート１３１の他側には相対的に厚さが薄い安全ベント１３１ｂが形成される。絶縁ガスケット１３３は、キャッププレート１３１のおおよそ中央に形成されたホール１３１ｃに結合される。電極端子１３４は、絶縁ガスケット１３３に形成されたホール１３３ｃに結合される。ここで、負極リード１２２ａは、電極端子１３４の底面に接続されることができる。併せて、正極リード１２１ａは、キャッププレート１３１の底面に接続されることができる。勿論、その反対の接続も可能である。絶縁プレート１３５は、キャッププレート１３１の底面に位置される。併せて、このような絶縁プレート１３５のホール１３５ｃには、図２ｂに示すように、絶縁ガスケット１３３の中央に形成された突端部が結合される。端子プレート１３６は、絶縁プレート１３５の底面に位置される。併せて、このような端子プレート１３６のホール１３６ｃには、電極端子１３４が結合される。

図３は、本発明の第一の実施形態に係るリチウムイオン電池を示した底面図である。

図３に示したように、缶の底面１１１は一対の長辺１１２と、該長辺１１２の両端部と連結する一対の短辺１１３を含む。長辺１１２は例えばおおよそ実線形態、すなわち連続した直線形態であり、短辺１１３は例えばおおよそラウンド（半円）形態である。なお、このような形態に限定されるものではない。また、缶１１０の底面１１１には長辺１１２と離隔されつつ、長辺１１２に平行な二つの予備分離部１１７が形成されている。すなわち、一対の予備分離部１１７がおおよそ直線形態で形成されている。いずれか一つの予備分離部１１７とそれに一番近い長辺１１２の間の離隔距離は一対の予備分離部１１７がなす離隔距離よりずっと近い。すなわち、予備分離部１１７は、相対的に長辺１１２に近く形成されている。したがって、缶１１０の両側に具備された短側面（短辺１１３を含む）を缶１１０の中心方向に圧縮したとき（これを「縦圧縮」で定義する）、予備分離部１１７にストレスが集中することで、結局予備分離部１１７が分離されて、また缶１１０の長側面１１４が缶１１０の中心から遠くなる。このように、電池の縦圧縮時に予備分離部１１７が速かで正確に分離することで、電池の縦圧縮安全性が向上する。

併せて、図面に示されていないが、場合によって予備分離部１１７は、長辺１１２だけでなく、短辺１１３と対応される領域にも共に形成されることができる。

図４ａは、図３の４ａ−４ａ線で切断した断面図であり、図４ｂは、図３の４ｂ−４ｂ線で切断した断面図である。

図４ａ及び図４ｂに示したように、予備分離部１１７は長辺１１２と離隔されて、長辺１１２に平行に形成されたノッチ（notch）またはトレンチ（trench）であることができる。予備分離部１１７の断面形状は、図４ｂを参照すると、例えば四角形態で示されているが、このような形状で限定されるものではない。すなわち、予備分離部１１７の断面形状は、三角形、四角形、半円形及びその等価形態のうちから選択されたいずれか一つで可能である。また、予備分離部１１７の断面形状は、予備分離部１１７の底面が狭く、開口側が底面に比べて広い四角形でもよいし、反対に予備分離部１１７の底面が広く、開口側が底面に比べて狭い四角形でもよい。

ここで、予備分離部１１７の深さは、底面１１１の全体厚さに対しておおよそ２０〜９０％の深さで形成されることができる。予備分離部１１７の深さが底面１１１の厚さに対しておおよそ２０％未満であると、縦圧縮時に予備分離部１１７が比較的遅く分離されることがある。なお、上述の数値で本発明は限定されない。また、予備分離部１１７の深さが底面１１１の厚さに対しておおよそ９０％を超過すれば、縦圧縮時に予備分離部１１７が比較的早く分離されることがある。なお、上述の数値で本発明は限定されない。

一例で、底面１１１の厚さがおおよそ５ｍｍであるとき、予備分離部１１７の厚さは、０．１〜０．４５ｍｍであることがある。なお、このような数値で本発明は限定されない。

また、缶１１０は、通常深絞り（deep drawing）工程で形成されるので、長側面１１４及び短側面１１５と比べて底面１１１の厚さが相対的にさらに厚い。ところが、上述したように底面１１１に相対的に厚さが薄い予備分離部１１７が形成されることで、電池の縦圧縮時に底面１１１が容易に分離する。

（第二の実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の第二の実施形態に係るリチウムイオン電池について説明する。図５は、本発明の第二の実施形態に係るリチウムイオン電池を示した底面図である。

図５に示されたところのように、予備分離部２１７は底面１１１の長辺１１２と離隔されつつ、長辺１１２に平行な点線又は破線形態で形成されることができる。すなわち、予備分離部２１７が連続的な実線形態ではない不連続的な断続した直線形態で形成されることができる。このように構成することによって、リチウムイオン電池２００は、縦圧縮時に予備分離部２１７の分離時期をより精巧に調整することができる。すなわち、点線又は破線形態の予備分離部２１７のピッチを調整することで、電池特性に合う予備分離部２１７の分離時期を調整することができる。

（第三の実施形態）
次に、図６ａ及び図６ｂを参照して、本発明の第三の実施形態に係るリチウムイオン電池について説明する。図６ａ及び図６ｂは、本発明の第三の実施形態に係るリチウムイオン電池を示す下部斜視図及び缶の一部断面図である。

図６ａ及び図６ｂに示したように、予備分離部３１７は、底面１１１の長辺１１２に沿って形成されることができる。すなわち、予備分離部３１７は、底面１１１の長辺１１２自体に形成されることができる。ここで、底面１１１の長辺１１２は二つであるので、予備分離部３１７も二つが形成されることができる。

実質的に、底面１１１の長辺１１２は、長側面１１４と連結される境界領域であるので、予備分離部３１７は底面１１１と長側面１１４の境界領域に共通で形成される。このとき、予備分離部３１７のうちで最も薄い部分は、底面１１１に形成されるようにすることで、缶１１０の縦圧縮時に底面１１１が容易に分離されるようにする。

このようにして、リチウムイオン電池３００は、縦圧縮時に底面１１１と長側面１１４の境界領域に形成された予備分離部３１７が分離される。実質的にストレスに最も脆弱な底面１１１と長側面１１４の境界領域に予備分離部１１７が形成されることで、電池の縦圧縮安全性がより向上される。

（第四の実施形態）
次に、図７を参照して、本発明の第四の実施形態に係るリチウムイオン電池について説明する。図７は、本発明の第四の実施形態に係るリチウムイオン電池を示す底面図である。

図７に示したように、予備分離部４１７は、底面１１１と長側面１１４の境界領域に沿って点線又は破線形態で形成されることができる。すなわち、予備分離部４１７が連続的な実線形態ではなく不連続的な断続した直線形態で形成されることができる。このように構成することによって、リチウムイオン電池４００は、縦圧縮時に予備分離部４１７の分離時期をより精巧に調整することができる。すなわち、点線形態の予備分離部４１７のピッチを調整することで、電池特性に合う予備分離部４１７の分離時期を調整することができる。

（リチウムイオン電池の縦圧縮試験方法及び結果）
次に、図８ａ、図８ｂ、図９ａ及び図９ｂを参照して、リチウムイオン電池の縦圧縮試験方法及び結果について説明する。
図８ａ及び図８ｂは、予備分離部が形成されたリチウムイオン電池の縦圧縮試験方法及び結果を示したものである。

図８ａに示したように、下部ダイ５０１と上部ダイ５０２との間に予備分離部１１７が形成されたリチウムイオン電池１００を縦方向に位置させる。すなわち、下部ダイ５０１と上部ダイ５０２にそれぞれリチウムイオン電池１００の短辺１１３が接触するようにする。言い換えて説明すれば、缶１１０の短側面１１５が下部ダイ５０１と上部ダイ５０２にそれぞれ接触されるようにする。

図８ｂに示したように、下部ダイ５０１と上部ダイ５０２は、お互いに近接するように強制に移動される。そうすると、底面１１１に形成された予備分離部１１７にストレスが集中しながら、予備分離部１１７が分離されて、一対の長側面が結局お互いに遠くなる方向に変形される。そして、この変形によって缶１１０の内部に位置する電極組立体１２０もお互いに遠くなる方向に変形される。よって、缶１１０の内部ガスが安定的に外部に放出されるだけでなく、電極組立体１２０の電気的ショート現象も予防することができる。言い換えて説明すれば、リチウムイオン電池１００の縦圧縮安全性が向上される。

図９ａ及び図９ｂは、予備分離部が形成されないリチウムイオン電池の縦圧縮試験方法及び結果を示したものである。

図９ａ及び図９ｂに示したように、予備分離部が形成されないリチウムイオン電池１００’を下部ダイ５０１と上部ダイ５０２との間において短辺１１３’を縦圧縮する場合、底面１１１’が分離されない。言い換えて説明すれば、底面１１１’をなす長辺１１２’が分離されない。その結果、図９ｂに示すようにリチウムイオン電池１００’が任意の方向に畳まれるだけである。よって、予備分離部が形成されないリチウムイオン電池１００’の場合、内部ガスが放出されないだけでなく、電極組立体が電気的にショートされることがある。すなわち、予備分離部が形成されないリチウムイオン電池は縦圧縮安全性が落ちる。

以上、本発明の第一〜第四の実施形態に係るリチウムイオン電池は、缶の底面のうち長辺に平行に、または長辺自体に予備分離部が形成されることで、電池の縦圧縮安全性が向上される。すなわち、本実施形態によれば、縦圧縮時に缶の底面に形成された予備分離部が迅速で正確に分離されることで、電池の縦圧縮安全性が向上される。

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。

１００，２００，３００，４００ リチウムイオン電池
１１０ 缶
１１１ 底面
１１２ 長辺
１１３ 短辺
１１４ 長側面
１１５ 短側面
１１６ 開口部
１１７，２１７，３１７，４１７ 予備分離部
１２０ 電極組立体
１２１ 正極板
１２２ 負極板
１２３ セパレーター
１２９ 絶縁ケース
１２９ａ リード通孔
１２９ｂ 電解液通孔
１３０ キャップ組立体
１３１ キャッププレート
１３１ａ 注液口
１３１ｂ 安全ベント
１３２ プラグ
１３３ 絶縁ガスケット
１３４ 電極端子
１３５ 絶縁プレート
１３６ 端子プレート

Claims (9)

1. 缶と、
   前記缶に収容された電極組立体と、
   前記缶を密封するキャップ組立体と、
   を備え、
   前記缶は、一対の長辺および前記長辺の両端部と連結する一対の短辺を有する底面と、前記底面の短辺から垂直方向に延長された一対の短側面を備え、
   前記底面に相対的に厚さが薄い予備分離部が形成され、
   前記予備分離部は、前記底面の長辺に沿って、不連続的で断続した点線又は破線形態で形成され、前記一対の短側面を圧縮するときに分離されることを特徴とする、リチウムイオン電池。
2. 前記予備分離部は、前記底面の長辺と離隔されて、前記長辺に平行に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
3. 前記予備分離部は、前記底面の長辺自体に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
4. 前記予備分離部は、相互間離隔されつつ、相互間平行な一対であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
5. 前記予備分離部は、前記底面の長辺自体に形成された段差であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
6. 前記予備分離部は、前記底面の厚さに対して２０〜９０％の深さで形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池。
7. 前記予備分離部は、前記底面の厚さが５ｍｍであるとき、０．１〜０．４５ｍｍの深さで形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池。
8. 前記予備分離部は、前記底面の外部表面に形成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池。
9. 前記缶は、前記底面の長辺から垂直方向に延長された一対の長側面を有し、
   前記予備分離部は、前記底面及び前記長側面の境界領域に共通で形成されることを特徴とする、請求項１に記載のリチウムイオン電池。
   

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