JP5645243B2 - 二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池は、ベアセルおよび保護回路モジュールで構成されるコアパックを含むことができる。
ベアセルは、正極板、負極板、電解質およびセパレータで構成され、外部電子機器に電源を供給し、充放電を繰り返して使用することができる。保護回路モジュールは、過充電および過電流から二次電池を保護し、且つ過放電による性能の低下を防止することができる。
近年、電子製品の小型化に伴い、二次電池もそれ自体のサイズを小さくしつつ、容量密度を高めることが重要な課題となっている。
本発明の目的は、二次電池の構造の簡素化および小型化により容量密度を高め、製造工程および製造コストを低減できる二次電池を提供することにある。
本発明が解決しようとする課題は上述した技術的課題に制限されず、言及していない他の技術的課題は、下の記載から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が明確に理解できるであろう。
本発明の一実施例に係る二次電池は、缶、電極組立体、およびキャップ組立体を含むベアセルを含み、キャップ組立体は保護回路組立体を含む。
また、保護回路組立体は保護回路プレートを含み、前記保護回路プレートは、前記缶の開口部を覆うように位置し金属からなる第１プレート、および前記第１プレートの上部に位置し絶縁層および導電性金属パターンを含む第２プレートを含む。
また、第２プレートの下面と前記第１プレートの上面は接触する。
また、第２プレートの両短側部はそれぞれ前記第１プレートの両短側部の内側に位置する。
また、第２プレートの両長側部はそれぞれ前記第１プレートの両長側部の内側に位置する。
また、第１プレートの最外周部は前記缶の上端部と溶接される。
また、第１プレートは例えばアルミニウムからなる。
また、第２プレートは例えばエポキシ材質からなる。
また、第２プレートは例えば可撓性印刷回路基板である。
また、第２プレートの下面には、前記第１プレートと前記導電性金属パターンを電気的に接続させる端子部が位置する。
また、第２プレート上には、導電性金属パターンと電気的に接続され、前記ベアセルを外部素子と電気的に接続する充放電端子部が位置する。
また、充放電端子部はハウジングおよび充放電端子を含み、前記充放電端子は前記第２プレートに表面実装される。
また、ハウジングは例えば絶縁材料からなり、前記充放電端子は例えば複数枚の金属板からなる。
また、保護回路組立体は、前記保護回路組立体の中央領域に形成された端子孔および前記端子孔に挿入される電極端子を含む。
また、第２プレート上には、前記電極端子および前記導電性金属パターンと電気的に接続されるリードプレートが位置する。
また、第２プレート上には、導電性金属パターンと電気的に接続される保護回路素子が位置する。
また、第２プレートと前記充放電端子部との間には保護回路素子が位置する。
本発明の実施例に係る二次電池は、従来の保護回路モジュールをキャップ組立体に構成させることによりベアセルと保護回路モジュールを一体化させることができ、簡素な構造を有する二次電池の製造が可能である。
また、従来の缶の開口部を閉塞するキャッププレートを保護回路組立体の基板に採択することにより、従来の保護回路基板と呼ばれる別途の基板を除き二次電池の小型化を図り、製造工程を簡略化させることができる。
また、別途の保護回路モジュールが除かれることにより、従来の保護回路モジュールとベアセルを接続させるためのリードプレートが除かれ、リードプレートによる保護回路モジュールとベアセルとの間の不要な空間を除き、二次電池を小型化させて容量密度を高めることができる。
また、従来のリードプレートが除かれることにより、リードプレートをベアセルまたは保護回路モジュールに接続させるための半田付けおよび溶接工程を省略し、二次電池の製造コストおよび工程を低減できる。
本発明の実施例に係る二次電池の分解斜視図である。 本発明の実施例に係る二次電池におけるベアセルの分解斜視図である。 本発明の実施例に係る二次電池における保護回路組立体の斜視図である。 本発明の実施例に係る二次電池の断面図である。
後述する実施例の具体的な事項は詳細な説明および図面に含まれている。本発明の利点および特徴、そしてそれらを達成する方法は添付の図面と共に詳しく後述する実施例を参照すれば明確になるであろう。明細書全体に亘って同一な構成要素に対しては同一な符号を付す。
以下、添付の図面を参照して本発明の多様な実施例に係る二次電池について詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
図１は本発明の実施例に係る二次電池の分解斜視図である。
図１に示すように、本発明の実施例に係る二次電池は、缶１００、電極組立体２００およびキャップ組立体３００を含むベアセル１０００を含む。また、二次電池は、ラベル４１０、上部ケース４２０および下部ケース４３０を含む。キャップ組立体３００は、二次電池の過充放電、過電流などから二次電池を保護する保護回路組立体３１０を含む。本発明の二次電池は、二次電池の安全機能を担う保護回路モジュールをキャップ組立体３００と一体化させることにより、構造が簡素化され、効率的な製造が可能となる。
図２は本発明の実施例に係る二次電池におけるベアセルの分解斜視図である。
図２に示すように、ベアセル１０００は、缶１００、缶１００の内部に収容される電極組立体２００、缶１００の開口部１００ａを覆うキャップ組立体３００を含む。
前記缶１００は，略直六面体の形状を有し、一側部が開口された開口部１００ａを含むことができる。缶１００は、例えば金属材料からなり、それ自体が端子としての役割を遂行できる。前記缶１００には前記開口部１００ａにより後述の電極組立体２００が挿入される。
前記電極組立体２００は、第１電極板２１０、第２電極板２２０、セパレータ２３０を含む。また、電極組立体２００は、第１電極板２１０と第２電極板２２０との間にセパレータ２３０が位置し、渦巻き(Ｊｅｌｌｙ-Ｒｏｌｌ)状に巻回される。
前記第１電極板２１０は、第１電極集電体(図示せず)および第１電極活物質層(図示せず)からなる。第１電極集電体の一側には第１電極タブ２１０ａが設けられ、缶１００の開口部１００ａの方向に突出する。
前記第２電極板２２０は、第２電極集電体(図示せず)および第２電極活物質層(図示せず)からなる。第２電極集電体の一側には第２電極タブ２２０ａが設けられ、缶１００の開口部１００ａの方向に突出する。第２電極タブ２２０ａは例えば銅(Ｃｕ)またはニッケル(Ｎｉ)等からなる。第１電極板２１０が正極の場合は第２電極板２２０は負極となり、第１電極板２１０が負極の場合は第２電極板２２０は正極となる。以下では、第１電極板２１０を正極、第２電極板２２０を負極として実施例について説明する。
前記セパレータ２３０は、例えばポリエチレン(ＰＥ)、ポリプロピレン(ＰＰ)またはこれらの複合フィルムを使用した多孔性膜からなる。セパレータ２３０は、電極組立体２００において第１電極板２１０と第２電極板２２０との電子の伝導を遮断し、リチウムイオンの移動を円滑にさせることができる。セパレータ２３０は、第１電極板２１０と第２電極板２２０との接触を防止する役割の外に、外部ショートなどによってバッテリパックの温度が上昇した時にシャットダウン(Ｓｈｕｔ-ｄｏｗｎ)等により温度の上昇を防止する役割をする。
前記キャップ組立体３００は、保護回路組立体３１０、絶縁プレート３２０、ターミナルプレート３３０、電極端子３４０、ガスケット３５０を含む。キャップ組立体３００は、別途の絶縁ケース３６０と共に缶１００の開口部１００ａで缶１００と結合することにより、缶１００を密封できる。絶縁ケース３６０には電解液が電極組立体２００へ注入されるように孔が形成される。
前記保護回路組立体３１０は、缶１００の開口部１００ａで缶１００と結合することにより、缶１００を密封できる。保護回路組立体３１０は過充放電および過電流から二次電池を保護することができる。保護回路組立体３１０は、保護回路プレート３１１、端子部３１４、充放電端子部３１５、保護回路部、リードプレート３１７および電解液注入孔を含む。保護回路組立体３１０についての説明は図３および図４を参照して詳しく後述する。
前記絶縁プレート３２０は、板状からなり、第１プレート３１２の下部に位置し、例えば絶縁物質からなる。
前記ターミナルプレート３３０は、板状からなり、絶縁プレート３２０の下部に位置し、例えばニッケルまたはニッケル合金からなる。絶縁プレート３２０およびターミナルプレート３３０には、それぞれ保護回路プレート３１１の端子孔３１０ａと対応する領域に、ガスケット３５０および電極端子３４０が挿入される端子孔３２０ａ、３３０ａが形成される。
前記電極端子３４０は、端子孔３１０ａ、３２０ａ、３３０ａを通過して保護回路組立体３１０、絶縁プレート３２０およびターミナルプレート３３０に挿入される。電極端子３４０は第２電極タブ２２０ａと接触して電気的に接続される。これにより、電極端子３４０は第２電極板２２０と同一の極性を有することができる。
前記ガスケット３５０は、電極端子３４０が保護回路組立体３１０の端子孔に挿入される時、電極端子３４０と保護回路プレート３１１との絶縁のために電極端子３４０と保護回路プレート３１１との間に位置することができる。
以下、図３および図４によって保護回路組立体およびそれを含むキャップ組立体の構造について詳しく説明する。
図３は本発明の実施例に係る二次電池における保護回路組立体の斜視図であり、図４は本発明の実施例に係る二次電池の断面図である。
図３および図４に示すように、前記保護回路組立体３１０は、缶の開口部１００ａで缶１００と結合することにより缶１００を密封し、過充放電および過電流から二次電池を保護することができる。保護回路組立体３１０は、保護回路プレート３１１、端子部３１４、充放電端子部３１５、保護回路部、リードプレート３１７を含む。
前記保護回路プレート３１１は第１プレート３１２および第２プレート３１３を含む。保護回路プレート３１１の中央領域には端子孔３１０ａが形成され、端子孔３１０ａを通過して電極端子３４０およびガスケット３５０が挿入される。保護回路プレート３１１の一側には電解液注入孔３１０ｂが形成され、電解液密封栓３１８は、電解液注入孔３１０ｂを通じて電解液が注入された後に電解液注入孔３１０ｂを密封できる。
前記第１プレート３１２は、缶１００の開口部１００ａを覆うように缶１００の上端部１００ｂと対応する板状構造を有し、金属、望ましくはアルミニウムからなる。第１プレート３１２は、第１プレート３１２の下面と第１電極タブ２１０ａが接触して相互電気的に接続される。これにより、第１プレート３１２は第１電極板２１０と同一の極性を有することができる。第１プレート３１２の一面には安全ベント(図示せず)がさらに形成される。安全ベントは、第１プレート３１２の一面に溝の形態で形成され、ベアセル１０００の内部に高圧ガスが発生すると同時に、破裂してガスを外部に放出させることができる。第１プレート３１２の最外周部３１２ａは、第１プレート３１２の周りに沿って缶の上端部１００ｂと溶接することにより、缶１００を密封できる。
前記第２プレート３１３は第１プレート３１２の上部に位置し、より詳しくは、第２プレート３１３は第２プレート３１３の下面と第１プレート３１２の上面が相互接触するように位置する。第２プレート３１３は第１プレート３１２の形状と対応する板状構造を有し、絶縁層および導電性金属パターンを含む。導電性金属パターンは、絶縁層の内部で端子部３１４、充放電端子部３１５、保護回路素子３１６およびリードプレート３１７と電気的に接続される。この場合、絶縁層の上部には、導電性金属パターンと接続され充放電端子部３１５、保護回路素子３１６およびリードプレート３１７をマウントさせるための端子が別途に備えられるが、図面では示さない。また、導電性金属パターンは、絶縁層の上部にだけパターニングされて形成されることも可能である。この場合、導電性金属パターンは、それ自体に充放電端子部３１５、保護回路素子３１６およびリードプレート３１７とマウントされる端子を含み、端子部３１４は、絶縁層の内部に形成されたビアホール(Ｖｉａ ｈｏｌｅ)およびビアホールに形成された導線により導電性金属パターンと電気的に接続される。絶縁層は、絶縁材としての役割ができる材料であれば制限がないが、望ましくはエポキシ系の樹脂などを用いることができ、導電性金属パターンは例えば銅からなる。第２プレート３１３は、例えば印刷回路基板(ＰＣＢ)であり、それ自体の厚さを減少させるために可撓性印刷回路基板を採用することもできる。第２プレート３１３の両短側部はそれぞれ第１プレート３１２の両短側部より内側に位置し、第２プレート３１３の両長側部はそれぞれ第１プレート３１２の両長側部より内側に位置する。これにより、上述したように、第１プレート３１２の最外周部３１２ａは、第２プレート３１３の最外周部との段差が形成され、第１プレート３１２の最外周部３１２ａは缶１００の上端部１００ｂと溶接される。ここで長側部とは、図３を基準に第１プレートまたは第２プレートにおいて長さの長い方の側部を意味し、短側部とは、図３を基準に第１プレートまたは第２プレートにおいて曲率を有する長さの短い方の側部を意味する。
前記端子部３１４は、前記第２プレート３１３の下面に位置し、第１プレート３１２と導電性金属パターンを電気的に接続させることができる。
前記充放電端子部３１５は、第２プレート３１３の上面に位置し、導電性金属パターンと電気的に接続される。より詳しく説明すると、充放電端子部３１５の上部と第２プレート３１３は一定距離で離隔されて溝が形成される。充放電端子部３１５は、短辺と平行な方向に切った断面が“П”形状を有するように形成されたハウジング３１５ａと、正極、抵抗、負極としての役割をする複数枚の金属板からなる充放電端子３１５ｂとを含む。ハウジング３１５ａは例えば絶縁材料からなり、充放電端子３１５ｂは例えばリン青銅に金をメッキしてなる。充放電端子部３１５は第２プレート３１３の長辺側に表面実装される。充放電端子部３１５は、外部素子とベアセル１０００を電気的に接続することにより、外部素子とベアセル１０００と間の電気的通路としての役割をする。
前記保護回路素子３１６は、第２プレート３１３上に位置し、導電性金属パターンと電気的に接続される。同図では、保護回路素子３１６は、第２プレート３１３上において電極端子３４０を基準に端子部３１４が位置している側に形成されたものと図示されているが、保護回路素子３１６は、第２プレート３１３と充放電端子部３１５との間の空間に位置し、第２プレート３１３上にＰＴＣ(Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ)素子などの安全素子がさらに実装できる空間をさらに確保することができる。保護回路素子３１６は、二次電池の充放電状態および電流、電圧、温度などの情報を点検して、二次電池を保護する役割を遂行できる。
前記リードプレート３１７は、第２プレート３１３上に位置し、電極端子３４０および導電性金属パターンと電気的に接続される。リードプレート３１７は、第２プレート３１３と半田付けされる部分、電極端子３４０と溶接される部分、前記半田付け部分と溶接部分を連結する部分で構成される。
二次電池において、二次電池の安全機能を担う保護回路モジュールは、ベアセルと別個に構成され、別途の正極リードプレートによりベアセルと機械的、電気的に接続される。これは保護回路モジュールとベアセルを接続させるための工程が必要であり、相互別個に構成されるので、落下などの衝撃によって分離される可能性が高い。特に、正極リードプレートは、保護回路モジュールとベアセルとの間に一定の離隔空間を形成させた状態で、保護回路モジュールおよびベアセルと半田付けされるか、或いは溶接される。これにより、ベアセルと保護回路モジュールの電気的な接続のために不要な空間が形成され、これは二次電池１０の小型化を阻害する恐れがある。
しかしながら、本発明の一実施例に係る二次電池は、保護回路モジュールに構成される素子をキャップ組立体３００、より詳しくはキャッププレートとしての役割をする第１プレート３１２上に構成させることにより、ベアセルと保護回路モジュールを一体化させることができ、これにより簡素な構造の二次電池の製造が可能である。これは缶の開口部１００ａを閉塞する第１プレート３１２を保護回路組立体のベース基板として採択することにより、従来の保護回路基板と呼ばれる別途の基板を除くことができるので、二次電池の小型化を図り、製造工程を簡略化させることができる。
また、別途の保護回路モジュールが除かれることにより、保護回路モジュールとベアセルを接続させるためのリードプレートが除かれ、リードプレートによる保護回路モジュールとベアセルとの間の不要な空間を除いて二次電池を小型化させ、容量密度を高めることができるという効果がある。
また、リードプレートが除かれることにより、リードプレートをベアセルまたは保護回路モジュールに接続させるための半田付けおよび溶接工程を省略し、二次電池の製造コストおよび工程を低減できるという効果がある。

Claims (11)

  1. 缶、電極組立体およびキャップ組立体を含むベアセル、を含み、前記キャップ組立体は保護回路組立体を含み、
    前記保護回路組立体は保護回路プレートを含み、
    該保護回路プレートは、前記缶の開口部を覆うように位置し、金属からなる第１プレートと、該第１プレートの上部に位置し、絶縁層および導電性金属パターンを含み、エポキシ材質からなる第２プレートと、を含み、
    前記第２プレートの両短側部は、それぞれ前記第１プレートの両短側部の内側に位置し、前記第２プレートの両長側部は、それぞれ前記第１プレートの両長側部の内側に位置し、
    前記第２プレートの外側に露出した前記第１プレートの最外周部は、前記ベアセルの缶の上端部と溶接により固定され、
    前記第２プレートの下面と前記第１プレートの上面は接触する、ことを特徴とする二次電池。
  2. 前記第１プレートはアルミニウムからなることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記第２プレートは可撓性印刷回路基板であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  4. 前記第２プレートの下面には、前記第１プレートと前記導電性金属パターンを電気的に接続させる端子部が位置することを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  5. 前記第２プレート上には、導電性金属パターンと電気的に接続され、前記ベアセルを外部素子と電気的に接続する充放電端子部が位置することを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  6. 前記充放電端子部はハウジングおよび充放電端子を含み、前記充放電端子は前記第２プレートに表面実装されることを特徴とする請求項５に記載の二次電池。
  7. 前記ハウジングは絶縁材料からなり、前記充放電端子は複数枚の金属板からなることを特徴とする請求項６に記載の二次電池。
  8. 前記保護回路組立体は、前記保護回路組立体の中央領域に形成された端子孔および前記端子孔に挿入される電極端子を含むことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  9. 前記第２プレート上には、前記電極端子および前記導電性金属パターンと電気的に接続されるリードプレートが位置することを特徴とする請求項８に記載の二次電池。
  10. 前記第２プレート上には、導電性金属パターンと電気的に接続される保護回路素子が位置することを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  11. 前記第２プレートと前記充放電端子部との間には保護回路素子が位置することを特徴とする請求項５に記載の二次電池。
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