JP5657884B2 - 改善された安全性を有する二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、改善された安全性を有する二次電池に関し、より具体的には、バッテリーケースの受容部内に受容される電極アセンブリを有する二次電池であって、電極アセンブリは、複数の陽極及び陰極が相互に積み重ねられる一方、セパレータがそれぞれの陽極と陰極との間に配置される構造で構成され、積み重ねられた陽極及び陰極から延在している電極タップが電極リードに結合され、
バッテリーケースの受容部は、バッテリーケースの受容部の内側上端部の少なくとも１部が、電極アセンブリの上端に密接した状態になるように、その外側上端に凹陥ステップが設けられることを特徴とする二次電池に関する。

携帯用装置がますます発達し、そのような携帯用装置の需要が増加するにつれて、バッテリーの需要は、携帯用装置のためのエネルギー源として急激に増加している。また、様々な必要性を満たすバッテリーの研究は、行われている。

バッテリーの形状に関して、携帯電話などの製品に使用されるのに十分薄い角型の二次電池（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒ）又はパウチ形状の二次電池の需要は、非常に高い。バッテリーのための材料に関して、高いエネルギー密度、高い放電電圧、及び高い出力安定性を有するリチウムイオンポリマー電池などのリチウム二次電池の需要は、非常に高い。

さらに、二次電池は、陽極／セパレータ／陰極の構造を有する電極アセンブリの構成に基づいて分類されることができる。例えば、電極アセンブリは、ロングシート型の陽極及び陰極が屈曲される一方、セパレータがそれぞれの陽極と陰極との間に配置されるジェリーロール（屈曲）型の構造、所定の大きさを有する複数の陽極及び陰極が相互に連続的に積み重ねられる一方、セパレータがそれぞれの陽極と陰極との間に配置される積み重ね型の構造、又は、所定の大きさを有する複数の陽極及び陰極が相互に連続的に積み重ねられる一方、セパレータが、バイセル（ｂｉ−ｃｅｌｌ）又はフールセル（ｆｕｌｌ−ｃｅｌｌ）を構成するように、それぞれの陽極と陰極の間に配置され、次いでバイセル又はフールセルが屈曲される積み重ね／折り畳み型の構造で、構成されることができる。

近年、大きな関心は、低い製造コスト、軽量、形状の容易な改変のために、アルミニウムの積層シートからなるパウチ形状のバッテリーケース内に取り付けられた積み重ね型電極アセンブリ又は積み重ね／折り畳み型電極アセンブリなどを有するパウチ形状のバッテリーを含み、その結果、パウチ形状のバッテリーの使用を徐々に増加させる。

図１は、従来のパウチ形状の二次電池の一般的な構造を図示する分解斜視図である。

図１を参照すると、パウチ形状の二次電池１０は、電極アセンブリ３０、電極アセンブリから延在している電極タップ４０及び５０と、電極タップ４０及び５０にそれぞれ溶接された電極リード６０及び７０と、電極アセンブリ３０を受容するためのバッテリーケース２０と、を含む。電極アセンブリ３０は、相互に連続して積み重ねられる一方、セパレータがそれぞれの陽極と陰極との間に配置される陽極及び陰極を備える電力発生要素である。

電極アセンブリ３０は、積み重ね構造又は積み重ね／折り畳み構造で構成される。電極タップ４０及び５０は、電極アセンブリ３０の電極プレートから延在する。電極リード６０及び７０は、例えば、溶接によって、電極アセンブリ３０の電極プレートから延在している複数の電極タップ４０及び５０に電気的に接続される。電極リード６０及び７０は、バッテリーケース２０の外側に部分的に露出される。バッテリーケース２０と電極リード６０及び７０との間の密封性を改善するために、同時に、バッテリーケース２０と電極リード６０及び７０との間の電気的な絶縁を達成するために、電極リード６０及び７０の上面及び下面に絶縁フィルム８０を部分的に取り付ける。

バッテリーケース２０は、アルミニウムの積層シートからなる。バッテリーケース２０は、電極アセンブリ３０を受容するための空間を有する。バッテリーケース２０は一般的に、パウチ形状で形成される。電極アセンブリ３０が図１に示されるように積み重ねタイプの電極アセンブリである場合において、バッテリーケース２０の内側上端部は、複数の陽極タップ４０及び複数の陰極タップ５０がそれぞれ電極リード６０及び７０に結合されることができるように、電極アセンブリ３０から離隔される。

図２は、図１に示された二次電池のバッテリーケースの内側上端部を図示する拡大断面図であり、陽極タップが、集中された状態で互いに結合され、且つ陽極リードに接続される。図３は、二次電池を図示する前面透視図である。

それらの図面を参照して、電極アセンブリ３０の陽極コレクタ４１から延在する複数の陽極タップ４０は、例えば、溶接によって互いに陽極タップ４０を一体に組み合せることによって構成された溶接されたバンチ（ｗｅｌｄｅｄ ｂｕｎｃｈ）の形態で、陽極リード６０の一の端部に接続される。陽極リード６０は、バッテリーケース２０によって密封される一方、陽極リード６０の他端６１は、バッテリーケース２０の外側に露出される。複数の電極タップが、溶接されたバンチを構成するように、互いに組み合わせられるので、バッテリーケース２０の内側上端部は電極アセンブリ３０の上端面から所定の距離を離間され、溶接されたバンチの形態で組み合わせられた電極タップ４０は、略Ｖ字の形状で屈曲される。本明細書の以降では、電極タップと電極リードとの間の結合領域は、“Ｖ字形状の領域”として言及されるであろう。

しかしながら、バッテリーがバッテリーの上端、すなわち、バッテリーの陽極リード６０とともに下に落ちる、又は、外部物理的な力が外部バッテリーの上端に作用される場合、電極アセンブリ３０は、バッテリーケース２０の内側上端部に向けて移動し、又はバッテリーケース２０の内側上端部が破壊される。結果として、電極アセンブリ３０の陰極は、陽極タップ４２又は陽極リード６１に接触した状態になり、それ故に、短絡がバッテリー内部で発生する場合がある。その結果として、バッテリーの安全性は非常に低下する。

上記の問題を解決するために、本発明は、バッテリーケースの受容部におけるＶ字形状の領域が所定の形状に改変される構造を提供する。

このケースに関連して、バッテリーケースの受容部を改変するための技術は、提案されている。例えば、特許文献１は、複数の溝及び平坦部が、バッテリーケースの垂直方向断面を見る場合に台形形状に構成されたバッテリーケースの受容部の側部に沿って形成され、それによって、電極アセンブリがバッテリーケースの受容部の内部表面に密接する状態になることができる構造を開示される。しかしながら、開示された技術は、相対的に低い高さを有する溝及び平坦部がバッテリーケースの側部に形成されなければならないという欠陥を有し、それ故に、溝及び平坦部を形成することが困難である。開示された技術を使用する場合、（例えば、ジェリーロール型の角形バッテリーなどの）構造的にＶ字形状の領域を有さないバッテリー内でバッテリーケースに対する電極アセンブリの取り付けを改善することが可能になる。しかしながら、開示された技術が、上述されているように、電極タップと電極リードとの間の結合部のためのＶ字状の領域を有するバッテリー内の電極タップに向けての電極アセンブリの移動を制限することができないことは、証明されている。

その結果として、バッテリーの容量及び操作に貢献しないＶ字状の領域を効率的に利用し、且つ電極アセンブリの移動のために短絡の発生を防止するバッテリーを製造するための技術が、非常に必要とされている。
特開２００２−２００５８４号明細書 韓国特許公開第２００１−００８２０５８号明細書 韓国特許公開第２００１−００８２０５９号明細書 韓国特許公開第２００１−００８２０６０号明細書

それ故に、本発明は、上記の問題及びさらに解決しなければならない問題を解決させる。

上記のように、問題を解決するべき広範囲且つ内包的な研究及び実験の結果として、本出願の発明者は、電極アセンブリを有する二次電池において、それらに取り付けられた電極タップ−電極リード結合部（Ｖ字状の領域）を含み、Ｖ字状の領域に対応するバッテリーケースの受容部は、特定の形状に改変され、それによって、電極アセンブリがバッテリーケースに密接する状態になることができ、バッテリーの容量及び操作に貢献しないＶ字状の領域は、効率的に利用され、二次電池に対する外力の作用、例えば、二次電池の落下のために、二次電池の内部における短絡の発生は妨げられるという結果と共に、バッテリーケースの形状は容易に改変され、それ故に、二次電池の安全性は、さらに改善されることを開示している。本発明は、上述される開示に基づいて、完成される。

本発明によれば、上記の目的及び他の目的は、バッテリーケースの受容部内に受容される電極アセンブリを有する二次電池であって、電極アセンブリが複数の陽極及び陰極が相互に積み重ねられる一方、セパレータがそれぞれの陽極と陰極との間に配置される構造で構成され、積み重ねされた陽極及び陰極から延在されている電極タップは、電極リードに結合され、バッテリーケースの受容部内には、その外側上部に凹陥ステップが設けられ、それによって、電極アセンブリの電極タップ−電極リード結合部を除いて、バッテリーケースの受容部の内側上端部の少なくとも一部が電極アセンブリの上端に密接する状態になり、前記凹陥ステップは、前記電極アセンブリが前記バッテリーケース内に取り付けられる後で、前記電極アセンブリの前記電極タップ−電極リード結合部の間に形成された空間に対応する前記バッテリーケースの前記受容部の前記上端の中間にのみ、形成されており、前記バッテリーケースは、金属層及び樹脂層を含んでいる積層シートからなり、前記バッテリーケースは、前記電極アセンブリが前記バッテリーケースの前記受容部内に受容された後で、熱溶接によって密封されて、前記バッテリーケースがシールされるとともに、前記バッテリーケースの側部密封部が形成され、前記熱溶接は、前記凹陥ステップの領域にも実施され、前記バッテリーケースの前記側部密封部が前記受容部と密接する状態になり得るように、前記側部密封部が垂直方向に曲げられるという、二次電池の規定によって達成されることができる。

バッテリーの落下又はバッテリーに対する外力の作用に起因するバッテリー内の短絡の発生は、バッテリーの破裂、又は引火の主な要因として作用する場合がある。これは、バッテリーが落ちる、又は外力がバッテリーに作用される場合、電極アセンブリが移動され、陽極及び陰極が互いに接触した状態になるからである。高い抵抗熱は、接触抵抗部における誘導電流のために発生する。バッテリーの内部温度が高い抵抗熱のために、限界温度レベルを超える場合、陽極活性材料の酸化物構造が崩壊し、それ故に、熱暴走現象が発生する。その結果、バッテリーは、引火したり、又は破裂したりする場合がある。

二次電池において、他方では、電極アセンブリは、バッテリーケース内に取り付けられる一方、電極アセンブリの電極は、バッテリーケースの所定の領域に形成された凹陥ステップのために、適所に安定して配置される。その結果として、バッテリーが落下する、又は外力がバッテリーに作用される場合でさえ、電極アセンブリ内の電極の移動は、制限され、それによって、バッテリー内部における短絡の発生が妨げられ、最終的に、バッテリーの安全性は改善される。

さらに、凹陥ステップは、電極タップと電極リードとの間の結合を達成するために必要な電極タップ−電極リード結合部、すなわち、Ｖ字形状領域に形成される。その結果として、バッテリーの容量及び動作に寄与しない領域は、効果的に使用される。

バッテリーケースの受容部の内側上端部が、ステップに起因して電極アセンブリの上端と密接した状態になるために、バッテリーケースの受容部の側部と同様に、バッテリーケースの受容部が、ステップの垂直方向の区画を見る場合に改変されることが必要となる。ステップは、バッテリーの上端を見る場合に、凹陥される。従って、ステップは、本発明における「凹陥ステップ」として言及される。

凹陥ステップは、Ｖ字形状の領域に対応するバッテリーケースの受容部の領域を著しく改変することによって形成される。その結果として、本発明による凹陥ステップを形成することは、先述の従来技術による受容部を正確に形成することより容易である。

電極アセンブリは、複数の電極タップが陽極及び陰極を構成するように、互いに接続される限り、特に制限されることはない。好ましくは、電極アセンブリは、積み重ね構造、及び／又は積み重ね／折り畳み構造で構成される。そのような積み重ね／折り畳み構造で構成される電極アセンブリの詳細は、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４に開示されており、特許文献２〜４は、本出願の出願人の名称で提出されている。上記の特許文献の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。

例えば、参考発明による凹陥ステップの位置は、バッテリーケースの内側上端部が電極アセンブリの上端に密接した状態になることができる限り、特に制限されることはない。例えば、凹陥ステップがバッテリーケースの受容部の上端の一の側、又は両側で形成されることができる（Ａの構造）。本願発明において、凹陥ステップが、バッテリーケースの上端から突出している陽極リード及び陰極リードを有するバッテリーにおける２つの電極タップ−電極リード結合部の間に形成された空間に対応するバッテリーケースの受容部の上端の中間で形成されることができる（Ｂの構造）。

Ａの構造において、凹陥ステップは、電極アセンブリの上端から電極アセンブリの電極タップ−電極リード結合部へ延在することができる。

Ｂの構造において、凹陥ステップは、バッテリーケースの受容部の上端部の中間で形成され、それ故に、側部密封部が受容部に密接した状態になることができるように、垂直方向に屈曲することは、比較的容易になる一方、バッテリーケースが、電極アセンブリが受容部内に受容された後で、バッテリーの合計のサイズを減少するように、密封される。その結果として、Ｂの構造は、Ａの構造より好ましい。

凹陥ステップは、電極アセンブリがバッテリーケース内に取り付けられた後、又はバッテリーケースが密封された後で、後続のプロセス中に形成される。より好ましくは、凹陥ステップは、受容部がバッテリーケースで形成される場合に、連続して形成される。シートタイプのバッテリーケースでの受容部の形態は、例えば延伸プロセスによって、達成されることができる。凹陥ステップを形成するための後続のプロセスは、機械の操作を通じて、手動又は自動のいずれかで実行されることができる。

本発明による二次電池において、バッテリーケースは、金属層及び樹脂層を含んでいる積層シートからなる。好ましくは、バッテリーケースは、アルミニウムの積層シートからなるパウチ形状のケースであり、このパウチ形状のケースは、電極アセンブリを受容するための受容部を有する。好ましくは、積層シートからなるバッテリーケースは、電極アセンブリがバッテリーケースの受容部内に受容された後で、熱溶接によって密封される。

より好ましくは、熱溶接はまた、バッテリーケースが熱溶接によって密封される場合に、凹陥ステップ領域に実施される。積層シートからなるバッテリーケースが、低い機械的強度を有するので、バッテリーケースは、外力がバッテリーケースに作用される場合に、容易に変形される場合がある。その結果、凹陥ステップ領域は、大きい圧力が、様々な原因のために電極アセンブリから凹陥ステップ領域に作用される場合に、変形される場合がある。バッテリーケースの凹陥ステップ領域が熱によって溶接される場合に、他方で、凹陥ステップ領域のそのような変形が基本的に妨げられ、それ故に、二次電池の安全性がさらに改善される。

好ましくは、本発明による二次電池は、リチウム二次電池である。特に、本発明は、好ましくは、電極アセンブリがゲル相でリチウムを含有する電解質に浸透されるリチウム−イオンポリマー電池に適用される。

上記の目的及び他の目的、特徴、及び本発明の他の利点は、添付された図面を考慮して、以下に詳細な説明から明白に理解されるであろう。

本発明の好ましい実施形態は、添付された図面を参照して詳細に記述されるであろう。しかしながら、本発明の技術的範囲が図示された実施形態によって制限されないことに留意されるべきである。

図４は、本発明の好ましい実施形態によるパウチ形状の二次電池を図示する分解斜視図であり、図５は、組み立てられた状態における図４の二次電池を図示する前面透視図であり、及び、図６は、組み立てられた状態における図４の二次電池を図示する側面透視図である。

それらの図面を参照して、パウチ形状の二次電池２００は、陽極リード４１０に溶接された陽極タップ３１０及び陰極リード４２０に溶接された陰極タップ３２０を有する電極アセンブリ３００と、電極アセンブリ３００を受容するためのバッテリーケース２００と、バッテリーケース２００の上端角部に形成された凹陥ステップ２２０ａ及び凹陥ステップ２２０ｂと、を含む。

バッテリーケース２００は、電極アセンブリ３００が受容される受容部２４０を画定している下部ケース部材２２０と、下部ケース部材２２０の下端に一体に接続された上部ケース部材２１０とを含む。同様に、密封部２３０は、上部ケース部材２１０及び下部ケース部材２２０が熱溶接によって互いに堅固に取り付けられるように、バッテリーケース２００の縁部に沿って形成され、それ故に、バテッリーケース２００は、二次電池２００の組立プロセス中に密封されることができる。上部ケース部材２１０及び下部ケース部材２２０が熱溶接によって、互いに堅固に取り付けられた後で、側部密封部２３０は、側部密封部２３０が下部ケース部材２２０の受容部２４０に密接した状態になることができるように、垂直方向に屈曲され、それによって、バッテリーの合計サイズは、減少される。

凹陥ステップ２２０ａ及び凹陥ステップ２２０ｂは、電極タップ３１０及び電極タップ３２０が突出する（すなわち、電極タップ−電極リード結合部）領域に電極アセンブリ３００の上端の両方の側部から延在する。その結果として、電極アセンブリ３００がバッテリーケース２００の下部部材２２０内に取り付けられる場合に、電極アセンブリ３００の上端部３３０の両側は、下部ケース部材２２０の対応する内側上端部２５０、例えば、凹陥ステップ２２０ａ及び２２０ｂの下端表面と密接した状態になり、それによって、電極アセンブリ３００は安定して固定される。この密接した構造のために、電極アセンブリ３００の移動は、制限され、それ故に、二次電池１００が電極リード４１０及び電極リード４２０とともに下に落下する、又は外力が二次電池１００の上端に作用される場合でさえ、バッテリー内の短絡の発生は、効果的に防がれる。

さらに、上端密封部２３２の両側は、凹陥ステップ２２０ａ及び凹陥ステップ２２０ｂの形態のために比較的大きな幅を有し、上端密封部２３２の両側は、バッテリーの組立プロセス中に、熱溶接によって上部ケース部材２１０に堅固に取り付けられる。その結果として、凹陥ステップ２２０ａ及び凹陥ステップ２２０ｂは、より安定した構造で維持される。

図７及び図８は、本発明の他の好ましい実施形態による二次電池を図示する部分平面図及び前面透視図である。

それらの図面を参照して、二次電池２０１は、図５の二次電池２００と異なっており、凹陥ステップ２２０ｃが電極タップ−電極リード結合部４０１と電極タップ−電極リード結合部４０２との間に形成された空間内に形成され、熱溶接が凹陥ステップ２２０ｃに実施され、それによって、延在密封部２３４が形成される一方、延在密封部２３４は上端密封部２３２から延在する。凹陥ステップ２２０ｃが電極アセンブリ３００を弾性的に押圧するので、安定した構造が前述のように維持される。しかしながら、この実施形態による二次電池２０１は、図５の二次電池と同一の効果を有する。さらに、熱溶接部は、延在密封部２３４のために増加され、それ故に、二次電池のより優れた安全性は達成される。

凹陥ステップ２２０ｃは、バッテリーケース２２０の受容部２４０を形成するための延伸プロセス中に形成され、凹陥ステップ２２０ｃは、電極タップ−電極リード結合部４０１と電極タップ−電極リード結合部４０２との間の対応する領域に位置付けられる。その結果として、側部密封部２３０がバッテリーケース２２０の受容部２４０と密接した状態になることができるように、側部密封部２３０を垂直方向に屈曲することは、より容易になる。

本発明の好ましい実施形態が図示の目的のために開示されるけれども、当業者は、様々な改変、追加、及び代替が、添付された請求項に開示されるように、発明の技術的範囲及び精神から逸脱することなく、可能であることを理解するであろう。

上記の説明から明らかなように、電極アセンブリの移動は、本発明による二次電池が落ちる、又は外力が二次電池に作用される場合でさえ、制限され、それ故に、二次電池内の短絡の発生は、効果的に妨げられる。その結果として、本発明による二次電池は、さらに改善された安全性を提供する。

従来のパウチ形状の二次電池の一般的な構造を図示する分解斜視図である。 陽極タップが集中された状態で互いに結合し、陽極リードに接続される、図１に示された二次電池のバッテリーケースの内側上端部を図示する拡大断面図である。 組み立てられた状態で図１の二次電池を図示する前面透視図である。 本発明の好ましい実施形態によるパウチ形状の二次電池を図示する分解斜視図である。 図４の二次電池を図示する前面透視図である。 組み立てられた状態における図４の二次電池を図示する側面透視図である。 本発明の他の好ましい実施形態による二次電池を図示する部分平面図である。 図７の二次電池を図示する前面透視図である。

符号の説明

１０ パウチ形状のニ次電池
２０ バッテリーケース
３０ 電極アセンブリ
４０ 電極タップ（陽極タップ）
４１ 陽極コレクタ
４２ 陽極タップ
５０ 電極タップ
６０ 電極リード（陽極リード）
６１ 他端
７０ 電極リード
８０ 絶縁フィルム
２００ 二次電池（バッテリーケース）
２０１ 二次電池
２１０ 上部ケース部材
２２０ 下部ケース部材
２２０ａ 凹陥ステップ
２２０ｂ 凹陥ステップ
２２０ｃ 凹陥ステップ
２３０ 密封部
２３２ 上端密封部
２３４ 延在密封部
２４０ 受容部
２５０ 内側上端部
３００ 電極アセンブリ
３１０ 陽極タップ（電極タップ）
３２０ 陰極タップ（電極タップ）
３３０ 上端部
４０１ 電極タップ−電極リード結合部
４０２ 電極タップ−電極リード結合部
４１０ 陽極リード（電極リード）
４２０ 陰極リード（電極リード）

Claims (4)

1. バッテリーケースの受容部内に受容された電極アセンブリを有する二次電池であって、
   前記電極アセンブリは、複数の陽極及び陰極が相互に積み重ねられる一方、セパレータが前記陽極と陰極とのそれぞれの間に配置される構造で構成され、前記積み重ねられた陽極及び陰極から延在している電極タップが電極リードに結合される二次電池において、
   前記バッテリーケースの前記受容部には、その外側上端で凹陥ステップが設けられ、それによって、前記電極アセンブリの電極タップ−電極リード結合部を除いて、前記バッテリーケースの前記受容部の内側上端部の少なくとも一部が前記電極アセンブリの上端に密接した状態になり、
   前記凹陥ステップは、前記電極アセンブリが前記バッテリーケース内に取り付けられる後で、前記電極アセンブリの前記電極タップ−電極リード結合部の間に形成された空間に対応する前記バッテリーケースの前記受容部の前記上端の中間にのみ、形成されており、
   前記バッテリーケースは、金属層及び樹脂層を含んでいる積層シートからなり、前記バッテリーケースは、前記電極アセンブリが前記バッテリーケースの前記受容部内に受容された後で、熱溶接によって密封されて、前記バッテリーケースがシールされるとともに、前記バッテリーケースの側部密封部が形成され、前記熱溶接は、前記凹陥ステップの領域にも実施され、
   前記バッテリーケースの前記側部密封部が前記受容部と密接する状態になり得るように、前記側部密封部が垂直方向に曲げられることを特徴とする二次電池。
2. 前記電極アセンブリは、積み重ね構造、及び／又は積み重ね／折り畳み構造で構成されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記積層シートの前記金属層は、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。
4. 前記二次電池はリチウム−イオンポリマーバッテリーであることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。

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