JP6005173B2 - 製造工程性が向上したキャップアセンブリー及びそれを備えた円筒型電池 - Google Patents

Description

本発明は、製造工程性が向上したキャップアセンブリー及びそれを備えた円筒型電池に関し、特に、正極／分離膜／負極構造のジェリーロールが円筒型缶に内蔵されている電池において缶の開放上端部に搭載されるキャップアセンブリーであって、ＣＩＤによって連結されている安全ベントと、該安全ベントの外周面を沿ってそれに接続されている突出状の上端キャップと、該上端キャップの外周面に装着されているガスケットと、を備えており、前記正極において正極活物質の塗布されていない素地部には溶接方式で正極タブが取り付けられており、電池の製造過程においてＣＩＤと正極タブとの溶接が容易となるよう、前記ガスケットの下端外周面から上方に湾入した一つ以上の溝部が設けられているキャップアセンブリーに関する。

モバイル機器の技術開発と需要の増加に伴い、二次電池の需要も急増しつつあり、特に、エネルギー密度及び作動電圧が高く、保存及び寿命特性に優れているリチウム二次電池が、各種モバイル機器を含めた様々な電子製品のエネルギー源として広く使われている。

二次電池は、電池ケースの形状によって、電極組立体が円筒型又は角型の金属缶に内蔵されている円筒型電池又は角型電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ型のケースに内蔵されているパウチ型電池とに分類される。特に、円筒型電池は、相対的に容量が大きく、且つ構造的に安定しているという利点がある。

電池ケースに内蔵される電極組立体は、正極／分離膜／負極の積層構造を有する充放電可能な発電素子であり、活物質が塗布された長いシート状の正極と負極との間に分離膜を挟持して巻き取ったジェリー・ロール型と、所定大きさの多数の正極と負極を分離膜が挟持された状態で順次に積層したスタック型とに分類される。特に、ジェリー・ロール型電極組立体は、製造がし易く、且つ重量当たりエネルギー密度が高いという利点がある。

かかる従来の円筒型二次電池の構造を、図１に示す。

図１を参照すると、一般に、円筒型二次電池１０は、円筒型の缶２０、缶２０の内部に収容されるジェリー・ロール型の電極組立体３０、缶２０の上部に結合されるキャップアセンブリー４０、及びキャップアセンブリー４０を装着するためのクリンプ部位５０で構成されている。

電極組立体３０は、正極３１と負極３２との間に分離膜３３を挟持した状態でジェリー・ロール型に巻いた構造になっており、正極３１には正極タブ３４が取り付けられてキャップアセンブリー４０に接続されており、負極３２には負極タブ（図示せず）が取り付けられて缶２０の下端に接続されている。

一方、リチウム二次電池は安全性に乏しいという欠点がある。例えば、電池が概略４．５Ｖ以上と過充電される場合には、正極活物質の分解反応、負極でリチウム金属の樹枝状晶（ｄｅｎｄｒｉｔｅ）の成長、電解液の分解反応などがおきる。このような過程は熱を伴い、上記の分解反応や多数の副反応が急速に進行し、電池の発火及び爆発につながることもある。

このような問題点を解消するために、一般の円筒型二次電池には、電池の異常作動時に電流を遮断して内圧を解消するための電流遮断部材（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ；ＣＩＤ）と安全ベント（ｖｅｎｔ）が、電極組立体と上端キャップ間の空間に装着されている。

具体的に、キャップアセンブリー４０は、正極端子を形成する上端キャップ４１、電池内部の温度上昇時に電池抵抗が大きく増加して電流を遮断するＰＴＣ素子（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）４２、電池内部の圧力上昇時に電流を遮断し及び／又はガスを排気する安全ベント４３、特定部分を除いて安全ベント４３をキャッププレート４５から電気的に分離させる絶縁部材４４、及び正極３１に連結された正極タブ３４が接続されているキャッププレート４５が順次に積層されている構造になっている。

クリンプ部位５０は、キャップアセンブリー４０を缶２０の開放上端に装着できるように缶２０の上端に設けられている。より具体的に、クリンプ部位５０は、缶２０の上端部を湾入ビーディング加工することによって内側にビーディング部２１を設け、ガスケット６０に、キャッププレート４５、絶縁部材４４、安全ベント４３及び上端キャップ４１の外周面を順に挿入した後、上端部を折り曲げることによってなる。結果として、クリンプ部位５０の内側面に配置されるガスケット６０を覆う形態となり、クリンプ及びプレス工程を行うことによってキャップアセンブリー４０を装着する。

しかしながら、ガスケット６０の下端内側部では正極タブ３４とキャッププレート４５とが溶接されるため、このようなガスケットの下端外周面の構造によって干渉がおきることがあり、結果として正極タブとキャップアセンブリーとの接触性が低下する問題につながることがある。

また、電池が落下し又は外部衝撃が加えられると、ジェリー・ロールが所定方向に回転し又は上下方向に移動し、正極タブ接触部位で短絡が発生することもある。

そこで、このような問題点を根本的に解決できる技術が強く望まれる。

本発明は、上記のような従来技術の問題点、及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。

本発明の目的は、電池の安全性を担保するとともに、正極タブの溶接時に干渉を防止し、溶接性を向上させることができるキャップアセンブリーを提供することにある。

本発明の他の目的は、上記キャップアセンブリーを用いて製造工程性及び安全性を向上させた二次電池を提供することにある。

このような目的を達成するための本発明に係るキャップアセンブリーは、

正極／分離膜／負極構造の電極組立体ジェリー・ロールが円筒型缶に内蔵されている電池において缶の開放上端部に搭載されるキャップアセンブリーであって、安全用電流遮断部材（ＣＩＤ）によって連結されている安全ベントと、該安全ベントの外周面に沿ってそれに接続されている突出状の上端キャップと、該上端キャップの外周面に装着されているガスケットと、を備えている。

前記正極において正極活物質の塗布されていない素地部には溶接方式で正極タブが取り付けられており、電池の製造過程においてＣＩＤと正極タブとの溶接が容易となるよう、前記ガスケットの下端外周面から上方に湾入した一つ以上の溝部が設けられている。

すなわち、本発明に係るキャップアセンブリーには上記のような特定の構造の溝部を形成することができるため、ＣＩＤと正極タブとの溶接時に下端外周面による干渉を最小化し、結果として溶接性を向上させることが可能になる。

前記正極タブとＣＩＤとの連結は様々な方式で達成することができ、好適な一例として、正極タブをＣＩＤの下面に溶接された状態で連結することができる。

正極タブは、振動などによる外部衝撃に対しても安定した接続状態を維持できるように所定の柔軟性を有しなければならない。このような柔軟性を有するには、例えば、正極タブの少なくとも一部が折り曲がった状態で溶接されていればよい。

このような点を考慮して、前記溝部の長さは、前記正極タブの溶接時に干渉を誘発しない範囲であれば特に制限されず、好ましくは、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ、より好ましくは０．７ｍｍ〜１．２ｍｍであればよい。

また、前記正極タブの溶接を考慮して、溝部の幅は１ｍｍが好ましい。

一方、前記溝部は、ガスケットの中心軸を基準に対称となる２個以上が形成されていてもよい。こうすると、正極タブの溶接時にセンサーなどの貫通が容易となり、溶接効率性を向上させることができる。

他の例として、前記ガスケットは、ジェリー・ロールの移動を防止するよう、前記ガスケットの下端外周面から下方に延びた延長部をさらに有していてもよい。

すなわち、ガスケットの下端外周面に溝部に加え、延長部も形成することによって、ジェリー・ロールの上端を加圧し、振動時のジェリー・ロールの回転及び上下移動を未然に防止することが可能である。

前記構造において、延長部の長さは３ｍｍ以下が好ましい。延長部の長さが長すぎると、キャップアセンブリーの装着が容易でなく、逆に、短すぎると、延長部の役割を果たしにくいため、好ましくない。より好ましくは、２ｍｍ以下であればよい。

他の側面において、下方に延びた前記延長部を、上方に湾入した前記溝部に対応する概念と理解してもよい。すなわち、上方に湾入した溝同士間の部位が、下方に延びた一種の延長部を形成してもよい。しかし、該延長部と溝部は、従来技術のガスケット寸法を考慮して、それよりも大きい大きさで下方に延びた形態及び／又は上方に湾入した形態を有することが好ましい。

前記ガスケットは、絶縁性材料であれば特に制限されず、様々な材料で作ることができ、例えば、電気絶縁性の高分子樹脂又は電気絶縁性の高分子複合体で作ることができる。具体的に、前記高分子樹脂は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、熱可塑性ポリエステルエラストマー（Ｔｈｅｒｍｏ−ｐｌａｓｔｉｃ ＰｏｌｙＥｓｔｅｒ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ：ＴＰＥＥ）及びゴムからなる群から選ばれる１種以上とすることができる。

本発明はまた、前記キャップアセンブリーを備えている円筒型電池を提供する。

前記電池は、連続した充放電が可能な二次電池であって、リチウム二次電池であってよい。

円筒型電池の基本的な構造は図１を参照して説明されており、その製造方法は当業界に公知のものであるから、その詳細な説明を本明細書では省略する。ただし、本発明に係る円筒型電池が、図１の構造から部分的に変更又は変形された構造にも適用されることは勿論である。

図１は、従来の円筒型二次電池の構造を示す垂直断面図である。 図２は、本発明に係る円筒型二次電池の構造を示す垂直断面図である。 図３は、図２のガスケットを例示する断面図である。 図４は、図２のガスケットを例示する断面図である。

以下では、本発明の実施形態に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解を助けるためのもので、本発明の範ちゅうを限定するためのものではない。

図２は、本発明の一つの実施形態に係る円筒型二次電池の構造を示す垂直断面図であり、図３は、図２のガスケットを模式的に示す断面図である。

図２及び図３を参照すると、正極１３１／分離膜１３３／負極１３２構造のジェリー・ロール１３０が円筒型缶１２０に内蔵されている電池１００において、缶１２０の開放上端部に搭載されるキャップアセンブリー１４０は、ＣＩＤ １４５によって連結されている安全ベント１４３、安全ベント１４３の外周面に沿って該外周面に接続されている突出状の上端キャップ１４１、及び上端キャップ１４１の外周面に装着されているガスケット２００を備えている。

正極タブ１３４は、正極１３１において正極活物質の塗布されていない素地部（図示せず）に溶接方式で取り付けられており、ＣＩＤ １４５の下面に折り曲がった状態で溶接されている。

ＣＩＤ １４５と正極タブ１３４との溶接が容易となるよう、ＰＰ素材のガスケット２００は、下端外周面から上方に湾入した約０．８ｍｍの長さの溝部２１０が形成されている。

図４は、図２のガスケットの他の実施形態を模式的に示す断面図である。

図４を図３と共に参照すると、ジェリー・ロールの移動を防止するよう、ガスケット２００ａは、ガスケット２００の下端外周面から下方に延びている約１．５ｍｍの延長部２２０をさらに有する以外は、図３と同一の構成となっており、その詳細な説明は省略する。

当業者にとっては、上記の内容に基づいて本発明の範ちゅう内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。

以上説明した通り、本発明に係るキャップアセンブリーは、ガスケットの下端外周面から上方に湾入した溝部が形成されているため、ＣＩＤと正極タブとの溶接時に下端外周面による干渉を最小化し、さらには、下端外周面から下方に延びている延長部を有しているため、ジェリー・ロールの移動を防止でき、電池セルの安全性を向上させることができる。

Claims (14)

1. 電池を製造する方法であって、
   キャップアセンブリーを缶の開放上端部に搭載するステップであって、前記缶は、その中に内蔵された電極組立体を有しており、前記キャップアセンブリーは、
   安全用電流遮断部材（ＣＩＤ）によって連結されている安全ベントと、
   前記安全ベントの外周面に沿って前記安全ベントに接続されている突出状の上端キャップと、
   前記上端キャップの外周面に装着されているガスケットであって、前記ガスケットには、前記ガスケットの下端外周面から上方に湾入した一つ以上の溝部が設けられている、ガスケットと、
   を備えている、キャップアセンブリーを搭載するステップと、
   前記ガスケットの前記一つ以上の溝部を通じて、正極タブを前記安全用電流遮断部材（ＣＩＤ）に溶接するステップであって、前記正極タブは、前記電極組立体の正極における正極活物質の塗布されていない素地部に取り付けられているステップと、
   を備えることを特徴とする電池を製造する方法。
2. 前記正極タブを前記安全用電流遮断部材（ＣＩＤ）に溶接するステップは、前記正極タブを前記安全用電流遮断部材（ＣＩＤ）の下面に溶接することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の電池を製造する方法。
3. 前記正極タブを前記安全用電流遮断部材（ＣＩＤ）に溶接するステップは、前記正極タブの少なくとも一部が折れ曲がった状態である場合に行われることを特徴とする、請求項２に記載の電池を製造する方法。
4. 前記一つ以上の溝部の長さは、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍであることを特徴とする、請求項３に記載の電池を製造する方法。
5. 前記一つ以上の溝部の幅は、１ｍｍであることを特徴とする、請求項４に記載の電池を製造する方法。
6. 前記一つ以上の溝部は、ガスケットの中心軸を基準に対称となる２個以上が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の電池を製造する方法。
7. 前記正極タブを前記安全用電流遮断部材（ＣＩＤ）に溶接するステップの間に、前記２個以上の溝部を通じてセンサーを挿入するステップをさらに備える、請求項６に記載の電池を製造する方法。
8. 前記ガスケットは、前記電極組立体の移動を防止するよう、前記ガスケットの下端外周面から下方に延びた延長部をさらに有している、請求項１に記載の電池を製造する方法。
9. 前記延長部の長さは、３ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項８に記載の電池を製造する方法。
10. 前記ガスケットの材料は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、熱可塑性ポリエステルエラストマー（Ｔｈｅｒｍｏ−ｐｌａｓｔｉｃ ＰｏｌｙＥｓｔｅｒ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ：ＴＰＥＥ）及びゴムからなる群から選ばれる１種以上であることを特徴とする、請求項１に記載の電池を製造する方法。
11. 前記電池は、リチウム二次電池であることを特徴とする、請求項８に記載の電池を製造する方法。
12. 前記缶は円筒形である、請求項１に記載の電池を製造する方法。
13. 前記電極組立体は、正極と、負極と、それらの間の分離膜とを含み、それらがジェリー・ロール形状になるように巻かれている、請求項１２に記載の電池を製造する方法。
14. 前記正極タブは、前記正極において正極活物質の塗布されていない素地部に溶接方式で取り付けられている、請求項１に記載の電池を製造する方法。

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