JP6037589B2 - 欠落部が形成された電池セル及びそれを含む電池パック - Google Patents

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Description

本発明は、欠落部が形成された電池セル及びそれを含む電池パックに関する。
ＩＴ（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）技術の目覚ましい発達に伴い、様々な携帯型情報通信機器の拡散により、２１世紀は、時間と場所にとらわれずに高品質の情報サービスが可能な「ユビキタス社会」に発展している。
このようなユビキタス社会への発展のベースには、リチウム二次電池が重要な位置を占めている。具体的には、充放電可能なリチウム二次電池は、ワイヤレスモバイル機器のエネルギー源として広範囲に使用されているだけでなく、化石燃料を使用する既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの大気汚染などを解決するための方案として提示されている電気自動車、ハイブリッド電気自動車などのエネルギー源としても使用されている。
上記のように、リチウム二次電池が適用されるデバイスの多様化に伴い、リチウム二次電池は、適用されるデバイスに適した出力と容量を提供できるように多様化されている。なお、小型軽薄化が強力に要求されている。
携帯電話、ＰＤＡ、デジタルカメラ、ノートパソコンなどのような小型モバイル機器には、当該製品の小型軽薄化の傾向によって、それに相応するようにデバイス１台当たり１つ、または２乃至４つの小型軽量の電池セルが使用されている。
前記の電池セルは、その形状に応じて円筒形電池セル、角形電池セル、パウチ型電池セルなどが使用されており、その中でも、高い集積度で積層可能であり、重量当たりのエネルギー密度が高く、安価なパウチ型電池セルが多くの関心を集めている。
図１Ａ及び図１Ｂには、従来の代表的なパウチ型電池セルの一般的な構造が分解斜視図として模式的に示されている。
図１Ａを参照すると、パウチ型電池１０は、複数の電極タブ２１，２２が突出している電極組立体２０と、電極タブ２１，２２にそれぞれ接続されている２つの電極リード３０，３１と、電極リード３０，３１の一部が外部に露出するように電極組立体２０を収納及び密封する構造の電池ケース４０とを含む構成となっている。
電池ケース４０は、電極組立体２０が装着される凹状の収納部４１を含む下部ケース４２と、そのような下部ケース４２の蓋であって、電極組立体２０を密封する上部ケース４３とからなっている。上部ケース４３と下部ケース４２は、電極組立体２０を内蔵した状態で熱融着されて、上端シーリング部４４、側面シーリング部４５，４６、及び下端シーリング部４７を形成する。
図１Ａでは、上部ケース４３と下部ケース４２がそれぞれ別途の部材として表示されているが、図１Ｂでのように、一側端部が一体に連続しているヒンジ式構造も可能である。
また、図１Ａ及び図１Ｂは、電極タブと電極リードとが接続された構造の電極端子が一端に共に形成されている構造のパウチ型電池セルを示しているが、電極端子が一端と他端にそれぞれ形成されている構造のパウチ型電池セルなども、上記のような方法で作製できることはもちろんである。
また、図１Ａ及び図１Ｂは、スタック型電極組立体を例示しているが、長いシート状の正極と負極を、分離膜が介在した状態で巻き取った構造のジェリーロール型（巻取り型）電極組立体、またはスタック型電極組立体を長い長さの連続的な分離フィルムを用いて巻き取った構造のスタックアンドフォールディング型電極組立体を使用して図１Ａ及び図１Ｂのパウチ型二次電池を作製できることはもちろんである。
一般に、リチウム二次電池には、過充電、過電流などの異常な状態を効果的に制御することができる保護回路モジュール（ＰＣＭ；Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｍｏｄｕｌｅ）が電池セルに接続された状態で搭載されている。
図１Ｃには、パウチ型電池セルに保護回路モジュールが搭載された従来技術の電池パックの分解斜視図が模式的に示されている。
図１Ｃを参照すると、電池パック５０は、電極端子３０，３１が突出しているパウチ型電池セル１０と、電極端子３０，３１に接続されている状態で装着され、外部入出力端子６１が露出しているＰＣＭ６０とを含む。
図１Ａ及び図１Ｂでのように、パウチ型電池セルは六面体形状に製造されることが一般的であり、このような六面体形状のパウチ型電池セルにはＰＣＭが結合して、六面体形状の電池パックが完成する。
一般に、電池セルまたは電池パックを電源として使用するデバイスの内部には、多数の電子部品及び／又は機械部品が電池セルまたは電池パックと共に内蔵される。電子部品及び／又は機械部品を内蔵して残ったデバイス内部の空間は、電池セルまたは電池パックの六面体形状と正確に一致しない。これにより、六面体形状の電池セルまたは電池パックはデバイスの内部にデッドスペースを発生させるという問題がある。
例えば、最近、スマートフォンに基本的に搭載されているカメラは、ディスプレイの反対面の上部中央に位置することが一般的である。しかし、この場合、カメラの両側面には、電池セルまたは電池パックを装着できないデッドスペースが発生することがあり、これは、結局、デバイスの体積当たりの容量の低下を招くことがある。
本出願の発明者らは、上記のような従来技術の問題点を解決するために、デバイスの体積当たりの容量を最大限向上させることができる電池セル、及びそれを含む電池パックを提供しようとする。
上記目的を達成するために、本発明に係る電池セルは、正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在する分離膜を含む電極組立体と、前記電極組立体を内蔵するケースとを含み、前記電極組立体本体とケース本体には、それぞれ欠落部が形成されていることを特徴とする。
前記欠落部は、電極スラリー層が形成されている電流集電体からなる電極、例えば、正極スラリー層が形成された正極集電体からなる正極、負極スラリー層が形成された負極集電体からなる負極及びケース本体の一部が切り落とされた部分として理解することができる。
特に、電極組立体の欠落部は、電極スラリー層が形成された電極の一部が切り落とされた部分という点で、従来の電極組立体と異なる構造を有する。
すなわち、従来の電極組立体は、電極から突出している電極タブを除外した部分にのみ電極スラリー層が形成されていたが、本発明に係る電極組立体は、従来の電極組立体の電極タブ部分の一部または全部にも電極スラリー層が形成されていてもよい。
本発明に係る電極組立体もまた、正極スラリー層が形成されていない正極タブ、及び負極スラリー層が形成されていない負極タブが形成されている。前記正極タブと負極タブは、電極組立体の欠落部に向かって突出していてもよく、欠落部に向かわない方向に突出していてもよい。
前記正極タブと負極タブは、それ自体で正極端子と負極端子を構成してもよく、正極タブと負極タブに正極リードと負極リードがそれぞれ結合して正極端子と負極端子が形成されてもよい。前記負極端子と正極端子は、それぞれ折れ曲がってケース本体に密着していてもよく、折れ曲がっていなくてもよい。
前記電極組立体の欠落部が形成された部位は、ケースの欠落部が形成された部位と一致してもよく、一致しなくてもよい。好ましくは、前記電極組立体の欠落部とケースの欠落部とは互いに形成された位置が一致することができる。すなわち、ケースの欠落部は、電極組立体の欠落部が形成された部分に形成され得る。
また、前記電極組立体の欠落部及びケースの欠落部の形状は、デバイスの内部に装着された部品により凹状に突出した部位と噛み合う形状であれば特に制限されない。
場合によっては、前記ケースの欠落部には、過充電、過放電、爆発などを防止する保護回路部材が装着されてもよく、前記保護回路部材は、電極組立体の正極に形成された正極タブ、及び電極組立体の負極に形成された負極タブと電気的に接続されている。この場合、前記正極タブ及び負極タブは、欠落部の方向に突出していることが好ましい。
前記保護回路部材は、保護回路基板と、前記保護回路基板に形成される電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）及び保護回路と、電池セルの正極端子及び負極端子と電気的に接続する接続端子とを含む構造からなることができ、例えば、保護回路モジュール（Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｍｏｄｕｌｅ：ＰＣＭ）であってもよい。
好ましくは、デバイスの内部のデッドスペースを最小化し、コンパクト（ｃｏｍｐａｃｔ）な電池セルを具現できるように、前記正極端子と負極端子は両方とも欠落部の方向に形成されていてもよく、折れ曲がった状態でケース本体に密着していてもよい。このとき、前記保護回路部材の接続端子もまた折れ曲がった状態で保護回路基板に密着していてもよい。
前記保護回路部材の大きさないし体積は、前記欠落部内に収納することができれば特に制限されない。すなわち、保護回路部材がケース本体の欠落部内に収納可能な限り、保護回路部材の横の長さ及び縦の長さは、欠落部の横の長さ及び縦の長さ以内であれば十分である。したがって、保護回路部材の高さは、前記欠落部の高さに比べて大きくてもよく、この場合には、保護回路部材が欠落部を超えて突出していてもよい。
場合によっては、前記ケース本体の欠落部は、保護回路部材と相似図形の形状になっていてもよく、より具体的に、前記ケース本体の欠落部に対する保護回路部材の相似比は、１以下であってもよい。前記相似比は、相似の多角形の対応する部分の比として理解することができる。
前記電極組立体は、正極板、負極板、及び前記正極板と負極板との間に介在する分離板を含み、正極板、分離板、負極板が順次積層されている構造からなるスタック型電極組立体であってもよい。
また、前記電極組立体は、正極板、負極板、及びスタック型電極組立体からなる群から選択される２つ以上の極性体と、前記極性体の積層面及び側面を覆っている分離シートとを含み、前記極性体は、前記分離シートを挟んで正極と負極とが互いに対面するように平面を基準として高さ方向に沿って積層されているスタック＆フォールディング型電極組立体であってもよく、このとき、前記スタック型電極組立体は、最上段と最下段に位置する電極板の極性が互いに同一であるか、または異なっていてもよい。
前記電池セルの形状は、デバイスの内部に部品が装着されて残った空間と一致する形状であれば特に制限されない。具体的に、前記電池セルは、平面視で円形構造の電池セル、平面視で多角形構造の電池セル、少なくとも１つの角部が曲線をなす、平面視で多角形構造の電池セル、または少なくとも１つの辺が曲線をなす、平面視で多角形構造の電池セルからなる群から選択された１つであってもよい。
前記ケースは、電極組立体を収納する収納空間が形成された構造であって、金属缶、または樹脂層と金属層を含むラミネートシートからなるパウチ型ケースであってもよい。
このとき、前記電池セルは、正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在した分離膜を含む構造の電極組立体を金属缶内に内蔵した角形電池セル、またはパウチ型ケース内に内蔵した構造のパウチ型電池セルであってもよい。前記パウチ型電池セルは、前記正極及び負極にそれぞれ形成されている正極端子と負極端子がパウチ型ケースの外部に突出していてもよい。
本発明の好ましい実施例において、本発明に係る電池セルは、欠落部が形成され、前記欠落部に保護回路部材が結合した電池セルであってもよい。
本発明は、前記の電池セルを１つ以上含む電池パック、及び前記電池パックを電源として含んでいるデバイスを提供する。
本発明に係る電池パックを使用できるデバイスの例としては、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、及び電力貯蔵装置から選択される１つのデバイスであってもよいが、これらに限定されるものではない。
これらデバイスの構造及びその作製方法は当業界に公知となっているので、本明細書では、それについての詳細な説明は省略する。
従来の代表的なパウチ型二次電池の分解斜視図である。 従来の代表的なパウチ型二次電池の分解斜視図である。 従来の代表的なパウチ型二次電池の分解斜視図である。 本発明の一実施例に係るパウチ型電池セルの平面図を模式的に示した図である。 本発明の一実施例に係る電池パックの平面図を模式的に示した図である。 本発明の他の実施例に係る電池パックの平面図を模式的に示した図である。
以下では、本発明の実施例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のためのものであり、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
図２には、本発明の一実施例に係るパウチ型電池セルの平面図が模式的に示されている。
図２を参照すると、パウチ型電池セル１００は、電極組立体１１０と、電極組立体１１０を内蔵するケース１２０と、電極組立体１１０及びケース１２０に形成されている欠落部１３０と、ケース１２０から外部に突出している正極端子１１１及び負極端子１１２とを含んでいる。正極端子１１１及び負極端子１１２は、欠落部１３０に向かわない方向に突出している。
正極端子１１１は、正極スラリー層が正極集電体に形成されていない正極タブ自体であるか、または正極タブに正極リードが結合した構造であってもよい。負極端子１１２は、負極スラリー層が負極集電体に形成されていない負極タブ自体であるか、または負極タブに負極リードが結合した構造であってもよい。
電極組立体１１０及びケース１２０の両方に形成されている欠落部１３０は長方形状であり、電極組立体の欠落部とケースの欠落部とは相似である。
欠落部１３０には、デバイスの電子部品及び／又は機械部品の突出部位が収容されてもよく、図３及び図４でのように、保護回路モジュールが装着されてもよい。
図３及び図４には、本発明の一実施例に係る電池パック２００の実施例が模式的に示されている。
図３及び図４を図２と共に参照すると、図２とは異なり、正極端子１１１及び負極端子１１２が欠落部１３０に向かって突出しており、欠落部１３０には保護回路モジュール２５０が搭載されている。
図３及び図４を図１Ｃと共に参照すると、図１Ｃとは異なり、保護回路モジュール２５０が、六面体形状の電池セル上に搭載されるものではなく、欠落部１３０に搭載されて六面体形状の電池パック２００を完成している点で異なる。
以上、本発明の実施例に係る図面を参照して説明したが、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
以上で説明したように、本発明に係る電池セル及びそれを含む電池パックは、デバイスの内部に装着される電子部品及び／又は機械部品の突出した部位と噛み合う形状ないし保護回路部材の形状と相似形状の欠落部を含んでいるので、従来の電池セルないし電池パックに比べてデバイスの単位体積当たりの容量が向上するという効果がある。
１００ パウチ型電池セル
１１０ 電極組立体
１１１ 正極端子
１１２ 負極端子
１２０ ケース
１３０ 欠落部
２００ 電池パック
２５０ 保護回路モジュール

Claims (19)

  1. 正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在する分離膜を含む電極組立体と、前記電極組立体を内蔵するケースとを含み、
    前記電極組立体の本体及び前記ケースの本体には、それぞれ欠落部が形成されており、
    前記電極組立体の欠落部は、正極集電体に正極スラリー層が形成された構造の正極の一部、及び負極集電体に負極スラリー層が形成された負極の一部が切り落とされた部分であり、
    前記正極には、正極スラリー層が形成されていない正極タブが形成されており、前記負極には、負極スラリー層が形成されていない負極タブが形成されており、
    前記正極タブ及び負極タブが、欠落部に向かって突出していることを特徴とする、電池セル。
  2. 前記ケースの欠落部は、電極組立体の欠落部が形成された部位と一致する部位に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  3. 前記ケースの欠落部及び電極組立体の欠落部は、デバイスの内部に装着された部品により凹状に突出した部位と噛み合う形状であることを特徴とする、請求項２に記載の電池セル。
  4. 過充電、過放電、過電流及び大電流時に電池セルの安全性を担保する保護回路部材をさらに含み、前記保護回路部材は、ケースの本体の欠落部に合体することを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  5. 前記ケースの本体の欠落部は、保護回路部材と相似図形の形状を有することを特徴とする、請求項４に記載の電池セル。
  6. 前記ケースの本体の欠落部に対する保護回路部材の相似比は、１以下であることを特徴とする、請求項５に記載の電池セル。
  7. 前記保護回路部材は、電極組立体の正極に形成された正極タブ、及び電極組立体の負極に形成された負極タブと電気的に接続されることを特徴とする、請求項５に記載の電池セル。
  8. 正極タブ及び負極タブにはそれぞれ正極リードと負極リードが結合されて、正極端子及び負極端子を形成することを特徴とする、請求項６に記載の電池セル。
  9. 正極端子及び負極端子は、折れ曲がった状態でケースの本体に密着していることを特徴とする、請求項７に記載の電池セル。
  10. 前記保護回路部材は、保護回路基板と、前記保護回路基板に形成される電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）及び保護回路と、電池セルの正極端子及び負極端子と電気的に接続する接続端子とを含むことを特徴とする、請求項４に記載の電池セル。
  11. 前記接続端子は、折れ曲がった状態で保護回路基板に密着していることを特徴とする、請求項１０に記載の電池セル。
  12. 前記電極組立体は、正極板、負極板、及び前記正極板と負極板との間に介在する分離板を含み、正極板、分離板、負極板が順次積層されている構造からなるスタック型電極組立体であることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  13. 前記電極組立体は、正極板、負極板、及びスタック型電極組立体からなる群から選択される２つ以上の極性体と、前記極性体の積層面及び側面を覆っている分離シートとを含み、前記極性体は、前記分離シートを挟んで正極と負極とが互いに対面するように平面を基準として高さ方向に沿って積層されているスタック＆フォールディング型構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  14. 前記スタック型電極組立体は、最上段と最下段に位置する電極板の極性が互いに同一であるか、または異なることを特徴とする、請求項１３に記載の電池セル。
  15. 前記電池セルは、平面視で円形構造の電池セル、平面視で多角形構造の電池セル、少なくとも１つの角部が曲線をなす、平面視で多角形構造の電池セル、または少なくとも１つの辺が曲線をなす、平面視で多角形構造の電池セルからなる群から選択された１つであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  16. 前記ケースは、電極組立体を収納する収納空間が形成された構造であって、金属缶、または樹脂層と金属層を含むラミネートシートからなるパウチ型ケースであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  17. 請求項１に記載の電池セルを含むことを特徴とする、電池パック。
  18. 請求項１７に記載の電池パックを電源として含んでいる、デバイス。
  19. 前記デバイスは、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Light Electronic Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、及び電力貯蔵装置から選択されることを特徴とする、請求項１８に記載のデバイス。
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