JP6143201B2 - 二次電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2013年3月11日出願の韓国特許出願第10−2013−0025690号及び2014年3月11日出願の韓国特許出願第10−2014−0028309号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
近年、スマートグリッドに対する関心が高まりつつ、知能型電力網を構築するために、遊休電力を貯蔵する大容量の電力貯蔵システムが要求されている。このような大容量の電力貯蔵システムを構築するために、複数の二次電池を直列または並列接続して電力貯蔵システムに要求される出力及び充電容量を設計する。
要求される電力貯蔵システムの出力及び充電容量が大きいほど二次電池の数が増加する。また、要求される電力貯蔵システムの出力及び充電容量が大きいほど二次電池のサイズが一緒に増加する。このとき、二次電池は充電及び放電時に熱が発生するが、大容量の電力貯蔵システムにおいては小さい発熱でも電力貯蔵システム全体に及ぶ影響が大きい可能性がある。
したがって、電力貯蔵システムを構成する二次電池で発生する熱による影響を最小化する研究が活発に進みつつある。
本発明の一実施例によれば、前記溶接部は、前記電極タブと電極リードがそれぞれ接した面の中心点を基準として前記電極リードの長手方向に沿って前記セルアセンブリー側に隣接するように形成される。
本発明のさらに他の実施例によれば、前記溶接部は、前記ケースの内部に位置した前記電極リードの一端から10mm以内の範囲内に形成される。
本発明の一実施例によれば、前記溶接部は、抵抗溶接、超音波溶接、レーザー溶接または導電性接着剤によって形成される。ここで、前記溶接部は、点、線または図形の形態に形成してもよい。また、前記溶接部は、複数個を形成してもよい。
上記の課題を達成するために、本発明による二次電池の製造方法は、(a)正極板、分離膜及び負極板を含む単位セルが少なくとも二つ以上積層されており、各単位セルの正極板と負極板から突出した複数の正極タブ及び負極タブを備えたセルアセンブリーを準備する段階と、(b)前記正極タブと正極リード、前記負極タブと負極リードを機械的に結合するために、前記正極タブと正極リード、前記負極タブと負極リードがそれぞれ接した面のうち前記セルアセンブリーに隣接した部分に溶接部を形成する段階と、(c)前記正極リード及び負極リードの一部が外部に露出するように前記セルアセンブリーをケースの間にロードし、前記ケースを密封する段階と、を含む。
本発明の一実施例によれば、前記(b)段階は、前記電極タブと電極リードがそれぞれ接した面の中心点を基準として前記電極リードの長手方向に沿って前記セルアセンブリー側に隣接するように溶接部を形成する段階である。
本発明の他の実施例によれば、前記(b)段階は、前記電極タブと前記電極リードがそれぞれ接した面において、前記電極リードの長手方向に沿って前記セルアセンブリー側に隣接した1/3領域内に溶接部を形成する段階である。
本発明のさらに他の実施例によれば、前記(b)段階は、前記ケースの内部に位置した前記電極リードの一端から10mm以内の範囲内に溶接部を形成する段階である。
本発明の一実施例によれば、前記(b)段階は、抵抗溶接、超音波溶接、レーザー溶接または導電性接着剤によって溶接部を形成する段階である。ここで、前記(b)段階は、点、線または図形の形態に溶接部を形成する段階であってもよい。また、前記(b)段階は、複数個の溶接部を形成する段階であってもよい。
図1は、本発明の一実施例による二次電池100の構成を示した分解斜視図である。
図1を参照すれば、二次電池の一例であるパウチ型二次電池を示している。二次電池はケースの形態によって、缶型、角形、パウチ型などに区分される。そのうち、パウチ型二次電池が、製造の容易さから最も広く使用される。したがって、本発明による二次電池を説明することにおいて、パウチ型二次電池を中心に説明する。しかし、本発明は、ケースの形態によって制限されない。
本発明による二次電池100は、ケース110、セルアセンブリー120、正極タブ130、負極タブ140、正極リード150及び負極リード160を含む。
前記セルアセンブリー120は、正極板、分離膜及び負極板を含む単位セルが少なくとも二つ以上積層されている。そして、各単位セルの正極板と負極板から正極タブ130及び負極タブ140が突出している。
前記正極板の材質は、アルミニウムが主に用いられる。また、前記正極板は、ステンレススチール、ニッケル、チタン、焼成炭素またはアルミニウムやステンレススチールの表面に、カーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものを使用することができる。ひいては、二次電池の化学的変化を起こさず高い導電性を有する材質であれば、正極板として使用することに制限されない。
前記正極板の一部領域には正極タブ130が備えられるが、正極タブ130は前記正極板が延びた形態に構成することができる。また、正極の所定部位に導電性材質の部材を溶接などによって接合することで構成することもできる。なお、正極材料を前記正極板の外周面の一部領域に塗布及び乾燥して正極タブ130を形成してもよい。
前記負極板の一部領域にも負極タブ140が備えられ、前述した正極タブ130のように前記負極板から延びた形態に具現することができることはもちろん、負極板の所定部位に導電性材質の部材を溶接するなどの方法で接合することもでき、負極材料を前記負極板の外周面の一部領域に塗布及び乾燥する方式などで形成することも可能である。
前記正極リード150は、前記正極板に備えられた正極タブ130に、前記負極リード160は、前記負極板に備えられた負極タブ140に電気的に接続される。望ましくは、前記正極リード150及び前記負極リード160は、それぞれ複数の正極タブ130及び複数の負極タブ140と接合される。
一例で、前記絶縁テープ170は、ポリエチレン、ポリアセチレン、PTFE、ナイロン、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、またはこれらの組合せから形成可能である。
前記正極板と前記負極板には、それぞれ正極活物質と負極活物質がコーティングされている。一例で、前記正極活物質は、リチウム系の活物質であって、代表的な例としては、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiFePO4またはLi1+zNi1−x−yCoxMyO2(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1、0≦Z≦1、MはAl、Sr、Mg、La、Mnなどの金属)などの金属酸化物を使用することができる。前記負極活物質は炭素系の活物質であって、前記負極活物質としては、結晶質炭素、非晶質炭素、炭素複合体、炭素繊維などの炭素材料、リチウム金属、リチウム合金などを使用することができる。前記正極活物質及び負極活物質の種類と化学的組成は、二次電池の種類によって十分変更可能であるため、前記列挙の具体的な例は一例示に過ぎないということを理解しなければならない。
前記無機粒子は、5以上の高誘電率定数を有する無機粒子が望ましく、10以上の誘電率定数を有しかつ密度の低い無機物粒子がさらに望ましい。これは、電池内で移動するリチウムイオンを容易に伝達することができるためである。5以上の高誘電率を有する無機粒子の非制限的な例としては、Pb(Zr、Ti)O3(PZT)、Pb1−xLaxZr1−yTiyO3(PLZT)、Pb(Mg3Nb2/3)O3−PbTiO3(PMN−PT)、BaTiO3、hafnia(HfO2)、SrTiO3、TiO2、Al2O3、ZrO2、SnO2、CeO2、MgO、CaO、ZnO、Y2O3、またはこれらの混合物などがある。
前記ケース110は、上部パウチフィルム111と下部パウチフィルム112で構成される。前記下部パウチフィルム112には、セルアセンブリー120の下部が受容されるようにセルアセンブリー120の下部形状に対応する凹溝が設けられる。また、上部パウチフィルム111にもセルアセンブリー120の上部が受容されるようにセルアセンブリー120の上部形状に対応する凹溝が設けられる。前記凹溝は、場合によって略してもよい。本実施例では、上部パウチフィルム111と下部パウチフィルム112とに分けられているパウチ型ケース110が使用されるが、多様なタイプのパウチ型ケースを使用することができる。一例で、上部パウチフィルムと下部パウチフィルムの一方の角が結合している構造を有するパウチ型ケースも使用可能である。
前記パウチフィルムは、金属薄膜の上部表面と下部表面が絶縁性ポリマーでラミネートされた構造を有する。前記金属薄膜は、外部の水分、ガスなどがセルアセンブリー120側に浸透することを防止し、パウチケース110の機械的強度の向上とともにパウチケース110に注入された化学物質が外部に流出することを防止する。金属薄膜は、鉄、炭素、クロム及びマンガンの合金、鉄、クロム及びニッケルの合金、アルミニウムまたはその等価物より選択されたいずれか一つを用いることができるが、ここに限定されない。前記金属薄膜を、鉄含有の材質とする場合は機械的強度が高くなり、アルミニウム含有の材質とする場合は柔軟性がよくなる。通常、アルミニウム金属ホイルが望ましく使用される。
図2を参照すれば、前記上部パウチフィルム111及び下部パウチフィルム112の周辺部が熱によって融着されている。このとき、熱融着によって形成されるラインを熱融着ライン113と言う。一方、前記正極リード150及び負極リード160の一部がケースの外部に露出している。前記外部に露出した正極リード150及び負極リード160によって外部と電気的に接続され、充電及び放電が行われる。
図3を参照すれば、前記ケース110の外部に露出した正極リード150にジグ180が接続されている。図3に示した例では、正極リード150を中心に示したが、負極リード160も同一の構造を有する。したがって、以下、正極タブ130と正極リード150を中心に説明するが、負極タブ140と負極リード160にも同様に適用できることを理解しなければならない。
本明細書におけるジグ(jig)とは、本発明による二次電池100と外部器機または隣接する他の二次電池と電気的接続を形成するための構成である。前記正極リード150及び負極リード160それぞれに付着されるジグ180は、その材質を互いに相違に形成することができる。一例で、前記正極リード150に付着されるジグ180は、正極リード150と同一のアルミニウム材質であり、前記負極リード160に付着されるジグ180は、負極リード160と同一の銅またはニッケルコーティングの銅材質であり得る。しかし、前記ジグ180は、導電性を有する物質であればいずれも可能である。また、前記ジグ180は多様な大きさ及び形態を有することができるが、前記ジグ180の大きさ、形態、物質の種類によって本発明が制限されることではない。
前記正極タブ130と前記正極リード150は電気的に接続されるのみならず、外部から加えられる力によって分離または離脱しないように機械的にも結合される。このとき、溶接部は、前記正極タブ130と前記正極リード150を機械的に結合する役割をする。
本発明の一実施例によれば、前記溶接部は、抵抗溶接、超音波溶接、レーザー溶接または導電性接着剤によって形成される。このとき、前記溶接部は、点、線または図形の形態に多様に形成することができる。また、前記溶接部は、複数形成してもよい。
図4を参照すれば、前記正極タブ130と前記正極リード150が接している部位に互いに異なる3ヶ所に溶接部が形成された場合である。本例では前記溶接部は超音波溶接によって形成されたものと仮定する。
先ず、前記ケース110の内部に位置した前記正極リード150の一端から10mm離れた箇所「A」、20mm離れた箇所「B」、そして30mm離れた箇所「C」にそれぞれ溶接部が形成された3つの場合を例示する。二次電池100が充電または放電されるとき、前記正極タブ130及び正極リード150には電流が流れるようになる。このとき、前記溶接部には接触抵抗が存在する。したがって、前記溶接部で発熱現象が起こる。
前記溶接部で発生する熱は、周辺に存在する空気による対流冷却が活発でなければ、伝導現象により前記ジグ180または前記セルアセンブリー120の方に伝達される。このとき、互いに異なる3ヶ所A、B及びCの位置によって前記ジグ180及び前記セルアセンブリー120の方に伝達される熱の量が異なるようになる。前記セルアセンブリー120に最も近いA箇所に溶接部が形成された場合、前記ジグ180よりも前記セルアセンブリー120の方に伝達される熱の量が多いだろう。逆に、前記ジグ180に最も近いC箇所に溶接部が形成された場合、前記セルアセンブリー120よりも前記ジグ180の方に伝達される熱の量が多いだろう。そして、中間箇所であるBに溶接部が形成された場合、伝達される熱の量は前記AとCの中間程度であるだろう。
一般的に物質は熱を受けて温度が上昇するようになれば、内部抵抗が増加する性質を有している。したがって、二次電池が充電及び放電されるとき、前記溶接部で熱が発生する現象が不可避であれば、本発明者は、前記熱によって二次電池の性能に最も影響を与えにくい箇所を探すための実験を施した。
図5aないし図7cを参照すれば、互いに異なる箇所に溶接部が形成されたとき、前記ジグ180及び前記セルアセンブリー120の温度上昇の程度を色で区分することができる。また、前記実験は25℃で、2Cのレートでそれぞれの二次電池を放電した。
言い換えれば、溶接部の位置がA箇所からC箇所に近づくほど、前記ジグ180の温度が上昇し、溶接部の位置がC箇所からA箇所に近づくほど、前記セルアセンブリー120の温度が上昇するが、溶接部の位置がA箇所からC箇所に近づくほど前記ジグ180の温度が上昇する程度に比べ、溶接部の位置がC箇所からA箇所に近づくほど前記セルアセンブリー120の温度が上昇する程度が大きくないことを確認することができる。また、二次電池の充電容量が大きいほど、前記セルアセンブリー120よりも前記ジグ180の温度変化に及ぶ影響がさらに大きいことを確認することができる。
再度、図5aないし図5cを参照すれば、先ず、溶接部がA箇所に位置する場合、すなわち、図5aの場合、セルアセンブリー120は全般的に空色を帯びている。したがって、溶接部がA箇所に位置する場合、セルアセンブリー120の温度は約20℃ないし21℃となる。また、溶接部がB箇所に位置する場合、すなわち、図5bの場合、セルアセンブリー120は全般的に空色を帯びており、溶接部がC箇所に位置する場合も(図5c参照)、同様に、セルアセンブリー120は全般的に空色を帯びている。すなわち、セルアセンブリー120は、ジグ180に比べて相対的に溶接部の位置による影響を受けないことを確認することができる。
図6aないし図6cを参照すれば、図6aにおけるジグ180は黄色を帯びており、したがって、ジグ180の温度は約72.5℃となる。そして、図6bにおけるジグ180はかば色を帯びており、したがって、ジグ180の温度は約80℃となる。また、図6cにおけるジグ180は赤色を帯びており、したがって、ジグ180の温度は約85℃となる。これに対し、図6aないし図6cにおけるセルアセンブリー120は、溶接部の位置によって多少温度の差はあるが、有意義な温度差とはいえない。図6aないし図6cの例において、セルアセンブリー120の温度は約40℃となる。
すなわち、溶接部の位置はジグ180の温度変化に大きい影響を及ぼすが、セルアセンブリー120の温度変化にはあまり影響を及ぼさないことを確認することができる。
他方、二次電池の充電容量による温度変化を見れば、前記ジグ180は、充電容量の変化程度によって大きい影響を受けるが、相対的に前記セルアセンブリー120は、充電容量の変化程度によってあまり影響を受けないことを確認することができる。
したがって、前記実験を通じて本発明者は、電極タブと電極リードを結合するための溶接部を形成するとき、前記セルアセンブリー120側に隣接するように形成することが望ましいことが分かった。
本発明の他の実施例によれば、前記溶接部は、前記電極タブ130、140と電極リード150、l60がそれぞれ接した面の中心点を基準に前記電極リード150、160の長手方向に沿って前記セルアセンブリー120側に隣接するように形成することができる。
本発明のさらに他の実施例によれば、前記溶接部は、前記電極タブ130、140と前記電極リード150、160がそれぞれ接した面で前記電極リード150、160の長手方向に沿って前記セルアセンブリー120側に隣接した1/3領域内に形成することができる。
本発明のさらに他の実施例によれば、前記溶接部は、前記ケース110の内部に位置した前記電極リード150、160の一端から10mm以内の範囲内に形成することができる。
図8は、本発明の一実施例による二次電池の製造方法の流れを示したフローチャートである。
図8を参照すれば、段階200において、正極板、分離膜及び負極板を含む単位セルが少なくとも二つ以上積層されており、各単位セルの正極板と負極板から突出した複数の正極タブ及び負極タブを備えたセルアセンブリー120を準備する。
次の段階210において、前記正極タブ130と正極リード150、前記負極タブ140と負極リード160を機械的に結合するために前記正極タブ130と正極リード150、前記負極タブ140と負極リード160がそれぞれ接した面のうち、前記セルアセンブリー120に隣接した部分に溶接部を形成する。
本発明の一実施例によれば、前記電極タブ130、140と電極リード150、160がそれぞれ接した面の中心点を基準として前記電極リード150、160の長手方向に沿って前記セルアセンブリー120側に隣接するように溶接部が形成される。
本発明の他の実施例によれば、前記溶接部は、前記電極タブ130、140と前記電極リード150、160がそれぞれ接した面で前記電極リード150、160の長手方向に沿って前記セルアセンブリー側に隣接した1/3領域内に溶接部が形成される。
本発明のさらに他の実施例によれば、前記ケース110の内部に位置した前記電極リード150、160の一端から10mm以内の範囲内に溶接部が形成される。
前記溶接部は、抵抗溶接、超音波溶接、レーザー溶接または導電性接着剤によって形成することができる。このとき、前記溶接部は、点、線または図形の形態に多様に形成することができる。また、前記溶接部は、複数を形成することも可能である。
次の段階220において、前記正極リード150及び負極リード160の一部が外部に露出するように前記セルアセンブリー120をケース110の間にロードし、前記ケース110を密封する。
以上のように、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
110 ケース
120 セルアセンブリー
130 正極タブ
150 正極リード
160 負極リード
170 絶縁テープ
180 ジグ
Claims (9)
- 正極板、分離膜及び負極板を含む単位セルが少なくとも二つ以上積層されたセルアセンブリーと、
各単位セルの正極板から突出した正極タブと、
各単位セルの負極板から突出した負極タブと、
複数の正極タブと第1ジグとの間に電気的に接続された正極リードと、
複数の負極タブと第2ジグとの間に電気的に接続された負極リードと、
前記正極タブ及び前記正極リードを機械的に結合する第1溶接部と、
前記負極タブ及び前記負極リードを機械的に結合する第2溶接部と、
前記正極リード及び前記負極リードの一部が外部に露出するように前記セルアセンブリーを密封するケースと、
を含む二次電池において、
前記第1ジグは、前記正極リードを外部機器に電気的に接続し、前記第2ジグは、前記負極リードを前記外部機器に電気的に接続し、
前記第1溶接部は、前記正極タブ及び前記正極リードが接した面において、前記セルアセンブリーに隣接した1/3領域内であり、かつ前記ケースの内部に位置した前記正極リードの一端から離れた複数個所にのみ形成されたことを特徴とする二次電池。 - 前記第2溶接部は、前記負極タブ及び前記負極リードが接した面において、前記セルアセンブリーに隣接した1/3領域内であり、かつ前記ケースの内部に位置した前記負極リードの一端から離れた複数個所にのみ形成されたことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
- 前記第1溶接部は、前記ケースの内部に位置した前記正極リードの一端から10mm以内の範囲内にのみ形成され、
前記第2溶接部は、前記ケースの内部に位置した前記負極リードの一端から10mm以内の範囲内にのみ形成されたことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。 - 前記第1溶接部及び第2溶接部は、点、線または図形の形態に形成されたことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
- (a)正極板、分離膜及び負極板を含む単位セルが少なくとも二つ以上積層されており、各単位セルの正極板と負極板から突出した複数の正極タブ及び負極タブを備えたセルアセンブリーを準備する段階と、
(b−1)前記正極タブと正極リードを機械的に結合するために、前記正極タブと正極リードが接した面に第1溶接部を形成する段階と、
(b−2)前記負極タブと負極リードを機械的に結合するために、前記負極タブと負極リードが接した面に第2溶接部を形成する段階と、
(c)前記正極リード及び負極リードの一部が外部に露出するように前記セルアセンブリーをケースの間にロードし、前記ケースを密封する段階とを含み、
前記正極リードは、複数の正極タブと第1ジグとの間に電気的に接続され、
前記負極リードは、複数の負極タブと第2ジグとの間に電気的に接続され、
前記第1ジグは、前記正極リードを外部機器に電気的に接続し、前記第2ジグは、前記負極リードを前記外部機器に電気的に接続し、
前記(b−1)段階において、前記第1溶接部は、前記正極タブ及び前記正極リードが接した面において、前記セルアセンブリーに隣接した1/3領域内であり、かつ前記ケースの内部に位置した前記正極リードの一端から離れた複数個所にのみ形成されることを特徴とする二次電池の製造方法。 - 前記(b−2)段階において、
前記第2溶接部は、前記負極タブ及び前記負極リードが接した面において、前記セルアセンブリーに隣接した1/3領域内であり、かつ前記ケースの内部に位置した前記負極リードの一端から離れた複数個所にのみ形成されることを特徴とする請求項5に記載の二次電池の製造方法。 - 前記第1溶接部は、前記ケースの内部に位置した前記正極リードの一端から10mm以内の範囲内にのみ形成され、
前記第2溶接部は、前記ケースの内部に位置した前記負極リードの一端から10mm以内の範囲内にのみ形成されることを特徴とする請求項5に記載の二次電池の製造方法。 - 前記第1溶接部及び第2溶接部は、抵抗溶接、超音波溶接またはレーザー溶接によって形成されることを特徴とする請求項5に記載の二次電池の製造方法。
- 前記第1溶接部及び第2溶接部は、点、線または図形の形態に形成されることを特徴とする請求項8に記載の二次電池の製造方法。
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