JP6169798B2 - 漏洩経路遮断用隆起部が形成されている安全ベントを含むキャップ組立体及びそれを含むリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、反復的な充放電が可能なリチウム二次電池に係り、より詳細には、従来に比べて向上した安全性を発揮するリチウム二次電池に関する。
モバイル機器に対する技術開発及び需要の増加に伴い、エネルギー源としての二次電池の需要が急増しており、そのような二次電池の中でも、高いエネルギー密度及び放電電圧のリチウム二次電池に対して多くの研究が行われており、また、商用化されて広く使用されている。
二次電池は、電池ケースの形状によって、電極組立体が円筒形又は角形の金属缶に内蔵されている円筒型電池及び角型電池と、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ケースに内蔵されているパウチ型電池とに分類される。
図１には、一般的な円筒型電池の垂直断面斜視図が模式的に示されている。
図１を参照すると、円筒型電池１００は、ジェリーロール型（巻取り型）電極組立体１２０を円筒状の缶１３０に収納し、円筒状の缶１３０内に電解液を注入した後、円筒状の缶１３０の開放上端に電極端子（例えば、正極端子；図示せず）が形成されているトップキャップ１４０を結合して作製する。
電極組立体１２０は、正極１２１と負極１２２、及びこれらの間に分離膜１２３を介在した後、丸く巻いた構造であって、その巻芯（ジェリーロールの中心部）には円筒状のセンターピン１５０が挿入されている。センターピン１５０は、一般に、所定の強度を付与するために金属素材からなっており、板材を丸く曲げた中空状の円筒形構造からなっている。このようなセンターピン１５０は、電極組立体を固定及び支持する作用と、充放電及び作動時に内部反応により発生するガスを放出する通路として作用する。
図２を参照すると、トップキャップ１４０は、突出した形状に正極端子を形成し、ガス排出口が穿孔されており、その下部に、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）１４２と、電池内部の圧力上昇時に破裂してガスを排気する安全ベント１４３と、上端一側部位が安全ベント１４３に結合されており、下端一側がリード１４６を介して電極組立体１４４の正極に接続されている接続プレート１４５とが順次位置している。
本発明は、従来のリチウム二次電池とは異なり、高い溶接強度でも良品率に優れて工程性を向上させることができるキャップ組立体を提供しようとする。また、ガス又は電解液などが外部に漏洩する漏洩経路を遮断することによって向上した安全性を発揮するリチウム二次電池を提供しようとする。
本発明は、高い溶接強度でも優れた良品率を発揮して工程性を向上させるために、一つの非制限的な実施例によって、下記のように設計されたキャップ組立体を提供することができる。
前記キャップ組立体は、第１結合部、前記第１結合部から延長形成されている第１外周部、及び前記第１外周部に形成される第１ガス排出部を含む電流遮断部材；及び一面は前記第１結合部と結合され、他面には一面の対向方向に隆起している隆起部を含む第２結合部、前記第２結合部から延長形成されている第２外周部、及び前記第２外周部に形成される第２ガス排出部を含む安全ベント；を含むことができる。
前記第２結合部の最大厚さは、電流遮断部材の第１結合部の最小厚さを基準として１．５倍以上であってもよい。具体的に、電流遮断部材の第１結合部の最小厚さを基準として２倍〜５倍の範囲内であってもよい。場合によっては、第２結合部の最大厚さは、隆起部の厚さを含むことができる。隆起部の厚さが厚いほど、そして、電流遮断部材の第１結合部の最小厚さが薄くなるほど、ガス又は電解液の漏洩経路を外部環境と遮断するのに有利な効果を発揮することができる。これによって、良品率及び工程性を向上させることができる。第２結合部は非隆起部を含んでいてもよく、このとき、非隆起部の平均厚さは、第１結合部の最小厚さの１倍以下であってもよい。
本発明の非制限的な実施例によるとき、前記第１結合部は、第１外周部を基準として第２結合部の一面方向に突出または折り曲げられている突出部または折曲部を含んでいてもよい。このとき、第１結合部の最小厚さは、突出部または折曲部の厚さであってもよい。
本発明の非制限的な実施例によるとき、電流遮断部材と安全ベントとの結合は溶接によって行われてもよく、前記溶接は、電流遮断部材から安全ベントの方向に行われ、このとき、第１結合部と第２結合部との結合は、隆起部の断面視で、第１結合部から第２結合部の方向に突出した溶接部を形成することができる。第１結合部と第２結合部との溶接は、具体的に、超音波溶接、レーザー溶接、抵抗溶接及びアーク溶接など、またはこれらから選択された２つ以上によって行われてもよい。第１結合部と第２結合部との溶接による電解液またはガスの漏洩経路は隆起部内にのみ形成されている。
前記溶接部は峰状であり、最も高い峰が隆起部を貫通する場合には、従来と同様に、溶接面と母材との間の隙間（crack）が外部環境と直接連結されてガス又は電解液などが漏洩することがあるため、隆起部の厚さは厚いほど、そして、電流遮断部材の第１結合部の最小厚さが薄くなるほど、ガス又は電解液の漏洩経路を遮断するのに有利な効果を発揮することができる。
前記溶接部の高さは、第２結合部の最大厚さの範囲内であってもよい。前記溶接部の直径は、隆起部の下面の面積または直径の範囲内であってもよい。
本発明の非制限的な実施例に係る電流遮断部材の第１結合部の最小厚さは、従来の電流遮断部材の第１結合部の最小厚さの０．６倍〜０．７倍の範囲内であってもよい。また、第２結合部の最大厚さは、隆起部がない従来の安全ベントの第２結合部の最大厚さの２倍以上であってもよい。隆起部がない従来の安全ベントの第２結合部の最大厚さは、前記非隆起部の厚さと同一であってもよい。
具体的に、従来の電流遮断部材の第１結合部の最小厚さが０．５ｍｍである場合、本発明の非制限的な実施例に係る電流遮断部材の第１結合部の最小厚さは０．３ｍｍであり得る。また、従来の安全ベントの第２結合部の最大厚さが０．３ｍｍである場合、本発明の非制限的な実施例に係る第２結合部の最大厚さは０．７ｍｍであり得る。
前記隆起部の下面の面積は、前記一面と対向する第１結合部の対面の面積を基準として１倍以上であってもよい。すなわち、前記隆起部の下面の面積は、少なくとも前記第１結合部の対面の面積と同一または大きくてもよい。また、隆起部の断面形状は、均一な高さで第１結合部を完全に覆うことができる四角形であってもよい。
前記第２結合部は、一面と他面の面積が、前記一面と対向する第１結合部の対面の面積に比べて大きくてもよい。
前記キャップ組立体は、電流遮断部材用ガスケット（gasket）をさらに含むことができ、前記電流遮断部材用ガスケットは、電流遮断部材の第１外周部に装着される第３結合部、及び前記第３結合部に形成され、前記第１及び第２ガス排出部と連通する第３ガス排出部を含んでいてもよい。
前記第２外周部は、前記第２結合部の周縁から折り曲げられている隔壁部、及び前記隔壁部の周縁から折り曲げられている外郭部を含んでいてもよい。第２ガス排出部は、第２結合部と隔壁部の折曲部位の第２溝部、及び隔壁部と外郭部の折曲部位に形成された第１溝部を含むことができる。
前記第１ガス排出部と第３ガス排出部は、それぞれ、第１外周部と第３結合部を貫通する貫通孔（hole）であってもよい。
前記キャップ組立体は、電流遮断部材、電流遮断部材用ガスケット、安全ベント、ＰＴＣ素子、及び１つ以上のガス排出口が形成されているトップキャップの積層構造からなっていてもよく、前記積層構造の外周面にガスケットがさらに装着されていてもよい。
本発明の非制限的な実施例によって、本発明は、前記キャップ組立体が、電極積層体と電解質が内蔵されている電池ケースの開放された一面に装着されている電気化学セル、及び前記電気化学セルを電源として使用するデバイスを提供することができる。前記電極積層体は、正極、負極及び分離膜を含み、正極と負極との間に分離膜が介在している積層構造を含むことができる。
以下、図面乃至製造例を参照して本発明をより詳述するが、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３には、本発明の非制限的な一実施例に係る二次電池におけるキャップ組立体の構造が示されており、図４及び図５には、図３の電池に使用された安全ベント及び電流遮断部材の斜視図がそれぞれ示されている。
まず、図３を参照すると、本発明に係る電池１００は、缶２００の内部に電極組立体１１０を挿入し、これに電解液を注入し、缶２００の開放上端にキャップ組立体３００を装着することによって製造される。
キャップ組立体３００は、缶２００の上部ビーディング部２１０に装着される気密維持用ガスケット４００の内部に、上端キャップ３１０と内部圧力降下用安全ベント３２０とが密着している構造となっている。上端キャップ３１０は、中央が上向きに突出しているので、外部回路との接続による正極端子としての役割を果たし、突出部の周辺に沿って、缶２００内部の圧縮ガスが排出され得る貫通口３１２が多数個形成されている。
安全ベント３２０は、電流が通じる薄膜構造物であって、第２結合部３２２は、安全ベント３２０の中央で陥没して湾入状の第２結合部を形成しており、第２結合部３２２には隆起部７００が形成されており、第２外周部は隔壁部３２３及び外郭部３２５からなり、第２結合部３２２と隔壁部３２３の下折曲部位及び隔壁部３２３と外郭部３２５の上折曲部位には、それぞれ、深さが異なる２つの溝部３２４，３２６が形成されている。
図３及び図４において、溝部３２４，３２６のうち上部に形成される第１溝部３２４は、閉曲線をなしており、下部に形成される第２溝部３２６は、一側が開放された開曲線の構造となっている。
電池内部のガスを放出すると同時に電流を遮断する電流遮断部材６００は、安全ベント３２０の下部に設置されている。電流遮断部材６００は、導電性板材の部材であって、電流遮断部材用ガスケット８００が設置されている。
電流遮断部材６００は、図５に示したように、中央には上向きに突出した突出部６２０が形成されている第１結合部６０１と、側面に沿ってガスが排出される貫通孔６１０が多数形成されている第１外周部６０２とからなっており、突出部６２０を中心に同心円状に３つの貫通孔６３０と、貫通孔６３０を連結する３つのブリッジ６４０とが対称的に形成されている。ブリッジ６４０にはノッチ６５０が形成されているので、電池内部での圧力の上昇により加圧ガスが安全ベント３２０に加えられるとき、湾入状の第２結合部３２２が持ち上げられながら、第２結合部３２２と結合された突出部６２０は、ノッチ６５０が切り取られながら電流遮断部材６００の本体から分離されるようになる。
図４及び図５を参照すると、突出部６２０の上面と、安全ベント３２０の湾入状の中央部３２２の下面とは溶接などによる方法で結合される。このとき、溶接面と母材との間には隙間が発生することがあり、これにより水分が浸透したり、電解液が漏出したりすることがある。したがって、これを防止するために、安全ベント３２０の湾入状の中央部３２２の上面には隆起部７００が形成されている。
溶接による溶接面と母材との間の隙間による漏洩経路が隆起部７００内にのみ形成されるので、漏洩経路と外部との接触が遮断されて漏液を根本的に遮断し、ガス発生量が十分でないためＣＩＤ短絡が遅れてしまい熱暴走現象が発生することを防止することによって、電池の安全性を大きく向上させることができる。
図６及び図７を共に参照すると、図６に示されたように、従来は、溶接面と母材との間の漏洩経路（leak path）が外部に連結されているが、図７に示されたように、本発明の一実施例によれば、漏洩経路が隆起部７００内に形成されて外部環境と遮断されることがわかる。
＜製造例１〜１０＞
図８に示されているように、第１結合部の突出部の最小厚さＡ、第２結合部の最大厚さＢを下記のように設計し、本発明の非制限的な実施例に係るキャップ組立体を作製した。
前記表１から確認できるように、本発明に係るキャップ組立体は、工程性の向上のために、平均溶接強度を５．４８ｋｇｆと強くする場合にも、電解液及びガスの漏洩経路が外部環境と遮断されるので、良品率、生産性及び安全性をいずれも向上させることができることが確認できた。
隆起部がない従来の第２結合部の最大厚さが、一般的に０．３ｍｍである点で、平均溶接強度５．４８ｋｇｆで溶接を行う場合には、従来の構造では、外部にガス又は電解液が漏洩する可能性が非常に高いことが確認できた。
本発明は、第２結合部の最大厚さが第１結合部の最小厚さに比べて厚いので、第１結合部と第２結合部との溶接工程において、ガス又は電解液などの漏洩経路が第２結合部内にのみ形成されるので、高い溶接強度にもかかわらず良品率に優れ、これによって、工程性及び安全性が向上するという効果がある。
１００ 電池
１１０ 電極組立体
２００ 缶
３００ キャップ組立体
３１０ 上端キャップ
３１２ 貫通口
３２０ 内部圧力降下用安全ベント
３２２ 第２結合部
３２３ 隔壁部
３２４ 第１溝部
３２５ 外郭部
３２６ 第２溝部
４００ 気密維持用ガスケット
６００ 電流遮断部材
６０１ 第１結合部
６０２ 第１外周部
６１０ 貫通孔
６２０ 突出部
６４０ ブリッジ
６５０ ノッチ
７００ 隆起部
８００ 電流遮断部材用ガスケット
１１０ 電極組立体
２００ 缶
３００ キャップ組立体
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３２０ 内部圧力降下用安全ベント
３２２ 第２結合部
３２３ 隔壁部
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６０１ 第１結合部
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６２０ 突出部
６４０ ブリッジ
６５０ ノッチ
７００ 隆起部
８００ 電流遮断部材用ガスケット
Claims (20)
- 電池ケースの開放された一面に装着されて電池ケースを密閉するキャップ組立体であって、
第１結合部、前記第１結合部から延長形成されている第１外周部、及び前記第１外周部に形成される第１ガス排出部を含む電流遮断部材と、
一面は前記第１結合部と結合され、他面には前記第１結合部と結合された前記一面の反対方向に隆起している隆起部を含む第２結合部、前記第２結合部から延長形成されている第２外周部、及び前記第２外周部に形成される第２ガス排出部を含む安全ベントと、
を含み、
前記隆起部は、前記第１結合部と前記第２結合部との結合方向から見たとき、前記第１結合部と前記第２結合部との間の結合部分と重畳するように形成されていることを特徴とする、キャップ組立体。 - 前記第２結合部の最大厚さは、電流遮断部材の前記第１結合部の最小厚さを基準として１．５倍以上であることを特徴とする、請求項１に記載のキャップ組立体。
- 前記第２結合部の最大厚さは、電流遮断部材の前記第１結合部の最小厚さを基準として２倍〜５倍の範囲内であることを特徴とする、請求項２に記載のキャップ組立体。
- 前記第１結合部は、前記第１外周部を基準として前記第２結合部の一面方向に突出または折り曲げられている突出部または折曲部を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載のキャップ組立体。
- 前記第２結合部は、一面と他面の面積が、前記一面と対向する前記第１結合部の対面の面積に比べて大きいことを特徴とする、請求項１に記載のキャップ組立体。
- 前記第２結合部は、非隆起部を含むことができ、前記非隆起部の平均厚さは、前記第１結合部の最小厚さを基準として１倍以下であることを特徴とする、請求項１に記載のキャップ組立体。
- 前記第１結合部と第２結合部との結合は溶接によって行われることを特徴とする、請求項１に記載のキャップ組立体。
- 前記溶接は、超音波溶接、レーザー溶接、抵抗溶接及びアーク溶接からなる群から選択される１つまたは２つ以上であることを特徴とする、請求項７に記載のキャップ組立体。
- 前記第１結合部と前記第２結合部との結合によって、断面視で、前記第１結合部から前記第２結合部の前記隆起部内に突出した溶接部が形成されることを特徴とする、請求項１に記載のキャップ組立体。
- 前記隆起部の下面の面積は、前記一面と対向する前記第１結合部の対面の面積を基準として１倍以上であることを特徴とする、請求項１に記載のキャップ組立体。
- 電解液またはガスの漏洩経路が前記隆起部内にのみ形成されて外部環境と遮断されることを特徴とする、請求項１に記載のキャップ組立体。
- 電流遮断部材用ガスケット（gasket）をさらに含み、前記電流遮断部材用ガスケットは、電流遮断部材の前記第１外周部に装着される第３結合部、及び前記第３結合部に形成され、前記第１ガス排出部及び前記第２ガス排出部と連通する第３ガス排出部を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載のキャップ組立体。
- 前記第２外周部は、前記第２結合部の周縁から折り曲げられている隔壁部、及び前記隔壁部の周縁から折り曲げられている外郭部を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載のキャップ組立体。
- 前記第２ガス排出部は、前記第２結合部と隔壁部の折曲部位の第２溝部、及び隔壁部と外郭部の折曲部位に形成された第１溝部を含むことを特徴とする、請求項１に記載のキャップ組立体。
- 前記第１ガス排出部は、前記第１外周部を貫通する貫通孔（hole）であることを特徴とする、請求項１に記載のキャップ組立体。
- 前記第３ガス排出部は、前記第３結合部を貫通する貫通孔（hole）であることを特徴とする、請求項１２に記載のキャップ組立体。
- 前記キャップ組立体は、電流遮断部材、電流遮断部材用ガスケット、安全ベント、ＰＴＣ素子、及び１つ以上のガス排出口が形成されているトップキャップの積層構造からなっており、前記積層構造の外周面にガスケットがさらに装着されていることを特徴とする、請求項１に記載のキャップ組立体。
- 請求項１〜１７のいずれか一項に記載のキャップ組立体が、電極積層体と電解質が内蔵されている電池ケースの開放された一面に装着されている、電気化学セル。
- 前記電極積層体は、正極、負極及び分離膜を含み、正極と負極との間に分離膜が介在している積層構造を含むことを特徴とする、請求項１８に記載の電気化学セル。
- 請求項１８に記載の電気化学セルを電源として使用するデバイス。
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