JP6178064B2 - 円筒形リチウムイオン2次電池 - Google Patents

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Description

本発明は円筒形リチウムイオン2次電池に関する。
リチウムイオン2次電池は、作動電圧が高く、単位重量当たりのエネルギー密度が高いという長所を有するため、携帯型電子機器だけでなくハイブリッド自動車または電気自動車の電源用途に使用されている。
このようなリチウムイオン2次電池の形態としては円筒形、角型およびパウチ型に分類される。この中で、円筒形リチウムイオン2次電池は、一般的に、円柱形態の電極組立体と、電極組立体が結合する円筒形態のケースと、ケースの内側に注液されてリチウムイオンの移動を可能にする電解液と、ケースの一側に結合されて電解液の漏液を防止し、電極組立体の離脱を防止するキャップ組立体と、などからなっている。
本発明は、円筒形ケースの破断圧を制御できるだけでなく、組み立て工程中に外部荷重による円筒形ケースのクラック現象を防止できる円筒形リチウムイオン2次電池を提供する。
本発明は円筒形ケース;前記円筒形ケースに電解液と共に収容された電極組立体;および、前記円筒形ケースを密封するキャップ組立体を含み、前記円筒形ケースは円形の底部と、前記底部から前記キャップ組立体まで延長された側部と、からなり、前記底部に厚さ勾配を有する安全ベントが形成されることができる。
前記底部は前記電極組立体に向かう平らな第1面と、前記第1面の反対面として平らな第2面と、を含み、前記安全ベントは前記第2面に形成されることができる。
前記安全ベントは前記底部の中心と同一の中心を有し、前記底部の半径と異なる半径を有する円形からなることができる。
前記安全ベントは、前記第1面と第2面との間に形成される第3面と、前記第3面と前記第2面とを連結する互いに離間した一対の第4面と、をさらに含むことができる。
前記第3面が前記第1面に対して勾配を有することができる。
前記第1面と前記第3面との間の厚さが前記第1面と前記第2面との間の厚さの10%〜20%である第1領域と、前記第1面と前記第3面との間の厚さが前記第1面と前記第2面との間の厚さの30%〜40%である第2領域と、を含み、前記第1領域と前記第2領域との間の第3面が前記第1面に対して勾配を有することができる。
前記第1領域と前記第2領域とは円周上に位置し、相互に90°の間隔で交互に形成されることができる。
前記第1領域と前記第2領域との間に厚さが一定である第3領域がさらに形成されることができる。
前記第3領域は前記第1面と前記第1面の反対面である第5面とを含み、前記第1面と第5面との間の厚さは前記第1面と前記第2面との間の厚さの60%〜70%であることができる。
前記第2領域から第3領域まで厚さが順次に減少することができる。
前記第2領域から第3領域まで厚さが順次に増加することができる。
前記一対の第4面は28°〜30°の角度で形成されることができる。
前記第3面と前記第4面との間には曲面が形成されることができる。
本発明は円筒形ケースの底部に勾配を有する安全ベントが形成されることによって、円筒形ケースの破断圧を制御することができるだけでなく、組み立て工程中に外部荷重による円筒形ケースのクラック現象を防止することができる円筒形リチウムイオン2次電池を提供する。
本発明の一実施例による円筒形リチウムイオン2次電池を示す斜視図である。 本発明の一実施例による円筒形リチウムイオン2次電池を示す断面図である。 本発明の一実施例による円筒形リチウムイオン2次電池を示す分解斜視図である。 本発明の一実施例による円筒形リチウムイオン2次電池の円筒形ケースの底部を示す底面図である。 図2aのA1−A2に沿った断面図である。 図2aのB1−B2に沿った断面図である。 仮想的に広げられた安全ベントの断面図である。 本発明の他の実施例による円筒形リチウムイオン2次電池の円筒形ケースの底部を示す底面図である。 図3aのA1−Cに沿った断面図である。 図3aのB1−B2に沿った断面図である。 仮想的に広げられた安全ベントの断面図である。 仮想的に広げられた安全ベントの断面図である。 本発明の他の実施例による円筒形リチウムイオン2次電池の円筒形ケースの底部に形成された安全ベントを示す断面図である。 本発明の他の実施例による円筒形リチウムイオン2次電池の円筒形ケースの底部に形成された安全ベントを示す断面図である。
以下、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できるように、本発明の望ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。
図1a、図1bおよび図1cは本発明の一実施例による円筒形リチウムイオン2次電池を示す斜視図、断面図および分解斜視図である。
図1a乃至図1cに示されているように、本発明の一実施例による円筒形リチウムイオン2次電池100は、円筒形ケース110、電極組立体120、センターピン130およびキャップ組立体140を含む。
円筒形ケース110は、円形の底部111と、前記底部111から上部に向かって一定の長さ延長される側部112と、を含む。なお、前記ケース110はカンともいう。2次電池の製造工程中、円筒形ケース110の上部は開放されている。したがって、2次電池の組み立て工程中、電極組立体120およびセンターピン130を電解液と共に円筒形ケース110に挿入できる。円筒形ケース110は、スチール、ステンレススチール、アルミニウム、アルミニウム合金またはその等価物からなるが、本発明は前記材質に限定されるものではない。さらに、円筒形ケース110には、キャップ組立体140が外部に離脱しないようにキャップ組立体140を基準としてその下部に内部に陥没したビーディング部(beading part)113が形成され、その上部に内部に折り曲げられたクリンピング部(crimping part)114が形成されている。
一方、円筒形ケース110の底部111には、底部111の厚さより薄い厚さを有し、かつ厚さ勾配を有する安全ベント1110が形成されている。ここで、厚さ勾配とは、安全ベント1110の厚さが予め定められた水平面を基準に一定の角度で傾いて形成されていることを意味する。このような安全ベント1110は、円筒形ケース110の内圧が非正常的に上昇した時に破断して、内部のガスを全て外部に排出することになる。さらに、本発明による安全ベント1110は、厚さ勾配を有するように設計されることによって、安全ベントの破断圧が制御されることができるだけでなく、組み立て工程中に荷重に応じたクラック現象を防止できる。以下、このような厚さ勾配を有する安全ベント1110についてさらに詳細に説明する。
電極組立体120は、円筒形ケース110の内部に収容される。電極組立体120は、陰極活物質(例えば、黒鉛、炭素など)がコーティングされた負極板121、正極活物質(例えば、遷移金属酸化物LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4など)がコーティングされた正極板122および、負極板121と正極板122との間に位置して短絡を防止し、リチウムイオンの移動だけを可能にするセパレータ123からなる。負極板121、正極板122およびセパレータ123は、ほぼ円柱形態に巻き取られる。ここで、負極板121は銅(Cu)箔、正極板122はアルミニウム(Al)箔、セパレータ123はポリエチレン(PE)またはポリプロピレン(PP)であることができるが、本発明は前記材質に限定されるものではない。また、負極板121には下部に一定の長さ突出して延長された陰極タップ124を、正極板122には上部に一定の長さ突出した正極タップ125を溶接できるが、その逆も可能である。さらに、陰極タップ124はニッケル(Ni)材質、正極タップ125はアルミニウム(Al)材質であることができるが、本発明は前記材質に限定されるものではない。
また、電極組立体120の陰極タップ124は、円筒形ケース110の底部111に溶接されることができる。したがって、円筒形ケース110は陰極で動作することができる。当然ながら、逆に、正極タップ125が円筒形ケース110の底部111に溶接されることができ、このような場合、円筒形ケース110は正極で動作することができる。
さらに、円筒形ケース110に結合され、中央に第1ホール126aおよびその外側に第2ホール126bが形成された第1絶縁板126が電極組立体120と底部111との間に介在することができる。このような第1絶縁板126は、電極組立体120が円筒形ケース110の底部111に電気的に接触しないようにする役割を果たす。特に、第1絶縁板126は、電極組立体120の正極板122が底部111に電気的に接触しないようにする役割を果たす。ここで、第1ホール126aは、2次電池の異常によって多量のガスが発生した場合、ガスがセンターピン130を通じて上部に迅速に移動するようにする役割を果たし、第2ホール126bは、陰極タップ124が第1絶縁板126を貫通して底部111に溶接されるようにする役割を果たす。
また、円筒形ケース110に結合され、中央に第1ホール127aおよびその外側に多数の第2ホール127bが形成された第2絶縁板127が電極組立体120とキャップ組立体140との間に介在することができる。このような第2絶縁板127は、電極組立体120がキャップ組立体140に電気的に接触しないようにする役割を果たす。特に、第2絶縁板127は、電極組立体120の負極板121がキャップ組立体140に電気的に接触しないようにする役割を果たす。ここで、第1ホール127aは、2次電池の異常によって多量のガスが発生した場合、ガスがキャップ組立体140に迅速に移動するようにする役割を果たし、第2ホール127bは、正極タップ125が第2絶縁板127を貫通してキャップ組立体140に溶接されるようにする役割を果たす。また、残りの第2ホール127bは、電解液注入工程で、電解液が前記電極組立体120に迅速に流れていくようにする役割を果たす。
さらに、第1、2絶縁板126、127の第1ホール126a、127aの直径がセンターピン130の直径より小さく形成されることによって、外部衝撃によってセンターピン130が円筒形ケース110の底部111またはキャップ組立体140に電気的に接触しないようになる。
センターピン130は内部が空いている円形パイプ形態であって、電極組立体120のほぼ中央に結合される。このようなセンターピン130は、スチール、ステンレススチール、アルミニウム、アルミニウム合金またはポリブチレンテレフタレート(PolyButylene Terephthalate)からなることができるが、本発明は前記材質に限定されるものではない。このようなセンターピン130は、電池の充放電中、電極組立体120の変形を抑制する役割を果たし、2次電池の内部で発生するガスの移動通路の役割を果たす。
キャップ組立体140は、多数の貫通ホール141aが形成されたキャップアップ(Cap−up)141と、キャップアップ141の下部に設けられた安全プレート142と、安全プレート142の下部に設けられた絶縁板143と、安全プレート142と絶縁板143との下部に設置され、第1、2貫通ホール144a、144bが形成されたキャップダウン(Cap−down)144と、キャップダウン144の下面に固定されて正極タップ125と電気的に接続されるサブプレート145と、キャップアップ141、安全プレート142、絶縁板143、キャップダウン144と円筒形ケース110の側部112とを絶縁させる絶縁ガスケット146と、を含む。ここで、絶縁ガスケット146は、実質的に円筒形ケース110の側部112に形成されたビーディング部113とクリンピング部114との間に圧着される形態を呈する。また、前記キャップアップ141および前記キャップダウン144に形成された貫通ホール141a、144a、144bは、円筒形ケース110の内部で異常内圧が発生した時に内部ガスを外部に排出する役割を果たす。異常内圧が発生した場合、このような内圧によって、まず安全プレート142が上部に向かって変形しながらサブプレート145と電気的に分離し、以降安全プレート142が破れながら内部のガスが外部に放出される。
さらに、円筒形ケース110の内側には電解液(図示せず)が注液されており、これは、充放電時に電池内部の負極板121および正極板122で電気化学的反応によって生成されるリチウムイオンが移動可能にする役割を果たす。このような電解液は、リチウム塩と高純度有機溶媒類との混合物である非水質系有機電解液であることができる。さらに、電解液は、高分子電解質を利用したポリマーであることができるが、特に電解液の種類を限定するものではない。
図2aは本発明の一実施例による円筒形リチウムイオン2次電池の円筒形ケース110の底部を示す底面図、図2bは2aのA1−A2に沿った断面図、図2cは図2aのB1−B2に沿った断面図、図2dは仮想的に広げられた安全ベントの断面図である。
まず、図2aに示されているように、厚さ勾配を有する安全ベント1110は、円筒形ケース110における円形の底部111に形成される。特に、安全ベント1110は一定の幅を有するほぼ円形リング状に形成される。このような円形リング状の安全ベント1110は、底部111の中心と同一の中心を有し、底部111の半径より小さい半径を有する。また、安全ベント1110の内側領域には、前述のように陰極タップが電気的に接続され、安全ベント1110の外側領域には、図示しない外部電子機器が接触される。したがって、安全ベント1110によって陰極タップの電気的接続が干渉されたり、または外部電子機器の接触が干渉されたりしない。
さらに、図面中のA1、A2は同一の厚さを有する第1領域に定義でき、図面中のB1、B2も同一の厚さを有する第2領域に定義できる。しかし、第1領域A1、A2と第2領域B1、B2との厚さは相互に異なり、第1領域A1、A2と第2領域B1、B2との間に厚さ勾配が形成される。つまり、安全ベント1110は、第1領域A1、A2から第2領域B1、B2に向かうに従って、順次に厚さが厚くなる。当然ながら、その逆も可能である。
また、第1領域A1、A2と第2領域B1、B2とは、円周方向にほぼ90°間隔で交互に位置できる。したがって、図2aに示されているように第1領域A1、A2と第2領域B1、B2とは、全部で4つの部分で形成されることができる。なお、これは一例に過ぎず、前記第1領域A1、A2と第2領域B1、B2との個数は2次電池の所望の破断圧により多様に変更できる。
図2bおよび図2cに示されているように、底部111は電極組立体に向かうほぼ平らな第1面111aと、第1面111aの反対面としてほぼ平らな第2面111bと、を含み、安全ベント1110は第2面111bから一定の深さで形成されることができる。当然ながら、安全ベント1110は第1面111aから一定の深さで形成されることもできるが、この場合、安全ベント1110に外部衝撃によるクラックが相対的に容易に発生する。
また、安全ベント1110は、第1面111aと第2面111bとの間に形成される第3面111cと、第3面111cと第2面111bとを連結し、相互に離間された一対の第4面111dと、を含む。ここで、第3面111cは第1面111aおよび第2面111bとほぼ平行に形成され、第4面111dは第1面111a、第2面111bおよび第3面111cとほぼ垂直に形成される。
ここで、勾配は第3面111cで形成される。つまり、第3面111cが第1面111aに対して一定の角度の勾配を有することになる。
一方、第1領域A1、A2をなす第1面111aと第3面111cとの間の厚さは、第1面111aと第2面111bとの間の厚さのほぼ10%〜20%である。また、第2領域B1、B2をなす第1面111aと第3面111cとの間の厚さは、第1面111aと第2面111bとの間の厚さのほぼ30%〜40%である。当然ながら、前述のように第1領域A1、A2と第2領域B1、B2との間には第3面111cで一定の角度の勾配が形成される。例えば、第1領域A1、A2から第2領域B1、B2に向かうほど第1面111aと第3面111cとの間の厚さが順次増加する。
ここで、第1領域A1、A2の厚さが第1面111aと第2面111bとの間の厚さのほぼ10%より小さい場合、相対的に小さい電池内圧でも安全ベント1110が破断することができる。また、第1領域A1、A2の厚さが第1面111aと第2面111bとの間の厚さのほぼ20%より大きい場合、相対的に大きい電池内圧でも安全ベント1110が破断しないこともある。
また、第2領域B1、B2の厚さが第1面111aと第2面111bとの間の厚さのほぼ30%より小さい場合、相対的に小さい外部衝撃によって、安全ベント1110がクラックする可能性がある。また、第2領域B1、B2の厚さが第1面111aと第2面111bとの間の厚さのほぼ40%より大きい場合、相対的に大きい外部衝撃でも安全ベント1110がクラックされないことができるが、この場合、むしろ相対的に大きい電池内圧でも安全ベント1110が破断しないこともある。
ここで、破断とは電池の内圧によって安全ベント1110が正常に機能することを意味し、クラックとは安全ベント1110が非正常的に機能することを意味する。
図2dに示されているように、図2aに示されたA1−B1−A2−B2−A1に沿ってこれを断面図に表わせば、第1面111aと第3面111cとの間の厚さが勾配を有して変化することが見られる。例えば、第1領域A1、A2の厚さが第2領域B1、B2の厚さより小さく形成され、第1領域A1、A2と第2領域B1、B2との間に厚さ勾配が形成される。したがって、相対的に厚さが薄い安全ベント1110の第1領域A1、A2が、2次電池の内圧が増加した時に主に破断する部分として機能し、相対的に厚さが厚い安全ベント1110の第2領域B1、B2は外部衝撃を受けて安全ベント1110にクラックが発生しないように、安全ベント1110を支持する部分として機能する。従って、このような第1領域A1、A2と第2領域B1、B2との厚さおよびこれらの間の勾配角度を適切に制御することによって、2次電池の破断圧が制御されるだけでなく、外部衝撃によるクラック現象も防止できる。
図3aは本発明の他の実施例による円筒形リチウムイオン2次電池の円筒形ケース110の底部111を示す底面図、図3bは3aのA1−Cに沿った断面図、図3cは図3aのB1−B2に沿った断面図、図3dは仮想的に広げられた安全ベント1110の断面図である。
図3a乃至図3cに示されているように、厚さ勾配を有する安全ベント1110は一つの第1領域A1、二つの第2領域B1、B2および一つの第3領域Cを含む。この実施形態でも、一つの第1領域A1と二つの第2領域B1、B2との間には厚さ勾配が形成される。
一方、第3領域Cは第1面111aと、第1面111aの反対面である第5面111eと、をさらに含む。実質的に第5面111eは、第1面111a、第2面111b、第3面111cとほぼ平行に形成され、第3面111cおよび第2面111bの間の深さに位置する。したがって、第3領域Cの厚さは第1領域A1および第2領域B1、B2の厚さよりも厚い。もう少し具体的に説明すれば、第1面111aと第5面111eとの間の厚さは、第1面111aと第2面111bとの間の厚さのほぼ60%〜70%であることができる。
さらに、第3領域Cは円周に対してほぼ80°〜100°の角度、さらに望ましくはほぼ90°の角度にわたって形成されることができる。したがって、図3aに示されているように、第1領域A1を中心に両側に二つの第2領域B1、B2が形成され、二つの第2領域B1、B2の間に一つの第3領域Cがほぼ80°〜90°の角度範囲内で形成される。
ここで、第3領域Cの形成範囲がほぼ80°より小さい場合、相対的に小さい外部衝撃によって安全ベント1110がクラックする可能性があり、また、前記第3領域Cの形成範囲がほぼ100°より大きい場合、相対的に大きい内圧でも安全ベント1110が破断しないこともある。また、第3領域Cの厚さが第1面111aと第2面111bとの間の厚さのほぼ60%より小さい場合、相対的に小さい外部衝撃によって安全ベント1110がクラックされる可能性がある。また、第3領域Cの厚さが第1面111aと第2面111bとの間の厚さのほぼ70%より大きい場合、相対的に大きい外部衝撃でも安全ベント1110がクラックされないこともあるが、この場合、むしろ相対的に大きい電池内圧でも安全ベント1110が破断しないこともある。
さらに、図3dに示されているように、安全ベント1110は、第2領域B1、B2から第3領域Cまで厚さが順次に減少する形態であるか、または図3eに示されているように、第2領域B1、B2から第3領域Cまで厚さが順次に増加する形態であることができる。図3dに示されているように、安全ベント1110が第2領域B1、B2から第3領域Cまで厚さが順次に減少する場合、相対的に小さい内圧でも安全ベント1110が破断するように制御することができる。また、図3eに示されているように、安全ベント1110が第2領域B1、B2から第3領域Cまで厚さが順次に増加する場合、相対的に大きい外部衝撃でも安全ベント1110がクラックされないように制御することができる。
このように、第1領域A1、第2領域B1、B2および第3領域Cの厚さおよびこれらの間の勾配角度が適切に制御されることによって、2次電池の破断圧が制御されるだけでなく、外部衝撃によるクラック現象も防止することができる。
図4aおよび図4bは、本発明の他の実施例による円筒形リチウムイオン2次電池の円筒形ケース110の底部111に形成された安全ベント1110を示す断面図である。
図4aおよび図4bに示されているように、本発明の他の実施例による安全ベント1110は、第1面111aの反対面である第3面111cと、第3面111cの両側に形成されて第1面111aと連結される一対の第4面111dと、を含む。ここで、一対の第4面111dが有する角度は、ほぼ28°乃至30°であることができ、また、第3面111cと第4面111dとの間には一定の曲率を有する曲面111fが形成されることができる。
ここで、前記一対の第4面111dが有する角度がほぼ28°より小さい場合、相対的に大きい内圧でも安全ベント1110が機能しないことがあり、また、前記一対の第4面111dが有する角度がほぼ30°より大きい場合、相対的に小さい内圧でも安全ベント1110が機能することができる。さらに、前記一対の第4面111dが有する角度がほぼ30°より大きい場合、相対的に小さい外部衝撃でも安全ベント1110がクラックする危険性がある。
このように、本発明では前記のように一対の第4面111dが有する角度、そして第3面111cおよび第4面111dの間の曲面111fが有する曲率を制御して、2次電池の破断圧を制御することができる。
以上で説明したのは本発明による円筒形リチウムイオン2次電池を実施するための一つの実施例に過ぎないのであって、本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲に記載するように本発明の要旨を逸脱しない範囲内において当該発明の属する分野で通常の知識を有する者であれば、誰でも多様な変更実施が可能な範囲まで本発明の技術的精神が含まれるとみなされる。
1110 安全ベント
111 底部
111a 第1面
111b 第2面
111c 第3面
111d 第4面
111e 第5面
111f 曲面
A1、A2 第1領域
B1、B2 第2領域
C 第3領域

Claims (9)

  1. 円筒形ケース;
    前記円筒形ケースに電解液と共に収容された電極組立体;および、
    前記円筒形ケースを密封するキャップ組立体を含み、
    前記円筒形ケースは円形の底部と、前記底部から前記キャップ組立体まで延長される側部と、からなり、
    前記底部に厚さ勾配を有する安全ベントが形成され、
    前記底部は、前記電極組立体に向かう平らな第1面と、前記第1面の反対面として平らな第2面と、を含み、前記安全ベントは前記第2面に形成され、
    前記安全ベントは、前記第1面と第2面との間に形成される第3面と、前記第3面と前記第2面とを連結する互いに離間した一対の第4面と、をさらに含み、
    前記安全ベントが、
    前記第1面と前記第3面との間の厚さが第1厚さである第1領域と、
    前記第1面と前記第3面との間の厚さが前記第1厚さと異なる第2厚さである第2領域と、を含み、
    前記第1領域と前記第2領域との間の第3面が前記第1面に対して勾配を有し、
    前記第1厚さが、前記第1面と前記第2面との間の厚さの10%〜20%であり、
    前記第2厚さが、前記第1面と前記第2面との間の厚さの30%〜40%であることを特徴とする円筒形リチウムイオン2次電池。
  2. 前記安全ベントは前記底部の中心と同一の中心を有し、前記底部の半径と異なる半径を有する円形からなることを特徴とする請求項1に記載の円筒形リチウムイオン2次電池。
  3. 前記第1領域と前記第2領域とは円周上に位置し、相互に90°間隔で交互に形成されることを特徴とする請求項1に記載の円筒形リチウムイオン2次電池。
  4. 前記第1領域と前記第2領域との間に厚さが一定である第3領域がさらに形成されることを特徴とする請求項1に記載の円筒形リチウムイオン2次電池。
  5. 前記第3領域は前記第1面と前記第1面の反対面である第5面とを含み、前記第1面と第5面との間の厚さは前記第1面と前記第2面との間の厚さの60%〜70%であることを特徴とする請求項に記載の円筒形リチウムイオン2次電池。
  6. 前記第2領域から第3領域まで厚さが順次に減少することを特徴とする請求項に記載の円筒形リチウムイオン2次電池。
  7. 前記第2領域から第3領域まで厚さが順次に増加することを特徴とする請求項に記載の円筒形リチウムイオン2次電池。
  8. 前記一対の第4面の間の角度は28°〜30°であることを特徴とする請求項1に記載の円筒形リチウムイオン2次電池。
  9. 前記第3面と前記第4面との間には曲面が形成されることを特徴とする請求項1に記載の円筒形リチウムイオン2次電池。
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