JP6259089B2 - ２つ以上の部材からなる電池ケースを含む角形電池セル - Google Patents

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Description

本発明は、２つ以上の部材からなる電池ケースを含む角形電池セルに係り、より詳細には、正極と負極との間に分離膜が介在している構造の電極組立体が角形のセルケースに内蔵された状態で、前記セルケースの開放上端にキャッププレートが装着されており、前記キャッププレートには、負極端子または正極端子が突出端子として形成されており、前記角形のセルケースは、キャッププレートの突出端子に対する水平断面形状において、長軸方向、または短軸方向、または長軸及び短軸方向に分割された２つ以上のケース部材が互いに結合された構造からなることを特徴とする角形電池セルに関する。
二次電池は、正極／分離膜／負極構造の電極組立体がどのような構造からなっているかによって、長いシート状の正極と負極と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、所定の大きさの単位に切り取った多数の正極と負極とを分離膜を介在した状態で順次積層したスタック型（積層型）電極組立体、所定単位の正極と負極とを分離膜を介在した状態で積層したバイセル（ｂｉｃｅｌｌ）またはフルセル（ｆｕｌｌ ｃｅｌｌ）を巻き取った構造のスタック／フォールディング型電極組立体などを挙げることができる。
また、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または角形の金属缶に内蔵されている円筒形電池及び角形電池と、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。
特に、最近は、モバイル電子機器の小型軽量化の趨勢によって、相対的に幅の狭い角形電池が開発されており、このような角形電池は、従来の円筒形電池とは異なる他の適用分野を創出している。
一般に、角形電池は、下端が密封されている角形の中空ケースに一部の電池要素を挿入した後、上端キャップアセンブリを溶接し、電解質を注入した後、注入口を密封して製造されている。ここで、下端が密封された角形の中空ケースは、通常、アルミニウム合金の板材を、図１に示されているように、ディープドローイング（ｄｅｅｐ ｄｒａｗｉｎｇ）加工法により製造する。ディープドローイング加工法は、平板から継ぎ目なしに中空容器を作る代表的な成形法であって、ダイ３０の表面上に位置させた素材板１０をパンチ２０で加圧２１して塑性加工する成形方法のことをいう。
ディープドローイング加工法は、板材から最終の中空ケースを一連の連続的な工程により製造できるので、工程の効率性が高いという利点を有しているが、次のような問題点を有している。
第一に、ディープドローイング加工法は、約１０段階以上の複雑且つ精巧な工程を経るので、そのための装置の作製コストが非常に高く、特に、金型などの製造に一般的に２〜３ヶ月の長い期間がかかる。これは、変化する消費者の好みに合う電池の開発にかかる期間を大きく増やす要素として作用する。
第二に、金属板材をディープドローイング加工法により加工する場合、金型の形状に応じて金属板材の各部位の延伸の程度に差が出るようになる。場合によって、金属板材の許容延伸率の範囲を外れる場合、耳割れ現象が発生することがある。したがって、ディープドローイング加工法により加工できる形状の限界が存在するようになる。
前記の理由により、ディープドローイング加工法は、製品の不良率が高く、ケースの形状に限界を有する。
したがって、このような問題点を根本的に解決できる技術に対する必要性が高い実情である。
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。
本出願の発明者らは、鋭意研究と様々な実験を通じて、特定構造の分割された２つ以上のケース部材が互いに結合される構造でセルケースを構成することによって、製造工程が簡素化され、生産工程の効率性が向上することで、生産製造コストが低減され得る角形電池セルを提供することである。
また、本発明の更に他の目的は、角形電池セルを、角形セルケースの形状に対する制約のない様々なデザインに設計することができ、前記セルケースを作製するコストと時間を短縮して、生産工程の効率性増大効果を共に達成することができ、製品の不良率が低い角形電池セルを提供することである。
このような目的を達成するための本発明に係る角形電池セルは、
正極と負極との間に分離膜が介在している構造の電極組立体が角形のセルケースに内蔵された状態で、前記セルケースの開放上端にキャッププレートが装着されており、
前記キャッププレートには、負極端子または正極端子が突出端子として形成されており、
前記角形のセルケースが、キャッププレートの突出端子に対する水平断面形状において、長軸方向、または短軸方向、または長軸及び短軸方向に分割された２つ以上のケース部材が互いに結合された構造となっている。
したがって、本発明に係る電池セルは、分割されたケース部材を互いに結合して製造することによって、ディープドローイングに比べて製造コストを低減することができ、電池セルの全般的な製造期間を大きく短縮させることができ、様々なデザインで製造可能であると同時に、製品の不良率を低減することができる。例えば、ディープドローイングによって製造が相対的に難しい大きさの電池セルを、容易に製造することができる。
本発明の角形電池セルにおいて、前記キャッププレートは、単一の部材からなる構造であってもよく、キャッププレートの中央に突出端子として負極端子が形成されている構造であってもよい。
一具体例において、前記角形のセルケースは、短軸方向に分割された２つのケース部材が互いに結合された形状からなる構造であり得る。このようなケース部材は、互いに同一の形状であってもよいが、これに限定されるものではない。上述したように、ケース部材が互いに同一の形状である場合、製造工程が簡素化されることによって、生産工程の効率性が向上し、これによって、生産製造コストが低減される。
更に他の具体例として、前記角形のセルケースは、長軸方向に分割された２つのケース部材が互いに結合された形状からなる構造であり得る。この場合も、前記ケース部材が互いに同一の形状であってもよいが、これに限定されるものではない。また、このような構造のケース部材が互いに結合される場合、ケース部材は、結合強度と密封性を高めるために、両端部の厚さが相対的に厚い構造であってもよい。
一方、前記ケース部材は、様々な方法で製造することができ、例えば、金属板材をセルケースの対応形状に折り曲げて製造したり、鍛造、ブランキング又は切削加工により製造したりすることができる。
具体的に、ディープドローイング加工法で製造された角形のセルケースは、延伸を伴う加工過程において素材の内部にクラックが発生して強度が大きく低下し、または、結局破断してしまう場合が発生して製品の不良率を誘発することがある。さらに、弱くなった強度は密封力を低下させ、外部の衝撃によって容易に破損されてしまう。また、このような問題点は、一定の深さ及び幅を有する角形のセルケースの作製を不可能にする。反面、本発明に係る電池セルは、前記のような制約が全く発生しない。
本発明においてケース部材を互いに結合する方式は、多様な方式があり得る。
一具体例において、セルケースは、接触端部が対面するようにケース部材をセルケースの形状で互いに密着させた状態で、界面を溶接して製造することができる。
更に他の具体例において、セルケースは、接触端部が重なるようにケース部材をセルケースの形状で互いに密着させた状態で、界面を溶接して製造することができる。この場合、前記ケース部材の重なった接触端部はケース部材の厚さと一致するように圧延した後に、その界面を溶接して製造することができる。
ケース部材の溶接方式は、これら２つの部材を高い強度で結合させて密封を行うことができれば、特に制限されるものではなく、例えば、レーザー溶接、アーク溶接、電気抵抗溶接、ガス溶接、超音波溶接などを挙げることができ、その中でも、レーザー溶接で結合され得る。
本発明に係る角形電池セルを構成するセルケース及びキャッププレートの素材は、電池のケースに適した物性を有し、板材の形態で製造できると共に、セルケースを製造するための工程に使用できる素材であれば、特に制限されるものではなく、具体的には、アルミニウムまたはアルミニウム合金であってもよい。
また、前記セルケースは、所定の厚さを含む構造であって、例えば、０．１〜１ｍｍの厚さを有する構造であってもよい。具体的に、前記セルケースが厚すぎる場合、完成された電池セルの全厚や体積を増加させることがある。一方、前記セルケースが薄すぎる場合には、セルケースに所望の機械的強度を付与することができず、外部の衝撃に対して角形電池セルを保護できなくなる。
本発明に係る電池セルは、フォールディング型構造、またはスタック型構造の電極組立体をセルケースに収納して製造したり、スタック／フォールディング型構造の電極組立体を収納して製造したりすることができる。
このように、本発明に係る角形電池セルは、前記のような電極組立体が電池ケースに装着されているものであれば、その種類が特に限定されるものではないが、具体例として、高いエネルギー密度、放電電圧、及び出力安定性のリチウム二次電池であってもよい。
リチウム二次電池を含め、電池セルの構成、構造、製造方法などは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者にとって自明であるので、これらについての具体的な説明は省略する。
本発明はまた、前記角形電池セルを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使用するデバイスを提供し、前記デバイスは、具体的に、ノートパソコン、携帯電話、ＰＤＰ、ＰＭＰ、ＭＰ３プレーヤー、ＤＳＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｔｉｌｌ Ｃａｍｅｒａ）、ＤＶＲ、スマートフォン、ＧＰＳシステム、カムコーダー、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、電力貯蔵装置などであってもよい。
前記のようなデバイス乃至装置は当業界で公知となっているので、本明細書では、それについての具体的な説明を省略する。
従来技術のディープドローイング工程を用いて角形の電池ケースを製造する一部の工程の側面切断模式図である。 本発明の一実施例に係る角形電池セルの姿を示す斜視図である。 本発明の一実施例に係る短軸方向に分割されたケース部材が互いに結合される前の姿を示す斜視図である。 本発明の更に他の実施例に係る長軸方向に分割されたケース部材が互いに結合される前の姿を示す斜視図である。 図４の長軸方向に分割されたケース部材が互いに結合される姿を示す平面図である。 図４の長軸方向に分割されたケース部材が互いに結合される姿を示す平面図である。 本発明の更に他の実施例に係る分割されたケース部材が互いに結合される一連の過程を示す部分断面である。
本発明に係る角形電池セルは、上端が開放されている角形のセルケースを製造するためのケース部材、及び前記セルケースの上端に対応する形状のキャッププレートをそれぞれ製造し、これらを結合させた後、溶接する過程を含むことで構成されている。
本発明の角形電池セルは、従来に使用されるディープドローイング加工法を採用せずとも、下端が密封された角形のセルケースを製造できるという点に特徴がある。
本発明で使用された用語、“角形”は、ケースの水平断面形状が円形または楕円形などのように曲線ではなく直線部位を含んでいることを包括的に表現するように意図された。例えば、四角形、三角形、五角形などを例に挙げることができ、好ましくは、１対の辺（長辺）が、対応する他の１対の辺（短辺）よりも長い長方形であり得る。また、２つの直線部が交わる角部がラウンディングされている形状も含む概念である。
以下、本発明の実施例に係る図面を参照して、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２には、本発明の一実施例に係る角形電池セルの姿を示す模式図が示されている。
図２を参照すると、本発明に係る角形電池セル１００は、内部に正極と負極との間に分離膜が介在している構造の電極組立体（図示せず）が角形のセルケース１３０に内蔵されている。
角形電池セル１００は、上端が開放されている長方形のセルケース１３０の開放上端に、突出端子１２０が設置されたキャッププレート１１０が装着されている構造であって、キャッププレート１１０は単一の部材からなっている。
図３には、本発明の一実施例に係る短軸方向に分割された２つのケース部材２３０ａ，２３０ｂとキャッププレート２１０が結合される前の姿を示す模式図が示されている。
図３を参照すると、短軸方向に分割された２つのケース部材２３０ａ，２３０ｂは、互いに同一の形状からなっており、開放上端には、突出端子２２０を含むキャッププレート２１０が結合される構造となっている。
図４には、本発明の更に他の実施例に係る長軸方向に分割されたケース部材３３０ａ，３３０ｂとキャッププレート３１０が結合される前の姿を示す模式図が示されている。
図４を参照すると、長軸方向に分割された２つのケース部材３３０ａ，３３０ｂは、互いに同一の形状からなっており、開放上端には、突出端子３２０を含むキャッププレート３１０が結合される構造となっている。
上述したように、上記のようにケース部材２３０ａ，２３０ｂ，３３０ａ，３３０ｂを互いに同一の形状で製造することによって、角形電池セルを製造するための製造工程を簡素化することができ、期間を短縮することができ、製造コストを低減することができるという効果を発揮することができる。
図５及び図６には、図４に示した長軸方向に分割された２つのケース部材３３０ａ，３３０ｂが互いに結合される姿を示す平面図が示されている。
この場合、ケース部材３３０ａ，３３０ｂは、０．１〜１．０ｍｍの厚さを有し、互いに対面して結合する両端部の厚さｔ１が、隣接する他の辺の厚さｔ２に比べて相対的に厚い構造からなっており、厚さｔ２は、例えば、厚さｔ１の１．１倍〜５倍であってもよい。
ケース部材３３０ａ，３３０ｂは、金属板材をセルケースの対応形状に折り曲げて製造するか、または鍛造、ブランキング、切削加工により製造される。
図５を参照すると、前記ケース部材３３０ａ，３３０ｂは、接触端部３４０ａが対面するようにセルケースの形状で互いに密着させた状態で界面を溶接して製造される。
場合によっては、図６のように、ケース部材３３０ａ，３３０ｂは、対応する段差が形成されている接触端部３４０ｂが重なるようにセルケースの形状で互いに密着させた状態で界面を溶接して製造され、前記溶接は、レーザー溶接によって行われる。
接触端部が重なった更に他の例は、図７で確認できる。図７を参照すると、ケース部材３３０ａ，３３０ｂの接触端部３４０ａ，３４０ｂは、ケース部材３３０ａ，３３０ｂの厚さと略一致するように圧延した後に界面を溶接して製造される。
再び図５及び図６を参照すると、ケース部材３３０ａ，３３０ｂの製造方法及び結合方法は、短軸方向に分割された２つのケース部材２３０ａ，２３０ｂが製造及び結合される場合にも同一である。
したがって、本発明に係る角形電池セルは、分割された２つ以上のケース部材２３０ａ，２３０ｂ，３３０ａ，３３０ｂが互いに結合されて一つのセルケースをなす構造であって、従来のディープドローイング加工法に基づいて製造した電池セルと比較して、装置の製造コストが低廉であるので、最終的に電池の製造コストを低減することができ、方法の実施のための装置の設計及び作製時間が非常に短いので、新たな類型の電池のデザインから生産までの所要期間を大幅に短縮することができる。
また、これと同時に、ケースの高さ及び長辺と短辺の長さの比に対する制約がない様々なデザインに設計することができ、製品の不良率を低減することができる。
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。
以上の説明のように、本発明に係る角形電池セルは、特定構造の分割された２つ以上のケース部材が互いに結合される構造でセルケースを構成することによって、製造工程が簡素化され、生産工程の効率性が向上することで、生産製造コストが低減され得る。
また、これと同時に、角形電池セルを、角形セルケースの形状に対する制約のない様々なデザインに設計することができ、前記セルケースを作製するコスト及び時間を短縮して、生産工程の効率性増大効果を共に達成することができ、製品の不良率を低減することができるという効果がある。
１０ 素材板
２０ パンチ
２１ 加圧
３０ ダイ
１００ 角形電池セル
１１０ キャッププレート
１２０ 突出端子
１３０ セルケース
２１０ キャッププレート
２２０ 突出端子
２３０ａ ケース部材
２３０ｂ ケース部材
３１０ キャッププレート
３２０ 突出端子
３３０ａ ケース部材
３３０ｂ ケース部材
３４０ａ 接触端部
３４０ｂ 接触端部

Claims (16)

  1. 正極と負極との間に分離膜が介在している構造の電極組立体が角形のセルケースに内蔵された状態で、前記セルケースの開放上端にキャッププレートが装着されており、
    前記キャッププレートには、負極端子または正極端子が突出端子として形成されており、
    前記角形のセルケースが、キャッププレートの突出端子に対する水平断面形状において、長軸方向、または短軸方向、または長軸及び短軸方向に分割された２つ以上のケース部材の接触端部が互いに結合された構造からなり、
    前記２つ以上のケース部材のうち一つのケース部材の接触端部が他の一つのケース部材の接触端部の外面に当接し、前記一つのケース部材の接触端部の厚さと前記他の一つのケース部材の接触端部の厚さとの合計が、前記ケース部材の厚さと同一であり、
    前記セルケースは、接触端部が重なるようにケース部材をセルケースの形状で互いに密着させた状態で界面を溶接して製造され、
    前記ケース部材の重なった接触端部をケース部材の厚さと一致するように圧延した後に界面を溶接することを特徴とする、角形電池セル。
  2. 前記キャッププレートが単一の部材からなることを特徴とする、請求項１に記載の角形電池セル。
  3. 前記キャッププレートの中央に突出端子として負極端子が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の角形電池セル。
  4. 前記角形のセルケースが、短軸方向に分割された２つのケース部材が互いに結合された形状からなることを特徴とする、請求項１に記載の角形電池セル。
  5. 前記角形のセルケースが、長軸方向に分割された２つのケース部材が互いに結合された形状からなることを特徴とする、請求項１に記載の角形電池セル。
  6. 前記ケース部材が、両端部の厚さが相対的に厚いことを特徴とする、請求項５に記載の角形電池セル。
  7. 前記ケース部材が、金属板材をセルケースの対応形状に折り曲げて製造されることを特徴とする、請求項１に記載の角形電池セル。
  8. 前記ケース部材が、鍛造、ブランキングまたは切削加工により製造されることを特徴とする、請求項１に記載の角形電池セル。
  9. 前記溶接が、レーザー溶接によって行われることを特徴とする、請求項１に記載の角形電池セル。
  10. 前記セルケース及びキャッププレートが、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項１に記載の角形電池セル。
  11. 前記セルケースが０．１〜１．０ｍｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の角形電池セル。
  12. 前記電極組立体が、フォールディング型構造、スタック型構造、またはスタック／フォールディング型構造であることを特徴とする、請求項１に記載の角形電池セル。
  13. 前記電池セルがリチウム二次電池であることを特徴とする、請求項１に記載の角形電池セル。
  14. 請求項１に記載の電池セルを１つ以上含むことを特徴とする、電池パック。
  15. 請求項１４に記載の電池パックを電源として使用することを特徴とする、デバイス。
  16. 前記デバイスが、ノートパソコン、携帯電話、ＰＤＰ、ＰＭＰ、ＭＰ３プレーヤー、ＤＳＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｔｉｌｌ Ｃａｍｅｒａ）、ＤＶＲ、スマートフォン、ＧＰＳシステム、カムコーダー、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なる群から選択されることを特徴とする、請求項１５に記載のデバイス。
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