JP6275853B2 - 低い抵抗の電極タブを含む二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、低い抵抗の電極タブを含む二次電池に関する。
最近需要が増加している二次電池は、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。そのうち、円筒型電池は、相対的に容量が大きく、構造的に安定しているという利点を有する。
電池ケースに内蔵される電極組立体は、正極／分離膜／負極の積層構造からなる充放電可能な発電素子であって、活物質が塗布された長いシート状の正極と負極との間に分離膜を介在して巻き取ったジェリーロール型と、所定の大きさの多数の正極と負極とを分離膜が介在した状態で順次積層したスタック型とに分類される。そのうち、ジェリーロール型電極組立体は、製造が容易であり、重量当たりのエネルギー密度が高いという利点を有している。
これと関連して、図１には、従来の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（巻き取り型）電極組立体１２０を円筒形の缶１３０に収納し、円筒形の缶１３０内に電解液を注入した後、円筒形の缶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って発生するガスを放出する通路として作用する。
しかし、最近、二次電池の高性能化が要求されるに伴い、発熱の問題が深刻に大きくなっている。
二次電池での発熱は、正極活物質と電解液の分解反応などをもたらし、それにより、多数の副反応が急速に進行し、ひいては、電池の発火及び爆発が誘発されることもある。
このような現象は、充放電過程で電流が密集する電極タブで大きく、特に負極タブで深刻であるものと確認された。
従来の負極タブの場合、ニッケルのような単一の材質を使用し、単一の材質を使用する負極タブは単一の大きさを有している。これとは異なり、発熱の問題を解決するために、負極タブとして、ニッケルよりも相対的に抵抗の小さい銅のような素材の使用も考慮できるが、集電体としての電極ホイル、または電池ケースとの溶接に対する工程の容易性の確保が難しいため、銅素材を適用しにくいという問題がある。
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。
本発明者らは、電極組立体のそれぞれの極板に活物質が塗布されていない部位に付着した電極タブのうち、一側端部が電池ケースに付着する負極タブがＣｕ−Ｎｉ合金からなる場合、二次電池の抵抗及び発熱を減少させることができることを確認し、本発明を完成するに至った。
したがって、本発明に係る二次電池は、正極／分離膜／負極構造の電極組立体が、電解液が含浸された状態で電池ケースに内蔵されている構造の二次電池であって、電極組立体のそれぞれの極板には、活物質が塗布されていない部位に電極タブが付着しており、前記電極タブのうち、一側端部が電池ケースに付着する負極タブがＣｕ−Ｎｉ合金からなっていることを特徴とする。
したがって、本発明に係る二次電池は、負極タブがＣｕ−Ｎｉ合金からなっているので、ニッケル素材の負極タブに比べて相対的に伝導性が向上して、同一の面積及び同一の長さを基準として負極タブの抵抗を減少させることによって、二次電池の使用中に負極タブから発生する発熱を減少させることができ、それによって、安全性を向上させることができる。また、前記抵抗の減少によって、二次電池に流れる電流の損失を防止し、これによる二次電池の作動効率向上の効果を発揮することができる。さらに、このような発熱抑制効果以外に、電池の当該部位に対して所望の水準の溶接性を提供することができる。
前記電池ケースは、形状によって、円筒形の缶または角形の缶であってもよいが、これに限定されるものではない。
前記電極組立体は、一具体例において、長いシート状の金属ホイルの両面に電極活物質を塗布して製造された正極と負極を、それらの間に分離膜を介在した状態で丸く巻き取った構造からなるジェリーロール型構造からなることができる。
一具体例において、前記Ｃｕ−Ｎｉ合金からなる負極タブにおいて、Ｎｉの含量は、合金の全重量を基準として０．０５％〜３％であってもよい。
更に他の具体例において、前記負極タブとしてのＣｕ−Ｎｉ合金には、Ｃｕ及びＮｉ以外に、Ｓｉ及びＳｎから選択される１つ以上の元素がさらに含まれることによって、前記負極タブの機械的強度を向上させることができる。
錫は、ニッケルに比べて高い強度、低い抵抗特性を有し、ケイ素も、ニッケルに比べて高い強度を有し、半導体の特性上、温度が高くなるほど抵抗がさらに低くなる性質があるので、二次電池に特に好ましい。
この場合、前記Ｓｉの含量は、合金の全重量を基準として０．０５％〜０．８０％であり、前記Ｓｎの含量は、合金の全重量を基準として０．１０％〜０．７０％であってもよく、このような範囲内で、所望の物理的な特性に応じて自由に調節することができる。
一具体例において、前記負極タブは、電池ケースの内面下端に付着している構造であってもよい。
例えば、負極の巻き取り開始部は負極無地部を含まず、負極の巻き取り終了部にのみ負極タブの付着のための負極無地部を含むことができるところ、負極タブは、前記負極無地部と電池ケースの内面下端にそれぞれ溶接方式で結合される構造であってもよい。
前記溶接方式は、負極タブ及び二次電池を構成する成分の物理的な特性を変化させずに、前記負極タブを強固に付着することができる方式であれば、特に制限されるものではなく、好ましくは、アーク溶接、抵抗溶接または超音波溶接などの方式から選択することができる。
一具体例において、前記負極タブは、超音波溶接によって極板に付着しており、一側端部は、抵抗溶接によって電池ケースの内面に付着していてもよい。
本発明に係る二次電池の負極タブは、このような異種の溶接方式に対してもそれぞれ優れた溶接性を提供する。
一方、前記負極タブは、例えば、幅が２ｍｍ〜８ｍｍであり、長さが１０ｍｍ〜９０ｍｍであり、厚さが０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍであるストリップ状の部材からなることができるが、これに限定されるものではない。
本発明に係る更に他の二次電池の負極タブは、Ｃｕ−Ｎｉ合金の単一構造以外に、互いに異なる素材からなる多数の層が積層された構造からなることができる。
一具体例において、前記負極タブは、Ｃｕ−Ｎｉ合金層と銅層が積層された構造からなることができ、銅は、電極または電池ケースとの溶接が難しいため、負極タブが極板に付着される面にはＣｕ−Ｎｉ合金層が位置し、前記Ｃｕ−Ｎｉ合金層上に銅層が積層される２層構造からなることができる。このように、ニッケルよりも相対的に抵抗の小さい銅層を上層に位置させ、溶接力に優れたＣｕ−Ｎｉ合金層を電極と接触する面に位置させることによって、発熱による安定性の問題を解決できるだけでなく、溶接を用いて極板に電極タブを付着する場合に接着力を向上させることができる。
更に他の一具体例において、本発明に係る負極タブは、銅層を中心に上面及び下面にＣｕ−Ｎｉ合金層が積層される３層構造からなることができるところ、負極タブを極板に付着する場合だけでなく、負極タブを電池ケースなどと接続させる場合に発生する溶接の困難さを解決することができる。
このように、負極タブを１つのＣｕ−Ｎｉ合金層のみで構成する場合よりも、前記のような２層構造または３層構造の負極タブを使用する場合、Ｃｕ及びＮｉの含量範囲をより幅広く調節できるので、負極タブの接着力を向上させて溶接を容易に行うことができるという点でより好ましい。
前記２層構造または３層構造の負極タブを構成するＣｕ−Ｎｉ合金には、Ｓｉ及びＳｎから選択される１つ以上の元素がさらに含まれ得、Ｓｎは、Ｎｉに比べて高い強度及び低い抵抗特性を有し、Ｓｉも、Ｎｉに比べて高い強度を有し、半導体であるので、温度が高くなるほど抵抗がさらに低くなる特性があるので、二次電池に特に好ましい。また、前記銅層にも、必要に応じて、銅以外の異種元素がさらに含まれてもよい。
この場合、前記Ｓｉの含量は、合金の全重量を基準として０．０５％〜０．８０％であり、前記Ｓｎの含量は、合金の全重量を基準として０．１０％〜０．７０％であってもよく、このような範囲内で、所望の物理的な特性に応じて自由に調節することができる。
前記二次電池はリチウム二次電池であってもよく、このようなリチウム二次電池を構成する要素及びこれらの製造方法は当業界に公知となっているので、それについての詳細な説明を本明細書では省略する。
本発明はまた、前記リチウム二次電池を単位電池として含む電池パック、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。
具体的に、前記電池パックは、高温安全性、長いサイクル特性及び高いレート特性などが要求されるデバイスの電源として使用することができ、このようなデバイスの好ましい例としては、モバイル電子機器、電池ベースのモーターによって動力を受けて動くパワーツール（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）；電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ）などを含む電気車；電気自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）、電気スクーター（Ｅ−ｓｃｏｏｔｅｒ）を含む電気二輪車；電気ゴルフカート（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）；電力貯蔵用システムなどを挙げることができるが、これ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。
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電極組立体の負極に対する部分模式図が示されている。
図２を参照すると、負極２０１は、負極活物質２０２が塗布されている部分、及び負極活物質２０２が塗布されていない無地部２０３で構成されている。
無地部２０３には、Ｃｕ−Ｎｉ合金からなる負極タブ２１０の一側端部が超音波溶接２１２によって付着している。また、負極タブ２１０の他側端部２１１は、抵抗溶接によって電池ケースの内面に付着することができる。
図３には、図２の電極組立体を含む円筒型電池セルに対する模式的な透視図が示されている。
図３を参照すると、円筒型電池セル３００は、図２の電極組立体を巻き取った構造のジェリーロール型電極組立体３０１が電池ケース３０２に内蔵されている構造からなっている。
円筒型電池セル３００は、電極組立体３０１をなす負極の無地部に、負極タブ３１０の一側端部が超音波溶接３１１によって付着しており、負極タブ３１０の他側端部が、抵抗溶接３１２によって電池ケース３０２の内面下端に付着した構造からなっている。
図４及び図５は、本発明の更に他の実施例に係る電極板に付着した負極タブを側面から見た模式図を示している。図４によれば、極板４２０の一端には、負極タブ４１０の一側端部が超音波溶接４３０を用いて極板４２０に付着しており、負極タブ４１０は、互いに異なる成分で構成された２つの層が積層された形態をなしている。ここで、極板に付着している面４１２は、溶接による接着力に優れたＣｕ−Ｎｉ合金からなる層であり、その上に、銅からなる層４１１を積層した形態である。
一方、図５によれば、本発明の負極タブは、互いに異なる成分で構成された３つの層が積層された形態をなしている。具体的に、極板５２０の一端には、負極タブ５１０の一側端部が超音波溶接５３０を用いて極板５２０に付着しており、負極タブ５１０は、銅層５１１を挟んで上面及び下面にＣｕ−Ｎｉ合金層が積層された３層構造からなっている。このような構造の負極タブを使用することによって、負極タブの抵抗を低下させ、過熱により発生し得る問題を防止できるだけでなく、負極タブを極板または電池ケースなどに付着するとき、結合力が弱いため生じる工程上の問題点も解決することができる。
以下、実施例を通じて本発明をさらに詳述するが、下記の実施例は本発明を例示するためのもので、本発明の範疇がこれらに限定されるものではない。
＜実施例１＞
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｓｎを元素比でそれぞれ９７％、２％、０．５％、０．５％含むＣｕ−Ｎｉ合金を用いて、幅４ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍを有する負極タブを作製した。
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｓｎを元素比でそれぞれ９７％、２％、０．５％、０．５％含むＣｕ−Ｎｉ合金を用いて、幅４ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍを有する負極タブを作製した。
＜実施例２＞
負極集電体の両面において負極タブが付着する一部分を除いて負極活物質をそれぞれ塗布した後、負極活物質が塗布されていない無地部に、実施例１に係る負極タブの一側端部を超音波溶接によって付着して、負極を作製し、このような負極を含むジェリーロール型電極組立体を完成した。電極組立体を円筒状の電池ケースに挿入し、負極タブの他側端部を抵抗溶接によって電池ケースの内面下端に付着して、円筒型二次電池を作製した。
負極集電体の両面において負極タブが付着する一部分を除いて負極活物質をそれぞれ塗布した後、負極活物質が塗布されていない無地部に、実施例１に係る負極タブの一側端部を超音波溶接によって付着して、負極を作製し、このような負極を含むジェリーロール型電極組立体を完成した。電極組立体を円筒状の電池ケースに挿入し、負極タブの他側端部を抵抗溶接によって電池ケースの内面下端に付着して、円筒型二次電池を作製した。
＜比較例１＞
Ｎｉ（含量＞９９％）素材の負極タブを使用したこと以外は、実施例１と同様の方法で負極タブを作製した。
Ｎｉ（含量＞９９％）素材の負極タブを使用したこと以外は、実施例１と同様の方法で負極タブを作製した。
＜比較例２＞
比較例１の負極タブを用いたこと以外は、実施例２と同様の方法で円筒型二次電池を製造した。
比較例１の負極タブを用いたこと以外は、実施例２と同様の方法で円筒型二次電池を製造した。
＜実験例１＞
実施例１及び比較例１で作製された負極タブに対する抵抗を、抵抗測定器を使用してそれぞれ測定した。抵抗の測定は、負極タブの抵抗を数回にわたって測定し、測定された実験値を抵抗の最大値、最小値、平均値で下記表１に示す。
実施例１及び比較例１で作製された負極タブに対する抵抗を、抵抗測定器を使用してそれぞれ測定した。抵抗の測定は、負極タブの抵抗を数回にわたって測定し、測定された実験値を抵抗の最大値、最小値、平均値で下記表１に示す。
表１を参照すると、Ｃｕを含有している実施例１の負極タブが、Ｎｉのみを含有する比較例１の負極タブに比べて抵抗が著しく低いことを確認することができる。これは、Ｃｕを含む負極タブが、一般的にＮｉのみからなる負極タブに比べて伝導性に優れ、これによって、負極タブの抵抗を減少させ、電池の劣化を防止し、負極タブの安全性及び作動効率を向上させることができる効果があることを示す。
＜実験例２＞
実施例２及び比較例２で作製された円筒型二次電池に対する抵抗を、抵抗測定器を使用してそれぞれ測定した。参考に、正極は、Ｎｉからなる正極タブを使用して作製した。抵抗の測定は、円筒型二次電池の抵抗を数回にわたって測定し、測定された実験値を抵抗の最大値、最小値、平均値で下記表２に示す。
実施例２及び比較例２で作製された円筒型二次電池に対する抵抗を、抵抗測定器を使用してそれぞれ測定した。参考に、正極は、Ｎｉからなる正極タブを使用して作製した。抵抗の測定は、円筒型二次電池の抵抗を数回にわたって測定し、測定された実験値を抵抗の最大値、最小値、平均値で下記表２に示す。
表２を参照すると、Ｃｕを含有している負極タブを含んでいる実施例２の二次電池が、Ｎｉのみからなる負極タブを含んでいる比較例２の二次電池に比べて、抵抗が著しく低いことを確認することができる。
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。
以上で説明したように、本発明に係る二次電池は、電極タブのうち、一側端部が電池ケースに付着する負極タブがＣｕ−Ｎｉ合金からなっているので、相対的に優れた伝導性によって、負極タブから発生する発熱を大幅に減少させることができ、これによる二次電池の安全性を向上させることができ、電流の損失を防止して二次電池の作動効率を向上させることができるという効果がある。
１００ 円筒型電池
１２０ 電極組立体
１２１ 正極
１２２ 負極
１２３ 分離膜
１３０ 缶
１４０ トップキャップ
１５０ センターピン
２０１ 負極
２０２ 負極活物質
２０３ 無地部
２１０ 負極タブ
２１１ 他側端部
２１２ 超音波溶接
３００ 円筒型電池セル
３０１ 電極組立体
３０２ 電池ケース
３１０ 負極タブ
３１１ 超音波溶接
３１２ 抵抗溶接
４１０ 負極タブ
４１１ 銅からなる層
４１２ 極板に付着している面
４２０ 極板
４３０ 超音波溶接
５１０ 負極タブ
５１１ 銅層
５３０ 超音波溶接
１２０ 電極組立体
１２１ 正極
１２２ 負極
１２３ 分離膜
１３０ 缶
１４０ トップキャップ
１５０ センターピン
２０１ 負極
２０２ 負極活物質
２０３ 無地部
２１０ 負極タブ
２１１ 他側端部
２１２ 超音波溶接
３００ 円筒型電池セル
３０１ 電極組立体
３０２ 電池ケース
３１０ 負極タブ
３１１ 超音波溶接
３１２ 抵抗溶接
４１０ 負極タブ
４１１ 銅からなる層
４１２ 極板に付着している面
４２０ 極板
４３０ 超音波溶接
５１０ 負極タブ
５１１ 銅層
５３０ 超音波溶接
Claims (13)
- 正極／分離膜／負極構造の電極組立体が、電解液が含浸された状態で電池ケースに内蔵されている構造の二次電池であって、電極組立体のそれぞれの極板には、活物質が塗布されていない部位に電極タブが付着しており、前記電極タブのうち、一側端部が電池ケースに付着する負極タブはＣｕ−Ｎｉ合金からなり、
前記Ｃｕ−Ｎｉ合金においてＮｉの含量は、合金の全重量を基準として０．０５％〜３％であり、
前記Ｃｕ−Ｎｉ合金には、Ｓｉ及びＳｎから選択される１つ以上の元素がさらに含まれ、前記Ｓｉの含量は、合金の全重量を基準として０．０５％〜０．８０％であり、前記Ｓｎの含量は、合金の全重量を基準として０．１０％〜０．７０％であり、
前記Ｃｕ−Ｎｉ合金の、極板に付着する面とは反対側の面上に銅層が積層されることを特徴とする、二次電池。 - 前記電池ケースは円筒形の缶であることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
- 前記電極組立体は、正極シートと負極シートとが分離膜が介在した状態で巻き取られている構造のジェリーロール型であることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
- 前記負極タブは、電池ケースの内面下端に付着していることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
- 前記負極タブは、極板に超音波溶接によって付着しており、一側端部が抵抗溶接によって電池ケースの内面に付着していることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
- 前記負極タブは、幅が２ｍｍ〜８ｍｍであり、長さが１０ｍｍ〜９０ｍｍであり、厚さが０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍであるストリップ状の部材であることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
- 前記銅層の、前記Ｃｕ−Ｎｉ合金に積層する面とは反対側の面上に、追加的なＣｕ−Ｎｉ合金層が積層されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
- 前記追加的なＣｕ−Ｎｉ合金層には、Ｓｉ及びＳｎから選択される１つ以上の元素がさらに含まれていることを特徴とする、請求項７に記載の二次電池。
- 前記追加的なＣｕ−Ｎｉ合金層に含まれる前記Ｓｉの含量は、前記追加的なＣｕ−Ｎｉ合金層の合金の全重量を基準として０．０５％〜０．８０％であり、前記追加的なＣｕ−Ｎｉ合金層に含まれる前記Ｓｎの含量は、前記追加的なＣｕ−Ｎｉ合金層の合金の全重量を基準として０．１０％〜０．７０％であることを特徴とする、請求項８に記載の二次電池。
- 前記二次電池はリチウム二次電池であることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
- 請求項１０に記載のリチウム二次電池を単位電池として含むことを特徴とする、電池パック。
- 請求項１１に記載の電池パックを電源として含んでいることを特徴とする、デバイス。
- 前記デバイスは、モバイル電子機器、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または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１２に記載のデバイス。
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