JP6319830B2 - 二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、二次電池に関する。
二次電池とは、充電の不可能な一次電池とは異なって、充電・放電の可能な電池をいい、携帯電話、PDA、ノート型パソコンなどの小型先端電子機器分野で広く使われている。
二次電池が多様な分野で使われつつ、二次電池の使用環境による信頼性テストが重要な問題となっている。代表的な信頼性テスト項目には、温度による耐久性、落下強度、精電気防止(ESD;electrostatic discharge)、充電及び放電テストなどがある。これらテスト項目のうち、二次電池は充放電により長時間使われるので、二次電池の動作安定性は必ず備えなければならない重要な要素である。
米国公開特許 US2003/0077505 米国公開特許 US2008/0070097 米国公開特許 US2009/0075159
本発明の一実施形態は、非正常的な動作による爆発を予防できるようにベントを備える二次電池の構造に関する。
本発明の一側面によれば、第1電極板、第2電極板、及びこれらの間に介されるセパレータを備える電極組立体と、前記電極組立体が挿入されるように一側に開口が形成されており、内部に前記電極組立体を収容する缶と、前記缶の開口を密閉するキャッププレートと、を備え、前記缶は、前記缶の第1側面に形成された第1ベントと、
前記缶の第2側面に形成された第2ベントと、を備える二次電池を提供する。
本発明の一特徴によれば、前記缶の第1側面と前記缶の第2側面とは、互いに反対側に位置する。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第1ベントは、前記缶の第1側面の下部に形成され、前記第2ベントは、前記缶の第2側面の上部に形成される。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第1ベントと第2ベントとは、互いに遠ざかるように配される。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第1ベント及び前記第2ベントは、凹溝状であり、前記第1ベントの深さは、前記第2ベントの深さより深く形成される。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第1ベントは、下記の条件式を満たす。
<条件式>
Figure 0006319830
ここで、dは、前記第1ベントの深さを、tは、前記缶の厚さを示す。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第2ベントの深さの最大値は、前記第1ベントの深さの1/2倍である。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第1ベントの深さは、下記の条件式を満たす。
<条件式>
Figure 0006319830
ここで、dは、前記第1ベントの深さを、tは、前記缶の厚さを示す。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第1ベントと前記第2ベントのうちいずれか一つは、前記キャッププレートの厚さ方向に対して斜めの方向に沿って延び、残りの一つは、前記キャッププレートの厚さ方向と平行または垂直の方向に沿って延びている。
本発明のさらに他の側面によれば、第1電極板、第2電極板、及びこれらの間に介されるセパレータを備える電極組立体と、前記電極組立体が挿入されるように一側に開口が形成されており、内部に前記電極組立体を収容し、金属性素材を含む缶と、前記缶の開口を密閉するように前記缶と溶接されたキャッププレートと、を備え、前記缶は、前記缶の第1側面の下部に形成された第1ベントと、前記第1側面の反対側である前記缶の第2側面の上部に形成された第2ベントと、を備える二次電池を提供する。
本発明のさらに他の側面によれば、第1電極板、第2電極板、及びこれらの間に介されるセパレータを備える電極組立体と、前記電極組立体が挿入されるように一側に開口が形成されており、内部に前記電極組立体を収容する缶と、前記缶の開口を密閉するキャッププレートと、を備え、前記缶は、前記キャッププレートの長辺部から前記キャッププレートの厚さ方向に沿って延びて互いに対向する第1側面及び第2側面と、前記キャッププレートの短辺部から前記キャッププレートの厚さ方向に沿って延びて互いに対向する第3側面及び第4側面と、前記第1側面の下部に形成された第1ベントと、前記第2側面の下部に形成された第2ベントと、を備える二次電池を提供する。
本発明の一特徴によれば、前記第1ベントは、前記第1側面の下部の一側に形成され、前記第2ベントは、前記第2側面の上部の一側に形成される。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第1ベントは、前記第1側面の下部に配されるものの前記第3側面と隣接している一側に配され、前記第2ベントは、前記第2側面の上部に配されるものの前記第4側面と隣接している一側に配される。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第1ベントと前記第2ベントのうちいずれか一つは、前記キャッププレートの厚さ方向に対して斜めの方向に沿って延び、残りの一つは、前記キャッププレートの厚さ方向と平行または垂直の方向に沿って延びている。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第1ベント及び前記第2ベントは、凹溝状であり、前記第1ベントの深さは、前記第2ベントの深さより深く形成される。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第1ベントは、下記の条件式を満たす。
<条件式>
Figure 0006319830
ここで、dは、前記第1ベントの深さを、tは、前記缶の厚さを示す。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第2ベントの深さの最大値は、前記第1ベントの深さの1/2倍である。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第1ベントの深さは、下記の条件式を満たす。
<条件式>
Figure 0006319830
ここで、dは、前記第1ベントの深さを、tは、前記缶の厚さを示す。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記第1ベント及び前記第2ベントは、凹溝状であり、前記第1ベントの深さは、前記第2ベントの深さより深く形成される。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記缶は、金属性素材で形成される。
本発明の一実施形態によれば、互いに異なる面上に、または/及び互いに異なる位置に、または/及び互いに異なる深さを持つように形成された第1、2ベントの構成により、二次電池が不均一に膨脹しても耐圧が基準圧力より高ければ、いずれか一つが容易に破断される。よって、二次電池の爆発危険を遮断する。
本発明の一実施形態の二次電池を示す斜視図である。 図1の二次電池を他の角度からみた斜視図である。 図1の二次電池の分解斜視図である。 図1のIV−IV線の断面図である。 図2のV−V線の断面図である。 一実施形態の第1ベント及び第2ベントを備える第1側面及び第2側面を示す図面である。 他の実施形態の第1ベント及び第2ベントを備える第1側面及び第2側面を示す図面である。 他の実施形態の第1ベント及び第2ベントを備える第1側面及び第2側面を示す図面である。 他の実施形態の第1ベント及び第2ベントを備える第1側面及び第2側面を示す図面である。
本発明は、多様な変換を加えることができ、かついろいろな実施形態を持つことができるところ、特定実施形態を図面に例示して詳細な説明に詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物ないし代替物を含むと理解されねばならない。本発明を説明するに際して、かかる公知技術についての具体的な説明が本発明の趣旨を不明にすると判断される場合、その詳細な説明を略する。第1、第2などの用語は多様な構成要素を説明するときに使われるが、構成要素は用語によって限定されてはならない。用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的だけで使われる。本出願で使った用語は単に特定の実施形態を説明するために使われたものであり、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明らかに異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で、“含む”または“持つ”などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在するということを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものなどの存在または付加可能性を予め排除しないと理解されねばならない。一方、下記で使われた“/”は状況によって“及び”と解釈されてもよく、“または”と解釈されてもよい。
図1は、本発明の一実施形態による二次電池を概略的に示す斜視図であり、図2は、図1の二次電池を他の角度からみた斜視図であり、図3は、図1の二次電池の分解斜視図である。
図1ないし図3を参照すれば、本発明の実施形態による二次電池100は、電極組立体110、電極組立体110を収容する缶120、缶120の内部を密閉するキャッププレート130を備える。
電極組立体110は、電極活物質が塗布された第1電極板111と、第2電極板112及び、これらの間に介されたセパレータ113とを備える。電極組立体110は、第1電極板111、セパレータ113及び第2電極板112が順次に積層された積層体を形成した後、ゼリー・ロール状になるように巻き取って製作される。第1電極板111と第2電極板112それぞれは、化学反応によって形成された電荷を外部に引き出すための第1電極タブ114及び第2電極タブ115と電気的に連結されている。第1電極タブ114及び第2電極タブ115は、同方向に向かって延びる。例えば、第1、2電極タブ114、115は缶120の開口OPに向かって延びる。
本実施形態では、電極組立体110がゼリー・ロール状になっている場合を説明したが、本発明はこれに制限されるものではない。さらに他の実施形態として、電極組立体110は、第1電極板111、第2電極板112及びこれらの間にセパレータ113が介された積層構造である。
缶120は、一面、すなわち、上面と対応する面が開放された直方体の形象である。缶120の開放された上面は、第1及び第2長辺部130e1、130e2と第1及び第2短辺部130e3、130e4とを備える長方形のキャッププレート130によって閉鎖される。例えば、缶120は、キャッププレート130の厚さ方向(z方向)と平行であり、キャッププレート130の第1長辺部130e1からz方向に沿って延びている第1側面120s1、第1側面120s1と対向してキャッププレート130の第2長辺部130e2からz方向に沿って延びている第2側面120s2、キャッププレート130の第1短辺部130e3からz方向に沿って延びている第3側面120s3、及びキャッププレート130の第2短辺部130e4からz方向に沿って延びている第4側面120s4を備える。
缶120は、強度を確保するために金属性素材で製作される。例えば、缶120は、アルミニウム、アルミニウム合金で製作される。缶120の内部には、電解質に含浸された電極組立体110が収容される。この時、金属性素材で形成された缶120と不要なショートが発生しないように、電極組立体110の外側面は絶縁シート(図示せず)によって取り囲まれたまま前記缶120の内部に収容される。電極組立体110が缶120の内部に収容された後、開口OPはキャッププレート130によって密閉される。
キャッププレート130は、缶120の開口OPを密閉することで缶120の内部は気密を維持する。例えば、キャッププレート130は、缶120の上部とレーザー溶接によって結合される。
キャッププレート130には電解質注入口131が備えられる。キャッププレート130と缶120とが結合された後、電解質は電解質注入口131を通じて注入され、電解質注入口131は、栓132によって密閉される。さらに他の実施形態として、キャッププレート130には電解質注入口131が備えられないこともある。この場合、キャッププレート130と缶120とがレーザー溶接によって一体に結合される前に、電解質が注入される。
キャッププレート130上には電極端子140が配される。電極端子140の上面は、キャッププレート130の上部を通じて外部に露出され、下部は、キャッププレート130を貫通して缶120の内部に向かう。
缶120と同様にキャッププレート130も金属性素材で製作される。電極端子140は、電極組立体110の第1電極タブ114と電気的に連結されて第1極性を帯び、キャッププレート130は、電極組立体110の第2電極タブ115と電気的に連結されて第2極性を帯びる。例えば、キャッププレート130は二次電池100の正極の役割を、電極端子140は二次電池100の負極の役割を行える。この時、キャッププレート130と電極端子140との間には、これら間のショートを防止するために、絶縁性素材を含む第1ガスケット145及び第2ガスケット(図示せず)が備えられる。
第1ガスケット145は、キャッププレート130の上面と接触するように配され、第2ガスケットは、キャッププレート130の下部面と接触するように配される。本実施形態では、第1及び第2ガスケットが別途である場合を説明したが、第1及び第2ガスケットは一体型でありうる。一方、キャッププレート130との溶接により第2極性を帯びる缶120を、外部の物体または他の二次電池100から電気的に絶縁させるために、缶120の両側面には、缶120の第1及び第2側面120s1、120s2をカバーする絶縁フィルム160が取り付けられる。
缶120の内部には、電極組立体110の上部に位置する第1絶縁材150が配される。第1絶縁材150は、電極組立体110をキャッププレート130と絶縁させる。さらに他の実施形態として、第1絶縁材150は、電極組立体110をキャッププレート130と絶縁させると同時に、缶120の内部で電極組立体110が動くことを規制する。第1絶縁材150は、第1、2電極タブ114、115が開口OPに向かって延びるように貫通ホールを備え、電解質注入口131を通じて流れ込んだ電解質が通過するように、電解質注入口131と対応する位置に形成されたホールを備える。一方、電極組立体110の下部には第2絶縁材180が配され、金属性素材の缶120と電極組立体110との間の不要なショートを防止する。
第1ベント121及び第2ベント122は、缶120の外側面に形成されて二次電池100の爆発危険を防止する。二次電池100が非正常的に動作する場合、二次電池100の内部にはガスが発生し、内部のガスが缶120の内壁に圧力を加えつつ二次電池100、すなわち、缶120が膨脹するスエリング現状が起きる。この場合、第1ベント121及び第2ベント122は、非正常動作時に発生したガスによって破断されつつ外部にガスを放出し、二次電池100の爆発危険を防止する。
二次電池100が膨脹するスエリング現状は、機械的強度の相対的に弱い第1及び第2側面の中心領域で最も著しく示される。一般的に、二次電池100の缶120は、第1及び第2側面の中心を貫通する軸A方向に沿って最も大きく膨脹するが、膨脹する程度は、軸Aを中心として全体的に同心円状をなす。しかし、二次電池100の内部構造、ガスの発生位置などによって二次電池100が不均一に膨脹する場合、第1及び第2ベント121、122が破断されないまま二次電池100が爆発してしまうことがある。このような問題を予防するために、第1及び第2ベント121、122は、それぞれ互いに異なる面上で互いに異なる位置に配される。例えば、第1ベント121は第1側面120s1の下部に形成され、第2ベント122は第2側面120s2の上部に形成される。それぞれ互いに異なる面上に互いに異なる位置に形成された第1及び第2ベント121、122のうち少なくともいずれか一つが破断されつつ、二次電池100の内部ガスが放出されることで二次電池100の爆発を予め遮断する。
図4及び図5は、第1及び第2ベント121、122の側断面を示すものであり、図4は、図1のIV−IV線の断面図であり、図5は、図2のV−V線の断面図である。
図4及び図5を参照すれば、第1ベント121及び第2ベント122は、缶120の外側面に形成された凹溝の形状でありうる。第1ベント121及び第2ベント122の深さd2は、缶120の厚さtより小さく形成される。
缶120の上部には開口OPが形成されており、キャッププレート130と溶接される部分であるので、缶120の上部の強度は、下部の強度に比べて比較的弱い。よって、第2ベント122の深さd2を第1ベント121の深さd1より小さく形成するものの、第1及び第2ベント121、122の深さは、二次電池100の爆発を予防するための第1及び第2ベント121、122の本来の機能を害しないほどに形成されねばならない。例えば、第2ベント122の深さd2の最大値は、第1ベント121の深さd1の約1/2倍である。第2ベント122の深さd2が第1ベント121の深さd1の0.5倍より大きい場合、第2ベント122が、二次電池100の内部圧力が低い場合にも容易に破断され、キャッププレート130と缶120との溶接時にも衝撃を受けて破断される恐れがあって、二次電池100の動作安定性を低下させる。
一方、第1ベント121の深さd1は、缶120の厚さt及び下記の条件式1を満たす。
<条件式1>
Figure 0006319830
第1ベント121の深さd1が前記条件式1の下限を外れる場合、二次電池100の内部圧力が低い場合にも第1ベント121が容易に破断されうるので、二次電池100の動作安定性を低下させる。一方、第1ベント121の深さd1が前記条件式1の上限を外れる場合、二次電池100の内部圧力が十分に高い場合にも第1ベント121が破断されず、結局、二次電池100の爆発事故につながる恐れがある。
本発明の一実施形態として、第1ベント121の深さd1及び缶120の厚さtは次の条件式2を満たす。
<条件式2>
Figure 0006319830
図6は、図1及び図2に示した二次電池の第1及び第2側面を示すものである。図7ないし図9は、本発明のさらに他の実施形態による第1及び第2側面を示す。図6ないし図9で反対側面に形成されたベントは、点線で示した。
図6ないし図9を参照すれば、二次電池100が不均一に膨脹しても二次電池100の圧力が所定の圧力以上である場合に容易に破断されるように、第1及び第2ベント121、122は互いに遠ざかるように配されて形成される。
例えば、第1ベント121は、第1側面120s1の左下部(または右下部)に形成され、第2ベント122は、第2側面120s2の右上部(または左上部)に形成される。すなわち、第1ベント121は、第1側面120s1の下部に形成されるが、第1側面120s1のうち第3側面120s3と隣接している領域に配される。一方、第2ベント122は、第2側面120s2の上部に形成されるものの、第2側面120s2のうち第4側面120s4と隣接している領域に配される。
一方、第1及び第2ベント121、122は、互いに異なる方向に沿って延びる。
例えば、図6に示したように、第1ベント121は、キャッププレート130の厚さ方向、すなわち、z方向に対して斜めの方向に沿って延び、第2ベント122は、z方向と平行な方向に沿って延びる。
さらに他の実施形態で、図7に示したように、第1ベント121は、キャッププレート130の厚さ方向、すなわち、z方向に対して斜めの方向に沿って延び、第2ベント122は、z方向と垂直の方向(x方向)に沿って延びる。
さらに他の実施形態で、図8に示したように、第1ベント121は、キャッププレート130の厚さ方向、すなわち、z方向に平行な方向に沿って延び、第2ベント122は、z方向に対して斜めの方向に沿って延びる。
さらに他の実施形態で、図9に示したように、第1ベント121は、キャッププレート130の厚さ方向、すなわち、z方向に垂直の方向(x方向)に沿って延び、第2ベント122は、z方向に対して斜めの方向に沿って延びる。
前述したように、第1及び第2ベント121、122が互いに異なる方向に延びることで、二次電池100が不均一に膨脹しても二次電池100の圧力が所定の圧力以上である場合に、第1及び第2ベント121、122のうち少なくともいずれか一つが破断されるように構成される。
たとえ本発明が前述した望ましい実施形態に関して説明されたとしても、発明の趣旨及び範囲を逸脱せずに多様な修正や変形を行える。したがって、特許請求の範囲は本発明の趣旨に属する限り、これらの修正や変形を含む。
本発明は、携帯電話、PDA、ノート型パソコンなどの小型先端電子機器分野で好適に用いられる。
100 二次電池
110 電極組立体
111 第1電極板
112 第2電極板
113 セパレータ
114 第1電極タブ
115 第2電極タブ
120 缶
120s1 缶の第1側面
120s2 缶の第2側面
120s3 缶の第3側面
120s4 缶の第4側面
130 キャッププレート
130e1 キャッププレートの第1長辺部
130e2 キャッププレートの第2長辺部
130e3 キャッププレートの第1短辺部
130e4 キャッププレートの第2短辺部
132 電解質注入口
132 栓
140 電極端子
145 第1ガスケット

Claims (17)

  1. 第1電極板、第2電極板、及びこれらの間に介されるセパレータを備える電極組立体と、
    前記電極組立体が挿入されるように一側に開口が形成されており、内部に前記電極組立体を収容する缶と、
    前記缶の開口を密閉するキャッププレートと、を備え、
    前記缶は、
    前記缶の第1側面に形成された第1ベントと、
    前記缶の第2側面に形成された第2ベントと、を備え、
    前記第1ベントは、前記缶の第1側面の下部に形成され、
    前記第2ベントは、前記缶の第2側面の上部に形成され、
    前記第1ベントの深さは、前記第2ベントの深さより深く形成された二次電池。
  2. 前記缶の第1側面と前記缶の第2側面とは、互いに反対側に位置する請求項1に記載の二次電池。
  3. 前記第1ベント及び前記第2ベントは、凹溝状である請求項1に記載の二次電池。
  4. 前記第1ベントは、下記の条件式を満たす請求項3に記載の二次電池。
    <条件式>
    Figure 0006319830
    ここで、d1は、前記第1ベントの深さを、tは、前記缶の厚さを示す。
  5. 前記第2ベントの深さの最大値は、前記第1ベントの深さの1/2倍である請求項3に記載の二次電池。
  6. 前記第1ベントの深さは、下記の条件式を満たす請求項3に記載の二次電池。
    <条件式>
    Figure 0006319830
    ここで、d1は、前記第1ベントの深さを、tは、前記缶の厚さを示す。
  7. 前記第1ベントと前記第2ベントのうちいずれか一つは、前記キャッププレートの厚さ方向に対して斜めの方向に沿って延び、残りの一つは、前記キャッププレートの厚さ方向と平行または垂直の方向に沿って延びている請求項1に記載の二次電池。
  8. 第1電極板、第2電極板、及びこれらの間に介されるセパレータを備える電極組立体と、
    前記電極組立体が挿入されるように一側に開口が形成されており、内部に前記電極組立体を収容する缶と、
    前記缶の開口を密閉するキャッププレートと、を備え、
    前記缶は、
    前記キャッププレートの長辺部から前記キャッププレートの厚さ方向に沿って延びて互いに対向する第1側面及び第2側面と、
    前記キャッププレートの短辺部から前記キャッププレートの厚さ方向に沿って延びて互いに対向する第3側面及び第4側面と、
    前記第1側面の下部に形成された第1ベントと、
    前記第2側面の上部に形成された第2ベントと、を備え、
    前記第1ベントの深さは、前記第2ベントの深さより深く形成された二次電池。
  9. 前記第1ベントは、前記第1側面の下部の一側に形成され、
    前記第2ベントは、前記第2側面の上部の一側に形成される請求項に記載の二次電池。
  10. 前記第1ベントは、前記第1側面の下部に配されるものの前記第3側面と隣接している一側に配され、
    前記第2ベントは、前記第2側面の上部に配されるものの前記第4側面と隣接している一側に配される請求項に記載の二次電池。
  11. 前記第1ベントと前記第2ベントのうちいずれか一つは、前記キャッププレートの厚さ方向に対して斜めの方向に沿って延び、残りの一つは、前記キャッププレートの厚さ方向と平行または垂直の方向に沿って延びている請求項に記載の二次電池。
  12. 前記第1ベント及び前記第2ベントは、凹溝状である請求項に記載の二次電池。
  13. 前記第1ベントは、下記の条件式を満たす請求項12に記載の二次電池。
    <条件式>
    Figure 0006319830
    ここで、d1は、前記第1ベントの深さを、tは、前記缶の厚さを示す。
  14. 前記第2ベントの深さの最大値は、前記第1ベントの深さの1/2倍である請求項13に記載の二次電池。
  15. 前記第1ベントの深さは、下記の条件式を満たす請求項13に記載の二次電池。
    <条件式>
    Figure 0006319830
    ここで、d1は、前記第1ベントの深さを、tは、前記缶の厚さを示す。
  16. 前記第1ベント及び前記第2ベントは、凹溝状であり、
    前記第1ベントの深さは、前記第2ベントの深さより深く形成された請求項10に記載の二次電池。
  17. 前記缶は、金属性素材で形成された請求項に記載の二次電池。
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