JP6345409B2 - 微細電流伝達部材を有する二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池に関するものであって、より詳細には、微細電流伝達部材を有する二次電池に関するものである。
二次電池（ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ）は、一次電池とは異なり、充電および放電を繰り返し行う電池である。小容量の二次電池は、携帯電話やノートパソコンおよびビデオカメラのように携帯が可能な小型電子機器に使用され、大容量の二次電池は、ハイブリッド自動車および電気自動車のモータ駆動用電源として使用可能である。
二次電池は、小型電子機器のように単一セルとして使用されたり、モータ駆動用のように複数のセルを電気的に連結したモジュール状態で使用される。
このような二次電池は、予め設定された電池内圧において電流の流れを遮断し、熱暴走を防止する電流遮断装置を備えることができる。しかし、電流を遮断した瞬間アークが発生すると、二次電池が発火したり爆発する危険性があった。
本発明は、アークの発生を防止したり低減することができる二次電池を提供することを目的とする。
本発明の一態様にかかる二次電池は、正極と負極とを含む電極アセンブリと、前記電極アセンブリを内蔵するケースと、前記ケースと結合され、前記電極アセンブリに電気的に連結されるキャップ組立体とを含み、前記キャップ組立体は、電気的に接触する第１部材および第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との間に配置され、前記第１部材および前記２部材よりも大きい抵抗を有し、前記第１部材および前記第２部材に電気的に連結された微細電流伝達部材とを含む。
前記微細電流伝達部材は、１００Ω〜１００００Ωの抵抗を有するように形成され得、前記第１部材および前記第２部材は、板状のアルミニウムからなり得る。
前記第１部材は、前記第２部材に溶接された接続突起を含み、第１部材には、予め設定された圧力で変形可能に切欠が形成され、前記微細電流伝達部材には、前記接続突起が挿入される貫通ホールが形成され得る。
前記微細電流伝達部材は、導電性カーボンを含むことができ、前記微細電流伝達部材は、ポリマーと、前記ポリマー内に分散した導電性粒子とを含むことができる。
前記導電性粒子は、金属粒子またはカーボン粒子からなり得、前記第１部材は、電極アセンブリと電気的に連結されたサブプレートからなり、前記第２部材は、前記サブプレートに溶接で接合された接続突起を有するベントプレートからなり得る。
前記ベントプレートと前記サブプレートとの間にはミドルプレートが設けられ、前記ミドルプレートには、前記電極アセンブリと電気的に連結されたリード部材が接合され、前記微細電流伝達部材は、前記ミドルプレートと前記ベントプレートとの間に配置され得る。
前記微細電流伝達部材は、前記ミドルプレートよりも大きい抵抗を有するように形成され得、前記ミドルプレートと前記微細電流伝達部材には、通気ホールが形成され得る。
前記ベントプレートは、予め設定された圧力で変形可能に切欠が形成され得、前記ミドルプレートと前記微細電流伝達部材には、前記接続突起が挿入される貫通ホールが形成され得る。
前記微細電流伝達部材は、ベース板と、前記ベース板の側端から上下に突出した側壁と、前記側壁の上端から外側に拡張された支持部とを含むことができ、前記ベントプレートと前記ミドルプレートとの間には絶縁部材が設けられ、前記絶縁部材には、載置ホールが形成され、前記微細電流伝達部材は、前記載置ホールに挿設され、前記ベントプレートと前記ミドルプレートとを電気的に連結することができる。
本発明の一実施形態によれば、微細電流伝達部材が設けられるため、電気的に接触した部分が分離される時にも微細な電流が流れるようにすることで、アークの発生を低減したり、アークの発生を防止することができる。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について、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が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は、種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。図面において、本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付した。
図１は、本発明の第１実施形態にかかる二次電池の断面斜視図である。
図１を参照すれば、第１実施形態にかかる二次電池１００は、電流を発生させる電極アセンブリ１０と、電極アセンブリ１０を内蔵するケース２０と、ケース２０と結合され、電極アセンブリ１０に電気的に連結されるキャップ組立体３０とを含む。
電極アセンブリ１０は、順次に配置される正極１１と、セパレータ１３と、負極１２とを含む。電極アセンブリ１０は、正極１１および負極１２と、これらの間に配置される絶縁体のセパレータ１３とを巻き取って形成される。一例として、電極アセンブリ１０は、円筒形に形成される。円筒形の電極アセンブリ１０の中心には、コアピン１４が配置される。コアピン１４は、円筒形状となり、電極アセンブリ１０の円筒形状を維持するように電極アセンブリ１０を支持する。
正極１１と負極１２は、薄板の金属箔で集電体を形成し、活物質が塗布されたコーティング部１１ａ、１２ａと、活物質が塗布されない無地部１１ｂ、１２ｂとを含む。正極１１の無地部１１ｂには正極集電板４１が連結され、正極集電板４１は、電極アセンブリの上端に配置される。負極１２の無地部１２ｂには負極集電板４２が連結され、負極集電板４２は、電極アセンブリ１０の下端に配置され、ケース２０の底に溶接で取り付けられる。
本実施形態では、正極集電板４１が上部に設けられ、負極集電板４２が下部に設けられた構造を例示しているが、本発明がこれに制限されるものではなく、正極集電板が下部に設けられ、負極集電板が上部に設けられてもよい。
ケース２０は、電極アセンブリ１０を挿入できるように一側が開放された円筒形または角形に形成され得る。ケース２０は、負極集電板４２に連結され、二次電池１００において負極端子として作用し、アルミニウム、アルミニウム合金またはニッケルめっき鋼のような導電性金属で形成される。
キャップ組立体３０は、ケース２０に嵌合された後、クランピング過程によりケース２０に固定されるが、この時、ケース２０には、ビーディング部２１とクランピング部２２とが形成される。
図２は、本発明の第１実施形態にかかるキャップ組立体の分解斜視図であり、図３は、本発明の第１実施形態にかかるキャップ組立体の一部を示す断面図である。
図２および図３を参照して説明すれば、本第１実施形態にかかるキャップ組立体３０は、ガスケット４６を介在してケース２０の開放側に結合され、電極アセンブリ１０と電解液とを内蔵するケース２０を密閉する。キャップ組立体３０は、キャッププレート３１と、ベントプレート３２と、微細電流伝達部材３３と、サブプレート３４と、陽性温度素子（ＰＴＣ）３５と、ミドルプレート３６とを含む。
キャッププレート３１は、上部に突出した外部端子３１ａと排気口３１ｂとが形成された板状となる。キャッププレート３１は、最終的に正極集電板４１に電気的に連結され、二次電池１００において正極端子として作用する。
陽性温度素子３５は、キャッププレート３１とベントプレート３２との間に設けられ、キャッププレート３１とベントプレート３２との間で電流の流れを断続する。予め設定された温度超過状態で、陽性温度素子３５は、無限大まで大きくなる電気抵抗を有し、これにより、充電または放電電流の流れを遮断する。
ベントプレート３２は、陽性温度素子３５の下に配置され、ベントプレート３２は、予め設定された圧力条件で電極アセンブリ１０とキャッププレート３１との電気的連結を遮断する役割を果たす。また、ベントプレート３２は、予め設定された圧力条件で破断し、二次電池１００内部のガスを放出する。
このために、ベントプレート３２は、下部に向かって突出した段差部３２ｃと、段差部３２ｃの中心からサブプレートに向かって下へ突出した接続突起３２ａと、接続突起３２ａの周辺に形成された切欠３２ｂとを有する。切欠３２ｂは、二次電池１００の内部圧力の上昇時に破断可能に多様な形態で形成され得る。本実施形態にかかる切欠は、接続突起３２ａの周辺に形成された内側円切欠３２ｂａと、内側円切欠３２ｂａから外側に放射状に伸びた放射状の切欠３２ｂｂと、放射状の切欠３２ｂｂの外側端に連結された外側円切欠３２ｂｃとを含んで構成される。
このために、ベントプレート３２は、下部に向かって突出した段差部３２ｃと、段差部３２ｃの中心からサブプレートに向かって下へ突出した接続突起３２ａと、接続突起３２ａの周辺に形成された切欠３２ｂとを有する。切欠３２ｂは、二次電池１００の内部圧力の上昇時に破断可能に多様な形態で形成され得る。本実施形態にかかる切欠は、接続突起３２ａの周辺に形成された内側円切欠３２ｂａと、内側円切欠３２ｂａから外側に放射状に伸びた放射状の切欠３２ｂｂと、放射状の切欠３２ｂｂの外側端に連結された外側円切欠３２ｂｃとを含んで構成される。
実質的に、電流遮断装置ＣＩＤは、ベントプレート３２とサブプレート３４とによって形成され、電流遮断装置ＣＩＤの連結部は、接続突起３２ａとサブプレート３４との溶接部分によって形成される。電流遮断装置ＣＩＤの作動時に接続突起３２ａが上へ上昇しながら接続突起３２ａとサブプレート３４とが分離され、これにより、電極アセンブリ１０とキャッププレート３１とは電気的に分離される。
また、接続突起３２ａの上昇後に、二次電池１００内部の圧力がさらに上昇すると、切欠３２ｂが破断しながら、二次電池１００の内部で発生したガスが排気口３１ｂを通して外部に排出される。
サブプレート３４は、円形の板状となり、微細電流伝達部材３３を挟んでベントプレート３２に対向し、接続突起３２ａに電気的に連結される。
また、ミドルプレート３６は、微細電流伝達部材３３とサブプレート３４との間に配置される。ミドルプレート３６の中央には、接続突起３２ａが挿入可能に貫通ホール３６ａが形成され、貫通ホール３６ａの外側には、二次電池１００の内部圧力をベントプレート３２に伝達できるように複数の通気ホール３６ｂが形成される。
ミドルプレート３６には、正極集電板４１と電気的な連結のためにリード部材４５が溶接で固定されている。リード部材４５は、正極集電板４１とミドルプレート３６にそれぞれ溶接で接合され、正極集電板４１とミドルプレート３６とを電気的に連結する。
これにより、ミドルプレート３６は、一側でサブプレート３４および接続突起３２ａを通してベントプレート３２に電気的に連結され、他の一側でリード部材４５を通して正極集電板４１に連結される。結局、正極集電板４１は、リード部材４５、ミドルプレート３６、サブプレート３４、ベントプレート３２、および陽性温度素子３５を通してキャッププレート３１に電気的に連結される。
一方、微細電流伝達部材３３は、サブプレート３４とベントプレート３２との間に配置される。より詳細には、微細電流伝達部材３３は、ミドルプレート３６とベントプレート３２との間に配置される。
微細電流伝達部材３３は、ベース板３３ａと、ベース板３３ａの側端から上下に突出した側壁３３ｂと、側壁３３ｂの上端から外側に拡張された支持部３３ｃとを含む。ベース板３３ａは、円板形態となり、ベース板３３ａの中央には、接続突起３２ａが挿入可能に貫通ホール３３ｄが形成され、貫通ホール３３ｄの外側には、二次電池１００の内部圧力をベントプレート３２に伝達できるように複数の通気ホール３３ｅが形成される。貫通ホール３３ｄは、ミドルプレート３６に形成された貫通ホール３６ａと連通し、通気ホール３３ｅは、ミドルプレート３６に形成された通気ホール３６ｂと連通する。
これにより、接続突起３２ａは、貫通ホール３３ｄ、３６ａを通過してサブプレート３４と接触することができる。また、二次電池１００の内部圧力が上昇する時、通気ホール３３ｅ、３６ｂを通して圧力がベントプレート３２に伝達できる。
側壁３３ｂは、ベース板３３ａの周りに沿って連設され、ベース板３３ａの上部および下部に突出する。また、側壁３３ｂは、上部に位置する段差部３２ｃと下部に位置するミドルプレート３６の周りを囲む。支持部３３ｃは、ベントプレート３２の下面と当接する。
微細電流伝達部材３３は、ベントプレート３２およびサブプレート３４よりも大きい抵抗を有する。また、微細電流伝達部材３３は、ミドルプレート３６よりも大きい抵抗を有する。
微細電流伝達部材３３は、電気的な伝導性を有するが、抵抗が非常に大きい素材からなり、微細電流伝達部材３３は、１００Ω〜１００００Ωの抵抗を有するように形成され得る。微細電流伝達部材３３の抵抗が１００Ωよりも小さければ、ベントプレート３２とサブプレート３４とが分離された後も、相対的に多い充放電電流が流れ、二次電池１００の内部圧力が持続的に上昇する危険性がある。また、抵抗が１００Ωよりも大きければ、接続突起３２ａとサブプレート３４とが分離される時、微細電流伝達部材３３を通して流れる電流が小さ過ぎてアークが発生する危険性がある。
この時、微細電流伝達部材３３の抵抗は、二次電池１００の容量に応じて異なって設定可能である。つまり、二次電池の容量が大きい場合には、微細電流伝達部材３３の抵抗を相対的に小さく設定することができ、二次電池の容量が小さい場合には、微細電流伝達部材３３の抵抗を相対的に大きく設定することができる。
このために、微細電流伝達部材３３は、ポリマーに導電性粒子が分散した構造となる。導電性粒子は、銅、アルミニウム、銀、ステンレススチールなどの金属粒子からなり得、カーボンブラック、炭素ナノチューブなどの炭素からなり得る。ただし、本発明がこれに制限されるものではなく、微細電流伝達部材３３は、不導体に導電性カーボンが分散した構造となってもよい。
前記のように、微細電流伝達部材３３が設けられると、接続突起３２ａとサブプレート３４とが分離される時、微細電流伝達部材３３を通して微細な電流が流れるため、接続突起３２ａとサブプレート３４との間でアークが発生することを遮断したり、アークが発生することを低減することができる。二次電池１００の容量が小さい場合には、アークの発生を遮断することができ、二次電池１００の容量が大きい場合には、アークの大きさを低減することができる。
図４は、本発明の第２実施形態にかかる二次電池の微細電流伝達部材とミドルプレートを示す分解斜視図であり、図５は、本発明の第２実施形態にかかるキャップ組立体の一部を示す断面図である。
図４および図５を参照して説明すれば、本実施形態にかかる二次電池は、微細電流伝達部材およびミドルプレートの構造を除いては、前記第１実施形態にかかる二次電池と同一の構造となるので、同一の構造に関する重複説明は省略する。
また、ミドルプレート５２は、微細電流伝達部材５３とサブプレート３４との間に配置される。より詳細には、ミドルプレート５２は、絶縁部材５１および微細電流伝達部材５３とサブプレート３４との間に配置される。
また、ミドルプレート５２は、微細電流伝達部材５３とサブプレート３４との間に配置される。より詳細には、ミドルプレート５２は、絶縁部材５１および微細電流伝達部材５３とサブプレート３４との間に配置される。
ミドルプレート５２の中央には、接続突起３２ａが挿入可能に貫通ホール５２ａが形成され、貫通ホール５２ａの外側には、二次電池１００の内部圧力をベントプレート３２に伝達できるように複数の通気ホール５２ｂが形成される。
微細電流伝達部材５３は、絶縁部材５１に挿設されるが、絶縁部材５１は、電気的な絶縁性を有するポリマーからなる。絶縁部材５１は、ミドルプレート５２とベントプレート３２との間に配置される。絶縁部材５１は、ベース板５１ａと、ベース板５１ａの側端から上下につながった側壁５１ｂと、側壁５１ｂの上端から外側に拡張された支持部５１ｃとを含む。ベース板５１ａは、円板形態となり、ベース板５１ａの中央には、接続突起３２ａが挿入可能に貫通ホール５１ｄが形成され、貫通ホール５１ｄの外側には、微細電流伝達部材５３が挿入される載置ホール５１ｅが形成される。また、貫通ホール５１ｄの外側には、二次電池１００の内部圧力をベントプレート３２に伝達できるように複数の通気ホール５１ｆが形成される。貫通ホール５１ｄは、ミドルプレート５２に形成された貫通ホール５２ａと連通し、通気ホール５１ｆは、ミドルプレート５２に形成された通気ホール５２ｂと連通する。
絶縁部材５１には、２個の載置ホール５１ｅと、２個の通気ホール５１ｆとが形成され、絶縁部材５１の周方向に沿って載置ホール５１ｅの間に通気ホール５１ｆが配置される。ただし、本発明がこれに制限されるものではなく、載置ホール５１ｅと通気ホール５１ｆは、必要な個数で形成され得る。貫通ホール５１ｄは、ミドルプレート５２に形成された貫通ホール５２ａと連通し、通気ホール５１ｆは、ミドルプレート５２に形成された通気ホール５２ｂと連通する。
側壁５１ｂは、ベース板５１ａの周りに沿って連設され、ベース板５１ａの上部および下部に突出する。また、側壁５１ｂは、上部に位置する段差部３２ｃと下部に位置するミドルプレート５２の周りを囲む。支持部５１ｃは、ベントプレート３２の下面と当接する。
微細電流伝達部材５３は、前記載置ホール５１ｅに挿合され、ほぼ円形の板状となる。これにより、微細電流伝達部材５３は、ミドルプレート５２とベントプレート３２とを電気的に連結することができる。
微細電流伝達部材５３は、ベントプレート３２およびサブプレート３４よりも大きい抵抗を有する。また、微細電流伝達部材５３は、ミドルプレート５２よりも大きい抵抗を有する。微細電流伝達部材５３は、電気的な伝導性を有するが、抵抗が非常に大きい素材からなり、微細電流伝達部材５３は、１００Ω〜１００００Ωの抵抗を有するように形成され得る。
微細電流伝達部材５３は、ポリマーに導電性粒子が分散した構造となる。導電性粒子は、銅、アルミニウム、銀、ステンレススチールなどの金属粒子からなり得、カーボンブラック、炭素ナノチューブなどの炭素からなり得る。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施可能であり、これも本発明の範囲に属することは当然である。
１００：二次電池
１０：電極アセンブリ
１１：正極
１２：負極
１３：セパレータ
１４：コアピン
２０：ケース
３０：キャップ組立体
３１：キャッププレート
３２：ベントプレート
３２ａ：接続突起
３２ｂ：切欠
３２ｃ：段差部
３３、５３：微細電流伝達部材
３３ａ、５１ａ：ベース板
３３ｂ、５１ｂ：側壁
３３ｃ、５１ｃ：支持部
３３ｄ、５１ｄ、３６ａ、５２ａ：貫通ホール
３３ｅ、５１ｆ、３６ｂ、５２ｂ：通気ホール
３４：サブプレート
３５：陽性温度素子
３６、５２：ミドルプレート
４１：正極集電板
４２：負極集電板
４５：リード部材
４６：ガスケット
５１：絶縁部材
５１ｅ：載置ホール
１０：電極アセンブリ
１１：正極
１２：負極
１３：セパレータ
１４：コアピン
２０：ケース
３０：キャップ組立体
３１：キャッププレート
３２：ベントプレート
３２ａ：接続突起
３２ｂ：切欠
３２ｃ：段差部
３３、５３：微細電流伝達部材
３３ａ、５１ａ：ベース板
３３ｂ、５１ｂ：側壁
３３ｃ、５１ｃ：支持部
３３ｄ、５１ｄ、３６ａ、５２ａ：貫通ホール
３３ｅ、５１ｆ、３６ｂ、５２ｂ：通気ホール
３４：サブプレート
３５：陽性温度素子
３６、５２：ミドルプレート
４１：正極集電板
４２：負極集電板
４５：リード部材
４６：ガスケット
５１：絶縁部材
５１ｅ：載置ホール
Claims (11)
- 正極と負極とを含む電極アセンブリと、
前記電極アセンブリを内蔵するケースと、
前記ケースと結合され、前記電極アセンブリに電気的に連結されるキャップ組立体とを含み、
前記キャップ組立体は、電気的に接触する第１部材および第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との間に配置され、前記第１部材および前記２部材よりも大きい抵抗を有し、前記第１部材および前記第２部材に電気的に連結された微細電流伝達部材とを含み、
前記第１部材は、電極アセンブリと電気的に連結されたサブプレートからなり、前記第２部材は、前記サブプレートに溶接で接合された接続突起を有するベントプレートからなり、
前記ベントプレートと前記サブプレートとの間にはミドルプレートが設けられ、前記ミドルプレートには、前記電極アセンブリと電気的に連結されたリード部材が接合され、前記微細電流伝達部材は、前記ミドルプレートと前記ベントプレートとの間に配置され、
前記ベントプレートと前記ミドルプレートとの間には絶縁部材が設けられ、前記絶縁部材には、載置ホールが形成され、前記微細電流伝達部材は、前記載置ホールに挿設され、前記ベントプレートと前記ミドルプレートとを電気的に連結しており、
前記微細電流伝達部材は、１００Ω〜１００００Ωの抵抗を有することを特徴とする二次電池。 - 前記第１部材および前記第２部材は、板状のアルミニウムからなることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記第２部材は、前記第１部材に溶接された接続突起を含み、第２部材には、予め設定された圧力で変形可能に切欠が形成され、
前記絶縁部材には、前記接続突起が挿入される貫通ホールが形成されたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。 - 前記微細電流伝達部材は、導電性カーボンを含むことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記微細電流伝達部材は、ポリマーと、前記ポリマー内に分散した導電性粒子とを含むことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記導電性粒子は、金属粒子またはカーボン粒子からなることを特徴とする請求項５に記載の二次電池。
- 前記微細電流伝達部材は、前記ミドルプレートよりも大きい抵抗を有することを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記ミドルプレートと前記絶縁部材には、通気ホールが形成されたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記ベントプレートは、予め設定された圧力で変形可能に切欠が形成されたことを特徴とする請求項８に記載の二次電池。
- 前記ミドルプレートと前記絶縁部材には、前記接続突起が挿入される貫通ホールが形成されたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記絶縁部材は、ベース板と、前記ベース板の側端から上下に突出した側壁と、前記側壁の上端から外側に拡張された支持部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
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