JP6531216B2 - バイメタルタブを用いて安全性を改善させたリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、バイメタルタブを用いて安全性を改善させたリチウム二次電池に関する。
本出願は、２０１５年４月３０日出願の韓国特許出願第１０−２０１５−００６１９７６号及び２０１６年４月２８日出願の韓国特許出願第１０−２０１６−００５２４９１号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
モバイル機器についての技術開発と需要が増加するにつれ、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加しており、該二次電池の中でも、高いエネルギー密度及び放電電圧を有するリチウム二次電池に関する研究が盛んに行われており、商用化して広く使われている。
このようなリチウム二次電池は、電解液の構成または形態によって、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、リチウムポリマー電池などに分けられる。リチウムイオン電池は、正極／セパレータ／負極をリチウム電解液溶液に含浸させた構造の電池であり、リチウムポリマー電池は、電解質として固体電解質を用いてセパレータの役割を兼ねる構造の電池である。リチウムイオンポリマー電池は、リチウムイオン電池とリチウムポリマー電池の中間段階の電池であって、正極及び負極をセパレータに結合し、その部位にリチウム電解液が含浸するようにする構造の電池である。
このようなリチウム二次電池は、電池ケースの形状によって、円筒型電池、角形電池及びパウチ型電池に分類される。円筒型電池と角形電池は、金属の缶に電極組立体を装着した構造の電池であり、パウチ型電池は、例えば、アルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに、電極組立体を装着した構造の電池である。
このような二次電池における主な研究課題の一つは、安全性を向上させることである。例えば、二次電池は、許容電流及び電圧を超過した過充電状態、高温への露出など、電池の非正常作動状態により電池の温度が上昇すれば、電気化学的に不安定になった電解液などが分解されながら、電池の外形が変形するか内部断線などが起こり得、激しい場合、電池の発火または爆発をもたらし得る。
特に、高出力・大容量の二次電池に対する需要が高くなるにつれ、二次電池のエネルギー密度が高くなり、放電電圧が大きくなる趨勢に照らして、このような安全性の問題はさらに重要となりつつある。そこで、このような安全性の問題を解決するために、電池の異常発生時、通電される回路上に抵抗を設けて充電エネルギーを消耗させる技術についての多様な試みが行われている。
しかし、非正常の作動条件下、高温におけるリチウム二次電池の安全性問題を解決する技術が依然として必要な実情である。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、非正常の作動条件下の高温において電極タブと電極リードとが断線するようにすることで、リチウム二次電池の安全性を向上させる技術を提供することを目的とする。
上記の課題を達成するため、本発明の一態様によれば、順次積層された正極板、セパレータ及び負極板と、前記正極板及び負極板それぞれの一側から所定長さで延びて形成された電極タブと、前記電極タブと電気的に接続した電極リードと、を含み、正常の作動条件下で前記電極タブと電極リードとの間には少なくとも一部領域が溶接されている溶接部が形成されており、非正常の作動条件下の高温において前記溶接部に断線が発生することを特徴とするリチウム二次電池を提供する。
ここで、前記電極タブが、バイメタルから形成されたバイメタルタブであり、正極タブ、負極タブ、またはこれらの両方であり得る。
または、前記電極タブの上にバイメタルタブをさらに付着され得る。
前記バイメタルタブは、熱膨張係数が大きい金属及び熱膨張係数が小さい金属から構成され、このうち、熱膨張係数がより大きい金属が電極リード方向に配置され得る。
ここで、熱膨張係数がより大きい金属は、銅／亜鉛合金、ニッケル／モリブデン／鉄合金、またはニッケル／マンガン／鉄合金であり得る。
また、熱膨張係数が小さい金属は、ニッケル／鉄合金であり得る。
また、熱膨張係数が小さい金属は、ニッケル／鉄合金であり得る。
前記バイメタルタブは、電極リードまたは電極タブと重なる総面積における５０〜８０％の面積に、それぞれ電極リードまたは電極タブに溶接され得る。
前記溶接部は、連続パターンまたは非連続パターンから形成されたものであり得る。
前記高温は９０〜１３０℃の温度であり得る。
本発明の他の態様においては、前述のリチウム二次電池を単位電池として含む中・大型電池パックを提供する。
本発明によれば、非正常の作動条件下の高温においてバイメタルが一方向に反る特性を用いることで、電極タブと電極リードとの断線が発生し、単位電池セルの内部抵抗が増加し、その結果、リチウム二次電池の安全性が向上する。
本発明によれば、バイメタルタブの素材及び溶接パターンに応じて選択的な温度区間で単位電池セルの内部抵抗が増加するようにすることで、リチウム二次電池の安全性を調整することができる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
本発明の一態様では、順次積層された正極板、セパレータ及び負極板と、前記正極板及び負極板それぞれの一側から所定長さで延びて形成された電極タブと、前記電極タブと電気的に接続した電極リードと、を含み、正常の作動条件下で前記電極タブと電極リードとの間には少なくとも一部領域が溶接されている溶接部が形成されており、非正常の作動条件下の高温において前記溶接部に断線が発生することを特徴とするリチウム二次電池が提供される。
本発明においては、バイメタルタブが電極タブとして用いられる第１態様と、電極タブには当業界で通常使用される素材が用いられ、バイメタルタブがこのような電極タブの上にさらに付着される第２態様とを全て含むことができる。以下、本明細書において特に言及しない限り、電極タブまたはバイメタルタブは、第１態様における電極タブまたはバイメタルタブを意味する。
バイメタルタブは、熱膨張係数が相異なる二種の金属板を積層して接合することで製造され、電池が過充電または重放電（deep discharge）のような持続的な電流の流れによって電池セルの温度上昇が惹起され、所定の臨界温度（critical temperature）に到達すれば、可変的に所定の方向へ反るようになる。
本発明の一態様において、バイメタルタブは、熱膨張係数がより大きい金属／金属合金と、熱膨張係数がより小さい金属／金属合金が、上部と下部を構成してなされ、熱膨張係数がより大きい金属が電極リード側に向って電池セルに適用される。その後、電池が非正常の作動条件によって高温に至るようになり、前記バイメタルタブは熱膨張係数がより小さい金属側に反り、その結果、電極タブとして用いられたバイメティルタブが電極リードから断線する。
本明細書において、「断線」とは、電極タブに用いられたバイメタルタブが電極リードから完全に離隔する場合を意味するだけでなく、バイメタルタブが電極リードから１ｍｍ未満に離隔した場合も含む。このような程度の断線も電池の安全性に影響を与える。
前記バイメタルタブが一定方向に反る程度は、リチウム二次電池の全体的な設計とともに、断線が誘発される温度、バイメタルタブを構成する金属／金属合金の素材またはこれらの組合せ、バイメタルタブの全体厚さ、バイメタルタブの上部と下部との厚さ比、電極リードとの溶接面積またはパターンなどによって調整できる。
本発明において使用可能な電極リードは、当業界で通常使用される素材から形成されたものであり得る。また、バイメタルタブが電極タブに付着されて用いられる第２態様においては、前記電極タブも、当業界で通常使用される素材から形成されたものであり得る。
電極タブと電極リードとの断線が誘発される温度は、非正常の作動条件下における高温を意味し、例えば、８０〜１３０℃範囲の温度、または９０〜１３５℃範囲の温度であり得る。本発明の一態様によるバイメタルタブは、電池の８０℃以上の温度区間で作動して電池の安全性を確保する。
本発明の一態様によるバイメタルタブは、金属／金属合金が２層〜３層以上形成された構造を有する。また、本発明の一態様によるバイメタルタブの厚さは、０．１ｍｍ〜１ｍｍあり得る。
バイメタルタブを構成する熱膨張係数がより小さい金属の非制限的な例には、ニッケル／鉄合金が挙げられるが、これに限定されない。また、バイメタルタブを構成する熱膨張係数がより大きい金属の非制限的な例には、銅／亜鉛合金、ニッケル／モリブデン／鉄合金、ニッケル／マンガン／鉄合金が挙げられるが、これらに限定されない。このような素材から形成されたバイメタルタブは、正極タブ、負極タブ、またはこれらの両方として用いるか、正極タブ、負極タブ、またはこれら両方の上に接合され得る。
前記バイメタルタブは、非正常の作動条件下の高温においてバイメタルタブの上部と下部とが相異なる程度に熱膨張することで電極リードから断線を誘発すべきであるため、このような点を考慮すれば、全体厚さが０．１〜１ｍｍであることが望ましい。
また、前記バイメタルタブを構成する熱膨張係数がより大きい金属と、熱膨張係数がより小さい金属とは、例えば、同一な厚さに形成できる。
電極タブが電極リードに溶接される面積は、電極タブが電極リードと重なる全体面積を基準で５０〜８０％であり得る。通常の電極タブの上にバイメタルタブがさらに付着された第２態様の場合、前記バイメタルタブが電極タブと重なる全ての面積における５０〜８０％の面積に溶接部が形成され得る。前記溶接面積が５０％未満の場合は、正常条件においても抵抗が増加可能となり、８０％を超える場合は、抵抗変化の効果が減少する。
前記電極タブが電極リードに溶接されるパターンは、電極タブと電極リードとの断線を誘発する希望温度によって選択的に適用でき、このような目的を満たせば、溶接されるパターンの形態や面積は特に制限されない。例えば、連続または不連続に溶接部を形成してもよい。
電極タブが電極リードに溶接される方法は、当業界における通常の方法であれば、特に制限されず、例えば、電気抵抗溶接、点溶接、シーム溶接、超音波溶接、レーザー溶接、電子ビーム溶接またはアーク溶接などが挙げられるが、これらに限定されない。
本発明による電池は、反復的な充放電が可能な二次電池に対し、形態と種類に関係なく多様な範疇で適用が可能であり、望ましくは、高いエネルギー密度と放電電圧を有するリチウム二次電池であり得る。
前記二次電池は、電池セルがパックケースに装着されている構造からなり、前記接続部材は、電池ケースの外面に付着された状態でパックケースによって囲まれている構造であり得る。
また、本発明は、前記二次電池を単位電池として含む高出力・大容量の中・大型電池パックを提供する。
複数の単位電池がコンパクトに密集している中・大型電池パックは、一部の単位電池に異常が発生する場合、他の単位電池への波及効果が非常に大きいため、安全性の問題がさらに重要となる。そこで、前記のように安全性の確保された二次電池を単位電池として用いれば、かかる安全性の問題を根本的に解決することができる。
中・大型電池パックの構成及び製造方法などは当業界において公知であり、それについての説明は省略する。
以下、図面を参照して本発明をさらに詳述するが、本発明の範疇がそれによって限定されることではない。
以下、図面を参照して本発明をさらに詳述するが、本発明の範疇がそれによって限定されることではない。
図１ａは、正常の温度条件でバイメタルタブ１００の一端面が被着面２００に付着されている状態を横から見た側面図であり、前記バイメタルタブ１００は、熱膨張係数が大きい金属／金属合金１０を下部に含み、熱膨張係数が小さい金属／金属合金２０を上部に含み、バイメタルタブ１００は、全体的に水平状態である。
図１ｂは、非正常の作動条件下の高温において、バイメタルタブ１００の一端面が被着面２００に付着されている状態を横から見た側面図であり、前記バイメタルタブ１００は、熱膨張係数が大きい金属／金属合金１０を下部に含み、熱膨張係数が小さい金属／金属合金２０を上部に含み、バイメタルタブ１００は、全体的に熱膨張係数が小さい金属／金属合金２０側、即ち、上部に向けて反っている。
図２ａは、バイメタルタブ１００、１００’が電極タブとして用いられ、電池セルの相異なる辺で正極リード／負極リード３００、３００’に溶接されている態様を示す。また、図２ｂは、バイメタルタブ１００、１００’が電極タブとして用いられ、電池セルの同一辺で正極リード／負極リード３００、３００’に溶接されている態様を示す。
図３ａ〜図３ｄは、バイメタルタブ１００が電極タブとして用いられ、電極リード３００に一定パターンで溶接された態様を示し、バイメタルタブ１００が電極リード３００に溶接されるパターンは、溶接部１００ａが連続に形成されている連続パターンであるか、または溶接部１００ａの間に未溶接部１００ｂが介されている不連続パターンであり得る。
以上、図面を参照して本発明を説明したが、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者であれば、前記内容に基づいて本発明の技術思想から脱しない範囲内で多様な応用及び変形が可能であろう。
１０ 金属合金
２０ 金属合金
１００ バイメタルタブ
１００’ バイメタルタブ
２００ 被着面
３００ 正極リード
３００’ 負極リード
２０ 金属合金
１００ バイメタルタブ
１００’ バイメタルタブ
２００ 被着面
３００ 正極リード
３００’ 負極リード
Claims (11)
- 順次積層された正極板、セパレータ及び負極板と、前記正極板及び負極板の少なくとも一方の一側から所定長さで延びて形成された電極タブであってバイメタルから形成されたバイメタルタブである電極タブと、前記電極タブと電気的に接続した電極リードと、を含み、
正常の作動条件下で前記電極タブと電極リードとの間には少なくとも一部領域が溶接されている溶接部が形成されており、
非正常の作動条件下の高温において、前記バイメタルタブに誘発されて前記溶接部に断線が発生することを特徴とするリチウム二次電池。 - 順次積層された正極板、セパレータ及び負極板と、前記正極板及び負極板それぞれの一側から所定長さで延びて形成された電極タブと、前記電極タブと電気的に接続した電極リードと、を含み、
正常の作動条件下で前記電極タブと電極リードとの間には少なくとも一部領域が溶接されている溶接部が形成されており、
前記電極タブの上にバイメタルから形成されたバイメタルタブがさらに付着されており、
非正常の作動条件下の高温において、前記バイメタルタブに誘発されて前記溶接部に断線が発生することを特徴とするリチウム二次電池。 - 前記電極タブが、正極タブ、負極タブ、またはこれらの両方であることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウム二次電池。
- 前記バイメタルタブにおいて、熱膨張係数がより大きい金属から構成された部分が電極リード方向に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウム二次電池。
- 前記熱膨張係数がより大きい金属が、銅／亜鉛合金、ニッケル／モリブデン／鉄合金、またはニッケル／マンガン／鉄合金であることを特徴とする請求項４に記載のリチウム二次電池。
- 前記バイメタルタブにおいて熱膨張係数がより小さい金属が、ニッケル／鉄合金であることを特徴とする請求項５に記載のリチウム二次電池。
- 前記電極タブが電極リードと重なる総面積における５０〜８０％の面積に溶接部が形成されることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
- 前記バイメタルタブが電極タブと重なる総面積における５０〜８０％の面積に溶接部が形成されることを特徴とする請求項２に記載のリチウム二次電池。
- 前記溶接部が、連続パターンまたは非連続パターンであることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウム二次電池。
- 前記高温が８０〜１３０℃の温度であることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウム二次電池。
- 請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載のリチウム二次電池を単位電池として含む中・大型電池パック。
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