JP6600096B2 - 規格化された構造に基づいて、製造工程性に優れかつ電極リードの絶縁性能が向上した電池セルおよびこれを含む電池パック - Google Patents

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Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、２０１６年４月２５日付の韓国特許出願第１０−２０１６−００５０３８３号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、規格化された構造に基づいて、製造工程性に優れかつ電極リードの絶縁性能が向上した電池セルおよびこれを含む電池パックに関する。
リチウム２次電池は、その外形によって大きく円筒形電池セル、角型電池セル、パウチ型電池セルなどに分類され、電解液の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類されることもある。
モバイル機器の小型化に対する最近の傾向により、厚さの薄い角型電池とパウチ型電池セルに対する需要が増加しており、特に、形状の変形が容易であり、製造費用が安価で、重量が小さいパウチ型電池セルに対する関心の高い実情である。
一般に、パウチ型電池セルは、樹脂層と金属層を含んで構成されたラミネートシートのパウチ型ケース内部に電極組立体と電解質が密封されている電池のことをいう。
図１には、スタック型電極組立体を含んでいる電池セルの構造が模式的に示されている。
図１を参照すると、電池セル１０は、パウチ型電池ケース２０の内部に、正極、負極およびこれらの間に配置される固体電解質コーティング分離膜からなる電極組立体３０がその正極および負極タブ３１，３２と電気的に連結される二つの電極リード４０、４１が並んで露出するように密封されている構造となっている。
電池ケース２０は、電極組立体３０が安着できる凹形状の収納部２３を含むケース本体２１と、そのような本体２１に一体として連結されている平板型カバー２２からなっている。
電池ケース２０は、ラミネートシートからなっており、最外郭をなす外側樹脂層２０ａ、物質の貫通を防止する遮断性金属層２０ｂ、および密封のための内側樹脂層２０ｃで構成されている。
スタック型電極組立体３０は、多数の正極タブ３１および多数の負極タブ３２がそれぞれ融着されて電極リード４０、４１に共に結合されている。また、ケース本体２１の上段部２４とカバー２２の上段部が熱融着機（図示せず）によって熱融着されるとき、そのような熱融着機と電極リード４０、４１との間に短絡が発生することを防止し、電極リード４０、４１と電池ケース２０との密封性を確保するために、電極リード４０、４１の上下面に絶縁フィルム５０を付着する。
このような電池セルは、全般的に板状型構造であるから、多数を積層することが容易であり、突出した構造の電極リードに基づいてリード間の結合が簡便で、複数の電池セルを積層し連結して電池パック構造に利用することもある。
これに関連して、図２には、一つの例示的な電池パックの側面模式図が示されている。
まず、電池セル１０は、全般的に電極組立体３０の外形と対応する形状からなっており、具体的に、電池セル１０の上面ａを形成する電池ケース２０の平板型カバー２２を基準に収納部２３が下向きに形成されており、電極組立体３０の形状に対応する収納部２３が電池セル１０の側面と下面ｂを形成し、一対の電極リード４０、４１は、平板型カバーと断面上で直線をなす形態で電池ケースの外側に並んで突出している。このような電池セルの複数個が地面に対して上方に積層された状態で電極リードが電気的に連結されて一つのパック構造を形成する。
図２でのように、電池セルが直列に連結された構造では、電池セル１０、１０’の上面ａ、ａ’が対面した状態で積層された電池セル１０、１０’の電極リード４０’、４１’が近接するので、直列回路の構成のために連結されてはならない電極リード４０’４１間の絶縁状態が維持されにくいという問題がある。
そこで、上面ａが対面する電池セル間の間隔を離隔させる構造を考えられるが、これは、電池パック９０の体積が増加を誘発することができる。
これとは異なり、付加的に電極リード４０’４１間の接触防止のための絶縁シートやパッドのような部材９２を装着する場合、これによる費用の増加だけでなく、装着工程が追加されて全般的な製造工程を複雑にすることができる。
また、単に前記絶縁のために一部電池セルの構造を変更したとしても、変更された電池セルを製造するための設備が別途追加されなければならないので、前記製造工程の側面においても非効率的である。
したがって、製造工程性を阻害しない範囲で規格化されながらも、電極リードの絶縁に対する信頼性の高い構造の電池セルおよびそれによって構成された電池パックに対する必要性が高い実情である。
本発明は、前記のような従来技術の問題点と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。
具体的に、本発明の目的は、電極リードそれぞれに絶縁性部材を付加している構造に基づいて、電極リードの絶縁に対する信頼性の高い構造であり、かつ前記構造で規格化されて製造工程性に優れた電池セルおよびそれを含む電池パック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電池セルは、電極組立体が電解液と共にラミネートシートの電池ケースに装着された状態で電池ケースの外周部位が熱融着で密封されている構造であって、
前記電極組立体の一対の電極リードが電池ケースから外向きに突出しており、前記電極リードそれぞれには絶縁性部材が付加されており、前記絶縁性部材は、外部に突出している電極リードの総面積対比６０％以上の面積に付加していることを特徴とする。
つまり、本発明に係る電池セルは、外部に露出している電極リードに対して相対的に広い面積で絶縁性部材が付加されているところ、絶縁に対する信頼性の高い構造となっている。
本発明で前記突出した形態の電極リードは、保護回路基板やまた他の電池セルの電極リードと接触する形態で溶接方式または機械的締結方式によって結合することができる。
前記電極リード本来の機能である電気的連結のためには、電極リードの一部は外部に露出することが好ましいが、電極リードの露出程度は、前記絶縁信頼性にも担保できる範囲で設定しなければならないし、そこで、本発明では前記電極リードで外部に突出した部位のうち、１０％〜４０％では絶縁性部材が付加されない構造でありうる。
このような構造の電極リードは非常に制限的な部位、つまり、絶縁性部材が付加されていない残りの部位を通して外部と電気的に連結されると同時に、これを除いた部位が絶縁性部材で絶縁されて電極リードの所望しない電気的連結を遮断することができる。
前記範囲中で、１０％未満では電極リードに対する溶接や機械的締結が容易ではなく、前記範囲中で、４０％を超える場合には電極リード絶縁に対する信頼性を確保できないので、好ましくない。
一つの具体的な例において、前記電池ケースは、樹脂層と金属層を含むラミネートシートのパウチ型電池ケースであってもよい。
上記ラミネートシートは、金属遮断層の一面（外面）に耐久性に優れた樹脂外郭層が付加されており、他面（内面）に熱溶融性の樹脂シーラント層が付加されている構造からなることができる。
上記樹脂外郭層は、外部環境から優れた耐性を有しなければならないため、所定以上の引張強度と耐候性を有することが必要である。そのような側面から樹脂外郭層の高分子樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）および延伸ナイロンフィルムを使用することができる。
上記金属遮断層はガス、湿気などの異物の流入乃至漏出を防止する機能以外に、セルケースの強度を向上させる機能を発揮できるように、アルミニウムが使用されてもよい。
上記樹脂シーラント層の高分子樹脂としては熱融着性（熱接着性）を有し、電解液の浸透を抑制するために吸湿性が低く、電解液によって膨張または腐食しないポリオレフィン（ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ）系樹脂を好ましく使用することができ、詳しくは、無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）を使用することができる。
一般に、ポリプロピレンなどのようなポリオレフィン系樹脂は金属との接着力が低いため、上記金属遮断層との接着力を向上させるための方案として、好ましくは、上記金属層と樹脂シーラント層との間に接着層をさらに含むことによって接着力および遮断特性を向上させることができる。上記接着層の素材としては、例えば、ウレタン（ｕｒｅｔｈａｎｅ）系物質、アクリル（ａｃｒｙｌ）系物質、熱可塑性エラストマー（ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）を含有する組成物などが挙げられるが、これらだけで限定されるものではない。
上記電池ケースはまた、電極組立体が収容される収納部が形成されているケース本体と、上記ケース本体の一側端部から伸びていたり、ケース本体に対して独立的な部材からなる平板型カバーで構成されており、
上記平板型カバーは電池セルの上面を形成し、前記電極リードは平板型カバーと断面上で直線をなす形態で電池ケース外側に突出している。
このような構造では電池セルの上面が平板型からなっているため、上面への積層時に高い数値安定性を担保できる長所がある。
前記電池セルは、一対の電極リードが電池ケースの同一の外周部位に並んで突出した構造；または一対の電極リードが電池ケースの対向する外周部位にそれぞれ突出した構造；であってもよい。
特に、前記一対の電極リードが同一の外周部位に並んで突出した構造は電池セルの一側だけで電極リードを通した電気的連結が行われるので、空間活用の側面において有利な点がある。
ただし、前記構造は複数の電池セルが積層される場合、電池セルの上面間積層された部位では電極リードが上下に非常に近接するように位置する反面、隣接した全ての電極リードが互いに連結されるものではない。
したがって、連結されない電極リードは、電気的絶縁状態が安定的に維持されることが必須であるため、接触による通電可能面積を制限できる絶縁物質で電極リード間の通電を遮断させなければならない。
ただし、電気的接触を遮断しなければならない電極リードは、ごく一部に該当するので、これを考慮して電池セルの形状を変更したり追加的な加工を行うことは、製造コストおよび製造時間の側面において不利な点がある。
そこで、本発明の電池セルは、その形状を変更したり追加的な加工を行わなくても、上述した構造、つまり、外部に突出した電極リード部位のうち、非常に制限的な表面だけが露出するように、残りの部位に絶縁性物質が付加されている構造に基づいて、電極リード本来の機能である電気的連結が可能であるだけでなく、一部の電極リードにだけ要求される絶縁性を満たすように規格化されているため、製造工程性の側面から相当な利点を提供することに注目すべきである。
一つの具体的な例において、前記絶縁性部材は、電極リードの両面に付着される絶縁フィルムでありうる。
前記絶縁フィルムは、電極リードの表面の一部を囲む構造で電極リードと共に電池ケースから外部に突出でき、電極リードと共に突出した部位を除いた残りの部位が電池ケースの接触面に熱融着されることができる。
前記絶縁フィルムは、外部に突出している電極リードの全長対比６０％〜９０％の長さで電池ケースから突出している。
前記範囲中で、６０％未満では電極リードの絶縁に対する信頼性を確保できないので、好ましくなく、前記範囲中で、９０％を超える場合には、電極リードに対する溶接や機械的締結が容易ではないので、好ましくない。
前記絶縁フィルムはまた、一つ以上の高分子樹脂層と前記樹脂層の一面に形成されている接着層を含んでもよい。
前記高分子樹脂層は絶縁性と熱融着性（熱接着性）を有する素材であれば、特に限定されなく、詳しくは、絶縁性と熱融着性に優れ、電解液の浸透を抑制するために吸湿性が低く、電解液によって膨張または腐食しない無延伸ポリプロピレンフィルム（ＣＰＰ）系樹脂を使用することができる。
前記高分子樹脂層の厚さは、４５〜１００マイクロメーターで形成されることができる。前記フィルム部材の厚さが薄すぎる場合には樹脂物性が小さくなるので、好ましくなく、反対に、厚すぎる場合には熱収縮時にテンションが大きく作用して付着強度を弱化させることができるので、好ましくない。
一つの具体的な例において、前記高分子樹脂層で、接着層が形成されていない他面には、エンボシング（ｅｍｂｏｓｓｉｎｇ）構造が形成されている。
このようなエンボシング構造は、高分子樹脂層と一体である複数の突起が表面に形成された構造であってもよく、前記突起は、外部物体との接触時に、突起の大きさほど電極リードと前記外部物体間の間隔を維持させることができる。
つまり、前記絶縁フィルムはエンボシング構造に基づいて、電極リードの所望しない接触を追加で防止する構造からなっている。
このために、前記突起の突出高さは、高分子樹脂層の厚さ対比１００％〜１０００％でありうる。前記範囲中で、１００％未満では間隔維持効果を達成できなく、前記範囲中で、１０００％を超える場合には、高分子樹脂層上で突起の突出した形態が維持されないので、好ましくない。
前記エンボシング構造は、絶縁フィルムと電池ケースの間の熱融着程度が低下しないように、これらが熱融着される部位を除いた残りの高分子樹脂層上にだけ形成されていることができ、詳しくは、高分子樹脂層で、電池ケースの接触面に熱融着される部位を除いて、電極リードと共に外部に突出している部位に形成された構造でありうる。
前記エンボシング構造を形成する突起は、高分子樹脂層を構成する素材と同一であってもよい。
前記接着層は、電池セル内部の電解液と反応しないながらも接着性を提供する素材として特に限定されなく、例えば、アクリル系樹脂から構成されてもよい。
前記電極リードは、絶縁フィルムが付加されていない残りの部位を通して外部と電気的に連結されることができ、前記外部とは、保護回路基板、電池セルの電極リードなどのように電気的に相互作用できる物体を意味する。
ここで、前記電池セルは、
（ａ）絶縁フィルムが付加されていない残りの部位だけが電極リードの突出方向に対して垂直に折り曲げられた形状；
（ｂ）電極リードが絶縁フィルムと共に垂直に折り曲げられている形状；および
（ｃ）絶縁フィルムが付加されていない残りの電極リード部位と絶縁フィルムが断面上で直線をなす形状；より選択される一つ以上の形状を含むことができる。
一方、前記電池セルは、その種類に特に限定されるものではないが、具体的な例としては、高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性などの長所を有するリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）２次電池、リチウムポリマー（Ｌｉ−ｐｏｌｙｍｅｒ）２次電池、またはリチウムイオンポリマー（Ｌｉ−ｉｏｎ ｐｏｌｙｍｅｒ）２次電池などのようなリチウム２次電池でありうる。
一般に、リチウム２次電池は正極、負極、分離膜、およびリチウム塩含有非水電解液で構成されている。
前記正極は、例えば、正極集電体および／または延長集電部上に正極活物質、導電材およびバインダーの混合物を塗布した後、乾燥して製造され、必要によっては、前記混合物に充填剤をさらに添加することもある。
前記正極集電体および／または延長集電部は、一般に、３〜５００マイクロメーターの厚さに作る。このような正極集電体および延長集電部は、当該電池に化学的変化を誘発しないながらも高い導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、またはアルミニウムやステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが使用できる。正極集電体および延長集電部は、その表面に微細な凹凸を形成して正極活物質の接着力を高めることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態が可能である。
前記正極活物質は、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ２）などの層状化合物や１またはそれ以上の遷移金属に置換された化合物；化学式Ｌｉ１＋ｘＭｎ２−ｘＯ４（ここで、ｘは０〜０．３３である）、ＬｉＭｎＯ３、ＬｉＭｎ２Ｏ３、ＬｉＭｎＯ２などのリチウムマンガン酸化物；リチウム銅酸化物（Ｌｉ２ＣｕＯ２）；ＬｉＶ３Ｏ８、ＬｉＦｅ３Ｏ４、Ｖ２Ｏ５、Ｃｕ２Ｖ２Ｏ７などのバナジウム酸化物；化学式ＬｉＮｉ１−ｘＭｘＯ２（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、ＢまたはＧａであり、ｘ＝０．０１〜０．３である）に表現されるＮｉサイト形リチウムニッケル酸化物；化学式ＬｉＭｎ２−ｘＭｘＯ２（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＺｎまたはＴａであり、ｘ＝０．０１〜０．１である）、またはＬｉ２Ｍｎ３ＭＯ８（ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎである）に表現されるリチウムマンガン複合酸化物；化学式のＬｉ一部がアルカリ土金属イオンに置換されたＬｉＭｎ２Ｏ４；ジスルフィド化合物；Ｆｅ２（ＭｏＯ４）３などが挙げられるが、これらだけに限定されるものではない。
前記導電材は、通常的に正極活物質を含む混合物全体重量を基準に１〜３０重量％で添加される。このような導電材は、当該電池に化学的変化を誘発することなく導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック；炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維；フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスキー；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などが用いることができる。
前記バインダーは、活物質と導電材などの結合と集電体に対する結合とに助力する成分であって、通常正極活物質を含む混合物全体重量を基準に１〜３０重量％で添加される。このようなバインダーの例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンテルポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブチレンゴム、フッ素ゴム、多様な共重合体などが挙げられる。
前記充填剤は、正極の膨張を抑制する成分として選択的に用いられ、当該電池に化学的変化を誘発せずとも繊維状材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系重合体；ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状物質が用いられる。
前記負極は、負極集電体および／または延長集電部上に負極活物質を塗布、乾燥して製作され、必要に応じて前記のような成分などが選択的にさらに含まれてもよい。
前記負極集電体および／または延長集電部は、一般に、３〜５００マイクロメーターの厚さに作られる。このような負極集電体および延長集電部は、当該電池に化学的変化を誘発しないながらも導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム−カドミウム合金などが使用できる。また、正極集電体と同様に、表面に微細な凹凸を形成して負極活物質の結合力を強化させることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態に用いられる。
前記負極活物質としては、例えば、難黒鉛化炭素、黒鉛系炭素などの炭素；ＬｉｘＦｅ２Ｏ３（０≦ｘ≦１）、ＬｉｘＷＯ２（０≦ｘ≦１）、ＳｎｘＭｅ１−ｘＭｅ’ｙＯｚ（Ｍｅ：Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｇｅ；Ｍｅ’：Ａｌ、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、周期律表の１族、２族、３族元素、ハロゲン；０<ｘ≦１；１≦ｙ≦３；１≦ｚ≦８）などの金属複合酸化物；リチウム金属；リチウム合金；ケイ素系合金；スズ系合金；ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＰｂＯ、ＰｂＯ２、Ｐｂ２Ｏ３、Ｐｂ３Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ５、ＧｅＯ、ＧｅＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ４、またはＢｉ２Ｏ５などの金属酸化物；ポリアセチレンなどの導電性高分子；Ｌｉ−Ｃｏ−Ｎｉ系材料などが用いられる。
前記分離膜は正極と負極との間に介在し、高いイオン透過度と機械的強度を有する絶縁性の薄い薄膜が使用される。分離膜の気孔直径は、通常０．０１〜１０μｍであり、厚さは、通常５〜３００μｍである。このような分離膜としては、例えば、耐化学性および疎水性のポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマー；ガラス繊維またはポリエチレンなどからなるシートや不織布などが使用される。電解質としてポリマーなどの固体電解質が使用される場合には、固体電解質が分離膜を兼ねることもできる。
前記電解液はリチウム塩含有非水系電解液であってもよく、非水電解液とリチウム塩からなる。非水電解液としては、非水系有機溶媒、有機固体電解質、無機固体電解質などが使用されるが、これらだけに限定されるものではない。
前記非水系有機溶媒としては、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリジノン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ガンマ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフラン（ｆｒａｎｃ）、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、ホルム酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの非プロトン性有機溶媒を使用することができる。
前記有機固体電解質としては、例えば、ポリエチレン誘導体、ポリエチレンオキシド誘導体、ポリプロピレンオキシド誘導体、リン酸エステルポリマー、ポリエジテーションリシン（ａｇｉｔａｔｉｏｎ ｌｙｓｉｎｅ）、ポリエステルスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、イオン性解離基を含む重合体などを使用することができる。
前記無機固体電解質としては、例えば、Ｌｉ３Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ５ＮＩ２、Ｌｉ３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ４、ＬｉＳｉＯ４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ２ＳｉＳ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ４ＳｉＯ４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ３ＰＯ４−Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２などのＬｉの窒化物、ハロゲン化物、硫酸塩などを使用することができる。
前記リチウム塩は、前記非水系電解質に溶解しやすい物質であって、例えば、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、ＣＨ３ＳＯ３Ｌｉ、ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ、（ＣＦ３ＳＯ２）２ＮＬｉ、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、４フェニルホウ酸リチウム、イミドなどを使用することができる。
また、非水電解液には、充放電特性、難燃性などの改善を目的として、例えば、ピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、ｎ−グリム（ｇｌｙｍｅ）、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、Ｎ−置換オキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ−置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、２−メトキシエタノール、三塩化アルミニウムなどが添加されてもよい。場合によっては、不燃性を付与するために、四塩化炭素、三フッ化エチレンなどのハロゲン含有溶媒をさらに含ませることもでき、高温保存特性を向上させるために二酸化炭酸ガスをさらに含ませることもでき、ＦＥＣ（Ｆｌｕｏｒｏ−Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＰＲＳ（Ｐｒｏｐｅｎｅ ｓｕｌｔｏｎｅ）などをさらに含ませることができる。
一つの具体的な例において、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２などのリチウム塩を、高誘電性溶媒のＥＣまたはＰＣの環状カーボネートと低粘度溶媒のＤＥＣ、ＤＭＣまたはＥＭＣの線状カーボネートの混合溶媒に添加して、リチウム塩含有非水系電解質を製造することができる。
本発明はまた、前記電池セルを含む電池パックを提供する。
具体的に、本発明に係る電池パックは、前記電池セルｎ個（ｎ≧２）が直列および／または並列に連結されている電池パックであって、
互いに異なる電池セルの電極リードが上下並んで位置した状態で電池セルが地面に対して上方に積層されており、
前記電池セルのうち、少なくとも一対は上面が相互対面する形態で積層されており、前記上面が対面する形態で積層された電池セルの電極リードのうち、互いに連結されない電極リードは、電極リードそれぞれに付着された絶縁フィルムによって絶縁状態を維持することを特徴とする。
つまり、本発明に係る電池パックは、絶縁フィルムが電極リードの接触通電を非常に制限する構造からなるが、上面が対面する形態で積層されて必然的に近接する電極リードのうち、回路構成のために互いに接触してはならない電極リード間の通電が前記絶縁フィルムによって自然に遮断されながらも、絶縁フィルムが電極リードの接触通電を完全に遮断するわけではないので、通電が可能な電極リードの一部分を通して所望する形態で電気連結構造が達成されるように構成されている。
このような構造はまた、前述したように、絶縁性が担保されなければならない一部の電極リードに限定されず、全体構造で規格化されているにもかかわらず、絶縁フイルムで絶縁されない電極リード部位を通して所望する形態で電気連結構造も構成できるところ、一部の電極リードだけを考慮してリードの形態や電気連結構造が変形したり絶縁物質が追加された電池パックに比べて、優れた製造工程性を提供できるものと理解されるべきである。
本発明はまた、前記電池パックを一つ以上含むデバイスを提供する。
従来技術による電池セルの模式図である。 従来技術による電池パックの模式図である。 本発明の一実施形態による電池セルの模式図である。 本発明の一実施形態による電池セルの模式図である。 図４においてＡ部位を拡大した模式図である。 電極リードの変形例を示した模式図である。 本発明の一実施形態による電池パックの模式図である。 本発明の他の実施形態による電池セルの模式図である。
以下では、本発明の実施例によ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３には、本発明の一実施形態による電池セルの平面模式図が示されており、図４には、図３の電池セルに対する側面模式図が示されている。また、図５には、図４のＡ部位に対する垂直断面が拡大された模式図が示されている。
これらの図面を参照すると、電池セル１００は、電極組立体１２０の正極リード１０２と負極リード１０４が外周部位を通して電池ケース１１０から外向きに突出した状態で電解液（図示せず）と共に電池ケース１１０に装着されており、電池ケース１１０の外周部位が熱融着されて電極組立体１２０が外部から密封された構造からなっている。
ここで、正極リード１０２および負極リード１０４は、電池ケース１１０の同一の外周部位に並んで突出しており、電池セル１００は一側だけで正極リード１０２と負極リード１０４が電気的に連結されるので、空間活用の側面において利点を有する。
電池ケース１１０は、電極組立体１２０が収容される収納部が形成されているケース本体１１２と、ケース本体１１２の一側端部から伸びていたりケース本体１１２に対して独立的な部材からなる平板型カバー１１４で構成されている。
平板型カバー１１４は電池セル１００の上面を形成し、ケース本体１１２は電池セルの下面を形成し、電極リード１０２、１０４は平板型カバー１１４、つまり、電池セルの上面と断面上で直線をなす形態で電池ケース１１０の外側に突出している。
このような構造は上面が平板型からなっているので、電池セル１００の上面への積層時に高い数値安定性を提供する。
一方、絶縁フィルム１３２、１３４は、電極リード１０２、１０４に付着された状態で一部が電池ケース１１０の外周部位内面に位置し、内面に位置した絶縁フィルム１３２、１３４は外周部位と共に熱融着されており、これを除いた残りの絶縁フィルム１３２、１３４は電極リード１０２、１０４と共に電池ケース１１０から外部に突出している。
ここで、絶縁フィルム１３２、１３４は、外部に突出している正極リード１０２と負極リード１０４それぞれの面積を基準に、ほぼ８０％の面積が絶縁されるようにリードそれぞれに付加されている。また、絶縁フィルム１３２、１３４は、外部に突出しているリードそれぞれの全長Ｌ１対比ほぼ９０％の長さＬ２で電池ケース１１０から突出している。
したがって、正極リード１０２と負極リード１０４はこれらの突出した大部分の表面が絶縁フィルム１３２、１３４によって絶縁されて、接触による通電可能面積が非常に制限される。
しかし、これらリード１０２、１０４の端部およびこれに隣接した一部表面には絶縁フィルム１３２、１３４が付加されていなくて外部に露出しており、この制限的な部位を通して電気的連結を達成することができる。
具体的に、電極リード１０２、１０４は、図６でのように、絶縁フィルム１３２ａが付加されていない残りの部位１０２ａだけが突出方向に対して垂直に折り曲げられた形状ａａ、または、絶縁フィルム１３２ｂと共に垂直に折り曲げられている形状ｂｂに変形された状態で溶接、ソルダリングまたは機械的締結によって電気的連結を達成することができ、接触を遮断するために、絶縁フィルム１３２ｃが付加されていない残りの電極リード１０２、１０４の部位１０２ｃと絶縁フィルム１３２ｃが断面上で直線をなす形状ｃｃを維持することもできる。
つまり、本発明に係る電池セル１００は、電気的接触が遮断または接触されて電気的連結を構成する電極リード１０２、１０４を別途に区分せず、電極リード１０２、１０４と絶縁フィルム１３２、１３４が同一の形態で規格化されているため、すべての電極リード１０２、１０４で絶縁の担保が可能で、かつ、場合によって通電が可能な構造からなっている。
これは、絶縁と通電が必要な電極リード１０２、１０４に対応して絶縁フィルム１３２、１３４または電極リード１０２、１０４の形態を変形させた電池セル１００に比べて、製造工程性の側面において相当な利点を提供できるものと理解されるべきである。
特に、図３乃至図５に示された電池セル１００は、第一に、電池セル１００の上面と電極リード１０２、１０４が断面上で垂直をなす形状であり、第二に、電極リード１０２、１０４が同一の外周部位に並んで突出した構造であるところ、このような電池セルが多数積層される場合、図２に示された電池パックでのように、互いに異なる電池セル１００の電極リード１０２、１０４が接触されてはならないにもかかわらず、電極リード１０２、１０４間の距離が非常に近接して、接触されやすい。
そこで、本発明では前記構造の電池セル１００において、別途の絶縁物質がなくても絶縁フィルム１３２、１３４が、電極リード１０２、１０４の通電可能部位が電極リード１０２、１０４のごく一部に限定された構造に基づいて、電極リード１０２、１０４の絶縁性を安定的に担保すると同時に、必要に応じて、限定されない電極リード１０２、１０４の残りの部位を図６でのように変形させて、所望する形態で電気的連結を達成できることに注目すべきである。
特に、前記本発明に係る電池セルの実施形態は、以下の図７に示された電池パックからその効果がさらに明確に立証される。
そこで、図７を図３乃至図６と共に参照すると、電池パックは、図３乃至図５に示された第１電池セル１００および第１電池セル１００と同一形状の第２電池セル３２０乃至第４電池セル３４０を含む。
電池パックは、第１電池セル１００から第４電池セル３４０が地面に対して上方に順次積層された状態で全て直列に連結されている。
具体的に、第１電池セル１００と第２電池セル３２０は、それぞれの電極リード１０２、１０４、３２２、３２４が上下並んで位置した状態で第２電池セル３２０が第１電池セル１００の下面に積層されている。
これとは異なり、第２電池セル３２０と第３電池セル３３０は、それぞれの電極リード３２２、３２４、３３２、３３４が上下並んで位置した状態で第３電池セル３３０が第２電池セル３２０の上面に積層されている。
また、第３電池セル３３０と第４電池セル３４０は、それぞれの電極リード３３２、３３４、３４２、３４４が上下並んで位置した状態で第４電池セル３４０が第３電池セル３３０の下面に積層されている。
このように電池セル１００、３２０、３３０、３４０が対面した面が交互に配列されることは、電極リードが互いに相対極性に位置して同一形態の電池セル１００、３２０、３３０、３４０が全て直列に連結されるようにするためである。
これらの電気連結構造を説明すれば、第１電池セル１００の正極リード１０２は、外部に突出した形態を維持しており、第１電池セル１００の負極リード１０４は、第２電池セル３２０の正極リード３２２と電気的および物理的に結合している。したがって、これら電池セル１００、３２０は直列に連結されている。
第２電池セル３２０の負極リード３２４は、第３電池セル３３０の正極リード３３２と電気的および物理的に結合している。したがって、これら電池セル３２０、３３０は直列に連結されている。
第３電池セル３３０の負極リード３３４は、第４電池セル３４０の正極リード３４２と電気的および物理的に結合しており、第４電池セル３４０の負極リード３４４は、外部に突出した形態を維持している。したがって、すべての電池セル１００、３２０、３３０、３４０は直列に連結されている。
ただし、このような構造で、第２電池セル３２０と第３電池セル３３０は、電極リード３２２、３２４、３３２、３３４の間の直列連結のために上面が互いに対面した形態で積層されており、それによって、上下並んで位置する電極リード３２２、３２４、３３２、３３４が互いに非常に近接して、接触されやすい。
このような近接は、第２電池セル３２０の負極リード３２４と第３電池セル３３０の正極リード３３２では問題にならないが、第２電池セル３２０の正極リード３２２と第３電池セル３３０の負極リード３３４が接触して通電される場合、電池パック３００は短絡される。
そこで、本発明では電気連結のためのごく一部分を除いた残りの部位が絶縁フィルム（図３乃至図５の１３２、１３４）によって完全に絶縁されているので、これら電極リードが接触しても短絡されない。
また、このような構造で絶縁性が基本的に担保されながらも、図６に示された電極リードの変形構造を通して電池セルが安定的に連結できることに注目すべきである。
言い換えると、本発明に係る電池パック３００は、前記絶縁フィルム１３２、１３４の構造が、絶縁性を担保しなければならない一部の電極リード３２２、３３４に限定されず、すべての電極リードに同様に適用されるように規格化されているにもかかわらず、絶縁フィルム１３２、１３４で絶縁されない電極リード部位を通して、所望する形態で電気連結構造も構成できるところ、一部の電極リードだけを考慮してリードの形態や電気連結構造が変形したり絶縁物質が追加された電池パックに比べて、優れた製造工程性を提供することができる。
図７は一つの例示的な構造であって、本発明の電池パック構造が、図７に示された電池セルの個数と電池セルの積層構造および電極リード間の連結構造で限定されるものではない。
一方、図８には、本発明の他の実施形態による電池セルの模式図が示されている。
図８を参照すると、電池セル２００は、絶縁フィルム２３４の外面がエンボシング構造２３６からなる点を除いては、図３乃至図５の構造と同様である。
このようなエンボシング構造２３６は、絶縁フィルム２３４の外層をなす高分子樹脂層に一体に複数の突起が形成された構造であって、突起が外部物体との接触時に、突起の大きさほど電極リード２０４と外部物体間の間隔を維持させる役割を果たす。
つまり、電池セル２００は、電極リード２０４に対する所望しない接触や通電をさらに安定的に防止できる構造からなっている。
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およ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、本発明に係る電池セルは、その形状を変更したり追加的な加工を行わなくても、外部に突出した電極リードの部位のうち、非常に制限的な表面だけ露出するように、残りの部位に絶縁性物質が付加されている構造に基づいて、絶縁に対する高い信頼性だけでなく、一部の電極リードにだけ要求される絶縁性が担保されるように規格化されているため、製造工程性の側面において相当な利点を提供することができる。
また、本発明に係る電池パックは、絶縁フィルムが電極リードの接触通電を非常に制限する構造からなるが、上面が対面する形態で積層されて必然的に近接する電極リードのうち、回路構成のために互いに接触してはならない電極リード間の通電が前記絶縁フィルムによって自然に遮断されながらも、絶縁フィルムが電極リードの接触通電を完全に遮断するわけではないので、通電が可能な電極リードの一部分を通して所望する形態で電気連結構造が達成されるように構成されている。
１０ 電池セル
１０’ 電池セル
２０ パウチ型電池ケース
２１ ケース本体
２２ 平板型カバー
２３ 収納部
２４ 上段部
３０ スタック型電極組立体
３１ 正極タブ
３２ 負極タブ
４０ 電極リード
４０’ 電極リード
４０’ 電極リード
４１ 電極リード
４１’ 電極リード
５０ 絶縁フィルム
９０ 電池パック
９２ 部材
１００ 第１電池セル
１０２ 正極リード
１０４ 負極リード
１１０ 電池ケース
１１２ ケース本体
１１４ 平板型カバー
１２０ 電極組立体
１３２ 絶縁フィルム
１３４ 絶縁フィルム
２００ 電池セル
２０４ 電極リード
２３４ 絶縁フィルム
２３６ エンボシング構造
３００ 電池パック
３２０ 第２電池セル
３２２ 正極リード
３２４ 負極リード
３３０ 第３電池セル
３３２ 正極リード
３３４ 負極リード
３４０ 第４電池セル
３４２ 正極リード
３４４ 負極リード

Claims (11)

  1. 電極組立体が電解液と共にラミネートシートの電池ケースに装着された状態で電池ケースの外周部位が熱融着で密封されている電池セルであって、
    前記電極組立体の一対の電極リードが電池ケースから外向きに突出しており、前記電極リードそれぞれには絶縁性部材が付加されており、
    前記電池ケースは、電極組立体が収容される収納部が形成されているケース本体と、前記ケース本体の一側端部から伸びておりケース本体に対して独立的な部材からなる平板型カバーとで構成されており、
    前記平板型カバーは電池セルの上面を形成し、前記電極リードは平板型カバーと断面上で直線をなす形態で電池ケースの外側に突出しており、
    前記絶縁性部材は、電極リードの両面に付着される絶縁フィルムであり、
    前記絶縁フィルムは、電極リードの表面の一部を囲む構造で電極リードと共に電池ケースから外部に突出しており、
    前記絶縁フィルムは、外部に突出している電極リードの全長対比６０％〜９０％の長さで電池ケースから突出しており、
    前記電池セルがｎ個（ｎ≧２）直列および／または並列に連結されており、
    互いに異なる電池セルの電極リードが上下並んで位置した状態で電池セルが地面に対して上方に積層されており、
    前記電池セルのうち、少なくとも一対は上面が相互対面する形態で積層されており、前記上面が対面する形態で積層された電池セルの電極リードのうち、互いに連結されない電極リードは、電極リードそれぞれに付着された絶縁フィルムによって絶縁状態を維持することを特徴とする、電池セル。
  2. 前記絶縁フィルムは、前記電極リードと共に突出した部位を除いた残りの部位が前記電池ケースの外周部位に熱融着されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  3. 前記絶縁フィルムは、一つ以上の高分子樹脂層と前記高分子樹脂層の一面に形成されている接着層とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  4. 前記高分子樹脂層で、接着層が形成されない他面にはエンボシング（ｅｍｂｏｓｓｉｎｇ）構造が形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の電池セル。
  5. 前記エンボシング構造は、高分子樹脂層と一体である複数の突起が表面に形成された構造であることを特徴とする、請求項４に記載の電池セル。
  6. 前記突起は、外部物体との接触時に電極リードと前記外部物体間の間隔を維持させることを特徴とする、請求項５に記載の電池セル。
  7. 前記電極リードは、絶縁フィルムが付加されていない残りの部位を通して外部と電気的に連結されることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  8. （ａ）絶縁フィルムが付加されていない残りの部位だけが電極リードの突出方向に対して垂直に折り曲げられた形状；
    （ｂ）電極リードが絶縁フィルムと共に垂直に折り曲げられている形状；および
    （ｃ）絶縁フィルムが付加されていない残りの電極リード部位と絶縁フィルムが断面上で直線をなす形状；
    より選択される一つ以上の形状を含むことを特徴とする、請求項７に記載の電池セル。
  9. 前記電池セルは、
    一対の電極リードが電池ケースの同一の外周部位に並んで突出した構造；または
    一対の電極リードが電池ケースの対向する外周部位にそれぞれ突出した構造；
    であることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電池セルｎ個（ｎ≧２）が直列および／または並列に連結されている電池パックであって、
    互いに異なる電池セルの電極リードが上下並んで位置した状態で電池セルが地面に対して上方に積層されており、
    前記電池セルのうち、少なくとも一対は上面が相互対面する形態で積層されており、前記上面が対面する形態で積層された電池セルの電極リードのうち、互いに連結されない電極リードは、電極リードそれぞれに付着された絶縁フィルムによって絶縁状態を維持することを特徴とする、電池パック。
  11. 請求項１０に記載の電池パックを一つ以上含むことを特徴とする、デバイス。
JP2018530469A 2016-04-25 2017-03-24 規格化された構造に基づいて、製造工程性に優れかつ電極リードの絶縁性能が向上した電池セルおよびこれを含む電池パック Active JP6600096B2 (ja)

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