JP6880169B2 - 円筒型リチウム二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、円筒型リチウム二次電池に関するものであって、円筒型の缶部材の一部に缶部材と異なる素材の破断部を形成して缶部材の内部のガスが噴出されるガス噴出通路を増やすことによって、ガス噴出が缶部材の上部のトップキャップ（ｃａｐ）のみに集中されることを防止し、ガスの爆発力を減少させることができる。また、円筒型の缶部材の内部周りの特定区間が形状記憶合金で構成されることによって、特定温度へと到達するときに円筒型の缶部材の膨張又は収縮で亀裂が発生してガスが排出されることができる。また、円筒型の缶部材の内部の周りの特定区間に構成される形状記憶合金が特定な形状のパターンと点と直線型との中から選択されて構成されることによって、形状記憶合金の構成形状を様々な形状にすることができる。そのため、メーカーの利便性を提供することができる。また、既存の二次電池において、ガス噴出の通路が缶部材の上部のトップキャップのみに限られずに、缶部材の内部周りの特定区間に形状記憶合金の構成による安全装置が追加されることによって、円筒型二次電池の使用に関する安全性を向上させられる円筒型リチウム二次電池に関する技術である。
モバイル機器に対する技術開発と需要が増加につれ、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、このような二次電池の中でも、高エネルギー密度と放電電圧を有するリチウム二次電池に対する多くの研究が行われている。また、商用化されて広く使用されている。
二次電池は、電池ケースの形状によって、電極組立体が円筒型または角形の金属缶に内蔵されている円筒型電池セルと角型電池セル及び電極組立体がアルミ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セルに分類される。その中で円筒型電池セルは、相対的に容量が大きく、構造的に安定であるという長所を有する。
電池ケースに内蔵される前記電極組立体は、正極（負極）、分離膜、負極（正極）を含む充放電が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形の正極と負極との間に分離膜を介在して巻取し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を分離膜が介在された状態で順次的に積層したスタック型に分類される。その中、ジェリーロール型の電極組立体は、製造が容易で重量当たりのエネルギー密度が高い長所を有している。
これと関連して、図１には一般的な円筒型電池セルの垂直断面斜視図が模式的に図示されている。
図１を参照すると、円筒型電池セル１００は、ジェリーロール型（巻取り型）電極組立体１２０を円筒型の缶１３０に収納し、円筒型の缶１３０の内に電解液を注入した後、ケース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を結合して製作する。
電極組立体１２０は、正極１２１と負極１２２、およびこれらの間に分離膜１２３を介在した後に丸い形状に巻いた構造となっており、それの巻心（ジェリーロールの中心部）には、円筒型のセンターピン１５０が挿入されている。センターピン１５０は、一般的に、所定の強度を付与するために金属素材からなっており、板材を丸く折り曲げした中空型の円筒型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のときの内部反応によって発生されるガスを放出する通路として機能する。
一方、リチウム電池セルは、安全性が低いという短所を有している。例えば、電池が約４．５Ｖ以上に過充電される場合には、正極活物質の分解反応が生じ、負極でリチウム金属のデンドライト（ｄｅｎｄｒｉｔｅ）の成長と、電極間の反応で電解液の分解反応などが起こる。このような過程で熱が伴って前記のような分解反応と多数の副反応が急速に進行ささる。また、多量のガスを発生し、これによって電池セルが膨らむという、いわゆるスウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象を誘発する。
したがって、このような問題点を解消するために、一般的な円筒型電池セルには、電池の非正常的な作動のときに、電流を遮断して内圧を解消するための電流遮断装置（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ； ＣＩＤ）と安全ベント（ｖｅｎｔ）が、電極組立体と上端キャップとの間の空間に装着されている。
それにもかかわらず、このような従来の円筒型二次電池は、電流遮断装置（ＣＩＤ）、ベント（Ｖｅｎｔ）などの安全装置が作動できる十分な時間が与えられない直接的な熱衝撃のような試験の際に、内部の高圧ガスが瞬間的に外部へと噴出されるとき、ガスが噴出することができる噴出口がトップキャップの一か所である。そのため、排出圧力が高くなり、内部電極集合体が排出ガスと一緒に外部へと排出され、強力な爆発が発生する問題があった。
そこで、本発明は、前記の問題点を解決するために着想されたものであり、円筒型の缶部材の一部に缶部材と異なる素材の破断部を形成して缶部材の内部のガスが噴出されるガス噴出通路を増やしてあげることで、ガスの噴出が缶部材上部のトップキャップベントのみに集中することを防止し、ガス爆発力を減少させることができる円筒型リチウム二次電池を提供することに、その目的がある。
また、別の本発明の目的は、電池の内部及び外部の温度上昇に反応する安全装置を追加して発火を防止する安全性を向上させた円筒型リチウム二次電池を提供することにある。
また、別の本発明の目的は、円筒型の缶部材の内部周りの特定区間に構成される形状記憶合金を特定な形状のパターンと特定な形状の点、直線形の中から選択されて構成されることにより、形状記憶合金の構成形状を様々な形にすることができ、製造社の利便性を提供することができる円筒型リチウム二次電池を提供することにある。
本発明は、電極組立体が電解液と一緒に収容されている円筒型の缶の開放上端にキャップアセンブリが装着された構造の円筒型リチウム二次電池であって、内部に前記の電極組立体が内蔵される缶部材と、発生したガスによって円筒型の缶の内圧が上昇する場合、ガスを排出する安全ベントを含むキャップアセンブリと、及び特定の温度に到達したときに形状の変形が生じて缶部材の亀裂を起こす形状記憶合金部材が、缶部材の一部に含まれることを特徴とする円筒型リチウム二次電池である。
本発明の一つの実施例において、前記の形状記憶合金部材は、ニッケル−チタン合金、銅−亜鉛合金、金−カドミウム合金及びインジウム−タリウム合金からなる群から選択された１種または２種以上の形状記憶合金であり得る。
本発明の一つの実施例において、前記の形状記憶合金部材は、１３０℃以上の温度にて収縮されて缶部材の亀裂を起こすことができる。このとき、１３０℃以上の温度にて形状記憶合金部材の体積収縮率は９０％以下であり得る。
本発明の一つの実施例において、形状記憶合金部材は１３０℃以上の温度で膨張され、缶部材の亀裂を起こすことができる。このとき、１３０℃以上の温度で形状記憶合金部材の体積膨張率が缶部材の体積膨張率の１１０〜２００％であり得る。
本発明の一つの実施例において、前記の形状記憶合金部材は、前記缶部材の周りに沿って缶部材の水平方向へと形成され得る。
本発明の一つの実施例において、前記の形状記憶合金部材は、缶部材を完全に横切らずに、缶部材の一部のみに形成されて亀裂が発生したときに缶部材が二等分されることを防止することができる。
本発明の一つの実施例において、前記の形状記憶合金部材は、缶部材の周りに沿って缶部材の垂直方向へと横切るように形成され得る。
本発明の一つの実施例において、形状記憶合金部材は、くしの歯柄、一字柄、チェック柄と十字柄の中から選ばれた１種または２種以上のパターンを有することができる。
本発明の一つの実施例において、前記の形状記憶合金部材は、円形、四角形、三角形、楕円形とひし形の中から選ばれた１種または２種以上の形状を有することができる。
本発明に係る円筒型リチウム二次電池は、次のような効果を有する。
第一に、本発明は、円筒型の缶部材の一部に缶部材と異なる素材の破断部を形成して缶部材の内部ガスが噴出されるガス噴出通路を増やしてあげることにより、ガス噴出が缶部材の上部の蓋のみに集中されることを防止してガス爆発力を減少させることができる。
第二に、本発明は、電池の内部または外部が、１３０℃以上の高温の環境に漏出されたとき、高温の温度に反応して形状の変形が生じ、缶部材の亀裂を起こす形状記憶合金部材を、缶部材の一部に含めることによって、内部気圧によるトップキャップ安全ベントが作動する前にも、缶部材の亀裂による缶ベントを通してガスを排出して爆発を防止し、内部または外部の熱によって加熱されながら、発生し得る発火を防止する効果がある。
第三に、本発明は、単に熱膨張係数が異なる素材を缶部材の一部に包含させて缶ベントを形成させた場合と比べ、温度にさらに敏感に反応する。そのため、より迅速に缶部材の亀裂が起き、爆発による発火をより効率的に防止することができ、安全性がより強化される効果がある。
以下では、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。しかし、本発明が、以下の実施例によって制限されたり限定されたりするものではない。
図２は、本発明の一つの実施例に係る二次電池を図示した斜視図であり、図３は、図２にて缶部材を展開して図示した展開図である。
図２〜図３に図示されたように、本発明の一つの実施例に係る二次電池２００は、正極、分離膜、負極が積層される電極集合体（図示せず）、内部に前記の電極組立体が内蔵される缶部材２１０、発生したガスによって円筒型の缶の内圧が上昇する場合、ガスを排出する安全ベント（図示せず）を含むキャップアセンブリ２２０及び特定の温度へと到達したときに形状の変形が生じ、缶部材の亀裂を起こす形状記憶合金部材２３０が、缶部材の一部に含まれている構造である。
従来の円筒型二次電池では、内部の圧力が上昇する場合、内部のガスを排出するところがトップキャップ安全ベントと一か所であった。しかし、本発明の二次電池では、トップキャップ安全ベントの他に、缶部材の一部にガスを排出することができるベントを形成させることで、ガス排出口が分散されて爆発の危険を減少させることができる。
そして、特定の温度へと到達したときに形状の変形が起こる形状記憶合金部材を用いて、内部または外部の温度が１３０℃以上の特定の温度に露出されたときに、前記の特定温度に反応する形状記憶合金部材が膨張または収縮されながら缶部材の亀裂を起こし、内部のガスが亀裂を介して排出されることができ、発火を防止することができる利点がある。即ち、内部気圧の上昇の他に温度の上昇に伴う安全装置を追加したことに特徴がある。
前記の形状記憶合金は、温度に応じて膨張または収縮した後に円形へと復元することができるもので、本発明の一つの実施例によれば、前記の形状記憶合金部材は、ニッケル−チタン合金、銅−亜鉛合金、金−カドミウム合金及びインジウム−タリウム合金からなる群から選択された１種または２種以上であり得る。
本発明において、缶部材というのは、円筒型二次電池２００から電池の上／下面ではない柱に該当する側面を指し、前記の缶部材の素材は、一般的な二次電池の缶部材の素材として使用される鋼（ｓｔｅｅｌ）などであり得る。
本発明において、形状記憶合金部材は、缶部材の一部に含まれるが、形状記憶合金が特定温度にて敏感に反応するため、単純に熱膨張係数が異なる素材を適用した場合と比べ、最小限の比率にしても効果的に缶部材の亀裂を起こすことができる。
本発明の一つの実施例において、形状記憶合金部材が缶部材にて占める面積は、缶部材全体面積の５％〜２０％であり得るし、さらに好ましくは１０％〜２０％である。形状記憶合金部材が占める面積が５％未満の場合には、本発明の目的を達成するには不足であり得るし、２０％を超過すると、経済性及び形状的な安定性の側面から好ましくない。
直接的な熱衝撃のような試験過程によって缶部材に熱が加えられた場合、前記の形状記憶合金部材によって缶部材に亀裂が起こる過程をより詳細に説明する。
形状記憶合金部材は、特定温度に反応して収縮する場合と膨張する場合の数があるが、特定温度で収縮する形状記憶合金が適用された場合について説明する。特定温度で収縮する形状記憶合金部材は熱によって体積が減る。一方、缶部材は膨張しようとするため、形状記憶合金部材と缶部材との間に亀裂が発生して、その亀裂を介して内部のガスが排出されることができるものである。
本発明の一つの実施例において、前記の形状記憶合金部材は、１３０℃以上の温度で収縮され、缶部材の亀裂を起こすことができる。このとき、１３０℃以上の温度で形状記憶合金部材の体積収縮率は９０％以下であり得るし、より好ましくは７５％以下である。
前記の逆形状記憶合金部材が、特定温度で膨張する場合、缶部材に亀裂が起こる過程は次の通りである。熱によって形状記憶合金部材が膨張することになると、形状記憶合金部材と缶部材との間に膨張体積の差が発生することになる。即ち、形状記憶合金部材は、 熱によってその体積が大幅に増加するが、缶部材の体積増加率が形状記憶合金部材の体積増加率を沿って行かない。そのため、缶部材と形状記憶合金部材との間に亀裂が発生することになるものである。
このとき、１３０℃以上の温度で形状記憶合金部材の体積膨張率は、缶部材の体積膨張率の１１０〜２００％であり得るし、より好ましくは１３０〜２００％であり得る。
一般的に、二次電池に使用される缶部材は、高温の温度で体積が膨張する性質があるので、缶部材の一部が高温の温度に反応して収縮する形状記憶合金を使用すると、缶部材は体積が膨張する。一方、形状記憶合金は収縮になるので、その分、亀裂がよりよく発生することができる。
しかし、高温の温度に反応して体積が膨張する形状記憶合金を使用するとしても、形状記憶合金部材の体積膨張率が缶部材の体積膨張率より大きい。それで、缶部材にガスが排出するのに十分な亀裂が発生することができる。 形状記憶合金は、特定の温度に反応して急速に体積が膨張または収縮される特性があるので、本発明のように缶部材の一部に形状記憶合金を包含させる場合と、缶部材の一部に缶部材と熱膨張係数が相違した素材を包含させた場合とを比較したとき、より迅速に缶部材の破断が起こり得る。
このように缶部材の一部を形状記憶合金素材で構成することにより、缶部材の温度変化による迅速な対応が可能であり、それで二次電池の安全性を高めることができる。そして、キャップアセンブリの安全ベント及び缶部材にガス噴出口が形成されると、高圧ガスの噴出のときに気圧が低下して爆発力が減少されるため、二次電池の安全性を確保することができる。
本発明の一つの実施例に係るトップキャップアセンブリに対して、図７〜９を参照して説明する。
これらの図面を参照すると、トップキャップ１０は、突出された形状で正極端子を形成し、排気口が穿孔されており、それの下部に、電池内部の温度上昇のときに電池の抵抗が大幅に増加して電流を遮断するＰＴＣ素子（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔ：２０）、通常的な状態では下向きに突出された形状となっており、電池内部の圧力上昇のときに突出されながら破裂されてガスを排気する安全ベント３０、および上端一側部位が安全ベント３０に結合されており、下端一側が電極組立体４０の正極に連結されている接続プレート５０が順次的に配置されている。
したがって、正常的な作動条件で電極組立体４０の正極はリード４２、接続プレート５０、安全ベント３０及びＰＴＣ素子２０を介してトップキャップ１０に連結されて通電を成す。
しかし、過充電などのような原因によって、電極組立体４０側から、ガスが発生して内圧が増加すると、図３と同じく、安全ベント３０はそれの形状が逆転され、上向きに突出されるようになる。このとき、安全ベント３０が接続プレート５０から分離されて電流が遮断されたり、図９と同じく、圧力の上昇のときに安全ベント３０が突出しながら破裂してガスを外部に放出したりして、安全性を確保する。
従来の二次電池では、ガス排出口がトップキャップアセンブリに含まれた安全ベントと一か所であったが、本発明では、前記のトップキャップ安全ベントの追加的に缶ベントを形成し、ガス排出口を二か所に分散、爆発の危険を減少させて爆発による発火を防止する効果があるのである。
特に二次電池の製造工程の中、一つの不良電池により火災が発生した場合、複写熱によって隣接した電池の温度が上昇される場合があり得る。しかし、本発明のようにトップキャップベントと缶ベントを有する二次電池の場合には、１３０℃以上の温度で反応する形状記憶合金部材によって缶部材の亀裂が起きる。それで、爆発が防止されて連鎖爆発及び発火を防止することもできる。
図４は、本発明の他の実施例による二次電池を図示す斜視図であり、図５は、図４で缶部材を展開して図示した展開図である。
図４〜図５に図示されたように、本発明の他の実施例による二次電池は、形状記憶合金部材（２３０）が缶部材２１０の周りを沿って缶部材２１０の水平方向に形成され得る。
この時、形状記憶合金部材２３０は、缶部材２１０を完全に横切らずに、缶部材２１０の周りの一部のみに形成されて亀裂の発生のときに缶部材２１０が二等分されることを防止することが好ましい。
図６ａ〜図６ｃは、本発明の一つの実施例に係るそれぞれの円筒型リチウム二次電池にて、円筒型缶部材２１０の内部の周りの特定区間に形状記憶合金部材２３０を特定な形状のパターンと、特定な形状の点と、直線型で構成した形状を示した図面である。
前記の形状記憶合金部材２３０は、缶部材２１０の内部の周りの特定区間に構成され、特定な形状のパターンと、特定の形状の点と、直線形の中から選択されて構成されるものである。
前記の形状記憶合金部材２３０に構成される特定な形状のパターンは、図６ａ〜図６ｃに図示したように、くしの歯柄、一字柄、チェック柄、十字柄の中から単数または複数個が選択されるものであり、前記の形状記憶合金部材３０に構成される特定な形状の点は、図６ａ〜図６ｃに図示したように、円形、四角形、三角形、楕円形、ひし形の中から単数または複数個が選択されるものである。
一方、以下では、実施例、比較例及び実験例を通じて本発明に係る二次電池の効果を説明する。しかし、実施例と比較例等に使用された二次電池の構成、例えば正極活物質、負極活物質、電解液、分離膜などは、発明を容易に説明するための例示的なものであり、本発明の二次電池の構成が実施例と比較例で使用された構成だけで実施できるのではなく、これらのみに本発明の範囲が限定されるものではない。
［電極組立体の製作］
負極活物質として炭素を使用し、導電材としてカーボンブラック、バインダーとしてＳＢＲ、ＣＭＣを使用して負極スラリーを製造し、１０μｍＣｕホイルの上にスラリーを塗布、乾燥、圧延して負極を製造した。正極活物質としてＮｉ ｒｉｃｈ ＮＭＣ複合酸化物を使用し、導電材としてカーボンブラック、バインダーとしてＰＶｄＦを使用して正極スラリーを製造し、１５μｍＡｌ ホイルの上にスラリーを塗布、乾燥、圧延して正極を製造した。これらの正極と負極との間に分離フィルムを介在した後、巻取してジェリーロール形状の電極組立体を製造した。
負極活物質として炭素を使用し、導電材としてカーボンブラック、バインダーとしてＳＢＲ、ＣＭＣを使用して負極スラリーを製造し、１０μｍＣｕホイルの上にスラリーを塗布、乾燥、圧延して負極を製造した。正極活物質としてＮｉ ｒｉｃｈ ＮＭＣ複合酸化物を使用し、導電材としてカーボンブラック、バインダーとしてＰＶｄＦを使用して正極スラリーを製造し、１５μｍＡｌ ホイルの上にスラリーを塗布、乾燥、圧延して正極を製造した。これらの正極と負極との間に分離フィルムを介在した後、巻取してジェリーロール形状の電極組立体を製造した。
［実施例］
図７に図示されたキャップアセンブリ構造及び図２、３に図示された缶部材を含む円筒型缶に前記の製造された電極組立体を電解液と共に収納して円筒型二次電池を製造した。このとき、鋼素材の缶部材の一部に含まれた形状記憶合金部材は、ニッケル−チタン合金であって、１３０℃以上の温度にて膨張し、缶部材の体積膨張率の１３０％である。
図７に図示されたキャップアセンブリ構造及び図２、３に図示された缶部材を含む円筒型缶に前記の製造された電極組立体を電解液と共に収納して円筒型二次電池を製造した。このとき、鋼素材の缶部材の一部に含まれた形状記憶合金部材は、ニッケル−チタン合金であって、１３０℃以上の温度にて膨張し、缶部材の体積膨張率の１３０％である。
［比較例］
前記の缶部材全体が、一般的な鋼素材であることを除いては、実施例と同様の方法で円筒型二次電池を製造した。
前記の缶部材全体が、一般的な鋼素材であることを除いては、実施例と同様の方法で円筒型二次電池を製造した。
［実験例］
実施例及び比較例の二次電池を、１３５℃の温度にて１０分間に放置した後、発火の可否を目視で確認し、その結果を図１０ａおよび図１０ｂに示した。
実施例及び比較例の二次電池を、１３５℃の温度にて１０分間に放置した後、発火の可否を目視で確認し、その結果を図１０ａおよび図１０ｂに示した。
図１０ａに示されたように、実施例の二次電池は、缶部材の膨張が原因で亀裂が発生し、トップキャップベントと共に安全装置が作動して爆発力が減少し、発火が起こらなかった。 しかし、比較例の二次電池は、図１０ｂに図示されたように、温度の増加及び内圧の増加により発火が起こり、電極組立体が缶の外部に排出され、爆発力が実施例よりもさらに大きかったのが確認できた。
以上のように、本発明の二次電池は、外部の温度によって缶部材に亀裂が発生し、ガス排出口が複数個形成されることによって爆発力が減少し、発火を防止するなど、安全性が向上したものとして評価される。
１０ トップキャップ
２０ ＰＴＣ素子
３０ 安全ベント
４０ 電極組立体
４２ 正極はリード
５０ 接続プレート
２００ 二次電池
２１０ 缶部材
２２０ キャップアセンブリ
２３０ 形状記憶合金部材
２０ ＰＴＣ素子
３０ 安全ベント
４０ 電極組立体
４２ 正極はリード
５０ 接続プレート
２００ 二次電池
２１０ 缶部材
２２０ キャップアセンブリ
２３０ 形状記憶合金部材
Claims (6)
- 電極組立体が電解液と一緒に収容されている円筒型の缶の開放上端にキャップアセンブリが装着された構造の円筒型リチウム二次電池であって、
内部に前記の電極組立体が内蔵される缶部材と、
発生したガスによって円筒型の缶の内圧が上昇する場合、ガスを排出する安全ベントを含むキャップアセンブリ；及び
特定温度へと到達したときに形状の変形が生じ、缶部材の亀裂を起こす形状記憶合金部材が、缶部材の一部に含まれ、
前記の形状記憶合金部材は、１３０℃以上の温度で収縮または膨張され、缶部材の亀裂を起こし、
前記の形状記憶合金部材は、前記缶部材の周方向の垂直方向に沿って形成されることを特徴とする円筒型リチウム二次電池。 - 前記の形状記憶合金部材は、ニッケル−チタン合金、銅−亜鉛合金、金−カドミウム合金及びインジウム−タリウム合金からなる群から選択された１種または２種以上の形状記憶合金であることを特徴とする、請求項１記載の円筒型リチウム二次電池。
- １３０℃以上の温度で形状記憶合金部材の体積収縮率が９０％以下であることを特徴とする、請求項１記載の円筒型リチウム二次電池。
- １３０℃以上の温度で形状記憶合金部材の体積膨張率が缶部材の体積膨張率の１１０〜２００％であることを特徴とする、請求項１記載の円筒型リチウム二次電池。
- 前記の形状記憶合金部材はくしの歯柄、一字柄、チェック柄と十字柄の中から選択された１種または２種以上のパターンを有することを特徴とする、請求項１記載の円筒型リチウム二次電池。
- 前記の形状記憶合金部材は円形、四角形、三角形、楕円形とひし形の中から選択された１種または２種以上の形状を有することを特徴とする、請求項１記載の円筒型リチウム二次電池。
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