JP7045579B2 - 二次電池 - Google Patents

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Description

本出願は、２０１７年１１月２４日付韓国特許出願第１０－２０１７－０１５８２６５号に基づいた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、パウチ内に電極組立体及び電解液が内蔵する二次電池に関し、さらに詳細には、ＣＩＤ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ：電流遮断装置）の作動時点が短縮され、より安全性が向上された二次電池に関する。
多様なデジタル機器及び車両のような運送手段においても広く用いられる二次電池は、繰り返し充放電が可能な特徴を有する。そして、効率を増大させて安全性を向上させるための研究開発が持続的になされている。すなわち、ノートパソコン、携帯電話、自動車など多様な分野に適用される二次電池は性能だけでなく安全性が担保されなければならない。
しかし、高容量／高エネルギーになるほど二次電池の安全性はさらに脆弱になるので、製品開発時に安全性の向上に重点を置いて開発がなされている。特に、二次電池は過度な充電がなされると発火する危険があるため、過充電の遮断は安全性の設計において重要に考慮されなければならない項目である。
これにより、過充電による発火の可能性を事前に遮断できるように多様な添加剤及び発火防止物質などを電解液に添加することで、セルレベル（Ｃｅｌｌ ｌｅｖｅｌ）で安全性の向上を図っている。
また、電流遮断機構（Ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＩＤ）を二次電池に内蔵して（あるいは内部に構成して）、過充電状況で耐圧が上昇するとＣＩＤが作動することで電流の供給を遮断させている。
すなわち、図１ａから１ｂに示されたとおり、パウチ１０内には電極組立体３０と電解液が内蔵され、前記電極組立体３０のタブ連結部３１は、リード２１、２２を介して外部に連結されるように製造され、前記リードを介して電流を充放電するように構成される。
前記リードは、パウチ１０の周囲に沿って形成されたシーリング部に挿入される構造で形成され、かつＣＩＤが適用された構造として、一端がタブ連結部３１と連結される第１リード２１と、前記第１リード２１に一端が連結され、他端はパウチ１０外部に連結される第２リード２２とを含み、前記第１リード２１と第２リード２２のそれぞれはシーリング部の内部面のそれぞれで第２接着手段５０を介して接着され、それぞれの一部分は接着剤６０を介して接合がなされる。
そして、過充電がなされてパウチ１０の内部に圧力が上昇すると（すなわち、過充電により電解液の気化が発生してパウチが膨張するようになると）、第１リード２１と第２リード２２はシーリング部の内部面に固定された状態で接着剤６０により連結された部分が破断され、電流の供給を遮断するようになる（図３に破断された状態参照）。
しかし、過充電時に発火しないバッテリーであっても、熱の排出が十分なされないと過充電の安全性に問題が発生する。したがって、前記のようなＣＩＤ構造が適用されたとしても、低い充電状態（ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｃｈａｒｇｉｎｇ：ＳＯＣ）で過充電を防ぐことができる方案が要求される。
そのため、ＣＩＤが適用されたとしてもＣＩＤの作動時点が遅れて（第１リードと第２リードの分離が遅くなり）発火が発生する問題を防止できるよう、第１リードと第２リードの分離時点を早めて発火発生の可能性をさらに下げることができる二次電池を提供することが本発明の主目的である。
前記のような目的を達成するための本発明の二次電池は、パウチ、前記パウチ内に装着され、電極と分離膜が交互に積層されて構成され、かつ前記電極の各終端から拡張された電極タブが一側に集められた状態で重なってタブ連結部を形成する電極組立体、一端がタブ連結部と連結される第１リードと、前記第１リードに一端が連結され、他端はパウチの外部につながる第２リードとを含み、前記第１リードと第２リードのそれぞれはパウチの内部面に固定されたリード、及び導電性を有し、かつ前記第１リードと第２リードを結合させる接着手段、を含み、前記パウチ内部のガス圧力が上昇して膨張すると、第１リードと第２リードの分離がなされ、かつ前記接着手段にはガス圧力の上昇を促進するよう、一定以上の高電圧が加えられると分解されてガスを発生させる高電圧分解物質が含有されたことを特徴とする。
本発明による接着手段は、導電性を付与する金属粒子、接着性を付与する接着物質、高電圧が加えられるとガスを発生させる高電圧分解物質、を含む。
本発明の実施形態で、前記高電圧分解物質は、高電圧で分解されるポリマーである。前記ポリマーは、 フッ素－置換芳香族化合物を含有する物質であってもよい。または、前記高電圧分解物質は、Ｌｉ２Ｃｏ３を含有する物質であってもよい。
そして、本発明による接着手段は、高電圧分解物質が０．１ｗｔ％から５ｗｔ％範囲で含まれ、金属粒子は２０ｗｔ％から９０ｗｔ％範囲で含まれ、接着物質は５ｗｔ％から４０ｗｔ％範囲で含まれてもよい。
本発明の他の実施形態として、前記第１リードと第２リードをパウチに固定させる第２接着手段に前記高電圧分解物質が含有されてもよい。しかし、このとき、前記第２接着手段に含有される高電圧分解物質は、前記第２接着手段の接着力が前記接着手段の接着力よりさらに大きく形成される範囲内で定まる。
前述の構成を有する本発明は、過充電によって高電圧が入力されると、高電圧分解物質が分解されて追加でガスを発生させるので、従来の構造よりさらに迅速に電流の供給を遮断して発火の可能性をさらに下げることができる。
一般的なパウチ型二次電池の外部の様子が示された斜視図である。 図１ａに示されたパウチ型二次電池のシーリング部でＣＩＤが構成された様子が示された断面図である。 本発明の好ましい実施形態によりＣＩＤが構成された様子が示された断面図である。 図２の構造でＣＩＤが作動して（第１リードと第２リードが分離して）電流の供給が遮断された様子が示された断面図である。 第１リードと第２リードが連結された部分を拡大して図示した側面図である。
以下、図面に基づき、本発明に対し、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しく説明する。しかし、本発明は幾つか異なる形態に具現されてもよく、ここで説明する実施例に限定されない。
本発明を明確に説明するため、説明と関係ない部分は省略し、明細書全体に亘って同一または類似の構成要素に対しては、同一の参照符号を付すようにした。
また、本明細書及び特許請求の範囲で用いられた用語や単語は、通常的かつ辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自身の発明を最善の方法で説明するために、用語の概念を適宜定義することができるとの原則に即し、本発明の技術的思想に適合する意味と概念として解釈されなければならない。
本発明は、パウチ１０内に電極組立体３０及び電解液が内蔵され、かつ前記パウチ１０は周囲に沿ってシーリング部が形成され、前記シーリング部を貫通するリードを介して前記電極組立体３０が外部と電気的に連結され、充放電がなされる二次電池に関するものであって、以下で図面を参照して本発明による実施例をさらに詳細に説明する。
（実施例１）
図２と図３に示されたとおり、本発明の実施形態による二次電池はＣＩＤが適用された構造を有する。すなわち、リードは第１リード２１と第２リード２２が連結されて構成され、かつ前記第１リード２１と第２リード２２の接合は内部圧力が増加すると破断されるように構成される。
電解液とともにパウチ１０内に内蔵する電極組立体３０は、電極（負極、正極）と分離膜が交互に積層された構造を有し、前記電極の各終端から拡張された電極タブが一側に集められた状態で重なってタブ連結部３１が形成される。
前記タブ連結部３１は、第１リード２１の一端に接合され、前記第１リード２１の他端は接着手段４０を介して第２リード２２の一端に連結される。そして、第２リード２２の他端はパウチ１０のシーリング部の外部に露出される。このとき、前記第１リード２１の上面は、パウチ１０のシーリング部の上方部分の内部面に第２接着手段５０を介して接着され、前記第２リード２２の下面はパウチ１０のシーリング部の下方部分の内部面に第２接着手段５０を介して接着される。前記第２接着手段５０の接着力は、第１リード２１と第２リード２２を付着させる接着手段４０よりさらに大きい接着力を有する（すなわち、第１リードと第２リードが結合された接着力は、第１リードと第２リードのそれぞれがパウチ内部面に接合された結合力より低く形成される）。
そして、第１リード２１と第２リード２２を付着させるように塗布される接着手段４０は、電流流れが許容されるように導電性を有する。これによって、電極組立体３０は第１リード２１と第２リード２２を介してパウチ１０の外部に電気を充放電させることができる構造を有し、かつ（過充電による電圧上昇による電解液分解とバッテリーの発熱発生によって）パウチ１０の内部のガス圧力が上昇して膨張すると、第１リード２１と第２リード２２の分離がなされて電極組立体３０の電気的連結は遮断される。
このとき、この実施例ではガス圧力の上昇を促進し、ＣＩＤの作動時点が早くなるよう（第１リードと第２リードがより迅速に破断され得るよう）、前記接着手段４０には一定以上の高電圧が加えられると分解されてガスを発生させる高電圧分解物質４１が含有される。
すなわち、図４に示されたとおり、前記接着手段４０は、導電性を付与する金属粒子４２と接着性を付与する接着物質４３、及び高電圧が加えられると分解されてガスを発生させる高電圧分解物質４１を含有した。
この実施例で、前記高電圧分解物質４１は、高電圧で分解されるポリマーである。前記ポリマーは、フッ素－置換芳香族化合物を含有する物質であってもよい。または、前記高電圧分解物質４１は、Ｌｉ２Ｃｏ３を含有する物質であってもよい。
前記接着物質４３自体が適当な導電性を有するならば、金属粒子４２は添加されなくてもよいが、導電性を高めて抵抗を下げて形成しようとするならば、適量の金属粒子４２が追加で投入されることが好ましい。
この実施例で、前記接着手段４０は、金属粒子４２が２０ｗｔ％から９０ｗｔ％範囲で含まれ、接着物質４３が５ｗｔ％から４０ｗｔ％範囲で含まれてもよい。そして、高電圧分解物質４１が０．１ｗｔ％から５ｗｔ％範囲で含まれるのが好ましい。
前記高電圧分解物質４１が多く含有されるほどガス発生量を増加させるので、より迅速に第１リード２１と第２リード２２を分離させることができるが、高電圧分解物質４１が多く含有されるほど接着物質４３及び／または金属粒子４２の添加量が減少するようになるため、前記範囲で添加されることが好ましい。
すなわち、接着物質４３の添加量が減少すると第１リード２１と第２リード２２の結合力が低下され、金属粒子４２の添加量が減少すると導電性が低下されて抵抗が増加するようになるので、このような事項を考慮して、前記高電圧分解物質４１は０．１ｗｔ％から５ｗｔ％範囲で含まれるのが好ましい。
Figure 0007045579000001
前記［表１］は、高電圧分解物質４１であるＬｉ２Ｃｏ３が接着手段４０に添加される含量によって抵抗及び接着力の増減関係を実験した比較表である。
表１で示されたとおり、高電圧分解物質４１が０．１ｗｔ％以上の接着手段４０に含有される場合には、ＣＩＤ作動試験を全てＰａｓｓする。しかし、前記高電圧分解物質４１の含量が増加するのに伴い、第２リード２２で発生する抵抗及びバッテリー全体の抵抗は漸次的に増加するようになり、第１リード２１と第２リード２２の接着力は漸次的に減少するようになることを確認できる。
これによって、第１リード２１と第２リード２２の接着力と抵抗増加による発熱量を考慮し、この実施例で、前記接着手段４０には高電圧分解物質４１が０．１ｗｔ％から５ｗｔ％範囲で含有されることが好ましい。
（実施例２）
本発明の他の実施例では、前記第１リード２１と第２リード２２をパウチ１０に固定させる第２接着手段５０も前記高電圧分解物質４１が含有される。
すなわち、前記接着手段４０だけでなく第２接着手段５０にも高電圧分解物質４１が含有されると、前記接着手段４０に含有される高電圧分解物質４１の含有量を減少させ、前記のような接着力の低下及び抵抗増加による問題を軽減することができる。
但し、このとき、前記第２接着手段５０に含有される高電圧分解物質４１は、前記第２接着手段５０の接着力が前記接着手段４０の接着力よりさらに大きく形成される範囲内で定まる。
前述のとおりの構成を有する本発明は、過充電によって高電圧が入力されると高電圧分解物質４１が分解されて追加でガスを発生させるので、従来の構造よりさらに迅速に電流の供給を遮断して発火の可能性をさらに下げることができる。
以上で本発明は限定された実施例と図面により説明されたが、本発明はこれにより限定されず、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者により、本発明の技術思想と下記に記載される特許請求の範囲の均等範囲内で多様な実施が可能である。
１０ パウチ
２１ 第１リード
２２ 第２リード
２２ リード
３０ 電極組立体
３１ タブ連結部
４０ 接着手段
４１ 高電圧分解物質
４２ 金属粒子
４３ 接着物質
５０ 第２接着手段
６０ 接着剤

Claims (9)

  1. パウチ、
    前記パウチ内に装着され、電極と分離膜が交互に積層されて構成され、かつ前記電極の各終端から拡張された電極タブが一側に集められた状態で重なってタブ連結部を形成する電極組立体、
    一端がタブ連結部と連結される第１リードと、前記第１リードの他端に一端が連結され、他端はパウチの外部につながる第２リードとを含み、前記第１リードの前記他端と第２リードの前記一端のそれぞれはパウチの内部面に固定されたリード、及び
    導電性を有し、かつ、前記第１リードと第２リードを結合させる接着手段、を含み、
    前記パウチの内部のガス圧力が上昇して膨張すると、第１リードと第２リードの分離がなされ、かつ前記接着手段にはガス圧力の上昇を促進するよう、一定以上の高電圧が加えられると分解されてガスを発生させる高電圧分解物質が含有されており、
    前記タブ連結部が前記第１リードを介して前記パウチの内部面に固定されている二次電池。
  2. 前記接着手段は、
    導電性を付与する金属粒子、
    接着性を付与する接着物質、及び
    高電圧が加えられるとガスを発生させる高電圧分解物質、を含む、請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記高電圧分解物質は、高電圧で分解されるポリマーであることを特徴とする、請求項２に記載の二次電池。
  4. 前記ポリマーは、フッ素－置換芳香族化合物を含有する物質であることを特徴とする、請求項３に記載の二次電池。
  5. 前記高電圧分解物質は、Ｌｉ ２ ＣＯ ３ を含有する物質であることを特徴とする、請求項２～４の何れか一項に記載の二次電池。
  6. 前記接着手段における高電圧分解物質は、０．１ｗｔ％から５ｗｔ％範囲で含まれていることを特徴とする、請求項２～５の何れか一項に記載の二次電池。
  7. 前記接着手段における金属粒子は、２０ｗｔ％から９０ｗｔ％範囲で含まれていることを特徴とする、請求項２～６の何れか一項に記載の二次電池。
  8. 前記接着手段における接着物質は、５ｗｔ％から４０ｗｔ％範囲で含まれていることを特徴とする、請求項２～７の何れか一項に記載の二次電池。
  9. 前記第１リードと第２リードをパウチに固定させる第２接着手段に前記高電圧分解物質が含有され、かつ前記第２接着手段に含有される高電圧分解物質は、前記第２接着手段の接着力が前記接着手段の接着力よりさらに大きく形成される範囲内で定まることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の二次電池。
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