JP7140449B2 - 二次電池用トップキャップ、二次電池及びその二次電池の製造方法 - Google Patents

二次電池用トップキャップ、二次電池及びその二次電池の製造方法 Download PDF

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Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１９年１月１４日付韓国特許出願第１０－２０１９－０００４８０４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ている全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、二次電池用トップキャップ、二次電池及びその二次電池の製造方法に関し、より詳しくは、従来に比べて二次電池の密封性を向上させることができる二次電池用トップキャップ、二次電池及びその二次電池の製造方法に関する。
反復的な充電及び放電が可能な二次電池（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）は、その構造及び製造方法などによってパウチ型二次電池、角形二次電池、円筒状二次電池などに分けられ得る。
このうち円筒状二次電池は、円筒の形状を有する電池カンの内部に電極組立体が収容され、電池カンの上部にトップキャップが結合される構造を有することが一般的である。
一方、二次電池を製造する方法は、電極組立体を活性化するために電極組立体を充電する活性化の過程を含むのが一般的である。このような活性化の過程において電解液などでガスが発生することになるところ、かかるガスによって二次電池内部の圧力が上昇するようになる。
しかし、従来の技術によれば、円筒状二次電池の活性化の過程は、電池カンの上部にトップキャップが結合されて二次電池の内部が密封された後に行われるため、活性化の過程で発生するガスを外部に排出することができず、電池カンを含めた二次電池内部の構成が破損されるか、二次電池が爆発し得るという問題点があった。
本発明が解決しようとする課題は、二次電池の製造過程中、活性化の過程で発生する二次電池内部のガスを排出することにより、二次電池の安定性を向上させることである。
前記目的を達成するための本発明の第１側面によれば、二次電池用トップキャップであって、前記トップキャップの外周面を形成する周囲領域と、前記トップキャップの中心部を形成する中心領域と、前記周囲領域と前記中心領域を連結する連結領域と、前記周囲領域、中心領域または連結領域から下方に突き出された突出領域とを含む二次電池用トップキャップが提供される。
前記中心領域は円板の形状を有し、前記突出領域は、前記中心領域の中心から下方に突き出されてよい。
前記突出領域は、一の字の形状を有して下方に延長される棒部を含むことができる。
前記突出領域は、前記棒部の側面に形成される突起部をさらに含むことができる。
前記突出領域は、ジグザグ（ｚｉｇｚａｇ）の形状を有して下方に延長されるジグザグ部を含むことができる。
前記目的を達成するための本発明の第２側面によれば、上部が開放された電池ケースと、前記電池ケースの内部に備えられる電極組立体と、前記電極組立体の上部に備えられて貫通ホールが形成される貫通ホール形成部材と、前記電池ケースの上部に結合される前記二次電池用トップキャップとを含んでなり、前記突出領域のうち少なくとも一部は前記貫通ホールに挿入される二次電池が提供される。
シートの形状を有し、前記突出領域と前記貫通ホールの間に備えられ、少なくとも一部が前記貫通ホールに挿入される密封シートをさらに含むことができる。
前記貫通ホール形成部材は、ＰＴＣ素子及びキャッププレートのうち少なくともいずれか一つを含むことができる。
前記目的を達成するための本発明の第３側面によれば、上部が開放された電池ケースを備えるステップと、前記電池ケースの内部に電極組立体を収容するステップと、前記電極組立体の上部に貫通ホールが形成された貫通ホール形成部材を備えるステップと、前記貫通ホール形成部材の上部に位置し、下方に突き出され、かつ、前記貫通ホールに対応される断面（ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）の形状を有する突出領域を含むトップキャップを前記電池ケースの上部に結合するステップと、前記電極組立体を充電する充電ステップと、前記突出領域が下方に移動し、前記突出領域が前記貫通ホール形成部材の前記貫通ホールを密封する密封ステップとを含む二次電池の製造方法が提供される。
前記密封ステップ以前に、シート形状の密封シートを前記貫通ホール形成部材の前記貫通ホールの上部に備えるステップをさらに含み、前記密封ステップにおいて、前記突出領域が下方に移動するに伴い、前記密封シートのうち少なくとも一部が前記貫通ホール形成部材の前記貫通ホールに挿入されてよい。
本発明によれば、二次電池の製造過程中、活性化の過程で発生する二次電池内部のガスを排出することにより、二次電池の安定性が向上され得る。
本発明の第１実施形態に係る二次電池用トップキャップの構造を示した斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池用トップキャップの構造を示した側断面図である。 本発明の第２実施形態に係る二次電池用トップキャップの構造を示した側断面図である。 本発明の第３実施形態に係る二次電池用トップキャップの構造を示した側断面図である。 本発明に係る二次電池の製造方法において、突出領域による密封ステップがなされる前の姿を示した側断面図である。 本発明に係る二次電池の製造方法において、突出領域による密封ステップがなされ、二次電池の製造が完了した後の姿を示した側断面図である。
以下、図を参照しつつ、本発明に係る二次電池用トップキャップの構造を説明する。
二次電池用トップキャップ
図１は、本発明の第１実施形態に係る二次電池用トップキャップの構造を示した斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る二次電池用トップキャップの構造を示した側断面図である。
図１及び図２に示されている通り、本発明の第１実施形態に係る二次電池用トップキャップ３００は、トップキャップ３００の外周面を形成する周囲領域３１０、トップキャップ３００の中心部を形成する中心領域３２０、及び周囲領域３１０と中心領域３２０を連結する連結領域３３０を含むことができる。図１及び図２に示されている通り、本発明の第１実施形態に係るトップキャップ３００の中心領域３２０は上方に突き出されていてよく、連結領域３３０はトップキャップ３００の段差を形成してよい。また、連結領域３３０は複数個の構成に再度分けられてよく、複数個の構成は互いに離隔されてよいところ、トップキャップ３００の連結領域３３０等の間には少なくとも一つ以上の開放領域（Ｈ）が形成されてよい。図１には、トップキャップ３００の周囲領域３１０及び中心領域３２０がそれぞれリング状及び円板状を有する場合が示されているが、周囲領域３１０と中心領域３２０の形状は図１に限定されない。
トップキャップ３００の周囲領域３１０、中心領域３２０及び連結領域３３０は、鉄系金属を含むことができる。例えば、トップキャップ３００の周囲領域３１０、中心領域３２０及び連結領域３３０は、ニッケルでメッキされた鉄からなり得る。
引き続いて図１及び図２を参照すれば、本発明の第１実施形態に係る二次電池用トップキャップ３００は、周囲領域３１０、中心領域３２０または連結領域３３０の下方に突き出された形状の突出領域３４０を含むことができる。図１及び図２には、突出領域３４０が円板の形状を有する中心領域３２０の中心から下方に突き出された姿が示されている。
図１に示されている通り、突出領域３４０は、一の字の形状を有して下方に延長される棒部３４２を含むことができる。例えば、棒部３４２は、円柱の形状を有することができる。また、図２に示されている通り、棒部３４２の下端部は、周囲領域３１０の下面より上部に位置することができる。これは、棒部３４２の下端部が周囲領域３１０の下面の延長領域（図２の点線参照）より上部に位置するものと理解されてよい。
後述するところのように、本発明に係るトップキャップ３００の突出領域３４０は、二次電池の内部に備えられている貫通ホール形成部材（図６参照）２００の貫通ホールに挿入される構成であってよい。
図３は、本発明の第２実施形態に係る二次電池用トップキャップの構造を示した側断面図である。本発明の第２実施形態に係る二次電池用トップキャップ３００の構成のうち周囲領域３１０、中心領域３２０及び連結領域３３０に対する説明は、本発明の第１実施形態に係る二次電池用トップキャップに対する説明で代替する。
図３に示されている通り、本発明の第２実施形態に係る二次電池用トップキャップ３００の突出領域３４０も、本発明の第１実施形態の場合と似て、一の字の形状を有して下方に延長される棒部３４２を含むことができる。これだけでなく、本発明の第２実施形態によれば、突出領域３４０は、棒部３４２の側面に凸状に形成される突起部３４４をさらに含むことができる。図３に示されている通り、突起部３４４は複数で備えられてよい。また、図３に示されている通り、棒部３４２の下端部は、周囲領域３１０の下面より上部に位置することができる。
後述するところのように、本発明に係るトップキャップ３００の突出領域３４０は、二次電池の内部に備えられている貫通ホール形成部材（図６参照）２００の貫通ホールに挿入される構成であってよく、この際、本発明の第２実施形態のように突出領域３４０に突起部３４４が形成される場合、突起部３４４によって貫通ホールで突出領域３４０の結合力が向上され得る。
図４は、本発明の第３実施形態に係る二次電池用トップキャップの構造を示した側断面図である。本発明の第２実施形態に係る二次電池用トップキャップ３００の構成のうち周囲領域３１０、中心領域３２０及び連結領域３３０に対する説明も、本発明の第２実施形態に係る二次電池用トップキャップに対する説明で代替する。
図４に示されている通り、本発明の第３実施形態に係る二次電池用トップキャップ３００の突出領域３４０は、ジグザグの形状を有して下方に延長されるジグザグ部３４６を含むことができる。図４には、ジグザグ部３４６が角張って折れた形状を有する場合が示されているが、これと別に、ジグザグ部３４６は、波形に曲面を有するように折れた形状を有することもできる。また、図４に示されている通り、ジグザグ部３４６の下端部は、周囲領域３１０の下面より上部に位置することができる。
後述するところのように、本発明に係るトップキャップ３００の突出領域３４０は、二次電池の内部に備えられている貫通ホール形成部材（図６参照）２００の貫通ホールに挿入される構成であってよく、この際、本発明の第３実施形態のように突出領域３４０にジグザグ部３４６を含む場合、貫通ホールでの突出領域３４０の結合力が向上され得る。
以下、前述した内容及び図面を参考にして、本発明に係る二次電池の構造を説明する。
二次電池
図５は、本発明に係る二次電池の製造方法において、突出領域による密封ステップがなされる前の姿を示した側断面図である。図６は、本発明に係る二次電池の製造方法において、突出領域による密封ステップがなされ、二次電池の製造が完了した後の姿を示した側断面図である。
トップキャップ３００の構造に対する説明は、本発明の第１から第３の実施形態に係るトップキャップ３００の構造に対して前述した内容で代替する。
図５及び図６に示されている通り、本発明に係る二次電池１０は、上部が開放されている電池ケース１００、及び電池ケース１００の内部に備えられる電極組立体１５０を含むことができる。電池ケース１００は円筒状を有してよいが、本発明の内容と矛盾しない範囲内で、電池ケース１００の形状は多様に適用可能である。
引き続いて図５及び図６を参照すれば、電池ケース１００の上部にはトップキャップ３００が結合されてよい。電池ケース１００とトップキャップ３００の間の結合がより堅固になされ得るよう、電池ケース１００の上部の内側面とトップキャップ３００の外側面との間にはガスケット５００が備えられてよい。
また、本発明に係る二次電池１０は、電極組立体の上部に備えられ、貫通ホール２００ａが形成される貫通ホール形成部材２００を含むことができる。
貫通ホール形成部材２００は、温度が上昇した時に電気抵抗が急激に増加して二次電池の電流を遮断するＰＴＣ素子２１０またはキャッププレート２２０を含むことができる。図５及び図６には、二次電池１０で電極組立体１５０が電極タップ１５０ａによってキャッププレート２２０と連結され、キャッププレート２２０の上部にＰＴＣ素子２１０が備えられる構造が示されている。
引き続いて図６を参照すれば、本発明に係る二次電池１０において、突出領域３４０のうち少なくとも一部は、貫通ホール形成部材２００に形成されている貫通ホール２００ａに挿入されてよい。図６には、突出領域３４０がＰＴＣ素子２１０の貫通ホール２１０ａ及びキャッププレート２２０の貫通ホール２２０ａに挿入される姿が示されている。本発明によれば、貫通ホール形成部材２００に形成されている貫通ホール２００ａにトップキャップ３００の突出領域３４０が挿入されることにより、二次電池１０内部の密封性が確保され得る。
一方、突出領域３４０が貫通ホール２００ａに円滑に挿入できるよう、突出領域３４０の水平断面の形状は貫通ホール２００ａの形状に対応されてよい。このとき、「突出領域の水平断面の形状は貫通ホールの形状に対応」されるというのは、突出領域３４０が貫通ホール２００ａに挿入できる程度の面積を有するということであり、突出領域の水平断面の形状と貫通ホールの形状が相似形の場合のみを意味することではない。
このとき、突出領域３４０の水平断面の面積は、貫通ホール２００ａの面積より小さくてよい。この場合、突出領域３４０が貫通ホール２００ａに円滑に挿入され得る。しかし、これと別に、突出領域３４０の水平断面の面積は、貫通ホール２００ａの面積より大きくてもよい。この場合、突出領域３４０が貫通ホール２００ａに締り嵌め方式で挿入されるので、二次電池１０の密封性が向上され得る。
また、本発明に係る二次電池１０は、シートの形状を有して突出領域３４０と貫通ホール２００ａの間に備えられ、少なくとも一部が貫通ホール２００ａに挿入される密封シート４００をさらに含むことができる。密封シート４００が備えられる場合、二次電池１０の内部の密封性がさらに向上され得る。
一方、本発明によれば、突出領域３４０は、プラスチック材質を含むことができる。より好ましくは、突出領域３４０の材質がガスケット５００の材質と同一であってよい。突出領域３４０の材質がガスケット５００の材質と同一である場合、突出領域３４０を製造するための別途の材料を採用する必要がないので、本発明に係る二次電池１０を製造するために必要な費用を最少化することができる。
以下、前述した内容及び図を参照しつつ、本発明に係る二次電池の製造方法を説明する。
二次電池の製造方法
図１から図６に示されている通り、本発明に係る二次電池の製造方法は、上部が開放されている電池ケース１００を備えるステップと、電池ケース１００の内部に電極組立体１５０を収容するステップと、電極組立体１５０の上部に貫通ホール２００ａが形成されている貫通ホール形成部材２００を備えるステップと、貫通ホール形成部材２００の上部に位置し、周囲領域３１０、中心領域３２０または連結領域３３０から下方に突き出され、かつ、貫通ホール２００ａに対応される水平断面（ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）の形状を有する突出領域３４０を含むトップキャップ３００を電池ケース１００の上部に結合するステップとを含むことができる。
また、本発明に係る二次電池の製造方法は、電極組立体１５０を充電して電極組立体１５０を活性化させる充電ステップ、及びトップキャップ３００の上面を加圧して突出領域３４０を下方に移動させることにより、突出領域３４０が貫通ホール形成部材２００の貫通ホール２００ａを密封する密封ステップをさらに含むことができる。
本発明によれば、貫通ホール形成部材２００の貫通ホール２００ａが開放されている状態で電極組立体１５０を活性化させ、二次電池の内部に発生したガスを排出した後に突出領域３４０が貫通ホール２００ａを密封することにより、電極組立体の活性化の過程で発生するガスによる二次電池の内部構成の破損または二次電池の爆発を防止することができる。
また、本発明に係る二次電池の製造方法は、前記密封ステップ以前になされ、シート形状の密封シート４００を貫通ホール形成部材２００の貫通ホール２００ａの上部に備えるステップをさらに含むことができる。この場合、密封ステップにおいて、突出領域３４０が下方に移動するに伴い、密封シート４００のうち少なくとも一部が貫通ホール形成部材２００の貫通ホール２００ａに挿入され得る。
一方、本発明によってトップキャップ３００の突出領域３４０が貫通ホール２００ａを効果的に密封できるために、トップキャップは、密封ステップでトップキャップ３００の上面を加圧するとき、トップキャップ３００の上面が変形されるに十分な水準の軟性を有する材質であってよい。また、トップキャップ３００は、二次電池１０内部の圧力によってトップキャップ３００の上面が元の状態に復帰しないほどの剛性を有する材質であってよい。
以上、本発明は、たとえ限定された実施形態と図によって説明されたが、本発明がこれによって限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者により、本発明の技術思想と特許請求の範囲と均等な範囲内で多様な実施が可能であるのは勿論である。

Claims (9)

  1. 上部が開放された電池ケースと、
    前記電池ケースの内部に備えられる電極組立体と、
    前記電極組立体の上部に備えられて貫通ホールが形成される貫通ホール形成部材と、
    前記電池ケースの上部に結合される二次電池用トップキャップであって、
    前記トップキャップの外周面を形成する周囲領域と、
    前記トップキャップの中心部を形成する中心領域と、
    前記周囲領域と前記中心領域を連結する連結領域と、
    前記周囲領域、中心領域または連結領域から下方に突き出された突出領域と
    を含み、
    二次電池の電池ケースの開放されている上部に結合される二次電池用トップキャップとを含んでなり、
    前記突出領域のうち少なくとも一部は前記貫通ホールに挿入され、前記貫通ホール形成部材に形成されている前記貫通ホールに前記トップキャップの突出領域が挿入されることにより、二次電池内部の密封性が確保される、二次電池。
  2. 前記中心領域は円板の形状を有し、
    前記突出領域は、前記中心領域の中心から下方に突き出される、請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記突出領域は、一の字の形状を有して下方に延長される棒部を含む、請求項１または請求項２に記載の二次電池。
  4. 前記突出領域は、前記棒部の側面に形成される突起部をさらに含む、請求項３に記載の二次電池。
  5. 前記突出領域は、ジグザグ（ｚｉｇｚａｇ）の形状を有して下方に延長されるジグザグ部を含む、請求項１または請求項２に記載の二次電池。
  6. シートの形状を有し、前記突出領域と前記貫通ホールの間に備えられ、少なくとも一部が前記貫通ホールに挿入される密封シートをさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の二次電池。
  7. 前記貫通ホール形成部材は、ＰＴＣ素子及びキャッププレートのうち少なくともいずれか一つを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の二次電池。
  8. 上部が開放された電池ケースの内部に電極組立体を収容するステップと、
    前記電極組立体の上部に貫通ホールが形成された貫通ホール形成部材を備えるステップと、
    前記貫通ホール形成部材の上部に位置し、下方に突き出され、かつ、前記貫通ホールに対応される断面（ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）の形状を有する突出領域を含むトップキャップを前記電池ケースの上部に結合するステップと、
    前記電極組立体を充電する充電ステップと、
    前記充電ステップで、二次電池の内部に発生したガスを排出した後に、
    前記突出領域が下方に移動し、前記突出領域が前記貫通ホール形成部材の前記貫通ホールを密封する密封ステップと、
    を含む二次電池の製造方法。
  9. 前記密封ステップ以前に、シート形状の密封シートを前記貫通ホール形成部材の前記貫通ホールの上部に備えるステップをさらに含み、
    前記密封ステップにおいて、前記突出領域が下方に移動するに伴い、前記密封シートのうち少なくとも一部が前記貫通ホール形成部材の前記貫通ホールに挿入される、請求項８に記載の二次電池の製造方法。
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