JP7199526B2 - 電池セル加圧装置 - Google Patents

Description

関連出願との相互引用
本出願は２０１９年１１月５日付韓国特許出願第１０－２０１９－０１４０３６０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。

本発明は電池セル加圧装置に関するものであって、より具体的に形状記憶素材を使用した電池セル加圧装置に関するものである。

製品群による適用容易性が高く、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は、携帯用機器だけでなく電気的駆動源によって駆動する電気自動車またはハイブリッド自動車、電力貯蔵装置などに普遍的に応用されている。このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少させることができるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用による副産物が全く発生しないという点から環境にやさしいおよびエネルギー効率性向上のための新たなエネルギー源として注目されている。

従来、二次電池としてニッケルカドミウム電池または水素イオン電池が使用されたが、最近はニッケル系列の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらなくて充電および放電が自由であり、自己放電率が非常に低くエネルギー密度が高いリチウム二次電池が多く使用されている。

このようなリチウム二次電池は、主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板がセパレータを挟んで配置された二次電池セルと、二次電池セルを電解液と共に密封収納する外装材、即ち、電池ケースを備える。

リチウム二次電池は正極、負極およびこれらの間に介されるセパレータおよび電解質からなり、正極活物質と負極活物質を何れを使用するかによってリチウムイオン電池、リチウムポリマー電池などに分けられる。通常、これらリチウム二次電池の電極は、アルミニウムまたは銅シート、メッシュ、フィルム、箔などの集電体に正極または負極活物質を塗布した後に乾燥させることによって形成される。

一方、二次電池は二次電池の全ての部分で反応が均等に発生できるように正極板、負極板およびセパレータが全体的に均一に密着する必要がある。したがって、二次電池セルをバランスよく加圧する装置に対する開発が要求されている。

本発明が解決しようとする課題は、定圧（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を実現する電池セル加圧装置を提供するためのものである。

しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は前述の課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張できる。

本発明の一実施形態による電池セル加圧装置は電池セルが配置されるようにその間に空間を形成し、前記電池セルを加圧する第１加圧プレートと第２加圧プレートを含み、前記第１加圧プレートおよび前記第２加圧プレートのうちの少なくとも一つの加圧部材は形状記憶素材（ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ｍａｔｅｒｉａｌ）から形成される。

前記加圧部材は、前記電池セルが駆動する温度で前記電池セルに合う形状を記憶させた後、前記電池セル駆動以後に体積膨張による前記加圧部材の変形が元の形状に戻ろうとする力として作用するようになって前記電池セルを加圧することができる。

前記電池セルの体積膨張によって前記第１加圧プレートと前記第２加圧プレートの間の間隔が増加できる。

前記電池セルの厚さ方向膨張によって前記第１加圧プレートの上部面と前記第２加圧プレートの下部面が押されるようになって前記第１加圧プレートと前記第２加圧プレートの形状が変化できる。

前記電池セルの体積が減少する時、前記第１加圧プレートと前記第２加圧プレートの間の間隔が減少できる。

前記形状記憶素材は、形状記憶高分子を含むことができる。

前記電池セルは、正極、負極および前記正極と前記負極の間に介された分離膜を有する構造の電極組立体が電解液と共に電池ケースの内部に密封できる。

前記第１加圧プレートは前記電池ケースの下部面と接触し、前記第２加圧プレートは前記電池ケースの上部面と接触し、前記第１加圧プレートと前記第２加圧プレートの間に位置する前記電池ケースの側面は外部に露出されてもよい。

前記第１加圧プレートと前記第２加圧プレートは結合ピンによって結合できる。

前記結合ピンは複数個形成され、スプリングから形成できる。

前記結合ピンは複数個形成され、形状記憶素材から形成できる。

前記結合ピンは形状記憶高分子から形成できる。

前記第１加圧プレートおよび前記第２加圧プレートの間の間隔は、前記電池セルの厚さと同一であるか大きくてもよい。

前記電池セルは、リチウム金属セルであってもよい。

前記第１加圧プレートおよび前記第２加圧プレートは、前記電池セルより広い面積を有することができる。

実施形態によれば、リチウム金属セルに形状記憶素材を使用した電池セル加圧装置を使用することによって、電池セルの体積変化による復元力を発生させて定圧ジグ効果を実現することができる。したがって、軽い重量で優れた形状復元力によってリチウム金属セルに、必要な大きい力を提供することができる。

本発明の一実施形態による電池セル加圧装置に二次電池セルを配置したことを示す側面図である。 図１の電池セル加圧装置の正面図である。 リチウム二次電池の構造を示す斜視図である。 温度による弾性係数に関するグラフである。

以下、添付した図面を参照して本発明の様々な実施形態について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。本発明は様々な異なる形態で実現でき、ここで説明する実施形態に限定されない。

本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一な参照符号を付けるようにする。

また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図示されたところに限定されない。図面で様々な層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして図面において、説明の便宜のために、一部層および領域の厚さを誇張されるように示した。

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分“の上に”または“上に”あるという時、これは他の部分“の直上に”ある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分“の直上に”あるという時には中間に他の部分がないことを意味する。また、基準となる部分“の上に”または“上に”あるというのは基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力反対方向に向かって“の上に”または“上に”位置することを意味するのではない。

また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を“含む”という時、これは特に反対になる記載がない限り他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含むことができるのを意味する。

また、明細書全体で、“平面上”という時、これは対象部分を上から見た時を意味し、“断面上”という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を横から見た時を意味する。

図１は、本発明の一実施形態による電池セル加圧装置に二次電池セルを配置したことを示す側面図である。図２は、図１の電池セル加圧装置の正面図である。図３は、リチウム二次電池の構造を示す斜視図である。図４は、温度による弾性係数に関するグラフである。

図１および図２を参照すれば、本実施形態による電池セル加圧装置５００は、複数の結合ピン１２０によって結合された一対の加圧プレート１００ａ、１００ｂと、一対の加圧プレート１００ａ、１００ｂの間に位置する電池セル１を含む。本実施形態による結合ピン１２０は、スプリングから形成できる。

複数の結合ピン１２０は、加圧プレート１００ａ、１００ｂの平面上で４ヶ所の角に配置できる。結合ピン１２０の結合形態によって第１加圧プレート１００ａと第２加圧プレート１００ｂは互いに離隔されて配置できる。離隔された第１加圧プレート１００ａと第２加圧プレート１００ｂの間には電池セル１が配置できる空間が形成される。電池セル１が配置される空間の内幅、即ち、加圧プレート１００ａ、１００ｂの間の間隔は、電池セル１の厚さと同一であるか電池セル１の厚さより少し大きくてもよい。

本実施形態による電池セル１の一方向に電極リード３１、３２が突出しており、電極リード３１、３２は加圧プレート１００ａ、１００ｂの一側に位置する２個の結合ピン１２０の間で突出していてもよい。

本実施形態による加圧プレート１００ａ、１００ｂのうちの少なくとも一つは、形状記憶素材（ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ｍａｔｅｒｉａｌ）から形成された加圧部材である。形状記憶素材は、一定の温度で記憶させた形状を記憶していて、力を加えて全く異なる形状に変形させた後、加熱すれば本来の形状に戻る形状記憶効果を有する素材を示す。

本実施形態による形状記憶素材から形成された加圧部材は、電池セル１が駆動する温度で電池セル１に合う形状を記憶させた後、電池セル１駆動以後に体積膨張による前記加圧部材の変形が元の形状に戻ろうとする力として作用するようになって電池セル１を加圧することができる。言い換えれば、電池セル１のスウェリングが起こる場合に、電池セル１が形状記憶素材から形成された加圧部材を押し出すようになり、形状記憶素材の特性によって加圧部材が元の形状に戻ろうとする力によって電池セル１を押すようになる。具体的に、図１および図２に示した電池セル１が厚さ方向に膨張すれば第１加圧プレート１００ａの上部面と第２加圧プレート１００ｂの下部面が押され、これにより、第１、２加圧プレート１００ａ、１００ｂの形状が変わるようになる。即ち、電池セル１の体積膨張によって第１加圧プレート１００ａと第２加圧プレート１００ｂの間の間隔が増加する。その後、電池セル加圧装置５００に熱を加えれば、第１、２加圧プレート１００ａ、１００ｂは元の形状に戻ろうとする復元力が発生し、このような復元力が電池セル１に加えられて電池セル１の体積膨張を抑制することができる。電池セル１が放電によって膨張された体積が減少するようになれば、第１加圧プレート１００ａと第２加圧プレート１００ｂの間隔が減少することになる。

特に、リチウム金属電池では、爆発を誘導するか寿命を短縮させるデンドライト現象が発生することがある。デンドライト現象は、リチウム金属表面に発生する樹枝状の結晶をいう。言い換えれば、本実施形態による電池セル加圧装置は、リチウム金属電池でリチウムデンドライト現象が起こる場合に、必要な加圧を実現するために適用できる。

本実施形態による電池セル加圧装置が適用される電池セル１はリチウム金属セルに該当し、リチウム金属セルは充放電時に体積膨張が大きく、加圧した場合にそうでない場合より充放電サイクル（ｃｙｃｌｅ）進行時寿命性能が優位にある。したがって、リチウム金属セルの場合には加圧装置が必ず必要である。

リチウム金属セルを駆動する場合には最大４ＭＰａの大きな圧力が必要であり、大きな剛性を有する金属素材の厚くて重い電池セル加圧装置を使用することも可能であるが、体積が大きくて重い加圧装置によってリチウム金属を負極に適用した時の最も大きい利点である大きいエネルギー密度側面から不利なことがある。したがって、本実施形態によって形状記憶素材から形成された加圧部材を使用する場合には、大きな力を与えながらも小さくて軽い加圧装置を実現することができる。電池セル加圧装置で厚さが固定された定位ジグ（Ｊｉｇ）を使用した時より一定の圧力を実現することができるスプリングジグ使用時に寿命性能が改善できる。本実施形態によれば、形状記憶素材から形成された加圧部材を使用することによってスプリングジグのような定圧ジグを実現することができる。

本実施形態による形状記憶素材の加圧部材によって形状記憶効果が現れ、電池セル１の体積変化による復元力が発生して、これは定圧ジグ効果として現れる。

本実施形態による電池セルには図３に示したように、電池ケース１０の内部に正極、負極およびこれらの間に介されている分離膜からなる電極組立体２０が内蔵されている。電極組立体２０の正極と負極から突出した電極タップ２１、２２が正極および負極の電極リード３１、３２にそれぞれ電気的に連結されて電池ケース１０の外部に露出されるように設置できる。

本実施形態によれば、第１加圧プレート１００ａは電池ケース１０の下部面と接触し、第２加圧プレート１００ｂは電池ケース１０の上部面と接触し、第１加圧プレート１００ａと第２加圧プレート１００ｂの間に位置する電池ケース１０の側面は外部に露出されてもよい。この時、電池ケース１０の側面は４個の面を有し、前記４個の面は全て外部に露出されるのが好ましい。このような構造を有する理由について電池セルを囲む電池ケース自体を形状記憶合金から形成した場合を比較例にして説明する。

本発明の一実施形態が適用されるリチウム金属セルはリチウムイオン電池に含まれているセルと異なり、１回充放電時の体積変化が非常に大きいだけでなく持続的なリチウムデンドライト形成のため、サイクル（ｃｙｃｌｅ）が繰り返されることによって電池セルの厚さが増加し続ける。もし、加圧のためのプレートが電池ケース１０の側面まで固定させた場合に、電池セルのＳＯＣ１００に該当する厚さで加圧装置を構成すれば、ＳＯＣ０状態ではその厚さ差が非常に大きくて圧力が加えられないことがある。また、反復的な充放電によってＥＯＬ（Ｅｎｄ Ｏｆ Ｌｉｆｅ）に到達した時、電池セルの厚さは初期のＳＯＣ１００より大きく増加して初期より大きな圧力がかかることがある。したがって、形状記憶合金を電池ケース自体として使用した比較例では、側面が全て固定された形態になって電池セルに一定の圧力を加えにくい。さらに、比較例に該当する電池ケースを使用して電池セルを加圧する場合、電極面積への均一な力の伝達が難しい。なぜなら、カンタイプのような電池ケースの場合、体積膨張時、膨張する電池ケース面が曲線に曲がるようになって電極への均一な加圧が難しいためである。

本実施形態による形状記憶素材は、形状記憶高分子であってもよい。形状記憶高分子は形状記憶合金に比べて高弾性変形が可能であり、低費用、低密度、優れた形状復元力および大きな引張強度の長所を有している。

本実施形態によれば、加圧装置に含まれている加圧プレートに形状記憶高分子を使用するため、リチウム金属セルに適用する時に必要な、復元力のおよそ４００％以上の大きな力、つまり、復元応力を提供することができる。

さらに、温度による弾性係数に関するグラフである図４を参照すれば、Ｓｔｅｅｌは鋼金属を、ＳＭＡは形状記憶合金を、ＳＭＰは形状記憶高分子を称している。弾性係数は、グラフに明示された温度区間でＳＭＰがＳＭＡより低い。これは、ＳＭＰがＳＭＡよりよく伸びることを示す。図１および図２に示した電池セル１が膨張して電池セル１の厚さが増加することによって電池セル加圧装置５００の加圧プレート１００ａ、１００ｂの間の間隔が増加して電池セル１に加えられる圧力が一定にならなければならない。この時、ＳＭＰがＳＭＡに比べてよく伸びるため、電池セル１に加えられる圧力がＳＭＰがＳＭＡより小さい。したがって、ＳＭＡと比較してＳＭＰがリチウム金属電池の定圧ジグタイプとしてさらに適する。図４グラフの出処はＴｏｂｕｓｈｉ、Ｈｉｓａａｋｉ、Ｓｈｕｎｉｃｈｉ Ｈａｙａｓｈｉ、ａｎｄ Ｙｏｓｈｉｋｉ Ｓｕｇｉｍｏｔｏ。“Ｔｗｏ－ｗａｙ ｂｅｎｄｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｗｉｔｈ ＳＭＡ ａｎｄ ＳＭＰ”Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２．３（２００９）：１１８０－１１９２である。

電池セル加圧装置の内部に電池セル１が配置され結合ピン１２０で第１、２加圧プレート１００ａ、１００ｂが結合された状態で電池セル１に対して活性化およびエイジング工程を行えば電池セル１が膨張して厚さが増加するようになる。ここでは製品出荷前活性化およびエイジング工程について言及したが、このような工程段階に制限されず、本発明の実施形態による電池セル加圧装置は電池セル駆動段階にも適用可能である。

一対の加圧プレート１００ａ、１００ｂは形状記憶素材からなり、結合ピン１２０によって互いに結合されているので軽量化されて取り扱いが便利である。前記のような構成を有する本発明の一実施形態による電池セル加圧装置は、加圧プレート１００ａ、１００ｂが形状記憶素材からなることによって軽量化が可能であり、重量が軽いためドローンのように重量当りエネルギー密度が重要視される電池に使用するにも適する。

前述の実施形態で、結合ピン１２０がスプリングから形成されることを説明したが、変形実施形態として結合ピン１２０は形状記憶素材から形成されてもよい。これに関連して、電池セル１の体積膨張によって第１加圧プレート１００ａと第２加圧プレート１００ｂの間の間隔が増加すれば、結合ピン１２０も長さが増加できる。結合ピン１２０自体が形状記憶素材から形成されるため復元力が発生し、このような復元力によって電池セル１の体積膨張をより抑制することができる。結合ピン１２０も形状記憶高分子から形成されてもよい。

以上で本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるのではなく、次の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属するのである。

１：電池セル
１０：電池ケース
２０：電極組立体
１００ａ、１００ｂ：加圧プレート

Claims (13)

1. 電池セルが配置されるようにその間に空間を形成し、前記電池セルを加圧する第１加圧プレートと第２加圧プレートを含み、
   前記第１加圧プレートおよび前記第２加圧プレートのうちの少なくとも一つの加圧部材は、形状記憶素材（ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ｍａｔｅｒｉａｌ）から形成され、
   前記加圧部材は、前記電池セルが駆動する温度で前記電池セルに合う形状を記憶させた後、前記電池セル駆動以後に体積膨張による前記加圧部材の変形が元の形状に戻ろうとする力として作用するようになって前記電池セルを加圧し、
   前記形状記憶素材は形状記憶高分子を含む、電池セル加圧装置。
2. 前記電池セルの体積膨張によって前記第１加圧プレートと前記第２加圧プレートの間の間隔が増加する、請求項１に記載の電池セル加圧装置。
3. 前記電池セルの厚さ方向膨張によって前記第１加圧プレートの上部面と前記第２加圧プレートの下部面が押されるようになって前記第１加圧プレートと前記第２加圧プレートの形状が変わる、請求項２に記載の電池セル加圧装置。
4. 前記電池セルの体積が減少する時、前記第１加圧プレートと前記第２加圧プレートの間の間隔が減少する、請求項２に記載の電池セル加圧装置。
5. 前記電池セルは、正極、負極および前記正極と前記負極の間に介された分離膜を有する構造の電極組立体が電解液と共に電池ケースの内部に密封されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の電池セル加圧装置。
6. 前記第１加圧プレートは前記電池ケースの下部面と接触し、前記第２加圧プレートは前記電池ケースの上部面と接触し、前記第１加圧プレートと前記第２加圧プレートの間に位置する前記電池ケースの側面は外部に露出される、請求項５に記載の電池セル加圧装置。
7. 前記第１加圧プレートと前記第２加圧プレートは結合ピンによって結合される、請求項１から６のいずれか一項に記載の電池セル加圧装置。
8. 前記結合ピンは複数個形成され、スプリングから形成される、請求項７に記載の電池セル加圧装置。
9. 前記結合ピンは複数個形成され、形状記憶素材から形成される、請求項７に記載の電池セル加圧装置。
10. 前記結合ピンは形状記憶高分子から形成される、請求項９に記載の電池セル加圧装置。
11. 前記第１加圧プレートおよび前記第２加圧プレートの間の間隔は、前記電池セルの厚さと同一であるか大きい、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電池セル加圧装置。
12. 前記電池セルは、リチウム金属セルである、請求項１から１１のいずれか一項に記載の電池セル加圧装置。
13. 前記第１加圧プレートおよび前記第２加圧プレートは、前記電池セルより広い面積を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電池セル加圧装置。

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