JP7391459B2 - 異種金属からなる電極リードおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本出願は２０２０年０４月０７日付の韓国特許出願第２０２０－００４２２１３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すべての内容はこの明細書の一部として含まれる。

本発明は異種金属からなる電極リードおよびその製造方法に関し、より詳しくは外部衝撃に強いながらも電流の流れを確かに遮断することができ、さらに電池モジュール内の電流遮断温度を容易に調節することができる電極リードおよびその製造方法に関する。

携帯電話、ノートブック型ＰＣ、カムコーダ、デジタルカメラなどのモバイル機器に対する技術開発と需要が増加するのに伴い、充放電可能な二次電池に対する技術が活発に開発されている。また、二次電池は大気汚染物質を発生させる化石燃料の代替エネルギー源であり、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐ‐ＨＥＶ）などに適用されているので、二次電池に対する開発の必要性が段々高くなっている状況である。

現在商用化した二次電池としては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがある。この中で、リチウム二次電池は、ニッケル系の二次電池に比べてメモリ効果がほとんどないので、充放電が自由であり、自己放電率が非常に低く、エネルギー密度が高いという利点のため脚光を浴びている。

このような二次電池は、電極組立体が円筒形または角形の金属缶に内蔵されている円筒型電池および角型電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ形ケースに内蔵されているパウチ型電池とに分類することができる。

小型機器に用いられる二次電池は数個の電池セルが配置されるが、自動車などには多数の電池セルを電気的に連結した電池モジュールが用いられる。すなわち、従来技術による多数のパウチセルが連結された電池モジュールの斜視図である図１に示すように、複数の電池セル１０は電極リード１１または別途のバスバー（図示せず）を介して並列におよび／または直列に連結される。

一方、二次電池は、高温露出、過充電、外部短絡、針状貫通、局部損傷などによって短時間に大きな電流が流れる場合、発熱によって電池が加熱されて爆発が起こる危険性があるので、前述したイベントの発生を防止するためのヒューズとが装着されることが一般的であるので、これによる部品費用と体積が大きくなるという問題点がある。

これに関連して、特許文献１には、幅方向に沿って形成されたスリットを有する金属プレートと、金属プレートより低い融点を有し、スリットを満たした状態で金属プレートと接合される金属ブリッジとを含む、二次電池に流れる電流の経路上に設けられる二次電池用部品が開示されている。

前記特許文献１によれば、二次電池に過電流が流れる場合、二次電池の電流経路上に設けられた部品が迅速に破断されることによって過電流を遮断し、これにより二次電池の使用上の安全性を確保することができるという利点はあるが、金属プレートと金属ブリッジとは異種金属であるので、互いに接合することが容易でなく、よって金属プレートの上面及び下面の中でスリットに隣り合う領域を包む形態に金属プレートに接合されなければならないので、構造的に不安定であって外部衝撃に弱く、また製造が容易でないという問題点がある。

韓国公開特許第２０１５－００６２６９４号公報

本発明は前記のような問題点を解決するために、電池モジュール内の温度が異常に上昇しても電流の流れを確かに遮断することができる電極リードおよびその製造方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、外部衝撃に強く、製造が容易である電極リードおよびその製造方法を提供することを目的とする。

前記のような問題点を解決するための本発明による電池セルの電極リードは、第１金属プレートと、第２金属プレートとを含み、前記第２金属プレートは、前記第１金属プレートを構成する第１金属と第１金属より溶融温度が低い第２金属とが分散された状態で混合されていることを特徴とする。

また、本発明による電極リードにおいて、前記第２金属の上面及び下面は前記第２金属プレートの外部に露出され、側面は第１金属と密着した状態で存在することを特徴とする。

また、本発明による電極リードにおいて、前記第２金属は、外表面積が互いに異なることを特徴とする。

また、本発明による電極リードにおいて、所定の温度以上に加熱されれば、前記第２金属が溶融して前記第２金属プレートの断面積が減少することを特徴とする。

また、本発明による電極リードにおいて、所定の温度以上に加熱されれば、前記第２金属プレートに破断部が形成されることを特徴とする。

また、本発明による電極リードにおいて、前記第１金属は銅またはアルミニウムであり、前記第２金属は前記第１金属より溶融温度が低い金属であることを特徴とする。

また、本発明による電極リードにおいて、前記第２金属は、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）またはこれら金属の合金のうちの１種以上であることを特徴とする。

また、本発明による電極リードにおいて、前記第１金属プレートは２個であり、前記第２金属プレートは１個であり、前記２個の第１金属プレートの間に前記第２金属プレートが位置することを特徴とする。

また、本発明による電極リードにおいて、前記第１金属プレートと前記第２金属プレートとが長手方向に沿って交互に位置し、長手方向の両側縁には第１金属プレートが位置することを特徴とする。

また、本発明による電極リードの製造方法は、第１金属粉末を連続的に供給し、所定の温度に加温しながら押圧して第１金属プレートを形成する第１段階と、第１金属粉末と第２金属粉末とが混合された混合金属粉末を所定の時間の間に連続的に供給し、所定の温度に加温しながら押圧して第２金属プレートを形成する第２段階と、第１金属粉末を連続的に供給し、所定の温度に加温しながら押圧して第１金属プレートを形成する第３段階と、を含むことを特徴とする。

また、本発明による電極リードの製造方法において、前記第１金属粉末は銅またはアルミニウムであり、前記第２金属粉末は前記第１金属より溶融温度が低い金属であることを特徴とする。

また、本発明による電極リードの製造方法において、前記第２金属粉末の粒径が前記第１金属粉末の粒径より大きいことを特徴とする。

また、本発明による電極リードの製造方法において、第１金属粉末と第２金属粉末が混合された混合金属粉末を所定の時間の間に連続的に供給し、所定の温度に加温しながら押圧して第２金属プレートを形成する第４段階と、第１金属粉末を連続的に供給し、所定の温度に加温しながら押圧して第１金属プレートを形成する第５段階と、をさらに含むことを特徴とする。

また、本発明は、前述した電極リードを備えた複数の電池セルが連結された電池モジュールであることを特徴とする。

本発明による電極リードおよびその製造方法によれば、第１金属からなる第１金属プレートの間に、第１金属および第１金属より溶融温度が低い第２金属の混合物からなる第２金属プレートが位置するので、第１金属プレートと第２金属プレートが強く結合し、よって外部衝撃にも比較的強いという利点がある。

また、本発明の電極リードおよびその製造方法によれば、電池モジュール内の温度が第２金属の溶融温度まで上昇すれば第２金属プレートの所定の領域が破断されて電流の流れを遮断するので、第２金属の種類を異にすることにより、電流の遮断温度を容易に調節することができるという利点がある。

さらに、本発明による電極リードおよびその製造方法によれば、電極リードがヒューズの役割を兼ねているので、電池モジュール内に別途のヒューズを装着する必要がなくてエネルギー密度の向上とともに製造コストの節減を図るという利点がある。

従来技術による複数の電池セルが連結された電池モジュールの斜視図である。 本発明の好適な第１実施例による電極リードを備えた複数の電池セルが垂直方向に並んで連結された電池モジュールの概念図である。 本発明の好適な第１実施例による電極リードを備えた複数の電池セルが水平方向に連結された電池モジュールの概念図である。 本発明の好適な第１実施例による電極リードの概念図である。 本発明の好適な第１実施例による電極リードが破断されることを説明するための概念図である。 本発明の好適な第２実施例による電極リードを備えた複数の電池セルが垂直方向に並んで連結された電池モジュールの概念図である。 本発明の好適な第２実施例による電極リードの概念図である。 本発明の好適な第２実施例による電極リードを製造する方法を説明するフローチャートである。 本発明の電極リードを製造するための装置の模式図である。

本出願で、「含む」、「有する」または「備える」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、構成要素、部分品またはこれらの組合せが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組合せなどの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。

また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使う。明細書全般で、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけではなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

以下、本発明による異種金属からなる電極リードおよびその製造方法について説明する。

図２は本発明の好適な第１実施例による電極リードを備えた複数の電池セルが垂直方向に並んで連結された電池モジュールの概念図である。

図２を参照して説明すると、複数の電池セル、例えばパウチセルが垂直方向に配置された後、本発明の第１実施例による電極リードが互いに連結される。具体的には、ケース１００の内側に収納された電極組立体（図示せず）から延びた電極リード２００は所定の角度に折り曲げられた後、隣接した電池セルと直列にまたは並列に連結される。

ここで、電極リード２００は、第１金属プレート２１０と、所定の温度に上昇するときに破断される第２金属プレート２２０とからなる。そして、第１金属プレート２１０の一部、すなわち端部には公知の接合方法によって接合部２５０が形成される。電極リード２００の具体的な構成は後述する。

一方、電池セル、具体的には、パウチ型電池セルは電極組立体（図示せず）とケース１００とを含み、電極組立体は、長いシート状の正極および負極の間に分離膜が介在された状態で巻かれる構造を有するゼリーロール型電極組立体、または長方形の正極および負極が分離膜を挟む状態で積層される構造の単位セルから構成されるスタック型電極組立体、単位セルが長い分離フィルムによって巻き取られるスタックフォルディング型電極組立体、または単位セルが分離膜を挟む状態で積層されて相互間に付着するラミネーションスタック型電極組立体などからなることができるが、これに限定されない。

前記のような電極組立体はケースに内蔵され、ケースは通常内部層／金属層／外部層のラミネートシート構造からなっている。内部層は電極組立体と直接的に接触するので、絶縁性、耐電解性、及び外部との密閉性のためにシーリング性に優れなければならない。このような内部層材料としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンアクリル酸、ポリブチレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン樹脂およびポリイミド樹脂から選択されることができる。

内部層と接している金属層は外部から水分や各種のガスが電池の内部に浸透することを防止するバリア層に相当する。このような金属層の好ましい材料としては、軽いながらも成形性に優れたアルミニウム薄膜を使うことができる。

そして、金属層の他側面には外部層が備えられる。このような外部層は、電極組立体を保護しながら耐熱性及び耐化学性を確保することができるように、引張強度、透湿防止性および空気透過防止性に優れた耐熱性ポリマーを使うことができる。一例として、ナイロンまたはポリエチレンテレフタレートを使うことができるが、これに限定されない。

一方、正極リード及び負極リードからなる電極リード２００は、電極組立体の正極タブと負極タブがそれぞれ電気的に連結された後、ケースの外部に露出される構造を有する。前記のような電池セルは一般的に知られている構成に相当するので、より詳細な説明は省略する。

図３は本発明の好適な第１実施例による電極リードを備えた複数の電池セルが水平方向に連結された電池モジュールの概念図である。

図２とは違い、図３では２個の電池セルが水平方向に並んで配置され、隣接した電池セルが直列にまたは並列に配置されることのみを除き、残りの構成は図２と同様である。

図４は本発明の好適な第１実施例による電極リードの概念図、図５は本発明の好適な第１実施例による電極リードが破断されることを説明するための概念図である。

電極リード２００は所定の厚さ（Ｙ軸方向）及び幅（Ｘ軸方向）を有する長い（Ｚ軸方向）板状を有し、非切断領域に相当する第１金属プレート２１０と、切断領域に相当する第２金属プレート２２０とからなっている。

第２金属プレート２２０は、第１金属プレート２１０を構成する金属の他にも、溶融温度が異なる第２金属をさらに含んでいる。すなわち、第２金属プレート２２０には、外表面積が同じか異なる第２金属２２１が分散された状態で存在する。

ここで、第２金属２２１が第２金属プレート２２０に分散されているという意味は、規則的にまたは不規則的に第２金属プレート２２０の厚さ方向（Ｙ軸方向）に所定のサイズ及び表面積を有する第２金属２２１が完全に挿入または含浸されている状態を意味する。すなわち、第２金属２２１は、第２金属プレート２２０の上面及び下面では外部に露出されるのに対し、側面は第１金属プレート２１０を構成する金属と完全に密着している。

もちろん、第２金属２２１が球状または針状などのような製造時の元の形状を維持することもできるが、第２金属プレート２２０の上下面に露出される部分は平らな形態で存在する。

正極リードの場合には、第１金属プレート２１０はアルミニウム（Ａｌ）材からなることが好ましい。これは、溶接性を向上させ、結合部位の接触抵抗を最小化するためである。また、負極リードの場合には、第１金属プレート２１０は銅（Ｃｕ）またはニッケル（Ｎｉ）でコーティングされた銅材からなることができる。

第２金属プレート２２０は、第１金属プレート２１０を成すアルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）より溶融温度が低い金属であれば特に限定されない。一例として、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）またはこれら金属の合金から選択することができる。これは、短絡の発生や過充電などによって電池モジュールが過熱した場合、電極リード２００を速かに破断させて電気的連結を解除するためのものであり、所望の電流遮断温度によって第２金属はいくらでも変更可能である。

すなわち、図５に示すように、電池モジュールが正常に作動するときには平板状の電極リード２００を介して電流が流れる（図５（ａ））。しかし、電池モジュールの短絡などによって第２金属２２１の溶融温度以上に過熱すれば、溶融温度が相対的に低い第２金属２２１が先に溶融し、第２金属２２１が存在していた位置には気孔２３０が形成され（図５（ｂ）参照）、結果的に所定の領域、つまり第２金属２２１が隣接して存在していた領域には破断部２４０が発生して電極リード２００が破断される（図５（ｃ）参照）。

ここで、第２金属２２１が存在していた気孔２３０を中心として破断される技術的原理について簡単に説明すると、第２金属２２１が溶融して気孔２３０が形成されれば、気孔２３０の周囲は電流が移動することができる表面積が減少して抵抗が増加する。これは気孔２３０が形成された領域を中心として急激な発熱を引き起こすことにより、第１金属２１１の溶融温度まで上昇し、結果的に気孔２３０を互いに連結していた第１金属も溶融することにより、第２金属プレート２２０に破断部２４０が形成されて切断される。

一方、第２金属２２１は電極リード２００の幅方向（Ｘ軸方向）、長手方向（Ｚ軸方向）および厚さ方向（Ｙ軸方向）への該当領域に２０～９０％の表面積を占める程度に存在することが好ましい。仮に、２０％未満であれば破断までかかる時間があまりにも長くなり、反対に９０％を超えれば一時的な過熱によっても電極リード２００が破断されることがあるので、前記範囲が好ましい。

ここで、電極リード２００の長手方向（Ｚ軸方向）に５～１０ｍｍの範囲で第２金属２２１が位置することができる。

図６は本発明の好適な第２実施例による電極リードを備えた複数のパウチセルが垂直方向に並んで連結された電池モジュールの概念図、図７は本発明の好適な第２実施例による電極リードの概念図である。

本発明の好適な２実施例による電極リードは第２金属プレート２２０が所定の距離に離隔して２個があることを除き、前述した第１実施例と同様であるので、以下では相異なる構成のみについて説明する。

第２金属２２１を含む第２金属プレート２２０が一定距離で離隔して２個が備えられる場合には、安全係数を一層高めることができるという利点がある。すなわち、第２金属プレート２２０が一つの場合には破断まで比較的長い時間がかかるか、またはややもすると短絡が難しいことがあるが、電極リード２００に２個の第２金属プレート２２０が位置すれば、より確かに破断を誘導することができるという利点がある。もちろん、図６及び図７には第２金属プレート２２０が２個であるものとして示しているが、これは一例に過ぎないだけで、３個以上であってもよいというのは明らかである。

次に、前述した本発明の第２実施例による電極リードの製造方法及び製造装置について説明する。

図８は本発明の好適な第２実施例による電極リードを製造する方法を説明するフローチャート、図９は本発明の電極リードを製造するための装置の模式図である。

本発明の第２実施例による電極リードの製造方法は、第１金属粉末２１２を連続的に供給し、所定の温度に加温しながら押圧して第１金属プレートを形成する第１段階、第１金属粉末２１２と第２金属粉末２２２が混合された混合金属粉末を所定の時間の間に連続的に供給し、所定の温度に加温しながら押圧して第２金属プレートを形成する第２段階、第１金属粉末２１２を連続的に供給し、所定の温度に加温しながら押圧して第１金属プレートを形成する第３段階、第１金属粉末２１２と第２金属粉末２２２とが混合された混合金属粉末を所定の時間の間に連続的に供給し、所定の温度に加温しながら押圧して第２金属プレートを形成する第４段階、および第１金属粉末２１２を連続的に供給し、所定の温度に加温しながら押圧して第１金属プレートを形成する第５段階を含んでなることができる。

そして、本発明による電極リードの製造装置は、コンベヤーベルト３００、トレイ４００、金属粒子供給槽５００、ローラー６００および加熱手段（図示せず）を含んでなることができる。

具体的には、第１段階では、第１供給槽５１０の第１金属粉末２１２をコンベヤーベルト３００の上部に位置するトレイ４００に連続的に供給するとともにローラー６００で押圧しながら所定の温度に加熱して板状の非切断領域に相当する第１金属プレート２１０を形成する。

第２段階では、第１供給槽５１０からの第１金属粉末２１２の供給を一時的に中断する代わりに、第１金属粉末２１２と第２金属粉末２２２とが混合されている第２供給槽５２０からこの混合金属をトレイ４００に連続的に供給しながらローラー６００で押圧および加熱して板状の切断領域に相当する第２金属プレート２２０を形成する。

ここで、第２金属粉末２２２の粒径は電極リード２００の目標破断電流量によって変わることができる。一例として、第１金属粉末２１２及び第２金属粉末２２２の粒径は数ｎｍから数ｍｍの範囲であることができ、第２金属粉末２２２の粒径は第１金属粉末２１２の粒径より大きいことが好ましく、第２金属粉末２２２は第１金属粉末２１２の２～１０倍であることができる。これは相対的に融点が高い第１金属粉末２１２の粒径を小さくして、第１金属粉末２１２の焼結温度と第２金属粉末２２２の焼結温度とをほぼ同じに調節するためのものである。仮に、第１金属粉末２１２の焼結温度と第２金属粉末２２２の焼結温度とがほぼ同じになれば前記粒径比に限定されない。

また、前記第１段階および第２段階での加熱温度は特に限定されず、第１金属粉末２１２及び第２金属粉末２２２の粒径によってこれらの金属粉末が焼結可能な温度であれば構わない。

第３段階は、第２供給槽５２０からの混合金属の供給を一時的に中断し、再び第１供給槽５１０の第１金属粉末２１２をトレイ４００に連続的に供給しながら押圧および加熱して非切断領域に相当する第１金属プレート２１０を形成する段階である。

このような第１段階から第３段階を経れば、中央には第１金属粉末２１２と第２金属粉末２２２とが混合されて一つの切断領域である第２金属プレート２２０が形成され、そして第２金属プレート２２０の両側には非切断領域に相当する第１金属粉末２１２のみからなる第１金属プレート２１０が形成される。

第４段階と第５段階は前記第２段階と第３段階の操作をそれぞれ繰り返し行うものであり、第４段階と第５段階によってもう一つの第２金属プレート２２０が形成される。

以上で本発明の内容の特定部分を詳細に記述したが、当該分野で通常の知識を有する者にこのような具体的技術はただ好適な実施様態であるだけで、これによって本発明の範囲が制限されるものではなく、本発明の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正が可能であるというのは当業者に明らかなものであり、このような変形及び修正も添付の特許請求範囲に属するものであるというのは言うまでもない。

１００ ケース
２００ 電極リード
２１０ 第１金属プレート
２１１ 第１金属
２１２ 第１金属粉末
２２０ 第２金属プレート
２２１ 第２金属
２２２ 第２金属粉末
２３０ 気孔
２４０ 破断部
２５０ 接合部
３００ コンベヤーベルト
４００ トレイ
５００ 金属粒子供給槽
５１０ 第１供給槽
５２０ 第２供給槽
６００ ローラー

Claims (13)

1. 電池セルの電極リードであって、
   第１金属プレートと、
   第２金属プレートと、を含み、
   前記第２金属プレートは、前記第１金属プレートを構成する第１金属と第１金属より溶融温度が低い第２金属とが分散された状態で混合されており、
   前記第２金属の上面及び下面は前記第２金属プレートの外部に露出され、側面は第１金属と密着した状態で存在する、電極リード。
2. 前記第２金属は、外表面積が互いに異なる、請求項１に記載の電極リード。
3. 所定の温度以上に加熱されれば、前記第２金属が溶融して前記第２金属プレートの断面積が減少する、請求項２に記載の電極リード。
4. 所定の温度以上に加熱されれば、前記第２金属プレートに破断部が形成される、請求項３に記載の電極リード。
5. 前記第１金属は銅またはアルミニウムであり、前記第２金属は前記第１金属より溶融温度が低い金属である、請求項１から４のいずれか一項に記載の電極リード。
6. 前記第２金属は、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）またはこれら金属の合金のうちの１種以上である、請求項５に記載の電極リード。
7. 前記第１金属プレートは２個であり、前記第２金属プレートは１個であり、前記２個の第１金属プレートの間に前記第２金属プレートが位置する、請求項１から６のいずれか一項に記載の電極リード。
8. 前記第１金属プレートと前記第２金属プレートとが長手方向に沿って交互に位置し、長手方向の両側縁には第１金属プレートが位置する、請求項１から７のいずれか一項に記載の電極リード。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の電極リードの製造方法であって、
   第１金属粉末を連続的に供給し、所定の温度に加温しながら押圧して第１金属プレートを形成する第１段階と、
   第１金属粉末と第２金属粉末とが混合された混合金属粉末を所定の時間の間に連続的に供給し、所定の温度に加温しながら押圧して第２金属プレートを形成する第２段階と、
   第１金属粉末を連続的に供給し、所定の温度に加温しながら押圧して第１金属プレートを形成する第３段階と、を含む、電極リードの製造方法。
10. 前記第１金属粉末は銅またはアルミニウムであり、前記第２金属粉末は前記第１金属粉末より溶融温度が低い金属である、請求項９に記載の電極リードの製造方法。
11. 前記第２金属粉末の粒径が前記第１金属粉末の粒径より大きい、請求項９または１０に記載の電極リードの製造方法。
12. 第１金属粉末と第２金属粉末が混合された混合金属粉末を所定の時間の間に連続的に供給し、所定の温度に加温しながら押圧して第２金属プレートを形成する第４段階と、
    第１金属粉末を連続的に供給し、所定の温度に加温しながら押圧して第１金属プレートを形成する第５段階と、をさらに含む、請求項９から１１のいずれか一項に記載の電極リードの製造方法。
13. 請求項１から８のいずれか一項に記載の電極リードを備えた複数の電池セルが連結された、電池モジュール。

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