JP7451863B2 - 円筒形二次電池 - Google Patents
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本出願は、２０１８年１１月２７日付韓国特許出願第１０－２０１８－０１４８５６４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組み含まれる。
本出願は、２０１８年１１月２７日付韓国特許出願第１０－２０１８－０１４８５６４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組み含まれる。
本発明は、円筒形二次電池に関し、より具体的には放熱機能が強化された円筒形二次電池に関する。
近年、ノートパソコン、ビデオカメラ、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が急激に増加し、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化することに伴い、その駆動電源として使用される二次電池に対して多くの研究が行われている。
このような二次電池には、例えば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。これらのうち、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起きず、充放電が自由であり、自己放電率が非常に低く、作動電圧が高く、単位重量当たりエネルギー密度が高いという長所のため、先端電子機器分野で幅広く使用されている。
一般に、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分離膜から構成された単位セルが積層または巻き取られた構造を有し、金属缶またはラミネートシートのケースに内蔵され、その内部に電解液が注入または含浸されることによって構成される。
二次電池を構成する正極／分離膜／負極構造の電極組立体は、その構造により大きくジェリーロール型（巻取型）とスタック型（積層型）に区分される。ジェリーロール型は、活物質が塗布された長いシート形の正極と負極の間に分離膜を介して巻き取った構造であり、スタック型は、所定の大きさの多数の正極と負極を分離膜が介された状態で順次に積層した構造である。
最近、高出力および高容量モデルの実現のために、使用される部品が薄膜化されていく傾向にあり、これによって低抵抗および高容量の二次電池が増加している。ただし、抵抗が低くなり、容量が高くなりながら、より高い電流がより長時間の間に印加されることによって、高率放電や外部短絡などによる二次電池の発熱に対する問題がさらに重要な課題として台頭している。
このような問題を克服するために、電極タブの発熱を効果的に制御することができる二次電池に対する研究が要求されているのが実情である。
本発明が解決しようとする課題は、抵抗減少および電池セルの安全性を高めるための円筒形二次電池を提供することにある。
しかし、本発明の実施例が解決しようとする課題は、前述した課題に限定されず、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され得る。
本発明の一実施例による円筒形二次電池は、負極シート、正極シートおよび分離膜を含む電極組立体を含み、前記分離膜は、前記電極組立体の最外部に位置し、前記分離膜よりも内側に位置する電極タブが前記負極シートおよび前記正極シートのうちの一つに付着されており、前記電極タブと前記分離膜の間に位置する金属層は、接着物質を含む。
前記電極タブは、前記負極シートおよび前記正極シートのうちの一つに付着されたタブ本体、および前記電極組立体の一端から延長された突出部を含み、前記突出部は、前記金属層と溶接されてもよい。
前記タブ本体と前記金属層は、前記接着物質により結合されてもよい。
前記電極タブは、負極タブであってもよい。
前記金属層は、棒状の銅箔（ｃｏｐｐｅｒ ｆｏｉｌ）であってもよい。
前記分離膜の端部で前記電極タブと前記金属層が重なってもよい。
前記金属層は、前記接着物質から形成された接着層により前記電極タブおよび前記分離膜と連結されてもよい。
前記円筒形二次電池は、前記分離膜の終端で前記分離膜の境界部を固定させる絶縁テープをさらに含んでもよい。
前記絶縁テープと前記金属層は重ならなくてもよい。
本発明の他の一実施例によるデバイスは、前述した円筒形二次電池を電源として含む。
実施例によれば、ジェリーロール外部に位置する負極タブに接着成分を含む金属層を追加形成することによって、ジェリーロールを固定し、負極タブの厚さを増加させて抵抗減少および高電流印加または外部で短絡状況発生時に発生する熱を拡散させて電池セルの安定性および寿命を増やすことができる円筒形二次電池を実現することができる。
以下、添付した図面を参照して本発明の多様な実施例について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が容易に実施することができるように詳細に説明する。本発明は、多様な異なる形態に実現することができ、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に、説明上不要な部分は省略し、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の参照符号を付した。
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ため、本発明が必ず示されたところに限定されるのではない。図面において、複数の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、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。
また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「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。反対に、ある部分が他の部分の「直上」にあるという時には、中間にまた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」にあるということは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ず重力反対方向に向かって「上」に位置することを意味するのではない。
また、明細書全体において、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、他の構成要素を除外せず、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。
また、明細書全体において、「平面状」という時、これは対象部分を上方から見た時を意味し、「断面状」という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を側方から見た時を意味する。
図１は本発明の一実施例による電極組立体が巻き取られる前の様子を示す分解斜視図である。図２は図１の電極組立体が巻き取られた後の様子を示す斜視図である。
図１および図２を参照すると、本発明の一実施例による二次電池は、負極シート１１０、正極シート１２０および分離膜１３０を含む電極組立体１００を含む。電極組立体１００は、ジェリーロールタイプ構造であってもよい。この時、分離膜１３０は、負極シート１１０と正極シート１２０の間に介されており、中心部から外側に向かう方向に沿って正極シート１２０、分離膜１３０および負極シート１１０の順にジェリーロール構造を形成することができ、このような構造が少なくとも一つ以上存在することができる。この時、電極組立体１００の最外部には分離膜１３０ｓが位置する。
正極シート１２０および負極シート１１０には電極タブがそれぞれ付着されてもよく、前記電極タブは、負極シート１１０に付着された負極タブ１４０、および正極シート１２０に付着された正極タブ１６０を含む。
本実施例では電極組立体１００の最外部に位置する分離膜１３０ｓの内側に分離膜１３０と隣接して負極シート１１０が位置し、負極シート１１０には負極タブ１４０が付着されてもよい。本実施例によれば、負極タブ１４０と最外部に位置する分離膜１３０ｓの間に金属層１４５が形成されてもよい。金属層１４５は、接着物質を含む。接着物質は、アクリル系物質を含むことができる。
金属層１４５は、棒状の銅箔（ｃｏｐｐｅｒ ｆｏｉｌ）から形成されてもよい。最外部に位置する分離膜１３０ｓの端部で負極タブ１４０と金属層１４５が重なるように配置されてもよい。この時、金属層１４５は、負極タブ１４０および最外部に位置する分離膜１３０ｓと接触することができる。金属層１４５は、接着物質から形成された別途の接着層を含んで前記接着層を通じて負極タブ１４０および分離膜１３０ｓと接触することができる。
図示されていないが、高出力モデルのために一つ以上の正極タブおよび負極タブが追加的に付着されてもよい。高出力および高容量モデルの二次電池において、高率放電、過充電、外部短絡などにより短時間内に大きい電流が流れるようになると、電流集中により電極タブ、特に負極タブ１４０に多量の熱が発生する。二次電池は、内部の電気化学的反応により充電または放電が絶えずに反復的に起きるため、このように二次電池が高容量化となる場合、充電および放電による発熱が飛躍的に増加するようになる。このような発熱によって、分離膜１３０などが損傷されて内部短絡につながることがあり、二次電池内部の温度偏差を誘発して二次電池の性能低下につながることもある。
特に、二次電池の内部構成要素の中で抵抗が特に高い部分である負極タブ１４０の場合に、その発熱が最も大きく発生するようになる。高出力電池セルの場合、高電流を電池セルに印加するようになるが、この時に発生するジェリーロールの熱が電極タブを通じて金属材質から形成された電池ケースに放熱され得るため、電極タブ部位の熱および温度を低めることが重要である。
前述した本実施例による金属層１４５は、発熱問題を解消するように負極タブ１４０で発生した熱を効果的に放出することができる。それだけでなく、金属層１４５が接着物質を含んでいるため、最外部に位置する分離膜１３０ｓの端部を固定することによって結果としてジェリーロールタイプ構造の電極組立体１００の形態を維持させて電極組立体１００が内部応力により解かれる現象を防止することができる。追加的に、銅を含む金属層１４５が負極タブ１４０の厚さを増加させる効果があり、抵抗を減少させて負極タブ１４０に熱が集中することを減少させることができる。
以上では、負極シート１１０が最外部に配置される分離膜１３０ｓに隣接するものと説明したが、負極シート１１０が形成された位置に正極シート１２０が配置されてもよく、この場合、正極シート１２０の位置に負極シート１１０が配置されて、中心部から外側に向かう方向に沿って負極シート１１０、分離膜１３０および正極シート１２０の順にジェリーロール構造を形成することができる。言い換えると、最外部に位置する分離膜１３０ｓの内側に分離膜１３０と隣接して正極シート１２０が位置することもできる。たとえ、負極タブ１４０に熱が集中することから、前述した本実施例による金属層１４５の適用が好ましいが、正極タブ１６０でも熱が発生し得るため、最外部に位置する分離膜１３０ｓの内側に分離膜１３０と隣接して正極シート１２０が位置し、これに付着された正極タブ１６０と最外部分離膜１３０ｓの間に金属層１４５を形成することも可能である。この時、金属層１４５は、アルミ箔（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｆｏｉｌ）であってもよく、接着物質を含むことができる。
図３は図２のＡ部分を拡大して示す部分平面図である。図４は図２のＸ方向で見た図面である。
図３および図４を参照すると、本実施例による負極タブ１４０は、最外部の分離膜１３０ｓの直ぐ内側に位置する負極シート１１０上に付着されている。負極タブ１４０は、棒状であってもよく、電極組立体１００の一端から延長された突出部１４０ｐを含む。負極タブ１４０直上に金属層１４５が形成されており、金属層１４５は負極タブ１４０の左側面と右側面を覆うように形成されてもよい。ここで、金属層１４５は、負極タブ１４０のタブ本体だけでなく、突出部１４０ｐ上にも延長されてもよい。
本実施例において、金属層１４５は、金属層１４５に含まれている接着物質により金属層１４５の上下部面にそれぞれ位置する負極タブ１４０および最外部分離膜１３０ｓと接着されてもよい。このように、接着物質を含む金属層１４５により最外部分離膜１３０ｓの端部を固定させてジェリーロールタイプ構造の電極組立体１００の形態を維持させて電極組立体１００が内部応力により解かれる現象を防止することができる。
以上で説明した本実施例による電極組立体１００は、金属缶などの電池ケース（図示せず）に収納されて円筒形二次電池を形成することができる。
図５は本発明の他の一実施例による電極組立体の部分平面図である。
図５の実施例は、図３および図４で説明した実施例とほぼ同一であり、ただし、金属層１４５が負極タブ１４０の突出部１４０ｐ上に形成されず、タブ本体にだけ形成されてもよい。
図６は本発明の他の一実施例による電極組立体の部分平面図である。図７は図６の切断線Ｙ－Ｙ'に沿って切断した断面図である。
図６および図７の実施例は、前述した図３および図４の実施例とほぼ同一である。ただし、以下では差がある部分だけについて説明する。差がある部分を除き、図３および図４の実施例で説明した内容は本実施例に適用可能である。
図６および図７を参照すると、負極タブ１４０のタブ本体では、金属層１４５に含まれている接着物質により負極タブ１４０のタブ本体と金属層１４５が接着されてもよい。しかし、負極タブ１４０の突出部１４０ｐでは金属層１４５の突出部１４７と負極タブ１４０の突出部１４０ｐが溶接部１４０ｓを形成するために互いに溶接されて結合することができる。このような溶接工程により負極タブ１４０と金属層１４５が結合することによって容量を向上させる効果がある。発熱により温度カットオフに到達して十分な容量を使用できずに、早期に電圧カットオフされることがある。しかし、本実施例により溶接工程を通じて負極タブ１４０と金属層１４５が結合するようになって放熱効果が大きくなると、早期に電圧カットオフされることを防止するため、結果として容量を向上させる結果をもたらすことができる。
図８は本発明の他の一実施例による電極組立体を示す斜視図である。
図８を参照すると、図３および図４で説明した実施例による二次電池に含まれている電極組立体１００の外周面に付着された絶縁テープ３００をさらに含む。絶縁テープ３００は、最外部分離膜１３０ｓの終端で仕上げテープの役割を果たすことができる。つまり、最外部分離膜１３０ｓの終端で分離膜１３０との境界部１５０を固定させることができる。絶縁テープ３００は、金属層１４５と重ならないように最外部分離膜１３０ｓ終端に位置することができる。
絶縁テープ３００は、ポリ塩化ビニル、ニトリルゴムとフェノール樹脂の混合物、エポキシ樹脂、ポリウレタンおよびこれらの組み合わせからなる群より選択される熱硬化性樹脂を含むことができる。
絶縁テープ３００が電極組立体１００の外周面に付着された状態で金属層１４５により再度最外部分離膜１３０ｓを固定させるため、より安定的にジェリーロールタイプ構造の電極組立体１００の形態を維持させることができる。
前述した二次電池は、多様なデバイスに適用され得る。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッドなどの運送手段に適用され得るが、これに制限されず、二次電池を使用することができる多様なデバイスに適用可能である。
以上で本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も本発明の範囲に属する。
１３０、１３０ｓ：分離膜
１４０：負極タブ
１４０ｐ：突出部
１４５：金属層
１４０：負極タブ
１４０ｐ：突出部
１４５：金属層
Claims (9)
- 負極シート、正極シートおよび分離膜を含む電極組立体を含み、
前記分離膜は、前記電極組立体の最外部に位置し、前記分離膜よりも内側に位置する電極タブが前記負極シートおよび前記正極シートのうちの一つに付着されており、
前記電極タブと前記分離膜の間に位置する金属層は、接着物質を含み、
前記電極タブは、前記負極シートおよび前記正極シートのうちの一つに付着されたタブ本体、および前記電極組立体の一端から延長された突出部を含み、前記突出部は、前記金属層と溶接されている、円筒形二次電池。 - 前記金属層は、前記タブ本体及び前記突出部上に延長され、
前記突出部は、前記突出部上に延長された前記金属層と互いに溶接されて結合し、
前記タブ本体と前記タブ本体上に延長された前記金属層は、前記接着物質により結合されている、請求項１に記載の円筒形二次電池。 - 前記電極タブは、負極タブである、請求項１または２に記載の円筒形二次電池。
- 前記金属層は、棒状の銅箔（ｃｏｐｐｅｒ ｆｏｉｌ）である、請求項３に記載の円筒形二次電池。
- 前記分離膜の端部で前記電極タブと前記金属層が重なる、請求項１から４のいずれか一項に記載の円筒形二次電池。
- 前記金属層は、前記接着物質から形成された接着層により前記電極タブおよび前記分離膜と連結される、請求項５に記載の円筒形二次電池。
- 前記分離膜の終端で前記分離膜の境界部を固定させる絶縁テープをさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の円筒形二次電池。
- 前記絶縁テープと前記金属層は重ならない、請求項７に記載の円筒形二次電池。
- 請求項１から８のいずれか一項に記載の円筒形二次電池を電源として含むデバイス。
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