JP7463524B2 - 二次電池 - Google Patents

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Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０２０年５月１３日に出願された韓国特許出願第１０－２０２０－００５７３７５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、二次電池に関する。
二次電池は、一次電池とは異なり、再充電が可能であり、かつ小型及び大容量化の可能性により、近年、頻繁に研究開発されている。モバイル機器に対する技術開発と需要の増加に伴い、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加している。
二次電池は、電池ケースの形状に応じて、コイン型電池、円筒型電池、角型電池、及びパウチ型電池に分けられる。二次電池は、電極組立体と電解液を収容する。二次電池において、電池ケースの内部に装着される電極組立体は、電極及び分離膜の積層構造からなる充放電が可能な発電素子である。
電極組立体は、活物質が塗布されたシート状の正極と負極との間に分離膜を介在して巻き取ったゼリーロール（Ｊｅｌｌｙ－ｒｏｌｌ）型、多数の正極と負極を分離膜が介在された状態で順次積層したスタック型、及びスタック型の単位セルを長さの長い分離フィルムで巻き取ったスタック／折り畳み型に分けられる。
従来のパウチ型電池は、電極組立体がパウチ内に収容された形態で構成される。このようなパウチ型電池は、充放電を行うとガス発生によりパウチが膨らんでしぼむことを繰り返す。この際、発生したガスがパウチ内にそのままあると、電池性能の低下及び体積の変化を引き起こすことになり、これは、周りの電池及び構造物に悪い影響を与える問題がある。また、発生したガスがパウチの収容限界を超えると、構造的に弱い部分からガスが破裂して漏れるベント（Ｖｅｎｔ）現象が発生し、ベントが発生すると、電解液の漏れが発生し、電池の寿命が終わる問題がある。
韓国公開特許第１０－２０１４－００１５６４７号公報
本発明の一つの観点は、ガスポケット部を備えて内部ガスが捕集され、捕集されたガスの排出が可能な二次電池の提供を目的とする。
本発明の実施形態による二次電池は、電極及び分離膜が交互に積層された電極組立体及び前記電極組立体が収容される電池ケースを含み、前記電池ケースは、前記電池ケースの内部ガスが捕集される第１捕集空間が形成され、前記第１捕集空間に位置したガスが排出される第１排出部が備えられた第１ガスポケット部、及び前記第１ガスポケット部の前記第１排出部から排出されるガスが捕集される第２捕集空間が形成され、前記第２捕集空間に位置したガスが外部に排出される第２排出部が備えられた第２ガスポケット部を含んでよい。
一方、本発明の実施形態による電池パックは、本発明の実施形態による二次電池を含む電池パックであってよい。
本発明によれば、内部ガスが捕集されるガスポケット部を二重に備えることにより、内部ガスが捕集される多くの空間を安定的に確保することができ、外部空気と電池の内部空気とが直接連結されない可能性がある。
また、二重に備えられたガスポケット部に、所定の圧力以上の際に開放されるガス排出部をそれぞれ形成することにより、ガスポケット部に収容されたガスを容易に排出させ得るので、電池ケースで構造的に弱い部分からガスが破裂して漏れることを防止し、これにより電解液の漏れを防止して、電池の寿命が延長され得る。
さらに、ガスポケット部の内部にガスセンサーを位置させることにより、捕集空間でのガス発生有無、あるいはガス成分を測定することができる。
さらに、ガスポケット部の内部に空気圧センサーを位置させることにより、捕集空間での空気圧を測定し得るので、電池の状態のモニタリングが容易である。
本発明の一実施形態による二次電池を示す断面図である。 本発明の一実施形態による二次電池を示す要部断面図である。 本発明の一実施形態による二次電池の第１、２排出部を示す平面図である。 本発明の一実施形態による二次電池の第１、２排出部の閉状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態による二次電池の第１、２排出部の開状態を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による二次電池を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による二次電池の第１、２排出部を示す平面図である。 本発明の他の実施形態による二次電池の第１、２排出部の閉状態を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による二次電池の第１、２排出部の開状態を示す断面図である。
本発明の目的、特定の長所及び新規な特徴は、添付の図面に係る以下の詳細な説明及び好ましい実施形態からさらに明らかになる。本明細書において、各図面の構成要素に参照番号を付加するに当たり、同一の構成要素に限っては、たとえ他の図面上に示されても、できる限り同一の番号を付けるようにしていることに留意しなければならない。また、本発明は、様々な異なる形態に具現されてよく、ここで説明する実施形態に限定されない。また、本発明を説明するに当たり、本発明の要旨を不明瞭にする可能性がある係る公知技術についての詳細な説明は省略する。
（一実施形態による二次電池）
図１は、本発明の一実施形態による二次電池を示す断面図であり、図２は、本発明の一実施形態による二次電池を示す要部断面図である。
図１及び図２を参考すれば、本発明の一実施形態による二次電池Ｓ１は、電極組立体２００及び電極組立体２００が収容される電池ケース１００を含み、電池ケース１００は、第１捕集空間１２１が形成されてガスが排出される第１排出部１２２が備えられた第１ガスポケット部１２０、及び第２捕集空間１３１が形成されてガスが排出される第２排出部１３２が備えられた第２ガスポケット部１３０を含む。
また、本発明の一実施形態による二次電池Ｓ１は、ガス発生有無又はガス成分を測定するガスセンサー１５０及び空気圧を測定する空気圧センサー１６０、１７０をさらに含んでよい。
より詳しくは、電極組立体２００は、充放電が可能な発電素子であって、電極及び分離膜が交互に積層されてよい。この際、電極組立体２００の端部に備えられた電極タップ２５０と電極リード３００とが連結され、電極組立体２００を外部機器と連結させてよい。
電極２３０は、正極２１０及び負極２２０で構成されてよい。この際、電極組立体２００は、正極２１０／分離膜２４０／負極２２０が交互に積層された構造からなってよい。
そして、電極リード３００は、正極２１０の端部に備えられた正極タップと連結される正極リード及び負極２２０の端部に備えられた負極タップと連結される負極リードを含んでよい。
正極２１０は、正極集電体と、正極集電体に積層された正極活物質とを含んでよい。
正極集電体は、アルミニウム材料の箔（Ｆｏｉｌ）からなってよい。
正極活物質は、リチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムリン酸鉄、又はこれらのうちの１種以上が含まれた化合物及び混合物などからなってよい。
負極２２０は、負極集電体と、負極集電体に積層された負極活物質とを含んでよい。
負極集電体は、例えば、銅（Ｃｕ）材料からなる箔（ｆｏｉｌ）からなってよい。
負極活物質は、黒鉛系物質を含む化合物又は混合物であってよい。
分離膜２４０は、絶縁材料からなって正極２１０と負極２２０との間を電気的に絶縁する。ここで、分離膜２４０は、微多孔性を有するポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂膜で形成されてよい。
電池ケース１００は、電極組立体２００を収容してよい。
電池ケース１００は、第１捕集空間１２１が形成されて第１排出部１２２が備えられた第１ガスポケット部１２０、及び第２捕集空間１３１が形成されて第２排出部１３２が備えられた第２ガスポケット部１３０を含む。
また、電池ケース１００は、電極組立体２００が収容される収容部１１１が形成された本体１１０をさらに含んでよい。
第１ガスポケット部１２０は、電池ケース１００の内部ガスが捕集される第１捕集空間１２１が形成され、第１捕集空間１２１に位置したガスが排出される第１排出部１２２が備えられてよい。
また、第１ガスポケット部１２０は、収容部１１１と第１捕集空間１２１とが連結されるように本体１１０の側面に沿って延在してよい。ここで、第１ガスポケット部１２０は、電極リード３００が位置する本体１１０の端部側に位置してよい。この際、第１ガスポケット部１２０は、本体１１０の両端部側にそれぞれ位置してよい。
第１排出部１２２は、第１捕集空間１２１と第２捕集空間１３１との間を貫通する第１貫通孔１２３上に位置して、第１貫通孔１２３の開閉を制御することができる。
第２ガスポケット部１３０は、第１ガスポケット部１２０の第１排出部１２２から排出されるガスが捕集される第２捕集空間１３１が形成され、第２捕集空間１３１に位置したガスが外部に排出される第２排出部１３２が備えられてよい。
第２ガスポケット部１３０は、第２捕集空間１３１と第１捕集空間１２１とが第１貫通孔１２３間に連結されるように第１ガスポケット部１２０の上部に備えられてよい。
第２排出部１３２は、第２捕集空間１３１と電池ケース１００の外部の間を貫通する第２貫通孔１３３上に位置して、第２貫通孔１３３の開閉を制御することができる。
ここで、第１貫通孔１２３及び第２貫通孔１３３は、ガスが排出される方向に対して互いに対面されない位置に備えられてよい。この際、第１貫通孔１２３及び第２貫通孔１３３は、上下方向に互いに向き合わない位置に位置してよい。
図３は、本発明の一実施形態による二次電池の第１、２排出部を示す平面図であり、図４は、本発明の一実施形態による二次電池の第１、２排出部の閉状態を示す断面図であり、図５は、本発明の一実施形態による二次電池の第１、２排出部の開状態を示す断面図である。
図３～図５を参考すれば、第１排出部１２２及び第２排出部１３２は、第１切開部１２２ｃ及び第２切開部１３２ｃが形成され、弾性材料で形成され、所定の圧力以上の際に第１切開部１２２ｃ及び第２切開部１３２ｃが開き、第１貫通孔１２３及び第２貫通孔１３３を開放させ得る。
ここで、弾性材料は、シリコン、スパンデックス、フルオロエラストマー、エチレン、プロピレンゴム（ＥＰＲ）、スチレン、ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、及びブチルゴム（ＰＩＢ）のうちの少なくともいずれか一つ以上の材料で形成されてよい。
第１排出部１２２及び第２排出部１３２の開放圧力は、相互に差があるように備えられてよい。この際、第１排出部１２２及び第２排出部１３２は、互いに弾性度が異なる材料で形成され、第１排出部１２２及び第２排出部１３２の開放圧力は、相互に差があるように備えられてよい。これにより、第１排出部１２２及び第２排出部１３２が同時に開放されることを防止して、電池の外部空気と電池の内部空気とが直接接触されることを遮断することができる。
ここで、第１排出部１２２の開放圧力は、第２排出部１３２の開放圧力よりも大きく備えられてよい。これにより、第１排出部１２２を介して第２排出部１３２にガスが容易に排出され得る。
図３を参考すれば、第１切開部１２２ｃ及び第２切開部１３２ｃは、２～４個の切開ライン１２２ａ、１２２ｂ、１３２ａ、１３２ｂで形成されてよい。ここで、第１切開部１２２ｃ及び第２切開部１３２ｃは、十字（「＋」）状の切開ライン１２２ａ、１２２ｂ、１３２ａ、１３２ｂで形成されてよい。
図４を参考すれば、第１捕集空間１２１及び第２捕集空間１３１が所定の圧力未満の際には、第１切開部１２２ｃ及び第２切開部１３２ｃは、第１貫通孔１２３及び第２貫通孔１３３を閉鎖してよい。
図５を参考すれば、第１捕集空間１２１及び第２捕集空間１３１が所定の圧力以上の際には、第１切開部１２２ｃ及び第２切開部１３２ｃは、切開ライン１２２ａ、１２２ｂ、１３２ａ、１３２ｂを中心に開き、第１貫通孔１２３及び第２貫通孔１３３を開放させてよい。
図１及び図２を参考すれば、ガスセンサー１５０は、第２ガスポケット部１３０の内部に備えられ、第２捕集空間１３１でのガス発生有無又はガス成分を測定することができる。この際、ガスセンサー１５０を介して第２ガスポケット部１３０の特定のガスを感知し得るので、特定の目的の通知が可能にしてよい。ここで、ガスセンサー１５０は、二酸化炭素（ＣＯ２）の発生を感知することができる。
また、ガスセンサー１５０は、ガス発生時の通知信号、通知音、又は通知光のうちの少なくともいずれか一つ以上を発生させてよい。ここで、ガスセンサー１５０は、例えば、二酸化炭素（ＣＯ２）が感知されると、通知信号、通知音、又は通知光のうちの少なくともいずれか一つ以上を発生させてよい。ここで、ガスセンサー１５０は、通知スピーカー及び通知ＬＥＤを含み、通知音及び通知光を発生させてよい。また、ガスセンサー１５０は、モニタリング装置と連結されて発生した通知信号を伝達してよい。
空気圧センサー１６０、１７０は、第１ガスポケット部１２０又は第２ガスポケット部１３０のうちの少なくともいずれか一つ以上の内部に備えられて空気圧を測定してよい。ここで、空気圧センサー１６０、１７０は、第１ガスポケット部１２０及び第２ガスポケット部１３０に位置して、第１捕集空間１２１及び第２捕集空間１３１の空気圧を測定してよい。
この際、空気圧センサー１６０、１７０は、一例として測定された空気圧測定値が一定圧力以上の際に、通知音、又は通知光のうちの少なくともいずれか一つ以上を発生させてよい。
また、空気圧センサー１６０、１７０は、他の例として測定された空気圧測定値をモニタリング装置に伝達してよい。この際、モニタリング装置は、例えば、バッテリーマネジメントシステム（ＢＭＳ）であってよい。
前記のように構成された本発明の一実施形態による二次電池Ｓ１は、ガスを捕集して排出させる第１ガスポケット部１２０及び第２ガスポケット部１３０を含むことにより、内部ガスが捕集される多くの空間を安定的に確保することができ、内部ガスを電池の外部空気と電池の内部空気とが直接連結されないように排出させ得る。
また、第１ガスポケット部１２０及び第２ガスポケット部１３０に所定の圧力以上の際に開放されてガスを排出させる第１排出部１２２及び第２排出部１３２をそれぞれ形成することにより、第１ガスポケット部１２０及び第２ガスポケット部１３０に収容されたガスを容易に排出させることができ、これにより電池の寿命が延長され得る。
さらに、第２ガスポケット部１３０の内部にガスセンサー１５０を位置させることにより、第２捕集空間１３１でのガス発生有無又はガス成分を測定することができる。
（他の実施形態による二次電池）
以下では、本発明の他の実施形態による二次電池を説明する。
図６は、本発明の他の実施形態による二次電池を示す断面図であり、図７は、本発明の他の実施形態による二次電池の第１、２排出部を示す平面図であり、図８は、本発明の他の実施形態による二次電池の第１、２排出部の閉状態を示す断面図であり、図９は、本発明の他の実施形態による二次電池の第１、２排出部の開状態を示す断面図である。
図６～図９を参考すれば、本発明の他の実施形態による二次電池Ｓ２は、電極組立体２００及び電極組立体２００が収容される電池ケース１００を含み、電池ケース１００は、第１捕集空間１２１が形成されてガスが排出される第１排出部１１２２が備えられた第１ガスポケット部１２０、及び第２捕集空間１３１が形成されてガスが排出される第２排出部１３２が備えられた第２ガスポケット部１３０を含む。
また、本発明の他の実施形態による二次電池Ｓ２は、ガス発生有無又はガス成分を測定するガスセンサー１５０及び空気圧を測定する空気圧センサー１６０、１７０をさらに含んでよい。
本発明の他の実施形態による二次電池Ｓ２は、前述した本発明の一実施形態による二次電池と比べると、第１、２排出部１１２２、１１３２の切開ライン１１２２ａ、１１２２ｂ、１１３２ａ、１１３２ｂに粘着液１１２２ｄ、１１３２ｄがさらに位置するという点で異なる。したがって、本二次電池Ｓ２に対する他の実施形態は、前述した二次電池に対する一実施形態と重複する内容は省略するか簡単に記述し、相違点を中心に記述する。
より詳しくは、電池ケース１００は、電極組立体２００を収容してよい。
電池ケース１００は、第１捕集空間１２１が形成されて第１排出部１１２２が備えられた第１ガスポケット部１２０、及び第２捕集空間１３１が形成されて第２排出部１３２が備えられた第２ガスポケット部１３０を含む。
また、電池ケース１００は、電極組立体２００が収容される収容部１１１が形成された本体１１０をさらに含んでよい。
第１ガスポケット部１２０は、電池ケース１００の内部ガスが捕集される第１捕集空間１２１が形成され、第１捕集空間１２１に位置したガスが排出される第１排出部１１２２が備えられてよい。
第１ガスポケット部１２０は、収容部１１１と第１捕集空間１２１とが連結されるように本体１１０の側面に沿って延在してよい。
第２ガスポケット部１３０は、第１ガスポケット部１２０の第１排出部１１２２から排出されるガスが捕集される第２捕集空間１３１が形成され、第２捕集空間１３１に位置したガスが外部に排出される第２排出部１３２が備えられてよい。
第２ガスポケット部１３０は、第２捕集空間１３１と第１捕集空間１２１とが第１貫通孔間に連結されるように第１ガスポケット部１２０の上部に備えられてよい。
第１排出部１１２２は、第１捕集空間１２１と第２捕集空間１３１との間を貫通する第１貫通孔上に位置して、第１貫通孔の開閉を制御することができる。
第２排出部１３２は、第２捕集空間１３１と電池ケース１００の外部の間を貫通する第２貫通孔上に位置して、第２貫通孔の開閉を制御することができる。
第１排出部１１２２及び第２排出部１３２は、第１切開部１１２２ｃ及び第２切開部１１３２ｃが形成され、弾性材料で形成されるので、所定の圧力以上の際に第１切開部１１２２ｃ及び第２切開部１１３２ｃが開き、第１貫通孔及び第２貫通孔を開放させ得る。
第１切開部１１２２ｃ及び第２切開部１１３２ｃは、２～４個の切開ライン１１２２ａ、１１２２ｂ、１１３２ａ、１１３２ｂで形成されてよい。ここで、第１切開部１１２２ｃ及び第２切開部１１３２ｃは、十字（「＋」）状の切開ライン１１２２ａ、１１２２ｂ、１１３２ａ、１１３２ｂで形成されてよい。
第１排出部１１２２及び第２排出部１３２の開放圧力は、相互に差があるように備えられてよい。この際、第１排出部１１２２及び第２排出部１３２は、互いに弾性度が異なる材料で形成され、第１排出部１１２２及び第２排出部１３２の開放圧力は、相互に差があるように備えられてよい。この際、第１排出部１１２２の開放圧力は、第２排出部１３２の開放圧力よりも大きく備えられてよい。
第１排出部１１２２及び第２排出部１３２は、第１切開部１１２２ｃ及び第２切開部１１３２ｃ上に位置する粘着液１１２２ｄ、１１３２ｄをさらに含み、第１切開部１１２２ｃ及び第２切開部１１３２ｃを追加的に密封し、第１切開部１１２２ｃ及び第２切開部１１３２ｃがガス圧力により開く際に第１切開部１１２２ｃ及び第２切開部１１３２ｃを密封する粘着力が解除されることがある。
これにより、粘着液１１２２ｄ、１１３２ｄを介して第１切開部１１２２ｃ及び第２切開部１１３２ｃをより堅固に密封することにより、第１排出部１１２２の第１切開部１１２２ｃ及び第２排出部１３２の第２切開部１１３２ｃの間から所定の圧力以下でガス及び電解液の漏れをより効果的に防止することができる。
さらに、前記のような構成を有する多数の二次電池を電気的に連結して電池パックを構成することができる。
以上、本発明を具体的な実施形態に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明に係る二次電池はこれに限定されるものではない。本発明の技術的思想内において当該分野の通常の知識を有する者により様々な実施が可能である。
また、発明の具体的な保護範囲は、添付の特許請求の範囲により明らかになる。
Ｓ１、Ｓ２ 二次電池
１００ 電池ケース
１１０ 本体
１１１ 収容部
１２０ 第１ガスポケット部
１２１ 第１捕集空間
１２２、１１２２ 第１排出部
１２２ａ、１２２ｂ、１３２ａ、１３２ｂ、１１２２ａ、１１２２ｂ、１１３２ａ、１１３２ｂ 切開ライン
１２２ｃ、１１２２ｃ 第１切開部
１２３ 第１貫通孔
１３０ 第２ガスポケット部
１３１ 第２捕集空間
１３２、１１３２ 第２排出部
１３２ｃ、１１３２ｃ 第２切開部
１３３ 第２貫通孔
１５０ ガスセンサー
１６０、１７０ 空気圧センサー
２００ 電極組立体
２１０ 正極
２２０ 負極
２３０ 電極
２４０ 分離膜
２５０ 電極タップ
３００ 電極リード
１１２２ｄ、１１３２ｄ 粘着液

Claims (13)

  1. 電極及び分離膜が交互に積層された電極組立体と、
    前記電極組立体が収容される電池ケースと、を含み、
    前記電池ケースは、
    前記電池ケースの内部ガスが捕集される第１捕集空間が形成され、前記第１捕集空間に位置したガスが排出される第１排出部が備えられた第１ガスポケット部と、
    前記第１ガスポケット部の前記第１排出部から排出されるガスが捕集される第２捕集空間が形成され、前記第２捕集空間に位置したガスが外部に排出される第２排出部が備えられた第２ガスポケット部と、を含み、
    前記第１排出部は、前記第１捕集空間と前記第２捕集空間との間を貫通する第１貫通孔上に位置して、前記第１貫通孔の開閉を制御し、
    前記第２排出部は、前記第２捕集空間と前記電池ケースの外部の間を貫通する第２貫通孔上に位置して、前記第２貫通孔の開閉を制御し、
    前記第１排出部及び前記第２排出部は、第１切開部及び第２切開部が形成され、弾性材料で形成され、所定の圧力以上の際に前記第１切開部及び前記第２切開部が開き、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔を開放させる、二次電池。
  2. 前記電池ケースは、前記電極組立体が収容される収容部が形成された本体を含み、
    前記第１ガスポケット部は、前記収容部と前記第１捕集空間とが連結されるように前記本体の側面に沿って延在し、
    前記第２ガスポケット部は、前記第２捕集空間と前記第１捕集空間とが前記第１貫通孔間に連結されるように前記第１ガスポケット部の上部に備えられる、請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記第１切開部及び前記第２切開部は、２～４個の切開ラインで形成される、請求項１または２に記載の二次電池。
  4. 前記第１切開部及び前記第２切開部は、十字（「＋」）状の切開ラインで形成される、請求項１～３のいずれか一項に記載の二次電池。
  5. 前記第１排出部及び前記第２排出部は、前記第１切開部及び前記第２切開部上に位置する粘着液をさらに含み、前記第１切開部及び前記第２切開部を追加的に密封し、前記第１切開部及び前記第２切開部がガス圧力により開く際に前記第１切開部及び前記第２切開部を密封する粘着力が解除される、請求項１～４の何れか一項に記載の二次電池。
  6. 前記第１排出部及び前記第２排出部の開放圧力は、相互に差があるように備えられる、請求項１～５の何れか一項に記載の二次電池。
  7. 前記第１排出部及び前記第２排出部は、互いに弾性度が異なる材料で形成され、前記第１排出部及び前記第２排出部の開放圧力は、相互に差があるように備えられる、請求項１～６の何れか一項に記載の二次電池。
  8. 前記第１排出部の開放圧力は、前記第２排出部の開放圧力よりも大きく備えられる、請求項６に記載の二次電池。
  9. 前記第２ガスポケット部の内部に備えられて前記第２捕集空間でのガス発生有無又はガス成分を測定するガスセンサーをさらに含む、請求項１～８の何れか一項に記載の二次電池。
  10. 前記ガスセンサーは、二酸化炭素（ＣＯ２）の発生を感知する、請求項９に記載の二次電池。
  11. 前記ガスセンサーは、ガス発生の際に通知信号、通知音、又は通知光のうちの少なくともいずれか一つ以上を発生させる、請求項９に記載の二次電池。
  12. 前記第１ガスポケット部又は前記第２ガスポケット部のうちの少なくともいずれか一つ以上の内部に備えられて空気圧を測定する空気圧センサーをさらに含む、請求項１～１１の何れか一項に記載の二次電池。
  13. 請求項１～１２のいずれか一項に記載の二次電池を含む電池パック。
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