KR101223848B1 - 전지 실장체, 적층 전지 어셈블리 및 필름 외장 전지 - Google Patents

전지 실장체, 적층 전지 어셈블리 및 필름 외장 전지 Download PDF

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Abstract

밀봉 신뢰성을 확보하면서, 필름 외장 전지 내에 고압의 가스가 충만하다고 하는 위험한 상태가 발생하는 것을 방지 가능한 전지 실장체, 전지 어셈블리 및 필름 외장 전지를 제공한다.
전지 실장체는 전지 요소와 전지 요소가 수용된 밀폐 공간을 형성하고 있는 외장 필름을 포함하는 필름 외장 전지(1)와, 필름 외장 전지(1)를 유지하는 유지 부재(10)를 갖는다. 밀폐 공간에는 전지 요소를 수용하고 있는 수용부와, 수용부와 연통하고 밀폐 공간의 내압 상승에 의해 불룩해지는 포켓이 설치된다. 포켓에는 포켓의 팽창에 의해 작동하는 안전 밸브가 설치되어 있다. 유지 부재(10)는 개구부를 갖고, 수용부를 수납하는 수납부를 포함한다. 포켓의 적어도 일부 및 안전 밸브는 수용부가 수납부에 수납되었을 때에, 개구부로부터 유지 부재의 외부로 돌출된다.

Description

전지 실장체, 적층 전지 어셈블리 및 필름 외장 전지{PACKAGED BATTERY, STACKED BATTERY ASSEMBLY, AND FILM-COVERED BATTERY}
본 발명은, 외장 필름으로 형성된 밀폐 공간에 전지 요소를 수용한 필름 외장 전지, 전지 실장체 및 적층 전지 어셈블리에 관한 것이다.
필름을 외장재로서 이용한 필름 외장 전지가 알려져 있다. 필름 외장 전지에서는, 일반적으로 정극판, 부극판 및 전해액 등으로 구성되는 전지 요소가, 필름으로 형성된 밀폐 공간에 수용되어 있다.
또한, 밀폐 공간은 필름으로 전지 요소를 포위한 상태로 전지 요소의 주위에서 대향하는 필름을 열융착함으로써 형성된다. 또한, 전지 요소의 정극판 및 부극판에는, 각각 리드 단자가 접속된다. 이들 리드 단자는, 필름으로부터 돌출되어 있다.
필름 외장 전지에 규격 범위 외의 전압이 인가되면, 전해액 용매의 전기 분해에 의해 가스가 발생한다. 그 가스의 발생에 의해 밀폐 공간의 내압이 상승한다. 또한, 필름 외장 전지가 규격 범위 외의 고온에서 사용되어도, 전해질염의 분해 등에 의해 가스를 근본으로 하는 물질이 생성된다.
기본적으로는, 규격 범위 내에서 필름 외장 전지를 사용하여 가스를 발생시키지 않는 것이 이상적이다. 그러나, 이상한 전압이 필름 외장 전지에 인가되어 필름 외장 전지를 제어하는 제어 회로가 고장나거나, 어떠한 원인으로 주위가 이상하게 고온으로 되거나 하면, 밀폐 공간 내에 대량의 가스가 발생하는 경우도 있다.
밀폐 공간 내에서 가스가 발생하면, 밀폐 공간의 내압이 상승한다. 이 때문에, 필름의 파열 또는 필름의 열융착 개소의 박리가 발생하여, 거기서부터 가스가 분출된다. 필름의 파열 및 필름의 박리가 생기는 개소를 특정할 수 없기 때문에, 필름이 파열 또는 박리한 장소에 따라서는, 주위의 기기에 악영향을 끼칠 가능성이 있다.
특허 문헌 1(일본 특허 공개 제2005-203262호 공보)에는, 필름 외장 전지의 내부에서 발생하는 가스를, 필름 외장 전지의 특정한 개소로부터, 외부로 분출시키는 것이 가능한 필름 외장 전지가 기재되어 있다.
이 필름 외장 전지에서는, 전지 요소를 포위하는 공간과 연속되는 후미 형상(inlet-shape)의 비융착부가, 필름의 열융착 영역에 인접하여 설치되어 있다. 전지 요소로부터 발생한 가스에 의해 내압이 상승하면, 그 가스는 비융착부에 진입하고, 비융착부의 외장 필름을 팽창시킨다.
비융착부가 팽창되면, 필름의 열융착 개소를 박리시키는 응력이, 비융착부에 인접한 열융착 개소에 집중한다. 이 때문에, 이 응력이 집중하는 개소(이하 「응력 집중부」라고 칭함)에서의 필름의 박리가, 다른 열융착 영역에 우선하여 진행된다.
응력 집중부의 근방에는, 구멍 등의 압력 개방부가 설치되어 있다. 응력 집중부에서의 박리가 진행되면, 박리 개소가 압력 개방부에 도달한다. 박리 개소가 압력 개방부에 도달하면, 필름 외장 전지의 내부와 외부가 압력 개방부를 통하여 연통한다. 이에 의해, 필름 외장 전지의 내부에서 발생한 가스가 압력 개방부로부터 외부로 방출된다. 따라서, 가스를 특정한 개소(압력 개방부)로부터 분출시키는 것이 가능하게 된다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 제2005-203262호 공보
특허 문헌 1에 기재된 필름 외장 전지에서는, 비융착부가 크게 불룩해질수록, 열융착부를 박리시키기 위한 응력이 커진다.
도 1a 및 도 1b는, 비융착부가 불룩해졌을 때의 크기와, 열융착부를 박리시키기 위한 응력과의 관계를 설명하기 위한 설명도이다. 또한, 도 1a 및 도 1b에서, 비융착부(100c) 및 열융착부(100a)를 형성하는 외장 필름(5)의 단면에는, 해칭을 부여하고 있지 않다.
도 1a 및 도 1b에서, 열융착부(100a)를 박리시키기 위한 응력 F는, 열융착부(100a)의 융착면(100b)에 대해 수직으로 작용하는 힘으로 된다. 이 때문에, 도 1a 및 도 1b에서 비융착부(100c)에 관한 응력 f가 동등한 경우, 응력 f의 방향과 융착면(100b)에 대해 수직인 방향(응력 f의 방향)이 이루는 각도 θ가 작을수록, 열융착부(100a)를 박리시키기 위한 응력 f는 커진다(예를 들면, F=fcosθ).
도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 비융착부(100b)가 크게 불룩해질수록, 비융착부(100c) 중, 융착면(100b)에 대해 수직으로 근접하게 되는 부분이 많아진다. 그리고, 이 부분이 많아지면, 열융착부(100a)를 박리시키기 위한 응력 f가 커진다.
또한, 다른 견해를 보면 이하와 같이도 설명할 수 있다. 필름이 그 내측으로부터 가스에 의한 내압을 받았을 때에, 반대측에 팽창을 규제하는 부재가 맞닿아 있는 경우는, 그 내압은 그 부재에 의한 항력에 의해 부정된다. 그러나, 팽창을 규제하는 부재가 그 부위에 맞닿아 있지 않은 경우는, 필름의 면내 방향의 인장 응력(장력)에 의해 내압이 지지된다. 따라서, 팽창을 규제하는 부재가 맞닿아 있지 않은 필름의 면적이 커지면, 내압과 면적의 곱에 의해 계산되는 힘이 커짐으로써, 장력도 커진다. 이 점으로부터, 비융착부(100c)가 불룩해졌을 때에, 팽창을 규제하는 부재가 맞닿아 있지 않은 부분의 면적이 클수록, 열융착부(100a)를 박리시키기 위한 응력 f가 커진다.
특허 문헌 1에 기재된 필름 외장 전지가, 유지 부재에 내장되어, 전지 실장체가 구성되는 경우, 비융착부가 불룩해지는 크기는, 유지 부재의 내부 공간의 높이에 의해 제한된다. 즉, 비융착부는 유지 부재의 내부 공간의 높이 이상으로 불룩해질 수 없다. 또한, 필름 외장 전지가 직접 적층된 경우, 인접하는 2개의 필름 외장 전지가, 비융착부와 마찬가지로 불룩해질 수 있는 공간의 높이를 규제하거나 하는 등, 팽창을 방해하도록 작용하게 된다.
이 때문에, 비융착부의 내압이 매우 높아지지 않으면, 압력 개방부가 설치되어 있는 열융착부, 즉 안전 밸브로서의 열융착부는 박리시키지 않게 된다. 이 때문에, 필름 외장 전지 내에 고압의 가스가 충만하다고 하는 문제가 생긴다.
필름 외장 전지가 유지 부재에 유지되어도, 가스의 발생에 의해 소정의 압력으로 되었을 때에, 안전 밸브로서 기능하는 열융착부가 박리시키도록 하기 때문에, 예를 들면 안전 밸브로서 기능하는 열융착부의 융착 강도를 약하게 하면, 통상 사용 시의 밀봉 신뢰성이 저하되게 된다. 통상 사용 시의 밀봉 신뢰성을 중시하면, 안전 밸브로서 기능하는 열융착부의 융착 강도도, 안전 밸브 이외의 부위의 열융착부의 융착 강도와 동일하거나, 가능한 한 근접하게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 이 경우 높은 압력으로 되지 않으면 안전 밸브가 개방되지 않고, 안전 밸브 이외의 부위의 열융착부의 쪽에서 밀봉 파괴가 일어나게 되는 리스크도 증대한다.
또한, 필름 외장 전지 내에 고압의 가스가 충만하다고 하는 문제는, 필름 외장 전지가 유지 부재에 유지되었을 때에만 생기는 것이 아니라, 비융착부가 크게 불룩해지지 않을 때에 생긴다.
본 발명의 목적은, 전술한 과제를 해결하는 것이 가능한 전지 실장체, 적층 전지 어셈블리 및 필름 외장 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 전지 실장체는, 전지 요소와 상기 전지 요소가 수용된 밀폐 공간을 형성하고 있는 외장 필름을 포함하는 필름 외장 전지와, 상기 필름 외장 전지를 유지하는 유지 부재를 갖고, 상기 밀폐 공간에는, 상기 전지 요소를 수용하고 있는 수용부와, 상기 수용부와 연통하고 상기 밀폐 공간의 내압 상승에 의해 불룩해지는 포켓이 설치되고, 상기 포켓에는, 상기 포켓의 팽창에 의해 작동하는 안전 밸브가 설치되어 있는 전지 실장체로서, 상기 유지 부재는, 개구부를 갖고, 상기 수용부를 수납하는 수납부를 포함하고, 상기 포켓의 적어도 일부 및 상기 안전 밸브는, 상기 수용부가 상기 수납부에 수납되었을 때에, 상기 개구부로부터 상기 유지 부재의 외부로 돌출된다.
본 발명의 제2 전지 실장체는, 전지 요소와 상기 전지 요소가 수용된 밀폐 공간을 형성하고 있는 외장 필름을 포함하는 필름 외장 전지와, 상기 필름 외장 전지를 유지하는 유지 부재를 갖고, 상기 밀폐 공간에는, 상기 전지 요소를 수용하고 있는 수용부와, 상기 수용부와 연통하고 상기 밀폐 공간의 내압 상승에 의해 불룩해지는 포켓이 설치되고, 상기 포켓에는, 상기 포켓의 팽창에 의해 작동하는 안전 밸브가 설치되어 있는 전지 실장체로서, 상기 유지 부재는, 개구부를 갖고, 상기 포켓은 절곡되어 있거나, 감겨져 있고, 상기 내압 상승에 의해, 절곡된 또는 감겨진 상태가 풀어져서 상기 개구부로부터 상기 유지 부재의 외부에 상기 포켓의 적어도 일부 및 상기 안전 밸브가 돌출된다.
본 발명의 제3 전지 실장체는, 전지 요소와 상기 전지 요소가 수용된 밀폐 공간을 형성하고 있는 외장 필름을 포함하는 필름 외장 전지와, 상기 필름 외장 전지를 유지하는 유지 부재를 갖고, 상기 밀폐 공간에는, 상기 전지 요소를 수용하고 있는 수용부와, 상기 수용부와 연통하고 상기 밀폐 공간의 내압 상승에 의해 불룩해지는 포켓이 설치되고, 상기 포켓에는, 상기 포켓의 팽창에 의해 작동하는 안전 밸브가 설치되어 있는 전지 실장체로서, 상기 유지 부재에는, 상기 필름 외장 전지가 상기 유지 부재에 유지되었을 때에 상기 포켓에 적어도 일부 및 상기 안전 밸브와 대향하는 개소에, 절결부가 설치되어 있다.
본 발명의 제1 적층 전지 어셈블리는, 필름 외장 전지가 복수 적층되어 이루어지는 적층 전지 어셈블리로서, 상기 필름 외장 전지는, 전지 요소와, 상기 전지 요소가 수용된 밀폐 공간을 형성하고 있는 외장 필름을 포함하고, 상기 밀폐 공간에는, 상기 전지 요소를 수용하고 있는 수용부와, 상기 수용부와 연통하고 상기 밀폐 공간의 내압 상승에 의해 불룩해지는 포켓이 설치되고, 상기 포켓에는, 상기 포켓의 팽창에 의해 작동하는 안전 밸브가 설치되고, 상기 포켓은, 상기 필름 외장 전지에서, 상기 적층 방향과 직교하는 측에 설치되고, 인접하는 상기 필름 외장 전지에서는, 상기 필름 외장 전지에 상기 포켓이 설치된 위치가 서로 다르다.
본 발명의 제2 적층 전지 어셈블리는, 필름 외장 전지가 복수 적층되어 이루어지는 적층 전지 어셈블리로서, 상기 필름 외장 전지는, 전지 요소와, 상기 전지 요소가 수용된 밀폐 공간을 형성하고 있는 외장 필름을 포함하고, 상기 밀폐 공간에는, 상기 전지 요소를 수용하고 있는 수용부와, 상기 수용부와 연통하고 상기 밀폐 공간의 내압 상승에 의해 불룩해지는 포켓이 설치되고, 상기 포켓에는, 상기 포켓의 팽창에 의해 작동하는 안전 밸브가 설치되고, 상기 포켓은 절곡되어 있거나, 감겨져 있고, 상기 내압 상승에 의해, 절곡된 또는 감겨진 상태가 풀어져서, 인접하는 전지의 외형보다도 외측에 상기 포켓의 적어도 일부 및 상기 안전 밸브가 돌출된다.
본 발명의 필름 외장 전지는, 정극판과 부극판이 적층된 전지 요소와, 상기 전지 요소가 수용되어 상기 전지 요소로부터 발생하는 가스에 의해 불룩해지는 밀폐 공간을 형성하고 있는 외장 필름을 포함하는 필름 외장 전지로서, 상기 정극판 또는 상기 부극판의 주면에 대향하는 상기 외장 필름에, 상기 외장 필름에 설치된 개구부를 융착하여 형성된 융착부가 설치되어 있다.
본 발명에 따르면, 통상 사용 시에서의 밀봉 신뢰성을 확보하면서, 이상 시에 필름 외장 전지 내에 고압의 가스가 충만하다고 하는 위험한 상태가 발생하는 것을 방지하는 것이 가능하게 된다.
도 1a는 비융착부가 불룩해졌을 때의 크기와, 열융착부를 박리시키기 위한 응력과의 관계를 설명하기 위한 설명도.
도 1b는 비융착부가 불룩해졌을 때의 크기와, 열융착부를 박리시키기 위한 응력과의 관계를 설명하기 위한 설명도.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태의 전지 실장체에 포함되는 필름 외장 전지의 분해 사시도.
도 3은 도 2에 도시한 필름 외장 전지의 평면도.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태의 전지 실장체를 도시한 평면도.
도 5는 도 4에 도시한 전지 실장체의 평면도.
도 6은 유지부(10a)의 사시도.
도 7은 외장 필름(5)에 작용하는 박리 응력을 설명하기 위한 설명도.
도 8은 비융착부에 작용하는 박리 응력을 설명하기 위한 설명도.
도 9는 비융착부의 팽창을 설명하기 위한 설명도.
도 10은 돌출 융착부(5d)에서의 외장 필름(5)의 박리의 진행을 설명하기 위한 설명도.
도 11a는 돌출 융착부의 다른 예를 나타낸 설명도.
도 11b는 돌출 융착부의 다른 예를 나타낸 설명도.
도 11c는 돌출 융착부의 다른 예를 나타낸 설명도.
도 12는 안전 밸브의 압력 개방부의 다른 예를 나타낸 설명도.
도 13은 응력 집중부의 다른 예를 나타낸 설명도.
도 14는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 적층 전지 어셈블리를 도시한 사시도.
도 15는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 적층 전지 어셈블리를 도시한 사시도.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 적층 전지 어셈블리를 도시한 사시도.
도 17a는 포켓(팽창 예정부)의 다른 예를 나타낸 설명도.
도 17b는 포켓(팽창 예정부)의 다른 예를 나타낸 설명도.
도 17c는 포켓(팽창 예정부)의 다른 예를 나타낸 설명도.
도 18a는 포켓(팽창 예정부)의 또 다른 예를 나타낸 설명도.
도 18b는 포켓(팽창 예정부)의 또 다른 예를 나타낸 설명도.
도 19a는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 전지 실장체를 도시한 평면도.
도 19b는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 전지 실장체를 도시한 평면도.
도 19c는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 전지 실장체를 도시한 평면도.
도 20a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 필름 외장 전지를 도시한 설명도.
도 20b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 필름 외장 전지를 도시한 설명도.
<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>
다음으로, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전지 실장체에 포함되는 필름 외장 전지의 분해 사시도이다.
필름 외장 전지(1)는, 복수의 정극판 및 부극판을 적층한 구조를 갖는 편평한 대략 직방체 형상의 전지 요소(2)와, 전지 요소(2)의 정극 및 부극에 각각 접속된 정극 리드(3) 및 부극 리드(4)와, 정극 리드(3) 및 부극 리드(4)의 일부를 연장시켜 전지 요소(2)를 밀봉하는 외장 필름(5)을 갖는다.
전지 요소(2)는, 전극 재료가 양면에 도포된 금속박으로 이루어지는 복수의 정극판 및 복수의 부극판이 세퍼레이터들을 통하여 교대로 적층되어 구성되어 있다.
각 정극판 및 각 부극판의 한 변에는, 전극 재료가 도포되어 있지 않은 미도포 부분이 설치되어 있다. 정극판의 미도포부 및 부극판의 미도포부끼리가, 일괄하여 초음파 용접되고, 정극판의 미도포부끼리가 정극 리드(3)와 접속되고, 부극판의 미도포부끼리가 부극 리드(4)와 접속되어 있다. 본 실시 형태에서는, 정극 리드(3)와 부극 리드(4)는, 필름 외장 전지(1)의 서로 대향하는 변으로부터 인출되어 있다.
리튬 이온 전지 등의 비수전해질 전지의 경우, 정극을 구성하는 금속박에는 알루미늄박이 이용되고, 부극을 구성하는 금속박에는 동(copper)박이 이용된다. 정극 리드(3)에는 알루미늄판이 이용되고, 부극 리드(4)에는 니켈판 또는 동판이 이용된다. 부극 리드(4)로서 동판이 이용되는 경우, 그 동판의 표면에 니켈 도금이 실시되어도 된다.
세퍼레이터로서는, 폴리올레핀 등의 열가소성 수지로 만들어진 마이크로 폴러스 필름(미다공 필름), 부직포 또는 직포 등, 전해액을 함침할 수 있는 시트 형상의 부재가 이용된다.
외장 필름(5)은, 전지 요소(2)를, 전지 요소(2)의 두께 방향의 양측으로부터 사이에 두고 포위하는 2매의 라미네이트 필름으로 이루어진다. 전지 요소(2)의 주위에서 서로 겹쳐진 외장 필름(5)의 대향면끼리가 열융착됨으로써, 전지 요소(2)가 수용된 밀폐 공간이 형성된다.
도 2에는, 외장 필름(5)의 열융착되는 영역이, 밀봉 영역(5a)으로서, 사선으로 나타내어져 있다.
각 외장 필름(5)의 중앙 영역에는, 컵부(5b)가 형성되어 있다. 컵부(5b)는, 전지 요소(2)를 수용하는 공간인 수용부를 형성한다. 컵부(5b)는, 예를 들면 딥 드로잉 성형에 의해 가공된다.
도 2에 나타낸 예에서는, 양방의 외장 필름(5)에 컵부(5b)가 형성되어 있지만, 컵부(5b)는 외장 필름(5) 중 어느 한쪽에만 형성되어도 된다. 또한, 컵부(5b)가 형성되어 있지 않고, 외장 필름(5)의 유연성을 이용하여, 전지 요소(2)를 포위하여 수납하는 수용부가 설치되어도 된다.
외장 필름(5)을 구성하는 라미네이트 필름으로서는, 유연성을 갖고 있고, 또한 전해액이 누설되지 않도록 전지 요소(2)를 밀봉할 수 있는 것이면, 이 종류의 필름 외장 전지에 일반적으로 이용되는 필름을 이용할 수 있다.
외장 필름(5)에 이용되는 라미네이트 필름의 대표적인 층 구성으로서는, 금속 박막층과 열융착성 수지층이 적층된 구성, 또는 금속 박막층의 열융착 수지층과 반대측의 면에, 또한 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 폴리에스테르나 나일론 등의 필름으로 이루어지는 보호층이 적층된 구성을 들 수 있다. 전지 요소(2)를 밀봉하는 경우, 열융착성 수지층을 대향시켜 전지 요소(2)가 포위된다.
금속 박막층으로서는, 예를 들면 두께 10㎛∼100㎛의, Al, Ti, Ti 합금, Fe, 스테인레스 스틸, Mg 합금 등의 박이 이용된다.
열융착성 수지층에 이용되는 수지는, 열융착이 가능한 수지이면 특별히 제한은 없다. 예를 들면, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 이들의 산 변성물, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 폴리에스테르, 폴리아미드, 에틸렌-아세트산 비닐 공중합체 등이, 열융착성 수지층으로서 이용된다. 열융착성 수지층의 두께는 10㎛∼200㎛가 바람직하고, 보다 바람직하게는 30㎛∼100㎛이다.
다음으로, 필름 외장 전지(1)의 밀봉 영역(5a)에서의 특징적인 구조에 대해, 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은, 도 2에 도시한 필름 외장 전지(1)의 평면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 밀봉 영역(5a)의 한 변에는, 외장 필름(5)끼리가 열융착되어 있지 않은 부위인 비융착부(7)가, 컵부(5b)(수용부)에 연통한 상태에서 설치되어 있다.
비융착부(7)가 컵부(5b)와 연통한 상태에서 설치되어 있는 것에 수반하여, 외장 필름(5)은, 그 전체 둘레에 걸쳐서 일정한 밀봉 영역(5a)을 확보하기 위해, 비융착부(7)가 설치된 개소의 외측에 융기 융착부(5c)를 갖는다.
또한, 외장 필름(5)에는 비융착부(7)의 외측의 밀봉 영역(5a)으로부터 컵부(5b)를 향하여 돌출된 돌출 융착부(5d)가 형성되어 있다. 돌출 융착부(5d)에는, 외장 필름(5)을 관통하는 관통 구멍(8)이 형성되어 있다. 또한, 돌출 융착부(5d)와 관통 구멍(8)에 안전 밸브(8a)가 형성된다.
컵부(5b), 융기 융착부(5c)(밀봉 영역(5a)) 및 돌출 융착부(5d)에 둘러싸인 비융착부(7)가 형성하는 공간(이하 「팽창 예정부」라고 칭함)은, 컵부(5b)(수용부)와 연통하고, 그 불룩해진 예정부와, 컵부(5b)가 연통하고 있는 공간은, 밀봉 영역(5a)에서 밀폐되어 있다. 여기서, 불룩해진 예정부, 융기 융착부(5c), 안전 밸브(8a)로 이루어지는 부분이 본 발명에서의 포켓에 해당한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전지 실장체를 도시한 평면도이며, 도 5는, 도 4에 도시한 전지 실장체를 화살표 A 방향으로부터 본 경우의 평면도이다. 또한, 도 4 및 도 5에서, 도 2 또는 도 3에 도시한 것과 동일한 것에는 동일 부호를 붙이고 있다.
본 실시 형태의 전지 실장체(9)는 필름 외장 전지(1)와, 유지 부재(10)를 포함한다.
유지 부재(10)는, 유지부(10a)와 유지부(10b)가 고착되어 이루어지고, 필름 외장 전지(1)의 컵부(수용부)(5b)를 내부에 수납하고, 비융착부(7), 융기 융착부(5c)(밀봉 영역(5a)), 돌출 융착부(5d) 및 관통 구멍(8)을 외부로 돌출시키는 개구부(10c)를 갖는다. 본 실시 형태에서는, 유지부(10a)와 유지부(10b)는 동일 형상으로 한다.
도 6은, 유지부(10a)를 도시한 사시도이다.
도 6에서, 유지부(10a)는 개구부(10c)를 형성하는 오목부(10a1)와, 리드를 통과시키는 개구를 형성하는 오목부(10a2) 및 오목부(10a3)와, 컵부(수용부)(5b)를 수납하는 수납부(10a4)를 갖는다. 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 수납부(10a4)는 개구부(10c)를 갖는다.
유지부(10a)와 유지부(10b)는, 수납부(10a4)에 컵부(수용부)(5b)가 수납된 상태에서, 오목부(10a1)끼리가 비융착부(7)를 통하여 대향하도록 고착된다.
필름 외장 전지(1)가 유지 부재(10)에 유지되어 있는 상태에서, 필름 외장 전지(1)에 규격 범위 외의 전압이 인가되거나, 필름 외장 전지(1)가 일시적으로 고온으로 되거나 하면, 전지 요소(2)로부터 가스가 발생하고, 컵부(5b) 및 비융착부(7)에서 형성되는 밀폐 공간의 내압이 상승한다.
이 밀폐 공간의 내압이 상승하면, 비융착부(7)에서 규정되는 불룩해진 예정부는 불룩해진다. 이 불룩해진 예정부는, 개구부(10c)를 통하여, 유지 부재(10)의 외부로 돌출되어 있다. 이 때문에, 불룩해진 예정부는, 유지 부재(10)에 의해 팽창이 억제되지 않고, 전지 요소(2)를 수용하고 있는 밀폐 공간에서 발생하는 가스에 의해 불룩해진다. 즉, 포켓이 불룩해진다.
포켓이 부풀어져 점점 커짐에 따라서, 포켓에 발생하는 장력 중에서, 돌출 융착부(5d)를 박리시키기 위한 응력 성분이 커진다(도 1a 및 도 1b 참조). 포켓이 소정의 크기까지 불룩해지면, 포켓에 발생하는 장력에 의해, 돌출 융착부(5d)는 박리되고, 이 박리가 관통 구멍(8)의 위치까지 도달하면, 전지 요소(2)를 수용하고 있는 밀폐 공간이 관통 구멍(8)을 통하여 필름 외장 전지(1)의 외부와 연통하고, 밀폐 공간에서 상승한 압력은 관통 구멍(8)을 통하여 개방된다.
따라서, 필름 외장 전지(1) 내에 고압의 가스가 충만하다고 하는 위험한 상태가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 포켓이 유지 부재(10)의 두께(유지 부재(10)에 의해 규제되는 수납 공간)보다 크게 불룩해지기 때문에, 밀폐 공간의 내압이 작아도, 돌출 융착부(5d)에 작용하는 박리 응력은 커진다. 이 때문에, 돌출 융착부(5d)의 융착 강도를 약하게 할 필요가 없어진다. 따라서, 밀폐 공간의 밀봉 신뢰성의 저하를 방지하는 것이 가능하게 된다.
이하에, 내압 상승에 수반하는 외장 필름(5)의 박리의 진행에 대해서 상세하게 설명한다.
외장 필름(5)의 열융착된 영역과 열융착되어 있지 않은 영역과의 경계가 요철이 없는 형상으로 되어 있는 경우에는, 도 7에 도시한 바와 같이, 박리 응력 f1은 한쪽 방향으로만 작용하고, 박리는 외장 필름(5)의 외연을 향하여 진행되어 간다.
그런데, 돌출 융착부(5d)가 설치된 경우에는, 도 8에 도시한 바와 같이, 비융착부(7)에 가스가 충만하여 돌출 융착부(5d)의 양측에서 외장 필름(5)이 불룩해지므로, 돌출 융착부(5d)의 양측에 박리 응력 f2가 작용한다.
덧붙이면, 컵부(5b)의 팽창은 유지 부재(10)에 의해 억제되는 것에 비해, 비융착부(7)의 팽창은 유지 부재(10)에 의해 억제되지 않는다. 따라서, 도 9에 도시한 바와 같이, 비융착부(7)는 컵부(5b)보다도 크게 불룩해진다. 또한, 도 9에서, 외장 필름(5)의 단면에는 해칭을 부여하고 있지 않다.
도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 바와 같이, 밀봉 영역(5a)을 박리시키기 위한 응력은, 컵부(5b)와 비융착부(7)에서 형성되는 밀폐 공간의 내압이 일정한 경우, 밀봉 영역(5a)에 인접하는 불룩해진 공간의 직경이 클수록 커진다. 이 때문에, 돌출 융착부(5d)에는, 컵부(5b)에 인접하는 밀봉 영역(5a)에 작용하는 것 보다 큰 박리 응력이 작용한다.
따라서, 돌출 융착부(5d)의 각부(corner)에는, 다른 밀봉 영역(5a)보다도 큰 박리 응력이 작용하고, 돌출 융착부(5d)의 각부의 외장 필름(5)이 다른 밀봉 영역(5a)에 우선하여 박리한다.
돌출 융착부(5d)의 각부에서 외장 필름(5)이 박리되면, 돌출 융착부(5d)의 각부는 라운딩을 띠게 되지만, 그럼에도 불구하고 여전히 돌출 융착부(5d)는 볼록 형상을 유지하고 있고, 돌출 융착부(5d)에는 복수의 방향으로부터 박리 응력이 작용한다.
따라서, 외장 필름(5)의 박리는, 이 볼록 형상의 선예도를 줄이면서, 최종적으로는 돌출 융착부(5d)가 거의 없어질 때까지, 다른 밀봉 영역(5a)보다도 우선적으로 진행된다.
도 10은, 돌출 융착부(5d)에서의 외장 필름(5)의 박리의 진행을 설명하기 위한 설명도이다.
도 10에 도시한 바와 같이, 돌출 융착부(5d)에서는 내압의 상승에 수반하여 a→b와 같이, 돌출 융착부(5d)의 양측으로부터 박리가 진행되어 간다.
외장 필름(5)의 박리 위치는, 외장 필름(5)의 재질, 돌출 융착부(5d)의 돌출 길이 L 및 내압에 의존한다. 따라서, 외장 필름(5)의 재질 및 돌출 융착부(5d)의 돌출 길이 L을 미리 결정해 두면, 관통 구멍(8)의 위치를 조정함으로써, 컵부(5b) 및 비융착부(7)에서 형성되는, 밀폐 공간의 내부와 외부가 연통할 때의 밀폐 공간을 개방하기 위한 압력(개방 압력)을, 임의로 설정할 수 있다.
구체적으로는, 관통 구멍(8)이 돌출 융착부(5d)의 선단(컵부(5b)측)에 가까운 위치에 설치되면, 낮은 내압에서 밀폐 공간의 압력을 관통 구멍(8)으로부터 개방할 수 있고, 관통 구멍(8)이 돌출 융착부(5d)의 근원 부근(밀봉 영역(5a)측)에 설치되면, 밀폐 공간의 압력은 높은 내압으로 될 때까지 개방되지 않는다.
필름 외장 전지(1)에서는, 바람직한 설계상의 개방 압력은 대기압으로부터의 상승분으로서, 0.05㎫∼1㎫이며, 보다 바람직하게는 0.1㎫∼0.2㎫이다.
개방 압력이 지나치게 낮으면, 일시적으로 대전류가 흐르거나 필름 외장 전지(1)가 일시적으로 고온으로 되거나 하였을 때 등의 경미한 문제가 있어도, 밀폐 공간이 개방되어, 필름 외장 전지(1)가 동작하지 않게 된다.
한편, 개방 압력이 지나치게 높으면, 관통 구멍(8)까지 외장 필름(5)의 박리가 진행되기 전에, 다른 밀봉 영역이 개구하고, 의도하지 않은 방향으로 가스가 분출하게 될 위험성이 증대된다.
이상 설명한 바와 같이 본 실시 형태에 따르면, 전지 실장체는 포켓이 불룩해졌을 때에, 포켓의 적어도 일부에서 유지 부재가 그 포켓의 팽창을 억제하거나 방해하지 않도록 하는 팽창 억제 방지부(예를 들면, 개구부(10c))를 포함한다.
구체적으로는, 안전 밸브(8a)가 설치되어 있는 포켓은 개구부(10c)를 통하여, 유지 부재(10)의 외부로 돌출되어 있다. 이 때문에, 포켓은 유지 부재(10)에 의해 팽창이 억제되지 않고, 밀폐 공간에서 발생하는 가스에 의해 불룩해지는 것이 가능하게 된다.
포켓이 불룩해질수록, 포켓에 발생하는 장력 중, 안전 밸브(8a)에 작용하는 응력 성분이 증가해 간다(도 19 참조). 포켓이 소정의 크기까지 불룩해지면, 포켓에 발생하는 장력에 의해, 안전 밸브(8a)가 개방하여, 밀폐 공간 내의 가스가 안전 밸브(8a)로부터 방출된다.
따라서, 안전 밸브(8a)를 구성하는 돌출 융착부의 융착 강도를 약하게 하지 않아도, 즉 밀봉 신뢰성을 저하시키지 않아도, 종래와 같이 포켓의 크기가 유지 부재(10)에 의해 억제되어, 포켓이 소정의 크기까지 불룩해지지 않게하며, 안전 밸브(8a)가 개방되지 않고, 필름 외장 전지(1) 내에 고압의 가스가 충만하다고 하는 위험한 상태가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 외장 필름(5)은 융기 융착부(5c)를 갖는 형상으로 되어 있다. 그 결과, 전지 요소(2)의 밀봉에 필요한 외장 필름(5)의 밀봉 영역(5a)을 비융착부(7)가 형성된 개소에서도 충분히 확보할 수 있으므로, 밀봉 신뢰성이 보다 향상된다.
또한, 도 3에서는 돌출 융착부(5d)의 형상을 삼각형상으로 하고 있지만, 돌출 융착부(5d)의 형상은, 전지 요소(2)를 수용하고 있는 수용부를 향하여 실질적으로 돌출되어 있으면 적절하게 변경 가능하다. 돌출 융착부(5d)의 몇 가지의 예를, 도 11a 내지 도 11c에 나타낸다.
도 11a에 도시한 돌출 융착부(36a)는, 원호 형상의 선단부를 갖고 있다. 도 11b에 나타낸 예는, 사각형상의 돌출 융착부(36b)이다. 도 11c에 나타낸 예는, 홈 베이스형의 돌출 융착부(36c)이다.
돌출 융착부(36a, 36b 및 36c)도, 선단측뿐만 아니라 양 측방의 비융착부에서도 외장 필름(5)이 부풀어지고, 결과적으로 선단측뿐만 아니라 측방으로부터도 박리 응력이 작용한다. 이 때문에, 돌출 융착부(36a, 36b 및 36c)의 선단부에 박리 응력이 집중하고, 다른 융착부와 비교하여 우선적으로 박리가 진행된다.
특히, 도 11c에 도시한 돌출 융착부(36c)는, 도 3에 도시한 돌출 융착부(5d)와 마찬가지로, 전지 요소(2)를 수용하는 수용부를 향하여 끝이 가는 형상이며, 선단이 뾰족하다. 이는 박리가 선단으로부터 진행되기 쉬운 형상이다.
도 3에 도시한 필름 외장 전지(1)에서는, 안전 밸브의 압력 개방부로서 관통 구멍이 이용되었지만, 압력 개방부는 관통 구멍에 한정되지 않고 적절하게 변경 가능하다.
예를 들면, 도 12에 도시한 바와 같이, 돌출 융착부(46)에 형성된 절입부(48)가, 압력 개방부로서 이용되어도 된다. 이 경우, 절입부(48)는, 전술한 관통 구멍과 마찬가지로 기능한다. 또한, 절입부(48)의 선단 위치를 변경함으로써, 개방 압력을 임의로 설정할 수 있다.
구조상, 압력 개방부는, 열융착부가 박리할 때, 전지 요소를 수용하는 수용부를 필름 외장 전지(1)의 외부와 연통할 수 있으면, 서로 겹쳐진 2매의 외장 필름을 관통한 구멍의 구조일 필요는 없다. 압력 개방부는 서로 겹친 2매의 외장 필름 중 한쪽에만 형성된 관통 구멍 또는 절입이어도 된다.
또한, 박리 응력이 집중하는 응력 집중부는, 돌출 융착부로서 설치되어 있을 필요는 없으며, 열융착부 중에서 박리 응력이 집중하여 작용하고, 결과적으로 다른 열융착부에 비하여 우선적으로 박리가 진행되게 하는 구조이면, 여러 가지의 구조를 적용할 수 있다.
도 13은, 응력 집중부의 다른 예를 나타낸 설명도이다.
도 13에서는, 전지 요소(2)를 수용하는 수용부에 연속한 후미 형상의 비융착부(57) 중에, 응력 집중부로서의 섬 형상 융착부(56)를 다른 융착부와 독립하여 형성하고 있다. 압력 개방부인 관통 구멍(58)은, 섬 형상 융착부(56) 내에 형성되어 있다.
도 13에 나타낸 예에서는, 전지 요소(2)를 수용하고 있는 수용부 내에서 가스가 발생하면, 발생한 가스는 비융착부(57)에 진입하고, 섬 형상 융착부(56)의 전체 둘레부에서 외장 필름(5)을 팽창시킨다. 이에 의해, 섬 형상 융착부(56)에는 박리 응력이 집중하여 작용하고, 다른 융착부에 우선하여 박리가 진행된다. 섬 형상 융착부(56)에서의 외장 필름(5)의 박리가 관통 구멍(58)까지 도달하면, 압력이 개방된다. 개방 압력은, 섬 형상 융착부(56)의 외연으로부터 관통 구멍(58)까지의 거리를 조정함으로써 임의로 설정할 수 있다.
도 13에 나타낸 예에서는, 관통 구멍에 의해 압력 개방부가 구성되었지만, 도 12를 이용하여 설명한 바와 같이, 압력 개방부는 관통 구멍이 아니라, 절입으로 할 수 있고, 또한 다르게는, 관통 구멍 또는 절입을, 서로 겹친 외장 필름의 한쪽을 통하거나 그 한쪽에만 형성하여도 된다.
또한, 전술한 각 예에 공통적으로, 응력 집중부에 박리 응력을 효과적으로 작용시킴으로써, 응력 집중부에서의 박리를 촉진시키고, 결과적으로 압력 개방을 보다 확실하게 행할 수 있다. 응력 집중부에 효과적으로 박리 응력을 작용시키기 위해서는, 비융착부가, 전지 요소(2)를 수용하고 있는 수용부에서 발생한 가스를 진입시키기 쉬운 구성인 것이 바람직하다.
예를 들면, 도 3에 도시한 바와 같이, 비융착부(7)의 적어도 한쪽의 측변을 따라 테이퍼 형상으로 할 수 있다. 이에 의해, 비융착부(7)가 좌우로 확장되어, 전지 요소(2)를 수용하고 있는 수용부에서 발생한 가스가 비융착부(7) 내에 진입하기 쉬워진다.
다른 방법으로는, 비융착부(7)가, 전지 요소(2)를 수용하는 수용부의 긴 쪽 변의 중앙부에 설치되어도 된다. 이 위치는, 비융착부(7)를 형성할 수 있는 영역 중에서 외장 필름(5)이 가장 불룩해지기 쉬운 위치이므로, 이 위치에 비융착부(7)를 설치함으로써, 전지 요소(2)를 수용하는 수용부에서 발생한 가스가 비융착부(7) 내에 진입하기 쉬워진다.
다음으로, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 적층 전지 어셈블리에 대해서 설명한다.
도 14는, 도 4에 도시한 바와 같은 팽창 예정부(비융착부(7)) 및 안전 밸브(8a)가 유지 부재(10)의 개구부(10c)로부터 돌출되어 있는 복수의 전지 실장체(9a∼9a)를, 전지 실장체(9a)의 두께 방향으로 적층하여 형성된 적층 전지 어셈블리의 일례를 나타낸 사시도이다. 도 14에서, 도 4 또는 도 5에 도시한 것과 동일한 것에는 동일 부호를 붙이고 있다. 또한, 도 14에서는 관통 구멍(8)을 생략하고 있다.
이 적층 전지 어셈블리에서는, 개구부(10c)로부터 유지 부재(10)의 외부로 돌출되어 있는 포켓이, 인접하는 전지 실장체(9a)의 포켓과, 서로 접촉하지 않은 상태로 되도록, 인접하는 전지 실장체(9a∼9a)에서는, 포켓은 적층 방향과 직교하는 측에 설치되고, 전지 실장체(9a)에 포켓이 설치된 위치, 유지 부재(10)에 설치된 개구부(10c)의 위치 및 필름 외장 전지(1)에 설치된 비융착부(7)의 위치가, 서로 다르다.
본 실시 형태에 따르면, 인접하는 전지 실장체(9a∼9a)에서는, 포켓 및 개구부(10c)의 위치가 서로 다르기 때문에, 개구부(10c)로부터 유지 부재(10)의 외부로 돌출되어 있는 포켓이, 인접하는 전지 실장체(9a)의 포켓과, 서로 접촉하지 않은 상태로 유지하는 것이 가능하게 된다.
이 때문에, 각 포켓이, 다른 포켓의 팽창을 억제하지 않게 하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 전지 실장체(9a)가 그 두께 방향으로 복수 적층되어도, 필름 외장 전지(1) 내에 고압의 가스가 충만하다고 하는 위험한 상태가 발생하는 것을 방지하는 것이 가능하게 된다.
도 15는, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 적층 전지 어셈블리를 도시한 평면도이다. 도 15에서, 도 4, 도 5 또는 도 14에 도시한 것과 동일한 것에는 동일 부호를 붙이고 있다.
도 15에서는, 인접하는 전지 실장체(9b∼9b)의 포켓이 개구부(10c)로부터 돌출되는 방향이, 서로 역방향으로 되도록, 인접하는 전지 실장체(9b∼9b)에서는, 포켓은 적층 방향과 직교하는 측에 설치되고, 전지 실장체(9b)에 포켓이 설치된 위치, 유지 부재(10)에 설치된 개구부(10c)의 위치 및 필름 외장 전지(1)에 설치된 비융착부(7)의 위치가, 서로 다르다.
본 실시 형태에 따르면, 개구부(10c)로부터 유지 부재(10)의 외부로 돌출되어 있는 포켓이, 인접하는 전지 실장체(9b)의 포켓과, 서로 접촉하지 않은 상태로 남아있고, 각 포켓이, 다른 포켓의 팽창을 억제하지 않게 된다.
도 16은, 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 적층 전지 어셈블리를 도시한 사시도이다. 도 16에서, 도 3에 도시한 것과 동일한 것에는 동일 부호를 붙이고 있다.
도 16에 도시한 적층 전지 어셈블리에서는, 포켓이 편측의 극(도 16에서는 부극)에 가까운 쪽으로 치우쳐서 설치된 필름 외장 전지가, 표리를 서로 다르게(alternately) 한 상태에서 적층되어 있다.
이 경우, 적층 전지 어셈블리는, 동일한 설계에 기초하여 형성된 복수의 필름 외장 전지에 의해 형성되면서, 포켓이 중복되지 않는 위치에 배치된다. 따라서, 적층 전지 어셈블리에 사용하는 한 종류의 형상의 필름 외장 전지에서, 포켓이 중복되지 않는 위치에 배치되는 적층 전지 어셈블리를 형성하는 것이 가능하게 된다.
또한, 도 4, 도 5, 도 14, 도 15 및 도 16에 도시한 전지 실장체(필름 외장 전지)에서, 포켓을 크게 하면, 포켓분의 돌출된 부분의 스페이스가 불필요하게 된다.
이 때문에, 도 4, 도 5, 도 14, 도 15 및 도 16에 도시한 전지 실장체(필름 외장 전지)에서, 포켓은, 통상 시(가스가 미발생인 상태)에는, 절첩되거나, 감겨져 있고, 가스가 포켓에 진입함과 동시에 포켓의 절첩된 또는 감겨진 상태가 풀어져서 소정의 크기까지 불룩해지는 것이 바람직하다.
예를 들면, 도 4, 도 5, 도 14 및 도 15에 도시한 전지 실장체에서, 포켓은, 통상 시(가스가 미발생인 상태)에는, 절첩되거나, 감겨져 있고, 가스가 포켓에 진입함과 동시에 포켓의 절첩된 또는 감겨진 상태가 풀어져서, 개구부로부터 유지 부재의 외부로 돌출되어, 소정의 크기까지 불룩해지는 것이 바람직하다.
또한, 절첩되거나, 감겨져 있는 상태의 포켓은, 점착 테이프나 접착제 등으로 필름 외장체에 고정되어 있어도 된다.
전지를 적층하였 때에 포켓들이 동일한 위치에 나열되고, 서로 중복되어 있는 경우에서도, 포켓이 절곡되어져 있거나, 감겨져 있음으로써, 본 발명의 목적에 합치하는 효과가 얻어진다. 도 17a∼도 17c를 이용하여 이하에 설명한다.
도 17a∼도 17c는, 통상 시에는 절첩되고, 가스가 진입함과 동시에 절첩된 상태가 풀어져서 소정의 크기까지 불룩해지는 포켓의 일례를 나타낸 설명도이다. 도 17a∼도 17c에서, 도 4에 도시한 것과 동일한 것에는 동일 부호를 붙이고 있다.
도 17a에 도시한 바와 같이, 포켓(비융착부(7))은, 통상 시(가스가 미발생인 상태)에는 절첩되어 있다.
그 후, 필름 외장 전지(1) 내에서 가스가 발생하면, 도 17b에 도시한 바와 같이, 가스가 포켓에 진입하고, 포켓은 절첩된 상태가 풀어져서 소정의 크기까지 불룩해지게 한다.
도 17c에 도시한 바와 같이, 복수의 전지 실장체(9)가 적층되면 포켓이 서로 중복되어 있을 가능성이 있지만, 통상 시에는 포켓을 절곡하거나 감아두면, 이상이 생겨 내압이 상승한 필름 외장 전지에서만, 내압 상승에 의해 포켓이 풀어져서 인접하는 다른 전지 실장체의 포켓보다도 더 외측으로 돌출되므로, 인접하는 전지에 의한 팽창의 방해가 저감되어 크게 불룩해지는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 포켓의 위치가 인접하는 전지의 포켓과 중복되는 위치에 있었다고 해도, 포켓이 크게 불룩해질 수 있어, 작은 내압으로 큰 장력을 안전 밸브에 전할 수 있다.
또한, 포켓이 절첩되는 방법은, 도 17에 나타낸 예에 한정되지 않고 적절하게 변경 가능하다.
도 18a∼도 18b는, 포켓의 절첩되는 방법의 다른 예를 나타낸 설명도이다. 도 18a∼도 18b에서, 점선은 불룩해졌을 때의 포켓의 형상의 예를 모식적으로 나타낸 것이다. 또한, 도 18a∼도 18b에서, 도 8에 도시한 것과 동일한 것에는 동일 부호를 붙이고 있다.
도 18a에 도시한 바와 같이, 포켓이 설치된 밀봉변이, 그 근원(proximal end)으로부터 구부러져도 된다. 구체적으로는, 포켓의 옆의 통상 밀봉부도 함께 구부러진다. 유사하게, 이 경우에서도, 이상이 생긴 전지에서, 포켓에 가스가 주입됨으로써, 구부러져 있었던 밀봉변이 똑바르게 되어, 안전 밸브가 인접하는 전지의 외형의 외측으로 돌출되고, 포켓이, 인접하는 전지에 방해되지 않고 크게 불룩해질 수 있어, 효과적으로 안전 밸브에 큰 힘을 가하여 쉽게 개방시킬 수 있다.
도 18a에서는, 접은 선이 전지 요소 수용부(컵부)에 근접하게 있었지만, 포켓의 절곡은, 이에 한정되지 않고, 도 18b에 도시한 바와 같이, 포켓은 전지 요소수용부(컵부)로부터 어느 정도 이격한 위치에서 구부러져도 되고, 포켓을 접은 각도도 직각이어도 되고 180도이어도 되며 적절하게 변경 가능하다.
도 18b의 예에서는 포켓의 중앙 부근에서 구부러져 있다. 이 경우에 내압이 상승하여 포켓이 펴져서 외측으로 돌출되는 경우, 인접하는 전지 외형의 외측으로 돌출되는 부분은 포켓의 약 절반의 영역으로 된다. 이와 같이, 포켓의 대부분의 영역이 인접하는 전지 외형의 외측으로 돌출될 필요는 없고, 풀어진 포켓의 전체가 인접 전지의 외형의 내측에 포함되는 경우에 비해 크게 불룩해지는 것이 가능하면, 풀어진 포켓의 일부만 인접 전지의 외형의 외측으로 돌출되도록 되어 있어도 된다.
또한, 도 17c 및 도 18a∼도 18b에서는, 포켓을 절첩되거나 감아 두는 구성은, 적층 전지 어셈블리를 이용하여 설명하였다. 그러나, 단전지(단일의 전지 실장체)의 경우에서도, 또는 유지 부재가 존재하지 않는 필름 외장 전지의 경우에서도, 통상시에는 절첩되거나 감겨져 있고, 가스가 진입함과 동시에 절첩된 상태 또는 감겨진 상태가 풀어져서 소정의 크기까지 불룩해지는 포켓이 설치되면, 스페이스의 절약이 가능한 것은 물론이다.
또한, 필름 외장 전지가 겹쳐져 적층 전지 어셈블리가 형성되어 있는 경우, 인접하는 필름 외장 전지끼리는, 서로 유지하고 있다.
따라서, 도 14, 도 15, 도 17c 및 도 18a∼도 18b에 도시한 전지 실장체는, 필름 외장 전지 그 자체이어도 된다. 이 경우, 필름 외장 전지가 유지 부재 역할을 겸하므로, 구성의 간략화를 도모하는 것이 가능하게 된다.
또한 이 경우, 인접하는 필름 외장 전지간에, 양면 테이프, 접착재, 완충재, 스페이서 등이 존재하고 있어도 된다.
도 19a∼도 19c는, 본 발명의 다른 실시 형태의 전지 실장체를 도시한 도면면이다. 구체적으로는, 도 19a는, 본 발명의 다른 실시 형태의 전지 실장체의 평면도이며, 도 19b는, 도 19a를 화살표 B 방향으로부터 본 경우의 평면도이며, 도 19c는, 도 19a 및 도 19b에 도시한 전지 실장체의 변형예를 나타낸 도면이다. 도 19a∼도 19c에서, 도 2 및 도 3에 도시한 것과 동일한 것에는 동일 부호를 붙이고 있다.
도 19a∼도 19c에서, 유지 부재(10A)는 유지부(10Aa)와 유지부(10Ab)가 고착되어 이루어지고, 필름 외장 전지(1)를 내장한다. 유지 부재(10A)에는, 필름 외장 전지(1)가 유지 부재(10A)의 내부에 유지되었을 때에 포켓(비융착부(7)) 및 안전 밸브(8a)(돌출 융착부(5d)와 관통 구멍(8))와 대향하는 개소에, 절결부(10A1)가 설치되어 있다. 도 19a∼도 19c에서는, 관통 구멍(8)을 생략하고 있다.
이 경우, 포켓은 절결부(10A1)를 위해, 유지 부재(10A)에 의해 억제되지 않고 전지 요소(2)를 수용하는 수용부에서 발생하는 가스에 의해 불룩해지는 것이 가능하게 된다. 포켓이 점차 불룩해져 가면, 포켓에 발생하는 장력 중, 돌출 융착부(5d)에 작용하는 응력 성분이 증가해 간다. 포켓이 소정의 크기까지 불룩해지면, 포켓에 발생하는 장력에 의해, 돌출 융착부(5d)가 관통 구멍(8)까지 박리되어, 포켓 내의 가스가 관통 구멍(8)으로부터 방출된다.
따라서, 돌출 융착부(5d)의 융착 강도를 약하게 하지 않아도, 즉 밀봉 신뢰성을 저하시키지 않아도, 종래와 같이 포켓의 크기가 유지 부재에 의해 억제되어서, 포켓이 소정의 크기까지 불룩해지지 않고, 안전 밸브가 개방되지 않고, 필름 외장 전지(1) 내에 고압의 가스가 충만하다고 하는 위험한 상태가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도 19c에 도시한 바와 같이, 절결부(10A1)와 마찬가지인 절결부(10A2)가, 절결부(10A1)와 대향하는 위치에 설치되어 있는 경우, 즉 포켓의 양측에 절결부가 설치되어 있는 경우, 포켓은, 더 크게 불룩해질 수 있어, 보다 바람직하게 된다.
여기까지의 설명에서는 포켓의 대부분의 영역이 외측으로 돌출되어 있는 구성에 관하여 주로 예시해 왔지만, 포켓의 모든 영역이 유지 부재의 외부나 인접 전지의 외형의 외측으로 돌출될 필요는 없으며, 유지 부재의 내부나 인접 전지의 외형의 내측에 포켓 전체가 수납되어 있는 경우에 비해 더 크게 불룩해지는 것이 가능하면 포켓의 일부만 외부로 돌출되어 있어도 된다.
여기까지의 설명에서는, 포켓으로서는 필름 외장체의 필름의 연장부(overhang)를 이용하고 있지만, 포켓은 필름 외장체와 연속하고 있지 않아도 되고, 전지 내부 공간과 직접 또는 파이프 등으로 연결된 별도의 필름제의 주머니(bag)로 구성하여도 된다.
또한, 안전 밸브로서는, 여기까지 설명한 바와 같은 타입 이외에, 필름이나 금속박이 터지기 쉬운 절취선이 새겨진 타입인 것이어도 된다.
또한, 안전 밸브를 포켓 내의 내압 상승에 기인하는 장력에 의해 밀봉이 찢어지는 타입이 아니어도 된다. 예를 들면 포켓의 근처에 바늘 등을 설치해 두어, 포켓이 크게 불룩해졌을 때에 포켓의 표면이 바늘에 도달하여 구멍이 뚫림으로써 가스가 방출되게 하는 다른 타입의 안전 밸브도 가능하다. 이는 또한 포켓의 장력에 의해 작동하는 안전 밸브의 일종이다.
유사하게, 이 타입의 안전 밸브에서, 포켓의 팽창 가능한 크기가 크면 클수록, 바늘의 설치 장소를 포켓으로부터 그만큼 멀리 설치할 수 있기 때문에, 사용 중의 진동 등에 의도하지 않은 원인으로 외장체와 바늘이 접촉하게 되는 리스크를 저감할 수 있다.
또한, 포켓을 절곡하거나 감아두고, 그것이 펴지거나 풀어진 경우에 도달하는 장소에 바늘을 설치함으로써, 전지로부터 충분히 먼 위치에 바늘을 설치할 수 있으므로 의도하지 않은 원인으로 외장체와 바늘이 접촉하게 되는 리스크를 저감할 수 있다.
도 20a는, 본 발명의 다른 실시 형태의 따른 필름 외장 전지(1A)를 도시한 분해 평면도이며, 도 20b는, 도 20a를 화살표 B 방향으로부터 본 경우의 평면도이다. 또한, 도 20a∼도 20b에서, 도 2 또는 도 3에 도시한 것과 동일한 것에는 동일 부호를 붙이고 있다.
도 20a∼도 20b에 도시한 필름 외장 전지(1A)는, 도 2에 도시한 필름 외장 전지(1)와 마찬가지로, 정극판(2a)과 부극판(2b)이 적층된 적층 구조를 갖는 전지 요소(2)와, 전지 요소(2)가 수용되고, 전지 요소(2)로부터 발생하는 가스에 의해 불룩해지는 밀폐 공간 역할을 하는 컵부(5b)에 의해 형성하는 외장 필름(5)을 포함한다. 또한, 정극판(2a) 또는 부극판(2b)의 주면(2c)에 대향하는 외장 필름(5)에, 외장 필름(5) 사이에 설치된 개구부를 열융착한 융착부(1A1)가 설치되어 있다.
이 경우, 가스의 발생에 의해 밀봉 공간이 불룩해지면, 융착부(1A1)에는, 융착부(1A1)를 박리시키는 응력이 가해져, 융착부(1A1)는 떼어내어지고, 융착부(1A1)가 떼어내어진 개소로부터, 가스가 방출된다. 융착부(1A1)를 박리시키는 응력은, 정극판(2a) 또는 부극판(2b)의 주면(2c)의 크기에 따르기 때문에 커진다(도 1a∼도 1b 참조). 따라서, 전지 요소를 수납하고 있는 밀봉 공간에서 내압이 높아지지 않아도, 융착부(1A1)가 박리가 되어, 융착부(1A1)의 박리가 일어난 개소로부터 가스가 방출된다.
따라서, 융착부(1A1)의 융착 강도를 약하게 하지 않아도, 즉 밀봉 신뢰성을 저하시키지 않고, 밀폐 공간 내의 가스를 외부로 방출하는 것이 가능하게 된다.
또한, 융착부(1A1)에는, 후미 형상의 비융착부가 설치되어 있어도 되고, 응력 집중부가 설치되어 있어도 되고, 구멍 등의 압력 개방부가 설치되어 있어도 된다.
이상, 본 발명에 대해 대표적인 몇 가지의 예를 들어 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 적절하게 변경될 수 있는 것은 명백하다.
예를 들면, 도 2에 도시한 필름 외장 전지에서는, 전지 요소(2)를 2매의 외장 필름(5) 사이에 끼워 두고, 전지 요소(2)의 주위에서 대향하는 외장 필름(5)의 4변을 열융착하여 밀폐 공간이 형성되었지만, 밀폐 공간은 다른 방법으로 형성되어도 된다. 예를 들면, 1매의 외장 필름을 2개로 접는 것으로 하여 전지 요소(2)를 사이에 두고, 개방하고 있는 3변을 열융착함으로써 내부에 전지 요소(2)를 밀봉하는 밀폐 공간이 형성되어도 된다.
전지 요소(2)의 구조에 대해서, 전술한 예에서는 복수의 정극판 및 부극판을 교대로 적층한 적층형을 나타냈다. 다른 방법으로는 정극판, 부극판 및 세퍼레이터를 띠 형상으로 형성하고, 세퍼레이터를 사이에 둔 채 정극판 및 부극판을 서로 겹치게 쌓고, 이를 권취한(wound) 후, 편평 형상으로 압축함으로써, 정극과 부극을 교대로 적층 배치시킨 권취형(winding type)의 전지 요소이어도 된다.
또한, 전지 요소(2)는 정극, 부극 및 전해질을 포함하면 되고, 통상의 전지에 이용되는 임의의 전지 요소가, 전지 요소(2)로서 적용 가능하다.
일반적인 리튬 이온 2차 전지에서의 전지 요소는, 리튬ㆍ망간 복합 산화물, 코발트산 리튬 등의 정극 활성물질을 알루미늄박 등의 양면에 도포한 정극판과, 리튬을 도핑 ,탈도핑 가능한 탄소 재료를 동박 등의 양면에 도포한 부극판으로 형성된다. 정극판과 부극판은 세퍼레이터를 통하여 서로 대향시키고, 그것에 리튬염을 함유하는 전해액을 함침시켜 배터리가 형성된다.
다르게는, 전지 요소(2)로서는, 이 밖에, 니켈 수소 전지, 니켈 카드륨 전지, 리튬 메탈 1차 전지 또는 2차 전지, 리튬 폴리머 전지 등, 다른 종류의 화학 전지의 전지 요소가 이용되어도 된다.
또한, 도 2에는, 정극 리드(3)와 부극 리드(4)를 필름 외장 전지(1)의 대향하는 변으로부터 연장시킨 예를 나타냈지만, 이들은 동일한 변으로부터 연장시켜도 된다.
또한, 필름 외장 전지가, 유지 부재를 겸용하여도 된다.
제1 전지 실장체에 따르면, 안전 밸브가 설치되어 있는 포켓은, 개구부를 통하여, 유지 부재의 외부로 돌출되어 있다. 따라서, 포켓은 유지 부재에 의해 팽창이 억제되지 않고, 밀폐 공간에서 발생하는 가스에 의해 포켓을 크게 불룩한 크기로 하는 것이 가능하게 된다. 포켓이 어느 크기까지 불룩해지면, 포켓에 발생하는 큰 장력에 의해, 안전 밸브가 개방하여, 밀폐 공간 내의 가스가 안전 밸브로부터 방출된다. 이에 의해, 포켓이 유지 부재에 의해 규제된 공간에 포함되어 있는 경우보다도, 작은 내압으로 큰 장력을 안전 밸브에 전할 수 있다.
따라서 예를 들면, 안전 밸브의 개구 강도를 약하게 하지 않아도, 즉 밀봉 신뢰성을 저하시키지 않아도, 종래와 같이 안전 밸브로서의 열융착부에 장력을 전하는 비융착부의 팽창 가능한 크기가 유지 부재에 의해 억제되어, 비융착부가 충분한 크기까지 불룩해지지 않아, 안전 밸브가 개방되지 않고, 필름 외장 전지 내에 고압의 가스가 충만하다고 하는 위험한 상태가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 안전 밸브 이외의 부위의 열융착부의 쪽에서 밀봉 파괴가 일어나게 되는 리스크가 저감된다.
또한, 포켓이 크게 불룩해지기 위해서는 가스의 양도 그만큼 많은 양이 필요하게 되지만, 여기서 중요한 것은, 가스가 발생하여 내압이 상승하였을 때에, 안전 밸브에 전해지는 포켓의 장력과, 안전 밸브 이외의 부위의 열융착부에 가한 외장 필름의 장력과의 차가 커짐으로써, 안전 밸브 이외의 부위에서의 의도하지 않은 밀봉 파괴의 리스크가 저감되는 것이다.
이상 설명한 효과는, 이하에 설명하는 본 발명의 제2 및 제3 전지 실장체, 제1 및 제2 적층 전지 어셈블리, 및 본 발명의 필름 외장 전지에 대해서도 마찬가지이다.
제2 전지 실장체에 따르면, 본 발명의 제1 전지 실장체의 경우와 마찬가지의 효과가 얻어짐과 함께, 이상 시(가스 발생 시) 이외에는, 포켓을 작은 사이즈로 유지하는 것이 가능하게 된다.
포켓을 크게 하면, 포켓 중 돌출된 부분이 스페이스의 낭비로 된다. 따라서, 이상 시(가스 발생 시) 이외에는, 포켓을 작은 사이즈로 유지하면, 큰 포켓을 설치하더라도 스페이스의 낭비로 되지 않는다.
제3 전지 실장체에 따르면, 포켓은 유지 부재에 의해 팽창이 억제되지 않고, 밀폐 공간에서 발생하는 가스에 의해 크게 불룩해지는 것이 가능하게 된다. 포켓이 어느 크기까지 불룩해지면, 포켓에 발생하는 큰 장력에 의해, 안전 밸브가 개방하여, 밀폐 공간 내의 가스가 안전 밸브로부터 방출된다. 이에 의해, 포켓의 상면 하면 모두 유지 부재의 존재 때문에 팽창이 규제되는 경우보다도, 작은 내압으로 큰 장력을 안전 밸브에 전할 수 있다.
제1 적층 전지 어셈블리에 따르면, 포켓이, 인접하는 필름 외장 전지의 포켓과, 서로 간섭하지 않는다. 따라서, 각 전지의 포켓이 다른 전지의 포켓의 팽창의 방해로 되는 것이 방지된다. 따라서, 필름 외장 전지가 그 두께 방향으로 복수 적층되어더라도, 필름 외장 전지 내에 고압의 가스가 충만하다고 하는 위험한 상태가 발생하는 것을 방지하는 것이 가능하게 된다.
제2 적층 전지 어셈블리에 따르면, 복수의 필름 외장 전지가 겹쳐지면 포켓이 서로 중복될 가능성이 있지만, 통상 시(가스가 미발생한 상태)는 포켓을 절곡하거나 구부려 두면, 이상이 생겨 내압이 상승한 필름 외장 전지만, 내압이 상승함으로써 포켓이 풀려 인접하는 전지의 외형보다도 외측으로 돌출되므로, 인접하는 전지에 의한 팽창의 방해가 저감되어 포켓이 크게 불룩해지는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 포켓의 위치가 인접하는 전지의 포켓과 위아래로 중복되는 위치에 있었다고 하여도, 포켓이 크게 불룩해질 수 있어, 포켓은 작은 내압으로 큰 장력을 안전 밸브에 전할 수 있다.
또한, 본 발명 및 본 실시 형태에서, 적층 전지 어셈블리란, 필름 외장 전지가, 직접 또는 유지 부재에 수납되고 서로 겹쳐진 상태에서, 직렬 또는 병렬로 접속되어 있는 상태를 가리킨다. 직접 적층된 경우, 인접하는 필름 외장 전지간에, 양면 테이프, 접착재, 완충재, 스페이서 등이 존재하고 있어도 된다.
필름 외장 전지에 따르면, 정극판 또는 부극판의 주면에 대향하는 외장 필름에, 외장 필름의 개구부를 융착한 융착부가 설치되어 있다. 따라서, 가스의 발생에 의해 밀봉 공간이 불룩해지면, 융착부에는 융착부를 박리시키는 응력이 가해져, 융착부는 떼어내어지고, 그 떼어내어진 개소로부터, 가스가 방출된다. 융착부를 박리시키는 응력은, 정극판 또는 부극판의 주면의 크기에 따르기 때문에 크다. 따라서, 필름 외장 전지 내에 고압의 가스가 충만하다고 하는 위험한 상태가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이상, 실시 형태를 참조하여 본원 발명을 설명하였지만, 본원 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 본원 발명의 구성이나 상세에는, 청구항에서 정의된 본원 발명의 범위에서 일탈하지 않고 당업자가 이해할 수 있는 다양한 변경을 할 수 있다.
이 출원은, 2007년 2월 21일에 출원된 일본 특허 출원 제2007-40976호를 기초로 하는 우선권을 주장하고, 그 개시된 모두를 여기에 취득한다.
1, 1A : 필름 외장 전지
2 : 전지 요소
2a : 정극판
2b : 부극판
2c : 주면
3 : 정극 리드
4 : 부극 리드
5 : 외장 필름
5a : 밀봉 영역
5b : 컵부(수용부)
5c : 융기 융착부
5d, 36a, 36b, 36c, 46 : 돌출 융착부
7, 57 : 비융착부
8, 58 : 관통 구멍
8a : 안전 밸브
9 : 전지 실장체
10, 10A : 유지 부재
10a, 10b, 10Aa, 10Ab : 유지부
10a1, 10a2, 10a3 : 오목부
10a4 :수납부
10c : 개구부
48 : 절입부
56 : 섬 형상 융착부
10A1 : 절결부
1A1 : 융착부

Claims (4)

  1. 전지 요소 및 상기 전지 요소를 수용하는 밀폐 공간을 형성하는 외장 필름을 포함하는 필름 외장 전지(film-covered battery)로서,
    상기 밀폐 공간은 상기 전지 요소를 수용하고 있는 수용부 및 절곡되어 있거나 감겨져 있는 포켓을 포함하고, 상기 포켓은 상기 수용부와 연통하여 상기 밀폐 공간의 내부 압력 상승에 의해 팽창되며, 상기 포켓은 상기 포켓의 팽창에 의해 작동하도록 된 안전 밸브를 포함하는, 필름 외장 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 포켓은 상기 내부 압력 상승에 의해, 절곡된 또는 감겨진 상태가 풀어져서 상기 안전 밸브가 돌출되는, 필름 외장 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 필름 외장 전지가 개구부 또는 절결부(notch)를 포함하는 유지 부재에 유지되는(held) 경우, 상기 포켓은 상기 내부 압력 상승에 의해, 절곡된 또는 감겨진 상태가 풀어져서 상기 포켓의 적어도 일부 및 상기 안전 밸브가 상기 개구부 또는 상기 절결부로부터 상기 유지 부재의 외부로 돌출되는, 필름 외장 전지.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 필름 외장 전지는 상기 필름 외장 전지의 구조와 동일한 구조를 갖는 또 다른 필름 외장 전지 상에 적층되고, 상기 포켓은 상기 내부 압력 상승에 의해, 절곡된 또는 감겨진 상태가 풀어져서, 상기 포켓의 적어도 일부 및 상기 안전 밸브가 상기 또 다른 필름 외장 전지의 외형보다도 외측에 돌출되는, 필름 외장 전지.
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