KR101251089B1 - 쌍극형 2차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 도전체가 발전 요소에 박힌 경우에, 집전판을 통해 단락 전류가 흐르는 것을 억제하는 쌍극형 2차 전지를 제공하는 것이다.
전해질층(8)을 통해 쌍극형 전극(7)을 적층한 단위 발전 요소(6)를 적층한 발전 요소(1)와, 적층 방향에 있어서 발전 요소(1)의 양단부에 배치되어, 발전 요소(1)와 접촉하는 집전판(2)과, 집전판(2)의 면내 방향으로 장력을 가한 상태로 집전판(2)을 유지하는 장력 유지 수단(3)을 구비한다.

Description

쌍극형 2차 전지{BIPOLAR SECONDARY BATTERY}

본 발명은 쌍극형 2차 전지에 관한 것이다.

종래, 정극층과, 고체 전해질막과, 부극층을 적층한 발전 유닛을 복수 적층하고, 발전 유닛 사이에 바이폴라(쌍극)층을 배치하고, 발전 유닛의 최외층에는 집전체(전극 탭)를 설치하고, 이들을 전지 케이스에 수납한 쌍극형 2차 전지가 특허 문헌 1에 개시되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2009-252548호 공보

그러나, 상기한 발명에서는, 도전체가 전지 케이스 등을 관통하여, 내부 단락이 발생한 경우에, 도전체와 전극 탭이 접촉하고, 전극 탭을 통해 단락 전류가 계속해서 흘러, 전지의 성능이 저하되는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 도전체가 전지 케이스 등을 관통한 경우에, 전극 탭을 통해 전지에 단락 전류가 흐르는 것을 억제하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 어느 형태에 관한 쌍극형 2차 전지는 쌍극형 전극을 갖는 쌍극형 2차 전지이며, 전해질층을 통해 쌍극형 전극을 적층한 단위 발전 요소를 적층한 발전 요소와, 단위 발전 요소의 적층 방향에 있어서 발전 요소의 양단부에 배치되어, 발전 요소에 접촉하는 집전판과, 집전판의 면내 방향으로 장력을 가한 상태에서 집전판을 유지하는 장력 유지 수단을 구비한다.

본 발명에 따르면, 도전체가 집전판을 관통하여, 발전 요소에 박힌 경우에, 도전체로부터 집전판을 통해 단락 전류가 흐르는 것을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 쌍극형 리튬 2차 전지의 구성을 도시하는 단면도.
도 2는 제1 실시 형태에 있어서 도전체가 발전 요소에 박힌 상태를 설명하는 도면.
도 3은 제2 실시 형태에 있어서 도전체가 발전 요소에 박힌 상태를 설명하는 도면.
도 4는 제3 실시 형태에 있어서의 쌍극형 리튬 2차 전지의 평면도.
도 5는 제3 실시 형태에 있어서의 쌍극형 리튬 2차 전지의 측면도.
도 6은 도 4에 있어서의 VI-VI 단면도.
도 7은 제3 실시 형태에 있어서 도전체가 발전 요소에 박힌 상태를 설명하는 도면.

본 발명의 제1 실시 형태의 구성에 대해 도 1을 사용하여 설명한다. 도 1은 본 실시 형태의 쌍극형 2차 전지의 단면도이다. 여기서는 쌍극형 2차 전지로서, 쌍극형 리튬 이온 2차 전지를 사용하여 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

쌍극형 리튬 2차 전지(100)는 발전 요소(1)와, 집전판(2)과, 장력 유지 기구(장력 유지 수단)(3)를 구비한다.

발전 요소(1)는 단위 발전 요소(6)를 복수 적층하여 형성된다. 단위 발전 요소(6)는 쌍극형 전극(7)과, 전해질층(8)을 교대로 복수 적층하여 형성된다.

쌍극형 전극(7)은 집전박(9)과, 집전박(9)의 한쪽의 면에 형성된 정극 활물질층(10)과, 집전박(9)의 다른 쪽의 면에 형성된 부극 활물질층(11)을 구비한다.

전해질층(8)을 통해 이웃하는 쌍극형 전극(7)은 한쪽의 쌍극형 전극(7)의 정극 활물질층(10)이 전해질층(8)의 한쪽의 면에 접촉하고, 다른 한쪽의 쌍극형 전극(7)의 부극 활물질층(11)이 전해질층(8)의 다른 한쪽의 면에 접촉하고 있다.

집전박(9)은, 예를 들어 알루미늄, 스테인리스 등의 도전성 부재이다. 또한, 집전박(9)은, 예를 들어 폴리올레핀 등의 고분자 재료에 카본 등의 도전성 물질을 섞은 것을 사용해도 좋다. 집전박(9)은 정극 활물질층(10) 및 부극 활물질층(11)보다도 크고, 집전박(9) 사이에는 시일부(13)가 설치된다.

정극 활물질층(10)은, 예를 들어 리튬-천이 금속 복합 산화물이다. 부극 활물질층(11)은, 예를 들어 카본-천이 금속 복합 산화물이다.

전해질층(8)은, 예를 들어 폴리에틸렌옥시드(PEO) 등의 이온 전도성을 갖는 고체 전해질이다.

정극 활물질층(10), 전해질층(8), 부극 활물질층(11)의 적층 방향 양단부면에 집전박(9)을 포함시킴으로써 단전지(12)가 형성된다. 도 1에 도시하는 발전 요소(1)에서는 2개의 단위 발전 요소(6)에 각각 3개의 단전지(12)가 설치되어 있지만, 이들로 한정되는 것은 아니다.

집전판(2)은 탄성막(탄성 수단)(16)과, 강전 탭(도전성 부재)(17)을 구비한다. 집전판(2)은 발전 요소(1)의 정극측 및 부극측에 각각 설치되어 있다.

탄성막(16)은, 예를 들어 실리콘 고무이지만, 이것 외에 영률이 0.001 내지 0.1㎬인 탄성체이면 된다.

강전 탭(17)은, 예를 들어 알루미늄박(두께 20㎛) 등의 도전성 부재이다. 강전 탭(17)의 일부는 발전 요소(1)의 최외층의 집전박(9)에 접촉한다. 또한, 강전 탭(17)의 일부가, 외부 부하(예를 들어, 모터), 발전기 등과 전기적으로 접속함으로써, 쌍극형 리튬 2차 전지(100)는 충방전을 행한다.

집전판(2)은 탄성막(16)을, 예를 들어 3.6㎫의 인장 강도로 신장시켜, 신장된 탄성막(16)과 강전 탭(17)을 접착제에 의해 접착하여 구성된다.

장력 유지 기구(3)는 탄성막(16)의 양단부에 설치한 연결 부재(18)와, 발전 요소(1)를 사이에 두고 마주보는, 정극측의 연결 부재(18)와 부극측의 연결 부재(18)를 연결하는 고정용 볼트(19)를 구비한다.

장력 유지 기구(3)는 집전판(2)을 신장시킨 상태로 정극측의 연결 부재(18)와 부극측의 연결 부재(18)를 고정용 볼트(19)에 의해 연결한다. 이에 의해, 집전판(2)은 면내 방향으로 장력이 발생한 상태로 유지된다. 또한, 연결 부재(18)는 절연성의 부재로 구성되어 있다.

다음에, 본 실시 형태의 작용에 대해 도 2를 사용하여 설명한다. 도 2는 쌍극형 리튬 2차 전지(100)에 외부로부터 도전체(20)가 발전 요소(1)에 박힌 경우의 단면도이다.

본 실시 형태를 사용하지 않는 쌍극형 리튬 2차 전지에 있어서, 외부로부터 도전체가 발전 요소에 박히면 도전체와 집전판이 접촉하고, 집전판을 통해 내부 단락이 발생한다. 내부 단락이 발생한 장소에서는, 예를 들어 발열이 발생하기 쉬워, 전지 성능이 저하된다.

본 실시 형태에서는, 쌍극형 리튬 2차 전지(100)에 외부로부터 도전체(20)가 발전 요소(1)에 박힌 경우에는, 도전체(20)가 박힌 개소로부터 집전판(2)이 개열 변형된다. 본 실시 형태에서는, 집전판(2)은 탄성막(16)과 강전 탭(17)의 장력 차에 의해, 면직 방향으로 개열된다. 또한, 탄성막(16)이 복원력에 의해 고정용 볼트(19)측으로 수축하므로, 집전판(2)은 고정용 볼트(19)측으로 수축한다. 이에 의해 집전판(2)의 강전 탭(17)은 도전체(20)와 접촉하지 않게 된다. 그로 인해, 도전체(20)와 집전판(2)의 도통이 억제되어, 단락 전류가 억제된다.

본 실시 형태의 효과에 대해 설명한다.

외부로부터 쌍극형 리튬 2차 전지(100)에 도전체(20)가 발전 요소(1)에 박힌 경우에, 집전판(2)이 개열 변형됨으로써, 도전체(20)와 집전판(2)의 강전 탭(17)이 접촉하지 않게 되어, 전기적인 접속이 해제된다. 그로 인해, 집전판(2)을 통해 단락 전류가 흐르는 것을 억제할 수 있고, 단락 전류가 흐름으로써 발생하는 쌍극형 리튬 2차 전지(100)의 전지 기능의 열화를 억제할 수 있다.

집전판(2)은 집전판(2)의 면내 방향으로 장력이 가해지도록 유지되어 있고, 도전체(20)가 발전 요소(1)에 박혔을 때에 집전판(2)은 빠르게 개열 변형된다. 그로 인해, 단락 전류가 집전판(2)을 통해 흐르기 전에, 집전판(2)과 도전체(20)의 전기적인 접속을 해제할 수 있어, 쌍극형 리튬 2차 전지(100)의 전지 기능이 열화되는 것을 억제할 수 있다.

강전 탭(17)에 탄성막(16)을 접착하여 집전판(2)을 구성하므로, 도전체(20)가 발전 요소(1)에 박혀 있지 않은 경우에는 충분한 도전성을 유지할 수 있다. 한편, 도전체(20)가 발전 요소(1)에 박힌 경우에는 집전판(2)과 도전체(20)의 전기적인 접속을 해제하여, 쌍극형 리튬 2차 전지(100)의 전지 기능이 열화되는 것을 억제할 수 있다.

다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 설명한다.

본 실시 형태는, 집전판(30)이 다르고, 본 실시 형태의 집전판(30)은 도전재를 탄성막에 매립하여 구성된다. 도 3에 본 실시 형태의 발전 요소에 도전체(20)가 박힌 상태를 도시한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 집전판(30)은 면내 방향으로 개열 변형된다.

본 실시 형태의 효과에 대해 설명한다.

도전재를 탄성막에 매립하여 집전판(30)을 구성함으로써, 제1 실시 형태와 마찬가지로 도전체(20)가 발전 요소에 박힌 경우에, 쌍극형 리튬 2차 전지(100)의 전지 기능이 열화되는 것을 억제할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에 있어서, 집전판을 열수축성 또는 열경화성 부재를 사용하여 구성해도 좋다. 또한, 이와 같은 집전판과 상기 실시 형태의 집전판을 조합해도 좋다. 이들에 의해, 쌍극형 리튬 2차 전지에서 발생한 열에 의해 도전체와 집전판의 전기적인 접속을 해제할 수 있다.

다음에, 본 발명의 제3 실시 형태에 대해 도 4 내지 도 6을 사용하여 설명한다. 도 4는 본 실시 형태의 쌍극형 리튬 2차 전지의 평면도이다. 도 5는 본 실시 형태의 쌍극형 리튬 2차 전지의 측면도이다. 도 6은 도 4의 VI-VI 단면도이다.

제3 실시 형태에 대해서는 제1 실시 형태와 다른 부분을 중심으로 설명한다. 본 실시 형태의 쌍극형 리튬 2차 전지(101)는 집전판(41)과 장력 유지 기구(42)가 제1 실시 형태와 다르다.

집전판(41)은, 예를 들어 알루미늄 등의 도전성 부재를 스프링 형상으로 함으로써 형성된다. 집전판(41)은, 예를 들어 두께 1㎜, 폭 20㎜이다.

장력 유지 기구(42)는 집전판(41)의 직선 형상으로 형성된 단부(41a)에 제1 고정용 볼트(44)를 통해 연결하는 제1 고정 부재(43)와, 발전 요소(1)를 사이에 두고 마주보는 정극측의 제1 고정 부재(43)와 부극측의 제1 고정 부재(43)에 제2 고정용 볼트(46)를 통해 연결하는 제2 고정 부재(45)를 구비한다.

제1 고정 부재(43)는 직선 형상의 절연성 부재로, 중앙부 부근에서 집전판(41)의 단부(41a)와 제1 고정용 볼트(44)를 통해 연결한다. 제1 고정 부재(43)는 정극측, 부극측에 각각 한 쌍 설치되어 있다. 한 쌍의 제1 고정 부재(43)에는 집전판(41)이, 예를 들어 인장 강도 0.1㎬로 장력이 가해진 상태로 제1 고정용 볼트(44)에 의해 고정되어 있다.

또한, 도 4 내지 도 6에 있어서는, 집전판(41)의 설명을 위해, 1개의 가는 판을 구부린 것을 도시하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 집전박과의 접촉 면적이 크고, 집전판(41)의 면내 방향으로 장력을 발생시키는 것이면 된다.

정극측의 집전판(41), 부극측의 집전판(41)은 동일한 구성이고, 본 실시 형태의 쌍극형 리튬 2차 전지는 상기한 집전판(41)을 정극측, 부극측에 구비한다.

제2 고정 부재(45)는 절연성 부재로, 도 5에 도시한 바와 같이 발전 요소(1)에 대해 동일측에 위치하는 정극측의 제1 고정 부재(43)와, 부극측의 제1 고정 부재(43)에 제2 고정용 볼트(46)를 통해 연결한다. 또한, 제2 고정 부재(45)는 도시하지 않은 케이스 등에 설치되어 있다.

다음의 본 실시 형태의 작용에 대해 설명한다.

본 실시 형태에서는, 외부로부터 도전체(20)가 발전 요소(1)에 박히면, 집전판(41)이 절단되어, 집전판(41)의 복원력에 의해, 도 7에 도시한 바와 같이 제1 고정 부재(43)에 고정된 단부(41a)측으로, 집전판(41)은 수축한다. 이에 의해, 도전체(20)와 집전판(41)은 접촉하지 않게 된다.

본 실시 형태의 효과에 대해 설명한다.

본 실시 형태에서는, 집전판(41)을 스프링 형상으로 하는 것만으로, 상기 실시 형태의 효과에 추가하여, 경량화, 체적 감소 및 비용을 삭감할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시 형태로 한정되는 것은 아니고, 그 기술적 사상의 범위 내에서 이룰 수 있는 다양한 변경, 개량이 포함되는 것은 물론이다.

1 : 발전 요소
2, 41 : 집전판
3 : 장력 유지 기구(장력 유지 수단)
6 : 단위 발전 요소
7 : 쌍극형 전극
8 : 전해질층
9 : 집전박
16 : 탄성막(탄성 수단)
17 : 강전 탭(도전성 부재)
18 : 연결 부재
19 : 고정용 볼트
20 : 도전체
43 : 제1 고정 부재
44 : 제1 고정용 볼트
45 : 제2 고정 부재
46 : 제2 고정용 볼트
100, 101 : 쌍극형 리튬 2차 전지(쌍극형 2차 전지)

Claims (4)

1. 쌍극형 전극을 갖는 쌍극형 2차 전지이며,
   전해질층을 통해 상기 쌍극형 전극을 적층한 단위 발전 요소를 적층한 발전 요소와,
   상기 단위 발전 요소의 적층 방향에 있어서 상기 발전 요소의 양단부에 배치되어, 상기 발전 요소에 접촉하는 집전판과,
   상기 집전판의 면내 방향으로 장력을 가한 상태로 상기 집전판을 유지하는 장력 유지 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는, 쌍극형 2차 전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 집전판은,
   상기 발전 요소에 접촉하는 도전성 부재와,
   상기 도전성 부재에 접착하는 탄성 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는, 쌍극형 2차 전지.
3. 제1항에 있어서, 상기 집전판은 도전재를 매립한 탄성 수단인 것을 특징으로 하는, 쌍극형 2차 전지.
4. 제1항에 있어서, 상기 집전판은 스프링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 쌍극형 2차 전지.

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