KR101317535B1 - 2차 전지 및 이것을 사용한 조전지 - Google Patents

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Abstract

2차 전지의 전해액 잉여부의 전해액은, 모세관 현상에 의한 힘으로 적층 전극체에 침투하지만, 전지 본체부가 높은 압력으로 눌린 상태에서는, 적층 전극체의 전해액이 부족한 공공부에 충분히 침투하지 않을 가능성이 있다. 외장 부재의 외주부를 용착함으로써 적층 전극체를 수납하고, 외주부의 용착부와 적층 전극체를 덮는 전지 본체부 사이에는, 전해액 잉여부를 갖는 2차 전지에 있어서, 잉여 전해액부를 외부로부터 압박하는 가압 수단을 구비하고 있는 것으로 한다.

Description

2차 전지 및 이것을 사용한 조전지{SECONDARY BATTERY AND BATTERY ASSEMBLY USING THE SAME}
본 발명은 2차 전지에 관한 것이다.
최근, 전기 자동차나 하이브리드 자동차가 주목을 받고 있어, 이들에 탑재하는 고에너지 밀도, 고출력 밀도로 이루어지는 고출력형 전지의 개발이 산업상 중요한 위치를 차지하고 있다. 이와 같은 고출력형 전지로서는, 예를 들어 리튬 이온 2차 전지가 있고, 편평 형상의 정극과 부극과, 양극의 단락을 방지하는 세퍼레이터를 적층한 적층 전극체를, 전해액과 함께 전지 용기 내에 밀폐하여 수납하고 있다. 전지 용기는 외장 부재의 외주부를 용착함으로써 적층 전극체를 수납하고 있고, 외주부의 용착부와 적층 전극체를 덮는 전지 본체부 사이에는, 전해액 잉여부가 있다. 외장 부재로서는, 예를 들어 알루미늄 라미네이트 시트가 사용된다.
이러한 종류의 2차 전지에서는, 전지 성능을 유지하기 위해서는, 적층 전극체가 소정의 양의 전해액을 포함하고 있는 것이 중요하다. 이로 인해, 전지 반응 등 어떠한 원인에 의해 적층 전극체에 있어서의 전해액의 양이 부족한 사태에 이른 경우, 전해액이 적층 전극체에 대해 보충되는 것이 바람직하다.
따라서 세퍼레이터가 팽윤하는 일 없이, 우수한 전해액의 보액성을 구비하는 동시에, 충분한 내산화성을 구비하기 위해, 이하의 특허 문헌 1에 기재된 것이 알려져 있다. 이 특허 문헌 1에 기재된 2차 전지는, 부직포를 사용하여 형성된 세퍼레이터에 있어서, 모세관 현상이 발생하는 단면 형상을 갖게 한 비팽윤성 섬유를 포함하는 것으로 하고 있다.
일본 특허 출원 공개 제2007-141672
그런데 실제로 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 있어서는, 조전지로서, 케이스 안에서 복수의 2차 전지가 전기적으로 접속된 상태로 적층되고, 케이스에 의해 적층 전극체를 덮는 전지 본체부가 적층 방향으로 높은 압력으로 눌려, 고정되어 있는 상태에서 사용된다.
상기 특허 문헌 1에 기재된 2차 전지에서는, 전해액 잉여부의 전해액은, 모세관 현상에 의한 힘으로 적층 전극체에 침투하지만, 전지 본체부가 높은 압력으로 눌린 상태에서는, 적층 전극체의 전해액이 부족한 공공부에 충분히 침투하지 않을 가능성이 있다.
본 발명은 전지 용기의 잉여 전해액부를 외부로부터 압박하는 가압 수단을 구비하고 있는 것으로 한다.
본 발명에 따르면, 전해액 잉여부의 전해액을 확실하게 적층 전극체에 보충할 수 있다.
도 1은 조전지를 도시하는 사시도이다.
도 2는 조전지의 내부를 도시하는 사시도이다.
도 3은 2차 전지(10)를 도시하는 사시도이다.
도 4는 2차 전지의 내부를 도시하는 도 3의 A-A 단면도이다.
도 5는 본 실시의 제1 형태에 관한 스페이서를 갖는 변의 가압 수단을 도시한 도 3의 B-B 단면도이다.
도 6은 본 실시의 제2 형태에 관한 스페이서를 갖지 않는 변의 가압 수단을 도시한 도 3의 A-A 단면도이다.
도 7은 본 실시의 제3 형태에 관한 가압 수단을 도시한 도 3의 B-B 단면도이다.
도 8은 본 실시의 제4 형태에 관한 2차 전지를 Z 방향에서 본 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 번호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다. 도면에 붙여진 X축 및 Y축은 각각, 편평 형상의 2차 전지(10)의 짧은 방향 및 긴 방향을 나타내고 있다. 또한, Z축은 적층 방향을 나타내고 있다.
도 1은 조전지를 도시하는 사시도이다. 조전지(1)는 케이스(4)의 내부에, 복수의 2차 전지(10)와, 전기 절연성을 구비한 절연 커버(14)를 수납하고 있다. 조전지(1)는 단독으로 사용하는 것이 가능하지만, 예를 들어 복수의 조전지(1)를 직렬화 및 병렬화함으로써, 원하는 전류, 전압, 용량에 대응한 조전지를 형성할 수 있다.
케이스(4)는 상자 형상을 이루는 로어 케이스(2)와, 덮개를 이루는 어퍼 케이스(3)를 갖는다. 어퍼 케이스(3)의 테두리부는, 코킹 가공에 의해 로어 케이스(2)의 주위 벽의 테두리부에 밀봉되어 있다. 로어 케이스(2) 및 어퍼 케이스(3)는 비교적 박육의 강판 또는 알루미늄판으로 형성되어 있다. 로어 케이스(2) 및 어퍼 케이스(3)는 관통 구멍(7)을 갖는다. 관통 구멍(7)은 코너부의 4개소에 배치되어 있고, 조전지(1)끼리를 복수 적층하여 조전지로서 보유 지지하기 위한 관통 볼트(도시하지 않음)를 삽입 관통하기 위해 사용된다. 부호 5, 부호 6은 로어 케이스(2)의 전방면의 개구부로부터 돌출되도록 배치된 출력 단자이다.
도 2는 조전지의 내부를 도시하는 사시도이다. 복수의 편평 형상의 2차 전지(10)가 전기적으로 접속되어 적층된 적층체(11) 및 전지를 지지하기 위한 복수의 스페이서(12, 13)가 있고, 스페이서(12, 13)는 전기 절연성을 갖는다. 스페이서(12)는 적층체(11)의 전방면측에 배치되고, 스페이서(13)(지지 부재에 상당함)는 적층체(11)의 배면측에 배치된다. 예를 들어, 적층체(11)의 배면측에 배치되는 스페이서(13)는, 후술하는 외장 부재(30)에 있어서의 외주부(32)를 끼움 지지하도록 위치 결정되어 있다. 스페이서(13)는 긴 방향 양단부에 관통 구멍(15)을 갖는다. 관통 구멍(15)은 로어 케이스(2) 및 어퍼 케이스(3)의 배면측의 관통 구멍(7)과 위치 정렬되어 있다.
도 3은 2차 전지(10)를 도시하는 사시도이다. 2차 전지(10)는 한 쌍의 외장 부재(30)의 내부에 적층 전극체(17)가 수용되고, 당해 한 쌍의 외장 부재(30)의 외주부(32)에서 밀봉된 것이다. 전지 본체부(21)는 적층 전극체(17)를 수납한 부분이다. 잉여 전해액부(33)는 전지 본체부(21)와 외주부(32) 사이에 있고, 적층 전극체(17)는 수납되어 있지 않은 전해액뿐인 부분이다. 또한, 외장 부재(30)의 외주부(32)를 포함하도록 구비되어 있는 탄성 수지부(16)에 대해서는 후술한다.
한 쌍의 외장 부재(30)의 각각은, 적층 전극체(17)를 수납할 수 있도록 직사각 형상 평판이고 얕은 사발형으로 성형되어, 내부에 적층 전극체(17)와 전해액을 넣은 후, 각각의 외주부(32)를 포개고, 외주부(32)의 일부 또는 전부가 열 융착이나 접착제에 의해 접합된다.
외장 부재(30)는 경량화 및 열전도성의 관점으로부터, 알루미늄, 스테인리스, 니켈, 구리 등의 금속(합금을 포함함)을 폴리프로필렌 필름 등의 절연체로 피복한 고분자-금속 복합 라미네이트 필름 등의 시트재로 이루어진다.
적층 전극체(17)의 정극판 및 부극판의 각각으로부터 외장 부재(30)의 외부로 정극 단자(41)와 부극 단자(42)가 도출되어 있다. 정극 단자(41) 및 부극 단자(42)는 정극 탭(41) 및 부극 탭(42)이라고도 불린다.
도 4는 도 3의 A-A 단면도이다[탄성 수지부(16)는 도시하지 않음]. 적층 전극체(17)는 정극, 부극 및 세퍼레이터를 순서대로 적층하여 형성된다. 정극은, 예를 들어 LiMn2O4 등의 리튬-천이 금속 복합 산화물로 이루어지는 정극 활물질층을 갖는다. 부극은, 예를 들어 카본 및 리튬-천이 금속 복합 산화물로 이루어지는 부극 활물질층을 갖는다. 세퍼레이터는, 예를 들어 전해질을 침투시킬 수 있는 통기성을 갖는 다공질 형상의 PE(폴리에틸렌)로 형성된다.
적층 전극체(17)의 전지 반응에 의해 전극 상의 전해액이 분해, 소비되어 미 함침부가 생긴 경우, 잉여 전해액부(33)에 있는 전해액은 모세관 현상에 의해 적층 전극체(17)로 공급된다.
외장 부재(30)에 가해지는 압력에 대해 설명한다. 라미네이트형의 2차 전지(10)는 전해액을 주액한 후, 5㎪ 이하의 감압 환경 하에서 밀봉된다. 한편, 2차 전지는 실제로는 101㎪의 대기압의 환경 하에서 사용되므로, 외장 부재(30)에는 차압분이 가해져, 항상 적층 전극체(17) 내의 전극과 세퍼레이터가 밀접하게 된다.
로어 케이스(2)와 어퍼 케이스(3)가 밀봉됨으로써, 조전지 내부의 2차 전지(10)의 전지 본체부(21)에는, Z 방향으로 높은 압력이 가해지므로, 항상 적층 전극체(17) 내의 전극과 세퍼레이터가 밀접하게 되어, 전지 특성의 저하나 적층 전극체(17)의 적층 어긋남을 방지하고 있다.
본 발명은 잉여 전해액부(33)에, 외부로부터 압박하는 가압 수단(34)을 구비하고 있어, 잉여 전해액부(33)를 압박한다. 그 결과, 적층 전극체(17)의 전지 반응에 의해 전극 상의 전해액이 분해, 소비되어 미함침부가 생긴 경우, 잉여 전해액부(33)의 전해액이 적층 전극체(17)로 공급된다. 또한, 가압 수단(34)에 의해 잉여 전해액부(33)를 압박하는 압력은, 전지 본체부(21)에 가해지는 압력보다도 큰 것이 바람직하다. 그 결과, 압력차에 의해 잉여 전해액부(33)의 전해액이 적층 전극체(17)로 확실하게 공급된다.
한편, 전극 상에 미함침부가 생기기 전에는, 잉여 전해액부(33)를 강하게 누름으로써, 외주부(32)의 용착이 박리되어, 외장 부재가 개방되어버릴 우려가 있다. 외장 부재가 개방되어버릴 때의 잉여 전해액부(33)를 압박하는 압력을 개방 압력이라 부른다. 잉여 전해액부(33)를 압박하는 압력은 개방 압력 이하로 하면, 외장 부재의 개방을 보다 방지할 수 있다. 개방 압력은 실험 등에서 미리 구해 둔다.
가압 수단의 실시예를 설명하기 위해, 도 3으로 되돌아간다. 본예의 2차 전지(10)에서는, 한 쌍의 외장 부재(30)의 단부면을 포함한 상태에서, 전지 본체부(21)의 외주부(32)의 전체 영역에, 고탄성 수지의 인서트 성형에 의해 탄성 수지부(16)가 형성되어 있다. 이에 의해, 전지 본체부(21)에 입력되는 외력을 완화할 수 있어 전지 본체부(21)의 고정 상태의 안정성이 향상된다. 특히, 탄성 수지부(16)는 차량 진동과 같은 비교적 고주파의 진동에 대해 탄성력에 의한 외력 완화 작용이 우수하다. 또한, 외주부(32)의 접합면으로부터 누설되려고 하는 적층 전극체(17)로부터의 전해액 누설을 방지할 수 있다.
탄성 수지부(16)는 가황 고무, 열경화성 수지 엘라스토머, 열가소성 수지 엘라스토머, 폴리아미드계 수지 등의 탄성 수지로 구성되고, 후술하는 인서트 성형에 의해 상기 범위에 형성된다.
도 5는 본 실시의 제1 형태에 관한 스페이서를 갖는 변의 가압 수단을 도시한 도 3의 B-B 단면도이다. 적층체(11)는 복수의 2차 전지(10)를 지지하기 위한 복수의 스페이서(12, 13)를 갖고 있다. 스페이서(12, 13)와 잉여 전해액부(33) 사이에, 탄성 부재(17)를 수축한 상태로 설치함으로써, 탄성 부재(17)의 탄성력에 의해, Y 방향과 Z 방향으로, 외부로부터 잉여 전해액부(33)에 크게 압박하는 압력을 가할 수 있다. 또한, 외주부(32)에도 탄성 부재(17)에 의해, Z 방향으로 압박 압력이 가해지므로, 외주부(32)의 개방 압력이 커져, 용착의 박리를 방지할 수 있다.
도 6은 본 실시의 제2 형태에 관한 스페이서를 갖지 않는 변의 가압 수단을 도시한 도 3의 A-A 단면도이다. 복수의 2차 전지(10)는 적층되어 있고, 탄성 부재(18)를, 인접한 2차 전지의 탄성 부재(18)와, Z 방향에서 접하도록 설치한다. 또한, 탄성 부재(18)가 잉여 전해액부(33)를 포함하도록 설치한다.
그렇게 함으로써, 로어 케이스(2)와 어퍼 케이스(3)가 밀봉되면, 탄성 부재(18)의 탄성력에 의해, Z 방향으로 외부로부터 잉여 전해액부(33)에 큰 압박 압력을 가할 수 있다. 또한, 외주부(32)에도 탄성 부재(18)에 의해, Z 방향으로 압박하는 압력이 가해지므로, 외주부(32)의 개방 압력이 커져, 용착의 박리를 방지할 수 있다.
탄성 부재(17, 18)는, 예를 들어 EPDM, BR, NBR제의 고무나, 스프링 등, 신축성을 갖는 재질이면, 효과를 얻을 수 있다. 또한, 탄성 부재(17, 18)는 탄성 수지부(16)를 이용함으로써, 새로운 부재를 설치하는 일이 없이, 진동의 흡수나 전해액의 누설을 방지하는 효과도 동시에 얻을 수 있다.
도 7은 본 실시의 제3 형태에 관한 가압 수단을 도시한 도 3의 B-B 단면도이다. 적층체(11)는 복수의 2차 전지(10)를 지지하기 위한 복수의 스페이서(12, 13)를 갖고 있다. 스페이서(12, 13)와, 잉여 전해액부(33) 사이에, 2개의 부재(43, 44)와, 1개의 탄성 부재(19)를 설치한다. 부재(43, 44)는 각각 경사면(45, 46)을 갖고 있고, Y 방향에서 경사면끼리 접하고 있다. 한쪽의 부재(43)는 경사면(45)이 아닌 부분에서, 잉여 전해액부(33)와 접하고 있다. 탄성 부재(19)는 스페이서(12, 13)와, 다른 쪽의 부재(44) 사이에 있고, 다른 쪽의 부재(44)의 경사면(46)과는 Y 방향으로 반대인 면(47)에 접하고 있다.
그 결과, 잉여 전해액부(33)의 전해액이 적어진 경우, 다른 쪽의 부재(44)는 탄성 부재(19)에 의해, 한쪽의 부재(43)에 압박되고, 한쪽의 부재(43)는 잉여 전해액부(33)를 압박한다. 잉여 전해액부(33)의 전해액이 감소한 경우, 한쪽의 부재(43)는 경사면(45)을 따라 Z 방향으로 이동하므로, 항상 큰 압박 압력을 가할 수 있다.
도 8은 본 실시의 제4 형태에 관한 2차 전지(10)를 Z 방향에서 본 도면이다. 2차 전지(10)의 4변 중 1변, 또는 일부에는, 가압 수단이 구비되어 있지 않은 부분(39)을 갖는다. 그 결과, 적층 전극체(17)에서 전지 반응에 의해 발생한 가스는, 가압 수단이 구비되어 있지 않은 부분(39)으로, 용이하게 이동이 가능해지므로, 적층 전극체(17)의 공공부로의 전해액의 침투가 보다 확실해진다.
본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 적절하게 개변할 수 있다. 예를 들어, 스페이서(12, 13)와 잉여 전해액부(33) 사이에 탄성 부재를 설치하였지만, 스페이서(12, 13) 대신에 케이스(4)의 벽면을 사용하는 것이나, 외장 부재(30)의 하나의 변에 정부의 탭(41, 42)의 양쪽이 배치되는 2차 전지(10)를 도시하였지만, 정부의 탭을 다른 변에 배치한 2차 전지에도 적용할 수 있는 것은 물론이다.
10 : 2차 전지
12 : 스페이서
16 : 탄성 수지부
17 : 탄성 부재
21 : 전지 본체부
32 : 외주부
33 : 잉여 전해액부
34 : 가압 수단

Claims (10)

  1. 정극과 부극과 세퍼레이터를 적층한 적층 전극체를 전해액과 함께 외장 부재에 수납하고,
    상기 외장 부재의 외주부를 용착하고,
    상기 외주부와, 적층 전극체를 덮는 전지 본체부와, 상기 외주부와 상기 전지 본체부 사이의 전해액이 저류된 잉여 전해액부를 갖는 라미네이트형의 2차 전지에 있어서,
    외부로부터 잉여 전해액부에 압박 압력을 가하며, 상기 외장 부재와는 별도의 가압 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 2차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 잉여 전해액부에 가해지는 압박 압력은, 상기 전지 본체부에 가해지는 압박 압력보다도 크며, 상기 잉여 전해액부에 가해지는 압박 압력은, 상기 외주부의 용착을 박리하는 개방 압력 이하인 것을 특징으로 하는, 2차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가압 수단은, 상기 외주부도 압박하는 것을 특징으로 하는, 2차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가압 수단은, 상기 외주부에 평행하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 2차 전지.
  5. 제1항에 기재된 2차 전지를 복수 적층한 조전지에 있어서,
    상기 가압 수단은, 상기 복수의 2차 전지 사이에 있고, 상기 복수의 2차 전지는 구속 수단에 의해, 적층 방향으로 구속되어 있는 것을 특징으로 하는, 조전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가압 수단은, 탄성 부재인 것을 특징으로 하는, 조전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 2차 전지를 적층하였을 때에, 서로의 상기 외주부의 사이에 배치되어, 2차 전지를 소정의 설치 위치에 대해 고정시키기 위한 고정부를 갖는 스페이서를 구비하고 있고,
    상기 가압 수단은 상기 스페이서와 상기 잉여 전해액부 사이에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 조전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 외주부와 상기 스페이서의 중첩부를 포함하는 범위에, 인서트 성형에 의해 상기 탄성 부재가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 조전지
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가압 수단은, 경사면을 갖는 2개의 부재를 구비하고 있고,
    상기 2개의 부재는 경사면끼리, 상기 적층 전극체의 편평면의 평행 방향에서 접하고 있고,
    한쪽의 부재는 상기 잉여 전해액부와 접하고 있고,
    다른 쪽의 부재는 상기 적층 전극체의 편평면의 평행 방향으로, 상기 잉여 전해액부와는 반대 방향에, 탄성 부재를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 2차 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기한 잉여 전해액부는, 상기 가압 수단이 구비되어 있지 않은 부분을 갖는 것을 특징으로 하는, 2차 전지.
KR1020120022689A 2011-04-08 2012-03-06 2차 전지 및 이것을 사용한 조전지 KR101317535B1 (ko)

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