KR101372780B1 - 전지 - Google Patents

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KR101372780B1
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다꾸야 기노시따
다까아끼 아베
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는 수명을 향상시킬 수 있는 전지를 제공하는 것이다. 정극, 전해질, 부극을 순차 적층하여 구성되는 단전지층을 적어도 하나 이상 적층한 발전 요소(21)와, 발전 요소(21)의 최외측의 정극면 상에 구비되는 제1 집전판(25)과, 발전 요소(21)의 최외측의 부극면 상에 구비되는 제2 집전판(27)과, 제1 집전판(25) 및 제2 집전판(27) 중 적어도 한쪽의 집전판[25(27)]에 형성되고, 당해 집전판[25(27)]의 단부변의 폭의 절반 이상의 폭을 갖는 도전성의 볼록부[41(42)]와, 볼록부[41(42)]에 부착되어, 당해 볼록부[41(42)]로부터 전류를 취출하는 단자[44(45)]를 갖는 전지이다.

Description

전지 {BATTERY}
본 발명은 전지에 관한 것이다.
종래의 전지는 정극, 전해질, 부극을 순차 적층한 발전 요소를 적어도 하나 이상 적층하고, 적층 방향의 양단부에 각각 집전판을 구비하고 있다. 이 집전판에는 면 상에 있어서, 집전판의 외주부의 한 변의 일부분에 전력을 취출하기 위한 탭을 구비하고 있다(특허 문헌 1).
일본 특허 출원 공개 제2005-63775호 공보
그러나, 종래에는 전지에서 발생한 전력을 취출할 때에, 집전판의 한 변의 길이에 대해 한 변의 길이가 짧은 탭을 설치하므로, 집전판과 탭의 접속부가 작기 때문에, 그 접속 부분에 전류가 집중되기 쉬운 구조로 되어 있었다. 반대로, 집전판과 탭이 접속되어 있지 않은 부분에는 전류가 그다지 흐르지 않는다. 그로 인해, 탭 접속부와 그 밖의 부분에서는, 전류 밀도가 달라 전위차에 차이가 발생하여, 전압의 급준한 변동이 일어나고 있었다. 그 전압의 변동이 발전 요소 내부의 전극에 영향을 미치고, 동일 전극 내에 있어서 열화 속도의 차이가 발생하여, 전지의 수명을 저하시킬 우려가 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 수명을 향상시킨 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 발전 요소와, 제1 집전판과, 제2 집전판과, 도전성의 볼록부와, 단자를 갖는다. 발전 요소는 정극, 전해질, 부극을 순차 적층하여 구성되는 단전지층을 적어도 하나 이상 적층하여 형성된다. 제1 집전판은 발전 요소의 최외측의 정극면 상에 구비된다. 제2 집전판은 발전 요소의 최외측의 부극면 상에 구비된다. 도전성의 볼록부는 제1 집전판 및 제2 집전판 중 적어도 한쪽의 집전판에 형성되고, 당해 집전판의 단부변의 폭의 절반 이상의 폭을 갖는다. 단자는 볼록부에 설치되고, 당해 볼록부로부터 전류를 취출한다.
본 발명의 전지는 집전판의 단부변의 폭의 절반 이상의 폭을 갖는 볼록부를 구비하고, 당해 볼록부에 단자를 접속하여 전류를 취출한다. 이에 의해, 집전판과 볼록부의 접촉부를 크게 확보할 수 있어, 전류의 집중을 완화시킬 수 있다. 따라서, 전류 밀도의 차에 의한 전압 구배도 저감시킬 수 있고, 결과적으로, 전극의 열화 속도의 차이를 억제할 수 있어, 전지의 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 쌍극형 2차 전지의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 쌍극형 2차 전지의 단면도이다.
도 3은 쌍극형 2차 전지의 발전 요소의 구조를 도시하는 개략 단면도이다.
도 4는 발전 요소를 관통하는 전류 경로 길이를 도시하는 개념도이다.
도 5는 집전판에 있어서의 전류 및 전압 분포를 도시하는 개념도이다.
도 6은 집전판과 봉재의 전류 패스 길이와 면내 전류 분포를 도시하는 개념도이다.
도 7은 제2 실시 형태에 있어서의 집전판과 봉재의 전류 패스 길이와 면내 전류 분포를 도시하는 개념도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 번호를 부여하여, 중복되는 설명을 생략한다. 또한, 도면의 치수 비율은 설명의 사정상 과장되어 있어, 실제의 비율과는 다른 경우가 있다.
우선, 바람직한 실시 형태로서 쌍극형 리튬 이온 2차 전지(쌍극형 2차 전지)에 대해 설명하지만, 이하의 실시 형태만으로는 제한되지 않는다. 또한, 쌍극형 2차 전지 이외의 다른 전지에도 적용할 수 있다.
(제1 실시 형태)
도 1은 쌍극형 2차 전지(10)의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1의 쌍극형 2차 전지(10)의 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 쌍극형 2차 전지(10)는 충방전 반응이 일어나는 대략 직사각형의 발전 요소(21)의 양 단부면 상에 제1 집전판(25)과 제2 집전판(27)을 구비한 구조로 이루어진다. 발전 요소(21)의 양 단부면은 한쪽이 정극면이고, 다른 쪽이 부극면이다. 정극면 상에는 제1 집전판(25), 부극면 상에는 제2 집전판(27)이 구비되지만, 각각 반대로 구비되어도 상관없다.
제1 집전판(25) 및 제2 집전판(27) 중 적어도 한쪽의 집전판(25, 27)에는 도전성의 봉재(볼록부)(41, 42)가 구비된다. 이하의 실시 형태에서는 제1 집전판(25) 및 제2 집전판(27)의 양쪽에, 제1 봉재(41) 및 제2 봉재(42)가 설치되는 경우에 대해 설명한다.
제1 봉재(41) 및 제2 봉재(42)는 각각 제1 집전판(25) 및 제2 집전판(27)의 단부변의 폭의 절반 이상의 폭을 갖고, 발전 요소(21)측으로 돌출된다. 이하의 실시 형태에서는, 제1 봉재(41) 및 제2 봉재(42)는 제1 집전판(25) 및 제2 집전판(27)의 단부변의 폭과 대략 동등한 폭을 갖는 경우에 대해 설명한다. 제1 봉재(41)의 연장 방향의 일단부에는 쌍극형 2차 전지(10)에서 발생한 전기를 취출하기 위한 단자(43)를 구비한다. 마찬가지로, 제2 봉재(42)에는 전기를 취출하기 위한 단자(44)가 구비된다. 여기서, 전기를 취출하기 위한 단자를 사용하여, 쌍극형 2차 전지를 충전할 수 있는 것은 물론이다.
또한, 제1 봉재(41) 및 제2 봉재(42)의 단자(43, 44)에는 도전선(45, 46), 전력선, 부스 바, 리드선 등이 설치되고, 그들을 통해 충방전이 이루어진다. 또한 도전선(45, 46), 전력선, 부스 바, 리드선 등을 사용하여, 이웃하는 쌍극형 2차 전지와 직렬/병렬로 접속함으로써, 목적에 따른 전압/전류를 공급할 수 있는 조전지를 형성해도 좋다.
또한, 쌍극형 2차 전지(10)는 종래 공지의 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.
이하, 쌍극형 리튬 이온 2차 전지에 채용되는 경우를 예로 들어 쌍극형 2차 전지(10)를 구성하는 각각의 부재에 대해 설명한다. 그러나, 여기에 예시한, 활물질의 종류, 전해질, 집전판, 집전체, 바인더, 지지염(리튬염), 그밖에 필요에 따라서 첨가되는 화합물의 선택에 대해, 특별히 제한은 없다. 사용 용도에 따라서, 종래 공지의 지식을 적절하게 참조함으로써 선택하면 된다.
(발전 요소)
도 3은 쌍극형 2차 전지(10)의 발전 요소(21)의 구조를 도시하는 개략 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 발전 요소(21)는 정극(13), 전해질(17), 부극(15)을 순서대로 적층한 단전지층(19)을 집전체(11)를 통해 적층한 구조로 이루어진다. 적층수는 쌍극형 2차 전지(10)에 요구하는 전압/전류에 기초하여 결정하면 된다. 또한, 도 3에 있어서는 집전체(11)를 통해 적층함으로써 발전 요소(21)로 하고 있지만, 그와 같이 적층되지 않고 1층만, 즉 1개의 단전지층(19)만으로도 발전 요소(21)로 될 수 있다. 쌍극형 전극(23)은 정극(13), 집전체(11), 부극(15)을 적층한 구성으로 이루어진다.
[정극(정극 활물질층) 및 부극(부극 활물질층)]
정극(13) 및 부극(15)은 각각 활물질을 포함하여 정극 활물질층(13) 및 부극 활물질층(15)을 갖고, 필요에 따라서 그 밖의 첨가제를 더 포함한다.
정극 활물질층(13)은, 예를 들어 LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, Li(Ni-Co-Mn)O2 및 이들 천이 금속의 일부가 다른 원소에 의해 치환된 것 등의 리튬-천이 금속 복합 산화물, 리튬-천이 금속 인산 화합물, 리튬-천이 금속 황산 화합물 등을 들 수 있다. 경우에 따라서는 2종 이상의 정극 활물질이 병용되어도 좋다. 바람직하게는, 용량, 출력 특성의 관점으로부터, 리튬-천이 금속 복합 산화물이, 정극 활물질로서 사용된다. 또한, 상기 이외의 정극 활물질이 사용되어도 되는 것은 물론이다.
부극 활물질층(15)은, 예를 들어 그라파이트, 소프트 카본, 하드 카본 등의 탄소 재료, 리튬-천이 금속 복합 산화물(예를 들어, Li4Ti5O12), 금속 재료, 리튬 합금계 부극 재료 등을 들 수 있다. 경우에 따라서는, 2종 이상의 부극 활물질이 병용되어도 좋다. 바람직하게는, 용량, 출력 특성의 관점으로부터, 탄소 재료 또는 리튬-천이 금속 복합 산화물이, 부극 활물질로서 사용된다. 또한, 상기 이외의 부극 활물질이 사용되어도 되는 것은 물론이다.
정극 활물질층(13) 및 부극 활물질층(15)은 폴리불화비닐리덴, 폴리이미드, 스티렌ㆍ부타디엔 고무, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드 등의 바인더를 포함해도 좋다. 이들 바인더는 내열성이 우수하고, 또한 전위창이 매우 넓어 정극 전위, 부극 전위 양쪽에 안정적이고 활물질층에 사용이 가능해진다. 이들 바인더는 1종 단독으로 사용해도 좋고, 2종 병용해도 좋다. 또한, 활물질층에 포함될 수 있는 그 밖의 첨가제로서는, 예를 들어 도전조제, 전해질염(리튬염), 이온 전도성 폴리머 등을 들 수 있다.
정극(13)의 두께는, 특별히 한정되는 것은 아니고, 배합량에 대해 서술한 바와 같이, 전지의 사용 목적(출력 중시, 에너지 중시 등), 이온 전도성을 고려하여 결정해야 한다. 일반적인 정극 활물질층의 두께는 10 내지 500㎛ 정도이다.
부극(15)은 부극 활물질의 종류 이외에 기본적으로, 정극(13)에 대한 설명에서 기재한 내용과 마찬가지이므로, 여기서는 설명을 생략한다.
(전해질층)
전해질층(17)을 구성하는 전해질로서는, 액체 전해질 또는 폴리머 전해질이 사용될 수 있다.
액체 전해질은 가소제인 유기 용매에 지지염인 리튬염이 용해된 형태를 갖는다. 가소제로서 사용될 수 있는 유기 용매로서는, 예를 들어 에틸렌카보네이트(EC)나 프로필렌카보네이트(PC) 등의 카보네이트류가 예시된다. 또한, 지지염(리튬염)으로서는, LiBETI 등의 전극의 활물질층에 첨가될 수 있는 화합물이 마찬가지로 채용될 수 있다.
한편, 폴리머 전해질은 전해액을 포함하는 겔 전해질과, 전해액을 포함하지 않는 진성 폴리머 전해질로 분류된다.
겔 전해질은 이온 전도성 폴리머로 이루어지는 매트릭스 폴리머에, 상기한 액체 전해질이 주입되어 이루어지는 구성을 갖는다. 매트릭스 폴리머로서 사용되는 이온 전도성 폴리머로서는, 예를 들어 폴리에틸렌옥시드(PEO), 폴리프로필렌옥시드(PPO) 및 이들의 공중합체 등을 들 수 있다. 이러한 폴리알킬렌옥사이드계 폴리머에는 리튬염 등의 전해질염이 잘 용해될 수 있다.
또한, 전해질층이 액체 전해질이나 겔 전해질로 구성되는 경우에는, 전해질층에 세퍼레이터를 사용해도 좋다. 세퍼레이터의 구체적인 형태로서는, 예를 들어 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀으로 이루어지는 미다공막을 들 수 있다.
진성 폴리머 전해질은 상기한 매트릭스 폴리머에 지지염(리튬염)이 용해되어 이루어지는 구성을 갖고, 가소제인 유기 용매를 포함하지 않는다. 따라서, 전해질층이 진성 폴리머 전해질로 구성되는 경우에는 전지로부터의 액 누설의 우려가 없어, 전지의 신뢰성이 향상될 수 있다.
겔 전해질이나 진성 폴리머 전해질의 매트릭스 폴리머는 가교 구조를 형성함으로써, 우수한 기계적 강도를 발현할 수 있다. 가교 구조를 형성시키기 위해서는, 적당한 중합 개시제를 사용하여, 고분자 전해질 형성용 중합성 폴리머(예를 들어, PEO나 PPO)에 대해 열중합, 자외선 중합, 방사선 중합, 전자선 중합 등의 중합 처리를 실시하면 좋다.
전해질(17)의 두께는, 특별히 한정하는 것이 아니다. 그러나, 콤팩트한 바이폴라 전지를 얻기 위해서는, 전해질로서의 기능을 확보할 수 있는 범위에서 최대한 얇게 하는 것이 바람직하다. 일반적인 고체 고분자 전해질층의 두께는 10 내지 100㎛ 정도이다.
(집전체)
집전판(11)의 재질로서는, 활물질층(13, 15)과 외부를 전기적으로 접합하기 위한 부재이며, 도전성의 재료로 구성된다. 집전체(11)의 구체적인 형태에 대해 특별히 제한은 없다. 도전성을 갖는 한, 그 재료, 구조 등은 특별히 한정되지 않고, 일반적인 리튬 이온 2차 전지에 사용되고 있는 종래 공지의 형태가 채용될 수 있다. 예를 들어, 금속이나 도전성 고분자가 채용될 수 있다. 전기의 취출 용이의 관점으로부터는, 적합하게는 금속 재료가 사용된다. 구체적으로는, 예를 들어 철, 크롬, 니켈, 망간, 티탄, 몰리브덴, 바나듐, 니오브, 알루미늄, 구리, 은, 금, 백금 및 카본으로 이루어지는 군으로부터 선택되어 이루어지는 적어도 1종류의 집전체 재료를 들 수 있다. 보다 바람직하게는, 알루미늄, 티탄, 구리, 니켈, 은 또는 스테인리스(SUS)로 이루어지는 군으로부터 선택되어 이루어지는 적어도 1종류의 집전체 재료 등을 들 수 있다. 이들은 단층 구조(예를 들어, 박의 형태)로 사용해도 좋고, 다른 종류의 층으로 구성된 다층 구조로 사용해도 좋다. 이들 이외에, 니켈과 알루미늄의 클래드재, 구리와 알루미늄의 클래드재, 혹은 이들 금속의 조합의 도금재 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 또한, 금속 표면에 알루미늄이 피복되어 이루어지는 박이라도 좋다. 그 밖에도, 소정 온도를 초과하면 급격하게 저항이 증가하는 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient 소자)라도 좋다. 이들 중에서도, 전자 전도성, 전지 작동 전위라고 하는 관점으로부터는, 알루미늄, 구리가 바람직하다. 또한, 경우에 따라서는, 2개 이상의 상기 집전체 재료인 금속박을 맞대어도 좋다. 상술한 재질은 내식성, 도전성, 또는 가공성 등이 우수하다.
집전체(11)의 일반적인 두께는 1 내지 50㎛이다. 단, 이 범위를 벗어나는 두께의 집전체를 사용해도 된다. 또한, 집전체(11)의 구조도 박 형상, 부직포 형상, 다공질 형상 등의 구조이면 된다.
(절연부)
절연부(31)는 전해질층(17)으로부터의 전해액의 누설에 의한 액간 접촉을 방지한다. 또한, 절연부(31)는 전지 내에서 이웃하는 집전체끼리가 접촉하거나, 발전 요소(21)에 있어서의 단전지층(19)의 단부의 약간의 부일치 등에 기인하는 단락이 일어나는 것을 방지하는 목적으로 설치된다.
절연부(31)를 구성하는 재료로서는, 절연성, 고체 전해질의 탈락에 대한 시일성이나 외부로부터의 수분의 투습에 대한 시일성(밀봉성), 전지 동작 온도 하에서의 내열성 등을 갖는 것이면 된다. 예를 들어, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리이미드 수지, 고무 등이 사용될 수 있다. 특히, 내식성, 내약품성, 제작 용이(제막성), 경제성 등의 관점으로부터, 폴리에틸렌 수지나 폴리프로필렌 수지가, 절연부(31)의 구성 재료로서 바람직하게 사용된다.
[제1 집전판(정극 집전판) 및 제2 집전판(부극 집전판)]
제1 및 제2 집전판(25, 27)의 재료는 특별히 제한되는 것은 아니고, 쌍극형 2차 전지용 집전판으로서 종래 사용되고 있는 공지의 고도전성 재료가 사용될 수 있는 알루미늄, 구리, 티탄, 니켈, 스테인리스강(SUS), 이들 합금 등의 금속 재료가 바람직하고, 보다 바람직하게는 경량, 내식성, 고도전성의 관점으로부터 알루미늄, 구리 등이 바람직하고, 특히 바람직하게는 알루미늄이다. 집전판(25, 27)은 상기의 재료를 잉크젯 방식에 의해 기재(基材)로 분사하거나, 혹은 도금, 피복, 복수의 금속 재료의 맞댐에 의해 형성된다. 또한, 집전체는 수지를 포함할 수도 있다.
집전판(25, 27)의 적층 방향으로부터 본 면적은 발전 요소(40)의 쌍극형 전극(23)의 적층 방향 양 단부면의 면적보다도 크다. 따라서, 집전판(25, 27)에 응력을 균등하게 가할 수 있다.
제1 집전판(25)은 단부 집전체(11)와 기계적으로 체결되어 있지 않고, 외장재(29)에 의해 밀봉했을 때에 작용하는 압력에 의한 금속 접촉에 의해, 단부 집전체(11)와 전기적으로 연결되어 있다. 정극 집전판(25)과 단부 집전체(11) 사이에는 도전성이 우수한 접착성 또는 비접착성의 도포제를 개재시켜도 좋다. 제2 집전체(27)에 대해서도 마찬가지이다.
또한, 집전판(25, 27)에서는 동일한 재질이 사용되어도 좋고, 다른 재질이 사용되어도 좋다. 또한, 발전 요소(21)의 최외층에 위치하는 집전체(11)를 연장함으로써 집전판(25, 27)으로 해도 좋다.
(봉재)
봉재(볼록부)(41, 42)는 집전판(25, 27)의 각각의 외주의 일부 또는 전부에 구비된다. 특히, 봉재(41, 42)는 각각의 집전체(25, 27)의 한 변의 테두리부에만 구비되는 것이 바람직하다. 또한, 봉재(41과 42)는 발전 요소(21)를 중심으로 하여 대향하는 위치에 구비되는 것이 좋다.
또한, 봉재(41, 42)가 구비되는 면은 집전판(25, 27)의 발전 요소(21)가 구비되는 면, 즉 발전 요소(21)측에 구비되는 것이 바람직하다. 그러나, 봉재(41, 42)는 발전 요소(21)와는 반대의 면, 어떤 면에 구비되어도 좋다.
봉재(41, 42)의 재질로서는, 예를 들어 금속이나 도전성 고분자가 채용될 수 있다. 전기의 취출 용이의 관점으로부터는, 적합하게는 금속 재료가 사용된다. 구체적으로는, 예를 들어 알루미늄, 니켈, 철, 스테인리스강, 티탄, 구리 등의 금속 재료를 들 수 있다. 이들 이외에, 니켈과 알루미늄의 클래드재, 구리와 알루미늄의 클래드재, 혹은 이들 금속의 조합의 도금재 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 또한, 금속 표면에 알루미늄이 피복되어 이루어지는 봉재라도 좋다.
봉재(41, 42)는, 제1 봉재(41) 및 제2 봉재(42)는 각각 제1 집전판(25) 및 제2 집전판(27)의 단부변의 폭의 절반 이상의 폭을 갖고, 발전 요소(21)측으로 돌출된다.
봉재(41, 42)의 단면적은 전극 면적의 0.04％ 이상인 것이 바람직하다. 그와 같이 함으로써, 전동 차량 구동용 전원으로서 제공되는 비수계 2차 전지의 요구하는 제어 정밀도를 달성할 수 있다. 또한, 여기서 말하는 봉재(41, 42)의 단면적은 당해 봉재(41, 42)를 축방향(연신 방향)에 대해 수직으로 잘랐을 때의 단면의 면적이다.
봉재(41, 42) 상에 각각 단자(43, 44)를 설치함으로써, 전지 외부로 전류를 취출할 수 있다. 단자(43, 44)는 임의의 장소에 적어도 각각 하나 이상 설치할 수 있다. 특히, 단자(43, 44)의 위치는 각각 가장 멀리 이격된 위치에 설치하는 것이 바람직하다.
(전지 외장재)
전지 외장재(29)로서는, 공지의 금속통 케이스를 사용할 수 있는 것 외에, 발전 요소(21)를 덮을 수 있는, 알루미늄을 포함하는 라미네이트 필름을 사용한 주머니 형상의 케이스가 사용될 수 있다. 라미네이트 필름에는, 예를 들어 PP, 알루미늄, 나일론을 이 순서대로 적층하여 이루어지는 3층 구조의 라미네이트 필름 등을 사용할 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 전혀 아니다. 고출력화나 냉각 성능이 우수하고, EV(전기 자동차), HEV(하이브리드 자동차)용 대형 기기용 전지에 적절하게 이용할 수 있다고 하는 관점으로부터, 라미네이트 필름이 바람직하다. 또한, 도 3에 도시한 바와 같이 봉재(41, 42)가 전지 외장재(29)의 내부에 구비되어 있지만, 봉재(41, 42)는 전지 외장재(29)의 외부로 구비해도 좋다.
(도전선 및 부스 바)
전지 외부에 전류를 취출하기 위한 도전선(45, 46)으로서, 전력선, 리드선, 부스 바 등을 사용해도 좋다. 도전선은 최외층 집전체나 집전판에 전기적으로 접속되어, 전지 외장재인 라미네이트 시트의 외부에 취출된다.
도전선(45, 46)을 구성하는 재료는 특별히 제한되지 않고, 쌍극형 2차 전지용 도전선으로서 종래 사용되고 있는 공지의 고도전성 재료가 사용될 수 있다. 도전선의 구성 재료로서는, 예를 들어 알루미늄, 구리, 티탄, 니켈, 스테인리스강(SUS), 이들의 합금 등의 금속 재료가 바람직하고, 보다 바람직하게는 경량, 내식성, 고도전성의 관점으로부터 알루미늄, 구리 등이 바람직하다. 또한, 도전선(45)과 도전선(46)에서는 동일한 재질이 사용되어도 좋고, 다른 재질이 사용되어도 좋다.
또한, 전지 외장재(29)로부터 취출된 부분은 주변 기기나 배선 등에 접촉하여 누전되거나 하여 제품(예를 들어, 자동차 부품, 특히 전자 기기 등)에 영향을 미치지 않도록, 내열 절연성의 열수축 튜브 등에 의해 피복하는 것이 바람직하다.
(집전 기구)
본 실시 형태의 작용으로서, 발전 요소(21)로부터 전류를 취출하는 집전 기구에 대해 설명한다.
도 4는 발전 요소(21)를 관통하는 전류 경로 길이를 도시하는 개념도이다. 도 5는 봉재 상의 단자의 설치 위치의 배리에이션을 도시하는 도면이다. 도 6은 봉재로부터 전류를 취출하기 위한 단자의 위치를 변화시켰을 때의, 집전판과 봉재의 전류 패스 길이와 면내 전류 분포를 나타내는 개념도이다.
발전 요소(21)는 전기를 저장/방출하고, 이것과 면 접촉에 의해 전기적으로 도통하는 집전판 및 집전판의 한 변의 테두리부에 배치된 봉재를 통해, 봉재(41, 42)의 단부에 구비된 단자(43, 44)로부터 전력선(45, 46)을 통해 전류를 충방전한다. 발전 요소(20)의 형상이 직사각형인 것을 전제로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4에 도시한 바와 같이, 전류는 봉재(42)로부터 발전 요소(21)를 관통하여 봉재(41)의 단자로부터 외부로 흐른다. 여기서, 도 4의 (a)와 도 4의 (b)에 있어서, 봉재(41과 42)의 설치 장소에 대해 설명한다. 도 4의 (a)에 있어서의 봉재(41, 42)의 설치 위치는 발전 요소(21)를 중심으로 대조적으로 설치된다. 도 4의 (b)에 있어서의 봉재(41, 42)의 설치 위치는 발전 요소(21)의 동일한 측면에 설치된다. 전류가 흐르는 경로는, 예를 들어, 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이 P1, P2, P3의 경로가 있고, 도 4의 (b)에서는 P4, P5, P6의 경로가 있다. 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 봉재(41과 42)가 서로 반대 위치에 있고 전류를 취출하고 있으면, 경로에 있어서 P1, P2, P3은 동일한 거리이고, 발전 요소(21)에 대해 부하가 균등하게 가해지게 된다. 그것에 대해, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 봉재(41과 42)가 동일한 측에 있고 전류를 취출하면, 경로는 P4>P5>P6순으로 길고, 발전 요소(21)에 대해 부하가 균등하게 가해지지 않는다. 즉, 전류의 경로에 의하지 않고, 그 경로 길이가 균등한 쪽이, 발전 요소(21)의 어떤 곳을 통과하는 전류라도 동등한 전기 저항을 가진 경로를 전송되므로 전압의 부균일성을 배제할 수 있다. 따라서, 도 4의 (a)와 같이, 봉재(41과 42)는 발전 요소(21)를 중심으로 대조적으로 배치되는 것이 바람직하다. 도 4의 (a)의 형태의 쪽이, 도 4의 (b)의 형태보다도 보다 전압 구배를 저감시킬 수 있기 때문이다. 단, 도 4의 (b)에 있어서도, 봉재(41) 및 봉재(42)는 제1 집전판(25) 및 제2 집전판(27)의 단부변의 폭의 절반 이상의 폭을 갖는다. 따라서, 도 4의 (b)의 종이면에 대해 수직인 방향으로는 전압 구배가 없다. 그 점에서는, 도 4의 (a) 및 도 4의 (b) 중 어느 형태에 있어서도 유리하다.
다음에, 봉재 상의 단자의 설치 위치의 배리에이션에 대해 설명한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 전류는 봉재(42)로부터 발전 요소(21)를 통과하여 봉재(41)의 단자로부터 외부 인버터(INV) 등으로 흐른다. 여기서, 도 5의 (a)와 도 5의 (b)에 있어서, 봉재(41과 42)의 설치 장소에 대해 설명한다. 도 5의 (a)에 있어서의 봉재(41, 42) 상의 단자(43, 44)의 설치 위치는 각각 대조적으로 설치된다. 도 5의 (b)에 있어서의 봉재(41, 42) 상의 단자(43, 44)의 설치 위치는 동일 방향의 단부에 설치된다. 도 5의 (a) 및 도 5의 (b) 중 어느 곳에 있어서도, 제1 집전판(25) 및 제2 집전판(27)의 단부변의 폭의 절반 이상의 폭을 갖는 봉재(41, 42)로 인해, 전압 구배가 없다. 도 5의 (b)의 형태에서는, 단자(43, 44)가 대각이 아니라 동측에 설치되어 있다. 따라서, 도 5의 (b)의 형태에서는, 도전선(43, 44)을 동측으로부터 인출할 수 있어, 제조를 용이하게 할 수 있다.
다음에, 봉재의 양단부의 전위차에 대해 설명한다. 집전판 및 봉재의 전류/전압 분포는 이하의 수학식에 의해 표현할 수 있다. 여기서, 전류 밀도를 j[A/㎡](＝상수), 저항률을 ρ[Ωㆍm], 봉재의 단면적을 A[㎡], 집전판의 두께를 t[m], 집전판의 치수를 L[m]×W[m]로 한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 집전판에 l축, w축의 2축으로 정의되는 좌표를 적용한 경우, 소정의 w에 있어서의 l축에 평행한 전류 분포는 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012016575719-pct00001
단, 간단하게 하기 위해 w에만 의존하는 전압의 차는 없는 것으로 한다.
따라서, 봉재에 접하는 전극판의 말단에 있어서의 전류는 jLdw이고, 봉재를 따른 전류 분포는 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012016575719-pct00002
한편, 봉재를 따른 전압 분포는 상기 전류 분포와 봉재의 특성으로부터 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012016575719-pct00003
즉, 봉재의 양단부의 전위차(ΔEmax)는 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012016575719-pct00004
쌍극형 2차 전지를 출입하는 전류의 총합 I는 수학식 5와 같이 표현할 수 있으므로, 수학식 4의 전위차(ΔEmax)는 수학식 6과 같이 재기록된다.
Figure 112012016575719-pct00005
Figure 112012016575719-pct00006
ΔEmax를 최소로 하기 위해서는, W를 작게 한다. 즉, 동일한 면적의 발전 요소를 설계하는 데 있어서, L을 보다 크게 설계하거나, 봉재의 단면적 A를 보다 크게 하는 것이 유효하다.
이와 같이, 제1 실시 형태에 있어서의 쌍극형 2차 전지(10)에 따르면, 발전 요소를 사이에 두고 대향하도록 집전판의 한 변의 전체 길이에 걸쳐서 구비된 봉재(41, 42)가 적절한 단면적을 가지므로, 전기 저항이 저하되어, 봉재에 균일적으로 전류를 모을 수 있다. 또한, 전극면 내의 임의 부위를 수직으로 관통하는 전류 경로는 어느 한쪽의 경로에 의하지 않고, 그 양극 사이의 전기 저항이 전반적으로 균일해지므로, 전위 분포를 더욱 균일화할 수 있다. 따라서, 봉재를 구비한 방향으로 집전판 전체의 전류를 균일하게 모을 수 있기 때문에, 전류 집중이 일어나지 않으므로, 전압의 급준한 변동을 최소한으로 억제할 수 있고, 전극의 열화 속도를 지연시켜, 전지의 수명을 향상시킬 수 있다. 특히, 봉재 단면적을 전극 면적의 0.04％ 이상으로 함으로써, 전동 차량 구동용 전원으로서 제공되는 비수계 2차 전지가 요구하는 제어 정밀도를 달성할 수 있다.
또한, 봉재(41, 42)는 제1 집전판(25) 및 제2 집전판(27)의 단부변의 폭의 절반 이상의 폭을 갖고 있으면, 전위 분포를 균일하게 할 수 있고, 전극의 열화 속도를 지연시킬 수 있다.
또한, 봉재(41, 42)는 집전판(25, 27)으로부터 발전 요소(21)측(내측)으로 돌출되어 구비되어 있다. 따라서, 봉재(41, 42)는 발전 요소(21)의 높이의 범위 내로 억제되므로, 스페이스 효율도 좋다.
또한, 봉재(41, 42)에 설치된 단자(43, 44)에는 도전선(45, 46)이 설치되어 있다. 도전선(45, 46)은 선 형상 부재므로, 도 3에 도시한 바와 같이, 전지 외장재(29)로부터 인출할 때에 밀폐성을 확보하기 쉽다.
(제2 실시 형태)
제2 실시 형태의 쌍극형 2차 전지(10)는 전류를 취출하기 위한 단자의 위치가 제1 실시 형태와는 다르다. 구체적으로는, 도 7에 도시한 바와 같이 제2 실시 형태에 있어서의 전류를 취출하기 위한 단자(47, 48)의 위치는 제1 봉재의 중점(47)과, 제2 봉재의 중점(48)에 위치한다.
단자(47, 48)를 각각 제1 봉재(41), 제2 봉재(42)의 중점에 배치함으로써, 전선 혹은 부스 바를 봉재의 중심, 즉 발전 요소(21)의 중앙선 상에서 전력을 취출할 수 있다. 이 경우, 수학식 6의 ΔEmax는 W 치수를 W/2로 치환하여 계산할 수 있다. ΔEmax는 일의적으로 규정된 허용값이므로, 이를 변수의 치환 전후에서 동등한 것으로 하면 봉재 단면적은 A/2로 되어, 체적, 질량, 비용의 저감에 기여할 수 있다.
이와 같이, 제2 실시 형태에 있어서의 쌍극형 2차 전지(10)에 따르면, 제1 실시 형태의 효과에 추가하여, 변을 따르는 전류의 경로의 최대 길이를 더욱 단축할 수 있으므로, 허용되는 전위차와 실용 전류로부터 규정되는 봉재 단면적을 최소화할 수 있다.
마지막으로, 본 발명을 적용하는 전지의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 비수전해질 전지이다. 또한, 비수전해질 전지의 구조ㆍ형태로 구별한 경우에는 적층형(편평형) 전지, 권회형(원통형) 전지 등으로 특별히 제한되지 않고, 종래 공지의 어떤 구조에도 적용될 수 있다.
마찬가지로 비수전해질 전지의 전해질의 형태로 구별한 경우에도, 특별히 제한은 없다. 예를 들어, 비수전해액을 세퍼레이터에 함침시킨 액체 전해질형 전지, 폴리머 전지라고도 칭해지는 고분자 겔 전해질형 전지 및 고체 고분자 전해질(전 고체 전해질)형 전지 중 어느 쪽에도 적용될 수 있다. 고분자 겔 전해질 및 고체 고분자 전해질에 관해서는, 이들을 단독으로 사용할 수도 있고, 이들 고분자 겔 전해질이나 고체 고분자 전해질을 세퍼레이터에 함침시켜 사용할 수도 있다.
또한, 전지의 전극 재료 또는 전극 사이를 이동하는 금속 이온에서 본 경우에도, 특별히 제한되지 않고, 공지의 어떤 전극 재료 등에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 리튬 이온 2차 전지, 나트륨 이온 2차 전지, 칼륨 이온 2차 전지, 니켈 수소 2차 전지, 니켈 카드뮴 2차 전지, 니켈 수소 전지 등을 들 수 있다. 그 중에서도 차량의 구동 전원용이나 보조 전원용으로서 사용하는 경우에는, 바람직하게는 리튬 이온 2차 전지를 들 수 있다. 이는 리튬 이온 2차 전지에서는, 셀(단전지층)의 전압이 커서, 고에너지 밀도, 고출력 밀도를 달성할 수 있기 때문이다.
권회형(원통형) 전지로 하는 경우에는, 한쪽의 막대를 중심으로 하여 권취하여 구성함으로써, 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 충방전하는 2차 전지에 대해 방전뿐인 1차 전지라도 적용 가능하다. 왜냐하면, 전류 취득 시에 있어서는 상술한 실시 형태와 마찬가지로 작용하기 때문이다.
또한, 상기 제1 실시 형태, 제2 실시 형태에서는 막대 형상의 봉재(41, 42)를 설치하는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명은 봉재(41, 42)로 한정되지 않는다. 집전판으로부터 발전 요소측으로 돌출되고, 또한 집전판의 단부변의 폭의 절반 이상의 폭을 갖는 볼록부이면, 막대 형상이 아니어도, 봉재(41, 42) 대신에 구비할 수 있다.
또한, 상기 제1 실시 형태, 제2 실시 형태에서는 제1 집전판(25) 및 제2 집전판(27)의 양쪽에 봉재(41, 42)를 설치하는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 적어도, 한쪽의 집전판에 상기 봉재(볼록부)를 설치함으로써, 전압 구배를 저감시키는 효과가 얻어진다. 양쪽에 설치한 경우에는, 보다 전압 구배를 저감시킬 수 있다.
10 : 쌍극형 2차 전지
11 : 집전체
13 : 정극
15 : 부극
17 : 전해질
19 : 단전지층
21 : 발전 요소
23 : 쌍극형 전극
25 : 제1 집전판
27 : 제2 집전판
29 : 라미네이트 필름
31 : 절연부
41 : 제1 봉재
42 : 제2 봉재
43, 44 : 단자
45, 46 : 전력선

Claims (9)

  1. 정극(13), 전해질(17), 부극(15)을 순차 적층하여 구성되는 단전지층을 적어도 하나 이상 적층한 발전 요소(21)와,
    상기 발전 요소의 최외측의 정극면 상에 구비되는 제1 집전판(25)과,
    상기 발전 요소의 최외측의 부극면 상에 구비되는 제2 집전판(27)과,
    상기 제1 집전판 및 상기 제2 집전판에 각각 설치되는 도전성의 볼록부(41, 42)와,
    상기 볼록부에 설치되어, 당해 볼록부로부터 전류를 취출하는 단자(43, 44)와,
    상기 발전 요소를 수납하며, 상기 볼록부가 그 내부에 제공되는 외장재(29)를 갖고,
    상기 발전 요소(21)를 측면에서 볼 때, 상기 볼록부의 한쪽은 상기 단자가 설치되는 측에만 구비되고, 상기 볼록부의 다른 한쪽은 상기 한쪽의 볼록부가 설치되는 쪽과는 반대측에만 설치되어, 양극의 볼록부가 상기 발전 요소(21)를 중심으로 대칭적으로 배치되는, 전지.
  2. 정극(13), 전해질(17), 부극(15)을 순차 적층하여 구성되는 단전지층을 적어도 하나 이상 적층한 발전 요소(21)와,
    상기 발전 요소의 최외측의 정극면 상에 구비되는 제1 집전판(25)과,
    상기 발전 요소의 최외측의 부극면 상에 구비되는 제2 집전판(27)과,
    상기 제1 집전판 및 상기 제2 집전판에 각각 설치되는 도전성의 볼록부(41, 42)와,
    상기 볼록부에 설치되어, 당해 볼록부로부터 전류를 취출하는 단자(43, 44)와,
    상기 발전 요소를 수납하며, 상기 볼록부가 그 외부에 제공되는 외장재(29)를 갖고,
    상기 발전 요소(21)를 측면에서 볼 때, 상기 볼록부의 한쪽은 상기 단자가 설치되는 측에만 구비되고, 상기 볼록부의 다른 한쪽은 상기 한쪽의 볼록부가 설치되는 쪽과는 반대측에만 설치되어, 양극의 볼록부가 상기 발전 요소(21)를 중심으로 대칭적으로 배치되는, 전지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단자는 상기 볼록부의 단부에 형성되어 있는, 전지.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 볼록부는 설치되는 상기 집전판의 폭과 동등하게 형성되는, 전지.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도전성의 볼록부는 상기 발전 요소측으로 돌출되는, 전지.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 축방향에 대해 수직으로 자른 상기 볼록부의 단면적은 상기 정극 또는 상기 부극의 표면적의 0.04％ 이상인, 전지.
  9. 제5항에 있어서, 상기 발전 요소(21)를 위에서 볼 때, 상기 단자의 한쪽은 다른 한쪽의 상기 단자가 설치되는 측과는 반대측에 설치되어, 양극의 단자가 상기 발전 요소를 중심으로 대칭적으로 배치되는, 전지.
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