KR20080023092A - 조전지 - Google Patents

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KR20080023092A
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히다치 비클 에너지 가부시키가이샤
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Abstract

출력밀도를 향상시킬 수 있는 조전지를 제공한다. 조전지는 4개의 단전지가 직렬접속 되어 있다. 단전지는 극성이 번갈아지게 되도록 병치되어 있다. 이웃하는 단전지끼리는 접속부재(40)로 접속되어 있다. 접속부재(40)는 2장의 금속판(40a, 40b)이 포개져서 적층된 적층 금속판으로 구성되어 있다. 금속판(40a, 40b)에는, 용접으로 2원계 합금을 형성하는 구리와 니켈이 각각 사용되어 있다. 구리의 체적 저항률이 니켈의 약 1/4이기 때문에, 금속판(40a, 40b)의 각각 사용된 금속의 체적 저항률의 비율이 1/2 이하가 된다. 접속부재(40)의 양단부는 이웃하는 단전지 중 일방의 정극 외부단자와 타방의 부극 외부단자에 각각 저항용접으로 접합되어 있다. 저항용접으로 금속판(40a, 40b)에 사용한 구리와 니켈이 합금화 된다.
조전지, 출력밀도, 단전지, 극성, 접속부재, 금속판, 체적 저항률, 저항용접, 구리, 니켈

Description

조전지{ASSEMBLED BATTERY}
도 1은 본 발명을 적용한 실시형태의 조전지를 구성하는 단전지 중 2개의 단전지의 외관을 도시하는 사시도이고;
도 2는 실시형태의 조전지를 구성하는 단전지의 접속에 사용한 접속부재의 외관을 도시하는 사시도이고;
도 3은 실시형태의 조전지를 구성하는 단전지의 편평 원통형 리튬 2차전지의 단면도이다.
본 발명은 조전지(組電池)에 관한 것으로, 특히, 복수의 단전지가 접속부재를 통하여 전기적으로 접속된 조전지에 관한 것이다.
종래, 전지를 사용하는 전기기기는, 1개 또는 복수개의 단전지를 구입하고, 그것들을 접속하여 사용하는 것이 주류이었지만, 현재의 노트북 컴퓨터용이나 휴대 비디오카메라용 전지 또는 전기 자동차용 전지 등에서는 복수개의 단전지를 미리 전기적으로 접속하여 조전지로 한 것을 사용하는 것이 주류가 되고 있다. 조전지라도 사용용도에 따라 요구되는 성능은 다양하고, 노트북 컴퓨터용이나 휴대 비디 오카메라용 조전지에서는, 1충전당의 사용가능 시간이 긴 것이 요청되기 때문에 고에너지밀도(단위: Wh/kg)의 성능이 요구된다. 한편, 전동공구용이나 하이브리드 전기 자동차(HEV)용 조전지에서는, 모터를 움직이기 위해서 높은 출력이 요구되기 때문에 고출력밀도(단위: W/kg)의 성능이 요구된다. 이들 요구에 대해 리튬2차전지는, 다른 2차전지에 비해 고전압, 고에너지밀도이고, 많은 용도에서 사용되는 것이 기대되고 있다.
그러나, HEV용 조전지로서는, 고전압을 특징으로 하는 리튬2차전지를 사용한 조전지이어도, HEV를 구동하는 모터가 고출력이므로, 고전압뿐만 아니라 대전류 충방전이 가능한 것이 필요하다. 또, HEV에 차량 탑재하기 위해서는, 조전지의 경량화도 요구된다. 통상, HEV에 사용되는 모터의 최대부하 시의 전류는 단전지의 정격용량에 대한 1시간율 방전전류의 5배 이상이 된다. 이때문에, 조전지에서 대전류 충방전을 하기 위해서는, 단전지뿐만 아니라 단전지 외부의 접속에서도 대전류 충방전가능한 상태로 해 두는 것이 필요하다.
일반적으로, 단전지끼리를 전기적으로 접속하기 위한 접속부재에는, 단일조성의 금속선 또는 금속판이 사용되고 있다. 특히, 종래 단전지의 전지용기의 재질로서 널리 사용되고 있는 니켈 도금 강판을 전지용기에 사용한 경우에서는, 접속부재에, 그 용접성의 양호함으로 니켈판의 단판이 사용되는 일이 많다(예를 들면, 일본 특개2004-319342호 공보 참조).
그러나, 상기한 바와 같이 HEV용 조전지에서는, 단전지의 정격용량에 대해 1시간율 방전전류의 5배 이상의 대전류를 흘릴 필요가 있다. 접속부재로서 체적 저 항률이 비교적 높은 니켈판을 사용하면, 대전류 통전을 허용하는 단면적을 확보하기 위해서는, 노트북 컴퓨터용 조전지에 사용되는 접속부재에 비해 접속부재의 두께를 수배부터 수십배나 크게 할 필요가 있다. 이 때문에, 접속부재의 용접성 저하나 용접불량이 생겨, 중량증가에 의한 에너지 밀도나 입출력 밀도가 저하되어, 차량 탑재 시에 HEV의 차량성능을 향상시킬 수 없었다.
본 발명은, 상기 사안을 감안하여, 출력밀도를 향상시킬 수 있는 조전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 복수의 단전지가 접속부재를 통하여 전기적으로 접속된 조전지에 있어서, 상기 접속부재는 2종 이상의 금속판이 포개져서 적층된 적층 금속판으로, 상기 단전지와 접속된 접속부에서 용접에 의해 인접하는 상기 금속판사이에 2원계 합금이 생성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 접속부재가 2종 이상의 금속판이 포개져서 적층된 적층 금속판이기 때문에, 2종 이상의 금속판 중 1종의 금속판에 다른 금속판보다 밀도나 체적 저항률이 작은 금속판을 포개서 적층함으로써 경량화나 전기저항의 저감을 도모할 수 있고, 접속부재의 단전지와 접속된 접속부에서 용접에 의해 인접하는 금속판사이에 2원계 합금이 생성되어 있기 때문에, 접속부에서의 금속판 간의 접촉저항이 저감된다. 따라서, 복수의 단전지가 전기저항이 저감된 접속부재를 통하여 전기적으로 접속되므로, 조전지의 출력밀도를 향상시킬 수 있다.
이 경우에서, 접속부재를, 금속판에 각각 사용된 금속 중 적어도 2종의 금속의 체적 저항률(Ω·m)의 비가 1/2 이하가 되도록 하면, 접속부재의 전기저항을 더한층 저감할 수 있다. 또, 단전지의 외장용기가 금속판의 1종과 동종의 금속으로 도금되어 있어도 된다. 접속부가 저항용접에 의해 외장용기와 2원계 합금이 접합되도록 하면, 종래의 나사체결로 접속하는 방법에 비해 부품수를 감소시킬 수 있고, 나사체결에서는 접속부재와 외장용기와의 접촉에서 접촉저항이 생기는 것에 반해, 접속부재와 외장용기가 접속부에서 합금화되므로, 접촉저항을 저감하여 출력저하를 억제할 수 있다. 또, 금속판 중 2종의 금속판이 주금속에 각각 구리와 니켈이 사용되어 있어도 되고, 주금속에 각각 알루미늄과 니켈이 사용되어 있어도 된다. 이러한 접속부재가 양단부에 접속부를 갖고 있고, 중앙부가 양단부에 대해 단차를 갖고 있어도 된다.
본 발명에 의하면, 접속부재가 2종 이상의 금속판이 포개져서 적층된 적층 금속판이기 때문에, 2종 이상의 금속판 중 1종의 금속판에 다른 금속판보다 밀도나 체적 저항률이 작은 금속판을 포개서 적층함으로써 경량화나 전기저항의 저감을 도모할 수 있고, 접속부재의 단전지와 접속된 접속부에서 용접에 의해 인접하는 금속판사이에 2원계 합금이 생성되어 있기 때문에, 접속부에서의 금속판 간의 접촉저항이 저감되어, 복수의 단전지가 전기저항이 저감된 접속부재를 통하여 전기적으로 접속되므로, 조전지의 출력밀도를 향상시킬 수 있다.
(바람직한 실시예의 상세한 설명)
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 편평 원통형 리튬 2차전지를 사용한 조전 지에 적용한 실시형태에 대해 설명한다.
(구성)
본 실시형태의 조전지(30)는 4개의 편평 원통형 리튬 2차전지(이하, 단전지라고 한다.)(20)로 구성되어 있다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 이웃하는 2개의 단전지(20)는, 극성이 번갈아지게 되도록 편평 원형상 단면의 장축방향을 따르는 측면을 대향시켜서 병치되어 있다. 이웃하는 단전지(20)끼리는 접속부재(40)를 통하여 접속되어 있다. 즉, 조전지(30)를 구성하는 4개의 단전지(20)는 3개의 접속부재(40)를 통하여 직렬접속 되어 있다. 또한, 도 1에서는, 이웃하는 2개의 단전지(20)만을 도시하고, 나머지 2개를 삭제하여 도시하고 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 접속부재(40)는 2장의 금속판(40a, 40b)이 포개져서 적층된 적층 금속판으로 구성되어 있다. 금속판(40a, 40b)은 각각 대략 직사각형 형상으로 길이방향 중앙부가 양단부에 대해 돌출한 평면 모양으로 단차를 갖고 있다. 이 단차를 통하여 중앙부가 양단부보다 상방에 위치해 있다. 금속판(40a)의 돌출한 중앙부의 길이방향의 길이는 하측이 움푹 들어간 부분에 금속판(40b)의 중앙부가 끼워맞추어지도록 조정되어 있다. 인접하는 금속판(40a, 40b)에는, 용접에 의해 2원계 합금을 생성하는 금속이 각각 사용되고 있다. 금속판(40a, 40b)에 각각 사용된 금속은 체적 저항률(단위는 Ω·m)의 비가 1/2 이하로 설정되었다. 본 예에서는, 금속판(40a)에 구리가 사용되었고, 금속판(40b)에 니켈이 사용되었다. 구리의 체적 저항률이 니켈의 약 1/4이므로, 금속판(40a, 40b)에 각각 사용된 금속의 체적 저항률의 비가 1/2이하가 된다. 접속부재(40)의 외형 치 수는, 단전지(20)의 정격용량에 대한 1시간율 방전전류의 5배 이상의 전류를 통전가능한 치수로 설정되었고, 본예에서는, 길이 60mm, 폭 20mm, 두께 0.5mm로 설정되었다.
접속부재(40)의 양단부는, 이웃하는 단전지(20) 중 일방의 정극 외부단자와 타방의 부극 외부단자에 각각 저항용접에 의해 접합되어 있다. 접속부재(40)의 양단부에는, 대략 ＋자 모양의 트인 구멍이 각각 형성되어 있다. 저항용접으로 접합된 접합부에서는, 정극 외부단자 및 접속부재(40), 부극 외부단자 및 접속부재(40)가 각각 합금화 되어 있다. 또한 이 저항용접에 의해 금속판(40a, 40b)도 구리와 니켈이 2원계 합금을 생성했다. 조전지(30)에서는, 4개의 단전지(20) 중 가장 고전압이 되는 단전지(20)의 정극 외부단자와, 가장 저전압이 되는 단전지(20)의 부극 외부단자가, 각각 조전지(30)의 정극 단자와 부극 단자를 구성한다.
조전지(30)를 구성하는 단전지(20)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 단면 편평 원형상이고 니켈 도금이 된 스틸제의 전지 용기(단전지(20)의 외장용기의 일부)(7)를 갖고 있다. 전지 용기(7)의 내부에는, 띠 모상의 정부극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 권회된 발전요소의 코일(6)이 수용되어 있다. 코일(6)의 권회 중심에는, 폴리프로필렌제이고 중공인 편평 원통 모양의 축심(1)이 사용되었다. 또한, 도 3에서는, 코일(6)의 내부를 삭제하여 도시하고 있다.
코일(6)의 상측에는, 정극판으로부터의 전위를 집전하기 위한 정극 집전 링(4)이 배치되어 있다. 정극 집전 링(4)은 편평 도넛판 모양으로 형성되어 있고, 축심(1)의 상단부에 고정되어 있다. 정극 집전 링(4)의 주위로부터 일체로 튀어나 온 칼라부 둘레면 부근에는 정극판으로부터 도출된 정극 리드편(2)이 변형되어 집합되어 있고, 정극 리드편(2)과 칼라부 둘레면이 초음파용접으로 접합되어 있다. 정극 집전 링(4)의 칼라부 둘레면 전체 둘레에는, 절연피복이 되어 있다. 정극 집전 링(4)의 상방에는, 전지 용기(7)을 막기 위한 편평 원반 모양의 전지덮개(단전지(20)의 외장용기의 일부)가 배치되어 있다. 전지덮개는 길이 방향 중심보다 일측에 개열(開裂)밸브(11)가 미리 용접된 알루미늄제의 덮개 케이스(12)와, 니켈 도금이 된 스틸제의 덮개 캡(13)로 구성되고, 이것들이 적층되어 덮개 케이스(12)의 가장자리부분을 코킹 고정함으로써 조립되어 있다. 이 전지덮개에서는, 덮개 케이스(12)가 코일(6)측에 배치되고, 덮개 캡(13)이 외측에 배치되어 있다. 이 때문에, 전지 용기(7) 및 전지덮개(덮개 캡(13))에 모두 니켈 도금이 되어 있으므로, 단전지(20)의 외장용기는 접속부재(40)를 구성하는 금속판(40b)과 동종의 금속(니켈)로 도금되어 있다. 덮개 캡(13)에는, 길이 방향 중심보다 일측에서 개열밸브(11)에 대응하는 위치에 개구가 형성 되어 있고, 길이방향 중심보다 타측(개열밸브(11)와 반대측)에 정극 외부단자가 되는 단면 대략 원형상의 볼록부가 형성되어 있다. 정극 집전 링(4)의 상부에는, 미리 복수매의 알루미늄제 리본을 포개서 구성한 정극 리드(9)의 일단이 용접으로 접합되어 있고, 정극 리드(9)의 타단은 전지덮개의 하면에 용접으로 접합되어 있다.
한편, 코일(6)의 하측에는, 부극판으로부터의 전위를 집전하기 위한 부극 집전 링(5)이 배치되어 있다. 부극 집전 링(5)은 편평 도넛판 모양으로 형성되어 있고, 축심(1)의 하단부에 고정되어 있다. 부극 집전 링(5)의 둘레면에는, 정극 집 전 링(4)과 정극 리드편(2)과의 접속조작과 동일하게 하여, 부극판으로부터 도출된 부극 리드편(3)이 초음파용접으로 접합되어 있다. 부극 집전 링(5)의 하측에는, 미리 전기적 도통을 위한 부극 리드판(8)이 용접되어 있고, 부극 리드판(8)은 부극 외부단자를 겸하는 전지 용기(7)의 내측 바닥면에 용접으로 접합되어 있다.
전지덮개는 전지 용기(7)의 상부에 EPDM 수지제 개스킷(10)을 통하여 코킹 고정되어 있다. 정극 리드(9)는 전지 용기(7) 내에 접도록 하여 수용되어 있고, 단전지(20)는 밀봉되어 있다. 또, 전지 용기(7) 내에는, 코일(6) 전체를 침윤가능한 양의 도시하지 않은 비수 전해액이 주액되어 있다. 비수 전해액에는, 유기용매인 에틸렌카보네이트(EC)와 디메틸카보네이트(DMC)를 체적비 1:2의 비율로 혼합한 혼합용매 중에 6불화인산리튬(LiPF6)을 1몰/리터의 농도로 용해한 것이 사용되었다. 단전지(20)는 용량 16.0Ah, 질량 800g으로 설정되었다. 또한, 단전지(20) 내의 코일(6)로부터 정부극 외부단자까지의 집전부재 및 접속부는, 정격용량에 대한 1시간율 방전전류의 5배 이상의 전류를 통전 가능하게 제작되었다.
코일(6)은 정극판과 부극판이, 이들 양극판이 직접 접촉하지 않도록, 예를 들면, 폭 90mm, 두께 40㎛로 폴리에틸렌제의 미세 다공성 세퍼레이터를 사이에 두고 축심(1)의 주위에 권회되어 있다. 정극판 및 부극판으로부터 각각 도출된 정극 리드편(2) 및 부극 리드편(3)은 각각 코일(6)의 서로 반대측의 양단면에 배치되어 있다.
코일(6)을 구성하는 정극판은 정극 활물질에, 예를 들면 망간산 리튬 등의 리튬 천이금속 복산화물이 사용되었다. 정극판은 띠 모양의 알루미늄 박(정극 집전체)에 정극 혼합제가 대략 균일하게 도포되어 있다. 정극 혼합제에는, 리튬 천이금속 복산화물의 분말, 도전재의 탄소분말 및 결착재의 폴리불화비닐리덴(이하, PVDF라고 약기한다.)이 혼합되어 있다. 정극 혼합제를 알루미늄 박에 도포할 때에는, 용매의 N-메틸피롤리돈(이하, NMP라고 약기한다.)으로 점도조정 된다. 알루미늄 박의 길이방향 일측의 가장자리에는, 정극 혼합제의 미도포부가 남겨져 있고, 미도포부를 빗 모양으로 잘라냄으로써 정극 리드편(2)이 형성되어 있다. 정극판은 건조 후, 프레스 성형되고, 재단되었다.
한편, 부극판은 부극 활물질에, 예를 들면 비정질 탄소 등의 탄소재가 사용되었다. 부극판은 띠 모양의 구리박(부극 집전체)에 부극 혼합제가 대략 균일하게 도포 되어 있다. 부극 혼합제에는 비정질 탄소의 분말 및 결착(결론)재인 PVDF가 혼합되어 있다. 부극 혼합제를 구리박에 도포할 때에는, 용매인 NMP로 점도조정 된다. 구리박의 길이방향 일측의 가장자리에는, 정극판과 동일하게 하여 부극 리드편(3)이 형성되어 있다. 부극판은 건조 후, 프레스 성형되고, 재단되었다.
(작용 등)
다음에 본 실시형태의 조전지(30)의 작용 등에 대해, 접속부재(40)를 중심으로 설명한다.
본 실시형태의 조전지(30)에서는, 이웃하는 단전지(20)의 접속에 금속판(40a, 40b)이 포개져서 적층된 적층 금속판의 접속부재(40)가 사용되었고, 금속판(40a, 40b)에는 용접에 의해 2원계 합금을 생성하는 구리와 니켈이 각각 사용되 었다. 이 때문에, 접속부재(40)의 양단부를 각각 이웃하는 단전지(20)에 저항용접으로 접합함으로써 금속판(40a, 40b)끼리가 합금화 되어 있다. 금속판(40a)에 사용된 구리의 밀도와, 금속판(40b)에 사용된 니켈의 밀도가 거의 동일하기 때문에, 접속부재(40)의 질량은 접속부재(40)와 동일 치수(동일 형상)으로 제작한 니켈 단체의 접속부재의 질량과 거의 바뀌지 않는다. 한편, 구리의 체적 저항률이 니켈의 약 1/4이기 때문에, 접속부재(40)의 금속판에 사용한 니켈과 구리와의 체적 저항률의 비가 1/2 이하로 설정되었다. 금속판(40a, 40b)이 합금화 되어 있기 때문에, 금속판(40a, 40b) 간의 접촉저항이 생기지 않아 접속부재(40)의 전기저항이 니켈 단체의 접속부재보다 대폭 저감된다. 이것에 의해, 전기저항이 저감된 접속부재(40)를 통하여 단전지(20)를 접속한 조전지(30)에서는, 전체로서 전기저항이 저감되므로, 대전류 충방전 시에서도 출력 밀도를 유지할 수 있다. 이러한 조전지(30)는, 대전류 충방전이 가능하여 고출력 밀도의 성능이 요구되는 HEV용의 차량탑재 전원 등에 적합하게 사용할 수 있다.
또, 본 실시형태의 조전지(30)에서는, 이웃하는 단전지(20)에 접속부재(40)의 양단부가 저항용접에 의해 접합되어 있다. 이 때문에, 단전지와 접속부재를 나사 체결로 접속하는 종래의 방법에 비해 부품수를 삭감할 수 있다. 또, 본 실시형태에서는, 단전지(20)의 전지 용기(7), 전지덮개의 덮개 캡(13)에 니켈 도금이 되어 있고, 접속부재(40)와 단전지(20)가 접속부에서 합금화 되어 있다. 이 때문에, 종래의 나사체결에서는 접속부재와 단전지(정극 외부단자, 부극 외부단자)가 접촉함으로써 접촉저항이 생기는 것에 반해, 합금화 된 단전지(20) 및 접속부재(40) 간 에 접촉저항이 생기지 않으므로, 보다 대전류 통전을 가능하게 할 수 있다. 또한, 접속부재(40)를 구성하는 금속판(40a, 40b)에 2원계 합금을 생성하는 구리와 니켈이 각각 사용되었기 때문에, 단전지(20)와 접속부재(40)의 저항용접 시에 금속판(40a, 40b)도 용접된다. 이 때, 니켈과 구리가 2원계 합금을 생성하므로, 금속판(40a, 40b) 및 단전지(20)의 외장용기가 접속부에서 합금화 되어, 접속부재(40) 및 단전지(20) 간의 접촉저항을 저감하여 조전지(30)의 전기저항을 저감할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 접속부재(40)에 구리제의 금속판(40a)과, 니켈제의 금속판(40b)의 2장을 포개서 적층한 적층 금속판을 예시했지만 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니라, 2종 이상의 금속판이 포개져서 적층된 적층 금속판이면 된다. 예를 들면, 2장의 구리제 금속판 사이에 1장의 니켈제 금속판을 포갠 3장의 적층 금속판으로 해도 되고, 구리제, 알루미늄제, 니켈제의 금속판을 1장씩 포갠 3장의 적층 금속판으로 해도 된다. 적층하는 금속판의 매수에도 제한되는 것은 아니지만, 두께가 지나치게 커지면 용접불량의 원인으로도 되기 때문에, 대전류 충방전이 가능한 범위에서 조정하는 것이 바람직하다. 또, 금속판(40a)을 니켈제, 금속판(40b)을 구리제로 할 수도 있지만, 전지 용기(7), 덮개 캡(13)이 니켈도금 되어 있는 것을 고려하면, 금속판(40b)을 니켈제로 하는 것이 용접성의 점에서 바람직하다.
또, 본 실시형태에서는, 접속부재(40)의 적층 금속판 중 인접하는 금속판에 각각 사용하는 금속(재질)으로서 구리와 니켈의 조합을 예시했지만, 본 발명은 이 것에 한정되는 것은 아니고, 인접하는 금속판의 주금속이 용접에 의해 2원계 합금을 생성하는 조합이면 된다. 본 실시형태 이외에 사용가능한 금속의 조합으로서는, 예를 들면, 알루미늄과 니켈, 은과 니켈, 알루미늄과 마그네슘, 알루미늄과 텅스텐, 구리와 마그네슘 등을 들 수 있다. 이들 금속을 주성분으로 하는 합금을 사용해도 된다. 전기저항 저감의 효과를 고려하면, 금속판에 각각 사용하는 금속 중 적어도 2종의 금속의 체적 저항률의 비율을 1/2 이하로 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 알루미늄과 니켈과의 조합에서는, 알루미늄의 체적 저항률이 니켈의 약 2/5이기 때문에, 니켈 단체의 접속부재와 비교하여, 전기저항을 저감할 수 있다. 이것에 더하여, 알루미늄의 밀도가 니켈의 약 1/3이기 때문에, 접속부재(40)를 경량화 할 수 있고, 나아가서는 조전지(30)를 경량화할 수 있다. 또, 본 실시형태에서 나타낸 니켈과 구리와의 조합에서는, 구리의 밀도가 니켈과 거의 동일하기 때문에, 경량화 할 수는 없지만, 구리의 체적 저항률이 니켈의 약 1/4이기 때문에, 니켈과 알루미늄을 조합시킨 접속부재(40)보다 더욱 전기저항을 저감할 수 있다. 이상과 같이, 접속부재(40)를 적층 금속판으로 함으로써 단일 조성의 금속판을 사용하는 경우에 비해 여러 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 접속부재(40)를 통하여 단전지(20)를 접속할 때에, 적층한 금속판(40a, 40b)도 용접하여 합금화 하는 예를 나타냈지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 적층한 금속판(40a, 40b)을 조전지(30)에 편입하기 전에 사전에 용접해 둠으로써 금속판(40a, 40b)을 합금화 하여 전기저항을 저감하는 것도 가능하다. 또, 본 실시형태에서는, 단전지(20)의 전지 용기(7), 덮개 캡(13)의 재질로서, 니켈 도금이 된 스틸을 예시했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 접속부재(40)를 구성하는 금속판의 일종과 동종의 금속으로 도금되어 있어도 되고, 또한 니켈이나 구리의 단일성분으로 해도 된다. 충방전 시의 금속부식이나 코스트면을 고려하면, 스틸(강판)에 니켈 도금을 한 것을 재질로 하는 것이 바람직하다.
또 더욱이, 본 실시형태에서는, 접속부재(40)에, 대략 직사각형 형상이고 길이방향 중앙부가 양단부에 대해 단차를 갖고 있는 예를 나타냈지만, 본 발명은 접속부재의 형상에 제한되는 것은 아니고, 예를 들면, 편평 원판 모양으로 해도 된다. 또, 본 실시형태에서는, 4개의 단전지(20)를 직렬 접속한 조전지(30)를 예시했지만, 본 발명은 단전지(20)의 개수나 접속형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 5개 이상의 단전지(20)를 직렬접속 하도록 하면, 조전지(30)의 고출력화를 도모할 수 있고, 또한 병렬접속이나 직병렬접속 하도록 하면, 고용량화를 도모할 수도 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 접속부재(40)의 양단부를 단전지와의 접속부로 한 예를 나타냈지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 3개의 단전지를 병렬접속 하는 경우, 양단부 및 중앙부에서 단전지에 접속하도록 해도 된다. 이것은, 접속부재(40)의 길이 방향에 2개소의 단차를 갖는 부분을 형성함으로써 실현할 수 있다. 또, 복수의 조전지(30)를 더 접속하도록 해도 되고, 조전지(30)끼리의 접속에 접속부재(40)를 사용하는 것도 물론 가능하다.
더욱이 또, 본 실시형태에서는, 단전지(20)에 편평 원통형 리튬 2차전지를 예시했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 원통형 전지나 각 형 전지에 적용해도 된다. 또, 리튬 2차전지 이외에 니켈수소 전지 등의 2차전지를 접속한 조전지에 적용할 수도 있다.
또, 본 실시형태에서는, 단전지(20)의 정극 활물질에 망간산 리튬, 부극 활물질에 비정질 탄소, EC, DMC의 혼합용매중에 LiPF6를 용해한 비수 전해액을 각각 예시했지만, 본 발명은 이것들에 제한되는 것은 아니고, 일반적인 리튬 2차전지에 사용되는 재료를 사용해도 된다. 망간산 리튬 이외의 정극 활물질로서는, 코발트산 리튬이나 니켈산 리튬 등의 리튬 천이금속 복산화물을 들 수 있고, 비정질 탄소 이외의 부극 활물질로서는, 천연 흑연이나 코크스 등의 탄소재를 들 수 있다. 또, 비수 전해액으로서는, 일반적인 리튬염을 전해질로 하고, 이것을 유기용매에 용해한 것을 사용하도록 해도 되고, 본 발명은 사용되는 리튬염이나 유기용매에는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 전해질로서는, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiB(C6H5)4, CH3SO3Li, CF3SO3Li 등이나 이것들의 혼합물을 사용할 수 있다. 또, 유기용매로서는, 프로필렌카보네이트, 디에틸카보네이트, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, γ-부티로락톤, 테트라히드로푸란, 1,3-디옥솔란, 4-메틸-1,3-디옥솔란, 디에틸에테르, 술포란, 메틸술포란, 아세토니트릴, 프로피오니트릴 등 또는 이들 2종류 이상의 혼합용매를 사용하도록 해도 되고, 혼합배합비에 대해서도 한정되는 것이 아니다.
(실시예)
다음에 본 실시형태에 따라 제작한 조전지(30)의 실시예에 대해 설명한다. 또한, 비교를 위해 제작한 비교예의 조전지에 대해서도 병기한다.
<실시예 1>
실시예 1에서는, 금속판(40a)을 길이 60mm, 폭 20mm, 두께 0.3mm의 구리제로 하고, 금속판(40b)을 길이 60mm, 폭 20mm, 두께 0.2mm의 니켈제로 한 적층 금속판을 접속부재(40)로 사용하여 조전지(30)를 제작했다(도 1 참조).
<실시예 2>
실시예 2에서는, 금속판(40a)을 길이 60mm, 폭 20mm, 두께 0.4mm의 구리제로 하고, 금속판(40b)을 길이 60mm, 폭 20mm, 두께 0.1mm의 니켈제로 한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 조전지(30)를 제작했다.
<실시예 3>
실시예 3에서는, 금속판(40a)을 길이 60mm, 폭 20mm, 두께 0.3mm의 알루미늄제로 하고, 금속판(40b)을 길이 60mm, 폭 20mm, 두께 0.2mm의 니켈제로 한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 조전지(30)를 제작했다.
<실시예 4>
실시예 4에서는, 금속판(40a)을 길이 60mm, 폭 20mm, 두께 0.4mm의 알루미늄제로 하고, 금속판(40b)을 길이 60mm, 폭 20mm, 두께 0.1mm의 니켈제로 한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 조전지(30)를 제작했다.
<실시예 5>
실시예 5에서는, 길이 60mm, 폭 20mm, 두께 0.1mm의 니켈제 금속판 2장과, 길이 60mm, 폭 20mm, 두께 0.3mm의 구리제 금속판 1장을, 니켈제 금속판과 구리제 금속판이 번갈아 포개지도록 3장의 금속판을 적층한 적층 금속판을 접속부재(40)로 사용한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 조전지(30)를 제작했다.
<실시예 6>
실시예 6에서는, 길이 60mm, 폭 20mm, 두께 0.1mm의 니켈제 금속판 2장과, 길이 60mm, 폭 20mm, 두께 0.3mm의 알루미늄제 금속판 1장을, 니켈제 금속판과 알루미늄제 금속판이 번갈아 포개지도록 3장의 금속판을 적층한 적층 금속판을 접속부재(40)로 사용한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 조전지(30)를 제작했다.
<비교예 1>
비교예 1에서는, 길이 60mm, 폭 20mm, 두께 0.5mm의 니켈제 금속판 1장을 접속부재에 사용한 이외는 실시예 1과 동일하게 하여 조전지를 제작했다.
<시험·평가>
제작한 각 실시예 및 비교예의 조전지에 대해, 접속부재(40), 조전지(30)의 질량과 직류저항을 각각 측정했다. 직류저항은 이하와 같이 측정했다. 조전지(30)를 정격용량의 반 정도(8Ah)까지 충전 후, 조전지(30)의 정극 단자(조전지(30) 내에서 가장 고전압이 되는 단전지(20)의 정극 외부단자) 및 부극 단자(조전지(30) 내에서 가장 저전압이 되는 단전지(20)의 부극 외부단자)에 전자 부하장치를 구비한 외부회로를 접속하고, 10A, 30A, 50A의 각 전류값에서 10초간 정전류 방전했다. 그 때, 각 전류값에 의한 10초째의 조전지 전압을 측정하고, 조전지(30)의 10초째 전압과 각 방전전류와의 관계를 그래프에 플롯하고, 각 10초째 전압으로부터 구한 근사 직선의 경사를 조전지(30)의 직류저항으로서 산출했다.
또, 출력밀도를 이하와 같이 산출했다. 직류저항의 산출에서 구한 근사직선을 조전지(30)의 방전 하한전압(Vp)인 10.8V까지 직선 외삽하고, 근사직선과 10.8V와의 교점의 전류값을(Ip)을 산출하고, Vp과 Ip와의 적을 조전지(30)의 질량으로 나눈 것을 출력밀도로서 구했다. 하기 표 1에, 질량, 직류저항 및 출력밀도의 결과를 나타낸다.
Figure 112007024986291-PAT00001
표 1에 나타내는 바와 같이, 니켈제 금속판 1장을 접속부재로 사용한 비교예 1의 조전지에서는, 접속부재의 직류저항이 0.37mΩ을 나타내 각 실시예보다 높고, 조전지의 직류저항도 6.1mΩ을 나타내 각 실시예보다 높기 때문에, 조전지의 출력밀도가 각 실시예보다 낮은 수치인 1977W/kg을 나타냈다.
한편, 구리제 금속판과 니켈제 금속판의 적층 금속판을 접속부재(40)로 사용한 실시예 1, 2, 5의 조전지(30)에서는, 구리와 니켈과의 밀도가 거의 동일하므로, 접속부재(40)의 질량은 비교예 1의 접속부재와 동일하고, 이 때문에 조전지(30)의 질량도 비교예 1의 조전지와 동일한 수치를 나타냈다. 그런데, 접속부재(40)의 직류저항이 비교예 1의 접속부재에 비해 약 1/3 정도로 대단히 낮기 때문에, 조전지(30)의 직류저항도 낮아지고, 이 결과, 조전지(30)의 출력밀도가 비교예 1의 조전지보다 1할 이상 높은 2238∼2271W/kg을 나타내는 것이 확인되었다. 또, 알루미늄제 금속판과 니켈제 금속판의 적층 금속판을 접속부재(40)로 사용한 실시예 3, 4, 6의 조전지(30)에서는, 접속부재(40)의 질량이 비교예 1의 접속부재보다 약 3/5 정도로 가볍고, 이 때문에 조전지(30)의 질량도 가벼워져 있고, 또한 접속부재(40)의 직류저항도 비교예 1에 비해 약 1/2정도로 낮고, 조전지(30)의 직류저항도 낮아져 있다. 이 결과, 조전지(30)의 출력밀도가 비교예 1의 조전지보다 약 1할 정도 높은 2168∼2200W/kg을 나타내는 것이 확인되었다.
본 발명에서는, 접속부재가 2종 이상의 금속판이 포개져서 적층된 적층 금속판이기 때문에, 2종 이상의 금속판 중 1종의 금속판에 다른 금속판보다 밀도나 체적 저항률이 작은 금속판을 포개서 적층함으로써 경량화나 전기저항의 저감을 도모할 수 있고, 접속부재의 단전지와 접속된 접속부에서 용접에 의해 인접하는 금속판사이에 2원계 합금이 생성되어 있기 때문에, 접속부에서의 금속판 간의 접촉저항이 저감된다. 따라서, 복수의 단전지가 전기저항이 저감된 접속부재를 통하여 전기적으로 접속되므로, 조전지의 출력밀도를 향상시킬 수 있다.
이 경우에서, 접속부재를, 금속판에 각각 사용된 금속 중 적어도 2종의 금속의 체적 저항률(Ω·m)의 비가 1/2 이하가 되도록 하면, 접속부재의 전기저항을 더 한층 저감할 수 있다. 또, 단전지의 외장용기가 금속판의 1종과 동종의 금속으로 도금되어 있어도 된다. 접속부가 저항용접에 의해 외장용기와 2원계 합금이 접합되도록 하면, 종래의 나사체결로 접속하는 방법에 비해 부품수를 감소시킬 수 있고, 나사체결에서는 접속부재와 외장용기와의 접촉에서 접촉저항이 생기는 것에 반해, 접속부재와 외장용기가 접속부에서 합금화되므로, 접촉저항을 저감하여 출력저하를 억제할 수 있다. 또, 금속판 중 2종의 금속판이 주금속에 각각 구리와 니켈이 사용되어 있어도 되고, 주금속에 각각 알루미늄과 니켈이 사용되어 있어도 된다. 이러한 접속부재가 양단부에 접속부를 갖고 있고, 중앙부가 양단부에 대해 단차를 갖고 있어도 된다.
본 발명에 의하면, 접속부재가 2종 이상의 금속판이 포개져서 적층된 적층 금속판이기 때문에, 2종 이상의 금속판 중 1종의 금속판에 다른 금속판보다 밀도나 체적 저항률이 작은 금속판을 포개서 적층함으로써 경량화나 전기저항의 저감을 도모할 수 있고, 접속부재의 단전지와 접속된 접속부에서 용접에 의해 인접하는 금속판사이에 2원계 합금이 생성되어 있기 때문에, 접속부에서의 금속판 간의 접촉저항이 저감되어, 복수의 단전지가 전기저항이 저감된 접속부재를 통하여 전기적으로 접속되므로, 조전지의 출력밀도를 향상시킬 수 있다.
(산업상의 이용가능성)
본 발명은 출력밀도를 향상시킬 수 있는 조전지를 제공하기 때문에, 조전지의 제조, 판매에 기여하므로, 산업상의 이용가능성을 갖는다.

Claims (10)

  1. 복수의 단전지가 접속부재를 통하여 전기적으로 접속된 조전지에 있어서, 상기 접속부재는 2종 이상의 금속판이 포개져서 적층된 적층 금속판이며, 상기 단전지와 접속된 접속부에서 용접에 의해 인접하는 상기 금속판사이에 2원계 합금이 생성된 것을 특징으로 하는 조전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재는 상기 금속판에 각각 사용된 금속 중 적어도 2종의 금속의 체적 저항률(Ω·m)의 비가 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 조전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단전지는 외장용기가 상기 금속판의 1종과 동종의 금속으로 도금되어 있는 것을 특징으로 하는 조전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부는 저항용접에 의해 외장용기와 상기 2원계 합금이 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 조전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 금속판 중 2종의 금속판은 주금속에 각각 구리와 니켈이 사용되어 있는 것을 특징으로 하는 조전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 금속판 중 2종의 금속판은 주금속에 각각 알루미늄과 니켈이 사용되어 있는 것을 특징으로 하는 조전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재는 양단부에 상기 접속부를 갖고 있고, 중앙부가 상기 양단부에 대해 단차를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 조전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 단차를 통하여 상기 중앙부가 상기 양단부보다 상방에 위치하는 것을 특징으로 하는 조전지.
  9. 제 7 항에 있어서 상기 양단부에는, 단전지와의 용접용의 구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 조전지.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 용접용의 구멍은 ＋자 모양의 형상을 나타내고 있는 것을 특징으로 하는 조전지.
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