KR20120068932A - 리튬 이온 2차 전지, 차량 및 전지 탑재 기기 - Google Patents

리튬 이온 2차 전지, 차량 및 전지 탑재 기기 Download PDF

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Abstract

이상 과열 상태로 되어도, 단락의 발생을 방지한 리튬 이온 2차 전지, 이 리튬 이온 2차 전지를 구비한 차량 및 조전지 탑재 기기를 제공하는 것을 과제로 한다. 리튬 이온 2차 전지는, 정전극판과 부전극판 사이에 세퍼레이터를 개재시켜, 이들을 편평한 형상으로 권회해서 이루어지는 편평 권회형 전극체 및 전지 케이스를 구비하고, 편평 권회형 전극체는, 중앙부가 짧은 방향 권회축측을 향해서 압박되어, 단부보다도 잘록한 형상을 이루고, 단부가, 단부 정전극판, 단부 부전극판 및 단부 세퍼레이터와, 이들보다도 내측에 배치된 코어재를 포함하여, 중앙부 정전극판, 중앙부 부전극판 및 중앙부 세퍼레이터에, 중앙부의 압박에 의해 발생하는 장력에 의해, 단부 정전극판, 단부 부전극판 및 단부 세퍼레이터가, 서로 압접하면서, 코어재의 외측면을 압박해서 이루어진다.

Description

리튬 이온 2차 전지, 차량 및 전지 탑재 기기 {LITHIUM ION SECONDARY BATTERY, VEHICLE, AND DEVICE EQUIPPED WITH BATTERY}
본 발명은, 띠 형상의 정전극판과 띠 형상의 부전극판 사이에 띠 형상의 세퍼레이터를 개재시켜, 이들을 권회축을 중심으로 해서 권회해서 이루어지는, 횡단면이 편평한 형상으로 권회한 편평 권회형 전극체를 구비하는 리튬 이온 2차 전지, 이러한 리튬 이온 2차 전지를 사용한 차량 및 전지 탑재 기기에 관한 것이다.
최근, 하이브리드 자동차나 노트북 컴퓨터, 비디오 캠코더 등의 포터블 전자 기기의 구동용 전원에, 충방전 가능한 리튬 이온 2차 전지(이하, 단순히 전지라고도 함)가 이용되고 있다.
이러한 전지의 전극체의 일 형태로서, 권회축을 중심으로 해서 횡단면이 편평한 형상으로 권회해서 이루어지는 편평 권회형 전극체를 들 수 있다. 이 편평 권회형 전극체는, 횡단면의 길이 방향 중앙에 위치하는 중앙부와, 길이 방향의 양단부에 각각 위치하는 단부를 갖는다.
그런데, 리튬 이온 2차 전지에서는, 충방전에 따라, 전극체를 이루는 정전극판 및 부전극판이 팽창?수축하기 때문에, 전극체를 수용한 전지 케이스의 치수가 변화된다. 이러한 치수 변화에 따른 전지 성능의 변화를 억제하기 위해, 전지 케이스의 외측으로부터 편평 권회형 전극체의 중앙부를 압축해서 사용하는 경우가 많다.
예를 들어, 특허문헌 1에는, 평면부 및 측면부로 이루어지는 전지 용기(전지 케이스)에 전극군(편평 권회형 전극체)을 수납해서 이루어지는 리튬 2차 전지(리튬 이온 2차 전지)가 개시되어 있다. 이 리튬 2차 전지에서는, 전지 용기(전지 케이스)의 평면부가 전극군(편평 권회형 전극체)의 중앙부의 평탄 부분(중앙부)을 압박할 수 있도록, 평면부의 두께가, 측면부의 두께보다도 크게 해서 이루어진다.
그런데, 특허문헌 1에 종래 기술로서 기재된 전극군(편평 권회형 전극체)을 구비하는 전지(특허문헌 1의 도 8 참조)에서는, 그 전극군의 중앙부의 평탄 부분(중앙부)의 긴박도가, 전극군의 횡단면의 길이 방향에 위치하는 곡면 부분(단부)의 긴박도보다도 낮다. 이로 인해, 특허문헌 1의 도 8(b)에 나타낸 바와 같이, 전극군이 내측으로 팽창하는 경우가 있다고 되어 있다. 이것은, 전극군의 코어가 중공 코어이고, 이 전극군이 횡단면의 짧은 방향으로 완전하게 눌러찌부러뜨려져 있지 않으므로, 이 전극군의 평탄 부분에 압력이 가해지지 않기 때문이다. 따라서, 긴박도가 상대적으로 낮은 평탄 부분에서는, 곡면 부분보다도 내측으로의 팽창을 수반하는 간극이 발생하기 쉽다.
이에 대해, 특허문헌 1의 실시예에 기재된 전지(특허문헌 1의 도 1 내지 도 5 참조)에서는, 통형상의 코어(6)를 사용하고 있어, 편평하게 된 전극군의 중앙부의 평탄 부분이 전지 용기(전지 케이스)의 평면부에 의해 압박되기 때문에, 전극군 중, 중앙부의 평탄 부분의 긴박도가 높아진다. 이에 의해, 전극군의 중앙부의 평탄 부분과 곡면 부분의 긴박도가 균일화된다. 그 결과, 전극군에 있어서의 간극의 발생을 방지할 수 있다고 되어 있다.
일본 공개 특허 제2000-182573호 공보
그러나, 이 특허문헌 1의 실시예에 기재된 전지에서는, 일단 원통형상의 코어에 정전극판 등을 권회한 후, 비진원통형(편평 형상)으로 변형시켜서 전극군으로 한다. 이때, 코어의 둘레 길이는 변형의 전후에서 바뀌지 않으므로, 코어에 감긴 정전극판 등의 둘레 길이에도 변화가 없고, 정전극판 등에 자신의 길이 방향의 장력은 발생하지 않는다. 이로 인해, 곡면 부분에 있어서 정전극판, 부전극판 및 세퍼레이터가 서로 충분히 압접되어 있지 않다.
그런데, 전극군이 이상 과열 상태(예를 들어, 전지 내의 온도가 150℃ 이상의 상태)로 되어, 곡면 부분(단부)에 있어서의 세퍼레이터가 권회축 방향(자신의 폭 방향)으로 열수축하려고 했을 경우, 이 곡면 부분(단부)에서 세퍼레이터가 정전극판이나 부전극판과 충분히 압접되어 있지 않기 때문에, 용이하게 열수축할 수 있다. 이로 인해, 곡면 부분(단부)에 있어서,정전극판과 부전극판 사이에 일부 세퍼레이터가 개재하지 않게 되어, 정전극판과 부전극판이 접촉하여, 단락할 우려가 있다.
본 발명은, 이러한 문제점을 감안해서 이루어진 것이며, 이상 과열 상태로 되어도, 단락의 발생을 방지하거나 리튬 이온 2차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 이와 같은 리튬 이온 2차 전지를 복수 구비한 조전지, 이 조전지를 구비한 차량 및 조전지 탑재 기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태는, 띠 형상의 정전극판과 띠 형상의 부전극판 사이에 띠 형상의 세퍼레이터를 개재시켜, 이들을 권회축을 중심으로 해서 권회해서 이루어지고, 횡단면이 편평한 편평 권회형 전극체 및, 내부에 상기 편평 권회형 전극체를 수용한 전지 케이스를 구비하는 리튬 이온 2차 전지이며, 상기 편평 권회형 전극체는, 상기 횡단면의 길이 방향 중앙에 위치하는 중앙부가, 짧은 방향 권회축측을 향해서 압박되어, 상기 길이 방향의 양단부에 각각 위치하는 상기 길이 방향의 단부보다도, 상기 중앙부가 잘록한 형상이 이루고, 상기 단부는, 각각, 상기 정전극판, 상기 부전극판 및 상기 세퍼레이터 중, 각각 만곡해서 상기 단부를 이루는, 단부 정전극판, 단부 부전극판 및 단부 세퍼레이터와, 상기 단부 정전극판, 상기 단부 부전극판 및 상기 단부 세퍼레이터보다도 내측에 배치된 코어재이며, 적어도 상기 길이 방향 외측에 위치하는 외측면이, 상기 길이 방향 외측을 향해서 볼록하고, 상기 권회축에 평행한 원통면을 이루는 코어재를 포함하고, 상기 정전극판, 상기 부전극판 및 상기 세퍼레이터 중, 상기 중앙부를 이루는, 중앙부 정전극판, 중앙부 부전극판 및 중앙부 세퍼레이터에, 상기 중앙부의 압박에 의해 발생하는 장력에 의해, 상기 단부 정전극판, 상기 단부 부전극판 및 상기 단부 세퍼레이터가, 서로 압접하면서, 상기 코어재의 상기 외측면을 압박해서 이루어지는 리튬 이온 2차 전지이다.
상술한 전지에서는, 편평 권회형 전극체(이하, 단순히 전극체라고도 함)가, 중앙부 정전극판, 중앙부 부전극판 및 중앙부 세퍼레이터에, 중앙부의 압박에 의해 발생하는 장력에 의해, 단부 정전극판, 단부 부전극판 및 단부 세퍼레이터가, 서로 압접하면서, 코어재의 외측면을 압박해서 이루어진다. 이로 인해, 단부에서는, 단부 세퍼레이터가 단부 정전극판과 단부 부전극판에 끼워져 구속된다. 따라서, 전극체가 이상 과열 상태로 된 결과, 단부 세퍼레이터가 권회축 방향으로 열수축 하려고 해도, 이를 방해할 수 있고, 단부 정전극판과 단부 부전극판 사이에 단부 세퍼레이터를 계속하여 개재시킬 수 있다. 이리하여, 단부 세퍼레이터가 권회축 방향으로 열수축하는 것에 의한 단락의 발생을 방지할 수 있어, 신뢰성이 높은 전지로 할 수 있다.
또한, 코어재는, 전극체의 횡단면에 있어서의 길이 방향 외측에 위치하는 외측면이, 길이 방향 외측을 향해서 볼록하고, 권회축에 평행한 원통면을 이루는 것이다. 이러한 코어재로서는, 예를 들어, 중앙부에는, 코어재를 설치하지 않고, 2개의 단부에 각각 포함되는 서로 별체의 2개의 코어재를 들 수 있다. 또한, 단부의 내부 이외에, 중앙부의 내부에도 코어재가 위치하는 형태의(예를 들어 일체의) 코어재로 해도 좋다. 또한, 이 경우에는, 단부에 있어서의 코어재의 짧은 방향의 치수를, 중앙부에 있어서의 코어재의 짧은 방향의 치수보다도 큰 형상으로 한다. 또한, 코어재는, 통형상(중공)이어도 중실이어도 된다.
또한, 상술한 리튬 이온 2차 전지이며, 상기 중앙부는, 상기 코어재를 포함하지 않고, 상기 짧은 방향으로 서로 접해서 적층된, 상기 중앙부 정전극판, 상기 중앙부 부전극판 및 상기 중앙부 세퍼레이터가, 상기 짧은 방향으로 서로 압접해서 이루어지는 리튬 이온 2차 전지로 하면 된다.
상술한 전지에서는, 중앙부는, 코어재를 포함하지 않고, 중앙부 정전극판, 중앙부 부전극판 및 중앙부 세퍼레이터가 서로 압접해서 이루어진다. 이로 인해, 중앙부에 있어서도, 중앙부 세퍼레이터의 열수축에 의한 중앙부 정전극판과 중앙부 부전극판 사이에서의 단락을 방지할 수 있고, 또한, 전극체의 중앙부에 있어서 짧은 방향의 치수를 작게 할 수 있어, 콤팩트한 전지로 할 수 있다.
혹은, 본 발명의 다른 형태는, 전술한 어느 하나의 리튬 이온 2차 전지를 탑재하여, 이 리튬 이온 2차 전지에 축적한 전기에너지를 동력원의 전부 또는 일부로 사용하는 차량이다.
상술한 차량은, 단락을 방지한 리튬 이온 2차 전지를 탑재하고 있으므로, 안정되게 사용할 수 있는 차량으로 할 수 있다.
또한, 차량으로서는, 리튬 이온 2차 전지에 의한 전기에너지를 동력원의 전부 또는 일부로 사용하는 차량이면 되고, 예를 들어, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차, 하이브리드 철도 차량, 포크리프트, 전기차 의자, 전동 어시스트 자전거, 전동 스쿠터를 들 수 있다.
혹은, 본 발명의 다른 형태는, 전술한 어느 하나의 리튬 이온 2차 전지를 탑재하고, 이 리튬 이온 2차 전지에 축적한 전기에너지를 구동에너지원의 전부 또는 일부로 사용하는 전지 탑재 기기이다.
상술한 전지 탑재 기기는, 단락을 방지한 리튬 이온 2차 전지를 탑재하고 있으므로, 안정적으로 사용할 수 있는 전지 탑재 기기로 할 수 있다.
또한, 전지 탑재 기기로서는, 리튬 이온 2차 전지를 탑재하고, 이것을 에너지원의 전부 또는 일부로 사용하는 기기이면 되고, 예를 들어, 퍼스널 컴퓨터, 휴대 전화, 전지 구동의 전동 공구, 무정전 전원 장치 등, 전지로 구동되는 각종 가전 제품, 오피스 기기, 산업 기기를 들 수 있다.
도 1은 실시 형태 1에 따른 전지의 사시도이다.
도 2는 실시 형태 1에 따른 전지의 단면도(도 1의 A-A부)이다.
도 3은 실시 형태 1의 정전극판의 사시도이다.
도 4는 실시 형태 1의 부전극판의 사시도이다.
도 5는 실시 형태 1의 스페이서의 사시도이다.
도 6은 실시 형태 1의 전극체의 설명도이다.
도 7은 시료 전지(T3)의 설명도이다.
도 8은 실시 형태 2에 따른 차량의 설명도이다.
도 9는 실시 형태 3에 따른 전지 탑재 기기의 설명도이다.
도 10은 코어재의 횡단면도이다.
도 11은 코어재의 횡단면도이다.
도 12는 코어재의 횡단면도이다.
도 13은 스페이서의 횡단면도이다.
도 14는 스페이서의 횡단면도이다.
(실시 형태1)
다음에, 본 실시 형태 1에 따른 전지(1)에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1에 전지(1)의 사시도를, 도 2에 전지(1)의 단면도(도 1의 A-A 단면)를 각각 도시한다.
이 전지(1)는, 모두 띠 형상의 정전극판(20)과 부전극판(30)과 세퍼레이터(40)를 갖고, 이들을 권회축(AX)을 중심으로 해서 권회하여 이루어지고, 횡단면(CS)이 편평한 편평 권회형 전극체(10) 및, 내부에 이 전극체(10)를 수용하는 전지 케이스(80)를 구비하는 리튬 이온 2차 전지이다(도 1, 2 참조). 또한, 이 전지(1)는, 전극체(10)[후술하는 중앙부(10P)]와, 전지 케이스(80)의 제1 케이스 벽부(83)(후술) 사이에, 수지제의 2개의 스페이서(60, 60)를 구비한다(도 2 참조).
또한, 이 전지(1)는, 에틸렌카보네이트(EC), 디메틸카보네이트(DMC) 및 에틸메틸카보네이트(EMC)의 혼합 유기 용매(체적비가 EC:DMC:EMC=3:3:4)에, 1mol/l의 용질(LiPF6)을 첨가해서 이루어지는 전해액(도시 생략)을 액밀하게 수용하고 있다.
이 전지(1)의 전지 케이스(80)는, 모두 알루미늄제의 전지 케이스 본체(81) 및 밀봉 덮개(88)를 갖는다. 또한, 이 전지 케이스(80)와 전극체(10) 사이에는, 수지로 이루어지고, 상자 형상으로 절곡한 절연 필름(도시 생략)이 개재시켜져 있다.
이 중 밀봉 덮개(88)는 직사각형 판형상이며, 전지 케이스 본체(81)의 개구를 폐색하여, 이 전지 케이스 본체(81)에 용접되어 있다. 이 밀봉 덮개(88)에는, 전극체(10)와 접속하고 있는 정극 집전 부재(91) 및 부극 집전 부재(92) 중, 각각 선단에 위치하는 정극 단자부(91A) 및 부극 단자부(92A)가 관통하고 있고, 도 1 중, 상방을 향하는 덮개 표면(88a)으로부터 돌출되어 있다. 이들 정극 단자부(91A) 및 부극 단자부(92A)와 밀봉 덮개(88) 사이에는, 각각 절연성의 수지로 이루어지는 절연 부재(95)가 개재되어, 서로를 절연하고 있다. 또한, 이 밀봉 덮개(88)에는 직사각형 판형상의 안전 밸브(97)도 봉착되어 있다.
또한, 전지 케이스 본체(81)는 바닥이 있는 직사각형의 상자형이다. 즉, 밀봉 덮개(88)와 대향하는 직사각형 평판 형상의 케이스 저부(82) 및, 이 케이스 저부(82)의 사방의 테두리로부터, 이 케이스 저부(82)의 수직 방향으로 연장되는 케이스 벽부[다음에 기술하는 제1 케이스 벽부(83) 및 제2 케이스 벽부(84)]로 이루어진다(도 1 참조). 이 케이스 벽부는, 전극체(10)의 권회축(AX)에 평행한 위치에 있는, 평판 형상의 2개의 제1 케이스 벽부(83, 83)와, 권회축(AX)에 수직의 위치에 있는, 평판 형상의 2개의 제2 케이스 벽부(84, 84)로 이루어진다.
이 중, 2개의 제1 케이스 벽부(83, 83)는, 서로 평행하게 배치되고, 전극체(10)의 중앙부(10P)(후술)를, 스페이서(60)를 개재해서 끼운다(도 2 참조).
또한, 전극체(10)는, 도 1, 2에 나타낸 바와 같이, 띠 형상의 정전극판(20) 및 부전극판(30)이, 띠 형상의 세퍼레이터(40)를 개재하여, 이들을 권회축(AX)을 중심으로 해서 횡단면(CS)이 편평한 형상으로 권회해서 이루어지는 권회형이다.
이 전극체(10) 중, 박판 띠 형상의 정전극판(20)은, 띠 형상으로 알루미늄으로 이루어지는 정극 집전박(28)과, 이 정극 집전박(28)의 양쪽 주면 상에 형성되어 이루어지는 정극 활물질층(21, 21)을 갖고 있다(도 3 참조). 이 중, 정극 집전박(28)은, 자신의 알루미늄이 노출되는 정극박 노출부(25)를 갖는다.
한편, 박판 띠 형상의 부전극판(30)은, 띠 형상으로 구리로 이루어지는 부극 집전박(38)과, 이 부극 집전박(38)의 양쪽 주면 상에 형성되어 이루어지는 부극 활물질층(31, 31)을 갖고 있다(도 4 참조). 이 중, 부극 집전박(38)은, 자신의 구리가 노출되는 부극박 노출부(35)를 갖는다.
또한, 전극체(10)에서는, 전지(1)를 사용할 때, 정극 활물질층(21)으로부터 방출된 리튬 이온이 부극 활물질층(31)의 외주에 집중하여, 금속 리튬이 석출하는 것을 방지하기 위해서, 부극 활물질층(31)의 형성면의 면적을 상술한 정극 활물질층(21)보다도 크게 하고 있다. 따라서, 정전극판(20)의 정극 활물질층(21) 전체가 부극 활물질층(31)과 대향하는 정극 대향부(21F)인 한편, 부전극판(30)의 부극 활물질층(31)은, 정극 활물질층(21)[정극 대향부(21F)]과 대향하는 부극 대향부(31F)와, 정극 활물질층(21)[정극 대향부(21F)]과는 대향하지 않는 부극 비대향부(31N) 로 이루어진다(도 4 참조). 부극 비대향부(31N)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 부극 대향부(31F)의 외주에 위치한다.
또한, 띠 형상의 세퍼레이터(40)는, 폴리에틸렌을 2층의 폴리프로필렌 사이에 끼워서 이루어지는 3층형이다. 이 세퍼레이터(40)는, 전극체(10)에 있어서, 정전극판(20)의 정극 대향부(21F)[정극 활물질층(21)]와, 부전극판(30)의 부극 대향부(31F) 사이 전체에 걸쳐 개재되어, 정전극판(20) 및 부전극판(30)의 사이에서의 단락의 발생을 방지한다.
또한, 수지제로 직사각형 평판 형상의 스페이서(60)는, 모두 평탄하고 서로 평행한 제1 스페이서 주면(61) 및 제2 스페이서 주면(62)을 갖는다(도 5 참조). 이 스페이서(60)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 스페이서 주면(61)이 전지 케이스(80)의 제1 케이스 벽부(83)에, 제2 스페이서 주면(62)이 전극체(10)의 중앙부(10P)(후술)에 각각 밀착하면서, 전지 케이스(80)와 전극체(10) 사이에 개재되어 있다. 또한, 이 스페이서(60)의 두께[제1 스페이서 주면(61) 및 제2 스페이서 주면(62) 사이의 두께] TS는, 1.5㎜이다.
상술한 전극체(10)는, 횡단면(CS)의 길이 방향(DA) 중앙에 위치하는 중앙부(10P)와, 전극체(10)의 횡단면(CS)에 있어서의 길이 방향(DA)의 양단부에 각각 위치하는 2개의 단부(10C, 10C)로 이루어진다(도 2 참조). 이 전극체(10)는, 중앙부(10P)가, 짧은 방향(DB)의 권회축(AX)측을 향해서 압박되어, 단부(10C)보다도 중앙부(10P)가 잘록한 형상을 이루고 있다.
이 중, 중앙부(10P)는, 정전극판(20), 부전극판(30) 및 세퍼레이터(40) 중, 이 중앙부(10P)를 이루는, 중앙부 정전극판(20P), 중앙부 부전극판(30P) 및 중앙부 세퍼레이터(40P) 로 이루어진다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 짧은 방향(DB)으로 서로 접촉해서 적층되어 있다. 한편, 2개의 단부(10C, 10C)는, 정전극판(20), 부전극판(30) 및 세퍼레이터(40) 중, 각각 만곡해서 이 단부(10C)를 이루는, 단부 정전극판(20C), 단부 부전극판(30C) 및 단부 세퍼레이터(40C)와, 이들 단부 정전극판(20C), 단부 부전극판(30C) 및 단부 세퍼레이터(40C)보다도 내측에 배치된 코어재(50)를 갖는다. 이 중, 코어재(50)는, 알루미늄으로 이루어지는 중실의 진원 기둥 형상이므로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 이 코어재(50)의, 길이 방향(DA)의 외측에 위치하는 외측면(51)은, 길이 방향(DA) 외측을 향해서 볼록 형상이고, 권회축(AX)에 평행한 원통면을 이룬다. 또한, 이 코어재(50)의 직경(TR)은 3.0㎜이며, 도 2에 나타내는 2개의 코어재(50, 50)의 중심간 거리 TL은 39㎜로 하고 있다.
중앙부(10P)가 짧은 방향(DB)의 권회축(AX)측을 향해서 압박되고, 코어재(50)가 상술한 바와 같은 치수 관계로 됨으로써, 본 실시 형태 1에 따른 전지(1)에서는, 중앙부 정전극판(20P), 중앙부 부전극판(30P) 및 중앙부 세퍼레이터(40P)에 장력이 발생하고 있다.
구체적으로는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 중앙부(10P)는, 2개의 스페이서(60, 60)에 의해, 짧은 방향(DB)의 권회축(AX)측을 향해서 압박된다. 이렇게 중앙부(10P)가 압박되어도, 권회체(10)의 둘레 길이는 변화되지 않으므로, 압박된 중앙부(10P)는, 2개의 단부(10C, 10C)를 잡아당긴다. 즉, 중앙부 정전극판(20P)이 단부 정전극판(20C), 중앙부 부전극판(30P)이 단부 부전극판(30C), 또한, 중앙부 세퍼레이터(40P)가 단부 세퍼레이터(40C)를 각각 잡아 당긴다. 이로 인해, 2개의 단부(10C, 10C)는, 코어재(50)와 함께, 길이 방향(DA) 중, 서로 근접하는 방향[권회체(10)의 내측]으로 각각 이동하려고 한다.
그런데, 중앙부(10P)의 외측에서, 길이 방향(DA)으로 보아, 2개의 단부(10C, 10C) 사이에, 2개의 스페이서(60, 60)가 각각 배치되어 있다. 이로 인해, 단부(10C, 10C)의 내측으로의 이동은, 스페이서(60)에 의해 제한된다. 이리하여, 스페이서(60)의 두께 및 폭 치수를 조정함으로써, 중앙부(10P)와 단부(10C) 사이에 소정의 장력(P1)이 걸리도록, 2개의 단부(10C, 10C)를 각각 배치할 수 있다. 이러한 전극체(10)에 있어서, 중앙부 정전극판(20P), 중앙부 부전극판(30P) 및 중앙부 세퍼레이터(40P)에 각각 장력(P1)이 발생하고 있다.
또한, 이것에 수반하여, 단부 정전극판(20C), 단부 부전극판(30C) 및 단부 세퍼레이터(40C) 자체에도, 장력(P1)이 각각 발생하고 있다. 이로 인해, 이들 단부 정전극판(20C), 단부 부전극판(30C) 및 단부 세퍼레이터(40C)에는, 이들의 내측에 배치되어 있는 코어재(50)의 외주면(51)을 압박하는 압박력(P2)이 발생하고 있다(도 6 참조). 이에 의해, 단부(10C, 10C)에 있어서, 단부 정전극판(20C), 단부 부전극판(30C) 및 단부 세퍼레이터(40C)는 서로 압접하고 있다.
그런데, 본 발명자들은, 본 실시 형태 1에 따른 전지(1)가 이상 과열 상태로 되었을 때에, 이 전지(1)의 전극체(10)에 있어서, 정전극판(20)과 부전극판(30)이 단락하는지 여부를 조사했다.
구체적으로는, 상술한 전지(1)에 가열 시험을 실시했다. 이 가열 시험에서는, 우선, 전지 케이스(80)의 제1 케이스 벽부(83)에, 금속제의 2매의 엔드 플레이트를 사용해서 끼움 지지한 전지(1)(충전 상태를 SOC80％로 조정 완료)를 항온조 내에 배치하고, 항온조의 조내 온도를 5℃/분의 속도로 160℃까지 승온시켰다. 그리고, 조내 온도가 160℃에 도달한 시점에서, 조내 온도를 30분간 보유 지지시켰다. 또한, 시험중의 전지(1)의 전지 온도 및 단자간 전압을 별도로 측정했다.
또한, 이 가열 시험에 있어서, 시료수를 5(n=5)로 했다.
또한, 비교예로서, 코어재(50) 및 스페이서(60)를 제외하고, 횡단면을 타원형 형상으로 한 전극체를, 전지(1)보다도 폭 방향이 작은 전지 케이스에 수용하고, 외측으로부터 중앙부를 압축한 이외에는, 전지(1)와 동일한 비교 전지(C1)를 준비하여, 전지(1)와 마찬가지로 하여 가열 시험을 실시했다. 또한, 비교 전지(C1)에 대해서도, 전지(1)와 마찬가지로, 가열 시험에 있어서의 시료수를 5(n=5)로 했다.
상술한 가열 시험의 결과, 비교 전지(C1)에서는, 3개의 시료에 있어서, 가열 시험 후의 단자간 전압이 현저하게 저하했다(시험 후의 단자간 전압은 대략 0V). 이것으로부터, 가열 시험에 의해, 비교 전지(C1)에서 단락이 발생한 것을 알 수 있다. 또한, 이 3개의 시료에서는, 시험 중에 전지 온도가, 항온조의 조내 온도의 최고값(160℃)보다도 높은, 약 230℃까지 상승했다. 이것은, 시험중에 단락이 발생하여, 이것에 수반하는 발열에 의해 전지 온도가 항온조의 조내 온도보다도 높아졌기 때문이라고 생각되어, 단락 발생을 뒷받침할 수 있다.
한편, 전지(1)에서는, 어느 쪽의 시료에 대해서도, 가열 시험 중에 단자간 전압의 현저한 저하는 확인할 수 없었다. 또한, 시험 중의 전지 온도는, 항온조의 온도와 동일하게 변화되고, 최고 온도도 160℃이었다. 이들로부터, 전지(1)에서는, 가열 시험에 의해 단락이 발생하지 않은 것을 알 수 있다.
또한, 발명자들은, 실시예로서, 시료 전지(T2, T3, T4)를 준비하여, 전지(1)와 동일하게 하여 가열 시험을 실시했다. 또한, 이들 시료 전지(T2 내지 T4)에 대해서도, 전지(1)와 동일하게, 가열 시험에 있어서의 시료수를 5(n=5)로 했다.
또한, 시료 전지(T2)는, 코어재의 직경(TR)을 5.0㎜로, 2개의 코어재의 중심간 거리 TL을 36㎜로, 스페이서의 두께(TS)를 2.5㎜로 각각 변경한 이외에는, 전지(1)와 동일하게 했다.
또한, 시료 전지(T3)는, 타원 기둥 형상의 코어재(장변측 5㎜, 단변측 3㎜)를 사용하고 있는 것 이외에는, 전지(1)와 동일하게 했다(도 7 참조).
또한, 시료 전지(T4)는, 시료 전지(T2)와 코어재의 재질을 다르게 했을 뿐, 즉, 코어재의 직경(TR)을 5.0㎜로, 2개의 코어재의 중심간 거리 TL을 36㎜로, 스페이서의 두께(TS)를 2.5㎜로 각각 변경하고, 코어재의 재질을 폴리프로필렌으로 하고 있는 것 이외에는, 전지(1)와 동일하게 했다.
상술한 가열 시험의 결과, 시료 전지(T2 내지 T4)에서는, 어느 쪽의 시료에 대해서도, 전지(1)와 마찬가지로, 가열 시험 중의 단자간 전압의 현저한 저하는 확인할 수 없었다. 또한, 시험 중의 전지 온도는, 항온조의 온도와 동일하게 변화되어, 최고값도 160℃이었다. 이들로부터, 시료 전지(T2 내지 T4)에서는, 가열 시험에 의해, 전지(1)과 마찬가지로, 단락이 발생하지 않은 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시 형태 1에 따른 전지(1)에서는, 전극체(10)가, 중앙부 정전극판(20P), 중앙부 부전극판(30P) 및 중앙부 세퍼레이터(40P)에, 중앙부(10P)의 압박에 의해 발생하는 장력(도 6 중의 P1)에 의해, 단부 정전극판(20C), 단부 부전극판(30C) 및 단부 세퍼레이터(40C)가, 서로 압접하면서, 코어재(50)의 외측면(51)을 압박[도 6 중의 압박력(P2)]해서 이루어진다. 이로 인해, 단부(10C)에서는, 단부 세퍼레이터(40C)가 단부 정전극판(20C)과 단부 부전극판(30C)에 끼워져 구속된다. 따라서, 전극체(10)가 이상 과열 상태로 된 결과, 단부 세퍼레이터(40C)가 권회축(AX) 방향으로 열수축하려고 해도, 그 열수축을 방해할 수 있고, 단부 정전극판(20C)과 단부 부전극판(30C) 사이에 단부 세퍼레이터(40C)를 계속해서 개재시킬 수 있다. 이리하여, 단부 세퍼레이터(40C)가 권회축(AX) 방향으로 열수축하는 것에 의한 단락의 발생을 방지할 수 있어, 신뢰성이 높은 전지(1)로 할 수 있다.
또한, 이 전지(1)에서는, 중앙부(10P)는, 코어재(50)를 포함하지 않고, 중앙부 정전극판(20P), 중앙부 부전극판(30P) 및 중앙부 세퍼레이터(40P)가 서로 압접해서 이루어진다. 이로 인해, 중앙부(10P)에 있어서도, 중앙부 세퍼레이터(40P)의 열수축에 의한 중앙부 정전극판(20P)과 중앙부 부전극판(30P) 사이에서의 단락을 방지할 수 있고, 또한, 전극체(10)의 중앙부(10P)에 있어서 짧은 방향(DB)의 치수를 작게 할 수 있어, 콤팩트한 전지(1)로 할 수 있다.
다음에, 본 실시 형태 1에 따른 전지(1)의 제조 방법에 대해서 설명한다.
우선, 정전극판(20)을 제작한다. 구체적으로는, 정극 활물질 입자, 결착제 및 도전제를 용매 중에서 혼련해서 만들어진 페이스트(도시 생략)를, 띠 형상의 정극 집전박(28)의 양쪽 주면에 도포하고, 그 후, 페이스트를 건조시켰다.
또한, 도시하지 않은 롤 프레스로, 정극 집전박(28)의 양쪽 주면상에서 건조시킨 페이스트를 압축하여, 정극 활물질층(21, 21)을 갖는 정전극판(20)을 제작했다(도 3 참조).
한편, 부전극판(30)을 제작한다. 구체적으로는, 부극 활물질 입자 및 결착제를 용매 중에서 혼련해서 만들어진 페이스트(도시 생략)를, 띠 형상의 부극 집전박(38)의 양쪽 주면에 도포하고, 그 후, 페이스트를 건조시켰다.
또한, 도시하지 않은 롤 프레스로, 부극 집전박(38)의 양쪽 주면상에서 건조시킨 페이스트를 압축하여, 부극 활물질층(31, 31)을 갖는 부전극판(30)을 제작했다(도 4 참조).
상술한 바와 같이 제작한 정전극판(20) 및 부전극판(30)을, 전술한 2개의 세퍼레이터(40, 40)와 함께 권회하여 전극체(10)로 한다. 구체적으로는, 권회축(AX)을 중심으로 직경 방향의 외측을 향하여, 세퍼레이터(40), 부전극판(30), 세퍼레이터(40), 정전극판(20)의 순서대로 포갠 상태에서 권회한다.
우선, 외경이 30㎜의 원통형상의 권회 코어재(도시 생략)의 주위에, 세퍼레이터(40)를 수 바퀴, 권회한 후, 그 세퍼레이터(40)의 직경 방향 외측에 부전극판(30)을 배치한다. 계속해서, 부전극판(30)의 직경 방향 외측에 또 하나의 세퍼레이터(40)를, 또한, 이 세퍼레이터(40)의 직경 방향 외측에 정전극판(20)을 각각 배치하고, 이들 2개의 세퍼레이터(40, 40), 정전극판(20) 및 부전극판(30)을 권회 코어재의 주위에 권회한다. 또한, 정전극판(20)과 부전극판(30)을 배치할 때에, 세퍼레이터(40)를 통하여, 정극 활물질층(21)의 정극 대향부(21F)와, 부극 활물질층(31)의 부극 대향부(31F)가 대향하도록 배치한다.
이와 같이 하여, 정전극판(20), 부전극판(30) 및 세퍼레이터(40)를, 권회 코어재의 주위에 권회한 후, 권회 코어재를 권회체의 중심으로부터 뽑아냈다. 그리고, 이것 대신에, 2개의 코어재(50, 50)를 권회체에 삽입하는 동시에, 이 권회체를 눌러 찌부러뜨리고, 2개의 코어재(50, 50)를, 횡단면(CS)에 있어서의 길이 방향(DA)의 양단부에 위치시켜, 도 2에 나타내는, 횡단면(CS)이 편평한 형상으로 권회해서 이루어지는 전극체(10)를 제조한다(도 1, 도 2 참조).
그 후, 중앙부(10P)에 있어서,정전극판(20)의 정극박 노출부(25)에 정극 집전 부재(91)를, 부전극판(30)의 부극박 노출부(35)에 부극 집전 부재(92)를 각각 용접했다. 그리고, 정극 집전 부재(91), 부극 집전 부재(92)를 접속한 전극체(10)를 전지 케이스 본체(81)에 삽입하여, 전술한 전해액을 주입 후, 밀봉 덮개(88)로 전지 케이스 본체(81)를 용접으로 밀봉한다. 이리하여, 전지(1)가 완성된다(도 1, 도 2 참조).
(실시 형태 2)
본 실시 형태 2에 따른 차량(100)은, 전술한 전지(1)를 복수 포함하는 배터리 팩(110)을 탑재한 것이다. 구체적으로는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 차량(100)은, 엔진(140), 프론트 모터(120) 및 리어 모터(130)를 병용해서 구동하는 하이브리드 자동차이다. 이 차량(100)은, 차체(190), 엔진(140), 이것에 설치된 프론트 모터(120), 리어 모터(130), 케이블(150), 인버터(160) 및, 직사각형 상자형 형상의 배터리 팩(110)을 갖고 있다. 또한, 배터리 팩(110) 내의 복수의 전지(1, 1)는, 이웃하는 전지(1, 1)끼리의 사이에, 제1 케이스 벽부(83)에 평행한 통풍로를 갖는 판형상의 통풍 부재(도시 생략)를 각각 개재시키면서 적층되어 있다. 또한, 이들 전지(1, 1)를 적층하는 방향의 양단부측에는, 이들 전지(1, 1)를 끼움 지지하는 2개의 엔드 플레이트(도시 생략)를 배치하고 있다. 이로 인해, 각 전지(1, 1)는, 제1 케이스 벽부(83) 및 스페이서(60)를 통하여, 중앙부(10P)가 압축되어 있다(도 2, 도 6 참조).
본 실시 형태 2에 따른 차량(100)은, 단락을 방지한 전지(1)를 탑재하고 있으므로, 안정적으로 사용할 수 있는 차량(100)으로 할 수 있다.
(실시 형태 3)
또한, 본 실시 형태 3의 해머 드릴(200)은, 전술한 전지(1)를 복수 포함하는 배터리 팩(210)을 탑재한 것이며, 도 9에 나타낸 바와 같이, 배터리 팩(210), 본체(220)를 갖는 전지 탑재 기기이다. 또한, 배터리 팩(210)은 해머 드릴(200)의 본체(220) 중 저부(221)에 가능하게 수용되어 있다. 또한, 배터리 팩(210) 내의 전지(1, 1)는, 이웃하는 전지(1, 1)끼리의 제1 케이스 벽부(83)를 밀착시키면서 적층되어 있다. 또한, 이들 전지(1, 1)를 적층하는 방향의 양단부측에는, 이들 전지(1, 1)는 끼움 지지하는 2개의 엔드 플레이트(도시 생략)를 배치하고 있다. 이로 인해, 각 전지(1, 1)는, 제1 케이스 벽부(83) 및 스페이서(60)를 통하여, 중앙부(10P)가 압축되어 있다(도 2, 도 6 참조).
본 실시 형태(3)에 따른 해머 드릴(200)은, 단락을 방지한 전지(1)를 탑재하고 있으므로, 안정적으로 사용할 수 있는 해머 드릴(200)로 할 수 있다.
이상에 있어서, 본 발명을 실시 형태 1 내지 3에 입각해서 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 적절하게 변경해서 적용할 수 있는 것은 물론이다.
예를 들어, 실시 형태 1에서는, 코어재(50)의 횡단면을 진원으로 했지만, 예를 들어, 시료 전지(T3)로 나타낸 바와 같이 타원(도 7 참조)으로 해도 된다. 또한, 자신의 횡단면의 일측이 반원이고, 타측이 이등변 삼각형으로 된 형상(도 10 참조)이나, 자신의 횡단면이 반원과 2개의 곡선을 조합한 형상(도 11 참조)으로 해도 된다. 또한, 이들의 경우, 전극체의 횡단면에 있어서의 길이 방향(DA) 외측에 위치하는 외측면이, 길이 방향(DA) 외측을 향해서 볼록하고, 권회축에 평행한 원통면을 갖도록, 단부의 내부에 배치한다.
또한, 예를 들어, 단부의 내부 이외에, 중앙부의 내부에도 코어재가 위치하는 형태의(예를 들어 일체의) 코어재를 사용할 수도 있다(도 12 참조). 이 코어재는, 도 12에 나타내는 바와 같이, 단부의 내측에 위치하는 부위에 있어서의 짧은 방향(DB)의 치수(TC)가, 중앙부의 내측에 위치하는 부위에 있어서의 짧은 방향(DB)의 치수(TP)보다도 큰(TC>TP) 형상으로 하고 있다.
또한, 실시 형태 1에서는, 스페이서(60)의 횡단면을 직사각형 형상으로 했지만, 예를 들어, 횡단면에서 사다리꼴 형상(도 13 참조)이나, 횡단면에서 단변이 호 형상으로 오목해지는 형상(도 14 참조)으로 해도 된다.
1 : 전지(리튬 이온 2차 전지)
10 : 전극체(편평 권회형 전극체)
10C : (전극체의) 단부
10P : (전극체의) 중앙부
20 : 정전극판
20C : 단부 정전극판
20P : 중앙부 정전극판
30 : 부전극판
30C : 단부 부전극판
30P : 중앙부 부전극판
40 : 세퍼레이터
40C : 단부 세퍼레이터
40P : 중앙부 세퍼레이터
50 : 코어재
51 : 외측면
80 : 전지 케이스
100 : 차량
200 : 해머 드릴(전지 탑재 기기)
AX : 권회축
CS : 횡단면
DA : 길이 방향
DB : 짧은 방향

Claims (4)

  1. 띠 형상의 정전극판과 띠 형상의 부전극판 사이에 띠 형상의 세퍼레이터를 개재시켜서, 이들을 권회축을 중심으로 하여 권회해서 이루어지고, 횡단면이 편평한 편평 권회형 전극체 및,
    내부에 상기 편평 권회형 전극체를 수용한 전지 케이스를 구비하는
    리튬 이온 2차 전지이며,
    상기 편평 권회형 전극체는,
    상기 횡단면의 길이 방향 중앙에 위치하는 중앙부가, 짧은 방향 권회축측을 향해서 압박되어, 상기 길이 방향의 양단부에 각각 위치하는 상기 길이 방향의 단부보다도, 상기 중앙부가 잘록한 형상을 이루고,
    상기 단부는, 각각,
    상기 정전극판, 상기 부전극판 및 상기 세퍼레이터 중, 각각 만곡해서 상기 단부를 이루는, 단부 정전극판, 단부 부전극판 및 단부 세퍼레이터와,
    상기 단부 정전극판, 상기 단부 부전극판 및 상기 단부 세퍼레이터보다도 내측에 배치된 코어재이며, 적어도 상기 길이 방향 외측에 위치하는 외측면이, 상기 길이 방향 외측을 향해서 볼록하고, 상기 권회축에 평행한 원통면을 이루는 코어재를 포함하고,
    상기 정전극판, 상기 부전극판 및 상기 세퍼레이터 중, 상기 중앙부를 이루는, 중앙부 정전극판, 중앙부 부전극판 및 중앙부 세퍼레이터에, 상기 중앙부의 압박에 의해 발생하는 장력에 의해, 상기 단부 정전극판, 상기 단부 부전극판 및 상기 단부 세퍼레이터가, 서로 압접하면서, 상기 코어재의 상기 외측면을 압박해서 이루어는, 리튬 이온 2차 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중앙부는,
    상기 코어재를 포함하지 않고,
    상기 짧은 방향으로 서로 접해서 적층된, 상기 중앙부 정전극판, 상기 중앙부 부전극판 및 상기 중앙부 세퍼레이터가, 상기 짧은 방향으로 서로 압접해서 이루어지는, 리튬 이온 2차 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 기재된 리튬 이온 2차 전지를 탑재하고, 이 리튬 이온 2차 전지에 축적한 전기에너지를 동력원의 전부 또는 일부로 사용하는, 차량.
  4. 제1항 또는 제2항에 기재된 리튬 이온 2차 전지를 탑재하고, 이 리튬 이온 2차 전지에 축적한 전기에너지를 구동 에너지원의 전부 또는 일부로 사용하는, 전지 탑재 기기.
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