KR20130008620A - 쌍극형 2차 전지 - Google Patents

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Abstract

케이스에 수납 장착된 전지 본체는 전해질층을 통해 적층된 복수의 쌍극형 전극으로 이루어지는 단수 또는 복수의 직렬 접속된 적층체로 구성된다. 일면을 케이스의 내주면에 접합하고, 다른 일면을 전지 본체의 일단부에 접합하는 정극 집전판과 부극 집전판이, 각각 케이스로부터 외측으로 연장된다. 케이스의 신장 변형에 따라, 전지 본체를 통한 정극 집전판과 부극 집전판의 전기적 접속을 절단하는 절단 메커니즘을 구비함으로써, 단락 전류의 발생 시에 쌍극형 2차 전지 내의 전류 통로를 차단하여, 쌍극형 2차 전지를 단락 전류로부터 보호한다.

Description

쌍극형 2차 전지{BIPOLAR SECONDARY BATTERY}
본 발명은, 쌍극형 2차 전지의 단락 전류로부터의 보호에 관한 것이다.
일본 특허청이 2009년에 발행한 JP2009-252548A는, 적층된 복수층의 셀로 이루어지는 리튬 이온 전지 등의 쌍극형 2차 전지에 사용하는 유동성 밀봉제에 관한 제안을 행하고 있다.
셀의 적층 방향의 일단부에는 정극 활물질이, 다른 일단부에는 부극 활물질이 배치되어 있다. 유동성 밀봉제는, 셀의 전해질이 공기 중의 수분에 의해 열화되지 않도록, 전해질의 주위에 배치되고, 셀을 공기로부터 차단하는 역할을 갖는다.
파라핀 등의 유동성 밀봉제는 고전압을 기초로 전기 분해를 일으킨다. 전기 분해한 유동성 밀봉제는 필요한 절연성을 유지할 수 없다. 종래 기술은 유동 밀봉제를 밀폐된 복수의 층으로 분할함으로써, 유동 밀봉제에 고전압이 가해지는 것을 방지하고, 전기 분해가 일어나기 어려운 구조를 실현하고 있다.
쌍극형 2차 전지에 접속된 외부 회로가 단락을 일으키면, 전지 내부에 단락 전류가 계속해서 흘러, 전지가 발열한다.
종래 기술에 의한 쌍극형 2차 전지는, 이러한 상황에서도 유동 밀봉제로의 고전압의 부하 방지 효과를 초래하지만, 단락 전류를 차단하거나, 전지 그 자체의 발열을 방지하는 작용을 갖지 않는다.
본 발명의 목적은, 따라서, 쌍극형 2차 전지를 단락 전류로부터 보호하는 것이다.
이상의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 쌍극형 2차 전지는, 전지 본체와, 전지 본체를 내부에 수납 장착하는 케이스와, 일면을 케이스의 내주면에 접합하고, 다른 일면을 전지 본체의 일단부에 접합하는 동시에 케이스 외부로 연장된 정극 집전판과, 일면을 케이스의 내주면에 접합하고, 다른 일면을 전지 본체의 다른 일단부에 접합하는 동시에 케이스 외부로 연장된 부극 집전판을 구비하고 있다.
전지 본체는 단수 또는 복수의 직렬 접속된 적층체로 이루어진다. 적층체는, 판 형상의 집전체와, 집전체의 일면에 배치된 정극 활물질층 및 집전체의 다른 일면에 배치된 부극 활물질층으로 이루어지는 쌍극형 전극을 전해질층을 통해 복수 적층함으로써 구성된다.
쌍극형 2차 전지는 또한, 케이스의 신장 변형에 따라, 전지 본체를 통한 정극 집전판과 부극 집전판의 전기적 접속을 절단하는 절단 메커니즘을 구비하고 있다.
본 발명의 상세 및 다른 특징이나 이점은, 명세서의 이하의 기재 중에서 설명되는 동시에, 첨부된 도면에 도시된다.
도 1은 본 발명에 의한 쌍극형 2차 전지의 사시도이다.
도 2는 도 1의 A―A선을 따라 잘라낸 쌍극형 2차 전지의 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 쌍극형 2차 전지의 개략 종단면도이다.
도 4는 도 3에 유사하지만, 되꺾임부에 관한 배리에이션을 도시한다.
도 5는 도 3에 유사하지만, 되꺾임부에 관한 다른 배리에이션을 도시한다.
도 6은 도 3에 유사하지만, 본 발명의 제3 실시예를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 의한 집전판의 종단면도이다.
도 8은 도 6에 유사하지만, 되꺾임부에 관한 배리에이션을 도시한다.
도 9는 도 6에 유사하지만, 되꺾임부에 관한 다른 배리에이션을 도시한다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 의한 쌍극형 2차 전지의 개략 종단면을 포함하는 개략 구성도이다.
도 11의 (a) 내지 도 11의 (c)는 본 발명에 의한 쌍극형 전극의 정면도와 배면도와 종단면도이다.
도 12의 (a)와 도 12의 (b)는 시일 전구체를 장착한 쌍극형 전극의 정면도와 횡단면도이다.
도 13의 (a)와 도 13의 (b)는 세퍼레이터를 장착한 쌍극형 전극의 정면도와 횡단면도이다.
도 14는 쌍극형 2차 전지의 최종 형성 프로세스를 설명하는 프레스기의 개략 측면도이다.
도 15는 되꺾임부를 형성하지 않는 쌍극형 2차 전지의 종단면도이다.
도 16은 본 발명의 제5 실시예에 의한 쌍극형 2차 전지의 개략 종단면도이다.
도 17은 본 발명의 제5 실시예에 의한 쌍극형 2차 전지 내부의 평면도이다.
도면의 도 1을 참조하면, 쌍극형 2차 전지(100)는, 대략 직사각형 횡단면의 케이스(103)와, 케이스(103)의 서로 마주보는 2개의 변을 통해 케이스(103)의 내측으로부터 외측으로 취출되는 정극 집전판(101)과 부극 집전판(102)을 구비한다.
도 2를 참조하면, 쌍극형 2차 전지(100)는, 케이스(103)의 내측에 전지 본체(300)를 구비한다. 전지 본체(300)는 복수의 셀(26)을 적층한 적층체(30)를 2개 직렬 접속함으로써 구성된다. 정극 집전판(101)과 부극 집전판(102)은 전지 본체(300)를 끼움 지지하는 형태로, 케이스(103)의 내주면에 각각 접합된다. 보다 상세하게는, 정극 집전판(101)과 부극 집전판(102)은 케이스(103)의 내주면에 접착에 의해 고정된다.
케이스(103)는, 전지 본체(300)를 외기로부터 차단하고, 전지 본체(300)를 보호하는 역할을 갖는다. 케이스(103)는 한 쌍의 케이스 부재(103a와 103b)로 이루어진다. 케이스 부재(103a와 103b)는, 전지 본체(300)를 수용하는 오목부와 오목부를 둘러싸는 플랜지부를 각각 갖는다.
케이스(103)는, 케이스(103)의 내측으로부터 외측에 이르는 정극 집전판(101)과 부극 집전판(102)을 사이에 두는 형태로, 한 쌍의 케이스 부재(103a와 103b)의 플랜지부끼리를 용착시킴으로써 일체로 구성된다. 케이스(103)에는 내외에 발생하는 압력차에 대하여 적층체(30)를 손상시키지 않는 강도와, 변형 가능한 가요성을 구비한 시트 형상 소재가 사용된다. 시트 형상 소재는, 또한 전해액이나 기체를 투과시키지 않고, 전기 절연성을 갖고, 전해액 등의 재료에 대하여 화학적으로 안정된 것이 바람직하다.
시트 형상 소재에는, 바람직하게는 라미네이트 필름, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트 등이 사용된다. 라미네이트 필름은, 알루미늄, 스테인리스, 니켈, 구리 등의 합금을 포함하는 금속의 금속박을, 폴리프로필렌 필름 등의 절연성의 합성 수지막으로 피복한 것이다.
적층체(30)를 구성하는 셀(26)은, 전해질층(25)과, 전해질층(25)의 양측에 적층된 정극 활물질층(23)과 부극 활물질층(24)과, 또한 적층 방향에 관해 정극 활물질층(23)과 부극 활물질층(24)의 외측에 적층된 판 형상의 집전체(22)로 구성된다. 단, 도면에 도시하는 바와 같이 복수의 셀(26)을 적층하는 경우에는, 집전체(22)는 인접하는 셀(26)의 사이에 1매만 끼움 지지된다.
집전체(22)에는 공지의 재료가 사용된다. 예를 들어, 알루미늄이나 스테인리스(SUS)를 사용할 수 있다. 집전체(22)의 재료에 고분자 재료를 포함할 수도 있다. 즉, 폴리올레핀(폴리프로필렌, 폴리에틸렌), 폴리에스테르(PET, PEN), 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리불화비닐리덴(PVdF)을 사용할 수 있다. 이들 고분자 재료에 도전성을 가지게 하기 위해, 바람직하게는 고분자 재료 중에 케첸블랙, 아세틸렌블랙, 카본블랙 등의 카본이나, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 스테인리스강(SUS), 티타늄(Ti) 등의 금속의 입자를 분산시킨다.
정극 활물질층(23)은, 정극 활물질을 포함하고, 또한 도전조제나 바인더 등을 포함할 수 있다. 정극 활물질에는, 용액계의 리튬 이온 전지에서 사용되는, 전이 금속과 리튬의 복합 산화물을 사용할 수 있다.
부극 활물질층(24)은, 부극 활물질을 포함하고, 또한 도전조제나 바인더 등을 포함할 수 있다. 부극 활물질에는, 용액계의 리튬 이온 전지에서 사용되는 부극 활물질을 사용할 수 있다.
특히, 정극 활물질층(23)의 정극 활물질에 리튬―전이 금속 복합 산화물을 사용하고, 부극 활물질층(24)의 부극 활물질에 카본 또는 리튬―전이 금속 복합 산화물을 사용함으로써, 용량과 출력 특성이 우수한 전지를 구성할 수 있다.
전해질층(25)은, 이온 전도성을 갖는 고분자를 포함하는 층 또는 액체 전해질이다. 이 실시예에서는 전해질에, 기재로서의 세퍼레이터에 프리겔 용액을 함침시킨 후, 화학 가교 또는 물리 가교에 의해 얻은 고분자 겔 전해질을 사용하고 있다. 전해질에 포함되는 전해액은, 폴리프렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 유기 용매를 함유하고, 온도 상승에 의해 비등하여 가스화된다. 이 실시예에 있어서, 세퍼레이터의 융점은 약 섭씨 120도(℃)이다. 전해질 용매의 비점은 약 140℃이다.
셀(26)의 외주는 시일부(40)로 덮인다. 시일부(40)는, 인접하는 집전체(22)의 외주부의 사이에 충전되어, 정극 활물질층(23)과 전해질층(25)과 부극 활물질층(24)의 외기와의 접촉을 차단한다. 시일부(40)는 셀(26)을 밀봉함으로써, 전해질의 이온 전도도의 저하를 방지한다. 또한, 액체 또는 반고체의 겔상의 전해질을 사용하는 경우의, 액 누설에 의한 액간 접촉을 방지한다.
시일 전구체에는, 예를 들어 가압 변형에 의해 집전체(22)에 밀착하는 고무계 수지, 또는 가열 가압하여 열융착시킴으로써 집전체(22)에 밀착하는 올레핀계 수지 등의 열융착 가능한 수지를 사용할 수 있다.
고무계 수지에는 특별히 제한은 없지만, 바람직하게는, 실리콘계 고무, 불소계 고무, 올레핀계 고무, 니트릴계 고무로 이루어지는 군으로부터 선택된다. 이들 고무계 수지는, 시일성, 내알칼리성, 내약품성, 내구성, 내후성, 내열성 등이 우수하고, 2차 전지의 사용 환경에 있어서도 이들의 우수한 성능과 품질을 장기간 유지할 수 있다.
열융착 가능한 수지는, 적층체(30)의 모든 사용 환경하에서 우수한 시일 효과를 발휘할 수 있는 것이 바람직하다. 열융착 가능한 수지는, 예를 들어 실리콘, 에폭시, 우레탄, 폴리부타디엔, 올레핀계 수지(폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등), 파라핀 왁스로 이루어지는 군으로부터 선택된다. 이들 열융착 가능한 수지는, 시일성, 내알칼리성, 내약품성, 내구성·내후성, 내열성 등이 우수하고, 2차 전지의 사용 환경에 있어서도 이들의 우수한 성능과 품질을 장기간 유지할 수 있다.
적층체(30)의 제조 프로세스에 있어서는, 집전체(22)의 한쪽의 면에 정극 활물질층(23)을 형성하고, 다른 한쪽의 면에 부극 활물질층(24)을 형성한 복수의 쌍극형 전극(21)과 전해질층(25)이 교대로 6층에 걸쳐 적층된다. 적층 방향에 관한 적층체(30)의 양단부에는 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)가 적층된다. 집전체(22)와 달리, 정극 집전체(22a)는 한쪽의 면에 정극 활물질층(23)을 형성하고, 다른 한쪽의 면에는 아무것도 형성하지 않는다. 부극 집전체(22b)는 한쪽의 면에 부극 활물질층(24)을 형성하고, 다른 한쪽의 면에는 아무것도 형성하지 않는다. 정극 집전체(22a)는 정극 활물질층(23)을 전해질층(25)에 접한 상태에서 적층된다. 부극 집전체(22b)는 부극 활물질층(24)을 전해질층(25)에 접한 상태에서 적층된다.
이상과 같이 하여 적층된 소정 수의 셀(26)을 열프레스기를 사용하여 시일부(40)가 소정의 두께로 되도록 열프레스하고, 또한 미경화 시일부(40)를 경화시킴으로써 쌍극형의 적층체(30)가 완성된다.
전지 본체(300)는, 한쪽의 적층체(30)의 정극 집전체(22a)가 다른 한쪽의 적층체(30)의 부극 집전체(22b)에 접하도록, 직렬로 배치된 2개의 적층체(30)에 의해 구성된다.
정극 집전판(101)과 부극 집전판(102)은, 전지 본체(300)로부터 케이스(103)의 외측으로 전류를 취출하고, 혹은 케이스(103)의 외측으로부터 전지 본체(300)에 전류를 공급하는 역할을 갖는다. 정극 집전판(101)과 부극 집전판(102)의 재료에는, 특별히 제한은 없고, 공지의 재료를 사용할 수 있다. 바람직하게는, 알루미늄, 스테인리스(SUS), 고분자 재료 등이 사용된다.
전지 본체(300)를 구성하는 2개의 적층체(30)의 인접하는 정극 집전체(22a와 22b)는 도전성 접착제로 접착된다. 또한, 전지 본체(300)의 일단부에 위치하는 정극 집전체(22a)와 정극 집전판(101) 및 전지 본체(300)의 다른 일단부에 위치하는 부극 집전체(22b)와 부극 집전판(102)도, 도전성 접착제로 접착된다. 접착제에는, 박리 강도 120％의 부틸 고무계 도전성 양면 테이프, 박리 강도 100％의 아크릴계 도전성 양면 테이프, 박리 강도 90％의 도전성 에폭시 접착제 중 어느 하나를 사용한다.
또한, 정극 집전판(101)의 케이스 부재(103a)의 내주면으로의 접합과, 부극 집전판(102)의 케이스 부재(103b)의 내주면으로의 접합도, 각각 접착제를 사용한 접착에 의해 행해진다. 접착에는, 박리 강도 120％의 부틸 고무계 양면 테이프, 또는 박리 강도 100％의 아크릴계 양면 테이프를 사용한다.
각 박리 강도는, 아크릴 양면 테이프의 박리 강도를 100％로 한 경우의 각 접착제의 박리 강도를 퍼센티지로 나타낸 것이다.
2개의 적층체(30)의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)의 접착은 필수적인 용건은 아니고, 이들을 접착하지 않고 단순히 접촉시키는 것만으로도 좋다.
본 발명에 의한 쌍극형 2차 전지(100)에 있어서, 이상의 접착은 하기의 조건을 만족하도록 행해진다.
즉, 2개의 적층체(30)의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)의 박리 강도를 K4, 정극 집전체(22a)와 정극 집전판(101)의 박리 강도를 K3, 부극 집전체(22b)와 부극 집전판(102)의 박리 강도를 K5, 정극 집전판(101)과 케이스(103)의 박리 강도를 K1, 부극 집전판(102)과 케이스(103)의 박리 강도를 K2로 한 경우에 다음의 어느 하나의 조건을 만족하는 것으로 한다.
K1. K2＞K3 또는
K1. K2＞K4 또는
K1. K2＞K5
또한, 2개의 적층체(30)의 정극 집전체(22a와 22b)를 접착하지 않는 경우에는, 박리 강도 K4는 제로로 된다.
상기한 관계는 다음 문장으로 나타내어진다. 즉, 케이스(103)의 내주면과 정극 집전판(101)의 박리 강도 및 케이스(103)의 내주면과 부극 집전판(102)의 박리 강도가 모두, 정극 집전판(101)과 정극 집전체(22a)의 박리 강도, 부극 집전판(102)과 부극 집전체(22b)의 박리 강도 및 적층체(30) 사이의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)의 박리 강도 중 적어도 하나보다 크게 설정된다.
이상의 처리 후, 케이스(103)를 구성하는 한 쌍의 케이스 부재(103a와 103b)의 플랜지 형상의 외주부끼리를 진공 상태에서 융착시킴으로써 쌍극형 2차 전지(100)가 완성된다. 케이스 부재(103a와 103b)의 외주부끼리를 일부를 남겨 융착하고, 미융착부로부터 케이스(103) 내의 공기를 유인함으로써 케이스(103) 내를 진공 상태로 해도 된다.
하이브리드 전기 자동차(HEV)나 전기 자동차(EV)에 있어서는, 차체에 강한 충격이 가해진 경우에는, 차량 탑재 배터리로부터의 전력 공급에 의해 동작하는 각종 전기 회로에 고장이 발생하는 경우가 있다. 그리고 고장난 전기 회로에 배터리로부터 전력이 계속해서 공급되면, 고장난 전기 회로에 과대한 전류가 흘러 회로가 발열하고, 강전 라인이 단락하는 경우가 있다. 또한, 차량 탑재 배터리 내의 강전 라인끼리가 단락하는 경우도 생각된다.
이러한 케이스에서는, 쌍극형 2차 전지(100) 내에 과대한 단락 전류가 흐르고, 쌍극형 2차 전지(100)의 내부 저항에 의한 발열로 쌍극형 2차 전지(100)의 온도 상승이 일어난다. 이 온도 상승에 의해 적층체(30)의 전해질층(25)의 전해액에 포함되는 폴리플렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 유기 용매가 비등하고, 가스화되면, 케이스(103)의 내압이 상승하여, 케이스(103)가 팽창한다.
케이스(103)의 팽창은, 케이스(103)의 내주면에 접착된 정극 집전판(101) 및 부극 집전판(102)을 통해 2개의 적층체(30)에 인장 하중을 미친다.
이 인장 하중은, 케이스(103)의 내주면과 정극 집전판(101) 사이 및 케이스(103)의 내주면과 부극 집전판(102) 사이뿐만 아니라, 2개의 적층체(30)의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b) 사이, 전지 본체(300)의 일단부에 위치하는 정극 집전체(22a)와 정극 집전판(101) 사이 및 전지 본체(300)의 다른 일단부에 위치하는 부극 집전체(22b)와 부극 집전판(102) 사이에 박리력으로서 작용한다.
이 쌍극형 2차 전지(100)에 있어서는, 케이스(103)의 내주면과 정극 집전판(101)의 박리 강도 및 케이스(103)의 내주면과 부극 집전판(102)의 박리 강도가 모두, 전지 본체(300)의 일단부의 정극 집전체(22a)와 정극 집전판(101)의 박리 강도, 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b)와 부극 집전판(102)의 박리 강도 및 2기(基)의 적층체(30) 사이의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)의 박리 강도 중 적어도 하나보다 크게 설정된다. 따라서, 박리력의 작용에 의해, 정극 집전판(101)과 정극 집전체(22a), 부극 집전판(102)과 부극 집전체(22b) 및 전지 본체(300)를 구성하는 2개의 적층체(30) 사이의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b) 중 어느 하나가 박리된다. 그리고 박리된 이들 부재 사이의 접촉이 약해짐으로써, 단락 전류의 흐름이 억제된다. 또한, 부재 사이가 완전히 박리됨으로써 단락 전류는 차단된다.
이와 같이 하여, 본 발명에 의해 쌍극형 2차 전지(100)에 접속된 외부 회로의 단락 전류로부터 쌍극형 2차 전지(100)를 보호할 수 있다.
이 실시예에서는, 각 적층체(30)가 6개의 셀로 구성되고, 또한 2기의 적층체(30)를 직렬로 접속함으로써 전지 본체(300)를 구성하고 있다. 그러나 적층체(30)를 구성하는 셀(26)의 수 및 직렬로 접속되는 적층체(30)의 개수는, 쌍극형 2차 전지(100)에 요구되는 전압이나 용량에 따라 임의로 설정 가능하다.
따라서, 전지 본체(300)를, 예를 들어 적층체(30) 사이의 접속부가 존재하지 않는 단일의 적층체(30)로 구성해도 된다. 그 경우에는, 케이스(103)의 내주면과 정극 집전판(101)의 박리 강도 및 케이스(103)의 내주면과 부극 집전판(102)의 박리 강도가 모두, 정극 집전판(101)과 전지 본체(300)의 일단부의 정극 집전체(22a)의 박리 강도 및 부극 집전판(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b)의 박리 강도 중 적어도 하나보다 커지도록 설정하면 된다.
도 3 내지 5를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예를 설명한다. 또한, 이들 도면은 특징을 이해하기 쉽도록 나타내기 위해, 주요부를 변형하여 그리고 있다.
제1 실시예에 있어서, 쌍극형 2차 전지(100) 내에 발생하는 박리력은 오로지 케이스(103)의 온도 팽창에 의해서만 발생하는 구조였다. 이 실시예에서는, 케이스(103) 내의 가스 압력의 상승에 따라 케이스(103)가 셀(26)의 적층 방향으로 신장되도록, 케이스(103)를 구성하는 한쪽의 케이스 부재(103a)에, 케이스(103)의 신장 여유로서 되꺾임부(11)를 설치한다.
도 3을 참조하면, 되꺾임부(11)는, 케이스 부재(103a)의 셀(26)의 적층 방향에 관한 단부면으로부터 전지 본체(300)로부터 멀어지는 방향으로 원통 형상으로 돌출된다. 돌출 단부는 대략 180도로 되꺾여, 크레스트부를 형성한다. 되꺾임부(11)는 케이스(103)의 내압의 상승에 따라 되꺾임부(11)의 내측의 케이스 부재(103a)의 단부면을 전지 본체(300)로부터 멀어지는 방향으로 변위시킴으로써, 케이스(103)의 신장 변형을 용이하게 한다.
케이스(103) 이외의 쌍극형 2차 전지(100)의 구성은 박리 강도의 설정을 포함하여 제1 실시예와 동일하다. 이 실시예에 의해, 내압의 상승에 대한 케이스(103)의 신장이 용이해진다. 그 결과, 케이스(103)의 내압의 상승 시에, 정극 집전판(101)과 전지 본체(300)의 일단부의 정극 집전체(22a), 부극 집전판(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b) 및 전지 본체(300)를 구성하는 2개의 적층체(30) 사이의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b) 중 어느 하나의 박리가 촉진된다. 그로 인해, 외부 회로의 단락 전류에 대하여 쌍극형 2차 전지(100)를 보다 빠르게 또한 확실하게 보호할 수 있다.
되꺾임부(11)의 형성 위치나 개수에 대해서는 여러 가지 배리에이션이 가능하다.
도 4를 참조하면, 여기서는 케이스(103)를 구성하는 한쪽의 케이스 부재(103a)의 셀(26)의 적층 방향에 관한 외주면에 크레스트부를 갖는 되꺾임부(11)를 360도에 걸쳐 설치하고 있다.
도 5를 참조하면, 여기서는 케이스(103)를 구성하는 한쪽의 케이스 부재(103a)의 셀(26)의 적층 방향에 관한 외주면에 크레스트부를 갖는 되꺾임부(11)를 360도에 걸쳐 이중으로 설치하고 있다.
되꺾임부(11)의 형성 위치나 개수에 상관없이, 이와 같이 신축 가능하게 구성된 케이스(103) 하에서는, 쌍극형 2차 전지(100)에 단락 전류가 흘러 전지 온도가 상승하여, 케이스(103)의 내압이 상승하면, 셀(26)의 적층 방향에 관해 케이스(103)가 용이하게 팽창 변형한다. 바람직하게는, 케이스(103)는, 0.1 내지 10킬로그램(㎏)/평방 센티미터(㎠)[≒킬로 파스칼(㎪)]의 내압으로 파괴되는 일 없이 용이하게 변형할 수 있는 것으로 한다. 이러한 내압으로 케이스(103)가 용이하게 변형하면, 정극 집전판(101) 또는 부극 집전판(102)과 전지 본체(300) 사이, 혹은 전지 본체(300)를 구성하는 2개의 적층체(30) 사이를 용이하게 분리시킬 수 있다.
즉, 쌍극형 2차 전지(100)에 접속된 외부 회로에 과대한 단락 전류가 흐르면, 쌍극형 2차 전지(100)의 전지 온도가 상승하여, 각 셀(26)의 전해질층(25)에 포함되는 전해액이 비등한다. 전해액의 비등에 수반하여 발생하는 유기 매체의 기화 가스에 의해 케이스(103)의 내압이 상승하여, 케이스(103)가 셀(26)의 적층 방향, 즉 되꺾임부(11)를 신장시키는 방향으로 신장된다.
케이스(103)의 신장에 수반하여, 박리 강도가 큰 접착제로 케이스(103)에 접착된 정극 집전판(101) 및 부극 집전판(102)은 케이스(139)와 일체로 서로 이격 방향으로 변위한다. 이 박리력은, 접착력이 상대적으로 약한, 정극 집전판(101)과 전지 본체(300)의 일단부의 정극 집전판(22a) 사이, 부극 집전판(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b) 사이 및 전지 본체(300)를 구성하는 2개의 적층체(30)의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b) 사이에 작용하고, 이들 중 어느 하나가 분리된다. 그 결과, 쌍극형 2차 전지(100) 내부의 단락 전류가 차단된다.
이 실시예에서는, 케이스 부재(103a)에 되꺾임부(11)를 형성하고 있지만, 케이스 부재(103b)에 되꺾임부(11)를 형성해도 된다. 케이스 부재(103a)와 케이스 부재(103b)의 양쪽에 되꺾임부(11)를 형성해도 된다.
도 6 내지 9를 참조하여, 본 발명의 제3 실시예를 설명한다. 이들 도면도 특징을 이해하기 쉽도록 나타내기 위해, 주요부를 변형하여 그리고 있다.
도 6을 참조하면, 이 실시예에서는, 제2 실시예의 구성에 더하여, 정극 집전판(101)의 케이스 부재(103a) 및 전지 본체(300)로의 접착 부위로부터 케이스(103)의 외부로의 취출부에 이르는 구간의 길이를 미리 길게 설정한다.
도 7을 참조하면, 구체적으로는, 정극 집전판(101)의 케이스 부재(103a) 및 전지 본체(300)로의 접착 부위로부터 케이스(103)의 외부로의 취출부에 이르는 구간이며, 또한 전지 본체(300)의 코너부에 대응하는 위치에 되꺾임부(12)를 형성한다. 바람직하게는, 되꺾임부(12)에 의한 정극 집전판(101)의 변위 가능한 범위가, 되꺾임부(11)에 의한 케이스(103)의 신장 가능 변위량과 동등해지도록, 되꺾임부(12)의 치수를 설정한다.
되꺾임부(12)는, 되꺾임부(11)의 내측에 설치하는 것이 바람직하다.
즉, 도 8을 참조하면, 케이스 부재(103a)의 외주면에 되꺾임부(11)를 설치하는 경우에는, 되꺾임부(12)를 되꺾임부(11)의 내측에 설치하는 것이 바람직하다.
도 9를 참조하면, 케이스 부재(103a)의 외주면에 복수의 되꺾임부(11)를 설치하는 경우에는, 되꺾임부(12)를 복수의 되꺾임부(11)의 내측에 각각 설치하는 것이 바람직하다.
쌍극형 2차 전지(100)의 다른 구성은 제2 실시예와 동일하다.
제2 실시예에서는, 케이스(103)의 신장 변형에 추종하려고 하는 정극 집전판(101)의 변위가, 셀(26)의 적층 방향의 정극 집전판(101)의 치수에 기인하여 구속될 가능성이 있다. 그러나 이 실시예에서는 정극 집전판(101)에 되꺾임부(12)를 설치함으로써, 케이스(103)의 신장 변형에 추종한 정극 집전판(101)의 변위가 용이해진다. 따라서, 케이스(103)의 신장 변형에 수반하는, 정극 집전판(101)과 전지 본체(300)의 일단부의 정극 집전체(22a), 또는 부극 집전판(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b), 또는 전지 본체(300)를 구성하는 2개의 적층체(30)의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)의 분리를 보다 확실하게 행할 수 있다.
이 실시예에서는, 케이스 부재(103a)에 되꺾임부(11)를 형성하고, 정극 집전판(101)에 되꺾임부(12)를 형성하고 있지만, 케이스 부재(103b)에 되꺾임부(11)를 형성하고, 부극 집전판(102)에 되꺾임부(12)를 형성하는 것도 가능하다. 또한, 케이스 부재(103a)와 케이스 부재(103b)의 양쪽에 되꺾임부(11)를 형성하고, 정극 집전판(101)과 부극 집전판(102)의 양쪽에 되꺾임부(12)를 형성하는 것도 가능하다.
도 10을 참조하여, 본 발명의 제4 실시예를 설명한다.
이 실시예에 의한 쌍극형 2차 전지(100)는 케이스(103)의 내측에 가스를 발생시키는 인플레이터(14)를 구비한다.
인플레이터(14)는, 화학 반응에 의해 가스를 발생시킨다. 인플레이터(14)는 이그나이터, 착화제, 가스 발생제 등을 내장한다. 인플레이터(14)에는 케이스(103)의 외부에 배치한 컨트롤러(15)가 접속된다. 컨트롤러(15)는 인플레이터(14)의 이그나이터를 작동시켜, 착화제에 점화하여 가스 발생제를 연소시킨다.
인플레이터(14)에 관한 다른 구성으로서, 고압 가스를 충전한 고압 용기와, 고압 용기를 개방하는 액추에이터를 내장하고, 케이스(103) 외부에 배치한 컨트롤러(15)가 액추에이터를 작동시켜, 고압 용기의 가스를 방출하도록 하는 것도 가능하다. 양자를 조합시킨 하이브리드 타입을 이용해도 된다.
컨트롤러(15)에는 적층체(30)의 온도를 검출하는 온도 센서(16)가 접속된다. 컨트롤러(15)는 중앙 연산 장치(CPU), 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 입출력 인터페이스(I/O 인터페이스)를 구비한 마이크로 컴퓨터로 구성된다. 컨트롤러(15)는, 적층체(30)의 온도가 예를 들어 100℃ 이상으로 되면, 인플레이터(14)를 작동시키도록 미리 프로그램된다.
온도 센서(16) 대신에, 정극 집전판(101) 또는 부극 집전판(102)의 전류를 검출하는 전류 센서를 설치하고, 전류 센서의 검출 전류가 단락 전류 상당값을 초과하는 경우에, 컨트롤러(15)가 인플레이터(14)를 작동시키도록 프로그램하는 것도 가능하다.
또한, 온도 센서(16) 대신에, 정극 집전판(101)과 부극 집전판(102)의 전위차를 검출하는 전압 센서를 설치하고, 전압 센서의 검출 전압이 통상 작동 시에 상당하는 전압값으로부터 벗어난 경우에, 컨트롤러(15)가 인플레이터(14)를 작동시키도록 프로그램하는 것도 가능하다. 통상 작동 시에 상당하는 전압값은 예를 들어 4.2V 내지 2.5V이다.
또한, 온도 센서(16) 대신에, 케이스(103)의 내압을 검출하는 압력 센서를 설치하고, 케이스(103)의 내압이 소정 압력 이상으로 된 경우에, 컨트롤러(15)가 인플레이터(14)를 작동시키도록 프로그램하는 것도 가능하다.
이상의 각 센서는, 모두 쌍극형 2차 전지(100) 내의 단락 전류와 관련을 갖는 파라미터를 검출하는 센서이다.
이 실시예에 따르면, 쌍극형 2차 전지(100)에 단락 전류가 흐르면, 인플레이터(14)가 작동하여 가스를 발생시키고, 케이스(103)를 가스 압력으로 팽창시킨다. 그 결과, 케이스(103)가 재빨리 신장되어, 정극 집전판(101)과 전지 본체(300)의 일단부의 정극 집전체(22a), 또는 부극 집전판(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b), 또는 전지 본체(300)를 구성하는 2개의 적층체(30)의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)의 분리를 조기에 행할 수 있다.
도 16과 17을 참조하여 본 발명의 제5 실시예를 설명한다.
이 실시예에서는, 전지 본체(300)를 구성하는 어느 하나의 셀(26)의 전해질층(25)의 기재인 세퍼레이터(SP)를 셀(26)의 외형 치수보다 크게 형성하고, 세퍼레이터(SP)의 외주부를 케이스(103)의 내측에 있어서 케이스 부재(103a)의 단부면에 융착한다.
정극 집전판(101)과의 간섭을 피하기 위해, 세퍼레이터(SP)의 외주부의 일부에 정극 집전판(101)을 통과시키기 위한 절결부를 정극 집전판(101)에 형성해 둔다. 케이스(103)의 사양은 제1 실시예와 동일하다.
케이스(103)가 신장 변형하는 것에 수반하여, 케이스 부재(103a)에 외주부를 융착한 세퍼레이터(SP)를 포함하는 적층체(30)는 케이스 부재(103a)와 일체로 변위한다. 그 결과, 케이스(103)의 신장 변형에 수반하여 전지 본체(300)에 작용하는 인장 하중은, 이 적층체(30)와 케이스 부재(103b)에 고정된 부극 집전판(102) 사이에 집중적으로 작용하고, 적층체(30) 사이의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)의 박리, 혹은 부극 집전판(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b)의 박리가 촉진된다.
또한, 세퍼레이터(SP)를 케이스 부재(103b)의 단부면에 고정해도 된다. 또한, 케이스 부재(103a 또는 103b)에 고정하는 세퍼레이터(SP)는 어느 적층체(30)의 어느 셀(26)의 것이어도 된다.
다음으로 도 11의 (a) 내지 도 11의 (c), 도 12의 (a)와 도 12의 (b), 도 13의 (a)와 도 13의 (b), 도 14 및 도 15를 참조하여, 쌍극형 2차 전지(100)의 제조와 얻어진 제품의 전류 차단 능력에 관해, 발명자들이 행한 실험에 대해 설명한다.
우선, 쌍극형 전극의 제작에 대해 설명한다.
정극층을 하기의 요령에 의해 작성하였다. 즉, 정극 활물질로서 LiMn2O4를 85중량 퍼센트(wt％)로, 도전조제로서 아세틸렌블랙을 5wt％, 바인더로서 폴리불화비닐리덴(PVdF)을 10wt％ 포함하는 정극 기제를 작성하고, 정극 기제에 슬러리 점도 조정 용매로서 N메틸피롤리돈(NMP)을 도포 작업에 최적인 점도로 될 때까지 첨가함으로써, 정극 슬러리를 제작하였다.
도 11의 (a)에 도시하는 바와 같이, 집전체(22)로서의 두께 20마이크로미터(㎛)의 SUS박의 편면에 정극 슬러리를 도포하고, 건조시켜 30㎛의 정극 활물질층(23)을 형성하였다.
부극층을 하기 요령에 의해 작성하였다. 즉, 부극 활물질로서 하드 카본을 90wt％, 바인더로서 PVDF를 10wt％를 포함하는 부극 기제를 작성하였다. 부극 기제에 슬러리 점도 조정 용매로서 NMP를 도포 작업에 최적인 점도로 될 때까지 첨가함으로써, 부극 슬러리를 제작하였다. 도 11의 (b)에 도시하는 바와 같이, 정극을 도포한 집전체(22)로서의 SUS박의 반대면에, 부극 슬러리를 도포하고, 건조시켜 30㎛의 부극 활물질층(24)을 형성하였다.
도 11의 (c)에 도시하는 바와 같이 집전체(22)로서의 SUS박의 양면에 정극 활물질층(23)과 부극 활물질층(24)을 형성함으로써, 쌍극형 전극(21)의 기재를 얻었다.
이어서, 기재를 160×130밀리미터(㎜)로 잘라내고, 정극, 부극 모두 외주부를 폭 10㎜씩 박리함으로써, SUS의 표면을 노출시켰다. 결과적으로, 140×110㎜의 전극면과, 그 외주에 노출되는 10㎜ 폭의 SUS가 구성하는 집전체(22)를 갖는 쌍극형 전극(21)의 구조체를 제작하였다.
다음으로, 프로필렌카보네이트―에틸렌카보네이트(PC―EC)의 혼합 용매에 1몰의 6불화붕산리튬(LiPF6)을 함유하는 전해액을 90wt％와, 호스트 폴리머로서 헥사플루오로프로펜(HFP) 코폴리머를 10％ 포함하는 PVdF―HFP를 10wt％ 포함하는 전해질 기제를 작성하였다. 전해질 기제에 점도 조제 용매로서, 디메틸 카보네이트(DMC)를 도포 작업에 최적인 점도로 될 때까지 첨가하여, 프리겔 전해질을 제작하였다. 이 프리겔 전해질을 구조체의 정극, 부극 전극부의 양면에 도포하고, DMC를 건조시킴으로써, 겔 전해질이 배어든 쌍극형 전극(21)을 완성시켰다.
다음으로 시일부 전구체의 형성에 대해 설명한다.
도 12의 (a)와 도 12의 (b)를 참조하면, 쌍극형 전극(21)의 정극 외주부의 노출부에 디스펜서를 사용하여, 1 액성 미경화 에폭시 수지로 이루어지는 시일 전구체(40A)를 도포하였다.
도 13의 (a)와 도 13의 (b)를 참조하면, 다음으로, 12㎛ 두께의 폴리에틸렌 필름으로 이루어지는 170×140(㎜)의 세퍼레이터(SP)를 SUS를 포함하는 집전체(22)의 전체면을 덮도록 정극측에 배치하였다. 그 후에, 세퍼레이터(SP)의 시일 전구체(40A)와 겹치는 위치에 디스펜서를 사용하여, 1 액성 미경화 에폭시 수지로 이루어지는 시일 전구체(40A)를 도포하였다.
이상의 쌍극형 전극(21)과 세퍼레이터(SP)를 적층함으로써, 셀(26)이 12개 적층된 적층체(30)의 구조체를 제작하였다.
다음으로 쌍극형 전지의 프레스 성형에 대해 설명한다.
도 14를 참조하면, 이상과 같이 구성된 적층체(30)의 구조체를, 열프레스기에 의해 면압 1㎏/㎠(≒㎪)로 80℃에서 1시간 열프레스함으로써, 시일 전구체(40A)를 경화시켜, 시일부(40)를 얻었다. 이 공정에 의해, 시일부(40)를 소정의 두께까지 프레스할 수 있고, 또한 경화시키는 것이 가능해진다. 이상의 프로세스로 셀(26)을 12층 적층한 적층체(30)를 완성시켰다.
다음으로 패키징에 대해 설명한다.
상기 프로세스에서 작성한 3개의 적층체(30)를 서로 도전성 양면 테이프에 의해 접착함으로써, 직렬 접속된 3개의 적층체(30), 바꿔 말하면 36층의 셀(26)로 이루어지는 전지 본체(300)를 얻었다. 전지 본체(300)의 일단부의 정극 집전체(22a)에 도전성 양면 테이프에 의해 정극 집전판(101)을 접착하였다. 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b)에 부극 집전판(102)을 접착하였다. 정극 집전판(101)의 전지 본체(300)와 반대측의 면을 케이스 부재(103a)의 내주면에 양면 테이프로 접착하였다. 마찬가지로, 부극 집전판(102)의 전지 본체(300)와 반대측의 면을 케이스 부재(103b)의 내주면에 양면 테이프로 접착하였다. 정극 집전판(101)과 부극 집전판(102)의 취출부를 케이스 부재(103a와 103b)의 플랜지부가 사이에 끼우는 형태로, 케이스(103)가 진공 밀봉되도록 플랜지부를 용착하였다.
이상의 프로세스에 의해, 쌍극형 2차 전지(100)에 관한 본 발명에 의한 용례 #1 내지 #8과 본 발명에 의하지 않는 비교예 #1 내지 #3을 작성하였다.
정극 집전판(101)과 케이스 부재(103a) 및 부극 집전판(102)과 케이스 부재(103b)의 접착에는, 박리 강도 120％의 부틸 고무계 양면 테이프, 박리 강도 100％의 아크릴계 양면 테이프 및 박리 강도 90％의 에폭시 접착제 중 어느 하나를 사용하였다.
또한, 전지 본체(300)를 구성하는 3개의 적층체(30) 사이의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)의 접착, 정극 집전판(101)과 전지 전대(300)의 일단부의 정극 집전체(22a)의 접착 및 부극 집전판(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b)의 접착에는, 박리 강도 120％의 부틸 고무계 양면 테이프, 박리 강도 100％의 아크릴계 양면 테이프 및 박리 강도 90％의 에폭시 접착제 중 어느 하나를 사용하였다. 박리 강도는, 모두 아크릴 양면 테이프의 박리 강도를 100％로 한 경우의, 상대적인 박리 강도를 퍼센티지로 나타낸다.
용례 #1 내지 #8과 비교예 #1 내지 #3의 각 부의 박리 강도에 관한 사양을 표 1에 나타낸다. 또한, 용례 #1 내지 #4는 제1 실시예에 상당하고, 용례 #5는 제2 실시예에 상당하고, 용례 #6은 제3 실시예에 상당하고, 용례 #7은 제4 실시예에 상당하고, 용례 #8은 제5 실시예에 상당한다.
Figure pct00001
본 발명에 의하지 않는 비교예 #1 내지 #3에서는, 전지 본체(300)를 구성하는 적층체(30) 사이의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)의 접착, 정극 집전판(101)과 전지 본체(300)의 일단부의 정극 집전체(22a)의 접착 및 부극 집전판(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전판(22b)의 접착에 박리 강도 100％의 아크릴계 도전성 양면 테이프를 사용하고 있다.
비교예 #1에서는, 정극 집전판(101)과 케이스 부재(103a)의 접착 및 부극 집전판(102)과 케이스 부재(103b)의 접착에, 박리 강도 90％의 에폭시 접착제를 사용하고 있다. 비교예 #2에서는 정극 집전판(101)과 케이스 부재(103a)의 접착에 박리 강도 120％의 부틸 고무계 양면 테이프를 사용하고, 부극 집전판(102)과 케이스 부재(103b)의 접착에 박리 강도 90％의 에폭시 접착제를 사용하고 있다. 비교예 3에서는 정극 집전판(101)과 케이스 부재(103a)의 접착에 박리 강도 90％의 에폭시 접착제를 사용하고, 부극 집전판(102)과 케이스 부재(103b)의 접착에 박리 강도 120％의 부틸 고무계 양면 테이프를 사용하고 있다.
한편, 본 발명에 의한 용례 #1과 #2에서는, 전지 본체(300)를 구성하는 적층체(30) 사이의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)의 접착에 박리 강도 90％의 에폭시 접착제를 사용하고, 정극 집전판(101)과 전지 본체(300)의 일단부의 정극 집전체(22a)의 접착 및 부극 집전판(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b)의 접착에 박리 강도 100％의 아크릴계 도전성 양면 테이프를 사용하고 있다.
용례 #1에서는, 정극 집전판(101)과 케이스 부재(103a)의 접착 및 부극 집전판(102)과 케이스 부재(103b)의 접착에 박리 강도 120％의 부틸 고무계 양면 테이프를 사용하고 있다.
용례 #2에서는, 정극 집전판(101)과 케이스 부재(103a)의 접착 및 부극 집전판(102)과 케이스 부재(103b)의 접착에 박리 강도 100％의 아크릴계 양면 테이프를 사용하고 있다.
본 발명에 의한 용례 #3에서는, 전지 본체(300)를 구성하는 적층체(30) 사이의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)의 접착에 박리 강도 120％의 부틸 고무계 도전성 양면 테이프를 사용하고, 정극 집전판(101)과 전지 본체(300)의 일단부의 정극 집전체(22a)의 접착에 박리 강도 100％의 아크릴계 도전성 양면 테이프를 사용하고, 부극 집전판(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b)의 접착에 박리 강도 120％의 부틸 고무계 도전성 양면 테이프를 사용하고, 정극 집전판(101)과 케이스 부재(103a)의 접착 및 부극 집전판(102)과 케이스 부재(103b)의 접착에 박리 강도 120％의 부틸 고무계 양면 테이프를 사용하고 있다.
본 발명에 의한 용례 #4에서는, 전지 본체(300)를 구성하는 적층체(30) 사이의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)의 접착 및 정극 집전판(101)과 전지 본체(300)의 일단부의 정극 집전체(22a)의 접착에 박리 강도 100％의 아크릴계 도전성 양면 테이프를 사용하고, 부극 집전판(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b)의 접착에 박리 강도 90％의 에폭시 접착제를 사용하고, 정극 집전판(101)과 케이스 부재(103a)의 접착 및 부극 집전판(102)과 케이스 부재(103b)의 접착에 박리 강도 100％의 아크릴계 양면 테이프를 사용하고 있다.
본 발명에 의한 용례 #5 내지 #8에서는, 전지 본체(300)를 구성하는 적층체(30) 사이의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)의 접착에 박리 강도 90％의 에폭시 접착제를 사용하고, 정극 집전판(101)과 전지 본체(300)의 일단부의 정극 집전체(22a)의 접착, 부극 집전판(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b)의 접착, 정극 집전판(101)과 케이스 부재(103a)의 접착 및 부극 집전판(102)과 케이스 부재(103b)의 접착에 박리 강도 100％의 아크릴계 양면 테이프를 사용하고 있다.
또한, 본 발명에 의한 용례 #8에 있어서는, 특정한 셀(26)의 세퍼레이터(SP)의 외형 치수를 크게 형성하고, 이 세퍼레이터(SP)의 외주부를 박리 강도 120％의 부틸 고무계 도전성 양면 테이프를 통해 케이스 부재(103a)에 접착하고 있다.
다음으로 케이스(103)의 재질 및 형상의 차이 및 인플레이터(14)의 유무를 설명한다.
용례 #1의 케이스(103)는 알루미늄 합금제의 캔으로 구성되고, 비교예 #1 내지 #3과 용례 #2 내지 7의 케이스(103)는 알루미늄의 라미네이트 필름으로 구성된다.
용례 #1 내지 #4와 #8 및 비교예 #1 내지 #3의 쌍극형 2차 전지(100)의 케이스(103)는 도 15에 도시하는 형상으로 형성된다. 이것은, 기본적으로 제1 실시예의 케이스(103)에 상당한다.
용례 #5의 쌍극형 2차 전지(100)의 케이스(103)는 도 3에 도시하는 형상으로 형성된다. 즉 한쪽의 케이스 부재(103a)의 정상면의 양단부에, 셀(26)의 적층 방향으로 돌출되는 1개의 크레스트부를 갖는 되꺾임부(11)가 각각 설치되어 있다.
용례 #6의 쌍극형 2차 전지(100)는, 도 6과 7에 도시하는 형상으로 형성된다. 즉, 용례 #5와 마찬가지의 케이스(103)를 사용하는 동시에, 되꺾임부(11)의 내측에 되꺾임부(12)를 형성하고 있다.
용례 #7의 케이스(103)는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 케이스(103) 내에 인플레이터(14)를 구비하고, 케이스(103)의 외측에 컨트롤러(15)를 구비하고 있다.
발명자들은, 비교예 #1 내지 #3의 케이스(103)와 용례 #1 내지 #6의 케이스(103)에, 공기를 압송하는 관을 접속하고, 정극 집전판(101)과 부극 집전판(102) 사이의 전기 저항을 측정하면서 공기를 압송하고, 전기 저항이 급증하였을 때의 케이스(103)의 내압을 측정하였다. 용례 #7에 관해서는 케이스(103)의 내부에 배치한 인플레이터(14)를 작동시킨 상태에서, 정극 집전판(101)과 부극 집전판(102) 사이의 전기 저항이 급증하였을 때의 케이스(103)의 내압을 측정하였다.
비교예 #1 내지 #3과 용례 #1 내지 #6 및 #8에 관한 측정 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure pct00002
표 2를 참조하면, 본 발명에 의하지 않는 비교예 #1 내지 #3은, 정극 집전판(101)과 케이스(103) 및 부극 집전판(102)과 케이스(103) 사이의 박리 강도가, 정극 집전판(101)과 전지 본체(300)의 일단부의 정극 집전체(22a) 사이, 또는 부극 집전판(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b) 사이, 또는 적층체(30) 사이의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b) 사이 중 어느 박리 강도보다도 낮다. 그로 인해, 정극 집전판(101)과 케이스(103) 사이 또는 부극 집전판(102)과 케이스(103) 사이에서 박리가 발생하고 있어, 쌍전극 2차 전지(100) 내부에 있어서의 단락 전류의 차단을 할 수 없다.
본 발명에 의한 용례 #1 내지 #6 및 #8은, 정극 집전판(101)과 케이스 부재(103a)의 박리 강도 및 부극 집전판(102)과 케이스 부재(103b)의 박리 강도가, 정극 집전판(101)과 전지 본체(300)의 일단부의 정극 집전체(22a)의 박리 강도, 부극 집전판(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b)의 박리 강도 및 전지 본체(300)를 구성하는 적층체(30) 사이의 정극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)의 박리 강도 중 적어도 하나보다도 높다. 즉, 박리 강도가 가장 약한 접착부가 정극 집전판(101)과 부극 집전판(102) 사이에 존재한다. 따라서, 케이스(103)가 신장되면 정극 집전판(101)과 부극 집전판(102) 사이의 어디에선가 박리가 발생하여, 쌍극형 2차 전지(100) 내부의 단락 전류가 차단된다.
용례 #2 내지 #4의 결과로부터는, 정극 집전판(101)과 전지 본체(300)의 일단부의 정극 집전체(22a)의 박리 강도, 부극 집전판(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부의 부극 집전체(22b)의 박리 강도 및 적층체(30) 사이의 극 집전체(22a)와 부극 집전체(22b)의 박리 강도 중 적어도 하나가, 정극 집전판(101)과 케이스(103)의 박리 강도 및 부극 전극판(102)과 케이스(103)의 박리 강도를 하회하면 되는 것을 알 수 있다. 이와 같이 하여, 케이스(103)의 내압을 상승시킴으로써 전류가 차단되는 것을 알 수 있다.
용례 #1과 용례 #2 내지 #6 및 #8을 비교하면, 용례 #1에서는 내압이 12㎏/㎠(≒㎪)에서 저항이 급증하였지만, 동시에 내압으로 케이스(103)가 파손되었다. 이 사실로부터, 내압이 10㎏/㎠(≒㎪) 이상에 도달해도 케이스(103)가 변형하지 않는 경우에는, 내압에 의해 케이스(103)가 파손될 가능성이 높다고 생각된다.
용례 #2 내지 #4 및 #8과 용례 #5 내지 #6을 비교하면, 용례 #2 내지 #4 및 #8에서는 케이스(103)에 체적 변화를 위한 신장 여유에 상당하는 되꺾임부(11)가 형성되어 있지 않다. 이러한 케이스에서는, 비교적 큰 내압을 가하지 않으면 전력 차단을 할 수 없다.
또한, 용례 #5와 용례 #6을 비교하면, 되꺾임부(11)와 되꺾임부(12)를 형성함으로써, 되꺾임부(11)만을 형성하는 경우보다 작은 내압으로 전류를 차단할 수 있는 것을 알 수 있다.
표 2에 나타내어지지 않은 실시예 7에 관해서는, 컨트롤러(15)가 인플레이터(14)를 작동시킴으로써, 케이스(103)에 5㎏/㎠(≒㎪)의 내압을 가하면, 정극 집전판(101)과 부극 집전판(102) 사이의 전기 저항이 다른 용례 #1 내지 #6과 마찬가지로 급증하였다. 이에 의해, 쌍극형 2차 전지(100)의 내부 전류를 차단할 수 있는 것이 확인되었다.
용례 #1 내지 #8에 의해, 알루미늄 등의 라미네이트 필름의 케이스(103)를 사용함으로써, 단락 전류를 용이하게 차단할 수 있는 것이 확인되었다.
이상의 설명에 관해 2010년 5월 19일을 출원일로 하는 일본에 있어서의 일본 특허 출원 제2010-115113호의 내용을 여기에 인용에 의해 합체한다.
이상, 본 발명을 몇 개의 특정한 실시예를 통해 설명해왔지만, 본 발명은 상기한 각 실시예에 한정되는 것은 아니다. 당업자에 있어서는, 클레임의 기술 범위에서 이들 실시예에 여러 가지 수정 혹은 변경을 가하는 것이 가능하다.
예를 들어, 본 발명은 리튬 이온 전지를 포함하는, 어떠한 쌍극형 2차 전지에도 적용 가능하다.
이상 설명한 각 실시예에 있어서는, 알루미늄 캔 혹은 알루미늄 라미네이트 필름에 의한 케이스 부재(103a와 103b)를 서로 융착시킴으로써 밀폐된 케이스(103)를 얻고 있다. 그러나 케이스(103)는, 온도 상승에 따라 신장되는 특성을 갖는 한, 어떠한 구조나 재질이어도 된다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면 쌍극형 2차 전지 내에 대량의 전류가 흐르는 것을 차단할 수 있다. 따라서, 전기 자동차의 2차 전지의 보호에 바람직한 효과를 초래한다.
본 발명의 실시예가 포함하는 배타적 성질 혹은 특징은 이하와 같이 클레임된다.

Claims (7)

  1. 판 형상의 집전체(22)와 집전체(22)의 일면에 배치된 정극 활물질층(23) 및 집전체(22)의 다른 일면에 배치된 부극 활물질층(24)으로 이루어지는 쌍극형 전극(21)이 전해질층(25)을 통해 복수 적층된 적층체(30)가, 단수 또는 복수 직렬 접속되어 이루어지는 전지 본체(300)와,
    전지 본체(300)를 내부에 수납 장착하는 케이스(103)와,
    일면을 케이스(103)의 내주면에 접합하고, 다른 일면을 전지 본체(300)의 일단부에 접합하는 동시에 케이스(103) 외부로 연장된 정극 집전판(101)과,
    일면을 케이스(103)의 내주면에 접합하고, 다른 일면을 전지 본체(300)의 다른 일단부에 접합하는 동시에 케이스(103) 외부로 연장된 부극 집전판(102)과,
    케이스(103)의 신장 변형에 따라, 전지 본체(300)를 통한 정극 집전판(101)과 부극 집전판(102)의 전기적 접속을 절단하는 절단 메커니즘을 구비하는, 쌍극형 2차 전지(100).
  2. 제1항에 있어서, 절단 메커니즘은, 정극 집전판(101)과 전지 본체(300)의 박리 강도, 부극 집전판(102)과 전지 본체(103)의 박리 강도 및 복수 적층된 적층체(30)의 표적 상대끼리 사이의 박리 강도 중 적어도 하나보다도, 정극 집전판(101)과 케이스(103)의 내주면의 박리 강도 혹은 부극 집전판(102)과 케이스(103)의 내주면의 박리 강도가 크게 설정됨으로써 구성되는, 쌍극형 2차 전지(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 케이스(103)의 내주면과 정극 집전판(101), 케이스(103)의 내주면과 부극 집전판(102), 정극 집전판(101)과 전지 본체(300)의 일단부, 부극 집전번(102)과 전지 본체(300)의 다른 일단부가 각각 접착에 의해 접합되는, 쌍극형 2차 전지(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 케이스(103)는 시트 형상의 케이스 부재(103a, 103b)로 형성되고, 상기 케이스(103)는 상기 케이스 부재(103a, 103b)를 케이스(103)의 내외 방향으로 절곡하여 형성된 되꺾임부(11)를 갖는, 쌍극형 2차 전지(100).
  5. 제3항에 있어서, 정극 집전판(101)과 부극 집전판(102) 중 어느 하나에, 정극 집전판(101) 혹은 부극 집전판(102)을 케이스(103)의 내외 방향으로 절곡하여 형성된 되꺾임부(12)를 갖는, 쌍극형 2차 전지(100).
  6. 제2항에 있어서, 절단 메커니즘은, 케이스(103)에 접속된 가스를 발생시키는 인플레이터(14)와, 전지 본체(300) 내부의 단락 전류를 검출하는 센서(16)와, 전지 본체(300)의 내부에 단락 전류가 발생한 경우에, 인플레이터(14)를 제어하여 케이스(103) 내에 가스를 공급하도록 프로그램된 컨트롤러(15)를 더 구비하는, 쌍극형 2차 전지(100).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 케이스(103)는 금속박을 합성 수지막으로 피복한 라미네이트 필름으로 형성되는, 쌍극형 2차 전지(100).
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