KR20150035775A - 이차 전지의 단자 구조 및 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
수용하는 극판의 매수를 증가시켜도, 저항 접촉이 커지지 않는 이차 전지를 제공한다. 정극 단자(11)의 단자 본체부(11b)의 적층 방향으로 대향하는 면(11c)에, 2개의 나사 구멍(11d)을 형성한다. 2개의 나사 구멍(11d)의 사이에, 나사 구멍(11d)이 형성된 부분보다도 정극측 누름 부재(25)를 향하여 돌출되는 돌출면(11e)을 형성한다. 돌출면(11e)은, 2개의 나사 구멍(11d)이 형성된 부분보다도 0.2㎜ 정극측 누름 부재(25)를 향하여 돌출시킨다.
Description
본 발명은 이차 전지의 단자 구조 및 이차 전지에 관한 것이다.
리튬 이온 전지 등의 비수 전해액 이차 전지는, 에너지 밀도가 높고, 또한 자기 방전이 적어 사이클 성능이 좋다고 하는 이점이 있다. 그 때문에 최근에는 비수 전해액 이차 전지를 대형 또는 대용량화함으로써, 각종 산업용 기계 기구의 전원으로서 사용하는 것이 기대되고 있다. 비수 전해액 이차 전지를 대용량화하기 위해서, 비수 전해액 이차 전지 내에 수용하는 극판의 매수를 증가시킨 비수 전해액 이차 전지가 있다.
극판은 각각 전극 단자에 전기적으로 접속할 필요가 있다. 그 때문에, 수용하는 극판의 매수가 증가된 비수 전해액 이차 전지에서는, 각 극판을 전극 단자에 각각 접속하려고 하면, 극판을 접속하는 영역을 확보하기 위해서 전극을 크게 해야 한다. 또한, 단자의 주위에, 많은 극판을 접속하기 위한 공간이 필요로 된다. 그 때문에, 비수 전해액 이차 전지가 대형화되게 된다고 하는 문제가 있다. 일본 특허 제4494731호 공보(특허문헌 1)에는, 전극에 직접 접속되는 부재의 수를 줄이기 위해서, 5매의 극판의 탭을 집전 리드(집전판)에 용접하고, 이 집전 리드를 복수매 겹쳐서 볼트 및 용접에 의해 전극에 고정한 이차 전지가 개시되어 있다.
특허문헌 1의 이차 전지의 구조에서는, 각 집전판은, 너트가 나사 결합된 볼트에 가까운 위치에서는, 서로 밀착하여 접촉하고 있지만, 볼트로부터 이격됨에 따라서 집전판 상호의 접촉의 정도는 저하된다. 그 때문에, 볼트로부터 이격된 영역에서는, 각 집전판끼리의 사이 및 집전판과 단자부 사이의 접촉 저항이 커진다. 그 때문에 특허문헌 1에 나타내는 단자 구조를, 방전 전류가 큰 이차 전지에 적용하면, 단자부의 온도가 매우 높아지는 문제가 발생한다.
최근에는, 최대 방전 전류가 100A에 달하는 이차 전지도 있고, 이와 같은 이차 전지에서는, 수100매의 극판을 적층하여 극판군을 구성하는 경우도 있어, 극판의 탭을 접속하는 집전판의 매수도 많아져야 하는 상황으로 되고 있다. 적층되는 집전판의 매수가 많아지면, 각 집전판간의 접촉 저항의 증가에 의한 발열의 증가에 의해, 이차 전지가 발화될 우려도 있어, 이차 전지의 안전성이 낮아지는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 적층되는 집전판간의 접촉 저항이 종래보다도 낮아지는 이차 전지의 단자 구조를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 접속되는 극판의 매수를 증가시켜도, 발열량이 현저하게 커지는 일이 없는 이차 전지의 단자 구조를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 탭을 갖는 극판이 세퍼레이터를 개재하여 복수매 적층되어 이루어지는 극판군을 구비한 이차 전지의 단자 구조를 개량의 대상으로 한다. 본 발명의 단자 구조는, 단자부 및 단자 본체부를 구비한 단자와, 집전판 적층군과, 2 이상의 파스너와, 누름 부재를 구비하고 있다. 집전판 적층군은, 복수매의 동일 극성의 극판탭이 용접된 집전판이 복수매 적층되어 구성된다. 본 발명에서는, 이 집전판 적층군을 단자의 단자 본체부와 누름 부재 사이에 끼우도록, 단자 본체부에 대하여 2 이상의 파스너를 사용하여 누름 부재를 부착한다. 2 이상의 파스너는, 집전판 적층군의 적층 방향으로 연장되는 볼트와, 너트로 구성되어 있다. 본원 명세서에 있어서의 볼트는, 일단이 고정되고 타단에 너트가 나사 결합되는 나사부를 형성한 구조, 일단에 너트부가 고정되고 타단에 나사부가 형성된 구조, 양단에 나사부가 형성된 구조 중 어느 하나이다. 또한 본원 명세서에 있어서 너트는, 단체로 볼트의 나사부에 나사 결합되는 것뿐만 아니라, 단자 본체부에 암나사부가 형성된 구조도 포함하는 것이다. 본 발명에서 사용하는 파스너는, 소정의 간격을 둔 2개의 부착 영역에 각각 1 이상의 파스너가 위치하도록 설치된다. 여기서 「부착 영역」이란, 볼트와 너트가 나사 결합한 상태에서 위치할 수 있는 가상의 공간 영역을 의미하는 것이다. 단자 본체부는 누름 부재와 대향하는 본체측 대향면을 갖고 있고, 누름 부재는 단자 본체부와 대향하는 누름 부재측 대향면을 갖고 있다. 그리고 본 발명에서는, 본체측 대향면 및 누름 부재측 대향면의 적어도 한쪽에, 본체측 대향면 및 누름 부재측 대향면의 다른 쪽을 향하여 돌출되는 돌출면을 형성한다. 이 돌출면은 2개의 부착 영역의 사이에 위치하는 영역에 형성한다. 본 발명에 의하면, 돌출면의 양측에 위치하는 2개의 부착 영역에서 파스너를 사용하여 누름 부재를 단자 부재를 향하여 이동시키면, 돌출면의 양측에 위치하는 누름 부재의 양단부 부분은, 돌출면의 돌출 치수 분만큼 휘게 된다. 이 휨에 의해, 돌출면과 집전판 적층군을 개재하여 대향하는 누름 부재의 중앙 영역 부분은, 거의 전면적으로 집전판 적층군과 강하게 접촉하는 상태로 된다. 그 결과, 본 발명에 의하면, 단순히 단자 본체부와 누름 부재 사이에 집전판 적층군을 끼운 경우보다도, 집전판 적층군 내의 인접하는 2매의 집전판 사이의 접촉 저항 및 집전판 적층군과 누름 부재 사이의 접촉 저항을 종래보다도 대폭으로 낮게 할 수 있어, 단자 구조에서 발생하는 발열량을 대폭 저감할 수 있다.
돌출면은, 본체측 대향면 및 누름 부재측 대향면의 한쪽에 형성하도록 구성해도 된다. 이 경우에는, 돌출면의 비돌출면으로부터의 돌출 치수는 0.1㎜ 내지 0.5㎜인 것이 바람직하다. 돌출면의 돌출 치수가 0.1㎜보다 작으면, 집전판의 매수에 따라서는, 돌출면을 형성한 효과가 거의 얻어지지 않고, 또한 돌출면이 0.5㎜보다 커지면 집전판의 매수에 따라서는, 돌출면과 대향하는 누름판의 부분이 외측으로 만곡되어 접촉 저항이 저감되는 효과가 작아진다. 돌출면의 돌출 치수를 이 수치 범위 내로 하면, 돌출면을 형성하지 않은 경우와 비교하여 발열량을 20％ 이상도 저감시킬 수 있다.
돌출면은 연속면인 것이 바람직하다. 돌출면을 연속면으로 하면 접촉 저항을 보다 작게 할 수 있다. 또한, 돌출면이 불연속이어도 되는 것은 물론이다. 또한 돌출면의 면적은, 본체측 대향면 또는 누름 부재측 대향면의 면적의 60％ 내지 80％의 범위인 것이 바람직하다.
파스너의 볼트 기초부를 단자 본체부 및 누름 부재의 한쪽에 고정하고, 단자 본체부 및 누름 부재의 다른 쪽에 볼트가 관통하는 관통 구멍을 형성해도 된다. 이 경우에는, 관통 구멍으로부터 돌출되는 볼트의 나사부에 너트를 나사 결합한다. 이와 같이 구성하면, 관통 구멍에 볼트를 통과시킴으로써 누름 부재와 단자 본체부의 위치 결정을 할 수 있으므로, 이차 전지의 단자 구조를 간단히 구성할 수 있다.
대신에, 누름 부재에 볼트가 관통하는 관통 구멍을 형성하고, 단자 본체부에 볼트의 나사부가 나사 결합되어 너트로서 기능하기 위한 암나사가 형성된 구멍부를 형성해도 된다. 이와 같이 구성하면, 단자 본체부를 너트로서 사용할 수 있다. 그 때문에, 단자 본체부에 형성한 암나사부에 볼트의 선단의 수나사부를 삽입하여 볼트를 돌리는 것만으로, 볼트를 간단히 단자 본체부에 부착할 수 있다.
또한, 집전판에 볼트가 관통하는 관통 구멍을 형성해도 된다. 이와 같이 하면, 집전판 적층군을 간단히 위치 결정할 수 있다.
보다 많은 극판을 단자부에 전기적으로 접속하기 위해서, 단자 본체부의 2개의 면에 각각 집전판 적층군을 부착해도 된다. 구체적으로는, 단자 본체부의 적층 방향으로 대향하는 2개의 면으로 2개의 본체측 대향면을 구성하고, 이 2개의 본체측 대향면에 대향하는 2개의 누름 부재를 구비한다. 이 경우에는, 극판군 중의 동일 극성의 복수의 극판의 복수매의 탭을, 각각 소정 매수씩 복수의 집전판에 용접한다. 그리고 복수의 집전판을 이분하여 적층함으로써 2개의 집전판 적층군을 구성한다. 그리고, 1개의 집전판 적층군을 1개의 본체측 대향면과 1개의 누름 부재 사이에 끼운다. 나머지 1개의 집전판 적층군을 나머지 1개의 본체측 대향면과 나머지 1개의 누름 부재 사이에 끼운다. 이와 같이 구성하면, 단자 본체부의 적층 방향으로 대향하는 2개의 면에 각각 집전판 적층군을 유지할 수 있어, 극판의 매수 증가에 대응할 수 있다.
2개의 면에 집전판 적층군을 나누어 접속하는 경우에는, 단자 본체부에, 2개의 본체측 대향면에 각각 개구하는 복수의 관통 구멍을 형성한다. 또한, 2개의 누름 부재에는, 복수의 관통 구멍에 정합하는 복수의 관통 구멍을 형성한다. 그리고, 단자 본체부에 형성된 관통 구멍 및 누름 부재에 형성된 관통 구멍을 관통하도록, 양단에 나사부를 갖는 볼트를 배치하고, 볼트의 양단에 각각 너트를 나사 결합한다. 이와 같이 구성하면, 양측으로부터 너트를 나사 결합하는 것만으로 간단히 2개의 누름 부재를 단자 본체부에 부착할 수 있다.
또한, 양단에 나사부를 갖는 볼트 대신에, 한쪽의 단부에 나사부를 갖는 통상의 볼트를 사용할 수 있다. 이 경우에는, 한쪽의 단부에 나사부를 갖는 볼트를 단자 본체부의 관통 구멍 및 누름 부재에 형성된 관통 구멍을 관통하도록 배치한다. 그리고, 볼트의 기초부를 1개의 누름 부재와 접촉시킨다. 또한, 너트를 나머지 1개의 누름 부재와 접촉시킨다. 이와 같이 구성하면, 나사 결합하는 너트의 수를 줄일 수 있으므로, 누름 부재의 부착이 보다 간단해진다.
누름 부재는, 알루미늄, 티타늄, 철, 니켈, 구리, 아연, 은, 카드뮴 또는 주석으로 형성할 수 있고, 적층 방향의 두께가 5㎜ 내지 7㎜인 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하면, 누름 부재의 강성을 충분히 확보할 수 있음과 함께, 집전판 적층군을 따라서 누름 부재를 변형시킬 수 있다.
또한 돌출면은 누름 부재에 형성해도 된다. 돌출면을 누름 부재에 형성하면, 기존의 단자부를 이용할 수 있으므로, 이차 전지를 염가로 제조할 수 있다.
누름 부재, 집전판 적층군 및 단자부는 서로 용접해도 된다. 이와 같이 하면, 용접부를 통해서도 전류를 흘릴 수 있으므로, 접촉 저항을 더욱 작게 할 수 있다.
본 발명은 비수 전해액 이차 전지용으로서 파악할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 비수 전해액 이차 전지로서의 리튬 이온 이차 전지의 일부 파단 정면도이다.
도 2는 전지 캔을 제거한 상태의 리튬 이온 이차 전지의 사시도이다.
도 3은 전지 캔을 제거한 상태의 리튬 이온 이차 전지의 우측면도이다.
도 4는 극판의 탭, 집전판 및 단자 본체부 및 볼트를 부품마다 도시한 도면이다.
도 5의 (A)는 정극 단자의 단자 본체부의 돌출면을 전지 덮개측에서 본 도면이고, 도 5의 (B)는 도 5의 (A) 중에 B의 부호를 붙여 둘러싼 영역의 확대도이다.
도 6은 통전 시간에 수반되는 온도 변화량을 측정하는 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 돌출 치수를 변화시킨 경우의 발열량을 나타내는 그래프이다.
도 8은 정극측 누름 부재, 정극 집전판 적층군 및 정극 단자를 각각 레이저 용접에 의해 서로 용접한 상태를 도시하는 도면이다.
도 9는 제2 실시 형태의 비수 전해액 이차 전지의 단자 구조의 확대도이다.
도 2는 전지 캔을 제거한 상태의 리튬 이온 이차 전지의 사시도이다.
도 3은 전지 캔을 제거한 상태의 리튬 이온 이차 전지의 우측면도이다.
도 4는 극판의 탭, 집전판 및 단자 본체부 및 볼트를 부품마다 도시한 도면이다.
도 5의 (A)는 정극 단자의 단자 본체부의 돌출면을 전지 덮개측에서 본 도면이고, 도 5의 (B)는 도 5의 (A) 중에 B의 부호를 붙여 둘러싼 영역의 확대도이다.
도 6은 통전 시간에 수반되는 온도 변화량을 측정하는 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 돌출 치수를 변화시킨 경우의 발열량을 나타내는 그래프이다.
도 8은 정극측 누름 부재, 정극 집전판 적층군 및 정극 단자를 각각 레이저 용접에 의해 서로 용접한 상태를 도시하는 도면이다.
도 9는 제2 실시 형태의 비수 전해액 이차 전지의 단자 구조의 확대도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 단자 구조 및 이차 전지의 실시 형태의 구성을 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 단자 구조의 제1 실시 형태를 적용한 비수 전해액 이차 전지로서의 리튬 이온 이차 전지(1)의 일부 파단 정면도이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 이해를 용이하게 하기 위해서, 일부의 부품의 두께 치수를 과장하여 도시하고 있으며, 또한 극판의 매수를 실제보다도 적게 도시하고 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 리튬 이온 이차 전지(1)는, 극판군(3)과, 극판군(3)을 내부에 수용하는 스테인리스제의 각형 전지 용기(5)를 구비하고 있다. 전지 용기(5)는, 한쪽의 단부가 개구되는 전지 캔(7)과, 전지 덮개(9)를 구비하고 있고, 극판군(3)을 전지 캔(7)에 삽입한 후, 전지 캔(7)의 개구 주연부와, 전지 덮개(9)의 주연부를 용접함으로써 밀폐되어 있다.
전지 덮개(9)에는, 알루미늄제의 정극 단자(11) 및 부극 단자(13)가 고정되어 있다. 정극 단자(11) 및 부극 단자(13)는, 전지 덮개(9)의 덮개판을 관통하여 전지 용기(5)의 외부로 돌출되는 단자부(11a, 13a)와, 전지 용기 내에 배치되는 단자 본체부(11b, 13b)를 각각 갖고 있다. 정극 단자(11) 및 부극 단자(13)와 전지 덮개(9) 사이에는, 원환상의 내측 패킹(15)이 각각 설치되어 있다. 전지 덮개(9)의 외측에는, 전지 덮개(9)를 개재하여 내측 패킹(15)과 대향하는 위치에, 원환상의 외측 패킹(17)과, 평와셔(19)와, 이붙이 와셔(21)가 겹쳐진 상태로 설치되어 있다. 정극 단자(11) 및 부극 단자(13)는, 내측 패킹(15), 외측 패킹(17), 평와셔(19) 및 이붙이 와셔(21)를 개재하여, 나사부의 선단에 설치된 너트(23)로부터, 전지 덮개(9)에 각각 고정되어 있다. 전지 덮개(9)의 정극 단자(11) 및 부극 단자(13)가 설치된 부분은, 내측 패킹(15) 및 외측 패킹(17)에 의해, 전지 용기(5) 내의 밀폐ㆍ밀봉 상태를 확보하고 있다.
정극 단자(11)의 단자 본체부(11b)에는, 정극측 누름 부재(25)와 정극 집전판 적층군(27)이 볼트(29)에 의해 부착되어 있다. 또한, 부극 단자(13)의 단자 본체부(13b)에는, 부극측 누름 부재(31)와 부극 집전판 적층군(33)이 볼트(29)에 의해 부착되어 있다.
도 2는 전지 캔(7)을 제거한 상태의 리튬 이온 이차 전지(1)의 사시도이며, 도 3은 전지 캔(7)을 제거한 상태의 리튬 이온 이차 전지(1)의 우측면도이다. 또한 도 2 및 도 3에 있어서는, 이해를 용이하게 하기 위해서 각 구성 부재를 모식적으로 도시하고 있다. 그 때문에, 도 2 및 도 3에 도시한 각 구성 부재는, 실제의 극판군의 구성 부재와는 형상 및 치수 등이 상이하다.
전지 덮개(9)에는, 스테인리스박을 용접한 가스 배출 밸브(9a) 및 주액구(9b)가 배설되어 있다. 가스 배출 밸브(9a)는, 전지 내압 상승 시에 스테인리스박이 개열되어 내부의 가스를 방출하는 기능을 갖고 있다. 주액구(9b)로부터는, 에틸렌카르보네이트와 디메틸카르보네이트의 혼합 용매에 육불화인산리튬(LiPF6) 또는 4불화붕산리튬(LiBF4)을 용해한 도시하지 않은 비수 전해액이 주입된다. 전해액 주입 후, 액구 마개에 의해 주액구(9b)는 밀폐되어 있다.
극판군(3)은, 복수매의 정극판(35)과, 복수매의 부극판(37)이 세퍼레이터(39)를 개재하여 교대로 적층되어 구성되어 있다. 세퍼레이터(39)는 정극판(35)과 부극판(37)이 접촉하여 단락하는 것을 방지하고 있다.
정극판(35)은, 거의 직사각형 형상의 판상으로 형성된 알루미늄박을 포함하는 정극 집전체와, 정극 집전체의 양면에 형성된 정극 활물질층을 갖고 있다. 정극 활물질층은, 예를 들어 리튬 망간 복산화물 분말과, 도전재로서 비늘 조각 형상 흑연과, 결착제로서 폴리불화비닐리덴(PVDF)을 중량비 85 : 10 : 5의 비율로 혼합하고, 이것에 분산 용매의 N-메틸피롤리돈(NMP)을 첨가, 혼련한 슬러리를, 정극 집전체에 도포한 후, 건조, 프레스함으로써 형성할 수 있다. 정극 집전체의 전지 덮개(9)를 따라서 연장되는 변에는, 정극탭(35a)이 일체로 형성되어 있다. 정극탭(35a)은 후술하는 정극 집전판에 초음파 용접 또는 레이저 용접에 의해 접합된다.
부극판(37)은, 거의 직사각형 형상의 판상으로 형성된 전해 구리박을 포함하는 부극 집전체와, 부극 집전체의 양면에 형성된 부극 활물질층을 갖고 있다. 부극 활물질층은 예를 들어, 부극 활물질로서의 비정질 탄소 분말 90질량부에 대하여, 결착제로서 PVDF를 10질량부 첨가하고, 이것에 분산 용매의 NMP를 첨가, 혼련한 슬러리를, 두께 10㎛의 전해 구리박의 양면에 도포한 후 건조, 프레스함으로써 형성할 수 있다. 부극 집전체의 전지 덮개(9)를 따라서 연장되는 변에는, 부극탭(37a)이 일체로 형성되어 있다. 이 부극탭(37a)은, 정극판(35) 및 부극판(37)을 적층하였을 때에, 정극탭(35a)과 대향하지 않도록 형성되어 있다. 부극탭(37a)은 후술하는 부극 집전판에 초음파 용접 또는 레이저 용접에 의해 접합되어 있다.
세퍼레이터(39)는, 리튬 이온이 통과 가능한 폴리에틸렌제의 다공질재에 의해 거의 직사각형 형상의 시트 형상으로 형성되어 있다. 또한 세퍼레이터(39)는, 정극판(35)의 정극 집전체와 부극판(37)의 부극 집전체가 적층 상태로 접촉하는 것을 저지할 수 있는 크기를 갖고 있다.
또한, 도 2 및 도 3에 있어서는, 도시를 용이하게 하기 위해서, 6매의 정극판과 6매의 부극판과 12매의 세퍼레이터만이 도시되어 있다. 또한, 도 2 및 도 3에서는, 도시를 용이하게 하기 위해서, 정극 집전판 및 부극 집전판에는 1매의 정극판 및 1매의 부극판이 각각 용접되어 있는 것처럼 도시하고 있지만, 실제로는, 도 4에 도시한 바와 같이, 정극 집전판 및 부극 집전판에는, 각각 복수매의 정극판의 정극탭 및 복수매의 부극판의 부극탭이 용접되어 있다.
도 4는 본 실시 형태의 비수 전해액 이차 전지의 정극판의 정극탭(35a), 정극 집전판(41), 단자 본체부(11b) 및 볼트(29)를 분리하여 도시한 도면이다. 각 정극탭(35a)은 초음파 용접에 의해 6매씩 정극 집전판(41)에 용접되어 있다. 또한, 도 4에 있어서는, 세퍼레이터 및 부극판을 도시하고 있지 않다. 본 실시 형태에서는, 마찬가지로, 부극 집전판(43)에도 6매의 부극탭(37a)이 초음파 용접 또는 레이저 용접에 의해 용접되어 있다.
정극 집전판(41)은, 알루미늄에 의해, 두께 20㎛의 거의 직육면체 형상으로 형성되어 있다. 본 실시 형태의 정극 집전판(41)에는, 정극 단자(11)의 단자 본체부(11b) 및 정극측 누름 부재(25)에 의해 끼워지는 부분의 양단의 단부 부근에 볼트(29)가 관통하는 2개의 관통 구멍(41a)이 형성되어 있다. 복수의 정극 집전판(41)을 적층함으로써 정극 집전판 적층군(27)이 구성되어 있다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 본 실시 형태에서는, 복수의 정극 집전판(41)은 이분되어, 2개의 정극 집전판 적층군(27)이 구성되어 있다.
부극 집전판(43)은, 니켈에 의해, 두께 10㎛의 거의 직육면체 형상으로 형성되어 있다. 본 실시 형태의 부극 집전판(43)에는, 부극 단자(13)의 단자 본체부(13b) 및 부극측 누름 부재(31)에 의해 끼워지는 부분의 양단의 단부 부근에 볼트(29)가 관통하는 2개의 관통 구멍(43a)이 형성되어 있다. 복수의 부극 집전판(43)을 적층함으로써 부극 집전판 적층군(33)이 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 복수의 부극 집전판(43)은 이분되어, 2개의 부극 집전판 적층군(33)이 구성되어 있다.
정극측 누름 부재(25)는, 알루미늄에 의해 거의 직육면체 형상으로 형성되어 있다. 정극측 누름 부재(25)에는, 길이 방향의 양측의 단부 부근에 볼트(29)가 관통하는 2개의 관통 구멍(25a)이 형성되어 있다. 정극측 누름 부재(25)는, 정극 단자(11)의 단자 본체부(11b)와의 사이에 정극 집전판 적층군(27)을 끼운 상태에서 단자 본체부(11b)에 부착된다.
부극측 누름 부재(31)는, 구리에 의해 거의 직육면체 형상으로 형성되어 있다. 부극측 누름 부재(31)에는, 길이 방향의 양측의 단부 부근에 볼트(29)가 관통하는 2개의 관통 구멍(31a)이 형성되어 있다. 부극측 누름 부재(31)는, 부극 단자의 단자 본체부(13b)와의 사이에 부극 집전판 적층군(33)을 끼운 상태에서 단자 본체부(13b)에 부착된다.
정극 단자(11)의 단자 본체부(11b)에는, 적층 방향으로 대향하는 면(11c)에, 볼트(29)가 체결되는 2개의 나사 구멍(11d)이 형성되어 있다. 나사 구멍(11d)은 면(11c)의 길이 방향의 양측의 단부 부근에 형성된다. 나사 구멍(11d)의 내부에는, 볼트(29)의 선단에 형성된 나사부와 나사 결합되는 암나사가 형성되어 있다. 따라서, 본 실시 형태에 있어서는, 단자 본체부(11b)가 파스너의 너트로서 기능하고 있다. 면(11c)은 정극측 누름 부재(25)와 완전히 대향하는 크기를 갖고 있다. 이 면(11c)이 정극에 있어서의 본체측 대향면이고, 정극측 누름 부재(25)의 면(11c)과 대향하는 면이 정극에 있어서의 누름 부재측 대향면(25b)이다. 2개의 나사 구멍(11d)의 사이에는, 나사 구멍(11d)이 형성된 부분보다도 정극측 누름 부재(25)를 향하여 돌출되는 돌출면(11e)이 형성되어 있다. 돌출면(11e)은 2개의 나사 구멍(11d)이 형성된 부분보다도 0.2㎜ 정극측 누름 부재(25)를 향하여 돌출되어 있다. 도 5의 (A)는 정극 단자(11)의 단자 본체부(11b)의 돌출면(11e)을 전지 덮개(9)측에서 본 도면이고, 도 5의 (B)는 도 5의 (A) 중에 B의 부호를 붙여 둘러싼 영역의 확대도이다.
특히 본 실시 형태의 단자 본체부(11b)에서는, 단자 본체부(11b)의 면(11c)과 적층 방향으로 대향하는 면(11f)에도 나사 구멍(11d) 및 돌출면(11e)을 형성하고 있다. 즉, 본 실시 형태의 단자 본체부(11b)는, 본체측 대향면을 2개 갖고 있다. 그리고 본 실시 형태에서는, 단자 본체부(11b)의 대향하는 2개의 본체측 대향면(11c, 11f)에, 정극측 누름 부재(25)와 파스너(볼트(29)와 너트(13d))를 사용하여 2개의 정극 집전판 적층군(27)이 각각 부착되어 있다.
본 실시 형태에서는, 볼트(29)와 너트(13d)가 나사 결합한 상태에서 위치하고 있는 2개의 가상의 공간 영역 A(도 4)가 부착 영역을 구성하고 있다.
부극 단자(13)의 단자 본체부(13b)에는, 정극 단자(11)의 단자 본체부(11b)와 마찬가지로, 적층 방향으로 대향하는 2개의 면(13c, 13f)에, 볼트(29)가 체결되는 2개의 나사 구멍(13d) 및 돌출면(13e)이 형성되어 있다. 나사 구멍(13d)의 내부에도 암나사가 형성되어 있다. 면(13c, 13f)은 부극측 누름 부재(31)와 완전히 대향하는 크기를 갖고 있다. 이 면(13c, 13f)이 부극에 있어서의 본체측 대향면이고, 부극측 누름 부재(31)의 면(13c) 또는 면(13f)과 대향하는 면이 부극에 있어서의 누름 부재측 대향면(31b)이다.
2개의 정극 집전판 적층군(27)은, 정극측 누름 부재(25)에 의해 압박된 상태에서, 볼트(29)에 의해 정극 단자(11)의 면(11c, 11f)에 각각 부착된다. 구체적으로는, 볼트(29)를, 정극 집전판 적층군(27)을 구성하는 정극 집전판(41)의 관통 구멍(41a) 및 정극측 누름 부재(25)의 관통 구멍(25a)에 관통시킨다. 그리고, 정극 단자(11)의 단자 본체부(11b)에 형성된 나사 구멍(11d)의 암나사에, 볼트(29)의 선단에 설치된 나사부를 나사 결합시킨다. 또한 2개의 부극 집전판 적층군(33)은, 정극 집전판 적층군(27)과 동일한 양태이며, 부극측 누름 부재(31)에 의해 압박된 상태에서, 볼트(29)에 의해 부극 단자(13)의 면(13c, 13f)에 각각 부착된다.
단자 본체부(11b, 13b)에 돌출면(11e, 13e)을 형성하지 않은 종래의 리튬 이온 이차 전지와, 본 실시 형태의 단자 구조를 구비한 리튬 이온 이차 전지에 대해서, 통전 시간에 수반되는 단자의 온도 변화량을 측정하는 실험을 행하였다. 도 6에는, 종래의 리튬 이온 전지에 대한 실험 결과를 파선으로 나타내고, 본 실시 형태의 리튬 이온 전지에 대한 실험 결과를 실선으로 나타내는 그래프이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 리튬 이온 전지에서는, 종래의 리튬 이온 전지에 비해, 40％ 이상이나 온도 변화를 억제할 수 있는 것이 확인되었다. 또한, 종래의 리튬 이온 전지에 대해서는, 실험 중에 온도 변화량이 지나치게 커져, 리튬 이온 전지의 안전성을 확보할 수 없게 되었기 때문에, 통전을 실험의 도중에 중지하였다. 그 때문에 도 6에는 종래의 리튬 이온 전지에 대한 실험 결과는 도중까지만 도시되어 있다.
다음에 본 실시 형태의 리튬 이온 이차 전지에 대해서, 돌출면의 돌출 치수를 0.1㎜마다 변화시킨 경우의 발열량의 변화를 측정하는 실험을 행하였다. 도 7은 0.1㎜마다 돌출 치수를 변화시킨 경우의 발열량을 나타내는 그래프이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 돌출면의 돌출 치수를 0.1㎜ 내지 0.5㎜로 한 경우에, 20％ 이상이나 발열량을 억제할 수 있었다.
도 8에는, 본 실시 형태의 정극측 누름 부재(25), 정극 집전판 적층군(27) 및 정극 단자(11)를 각각 레이저 용접에 의해 서로 용접한 상태를 도시하는 도면이다. 정극측 누름 부재(25), 정극 집전판 적층군(27) 및 정극 단자(11)의 측면에는, 레이저 용접에 의한 용접부 M이 형성되어 있다. 또한, 부극측 누름 부재(31), 부극 집전판 적층군(33) 및 부극 단자(13)도 레이저 용접에 의해 서로 용접되어 있다. 도 8에 도시한 바와 같이, 레이저 용접을 함으로써, 발열량을 더욱 낮게 할 수 있었다.
도 9는 제2 실시 형태의 비수 전해액 이차 전지의 단자 구조의 확대도이다. 또한, 제2 실시 형태에 있어서는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 부재에, 도 1 내지 도 7에 부여한 부호에 100의 부호를 더한 부호를 부여하여 설명을 생략한다. 제2 실시 형태에서는, 단자 본체부(111b)에는, 면(111c) 및 면(111f)에 각각 개구하는 관통 구멍(111g)이 형성되어 있다. 이 관통 구멍(111g)에는, 양단에 나사부를 갖는 볼트(129)가 관통한 상태로 각각 고정되어 있다. 이 볼트(129)의 양단의 나사부에는, 정극측 누름 부재(125) 및 정극 집전판 적층군(127)을 사이에 끼운 상태에서, 너트 N이 나사 결합되어 있다. 또한, 부극 단자의 단자 본체부(113b)에도 관통 구멍(113g)이 형성되어 볼트(129)가 고정되어 있다.
상기 각 실시 형태에서는, 집전판 적층군 및 누름 부재에 관통 구멍이 형성된 리튬 이차 전지에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 관통 구멍이 형성되어 있지 않은 집전판 적층군 및 누름 부재에 적용해도 되는 것은 물론이다. 이 경우에는, 예를 들어 누름 부재에 볼트의 기초부를 고정하고, 볼트의 사이에 집전판 적층을 위치시켜, 누름 부재 사이에 끼움으로써, 단자에 고정시키면 된다.
또한, 상기 각 실시 형태에서는, 단자 본체부의 적층 방향으로 대향하는 2개의 면에 각각 집전판 적층군을 유지하고 있지만, 한쪽의 면에만 집전판 적층군을 유지시켜도 되는 것은 물론이다.
상기 각 실시 형태에서는, 단자 본체부의 본체측 대향면에 돌출면을 형성하고 있지만, 누름 부재의 누름 부재측 대향면에 돌출면을 형성해도 된다.
또한 상기 각 실시 형태에서는, 리튬 이온 이차 전지에 대해서 설명을 하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 다른 이차 전지 및 그 전극 구조에 적용해도 되는 것은 물론이다.
본 발명에 의하면, 본체측 대향면 및 누름 부재측 대향면의 적어도 한쪽의 2개의 부착 영역의 사이에 위치하는 영역에, 본체측 대향면 및 누름 부재측 대향면의 다른 쪽을 향하여 돌출되는 돌출면을 형성하였으므로, 단순히 단자 본체부와 누름 부재 사이에 집전판 적층군을 끼운 경우보다도, 단자 본체부와 집전판 적층군 사이의 접촉 저항, 집전판 적층군 내의 인접하는 2매의 집전판 사이의 접촉 저항, 집전판 적층군과 누름 부재 사이의 접촉 저항을 종래보다도 대폭 낮게 할 수 있어, 단자 구조에서 발생하는 발열량을 대폭 저감할 수 있다.
1 : 리튬 이온 이차 전지
3 : 극판군
5 : 전지 용기
7 : 전지 캔
9 : 전지 덮개
9a : 가스 배출 밸브
11 : 정극 단자
11a : 나사부
11b : 단자 본체부
13 : 부극 단자
13b : 단자 본체부
15 : 내측 패킹
17 : 외측 패킹
19 : 평와셔
21 : 와셔
23 : 너트
25 : 정극측 누름 부재
27 : 정극 집전판 적층군
29 : 볼트
31 : 부극측 누름 부재
33 : 부극 집전판 적층군
35 : 정극판
35a : 정극탭
37 : 부극판
37a : 부극탭
39 : 세퍼레이터
41 : 정극 집전판
43 : 부극 집전판
3 : 극판군
5 : 전지 용기
7 : 전지 캔
9 : 전지 덮개
9a : 가스 배출 밸브
11 : 정극 단자
11a : 나사부
11b : 단자 본체부
13 : 부극 단자
13b : 단자 본체부
15 : 내측 패킹
17 : 외측 패킹
19 : 평와셔
21 : 와셔
23 : 너트
25 : 정극측 누름 부재
27 : 정극 집전판 적층군
29 : 볼트
31 : 부극측 누름 부재
33 : 부극 집전판 적층군
35 : 정극판
35a : 정극탭
37 : 부극판
37a : 부극탭
39 : 세퍼레이터
41 : 정극 집전판
43 : 부극 집전판
Claims (14)
- 탭을 갖는 극판이 세퍼레이터를 개재하여 복수매 적층되어 이루어지는 극판군을 구비한 이차 전지의 단자 구조로서,
단자부 및 단자 본체부를 구비한 단자와,
각각 동일 극성의 복수매의 상기 극판의 상기 탭이 용접된 복수매의 집전판이 적층되어 이루어지는 집전판 적층군을, 상기 단자 본체부와의 사이에 끼우도록 상기 단자 본체부에 대하여 볼트와 너트를 포함하는 2 이상의 파스너를 이용하여 부착되는 누름 부재를 구비하고,
상기 2 이상의 파스너는, 상기 볼트가 상기 집전판 적층군의 적층 방향으로 연장되고 또한 소정의 간격을 둔 2개의 부착 영역에 각각 1 이상의 상기 파스너가 위치하도록 설치되어 있고,
상기 단자 본체부는 상기 누름 부재와 대향하는 본체측 대향면을 갖고 있고,
상기 누름 부재는 상기 단자 본체부와 대향하는 누름 부재측 대향면을 갖고 있고,
상기 본체측 대향면 및 상기 누름 부재측 대향면의 적어도 한쪽은, 상기 2개의 부착 영역의 사이에 위치하는 영역에서, 상기 본체측 대향면 및 상기 누름 부재측 대향면의 다른 쪽을 향하여 돌출되는 돌출면을 갖고 있고,
상기 돌출면이 상기 본체측 대향면 및 상기 누름 부재측 대향면의 한쪽에 설치되어 있고,
상기 돌출면의 비돌출면으로부터의 돌출 치수가 0.1㎜ 내지 0.5㎜이고,
상기 돌출면의 면적이 상기 본체측 대향면 및 상기 누름 부재측 대향면의 면적의 60％ 내지 80％이고,
상기 돌출면이 연속면이고,
상기 복수매의 집전판에는 상기 볼트가 관통하는 관통 구멍이 형성되어 있고,
상기 단자 본체부의 상기 적층 방향으로 대향하는 2개의 면이 2개의 상기 본체측 대향면을 구성하고 있고,
상기 2개의 본체측 대향면에 대향하는 2개의 상기 누름 부재를 구비하고 있고,
상기 극판군 중의 동일 극성의 복수의 상기 극판의 상기 복수매의 탭이 각각 소정 매수씩 상기 복수의 집전판에 용접되고, 상기 복수의 집전판이 이분되고 또한 적층되어 2개의 상기 집전판 적층군이 구성되어 있고,
1개의 상기 집전판 적층군이 1개의 상기 본체측 대향면과 1개의 상기 누름 부재 사이에 끼워져 있고, 나머지 1개의 상기 집전판 적층군이 나머지 1개의 상기 본체측 대향면과 나머지 1개의 상기 누름 부재 사이에 끼워져 있고,
상기 단자 본체부에는 상기 2개의 면에 각각 개구하는 복수의 관통 구멍이 형성되어 있고,
상기 2개의 누름 부재에는 상기 복수의 관통 구멍에 정합하는 복수의 관통 구멍이 형성되어 있고,
양단에 나사부를 갖는 상기 볼트가 상기 단자 본체부에 형성된 상기 관통 구멍 및 상기 누름 부재에 형성된 상기 관통 구멍을 관통하도록 배치되어 있고,
상기 볼트의 양단에 각각 상기 너트가 나사 결합되어 있고,
상기 누름 부재는, 알루미늄, 티타늄, 철, 니켈, 구리, 아연, 은, 카드뮴 또는 주석으로 형성되어 있으며, 상기 적층 방향의 두께가 5㎜ 내지 7㎜이고,
상기 누름 부재, 상기 집전판 적층군 및 상기 단자부는 서로 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 단자 구조. - 탭을 갖는 극판이 세퍼레이터를 개재하여 복수매 적층되어 이루어지는 극판군을 구비한 이차 전지의 단자 구조로서,
단자부 및 단자 본체부를 구비한 단자와,
각각 동일 극성의 복수매의 상기 극판의 상기 탭이 용접된 복수매의 집전판이 적층되어 이루어지는 집전판 적층군을, 상기 단자 본체부와의 사이에 끼우도록 상기 단자 본체부에 대하여 볼트와 너트를 포함하는 2 이상의 파스너를 사용하여 부착되는 누름 부재를 구비하고,
상기 2 이상의 파스너는, 상기 볼트가 상기 집전판 적층군의 적층 방향으로 연장되고 또한 소정의 간격을 둔 2개의 부착 영역에 각각 1 이상의 상기 파스너가 위치하도록 설치되어 있고,
상기 단자 본체부는 상기 누름 부재와 대향하는 본체측 대향면을 갖고 있고,
상기 누름 부재는 상기 단자 본체부와 대향하는 누름 부재측 대향면을 갖고 있고,
상기 본체측 대향면 및 상기 누름 부재측 대향면의 적어도 한쪽은, 상기 2개의 부착 영역의 사이에 위치하는 영역에서, 상기 본체측 대향면 및 상기 누름 부재측 대향면의 다른 쪽을 향하여 돌출되는 돌출면을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 단자 구조. - 제2항에 있어서,
상기 돌출면이 상기 본체측 대향면 및 상기 누름 부재측 대향면의 한쪽에 형성되어 있고,
상기 돌출면의 비돌출면으로부터의 돌출 치수가 0.1㎜ 내지 0.5㎜이고,
상기 돌출면의 면적이 상기 본체측 대향면 및 상기 누름 부재측 대향면의 면적의 60％ 내지 80％인 이차 전지의 단자 구조, - 제2항에 있어서,
상기 돌출면이 연속면인 이차 전지의 단자 구조. - 제2항에 있어서,
상기 파스너의 상기 볼트의 기초부가, 상기 단자 본체부 및 상기 누름 부재의 한쪽에 고정되어 있고,
상기 단자 본체부 및 상기 누름 부재의 다른 쪽에는 상기 볼트가 관통하는 관통 구멍이 형성되어 있고,
상기 너트가 상기 관통 구멍으로부터 돌출되는 상기 볼트의 나사부에 나사 결합되어 있는 이차 전지의 단자 구조. - 제2항에 있어서,
상기 누름 부재에는 상기 볼트가 관통하는 관통 구멍이 형성되어 있고,
상기 단자 본체부에는, 상기 볼트의 나사부가 나사 결합되어 상기 너트로서 기능하기 위한 암나사가 형성된 구멍부가 형성되어 있는 이차 전지의 단자 구조. - 제2항에 있어서,
상기 복수매의 집전판에는 상기 볼트가 관통하는 관통 구멍이 형성되어 있는 이차 전지의 단자 구조. - 제2항에 있어서,
상기 단자 본체부의 상기 적층 방향으로 대향하는 2개의 면이, 2개의 상기 본체측 대향면을 구성하고 있고,
상기 2개의 본체측 대향면에 대향하는 2개의 상기 누름 부재를 구비하고 있고,
상기 극판군 중의 동일 극성의 복수의 상기 극판의 상기 복수매의 탭이, 각각 소정 매수씩 상기 복수의 집전판에 용접되고, 상기 복수의 집전판이 이분되고 또한 적층되어 2개의 상기 집전판 적층군이 구성되어 있고,
1개의 상기 집전판 적층군이 1개의 상기 본체측 대향면과 1개의 상기 누름 부재 사이에 끼워져 있고, 나머지 1개의 상기 집전판 적층군이 나머지 1개의 상기 본체측 대향면과 나머지 1개의 상기 누름 부재 사이에 끼워져 있는 이차 전지의 단자 구조. - 제8항에 있어서,
상기 단자 본체부에는 상기 2개의 면에 각각 개구하는 복수의 관통 구멍이 형성되어 있고,
상기 2개의 누름 부재에는 상기 복수의 관통 구멍에 정합하는 복수의 관통 구멍이 형성되어 있고,
양단에 나사부를 갖는 상기 볼트가 상기 단자 본체부에 형성된 상기 관통 구멍 및 상기 누름 부재에 형성된 상기 관통 구멍을 관통하도록 배치되어 있고,
상기 볼트의 양단에 각각 상기 너트가 나사 결합되어 있는 이차 전지의 단자 구조. - 제8항에 있어서,
상기 단자 본체부에는 상기 2개의 본체측 대향면에 각각 개구하는 복수의 관통 구멍이 형성되어 있고,
상기 2개의 누름 부재에는 상기 복수의 관통 구멍에 정합하는 복수의 관통 구멍이 형성되어 있고,
단부에 나사부를 갖는 상기 볼트가 단자 본체부의 관통 구멍 및 상기 누름 부재에 형성된 관통 구멍을 관통하도록 배치되어 있고,
상기 볼트의 기초부가 1개의 누름 부재와 접촉하고 있고,
상기 너트가 나머지 1개의 누름 부재와 접촉하고 있는 이차 전지의 단자 구조. - 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 누름 부재는, 알루미늄, 티타늄, 철, 니켈, 구리, 아연, 은, 카드뮴 또는 주석으로 형성되어 있고, 상기 적층 방향의 두께가 5㎜ 내지 7㎜인 이차 전지의 단자 구조. - 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 누름 부재, 상기 집전판 적층군 및 상기 단자부는 서로 용접되어 있는 이차 전지의 단자 구조. - 덮개판과 그 덮개판에 의해 막아지는 개구부를 갖는 케이스 본체를 포함하는 전지 케이스와,
상기 덮개판을 관통하는 정극 단자부 및 상기 덮개판의 이면측에 배치되는 정극 단자 본체부를 갖는 정극 단자 및 상기 덮개판을 관통하는 부극 단자부 및 상기 덮개판의 이면측에 배치되는 부극 단자 본체부를 갖는 부극 단자와,
정극탭을 갖는 정극 집전체에 정극 활물질층이 형성되어 이루어지는 복수매의 정극판과 부극탭을 갖는 부극 집전체에 부극 활물질층이 형성되어 이루어지는 복수매의 부극판이, 각각 세퍼레이터를 개재하여 교대로 적층되어 상기 케이스 본체 내에 수납되는 극판군과,
각각 복수매의 상기 정극탭이 용접된 복수매의 정극 집전판이 적층되어 이루어지는 정극 집전판 적층군과,
각각 복수매의 상기 부극탭이 용접된 복수매의 부극 집전판이 적층되어 이루어지는 부극 집전판 적층군과,
볼트와 너트를 포함하는 복수의 파스너와,
상기 정극 집전판 적층군을 상기 정극 단자 본체부와의 사이에 끼우도록 상기 정극 단자 본체부에 대하여 2 이상의 상기 파스너를 사용하여 부착되는 정극측 누름 부재와,
상기 부극 집전판 적층군을 상기 부극 단자 본체부와의 사이에 끼우도록 상기 부극 단자 본체부에 대하여 2 이상의 상기 파스너를 사용하여 부착되는 부극측 누름 부재를 구비하고,
상기 파스너는, 상기 볼트가 상기 정극 집전판 적층군 또는 상기 부극 집전판 적층군의 적층 방향으로 연장되며 또한 소정의 간격을 둔 2개의 부착 영역에 각각 1 이상의 상기 파스너가 위치하도록 설치되어 있고,
상기 정극 단자 본체부 및 상기 부극 단자 본체부는 상기 정극측 누름 부재 또는 상기 부극측 누름 부재와 각각 대향하는 본체측 대향면을 갖고 있고,
상기 정극측 누름 부재 및 상기 부극측 누름 부재는 상기 정극 단자 본체부 또는 상기 부극 단자 본체부와 대향하는 누름 부재측 대향면을 갖고 있고,
상기 본체측 대향면 및 상기 누름 부재측 대향면의 적어도 한쪽은, 상기 2개의 부착 영역의 사이에 위치하는 영역에서, 상기 본체측 대향면 및 상기 누름 부재측 대향면의 다른 쪽을 향하여 돌출되는 돌출면을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제13항에 있어서,
상기 돌출면이 상기 본체측 대향면 및 상기 누름 부재측 대향면의 한쪽에 형성되어 있고,
상기 돌출면의 비돌출면으로부터의 돌출 치수가 0.1㎜ 내지 0.5㎜인 이차 전지.
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