JP4238228B2 - キャップ組立体及びこれを備えた二次電池 - Google Patents

Description

本発明はキャップ組立体及びこれを備えた二次電池に関する。

一般に二次電池は再充電が可能で小型及び大容量化が可能なものであって，代表的にはニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池とリチウム（Ｌｉ）電池及びリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池が使用されている。上記リチウム二次電池は多様な形状に製造することができるが，代表的な形状としてはリチウム−イオン電池に主に使用される円筒形及び角形がある。

このリチウムイオン電池の場合，過充電されたり電極組立体の負極板と正極板が短絡される場合，正極板側でリチウム塩と有機溶媒が混合された電解液の分解が起こり，負極板側ではリチウム金属が洩出されて電池特性が劣化し，内部短絡が発生することがある。特に，過充電される場合には過電流が発生するために電池を電源として使用する電子装置に被害を与えるため好ましくない。また，過充電されればガス発生により内部圧力が高まって爆発及び発火の危険がある。

このような問題点を解消するために一般的なリチウムイオン電池はその内部に安全装置が備えられているが，この安全装置はシャットダウンセパレータ（ｓｈｕｔ−ｄｏｗｎ ｓｅｐａｒａｔｏｒ）を使用したり温度上昇時に電流を遮断するＰＴＣ素子，または内部圧力の上昇時に圧力を排出することができるベントを使用している。

この安全装置の一例として，負極プレートに形成された貫通孔を負極プレートの上下部に絶縁体とガスケットを位置させた状態でタップと連結されたリベットを利用して単純にリベッティングした構造が開示されている（特許文献１参照）。
米国特許第５，９８５，４７８号

しかし，上記構成は貫通孔の密閉性を高めるのに限界があり，特に大容量二次電池の場合には内部でガスが多量発生するために貫通孔の密閉性が相対的に低下する問題がある。

他の例として，薄い金属薄板を利用してキャッププレートの孔を密閉させた構成について開示している。この構造は外部から物理的な衝撃を受けた時，ベントにクラックが発生して信頼性が保障できないという問題点がある。
日本特開平１１−２１９６９２号

また，主に電子製品の電源として使用される二次電池で過電流が発生すれば，この過電流がそのまま電子製品に伝達されて製品を損傷させる問題を発生させる。このような現象は短時間に充放電が繰り返されるモータ駆動用電池の場合にさらに激しく現れる。

したがって，内圧上昇による二次電池の爆発危険性を解消しながら過電流が発生した時，それを事前に遮断する安全装置が提案される必要がある。

本発明の目的は上述した問題点を解決して電池の内圧上昇による爆発危険を防止しながら事前に過電流を遮断するように改善した本発明の二次電池を提供することにある。

本発明による二次電池のキャップ組立体は，端子を有するキャッププレートと，上記キャッププレートに電気的に連結される電流遮断機と，ベントを有して上記電流遮断機と接触され，上記二次電池の内圧によって変形されながら上記電流遮断機を変形させて，この電流遮断機が上記キャップ組立体の電流パスを遮断するようにするベントプレートを含む。

上記電流遮断機は所定の曲率を有して形成された凸部を有する弧形状の部材からなることができる。

上記電流遮断機の両端には上記凸部に向かった方向に対して逆方向に折曲されて上記キャッププレートと接触する折曲部を有することができる。

上記電流遮断機は所定の曲率を有して形成された凸部を有する円板形状の部材からなることができる。

上記電流遮断機の周囲には上記凸部に向かった方向に対して逆方向に折曲されて上記キャッププレートと接触する折曲部を有することができる。

上記キャップ組立体は上記キャッププレートと上記電流遮断機との間に配置されて上記電流遮断機の変形のための支点役割を果たす絶縁体をさらに含む。

上記絶縁体は上記キャッププレートに固定設置することができる。

上記電流遮断機はバイ−メタル（Ｂｉ−ｍｅｔａｌ），トリ−メタル（Ｔｒｉ−ｍｅｔａｌ）または軟性金属のうちのいずれか一つを選択して形成することができる。

上記キャッププレート，上記電流遮断機及び上記ベントプレートは絶縁物質で形成されたガスケットと結合されて一つのユニットで構成することができる。

また，本発明による二次電池はケースと，正極板と負極板との間にセパレータを介在して上記ケースに収納される電極組立体と，上記ケースを密閉するために上記ケースに設置されるキャップ組立体を含み，上記キャップ組立体は，端子を有するキャッププレートと，上記キャッププレートに電気的に連結される電流遮断機と，ベントを有して上記電流遮断機と接触され，上記二次電池の内圧によって変形されながら上記電流遮断機を変形させてこの電流遮断機が上記キャップ組立体の電流パスを遮断するようにするベントプレートを含む。

本発明の二次電池は内圧上昇による爆発危険を防止しながら，事前に過電流を遮断することができる効果を有する。さらに，電池を電源手段として使用する装置に過電流が流れる前に遮断されるので当該装置を安全的に保護することができる効果がある。

また，ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ），電気自動車（ＥＶ），無線掃除機，電動自転車，電動スクーターなどのようにモータを使用して作動する機器において，当該機器のモータを駆動するためのエネルギー源として使用することができる。

以下，添付した図面を参照して本発明の好適な実施例について当業者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし，本発明は多様で相異なる形態で実現することができ，ここで説明する実施例に限られるわけではない。

以下に，添付した図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する発明特定事項については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

［第一の実施形態］
図１は本発明の第一の実施形態による二次電池を示した部分切開斜視図であり，図２は本発明の実施例による二次電池を示した部分断面図であり，図３は本発明の実施例による二次電池のキャップ組立体を示した分解斜視図である。

図面に示したように，二次電池１０は一部が開放されたケース１１に，絶縁物質であるセパレータ２２を間に置いて正極板２１及び負極板２３を配置して形成した電極組立体２０を挿入し，ケース１１の開放された部分をキャップ組立体３０で密封した形態で構成される。

ケース１１はアルミニウムやアルミニウム合金などのような導電性金属材からなり，その形状は前述のように電極組立体２０が挿入接着できる空間が形成された円筒形からなるが，本発明がこのケースの形状に必ず限られるわけではない。

電極組立体２０は各々の活物質が集電体にコーティングされて構成された正極板２１と負極板２３がセパレータ２２を間に置いて積層されて形成されても良く，正極板２１，セパレータ２２及び負極板２３が積層された状態でこれらを巻いて構成したジェリーロールタイプで形成されても良い。

第一の実施形態でケース１１は円筒形で，電極組立体２０はジェリーロール形態で形成されている。

電極組立体２０はケース１１に挿入されて負極板２３をケース１１に接触させて，このケースが二次電池１０の負極端子となるようにし，正極板２１はリードタップ１２を通じてキャップ組立体３０と電気的に連結されるようにして，このキャップ組立体３０が二次電池１０の正極端子となるようにする。

キャップ組立体３０はケース１１の開放された部分に結合されてケース１１を密封するが，その具体的な構造を具体的に説明する。

図１，２及び図３に示したようにキャップ組立体３０は端子３１ａが備えられたキャッププレート３１，絶縁体３３，電流遮断機３４及びベントプレート３５を順次に位置させ，これらを絶縁物質で形成されたガスケット３２に結合させて一つのユニットで構成されている。

ガスケット３２はキャップ組立体３０がケース１１の開放部位に結合される時，キャップ組立体４０とケース１１を電気的に絶縁させる。

上記ユニットが構成される時，電流遮断機３４はキャッププレート３１との間に絶縁体３３を介在した状態でその一部が，両端が上記キャッププレート３１に接触するように配置してもよい。

第一の実施形態で電流遮断機３４は所定の曲率を有して形成された凸部３４ａを有する弧形状の部材からなり，その両端には凸部３４ａに向かう方向の逆方向に折曲されて形成された折曲部３４ｂを備えている。

その構成によって電流遮断機３１は両折曲部３４ｂをキャッププレート３１に接触させるが，この時，この折曲部３４ｂはキャッププレート３１に溶接によって固定することができる。ここで溶接による上記折曲部３４ｂの固定力は，上記電流遮断機３１に外力が加えられれば上記折曲部３４ｂが上記キャッププレート３１から分離できる程度の力であれば十分である。

一方，上記折曲部３４ｂは上記キャッププレート３１に器具的な構造によっても固定することができる。

このような電流遮断機３４は電気伝導性と弾性力を持つ材質で備えられる。例えば，電流遮断機３４はｓｕｓ（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｕｓｅ ｓｔｅｅｌ）−銅で構成されたバイ−メタルまたはｓｕｓ−銅−ｓｕｓで構成されたトリ−メタルで製作されて弾性力によってフリップ−フロップ（ｆｌｉｐ−ｆｌｏｐ）できるように構成される。さらに，電流遮断機３４，５０は鉛やアルミニウムのような軟性金属で備えることもできる。図４に示した電流遮断機５０もやはりこのような材質で形成することができる。

上記絶縁体３３は上記キャッププレート３１の折曲部３４ｂに対応する位置に各々配置されて上記キャッププレート３１に固定され，上記電流遮断機３４が上記キャッププレート３１に連結される時，上記折曲部３４ｂと接触する。

このような絶縁体３３は断面形状が円形であるのが好ましく，ゴム，合成樹脂，シリコンのような絶縁物質で製作しても良い。

図１，２及び図３に示された絶縁体３３は当該電流遮断機３４の折曲部３４ｂに対応して円柱形状で形成される。

電流遮断機３４の下方に配置されるベントプレート３５はその中心部にコーン形のベント３５ａを形成しており，このベント３５ａを上記電流遮断機３４に接触させながら上記ガスケット３２に結合されている。

このベントプレート３５はその構造的な特性によって二次電池１０の内圧の変動によってその形状を変形することができ，このベントプレート３５の変形によってこれと連結された電流遮断機３４はフリップ−フロップできる。

このベントプレート３５には電極組立体２０の正極板２１と連結されたリードタップ１２が連結される。

一方，上記ベントプレート３５において上記ベント３５ａが形成された部位には上記二次電池１０の内圧が説明圧力以上に上昇すれば上記ベント３５ａが破損されるようにする折曲部（ｎｏｔｃｈ）３５ｂが形成されている。

したがって，上記のようなキャップ組立体３０を有する本発明の二次電池１０は電極組立体２０の正極板２１で生成された電流をリードタップ１２，ベントプレート３５，電流遮断機３４，キャッププレート３１の順にリードしながら作用する。

このような二次電池１０が作用状態によって既に設定された基準値よりその内圧が高くなれば，ベントプレート３５が上昇した内圧によって上昇しながら変形され，このベントプレート３５の変形によって電流遮断機３４が連動されながらフリップ−フロップして変形される。この時，絶縁体３３は電流遮断機３４を支持しながらこの電流遮断機３４が円滑に変形するようにする一種の支点の役割を果たす。

このように電流遮断機３４が変形すれば，この電流遮断機３４はキャッププレート３１と接触されている折曲部３４ｂをキャッププレート３１から離れさせるが，これによって電流遮断機３４とキャッププレート３１は電気的に絶縁状態になり，その結果キャップ組立体３０に対する電流パスが遮断される。

したがって，二次電池１０は上記のような電流パス遮断のために内圧上昇による爆発などの事故を未然に防止することができる。

一方，二次電池１０の内圧が既に設定された基準値よりさらに高くなれば，ベントプレート３５のベント３５ａが破裂するので，その結果二次電池１０は電池としての機能を喪失する。

［第二の実施形態］
図４は本発明の第二の実施形態による電流遮断機５０を示した斜視図であって，この場合，電流遮断機５０は円板形状で形成され，この時，この電流遮断機５０も所定の曲率を有して形成された凸部５０ａと，その周囲に沿って上記凸部５０ａに向かった方向に対して逆方向に折曲された折曲部５０ｂを有する。折曲部５０ｂは，図１に示した第一の実施形態におけるキャッププレート３１に上記電流遮断機３４の折曲部３４ｂを固定した方式と同じ方式で，電流遮断機５０に固定される。

図４に示した絶縁体５２は当該電流遮断機５０の折曲部５０ｂに対応して環形状で形成される。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

以上，本発明を限定された実施例と図面によって説明したが，本発明がこれに限定されわけではなく，本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは当然である。

本発明の実施例による二次電池の部分切開斜視図である。 本発明の実施例による二次電池の部分断面図である。 本発明の実施例によるキャップ組立体の分解斜視図である。 本発明の第二の実施形態によるキャップ組立体の電流遮断機を示した斜視図である。 本発明の実施例による二次電池の作用説明のために示した断面図である。

符号の説明

１０ 二次電池
１１ ケース
１２ リードタップ
２０ 電極組立体
２１ 正極板
２２ セパレータ
２３ 負極板
３０，４０ キャップ組立体
３１ キャッププレート
３１ａ 端子
３２ ガスケット
３３ 絶縁体
３４，５０ 電流遮断機
３４ａ，５０ａ 凸部
３４ｂ，５０ｂ 折曲部
３５ ベントプレート
３５ａ ベント

Claims (24)

1. 二次電池のキャップ組立体において，
   端子を有するキャッププレートと；
   前記キャッププレートに電気的に連結され，所定の曲率を有して形成された凸部を有する弧形状の部材からなる電流遮断機と；
   ベントを有して前記電流遮断機と接触し，前記二次電池の内圧によって変形されながら前記電流遮断機を変形させて，この電流遮断機が前記キャップ組立体の電流パスを遮断するようにするベントプレートと；を含むことを特徴とする二次電池のキャップ組立体。
2. 前記電流遮断機の両端には前記凸部に向かった方向に対して逆方向に折曲されて前記キャッププレートと接触する折曲部を有することを特徴とする請求項１に記載の二次電池のキャップ組立体。
3. 前記折曲部が前記キャッププレートに溶接によって固定されることを特徴とする請求項２に記載の二次電池のキャップ組立体。
4. 二次電池のキャップ組立体において，
   端子を有するキャッププレートと；
   前記キャッププレートに電気的に連結され，所定の曲率を有して形成された凸部を有する円板形状の部材からなる電流遮断機と；
   ベントを有して前記電流遮断機と接触し，前記二次電池の内圧によって変形されながら前記電流遮断機を変形させて，この電流遮断機が前記キャップ組立体の電流パスを遮断するようにするベントプレートと；を含むことを特徴とする二次電池のキャップ組立体。
5. 前記電流遮断機の周囲に，前記凸部に向かった方向に対して逆方向に折曲されて前記キャッププレートと接触する折曲部を有することを特徴とする請求項４に記載の二次電池のキャップ組立体。
6. 前記折曲部が前記キャッププレートに溶接によって固定されることを特徴とする請求項５に記載の二次電池のキャップ組立体。
7. 前記キャップ組立体は前記キャッププレートと前記電流遮断機との間に配置されて前記電流遮断機の変形のための支点の役割を果たす絶縁体をさらに含むことを特徴とする請求項１または４に記載の二次電池のキャップ組立体。
8. 前記絶縁体が前記キャッププレートに固定設置されることを特徴とする請求項７に記載の二次電池のキャップ組立体。
9. 前記電流遮断機がバイ−メタルまたはトリ−メタルで形成されることを特徴とする請求項１または４に記載の二次電池のキャップ組立体。
10. 前記電流遮断機が軟性金属で形成されることを特徴とする請求項１または４に記載の二次電池のキャップ組立体。
11. 前記キャッププレート，前記電流遮断機及び前記ベントプレートは絶縁物質で形成されたガスケットと結合されて一つのユニットで構成されることを特徴とする請求項１または４に記載の二次電池のキャップ組立体。
12. ケースと；
    正極板と負極板との間にセパレータを介在して前記ケースに収納される電極組立体と；
    前記ケースを密閉するために前記ケースに設置されるキャップ組立体と；を含み，
    前記キャップ組立体が，
    端子を有するキャッププレートと；
    前記キャッププレートに電気的に連結され，所定の曲率を有して形成された凸部を有する弧形状の部材からなる電流遮断機と；
    ベントを有して前記電流遮断機と接触され，前記二次電池の内圧によって変形されながら前記電流遮断機を変形させてこの電流遮断機が前記キャップ組立体の電流パスを遮断するようにするベントプレートと；を含むことを特徴とする二次電池。
13. 前記電流遮断機の両端に，前記凸部に向かった方向に対して逆方向に折曲されて前記キャッププレートと接触する折曲部を有することを特徴とする請求項１２に記載の二次電池。
14. 前記折曲部が前記キャッププレートに溶接によって固定されることを特徴とする請求項１３に記載の二次電池。
15. ケースと；
    正極板と負極板との間にセパレータを介在して前記ケースに収納される電極組立体と；
    前記ケースを密閉するために前記ケースに設置されるキャップ組立体と；を含み，
    前記キャップ組立体が，
    端子を有するキャッププレートと；
    前記キャッププレートに電気的に連結され，所定の曲率を有して形成された凸部を有する円板形状の部材からなる電流遮断機と；
    ベントを有して前記電流遮断機と接触され，前記二次電池の内圧によって変形されながら前記電流遮断機を変形させてこの電流遮断機が前記キャップ組立体の電流パスを遮断するようにするベントプレートと；を含むことを特徴とする二次電池。
16. 前記電流遮断機の周囲には前記凸部に向かった方向に対して逆方向に折曲されて前記キャッププレートと接触する折曲部を有することを特徴とする請求項１５に記載の二次電池。
17. 前記折曲部が前記キャッププレートに溶接によって固定されることを特徴とする請求項に１６に記載の二次電池。
18. 前記キャップ組立体は前記キャッププレートと前記電流遮断機との間に配置されて前記電流遮断機の変形のための支点の役割を果たす絶縁体をさらに含むことを特徴とする請求項１２または１５に記載の二次電池。
19. 前記絶縁体が前記キャッププレートに固定設置されることを特徴とする請求項１８に記載の二次電池。
20. 前記電流遮断機がバイ−メタルまたはトリ−メタルで形成されることを特徴とする請求項１２または１５に記載の二次電池。
21. 前記電流遮断機が軟性金属で形成されることを特徴とする請求項１２または１５に記載の二次電池。
22. 前記キャッププレート，前記電流遮断機及び前記ベントプレートは絶縁物質で形成されたガスケットと結合されて一つのユニットで構成されることを特徴とする請求項１２または１５に記載の二次電池。
23. 前記二次電池が円筒形であることを特徴とする請求項１２または１５に記載の二次電池。
24. 前記二次電池がモータ駆動型であることを特徴とする請求項１２または１５に記載の二次電池。
    

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