JP4494366B2 - 円筒形リチウム二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、円筒形リチウム二次電池に関し、より詳細には、外圧の作用の際、変形が分散できるようにして外圧に対する電池安全性を向上させるための円筒形リチウム二次電池に関する。

リチウム二次電池は、主に正極活物質としてはリチウム系酸化物、負極活物質としては炭素材を使用している。一般的には、電解液の種類によって液体電解質電池と高分子電解質電池とに分類され、液体電解質を使用する電池をリチウムイオン電池といい、高分子電解質を使用する電池をリチウムポリマー電池という。また、リチウム二次電池はいろいろな形状で製造されているが、代表的な形状としては、円筒形、角形及びパウチ形を上げることができる。

一般的に、円筒形リチウム二次電池は、正極活物質がコーティングされた正極電極板、負極活物質がコーティングされた負極電極板、及び正極電極板と負極電極板との間に位置してショートを防止し、リチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）の移動のみを可能にするセパレータが略円筒形で巻き取られた電極組立体と、電極組立体を受け入れる円筒形ケースと、円筒形ケースの内側に注入されてリチウムイオンの移動を可能にする電解液等からなっている。

このような円筒形リチウム二次電池は下記のように製造される。

まず、正極活物質がコーティングされ正極タブが連結された正極電極板、負極活物質がコーティングされ負極タブが連結された負極電極板及びセパレータを積層した後、これを略円筒形で巻き取って電極組立体を製造する。

次に、略円筒形の電極組立体を円筒形ケースに受け入れて電極組立体が離脱しないようにした後、円筒形ケースに電解液を注入し、封入して円筒形リチウム二次電池を完成する。

円筒形リチウム二次電池では、一般的に、電極組立体の中心部に空間が発生する。このような空間は電極組立体の溶解及び変形が生じるという問題がある。

一方、上記のような問題を解決するために、電極組立体の中心部の空間に図１に図示したような巻芯部材１００を挿入する方法が導入された。

巻芯部材１００は、一般的に、一種のプレート（Ｐｌａｔｅ）を巻いて形成された、断面が円形の管形状であって、長さ方向（管軸方向）に沿って一部分が切欠された形状からなる。

しかし、上記従来のリチウム二次電池における巻芯部材１００は、外部圧力によって圧縮変形するなど容易に変形したり、または容易に破壊されたりするという問題がある。

特に、巻芯部材１００が変形または破壊される場合には、電極組立体のセパレータが破壊されることがある。このようなセパレータの破壊は、正極電極板及び負極電極板間のショートを誘発し、円筒形リチウム二次電池の破壊または爆発を起こすことがあるという致命的な問題がある。

また、巻芯部材１００は外部圧力が作用する場合、その変形は特定の一ヶ所のみに集中する。従って、このような巻芯部材１００の変形は、外部圧力が集中した所で集中的に発生し、これによって、電極組立体の特定の一方向のみに圧力が加わることになる。従って、電極組立体の変形をより深刻に発生させるという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、外圧の作用の際、変形を分散させることにより、外圧に対する電池安全性を向上させることが可能な、新規かつ改良された円筒形リチウム二次電池を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、第１電極板、第２電極板、及び第１電極板と第２電極板との間に介されたセパレータを備え、中心に所定の空間が形成された電極組立体と、長さ方向（管軸方向）に沿って切欠溝が形成された管形状からなり、長さ方向に沿って形成された少なくとも１つの折曲部を備えて、電極組立体の中心空間に挿入される巻芯部材と、電極組立体を収容するケースと、ケースの開口部を封鎖するキャップ組立体とを含むことを特徴とする、円筒形リチウム二次電池が提供される。

巻芯部材は、その横断面がなす円周上で切欠溝の反対側に配置される１つの折曲部を備えてもよい。

巻芯部材は、その横断面がなす円周上で、切欠溝と巻芯部材の中心とを通る直線を基準にして対称に配置される２つの折曲部を備えてもよい。また、切欠溝の反対側で形成される、２つの折曲部間の中心角は１２０゜〜２４０゜であってもよい。

切欠溝の両側端（切欠溝の両側にある巻芯部材の端部）は、巻芯部材の内部方向に曲げられていてもよい。また、切欠溝の両側端の接線がなす角は、１２０゜以下の角度をなしてもよい。

巻芯部材の高さは、電極組立体の高さの９０％〜１１０％であってもよい。

また、本発明の別の観点によれば、第１電極板、第２電極板、及び第１電極板と第２電極板との間に介されたセパレータを備える巻取型電極組立体と、長さ方向に沿って形成された切欠溝、及び外圧の作用の際に作用する少なくとも１つの変形分散手段を備え、電極組立体の中心空間に挿入される管形状の巻芯部材と、電極組立体を収容するケースと、ケースの開口部を封鎖するキャップ組立体とを含むことを特徴とする、円筒形リチウム二次電池が提供される。

巻芯部材は、その横断面がなす円周上で切欠溝の反対側に配置される１つの変形分散手段を備えてもよい。

巻芯部材は、その横断面がなす円周上で、切欠溝と巻芯部材の中心とを通る直線を基準にして対称に配置される２つの変形分散手段を備えてもよい。また、切欠溝の反対側で形成される、２つの変形分散手段間の中心角は１２０゜〜２４０゜であってもよい。

切欠溝の両側端は、前記巻芯部材の内部方向に曲げられていてもよい。また、切欠溝の両側端の接線がなす角は１２０゜以下の角度をなしていてもよい。

以上説明したように本発明によれば、外圧の作用の際、変形を分散させることにより、外圧に対する電池安全性を向上させることが可能な円筒形リチウム二次電池を提供することができる。

以下に添付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、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

まず、本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池について説明する。図２ａは本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池を説明するための斜視図であり、図２ｂは図２ａのＡ−Ａラインに係る断面図であり、図２ｃは図２ａのＢ−Ｂラインに係る断面図である。

図２ａ〜図２ｃに示すように、本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池２００は、充・放電の際、電圧差を発生させる電極組立体３００と、電極組立体３００を受け入れる円筒形のケース４００と、円筒形ケース４００の開口部に組立てられて電極組立体３００が離脱しないようにするキャップ組立体５００と、電極組立体３００の中心空間に位置する巻芯部材６００とを備える構造からなっている。

電極組立体３００は、正極活物質及び負極活物質の中のいずれかの１つ、例えば、正極活物質がコーティングされた第１電極板３１０と、正極活物質及び負極活物質の中の他の１つ、例えば、負極活物質がコーティングされた第２電極板３２０と、第１電極板３１０と第２電極板３２０との間に位置して、第１電極板３１０と第２電極板３２０とのショート（ｓｈｏｒｔ）を防止し、リチウムイオンの移動のみを可能にするセパレータ３３０とからなる。また、第１電極板３１０、第２電極板３２０及びセパレータ３３０は、略円形で巻き取られて円筒形ケース４００に収容される。また、第１電極板３１０には、一般的にアルミニウム（Ａｌ）材質からなり、上部に一定の長さが突出した第１電極タブ３１５が接合している。第２電極板３２０には、一般的にニッケル（Ｎｉ）材質からなり、下部に一定の長さが突出した第２電極タブ３２５が接合しているが、本発明において、上記の材質に限るものではない。併せて、電極組立体３００の上・下部には、各々キャップ組立体５００または円筒形ケース４００と直接接触することを避けるために、上・下部絶縁プレート３４１、３４５が更に取付けられている。

円筒形ケース４００は、電極組立体３００を収容できるように、所定の空間を有し、一定の直径を有する円筒面４１０が形成されている。円筒面４１０の下部には、その円筒面４１０の下部を閉鎖する下面４２０が形成されている。円筒面４１０の上部は、電極組立体３００を収容するために開口されている。一方、円筒形ケース４００の下面４２０の中央に、電極組立体３００の第１電極タブ３１５及び第２電極タブ３２５の中のいずれかの１つ、例えば、第２電極タブ３２５が接合することにより、円筒形ケース４００自体は第２電極板３２０と同一な電極、例えば、負極端子の役割を遂行することになる。また、円筒形ケース４００は、一般的に、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）またはこれらの合金で形成される。併せて、円筒形ケース４００には、上部でキャップ組立体５００に圧力を加えるように片方に弓なりにたわんだクリンピング（ｃｒｉｍｐｉｎｇ）部４３０が形成されている。更に、下部から上部方向へキャップ組立体５００に圧力を加えるように、内側に凹んだビーディング（ｂｅａｄｉｎｇ）部４４０が形成されている。

キャップ組立体５００は、第１電極タブ３１５が熔接されると共に、過充電または異常発熱の際、形状が反転される導電性安全ベント５１０と、安全ベント５１０の上部に電気的及び機械的に連結されて、安全ベント５１０の反転の際、回路が途絶える印刷回路基板（ＰＣＢ；Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）５２０と、印刷回路基板５２０の上部に電気的及び機械的に連結されて所定温度以上で回路が途絶える陽性温度素子５３０と、陽性温度素子５３０の上部に電気的及び機械的に連結されて実際の電流を外部に印加する導電性電極キャップ５４０と、安全ベント５１０、印刷回路基板５２０、陽性温度素子５３０及び電極キャップ５４０の外周を覆う形状を成し、円筒形ケース４００から上記の羅列した５１０〜５４０等を絶縁させる絶縁ガスケット５５０とからなる。この際、電極キャップ５４０は、電極組立体３００の第１電極タブ３１５及び第２電極タブ３２５の中のいずれかの１つ、例えば、第１電極タブ３１５が接合して第１電極板３１０と同一の電極、例えば、正極端子の役割を遂行する。

巻芯部材６００は、巻取型電極組立体３００の中央の空間に挿入されて、巻取型電極組立体３００が弛緩して解けることを防止し、外圧による巻取型電極組立体３００の変形を防止する役割も遂行する。このような巻芯部材６００は略管型からなっている。また、巻芯部材６００の長さ方向に沿って切欠溝６１０が形成されている。切欠溝６１０の両側端は、巻芯部材６００の内部方向に向けることが好ましい。また、管形状でなされる巻芯部材６００は、その円周上に少なくとも１つの折曲部６２０を備えることが好ましい。

また、巻芯部材６００は、電極組立体３００が有する全体高さの約９０％〜１１０％程度で形成されており、下段は第２電極タブ３２５上に位置する。この巻芯部材６００の高さが、電極組立体３００の高さの９０％以下であれば、電極組立体３００を固定及び支持する力があまりに弱く、また、１１０％以上であれば、キャップ組立体５００の構成要素と接触するため好ましくない。

一方、図面上には図示してはいないが、円筒形ケース４００には、電極組立体３００間のリチウムイオンの移動を可能にするために電解液が注入される。電解液は、充・放電の際、電池の内部の正極及び負極で電気化学的反応により生成するリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）の移動媒体の役割を果たす。電解液は、リチウム塩と高純度有機溶媒類の混合物である非水質系有機電解液であることができる。あるいは、高分子電解質を用いたポリマーであることもでき、ここで、電解液物質の種類を限るものではない。

図３ａは本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池の巻芯部材を説明するための斜視図であり、図３ｂは図３ａのＣ−Ｃラインによる断面図である。

図３ａ及び図３ｂを参照すると、本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池２００の巻芯部材６００は略管形状からなり、管形状の巻芯部材６００の長さ方向に沿って切欠溝６１０が形成されており、切欠溝６１０が形成された両側端は巻芯部材６００の内部方向に向かうように形成されている。この際、切欠溝６１０の両側端の接線がなす角（α）は１２０゜以下であることが好ましい。

また、巻芯部材６００は、管形状の巻芯部材６００の長さ方向に沿って形成され、その横断面がなす円周上で切欠溝６１０と反対側に位置する１つの折曲部６２０を備えることが好ましい。

折曲部６２０は、外圧が作用する場合、外圧が特定の一ヶ所のみに集中して、外圧が集中した所から変形が集中的に発生することを防止する。言い換えると、外圧が作用する場合、巻芯部材６００の折曲部６２０が変形分散手段として作用して、折曲部６２０で変形が発生することによって、巻芯部材６００の変形が１ヶ所に集中することなく分散する。これによって、巻芯部材６００の変形による電極組立体３００の変形及び破壊を防止することができる。

一方、図４ａは本発明の他の実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池の巻芯部材を説明するための斜視図であり、図４ｂは図４ａのＤ−Ｄラインによる断面図である。

図４ａ及び図４ｂを参照すると、本発明の他の実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池２００の巻芯部材６００’は、図３ａ及び図３ｂに図示された本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池２００の巻芯部材６００と構造的に類似している。巻芯部材６００’は管形状の巻芯部材６００’の長さ方向に沿って形成され、その横断面がなす円周上で切欠溝６１０’を過ぎる直径を基準にして対称に位置する２つの折曲部６２０を備える構造のみ異なる。即ち、巻芯部材６００’は２つの変形分散手段を備える構造からなる。

より詳細に説明すると、本発明の他の実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池２００の巻芯部材６００’は略管形状からなる。管形状の巻芯部材６００’は長さ方向に沿って切欠溝６１０’及び変形分散手段として作用する２つの折曲部６２０’が形成されている。

この際、切欠溝６１０’が形成された両側端は、巻芯部材６００’の内部方向に向かうように形成されており、切欠溝６１０’の両側端の接線がなす角（α）は１２０゜以下であることが好ましい。

また、上記変形分散手段として作用する２つの折曲部６２０’は、巻芯部材６００’の横断面がなす円周上で切欠溝６１０’を過ぎる直径を基準にして対称に位置することが好ましい。また、２つの折曲部６２０’間の中心角の中、切欠溝６１０’の反対側で形成される中心角（β）は１２０゜〜２４０゜であることが好ましい。

図５は、本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明するための順次説明図である。

図５を参照すると、本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法は、電極組立体３００の形成ステップＳ１、電極組立体３００の結合ステップＳ２、巻芯部材６００の挿入ステップＳ３、電解液注入ステップＳ４及びキャップ組立体５００の結合ステップＳ５を含む。

図６ａ〜図６ｄは、本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明するための図面である。以下では、図３と共に円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明する。

図６ａを参照すると、まず、電極組立体３００の形成ステップＳ１では、第１電極板３１０、セパレータ３３０、第２電極板３２０を順次に積層し、これの一端には巻取軸７００を結合した後、略円筒形で巻き取って電極組立体３００を形成する。巻取の前に、第１電極板３１０には第１電極タブ３１５が、第２電極板３２０には第２電極タブ３２５が取付けられる。

図６ｂを参照すると、電極組立体３００の結合ステップＳ２では、略円筒形の電極組立体３００を円筒形ケース４００に結合する。結合後、電極組立体３００から巻取軸７００を分離する。この際、電極組立体３００の中心部には略円形の空間が形成される。電極組立体３００の結合前に巻取軸７００を予め分離することもでき、本発明でその順序を限るのではない。また、円筒形ケース４００には予め下部絶縁板３４１（図示してはいない）が結合している。

図６ｃを参照すると、巻芯部材６００の挿入ステップＳ３では、巻取軸７００が分離して電極組立体３００の中心部に形成された空間に、図３ａ、３ｂ及び図４ａ、４ｂに図示されたような巻芯部材６００を挿入する。

ここで、巻芯部材６００の挿入前に、電極組立体３００の中、第１電極タブ３１５及び第２電極タブ３２５の中のいずれかの１つ、例えば、第２電極タブ３２５を円筒形ケース４００の下面４２０に抵抗熔接などの方法により予め付着・固定することができる。従って、巻芯部材６００は、第２電極タブ３２５の上面に接触したままで位置し、第２電極タブ３２５をより強く円筒形ケース４００に結合させる役割もする。巻芯部材６００は、電極組立体３００が有する高さの約９０％〜１１０％程度であることが好ましい。即ち、巻芯部材６００の高さが電極組立体３００の９０％以下の場合、電極組立体３００を固定及び支持する力があまりに弱くなるため好ましくない。また、１１０％以上の場合には、キャップ組立体５００の構成要素と接触するため、好ましくない。

次に、電解液注入ステップＳ４では、電極組立体３００の上段まで電解液を注入する。また、電解液は、電極組立体３００で第１電極板３１０と第２電極板３２０との間に充・放電する際、リチウムイオンの移動を可能にする役割を遂行する。

図６ｄを参照すると、キャップ組立体５００の結合ステップＳ５では、円筒形ケース４００の上部に複数の構成要素からなるキャップ組立体５００を結合して、上述の電極組立体３００、巻芯部材６００及び電解液が外部に離脱または漏液しないようにして、円筒形リチウム二次電池２００を形成する。

より詳細に説明すると、まず、円筒形ケース４００の上部に略リング形態である絶縁ガスケット５５０を結合する。次に、その内部に、電極組立体３００の第１電極タブ３１５または第２電極タブ３２５のうちのいずれか１つ、例えば第１電極タブ３１５と電気的に連結される導電性安全ベント５１０、印刷回路基板５２０、陽性温度素子５３０及び電極キャップ５４０を順次に結合する。

次に、絶縁ガスケット５５０の下段に該当する円筒形ケース４００をビーディングして、内側方向に陥没したビーディング部４４０を形成する。その上段をクリンピングしてクリンピング部４３０を形成することによって、キャップ組立体５００が外部に離脱しないようにし、円筒形リチウム二次電池２００を形成する。

上記のように、本発明の実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池２００は、管形状の巻芯部材６００、６００’が長さ方向に沿って形成されて、変形分散手段として作用する少なくとも１つの折曲部６２０、６２０’を備える。これにより、外圧が作用して巻芯部材６００、６００’の変形が発生しても、その変形が特定の一ヶ所のみに集中することなく、折曲部６２０、６２０’を通じて変形が分散するため、巻芯部材６００、６００’の変形による電極組立体３００の変形または破壊を防止することができる。従って、本発明の実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池２００の外圧に対する安全性が向上する。

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。

従来の巻芯部材を説明するための斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池を説明するための斜視図である。 図２ａのＡ−Ａラインに係る断面図である。 図２ａのＢ−Ｂラインに係る断面図である。 本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池の巻芯部材を説明するための斜視図である。 図３ａのＣ−Ｃラインに係る断面図である。 本発明の他の実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池の巻芯部材を説明するための斜視図である。 図４ａのＤ−Ｄラインに係る断面図である。 本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明するための順次説明図である。 本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明するための図面である。 本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明するための図面である。 本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明するための図面である。 本発明の一実施の形態に係る円筒形リチウム二次電池の製造方法を説明するための図面である。

符号の説明

２００ 円筒形リチウム二次電池
３００ 電極組立体
３１０ 第１電極板
３１５ 第１電極タブ
３２０ 第２電極板
３２５ 第２電極タブ
３３０ セパレータ
３４１、３４５ 絶縁プレート
４００ 円筒形ケース
４１０ 円筒面
４２０ 下面
４３０ クリンピング部
４４０ ビーディング部
５００ キャップ組立体
５１０ 安全ベント
５２０ 印刷回路基板
５３０ 陽性温度素子
５４０ 電極キャップ
５５０ ガスケット
６００、６００’ 巻芯部材
６１０、６１０’ 切欠溝
６２０、６２０’ 折曲部
７００ 巻取軸

Claims (13)

1. 第１電極板、第２電極板、及び前記第１電極板と前記第２電極板との間に介されたセパレータを備え、中心に所定の空間が形成された巻取型電極組立体と；
   長さ方向に沿って切欠溝が形成された管形状からなり、長さ方向に沿って内部方向に連続的に折曲形成された少なくとも１つの折曲部を備えて、前記電極組立体の前記中心空間に挿入される巻芯部材と；
   前記電極組立体を収容するケースと；
   前記ケースの開口部を封鎖するキャップ組立体と；
   を含むことを特徴とする、円筒形リチウム二次電池。
2. 前記巻芯部材は、横断面がなす円周上で前記切欠溝の反対側に配置される１つの前記折曲部を備えることを特徴とする、請求項１に記載の円筒形リチウム二次電池。
3. 前記巻芯部材は、横断面がなす円周上で、前記切欠溝と前記巻芯部材の中心とを通る直線を基準にして対称に配置される２つの前記折曲部を備えることを特徴とする、請求項１に記載の円筒形リチウム二次電池。
4. 前記切欠溝の反対側に位置する、前記２つの折曲部間の中心角は１２０゜〜２４０゜であることを特徴とする、請求項３に記載の円筒形リチウム二次電池。
5. 前記切欠溝の両側端は、前記巻芯部材の内部方向に曲げられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の円筒形リチウム二次電池。
6. 前記切欠溝の両側端の接線がなす角は、１２０゜以下であることを特徴とする、請求項５に記載の円筒形リチウム二次電池。
7. 前記巻芯部材の高さは、前記電極組立体の高さの９０％〜１１０％であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の円筒形リチウム二次電池。
8. 第１電極板、第２電極板、及び前記第１電極板と前記第２電極板との間に介されたセパレータを備える巻取型電極組立体と；
   長さ方向に沿って形成された切欠溝と、長さ方向に沿って連続的に折曲形成され外圧の作用の際に変形を分散させる折曲部とを備え、前記電極組立体の中心空間に挿入される管形状の巻芯部材と；
   前記電極組立体を収容するケースと；
   前記ケースの開口部を封鎖するキャップ組立体と；
   を含むことを特徴とする、円筒形リチウム二次電池。
9. 前記巻芯部材は、その横断面がなす円周上で前記切欠溝の反対側に配置される１つの折曲部を備えることを特徴とする、請求項８に記載の円筒形リチウム二次電池。
10. 前記巻芯部材は、その横断面がなす円周上で、前記切欠溝と前記巻芯部材の中心とを通る直線を基準にして対称に配置される２つの前記折曲部を備えることを特徴とする、請求項８に記載の円筒形リチウム二次電池。
11. 前記切欠溝の反対側に位置する、前記２つの折曲部間の中心角は１２０゜〜２４０゜であることを特徴とする、請求項１０に記載の円筒形リチウム二次電池。
12. 前記切欠溝の両側端は、前記巻芯部材の内部方向に曲げられていることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれかに記載の円筒形リチウム二次電池。
13. 前記切欠溝の両側端の接線がなす角は１２０゜以下であることを特徴とする、請求項１２に記載の円筒形リチウム二次電池。
    

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