JP4987603B2 - 電極端子の位置調節が可能であり、向上した安全性を有する二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、安全素子の一側に水平接続端子を連結し、他側に垂直接続端子を連結した安全接続部材を電池セルの電極端子に連結することで、前記安全接続部材によって外部入出力端子の位置を可変的に形成できる二次電池を提供する。

モバイル機器に対する技術開発及び需要が増加するにつれて、エネルギー源としての電池の需要が急激に増加しており、多様な要求に相応できる電池に対する研究が大いになされている。

代表的に、電池の形状面では、薄い厚さを有して携帯電話などの製品に適用される角形二次電池及びパウチ型二次電池に対する需要が高く、電池の材料面では、高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性などの長所を有するリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのリチウム二次電池に対する需要が高い。

また、二次電池は、正極／分離膜／負極構造の電極組立体が如何なる構造からなるかによっても分類されるが、代表的には、長いシート状の正極と負極を分離膜の介在状態で巻き取った構造のジェリーロール（巻き取り型）電極組立体、所定大きさの単位で切り取った多数の正極と負極を分離膜の介在状態で順次積層したスタック型（積層型）電極組立体、所定単位の正極と負極を分離膜の介在状態で積層したバイセルまたはフルセルを巻き取った構造のスタック／フォルディング型電極組立体などが挙げられる。

最近は、スタック型またはスタック／フォルディング型電極組立体をアルミニウムラミネートシートのパウチ型電池ケースに内蔵した構造のパウチ型電池が、低い製造費用、小さい重量、容易な形態変形などの理由で大いなる関心を集めており、その使用量が徐々に増加している。

図１は、従来の代表的なパウチ型二次電池の一般的な構造を示した分解斜視図である。

図１に示すように、パウチ型二次電池１０は、電極組立体３０と、電極組立体３０から延長された電極タップ４０，５０と、電極タップ４０，５０に溶接された電極リード６０，７０と、前記電極組立体３０を収容する電池ケース２０とを含んで構成されている。

電極組立体３０は、分離膜の介在状態で正極と負極が順次積層された発電素子であり、スタック型またはスタック／フォルディング型構造からなる。電極タップ４０，５０は、電極組立体３０の各極板から延長されている。電極リード６０，７０は、各極板から延長された複数個の電極タップ４０，５０と溶接などによって電気的に連結されており、その一部が電池ケース２０の外部に露出されている。また、電極リード６０，７０の上下面の一部には、電池ケース２０との密封度を高めると同時に、電気的絶縁状態を確保するために絶縁フィルム８０が付着されている。

電池ケース２０は、アルミニウムラミネートシートからなり、電極組立体３０を収容できる空間を提供し、全体的にパウチ形状を有している。図１に示した積層型電極組立体３０の場合、多数の正極タップ４０と多数の負極タップ５０が電極リード６０，７０に結合されるように、電池ケース２０の内部上端が電極組立体３０から離隔されている。

図２は、図１の二次電池において、正極タップが密集形態で結合されて正極リードに連結された電池ケースの内部上端を示した部分拡大図で、図３は、図１の二次電池の組立て状態を示した正面透視図である。

これら図面に示すように、電極組立体３０の正極集電体４１から延長されて突出した多数の正極タップ４０は、溶接などによって一体に結合された溶着部の形態で正極リード６０に連結される。この正極リード６０は、正極タップ４０の溶着部が連結された対向端部６１の露出状態で電池ケース２０によって密封される。多数の正極タップ４０が一体に結合されて溶着部を形成することで、電池ケース２０の内部上端は、電極組立体３０の上端面から所定の距離だけ離隔されており、正極タップ４０の溶着部は、略Ｖ字状に折り曲げられている。

しかしながら、二次電池の適用分野が多様化するにつれて、使用するデバイスによって電極端子の位置を相違にする電池セルが要求されることもある。既存の二次電池において電極端子の位置を変化させる場合、電極組立体を構成する、各電極板から延長された電極タップの位置を変更すべきであるため、デバイスの仕様によって応用範囲に限界が生じる。

一方、電池モジュールの単位電池として二次電池を用いる場合、電池モジュールの安全性問題を一層慎重に考慮しなければならない。一般的に、リチウム二次電池は、リチウムイオンが負極において吸蔵及び放出される過程で相対的に大きい体積変化を経るようになる。すなわち、リチウム二次電池は、反復的な充放電過程で膨張及び収縮を繰り返すようになるが、この膨張及び収縮過程で内部抵抗が増加することで、電池の性能が大いに減少する。また、過度な膨張によって電池ケースが分離されることで、電解液が漏れて火災または爆発をもたらす憂いがある。さらに、一部の電池セルから誘発された発火または爆発は、他の電池セルにも連続的に伝達されて深刻な状態を招くことになる。

したがって、電極端子の自由な位置調節が可能であり、電池の安全性を向上させた新しい構造の二次電池に対し、その必要性が高まりつつある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点及び技術的課題を解決することを目的とする。

本発明者たちは、深度ある研究及び多様な実験を繰り広げた結果、ＰＴＣ素子、バイメタル、熱フューズなどを含む特定形状の安全部材を電池セルの電極端子に装着することで、電極端子の位置を自由に調節できるとともに、高温安全性が著しく向上した二次電池を提供できることを確認し、本発明を完成するに至った。

上記のような目的を達成するための本発明に係る二次電池は、安全素子の一側に水平接続端子（ａ）を連結し、他側に垂直接続端子（ｂ）を連結した部材（‘安全接続部材’）を、正極／分離膜／負極構造の電極組立体が電池ケースに密封された電池セルの電極端子に連結することで、前記安全接続部材によって電池セルの外部入出力端子を可変的に形成することを特徴とする。

すなわち、前記安全接続部材の水平接続端子（ａ）の端部は、二次電池の正極または負極の電極端子と接続され、垂直接続端子（ｂ）の端部は、外部回路と電気的に接続される。したがって、電極端子の位置は、前記安全接続部材の水平長さだけ右側または左側に移動できるようになる。

前記安全接続部材の安全素子は、電池の安全性を確保できる素子であれば特別に制限されないが、ＰＴＣ素子（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）、バイメタル及び熱フューズからなる群から選択される一つまたはそれ以上であることが好ましく、熱フューズであることが一層好ましい。二次電池に対して過充電及び過放電が起こると、内部抵抗の増加によって電池の性能が大いに減少するとともに、充放電過程で発生した熱によって電池セルの発火及び爆発をもたらす憂いもある。本発明の一つの実施例によって、電池セルの電極端子の一側に熱フューズを含む安全接続部材を装着することで、定格容量を超える電流が流れると、発生した熱によって熱フューズが溶けて切れるように構成し、電池セルに対する高温安全性を画期的に向上させることができる。

前記安全接続部材の接続端子によって、本発明による安全素子と電池セルの電極端子とが電気的に連結される。したがって、前記安全接続部材の接続端子は、導電性の金属プレートであるか、電極端子との接合部分における電気抵抗による発熱現象を最小化するために、電極端子と同一材質の金属プレートであることが好ましい。

前記安全接続部材の一側端部は、電池セルの電極端子と連結され、反対側端部は、外部回路と連結される。外部回路との連結を容易にするために、両側端部に接続端子が突出した安全素子の一側には、接続端子の垂直方向に金属プレートが連結される。前記垂直方向に連結された金属プレートは、電池セルの外部入出力端子としての役割をする。

前記電池ケースは、電池モジュールを構成するために積層されたとき、全体大きさを最小化できるように、薄い厚さ、相対的に大きい幅及び長さを有する二次電池ケースである。その好ましい例としては、電極組立体が内蔵されており、上下両端部または一側端部に電極端子が突出した構造の樹脂層及び金属層を含むラミネートシートの電池ケースを挙げることができ、具体的には、電極組立体が内蔵されたアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースである。

本発明において、前記電極組立体は、多数の電極タップが連結されて正極と負極を構成する構造であれば特別に制限されないが、スタック型構造及びスタック／フォルディング型構造であることが好ましい。スタック／フォルディング型構造の電極組立体に対する詳細な内容は、本出願人の韓国特許出願公開第２００１―００８２０５８号、第２００１―００８２０５９号及び第２００１―００８２０６０号に開示されており、上記の出願は、本発明の内容に参照として組み込まれる。

前記電極組立体は、分離膜の介在状態で正極と負極が順次積層された発電素子であり、スタック型またはスタック／フォルディング型構造からなる。すなわち、前記電極組立体から突出した多数の電極タップが電極リードに電気的に連結され、電極リードの一側端部が電池ケースの外部に露出されて電池セルの電極端子を形成する構造である。正極と負極タップは、それぞれ一つの電極リードに連結された構造であることが好ましい。

前記安全接続部材は、電池セルの電極端子の両側または何れか一つの電極端子に連結される構造であり、電池セルの電極端子のうち何れか一つの電極端子に連結される構造であることが好ましく、特に、正極端子に連結される構造であることが一層好ましい。

前記電池セルの形態は、特別に制限されなく、電池セルの電極端子は、同一方向または互いに異なる方向に形成された構造であり、本発明による安全接続部材は、電池セルの電極端子の位置と関係なしに装着可能である。

本発明の一つの好ましい例として、前記電池セルは、パウチ型電池ケースの電池セルであり、
（i）前記安全接続部材の垂直接続端子（ｂ）が電池セルの下方に向かうように、安全接続部材の水平接続端子（ａ）を電池セルの電極リード（Ａ）に連結し、
（ii）前記安全接続部材が１８０度回転するように電極リード（Ａ）を下方に折り曲げ、
（iii）パウチ型電池ケースのシーリング部を垂直に折り曲げて電極組立体収納部の外面に密着させ、
（iv）前記垂直接続端子（ｂ）を上方に垂直に折り曲げて外部入出力端子を形成する構造である。

本発明は、多様な形態及び種類の電池に活用可能であり、前記電池は、電極組立体にリチウム含有電解液を含浸させて製造されるリチウム二次電池に好ましく適用される。

また、本発明は、前記二次電池に装着される安全部材を提供する。

上記のような安全接続部材は、正極／分離膜／負極構造の電極組立体が電池ケースに密封された電池セルの電極端子に連結され、電池セルの外部入出力端子を形成する部材であり、安全素子の一側に水平接続端子（ａ）が連結され、他側に垂直接続端子（ｂ）が連結された安全接続部材は、それ自体が新規のデバイスである。

本発明に係る安全部材は、水平接続端子（ａ）と垂直接続端子（ｂ）との間の距離調節及び／またはそれらの形態変形によって、電池セルの電極端子の位置を所望の位置に変えることができる。

また、前記二次電池は、大容量の中大型電池モジュールまたは電池パックの製造に好ましく使用され、前記大容量の範囲は、特別に限定されない。

したがって、本発明は、単位電池として前記二次電池を多数個含む中大型電池モジュール、及びその中大型電池モジュールを一つ以上含む高出力・大容量の中大型電池パックを提供する。

本発明に係る中大型電池パックは、それを構成する一部または全ての単位電池に安全素子がそれぞれ付着されるので、電池パック全体の安全性を大いに向上させることができる。

本発明に係る二次電池によると、ＰＴＣ素子、バイメタル、熱フューズなどを含む特定形状の安全部材を電池セルの電極端子に装着することで、電極端子の位置を自由に調節できるとともに、著しく向上した高温安全性を提供できるという効果がある。

以下、本発明の実施例を添付の図面に基づいて説明するが、この実施例は、本発明を一層容易に理解するためのものに過ぎなく、本発明の範疇がこれによって限定されることはない。

図４及び図５は、本発明の一つの実施例に係る接続安全部材を示した正面図である。

まず、図４に示すように、安全接続部材１００は、安全素子としての熱フューズ１１０と、熱フューズ１１０の両側端部にそれぞれ連結された２個の接続端子１３０と、これら接続端子１３０のうち一つの一側面に垂直方向に結合された金属プレート１４０とから構成されている。

熱フューズ１１０は、絶縁フィルム１２０で被覆されて電池セルとの短絡を防止することができ、熱フューズ１１０の両側に連結されるニッケル素材の接続端子１３０のうち一側端部は電池セル（図示せず）の電極端子と接続され、対向側端部は垂直方向の金属プレート１４０と接続される。接続端子１３０と金属プレート１４０は、超音波溶接またはスポット溶接などで結合される。垂直方向の金属プレート１４０は、後述するように、電池セルの外部入出力端子としての役割をする。

図５は、本発明の他の実施例に係る接続安全部材を示した正面図である。図５に示すように、接続安全部材２００は、上述した本発明の一実施例と同様に、絶縁フィルム２２０で被覆された熱フューズ２１０の両側端部に接続端子２３０，２４０が連結されている。ただし、一側の接続端子２４０が
状に折り曲げられるので、別途の金属プレートを装着する必要がない。

図６〜図８は、本発明の一つの実施例に係る安全接続部材と電池セルとの結合過程を示した正面図で、図９は、結合完了状態を示した正面図である。

まず、図６に示すように、安全接続部材１００の垂直接続端子１４０が電池セル３００の下方に向かい、安全接続部材１００の水平接続端子１３０が電池セル３００の正極リード３１０に連結されるように、安全接続部材１００を電池セル３００の上端シーリング部３３０に結合する。このとき、安全接続部材１００の一側接続端子１３０と電池セル３００の正極リード３１０との結合部３６０は、超音波溶接またはスポット溶接などによって形成される。その後、安全接続部材１００と電池セル３００との間の結束力を高めて短絡を防止するために、電池セル３００の上端シーリング部３３０に絶縁テープ３４０を付着する。理解の便宜上、図６では絶縁テープ３４０を部分的に示したが、絶縁テープ３４０は、上端シーリング部３３０の相当部分を覆うように付着することもできる。

次に、図７及び図８に示すように、安全接続部材１００が１８０度回転するように正極リード３１０（図６を参照）を下方に折り曲げ、安全接続部材１００を電極組立体収納部の外面に密着させる。このとき、前記密着部位の外面に再び絶縁テープ３５０を付着することもできる。場合によっては、図６の過程で絶縁テープ３４０を付着せずに、図７の過程のみで絶縁テープ３５０を付着することもできる。また、絶縁テープ３４０，３５０は、図７に示すように、上端シーリング部３３０と電池セル３００の上端一部を覆うように付着することもできる。

本発明によって電池セルの上端に安全接続部材が装着された形状は、図９によって確認することができ、安全接続部材の装着によって電池セルの正極リードが元の位置から所望の位置（例えば、電池セルの上端中央部）に移動し、安全素子の装着によって高温安全性が著しく向上する効果を得られる。

図１０〜図１２は、本発明の他の実施例によって安全接続部材が電池セルに装着される一連の過程を示した正面図である。

まず、図１０は、電極リード４１０，４２０が上下両端に形成された電池セル４００に、本発明の一つの実施例に係る安全接続部材２００が装着される過程を示している。

安全接続部材２００の垂直接続端子２４０が電池セル４００の下方に向かい、安全接続部材２００の水平接続端子２３０が電池セル４００上端の正極リード４１０に連結されるように、超音波溶接またはスポット溶接によって電池セル４００の上端シーリング部４３０に安全接続部材２００を結合させる。

その次に、図１１及び図１２に示すように、安全接続部材２００が１８０度回転するように正極リード４１０を下方に折り曲げ、電池セル４００の上端シーリング部４３０に安全接続部材２００を密着させる。

その次に、安全接続部材２００が密着された上端シーリング部３４０を含む電池ケースのシーリング部位をそれぞれ垂直に折り曲げ、安全接続部材２００を電極組立体収納部の外面に完全に密着させる。

最後に、安全接続部材２００の垂直接続端子２４０を、電池セル４００に対して上方に折り曲げ、電池セル４００下端の負極リード４２０を下方に折り曲げる。図１２は、電池セル４００に安全接続部材２００が装着された最終形状を示している。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて説明してきたが、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、上記の内容に基づいて本発明の範疇内で多様に応用及び変形可能であろう。

従来のパウチ型二次電池の一般的な構造を示した分解斜視図である。 図１の二次電池において、正極タップが密集形態で結合されて正極リードに連結された電池ケースの内部上端を示した部分拡大図である。 図１の二次電池の組立て状態を示した正面透視図である。 本発明の一つの実施例による安全接続部材を示した正面図である。 本発明の一つの実施例による安全接続部材を示した正面図である。 本発明の一つの実施例による安全接続部材が電池セルに装着される過程を示した正面図である。 本発明の一つの実施例による安全接続部材が電池セルに装着される過程を示した正面図である。 本発明の一つの実施例による安全接続部材が電池セルに装着される過程を示した正面図である。 本発明による安全接続部材が電池セルに装着された状態を示した正面図である。 本発明の他の実施例による安全接続部材が電池セルに装着される過程を示した正面図である。 本発明の他の実施例による安全接続部材が電池セルに装着される過程を示した正面図である。 本発明の他の実施例による安全接続部材が電池セルに装着される過程を示した正面図である。

符号の説明

１００ 接続部材
３００ 電池セル
３１０，３２０ 電極リード
３３０ 上端シーリング部
３４０ 絶縁テープ
３６０ 結合部

Claims (15)

1. 安全素子の一側に水平接続端子（ａ）を連結し、他側に垂直接続端子（ｂ）を連結した部材（‘安全接続部材’）を、正極／分離膜／負極構造の電極組立体が電池ケースに密封された電池セルの電極端子に連結することで、前記安全接続部材によって電池セルの外部入出力端子を可変的に形成するものであり、
   前記電池セルが、パウチ型電池ケースの電池セルであり、
   （ｉ）前記安全接続部材の垂直接続端子（ｂ）が前記電池セルの下方に向かうように、前記安全接続部材の水平接続端子（ａ）を前記電池セルの電極リード（Ａ）に連結し、
   （ii）前記安全接続部材が１８０度回転するように、前記電極リード（Ａ）を下方に折り曲げ、
   （iii）パウチ型電池ケースのシーリング部を垂直に折り曲げて電極組立体収納部の外面に密着させ、
   （iv）前記垂直接続端子（ｂ）を上方に垂直に折り曲げて外部入出力端子を形成してなるものである、二次電池。
2. 前記安全接続部材の安全素子が、ＰＴＣ素子、バイメタル及び熱フューズからなる群から選択される一つまたは二以上のものである、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記安全接続部材の安全素子が、熱フューズである、請求項２に記載の二次電池。
4. 前記安全接続部材の接続端子が、金属プレートである、請求項１に記載の二次電池。
5. 前記安全接続部材が、両側端部に接続端子が突出した安全素子の一側接続端子に、その垂直方向に金属プレートを連結した構造からなるものである、請求項１に記載の二次電池。
6. 前記電池ケースは、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートのパウチ型ケースである、請求項１に記載の二次電池。
7. 前記電極組立体が、スタック型またはスタック／フォルディング型電極組立体である、請求項１に記載の二次電池。
8. 前記電極組立体から突出した多数の電極タップを一つの電極リードに連結することで、電池セルの電極端子を形成するものである、請求項７に記載の二次電池。
9. 前記安全接続部材が、電池セルの電極端子のうち一つの電極端子に連結されてなる、請求項１に記載の二次電池。
10. 前記安全接続部材が、正極端子に連結されてなる、請求項１に記載の二次電池。
11. 前記電池セルの電極端子は、同一方向または互いに異なる方向に形成されてなる、請求項１に記載の二次電池。
12. 前記安全接続部材の水平接続端子（ａ）を、電池セルの幅方向と平行になるように前記電池セルの電極端子に連結することで、垂直接続端子（ｂ）が電池セルの高さ方向に突出してなるものである、請求項１に記載の二次電池。
13. 前記二次電池が、リチウム二次電池である、請求項１に記載の二次電池。
14. 請求項１〜１３の何れか一項に記載の二次電池を単位電池として備えてなる、高出力・大容量の中大型電池パック。
15. 請求項１〜１３の何れか一項に記載の二次電池用の安全接続部材であって、
    正極／分離膜／負極構造の電極組立体が電池ケースに密封された電池セルの電極端子に連結し、電池セルの外部入出力端子を形成する部材であり、安全素子の一側に水平接続端子（ａ）が連結され、他側に垂直接続端子（ｂ）が連結されるものである、安全接続部材。