JP2004119383A - リチウムイオン電池の電極組立体及びこれを利用したリチウムイオン電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】リチウムイオン電池用電極組立体とこれを利用したリチウムイオン電池とを提供する。
【解決手段】正極板、セパレータ及び負極板が巻き取られた電池部と、前記正極板と電気的に連結されて前記正極板から引き出された正極リードと、前記負極板と電気的に連結され、前記負極板から引き出されて断面積が隣接部分より狭くなることにより過電流が流れる場合に断線される電流遮断部を有する負極リードとを備えたリチウムイオン電池用電極組立体及びこれを利用したリチウムイオン電池による。
【選択図】図３
【解決手段】正極板、セパレータ及び負極板が巻き取られた電池部と、前記正極板と電気的に連結されて前記正極板から引き出された正極リードと、前記負極板と電気的に連結され、前記負極板から引き出されて断面積が隣接部分より狭くなることにより過電流が流れる場合に断線される電流遮断部を有する負極リードとを備えたリチウムイオン電池用電極組立体及びこれを利用したリチウムイオン電池による。
【選択図】図３
Description
本発明はリチウムイオン電池用電極組立体とこれを利用したリチウムイオン電池に係り、さらに詳細には過電流に対応した電流遮断手段が改善されたリチウムイオン電池用電極組立体とこれを利用したリチウムイオン電池に関する。
一般的に、充放電の可能な二次電池は携帯電話、ノート型パソコン、カムコーダなど携帯用電子機器の開発で活発な研究が進行中である。このような二次電池としては、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル・メタルハイドライド電池、ニッケル水素電池、リチウム二次電池などを挙げられる。このうち、リチウム二次電池は作動電圧が３．６Ｖであり、携帯用電子機器の電源として多用されているニッケル・カドミウム電池や、ニッケル・メタルハイドライド電池に比べて３倍も優秀であり、単位重量当たりエネルギー密度の特性にもすぐれ、その使用が急速に広まっている。
リチウム二次電池は、電解液の種類により液体電解質電池と、高分子電解質電池とに分類されうる。一般的には、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。
リチウム二次電池は多様な形態に製造が可能であるが、代表的な形状としてはリチウムイオン電池に主に使われる円筒形及び角形を挙げられる。また最近のリチウムポリマー電池は柔軟性を有したパウチ型に製造される。
しかし、リチウム二次電池は安全性においてさまざまな問題点を露呈しており、リチウムイオン電池の場合、正極にリチウム系酸化物、負極にカーボン系素材、電解液に有機溶媒電解質を使用するが、電池が過充電される場合には正極から電解液の分解が発生し、負極からリチウム金属が析出されうる。それにより、電池の特性が劣化され、発熱や発火の心配がある。その上、過充電時に電気化学的反応が同時多発的に発熱反応を起こし、負極のＳＥＩ（Ｓｏｌｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）膜が分解されてガスを噴出する。このように噴出したガスにより電池が膨脹し、これと同時に電池の内部がだんだんと不安定な状態に進むにつれ、結局は電池の破裂ないし爆発に至り得る。
このような問題点を解決するためにさまざまな方案が提案されているが、そのうちの一つが過電流が流れる場合に電流を遮断できる電流遮断機を設けることである。
図１は従来公知である角形リチウムイオン電池の全体的な構造を示している。
図面を参照すれば、リチウムイオン電池１０は正極とセパレータ及び負極が共に巻き取られた電池部１１が正極と接続されたカン１２に受納され、そのカン１２の上部にキャップアセンブリ１３が設けられて溶接により密封される構造よりなる。電池部１１の上下面にはキャップアセンブリ１３及びカン１２との接触を防止するためにそれぞれ絶縁板１４が設けられる。
キャップアセンブリ１３はカン１２の上部に溶接される正極プレート１５とその中心に配される負極プレート１６とを含み、正極プレート１５と負極プレート１６間に絶縁板１７が設けられ、正極プレート１５の中心を貫通して結合されるリベット１８が電池部１１の負極とリード１９とに連結されて電気的に接続された構造よりなる。リベット１８は別途のガスケット２１を介在させて正極プレート１５と絶縁される。
このように構成されたリチウムイオン電池は、正極プレート１５に形成された電解液注入口２２を通じて非水溶液系電解液が注入された後、その電解液注入口２２にプラグを挿入して溶接することにより密封される。
また、リチウムイオン電池は内圧の異常上昇による爆発を防止するために、キャップアセンブリ１３の正極プレート１５に機械的な方法やエッチング及び電気鋳型法で一定の溝を形成した安全ベント２３を設ける。
このようなリチウムイオン電池は導電性物体により外部からショートされる場合、過電流が流れ、それにより熱暴走現象が発生して爆発の危険性があるので、これを解消するために図２に示されたように、カン２４の底面に電流制限器２５を設けて爆発に対する安全性を確保している。電流制限器２５は電池が発熱すればその熱により通電性が急激に低下することにより、電池の爆発を防止する。しかし、前記の電流制限器２５はキャップアセンブリがカンの上部にクリンピングされる円筒形二次電池である場合、圧着による方法で電池の内部に容易に設けられうるが、キャップアセンブリとキャップとがレーザ溶接される角形二次電池である場合には図２に示されたように、電池の外部に設けられざるをえない。
この時、角形二次電池は単電池状態で見ればセルと別途に他の部品が追加されねばならないために、結果的に電池の総高さに対して電流制限器２５に該当する高さだけ有効高さが低くなる問題点がある。それにより、従来の角形二次電池は過電流に対する安全性が確保される代わりに容量が減らざるを得ない。また、電流制限器が電池の外部に露出して構造的に不安定になる問題点がある。そして、このような電流制限器の付着には別途の工程、すなわち電流制限器をキャップアセンブリなどに溶接する工程が必要であり、キャップアセンブリ補助体などが要求されるなど生産性を悪化させうる。
特許文献１には電流制限器を陥没して形成された負極プレートを利用して設けることにより電池の容量を減らさずに電流制限器を利用する発明を開示しているが、これもまた電流制限器を設ける別途の工程が生じるという点において前記の問題を内包しているといえる。
韓国特許公開１９９９−８４５９４号公報
本発明は前記問題点を解決するために創出されたものであり、本発明がなそうとする技術的課題は、電池の電流遮断手段を改善して安全性が保持されつつも容量を増やせるリチウムイオン電池用電極組立体とこれを利用したリチウムイオン電池を提供するところにその目的がある。
前記のような技術的課題を達成するために、本発明のリチウムイオン電池の電極組立体は、正極板、セパレータ及び負極板が巻き取られた電池部と、前記正極板と電気的に連結されて前記正極板から引き出された正極リードと、前記負極板と電気的に連結され、前記負極板から引き出されて過電流が流れる場合に断線される電流遮断部を有する負極リードとを備える。
前記電極組立体の前記負極リードの電流遮断部はその断面積が狭くなるように形成でき、その短辺部または長辺部または両者共にノッチを形成することにより断面積を狭くでき、前記電流遮断部の断面積は隣接した部分の０．２〜０．９倍とすることが望ましい。
本発明の前記負極リードは銅またはニッケルより形成できる。
また本発明のリチウム二次電池は、正極板、セパレータ及び負極板が巻き取られた電池部と、前記正極板と電気的に連結され、前記正極板から引き出された正極リードと、前記負極板と電気的に連結され、前記負極板から引き出されて過電流が流れる場合に断線される電流遮断部を有する負極リードを備えた電極組立体と、前記電極組立体を収容するカンと、前記カンの上側端部に溶接されて前記電極組立体の負極リードと電気的に連結される負極端子を含むキャッププレートとを備える。
また、本発明の前記カンは円筒形や角形とできる。
本発明のリチウムイオン電池の電極組立体及びこれを利用したパウチ型電池は、低粘度のテープを使用して電極組立体を形成することにより電池の膨脹時のひねり現象を防止し、性能と寿命とを改善してさらに信頼性あるリチウムイオン電池を提供できる。
以下、添付された図面を参照して本発明による望ましい実施例を詳細に説明する。
図３には本発明による角形２次電池の電極組立体の一実施例の斜視図が示されている。
図面を参照すれば、電極組立体３０は正極板３１、セパレータ３２及び負極板３３が順に巻き取られた電池部３４と、前記正極板３１と電気的に連結され、前記正極板３１から引き出された正極リード３５と、前記負極板３２と電気的に連結され、前記負極板３３から引き出された負極リード３６とを備え、前記負極リード３６には過電流が流れる場合に断線されうるように電流遮断部３６ａが設けられている。このような電流遮断部３６ａは隣接した部位に比べて狭くなった断面積を有することにより過度な電流が流れる場合に抵抗の役割を果たして発熱し、それにより部分的な溶融が発生して断線を誘導することにより過度な電流を遮断する。
図４には本発明による電極組立体に使われる電池部のゼリーロールを分解して示した電池部と電極リードの分解斜視図が示されている。
図３と図４とを参照すれば、前記正極板３１はストリップ状の金属薄板からなる正極集電体３１ａと、前記正極集電体３１ａの少なくとも一面に塗布される正極活物質層３１ｂとを備える。前記正極集電体３１ａは導電性にすぐれた金属薄板であるアルミニウム薄板が望ましく、前記正極活物質層にはリチウム系酸化物にバインダ、可塑剤、導電材などが混合された組成物が適当である。前記正極板３１には正極無地部３１ｃに正極リード３５が付着されており、前記正極リード３５の端部側の外面には所定幅の保護テープ３５ａが覆いかぶされている。
前記負極板３３はストリップ状の金属薄板からなる負極集電体３３ａと、前記負極集電体３３ａの少なくとも一面にコーティングされる負極活物質層３３ｂとを備える。前記負極集電体３３ａは優秀な導電性を有する銅薄板が望ましく、前記負極活物質層３３ｂとしては炭素材のような負極活物質にバインダ、可塑剤、導電材などが混合された組成物である。前記負極板３３には負極無地部３３ｃに負極リード３６が付着されており、前記負極リード３６にも正極リード３５と同様に保護テープ３５ａが覆いかぶされている。
前記正極及び負極リード３５，３６は正極及び負極無地部３１ｃ、３３ｃの表面に電気的に連結されており、このために前記正極及び負極無地部３１ｃ、３３ｃに対してレーザ溶接や超音波溶接のような溶接や、導電性接着剤により通電可能に付着されている。
上記の通りに構成された正極板３１、セパレータ３２、負極板３３はゼリーロール状に巻き取られた電池部３４を構成する。
図５Ａには図３のＡ部分の拡大図が示されている。
図面を参照すれば、負極リード３６の電流遮断部３６ａはその断面積を狭めて過電流が流れる場合に抵抗の上昇で断線させるが、本実施例では断面積狭小のためにその断面の短辺部にノッチを形成している。
図５Ｂに示された負極リード３６は前記電流遮断部３６ａの他の実施例として断面の長辺部にノッチを形成して断面積を狭めている。
図５Ｃには負極リード３６の断面の長短辺部にノッチを同時に形成して断面積が狭まった電流遮断部３６ａを形成した実施例を示している。
図５Ｄには電流遮断部３６ａにノッチを形成せずに一定の長さに該当する部分の幅を短くすることにより断面積を狭めた実施例を示している。
図５Ｅには電流遮断部３６ａの厚さを他の部分より薄く形成することにより断面積を狭めた実施例を示している。
図５Ｆには電流遮断部３６ａに孔３６ｂを形成してその断面積を狭めた実施例を示している。孔３６ｂのサイズや形状は負極リード３６の構造的な強度を害さない範囲で決まるものである。
前記負極リード３６に電流遮断部３６ａを形成するためにその断面積の狭小は前述した実施例の他にも多様な方法により行われうる。また、電流遮断部３６ａの断面積を過度に狭める場合は構造的な問題が発生し、断面積の狭小が不十分ならば過電流時の断線という所定の目的を達成できない。従って、これは隣接した部位断面積の０．２〜０．９倍に形成することが望ましく、これは電池の容量と材料の特性などを勘案して決定されうる。
前述の電流遮断部３６ａは断面積の狭小による抵抗の増大による断線を誘導するものであり、このような役割をよく行える材料を選択することが重要であるが、この材料は銅またはニッケルまたはそれらの合金とすることが望ましい。
図６Ａと図６Ｂとには本発明によるリチウムイオン電池の一実施例として角形のカンを有するリチウムイオン電池の断面図と分解斜視図とが示されている。
図面を参照すれば、前記リチウム二次電池６０はカン６１と、前記カン６１の内部に収容される電池部６２と、前記カン６１の上部に結合されるキャップアセンブリ６３とを含む。
前記カン６１はその内部に中空の形成された角形の金属材であり、それ自体が端子の役割を果たせる。前記カン６１の底面には二次電池６０の異常の有無により内圧上昇時に他の部位よりまず破断される安全ベント６９が設けられている。前記安全ベント６９は前記カン６１の底面に形成された通孔をカバーするように前記カン６１より薄い薄板型のプレートである。
前記カン６１の内部に収容される電池部６２は正極板６２ａと、負極板６２ｃと、セパレータ６２ｂとを含んでいる。前記正極及び負極板６２ａ，６２ｃと、セパレータ６２ｂとはそれぞれ一枚のストリップからなっており、正極板６２ａ、セパレータ６２ｂ、負極板６２ｃの順で配されてゼリーロール状に巻き取られている。前記セパレータ６２ｂは前記正極及び負極板６２ａ，６２ｃの絶縁のために複数配されている。
前記正極板６２ａは薄板のアルミニウムホイルからなる正極集電体と、その両面にリチウム系酸化物を主成分とする正極活物質がコーティングされている。前記正極板６２ａからは正極集電体の電極無地部の正極活物質層がコーティングされていない領域に正極リード６４が溶接されている。前記正極リード６４の一部は前記電池部６４の上方に引き出されている。
図面を参照すれば、前記リチウム二次電池６０はカン６１と、前記カン６１の内部に収容される電池部６２と、前記カン６１の上部に結合されるキャップ組立体６３とを含む。前記負極板６２ｃは薄板の銅ホイルからなる負極集電体と、その両面に炭素材を主成分とする負極活物質層がコーティングされている。前記負極板６２ｃからも負極集電体の電極無地部に負極リード６５が溶接されており、前記負極リード６５の一定の部分には前述した電流遮断部６５ａが設けられる。
この時、前記正極及び負極リード６４，６５は極性を異ならせて配され、正極及び負極リード６４，６５が電池部６２から引き出される部分には極板６２ａ，６２ｃ間の短絡を防止するために絶縁テープ６７が覆いかぶされている。
前記セパレータ６２ｂはポリエチレンとポリプロピレンとの複合フィルムからなっている。前記セパレータ６２ｂは、前記正極板６２ａと負極板６２ｃとより幅を広く形成することが極板６２ａ，６２ｃの短絡を防止するのに有利であるといえる。
前記カン６１の上部に結合されるキャップ組立体６３にはキャッププレート６３ａが設けられている。前記キャッププレート６３ａは前記カン６１の入口と対応するサイズと形状とを有する平板型の金属材である。前記キャッププレート６３ａの中央には所定サイズの端子通孔６３ｈが形成されている。また、前記キャッププレート６３ａの一側には電解液注入孔６３ｆが形成されている。前記電解液注入孔６３ｆにはボール６３ｇが密閉可能に結合されている。
前記端子通孔６３ｈには一つの電極端子、例えば負極端子６３ｃが挿入可能なように位置している。前記負極端子６３ｃの外面にはこれとキャッププレート６３ａとの絶縁のためにチューブ状のガスケット６３ｂが設けられている。前記キャッププレート６３ａの下面には絶縁プレート６３ｄが設けられている。前記絶縁プレート６３ｄの下面には端子プレート６３ｅが設けられている。
前記負極端子６３ｃはガスケット６３ｂが外周面を覆いかぶせた状態で前記端子通孔６３ｈを介して挿入されている。前記負極端子６３ｃの底面部はカン６１とキャッププレート６３ａとが結合されるキャッププレート６３ａの下方に露出され、前記絶縁プレート６３ｄと端子プレート６３ｅとが介在された状態で前記キャッププレート６３ａに対してその位置が固定される。前記負極端子６３ｃの底面部は端子プレート６３ｅと電気的に連結されている。
ここで、前記電池部６２の上部には前記電池部６２とキャップ組立体６３との電気的絶縁のためであると同時に、電解液注入孔６３ｆを通じて注入される電解液の流動経路を提供する絶縁ケース６６が設けられている。前記絶縁ケース６６は絶縁性を有する素材である高分子樹脂であり、ポリプロピレンからなることが望ましい。
また、前述した構成は円筒形のカンを有するリチウムイオン電池にも適用されることはもちろんである。
本発明は図面に示された実施例を参考に説明されたがこれは例示に過ぎず、当分野で当業者ならばこれから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であることを理解できるであろう。よって、本発明の真の保護範囲は特許請求の範囲によってのみ決まるものである。
本発明はさらに安全で高性能のリチウム二次電池の実現に効果的に適用され、かかるリチウム二次電池は携帯電話、コート型パソコン、カムコーダなどの携帯用電子機器における幅広い利用が可能である。
３０ 電極組立体
３１ 正極板
３２ セパレータ
３３ 負極板
３４ 電池部
３５ 正極リード
３６ 負極リード
３６ａ 電流遮断部
３１ 正極板
３２ セパレータ
３３ 負極板
３４ 電池部
３５ 正極リード
３６ 負極リード
３６ａ 電流遮断部
Claims (17)
- 正極板、セパレータ及び負極板が巻き取られた電池部と、前記正極板と電気的に連結されて前記正極板から引き出された正極リードと、前記負極板と電気的に連結され、過電流が流れる場合に断線される電流遮断部を有する負極リードとを備えたリチウムイオン電池用電極組立体。
- 前記電流遮断部は前記負極板から引き出されて断面積が隣接部分より狭いことを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン電池用電極組立体。
- 前記負極リードの電流遮断部はその短辺部にノッチを形成することにより断面積が狭くなるように形成されたことを特徴とする請求項２に記載のリチウムイオン電池用電極組立体。
- 前記負極リードの電流遮断部はその長辺部にノッチを形成することにより断面積が狭くなるように形成されたことを特徴とする請求項２に記載のリチウムイオン電池用電極組立体。
- 前記負極リードの電流遮断部は隣接部に比べて薄くすることにより断面積が狭くなるように形成されたことを特徴とする請求項２に記載のリチウムイオン電池用電極組立体。
- 前記負極リードの電流遮断部は孔を有することにより断面積が狭くなるように形成されたことを特徴とする請求項２に記載のリチウムイオン電池用電極組立体。
- 前記電流遮断部の断面積は隣接した部分の０．２〜０．９倍であることを特徴とする請求項２に記載のリチウムイオン電池用電極組立体。
- 前記負極リードは銅からなることを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１項記載のリチウムイオン電池用電極組立体。
- 前記負極リードはニッケルからなることを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１項に記載のリチウムイオン電池用電極組立体。
- 正極板、セパレータ及び負極板が巻き取られた電池部と、前記正極板と電気的に連結され、前記正極板から引き出された正極リードと、前記負極板と電気的に連結され、過電流が流れる場合に断線される電流遮断部を有する負極リードを備えたリチウムイオン電池用電極組立体と、前記リチウムイオン電池用電極組立体を収容するカンと、前記カンの上側端部に溶接されて前記リチウムイオン電池用電極組立体の負極リードと電気的に連結される負極端子とを含むキャッププレートとを備えるリチウムイオン電池。
- 前記カンは円筒形であることを特徴とする請求項１０に記載のリチウムイオン電池。
- 前記カンは角形であることを特徴とする請求項１０に記載のリチウムイオン電池。
- 前記負極リードの電流遮断部は負極板から引き出されて断面積が隣接部分より狭いことを特徴とする請求項１１または１２に記載のリチウムイオン電池。
- 前記負極リードの電流遮断部はその短辺部にノッチを形成することにより断面積が狭くなるように形成されたことを特徴とする請求項１３に記載のリチウムイオン電池。
- 前記負極リードの電流遮断部はその長辺部にノッチを形成することにより断面積が狭くなるように形成されたことを特徴とする請求項１３に記載のリチウムイオン電池。
- 前記負極リードの電流遮断部は隣接部に比べて薄くすることにより断面積が狭くなるように形成されたことを特徴とする請求項１３に記載のリチウムイオン電池。
- 前記負極リードの電流遮断部は孔を有することにより断面積が狭くなるように形成されたことを特徴とする請求項１３に記載のリチウムイオン電池。
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