JP2006012827A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極群から電流集電のために備えられるリードエレメントが電極群に堅固な状態に固定できるようにした二次電池を提供する。
【解決手段】ケース１１と、正極２２、負極２３及び正極と負極の間に介在されたセパレータ２１を含んでケース１１に収納される電極群２０と、ケース１１に結合されてこれを密閉しながら電極群２０と電気的に連結されるキャップ組立体３０と、正極２２と負極２３にそれぞれ電気的に連結される集電板５０、７０とを含み、む。正極２２と負極２３には活物質が無く集電板５０、７０に接触される無地部２２ｂ、２３ｂを有し、無地部２２ｂ、２３ｂは互いに分離された複数個の独立領域を備え、この独立領域が加圧変形された状態で集電板５０、７０に固定される。
【選択図】図１

Description

本発明は二次電池に関し、より詳しくは二次電池内の電極群を構成する電極に関するものである。

二次電池はその用途や電池容量を勘案すれば、一個または比較的少数個の電池セルを一つパッケージに包装して使用する低容量二次電池（以下、「小型電池」という）と、電池セルを数十個集めて、または前記小型電池をさらにまとめて、これらを電池パックとして使用する二次電池（以下、「大型電池」という）に区分することができる。

このうち、小型電池は主に携帯電話、ラップトップコンピュータ及びカムコーダのような小型電子装置の電源として使用され、大型電池は電気自動車やハイブリッド自動車などでモータ駆動用電源として使用されている。

小型電池が一つのセルとして構成される時には主に円筒形や四角形の外形を有して形成されるが、帯状の正極及び負極の間に絶縁体であるセパレータを介在し、これを渦流状に巻いて電極群を形成し、これを円筒形のケース内部に挿入して電池を構成する。

そして、前記正極及び負極には電池作用時に発生する電流を集電するための役割として導電性リードエレメントが各々付着され、このリードエレメントは各々正極及び負極で発生する電流を正極及び負極端子に誘導する。

このように構成される小型電池の構造を大型電池に適用する場合には容量や出力面で大型電池の動作特性を満足させることができないために、複数のタブを電極群の間に付着して使用するマルチタブ構造を有する二次電池が特許文献１で提案された。この二次電池は電極群の一方向に配置される複数のタブを前記電極群に形成し、これらタブを外部端子と連結させて構成される。

しかし、このようなマルチタブ構造は多くの作業工程数が所要される問題点がある。特に、タブ方式の電流集電構造は基本的にこのタブの単位面積が小さいために大型電池で要求する出力特性を満足させない限界がある。

リードエレメントに関する他の例としては板状からなる集電板がある。この集電板は上述したマルチタブに比べて単位面積が広いために集電効率をタブ方式より増大させることができ、ケース内でリードエレメントが占める占有空間をタブ方式より減らすことができるので当該二次電池の単位体積当りエネルギー密度を高められるという長所がある。

しかし、この集電板の場合には電極群との固定状態を堅固にすることができない問題点がある。

つまり、従来の集電板は通常溶接によって電極群に固定されるが、電極群がゼリーロール方式、つまり、上述した正極、負極及びセパレータが渦流状に巻かれて形成され、ここに集電板が溶接で固定される場合には、電極群の中心部位に比べて外郭部位で集電板に対する電極群の接触面積が相対的に小さいため、この部位に対する溶接がよく行われなくて電極群に対する集電板の全体的な固定状態を不安にする。
特開２００３−７３４６号明細書

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電極群から電流集電のために備えられるリードエレメントが電極群に堅固な状態に固定できるようにした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、本発明による二次電池は、ケースと、正極、負極及び前記正極と前記負極との間に介在させたセパレータを含んで前記ケースに収納される電極群と、前記ケースに結合されてこれを密閉しながら前記電極群と電気的に連結されるキャップ組立体と、前記正極と前記負極のうちの少なくともある一つの電極に電気的に連結される集電板と含む。前記電極は活物質無しに前記集電板に接触する無地部を有し、前記無地部は互いに分離された複数の独立領域を備え、この独立領域が加圧変形された状態に前記集電板に固定される。

前記独立領域は前記無地部の長さに沿ってこの無地部の先端が任意の間隔をおいて部分的に切断されることによって形成されている。

前記独立領域の幅は前記電極の長さ方向に沿ってこの電極の一側から他側に向かって行くほど漸進的に広くなったり狭くなることができる。

前記独立領域の幅は前記電極群の外郭部位から中心部位へ行くほど狭くなることができる。

前記無地部は前記独立領域に連結されながら一体に形成される非独立領域を含み、前記独立領域のみ加圧変形されてこの独立領域が前記集電板に固定されても良い。

前記独立領域及び前記非独立領域が全て加圧変形されながら、前記独立領域が前記集電板に固定されても良い。

前記独立領域は前記電極群の中心に向かって加圧変形できる。

前記独立領域は前記無地部の長さに沿ってこの無地部の先端に形成される凸凹部からなることができる。

前記凸部は角形状やラウンド形状に形成することができる。

本発明の実施形態によれば、集電板と電極群との間の接触面積が広くなってこれらの間の接触抵抗を減らすことができ、さらにこれらの固定状態を強化させて集電効率の増大を期待することができる。

したがって、本発明の実施形態による二次電池は、高出力特性を要求するＨＥＶ（ハイブリッド自動車）、ＥＶ（電気自動車）、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有用に使用することができる。

図１は本発明の実施形態による二次電池を示す断面図である。図１を参照して本発明の実施形態による二次電池を説明する。

本実施形態の二次電池は円筒形または六面体形状を有し、一部が開放されたケース１１に、正極２２と負極２３の間に絶縁物質であるセパレータ２１を間に置いて、これを巻取りして形成した電極群２０を挿入し、ガスケット３２を媒介としてケース１１の開放された部分をキャップ組立体３０で密封した形態になる。

ケース１１はアルミニウムやアルミニウム合金またはニッケルがメッキされたスチールなどのような導電性金属材からなり、その形状は本実施形態における前記電極群２０が挿入安着できる空間が形成された円筒形になる。なお、ケース１の形状は必ずしもこれに限定されるものではない。

電極群２０は正極２２と負極２３との間にセパレータ２１を介在し、これを巻き取りして形成される。この時、正極２２と負極２３は活物質のない部位である無地部２２ｂ、２３ｂを各々有し、この正極無地部２２ｂと負極無地部２３ｂには電流集電のための正極集電板５０と負極集電板７０が連結される。ここで、電極群２０については他の図面を見て以下で詳細に説明する。

図１ではケース１１にゼリーロールタイプの電極群２０が位置する場合を例として示しており、以下でもこれを基準に説明するが、本発明の電極群がこのようなタイプに限られるわけではない。

キャップ組立体３０は外部端子３１ａを有するキャッププレート３１と、前記ケース１１と前記キャッププレート３１を絶縁させるガスケット３２を含む。このキャップ組立体３０には内部圧力を緩衝させることができる空間部を有し、設定された圧力で破損してガスを放出することによって電池の爆発を防止する安全弁を有するベントプレート３３をさらに含むことができる。前記安全弁はベントプレート３３に形成されたものに限定されず、設定された圧力下で電極群２０と外部端子３１ａを電気的に断線させることができる構造であればいずれも可能である。

また、前記ガスケット３２は絶縁物質で構成されてケース１１を密封しながら、二次電池における正極を構成するキャップ組立体３０と、負極を構成するケース１１の間を電気的に絶縁させる。

このように構成されたキャップ組立体３０はリード線６０を通じて本発明による電極群２０と電気的に連結される。

次に、本実施形態による電極群２０について説明する。

図２に示すように、電極群２０は正極２２と負極２３がセパレータ２１を間に置いて配置された状態で渦流状に巻取りして形成される。この時、正極２２と負極２３は各々自身の集電体２２１、２３１の当該活物質２２ａ、２３ａを塗布して形成されるが、この集電体２２１、２３１の一側周縁に沿っては活物質が塗布されず、この活物質のない部位が前記無地部２２ｂ、２３ｂになる。

この時、正極無地部２２ｂと負極無地部２３ｂは電極群２０が完成した後、対向する形状に配置され、さらにこれらはセパレータ２１より突き出される形態に配置される。

このように電極群２０を構成した状態において、正極集電板５０を正極無地部２２ｂに接触させ、負極集電板７０を負極無地部２３ｂに接触させた状態で、これらをたとえばレーザー溶接のような方法によって結合させ電気的に連結させる。

この時、各無地部２２ｂ、２３ｂと集電板５０、７０との間の接触抵抗を最少化するために、本実施形態では前記無地部２２ｂ、２３ｂを電極群２０の中心に向かうように曲げて集電板５０、７０と無地部２２ｂ、２３ｂが接触する時に面接触が行われるようにする。

図３は本発明の実施形態による電極群の電極を説明するために示した図面であって、本発明における前記正極２２と負極２３は同じ形状に形成されるので、以下では便宜上正極２２を示して本発明の電極について説明し、負極２３はこの正極２２の説明に準する。

図面に示すように、正極２２の一先端に沿って形成された無地部２２ｂは、その長さ方向に沿って任意の間隔をおいて切断される。つまり、無地部２２ｂの一部分が任意の長さｌを有する切断線２２ｃだけ部分的に切断され、これによって無地部２２ｂは互いに分離されて他の本体を構成する複数個の独立領域２２０ｂと、この独立領域２２０ｂを互いに連結しながら一つの本体からなる非独立領域２２２ｂに区分される。

ここで、独立領域２２０ｂは、正極２２が正極集電板５０と電気的に連結される時、実質的にこの正極集電板５０と独立領域２２０ｂが接触して固定される部位となる。

より具体的に説明すれば、独立領域２２０ｂは電極群２０が完成されて正極２２が正極集電板５０に連結される時、電極群２０の中心に向かって加圧変形されて正極集電板５０に面接触して固定される部分である（図４参照）。

つまり、独立領域２２０ｂはこの実施形態における切断線２２ｃを間に置いて互いに自由自在に動くことができるので、その加圧変形状態を一律的に電極群２０の中心に向かうようにしながら、正極集電板５０に接触面積を広くしてこれと連結できる。なお、独立領域２２０ｂの加圧変形状態で正極集電板５０に固定される部分は、さらにレーザー溶接などされてもよい。

前記独立領域２２０ｂはその幅を正極２２の長さ方向（図３に示す０からはじまる矢印の方向）に沿って漸進的に変化させることができる。この実施形態における独立領域２２０ｂは電極群２０の外郭部位から中心０部位へ行くほど順次に狭くなる幅を有して形成される。

このような独立領域２２０ｂの幅関係は、正極２２がゼリーロールタイプに巻き取られて電極群２０を形成し、独立領域２２０ｂが電極群２０の中心に向かって加圧変形される時、電極群２０の外郭部位に向かって行くほど、電極群２０の円周が順次に大きくなることを考慮すれば、電極群２０の中心部位に配置された独立領域２２０ｂはその幅Ｗ１が狭く、電極群２０の外郭部位に配置された独立領域２２０ｂはその幅Ｗ２が広いために、互いに崩れたり絡み合うことなく良好な状態に加圧変形でき、その結果、正極集電板５０に接触面積を広くすることができる。

したがって、正極２２は上述のような正極無地部２２ｂを通じて正極集電板５０との接触を電気的かつ物理的構成として問題なく良好に行うことができる。

正極無地部２２ｂが正極集電板５０に接触する時、上述したこととは異なって、図５に示すように正極無地部２２ｂの独立領域２２０ｂだけでなく、非独立領域２２２ｂまで加圧変形されて、これら全てが正極集電板５０に接触するようにしてもよい。この場合、正極集電板５０に対する正極無地部２２ｂの接触面積をさらに拡張させることができるので、電流集電効率を向上させることができる。

図６及び図７は本発明による無地部の独立領域の他の実施形態を示す図面である。図６及び図７でも便宜上、正極を例として独立領域の他のパターンを説明するが、負極においても同様である。

図６及び図７に示す実施形態による独立領域２２０ｂ’、２２０ｂ”は無地部２２ｂ’、２２ｂ”の先端に形成される凹部２２４ｂ’、２２４ｂ”と凸部２２６ｂ’、２２６ｂ”によって形成される。すなわち、この他の実施形態における独立領域は凸凹部パターンに形成されている。

つまり、この他の実施形態では無地部２２ｂ’、２２ｂ”上に凹部２２４ｂ’、２２４ｂ”と凸部２２６ｂ’、２２６ｂ”を各々形成し、この凹部２２４ｂ’、２２４ｂ”によって凸部２２６ｂ’、２２６ｂ”が別個の本体からなるようにし、これを独立領域２２０ｂ’、２２０ｂ”として活用する。図６は凸部２２６ｂ’が三角形のような角形状に形成される場合を、図７は凸部２２６ｂ”が半円のようなラウンド形状に形成される場合を示している。

ここで、独立領域２２０ｂ’、２２０ｂ”が有するパターンやその作用は、上述した例のように形成されるので、その詳細な説明を省略する。

以上、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術思想及び特許請求の範囲に記載された範囲内において、各種の変更例または修正例に想致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。

本発明の一実施形態による二次電池の断面図である。 本発明の一実施形態による電極群の形状を分解して示した斜視図である。 本発明の一実施形態による正極を示した図面である。 本発明の一実施形態による電極群に集電板が結合された状態を示した斜視図である。 本発明の変形形態による正極と集電板との結合状態を示した断面図である。 本発明の他の実施形態による正極を示した図面である。 本発明の他の実施形態による正極を示した図面である。

符号の説明

１１…ケース、
２０…電極群、
２１…セパレータ、
２２…正極、
２２ｂ、２２ｂ’、２２ｂ”、２３ｂ…無地部、
２３…負極、
３０…組立体、
３１…キャッププレート、
３１ａ…外部端子、
３２…ガスケット、
５０…正極集電板、
６０…リード線、
７０…負極集電板、
２２０ｂ、２２０ｂ’、２２０ｂ”…独立領域、
２２１、２３１…集電体、
２２２ｂ…非独立領域、
２２４ｂ’、２２４ｂ”…凹部、
２２６ｂ”、２２６ｂ”…凸部、
Ｗ１、Ｗ２”…幅。

Claims (15)

1. ケースと、
   正極、負極及び前記正極と前記負極との間に介在されたセパレータを含んで前記ケースに収納される電極群と、
   前記ケースに結合されてこれを密閉しながら前記電極群と電気的に連結されるキャップ組立体と、
   前記正極と前記負極のうちの少なくともある一つの電極に電気的に連結される集電板と、
   を含み、
   前記電極は活物質無しに前記集電板に接触する無地部を有し、前記無地部は互いに分離された複数個の独立領域を備え、前記独立領域が加圧変形された状態で前記集電板に固定される二次電池。
2. 前記独立領域は前記無地部の長さに沿ってこの無地部の先端が任意の間隔をおいて部分的に切断されることによって形成されている請求項１に記載の二次電池。
3. 前記独立領域の幅は前記電極の長さ方向に沿って、前記電極の一側から他側に向かって行く漸進的に変化している請求項２に記載の二次電池。
4. 前記独立領域の幅は前記電極群の外郭部位から中心部位へ行くほど狭くなっている請求項３に記載の二次電池。
5. 前記無地部は前記独立領域に連結されながら一体に形成される非独立領域を含み、前記独立領域のみ加圧変形されてこの独立領域が前記集電板に固定されている請求項１に記載の二次電池。
6. 前記無地部は前記独立領域に連結されながら一体に形成される非独立領域を含み、
   前記独立領域及び前記非独立領域が全て加圧変形されながら、前記独立領域が前記集電板に固定されている請求項１に記載の二次電池。
7. 前記独立領域が前記電極群の中心に向かって加圧変形されている請求項１に記載の二次電池。
8. 前記独立領域は前記無地部の長さに沿って前記無地部の先端に形成される凸凹部で構成されている、請求項１に記載の二次電池。
9. 前記独立領域の幅は前記電極の長さ方向に沿って、前記電極の一側から他側に向かって漸進的に変化している請求項８に記載の二次電池。
10. 前記独立領域の幅は前記電極群の外郭部位から中心部位へ行くほど狭くなっている請求項９に記載の二次電池。
11. 前記凸部は角形状に形成されている請求項８に記載の二次電池。
12. 前記凸部はラウンド形状に形成されている請求項８に記載の二次電池。
13. 前記電極群はゼリーロール形態に形成されている請求項１に記載の二次電池。
14. 前記二次電池は円筒形である請求項１に記載の二次電池。
15. 前記二次電池はモータ駆動用である請求項１に記載の二次電池。