JP2006120634A - リチウム二次電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、電極組立体から発生するガスが円滑に排出することができるようにして電池の安全性を向上させたリチウム二次電池を提供するためのものである。
【解決手段】本発明は、第1電極、第2電極、及びその間に介されたセパレータが共に巻取られた電極組立体と、前記電極組立体の上部に位置し電解液注入孔(188)または電極タブ引出口(187)のいずれか、または、双方と共に少なくとも1つのホール(190a)が形成されている絶縁ケース(179)と、前記電極組立体と絶縁ケース(179)が受容される缶とを含むリチウム二次電池。
【選択図】図2a

Description

本発明は、リチウム二次電池に係り、より詳しくは、電池の内部から発生するガスをより容易に放出させて電池の安定性を向上させることができるリチウム二次電池に関する。
近年、携帯用電子機器の小型化及び軽量化が急速に進展するにつれて、これらの駆動電源として使われる電池の小型化及び高容量化に対する必要性が増している。特に、リチウム二次電池は、作動電圧が3.6V以上であり、携帯用電子機器の電源として大量に用いられるニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池に比べ、約3倍も高い作動電圧を有する。さらに、単位重量当たりエネルギー密度が高いという利点もあり、急速に普及しつつある。
リチウム二次電池は、リチウムイオンが正極及び負極で挿入(intercalation)/脱離(deintercalation)される際の酸化、還元反応によって電気エネルギーを生成する。リチウム二次電池はリチウムイオンの可逆的な挿入/脱離可能な物質を正極と負極の活物質として使用し、前記正極と負極との間に有機電解液またはポリマー電解液を充填させて製造する。
リチウム二次電池の正極活物質としては、リチウムコバルト酸化物(LiCoO)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO)、リチウムマンガン酸化物(LiMnO)などのリチウム含有金属酸化物を使用し、リチウム二次電池の負極活物質としては、リチウム金属、またはリチウム合金を使用する。しかしながら、リチウム金属を使用する場合には、樹状突起(dendrite)の形成による電池の短絡により爆発の危険性があるため、リチウム金属の代わりに非晶質炭素または結晶質炭素などの炭素系物質に置き換わっている。リチウム二次電池は、様々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(pouch)形を挙げることができる。
図1は、従来のリチウム二次電池を示す分離斜視図である。
図1を参照すれば、リチウム二次電池は、第1電極13、第2電極15、及びセパレータ14からなる電極組立体12を電解液と共に缶10に収納し、この缶10の上段部をキャップ組立体70で封入することにより形成される。
キャップ組立体70は、キャッププレート71、絶縁プレート72、ターミナルプレート73、及び電極端子74を含んで構成される。キャップ組立体70は別途の絶縁ケース79と結合して缶の上段開口部に結合して缶10を密封することになる。
キャッププレート71は、缶10の上段開口部と対応する大きさと形状とを有する金属板で形成される。キャッププレート71の中央には所定の大きさの端子用貫通孔が形成され、端子用貫通孔には電極端子74が挿入される。電極端子74が端子用貫通孔に挿入される際には、電極端子74とキャッププレート71とを絶縁するために、電極端子74の外面にはチューブ型のガスケットチューブ75が結合されて挿入される。一方、キャッププレート71の一側には電解液注入孔76が所定の大きさで形成される。キャップ組立体70が缶10の上段開口部に組立てられた後、電解液注入孔76を通じて電解液が注入されて電解液注入孔76は栓77により密閉される。
電極端子74は、ターミナルプレート73を通じて、第2電極15の第2電極タブ17または第1電極13の第1電極タブ16と電気的に連結されて第2電極端子、または、第1電極端子として作用することになる。1電極タブ16及び第2電極タブ17が電極組立体12から引出される部分には、電極13と電極15との間の短絡を防止するために絶縁テープ18が巻き取られている。第1電極13または第2電極15は、正極または負極として作用する。
このようなリチウム二次電池は、電極組立体の内部短絡、外部短絡、または、過充放電等によって電圧が急上昇し、電池が破裂する危険がある。特に、電池が過充電される場合、正極ではリチウムが過剰に脱離され、負極ではリチウムが過剰に挿入される結果、正極及び負極が熱的に不安定になって、電解液の有機溶媒の分解、負極活物質と電解液との反応、負極の固体電解質(Solid Electrolyte Interface:SEI)膜の熱分解反応など、急激な発熱反応が起き、さらに、熱暴走(thermal runway)が発生し電池の安全性に深刻な問題を引き起こす。
従って、リチウム二次電池には、電池の異常による発火や爆発を防ぐためにPTC(positive temperature coefficient)、安全ベント(safety vent)などの安全装置が備えられる。このような安全装置の中で、安全ベントは、キャッププレートや缶に形成され、所定の圧力により開放され電池内のガスを外部に放出させる。
しかしながら、このような安定装置が備えられる場合においても、電池の過充電の際、電解液の有機溶媒の分解、負極のSEI膜の熱分解などにより発生するガスが、電極組立体から円滑に排出できなければ、一定水準以上に内圧が上昇した場合に作動する、安全ベントのような安全装置が適切に作動できないという問題が発生する。
本発明は、前記のような問題を解決するためのものであって、本発明の目的は、ガス放出手段が形成された絶縁ケースを備えることによって、電極組立体から発生するガスが円滑に排出できるようにして、電池の安定性を向上させたリチウム二次電池を提供するものである。
前記のような目的の達成のために、本発明に係るリチウム二次電池は、第1電極、第2電極及びその間に介されたセパレータと共に巻取られた電極組立体と、前記電極組立体の上部に位置し電解液注入孔または電極タブ引出口のいずれか、または、双方と共に少なくとも1つのホールが形成されている絶縁ケースと、前記電極組立体及び前記絶縁ケースが受容される缶とを含むことを特徴とする。
前記ホールは、円形、楕円形、半円型、四角形、三角形、及び菱形からなる群から選択される少なくとも一つの形状であることができる。
また、前記絶縁ケースは絶縁性の高分子樹脂から形成されることが好ましい。
上述のように、本発明に係るガス放出手段が形成されている絶縁ケースを含むリチウム二次電池は、電池の過充電または短絡などによる電池の異常時に発生するガスを極めて容易に排出させて電池の安定性を向上させることができる。
以下、添付の図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。
図2a、図3a、図4a及び図5aは、本発明の一実施形態に係るリチウム二次電池の絶縁ケースの斜視図を示したものである。図2b、図3b、図4b及び図5bは、各々、図2a、図3a、図4a及び図5aに図示された絶縁ケースの平面図を示したものである。
図2a及び図2bを参照すれば、本発明の一実施形態に係るリチウム二次電池の絶縁ケース179は、本体部181と、本体部181に形成されている少なくとも1つのホール190aと、本体部181の長手方向の端部の側面(短側面)に形成される短側面支持部183、184と、本体部181の長手方向に沿う側部の側面(長側面)に形成される長側面支持部185、186とを含む。
本体部181は、リチウム二次電池の缶の内部に挿入可能な大きさと形状を有し、本体部181の長手方向の側面内側(短側面部)に円形状のホール190aが形成されている。ホール190aは、電池の短絡や過充電の際に電解液である有機溶媒の分解または負極のSEI膜の分解により発生するガスが極めて容易に抜け出ることができる排出通路としての役割を有し、ガスの発生による電池の内圧が上昇した場合に、安全装置の作動性を高めて電池の安定性を向上させることができる。また、電極組立体から発生するガスの円滑な排出により電極組立体の膨脹(swelling)を抑制することができる。従って、ホール190aは、ガス放出手段としての役割を遂行することができる。
ホール190aの形状は、円形だけでなく、楕円形、半円型、四角形、三角形、菱形など、多様な形状及びこれらの形状を組み合わせて形成することができる。また、ここに言及された形状に限るものではない。また、ホール190aの位置は、本体部181の長側面部、短側面部、中央部など、どの位置にも形成することができる。本体部181の強度を考慮すれば、本体部181の側面部、特に、短側面部に位置することが好ましい。また、ホール190aは本体部181の縁部に沿って溝の形態で形成されることもできる。
缶やキャッププレートに安全ベントが形成されている場合は、ホール190aは安全ベントに近接した位置、例えば、安全ベントの下部に形成されることが好ましい。ホール190aが安全ベントの下部に位置する場合は、急激なガス発生により電池の内圧が上昇した際に、安全ベントの作動性を高めることができるからである。
ホール190aの大きさ及び個数は、本体部181の強度を低下させない範囲内で所定の大きさ及び個数で形成することが好ましい。本体部181の強度が低下すれば、電池の衝撃試験(例えば、落下テスト)などのような物理的衝撃が加えられた際に変形してしまい、電池の短絡をもたらす可能性がある。
本体部181の短側面部には短側面支持部183、184が形成されている。短側面支持部183、184は、本体部181の長手方向の端縁部に沿って上方に所定の高さで突出している。短側面支持部183、184は、本体部181を安定的に支持するものであり、絶縁ケース179が缶に収納される際には、缶の内壁との密着力を高めて、絶縁ケース179の流動を抑制することができる。
また、本体部181の長側面部には少なくとも1つの長側面支持部185、186を形成することができる。長側面支持部185、186は、本体部181の長手方向に沿う端縁部の所定の位置から上方に所定の高さで突出し、短側面支持部183、184と同一の高さで形成されることが好ましい。長側面支持部185、186は、本体部181の短側面部に比べて強度が劣る長側面部の強度を補強するものであって、電池に物理的衝撃が加えられた際に、本体部181の変形を防止することができる。
短側面支持部183、184及び長側面支持部185、186は、本体部181と射出成形によって一体的に形成されることが好ましい。
本体部181には一側に電極タブが引出できる電極タブ引出口187が形成されており、他側には電解液が電極組立体12内に流入できるように経路を提供する電解液注入孔188が形成されている。
本体部181の長側面部には、他の電極タブが引出できる所定の幅の溝189が形成されている。本発明の一実施形態によって別途の電解液注入孔188を形成されずに、絶縁ケース179にホール190aのみを形成されることもできる。
図3a及び図3bを参照すれば、本発明の他の実施形態に係るリチウム二次電池の絶縁ケース179は、本体部181の長側面部に菱形のガス放出ホール190bを備えている。
図4a及び図4bを参照すれば、本発明の他の実施形態に係るリチウム二次電池の絶縁ケース179は、本体部181の中央部に半円形状のガス放出ホール190cを備えている。
図5a及び図5bを参照すれば、本発明の他の実施形態に係るリチウム二次電池の絶縁ケース179は本体部181の両短側面に円形状及び楕円形状のガス放出ホール190d、190eを備えている。
本発明によって絶縁ケースにガス放出手段として形成されているガス放出ホールは、図2a、図3a、図4a及び図5aに示すように、多様な形状で所定の位置に形成されることができる。
図6は、本発明の一実施形態に係るリチウム二次電池の断面図を示したものである。
図6を参照すれば、リチウム二次電池は、缶210と、缶210の内部に受容される電極組立体212と、缶210の上部に結合するキャップ組立体220とを含んで形成される。
缶210は、上部が開放された略矩形形の金属材で形成され、好ましくは、軽くて軟性のあるアルミニウム、アルミニウム合金、またはステンレス鋼などで形成されるが、これらの種類に限られるものではない。缶210は、それ自体が端子の役割を遂行することができる。
電極組立体212は、第1電極213、第2電極215、及びセパレータ214を含む。第1電極213と第2電極215とは、セパレータ214を介して積層された後、ゼリーロール(jelly−roll)形態で巻き取ることができる。第1電極213には、第1電極タブ216が取り付けられており、第2電極215には第2電極タブ217が取り付けられており、各々、上方に突出している。
第1電極213及び第2電極215は、互いに異なる極性にして、正極または負極として使用することができる。第1電極213及び第2電極215は、集電体と前記集電体の少なくとも一面に塗布される電極活物質、即ち、正極活物質または負極活物質を含む。
第1電極213または第2電極215が正極として使われる場合、電極集電体としては、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、またはこれらの合金を使用することができ、アルミニウムまたはステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、または銀を表面処理させたもの等を使用することもできる。これら中で、アルミニウムまたはアルミニウム合金を使用することが好ましい。
第1電極213または第2電極215が負極として使われる場合、電極集電体としては、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタン、またはこれらの合金を使用することができ、銅またはステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、または銀を表面処理させたもの等を使用することもできる。これらの中で、銅または銅合金を使用することが好ましい。
前記正極活物質としては、通常、リチウム含有遷移金属酸化物またはリチウムカルコゲナイド化合物を全て使用することができ、その代表的な例としては、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiMn、またはLiNi1−x−yCo(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1であり、‘M’は、Al、Sr、Mg、Laなどの金属)などの金属酸化物を使用することができる。前記負極活物質としては、結晶質の炭素、非晶質の炭素、炭素複合体の炭素系負極活物質(熱的に分解した炭素、コークス、黒鉛)、燃焼された有機重合体化合物、炭素繊維、酸化錫化合物、リチウム金属、またはリチウム合金を使用することができる。
セパレータ214は、第1電極213及び第2電極215間の短絡を防止し、リチウムイオンの移動通路を提供するものであって、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィン系高分子膜、またはこれらの多重膜、微細多孔性フィルム、織布及び不織布などのようなものを使用することができる。
缶210の上部に結合するキャップ組立体220は、キャッププレート240、絶縁プレート250、ターミナルプレート260、及び電極端子230を含んで構成される。キャッププレート240は、缶210の上段開口部と対応する大きさ及び形状を有する金属板で形成される。キャッププレート240の中央には所定の大きさの端子用貫通孔241が形成され、一側には電解液注入孔242が形成され、他側には安全ベント244が形成される。安全ベント244の位置は任意に設定でき、端子用貫通孔241及び電解液注入孔242に干渉されない位置であれば、どこにでも形成することができる。例えば、安全ベント244は、キャッププレート240ではなく、缶210の所定の位置に形成することもできる。本発明の実施形態において安全ベント244はキャッププレート240の断面の厚さを薄くして一体的に形成されている。電解液注入孔242は、栓243と結合して密閉される。
端子通孔241には、電極端子230が挿入され、電極端子230の外面にはキャッププレート240と電気的に絶縁するためのチューブ形状のガスケット246が設けられている。キャッププレート240の下面には絶縁プレート250が設けられており、絶縁プレート250の下面にはターミナルプレート260が配置されている。電極端子230の底面部は、絶縁プレート250を介在させた状態でターミナルプレート260と電気的に連結されている。
キャッププレート240の下面には第1電極タブ216及び第2電極タブ217のいずれかの1つ、例えば、第1電極タブ216が溶接されており、ターミナルプレート260には第2電極タブが溶接されている。
電極組立体212の上部には、電極組立体212及びキャップ組立体220を電気的に絶縁させ、電極組立体212、第1電極タブ216、及び第2電極タブ217の位置を固定させる絶縁ケース270が設けられている。絶縁ケース270は、キャッププレート240の安全ベント244と対応する位置に形成されているガス放出ホール272と電極タブ引出口273とを備えている。電極組立体212から発生するガスが絶縁ケース270のガス放出ホール272を通じて容易に排出されて電池の安定性を高めることができ、電極組立体212の膨張(swelling)を抑制することができる。
絶縁ケース270は、絶縁性高分子樹脂からなることが好ましい。絶縁性高分子樹脂としては、ポリプロピレン(polypropylene:PP)、ポリフェニレンサルファイド(polyphenylenesulfide:PPS)、ポリエーテルスルホン(polyethersulfone:PES)、または変性ポリフェニレンオキサイド(polyphenyleneoxide:PPO)などを使用することができる。PPSは、耐熱性、寸法安全性、耐化学性、低吸水性、及び難燃性などに優れ、温度変化に対応する電気的特性の変化が少ない。PESは、非結晶性芳香族耐熱可塑性樹脂であって、200℃の耐熱性を有し、寸法安定性及び耐水性に優れる樹脂である。また、PESは透明性が良く、高いガラス遷移温度(Tg:223℃)、低膨脹性(CTE:2.3×10−5/℃)、及び優れた機械的強度特性を有している。変性PPOは機械的性質に優れ、耐熱性があり、低温でも物性の低下及び成形収縮が小さく、難燃性樹脂である。
本発明に対し、前記の実施形態を参考にして説明したが、これは例示的なものに過ぎず、本発明に属する技術分野の通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点が理解できる。従って、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって定めなければならない。
本発明は、リチウム二次電池を電源として用いられる分野で適用可能である。
従来のリチウム二次電池を示す分離斜視図である。 本発明の一実施形態に係る絶縁ケースの斜視図である。 図2aに図示された絶縁ケースの平面図である。 本発明の一実施形態に係る絶縁ケースの斜視図である。 図3aに図示された絶縁ケースの平面図である。 本発明の一実施形態に係る絶縁ケースの斜視図である。 図4aに図示された絶縁ケースの平面図である。 本発明の一実施形態に係る絶縁ケースの斜視図である。 5aに図示された絶縁ケースの平面図である。 本発明の一実施形態に係るリチウム二次電池を示す断面図である。
符号の説明
179 絶縁ケース、
181 絶縁ケースの本体部、
183、184 絶縁ケースの短側面支持部、
185、186 絶縁ケースの長側面支持部、
187 絶縁ケースの電極タブ引出口、
188 絶縁ケースの電解液注入孔、
189 絶縁ケースの電極タブ引出溝、
190a、190b、190c、190d、190e 絶縁ケースのガス放出ホール、
210 缶、
212 電極組立体、
213 第1電極、
214 セパレータ、
215 第2電極、
216 第1電極タブ、
217 第2電極タブ、
220 キャップ組立体、
230 電極端子、
240 キャッププレート、
241 端子通孔、
242 電解液注入孔、
243 栓、
244 安全ベント、
246 ガスケット、
250 絶縁プレート、
260 ターミナルプレート、
270 絶縁ケース、
272 絶縁ケースのガス放出ホール、
273 絶縁ケースの電極タブ引出口。

Claims (14)

  1. 第1電極、第2電極、及びその間に介されたセパレータが共に巻取られた電極組立体と、
    前記電極組立体の上部に位置し、電解液注入孔または電極タブ引出口のいずれか、または、双方と共に少なくとも1つのホールが形成されている絶縁ケースと、
    前記電極組立体及び前記絶縁ケースが収納される缶と、
    を含むことを特徴とするリチウム二次電池。
  2. 前記ホールは、ガス放出ホールであることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  3. 前記ホールは、円形、楕円形、半円型、四角形、三角形、及び菱形からなる群から選択される少なくとも一つの形状であることを特徴とする請求項2に記載のリチウム二次電池。
  4. 前記ホールは、前記絶縁ケースの長手方向に沿う側部の側面内側に形成されることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  5. 前記ホールは、前記絶縁ケースの中央部に形成されることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  6. 前記ホールは、前記絶縁ケースの長手方向の端部の側面に沿って形成されることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  7. 前記ホールは、前記絶縁ケースの縁部に沿って形成されることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  8. 前記缶の上部に結合するキャッププレートと、
    前記キャッププレート、または、前記缶に形成される安全ベントと、をさらに含み、
    前記ホールは、前記安全ベントに近接した位置に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  9. 前記ホールは、前記安全ベントの下部に位置することを特徴とする請求項8に記載のリチウム二次電池。
  10. 前記絶縁ケースは、絶縁性高分子樹脂からなることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  11. 前記絶縁ケースは、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、及び変性ポリエーテルスルホンからなる群から選択される材質からなることを特徴とする請求項10に記載のリチウム二次電池。
  12. 前記絶縁ケースは、長手方向の端部の側面、または、長手方向に沿う側部の側面に少なくとも1つの支持部を含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  13. 前記支持部は、上方に突出していることを特徴とする請求項12に記載のリチウム二次電池。
  14. 前記支持部は、前記絶縁ケースと一体的に形成されていることを特徴とする請求項12に記載のリチウム二次電池。
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