JP4549956B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は二次電池に関し、より詳しくは、二次電池の電極群とリードエレメント（ｌｅａｄ ｅｌｅｍｅｎｔ）との結合構造に関する。

二次電池（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）は、充電が不可能な一次電池とは異なり、充電及び放電が可能な電池である。一つの電池セルがパック形態に包装された低容量電池は、携帯電話やノートブックコンピュータ、カムコーダのような携帯が可能な小型電子機器に使用され、複数の電池セルが連結された電池パック単位の大容量電池は、ハイブリッド電気自動車などのモータ駆動用電源として広く使用されている。

前記二次電池は多様な形状に製造されるが、代表的な形状には円筒形や角形があり、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させてこれを渦状に巻いた電極群（またはジェリーロール）をケースに内蔵設置し、前記ケースに外部端子が形成されたキャップ組立体を設置して、電池を製造する。

そして、前記正極及び負極には、電池の作動時に発生する電流を集電する役割を果たす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した電流を正極及び負極端子に誘導する。

しかし、前記電極群及び外部端子を連結するリードエレメントが一つだけ付着される場合には、電極群の各部位から発生した電圧の取り出しが容易でなく、電極群及びリードエレメントが溶接された領域とこれから離れた領域との間に電位差が発生する。このような電位差は、電池の充放電が繰返されることによってリードエレメントと溶接される部位の劣化を深刻化させ、結果的には、電池の出力を低下させて、寿命を短縮させる。このような現象は、短時間に充放電が繰返されるモータ駆動用電池の場合に、より顕著に現れる。

したがって、高出力の二次電池の場合、リードエレメントとしてマルチタップ（ｍｕｌｔｉ−ｔａｂｓ）を使用することがある。

しかし、このマルチタップは、電極群を形成する正極集電体及び負極集電体に溶接によって付着されたり、またはこの集電体の一部分に形成されるので、このような場合には、当該二次電池の製造工程時に作業工程数が多くなり、作業効率を低下させる。

また、マルチタップ方式のリードエレメントは、正極及び負極に部分的に連結されてこの正極及び負極から発生した電流を集電するので、モータ駆動用電池のように高出力を必要とする電池の場合には、これに相応する十分な電流の集電を期待するのが難しいため、当該電池の特性を低下させる可能性が高い。

本発明は、リードエレメントと電極群との結合構造を改善して集電効率を向上させた、二次電池を提供する。

前記課題を達成するために、本発明による二次電池は、正極、負極、及びこの正極及び前記負極の間に配置されるセパレータを含む電極群と、前記電極群が内蔵されるケースと、前記ケースの外部に露出される端子を有し、前記ケースに結合されてこれを密閉するキャップ組立体と、前記端子及び前記電極群を電気的に接続するリードエレメントとを含む。前記電極群は、活物質がない無地部を有し、前記リードエレメントは、この無地部の外形（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）に対応する形状を有し、この無地部に密着されて固定され、前記リードエレメントは、前記無地部の曲面部に沿って密着し曲面部が嵌って安着する固定溝が形成された第１リード部を含む。

前記端子は、正極端子及び負極端子を含む。

前記正極及び前記負極は前記無地部を各々有し、正極の正極無地部及び負極の負極無地部は複数の層をなして対向配置され、前記正極端子及び前記負極端子は各々前記正極無地部の最外側部位及び前記負極無地部の最外側部位に結合される。

前記リードエレメントは、前記無地部の長さ方向に沿ってこの無地部に接触して結合される。

前記端子及び前記リードエレメントは一体に形成される。

前記端子は、前記キャップ組立体に含まれるベースプレートに形成された孔に挿入結合され、前記端子と前記リードエレメントの間には、前記端子及び前記リードエレメントを連結して前記端子が前記ベースプレートに停止した状態を維持するようにする係止部が配置される。

前記端子と前記ベースプレートの間に、これらを他の部位から絶縁させるためのガスケットが配置される。

前記端子の外周面に、前記端子を前記ベースプレートに固定するためのナット締結用ネジ山が形成されることができる。

前記リードエレメントは、前記無地部の平坦部に密着されて固定される第２リード部を含む。

前記第１リード部は、前記第２リード部より大きな幅を有して形成される。

本発明によれば、改善されたリードエレメントの構造によって、その集電効率を向上させることができるようになる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について、当業者が容易に実施することができるように詳細に説明する。しかし、本発明は多様な相異した形態で実現でき、ここで説明する実施形態に限定されない。

図１は本発明の一実施形態による二次電池を示した斜視図であり、図２は本発明の一実施形態による二次電池の電極群を示した斜視図である。

図面を参照すれば、本実施形態の二次電池は、縦（図面のＸ軸方向）に長い六面体形状を有して一部分が開放されたケース１１に、絶縁物質であるセパレータ２１を間において配置された正極２２及び負極２３を巻取って形成した電極群２５を挿入して、ケース１１の開放された一部分をキャップ組立体３０で密封した形態の角形タイプの電池である。

ケース１１は、アルミニウム、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、前記電極群２５がケース１１の内部に挿入されて安着する開口１１ａが形成された六面体形状であるが、本発明では、ケース１１の形状はこれに限定されない。

電極群２５は、正極２２及び負極２３の間にセパレータ２１を介在させて、これらを巻線軸（Ｏ）を中心に巻いて形成したジェリーロールタイプに形成される。この電極群２５は、まず、ジェリーロールタイプに巻かれて形成された後、加圧されて最終プレートタイプに形成される。

このような電極群２５の両端部には、正極無地部２２ａ及び負極無地部２３ａが対向配置される。このとき、正極無地部２２ａ及び負極無地部２３ａは、電極群２５が前記のようにジェリーロールタイプに形成される関係で、複数の層をなして対向配置された形状を有する。

ここで、前記無地部２２ａ、２３ａは、正極集電体２２ｂ及び負極集電体２３ｂの一側周縁に沿って活物質２２ｃ、２３ｃが塗布されない部位である。

このような無地部２２ａ、２３ａは、部分的にその厚さ（ｄ１）、（ｄ２）を電極群２５の全体の厚さ（ｄ３）より薄くする（図２参照）。ここで、前記厚さ（ｄ１）、（ｄ２）を有する無地部２２ａ、２３ａの部位２２ｄ、２３ｄ（以下、便宜上、平坦部とする）は、この複数の層をなす無地部２２ａ、２３ａが電流の集電効率の向上のために互いに密着する部位である。

前記平坦部２２ｄ、２３ｄによって、前記無地部２２ａ、２３ａの他の部位２２ｅ、２３ｅ（以下、便宜上、曲面部とする）は、前記厚さ（ｄ１）、（ｄ２）より厚い厚さ（ｄ４）、（ｄ５）を有して屈曲した形状を有するようになる。

キャップ組立体３０は、ケース１１の開口１１ａに溶接によって固定され、ケース１１を密封するベースプレート３０１を含む。

このベースプレート３０１には、正極端子６１及び負極端子６３がその一部をケース１１の外部に露出させながら固定されている。

この時、正極端子６１及び負極端子６３の外周面にはネジ山（Ｓ）が形成されており、これらは、ベースプレート３０１との間にガスケット（Ｇ）を介在させた状態でネジ山（Ｓ）に結合されるナット（Ｎ）によって、ベースプレート３０１に固定される。ガスケット（Ｇ）は、正極端子６１及び負極端子６３とベースプレート３０１の間に配置され、これらを他の部位から絶縁させる。

これに加えて、ベースプレート３０１には、ベント部材４０及び図示しない電解液注入口がさらに形成されることができる。

正極端子６１及び負極端子６３には、前記正極無地部２２ａ及び負極無地部２３ａに各々結合される正極リードエレメント６５及び負極リードエレメント６７が連結される。

本発明において、これら端子６１、６３及び無地部２２ａ、２３ａは、直接連結されて形成されたり、別途の連結部材によって連結されて形成されることができるが、本実施形態では直接連結されて一体に形成されることを例示して説明する。

本実施形態において、このような正極、負極端子６１、６３及び正極、負極リードエレメント６５、６７は、各々互いに対称な形状を有する。図３はこの正極、負極端子６１、６３及び正極、負極リードエレメント６５、６７を示した斜視図である。図３では、便宜上、正極、負極端子６１、６３及び正極、負極リードエレメント６５、６７を一つの図面に示し、以下の説明では、これによって正極、負極端子６１、６３及び正極、負極リードエレメント６５、６７を共に説明する。

図面を参照すれば、正極端子６１及び負極端子６３は、任意の高さを有する円筒形に形成され、その外周面には前記のようにネジ山（Ｓ）が形成される。ここで、これら端子６１、６３の長さは、ケース１１の内、外部に位置して、二次電池が複数個集まって電池モジュールを構成する際に二次電池が互いに電気的に接続されるように、これら端子６１、６３に任意の連結部材が締結され得る程度の長さを確保できれば充分である。

この正極端子６１及び負極端子６３の一側には、帯状の正極リードエレメント６５及び負極リードエレメント６７が連結され、このとき、端子６１、６３及びリードエレメント６５、６７の間には、円板形の係止部６９、６９’が形成される。この係止部６９、６９’は、正極端子６１及び負極端子６３がベースプレート３０１に形成された孔３０１ａ、３０１ａ’に挿入されて設置されるときに、ベースプレート３０１に係止し、これにより、正極端子６１及び負極端子６３が一定の位置でベースプレート３０１に停止するようにする役割を果たす（図４参照）。

このために、係止部６９、６９’は、前記孔３０１ａ、３０１ａ’より大きな直径を有する円形の部材として形成される。

リードエレメント６５、６７は、ケース１１の内部に位置して正極無地部２２ａ及び負極無地部２３ａに接触することによって、実質的に端子６１、６３及び電極群２５を電気的に接続する。このとき、これらリードエレメント６５、６７は、正極無地部２２ａ及び負極無地部２３ａの最外側部位に密着して溶接によって結合されることができる。

このような構造の端子６１、６３及びリードエレメント６５、６７が電極群２５と電気的に接続されるとき、これらは本実施形態において下記の条件を満たす。

まず、前記リードエレメント６５、６７は、前記正極無地部２２ａ及び負極無地部２３ａの長さ方向に沿ってこの正極無地部２２ａ及び負極無地部２３ａの最外側部位に接触する帯状の導電性部材からなる。

本実施形態で、これらリードエレメント６５、６７は、各々固定溝６５ａ、６７ａが形成されている第１リード部６５ｂ、６７ｂと、この第１リード部６５ｂ、６７ｂに連結される第２リード部６５ｃ、６７ｃとを含む。

ここで、第１リード部６５ｂ、６７ｂは、その固定溝６５ａ、６７ａに無地部２２ａ、２３ａの曲面部２２ｅ、２３ｅが嵌り、この曲面部２２ｅ、２３ｅが固定溝６５ａ、６７ａに完全にまたは部分的に接触するようにする部位である。ここで、固定溝６５ａ、６７ａの形状は、曲面部２２ｅ、２３ｅの外形に対応する。

第２リード部６５ｃ、６７ｃは、平坦な形状を有して、無地部２２ａ、２３ａの平坦部２２ｄ、２３ｄに接触する部位である。

このように形成されるリードエレメント６５、６７は、各々正極無地部２２ａ及び負極無地部２３ａに接触するときに、この無地部２２ａ、２３ａの外形（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）に対応して最大限密着するようになるので、接触抵抗の増大による集電効率の低下を未然に防止することができるようになる。

つまり、従来は、電極群の無地部の外形に関係なく、この無地部に接触するリードエレメントが平坦に形成されていたため、無地部の屈曲した形状に接触するリードエレメントの部位は、この無地部に正常に密着することができずに部分的に浮き上がって接触し、実際の電流の集電時に、この部位に対する接触抵抗が大きくなり、集電効率が低下していた。

しかし、本実施形態では、前記リードエレメントの構造によって、無地部の曲面部に対するリードエレメントの接触面を増加させて、このような現象を防止することができる。

図５は本発明の他の実施形態を説明するために示した図面であって、この場合、リードエレメント７１は、第１リード部７１ｂが第２リード部７１ｃより大きな幅を有するように、これを拡張して形成されている。

つまり、この実施形態では、無地部２２ａの曲面部２２ｅに接触する第１リード部７１ｂがその固定溝７１ａに曲面部２２ｅを部分的に接触させて、その接触面積が減少する場合に、その拡張された部位を無地部２２ａの曲面部２２ｅにさらに接触させて、減少する接触面積を補償するようにしている。図５では、便宜上、正極無地部２２ａに結合される正極リードエレメント７１を示したが、このようなリードエレメントの構造は負極にも適用することができる。

図６Ａ乃至図６Ｅは前記リードエレメントの多様な変形例を説明するために示した図面であって、この図面から分かるように、第１リード部８０ａ、８２ａ、８４ａ、８６ａ、８８ａに形成される固定溝８０ｂ、８２ｂ、８４ｂ、８６ｂ、８８ｂは、この第１リード部８０ａ、８２ａ、８４ａ、８６ａ、８８ａの構造によって多様な形態に形成されることができる。

したがって、本発明の実施形態による二次電池は、高出力を必要とするＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車）、ＥＶ（電気自動車）、無線掃除機、電動自転車、電動スクーターのような機器において、そのモータを駆動させるための駆動用電源として効果的に使用することができるようになる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に当然属する。

本発明の一実施形態による二次電池の斜視図である。 本発明の一実施形態による二次電池の電極群を示した斜視図である。 は本発明の一実施形態による二次電池の端子及びリードエレメントを説明するために示した斜視図である。 本発明の一実施形態による端子がキャップ組立体に含まれるベースプレート上に結合された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二次電池を示した斜視図である。 本発明の変形例によるリードエレメントを説明するために示した図面である。 本発明の更に他の変形例によるリードエレメントを説明するために示した図面である。 本発明の更に他の変形例によるリードエレメントを説明するために示した図面である。 本発明の更に他の変形例によるリードエレメントを説明するために示した図面である。 本発明の更に他の変形例によるリードエレメントを説明するために示した図面である。

符号の説明

１１ ケース、
１１ａ 開口、
２１ セパレータ、
２２ 正極、
２２ａ 正極無地部、
２２ｂ 正極集電体、
２２ｄ、２３ｄ 平坦部、
２２ｅ、２３ｅ 曲面部、
２３ 負極、
２３ａ 負極無地部、
２３ｂ 負極集電体、
２５ 電極群、
３０ キャップ組立体、
４０ ベント部材、
６１ 正極端子、
６３ 負極端子、
６５ 正極リードエレメント、
６７ 負極リードエレメント、
６５ａ、６７ａ、７１ａ 固定溝、
６５ｂ、６７ｂ、７１ｂ 第１リード部、
６５ｃ、６７ｃ、７１ｃ 第２リード部、
６９、６９’ 係止部、
７１ リードエレメント、
３０１ ベースプレート、
３０１ａ、３０１ａ’ 孔。

Claims (12)

1. 正極、負極、及びこの正極及び前記負極の間に配置されるセパレータを含む電極群と、
   前記電極群が内蔵されるケースと、
   前記ケースの外部に露出される端子を有し、前記ケースに結合されてこれを密閉するキャップ組立体と、
   前記端子及び前記電極群を電気的に接続するリードエレメントと、を含み、
   前記電極群は、活物質のない無地部を有し、前記リードエレメントは、この無地部の外形に対応する形状を有し、この無地部に密着されて固定され、前記リードエレメントは、前記無地部の曲面部に沿って密着し曲面部が嵌って安着する固定溝が形成された第１リード部を含む二次電池。
2. 前記端子は、正極端子及び負極端子を含む、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記正極及び前記負極は前記無地部を各々有し、正極の正極無地部及び負極の負極無地部は複数の層をなして対向配置され、前記正極端子及び前記負極端子は各々前記正極無地部の最外側部位及び前記負極無地部の最外側部位に結合される、請求項２に記載の二次電池。
4. 前記リードエレメントは、前記無地部の長さ方向に沿ってこの無地部に接触して結合される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次電池。
5. 前記端子及び前記リードエレメントは一体に形成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池。
6. 前記端子は、前記キャップ組立体に含まれるベースプレートに形成された孔に挿入結合され、前記端子と前記リードエレメントの間には、前記端子及び前記リードエレメントを連結して前記端子が前記ベースプレートに停止した状態を維持するようにする係止部が配置される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の二次電池。
7. 前記端子と前記ベースプレートの間に、これらを他の部位から絶縁させるためのガスケットが配置される、請求項６に記載の二次電池。
8. 前記端子の外周面に、前記端子を前記ベースプレートに固定するためのナット締結用ネジ山が形成される、請求項６または７に記載の二次電池。
9. 前記リードエレメントは、前記無地部の平坦部に密着されて固定される第２リード部を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の二次電池。
10. 前記第１リード部は、前記第２リード部より大きな幅を有して形成される、請求項９に記載の二次電池。
11. 前記二次電池は角形である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の二次電池。
12. 前記二次電池はモータ駆動用である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の二次電池。

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