JP5307746B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池及びその製造方法に関し、特に電極組立体と缶との間が密着されるようにして、落下などの外部衝撃により前記電極組立体とキャップ組立体との間の電気的短絡が発生することを防止することができる二次電池及びその製造方法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｂａｔｔｅｒｙ ａｎｄ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｅ）に関するものである。

最近、携帯電話、ノート型パソコン、カムコーダなどのコンパクトで軽量化された携帯用の電子／電気機器が活発に開発及び生産されていて、携帯用の電子／電気機器が別途の電源のない場所でも作動できるようにバッテリパックが内蔵されている。このようなバッテリパックは、経済的な面から、ニッケル−カドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）電池、ニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池及びリチウム（Ｌｉ）電池が代表的に挙げられ、充放電の可能な二次電池が一般的に用いられている。

その中でも、前記リチウム二次電池は、前記ニッケル−カドミウム電池またはニッケル−水素電池と比較して作動電圧が３倍ほど高く、単位重量当たりエネルギー密度が高く前記携帯用の電子／電気機器のバッテリパックとして広範囲に用いられている。

このリチウム二次電池は、使用電解質の種類によって液体電解質を用いるリチウムイオン電池と高分子電解質を用いるリチウムポリマー電池に区分し、その形状から角型、円筒型及びパウチ型に区分することができる。

前記二次電池は通常、電極組立体、前記電極組立体と前記電極組立体との間にリチウムイオンが移動できるようにする電解液を収納する缶及び前記缶を密閉させるためのキャップ組立体を含む。ここで、円筒型二次電池の場合、前記電極組立体の充放電時に前記電極組立体の変形を抑制するためのものとして所定長さを有する本体を含み、前記本体は内側に長手方向に溝が形成されて、過充電、高温熱露出及び内部異常により前記電極組立体の周辺に発生するガスを前記キャップ組立体方向に移動させる通路を提供するために前記電極組立体の内側に位置するセンターピンをさらに含む。

前記電極組立体は、正極活物質が塗布される正極集電体と前記正極集電体の一側に電気的に接続する正極タップを含む正極板、陰極活物質が塗布される陰極集電体と前記陰極集電体の一側と電気的に接続する陰極タップを含む陰極板及び前記正極板と陰極板との間に位置するセパレータを含む。

前記電解液は、充放電時に前記電極組立体の正極板及び陰極板から電気化学的反応により生成されるリチウムイオンを移動させる役割を行い、リチウム塩と高純度の有機溶媒類の混合物である非水系有機電解液であるか、高分子電解質を用いたポリマーとすることができる。

前記キャップ組立体は、過充放電、高温熱露出、または外部からの衝撃により前記電極組立体が損傷されるなどの内部異常が発生した場合、前記二次電池の発熱、発火及び爆発を防止するためのものであって、前記電極組立体の周辺から発生するガスによって変形または破断される安全ベントを含む。

大韓民国出願公開第１０−２００６−００１０４８７号明細書 大韓民国出願公開第１０−２００８−００３５２２６号明細書 大韓民国特許公報第１０−０７１９７２５号明細書

このような二次電池は、缶に電極組立体を収納する過程において前記電極組立体の損傷を防止するために、前記缶の内径が前記電極組立体の外径よりも多少大きくしてあるので、落下などの外部衝撃により前記電極組立体が流動または回転し、これにより前記電極組立体とキャップ組立体との間の電気的短絡が発生するという問題があった。

本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためのものであって、電極組立体が缶に挿入された後に前記缶に密着されるようにして前記電極組立体が損傷なしに缶に挿入することはでき、落下などの外部衝撃により前記電極組立体の流動または回転を防止することができる二次電池及びその製造方法を提供することに目的がある。

本発明の前記目的は、正極板、陰極板及び前記両極板間に位置する電極組立体と、前記電極組立体を収納するための缶と、前記缶を密閉するためのキャップ組立体と、前記電極組立体と缶との間に位置する巻き止めテープとを含み、前記巻き止めテープは熱収縮の材質であることを特徴とする二次電池により達成することができる。

また、本発明の前記目的は、正極板、陰極板及び前記両極板間に位置するセパレータを含む電極組立体を提供する工程と、熱収縮の材質の巻き止めテープで前記電極組立体の外周面を取り囲む工程と、前記電極組立体、巻き止めテープ及び電解液を缶に収納する工程と、前記電極組立体とキャップ組立体とを電気的に接続させた後、前記キャップ組立体を用いて前記缶を密閉する工程と、前記缶の周辺を所定温度で加熱して前記巻き止めテープを収縮させる工程とを含む二次電池の製造方法により達成することができる。

したがって、本発明に係る二次電池は、電極組立体の外周面を取り囲む巻き止めテープを熱収縮の材質に形成し、キャップ組立体で缶を密閉させた後、前記缶を所定温度に加熱して前記巻き止めテープの一部領域を熱収縮により厚くすることで、落下などの外部衝撃から前記電極組立体とキャップ組立体との間の電気的短絡が発生するのを防止することができる。

本発明の実施形態に係る二次電池を示す分離斜視図である。 本発明の実施形態に係る二次電池を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る電極組立体の他の例を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る電極組立体が熱収縮される前の形態を示す斜視図である。

本発明の前記目的と技術的構成及びその作用効果に関する詳しい事項は、本発明の好適な実施例を示す図面を参照しながら、以下の詳細な説明により明確に理解することができる。なお、説明の都合上、図面において、層及び領域の厚みは誇張されており、図示する形態が実際とは異なる場合がある。また、ある部分が、他の部分に「接続」されていると記載した場合、これは「直接に接続」となる場合に限らず、それらの間に他の素子を置いて「電気的に接続」されている場合も含む。明細書の全体において同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。

＜実施形態＞
図１は本発明の実施形態に係る二次電池を示す分離斜視図であり、図２は本発明の実施形態に係る二次電池を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る二次電池は、電極組立体１１０、前記電極組立体１１０の内側に位置するセンターピン１２０、前記電極組立体１１０、前記センターピン１２０及び電解液（図示せず）を収納する缶１３０、前記電極組立体１１０と缶１３０との間に位置する巻き止めテープ２００及び前記缶１３０を密閉するためのキャップ組立体１４０を含む。

前記電極組立体１１０は、正極活物質（図示せず）が塗布される正極集電体（図示せず）と前記正極集電体の一側に電気的に接続され、前記キャップ組立体１４０方向に突出した正極タップ１１４を含む正極板１１１、陰極活物質（図示せず）が塗布される陰極集電体（図示せず）と前記陰極集電体の一側に電気的に接続され、前記正極タップ１１４の反対方向に突出した陰極タップ１１５を含む陰極板１１２及び前記正極板１１１と陰極板１１２との間に位置するセパレータ１１３を含む。

ここで、本発明の実施形態では、前記電極組立体１１０の正極タップ１１４が前記キャップ組立体１４０方向に突出することについて説明したが、前記電極組立体１１０の陰極タップ１１５が前記キャップ組立体１４０方向に突出することもでき、また前記正極タップ１１４は前記陰極タップ１１５の反対方向に突出することもできる。

前記正極活物質は、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４またはＬｉＮｉ_{１−ｘ−ｙ}Ｃｏ_ｘＭ_ｙＯ_２（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１、ＭはＡｌ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｌａなどの金属）などの金属酸化物として代表される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のいずれかを用いることができ、前記陰極活物質は、結晶質炭素、非晶質炭素、炭素複合体、炭素纎維などの炭素材料、リチウム金属またはリチウム合金などを用いることができる。

前記正極集電体または陰極集電体は、ステンレス鋼、ニッケル、銅、アルミニウム及びそれらの合金からなる群から選択されたいずれか１つに形成することができ、好ましくは、正極集電体がアルミニウムまたはアルミニウム合金に形成され、陰極集電体は銅または銅合金に形成するようにして前記電極組立体１１０の効率を最大にする。

前記セパレータ１１３は、前記正極板１１１と陰極板１１２との間に位置し、前記正極板１１１と陰極板１１２との間の電気的短絡を防止し、前記両極板間にリチウムイオンの移動を可能にする。前記セパレータ１１３は、ポリエチレン（ＰＥ）またはポリプロピレン（ＰＰ）などのポリオレフィン系高分子膜またはそれらの多重膜で形成されるか、セラミックス物質を備える多孔性膜で形成されることができ、前記ポリオレフィン系高分子膜及びセラミックス物質を備える多孔性膜をすべて含むことができる。

ここで、前記セラミックス物質は、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ_２）、チタン酸化物（ＴｉＯ_２）とそれらの絶縁性窒化物、水酸化物、アルコキシ化物及びケトン化物からなるグループから選択されるいずれか１つとすることができる。

前記電解液は、充放電時に前記電極組立体１１０の正極板１１１及び陰極板１１２に電気化学的反応により生成されるリチウムイオンを移動させる役割をし、リチウム塩と高純度有機溶媒類の混合物である非水系有機電解液や、高分子電解質を用いたポリマーとすることができる。

前記センターピン１２０は、前記電極組立体１１０の内側に位置して充放電時に前記電極組立体１１０の変形を抑制し、過充電、高温熱露出または外部の衝撃による内部異常時に、前記電極組立体１１０の周辺から発生するガスを前記キャップ組立体１４０方向に移動させるための通路を提供するもので、所定長さを有する本体１２２を含み、この本体１２２の内部を密閉するための密閉部材１２４及び前記本体１２２の密閉された内部に挿入される消火部材１２５をさらに含むことができる。

前記本体１２２は、前記電極組立体１１０の厚さ方向に所定長さを有し、内部の長手方向に溝が形成されて、前記電極組立体１１０の周辺から発生するガスの通路役割をするためのもので、ポリブチレンテレフタレート（Ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｔｈａｌａｔｅ；ＰＢＴ）などの絶縁材質で形成することができるが、過充電または高温熱露出のような高温状態でもガスを円滑に移動させるためにスチール、ステンレススチール（Ｓｔｅｅｌ Ｕｓｉｎｇ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ；ＳＵＳ）、アルミニウム及びアルミニウム合金のような金属材質で形成することが好ましい。

前記密閉部材１２４は、内部に異常が発生した場合、溶融または破裂して前記センターピン１２０の本体１２２が前記電極組立体１１０の周辺から発生するガスの通路の役割をし、前記本体１２２の内部に挿入されている消火部材１２５を前記電極組立体１１０に流入させるためのものであって、高温で溶融または破裂するポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）またはポリエチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などの高分子樹脂で形成することが好ましく、通常の二次電池の内部異常の発生温度である、１００〜１３０℃に溶融または破裂するようにすることがより好ましい。

前記缶１３０は、所定半径の円柱状に形成されて、上部は開口されており、下部は円形の面に形成されていて、前記電極組立体１１０、センターピン１２０及び電解液が収納されるようにする。前記缶１３０は軽く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の金属材質に形成されていて、前記正極タップ１１４の反対方向に突出した前記陰極タップ１１５が前記缶１３０の下部面と電気的に接続した場合に、前記缶１３０が陰極端子の役割をすることが好ましい。

前記缶１３０は、前記キャップ組立体１４０に密封された後、前記キャップ組立体１４０が前記缶１３０から離脱することや、外力から前記電極組立体１１０が上下に流動することを防止するために、前記キャップ組立体１４０と電極組立体１１０との間に対応する缶１３０の外周面が内側に所定距離分ビーディングされるビーディング部（Ｂｅａｄｉｎｇ ｐａｒｔ）１３５及び前記缶１３０の上側終端部が前記キャップ組立体１４０を中心に内側方向に折曲されるクリンピング部（Ｃｒｉｍｐｉｎｇ ｐａｒｔ）１３７を含むことができる。

また、前記電極組立体１１０と前記キャップ組立体１４０との間及び前記電極組立体１１０と前記缶１３０との間に不要な電気的接続を防止するために、前記電極組立体１１０の上部に位置し、前記電極組立体１１０の周辺から発生するガスが移動できる１つまたは複数の溝が形成された上部絶縁板１１７及び前記電極組立体１１０の下部に位置する下部絶縁板１１６をさらに含むことができる。

前記キャップ組立体１４０は、前記缶１３０の上端開口部に結合されて、前記缶１３０を密封させ、外部端子（図示せず）と電気的に接続するキャップアップ１４５、前記電極組立体１１０の正極タップ１１４と電気的に接続され、前記電極組立体１１０の周辺から発生するガスにより内部圧力が所定水準以上になった場合、変形または破裂されて前記ガスを外部に排出する安全ベント１４２、前記安全ベント１４２上に位置し、内部圧力により変形または破裂される前記安全ベント１４２により破損または破断されて前記電極組立体１１０と外部端子との間の電気的接続を遮断する電流遮断装置（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ；ＣＩＤ）１４３及び前記キャップ組立体１４０を前記缶１３０と絶縁させるためのガスケット１４１を含む。

ここで、前記キャップ組立体１４０は、前記電極組立体１１０と前記外部端子との間に過電流が流れるのを防止するために、前記電流遮断装置１４３とキャップアップ１４５との間に位置する環状形態のＰＴＣサーミスタ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）１４４をさらに含むことができる。

前記巻き止めテープ２００は、円形に巻回された電極組立体１１０が缶に挿入される前に解けるのを防止するためのものであって、前記電極組立体１１０の外周面を取り囲むように位置し、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎ Ｔｅｒｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＴＴ（Ｐｏｌｙｔｒｉｍｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）またはそれらの混合物のように、所定温度で収縮して全体的な厚さが増加する熱収縮の材質で形成される。ここで、前記巻き止めテープ２００の一側端部が前記巻回された電極組立体１１０の最外郭側端部に付着するようにし、前記電極組立体１１０が解けることを容易に防止することができる。

前記巻き止めテープ２００は、所定領域に複数のトレンチ（ｔｒｅｎｃｈ）または所定長さの溝２１０を形成し、所定温度において前記巻き止めテープ２００の熱収縮が前記トレンチまたは溝２１０に沿って進行することで、熱収縮による厚さが増加する領域２００ａを制御することができる。ここで、前記巻き止めテープ２００が幅方向に収縮された場合、前記電極組立体１１０のセパレータも一緒に収縮されることを考慮して前記巻き止めテープ２００が巻回する長手方向に収縮されるように、前記トレンチまたは溝２１０は幅方向に所定長さを有するように形成することが好ましい。

前記巻き止めテープ２００は、前記セパレータ１１３が一緒に収縮するのを防止するために、図３に示すように、複数個のサブ巻き止めテープ２００でなることができる。

本発明の実施形態に係る二次電池の製造方法によると、正極板１１１、陰極板１１２及び前記両極板間に位置するセパレータ１１３を含む電極組立体１１０を提供し、熱収縮の材質の巻き止めテープ２００で前記電極組立体１１０の外周面を取り囲んだ後、前記電極組立体１１０及び巻き止めテープ２００を缶１３０に収納させる。ここで、前記巻き止めテープ２００は、図４に示すように、熱収縮により厚さが増加する領域２００ａを制御するための複数のトレンチまたは所定長さの溝２１０を形成することができる。

次いで、前記缶１３０に電解液を充填し、前記電極組立体１１０の正極タップ１１４とキャップ組立体１４０の安全ベント１４２を電気的に接続させた後、前記キャップ組立体１４０を用いて前記缶１３０を密閉させる。

次に、前記缶１３０の周辺を所定温度で加熱して前記巻き止めテープ２００を収縮させ、前記電極組立体１１０と缶１３０との間を密着させる。ここで、前記巻き止めテープ２００の熱収縮は前記複数のトレンチまたは溝２１０に沿って進行するため、熱収縮が終了した後、前記巻き止めテープ２００は前記複数のトレンチまたは溝２１０との間の領域２００ａの厚さが増加することになり、前記複数のトレンチまたは溝２１０は熱収縮により多角形形状、特に菱形形状に変形される。

前記所定温度は、前記缶１３０内部に収納された電解液の変性または電極組立体の損傷の発生を防止するために、９０℃以下であることが好ましく、４０〜６０℃であることがより好ましい。

また、前記巻き止めテープ２００は、５０％未満に収縮する場合は前記電極組立体１１０と缶１３０との間を十分に密着させることができず、７０％以上に収縮する場合は前記電極組立体１１０のセパレータ１１３が一緒に収縮するので、５０〜７０％に収縮する熱収縮の材質であることが好ましく、前述のように、二次電池の損傷を防止するために、４０〜６０℃の温度で５０〜７０％に収縮する熱収縮の材質であることがより好ましい。

本発明の実施形態は、円筒型に巻回された電極組立体の内側にセンターピンが位置し、缶が円柱状である円筒型二次電池について説明したが、角形またはパウチ型二次電池においても落下などの外部衝撃から電極組立体が流動または回転されることで、電極組立体とキャップ組立体との間の電気的短絡が発生するので、本発明の実施形態のように、巻き止めテープを熱収縮の材質で形成し、缶と電極組立体との間を密着させることができる。

結果的に、本発明の実施形態に係る二次電池は、電極組立体の外周面を取り囲む巻き止めテープを熱収縮の材質で形成し、缶を密閉させた後に所定温度で加熱して前記巻き止めテープを収縮させ、前記電極組立体と缶との間を密着させることによって、落下などの外部衝撃から前記電極組立体が流動または回転することを防止する。

１１０ 電極組立体
１２０ センターピン
１３０ 缶
１４０ キャップ組立体
２００ 巻き止めテープ

Claims (5)

1. 正極板、陰極板及び前記両極板間に位置する電極組立体と、
   前記電極組立体の外周面を取り囲む巻き止めテープと、
   前記電極組立体を収納するための缶と、
   前記缶を密閉するためのキャップ組立体と、を含み、
   前記巻き止めテープは熱収縮の材質であり、
   前記巻き止めテープは、４０〜６０℃で５０〜７０％に収縮する材質であり、
   前記巻き止めテープは、熱収縮により厚さが増加する領域の間に位置する複数の多角形溝を含み、
   前記巻き止めテープは、所定温度で収縮して全体的な厚さが増加する熱収縮の材質で形成されて、前記電極組立体と前記キャップ組立体との間の電気的短絡が発生するのを防止する
   ことを特徴とする二次電池。
2. 前記多角形溝は、菱形形状である
   ことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記巻き止めテープの一側端部は、前記電極組立体の最外郭側端部が位置する外周面に付着する
   ことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
4. 前記電極組立体は、内側に位置するセンターピンを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
5. 前記巻き止めテープは、前記電極組立体の外周面に沿って取り囲む複数のサブ巻き止めテープを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。