JP6505998B2 - 絶縁ケースを有する二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池パックに関するものであって、より詳細には、絶縁ケースを有する二次電池に関するものである。

二次電池（rechargeable battery）は、充電が不可能な一次電池とは異なり、充電および放電可能な電池である。低容量の二次電池は、携帯電話やノートパソコンおよびビデオカメラのように携帯が可能な小型電子機器に用いられ、大容量の電池は、ハイブリッド自動車などのモータ駆動用電源として幅広く用いられている。

代表的な二次電池には、ニッケル−カドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）電池とニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池、およびリチウム（Ｌｉ）電池とリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）二次電池などがある。特に、リチウムイオン二次電池は、携帯用電子装備の電源として多く用いられているニッケル−カドミウム電池や、ニッケル−水素電池より、作動電圧が約３倍も高い。また、単位重量あたりのエネルギー密度が高い側面から幅広く用いられている。

二次電池は、主に、正極活物質としてリチウム系酸化物、負極活物質としては炭素材を使用している。一般には、電解質の種類によって、液体電解質電池と、高分子電解質電池とに分類され、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。

このような二次電池に縦方向（本記載において、縦方向とは、後述するキャッププレートの長さ方向を意味する）に衝撃が作用する場合、二次電池が変形して危険な状態が持続する。二次電池が変形すると、内部短絡が発生することがあるが、抵抗の高い部分で内部短絡が発生すると、二次電池で多くの熱が発生することがある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、縦圧縮力に対する安全性が向上した二次電池を提供することである。

本発明にかかる二次電池は、第１電極、第２電極、および第１電極と第２電極との間に介在したセパレータを有する電極アセンブリと、前記電極アセンブリが収納される空間を有する収納ケースと、前記収納ケースに形成された開口に取り付けられたキャッププレートと、前記キャッププレートと前記電極アセンブリとの間に設けられ、ベースと、前記ベースから突出した側壁とを有する絶縁ケースとを含み、前記側壁には、開口した回避部が形成される。

前記第１電極には第１タブが連結されて設けられ、前記第２電極には第２タブが連結されて設けられ、前記キャッププレートには、前記第２タブに連結された接続プレートが前記キャッププレートに対して回動可能に設けられてよい。

前記回避部は、前記側壁の上端から下部に向かって凹状に陥没した構造からなり、前記回避部において、前記側壁は、他の部分より低く形成されてよく、前記回避部は、前記側壁を貫通して形成された穴からなってよい。

前記回避部は、前記接続プレートの側端と前記収納ケースの側面との間に位置することができ、前記接続プレートは、前記キャッププレートおよび前記接続プレートを貫通する端子を介して前記キャッププレートに固定されるように設けられてよい。

前記キャッププレートと前記接続プレートとの間には、電気的な絶縁性を有する絶縁プレートが設けられてよく、前記接続プレートの両側の側端には、前記接続プレートの幅方向に突出した短絡顎が形成されてよい。

前記回避部は、前記短絡顎と前記収納ケースの側面との間に位置することができ、前記接続プレートは、前記第１タブが取り付けられる第１部分と、前記端子が貫通する第２部分とを含み、前記第２部分は、前記第１部分よりも大きい幅を有するように構成されてよい。

前記第１部分と前記第２部分とが連結された部分には、前記第１部分の側端から外側に突出した短絡顎が形成されてよく、前記回避部は、前記第２部分と収納ケースの側面との間に位置することができる。

前記絶縁ケースの幅方向に離隔した２つの回避部が互いに向き合うように配置されてよく、前記第２部分の先端には、前記接続プレートの長さ方向に突出した短絡突起が形成されてよい。

前記短絡突起は、前記第２部分の先端に互いに離隔するように設けられた２つの短絡突起であり、前記キャッププレートには、前記電極アセンブリに向かって突出した整列突起が形成され、前記整列突起は、前記短絡突起の間に位置することができる。

短絡突起と第２部分とが連結された部分には、短絡突起の長さ方向に延びた切開部が形成されてよく、前記短絡突起の間には溝部が形成され、前記溝部は、前記第２部分の先端から内側に向かって凹状に形成されてよい。

前記収納ケースが圧縮力によって曲がるとき、前記短絡突起のうちのいずれか一方の短絡突起は、前記収納ケースの側面と当接するように構成され、いずれか他方の短絡突起は、前記整列突起と当接するように構成されてよい。

本発明によれば、縦圧縮力によって二次電池が変形したとき、接続プレートとケースとが当接して短絡を誘発するため、二次電池内部の電流を放出することができる。これにより、短絡電流が流れても、多くの熱が発生するのを防止することができる。その結果、本発明によれば、縦圧縮力に対する安全性が向上した二次電池を提供することができる。

本発明の第１実施形態にかかる二次電池を示した分解斜視図である。 本発明の第１実施形態にかかる二次電池を示した断面図である。 本発明の第１実施形態にかかる絶縁ケースを示した斜視図である。 本発明の第１実施形態にかかる接続プレートを示した斜視図である。 本発明の第１実施形態にかかるキャッププレートに結合された部材を下からみた図である。 図５Ａに示されたキャッププレートが縦圧縮力によって変形した状態を示した図である。 本発明の第１実施形態にかかる二次電池が縦圧縮力によって変形したことを示した写真である。 本発明の第１実施形態にかかる二次電池のキャッププレートが縦圧縮力によって変形したことを示した写真である。 本発明の第２実施形態にかかる絶縁ケースを示した斜視図である。 本発明の第２実施形態にかかる接続プレートを示した斜視図である。 本発明の第２実施形態にかかるキャッププレートが縦圧縮力によって変形した状態を示した図である。 本発明の第３実施形態にかかる接続プレートを示した斜視図である。 本発明の第３実施形態にかかるキャッププレートが縦圧縮力によって変形した状態を示した図である。

以下、添付した図面を参照して、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が容易に実施できるように本発明の実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、様々な異なる形態で実現可能であり、以下に説明する実施形態に限定されない。そして、本明細書および図面において、同一の符号は、同一の構成要素を表す。

図１は、本発明の第１実施形態にかかる二次電池の分解斜視図であり、図２は、本発明の第１実施形態にかかる二次電池の断面図である。

図１および図２を参照して説明すれば、本実施形態にかかる二次電池１０１は、電極アセンブリ１０と、収納ケース２０と、キャッププレート４０とを含む。以下、角形電池を例として説明するが、本発明がこれに制限されるわけではなく、本発明は、パウチ電池、リチウムポリマー電池などの多様な二次電池に対して適用可能である。

電極アセンブリ１０は、正極（第１電極）１１、負極（第２電極）１２、および正極１１と負極１２との間に配置されたセパレータ１３を含む。正極１１は、長く延びた帯形状からなり、正極活物質層が形成された領域の正極コーティング部と、活物質がコーティングされていない領域の正極無地部とを含む。正極無地部は、正極の長さ方向の一側端部に位置する。

負極１２は、長く延びた帯形状からなり、負極活物質層が形成された領域の負極コーティング部と、活物質がコーティングされていない領域の負極無地部とを含む。負極無地部は、負極の長さ方向の一側端部に位置する。正極１１および負極１２は、絶縁体のセパレータ１３を間に介在させて巻き取られ、ゼリーロール形態となる。

ただし、本発明がこれに制限されるわけではなく、電極アセンブリは、正極と負極との間にセパレータが介在するように順次に積層された構造からなってよい。

正極１１には正極タブ（第１タブ）１６が固定されて設けられ、負極１２には負極タブ（第２タブ）１７が固定されて設けられる。正極タブ１６と負極タブ１７とは、巻回軸と平行に配置され、電極アセンブリ１０でレイヤの露出した断面部から突出するように設けられる。正極タブ１６と負極タブ１７とは、収納ケース２０の開口が形成された方向に突出し、互いに所定の距離だけ離隔するように配置されて電気的に絶縁される。

正極タブ１６は、ニッケル、アルミニウムのような電気伝導性材質からなり、キャッププレート４０に電気的に接続される。負極タブ１７は、銅、ニッケルのような電気伝導性材質からなり、端子３０と電気的に接続される。

収納ケース２０は、上端に開口部２０ａが形成されて電極アセンブリ１０を収容し、横断面は角の丸く形成された長方形からなる。収納ケース２０は、内部に電極アセンブリ１０および電解液が収容される空間を提供し、正極タブ１６と電気的に接続される。収納ケース２０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を金属深絞り（deep drawing）のような方法で加工して製作されてよい。

キャッププレート４０は、収納ケース２０の開口部２０ａに結合されて収納ケース２０を密閉し、アルミニウムまたはアルミニウム合金のような電気伝導性金属材質からなる。キャッププレート４０の下面には、正極タブ１６が溶接によって接合され、キャッププレート４０は正極と同じに帯電する。

図３は、本発明の第１実施形態にかかる絶縁ケースを示した斜視図である

図３を参照して説明すれば、電極アセンブリ１０とキャッププレート４０との間には、絶縁ケース７０が設けられる。絶縁ケース７０は、ベース７１と、ベース７１の側端から突出した側壁７２とを備える。ベース７１は、板形状からなり、ベース７１には、正極タブ１６が貫通する第１タブホール７３と、負極タブ１７が貫通する第２タブホール７４とが形成されている。側壁７２は、ベース７１の周りに沿って延在するように形成され、側壁７２には、開口した回避部７５、７６が形成される。回避部７５、７６は、側壁の上端から下部に向かって凹状に陥没した構造からなり、回避部７５、７６において、側壁７２は、他の部分より低く形成される。回避部７５、７６は、絶縁ケース７０の長さ方向の中央に形成され、２つの回避部７５、７６が絶縁ケース７０の幅方向に離隔して互いに向き合うように配置される。

端子３０は、キャッププレート４０の中央に位置し、キャッププレート４０に形成された端子ホール４１に挿入されてキャッププレート４０を貫通して設けられる。端子３０は、絶縁ガスケット３５を介してキャッププレート４０に設けられ、絶縁ガスケット３５は、端子３０の周りを囲みながら、端子３０とキャッププレート４０とを電気的に絶縁する。

キャッププレート４０には、収納ケース２０に電解液を注入する通路である電解液注入孔４２が設けられているが、電解液の注入後、電解液注入孔４２にはキャップ４３が挿入設置され、電解液注入孔４２を閉鎖する。

端子３０は、キャッププレート４０と接続プレート６０を貫通するように設けられるが、接続プレート６０は、収納ケース２０の内部で電極アセンブリ１０とキャッププレート４０との間に配置される。接続プレート６０は、板形状からなり、キャッププレート４０と平行に配置される。

端子３０は、キャッププレート４０と接続プレート６０を貫通するように設けられた状態で、リベッティングによってキャッププレート４０と接続プレート６０に固定される。負極タブ１７は、接続プレート６０に溶接によって固定され、これにより、端子３０は、接続プレート６０と負極タブ１７を介して負極１２と電気的に接続されることができる。

キャッププレート４０と接続プレート６０との間には、接続プレート６０とキャッププレート４０とを絶縁する絶縁プレート５０が設けられる。絶縁プレート５０は、電気的な絶縁性を有する板からなり、キャッププレート４０と平行に配置される。

絶縁プレート５０には、端子の貫通する端子ホール５１が形成され、絶縁プレート５０の長さ方向の一側端部には、２つの突出部５２、５３が形成される。突出部５２、５３は、絶縁プレート５０の幅方向に互いに離隔するように設けられる。キャッププレート４０には、電極アセンブリに向かって下へ突出した整列突起４５が形成されるが、整列突起４５は、突出部５２、５３の間に位置する。これにより、絶縁プレート５０を正確な位置に容易に設けることができる。

図４を参照して説明すれば、接続プレート６０は、一方向に長く延びた板状からなり、接続プレート６０には、端子３０の貫通する端子ホール６３が形成される。これにより、接続プレート６０は、端子３０を軸として回動可能になる。

接続プレート６０は、負極タブ１７が取り付けられる第１部分６１と、端子が貫通する第２部分６２とからなり、第２部分６２は、第１部分６１よりも大きい幅を有する。これにより、第１部分６１と第２部分６２とが連結された部分には、第１部分６１の側端から外側に突出した短絡顎６２ａが形成される。

第２部分６２の先端には、互いに離隔した２つの短絡突起６７、６８が形成され、短絡突起６７、６８は、接続プレート６０の長さ方向に突出している。短絡突起６７、６８の間に整列突起４５が位置し、このために、短絡突起６７、６８は、整列突起４５を間において互いに離隔するように設けられる。また、短絡突起６７、６８と第２部分６２とが連結された部分には、短絡突起６７、６８の長さ方向に延びた切開部６５が形成される。これにより、短絡突起６７、６８の長さが相対的に増加するので、短絡突起６７、６８は容易に撓むことができる。

一方、回避部７５、７６は、接続プレート６０の側端と収納ケースの側面との間に位置するが、回避部７５、７６は、第２部分６２と収納ケース２０の側面２０ｂとの間に位置する。これにより、第２部分６２の側面が収納ケース２０と直接向き合う。また、回避部７５、７６は、短絡突起６７、６８と収納ケース２０の側面との間、および短絡顎６２ａと収納ケース２０の側面との間に位置する。

図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、および図６Ｂに示されているように、収納ケース２０に縦圧縮力が作用すると、収納ケース２０の中央部分で曲がる。これは、収納ケース２０の中央部分が他の部分より相対的に曲げ応力に弱いからである。本記載において、縦圧縮力とは、キャッププレート４０の長さ方向に作用する圧縮力を意味する。

接続プレート６０は、収納ケースが曲がるのに比べて相対的に小さく曲がる。これは、接続プレート６０には直接縦圧縮力が作用せず、接続プレート６０は、端子３０を介してキャッププレート４０に固定され、端子３０を中心軸として回動できるからである。

これにより、接続プレート６０と収納ケース２０の側面とが当接するが、一方の短絡突起６７は、収納ケース２０の側面２０ｂと当接し、他方の短絡突起６８は、整列突起４５と当接して短絡を誘発する。また、短絡顎６２ａが収納ケース２０と当接して短絡を誘発することができる。上述したように、本実施形態によれば、絶縁ケース７０に回避部７５、７６が形成されるため、接続プレート６０が収納ケース２０の側面２０ｂと直接向き合うので、接続プレート６０が回転すると、複数箇所で短絡が生じる。

二次電池が変形すると、変形した部品同士の接触で短絡が発生することがある。短絡が発生すると、充電された電流が瞬間的に放電されるため、正常状態で流れる電流に比べて非常に大きい電流が流れる。このとき、短絡した部分では多くの熱が発生し、特に、短絡した部材の抵抗が大きい場合には、二次電池で多くの熱が発生することがある。

しかし、本実施形態によれば、二次電池が変形したとき、人為的に短絡を誘導し、複数箇所で短絡を生じさせるため、接触抵抗の小さい部材を通して電流を分散して放電させることができる。これにより、短絡電流が流れても、多くの熱が発生するのを防止することができる。

図７は、本発明の第２実施形態にかかる絶縁ケースを示した斜視図である。

本実施形態にかかる二次電池は、絶縁ケース９０および接続プレート８０の構造を除いては、第１実施形態にかかる二次電池と同一の構造からなるので、同一の構造に関する重複説明は省略する。

絶縁ケース９０は、ベース９１と、ベース９１の側端から突出した側壁９２とを含む。ベース９１は、板形状からなり、ベース９１には、正極タブ１６が貫通する第１タブホール９３と、負極タブ１７が貫通する第２タブホール９４とが形成されている。側壁９２は、ベース９１の周りに沿って延在するように形成され、側壁９２には、開口した回避部９５、９６が形成される。回避部９５、９６は、側壁を貫通して形成された穴からなり、ベース９１の長さ方向に延在するように形成される。回避部９５、９６は、絶縁ケース９０の長さ方向の中央に形成され、２つの回避部９５、９６が絶縁ケース９０の幅方向に離隔して互いに向き合うように配置される。

図８は、本発明の第２実施形態にかかる接続プレートを示した斜視図であり、図９は、本発明の第２実施形態にかかるキャップアセンブリを下からみた図である。

図８および図９を参照して説明すれば、接続プレート８０は、一方向に長く延びた板状からなり、接続プレート８０には、端子３０の貫通する端子ホール８３が形成される。これにより、接続プレート８０は、端子３０を軸として回動可能になる。

接続プレート８０は、負極タブ１７が取り付けられる第１部分８１と、端子が貫通する第２部分８２とからなり、第２部分８２は、第１部分８１よりも大きい幅を有する。これにより、第１部分８１と第２部分８２とが連結された部分には、第１部分８１の側端から外側に突出した短絡顎８２ａが形成される。

第２部分８２の先端には、２つの短絡突起８７、８８が形成され、短絡突起８７、８８の間に整列突起４５が位置する。また、短絡突起８７、８８の間には凹状の溝部８５が形成され、２つの短絡突起８７、８８は、溝部８５を間において互いに離隔するように設けられる。溝部８５は、第２部分８２の先端から内側に向かって凹状に形成される。

一方、回避部９５、９６は、第２部分８２と収納ケース２０の側面２０ｂとの間に形成され、これにより、第２部分８２の側面が収納ケース２０と直接向き合う。特に、回避部９５、９６は、短絡突起８７、８８と収納ケース２０との間、および短絡顎８２ａと収納ケース２０との間に形成されてよい。

図９に示されているように、収納ケース２０に縦圧縮力が作用するとき、一方の短絡突起８７は、収納ケース２０の側面２０ｂと当接し、他方の短絡突起８８は、整列突起４５と当接して短絡を誘発する。また、短絡顎８２ａが収納ケース２０と当接して短絡を誘発することができる。

図１０は、本発明の第３実施形態にかかる接続プレートを示した斜視図であり、図１１は、本発明の第３実施形態にかかるキャップアセンブリを下からみた図である。

図８および図９を参照して説明すれば、本実施形態にかかる二次電池は、接続プレート１２０の構造を除いては、第１実施形態にかかる二次電池と同一の構造からなるので、同一の構造に関する重複説明は省略する。

接続プレート１２０は、一方向に長く延びた板状からなり、接続プレート１２０には、端子３０の貫通する端子ホール１２３が形成される。これにより、接続プレート１２０は、端子３０を軸として回動可能になる。

接続プレート１２０の側端には、外側に突出した短絡顎１２４が形成されている。短絡顎１２４は、接続プレート１２０の両側の側端から接続プレート１２０の幅方向に突出するように形成される。

接続プレート１２０の一側端部には、２つの短絡突起１２７、１２８が形成され、短絡突起１２７、１２８の間に整列突起４５が位置する。また、短絡突起１２７、１２８の間には凹状の溝部１２５が形成され、２つの短絡突起１２７、１２８は、溝部１２５を間において互いに離隔するように設けられる。溝部１２５は、接続プレート１２０の先端から内側に向かって延在するように形成される。

図１１に示されているように、収納ケース２０に縦圧縮力が作用するとき、一方の短絡突起１２７は、収納ケース２０の側面と当接し、他方の短絡突起１２８は、整列突起４５と当接して短絡を誘発する。また、短絡顎１２４が収納ケース２０と当接して短絡を誘発することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明およ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できる。

１０ 電極アセンブリ
１１ 正極
１２ 負極
１３ セパレータ
１６ 正極タブ
１７ 負極タブ
２０ 収納ケース
３０ 端子
３５ 絶縁ガスケット
４０ キャッププレート
４２ 電解液注入孔
４３ キャップ
４５ 整列突起
５０ 絶縁プレート
５１、６３、８３、１２３ 端子ホール
５２、５３ 突出部
６０、８０、１２０ プレート
６１、８１ 第１部分
６２、８２ 第２部分
６５ 切開部
６７、６８、８７、８８、１２７、１２８ 短絡突起
８５、１２５ 溝部
７０、９０ 絶縁ケース
７１、９１ ベース
７２、９２ 側壁
７３、９３ 第１タブホール
７４、９４ 第２タブホール
７５、７６、９５、９６ 回避部
２０ａ 開口部
２０ｂ 側面
６２ａ、８２ａ、１２４ 短絡顎
１０１ 二次電池

Claims (17)

1. 第１電極、第２電極、および第１電極と第２電極との間に介在したセパレータを有する電極アセンブリと、
   前記電極アセンブリが収納される空間を有する収納ケースと、
   前記収納ケースに形成された開口に取り付けられたキャッププレートと、
   前記キャッププレートに回動可能に設けられた接続プレートと、
   前記キャッププレートと前記電極アセンブリとの間に設けられ、ベースと、前記ベースから突出した側壁とを有する絶縁ケースとを含み、
   前記側壁には、開口した回避部が形成されており、
   前記第１電極には第１タブが連結されて設けられ、前記第２電極には第２タブが連結されて設けられ、前記キャッププレートは、前記第１タブに連結されており、前記接続プレートは、前記第２タブに連結されており、
   前記キャッププレートは前記電極アセンブリに向かって突出した整列突起を有し、
   前記接続プレートは互いに離隔した一対の短絡突起を有し、
   前記収納ケースが圧縮力によって曲がるとき、前記一対の短絡突起は前記収納ケースと前記整列突起にそれぞれ接触されることを特徴とする二次電池。
2. 前記回避部は、前記側壁の上端から下部に向かって凹状に陥没した構造からなり、前記回避部において、前記側壁は、他の部分より低く形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記回避部は、前記側壁を貫通して形成された穴からなることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
4. 前記回避部は、前記接続プレートの側端と前記収納ケースの側面との間に位置することを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
5. 前記接続プレートは、前記キャッププレートおよび前記接続プレートを貫通する端子を介して前記キャッププレートに固定されるように設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
6. 前記キャッププレートと前記接続プレートとの間には、電気的な絶縁性を有する絶縁プレートが設けられていることを特徴とする、請求項５に記載の二次電池。
7. 前記接続プレートの両側の側端には、前記接続プレートの幅方向に突出した短絡顎が形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の二次電池。
8. 前記回避部は、前記短絡顎と前記収納ケースの側面との間に位置することを特徴とする、請求項７に記載の二次電池。
9. 前記接続プレートは、前記第２タブが取り付けられる第１部分と、前記端子が貫通する第２部分とを含み、前記第２部分は、前記第１部分よりも大きい幅を有することを特徴とする、請求項５に記載の二次電池。
10. 前記第１部分と前記第２部分とが連結された部分には、前記第１部分の側端から外側に突出した短絡顎が形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の二次電池。
11. 前記回避部は、前記第２部分と前記収納ケースの側面との間に位置することを特徴とする、請求項９に記載の二次電池。
12. 前記絶縁ケースの幅方向に離隔した２つの前記回避部が、互いに向き合うように配置されていることを特徴とする、請求項１１に記載の二次電池。
13. 前記第２部分の先端には、前記接続プレートの長さ方向に突出した前記短絡突起が形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の二次電池。
14. 前記整列突起は、前記一対の短絡突起の間に位置することを特徴とする、請求項１３に記載の二次電池。
15. 前記短絡突起と前記第２部分とが連結された部分には、前記短絡突起の長さ方向に延びた切開部が形成されたことを特徴とする、請求項１４に記載の二次電池。
16. 前記短絡突起の間には溝部が形成され、前記溝部は、前記第２部分の先端から内側に向かって凹状に形成されたことを特徴とする、請求項１４に記載の二次電池。
17. 前記収納ケースが圧縮力によって曲がるとき、前記短絡突起のうちのいずれか一方の前記短絡突起は、前記収納ケースの側面と当接するように構成され、いずれか他方の前記短絡突起は、前記整列突起と当接するように構成されることを特徴とする、請求項１４に記載の二次電池。

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