KR101951571B1 - 조전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 관한 조전지(200)는, 복수의 충방전 가능한 단전지(100)가 소정 방향으로 배열되어 구성된 조전지이다. 복수의 단전지(100) 각각은, 정극 및 부극을 구비하는 전극체(10)와, 당해 전극체(10) 및 전해질을 수용하는 상자형의 전지 케이스(50)를 구비하고 있다. 조전지(200) 내의 인접하는 2개의 단전지(100)는, 전지 케이스(50)의 서로 대향하는 면(52)에 당해 전지 케이스(50) 내에서 발생한 가스를 배출하는 가스 배출 밸브(60)가 각각 설치되어 있다. 인접하는 2개의 단전지(100)가 구비하는 전지 케이스(50)에 있어서, 서로 대향하는 면(52)에 각각 설치된 가스 배출 밸브(60)는, 단전지(100)의 배열 방향(Z)으로부터 보았을 때, 서로 겹치지 않는 위치에 배치되어 있다.
Description
본 발명은, 조전지에 관한 것이다.
경량이며 고에너지 밀도가 얻어지는 리튬 이온 이차 전지, 니켈 수소 전지 그 밖의 이차 전지 혹은 커패시터 등의 축전 소자를 단전지로 하고, 당해 단전지를 복수 직렬 접속하여 이루어지는 조전지는 고출력이 얻어지는 전원으로서, 차량 탑재용 전원, 혹은 퍼스널 컴퓨터 및 휴대 단말기의 전원으로서 바람직하게 사용되고 있다. 조전지의 일례로서 일본 특허 제05966457호에는, 각형의 단전지를 복수 개 배열함과 함께 각 단전지에 설치된 정극 단자 및 부극 단자를 각각 직렬로 접속함으로써 구성된 조전지가 개시되어 있다. 이러한 조전지에 있어서는, 복수의 단전지는 각각의 정극 단자 및 부극 단자가 교대로 배치되도록 하나씩 반전시켜 배치된다. 또한, 각 단전지에 있어서의 전지 케이스의 상면에는, 과충전 시에 전지 내부에서 발생한 가스를 배출하기 위한 가스 배출 밸브(안전 밸브)가 설치되어 있다.
그런데, 본 발명자들은, 각 단전지의 에너지 밀도를 향상시키기 위해, 도 11에 나타낸 바와 같이, 각 단전지(1)의 횡방향(X) 및 종방향(Y)의 치수를 크게 함과 함께, 횡방향(X) 및 종방향(Y)의 치수에 대해 두께 방향(조전지화하였을 때의 각 단전지의 배열 방향)(Z)의 치수를 작게 하는 것을 고려하고 있다. 그러나, 단전지(1)의 두께 방향(Z)의 치수를 작게 하여 당해 단전지(1)를 박형화하면, 전지 케이스의 측면(2)에 가스 배출 밸브를 배치하는 것이 치수적으로 어려워진다. 이 경우, 전지 케이스의 광폭면(조전지화하였을 때에 복수의 전지 케이스가 서로 대향하는 면)(3)에 가스 배출 밸브를 형성하지 않을 수 없지만, 그 형성 위치는, 조전지화한 상태라도 인접하는 단전지의 가스 배출 밸브에 악영향을 미치는 일 없이, 전지 케이스 내에서 발생한 가스를 효율적으로 배출할 수 있는 위치일 것이 요구된다.
본 발명은, 복수의 충방전 가능한 단전지가 소정 방향으로 배열되어 구성된 조전지이며, 전지 케이스의 광폭면(조전지화하였을 때에 복수의 전지 케이스가 서로 대향하는 면)에 가스 배출 밸브를 형성한 경우라도 가스 배출 밸브로부터 가스를 효율적으로 배출할 수 있는 조전지를 제공한다.
본 발명에 의해 제공되는 조전지는, 복수의 충방전 가능한 단전지가 소정 방향으로 배열되어 구성된 조전지이다. 상기 복수의 단전지 각각은, 정극 및 부극을 구비하는 전극체와, 당해 전극체 및 전해질을 수용하는 상자형의 전지 케이스를 구비하고 있다. 여기서 개시되는 조전지에서는, 당해 조전지 내의 인접하는 2개의 상기 단전지는, 상기 전지 케이스의 서로 대향하는 면에 당해 전지 케이스 내에서 발생한 가스를 배출하는 가스 배출 밸브가 각각 설치되어 있다. 그리고, 상기 인접하는 2개의 단전지가 구비하는 상기 전지 케이스에 있어서, 서로 대향하는 면에 각각 설치된 상기 가스 배출 밸브는, 상기 단전지의 배열 방향으로부터 보았을 때, 서로 겹치지 않는 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 있어서 「단전지」라 함은, 조전지를 구성하기 위해 서로 직렬 접속될 수 있는 개개의 축전 소자를 가리키는 용어이며, 특별히 한정하지 않는 한 다양한 조성의 전지, 커패시터를 포함한다. 또한, 「이차 전지」라 함은, 반복 충전 가능한 전지 일반을 말하며, 리튬 이온 이차 전지, 니켈 수소 전지 등의 이른바 축전지를 포함한다. 리튬 이온 이차 전지를 구성하는 축전 소자는, 여기서 말하는 「단전지」에 포함되는 전형예이며, 그러한 단전지를 복수 구비하여 이루어지는 리튬 이온 이차 전지 모듈은, 여기서 개시되는 「조전지」의 전형예이다.
상술한 인접하는 단전지가 구비하는 전지 케이스에 있어서, 서로 대향하는 면에 각각 설치된 가스 배출 밸브는, 예를 들어 전지 케이스 내의 압력이 소정값에 도달한 경우에, 전지 케이스 내에서 발생한 가스를 전지 외부로 배출한다. 이러한 가스 배출 밸브가 단전지의 배열 방향으로부터 보아 서로 겹치는 위치에 형성되면, 한쪽 단전지의 가스 배출 밸브로부터 배출된 가스가 인접하는 다른 쪽 단전지 가스 배출 밸브에 분사됨으로써 당해 다른 쪽 단전지의 가스 배출 밸브에 악영향을 미칠 우려가 있고, 또한 양쪽의 가스 배출 밸브가 동시에 작동한 경우에는 서로의 가스 배출이 저해되어, 전지 케이스 내에서 발생한 가스를 효율적으로 배출할 수 없을 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다. 상기 구성의 본 발명의 조전지에서는, 전지 케이스의 서로 대향하는 면에 각각 설치된 가스 배출 밸브가 배열 방향으로부터 보아 서로 겹치지 않는 위치에 배치되어 있다. 이 때문에, 한쪽 단전지의 가스 배출 밸브로부터 배출된 가스가 인접하는 다른 쪽 단전지의 가스 배출 밸브에 분사되기 어렵고, 또한 양쪽의 가스 배출 밸브가 동시에 작동한 경우라도 서로의 가스 배출이 저해되기 어렵다. 따라서, 본 구성의 조전지에서는, 상기한 바와 같은 문제가 발생하기 어려워, 신뢰성이 높은 조전지를 제공할 수 있다.
상기 조전지는, 단전지의 외형을 따르는 횡방향 및 종방향에 대해 수직인 방향인 방향은, 상기 조전지에 있어서 각 단전지가 배열되는 배열 방향이고, 상기 가스 배출 밸브는, 횡방향에 있어서, 상기 전지 케이스의 중심선으로부터 벗어난 위치에 배치되어 있는 것으로 해도 된다.
상기 조전지는, 횡방향에 있어서, 상기 가스 배출 밸브의 중심으로부터 상기 중심선까지의 길이는, 상기 가스 배출 밸브의 상기 중심으로부터 가스 배출 밸브의 외측 에지까지의 길이보다 큰 것으로 해도 된다.
상기 조전지는, 상기 가스 배출 밸브의 상기 중심으로부터 상기 중심선까지의 상기 길이는, 상기 가스 배출 밸브의 중심으로부터 상기 가스 배출 밸브의 상기 외측 에지까지의 상기 길이보다 1.5배 이상 큰 것으로 해도 된다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소들을 유사 도면 부호로 나타낸 첨부 도면을 참조로 하여 후술될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 단전지를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 단전지를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 단전지를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 단전지를 모식적으로 도시하는 다른 측면도이다.
도 5는 도 2의 V-V 단면도이다.
도 6은 도 2의 VI-VI 단면도이다.
도 7은 각 단전지 내의 전극체를 구성하는 정극, 부극 및 세퍼레이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 조전지를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 9는 각 단전지의 가스 배출 밸브의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 관련 기술의 각 단전지의 가스 배출 밸브의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 박형화한 단전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 단전지를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 단전지를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 단전지를 모식적으로 도시하는 다른 측면도이다.
도 5는 도 2의 V-V 단면도이다.
도 6은 도 2의 VI-VI 단면도이다.
도 7은 각 단전지 내의 전극체를 구성하는 정극, 부극 및 세퍼레이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 조전지를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 9는 각 단전지의 가스 배출 밸브의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 관련 기술의 각 단전지의 가스 배출 밸브의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 박형화한 단전지를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명에 의한 실시 형태를 설명한다. 또한, 본 명세서에 있어서 특별히 언급하고 있는 사항 이외의 사항이며 본 발명의 실시에 필요한 사항(예를 들어, 본 발명을 특징짓지 않는 전극체의 일반적인 구성 및 제조 프로세스)은, 당해 분야에 있어서의 관련 기술에 기초하는 당업자의 설계 사항으로서 파악될 수 있다. 본 발명은, 본 명세서에 개시되어 있는 내용과 당해 분야에 있어서의 기술 상식에 기초하여 실시할 수 있다. 또한, 이하의 도면에 있어서는, 동일한 작용을 발휘하는 부재·부위에는 동일한 부호를 붙여 설명하고 있다. 또한, 각 도면에 있어서의 치수 관계(길이, 폭, 두께 등)는, 실제의 치수 관계를 반영하는 것은 아니다.
본 발명에 관한 조전지는, 충방전 가능한 이차 전지를 단전지로 하고, 그러한 단전지를 복수 개 직렬로 접속하여 이루어지는 조전지이면 되고, 단전지의 구성은 특별히 제한되지 않는다. 니켈 수소 전지, 전기 이중층 커패시터 등이 본 발명의 실시에 적합한 단전지의 구성으로서 들 수 있다. 특히 본 발명의 실시에 적합한 단전지의 구성은 리튬 이온 이차 전지이다. 리튬 이온 이차 전지는 고에너지 밀도로 고출력을 실현할 수 있는 이차 전지이기 때문에, 고성능 조전지, 특히 차량 탑재용 조전지(전지 모듈)를 구축할 수 있다. 특히 전지 구성을 리튬 이온 이차 전지의 구성으로 한정하는 것을 의도한 것은 아니지만, 이하, 전지 구성으로서 리튬 이온 이차 전지를 예로 들어 본 발명을 상세하게 설명한다.
조전지는, 복수의 충방전 가능한 단전지가 소정 방향으로 배열되어 구성되어 있다. 복수의 단전지 각각은, 관련 기술의 조전지에 장비되는 단전지와 마찬가지로, 전형적으로는 소정의 전지 구성 재료(정극 부극 각각의 활물질, 정극 부극 각각의 집전체, 세퍼레이터, 전해질 등)를 구비하는 전극체와, 당해 전극체를 수용하는 상자형의 전지 케이스를 구비한다.
도 1은, 본 실시 형태에 관한 조전지를 구성하는 단전지(리튬 이온 이차 전지)(100)의 사시도이고, 도 2는 평면도, 도 3은 측면도, 도 4는 다른 측면도, 도 5는 도 2의 V-V 단면 모식도, 도 6은 도 2의 VI-VI 단면 모식도이다. 도 7은 각 단전지(100) 내의 전극체(10)를 구성하는 정극(20), 부극(30) 및 세퍼레이터(40)를 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는, 단전지(100)의 외형을 따라, X 방향을 횡방향이라고 하고, Y 방향을 종방향이라고 하고, X 방향 및 Y 방향에 대해 수직인 방향인 Z 방향을 두께 방향이라고 한다. 또한, 두께 방향(Z)은, 조전지에 있어서 각 단전지(100)가 배열되는 방향(배열 방향)에 대응한다. 단, 이들은 설명의 편의상의 방향에 불과하며, 리튬 이온 이차 전지(100)의 설치 양태를 전혀 한정하는 것은 아니다.
리튬 이온 이차 전지(100)는, 도 1∼도 7에 도시한 바와 같이, 전지 케이스(50)와, 전극체(10)와, 가스 배출 밸브(60)와, 주액 구멍(70)과, 정극 단자(80) 및 부극 단자(82)와, 도시하지 않은 전해질을 구비하고 있다.
전지 케이스(50)는 전극체(10)와 전해질을 수용하는 용기이다. 본 실시 형태에 있어서, 전지 케이스(50)는 상자형(각형 직육면체 형상)의 외형을 갖고 있다. 전지 케이스(50)는, 편평한 케이스 본체(52)와 밀봉판(54)을 구비하고 있다. 케이스 본체(52)는 전극체(10)를 수용 가능한 오목 형상으로 형성되어 있다. 케이스 본체(52)는, 당해 케이스 본체(52)를 구성하는 면 중, 가장 면적이 큰 면(광폭면)이 개구되어 있다. 이 실시 형태에서는, 케이스 본체(52)는 두께 방향(Z)의 한쪽이 개구되어 있다. 또한 케이스 본체(52)는, 개구부(52b)의 주연에 부설된 플랜지부(52a)를 갖고 있다. 밀봉판(54)은, 케이스 본체(52)의 개구부(52b)를 폐색하는 평판상의 부재이다. 밀봉판(54)은, 케이스 본체(52)의 개구부(52b)를 덮도록 케이스 본체(52)에 설치되어 있다. 케이스 본체(52)와 밀봉판(54)은, 두께 방향(Z)에 있어서, 전극체(10)를 사이에 두고 대향하여 배치되어 있다. 케이스 본체(52)에 설치된 플랜지부(52a)와 밀봉판(54)은, 시일 용접에 의해 서로 접합되어 있다. 이에 의해 전지 케이스(50)가 밀봉되어 있다. 전지 케이스(50)의 재질은, 예를 들어 알루미늄이나 스틸 등의 금속 재료이다. 전지 케이스(50)의 두께(벽 두께)는, 예를 들어 0.3㎜ 이상, 전형적으로는 0.3㎜∼1㎜로 설정될 수 있다.
오목 형상의 케이스 본체(52)는, 전극체(10)가 배치되는 평탄면(56)과, 평탄면(56)에 배치된 전극체(10)에 대해, 당해 전극체(10)의 주위를 둘러싸도록 평탄면(56)으로부터 올라간 측벽면(57)을 갖고 있다. 평탄면(56)은, 두께 방향(Z)으로부터 보아, 제1 변(58a)과, 당해 제1 변(58a)에 대향하는 제2 변(58b)과, 당해 제1 변(58a)에 직교하는 제3 변(58c)과, 당해 제1 변(58a)에 직교하고, 또한 당해 제3 변(58c)에 대향하는 제4 변(58d)에 의해 형성된 직사각 형상을 이루고 있다. 측벽면(57)은, 평탄면(56)에 배치된 전극체(10)의 주위를 둘러싸도록, 평탄면(56)의 4변(제1 변(58a)과 제2 변(58b)과 제3 변(58c)과 제4 변(58d))을 따라 형성되어 있다.
또한, 평탄면(56)은, 밀봉판(54)과의 거리가 큰 광폭부(56a)와, 당해 광폭부(56a)보다 밀봉판(54)과의 거리가 작은 협폭부(56b)로 이루어지는 단차 형상(높이가 다름)으로 형성되어 있다. 평탄면(56)의 광폭부(56a)는, 전극체(10)가 배치되는 부위이다. 평탄면(56)의 광폭부(56a)는, 전지 케이스(50) 내에 수용된 전극체(10)와 대향하고 있다. 평탄면(56)의 광폭부(56a)와 밀봉판(54) 사이의 거리 L2(도 6)는, 전극체(10)의 두께 방향(Z)의 두께와 대략 동일하다. 평탄면(56)의 광폭부(56a)와 밀봉판(54) 사이의 거리 L2는, 예를 들어 3㎜∼20㎜, 전형적으로는 5㎜∼15㎜로 설정될 수 있다. 평탄면(56)의 협폭부(56b)는, 단차(55)(도 6)를 통해 광폭부(56a)와 접속되어 있다. 평탄면(56)의 협폭부(56b)는, 가스 배출 밸브(60)가 형성되는 부위이다. 평탄면(56)의 협폭부(56b)는, 전지 케이스(50) 내에 수용된 전극체(10)와 대향하고 있지 않다. 이 실시 형태에서는, 평탄면(56)의 협폭부(56b)는, 종방향(Y)에 있어서, 평탄면(56)의 한쪽의 단부변(여기서는 제1 변(58a))을 따라 형성되어 있다. 평탄면(56)의 협폭부(56b)는, 광폭부(56a)보다 밀봉판(54)측으로 돌출되도록 형성되어 있다. 평탄면(56)의 협폭부(56b)와 밀봉판(54) 사이의 거리 L1(도 6)은, 광폭부(56a)와 밀봉판(54) 사이의 거리 L2보다 작다(L1＜L2). 협폭부(56b)와 밀봉판(54) 사이의 거리 L1은, 광폭부(56a)와 밀봉판(54) 사이의 거리 L2의 대략 4/5 이하(즉, L1/L2≤0.8)이고, 바람직하게는 3/5 이하(즉, L1/L2≤0.6)이다. L1/L2의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 L1/L2≥0.3, 전형적으로는 L1/L2≥0.5일 수 있다.
가스 배출 밸브(60)는, 전지 케이스(50) 내의 압력이 소정값에 도달하면, 전지 케이스(50) 내에서 발생한 가스를 배출하는 것으로서 구성되어 있다. 가스 배출 밸브(60)는, 도 2 및 도 6에 도시한 바와 같이, 케이스 본체(52)의 평탄면(56)의 협폭부(56b)에 배치되어 있다. 또한, 가스 배출 밸브(60)는 횡방향(X)에 있어서, 전지 케이스(50)의 중심선(C)(즉, 평탄면(56)의 제3 변(58c)과 제4 변(58d) 사이의 중간선)으로부터 제3 변(58c)측으로 벗어난 위치에 배치되어 있다. 이 실시 형태에서는, 횡방향(X)에 있어서, 가스 배출 밸브(60)의 중심(A)으로부터 상기 중심선(C)까지의 길이(D)는, 가스 배출 밸브(60)의 중심(A)으로부터 가스 배출 밸브(60)의 외측 에지(B)까지의 길이(d)보다 크다(즉, D＞d). 예를 들어, 가스 배출 밸브(60)의 중심(A)으로부터 중심선(C)까지의 길이(D)는, 가스 배출 밸브(60)의 중심(A)으로부터 가스 배출 밸브(60)의 외측 에지(B)까지의 길이(d)보다 1.5배 이상 큰 것이 바람직하고(즉, D/d≥1.5), 2배 이상 큰 것이 더 바람직하다(즉, D/d≥2). D/d의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 D/d≤4(전형적으로는 D/d≤3)로 설정될 수 있다. 가스 배출 밸브(60)의 중심(A)으로부터 가스 배출 밸브(60)의 외측 에지(B)까지의 길이(d)는, 예를 들어 3㎜∼15㎜, 전형적으로는 5㎜∼10㎜일 수 있다.
가스 배출 밸브(60)의 구성 자체는, 전지 케이스(50) 내의 압력이 소정값에 도달하면, 전지 케이스(50) 내에서 발생한 가스를 배출할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 가스 배출 밸브(60)는, 도 6에 도시한 바와 같이, 전지 케이스(50)(여기서는, 평탄면(56)의 협폭부(56b))의 일부에 박육부(62)를 형성한 구조일 수 있다. 당해 박육부(62)에 절결 홈(64)을 형성하고 있어도 된다. 이 경우, 전지 케이스(50) 내의 압력이 소정값에 도달하였을 때에 박육부(62)가 파단됨으로써, 전지 내에서 발생한 가스가 가스 배출 밸브(60)를 통해 전지 외부로 배출될 수 있다. 혹은, 가스 배출 밸브(60)는, 전지 케이스(50) 내의 압력이 소정값에 도달하였을 때에 파단되는 밸브체를 구비한 것이어도 된다. 이 경우, 전지 케이스(50) 내의 압력이 소정값에 도달하였을 때에 밸브체가 파단됨으로써, 전지 내에서 발생한 가스가 가스 배출 밸브(60)를 통해 전지 외부로 배출될 수 있다.
정극 단자(80) 및 부극 단자(82)는, 도 1∼도 6에 도시한 바와 같이, 상술한 가스 배출 밸브(60)와 마찬가지로, 케이스 본체(52)에 있어서의 평탄면(56)의 협폭부(56b)에 배치되어 있다. 정극 단자(80)는, 전극체(10)의 정극(20)과 전기적으로 접속되어 있다. 부극 단자(82)는, 전극체(10)의 부극(30)과 전기적으로 접속되어 있다. 정극 단자(80) 및 부극 단자(82)는 횡방향(X)에 있어서, 전지 케이스(50)의 중심선(C)을 축으로 하여 선대칭으로 배치되어 있다. 정극 단자(80)는, 중심선(C)보다 제3 변(58c)측에 배치되어 있다. 부극 단자(82)는, 중심선(C)보다 제4 변(58d)측에 배치되어 있다. 케이스 본체(52)의 평탄면(56)의 협폭부(56b)에는 또한, 주액 구멍(70)이 형성되어 있다. 주액 구멍(70)은, 평탄면(56)의 협폭부(56b)에 있어서, 상기 중심선(C)으로부터 제4 변(58d)측으로 벗어난 위치에 배치되어 있다. 주액 구멍(70)은, 액상의 전해질(전해액)을 주입하기 위한 것이다. 주액 구멍(70)은, 캡이 설치되어, 기밀하게 밀봉되어 있다.
전지 케이스(50)의 내부에는, 전극체(10)와 전해질이 수용되어 있다. 도 7에 도시한 바와 같이, 전극체(10)는, 여기서는 적층형의 전극체(적층 전극체)이다. 전극체(10)는, 직사각 형상의 정극 시트(20)와 직사각 형상의 부극 시트(30)를 각각 복수 매 구비하고 있다. 정극 시트(20)와 부극 시트(30)는, 세퍼레이터(40)를 통해 절연된 상태로 적층되어 있다. 전극체(10)의 적층 방향은, 여기서는 두께 방향(Z)이다.
정극 시트(20)는, 정극 집전체(22)와, 그 표면에 형성된 정극 활물질층(24)을 구비하고 있다. 정극 집전체(22)에는, 예를 들어 정극에 적합한 금속박이 적합하게 사용될 수 있다. 이 실시 형태에서는, 정극 집전체(22)로서, 알루미늄박이 사용되고 있다. 도시 예에서는, 정극 활물질층(24)은 정극 집전체(22)의 양면에 유지되어 있다. 또한, 횡방향(X) 및 종방향(Y)에 있어서, 정극 활물질층(24)은 정극 집전체(22)의 전체 폭과 동일한 폭으로 형성되어 있다.
정극 활물질층(24)에는, 정극 활물질이나 도전재나 바인더가 포함되어 있다. 정극 활물질에는, 관련 기술에 있어서 리튬 이온 이차 전지에 사용되는 물질 중 1종 또는 2종 이상을 특별히 한정 없이 사용할 수 있다. 일례로서, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(리튬 니켈 코발트 망간 복합 산화물), LiNiO2(리튬 니켈 복합 산화물), LiCoO2(리튬 코발트 복합 산화물) 등의 일반식 LiMeO2(Me는, Ni, Co, Mn 등의 전이 금속 원소 중 적어도 1종을 포함함)로 표현되는 층상 구조의 리튬 전이 금속 복합 산화물이 사용된다. 정극 활물질층(24)은, 상술한 정극 활물질 외에, 아세틸렌 블랙(AB) 등의 도전재나, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 스티렌부타디엔러버(SBR) 등의 바인더를 함유할 수 있다.
정극 시트(20)는, 정극 활물질층(24)이 형성되어 있지 않고, 정극 활물질층(24)이 형성되어 있는 부분보다 외측으로 돌출된 돌출 부분(26)을 갖고 있다. 이 돌출 부분(26)은, 정극 활물질층(24)이 형성되어 있지 않으므로, 정극 집전체(22)가 노출되어 있다. 이 돌출 부분(26)에 의해, 정극 집전용 탭(26)이 형성되어 있다. 정극 집전용의 탭(26)은, 정극 활물질층(24)의 단부로부터 연장되어 있다.
부극 시트(30)는, 부극 집전체(32)와, 그 표면에 형성된 부극 활물질층(34)을 구비하고 있다. 부극 집전체(32)에는, 예를 들어 부극에 적합한 금속박이 적합하게 사용될 수 있다. 이 실시 형태에서는, 부극 집전체(32)로서, 구리박이 사용되어 있다. 도시 예에서는, 부극 활물질층(34)은, 부극 집전체(32)의 양면에 유지되어 있다. 또한, 횡방향(X) 및 종방향(Y)에 있어서, 부극 활물질층(34)은 부극 집전체(32)의 전체 폭과 동일한 폭으로 형성되어 있다.
부극 활물질층(34)에는, 부극 활물질이나 증점제나 바인더 등이 포함되어 있다. 부극 활물질로서는, 관련 기술에 있어서 리튬 이온 이차 전지에 사용되는 물질 중 1종 또는 2종 이상을 특별히 한정 없이 사용할 수 있다. 부극 활물질의 예로서, 그래파이트 카본, 아몰퍼스 카본 등의 탄소계 재료, 리튬 전이 금속 산화물, 리튬 전이 금속 질화물 등을 들 수 있다. 또한, 이러한 부극 활물질 외에, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 스티렌부타디엔러버(SBR) 등의 바인더나, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 등의 증점제를 부극 활물질층(34)에 첨가할 수 있다.
부극 시트(30)는, 부극 활물질층(34)이 형성되어 있지 않고, 부극 활물질층(34)이 형성되어 있는 부분보다 외측으로 돌출된 돌출 부분(36)을 갖고 있다. 이 돌출 부분(36)은, 부극 활물질층(34)이 형성되어 있지 않으므로, 부극 집전체(32)가 노출되어 있다. 이 돌출 부분(36)에 의해, 부극 집전용 탭(36)이 형성되어 있다.
세퍼레이터(40)는, 정극 시트(20)와 부극 시트(30)를 이격시키는 부재이다. 이 예에서는, 세퍼레이터(40)는, 미소한 구멍을 복수 갖는 소정 폭의 시트재로 구성되어 있다. 세퍼레이터(40)에는, 예를 들어 다공질 폴리올레핀계 수지로 구성된 단층 구조의 세퍼레이터 혹은 적층 구조의 세퍼레이터를 사용할 수 있다.
적층 전극체(10)는, 전술한 바와 같이, 복수 매의 정극 시트(20), 복수 매의 부극 시트(30) 및 복수 매의 세퍼레이터(40)를 적층하여 형성되어 있다. 구체적으로는, 적층 전극체(10)는, 정극 시트(20)와 부극 시트(30)가 세퍼레이터(40)를 통해 적층 방향(여기서는, 두께 방향(Z))으로 교대로 반복하여 복수 적층되어 구성되어 있다. 또한, 적층 전극체(10)는, 정극 활물질층(24)과 부극 활물질층(34)이 세퍼레이터(40)를 통해 겹쳐지는 적층부를 갖고 있다. 이 적층부는, 정극 활물질층(24)과 부극 활물질층(34) 사이에서 세퍼레이터(40)를 통해 전하 담체(여기서는, 리튬 이온)의 수수가 행해지는 부분이며, 단전지(100)의 충방전에 기여하는 부분이다.
적층 전극체(10)는, 도 1∼도 7에 도시한 바와 같이, 전지 케이스(50)(이 예에서는 케이스 본체(52)의 평탄면(56)의 협폭부(56b))에 설치된 전극 단자(80, 82)에 설치되어 있다. 적층 전극체(10)는, 케이스 본체(52)의 개구부(52b)로부터 당해 케이스 본체(52) 내에 삽입된다. 적층 전극체(10)는 당해 전극체(10)의 적층 방향이 두께 방향(Z)과 일치한 상태에서(정극, 부극 및 세퍼레이터가 밀봉판(54)과 평행으로 되는 상태에서) 전지 케이스(50)에 수납되어 있다. 또한, 적층 전극체(10)는 반복 적층된 복수의 정극 시트(20)의 정극 집전용 탭(26)이 적층 전극체(10)의 적층 방향으로 적층되고, 적층부의 단부면으로부터 돌출되어 있다. 이 돌출된 복수의 정극 집전용 탭(26)은 적층 방향으로 모아지고, 그 모아진 부위에 정극 리드 단자(도시하지 않음)가 부설되어, 상술한 정극 단자(80)와 전기적으로 접속된다. 또한, 적층 전극체(10)는, 반복 적층된 복수의 부극 시트(30)의 부극 집전용 탭(36)이 적층 전극체(10)의 적층 방향으로 적층되고, 적층부의 단부면으로부터 돌출되어 있다. 이 돌출된 복수의 부극 집전용 탭(36)은, 적층 방향으로 모아지고, 그 모아진 부위에 부극 리드 단자(도시하지 않음)가 부설되어, 상술한 부극 단자(82)와 전기적으로 접속된다. 이러한 적층 전극체(10)는, 케이스 본체(52)의 개구부(52b)로부터 케이스 본체(52)의 편평한 내부 공간에 수용된다. 케이스 본체(52)의 개구부(52b)는 적층 전극체(10)가 케이스 본체(52)에 수용된 후, 밀봉판(54)에 의해 폐색된다.
전해질은, 전형적으로는 상온(예를 들어, 25℃)에 있어서 액상을 나타내고, 바람직하게는 사용 온도 영역 내(예를 들어, -20℃∼60℃)에 있어서 항시 액상을 나타낸다. 전해질로서는, 비수 용매 중에 지지염(예를 들어, 리튬염, 나트륨염, 마그네슘염 등. 리튬 이온 이차 전지에서는 리튬염)을 용해 또는 분산시킨 용액을 적합하게 채용할 수 있다. 지지염으로서는, 일반적인 리튬 이온 이차 전지와 마찬가지인 것을 적절하게 선택하여 채용할 수 있고, 예를 들어 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiAsF6, Li(CF3SO2)2N, LiCF3SO3 등의 리튬염을 사용할 수 있다. 그 중에서도 LiPF6을 적합하게 채용할 수 있다.
비수 용매로서는, 일반적인 리튬 이온 이차 전지에 사용되는 각종 카르보네이트류, 에테르류, 에스테르류, 니트릴류, 술폰류, 락톤류 등의 유기 용매를 특별히 한정 없이 사용할 수 있다. 구체예로서, 에틸렌카르보네이트(EC), 프로필렌카르보네이트(PC), 디에틸카르보네이트(DEC), 디메틸카르보네이트(DMC), 에틸메틸카르보네이트(EMC) 등을 들 수 있다.
다음으로, 도 8 및 도 9를 추가하여, 본 실시 형태에 관한 조전지(200)에 대해 설명한다. 도 8은 조전지(200)의 측면도이고, 도 9는 조전지(200) 내의 각 단전지(100)의 가스 배출 밸브(60)의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
조전지(200)는, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 복수(전형적으로는 6개 이상(예를 들어, 6∼100개), 바람직하게는 30개 이상, 보다 바람직하게는 50개 이상, 더욱 바람직하게는 60개 이상)의 단전지(100)가 직렬로 접속되어 구성되어 있다. 각 단전지(100)가 구비하는 전지 케이스(50)에는, 전극체(10)의 정극(20)과 전기적으로 접속되는 정극 단자(80) 및 부극(30)과 전기적으로 접속되는 부극 단자(82)가 설치되어 있다. 그리고, 인접하는 단전지(100) 사이에 있어서 한쪽 정극 단자(80)와 다른 쪽 부극 단자(82)가 단자간 접속구(도시하지 않음)에 의해 전기적으로 접속된다. 구체적으로는, 복수의 단전지(100)는, 각각의 정극 단자(80) 및 부극 단자(82)가 교대로 배치되도록(인접하는 단전지(100)의 정극 단자(80)와 부극 단자(82)끼리가 인접하도록), 단전지의 방향을 교대로 역방향으로 한 상태로 배열된다. 이 때문에, 복수의 단전지(100)는, 당해 단전지(100) 각각이 구비하는 전지 케이스(50)의 케이스 본체(52)끼리 및 밀봉판(54)끼리가 대향하도록 교대로 하나씩 방향을 반전시켜 배열된다.
또한, 배열시킨 단전지(100)의 주위에는, 복수의 단전지(100)를 통합하여 구속하는 구속 부재가 배치된다. 즉, 복수의 단전지(100)군의 배열 방향(Z)의 양단부(최외측에 위치하는 단전지(100A, 100H)의 더욱 외측)에는, 한 쌍의 엔드 플레이트(210A, 210B)가 배치된다. 또한, 한 쌍의 엔드 플레이트(210A, 210B)에는, 당해 한 쌍의 엔드 플레이트(210A, 210B)를 가교하도록 구속 밴드(212)가 설치된다. 그리고, 구속 밴드(212)의 단부를 비스(214)에 의해 한 쌍의 엔드 플레이트(210A, 210B)에 체결하고, 또한 고정함으로써 상기 단전지(100)군이 그 배열 방향으로 구속된다. 이와 같이 하여, 조전지(200)를 구축할 수 있다.
여기서, 상기 조전지(200)에 있어서는, 복수의 단전지(100)는, 당해 단전지(100) 각각이 구비하는 전지 케이스(50)의 케이스 본체(52)끼리 및 밀봉판(54)끼리가 대향하도록 교대로 하나씩 방향을 반전시켜 배열되어 있다. 그 때문에, 인접하는 2개의 단전지(100)(도 8의 예에서는, 단전지(100A)와 단전지(100B), 단전지(100C)와 단전지(100D), 단전지(100E)와 단전지(100F), 단전지(100G)와 단전지(100H))는, 전지 케이스(50)의 서로 대향하는 면(여기서는 케이스 본체(52)의 평탄면(56))에 가스 배출 밸브(60)가 각각 배치되게 된다.
본 실시 형태에 관한 조전지(200)에서는, 도 2 및 도 9에 도시된 바와 같이, 어느 단전지(100)에 있어서도, 전지 케이스(50)에 설치된 가스 배출 밸브(60)는 전지 케이스(50)의 횡방향(X)에 있어서의 중심선(C)으로부터 벗어난 위치에 배치되어 있다. 구체적으로는, 가스 배출 밸브(60)의 중심(A)으로부터 중심선(C)까지의 길이(D)는, 가스 배출 밸브(60)의 중심(A)으로부터 가스 배출 밸브(60)의 외측 에지(B)까지의 길이(d)보다 크다. 이와 같이, 가스 배출 밸브(60)를 전지 케이스(50)의 중심선(C)으로부터 벗어난 위치에 배치하고, 또한 가스 배출 밸브(60)의 중심(A)으로부터 중심선(C)까지의 길이(D)를 가스 배출 밸브(60)의 중심(A)으로부터 가스 배출 밸브(60)의 외측 에지(B)까지의 길이(d)보다 크게 함으로써, 인접하는 2개의 단전지(100)가 구비하는 전지 케이스(50)에 있어서, 서로 대향하는 면(여기서는, 케이스 본체(52)의 평탄면(56))에 각각 설치된 가스 배출 밸브(60)는, 단전지(100)의 배열 방향(Z)으로부터 보았을 때, 서로 겹치지 않는 위치에 배치된다.
따라서, 도 10에 도시한 관련 기술의 전지 구조와 같이, 전지 케이스(50)의 횡방향(X)에 있어서의 중심선(C)과 겹치는 위치에 가스 배출 밸브(60)가 설치되었을 때(나아가 전지 케이스(50)의 서로 대향하는 면에 각각 설치된 가스 배출 밸브(60)가 배열 방향(Z)으로부터 보아 서로 겹치는 위치에 배치되었을 때)에 일어날 수 있는, 다양한 문제를 억제할 수 있다. 구체적으로는, 가스 배출 밸브(60)가 배열 방향(Z)으로부터 보아 서로 겹치는 위치에 배치되면, 한쪽 단전지(100)의 가스 배출 밸브(60)로부터 배출된 가스가 인접하는 다른 쪽 단전지(100)의 가스 배출 밸브(60)에 분사됨으로써 당해 다른 쪽 단전지(100)의 가스 배출 밸브(60)에 악영향을 미칠 우려가 있다. 또한, 양방의 가스 배출 밸브(60)가 동시에 작동한 경우에는 서로의 가스 배출이 저해되어, 전지 케이스(50) 내에서 발생한 가스를 효율적으로 배출할 수 없을 우려가 있다. 한편, 상기한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 조전지(200)에서는, 전지 케이스(50)의 서로 대향하는 면에 각각 설치된 가스 배출 밸브(60)는, 배열 방향(Z)으로부터 보아 서로 겹치지 않는 위치에 배치되어 있으므로, 한쪽 단전지(100)의 가스 배출 밸브(60)로부터 배출된 가스가 인접하는 다른 쪽 단전지(100)의 가스 배출 밸브(60)에 분사되기 어렵고, 또한 양방의 가스 배출 밸브(60)가 동시에 작동한 경우라도 서로의 가스 배출이 저해되기 어렵다. 따라서, 본 구성의 조전지에서는, 상기한 바와 같은 문제가 발생하기 어려워, 신뢰성이 높은 조전지를 제공할 수 있다.
또한, 상기 조전지(200)에 의하면, 케이스 본체(52)는, 전극체(10)가 배치되는 평탄면(56)과, 평탄면(56)에 배치된 전극체(10)에 대해 당해 전극체(10)의 주위를 둘러싸도록 평탄면(56)으로부터 올라간 측벽면(57)을 갖고 있다. 평탄면(56)은, 전극체(10)가 배치되는 광폭부(56a)와, 당해 광폭부(56a)보다 밀봉판(54)과의 거리가 작은 협폭부(56b)로 이루어지는 단차 형상으로 형성되어 있다. 이 평탄면(56)의 협폭부(56b)에 가스 배출 밸브(60)가 설치되어 있다. 이러한 구성의 조전지(200)에서는, 가스 배출 밸브(60)가 배치된 평탄면(56)의 협폭부(56b)와 밀봉판(54) 사이의 거리가 광폭부(56a)와 밀봉판(54) 사이의 거리보다 짧으므로, 평탄면(56)의 협폭부(56b)와 인접하는 단전지(100) 사이에 일정한 간극이 형성된다. 이와 같이 평탄면(56)의 협폭부(56b)(나아가 협폭부(56b)에 형성된 가스 배출 밸브(60))와 인접하는 단전지(100) 사이에 일정한 간극을 형성함으로써, 가스 배출 밸브(60)로부터의 가스 배출이 인접하는 단전지(100)에 의해 저해되기 어려워져, 더 효율적인 가스 배출을 실현할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 정극 단자(80) 및 부극 단자(82)는, 횡방향(X)에 있어서, 전지 케이스(50)의 중심선(C)에 대해 선대칭으로 배치되어 있다. 또한, 가스 배출 밸브(60)는, 횡방향(X)에 있어서, 전지 케이스(50)의 중심선(C)으로부터 벗어난 위치에 배치되어 있다. 이와 같이 하면, 각각의 정극 단자(80) 및 부극 단자(82)가 교대로 배치되도록 단전지(100)의 방향을 교대로 역방향으로 한 상태로 배열하였을 때, 전지 케이스(50)의 서로 대향하는 면에 각각 설치된 가스 배출 밸브(60)는 전지 케이스(50)의 중심선(C)에 대해 선대칭으로 이격되어 배치된다. 그 때문에, 배열 방향으로부터 보아 서로 겹치지 않는 위치에 설치된 가스 배출 밸브(60)를 동일 형상의 단전지(100)만을 사용하여 간이하게 실현할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 전지 케이스(50)는, 일단부가 개구된 오목 형상의 케이스 본체(52)와, 당해 케이스 본체(52)의 개구부(52b)를 폐색하는 밀봉판(54)을 갖는다. 복수의 단전지(100)는, 당해 단전지(100) 각각이 구비하는 전지 케이스(50)의 케이스 본체(52)끼리, 및 밀봉판(54)끼리가 대향하도록 교대로 하나씩 방향을 반전시켜 배열되어 있다. 이와 같이 하면, 예를 들어 작업자가 단전지(100)의 조립 장착에 특별한 주의를 기울이지 않아도 각 단전지(100)를 미리 설정된 정확한 방향(즉, 인접하는 단전지(100)의 정극 단자(80)와 부극 단자(82)끼리가 인접하도록, 단전지(100)의 방향을 교대로 역방향으로 한 상태)으로 조립 장착할 수 있어, 조전지(200)를 조립할 때의 작업 효율이 향상된다.
또한, 상기 조전지(200)에 의하면, 각 단전지(100)가 구비하는 케이스 본체(52)는, 두께 방향(Z)의 한쪽이 개구되어 있다. 이와 같이 케이스 본체(52)의 두께 방향(Z)에 개구부(52b)를 마련함으로써, 케이스 본체(52)의 횡방향(X)이나 종방향(Y)으로 개구시키는 경우와 비교하여, 개구를 넓게 할 수 있다. 그 때문에, 케이스 본체(52)의 두께 방향(Z)의 두께를 얇게 하여 단전지(100)를 박형화해도, 전극체(10)를 전지 케이스(50)에 용이하게 수용(삽입)할 수 있다. 바람직한 일 양태에서는, 조전지(200)를 구성하는 각 단전지(100)는, 횡방향(X) 및 종방향(Y)의 치수에 비해 두께 방향(Z)의 치수가 작다. 도시한 예에서는, 단전지(100)의 횡방향(X)의 치수는, 종방향(Y)의 치수보다 작다. 또한, 단전지(100)의 두께 방향(Z)의 치수는, 횡방향(X)의 치수보다 작다. 예를 들어, 단전지(100)의 두께 방향(Z)의 치수는, 횡방향(X)의 치수의 1/10 이하이고, 전형적으로는 1/20(예를 들어, 1/30 이하)일 수 있다. 단전지(100)의 두께 방향(Z)의 치수는, 예를 들어 1㎜∼20㎜(전형적으로는, 5㎜∼10㎜)로 설정될 수 있다. 단전지(100)의 횡방향(X)의 치수는, 예를 들어 10㎝∼40㎝(전형적으로는 15㎝∼30㎝)로 설정될 수 있다. 이러한 대형 또한 박형의 단전지(100)는, 단전지(100)의 측면에 가스 배출 밸브(60)를 배치할 공간이 없기 때문에, 본 구성을 적용함에 따른 기술적 가치가 높다.
이상, 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 상기 실시 형태 및 실시예는 예시에 불과하며, 여기서 개시되는 발명에는 상술한 구체예를 다양하게 변형, 변경한 것이 포함된다.
예를 들어, 상기한 실시 형태에서는, 가스 배출 밸브(60)가 케이스 본체(52)에 설치되는 경우를 예시하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 가스 배출 밸브(60)는 밀봉판(54)에 형성되어 있어도 된다. 또한, 전지 케이스(50)는 일단부가 개구된 오목 형상의 케이스 본체(52)와, 당해 케이스 본체(52)의 개구부(52b)를 폐색하는 평판상의 밀봉판(54)을 갖는 경우를 예시하였지만, 밀봉판(54)은 평판상에 한정되지 않는다. 예를 들어, 밀봉판(54)은, 일단부가 개구된 오목 형상의 밀봉판이어도 된다. 이 경우, 케이스 본체(52)의 개구부(52b)에 밀봉판의 개구부를 겹쳐 주연부를 서로 접합함으로써, 전지가 밀봉될 수 있다.
또한, 여기에 개시되는 기술의 적합한 적용 대상은, 상술한 적층 타입의 전극체(10)에 한정되지 않는다. 예를 들어, 정극 집전체(22)와 부극 집전체(32)가 각각 띠 형상의 시트재이며, 정극 집전체(22)와 부극 집전체(32)가, 긴 쪽 방향을 정렬시키고, 또한 정극 활물질층(24)과 부극 활물질층(34)이 세퍼레이터(40)를 개재시킨 상태에서 서로 대향하도록 배치되고, 권회 축 주위로 권회된 권회 전극체여도 된다. 이러한 경우라도, 상술한 효과를 얻을 수 있다.
상기 조전지(200)는 각종 용도에 이용 가능하지만, 예를 들어 차량에 탑재되는 모터용 동력원(구동용 전원)으로서 적합하게 사용할 수 있다. 차량의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 전형적으로는 자동차, 예를 들어 플러그인 하이브리드 자동차(PHV), 하이브리드 자동차(HV), 전기 자동차(EV) 등을 들 수 있다.
Claims (4)
- 조전지(200)에 있어서,
소정 방향으로 배열된 복수의 충방전 가능한 단전지(100)를 포함하고,
상기 복수의 단전지(100) 각각은, 정극 및 부극을 구비하는 전극체(10)와, 당해 전극체(10) 및 전해질을 수용하는 상자형의 전지 케이스(50)를 구비하고 있고,
상기 조전지(200) 내의 인접하는 2개의 상기 단전지(100)는, 상기 전지 케이스(50)의 서로 대향하는 면(52)에 당해 전지 케이스(50) 내에서 발생한 가스를 배출하는 가스 배출 밸브(60)가 각각 설치되어 있고,
단전지(100)의 외형을 따르는 횡방향(X) 및 종방향(Y)에 대해 수직인 방향인 방향(Z)은, 상기 조전지(200)에 있어서 각 단전지(100)가 배열되는 배열 방향이고,
상기 인접하는 2개의 단전지(100)가 구비하는 상기 전지 케이스(50)에 있어서, 서로 대향하는 면(52)에 각각 설치된 상기 가스 배출 밸브(60)는, 상기 단전지(100)의 배열 방향으로부터 보았을 때, 서로 겹치지 않는 위치에 배치되어 있음과 동시에, 횡방향(X)에 있어서, 상기 전지 케이스(50)의 중심선(C)으로부터 벗어난 위치에 배치되어 있는, 조전지(200). - 삭제
- 제1항에 있어서,
횡방향(X)에 있어서, 상기 가스 배출 밸브(60)의 중심(A)으로부터 상기 중심선(C)까지의 길이(D)는, 상기 가스 배출 밸브(60)의 상기 중심(A)으로부터 가스 배출 밸브(60)의 외측 에지(B)까지의 길이(d)보다 큰, 조전지(200). - 제3항에 있어서,
상기 가스 배출 밸브(60)의 상기 중심(A)으로부터 상기 중심선(C)까지의 상기 길이(D)는, 상기 가스 배출 밸브(60)의 중심(A)으로부터 상기 가스 배출 밸브(60)의 상기 외측 에지(B)까지의 상기 길이(d)보다 1.5배 이상 큰, 조전지(200).
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