KR20040048295A - 전지 - Google Patents

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스기무네나오토
다카이시도시야
소마토모요시키
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히다치 막셀 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 휴대 전자기기 등의 소형 전자기기의 전원에 사용하기 적합한 전지, 특히 박형 전지의 구조에 관한 것이다.
이를 위하여 전자기기 등의 전원으로서 사용되는 전지에는 예를 들면 원통형의 것이나 각진 형의 것이 있다. 원통형 전지에서는 원통형상으로 깊이조절(원통조절) 가공한 금속캔이 사용되고, 각진형 전지에서는 직육면체형상으로 깊이조절(각진 통조절)가공한 금속캔이 사용된다.

Description

전지{BATTERY}
본 발명은 휴대 전자기기 등의 소형 전자기기의 전원에 사용하기 적합한 전지, 특히 박형 전지의 구조에 관한 것이다.
전자기기 등의 전원으로서 사용되는 전지에는 예를 들면 원통형의 것이나 각진 형의 것이 있다. 원통형 전지에서는 원통형상으로 깊이조절(원통조절) 가공한 금속캔이 사용되고, 각진형 전지에서는 직육면체형상으로 깊이조절(각진 통조절)가공한 금속캔이 사용된다.
한편, 얇기가 요구되는 예를 들면 휴대정보단말이나 휴대전화기 등의 소형의 휴대전자기기에 있어서는 두께가 비교적 얇은 전지가 사용되나, 이 종류의 박형전지에는 다음과 같은 타입의 것이 있다.
① 상기한 깊이조절가공에 의한 금속캔(깊이조절 캔)을 사용하여, 이것의 개구부에 금속덮개를 끼워 맞추어 용접하는 구조로 한 것(특허문헌 1).
② 전체의 두께를 얇게 하기 위하여 알루미늄박 등의 금속박과 수지를 적층하여 이루어지는 라미네이트필름(laminated film)을 외장재로서 사용한 것(특허문헌 2).
③ 도시락과 같은 얕기조절의 금속캔(얕기조절 캔)을 사용하여, 이것의 개구부에 금속덮개를 끼워 맞추어 용접하는 구조로 한 것(특허문헌 1,3 ∼ 5).
(특허문헌 1)
일본국 특개평11-185820호 공보
(특허문헌 2)
일본국 특개평8-835596호 공보
(특허문헌 3)
일본국 특개평9-213286호 공보
(특허문헌 4)
일본국 특개2001-167744호 공보
(특허문헌 5)
일본국 특개2001-250517호 공보
최근, 상기한 휴대정보단말이나 휴대전화기 등의 보급에 볼 수 있는 바와 같이, 전자기기에 대한 소형 경량화에 대한 요망이 강해지고 있고, 이에 따라 그것들에 탑재되는 전지에 대해서도 박형화에 대한 요구가 높아지고 있다.
그러나 상기한 ①에서 설명한 바와 같은 종래의 박형 전지구조에서는 전지캔에 깊이조절 캔을 사용하고 있기 때문에, 성형 가능한 크기(size)에 자연히 일정한 한계가 있었다. 예를 들면 현재 가장 얇은 캔은 캔 두께가 약 3mm 이고, 이것 이하의 얇은 캔을 현시점의 깊이조절가공기술로 얻는 것은 불가능하거나 또는 매우 곤란하다.
또, 가령 3mm 이하의 금속캔을 성형할 수 있었다 하여도 깊이조절 캔의 경우는 다음과 같은 문제가 있다.
(A) 이것의 두께를 얇게 하면 할수록, 그 만큼 개구부의 폭(캔의 두께방향의 개구폭)이 좁아져 전극이 삽입하기 어렵게 된다.
(B) 캔의 개구부를 밀봉하는 금속덮개에는, 이것에 설치된 설치구멍에 단자가 단자가 수지제의 절연패킹(packing)(가스킷)을 거쳐 설치되나, 개구부의 폭이 좁아지면 이 절연패킹이 개구가장자리에 의하여 접근하게 되기 때문에, 개구부에 금속덮개를 끼워 맞추어 레이저용접 등에 의하여 접합할 때에 금속덮개와 캔과의 용접열에 의하여 절연패킹이 용융되기 쉬워진다.
(C) 깊이조절가공에서는 소요의 전연성을 가지는 늘어나기 쉬운 재료밖에 사용할 수 없기 때문에, 성형 가능한 금속종류가 한정될 뿐만 아니라, 성형 가능한 금속은 경도가 작은 금속이기도 하기 때문에, 전지의 팽창에 대하여 약하다. 따라서 경도가 크고(즉 단단하고), 또한 가볍고 강도가 있는 재질의 것을 사용하고 싶어도 사용할 수 없다고 하는 단점이 있다.
이 때문에 그와 같은 얇은 전지캔을 얻고자 하면, 현재상태에서는 상기 ②에서 설명한 바와 같은 두께 약 1OO㎛ 이하의 금속박과 수지를 적층한 라미네이트필름 등의 적층재를 전지 외장재에 사용하지 않을 없으나, 라미네이트필름에서는 얇기는 확보할 수 있으나, 금속캔에 비하여 찔림이나 구부림에 대한 강도가 약하다는 문제가 있다.
한편, 상기의 ③에서 설명한 얕기조절 캔을 사용한 전지, 구체적으로는 예를 들면 특허문헌 1, 3 ∼ 5에 기재되어 있는 바와 같은 전지에서는, 깊이조절 캔을 사용한 전지에 있어서의 상기와 같은 문제점의 대부분을 회피할 수 있다. 그러나 이 종류의 전지에 있어서도 이하와 같은 문제가 있다.
얕기조절 캔을 사용한 상기의 전지에서는 덮개의 바깥 둘레와 캔의 개구부 둘레 가장자리를 용착하는 수단으로서, 레이저용접, 저항용접, 초음파용접 등으로 금속의 용융에 의한 용착(금속용착)을 사용하고 있다. 이 수단을 사용하는 경우, 상기 전지 외장을 밀봉하기 위한 금속용착 이외에, 전지 외부에 양극 음극의 전기를 인출하기 위한 단자구의 적어도 한쪽에 대해서는 그 주위를 밀봉할 필요가 있다. 또 전지 외장을 금속용착하고 있기 때문에, 금속덮개와 금속캔은 전기적으로 단락된 구조로 되어 있기 때문에, 단자구의 밀봉부분에 대해서는 동시에 확실한 절연처리가 필요하게 된다. 이와 같은 경우, 일반적으로는 수지패킹재를 거친 코킹 등이 사용되나, 코킹 등에 의한 밀봉은, 금속의 용융에 의한 용착이나 수지를 사용한 열융착에 의한 밀봉과 비교하면, 누액이나 외부로부터의 습기의 침입에 대한 신뢰성은 낮다. 따라서 상기의 ③에서 설명한 얕기조절 캔을 사용한 종래의 방법에서는 누액 등에 대한 전지의 신뢰성을 확보하기 위하여 적어도 2개 이상의 밀봉공정(process)을 필요로 하는 결과, 생산성이 나빠짐과 동시에, 신뢰성을 확보하기 위한 생산관리항목도 다수화·복잡화한다는 문제가 있다.
이에 대하여, 상기의 ②에서 설명한 라미네이트필름을 사용한 전지(상기 특허문헌 2 등 참조)에서는, 라미네이트필름 외장재를 수지를 사용하여 밀봉하고, 이 수지에 의한 밀봉부분을 거쳐, 전지 내에 수납된 전극체의 리드체를 직접 외부로 인출하는 구조를 채용하고 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 전지 외장의 밀봉 공정과 동시에 단자(여기서는 리드체) 주변부의 밀봉이 가능하고, 생산성도 향상한다.
그러나, ②에서 설명한 라미네이트필름을 사용한 전지에서는, 전지의 강도가 약하다는 상기의 문제에 더하여 2차 전지에서 필요하게 되는 보호회로를 설치함에 있어서도 다음과 같은 문제가 생긴다. 즉, 라미네이트필름을 사용한 전지에서는 전지 외형 프레임의 바깥쪽에 리드체가 튀어 나와 있기 때문에, 보호회로와 리드체를 접속하는 부분이 전지 외형 프레임의 바깥쪽에 위치하게 되고, 그 결과 보호회로부착 전지로서의 체적 에너지(energy)밀도가 낮아진다. 중에는 리드체와 접속한 보호회로를 리드체의 부위에서 전지측으로 구부려 수지에 의한 밀봉부의 위에 배치시키는 방법도 있으나, 그것을 위한 공간(space)을 별도 확보하거나 새롭게 설치하거나 할 필요가 있는 것이나, 리드체의 구부림에 의한 보호회로의 위치 정밀도를내는 것은 매우 곤란하여 생산성이 나쁘다는 문제가 있다.
본 발명은, 전지의 박형화를 도모함에 있어서, 이상과 같은 형상, 설치성, 강도, 생산성 등 모든 면에서 발생할 수 있는 문제점을 한꺼번에 해결할 수 있는 신규구조의 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 전지를 나타내는 외관 사시도,
도 2는 전지의 평면도,
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선에서 절단한 단면도,
도 4는 본 발명의 비교예에 있어서, 전지용 알루미늄합금캔(깊이조절 캔)에의 감김 전극체의 삽입조작을 설명하기 위하여 사용한 도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 관한 전지를 나타내는 종단면도,
도 6은 전극체(감김 전극체)의 다른 구조예를 나타내는 사시도,
도 7은 접합 플랜지부의 바깥 둘레부분을 용접하여, 그 내면측을 수지로 미리 밀봉하여 막은 구조예를 나타내는 부분 단면도,
도 8은 접합 플랜지부를 구성하는 캔 본체 및 금속덮개의 양 에지부측을 구부린 구조예를 나타내는 부분 단면도,
도 9는 접합 플랜지부를 구성하는 캔 본체 및 금속덮개에 있어서의 한쪽의 에지부측만을 구부린 구조예를 나타내는 것으로, (a)는 금속덮개의 에지부측을 구부린 것, (b)는 캔 본체의 에지부측을 구부린 것을 각각 나타내는 부분 단면도,
도 10은 도 9에 나타내는 경우에 있어서, 캔 본체의 구부림부분과 금속덮개의 플랜지부와의 대향면 사이를 수지로 접착한 구조예를 나타내는 부분 단면도이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 전지 2 : 전지 캔
3 : 캔 본체 4 : 금속덮개
5 : 전극체 6 : 리드체용 인출구
7 : 출력단자(양극용) 31 : 오목부
31d : 바닥면 32 : 플랜지부
32a : 광폭 플랜지부(제 1 플랜지부분) 32e, 42e : 에지부
51 : 양극 52 : 음극
53 : 세퍼레이터 54, 55 : 리드체
101, 102 : 수지
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전극체의 적어도 일부가 수용되는 오목부가 형성되어 있고, 또한 그 개구단의 둘레 가장자리부에 플랜지부가 설치되어 이루어지는 캔 본체와, 마찬가지로 전극체의 적어도 일부가 수용되는 오목부가 형성되어 있고, 또한 상기 캔 본체의 오목부의 개구단을 밀봉하는 금속덮개를 구비하고, 상기 캔 본체와 금속덮개가 상기 플랜지부에 있어서 서로 접합 일체화되어 있음으로써, 전지캔이 형성되어 있고, 이 전지캔의 내부에, 시트형상의 양극 및 음극이 세퍼레이터를 거쳐 적층된 전극체와, 전해액이 수용되어 있는 전지에 있어서 다음과 같이 구성한 것을 특징으로 한다.
즉, 한쪽 끝측이 전지캔 내에 있어서 적어도 양극, 음극의 한쪽과 전기적으로 접속된 리드체와, 상기 접합 일체화된 플랜지부(캔 본체의 플랜지부와 대향 위치하는 금속덮개의 둘레 가장자리부를 포함한다. 본 명세서에서는 적절하게 이 부분을 접합 플랜지부라 한다.)의 표리 양면을 포함하는 플랜지면부분의 일부에 설치된 리드체용 인출구를 구비하고, 적어도 리드체용 인출구가 설치되어 있는 측 내지 주변의 접합 플랜지부를 수지를 사용한 접착에 의하여 밀봉하고, 이 수지에 의한밀봉부분을 거쳐 리드체의 다른쪽 끝측을 전지캔의 외부로 인출한 구조로 한다. 또한 상기의 플랜지면부분이란, 접합 플랜지부에 있어서 그 단면(바깥 둘레면)을 제외한 부분을 의미한다.
외부로 인출되는 리드체는, 전지 내부에 있어서 한쪽 끝측이 양극, 음극과 전기적으로 접속되어 있으나, 양극 및/또는 음극이 집전체로서의 금속박을 가지고 있는 경우에는, 이 금속박에 리드체를 접속하는 대신에, 상기 금속박의 일부를 연장하여 그 연장부를 리드체로서 사용할 수 있다(청구항 2).
외부로 인출된 리드체의 적어도 외부 전기회로와 직접 또는 간접적으로 전기적 접속을 행하기 위하여 사용되는 부위, 즉 리드체의 다른쪽 끝측의 끝부는 리드체용 인출구와 마찬가지로 플랜지면부분에 위치하고 있거나, 또는 이것과 직교하는 공간 내에 위치하고 있는 것이 바람직하다(청구항 3). 리드체의 배선길이를 짧게 할 수 있어, 구조의 간소화와 재료비용(cost)의 저감 등이 도모되기 때문이다. 리드체의 다른쪽 끝측의 끝부가 상기 플랜지면부분이 아니라, 이것과 직교하는 공간 내에 위치하여도 좋다고 한 것은, 리드체의 다른쪽 끝측의 끝부가 예를 들면 보호회로 등의 외부 전기회로의 단자에 접속되는 경우가 있고, 그와 같은 경우에는 리드체의 다른쪽 끝측의 단자는 플랜지면부분으로부터 약간 떨어진 장소에 위치하는 경우도 있기 때문이다. 단, 이 경우에도 배선의 간소화 등을 고려하면 리드체의 다른쪽 끝측의 단자는 상기 플랜지면부분과 직교하는 공간 내에 위치하고 있는 것이 바람직하다.
외부로 인출된 리드체와 전기적으로 접속되는 출력단자를 설치하는 경우에있어서도 마찬가지로 출력단자는 상기 플랜지면부분 또는 이것과 직교하는 공간 내에 배치하는 것이 바람직하다(청구항 4).
전지의 체적 에너지밀도를 증가시키기 위해서는, 리드체용 인출구가 설치되어 있는 측 내지 주변의 접합 플랜지부 이외의 접합 플랜지부의 폭은 아주 좁은 편이 좋다. 이 때문에 그와 같은 접합 플랜지부에 있어서는 일정한 플랜지폭을 필요로 하는 수지에 의한 밀봉을 행하기 보다도, 비교적 좁은 플랜지폭으로 접합이 가능한 레이저용접, 초음파용접, 저항용접, 마찰교반접합, 압접, 코킹 중에서 선택되는 적어도 하나의 수단에 의하여 밀봉을 행하는 것이 바람직하다(청구항 5). 또 접합 플랜지부를 형성하고 있는 캔 본체의 플랜지부 및 금속덮개 둘레 가장자리부의 적어도 한쪽은, 그 둘레방향을 따른 적어도 일부의 범위에 있어서, 접합 상대측과 더욱 겹쳐지도록, 그 에지부측을 안 둘레측으로 구부린 구조로 할 수 있다(청구항 7). 이와 같은 구조도 플랜지부의 폭을 좁게 할 수 있기 때문에, 체적 에너지밀도를 증가시키는 수단으로서 유효하다.
누액이나 외부로부터의 습기의 침입 등에 대한 신뢰성을 향상시키기 위하여 상기 레이저용접 등의 수단에 의한 밀봉부분의 전지 내면측에는, 미리 수지에 의한 접착을 실시하여 둠으로써 이들 부분을 2중 밀봉구조로 하는 것이 바람직하다(청구항 6). 이 경우, 먼저 수지에 의한 접착을 행하고, 나중에 용접 등을 행하기 때문에 용접 등만으로는 곤란하였던 접합부의 위치맞춤이 용이해져 생산성이 향상된다는 장점(merit)도 있다. 또 상기 접합 플랜지부의 에지부측을 안둘레측으로 구부린 구조로 한 경우에는, 그 구부림부분에 있어서, 캔 본체와 금속덮개의 접합면의적어도 일부를, 수지에 의하여 밀봉하는 것으로 하여도 된다(청구항 8). 이와 같이 하면 수지에 의하여 밀봉되는 부위가 증가하기 때문에, 더욱 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
캔 본체 및 금속덮개의 형성방법은 특히 한정되지 않으나, 금속판을 얕기조절가공함으로써 제작하는 것이 간편하여 바람직하다. 청구항 9에 관한 전지는, 이 점에 특징을 가지는 것으로, 캔 본체 및 금속덮개의 적어도 한쪽이 금속판을 얕기조절가공함으로써 형성된 것에 의하여 특징지워진다.
전극체의 팽창이나 전지 내압의 상승에 의한 전지캔 두께방향의 팽창을 억제하기 위하여 금속덮개와, 이것에 대향 위치하는 캔 본체의 일면(바닥면)을, 각각 전지 내부를 향하여 볼록형상이 되도록 형성하고, 그 중심의 돌출방향의 변형량을 0.05 내지 0.3mm로 설정하는 것이 바람직하다(청구항 10). 돌출량이 이것보다도 작으면 전극캔의 팽창을 방지하는 효과가 부족하고, 이것보다도 크면 전극체를 필요 이상으로 압박하는 것이 될 뿐만 아니라, 캔 내 용적의 저하를 일으키기 때문에 바람직하지 않다. 또 팽창을 확실하게 억제 내지 방지할 수 있도록 내부에 배치되는 전극체의 면적에 상당하는 범위를 볼록형상으로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 전지(1)에서는 보호회로를 설치하는 경우의 공간으로 하거나, 전지 캔의 내부로부터 리드체를 도출하는 경우의 밀봉성을 확보하는 등을 위하여 캔 본체의 플랜지부의 일부[뒤에서 설명하는 실시예에서는 제 1 플랜지부분(32a). 도 1 도, 도 2 참조.] 또는 접합 플랜지부의 일부를 다른 부분의 플랜지부[마찬가지로 제 2 플랜지부분(32b)] 또는 접합 플랜지부의 폭에 비하여 1mm 이상 폭이 넓은 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부로 하는 것이 바람직하다(청구항 11). 이 경우에 있어서, 전자를 후자보다도 구체적으로 어느 정도 광폭으로 할지는 전지 전체의 크기나 보호회로의 크기 등을 고려하여 결정한다. 통상은 광폭분은 1mm 이상 6mm 이하로 설정한다. 또 상기 접합 플랜지부, 즉 캔 본체의 플랜지부 또는 이것에 대향하는 금속덮개의 플랜지부에 출력단자를 설치할 수도 있다. 그 경우, 뒤에서 설명하는 리드체용 인출구의 경우와 마찬가지로, 출력단자는 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부에 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 전지에 있어서는, 시트형상의 양극과 음극이 세퍼레이터를 거쳐 적층되어 감긴 단면이 타원형상의 감김 전극체를 사용할 수 있다. 그 경우, 감김전극체의 감김축이 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부에 평행이 되도록 하고, 또한 양극 및/또는 음극의 감김종단이 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부측에 위치하도록 한 상태에서 감김 전극체를 전지캔 내에 수용하는 것이 바람직하다(청구항 12). 감김 전극체를 이와 같이 배치하면, 양극 및/또는 음극의 감김종단이 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부에 접근하기 때문에, 양극 또는 음극과 상기한 보호회로 등을 접속하는 경우에, 접속에 필요하게 되는 리드체의 길이를 짧게 할 수 있어, 전지캔 내의 용적을 유효하게 이용할 수 있다.
한쪽 끝측이 양극 또는 음극의 적어도 한쪽에 접속된 리드체의 다른쪽 끝측을 전지캔의 외부로 인출하나, 그 인출구는 밀봉성을 확보하는 등을 위하여 상기 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부에 설치하는 것이 바람직하다(청구항 13). 이 경우에도 앞서 설명한 전극체의 배치로 함으로써 리드체의 길이를 짧게 할 수있다. 양극 및 음극의 적어도 한쪽에 집전체로서 금속박을 사용한 경우, 리드체가 아니라, 해당 금속박의 일부를 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부측으로 도출할 수 있는 것은 앞서 설명한 바와 같다.
캔 본체의 일부, 또는 이것에 대향하는 금속덮개의 일부에는 전지 내압이 소정압 이상으로 상승하였을 때에 전지 내압을 외부로 개방하는 안전밸브를 설치하는 것이 바람직하다(청구항 14). 이 안전밸브를 설치하는 방법으로서는 프레스가공에 의하여 노치를 형성하는 등의 방법을 취할 수 있다.
본 발명의 전지에 의하면, 적어도 리드체용 인출구가 설치되어 있는 측 내지 주변의 플랜지부(접합 플랜지부)를 수지를 사용한 접착에 의하여 밀봉하고, 이 수지에 의한 밀봉부분을 거쳐 리드체의 다른쪽 끝측을 전지캔의 외부로 인출하는 구조로 하였기 때문에, 캔 본체와 금속덮개의 접합 일체화와 동시 공정에 의하여 리드체 인출부(리드체용 인출구의 주변부)를 밀봉할 수 있고, 따라서 생산성이 향상된다. 또 수지에 의한 밀봉을 행함으로써, 리드체 인출부의 뛰어난 밀봉 신뢰성및 절연성을 확보할 수 있다. 전지의 박형화는 캔 본체 및 금속덮개의 각 오목부의 깊이를 소정범위 내의 것으로 함으로써 용이하게 달성할 수 있다.
보호회로부착 전지로서 구성하는 경우에는, 리드체용 인출구를 보호회로를 설치하는 접합 플랜지부와 같은 접합 플랜지부의 플랜지면부분(표리의 양면을 포함함)의 일부에 설치함으로써, 매우 효율좋게 보호회로를 수납할 수 있으므로, 보호회로부착 전지로서의 체적 에너지밀도도 증가한다. 이 경우 상기한 라미네이트필름을 사용한 전지와 같이, 플랜지부에 보호회로를 설치할 때에 전지 외형 프레임의바깥쪽으로 튀어나온 리드체의 부위를 구부릴 필요는 없다.
본 발명의 전지에 있어서는, 캔 본체에 오목부를 형성하고, 이것의 개구단의 둘레 가장자리부에 금속덮개와 접합 일체화됨으로써 전지캔 내를 기밀 및 액밀상태로 유지할 수 있는 플랜지부를 설치하였기 때문에, 기기에 대한 착탈작업을 용이화하는 수단으로서, 상기 접합 일체화된 플랜지부(접합 플랜지부)를 이용할 수 있다. 예를 들면 기기에 있어서 전지를 설치하는 부분에 전지 캔의 접합 플랜지부에 대응하는 가이드부를 형성하여 두면, 이 가이드부에 상기 접합 플랜지부를 삽입하여 슬라이드시키는 것만으로 기기에 대한 착탈조작을 행할 수 있게 된다. 따라서 기기에 대한 설치성이 뛰어나고, 또한 사용후의 폐기시에 기기로부터의 분리가 용이한 전지를 실현하는 것이 가능하게 된다.
캔 본체의 개구단의 둘레 가장자리부에 설치한 플랜지부에 있어서 캔 본체와 금속덮개의 접합을 행하는 구성으로 하였기 때문에, 예를 들면 접합의 일부를 레이저용접에 의하여 행하는 경우에도 그 용접부로부터 비교적 떨어진 위치에 그 밖의 부품재료가 격리된 상태가 된다. 따라서 절연패킹이나 전극, 세퍼레이터 등, 전지를 구성하고 있는 각종 부품에 대한 열영향을 회피하는 것이 가능하게 된다. 또 캔 본체의 플랜지부의 전체 주위에 걸쳐 수지를 거쳐 금속덮개를 접착(예를 들면 열접착)하는 것으로 한 경우에는, 용접에 비하여 저비용으로, 또한 효율좋게 전지를 제조하는 것도 가능해진다.
본 발명에서는 얕기조절가공에 의하여 얻어지는 접시형상의 캔 본체를 사용하는 것이 바람직하고, 이에 의하여 두께가 3mm 이하인 전지캔을 비교적 용이하게만들 수 있다. 그 때 깊이조절 캔을 사용한 경우와 같은 재료면의 제약을 받는 일이 적기 때문에, 여러가지 재료 중에서 필요로 하는 특성을 가진 재료를 비교적 자유롭게 선택하는 것이 가능하다. 따라서 전체의 두께가 3mm 이하이면서, 찔림이나 구부러짐, 팽창 등에 충분히 견딜 수 있는 전지, 바꿔 말하면 찔림, 구부러짐, 팽창 등의 점에서 내구성이 뛰어난 전지를 비교적 용이하게 얻을 수 있다. 이상의 점은 금속덮개에 대해서도 마찬가지다.
금속덮개와, 이것에 대향 위치하는 캔 본체의 일면[도 1에 나타낸 예에서는 오목부(31)의 바닥면(31d)]을 각각 전지 내부를 향하여 볼록형상이 되도록 형성하고, 그 중심의 돌출방향의 변형량을 0.05 내지 0.3mm로 설정한 경우에는, 이에 의하여 전극체의 팽창이나 전지 내압의 상승에 의한 전지캔 두께방향의 팽창을 효과적으로 억제할 수 있다.
리드체의 인출부(인출구)가 위치하는 쪽의 플랜지부 내지 접합 플랜지부의 폭을, 다른 부분의 플랜지부 또는 접합 플랜지부의 폭에 비하여 1mm 이상 광폭으로 하면, 이 광폭부분 즉 광폭 플랜지부 내지 광폭접합 플랜지부에 보호회로를 설치할 수 있다. 따라서 보호회로를 설치하는 경우에 예를 들면 라미네이트필름을 사용한 전지의 경우와 같이 보호회로용 공간을 별도 확보한다고 한 필요가 없다.
전극체로서 앞서 설명한 바와 같은 감김 전극체를 사용하여 이것의 감김축이 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부에 평행하고 또한 양극 및/또는 음극의 감김종단을 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부측에 위치하도록 감김 전극체를 전지캔 내에 수용한 경우에는, 양극 및/또는 음극의 감김 종단부에 리드체를 접속 함으로써, 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부측에 리드체를 최단거리로 도출시킬 수 있고, 동시에 양극 및/또는 음극에 대한 리드체의 접속부분(통상은 용접에 의하여 접속되기 때문에 용접부분)도 작게 할 수 있다.
양극 및/또는 음극에 집전체로서 금속박을 사용한 경우에는, 감김종단으로부터 금속박의 일부분을 연장함으로써, 그 연장부를 리드체로서 이용할 수 있다. 이 경우는 리드체를 별도 설치할 필요가 없다. 또 어느 한쪽의 리드체와 캔 본체 또는/및 금속덮개를 전기적으로 접속시켜, 캔 본체 또는/및 금속캔을 한쪽의 전극과 도통시켜도 되고, 캔 본체 또는/및 금속덮개를 전극단자로서 이용할 수도 있다. 이 경우, 리드체와 캔 본체 또는/및 금속덮개의 접속은, 저항용접, 레이저용접, 초음파용접 등의 접합방법을 이용하는 것이 바람직하고, 캔 본체 또는 금속덮개 중 어느 한쪽과 접속하고, 다시 캔 본체와 금속덮개를 저항용접, 레이저용접, 초음파용접, 나사고정, 코킹 또는 금속편을 거친 접속 등에 의하여 도통시키는 구성으로하여도 된다. 양극 또는/및 음극의 집전체로서 금속박을 사용한 경우에는 리드체가 아니라, 그 금속박을 캔 본체 또는/및 금속덮개에 접속하여도 좋다.
또한 상기한 바와 같이 감김 전극체의 감김 종단부에 리드체를 전기적으로 접속하여 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부측으로 도출시킨 경우에는 양극 및/또는 음극에 대한 리드체의 접속부분(용접되는 경우는 용접부분)을 최소화할 수 있고, 또 집전체인 금속박의 감김 종단측을 일부 연장하여 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부측으로 도출시킨 경우에는 양극 및/또는 음극에 대한 용접 그 자체를 불필요화할 수 있기 때문에 어느 경우에 있어서도, 그 만큼 전극활성물질의 도포면적을 늘릴 수 있다. 감김 전극체의 감김 시단부 또는 그곳으로부터 감김 종단부에 이르기까지의 중간부분의 폭방향 끝부에 리드체를 접속한 경우에는, 그 리드체의 두께분만큼 감김 전극체의 두께가 증가하는 것은 피할 수 없으나, 상기한 구성에 의하면, 그와 같은 리드체의 접속에 의한 두께 증가를 회피할 수 있다. 따라서 리드체의 두께분만큼 감김 전극체의 두께, 나아가서는 전지의 두께를 얇게 할 수 있고, 또는 리드체의 두께분만큼 감김수를 늘릴 수 있다.
캔 본체의 일부, 또는 이것에 대향하는 금속덮개의 일부에 안전밸브로서 프레스가공에 의하여 형성된 노치를 설치하여 두면 전지 내압이 소정압 이상으로 상승하였을 때에 그 노치부가 파손되어 이 부분으로부터 전지 내압이 외부로 개방되게 된다.
이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
(전지캔)
전지캔, 즉 캔 본체 및 금속덮개에는 예를 들면 철판, 니켈판, 알루미늄판, 이들 금속의 합금판, 마그네슘합금판, 스테인리스강판, 니켈도금을 실시한 압연강판, 니켈도금을 실시한 스테인리스강판 등을 사용할 수 있다. 강도 및 경량인 점을 중시하는 경우에는, 고강도 재료이고 또한 경량인 Hv(비커스경도) 70 이상의 알루미늄합금이나, 마그네슘합금을 사용하는 것이 바람직하다. 또 전해액에 대한 내부식성을 중시하는 경우에는, 니켈도금을 실시한 압연강판이나 스테인리스강판을 사용하는 것이 좋다. 또한 금속덮개에 대해서는 캔 본체와의 접합면측에 캔 본체와 동일 재질의 것을 사용하고, 반대측의 면에는 강도 및 가벼움의 점에서 뛰어난적층재인 클래드재(예를 들면 니켈을 적층하여 이루어지는 니켈 클래드재)를 사용할 수도 있다.
캔 본체 및 금속덮개의 판두께는, 모두 0.2mm 이하로 할 수 있고, 0.15mm 정도로 하는 것이 보다 바람직하다. 뒤에서 설명하는 실시예에 관한 전지(도 1 내지 도 3 참조)에서는 캔 본체 및 금속덮개의 판두께는 0.15mm 이다. 본 발명의 전지에서는 얕기조절가공에 의하여 캔 본체를 형성하기 때문에, 앞서 설명한 바와 같은 고강도이고 단단한 재료를 사용할 수 있어, 그 결과 판두께를 상기한 바와 같이 얇게 하여도 전지팽창에 충분히 견딜 수 있다.
전지의 총 두께(L3)(도 3참조)는 3mm 이하로 할 수 있다. 또 도 2에 나타내는 바와 같이 전지형상을 평면으로 보아 장방형으로 하는 경우에는, 그 긴 변부의 길이(L4)는 65mm 이상, 짧은 변부의 길이(L5)는 34mm 이상으로 할 수 있다. 도 1 내지 도 3에 예시한 전지에서는 뒤에서 설명하는 바와 같이 L3 = 2.8mm, L4 = 90mm, L5 = 55mm 이다. 도시예의 전지의 전체 형상은 각진 형이나, 원반형 또는 둥근형이어도 된다.
금속덮개는 판형상의 것이어도 되고, 캔 본체와 마찬가지로 오목부와 플랜지부를 가지는 것이어도 된다. 후자의 경우는 금속덮개의 플랜지부와 캔 본체의 플랜지부를 접합 일체화하기 때문에, 양 플랜지부의 외형은 동일하거나 또는 대략 동일(예를 들면, 한쪽 플랜지부의 에지부측만을 구부리는 것 같은 경우)하지 않으면 안되나, 오목부의 깊이나 두께방향의 단면형상은 금속덮개와 캔 본체에서 반드시 동일할 필요는 없고, 다르더라도 상관없다.
(전극체)
본 발명의 전지에서는 시트형상의 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 장착한 적층구조의 전극체를 사용한다. 전극체의 적층구조로서는, (1) 양극 - 세퍼레이터 음극의 적층체를 1단위로 하고, 이것을 복수매 겹친 구조, (2) 띠형상의 적층체를 교대로 접도록 하여 겹친 구조, (3) 띠형상의 적층체를 소용돌이형상으로 감은 다음에 단면 타원형상이 되도록, 즉 박형의 전지캔 내에 들어갈 수 있도록 편평형상으로 눌러 찌그러뜨려 변형시킨 구조 등을 고려할 수 있으나, 생산효율, 전지캔 내 용적의 유효이용, 리드체 등의 외부로의 인출 등을 종합적으로 감안하면, (3)의 구조로 하는 것이 바람직하다. 단, 상기한 (1)이나 (2)의 구조를 배제하는 것은 아니다.
예를 들면 리튬이온 2차 전지에 본 발명을 적용하는 경우, 전극체의 구성재료로서는, 이하와 같은 것을 사용할 수 있다. 먼저 양극재료로서는, 예를 들면 LiCoO2등의 리튬코발트산화물(lithium cobalt oxide), LiMn2O4등의 리튬망간산화물(lithium manganese oxide), LiNiO2등의 리튬니켈산화물(lithium nickel oxide), LiNiO2의 Ni의 일부를 Co 등의 다른 원소로 치환한 LiCoxNi(1-x)O2(O < x < 1) 등의 산화물, 이산화망간(manganese dioxide), 5산화 바나듐(vanadium pentaoxide), 크롬산산화물(chromium oxide) 등의 금속산화물 등을 사용할 수 있다.
또 음극재료로서는, 예를 들면 흑연, 열분해 탄소류, 코크스(coke)류, 유리형상 탄소류(glassy carbon), 유기고분자 화합물의 연소체, 메소카본(meso carbon)마이크로비즈(microbeads), 탄소섬유, 활성탄, 그라파이트(graphite), 탄소콜로이드(colloid) 등의 탄소재료나, SnOx, SiOx등의 Li를 삽입 가능한 금속산화물이나, 금속질소물 등을 사용할 수 있다.
세퍼레이터로서는 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 폴리올레핀(polyolefin)으로 이루어지는 미세 다공막, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 셀룰로스(cellulose) 등으로 이루어지는 부직포 등을 사용할 수 있다.
(전해액)
전해액으로서는, 예를 들면 비수용매에 대하여 전해질염을 0.1 내지 2.0 몰/리터(mol/dm3) 정도 용해시켜 이루어지는 비수전해액을 사용할 수 있다. 이 경우의 비수용매로서는, 예를 들면 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate), 메틸에틸카보네이트(methyl ethyl carbonate), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate), 비닐렌카보네이트(vinylene carbonate) 등의 탄산에스테르(ester)나, γ-부티로락톤 (butyrolactone), 아세트산메틸(methyl acetate) 등의 에스테르류를 사용할 수 있다. 또 이들 이외에도 1,3-디옥소란(1,3-dioxolane), 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane) 등의 에테르(ether)류, 설포란(sulfolane) 등의 함황화합물, 함질소화합물, 함규소화합물, 함불소화합물, 함인산화합물 등을 단독으로 또는 2종이상 혼합한 비수용매를 사용할 수 있다. 한편 상기한 전해질염으로서는, 예를 들면, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiCnF2n+1SO3(n□1), (Cm F2m+1SO2)(CnF2n+1SO2) NLi(m□1, n□1), (RfOSO2)2NLi[Rf는 탄소수가 2 이상인 할로겐화 알킬기이다. 이 Rf는 동일하여도 되고, 다른 것이어도 되며, Rf 끼리가 서로 결합되어 있어도 되고, 예를 들면 폴리머형상으로 결합되어 있어도 된다.] 등을 사용할 수 있다. 또한 전지의 내압을 억제하거나, 과충전특성, 저장특성, 사이클특성 등을 향상시킬 목적으로, 알킬벤젠(alkylbenzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene), 아니솔 (anisole) 등의 방향족 화합물, 1,3-프로판술톤(1,3-propane sultone) 등의 고리형상 술톤을 전해액에 함유시켜도 된다.
(실시예)
도 1 내지 도 3은 본 발명을 각진 형의 리튬이온 2차 전지(lithium ion secondary battery)(이하, 단지 전지라 함)에 적용한 예를 나타낸 것이다. 이들 도면에 있어서는 전지의 총 두께, 전지캔의 판두께, 전극체의 두께 등은 실제의 두께보다도 과장하여 나타내고 있다.
도시예의 전지(1)는, 오목부(31)를 가지는 캔 본체(3)와, 이 캔 본체(3)의 오목부(31)의 개구단을 밀봉하는 금속판(4)으로 이루어지는 평면으로 보아 장방형의 전지캔(2)을 가진다. 전지캔(2) 내에는 전극체(5)나 도시 생략한 전해액 등이 수용되어 있다.
전극체(5)는, 시트형상의 양극(51)과 시트형상의 음극(52)을 세퍼레이터(53)를 사이에 두고 적층한 다음에 소용돌이형상으로 감은 후, 전체를 전지캔(2) 내에수용할 수 있도록 전지캔(2)의 내부공간[오목부(31)]의 단면형상에 맞추어 단면 타원형상으로 눌러 찌그러뜨려 변형하여 형성하고 있다. 이 전극체(감김 전극체)(5)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 그 감김 종단부가 뒤에서 설명하는 캔 본체(3)[또는 금속덮개(4)]의 제 1 플랜지부분(32a)(마찬가지로 42a)과 평행하고 또한 상기 제 1 플랜지부분(32a)의 가까이에 위치하도록 한 상태에서 전지캔(2) 내에 수용되어 있다. 전극체(5)를 구성하는 시트형상의 양극(51) 및 음극(52)의 감김 종단부에는, 각각 리드체[도전태브(tab)라고도 함](54 및 55)의 한쪽 끝측이 접속되어 있다.
캔 본체(3)는, 1매의 금속판(알루미늄합금)을 얕기조절가공함으로써 접시형상으로 형성되어 있고, 이것의 개구단의 둘레 가장자리부에는 그 전체 주위에 걸쳐 평탄한 플랜지부(32)가 형성되어 있다. 이 플랜지부(32)는 도 2에 나타낸 상태에서 캔 본체(3)의 상단측에 위치하는 제 1 짧은 변부(3a)에 있어서의 플랜지부분(본 발명에서 말하는 광폭 플랜지부. 이하, 이 광폭 플랜지부를 본 실시예에서는 제 1 플랜지부분이라 함)(32a)의 폭(플랜지폭)(L1)이, 캔 본체(3)의 하단측에 위치하는 제 2 짧은 변부(3b) 및 양측에 위치하는 각 긴 변부(3c)에 있어서의 플랜지부분(제 2 플랜지부분)(32b)의 폭(플랜지폭)(L2)보다도 1mm 이상 광폭으로 되어 있다. 도시예에서는 L1 = 7.5mm 이고, L2 = 2mm 이다.
캔 본체(3)의 제 1 플랜지부분(32a)에는, 양극(51) 및 음극(52)의 리드체 (54, 55)를 전지캔(2)의 바깥쪽으로 인출하기 위한 2개의 직사각형 펀칭구멍으로 이루어지는 인출구(6, 6)가 설치되어 있다. 이들 리드체용 인출구(6, 6)는 제 1플랜지부분(32a)에 있어서의 단면을 제외한 플랜지면부분에 있고, 그 한쪽 끝이 금속덮개(4)와의 접합면측에 위치하고, 다른쪽 끝이 전지 바깥쪽을 향하는 개구단으로 되어 있다.
금속덮개(4)에는, 상기와 같은 펀칭구멍, 즉 리드체용 인출구(6, 6)는 설치되어 있지 않으나, 이 점과, 뒤에서 설명하는 오목부를 형성하고 있는 주위면의 경사각도가 캔 본체의 그것과는 약간 다른 점 이외는 금속덮개(4)도 캔 본체(3)와 동일하게 구성되어 있다. 즉, 금속덮개(4)도 1매의 금속판(알루미늄합금)을 얕기조절가공함으로써 오목부(41)를 가지는 접시형상으로 형성되어 있고, 그 개구단의 둘레 가장자리부에는 전체 주위에 걸쳐 평탄한 플랜지부(42)가 형성되어 있다. 그리고 이 플랜지부(42)의 일부가 캔 본체(3)의 제 1 플랜지부분(32a)에 대응하는 제 1 플랜지부분(42a)이 되어, 다른 플랜지부분(제 2 플랜지부분)(42b)보다도 광폭으로 되어 있다. 이 금속덮개(4)의 플랜지부(42)는 도 3에 나타내는 바와 같이 캔 본체 (3)의 플랜지부(32)에 접합 일체화되어 있고, 이 접합 일체화된 금속덮개(4)로 캔 본체(3)의 오목부(31)의 개구단이 밀봉됨으로써, 그 오목부(31) 내[전지캔(2) 내]가 기밀 및 액밀의 상태로 유지되도록 되어 있다.
금속덮개(4)와 캔 본체(3)와의 접합 일체화를 행하는 경우, 적어도 리드체용인출구(6, 6)가 설치되어 있는 캔 본체(3)의 제 1 플랜지부분(32a)과, 이것에 대향 위치하는 금속덮개(4)의 제 1 플랜지부분(42a)과의 맞댐부에 대해서는 열용착 수지를 사용하여 접합 일체화함으로써 밀봉되나, 그 이외의 플랜지부의 맞댐부에 대한 접합 일체화는 레이저용접, 초음파용접, 저항용접, 마찰교반접합, 압접, 코킹 등(적절하게 레이저용접 등이라 함)에 의하여 또는 수지를 사용한 열접착에 의하여 행할 수 있다. 전자의 레이저용접 등의 경우는, 캔 본체(3)의 플랜지부(32)에 금속덮개(4)의 플랜지부(42)를 맞댄상태에서 이들의 둘레 가장자리의 근방 또는 그 맞댐면의 바깥 둘레부분을 레이저용접 등으로 접합함으로써 양자를 일체화한다. 또후자의 수지에 의한 열접착의 경우는, 플랜지부(32)의 표면 또는 이것과 맞대어지는 금속덮개(4)의 플랜지부(42)에 접착제로서의 수지를 도포하여 이 수지를 열에 의해 일시적으로 녹여 열접착함으로써 양자를 접합 일체화한다.
캔 본체(3) 및 금속덮개(4)의 내면은, 폴리프로필렌필름(polypropylene film)(도시 생략)에 의하여 피복되어 절연처리가 실시되어 있다. 이 종류의 절연처리를 행함에 있어서는 금속과의 접합성이 좋고, 또한 수분 투과성이 작은 절연재료이면 다른 고분자 필름 등으로 피복하여도 되고, 예를 들면 폴리에틸렌 (polyethylene) 등의 폴리올레핀(polyolefin)이나 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethylene terephthalate) 등으로 이루어지는 수지필름, 또는 부틸고무(butyl rubber) 등의 절연성 고무로 이루어지는 필름, 시트, 박막체 등을 사용할 수도 있다. 또 금속과의 접합이 불가능 또는 곤란한 폴리이미드(polyimide), 폴리페닐렌술피드(polyphenylenesulfide) 등의 수지시트이면 접착제를 사용하여 캔 본체(3) 및 금속덮개(4)의 내면에 부착하여도 된다. 이와 같은 절연처리에 의하여 전극체 (5)나 리드체(54, 55)가 캔 본체(3) 또는 금속덮개(4)에 접촉하여 단락이 생기는 것을 방지할 수 있다.
캔 본체(3)의 오목부(31)의 측면을 형성하고 있는 주위면(31c)은, 플랜지부(32)나 오목부(31)의 바닥면(31d)에 대하여 직각이 되도록 형성하여도 되나, 도 1 및 도 3에 나타내는 바와 같이 플랜지부(32)나 오목부(31)의 바닥면(31d)에 대하여 소정의 둔각(90 내지 130도)이 되도록 경사시킨 구성으로 할 수도 있다. 또 금속덮개(4)의 오목부(41)의 측면을 형성하고 있는 주위면(41c)은, 상기 금속덮개(4)의 플랜지부(42)나 오목부(41)의 바닥면(41d)에 대하여 소정의 각도(90 내지 180도) 가 되도록 경사시킨 구성으로 할 수도 있다. 이와 같이 하면, 전지캔(2) 내의 모서리부에 있어서 통 내면과 전극체(5)와의 사이에 생기는 간극(C)이 다소라도 증가하기 때문에, 그 만큼 전해액의 액저류로서 이용할 수 있는 공간이 증대하고, 그 결과, 전지캔(2) 내에의 전해액의 주입량을 늘릴 수 있다. 도시예에서는 캔 본체 (3)의 주위면(31c)은, 그 바닥면(31d)에 대하여 120도의 각도가 되도록, 또 금속덮개(4)의 주위면(41c)은, 그 바닥면(41d)에 대하여 175도의 각도가 되도록 각각 경사시켜 형성되어 있다.
또한 도시 생략하였으나, 금속덮개(4)에는 안전밸브가 되는 노치가 프레스성형시에 형성되어 있다. 아울러 캔 본체(3)의 오목부(31)의 바닥면(31d)과, 이것에 대향 위치하는 금속덮개(4)의 오목부(41)의 바닥면(41d)은, 각각 전지 내부를 향하서 약간 볼록형상이 되도록 형성되어 있다. 그리고 이들 볼록형상부분의 중심의 돌출방향에 있어서의 변형량이 O.1mm 로 설정되어 있음으로써, 전극체(5)의 팽창이나 전지 내압의 상승에 의한 전지캔(2)의 두께방향의 팽창을 억제하도록 되어 있다.
상기한 전지(1)는 이하와 같이 하여 제작하였다.
(양극의 제작)
비표면적이 O.5㎡/g인 LiCoO2(양극재료)와, 도전 보조제로서의 카본(carbon)을, 중량비 98 : 2의 비율로 혼합하여, 이 혼합물과 폴리불화비닐리덴 (polyvinylidene fluoride)을 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone)에 용해시킨 용액을 혼합하여 양극합제 슬러리(slurry)를 조정하였다. 이 양극합제 슬러리를 필터(filter)로 여과하여 상대적으로 입자지름이 큰 것을 제거한 후, 두께 15㎛의 알루미늄박으로 이루어지는 양극 집전체의 양면에 균일하게 도포하여 건조하고, 이어서 롤러프레스(roller press)기에 의하여 압축 성형한 후, 소정의 크기로 절단하였다. 또한 감김시에 종단부가 되는 부분에는 양극합제의 도포를 행하지 않고, 리드체를 양극의 길이방향과 동일방향이 되도록 용접하여 띠형상의 양극을 제작하였다.
(음극의 제작)
N-메틸피롤리돈에 폴리불화비닐리덴을 용해시켜 이루어지는 용액에, 흑연계탄소재료(단, (O02)면의 간격(d002) = 0.335nm, 평균 입자지름 15㎛라는 특성을 가지는 탄소재료)를 첨가, 혼합하여 음극합제 슬러리를 조정하였다. 이 음극합제 슬러리를 필터로 여과하여 상대적으로 입자지름이 큰 것을 제거한 후, 두께 1O㎛의 띠형상의 구리박으로 이루어지는 음극 집전체에 균일하게 도포하여 건조하고, 이어서 롤러프레스기에 의하여 압축성형하여 절단한 후, 건조하고, 리드체를 용접하여 띠형상의 음극을 제작하였다. 또한 감김 전극체를 제작할 때에 음극합제 도포부가양극의 도포부보다 폭방향에서 1mm 커지도록 미리 음극합제 도포부를 설정하고, 또한 길이방향에서도 5mm 정도 커지도록 하였으나, 그 이외의 감김시에 양극과 대응하지 않는 부분에는 도포를 행하지 않았다. 감김시에 종단부가 되는 부분에 설치된 미도포부에는, 상기 양극과 마찬가지로 리드체를 음극의 길이방향과 동일하게 되도록 용접하여 띠형상의 음극을 제작하였다.
(전극체의 제작)
상기한 띠형상 양극과 띠형상 음극을, 두께 20㎛의 미세 다공성 폴리에틸렌필름(도넨가카구사 제품)을 거쳐 적층하여 단면이 타원형상이 되도록 감고, 테이프(tape)고정하여 감김 전극체로 하였다.
(전해액의 조정)
에틸렌카보네이트 및 메틸에틸카보네이트의 체적비 1 : 2의 혼합용매를 제작하여, 이 혼합용매에 LiPF6을 1.2 몰/리터(mol/l) 의 농도로 용해시켜 이것에 시클로헥실벤젠(cyclohexylbenzene) 및 1, 3-프로판술톤(1, 3-propane sultone)을 시클로헥실벤젠 2중량%, 1, 3-프로판술톤 2중량%의 함유량이 되도록 첨가하여 비수전해액을 조정하였다.
(전지의 제작)
상기 감김 전극체를 상기 전해액과 함께 전지캔(2) 내에 수용하여, 총 두께 2.8mm, 긴 변부의 길이가 90mm, 짧은 변부의 길이가 55mm인 각진 형의 리튬이온 2차 전지(lithium ion secondary battery)를 제작하였다. 전지캔(2) 내에 감김 전극체(5)를 수용함에 있어서는, 그 감김축이 캔 본체(3) 및 금속덮개(4)의 제 1 플랜지부분(광폭 플랜지부)(32a, 42a)에 평행이 되도록 수용하고, 양극(51) 및 음극 (52)의 감김 종단은 제 1 플랜지부분(32a, 42a)측에 위치시키고, 양극(51) 및 음극(52)에 접속된 각 리드체(54, 55)는 제 1 플랜지부분(32a, 42a)측으로 도출하여, 캔 본체(3)의 제 1 플랜지부분(32a)에 설치된 2개의 직사각형의 펀칭구멍(6, 6)으로부터 전지캔 외부로 인출하였다(도 3참조). 또한 양극(51)에 접속된 리드체 (54)는 제 1 플랜지부분 끝부에서 되접은 후에 제 1 플랜지부분(32a, 42a)에 용접하여 접합하고, 캔 본체(3) 및 금속덮개(4)와 도통시켜 캔 본체(3)를 양극단자로서 이용하였다. 음극(52)에 접속된 리드체(55)는 펀칭구멍(6)의 벤자리의 절연처리가 이루어져 있지 않은 부분에 접촉하여 양극(51)과의 사이에서 단락이 생기는 것을 방지하기 위하여 펀칭구멍(6)의 근방에 위치하는 부분에는 미리 절연테이프를 감아 절연처리를 행하여 두었다. 또 캔 본체(3)와 금속덮개(4)는 플랜지부(32, 42)에 있어서 열융착 수지를 사용한 접착에 의하여 접합 일체화하였다.
(평가)
상기한 바와 같이 하여 제작한 전지에, 4.2V를 상한으로 하는 정전류 정전압충전을 행하여 정전류로 3V까지 방전시켜 방전용량을 측정한 바, 120OmAh의 용량을 나타내어, 3mm 이하의 박형전지로서 충분히 기능하는 것이 확인되었다.
(비교예)
도 4에 나타내는 바와 같이, 상기 실시예와 동일하게 구성한 감김 전극체(5)를 바깥 치수두께(T1)가 3.4nm, 폭(T2)이 51mm, 높이(T3)가 80mm인 전지용 알루미늄합금캔(깊이조절 캔)(105)에 삽입하고자한 바, 감김 전극체(5)의 가장 바깥 둘레부에 존재하는 세퍼레이터(53)가 상기 합금캔(105)의 개구단부(105a)와 접촉하여 삽입이 잘 되지 않거나, 세퍼레이터(53)가 파손되거나 하는 등의 불량이 많이 발생하였다.
(다른 실시예)
이하, 본 발명의 다른 실시예 또는 구조예에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 관한 전지에 있어서, 리드체용 인출구(6)의 주변부 등의 단면구조를 알 수 있도록 상기한 도 3과 동일한 위치에서 절단한 종단면도이다. 상기한 실시예에서는 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이 캔 본체(3)의 제 1 플랜지부분(32a)에 설치된 인출구(6)로부터 전지캔 외부로 인출된 리드체(양극용)(54)의 다른쪽 끝측을 제 1 플랜지부분(32a)의 끝부(에지부)에서 금속덮개(4)의 오목부측으로 되접어 캔 본체(3) 및 금속덮개(4)의 양 제 1 플랜지부분(32a, 42a)에 용접 접합하고, 이에 의하여 캔 본체(3) 및 금속덮개(4)를 도통시킴과 동시에 캔 본체(3)를 양극단자로서 이용하는 구성을 채용하였다. 이에 대하여 도 5에 나타낸 전지에서는 캔 본체(3)의 제 1 플랜지부분(32a)에 설치된 인출구(6)로부터 전지캔 외부로 인출된 리드체(양극용)(54)의 다른쪽 끝측을 캔 본체(3)의 오목부측으로 되접어 그 제 1 플랜지부분(32a)의 플랜지면부분에 도통 접촉시키고, 이 부분, 즉 리드체(54)의 다른쪽 끝측의 단부의 표면에 출력단자(7)를 배치한 다음에 이들을 상기 플랜지면부분에 일체적으로 용접하여 고정한 구성이다. 이러한 점 이외는 앞서 설명한 실시예와 대략 동일한 구성이므로 도 3과 동일한 부호를 붙이고그 설명을 생략한다. 또 도 5에는 전지캔 외부로 인출된 리드체(54)의 다른쪽 끝측의 단부에 출력단자(7)를 설치한 구조를 나타내었으나, 리드체(54)의 다른쪽 끝측의 단부를 제 1 플랜지부분(32a)의 플랜지면부분에 배치한 구조[출력단자(7)가 설치되어 있지 않은 구조]로 하여도 되는 것은 물론이다.
이러한 구성에 의하면, 예를 들면 제 1 플랜지부분(32a)의 에지부에서 리드체(54)를 둘러치는 구조(도 3참조)에 비하여 리드체(54)의 고정이 행하기 쉬워진다. 또 리드체(54)의 길이가 짧아질 뿐만 아니라, 외부로 리드체의 튀어나옴이 없기 때문에 치수손실(loss)이 없어져, 체적 에너지밀도가 높아진다.
도 6은 리드체(54, 55)의 다른 구성예를 나타낸 것이다. 이 예에서는 감김 전극체(5)의 양극(51) 및 음극(54)을 각각 구성하고 있는 집전체로서의 각 금속박(상기 도면에서는 각각 양극 및 음극과 동일한 부호를 사용하였다)이 리드체(54, 55)를 겸하고 있다. 구체적으로는 양극(51) 및 음극(52)을 각각 구성하고 있는 각 금속박에는 그 감김 종단부측에 리드체(54, 55)를 겸한 연장부가 설치되어 있다. 이 연장부[리드체(54, 55)]는 그 폭 및 위치가 도 1 및 도 2에 나타내는 제 1 플랜지부분(32a)에 있어서의 리드체용 인출구(6, 6)에 대응하도록 형성되어 있다. 각 리드(54, 55)의 다른쪽 끝측이 되는 각 연장부의 선단측은 상기한 도 3 또는 도 5에 나타낸 리드체(54, 55)와 마찬가지로 제 1 플랜지부분(32a)에 설치된 인출구(6, 6)로부터 전지캔 외부로 인출되어 소정의 부위에 전기적으로 접속 가능하게 되어 있다.
이러한 구성에 의하면, 양극(51) 및 음극(52)의 각 금속박(집전체)을 제작(통상은 프레스에 의한 펀칭구멍에 의하여 제작)할 때에 감김 종단부가 되어야 하는 한쪽의 끝부에 연장부[리드체(54, 55)]를 형성하여 둠으로써 리드체부착의 것이 얻어지기 때문에, 리드체를 별도 준비하여 둘 필요가 없고, 그와 같은 리드체를 금속박의 끝부에 용접 등에 의하여 전기적으로 접속하는 공정도 불필요하게 된다. 따라서 공정수나 비용의 저감이 도모된다.
도 7 내지 도 10은 캔 본체(3)의 플랜지부(32)와 금속덮개(4)의 플랜지부(둘레 가장자리부)(42)와의 접합부분, 즉 접합 플랜지부의 다른 구조예를 나타낸 것이다.
이 중, 도 7에 나타낸 것은 접합 플랜지부 중, 상기한 리드체용 인출구(6, 6)가 설치된 제 1 플랜지부분(32a, 42a)을 제외하는 다른 플랜지부분, 즉 제 2 플랜지부분(32b, 42b)(도 1 및 도 2 참조)의 접합부의 내면측을 미리 수지(101)로 밀봉하고, 이 수지로 밀봉된 접합 플랜지부[접합 일체화된 제 2 플랜지부분(32b, 42b)]의 바깥 둘레부분(A)을 레이저용접에 의하여 접합함으로써, 이 접합 플랜지부를 2중 밀봉한 것이다. 이 경우, 접합 플랜지부의 바깥 둘레부분(A)의 접합은, 레이저용접에 한정하지 않고 뒤에서 설명하는 바와 같은 코킹, 또는 압접, 또는 초음파용접, 저항용접, 마찰교반접합 등, 다른 접합수단을 사용하여 행하여도 된다. 어느쪽의 수단을 사용하든지 상기와 같은 2중 밀봉구조로 함으로써 접합 플랜지부에 있어서의 밀봉성(시일성)을 높일 수 있다.
도 8 내지 도 10은 접합 플랜지부의 에지부측을 안 둘레측으로 구부린 예를 나타낸다. 이 경우, 도 8에 나타내는 바와 같이, 캔 본체(3)측의 플랜지부(32)와금속덮개(4)측의 플랜지부(42)를 맞댄상태에서 이들 에지부(32e, 42e)측을 동시에 안 둘레측으로 구부려도 되고, 도 9(a), 도 9(b) 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 캔 본체(3)측의 플랜지부(32) 또는 금속덮개(4)측의 플랜지부(42) 중 어느 한쪽의 에지부측만을 다른쪽의 에지부에 더욱 겹쳐지도록 안 둘레측으로 구부려도 된다. 도 9(a)는 금속덮개(4)에 있어서의 플랜지부(42)의 에지부(42e)측을 구부린 상태를 나타내고, 도 9(b)는 캔 본체(3)에 있어서의 플랜지부(32)의 에지부(32e)측을 구부린 상태를 나타낸다. 또 이와 같이 캔 본체(3)측의 플랜지부(32) 또는 금속덮개(4)측의 플랜지부(42) 중 어느 한쪽의 에지부측만을 구부리는 것으로 한 경우에는 또한 도 10에 나타내는 바와 같이 구부려진 에지부[도시예에서는 캔 본체(3)측의 플랜지부(32)의 에지부(32e)]측의 부분(구부린부분)과 상대측의 플랜지부[도시예에서는 금속덮개(4)측의 플랜지부(42)]의 사이를 수지(102)로 접착하여도 된다. 이와 같이 하면 밀봉성이 향상되기 때문에, 이 부분에서의 누액 또는 외부로부터의 습기의 침입 등을 확실하게 방지할 수 있다.
아울러 도 7 내지 도 10에 예시한 구조에 의하면, 리드체용 인출구(6, 6)가 설치되어 있는 제 1 플랜지부분(32a, 42a)측 이외의 접합 플랜지부가 주로 수지 이외의 용접 등의 수단에 의하여 접합·밀봉되기 때문에, 수지에 의한 밀봉을 행하는 경우에 비하여 상기 접합 플랜지부의 플랜지폭을 좁게 하는 것이 가능해진다. 즉, 접합 플랜지부에 있어서 수지에 의한 밀봉을 행하는 경우는, 접착강도를 확보하기 위하여 일정한 플랜지폭을 확보하여 둘 필요가 있으나, 상기와 같은 용접이나 코킹이라는 수지 이외의 접합·밀봉방법을 사용한 경우에는, 플랜지폭이 비교적 좁아도접합이 가능하다. 따라서 수지밀봉의 경우에 비하여 플랜지폭을 좁게 할 수 있기 때문에 그 만큼 전지의 체적 에너지밀도를 증가시키는 것이 가능해진다.
본 발명에 의하면, 전지가 탑재되는 기기에 대한 설치성이 우수하고, 또한 보호회로도 간소한 배선으로 장착할 수 있는 박형전지를 실현할 수 있다. 즉 캔 본체와 금속덮개의 접합 일체화와 동시 공정에 의하여 리드체 인출부(리드체용 인출구의 주변부)를 밀봉할 수 있기 때문에 생산성이 향상된다. 또 수지에 의한 밀봉을 행함으로써, 리드체 인출부의 뛰어난 밀봉 신뢰성 및 절연성을 확보할 수 있다. 전지의 박형화는 캔 본체 및 금속덮개의 각 오목부의 깊이를 소정범위 내의 것으로 함으로써 용이하게 달성할 수 있다.
본 발명의 전지에 보호회로를 설치하는 경우에는, 보호회로를 설치하는 접합 플랜지부와 같은 접합 플랜지부의 플랜지면부분의 일부에 리드체용 인출구를 설치함으로써, 라미네이트필름을 사용한 전지와 같이 전지 외형 프레임으로 튀어나온 리드체의 부위를 구부린다는 일 없이, 매우 효율좋게 보호회로를 수납할 수 있기 때문에 보호회로부착 전지로서의 체적 에너지밀도가 증가하고, 동시에 조립 작업성도 향상된다.
캔 본체와 금속덮개를 레이저용접 등에 의하여 접합할 때에도, 그 밖의 부품재료로부터 비교적 떨어진 위치에서 해당 용접 등을 행할 수 있기 때문에 절연패킹이나 전극, 세퍼레이터 등, 전지를 구성하고 있는 각종 부품에 대한 열영향을 회피할 수 있다. 아울러 깊이조절캔을 사용한 경우와 같은 재료면의 제약을 받는 일이적고, 여러가지 재료 중에서 필요로 하는 특성을 가진 재료를 비교적 자유롭게 선택할 수 있기 때문에, 전체의 두께가 3mm 이하이면서, 찔림, 구부림, 팽창 등의 점에서 내구성이 뛰어난 전지를 비교적 용이하게 얻을 수 있다.
또한 전극체로서 감김 전극체를 사용하고, 그 감김축이 캔 본체의 광폭 플랜지부에 평행하고 또한 양극 및 음극의 감김 종단이 광폭 플랜지부 내지 광폭접합 플랜지부측에 위치하도록 한 상태에서 감김 전극체를 전지캔 내에 수용한 경우에는 양극 및 음극의 감김 종단이 캔 본체의 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부에 접근하기 때문에, 양극 또는 음극과 외부의 보호회로 등을 접속하는 경우에 접속에 필요하게 되는 리드체의 길이를 짧게 할 수 있어, 전지캔 내의 용적을 유효하게 이용할 수 있다. 또 전지캔 내에 있어서 감김 전극체를 상기한 바와 같이 배치함으로써 양극 및/또는 음극에 대한 리드체의 용접부분을 최소화할 수 있고, 또는 양극 및/또는 음극에 대한 리드체의 용접 그 자체를 불필요화할 수 있기 때문에, 그 만큼 전극활성물질의 도포면적을 늘릴 수 있다.

Claims (14)

  1. 전극체의 적어도 일부가 수용되는 오목부가 형성되어 있고, 또한 그 개구단의 둘레 가장자리부에 플랜지부가 설치되어 이루어지는 캔 본체와, 상기 캔 본체의 오목부의 개구단을 밀봉하는 금속덮개를 구비하고, 상기 캔 본체와 금속덮개가 상기 플랜지(flange)부에 있어서 접합 일체화되어 있음으로써 전지캔이 형성되어 있고, 상기 전지캔의 내부에 시트(sheet)형상의 양극 및 음극이 세퍼레이터 (separator)를 거쳐 적층된 전극체와, 전해액이 수용되어 있는 전지에 있어서,
    한쪽 끝측이 전지캔 내에 있어서 적어도 양극, 음극의 한쪽과 전기적으로 접속된 리드체와, 상기 접합 일체화된 플랜지부(접합 플랜지부)의 표리 양면을 포함하는 플랜지면부분의 일부에 설치된 리드(lead)체용 인출구를 가지고, 적어도 리드체용 인출구가 설치되어 있는 측 내지 주변의 접합 플랜지부가 수지를 사용한 접착에 의하여 밀봉되어 있고, 상기 수지에 의한 밀봉부분을 거쳐 상기 리드체의 다른쪽 끝측이 전지캔의 외부로 인출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    양극 및/또는 음극은, 집전체로서 금속박을 가지고 있고, 상기 금속박의 일부가 연장되어 그 연장부가 리드체를 겸하고 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    리드체의 다른쪽 끝측의 단부는, 상기 플랜지면부분 또는 이것과 직교하는 공간 내에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플랜지면부분 또는 이것과 직교하는 공간 내에 출력단자가 설치되어 있고, 상기 출력단자에 리드체의 다른쪽 끝측이 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  5. 리드체용 인출구가 설치되어 있는 측 내지 주변의 접합 플랜지부 이외의 접합 플랜지부는, 레이저용접, 초음파용접, 저항용접, 마찰교반접합, 압접, 코킹으로부터 선택되는 적어도 하나의 수단에 의하여 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 밀봉부분의 전지 내면측에, 미리 수지에 의한 접착이 실시되어 있음으로써, 상기 접착이 실시된 접합 플랜지부가 2중 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    접합 플랜지부를 형성하고 있는 캔 본체의 플랜지부 및 금속덮개 둘레 가장자리부의 적어도 한쪽은, 그 둘레방향에 따른 적어도 일부의 범위에 있어서, 접합상대측과 더욱 겹쳐지도록 상기 에지부측이 안 둘레측으로 구부러져 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 접합 플랜지부의 구부림부분에 있어서, 캔 본체와 금속덮개의 접합면의 적어도 일부가, 수지에 의하여 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    캔 본체 및/또는 금속덮개는, 금속판을 얕기조절가공함으로써 형성된 것임을 특징으로 하는 전지.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속덮개와, 이것에 대향 위치하는 캔 본체의 일면이 각각 전지 내부를 향하여 볼록형상이 되도록 형성되어 있고, 그 중심의 돌출방향의 변형량이 0.05 내지 0.3mm 인 것을 특징으로 하는 전지.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    캔 본체의 플랜지부 또는 접합 플랜지부는, 그 일부분이 다른 부분의 플랜지폭에 비하여 1mm 이상 폭이 넓은 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  12. 제 11항에 있어서,
    전극체는, 시트형상의 양극 및 음극이 세퍼레이터를 거쳐 적층된 상태에서 감기고, 그 감김축과 직교하는 방향의 단면형상이 타원형상인 감김 전극체로 이루어지며, 상기 감김 전극체의 감김축이 상기 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부에 대하여 평행이 되도록 하고, 또한 양극 및/또는 음극의 감김 종단이 상기 광폭 플랜지부측에 위치하도록 한 상태에서 전지캔 내에 수용되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    리드체용 인출구가 상기 광폭 플랜지부 또는 광폭접합 플랜지부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    캔 본체의 일부, 또는 이것에 대향하는 금속덮개의 일부에는 전지 내압이 소정압 이상으로 상승하였을 때에 전지 내압을 외부로 개방하는 안전밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
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