JP4646899B2 - リチウム二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、リチウム二次電池に関し、より詳細には、円筒型リチウム二次電池において安全ベントとガスケットとの間に補助シーリング部を形成することにより、電池内部から発生するガス及び電解液漏れを防止して、安全性を向上させたリチウム二次電池に関する。

リチウム二次電池は、外観の形状によって円筒型リチウム二次電池と角形リチウム二次電池とに分けられる。円筒型リチウム二次電池は、過充電や作動異常により電池の内部圧力が規定以上に上昇して爆発の危険性がある場合に、キャップ組立体で二次電池内部の電流を遮断して、異常反応がさらに起こらないようにすることでリチウム二次電池の安全性を向上させている。

円筒型リチウム二次電池１００は、図１に示すように、電極組立体２００と、上記電極組立体２００と電解液とを収容する円筒型カン３００と、上記円筒型カン３００上部に組立てられて上記円筒型カン３００を封止して上記電極組立体２００から発生する電流を外部装置に流すキャップ組立体４００とを備えて形成されている。

上記電極組立体２００は、正極集電体の表面に正極活物質層がコーティングされた正極板２１０と、負極集電体の表面に負極活物質層がコーティングされた負極板２２０と、上記正極板２１０及び負極板２２０との間に位置して上記正極板２１０と負極板２２０とを電気的に絶縁させるセパレータ２３０がゼリーロール形状に巻回されて形成されている。上記正極板２１０は、図面には詳しく図示していないが、導電性の優れた金属薄板、例えば、アルミニウム(Ａｌ)ホイル(ｆｏｉｌ)からなる正極集電体と、その両面にコーティングされた正極活物質層とを備えている。上記正極板２１０の両末端には、正極活物質層が形成されていない正極集電体領域、即ち、正極無地部が形成されている。上記正極無地部の一端には、一般的にアルミニウム(Ａｌ)材質で形成され、電極組立体２００の上部に一定の長さ突出した正極タブ２１５が接合されている。また、上記負極板２２０は、伝導性の金属薄板、例えば、銅(Ｃｕ)またはニッケル(Ｎｉ)ホイルからなる負極集電体と、その両面にコーティングされた負極活物質層とを備えている。上記負極板２２０の両末端には、負極活物質層が形成されていない負極集電体領域、即ち、負極無地部が形成されている。上記負極無地部の一端には、一般的にニッケル(Ｎｉ)材質で形成され、電極組立体２００の下部に一定の長さ突出した負極タブ２２５が接合されている。さらに、上記電極組立体２００の上部及び下部には、それぞれキャップ組立体４００または円筒型カン３００との接触を防止するための絶縁プレート２４１、２４５が設置されている。

上記円筒型カン３００は、円筒型の電極組立体２００を収容することが可能となるような所定空間を形成するための一定の直径を有する円筒型側面板３１０と、上記円筒型側面板３１０の下部を密閉する下面板３２０とを備えて形成され、上記円筒型側面板３１０の上部は、上記電極組立体２００を挿入するために開口されている。上記円筒型カン３００の下面板３２０の中央に上記電極組立体２００の負極タブ２２５が接合されることで、上記円筒型カン３００自体が負極の役割を遂行するようになる。また、上記円筒型カン３００は、一般的にアルミニウム(Ａｌ)、鉄(Ｆｅ)またはこれらの合金で形成されている。さらに、上記円筒型カン３００は、上部の開口に結合される上記キャップ組立体４００の上部を圧迫するように、上端から内部に曲がるクリッピング(ｃｌｉｐｐｉｎｇ)部３３０が形成されている。また、上記円筒型カン３００は、上記クリッピング部３３０から下方に上記キャップ組立体４００の厚さに対応した距離だけ離れた位置に上記キャップ組立体４００の下部を圧迫するように内側へ窪んだビーディング(ｂｅａｄｉｎｇ)部３４０がさらに形成されている。

上記キャップ組立体４００は、安全ベント４１０と、電流遮断手段４２０と、二次保護素子４８０と、キャップアップ４９０とを備えて形成されている。上記安全ベント４１０は、板状で中央下部に突出した突出部が形成されて上記キャップ組立体４００の下部に位置し、二次電池の内部から発生する圧力によって突出部が上部方向へ変形するように形成されている。上記安全ベント４１０には所定位置に電極組立体２００の正極板２１０か負極板２２０のうちのいずれかの電極板が接続されており、例えば図１では正極板２１０から引出した正極タブ２１５が溶接されて上記安全ベント４１０と電極組立体２００の正極板２１０とが電気的に接続されている。ここで、正極板２１０及び負極板２２０のうち残りの電極板、例えば図１では負極板２２０は負極タブ２２５、或は直接接触方式によってカン３００と電気的に接続されている。

従来、キャップ組立体４００は、カン内部にガスケット３０５を挿入した後に、安全ベント４１０、電流遮断手段４２０、二次保護素子４８０及びキャップアップ４９０をカン内部に挿入し、クリンピング(Ｃｒｉｍｐｉｎｇ)をして電池内部から発生するガス及び電解液の漏れを防止する構造になっている。しかし、このような構造のみでは、安全ベント４１０とガスケット３０５との密着性が低下する恐れがあり、従って、電池内部圧力が上昇した場合には、完全な密閉構造が形成されなくなり、電池内部から発生したガスが漏出する恐れがある。また、外部衝撃などの原因で電解液がキャップ組立体４００とガスケット３０５との間、またはガスケット３０５とカン３００との間の微細な割れ目に流れ込むと、毛細管現象や凝集力などが要因となって電池外部に電解液が漏出する恐れがあるという問題点がある。

本発明は、上記のような従来の二次電池の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、安全ベントとガスケットとの間、さらに、安全ベントとカンとの間に接着性物質を挿入することにより、電池内部から発生するガスまたは電解液の漏出を防止して密閉性を向上させた二次電池を提供することである。

上述の目的を達成するための本発明に係るリチウム二次電池は、電極組立体と、前記電極組立体を収容する容器型カンと、前記カンの開口部を封止して、その中央部が下部に突出し、突出した中央部は、電池の内部圧力によって上部に変形する安全ベントと、電流遮断手段と前記電流遮断手段の上部に結合されるキャップアップとを備えたキャップ組立体と、前記キャップ組立体と前記カンとの間に位置して気密を維持するガスケットとを含むリチウム二次電池において、前記安全ベントと前記ガスケットとの間に補助シーリング部を形成したことを特徴とする。

また、本発明において前記補助シーリング部は、ゴム、シリコーン、ポリマーのうちのいずれか一つの材質によって形成されていることを特徴とする。

また、本発明において前記補助シーリング部は、中央に円型のホールを備えた環状の形状であることを特徴とする。

また、本発明において前記補助シーリング部は、幅方向の外周を延長して前記ガスケットと前記キャップ組立体とが接触する部分全体にわたって形成されていることを特徴とする。

また、本発明において、前記ガスケットと前記カンとの間にも補助シーリング部を形成したことを特徴とする。

また、本発明において前記補助シーリング部は、接着性を有する接着層を備えた構成であり、ここで、接着層は両面テープであってもよいし、または流動性を有する無定形の接着剤が前記安全ベントと前記ガスケットとの間に挿入された後、凝固して形成されたものであってもよい。また、前記両面テープの基材の材質としては、シリコーンが好ましい。

また、本発明において前記ガスケットの材質は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミドのうちのいずれか一つで形成されていることを特徴とする。

また、本発明において前記キャップ組立体は、電流遮断手段とキャップアップとが一体型に形成されていることを特徴とする。

また、本発明において前記電流遮断手段の導電層は、銅金属または銅合金で形成されていることを特徴とする。この際、導電層は、メッキ工程で形成されることを特徴とする。

また、本発明において前記安全ベントの上部には、二次保護素子がさらに結合されていることを特徴とする。

また、本発明において前記二次保護素子は、樹脂と炭素粉末で形成された素子層を含むＰＴＣ素子によって形成されていることを特徴とする。

本発明に係るリチウム二次電池によれば、安全ベントとガスケットとの間、カンとガスケットとの間に補助シーリング部を形成したので、電池内部から発生するガス及び電池内部に注入されている電解液の外部漏れを防止することができ、電池の密閉性と安全性を向上させることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図２は、本発明の実施形態に係るリチウム二次電池の分解斜視図であり、図３は、本発明の実施形態に係るリチウム二次電池の断面図であり、図４は、本発明のまた他の実施形態に係るリチウム二次電池の断面図であり、図５は、本発明のまた他の実施形態に係るリチウム二次電池の断面図であり、図６は、本発明のまた他の実施形態に係る電流遮断手段の断面図である。

ここで、本発明のリチウム二次電池の構造を説明するが、基本構造は図１で説明した従来のリチウム二次電池と同様なので、まず図１に基づいて本発明のリチウム二次電池の基本構造を説明する。
円筒型リチウム二次電池１００は、図１に示すように、電極組立体２００と、上記電極組立体２００と電解液とを収容する円筒型カン３００と、上記円筒型カン３００の上部に組立てられて上記円筒型カン３００を封止し、上記電極組立体２００から発生する電流を外部装置に流すキャップ組立体４００とを備えて形成されている。

上記電極組立体２００は、正極集電体の表面に正極活物質層がコーティングされた正極板２１０と、負極集電体の表面に負極活物質層がコーティングされた負極板２２０と、上記正極板２１０及び負極板２２０との間に位置して上記正極板２１０と負極板２２０とを電気的に絶縁させるセパレータ２３０とがゼリーロール形状に巻回されて形成されている。

上記円筒型カン３００は、円筒型の電極組立体２００を収容することが可能となるような所定の空間を形成するための一定の直径を有する円筒型側面板３１０と、上記円筒型側面板３１０の下部を密閉する下面板３２０とを備えて形成され、上記円筒型側面板３１０の上部は、上記電極組立体２００を挿入するために開口されている。

上記キャップ組立体４００は、安全ベント４１０と、電流遮断手段４２０と、二次保護素子４８０と、キャップアップ４９０とを備えて形成されている。

上述した基本構造に加えて、本発明に係るリチウム二次電池は補助シーリング部５００を備えており、この補助シーリング部５００は、図２乃至図３に示すように、ガスケット３０５と安全ベント４１０との間に形成されている。上記補助シーリング部５００は、ゴム、シリコーン、ポリマーのうちのいずれか一つの材質によって形成することができる。

また、補助シーリング部５００は、その中央に円型のホールを備えた環状の形状に形成されている。

また、補助シーリング部５００は、接着性を有する接着層を備えた構成となっており、シーリング機能以外にも安全ベント４１０とガスケット３０５とを接着する機能も備えている。ここで、補助シーリング部５００は、両面テープによって形成することが可能であり、両面テープは、平面で構成された基材の両面に接着性を有する材料を塗布することで形成され、この両面テープの基材としてはシリコーン(Ｓｉ)樹脂が好ましい。

シリコーン樹脂は、シリコーンの有機誘導体の重合物であり、普通のプラスチックは、炭素が組成の骨格になっている場合が多いのに対してシリコーン樹脂の分子構造は、ケイ素と酸素が交互に結合しているシロキサン結合(Ｓｉ−Ｏ結合)になり、ケイ素を骨格にして、ケイ素にメチル基、フェニル基、ヒドロキシ基などを添加した熱可塑性合成樹脂である。シリコーン樹脂は、可塑物や、金属を成形する時に離型剤として使用することができる程度に被覆力が良好である。また、シリコーン樹脂は、電気絶縁性が良く、有機基がメチル基である場合には耐熱性が最高であり、他のアルキル基や、アルリル基に置換すると、機械的強度は大きくなるが、電気的性能は多少低下する。また、シリコーン樹脂は、高温で長期間使用しても耐える耐熱性の絶縁材料である。従って、シリコーン樹脂は、被覆力が良くて耐熱性と絶縁性を有するので、電池内部に使用される両面テープの基材としては好適である。

また、補助シーリング部５００である接着層５００は、流動性を有する無定形の接着剤によって形成することも可能である。基材の両面に接着性がある材料を塗布した両面テープの代わりに液状、ゲル(ｇｅｌ)状などの接着剤を直接塗布することで、カン３００とガスケット３０５との間、安全ベント４１０とガスケット３０５との間を強く密着させることができる。

また、補助シーリング部５００は、その幅方向の外周を延長して上記ガスケット３０５とキャップ組立体４００とが接触する部分全体にわたって形成することができる。即ち、図５に示すように、図３においてガスケット３０５と安全ベント４００との間のみに挿入されていた補助シーリング部５００の半径を延長して延長部５００ａを形成し、キャップ組立体４００の側面を囲むことができる構造になっている。電池上部を密閉する方式は、カン３００の上端開口部をガスケット３０５の方向へ変形させるクリンピング(Ｃｒｉｍｐｉｎｇ)を使用するが、これは、ガスケット３０５を基準として外側ではカン３００によりガスケット３０５とキャップアップ４９０とが圧縮されるように密着され、内側ではガスケット３０５と安全ベント４１０で密閉がなされる。外側は、カン３００の上端開口部とガスケット３０５とが強く密着できるが、内側は、相対的に密閉性が脆弱である。よって、これを改善するために補助シーリング部５００の半径を延長してキャップ組立体４００の側面までカバーするようにしたものである。

また、上記カン３００と上記ガスケット３０５との間にも補助シーリング部５０２を形成することができる。図４と図５に示すように、ガスケット３０５と安全ベント４１０との間に補助シーリング部５００が形成され、さらに、カン３００の上端開口部とガスケット３０５とが密着する部位にも補助シーリング部５０２が形成される。

ここで、安全ベント４１０とガスケット３０５との間に形成される補助シーリング部５００のように、カン３００とガスケット３０５との間に形成される補助シーリング部５０２もゴム、シリコーン、ポリマーのうちのいずれか一つの材質で形成することができる。また、このようなカン３００とガスケット３０５との間の補助シーリング部５０２も接着性を有する接着層を備えた構成で実現することができ、この接着層は、両面テープ或は流動性を有する無定形接着剤によって形成することができる。

そして、ガスケット３０５と安全ベント４１０との間に形成される接着層のように、カン３００とガスケット３０５との間に形成される補助シーリング部５０２も中央に円型のホールを備えた環状の形状であることが好ましい。電池内部から発生するガスによって内部圧力が上昇して安全ベント４１０が上側方向に折り曲がるためには、安全ベント４１０の凸部分が電池内部に露出することが有利であるためである。

上記ガスケット３０５の材質としては、ポリエチレン(Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＥ)、ポリプロピレン(Ｐｏｌｙｐｒｏｐｈｌｅｎｅ、ＰＰ)、ポリイミド(Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ、ＰＩ)のうちのいずれか一つで形成することが可能である。

ポリエチレンは、密度が小さいので軽くて、分子配列が充分ではないために柔らかくてよく伸び、引張強度は若干小さいが、耐衝撃性は大きい。従って、加工しやすくて使用しやすい。また、ＣＨ₂のみで構成されているので電気絶縁性が優れており、構造式に示すようにＣの鎖を中心として対称性があるので、高周波絶縁材料としても優秀である。

ポリプロピレンは、ナフサを分解する時にエチレンと共に生ずる。アイソタクティック(ｉｓｏｔａｃｔｉｃ)構造を有し、従って、構造式のようにメチル基が同一な方向に整然と配列されている。結晶度は大きいが、成形した後には、低下する。ポリプロピレンとポリイミドの電気的特性は、ポリエチレンと類似である。

上記キャップ組立体４００は、電流遮断手段４２０と安全ベント４１０とを一体型に形成することも可能である。従来では、安全ベント４１０の上に電流遮断手段４２０と二次保護素子４８０とを順番に積層して、キャップアップ４９０を載せることで、キャップ組立体４００を形成していたが、最近では、電池の体積、質量を減少させて部品間の接触面減少による接触抵抗を減少させるために安全ベント４１０、電流遮断手段４２０、二次保護素子４８０を一体型にして製造する傾向がある。本発明においてもこのような方式を適用して電池を製造することができる。

上記電流遮断手段４２０の導電層は、銅金属または銅合金で形成することができる。導電層は、所定の厚さの導電性金属で形成され、好ましくは、銅金属または銅合金で形成される。銅(Ｃｕ)は、電気伝導度が極めて高いので、良い導電体になることができる。また、上記導電層は、好ましくは、厚さの調節が容易で工程が簡単なメッキ工程で形成する。

上記安全ベント４１０の上側には、二次保護素子４８０をさらに結合して形成することができる。電流遮断手段４２０は、上記安全ベント４１０の上面に電気的に接触しながら安着されるので、上記安全ベント４１０に流れる電流は、図６に示すように上記電流遮断手段４２０の下部導電薄膜４２２とビアホール４２５及び上部導電薄膜４２６とを介して流れるようになる。また、上記二次保護素子４８０は、上記電流遮断手段４２０の上部に安着されるので、上記上部導電薄膜４２６と電気的に接続されて電流が流れるようになる。また、上記キャップアップ４９０は、上記二次保護素子４８０の上部に電気的に結合されて二次保護素子４８０から流れる電流を二次電池の外部に流すようにする。

上記二次保護素子４８０は、樹脂と炭素粉末で形成される素子層を含んだＰＴＣ(Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ)素子で形成することができる。この際、樹脂は、バインダ(ｂｉｎｄｅｒ)の役割を有し、炭素粉末は、導電体の役割を有する。電池内部のショットまたは過充放電によって温度が上昇すると、樹脂の熱膨脹によって炭素粉末粒子間の距離が遠くなって電流の流れが遮断される。

次は、本発明の実施形態に係る補助シーリング部が挿入されたリチウム二次電池の作用について説明する。

図２、図３に示すように、補助シーリング部５００は、ガスケット３０５と安全ベント４１０との間に形成されている。補助シーリング部５００が両面テープによって形成される場合に、両面テープの片側の面は、ガスケット３０５の表面のうち一部と接着され、両面テープの他方の面は、安全ベント４１０の表面のうち一部と接着される。補助シーリング部５００が液状またはゲル状の接着剤によって形成される場合には、上記両面テープの場合と同一な位置に塗布されて乾燥しながら、ガスケット３０５と安全ベント４１０とを強く結合させる。

図４に示すように、補助シーリング部５００がガスケット３０５と安全ベント４１０との間だけではなく、ガスケット３０５の表面の一部とカン３００の上端開口部３３０における内側面の一部との間にも形成されている。また、図５に示すように、ガスケット３０５と安全ベント４１０との間のみに挿入された補助シーリング部５００を拡張して、補助シーリング部５００をキャップ組立体４００とガスケット３０５とが接する境界面の全体に形成する。

電池は、カン３００に電極組立体２００を挿入し、カン３００の上端開口部３３０を電池内部へ変形させるクリンピング(ｃｒｉｍｐｉｎｇ)によって密閉する。この時、ガスケット３０５と安全ベント４１０との間、ガスケット３０５とカン３００の上端開口部３３０との間、さらに、ガスケット３０５と電極組立体２００との間には、クリンピングにもかかわらず微細な割れ目が存在する場合がある。電池内部から発生したガスが上記微細な割れ目に到逹した場合、ガスが外部に漏出する恐れがある。このとき、上記微細な割れ目に補助シーリング部５００、５０２が形成されていれば、補助シーリング部５００、５０２と割れ目の両側の表面が強く密着して割れ目を塞ぐ役割を有するので、ガスがこれ以上進行することがなくなる。従って、電池外部へのガスの漏出が遮断される。

また、電解液が上記微細な割れ目に到逹すれば、電解液分子の間の凝集力と毛細管現象によって割れ目の間に徐々に電解液が上昇するようになる。この場合にも、割れ目の間に補助シーリング部５００、５０２が形成されていれば、補助シーリング部５００、５０２と割れ目の両側の表面が強く密着して割れ目を塞ぐので、電解液の進行経路を遮断して電池外部への電解液の漏出を防止する。

以上、本発明は、上述した特定の好ましい実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で請求する本発明の基本概念に基づき、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、様々な実施変形が可能であり、そのような変形は本発明の特許請求の範囲に属するものである。

一般的な従来の円筒型リチウム二次電池の断面図である。 本発明の実施形態に係るリチウム二次電池の分解斜視図である。 本発明の実施形態に係るリチウム二次電池の部分断面図である。 本発明のまた他の実施形態に係るリチウム二次電池の部分断面図である。 本発明のまた他の実施形態に係るリチウム二次電池の部分断面図である。 本発明のまた他の実施形態に係る電流遮断手段の断面図である。

符号の説明

１００…円筒型リチウム二次電池
２００…電極組立体
３００…カン
３０５…ガスケット
３３０…カンの上端開口部
４００…キャップ組立体
４１０…安全ベント
４２０…電流遮断手段
４８０…二次保護素子
４９０…キャップアップ(Ｃａｐ Ｕｐ)
５００、５０２…補助シーリング部
５００ａ…延長部

Claims (13)

1. 電極組立体と、
   前記電極組立体を収容する容器型カンと、
   前記カンの開口部を封止して、その中央部が下部に突出し、突出した中央部は、電池の内部圧力によって上部に変形する安全ベントと、
   電流遮断手段と前記電流遮断手段の上部に結合されるキャップアップとを備えたキャップ組立体と、
   前記キャップ組立体と前記カンとの間に位置して気密を維持するガスケットとを含むリチウム二次電池において、
   前記安全ベントと前記ガスケットとの間にシリコーンで形成された補助シーリング部を形成し、
   さらに前記ガスケットと前記カンとの間にも前記補助シーリング部を形成することを特徴とするリチウム二次電池。
2. 前記補助シーリング部は、中央に円型のホールを備えた環状の形状であることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
3. 前記補助シーリング部は、幅方向の外周を延長して前記ガスケットと前記キャップ組立体とが接触する部分全体にわたって形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のリチウム二次電池。
4. 前記補助シーリング部は、接着性を有する接着層を備えた構成であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のリチウム二次電池。
5. 前記接着層は、両面テープであることを特徴とする請求項４に記載のリチウム二次電池。
6. 前記両面テープの基材の材質は、シリコーンであることを特徴とする請求項５に記載のリチウム二次電池。
7. 前記接着層は、流動性を有する無定形の接着剤が前記安全ベントと前記ガスケットとの間に挿入された後、凝固して形成されたものであることを特徴とする請求項４に記載のリチウム二次電池。
8. 前記ガスケットの材質は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミドのうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のリチウム二次電池。
9. 前記キャップ組立体は、電流遮断手段とキャップアップとが一体型に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のリチウム二次電池。
10. 前記電流遮断手段の導電層は、銅金属または銅合金で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のリチウム二次電池。
11. 前記導電層は、メッキ工程で形成されることを特徴とする請求項１０に記載のリチウム二次電池。
12. 前記安全ベントの上部には、二次保護素子がさらに結合されていることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のリチウム二次電池。
13. 前記二次保護素子は、樹脂と炭素粉末で形成された素子層を含むＰＴＣ素子によって形成されていることを特徴とする請求項１２に記載のリチウム二次電池。

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