JP5340360B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に関する。

二次電池（ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ）は、充電が不可能な一次電池とは異なり、充電および放電が可能な電池である。低容量の二次電池は、携帯電話機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使用され、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使用されている。

最近、高エネルギー密度の非水電解液を利用した高出力二次電池が開発されているが、このような高出力二次電池は大電力を必要とする機器、例えば、電気自動車などのモータ駆動に使用することができるように、複数の二次電池を直列に連結して大容量の二次電池として構成される。

また、１つの大容量二次電池は、通常、直列に連結する複数の二次電池からなるが、二次電池は円筒形や角型、パウチ型などで構成される。

二次電池において、正極および負極は、一般的に基材に活物質を塗布して充電が行われる。このように製造された正極および負極の間にはセパレータが介在し、共に巻かれた後、角型ケースに適合するように圧着して収納される。

このとき、ケースの内部に収納された電極組立体は、二次電池の充電および放電時に膨張および収縮が繰り返されるが、これによって基材に塗布された活物質が脱着したり劣化したりするという問題が生じることがある。さらに、電極組立体は、二次電池の外部から衝撃が加わる場合、形態が変形して二次電池の不良の原因となるという問題がある。

本発明は、上述したような背景技術の問題点を解決するために案出されたものであって、二次電池の電極組立体をケース内部に安定的に収納し、外部衝撃が伝達されても、電極組立体を効果的に保護する二次電池を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る二次電池は、電極組立体、前記電極組立体を囲み、外向面と内向面とを有する少なくとも１つの側壁を有する加圧ホルダー、および前記電極組立体と前記加圧ホルダーとを収納するケースを含む。前記外向面と内向面との少なくとも１つは、緩衝溝を有する。

前記側壁の一部分はラウンド状に形成され、前記電極組立体に向かって突出してもよい。

前記側壁の前記一部分は、前記側壁の縦方向または横方向の少なくとも１つに沿って弧状（ａｒｃ−ｓｈａｐｅｄ）に形成されてもよい。

前記加圧ホルダーは、前記緩衝溝において前記ケースまたは電極組立体の少なくとも１つから離間して形成されてもよい。

前記緩衝溝は、前記内向面または外向面の少なくとも１つと実質的に平行な偏平面を有してもよく、前記外向面は、前記緩衝溝の少なくとも一部分に対応する補強部材を含んでもよい。

前記補強部材は前記緩衝溝または前記外向面から突出してもよく、前記補強部材の高さは前記緩衝溝の深さよりもさらに小さく形成されてもよい。前記補強部材は複数の突起を含んでもよく、複数のリブを含んでもよい。前記リブは互いに交差するように配列されてもよい。

前記加圧ホルダーは一対の対向する側壁を含んでもよく、前記一対の対向する側壁は連結部によって連結されてもよい。前記連結部は、前記対向する側壁のそれぞれに実質的に直角をなすように形成されてもよく、前記連結部は弧状に形成されてもよい。

前記二次電池は、前記ケース上にキャッププレートをさらに含んでもよく、前記連結部は、前記キャッププレートの反対側の前記ケースの底に隣接して位置してもよい。

前記加圧ホルダーは、弾性および柔軟性素材を含んでもよく、前記外向面と内向面との少なくとも１つは実質的に滑らかに形成されてもよい。

前記緩衝溝は、前記電極組立体の中心に対応してもよく、前記緩衝溝は前記少なくとも１つの側壁のエッジまで延長してもよい。

本発明の一実施形態によれば、電極組立体をケース内部において加圧ホルダーを利用して安定的に固定することにより、二次電池の充電および放電が繰り返されても、電極組立体の過度な膨張を防いで二次電池の寿命を向上させることができる。

また、本発明の一実施形態によれば、二次電池に外部衝撃が伝達されても、加圧ホルダーが電極組立体を安定的に固定するため、二次電池の耐久性が向上する。

本発明の第１実施形態に係る二次電池を概略的に示す分解斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池を概略的に示す斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断した断面図である。 加圧ホルダーに電極組立体を挿入した状態を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池に適用された加圧ホルダーを示す部分切断斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る二次電池に適用された加圧ホルダーの変形例を示す部分切断斜視図である。 図２の二次電池をＶ−Ｖ線に沿って切断した図であって、電極組立体が膨張していない状態を示す断面図である。 図６の電極組立体が膨張した状態を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る二次電池の加圧ホルダーを概略的に示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る二次電池の加圧ホルダーを概略的に示す斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る二次電池の加圧ホルダーを概略的に示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態に係る二次電池について、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。しかし、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現される。本実施形態は、本発明の開示が完全なものとなるようにし、通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものに過ぎない。

図１は、本発明の第１実施形態に係る二次電池を概略的に示す分解斜視図であり、図２は、本発明の第１実施形態に係る二次電池を概略的に示す斜視図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断した断面図である。

図１〜図３に示すように、本発明の第１実施形態に係る二次電池１００は、充電と放電とを行うように構成された電極組立体１０と、電極組立体１０を囲んで固定する加圧ホルダー２０と、電極組立体１０と電気的に連結する端子３０と、端子３０を外部に突出した状態で電極組立体１０を収納するケース４０と、を含む。ここで、ケース４０の開口４１にはキャッププレート３１が設置され、キャッププレート３１には正極端子３２および負極端子３４が設置される。

また、正極１１および負極１２は、薄板の金属箔で形成された集電体に活物質が塗布された領域であるコーティング部と、活物質がコーティングされていない領域である無地部１１ａ、１２ａと、を含む。正極無地部１１ａは正極１１の長さ方向に沿って一側端に形成され、負極無地部１２ａは負極１２の長さ方向に沿って他側端に形成されてもよい。

正極１１および負極１２は、絶縁体であるセパレータ１３が間に介在して積層され、巻取ロールなどを利用して巻き取られ、ゼリーロール形態の電極組立体１０を形成するようになる。電極組立体１０は、ケース４０に内蔵されるようにプレスなどによって加圧されて平らな形態を有してもよい。

ケース４０は、略直方体で形成され、一面には開放した開口４１が形成される。

キャッププレート３１は薄い板で形成され、ケース４０の開口４１に結合する。キャッププレート３１には、電解液注入口３３に設置された密封キャップ３５とベントホール３７とが設置され、設定された圧力で開放するようにノッチ３９ａが形成されたベントプレート３９に設置される。

正極端子３２および負極端子３４は、キャッププレート３１を貫通して設置され、下部にキャッププレート３１の下に支持されたフランジ３２ａ、３４ａが形成され、キャッププレート３１の外側に突出した上部柱の外周面は、ねじ加工される。また、端子３２、３４には、上部で支持するナット３６が締結される。

本実施形態において、端子３２、３４は、キャッププレート３１の上側に柱形状で突出することを例示したが、これに限定されるものではなく、多様な形状に変形されてもよい。例えば、端子３２、３４は、キャッププレート３１の上側に平板形状で突出されるものも可能である。さらに、柱形状の端子３２、３４のうちのいずれか１つがケース４０の外側に突出せず、ケース４０の内側に位置してもよい。

正極端子３２とキャッププレート３１との間には、ガスケット３８ａが設置される。また、負極端子３４とキャッププレート３１との間にもガスケット３８ｂが設置され、端子３２、３４とキャッププレート３１との間を密封する。

正極端子３２は、正極リードタップ３２ｂを媒介として正極１１と電気的に連結し、負極端子３４も負極リードタップ３４ｂを媒介として負極１２と電気的に連結する。正極端子３２および正極リードタップ３２ｂの間と負極端子３４および負極リードタップ３４ｂの間とにはそれぞれ、絶縁部材３８ｃが挿入されてもよい。

一方、電極組立体１０は、加圧ホルダー２０によって加圧された状態でケース４０に挿入される。

図４は、加圧ホルダーに電極組立体を挿入した状態を示す斜視図である。

図４に示すように、加圧ホルダー２０は、電極組立体１０の両側面を加圧することにより、二次電池１００の充電または放電時に発生する体積膨張を抑制する。加圧ホルダー２０を利用して電極組立体１０を加圧するのは、二次電池１００の充電または放電時に電極組立体の体積膨張を抑制し、電極活物質の脱落および劣化と、外部から衝撃を受けたときの変形と、を防ぐためである。

より具体的に、加圧ホルダー２０は、電極組立体１０の一側面（前面）を加圧する第１側壁２１と、電極組立体１０の他側面（後面）を加圧する第２側壁２３と、第１側壁２１および第２側壁２３を連結する連結部２５と、を含む。

第１側壁２１と第２側壁２３とは、電極組立体１０の両側面の面積と実質的に同じ面積で形成され、電極組立体１０の両側面を共に加圧してもよい。これは、第１側壁２１と第２側壁２３とが電極組立体１０の両側面に全体的に均一な圧力を加えるようにし、電極組立体１０の膨張を円滑に抑制するためである。しかし、本実施形態はこれに限定されるものではなく、第１側壁２１および第２側壁２３を電極組立体１０の両側面の面積よりも一定の大きさだけ小さく形成することも可能である。すなわち、電極組立体１０の中央の部分を安定的に加圧するように、第１側壁２１および第２側壁２３の大きさを一定の大きさだけ変更することも可能である。

また、連結部２５は、一側エッジが第１側壁２１に連結し、他側エッジは第２側壁２３にそれぞれ連結する。このような連結部２５は、ケース４０に収納される場合にケース４０の底面に位置することにより、第１側壁２１と第２側壁２３とのそれぞれで折り曲げられて連結する。すなわち、加圧ホルダー２０は、第１側壁２１、第２側壁２３、および連結部２５が概略的にＵ字形状で連結し、連結部分には角のある角部形状を有してもよい。

加圧ホルダー２０が連結部２５によって角を含む概略的なＵ字形状を形成するのは、ケース４０の内部に収納される場合、ケース４０の底面の角に加圧ホルダー２０の連結部２５の角が位置し、外部衝撃が発生しても加圧ホルダー２０がケース４０の内部で移動しないようにするためである。

一方、第１側壁２１と第２側壁２３とは、電極組立体１０と接触する面、すなわち、前記第１側壁２１と第２側壁２３との内向面にそれぞれラウンド部２７が形成される。このようなラウンド部２７は、電極組立体１０方向に第１側壁２１と第２側壁２３とから突出し、電極組立体１０に加圧力をより円滑に伝達することができる。

図５Ａを参照すれば、本実施形態の第１側壁２１および第２側壁２３のラウンド部２７は、縦方向に沿って弧状（ａｒｃ−ｓｈａｐｅｄ）であってもよい。図５Ｂを参照すれば、他の変形例として、第１側壁および第２側壁２３’のラウンド部２７’は、横方向に沿って弧状（ａｒｃ−ｓｈａｐｅｄ）であってもよく、対応する反対側、すなわち、第１側壁および第２側壁２３’の外向面に緩衝溝２９’が形成される。

さらに、第１側壁２１と第２側壁２３とには、ラウンド部２７が形成される面の反対側の面、すなわち、外向面に緩衝溝２９が形成される。緩衝溝２９は、二次電池１００の充電または放電時に電極組立体１０が膨張する場合、第１側壁２１および第２側壁２３がケース４０の内部面に過剰に接触することを防ぐ。これについては、図６および図７を参照しながら以下で詳細に説明する。

図６は、図２の二次電池をＶ−Ｖ線に沿って切断した図であって、電極組立体が膨張していない状態を示す図である。また、図７は、図６の電極組立体が膨張した状態を示す図である。

まず、図６に示すように、電極組立体１０が膨張していない状態では、緩衝溝２９によって第１側壁２１および第２側壁２３それぞれとケース４０の内壁面との間には、空間が形成される。

また、図７に示すように、電極組立体１０が充電または放電によってケース４０方向に一定の大きさだけ膨張した状態では、電極組立体１０の膨張圧力によって第１側壁２１および第２側壁２３は、ケース４０方向に変形する。すなわち、ラウンド部２７は、直線形状に近く変形するが、これに反して緩衝溝２９はラウンド形状に一部変形する。このとき、ラウンド部２７の変形を緩衝溝２９が補償するようになり、ケース４０に圧力が直接に加わらないため、変形が発生しないようにする。より詳細に説明すれば、二次電池１００の充電または放電によって電極組立体１０の体積が膨張する場合、第１側壁２１および第２側壁２３の形態変形が発生するが、この形態変形は緩衝溝２９が補償するようになる。したがって、二次電池１００の充電または放電時に、電極組立体１０の変形圧力がケース４０に直接に伝達されず、二次電池１００の形状変形が発生せず、安定性を向上させることができる。

一方、緩衝溝２９には、加圧ホルダー２０の強度補強のための補強部材２２が形成されてもよい。補強部材２２は、図４に示すように、緩衝溝２９において複数の突起で形成されてもよい。補強部材２２によって緩衝溝２９が形成された前記側壁２１、２３の強度を補強し、電極組立体１０の膨張時にラウンド部２７が緩衝溝２９方向に過度に変形することを防ぐことができる。このような補強部材２２は、緩衝溝２９の深さよりも小さい高さで突出し、電極組立体１０の膨張時に、加圧ホルダー２０がケース４０に接触することを防ぐことができる。

上述したような構成の加圧ホルダー２０は、ポリプロピレン（ｐｏｌｙ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）またはポリフェニレンサルファイド（Ｐｏｌｙ ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ）素材で形成されてもよい。したがって、加圧ホルダー２０は、弾性圧縮力を有するようになり、電極組立体１０を効果的に加圧することができる。

図８は、本発明の第２実施形態に係る二次電池の加圧ホルダーを概略的に示す斜視図である。図１〜図７と同じ参照番号は、同じ機能の同じ部材を意味する。以下、同じ参照番号については、その詳しい説明を省略する。

図８に示すように、本発明の第２実施形態に係る加圧ホルダー１２０は、第１側壁１２１と、第２側壁１２３と、連結部１２５と、を含む。ここで、連結部１２５は、第１側壁１２１と第２側壁１２３とをラウンド形状で連結する。さらに、前記加圧ホルダー１２０は、単一素材から単一体で形成されてもよい。これにより、加圧ホルダー１２０の角にバリ（ｂｕｒｒ）が形成されることを防ぎ、外部衝撃が発生するときに、角部分に応力集中による破れ現象を防ぐことができる。

図９は、本発明の第３実施形態に係る二次電池の加圧ホルダーを概略的に示す斜視図である。図１〜図８と同じ参照番号は、同じ機能の同じ部材を意味する。以下、同じ参照番号については、その詳しい説明を省略する。

図９に示すように、第３実施形態に係る加圧ホルダー２２０は、補強部材２２２が緩衝溝２９にリブ（ｒｉｂ）形状で形成される。本実施例の補強部材２２２のリブ形状の高さは、緩衝溝２９の深さよりも小さい高さで形成される。これは、第１実施形態の補強部材２２である突起がケース４０に接触しないようにするのと同じ作用をする。

本第３実施形態の補強部材２２２のリブ形状は、緩衝溝２９に格子形状で形成されるもの、すなわち、リブが互いに交差するように配列されるものも可能である。

図１０は、本発明の第４実施形態に係る二次電池の加圧ホルダーを概略的に示す斜視図である。図１〜図８と同じ参照番号は、同じ機能の同じ部材を意味する。以下、同じ参照番号については、その詳しい説明を省略する。

図１０に示すように、本発明の第４実施形態に係る二次電池の加圧ホルダー３２０は、緩衝溝２９に補強部材（図４の参照番号２２）が形成されない。これにより、二次電池１００の充電または放電時に電極組立体１０の膨張による第１側壁２１および第２側壁２３の位置変動が発生しても、ケース４０に加圧力が伝達されないようにする。すなわち、緩衝溝２９の高さ以内で第１側壁２１および第２側壁２３の変形が発生し、ケース４０は加圧力が伝達されないために変形しない。

以上、本発明を図面に示された実施形態を参照して説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者により、本発明と均等な範囲に属する多様な変形例または他の実施形態が可能である。したがって、本発明の真の保護範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められなければならない。

１０：電極組立体
１１：正極
１１ａ：正極無地部
１２：負極
１２ａ：負極無地部
１３：セパレータ
２０：加圧ホルダー
２１：第１側壁
２３：第２側壁
２５：連結部
３０：端子
３１：キャッププレート
３２：正極端子
３２ａ、３４ａ：フランジ
３２ｂ：正極リードタップ
３３：電解液注入口
３４：負極端子
３６：ナット
４０：ケース
４１：開口

Claims (20)

1. 電極組立体、
   前記電極組立体を囲み、外向面と内向面とを有する少なくとも１つの側壁を有する加圧ホルダー、および
   前記電極組立体と前記加圧ホルダーとを収納するケース、
   を含み、
   前記外向面と前記内向面との少なくとも１つは緩衝溝を有する、二次電池。
2. 前記側壁の一部分はラウンド状に形成され、前記電極組立体に向かって突出する、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記側壁の前記一部分は、前記側壁の縦方向または横方向の少なくとも１つに沿って弧状（ａｒｃ−ｓｈａｐｅｄ）に形成される、請求項２に記載の二次電池。
4. 前記加圧ホルダーは、前記緩衝溝において前記ケースまたは前記電極組立体の少なくとも１つから離間して形成される、請求項１に記載の二次電池。
5. 前記緩衝溝は、前記内向面または前記外向面の少なくとも１つと実質的に平行な偏平面を有する、請求項１に記載の二次電池。
6. 前記外向面は、前記緩衝溝の少なくとも一部分に対応する補強部材を含む、請求項１に記載の二次電池。
7. 前記補強部材は、前記緩衝溝または前記外向面から突出する、請求項６に記載の二次電池。
8. 前記補強部材の高さは、前記緩衝溝の深さよりもさらに小さい、請求項７に記載の二次電池。
9. 前記補強部材は複数の突起を含む、請求項６に記載の二次電池。
10. 前記補強部材は複数のリブを含む、請求項６に記載の二次電池。
11. 前記リブは互いに交差するように配列される、請求項１０に記載の二次電池。
12. 前記加圧ホルダーは一対の対向する前記側壁を含む、請求項１に記載の二次電池。
13. 前記一対の対向する側壁は連結部によって連結する、請求項１２に記載の二次電池。
14. 前記連結部は、前記対向する側壁のそれぞれと実質的に直角をなす、請求項１３に記載の二次電池。
15. 前記連結部は弧状に形成される、請求項１３に記載の二次電池。
16. 前記ケース上にキャッププレートをさらに含み、
    前記連結部は、前記キャッププレートの反対側の前記ケースの底に隣接して位置する、請求項１３に記載の二次電池。
17. 前記加圧ホルダーは弾性および柔軟性素材を含む、請求項１に記載の二次電池。
18. 前記外向面と前記内向面の少なくとも１つは実質的に滑らかである、請求項１に記載の二次電池。
19. 前記緩衝溝は前記電極組立体の中心に対応する、請求項１に記載の二次電池。
20. 前記緩衝溝は前記少なくとも１つの側壁のエッジまで延長する、請求項１に記載の二次電池。

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