JP5399990B2 - 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って、充電及び放電が可能な電池である。低容量の二次電池は、携帯電話器やノートパソコン及びビデオカメラなどの携帯が可能な小型電子機器に使用され、大容量の（二次）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。

ところで、二次電池の内部で過度な熱が発生したり、電解液が分解されて内部圧力が上昇したりすると、電池が爆発したり発火する可能性があることが一般に知られている。特に、角型電池は、円筒形電池に比べて端子構造の特殊性によって電流を遮断したり放電したりする構造を有するように形成することが困難である。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、二次電池の内部圧力が上昇するときに短絡を発生させることによって、二次電池が爆発したり発火したりすることを防止し、安全性を向上させることが可能な、新規かつ改良された二次電池を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、第１電極、第２電極、及び第１電極と第２電極との間に介在されるセパレータを含む電極組立体と、電極組立体を収容するケースと、ケースに締結されて、キャッププレート及びキャッププレートに取り付けられる可変プレートを有するキャップアセンブリーとを備え、可変プレートは、ケースの内部圧力の上昇に反応して変形して、第１電極及び第２電極を電気的に互いに連結するように構成される、二次電池が提供される。

上記可変プレートは、キャッププレートに電気的に連結されてもよい。

上記可変プレートは、キャッププレートに溶接されてもよい。

上記キャップアセンブリーは、ケースの外部でキャッププレート上に位置して第１電極と電気的に連結される第１タップを更に有し、可変プレートは、変形されるときに第１タップに接触するように構成されてもよい。

上記キャップアセンブリーは、第１タップとキャッププレートとの間に絶縁部材を更に有し、キャッププレートから第１タップを電気的に絶縁させてもよい。

上記キャップアセンブリーは、第１電極に電気的に連結されて、キャッププレート上に設置される第１端子と、キャッププレートから第１端子を電気的に絶縁させるガスケットとを更に有し、第１タップは、開口を有し、第１端子が開口を通してケースの内部から外部に突出してもよい。

上記第１タップは、第１端子の拡大されたヘッドまたは第１端子に締結されるナットによってキャッププレートに固定されてもよい。

上記キャッププレートは、可変プレートによって覆われる開口を有し、第１タップは、開口に少なくとも部分的に挿入される突起を含んでもよい。

上記キャップアセンブリーは、キャッププレートの開口を形成する側壁と突出部との間に設置される絶縁部材を更に有し、絶縁部材はキャッププレートから第１タップを電気的に絶縁させてもよい。

上記第２電極は、キャッププレートに電気的に連結されてもよい。

上記キャップアセンブリーは、第２端子を更に有し、第２電極は、第２端子と電気的に連結されてもよい。

上記キャッププレートの開口に設置されるガスケットを更に有し、ガスケットは、キャッププレートから第２端子を電気的に絶縁させてもよい。

上記キャッププレート上に設置されて、キャッププレートに第２端子を電気的に連結する連結タップを更に有してもよい。

上記可変プレートは、ケースの内部に向かって突出するように湾曲してもよい。

上記キャップアセンブリーは、ベント孔を有し、ベント孔を覆うようにキャッププレート上に設置されるベント部材を更に有し、可変プレートは、厚さがベント部材より厚くてもよい。

以上説明したように本発明によれば、二次電池の内部圧力が上昇するときに短絡を発生させることによって、二次電池が爆発したり発火したりすることを防止し、安全性を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る二次電池を示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した断面図である。 本発明の第２実施形態に係る二次電池を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る二次電池を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る二次電池を示す断面図である。 本発明の第５実施形態に係る二次電池を示す断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本明細書の記載において、「反転プレート」とは、圧力の上昇によって変形が発生する全ての種類のプレートを含む概念であり、特にその形状を限定しない。反転プレートは、「可変プレート」と称することもできる。

図１は本発明の第１実施形態に係る二次電池を示す斜視図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した断面図である。

図１及び図２を参照して説明すれば、本第１実施形態に係る二次電池１１０は、正極１１と負極１２との間に絶縁体であるセパレータ１３を介在して巻き取られた電極組立体１０と、電極組立体１０が収容されるケース１５と、ケース１５の開口に結合されて、ケース１５を密閉するキャップアセンブリー２０とを含む。

本第１実施形態の二次電池１１０は、リチウムイオン二次電池であって角型のものを例として説明する。但し、本発明がこれに制限されるのではなく、本発明は、リチウムポリマー電池または円筒形電池などの多様な形態の電池に適用される。

正極１１及び負極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を含む。また、正極１１及び負極１２は、各々活物質が塗布されない領域である無地部１１ａ、１２ａを含む。ここで、負極１２を第１電極、正極１１を第２電極とするが、正極１１を第１電極、負極１２を第２電極としてもよい。

図２に示されているように、正極無地部１１ａは、正極１１の長さ方向に沿って正極１１の一側端に形成され、負極無地部１２ａは、負極１２の長さ方向に沿って負極１２の他側端に形成される。そして、正極１１及び負極１２は、絶縁体であるセパレータ１３を間に介在して巻き取られる。

但し、本発明がこれに制限されるのではなく、電極組立体１０は、複数のシートからなる正極及び負極がセパレータを間に介在して積層された構造からなることもできる。

ケース１５は、ほぼ直方体からなり、一面には開放された開口が形成される。キャップアセンブリー２０は、キャッププレート１６と、第１端子２１と、第１短絡タップ４１を含む。

キャッププレート１６は、ケース１５の開口を覆って、ケース１５の開口に結合される。第１端子２１は、キャッププレート１６を貫通してケース１５の内側から外側に突出しつつ、負極１２と電気的に連結される。第１短絡タップ４１は、第１端子２１と電気的に連結される。また、絶縁部材２６が、キャッププレート１６に設置され、第１短絡タップ４１を嵌合する。この構成によって、第１短絡タップ４１は絶縁部材２６を介してキャッププレート１６に設置される。なお、第１短絡タップ４１は、例えば第１タップとも称する。

キャッププレート１６は、薄板からなり、ベント部材（またはベントプレート）２５がキャッププレート１６に固定設置される。ベント部材（またはベントプレート）２５は、中間に一字形状を有し、切欠２５ａが形成されており、ベント部材２５は、設定された内部圧力によって破断される。切欠２５ａは、例えば、図１に示すように、Ｖ字形状の切り欠きである。本第１実施形態において、ベント部材２５は、反転プレート４２とは異なって、実質的に平らな表面を有する。ベント部材２５は、キャッププレート１６上で、ケース１５の内部に面するキャッププレート１６の下面に設置される。また、キャッププレート１６は、ベント孔を有する。ベント孔の周囲には、ベント孔の開口部に沿って凹んだ領域が形成される。ベント部材２５は、ケース１５の内部に面する下面で、ベント孔の周囲に形成された凹んだ領域に装着されて、ベント孔を覆う。切欠２５ａは、ベント孔と重なる領域内に位置し、内部圧力が一定の水準（二次電池の設計過程で設定される）に達する時に破断されるように構成される。

キャップアセンブリー２０は、正極１１及び負極１２を短絡させる反転プレート４２を含む。反転プレート４２は、二次電池１１０の内部圧力が上昇する時、第１短絡タップ４１及び第２短絡タップを短絡させる。本第１実施形態の反転プレート４２は、キャッププレート１６に固定設置されるので、キャッププレート１６が第２短絡タップとしての役割を果たす。

キャッププレート１６と第１端子２１との間にはガスケット２４が介在されて、ガスケット２４はキャッププレート１６及び第１端子２１を絶縁させる。第１端子２１は、負極リードタップ２１ａを媒介として負極１２と電気的に連結され、キャッププレート１６は、正極リードタップ２２を媒介として正極１１と電気的に連結される。

第１端子２１は、キャッププレート１６を貫通してケース１５の内部からケース１５の外部に突出する。第１短絡タップ４１は、開口を有し、第１端子２１は該開口を貫通して突出する。第１短絡タップ４１は、第１端子２１と共にキャッププレート１６に位置する。第１端子２１は、上端部が加圧されて上端部が広く広がりながら、上端部と下端部がキャッププレート１６と第１短絡タップ４１を間に挟んでエ字形状に形成され、キャッププレート１６に固定される。この際に第１短絡タップ４１が第１端子２１とガスケット２４との間に固定される。つまり、本第１実施形態に係る第１端子２１は、リベット形態に構成される。但し、本発明がこれに制限されるのではなく、第１端子２１にナットなどが結合されて、第１端子２１及び第１短絡タップ４１が固定されてもよい。

第１短絡タップ４１は、ほぼ板形状からなり、キャッププレート１６上に配置される。キャッププレート１６は、反転プレート４２によって覆われる開口１６ａを有する。反転プレート４２の湾曲面（ケース１５の内部側に膨らんだ面）が、開口１６ａを貫通してケース１５の内部に挿入される。キャッププレート１６は、開口１６ａの周囲に沿って凹部が形成され、反転プレート４２の取付け部４２ａがキャッププレート１６の凹部に装着される。反転プレート４２が変形される時（例えば、上方に膨らむ時）に、反転プレート４２は第１短絡タップ４１と接触して、正極１１と負極１２との間に短絡を形成する。本第１実施形態において、開口１６ａは、短絡ホールと称することもでき、ベント部材２５によって覆われるベント孔より大きく形成される。

二次電池１１０の内部圧力が上昇する時、下に突出した変形部４２ｂが上に反転され、変形部４２ｂが第１短絡タップ４１と接触することによって、正極１１及び負極１２が短絡される。

その結果、本第１実施形態によれば、温度が上昇したり、電解液が分解されて二次電池１１０の内部圧力が過度に上昇したりする場合に、変形部４２ｂが短絡をもたらす。短絡によって、電流が放電又は遮断し、温度上昇や内部圧力上昇が停止したり、緩やかになったりする。その結果、二次電池１１０が爆発したり発火したりすることを防止できる。反転プレート４２が変形する圧力は、厚さ及び形状の設計によって調節することができるので、短絡を誘発する圧力を正確に設定することができる。

例えば、本実施形態の一例として、反転プレート４２及びベント部材２５は、アルミニウムまたは他の適切な金属からなり、反転プレート４２は厚さが０．４ｍｍであり、ベント部材２５は厚さが０．１ｍｍである。反転プレート４２のための開口１６ａの大きさは、ベント孔の大きさより大きくてもよく、それによって作動圧力の範囲が互いに異なる。例えば、反転プレート４２の作動圧力の範囲が約３〜４気圧の間となり、ベント部材２５の作動圧力の範囲が５〜６気圧の間となる。このように、反転プレート４２は、切欠２５ａが破断される前に変形される。

図１及び図２に示した本第１実施形態では、反転プレート４２及び第１短絡タップ４１が接触する空間は、電解液が位置する空間と分離された空間であるため、短絡時に発生した火や熱によって、電解液が発火することを安定的に防止できる。短絡が発生すると瞬間的に大きい電流が流れるので、短絡部分がケース１５内に位置するとした場合、電池の内部温度が大きく上昇してしまう。しかし、本第１実施形態のように第１短絡タップ４１がケース１５の外部に位置すれば、熱が第１短絡タップ４１を通じて外部に放出されるので、内部に熱が過度に蓄積されるのを防止できる。

また、ばねやスプリングなどの部材は持続的に加圧力が適用されるため、長期間に設置しておくと弾性が減少する問題がある。二次電池１１０の寿命と関連して、安全性を確保するためには、二次電池が使用される間にも弾性を失うことなく設定された圧力で作動するのが望ましい。本第１実施形態のように反転プレート４２を適用すれば、正常状態下では弾性変形が起こらないので、長時間経過しても設定された圧力で作動することができる。

［第２実施形態］
図３は本発明の第２実施形態に係る二次電池を示す断面図である。

図３に示すように、本第２実施形態に係る二次電池１２０は、図２に示した二次電池１１０のキャップアセンブリー３０を除いて、二次電池１１０の構造と同一構造からなるので、同一構造に対する重複説明は省略する。

図３を参照すると、第２実施形態に係るキャップアセンブリー３０は、全ての部分がケース１５の内部に位置する反転プレート５２を含む。反転プレート５２は、変形部５２ｂと、取付け部５２ａを含む。変形部５２ｂは、ケース１５の内側に向かって下方に膨らんだ形状を有する。取付け部５２ａは、ケース１５の内部に面したキャッププレート１６’の下面に取り付けられる。反転プレート５２は、キャッププレート１６’上に形成された開口（短絡ホール）１６ａ’を覆う。第１短絡タップ４１は、ケース１５の外側に位置するキャッププレート１６’の上面で開口１６ａ’を覆う。第１短絡タップ４１は、絶縁部材２６’によってキャッププレート１６’から絶縁され、絶縁部材２６’は、図２の絶縁部材２６と実質的に同一な機能をするが異なる形態を有する。第２実施形態で、絶縁部材２６’は、図３に示すように、開口１６ａ’の側面と開口１６ａ’周辺のキャッププレート１６’の上部まで絶縁部材２６’が形成される。しかし、絶縁部材２６’は開口１６ａ’を覆っていない。

反転プレート５２は、開口１６ａ’の下に位置して、取付け部５２ａと、変形部５２ｂとを含む。取付け部５２ａは、溶接によってキャッププレート１６’の下部面（つまり、ケース１５の内部に面する面）に取り付けられる。変形部５２ｂは、取付け部５２ａの内側に形成されて、電極組立体１０に向かって弧形（つまり、下方に膨らんだ形状）に突出される。そして、反転プレート５２は、キャッププレート１６’を通じて正極１１と電気的に連結されている。

正極１１は、キャッププレート１６’を媒介として反転プレート５２と電気的に連結されていることから、二次電池の内部圧力の上昇によって反転プレート５２が変形すると、第１端子２１は、第１短絡タップ４１を媒介として反転プレート５２と連結されて、正極及び負極が電気的に互いに連結される。その結果、正極と負極との間に電気的短絡が生じる。短絡によって、電流が放電又は遮断し、温度上昇や内部圧力上昇が停止したり、緩やかになったりする。

［第３実施形態］
図４は本発明の第３実施形態に係る二次電池を示す断面図である。

図４に示すように、本第３実施形態に係る二次電池１３０は、キャップアセンブリー４０の構造を除いて、図２に示した二次電池と実質的に同一構造からなるので、同一構造に対する重複説明は省略する。

本実施形態に係る二次電池１３０は、ケース１５及びケースを密閉するキャップアセンブリー４０を含む。キャップアセンブリー４０は、第１端子２１と、第１短絡タップ５１と、反転プレート４２を含む。

第１端子２１は、負極１２と電気的に連結される。第１短絡タップ５１は、第１端子２１に電気的に連結される。また、第１短絡タップ５１は、短絡突起５１ａを有する。短絡突起５１ａは一方向に突起した形状を有し、短絡ホール１６ａに挿入される。反転プレート４２は、短絡ホール１６ａ内に配置される。そして、反転プレート４２は、図２に示した第１実施形態と同様に、キャッププレート１６の短絡ホール１６ａの開口部の周囲に沿って形成された凹部に装着されて、短絡ホール１６ａを覆う。反転プレート４２の変形部５２ｂは、短絡ホール１６ａを通して突出されて、反転プレート４２の下方の凸部がケース１５の内部に位置するようになる。図２の実施形態と比較すると、短絡突起５１ａがケース１５の内部側に突出していることから、内部圧力が上昇することによって反応して生じる反転プレート４２の変形が小さくても反転プレート４２と第１短絡タップ５１が接触し、反転プレート４２と第１短絡タップ５１との電気的な連結がより容易になる。短絡突起５１ａの横断面は、円形または適切な多角形（例えば四角形、五角形）を有する。

［第４実施形態］
図５は本発明の第４実施形態に係る二次電池を示す断面図である。

図５に示すように、本第４実施形態に係る二次電池１４０は、キャップアセンブリー５０の構造を除いて、図２に示した二次電池と実質的に同一構造からなるので、同一構造に対する重複説明は省略する。

本実施形態に係る二次電池１４０は、ケース１５及びケース１５を密閉するキャップアセンブリー５０を含む。キャップアセンブリー５０は、キャッププレート１７と、第１端子２１と、第２端子２３を含む。

キャッププレート１７は、ケース１５の開口に結合される。第１端子２１は、負極１２と電気的に連結される。第２端子２３は、正極１１と電気的に連結される。第１短絡タップ４１は、第１端子２１と共にキャッププレート１７上に設置され、また、第１短絡タップ４１は、キャッププレート１７上で短絡ホール１７ａを覆う。

ガスケット２８は、第２端子２３及びキャッププレート１７間の隙間を密封するため、第２端子２３及びキャッププレート１７の間に設置される。連結タップ２９は、キャッププレート１７及び第２端子２３を電気的に連結し、キャッププレート１７上に第２端子２３の周囲に設置される。連結タップ２９は、開口を有し、第２端子２３は、該開口を通して突出する。連結タップ２９は、第２端子２３とキャッププレート１７との間に固定される。

第１端子２１及び第２端子２３は、キャッププレート１７の長さ方向の両側の周縁近くに位置する。

二次電池１４０の内部圧力が上昇すると、反転プレート４２が上に上昇するように変形されて、第１短絡タップ４１及びキャッププレート１７を電気的に連結する。その結果、正極１１と負極１２との間に短絡を発生させる。短絡によって、電流が放電又は遮断し、温度上昇や内部圧力上昇が停止したり、緩やかになったりする。さらに、短絡された状態で二次電池１４０の内部圧力がさらに上昇すれば、切欠２５ａが破断されて、内部のガスを外部に排出する。

このように、本実施形態によれば、正極１１及び負極１２が電気的に連結することによって、二次電池１４０の内部圧力が過度に上昇して電池が爆発するのを防止することができ、第１短絡タップ４１がケース１５の外側に位置して、短絡電流によって二次電池１４０の内部で熱が過度に発生するのを防止することができる。

また、第１短絡タップ４１が外部に位置するので、第１短絡タップ４１を通じて熱が外部に容易に放出され、短絡部分が電解液の位置する部分と離隔していて、電解液が発火するのを防止することができる。

［第５実施形態］
図６は本発明の第５実施形態に係る二次電池を示す断面図である。

図６に示すように、本第５実施形態に係る二次電池１５０は、図５に示した二次電池１４０のキャップアセンブリー６０を除いて、二次電池１４０の構造と実質的に同一であるので、同一構造に対する重複説明は省略する。

本実施形態に係る二次電池１５０は、ケース１５及びケース１５を密閉するキャップアセンブリー６０を含む。キャップアセンブリー６０は、キャッププレート１７と、第１端子２１と、第２端子２３を含む。

キャッププレート１７は、ケース１５の開口と結合される。第１端子２１は、負極１２と電気的に連結される。第２端子２３は、正極１１と電気的に連結される。第１短絡タップ５１は、キャッププレート１７上に設置されて、開口を有し、この開口を通して第１端子２１が突出する。第１短絡タップ５１は、第１端子２１に電気的に連結される。第１短絡タップ５１は、短絡突起５１ａを有する。短絡突起５１ａは一方向に突起した形状を有し、短絡ホール１７ａに挿入される。そして、反転プレート４２は、短絡ホール１７ａの開口部の周囲に沿って形成されたキャッププレート１６の凹部に装着されて、短絡ホール１７ａを覆う。反転プレート４２の変形部４２ｂは、短絡ホール１７ａを貫通してケース１５内部方向に突出し、反転プレート４２の凸形状の変形部４２ｂの下面がケース１５の内部に位置するようになる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ 電極組立体
１１ 正極
１１０，１２０，１３０，１４０，１５０ 二次電池
１２ 負極
１２ａ 負極無地部
１３ セパレータ
１５ ケース
１６，１６’，１７ キャッププレート
１６ａ，１６ａ’，１７ａ 短絡ホール
２０，３０，４０，５０，６０ キャップアセンブリー
２１ 第１端子
２１ａ 負極リードタップ
２２ 正極リードタップ
２３ 第２端子
２９ 連結タップ
４１，５１ 第１短絡タップ
４２，５２ 反転プレート
４２ａ，５２ａ 取付け部
４２ｂ，５２ｂ 変形部
５１ａ 短絡突起

Claims (11)

1. 第１電極、第２電極、及び前記第１電極と第２電極との間に介在されるセパレータを含む電極組立体と、
   前記電極組立体を収容するケースと、
   前記ケースに締結されるキャップアセンブリーとを備え、
   前記キャップアセンブリーは、キャッププレートと、前記キャッププレートに溶接によって電気的に連結される可変プレートと、前記ケースの外部で前記キャッププレート上に位置して前記第１電極と電気的に連結される第１タップと、を有し、
   前記可変プレートは、前記第２電極と電気的に連結されており、
   前記キャッププレートは、前記可変プレートによって覆われる開口を有し、
   前記第１タップは、前記開口に少なくとも部分的に挿入される突起を含み、
   前記可変プレートは、前記ケースの内部圧力の上昇に反応して変形して、前記第１電極及び前記第２電極を電気的に互いに連結するように構成され、変形されるときに、前記突起が形成された領域で前記第１タップに接触するように構成される、
   二次電池。
2. 前記キャップアセンブリーは、前記第１タップと前記キャッププレートとの間に絶縁部材を更に有し、
   前記キャッププレートから前記第１タップを電気的に絶縁させる、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記キャップアセンブリーは、
   前記第１電極に電気的に連結されて、前記キャッププレート上に設置される第１端子と、
   前記キャッププレートから前記第１端子を電気的に絶縁させるガスケットと
   を更に有し、
   前記第１タップは、開口を有し、前記第１端子が前記第１タップの開口を通して前記ケースの内部から外部に突出する、請求項１に記載の二次電池。
4. 前記第１タップは、前記第１端子の拡大されたヘッドまたは前記第１端子に締結されるナットによって前記キャッププレートに固定される、請求項３に記載の二次電池。
5. 前記キャップアセンブリーは、前記キャッププレートの前記開口を形成する側壁と前記突起との間に設置される絶縁部材を更に有し、前記絶縁部材は前記キャッププレートから前記第１タップを電気的に絶縁させる、請求項１に記載の二次電池。
6. 前記第２電極は、前記キャッププレートに電気的に連結される、請求項１に記載の二次電池。
7. 前記キャップアセンブリーは、第２端子を更に有し、
   前記第２電極は、前記第２端子と電気的に連結される、請求項１に記載の二次電池。
8. 前記キャッププレートに設けられた前記開口とは異なる第２の開口に設置されるガスケットを更に有し、
   前記ガスケットは、前記キャッププレートから前記第２端子を電気的に絶縁させる、請求項７に記載の二次電池。
9. 前記キャッププレート上に設置されて、前記キャッププレートに前記第２端子を電気的に連結する連結タップを更に有する、請求項７に記載の二次電池。
10. 前記可変プレートは、前記ケースの内部に向かって突出するように湾曲した、請求項１に記載の二次電池。
11. 前記キャップアセンブリーは、ベント孔を有し、前記ベント孔を覆うように前記キャッププレート上に設置されるベント部材を更に有し、
    前記可変プレートは、厚さが前記ベント部材より厚い、請求項１に記載の二次電池。
    

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