JP7632828B2 - 二次電池およびこれを含むデバイス - Google Patents

Description

関連出願との相互参照
本出願は、２０２１年８月１９日付の韓国特許出願第１０－２０２１－０１０９１４８号および２０２２年８月１２日付の韓国特許出願第１０－２０２２－０１０１２８８号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。

本発明は、二次電池およびこれを含むデバイスに関し、より具体的には、長期寿命が向上した二次電池およびこれを含むデバイスに関する。

最近、ノートパソコン、ビデオカメラ、携帯用電話などのような携帯用電子製品の需要が急激に増大し、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化するに伴い、その駆動電源として用いられる二次電池について多くの研究が行われている。

二次電池は、電池ケースの形状により、電極組立体が円筒形金属缶に内蔵されている円筒形電池、電極組立体が角形の金属缶に内蔵されている角型電池および電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに内蔵されているパウチ型電池に分類される。そのうち、円筒形電池は、相対的に容量が大きく、構造的に安定しているというメリットを有する。

電池ケースに内蔵される前記電極組立体は、正極、分離膜、負極の積層構造からなる充放電可能な発電素子であって、ゼリーロール型、スタック型およびスタック／フォールディング型に分類される。ゼリーロール型は、活物質が塗布された長いシート状の正極と負極との間に分離膜を介在して巻取った形態であり、スタック型は、所定の大きさの多数の正極と負極とを分離膜が介在した状態で順次に積層した形態であり、スタック／フォールディング型は、ゼリーロール型とスタック型との複合構造である。そのうち、ゼリーロール型電極組立体は、製造が容易であり、重量あたりのエネルギー密度が高いというメリットがある。

一方、二次電池には、例えば、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがある。これらのうち、リチウム二次電池は、ニッケル系の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらず充放電が自由であり、自己放電率が非常に低く、作動電圧が高く、単位重量あたりのエネルギー密度が高いというメリットのため、先端電子機器分野で幅広く用いられている。

この時、二次電池は、電池ケース内に電極組立体を収納して二次電池を構成した後、高温放置および数回の充／放電を行う活性化工程を経由し、前記工程によって二次電池の内部には多量のガスが発生する。この時、パウチ型電池の場合、活性化工程後に発生したガスを放出するガス抜き（ｄｅｇａｓ）工程によりガスを排出することができるが、従来の円筒形電池は、ガス抜き（ｄｅｇａｓ）工程の不在で内部ガスの排出が可能ではなかった。

その結果、従来の円筒形電池は、活性化工程を経て発生するガスを直ちに外部に放出できないことによって、長期的な電池寿命が低下する問題が発生した。

そのため、円筒形電池のガス抜き（ｄｅｇａｓ）工程の進行を可能にすることによって、内部ガスの外部放出が可能であり、長期的な寿命向上効果を有する新規な構造が求められている。

本発明が解決しようとする課題は、長期寿命が向上した二次電池およびこれを含むデバイスを提供することである。

しかし、本発明の実施例が解決しようとする課題は上述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的思想の範囲で多様に拡張可能である。

本発明の一実施例による二次電池は、電極組立体と、前記電極組立体を収納する電池ケースと、前記電池ケースの底部から前記電池ケースの内部方向に湾入した湾入部とを含み、前記湾入部にはガス排出口が形成される。

前記二次電池は、前記電極組立体に連結される電極タブを含み、前記湾入部は、前記電極タブが形成されない前記電池ケースの底部に形成される。

前記二次電池は、前記ガス排出口を覆う蓋部をさらに含むことができる。

前記蓋部は、回転が可能である。

前記ガス排出口にはガス排出口ホールが形成され、前記蓋部には蓋部ホールが形成される。

前記蓋部が回転して前記ガス排出口ホールと前記蓋部ホールとが一致し、前記一致したホールによって内部ガスが排出される。

前記蓋部ホールは、前記ガス排出口ホールの大きさより等しいか、大きく形成されてもよい。

本発明の他の実施例による二次電池は、前記ガス排出口および前記蓋部を囲む封止部材を含むことができる。

前記ガス排出口ホールおよび前記蓋部ホールは、互いに離隔するように位置し、前記封止部材は、前記蓋部を囲むように形成される。

前記封止部材は、エポキシ素材を含むことができる。

前記封止部材は、前記湾入部を詰めるように形成され、前記封止部材が形成された前記電池ケースの底部は、平坦面に形成される。

前記ガス排出口および前記蓋部は、円筒形状を有することができる。

本発明のさらに他の実施例によるデバイスは、前記二次電池を含む。

本発明の実施例によれば、電池ケースに形成されたガス排出口および蓋部の構成により、円筒形電池の活性化工程後にガス抜き（ｄｅｇａｓ）工程を行って、二次電池内部のガスを効果的に排出することができる。したがって、二次電池の長期的な寿命低下の原因である内部ガスを排出することによって、二次電池の長期的な寿命が向上できる。

本発明の効果は以上に言及した効果に制限されず、言及されていないさらに他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解されるであろう。

本発明の一実施例による二次電池に関する断面斜視図である。 図１の「Ａ」部分を拡大して示す部分断面図である。 本発明の他の実施例による二次電池に関する断面図である。 図２および図３のガス排出口および蓋部の斜視図である。 本発明のさらに他の実施例による二次電池に関する断面斜視図である。 図５の「Ｂ」部分を拡大して示す部分断面図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の様々な実施例について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。

本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付す。

また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図示のものに限定されない。図面において様々な層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして、図面において、説明の便宜のために、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」あるとする時、これは、他の部分の「直上に」ある場合のみならず、その中間にさらに他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分の「直上に」あるとする時には、中間に他の部分がないことを意味する。さらに、基準となる部分の「上に」あるというのは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の反対方向に向かって「上に」位置することを意味するのではない。

また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。

さらに、明細書全体において、「平面上」とする時、これは対象部分を上から見た時を意味し、「断面上」とする時、これは対象部分を垂直に切断した断面を横から見た時を意味する。

図１は、本発明の一実施例による二次電池に関する断面斜視図である。

図１を参照すれば、本発明の一実施例による二次電池１００は、電極組立体２００と、電極組立体２００を収納する電池ケース３００とを含む。より具体的には、電極組立体２００は、電解液に含浸されて電池ケース３００に収納され、電池ケース３００の開放された上部にキャップ組立体４００が結合されて封止された二次電池１００が製造できる。

電極組立体２００は、長いシート状の正極２１０と負極２３０との間に分離膜２２０を介在して巻取ったゼリーロール形態の構造であってもよい。

キャップ組立体４００は、上端キャップ４１０と安全ベント４２０とを含み、このような上端キャップ４１０は、安全ベント４２０上に位置し、安全ベント４２０と相互密着した構造を形成して電気的に連結される。上端キャップ４１０は、中央が上向突出し、正極タブなどを介して電極組立体２００の正極２１０と直接・間接的に連結されて、外部回路との接続による正極端子としての機能を行うことができる。

電池ケース３００は、底部３３０を含む円筒形状の金属缶であってもよいし、ビーディング（ｂｅａｄｉｎｇ）加工したビーディング部３４０と、クリンピング（ｃｒｉｍｐｉｎｇ）結合されたクリンピング部３５０とを含むことができる。

ビーディング部３４０は、電池ケース３００の一部が電極組立体２００の中心方向に湾入した部分を称するもので、キャップ組立体４００の安定した結合および電極組立体２００の流動防止のためのものである。ここで、電極組立体２００の中心方向とは、ゼリーロール形態の電極組立体２００の外周面からその中心への半径方向を意味する。

クリンピング部３５０は、ビーディング部３４０の上部に位置して、キャップ組立体４００を囲む部分を称するもので、キャップ組立体４００の安定した結合のためのものである。一方、キャップ組立体４００は、封止力増大のためのガスケット４３０をさらに含むことができる。具体的には、ガスケット４３０は、クリンピング部３５０とビーディング部３４０の内側に装着されて、キャップ組立体４００と電池ケース３００との間の封止力を増大させる。つまり、電池ケース３００と安全ベント４２０との間にガスケット４３０を位置させ、電池ケース３００の端部を曲げることによってクリンピング部３５０を形成する。これによってキャップ組立体４００の装着および二次電池１００の封止が行われる。

電極タブ２５０は、電極組立体２００に連結され、特に負極２３０から延び、電池ケース３００の底部３３０に連結されて、電池ケース３００の底部３３０が負極端子を形成することができる。この時、電極タブ２５０と底部３３０とが互いに溶接で接合可能である。特に、電極タブ２５０は、電極組立体２００の中心を基準として、一側に偏るように形成される。

一方、本実施例において、電極タブ２５０は、負極タブであってもよいが、これに制限されるわけではなく、正極タブであってもよい。また、１つの電極タブ２５０と底部３３０との溶接を基準として説明したが、電極タブ２５０が複数構成されてもよい。

以下、図１～図４などを参照して、本実施例によるガス排出口について詳しく説明する。

図２は、図１の「Ａ」部分を拡大して示す部分断面図であり、図１の電池ケース３００の底部３３０の一部を拡大して示す。図３は、本発明の他の実施例による二次電池に関する断面図である。また、図４は、図２および図３に示されたガス排出口および蓋部の斜視図である。

従来の円筒形電池の場合、活性化工程を行う過程で発生する有害ガスを外部に放出できる構造が不在であった。したがって、有害ガスの放出が不可能な円筒形電池は、寿命低下の問題が発生しうることが指摘されたことから、活性化工程を行った後に発生した有害ガスの排出を可能にするガス抜き（ｄｅｇａｓ）工程導入のための新規な構造が求められていた。

そこで、図１を参照すれば、本実施例による二次電池１００は、電極組立体２００と、電極組立体２００を収納する電池ケース３００と、電池ケース３００の底部３３０から電池ケース３００の内部方向に湾入した湾入部３３５とを含み、湾入部３３５にはガス排出口５００が形成される。この時、電池ケース３００の内部方向とは、電池ケース３００に対して電極組立体２００が収納される内側方向を意味する。したがって、ガス抜き（ｄｅｇａｓ）工程のためのガス排出通路の確保が可能である。また、電池ケース３００の内部方向に湾入した湾入部３３５を形成することによって、外部に突出しないガス排出口５００の形成が可能である。

具体的には、本実施例による二次電池１００は、電極組立体２００に連結される電極タブ２５０を含み、湾入部３３５は、電極タブ２５０が形成されない電池ケース３００の底部３３０に形成される。この時、電極タブ２５０は、負極２３０に連結され、電極タブ２５０は、負極タブであってもよい。

また、湾入部３３５が前記位置に形成されることによって、ガス排出口５００も、電極タブ２５０が形成されない電池ケース３００の底部３３０上に形成される。さらに、ガス排出口５００は、電池ケース３００の底部３３０に連結されるように形成されて、電池ケース３００内に形成されるガスの排出が可能である。

上述のように、湾入部３３５は、電極タブ２５０が形成されない電池ケース３００の底部に形成され、湾入部３３５にガス排出口５００が形成されることによって、溶接時の不良発生を最小化できる。

特に、電極タブ２５０の反対部にガス排出口５００が形成されるようにして、ガス排出経路上の妨害要素を最小化し、ガス排出の効率性向上効果を達成することができる。また、外観上、ガス排出口５００が形成された部分が把握可能であることによって、内部形成された電極タブ２５０の位置の類推が可能で、後の分解分析に容易であり得る。

底部３３０は、電池ケース３００の側面部の厚さより厚く形成される。前記のように、底部３３０の厚さを電池ケース３００の前記側面部の厚さより厚く形成することによって、底部３３０から電池ケース３００の内部方向に湾入する湾入部３３５が形成され、湾入部３３５上にガス排出口５００が形成される。

一方、図２～図４を参照すれば、本実施例による二次電池１００は、ガス排出口５００を覆う蓋部６００をさらに含むことができる。また、ガス排出口５００および蓋部６００は、ホールが形成されて、ガス排出口５００にはガス排出口ホール５１０が形成され、蓋部６００には蓋部ホール６１０が形成される。特に、図４を参照すれば、ガス排出口５００および蓋部６００にはそれぞれホールが形成されることによって、内部ガスの排出構造を形成することができる。

この時、蓋部６００は、ガス排出口５００に挿入結合された状態で回転が可能であり、前記回転によりガス排出口ホール５１０および蓋部ホール６１０が一致できる。つまり、ガス排出口ホール５１０と蓋部ホール６１０とが一致し、前記一致したホールによって内部ガスが外部に排出される。

一方、上述のように、蓋部６００は、回転が可能なため、蓋部６００を回転してガス排出口ホール５１０および蓋部ホール６１０が互いに離隔するように位置させてガスの排出を中断することができる。図２には、ガス排出口ホール５１０および蓋部ホール６１０が互いに正反対方向に位置することを示したが、これに制限されるわけではなく、ガス排出口ホール５１０および蓋部ホール６１０が互いに離隔するように位置させて前記ホールが重ならないようにする構造も含むことが可能である。したがって、蓋部６００の回転によりガス排出口５００の開閉が可能である。

また、前記のようにガス排出口ホール５１０と蓋部ホール６１０とが一致してガスの排出を円滑にするために、蓋部ホール６１０は、ガス排出口ホール５１０の大きさより等しいか、大きく形成されてもよい。ガス排出口ホール５１０を通して移動する内部ガスが外部構造によって妨げられないために、蓋部ホール６１０は、前記大きさを有することが好ましいが、これに制限されるわけではない。

一方、ガス排出口５００および蓋部６００は、円筒形状を有することができる。具体的には、ガス排出口５００は、下端部が塞がれた円筒形状であってもよい。また、蓋部６００は、ガス排出口５００を囲むように内部が空いている、下端部が塞がれた円筒形状であってもよいし、ガス排出口５００より大きい体積を有する円筒形状であってもよい。したがって、蓋部６００がガス排出口５００を囲むように形成され、一例としては、蓋部６００がガス排出口５００と密着結合できるが、これに制限されるわけではない。

また、図３を参照すれば、本発明の他の実施例による二次電池１００は、ガス排出口５００および蓋部６００に形成されるねじ山５２０、６２０をそれぞれ含むことができる。つまり、ガス排出口５００に形成されるねじ山５２０と、蓋部６００に形成されるねじ山６２０とは蓋部６００によって噛み合い、ガス排出口５００と蓋部６００との間の結合力をさらに強化するものであってもよい。

特に、ガス排出口５００と蓋部６００のねじ山５２０、６２０が互いに結合する場合にも、ガス排出口ホール５１０と蓋部ホール６１０の位置を互いに離隔させて前記ホールが互いに重ならないようにする構造も含むことが可能である。したがって、蓋部６００の回転によりガス排出口５００の開閉が可能である。また、上述のように、ガス排出口５００と蓋部６００との間の結合力または結束力をさらに強化することによって、ガス抜き工程後のガス排出口５００の密閉を可能にして二次電池の安定性も確保できる。

以下、図５および図６を参照して、本発明のさらに他の実施例による二次電池について説明する。上記で説明した内容と重複する部分が存在するので、以下では、本発明の一実施例による二次電池と異なる内容だけを説明する。

図５は、本発明のさらに他の実施例による二次電池に関する断面斜視図である。図６は、図５の「Ｂ」部分を拡大して示す部分断面図である。

図５および図６を参照すれば、ガス排出口５００および蓋部６００の固定のために、本実施例による二次電池は、ガス排出口５００および蓋部６００を囲む封止部材７００をさらに含むことができる。

具体的には、ガス抜き工程（ｄｅｇａｓ）が完了した後、それ以上追加的なガスの排出が不要な場合、ガス排出口ホール５１０および蓋部ホール６１０の一致することを防止し、蓋部６００の追加的な回転を防止する必要性がある。

したがって、本実施例による二次電池は、ガス排出口ホール５１０および蓋部ホール６１０は、互いに離隔するように位置し、封止部材７００は、蓋部６００を囲むように形成される。特に、封止部材７００は、蓋部ホール６１０を含めて蓋部６００全体を囲むものを含むことができる。

これとともに、封止部材７００は、湾入部３３５を詰めるように形成され、封止部材７００が形成された電池ケース３００の底部３３０は、平坦面に形成される。つまり、封止部材７００が湾入部３３５に詰められることによって、電池ケース３００の底部３３０全体が平坦な面を形成することができ、底部３３０は、平面に形成される。しかし、封止部材７００は、湾入部３３５の一部だけを詰めるものも含むことができ、底部３３０が平面をなさずに一部湾入した部分を有するものも含むことができる。

この時、封止部材７００の素材は制限されるわけではないが、エポキシ素材を含むことができる。具体的には、封止部材７００は、エポキシおよびエポキシ樹脂から選択された１種以上の素材を含むことができる。前記素材で形成された封止部材７００は、ガス排出口５００および蓋部６００の回転を防止し、湾入部３３５を詰めることによって、本実施例による二次電池の安定性を向上させることができる。また、前記エポキシ素材、具体的には、エポキシおよびエポキシ樹脂素材は、機械的な強度、耐熱性、耐水性および電気的特性に優れ、外部からバッテリの内部に流入しうる水分を完全に遮断することができる。特に、前記エポキシ素材を含む封止部材７００の形成により外部衝撃および外部状況の変化によって、蓋部６００がガス排出口５００から分離または離隔することを最小化できる。

本実施例において、前、後、左、右、上、下のような方向を示す用語が使用されたが、これらの用語は説明の便宜のためのものに過ぎず、対象になる事物の位置や観測者の位置などに応じて異なる。

上述した本実施例による二次電池は、多様なデバイスに適用可能である。具体的には、電気自転車、電気自動車、ハイブリッドなどの運送手段に適用できるが、これに制限されず、二次電池を使用できる多様なデバイスに適用可能である。

以上、本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

１００：二次電池
２００：電極組立体
２１０：正極
２２０：分離膜
２３０：負極
２５０：電極タブ
３００：電池ケース
３３０：底部
３３５：湾入部
３４０：ビーディング部
３５０：クリンピング部
４００：キャップ組立体
４１０：上端キャップ
４２０：安全ベント
４３０：ガスケット
５００：ガス排出口
５１０：ガス排出口ホール
６００：蓋部
６１０：蓋部ホール
７００：封止部材

Claims (12)

1. 電極組立体と、
   前記電極組立体を収納する電池ケースと、
   前記電池ケースの底部から前記電池ケースの内部方向に湾入した湾入部とを含み、
   前記湾入部には開閉が可能なガス排出口が形成され、
   前記ガス排出口を覆う蓋部をさらに含み、
   前記ガス排出口にはガス排出口ホールが形成され、前記蓋部には蓋部ホールが形成され、
   前記ガス排出口および前記蓋部を囲む封止部材を含む、
   円筒形二次電池。
2. 前記電極組立体に連結される電極タブを含み、
   前記湾入部は、前記電極タブが形成されない前記電池ケースの底部に形成される、請求項１に記載の円筒形二次電池。
3. 電極組立体と、
   前記電極組立体を収納する電池ケースと、
   前記電池ケースの底部から前記電池ケースの内部方向に湾入した湾入部とを含み、
   前記湾入部には開閉が可能なガス排出口が形成され、
   前記ガス排出口を覆う蓋部をさらに含み、
   前記蓋部は、回転が可能である、円筒形二次電池。
4. 前記ガス排出口にはガス排出口ホールが形成され、
   前記蓋部には蓋部ホールが形成される、請求項３に記載の円筒形二次電池。
5. 前記蓋部が回転して前記ガス排出口ホールと前記蓋部ホールとが一致し、
   前記一致したホールによって内部ガスが排出される、請求項４に記載の円筒形二次電池。
6. 前記蓋部ホールは、前記ガス排出口ホールの大きさより等しいか、大きく形成される、請求項４に記載の円筒形二次電池。
7. 前記ガス排出口および前記蓋部を囲む封止部材を含む、請求項４に記載の円筒形二次電池。
8. 前記ガス排出口ホールおよび前記蓋部ホールは、互いに離隔するように位置し、
   前記封止部材は、前記蓋部を囲むように形成される、請求項７に記載の円筒形二次電池。
9. 前記封止部材は、前記湾入部を詰めるように形成され、
   前記封止部材が形成された前記電池ケースの底部は、平坦面に形成される、請求項７に記載の円筒形二次電池。
10. 前記封止部材は、エポキシ素材を含む、請求項７に記載の円筒形二次電池。
11. 前記ガス排出口および前記蓋部は、円筒形状を有する、請求項３に記載の円筒形二次電池。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の円筒形二次電池を含むデバイス。

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