JP2011119213A

JP2011119213A - 二次電池

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Publication number: JP2011119213A
Application number: JP2010127650A
Authority: JP
Inventors: Changbum Ahn; 昶範安; Young Bae Sohn; 榮培孫
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2030-06-03
Also published as: CN102104131A; EP2330656B1; EP2330656A1; KR101106429B1; US20110129727A1; KR20110061055A; US8828602B2; JP5377411B2

Abstract

【課題】電極タブをケース内部に収容して密閉した、耐漏液性に優れ、高信頼性かつ高エネルギー密度の積層型二次電池を提供する。
【解決手段】電極タブ１２０をパウチケース１４０の内部に収容した状態で、外部電極リード１５０をボルト１７０およびナット１７５とで結合することで、ケースのシーリング状態を良好にするとともに、結合部位の機械的な信頼性を確保する。また上記構成とすることにより、高エネルギー密度な積層型電池とすることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は二次電池に関するものであって、特に、電池の容量増大に適合する二次電池に関するものである。

二次電池は、再充電が容易で携帯が簡便であるので、各種の電子機器及び通信機器の電力源として脚光を浴びている。

一般的に、二次電池は互いに異なる極性の電極板とセパレーターが交互に積層されるか、積層されて巻回された形態の電極組立体がケースの内部に収納される。前記電極板には電極タブが付着し、前記電極組立体がケースに収納される時、前記電極タブの一端部はケースの外部に突出する。前記ケースの外部に突出する電極タブは外部電極リードと電気的に連結される。

前記ケースは、電極タブが引き出される部位を除いた縁部がシーリングされる。この時、ケースと前記電極タブが接触する部位にシーリングフィルムが介在されるにもかかわらず、電解液やガスの漏れる不良率が高い。

また、前記ケースの外部に引き出された電極タブは外部電極リードと結合されて別途の空間を占めるようになる。すなわち、電極タブと外部電極リードは溶接可能な長さに延びる必要があり、溶接後にこれらを配置するための空間が必要となる。このような別途空間は、高容量電池の場合、全体電池パックに対して最小１５％から最大３０％まで発生する。よって、ケースの外部で電極タブと外部電極リードが結合される構造は、電池の容量を減少させる要因となる。

また、前記電極タブと外部電極リードは主に溶接方式によって結合される。前記溶接部位は他部品と接触したり外部衝撃によって容易に分離されて不良が発生する。

本発明の目的は、電極タブをケースの内部に収容してケースのシーリング状態を良好にした二次電池を提供することにある。

本発明の他の目的は、電極タブをケースの内部に収容して電池容量を増大させた二次電池を提供することにある。

本発明のまた他の目的は、電極タブと外部電極リードをボルト締結方式によって結合することで、結合部位の機械的な安全性（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓａｆｅｔｙ）を確保するようにした二次電池を提供することにある。

本発明は、複数の第１、２電極板と、前記第１、２電極板の間にそれぞれ介在されるセパレーターを含む電極組立体と、前記第１電極板に備えられる第１電極タブ及び前記第２電極板に備えられる第２電極タブと、前記電極組立体が内部に収納されて密封されるケースと、前記ケースの外部に設けられ、前記第１、２電極タブと電気的に連結される第１、２外部電極リードと、を含み、前記第１、２外部電極リードと前記第１、２電極タブはボルトタイプの接続手段によって電気的に連結されたことを特徴とする。

前記ボルトは前記第１、２外部リード端子と前記第１、２電極タブを貫通することが好ましい。

前記ボルトは前記ケースを貫通してナットに締結されていることが好ましい。

前記ケースと前記第１、２電極タブの間にはシーリング層が形成されていることが好ましい。

前記シーリング層はテープであることが好ましく、前記シーリング層は絶縁材質で形成されていることが好ましく、前記シーリング層は両面テープであることが好ましい。

前記シーリング層は前記ケースの内側面にコーティング方式で形成されるか、または前記シーリング層は前記第１、２電極タブの最外側表面にコーティング方式で形成されてもよい。

前記シーリング層には、前記ボルトが貫通する貫通孔が形成されていることが好ましい。

前記貫通孔の直径は、前記ボルトの直径と同一であるかまたはそれより小さいことが好ましい。

前記第１、２電極タブには、それぞれ前記ボルトが貫通する貫通孔が形成されていることが好ましい。

前記ケースは、前記電極組立体が収納される内部空間を有する第１シートと、前記第１シートの縁部とシーリングされる第２シートとを含むことが好ましい。

前記第１シート及び第２シートには、前記ボルトが貫通する第１、２貫通孔が互いに対応するように形成されていることが好ましい。この時、前記第１、２貫通孔の直径は前記ボルトの直径より大きく形成されていることが好ましい。

前記第１、２外部電極リードには、前記ボルトが貫通する貫通孔が形成されていることが好ましい。

前記第１外部電極リードと前記第１電極タブ及び前記第２外部電極リードと前記第２電極タブは同一材質で形成されていることが好ましい。

前記ボルトは通常の六角、四角または丸頭ボルトのうち何れか一つであることが好ましい。

前記電極組立体は、前記第１電極板、セパレーター及び第２電極板が順に積層された積層型電極組立体であることが好ましい。

前記第１、２電極タブは、前記第１、２電極板に互いに反対方向に向かって付着されていることが好ましい。

前記ケースはパウチ型ケースであることが好ましい。

前記第１、２外部電極リードは、前記ケースの側面に直立状態で密着することが好ましい。

本発明は、電極タブとケースの間で電解液が漏れることを防止することができる。従って、ケースの全体のシーリング効果が極大化される。

本発明は、電極タブがケースの内部に収納された状態で外部電極リードと連結されるので、電極タブと外部電極リードの設置空間を排除することができる。従って、電池の容量を最小１５％から最大３０％まで増大させる効果がある。

また、本発明は、電極タブと外部電極リードをボルト締結方式によって締結することで、電極タブと外部電極リードの相互結合力が向上する。従って、電極タブと外部電極リードが分離される不良発生が防止される。

さらに、本発明に係る電極タブは、電極タブの厚さを高出力電池で要求する容量に適合する厚さまで増大させることができる。

本発明の一実施例に係る二次電池の構造を説明するための斜視図である。図１のＩＩ-ＩＩ線断面図である。図１のＩＩＩ-ＩＩＩ線断面図である。本発明の一実施例に係る二次電池の分解斜視図である。本発明の一実施例に係る二次電池の組立過程を順に示す図である。本発明の一実施例に係る二次電池の組立過程を順に示す図である。本発明の一実施例に係る二次電池の組立過程を順に示す図である。本発明の一実施例に係る二次電池の組立過程を順に示す図である。本発明の一実施例に係る二次電池の組立過程を順に示す図である。

以下、本発明の好ましい実施例を添付図面に基づいてより詳しく説明する。

図１は本発明の一実施例に係る二次電池の構造を説明するための斜視図、図２は図１のＩＩ‐ＩＩ線断面図、図３は図１のＩＩＩ-ＩＩＩ線断面図、図４は本発明の一実施例に係る二次電池の分解斜視図である。

図１〜図４を参照すると、本発明の一実施例に係る二次電池１００は、複数の正極板１１１と負極板１１２及び前記正極板１１１と負極板１１２の間にセパレーター１１３が介在されて積層された電極組立体１１０と、前記複数の正極板１１１にそれぞれ付着した正極タブ１２０及び前記複数の負極板１１２にそれぞれ付着した負極タブ１３０と、前記電極組立体１１０が内部に収納されて密封されるパウチ型ケース（以下「パウチ」と称する）１４０と、前記パウチ１４０の外部に設けられて前記正極タブ１２０及び負極タブ１３０と電気的に連結される外部正極リード１５０及び外部負極リード１６０を含む。

前記正極タブ１２０及び負極タブ１３０と前記外部正極リード１５０及び外部負極リード１６０は、ボルト１７０による機械的締結方式によって電気的に相互連結される。この時、前記正極タブ１２０と負極タブ１３０は、これに限定されないが、図面に示すようにパウチ１４０の電極組立体１１０とともに内部に完全に収納された状態で、前記外部正極リード１５０及び外部負極リード１６０とボルト１７０によって電気的に相互連結されることができる。しかし、必要によっては、前記正極タブと負極タブがパウチ１４０の外部に部分的にまたは全部露出した場合にも、前記外部正極リード１５０及び外部負極リード１６０とボルト１７０によって電気的に相互連結されることができる。

前記電極組立体１１０は、複数の正極板１１１と負極板１１２及び前記正極板１１１と負極板１１２の間にそれぞれ介在されるセパレーター１１３が順に積層される積層型電極組立体である。このように積層された複数の正極板１１１、セパレーター１１３及び負極板１１２からなる電極組立体１１０は、大容量電池の具現に適合する。前記正極板１１１は、正極集電体（図示せず）上に正極活物質（図示せず）がコーティングされ、少なくとも何れか一側に正極活物質がコーティングされない無地部（図示せず）が形成されることができる。前記負極板１１２は、負極集電体（図示せず）上に負極活物質（図示せず）がコーティングされ、少なくとも何れか一側に負極活物質がコーティングされない無地部（図示せず）が形成されることができる。前記セパレーター１１３は、正極板１１１と負極板１１２の間に介在され、電子の移動が可能な材質で形成される。前記セパレーター１１３は、好ましくはポリエチレン、ポリプロピレンの多孔性膜が単層または多層からなる構成を有する。

本発明の一実施例では積層型電極組立体が提供されているが、電極板とセパレーターを積層してから巻回する渦巻型電極組立体を適用することもできることは当技術分野では周知の事実である。

前記複数の正極板１１１にはそれぞれ少なくとも一つの正極タブ１２０が付着される。前記負極板１１２にもそれぞれ少なくとも一つの負極タブ１３０が付着される。前記正極タブ１２０と前記負極タブ１３０は、互いに反対方向に引き出されるように付着される。本発明の一実施例に係る二次電池は、大容量電池を具現するために正極タブ１２０及び負極タブ１３０の幅が広く形成される。このように正極板１１１と負極板１１２が積層された状態で互いに反対方向に正極タブ１２０と負極タブ１３０が付着され、正極タブ１２０と負極タブ１３０は互いに干渉されない。従って、電極タブの幅を大容量電池に適合するように大きく形成することができる。但し、電池の製造条件によって、前記正極タブと負極タブが同一方向に引き出されるように正極板と負極板に付着できることは言うまでもない。

前記正極タブ１２０には、前記ボルト１７０が貫通する二つの貫通孔１２１が形成され、前記負極タブ１３０には、前記ボルト１７０が貫通する二つの貫通孔１３１がそれぞれ並列に形成される。

前記パウチ１４０の内部には電極組立体１１０が収納される。前記パウチ１４０は、前記電極組立体１１０が収納される内部空間１４１を有する第１シート１４２と、一辺は前記第１シート１４２と一体に形成され、他の三つの辺がシーリングされる第２シート１４３とを含む。よって、前記第１シート１４２の内部空間１４１に電極組立体１１０を収納した後、第２シート１４３の縁部がシーリングされてパウチ１４０を形成する。または、互いに分離形成された２枚のシートを使用する場合には、四つの辺を全てシーリングするようになる。

前記パウチ１４０の第１、２シート１４２、１４３は、一般的に３枚のラミネート層が接合された状態に形成される。すなわち、パウチ１４０の内側にはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミドなどの対電解液性の優れた熱可塑性樹脂材で形成された内面層（図示せず）が形成される。そして、パウチ１４０の外側にはポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂などの電気絶縁性の優れた絶縁樹脂材の外面層（図示せず）が形成される。前記内面層と外面層の間には、アルミニウム、ステンレスのような可撓性及び強度の優れた金属からなる金属層（図示せず）が介在される。しかし、第１、２シート１４２、１４３の構成を上述したように３層の構造に限定する必要はなく、２層や４層以上のラミネート構造に形成することができることは言うまでもない。

前記第１シート１４２及び第２シート１４３の左右両側部には、前記ボルト１７０がそれぞれ貫通する第１、２貫通孔１４４、１４５がそれぞれ二つずつ形成される。すなわち、前記第１シート１４２の一側に第１貫通孔１４４が二つ形成され、他側に第２貫通孔１４５が二つ形成される。前記第２シート１４３の一側にも第１貫通孔１４４が二つ形成され、他側に第２貫通孔１４５が二つ形成される。このような第１、２貫通孔１４４、１４５は、第１、２シート１４２、１４３がシーリングされた状態で互いに対応する位置に形成される。前記第１、２貫通孔１４４、１４５の直径は前記ボルト１７０の直径より大きく形成されることが好ましい。これは、前記第１シート１４２及び第２シート１４３の中間層である金属層と前記ボルト１７０が接触しないようにして、前記ボルト１７０がパウチ１４０を通過する過程でパウチ１４０の損傷を防止するためである。

前記外部正極リード１５０及び外部負極リード１６０は、パウチ１４０の左右両側縁部の外表面に設けられる。前記外部正極リード１５０は前記正極タブ１２０と対応する位置に設けられ、前記外部負極リード１６０は前記負極タブ１３０と対応する位置に設けられる。前記外部正極リード１５０及び外部負極リード１６０には、前記ボルト１７０が貫通する貫通孔１５１、１６１がそれぞれ二つずつ形成される。

このように前記正極タブ１２０の貫通孔１２１とパウチ１４０の第１、２シート１４２、１４３に形成された第１貫通孔１４４及び前記外部正極リード１５０の貫通孔１５１は、互いに対応する位置に形成される。そして、前記負極タブ１３０の貫通孔１３１と前記パウチ１４０の第１、２シート１４２、１４３に形成された第２貫通孔１４５と、前記外部負極リード１６０の貫通孔１６１が、互いに対応する位置に形成される。前記貫通孔を介して前記ボルト１７０はパウチ１４０を上下方向に貫通する。

前記外部正極リード１５０は、前記正極タブ１２０の材質と同じ材質で形成される。例えば、前記外部正極リードはアルミニウムまたはアルミニウム合金材質で形成されることが好ましいが、これに限定される必要はない。前記外部負極リード１６０は、前記負極タブ１３０の材質と同じ材質で形成される。一例として、前記外部負極リードは銅、ステンレス、ニッケル材質で形成されることが好ましいが、これに限定される必要はない。

前記ボルト１７０としては通常の六角ボルトを使用する。しかし、四角ボルト、丸頭ボルトを使用することができ、ボルトの種類を限定する必要はない。前記ボルト１７０は、外部電極リード１５０、１６０、パウチ１４０の第１シート１４２、電極タブ１２０、１３０及び第２シート１４３を貫通する。そして、ボルト１７０の端部が第２シート１４３の外部でナット１７５と締結されて固定される。

前記パウチ１４０の第１シート１４２と正極タブ１２０及び負極タブ１３０の間には、シーリング層１８１がそれぞれ形成される。そして、前記正極タブ１２０及び負極タブ１３０と前記パウチ１４０の第２シート１４３の間には、シーリング層１８２がそれぞれ形成される。このような前記シーリング層１８１、１８２はテープとして付着することが好ましい。前記テープは製造及び工程が簡単であるというメリットがある。前記テープは絶縁材質で形成されることができ、これによってシーリング層がシーリング及び絶縁効果を有するようになる。また、前記テープは両面テープであることができる。前記テープが両面テープである場合、一面は前記パウチ１４０の第１、２シート１４２、１４３の内側面に付着し、他面は前記積層された正極タブ及び負極タブの最外側（上、下段）表面に付着する。前記テープからなるシーリング層１８１、１８２は、それぞれボルト１７０が貫通する部位に貫通孔１８３、１８４が形成される。このような貫通孔１８３、１８４のサイズはボルト１７０の直径と同一であるか、ボルト１７０の直径より少し小さく形成されることが好ましい。これによって、前記ボルト１７０とシーリング層１８１、１８２の間に隙間が発生しなくなり、シーリング力が向上する。

一方、前記シーリング層１８１、１８２は正極タブ１２０及び負極タブ１３０の最外側表面及び／またはパウチ１４０の第１シート１４２及び第２シート１４３の内側表面にコーティング方式で形成されることもできる。

このように構成された前記シーリング層１８１、１８２によって、前記パウチ１４０の第１貫通孔１４４と第２貫通孔１４５を介して電解液及びガスが外部に漏れる不良を防止するようになる。

このように構成される本発明の一実施例に係る二次電池の製造工程を図５ａ〜図５ｅを参照して説明する。

図５ａを参照すると、複数の正極板１１１、負極板１１２及び正極板１１１と負極板１１２の間にセパレーター１１３が介在されて積層された電極組立体１１０が製造される。そして、前記電極組立体１１０の複数の正極板１１１にはそれぞれ正極タブ１２０が付着し、複数の負極板１１２には負極タブ１３０がそれぞれ付着される。この時、正極タブ１２０と負極タブ１３０は互いに反対方向に付着される。前記正極タブ１２０には二つの貫通孔１２１が形成され、前記負極タブ１３０にも二つの貫通孔１３１が形成される。

図５ｂを参照すると、電極組立体１１０がパウチ１４０の内部空間１４１に収納され、第１シートと第２シートの三つの辺はシーリングされた状態である。前記パウチ１４０の前記第１シート１４２と第２シート１４３の縁部がシーリングされると、第１シート１４２と第２シート１４３の一側に形成された第１貫通孔１４４と、他側に形成された第２貫通孔１４５が互いに一致するようになる。

図５ｃを参照すると、パウチ１４０の縁部１４６、１４７の表面に外部正極リード１５０と外部負極リード１６０が載置される。そして、パウチ１４０の表面で、前記外部正極リード１５０及び外部負極リード１６０はボルト１７０とナット１７５で締結される。

前記ボルト１７０は、外部正極リード１５０及び外部負極リード１６０を貫通し、前記パウチ１４０の第１シート１４２の左右両側の第１、２貫通孔１４４、１４５を貫通する。この時、第１シート１４２の第１、２貫通孔１４４、１４５はボルト１７０の直径より大きく形成され、パウチ１４０が損傷されなくなる。そして、前記ボルト１７０は、正極タブ１２０と負極タブ１３０の貫通孔１２１、１３１を貫通する。最後に、ボルト１７０は第２シート１４３の左右両側に形成された第１、２貫通孔１４４、１４５を貫通してから第２シート１４３の外部でナット１７５と締結される。

図５ｄを参照すると、パウチ１４０の縁部１４６、１４７の表面には、外部正極リード１５０及び外部負極リード１６０がボルト１７０で固定される。このような構成をより詳しく説明するために図２及び図３を参照すると、パウチ１４０の第１シート１４２及び第２シート１４３と正極タブ１２０及び負極タブ１３０の間に形成されたシーリング層１８１、１８２によって、パウチ１４０の電解液またはガスの漏れが防止される。また、電極組立体１１０で発生する電流は、正極タブ１２０及び負極タブ１３０にそれぞれ締結されたボルト１７０を介して、外部正極リード１５０及び外部負極リード１６０に流れるようになる。

最後に図５ｅに示すように、パウチ１４０の左右縁部１４６、１４７を、外部正極リード１５０と外部負極リード１６０を覆うように折曲する。そして、前記外部正極リード１５０と外部負極リード１６０を垂直に曲げる。それによって、縁部１４６、１４７の端部１４６ａ、１４７ａはパウチ１４０の内部空間１４１の側面に位置する。そして、前記縁部１４６、１４７によって、外部正極リード１５０及び外部負極リード１６０は完全に囲まれるようになる。これによって、前記外部正極リード１５０及び外部負極リード１６０は直立状態になる。そして、前記外部正極リード１５０及び外部負極リード１６０はパウチ１４０の内部空間１４１の側面に密着する。これによって、電池の全体サイズを減少させることができる。特に、高容量中大型電池に適用されて電池が占める面積を最小化するメリットがある。

前記外部正極リード１５０及び外部負極リード１６０が外部端子と電気的に連結されると、パウチ１４０内部の電極組立体１１０で発生する電流が外部に供給される。

１００：二次電池
１１１：正極板
１１２：負極板
１１３：セパレーター
１１０：電極組立体
１２０：正極タブ
１３０：負極タブ
１４０：パウチ
１４１：内部空間
１４２、１４３：第１、２シート
１４４、１４５：第１、２貫通孔
１４６、１４７：縁部
１５０：外部正極リード
１６０：外部負極リード
１７０：ボルト
１７５：ナット
１８１、１８２：シーリング層

Claims

複数の第１、２電極板と、前記第１、２電極板の間にそれぞれ介在されるセパレーターを含む電極組立体と、
前記第１電極板に備えられる第１電極タブ及び前記第２電極板に備えられる第２電極タブと、
前記電極組立体が内部に収納されて密封されるケースと、
前記ケースの外部に設けられ、前記第１、２電極タブと電気的に連結された第１、２外部電極リードと、を含み、
前記第１、２外部電極リードと前記第１、２電極タブはボルトタイプの接続手段によって電気的に連結されたことを特徴とする二次電池。
前記ボルトは前記第１、２外部リード端子と前記第１、２電極タブを貫通することを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記ボルトは前記ケースを貫通してナットに締結されたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記ケースと前記第１、２電極タブの間にはシーリング層が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記シーリング層はテープであることを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
前記シーリング層は絶縁材質で形成されたことを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
前記シーリング層は両面テープであることを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
前記シーリング層は前記ケースの内側面にコーティングされたことを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
前記シーリング層は前記第１、２電極タブの最外側表面にコーティングされたことを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
前記シーリング層には、前記ボルトが貫通する貫通孔が形成されたことを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
前記貫通孔の直径は、前記ボルトの直径と同一であるかまたはそれより小さいことを特徴とする請求項１０に記載の二次電池。
前記第１、２電極タブには、それぞれ前記ボルトが貫通する貫通孔が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記ケースは、前記電極組立体が収納される内部空間を有する第１シートと、前記第１シートの縁部とシーリングされる第２シートとを含むことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記第１シート及び第２シートには、前記ボルトが貫通する第１、２貫通孔が互いに対応するように形成されたことを特徴とする請求項１３に記載の二次電池。
前記第１、２貫通孔の直径は前記ボルトの直径より大きく形成されたことを特徴とする請求項１４に記載の二次電池。
前記第１、２外部電極リードには、前記ボルトが貫通する貫通孔が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記第１外部電極リードと前記第１電極タブ及び前記第２外部電極リードと前記第２電極タブは同一材質で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記ボルトは通常の六角、四角または丸頭ボルトのうち何れか一つであることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記電極組立体は、前記第１電極板、セパレーター及び第２電極板が順に積層された積層型電極組立体であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記第１、２電極タブは、前記第１、２電極板に互いに反対方向に向かって付着されたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記ケースはパウチ型ケースであることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記第１、２外部電極リードは、前記ケースの側面に直立状態で密着することを特徴とする請求項１に記載の二次電池。