JP7570755B2 - 応力緩和部が形成された電極タブを含むバッテリーセル - Google Patents

Description

本出願は２０２０年９月２８日付の韓国特許出願第２０２０－０１２５８０６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この明細書の一部として含まれる。

本発明は電極タブで発生する応力を減少させて電極タブが断線される危険を減らすことができる、応力緩和部が形成された電極タブを含むバッテリーセルに関する。

スマートフォン、ノートブック型ＰＣ、デジタルカメラなどのモバイル機器に対する技術開発及び需要が増加するのに伴い、充放電の可能な二次電池に関する技術が活発に開発されている。また、二次電池は大気汚染物質を発生させる化石燃料の代替エネルギー源であり、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐ－ＨＥＶ）、エネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＳ）などに適用されている。

現在広く使われる二次電池の種類には、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッカド電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などがある。

二次電池は電池ケースに電極組立体が内蔵されている形態を有し、電極組立体は、正極板／分離膜／負極板の積層構造を有し、正極板及び負極板はそれぞれ電極タブが突出した構造を有するように形成されている。

また、正極板及び負極板はそれぞれ金属ホイルの集電体上に活物質が塗布されて形成され、電極タブは、金属ホイルの外側の活物質が塗布されていない領域を一定のパターンに切断して形成するか、溶接などの方法で金属ホイルに接合することで形成することになる。

このような電極タブでは、二次電池を製造するか使用する過程でかかる内力／外力によって応力が発生することになる。

図１は従来技術の電極タブを示す概略図である。

図１に示すように、従来の電極タブ１０は、電極板２０と連結され、電極板２０から突設された第１タブ部１１と、第１タブ部１１から延びて電極リードと接合される第２タブ部１２とを有する。

従来には、前記のような電極タブを形成するとき、電極板との連結部を直角に切断してパターニングする方法を用いた。

したがって、電極タブの応力は電極板２０と電極タブ１０との間の連結部コーナーＣに集中し、これにより応力が集中した連結部で断線が発生する危険が大きくなる問題がある。

本発明は前記のような問題点を解決するために、電極タブの一端に応力緩和部を形成して応力を減少させることができる電極タブを含むバッテリーセルを提供することを目的とする。

前記のような目的を達成するための本発明によるバッテリーセルは、複数の電極板及び前記複数の電極板の間に位置する一つ以上の分離膜を含む電極組立体と、前記電極組立体を収納するケースと、前記電極板から突設された電極タブと、前記電極タブと接合され、外部と電気的に連結される電極リードとを含むバッテリーセルであって、前記電極タブは、前記電極板と連結された第１タブ部と、前記第１タブ部から延び、前記電極リードが接合される第２タブ部とを含み、前記第１タブ部には前記電極タブの応力を減少させるための応力緩和部が形成されていることを特徴とする。

また、本発明によるバッテリーセルは、応力緩和部が、第１タブ部と電極板との間に一定の曲率半径Ｒを有するようにパターニングされた連結部コーナーであることを特徴とする。

また、本発明によるバッテリーセルは、応力緩和部が一定の曲率半径ＣＲを有する弧形に切断された第１タブ部の側面であることを特徴とする。

また、本発明によるバッテリーセルは、第１タブ部の幅が電極板と第２タブ部との間の中央部分で最小になることを特徴とする。

また、本発明によるバッテリーセルは、応力緩和部の曲率半径ＣＲが電極板と第２タブ部との間の長さより小さいことを特徴とする。

また、本発明によるバッテリーセルは、電極板が正極板及び負極板を含み、正極板及び負極板のそれぞれは電極組立体内に複数備えられていることを特徴とする。

また、本発明によるバッテリーセルは、第２タブ部が複数の正極板または複数の負極板のそれぞれから突設された電極タブが積層されてなることを特徴とする。

また、本発明によるバッテリーセルは、正極板から突設された電極タブと負極板から突設された電極タブとが同じ方向に突出していることを特徴とする。

また、本発明によるバッテリーセルは、正極板から突設された電極タブと負極板から突設された電極タブとが互いに向き合う方向に突出していることを特徴とする。

また、本発明によるバッテリーセルは、ケースがパウチ型ケースであることを特徴とする。

また、本発明によるバッテリーモジュールは、本発明によるバッテリーセルを含むことを特徴とする。

また、本発明によるデバイスは、本発明によるバッテリーモジュールを含むことを特徴とする。

本発明のバッテリーセルは、電極タブが応力緩和部を備えることで、電極タブに外力などが作用しても、発生する応力を減少させて断線の危険を減らすことができる利点がある。

従来技術の電極タブを示す概略図である。 本発明の一実施例によるバッテリーセルの断面一部を示す断面図である。 本発明の一実施例による応力緩和部が形成された電極タブを示す概略図である。 本発明の他の実施例による応力緩和部が形成された電極タブを示す概略図である。 本発明の一実施例による応力緩和部が形成された電極タブの応力緩和部の曲率半径と応力最大値との間の関係を示すグラフである。 本発明の他の実施例による応力緩和部が形成された電極タブの応力緩和部の曲率半径と応力最大値との間の関係を示すグラフである。

本出願で、「含む」、「有する」または「備える」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、構成要素、部分品またはこれらの組合せが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組合せなどの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。

また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使う。明細書全般にわたって、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけでなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

以下、本発明によるバッテリーセルについて添付図面を参照して説明する。

図２は本発明の一実施例によるバッテリーセルの断面一部を示す断面図である。

図２を参照して本発明のバッテリーセルを説明すると、本発明のバッテリーセル１００は、電極組立体１１０、電極組立体１１０を収納するケース１２０、電極タブ１３０、及び電極リード１４０を含む。

まず、電極組立体１１０は正極板／分離膜／負極板が交互に積層された構造を有し、電極組立体１１０内に多数の正極板及び多数の負極板を備えている場合もあるが、バッテリーセル１００の容量を考慮して複数を備えることが好ましい。

一方、電極組立体１１０の種類は、活物質が塗布された長いシート状の正極板と負極板との間に分離膜を介在して巻き取ったゼリーロール型、所定の大きさを有する多数の正極板と負極板との間に分離膜を介在した状態で順次積層したスタック型、及び積層型の単位セルを分離フィルムで巻き取ったスタック／フォルディング型に分類される。

ケース１２０はこのような電極組立体１１０を収納する外装材であり、バッテリーセルは、ケース１２０の形状によって、電極組立体１１０が円筒形または角形の金属缶に内蔵されている円筒型バッテリーセル、及び電極組立体１１０がパウチ型ケースに内蔵されているパウチ型バッテリーセルに分類することができる。

パウチ型ケースは、通常に、内部層／金属層／外部層のラミネートシート構造を有するように構成されている。内部層は電極組立体と直接的に接触するので、絶縁性及び耐電解液性を有しなければならなく、また外部に対する密閉のためにシーリング性、すなわち内部層同士熱接着されたシーリング部位は優れた熱接着強度を有しなければならない。

このような内部層の材料としては、耐薬品性に優れるとともにシーリング性がよいポリプロピレン、ポリエチレン、酢酸ポリエチレン、ポリブチレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン樹脂、及びポリイミド樹脂から選択されることができるが、これらに限定されず、引張強度、剛性、表面硬度、耐衝撃強度などの機械的物性及び耐薬品性に優れたポリプロピレンが最も好ましい。

内部層と接している金属層は外部から水分や各種のガスが電池の内部に浸透することを防止するバリア層に相当し、このような金属層の好適な材料としては、軽いながらも成形性に優れたアルミニウム薄膜を使うことができる。

そして、金属層の他側面には外部層が備えられる。このような外部層は、電極組立体を保護しながら耐熱性及び耐薬品性を確保することができるように、引張強度、透湿防止性及び空気透過防止性に優れた耐熱性ポリマーを使うことができ、一例としてナイロンまたはポリエチレンテレフタレートを使うことができるが、これに限定されない。

図２にはバッテリーセル１００がパウチ型ケース１２０に内蔵されたパウチ型バッテリーセル１００であるものを示しているが、本発明のバッテリーセル１００はこれに限定されず、電極タブ１３０が電極板から突設されたバッテリーセル１００であれば、どの形態のバッテリーセル１００にも適用可能である。

また、電極リード１４０は電極タブと接合されて外部と電気的に連結されるものであり、接合の方法としては、超音波溶接、抵抗溶接またはレーザー溶接などの公知の多様な溶接方法を使うことができる。

図３は本発明の一実施例による応力緩和部が形成された電極タブを示す概略図であり、図４は本発明の他の実施例による応力緩和部が形成された電極タブを示す概略図である。

図３及び図４を参照して本発明の電極タブ１３０について詳細に説明すると、電極タブ１３０は、電極板１５０と連結されて突設された第１タブ部１３１ａ、１３１ｂ、第１タブ部１３１ａ、１３１ｂから延び、電極リード１４０が接合される第２タブ部１３２ａ、１３２ｂ、及び電極タブ１３０にかかる応力を緩和させるための応力緩和部１３３ａ、１３３ｂを含む。

このような電極タブ１３０は、電極組立体１１０の正極板から突設された正極タブと、負極板から突設された負極タブとを含み、正極タブ及び負極タブはそれぞれ極性別に集まって積層され、積層された正極タブ及び負極タブはそれぞれ超音波溶接、抵抗溶接またはレーザー溶接などの方法で結合されることができる。

ここで、正極タブ及び負極タブは同じ方向に突出することもでき、互いに向き合う方向に突出することもできる。

正極タブ及び負極タブが同じ方向に突出する場合には、正極タブと負極タブとの間の干渉を避けるように位置することが必要である。

例えば、電極タブ１３０が突出する側面の中心を基準に正極タブが一側に偏って位置すれば、負極タブは正極タブと反対側に偏って位置することが好ましい。

一方、互いに向き合う方向に突出する場合には、その位置に限定はないが、突出する側面の中心に位置することが一般的である。

また、本発明の電極タブ１３０には、電極タブ１３０にかかる内力／外力によって発生する応力を減少させるための応力緩和部１３３が備えられている。

このような応力緩和部１３３の一例として図３に示す応力緩和部１３３ａが挙げられる。

よって、電極タブ１３０で発生する応力に脆弱な電極板１５０と電極タブ１３０との間の連結部コーナーを直角にパターニングせず、一定の曲率半径Ｒを有するようにパターニングすることにより、連結部コーナーに集中する応力を緩和させる役割を果たすようになる。

図５は本発明の一実施例による応力緩和部が形成された電極タブの応力緩和部の曲率半径と応力最大値との間の関係を示すグラフである。

図５を参照して、このような応力緩和部１３３ａを備えた場合、曲率半径Ｒと電極タブ１３０にかかる応力（Ｓｔｒｅｓｓ）の最大値との関係を見ると、曲率半径が４ｍｍに近接するほど応力最大値が低くなり、４ｍｍで最低になり、４ｍｍより大きくなるほど応力最大値も大きくなる傾向を示す。

すなわち、応力緩和部１３３ａの曲率半径Ｒが４ｍｍの場合、応力が最小になることを示す。

図６は本発明の他の実施例による応力緩和部が形成された電極タブの応力緩和部の曲率半径と応力最大値との間の関係を示すグラフである。

図４及び図６を参照して他の形態の応力緩和部１３３ｂについて説明すると、応力緩和部１３３ｂは、電極タブ１３０の第１タブ部１３１ｂの側面が一定の曲率半径ＣＲを有する弧形に切断されることで形成される。

すなわち、第１タブ部１３１ｂの中央部で第１タブ部１３１ｂの幅が最小になるように側面が切断されている形態を有する。

このように、第１タブ部１３１ｂの側面をサイド切断（ｓｉｄｅ－ｃｕｔ）することで、電極板１５０と電極タブ１３０との間の連結部コーナーに集中する応力を分散させることが可能である。

ただ、第１タブ部１３１ｂの側面がサイド切断される深さは、第１タブ部１３１ｂの機械的強度及び電流量が導線の面積に比例するという点を考慮すると、応力緩和部１３３ｂの曲率半径ＣＲが電極板と第２タブ部１３２ｂとの間の長さより小さいことが好ましい。

応力緩和部１３３ｂの曲率半径ＣＲと応力（Ｓｔｒｅｓｓ）最大値との関係を見ると、曲率半径ＣＲが１．５ｍｍと２ｍｍとの間であるときに応力最大値が最小になり、曲率半径ＣＲが２ｍｍより大きくなるほど応力最大値も増加する傾向を示す。

一方、前述した両実施例のうち、第１タブ部１３１ｂの側面に一定の曲率半径ＣＲを有する弧形に切断された応力緩和部１３３ｂを有する電極タブ１３０で応力最大値がもっと低いことが分かる。

しかし、電極タブ１３０に、両形態の応力緩和部１３３ａ、１３３ｂのうちでどれを適用するかは、電極組立体形成工程の様々な条件または適用しようとするバッテリーセル１００が要求する条件を考慮して適切に選択可能である。

以上で説明したように、応力緩和部１３３を形成することにより、電極タブ１３０で発生する応力を減少させることができ、よって電極タブ１３０が断線される危険を下げることができる効果がある。

また、このような応力緩和部１３３を備えたバッテリーセル１００を含ませてバッテリーモジュールを製造することも可能であり、このようなバッテリーモジュールを各種のデバイスの電源供給源として使うこともできる。

以上で本発明の内容の特定部分を詳細に記述したが、当該分野で通常の知識を有する者にこのような具体的技術はただ好適な実施様態であるだけで、これによって本発明の範囲が限定されるものではなく、本発明の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正が可能であるというのは当業者に明らかなものであり、このような変形及び修正も添付の特許請求範囲に属するものであるというのは言うまでもない。

１００ バッテリーセル
１１０ 電極組立体
１２０ ケース
１３０ 電極タブ
１３１、１３１ａ、１３１ｂ 第１タブ部
１３２、１３２ａ、１３２ｂ 第２タブ部
１３３、１３３ａ、１３３ｂ 応力緩和部
１４０ 電極リード
１５０ 電極板

Claims (10)

1. 複数の電極板（１５０）及び前記複数の電極板（１５０）の間に位置する一つ以上の分離膜を含む電極組立体（１１０）と、
   前記電極組立体（１１０）を収納するケース（１２０）と、
   前記電極板（１５０）から突設された電極タブ（１３０）と、
   前記電極タブ（１３０）と接合され、外部と電気的に連結される電極リード（１４０）と、を含むバッテリーセル（１００）であって、
   前記電極タブ（１３０）は、前記電極板（１５０）と連結された第１タブ部（１３１）と、前記第１タブ部（１３１）から延び、前記電極リード（１４０）が接合される第２タブ部（１３２）とを含み、前記第１タブ部（１３１）には前記電極タブ（１３０）の応力を減少させるための応力緩和部（１３３）が形成されており、
   前記応力緩和部（１３３ｂ）は、前記第１タブ部（１３１ｂ）の側面のうち、前記電極板（１５０）と前記第２タブ部（１３２ｂ）との間の全部が一定の曲率半径（ＣＲ）を有する弧形に切断されることで形成された部分であり、
   前記第１タブ部（１３１ｂ）の幅は、前記電極板（１５０）と前記第２タブ部（１３２ｂ）との間の中央部分で最小になる、バッテリーセル（１００）。
2. 複数の電極板（１５０）及び前記複数の電極板（１５０）の間に位置する一つ以上の分離膜を含む電極組立体（１１０）と、
   前記電極組立体（１１０）を収納するケース（１２０）と、
   前記電極板（１５０）から突設された電極タブ（１３０）と、
   前記電極タブ（１３０）と接合され、外部と電気的に連結される電極リード（１４０）と、を含むバッテリーセル（１００）であって、
   前記電極タブ（１３０）は、前記電極板（１５０）と連結された第１タブ部（１３１）と、前記第１タブ部（１３１）から延び、前記電極リード（１４０）が接合される第２タブ部（１３２）とを含み、前記第１タブ部（１３１）には前記電極タブ（１３０）の応力を減少させるための応力緩和部（１３３）が形成されており、
   前記応力緩和部（１３３ｂ）は、前記第１タブ部（１３１ｂ）の側面のうち、前記電極板（１５０）と前記第２タブ部（１３２ｂ）との間の全部が一定の曲率半径（ＣＲ）を有する弧形に切断されることで形成された部分であり、
   前記応力緩和部（１３３ｂ）の曲率半径（ＣＲ）は前記電極板（１５０）と前記第２タブ部（１３２ｂ）との間の長さより小さい、バッテリーセル（１００）。
3. 前記電極板（１５０）は正極板及び負極板を含み、前記正極板及び前記負極板のそれぞれは前記電極組立体内に複数備えられている、請求項１または２に記載のバッテリーセル（１００）。
4. 前記第２タブ部（１３２）は、複数の前記正極板または複数の前記負極板のそれぞれから突設された前記電極タブ（１３０）が積層されてなる、請求項３に記載のバッテリーセル（１００）。
5. 前記正極板から突設された前記電極タブ（１３０）と前記負極板から突設された前記電極タブ（１３０）とは同じ方向に突出している、請求項４に記載のバッテリーセル（１００）。
6. 前記正極板から突設された前記電極タブ（１３０）と前記負極板から突設された前記電極タブ（１３０）とは互いに向き合う方向に突出している、請求項４に記載のバッテリーセル（１００）。
7. 複数の電極板（１５０）及び前記複数の電極板（１５０）の間に位置する一つ以上の分離膜を含む電極組立体（１１０）と、
   前記電極組立体（１１０）を収納するケース（１２０）と、
   前記電極板（１５０）から突設された電極タブ（１３０）と、
   前記電極タブ（１３０）と接合され、外部と電気的に連結される電極リード（１４０）と、を含むバッテリーセル（１００）であって、
   前記電極タブ（１３０）は、前記電極板（１５０）と連結された第１タブ部（１３１）と、前記第１タブ部（１３１）から延び、前記電極リード（１４０）が接合される第２タブ部（１３２）とを含み、前記第１タブ部（１３１）には前記電極タブ（１３０）の応力を減少させるための応力緩和部（１３３）が形成されており、
   前記応力緩和部（１３３ｂ）は、前記第１タブ部（１３１ｂ）の側面のうち、前記電極板（１５０）と前記第２タブ部（１３２ｂ）との間の全部が一定の曲率半径（ＣＲ）を有する弧形に切断されることで形成された部分であり、
   前記電極板（１５０）は正極板及び負極板を含み、前記正極板及び前記負極板のそれぞれは前記電極組立体内に複数備えられており、
   前記第２タブ部（１３２）は、複数の前記正極板または複数の前記負極板のそれぞれから突設された前記電極タブ（１３０）が積層されてなり、
   前記正極板から突設された前記電極タブ（１３０）と前記負極板から突設された前記電極タブ（１３０）とは互いに向き合う方向に突出している、バッテリーセル（１００）。
8. 前記ケース（１２０）はパウチ型ケースである、請求項１から７のいずれか一項に記載のバッテリーセル（１００）。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のバッテリーセル（１００）を含む、バッテリーモジュール。
10. 請求項９に記載のバッテリーモジュールを含む、デバイス。

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