JP4562693B2 - 電池ケースにセパレータを固定して安定性を向上させた二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、電池ケースにセパレータを固定して安定性を向上させた二次電池に関し、より詳しくは、正極と負極がその間にセパレータが介在された状態で積層されている電極組立体を電池ケースに内蔵した後、電池ケースを封止して製造される二次電池であり、前記セパレータの外周面の少なくとも一部を、電池ケースの封止部と共に固定し、電池の異常発熱の際にセパレータの収縮により短絡が引き起こされることを防止することを特徴とする二次電池、及びそのような二次電池からなる電池モジュールに関する。

モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するにつれて、エネルギー源としての二次電池の需要が急増しており、このような二次電池の中でも、高いエネルギー密度と放電電圧を有するリチウム二次電池についての多くの研究が行われており、また、商用化して広く用いられている。

一般に、二次電池は、正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在されるセパレータで構成された電極組立体を積層または巻取した状態で、金属缶またはラミネートシートの電池ケースに内蔵した後、電解液を注入しまたは含浸させることにより構成されている。

このような二次電池における主な研究課題の一つは、安全性を向上させることである。例えば、二次電池は、内部短絡、許容された電流及び電圧を超過した過充電状態、高温への露出、落下または外部衝撃による変形等、電池の不正常の作動状態により引き起こされる電池内部の高温及び高圧により、電池の爆発をもたらすこともあり得る。

安全性の問題の一つとして、電池が高温に露出したときに発生するセパレータの収縮または破損による内部短絡は、極めて深刻な実情であり、これに対する原因究明及び代案に対する研究が多く行われている。

一般に、セパレータは、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔性高分子膜が用いられており、これらは、安価であり、耐化学性に優れ、電池の作動に好適であるという利点を有しているが、高温の環境において収縮しやすい。

このような問題点を解決するために、一般に、セパレータと電極との間に接着層を塗布して付着する方法が多用されている。このような接着層としては、電極活物質の決着剤としても用いられるＰＶＤＦが主に使用されている。しかしながら、このような接着層は、それが塗布されない場合に比べて、イオンの移動性が低下し、低いレート特性を示すという短所があった。また、接着層の塗布作業そのものが、別途の工程で加えられなければならないため、作業工数の増加による多くの問題点を引き起こすこともある。

一方、パウチ状二次電池では、電池ケースの封止力が低下し、電解液が漏れるという問題点も頻繁に発生する。図１は、従来の代表的なパウチ状二次電池の一般構造を模式的に示す分解斜視図である。

図１を参照すると、パウチ状二次電池１０は、電極組立体３０と、電極組立体３０から延長する電極タブ４０、５０と、電極タブ４０、５０に溶接されている電極リード６０、７０と、電極組立体３０を収容する電池ケース２０と、で構成されている。

電極組立体３０は、セパレータが介在された状態で、正極と負極が順次積層されている発電素子であり、積重型または積重／折畳型構造からなっている。電極タブ４０、５０は、電極組立体３０の各極板から延長され、電極リード６０、７０は、各極板から延長された複数個の電極タブ４０、５０と、例えば、溶接によりそれぞれ電気的に連結されており、電池ケース２０の外部に一部が露出している。また、電極リード６０、７０の上下面の一部には、電池ケース２０との封止性を高めるとともに、電気的絶縁状態を確保するために、絶縁膜８０が付着されている。

電池ケース２０は、アルミニウムラミネートシートからなり、電極組立体３０を収容可能な空間を形成し、全体的にパウチ状となっている。

二次電池１０は、電池ケース２０の収納部に電極組立体３０を取り付けた状態で、電池ケース２０の外周面の接触部分を相互熱融着させて作製されるが、このような熱融着部分は、電池の継続的な使用による反復的な収縮・膨張、外部衝撃等により封止力が弱くなり、外部物質の流入、電解液の漏れ等により、電池の性能及び安全性の低下が引き起こされる部分である。

したがって、これを解決するための多くの技術が提案されているが、電池の製造費用を上昇させ、または組立工程を複雑となる問題点があった。

このため、電池の組立工程中、構造的な側面においてセパレータの収縮を抑制し、電池ケースの封止力の低下を防止することができる技術に対する必要性が高くなっている。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、組立工程において、別途の添加物及び追加工程無しに、構造的変化のみで安全性を向上させることができる二次電池を提供することにある。具体的に、本発明の目的は、高温でセパレータの収縮現象を抑制して内部短絡を防止し、電池ケースの封止部を減少させて封止力を向上させることができる二次電池を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、このような二次電池を単位電池として含む電池モジュールを提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明に係る二次電池によれば、正極と負極がその間にセパレータが介在された状態で積層されている電極組立体を電池ケースに内蔵した後、電池ケースを封止して製造される二次電池であって、前記電池ケースは、電極組立体を収容可能な凹状の収納部を有する下部ケースと、該下部ケースの蓋として前記収納部を封止する上部ケースとが、一側において相互連結されて一体となる構造からなり、前記電極組立体は、その電極方向が前記ケースの連結部に隣接した一側面方向ａに突出して収納部に取り付けられ、前記セパレータの外周面のうち、他側面方向ｂ及び前記連結部の対向面方向ｃに対応するセパレータの外周面は、剰余部として、電池ケースの封止部に一緒に固定されることを特徴とする。

これにより、本発明は、前記セパレータ剰余部を電池ケースの封止部に固定することにより、セパレータの収縮を抑制し、セパレータを中心に対面している正極と負極が接触して短絡することを防止することができる。すなわち、電池の組立工程中、別途の添加物及び追加工程無しに、構造的な側面における一部変更のみで電池の安全性を向上させることができる。

好ましくは、前記方向ａの電池ケースの長さを方向ｃの電池ケースの長さよりも短くすることにより、電池全体の封止性をさらに高めることができる。すなわち、電池ケースの封止部を減少させ、封止性を向上させることができるという効果がある。

本発明による前記電極組立体は、複数の電極タブを連結して正極と負極を構成する構造であれば、特に制限されず、例えば、所定の大きさを有する複数個の電極を順次積層した積重型電極組立体に好適に適用され得る。

前記積重型電極組立体は、電極が積層される構造によって、フルセルまたはバイセルに分けられる。ここで、前記フルセルは、正極／セパレータ／負極、または正極／セパレータ／負極／セパレータ／正極／セパレータ／負極のように、両端部の電極が、それぞれ正極と負極を形成するように積層された電極組立体を意味し、前記バイセルは、両端部の電極が同一の電極を形成するように積層された電極組立体であって、正極／セパレータ／負極／セパレータ／正極からなる正極型バイセルと、負極／セパレータ／正極／セパレータ／負極からなる負極型バイセルとに分けられる。

フルセルは、それ自体が一つの電極組立体を構成することができ、場合によっては、電極組立体の一部または全体の分離膜を、前述した電池ケースの封止部に一緒に固定可能に、大きめのサイズに作製してもよい。

バイセルの場合、正極型バイセルと負極型バイセルを交互に配列して、一つの電極組立体を構成することができる。ここで、バイセル間に介在されるセパレータおよび／またはバイセルそのものを構成するセパレータを、前述したように、大きめに作製して本発明による電気を構成してもよい。

本発明による電池は、特に、金属層と樹脂層を含むラミネートシート、具体的にはアルミニウムラミネートシートのパウチ状ケースに電極組立体が内蔵されているパウチ状電池に好適に適用され得る。

前記パウチ状ケースは、電極組立体を内蔵した状態で、例えば、熱溶着により封止され、その熱融着封止部に、前記セパレータ剰余部を一緒に熱融着して固定することができる。具体的に、前記パウチ状ケースが、前述したように、上部ケースと下部ケースからなる場合、前記セパレータ剰余部は、前記上部ケースと下部ケースの接触部の間に介在された状態でケースの封止部と一緒に熱融着される。

この際、前記セパレータ剰余部が熱融着される部分は、前記ケースの封止部の幅に対して３０〜７０％の大きさを有することが好ましい。これは、前記セパレータ剰余部により、電池ケースの封止力が低下することを防止するためである。すなわち、前記セパレータ剰余部が位置する封止部では、前記電池ケースが接する封止部においてよりも相対的に相互結合力が低いので、電池ケースの封止性が低下するしかない。したがって、前記電池ケースの封止部の幅を現在用いている電池ケースの封止部の幅よりも大きくし、または前記封止部において、セパレータ剰余部が位置する部分を限定することにより、電池ケースの封止性の低下を補償した。

場合によっては、前記電池ケースの封止部に、電極組立体を構成する全てのセパレータの剰余部または一部のセパレータの剰余部が固定されてもよい。例えば、積重型電極組立体の場合、電極組立体を構成するセパレータは、全て分離されているので、それぞれのセパレータにおいて熱収縮現象が発生し得る。したがって、この場合、全てのセパレータの剰余部が前記電池ケースの封止部に固定されることが好ましい。

好ましい一例において、前記セパレータ剰余部が、接着剤により電池ケースの封止予定部分に予め固定された後、電池ケースの封止の際に一緒に固定されてもよい。これは、電池ケースに対するセパレータ剰余部の結合力を高めて、電池ケースの封止性を高めるためである。

好ましい他の例において、前記セパレータ剰余部が、熱融着により予め相互結合した状態で、電池ケースの封止予定部分に固定された後、電池ケースの封止の際に一緒に固定されてもよい。

前述した二つの構造において、前記セパレータ剰余部を予め結合し、または固定することにより、電池ケースの封止部に定位置させることができ、セパレータ剰余部がそれぞれ分離されて別々に動くことを防止することができる。場合によっては、前記両構造は、セパレータ剰余部の固定及び電池ケースの封止作業を容易に行うことができ、一つの二次電池において一緒に適用されてもよい。

本発明はまた、前記二次電池を単位電池として含む中大型電池モジュールに関する。

本発明によれば、高い安全性と、優れた封止性を有する二次電池を単位電池として用いることにより、多数の二次電池からなる中大型電池モジュールにおいて、特に問題となる優れた安全性と長寿命の要求を同時に解決することができる。

本発明によれば、高温でセパレータの収縮現象を抑制して内部短絡を防止し、電池ケースの封止部を減少させて封止力を向上させることができるという効果がある。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施の形態に係る二次電池を示す分解斜視図である。本発明における前記一側面方向ａ、他側面方向ｂ、及び対向面方向ｃは、図２から容易に確認することができる。

図２を参照すると、二次電池１００は、正極２１０と、負極２２０と、これらよりも大きめのサイズのセパレータ２３０とが順次積層されている電極組立体２００と、電極組立体２００が収納可能な凹状の収納部３４０が形成されている下部ケース３１０と、蓋として収納部３４０を封止する上部ケース３２０とが、一側において相互連結されている構造の電池ケース３００と、で構成されている。したがって、電極組立体２００を下部ケース３１０の収納部３４０に取り付け、上部ケース３２０を覆った後、下部ケース３１０と上部ケース３２０が接する封止部３６０、３６１、３６２を熱融着して封止することにより、二次電池を作製することができる。

電極組立体２００は、一側面から正極タブ２１１と負極タブ２２１がそれぞれ突出している正極２１０と負極２２０、及びこれらの間に介在されているセパレータ２３０からなっている。したがって、電極組立体２００は、全体の形状面において、その４側面からセパレータ２３０が所定の長さだけ突出したセパレータ剰余部２３１を有している。

このような電極組立体２００は、その正極タブ２１１と負極タブ２２１が上部ケース３２０と下部ケース３１０の連結部３３０に隣接した両側面３５０、３５１の一つである、一側面３５０の方向ａに突出するように、下部ケース３１０の収納部３４０に取り付けられる。この際、電極組立体２００のセパレータ剰余部２３１は、一側面３５０に対向する他側面３５１の方向ｂ、及びケース３１０、３２０の連結部３３０に対向する側面３５２の方向ｃにそれぞれ突出し、他側面封止部３６１と対向面封止部３６２において、電池ケース３００と一緒に熱融着されて固定される。

二次電池１００を作製するにあたって、電池ケース３００の封止性は、封止部３６０、３６１、３６２の長さと反比例関係にあるので、全体の電池において、封止部３６０、３６１、３６２が占めるサイズが大きいほど、電池ケース３００の封止性が低下する。すなわち、一体化している上部ケース３２０と下部ケース３１０の連結部３３０は、熱融着による封止部３６０、３６１、３６２よりも封止力に優れているので、より多くの部分において、ケース３００が折曲形成される連結部３３０が形成されると、さらに優れた封止性を得ることができる。

これと関連して、図１に示すような従来の二次電池１０は、電極タブ４０、５０が突出する封止部の長さが、それに隣接した両側面の長さよりも短い。したがって、電池ケース２０が折り曲げられる連結部の長さも短い。

これに対して、本発明に係る二次電池は、図２に示すように、電極タブ２１１、２２１が連結部３３０に隣接した一側面の封止部３６０に形成されるので、従来の二次電池に比べて、相対的に大きなサイズに連結部３３０が得られ、そのサイズの増加分だけ、封止性の向上を期待することができる。

以下、実施例を通じて本発明をさらに詳述するが、下記実施例は、本発明を例示するためのものであり、本発明の範疇がこれらのみに限定されるものではない。

［実施例１］
正極は、一般に知られた組成で、リチウムコバルト酸化物、ＰＶＤＦ及び導電材のスラリーをアルミニウム集電体上にコートして作製し、負極は、一般に知られた組成で、黒鉛、ＰＶＤＦ及び導電材のスラリーを銅集電体上にコートして作製した。

前記正極と負極との間にそれらよりも大きめのサイズに裁断されたセパレータを介在させて電極組立体を組み立て、図２に示すような幅に対して長さが長い電池ケースの内部に電極組立体を取り付けた後、電池ケースの封止部を電極組立体のセパレータ剰余部と一緒に熱融着して、二次電池を完成した。

［比較例１］
電極組立体のセパレータ剰余部を電池ケースの封止部に一緒に熱融着しないことを除いては、前記実施例１と同様にして、二次電池を完成した。

［比較例２］
図１に示すように、電極タブの突出方向の封止部の長さが、その側面封止部の長さよりも小さなサイズの電池ケースを用いたことを除いては、前記実施例１と同様にして、二次電池を完成した。

［実験例１］
前記実施例１と比較例１及び２においてそれぞれ作製された２０個の電池に対して、過充電と高温露出実験を行い、３００サイクル充放電を行った後、電池ケースの封止部において電解液の漏れの有無を確認した。

その結果、実施例１の全ての電池では、短絡が引き起こされず、電解液の漏れが認められなかった。これに対して、セパレータを封止部に固定しなかった比較例１の電池のうち、６個の電池において短絡が生じた。また、セパレータを封止部に固定したが、幅に対して長さが長い電池ケースを用いた比較例２の電池は、全ての電池において短絡が生じなかったが、そのうち２個の電池において電解液の漏れが確認された。

本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、前記内容に基づいて、本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。

従来のパウチ状二次電池の一般構造を示す分解斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る二次電池を示す分解斜視図である。

符号の説明

１００ 二次電池
２００ 電極組立体
２１０ 正極
２２０ 負極
２３０ セパレータ
２３１ セパレータ剰余部
２１１ 正極タブ
２２１ 負極タブ
３００ 電池ケース
３１０ 下部ケース
３２０ 上部ケース
３３０ 連結部
３４０ 収納部
３５０、３５１ 両側面
３５２ 側面
３６０、３６１、３６２ 封止部
ａ 一側面方向、
ｂ 他側面方向
ｃ 対向面方向

Claims (11)

1. 二次電池であって、
   正極と、負極と、その間にセパレータが介在された状態で積層されてなる電極組立体を電池ケースに内蔵した後、前記電池ケースを封止し形成されてなるものであり、
   前記電池ケースが、前記電極組立体を収容可能な凹状の収納部を有する下部ケースと、該下部ケースの蓋として前記収納部を封止する上部ケースとが、一側において相互に連結されて一体となる構造を備えてなり、
   前記電極組立体が、その電極方向が前記ケースの連結部に隣接した一側面方向ａに突出して収納部に取り付けられてなり、
   前記セパレータの外周面のうち、他側面方向ｂ及び前記連結部の対向面方向ｃに対応するセパレータの外周面が、剰余部として、前記電池ケースの封止部に一緒に固定されてなり、
   前記方向ａの前記電池ケースの長さが、前記方向ｃの電池ケースの長さよりも短いものである、二次電池。
2. 前記電極組立体が、所定の大きさを有する複数の電極を順次積層した構造（積重型構造）からなる、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記電極が、複数のバイセルまたはフルセルの構造で前記電極組立体を構成してなるものである、請求項２に記載の二次電池。
4. 前記電池ケースが、金属層と樹脂層を含むラミネートシートからなる、請求項１に記載の二次電池。
5. 前記電池ケースが、アルミニウムラミネートシートのパウチ状ケースからなる、請求項４に記載の二次電池。
6. 前記パウチ状ケースが、熱融着により封止され、その熱融着封止部に前記セパレータ剰余部が一緒に熱融着されてなる、請求項５に記載の二次電池。
7. 前記セパレータ剰余部が、前記熱融着される部分が、前記封止部の幅に対して３０〜７０％の大きさを有する、請求項６に記載の二次電池。
8. 前記電池ケースの封止部に剰余部が固定されるセパレータが、前記電極組立体を構成する全てのセパレータまたは一部のセパレータである、請求項１に記載の二次電池。
9. 前記セパレータ剰余部が、接着剤により電池ケースの封止予定部分に固定された後、電池ケースの封止の際に一緒に固定される、請求項１に記載の二次電池。
10. 前記セパレータ剰余部が、熱融着により相互結合された状態で、電池ケースの封止予定部分に固定された後、電池ケースの封止の際に一緒に固定される、請求項１に記載の二次電池。
11. 請求項１〜１０の何れか一項に記載の二次電池を単位電池として含む、中大型電池モジュール。

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