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JP6605143B2 - 二次電池及び二次電池の電流遮断方法 - Google Patents

二次電池及び二次電池の電流遮断方法 Download PDF

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JP6605143B2 JP2018527216A JP2018527216A JP6605143B2 JP 6605143 B2 JP6605143 B2 JP 6605143B2 JP 2018527216 A JP2018527216 A JP 2018527216A JP 2018527216 A JP2018527216 A JP 2018527216A JP 6605143 B2 JP6605143 B2 JP 6605143B2
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Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、2016年6月22日付韓国特許出願第10-2016-0077867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全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、二次電池及び二次電池の電流遮断方法に関し、二次電池で短絡が発生するなどの非常時に電流を遮断するための装置及び方法に関する。
二次電池は、繰り返し充電と放電が可能な電池を意味するものであって、二次電池を要する電子機器に応じて多様な種類の二次電池が用いられている。このような二次電池は、平常時には用途に応じて充電または放電されながら正常に作動するのが一般的であるが、外部の衝撃などによって電池が短絡されるなどを理由にして、電池内部にガスが発生して圧力が発生するか、電池内部の温度が発生する場合が生じ得る。このような場合、ガスが外部に放出されないか、電池内部の温度が持続的に上昇する場合、火災または爆発が発生し得る。これを防止するために、二次電池には非常時に二次電池の電流の流れを遮断するための装置が搭載され得る。
図1は、従来の技術に係る二次電池の構造の一例を示した断面図である。
図1に示すように、二次電池1は二次電池のケースを構成し、上部が開放されている電池缶2、電池缶2の上部に備えられ、電池缶2の上部を密封するキャッププレート3を含むことができる。電池缶2とキャッププレート3との間に備えられる安全ベント5を含むことができる。また、電池缶2の内側面とキャッププレート3との間には、二次電池の内部を外部からさらに密封するためにガスケット4が介在され得る。また、安全ベント5の下部にはCIDフィルター(Current Interrupting Device)6が安全ベント5と溶接された状態で付着され得る。CIDフィルター6は電流が流れる経路であって、電極組立体からCIDフィルター6を経た電流は安全ベント5を流れることとなる。
従来の技術によれば、二次電池1の短絡などによって二次電池1の内部の圧力が上がる場合、安全ベント5の全体または安全ベント5の中心部が膨らむようになる。したがって、安全ベント5の一部または全部が破断する。安全ベント5が破断すると、安全ベント5がCIDフィルター6から離れるようになることで電流を遮断し、二次電池1の内部のガスを排出することとなる。
しかし、このような従来の技術に係る非常時の二次電池の電流遮断の原理は、二次電池の内部圧力が増加した後に電流を遮断するものなので、二次電池がきちんと密封されないなどの理由で二次電池の内部圧力が充分に増加しない場合、電流がきちんと遮断されないという問題点があった。また、二次電池の内部圧力が一定の圧力に到達する前に短絡などによって過電流が流れ、二次電池内部の温度が異常に上昇した場合には、電流が遮断される前に発火が既に発生するという問題点もあった。
したがって、本発明の目的は、二次電池内部の圧力が一定の圧力に到達する前でも二次電池内部の温度が一定の温度に到達する場合、電流を遮断できるようにすることで非常時に電流の遮断が効果的になされ得るようにして、電池の爆発または発火を防止することにある。
前記目的を達成するための本発明の一側面によれば、電極組立体；前記電極組立体から延長されて形成される電極タブ；前記電極組立体を収容して上部が開放されている缶部材；前記缶部材の上部に結合され、前記缶部材の上部を塞ぐキャップアセンブリー；及び、変形温度以下で前記電極タブ及び前記キャップアセンブリーと接触するバイメタル；を含み、前記バイメタルは前記変形温度以上で前記キャップアセンブリーから離隔される二次電池が提供される。
前記キャップアセンブリーは、最外側部に備えられるキャッププレート；及び前記キャッププレートと前記電極組立体との間に位置し、表面にノッチが形成される安全ベント；を含み、前記電極タブは正極タブ；及び負極タブ；を含み、前記バイメタルは、前記安全ベントと前記電極組立体との間に備えられ、前記変形温度以下で前記安全ベント及び前記正極タブと接触し、前記変形温度以上で前記安全ベントと離隔され得る。
前記負極タブの製造に用いられた材料の電気抵抗は、ニッケル(Ni)の電気抵抗より小さくてよい。
前記負極タブの製造に用いられた材料は、ニッケル-クラッド(Ni-Clad)であってよい。
前記バイメタルは、前記バイメタルの上部を形成する上部バイメタル；及び前記バイメタルの下部を形成する下部バイメタル；を含み、前記下部バイメタルの熱膨張係数は、前記上部バイメタルの熱膨張係数より小さくてよい。
前記バイメタルは、形状記憶合金であってよい。
前記変形温度は、摂氏75度以上85度以下であってよい。
前記目的を達成するための本発明の他の側面によれば、二次電池内部の電極が短絡される短絡ステップ；前記二次電池のキャップアセンブリー及び前記電極に連結された電極タブに少なくとも一部が接触するバイメタルに、前記短絡ステップで発生した異常電流が流れることにより前記バイメタルの温度が上昇する温度上昇ステップ；及び、前記温度上昇ステップによって前記バイメタルが反ることにより、前記バイメタルの温度が変形温度以上になると、前記バイメタルが前記キャップアセンブリーから離隔され、前記キャップアセンブリーに流れる電流が遮断される遮断ステップ；を含む二次電池の電流遮断方法が提供される。
前記二次電池は、電極組立体；前記電極組立体を収容する缶部材；及び前記缶部材の上部に結合されるキャップアセンブリー；を含み、前記キャップアセンブリーは、最外側部に備えられるキャッププレート；及び、前記キャッププレートと前記電極組立体との間に備えられ、表面にノッチが形成される安全ベント；を含み、前記電極組立体から延長して形成される電極タブは正極タブ；及び負極タブを含み、前記温度上昇ステップで前記バイメタルは、前記安全ベント及び前記正極タブと接触しており、前記正極タブから流れ込む電流によって温度が上昇し、前記遮断ステップで前記バイメタルは前記安全ベントから離隔されて前記安全ベントに流れる電流が遮断され得る。
前記負極タブの電気抵抗は、ニッケル(Ni)の電気抵抗より小さくてよい。
前記負極タブの材料は、ニッケル-クラッド(Ni-Clad)であってよい。
前記バイメタルは、前記バイメタルの上部を形成する上部バイメタル；及び、前記バイメタルの下部を形成する下部バイメタル；を含み、前記下部バイメタルの熱膨張係数は、前記上部バイメタルの熱膨張係数より小さくてよい。
前記バイメタルは、形状記憶合金であってよい。
前記変形温度は、摂氏75度以上85度以下であってよい。
本発明によれば、目的は、二次電池内部の圧力が一定の圧力に到達する前でも、二次電池内部の温度が一定の温度に到達する場合、電流を遮断できるようにすることで非常時に電流遮断が効果的になされ得るようにすることにあり、よって、電池の爆発または発火を防止することができる。
従来の技術に係る二次電池の構造の一例を示した断面図である。 本発明の一実施形態に係る平常時の二次電池の構造を示した断面図である。 本発明の一実施形態に係る非常時の二次電池の構造を示した断面図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池に適用され得る電極組立体の構造を示した平面図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池の電流遮断方法を説明したフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る二次電池の構造に対して説明する。
二次電池
図2は、本発明の一実施形態に係る平常時の二次電池の構造を示した断面図であり、図3は、本発明の一実施形態に係る非常時の二次電池の構造を示した断面図である。
図2には、本発明の一実施形態に係る二次電池10が示されている。二次電池10は、多様な形状を有することができる。二次電池10は、例えば、円筒形状を有する円筒型二次電池であってよい。
二次電池10は、二次電池の電極組立体などの内部構成を収容するための缶部材110を含むことができる。缶部材110は、上部が開放された構造を有してよい。二次電池10が円筒形状を有し得ることと対応して、缶部材110もやはり円筒形状を有してよい。
缶部材110の上部には、キャッププレート120が備えられ得る。キャッププレート120は、缶部材110の上部を塞ぐための構成であってよく、缶部材110の上部を密封することにより、缶部材110の内部空間を外部から隔離させるための構成であってよく、二次電池の電極端子(本発明では特に正極端子)を形成する構成であってよい。
缶部材110の内部(または、二次電池10の内部)の密封性を向上させるために、缶部材110の内側面とキャッププレート120との間にはガスケット130が介在されてよい。
また、キャッププレート120の下部には、安全ベント140が備えられ得る。安全ベント140は、キャッププレート120と電極組立体(図4参照)との間に備えられ得る。安全ベント140は、一つ以上のノッチ140aが形成され得る。安全ベント140にノッチ140aが形成される場合、二次電池内部の圧力が上昇したとき、ノッチを境界として安全ベントが破断され、安全ベントの一部が安全ベントの他の部分から離隔されることにより、電流の流れを遮断することができる。一方、前記で説明したキャッププレート120、ガスケット130及び安全ベント140が集まって缶部材110の上部に結合され、缶部材110の上部を塞ぐキャップアセンブリーを構成することができる。
一方、本発明の一実施形態に係る二次電池10は、バイメタル150を含むことができる。
バイメタル(bimetal)は、異なる種類の金属を貼り付けて作製した一つの構成である。バイメタルは、接頭辞である「bi」の意味上、本来互いに異なる「二種類」の金属を貼り付けて作製されたものを意味するのであるが、本明細書で用いられたバイメタルは、二種類だけでなく、三種類以上の金属を貼り付けて作製したものも含むものとして解釈され得る。
図2に示すように、二次電池が正常に作動する平常時にバイメタル150は、安全ベント140と接触していてよい。また、図面に示されてはいないが、バイメタル150は電極組立体の正極タブとも接触していてよい。このとき、「接触する」との意味は、直接的に当接していることだけでなく、他の構成を介して間接的に当接していることを含むものとして解釈され得る。
このように、本発明の一実施形態に係るバイメタル150は、平常時には安全ベント140と接触しているが、二次電池の電極が短絡される場合に反ることにより、安全ベント140から離隔され得る。
より詳しくは、図3に示すように、二次電池の電極が短絡される非常時にバイメタル150は、下方向に反ることにより安全ベント140から離隔される。したがって、安全ベント140に電流が流れることを遮断することにより、二次電池の安定性が保障され得る。
このとき、バイメタル150が反ることは、バイメタルの温度が上昇するためである。すなわち、本発明の一実施形態によれば、互いに異なる熱膨張係数を有する金属を貼り付けたバイメタルを二次電池に適用することにより、温度に応じてバイメタルの形状が変わるようになり、この際、バイメタル150が一定の温度以上に到達すると、バイメタル150が安全ベント140から離隔され得る。以下、本明細書及び特許請求の範囲では、バイメタル150が安全ベント140またはキャップアセンブリーから離隔し始める温度を「変形温度」と称する。
本発明によれば、バイメタル150の変形温度は、摂氏80度付近であり得る。すなわち、本発明の一実施形態によれば、平常時にはバイメタル150が安全ベント140と接触しているが、バイメタル150が略摂氏80度以上になる場合、バイメタル150が安全ベントから離隔され、安全ベント140での電流の流れを遮断することができる。例えば、本発明の一実施形態によれば、バイメタル150の変形温度は、摂氏75度以上85度以下であってよい。
一方、バイメタル150は、二種類以上の金属を貼り付けて製造した構成であるので、バイメタル150の上部を構成する上部バイメタル152、及び上部バイメタル152の下部に備えられる下部バイメタル154を含むことができる。上部バイメタル152は、平常時に安全ベント140と接触することができる。
一方、本発明の一実施形態に係るバイメタルは、変形温度以上で安全ベントから離隔されなければならないので、変形温度以上で下方に反る必要がある。このために、下部バイメタル154の熱膨張係数は、上部バイメタル152の熱膨張係数より小さくてよい。また、バイメタル150は、形状記憶合金を含むことができる。
バイメタル150に形状記憶合金が適用される場合、バイメタル150の温度に応じてバイメタル150の形状が一定であるため、変形温度でバイメタル150が安全ベント140と接触するか、安全ベント140から離隔されることを保障することができるので、短絡の発生時に二次電池の安定性がより増大される。
図4は、本発明の一実施形態に係る二次電池に適用され得る電極組立体の構造を示した平面図である。
電極組立体160は、電極及び分離膜が交互に積層して製造された構成であって、多様な製造方法により製造されてよく、多様な形状を有してよい。
図4に示すように、電極組立体160の端部には、電極組立体160から延長して形成される正極タブ162及び負極タブ164が形成され得る。このとき、正極タブ162はバイメタルと接触できることは前述した通りである。
負極タブ164は多様な材料を用いて製造され得るが、本発明の一実施形態によれば、負極タブ164の製造に用いられた材料の電気抵抗は、ニッケル(Ni)の電気抵抗より小さくてよい。また、負極タブ164の製造に用いられた材料は、ニッケル-クラッド(Ni-Clad)であってよい。
本発明の一実施形態によれば、電極が短絡される非常時、バイメタルと接触していた正極タブの温度が上がることにより、バイメタルの温度も上がることとなる。このとき、非常時にバイメタルが安全ベントからより速やかに離隔され得るようにするためには、正極タブの温度が速やかに上がる必要がある。このとき、同様に電極の短絡が発生するとしても、負極タブの抵抗が相対的に大きい場合、電流の強さが小さくなるので、正極タブの温度が相対的に徐々に上がることとなり、これによってバイメタルの温度も相対的に徐々に上がることとなる。結果として、負極タブの抵抗が相対的に大きい場合、バイメタルの温度が相対的に徐々に上がることになるので、短絡の発生時に迅速な電流遮断がなされなくなる。
したがって、本発明の一実施形態によれば、負極タブ164の製造に用いられた材料の電気抵抗は、従来に負極タブの製造に通常用いられるニッケル(Ni)の電気抵抗より小さくてよい。
特に、負極タブ164の製造に用いられた材料は、例えば、銅などの金属の表面にニッケルを付着することにより形成されるニッケル-クラッド(Ni-Clad)であってよい。ニッケル-クラッドは、ニッケルに比べて電気抵抗が小さいので、負極タブの材料としてニッケル-クラッドを用いる場合、電極の短絡時に電流の強さがさらに大きくなるので、正極タブの温度が非常に速やかに上昇することとなる。それによって、正極タブと接触しているバイメタルの温度も速やかで急激に上昇することになるので、電極の短絡時にも事故の発生前に電流を効果的に遮断できるようになる。一方、正極タブ162は、アルミニウムで製造されてよい。
以下、本発明の一実施形態に係る二次電池の電流遮断方法を説明する。
二次電池の電流遮断方法
図5は、本発明の一実施形態に係る二次電池の電流遮断方法を説明したフローチャートである。
図5に示すように、本発明の一実施形態に係る二次電池の電流遮断方法は、二次電池内部の電極が短絡される短絡ステップを含むことができる。短絡ステップが行われると、二次電池の安全ベント及び電極に連結された電極タブ(より詳しくは、正極タブ)に少なくとも一部が接触するバイメタルに、短絡ステップで発生した異常電流が流れることにより、バイメタルの温度が上昇する温度上昇ステップが行われ得る。温度上昇ステップが行われると、前記温度上昇ステップによってバイメタルが反ることにより、バイメタルが安全ベントから離隔され、安全ベントに流れる電流が遮断される遮断ステップが行われ得る。バイメタルが安全ベントから離隔される際のバイメタルの温度を本明細書では「変形温度」と定義したことは、前述した通りである。
以上で、本発明はたとえ限定された実施例と図面によって説明されたとしても、本発明はこれによって限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者によって、本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な実施が可能であることはもちろんである。

Claims (12)

  1. 電極組立体；
    前記電極組立体から延長して形成される電極タブ；
    前記電極組立体を収容して上部が開放されている缶部材；
    前記缶部材の上部に結合され、前記缶部材の上部を塞ぐキャップアセンブリー；及び、
    変形温度以下で前記電極タブ及び前記キャップアセンブリーと接触するバイメタル；を含み、
    前記キャップアセンブリーは、
    最外側部に備えられるキャッププレート；及び、前記キャッププレートと前記電極組立体との間に位置し、表面にノッチが形成される安全ベント；を含み、
    前記電極タブは、正極タブ；及び負極タブ；を含み、
    前記バイメタルは、前記変形温度以上で前記キャップアセンブリーから離隔され、
    前記バイメタルは、
    前記安全ベントと前記電極組立体との間に備えられ、前記変形温度以下で前記バイメタルの両端部のうち一端部は前記安全ベントと接触し、前記変形温度以上で前記バイメタルの前記一端部は前記安全ベントと離隔される二次電池。
  2. 前記負極タブの製造に用いられた材料の電気抵抗は、ニッケル(Ni)の電気抵抗より小さい請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記負極タブの製造に用いられた材料は、ニッケル-クラッド(Ni-Clad)である請求項２に記載の二次電池。
  4. 前記バイメタルは、
    前記バイメタルの上部を形成する上部バイメタル；及び
    前記バイメタルの下部を形成する下部バイメタル；を含み、
    前記下部バイメタルの熱膨張係数は、前記上部バイメタルの熱膨張係数より小さい請求項1に記載の二次電池。
  5. 前記バイメタルは、形状記憶合金である請求項1に記載の二次電池。
  6. 前記変形温度は、摂氏75度以上85度以下である請求項1に記載の二次電池。
  7. 二次電池内部の電極が短絡される短絡ステップ；
    前記二次電池のキャップアセンブリー及び前記電極に連結された電極タブに少なくとも一部が接触するバイメタルに、前記短絡ステップで発生した異常電流が流れることにより前記バイメタルの温度が上昇する温度上昇ステップ；及び
    前記温度上昇ステップによって前記バイメタルが反ることにより、前記バイメタルの温度が変形温度以上になると、前記バイメタルが前記キャップアセンブリーから離隔され、前記キャップアセンブリーに流れる電流が遮断される遮断ステップ；を含み、
    前記二次電池は、
    電極組立体；
    前記電極組立体を収容する缶部材；及び
    前記缶部材の上部に結合されるキャップアセンブリー；を含み、
    前記キャップアセンブリーは、
    最外側部に備えられるキャッププレート；及び
    前記キャッププレートと前記電極組立体との間に備えられ、表面にノッチが形成される安全ベント；を含み、
    前記電極組立体から延長して形成される電極タブは、正極タブ；及び負極タブを含み、
    前記温度上昇ステップで前記バイメタルの両端部のうち一端部は、前記安全ベントと接触しており、前記正極タブから流れ込む電流によって前記バイメタルの温度が上昇し、
    前記遮断ステップで前記バイメタルの前記一端部は、前記安全ベントから離隔され、前記安全ベントに流れる電流が遮断される二次電池の電流遮断方法。
  8. 前記負極タブの電気抵抗は、ニッケル(Ni)の電気抵抗より小さい請求項７に記載の二次電池の電流遮断方法。
  9. 前記負極タブの材料は、ニッケル-クラッド(Ni-Clad)である請求項８に記載の二次電池の電流遮断方法。
  10. 前記バイメタルは、
    前記バイメタルの上部を形成する上部バイメタル；及び
    前記バイメタルの下部を形成する下部バイメタル；を含み、
    前記下部バイメタルの熱膨張係数は、前記上部バイメタルの熱膨張係数より小さい請求項７に記載の二次電池の電流遮断方法。
  11. 前記バイメタルは、形状記憶合金である請求項７に記載の二次電池の電流遮断方法。
  12. 前記変形温度は、摂氏75度以上85度以下である請求項７に記載の二次電池の電流遮断方法。
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