(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャップアセンブリーであって、
バッテリーの円筒形容器の開口上側末端上に搭載されてなり、電極アセンブリーが前記円筒形容器の中に取り付けられてなるものであり、
前記キャップアセンブリーが、
前記バッテリー中で発生した高圧ガスにより破裂するように形成された予め決められたノッチを有する安全ベントと、
前記バッテリーの内側圧力が増加した時に電流を遮断するための、前記安全ベントの底部に溶接により連結された電流遮断装置と、及び
前記電流遮断装置の外周を取り囲むための電流遮断装置ガスケットとを備えてなるものであり、
前記電流遮断装置が、ガスを排出するための2個以上の通し孔を備えてなり、
前記通し孔が、前記通し孔の面積の合計が前記電流遮断装置の総面積の20％〜50％に等しくなるように形成されてなり、
前記安全ベントが、前記安全ベントの中心に、下方に窪むように形成された窪み部を備えてなり、
前記安全ベントが、前記安全ベントの、前記窪み部を形成する上側屈曲部及び下側屈曲部に第一ノッチ及び第二ノッチをそれぞれ備えてなり、
前記安全ベントの前記上側屈曲部に形成された前記第一ノッチが、片側が開口し、開口曲線に形成されてなり、
前記第一ノッチが第二ノッチよりも前に破裂する(切断される)ように、前記第一ノッチが前記第二ノッチよりも大きな深さを有するものである、キャップアセンブリー。
【請求項２】
前記電流遮断装置が、
前記電流遮断装置の中央に、上向きに突き出るように形成された突出部を備えてなり、  前記突出部が、前記安全ベントの窪み部の底部に溶接により固定され、
ゼリーロールのカソードに接続されたカソードリード線が、前記突出部を除く前記窪み部の底部を介して前記電流遮断装置に電気的に接続され、
前記突出部の同心円上に3〜5個の通しスリットが形成され、
前記突出部の同心円上に前記通しスリットを相互接続するためのブリッジが形成され、  前記ブリッジのそれぞれがノッチを有する、構造に構築されてなる、請求項１に記載のキャップアセンブリー。
【請求項３】
前記通し孔が、前記通し孔が前記電流遮断装置の中心の周りで、半径方向で対称的になるように円弧状に形成されてなる、請求項１に記載のキャップアセンブリー。
【請求項４】
前記第二ノッチが、対向する末端が開口し、開口した曲線に形成される、請求項１に記載のキャップアセンブリー。
【請求項５】
前記キャップアセンブリーが、前記電流遮断装置、前記電流遮断装置ガスケット、前記安全ベント、正温度係数(PTC)素子、及び少なくとも一個の排気口を有するトップキャップを積み重ねた構造に構築されてなり、
前記積重構造の外周にガスケットがさらに取り付けられてなる、請求項１に記載のキャップアセンブリー。
【請求項６】
前記電流遮断装置ガスケットが、前記電流遮断装置ガスケットの中央に開口部を備え、前記中央開口部が、前記電流遮断装置の前記通し孔を覆わない形状に形成されてなる、請求項１に記載のキャップアセンブリー。
【請求項７】
前記電流遮断装置の前記通し孔、前記電流遮断装置ガスケットの前記開口部、及び前記安全ベントのノッチが互いに直線的に整列し、前記電流遮断装置の前記通し孔、前記電流遮断装置ガスケットの前記開口部、及び前記安全ベントの前記ノッチが互いに連絡する、請求項６に記載のキャップアセンブリー。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載のキャップアセンブリー及びカソード/セパレータ/アノード構造のゼリーロール型電極アセンブリーを備えてなる、円筒形バッテリー。
【請求項９】
前記電極アセンブリーの上側末端上に搭載されたディスク形状絶縁部材をさらに備えてなり、
前記ディスク形状絶縁部材が、前記ディスク形状絶縁部材の中央に、ガス排出及び電極端子接続用の開口部を備えてなり、
前記ディスク形状絶縁部材が前記開口部の周囲に、少なくとも一個の通し孔を備えてなり、
前記少なくとも一個の通し孔が、前記ディスク形状絶縁部材の面積の20％〜50％に等しいサイズを有する、請求項８に記載の円筒形バッテリー。
【請求項１０】
前記ディスク形状絶縁部材の前記少なくとも一個の通し孔が、前記電流遮断装置ガスケットの前記開口部及び前記電流遮断装置の前記通し孔と、直線的に整列し、前記ディスク形状絶縁部材の前記少なくとも一個通し孔が前記電流遮断装置ガスケットの前記開口部及び前記電流遮断装置の前記通し孔と連絡してなる、請求項９に記載の円筒形バッテリー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安全性を改良したキャップアセンブリー及びそれを包含する円筒形二次バッテリーに関し、より詳しくは、バッテリーの、電極アセンブリーが中に取り付けられている円筒形容器の開いた上側末端上に搭載されたキャップアセンブリー、該キャップアセンブリーは、該バッテリー中で発生した高圧ガスにより破裂するように形成された予め決められたノッチを有する安全ベント(safety vent)と、バッテリーの内側圧力が増加した時に電流を遮断するための、該安全ベントの底部に溶接により連結された電流遮断装置と、及び電流遮断装置の外周を取り囲むための電流遮断装置ガスケットとを包含する、であって、該電流遮断装置が、ガスを排出するための2個以上の通し孔を包含し、該通し孔が、該通し孔の面積の合計が該電流遮断装置の総面積の20％〜50％に等しくなるように形成されている、キャップアセンブリーに関する。
【背景技術】
【０００２】
可動装置が益々多く開発され、そのような可動装置の需要が増加するにつれて、可動装置用のエネルギー源として二次バッテリーの需要も急速に増加している。特に、そのような二次バッテリーの中で、高エネルギー密度及び高放電電圧を有するリチウム二次バッテリーに対して多くの研究が行われており、このバッテリーが現在商業化され、広く使用されている。
【０００３】
バッテリーケースの形状に応じて、二次バッテリーは、円筒形金属容器中に電極アセンブリーを取り付けた円筒形バッテリー、プリズム形金属容器中に電極アセンブリーを取り付けたプリズム形バッテリー、またはアルミニウムラミネートシートから形成された小袋形ケース中に電極アセンブリーを取り付けた小袋形バッテリーに分類することができる。円筒形バッテリーには、円筒形バッテリーが比較的大きな容量を有し、構造的に安定しているという利点がある。
【０００４】
バッテリーケース中に取り付けた電極アセンブリーは、カソード/セパレータ/アノードの積重構造を有する充電及び放電可能な発電素子である。電極アセンブリーは、活性材料を塗布した長シート型カソード及び長シート型アノードを、カソードとアノードとの間にセパレータを配置した状態で巻き上げる構造に形成されたゼリーロール型電極アセンブリー、または複数の、予め決められたサイズを有するカソード及びアノードを、カソードとアノードとの間にセパレータをそれぞれ配置した状態で連続的に積み重ねる構造に形成された積重型電極アセンブリーに分類することができる。ゼリー-ロール型電極アセンブリーには、製造が簡単であり、重量あたりのエネルギー密度が高いという利点がある。
【０００５】
図1は、一般的な円筒形二次バッテリーを例示する垂直断面透視図である。
【０００６】
図1に関して、円筒形二次バッテリー10は、ゼリー-ロール型(巻き上げ型)電極アセンブリー120を円筒形ケース130の中に挿入し、電解質を円筒形ケース130の中に注入し、電極端子(図には示していない)、例えばカソード端子、を有するトップキャップ140を、円筒形ケース130の開いた上側末端に連結することにより、製造される。
【０００７】
電極アセンブリー120は、カソード121及びアノード122を、カソード121とアノード122の間にセパレータ123を挿入した状態で円形に巻き上げた構造に形成されている。巻き上げ構造の中心(ゼリーロールの中心)には、円筒形中心ピン150が配置されている。中心ピン150は、予め決められた強度を発揮するために金属材料から製造される。中心ピン150は、金属シートを巻き付けて中空の円筒形構造に形成される。中心ピン150は、電極アセンブリーを固定し、支持するのに役立つ。さらに、中心ピン150は、二次バッテリーの充電、放電及び作動時に二次バッテリーの内部反応により発生するガスを排出するための通路としても役立つ。
【０００８】
一方、リチウム二次バッテリーには、リチウム二次バッテリーの安全性が低いという欠点がある。例えば、二次バッテリーを約4.5Ｖ以上に過充電すると、カソード活性材料が分解し、リチウム金属の樹枝状晶成長がアノードで起こり、アノード活性材料が分解する。この時、二次バッテリーから熱が発生し、その結果、上記の分解及び幾つかの小分解が急速に進行し、最終的に、二次バッテリーが発火及び爆発することがある。
【０００９】
従って、上記の問題を解決するために、一般的な円筒形二次バッテリーは、電極アセンブリーとトップキャップとの間に取り付けた、二次バッテリーの異常作動時に電流を遮断し、内部圧力を解除するための電流遮断装置(CID)及び安全ベントを包含する。
【００１０】
以下、上記の構成部品を、図2〜4を参照しながら説明する。
【００１１】
これらの図に関して、トップキャップ10は突き出し、カソード端子を形成する。トップキャップ10は排気口を有する。トップキャップ10の下には、バッテリーの内部温度が増加した時にバッテリー抵抗を大きく増加させることにより、電流を遮断するための正温度係数(PTC)素子20、正常状態では下方に押し下げられた形状を有し、バッテリーの内部圧力が増加した時に突き出し、破裂してガスを排出するように形成された安全ベント30、及び上側末端の片側で安全ベント30に連結され、下側末端の片側で電極アセンブリー40のカソードに接続された接続プレート50が順に配置されている。
【００１２】
従って、正常作動状態では、電極アセンブリー40のカソードは、リード線42、接続プレート50、安全ベント30、及びPTC素子20を介してトップキャップ10に接続され、電気伝導を達成する。
【００１３】
しかし、様々な原因、例えば過充電、により、電極アセンブリー40からガスが発生し、その結果、バッテリーの内部圧力が増加すると、図3に示すように、安全ベント30の形状が反転する。すなわち、安全ベント30が上向きに突き出る。この時、安全ベント30は、接続プレート50から分離し、電流を遮断する。その結果、過充電のさらなる進行が阻止され、安全性が達成される。しかし、バッテリーの内部圧力が増加し続けると、図4に示すように、安全ベント30は破裂し、その結果、加圧されたガスがトップキャップ10の排気口から排出され、それによって、バッテリーの爆発が防止される。
【００１４】
しかし、この作動過程は、電極アセンブリーから発生するガスの量またはバッテリーから排出されるガスの量に絶対的に依存している。発生するガスの量または排出されるガスの量が十分ではないか、または短時間内に予め決められたレベルに達しない場合、電極アセンブリーの連続的電気伝導により、後で短絡が起こり、熱的暴走現象が起こる場合がある。熱的暴走現象は、バッテリーが連続的電気伝導にある時に起こり、またはさらに促進され、その結果、バッテリーが発火または爆発する可能性が大きく増加する。従って、バッテリーの安全性が極度に脅かされる。さらに、近年では、ラップトップコンピュータの発火事故が連続的に起きており、従って、バッテリーの安全性の重要性がさらに協調されている。
【００１５】
従って、様々な原因、例えば過充電、により、バッテリー内にガスが発生し、その結果、バッテリーの内部圧力が増加した時に、ガスをバッテリーの外に急速に排出できるキャップアセンブリーを開発することが強く求められている。
【技術的問題】
【００１６】
従って、本発明は、上記の問題及び他の未解決の技術的問題を解決するためになされたものである。
【００１７】
具体的には、本発明の目的は、加圧されたガスをバッテリーの外に急速に排出することができる、安全性が改良されたキャップアセンブリーを提供することである。
【００１８】
本発明の別の目的は、安全性が改良されたキャップアセンブリーを使用することにより達成される、安全性が改良されたリチウム二次バッテリーを提供することである。
【技術解決策】
【００１９】
本発明の一態様により、上記の、及び他の目的は、バッテリーの、電極アセンブリーが中に取り付けられている円筒形容器の開いた上側末端上に搭載されたキャップアセンブリー、該キャップアセンブリーは、該バッテリー中で発生した高圧ガスにより破裂するように形成された予め決められたノッチ（notch:切欠、（V型）切り込み）を有する安全ベント（vent：通気（口）、排気（口））手段と、バッテリーの内側圧力が増加した時に電流を遮断するための、該安全ベントの底部に溶接により連結された電流遮断装置と、及び電流遮断装置の外周を取り囲むための電流遮断装置ガスケットとを包含する、であって、該電流遮断装置が、ガスを排出するための2個以上の通し孔を包含し、該通し孔が、該通し孔の面積の合計が該電流遮断装置の総面積の20％〜50％に等しくなるように形成されている、キャップアセンブリーを提供することにより、達成される。
【００２０】
電流遮断装置は、バッテリーの内部圧力が増加した時に、破裂して電流を遮断するように形成することができる。電流遮断装置は、電流遮断装置が、その中央に、上向きに突き出るように形成された突出部を備えており、該突出部は、安全ベントの窪み部の底部に溶接により固定され、ゼリーロールのカソードに接続されたカソードリード線が、該突出部を除く窪み部の底部を介して電流遮断装置に電気的に接続される。
【００２１】
上記のように電流遮断装置が安全ベントに連結されているので、安全ベントの形状が反転した時に電流遮断装置とカソードとの間の接続が壊れ、それによって、電流が遮断される。具体的な例では、突出部が、その外周にノッチを備えることができる。安全ベントの形状が反転すると、このノッチが壊れ、その結果、突出部が安全ベントに連結された状態で、電流遮断装置とカソードとの間の分離が容易に達成される。
【００２２】
また、電流遮断装置は、2個以上の通し孔を備えることができ、それらの通し孔を通してガスが上向きに流れる。バッテリー中のガスは、通し孔を通して上昇し、安全ベントの形状を反転させる。
【００２３】
しかし、本発明者らは、電流遮断装置に形成された通し孔の面積の合計が、電流遮断装置の総面積の20％未満である場合、バッテリー中で発生した高圧により、バッテリーがより容易に発火または爆発することを実験的に見出した。これは、通し孔を通過するガスの量が小さく、従って、電流遮断が効果的に達成されないか、またはガスの上向き流動が妨害されるか、または変化し、従って、電流遮断に必要な時間が増加するためであろう。他方、通し孔のサイズが過度に大きい場合、予め決められた強度を確保することが困難になり、電流遮断装置を製造する際に部品が捻れることがあり、これは好ましくない。
【００２４】
本発明のキャップアセンブリーでは、電流遮断装置が2個以上のガス排出用通し孔を包含し、通し孔は、通し孔の面積の合計が電流遮断装置の総面積の20％〜50％、より好ましくは30％〜40％に等しい。その結果、上向きに流れるガスの量(排出されるガスの量)を増加させ、ガスの急速な上向きの流れ(排出)を達成することができる。
【００２５】
従って、様々な原因、例えば過充電、により、バッテリー内にガスが発生し、その結果、バッテリーの内部圧力が増加した時に、電流遮断及び安全ベントの破裂により、ガスがバッテリーの外に急速に排出され、それによって、バッテリーの安全性が確保される。
【００２６】
通し孔は、通し孔が電流遮断装置の中心の周りで半径方向で対称的になるように、円弧状に形成することができる。上記のように通し孔が半径方向で対称的である場合、一方向における過度のガス排出が防止され、電流遮断装置の強度が確保される。
【００２７】
通し孔の数には、特に制限は無い。好ましくは、通し孔の数は2〜4である。
【００２８】
好ましい例では、通し孔のそれぞれが、電流遮断装置の中心の周りに50〜80度の角度に対応する円弧形状を有するように、3個の通し孔を一定間隔で配置することができる。
【００２９】
一方、突出部は、突出部の同心円上に3〜5個の通しスリットが形成される構造に形成することができ、突出部の同心円上に通しスリットを相互接続するためのブリッジを形成し、ブリッジのそれぞれがノッチを有する。この場合、通しスリットは、通しスリットが通し孔に対応するように一定間隔で配置することができ、好ましくは通しスリットのそれぞれが、電流遮断装置の中心の周りに40〜55度の角度に相当する円弧形状を有する。
【００３０】
安全ベントは、バッテリーの内部圧力が増加した時にガスをバッテリーの外に排出し、バッテリーの安全性を確保するための装置である。例えば、バッテリー内にガスが発生する結果、バッテリーの内部圧力が臨界値に達した時に、安全ベントが破裂し、ガスが安全ベントの破裂部を通過し、次いでトップキャップに形成された一個以上の排気口を通り、バッテリーの外に排出される。
【００３１】
安全ベントは、その中心に、下方に窪むように形成された窪み部を備えている。この構造では、バッテリーの内部圧力が増加した時に、安全ベントの窪み部が反転する、すなわち、安全ベントの中心で下方に窪んだ形状が、安全ベントの中心で上向きに突き出た形状に反転し、その結果、安全ベントが電流遮断装置から分離し、それによって、電気的接続が遮断される。
【００３２】
安全ベントの操作は、下記の通りである。バッテリー内で発生したガスが電流遮断装置の通し孔を通過し、安全ベントに上向きの圧力を作用させる。上向きの圧力が予め決められた圧力(以下、「第一臨界圧」と呼ぶ)に達すると、安全ベントの下向き窪み部の形状が反転し、その結果、窪み部に固定された突出部が電流遮断装置から離れ、電流遮断装置から安全ベントへの電気的伝導が遮断される。
【００３３】
窪み部は、上側屈曲部及び下側屈曲部を含むことができる。上側屈曲部には、第一ノッチを形成することができる。関連する技術では、下側屈曲部だけを切り取る構造が提案されている。しかし、下側屈曲部の面積は小さいので、下側屈曲部は、効果的なガス排出には適していない。他方、本発明により、破裂するように形成されたノッチを上側屈曲部に形成するので、切り取り面積が比較的大きくなり、従って、大量のガスを急速に排出することができる。
【００３４】
安全ベントにより達成される電流遮断にも関わらず、バッテリーの内部圧力が連続的に増加し、その結果、バッテリーの内部圧力が別の予め決められた圧力(以下、「第二臨界圧」と呼ぶ)に達すると、第一ノッチが切断される。従って、バッテリー中の加圧されたガスがトップキャップの排気口を通してバッテリーの外に排出される。
【００３５】
一方、第一ノッチは、開口した曲線(open curve)に形成し、その片側があいており、上側屈曲部全体が安全ベントの残りの部分から分離するのを阻止することができる。すなわち、片側が開口した区域は、安全ベントの窪み部と残りの部分との間のブリッジとして機能する。
【００３６】
第一ノッチのサイズには、特に制限は無い。好ましくは、第一ノッチは、電流遮断装置から上向きに流れるガスが第一ノッチに直接圧力を作用するように、電流遮断装置中に形成された通し孔の中心を結ぶことにより形成される仮想円のサイズに対応するサイズを有する。
【００３７】
また、前に説明したように、第一ノッチの開口した区域は、第一ノッチが切り取られる時に、窪み部が完全に切り取られるのを阻止するサイズを有することができる。第一ノッチの開口した区域は、安全ベントの中心の周りに、好ましくは20〜50度、より好ましくは25〜40度の角度に対応する円弧長を有することができる。
【００３８】
好ましい例では、第二ノッチを安全ベントの下側屈曲部に形成することができる。好ましくは、第二ノッチは、バッテリーの内部圧力が増加した時に上側屈曲部だけが切り取られるように、対向する末端が開口している、開口した曲線の形状に形成する。対向する末端が開口している構造では、バッテリーの内部圧力が増加した時に、下側屈曲部の切断が抑制され、上側屈曲部の切断による開放が達成される。
【００３９】
好ましくは、第二ノッチの開口した対向側部は、第一ノッチの開口した区域と整列していない。より好ましい例では、第二ノッチの開口した対向側部は、第一ノッチの開口した区域に対してほぼ直角に位置することができる。
【００４０】
好ましい例では、第一ノッチは、第一ノッチが第二ノッチよりも前に破裂する(切断される)ように、第二ノッチよりも大きな深さを有することができる。
【００４１】
安全ベント用の材料には、特に制限は無い。好ましくは、安全ベントは、バッテリーの内部圧力が臨界値に達した時に安全ベントが破裂する(切断される)ように、厚さ0.15〜0.4mmのアルミニウムシートから形成する。
【００４２】
電流遮断装置ガスケットは、電流遮断装置の外周を取り囲むように形成する。好ましい例では、電流遮断装置ガスケットは、その中央に形成された開口部を有することができる。ガスの上向きの流れが効率的に達成されるように、加圧されたガスの流路を直線的に形成するのが好ましいので、電流遮断装置ガスケットの中央開口部は、電流遮断装置の通し孔を覆わない形状に形成するとよい。
【００４３】
関連する技術では、ガスケットを、電流遮断装置の通し孔を部分的に覆う形状に形成する。従って、通し孔を通過した高圧ガスが、ガスケットにより攪乱されるので、排出されるガスの量が減少し、ガスの流路が変化し、それによって、安全ベントの適切な操作を達成するのが困難になる。反対に、前に説明したようにガスケットが通し孔を覆わない構造では、通し孔を通過した高圧ガス全体が安全ベントに直接到達し、それによって、バッテリーの安全性をさらに確保する。
【００４４】
好ましい例では、電流遮断装置の通し孔、電流遮断装置ガスケットの開口部、及び安全ベントのノッチは、互いに直線的に整列している。
【００４５】
バッテリー中で発生した高圧ガスが、電流遮断装置の通し孔及び電流遮断装置ガスケットの開口部を通って安全ベントのノッチに達するまで、ガス流路は、直線に維持されるので、高圧ガスは、上向きに強く、急速に流れる。従って、安全ベントが即座に作動し、それによって、バッテリーの安全性を確保する。
【００４６】
状況に応じて、本発明のキャップアセンブリーは、バッテリーの内部温度が増加した時に、バッテリー抵抗が大きく増加することにより電流を遮断するための正温度係数(PTC)素子をさらに包含することができる。
【００４７】
キャップアセンブリーは、電流遮断装置、電流遮断装置ガスケット、安全ベント、PTC素子、及び一個以上の排気口を有するトップキャップを積み重ねた構造に形成することができる。また、積み重ねた構造の外周にガスケットをさらに取り付けることができる。PTC素子は、トップキャップと安全ベントとの間に緊密に接触した状態で配置することができる。
【００４８】
本発明の別の態様により、上記の構造を有するキャップアセンブリー及びカソード/セパレータ/アノード構造の電極アセンブリー(ゼリーロール)を包含する円筒形バッテリーを提供する。円筒形バッテリーは、ゼリーロールを円筒形容器の中に挿入し、電解質を円筒形容器の中に注入し、電極端子を有するトップキャップ140を円筒形容器の開いた上側末端に連結することにより、製造される。
【００４９】
好ましい例では、円筒形バッテリーは、ゼリーロールの上側末端上に搭載されたディスク形状の絶縁部材をさらに包含することができる。ディスク形状絶縁部材は、その中央に、ガス排出及び電極端子接続用の開口部を備えることができる。また、ディスク形状絶縁部材は、開口部の周りに少なくとも一個の通し孔を備えることができる。
【００５０】
この場合、ディスク形状絶縁部材の少なくとも一個の通し孔は、電流遮断装置ガスケットの開口部及び電流遮断装置の通し孔と直線的に整列するのに十分なサイズを有し、ディスク形状絶縁部材の少なくとも一個の通し孔が、電流遮断装置ガスケットの開口部及び電流遮断装置の通し孔と連絡するのが好ましい。例えば、少なくとも一個の通し孔は、ディスク形状絶縁部材の面積の20％〜50％に等しいサイズを有することができる。
【００５１】
絶縁部材用の材料には、絶縁部材が絶縁材料から形成される限り、特に制限は無い。例えば、絶縁部材は、ポリプロピレン樹脂から形成することができる。ポリプロピレン樹脂は高い機械的強度と厚さの比を示し、従って、ポリプロピレン樹脂は、強い外部衝撃がバッテリーに作用した時にゼリーロールの移動及び短絡を阻止するので、高強度ポリプロピレン樹脂を使用するのが特に好ましい。
【００５２】
ゼリーロールは、カソード及びアノードが、カソードとアノードとの間にセパレータが配置された状態で、円形に巻き上げられる構造に形成される。巻き上げ構造の中心(ゼリーロールの中心)には、円筒形中心ピンが配置される。中心ピンは、予め決められた強度を示すために、一般的に金属材料から製造される。中心ピンは、金属シートを巻き付けることにより、中空の円筒形構造に形成される。中心ピンは、電極アセンブリーを固定し、支持するのに役立つ。さらに、中心ピンは、バッテリーの充電、放電及び作動時にバッテリーの内部反応により発生するガスを排出するための通路としても役立つ。
【００５３】
円筒形容器用の材料には、特に制限は無い。好ましくは、円筒形容器は、ステンレス鋼、鋼、アルミニウム、または同等の材料から形成する。
【００５４】
本発明の円筒形バッテリーは、高いエネルギー密度、高い放電電圧、及び高い出力安定性を有するリチウム二次バッテリーでよい。リチウム二次バッテリーは、一般的にカソード、アノード、セパレータ、及びリチウム塩を含む非水性電解質を包含する。
【００５５】
カソードは、例えばカソード活性材料、導電性材料、及び結合剤の混合物をカソード集電装置に塗布し、塗布された混合物を乾燥させることにより、製造することができる。必要に応じて、充填材をさらに添加することができる。アノードは、アノード材料をアノード集電装置に塗布し、塗布されたアノード材料を乾燥させることにより、製造することができる。必要に応じて、上記の成分をさらに添加することができる。
【００５６】
セパレータは、アノードとカソードとの間に配置される。セパレータは、高いイオン透過性及び高い機械的強度を示す絶縁性の薄いフィルムから製造される。
【００５７】
リチウム塩を含む非水性電解質は、非水性電解質及びリチウム塩からなる。非水性電解質は、液体非水性電解質、固体非水性電解質、及び無機固体非水性電解質を包含することができる。
【００５８】
集電装置、電極活性材料、導電性材料、結合剤、充填材、セパレータ、電解質、及びリチウム塩は、本発明が関与するこの分野で良く知られているので、ここでは詳細に説明しない。
【００５９】
本発明のリチウム二次バッテリーは、本発明が関与するこの分野で良く知られている一般的な方法により製造することができる。すなわち、リチウム二次バッテリーは、カソードとアノードとの間に多孔質セパレータを配置し、その中に電解質を注入することにより、製造することができる。
【００６０】
例えば、前に説明したように、カソードは、カソード活性材料としてリチウム遷移金属酸化物活性材料、導電性材料、及び結合剤を包含するスラリーを集電装置に塗布し、スラリーを乾燥させ、プレス加工することにより、製造することができる。同様にして、前に説明したように、アノードは、アノード活性材料として炭素活性材料、導電性材料、及び結合剤を包含するスラリーを集電装置に塗布し、スラリーを乾燥させることにより、製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
本発明の上記の、及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら記載する下記の詳細な説明により、より深く理解される。
【図１】図1は、一般的な円筒形二次バッテリーを例示する垂直断面透視図である。
【図２】図2は、従来の円筒形二次バッテリーにおける安全素子の操作により、電流を遮断し、高圧ガスを排出するための一連の工程を例示する垂直断面図である。
【図３】図3は、従来の円筒形二次バッテリーにおける安全素子の操作により、電流を遮断し、高圧ガスを排出するための一連の工程を例示する垂直断面図である。
【図４】図4は、従来の円筒形二次バッテリーにおける安全素子の操作により、電流を遮断し、高圧ガスを排出するための一連の工程を例示する垂直断面図である。
【図５】図5は、本発明の一実施態様による円筒形二次バッテリーを例示する典型的な断面図である。
【図６】図6は、図5の二次バッテリーに使用する安全ベントをそれぞれ例示する透視図及び平面図である。
【図７】図7は、図5の二次バッテリーに使用する安全ベントをそれぞれ例示する透視図及び平面図である。
【図８】図8は、図5の二次バッテリーに使用する電流遮断装置をそれぞれ例示する透視図及び平面図である。
【図９】図9は、図5の二次バッテリーに使用する電流遮断装置をそれぞれ例示する透視図及び平面図である。
【図１０】図10は、図5の二次バッテリーに使用する電流遮断装置用のガスケットをそれぞれ例示する透視図及び平面図である。
【図１１】図11は、図5の二次バッテリーに使用する電流遮断装置用のガスケットをそれぞれ例示する透視図及び平面図である。
【図１２】図12は、図5の二次バッテリーに使用するディスク形状絶縁部材をそれぞれ例示する透視図及び平面図である。
【図１３】図13は、図5の二次バッテリーに使用するディスク形状絶縁部材をそれぞれ例示する透視図及び平面図である。
【図１４】図14は、本発明の一実施態様によるディスク形状絶縁部材、電流遮断装置ガスケット、及び電流遮断装置を積み重ねるための工程を例示する典型的な図である。
【図１５】図15は、図5の二次バッテリーにおける安全素子の操作により電流を遮断し、高圧ガスを排出するための一連の工程を例示する垂直断面図である。
【図１６】図16は、図5の二次バッテリーにおける安全素子の操作により電流を遮断し、高圧ガスを排出するための一連の工程を例示する垂直断面図である。
【図１７】図17は、図5の二次バッテリーにおける安全素子の操作により電流を遮断し、高圧ガスを排出するための一連の工程を例示する垂直断面図である。
【最良の形態】
【００６２】
ここで、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示する実施態様に限定されるものではない。
【００６３】
図5は、本発明の一実施態様による円筒形バッテリーのキャップアセンブリーの構造を例示する典型的な断面図であり、図6及び7は、図5の円筒形バッテリーに使用する安全ベントをそれぞれ例示する透視図及び平面図である。
【００６４】
先ず図5に関して、円筒形バッテリー100は、ゼリーロール110を円筒形容器200の中に挿入し、電解質を円筒形容器200の中に注入し、ディスク形状絶縁部材800をゼリーロール110の上側末端上に搭載し、キャップアセンブリー300を円筒形容器200の開いた上側末端に取り付けることにより、製造される。
【００６５】
キャップアセンブリー300は、トップキャップ310、PTC素子350、及びバッテリーの内部圧力を下げるための安全ベント320が、円筒形容器200の上側の丸みを帯びた(beaded part)部分210に取り付けた気密ガスケット400の中に、互いに緊密に接触した状態で配置される構造に形成されている。
【００６６】
バッテリーの内部圧力が増加した時に破裂して電流を遮断するように形成された電流遮断装置600は、安全ベント320の下側末端に溶接により連結されている。電流遮断装置600は、電流遮断装置ガスケット700により取り囲まれている。
【００６７】
PTC素子350は、トップキャップ310と安全ベント320との間に緊密に接触した状態で配置されている。PTC素子350は、バッテリーの内部温度が増加した時にバッテリー抵抗を大きく増加させ、電流を遮断する。トップキャップ310は、その中央で上向きに突き出し、外部回路と接続するためのカソード端子として作用する。トップキャップ310の突出部の周囲に沿って複数の排気口312が形成されており、加圧されたガスが排気口312を通して円筒形容器200の外に排出される。
【００６８】
上記のように形成されたキャップアセンブリー300の安全ベント320の構造を、図6及び7に関して、より詳細に説明する。
【００６９】
安全ベント320は、電流を通す薄膜構造である。安全ベント320の中央には、下向きに窪んだ窪み部322が形成されている。安全ベント320の上側屈曲部には第一ノッチ324が形成されている。安全ベント320の下側屈曲部には第二ノッチ326が形成されている。
【００７０】
安全ベント320の平面図を示す図7に示すように、安全ベント320の上側屈曲部に形成された第一ノッチ324は、開口した曲線の形状に形成されており、その片側が開口している。この開口した区域は非ノッチ部分330であり、この非ノッチ部分330は、高圧ガスによりノッチ形成区域が切断された時に、第一ノッチ324全体が安全ベント320の残りの部分から分離するのを防止している。
【００７１】
また、安全ベント320の下側屈曲部には、第二ノッチ326が形成されている。第二ノッチ326は、開口した曲線の形状に形成されており、その対向する末端が開口している。2個の非ノッチ部分340が、第二ノッチ326の開口した対向する末端区域に配置されている。非ノッチ部分340は、第二ノッチ326が切断により分離するのを防止する。第二ノッチ326の分離を確実に阻止するために、非ノッチ部分340は、非ノッチ部分340が第一ノッチ324の非ノッチ部分330と整列しない位置に配置されるのが好ましい。より好ましくは、図に示すように、第二ノッチ326を、第一ノッチ324の非ノッチ部分330の中央線に対してほぼ直角に配置し、2個の非ノッチ部分340を互いに対向させる。
【００７２】
図8及び9は、図5の二次バッテリーに使用する電流遮断装置600をそれぞれ例示する透視図及び平面図である。
【００７３】
図8及び9ならびに図5に関して、上向きに突き出た突出部620が、電流遮断装置600の中央に形成されている。突出部620は、安全ベント320の窪み部322(図6参照)の底部に固定される。ゼリーロール110のカソードに接続されたカソードリード線420は、電流遮断装置600の、突出部620を除いた残りの底部区域に電気的に接続される。
【００７４】
突出部620の同心円上には、3個の通しスリット630、及び通しスリット630を相互接続するノッチ650を有するブリッジ640が形成されている。
【００７５】
また、3個のガス排出用通し孔610が、電流遮断装置600の外周に円弧形状で、通し孔610がその中央軸を中心にして半径方向で対称的になるように形成される。通し孔の総面積は、電流遮断装置600の総面積の30％に等しい。従って、バッテリーから排出された高圧ガスの量が増加し、それによって、信頼性のある電流遮断効果が達成される。通し孔610は、約120度の間隔で配置されている。各通し孔610の形状及びサイズは等しい。各通し孔610間の距離は、ほぼ同じである。この構造により、電流遮断装置600は、排出ガスの量を最大限にしながら、高い機械的強度を維持することができる。
【００７６】
各通し孔610の中央線を結ぶ円(破線参照)のサイズは、安全ベント320の第一ノッチ324(図6及び7参照)のサイズにほぼ等しい。従って、バッテリーの内部圧力が予め決められたレベルを超えると、通し孔610を通過した高圧ガスが第一ノッチ324を直線的に加圧し、第一ノッチ324の切断を加速し、それによって、急速なガス排出を達成する。
【００７７】
図10及び11は、電流遮断装置600を取り囲むように形成された電流遮断装置ガスケット700をそれぞれ例示する透視図及び平面図である。説明の都合上、電流遮断装置ガスケットは、開口部の形状を説明するためにのみ簡単に示す。
【００７８】
図10及び11ならびに図5に関して、電流遮断装置ガスケット700は、その中央に開口部710を有する。中央開口部710は、電流遮断装置600の通し孔610を覆わない形状に形成されている。すなわち電流遮断装置ガスケット700の形状は、電流遮断装置600の、開口部が形成されていない区域の外周の形状にほぼ一致する。従って、電流遮断装置ガスケット700が電流遮断装置600の外周取り囲む時、電流遮断装置ガスケット700は、電流遮断装置600の通し孔610を覆わないので、通し孔610のガス排出通路としての機能を確保する。
【００７９】
図12及び13は、図5の円筒形バッテリー100のゼリーロール110の上側末端上に搭載されるように形成されたディスク形状絶縁部材800をそれぞれ例示する透視図及び平面図である。
【００８０】
図12及び13ならびに図5に関して、ディスク形状絶縁部材800は、その中央に、ガス排出及び電極端子接続用の開口部820を備えている。また、ディスク形状絶縁部材800は、その外周部に一個以上の通し孔810を備えている。ディスク形状絶縁部材800の通し孔810は、電流遮断装置600の通し孔610に対応する形状、サイズ及び位置を有することができる。また、ディスク形状絶縁部材800の通し孔810は、ディスク形状絶縁部材800の面積の約30％に等しいサイズを有する。
【００８１】
図14は、円筒形バッテリー中で順に積み重ねたディスク形状絶縁部材800、電流遮断装置ガスケット700、電流遮断装置600及び安全ベント320を例示する典型的な図である。
【００８２】
図14ならびに図2〜13に関して、ディスク形状絶縁部材800の通し孔810、電流遮断装置ガスケット700の中央開口部710、電流遮断装置600の通し孔610、及び安全ベント320の第一ノッチ324は、加圧されたガスがバッテリーの外に効果的に排出されるように、互いに整列している。
【００８３】
図15〜17は、バッテリーの内部圧力が異常に増加した時に、加圧されたガスを排出するための一連の工程を典型的に例示する垂直断面図である。
【００８４】
これらの図に関して、バッテリーの内部圧力が異常に増加した時に、加圧されたガスは、電流遮断装置600の通し孔610及び通しスリット630を通過し、安全ベント320に上向きの圧力を加える。
【００８５】
その結果、図16に示すように、その圧力により安全ベント320の窪み部322が持ち上がる。内部圧力が第一臨界圧レベルに達した時、窪み部322に溶接により固定された突出部620が電流遮断装置600から容易に分離し、電流遮断装置600から安全ベント320への電気的接続を遮断する。
【００８６】
電流遮断にも関わらず、バッテリーの内部圧力が連続的に増加し、その結果、バッテリーの内部圧力が第二の臨界圧レベルに達した時、図17に示すように、安全ベント320の第一ノッチ324が切断される。その結果、バッテリー中の加圧されたガスは、トップキャップ310の排気口312を通してバッテリーの外に排出される。この実施態様では、比較的大きな直径を有する第一ノッチ324が切断し、従って、排出されるガスの量が、比較的小さな直径を有する第二ノッチ326が切断した時よりも大きくなり、それによって、高圧ガスが急速に排出される。
【００８７】
以下に、本発明の例をより詳細に説明する。しかし、無論、本発明の範囲は、例示する例により制限されるものではない。
【００８８】
[例1]
図7に示すように、直径8.0mm、厚さ0.06mmの第一ノッチを、外径16mm、厚さ0.3mmのアルミニウムシートに、30度の円弧を除いて形成し、それぞれ直径4.0mm、厚さ0.1mmの第二ノッチをアルミニウムシートに、2個の30度の円弧を除いて形成した。その後、アルミニウムシートの中央を下方に押し下げ、深さ0.65mmの窪み部を形成した。このようにして、安全ベントを製造した。
【００８９】
また、図9に示すように、外径11mm、厚さ0.5mmのアルミニウムシートに、3個の通し孔を半径方向に、通し孔の面積の合計がアルミニウムシートの総面積の約30％になるように形成した。その後、直径1.53mm、突出高さ0.20mmの突出部をアルミニウムシートの中央に形成し、それぞれ幅0.6mm、周囲長さ2.61mmの3個の通しスリットを、中央突出部の中心から1.5mm離れた位置に、パンチ加工により形成した。続いて、それぞれ厚さが約70μmのノッチを、隣接する通しスリットを結ぶブリッジに形成した。このようにして、電流遮断装置を製造した。
【００９０】
また、図11に示すように、電流遮断装置ガスケットを、外径12mm、厚さ0.5mmのポリプロピレンシートから、電流遮断装置ガスケットが電流遮断装置の通し孔を覆わないように製造した。
【００９１】
電流遮断装置の外周を、電流遮断装置ガスケットの中に挿入し、安全ベントの窪み部の底部を電流遮断装置の突出部の上にレーザー溶接により固定した。
【００９２】
ポリエチレン製の多孔質セパレータが、リチウムコバルト酸化物から製造されたカソードと、グラファイト製のアノードとの間に配置される構造に形成されたゼリーロール型電極アセンブリーを、円筒形容器の中に挿入し、ディスク形状絶縁部材を円筒形容器に取り付けた。その後、円筒形容器の上部を丸め、ディスク形状絶縁部材が円筒形容器に固定した。続いて、電流遮断装置が固定されている安全ベント、PTC素子、及びトップキャップを取り付けたガスケットを丸めた部分の中に挿入した。その後、円筒形容器の上側末端をプレス加工により内側に曲げ、ガスケットを固定した。このようにして、バッテリーを製造した。
【００９３】
[例2]
安全ベントを製造する時に、第一ノッチの厚さが0.1mmであり、各第二ノッチの厚さが0.06mmであった以外は、例1と同じ方法でバッテリーを製造した。
【００９４】
[例3]
安全ベントを製造する時に、第一ノッチの直径が7mmであり、第一ノッチの厚さが0.06mmであった以外は、例1と同じ方法でバッテリーを製造した。
【００９５】
[比較例1]
電流遮断装置の通し孔の面積の合計が電流遮断装置の総面積の約18％に等しい以外は、例1と同じ方法でバッテリーを製造した。
【００９６】
例1〜3及び比較例1により製造したバッテリーに対して釘試験を行った。下記の表1に釘試験の結果を示す。
【００９７】
【表１】
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【００９８】
上記の表から、本発明により、より通し孔の面積比が30％である電流遮断装置を使用した場合、バッテリーは爆発しなかったか、またはバッテリー容器が変形しなかった。他方、通し孔の面積比が18％である電流遮断装置を使用する比較例1のバッテリーでは、釘試験の際にバッテリーが爆発した。また、例2及び3のように、第二ノッチが切断し、従って、安全ベントを通るガスの排出が円滑に達成されなかった時、バッテリーは爆発しなかったが、バッテリー容器が変形した。
【００９９】
高容量バッテリーでは、安全ベントの切り取りサイズ及び電流遮断装置の通し孔のサイズが十分に大きくない場合、ガスを十分に排出できない。安全ベントの切り取りが内側に位置する第二ノッチに対応する場合、ノッチの直径が増加しても、ノッチが切り取られた後、安全ベントの傾斜した内側ノッチがガス排出に抵抗する。
【０１００】
上記のように、第一ノッチを安全ベントの切り取りとして使用すると共に、電流遮断装置の通し孔の面積を増加することにより、加圧されたガスを効果的に排出することができ、それによって、バッテリーの安全性が改良される。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
上記の説明から明らかなように、本発明のキャップアセンブリーは、比較的大きな面積を有する通し孔を備えた電流遮断装置を包含する。その結果、高圧ガスをバッテリーの外に効果的に排出することができる。さらに、安全ベントの、破裂するように形成されたノッチが、通し孔に対応するように形成される場合、高圧ガスの排出を直線的に達成することができる。従って、高圧ガスが発生した場合、安全ベントを即座に切断し、ガスを急速に排出することができ、それによって、バッテリーの安全性が大きく改良される。
【０１０２】
本発明の好ましい実施態様を例示のために開示したが、当業者には明らかなように、請求項に記載する本発明の範囲及び精神から離れることなく、様々な修正、追加、及び置き換えが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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