(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻回型電極組立体がケース内に受納された電気化学素子において巻回中心に挿入されるセンターピンであって、
２つ以上のエンボス形態の突出部が形成されている板状基材を、管状に巻回して製造し、
前記管状に巻回した板状基材において軸方向に向かい合う２つの対辺が、外部から所定以上の圧力が加えられる時、その端部が突出されて隣接している部材を各対辺に対応するように一直線上に破裂させるものであり、
前記エンボス形態の突出部がエンボス加工機構を用いて得られることを特徴とする、センターピン。
【請求項２】
巻回型電極組立体がケース内に受納された電気化学素子において巻回中心に挿入されるセンターピンであって、
２つ以上のエンボス形態の突出部が形成されている板状基材を、管状に巻回して製造し、
前記エンボス形態の突出部がセンターピンの外周面に形成されており、
前記突出部が外部から所定以上の圧力が加えられる時、分離膜を破裂させるものであり、
前記エンボス形態の突出部がエンボス加工機構を用いて得られることを特徴とする、センターピン。
【請求項３】
巻回型電極組立体がケース内に受納された電気化学素子において巻回中心に挿入されるセンターピンであって、
２つ以上のエンボス形態の突出部が形成されている板状基材を、管状に巻回して製造し、
前記エンボス形態の突出部がセンターピンの外周面に形成されており、
前記突出部が外部から所定以上の圧力が加えられる時、第１の分離膜、第１の電極板及び第２の分離膜を破裂させるものであり、
前記エンボス形態の突出部がエンボス加工機構を用いて得られることを特徴とする、センターピン。
【請求項４】
巻回型電極組立体がケース内に受納された電気化学素子において巻回中心に挿入されるセンターピンであって、
２つ以上のエンボス形態の突出部が形成されている板状基材を、管状に巻回して製造し、
前記センターピンが、前記管状に巻回した板状基材で形成された第１の部材と、前記第１の部材の一側面に物理的に連結しており、前記ケースの外部に露出される第２の部材とを備えてなり、
前記第１の部材及び第２の部材が、それぞれ独立的に電気伝導性及び熱伝導性を有する材質からなるものであり、
前記エンボス形態の突出部がエンボス加工機構を用いて得られることを特徴とする、センターピン。
【請求項５】
前記管状の第１の部材の中心軸が、前記第２の部材の一表面に垂直に配置されることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載のセンターピン。
【請求項６】
前記突出部が、板状基材の全面に均一に分布されていることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載のセンターピン。
【請求項７】
巻回型電極組立体がケース内に受納された電気化学素子において巻回中心に挿入されるセンターピンであって、
所定形態の２つ以上の不連続な破断線が形成されている板状基材を、管状に巻回して製造し、
前記破断線が形成されている板状基材を管状に巻回する時又はその以前に、前記破断線の境界部にある板状基材の一部が突出部を形成することを特徴とする、センターピン。
【請求項８】
前記各破断線が、２つ以上の直線の組合、一つの曲線、２つ以上の曲線の組合、又は直線及び曲線の組合であることを特徴とする、請求項７に記載のセンターピン。
【請求項９】
前記エンボス形態の突出部又は破断線により形成される突出部が、センターピンの内周面、外周面又は両方に形成されることを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載のセンターピン。
【請求項１０】
前記管状に巻回した板状基材において軸方向に向かい合う２つの対辺が、重畳しないように互いに接触又は離隔されて向かい合うことを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載のセンターピン。
【請求項１１】
前記管状に巻回した板状基材において軸方向に向かい合う２つの対辺が、外部から所定以上の圧力が加えられる時、その端部が突出されて隣接している部材を各対辺に対応するように一直線上に破裂させることを特徴とする、請求項７に記載のセンターピン。
【請求項１２】
前記破断線により形成される突出部がセンターピンの外周面に形成されており、
前記突出部が外部から所定以上の圧力が加えられる時、分離膜を破裂させることを特徴とする、請求項７に記載のセンターピン。
【請求項１３】
前記破断線により形成される突出部がセンターピンの外周面に形成されており、
前記突出部が外部から所定以上の圧力が加えられる時、第１の分離膜、第１の電極板及び第２の分離膜を破裂させることを特徴とする、請求項７に記載のセンターピン。
【請求項１４】
前記センターピンが、前記管状に巻回した板状基材で形成された第１の部材と、前記第１の部材の一側面に物理的に連結しており、前記ケースの外部に露出される第２の部材とを備えてなり、
前記第１の部材及び第２の部材が、それぞれ独立的に電気伝導性及び熱伝導性を有する材質からなることを特徴とする、請求項７に記載のセンターピン。
【請求項１５】
前記管状の第１の部材の中心軸が、前記第２の部材の一表面に垂直に配置されることを特徴とする、請求項１４に記載のセンターピン。
【請求項１６】
前記突出部が、板状基材の全面に均一に分布されていることを特徴とする、請求項７に記載のセンターピン。
【請求項１７】
第１の分離膜、第１の電極タブが具備された第１の電極板、第２の分離膜及び第２の電極タブが具備された第２の電極板が積層された後に巻回された巻回型電極組立体がケース内に受納された電気化学素子において、請求項７〜１６の何れか一項に記載のセンターピンが巻回型電極組立体の巻回中心に挿入されることを特徴とする、電気化学素子。
【請求項１８】
第１の分離膜、第１の電極タブが具備された第１の電極板、第２の分離膜及び第２の電極タブが具備された第２の電極板が積層された後に巻回された巻回型電極組立体がケース内に受納された電気化学素子において、  
巻回型電極組立体がケース内に受納された電気化学素子において巻回中心に挿入されるセンターピンであって、
２つ以上のエンボス形態の突出部が形成されている板状基材を、管状に巻回して製造されるセンターピンが巻回型電極組立体の巻回中心に挿入され、
前記エンボス形態の突出部がエンボス加工機構を用いて得られることを特徴とする、電気化学素子。
【請求項１９】
前記センターピンが、エンボス形態の突出部又は破断線により形成される突出部がセンターピンの外周面に形成されており、電極端子と絶縁されており、
外部から所定以上の圧力が加えられる時、前記突出部により第１の分離膜、第１の電極板及び第２の分離膜を破裂させることで、１つ以上の短絡を意図的に発生させることを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の電気化学素子。
【請求項２０】
前記センターピンが、エンボス形態の突出部又は破断線により形成される突出部がセンターピンの外周面に形成されており、電気伝導性を有する材質からなり、第２の電極板に具備された第２の電極タブと電気的に連結しており、
通常はセンターピンが第１の分離膜により第１の電極板と絶縁されていて、外部から所定以上の圧力が加えられる時、前記突出部により前記第１の分離膜を破裂させることで、１つ以上の短絡を意図的に発生させることを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の電気化学素子。
【請求項２１】
前記ケースが、巻回型電極組立体を受納する缶と、前記缶を密封するキャップとを備える組立体であって、前記缶は電気伝導性を有する材質からなり、前記第２の電極タブ又はセンターピンと電気的に連結している第２の電極端子の役割を遂行することができることを特徴とする、請求項２０に記載の電気化学素子。
【請求項２２】
前記センターピン及び缶が、熱伝導性を有する材質からなることを特徴とする、請求項２１に記載の電気化学素子。
【請求項２３】
前記センターピンが、ケースの外部に露出されており、電気伝導性及び熱伝導性を有する材質からなる構造体と物理的に連結していることを特徴とする、請求項２２に記載の電気化学素子。
【請求項２４】
前記エンボス形態の突出部が、センターピンの内周面、外周面又は両方に形成されることを特徴とする、請求項１８に記載の電気化学素子。
【請求項２５】
前記管状に巻回した板状基材において軸方向に向かい合う２つの対辺が、重畳しないように互いに接触又は離隔されて向かい合うことを特徴とする、請求項１８に記載の電気化学素子。
【請求項２６】
前記管状に巻回した板状基材において軸方向に向かい合う２つの対辺が、外部から所定以上の圧力が加えられる時、その端部が突出されて隣接している部材を各対辺に対応するように一直線上に破裂させることを特徴とする、請求項１８に記載の電気化学素子。
【請求項２７】
前記突出部が、板状基材の全面に均一に分布されていることを特徴とする、請求項１８に記載の電気化学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巻回型電極組立体をケース内に受納する電気化学素子において、巻回型電極組立体の巻回中心に挿入されるセンターピンの構造に関し、簡単な工程で製造でき、外部から圧着やショックなどのような物理的な衝撃が加えられる時又は内部温度の上昇時、電気化学素子の安全性を確保できるセンターピンに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、電子装備の小型化や軽量化と伴い、携帯用電子機器の使用が一般化することにより、高エネルギー密度を有するリチウム二次電池に関する研究が活発に行われている。
【０００３】
リチウム二次電池は、リチウムイオンのインターカレーション及びデインターカレーションが可能な物質を正極及び負極に用い、正極及び負極間に有機電解液又はポリマー電解液を充填させて製造し、リチウムイオンが正極及び負極でインターカレーション及びデインターカレーションされる時の酸化反応や還元反応により電気的エネルギーを生成する。
【０００４】
しかしながら、このようなリチウム二次電池は、安全性に問題があるので、これを解決するための試みが進行されている。
【０００５】
一般に、可燃性非水系電解液を用いるリチウム二次電池は、電池の内部温度の上昇時、電解液の分解反応による可燃性ガス、電解液及び電極の反応による可燃性ガス、正極の分解による酸素の発生などにより、爆発や火災が発生するという問題点がある。
【０００６】
さらに、重い物体により電池が押下されたり、強い衝撃を受けたり、電池が高温に露出される場合にも、安全性の問題が発生し得る。すなわち、釘の貫通、圧着、ショック、高温露出などの場合、電池内部の正極及び負極は内部で局部的に短絡が発生する。このとき、局部的に過度な電流が流れることにより、この電流によって発熱が発生する。局部的な短絡による短絡電流のサイズは、抵抗に反比例するため、短絡電流は抵抗が低い方に多く流れるようになる。このとき、短絡部分を中心として局部的に非常に高い発熱が発生し得る。
【０００７】
電池内部に発熱が発生する場合、電池内部を構成する正極、負極及び電解液が、互いに反応又は燃焼されるが、この反応は非常に大きい発熱反応なので、発火又は爆発につながる。よって、この場合、電池内部で急激な発熱が発生しないようにしなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、簡単な工程で製造でき、外部から圧着やショックなどのような物理的な衝撃が加えられる時、又は内部温度の上昇時、電気化学素子の安全性を確保できるセンターピンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、巻回型電極組立体がケース内に受納された電気化学素子において巻回中心に挿入されるセンターピンであって、２つ以上のエンボス形態の突出部が形成されている板状基材、又は所定形態の２つ以上の不連続な破断線(score)が形成されている板状基材を、管状に巻回して製造し、前記破断線が形成されている板状基材を管状に巻回する時又はその以前に、前記破断線の境界部にある板状基材の一部が突出部を形成することを特徴とするセンターピンを提供する。
【００１０】
また、本発明は、第１の分離膜、第１の電極タブが具備された第１の電極板、第２の分離膜及び第２の電極タブが具備された第２の電極板が積層された後に巻回された巻回型電極組立体がケース内に受納された電気化学素子において、前記記載されたセンターピンが巻回型電極組立体の巻回中心に挿入されることを特徴とする電気化学素子を提供する。
【００１１】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１２】
本発明によるセンターピンは、巻回型電極組立体がケース内に受納された電気化学素子において巻回中心に挿入される。
【００１３】
本発明によるセンターピンを用いる巻回型電極組立体は、第１の分離膜、第１の電極タブが具備された第１の電極板、第２の分離膜及び第２の電極タブを備える。このとき、センターピンは、巻回された第１の分離膜と隣接しており、第１の分離膜を介して第１の電極板と電気的に絶縁されている。
【００１４】
一方、前記巻回型電極組立体はケース内に受納されている。前記ケースの例としては、缶及び缶を密封するキャップを備える組立体がある。このとき、前記缶は電気伝導性を有する材質からなり、前記第２の電極タブと電気的に連結している第２の電極端子の役割を遂行することもできる(図１参照)。
【００１５】
本発明によるセンターピンは、２つ以上のエンボス形状の突出部が形成されている板状基材、又は所定形態の２つ以上の不連続な破断線が形成されている板状基材を巻回して製造することを特徴とする。このように、本発明によるセンターピンは、その製造工程が簡単である。
【００１６】
このとき、板状基材を円筒状のような管状に巻回すると、中空円筒管(中空チューブ)が形成される(図２参照)。
【００１７】
センターピン内の軸方向の空間は、圧力が加えられる時、ガス通路として用いられるため、内圧を低下させる効果を発揮できる。
【００１８】
２つ以上のエンボス形状の突出部が形成されている板状基材は、板状基材上にエンボススタンパ(embossing stamper)のような多様なエンボス加工機構を用いて製造できる。
【００１９】
一方、板状基材を円筒管のような管状に巻回すると、前記破断線の境界部にある板状基材の一部が突出部を形成することもできる(図２及び図３参照)。
【００２０】
前記破断線による突出部は、板状基材に破断線を形成してから、前記板状基材を巻回する前に圧着成形し、前記破断線の境界部にある板状基材の一部が突出部を形成することもできる。例えば、破断線が形成された板状基材を圧縮成形機に入れて圧出した後、熱処理して突出部を形成できる。
【００２１】
破断線は、パンチにより形成できる。図２及び図３には、所定形態の２つ以上の不連続な破断線が形成された板状基材が例示されている。
【００２２】
前記破断線は、破断線の始点及び終点が一致して閉曲線を形成したり、不一致して開曲線を形成できる。また、前記各破断線は、２つ以上の直線の組合、１つの曲線、２つ以上の曲線の組合、又は直線及び曲線の組合であり得る。これにより、多様な破断線の形態及び突出部の形態を提供できる。
【００２３】
板状基材又はセンターピンの非制限的な材質としては、ステンレス、チタニウム、ニッケル、アルミニウムなどがあり、電気伝導性を有する材質であるのが好ましい。
【００２４】
エンボス形態の突出部の場合、板状基材の材質と異なる材料を用いて提供することができる。
【００２５】
板状基材の厚さは、電気化学素子のサイズにより、０.１〜１ｍｍ程度で使用することができ、好ましくは０.１〜０.４ｍｍである。
【００２６】
センターピンの直径は、電気化学素子の巻芯部(Mandrel)のサイズに合うように設定するが、多少小さな形態であれば可能である。例えば、内径が１.５〜６ｍｍ程度のもの、好ましくは３〜４ｍｍのものである。センターピン内の突出部の高さは、０.１〜２ｍｍ程度、好ましくは０.２〜０.６ｍｍ程度である。
【００２７】
一方、前記突出部は、鋭さ度及び／又は強度の調節により、分離膜や電極などを破裂させる内圧又は外圧の限界を調節できる。
【００２８】
前記突出部は、センターピンの全面に均一に分布されているものが、安全性の面において好ましい。
【００２９】
前記エンボス形態の突出部又は破断線により形成される突出部は、中空の管状のセンターピンの内周面、外周面又は両方に形成され得る。
【００３０】
前記エンボス形態の突出部又は破断線により形成される突出部が、センターピンの外周面に形成されている場合、下記のような効果を発揮できる。
【００３１】
電池の外部から物理的な衝撃が加えられると、電池の内部では正極及び負極接触防止用分離膜が破裂されながら短絡が発生する。このとき、微細短絡が発生すると、電池が持っている高いエネルギーが、短絡が発生した微細地域に集中し、過電流による熱が微細地域に集中することにより、瞬間的な熱暴走が発生するため、電池の発火や爆発を起きる恐れがある。
【００３２】
よって、本発明は、外部から衝撃が加えられる時、エンボス形態の突出部又は破断線により形成される突出部が具備されたセンターピンにより、多数の短絡を意図的に発生させ、短絡電流を多数の短絡部位に分散させることで、好ましくは発生した電流及び／又は熱もセンターピンに分散させることで、電池の熱暴走による危険状況を回避できる。
【００３３】
このとき、本発明によるセンターピンは、正常時にも、エンボス形態の突出部又は破断線により形成された突出部が形成されている。よって、センターピンが変形されなくても、或いは変形前にも、突出部により多数の短絡が意図的に誘導され得るため、エネルギーの集中及び積滞による電池の熱暴走のような危急状況を回避できる。
【００３４】
一方、エンボス形態の突出部又は破断線により形成される突出部により、多数の短絡を意図的に発生させるために、外部から所定以上の圧力が加えられるとき、前記突出部はセンターピンに隣接している分離膜を破裂させたり、第１の分離膜、第２の電極板及び第２の分離膜を破裂させるべきである。
【００３５】
分離膜の破裂だけでも、短絡を意図的に発生するために、センターピンは電気伝導性を有する材質からなり、第２の電極板に具備された第２の電極タブと電気的に連結しており、通常時にはセンターピンが第１の分離膜により第１の電極板と絶縁されているべきである(図５〜図８参照)。
【００３６】
一方、短絡を意図的に発生するために、第１の分離膜、第２の電極板及び第２の分離膜の破裂が必要な場合は、センターピンが電極端子と絶縁されている場合である。
【００３７】
板状基材を管状に巻回して中空円筒管を形成させる時、前記巻回された板状基材において軸方向に隣接している２つの対辺(opposite side)は、重畳しないように互いに接触又は離隔されているのが好ましい。このとき、２つの対辺の端部は、平常時に外側又は内側に露出されないように存在する。
【００３８】
前記２つの対辺は、外部から所定以上の圧力が加えられる時、互いにずれたり対辺の端部が外側に開放されて、隣接している部材(たち)、例えば分離膜や電極板などを各対辺に対応するように軸方向に一直線上に破裂させることができる。
【００３９】
外部から衝撃が加えられる時、外部から衝撃が加えられた局部的な部位の周辺にある突出部により、さらに局部的な短絡を意図的に発生させることができ、板状基材の２つの対辺の端部により破裂される部位は軸方向の全体なので、外部から衝撃が局部的に加えられても、前記２つの対辺の端部により軸方向の全面にわたり意図的な短絡が発生し得る。また、前記センターピンの軸方向へ両端にたとえ加工工程上突出部を形成させることができないとしてき、電気化学素子の両端に外部の衝撃が加えられても、板状基材の２つの対辺の端部により意図的な短絡を発生させることができる。
【００４０】
図５及び図６には、本発明の一例により突出部が表面に形成されたセンターピンを用いて電気化学素子を構成する組立図が示されている。図５及び図６に示すように、ケース内に電極組立体を挿入した後、センターピンを挿入できる。
【００４１】
一方、図７及び図８に示すように、本発明の一例により外部から所定以上の圧力が加えられる時、分離膜を破裂させることができる１つ以上の突出部が表面に形成されたセンターピン１４は、電気伝導性を有する材質からなり、第２の電極板に具備された第２の電極タブ１２、又は第２の電極タブと電気的に連結している第２の電極端子５と電気的に連結している。通常時に第２の電極板と電気的に連結しているセンターピンは、第１の分離膜により第１の電極板と絶縁されていて、外部から所定以上の圧力が加えられると、突出部により第１の分離膜を１つ以上の部位で破裂させることで、センターピン及び第１の電極板間の短絡を意図的に発生させることができる。これにより、短絡電流を多数の短絡部位に分散させることで、またセンターピンを介して電池缶５に分散させることで、電池の熱暴走による危険状況を回避できる(図７及び図８参照)。
【００４２】
前記センターピン及び／又は缶は、熱伝導性を有する材質からなるのが好ましい。短絡時に発生する熱をセンターピン及び／又は缶に分散させることができるためである(図７及び図８参照)。
【００４３】
さらに、本発明によるセンターピンは、ケースの外部に露出されていながら、電気伝導性及び熱伝導性を有する材質からなる構造体と物理的に連結していることができる。この場合、短絡時に発生する電流及び／又は熱を、センターピン及び前記構造体を介して外部に分散させることができる。図４に示すように、 前記センターピンの一例は、巻回型電池組立体の巻回中心に挿入される管状の第１の部材１００と、前記第１の部材１００の一側面に物理的に連結しており、ケースの外部に露出される第２の部材２００とを備え、前記第１の部材１００及び第２の部材２００は、それぞれ独立的に電気伝導性及び熱伝導性を有する材質からなり、前記管状の第１の部材１００の表面は一つ以上の突出部を有する。このとき、管状の第１の部材１００の中心軸は、第２の部材２００の一表面に垂直に配置されるのが好ましい。
【００４４】
前記のように構成されて安全性が向上した本発明の電気化学素子は、電気化学反応を行う全ての素子を含む。具体例としては、全ての種類の一次・二次電池、燃料電池、太陽電池又はキャパシターなどがある。特に、前記二次電池のうち、リチウム金属二次電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池又はリチウムイオンポリマー二次電池などを含むリチウム二次電池が好ましい。しかしながら、本発明は、リチウムイオン電池の他にも、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池など、全ての電気化学素子に適用可能である。また、今後、リチウムイオン電池を代える新しい電池が開発されても、やはり応用可能である。
【００４５】
また、本発明で用いられる電気化学素子の形状は、特別に制限されず、多様なサイズが可能である。円筒形、薄型、大型など、多様なサイズ及び／又は形態を有することができ、パックケース、ハードパック(hard pack)及びソフトパック(soft pack)に対しても、同様に適用可能である。
【００４６】
本発明は、前記電気化学素子を単数又は複数で備えた電気化学素子パックを提供する。前記電気化学素子は、並列又は直列連結の組合からなることができる。
【００４７】
本発明によるセンターピンの他に、電気化学素子に関する一般事項は、リチウム充放電用電池の例により具体的に説明すれば、次の通りである。
【００４８】
前記リチウム充放電用電池は、リチウム複合酸化物を活物質として含む正極、リチウムを吸着及び放出可能な負極、非水電解質及び分離膜を含む。
【００４９】
正極活物質は、従来の電気化学素子の正極に用いられる通常の正極活物質が使用可能である。その非制限的な例としては、ＬｉＭｘＯｙ(Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、ＣｏａＮｉｂＭｎｃ)のようなリチウム遷移金属複合酸化物(例えば、ＬｉＭｎ２Ｏ４などのリチウムマンガン複合酸化物、ＬｉＮｉＯ２などのリチウムニッケル酸化物、ＬｉＣｏＯ２などのリチウムコバルト酸化物及びこれらの酸化物のマンガン、ニッケル、コバルトの一部を他の遷移金属などに置換したもの、又は、リチウムを含有した酸化バナジウム等)、若しくはカルコゲン化合物(例えば、二酸化マンガン、二硫化チタン、二硫化モリブデン等)などが挙げられる。好ましくは、ＬｉＣｏＯ２ 、ＬｉＮｉＯ２ 、ＬｉＭｎＯ２ 、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ(ＮｉａＣｏｂＭｎｃ)Ｏ２(ここで、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０＜ｃ＜１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１)、ＬｉＮｉ１−ＹＣｏＹＯ２、ＬｉＣｏ１−ＹＭｎＹＯ２ 、ＬｉＮｉ１−ＹＭｎＹＯ２(ここで、０≦Ｙ＜１)、Ｌｉ(ＮｉａＣｏｂＭｎｃ)Ｏ４(０＜ａ＜２、０＜ｂ＜２、０＜ｃ＜２、ａ＋ｂ＋ｃ＝２)、ＬｉＭｎ２−ＺＮｉＺＯ４、ＬｉＭｎ２−ＺＣｏＺＯ４(ここで、０＜Ｚ＜２)、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＦｅＰＯ４又はこれらの混合物などが挙げられる。より好ましくは、ＬｉｘＭＯ２(ここで、ＭはＮｉ、Ｃｏ又はＭｎ、ｘは０.０５≦ｘ≦１.１０)である。
【００５０】
以後、前記正極活物質を正極電流集電体、即ち、アルミニウム、ニッケル又はこれらの組合により製造されるホイルに結着させた形態で正極を構成する。
【００５１】
負極活物質は、従来の電気化学素子の負極に用いられる通常の負極活物質が用いられる。その非制限的な例としては、リチウム金属又はリチウム合金、炭素、石油コークス、活性化炭素、グラファイト又はその他の炭素類などのリチウム吸着物質などが挙げられる。また、前記負極活物質を負極電流集電体、即ち銅、金、ニッケル又は銅合金、若しくはこれらの組合により製造されるホイルと結着させた形態で負極を構成する。
【００５２】
前記分離膜は、微細多孔構造を有するポリエチレン、ポリプロピレン又はこれらのフィルムの組合により製造される多層フィルムなど、若しくは、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル又はポリフッ化ビニリデンヘキサフルオロプロピレン共重合体のような固体高分子電解質用やゲル型高分子電解質用の高分子フィルムなどを用いる。
【００５３】
前記電解質は、Ａ＋Ｂ−のような構造の塩が用いられる。Ａ＋はＬｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋のようなアルカリ金属の正イオン、又はこれらの組合からなるイオンを含み、Ｂ−はＰＦ６−、ＢＦ４−、Ｃｌ−、Ｂｒ−、Ｉ−、ＣｌＯ４−、ＡｓＦ６−、ＣＨ３ＣＯ２−、ＣＦ３ＳＯ３−、Ｎ(ＣＦ３ＳＯ２)２−、Ｃ(ＣＦ２ＳＯ２)３−のような負イオン、又はこれらの組合からなるイオンを含む塩を意味する。具体例としては、リチウム塩が、プロピレンカーボネート(ＰＣ)、エチレンカーボネート(ＥＣ)、ジエチルカーボネート(ＤＥＣ)、ジメチルカーボネート(ＤＭＣ)、ジプロピルカーボネート(ＤＰＣ)、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン(ＮＭＰ)、エチルメチルカーボネート(ＥＭＣ)、γ−ブチロラクトン、又はこれらの混合物からなる有機溶媒に溶解、解離されているものが挙げられる。
【発明の効果】
【００５４】
本発明によるセンターピンを使用すると、外部から所定以上の圧力が加えられる時、センターピンの表面に形成された突出部及び／又は一直線の２つの対辺の端部により短絡を意図的に発生させることができる。これにより、電気化学素子の熱暴走による危険状況を回避できるため、電気化学素子の安全性を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。但し、実施例は、本発明を例示するためのもので、これに限定されるものではない。
【００５６】
比較例１
ＬＧ社のリチウムイオン円筒形二次電池(商品名：ＩＣＰ１８６５０、２４００ｍＡｈ)を用いた。この時に用いられた電池は、正極活物質としてＬｉＣｏＯ２、負極活物質としてグラファイト、分離膜としてポリプロピレン材質の分離膜を用い、直径３ｍｍ、長さ５.７５ｃｍのステンレス材質のセンターピンを用いた。
【００５７】
実施例１
図２に示すパターン１のようなエンボス形態の突出部が均一に分布されているステンレス材質の板状基材を円筒形に曲げて製造したセンターピン１４を用いた以外は、比較例１と構成要素が同様な電池を組立てた。このとき、板状基材の厚さは０.３ｍｍ、エンボス形態の突出部の高さは０.３ｍｍである。
【００５８】
実験
比較例１及び実施例１で製造したリチウムイオン円筒形電池を４.２Ｖだけ充電させた後、圧壊試験(crushing test)を実施した。
【００５９】
圧壊試験は、直径３０ｃｍの原板下にセル形態の構造物を設置し、圧力が３０００ｌｂｓになるまで３〜４ｍｍ／ｓｅｃ速度で油圧に加圧して実験し、このときに記録される温度及び電圧を観察した。比較例１及び実施例１に対する結果は、それぞれ図９及び図１０に示す。
【００６０】
図９によれば、比較例１の電池は、加圧力が増加するほど短絡のサイズが益々広まるようになり、これにより電圧は徐々に下降するようになる。このときに発生した電池内の局部的な発熱が短時間に急速に上昇するため、電池の発火が発生する。
【００６１】
しかしながら、図１０に示すように、実施例１の電池は、大面的短絡により電池の電圧が瞬間的に低下し、電池内部の最高温度も１００℃未満に低く上昇することを確認できる。これは、本発明により１つ以上の突出部が表面に形成された板状基材を巻回して製造したセンターピンが、巻芯部(Mandrel)のジェリーロール(jelly roll)に大面的短絡を発生させ、これにより短絡電流が分散されるため、電池の発熱を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】従来のセンターピンを用いて電極組立体が巻回された電気化学素子を示す図である。
【図２】本発明によるセンターピンの製造工程を示す模式図である。
【図３】所定形態の２つ以上の不連続な破断線が形成された板状基材の例示図である。
【図４】本発明の一具体例によるセンターピンの構造を示す概略図である。
【図５】本発明の一具体例によるセンターピンを用いて電池を構成する組立図である。
【図６】本発明の他の具体例によるセンターピンを用いて電池を構成する組立図である。
【図７】本発明の一具体例によるセンターピンを用いた安全性の確保メカニズムを示す概略図である。
【図８】本発明のまた他の具体例によるセンターピンを用いた安全性の確保メカニズムを示す概略図である。
【図９】比較例１で製造された電池の圧壊試験の結果図である。
【図１０】実施例１で製造された電池の圧壊試験の結果図である。
【図面の中の符号の説明】
【００６３】
[図面の主要部分に対する符号説明]
1: 負極,                            2: 正極,              
3: 分離膜,                          4: 絶縁板,            
5: 電池缶,                          6: 封合ガスケット,
7: キャップ,                        8: 安全弁装置, 
9: PCT素子,                          10: 負極集電体,        
11: 正極集電体,                      12: 負極タブ,
13: 正極タブ,                14: センターピン,
100: 管状の第１の部材,                200: 外部露出状の第2の部材
【図１】
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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９】
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【図１０】
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【図２】
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【図７】
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【図８】
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