(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と負極の間にセパレータを配置した後、巻き取ったゼリーロールを前記負極と接続される電池ケースの内部に電解質と共に収納し、電池ケースの開口を前記正極と接続されたトップキャップアセンブリーで密封した二次電池に、内圧の異常上昇時に爆発を防止する安全装置として電池ケースに溝を形成した二次電池において、
前記溝が曲線に形成され、
前記曲線溝が、六面体電池ケースにおける最大面積を有する側面において、臨界圧力における応力が等しい点を連結した閉曲線上に形成され、且つ、最大面積を有する側面の対角線上に前記曲線溝の湾曲の中心が位置するように形成され、
前記曲線溝のいずれか一端から５ｍｍ以下の直線溝が延長形成されることを特徴とする、二次電池。
【請求項２】
前記曲線溝の両端から５ｍｍ以下の直線溝が延長形成されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
前記曲線溝が電池ケースの外側に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
【請求項４】
前記曲線溝の曲率が３乃至５０ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
【請求項５】
前記溝部分の電池ケースの厚さは、前記電池ケースの全体厚さに対して１０乃至３０％であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２０００年９月２９日及び２００１年２月５日に、それぞれ韓国特許庁へ出願された、出願Ｎｏ．１０−２０００−５７５０７及び出願Ｎｏ．１０−２００１−５４８４に基づくものであり、これらの内容は、前記参照によって、本願に組み込まれるものとする。 
【０００２】
本発明は二次電池に係り、特に、リチウムイオン二次電池の内部圧力による電池爆発を防止できるような二次電池の安全板に関するものである。 
【背景技術】
【０００３】
最近、高性能ノートブックコンピュータや無線電話機など各種携帯電子器機の普及傾向、再充電可能で高エネルギー密度を有する二次電池に対する需要がこれら装置の電源として用いるために増加している。 
【０００４】
このような二次電池の中で、リチウムイオン二次電池は、炭素質の負極、リチウム金属酸化物の正極、ポリオレフィン系セパレータ及び電解質を含み、正極と負極の間のリチウムイオンが移動する時に発生する起電力によって充放電が行われる。 
【０００５】
しかし、リチウムイオン二次電池は作動電位が高いため、高エネルギーが瞬間的に流れる恐れがあり、正極物質は過充電または短絡によって化学的に大きく活性化するため、電解質と急激に反応して多量のガスを発生させる。 
【０００６】
その結果、リチウムイオン二次電池内部の圧力や温度が急激に上昇して電池の爆発につながり、周辺装置が破損したり人体が損傷を受ける恐れがある。 
【０００７】
したがって、リチウムイオン二次電池の爆発を防止する様々な安全装置が開発されている。 
【０００８】
例えば、米国特許第５，７３８，９５２号が開示する構造では安全板が正極リードタップに溶接で連結されて、所定の臨界圧力に到達すると反転し、安全板の溶接部位が分離されて電流を遮断し、それによって圧力と温度の上昇を防止しており、圧力が所定圧力を超過すれば電池ケースの壁または電流の流れる経路が遮断され、圧力上昇を防止する。 
【０００９】
しかし、このような技術でも不都合が残り、圧力応答型安全板の製作と組立てがむずかしく、電池の異常反応時に電池外部の電流を遮断して電流の流れを防止することはできるが、別途の安全板が電池ケースの外部に装着されなければならない。 
【００１０】
また、日本国公開特許公報平２−２８４３５０号及び平９−３２０５４９号には二次電池の安全装置として、電池ケースの表面に直線または直線からなるＸ字形の溝を形成する技術が開示されている。 
【００１１】
しかし直線溝は、電池ケース全体が膨らんで破断する所定の臨界圧力で、最も大きく膨らむ最大面積部の中心部から溝の各地点までの距離が各自異なるので、溝に加わる圧力も各々異なり、このため溝の全ての部分が同時に破断するのではなく、溝の中で最も弱い部分が最初に破断する。 
【００１２】
したがって、溝全域が同時に破断するのが最も好ましいが、電池ケースに厚さが変化する溝を製作する以外には、全域が同時破断するような溝を作ることは不可能である。 
【００１３】
また、もう一つの問題であるが、破断圧力のバラツキが電池ケースの大きさ、溝の位置によって違うため安全装置の設計が難しい。 
【００１４】
Ｘ字溝の場合は不都合なことがあって、電池ケースに正確に溝を刻するのが難しく、電池ケースの大きさを考慮して所定圧力で破断するように新しく設計しなければならない。 
【００１５】
また、直線溝とＸ字溝の場合、破断後の電池爆発は防止できるが、溝の破断部位が鋭くなるので使用者が負傷する恐れがある。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第５，７３８，９５２号明細書
【特許文献２】特開平２−２８４３５０号公報
【特許文献３】特開平９−３２０５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は前記従来技術の不都合や制約による問題点を一つ以上実質的に除去するような二次電池の安全板を指向している。二次電池の内部圧力上昇時、圧力が溝に均一に加わるようにして、溝が同時に破断することができる二次電池の安全板を提供するのにその目的がある。 
【００１８】
本発明の他の目的は、電池ケースの大きさ、溝の位置による破断する圧力のバラツキを同一にすることにより、二次電池の安全性を高める二次電池の安全板を提供することにある。 
【００１９】
本発明のさらに他の目的は、溝の破断後にも破断部位によって人体が負傷しないようにする二次電池の安全板を提供することにある。 
【課題を解決するための手段】
【００２０】
これらと他の望ましいことを達成するために、また本発明の目的にしたがって実施例を構成し、広く説明したように、二次電池においては、正極と負極の間にセパレータを配置するが、セパレータと共に巻いたゼリーロール、前記正極と前記負極が電池ケースに納められ、電解質を備えた負極に接続され、電池ケースの開口は前記正極と接続されたトップキャップアセンブリーで密封され、二次電池の安全板は、内圧上昇による電池爆発を防止する安全装置として電池ケース上に形成され、前記溝が曲線に形成されることを特徴とする。 
【００２１】
ここで、曲線溝が電池ケースの外部に形成されるのが好ましく、そして、電池ケースが六面体になった角形であり、前記曲線溝が最大面積を有する側面に形成されるのが好ましい。 
【００２２】
また、より好ましくは、曲線溝が前記角形電池ケースの最大面積を有する側面の対角線上に形成される。 
【００２３】
曲率は３乃至５０ｍｍであるのが好ましい。 
【００２４】
一方、曲線溝の両端またはいずれかの一端に直線溝が延長形成されるのが好ましい。 
【００２５】
電池ケース上の前記溝部分の厚さは、前記電池ケースの全体厚さに対して１０乃至３０％程度に形成されるのが好ましい。 
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例による安全板が形成された二次電池を部分的に取出して、拡大した斜視図である。
【図２】本発明による安全板が形成された電池ケースの最大面積部の側面を示した正面図である。
【図３】本発明によるもう一つの実施例による安全板の位置を示した正面図である。
【図４】安全板が形成された二次電池に内圧が発生した時の応力分布を予測して、閉曲線で示した正面図である。
【図５】本発明によるさらに他の実施例の安全板が形成された二次電池を示した正面図である。
【図６】本発明によるさらに他の実施例の安全板が形成された二次電池を示した正面図である。
【図７】本発明によるさらに他の実施例の安全板が形成された二次電池を示した正面図である。
【図８】本発明の各実施例による安全板が形成された各二次電池を比較した図である。
【図９】本発明による安全板が形成された二次電池の強制過充電により、安全板が破断した状態を示した図である。
【図１０】過充電による安全板の破断時、二次電池内部の温度の変化を示すグラフである。
【図１１】過充電による安全板の破断時、二次電池内部の電圧の変化を示すグラフである。
【図１２】本発明による安全板が形成された二次電池をホットボックスに入れ、温度を上昇させて安全板を破断させた状態を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明による好ましい各実施例を詳細に参照する。各例は添付された各図面に示されている。図１は、本発明による安全板が形成された二次電池を部分的に取出して拡大して示した斜視図である。
【００２８】
各種二次電池の中で、本発明は、リチウムイオン角形二次電池（以下、角形二次電池という）に関して説明する。 
【００２９】
角形二次電池には、正極２、セパレータ４及び負極６と共に巻かれて、負極と接続された電池ケース１０の内部に収納されたゼリーロール８がある。角形二次電池には、電池ケース１０の上部に正極２と接続されたトップキャップアセンブリー１２が設置され、トップキャップアセンブリー１２に形成された注入口１２ａを通じて電池ケース１０の内部に電解液を注入した後、注入口１２ａが密封されている。 
【００３０】
トップキャップアセンブリー１２は、電池ケース１０の上部に溶接されるトップキャップ１４と、トップキャップ１４の下部中心に配置される下部板１６と、トップキャップ１４と下部板１６との間に上下部ガスケット１８、２０を介在させてガスケットと共にリベットした正極端子２２と、を含む。 
【００３１】
前記下部板１６は、ゼリーロール８のタップ２４及び負極６と連結される。 
【００３２】
そしてゼリーロール８の上下端には、絶縁のための上部絶縁板２６と下部絶縁板２８が配置される。 
【００３３】
このような角形二次電池には、爆発に対する安全装置として電池ケースに安全板３０を形成する。 
【００３４】
安全板３０は、図２及び図３に示したように電池ケース１０に曲線溝を形成して、電池の過度な内圧上昇時に曲線溝が破断されるように設計される。
【００３５】
このような曲線溝は電池ケース１０の外部の最大面積部を有する側面に形成されるのが好ましいが、これは角形二次電池の内圧が過度に上昇すると、最も弱い部分である電池ケースの最大面積部の側面が先ず膨張するからである。 
【００３６】
好ましくは曲線溝が、電池内部の圧力を放出するために、電池ケース１０の外部に形成されるのが有利である。 
【００３７】
本発明の電池ケース１０に刻まれる曲線溝は、従来の直線またはＸ字形の溝より一層正確に臨界圧力で破断されるように、最大面積部を有する側面の対角線または対角線から延長する仮想線の上に湾曲の中心が位置するように形成される。 
【００３８】
特に、曲線溝は最大面積部の中心部よりは各隅部に近い位置に形成され、その曲率は３乃至５０ｍｍ程度が好ましい。 
【００３９】
曲線溝は最大面積部の側面に受ける応力の集中を考慮して形成される。つまり、当業者に明らかなように、角形二次電池の内圧上昇によって最大面積部の側面が膨らむようになると、最大面積部の中心部でその膨らみが最も大きくなり、四隅部分での膨らみが最も小さくなる。 
【００４０】
仮に、最大面積部の全側面上で等しい応力を受ける各連結地点、図４に示したように、最大面積部の側面中心部に近いほど通常の楕円形に似た閉曲線を形成し、角部分に近いほど順次に長方形に近い閉曲線を形成するようになる。
【００４１】
最大面積部の中心部と隅部分の間で、応力が急激に変化し、最も弱い部分に本発明の曲線溝を形成している。 
【００４２】
したがって、曲線溝の全ての部分でバラツキの少ない応力集中が発生し、安全板３０の破断時に曲線溝のほとんど全体で同時に破断が生じて圧力の偏差が最小化する。 
【００４３】
同様の理由で、曲線溝の両端またはいずれか一端から図５に示したように直線溝３２を延長することができる。この直線溝３２は５ｍｍ以下が好ましく、５ｍｍ超であると圧力偏差が大きくなる恐れがある。
【００４４】
図６及び図７は各々、本発明の実施例を示し、電池ケース１０の最大面積部に安全板３０が異なる形態で形成されている。
【００４５】
一般的なリチウムイオン角形二次電池の電池ケース１０は、ステンレス、ニッケルメッキ鋼、アルミニウム合金又はプラスチックの中のいずれか一つの材質で作られる。 
【００４６】
電池ケース１０の厚さは、電池の大きさ、電池ケースの材料に応じて設計され、好ましい電池ケースの厚さの範囲は０．３ｍｍ乃至０．７ｍｍである。 
【００４７】
電池ケース１０に形成される曲線溝の厚さは電池ケース１０の厚さより薄く形成され、曲線溝部分での電池ケースの厚さは臨界圧力が高く設計されるほど増加し、臨界圧力が低く設計されるほど減少する。 
【００４８】
特に、溝部分の電池ケースの厚さは、前記電池ケース１０の厚さに対して１０〜３０％であるのが好ましい。 
【００４９】
実施例を参照して本発明を詳細に説明するが、実施例が本発明をこれらに限定するものではない。 
【実施例】
【００５０】
［実施例］
リチウムコバルト酸化物の正極２を、カーボン活物質の負極６からオレフィン系セパレータ４で分離させたゼリーロール８を、図１に示したような電池ケース１０の内部に収納する。
【００５１】
前記電池ケース１０は、厚さ０．４５ｍｍ、長さ６３ｍｍ、高さ４８ｍｍの角形に形成される。 
【００５２】
このような電池ケース１０に形成される曲線溝の幅は０．７ｍｍ、長さが１３ｍｍ、厚さが０．１ｍｍ、曲率半径が４０ｍｍである。 
【００５３】
電池ケース１０にゼリーロール８が収納された状態で、ゼリーロールの正極に付着されたタップ２４をトップキャップアセンブリー１２の正極端子２２に溶接する。 
【００５４】
トップキャップ１４を電池ケース１０の開口に密着させてレーザー溶接した後、トップキャップ１４の電解液注入口１２ａを通じてエチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチレンカーボネート（ＤＥＣ）及びリチウム塩（ＬｉＰＦ６）を含む電解液を注入し、電解液注入口１２ａを密封させてリチウムイオン角形二次電池を製造した。 
【００５５】
［比較例］ 
図８に示したように、様々な形態の安全板を最大面積部の側面に形成し、最初の安全板を破断させるように徐々に圧力を増加させて、二次電池の破断圧力を測定した。図８において、数値は全てｍｍ単位で示されている。
【００５６】
この安全板の溝は放電加工によって形成されており、溝が形成された電池ケースは厚さ０．１ｍｍのアルミで作られ、溝の厚さは０．４ｍｍである。 
【００５７】
タイプ１では２種類のＡが長さ２ｍｍと５ｍｍで各々作られた。 
【００５８】
タイプ３では３種類のＢが長さ３ｍｍ、５ｍｍ及び７ｍｍで各々作られた。 
【００５９】
破断試験の結果は表１のとおりで、この表でＸ表示は、破断が発生していないことを示す。 
【００６０】
【表１】
0005593285.tif 000002
【００６１】
表１に示すように、曲線溝が最大面積部の最も弱い部分に形成されるので、安全板が必ず最初に破断され、破断時の圧力偏差が１ｋｇｆ／ｃｍ２以内である。 
【００６２】
つまり、曲線溝が形成された安全板を使用することにより、リチウムイオン角形二次電池は爆発せずに安定して破断される。 
【００６３】
［実験例１］ 
このリチウムイオン角形二次電池で、異常内圧発生時に、安全板の破断が安定して生じるか否かを判断するために、過充電（Ｏｖｅｒｃｈａｒｇｅ）試験、ホットボックス（Ｈｏｔ ｂｏｘ）試験及び落下実験を実施した。 
【００６４】
ＵＬ１６４２規格の落下試験は、リチウムイオン角形二次電池の安定性を確認するために、電池ケースを高さ１．９ｍから３回落下させて、曲線溝が破断したか否かを観察した。 
【００６５】
試験結果としては、曲線溝は破断しなかった。 
【００６６】
３Ｃ過充電実験を、安全板の破断圧力を観察するために、充放電試験器を利用して実施した。 
【００６７】
過充電試験結果としては、図９に示したように、その後も安全板が動作した。
【００６８】
この過充電後の、リチウムイオン角形二次電池の内部温度変化と電圧変化を、図１０及び図１１のグラフで示している。
【００６９】
また、ホットボックス試験を、角形二次電池の温度を上昇させながら安全板が破断されるか観察するために行った。その結果、ホットボックスの内部温度を１５０℃まで上昇させた時に、図１２に示したように、安全板が破断された。
【００７０】
［実験例２］ 
実験例２では、角形二次電池の大きさ別に本発明に従って設計された安全板が安定に破断されるか、また安全板がどの程度の圧力偏差で破断されるかを試験した。 
【００７１】
下記表２において、Ａタイプはリチウムイオン角形二次電池で、厚さが６．３ｍｍ、幅３．４ｃｍ、高さ５．０ｃｍであり、Ｂタイプ電池は厚さが６．３ｍｍ、幅３．０ｃｍ、高さ６．７ｃｍである。 
【００７２】
【表２】
0005593285.tif 000003
【００７３】
表２に示すように、平均破断圧力から１．１ｋｇｆ／ｃｍ２以内である。 
【００７４】
つまり、破断圧力偏差が大きくないため、より安定した破断を予測することができ、角形二次電池の安定性が向上した。 
【００７５】
上述のように、本発明による二次電池の安全板は従来の技術に比べて向上した効果を示す。 
【００７６】
つまり、二次電池の内部圧力上昇時に圧力が曲線溝に均一に加わるので、曲線溝の各部でほとんど同時に破断が発生し、二次電池の爆発の危険が減少する。 
【００７７】
また、電池ケースの大きさ、溝の位置を考慮して破断圧力偏差を減少させることにより、二次電池の安全性が改善される。 
【００７８】
更に、溝が曲線状に形成されるので、溝の破断後も、使用者が負傷を受けないようになる。 
【００７９】
本発明が説明され実施例に描写されているが、当業者にとって、本発明の本質から離脱することなく、種々の変形が可能なことは明らかである。したがって、その意図する所は、本発明が発明の各種変形を、特許請求の範囲またはその同等物の範囲に含むものとすることである。 
【符号の説明】
【００８０】
２  正極
４  セパレータ
６  負極
８  ゼリーロール
１０  電池ケース
１２  トップキャップアセンブリー
１２ａ  注入口
１４  トップキャップ
１６  下部板
１８  上部ガスケット
２０  下部ガスケット
２２  正極端子
２４  タップ
２６  上部絶縁板
２８  下部絶縁板
３０  安全板
３２  直線溝
【図１】
0005593285.tif 000004
【図２】
0005593285.tif 000005
【図３】
0005593285.tif 000006
【図４】
0005593285.tif 000007
【図５】
0005593285.tif 000008
【図６】
0005593285.tif 000009
【図７】
0005593285.tif 000010
【図８】
0005593285.tif 000011
【図９】
0005593285.tif 000012
【図１０】
0005593285.tif 000013
【図１１】
0005593285.tif 000014
【図１２】
0005593285.tif 000015