(57)【要約】【課題】  キャッププレートの安全弁の形状を変形することにより、安全弁の厚さを厚くしても低い破断圧力によっても破壊でき、信頼性及び安全性が向上したキャップ組立体及びこれを備えるリチウム二次電池を提供する。【解決手段】  少なくとも電極端子４２０と、キャッププレート４１０を備えるキャップ組立体４００において、キャッププレートは少なくとも１つの第１方向成分及び第１方向成分と所定角度で合う、少なくとも１つの第２方向成分の脆弱部を有する安全弁４１５を含む。【選択図】            図２
2006093146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極端子とキャッププレートとを備えるキャップ組立体において、
前記キャッププレートは、
少なくとも１つの第１方向成分脆弱部及び前記第１方向成分脆弱部と所定の角度をなして合う、少なくとも１つの第２方向成分脆弱部を有する安全弁を備えることを特徴とするキャップ組立体。
【請求項２】
前記安全弁はＨ字形、Ｔ字形、I字形、II字形、III字形の中、いずれかの１つの形状であることを特徴とする請求項１記載のキャップ組立体。
【請求項３】
前記第１方向成分脆弱部は前記キャッププレートの長軸方向成分であり、
前記第２方向成分脆弱部は前記キャッププレートの短縮方向成分であることを特徴とする請求項１記載のキャップ組立体。
【請求項４】
前記安全弁は前記第２方向成分脆弱部の両終端部の内、いずれかの１つの終端部が前記第１方向成分脆弱部の中心部と連結されることを特徴とする請求項１記載のキャップ組立体。
【請求項５】
前記安全弁は少なくとも１つの第２方向成分脆弱部の両終端部が少なくとも２つの第１方向成分脆弱部の中心部と連結されることを特徴とする請求項１記載のキャップ組立体。
【請求項６】
前記第１方向成分脆弱部の長さは前記第２方向成分脆弱部の長さより長いことを特徴とする請求項５記載のキャップ組立体。
【請求項７】
前記第２方向成分脆弱部の長さは前記第１方向成分脆弱部の長さより長いことを特徴とする請求項５記載のキャップ組立体。
【請求項８】
前記安全弁の厚さは２０μｍから０．７ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のキャップ組立体。
【請求項９】
第１電極板、第２電極板、前記第１電極板及び第２電極板間に介されたセパレータを備える巻取型電極組立体と、
前記電極組立体を受容するための空間を備えるケースと、
少なくとも１つの第１方向成分脆弱部及び前記第１方向成分脆弱部と一定の角度をなして合う、少なくとも１つの第２方向成分脆弱部からなる安全弁を備えるキャッププレートとを含み、前記ケースと結合して前記ケースを封入し、前記電極組立体と電気的に連結される端子部が形成されたキャップ組立体とを含むことを特徴とするリチウム二次電池。
【請求項１０】
前記安全弁は、Ｈ字形、Ｔ字形、I字形、II字形、III字形の中、いずれかの１つの形状であることを特徴とする請求項９記載のリチウム二次電池。
【請求項１１】
前記第１方向成分は前記キャッププレートの長軸方向成分であり、
前記第２方向成分は前記キャッププレートの短縮方向成分であることを特徴とする請求項９記載のリチウム二次電池。
【請求項１２】
前記第１方向成分脆弱部の長さは前記第２方向成分脆弱部の長さより長いことを特徴とする請求項１１記載のリチウム二次電池。
【請求項１３】
前記安全弁の脆弱部の厚さは２０μｍから０．７ｍｍであることを特徴とする請求項１０記載のリチウム二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャップ組立体及びこれを備えるリチウム二次電池に関し、より詳細には、キャッププレートの安全弁の形状を変形することにより、安全弁の厚さを厚くしても低い破断圧力によっても破壊できるようにし、信頼性及び安全性を向上させたキャップ組立体及びこれを備えるリチウム二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、セルラーホーン、ノートブックコンピュータ、カムコーダなどのコンパクトで、かつ、軽量化した電気／電子装置等が活発に開発及び生産されている。このような携帯用電気／電子装置等は、別途の電源が備えられていない場所でも作動できるように電池パックを内蔵している。内蔵された電池パックは携帯用電気／電子装置を一定期間駆動させるために、一定レベルの電圧を出力させることができるように、内部に少なくとも１つの電池を備えている。
【０００３】
前記電池パックは経済的な側面を考慮して、最近は充放電可能な二次電池を採用している。二次電池としては代表的に、ニッケル−カドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）電池とニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池及びリチウム（Ｌｉ）電池とリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池などのリチウム二次電池などがある。
【０００４】
特に、リチウム二次電池は、作動電圧が３．６Ｖであって、携帯用電子装備電源にたくさん使われているニッケル−カドミウム電池や、ニッケル−水素電池より３倍も高く、単位重量当たりエネルギー密度が高いという面で急速に需要を伸ばしている。
【０００５】
このようなリチウム二次電池は、主に正極活物質としてはリチウム系酸化物を、負極活物質としては炭素材を使用している。一般に、電解液の種類によって液体電解質電池と高分子電解質の電池とに分類され、液体電解質を使用する電池をリチウムイオン電池といい、高分子電解質を使用する電池をリチウムポリマー電池という。また、リチウム二次電池は色々な形状で製造されているが、代表的な形状としては、円筒形、角形及びパウチ形を挙げることができる。
【０００６】
通常に、リチウムイオン二次電池は、正極活物質がコーティングされた正極電極板、負極活物質がコーティングされた負極電極板及び正極電極板と負極電極板との間に位置してショートを防止し、リチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）の移動のみを可能にするセパレータが巻き取られた電極組立体と、電極組立体を受容するリチウムイオン二次電池用ケースと、リチウムイオン二次電池用ケースの内側に注入されてリチウムイオンの移動を可能にする電解液等からなっている。
【０００７】
このようなリチウムイオン二次電池は、正極活物質がコーティングされ正極タブが連結された正極電極板、負極活物質がコーティングされ、負極タブが連結された負極電極板及びセパレータを積層した後、これを巻き取って電極組立体を製造する。この際、正極活物質はリチウム（Ｌｉ）を含む複合酸化物を主成分とし、一般的に炭酸リチウムと酸化コバルトを１．２:１の割合で混合した後、４００℃から１０００℃で焼成して形成されたＬｉＣｏＯ２を使用する。
【０００８】
次に、電極組立体をリチウム二次電池用ケースに受容し、リチウム二次電池用ケースの上段にキャップ組立体を組立てて、電極組立体の離脱を防止する。
【０００９】
キャップ組立体をリチウム二次電池用ケースに組立てた後、リチウムイオン二次電池用ケースに電解液を注入し、注入口を封入して基本的な形態のリチウムイオン二次電池を完成する。
【００１０】
一方、キャップ組立体は、図１ａ及び図１ｂのように、安全弁１１０が形成されているキャッププレート１００を備えることにより、リチウム二次電池が充電時に発生するガスなどによりリチウム二次電池の内圧が上昇して爆発することを防止する。即ち、安全弁はリチウム二次電池の内圧が上昇する場合、安全弁１１０が破断して、内部のガスなどが外部に排出するようにして、リチウム二次電池に安全性を与える。
【００１１】
しかしながら、前記のようなリチウム二次電池は、安全弁１１０の厚さが一般的に約２０μｍ内外であって、厚さ約０．８ｍｍ内外の前記キャッププレート１００に比べて非常に薄いので、落下などにより外部圧力が加えられる場合、安全弁１１０が破壊される問題がある。
【００１２】
このような前記安全弁１１０の外部圧力による破壊はリチウム二次電池の内部の電解液などが漏出する問題を発生させる。即ち、リチウム二次電池の安全性に相当な悪影響を及ぼすことになるという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、前記の従来の技術の問題を解決するためのものであって、キャッププレートの安全弁の形状を変形することにより、安全弁の厚さを厚くしても低い破断圧力によっても破壊できるので、信頼性及び安全性が向上したキャップ組立体及びこれを備えるリチウム二次電池を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の目的を達成するための本発明は、少なくとも電極端子とキャッププレートとを備えるキャップ組立体において、前記キャッププレートは、少なくとも１つの第１方向成分脆弱部及び前記第１方向成分と所定の角度で合う、少なくとも１つの第２方向成分脆弱部を有する安全弁を含む。
【００１５】
また、本発明のリチウム二次電池は、第１電極板、第２電極板、前記第１電極板及び第２電極板間に介されたセパレータを備える巻取型電極組立体と、前記電極組立体を受容するための空間を備えるケースと、少なくとも１つの第１方向成分脆弱部及び前記第１方向成分脆弱部と所定の角度で合う、少なくとも１つの第２方向成分脆弱部を有する安全弁を備えるキャッププレートとを含み、前記ケースと結合して前記ケースを封入し、前記電極組立体と電気的に連結される端子部が形成されたキャップ組立体を含む。
【００１６】
本発明の実施の形態において、安全弁は、脆弱部がＴ字形、I字形、II字形、III字形等をなすように形成されることができ、Ｈ字形をなすようにすることもできる。
【００１７】
第１方向成分脆弱部はキャッププレートの長軸方向と同じ方向でなされることができ、第２方向成分脆弱部はキャッププレートの短縮方向と同じ方向でなされることができる。
【００１８】
本発明において、安全弁は第２方向成分脆弱部の両終端部の内、いずれかの１つの終端部が第１方向成分脆弱部の中心部と合うように形成されることができる。
【００１９】
本発明において、安全弁は少なくとも１つの第２方向成分脆弱部の両終端部が少なくとも２つの第１方向成分の中心部と連結されるように形成されることができる。
【００２０】
第１方向成分脆弱部の長さは第２方向成分脆弱部の長さより長くでき、または、第２方向成分脆弱部の長さは第１方向成分脆弱部の長さより長くもできる。
【００２１】
前記安全弁の脆弱部の厚さは２０μｍないし０．７ｍｍであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
前記のように、本発明によれば、本発明はキャッププレートの安全弁の形状を変形することにより、安全弁の厚さを厚くしても低い破断圧力によっても破壊できるので、信頼性及び安全性が向上したキャップ組立体及びこれを備えるリチウム二次電池を提供することができる。
【００２３】
前記では本発明の好ましい実施の形態を参照して説明したが、該技術分野の熟練した当業者は特許請求範囲に記載された本発明の事象及び領域から外れない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることができることが理解できるはずである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００２５】
図２は、本発明の一実施の形態に係るリチウム二次電池を説明するための分解斜視図である。
【００２６】
図２を参照すると、本発明の実施の形態に係るリチウム二次電池２００は、リチウム二次電池用ケース２１０と、前記リチウム二次電池用ケース２１０の内部に受容されるジェリー−ロール型の電極組立体３００と、前記リチウム二次電池用ケース２１０の上部に結合するキャップ組立体４００とを含む。
【００２７】
前記リチウム二次電池用ケース２１０は略上部が開口されたボックス（ｂｏｘ）形状を有する金属材缶からなっており、それ自体が端子の役割を遂行することができる。
【００２８】
前記電極組立体３００は、一般に、正極タブとして使われる第１電極タブ３１５及び負極タブとして使われる第２電極タブ３２５の中のいずれかの１つ、例えば、第１電極タブ３１５が取付けられた第１電極板３１０と、前記第１電極タブ３１５及び第２電極タブ３２５の内のもう１つ、例えば、第２電極タブ３２５が取付けられた第２電極板３２０と、前記第１電極板３１０及び第２電極板３２０間に介されたセパレータ３３０が巻き取られた形態からなって、前記二次電池用ケース２１０に受容される。前記第１電極タブ３１５及び第２電極タブ３２５が前記電極組立体３００から引出される境界部には前記第１電極板３１０及び第２電極板３２０間の短絡を防止するために絶縁テープ３４０が設けられている。
【００２９】
前記キャップ組立体４００には、前記二次電池用ケース２１０の開口部と対応する大きさと形状を備える平板型キャッププレート４１０が設けられている。前記キャッププレート４１０の中央部には端子通孔４１１が形成されており、前記キャッププレート４１０の一側には電解液を注入するための電解液注入孔４１２が形成されており、前記電解液注入孔４１２はボール４１３と結合して密閉される。また、前記電解液注入孔４１２の他側には前記リチウム二次電池２００に安全性を与える安全弁４１５が形成されている。この際、前記安全弁４１５は少なくとも１つの第１方向成分脆弱部４１５ａと少なくとも１つの第２方向成分脆弱部４１５ｂからなり、第１方向成分脆弱部４１５ａと第２方向成分脆弱部４１５ｂは略直角で合うように形成される。
【００３０】
端子通孔４１１には電極端子４２０、例えば、負極端子が挿入可能に位置している。電極端子４２０の外部面にはキャッププレート４１０との電気的絶縁のためのチューブ形状のガスケット４３０が設けられている。キャッププレート４１０の下面には絶縁プレート４４０が配置されている。絶縁プレート４４０の下面には端子プレート４５０が設けられている。
【００３１】
電極端子４２０はガスケット４３０が外周面を覆いかぶせた状態で端子通孔４１１を通じて挿入されている。電極端子４２０の底面部は絶縁プレート４４０を介した状態で端子プレート４５０と電気的に連結されている。
【００３２】
キャッププレート４１０の下面には第１電極板３１０から引出された第１電極タブ３１５が熔接されており、電極端子４２０の下端部には第２電極板３２０から引出された第２電極タブ３２５が熔接される。
【００３３】
一方、電極組立体３００の上面には電極組立体３００とキャップ組立体４００とを電気的に絶縁させてやり、これと共に電極組立体３００の上端部をカバーできる絶縁ケース４６０が設けられている。絶縁ケース４６０はキャッププレート４１０の電解液注入口４１２と対応する位置に電解液注入通孔４６２を備えて、電解液を注入できるようにする。絶縁ケース４６０は絶縁性を有する高分子樹脂であって、好ましくは、ポリプロピレンからなるが、本発明の実施の形態にその材質を限るのではない。
【００３４】
一方、図３ａは本発明の実施の形態に係るリチウム二次電池のキャッププレートを説明するための斜視図であり、図３ｂは本発明の実施の形態に係るリチウム二次電池のキャッププレートを説明するための断面図である。
【００３５】
図３ａ及び図３ｂを参照すると、本発明の実施の形態に係るリチウム二次電池用キャッププレート５００は、端子通孔５１０、電解液注入口５２０及び安全弁５３０を備える構造からなる。
【００３６】
この際、安全弁５３０は、キャッププレート５００の長軸方向成分である少なくとも１つの第１方向成分脆弱部５３１及び第１方向成分脆弱部５３１に連結され、キャッププレート５００の短縮方向成分である少なくとも１つの第２方向成分脆弱部５３５からなって、多様な形状からなることができる。また、脆弱部はキャッププレート形成ステップ等において、プレッシング、テーピング等の通常の安全弁脆弱部形成方法により形成されることができる。
【００３７】
例えば、第１方向成分脆弱部５３１は２つ、第２方向成分脆弱部５３５は１つであり、第２方向成分５３５の両終端部は第１方向成分脆弱部５３１の各々の中心部と連結される形状からなることができる。即ち、安全弁５３０の全体的な形状がＨ字形からなることができる。
【００３８】
また、安全弁５３０の厚さは０．７ｍｍ以下であることが好ましくて、より好ましくは、安全弁５３０の厚さは２０μｍから０．７ｍｍであることが好ましい。
【００３９】
一方、図４ａはリチウム二次電池の内部圧力によるリチウム二次電池の変形を説明するための図面であり、図４ｂはリチウム二次電池の内部圧力によるキャッププレートの変形を説明するためのキャッププレートの断面図である。
【００４０】
また、表１は安全弁の形状に係るキャッププレートの変形量を説明するための図表である。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
図４ａ及び図４ｂを参照すれば、リチウム二次電池６００の内部圧力の上昇によって前記リチウム二次電池６００の変形が発生する。
【００４３】
この際、図４ｂに示すように、リチウム二次電池６００の内部圧力が上昇することになると、前記キャッププレート６２０は安全弁６２１が位置する部分の変形が甚だしいことが分かる。即ち、キャッププレート６２０の安全弁６２１部分が前記リチウム二次電池６００の内圧が上昇する場合に破断されて、リチウム二次電池の爆発などの危険性を減少させるものである。
【００４４】
一方、表１を参照すれば、キャッププレート６２０の安全弁６２１の形状によってキャッププレート６２０の最大変形量が異なることが分り、安全弁６２０の形状がＨ形状からなる場合が略四角形の形状からなる場合より大きいことが分かる。
【００４５】
即ち、安全弁６２０の形状がＨ形状からなる場合、安全弁６２０がリチウム二次電池６００の内部の圧力がより低い圧力で破断できることが分かる。
【００４６】
図５ａないし図５ｄは、本発明の実施の形態に係るリチウム二次電池キャッププレートの安全弁の多様な形状を説明するための斜視図である。
【００４７】
図５ａないし図５ｄを参照すれば、本発明の実施の形態に係るリチウム二次電池キャッププレート７００の安全弁７５０は、キャッププレート７００の長軸方向成分である少なくとも１つの第１方向成分脆弱部７５１及びキャッププレート７００の短縮方向成分である少なくとも１つの第２方向成分脆弱部７５５からなり、第１方向成分脆弱部７５１と第２方向成分脆弱部７５５との多様な組み合わせにより多様な形状からなることができる。即ち、安全弁７５０の全体的な形状が、Ｈ字形、Ｔ字形、I字形、II字形、または、III字形などの多様な形状からなることができる。
【００４８】
例えば、安全弁７５０は、図４ａ及び図４ｂのように、２つの第１方向成分脆弱部７５１と１つの第２方向成分脆弱部７５５からなり、２つの第１方向成分脆弱部７５１は略平行をなし、第２方向成分脆弱部７５５が第１方向成分脆弱部７５１と略垂直をなす形態からなることができる。
【００４９】
この際、第１方向成分脆弱部７５１の長さが第２方向の成分脆弱部７５５の長さより長い場合は、安全弁７５０の全体的な形状がＨ字形からなる。また、第２方向成分脆弱部７５５の長さが第１方向成分脆弱部７５１の長さより長い場合は、安全弁７５０の長さが長い場合には前記安全弁７５０の全体的な形状がI字形からなる。
【００５０】
または、安全弁７５０は、図４ｃでのように、２つの第１方向成分脆弱部７５１と２つの第２方向成分脆弱部７５５からなり、２つの第２方向成分脆弱部７５５の両終端部が２つの第１方向成分脆弱部７５１の内側長辺と連結される形態からなることができる。即ち、安全弁７５０の全体的な形状がII字形からなることができる。
【００５１】
または、安全弁７５０は、図４ｄでのように、２つの第１方向成分脆弱部７５１と、３つの第２方向成分脆弱部７５５からなり、これら３つの第２方向成分脆弱部７５５の両終端部が２つの第１方向成分脆弱部７５１の内側長辺と連結される形態からなることができる。即ち、安全弁７５０の全体的な形状がIII字形からなることができる。
【００５２】
前記のような本発明に係るリチウム二次電池は、キャッププレートにおいて、例えば、キャッププレートの長軸方向の少なくとも１つの第１方向成分脆弱部と短縮方向の少なくとも１つの第２方向成分脆弱部からなることができる。第２方向成分脆弱部が第１方向成分脆弱部の両終端部を除外した部分と連結される安全弁を備えることにより、内部圧力上昇の際、より容易に破断できる構造からなる。
【００５３】
従って、リチウム二次電池の低い内部圧力で安全弁が破断できるので、リチウム二次電池の安全性を向上させることができる。
【００５４】
また、安全弁がリチウム二次電池の低い内部圧力で破断できるので、安全弁の厚さをより厚くすることができるので、落下などの外部衝撃に抵抗力が強くなるので、リチウム二次電池の安全性、信頼性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、リチウム二次電池の安全性、信頼性を向上させることができるので、リチウム二次電池の技術分野で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１ａ】従来のキャップ組立体を説明するための図面である。
【図１ｂ】従来のキャップ組立体を説明するための図面である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るリチウム二次電池を説明するための分解斜視図である。
【図３ａ】本発明の実施の形態に係るリチウム二次電池のキャッププレートを説明するための斜視図である。
【図３ｂ】本発明の実施の形態に係るリチウム二次電池のキャッププレートを説明するための断面図である。
【図４ａ】リチウム二次電池の内部圧力によるリチウム二次電池の変形を説明するための図面である。
【図４ｂ】リチウム二次電池の内部圧力によるキャッププレートの変形を説明するためのキャッププレートの断面図である。
【図５ａ】本発明の実施の形態に係るリチウム二次電池キャッププレートの安全弁の多様な形状を説明するための斜視図である。
【図５ｂ】本発明の実施の形態に係るリチウム二次電池キャッププレートの安全弁の多様な形状を説明するための斜視図である。
【図５ｃ】本発明の実施の形態に係るリチウム二次電池キャッププレートの安全弁の多様な形状を説明するための斜視図である。
【図５ｄ】本発明の実施の形態に係るリチウム二次電池キャッププレートの安全弁の多様な形状を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
【００５７】
２００    リチウム二次電池、
２１０    リチウム二次電池用ケース、
３００    電極組立体、
３１０    第１電極板、
３１５    第１電極タブ、
３２０    第２電極板、
３２５    第２電極タブ、
３３０    セパレータ、
３４０    絶縁テープ、
４００    キャップ組立体、
４１０    キャッププレート、
４１１    端子通孔、
４１２    電解液注入口、
４１３    ボール、
４１５    安全弁、
４２０    端子電極、
４３０    ガスケット、
４４０    絶縁プレート、
４５０    端子プレート、
４６０    絶縁ケース、
４６２    電解液注入通孔。
【図１ａ】
2006093146.tif 000004
【図１ｂ】
2006093146.tif 000005
【図２】
2006093146.tif 000006
【図３ａ】
2006093146.tif 000007
【図３ｂ】
2006093146.tif 000008
【図４ａ】
2006093146.tif 000009
【図４ｂ】
2006093146.tif 000010
【図５ａ】
2006093146.tif 000011
【図５ｂ】
2006093146.tif 000012
【図５ｃ】
2006093146.tif 000013
【図５ｄ】
2006093146.tif 000014