(57)【要約】【課題】短絡部及びベント部がキャッププレートと一体に形成された構造を提供する。【解決手段】第１極板、第２極板、及び第１極板と第２極板との間に介在されるセパレーターセパレーター１１３からなる電極組立体１１０と、電極組立体１１０を収納するケースであって、その一面が開口されるケース１４０と、ケース１４０の開口を密閉するキャッププレートであって、所定の領域にベント部１５４及び短絡部１５５が形成されたキャッププレート１５１と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１極板、第２極板、及び前記第１極板と前記第２極板との間に介在されるセパレーターからなる電極組立体と、
前記電極組立体を収納するケースであって、その一面が開口されるケースと、
前記ケースの開口を密閉するキャッププレートであって、所定の領域にベント部及び短絡部が形成されたキャッププレートと、を含み、
前記ベント部及び前記短絡部は、前記キャッププレートと一体に形成されることを特徴とする二次電池。
【請求項２】
前記ベント部及び前記短絡部における粒子の大きさは、前記キャッププレートにおける前記ベント部及び前記短絡部を除いた領域の粒子の大きさより大きいことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
前記ベント部及び前記短絡部の硬度は、前記キャッププレートにおける前記ベント部及び前記短絡部を除いた領域の硬度より低いことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
【請求項４】
前記短絡部の硬度は、３〜５ｋｇｆ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項３に記載の二次電池。
【請求項５】
前記ベント部の硬度は、６〜８ｋｇｆ/ｃｍ２であることを特徴とする請求項３に記載の二次電池。
【請求項６】
前記ベント部及び前記短絡部は、前記キャッププレートが機械加工された後、熱処理をして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７】
前記熱処理は、誘導加熱装置を利用することを特徴とする請求項６に記載の二次電池。
【請求項８】
前記熱処理は、前記キャッププレートの所定の領域にのみ実施されることを特徴とする請求項６に記載の二次電池。
【請求項９】
電極組立体を収納するキャッププレートであって、その一面が開口されたケースを密閉するキャッププレートを設ける段階と、
前記キャッププレートに短絡部及びベント部を形成する段階と、
前記短絡部に対して第１熱処理を行う段階と、
前記ベント部に対して第２熱処理を行う段階と、
を含むことを特徴とする二次電池の製造方法。
【請求項１０】
前記短絡部及び前記ベント部は、鋳造、鍛造、圧延、及びプレスのうちのいずれか一つの方法によって形成されることを特徴とする請求項９に記載の二次電池の製造方法。
【請求項１１】
前記第１熱処理及び前記第２熱処理は、誘導加熱装置によって実施されることを特徴とする請求項９に記載の二次電池の製造方法。
【請求項１２】
前記第１熱処理は、４００℃〜５００℃の温度下で７０分以内に実施されることを特徴とする請求項１１に記載の二次電池の製造方法。
【請求項１３】
前記第２熱処理は、２００℃〜３００℃の温度下で７０分以内に実施されることを特徴とする請求項１１に記載の二次電池の製造方法。
【請求項１４】
前記第１熱処理及び前記第２熱処理は、短絡部及びベント部にのみそれぞれ実施されることを特徴とする請求項９に記載の二次電池の製造方法。
【請求項１５】
前記第１熱処理は、前記第２熱処理が行われる前に実施されることを特徴とする請求項９に記載の二次電池の製造方法。
【請求項１６】
前記第１熱処理は、前記第２熱処理が行われた後に実施されることを特徴とする請求項９に記載の二次電池の製造方法。
【請求項１７】
前記第１熱処理は、前記第２熱処理と同時に実施されることを特徴とする請求項９に記載の二次電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池及びその製造方法に関し、より詳細には、加工方法を単純化することができる二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子・通信等の産業が急速に成長しており、キャムコーダ、携帯電話、ノートブックなどの携帯型電子機器の普及が増加している。このために、二次電池の使用量も増加している。前記二次電池は、携帯型電子機器のみならず、高出力及び高電力を必要とする電動工具、自動車、ボート、宇宙運送手段、モーターバイク、スクーター、航空運送手段などの中大型装置にも使用されている。
【０００３】
最近、高エネルギー密度の非水電解液を利用した高出力二次電池が開発されており、前記高出力二次電池は、大電力を必要とする機器、例えば、電気自動車などのモーター駆動に使用できるように複数の二次電池を電気的に連結して大容量の二次電池を構成している。
【０００４】
ところが、このような二次電池の内部で短絡が発生すれば、二次電池に過電流が流れ、過電流が持続的に流れると過度な熱が発生して二次電池が爆発または発火することがある。そこで、キャッププレートに短絡部及びベント部を具備して二次電池内の圧力が既に設定された圧力より高くなれば、短絡部で短絡を誘導して電流の流れを遮断し、かつ、ベント部は、破断されて過度な熱によって発生されたガスを排出する。
【０００５】
しかし、前記短絡部及びベント部は、別途で加工された後、キャッププレートに溶接によって具備されることが一般的であるので、製造コストが高く、生産性が低いという問題点があった。したがって、生産コストを削減しながら、生産の効率性效率性を向上することができる多様な研究が進行されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明は、上記の問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、短絡部及びベント部がキャッププレートと一体に形成された構造を提供することである。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、キャッププレートの一領域より硬度の低い短絡部及びベント部を提供することである。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、電池内の圧力が既に設定された圧力より高くなる場合、短絡及び破断が容易な構造を提供することである。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、短絡部及びベント部の粒子の大きさを周辺領域よりさらに小さく形成することができる二次電池の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を果たすために本発明による二次電池は、第１極板、第２極板、及び前記第１極板と前記第２極板との間に介在されるセパレーターからなる電極組立体と、前記電極組立体を収納するケースであって、その一面が開口されるケースと、前記ケースの開口を密閉するキャッププレートであって、所定の領域にベント部及び短絡部が形成されたキャッププレートとを含み、前記ベント部及び前記短絡部は、前記キャッププレートと一体に形成される。
【００１１】
また、前記ベント部及び前記短絡部における粒子の大きさは、前記キャッププレートにおける前記ベント部及び前記短絡部を除いた領域の粒子の大きさより大きい場合がある。
【００１２】
また、前記ベント部及び前記短絡部の硬度は、前記キャッププレートにおける前記ベント部及び前記短絡部を除いた領域の硬度より低い場合がある。
【００１３】
また、前記短絡部の硬度は、３〜５ｋｇｆ／ｃｍ２であり得る。
【００１４】
また、前記ベント部の硬度は、６〜８ｋｇｆ/ｃｍ２であり得る。
【００１５】
また、前記ベント部及び前記短絡部は、前記キャッププレートが機械加工された後、熱処理して形成されることができる。
【００１６】
また、前記熱処理は、誘導加熱装置を利用することができる。
【００１７】
また、前記熱処理は、前記キャッププレートの所定の領域にのみ実施されることができる。
【００１８】
さらに、本発明による二次電池の製造方法は、電極組立体を収納するキャッププレートであって、その一面が開口されたケースを密閉するキャッププレートを設ける段階と、前記キャッププレートに短絡部及びベント部を形成する段階と、前記短絡部に対して第１熱処理を行う段階と、前記ベント部に対して第２熱処理を行う段階と、を含む。
【００１９】
また、前記短絡部及びベント部は、鋳造、鍛造、圧延、及びプレスのうちのいずれか一つの方法によって形成されることができる。
【００２０】
また、前記第１熱処理及び前記第２熱処理は、誘導加熱装置によって実施されることができる。
【００２１】
また、前記第１熱処理は、４００℃〜５００℃の温度下で７０分以内に実施されることができる。
【００２２】
また、前記第２熱処理は、２００℃〜３００℃の温度下で７０分以内に実施されることができる。
【００２３】
また、前記第１熱処理及び前記第２熱処理は、前記短絡部及び前記ベント部にのみそれぞれ実施されることができる。
【００２４】
また、前記第１熱処理は、前記第２熱処理が行われる前に実施されることができる。
【００２５】
また、前記第１熱処理は、前記第２熱処理が行われた後に実施されることができる。
【００２６】
また、前記第１熱処理は、前記第２熱処理と同時に実施されることができる。
【発明の効果】
【００２７】
上述したように、本発明による二次電池によれば、短絡部及びベント部をキャッププレートに一体化することによって加工方法を単純化することができ、製造コストを削減することができるという効果を奏する。
【００２８】
また、本発明による二次電池によれば、キャッププレートの一領域よりも短絡部及びベント部の硬度を低く形成することによって、電池内の圧力が既に設定された圧力よりも高くなる場合、短絡部及びベント部が破断し、それによって電流の流れが遮断され、発生されたガスが排出されて電池の安全性を向上させることができるという効果を奏する。
【００２９】
さらに、本発明による二次電池の製造方法によれば、短絡部及びベント部領域の熱処理をそれぞれ実施し、粒子の大きさがキャッププレートの周辺領域よりも小さいだけでなく、硬度も低くなるので、電池内の圧力が既に設定された圧力よりも高くなる場合、短絡部及びベント部の破断が迅速でかつ容易に行われることができ、それによって、電池の安全性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の二次電池を示した斜視図である。
【図２】Ｉ−Ｉ’線に沿った断面図である。
【図３】図２のＡ部分の拡大図である。
【図４】本発明による二次電池の製造方法を示した工程図である。
【図５Ａ】熱処理されたベント部を示した写真である。
【図５Ｂ】未熱処理されたベント部を示した写真である。
【図６Ａ】熱処理された短絡部を示した写真である。
【図６Ｂ】未熱処理された短絡部を示した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下では、本発明について、添付図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明が図示された実施例にのみ限定されるものではない。本発明の目的及びその他の目的と新しい特徴は、本明細書の技術及び添付図面によってより明確になる。
【００３２】
以下、本発明の構成について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の二次電池１００の外観を示した斜視図、図２は、図１のＩ−Ｉ’線に沿った断面図、図３は、図２のＡ部分の拡大図である。
【００３３】
図１及び図２に示されたように、本発明による二次電池１００は、第１極板１１１、第２極板１１２、及び前記第１極板１１１と第２極板１１２との間に介在されるセパレーター１１３からなる電極組立体１１０と、前記電極組立体１１０を収納するケース１４０であって、その一面が開口されるケース１４０と、前記ケース１４０の開口を密閉するキャッププレート１５１であって、所定の領域にベント部１５４及び短絡部１５５が形成されたキャッププレート１５１と、を含む。この時、前記ベント部１５４及び短絡部１５５は、キャッププレート１５１と一体に形成される。
【００３４】
本発明の一実施例によるベント部１５４及び短絡部１５５は、それぞれ別個に形成された後、キャッププレート１５１に溶接されることによって具備されるものではなく、図３に示されたように、キャッププレート１５１が鋳造、鍛造、圧延、及びプレスのうちのいずれか一つの方法を利用して機械加工された後、熱処理して一体に形成されたものである。この熱処理の際に誘導加熱装置を利用することができる。
【００３５】
本発明の一実施例で熱処理は、キャッププレート１５１の所定または一領域に実施することができる。
【００３６】
前記キャッププレート１５１は、アルミニウムからなることができ、電極組立体１１０から発生する大電流が安定に流れるように、所定の硬度を持つように構成されることができる。すなわち、キャッププレート１５１は、全体的に所定の硬度を持つように堅固な構造で構成されるが、キャッププレート１５１の一領域に形成されたベント部１５４及び短絡部１５５は、キャッププレート１５１の他の領域よりも低い硬度を有することがある。
【００３７】
例えば、前記ベント部１５４は、過充電によって電池の内部圧力が増加する場合、内部ガスを放出させて電池の安全性を確保するように構成される。そして、前記短絡部１５５は、二次電池内の圧力が既に設定された圧力よりも高くなれば、圧力によって反転され、これによって第２端子プレート１３３に接触されて短絡を誘導することができる。
【００３８】
上述したような短絡が安定に行われるように、前記第２端子プレート１３３と前記キャッププレート１５１との短絡部１５５は、互いに異なる極性を持つことができる。例えば、前記第２端子プレート１３３は陰極であり得るし、前記短絡部１５５は陽極であり得る。また、ベント部１５４の所定または一領域には、設定された圧力で開放が容易になるようにノッチ１５４ａがさらに形成されることができる。
【００３９】
上記のように、前記キャッププレート１５１の一領域に形成されたベント部１５４及び短絡部１５５は、キャッププレート１５１の他の領域よりも低い硬度で形成され、電池内の圧力が増加すれば、優先的に短絡及び破断されて電流の流れを遮断させるか、又は内部ガスを放出させることができる。前記ベント部１５４及び短絡部１５５は、それぞれ６〜８ｋｇｆ/ｃｍ２及び３〜５ｋｇｆ/ｃｍ２の強度を持つように構成されることができる。
【００４０】
また、前記キャッププレート１５１には、ケース１４０の内部に電解液を注入するための電解液注入部１５３と、第１連結端子１２０及び第２連結端子１３０がそれぞれ挿入される第１端子ホール１５２ａ及び第２端子ホール１５２ｂとがさらに形成されることができる。
【００４１】
図２を参照して本発明の二次電池について説明する。電極組立体１１０は、互いに積層された第１極板１１１及び第２極板１１２とセパレーター１１３とを巻取してゼリーロール（Ｊ／Ｒ）の形態で製造するか、または複数個の第１極板１１１及び第２極板１１２とセパレーター１１３とを積層してスタック（ｓｔａｃｋ）の形態で製造するか、または巻取及び積層の両方を用いて製造することができる。
【００４２】
第１極板１１１は、シート形態の導電物質である第１基材に第１活物質を間欠的にコーティングして形成された第１活物質コーティング部、前記第１活物質がコーティングされずに前記第１基材が露出する部分である第１無地部１１１ａからなり、前記第１無地部１１１ａは、第１極板の一側に突き出されるように構成されることができる。例えば、第１極板は、陽極板を含み、前記第２活物質は、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎＯ４またはＬｉＮｉ１-ｘ-ｙＣｏｘＭｎｙＯ２などのリチウムを含む陽極活物質からなることができる。
【００４３】
第２極板１１２は、前記第１極板１１１と異なる極性を持つもので、シート形態の導電物質である第２基材に第２活物質を間欠的にコーティングして形成された第２活物質コーティング部、前記第２活物質がコーティングされずに前記第２基材が露出する部分である第２無地部１１２ａからなり、前記第２無地部１１２ａは、第２極板１１２の一側に突き出されるように構成されることができる。例えば、前記第２極板１１２は、陰極板であり得るし、前記第１活物質は、結晶質炭素、非晶質炭素、炭素複合体、炭素纎維などの炭素材料、リチウム金属またはリチウム合金を含む陰極活物質であり得る。
【００４４】
セパレーター１１３は、前記第１極板１１１と第２極板１１２との間に位置されて巻き取られ、第１極板１１１及び第２極板１１２との間を相互絶縁させる。そして、セパレーター１１３は、第１極板１１１と第２極板１１２との間にリチウムイオンが交換されることができる。このようなセパレーター１１３は、電極組立体１１０が収縮及び膨脹されても第１極板１１１と第２極板１１２との間を完全に絶縁することができるように十分な長さからなることが好ましい。
【００４５】
前記第１基材または第２基材は、薄膜からなる金属を含むことができる。例えば、前記第１基材は、アルミニウムを含み、前記第２基材は銅を含むことができる。前記第１極板１１１及び第２極板１１２は、電解液中にイオンを排出して電流または電子の流れを発生させ、前記電流または電子は、第１無地部１１１ａ及び第２無地部１１２ａを介して外部に伝達される。前記第１無地部１１１ａは、陽極で、第２無地部１１２ａは陰極であり得る。
【００４６】
ケース１４０は、その一部が開口された直方体で形成されており、電極組立体１１０及び電解液を収納することができ、前記開口は、キャップ組立体１５０によって密閉されることができる。図１では、前記ケース１４０を直方体で図示しているが、これに限定されるものではなく、円筒状、パウチ型及びコイン型などで製作可能である。
【００４７】
キャップ組立体１５０は、ケース１４０の開口を密閉するキャッププレート１５１と、前記キャッププレート１５１の上部に位置する第１端子プレート１２３及び第２端子プレート１３３と、を含むことができる。
【００４８】
第１端子プレート１２３及び第２端子プレート１３３は、第１集電体１２１及び第２集電体１３１に接合された第１連結端子１２０及び第２連結端子１３０を媒介にして第１無地部１１１ａ及び第２無地部１１２ａとそれぞれ電気的に連結されることができる。第１連結端子１２０及び第２連結端子１３０とキャッププレート１５１とには、絶縁プレート１２４、１３４との密封のためのシーリングガスケットが、第１連結端子１２０及び第２連結端子１３０が貫通する端子ホール１５２ａ、１５２ｂにさらに具備されることができる。
【００４９】
以下、上述したような二次電池の製造方法について説明する。図４は、本発明による二次電池の製造方法について説明するための工程図である。図４に示されたように、まず、電極組立体１１０を収納し、一面が開口されたケース１４０を密閉するキャッププレート１５１を設ける（Ｓ１０）。
【００５０】
導電体からなるプレートをケース１４０の開口に対応する形状で切断し、キャッププレート１５１を設ける。前記キャッププレート１５１は、アルミニウムで形成され、大電流が安定に流れることができるようにする。
【００５１】
次に、前記設けられたキャッププレート１５１の一領域に短絡部１５５及びベント部１５４を形成する（Ｓ２０）。前記Ｓ１０の段階で設けられたキャッププレート１５１に、鋳造、鍛造、圧延、及びプレスのうちのいずれか一つの方法を利用して短絡部１５５及びベント部１５４を形成する。前記短絡部１５５及びベント部１５４は、キャッププレート１５１の周辺領域よりも相対的に薄く形成されることができる。
【００５２】
その後、前記短絡部１５５に第１熱処理をする（Ｓ３０）。誘導加熱装置を利用して前記Ｓ２０の段階で形成された短絡部１５５に対して第１熱処理を行う。この第１熱処理は、４００℃ないし５００℃、好ましくは、４３０℃ないし４７０℃の温度下で７０分以内に行われる。これは、前記温度が４００℃未満であれば、内部応力がまともに除去されないため所望の硬度を得ることが難しく、５００℃を超えれば、結晶粒子が大きくかつ粗いため、酸化によるスケールが発生し得るからである。また、熱処理時間が７０分を超えれば、アルミニウムの酸化による損失が発生し得る。そこで、３〜５ｋｇｆ/ｃｍ２、好ましくは、４ｋｇｆ/ｃｍ２の強度を確保することができるように、４００℃ないし５００℃の温度下で７０分以内に第１熱処理が行われることが好ましい。
【００５３】
最後に、前記ベント部１５４に第２熱処理をする（Ｓ４０）。前記第１熱処理を行う段階が完了すれば、誘導加熱装置を利用して前記Ｓ２０段階で形成されたベント部１５４に対して第２熱処理を行う。この第２熱処理は、２００℃ないし３００℃、好ましくは２７０℃の温度下で７０分以内に行われる。これは、前記温度が２００℃未満であれば、内部応力がまともに除去されないため、所望の硬度を得ることが難しくなり、３００℃を超えれば、結晶粒子が大きくかつ粗いため、酸化によるスケールが発生し得るからである。また、熱処理時間が７０分を超えれば、アルミニウムの酸化による損失が発生し得る。そこで、６〜８ｋｇｆ/ｃｍ２、好ましくは７ｋｇｆ/ｃｍ２の強度を確保することができるように２００℃ないし３００℃の温度下で７０分以内に第２熱処理が行われることが好ましい。
【００５４】
前記第１熱処理及び第２熱処理は、順序を変えて行われてもよい。また、本発明では、第１熱処理は第２熱処理と同時に実施されててもよい。
【００５５】
図５Ａは、熱処理されたベント部を示した写真、図５Ｂは、未熱処理されたベント部を示した写真、図６Ａは、熱処理された短絡部を示した写真、図６Ｂは、未熱処理された短絡部を示した写真である。
【００５６】
上記のように、第１熱処理及び第２熱処理を行う段階が完了すれば、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、及び図６Ｂに示されたように、短絡部及びベント部の粒子の大きさは、熱処理が行われる前の短絡部及びベント部の粒子の大きさより大きくなる。すなわち、熱処理前の短絡部及びベント部の粒子の大きさは、約２５μｍで、熱処理後の短絡部及びベント部の粒子の大きさは、それぞれ約７０μｍ及び約５０μｍに測定される。また、結晶粒界は小さくなり、内部のエネルギーも小さくなることにより、さらに安定的になり得る。そこで、熱処理された短絡部及びベント部は、未熱処理された短絡部及びベント部に比べて相対的に低い硬度を持つようになる。例えば、電池内部の圧力が既に設定された圧力より高くなれば、キャッププレートで相対的に硬度の低い短絡部が反転されて短絡が発生され、その次にベント部が破断されて内部のガスが排出されるようになる。
【００５７】
以上、本発明について上記の実施例によって具体的に説明したが、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、その要旨を離脱しない範囲で様々な変更及び変形が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００５８】
１００  二次電池、
１１０  電極組立体、
１１３  セパレーター、
１２１  第１集電体
１３１  第１及び第２集電体
１２３  第１端子プレート、
１３２  第２端子プレート
１４０  電池ケース
１５０  キャップ組立体、
１５１  キャッププレート、
１５４  ベント部、
１５５  短絡部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2015220229.tif 000005
【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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