(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード/セパレーター/アノード構造を有するゼリーロールが円筒状電池ケースに取り付けられる構造を有する二次電池であって、
平板状絶縁部材が、前記ゼリーロールの上部に取り付けられ、
前記絶縁部材は、ガス放出および電極端子の貫通を可能にする穿孔された注入口、ならびに前記絶縁部材の全表面にわたって提供される100μm以下の直径を持つ複数の細孔を含み、前記絶縁部材は、不織布構造を有する、二次電池。
【請求項２】
前記絶縁部材は、電気絶縁ポリマー樹脂または電気絶縁ポリマー複合材料でできている、請求項1に記載の二次電池。
【請求項３】
前記ポリマー樹脂は、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、天然ゴムおよび合成ゴムから成る群から選択される、請求項2に記載の二次電池。
【請求項４】
前記絶縁部材の前記細孔は、電解溶液が注入されるとき、前記電解溶液が前記細孔を通り抜けることを可能にするサイズを有する、請求項1に記載の二次電池。
【請求項５】
前記絶縁部材の前記細孔は、10μmから100μmのサイズを有する、請求項4に記載の二次電池。
【請求項６】
前記細孔は、前記絶縁部材の全表面にわたって互いに所定距離だけ間隔を空けられる、請求項1に記載の二次電池。
【請求項７】
前記絶縁部材は、0.1mmから0.5mmの厚さを有する、請求項1に記載の二次電池。
【請求項８】
前記電池は、リチウム二次電池である、請求項1に記載の二次電池。
【請求項９】
請求項1から8のいずれか一項に記載の二次電池を電力源として含む機器。
【請求項１０】
前記機器は、携帯電話、ポータブルコンピュータ、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)および電力貯蔵のための機器から選択される、請求項9に記載の機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、優れた製造プロセス可能性および安全性を持つ二次電池に関する。より具体的には、本発明は、ゼリーロールが円筒状電池ケースに取り付けられる構造を有する二次電池に関し、絶縁部材が、ゼリーロールに取り付けられ、その絶縁部材は、ガス放出および電極端子の貫通を可能にする穿孔された注入口ならびに絶縁部材の全表面にわたって提供される100μm以下の直径を持つ複数の細孔を含む。
【背景技術】
【０００２】
携帯機器に関連する技術の発展およびそれに対する需要の増加は、エネルギー源としての二次電池に対する需要の急速な増加をもたらした。二次電池の中でも、高いエネルギー密度、高い駆動電圧ならびに優れた貯蔵および寿命特性を持つリチウム二次電池が、携帯機器を含む様々な電気製品のエネルギー源として広く使用されている。
【０００３】
電池ケースの形状に応じて、二次電池は、円筒状および矩形状金属缶にそれぞれ取り付けられる円筒状および矩形状電池、ならびにアルミニウム積層シートでできた袋状ケースに取り付けられる袋状電池に分類されることもある。これらのうちで、円筒状電池は、比較的高い容量および優れた構造的安定性という利点を有する。電池ケースに取り付けられる電極アセンブリは、カソード/セパレーター/アノード積層構造を有する充放電可能な発電機器であり、それぞれが活性材料被覆の長いシートでできたカソードとアノードとの間に挿入されたセパレーターを含む電極アセンブリが巻かれるゼリーロール型、複数のカソードおよび複数のアノードがこの順序でカソードとアノードとの間にセパレーターが挿入されるように積層されるスタック型、ならびにゼリーロール型およびスタック型の組合せであるスタック/折畳み型に分類される。これらのうちで、ゼリーロール型電極アセンブリは、容易な製造および高い重量当たりのエネルギー密度という利点を有する。
【０００４】
この関連で、従来の円筒状二次電池が、図1で示される。一般に円筒状二次電池に使用される絶縁部材は、図2および3での平面図で示される。
【０００５】
図面を参照すると、円筒状二次電池100は、ゼリーロール型(巻き型)電極アセンブリ120を電池ケース130に取り付け、電解溶液を電池ケース130に注入し、電極端子(例えば、カソード端子、図示されず)を備えたキャップアセンブリ140をケース130の開いた上部に結合することによって製造される。
【０００６】
電極アセンブリ120は、セパレーター123をカソード121とアノード122との間に挿入し、結果として得られる構造体を円形に巻くことによって得られる。円筒状中心ピン150は、ゼリーロールのコア(中心)に挿入される。中心ピン150は一般に、所定強度を与えるために金属でできており、円形に曲げられた平板材料の中空状円筒構造を有する。そのような中心ピン150は、電極アセンブリを配置して支持し、充放電および動作中に内部反応によって発生するガスの放出を可能にする通路としての役割を果たす。
【０００７】
加えて、平板状絶縁部材180aは、電極アセンブリ120の上部に取り付けられ、ガスが放出され、電極アセンブリ120のカソードタップ142がキャップアセンブリ140のキャップ板145に接続されるように、中心ピン150の貫通穴151と連通する注入口181aをその中心に備える。
【０００８】
しかしながら、ゼリーロールの上部に配置された絶縁部材180aは、電解溶液を電池に注入するプロセスで電解溶液がそれを通って電池に浸透する通路を塞ぐ構造体である。このため、電解溶液は、中心ピン150と連通する注入口181aおよび絶縁部材180aを除く領域だけを通って電池に浸透し、それ故に不都合なことに電解液の注入に長時間を必要とし、その結果生産効率の低下を引き起こす。
【０００９】
電解溶液の浸透性を改善するために、図3で示すように、複数の貫通細孔182bが注入口181bの周りに形成される構造を有する部分接続部材180bが、提案されている。
【００１０】
しかしながら、この構造は、安全性の観点から深刻な問題を有することが見いだされている。すなわち、キャップアセンブリ140、電池ケース130および同様のものを製造しかつ/またはアセンブルするプロセスで発生する金属粉末などの導電性不純物粒子が、絶縁部材180bに穿孔される貫通細孔182bを通って電極アセンブリ120に浸透し、それ故に不都合なことに短絡の発生または電池寿命の低下を引き起こす。
【００１１】
それに応じて、二次電池に対して、電気的安全性を維持し、電解溶液の注入プロセス適性を高める必要性が増えている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本発明は、上記の問題およびまだ解決されなければならない他の技術的問題を解決するためになされた。
【００１３】
新規構造を持つ絶縁部材の応用に起因して、電解溶液の浸透を改善し、電池の安全性、性能および製造プロセス適性を高める二次電池を提供することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一態様によると、カソード/セパレーター/アノード構造を有するゼリーロールが円筒状電池ケースに取り付けられる構造を有する二次電池が、提供され、平板状絶縁部材が、ゼリーロールの上部に取り付けられ、その絶縁部材は、ガス放出および電極端子の貫通を可能にする穿孔された注入口ならびに絶縁部材の全表面にわたって提供される100μm以下の直径を持つ複数の細孔を含む。
【００１５】
ゼリーロールの上部に取り付けられた絶縁部材に起因して、電解溶液が注入されるとき、比較的大きな直径を持つ貫通細孔を含む従来の絶縁部材と比べて、電解溶液が絶縁部材の全表面にわたって浸透し、溶液注入が大幅に改善され、短絡の発生が防止できるという点において、本円筒状二次電池は、かなり好ましい。これらの事実は、以下の試験結果によって確認できる。
【００１６】
材料が、絶縁特性を有する限りは、任意の材料が、特定の制限なく絶縁部材に使用されてもよい。例えば、絶縁部材のための材料は、電気絶縁ポリマー樹脂または電気絶縁ポリマー複合材料であってもよく、具体的にはポリマー樹脂は、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、天然ゴムおよび合成ゴムから成る群から選択される。
【００１７】
絶縁部材は、もし必要ならば、材料の固有特性およびシートの形状に起因する電解溶液の浸透を容易にするために、多孔質不織構造体であってもよい。
【００１８】
上記のように、絶縁部材の細孔は、電気絶縁特性、絶縁部材の固有特性を与え、電解溶液が注入されるとき電解溶液が絶縁部材に浸透することを可能にするサイズを有する。それに応じて、本発明による絶縁部材は、微細な細孔を有する。上で規定したように、絶縁部材は、100μm以下の直径を有する細孔を含む。
【００１９】
本発明者らによって確認されたように、細孔が100μmよりも大きい直径を有することは、キャップアセンブリ、電池ケースおよび同様のものから発生する微細金属粒子が、電池アセンブリのプロセスで絶縁部材の細孔を通ってゼリーロールに浸透し、短絡がそれ故に発生することもあるので、好ましくない。
【００２０】
好ましくは、細孔は、例えば電解溶液の高い浸透性を提供するために10μmから100μmの直径を有する。
【００２１】
好ましい実施形態では、細孔は、絶縁部材の全表面にわたって互いに所定距離だけ間隔を空けられてもよい。
【００２２】
例えば、所定距離は、10μmから100μmであってもよく、その距離は、絶縁部材を穿孔する細孔間の距離を意味してもよい。
【００２３】
絶縁部材は好ましくは、0.1mmから0.5mmの厚さを有する。絶縁部材の厚さが、過度に小さいときは、絶縁部材は、固有の電気絶縁性を十分に発揮することができず、他方では、その厚さが、過度に大きいときは、ゼリーロールのサイズの減少が、同じ寸法を有する電池ケースで引き起こされ、電池容量がそれ故に、不都合なことに低下する。本発明はまた、リチウム含有電解溶液をゼリーロールに含浸させることによって製造されるリチウム二次電池に応用されてもよい。
【００２４】
本発明はまた、二次電池を電力源として含む機器も提供する。
【００２５】
好ましくは、本発明による機器は、優れた寿命および安全性の観点から、携帯電話およびポータブルコンピュータなどの携帯機器、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)、ならびに電力貯蔵のためのシステムに使用されてもよい。
【００２６】
本発明の上記および他の目的、特徴ならびに他の利点は、添付の図面を併用する次の詳細な説明からより明確に理解されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】円筒状二次電池を例示する代表的断面概略図である。
【図２】図1の二次電池に使用される絶縁部材を例示する平面図である。
【図３】図1の二次電池に使用される別の絶縁部材を例示する平面図である。
【図４】本発明の一実施形態による絶縁部材を例示する平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
今から、本発明は、以下の例を参照してより詳細に述べられることになる。これらの例は、本発明を例示するためにだけ提供され、本発明の範囲および趣旨を限定すると解釈すべきでない。
【００２９】
図4は、本発明の一実施形態による絶縁部材を概略的に例示する平面図である。
【００３０】
図4および1を参照すると、二次電池100は、カソード121/セパレーター123/アノード122の構造を有するゼリーロール120が円筒状電池ケース130に取り付けられる構造を有し、絶縁部材180は、ゼリーロール120の上部に取り付けられる。
【００３１】
絶縁部材180cは、約0.4mmの厚さを持つポリエチレンテレフタレート(PET)で構成され、それの片側に注入口181cを備え、それの全表面の全体にわたって互いに所定距離だけ間隔を空けられる10から30μmの直径を有する複数の微小細孔182cを備える。
【００３２】
それに応じて、複数の微小細孔182cを通って、電解溶液は、注入されるとき絶縁部材180cの全表面に浸透し、それ故に溶液注入のかなりの改善を引き起こし、短絡の発生を防止する。
【００３３】
今から、本発明は、以下の実施例を参照してより詳細に述べられることになる。これらの実施例は、本発明を例示するためにだけ提供され、本発明の範囲および趣旨を限定すると解釈すべきでない。
【実施例１】
【００３４】
6mmの幅および2.5mmの長さを有する矩形状注入口がそれの片側に穿孔され、複数の微小細孔が約10から30μmの所定距離ずつ均等に分布した、0.4mmの厚さを有する絶縁部材が、図4で示すように、ポリプロピレンを使用して製造された。次いで、その絶縁部材は、カソード/セパレーター/アノードが中心ピンに基づいて巻かれるゼリーロールの上部に取り付けられ、18650標準(直径18mm、長さ65mm)の円筒状二次電池が、電池アセンブリのプロセスで発生した微細金属粉末が絶縁部材上に配置された状態で製造された。
【実施例２】
【００３５】
絶縁部材および二次電池は、100μmの直径を有する複数の微小細孔が、絶縁部材の全表面にわたって約120μmの所定距離ずつ均等に分布したことを除いて、実施例1と同じ方法で製造された。
【００３６】
［比較例1］
絶縁部材および二次電池は、複数の細孔が、図2で示すように含まれなかったことを除いて、実施例1と同じ方法で製造された。
【００３７】
［比較例2］
絶縁部材および二次電池は、2.5mmの直径を持つ3つの貫通細孔が、図3で示すように形成されたことを除いて、実施例1と同じ方法で製造された。
【００３８】
［比較例3］
絶縁部材および二次電池は、150μmの直径を有する複数の微小細孔が、絶縁部材の全表面にわたって約120μmの所定距離ずつ均等に分布したことを除いて、実施例1と同じ方法で製造された。
【００３９】
［試験例1］
実施例1および2ならびに比較例1から3で製造された二次電池は、電解溶液含浸試験を受けた。結果は、下の表1で示される。電解溶液含浸試験は、1MのLiPF6炭酸塩電解溶液を製造された円筒状電池ケースに注入し、ゼリーロールの含浸比が100%に達するまでにかかる時間を測定し、このプロセスを4回繰り返し、4つの値の平均を計算することによって行われた。加えて、キャップアセンブリは、10個の試料を作製するために、製造された二次電池の開いた上部に溶接された。試料は、充放電試験を受け、短絡が、確認された。結果は、下の表1で示される。
【００４０】
【表１】
0005707509.tif 000002
【００４１】
表1からわかるように、本発明による実施例1および2の電池は、比較例1と比べて、かなり短縮された電解溶液含浸時間を有した。すなわち、電解溶液は、絶縁部材での複数の微小細孔を通って効果的に浸透できることがわかる。
【００４２】
比較例2の電池は、比較例1の電池と比べて、含浸の改善を示したが、しかし短絡の増加も示し、比較例3の電池もまた、実施例1および2と同程度の含浸を示したが、しかしより高い短絡率を示した。このことの理由は、金属粉末が比較的大きな細孔に浸透し、短絡がゼリーロール内部に誘起されたからである。
【００４３】
他方では、それの上に取り付けられた絶縁部材を含む比較例1の電池は、実施例1および2で示すような穿孔された微小細孔を備えていなかったけれども、比較例1の電池は、実施例1および2の電池と比べて、高い短絡率を示した。
【００４４】
高い短絡率の理由は、実施例1および2の電池では、金属粉末が微小細孔に取り込まれると、金属粉末の移動が抑制されるが、しかし比較例1の電池では、金属粉末が、絶縁部材の滑らかな表面を自由に移動し、注入口または絶縁部材の周囲を通ってゼリーロールに移動するという事実に起因すると思われる。
【００４５】
本発明の好ましい実施形態が、例示目的で開示されたけれども、当業者は、様々な変更、追加および置換が、添付の特許請求の範囲で開示されるような本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく可能であることを理解するであろう。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
前述のことから明らかなように、本発明による二次電池は、その全表面にわたって所定サイズ以下の複数の細孔を備える絶縁部材を含み、それによって有利なことに短絡の発生を防止し、電解溶液が絶縁部材の全体にわたって浸透することを可能にし、それ故に有利なことに最終的に電池の安全性、性能、寿命および製造プロセス可能性を大幅に改善する。
【符号の説明】
【００４７】
100  二次電池
120  電極アセンブリ、ゼリーロール
121  カソード
122  アノード
123  セパレーター
130  電池ケース
140  キャップアセンブリ
142  カソードタップ
145  キャップ板
150  中心ピン
151  貫通穴
180  絶縁部材
180a  絶縁部材
180b  部分接続部材、絶縁部材
180c  絶縁部材
181a  注入口
181b  注入口
181c  注入口
182b  貫通細孔
182c  微小細孔
【図１】
0005707509.tif 000003
【図２】
0005707509.tif 000004
【図３】
0005707509.tif 000005
【図４】
0005707509.tif 000006