(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極／分離膜／陰極構造のゼリーロールが円筒形電池ケースに装着されている構造の二次電池であって、前記ゼリーロールの上端に搭載される板状構造の絶縁部材は、
ガス排出及び電極端子の貫通のために絶縁部材上に穿孔されている開口；
電解液を通過させ、異物を通過させない、１μｍないし１００μｍの直径を有する各微細気孔；及び
絶縁部材の一面又は両面で横方向及び／又は縦方向に形成されているストリップ状又はビード状の各突起部；
を含んでいることを特徴とする二次電池。
【請求項２】
前記絶縁部材は、電気絶縁性高分子樹脂又は電気絶縁性高分子複合体からな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】
前記高分子樹脂は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、天然ゴム及び合成ゴムからなる群より選ばれる一つ以上であることを特徴とする、請求項２に記載の二次電池。
【請求項４】
前記各微細気孔は、互いに同一の間隔で絶縁部材の全面にわたって形成されてい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】
前記絶縁部材は、高分子樹脂又は高分子複合体の成形体からなっており、前記成形体を貫通して各微細気孔が穿孔されていることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
【請求項６】
前記絶縁部材は、高分子樹脂又は高分子複合体の各長繊維が各微細気孔を形成しながら織布形態をなしてい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】
前記絶縁部材は、高分子樹脂又は高分子複合体の各短繊維が各微細気孔を形成しながら不織布形態をなしていることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
【請求項８】
前記各短繊維は、ニードルパンチング、熱融着又は接着剤によって部分的に結合されて不織布形態をなしていることを特徴とする、請求項７に記載の二次電池。
【請求項９】
前記各突起部は、横方向と縦方向に交差しながらチェック柄をなしていることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
【請求項１０】
前記各突起部は、絶縁部材の全面にエンボス構造を形成していることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
【請求項１１】
前記絶縁部材は、各短繊維の不織布形態からなっており、絶縁部材の全面に等間隔で熱融着による各結合部位が分布されており、前記各結合部位間に熱融着されていない隔壁形状の各突起部が位置していることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
【請求項１２】
前記絶縁部材の厚さは０．１ｍｍないし０．５ｍｍのサイズ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１３】
前記電池はリチウム二次電池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１４】
請求項１ないし請求項１３のいずれか１項による二次電池を電源として含むことを特徴とするデバイス。
【請求項１５】
前記デバイスは、携帯電話、携帯用コンピューター、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、及び電力貯蔵装置から選ばれることを特徴とする、請求項１４に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池に関し、より詳細には、陽極／分離膜／陰極構造のゼリーロールが円筒形電池ケースに装着されている構造の二次電池であって、前記ゼリーロールの上端に搭載される板状構造の絶縁部材は、ガス排出及び電極端子の貫通のために絶縁部材上に穿孔されている開口と、電解液を通過させ、異物を通過させないサイズを有する各微細気孔と、絶縁部材の一面又は両面で横方向及び／又は縦方向に形成されているストリップ状又はビード状の各突起部とを含んでいる二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイル機器に対する技術開発と需要の増加により、二次電池の需要も急激に増加しており、そのうち、エネルギー密度と作動電圧が高く、且つ保存と寿命特性に優れるリチウム二次電池は、各種モバイル機器はもちろん、多様な電子製品のエネルギー源として広く使用されている。
【０００３】
二次電池は、電池ケースの形状に応じて、電極組立体が円筒形又は角形の金属缶に内蔵されている円筒形電池及び角形電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに内蔵されているパウチ型電池とに分類される。そのうち円筒形電池は、相対的に容量が大きく、構造的に安定的であるという長所を有する。
【０００４】
電池ケースに内蔵される前記電極組立体は、陽極／分離膜／陰極の積層構造からなる充放電が可能な発電素子であって、活物質が塗布された長いシート状の陽極と陰極との間に分離膜を介在して巻き取ったゼリーロール型と、所定サイズの多数の陽極と陰極をそれらの間に分離膜が介在した状態で順次積層したスタック型と、ゼリーロール型とスタック型の複合構造であるスタック／フォルディング型とに分類される。そのうちゼリーロール型電極組立体は、製造が容易であり、重量当たりのエネルギー密度が高いという長所を有している。
【０００５】
これと関連して、従来の円筒形二次電池の構造を図１に示しており、円筒形二次電池で一般的に使用される絶縁部材を図２及び図３に平面図として模式的に示している。
【０００６】
これら図面を参照すると、円筒形二次電池１００は、ゼリーロール型（巻取型）電極組立体１２０を電池ケース１３０に収納し、電池ケース１３０内に電解液を注入した後、ケース１３０の開放上端に電極端子（例えば、陽極端子（図示せず））が形成されているキャップアセンブリー１４０を結合して製作する。
【０００７】
電極組立体１２０は、陽極１２１、陰極１２２及びこれらの間に介在した分離膜１２３を含んで丸く巻いた構造であって、その巻心（ゼリーロールの中心部）には円筒形のセンターピン１５０が挿入されている。センターピン１５０は、一般に所定の強度を付与するために金属素材からなっており、板材を丸く折り曲げた中空状の円筒形構造からなっている。このようなセンターピン１５０は、電極組立体を固定及び支持する作用をするとともに、充放電及び作動時に内部反応によって発生するガスを放出する通路として作用する。
【０００８】
また、電極組立体１２０の上端面には板状型構造の絶縁部材１８０ａが装着されており、この絶縁部材１８０ａには、ガスが排出されるとともに、電極組立体１２０の陽極タップ１４２がキャップアセンブリー１４０のキャッププレート１４５に連結されるように、中央にセンターピン１５０の貫通口１５１と連通する開口１８１ａが形成されている。
【０００９】
しかし、ゼリーロールの上端に位置する絶縁部材１８０ａは、電池の注液工程で電解液が電池の内部に浸透する経路を遮断している構造物である。そのため、センターピン１５０と連通する開口１８１ａと、絶縁部材１８０ａが位置していない部位を介してのみ電解液が電池の内部に浸透するので、注液工程に多くの時間がかかり、結果的に生産性が低下するという問題を有している。
【００１０】
このような注液工程時における電解液の浸透経路を円滑にするために、図３に示すように、一部の絶縁部材１８０ｂにおいては、開口１８１ｂの周辺に多数の貫通口１８２ｂが形成されている構造が提案された。
【００１１】
しかし、このような構造は、電池の安全性の面で深刻な問題を有していることが確認された。すなわち、キャップアセンブリー１４０、電池ケース１３０などの製造及び／又は組立過程で発生した金属粉末などの各導電性不純物粒子が、絶縁部材１８０ｂに穿孔されている各貫通口１８２ｂを介して電極組立体１２０に流入し、短絡を誘発させたり、電池の寿命特性を著しく低下させたりするという短所をもたらし得る。
【００１２】
したがって、電気的安全性を維持しながら、電解液に対する注液工程性を向上させ得る二次電池に対する必要性が高い実情にある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、前記のような従来技術の各問題と過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
【００１４】
本発明の目的は、新規構造の絶縁部材によって電解液の浸透性を向上させ、電池の安全性、性能及び製造工程性を改善できる構造の二次電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような目的を達成するための本発明に係る二次電池は、陽極／分離膜／陰極構造のゼリーロールが円筒形電池ケースに装着されている構造の二次電池であって、前記ゼリーロールの上端に搭載される板状構造の絶縁部材は、
ガス排出及び電極端子の貫通のために絶縁部材上に穿孔されている開口；
電解液を通過させ、異物を通過させないサイズを有する各微細気孔；及び
絶縁部材の一面又は両面で横方向及び／又は縦方向に形成されているストリップ状又はビード状の各突起部；
を含む構造で構成されている。
【００１６】
一般に、円筒形二次電池は、円筒形缶にゼリーロールを挿入し、ゼリーロールの上端に絶縁部材を装着した後、ゼリーロールの固定のためにビーディング工程を経るようになる。このようなビーディング工程は、円筒形缶の外周面を金属を使用して湾入させながら上下方向に圧力を加える方式で行われる。この過程で金属同士が当接しながら変形が生じるので、各微細金属片が発生するようになる。このような各微細金属片が電池の内部に入ると、短絡を起こすようになる。したがって、前記絶縁部材は、前記微細金属片などの異物は通過させないとともに、電解液の注入を円滑にする構造でなければならない。
【００１７】
前記円筒形二次電池は、ゼリーロールの上端に装着されている前記のような構造の絶縁部材により、電解液の注入時に絶縁部材の全面にわたる電解液の浸透が可能であるので、注液性が大いに向上し、相対的に大きい直径の貫通口を含む従来技術の絶縁部材と比較すると、ショートの発生を防止できるので非常に望ましい。このような事実は、後で説明する実験結果を通しても確認することができる。
【００１８】
前記ストリップ状又はビード状の各突起部は、突起以外の部分を圧着することによって形成することができ、このような構造により、絶縁部材の機械的剛性を向上させることができる。
【００１９】
一般に、多孔性が大きくなるほど、絶縁部材の密度が低下しながら機械的剛性が低下する。すなわち、円滑な電解液注入及びガス排出特性と機械的剛性とが互いに反比例関係を示すようになる。しかし、本出願の発明者等は、前記のように各突起部を形成することによって、多孔性を維持しながらも所望の機械的剛性を確保できることを確認した。
【００２０】
また、前記のような各突起部を形成することによって、表面摩擦力を増加させることができる。すなわち、円筒形電池の製造過程において、前記絶縁部材の装着後におけるゼリーロールの固定のためのビーディング工程で、絶縁部材の摩擦力が過度に小さいと、絶縁部材が回転しながら貫通した各電極端子を損傷させるという問題を防止することができる。
【００２１】
前記絶縁部材は、絶縁性素材であれば特別に制限されなく、多様な素材からなり得るが、例えば、電気絶縁性高分子樹脂又は電気絶縁性高分子複合体からなり得る。具体的に、前記高分子樹脂は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレン（ＰＢ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、天然ゴム及び合成ゴムからなる群より選ばれる一つ以上であり得る。
【００２２】
前記微細気孔は、上述したように、絶縁部材の本然の機能である電気的絶縁状態を提供しながら、電解液の注入時に電解液が通過し得るサイズを有する。望ましい例として、前記各微細気孔の直径は１μｍないし１００μｍの範囲であり得る。
【００２３】
本発明者等が確認した結果によると、気孔のサイズが直径１００μｍを超える場合、電池の組立工程中にキャップアセンブリー、電池ケースなどから発生した微細な金属粒子などが絶縁部材の気孔を介してゼリーロールに入り、ショートが発生し得るので望ましくない。
【００２４】
一つの望ましい例において、前記各微細気孔は、互いに同一の間隔で絶縁部材の全面にわたって形成することができる。互いに同一の間隔は、結果的に、絶縁部材上に穿孔されている各気孔間の間隔を意味することもある。各微細気孔が絶縁部材の全面にわたって形成されることによって、電解液の注入が円滑になるという効果があり、各微細気孔が同一の間隔で形成されることによって、絶縁部材の全面にわたって物理的特性を均一な水準に維持することができる。特定の部位に気孔がクラスタを形成する構造であると、クラスタ部位の物理的強度が他の部位の物理的強度より低下するという問題が発生し得るので望ましくない。
【００２５】
本発明に係る絶縁部材は多様な形状からなり得る。
【００２６】
第一の例において、絶縁部材は、高分子樹脂又は高分子複合体の成形体からなっており、前記成形体を貫通して各微細気孔が穿孔されている構造であり得る。
【００２７】
第二の例において、絶縁部材は、高分子樹脂又は高分子複合体の各長繊維が各微細気孔を形成しながら織布形態をなしている構造であり得る。
【００２８】
第三の例において、絶縁部材は、高分子樹脂又は高分子複合体の各短繊維が各微細気孔を形成しながら不織布形態をなしている構造であり得る。
【００２９】
前記成形体を貫通して各微細気孔が穿孔される場合は、表面張力及び穿孔部位の復元力により、電解液の透過が不織布や織布形態の場合に比べて相対的に不利になり、ガス排出性も相対的に低下し得る。その一方、織布又は不織布形態の場合、押出シートの形成時にもたらし得る反り現象が起きないので、相対的に工程性に優れるという長所を有する。
【００３０】
前記各短繊維は、例えば、ニードルパンチング、熱融着又は接着剤によって部分的に結合されて不織布形態をなし得る。不織布は、繊維が方向性なく絡まっている形態からなっている。これら各繊維は、絡まっている形態で固定されるように、ニードルパンチング、熱融着又は接着剤によって部分的に結合することができる。
【００３１】
一つの望ましい例において、前記各突起部は、横方向と縦方向に交差しながらチェック柄をなし得る。各突起部が一つの方向に形成される場合、方向性による機械的剛性の差があり得るので、各突起部は、前記のように横方向と縦方向に交差しながらチェック柄の形態で構成されることが望ましい。
【００３２】
結果的に、前記各突起部は、絶縁部材の全面にエンボス構造を形成する形態であり得る。前記エンボス構造を通して、機械的剛性及び表面摩擦力を増加させることができる。
【００３３】
前記エンボス構造は、絶縁部材の一部分を熱融着することによって、熱融着されていない部位が突起部を形成する形態であり得る。前記突起部及び熱融着部は、それぞれアイランドタイプであってもよく、連続した形態であってもよい。
【００３４】
一つの具体的な例において、前記絶縁部材は、各短繊維の不織布形態からなり、絶縁部材の全面に等間隔で熱融着による各結合部位が分布されており、前記各結合部位間に熱融着されていない隔壁形状の各突起部が位置している構造であり得る。
【００３５】
前記絶縁部材の厚さは０．１ｍｍないし０．５ｍｍのサイズを有することが望ましい。前記絶縁部材の厚さが過度に薄い場合は、絶縁部材の本然の電気的絶縁機能を十分に発揮しにくく、その一方、前記絶縁部材が過度に厚い場合は、同一規格の電池ケースでゼリーロールのサイズ減少を誘発し、電池容量が減少するので望ましくない。
【００３６】
本発明に係る二次電池は、前記ゼリーロールにリチウム含有電解液を含浸させて製造されるリチウム二次電池に望ましく適用することができる。
【００３７】
また、本発明は、前記二次電池を電源として含むデバイスを提供することができる。
【００３８】
本発明に係るデバイスは、携帯電話、携帯用コンピューターなどのモバイル機器のみならず、優れた寿命特性と安全性などを考慮すると、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車及び電力貯蔵装置などに望ましく使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】円筒形二次電池の代表的な断面模式図である。
【図２】図１の二次電池で使用された絶縁部材の平面図である。
【図３】図１の二次電池で使用された他の形態の絶縁部材の平面図である。
【図４】本発明の一つの実施例に係る絶縁部材の平面図である。
【図５】本発明の一つの実施例に係る絶縁部材の斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下では、本発明の実施例を図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解のためのものであって、本発明の範疇がそれによって限定されることはない。
【００４１】
図４は、本発明の一つの実施例に係る絶縁部材の平面図を模式的を示しており、図５は、本発明の一つの実施例に係る絶縁部材の斜視図を模式的に示している。
【００４２】
図４及び図５を図１と共に参照すると、二次電池１００は、陽極１２１、分離膜１２３及び陰極１２２を含む構造のゼリーロール１２０が円筒形電池ケース１３０に装着されている構造であって、ゼリーロール１２０の上端には板状構造の絶縁部材１８０ｃが搭載されている。
【００４３】
絶縁部材１８０ｃは、略０．４ｍｍ厚さのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなっており、一側に開口１８１ｃが穿孔されており、直径１０μｍないし３０μｍの多数の気孔１８２ｃが互いに同一の間隔で絶縁部材１８０ｃの全面にわたって形成されている。また、陰刻エンボス１８３構造は、縦方向及び横方向に構成されて連続する陽刻エンボスに対応する突起部を形成している。
【００４４】
したがって、多数の微細気孔１８２ｃにより、電解液の注入時に絶縁部材１８０ｃの全面にわたって電解液が浸透するので、注液性が大いに向上し、ショートの発生を未然に防止することができる。また、前記陰刻エンボス１８３構造による突起部の形成により、絶縁部材の機械的剛性を増加させ、表面摩擦力を増加させ、工程性を向上させることができる。
【００４５】
以下では、実施例を通して本発明をより詳細に説明するが、下記の実施例は、本発明を例示するためのものであって、本発明の範疇がこれらのみに限定されることはない。
【００４６】
＜実施例１＞
ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シートを使用して厚さが０．４ｍｍであり、図４に示すように、横６ｍｍ、縦２．５ｍｍの四角形状の開口が一側に穿孔されており、直径が１μｍないし３０μｍの多数の微細気孔が約１０μｍないし３０μｍの均一な間隔で全面に均一に分布されており、陰刻エンボス構造がパターンをなして形成されている絶縁部材を製造した。その後、センターピンによって陽極／分離膜／陰極が巻き取られている構造のゼリーロールの上端に前記絶縁部材を搭載し、電池の組立過程で一般的に発生する各微細金属粉末を前記絶縁部材上に位置させた状態で、１８６５０規格（直径１８ｍｍ、長さ６５ｍｍ）の円筒形二次電池を製作した。
【００４７】
＜実施例２＞
直径が１００μｍである多数の微細気孔が約１２０μｍの均一な間隔で全面に均一に分布されている絶縁部材を準備したことを除いては、前記実施例１と同一の方法で絶縁部材及び二次電池をそれぞれ製作した。
【００４８】
＜実施例３＞
絶縁部材の素材としてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シートの代わりにポリプロピレン（ＰＰ）シートを使用したことを除いては、前記実施例１と同一の方法で絶縁部材及び二次電池をそれぞれ製作した。
【００４９】
＜実施例４＞
絶縁部材の素材として１５μｍの微細気孔を形成するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）織布を使用し、陰刻エンボス構造がパターンをなして形成されている絶縁部材を製造した。前記絶縁部材を使用したことを除いては、前記実施例１と同一の方法で二次電池を製作した。
【００５０】
＜実施例５＞
絶縁部材の素材として平均１５μｍの微細気孔を形成するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）不織布を使用し、陰刻エンボス構造がパターンをなして形成されている絶縁部材を製造した。前記絶縁部材を使用したことを除いては、前記実施例１と同一の方法で二次電池を製作した。
【００５１】
＜比較例１＞
図２に示すように、多数の気孔を含まないことを除いては、前記実施例１と同一の方法で絶縁部材及び二次電池を製作した。
【００５２】
＜比較例２＞
図３に示すように、多数の微細気孔の代わりに、直径が２．５ｍｍの３個の貫通口が形成されたことを除いては、前記実施例１と同一の方法で絶縁部材及び二次電池をそれぞれ製作した。
【００５３】
＜比較例３＞
直径が１５０μｍの多数の微細気孔が約１２０μｍの均一な間隔で全面に均一に分布されていることを除いては、前記実施例１と同一の方法で絶縁部材及び二次電池をそれぞれ製作した。
【００５４】
＜比較例４＞
絶縁部材の素材としてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の代わりにポリプロピレン（ＰＰ）を使用したことを除いては、前記比較例１と同一の方法で絶縁部材及び二次電池を製作した。
【００５５】
＜比較例５＞
絶縁部材の素材として微細気孔を形成しないポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）織布を使用したことを除いては、前記比較例１と同一の方法で絶縁部材及び二次電池を製作した。
【００５６】
＜実験例１＞
前記実施例１ないし５と比較例１ないし５でそれぞれ製作された二次電池に対する電解液含浸実験を実施し、その結果を下記の表１に示した。電解液含浸実験は、１Ｍ  ＬｉＰＦ６のカーボネート系電解液を前記で製作された円筒形電池ケースに注入した後、ゼリーロールの含浸率が１００％になるまでかかる時間を測定し、このような過程を４回繰り返して平均値を得た。
【００５７】
また、前記で製作された二次電池の開放上端にキャップアセンブリーを溶接してそれぞれ１０個ずつ製作し、充放電実験を進行して短絡の有無を確認し、その結果を下記の表１に示した。
【００５８】
【表１】
0005730442.tif 000002
【００５９】
前記表１に示すように、本発明の実施例１ないし５の各電池の場合、電解液の含浸時間が比較例１又は４に比べて著しく短縮されることを確認することができる。すなわち、絶縁部材に形成されている多数の微細気孔により、電解液が効果的に透過したことが分かる。
【００６０】
比較例２の電池の場合、比較例１の電池に比べて含浸性が向上するが、短絡率が相対的に大きくなり、比較例３の電池の場合も、実施例１及び２に類する含浸性を示しているが、短絡率が相対的に大きいことが分かる。これは、相対的に大きい気孔を介して金属粉末が通過し、ゼリーロールの内部で短絡が誘発されるためであると確認された。
【００６１】
一方、比較例１の電池の場合は、それに装着される絶縁部材に実施例１及び２のような各微細気孔が穿孔されていないにもかかわらず、実施例１及び２の各電池に比べて高い短絡率を示す。このような高い短絡率を示す理由は、実施例１及び２の各電池の場合は、微細気孔上にわたる各金属粉末の移動が抑制される一方、比較例１の電池の場合は、絶縁部材の滑らかな表面での移動が自由であり、開口又は絶縁部材の外周面を介して各金属粉末がゼリーロールに移動するためであると考えられる。
【００６２】
実施例３の電池の場合は、実施例１に比べると、シートの材質のみが異なるだけで、その含浸性及び短絡率はほぼ同一の性能を示す。
【００６３】
また、きめの粗い織布と不織布を使用した実施例４及び実施例５の電池の場合は、別途の微細気孔の形成工程を経なくても、組織自体に形成される各微細気孔のため、比較例１、４又は５に比べて電解液含浸時間が著しく減少することを確認することができる。
【００６４】
一方、比較例５の電池の場合は、組織自体に微細気孔を形成しない織布を使用することによって、ＰＥＴシートを使用した比較例１の電池に比べて微細に改善された含浸時間を示すが、各実施例に比べて含浸性能が低下することを確認することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
以上説明したように、本発明に係る二次電池は、各微細気孔が全面にわたって形成されており、各突起部が形成されている絶縁部材を含むことによって、ショートの発生を防止しながら絶縁部材全体にわたって電解液が透過され、究極的に電池の安全性、性能及び寿命特性と電池の製造工程性を大いに改善できるという効果を有する。
【００６６】
本発明の属した分野で通常の知識を有する者であれば、前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形が可能であろう。
【図１】
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【図２】
0005730442.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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