(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板、セパレータ、負極板の順に巻回された電池部と、
前記電池部が収容される空間を提供し、電解液が注入されたカンと、
前記カンの上部に結合されるキャップアセンブリと、
前記カンの内部に設けられ、前記電池部から引出された電極リードと前記キャップアセンブリに引出された電極端子とを相互通電させ、過充電時に電流の流れを遮断するサーモプロテクタとを含み、
前記サーモプロテクタは、
本体部と、前記本体部に装着されるヒューズと、前記ヒューズの端部にそれぞれ連結される複数のリードと、前記リードのうち一つと電気的に連結される接続手段とを含み、
前記本体部はリードが連結されたヒューズが装着される面を提供し、その大きさはカンより大きく形成されて押込み嵌合わせで設けられ、
前記本体部は電池内部の温度上昇による熱的膨脹によりその外面がカンの内壁に密着して前記カンの内壁と本体部外面間への電解液漏れを遮断可能な射出物である
ことを特徴とするサーモプロテクタが装着された二次電池。
【請求項２】
前記ヒューズは一端部が前記電極端子と電気的に連結される端子リードと溶接され、他端部が前記電極リードと電気的に連結されるタップリードと溶接されたことを特徴とする請求項１に記載のサーモプロテクタが装着された二次電池。
【請求項３】
前記ヒューズとリードとが接続される部分には密閉性を強化するために密封部材が形成されることを特徴とする請求項２に記載のサーモプロテクタが装着された二次電池。
【請求項４】
前記接続手段は薄板よりなるリードと、前記リード周囲を覆い包む高分子樹脂よりなるフィルムとよりなることを特徴とする請求項１に記載のサーモプロテクタが装着された二次電池。
【請求項５】
前記接続手段は前記本体部にインサート射出により一体型に形成されたことを特徴とする請求項４に記載のサーモプロテクタが装着された二次電池。
【請求項６】
前記リードは前記タップリードと溶接可能に前記本体部上部に上部リードが突出され、前記電極リードと溶接可能に前記本体部下部に前記上部リードと一体になる下部リードが突出されたことを特徴とする請求項５に記載のサーモプロテクタが装着された二次電池。
【請求項７】
前記電極リードは前記下部リードと電気的に接続され、前記上部リードはタップリードと電気的に接続され、前記ヒューズを通じて前記タップリードは端子リードと電気的に接続され、前記端子リードは前記電極端子と連結されて一つの電流の流れが形成され、過充電時には前記ヒューズが溶けて切れて電流の流れを遮断したことを特徴とする請求項６に記載のサーモプロテクタが装着された二次電池。
【請求項８】
前記ヒューズは８５−１２０℃にて作動可能な低融点の素材よりなることを特徴とする請求項１に記載のサーモプロテクタが装着された二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は二次電池に係り、より詳細にはカン内部の温度を感知して電流を遮断可能なサーモプロテクタが装着された二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウム二次電池は充放電が可能な電池であり、ニッケル−カドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）電池や、ニッケル−メタルヒドリド（Ｎｉ−ＭＨ）電池に比べて作動電圧と、単位重量当たりエネルギー密度が高いという側面から急速に発展している。リチウム二次電池は電解液の種類により液体電解質電池と、高分子電解質電池とに分類される。一般的には、液体電解質を使用する電池をリチウムイオン電池と言い、高分子電解質を使用する電池をリチウムポリマ電池と言う。
【０００３】
かかるリチウム二次電池は安全性においてさまざまな問題点にさらされている。
【０００４】
すなわち、リチウムイオン電池は負極にカーボン系素材、正極にリチウム系酸化物、電解液に有機溶媒電解質を使用する。電池が過充電される場合には、正極で電解液の分解が生じ、負極でリチウム金属が析出される。それにより、電池の特性が劣化し、また発熱や発火が心配される。
【０００５】
リチウムポリマ電池は充放電時に局部的に過熱されるために熱に弱い高分子電解質が部分的に溶解したり軟化する。従って、電流と電位とが均一ではなくなって短絡の原因となり、火災と爆発との危険性を抱いている。
【０００６】
一般的に、発火や発熱を招く電池の機構は内部短絡と、熱暴走とに分類されうる。かかる危険性を除去するために、電池はさまざまな形態の保護素子を装着している。
【０００７】
特許公開１９９９−６７１８８号公報に開示された二次電池はかかる保護素子を装着した場合を開示している。それを説明すれば次の通りである。
【０００８】
図１は負極用リード端子１０を示したものである。
【０００９】
図面を参照すれば、前記リード端子１０は充電回路用リード片１１と、集電体側リード片１２と、前記集電体側リード片１２から分岐された放電回路用リード片１３と、前記充電回路用リード片１１と集電体側リード片１２間に設けられるヒューズ１４とを含む。前記リード片１１ないし１３と、ヒューズ１４とは複数の樹脂フィルム１５間に介在される。
【００１０】
前記リード端子１０を使用したリチウム二次電池は図２に示された通りである。
【００１１】
図面を参照すれば、電池は電池部１９と、前記電池部１９が収容されるケース２０とを含む。前記電池部１９は公知の如く正極シートと、セパレータと、負極シートとが巻回されている。
【００１２】
前記電池部１９には負極シートに付着された負極用リード端子１０のうち充電回路用リード片１１と、放電回路用リード片１３とが突出されている。そして、正極シートに付着された正極用リード端子２５が樹脂フィルム２６に固定されて突出されている。
【００１３】
前記のような構造を有する二次電池は過充電により発熱すれば、前記負極用リード端子１０に内蔵されているヒューズ１４も同時に昇温する。そして、その温度が、例えば１３０℃まで上昇すれば、前記ヒューズ１４は溶けて切れる。それにより、前記充電回路用リード片１１は集電体側リード片１２との通電がなされず、充電電流が遮断される。
【００１４】
ところで、前述のリチウム二次電池は次のような問題点を有する。
【００１５】
前記ヒューズ１４は樹脂フィルム１５内に密封されてケース２０の内部に挿入されている。この時、前記ヒューズ１４はその厚さにより前記樹脂フィルム１５との間に若干の間隙が存在するようになる。前記ケース２０内には電解質が存在するので、前記ヒューズ１４は間隙を通じて入り込んだ電解質により物性が変化する。それにより、ヒューズ１４は特定の温度で正確に作動し難い。その結果、二次電池の安全性を信頼できなくなる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような問題点を解決するためのものであり、電池の過充電時に電流を完全に遮断できる保護素子がケースの内部に装着されて電池の安全性を向上させるように構造が改善されたサーモプロテクタが装着された二次電池を提供するところにその目的がある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記のような目的を達成するために本発明の一側面によるサーモプロテクタが装着された二次電池は、正極板、セパレータ、負極板の順に巻回された電池部と、前記電池部が収容される空間を提供し、電解液が注入されたカンと、前記カンの上部に結合されるキャップアセンブリと、前記カンの内部に設けられ、前記電池部から引出された電極リードと前記キャップアセンブリに引出された電極端子とを相互通電させ、過充電時に電流の流れを選択的に遮断するサーモプロテクタとを含むことを特徴とする。
【００１８】
その上、前記サーモプロテクタは、本体と、前記本体部に装着されるヒューズと、前記ヒューズの端部にそれぞれ連結される複数のリードと、前記リードのうち一つと電気的に連結される接続手段とを含むことを特徴とする。
【００１９】
さらに、前記本体部はリードが連結されたヒューズが装着される面を提供し、その大きさはカンより大きく形成されて押込み嵌合わせで設けられたことを特徴とする。
【００２０】
併せて、前記ヒューズは一端部が前記電極端子と電気的に連結される端子リードと溶接され、他端部が前記電極リードと電気的に連結されるタップリードと溶接されたことを特徴とする。
【００２１】
さらに、前記接続手段は薄板よりなるリードと、前記リード周囲を覆い包む高分子樹脂よりなるフィルムよりなることを特徴とする。
【００２２】
また、前記ヒューズは８５−１２０℃で作動可能な低融点の素材よりなることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照しつつ本発明の望ましい実施形態によるサーモプロテクタが装着された二次電池を詳細に説明する。
【００２４】
図３は本発明の一実施形態によるリチウム二次電池３０を示す。
【００２５】
図面を参照すれば、前記電池３０は電池部３１と、前記電池部３１を収容するカン３２と、前記カン３２と結合されるキャップアセンブリ３３と、サーモプロテクタ４０とを含む。
【００２６】
前記電池部３１は正極板と、負極板と、正極及び負極板間に介在されてそれらを電気的に絶縁させるセパレータとを備える。前記正極及び負極板は各集電体と、集電体の少なくとも一面にコーティングされる活物室層よりなる。前記電池部３１は正極板、セパレータ、負極板の順に位置した状態でゼリーロールタイプに巻回されている。
【００２７】
前記電池部３１は各極板の一つの縁部から正極リード３１ａと負極リード３１ｂとが引出されている。前記電池部３１の上面には前記負極リード３１ｂが引出し可能な通孔３４ａが形成された上部絶縁板３４が設けられている。
【００２８】
前記上部絶縁板３４の上部にはサーモプロテクタ４０が設けられている。前記サーモプロテクタ４０は本体部４１と、前記本体部４１に設けられるヒューズ４２と、複数のリードとを含んでいる。
【００２９】
前記サーモプロテクタ４０の上部には前記カン３２と結合されるキャップアセンブリ３３が配されている。前記キャップアセンブリ３３にはカン３２の上部と接触して溶接されるキャッププレート３５が作られている。
【００３０】
前記キャッププレート３５には通孔３５ａを通じて電極端子３６が挿入可能である。前記電極端子３６は前記電池部３１から引出された電極リードのうちいずれの一つと電気的に連結されている。本実施形態では前記電極端子３６は負極端子であり、これは負極リード３１ｂと通電されている。正極リード３１ａはカン３２に溶接されている。代案としては、極板を別にして接続させることも可能であり、前記リードのうち一つのリードはキャッププレート３３と電気的に連結させ、もう一つのリードは端子と連結させられるなど多様な実施形態が存在する。
【００３１】
前記負極端子３６の外周面にはチューブ状のガスケット３７が設けられている。前記ガスケット３７は前記キャッププレート３５と、負極端子３６間の電気的絶縁と、カン３２内部からの電解液の漏水とを防止するために高分子樹脂のような絶縁物質よりなる。前記ガスケット３７に覆い包まれた電極端子３６はリベティングはスピン法により前記キャッププレート３３の通孔３５ａを通じて固定されている。
【００３２】
前記キャッププレート３５の下には絶縁板３８がさらに設けられうる。
【００３３】
一方、前記キャッププレート３５には電解液が注入される電解液注入孔３５ｂが形成されている。前記電解液注入孔３５ｂは以後に電解液が注入された後でボールとして密封される。
【００３４】
本発明の特徴によれば、前記カン３２とキャップアセンブリ３３間に電池３０の過充電時に電流を速かに遮断できるサーモプロテクタ４０が設けられたところにある。すなわち、前記サーモプロテクタ４０はカン３２の内部に設けられて発火や発熱のような電池３０の危険性を未然に防止できると共に安全への信頼性を向上させたところに主な特徴がある。
【００３５】
図４はかかるサーモプロテクタ４０を分離して示したものである。
【００３６】
図面を参照すれば、前記サーモプロテクタ４０は本体部４１と、前記本体部４１に挿入されるヒューズ４２と、前記ヒューズ４２とそれぞれ電気的に連結されるタップリード４３と、端子リード４４と、電池部３１から引出された負極リード３１ｂと電気的に連結される接続手段４５とを含む。
【００３７】
さらに詳細に説明すれば次の通りである。
【００３８】
前記本体部４１は前記カン３２の内部に装着されるので、電解液などに化学的反応が発生しないように高分子樹脂よるなることが望ましい。また、前記本体部４１は前記カン３２内部に押込み嵌合わせが可能なように熱及び温度に膨脹しやすい素材よりなる高分子樹脂よりなることが電解液がカン３２の壁面に沿って染み込むことを防止できるので有利であると言える。従って、前記本体部４１はカン３２より若干大きいと言える。
【００３９】
前記本体部４１にはヒューズ４２が装着されうる装着面４１ａが提供されている。前記装着面４１ａの形は多様な形態にでき、前記ヒューズ４２が特定温度でだけ作動可能なように電解液と反応しないように設計することが望ましい。
【００４０】
前記装着面４１ａには前記ヒューズ４２が装着可能である。前記ヒューズ４２は低融点を有する素材、例えば鉛を含有した合金よりなる。これは電池３０の内部温度が上昇する時、熱を伝達されて溶けて切れる。前記ヒューズ４２は一端部がタップリード４３と溶接されており、他端部が端子リード４４と溶接されている。前記ヒューズ４２が作動する温度は８５−１２０℃であり、望ましくは９５±５℃である。
【００４１】
前記タップ及び端子リード４３，４４は前記ヒューズ４２が溶接される領域に密封材４６がコーティングされている。そして、前記ヒューズ４２を含むリード４３，４４の上部には高分子樹脂４７、例えばＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）のような樹脂が超音波融着されている。従って、前記ヒューズ４２は密封材４６と、高分子樹脂４７とにより密封が二重になされる。
【００４２】
前記タップ及び端子リード４３，４４が各端部に溶接されたヒューズ４２は前記本体部４１の装着面４１ａに挿入されてその位置を定めている。
【００４３】
一方、サーモプロテクタ４０がカン３２の内部に挿入されて電解液に露出されたり接触されることを未然に防止するために、前記本体部４１には接続手段４５が形成されている。
【００４４】
前記接続手段４５は前記負極リード３１ｂと電気的に連結される薄板のリード４８と、前記リード４８の外面に設けられるフィルム４９とを含む。前記フィルム４９は電解液と反応が生じない高分子樹脂よりなっており、望ましくはＣＰＰ（Ｃｈｌｏｒｉｎａｔｅｄ Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ），ＰＥ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ），ＣＰＰよりなる三重層の構造である。前記フィルム４９は前記リード４８の外面に融着されている。
【００４５】
前記接続手段４５は前記本体部４１に一体形成されている。すなわち、前記本体部４１内に前記接続手段４５が配された状態でインサート射出を実施して一つの本体をなしている。この時、前記リード４８のうち上部リード４８ａは前記本体部４１の上部に露出しており、下部リード４８ｂは前記本体部４１の下部に露出している。それにより、前記接続手段４５は前記フィルム４９が融着されたリード４８部分が本体部４１内部に位置し、前記フィルム４９は射出時に前記本体部４１と溶融して完全に結合されうる。
【００４６】
図５は図４のサーモプロテクタ４０が結合された状態を示す。
【００４７】
図面を参照すれば、前記本体部４１の装着面４１ａにはヒューズ４２が装着されている。前記ヒューズ４２の一端部はタップリード４３と溶接されており、前記タップリード４２は装着面４１ａの一側方向に配されている。前記ヒューズ４２の他端部は端子リード４４と溶接されており、前記端子リード４４は装着面４１ａの他側方向に配されている。前記端子リード４４はガスケット３７に覆い包まれた電極端子３６と電気的に連結されている。
【００４８】
前記本体部４１の一側には接続手段が設けられている。すなわち、前述のフィルム４９に覆い包まれたリード４８は本体部４１にインサート射出されており、前記リード４８のうち上部リード４８ａは本体部４１の上部側に露出されている。前記上部リード４８ａは前記タップリード４３と溶接されている。そして、前記リード４８のうち下部リード４８ｂは本体部４１の下部側に露出されている。前記下部リード４８ｂは電池部３１から引出された負極リード３１ｂと溶接されている。
【００４９】
かかる構造を有するサーモプロテクタ４０は電池部３１から引出された負極リード３１ｂが前記下部リード４８ｂと連結されており、前記下部リード４８ｂと一体型の上部リード４８ａはタップリード４３と連結されている。前記タップリード４３は前記ヒューズ４２を経由して前記端子リード４４と通電される。前記端子リード４４は前記電極端子３６と電気的に連結されている。このように、前記負極リード３１ｂは上部及び下部リード４８ａ，４８ｂと、タップリード４３と、ヒューズ４２と、端子リード４４とを通じて前記電極端子３６と電流が通じる。
【００５０】
前記のような構造を有するサーモプロテクタ４０を含む電池３０を組立てる過程を説明すれば次の通りである。
【００５１】
まず、図３を参照すれば、前記カン３２と、前記カン３２の上部に結合されるキャップアセンブリ３５とが作られる。前記カン３２の内部には正極板、セパレータ、負極板の順に巻回された、いわゆるゼリーロールタイプの電池部３１が挿入される。この時、極板のうち負極リード３１ｂは前記プロテクタ４０の下部リード４８ｂと溶接される位置に合うべくその位置が設定されねばならない。
【００５２】
次に、上部絶縁板３４を前記電池部３１内に配した後、前記サーモプロテクタ４０を前記電池部３１上に挿入する。この時、前記サーモプロテクタ４０の本体部４１は前記カン３２に対して押込み嵌合わせで組立て可能なように、本体部４１は前記カン３２より大きく設計されている。
【００５３】
一般的に、前記カン３２の内壁と本体部４１周辺部間の間隔を通じて電解液が染み込み、前記サーモプロテクタ４０内に電解液が浸透されうるが、熱及び温度の上昇により膨脹しやすい高分子樹脂よりなる本体部４１が前記カン３２の内部に押込み嵌め合わされて充放電により電池３０の内部から熱が生じれば、カン３２の内壁に対して本体部４１の外面が密閉可能に密着される。従って、カン３２の内壁に沿って電解液がサーモプロテクタ４０の上部に浸透することを未然に防止できる。
【００５４】
この時、前記サーモプロテクタ４０がカン３２の内部に装着される前に前記電池部３１から引出された負極リード３１ｂは接続手段４５と電気的に連結されていなければならない。すなわち、本体部４１には多重層の高分子樹脂よりなるフィルム４９が外面を覆いかぶせているリード４８よりなる接続手段４５がインサート射出されている。このうち、前記本体部４１の下部に露出される下部リード４８ｂは前記負極リード３１ｂと溶接される。
【００５５】
次に、タップリード４３と、端子リード４４とそれぞれ両端部が溶接されたヒューズ４２とが前記本体部４１の装着面４１ａに装着された状態で、前記タップリード４３は前記リード４８のうち前記本体部４１の上部に露出される上部リード４８ａと溶接される。この時、前記端子リード４４はキャッププレート３５の通孔３５ａを通じて挿入された電極端子３６の下面と溶接されていることが組立工程上有利であると言える。
【００５６】
このように前記サーモプロテクタ４０がカン３２内部に装着された後には、前記プロテクタ４０の上部にキャップアセンブリ２３を位置させて一般的な電池工程の順序に沿ってカン３２に対してキャップアセンブリ２３を結合させる。その後、前記キャッププレート３５に形成された電解液注入孔３５ｂを通じて電解液を注入し、それを密封する。一方、正極リード３１ａはカン３２やキャッププレート３５に溶接されている。
【００５７】
前記のような方式で製造された電池３０は過充電などの異常が生じて内部温度が上昇すれば、前記ヒューズ４２の温度も共に上昇する。かかる状態で、特定温度以上に昇温すれば、前記ヒューズ４２は溶けて切れる。それにより、前記負極リード３１ｂから電極端子３６までの電流の流れを強圧的に遮断して熱暴走などのような異常反応を未然に防止できる。
【００５８】
表１は電池の過充電に関する実験分結果を示す。
【表１】
0004230747.tif 000002
【００５９】
ここで、Ｎ２／Ｎ１においてＮ１は電池の総数であり、Ｎ２は不良が生じない電池の総数である。そして、比較例１は保護素子が未装着の場合であり、比較例２は従来の保護素子を装着した場合であり、実施形態は本発明のサーモプロテクタ４０を装着した場合である。
【００６０】
表を参照すれば、保護素子が未装着の場合には安全性テスタ、特に２Ｃ，３Ｃ放電にて電池が不安定になり発火ないし爆発するのが一般的である。保護素子が装着された従来の場合には高率放電の３Ｃでは電池の発火ないし爆発が生じなかったが、２Ｃでは５０の電池のうち２つの電池が爆発した。
【００６１】
これに反し、本発明のサーモプロテクタ４０を採用した電池３０は１Ｃ，２Ｃ，３Ｃ放電において前記ヒューズ４２が特定温度で作動して発火など爆発した場合が全くないということが分かる。これは、前記サーモプロテクタ４０が電池３０の過充電時に上昇した温度を感知して強圧的に電流の流れを遮断して可能であると言える。
【００６２】
【発明の効果】
以上の説明でのように、本発明のサーモプロテクタが装着された二次電池は次のような効果を得られる。
【００６３】
第一に、電池の過充電により内部の温度が上昇すれば、カン内部に設けられるサーモプロテクタがこれを正確に感知して電流を完全に遮断することにより熱暴走などに連結されず電池の安全性を信頼できる。
【００６４】
第二に、サーモプロテクタが電池の内部に設けられている場合にも電解液がサーモプロテクタ側に入り込む現象を未然に防止できて特定温度にて正確に作動する。
【００６５】
第三に、安全性を有する保護素子が電池の内部に設置することが可能になって電池の軽薄短小化をもたらす。
【００６６】
第四に、電池の内部温度上昇時にカンの内部でこれを感知することが可能になって最も正確な時点で電流の遮断を可能にして電池の熱的変化に最も速かに作動できる。
【００６７】
本発明は図面に示された一実施形態を参考に説明されたがそれは例示的なものに過ぎず、本技術分野の当業者ならばこれから多様な変形及び均等な他実施形態が可能であるという点を理解せねばならない。従って、本発明の真の技術的保護範囲は登録請求範囲の技術的思想により決まるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来のリード端子の斜視図である。
【図２】  図１のリード端子が適用された二次電池を示した分離斜視図である。
【図３】  本発明の一実施形態による二次電池を示した分離斜視図である。
【図４】  図３のサーモプロテクタを示した分離斜視図である。
【図５】  図４のサーモプロテクタが結合された状態を示した斜視図である。
【符号の説明】
３０   リチウム二次電池
３１   電池部
３２   カン
３１ａ   正極リード
３１ｂ   負極リード
３３   キャップアセンブリ
３４   上部絶縁板
３４ａ，３５ａ   通孔
３５   キャッププレート
３５ｂ   注入孔
３６   負極端子
３７   ガスケット
４０   プロテクタ
４１   本体部
４２   ヒューズ
【図１】
0004230747.tif 000003
【図２】
0004230747.tif 000004
【図３】
0004230747.tif 000005
【図４】
0004230747.tif 000006
【図５】
0004230747.tif 000007