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技術 二次電池の安全板

出願人 エルジー・ケミカル・カンパニー・リミテッド
発明者 スー・リョン・キムホ−キュン・ビュンヨン−ラエ・キムクワン−ホ・ユージェー−ホー・キム
出願日 2001年9月28日 (17年10ヶ月経過) 出願番号 2002-531513
公開日 2004年4月2日 (15年4ヶ月経過) 公開番号 2004-510314
状態 特許登録済
技術分野 電池のガス排気装置
主要キーワード 内圧発生 曲線溝 電子器機 爆発危険性 破断部位 トップキャップ ホットボックス 破断圧力
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この項目の情報は公開日時点(2004年4月2日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

課題・解決手段

本発明は二次電池の安全板に係り、特に、過大な内部圧力により爆発危険性の高いリチウムイオン二次電池爆発を防止できる二次電池の安全板に関するものである。二次電池において、正極と負極の間にセパレータを配置するが、セパレータと共に巻いたゼリーロール、前記負極と正極が電池ケースの内部に納められて、電池ケースは電解質を備える負極に接続され、電池ケースの開口は前記正極と接続されたトップキャップアセンブリー密封され、内圧の上昇による爆発を防止する安全装置として電池ケースに曲線溝により形成された安全板において、曲線溝の全域でほとんど同時に破断が発生するので二次電池の爆発の危険を減らし、電池ケースの大きさや溝の位置による破断圧力バラツキを減少させることによって二次電池の安全性が改善され、曲線溝が形成されているので溝が破断した後でも使用者負傷しない。

概要

背景

最近、高性能ノートブックコンピュータ無線電話機など各種携帯電子器機の普及傾向、再充電可能で高エネルギー密度を有する二次電池に対する需要がこれら装置の電源として用いるために増加している。

概要

本発明は二次電池の安全板に係り、特に、過大な内部圧力により爆発危険性の高いリチウムイオン二次電池爆発を防止できる二次電池の安全板に関するものである。二次電池において、正極と負極の間にセパレータを配置するが、セパレータと共に巻いたゼリーロール、前記負極と正極が電池ケースの内部に納められて、電池ケースは電解質を備える負極に接続され、電池ケースの開口は前記正極と接続されたトップキャップアセンブリー密封され、内圧の上昇による爆発を防止する安全装置として電池ケースに曲線溝により形成された安全板において、曲線溝の全域でほとんど同時に破断が発生するので二次電池の爆発の危険を減らし、電池ケースの大きさや溝の位置による破断圧力バラツキを減少させることによって二次電池の安全性が改善され、曲線溝が形成されているので溝が破断した後でも使用者負傷しない。

目的

本発明は前記従来技術の不都合制約による問題点を一つ以上実質的に除去するような二次電池の安全板を指向している。二次電池の内部圧力上昇時、圧力が溝に均一に加わるようにして、溝が同時に破断することができる二次電池の安全板を提供するのにその目的がある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

正極と負極の間にセパレータを配置した後、巻き取ったゼリーロールを前記負極と接続される電池ケースの内部に電解質と共に収納し、電池ケースの開口を前記正極と接続されたトップキャップアセンブリー密封した二次電池に、内圧の異常上昇時に爆発を防止する安全装置として電池ケースに溝を形成した二次電池の安全板において、前記溝が曲線に形成されることを特徴とする、二次電池の安全板。

請求項2

前記曲線溝が電池ケースの外側に形成されることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池の安全板。

請求項3

前記曲線溝が、六角形電池ケースにおける最大面積を有する側面に形成されることを特徴とする、請求項2に記載の二次電池の安全板。

請求項4

前記曲線溝が前記最大面積を有する側面の対角線上に形成されることを特徴とする、請求項3に記載の二次電池の安全板。

請求項5

前記曲線溝の曲率が3乃至50mmであることを特徴とする、請求項3に記載の二次電池の安全板。

請求項6

前記曲線溝の両端から直線溝延長形成されることを特徴とする、請求項4に記載の二次電池の安全板。

請求項7

前記曲線溝のいずれか一端に直線溝が延長形成されることを特徴とする、請求項4に記載の二次電池の安全板。

請求項8

前記曲線溝の両端から直線溝が延長形成されることを特徴とする、請求項5に記載の二次電池の安全板。

請求項9

前記曲線溝のいずれか一端に直線溝が延長形成されることを特徴とする、請求項5に記載の二次電池の安全板。

請求項10

前記溝部分の電池ケースの厚さは、前記電池ケースの全体厚さに対して10乃至30%であることを特徴とする、請求項6に記載の二次電池の安全板。

請求項11

前記溝部分の電池ケースの厚さは、前記電池ケースの全体厚さに対して10乃至30%であることを特徴とする、請求項7に記載の二次電池の安全板。

請求項12

前記溝部分の電池ケースの厚さは、前記電池ケースの全体厚さに対して10乃至30%であることを特徴とする、請求項8に記載の二次電池の安全板。

請求項13

前記溝部分の電池ケースの厚さは、前記電池ケースの全体厚さに対して10乃至30%であることを特徴とする、請求項9に記載の二次電池の安全板。

技術分野

0001

この出願は、2000年9月29日及び2001年2月5日に、それぞれ韓国特許へ出願された、出願No.10−2000−57507及び出願No.10−2001−5484に基づくものであり、これらの内容は、前記参照によって、本願に組み込まれるものとする。
本発明は二次電池係り、特に、リチウムイオン二次電池内部圧力による電池爆発を防止できるような二次電池の安全板に関するものである。

0002

最近、高性能ノートブックコンピュータ無線電話機など各種携帯電子器機の普及傾向、再充電可能で高エネルギー密度を有する二次電池に対する需要がこれら装置の電源として用いるために増加している。

0003

このような二次電池の中で、リチウムイオン二次電池は、炭素質の負極、リチウム金属酸化物の正極、ポリオレフィン系セパレータ及び電解質を含み、正極と負極の間のリチウムイオンが移動する時に発生する起電力によって充放電が行われる。

0004

しかし、リチウムイオン二次電池は作動電位が高いため、高エネルギーが瞬間的に流れる恐れがあり、正極物質過充電または短絡によって化学的に大きく活性化するため、電解質と急激に反応して多量のガスを発生させる。

0005

その結果、リチウムイオン二次電池内部の圧力や温度が急激に上昇して電池の爆発につながり周辺装置が破損したり人体が損傷を受ける恐れがある。

0006

したがって、リチウムイオン二次電池の爆発を防止する様々な安全装置が開発されている。

0007

例えば、米国特許第5,738,952号が開示する構造では安全板が正極リードタップ溶接で連結されて、所定の臨界圧力に到達すると反転し、安全板の溶接部位が分離されて電流遮断し、それによって圧力と温度の上昇を防止しており、圧力が所定圧力超過すれば電池ケースの壁または電流の流れる経路が遮断され、圧力上昇を防止する。

0008

しかし、このような技術でも不都合が残り、圧力応答型安全板の製作組立てがむずかしく、電池の異常反応時に電池外部の電流を遮断して電流の流れを防止することはできるが、別途の安全板が電池ケースの外部に装着されなければならない。

0009

また、日本国公開特許公報平2−284350号及び平9−320549号には二次電池の安全装置として、電池ケースの表面に直線または直線からなるX字形の溝を形成する技術が開示されている。

0010

しかし直線溝は、電池ケース全体が膨らんで破断する所定の臨界圧力で、最も大きく膨らむ最大面積部の中心部から溝の各地点までの距離が各自異なるので、溝に加わる圧力も各々異なり、このため溝の全ての部分が同時に破断するのではなく、溝の中で最も弱い部分が最初に破断する。

0011

したがって、溝全域が同時に破断するのが最も好ましいが、電池ケースに厚さが変化する溝を製作する以外には、全域が同時破断するような溝を作ることは不可能である。

0012

また、もう一つの問題であるが、破断圧力バラツキが電池ケースの大きさ、溝の位置によって違うため安全装置の設計が難しい。

0013

字溝の場合は不都合なことがあって、電池ケースに正確に溝を刻するのが難しく、電池ケースの大きさを考慮して所定圧力で破断するように新しく設計しなければならない。

背景技術

0014

また、直線溝とX字溝の場合、破断後の電池爆発は防止できるが、溝の破断部位が鋭くなるので使用者負傷する恐れがある。

0015

本発明は前記従来技術の不都合や制約による問題点を一つ以上実質的に除去するような二次電池の安全板を指向している。二次電池の内部圧力上昇時、圧力が溝に均一に加わるようにして、溝が同時に破断することができる二次電池の安全板を提供するのにその目的がある。

0016

本発明の他の目的は、電池ケースの大きさ、溝の位置による破断する圧力のバラツキを同一にすることにより、二次電池の安全性を高める二次電池の安全板を提供することにある。

発明が解決しようとする課題

0017

本発明のさらに他の目的は、溝の破断後にも破断部位によって人体が負傷しないようにする二次電池の安全板を提供することにある。

0018

これらと他の望ましいことを達成するために、また本発明の目的にしたがって実施例を構成し、広く説明したように、二次電池においては、正極と負極の間にセパレータを配置するが、セパレータと共に巻いたゼリーロール、前記正極と前記負極が電池ケースに納められ、電解質を備えた負極に接続され、電池ケースの開口は前記正極と接続されたトップキャップアセンブリー密封され、二次電池の安全板は、内圧上昇による電池爆発を防止する安全装置として電池ケース上に形成され、前記溝が曲線に形成されることを特徴とする。

0019

ここで、曲線溝が電池ケースの外部に形成されるのが好ましく、そして、電池ケースが六面体になった角形であり、前記曲線溝が最大面積を有する側面に形成されるのが好ましい。

0020

また、より好ましくは、曲線溝が前記角形電池ケースの最大面積を有する側面の対角線上に形成される。

0021

曲率は3乃至50mmであるのが好ましい。

0022

一方、曲線溝の両端またはいずれかの一端に直線溝が延長形成されるのが好ましい。

課題を解決するための手段

0023

電池ケース上の前記溝部分の厚さは、前記電池ケースの全体厚さに対して10乃至30%程度に形成されるのが好ましい。

0024

以下、本発明による好ましい各実施例を詳細に参照する。各例は添付された各図面に示されている。図1は、本発明による安全板が形成された二次電池を部分的に取出して拡大して示した斜視図である。

0025

各種二次電池の中で、本発明は、リチウムイオン角形二次電池(以下、角形二次電池という)に関して説明する。

0026

角形二次電池には、正極2、セパレータ4及び負極6と共に巻かれて、負極と接続された電池ケース10の内部に収納されたゼリーロール8がある。角形二次電池には、電池ケース10の上部に正極2と接続されたトップキャップアセンブリー12が設置され、トップキャップアセンブリー12に形成された注入口12aを通じて電池ケース10の内部に電解液を注入した後、注入口12aが密封されている。

0027

トップキャップアセンブリー12は、電池ケース10の上部に溶接されるトップキャップ14と、トップキャップ14の下部中心に配置される下部板16と、トップキャップ14と下部板16との間に上下部ガスケット18、20を介在させてガスケットと共にリベットした正極端子22と、を含む。

0028

前記下部板16は、ゼリーロール8のタップ24及び負極6と連結される。

0029

そしてゼリーロール8の上下端には、絶縁のための上部絶縁板26と下部絶縁板28が配置される。

0030

このような角形二次電池には、爆発に対する安全装置として電池ケースに安全板30を形成する。

0031

安全板30は、図2及び図3に示したように電池ケース10に曲線溝を形成して、電池の過度な内圧上昇時に曲線溝が破断されるように設計される。

0032

このような曲線溝は電池ケース10の外部の最大面積部を有する側面に形成されるのが好ましいが、これは角形二次電池の内圧が過度に上昇すると、最も弱い部分である電池ケースの最大面積部の側面が先ず膨張するからである。

0033

好ましくは曲線溝が、電池内部の圧力を放出するために、電池ケース10の外部に形成されるのが有利である。

0034

本発明の電池ケース10に刻まれる曲線溝は、従来の直線またはX字形の溝より一層正確に臨界圧力で破断されるように、最大面積部を有する側面の対角線または対角線から延長する仮想線の上に湾曲の中心が位置するように形成される。

0035

特に、曲線溝は最大面積部の中心部よりは各隅部に近い位置に形成され、その曲率は3乃至50mm程度が好ましい。

0036

曲線溝は最大面積部の側面に受ける応力の集中を考慮して形成される。つまり、当業者に明らかなように、角形二次電池の内圧上昇によって最大面積部の側面が膨らむようになると、最大面積部の中心部でその膨らみが最も大きくなり、四隅部分での膨らみが最も小さくなる。

0037

仮に、最大面積部の全側面上で等しい応力を受ける各連結地点、図4に示したように、最大面積部の側面中心部に近いほど通常の楕円形に似た閉曲線を形成し、角部分に近いほど順次に長方形に近い閉曲線を形成するようになる。

0038

最大面積部の中心部と隅部分の間で、応力が急激に変化し、最も弱い部分に本発明の曲線溝を形成している。

0039

したがって、曲線溝の全ての部分でバラツキの少ない応力集中が発生し、安全板30の破断時に曲線溝のほとんど全体で同時に破断が生じて圧力の偏差が最小化する。

0040

同様の理由で、曲線溝の両端またはいずれか一端から図5に示したように直線溝32を延長することができる。この直線溝32は5mm以下が好ましく、5mm超であると圧力偏差が大きくなる恐れがある。

0041

図6及び図7は各々、本発明の実施例を示し、電池ケース10の最大面積部に安全板30が異なる形態で形成されている。

0042

一般的なリチウムイオン角形二次電池の電池ケース10は、ステンレスニッケルメッキ鋼、アルミニウム合金又はプラスチックの中のいずれか一つの材質で作られる。

0043

電池ケース10の厚さは、電池の大きさ、電池ケースの材料に応じて設計され、好ましい電池ケースの厚さの範囲は0.3mm乃至0.7mmである。

0044

電池ケース10に形成される曲線溝の厚さは電池ケース10の厚さより薄く形成され、曲線溝部分での電池ケースの厚さは臨界圧力が高く設計されるほど増加し、臨界圧力が低く設計されるほど減少する。

0045

特に、溝部分の電池ケースの厚さは、前記電池ケース10の厚さに対して10〜30%であるのが好ましい。

0046

実施例を参照して本発明を詳細に説明するが、実施例が本発明をこれらに限定するものではない。

0047

[実施例]
リチウムコバルト酸化物の正極2を、カーボン活物質の負極6からオレフィン系セパレータ4で分離させたゼリーロール8を、図1に示したような電池ケース10の内部に収納する。

0048

前記電池ケース10は、厚さ0.45mm、長さ63mm、高さ48mmの角形に形成される。

0049

このような電池ケース10に形成される曲線溝の幅は0.7mm、長さが13mm、厚さが0.1mm、曲率半径が40mmである。

0050

電池ケース10にゼリーロール8が収納された状態で、ゼリーロールの正極に付着されたタップ24をトップキャップアセンブリー12の正極端子22に溶接する。

0051

トップキャップ14を電池ケース10の開口に密着させてレーザー溶接した後、トップキャップ14の電解液注入口12aを通じてエチレンカーボネート(EC)、ジエチレンカーボネート(DEC)及びリチウム塩(LiPF6)を含む電解液を注入し、電解液注入口12aを密封させてリチウムイオン角形二次電池を製造した。

0052

[比較例]
図8に示したように、様々な形態の安全板を最大面積部の側面に形成し、最初の安全板を破断させるように徐々に圧力を増加させて、二次電池の破断圧力を測定した。図8において、数値は全てmm単位で示されている。

0053

この安全板の溝は放電加工によって形成されており、溝が形成された電池ケースは厚さ0.1mmのアルミで作られ、溝の厚さは0.4mmである。

0054

タイプ1では2種類のAが長さ2mmと5mmで各々作られた。

0055

タイプ3では3種類のBが長さ3mm、5mm及び7mmで各々作られた。

0056

破断試験の結果は表1のとおりで、この表でX表示は、破断が発生していないことを示す。

0057

【表1】

0058

表1に示すように、曲線溝が最大面積部の最も弱い部分に形成されるので、安全板が必ず最初に破断され、破断時の圧力偏差が1kgf/cm2以内である。

0059

つまり、曲線溝が形成された安全板を使用することにより、リチウムイオン角形二次電池は爆発せずに安定して破断される。

0060

実験例1]
このリチウムイオン角形二次電池で、異常内圧発生時に、安全板の破断が安定して生じるか否かを判断するために、過充電(Overcharge)試験ホットボックス(Hot box)試験及び落下実験を実施した。

0061

UL1642規格落下試験は、リチウムイオン角形二次電池の安定性を確認するために、電池ケースを高さ1.9mから3回落下させて、曲線溝が破断したか否かを観察した。

0062

試験結果としては、曲線溝は破断しなかった。

0063

3C過充電実験を、安全板の破断圧力を観察するために、充放電試験器を利用して実施した。

0064

過充電試験結果としては、図9に示したように、その後も安全板が動作した。

0065

この過充電後の、リチウムイオン角形二次電池の内部温度変化と電圧変化を、図10及び図11グラフで示している。

0066

また、ホットボックス試験を、角形二次電池の温度を上昇させながら安全板が破断されるか観察するために行った。その結果、ホットボックスの内部温度を150℃まで上昇させた時に、図12に示したように、安全板が破断された。

0067

[実験例2]
実験例2では、角形二次電池の大きさ別に本発明に従って設計された安全板が安定に破断されるか、また安全板がどの程度の圧力偏差で破断されるかを試験した。

0068

下記表2において、Aタイプはリチウムイオン角形二次電池で、厚さが6.3mm、幅3.4cm、高さ5.0cmであり、Bタイプ電池は厚さが6.3mm、幅3.0cm、高さ6.7cmである。

0069

【表2】

0070

表2に示すように、平均破断圧力から1.1kgf/cm2以内である。

発明を実施するための最良の形態

0071

つまり、破断圧力偏差が大きくないため、より安定した破断を予測することができ、角形二次電池の安定性が向上した。

0072

上述のように、本発明による二次電池の安全板は従来の技術に比べて向上した効果を示す。

0073

つまり、二次電池の内部圧力上昇時に圧力が曲線溝に均一に加わるので、曲線溝の各部でほとんど同時に破断が発生し、二次電池の爆発の危険が減少する。

0074

また、電池ケースの大きさ、溝の位置を考慮して破断圧力偏差を減少させることにより、二次電池の安全性が改善される。

発明の効果

0075

更に、溝が曲線状に形成されるので、溝の破断後も、使用者が負傷を受けないようになる。

図面の簡単な説明

0076

本発明が説明され実施例に描写されているが、当業者にとって、本発明の本質から離脱することなく、種々の変形が可能なことは明らかである。したがって、その意図する所は、本発明が発明の各種変形を、特許請求の範囲またはその同等物の範囲に含むものとすることである。

【図1】
本発明の実施例による安全板が形成された二次電池を部分的に取出して、拡大した斜視図である。
【図2】
本発明による安全板が形成された電池ケースの最大面積部の側面を示した正面図である。
【図3】
本発明によるもう一つの実施例による安全板の位置を示した正面図である。
【図4】
安全板が形成された二次電池に内圧が発生した時の応力分布を予測して、閉曲線で示した正面図である。
【図5】
本発明によるさらに他の実施例の安全板が形成された二次電池を示した正面図である。
【図6】
本発明によるさらに他の実施例の安全板が形成された二次電池を示した正面図である。
【図7】
本発明によるさらに他の実施例の安全板が形成された二次電池を示した正面図である。
図8
本発明の各実施例による安全板が形成された各二次電池を比較した図である。
【図9】
本発明による安全板が形成された二次電池の強制過充電により、安全板が破断した状態を示した図である。
図10
過充電による安全板の破断時、二次電池内部の温度の変化を示すグラフである。
図11
過充電による安全板の破断時、二次電池内部の電圧の変化を示すグラフである。
【図12】
本発明による安全板が形成された二次電池をホットボックスに入れ、温度を上昇させて安全板を破断させた状態を示した図である。
【符号の説明】
2 正極
4 セパレータ
6 負極
8 ゼリーロール
10 電池ケース
12 トップキャップアセンブリー
12a 注入口
14 トップキャップ
16 下部板
18 上部ガスケット
20 下部ガスケット
22 正極端子
24 タップ
26 上部絶縁板
28 下部絶縁板
30 安全板
32 直線溝

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