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JP4515405B2 - 円筒状のリチウム二次電池及びその製造方法 - Google Patents

円筒状のリチウム二次電池及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、円筒状のリチウム二次電池及びその製造方法に関し、より詳細には、電極組立の真円度(Roundness)が改善された円筒状のリチウム二次電池及びその製造方法に関する。
最近では、携帯電話、ノート型パソコン、ビデオカメラなどのコンパクトで軽量化された電気/電子装置らが盛んに開発及び生産されつつある。このような携帯用電気/電子装置らは、別途の電源が備えられていない場所でも作動できるように、電池パックを内蔵している。内蔵の電池パックは、携帯用電気/電子装置を一定の期間の間駆動するために、一定のレベルの電圧を出力できるように、内部に少なくとも一つの電池を備えている。
前記電池パックは、経済的な側面を考慮して、最近には、充放電が可能な二次電池を採用している。二次電池には、代表的に、ニッケル-カドミウム(Ni-Cd)電池と、ニッケル-水素(Ni-MH)電池と、リチウム(Li)電池及びリチウムイオン(Li-ion)電池などのリチウム二次電池などがある。
特に、リチウム二次電池は、作動電圧が３．６Ｖであり、携帯用電子装備の電源として多く使われているニッケル-カドミウム電池や、ニッケル-水素電池よりも３倍も高く、単位重量当たりのエネルギー密度が高いという側面から、急速に普及しつつある趨勢にある。
このようなリチウム二次電池は、主として、正極活物質としてリチウム系酸化物、負極活物質としては炭素材を使っている。一般的には、電解液の種類によって液体電解質電池と、高分子電解質電池とに分類され、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ー電池と言う。また、リチウム二次電池は、様々な形状に製造されており、代表的な形状としては、円筒状と、角状と、パウチ状とが挙げられる。
通常、前記円筒状のリチウム二次電池は、正極タブが取り付けられた正極電極板と、負極タブが取り付けられた負極電極板と、前記正極電極板と負極電極板とで挟まれてショートを防止し、リチウムイオン(Li-ion)の移動のみを可能とするセパレータとが巻き取られた電極組立体と；前記電極組立体を収容する円筒状の筐体と；前記円筒状の筐体の内側に注入され、リチウムイオンの移動を可能とする電解液と；等からなっている。
このような円筒状のリチウム二次電池は、以下のようにして形成される。
まず、前記正極タブが取り付けられた正極電極板と、負極タブが取り付けられた（連結された）負極電極板と、セパレータとを積層した後、これを巻き取って概ねほぼ円筒状の電極組立体を製造する。この時、前記正極タブが巻取先端部に位置するようにして巻き取り、前記正極タブ及び負極タブは、一般的に平板(Plate)状とされる。
次いで、前記電極組立体を前記リチウム二次電池用の円筒状の筐体に挿入し、前記電極組立体が離脱しないようにし、その後、前記円筒状の筐体に電解液を注入した後、封止して円筒状のリチウム二次電池を完成する。
しかしながら、前記のような円筒状のリチウム二次電池は、前記電極組立体の巻取時、一般に、前記正極板に取り付けられた正極タブが巻取先端部に位置するようにして巻き取り始めるので、巻取が進むに従って、前記電極組立体の形状が円筒状からずれることになる。すなわち、前記電極組立体は、円形状の幾何学的に正確な円との差を示す真円度が大きくなる。
これは、前記電極組立体を前記円筒状の筐体に挿入する工程において、前記電極組立体の挿入が難しくなるという問題点として作用する。
また、前記電極組立体の形状が円筒状からずれて突出する部分は、前記電極組立体を前記円筒状の筐体に挿入する工程において、前記円筒状の筐体によるきずが生じ、これによって前記電極組立体の不良を引き起こすという問題点がある。
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決するためのもので、本発明は、電極組立の真円度(Roundness)が改善された円筒状のリチウム二次電池及びその製造方法を提供することにある。
上記の第１の目的を達成するための本発明の円筒状のリチウム二次電池は、第１の電極タブが取り付けられた第１の電極板と、第２の電極タブが取り付けられた第２の電極板と、前記第１の電極板と第２の電極板との間に介在されたセパレータとを巻き取って形成され、前記第１の電極タブ及び第２の電極タブの少なくともいずれか一つは、横断面の形状が所定の曲率半径を有する巻取型の電極組立体と;前記電極組立体を収容する空間が形成されている筐体と;前記筐体の上部に結合され、それを封止するキャップ組立体と、を含み、前記第１の電極タブ及び第２の電極タブは、その横断面の形状が共に所定の曲率半径を有し、前記第１の電極タブと前記第２の電極タブのうち、前記電極組立体の巻取先端部に取り付けられた電極タブは、電極板との取付面側が凹状に湾曲し、前記電極組立体の巻取末端部に取り付けられた電極タブは、電極板との取付面側が凸状に湾曲しており、前記巻取先端部の電極タブの曲率半径は、前記巻取末端部の電極タブの曲率半径よりも大きく、前記電極組立体の巻回中心を通る半径方向の分割線を挟んだ一方側に前記巻取先端部の電極タブと、他方側に前記巻取末端部の電極タブが位置していること、を特徴とする。
前記第１の電極タブ及び第２の電極タブのうち、巻取先端部の電極タブの曲率半径は、０．５mmから２．５mmであることが望ましく、前記第１の電極タブ及び第２の電極タブのうち、巻取末端部の電極タブの曲率半径は、８．０mmから２０．０mmであることが望ましい。
また、前記第１の電極タブ及び第２の電極タブは、各々の断面の厚みが同一に形成されていることが望ましい。
また、本発明の円筒状のリチウム二次電池の製造方法は、第１の電極タブが取り付けられた第１の電極板と、第２の電極タブが取り付けられた第２の電極板と、前記第１の電極板と第２の電極板との間に介在されるセパレータとを巻き取って巻取型の電極組立体を形成するステップと；前記巻取型の電極組立体を円筒状の筐体に挿入するステップと；前記筐体の上部にキャップ組立体を結合して、その上部を封止するステップと；を含み、前記第１の電極タブ及び第２の電極タブは、その横断面の形状が共に所定の曲率半径を有し、前記第１の電極タブと前記第２の電極タブのうち、前記電極組立体の巻取先端部に取り付けられる電極タブは、電極板との取付面側が凹状に湾曲し、前記電極組立体の巻取末端部に取り付けられた電極タブが、電極板との取付面側が凸状に湾曲しており、前記巻取先端部の電極タブの曲率半径は、前記巻取末端部の電極タブの曲率半径よりも大きく、前記電極組立体の巻回中心を通る半径方向の分割線を挟んだ一方側に前記巻取末端部の電極タブと、他方側に前記巻取先端部の電極タブが位置するように、前記巻取型の電極組立体を形成すること、を特徴とする。
前記巻取型の電極組立体を形成するステップは、平板状の電極タブを電極板に取り付けるステップと;前記電極タブを、棒状のバーを用いて鍛造加工または圧延加工を行い、所定の曲率半径を有するように形成するステップと、を含むことが望ましい。
前述のように、本発明によれば、電極組立の真円度(Roundness)が改善された円筒状のリチウム二次電池及びその製造方法を提供できる。
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
図面において、同一の参照符号は、同一の構成要素を示す。
図１aは、本発明の一実施例に係る円筒状のリチウム二次電池を説明するための斜視図であり、図１bは、図１aのA-A線に沿う断面図であり、図１cは、図１aのB-B線に沿う断面図である。
図１aから図１cを参照すれば、本発明の一実施例に係る円筒状のリチウム二次電池１００は、充放電時に電圧差を発生する巻取型の電極組立体２００と、前記巻取型の電極組立体２００を収納する円筒状の筐体３００と、前記円筒状の筐体３００の上部に組み付けられ、前記巻取型の電極組立体２００が離脱しないようにするキャップ組立体４００と、前記円筒状の筐体３００に注入されて、前記巻取型の電極組立体２００の間でリチウムイオンの移動が可能とする電解液５００とからなる。
前記巻取型の電極組立体２００は、第１の電極板２１０と、第２の電極板２２０と、前記第１の電極板２１０と第２の電極板２２０との間に介在されたセパレータ２３０とを備える。また、前記第１の電極板２１０、第２の電極板２２０及びセパレータ２３０は、ほぼ円形に巻き取られた前記円筒状の筐体３００に収納される。この時、前記第１の電極板２１０及び第２の電極板２２０は、電極集電体(図示せず)と、前記電極集電体上に形成された活物質層２１３、２２３と、前記電極集電体の活物質層２１３、２２３が形成されていない無地部２１１a、２２１aに取り付けられ、一定の長さだけ突出した第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５とを備える構造からなる。また、前記第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５のうち、少なくとも巻取先端部の電極タブは、横断面の形状が所定の曲率半径を有し、前記第１の電極板２１０及び第２の電極板２２０に取り付けられることが望ましく、より望ましくは、前記第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５のうち、巻取末端部に位置する電極タブ、例えば、前記第２の電極タブ２２５は、巻取先端部に位置する電極タブ、例えば、前記第１の電極タブ２１５よりも大きい曲率半径を有し、前記第１の電極板２１０及び第２の電極板２２０に取り付けられる。また、前記第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５のうち、巻取先端部の電極タブ、例えば、第１の電極タブ２１５の曲率半径は、０．５mmから２．５mmであることが望ましく、前記第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５のうち、巻取末端部の電極タブ、例えば、第２の電極タブ２２５の曲率半径は、８．０mmから２０．０mmであることが望ましい。
さらに、前記巻取型の電極組立体２００の上下部には、各々、キャップ組立体４００または円筒状の筐体３００との直接的な接触を避けるために、上下部の絶縁プレート２４１、２４５が更に取り付けられている。
前記円筒状の筐体３００は、前記巻取型の電極組立体２００が結合できるように、所定の空間を有し、且つ一定の直径を有する円筒状の側面３１０が形成されており、前記円筒状の側面３１０の下部には、その円筒状の側面３１０の下部空間を塞ぐ下面３２０が形成されており、前記円筒状の側面３１０の上部は、前記巻取型の電極組立体２００を挿入するために開口されている。一方、前記円筒状の筐体３００の下面３２０の中央に、前記巻取型の電極組立体２００の第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５のいずれか、例えば第２の電極タブ２２５が取り付けられることで、前記円筒状の筐体３００自体は、第２の電極板２２０と同じ電極、例えば、負極端子の役割を果たすことになる。また、前記円筒状の筐体３００は、一般に、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、または、これらの合金により形成される。さらに、前記円筒状の筐体３００には、上部から前記キャップ組立体４００を押し付けるように片方に曲げられたクリンピング(Crimping)部３３０が形成され、下部から上部の方向へ前記キャップ組立体４００を押し付けるように内側に凹んだビーディング(Beading)部３４０が更に形成されている。
前記キャップ組立体４００は、前記第１の電極タブ２１５が溶接されると共に、過充電または異常な発熱時、形態が変更される導電性安全ベント４１０と、前記導電性安全ベント４１０の上部に電気的でかつ機械的に連結され、前記安全ベント４１０の反転時に回路が切れる印刷回路基板(PCB、Printed Circuit Board)１３２と、前記印刷回路基板４２０の上部に電気的かつ機械的に連結され、所定の温度以上で回路が切れるサーミスタ４３０と、前記サーミスタ４３０の上部に電気的でかつ機械的に連結され、実際の電流を外部に印加して、前記第１の電極板２１０に電気的に連結される導電性電極ギャップ４４０と、前記安全ベント４１０、印刷回路基板４２０、サーミスタ４３０及び電極キャップ４４０の側部の周りを取り囲む形態をなし、前記円筒状の筐体３００から上記したものらを絶縁させる絶縁ガスケット４５０とからなる。
前記電解液５００は、充放電の際に、(電池の)内部の正極及び負極から電気化学的反応によって生成されるリチウムイオン(Li-Ion)の移動媒体の役割を果たし、これは、リチウム塩と高純度有機溶媒類との混合物である非水質系有機電解液であることができる。さらに、前記電解液５００は、高分子電解質を用いたポリマーであることもでき、ここで、前記電解液物質の種類を限定するものではない。
図２は、本発明の一実施例に係る円筒状のリチウム二次電池の製造方法を説明するためのシーケンス説明図である。
図２を参照すれば、本発明の一実施例に係る円筒状のリチウム二次電池の製造方法は、所定の曲率半径を有する第１の電極タブ及び第２の電極タブが取り付けられた第１の電極板、第２の電極板、及びセパレータを用意するステップ(Ｓ１)と、第１の電極タブを巻取先端部として巻取型の電極組立体を形成するステップ(Ｓ２)と、前記巻取型の電極組立体を円筒状の筐体に挿入するステップ(Ｓ３)と、電解液を注入するステップ(Ｓ４)と、キャップ組立体を結合するステップ(Ｓ５)とを含む。
図３aから図３eは、本発明の一実施例に係る円筒状のリチウム二次電池の製造方法を説明するための図である。以下では、図２と併せて、円筒状のリチウム二次電池の製造方法を説明する。
まず、前記所定の曲率半径を有する第１の電極タブ及び第２の電極タブが取り付けられた第１の電極板、第２の電極板、及びセパレータとを用意するステップ(Ｓ１)では、図３aに示されているように、第１の電極板２１０、第２の電極板２２０、及びセパレータ２３０を用意する。
この時、前記第１の電極板２１０及び第２の電極板２２０は、電極集電体２１１、２２１と、前記電極集電体２１１、２２１上に形成された活物質層２１３、２２３と、無地部２１１a、２２１aに取り付けられた第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５とを備える構造からなる。
また、前記第１の電極板２１０及び第２の電極板２２０に取り付けられた前記第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５は、所定の曲率半径を有するように形成されることが望ましく、巻取の際に、巻取末端部に位置する電極タブ、例えば、前記第２の電極タブ２２５の曲率半径が巻取先端部に位置する電極タブ、例えば、前記第１の電極タブ２１５の曲率半径よりも大きいことが望ましい。また、前記第１の電極板２１０及び第２の電極板２２０のうち、巻取先端部の電極タブ、例えば、前記第１の電極タブ２１５の曲率半径は、０．５mmから２．５であることが望ましく、前記第１の電極板２１０及び第２の電極板２２０のうち、巻取末端部の電極タブ、例えば、前記第２の電極タブ２２５の曲率は、８．０mmから２０．０mmであることが望ましい。これは、前記第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５が曲率半径を有するように形成されることで、巻取型の電極組立体２００の形成時に、前記第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５によって生じられる真円度の増加を防ぐためである。勿論、前記第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５が取り付けられた無地部２１１a、２２１aもまた、前記第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５によって曲率半径を有するようになる。
また、前記第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５の曲率半径は、平板(Plate)状の第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５を前記第１の電極板２１０及び第２の電極板２２０に取り付けた後、棒状のバーなどで鍛造加工または圧延加工等をして所定の曲率半径を有するように形成することが望ましいが、本発明において、前記第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５が曲率半径を有するように形成する方法を限定するものではない。
前記第１の電極タブを巻取先端部として巻取型の電極組立体を形成するステップ(Ｓ２)では、図３bに示されているように、前記第１の電極板２１０、セパレータ２３０、第２の電極板２２０、及びセパレータ２３０の順に積層し、前記第１の電極板２１０の所定の曲率半径を有する第１の電極タブ２１５が取り付けられた部分を巻取の先端として巻取軸６００を結合した後、ほぼ円筒状に巻き取って、巻取型の電極組立体２００を形成する。
前記巻取型の電極組立体を円筒状の筐体に挿入するステップ(Ｓ３)では、図３cに示されているように、前記巻取型の電極組立体２００を前記円筒状の筐体３００に挿入し、前記巻取型の電極組立体２００から前記巻取軸６００を分離する。勿論、前記巻取軸６００は、前記巻取型の電極組立体２００の結合前に予め分離でき、本発明においてその手順を限定するものではない。また、前記円筒状の筐体３００には、予め下部絶縁板２４５(図示せず)が結合されている。
勿論、前記巻取軸６００を前記巻取型の電極組立体２００から分離せず、前記巻取軸６００が、前記巻取型の電極組立体２００が緩んで解けることを防止し、外圧による前記巻取型の電極組立体２００の変形を防止するといった役割も果たす、一種のセンターピンとして働くようにすることもできる。
前記電解液を注入するステップ(Ｓ４)では、図３dに示されているように、前記巻取型の電極組立体２００の上端まで電解液５００を注入する。また、前記電解液５００は、前記巻取型の電極組立体２００において、前記第１の電極板２１０と第２の電極板２２０との間で、充放電の時に、リチウムイオンの移動ができるようにする役割を果たす。
前記キャップ組立体を結合するステップ(Ｓ５)では、図３eに示されているように、前記円筒状の筐体３００の上部に、多数の構成要素からなるキャップ組立体４００を結合して、前記巻取型の電極組立体２００及び電解液５００が外部に離脱または漏れないようにして、円筒状のリチウム二次電池１００を形成する。
より詳細に説明すれば、前記円筒状の筐体３００の上部にほぼリング状の絶縁ガスケット４５０を結合し、続けて、その内部に、順次、電極組立体２００のうち第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５のいずれか、例えば、第１の電極タブ２１５に電気的に連結される導電性安全ベント４１０、印刷回路基板４２０、サーミスタ４３０、及び電極キャップ４４０を結合する。
次いで、前記絶縁ガスケット４５０の下端に該当する円筒状の筐体３００をビーディングして内側方向に凹んだビーディング部３４０を形成し、その上端をクリンピングしてクリンピング部３３０を形成することで、前記キャップ組立体４００が外部に離脱しないようにして、円筒状のリチウム二次電池１００を形成する。
上記したように、本発明の一実施例に係る円筒状のリチウム二次電池１００は、第１の電極タブ２１５及び第２の電極タブ２２５が所定の曲率半径を有するように形成されており、電極組立体２００の巻取時に真円度(Roundness)が改善され、これによって、前記電極組立体２００を円筒状の筐体３００に挿入する工程が、よりスムーズに行われることができる。
また、前記電極組立体２００の挿入がよりスムーズに行われるので、前記電極組立体２００の挿入後、不良が減少するようになる。
前記では、本発明の好適な実施例を参照して示したが、当該技術分野に慣れた当業者なら、本願の特許請求範囲に記載された本発明の思想及び範疇から逸脱しない範囲内において本発明を様々に修正及び変更することができるのが理解できるであろう。
本発明の一実施例に係る円筒状のリチウム二次電池を説明するための斜視図である。 図１bは、図１aのA-A線に沿う断面図である。 図１aのB-B線に沿う断面図である。 本発明の一実施例に係る円筒状のリチウム二次電池の製造方法を説明するためのシーケンス説明図である。 本発明の一実施例に係る円筒状のリチウム二次電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施例に係る円筒状のリチウム二次電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施例に係る円筒状のリチウム二次電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施例に係る円筒状のリチウム二次電池の製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施例に係る円筒状のリチウム二次電池の製造方法を説明するための図である。
符号の説明
１００：円筒状のリチウム二次電池
２００：電極組立体
２１０：第１の電極板
２１５：第１の電極タブ
２２０：第２の電極板
２２５：第２の電極タブ
２３０：セパレータ
２４１、２４５：絶縁プレート
３００：円筒状の筐体
３１０：側面
３２０：下面
３３０：クリンピング部
３４０：ビーディング部
４００：キャップ組立体
４１０：安全ベント
４２０：印刷回路基板
４３０：サーミスタ
４４０：電極キャップ
４５０：ガスケット
５００：電解液

Claims (6)

  1. 第１の電極タブが取り付けられた第１の電極板と、第２の電極タブが取り付けられた第２の電極板と、前記第１の電極板と第２の電極板との間に介在されたセパレータとを巻き取って形成された巻取型の電極組立体と；
    前記電極組立体を収容する空間が形成されている筐体と；
    前記筐体の上部に結合され、それを封止するキャップ組立体と；
    を含み、
    前記第１の電極タブ及び第２の電極タブは、その横断面の形状が共に所定の曲率半径を有し、
    前記第１の電極タブと前記第２の電極タブのうち、前記電極組立体の巻取先端部に取り付けられた電極タブは、電極板との取付面側が凹状に湾曲し、前記電極組立体の巻取末端部に取り付けられた電極タブは、電極板との取付面側が凸状に湾曲しており、
    前記巻取先端部の電極タブの曲率半径は、前記巻取末端部の電極タブの曲率半径よりも大きく、
    前記電極組立体の巻回中心を通る半径方向の分割線を挟んだ一方側に前記巻取先端部の電極タブと、他方側に前記巻取末端部の電極タブが位置していること、
    を特徴とする円筒状のリチウム二次電池。
  2. 前記第１の電極タブ及び第２の電極タブのうち、巻取先端部の電極タブの曲率半径は、０．５mmから２．５mmであること、
    を特徴とする請求項１に記載の円筒状のリチウム二次電池。
  3. 前記第１の電極タブ及び第２の電極タブのうち、巻取末端部の電極タブの曲率半径は、８．０mmから２０．０mmであること、
    を特徴とする請求項１に記載の円筒状のリチウム二次電池。
  4. 前記第１の電極タブ及び第２の電極タブは、各々の断面の厚みが同一に形成されていること、
    を特徴とする請求項１ないし３の何れか一項に記載の円筒状のリチウム二次電池。
  5. 第１の電極タブが取り付けられた第１の電極板と、第２の電極タブが取り付けられた第２の電極板と、前記第１の電極板と第２の電極板との間に介在されるセパレータとを巻き取って巻取型の電極組立体を形成するステップと；
    前記巻取型の電極組立体を円筒状の筐体に挿入するステップと；
    前記筐体の上部にキャップ組立体を結合して、その上部を封止するステップと；
    を含み、
    前記第１の電極タブ及び第２の電極タブは、その横断面の形状が共に所定の曲率半径を有し、
    前記第１の電極タブと前記第２の電極タブのうち、前記電極組立体の巻取先端部に取り付けられる電極タブは、電極板との取付面側が凹状に湾曲し、前記電極組立体の巻取末端部に取り付けられた電極タブが、電極板との取付面側が凸状に湾曲しており、
    前記巻取先端部の電極タブの曲率半径は、前記巻取末端部の電極タブの曲率半径よりも大きく、
    前記電極組立体の巻回中心を通る半径方向の分割線を挟んだ一方側に前記巻取末端部の電極タブと、他方側に前記巻取先端部の電極タブが位置するように、前記巻取型の電極組立体を形成すること、
    を特徴とする円筒状のリチウム二次電池の製造方法。
  6. 前記巻取型の電極組立体を形成するステップは、
    平板状の電極タブを電極板に取り付けるステップと;
    前記電極タブを、棒状のバーを用いて鍛造加工または圧延加工を行い、所定の曲率半径を有するように形成するステップとを含むこと、
    を特徴とする請求項５に記載の円筒状のリチウム二次電池の製造方法。
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