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KR20130041231A - 쌍극형 전지 - Google Patents

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KR20130041231A
KR20130041231A KR1020137004237A KR20137004237A KR20130041231A KR 20130041231 A KR20130041231 A KR 20130041231A KR 1020137004237 A KR1020137004237 A KR 1020137004237A KR 20137004237 A KR20137004237 A KR 20137004237A KR 20130041231 A KR20130041231 A KR 20130041231A
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히데아끼 호리에
요시아끼 닛따
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

쌍극형 전지(1)는, 집전체(111)의 표리에 전극층(112, 113)이 형성된 쌍극형 전극(11)을, 전해질층(12)을 통해서 복수 적층된 발전 요소(10)와, 발전 요소(10)에 접촉하도록 설치되고, 외력이 작용하지 않는 상태에서는 발전 요소(10)에 대하여 점 또는 선으로 접촉하고, 외력이 가해지는 상태에서는 발전 요소(10)에 면으로 접촉하는 탄성 금속부(21)와, 발전 요소(10) 및 탄성 금속부(21)를 수납 장착 하도록 설치되고, 내부 기압이 대기압보다도 낮고, 내부 기압과 대기압의 압력차에 의해 탄성 금속부(21)를 발전 요소(10)에 면 접촉시키는 외장재(30)를 포함한다.

Description

쌍극형 전지{BIPOLAR BATTERY}
본 발명은 쌍극형 전지에 관한 것이다.
JP-2004-319156-A는, 집전체의 표리에 전극층이 형성된 쌍극형 전극을, 전해질층을 개재해서 복수 적층된 쌍극형 전지를 개시한다.
그러나, 이와 같은 쌍극형 전지에서는, 만일 외부 단락 등의 어떠한 이상 요인이 있으면, 발전 요소가 과승온할 가능성이 있다. 발전 요소가 고온으로 되면, 전해질(전해액)이 기화해서 외장재의 내압이 상승할 우려가 있다.
본 발명은, 이러한 종래의 문제점에 착안해서 이루어진 것이며, 본 발명의 목적은, 가스가 발생해서 외장재의 내압이 상승했을 경우에, 전류량이 제한되어, 과대한 전류가 흐르는 것이 방지되는 쌍극형 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 어느 형태에 따르면, 집전체의 표리에 전극층이 형성된 쌍극형 전극을, 전해질층을 개재해서 복수 적층된 발전 요소를 갖는다. 그리고 또한, 발전 요소에 접촉하도록 설치되고, 외력이 작용하지 않는 상태에서는 발전 요소에 대하여 점 또는 선으로 접촉하고, 외력이 가해지는 상태에서는 발전 요소에 면으로 접촉하는 탄성 금속부와, 발전 요소 및 탄성 금속부를 수납 장착하도록 설치되고, 내부 기압이 대기압보다도 낮고, 내부 기압과 대기압의 압력차에 의해 탄성 금속부를 발전 요소에 면으로 접촉시키는 외장재를 갖는 쌍극형 전지가 제공된다.
본 발명의 실시 형태, 본 발명의 이점에 대해서는, 첨부된 도면과 함께 이하에 상세하게 설명된다.
도 1은, 본 발명에 의한 쌍극형 전지의 제1 실시 형태를 도시하는 도면이다.
도 2는, 제1 실시 형태의 작용 효과를 설명하는 도면이다.
도 3은, 본 발명에 의한 쌍극형 전지의 제2 실시 형태를 도시하는 도면이다.
도 4는, 제2 실시 형태의 작용 효과를 설명하는 도면이다.
도 5는, 본 발명에 의한 쌍극형 전지의 제3 실시 형태의 전극 탭의 탄성 금속부를 도시하는 도면이다.
도 6은, 본 발명에 의한 쌍극형 전지의 제4 실시 형태의 전극 탭의 탄성 금속부를 도시하는 도면이다.
도 7은, 본 발명에 의한 쌍극형 전지의 제5 실시 형태를 도시하는 도면이다.
도 8은, 본 발명에 의한 쌍극형 전지의 다른 실시 형태의 전극 탭의 탄성 금속부를 도시하는 도면이다.
도 9는, 본 발명에 의한 쌍극형 전지 외의 또 하나의 실시 형태의 전극 탭의 탄성 금속부를 도시하는 도면이다.
(제1 실시 형태)
도 1은, 본 발명에 의한 쌍극형 전지의 제1 실시 형태를 나타내는 도면이고, 도 1의 (A)는 어셈블리 상태의 종단면도, 도 1의 (B)는 외력이 작용하지 않는 상태에서의 전극 탭의 탄성 금속부의 사시도, 도 1의 (C)는 도 1의 (B)의 C-C 단면도이다.
쌍극형 전지(1)는, 발전 요소(10)와, 전극 탭(20)과, 외장재(30)를 포함한다.
발전 요소(10)는, 쌍극형 전극(11)과, 전해질층(12)과, 시일(13)을 포함한다.
쌍극형 전극(11)은, 집전체(111)와, 정극(112)과, 부극(113)을 포함한다. 정극(112)은, 집전체(111)의 편면(도 1의 (A)에서는 하면)에 형성된다. 부극(113)은, 집전체(111)의 반대면(도 1의 (A)에서는 상면)에 형성된다.
집전체(111)는, 예를 들어 금속이나, 도전성 고분자 재료, 도전성 필러가 첨가된 비도전성 고분자 재료 등의 도전성 재료로 형성된다. 집전체(111)의 재료로 적합한 금속으로서는, 알루미늄, 니켈, 철, 스테인리스강, 티탄, 구리 등이 예시된다. 또한, 니켈과 알루미늄의 클래드재, 구리와 알루미늄의 클래드재, 또는 이들의 금속의 조합의 도금재 등으로도 된다. 또한, 금속 표면에 알루미늄이 피복된 박으로도 된다. 전자 전도성이나 전지 작동 전위를 고려하면, 알루미늄, 스테인리스강, 구리가 특히 바람직하다.
또 집전체(111)의 재료에 적합한 도전성 고분자 재료로서는, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리파라페닐렌, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리아크릴로니트릴 및 폴리옥사디아졸 등이 예시된다. 이러한 도전성 고분자 재료는, 도전성 필러를 첨가하지 않아도 충분한 도전성이 있어서, 제조 공정을 용이하게 할 수 있고, 또 집전체(111)를 경량으로 할 수 있다. 단 필요에 따라 도전성 필러가 첨가되어도 된다.
또한 집전체(111)의 재료에 적합한, 도전성 필러가 첨가되는 비도전성 고분자 재료로서는, 폴리에틸렌(PE;고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에테르니트릴(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리아미드(PA), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 스티렌-부타디엔고무(SBR), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸아크릴레이트(PMA), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리불화비닐리덴(PVdF) 및 폴리스티렌(PS) 등이 예시된다. 이러한 비도전성 고분자 재료는, 내 전위성 및 내 용매성이 우수한다.
도전성 필러는, 도전성이 있는 물질이면 특별히 한정되는 일은 없지만, 금속 등이나 도전성 카본 등이면, 도전성, 내 전위성, 리튬 이온 차단성이 우수하다. 도전성 필러의 재료에 적합한 금속 등으로서는, Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Sb 및 K로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속이다. 이들의 금속을 포함하는 합금, 또는 이들의 금속을 포함하는 금속 산화물 등이 예시된다. 도전성 필러의 재료에 적합한 도전성 카본으로서는, 아세틸렌블랙, 발칸, 블랙펄, 카본나노파이버, 케첸블랙, 카본나노튜브, 카본나노혼, 카본나노벌룬, 및 풀러렌으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것이 바람직하다. 도전성 필러의 첨가량은, 집전체(111)에 충분한 도전성을 부여할 수 있는 양이면 특별히 제한은 없고, 일반적으로는, 5 내지 35질량％ 정도이다.
집전체(111)의 크기는, 전지의 사용 용도에 따라서 설정된다. 예를 들어, 고에너지 밀도가 요구되는 대형의 전지에 사용되는 것이면, 면적이 큰 집전체(111)가 사용된다. 집전체(111)의 두께에 대해서도 특별히 제한은 없다. 집전체(111)의 두께는, 통상은 1 내지 100㎛ 정도이다.
정극(112)은, 상술한대로, 집전체(111)의 편면(도 1의 (A)에서는 하면)에 형성된다. 정극(112)은, 정극 활물질을 포함하는 층이다. 정극 활물질은, 방전시에 이온을 흡장하고, 충전시에 이온을 방출하는 조성이다. 바람직한 일례로서는, 전이 금속과 리튬의 복합 산화물인 리튬-전이 금속 복합 산화물을 들 수 있다. 구체적으로는, LiCoO2 등의 Li·Co계 복합 산화물, LiNiO2 등의 Li·Ni계 복합 산화물, 스피넬 LiMn2O4 등의 Li·Mn계 복합 산화물, LiFeO2 등의 Li·Fe계 복합 산화물 및 이들의 전이 금속의 일부를 다른 원소에 의해 치환한 것 등이다. 리튬-전이 금속 복합 산화물은, 반응성, 사이클 특성이 우수하고, 제조 비용이 저렴하다. 이 밖에도, LiFePO4 등의 전이 금속과 리튬의 인산 화합물이나 황산 화합물;V2O5, MnO2, TiS2, MoS2, MoO3 등의 전이 금속 산화물이나 황화물;PbO2, AgO, NiOOH 등을 사용해도 된다. 이러한 정극 활물질은, 단독으로 사용되어도 되고, 2종 이상의 혼합물로 사용되어도 된다. 정극 활물질의 평균 입자 직경은, 특별히 제한되지 않지만, 정극 활물질의 고용량화, 반응성, 사이클 내구성의 관점으로부터는, 바람직하게는 1 내지 100㎛, 보다 바람직하게는 1 내지 20㎛이다. 이러한 범위라면, 2차 전지는, 고출력 조건하에서의 충방전 시에 있어서의 전지의 내부 저항의 증대가 억제되어, 충분한 전류를 취출할 수 있다. 또한, 정극 활물질이 2차 입자인 경우에는, 2차 입자를 구성하는 1차 입자의 평균 입자 직경이 10㎚ 내지 1㎛의 범위인 것이 바람직하지만, 반드시 상기 범위에 한정되는 것은 아니다. 단, 제조 방법에도 따르지만, 정극 활물질이 응집, 덩어리 형상 등에 따라 2차 입자화한 것이 아니어도 된다. 또한, 정극 활물질은, 종류나 제조 방법 등에 의해 취할 수 있는 형상이 상이하고, 예를 들어, 구 형상(분말 형상), 판 형상, 침상, 기둥 형상, 각 형상 등이 있지만 이들에 한정되는 것이 아니며, 어느 쪽의 형상이어도 문제없이 사용할 수 있다. 바람직하게는, 충방전 특성 등의 전지 특성을 향상시킬 수 있는 최적의 형상을 적절하게 선택하면 된다.
활물질층에는, 필요하다면, 그 밖의 물질이 포함되어도 된다. 예를 들어, 이온 전도성을 높이기 위해서, 전해질, 리튬염, 도전 조제 등이 포함되어도 된다.
전해질로서는, 고체 고분자 전해질, 고분자 겔 전해질, 및 이들을 적층한 것 등이 있다. 즉, 정극을 다층 구조로 할 수도 있고, 집전체측과 전해질측에서, 정극을 구성하는 전해질의 종류나 활물질의 종류나 입경, 또는 이들의 배합비를 바꾼 층을 형성해도 된다. 바람직하게는, 고분자 겔 전해질을 구성하는 폴리머와 전해액의 비율(질량비)이, 20:80 내지 98:2로 하는, 비교적 전해액의 비율이 작은 범위다.
고분자 겔 전해질은, 이온 도전성을 갖는 고체 고분자 전해질에, 통상 리튬 이온 전지로 사용되는 전해액을 포함한 것이지만, 또한, 리튬 이온 도전성을 갖지 않는 고분자의 골격 중에, 동일한 전해액을 보유 지지시킨 것도 포함된다.
여기서, 고분자 겔 전해질에 포함되는 전해액(전해질염 및 가소제)으로서는, 통상 리튬 이온 전지로 사용되는 것이면 되고, 예를 들어, LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiAsF6, LiTaF6, LiAlCl4, Li2B10Cl10 등의 무기산 음이온 염, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, Li(C2F5SO2)2N 등의 유기산 음이온 염 중에서 선택된다, 적어도 1종류의 리튬염(전해질염)을 포함하고, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트 등의 환형상 카보네이트류;디메틸카보네이트, 메칠에칠카보네이트, 디에틸카보네이트 등의 쇄상 카보네이트류;테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1, 4-디옥산, 1, 2-디메톡시에탄, 1, 2-디부톡시에탄 등의 에테르류;ｒ-부티롤락톤 등의 락톤류;아세토니트릴 등의 니트릴류;프로피온산메틸 등의 에스테르류;디메틸포름아미드 등의 아미드류;아세트산메틸, 포름산메틸 중에서 선택되는 적어도 1종류 또는 2종 이상을 혼합했다, 비플로톤성 용매 등의 유기 용매(가소제)를 사용한 것 등을 사용할 수 있다. 단 이들에 한정되는 것은 아니다.
고분자 겔 전해질에 사용되는 리튬 이온 도전성을 갖지 않는 고분자로서는, 예를 들어, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)가 있다. 단, 이들에 한정되지 않는다. 또한, PAN, PMMA는, 리튬 이온 도전성이 전무하지는 않으므로, 이온 전도성을 갖는 고분자라고 할 수도 있지만, 여기에서는 고분자 겔 전해질에 사용되는 리튬 이온 도전성을 갖지 않는 고분자로서 예시했다.
리튬염은, 예를 들어, LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiAsF6, LiTaF6, LiAlCl4, Li2B10Cl10 등의 무기산 음이온 염, Li(CF3SO2)2N, Li(C2F5SO2)2N 등의 유기산 음이온 염, 또는 이들의 혼합물 등이다. 단 이들에 한정되는 것은 아니다.
도전 조제란, 활물질층의 도전성을 향상시키기 위해서 배합되는 첨가물이다. 도전 조제로서는, 예를 들어 아세틸렌블랙, 카본블랙, 그라파이트가 있다. 단, 이들에 한정되는 것은 아니다.
정극에 있어서의, 정극 활물질, 전해질(바람직하게는 고체 고분자 전해질), 리튬염, 도전 조제의 배합량은, 전지의 사용 목적(출력 중시, 에너지 중시 등), 이온 전도성을 고려해서 결정해야 한다. 예를 들어, 정극 내에 있어서의 전해질, 특히 고체 고분자 전해질의 배합량이 지나치게 적으면, 활물질층 내에서의 이온 전도 저항이나 이온 확산 저항이 커져서, 전지 성능이 저하해버린다. 한편, 정극 내에 있어서의 전해질, 특히 고체 고분자 전해질의 배합량이 지나치게 많으면, 전지의 에너지 밀도가 저하해버린다. 따라서, 이들의 요인을 고려하여, 목적에 합치한 고체 고분자 전해질량을 결정한다.
정극의 두께는, 특별히 한정하는 것이 아니며, 배합량에 대해서 서술하도록, 전지의 사용 목적(출력 중시, 에너지 중시 등), 이온 전도성을 고려해서 결정하면 된다. 일반적인 정극 활물질층의 두께는 10 내지 500㎛ 정도이다.
부극(113)은, 상술한대로, 집전체(111)의 편면(도 1의 (A)에서는 상면)에 형성된다. 부극(113)은, 부극 활물질을 포함하는 층이다. 부극 활물질은, 방전시에 이온을 방출하고, 충전시에 이온을 흡장할 수 있는 조성이다. 부극 활물질은, 리튬을 가역적으로 흡장 및 방출할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않지만, 부극 활물질의 예로서는, Si나 Sn 등의 금속, 혹은 TiO, Ti2O3, TiO2, 혹은 SiO2, SiO, SnO2등의 금속 산화물, Li4/3Ti5 /3O4 혹은 Li7MnN 등의 리튬과 전이 금속의 복합 산화물, Li-Pb계 합금, Li-Al계 합금, Li, 또는 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 활성탄, 카본 파이버, 코크스, 소프트 카본, 혹은 하드 카본 등의 탄소 재료 등이 바람직하다. 또한, 부극 활물질은, 리튬과 합금화하는 원소를 포함하는 것이 바람직하다. 리튬과 합금화하는 원소를 사용함으로써, 종래의 탄소계 재료에 비교하여 높은 에너지 밀도를 갖는 고용량 및 우수한 출력 특성의 전지를 얻는 것이 가능해진다. 이러한 부극 활물질은, 단독으로 사용되어도, 2종 이상의 혼합물로 사용되어도 된다.
상기의 리튬과 합금화하는 원소로서는, 예를 들어, Si, Ge, Sn, Pb, Al, In, Zn, H, Ca, Sr, Ba, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Cd, Hg, Ga, Tl, C, N, Sb, Bi, O, S, Se, Te, Cl 등이 있다. 이들 중에서도, 용량 및 에너지 밀도가 우수한 전지를 구성할 수 있는 관점으로부터, 탄소 재료, 및/또는 Si, Ge, Sn, Pb, Al, In, 및 Zn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 포함하는 것이 바람직하고, 탄소 재료, Si, 또는 Sn의 원소를 포함하는 것이 특히 바람직하다. 이들은 1종 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
또한, 부극 활물질의 입자 직경이나 형상은, 특별히 한정되는 일은 없으며, 상술한 정극 활물질과 동일한 형태를 취할 수 있으므로, 여기에서는 상세한 설명을 생략한다. 또 정극 활물질층과 마찬가지로, 필요하다면, 그 밖의 물질, 예를 들어 이온 전도성을 높이기 위해서, 전해질, 리튬염, 도전 조제 등이 포함되어도 된다.
전해질층(12)은, 예를 들어 고분자 겔 전해질의 층이다. 이 전해질은 다층구조로 할 수도 있고, 정극측과 부극측으로, 전해질의 종류나 성분 배합비를 변화시킨 층을 형성할 수도 있다. 고분자 겔 전해질을 사용하는 경우에는, 고분자 겔 전해질을 구성하는 폴리머와 전해액의 비율(질량비)이, 20:80 내지 2:98로 비교적 전해액의 비율이 큰 범위이다.
이와 같은 고분자 겔 전해질로서는, 이온 도전성을 갖는 고체 고분자 전해질에, 통상 리튬 이온 전지로 사용되는 전해액을 포함한 것이지만, 또한, 리튬 이온 도전성을 갖지 않는 고분자의 골격 중에, 동일한 전해액을 보유 지지시킨 것도 포함된다. 이들에 대해서는, 정극에 포함되는 전해질의 1종으로서 설명한 고분자 겔 전해질과 동일하므로, 설명을 생략한다.
이들 고체 고분자 전해질 혹은 고분자 겔 전해질은, 전지를 구성하는 고분자 전해질의 외에, 상기한 바와 같이 정극 및/또는 부극에도 포함될 수 있지만, 전지를 구성하는 고분자 전해질, 정극, 부극에 따라 다른 고분자 전해질을 사용해도 되고, 동일한 고분자 전해질을 사용해도 되고, 층에 의해 다른 고분자 전해질을 사용해도 된다.
전지를 구성하는 전해질의 두께는, 특별히 한정되는 것은 아니다. 그러나, 콤팩트한 쌍극형 전지를 얻기 위해서는, 전해질로서의 기능을 확보할 수 있는 범위에서 최대한 얇게 하는 것이 바람직하다. 일반적인 고체 고분자 전해질층의 두께는 10 내지 100㎛ 정도이다. 단, 전해질의 형상은, 제법상의 특징을 살리고, 전극(정극 또는 부극)의 상면 및 측면 외주부도 피복하도록 형성하는 것도 용이하고, 기능, 성능면에서도 부위에 따르지 않고 항상 거의 일정한 두께로 할 필요는 없다.
시일(13)은, 상하의 집전체(111)의 사이이며, 정극(112), 부극(113) 및 전해질층(12)의 주위에 배치된다. 시일(13)은, 집전체끼리의 접촉이나 단전지층의 단부에 있어서의 단락을 방지한다. 시일(13)의 재료는, 절연성, 고체 전해질의 탈락에 대한 시일성이나 외부로부터의 수분의 투습에 대한 시일성(밀봉성), 전지 동작 온도하에서의 내열성 등이 고려되어서 선택된다. 예를 들어, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리이미드 수지, 고무, 나일론 수지 등이 적합하다. 그 중에서도, 내식성, 내약품성, 용이한 제작성(제막성), 경제성을 고려하면, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 아크릴 수지가, 특히 적합하다.
전극 탭(20)은, 발전 요소(10)에 접촉하는 탄성 금속부(21)를 포함한다. 전극 탭(20)의 일단부는, 외장재(30)의 외부로 노출한다. 전극 탭(20)은, 예를 들어, 알루미늄, 구리, 티탄, 니켈, 스테인리스강(SUS), 이들의 합금 등으로 형성된다. 내식성, 용이한 제작성, 경제성 등을 고려하면, 특히 알루미늄이 적합하다. 정극의 전극 탭(20) 및 부극의 전극 탭(20)은, 동일한 재질이어도, 상이한 재질이어도 된다. 또한 재질이 다른 것을 다층으로 적층한 것이어도 된다.
전극 탭(20)의 탄성 금속부(21)는, 도 1의 (B) 및 도 1의 (C)에 나타낸 바와 같이, 외력이 작용하지 않는 상태에서는, 중심 부근이 발전 요소(10)로부터 이격되도록(즉 도 1의 (B) 및 도 1의 (C)에서는 상방을 향해서), 볼록하다.
또 도 1의 (A)에 나타낸 어셈블리 상태에서는, 외장재는, 내부 기압이 대기압보다도 낮은 상태, 예를 들어 대략 진공 상태에서, 밀봉된다. 이 상태에서는, 대기압이 탄성 금속부(21)에 작용하고, 탄성 금속부(21)의 전체면이 발전 요소(10)에 접면(면으로 접촉) 한다.
탄성 금속부(21)는, 이렇게 외력이 작용하는 지의 여부에 따라 변형 가능한 탄성 부재이다.
외장재(30)는, 발전 요소(10)를 수용한다. 외장재(30)는, 연약하다. 외장재(30)의 재료는, 여러 가지 생각할 수 있지만, 예를 들어, 알루미늄, 스테인리스, 니켈, 구리 등의 금속(합금을 포함함)을, 폴리프로필렌 필름으로 피복한 고분자-금속 복합 라미네이트 필름의 시트재이다. 외장재(30)는, 발전 요소(10)를 수용한 후, 주위가 열 융착으로 접합된다. 도 1의 (A)에 나타낸 어셈블리 상태에서는, 외장재(30)의 내부는, 대기압보다도 낮고, 거의 진공으로 되어 있다.
도 2는 본 실시 형태의 작용 효과를 설명하는 도이며, 도 2의 (A)는 보통 상태를 나타내고, 도 2의 (B)는 이상 상태를 나타낸다.
탄성 금속부(21)의 전체면이 발전 요소(10)에 접면(면으로 접촉)하고 있는 상태에서는, 전류가 전면적으로 균일하게 흐른다. 만일 외부 단락 등 어떠한 이상 요인이 있으면, 발전 요소(10)가 승온할 가능성이 있다. 발전 요소(10)가 고온이 되면, 전해질(전해액)이 기화하여 외장재의 내압이 상승한다. 그러면, 도 2의 (B)에 나타낸 바와 같이, 탄성 금속부(21)는, 중심 부근이 볼록 형상으로 변형하여 발전 요소(10)로부터 이격된다. 그러면 전류는 주변 부근에서밖에 흐르지 않게 되므로, 전류량이 제한되어, 과대한 전류가 흐르는 것이 방지된다.
또한 외장재(30)는, 주위가 열 융착되어 있지만, 일부분의 열 융착 폭을 작게 해 두면, 그곳이 연약 밸브로 된다. 그러면 전해질(전해액)이 기화하여 외장재의 내부 기압이 상승했을 때에, 이 연약 밸브로부터 내부 기압이 배출되므로, 외장재의 내부 기압이 대기압으로 억제되어, 외장재의 내부 기압이 지나치게 커지는 것을 방지할 수 있다.
(제2 실시 형태)
도 3은, 본 발명에 의한 쌍극형 전지의 제2 실시 형태를 나타내는 도면이며, 도 3의 (A)는 어셈블리 상태의 종단면도, 도 3의 (B)는 외력이 작용하지 않는 상태에서의 전극 탭의 탄성 금속부의 사시도, 도 3의 (C)는 도 3의 (B)의 C-C 단면도이다.
또한 이하에서는 전술한 것과 동일한 기능을 하는 부분에는 동일한 번호를 부여하여 중복되는 설명을 적절하게 생략한다.
본 실시 형태의 전극 탭(20)의 탄성 금속부(21)는, 도 3의 (B) 및 도 3의 (C)에 나타낸 바와 같이, 외력이 작용하지 않는 상태에서는, 발전 요소(10)를 향해서(도 3의 (B) 및 도 3의 (C)에서는 하방으로), 중심 부근이 볼록하다.
또 도 3의 (A)에 나타낸 어셈블리 상태에서는, 외장재는, 내부 기압이 대기압보다도 낮은 상태, 예를 들어 대략 진공 상태로, 밀봉된다. 이 상태에서는, 대기압이 탄성 금속부(21)에 작용하여, 탄성 금속부(21)의 전체면이 발전 요소(10)에 접면(면으로 접촉)한다. 이와 같이 이루어져 있으므로, 탄성 금속부(21)는, 발전 요소(10)의 중심 부근일수록 강하게 압박한다.
여기서, 본 실시 형태의 이해를 쉽게 하기 위해서 전지의 화학 반응에 대해서 설명한다.
통상 운전 전압 범위에서는, 화학식 (1)의 화학 반응이 발생한다.
[화학식 1]
Figure pct00001
또 과충전 전압 영역에서는, 화학식 (2-1) 내지 (2-4)의 반응이 발생한다.
[화학식 2]
Figure pct00002
또한 과방전 전압 영역에서는, 화학식 (3-1) 또는 (3-2)의 반응이 발생한다.
[화학식 3]
이와 같이, 통상 운전, 과충전 중, 과방전 중에, 가스가 발생한다. 탄성 금속부(21)의 전체면이 발전 요소(10)에 접면(면으로 접촉)하고 있으므로, 전해질층에 가스가 잔류하고 있지 않으면, 전면적으로 균일하게 전류가 흐르지만, 이와 같이 발생한 가스가 전해질층에 머물고 있으면, 전류의 흐름이 저해되는 동시에, 그 주위에서는 전류가 커진다. 그러면 전류 밀도가 높은 영역이 국부적으로 발생한다. 전류 밀도가 국부적으로 높아져버리면, 리튬 이온이 전석하여 석출할 가능성이 있다. 그러면 국부적으로 열화한다. 그리고 열화가 주위로 확산된다고 하는 악순환에 빠질 우려가 있다.
또 충전 방전이 반복되면, 특히 초기에 있어서, 부극의 표면에 피막이 형성되는 것이나 전해액이 분해되는 것 등에 의해, 가스가 발생할 가능성이 있다. 발생한 가스가 전해질층에 머물고 있으면, 전류의 흐름이 저해된다. 또 발생한 가스에 의해 전해질층이 불균일해지면 새로운 가스의 발생이 유발된다고 하는 악순환에 빠질 가능성이 있다.
이에 대해, 본 실시 형태의 전극 탭(20)의 탄성 금속부(21)는, 외력이 작용하지 않는 상태에서는, 도 3의 (B) 및 도 3의 (C)에 나타낸 바와 같이, 발전 요소(10)를 향해서(도 3의 (B) 및 도 3의 (C)에서는 하방으로), 중심 부근이 볼록하다. 그 때문에 도 3의 (A)에 나타낸 어셈블리 상태에서는, 발전 요소(10)는, 중심 부근일수록 탄성 금속부(21)로부터의 큰 압박력을 받는다. 따라서, 전해질층에 발생한 가스는, 압박력이 작은 주변의 시일 부근까지 이동하기 쉬워진다. 이에 따라, 가스에 의해 전류의 흐름이 저해되는 것이 방지된다. 시일 부근에서는 원래 전류가 흐르지 않으므로, 가스가 저류되어 있어도 문제가 발생하지 않는다.
도 4는 본 실시 형태의 작용 효과를 설명하는 도면이며, 도 4의 (A)는 보통 상태를 나타내고, 도 4의 (B)는 이상 상태를 나타낸다.
또 탄성 금속부(21)의 전체면이 발전 요소(10)에 접면(면으로 접촉)하고 있는 상태에서는, 전류가 전면적으로 균일하게 흐른다. 만일 외부 단락 등의 어떠한 이상 요인이 있으면, 발전 요소(10)가 승온할 가능성이 있다. 발전 요소(10)가 고온이 되면, 전해질(전해액)이 기화하여 외장재의 내압이 상승한다. 그러면, 도 4의 (B)에 나타낸 바와 같이, 탄성 금속부(21)는, 중심 부근을 남겨고 다른 영역은 발전 요소(10)로부터 이격되어, 중심 부근이 발전 요소를 향해서 볼록한 형상으로 변형한다. 그러면 전류는 중심 부근에서밖에 흐르지 않게 되므로, 전류량이 제한되어, 과대한 전류가 흐르는 것이 방지된다.
(제3 실시 형태)
도 5는, 본 발명에 의한 쌍극형 전지의 제3 실시 형태의 전극 탭의 탄성 금속부를 나타낸 도면이며, 도 5의 (A)는 전극 탭의 탄성 금속부의 사시도, 도 5의 (B)는 도 (A)의 B-B 단면도이다.
본 실시 형태의 전극 탭의 탄성 금속부(21)는, 외력이 작용하지 않는 상태에서, 하방을 향해서 중심 부근이 볼록함과 동시에, 주연면(21a)이 일 평면 상에 배치되는 형상이다.
외장재는, 상술한 바와 같이 내부 기압이 대기압보다도 낮은 상태에서, 밀봉된다. 이때, 대기압이 외장재를 통해서 전극 탭의 탄성 금속부(21)에 작용하여 전극 탭의 탄성 금속부(21)를 평면 상태로 한다. 이때 탄성 금속부(21)의 둘레 단부가 외장재의 고분자 필름층으로 파고 들어가는 등으로 하여, 흠집을 낼 우려가 있다.
이에 대해, 본 실시 형태에서는, 전극 탭의 탄성 금속부(21)는, 외력이 작용하지 않는 상태에서, 주연면(21a)이 일 평면 상에 배치되는 형상이다. 이러한 구조라면, 전극 탭의 탄성 금속부(21)는, 적어도 주연면(21a)이 항상 외장재(30)에 접촉하는 것이 된다. 따라서 본 발명에 의한 쌍극형 전지를 제조할 때에, 탄성 금속부(21)의 둘레 단부가 외장재의 고분자 필름층에 흠집을 내는 것을 방지할 수 있다.
(제4 실시 형태)
도 6은, 본 발명에 의한 쌍극형 전지의 제4 실시 형태의 전극 탭의 탄성 금속부를 나타낸 도면이며, 도 6의 (A)는 전극 탭의 탄성 금속부의 사시도, 도 6의 (B)는 도 6의 (A)의 B-B 단면도이다.
본 실시 형태의 전극 탭의 탄성 금속부(21)는, 주연에 절연성의 수지를 코팅한 부위(2lb)가 설치되어 있다.
이와 같은 구조이면, 전극 탭의 탄성 금속부(21)는, 적어도 절연 수지 코팅부(2lb)가 항상 외장재(30)에 접촉하는 것이 된다. 따라서 본 발명에 의한 쌍극형 전지를 제조할 때에, 탄성 금속부(21)의 둘레 단부가 외장재의 고분자 필름층에 흠집을 내버리는 것을 방지할 수 있다. 또 만일 외장재의 고분자 필름층이 흠집이 나도 절연 수지 코팅부(2lb)가 있기 때문에, 외장재의 금속층과 전극 탭의 탄성 금속부(21)가 단락하지 않는다.
(제5 실시 형태)
도 7은, 본 발명에 의한 쌍극형 전지의 제5 실시 형태를 나타낸 도면이며, 도 7은 (A)는 어셈블리 상태의 종단면도, 도 7의 (B)는 쌍극형 전극 및 그 주위의 시일을 도시하는 평면도, 도 7의 (C)는 외력이 작용하지 않는 상태에서의 전극 탭의 탄성 금속부의 단면도이다.
본 실시 형태의 쌍극형 전지(1)는, 발전 요소(10)의 발전 영역이 복수로 분할되어 있다. 구체적으로는, 도 7의 (A) 및 도 7의 (B)에 나타나 있는 바와 같이, 발전 영역이 2군데가 되도록, 정극(112) 및 부극(113)이 2개로 분할되어 있다.
그리고 전극 탭의 탄성 금속부(21)는, 도 7의 (C)에 나타낸 바와 같이, 외력이 작용하지 않는 상태에서는 발전 요소(10)의 각 발전 영역의 중심 부근을 향해서 볼록하도록 형성되어 있다. 또 주연면(21a) 및 중심면(21c)이 일 평면 상에 배치되는 형상이다.
어셈블리 상태에서는 도 7의 (A)에 나타낸 바와 같이, 발전 요소(10)의 각 발전 영역은, 중심 부근일수록 탄성 금속부(21)로부터의 큰 압박력을 받는다. 바꾸어 말하면, 탄성 금속부(21)는, 발전 요소(10)의 발전 영역의 중심 부근일수록 강하게 압박한다. 따라서, 전해질층에 발생한 가스는, 압박력이 작은 주변 영역(전극이 형성되어 있지 않은 영역)으로 이동하기 쉬워진다. 그러한 영역에서는 원래 전류가 흐르지 않으므로, 가스가 저류되어 있어도 문제가 발생하지 않는다.
이상 설명한 실시 형태로 한정되지 않고, 그 기술적 사상의 범위 내에 있어서 다양한 변형이나 변경이 가능하고, 그들도 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이 명백하다.
예를 들어, 도 8에 나타낸 바와 같이, 탄성 금속부(21)의 단부를 컬(Curl)시켜도 된다. 이와 같이 해도, 쌍극형 전지를 제조할 때에, 탄성 금속부(21)의 둘레 단부가 외장재의 고분자 필름층에 흠집을 내버리는 것을 방지할 수 있다.
또 제5 실시 형태에서는, 발전 영역이 2군데가 되도록, 정극(112) 및 부극(113)이 2개로 분할되어 있다. 그리고 전극 탭의 탄성 금속부(21)는, 외력이 작용하지 않는 상태에서는 발전 요소(10)의 각 발전 영역의 중심 부근을 향해서 볼록하도록 형성되어 있었다. 그러나, 도 9에 나타낸 바와 같이, 발전 영역이 1군데이고, 전극 탭의 탄성 금속부(21)가 2군데에서 볼록하도록 형성되어도 된다. 이와 같은 구성이어도, 만일 외부 단락 등의 어떠한 이상 요인이 있어서, 발전 요소(10)가 과승온하여 전해질(전해액)이 기화했을 때에, 탄성 금속부(21)는, 도 9의 (B)에 나타낸 바와 같이 변형한다. 그러면 전류는 볼록 형상 부근에서밖에 흐르지 않게 되므로, 전류량이 제한되어, 과대한 전류가 흐르는 것이 방지된다.
또 상기 각 실시 형태에서는, 탄성 금속부(21)는, 외력이 작용하지 않는 상태에서, 하방을 향해서 중심 부근이 점 형상으로 볼록하도록 형성되어 있었지만, 선 형상으로 볼록하도록 형성되어 있어도 된다.
또한 상기 각 실시 형태에서는, 탄성 금속부(21)는, 전극 탭(20)의 일부로서 설명했다. 이와 같이 일체로 형성되어 있으면, 부품 개수가 증가하지 않으므로, 생산성이 우수하지만, 전극 탭(20)과는 다른 부품이어도 된다.
또 전지는, 충전 가능한 2차 전지에 한정되지 않는다. 충전할 수 없는 1차 전지이어도 된다.
그 밖에도 상기 실시 형태는, 적절하게 조합 가능하다.
본원은, 2010년 7월 26일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2010-166858호에 기초하는 우선권을 주장하고, 이 출원의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다..

Claims (8)

  1. 집전체(111)의 표리에 전극층(112, 113)이 형성된 쌍극형 전극(11)을, 전해질층(12)을 개재해서 복수 적층된 발전 요소(10)와,
    상기 발전 요소(10)에 접촉하도록 설치되고, 외력이 작용하지 않는 상태에서는 발전 요소(10)에 대하여 점 또는 선으로 접촉하고, 외력이 가해지는 상태에서는 발전 요소(10)에 면으로 접촉하는 탄성 금속부(21)와,
    상기 발전 요소(10) 및 탄성 금속부(21)를 수납 장착하도록 설치되고, 내부 기압이 대기압보다도 낮고, 내부 기압과 대기압의 압력차에 의해 상기 탄성 금속부(21)를 발전 요소(10)에 면으로 접촉시키는 외장재(30)를 갖는, 쌍극형 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄성 금속부(21)는, 외력이 작용하지 않는 상태에서는 발전 요소(10)를 향해서 볼록하고, 외력이 가해지는 상태에서는 발전 요소(10)에 면으로 접촉하는, 쌍극형 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 발전 요소(10)는, 복수로 분할된 발전 영역을 포함하고,
    상기 탄성 금속부(21)는, 외력이 작용하지 않는 상태에서는 발전 요소(10)의 각 발전 영역을 향해서 볼록하고, 외력이 가해지는 상태에서는 발전 요소(10)에 면으로 접촉하는, 쌍극형 전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄성 금속부(21)는, 상기 발전 요소(10)가 발전한 전력을 상기 외장재(30)의 외부로 취출하기 위한 전극 탭(20)의 일부인, 쌍극형 전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄성 금속부(21)는, 외력이 작용하지 않는 상태에서, 주연면이 일 평면 상에 배치되는 형상인 쌍극형 전지.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄성 금속부(21)는, 주연이 상기 외장재(30)로부터 이격되도록 컬되어 있는, 쌍극형 전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄성 금속부(21)는, 주연에 설치된 절연 수지 코팅부를 더 포함하는, 쌍극형 전지.
  8. 집전체의 표리에 전극층이 형성된 쌍극형 전극을, 전해질층을 개재해서 복수 적층된 발전 요소(10)와,
    상기 발전 요소(10)에 접촉하도록 설치되고, 발전 요소(10)의 중심 부근일 수록 강하게 압박하는 탄성 금속부(21)와,
    상기 발전 요소(10) 및 탄성 금속부(21)를 수납 장착하도록 설치되는 외장재(30)를 포함하는, 쌍극형 전지.
KR1020137004237A 2010-07-26 2011-07-19 쌍극형 전지 Active KR101451044B1 (ko)

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