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JP6562565B2 - 冷却性能が改善された電池セル - Google Patents

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Description

本発明は、冷却性能が改善された電池セルに関する。
モバイル機器に対する技術開発及び需要の増加に伴い、エネルギー源としての二次電池の需要が急増しており、そのような二次電池の中でも、高いエネルギー密度と放電電圧のリチウム二次電池に対して多くの研究が行われており、また、商用化されて広く使用されている。
二次電池は、電池ケースの形状によって、電極積層体が円筒形又は角形の金属缶に内蔵されている円筒型電池及び角型電池と、電極積層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。そのうち円筒型電池は、形状的な特徴に起因して、様々なデバイスに適用されて使用されている。
一般に、円筒型電池に内蔵される電極組立体は、正極／分離膜／負極の積層構造からなる充放電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正極と負極との間に分離膜を介在させた後、巻芯を基準として巻き取ったジェリーロール形態からなる。
このようなジェリーロール形態の電極組立体は、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利点を有している。
しかし、円筒型電池は、中大型電池として作製される場合、円筒型電池の中心部の熱が外部に排出されにくい構造であるため、反復的な充放電を行う場合、中心部から発熱が促進されて二次電池の寿命が短縮されることがあり、さらに、二次電池の発火又は爆発の原因となり得る。
したがって、円筒型電池の全般的な冷却効率性を大幅に改善することができる技術が必要な実情である。
本発明は、上記のような従来技術の問題点及び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。
本発明の目的は、上端から下端まで連通する中空構造からなる電極積層体、及びそれに対応する構造の電池缶を構成することによって、電池セルの内部の熱循環が円滑に行われて全般的な冷却効率性を大幅に向上させることができる二次電池を提供することである。
また、本発明の他の目的は、電極積層体の電極膨張を全面積に均一に加圧できるように、電極の面積に対比して地面を基準として上下に長く積層されている電極積層体、及びこれに対応する構造の電池缶を構成することによって、電極の膨張を効果的に制御して電池の性能を大幅に向上させることができる二次電池を提供することである。
したがって、上記のような目的を達成するための本発明に係る冷却性能が改善された電池セルは、
正極と負極との間に分離膜が介在している状態で地面を基準として高さ方向に積層された構造の電極積層体が、電池缶の内部に密封された状態で内蔵されており、
前記電池缶は、中空部が形成されている管状に形成されており、前記電極積層体は、前記電池缶の形状に対応する形状からなる構造であってもよい。
したがって、冷媒が前記電池セルの外部及び中空部を介して同時に流動することによって、熱循環が円滑に行われ得るため、電池の内部の発熱を効果的に除去することができる。
一具体例において、前記電極積層体は、地面を基準として高さ方向（‘長軸’）に積層された長さが、前記高さ方向に垂直な水平方向（‘短軸’）の長さよりも相対的に大きい構造からなることができる。
すなわち、電極の膨張を全面積に均一に加圧できるように、電極の面積に対比して地面を基準として上下に長く積層されている電極積層体、及びこれに対応する形状の電池缶を構成することによって、電極の膨張を効果的に制御することができる。
前記中空部の大きさは、電池セルの体積及びこれによる発熱量を考慮して設定することができ、例えば、電池セルの上端面の面積対比５％〜８０％の大きさで形成されてもよい。
前記電池缶は、熱伝導性及び電気伝導性の良い素材であれば限定されないが、詳細には、ＳＵＳ（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｕｓｅ ｓｔｅｅｌ）、ニッケル（ｎｉｃｋｅｌ）、銅（Ｃｕ）、及びアルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択されるいずれか１つからなることができる。
一具体例において、前記電池セルは、外部入出力端子が電池缶の一側端部又は両側端部に突出して形成されている構造であってもよい。
前記構造において、前記電池セルは、電極積層体の正極を連結して正極入出力端子に接続される正極接続部材、及び電極積層体の負極を連結して負極入出力端子に接続される負極接続部材を含んでいる構造であってもよく、前記正極接続部材及び負極接続部材は電池缶の内部に位置する構造であってもよい。
この場合に、前記正極接続部材及び負極接続部材は、電極積層体の外面と電池缶の内面との間の空間に位置する構造であってもよい。
一具体例において、前記正極接続部材及び負極接続部材はそれぞれ金属板材からなっており、前記金属板材は、電極積層体の外面に対面する方向に位置している構造であってもよい。
また、前記電池缶は、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートからなる構造であってもよく、一例において、前記電池缶は、高い強度及び電気伝導性を有する金属素材からなる金属缶であってもよいが、これに限定されるものではない。
すなわち、本発明によれば、場合によって、金属板材で形成された前記負極接続部材が形成されているので、前記電池缶を高分子物質からなる素材で形成させることができ、例えば、プラスチックを好ましく使用することができる。したがって、一般的に電池缶自体を負極として使用する従来の構造とは異なり、電池缶を高分子素材の絶縁性物質で形成させることができるので、電池缶の形状を様々に具現することができ、材料費の低減及び絶縁性を向上させることができる。
本発明に係る前記電極積層体は、ジェリーロール型構造、スタック型構造、スタック／フォールディング型構造、またはラミネーション／スタック型構造の電極積層体であってもよい。
前記ジェリーロール型、スタック型、スタック／フォールディング型、及びラミネーション／スタック型の構造について詳述すると、次の通りである。
まず、ジェリーロール型構造の電極積層体は、集電体として使用される金属ホイルに電極活物質などをコーティングし、乾燥及びプレスした後、所望の幅及び長さのバンド状に裁断し、分離膜を使用して負極と正極とを隔膜した後、螺旋状に巻いて製造することができる。
スタック型構造の電極積層体は、それぞれの金属集電体に電極合剤をコーティングした後、乾燥及びプレスした後、所定の大きさに切り取った正極板と負極板との間に、前記正極板と負極板に対応する所定の大きさに切り取った分離膜を介在させた後、積層することによって製造することができる。
スタック／フォールディング型構造の電極積層体は、正極と負極が対面する構造であって、２つ以上の極板が積層されているユニットセルを２つ以上含み、重ならない形態で１つ以上の分離フィルムでユニットセルを巻き取るか、またはユニットセルの大きさに分離フィルムを折り曲げてユニットセルの間に介在させることによって製造することができる。
ラミネーション／スタック型構造の電極積層体は、それぞれの金属集電体に電極合剤をコーティングした後、乾燥及びプレスし、所定の大きさに切り取った後、下部から順次に負極、負極の上部に分離膜、そして、正極、そして、その上部に分離膜を積層して製造することができる。
前記電極積層体の形状は様々であり、例えば、水平方向の断面形状が円形、楕円形または多角形構造であってもよい。
場合によって、前記電極積層体は、水平方向の断面形状が長方形又は正方形構造であってもよいことは勿論である。
また、本発明に係る電池セルは、前記のような電極積層体が電池缶に装着されているものであれば、その種類が特に限定されるものではないが、具体例として、高いエネルギー密度、放電電圧、及び出力安定性のリチウム二次電池であってもよい。
リチウム二次電池を含め、電池セルの構成、構造、製造方法などは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明らかであるので、これらについての具体的な説明は省略する。
本発明はまた、前記電池セルを１つ以上含む電池パック、及び前記電池パックを電源として使用するデバイスを提供し、前記デバイスは、具体的に、ノートパソコン、携帯電話、ＰＤＰ、ＰＭＰ、ＭＰ３プレーヤー、ＤＳＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｔｉｌｌ Ｃａｍｅｒａ）、ＤＶＲ、スマートフォン、ＧＰＳシステム、カムコーダー、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なる群から選択されるものであってもよい。
前記のようなデバイス乃至装置は当業界に公知となっているので、本明細書では、それについての具体的な説明を省略する。
本発明の一実施例に係る電池セルの斜視図である。 図１のＡ−Ｂの垂直断面図である。 本発明の一実施例に係る電極積層体をなす単位セルの斜視図である。 本発明の他の実施例に係る電池セルの垂直断面図である。 図４の電極積層体をなす単位セルの斜視図である。
以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明するが、本発明の範疇がそれに限定されるものではない。
図１には、本発明の一実施例に係る電池セルの斜視図が模式的に示されており、図２には、図１のＡ−Ｂの垂直断面図が模式的に示されており、図３には、本発明の一実施例に係る電極積層体をなす単位セルの斜視図が模式的に示されている。
これらの図面を参照すると、電池セルは、多数個の単位セル１７０が積層された構造の電極積層体１００、及び電極積層体１００が内部に挿入されて密封される構造の電池ケース１１０を含んで構成されている。
電池ケース１１０は、中央部位に中空部３００が形成されている管状に形成されており、電極積層体１００は、これに対応する形状に形成されている。
電極積層体１００は、電池ケース１１０に挿入が容易なように、全体的に断面が、中空部３００が形成されたドーナツ状に形成されている。具体的に、電極積層体１００は、前記ドーナツ状の正極１２１、負極１３１及び分離膜１９０で構成された単位セル１７０が、地面を基準として上向きに順次積層された構造となっており、電池ケース１１０には、外部入出力端子１５０，１６０が電池ケース１１０の両側端部に突出して形成されている。
電池セルには、電極積層体１００の正極１２１を連結して正極入出力端子１５０に接続される正極リード１２０、及び負極１３１を連結して負極入出力端子１６０に接続される負極リード１３０が、電極積層体１００の外面と電池ケース１１０の内面との間の空間に形成されている。具体的に、正極入出力端子１５０は、中空部３００の内面空間に形成されているため、電極積層体１００の外面に形成されている負極入出力端子１６０との距離が、中空部３００が形成されていない構造に比べて短縮及び最小化されることによって、電池の効率が向上する。
電極積層体１００は、地面を基準として垂直積層方向の長さが、水平方向の長さよりも相対的に大きく形成されている。同様に、電池ケース１１０は、電極積層体１００が容易に内蔵されるように、電極積層体１００の形状に対応する管形状で、高さ方向Ｈが水平方向Ｗの長さよりも約２倍以上大きく形成されており、中空部３００の大きさは、電池ケース１１０の上端面の面積対比約５０％の大きさで形成されている。
したがって、前記電極積層体及び電池ケースの中央部位に中空部が形成されているため、内部の熱循環を円滑にして冷却効率性を向上させることができ、電池内の電極が膨張する場合にも、電極相互間の膨張面が接触して加圧するようになり、電極積層体の外面と対応する大きさの電池ケースによって拘束されることによって、電極が膨張する現象を効果的に制御することができる。
図４には、本発明の他の実施例に係る電池セルの垂直断面図が示されており、図５には、図４の電極積層体をなす単位セルの斜視図が模式的に示されている。
図４及び図５の単位セル２７０は、正極２２１、負極２３１及び分離膜２６０が順次積層されて巻き取られて電池ケース２１０に内蔵されているジェリーロール形態の電極積層体２００であるという点を除いては、前述した図１乃至図２の電池セルの構造と同一であるので、これについての説明は省略する。
以上、本発明の実施例に係る図面を参照して説明したが、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
以上で説明したように、本発明に係る冷却性能が改善された電池セルは、上端から下端まで連通する中空構造からなる電極積層体、及びこれに対応する構造の電池缶を構成することによって、電池セルの内部の熱循環が円滑に行われて全般的な冷却効率性を大幅に向上させることができる。
また、電極積層体の電極の膨張を全面積に均一に加圧できるように、電極の面積に対比して地面を基準として上下に長く積層されている電極積層体、及びこれに対応する構造の電池缶を構成することによって、電極の膨張を効果的に制御して電池の性能を大幅に向上させることができる。
１００ 電極積層体
１１０ 電池ケース
１２０ 正極リード
１２１ 正極
１３０ 負極リード
１３１ 負極
１５０ 正極入出力端子
１６０ 負極入出力端子
１７０ 単位セル
１９０ 分離膜
２００ 電極積層体
２１０ 電池ケース
２２１ 正極
２３１ 負極
２６０ 分離膜
２７０ 単位セル
３００ 中空部

Claims (13)

  1. 正極と負極との間に分離膜が介在している状態で積層された構造の電極積層体が、電池ケースの内部に密封された状態で内蔵されており、
    前記電池ケースは、中空部を形成する管状の内側面と、管状の外側面と、対向する端面と、から形成されており、前記電極積層体は、前記電池ケースの形状に対応する形状からなり、
    前記電極積層体の正極を連結して正極入出力端子に接続される正極リード、及び前記電極積層体の負極を連結して負極入出力端子に接続される負極リードを含み、
    前記正極リードは、前記電極積層体と前記内側面との間に延在し、前記負極リードは、前記電極積層体と前記外側面との間に延在し、前記正極リード及び前記負極リードは、それぞれ前記電池ケース内で前記中空部が形成される方向に沿って伸びており、
    前記正極リードと接触する前記正極入出力端子及び前記負極リードと接触する前記負極入出力端子は、前記中空部が形成される方向に沿って前記中空部の外側に前記対向する端面から互いに反対方向に向かって突出しており、
    前記中空部が形成される方向は、前記電極積層体の積層方向と同一であることを特徴とする、電池セル。
  2. 前記電極積層体は、地面を基準として高さ方向（‘長軸’）に積層された長さが、前記高さ方向に垂直な水平方向（‘短軸’）の長さよりも相対的に大きい構造からなっていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  3. 前記中空部の水平方向における断面積は、前記電池ケースの上端面の面積対比５％〜８０％の大きさで形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  4. 前記電池ケースは、ＳＵＳ（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｕｓｅ ｓｔｅｅｌ）、ニッケル（ｎｉｃｋｅｌ）、銅（Ｃｕ）、及びアルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択されるいずれか１つからなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  5. 前記正極リード及び前記負極リードはそれぞれ金属板材からなっており、前記金属板材は、電極積層体の外面に対面する方向に位置していることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  6. 前記電池ケースは、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートからなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  7. 前記電池ケースの素材は金属又はプラスチックであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  8. 前記電極積層体は、ジェリーロール型構造、スタック型構造、スタック／フォールディング型構造、またはラミネーション／スタック型構造であることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  9. 前記電極積層体は、水平方向の断面形状が円形、楕円形または多角形構造であることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  10. 前記電池ケースの外面には外装フィルムが付着していることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  11. 前記電池セルはリチウム二次電池であることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  12. 請求項１に記載の電池セルを１つ以上含むことを特徴とする、電池パック。
  13. 請求項１２に記載の電池パックを電源として使用することを特徴とする、デバイス。
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