安全性が改善された円柱形の二次電池
カソード／セパレータ／アノードを巻くことによって作製された電極アッセンブリと電解質とが円筒缶の内側に設けられた円柱形の充電可能な電池であって、前記円筒缶の開口した上部に取り付けられたキャップアッセンブリが、前記電池の高圧ガスによって切断可能な所定のノッチを備えた安全ベントと、前記安全ベントの底部に溶接された、電流を遮断する電流遮断デバイスと、前記電流遮断デバイスの外周部を取り囲んでいる電流遮断デバイス用ガスケットと、を備えており、前記電流遮断デバイスがガスを排出させるための２つ以上の貫通孔を備えており、前記貫通孔が前記電流遮断デバイスの総面積の２０から５０％の大きさを持っている、円柱形の電池を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円柱形の二次電池に関する。より具体的には、本発明は、カソード／セパレータ／アノードを巻くことによって作製された電極アッセンブリと電解質とが円筒缶の内側に設けられ、前記円筒缶の開口している上端部に取り付けられたキャップアッセンブリが、前記電池の高圧ガスによって切断可能な所定のノッチを備えた安全ベントと、前記安全ベントの底部に溶接された、電流を遮断する電流遮断デバイスと、前記電流遮断デバイスの外周部を取り囲んでいる電流遮断デバイス用ガスケットと、を備えており、前記電流遮断デバイスがガスを排出させるための２つ以上の貫通孔を備えており、前記貫通孔が前記電流遮断デバイスの総面積の２０％から５０％の大きさを持っている、円柱形の電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯式機器の技術開発及び需要増加は、エネルギー源としての二次電池の需要の急増につながっている。これらの二次電池のうちで、高いエネルギー密度と放電電圧を有するリチウム二次電池に関連する多くの研究が進行中であり、そのようなリチウム二次電池は市販されていると共に広く使用されている。
【０００３】
電池ケースの形状に応じて、二次電池は、円柱状の電池と角形の電池とパウチ型の電池とに分類されており、前記円柱形の電池及び角形の電池では、円筒または角形の金属缶の中に電極アッセンブリが取り付けられており、前記パウチ型の電池では、アルミラミネートシートで作られたパウチ型ケースの中に電極アッセンブリが取り付けられている。これらのうち、円柱形の電池は、比較的に大容量であると共に構造が安定性しているという利点がある。
【０００４】
電池ケースに取り付けられた電極アッセンブリは、充電及び放電が可能な発電デバイスであり、カソード／セパレータ／アノードの積層構造を有している。電極アッセンブリは、活物質が適用された長いシート形状のカソードとアノードとの間にセパレータを介在させて続いて巻くことにより作製されたジェリー・ロール型の電極アッセンブリと、所定の大きさの複数のカソードと所定の大きさの複数のアノードとを、各カソードと各アノードとの間にセパレータが介在されるように順次積層させることにより作製された積層型の電極アッセンブリと、に分類されている。これらのうち、ジェリー・ロール型の電極アッセンブリは、製造が容易であると共に重量当たりのエネルギー密度が高いという利点がある。
【０００５】
これに関連して、図１は一般的な円柱形の電池を示す斜視断面図である。
【０００６】
図１を参照すると、円柱形の二次電池１００は、円筒状のケース１３０内にジェリー・ロール型の電極アッセンブリを設置し、円筒状のケース１３０の中に電解質を注入し、そして、電極端子（例えば、図示しないカソード端子）を備えた上蓋１４０をケース１３０の開口した上部に接続することによって作製されている。
【０００７】
電極アッセンブリ１２０は、カソード１２１、アノード１２２、及びそれらの間に介在したセパレータ１２３が巻かれていると共に、その巻き中心（ジェリー・ロールの中心）の中に円筒状の中心ピン１５０が挿入された構造を有している。一般的に、中心ピン１５０は、所定の強度をもたらすために金属材料からなると共に、シート材が円形に曲げられた中空の円筒形状の構造を有している。中心ピン１５０は、電極アッセンブリを固定及び支持しており、充電又は放電の際の内部反応によって生じたガスの放出を可能にする通路としての機能を果たす。
【０００８】
一方では、リチウム二次電池は、安定性が低いという欠点がある。例えば、電池が約４．５Ｖ以上に過充電された場合には、カソード活物質が分解され、アノードの表面にリチウムのデンドライトが成長し、電解質が分解される。これらのプロセスは、熱及び分解反応を引き起こし、ひいては複数の副反応が急速に進む。最終的には、電池の燃焼や爆発が発生する可能性がある。
【０００９】
したがって、これらの問題を解決するために、一般的な円柱形の二次電池には、電池の異常動作時に電流を遮断すると共に電極アッセンブリと上蓋との間に設けられた空間の内圧を低減させるための電流遮断デバイス（ＣＩＤ）及び安全ベントが備えられている。
【００１０】
この機構について、図２−４を参照しながら説明する。
【００１１】
図面を参照すると、上蓋１０は、突起状のカソード端子を形成していると共に、孔あきベントが設けられている。上蓋１０の下方には、電池の内部温度が上昇したときに電池の抵抗を大幅に増大させて、それにより電流を遮断する正温度係数（positive temperature coefficient：ＰＴＣ）素子２０と、通常の状態で下向きに突出しているが電池の内部圧力が増加したときに突出するのと同時に破断してガスの排出をもたらす安全ベント３０と、上部の一方側で安全ベント３０に接続されて底部の他方側で電極アッセンブリ４０のカソードに接続された接続プレート５０と、がこの順番で配置されている。
【００１２】
したがって、電極アッセンブリ４０のカソードは、通常の動作状態のもとで、電気を適用するために、リード４２、接続プレート５０、安全ベント３０及びＰＴＣ素子２０の順番で通って上蓋１０に接続されている。
【００１３】
しかしながら、図３に示すように、例えば過充電によって電極アッセンブリ４０からガスが発生すると共に内部圧力が増加したとき、安全ベントの形状が反転して上向きに突出する。同時に、安全ベント３０が接続プレート５０から分離され、それによって電流が遮断される。したがって、さらなる過充電を防止するように安全性が確保されている。それにも関わらず、図４に示すように、内部圧力が増加し続けるときには、安全ベント３０が破断し、圧縮ガスが破断した領域を通過し、それから上蓋１０のベントを通って排出され、その結果、電池の爆発が防止される。
【００１４】
このような動作プロセスは、電極アッセンブリで発生するガス量と安全ベントへのガスの搬送の効率性とに依存している。例えば、多量のガスが発生するもののガスが安全ベントに効率的に移送されない場合には、望ましい安全な動作プロセスを続行することができない。さらに、多量のガスが短時間のうちに発生してガスが安全ベントまで到達すると共に所定の動作プロセスを引き起こさない限り、電池の内部圧力が急激に増大して爆発を引き起こす。
【００１５】
さらに、ガスの発生は、高温の熱による電解質の分解によって引き起こされる。電池から発生する熱が短時間のうちに急激に高くなると、熱暴走が発生する可能性がある。電池が連続的な電気利用の状態にあるときに、熱暴走現象が発生する。前記現象がさらに進行すると、電池が燃焼又は爆発する可能性がある危険性が相当増加し、その結果、重大な安全上の不都合な問題が発生する。
【００１６】
したがって、異常動作状態でより安定して電池の内部ガスを電池内で引き起こすことができると共にガスを電池の外部に急速に排出することができる円柱形の二次電池を開発する必要性が高まっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
したがって、本発明は、上記した問題及び未だ解決されていない他の技術的問題を解決するために発明されたものである。
【００１８】
本発明の１つの目的は、特定の構造を有するキャップアッセンブリを通って発生ガスを安全部材に効率良く移動させることができると共に、続行するための所定の安全なプロセスを可能にし、それによって最終的に電池の安全性を向上させる二次電池を提供することである。
【００１９】
本発明の別の目的は、温度上昇を伴う電解質の連続的な分解反応を引き起こし、電池の内部圧力の急激な増加を抑制し、それによって安全部材が効率良く動作することを可能にする二次電池を提供することである。
【００２０】
さらに、本発明の別の目的は、発熱を最小限に抑えながら電解質の連続的な分解反応を引き起こして、熱暴走の発生を抑制する二次電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
したがって、本発明に係る円柱形の二次電池は、カソード／セパレータ／アノードを巻くことによって作製されたジェリー・ロール型の電極アッセンブリと電解質とが円筒缶の内側に設けられた円柱形の二次電池であって、前記円筒缶の開口した上部に取り付けられたキャップアッセンブリが、前記電池の高圧ガスによって切断可能な所定のノッチを備えた安全ベントと、前記安全ベントの底部に溶接された、電流を遮断する電流遮断デバイスと、前記電流遮断デバイスの外周部を取り囲んでいる電流遮断デバイス用ガスケットと、を備えており、前記電流遮断デバイスがガスを排出させるための２つ以上の貫通孔を備えており、前記貫通孔が前記電流遮断デバイスの総面積の２０から５０％の大きさを持っている、円柱形の二次電池である。
【００２２】
したがって、円柱形の電池では、発生ガスが特有の構造を有するキャップアッセンブリを通って安全部材に直接作用することができ、所望の電気の遮断が引き起こされ、前記安全ベントが断裂することによって前記ガスが迅速に排出されることが可能になり、それにより、電池の安全性が確保される。
【００２３】
前記電流遮断デバイスは、電池の内部圧力が上昇したときに破断されることにより電流を遮断する部材であり、その中央に、上向きに突出していると共に前記安全ベントの凹部の前記底部に溶接された突起部が設けられ、且つ、前記ジェリー・ロールの前記カソードに接続されたカソードリードが、前記突起部以外の領域の前記底部を介して電気的に接続されている構造を有することができる。
【００２４】
このように、電流遮断デバイスが安全部材に接続されているので、前記安全ベントの形状反転によって電流遮断デバイスとカソードとの間の接続領域が破断され、その結果、電流の遮断が生じる。具体的な例では、前記突起部の外周部の表面にノッチが形成されており、前記突起部が前記安全ベントに接続されたまま、該ノッチが前記安全ベントの形状反転によって破断すると共に、前記電流遮断デバイスと前記カソードとの間の接続領域から前記突起部が容易に分離される。
【００２５】
さらに、前記電流遮断デバイスには、電池の内部ガスの増加が生じることにより前記安全ベントが反転するように、ガスを上昇させる２つ以上の貫通孔が備えられている。
【００２６】
しかしながら、本願の発明者は、電流遮断デバイスに設けられた貫通孔の面積が２０％未満である場合には、高圧ガスが電池内に発生すると電池の燃焼や爆発の比率が増加することを確認した。これは、貫通孔を通過するガスの量が少ないことにより電流が効率的に遮断されないということ、又は、ガスの上昇流路の遮断又は変化により電流を遮断するのに時間がかかるということが原因であると考えられる。一方で、貫通孔が過度に大きいサイズを持つことは、要素の所望の強度及びねじれを確保するのが難しくなると共に構成要素の捩れが加工時に生じるという観点から好ましくない。
【００２７】
したがって、本発明の円柱形の電池では、上昇（排出）されるガス量を改善するために、電流遮断デバイスがガスを排出させる２つ以上の貫通孔を備えていると共に、該貫通孔が前記電流遮断デバイスの総面積の２０％から５０％、より好ましくは３０から４０％の面積を有しており、それにより、ガスの迅速な上昇（排出）が引き起こされる。
【００２８】
好ましくは、前記貫通孔が、前記電流遮断デバイスの中心に基づいて放射状に対称な位置で円弧形状に形成されている。貫通孔がこのように放射状に対称な位置で形成されている場合、一方向におけるガス排出の集中を防止できると共に電流遮断デバイスの強度を確保できるという点で有利である。
【００２９】
この時点において、貫通孔の数は特に限定されるものではなく、好ましくは２から４つである。
【００３０】
好ましい実施形態では、３つの貫通孔が、それらが、前記電流遮断デバイスの中心に基づいて５０から８０度の角度に対応する長さを有する円弧状の形で、所望の間隔で互いに離間されるように配置されることができる。
【００３１】
一方で、前記突起部には、前記突起部の中心に基づいて同心状に形成された３から５つの貫通孔と隣接する貫通孔に接続するノッチとが設けられたブリッジ部が設けられている。前記貫通孔は、それらが、前記電流遮断デバイスの中心に基づいて、前記貫通孔に対応する位置で４０から５５度の角度に対応する長さを有する円弧状の形で、所望の間隔で互いに離間されるように配置されることができる。
【００３２】
安全ベントは、電池の内部圧力が上昇したときにガスを排出し、それにより電池の安全性を確保する要素である。例えば、ガスが電池の内部に発生して内部圧力が臨界水準以上まで上昇すると、破断領域から排出されたガスを、上蓋に設けられた１つ以上のガス排出口を通して排出させることができる。
【００３３】
好ましくは、前記安全ベントは、下向きの凹部状の中央部を有している。このような構造では、電池の内部圧力が上昇すると、下向きの凹部が上向きの凹部に反転され、電流遮断デバイスから分離され、電気的接続が遮断される。
【００３４】
当該構造を有する安全ベントの動作プロセスを考慮すると、電池の内側で発生したガスは、貫通孔を通過して安全ベントに対して上向きの圧力を作用させ、安全ベントの下向きの凹部は、所望の圧力（以下、単に「第一臨界圧力」という。）以上で反転され、前記凹部に接着された突起部が電流遮断デバイスから分離されると共に、電流遮断デバイスから安全ベントへの電気の適用を遮断する。
【００３５】
前記凹部は、例えば、上側の屈曲部と下側の屈曲部を備えており、好ましくは上側の屈曲部に第一ノッチが設けられている。従来の方法では、下側の屈曲部だけが切断される構造が示唆されている。しかしながら、下側の屈曲部は、狭域であり、それ故に効率的なガス排出には不適当であった。一方、本発明によれば、切断のためのノッチが上側の屈曲部に設けられており、それ故に、切断領域が増加すると共に、多量のガスを外部へ迅速に放出することが可能になる。
【００３６】
安全ベントが電流を遮断するが圧力が上昇し続けて所望の水準（以下、単に「第二臨界圧力」という。）に到達すると、第一ノッチが切断され得る。このため、圧縮された内部ガスが、上蓋に設けられたガス排出口を通って外部に円滑に放出される。
【００３７】
一方、上側の屈曲部全体が安全ベントから分離されるのを防止するために、第一ノッチを、その一方側が開かれた開曲線状にすることができる。つまり、一方側の開いている部分が、その残りの部分に安全ベントの凹部を連結するためのブリッジとしての役割を果たす。
【００３８】
第一ノッチの大きさは特に限定されず、好ましくは、貫通孔の中心線を接続する仮想線の大きさと一致させることができ、それにより、電流遮断デバイスから上昇したガスが第一ノッチに圧力を直接作用させることができる。
【００３９】
さらに、第一ノッチの開いている領域は、上述したように第一ノッチが切断されたときに凹部が完全に切断されることを防止する大きさを有しており、好ましくは、安全ベントの中心に対して２０から５０度、さらに好ましくは２５から４０度の角度に対応する円弧状の長さを有している。
【００４０】
好ましい実施形態では、第二ノッチが下側の屈曲部に形成されているが、内部圧力が上昇したときに上側の屈曲部だけが切断されることを可能にするために、第二ノッチは、互いに向かい合う両端が開いている開曲線構造を有している。両端が開いた当該構造は、下側の屈曲部が切断されることを防止し、上側の屈曲部の切断によって開口をより効率的に生じさせる。
【００４１】
好ましくは、第二ノッチにおいて開いている両端は、第一ノッチの開いている領域と対応していない領域に形成されている。さらに好ましい実施形態では、第二ノッチの開いている２つの両端は、約±９０度の角度で形成されている。
【００４２】
好ましい実施形態では、第一ノッチが第二ノッチの前に切断されるように第一ノッチは第二ノッチ以上の深さに形成されている。
【００４３】
安全ベントは特に限定されるものではなく、内部圧力が臨界水準以上まで上昇したときにノッチを切断させることができる強度を備えるために、０．１５から０．４ｍｍの厚さを有するアルミニウム板で製作されてもよい。
【００４４】
本発明に係る円柱形の電池のキャップアッセンブリは、前記電池の内部温度が上昇したときに電池抵抗を大幅に増大させることにより電流を遮断する正温度係数（ＰＴＣ）素子のような部材をさらに備えていてもよい。
【００４５】
前記キャップアッセンブリは、電流遮断デバイスと、電流遮断デバイス用ガスケットと、安全ベントと、ＰＴＣ素子と、１つ以上のガス排出口が形成された上蓋と、からなる積層構造を有している。さらに、前記積層構造の外周部にガスケットが追加されてもよい。前記ＰＴＣ素子は、それが上蓋と安全ベントとの間に設けられた領域に接着するように前記上蓋と安全ベントとの間に介在されてもよい。
【００４６】
さらに、電流遮断デバイス用ガスケットは、前記電流遮断デバイスの外周部を取り囲んでいる。好ましい実施形態では、前記ガスケットには、そこの中央に開口部が設けられている。圧縮ガスは、好ましくは、内部ガスを効率的に上昇させるために直線的に移動する。したがって、前記中央開口部は、前記電流遮断デバイスの前記貫通孔を遮蔽しない形状を有している。
【００４７】
従来技術では、前記ガスケットが前記電流遮断デバイスの前記貫通孔を遮蔽しているので、貫通孔を通過する圧縮ガスが前記ガスケットによって干渉され、その結果、排出量が減少すると共に流路が変化し、それにより、それが前記安全ベントの即時動作を引き起こすことを困難にしている。しかしながら、上述したように前記ガスケットが前記貫通孔を遮蔽しない構造では、高圧ガス全体が前記安全ベントに真直ぐに到達するので、電池の安定性を確保することができる。
【００４８】
好ましい実施形態では、前記電流遮断デバイスの前記貫通孔、前記電流遮断デバイス用ガスケットの前記中央開口部、及び前記安全ベントの前記ノッチは、それらが互いに直線的に連通するように形成されている。
【００４９】
したがって、電池内に発生した高圧ガスが、前記中央開口部を介して電流遮断デバイスの貫通孔を通って安全ベントのノッチまで移動する間、ガス流路を直線状に維持することができ、それにより、安全ベントの即時動作が引き起こされ、電池の安全性が確保される。
【００５０】
好ましい実施形態では、円柱形の電池は、熱安定性を向上させるために添加剤（電解質添加剤）を含む電解質を備えてもよい。
【００５１】
前記電解質添加剤は、温度上昇を伴う電解質の連続的な分解反応を介してガスを発生させることができ、例えば、１５０℃以上の温度で反応することが可能である。
【００５２】
したがって、下記の実験例で示すように、本発明に係る円筒形の電池は、温度上昇を伴う電解質の連続的な分解反応を引き起こし、それにより、熱暴走及び電池の内部圧力の急激な増加を抑制する。このような電解質の連続的な分解反応の誘発は、多量のガスが安全要素に移送されたときに、一種のボトルネック現象の発生を防止する。したがって、電解質添加剤は、特有のキャップアッセンブリの構造と相まって相乗効果を発揮する。
【００５３】
好ましい実施形態では、電解質添加剤は、１５０から２５０℃で一次電解質分解を生じさせ、２５０から３００℃で二次電解質分解を生じさせる材料である。例えば、電解質添加剤は、一次電解質分解反応において分解反応全体の約３分の２を生じさせ、その後、一次電解質分解温度よりも高い温度での二次電解質分解反応において分解反応全体の約３分の１を生じさせる。
【００５４】
したがって、温度が上昇するにつれてガスが連続的に発生するので、電流遮断デバイスと安全ベントの動作が可能となる。このため、短期間のうちにガスが多量に発生することに関連する問題を解決することができ、上述したように、連続的なガスの発生にもかかわらず、発生したガスが特徴的なキャップアッセンブリの構造を介して直接作用して所望の電気の遮断を引き起こす。前記ガスを安全ベントの切断によって電池の外部に迅速に放出することができ、最終的に、電池の燃焼や爆発を効率的に防ぐことができる。
【００５５】
電解質添加剤の好ましい例としては、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）であるが、本発明はこれに限定されない。
【００５６】
本発明の発明者は、上述したように、電解質添加剤が、温度が上昇するにつれて連続的な電解質分解を引き起こすと共にカソードの表面に保護膜を形成してカソード接点での抵抗を増大させること、及び、この抵抗の増加は、短絡時に適用される電気の量を減少させ、電池の安定性を向上させる結果となることを実験により確認した。
【００５７】
電解質添加剤は、電解質の総重量に基づいて、好ましくは１１から４０重量％、より好ましくは１５から３５重量％の量が含まれている。
【００５８】
電解質の含有量が過度に少ないと、高温時の連続的なガスの発生と短絡時の電流減少効果が達成することができず、一方、電解質の含有量が過度に多いと、電池容量が不利に減少する。
【００５９】
好ましくは、電解質添加剤は、例えば４．３Ｖから４．３５Ｖの充電／放電電圧などのような高電圧のセルに使用される。この場合、電解質添加剤の含有量は、好ましくは２０から３５重量％である。
【００６０】
電解質は、通常、この技術分野で公知の非水性有機溶媒のリチウム塩を含んでいる。
【００６１】
本発明で使用することができる非水系電解液を挙げると、例えば、N‐メチル‐２‐ピロリドンなどの非プロトン性有機溶媒、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ‐ブチロラクトン、１，２‐ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフラン、２‐メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３‐ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、ギ酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、１，３‐ジメチル‐２−イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、プロピオン酸、およびプロピオン酸エチルメチルがある。
これらのうち好ましいのは、鎖状カーボネート化合物、環状カーボネート化合物、又はそれらの組み合わせから成るカーボネート系溶媒である。
【００６２】
リチウム塩は、上記の非水電解質に容易に可溶な材料であり、例えば、LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、リチウムテトラフェニルホウ酸、及びイミドを含むことができる。
【００６３】
さらに、充電／放電の特性及び難燃性を向上させるため、例えば、ピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、N‐グライム、ヘキサホスホリックトリアミド（hexaphosphoric triamide）、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン色素、Ｎ‐置換オキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ‐置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、２‐メトキシエタノール、塩化アルミニウム等が非水電解質に添加することができる。必要に応じて、不燃性を付与するために、非水電解質は四塩化炭素及び三フッ化エチレン等のハロゲン含有溶媒をさらに含んでよい。さらに、高温保存特性を向上させるために、非水電解質は、二酸化炭素ガス及びプロペンスルトン（ＰＲＳ）をさらに含んでもよい。
【００６４】
また、本発明は、電極アッセンブリと電解質とが円筒缶内に設けられた電池におけるキャップアッセンブリであって、円筒缶の開口している上端部に取り付けられたキャップアッセンブリを提供する。具体的には、電池の電解質は、電解質の重量に基づいて１５０℃以上の温度で温度上昇を伴う連続的な電解質分解を経てガスを発生させる添加剤を１１から４０重量％含んでいる。キャップアッセンブリでは、プレート型の絶縁部材がジェリー・ロールの上端部に取り付けられており、絶縁部材の中央には、ガスを排出させることができると共に電極端子に接続させることができる穿孔された開口部と、前記開口部の周りに配置された１つ以上の貫通孔と、が設けられている。
【００６５】
好ましい実施形態では、プレート型の絶縁部材の貫通孔は、電流遮断デバイス用ガスケットの中央開口部及び電流遮断デバイスの貫通孔と直線的に連通するような位置にすることができる。プレート型の絶縁部材の貫通孔は、プレート型の絶縁部材の総面積の２０から５０％の大きさを有する。
【００６６】
任意の絶縁部材であっても、それが絶縁材料で作られる限り、如何なる制限もなく使用することが可能であり、例えばポリプロピレン樹脂であってもよい。これらのうちで特に好ましいのは、一定の厚さで優れた機械的強度を発揮すると共に強力な外部衝撃が作用したときにジェリー・ロールの動きと分離を防止する高強度のポリプロピレン樹脂である。
【００６７】
上記から明らかなように、本発明は、比較的広い面積を有する複数の貫通孔が設けられた電流遮断デバイスを備え、それにより、内部の高圧ガスを効率的に放出する円柱形の電池を提供する。さらに、安全ベントにおいて切断が生じるノッチが貫通孔と一致するように形成された場合、高圧ガスが直線的に放出され、高圧ガスが発生したときに迅速な電気の遮断が引き起こされ、ガス排出が迅速に起こり、電池の安全性を大幅に向上させることができる。
【００６８】
さらに、特定の電解質添加剤が電解質に添加された場合、添加剤は、ガスを安定的に発生させるために温度上昇を伴う連続的な電解質分解を生じさせると共に、発熱によって引き起こされる燃焼又は爆発の可能性を大幅に低減させるために短絡回路電流を減少させる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
本願発明の上記並びに他の目的、特徴及び他の利点は、添付図面と併せて、以下の詳細な説明からより明確に理解されるであろう。
【００７０】
【図１】図１は、一般的な円柱形の電池を示す断面斜視図である。
【図２】図２は、従来の円柱形の電池において、安全要素の動作により電流が遮断されると共に高圧ガスが放出される一連のプロセスを示す断面図である。
【図３】図３は、従来の円柱形の電池において、安全要素の動作により電流が遮断されると共に高圧ガスが放出される一連のプロセスを示す断面図である。
【図４】図４は、従来の円柱形の電池において、安全要素の動作により電流が遮断されると共に高圧ガスが放出される一連のプロセスを示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る円柱形の電池を示す概略断面図である。
【図６】図６は、図５のキャップアッセンブリ構造に使用される安全ベントの斜視図を示している。
【図７】図７は、図５のキャップアッセンブリ構造に使用される安全ベントの平面図を示している。
【図８】図８は、図５の円柱形の電池に使用される電流遮断デバイスを示す斜視図である。
【図９】図９は、図５の円柱形の電池に使用される電流遮断デバイスを示す平面図である。
【図１０】図１０は、図５の円柱形の電池に使用される電流遮断デバイス用のガスケットを示す斜視図である。
【図１１】図１１は、図５の円柱形の電池に使用される電流遮断デバイス用のガスケットを示す平面図である。
【図１２】図１２は、図５の円柱形の電池に使用されるプレート型の絶縁部材を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、図５の円柱形の電池に使用されるプレート型の絶縁部材を示す平面図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態に係るプレート型の絶縁部材と電流遮断デバイス用のガスケットと電流遮断デバイスとを積層するためのプロセスを示す模式図である。
【図１５】図１５は、図５の円柱形の電池において安全要素の動作によって電流が遮断されると共に高圧ガスが放出される一連のプロセスを示す断面図である。
【図１６】図１６は、図５の円柱形の電池において安全要素の動作によって電流が遮断されると共に高圧ガスが放出される一連のプロセスを示す断面図である。
【図１７】図１７は、図５の円柱形の電池において安全要素の動作によって電流が遮断されると共に高圧ガスが放出される一連のプロセスを示す断面図である。
【図１８】図１８は、実施例１、４、５及び比較例１、２で作製された電池のカソード界面抵抗の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００７１】
以下、添付図面を参照して本発明を詳細に説明するが、これは本発明の範囲及び精神を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００７２】
図５は、本発明の一実施形態に係る円柱形の電池のキャップアッセンブリ構造を示している。図６及び７は、図５のキャップアッセンブリ構造に使用される安全ベントの平面図である。
【００７３】
図５を参照すると、円柱形の電池１００は、円筒缶２００の中にジェリー・ロール１１０を挿入し、そこに電解質を注入し、ジェリー・ロール１１０の上端にプレート型の絶縁部材８００を装着し、円筒缶２００の開口した上部にキャップアッセンブリ３００を取り付けることにより作製されている。
【００７４】
電解質には、発熱を最小限に抑えるための添加剤が含まれており、電解質の連続的な分解反応を引き起こす。
【００７５】
キャップアッセンブリ３００は、内圧を低減させるための上蓋３１０、ＰＴＣ素子３５０及び安全ベント３２０が、円筒缶２００の上側のビーディング部材（beading member）２１０に取り付けられた気密用ガスケット４００の内側に接着されている構造を有している。
【００７６】
電池の内圧が増大したときに破断して電流を遮断する電流遮断デバイス６００は、の安全ベント３２０の底部に溶接によって連結されており、電流遮断デバイス用ガスケット７００は、前記電流遮断デバイスの外周部を取り囲んでいる。
【００７７】
ＰＴＣ素子３５０は、上蓋３１０と安全ベント３２０との間にＰＴＣ素子３５０が付着するように、上蓋３１０と安全ベント３２０との間に介在しており、電池の内部温度が上昇したときに電池の抵抗を大幅に増大させて、それにより電流を遮断させる。
上蓋３１０は、上向きの中央突出部を有しており、ひいては、外部回路への連結によりカソード端子として機能する。
円筒缶２００内に存在する圧縮ガスを排出するための複数のガス排出口３１２が、前記突起部の外周部に沿って形成されている。
【００７８】
当該構造を有するキャップアッセンブリ３００の安全ベント３２０について、図６及び７を参照しながらより詳細に説明する。
【００７９】
安全ベント３２０は、その中央の位置に下方に向かって凹んだ凹部３２２が設けられた導電性薄膜構造を有していると共に、その上側の屈曲部の位置に第一ノッチ３２４が設けられ、さらに、その下側の屈曲部の位置に第二ノッチ３２６が設けられている。
【００８０】
安全ベント３２０の平面を示す図７に示すように、上側の屈曲部に配置された第一ノッチ３２４は、その一方側が開かれた開曲線状になっている。
この開いている領域は非ノッチ領域３３０であり、当該非ノッチ領域３３０は、ノッチが形成された領域が高圧ガスによって切断されるにも関わらず第一ノッチの全部が分離することを阻止する。
【００８１】
さらに、第二ノッチ３２６は下側の屈曲部に形成されていると共に、互いに向かい合う両端が開いた開曲線構造を有している。
２つの非ノッチ領域３４０は第二ノッチ３２６の両側の開いた端部に配置されている。
非ノッチ領域３４０は、切断により第二ノッチ３２６が分離することを阻止している。
第二ノッチ３２６の分離をより確実に阻止するために、好ましくは非ノッチ領域３４０が、非ノッチ領域３３０に対応しない領域に配置されており、より好ましくは、図示するように、非ノッチ領域３４０が第一ノッチ３２４の非ノッチ領域３３０の中心線に基づいて約±９０度の角度で形成されていると共に、２つの非ノッチ領域３４０が互いに向かい合うように配置され得る。
【００８２】
図８及び９は、図５の円柱形の電池に使用される電流遮断デバイス６００を示している。
【００８３】
図５と共に図８及び９を参照すると、上向きに突出した突起部６２０は、安全ベント３２０の凹部の底面３２２（図６を参照）に溶接によって接着されており、この突起部６２０は、電流遮断デバイス６００の中央の位置に形成されており、そして、ジェリー・ロール１１０のカソードに接続されたカソードリード４２０は、電流遮断デバイス６００の底部における突起部６２０以外の領域に電気的に接続されている。
【００８４】
突起部６２０には、ブリッジ部６４０が設けられており、該ブリッジ部６４０には、突起部６２０の中心に基づいて同心状に形成された３つの貫通孔６３０と隣接する貫通孔６３０に接続するノッチ６５０とが設けられている。
【００８５】
さらに、ガス排出用の３つの貫通孔６１０は、電流遮断デバイス６００の外周部において中心軸線に基づいて放射状に対称な位置で円弧形状に形成されている。
複数の貫通孔６１０は、電流遮断デバイス６００の総面積の３０％の大きさを持っており、電池内部に存在する高圧ガスの排出量を増加しており、これにより、確実な電流遮断を発揮することができる。
複数の貫通孔６１０は、約１２０度の角度で互いに離間されていると共に、その形状および大きさが共に同じであり、それらの間の間隔は、実質的に均一である。
当該構造に基づき、電流遮断デバイス６００は、ガス排出を最大限に高めると共に高い機械的強度を維持する。
【００８６】
このとき、好ましくは、貫通孔６１０の中心線に接続する仮想線（鎖線を参照）のサイズは、安全ベント３２０（図６及び７を参照）の第一ノッチ３２４のサイズと実質的に等しい。
したがって、内部圧力が所定の水準以上になった場合に、貫通孔６１０を通過する高圧ガスが直線的な通路を通じて第一ノッチ３２４を押圧して第一ノッチ３２４の切断を促進し、それにより、迅速なガス排出が可能になる。
【００８７】
図１０及び１１は、電流遮断デバイス６００を取り囲んでいる電流遮断デバイス用のガスケット７００を示している。
図示の便宜上、電流遮断デバイス用のガスケットは開口部の形状だけを表すように簡潔に示されている。
【００８８】
図５と共に図１０及び１１を参照すると、電流遮断デバイス用のガスケット７００には、その中央に開口部７１０が設けられており、中央開口部７１０は、電流遮断デバイス６００の貫通孔６１０を遮蔽しない形状を有している。
すなわち、電流遮断デバイス用のガスケット７００の形状は、電流遮断デバイス６００における開口が形成されていない領域の外周部の形状と実質的に一致している。
【００８９】
一方、図１２及び１３は、図５に係る対称な電池１００においてジェリー・ロール１１０の上端に取り付けられたプレート型の絶縁部材８００の例を示している。
図２と共にそれらの図面を参照すると、プレート型の絶縁部材８００は、その中央に、ガス排出及び電極端子の接続を可能にする穿孔された開口部８２０が設けられていると共に、開口部８２０の周りに配置された１つ以上の貫通孔８１０が設けられている。
プレート型の絶縁部材８００の貫通孔８１０は、電流遮断デバイス６００の貫通孔６１０に一致する形状、大きさ、及び位置で形成され、且つ、プレート型の絶縁部材８００の総面積の３０％の大きさを持つことができる。
【００９０】
図１４は、プレート型の絶縁部材８００、電流遮断デバイス用のガスケット７００、電流遮断デバイス６００、及び安全ベント３２０がこの順番で円筒缶に取り付けられる積層を概略的に示している。
【００９１】
上で示した図２から図６と共に図１４を参照すると、プレート型の絶縁部材８００の貫通孔８１０、電流遮断デバイス用のガスケット７００の中央開口部７１０、電流遮断デバイス６００の貫通孔６１０、及び安全ベント３２０の第一ノッチ３２４は、電池内部の圧縮ガスを外部に効率的に排出させるために、それらが互いに直線的に連通するように形成されている。
【００９２】
図１５から１７は、電池の内部圧力が異常に上昇した場合においてガスが排出される過程を概略的に示している。
【００９３】
前記図面を参照すると、電池の内部圧力が異常に上昇すると、圧縮ガスが電流遮断デバイス６００の貫通孔６１０及び貫通孔６３０を通過し、安全ベント３２０に上向きの圧力をかける。
【００９４】
図１６に示すように、当該圧力は、安全ベントの下向きの凹部３２２を上昇させるのと同時に、第一臨界圧力以上において、下向きの凹部３２２に溶着した突起部６２０を電流遮断デバイス６００から分離させ、それによって、電流遮断デバイス６００から安全ベント３２０への電気の適用を遮断する。
【００９５】
図１７に示すように、当該電流を遮断しているにもかかわらず、圧力が上昇し続けて第二臨界圧力以上に達した場合には、安全ベント３２０の第一ノッチ３２４が断裂し、それと同時に、内部の圧縮ガスがガス排出口３１２を通って外部に排出される。
【００９６】
本発明によれば、大径の第一ノッチ３２４が切断される場合、小径の第二ノッチが切断される場合と比較して多いガス排出量を示し、それにより、高圧ガスの迅速な排出を引き起こす。
【００９７】
これより、本発明について、以下の実施例を参照して詳細に説明する。これらの実施例は、本発明を説明するためだけに提供されており、本発明の範囲及び精神を限定するものと解釈されるべきではない。
【００９８】
［実施例１］
円柱形の二次電池は、下記の方法で作製される。
【００９９】
１−１．カソード及びアノードの作製
ＬｉＣｏＯ２を含有するカソード活物質がアルミニウム製の集電体に塗布されると共に、カソードを作製するためにカソードタップが上向きに突出するように前記集電体の端部に接着される。
人造黒鉛を含有するアノード活物質が銅製の集電体に塗布されると共に、アノードを作製するためにアノードタップが上向きに突出するように前記集電体（the anode collector）の端部に接着される。
【０１００】
１−２．電解質の調製
リチウム二次電池用の電解質は、１．０ＭのＬｉＰＦ６を含有する電解質としての非水溶媒に、添加剤としてのフルオロエチレンカーボネートを電解質の総重量の１１重量％だけ添加し、エチレンカーボネート（ＥＣ）／プロピレンカーボネート（ＰＣ）／ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）＝３０／５／６５（体積比）の割合で構成することによって調製される。
【０１０１】
１−３．中心ピンを用いたラミネートのローリング
ジェリー・ロールを製造するために、項目１−１で得られたカソードとアノードとの間にセパレータが介在しているシート型のラミネートが、中心ピンの内側に挿入された後、３５０ｇ／ｃｍ２の圧力で巻かれる。
それにより製造されたジェリー・ロールは、円筒形のケース内に収納され、リード線に接続されると共に、１−２の項目で調合された電解質がそこに注入される。
【０１０２】
１−４．円柱形の二次電池の作製
図７に示すように、直径８．０ｍｍ及び幅０．０６ｍｍの第一ノッチは、直径１６ｍｍ及び幅０．３ｍｍのアルミニウム製の板材のうちの３０度の角度をもつ円弧以外の領域に形成されており、下向きに突出した深さ０．６５ｍｍの凹部が設けられた安全ベントが製造される。
【０１０３】
さらに、図９に示すように、後記する３つの貫通孔の総面積が後記の板材の総面積の約３０％になるように、外径１１ｍｍ及び厚さ０．５ｍｍのアルミニウム製の板材に３つの貫通孔が放射状に形成される。
次に、電流遮断デバイスを製造するために、前記板材の中央に直径１．５３ｍｍ及び高さ０．２０ｍｍの突起部が形成されると共に、幅０．６ｍｍ及び円周長さ２．６１ｍｍの３つの貫通孔が中央の突起部の中心から１．５ｍｍの距離をおいて穿孔され、さらに、貫通孔を接続する各ブリッジ部に幅約７０μｍのノッチが形成される。
【０１０４】
さらに、図１１に示すように、電流遮断デバイスの貫通孔を遮蔽しない電流遮断デバイス用のガスケットが、ポリプロピレン製の板材から外径１２ｍｍ及び幅０．５ｍｍで製造される。
【０１０５】
電流遮断デバイスの外周部は、電流遮断デバイス用のガスケットの内側に挿入され、安全ベントの屈曲部の底部は、レーザ溶接によって電流遮断デバイスの突起部の上端に接着されている。
【０１０６】
電池を作製するために、プレート型の絶縁部材は、項目１−３の円筒形のケースの開口している上端部に取り付けられており、缶の上端は、ＰＴＣ素子及び上蓋が挿入されるビーディング（beading）によって固定されており、電流遮断デバイス及びガスケットと共に設けられた安全ベントは、ビーディング部分の中に挿入されており、ガスケットは缶の上端部を内向きにプレスすることによって締め付けられている。
【０１０７】
［実施例２］
電池は、安全ベントの製造工程において第一ノッチの幅が０．１ｍｍであると共に第二ノッチの幅が０．０６ｍｍであることを除いて実施例１と同様の方法で作製されている。
【０１０８】
［実施例３］
電池は、安全ベントの製造工程において第一ノッチの幅が７ｍｍであると共に第二ノッチの幅が０．０６ｍｍであることを除いて実施例１と同様の方法で作製されている。
【０１０９】
［実施例４］
電池は、電解質の調製工程において電解質の総重量の２０重量％の量のフルオロエチレンカーボネートが含有されていることを除いて実施例１と同様の方法で作製されている。
【０１１０】
［実施例５］
電池は、電解質の調製工程において電解質の総重量の３０重量％の量のフルオロエチレンカーボネートが含有されていることを除いて実施例１と同様の方法で作製されている。
【０１１１】
［実施例６］
電池は、電解質の調製において、体積比が８：９２であるプロピレンカーボネート（ＰＣ）とメチルプロピオネート（ＭＰ）とからなる非水溶媒が用いられていることを除いて実施例４と同様の方法で作製されている。
【０１１２】
［実施例７］
電池は、電解質の調製において、体積比が８：９２であるプロピレンカーボネート（ＰＣ）とメチルプロピオネート（ＭＰ）とからなる非水溶媒が用いられていることを除いて実施例４と同様の方法で作製されている。
【０１１３】
［比較例１］
パウチ型の単セルは、電解質の調製において添加剤が添加されないことを除いて実施例１と同様の方法で作製されている。
【０１１４】
［比較例２］
電池は、電解質の調製工程において電解質の総重量の５重量％の量のフルオロエチレンカーボネートが含有されていることを除いて実施例１と同様の方法で作製されている。
【０１１５】
［比較例３］
電池は、電流遮断デバイスの総面積が電流遮断デバイスの総面積の１８％であることを除いて実施例１と同様の方法で作製されている。
【０１１６】
［実験例１］
実施例１、４、及び５及び比較例１及び２において作製された電池が用意され、そのカソード界面抵抗が測定された。
実験結果を図１８に示す。
【０１１７】
図１８を参照すると、電気化学的インピーダンス分光（ＥＩＳ）装置を用いて周波数（frequency）当たりの抵抗値が測定されると共に、結果として生じる特性がグラフにおいて半円状に示されている。
フルオロエチレンカーボネートが電解質に添加された実施例１の電池は、添加剤が添加されていない電池（比較例１）及び添加剤を５重量％含有する電池（比較例２）と比較して相対的増加を示したことが分かる。
特に、添加剤を２０重量％含有する電池（実施例４）と添加剤を３０重量％含有する電池（実施例５）は、カソード界面抵抗において大幅増加を示したことが分かる。
【０１１８】
［実験例２］
実施例１、及び４から７、並びに比較例１及び２において作製された各電池がそれぞれ２つずつ用意され、完全に充電された電池に外部短絡が引き起こされ、その回路電流が測定される。
このようにして得られた実験結果は、表１に示されている。
【０１１９】
【表１】
【０１２０】
上記した表１から分かるように、フルオロエチレンカーボネートが電解質に添加された実施例１の電池は、添加剤が電解質に添加されていない比較例１の電池及び５重量％の添加剤が電解質に添加された比較例２の電池と比較して短絡時の低電流を示した。
【０１２１】
さらに、添加剤を２０重量％含有する実施例４の電池と添加剤を３０重量％含有する実施例５の電池は、添加剤を１１重量％含有する実施例１の電池と比較してかなり低い短絡回路電流を示した。
この性質は、実施例４及び５とは異なる非水電解質組成を有する実施例６及び７にも同様に示されている。
【０１２２】
したがって、短絡時の発熱は電流量に比例して増加することを考慮すると、本発明に係る電池は発熱量が少ないので比較的に安定している。
【０１２３】
［実験例３］
実施例１、及び４から７において作製された電池を、熱安定性に関して比較例１及び２の電池と比較した。こうして得られた結果を下記の表２に示す。
【０１２４】
【表２】
【０１２５】
上記表２において、「開始温度」は熱分解の初期温度を示しており、「熱容量」は熱解析におけるピーク面積を示している。
熱安定性は、これらの値を比較することにより評価した。
【０１２６】
実験から分かるように、フルオロエチレンカーボネートを含有しない比較例１の電池では電解質の分解が約２１０℃で１回引き起こされるが、フルオロエチレンカーボネートを含有する実施例１の電池では電解質の分解が約２２５℃と約２７５℃とで２回引き起こされる。
したがって、ガス発生が１度に集中することが抑制されることが分かる。
【０１２７】
さらに、表２から分かるように、実施例１の電池は、比較例１の電池の比熱容量の約５０％に相当する比熱容量（specific heat capacity）を示しており、これは、高温の発生による安全性の問題がより軽減されることを意味している。
特に、２０重量％の電解質添加剤を含有する実施例４の電池、及び３０重量％の電解質添加剤を含有する実施例５の電池は、それぞれ、実施例１の電池と比べて相当に低い比熱容量を示しており、これは、実施例４及び５の電池が優れた安定性を示すことを意味している。
発熱がかなり減少するこの現象は、ＰＣ及びＭＰからなる非水溶媒を用いている実施例６及び７に示されている。
【０１２８】
その一方で、５重量％の電解質添加剤を含有する比較例２の電池は、１１重量％の電解質添加剤を含有する実施例１の電池と比較して、比熱容量が７０％以上の増加を示した。
すなわち、フルオロエチレンカーボネートが添加されるものの、その量が１０重量％未満である場合、添加によって得られる効果は相当に低い。
【０１２９】
［実験例４］
実施例１及び３、並びに比較例３において作製された電池は釘刺し試験（nail test）が行われた。
こうして得られた結果を下記の表３に示す。
【０１３０】
【表３】
【０１３１】
上記した表３から分かるように、３０％の面積比の貫通孔を有する電流遮断デバイスが使用される場合、電池は爆発も変形も生じない。
【０１３２】
一方で、１８％の面積比の貫通孔を有する電流遮断デバイスを用いた比較例３の電池は、釘刺し試験中に爆発した。
さらに、実施例２及び３に示すように、第二ノッチが切断され、且つガスが安全ベントから円滑に排出されない場合、電池は爆発しないが変形し得る。
【０１３３】
大容量の電池では、安全ベントの切断部分の大きさ及び電流遮断デバイスの貫通孔の大きさが十分でない場合、ガスがこれらの要素を十分に通過することができなかったことが認められた。
さらに、安全ベントの切断部分が電池の内側に配置された第二ノッチの場合には、ノッチの直径が拡大されるが、切断後の安全ベントの傾いた内側のノッチによって、ガス排出に対する抵抗が不利に発生する可能性があることが認められた。
【０１３４】
前述から明らかなように、ガスを電池から効果的に放出するために、電流遮断デバイスの貫通孔の面積が増加すると共に、第一ノッチのように安全ベントの切断部分を用いた構造が電池の安定性の改善効果を発揮する。
【０１３５】
本発明の好ましい実施形態は例示目的のために開示されているが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に開示されているように、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、様々な変更、追加及び置換が可能であることを理解するであろう。
【符号の説明】
【０１３６】
１００・・・電池
２００・・・円筒缶
１１０・・・ジェリー・ロール
８００・・・絶縁部材
３００・・・キャップアッセンブリ
３１０・・・上蓋
３５０・・・ＰＴＣ素子
３２０・・・安全ベント
４００・・・気密用ガスケット
６００・・・電流遮断デバイス
７００・・・電流遮断デバイス用ガスケット
３１２・・・ガス排出口
３２２・・・凹部
３２４・・・第一ノッチ
３２６・・・第二ノッチ
３３０・・・非ノッチ領域
３４０・・・非ノッチ領域
６２０・・・突起部
４２０・・・カソードリード
６４０・・・ブリッジ部
６３０・・・貫通孔
６５０・・・ノッチ
６１０・・・貫通孔
７１０・・・中央開口部
８２０・・・開口部
８１０・・・貫通孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円柱形の二次電池に関する。より具体的には、本発明は、カソード／セパレータ／アノードを巻くことによって作製された電極アッセンブリと電解質とが円筒缶の内側に設けられ、前記円筒缶の開口している上端部に取り付けられたキャップアッセンブリが、前記電池の高圧ガスによって切断可能な所定のノッチを備えた安全ベントと、前記安全ベントの底部に溶接された、電流を遮断する電流遮断デバイスと、前記電流遮断デバイスの外周部を取り囲んでいる電流遮断デバイス用ガスケットと、を備えており、前記電流遮断デバイスがガスを排出させるための２つ以上の貫通孔を備えており、前記貫通孔が前記電流遮断デバイスの総面積の２０％から５０％の大きさを持っている、円柱形の電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯式機器の技術開発及び需要増加は、エネルギー源としての二次電池の需要の急増につながっている。これらの二次電池のうちで、高いエネルギー密度と放電電圧を有するリチウム二次電池に関連する多くの研究が進行中であり、そのようなリチウム二次電池は市販されていると共に広く使用されている。
【０００３】
電池ケースの形状に応じて、二次電池は、円柱状の電池と角形の電池とパウチ型の電池とに分類されており、前記円柱形の電池及び角形の電池では、円筒または角形の金属缶の中に電極アッセンブリが取り付けられており、前記パウチ型の電池では、アルミラミネートシートで作られたパウチ型ケースの中に電極アッセンブリが取り付けられている。これらのうち、円柱形の電池は、比較的に大容量であると共に構造が安定性しているという利点がある。
【０００４】
電池ケースに取り付けられた電極アッセンブリは、充電及び放電が可能な発電デバイスであり、カソード／セパレータ／アノードの積層構造を有している。電極アッセンブリは、活物質が適用された長いシート形状のカソードとアノードとの間にセパレータを介在させて続いて巻くことにより作製されたジェリー・ロール型の電極アッセンブリと、所定の大きさの複数のカソードと所定の大きさの複数のアノードとを、各カソードと各アノードとの間にセパレータが介在されるように順次積層させることにより作製された積層型の電極アッセンブリと、に分類されている。これらのうち、ジェリー・ロール型の電極アッセンブリは、製造が容易であると共に重量当たりのエネルギー密度が高いという利点がある。
【０００５】
これに関連して、図１は一般的な円柱形の電池を示す斜視断面図である。
【０００６】
図１を参照すると、円柱形の二次電池１００は、円筒状のケース１３０内にジェリー・ロール型の電極アッセンブリを設置し、円筒状のケース１３０の中に電解質を注入し、そして、電極端子（例えば、図示しないカソード端子）を備えた上蓋１４０をケース１３０の開口した上部に接続することによって作製されている。
【０００７】
電極アッセンブリ１２０は、カソード１２１、アノード１２２、及びそれらの間に介在したセパレータ１２３が巻かれていると共に、その巻き中心（ジェリー・ロールの中心）の中に円筒状の中心ピン１５０が挿入された構造を有している。一般的に、中心ピン１５０は、所定の強度をもたらすために金属材料からなると共に、シート材が円形に曲げられた中空の円筒形状の構造を有している。中心ピン１５０は、電極アッセンブリを固定及び支持しており、充電又は放電の際の内部反応によって生じたガスの放出を可能にする通路としての機能を果たす。
【０００８】
一方では、リチウム二次電池は、安定性が低いという欠点がある。例えば、電池が約４．５Ｖ以上に過充電された場合には、カソード活物質が分解され、アノードの表面にリチウムのデンドライトが成長し、電解質が分解される。これらのプロセスは、熱及び分解反応を引き起こし、ひいては複数の副反応が急速に進む。最終的には、電池の燃焼や爆発が発生する可能性がある。
【０００９】
したがって、これらの問題を解決するために、一般的な円柱形の二次電池には、電池の異常動作時に電流を遮断すると共に電極アッセンブリと上蓋との間に設けられた空間の内圧を低減させるための電流遮断デバイス（ＣＩＤ）及び安全ベントが備えられている。
【００１０】
この機構について、図２−４を参照しながら説明する。
【００１１】
図面を参照すると、上蓋１０は、突起状のカソード端子を形成していると共に、孔あきベントが設けられている。上蓋１０の下方には、電池の内部温度が上昇したときに電池の抵抗を大幅に増大させて、それにより電流を遮断する正温度係数（positive temperature coefficient：ＰＴＣ）素子２０と、通常の状態で下向きに突出しているが電池の内部圧力が増加したときに突出するのと同時に破断してガスの排出をもたらす安全ベント３０と、上部の一方側で安全ベント３０に接続されて底部の他方側で電極アッセンブリ４０のカソードに接続された接続プレート５０と、がこの順番で配置されている。
【００１２】
したがって、電極アッセンブリ４０のカソードは、通常の動作状態のもとで、電気を適用するために、リード４２、接続プレート５０、安全ベント３０及びＰＴＣ素子２０の順番で通って上蓋１０に接続されている。
【００１３】
しかしながら、図３に示すように、例えば過充電によって電極アッセンブリ４０からガスが発生すると共に内部圧力が増加したとき、安全ベントの形状が反転して上向きに突出する。同時に、安全ベント３０が接続プレート５０から分離され、それによって電流が遮断される。したがって、さらなる過充電を防止するように安全性が確保されている。それにも関わらず、図４に示すように、内部圧力が増加し続けるときには、安全ベント３０が破断し、圧縮ガスが破断した領域を通過し、それから上蓋１０のベントを通って排出され、その結果、電池の爆発が防止される。
【００１４】
このような動作プロセスは、電極アッセンブリで発生するガス量と安全ベントへのガスの搬送の効率性とに依存している。例えば、多量のガスが発生するもののガスが安全ベントに効率的に移送されない場合には、望ましい安全な動作プロセスを続行することができない。さらに、多量のガスが短時間のうちに発生してガスが安全ベントまで到達すると共に所定の動作プロセスを引き起こさない限り、電池の内部圧力が急激に増大して爆発を引き起こす。
【００１５】
さらに、ガスの発生は、高温の熱による電解質の分解によって引き起こされる。電池から発生する熱が短時間のうちに急激に高くなると、熱暴走が発生する可能性がある。電池が連続的な電気利用の状態にあるときに、熱暴走現象が発生する。前記現象がさらに進行すると、電池が燃焼又は爆発する可能性がある危険性が相当増加し、その結果、重大な安全上の不都合な問題が発生する。
【００１６】
したがって、異常動作状態でより安定して電池の内部ガスを電池内で引き起こすことができると共にガスを電池の外部に急速に排出することができる円柱形の二次電池を開発する必要性が高まっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
したがって、本発明は、上記した問題及び未だ解決されていない他の技術的問題を解決するために発明されたものである。
【００１８】
本発明の１つの目的は、特定の構造を有するキャップアッセンブリを通って発生ガスを安全部材に効率良く移動させることができると共に、続行するための所定の安全なプロセスを可能にし、それによって最終的に電池の安全性を向上させる二次電池を提供することである。
【００１９】
本発明の別の目的は、温度上昇を伴う電解質の連続的な分解反応を引き起こし、電池の内部圧力の急激な増加を抑制し、それによって安全部材が効率良く動作することを可能にする二次電池を提供することである。
【００２０】
さらに、本発明の別の目的は、発熱を最小限に抑えながら電解質の連続的な分解反応を引き起こして、熱暴走の発生を抑制する二次電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
したがって、本発明に係る円柱形の二次電池は、カソード／セパレータ／アノードを巻くことによって作製されたジェリー・ロール型の電極アッセンブリと電解質とが円筒缶の内側に設けられた円柱形の二次電池であって、前記円筒缶の開口した上部に取り付けられたキャップアッセンブリが、前記電池の高圧ガスによって切断可能な所定のノッチを備えた安全ベントと、前記安全ベントの底部に溶接された、電流を遮断する電流遮断デバイスと、前記電流遮断デバイスの外周部を取り囲んでいる電流遮断デバイス用ガスケットと、を備えており、前記電流遮断デバイスがガスを排出させるための２つ以上の貫通孔を備えており、前記貫通孔が前記電流遮断デバイスの総面積の２０から５０％の大きさを持っている、円柱形の二次電池である。
【００２２】
したがって、円柱形の電池では、発生ガスが特有の構造を有するキャップアッセンブリを通って安全部材に直接作用することができ、所望の電気の遮断が引き起こされ、前記安全ベントが断裂することによって前記ガスが迅速に排出されることが可能になり、それにより、電池の安全性が確保される。
【００２３】
前記電流遮断デバイスは、電池の内部圧力が上昇したときに破断されることにより電流を遮断する部材であり、その中央に、上向きに突出していると共に前記安全ベントの凹部の前記底部に溶接された突起部が設けられ、且つ、前記ジェリー・ロールの前記カソードに接続されたカソードリードが、前記突起部以外の領域の前記底部を介して電気的に接続されている構造を有することができる。
【００２４】
このように、電流遮断デバイスが安全部材に接続されているので、前記安全ベントの形状反転によって電流遮断デバイスとカソードとの間の接続領域が破断され、その結果、電流の遮断が生じる。具体的な例では、前記突起部の外周部の表面にノッチが形成されており、前記突起部が前記安全ベントに接続されたまま、該ノッチが前記安全ベントの形状反転によって破断すると共に、前記電流遮断デバイスと前記カソードとの間の接続領域から前記突起部が容易に分離される。
【００２５】
さらに、前記電流遮断デバイスには、電池の内部ガスの増加が生じることにより前記安全ベントが反転するように、ガスを上昇させる２つ以上の貫通孔が備えられている。
【００２６】
しかしながら、本願の発明者は、電流遮断デバイスに設けられた貫通孔の面積が２０％未満である場合には、高圧ガスが電池内に発生すると電池の燃焼や爆発の比率が増加することを確認した。これは、貫通孔を通過するガスの量が少ないことにより電流が効率的に遮断されないということ、又は、ガスの上昇流路の遮断又は変化により電流を遮断するのに時間がかかるということが原因であると考えられる。一方で、貫通孔が過度に大きいサイズを持つことは、要素の所望の強度及びねじれを確保するのが難しくなると共に構成要素の捩れが加工時に生じるという観点から好ましくない。
【００２７】
したがって、本発明の円柱形の電池では、上昇（排出）されるガス量を改善するために、電流遮断デバイスがガスを排出させる２つ以上の貫通孔を備えていると共に、該貫通孔が前記電流遮断デバイスの総面積の２０％から５０％、より好ましくは３０から４０％の面積を有しており、それにより、ガスの迅速な上昇（排出）が引き起こされる。
【００２８】
好ましくは、前記貫通孔が、前記電流遮断デバイスの中心に基づいて放射状に対称な位置で円弧形状に形成されている。貫通孔がこのように放射状に対称な位置で形成されている場合、一方向におけるガス排出の集中を防止できると共に電流遮断デバイスの強度を確保できるという点で有利である。
【００２９】
この時点において、貫通孔の数は特に限定されるものではなく、好ましくは２から４つである。
【００３０】
好ましい実施形態では、３つの貫通孔が、それらが、前記電流遮断デバイスの中心に基づいて５０から８０度の角度に対応する長さを有する円弧状の形で、所望の間隔で互いに離間されるように配置されることができる。
【００３１】
一方で、前記突起部には、前記突起部の中心に基づいて同心状に形成された３から５つの貫通孔と隣接する貫通孔に接続するノッチとが設けられたブリッジ部が設けられている。前記貫通孔は、それらが、前記電流遮断デバイスの中心に基づいて、前記貫通孔に対応する位置で４０から５５度の角度に対応する長さを有する円弧状の形で、所望の間隔で互いに離間されるように配置されることができる。
【００３２】
安全ベントは、電池の内部圧力が上昇したときにガスを排出し、それにより電池の安全性を確保する要素である。例えば、ガスが電池の内部に発生して内部圧力が臨界水準以上まで上昇すると、破断領域から排出されたガスを、上蓋に設けられた１つ以上のガス排出口を通して排出させることができる。
【００３３】
好ましくは、前記安全ベントは、下向きの凹部状の中央部を有している。このような構造では、電池の内部圧力が上昇すると、下向きの凹部が上向きの凹部に反転され、電流遮断デバイスから分離され、電気的接続が遮断される。
【００３４】
当該構造を有する安全ベントの動作プロセスを考慮すると、電池の内側で発生したガスは、貫通孔を通過して安全ベントに対して上向きの圧力を作用させ、安全ベントの下向きの凹部は、所望の圧力（以下、単に「第一臨界圧力」という。）以上で反転され、前記凹部に接着された突起部が電流遮断デバイスから分離されると共に、電流遮断デバイスから安全ベントへの電気の適用を遮断する。
【００３５】
前記凹部は、例えば、上側の屈曲部と下側の屈曲部を備えており、好ましくは上側の屈曲部に第一ノッチが設けられている。従来の方法では、下側の屈曲部だけが切断される構造が示唆されている。しかしながら、下側の屈曲部は、狭域であり、それ故に効率的なガス排出には不適当であった。一方、本発明によれば、切断のためのノッチが上側の屈曲部に設けられており、それ故に、切断領域が増加すると共に、多量のガスを外部へ迅速に放出することが可能になる。
【００３６】
安全ベントが電流を遮断するが圧力が上昇し続けて所望の水準（以下、単に「第二臨界圧力」という。）に到達すると、第一ノッチが切断され得る。このため、圧縮された内部ガスが、上蓋に設けられたガス排出口を通って外部に円滑に放出される。
【００３７】
一方、上側の屈曲部全体が安全ベントから分離されるのを防止するために、第一ノッチを、その一方側が開かれた開曲線状にすることができる。つまり、一方側の開いている部分が、その残りの部分に安全ベントの凹部を連結するためのブリッジとしての役割を果たす。
【００３８】
第一ノッチの大きさは特に限定されず、好ましくは、貫通孔の中心線を接続する仮想線の大きさと一致させることができ、それにより、電流遮断デバイスから上昇したガスが第一ノッチに圧力を直接作用させることができる。
【００３９】
さらに、第一ノッチの開いている領域は、上述したように第一ノッチが切断されたときに凹部が完全に切断されることを防止する大きさを有しており、好ましくは、安全ベントの中心に対して２０から５０度、さらに好ましくは２５から４０度の角度に対応する円弧状の長さを有している。
【００４０】
好ましい実施形態では、第二ノッチが下側の屈曲部に形成されているが、内部圧力が上昇したときに上側の屈曲部だけが切断されることを可能にするために、第二ノッチは、互いに向かい合う両端が開いている開曲線構造を有している。両端が開いた当該構造は、下側の屈曲部が切断されることを防止し、上側の屈曲部の切断によって開口をより効率的に生じさせる。
【００４１】
好ましくは、第二ノッチにおいて開いている両端は、第一ノッチの開いている領域と対応していない領域に形成されている。さらに好ましい実施形態では、第二ノッチの開いている２つの両端は、約±９０度の角度で形成されている。
【００４２】
好ましい実施形態では、第一ノッチが第二ノッチの前に切断されるように第一ノッチは第二ノッチ以上の深さに形成されている。
【００４３】
安全ベントは特に限定されるものではなく、内部圧力が臨界水準以上まで上昇したときにノッチを切断させることができる強度を備えるために、０．１５から０．４ｍｍの厚さを有するアルミニウム板で製作されてもよい。
【００４４】
本発明に係る円柱形の電池のキャップアッセンブリは、前記電池の内部温度が上昇したときに電池抵抗を大幅に増大させることにより電流を遮断する正温度係数（ＰＴＣ）素子のような部材をさらに備えていてもよい。
【００４５】
前記キャップアッセンブリは、電流遮断デバイスと、電流遮断デバイス用ガスケットと、安全ベントと、ＰＴＣ素子と、１つ以上のガス排出口が形成された上蓋と、からなる積層構造を有している。さらに、前記積層構造の外周部にガスケットが追加されてもよい。前記ＰＴＣ素子は、それが上蓋と安全ベントとの間に設けられた領域に接着するように前記上蓋と安全ベントとの間に介在されてもよい。
【００４６】
さらに、電流遮断デバイス用ガスケットは、前記電流遮断デバイスの外周部を取り囲んでいる。好ましい実施形態では、前記ガスケットには、そこの中央に開口部が設けられている。圧縮ガスは、好ましくは、内部ガスを効率的に上昇させるために直線的に移動する。したがって、前記中央開口部は、前記電流遮断デバイスの前記貫通孔を遮蔽しない形状を有している。
【００４７】
従来技術では、前記ガスケットが前記電流遮断デバイスの前記貫通孔を遮蔽しているので、貫通孔を通過する圧縮ガスが前記ガスケットによって干渉され、その結果、排出量が減少すると共に流路が変化し、それにより、それが前記安全ベントの即時動作を引き起こすことを困難にしている。しかしながら、上述したように前記ガスケットが前記貫通孔を遮蔽しない構造では、高圧ガス全体が前記安全ベントに真直ぐに到達するので、電池の安定性を確保することができる。
【００４８】
好ましい実施形態では、前記電流遮断デバイスの前記貫通孔、前記電流遮断デバイス用ガスケットの前記中央開口部、及び前記安全ベントの前記ノッチは、それらが互いに直線的に連通するように形成されている。
【００４９】
したがって、電池内に発生した高圧ガスが、前記中央開口部を介して電流遮断デバイスの貫通孔を通って安全ベントのノッチまで移動する間、ガス流路を直線状に維持することができ、それにより、安全ベントの即時動作が引き起こされ、電池の安全性が確保される。
【００５０】
好ましい実施形態では、円柱形の電池は、熱安定性を向上させるために添加剤（電解質添加剤）を含む電解質を備えてもよい。
【００５１】
前記電解質添加剤は、温度上昇を伴う電解質の連続的な分解反応を介してガスを発生させることができ、例えば、１５０℃以上の温度で反応することが可能である。
【００５２】
したがって、下記の実験例で示すように、本発明に係る円筒形の電池は、温度上昇を伴う電解質の連続的な分解反応を引き起こし、それにより、熱暴走及び電池の内部圧力の急激な増加を抑制する。このような電解質の連続的な分解反応の誘発は、多量のガスが安全要素に移送されたときに、一種のボトルネック現象の発生を防止する。したがって、電解質添加剤は、特有のキャップアッセンブリの構造と相まって相乗効果を発揮する。
【００５３】
好ましい実施形態では、電解質添加剤は、１５０から２５０℃で一次電解質分解を生じさせ、２５０から３００℃で二次電解質分解を生じさせる材料である。例えば、電解質添加剤は、一次電解質分解反応において分解反応全体の約３分の２を生じさせ、その後、一次電解質分解温度よりも高い温度での二次電解質分解反応において分解反応全体の約３分の１を生じさせる。
【００５４】
したがって、温度が上昇するにつれてガスが連続的に発生するので、電流遮断デバイスと安全ベントの動作が可能となる。このため、短期間のうちにガスが多量に発生することに関連する問題を解決することができ、上述したように、連続的なガスの発生にもかかわらず、発生したガスが特徴的なキャップアッセンブリの構造を介して直接作用して所望の電気の遮断を引き起こす。前記ガスを安全ベントの切断によって電池の外部に迅速に放出することができ、最終的に、電池の燃焼や爆発を効率的に防ぐことができる。
【００５５】
電解質添加剤の好ましい例としては、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）であるが、本発明はこれに限定されない。
【００５６】
本発明の発明者は、上述したように、電解質添加剤が、温度が上昇するにつれて連続的な電解質分解を引き起こすと共にカソードの表面に保護膜を形成してカソード接点での抵抗を増大させること、及び、この抵抗の増加は、短絡時に適用される電気の量を減少させ、電池の安定性を向上させる結果となることを実験により確認した。
【００５７】
電解質添加剤は、電解質の総重量に基づいて、好ましくは１１から４０重量％、より好ましくは１５から３５重量％の量が含まれている。
【００５８】
電解質の含有量が過度に少ないと、高温時の連続的なガスの発生と短絡時の電流減少効果が達成することができず、一方、電解質の含有量が過度に多いと、電池容量が不利に減少する。
【００５９】
好ましくは、電解質添加剤は、例えば４．３Ｖから４．３５Ｖの充電／放電電圧などのような高電圧のセルに使用される。この場合、電解質添加剤の含有量は、好ましくは２０から３５重量％である。
【００６０】
電解質は、通常、この技術分野で公知の非水性有機溶媒のリチウム塩を含んでいる。
【００６１】
本発明で使用することができる非水系電解液を挙げると、例えば、N‐メチル‐２‐ピロリドンなどの非プロトン性有機溶媒、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ‐ブチロラクトン、１，２‐ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフラン、２‐メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３‐ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、ギ酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、１，３‐ジメチル‐２−イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、プロピオン酸、およびプロピオン酸エチルメチルがある。
これらのうち好ましいのは、鎖状カーボネート化合物、環状カーボネート化合物、又はそれらの組み合わせから成るカーボネート系溶媒である。
【００６２】
リチウム塩は、上記の非水電解質に容易に可溶な材料であり、例えば、LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、リチウムテトラフェニルホウ酸、及びイミドを含むことができる。
【００６３】
さらに、充電／放電の特性及び難燃性を向上させるため、例えば、ピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、N‐グライム、ヘキサホスホリックトリアミド（hexaphosphoric triamide）、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン色素、Ｎ‐置換オキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ‐置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、２‐メトキシエタノール、塩化アルミニウム等が非水電解質に添加することができる。必要に応じて、不燃性を付与するために、非水電解質は四塩化炭素及び三フッ化エチレン等のハロゲン含有溶媒をさらに含んでよい。さらに、高温保存特性を向上させるために、非水電解質は、二酸化炭素ガス及びプロペンスルトン（ＰＲＳ）をさらに含んでもよい。
【００６４】
また、本発明は、電極アッセンブリと電解質とが円筒缶内に設けられた電池におけるキャップアッセンブリであって、円筒缶の開口している上端部に取り付けられたキャップアッセンブリを提供する。具体的には、電池の電解質は、電解質の重量に基づいて１５０℃以上の温度で温度上昇を伴う連続的な電解質分解を経てガスを発生させる添加剤を１１から４０重量％含んでいる。キャップアッセンブリでは、プレート型の絶縁部材がジェリー・ロールの上端部に取り付けられており、絶縁部材の中央には、ガスを排出させることができると共に電極端子に接続させることができる穿孔された開口部と、前記開口部の周りに配置された１つ以上の貫通孔と、が設けられている。
【００６５】
好ましい実施形態では、プレート型の絶縁部材の貫通孔は、電流遮断デバイス用ガスケットの中央開口部及び電流遮断デバイスの貫通孔と直線的に連通するような位置にすることができる。プレート型の絶縁部材の貫通孔は、プレート型の絶縁部材の総面積の２０から５０％の大きさを有する。
【００６６】
任意の絶縁部材であっても、それが絶縁材料で作られる限り、如何なる制限もなく使用することが可能であり、例えばポリプロピレン樹脂であってもよい。これらのうちで特に好ましいのは、一定の厚さで優れた機械的強度を発揮すると共に強力な外部衝撃が作用したときにジェリー・ロールの動きと分離を防止する高強度のポリプロピレン樹脂である。
【００６７】
上記から明らかなように、本発明は、比較的広い面積を有する複数の貫通孔が設けられた電流遮断デバイスを備え、それにより、内部の高圧ガスを効率的に放出する円柱形の電池を提供する。さらに、安全ベントにおいて切断が生じるノッチが貫通孔と一致するように形成された場合、高圧ガスが直線的に放出され、高圧ガスが発生したときに迅速な電気の遮断が引き起こされ、ガス排出が迅速に起こり、電池の安全性を大幅に向上させることができる。
【００６８】
さらに、特定の電解質添加剤が電解質に添加された場合、添加剤は、ガスを安定的に発生させるために温度上昇を伴う連続的な電解質分解を生じさせると共に、発熱によって引き起こされる燃焼又は爆発の可能性を大幅に低減させるために短絡回路電流を減少させる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
本願発明の上記並びに他の目的、特徴及び他の利点は、添付図面と併せて、以下の詳細な説明からより明確に理解されるであろう。
【００７０】
【図１】図１は、一般的な円柱形の電池を示す断面斜視図である。
【図２】図２は、従来の円柱形の電池において、安全要素の動作により電流が遮断されると共に高圧ガスが放出される一連のプロセスを示す断面図である。
【図３】図３は、従来の円柱形の電池において、安全要素の動作により電流が遮断されると共に高圧ガスが放出される一連のプロセスを示す断面図である。
【図４】図４は、従来の円柱形の電池において、安全要素の動作により電流が遮断されると共に高圧ガスが放出される一連のプロセスを示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る円柱形の電池を示す概略断面図である。
【図６】図６は、図５のキャップアッセンブリ構造に使用される安全ベントの斜視図を示している。
【図７】図７は、図５のキャップアッセンブリ構造に使用される安全ベントの平面図を示している。
【図８】図８は、図５の円柱形の電池に使用される電流遮断デバイスを示す斜視図である。
【図９】図９は、図５の円柱形の電池に使用される電流遮断デバイスを示す平面図である。
【図１０】図１０は、図５の円柱形の電池に使用される電流遮断デバイス用のガスケットを示す斜視図である。
【図１１】図１１は、図５の円柱形の電池に使用される電流遮断デバイス用のガスケットを示す平面図である。
【図１２】図１２は、図５の円柱形の電池に使用されるプレート型の絶縁部材を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、図５の円柱形の電池に使用されるプレート型の絶縁部材を示す平面図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態に係るプレート型の絶縁部材と電流遮断デバイス用のガスケットと電流遮断デバイスとを積層するためのプロセスを示す模式図である。
【図１５】図１５は、図５の円柱形の電池において安全要素の動作によって電流が遮断されると共に高圧ガスが放出される一連のプロセスを示す断面図である。
【図１６】図１６は、図５の円柱形の電池において安全要素の動作によって電流が遮断されると共に高圧ガスが放出される一連のプロセスを示す断面図である。
【図１７】図１７は、図５の円柱形の電池において安全要素の動作によって電流が遮断されると共に高圧ガスが放出される一連のプロセスを示す断面図である。
【図１８】図１８は、実施例１、４、５及び比較例１、２で作製された電池のカソード界面抵抗の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００７１】
以下、添付図面を参照して本発明を詳細に説明するが、これは本発明の範囲及び精神を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００７２】
図５は、本発明の一実施形態に係る円柱形の電池のキャップアッセンブリ構造を示している。図６及び７は、図５のキャップアッセンブリ構造に使用される安全ベントの平面図である。
【００７３】
図５を参照すると、円柱形の電池１００は、円筒缶２００の中にジェリー・ロール１１０を挿入し、そこに電解質を注入し、ジェリー・ロール１１０の上端にプレート型の絶縁部材８００を装着し、円筒缶２００の開口した上部にキャップアッセンブリ３００を取り付けることにより作製されている。
【００７４】
電解質には、発熱を最小限に抑えるための添加剤が含まれており、電解質の連続的な分解反応を引き起こす。
【００７５】
キャップアッセンブリ３００は、内圧を低減させるための上蓋３１０、ＰＴＣ素子３５０及び安全ベント３２０が、円筒缶２００の上側のビーディング部材（beading member）２１０に取り付けられた気密用ガスケット４００の内側に接着されている構造を有している。
【００７６】
電池の内圧が増大したときに破断して電流を遮断する電流遮断デバイス６００は、の安全ベント３２０の底部に溶接によって連結されており、電流遮断デバイス用ガスケット７００は、前記電流遮断デバイスの外周部を取り囲んでいる。
【００７７】
ＰＴＣ素子３５０は、上蓋３１０と安全ベント３２０との間にＰＴＣ素子３５０が付着するように、上蓋３１０と安全ベント３２０との間に介在しており、電池の内部温度が上昇したときに電池の抵抗を大幅に増大させて、それにより電流を遮断させる。
上蓋３１０は、上向きの中央突出部を有しており、ひいては、外部回路への連結によりカソード端子として機能する。
円筒缶２００内に存在する圧縮ガスを排出するための複数のガス排出口３１２が、前記突起部の外周部に沿って形成されている。
【００７８】
当該構造を有するキャップアッセンブリ３００の安全ベント３２０について、図６及び７を参照しながらより詳細に説明する。
【００７９】
安全ベント３２０は、その中央の位置に下方に向かって凹んだ凹部３２２が設けられた導電性薄膜構造を有していると共に、その上側の屈曲部の位置に第一ノッチ３２４が設けられ、さらに、その下側の屈曲部の位置に第二ノッチ３２６が設けられている。
【００８０】
安全ベント３２０の平面を示す図７に示すように、上側の屈曲部に配置された第一ノッチ３２４は、その一方側が開かれた開曲線状になっている。
この開いている領域は非ノッチ領域３３０であり、当該非ノッチ領域３３０は、ノッチが形成された領域が高圧ガスによって切断されるにも関わらず第一ノッチの全部が分離することを阻止する。
【００８１】
さらに、第二ノッチ３２６は下側の屈曲部に形成されていると共に、互いに向かい合う両端が開いた開曲線構造を有している。
２つの非ノッチ領域３４０は第二ノッチ３２６の両側の開いた端部に配置されている。
非ノッチ領域３４０は、切断により第二ノッチ３２６が分離することを阻止している。
第二ノッチ３２６の分離をより確実に阻止するために、好ましくは非ノッチ領域３４０が、非ノッチ領域３３０に対応しない領域に配置されており、より好ましくは、図示するように、非ノッチ領域３４０が第一ノッチ３２４の非ノッチ領域３３０の中心線に基づいて約±９０度の角度で形成されていると共に、２つの非ノッチ領域３４０が互いに向かい合うように配置され得る。
【００８２】
図８及び９は、図５の円柱形の電池に使用される電流遮断デバイス６００を示している。
【００８３】
図５と共に図８及び９を参照すると、上向きに突出した突起部６２０は、安全ベント３２０の凹部の底面３２２（図６を参照）に溶接によって接着されており、この突起部６２０は、電流遮断デバイス６００の中央の位置に形成されており、そして、ジェリー・ロール１１０のカソードに接続されたカソードリード４２０は、電流遮断デバイス６００の底部における突起部６２０以外の領域に電気的に接続されている。
【００８４】
突起部６２０には、ブリッジ部６４０が設けられており、該ブリッジ部６４０には、突起部６２０の中心に基づいて同心状に形成された３つの貫通孔６３０と隣接する貫通孔６３０に接続するノッチ６５０とが設けられている。
【００８５】
さらに、ガス排出用の３つの貫通孔６１０は、電流遮断デバイス６００の外周部において中心軸線に基づいて放射状に対称な位置で円弧形状に形成されている。
複数の貫通孔６１０は、電流遮断デバイス６００の総面積の３０％の大きさを持っており、電池内部に存在する高圧ガスの排出量を増加しており、これにより、確実な電流遮断を発揮することができる。
複数の貫通孔６１０は、約１２０度の角度で互いに離間されていると共に、その形状および大きさが共に同じであり、それらの間の間隔は、実質的に均一である。
当該構造に基づき、電流遮断デバイス６００は、ガス排出を最大限に高めると共に高い機械的強度を維持する。
【００８６】
このとき、好ましくは、貫通孔６１０の中心線に接続する仮想線（鎖線を参照）のサイズは、安全ベント３２０（図６及び７を参照）の第一ノッチ３２４のサイズと実質的に等しい。
したがって、内部圧力が所定の水準以上になった場合に、貫通孔６１０を通過する高圧ガスが直線的な通路を通じて第一ノッチ３２４を押圧して第一ノッチ３２４の切断を促進し、それにより、迅速なガス排出が可能になる。
【００８７】
図１０及び１１は、電流遮断デバイス６００を取り囲んでいる電流遮断デバイス用のガスケット７００を示している。
図示の便宜上、電流遮断デバイス用のガスケットは開口部の形状だけを表すように簡潔に示されている。
【００８８】
図５と共に図１０及び１１を参照すると、電流遮断デバイス用のガスケット７００には、その中央に開口部７１０が設けられており、中央開口部７１０は、電流遮断デバイス６００の貫通孔６１０を遮蔽しない形状を有している。
すなわち、電流遮断デバイス用のガスケット７００の形状は、電流遮断デバイス６００における開口が形成されていない領域の外周部の形状と実質的に一致している。
【００８９】
一方、図１２及び１３は、図５に係る対称な電池１００においてジェリー・ロール１１０の上端に取り付けられたプレート型の絶縁部材８００の例を示している。
図２と共にそれらの図面を参照すると、プレート型の絶縁部材８００は、その中央に、ガス排出及び電極端子の接続を可能にする穿孔された開口部８２０が設けられていると共に、開口部８２０の周りに配置された１つ以上の貫通孔８１０が設けられている。
プレート型の絶縁部材８００の貫通孔８１０は、電流遮断デバイス６００の貫通孔６１０に一致する形状、大きさ、及び位置で形成され、且つ、プレート型の絶縁部材８００の総面積の３０％の大きさを持つことができる。
【００９０】
図１４は、プレート型の絶縁部材８００、電流遮断デバイス用のガスケット７００、電流遮断デバイス６００、及び安全ベント３２０がこの順番で円筒缶に取り付けられる積層を概略的に示している。
【００９１】
上で示した図２から図６と共に図１４を参照すると、プレート型の絶縁部材８００の貫通孔８１０、電流遮断デバイス用のガスケット７００の中央開口部７１０、電流遮断デバイス６００の貫通孔６１０、及び安全ベント３２０の第一ノッチ３２４は、電池内部の圧縮ガスを外部に効率的に排出させるために、それらが互いに直線的に連通するように形成されている。
【００９２】
図１５から１７は、電池の内部圧力が異常に上昇した場合においてガスが排出される過程を概略的に示している。
【００９３】
前記図面を参照すると、電池の内部圧力が異常に上昇すると、圧縮ガスが電流遮断デバイス６００の貫通孔６１０及び貫通孔６３０を通過し、安全ベント３２０に上向きの圧力をかける。
【００９４】
図１６に示すように、当該圧力は、安全ベントの下向きの凹部３２２を上昇させるのと同時に、第一臨界圧力以上において、下向きの凹部３２２に溶着した突起部６２０を電流遮断デバイス６００から分離させ、それによって、電流遮断デバイス６００から安全ベント３２０への電気の適用を遮断する。
【００９５】
図１７に示すように、当該電流を遮断しているにもかかわらず、圧力が上昇し続けて第二臨界圧力以上に達した場合には、安全ベント３２０の第一ノッチ３２４が断裂し、それと同時に、内部の圧縮ガスがガス排出口３１２を通って外部に排出される。
【００９６】
本発明によれば、大径の第一ノッチ３２４が切断される場合、小径の第二ノッチが切断される場合と比較して多いガス排出量を示し、それにより、高圧ガスの迅速な排出を引き起こす。
【００９７】
これより、本発明について、以下の実施例を参照して詳細に説明する。これらの実施例は、本発明を説明するためだけに提供されており、本発明の範囲及び精神を限定するものと解釈されるべきではない。
【００９８】
［実施例１］
円柱形の二次電池は、下記の方法で作製される。
【００９９】
１−１．カソード及びアノードの作製
ＬｉＣｏＯ２を含有するカソード活物質がアルミニウム製の集電体に塗布されると共に、カソードを作製するためにカソードタップが上向きに突出するように前記集電体の端部に接着される。
人造黒鉛を含有するアノード活物質が銅製の集電体に塗布されると共に、アノードを作製するためにアノードタップが上向きに突出するように前記集電体（the anode collector）の端部に接着される。
【０１００】
１−２．電解質の調製
リチウム二次電池用の電解質は、１．０ＭのＬｉＰＦ６を含有する電解質としての非水溶媒に、添加剤としてのフルオロエチレンカーボネートを電解質の総重量の１１重量％だけ添加し、エチレンカーボネート（ＥＣ）／プロピレンカーボネート（ＰＣ）／ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）＝３０／５／６５（体積比）の割合で構成することによって調製される。
【０１０１】
１−３．中心ピンを用いたラミネートのローリング
ジェリー・ロールを製造するために、項目１−１で得られたカソードとアノードとの間にセパレータが介在しているシート型のラミネートが、中心ピンの内側に挿入された後、３５０ｇ／ｃｍ２の圧力で巻かれる。
それにより製造されたジェリー・ロールは、円筒形のケース内に収納され、リード線に接続されると共に、１−２の項目で調合された電解質がそこに注入される。
【０１０２】
１−４．円柱形の二次電池の作製
図７に示すように、直径８．０ｍｍ及び幅０．０６ｍｍの第一ノッチは、直径１６ｍｍ及び幅０．３ｍｍのアルミニウム製の板材のうちの３０度の角度をもつ円弧以外の領域に形成されており、下向きに突出した深さ０．６５ｍｍの凹部が設けられた安全ベントが製造される。
【０１０３】
さらに、図９に示すように、後記する３つの貫通孔の総面積が後記の板材の総面積の約３０％になるように、外径１１ｍｍ及び厚さ０．５ｍｍのアルミニウム製の板材に３つの貫通孔が放射状に形成される。
次に、電流遮断デバイスを製造するために、前記板材の中央に直径１．５３ｍｍ及び高さ０．２０ｍｍの突起部が形成されると共に、幅０．６ｍｍ及び円周長さ２．６１ｍｍの３つの貫通孔が中央の突起部の中心から１．５ｍｍの距離をおいて穿孔され、さらに、貫通孔を接続する各ブリッジ部に幅約７０μｍのノッチが形成される。
【０１０４】
さらに、図１１に示すように、電流遮断デバイスの貫通孔を遮蔽しない電流遮断デバイス用のガスケットが、ポリプロピレン製の板材から外径１２ｍｍ及び幅０．５ｍｍで製造される。
【０１０５】
電流遮断デバイスの外周部は、電流遮断デバイス用のガスケットの内側に挿入され、安全ベントの屈曲部の底部は、レーザ溶接によって電流遮断デバイスの突起部の上端に接着されている。
【０１０６】
電池を作製するために、プレート型の絶縁部材は、項目１−３の円筒形のケースの開口している上端部に取り付けられており、缶の上端は、ＰＴＣ素子及び上蓋が挿入されるビーディング（beading）によって固定されており、電流遮断デバイス及びガスケットと共に設けられた安全ベントは、ビーディング部分の中に挿入されており、ガスケットは缶の上端部を内向きにプレスすることによって締め付けられている。
【０１０７】
［実施例２］
電池は、安全ベントの製造工程において第一ノッチの幅が０．１ｍｍであると共に第二ノッチの幅が０．０６ｍｍであることを除いて実施例１と同様の方法で作製されている。
【０１０８】
［実施例３］
電池は、安全ベントの製造工程において第一ノッチの幅が７ｍｍであると共に第二ノッチの幅が０．０６ｍｍであることを除いて実施例１と同様の方法で作製されている。
【０１０９】
［実施例４］
電池は、電解質の調製工程において電解質の総重量の２０重量％の量のフルオロエチレンカーボネートが含有されていることを除いて実施例１と同様の方法で作製されている。
【０１１０】
［実施例５］
電池は、電解質の調製工程において電解質の総重量の３０重量％の量のフルオロエチレンカーボネートが含有されていることを除いて実施例１と同様の方法で作製されている。
【０１１１】
［実施例６］
電池は、電解質の調製において、体積比が８：９２であるプロピレンカーボネート（ＰＣ）とメチルプロピオネート（ＭＰ）とからなる非水溶媒が用いられていることを除いて実施例４と同様の方法で作製されている。
【０１１２】
［実施例７］
電池は、電解質の調製において、体積比が８：９２であるプロピレンカーボネート（ＰＣ）とメチルプロピオネート（ＭＰ）とからなる非水溶媒が用いられていることを除いて実施例４と同様の方法で作製されている。
【０１１３】
［比較例１］
パウチ型の単セルは、電解質の調製において添加剤が添加されないことを除いて実施例１と同様の方法で作製されている。
【０１１４】
［比較例２］
電池は、電解質の調製工程において電解質の総重量の５重量％の量のフルオロエチレンカーボネートが含有されていることを除いて実施例１と同様の方法で作製されている。
【０１１５】
［比較例３］
電池は、電流遮断デバイスの総面積が電流遮断デバイスの総面積の１８％であることを除いて実施例１と同様の方法で作製されている。
【０１１６】
［実験例１］
実施例１、４、及び５及び比較例１及び２において作製された電池が用意され、そのカソード界面抵抗が測定された。
実験結果を図１８に示す。
【０１１７】
図１８を参照すると、電気化学的インピーダンス分光（ＥＩＳ）装置を用いて周波数（frequency）当たりの抵抗値が測定されると共に、結果として生じる特性がグラフにおいて半円状に示されている。
フルオロエチレンカーボネートが電解質に添加された実施例１の電池は、添加剤が添加されていない電池（比較例１）及び添加剤を５重量％含有する電池（比較例２）と比較して相対的増加を示したことが分かる。
特に、添加剤を２０重量％含有する電池（実施例４）と添加剤を３０重量％含有する電池（実施例５）は、カソード界面抵抗において大幅増加を示したことが分かる。
【０１１８】
［実験例２］
実施例１、及び４から７、並びに比較例１及び２において作製された各電池がそれぞれ２つずつ用意され、完全に充電された電池に外部短絡が引き起こされ、その回路電流が測定される。
このようにして得られた実験結果は、表１に示されている。
【０１１９】
【表１】
【０１２０】
上記した表１から分かるように、フルオロエチレンカーボネートが電解質に添加された実施例１の電池は、添加剤が電解質に添加されていない比較例１の電池及び５重量％の添加剤が電解質に添加された比較例２の電池と比較して短絡時の低電流を示した。
【０１２１】
さらに、添加剤を２０重量％含有する実施例４の電池と添加剤を３０重量％含有する実施例５の電池は、添加剤を１１重量％含有する実施例１の電池と比較してかなり低い短絡回路電流を示した。
この性質は、実施例４及び５とは異なる非水電解質組成を有する実施例６及び７にも同様に示されている。
【０１２２】
したがって、短絡時の発熱は電流量に比例して増加することを考慮すると、本発明に係る電池は発熱量が少ないので比較的に安定している。
【０１２３】
［実験例３］
実施例１、及び４から７において作製された電池を、熱安定性に関して比較例１及び２の電池と比較した。こうして得られた結果を下記の表２に示す。
【０１２４】
【表２】
【０１２５】
上記表２において、「開始温度」は熱分解の初期温度を示しており、「熱容量」は熱解析におけるピーク面積を示している。
熱安定性は、これらの値を比較することにより評価した。
【０１２６】
実験から分かるように、フルオロエチレンカーボネートを含有しない比較例１の電池では電解質の分解が約２１０℃で１回引き起こされるが、フルオロエチレンカーボネートを含有する実施例１の電池では電解質の分解が約２２５℃と約２７５℃とで２回引き起こされる。
したがって、ガス発生が１度に集中することが抑制されることが分かる。
【０１２７】
さらに、表２から分かるように、実施例１の電池は、比較例１の電池の比熱容量の約５０％に相当する比熱容量（specific heat capacity）を示しており、これは、高温の発生による安全性の問題がより軽減されることを意味している。
特に、２０重量％の電解質添加剤を含有する実施例４の電池、及び３０重量％の電解質添加剤を含有する実施例５の電池は、それぞれ、実施例１の電池と比べて相当に低い比熱容量を示しており、これは、実施例４及び５の電池が優れた安定性を示すことを意味している。
発熱がかなり減少するこの現象は、ＰＣ及びＭＰからなる非水溶媒を用いている実施例６及び７に示されている。
【０１２８】
その一方で、５重量％の電解質添加剤を含有する比較例２の電池は、１１重量％の電解質添加剤を含有する実施例１の電池と比較して、比熱容量が７０％以上の増加を示した。
すなわち、フルオロエチレンカーボネートが添加されるものの、その量が１０重量％未満である場合、添加によって得られる効果は相当に低い。
【０１２９】
［実験例４］
実施例１及び３、並びに比較例３において作製された電池は釘刺し試験（nail test）が行われた。
こうして得られた結果を下記の表３に示す。
【０１３０】
【表３】
【０１３１】
上記した表３から分かるように、３０％の面積比の貫通孔を有する電流遮断デバイスが使用される場合、電池は爆発も変形も生じない。
【０１３２】
一方で、１８％の面積比の貫通孔を有する電流遮断デバイスを用いた比較例３の電池は、釘刺し試験中に爆発した。
さらに、実施例２及び３に示すように、第二ノッチが切断され、且つガスが安全ベントから円滑に排出されない場合、電池は爆発しないが変形し得る。
【０１３３】
大容量の電池では、安全ベントの切断部分の大きさ及び電流遮断デバイスの貫通孔の大きさが十分でない場合、ガスがこれらの要素を十分に通過することができなかったことが認められた。
さらに、安全ベントの切断部分が電池の内側に配置された第二ノッチの場合には、ノッチの直径が拡大されるが、切断後の安全ベントの傾いた内側のノッチによって、ガス排出に対する抵抗が不利に発生する可能性があることが認められた。
【０１３４】
前述から明らかなように、ガスを電池から効果的に放出するために、電流遮断デバイスの貫通孔の面積が増加すると共に、第一ノッチのように安全ベントの切断部分を用いた構造が電池の安定性の改善効果を発揮する。
【０１３５】
本発明の好ましい実施形態は例示目的のために開示されているが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に開示されているように、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、様々な変更、追加及び置換が可能であることを理解するであろう。
【符号の説明】
【０１３６】
１００・・・電池
２００・・・円筒缶
１１０・・・ジェリー・ロール
８００・・・絶縁部材
３００・・・キャップアッセンブリ
３１０・・・上蓋
３５０・・・ＰＴＣ素子
３２０・・・安全ベント
４００・・・気密用ガスケット
６００・・・電流遮断デバイス
７００・・・電流遮断デバイス用ガスケット
３１２・・・ガス排出口
３２２・・・凹部
３２４・・・第一ノッチ
３２６・・・第二ノッチ
３３０・・・非ノッチ領域
３４０・・・非ノッチ領域
６２０・・・突起部
４２０・・・カソードリード
６４０・・・ブリッジ部
６３０・・・貫通孔
６５０・・・ノッチ
６１０・・・貫通孔
７１０・・・中央開口部
８２０・・・開口部
８１０・・・貫通孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード／セパレータ／アノードを巻くことによって作製された電極アッセンブリ（ジェリー・ロール）と電解質とが円筒缶の内側に設けられた円柱形の電池であって、
前記円筒缶の開口した上部に取り付けられたキャップアッセンブリが、
前記電池の高圧ガスによって切断可能な所定のノッチを備えた安全ベントと、
前記安全ベントの底部に溶接された、電流を遮断する電流遮断デバイスと、
前記電流遮断デバイスの外周部を取り囲んでいる電流遮断デバイス用ガスケットと、
を備えており、
前記電流遮断デバイスがガスを排出させるための２つ以上の貫通孔を備えており、前記貫通孔が前記電流遮断デバイスの総面積の２０から５０％の大きさを持っている、円柱形の電池。
【請求項２】
前記電流遮断デバイスは、その中央に、上向きに突出していると共に前記安全ベントの凹部の前記底部に溶接された突起部が設けられ、且つ、前記突起部以外の領域の前記底部を介して前記ジェリー・ロールの前記カソードに接続されたカソードリードが電気的に接続される構造と、前記突起部の中心に基づいて同心状に形成された３から５つの貫通孔と隣接する貫通孔に接続するノッチとが設けられたブリッジ部と、を有する、請求項１に記載の円柱形の電池。
【請求項３】
前記貫通孔は、前記電流遮断デバイスの総面積の３０から４０％の面積を有する、請求項１に記載の円柱形の電池。
【請求項４】
前記貫通孔は、前記電流遮断デバイスの中心に基づいて放射状に対称な位置で円弧形状に形成されている、請求項１に記載の円柱形の電池。
【請求項５】
前記３つの貫通孔が、それらが、前記電流遮断デバイスの中心に基づいて５０から８０度の角度に対応する長さを有する円弧状の形で、所望の間隔で互いに離間されるように配置されている、請求項２に記載の円柱形の電池。
【請求項６】
前記３つの貫通孔が、それらが、前記電流遮断デバイスの中心に基づいて４０から５５度の角度に対応する長さを有する円弧状の形で、所望の間隔で互いに離間されるように配置されている、請求項２に記載の円柱形の電池。
【請求項７】
前記安全ベントは、下向きの凹部状の中央部を有しており、前記凹部を構成する上側の屈曲部に第一ノッチが設けられ、前記凹部を構成する下側の屈曲部に第二ノッチが設けられ、
上側領域に設けられた前記第一ノッチが、その一方側が開いている開曲線状になっている、請求項１に記載の円柱形の電池。
【請求項８】
前記第二ノッチは、互いに向かい合う両端が開いている開曲線構造を有している、請求項７に記載の円柱形の電池。
【請求項９】
前記第一ノッチは、前記貫通孔の中心線を接続する仮想線の大きさと等しい大きさを有する、請求項７に記載の円柱形の電池。
【請求項１０】
前記第一ノッチの前記開いている領域は、前記第一ノッチが切断されたときに前記凹部が完全に切断されることを防止するために、前記安全ベントの中心に対して２０から５０度の角度に対応する円弧状の長さを有している、請求項７に記載の円柱形の電池。
【請求項１１】
前記第二ノッチにおいて開いている前記両端は、前記第一ノッチの前記開いている領域と対応していない領域に形成されている、請求項８に記載の円柱形の電池。
【請求項１２】
前記キャップアッセンブリは、電流遮断デバイスと、電流遮断デバイス用ガスケットと、安全ベントと、ＰＴＣ素子と、１つ以上のガス排出口が形成された上蓋と、からなる積層構造を有しており、前記積層構造の外周部にガスケットが取り付けられている、請求項１に記載の円柱形の電池。
【請求項１３】
前記ガスケットには、その中央に開口部が設けられており、該開口部は、前記電流遮断デバイスの前記貫通孔に連通されている、請求項１に記載の円柱形の電池。
【請求項１４】
前記電流遮断デバイスの前記貫通孔、前記電流遮断デバイス用ガスケットの前記中央開口部、及び前記安全ベントの前記ノッチは、それらが互いに直線的に連通するように形成されている、請求項１３に記載の円柱形の電池。
【請求項１５】
熱安定性を向上させるために添加剤（電解質添加剤）を含む電解質を備える、請求項１に記載の円柱形の電池。
【請求項１６】
前記電解質添加剤は、ガスを発生させるために１５０℃以上の温度で温度上昇を伴う連続的な電解質分解を生じさせる、請求項１５に記載の円柱形の電池。
【請求項１７】
前記電解質添加剤は、１５０から２５０℃で一次電解質分解を生じさせ、２５０から３００℃で二次電解質分解を生じさせる材料である、請求項１６に記載の円柱形の電池。
【請求項１８】
前記電解質添加剤は、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）である、請求項１６に記載の円柱形の電池。
【請求項１９】
前記電解質添加剤は、電解質の総重量に基づいて１１から４０重量％の量が含まれている、請求項１５に記載の円柱形の電池。
【請求項２０】
前記電解質添加剤は、電解質の総重量に基づいて１５から３５重量％の量が含まれている、請求項１５に記載の円柱形の電池。
【請求項２１】
電極アッセンブリと電解質とが円筒缶内に設けられた電池におけるキャップアッセンブリであって、前記円筒缶の開口している上端部に取り付けられたキャップアッセンブリにおいて、
前記電池の電解質は、前記電解質の重量に基づいて１５０℃以上の温度で温度上昇を伴う連続的な電解質分解を経てガスを発生させる添加剤を１１から４０重量％含んでおり、
プレート型の絶縁部材がジェリー・ロールの上端部に取り付けられており、前記絶縁部材の中央には、ガスを排出させることができると共に電極端子に接続させることができる穿孔された開口部と、前記開口部の周りに配置された１つ以上の貫通孔と、が設けられており、前記プレート型の絶縁部材の前記貫通孔は、前記プレート型の絶縁部材の総面積の２０から５０％の大きさを有する、キャップアッセンブリ。
【請求項２２】
前記プレート型の絶縁部材の前記貫通孔は、電流遮断デバイス用ガスケットの中央開口部及び電流遮断デバイスの貫通孔と直線的に連通するような位置にある、請求項２１に記載のキャップアッセンブリ。
【請求項１】
カソード／セパレータ／アノードを巻くことによって作製された電極アッセンブリ（ジェリー・ロール）と電解質とが円筒缶の内側に設けられた円柱形の電池であって、
前記円筒缶の開口した上部に取り付けられたキャップアッセンブリが、
前記電池の高圧ガスによって切断可能な所定のノッチを備えた安全ベントと、
前記安全ベントの底部に溶接された、電流を遮断する電流遮断デバイスと、
前記電流遮断デバイスの外周部を取り囲んでいる電流遮断デバイス用ガスケットと、
を備えており、
前記電流遮断デバイスがガスを排出させるための２つ以上の貫通孔を備えており、前記貫通孔が前記電流遮断デバイスの総面積の２０から５０％の大きさを持っている、円柱形の電池。
【請求項２】
前記電流遮断デバイスは、その中央に、上向きに突出していると共に前記安全ベントの凹部の前記底部に溶接された突起部が設けられ、且つ、前記突起部以外の領域の前記底部を介して前記ジェリー・ロールの前記カソードに接続されたカソードリードが電気的に接続される構造と、前記突起部の中心に基づいて同心状に形成された３から５つの貫通孔と隣接する貫通孔に接続するノッチとが設けられたブリッジ部と、を有する、請求項１に記載の円柱形の電池。
【請求項３】
前記貫通孔は、前記電流遮断デバイスの総面積の３０から４０％の面積を有する、請求項１に記載の円柱形の電池。
【請求項４】
前記貫通孔は、前記電流遮断デバイスの中心に基づいて放射状に対称な位置で円弧形状に形成されている、請求項１に記載の円柱形の電池。
【請求項５】
前記３つの貫通孔が、それらが、前記電流遮断デバイスの中心に基づいて５０から８０度の角度に対応する長さを有する円弧状の形で、所望の間隔で互いに離間されるように配置されている、請求項２に記載の円柱形の電池。
【請求項６】
前記３つの貫通孔が、それらが、前記電流遮断デバイスの中心に基づいて４０から５５度の角度に対応する長さを有する円弧状の形で、所望の間隔で互いに離間されるように配置されている、請求項２に記載の円柱形の電池。
【請求項７】
前記安全ベントは、下向きの凹部状の中央部を有しており、前記凹部を構成する上側の屈曲部に第一ノッチが設けられ、前記凹部を構成する下側の屈曲部に第二ノッチが設けられ、
上側領域に設けられた前記第一ノッチが、その一方側が開いている開曲線状になっている、請求項１に記載の円柱形の電池。
【請求項８】
前記第二ノッチは、互いに向かい合う両端が開いている開曲線構造を有している、請求項７に記載の円柱形の電池。
【請求項９】
前記第一ノッチは、前記貫通孔の中心線を接続する仮想線の大きさと等しい大きさを有する、請求項７に記載の円柱形の電池。
【請求項１０】
前記第一ノッチの前記開いている領域は、前記第一ノッチが切断されたときに前記凹部が完全に切断されることを防止するために、前記安全ベントの中心に対して２０から５０度の角度に対応する円弧状の長さを有している、請求項７に記載の円柱形の電池。
【請求項１１】
前記第二ノッチにおいて開いている前記両端は、前記第一ノッチの前記開いている領域と対応していない領域に形成されている、請求項８に記載の円柱形の電池。
【請求項１２】
前記キャップアッセンブリは、電流遮断デバイスと、電流遮断デバイス用ガスケットと、安全ベントと、ＰＴＣ素子と、１つ以上のガス排出口が形成された上蓋と、からなる積層構造を有しており、前記積層構造の外周部にガスケットが取り付けられている、請求項１に記載の円柱形の電池。
【請求項１３】
前記ガスケットには、その中央に開口部が設けられており、該開口部は、前記電流遮断デバイスの前記貫通孔に連通されている、請求項１に記載の円柱形の電池。
【請求項１４】
前記電流遮断デバイスの前記貫通孔、前記電流遮断デバイス用ガスケットの前記中央開口部、及び前記安全ベントの前記ノッチは、それらが互いに直線的に連通するように形成されている、請求項１３に記載の円柱形の電池。
【請求項１５】
熱安定性を向上させるために添加剤（電解質添加剤）を含む電解質を備える、請求項１に記載の円柱形の電池。
【請求項１６】
前記電解質添加剤は、ガスを発生させるために１５０℃以上の温度で温度上昇を伴う連続的な電解質分解を生じさせる、請求項１５に記載の円柱形の電池。
【請求項１７】
前記電解質添加剤は、１５０から２５０℃で一次電解質分解を生じさせ、２５０から３００℃で二次電解質分解を生じさせる材料である、請求項１６に記載の円柱形の電池。
【請求項１８】
前記電解質添加剤は、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）である、請求項１６に記載の円柱形の電池。
【請求項１９】
前記電解質添加剤は、電解質の総重量に基づいて１１から４０重量％の量が含まれている、請求項１５に記載の円柱形の電池。
【請求項２０】
前記電解質添加剤は、電解質の総重量に基づいて１５から３５重量％の量が含まれている、請求項１５に記載の円柱形の電池。
【請求項２１】
電極アッセンブリと電解質とが円筒缶内に設けられた電池におけるキャップアッセンブリであって、前記円筒缶の開口している上端部に取り付けられたキャップアッセンブリにおいて、
前記電池の電解質は、前記電解質の重量に基づいて１５０℃以上の温度で温度上昇を伴う連続的な電解質分解を経てガスを発生させる添加剤を１１から４０重量％含んでおり、
プレート型の絶縁部材がジェリー・ロールの上端部に取り付けられており、前記絶縁部材の中央には、ガスを排出させることができると共に電極端子に接続させることができる穿孔された開口部と、前記開口部の周りに配置された１つ以上の貫通孔と、が設けられており、前記プレート型の絶縁部材の前記貫通孔は、前記プレート型の絶縁部材の総面積の２０から５０％の大きさを有する、キャップアッセンブリ。
【請求項２２】
前記プレート型の絶縁部材の前記貫通孔は、電流遮断デバイス用ガスケットの中央開口部及び電流遮断デバイスの貫通孔と直線的に連通するような位置にある、請求項２１に記載のキャップアッセンブリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公表番号】特表２０１３−５０２０３５（Ｐ２０１３−５０２０３５Ａ）
【公表日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２４６５１（Ｐ２０１２−５２４６５１）
【出願日】平成２２年８月１３日（２０１０．８．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２０１０／００５３３８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１９２３７
【国際公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（５００２３９８２３）エルジー・ケム・リミテッド (1,221)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１３日（２０１０．８．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２０１０／００５３３８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１９２３７
【国際公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（５００２３９８２３）エルジー・ケム・リミテッド (1,221)
【Ｆターム（参考）】
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