特許 7708504 電池トレイおよびそれを用いた電池の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-07-07

(45)【発行日】2025-07-15

(54)【発明の名称】電池トレイおよびそれを用いた電池の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/04 20060101AFI20250708BHJP

   H01M 10/0587 20100101ALI20250708BHJP

   H01M 10/058 20100101ALI20250708BHJP

【ＦＩ】

H01M10/04 Z

H01M10/04 W

H01M10/0587

H01M10/058

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2024525493

(86)(22)【出願日】2022-11-18

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2024-10-29

(86)【国際出願番号】 KR2022018299

(87)【国際公開番号】W WO2023090933

(87)【国際公開日】2023-05-25

【審査請求日】2024-04-26

(31)【優先権主張番号】10-2021-0160203

(32)【優先日】2021-11-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】521065355

【氏名又は名称】エルジー エナジー ソリューション リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】ヒョン・チョル・クォン

(72)【発明者】

【氏名】ジ・ウォン・パク

(72)【発明者】

【氏名】ピル・キュ・パク

(72)【発明者】

【氏名】スン・クァン・ド

【審査官】寺坂 一也

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－３１２８２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１７９００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１９３６９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１９３０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２１３４０１３０１（ＣＮ，Ｕ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２６９５３６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／００－１０／３９

Ｈ０１Ｍ ５０／２０－５０／２９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電池製造工程において、複数の電池を収納するための電池トレイであって、電池が収容される前記電池トレイのハウジングの底部には、充放電端子が挿入される複数の挿入穴および空気の流動のための複数の熱放出穴が形成された、電池トレイ。

【請求項2】

電池を１つずつ収納する複数の長方形状のポケットを形成する仕切り壁を含む、請求項１に記載の電池トレイ。

【請求項3】

前記ポケットそれぞれの底部に１つの挿入穴が形成された、請求項２に記載の電池トレイ。

【請求項4】

前記挿入穴は、前記ポケットの底部の中心に形成された、請求項３に記載の電池トレイ。

【請求項5】

前記熱放出穴は、前記挿入穴を中心にその外周辺に形成される、請求項１に記載の電池トレイ。

【請求項6】

前記挿入穴それぞれの外周辺に２個～５個の熱放出穴が形成される、請求項５に記載の電池トレイ。

【請求項7】

前記熱放出穴の直径は、３ｍｍ～１２ｍｍである、請求項１に記載の電池トレイ。

【請求項8】

前記ハウジングは、
底部と、前記底部の４つのコーナー部からそれぞれ垂直に延長されて所定の高さを有する側壁と、を含む、請求項１に記載の電池トレイ。

【請求項9】

前記側壁には、複数の側壁熱放出穴が形成された、請求項８に記載の電池トレイ。

【請求項10】

前記電池トレイは、複数の電池トレイを垂直方向に積層する構造である、請求項８に記載の電池トレイ。

【請求項11】

前記電池トレイは、上面側が開放されており、
前記ポケットは、その中に円筒型電池が起立状態で収納されるようになっている、請求項２に記載の電池トレイ。

【請求項12】

請求項１～１１のいずれか一項に記載の電池トレイに複数の電池を収納して活性化過程を行う、電池の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、２０２１年１１月１９日付の韓国特許出願第１０－２０２１－０１６０２０３号に基づく優先権の利益を主張する。

【0002】

本発明は、電池の活性化過程で温度偏差を改善し得る電池トレイおよびそれを用いた電池の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0003】

現在商用化されている二次電池としては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがある。このうちリチウム二次電池は、ニッケル系列の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらず、充放電が自由で自家放電率が低く、エネルギー密度が高いという長所により脚光を浴びている。

【0004】

このようなリチウム二次電池は、主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、正極活物質が正極集電体にコーティングされた正極板と負極活物質が負極集電体にコーティングされた負極板が分離膜を間に置いて配置された構造を有する単位セルを結合させた電極組立体と、この電極組立体を電解液と共に密封収納する外装材、すなわち、電池ケースとを備える。リチウム二次電池は、電池ケースの形状に応じて、電極組立体が円筒型や角型の金属缶に内蔵されている缶型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに内蔵されているパウチ型二次電池に分類される。

【0005】

一方、二次電池は、セルを組み立てる過程と電池を活性化する過程を経て製造されるが、電池の活性化ステップではトレイに電池を搭載し、活性化に必要な条件で充放電およびエージングを行うことになる。

【0006】

このような活性化ステップでは、電池の充放電と高温エージングでの化学反応により設定された温度より高い温度に至るまで電池の自家発熱が発生し、電池の自家発熱は電池の性能の劣化を引き起こし得るので、電池の自家発熱を制御するために、電池に対する空気の送風等をすることによって好適な温度に電池を冷却している。

【0007】

図１は、従来の円筒型電池を複数収納する従来の電池トレイの上面図である。図１を参照すると、従来の電池トレイ１０には、複数の電池を一定のピッチで収納するためのポケット１２が設けられている。このポケット１２は、Ｘ方向（横方向）とＹ方向（縦方向）にそれぞれ一定のピッチで形成されており、このポケット１２に電池が１つずつ収納されるようになっている。

【0008】

電池トレイ１０には仕切り壁１１が設置され、この仕切り壁１１によって四方が囲まれるようにして正方形状のポケット１２が形成されている。そして、底部には充放電端子が挿入される挿入穴１３が形成され、電池がトレイに収納された状態で活性化に必要な条件で充放電を行い得るように、充放電端子が挿入穴を介してトレイの内部に収納された電池に充放電端子が電気的に接続することになる。

【0009】

一方、電池トレイは、複数の電池を活性化するために、電池が収納されたトレイを複数個積層した状態で活性化ステップを行うが、このような場合、従来の電池トレイ構造は、熱流動が円滑ではなく、電池が収容された位置によっては冷却の不均一を引き起こし得る。

【0010】

したがって、トレイの中心部と外郭部での熱流動と、トレイ積層時に上部と下部での熱流動を改善し得る電池トレイに対する技術開発が必要であるのが実情である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためのものであり、トレイの熱流動を改善し、電池の収納位置による温度偏差を改善し得る新規な構造の電池トレイを提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の一実施形態に係る電池トレイは、電池製造工程において、複数の電池を収納するための電池トレイであって、電池が収容されるハウジングの底部には、充放電端子が挿入される複数の挿入穴および空気の流動のための複数の熱放出穴が形成されている。

【0013】

本発明の一実施形態に係る電池トレイは、電池を１つずつ収納する複数の長方形状のポケット（Ｐｏｃｋｅｔ）を形成する仕切り壁を含む。

【0014】

本発明の一実施形態において、ポケットそれぞれの底部に１つの挿入穴が形成される。

【0015】

本発明の一実施形態において、上記挿入穴は、上記ポケットの底部の中心に形成される。

【0016】

本発明の一実施形態において、上記熱放出穴は、上記挿入穴を中心にその外周辺に形成される。

【0017】

本発明の一実施形態において、挿入穴それぞれの外周辺に２個～５個の熱放出穴が形成される。

【0018】

本発明の一実施形態において、上記熱放出穴の直径は、３ｍｍ～１２ｍｍである。

【0019】

本発明の一実施形態において、上記ハウジングは、底部と、上記底部の４つのコーナー部からそれぞれ垂直に延長されて所定の高さを有する側壁と、を含む。

【0020】

本発明の一実施形態において、上記側壁には、複数の側壁熱放出穴が形成される。

【0021】

本発明の一実施形態に係る電池トレイは、複数の電池トレイを垂直方向に積層し得る構造である。

【0022】

本発明の一実施形態に係る電池トレイは、上面側が開放されており、上記ポケットは、上記ポケットの中に円筒型電池が起立状態で収納され得るようになっている。

【0023】

本発明の電池の製造方法は、上記電池トレイに複数の電池を収納して活性化過程を行う。

【発明の効果】

【0024】

本発明の電池トレイは、底部に熱放出穴が備えられており、熱放出穴を介して電池から発生した熱気が円滑に流動するので、電池が収納された位置にトレイの中央や外郭による差があっても温度偏差が低減する。

【0025】

また、従来のトレイにおいて、その中央部の熱流動が不良であり、当該部位に収納された電池に対する冷却効率が低下し、電池の劣化を引き起こし得る問題点を改善するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】従来の円筒型電池を複数収納する従来の電池トレイの上面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る電池トレイの斜視図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る電池トレイの上面図である。

【図4】本発明の一実施形態により電池トレイを積層した様子を示した図面である。

【図5】本発明の他の実施形態に係る電池トレイの上部図の一側頂点を拡大した図面である。

【図6】本発明の実施例２のトレイに対して実験例の温度測定結果を示したグラフである。

【図7】比較例のトレイに対して実験例の温度測定結果を示したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。その前に、本明細書および特許請求の範囲で使用された用語や単語は、通常的または辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者が彼自身の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義し得るという原則に基づいて本発明の技術的思想に合致する意味と概念として解釈され得る。

【0028】

したがって、本明細書に記載された実施形態と図面に図示された構成は、本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替し得る多様な均等物と変形例があり得る。

【0029】

以下、本発明の一実施形態について図２～図４を参照して説明する。

【0030】

図２は、本発明の一実施形態に係る電池トレイの斜視図であり、図３は、本発明の一実施形態に係る電池トレイの上面図とその一部を拡大した図面であり、図４は、本発明の一実施形態により電池トレイを積層した様子を示した図面である。

【0031】

図２～図４を参照すると、電池トレイ１００は、電池が収容されるハウジング１１０が上面側を開放した正四角形に形成され、その中に複数の電池が起立状態で収納され得るようになっている。電池トレイ１００には、ハウジング１１０の底部に、充放電端子が挿入される複数の挿入穴１２０および空気の流動のための複数の熱放出穴１３０が形成されている。

【0032】

上記熱放出穴は、電池で発生する熱気をトレイの中央部から外郭部に容易に流動するようにし、トレイが積層された場合には、熱気をトレイ積層体の下部から上部に容易に流動するようにする。したがって、本発明の電池トレイは、活性化ステップ中に電池から放出される熱気の熱流動を円滑にするので、電池が収納された位置による電池間温度偏差を低減し、従来のトレイ構造では、トレイの中央に収納された電池の場合に、熱気が外郭に移動せずそのまま留まることになり、電池が適切に冷却されないために当該電池の性能が劣化し得たが、このような問題も改善し得る。

【0033】

電池トレイ１００には、複数の電池を一定のピッチで収納するための複数のポケット１４０が設けられている。このポケット１４０は、Ｘ方向（横方向）とＹ方向（縦方向）にそれぞれ一定のピッチで形成されており、このポケット１４０に電池が１つずつ収納されるようになっている。

【0034】

電池トレイ１００には仕切り壁１５０が設置され、この仕切り壁１５０により四方が囲まれるようにして長方形状のポケット１４０が形成されている。上記仕切り壁１５０は、電池トレイの横方向（Ｘ方向）および縦方向（Ｙ方向）に沿って形成されている。

【0035】

ポケット１４０は、円筒型電池を立てた状態に維持するようになっている。言い換えれば、ポケットは、その中に円筒型電池が起立状態で収納され得るようになっている。ポケットの底部に円筒型電池が直立した状態で載置される。

【0036】

上記挿入穴１２０は、ポケット１４０それぞれの底部の中心に１つの挿入穴が設けられており、この挿入穴に電池の充放電端子が挿入されるようになっている。

【0037】

上記熱放出穴１３０は、活性化過程中に電池から発生する熱気の流動を円滑にし、トレイの底部に形成される。熱放出穴は、上記挿入穴を中心にその外周辺に形成され、挿入穴それぞれの外周辺に２個～５個の熱放出穴が形成される。

【0038】

熱放出穴の直径は、３ｍｍ～１２ｍｍであり、好ましくは４ｍｍ～１０ｍｍであり、より好ましくは５ｍｍ～９ｍｍである。熱放出穴の直径が大きいほどトレイ内の気流を円滑にし得るので熱流動の側面で有利であるが、熱放出穴の直径が大きすぎる場合には、電池トレイの剛性が弱くなり得るので、熱放出穴の直径は上記範囲にあることが好ましい。

【0039】

一方、１つのポケットの底部において、熱放出穴の配置形態は、気流が均一に移動するようにするために、図３に示したように、ポケット底部の４つの頂点周辺のそれぞれに熱放出穴がそれぞれ配置された形態である。

【0040】

上記ハウジング１１０は、その内部に複数の電池を収容し、底部と、上記底部の４つのコーナー部からそれぞれ垂直（電池の直立方向）に延長されて所定の高さを有する側壁１１２とを含む。

【0041】

底部は、ハウジング内部に収容される電池の下部面が当たる部分であり、長方形状である。底部の外郭４辺である縦方向の左側辺、縦方向の右側辺、横方向の左側辺、横方向の右側辺には、それぞれ垂直方向に延長された側壁が設置されている。

【0042】

上記側壁１１２には、底部と同様にトレイの熱流動を円滑にするための側壁熱放出穴１６０が複数形成されている。このような側壁熱放出穴１６０は、４つの側壁のそれぞれに形成され、側壁熱放出穴の相互間は、一定の間隔で離隔して形成され得る。側壁にも熱放出穴を形成することにより、電池から発生した熱気がトレイの側部を介して流動し得るので、本発明の目的達成にさらに効果的である。

【0043】

図４を参照すると、本発明の電池トレイは、複数の電池トレイを垂直方向に積層し得る構造である。

【0044】

上記側壁の高さは仕切り壁の高さより高く、電池トレイを垂直方向に積層したときに、下部トレイの仕切り壁が上部トレイの底面に干渉されない。具体的には、仕切り壁の高さは、上記側壁高さの５０％～９５％であり得る。

【0045】

このような電池トレイは、エンジニアリングプラスチックなどの工業用熱可塑性プラスチックの射出成形によって製造され得る。電池トレイの製作のためのモールドのキャビティを本発明の仕切り壁、挿入穴および熱放出穴まで考慮した形状にした後に射出成形をすると、仕切り壁、挿入穴および熱放出穴が形成された電池トレイを一体型に製作し得る。

【0046】

一方、本発明は、上記電池トレイに複数の電池を収納して活性化過程を行う電池の製造方法を提供する。

【0047】

上記活性化過程は、電池の組み立てが完了した電池を使用し得るように、電池をＳＯＣ２０％～６０％で初期充電する過程、電池をエージングする過程、電池を満充電および満放電する過程を含み得、活性化過程の具体的な内容は公知の方法によるので、これ以上の説明は省略する。

【0048】

本発明の電池トレイは、熱流動が改善されるので、電池の活性化工程時に本発明の電池トレイに電池を収納した状態で活性化工程を行うと、電池の収納位置による温度偏差が低減され、温度上昇速度および冷却速度を均一化して容量偏差を画期的に改善し得る効果がある。

【0049】

図５は、本発明の他の実施形態に係る電池トレイの上部図である。図５を参照すると、本発明の電池トレイ２００には、仕切り壁２５０が設置され、この仕切り壁２５０によって四方が囲まれるようにして正方形状のポケット２４０が形成されている。上記仕切り壁２５０は、電池トレイ２００の対角線方向に沿って形成されている。図５に示された実施形態は、図２～図３に示した実施形態のポケットと比較してポケットの配列が変更された。すなわち、図５に示された実施形態の電池トレイは、ポケットが４５°回転された形状、すなわち、電池トレイ２００の対角線方向に沿って互いに面対面に接触されたた形態で構成し、捨てられる空間を減少させて（空間の利用効率を向上させて）より多くの個数の電池を収納し得る。

【0050】

図５を参照すると、最も左側にある列の最下部ポケットは横方向の下側辺に接し、次に右側にある列の最上部ポケットは横方向の上側辺に接する。このように、互いに隣接する２列を比較してみると、１つの列は横方向の下側辺に接し、他の列は横方向の上側辺に接するようにジグザグ状にポケットが互いに交互に配置された形態である。すなわち、ポケットの角同士が互いに会うように、ポケットを縦方向に複数個を並べた列を横方向に単純に並べて配置するのではなく、横方向に複数個の列を配置し、かつ、１つの列は下側に、その隣の列は上側に貼り付けて空き空間なしで配置するのである。これにより、電池トレイには捨てられる空間なしでポケットをより多く配列し得るようになり、同一面積内にポケットをより多く配列し得るようになる。

【0051】

以下、実施例などを通じて本発明をより詳細に説明する。しかしながら、本明細書に記載された実施例に記載された構成は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替し得る多様な均等物と変形例があり得る。

【0052】

［実施例１］
図２～図３に示したような電池トレイ（外郭サイズが５４０ｍｍ×５４０ｍｍ、ポケットのピッチは３０ｍｍであり、ポケットの総数は２５６である）を用意した。用意されたトレイの各ポケットの底部には、充放電端子を挿入するための１つの挿入穴と４つの頂点部周辺にそれぞれ直径が５．６ｍｍである熱放出穴が形成されている。

【0053】

［実施例２］
実施例１の電池トレイから熱放出穴の直径を７．０ｍｍに変更した電池トレイを用意した。

【0054】

［実施例３］
実施例１の電池トレイで熱放出穴の直径を８．４ｍｍに変更した電池トレイを用意した。

【0055】

［比較例］
実施例１の電池トレイから熱放出穴を排除した電池トレイを用意した。

【0056】

［実験例１：温度測定］
実施例２の電池トレイのポケットそれぞれに直径が２１．４５ｍｍである円筒型電池を収納し、このように電池を収納したトレイを５つの層で積層した状態で、電池に対して初期充電、高温エージングを行った。

【0057】

その後、温度が２５℃の雰囲気下で、トレイ積層体の中央にある３層のトレイの中央部および外郭部の大気温度を時間と共に測定し、その結果を図６に示した。

【0058】

比較例の電池トレイに対しても、上述したように同一の実験を行い、その結果を図７に示した。

【0059】

図６および図７を参照すると、実施例２および比較例に係るトレイの両方において、電池の自家発熱によりその周辺の温度が上昇するので、温度測定部位の温度が序盤には増加する様相を示している。

【0060】

実施例２のトレイは、３層中央部の温度が最大７２℃まで上昇し、３層外郭部の温度が最大６７℃まで上昇し、中央部と外郭部の温度偏差が最大５℃であることが示された。そして、熱の流動が有利な外郭部は約６時間後に温度平衡をなし、相対的に熱の流動が不利な中央部は約８時間となり温度平衡をなすことが示された。

【0061】

比較例のトレイは、３層中央部と３層外郭部との温度偏差が、約４時間が経過した時点で約２０℃であり、約１７時間が経過した時点で約１０℃であることが示され、実施例２のトレイと比較して中央部と外郭部の温度偏差が大きいことを確認し得る。また、相対的に熱の流動が不利な中央部は、１７時間が経過した時点でも温度上昇傾向が続くことが示されており、トレイの中央部は熱流動が不良であることを確認し得る。

【0062】

［実験例２：熱流動性の測定］
実施例１～実施例３のトレイに対してＤＴ＿ｍａｘを測定し、その結果を表１に示した。ＤＴ＿ｍａｘは、トレイ全体の体積全般にわたる最大温度差を意味し、ＤＴ＿ｍａｘが小さいほど熱流動に有利であることを示す。

【0063】

【表1】

【0064】

表１を参照すると、熱放出穴の直径が大きいほどＤＴ＿ｍａｘ値が小さくなり、熱流動に有利であることを確認し得る。

【0065】

以上で本発明は限定された実施例と図面によって説明されたが、本発明はこれにより限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者によって本発明の技術思想と以下に記載される請求範囲の均等範囲内で多様な修正および変形が可能であることはもちろんである。

【符号の説明】

【0066】

１０、１００、２００：電池トレイ
１１０：ハウジング
１１２：側壁
１３、１２０：挿入穴
１３０：熱放出穴
１２、１４０、２４０：ポケット
１１、１５０、２５０：仕切り壁
１６０：側壁熱放出穴

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】