(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電可能である正極と、セパレータと、負極とから成る構造を有する電極組立体であって、前記正極及び負極の上端部を越えて突出している前記セパレータは、一方向に湾曲し、前記セパレータは、前記セパレータの前記湾曲状態が固定されるように熱処理され、絶縁被覆層が前記セパレータの湾曲表面に形成されることを特徴とする電極組立体。
【請求項２】
前記セパレータは、前記前記正極及び負極の前記上端部から長さが１.５ｍｍ〜３ｍｍ突出していることを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。
【請求項３】
前記負極の上端部が前記正極の上端部より高く突出しており、前記セパレータが前記負極の前記上端部から突出していることを特徴とする請求項２に記載の電極組立体。
【請求項４】
前記熱処理固定動作が、セパレータ材のガラス転移温度を超えた温度で、又は前記セパレータ材の融点を超えない温度で行われることを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。
【請求項５】
前記絶縁被覆層が、溶融絶縁材を前記セパレータの湾曲上端部に塗布することと、前記溶融絶縁材を凝固することとによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。
【請求項６】
前記溶融絶縁材が、前記セパレータ用の材料と同じ高分子樹脂であるポリオレフィン樹脂であることを特徴とする請求項５に記載の電極組立体。
【請求項７】
前記被覆層は、厚さが１ｍｍから３ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。
【請求項８】
前記電極組立体が、ジェリーロール型電極組立体又は積層型電極組立体であることを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項による電極組立体を含む二次電池。
【請求項１０】
前記二次電池が、前記電極組立体の上端部に取り付けられている付加的絶縁部材を含まないことを特徴とする請求項９に記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上端部が密封されているセパレータを有する電極組立体及びこの電極組立体を含む二次電池に関し、より詳細には、充放電可能である正極と、セパレータと、負極とから成る構造を有する電極組立体であって、電極の上端部を越えて突出しているセパレータは、一方向に湾曲し、セパレータは、セパレータの湾曲状態が固定されるように熱処理され、絶縁被覆層がセパレータの湾曲表面に形成され、それにより、異物が電極組立体内に取り込まれることが抑止され、したがって、電極組立体の安全性が改善される、電極組立体と、この電極組立体を含む二次電池とに関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池は、携帯電話、ラップトップコンピュータ、ビデオカメラなどの携帯機器用の電源として広く使用されている。特にリチウム二次電池は、リチウム二次電池が高作動電圧及び単位重量当たりの高エネルギー密度を有するので、ますます使用されてきている。
【０００３】
リチウム二次電池は、主に、正極活物質としてリチウムベースの酸化物を、及び負極活物質として炭素質材料を使用する。一般に、リチウム二次電池は、電解液の種類に基づいて液体電解質電池又は高分子電解質電池に分類可能である。リチウム二次電池はまた、使用される電解質の形態に基づいて、リチウムイオン電池、リチウムイオン高分子電池、又はリチウム高分子電池にも分類可能である。リチウム二次電池は、電池の外観に基づいて、円筒形電池、角形電池、又はパウチ形電池に分類可能である。
【０００４】
二次電池を構成する電極組立体は、セパレータが正極と負極との間に配置されている構造で構成されている。電極組立体の一般的な例には、長いシートタイプの電極とセパレータとが、円形の断面形状で巻回されて構成されているジェリーロール型電極組立体と、所定のサイズを有する電極及びセパレータが、互いに連続して積み重ねられる構造で構成されている積層型電極組立体とが含まれる。
【０００５】
正極及び負極は、セパレータによって互いに電気的に絶縁されるが、導電性の異物が電極組立体内に取り込まれること、又は負極における樹枝状結晶成長により、上述の構成による電極組立体は、電極組立体内に短絡が生じる場合があるという問題をはらんでいる。
【０００６】
このため、隣接するセパレータの端部を熱溶接によって互いに付着させるための技術（特許文献１及び特許文献２を参照）と、負極材料としてリチウムを使用する電池において電極の厚さの２分の１より大きな厚さに、絶縁材をセパレータの周辺で形成するための技術（特許文献３を参照）とが、電池の安全性を改善するために提案されている。しかし、上述の従来技術は、以下のいくつかの問題をはらんでいる。
【０００７】
まず、隣接するセパレータの端部を熱溶接によって互いに付着させるための技術は、セパレータが少なくとも部分的に溶融されるのに十分な熱を電極の端部に加えることによって達成される。したがって、電極活物質は、セパレータを完全に密封するために高熱を加える過程で、損傷を受ける場合がある。電極活物質が損傷を受けることを抑止するために、熱溶接動作を比較的低温で行うと、セパレータ間の完全な密封性を達成するのは困難である。
【０００８】
次いで、電極の厚さの２分の１より大きな厚さに、絶縁材をセパレータの周辺で形成するための技術は、絶縁材が揮発性溶媒で溶解され、セパレータの端部に注入され、次いで、乾燥されることに特徴付けられる。しかし、所定のサイズより大きなサイズである密封部分を形成するためには、工程が繰り返し行われなければならず、乾燥工程は必ず行われなくてはならない。このため、この技術は、実際の大量生産に適用可能な経済的技術とは見なされない。
【０００９】
したがって、上述の従来技術の問題を解決し、様々な要因による電池内の短絡の発生を抑止するための技術の需要は非常に高い。
【特許文献１】特開２０００-０９０９６５号公報
【特許文献２】韓国特許出願公開第２００４-００４２３７３号明細書
【特許文献３】特開１９９３-１０９４３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明は、上述の問題及びさらに解決されなくてはならない別の技術的問題を解決するためになされた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の問題を解決するための様々な広範及び集中的研究ならびに実験の結果、負極と正極の間にそれぞれ配置されているセパレータが負極と正極より高く突出し、突出しているセパレータは、一方向に湾曲し、セパレータは、セパレータの湾曲状態が固定されるように熱処理され、絶縁被覆層がセパレータの上端部に形成されるように電極組立体が構成されると、電極への熱損傷は最小限に抑えられ、電極組立体内に異物が取り込まれることによる短絡の発生が抑止されることを本発明の発明者らは発見した。これらの発見に基づいて、本発明が達成された。
【００１２】
本発明の一態様によれば、上述及び別の目的が、充放電可能である正極とセパレータと負極とから成る構造を有する電極組立体の提供によって達成可能であり、電極の上端部を越えて突出しているセパレータは、一方向に湾曲し、セパレータは、セパレータの湾曲状態が固定されるように熱処理され、絶縁被覆層がセパレータの湾曲表面に形成される。
【００１３】
セパレータは、電極の上端部から１.５ｍｍから３ｍｍの長さだけ突出していると好ましい。セパレータの突出している長さが小さ過ぎると、セパレータが電極の上端部を完全に覆うことは不可能であり、その結果、たとえセパレータは湾曲し、セパレータの湾曲状態が固定されるように熱処理され、絶縁被覆層が上述のように形成されても、密封性を達成することは困難である。それに対して、セパレータの突出している長さが大き過ぎると、重複する領域が拡大し、その結果、電極組立体のサイズが拡大する。
【００１４】
負極の上端部は、正極の上端部より高く突出し、セパレータは、負極の上端部から上述の範囲内で突出していると好ましい。
【００１５】
セパレータの湾曲は、セパレータがセパレータ間に配置されている電極の上端部を覆うための方向に湾曲可能である限り、特には制限されない。
【００１６】
熱処理固定により、セパレータの湾曲状態が維持される。熱処理固定動作を、セパレータ材のガラス転移温度を超えた温度で、又はセパレータ材の融点を超えない温度で行うと好ましい。従来技術では、セパレータの熱溶接は、セパレータが少なくとも部分的に溶融されるのに十分な高温で行われる。したがって、熱処理温度は、セパレータの融点より高くなくてはならない。それに対して、本発明によれば、熱処理固定動作は、セパレータの融点を超えない温度で行われる。したがって、高熱が加わることによる電極活物質への損傷は、効果的に抑止される。
【００１７】
状況により、熱処理固定動作は、短時間の間、セパレータの融点と等しい又はその融点より高い温度で行われてよい。
【００１８】
絶縁被覆層が電池の動作に影響を与えないと同時に、絶縁被覆層がセパレータの上端部で安定的に被覆可能である電気的絶縁材で形成される限り、絶縁被覆層は、特には制限されない。例えば、絶縁被覆層は、ＰＰ、ＰＥ、ＰＴＦＥ及びＥＰＤＭなどの様々な絶縁材で形成可能である。これらの絶縁材は、個々に、又は２つ以上の組合せで使用可能である。
【００１９】
好ましい実施形態では、絶縁被覆層は、溶融絶縁材をセパレータの湾曲上端部に塗布することによって、及び溶融絶縁材を凝固することによって形成可能である。溶融絶縁材の付加及び凝固には、いずれの溶媒も必要でなく、したがって、溶媒を除去するための乾燥工程は必要としない。したがって、本発明は、より経済的である。この場合では、特に好ましい溶融絶縁材は、セパレータ用の材料と同じ高分子樹脂である。高分子樹脂は、ポリエチレン又はポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂であってよい。
【００２０】
絶縁被覆層は、厚さが１ｍｍから３ｍｍであることが好ましい。絶縁被覆層の厚さが小さ過ぎると、絶縁被覆層とセパレータとの間の結合力が低下する。それに対して、絶縁被覆層の厚さが大き過ぎると、電極組立体の厚さが増し、絶縁被覆層を形成するのに必要な時間が増す。
【００２１】
本発明による電極組立体は、様々な構造で構成可能である。例えば、電極組立体は、ジェリーロール型電極組立体又は積層型電極組立体であってもよい。
【００２２】
本発明による特定の条件では、セパレータの上端部が湾曲され、熱処理される構造は新規の構造である。したがって、本発明はまた充放電可能である正極とセパレータと負極とから成る構造を有する電極組立体も提供し、電極の上端部を越えて突出しているセパレータは、一方向に湾曲し、セパレータは、セパレータの湾曲状態が固定されるように、セパレータ材のガラス転移温度とセパレータ材の融点との間の範囲の温度で熱処理される。
【００２３】
セパレータの構成及び熱処理の条件は、上述と同じである。
【００２４】
本発明の別の態様によれば、上述の構成による電極組立体を含む二次電池が提供される。
【００２５】
本発明による二次電池には、一般に二次電池に必要な電極組立体の上端部に取り付けられている付加的絶縁部材は必要ない。したがって、この構造を有する二次電池の製造工程は簡素化され、この構造を有する二次電池の製造費用は抑えられる。
【００２６】
電極組立体を使用して二次電池を製造する方法は、本発明が関連する当技術分野でよく知られており、したがって、それに関しては詳細な説明を行わない。
【００２７】
本発明の上述ならびに別の目的、特徴及び別の利点は、添付の図面と併用される以下の詳細な説明により、より明確に理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
ここで、本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明することにする。しかし、本発明の範囲が、示される実施形態によって限定されないことに留意されたい。
【００２９】
図１〜４は、本発明の好ましい実施形態による電極組立体を製造するための工程を示す典型的な図である。
【００３０】
まず、図１を参照すると、電極組立体１００は、多孔質セパレータ１３０がそれぞれ、電流コレクタに活物質を塗布することによって下処理されている正極１１０と負極１２０との間に配置されている構造で構成されている。正極１１０の高さは負極１２０の高さより小さく、セパレータ１３０の高さは負極１２０の高さより大きい。セパレータ１３０の突出している高さｈは、正極１１０と負極１２０との幅ｗより大きい。したがって、図２に示すように電極組立体１００が湾曲されるように電極組立体１００が一方向に押圧されると、正極１１０と負極１２０との上端部は完全に覆われる。
【００３１】
次に、図３を参照すると、正極１１０と負極１２０との上端部を覆うセパレータ１３０の湾曲部分１３２に対して、熱処理が行われる。熱処理は、湾曲部分の湾曲状態を固定するために、所定の時間の間、ガラス転移温度を超えた温度で、又はセパレータの融点を超えない温度で行われる。状況により、熱溶接がセパレータ１３０の部分領域で生じる場合がある。しかし、この場合でも、この種の熱溶接はセパレータ１３０の全領域で熱溶接と見なされない。
【００３２】
最後に、図４を参照すると、絶縁被覆層２００をセパレータ１３０の上端部表面に形成するために、溶融絶縁樹脂が熱的に固定されたセパレータ１３０の上端部表面に塗布される。絶縁被覆層２００は、正極１１０と負極１２０との上端部を完全に覆うとともに、セパレータ１３０を相互に連結させ、正極１１０及び負極１２０内に異物が取り込まれることを抑止する。加えて、電池ケース（図示せず）の開口上端部に取り付けられているキャッププレートに対して、付加的絶縁部材を使用することなく、電気的絶縁を維持することが可能である。
【００３３】
以下に、本発明の好ましい実施形態による電極組立体の効果を確認するための実験を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲が、示す実験によって限定されないことに留意されたい。
【実施例１】
【００３４】
１−１.  正極の製造
正極混合スラリを製造するために、９６重量パーセントのＬｉＣｏＣ２、１.５重量パーセントのＳｕｐｅｒ−Ｐ（導電化剤）、及び２.５重量パーセントのＰＶＤＦ（結合剤）を含む、正極活物質としての混合物を、溶媒としてのＮＭＰ（Ｎ-メチル-２-ピロリドン）に加えた。続いて、正極混合スラリをアルミニウム電流コレクタに塗布し、そのコレクタを乾燥し、押圧した。このような方法で、正極を製造した。
１−２.  負極の製造
負極混合スラリを製造するために、９５.５重量パーセントの人造黒鉛、１.５重量パーセントのＳｕｐｅｒ−Ｐ（導電化剤）、及び３重量パーセントのＰＶＤＦ（結合剤）を含む、負極活物質としての混合物を、溶媒としてのＮＭＰに加えた。続いて、負極混合スラリを銅電流コレクタに塗布し、そのコレクタを乾燥し、押圧した。このような方法で、負極を製造した。
１−３.  電解液の製造
１Ｍ ＬｉＰＦ６及びＥＣ／ＰＣ／ＤＭＣベースの溶液を使用して、電解液を製造した。
１−４.  絶縁被覆層の形成及び電池の製造
段落１−１で説明したように製造した正極と、段落１-２で説明したように製造した負極との間に多孔質セパレータをそれぞれ配置し、セパレータを図２〜４に示すように一方向に湾曲させた。続いて、セパレータの湾曲状態を固定するために３秒間、約１２０℃の温度でセパレータを熱処理した。その後、厚さが約２ｍｍの絶縁被覆層を形成するために、セパレータの上端部に、絶縁材としての溶融ポリプロピレンを塗布した。
【００３５】
段落１−３で説明したように製造した電解液を、下処理された電極組立体内に注入した。このような方法で、リチウム二次電池を製造した。
［比較実施例１］
【００３６】
絶縁材をセパレータの上端部に塗布しないこと以外は実施例１と同じように、二次電池を製造した。
［実験実施例１］
【００３７】
異物が電極組立体内に取り込まれないかを判定するために、実施例１及び比較実施例１に説明したように製造した電池を、高さ４フィート（１２１.９２cｍ）から、その上部、底部、及び側部により、下に１５回落とした。判定結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】
0005398266.tif 000002
【００３９】
表１から、セパレータの突出している上端部が絶縁材で被覆されるように、絶縁材をセパレータの突出している上端部に注入すると、対応する電極組立体内に異物が取り込まれることが抑止され、それにより、対応する電池の安定性が改善されたことが分かる。
［実験実施例２］
【００４０】
異物が電極組立体内に取り込まれないかを判定するために、充電−４.３Ｖ／０.５Ｃ／３Ｖカットオフの条件下で、実施例１及び比較実施例１で説明したように製造した電池について、１０回のサイクル試験を行った。判定結果を表２に示す。
【００４１】
【表２】
0005398266.tif 000003
【００４２】
表２から、セパレータの突出している上端部が絶縁材で被覆されるように、絶縁材をセパレータの突出している上端部に注入すると、対応する電極組立体内に異物が取り込まれることが抑止され、それにより、対応する電池の安定性が改善されることが分かる。
【００４３】
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、様々な修正、付加及び代用が、添付の特許請求の範囲に開示される本発明の範囲及び精神から逸脱することなく可能であることを当業者は理解するであろう。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
上述から明らかであるように、本発明は、異物が電極組立体内に取り込まれることを抑止し、電極組立体内で短絡が発生することを抑止し、電極組立体を外部から連続的に加えられる振動又は衝撃から保護し、それにより、電極組立体を含む電池の安全性が改善される効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の好ましい実施形態による電極組立体を製造するための工程を示す典型的な図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態による電極組立体を製造するための工程を示す典型的な図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態による電極組立体を製造するための工程を示す典型的な図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態による電極組立体を製造するための工程を示す典型的な図である。
【符号の説明】
【００４６】
１００    電極組立体
１１０    正極
１２０    負極
１３０    セパレータ
２００    絶縁被覆層
【図１】
0005398266.tif 000004
【図２】
0005398266.tif 000005
【図３】
0005398266.tif 000006
【図４】
0005398266.tif 000007