(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向に延びた複数の纎維状の第１構造体を含む第１電極と、
前記第１方向と異なる第２方向に延び、前記第１構造体の極性と逆極性を有する複数の纎維状の第２構造体を含む第２電極と、
互いに交差する前記第１構造体と前記第２構造体との間に配置されて、前記第１構造体と前記第２構造体とを離隔させる第１分離膜と、
前記第１構造体と交互に位置しつつ、前記第１方向に延び、前記第１構造体の極性と逆極性を有する複数の繊維状の第３構造体を含む第３電極と、
前記第２構造体と交互に位置しつつ、前記第２方向に延び、前記第２構造体の極性と逆極性を有する複数の繊維状の第４構造体を含む第４電極と、を備えることを特徴とする電池の電極組立体。
【請求項２】
前記第１構造体は、前記第１分離膜の第１周面上で互いに離隔して延び、前記第２構造体は、前記第１周面に逆になる前記第１分離膜の第２周面上で互いに離隔して延び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】
前記第３構造体は、前記第１分離膜の第１周面上で、前記第１構造体と交互に位置しつつ、前記第１方向に延び、
前記第４構造体は、前記第１分離膜の第２周面上で、前記第２構造体と交互に位置しつつ、前記第２方向に延び、
互いに交差する前記第３構造体と前記第４構造体は、前記第１分離膜により離隔す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４】
前記第１ないし第４構造体は、前記第１分離膜の前記第１または第２周面の内部に少なくとも一部が埋め込まれることを特徴とする請求項３に記載の電極組立体。
【請求項５】
第１方向に延びた複数の繊維状の第１構造体を含む第１電極と、
前記第１方向と異なる第２方向に延び、前記第１構造体の極性と逆極性を有する複数の繊維状の第２構造体を含む第２電極と、
互いに交差する前記第１構造体と前記第２構造体との間に配置されて、前記第１構造体と前記第２構造体とを離隔させる第１分離膜と、
前記第１分離膜上に積層されて、多層構造を形成する少なくとも一つ以上の第２分離膜と、
前記第１分離膜と接触する境界面と逆になる前記第２分離膜の一周面上に延び、前記境界面の構造体の極性と逆極性を有しつつ交差する複数の纎維状の第３構造体を含む第３電極と、を備えることを特徴とする電池の電極組立体。
【請求項６】
前記第１分離膜上に積層されて、多層構造を形成する少なくとも一つ以上の第２分離膜と、
前記第１分離膜と接触する境界面と逆になる前記第２分離膜の一周面上に延び、前記境界面の構造体の極性と逆極性を有しつつ交差する複数の纎維状の第５構造体を含む第５電極と、
前記第２分離膜の前記一周面上で、前記第５構造体の極性と逆極性を有しつつ交互に位置して延び、前記境界面の前記構造体と交差する複数の纎維状の第６構造体を含む第６電極と、をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の電極組立体。
【請求項７】
前記第１ないし第６構造体は、前記第１または第２分離膜の周面の内部に少なくとも一部が埋め込まれることを特徴とする請求項６に記載の電極組立体。
【請求項８】
前記第１、第２、第３及び第４構造体は、前記第１分離膜を往復貫通する横糸及び縦糸として互いに交差す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】
前記第１及び第２構造体は、それぞれ集電体コアと、前記集電体コアを取り囲む活物質層とを備え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１０】
前記第１及び第２構造体のうちいずれか一つにのみ選択的に、前記活物質層を取り囲む固体電解質層をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の電極組立体。
【請求項１１】
前記第１及び第２構造体の厚さは、４００μｍないし２０００μｍであり、
前記第１構造体間及び前記第２構造体間の間隔は、２μｍないし４００μｍであることを特徴とする請求項１または５に記載の電極組立体。
【請求項１２】
前記第１構造体間及び前記第２構造体間の間隔は、前記第１及び第２構造体の厚さより小さいことを特徴とする請求項１または５に記載の電極組立体。
【請求項１３】
前記第１分離膜は、微細多孔膜、織布、不織布、真性固体高分子電解質膜、またはゲル固体高分子電解質膜のうちいずれか一つ、またはそれらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。
【請求項１４】
前記電極組立体は、一次電池用または二次電池用であることを特徴とする請求項１または５に記載の電極組立体。
【請求項１５】
第１方向に延びた複数の纎維状の第１構造体、及び前記第１構造体と同一極性を有し、前記第１構造体と交差するように、前記第１方向とは異なる第２方向に延びた複数の纎維状の第２構造体を含む第１電極と、
第３方向に延びた複数の纎維状の第３構造体、及び前記第３構造体と同一極性を有し、前記第３構造体と交差するように、前記第３方向とは異なる第４方向に延びた複数の纎維状の第４構造体を含む第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極とを離隔させる第１分離膜と、を備え、
前記第１及び第２構造体のグループと、第３及び第４構造体のグループのうちいずれか一つのグループにのみ選択的に、固体電解質層をさらに備えることを特徴とする電池の電極組立体。
【請求項１６】
前記第１電極と前記第２電極は対称にならないように、前記第１電極と第２電極は、回転配置またはオフセット配置されることを特徴とする請求項１５に記載の電極組立体。
【請求項１７】
前記第１及び第２構造体は、横糸及び縦糸として互いに交差し、前記第３及び第４構造体は、横糸及び縦糸として互いに交差することを特徴とする請求項１５に記載の電極組立体。
【請求項１８】
前記第１及び第２構造体は、それぞれ集電体コアと、前記集電体コアを取り囲む活物質層とを備えることを特徴とする請求項１５に記載の電極組立体。
【請求項１９】
分離マトリックスと、
前記分離マトリックスを貫通して、前記分離マトリックス内の第１平面上で第１方向に延び、互いに離隔した複数の纎維状の第１構造体を含む第１電極と、
前記分離マトリックスを貫通して、前記分離マトリックス内の前記第１平面と平行に離隔した第２平面上で、前記第１構造体と交差するように、前記第１方向と異なる第２方向に延びた複数の纎維状の第２構造体を含む第２電極と、を備えることを特徴とする電池の電極組立体。
【請求項２０】
前記第１平面上で、前記第１構造体と交互に位置しつつ前記第１方向に延び、前記第１構造体の極性と逆極性を有する複数の纎維状の第３構造体を含む第３電極と、
前記第２平面上で、前記第２構造体と交互に位置しつつ前記第２方向に延び、前記第２構造体の極性と逆極性を有する複数の纎維状の第４構造体を含む第４電極と、をさらに備えることを特徴とする請求項１９に記載の電極組立体。
【請求項２１】
前記第１平面及び前記第２平面は、多層構造を形成するように複数個であることを特徴とする請求項１９または２０に記載の電極組立体。
【請求項２２】
前記第１及び第２構造体は、それぞれ集電体コアと、前記集電体コアを取り囲む活物質層とを備えることを特徴とする請求項１９に記載の電極組立体。
【請求項２３】
前記第１及び第２構造体のうちいずれか一つにのみ選択的に、前記活物質層を取り囲む固体電解質層をさらに備えることを特徴とする請求項２２に記載の電極組立体。
【請求項２４】
前記分離マトリックスは、微細多孔膜、織布、不織布、真性固体高分子電解質膜、またはゲル固体高分子電解質膜のうちいずれか一つ、またはそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１９に記載の電極組立体。
【請求項２５】
前記第１及び第２構造体の厚さは、４００μｍないし２０００μｍであり、
前記第１構造体間及び前記第２構造体間の間隔は、２μｍないし４００μｍであることを特徴とする請求項１９に記載の電極組立体。
【請求項２６】
前記第１構造体間及び前記第２構造体間の間隔は、前記第１及び第２構造体の厚さより小さいことを特徴とする請求項１９に記載の電極組立体。
【請求項２７】
分離マトリックスと、
前記分離マトリックスを貫通して、前記分離マトリックス内の第１平面上で第１方向に延び、互いに離隔した複数の纎維状の第１構造体を含む第１電極と、
前記分離マトリックスを貫通して、前記第１平面上で、前記第１方向と異なる第２方向に延び、第１構造体と横糸及び縦糸として互いに交差する複数の纎維状の第２構造体を含む第２電極と、を備えることを特徴とする電池の電極組立体。
【請求項２８】
前記分離マトリックス内に、前記第１平面と平行に離隔した第２平面上で、前記第１及び第２構造体と交差するように、横糸及び縦糸として互いに交差する複数の纎維状の第３構造体及び第４構造体をそれぞれ含む第２正極及び第２負極をさらに備えることを特徴とする請求項２７に記載の電極組立体。
【請求項２９】
前記第１及び第２構造体は、それぞれ集電体コアと、前記集電体コアを取り囲む活物質層とを備えることを特徴とする請求項２７に記載の電極組立体。
【請求項３０】
前記第１及び第２構造体のうちいずれか一つにのみ選択的に、前記活物質層を取り囲む固体電解質層をさらに備えることを特徴とする請求項２９に記載の電極組立体。
【請求項３１】
前記分離マトリックスは、真性固体高分子電解質膜、またはゲル固体高分子電解質膜を含むことを特徴とする請求項２７に記載の電極組立体。
【請求項３２】
前記第１及び第２構造体の厚さは、４００μｍないし２０００μｍであり、
前記第１構造体間及び前記第２構造体間の間隔は、２μｍないし４００μｍであることを特徴とする請求項２７に記載の電極組立体。
【請求項３３】
前記第１構造体間及び前記第２構造体間の間隔は、前記第１及び第２構造体の厚さより小さいことを特徴とする請求項２７に記載の電極組立体。
【請求項３４】
第１方向に延びた複数の纎維状の第１構造体を含む第１電極と、
前記第１構造体の極性と逆極性を有する平面状の第２電極と、
前記第１電極と第２電極との間に配置される分離膜と、を備え、
前記第１構造体は、前記第２電極の前記平面の両周面をいずれも取り囲むようにさらに延びることを特徴とする電池の電極組立体。
【請求項３５】
前記第１構造体と同一極性を有し、前記第１構造体と交差するように、前記第１方向と異なる第２方向に延びた複数の纎維状の第２構造体を含む第３電極をさらに備えることを特徴とする請求項３４に記載の電極組立体。
【請求項３６】
前記第１及び第２構造体は、横糸及び縦糸として互いに交差することを特徴とする請求項３５に記載の電極組立体。
【請求項３７】
前記第１及び第２構造体は、前記分離膜を往復貫通することを特徴とする請求項３５に記載の電極組立体。
【請求項３８】
前記第１構造体の厚さは、４００μｍないし２０００μｍであり、
前記第１構造体間の間隔は、２μｍないし４００μｍであることを特徴とする請求項３４に記載の電極組立体。
【請求項３９】
前記第１構造体間の間隔は、前記第１構造体の厚さより小さいことを特徴とする請求項３４に記載の電極組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の技術に係り、より詳しくは、纎維状の構造体を含む電池の電極組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池産業は、最近、半導体製造技術及び通信技術の発達による携帯用の電子装置に関する産業が膨脹し、環境保存及び資源の枯渇による代替エネルギーの開発要求に応じて活発に研究されている。代表的な電池として、リチウム一次電池は、従来の水溶液系電池に比べて、高電圧であり、エネルギー密度が高いため、小型化及び軽量化の側面で容易である。このようなリチウム一次電池は、携帯用の電子装置の主電源やバックアップ用電源など色々な用途として使われている。
【０００３】
二次電池は、可逆性に優れた電極材料で形成して、充放電が可能な電池である。前記二次電池は、外観上によって、円筒形と角形とに分けられ、正極及び負極の物質によって、ニッケル・水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池、リチウム（Ｌｉ）電池、リチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池などに分けられる。このような二次電池は、携帯電話、ノート型パソコン、移動型ディスプレイのような小型電池から、電気自動車用バッテリー、ハイブリッド自動車に使われる中大型電池に達するまで、その適用分野が次第に拡大している。これによって、電池は、軽量であり、エネルギー密度が高く、かつ優秀な充放電速度、充放電効率及びサイクル特性だけでなく、高い安定性及び経済性を要求する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、エネルギー密度が高いだけでなく、充放電効率、充放電速度及びサイクル特性に優れており、さらに、形状の変化と容量の調節が容易な電池が得られる電極組立体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するための本発明の一実施形態による電池の電極組立体は、第１方向に延びた複数の纎維状の第１構造体を含む第１電極と、前記第１方向と異なる第２方向に延び、前記第１構造体の極性と逆極性を有する複数の纎維状の第２構造体を含む第２電極と、互いに交差する前記第１構造体と前記第２構造体との間に配置されて、前記第１構造体と前記第２構造体とを離隔させる第１分離膜と、を備える。
【０００６】
前記第１構造体は、前記第１分離膜の第１周面上で互いに離隔して延び、前記第２構造体は、前記第１周面に逆になる前記第１分離膜の第２周面上で互いに離隔して延びる。一部の実施形態において、前記電極組立体は、前記第１分離膜の前記第１周面上で、前記第１構造体と交互に位置しつつ、前記第１方向に延び、前記第１構造体の極性と逆極性を有する複数の纎維状の第３構造体を含む第３電極と、前記第１分離膜の前記第２周面上で、前記第２構造体と交互に位置しつつ、前記第２方向に延び、前記第２構造体の極性と逆極性を有する複数の纎維状の第４構造体を含む第４電極とをさらに備え、互いに交差する前記第３構造体と前記第４構造体は、前記第１分離膜により離隔する。
【０００７】
また、前記第１ないし第４構造体は、前記第１分離膜の前記第１または第２周面の内部に少なくとも一部が埋め込まれる。また、電極組立体は、前記第１分離膜上に積層されて、多層構造を形成する少なくとも一つ以上の第２分離膜と、前記第１分離膜と接触する境界面と逆になる前記第２分離膜の他の周面上に延び、前記境界面の構造体の極性と逆極性を有しつつ交差する複数の纎維状の第３構造体を含む第３電極と、をさらに備える。
【０００８】
他の実施形態において、電極組立体は、前記第１分離膜上に積層されて、多層構造を形成する少なくとも一つ以上の第２分離膜と、前記第１分離膜と接触する境界面と逆になる前記第２分離膜の他の周面上に延び、前記境界面の構造体の極性と逆極性を有しつつ交差する複数の纎維状の第５構造体を含む第５電極と、前記第２分離膜の前記他の周面上で、前記第５構造体の極性と逆極性を有しつつ交互に位置して延び、前記境界面の前記構造体と交差する複数の纎維状の第６構造体を含む第６電極と、をさらに備える。また、前記第１ないし第６構造体は、前記第１及び第２分離膜の周面の内部に少なくとも一部が埋め込まれる。
【０００９】
さらに他の実施形態において、前記第１及び第２構造体は、前記第１分離膜を往復貫通する横糸及び縦糸として互いに交差する。前記第１及び第２構造体は、それぞれ集電体コアと、前記集電体コアを取り囲む活物質層とを備える。また、電極組立体は、前記第１及び第２構造体のうちいずれか一つにのみ選択的に、前記活物質層を取り囲む固体電解質層をさらに備える。
【００１０】
前記構造体の厚さは、４００μmないし２０００μmであり、前記構造体間の間隔は、２μmないし４００μmである。また、前記構造体間の間隔は、前記構造体の厚さより小さい。前記第１分離膜は、微細多孔膜、織布、不織布、真性固体高分子電解質膜、またはゲル固体高分子電解質膜のうちいずれか一つ、またはそれらの組み合わせを含む。前記電極組立体は、一次電池用または二次電池用である。
【００１１】
前記課題を解決するための本発明の他の実施形態による電池の電極組立体は、第１方向に延びた複数の纎維状の第１構造体、及び前記第１構造体と同一極性を有し、前記第１構造体と交差するように、前記第１方向とは異なる第２方向に延びた複数の纎維状の第２構造体を含む第１電極と、第３方向に延びた複数の纎維状の第３構造体、及び前記第３構造体と同一極性を有し、前記第３構造体と交差するように、前記第３方向とは異なる第４方向に延びた複数の纎維状の第４構造体を含む第２電極と、前記第１電極と前記第２電極とを離隔させる第１分離膜と、を備える。
【００１２】
一部の実施形態において、前記第１電極と前記第２電極は対称にならないように、前記第１電極と第２電極は、回転配置またはオフセット配置される。また、前記第１及び第２構造体は、横糸及び縦糸として互いに交差し、前記第３及び第４構造体は、横糸及び縦糸として互いに交差する。前記第１及び第２構造体は、それぞれ集電体コアと、前記集電体コアを取り囲む活物質層とを備える。一部の実施形態において、電極組立体は、前記第１及び第２構造体のグループと、前記第３及び第４構造体のグループのうちいずれか一つのグループにのみ選択的に、固体電解質層をさらに備える。
【００１３】
前記課題を解決するための本発明のさらに他の実施形態による電池の電極組立体は、分離マトリックスと、前記分離マトリックスを貫通して、前記分離マトリックス内の第１平面上で第１方向に延び、互いに離隔した複数の纎維状の第１構造体を含む第１電極と、前記分離マトリックスを貫通して、前記分離マトリックス内の前記第１平面と平行に離隔した第２平面上で、前記第１構造体と交差するように、前記第１方向と異なる第２方向に延びた複数の纎維状の第２構造体を含む第２電極と、を備える。
【００１４】
一部の実施形態において、前記電極組立体は、前記第１平面上で、前記第１構造体と交互に位置しつつ前記第１方向に延び、前記第１構造体の極性と逆極性を有する複数の纎維状の第３構造体を含む第３電極と、前記第２平面上で、前記第２構造体と交互に位置しつつ前記第２方向に延び、前記第２構造体の極性と逆極性を有する複数の纎維状の第４構造体を含む第４電極と、をさらに備える。また、前記第１平面及び前記第２平面は、多層構造を形成するように複数個である。
【００１５】
前記第１及び第２構造体は、それぞれ集電体コアと、前記集電体コアを取り囲む活物質層とを備える。また、前記電極組立体は、前記第１及び第２構造体のうちいずれか一つにのみ選択的に、前記活物質層を取り囲む固体電解質層をさらに備える。
【００１６】
前記分離マトリックスは、微細多孔膜、織布、不織布、真性固体高分子電解質膜、またはゲル固体高分子電解質膜のうちいずれか一つ、またはそれらの組み合わせである。前記構造体の厚さは、４００μmないし２０００μmであり、前記構造体間の間隔は、２μmないし４００μmである。また、前記構造体間の間隔は、前記構造体の厚さより小さい。
【００１７】
前記課題を解決するための本発明のさらに他の実施形態による電池の電極組立体は、分離マトリックスと、前記分離マトリックスを貫通して、前記分離マトリックス内の第１平面上で第１方向に延び、互いに離隔した複数の纎維状の第１構造体を含む第１電極と、前記分離マトリックスを貫通して、前記第１平面上で、前記第１方向と異なる第２方向に延び、第１構造体と横糸及び縦糸として互いに交差する複数の纎維状の第２構造体を含む第２電極と、を備える。
【００１８】
一部の実施形態において、前記電極組立体は、前記分離マトリックス内に、前記第１平面と平行に離隔した第２平面上で、前記第１及び第２構造体と交差するように、横糸及び縦糸として互いに交差する複数の纎維状の第３構造体及び第４構造体をそれぞれ含む第２正極及び第２負極をさらに備える。また、前記第１及び第２構造体は、それぞれ集電体コアと、前記集電体コアを取り囲む活物質層とを備える。前記電極組立体は、前記第１及び第２構造体のうちいずれか一つにのみ選択的に、前記活物質層を取り囲む固体電解質層をさらに備える。
【００１９】
前記分離マトリックスは、真性固体高分子電解質膜、またはゲル固体高分子電解質膜である。また、前記構造体の厚さは、４００μmないし２０００μmであり、前記構造体間の間隔は、２μmないし４００μmである。また、前記構造体間の間隔は、前記構造体の厚さより小さい。
【００２０】
前記課題を解決するための本発明のさらに他の実施形態による電池の電極組立体は、第１方向に延びた複数の纎維状の第１構造体を含む第１電極と、前記第１構造体の極性と逆極性を有する平面上の第２電極と、前記第１電極と第２電極との間に配置される分離膜と、を備える。
【００２１】
前記第１構造体と同一極性を有し、前記第１構造体と交差するように、前記第１方向と異なる第２方向に延びた複数の纎維状の第２構造体を含む第３電極をさらに備える。一部の実施形態では、前記第１及び第２構造体は、横糸及び縦糸として互いに交差する。このような実施形態において、前記第１及び第２構造体は、前記分離膜を往復貫通する。
【００２２】
前記第１構造体は、前記第２電極の前記平面の両周面をいずれも取り囲むようにさらに延びる。前記第１及び第２構造体は、前記第２電極の前記平面の両周面をいずれも取り囲むようにさらに延びる。前記構造体の厚さは、４００μmないし２０００μmであり、前記構造体間の間隔は、２μmないし４００μmである。一部の実施形態において、前記構造体間の間隔は、前記構造体の厚さより小さい。
【００２３】
また、本発明は、前記のような電極構造を採用した電池を提供するのに特徴がある。本発明による電極構造を採用した電池は、一次電池及び二次電池である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、少なくとも一部の電極が複数の纎維状の構造体で形成されるので、前記構造体の曲面と三次元的な対向位置によって、電極間の対向表面積が増大する。これによって、同一体積で電池のエネルギー密度が向上するだけでなく、充放電速度、充放電効率及び電池のサイクル特性が改善されることができる。
【００２５】
また、本発明によれば、纎維状の構造体で電極を構成するので、電池の形状変化が容易であり、折れまたは積層構造によって容量の調節が容易であるので、小容量電池または中大型電池への応用が自由であるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態による電池の電極組立体を示す斜視図である。
【図２】纎維状の構造体の斜視断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態による電池の電極組立体を示す斜視図である。
【図４】本発明の他の実施形態による電池の電極組立体を示す分解斜視図である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態による電池の電極組立体を示す分解斜視図である。
【図６ａ】本発明のさらに他の実施形態による電極組立体を示す斜視図である。
【図６ｂ】本発明のさらに他の実施形態による電極組立体を示す斜視図である。
【図６ｃ】本発明のさらに他の実施形態による電極組立体を示す斜視図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態による電池の電極組立体を示す斜視図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態による電極組立体を示す斜視図である。
【図９】本発明のさらに他の実施形態による電極組立体を示す斜視図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施形態による電極組立体を示す斜視図である。
【図１１】本発明のさらに他の実施形態による電極組立体を示す斜視図である。
【図１２】本発明のさらに他の実施形態による電極組立体を示す斜視図である。
【図１３】本発明のさらに他の実施形態による電極組立体を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。
【００２８】
本発明の実施形態は、当業者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものであり、下記実施形態は、色々な他の形態に変形可能であり、本発明の範囲が下記実施形態に限定されるものではない。かえって、それらの実施形態は、本開示をさらに充実かつ完全にし、当業者に本発明の思想を完全に伝達するために提供されるものである。
【００２９】
また、以下の図面において、各層の厚さやサイズは、説明の便宜及び明確性のために誇張されたものであり、図面上で、同じ符号は同じ要素を指す。本明細書で使われたように、用語“及び／または”は、該当列挙された項目のうちいずれか一つ、及び一つ以上のあらゆる組み合わせを含む。
【００３０】
本明細書で使われた用語は、特定の実施形態を説明するために使われ、本発明を制限するためのものではない。本明細書で使われたように、単数の形態は、文脈上明確に取り立てて指摘するものではなければ、複数の形態を含む。また、本明細書で使われる場合、“備える(comprise)”及び／または“備えた(comprising)”は、言及した形状、数字、ステップ、動作、部材、要素及び／またはそれらのグループの存在を特定するものであり、一つ以上の他の形状、数字、動作、部材、要素及び／またはグループの存在または付加を排除するものではない。
【００３１】
本明細書において、第１、第２などの用語が、多様な部材、部品、領域、層及び／または部分を説明するために使われるが、それらの部材、部品、領域、層及び／または部分は、それらの用語によって限定されてはならない。それらの用語は、一つの部材、部品、領域、層または部分を、他の領域、層または部分と区別するためにのみ使われる。したがって、後述する第１部材、部品、領域、層または部分は、本発明の思想から逸脱しない範囲内で、第２部材、部品、領域、層または部分を指す。
【００３２】
本明細書の実施形態は、板型の正極と負極とが互いに対向する従来の二次元電池の構造に比べて、電極間の対向表面積を増大させる構造であって、複数の纎維状の構造体を含む電極で形成された電極組立体について開示する。
【００３３】
本明細書で使われる‘相異なる’という用語の意味は、複数の纎維状の構造体を含む正極と、複数の纎維状の構造体を含む負極とが積層されたり、巻き取られて電極構造を形成する時、いずれか一つの極の纎維状の構造体が、他の極の纎維状の構造体の延長方向と同じ方向を除いた任意の方向に延びることを含む。すなわち、前記正極と負極とを構成する複数の纎維状の構造体は、多様な角度及び方向に配列可能な構造的な柔軟性を有するといえる。
【００３４】
また、本明細書で使われる‘交差した構造’という意味は、複数の纎維状の構造体を含む正極と、複数の纎維状の構造体を含む負極とが積層されたり、巻き取られて電極構造を形成する時、正極と負極の各纎維状の構造体が、少なくとも一つ以上の地点で出合う交差点を含むように配列されるものである。これは、従来の技術で、負極と正極とが同じ方向に積層または配列されることとは異なる意味であるといえる。
【００３５】
また、本明細書で使われる‘分離膜’という用語は、前記分離膜と親和性の少ない液体電解質を使用する液体電解質電池で一般的に通用する分離膜を含む。さらに、本明細書で使われる‘分離膜’は、電解質が分離膜に強く束縛されて、電解質と分離膜とが同一なものと認識される真性固体ポリマー電解質、及び／またはゲル固体ポリマー電解質を含む概念である。したがって、前記分離膜は、本明細書で定義するところによって、その意味が定義されなければならない。
【００３６】
図１は、本発明の一実施形態による電池の電極組立体１００を示す斜視図であり、図２は、纎維状の構造体１１１，１２１の斜視断面図である。
【００３７】
図１を参照すれば、電池を構成する電極組立体１００は、複数の纎維状の第１及び第２構造体１１１，１２１と、分離膜１３０とを備える。第１構造体１１１は、平行に延び、第２構造体１２１も、平行に延びる。第１構造体１１１は、ｘ方向に延び、第２構造体１２１は、前記ｘ方向と異なるｙ方向に延びる。
【００３８】
第１構造体１１１及び／または第２構造体１２１は、図１に示したように、ｄほど離隔して平行に延びる。第１構造体１１１及び／または第２構造体１２１の幅ｗは、後述する実施形態のように、構造体の多様な配列パターンのために好適な成形加工性を提供できる厚さであればよい。例えば、構造体１１１，１２１の厚さｗは、４００μmないし２０００μmであり、電池の応用分野によって適切に選択される。間隔ｄは、０より大きく、１０００μmより小さく、望ましくは、２μmないし４００μmである。後述するように、一部の実施形態では、電極間の対向表面積を増大させるために、間隔ｄは、０より大きく、電極構造体１１１，１２１の幅ｗより小さいことが望ましい。
【００３９】
一方向に平行に延びた第１構造体１１１は、互いに電気的に連結されて、一つの電極、例えば、正極１１０を提供する。同様に、第２構造体１２１は、互いに電気的に連結されて、極性が異なる電極、例えば、負極１２０を提供する。
【００４０】
図１では、第１構造体１１１と第２構造体１２１とが互いに直角方向に延びるものと示したが、これは、例示的であり、本発明がこれに制限されるものではない。例えば、第１及び第２纎維状の構造体１１１，１２１は、延長方向が４５゜または６０゜ほど差があって延びてもよい。
【００４１】
図２を参照すれば、第１及び第２構造体１１１，１２１は、それぞれ集電体コア１１２ａ，１１２ｂと、集電体コア１１２ａ，１１２ｂを取り囲む活物質層１１３ａ，１１３ｂとを備える。活物質層１１３ａ，１１３ｂは、該当活物質、結合剤及び導電材を含むスラリーの形態で、集電体コア１１２ａ，１１２ｂ上に塗布される。前記スラリーは、該当活物質８０ないし９８重量％、結合剤１ないし１０重量％、導電材１ないし１０重量％の範囲から適切に選択して、合計量が１００重量％を有するように提供される。
【００４２】
正極活物質層１１３ａの厚さは、１μmないし３００μmであり、望ましくは、３０μmないし１００μmである。負極活物質層１１３ｂの厚さは、３μmないし１００μmであり、望ましくは、３μmないし４０μmであり、さらに望ましくは、５μmないし２０μmである。負極活物質層１１３ｂの厚さを前記範囲に設定することによって、電池の高出力化を得ると共に、薄型化を高いレベルで達成できる。負極活物質層の厚さが３μm未満であれば、内部短絡の進行を緩和させる効果が不十分になると共に、リチウムイオン二次電池の場合、高出力化を達成しない恐れがある。また、負極活物質層の厚さが１００μmを超えれば、電池の薄型化が十分に得られない。
【００４３】
集電体コア１１２ａ，１１２ｂは、例えば、軟性を有する金属線である。例えば、正極用の集電体コア１１２ａとして、ステンレス鋼、チタン、アルミニウムまたはそれらのうちいずれか一つの合金のような金属系材料が使われる。正極用の集電体コア１１２ａは、望ましくは、アルミニウムまたはその合金である。負極用の集電体コア１１２ｂとして、銅、ステンレス鋼、ニッケル、銅またはそれらのうちいずれか一つの合金のような金属系材料が使われる。負極用の集電体コア１１２ｂは、望ましくは、銅またはその合金である。
【００４４】
しかし、本発明の実施形態は、前述した材料に制限されるものではなく、集電体コア１１２ａ，１１２ｂは、形状の変形が容易な好適な材料、例えば、ポリ（硫黄ニトリル）、ポリピロール、ポリ（ｐ−フェニレン）、ポリ（フェニレンサルファイド）、ポリアニリン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）のような電子伝導性を有するポリマー材料を含んでもよい。他の実施形態において、集電体コア１１２ａ，１１２ｂは、伝導性カーボンペースト、ナノ金属粒子ペースト、またはＩＴＯ(Indium Tin Oxide)ペーストを、好適な結合剤と混合して、纎維状に成形された材料であってもよい。
【００４５】
図２に示した集電体コア１１２ａ，１１２ｂは、円形断面を有するが、本発明がこれに制限されるものではなく、集電体コア１１２ａ，１１２ｂは、活物質層１１３ａ，１１３ｂの接合が容易な任意の断面形状を有してもよい。例えば、集電体コア１１２ａ，１１２ｂは、その中心から、集電体コア１１２ａ，１１２ｂの表面の曲率の変化が６０％ないし１４０％範囲内の任意の形状、四角断面、楕円断面を有し、所定の表面粗度を有してもよい。
【００４６】
活物質層１１３は、一次電池用または二次電池用に適した材料層を備える。例えば、一次電池の場合、正極活物質層１１３ａは、マンガン酸化物、ＥＭＤ(Electrolytic Manganese Dioxide)、ニッケル酸化物、酸化鉛、二酸化鉛、銀酸化物、硫化鉄、または伝導性高分子粒子を含み、負極活物質層１１３ｂは、亜鉛、アルミニウム、鉄、鉛またはマグネシウム粒子を含む。
【００４７】
二次電池の場合、正極活物質層１１３ａは、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｖ，Ｌａ，Ｃｅのうち少なくとも一つ以上の金属と、Ｏ，Ｆ，Ｓ，Ｐ及びそれらの組み合わせからなる群から選択された少なくとも一つ以上の非金属元素とを含むＬｉ化合物を含む。例えば、正極活物質層１１３ａは、［化学式］ＬｉａＡ１−ｂＢｂＤ２を有し、前記化学式で、Ａは、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ及びそれらの組み合わせからなる群から選択され、Ｂは、Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｖ，希土類元素及びそれらの組み合わせからなる群から選択され、Ｄは、Ｏ，Ｆ，Ｓ，Ｐ及びそれらの組み合わせからなる群から選択され、０．９５≦ａ≦１．１及び０≦ｂ≦０．５の化合物である。
【００４８】
二次電池の場合、負極活物質層１１３ｂは、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な低結晶性炭素または高結晶性炭素のような炭素系材料を含む。前記低結晶性炭素は、軟化炭素または硬化炭素である。前記高結晶性炭素は、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、熱分解炭素、液晶ピッチ系炭素纎維、炭素微小球体、液晶ピッチ、石油または石炭系コークスのような高温焼成炭素である。負極活物質層１１３ｂは、結合剤を含み、前記結合剤は、フッ化ビニリデン・ヘキサフルオロプロピレンコポリマー（ＰＶＤＦ−ｃｏ−ＨＦＰ）、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレートのような高分子材料が使われる。他の実施形態では、高容量の二次電池を提供するために、負極活物質層１１３ｂは、Ｓ，ＳｉまたはＳｎを含む金属系または金属間化合物を含んでもよい。
【００４９】
前述した実施形態では、集電体コア１１２ａ，１１２ｂと、活物質層１１３ａ，１１３ｂとを別に形成することについて開示しているが、第１構造体１１１及び第２構造体１２１のうち少なくともいずれか一つの集電体コア１１２ａ，１１２ｂと活物質層１１３ａ，１１３ｂは、同じ材料で形成されてもよい。
【００５０】
一部の実施形態では、第１及び第２構造体１１１，１２１のうちいずれか一つにのみ、真性固体ポリマー電解質のような固体電解質層をさらに形成する。前記固体電解質層は、下地の活物質層の形成時に使われた溶媒と同じ溶媒を利用して、連続的な含浸工程により形成される。前記固体電解質層は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリスルホン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリブタジエン、セルロース、カルボキシメチルセルロース、ナイロン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン及びヘキサフルオロプロピレンの共重合体、フッ化ビニリデン及びトリフルオロエチレンの共重合体、フッ化ビニリデン及びテトラフルオロエチレンの共重合体、ポリメチルアクリレート、ポリエチルアクリレート、ポリエチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレート、ポリブチルアクリレート、ポリブチルメタクリレート、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコールのうちいずれか一つまたはそれらの組み合わせからなる高分子マトリックス、添加剤及び電解液を含む。前記添加剤は、シリカ、タルク、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＴｉＯ２、クレイ、ゼオライトまたはそれらの組み合わせである。前記電解液は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、臭化カリウム（ＫＢｒ）、塩化カリウム（ＫＣＬ）、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ２）及び硫酸（Ｈ２ＳＯ４）のような塩を含む水系電解液である。
【００５１】
図２に示した実施形態では、第２構造体１２１にのみ、真性固体ポリマー電解質のような固体電解質層１１４がさらに形成されたことを表す。このように、固体電解質層１１４をいずれか一つの極性の構造体にのみ形成することによって、正極及び負極の両方に固体電解質層を形成することに比べて体積を減少させるので、エネルギー密度はさらに向上する。また、正極構造体１１１と負極構造体１２１とが互いに交差する実施形態において、正極及び負極の両方に固体電解質を形成する場合、二次電池で充放電時に発生する電極構造体の体積変化によって、前記固体電解質にクラックが発生し、該クラックは、電極構造体の寿命短縮をもたらす。したがって、前記固体電解質層は、望ましくは、充放電時に体積変化の少ない極性の構造体にのみ選択的に形成される。例えば、二次電池の場合、図２に示したように、充放電時に体積変化の相対的に少ない負極構造体にのみ選択的に、固体電解質層１１４を形成する。
【００５２】
再び図１を参照すれば、分離膜１３０は、層状であり、正極１１０を構成する第１電極構造体１１１と、負極１２０を構成する第２電極構造体１２１との間に配置される。分離膜１３０は、例えば、微細多孔膜、織布、不織布、真性固体高分子電解質膜、またはゲル固体高分子電解質膜である。前記真性固体高分子電解質膜は、直鎖ポリマー材料、または仮橋ポリマー材料を含む。前記ゲル高分子電解質膜は、塩を含む可塑剤含有ポリマー、フィラー含有ポリマー、または純粋なポリマーのうちいずれか一つ、またはそれらの組み合わせである。
【００５３】
前述した分離膜１３０に関して列挙した材料は、例示的であり、分離膜１３０として、形状の変化が容易であり、機械的強度に優れるので、電極構造体１００が変形されるとしても、破れたり、裂けることがない任意の好適な電子絶縁性材料が使われ、電子絶縁性材料として、好適なイオン伝導性を有する。分離膜１３０は、単層膜または多層膜であり、前記多層膜は、同一単層膜の積層体であっても、他の材料で形成された単層膜の積層体であってもよい。分離膜１３０の厚さは、耐久性、ショットダウン機能、電池の安全性を考慮すれば、１０μmないし３００μmであり、望ましくは、１０μmないし４０μmであり、さらに望ましくは、１０μmないし２５μmである。
【００５４】
前述したように、正極１１０を構成する第１構造体１１１と、負極１２０を構成する第２電極構造体１２１は、相異なる方向にそれぞれ延び、分離膜１３０を挟んで相異なる方向に交差した構造を有する。前述した実施形態によれば、電極の役割を行う構造体１１１，１２１が曲面を有し、分離膜１３０を挟んで三次元的に交差して配列されるので、電極間の対向表面積が増大する。これによって、同一体積でエネルギー密度が向上するだけでなく、充放電速度、充放電効率及び電池のサイクル特性が改善されることができる。
【００５５】
図３は、本発明の他の実施形態による電池の電極組立体２００を示す斜視図である。
【００５６】
図３を参照すれば、電池を構成する電極組立体２００は、複数の纎維状の構造体１１１ａ，１１１ｂ，１２１ａ，１２１ｂと、分離膜１３０とを備える。複数の纎維状の構造体のうち一部１１１ａ，１２１ａは、それぞれいずれか一つの方向に平行に延びた構成において、図１に示した電極組立体１００の構造体１１１，１２１に対応し、それらの構造体１１１ａ，１２１ａは、それぞれ結合されて、電池の第１正極１１０ａ及び第１負極１２０ａを提供する。
【００５７】
本実施形態による電極組立体２００は、分離膜１３０の一周面１３０ａ上で、第１纎維状の構造体１１１ａと交互に位置しつつ、第１纎維状の構造体１１１ａと同一方向に延びた複数の纎維状の第３構造体１２１ｂをさらに含む。同様に、分離膜１３０の他の周面１３０ｂ上でも、負極１２０ａの第２構造体１２１ａと交互に位置しつつ、その延長方向と同一方向に延びた複数の纎維状の第４構造体１１１ｂをさらに含む。
【００５８】
第３構造体１２１ｂと第４構造体１１１ｂは、隣接する第１構造体１１１ａ及び第２構造体１２１ａとそれぞれ逆極性を有してもよい。例えば、第３構造体１２１ｂは、第２負極１２０ｂを提供し、第４構造体１１１ｂは、第２正極１１０ｂを提供してもよい。
【００５９】
第１正極１１０ａと第２正極１１０ｂは、リードを通じて互いに結合されて、一つの単一な共通の正極となる。同様に、第１負極１２０ａと第２負極１２０ｂも、互いに電気的に結合されて、一つの単一な共通の負極となる。しかし、これは、例示的であり、本発明がこれに制限されるものではない。例えば、第１正極１１０ａ及び第２正極１１０ｂのうちいずれか一つと、第１負極１２０ａ及び第２負極１２０ｂのうちいずれか一つとを互いに結合し、その残りの正極と負極のみを外部電極として提供することによって、バイポーラ電池を提供することも可能である。また、当業者は、本開示から、適切な電圧のバイポーラ電池を提供するために、互いに逆極性の構造体の個数と配列を適切に選択し、それを結合して、電池の内部で直列接続させ、残りの構造体を正極と負極に提供することによって、使用電圧を増加させるための多様なバイポーラ電池を提供できることを理解できるであろう。
【００６０】
一部の実施形態では、隣接する逆極性を有する構造体の間に安定した絶縁を確保するために、構造体１１１ａ，１１１ｂ，１２１ａ，１２１ｂは、図３に示したように、分離膜の周面１３０ａ，１３０ｂの内部に一部が埋め込まれる。このために、分離膜１３０の表面１３０ａ，１３０ｂに、構造体１１１ａ，１１１ｂ，１２１ａ，１２１ｂを収容するためのトレンチＴ（図５参照）を形成したり、構造体１１１ａ，１１１ｂ，１２１ａ，１２１ｂの配置時に、構造体１１１ａ，１１１ｂ，１２１ａ，１２１ｂに対する加圧工程を通じて、分離膜１３０の表面１３０ａ，１３０ｂの内部に埋め込む。
【００６１】
一部の実施形態では、図２を参照して前述したように、いずれか一つの極性を有する構造体の活物質層上にのみ、固体電解質層をさらに形成する。この場合、分離膜１３０の同一表面上で、隣接する互いに逆極性の構造体は、離隔せずに接触して延びる。例えば、図３において、第１構造体１１１ａ及び第３構造体１２１ｂのうちいずれか一つにのみ、固体電解質層を選択的に形成し、それらを互いに離隔させず、分離膜１３０の第１周面１３０ａ上に平行に配列する。同様に、第２構造体１２１ａ及び第４構造体１１１１ｂのうちいずれか一つにのみ、固体電解質層を選択的に形成し、この場合、それらの構造体を互いに離隔させず、分離膜１３０の第２周面１３０ｂ上に平行に配列する。
【００６２】
前述した実施形態によれば、三次元曲面を有する構造体１１１ａ，１１１ｂ，１２１ａ，１２１ｂが、分離膜１３０を横切って、逆極性の構造体と互いに交差して対向するだけでなく、分離膜１３０の同一周面上でも、逆極性の構造体と対向するので、単純平面形電極に比べて、電極間の対向表面積が増大する。したがって、本実施形態によれば、同一体積でエネルギー密度が向上するだけでなく、充放電速度、充放電効率及び電池のサイクル特性が改善されることができる。
【００６３】
図４は、本発明の他の実施形態による電池の電極組立体３００を示す分解斜視図である。
【００６４】
図４を参照すれば、電極組立体３００は、積層された複数の分離膜３３１，３３２を備える。図４では、第１分離膜３３１及び第２分離膜３３２を例示しているが、三層以上の分離膜が積層されてもよい。
【００６５】
電極組立体３００において、第１電極３１０ａを構成する組立体１１１ａ、第２電極３２０ａを構成する組立体１２１ａ、及び第１分離膜３３１の構成については、図１を参照して前述した組立体及び分離膜についての開示事項を参照する。図４の実施形態では、第１分離膜３３１及び第２分離膜３３２の境界面と逆になる第２分離膜３３２の周面上に延びた第３構造体１２１ｃは、例えば、ｘ方向に延びた第１構造体１１１ａと交差するように、一定の方向、例えば、ｙ方向に延びる。
【００６６】
また、第３構造体１２１ｃは、第１構造体１１１ａと逆極性を有してもよい。例えば、第１電極３１０ａが正極である場合、第３構造体１２１ｃは、互いに接続して第２負極３２０ｃを提供してもよい。第１負極３２０ａと第２負極３２０ｃは接続して、一つの共通の負極を提供してもよい。図示していないが、第２分離膜３３２上にさらに他の分離膜が積層され、第１正極３１０ａも、第２分離膜３３２上に積層される他の分離膜上の正極用構造体と接続して、一つの共通の正極を提供してもよい。前述した電極の構成は、例示的であり、互いに逆極性を有する構造体の個数と配列を適切に選択して接続させることによって、バイポーラ電池を提供できることは前述した通りである。
【００６７】
図５は、本発明のさらに他の実施形態による電池の電極組立体４００を示す分解斜視図である。
【００６８】
図５を参照すれば、電極組立体４００は、積層された複数の分離膜４３１，４３２を備える。図５では、第１分離膜４３１及び第２分離膜４３２を例示しているが、三層以上の分離膜が積層されてもよい。
【００６９】
電極組立体４００において、電極１１０ａ，１１０ｂ，１２０ａ，１２０ｂをそれぞれ構成する第１ないし第４組立体１１１ａ，１１１ｂ，１２１ａ，１２１ｂについては、矛盾しない限り、図３に示した開示事項を参照する。第１分離膜４３１及び第２分離膜４３２の境界面と逆になる第２分離膜４３２の周面上に延びた更なる第５及び第６構造体１１１ｃ，１２１ｃは、下地の第１構造体１１１ａ及び第３構造体１２１ｂと交差するように、一定の方向、例えば、ｙ方向に延びる。第５及び第６構造体１１１ｃ，１２１ｃは、互いに極性を異ならせて、第２分離膜４３２の周面上に互いに交互に位置して配置される。
【００７０】
一部の実施形態では、図３を参照して前述したように、いずれか一つの極性を有する構造体の活物質層上にのみ、固体電解質層をさらに形成する。この場合、分離膜４３１，４３２の同一表面上で、隣接する互いに逆極性の構造体は、離隔せずに接触して延びてもよい。
【００７１】
また、積層順序と延長方向が相異なる各構造体のグループは、適切に組み合わせられて、電池の外部に対して、さらに他の正極４１０ｃ及び負極４２０ｃを提供したり、構造体のうち一部を選択して、互いに電気的に接続することによって、バイポーラ電池を提供できることは前述した通りである。図４及び図５のように、二層以上の分離膜を積層し、その境界面と、前記分離膜の他の周面上とに、纎維状の構造体を配列することによって、互いに逆極性を有する隣接する構造体間の対向電極面積が増大するので、エネルギー密度が向上するだけでなく、充放電速度、充放電効率及び電池のサイクル特性が改善されることができる。
【００７２】
図６ａないし図６ｃは、本発明のさらに他の実施形態による電極組立体５００を示す斜視図である。
【００７３】
図６ａ及び図６ｂを参照すれば、電極組立体５００の電極５１０Ｍ，５２０Ｍは、それぞれ互いに交差する同じ極性を有する複数の纎維状の構造体で構成される。それらの同じ極性を有する複数の纎維状の構造体５１１ｘ，５１１ｙ及び構造体５２１ｗ，５２１ｚは、互いに接触して、格子構造を形成する。例えば、正極５１０Ｍは、ｘ方向に延びた複数の纎維状の構造体５１１ｘと、それらと交差するように、他の方向、すなわち、ｙ方向に延びた複数の纎維状の構造体５１１ｙとを含む。負極５２０Ｍも、相異なる方向、すなわち、ｗ方向及びｚ方向にそれぞれ延びて交差する複数の纎維状の構造体５２１ｗ，５２１ｚを含む。
【００７４】
図６ｃの電極組立体５００において、それらの電極５１０Ｍ，５２０Ｍの間には、第１分離膜５３１が配置されて、電極１１０Ｍ，１２０Ｍ間の分離が達成される。電極５１０Ｍ，５２０Ｍは、分離膜５３１を挟んで対称に整列される。他の実施形態では、図６ｃに示したように、電極５１０Ｍ，５２０Ｍが互いに対称にならずに交差するように、電極５１０Ｍ，５２０Ｍの格子構造が回転配置されてもよい。すなわち、正極５１０Ｍは、構造体がｗ方向及びｚ方向に整列されるように配置し、負極５２０Ｍは、構造体がｘ方向及びｙ方向に整列されるように配置する。この場合、正極５１０Ｍと負極５２０Ｍとが正確に整列された場合に比べて、構造体間の対向面積がさらに増大する。
【００７５】
他の実施形態において、電極５１０Ｍ，５２０Ｍは、同じ方向に整列されるが、格子縞が互いに交差して整列されてもよい。例えば、図示していないが、正極５１０Ｍの構造体と、負極５２０Ｍの構造体とがいずれもｘ方向及びｙ方向に配列され、正極５１０Ｍまたは負極５２０Ｍのうちいずれか一つを、ｘ方向またはｙ方向に移動させて、格子縞が互いに交差してオフセット配置されてもよい。また、前述した回転方式と移動方式とを組み合わせて、正極５１０Ｍと負極１２０Ｍの格子を交差させて、対向面積を増大させることもできる。
【００７６】
さらに他の実施形態として、図６ｃに示したように、第１分離膜５３１上に第２分離膜５３２を積層し、第１分離膜５３１及び第２分離膜５３２の境界面と逆になる第２分離膜５３２の周面上に、さらに他の格子構造を有する電極５３０Ｍを配置してもよい。これによって、エネルギー密度はさらに向上する。追加された電極５３０Ｍは、負極であり、電極５３０Ｍと下地の正極５１０Ｍの整列は、正極５１０Ｍと負極５２０Ｍの整列について前述した開示事項を参照する。
【００７７】
図７は、本発明のさらに他の実施形態による電池の電極組立体６００を示す斜視図である。
【００７８】
図７を参照すれば、電極組立体６００では、第１電極６１０を構成する第１構造体１１１と、第２電極６２０を構成する第２構造体１２１とが、分離膜６３０を往復貫通する横糸及び縦糸として互いに交差する。右側の図面は、第１構造体１１１と第２構造体１２１の構成を詳細に説明するために、分離膜６３０が除かれた状態の電極組立体６００を示す。
【００７９】
本実施形態によれば、分離膜６３０により相異なる構造体の間に絶縁が行われるので、電極構造体６００が変形されるとしても、構造体１１１，１２１間の短絡を防止できる。一部の実施形態では、図２を参照して前述したように、いずれか一つの極性を有する構造体にのみ、固体電解質層を形成して、エネルギー密度を向上させ、かつ構造体間の絶縁を向上させる。図示していないが、分離膜６３０上に、一層以上の分離膜をさらに積層することも、本発明の実施形態に含まれることは自明である。
【００８０】
また、前述したように、構造体を相異なる方向に交差させる場合、交差するそれぞれの纎維状の構造体は、一定の頻度数で交差してもよく、纎維状の構造体１１１，１２１のうち少なくとも一部が、互いにランダムに交差してもよい。このように、構造体のうちいずれか一つの極性を有する構造体は、逆極性を有する構造体に対して、その少なくとも一部が、他の構造体内に埋め込まれる構造を有するので、電極間の対向表面積が増大して、エネルギー密度が向上するだけでなく、充放電速度、充放電効率及び寿命が改善されることができる。
【００８１】
図８は、本発明のさらに他の実施形態による電極組立体７００を示す斜視図である。
【００８２】
図８を参照すれば、電極構造体７００は、前述した分離膜の代わりに、内部に極性の異なる構造体７１１，７１２からなる少なくとも二つの電極７１０，７２０が内包されるように、十分な厚さを有する分離マトリックス７３０を備える。分離マトリックス７３０は、前述した分離膜と同じ材料で形成される。分離マトリックス７３０の内部に、構造体７１１，７１２を整列するために、まず、分離マトリックスとなる溶液内で、構造体７１１，７２２を整列した後、前記溶液を固めて、分離マトリックス７３０を提供する。分離マトリックス７３０は、真性固体ポリマー電解質、またはゲルポリマー電解質が望ましい。
【００８３】
分離マトリックス７３０を貫通して、ｘ方向に延びた第１構造体７１１は、同一平面上に配置される。同様に、分離マトリックス７３０を貫通して、ｙ方向に延びた逆極性の第２構造体７２１も、同一平面上に配置される。互いに逆極性の構造体７１１，７２１がそれぞれなす平面は、互いに離隔し、構造体７１２，７２１は、分離マトリックス７３０の内部で互いに分離する。
【００８４】
分離マトリックス７３０を貫通する前述した構造体７１１，７２１は、分離マトリックス７３０の内部で二層以上の層で積層され、さらに、分離マトリックス７３０を二層以上積層することも、本発明の実施形態に含まれることは自明である。それらの実施形態でも、隣接する構造体７１１，７２２間の対向面積は、三次元的に増大するので、電池のエネルギー密度が向上するだけでなく、充放電効率及び電池のサイクル特性が改善されることができる。
【００８５】
前述した実施形態では、相異なる極性の構造体が互いに離隔した構造を例示しているが、他の実施形態として、いずれか一つの極性の構造体、例えば、負極構造体にのみ、真性固体ポリマー電解質のような固体電解質層をさらに形成し、この場合、極性の異なる構造体は、互いに離隔せず、同一方向にまたは相異なる方向に交差して延びてもよい。また、同じ極性の構造体は、互いに離隔せずに接触して、同一方向にまたは相異なる方向に交差して延びてもよい。
【００８６】
図９は、本発明のさらに他の実施形態による電極組立体８００を示す斜視図である。
【００８７】
図９を参照すれば、電極構造体８００は、内部に極性の異なる構造体８１１ａ，８１１ｂ；８２１ａ，８２１ｂが互いに交差して積層されるように、十分な厚さを有する分離マトリックス８３０を備える。分離マトリックス８３０の内部に、構造体８１１ａ，８１１ｂ；８２１ａ，８２１ｂを整列するために、まず、分離マトリックス８３０となる溶液内で、構造体８１１ａ，８１１ｂ；８２１ａ，８２１ｂを整列した後、前記溶液を固めて、分離マトリックス８３０を提供する。分離マトリックス８３０は、固体ポリマー電解質、またはゲルポリマー電解質が望ましい。
【００８８】
分離マトリックス８３０を貫通する構造体８１１ａ，８１１ｂ；８２１ａ，８２１ｂにおいて、その構成は、ｘ方向に延びた第１構造体８１１ａがなす同一平面上に、第１構造体８１１ａと交互に位置しつつ、第１構造体８１１ａの極性と逆極性を有し、ｘ方向に延びた第３構造体８２１ｂをさらに含むという点で、図８の電極組立体７００と区別される。同様に、分離マトリックス８３０を貫通して、ｙ方向に延びた逆極性の第２構造体８２１ａがなす同一平面上にも、第２構造体８２１ａと交互に位置しつつ、第２構造体８２１ａの極性と逆極性を有し、ｙ方向に延びた第４構造体８１１ｂをさらに含む。前述した構造体は、同じ極性どうし結合されて、電池の外部に対して一つの正極と電極とを提供したり、電池の内部で互いに逆極性どうし接続されて、バイポーラ電池を提供することも可能である。
【００８９】
前述した実施形態は、矛盾しない限り、互いに組み合わせられて実施され、これは、本発明の範囲に含まれる。例えば、図７を参照して前述した電極組立体６００において、分離膜１３０の代わりに、分離マトリックス７３０（図８）が適用され、分離マトリックス７３０内には、図７の右側に示した横糸と縦糸で結んだ構造体１１１，１２１が少なくとも一層以上内包される。また、図６Ｃを参照して前述した電極組立体５００でも、第１及び第２構造体５１１ｘ，５１１ｙが、横糸及び縦糸として互いに交差し、第３及び第４構造体５２１ｗ，５２１ｚも、横糸及び縦糸として互いに交差し、この場合、前記第１及び第２構造体の電極５１０Ｍと、前記第３及び第４構造体の電極５２０Ｍのうちいずれか一つの電極、望ましくは、充放電時に体積変化の少ない電極にのみ選択的に、固体電解質層をさらに形成してもよい。また、異なる配列を有する二つ以上の構造体の配列が組み合わせられて実施されてもよいことを肝に銘じなければならない。
【００９０】
図１０は、本発明のさらに他の実施形態による電極組立体９００を示す斜視図である。
【００９１】
図１０を参照すれば、電池を構成する電極組立体９００は、複数の纎維状の第１構造体１２１からなる第１電極９２０と、第１構造体１２１と逆極性を有する平面上の第２電極９１０とを備える。第１構造体１２１からなる、第１構造体１２１に対向する第２電極９１０は、平面形状を有するという点で、前述した纎維状の構造体と区別される。
【００９２】
第１構造体１２１の厚さｗは、４００μmないし２０００μmであり、電池の応用分野によって、適切に選択される。第１構造体１２１間の間隔ｄは、０より大きく、１０００μmより小さく、望ましくは、２μmないし４００μmである。一部の実施形態では、電極間の対向表面積を増大させるために、間隔ｄは、０より大きく、第１構造体１２１の厚さｗより小さいことが望ましい。
【００９３】
第１電極９１０と第２電極９２０との間には、分離膜９３０が提供される。分離膜９３０は、前述したように、微細多孔膜、織布、不織布、真性固体高分子電解質膜、またはゲル固体高分子電解質膜である。前記真性固体高分子電解質膜は、直鎖ポリマー材料、または仮橋ポリマー材料を含む。前記ゲル高分子電解質膜は、塩を含む可塑剤含有ポリマー、フィラー含有ポリマー、または純粋なポリマーのうちいずれか一つ、またはそれらの組み合わせである。
【００９４】
一方向に平行に延びた第１構造体１２１は、互いに電気的に連結されて、一つの電極、例えば、負極９２０を提供する。この場合、平面上の第２電極９１０は、正極を提供する。
【００９５】
図１１は、本発明のさらに他の実施形態による電極組立体１０００を示す斜視図である。
【００９６】
図１１を参照すれば、電極組立体１０００は、図１０に示した電極組立体１０００と異なり、第１構造体１２１が平面上の第２電極１０１０の両周面にいずれも対向するように、第２電極１０１０を取り囲むようにさらに延びる。巻き取られた第１構造体１２１からなる第１電極１０２０と、平面上の第２電極１０１０とを互いに分離するために、電極１０１０の両周面と第１構造体１２１との間に、分離膜１０３０ａ，１０３０ｂが配置される。分離膜１０３０ａ，１０３０ｂは、図示したように複数であり、一つの平面形分離膜を折って、電極１０１０の両周面に接触させてもよい。または、電極１０１０を取り囲む真性固体ポリマー電解質、またはゲル固体ポリマー電解質を提供することによって、前記分離膜を提供することもできる。
【００９７】
巻き取られた第１構造体１２１は、第２電極１０１０の両周面を電極面積として活用して、電極間の対向表面積を増大させる。これによって、同一体積でエネルギー密度が向上するだけでなく、充放電効率及び電池のサイクル特性が改善される。図１１では、第１構造体１２１が、第２電極１０１０を１回転して取り囲んでいるが、少なくとも二回以上取り囲まれた構造も、本発明の実施形態に含まれることは自明である。この場合、第１構造体１２１は、複数ではなく、一つの構造体のみで電極を提供でき、第１構造体１２１は、螺旋状に巻き取られてもよい。
【００９８】
図１２は、本発明のさらに他の実施形態による電極組立体１１００を示す斜視図である。
【００９９】
図１２を参照すれば、電極組立体１１００の一電極１１２１Ｍは、互いに交差する同一極性を有する複数の纎維状の構造体１１２１ｘ，１１２１ｙで構成される。それらの同一極性を有する複数の纎維状の構造体１１２１ｘ，１１２１ｙは、互いに接触して、格子構造を形成する。電極組立体１０００の他の電極１１１０は、図１０の電極９１０のように平面形状を有する。電極１１２１Ｍは、負極であり、電極１１１０は、正極である。構造体１１２１ｘ，１１２１ｙからなる電極１１２１Ｍと、平面上の電極１１１０との間には、分離膜１１３０が提供される。
【０１００】
図１３は、本発明のさらに他の実施形態による電極組立体１２００を示す斜視図である。
【０１０１】
図１３を参照すれば、電極組立体１２００は、図１２に示した電極組立体１１００のように、第１構造体１２１ａと同一極性を有しつつ、第１構造体１２１ａと交差するように、第１構造体１２１ａの延長方向と異なる方向に延びた第２構造体１２１ｂをさらに含む。しかし、図１３に示した実施形態では、第１構造体１２１ａと第２構造体１２１ｂとが、互いに横糸及び縦糸として交差する。
【０１０２】
電極組立体１２００の他の電極１２１０は、平面形状を有する。電極１２１０は、正極であり、第１及び第２構造体１２１ａ，１２１ｂからなる電極１２２０は、負極である。それらの構造体１２１ａ，１２１ｂからなる電極１２２０と、平面上の電極１２１０との間には、分離膜１２３０が提供される。
【０１０３】
前述した多様な実施形態による電極構造体を形成した後、前記分離膜または分離マトリックスは、好適な電解質に含浸されて活性化される。または、前記分離膜または分離マトリックスを、ゲルまたは真性固体ポリマー電解質で形成する場合は、かかる含浸工程なしにも活性化される。
【０１０４】
前述したように、本明細書には、正極及び負極のうち少なくとも一部の電極を、複数の纎維状の構造体で形成することによって、電極間の対向表面積を増大させ、かつ薄型化及び形状の変化が容易な電極組立体についての多様な実施形態が開示されている。当業者にとって、それらの実施形態は、矛盾しない限り、少なくとも一つ以上の特徴が組み合わせられて変形可能であり、それらの実施形態も、本発明の範囲に含まれることは自明である。例えば、図１３に示した実施形態において、電極組立体は、横糸及び縦糸として互いに交差する第１及び第２構造体は、分離膜を往復貫通するように延びてもよいことを理解できるであろう。
【０１０５】
纎維状の構造体は、形状の変化が容易であり、容量の調節のために、その面積を調節し、それを重ねたり、曲げたり、構造体を積層させることによって、多様な電池ケースを採用して、形状の変化が容易な電池を提供できる。例えば、服、かばんなどに付着されたり、その一部となる小型電池として応用されてもよく、高容量化して自動車の動力源のような中大型電池として応用されてもよい。
【０１０６】
また、本発明の実施形態によれば、立体的な対向面積の増大によって、充放電効率が改善されて、少量の負極材料を使用して電池を製造できる。リチウムイオン電池の場合、リチウムの限定された埋め込み量を考慮する時、本発明の実施形態によれば、さらに少量のリチウムで同じエネルギーが得られる電池を提供できる。
【０１０７】
以上で説明した本発明が、前述した実施形態及び添付された図面に限定されず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、色々な置換、変形及び変更が可能であるということは、当業者にとって明らかである。
【図１】
0005901628.tif 000002
【図２】
0005901628.tif 000003
【図３】
0005901628.tif 000004
【図４】
0005901628.tif 000005
【図５】
0005901628.tif 000006
【図６ａ】
0005901628.tif 000007
【図６ｂ】
0005901628.tif 000008
【図６ｃ】
0005901628.tif 000009
【図７】
0005901628.tif 000010
【図８】
0005901628.tif 000011
【図９】
0005901628.tif 000012
【図１０】
0005901628.tif 000013
【図１１】
0005901628.tif 000014
【図１２】
0005901628.tif 000015
【図１３】
0005901628.tif 000016