(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂層及び金属層を有するラミネートシートの電池ケースに、分離膜／正極／分離膜／負極／分離膜構造の電極組立体が、電池ケースの外部に突出した電極端子と連結された状態で内蔵されている電池セルであって、
前記電極組立体は、
集電体に電極活物質を含む合剤がそれぞれ塗布されている正極と負極との間に分離膜が挟持されており、
電極組立体の外周面に対応する電池ケースの内側面は、垂直断面上、上に向かって幅が広くなる上向き傾斜構造又は下に向かって幅が広くなる下向き傾斜構造になっており、
前記電池ケースの内側面に対応して電極組立体の外周面も電極の長さ又は幅の増加による上向き傾斜構造又は下向き傾斜構造になっており、
前記電極組立体の傾斜面は、最上端又は最下端の分離膜で覆われることを特徴とする、電池セル。
【請求項２】
前記電池ケースの内側面は、下向き傾斜構造になっており、前記電極組立体の外周面は、下向き傾斜構造になっていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
【請求項３】
前記電極組立体の垂直断面が台形になっていることを特徴とする、請求項２に記載の電池セル。
【請求項４】
前記電池セルは、平面上、長方形になっており、４面のうち、電極端子の位置する面以外の面において電池ケースの内側面が上向き傾斜構造又は下向き傾斜構造になっていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
【請求項５】
前記電極端子は、前記４面のいずれか１面にのみ設けられていることを特徴とする、請求項４に記載の電池セル。
【請求項６】
前記正極は、集電体としてアルミニウム箔に正極合剤がコートされており、前記負極は、集電体としてアルミニウム以外の金属箔に負極合剤がコートされていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
【請求項７】
前記電池ケースは、アルミニウムラミネートシートのパウチ形ケースからなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
【請求項８】
前記電極組立体は、一つのシート状の正極と一つのシート状の負極との間に分離膜が挟持された状態で巻き取られており、正極集電体の端部及び負極集電体の端部にそれぞれ電極端子が結合されているジェリーロール型の構造になっていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
【請求項９】
前記電極組立体は、２つ以上の正極と２つ以上の負極が分離膜を挟持した状態で積層されており、正極及び負極集電体からそれぞれ突出した２つ以上の電極タブが一つの電極端子に結合されているスタック型の構造になっていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
【請求項１０】
前記電極組立体は、正極板、負極板、最上端及び最下端の極板が正極であるスタック型の電極組立体、及び最上端及び最下端の極板が負極であるスタック型の電極組立体からなる群から選ばれる２つ以上の極性体と、前記極性体の積層面及び側面を覆っているシート状の分離膜と、を備え、
前記極性体は、前記シート状の分離膜を挟んで正極及び負極が互いに対面するように、平面を基準にして高さ方向に積層されているスタック型／フォルディング型の構造になっていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
【請求項１１】
前記電池セルは、リチウムイオン二次電池又はリチウムイオンポリマー二次電池であることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかによる電池セルを単位電池として含んでいる電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規な構造の電池セルに係り、特に、樹脂層及び金属層を有するラミネートシートの電池ケースに、正極／分離膜／負極構造の電極組立体が、電池ケースの外部に突出した電極端子と連結された状態で内蔵されている電池セルであって、前記電極組立体は、集電体に電極活物質を含む合剤がそれぞれ塗布されている正極と負極との間に分離膜が挟持されており、電極組立体の外周面に対応する電池ケースの内側面の少なくとも一部は、垂直断面上、上に向かって幅が広くなる上向き傾斜構造又は下に向かって幅が広くなる下向き傾斜構造になっており、前記電池ケースの内側面に対応して電極組立体の外周面も上向き傾斜構造又は下向き傾斜構造になっている電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイル機器の技術開発及び需要が増大するに伴い、エネルギー源としての二次電池の需要も急増しており、それによって多様な要求に応えられる電池に関する研究が多く行われている。
【０００３】
主として、電池の形状面では、薄い厚さを有し、携帯電話などのような製品に適用できる角形電池とパウチ形電池の需要が多く、材料面では、高いエネルギー密度、放電電圧、出力安全性を有するリチウムコバルトポリマー電池のようなリチウム二次電池の需要が多い。
【０００４】
このような二次電池において主な研究課題の一つは、安全性を向上させることである。一般に、リチウム二次電池は、内部ショート、許容された電流及び電圧を超える過充電状態、高温への露出、落下などによる衝撃のような電池の異常作動状態から生じうる電池内部の高温及び高圧によって爆発が起こることがある。
【０００５】
図１には、スタック型電極組立体を含んでいるパウチ形二次電池の一般的な構造が模式的に示されている。
【０００６】
図１を参照すると、パウチ形二次電池１００は、アルミニウムラミネートシートのパウチ形電池ケース２００の内部に、正極、負極及びこれらの間に配置された分離膜又は固体電解質コート分離膜からなる電極組立体３００が、その負極及び正極タブ３０２，３０４に連結される２つの電極端子４００，４１０が外部に露出されるようにして封止されている構造となっている。
【０００７】
図１に示すようなスタック型電極組立体３００の場合、複数の負極タブ３０２と複数の正極タブ３０４がそれぞれ融着して電極端子４００，４１０に共に結合されるように、電極組立体３００から電池ケース２００の内部上端は離隔している。
【０００８】
場合によっては、図１のようなスタック型電極組立体の他、スタック／フォルディング型電極組立体又は巻取型電極組立体が使用されることもある。
【０００９】
一方、図２には、図１の平面図が模式的に示されており、図３及び図４には、図２のＡ部位とＢ部位を拡大した模式図が示されている。
【００１０】
また、図５には、従来の電池セルの垂直断面図が模式的に示されている。
【００１１】
図２乃至図５を参照すると、一般に、従来の電極組立体３００が長方形の形状をしており、電極組立体３００と電池ケース２００の内側面との離隔距離が一定でなかった。そのため、電池ケース２００の左右面と上下面においてそれぞれ死空間（Ｄｅａｄ  Ｖｏｌｕｍｅ）Ｓ，Ｓ’が存在した。
【００１２】
このような死空間Ｓ、Ｓ’は電池セル１００の落下時に電池ケース２００又は電極組立体３００の変形を誘発し、電池セル１００の安全性を減少させるという問題点があった。
【００１３】
また、死空間Ｓ，Ｓ’は、同一規格の他の電池セルに比べて電池容量を減少させるという問題点もあった。
【００１４】
そこで、より安全で効率的な方法で電池セルの容量を増大させ、電池セルの安全性を担保できる技術が強く望まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記のような従来技術の問題点、及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
【００１６】
本発明の目的は、電極組立体の外周面に対応する電池ケースの内側面の少なくとも一部が、垂直断面上、上に向かって幅が広くなる上向き傾斜構造又は下に向かって幅が広くなる下向き傾斜構造となり、電池ケースの内側面に対応して電極組立体の外周面も上向き傾斜構造又は下向き傾斜構造となるように電池セルを構成することによって、電池セルの電池容量を増加させると同時に落下時に電池セルの安全性を確保することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
このような目的を達成するための本発明に係る電池セルは、
樹脂層及び金属層を有するラミネートシートの電池ケースに、正極／分離膜／負極構造の電極組立体が、電池ケースの外部に突出した電極端子に連結された状態で内蔵されている電池セルであって、前記電極組立体は、
集電体に電極活物質を含む合剤がそれぞれ塗布されている正極と負極との間に分離膜が挟持されており、
電極組立体の外周面に対応する電池ケースの内側面の少なくとも一部は、垂直断面上、上に向かって幅が広くなる上向き傾斜構造又は下に向かって幅が広くなる下向き傾斜構造となっており、
前記電池ケースの内側面に対応して電極組立体の外周面も上向き傾斜構造又は下向き傾斜構造になっている。
【００１８】
前記上向き傾斜構造及び前記下向き傾斜構造は、上層方向及び下層方向に平行な面に対する傾斜角が１°超過９０°未満の範囲であればよく、具体的には、５°超過８０°未満であればよく、より具体的には５°超過６０°未満の範囲であればよい。
【００１９】
したがって、本発明に係る電池セルは、電極組立体の外周面に対応する電池ケースの内側面の少なくとも一部が、垂直断面上、上に向かって幅が広くなる上向き傾斜構造又は下に向かって幅が広くなる下向き傾斜構造になっており、電池ケースの内側面に対応して電極組立体の外周面も上向き傾斜構造又は下向き傾斜構造になっているため、同一規格の他の電池セルに比べて電池容量が増大する。
【００２０】
また、電池セルの落下時に、電池ケースが電極組立体に密着されているため、電池ケースの変形を最小化することができる。
【００２１】
好適な一例において、前記電池ケースは、内側面が下向き傾斜構造になっており、前記電極組立体の外周面は、電極の長さ又は幅の増加による下向き傾斜構造になっていてよい。
【００２２】
前記構造において、前記電極組立体の垂直断面が台形であってよい。
【００２３】
他の例において、前記電池セルは、平面上、長方形であり、４面のうち、電極端子の位置する面以外の面において電池ケースの内側面が上向き傾斜構造又は下向き傾斜構造になっていてもよい。
【００２４】
前記構造において、電極端子は、前記４面のいずれか１面又は２面に設けられていてもよい。
【００２５】
前記正極は、集電体としてアルミニウム泊に正極合剤がコートされている構造とし、前記負極は、集電体としてアルミニウム以外の金属箔に負極合剤がコートされている構造とすることができる。
【００２６】
前記負極の集電体は、当該電池に化学的変化を誘発しないと共に導電性を有するものであれば、特に制限されず、例えば、銅、ステンレススチール及びニッケルからなる群から選ばれる金属又はそれらの合金とすることができる。
【００２７】
前記電池ケースは、アルミニウムラミネートシートのパウチ形ケースとすることができる。
【００２８】
一つの好適な例において、前記電極組立体は、一つのシート状の正極と一つのシート状の負極との間に分離膜が挟持された状態で巻き取られており、正極集電体の端部及び負極集電体の端部にそれぞれ電極端子が結合されているジェリーロール型の構造であってよい。
【００２９】
他の好適な例において、前記電極組立体は、一つ以上の正極と一つ以上の負極が分離膜を挟持した状態で積層されており、正極及び負極集電体からそれぞれ突出した２つ以上の電極タブが一つの電極端子に結合されているスタック型の構造であってもよい。
【００３０】
このとき、正極と負極との間に挟持される分離膜のうち、最下端又は最上端に位置する分離膜は、前記上向き傾斜構造の傾斜面又は下向き傾斜構造の傾斜面を覆えるような長さにすることができる。
【００３１】
こうすると、正極及び負極が上向き傾斜した電池ケースの内面又は下向き傾斜した電池ケースの内面に直接接することがないため、外部衝撃などが加えられるとき、内部短絡の発生を最小化することが可能である。
【００３２】
さらに他の例において、前記電極組立体は、正極板、負極板及びスタック型電極組立体からなる群から選ばれる２つ以上の極性体と、これら極性体の積層面及び側面を覆っているシート状の分離膜と、を備え、
前記極性体は、前記分離膜を挟んで正極と負極が互いに対面するように、平面を基準にして高さ方向に積層されているスタック型／フォルディング型の構造であってもよい。
【００３３】
前記構造において、前記スタック型電極組立体は、最上端及び最下端に位置する電極板の極性が互いに同一であってもよく、異なっていてもよい。
【００３４】
前記側面は、上向き傾斜構造又は下向き傾斜構造の傾斜面を指すものと理解すればよい。
【００３５】
場合によっては、シート状の分離膜がスタック型／フォルディング型電極組立体の外周面を覆えるような長さで形成されていてもよい。シート状の分離膜でスタック型／フォルディング型電極組立体の外面を覆うようにすると、反復的な充放電にかかわらず、正極、分離膜、負極の積層面が強固に接触を維持することが可能である。
【００３６】
前記スタック型／フォルディング型電極組立体は、シート状の分離膜に、正極板、負極板、及びスタック型電極組立体からなる群から選ばれる一つ以上の極性体を配列した後、シート状の分離膜を巻き取ったりフォルディングすることによって製作できる。
【００３７】
具体的に、シート状の分離膜を巻き取る際に発生する引張力は、正極、分離膜及び負極間の界面を密着する圧力を提供できる。
【００３８】
スタック型／フォルディング型電極組立体は、シート状の分離膜が上向き傾斜構造又は下向き傾斜構造の傾斜面を覆うようになっているため、正極及び負極が上向き傾斜した電池ケースの内面又は下向き傾斜した電池ケースの内面に直接接することがない。これによって、外部衝撃などが加えられるとき、内部短絡の発生を最小化することができる。
【００３９】
前記電池セルは、リチウムイオン電池又はリチウムイオンポリマー電池が好ましいが、これらに限定されるものではない。
【００４０】
一方、前記電池セルは、電池ケースと電極組立体との間の死空間（Ｄｅａｄ  Ｖｏｌｕｍｅ）を縮減する構造になっているため、電池セルの内部において不必要な死空間を最小化し、電池容量を極大化することができる。
【００４１】
本発明はまた、前記電池セルを単位電池として含んでいる電池モジュールを提供する。
【００４２】
本発明に係る電池モジュールを使用できるデバイスの例には、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグ−インハイブリッド電気自動車、電力貯蔵装置などがあるが、その他、ノートパソコン、携帯用コンピュータなどのようなデバイスも考慮することができる。
【００４３】
これらの電池モジュールの構造及びその作製方法は当業界には公知のものであり、本明細書ではその詳細な説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、一般のスタック型電極組立体を含んでいるパウチ形二次電池の分解斜視図である。
【図２】図２は、図１の平面図である。
【図３】図３は、図２のＡ部位を拡大した模式図である。
【図４】図４は、図２のＢ部位を拡大した模式図である。
【図５】図５は、従来の電池セルの垂直断面図である。
【図６】図６は、本発明の一実施例に係る電池セルの垂直断面図である。
【図７】図７は、本発明に係るスタック型／フォルディング型電極組立体の垂直断面図である。
【図８】図８は、本発明に係るジェリーロール型電極組立体の垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解を助けるためのもので、本発明の範ちゅうを限定するためのものではない。
【００４６】
図６には、本発明の一実施例に係る電池セルの垂直断面図が模式的に示されている。
【００４７】
図６を参照すると、電池セル１００ａは、樹脂層及び金属層を有するラミネートシートの電池ケース２００ａに、正極２１０／分離膜２３０／負極２２０構造の電極組立体３００ａが、電池ケース２００ａの外部に突出した電極端子（図示せず）と連結された状態で内蔵されている。
【００４８】
電極組立体３００ａは、集電体に電極活物質を含む合剤がそれぞれ塗布されている正極２１０と負極２２０との間に分離膜２３０が挟持されており、電極組立体３００ａの外周面に対応する電池ケース２００ａの内側面は、垂直断面上、下に向かって幅が広くなる下向き傾斜構造（矢印）になっている。
【００４９】
また、電池ケース２００ａの内側面に対応して電極組立体３００ａの外周面も下向き傾斜構造になっているため、図５に示すような従来の構造に比べて、電池ケース２００ａと電極組立体３００ａとの間の死空間が顕著に減少している。
【００５０】
具体的に、電池ケース２００ａの内側面は下向き傾斜構造になっており、電極組立体３００ａの外周面は、電極の幅の増加による下向き傾斜構造になっている
【００５１】
電極組立体３００ａの垂直断面は台形をしており、電池セル１００ａは、平面上、長方形をしている。
【００５２】
また、電池セル１００ａの４面のうち、電極端子の位置する面以外の面において電池ケース２００ａの内側面が下向き傾斜構造となっており、電極端子（図示せず）は４面のいずれか１面にのみ設けられている。
【００５３】
正極２１０は、集電体としてアルミニウム泊に正極合剤がコートされており、負極２２０は、集電体としてアルミニウム以外の金属箔に負極合剤がコートされている。
【００５４】
電池ケース２００ａは、アルミニウムラミネートシートのパウチ形ケースとなっている。
【００５５】
電極組立体３００ａは、４個の正極２１０と３個の負極２２０とが分離膜２３０を挟持した状態で積層されており、正極及び負極集電体からそれぞれ突出した４個の正極タブと３個の負極タブが、正極端子と負極端子にそれぞれ結合されているスタック型構造になっている。
【００５６】
図７には、本発明に係るスタック型／フォルディング型電極組立体の垂直断面図が模式的に示されている。図６及び図７を参照すると、図６の電極組立体３００ａを図７の電極組立体３１０ａに取り替えることができ、この場合、電極組立体３１０ａは、傾斜面がシート状の分離膜２３１で覆われているため、正極２２０及び負極２１０が電池ケース２００ａの内面に直接接することがない。図６の電極組立体３００ａにおいても、最上端又は最下端の分離膜２３０を長く延ばして傾斜面を覆うようにしてもよい。
【００５７】
図７の正極２２０は、正極板又は最上端及び最下端の極板が正極であるスタック型の電極組立体であってよく、負極２１０は、負極板又は最上端及び最下端の極板が負極であるスタック型の電極組立体であってよい。
【００５８】
正極２２０及び負極２１０の両方ともスタック型の電極組立体である場合には、図６に示すように、分離膜２３０が正極２２０と負極２１０との間に挟持されている構造であることは、上記の説明から当業者にとっては容易に理解できるであろう。
【００５９】
図７において、電極組立体３１０ａの傾斜面を覆っているシート状の分離膜２３１の末端は接着テープなどを用いて固定することができる。
【００６０】
図８には、本発明に係るジェリーロール型電極組立体の垂直断面図が模式的に示されている。図８を図６と共に参照すると、図６の電極組立体３００ａを図８の電極組立体３２０ａに取り替えることができ、電極組立体３２０ａは、シート状の正極２２１、シート状の分離膜２３１、シート状の負極２１１、シート状の分離膜２３１を順に積層した後、一端、他端両方を時計回り方向又は反時計回り方向にそれぞれ巻き取ることによって作製することができる。
【００６１】
以上では本発明の実施例に係る図面を参照して説明してきたが、本発明の属する分野における通常の知識を有する者にとっては、上記の内容に基づき、本発明の範ちゅう内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上説明した通り、本発明に係る電池セルは、電極組立体の外周面に対応する電池ケースの内側面の少なくとも一部が、垂直断面上、上に向かって幅が広くなる上向き傾斜構造又は下に向かって幅が広くなる下向き傾斜構造となっており、電池ケースの内側面に対応して電極組立体の外周面も上向き傾斜構造又は下向き傾斜構造となっているため、電池セルの電池容量を増大させるとともに、落下時に電池セルの安全性を容易に確保することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１００  パウチ形二次電池
１００ａ  電池セル
２００  パウチ形電池ケース
２００ａ  電池ケース
２１０  正極
２１０  負極
２１１  負極
２２０  負極
２２０  正極
２２１  正極
２３０  分離膜
２３１  分離膜
３００  スタック型電極組立体
３００ａ  電極組立体
３０２  負極タブ
３０４  正極タブ
３１０ａ  電極組立体
３２０ａ  電極組立体
４００，４１０  電極端子
Ｓ，Ｓ’  死空間
【図１】
0005956583.tif 000002
【図２】
0005956583.tif 000003
【図３】
0005956583.tif 000004
【図４】
0005956583.tif 000005
【図５】
0005956583.tif 000006
【図６】
0005956583.tif 000007
【図７】
0005956583.tif 000008
【図８】
0005956583.tif 000009