(57)【要約】  本明細書では、カソードとアノードが互いに対向し、カソードとアノードの間にセパレータが配置された構造で構成された二重巻き取り型の電極アセンブリであって、複数のセルユニットであって、各セルユニットが所定の寸法の巻き取られたカソードシートおよびアノードシートを有し、カソードシートとアノードシートの間にセパレータが配置され、各セルユニットの断面が楕円形である、複数のセルユニットを作製し、かつこれらのセルユニットを長いセパレータシート上に配置してセルユニットを順次巻き取ることによって製造される、二重巻き取り型の電極アセンブリが開示される。
2009537945.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードとアノードが互いに対向し、前記カソードと前記アノードの間にセパレータが配置された構造で構成された二重巻き取り型の電極アセンブリであって、
複数のセルユニットであって、各セルユニットが所定の寸法の巻き取られたカソードシートおよびアノードシートを有し、前記カソードシートと前記アノードシートの間にセパレータが配置され、各セルユニットの断面が楕円形である、複数のセルユニットを作製し、かつ前記セルユニットを長いセパレータシート上に配置して前記セルユニットを順次巻き取ることによって製造される、二重巻き取り型の電極アセンブリ。
【請求項２】
前記カソードと前記アノードの間に配置された前記セパレータが、各電極の外部巻き取り端部より長く延びる、請求項1に記載の電極アセンブリ。
【請求項３】
各セルユニットの巻き取り回数が、楕円形構造内のそれぞれの電極シートの曲げ回数に基づき、1〜5回である、請求項1に記載の電極アセンブリ。
【請求項４】
前記巻き取り工程を実施して各セルユニットを製造するとき、前記カソードの内側巻き取り端部および前記アノードの内側巻き取り端部をほぼ同じ巻き取り開始点に置く、または前記カソードの内側巻き取り端部および前記アノードの内側巻き取り端部を巻き取り開始点で互いの反対側に置く、請求項1に記載の電極アセンブリ。
【請求項５】
各セルユニットが、上端電極および下端電極が異なる極性を有する構造で構成されたセルユニット(A型セルユニット)、または上端電極および下端電極が同じ極性を有する構造で構成されたセルユニット(B型セルユニット)である、請求項1に記載の電極アセンブリ。
【請求項６】
前記A型セルユニットが、前記カソードの外側巻き取り端部および前記アノードの外側巻き取り端部が同じ平面上に位置する構造、または前記カソードの外側巻き取り端部および前記アノードの外側巻き取り端部が同じ平面上に位置しない構造で構成される、請求項5に記載の電極アセンブリ。
【請求項７】
各セルユニットの円形の両端が前記アノードシートで囲まれた、請求項6に記載の電極アセンブリ。
【請求項８】
前記B型セルユニットが、前記アノードが外部巻き取り表面を形成する構造、または前記カソードが外部巻き取り表面を形成する構造で構成される、請求項5に記載の電極アセンブリ。
【請求項９】
前記B型セルユニットを構成する前記アノードの外側巻き取り端部が、前記B型セルユニットを構成する前記カソードの外側巻き取り端部より長く延びる、請求項8に記載の電極アセンブリ。
【請求項１０】
前記セパレータシート上に配置されたセルユニットのうち、前記巻き取り工程が開始される前記第1のセルユニットと、第2のセルユニットとが、前記巻き取り工程中に第1のセルユニットの外面が前記セパレータシートで完全に覆われた後で前記第1のセルユニットの下端電極が前記第2のセルユニットの上端電極に接触するのに十分な長さだけ互いから隔置される、請求項1に記載の電極アセンブリ。
【請求項１１】
前記セルユニットが、前記第1のセルユニットの上端電極および第3のセルユニットの上端電極が逆の極性を有し、前記第2のセルユニットの下端電極および第4のセルユニットの上端電極が逆の極性を有し、また前記第3のセルユニットの下端電極および第5のセルユニットの上端電極が逆の極性を有する構造で巻き取られた、請求項10に記載の電極アセンブリ。
【請求項１２】
前記セパレータシート上の最後のセルユニット(n番目のセルユニット)の下端電極および前記n番目のセルユニットに隣接したn-1番目のセルユニットの下端電極がそれぞれアノードである、請求項1に記載の電極アセンブリ。
【請求項１３】
前記第1のセルユニットおよび前記第2のセルユニットが、上端電極がカソードであるA型セルユニット(Ac型セルユニット)であり、前記第3のセルユニットが、上端電極がアノードであるA型セルユニット(Aa型セルユニット)であり、前記第4のセルユニットおよび後続のセルユニットが、Ac型セルユニットとAa型セルユニットが交互に配置された構造で順次配列されており、また前記n番目のセルユニットが、外面がアノードであるB型セルユニット(Ba型セルユニット)である、請求項11に記載の電極アセンブリ。
【請求項１４】
前記第1のセルユニットおよび前記第2のセルユニットがAa型セルユニットであり、前記第3のセルユニットがAc型セルユニットであり、前記第4のセルユニットおよび前記後続のセルユニットが、Aa型セルユニットとAc型セルユニットが交互に配置された構造で順次配列されており、前記n-1番目のセルユニットがBa型セルユニットであり、また前記n番目のセルユニットがAc型セルユニットである、請求項11に記載の電極アセンブリ。
【請求項１５】
前記第1のセルユニットがBa型セルユニットであり、前記第2のセルユニットおよび前記第3のセルユニットが、外面がカソードであるB型セルユニット(Bc型セルユニット)であり、前記第4のセルユニットおよび前記後続のセルユニットが、Bc型セルユニットとBa型セルユニットが2つずつ交互に配置された構造で順次配列されており、また前記n-1番目のセルユニットおよび前記n番目のセルユニットがそれぞれBa型セルユニットである、請求項11に記載の電極アセンブリ。
【請求項１６】
セルユニットの数が2〜10である、請求項1に記載の電極アセンブリ。
【請求項１７】
前記巻き取り工程の開始前に、前記セルユニットが前記セパレータシートに接合される、請求項1に記載の電極アセンブリ。
【請求項１８】
各セルユニットの前記セパレータが接着剤で被覆され、前記セパレータが前記電極に接合されて、断面の前記楕円形構造を維持する、請求項1に記載の電極アセンブリ。
【請求項１９】
請求項1から18のいずれか一項に記載の電極アセンブリを含む、二次電池。
【請求項２０】
前記二次電池がリチウム二次電池である、請求項19に記載の二次電池。
【請求項２１】
請求項19に記載の二次電池を単位セルとして含む、中型または大型の電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二重巻き取り型の電極アセンブリに関し、より詳細には、カソードとアノードが互いに対向し、カソードとアノードの間にセパレータが配置された構造で構成された二重巻き取り型の電極アセンブリであって、複数のセルユニットであって、各セルユニットが所定の寸法の巻き取られたカソードシートおよびアノードシートを有し、カソードシートとアノードシートの間にセパレータが配置され、各セルユニットの断面が楕円形である、複数のセルユニットを作製し、かつこれらのセルユニットを長いセパレータシート上に配置してセルユニットを順次巻き取ることによって製造される、二重巻き取り型の電極アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
ますます多くの移動体装置が開発され、そのような移動体装置の需要が高まってきたのにつれて、移動体装置向けのエネルギー源として、電池の需要も急速に高まってきた。それに応じて、様々な必要を満たす電池に関する多くの研究が実施されてきた。
【０００３】
電池の形状の点からは、移動体電話などの製品に適用するのに十分に薄い、角柱状の二次電池またはポーチ状の二次電池の需要が非常に高い。電池の材料の点からは、エネルギー密度が高く、放電電圧が高く、かつ出力安定性が高い、リチウムイオン電池およびリチウムイオンポリマー電池などのリチウム二次電池の需要が非常に高い。
【０００４】
さらに、二次電池は、カソード/セパレータ/アノード構造を有する電極アセンブリの構成に基づいて分類することができる。たとえば、電極アセンブリは、長いシート型のカソードおよびアノードが巻き取られ、カソードとアノードの間にそれぞれセパレータが配置される、ジェリーロール(巻き取り)型構造、所定の寸法を有する複数のカソードおよびアノードが互いの上に次々に積み重ねられ、カソードとアノードの間にそれぞれセパレータが配置される、積み重ね型構造、または所定の寸法を有する複数のカソードおよびアノードが互いの上に次々に積み重ねられ、カソードとアノードの間にそれぞれセパレータが配置されて、バイセルまたはフルセルを構成し、次いでバイセルまたはフルセルが巻き取られる、積み重ね/折り畳み型構造で構成することができる。積み重ね/折り畳み型の電極アセンブリの詳細は、本特許出願の出願人名義で出願された、韓国特許出願第2001-0082058号、同第2001-0082059号、および同第2001-0082060号に開示されている。
【０００５】
しかし、これらの従来の電極アセンブリには、いくつかの問題がある。
【０００６】
第1に、ジェリーロール型の電極アセンブリは、長いシート型のカソードおよびアノードを高密度に巻き取ることによって製造され、その結果、ジェリーロール型の電極アセンブリの断面は円形または楕円形になる。したがって、電極アセンブリの充放電中に電極の膨張および収縮によって発生する応力が電極アセンブリ内に蓄積し、応力の蓄積が特定の限度を超えたとき、電極アセンブリが変形する可能性がある。電極アセンブリが変形した結果、電極間に不均一な隙間が生じる。その結果、電池の性能が突然悪化し、電池の内部短絡のため、電池の安全性が確保されない。さらに、カソードとアノードの間の隙間を均一に維持しつつ、長いシート型のカソードおよびアノードを素早く巻き取ることは困難であり、したがって、生産性が低下する。
【０００７】
第2に、積み重ね型の電極アセンブリは、複数の単位カソードおよびアノードを順次積み重ねることによって製造される。その結果、単位カソードおよびアノードを製造するために使用される電極板を移動させる工程を提供することがさらに必要になる。さらに、順次積み重ね工程を実施するためには、多くの時間および労力が必要であり、したがって、生産性が低下する。
【０００８】
第3に、積み重ね/折り畳み型の電極アセンブリは、ジェリーロール型の電極アセンブリおよび積み重ね型の電極アセンブリの欠陥を大幅に補う。しかし、バイセルまたはフルセルを製造するためには、積み重ね工程が必要である。したがって、積み重ね/折り畳み型の電極アセンブリは、完全な解決策ではない。
【０００９】
結論として、生産性の面では、ジェリーロール型の電極アセンブリが好ましく、電池の動作性能および安全性の面では、積み重ね型の電極アセンブリおよび積み重ね/折り畳み型の電極アセンブリが好ましい。やはり、従来の電極アセンブリの欠陥を補いながら電池のより高い生産性および動作性能を提供できる、新しい電極アセンブリが大いに必要とされている。
特に、最近多くの注目を集めている電気自動車またはハイブリッド電気自動車などの中型または大型の装置に使用される大型の電池モジュールは、多数の電池セル(単位セル)を必要とする。さらに、大型の電池モジュールは長い実用寿命特性を有する必要がある。したがって、前述の問題をすべて解決できる新しい電極アセンブリが、大いに必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】韓国特許出願第2001-0082058号
【特許文献２】韓国特許出願第2001-0082059号
【特許文献３】韓国特許出願第2001-0082060号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明は、前述の問題、およびまだ解決されていない他の技術上の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】
【００１２】
前述の問題を解決するための様々な広範囲にわたりかつ集中的な研究および実験の結果、本発明の発明者らは、長いセパレータシート上にセルユニットが配置され、ユニット本体として巻き取り型のセルユニットが巻き取られた構造で構成された電極アセンブリを開発し、かつこの二重巻き取り型の電極アセンブリが、従来のジェリーロール型の電極アセンブリに等しい高い生産性で製造され、加えて、本発明による電極アセンブリが長期間使用された後でも、二重巻き取り型の電極アセンブリが、従来の積み重ね型または積み重ね/折り畳み型の電極アセンブリに等しい高い動作効率および安全性を示すことを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成された。
【００１３】
本発明の一態様によれば、上記および他の目的は、カソードとアノードが互いに対向し、カソードとアノードの間にセパレータが配置された構造で構成された二重巻き取り型の電極アセンブリであって、複数のセルユニットであって、各セルユニットが所定の寸法の巻き取られたカソードシートおよびアノードシートを有し、カソードシートとアノードシートの間にセパレータが配置され、各セルユニットの断面が楕円形である、複数のセルユニットを作製し、かつこれらのセルユニットを長いセパレータシート上に配置してセルユニットを順次巻き取ることによって製造される、二重巻き取り型の電極アセンブリを提供することによって達成することができる。
【００１４】
本発明による電極アセンブリは基本的に巻き取り構造に基づき、したがって、本発明による電極アセンブリは、積み重ね構造より高い生産性で製造することができる。一方、各セルユニットは、カソードおよびアノードがより少ない巻き取り回数だけ巻き取られた構造で構成され、その結果、電極アセンブリの連続する充放電中に電極の膨張および収縮によって発生する応力が、電極アセンブリ内に蓄積せず、したがって本発明による電極アセンブリは、電極アセンブリが長期間使用された後でも変形しない。ジェリーロール型の電極アセンブリの場合、電極シートの巻き取り回数は非常に多く、したがって、巻き取り工程中、電極シートの長手方向に大きな摩擦力が発生する。さらに、電極の膨張および収縮によって電極シートの長手方向に発生する応力は、摩擦力のため除去されず、電極アセンブリ内に蓄積する。しかし、本発明の各セルユニットは、電極シートがより少ない巻き取り回数だけ巻き取られた構造で構成される。したがって、巻き取り工程中は、電極シートの長手方向にわずかな摩擦力しか発生せず、したがって、応力の蓄積が生じない。
【００１５】
セルユニットは、小型の巻き取り型の単位セルで、その断面は楕円形である。セルユニットは、断面が円形形状になるようにセルユニットを巻き取り、次いで巻き取ったセルユニットを圧縮してセルユニットを楕円形形状で形成することによって、または最初から楕円形形状になるようにセルユニットを巻き取ることによって製造することができる。カソードとアノードの間に配置されたセパレータは、巻き取り工程または電極アセンブリの動作中にカソードとアノードの間の接触による短絡の発生を防ぐように、各電極の外部巻き取り端部より長く延びることが好ましい。楕円形の断面構造は実質上、薄い積み重ねシート構造と同様である。
【００１６】
各セルユニットの巻き取り回数は、楕円形構造内のそれぞれの電極シートの曲げ回数に基づき、好ましくは1〜5回、より好ましくは2〜4回である。各セルユニットの巻き取り回数が多すぎると、電極シートの長手方向に摩擦力が増大するため、電極アセンブリの充放電中に応力の蓄積が生じる可能性がある。
【００１７】
巻き取り工程を実施して各セルユニットを製造するとき、カソードの内側巻き取り端部およびアノードの内側巻き取り端部をほぼ同じ巻き取り開始点に置くことができ、またはカソードの内側巻き取り端部とアノードの内側巻き取り端部を巻き取り開始点で互いの反対側に置くことができる。ここでは、「内側巻き取り端部」という用語は、各電極シートの端部のうち、各電極シートが円形または楕円形形状に巻き取られたときに各セルユニットの内側に位置する端部を意味する。一方、「外側巻き取り端部」という用語は、各電極シートの端部のうち、各電極シートが巻き取られたときに各セルユニットの外側に位置する端部を意味する。
【００１８】
セルユニットは、各セルユニットを構成する電極シートの外側巻き取り端部の位置に応じて、様々な構造で構成することができる。たとえば、各セルユニットは、上端電極および下端電極が異なる極性を有する構造で構成されたセルユニット(以下、「A型セルユニット」と呼ぶ)、または上端電極および下端電極が同じ極性を有する構造で構成されたセルユニット(以下、「B型セルユニット」と呼ぶ)とすることができる。
【００１９】
A型セルユニットは、カソードの外側巻き取り端部およびアノードの外側巻き取り端部が同じ平面上に位置する構造、またはカソードの外側巻き取り端部およびアノードの外側巻き取り端部が同じ平面上に位置しない構造で構成することができる。各セルユニットの円形の両端は、アノードシートで囲まれることが好ましい。これは、カソード/アノードが対向する構造で複数のセルユニットが積み重ねられたとき、アノードが比較的大きな面積を占め、したがって、本発明による電極アセンブリが、たとえばリチウム二次電池内で使用されるとき、リチウム二次電池の充放電中にアノードでのリチウム金属の樹枝状の成長が最大限に抑えられるからである。
【００２０】
B型セルユニットは、アノードが外部巻き取り表面を形成する構造、またはカソードが外部巻き取り表面を形成する構造で構成することができる。しかし、リチウム金属の樹枝状の成長が抑えられるように、アノードの外側巻き取り端部がカソードの外側巻き取り端部より長く延びることが好ましい。
【００２１】
前述のように、長いセパレータシート上にセルユニットを置き、次いで、セルユニットの境界面でカソードとアノードが互いに対向するように巻き取って、本発明による二重巻き取り型の電極アセンブリを製造する。
【００２２】
好ましい実施形態では、セパレータシート上に配置されたセルユニットのうち、巻き取り工程が開始される第1のセルユニットと、第2のセルユニットとは、巻き取り工程中に第1のセルユニットの外面がセパレータシートで完全に覆された後で第1のセルユニットの下端電極が第2のセルユニットの上端電極に接触するのに十分な長さだけ互いから隔置される。具体的には、第1のセルユニットと第2のセルユニットは、少なくとも1つのセルユニットの幅に相当する距離だけ互いから隔置してセパレータシート上に置き、次いで、セルユニットを巻き取る工程を実施する。
【００２３】
その結果、セルユニットは、第1のセルユニットの上端電極と第3のセルユニットの上端電極が逆の極性を有し、第2のセルユニットの下端電極と第4のセルユニットの上端電極が逆の極性を有し、また第3のセルユニットの下端電極と第5のセルユニットの上端電極が逆の極性を有する構造で巻き取られる。この巻き取り構造に基づき、前述の様々な構造でセルユニットを配置することができる。
【００２４】
電極アセンブリは、セパレータシート上の最後のセルユニット(n番目のセルユニット)の下端電極およびn番目のセルユニットに隣接したn-1番目のセルユニットの下端電極がアノードである構造で構成されることが好ましい。最後のセルユニットの下端電極およびn-1番目のセルユニットの下端電極が、電極アセンブリの外面、すなわち電極アセンブリの上面および下面を形成する。したがって、前述のように、樹枝状の成長を最大限に抑えることができる。
【００２５】
これに関連して、以下のように、セルユニットのいくつかの例示的な構成が可能である。
【００２６】
第1の例示的な構成では、第1のセルユニットおよび第2のセルユニットは、上端電極がカソードであるA型セルユニット(以下、「Ac型セルユニット」と呼ぶ)であり、第3のセルユニットは、上端電極がアノードであるA型セルユニット(以下、「Aa型セルユニット」と呼ぶ)であり、第4のセルユニットおよび後続のセルユニットは、Ac型セルユニットとAa型セルユニットが交互に配置された構造で順次配列されており、またn番目のセルユニットは、外面がアノードであるB型セルユニット(以下、「Ba型セルユニット」と呼ぶ)である。
【００２７】
第2の例示的な構成では、第1のセルユニットおよび第2のセルユニットはAa型セルユニットであり、第3のセルユニットはAc型セルユニットであり、第4のセルユニットおよび後続のセルユニットは、Aa型セルユニットとAc型セルユニットが交互に配置された構造で順次配列されており、n-1番目のセルユニットはBa型セルユニットであり、またn番目のセルユニットはAc型セルユニットである。
【００２８】
第3の例示的な構成では、第1のセルユニットはBa型セルユニットであり、第2のセルユニットおよび第3のセルユニットは、外面がカソードであるB型セルユニット(以下、「Bc型セルユニット」と呼ぶ)であり、第4のセルユニットおよび後続のセルユニットは、Bc型セルユニットとBa型セルユニットが2つずつ交互に配置された構造で順次配列されており、またn-1番目のセルユニットおよびn番目のセルユニットはBa型セルユニットである。
【００２９】
しかし、他の構成も可能であり、これらは本発明の範囲内であるものとして解釈されなければならない。
【００３０】
セパレータシート上に置かれて巻き取られるセルユニットの数は、各セルユニットの巻き取り回数および各セルユニットの所望の容量などの様々な要因に応じて決定することができる。セルユニットの数は、2〜10であることが好ましい。
【００３１】
セパレータシートは、各セルユニットのカソードとアノードの間に配置されたセパレータのように、セパレータシートが絶縁性であり、かつイオンが移動できるように多孔質構造で構成される限り、特に制限されない。
【００３２】
好ましい実施形態では、セルユニットを巻き取る工程がセパレータシート上で容易に実施されるように、巻き取り工程の開始前に、セルユニットはセパレータシートに接合される。このとき、セパレータシートへのセルユニットの接合は、たとえば、低いガラス温度(TG)で容易に積層しかつ0〜5Vの電位範囲で電気化学的に安定した、PVDF、HFD、PMMA、PEO、またはPMMAなどのポリマーを有する、所定の溶媒中に溶解させた溶液をセパレータに加え、セパレータに加えたこの溶液を乾燥させて、接着材で被覆されたセパレータシートを製造し、このセパレータシート上にセルユニットを配置し、ならびにセルユニットおよびセパレータシートに所定の圧力および熱をかけることによって実現することができる。
【００３３】
接着剤で被覆されたセパレータシートは、各セルユニットのセパレータ材料として使用することができる。接着剤で被覆されたセパレータシートは、接着剤で被覆されたセパレータシートと電極の間の結合力のため、電極アセンブリの製造中に各セルユニットの楕円形の断面形状を維持する働きをする。
【００３４】
前述のように製造された電極アセンブリを電気化学セルに適用して、カソードとアノードの間の電気化学反応によって電気を発生させることができる。通常は、この電極アセンブリは二次電池に適用される。
【００３５】
二次電池は、充放電できる電極アセンブリを電池ケース内に取り付け、この電極アセンブリをイオン含有電解液に含浸させた構造で構成される。好ましい実施形態では、二次電池はリチウム二次電池である。
【００３６】
最近では、リチウム二次電池は、大型の装置ならびに小型の移動体装置の電源として、多くの関心を集めている。リチウム二次電池がそのような装置に適用されるとき、リチウム二次電池は軽量であることが好ましい。二次電池の重量を軽減するための解決策は、アルミニウム積層シートから作られたポーチ状ケース内に電極アセンブリを取り付けることであることが好ましい。
【００３７】
さらに、前述のように、二次電池が中型または大型の装置のための電源として使用されるとき、二次電池が長期間使用された後でも二次電池の動作性能の悪化が最大限に抑えられ、二次電池が実用寿命特性に優れ、また二次電池が低コストで大量生産されることが好ましい。これに関連して、本発明による電極アセンブリを含む二次電池は、中型または大型の電池モジュール内で単位セルとして使用されることが好ましい。
【００３８】
中型または大型の電池モジュールは、複数の単位セルを互いに直列にまたは直列/並列に接続することによって製造され、その結果、中型または大型の電池モジュールは、高出力および大容量を提供する。中型または大型の電池モジュールの構造は、本発明が属する当技術分野では周知であり、したがって、それに関連する説明は行わないこととする。
【００３９】
本発明の上記および他の目的、特徴、および他の利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明から、よりはっきりと理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態による電極アセンブリ内で使用できる例示的なA型セルユニットを示す垂直断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による電極アセンブリ内で使用できる例示的なA型セルユニットを示す垂直断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による電極アセンブリ内で使用できる例示的なA型セルユニットを示す垂直断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による電極アセンブリ内で使用できる例示的なA型セルユニットを示す垂直断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による電極アセンブリ内で使用できる例示的なB型セルユニットを示す垂直断面図である。
【図６】本発明の一実施形態による電極アセンブリ内で使用できる例示的なB型セルユニットを示す垂直断面図である。
【図７】本発明の一実施形態による電極アセンブリ内で使用できる例示的なB型セルユニットを示す垂直断面図である。
【図８】本発明の一実施形態による電極アセンブリ内で使用できる例示的なB型セルユニットを示す垂直断面図である。
【図９】本発明による電極アセンブリを製造するときの、セルユニットの様々な構成を示す典型的な図である。
【図１０】本発明による電極アセンブリを製造するときの、セルユニットの様々な構成を示す典型的な図である。
【図１１】本発明による電極アセンブリを製造するときの、セルユニットの様々な構成を示す典型的な図である。
【図１２】本発明による電極アセンブリを製造するときの、セルユニットの様々な構成を示す典型的な図である。
【図１３】図10の構成に基づくセルユニットの巻き取り動作によるセルユニットの積み重ね工程中の、電極が対向する関係を示す典型的な図である。
【図１４】図12の構成に基づくセルユニットの巻き取り動作によるセルユニットの積み重ね工程中の、電極が対向する関係を示す典型的な図である。
【図１５】本発明の一実施形態による電極アセンブリを典型的に示す垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
次に、本発明の好ましい実施形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、図示の実施形態によって限定されないことに留意されたい。
図1〜図3は、本発明の一実施形態による電極アセンブリ内で使用できる例示的なA型セルユニットを典型的に示す垂直断面図であり、図5〜図7は、本発明の一実施形態による電極アセンブリ内で使用できる例示的なB型セルユニットを典型的に示す垂直断面図である。説明の便宜上、カソードとアノードの間にそれぞれ配置されたセパレータは、添付の図面から省略する。加えて、前述のように、断面が楕円形のセルユニットは実質上薄い積み重ねシート構造で構成されるが、容易に理解するために、添付の図面ではセルユニットを誇張して示す。
【００４２】
これらの図面を参照すると、セルユニット100、100a、200、300、300a、および400が、断面が平坦な楕円形構造で構成される。セルユニット100、100a、200、300、300a、および400は、電極シートを有し、これらの電極シートは、それぞれの電極シートの曲げ回数に基づき、3回または4回巻き取られる。したがって、従来のジェリーロール型の電極アセンブリに比べて、電極シートの長手方向に大きな摩擦力は発生せず、したがって、電極アセンブリの充放電中に応力の蓄積が生じない。
【００４３】
図1を参照すると、セルユニット100は、巻き取り開始点で、アノード110の内側巻き取り端部112がカソード120の内側巻き取り端部122の反対側にある構造で構成される。
【００４４】
一方、図3のセルユニット100aの場合、アノード110の内側巻き取り端部112およびカソード120の内側巻き取り端部122を、ほぼ同じ巻き取り開始点に置くことができる。このとき、アノード110の内側巻き取り端部112は、前述のように、リチウム金属の樹枝状の成長をさらに抑えるために、カソード120の内側巻き取り端部122より長く延びる。また、この延長領域には、活物質は適用されない。
【００４５】
これらの巻き取り開始点は同じ位置に置かれているが、図4のセルユニット100bの場合、巻き取り開始領域でアノード110を部分的に重ねつつ、アノード110の内側巻き取り端部112をカソード120の内側巻き取り端部122より長く延ばすことができる。
【００４６】
セルユニットの巻き取り構造は、図7のセルユニット300aおよび図8のセルユニット300bによって確認することができる。これらのセルユニットはどちらも、図5のセルユニット300の変更形態である。具体的には、アノード310の内側巻き取り端部312およびカソード320の内側巻き取り端部322をほぼ同じ巻き取り開始点に置きながら、アノード310の内側巻き取り端部312をカソード320の内側巻き取り端部322より長く延ばす。しかし、図7に示すように、巻き取り開始領域でカソード320を部分的に重ねることができ、または図8に示すように、巻き取り開始領域でアノード310を部分的に重ねることができる。
【００４７】
一方、セルユニット100、200、300、および400は、セルユニット100、200、300、および400を構成する電極シートの外側巻き取り端部の位置に基づき、様々な構造で構成することができる。
【００４８】
第1に、図1のA型セルユニット100および図2のA型セルユニット200は、上端電極および下端電極が異なる極性を有する構造で構成される。具体的には、A型セルユニット100は、アノード110およびカソード120の外側巻き取り端部114および124が同じ平面上に位置する構造で構成され、一方A型セルユニット200は、アノード210およびカソード220の外側巻き取り端部214および224が同じ平面上に位置しない構造で構成される。A型セルユニット100の円形の両端は、アノードシート110で囲まれ、したがって、リチウム金属の樹枝状の成長をさらに抑えることができる。
【００４９】
一方、図5のB型セルユニット300および図6のB型セルユニット400は、上端電極および下端電極が同じ極性を有する構造で構成される。具体的には、Ba型セルユニット300は、アノード310が外部巻き取り表面を形成する構造で構成され、一方Bb型セルユニット400は、カソード420が外部巻き取り表面を形成する構造で構成される。B型セルユニット300および400では、アノード310および410の外側巻き取り端部314および414は、カソード320および420の外側巻き取り端部324および424より長く延びる。
【００５０】
セルユニット100、200、300、および400のセパレータ(図示せず)は、カソードとアノードの間の接触による短絡の発生を防ぐために、少なくともアノード310および410の外側巻き取り端部314および414より長く延びる。また、それぞれセルユニット100、200、300、および400の巻き取られた状態を維持するために、セパレータ、カソード、およびアノードは、特定の接着剤を使用して互いに接合させることが好ましい。
【００５１】
図9〜図12は、本発明による電極アセンブリを製造するときの、セルユニットの様々な構成を示す典型的な図である。
【００５２】
まず図9を参照すると、長いセパレータシート上にセルユニットを配置し、次いでこれらのセルユニットを右側のセルユニットから順次巻き取って、電極アセンブリを製造する。
【００５３】
第1のセルユニット501および第2のセルユニット502は、少なくとも1つのセルユニットの幅に相当する距離だけ互いから隔置してセパレータシート上に置く。したがって、巻き取り動作によって第1のセルユニット501の外面がセパレータシート910で完全に覆われたとき、第1のセルユニット501の下端電極は第2のセルユニット502の上端電極と接触する。
【００５４】
巻き取り動作による順次積み重ね工程中、セパレータシート910の適用長さは増大する。このため、セルユニット502、503、504、および505は、それぞれのセルユニット502、503、504、および505間の距離が巻き取り方向に徐々に増大するように配置される。
【００５５】
また積み重ね工程中、それぞれのセルユニットは、カソードとアノードが積み重ね境界面で互いに対向するように構成される。具体的には、第1のセルユニット501および第2のセルユニット502は、上端電極がカソードであるAc型セルユニットであり、第3のセルユニット503は、上端電極がアノードであるAa型セルユニットであり、第4のセルユニット504はAc型セルユニットであり、また最後の第5のセルユニット505は、外面がアノードであるB型アノードセルユニットである。
【００５６】
別の例を示す図10を参照すると、第1のセルユニット601および第2のセルユニット602はAa型セルユニットであり、第3のセルユニット603はAc型セルユニットであり、第4のセルユニット604はB型アノードセルユニットであり、また最後の第5のセルユニット605はAc型セルユニットである。
【００５７】
さらなる例を示す図11を参照すると、第1のセルユニット701はBa型セルユニットであり、第2のセルユニット702および第3のセルユニット703はBc型セルユニットであり、第4のセルユニット704はBa型セルユニットであり、また最後の第5のセルユニット705はBa型セルユニットである。
【００５８】
図12の構成は、図11の構成と同じであるが、それぞれのセルユニット801、802、803、804、および805は、より少ない巻き取り回数、具体的には図11の回数より1回少ない巻き取り回数だけ巻き取られる。
【００５９】
前述の構成モードについてよりはっきりと理解するために、図10の構成および図12の構成に基づくセルユニットの巻き取り動作によるセルユニットの積み重ね工程中の電極が対向する関係を、それぞれ図13および図14に示す。
【００６０】
まず図13を参照すると、第1のセルユニット601および第2のセルユニット602は、1つのセルユニットの幅に相当する距離だけ隔置して巻き取る。その結果、第1のセルユニット601の上端電極(アノード)は、第3のセルユニット603の上端電極(カソード)と接触する。また、第1のセルユニット601の下端電極(カソード)は、第2のセルユニット602の上端電極(アノード)と接触する。したがって、第1のセルユニット601がAa型セルユニットであるとき、第2のセルユニット602はAa型セルユニットまたはBa型セルユニットでなければならず、また第3のセルユニット603はAc型セルユニットまたはBc型セルユニットでなければならない。
【００６１】
一方、第2のセルユニットおよび後続のセルユニット602、603...は、1つのセルユニットの幅に相当する距離を空けずに順次積み重ねられる。その結果、第2のセルユニット602の下端電極(カソード)は第4のセルユニットの上端電極(アノード)と接触し、また第3のセルユニット603の下端電極(アノード)は第5のセルユニットの上端電極(カソード)と接触する。したがって、セルユニットは2つずつ交互に配置する必要があり、したがって、第2のセルユニット602はAa型セルユニットでなければならず、また第3のセルユニット603はAc型セルユニットでなければならない。
【００６２】
一方、n番目のセルユニット600nの下端電極およびn-1番目のセルユニット600n-1の下端電極は、最後の位置で電極アセンブリの外面を形成する。したがって、n番目のセルユニット600nの下端電極およびn-1番目のセルユニット600n-lの下端電極はアノードであることが好ましい。
【００６３】
次に図14を参照すると、第1のセルユニット801の上端電極(アノード)は、第3のセルユニット803の上端電極(カソード)と接触し、また第1のセルユニット801の下端電極(アノード)は、第2のセルユニット802の上端電極(カソード)と接触する。したがって、第1のセルユニット801がBa型セルユニットであるとき、第2のセルユニット802および第3のセルユニット803は、Ac型セルユニットまたはBc型セルユニットでなければならない。
【００６４】
また、前の説明と同じ原理で、第2のセルユニット802の下端電極は、第4のセルユニットの上端電極と接触し、また第3のセルユニット903の下端電極は、第5のセルユニットの上端電極と接触する。したがって、電極は、それらの間の境界面で異なる極性をもたなければならず、したがって、第2のセルユニット802および第3のセルユニット803はBc型セルユニットでなければならない。
【００６５】
前述の工程によって製造される例示的な電極アセンブリを、図15に典型的に示す。
【００６６】
図15を参照すると、様々な種類の単位セル901、902、903...を特定の組合せでセパレータシート910上に配置して順次巻き取り、電極アセンブリ900を構成する。セパレータシート910は、巻き取り工程の完了後に電極アセンブリ900を一度覆うのに十分な長さを有する。
【００６７】
本発明の好ましい実施形態について例示の目的で開示してきたが、添付の特許請求の範囲で開示する本発明の範囲および精神から逸脱することなく、様々な変更形態、追加、および置き換えが可能であることが、当業者には理解されるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
上記の説明から明らかなように、本発明による電極アセンブリは、従来のジェリーロール型の電極アセンブリのものに等しい高い生産性で製造される。さらに、本発明による電極アセンブリは、本発明による電極アセンブリが長期間使用された後でも、従来の積み重ね型または積み重ね/折り畳み型の電極アセンブリに等しい高い動作効率および安全性を示す。
【符号の説明】
【００６９】
100    セルユニット、A型セルユニット
110    アノード、アノードシート
112    内側巻き取り端部
114    外側巻き取り端部
120    カソード
122    内側巻き取り端部
124    外側巻き取り端部
200    A型セルユニット
210    アノード
214    外側巻き取り端部
220    カソード
224    外側巻き取り端部
300    セルユニット、B型セルユニット、Ba型セルユニット
310    アノード
312    内側巻き取り端部
314    外側巻き取り端部
320    カソード
322    内側巻き取り端部
324    外側巻き取り端部
400    セルユニット、B型セルユニット、Bb型セルユニット
410    アノード
414    外側巻き取り端部
420    カソード
424    外側巻き取り端部
501    第1のセルユニット
502    第2のセルユニット
503    第3のセルユニット
504    第4のセルユニット
505    第5のセルユニット
601    第1のセルユニット
602    第2のセルユニット
603    第3のセルユニット
604    第4のセルユニット
605    第5のセルユニット
701    第1のセルユニット
702    第2のセルユニット
703    第3のセルユニット
704    第4のセルユニット
705    第5のセルユニット
801    第1のセルユニット
802    第2のセルユニット
803    第3のセルユニット
804    セルユニット
805    セルユニット
900    電極アセンブリ
901    単位セル
902    単位セル
903    単位セル
910    セパレータシート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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