(57)【要約】【課題】本発明は電極組立体に関する。【解決手段】本発明は、スタッキング(ｓｔａｃｋｉｎｇ)構造を有する複数のユニットセルを長いシート状分離フィルム上に位置させた状態で巻回した構造で、上記ユニットセルは、電極合剤の構成により２又はそれ以上の種類からなる電極組立体であって、上記スタッキング構造のユニットセルに積層されるセパレータは、コーティング物質が両面コーティングされたものであり、上記長いシート状分離フィルムは、コーティング物質を片面コーティングし、電池の製造時に初期抵抗を減らし、電池製造の工程性を向上させると共に電池寿命が既存の電池と同等な電極組立体およびこれを含むリチウム二次電池を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタッキング(ｓｔａｃｋｉｎｇ)構造を有する複数のユニットセルを長いシート状分離フィルム上に位置させた状態で巻回した構造で、上記ユニットセルは、電極合剤の構成により２又はそれ以上の種類からなる電極組立体であって、
上記スタッキング構造のユニットセルに積層されるセパレータは、コーティング物質が両面コーティングされたものであり、上記長いシート状分離フィルムは、コーティング物質が片面コーティングされたものであることを特徴とする電極組立体。
【請求項２】
上記セパレータと長いシート状分離フィルムにコーティングされるコーティング物質は０.００１〜１００ミクロンの厚さで塗布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３】
上記コーティング物質は、ＰＺＴ(Ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ)、ＰＬＺＴ(ｌｅａｄ ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ)、ＰＭＮ-ＰＴ(ＰＢ(Ｍｇ３Ｎｂ２/３)Ｏ３-ＰｂＴｉＯ３)、ＢａＴｉＯ３、ハフニア(ＨｆＯ２)、ＳｒＴｉＯ３、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、ＣｅＯ２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｎＯおよびＹ２Ｏ３等から選んだ１種以上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４】
上記スタッキング(ｓｔａｃｋｉｎｇ)構造のユニットセルはバイセル(ｂｉ-ｃｅｌｌ)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５】
請求項１〜請求項４のうちいずれか１項に記載の電極組立体を含むリチウム二次電池。
【請求項６】
請求項５に記載のリチウム二次電池を２以上電気的に接続して含む中大型デバイス電源用電池モジュール又は電池パック。
【請求項７】
上記中大型デバイスは、パワーツール(ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ)、電気自動車(Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ)、ハイブリッド電気車(Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ)およびプラグインハイブリッド電気自動車(Ｐｌｕｇ-ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ)を含む電気自動車;Ｅ-バイク(Ｅ-ｂｉｋｅ)、Ｅ-スクーター(Ｅ-ｓｃｏｏｔｅｒ)を含む電気二輪車;電気ゴルフカート(Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ);電気トラック;電気商用車又は電力貯蔵用システムであることを特徴とする請求項６に記載の電池モジュール又は電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１１年６月９日韓国特許庁に提出した特願第１０-２０１１-００５５６６７号を優先権として主張し、その内容は本明細書に含まれる。
【０００２】
本発明は、電極組立体およびこれを含むリチウム二次電池に関し、より詳細には電池の製造時に初期抵抗を減らし、電池製造の工程性を向上させると共に電池の寿命は既存の電池と同等な電極組立体およびこれを含むリチウム二次電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
モバイルデバイスに対する技術開発と需要の増加に伴い、二次電池の需要も急激に増加しており、その中でもエネルギー密度と作動電圧が高く、保存と寿命特性に優れたリチウム二次電池は、各種モバイル機器はもちろん多様な電子製品のエネルギー源として広く用いられている。
【０００４】
リチウム二次電池は、活物質としてＬｉＣｏＯ２等の金属酸化物と負極活物質として炭素材料を用い、負極と正極との間に多孔性高分子セパレータを介し、ＬｉＰＦ６等のリチウム塩を含有した非水性電解液は、負極と正極との間でリチウムイオンが移動する媒質の役割をする。このようなリチウム二次電池は、基本的に電池の作動電圧の範囲で安定し、充放電効率が高く、十分に速い速度でイオンを伝達させる能力を有しなければならない。
【０００５】
リチウム二次電池は、作動電圧が３.６Ｖ以上であるため携帯用電子機器の電源として用いられ、又は、多数個を直列に接続して高出力のハイブリッド自動車などに用いられるが、ニッケル-カドミウム電池やニッケル-金属ハイドライド電池に比べて作動電圧が３倍も高く、単位重量当たりのエネルギー密度の特性にも優れることから、使用量が急速に増えている傾向にある。このようなリチウム二次電池において、セルの安全性と高温保存および高温サイクル性能を維持しながら、電極との接着力を高めるために、高分子セパレータコーティングをするが、これは電池の初期抵抗を高める結果を招く。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような従来技術の問題点を解決するために、本発明は、電池の製造時に初期抵抗を減らし、電池製造の工程性を向上させると共に電池の寿命が既存の電池と同等な電極組立体およびこれを含むリチウム二次電池を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、スタッキング(ｓｔａｃｋｉｎｇ)構造を有する複数のユニットセルを長いシート状分離フィルム上に位置させた状態で巻回した構造で、上記ユニットセルは、電極合剤の構成により２又はそれ以上の種類からなる電極組立体であって、上記スタッキング構造のユニットセルに積層されるセパレータは、コーティング物質が両面コーティングされたものであり、上記長いシート状分離フィルムは、コーティング物質を片面コーティングした電極組立体およびこれを含むリチウム二次電池を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
上述したように、本発明によると電池の製造時に初期抵抗を減らし、電池製造の工程性を向上させると共に電池の寿命が既存の電池と同等な電極組立体およびこれを含むリチウム二次電池を提供する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の電極組立体を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、スタッキング(ｓｔａｃｋｉｎｇ)構造を有する複数のユニットセルを長いシート状分離フィルム４０上に位置させた状態で巻回した構造で、上記ユニットセルは、電極合剤の構成により２又はそれ以上の種類からなる電極組立体１０であって、上記スタッキング構造のユニットセルに積層されるセパレータ３０は、コーティング物質が両面コーティングされたものであり、上記長いシート状分離フィルム４０は、コーティング物質が片面(具体的には、複数のユニットセルが配置される面)コーティングされた電極組立体１０およびこれを含むリチウム二次電池に関するものである。
【００１１】
以下、本発明をより詳しく説明する。
【００１２】
本発明の電極組立体１０は、セルの大きさにそれぞれ対応する大きさを持つ複数の単位電極である正極と負極が交互に積層されており、スタッキング(ｓｔａｃｋｉｎｇ)構造を有する複数のユニットセルを長いシート状分離フィルム４０上に位置させた状態で巻回した構造を有する電極組立体１０およびこれを含むリチウム二次電池である。
【００１３】
本発明の電極組立体１０において、各ユニットセルは、両面がコーティングされたセパレータ３０を用いてコーティングすることにより、電極がセパレータ３０に付着しやすく、安全性を維持しながら性能はそのまま維持でき、両面コーティング物質を０.００１〜１００ミクロンの厚さで塗布することにより、上記範囲内で電池の厚さ増加を防ぎ、電池性能の低下を最小にできる利点がある。
【００１４】
本発明の電極組立体１０は、スタック/フォールディング型構造であって、スタック型方式で小単位のユニットセルとしてバイセルおよび/または、フルセル(望ましくはバイセルが良い。)を作製し、これらを長いシート状セパレータ４０上に複数個位置させた後、順次巻回して全体的に弁状構造で作製することができる。
【００１５】
上記バイセルは、正極/セパレータ/負極/セパレータ/正極の単位構造および負極/セパレータ/正極/セパレータ/負極の単位構造のように、セルの両側に同一の電極が位置する単位セルである。このようなバイセルを用いて二次電池を含んだ電気化学セルを構成するためには、分離フィルム４０が介された状態で正極/セパレータ/負極/セパレータ/正極構造のバイセルと負極/セパレータ/正極/セパレータ/負極構造のバイセルが互いに対面するように、複数のバイセルを積層しなければならない。また、上記各単位セルの外部には正極端子１１および負極端子１２が突出している。
【００１６】
本発明の電極組立体１０において、上記電極合剤の構成は、望ましくは集電体上に塗布される電極合剤の種類、厚さなどによって決定することができる。このような電極合剤の構成は、具体的に通常の電極組立体１０の構成であり、特に限定されない。
【００１７】
本発明における電極組立体１０を製造するためには、 望ましい一実施例として、構成を別にする電極合剤が正極合剤である場合、第１ユニットセル２１と第２ユニットセル２２とからなる電極組立体１０を構成することができる。
【００１８】
一般的に、二次電池の容量、寿命特性、高率充放電特性は、正極活物質又は負極活物質の種類とそれの厚さによって左右される傾向がある。
【００１９】
したがって、望ましい一実施例において、構成を別にする電極合剤が正極合剤である場合、第１ユニットセル２１は、リチウムコバルト酸化物、リチウムマンガン酸化物およびリチウムニッケル酸化物などから選んだ１種以上を含むことができ、第２ユニットセル２２は、リチウムマンガン-コバルト酸化物、リチウムマンガン-ニッケル酸化物、リチウムニッケル-コバルト酸化物およびリチウムマンガン-ニッケル-コバルト酸化物などから選んだ１種以上を含んで構成できる。
【００２０】
本発明における電極組立体１０において、各ユニットセルは、両面がコーティングされたセパレータ３０を用いてコーティングすることにより、電極がセパレータ３０に付着しやすく、安全性を維持しながら性能はそのまま維持でき、且つ両面コーティング物質を０.００１〜１００ミクロンの厚さで塗布することにより、上記範囲内で電池の厚さ増加を防ぎ、電池性能の低下を最小にできる利点がある。
【００２１】
上記両面コーティング物質は、具体的にＰＺＴ(Ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ;Ｐｂ(Ｚｒ、Ｔｉ)Ｏ３)、ＰＬＺＴ(ｌｅａｄ ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ;Ｐｂ１-ｘＬａｘＺｒ１-ｙＴｉｙＯ３)、ＰＭＮ-ＰＴ(ＰＢ(Ｍｇ３Ｎｂ２/３)Ｏ３-ＰｂＴｉＯ３)、ＢａＴｉＯ３、ハフニア(ＨｆＯ２)、ＳｒＴｉＯ３、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、ＣｅＯ２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｎＯおよびＹ２Ｏ３等から選んだ１種以上を用いることができる。
【００２２】
上記スタッキング構造のユニットセルは望ましくはバイセルを用いることができ、その理由は、電池の形状をそのまま維持しながら使用可能であるため、ますます大容量化の傾向にあるセルにとって大きな利点となり、電池の製造工程上の物理的なサイズ誤差を減らすことができるためである。
【００２３】
本発明の電極組立体１０は、スタッキング構造を有する複数のユニットセルを長いシート状分離フィルム４０上に位置させた状態で巻回し、この時、長いシート状分離フィルム４０の長さはセルの巻回時に使用可能な長さであり、特に限定されない。
【００２４】
本発明の電極組立体１０のフォールディング時に上記長いシート状分離フィルムは、片面コーティング分離フィルム４０を用いる。このようにコーティング物質が片面にのみコーティングされたシート状分離フィルム４０を用いることにより原価節減が可能であり、さらに、不導体であるコーティング物質の含有量を最大限減らすことができ、電池の伝導性および電気的特性をより向上させることができ、複数の電極組立体１０を含んで容量の最大化および電池のセパレータ４０による出力低下を防ぐことができるためである。上記片面コーティング物質を０.００１〜１００ミクロンの厚さで塗布することにより、上記範囲内では電池の厚さ増加を防止でき、性能はそのまま維持できる利点がある。
【００２５】
上記片面コーティング物質は、具体的にＰＺＴ(Ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ)、ＰＬＺＴ(ｌｅａｄ ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ)、ＰＭＮ-ＰＴ(ＰＢ(Ｍｇ３Ｎｂ２/３)Ｏ３-ＰｂＴｉＯ３)、ＢａＴｉＯ３、ハフニア(ＨｆＯ２)、ＳｒＴｉＯ３、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、ＣｅＯ２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｎＯおよびＹ２Ｏ３等から選んだ１種以上を用いることができる。
【００２６】
上記長いシート状分離フィルム４０においてコーティング物質がコーティングされる片面は、複数のユニットセルが配置される面にコーティングされるようにする。これは電極がセパレータに付着しやすく、安全性を維持しながら性能はそのまま維持することができるためである。
【００２７】
本発明における電極組立体１０は、リチウム二次電池に適用でき、上記リチウム二次電池を２以上電気的に接続して含む中大型デバイス電源用電池モジュール又は電池パックに適用することができる。上記中大型デバイスは、具体的にパワーツール(ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ)、電気自動車(Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ)、ハイブリッド電気車(Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ)およびプラグインハイブリッド電気自動車(Ｐｌｕｇ-ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ)を含む電気自動車;Ｅ-バイク(Ｅ-ｂｉｋｅ)、Ｅ-スクーター(Ｅ-ｓｃｏｏｔｅｒ)を含む電気二輪車;電気ゴルフカート(Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ);電気トラック;電気商用車又は電力貯蔵用システムなどがある。
【００２８】
本発明は、電極組立体１０と上記電極組立体１０から形成されたリチウム二次電池は当業界に知られている通常の方法により製作することが可能である。
【００２９】
以下、本発明の理解を助けるために望ましい実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【００３０】
［実施例１］
(正極の製造)
リチウムコバルトオキサイド:カーボンブラック:ポリビニリデンフルオライド(ＰＶＤＦ)をＮ-メチル-２-ピロリドン(ＮＭＰ)に分散させてスラリーを製造した後、このスラリーをアルミホイルの両面にコーティングし、十分に乾燥させた後、プレスして正極を製造した。
【００３１】
(負極の製造)
グラファイト:アセチレンブラック:ＰＶＤＦをＮＭＰに分散させてスラリーを製造した後、このスラリーを銅ホイルの両面にコーティングし、十分に乾燥させた後、プレスして負極を製造した。
【００３２】
(セパレータと分離フィルム)
ＰＺＴを３０ミクロンの厚さで両面コーティングしてバイセルの製造時に用い、その後、バイセル１３個を巻回時に片面コーティング分離フィルム(ＰＬＺＴを用いる。)を３０ミクロンの厚さでコーティングして電極組立体を製造した。
【００３３】
［試験例］
【００３４】
１)初期抵抗:半分充電された電池(ＳＯＣ５０)を一定の電流(５０Ａ)で放電させた時の電圧降下により計算し、既存の方法で製造したセルに比べて抵抗が３％減少した。
【００３５】
２)電池寿命:一定の温度で高温保存時、抵抗が３０％増加した時点を電池の寿命とした時、既存の方法で製造したセルと同等な水準の寿命を示した。
【００３６】
上述したように、本発明の電極組立体は、初期抵抗を減らし、電池製造の工程性を高めると共に電池寿命に優れたことを確認することができた。
【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年10月26日(2012.10.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタッキング(ｓｔａｃｋｉｎｇ)構造を有する複数のユニットセルを長いシート状分離フィルム上に位置させた状態で巻回した構造を有し、
上記複数のユニットセルは、電極合剤の構成により２以上の種類からなり、
上記複数のユニットセルに積層されるセパレータは、コーティング物質が両面コーティングされたものであり、
上記長いシート状分離フィルムは、コーティング物質が片面コーティングされたものであることを特徴とする電極組立体。
【請求項２】
上記セパレータと長いシート状分離フィルムにコーティングされるコーティング物質は０.００１〜１００ミクロンの厚さで塗布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３】
上記コーティング物質は、ＰＺＴ(Ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ)、ＰＬＺＴ(ｌｅａｄ ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ)、ＰＭＮ-ＰＴ(ＰＢ(Ｍｇ３Ｎｂ２/３)Ｏ３-ＰｂＴｉＯ３)、ＢａＴｉＯ３、ハフニア(ＨｆＯ２)、ＳｒＴｉＯ３、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、ＣｅＯ２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｎＯおよびＹ２Ｏ３から選んだ１種以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の電極組立体。
【請求項４】
上記スタッキング(ｓｔａｃｋｉｎｇ)構造のユニットセルはバイセル(ｂｉ-ｃｅｌｌ)であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電極組立体。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のうちいずれか１項に記載の電極組立体を含むリチウム二次電池。
【請求項６】
請求項５に記載のリチウム二次電池を２以上電気的に接続して含む中大型デバイス電源用電池モジュール又は電池パック。
【請求項７】
上記中大型デバイスは、パワーツール(ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ)、電気自動車(Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ)、ハイブリッド電気車(Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ)およびプラグインハイブリッド電気自動車(Ｐｌｕｇ-ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ)を含む電気自動車;Ｅ-バイク(Ｅ-ｂｉｋｅ)、Ｅ-スクーター(Ｅ-ｓｃｏｏｔｅｒ)を含む電気二輪車;電気ゴルフカート(Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ);電気トラック;電気商用車又は電力貯蔵用システムであることを特徴とする請求項６に記載の電池モジュール又は電池パック。
【国際調査報告】
2013530510.tif 000004
2013530510.tif 000005
2013530510.tif 000006
2013530510.tif 000007