(57)【要約】纎維状の構造体を含む電極組立体、及びそれを含む電池を提供する。正極及び負極のうちいずれか一つの極性を有する一つまたは二つ以上の纎維状の第１構造体を含む第１電極と、第１構造体と異なる極性を有し、第１構造体を螺旋状に取り囲む一つまたは二つ以上の纎維状の第２構造体を含む第２電極とを備える電極組立体である。【選択図】図５Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極及び負極のうちいずれか一つの極性を有する一つまたは二つ以上の纎維状の第１構造体を含む第１電極と、
第１構造体と異なる極性を有し、前記第１構造体を螺旋状に取り囲む一つまたは二つ以上の纎維状の第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極組立体。
【請求項２】
前記第１及び第２構造体のうち少なくともいずれか一つは、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３】
前記第１及び第２構造体のうち正極構造体の前記集電体コアは、ＡｌまたはＡｌ合金を含む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】
前記第１及び第２構造体のうち負極構造体の前記集電体コアは、ＣｕまたはＣｕ合金を含むことを特徴とする請求項２に記載の電極組立体。
【請求項５】
前記活物質層は、一次電池用または二次電池用の活物質層を備え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６】
前記第１及び第２構造体のうち正極構造体の活物質層の厚さは、１μｍないし３００μｍであり、
前記第１及び第２構造体のうち負極構造体の活物質層の厚さは、３μｍないし１００μｍであ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７】
前記第１及び第２構造体のうち少なくともいずれか一つ上に、電解質コーティング層をさらに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８】
前記電解質コーティング層は、固体電解質層を備えることを特徴とする請求項７に記載の電極組立体。
【請求項９】
前記第１構造体と前記第２構造体との間に、分離膜をさらに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】
前記分離膜は、第１及び第２構造体のうち少なくともいずれか一つ上にコーティングされ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構造体も螺旋状に延びて、前記第１構造体及び前記第２構造体が互いに取り囲む二重螺旋構造を有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１２】
前記電極組立体は、電池ケース内に所定の長さを有する複数のセグメントとして提供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１３】
前記セグメントは、螺旋状、ウエーブ状、カール状及びベルクロ状のうちいずれか一つまたは組み合わせられた構造を有することを特徴とする請求項１２に記載の電極組立体。
【請求項１４】
前記セグメントは、電解質が充填される任意の空間を形成するように、ランダムに配列されることを特徴とする請求項１２に記載の電極組立体。
【請求項１５】
前記セグメントは、互いに捻って延びて、太いワイヤ構造を提供することを特徴とする請求項１２に記載の電極組立体。
【請求項１６】
前記太いワイヤ構造を螺旋状に取り囲む他のセグメントをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の電極組立体。
【請求項１７】
前記セグメントは、横糸及び縦糸として互いに交差して織造された配列を有することを特徴とする請求項１２に記載の電極組立体。
【請求項１８】
前記セグメントの間に分離膜をさらに備え、
前記セグメントは、前記分離膜を往復貫通する横糸及び縦糸として互いに交差して織造された配列を有することを特徴とする請求項１２に記載の電極組立体。
【請求項１９】
前記セグメントは、少なくとも一つの仮想平面を形成するように並んで延びる配列を有することを特徴とする請求項１２に記載の電極組立体。
【請求項２０】
前記配列の前記仮想平面は、複数個であり、前記仮想平面の間に分離膜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】
前記セグメントは、分離マトリックス内に貫通して配列されることを特徴とする請求項１２に記載の電極組立体。
【請求項２２】
積み、曲げ、または巻き式により成形された請求項１に記載の電極組立体の配列と、
前記電極組立体の配列を取り囲むケースと、を備えることを特徴とする電池。
【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極組立体、及びそれを含む電池に関する。
【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。
【０００５】
本発明が解決しようとする他の課題は、前述した利点を有する電極組立体を利用した電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、正極及び負極のうちいずれか一つの極性を有する一つまたは二つ以上の纎維状の第１構造体を含む第１電極と、第１構造体と異なる極性を有し、前記第１構造体を螺旋状に取り囲む一つまたは二つ以上の纎維状の第２構造体を含む第２電極と、を備える。一部の実施形態においては、前記第１構造体も螺旋状に延びて、前記第１構造体及び前記第２構造体が互いに取り囲む二重螺旋構造を有する。
【０００７】
前記第１及び第２構造体のうち少なくともいずれか一つは、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。前記第１及び第２構造体のうち正極構造体の前記集電体コアは、ＡｌまたはＡｌ合金を含む。また、前記第１及び第２構造体のうち負極構造体の前記集電体コアは、ＣｕまたはＣｕ合金を含む。
【０００８】
前記活物質層は、一次電池用または二次電池用の活物質層を備える。前記第１及び第２構造体のうち正極構造体の活物質層の厚さは、１μｍないし３００μｍであり、前記第１及び第２構造体のうち負極構造体の活物質層の厚さは、３μｍないし１００μｍである。
【０００９】
一部の実施形態において、前記電極組立体は、前記第１及び第２構造体のうち少なくともいずれか一つ上に、電解質コーティング層をさらに備える。前記電解質コーティング層は、固体電解質層を備える。他の実施形態において、前記電極組立体は、前記第１構造体と前記第２構造体との間に、分離膜をさらに備える。前記分離膜は、第１及び第２構造体のうち少なくともいずれか一つ上にコーティングされる。
【００１０】
前記電極組立体は、電池ケース内に所定の長さを有する複数のセグメントとして提供されて、電池を形成する。前記セグメントは、螺旋構造を有する。
【００１１】
前記セグメントは、電解質が充填される任意の空間を形成するようにランダムに配列される。また、前記セグメントは、互いに捻って延びて、太いワイヤ構造を提供する。また、電極組立体は、前記太いワイヤ構造を螺旋状に取り囲む他のセグメントをさらに備える。
【００１２】
前記セグメントは、横糸及び縦糸として互いに交差して織造された配列を有する。この場合、電極組立体は、前記セグメントの間に分離膜をさらに備え、前記セグメントは、前記分離膜を往復貫通する横糸及び縦糸として互いに交差して織造された配列を有する。
【００１３】
前記セグメントは、少なくとも一つの仮想平面上に並んで延びる配列を有する。この場合、前記電極組立体は、前記配列の複数個の仮想平面を含み、前記仮想平面の間に分離膜をさらに備える。他の実施形態において、前記セグメントは、分離マトリックス内に貫通するように配列される。
【００１４】
前記他の課題を解決するための本発明の一実施形態による電池は、前述した電極組立体が、積み、曲げ、または巻き式により提供され、前記電極組立体を取り囲むケースを備える。前記電池は、一次電池または二次電池である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、相異なる極性を有する電極が、それぞれ纎維状の構造体で形成され、それらが螺旋状に取り囲むため、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。
【００１６】
また、各構造体のセグメントを無秩序にまたは秩序あるように配列して、適切な空間を形成することで、電解質の含浸工程を容易にするだけでなく、形状の変形が容易である。これによって、本発明によれば、多様なサイズ、多様な様子、多様な容量を有する電池を容易に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】本発明の実施形態による電池の電極組立体の構成を概略的に示す図面である。
【図１Ｂ】図１Ａの線Ａ−Ｂに沿ってカットした断面図であって、多様な実施形態による螺旋状構造体の断面形状を概略的に示す図面である。
【図１Ｃ】図１Ａの線Ａ−Ｂに沿ってカットした断面図であって、多様な実施形態による螺旋状構造体の断面形状を概略的に示す図面である。
【図２】本発明の他の実施形態による電池の電極組立体の構成を概略的に示す図面である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による電池のケース内で適用可能な電極組立体の配置を示す図面である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による電池のケース内で適用可能な電極組立体の配置を示す図面である。
【図３Ｃ】本発明の他の実施形態による電池のケース内で適用可能な電極組立体の配置を示す図面である。
【図４Ａ】電極組立体を形成するセグメントの秩序ある他の配列を示す図面である。
【図４Ｂ】電極組立体を形成するセグメントの秩序ある他の配列を示す図面である。
【図５Ａ】電極組立体のセグメントの秩序あるさらに他の配列を示す図面である。
【図５Ｂ】電極組立体のセグメントの秩序あるさらに他の配列を示す図面である。
【図６】電極組立体のセグメントの配列の成形工程を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
本明細書で使われる‘相異なる方向’という用語の意味は、一つまたは二つ以上の纎維状の第１構造体と、一つまたは二つ以上の纎維状の第２構造体とで形成された電極組立体が電極構造を形成する時、一方の電極組立体が、他方の電極組立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指す。すなわち、本発明の実施形態において、相異なる電極組立体が、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。
【００２５】
また、本明細書で使われる‘交差した構造’という意味は、相異なる電極組立体のセグメントが積層されたり、巻き取られて電極構造を形成する時、少なくとも一つ以上の地点で出合う交差点を定義するように配列されるものである。
【００２６】
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。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。
【００２７】
図１Ａは、本発明の実施形態による電池の電極組立体１００の構成を概略的に示しており、図１Ｂ及び図１Ｃは、図１Ａの線Ａ−Ｂに沿ってカットした断面図であって、多様な実施形態による螺旋状構造体の断面形状を概略的に示す。
【００２８】
図１Ａを参照すれば、電池を構成する電極組立体１００は、正極及び負極のうちいずれか一つの極性を有する纎維状の第１構造体１０を含む第１電極と、第１構造体１０と異なる極性を有し、第１構造体１０を螺旋状に取り囲む纎維状の第２構造体２０を含む第２電極とを備える。第１構造体１０と第２構造体２０は、それぞれ一つずつ示したが、これは、例示的であり、第１及び第２構造体１０，２０は、複数であってもよい。この場合、第２構造体２０の束が、第１構造体１０を螺旋状に取り囲んでもよい。また、一方の電極は、単一な構造体で形成され、他方の電極は、複数の構造体で形成されてもよい。
【００２９】
第１及び第２構造体１０，２０は、数ｍｍから数十ｍに延びた長さを有するセグメント形態に提供され、各構造体１０，２０の一端部は、電極タップに接続されて、外部回路に対して、正極または負極のうちいずれか一つの外部電極を提供し、他端部は、他の電極タップに接続されて、他の極性の外部電極を提供する。
【００３０】
第１及び第２構造体１０，２０は、後述する実施形態のように、多様な配列パターンのために適した成形加工性を提供できる厚さを有する。例えば、構造体１０，２０の厚さは、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。
【００３１】
図１Ｂを参照すれば、一実施形態において、第１及び第２構造体１０，２０は、集電体コア１１，１２と、集電体コア１１，１２を取り囲む活物質層１２，２２とを備える。また、集電体コア１１，１２は、円形断面を有するが、これは例示的であり、集電体コア１１，１２は、楕円形断面または長方形断面を有してもよく、本発明は、これらに制限されるものではない。また、活物質層１２，２２との接合が容易な表面を提供するために、集電体コア１１，１２は、所定の表面粗度を有するか、または接合のための導電性の接着層が形成される。
【００３２】
集電体コア１２，２２は、例えば、軟性を有する金属線である。第１構造体及び第２構造体のうち正極構造体には、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、集電体コアとして使われる。望ましくは、前記正極用の集電体コアは、アルミニウムまたはその合金である。負極構造体には、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、集電体コアとして使われる。望ましくは、前記負極用の集電体コアは、銅またはその合金である。
【００３３】
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１２，２２は、形状の変形が容易な他の好適な導電性材料、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。または、集電体コア１２，２２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。
【００３４】
集電体コア１１，１２を取り囲む活物質層１２，２２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、正極用の活物質層は、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、負極用の活物質層は、亜鉛、アルミニウム、鉄、鉛またはマグネシウム粒子を含む。
【００３５】
二次電池の場合、正極用の活物質層は、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。二次電池の負極用の活物質層は、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。負極用の活物質層は、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。他の実施形態においては、高容量の二次電池を提供するために、負極用の活物質層は、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。
【００３６】
活物質層１２，２２は、当該活物質、結合剤及び導電材を含むスラリー形態に、集電体コア１１，１２上に塗布される。前記スラリーは、当該活物質８０ないし９８重量％、結合剤１ないし１０重量％、及び導電材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％となるように形成される。
【００３７】
各極性の活物質層１２，２２の厚さは、内部短絡の進行を緩和する程度と、薄型化が十分に得られる範囲内で、適切に選択する。例えば、正極用の活物質層の厚さは、１μｍないし３００μｍであり、望ましくは、３０μｍないし１００μｍである。また、負極用の活物質層の厚さは、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。それらの活物質層１２，２２の厚さを、前記範囲で選択することによって、電池の高出力化を得つつ、薄型化を高いレベルに達成することができる。
【００３８】
第１構造体１０及び第２構造体２０のうち少なくともいずれか一つに、電解質コーティング層１３をさらに形成する。図１Ｂは、第１構造体１０にのみ選択的に電解質コーティング層１３が形成されたことを例示するが、第２構造体２０にのみ、または第１及び第２構造体１０，２０にいずれも電解質コーティング層１３が形成されることもある。
【００３９】
図１Ｂに示すように、いずれか一方の極性の構造体１０にのみ電解質コーティング層１３を形成することは、正極構造体及び負極構造体にいずれも電解質コーティング層１３を形成することに比べて、体積を減少させるので、電池のエネルギー密度を向上させるという利点がある。また、相異なる極性の構造体１０，２０が近く接する時、充放電時に発生する構造体１０，２０の体積変化によって、電解質コーティング層１３にクラックが発生し、このようなクラックは、電極構造体１０，２０の寿命短縮をもたらす。したがって、図１Ｂのように、いずれか一方の極性の構造体１０にのみ、電解質コーティング層１３を形成することが望ましく、さらに望ましくは、充放電時に体積変化が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１Ｂに示すように、充放電時に体積変化が相対的に少ない負極構造体１０にのみ、選択的に電解質コーティング層１３を形成する。
【００４０】
電解質コーティング層１３は、固体電解質層である。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。
【００４１】
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。前記電解質コーティング層は、下地の活物質層の形成時に使われた溶媒と同様な溶媒を利用して、前述した材料の連続的な含浸工程により形成される。
【００４２】
一部の実施形態において、電極組立体１００は、互いに接する第１及び第２構造体１０，２０の電気的絶縁を確保するために、第１構造体と第２構造体との間に、分離膜をさらに備える。例えば、図１Ｃに示すように、分離膜は、第２構造体２０上にコーティングされた層３０である。しかし、これは例示的であり、分離膜３０は、第１構造体１０上にのみ、または第１及び第２構造体１０，２０にいずれも形成されてもよい。しかし、これは例示的であり、構造体１０，２０の間に提供される前記分離膜は、第１及び第２纎維状の構造体１０，２０の電気的絶縁を確保するための任意の構造を有してもよい。例えば、分離膜は、後述するように、層状構造３０（図５Ａ）または固まったマトリックス構造３０（図５Ｂ）で提供される。また、図示していないが、層状構造または固まったマトリックス構造を有する分離膜を貫通して、第１及び第２纎維状の構造体が螺旋状に互いに取り囲みつつ延びることもある。
【００４３】
分離膜３０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。
【００４４】
前述した分離膜３０に関して列挙した材料は例示的であり、分離膜３０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適したイオン伝導性を有する。分離膜３０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３０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。電極組立体１０，２０の活性化のために、電解質液４０が電極組立体を取り囲んでもよい。
【００４５】
前述したように、第１及び第２構造体１０，２０は、延長方向に螺旋状に連続的に交差して、同一体積内で電極間の対向表面積が増大する。これによって、第１及び第２構造体を利用して電極を構成することで、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。
【００４６】
図２は、本発明の他の実施形態による電池の電極組立体２００の構成を概略的に示す。
【００４７】
図２を参照すれば、電極組立体２００は、図１Ａの電極組立体１００と異なり、第１構造体１０と第２構造体２０とがいずれも螺旋状に延びつつ、互いに取り囲む二重螺旋構造を有する。図２に示す実施形態において、各構成部材についての説明は、矛盾しない限り、図１Ａないし図１Ｃを参照して開示した事項を参照し、反復する説明は省略する。
【００４８】
第１構造体１０と第２構造体２０は、それぞれ一つずつ示したが、これは例示的であり、第１及び第２構造体１０，２０は、複数であってもよい。この場合、第１構造体１０の束と第２構造体２０の束とが、二重螺旋構造を形成する。また、いずれか一つの電極は、単一な構造体で形成され、他の電極は、複数の構造体で形成される。例えば、一つの負極構造体と複数の正極構造体の束とが、二重螺旋構造を形成する。
【００４９】
図２に示す実施形態によれば、二つの構造体１０，２０がいずれも螺旋状に延びつつ、互いに連続的に対向するため、対向表面積がさらに増大して、電極間のカップリングがさらに強く起こる。これによって、エネルギー密度がさらに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。また、二重螺旋構造は、纎維状の構造体の機械的強度を向上させ、ワイヤ構造を有するため、後述するように電池ケース内に多様な形態に配列される。
【００５０】
図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の実施形態による電池のケース内で適用可能な電極組立体の配置を示す。
【００５１】
図３Ａを参照すれば、電池を提供するために、前述した電極組立体は、電池ケース内で所定の長さを有する複数のセグメント３００Ａ，３００Ｂの形態に提供される。各セグメント３００Ａ，３００Ｂは、図３Ａに示すように螺旋構造を有してもよい。電極組立体自体が螺旋構造を有するため、それらのセグメントも螺旋構造を有するように容易に成形される。しかし、これは例示的であり、セグメント３００Ａ，３００Ｂは、一般的な糸のように螺旋構造を有さないか、または絡み合うように、ウエーブ状、カール状、ベルクロ状に成形されてもよい。多様な形態に成形されたセグメント３００Ａ，３００Ｂは、無秩序に配列されて絡み合う。絡み合ったセグメント３００Ａ，３００Ｂの間に形成された空間は、スポンジのように電解液を吸いこむのに有利であるので、電解液の含浸工程を容易にする。
【００５２】
セグメント３００Ａの正極構造体の一端部と、他のセグメント３００Ｂの正極構造体の一端部は、互いに電気的に結合されて、共通正極５１を提供する。同様に、セグメント３００Ａの負極構造体の一端部と、他のセグメント３００Ｂの負極構造体の一端部も、互いに電気的に結合されて、共通負極５２を提供する。共通正極５１と共通負極５２は、いずれも外部電極として提供される。他の実施形態として、電池の内部で、正極のうちいずれか一つと、負極のうちいずれか一つとを互いに接続してもよく、この場合、使用電圧が増加した多様なバイポーラ電池が提供される。
【００５３】
他の実施形態において、電極組立体のセグメント３００Ａ，３００Ｂは、秩序あるように配列される。図３Ｂは、セグメント３００Ｃが秩序あるように配列された一形態であって、二つ以上の電極組立体のセグメント３００Ｃが捻って延びて形成された太いワイヤ構造（ＷＲ）を示す。このような太いワイヤ構造（ＷＲ）は、電極組立体の機械的強度を向上させ、体積を減少させて、単純かつ耐久性ある電池を提供することができる。太いワイヤ（ＷＲ）は、それ自体として線形電池を提供するか、または他の太いワイヤと織造されたり、ランダム配列またはベルクロ状に成形されて、任意の形状を有する電池を提供する。さらに他の実施形態として、太いワイヤ（ＷＲ）は、図３Ｃに示すように、螺旋状に延びたさらに他のセグメント３００Ｄによって取り囲まれる。例示されたセグメント３００Ｄは、正極の纎維状の構造体と、負極の纎維状の構造体とが結合されたものであるが、太いワイヤ（ＷＲ）を、正極の纎維状の構造体及び負極の纎維状の構造体のうち少なくともいずれか一つにより巻き取られてもよい。
【００５４】
図４Ａ及び図４Ｂは、電極組立体を形成するセグメント４００Ａ，４００Ｂの秩序ある他の配列を示す。
【００５５】
図４Ａを参照すれば、電極組立体のセグメント４００Ａ，４００Ｂが、横糸及び縦糸として互いに交差して織造された配列を有する。織造された配列は、板状構造を有するため、巻き、折り、または曲げなどの変形が容易であるので、多様な形態を有する電池を提供することができる。また、織造された配列も、図３Ａを参照して説明したように、セグメント間の空間に電解液が浸透しやすいという利点がある。
【００５６】
図４Ｂを参照すれば、電極組立体のセグメント４００Ａ，４００Ｂは、分離膜３０を往復貫通する横糸及び縦糸として互いに交差して織造された配列を有する。分離膜３０により、セグメント間の絶縁が向上して、電極組立体の機械的強度が向上する。
【００５７】
図５Ａ及び図５Ｂは、電極組立体のセグメント５００Ａ，５００Ｂの秩序あるさらに他の配列を示す。
【００５８】
図５Ａを参照すれば、電極組立体のセグメント５００Ａ，５００Ｂは、一つの仮想平面内に一方向に並んで延びる。並んで延びたセグメント５００Ａ，５００Ｂの仮想平面は、図５Ａに示すように二つ以上であり、各仮想平面内のセグメント５００Ａ，５００Ｂの延長方向は異なる。例えば、図５Ａに示すように、一つの仮想平面内のセグメント５００Ａは、他の平面内のセグメント５００Ｂの延長方向と９０゜の差を有して交差してもよい。セグメント５００Ａ，５００Ｂ間の間隔は０であるか、または電池の成形加工性を提供できる任意のサイズ、例えば、５μｍないし数千μｍを有する。一部の実施形態においては、並んで延びたセグメント５００Ａ，５００Ｂで形成された平面間に、分離膜３０がさらに配置される。
【００５９】
図５Ｂを参照すれば、並んで延びたセグメント５００Ａ，５００Ｂがなす仮想平面が、分離マトリックス３０内に内包される。分離マトリックス３０は、前述した分離膜３０（図５Ａ）と同じ材料で形成される。分離マトリックス３０は、少なくとも二つのセグメント５００Ａ，５００Ｂの仮想平面を内包する厚さを有すればよい。分離マトリックス３０の内部に、セグメント５００Ａ，５００Ｂを整列するために、まず、分離マトリックスとなる溶液内に、セグメント５００Ａ，５００Ｂを整列した後、前記溶液を固めて、図示した配列を提供する。分離マトリックス３０を貫通して延びるセグメント５００Ａ，５００Ｂは、必ずしも同一平面上に配置される必要はなく、無秩序に配置されてもよいことを理解できるであろう。また、前述したように、分離マトリックス３０を貫通して、相異なる極性の纎維状の構造体を螺旋状に互いに取り囲みつつ延びる配列を選択する。
【００６０】
前述した構造体で形成された電極組立体は、形状の変化が容易であり、電池の容量調節のために、セグメントの長さ、個数、形態及び電気的連結を多様に選択可能である。図６は、電極組立体のセグメントの配列の成形工程を概略的に示す断面図である。図６を参照すれば、セグメントの配列は、纎維状の構造体が有する成形の容易性のため、積み、曲げ、巻きのような方法により変形されて、多様な体積と形状を有する電池１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃを提供することができる。ケースＣＳ内の電極組立体６００の正極または負極は、電池の外部電極（＋，−）を提供する。電池１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃは、服、かばんなどに付着されたり、服及びかばんの布地と一体となる小型電池として応用されても、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。
【００６１】
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１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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