(57)【要約】  本発明はアノード/分離膜/カソード構造を有する電極組立体を含み、複数の第1の電極ユニットおよび単一の第2の電極シートが分離膜シートの間に配置され、それらが互いに対向するように巻かれ、第1の電極と第2の電極が互いに反対の極性を有する、電極組立体が提供される。
2013524431.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード/セパレータ/アノード構造の電極組立体であって、複数の第1の単位電極および第2の電極シートが、セパレータシートを介して前記第1の単位電極が前記第2の電極シートに対向するように巻かれ、第1の電極と第2の電極が反対の極性を有する、電極組立体。
【請求項２】
前記電極組立体は、第1のセパレータシートが前記第1の単位電極と前記第2の電極シートとの間に配置されて前記第1の単位電極と前記第2の電極シートとが第2のセパレータシート上に配置された状態で、前記第1の単位電極、前記第2の電極シート、前記第1のセパレータシート、および前記第2のセパレータシートが、前記第1の単位電極のそれぞれの幅で、前記セパレータシートの長手方向(長さ方向)に順次巻かれた構造を有するように構成される、請求項1に記載の電極組立体。
【請求項３】
前記電極組立体が、前記第2のセパレータシートの上に、上方に向かって前記第2の電極シート、前記第1のセパレータシート、および前記第1の単位電極の順で配置された状態で、前記第2の電極シート、前記第1のセパレータシート、前記第1の単位電極、および前記第2のセパレータシートが、前記第1の単位電極のそれぞれの幅で、前記シートの長手方向(長さ方向)に順次巻かれた構造を有するように構成される、請求項2に記載の電極組立体。
【請求項４】
前記電極組立体が、前記第2のセパレータシートの上に、上方に向かって前記第1の単位電極、前記第1のセパレータシート、および前記第2の電極シートの順で配置された状態で、前記第1の単位電極、前記第1のセパレータシート、前記第2の電極シート、および前記第2のセパレータシートが、前記第1の単位電極のそれぞれの幅で、前記シートの長手方向(長さ方向)に順次巻かれた構造を有するように構成される、請求項2に記載の電極組立体。
【請求項５】
前記第1の電極がカソードであり、前記第2の電極がアノードである、請求項1に記載の電極組立体。
【請求項６】
前記第1の電極がアノードであり、前記第2の電極がカソードである、請求項1に記載の電極組立体。
【請求項７】
前記第1の単位電極は、前記第1の電極の電流コレクタの対向する主表面を第1の電極活性材料で被覆することによって作製される電極であり、前記第2の電極シートは、前記第1の電極の前記電流コレクタの前記対向する主表面を第2の電極活性材料で被覆することによって作製される電極である、請求項1に記載の電極組立体。
【請求項８】
前記第2の電極シートが、熱溶接によって前記第2のセパレータシートの上面に付着される、請求項1に記載の電極組立体。
【請求項９】
前記それぞれの第1の単位電極から電極タブが突出し、前記第2の電極シートの、電極活性材料が適用されていない電流コレクタの被覆されていない部分に電極リード線が取り付けられる、請求項1に記載の電極組立体。
【請求項１０】
巻かれた状態で電極タブが同じ領域に位置するように、前記第1の単位電極が前記第2の電極シートに対して交互に配置される、請求項1に記載の電極組立体。
【請求項１１】
前記第1の単位電極が前記第2の電極シートに対して、前記第1の単位電極の間の間隔が長手方向に増加するように配置される、請求項1に記載の電極組立体。
【請求項１２】
前記巻かれた第1のセパレータシートおよび/または前記第2のセパレータシートの最も外側の端部が、熱溶接または接着テープによって固定される、請求項1に記載の電極組立体。
【請求項１３】
前記第1のセパレータシートおよび前記第2のセパレータシートが、同じ材料または異なる材料で作られた多孔質絶縁性膜である、請求項1に記載の電極組立体。
【請求項１４】
前記第1のセパレータシートおよび前記第2のセパレータシートが、微小多孔質ポリエチレン膜、ポリプロピレン膜、ポリエチレン膜とポリプロピレン膜の組み合わせによって作製された多層膜、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体などの高分子電解質用のポリマー膜からなる群から選択されたもので作られる、請求項1に記載の電極組立体。
【請求項１５】
請求項1に記載の電極組立体を備える、電気化学セル。
【請求項１６】
前記電気化学セルが二次電池である、請求項15に記載の電気化学セル。
【請求項１７】
前記二次電池が、リチウムイオンを有するリチウム二次電池である、請求項16に記載の電気化学セル。
【請求項１８】
前記二次電池は、前記電極組立体が、金属層および樹脂層を備える積層シートで作られたポーチ形ケース内に搭載される構造を有するように構成される、請求項16に記載の電気化学セル。
【請求項１９】
請求項1に記載の電極組立体を作製する方法であって、
(a)複数の第1の単位電極のそれぞれがその一方の側に形成された電極タブを有するように構成された前記第1の単位電極を作製するために、第1の電極シートを切断するステップと、
(b)第2の電極シートを作製するために、電極活性材料が適用されていない電流コレクタの被覆されていない部分に、電極リード線を取り付けるステップと、
(c)前記第2の電極シート、第1のセパレータシート、前記第1の単位電極、および第2のセパレータシートを、前記第2のセパレータシートの上に、上方に向かって前記第2の電極シート、前記第1のセパレータシート、および前記第1の単位電極の順で配置された状態で、前記第1の単位電極のそれぞれの幅で前記シートの長手方向(長さ方向)に順次巻くステップと、
(d)前記第1の単位電極の前記電極タブを前記電極リード線に溶接するステップと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規な構造の電極組立体およびそれを作製する方法に関し、より詳細には、複数の第1の単位電極および第2の電極シートが、セパレータシートを介して第1の単位電極が第2の電極シートに対向するように巻かれ、第1の電極と第2の電極が反対の極性を有する、カソード/セパレータ/アノード構造の電極組立体、ならびにそれを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイル機器はますます発達しており、このようなモバイル機器に対する需要が増大し、モバイル機器用のエネルギー源として二次電池の需要も急激に増加している。したがって様々な要求を満足する二次電池に対する多くの研究がなされている。
【０００３】
電池の形状の点からは、携帯電話などの製品に応用するのに十分薄い、角柱状二次電池またはポーチ形二次電池に対する需要が非常に高い。電池の材料の点からは、高いエネルギー密度、放電電圧、および電力安定性を示すリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのリチウム二次電池に対する需要が非常に高い。
【０００４】
一方、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組立体の構造に基づいて分類することができる。たとえば電極組立体は、長いシート型カソードおよび長いシート型アノードが、それぞれカソードとアノードの間にセパレータが配置された状態で巻かれるゼリーロール(巻き付け)型構造、または所定のサイズを有する複数のカソードおよびアノードが、それぞれカソードとアノードの間にセパレータが配置されるように連続して積層される積層型構造を有するように構成することができる。
【０００５】
しかしこのような従来型の電極組立体は、以下のいくつかの問題を有する。
【０００６】
第1に、ゼリーロール型電極組立体は、長いシート型カソードおよび長いシート型アノードを密に巻くことによって作製され、結果としてゼリーロール型電極組立体は断面が円形または楕円形となる。したがって電池の充電および放電時の電極の膨張および収縮によって生じる応力が電極組立体内に蓄積され、応力蓄積が一定の限界を超えたときに、電極組立体が変形する場合がある。電極組立体の変形は、結果として電極の間の不均一な間隙を生じさせる。その結果、電池の性能は急激に悪化し、電池の内部短絡により電池の安全性は確保できなくなる。さらにカソードとアノードの間の間隙を一様に保ちながら長いシート型カソードと長いシート型アノードとを迅速に巻くのは難しく、その結果、生産性が低下する。
【０００７】
第2に、積層型電極組立体は、複数の単位カソードおよび複数の単位アノードを順次に積層することによって作製される。結果として、単位カソードと単位アノードを作製するのに用いられる電極板を移動させる工程を提供することが追加で必要となる。さらに順次の積層プロセスを行うために多くの時間と労力が必要になり、結果として生産性が低下する。
【０００８】
上述の問題を解決するために、積層/折り畳み型電極組立体が開発されており、これはゼリーロール型電極組立体と積層型電極組立体との組み合わせである。積層/折り畳み型電極組立体は、所定のサイズの複数のカソードおよびアノードが、それぞれカソードとアノードの間にセパレータが配置された状態に積層され、それによりバイセルまたはフルセルを構成し、次いで複数のバイセルまたは複数のフルセルは、バイセルまたはフルセルが長いセパレータシート上に位置する状態に巻かれた構造を有するように構成される。積層/折り畳み型電極組立体の詳細は、本出願の出願人の名前で出願された下記特許文献１、２、及び３に開示されている。
【０００９】
図1および2は、従来の積層/折り畳み型電極組立体を作製する例示の方法を典型的に示す。
【００１０】
これらの図面を参照すると積層/折り畳み型電極組立体は、たとえばバイセル10、11、12、13、および14を長いセパレータシート20上に配置し、セパレータシート20の一方の端部21からバイセル10、11、12、13、および14を順次巻くことによって作製される。
【００１１】
上記の方法を用いて作製された図3の積層/折り畳み型電極組立体は、ゼリーロール型電極組立体および積層型電極組立体によって引き起こされる問題を解決する。しかし二次電池を作製するために積層/折り畳み型電極組立体が電池ケース内に搭載されるときに、積層/折り畳み型電極組立体は、安全性の低さを呈する。たとえば二次電池に外部衝撃が印加されたときは電極組立体が押され、結果としてカソードタブ31と電池本体の間、またはアノードタブ32と電池本体の間に内部短絡を生じる場合がある。
【００１２】
すなわち外力により、ある物体が電池を押したときは、カソードタブ31またはアノードタブ32は電池本体の対向する電極と接触するようになり、結果として短絡を生じ得る。電極活性材料はこのような短絡に反応し、結果として電極活性材料の温度が上昇する。またカソード活性材料が、低い導電率を示すリチウム遷移金属酸化物で作られている場合は、このような短絡によりカソード活性材料から大量の熱が発生され、結果として電池の燃焼または破裂がさらに加速される。
【００１３】
さらにアノードタブ32の一部は、アノードタブ32をアノードリード線33に溶接するためのアノードのV字形成工程時に切断される場合がある。
【００１４】
したがって簡単な作製方法を用いて作製することができ、二次電池に外力が印加されたときでも二次電池の寿命および安全性を確保することができる電極組立体に対する高い必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】韓国特許出願公報第2001-0082058号
【特許文献２】韓国特許出願公報第2001-0082059号
【特許文献３】韓国特許出願公報第2001-0082060号
【特許文献４】韓国特許出願第1999-57312号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって本発明は、上記の問題および解決すべき他の技術的問題を解決するためになされた。
【００１７】
上述の問題を解決するための様々な広範囲で集中的な研究および実験の結果として、本出願の発明者らは電極組立体が、複数の第1の単位電極および第2の電極シートが、セパレータシートを介して第1の単位電極が第2の電極シートに対向するように巻かれ、第1の電極と第2の電極が反対の極性を有する、構造を有するように構成されたときは、外力によって引き起こされる第1の電極タブと第2の電極タブの間の短絡の発生による電池からの熱の発生を防止することが可能でありそれによって電池の安全性が改善され、かつ電池の作製時に第2の電極タブを第2の電極リード線に溶接する工程を行う必要がなくそれによって生産性が大きく改善されることを見出した。本発明は、これらの研究結果に基づいて完成された。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一態様によれば上記その他の目的は、カソード/セパレータ/アノード構造の電極組立体であって、複数の第1の単位電極および第2の電極シートが、セパレータシートを介して第1の単位電極が第2の電極シートに対向するように巻かれ、第1の電極と第2の電極が反対の極性を有する、電極組立体を提供することによって達成することができる。
【００１９】
本発明によれば、第1の電極と第2の電極は反対の極性を有し、第1の単位電極と第2の電極シートは、セパレータシートを介して第1の単位電極が第2の電極シートに対向するように巻かれる。したがって電池の落下または振動時の電極タブの間の接触による内部短絡によって引き起こされ得る電池の燃焼または破裂を防止し、それによって電池の安全性を改善することが可能になる。
【００２０】
具体的には第2の電極は単一のシートから形成され、結果として第2の電極は複数の第2の電極タブを含まない。したがって電極タブが反対の電極と接触するのを基本的に防止することが可能になる。
【００２１】
また、第2の電極タブを電極リード線に熱的に溶接する工程を行う必要がなく、したがって第2の電極タブの電極リード線への熱溶接時に、第2の電極タブの一部が切断される可能性を無くすことが可能である。
【００２２】
さらに、単位電極を作製するために第2の電極にタブを形成する、または第2の電極にタブを取り付ける工程を行う必要がなく、したがって電池を作製する工程の数が減りそれによって生産性を改善することが可能になる。
【００２３】
好ましい実施例では電極組立体は、第1のセパレータシートがその間に配置された第1の単位電極と第2の電極シートとが第2のセパレータシート上に配置された状態で、第1の単位電極、第2の電極シート、第1のセパレータシート、および第2のセパレータシートが、第1の単位電極のそれぞれの幅で、セパレータシートの長手方向(長さ方向)に順次巻かれた構造を有するように構成することができる。
【００２４】
具体的には電極組立体は、第2のセパレータシートの上に、上方に向かって第2の電極シート、第1のセパレータシート、および第1の単位電極の順で配置された状態で、第2の電極シート、第1のセパレータシート、第1の単位電極、および第2のセパレータシートが、第1の単位電極のそれぞれの幅で、シートの長手方向(長さ方向)に順次巻かれた構造を有するように構成することができる。
【００２５】
一方、電極組立体は、第2のセパレータシートの上に、上方に向かって第1の単位電極、第1のセパレータシート、および第2の電極シートの順で配置された状態で、第1の単位電極、第1のセパレータシート、第2の電極シート、および第2のセパレータシートが、第1の単位電極のそれぞれの幅で、シートの長手方向(長さ方向)に順次巻かれた構造を有するように構成することができる。
【００２６】
第1の電極はカソードとすることができ、第2の電極はアノードとすることができる。一方、第1の電極はアノードとすることができ、第2の電極はカソードとすることができる。
【００２７】
一方、第1の単位電極は、第1の電極の電流コレクタの対向する主表面を第1の電極活性材料で被覆することによって作製される電極とすることができ、第2の電極シートは、第1の電極の電流コレクタの対向する主表面を第2の電極活性材料で被覆することによって作製される電極とすることができる。
【００２８】
たとえば第1の電極がカソードであり、第2の電極がアノードである場合は、カソードは、カソード電流コレクタの対向する主表面にカソード活性材料、導電性薬剤、および結合剤の混合物を塗布し、乾燥し、圧縮することによって作製される。必要に応じて混合物に充填剤を加えることができる。
【００２９】
一般にカソード電流コレクタは、3から500μmの厚さを有する。カソード電流コレクタは、カソード電流コレクタが高い導電率を示し、カソード電流コレクタがそれが適用される電池内に何ら化学変化を誘起しない限り特に限定されない。たとえばカソード電流コレクタは、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、または炭素樹脂で作ることができる。あるいはカソード電流コレクタは、その表面が炭素、ニッケル、チタン、または銀で処理された、アルミニウムまたはステンレス鋼で作ることができる。カソード電流コレクタは、カソード活性材料の付着力を増すためにその表面に形成された微小凹部および凸部を有することができる。カソード電流コレクタは、膜、シート、フォイル、ネット、多孔質体、フォーム状物体、および不織布物体などの様々な形に構成することができる。
【００３０】
リチウム二次電池の場合は、カソード活性材料は非限定的に、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)またはリチウムニッケル酸化物(LiNiO2)または1つまたは複数の遷移金属によって置換された化合物などの層状化合物、化学式Li1+xMn2-xO4(ただし、X=0から0.33)によって表されるリチウムマンガン酸化物あるいはLiMnO3、LiMn2O3、またはLiMnO2などのリチウムマンガン酸化物、リチウム銅酸化物(Li2CuO2)、LiV3O8、LiFe3O4、V2O5、またはCu2V2O7などのバナジウム酸化物、化学式LiNi1-xMxO2(ただし、M=Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B、またはGa、およびx=0.01から0.3)によって表されるNiサイト(Ni-sited)リチウムニッケル酸化物、化学式LiMn2-xMxO2(ただし、M=Co、Ni、Fe、Cr、Zn、またはTa、およびx=0.01から0.1)または化学式Li2Mn3MO8(ただし、M=Fe、Co、Ni、Cu、またはZn)で表されるリチウムマンガン複合材酸化物、アルカリ土類金属イオンによって部分的に置換された化学式のLiを有するLiMn2O4、二硫化化合物、またはFe2(MoO4)3とすることができる。
【００３１】
導電性薬剤は一般に、導電性薬剤がカソード活性材料を含む化合物の総重量に基づいて1から50重量%であるように加えられる。導電性薬剤は、導電性薬剤が高い導電率を示し、導電性薬剤がそれが適用される電池内に何ら化学変化を誘起しない限り特に限定されない。たとえば天然黒鉛または人造黒鉛などの黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、またはサマーブラックなどのカーボンブラック、炭素繊維または金属繊維などの導電性繊維、炭素フッ化物粉末、アルミニウム粉末、またはニッケル粉末などの金属粉末、亜鉛酸化物およびチタン酸カリウムなどの導電性ウイスカー、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、あるいはポリフェニレン誘導体を、導電性薬剤として用いることができる。
【００３２】
結合剤は、活性材料と導電性薬剤の間の結合、および電流コレクタとの結合を補助する成分である。結合剤は一般に、カソード活性材料を含む化合物の総重量に基づいて1から50重量%の量にて加えられる。結合剤の例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース(CMC)、デンプン、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン-ジエン三元共重合体(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム、および様々な共重合体を用いることができる。
【００３３】
充填剤は、カソードの膨張を抑制するために用いられる任意選択の成分である。それが適用される電池内に化学変化を引き起こさない限り、充填剤に対して特に制限はなく、繊維性材料で作られる。充填剤の例としてはポリエチレンおよびポリプロピレンなどのオレフィン重合体、ならびにガラス繊維および炭素繊維などの繊維性材料を用いることができる。
【００３４】
一方アノードは、アノード活性材料をアノード電流コレクタに塗布し、乾燥し、圧縮することによって作製される。前述の導電性薬剤、結合剤、および充填剤は、必要に応じてアノード活性材料に選択的に加えることができる。
【００３５】
一般にアノード電流コレクタは、3から500μmの厚さを有する。アノード電流コレクタは、アノード電流コレクタが高い導電率を示し、アノード電流コレクタがそれが適用される電池内に化学変化を誘起しない限り特に限定されない。たとえばアノード電流コレクタは、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、または炭素樹脂で作ることができる。あるいはアノード電流コレクタは、その表面が炭素、ニッケル、チタン、または銀、またはアルミニウム-カドミニウム合金で処理された、銅またはステンレス鋼で作ることができる。カソード電流コレクタと同じようにアノード電流コレクタは、アノード活性材料の付着力を増すためにその表面に形成された微小凹部および凸部を有することができる。アノード電流コレクタは、膜、シート、フォイル、ネット、多孔質体、フォーム状物体、および不織布物体などの様々な形に構成することができる。
【００３６】
アノード活性材料としてはたとえば、難黒鉛化炭素または黒鉛をベースとする炭素などの炭素、LixFe2O3 (0≦x≦1), LixWO2 (0≦x≦1), SnxMe1-xMe'yOz (Me:Mn、Fe、Pb、Ge; Me':Al、B、P、Si、周期表の1価、2価、および3価元素、ハロゲン、0≦x≦1、1≦y≦3、1≦z≦8)などの金属複合材酸化物、リチウム金属、リチウム合金、シリコンをベースとする合金、錫をベースとする合金、SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4、またはBi2O5などの金属酸化物、ポリアセチレンなどの導電性ポリマー、あるいはLi-Co-Niをベースとする材料を用いることができる。
【００３７】
第2の電極シートおよび第2のセパレータシートを容易に巻けるように、第2の電極シートは第2のセパレータシートの上面に付着することができる。第2の電極シートの第2のセパレータシートの上面への付着は非限定的に、熱溶接によって達成することができる。
【００３８】
好ましい実施例として、それぞれの第1の単位電極から電極タブが突出することができ、第2の電極シートの、電極活性材料が適用されていない電流コレクタの被覆されていない部分に電極リード線を取り付けることができる。
【００３９】
他の実施例として、巻かれた状態で電極タブが同じ領域に位置するように、第1の単位電極は第2の電極シートに対して交互に配置することができる。
【００４０】
一方、第1の単位電極の巻かれた厚さは、第1の単位電極が長手方向に順次巻かれるのに従って増加する。したがって第1の単位電極は第2の電極シートに対して、第1の単位電極の間の間隔が長手方向に増加するように配置される。
【００４１】
第1のセパレータシートおよび/または第2のセパレータシートは、巻き付けの後に電極組立体を取り囲むように延びる長さを有することができ、第1のセパレータシートおよび/または第2のセパレータシートの最も外側の端部は、熱溶接または接着テープによって固定することができる。たとえば熱溶接装置または加熱プレートを、仕上げられるべき第1のセパレータシートおよび/または第2のセパレータシートに接触させることができ、それにより第1のセパレータシートおよび/または第2のセパレータシートは熱により溶接され次いで固定される。したがって圧力が連続して保たれ、それにより電極とセパレータシートの間の安定な境界面接触が達成される。
【００４２】
第1のセパレータシートおよび第2のセパレータシートは、同じ材料または異なる材料で作られた多孔質絶縁性膜とすることができる。
【００４３】
第1のセパレータシートおよび第2のセパレータシートは、たとえば高いイオン透過性および高い機械的強度を示す絶縁性薄膜を用いることができる。一般にはセパレータシートは、0.01から10μmのポアー直径、および5から300μmの厚さを有する。セパレータシート用の材料としてはたとえば、化学的耐性および疎水性を示すポリプロピレンなどのオレフィン重合体で作られたシートまたは不織布、ガラス繊維、またはポリエチレンが用いられる。第1のセパレータシートおよび第2のセパレータシートは、微小多孔質ポリエチレン膜、ポリプロピレン膜、ポリエチレン膜とポリプロピレン膜の組み合わせによって作製された多層膜、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、およびポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体などの高分子電解質用のポリマー膜からなる群から選択されたもので作ることができる。
【００４４】
セパレータシートは、巻き付けプロセスを容易に行うために接着機能を有することが好ましい。好ましい実施例では、第1のセパレータシートおよび第2のセパレータシートは、熱溶接による接着機能を有する高分子電解質用のポリマー膜で作ることができ、これは本出願の出願人の名前で出願された上記特許文献４に開示されている、微孔質の第1のポリマー層とポリフッ化ビニリデン-クロロトリフルオロエチレン共重合体をゲル化することによって得られる第2のポリマー層とを含む。この出願の開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【００４５】
本発明の他の態様によれば、上記の構造を有する電極組立体を含む、電気化学セルが提供される。
【００４６】
電気化学セルの典型的な例は、二次電池とすることができる。好ましくは二次電池は、媒体としてリチウムイオンを有するリチウム二次電池である。
【００４７】
リチウム二次電池は、電極組立体の形に基づいて、および電池ケースの構造または形に基づいて円柱状電池、角柱状電池、またはポーチ形電池として分類することができる。好ましくは本発明は、たとえば電池が落下したときに電池に外部衝撃が印加された場合に低い安全性を呈するポーチ形電池に応用することができる。
【００４８】
ポーチ形電池は、電極組立体が、前述のような金属層および樹脂層を含む積層シートで作られたポーチ形ケース内に搭載された構造を有するように構成される。通常はアルミニウム積層シートで作られたケースが用いられる。
【００４９】
電極組立体を用いて電気化学セルを作製する方法は、本発明が関係する技術分野ではよく知られており、したがってその詳細な説明は行わない。
【００５０】
一方、近年ではリチウムイオン二次電池は、大型装置および小型モバイル機器用の電源としてかなりの注目を集めてきている。リチウムイオン二次電池がこのような用途に応用されるときは、リチウムイオン二次電池が軽量であることが好ましい。二次電池の重さを低減する方法の一例は二次電池を、アルミニウム積層シートで作られたポーチ形ケース内に電極組立体が搭載される構造を有するように構成することである。リチウム二次電池は、本発明が関係する技術分野ではよく知られており、したがってその説明は行わない。
【００５１】
また二次電池が前述のような中型または大型装置の電源として用いられる場合は、二次電池は、その長期間の使用の後にも二次電池の動作性能が最大限に維持され、二次電池の寿命が優れ、低コストで二次電池を量産できる、構造を有するように構成されることが好ましい。この点については好ましくは本発明による電極組立体を含む二次電池は、単位セルとして二次電池を含む中型または大型電池モジュールに用いられる。
【００５２】
中型または大型電池モジュールは、高電力および大容量をもたらすために、複数の単位セルが互いに直列または直並列に接続された構造を有するように構成される。中型または大型電池モジュールは本発明が関係する技術分野ではよく知られており、したがってその説明は行わない。
【００５３】
本発明の他の態様によれば、上述の構造を有する電極組立体を作製する方法が提供される。
【００５４】
好ましい実施例では電極組立体を作製する方法は、(a)複数の第1の単位電極のそれぞれがその一方の側に形成された電極タブを有するように構成された複数の第1の単位電極を作製するために、第1の電極シートを切断するステップと、(b)第2の電極シートを作製するために、電極活性材料が適用されていない電流コレクタの被覆されていない部分に、電極リード線を取り付けるステップと、(c)第2の電極シート、第1のセパレータシート、第1の単位電極、および第2のセパレータシートを、第2のセパレータシートの上に、上方に向かって第2の電極シート、第1のセパレータシート、および第1の単位電極の順で配置された状態で、第1の単位電極のそれぞれの幅でシートの長手方向(長さ方向)に順次巻くステップと、(d)第1の単位電極の電極タブを電極リード線に溶接するステップと、を含むことができる。
【００５５】
本発明による電極組立体を作製する方法を用いて作製された電極組立体は、本発明による電極組立体は巻かれた構造に基づいているので、ゼリーロール型電極組立体および積層/折り畳み型電極組立体と似ている。しかし本発明による電極組立体は、ゼリーロール型電極組立体において引き起こされる内部応力蓄積の影響を受けず、したがって電極組立体の変形の影響を受けない。他方では本発明による電極組立体は、積層/折り畳み型電極組立体において引き起こされる低い安全性の影響を受けない。
【００５６】
さらに本発明による電極組立体を作製する方法を用いて作製された電極組立体は、電極の一部が単位電極の形で作製されるので積層型電極組立体に似ている。しかし本発明による電極組立体は、積層型電極組立体において生じる複雑な作製および低い生産性の影響を受けない。
【００５７】
したがって本発明による電極組立体を作製する方法は、電極組立体を作製するこのような従来の方法に関連するすべての問題を解決できる新規な技術である。
【発明の効果】
【００５８】
上記の説明から明らかなように、本発明による電極組立体は、複数の第1の単位電極および第2の電極シートが、セパレータシートを介して第1の単位電極が第2の電極シートに対向するように巻かれ、第1の電極と第2の電極が反対の極性を有する、構造を有するように構成され、したがって外力によって引き起こされる内部短絡の発生による電池からの熱の発生を防止することが可能でありそれによって電池の安全性が改善され、かつ電池の作製時に複数の第2の電極タブを第2の電極リード線に溶接する工程を行う必要がなくそれによって生産性が大きく改善される。
【００５９】
本発明の上記その他の目的、特徴、および他の利点は、以下の詳細な説明を添付の図面と併せ読めばより明らかに理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】従来型のバイセルを含む積層/折り畳み型電極組立体を作製する方法を示す典型的な図である。
【図２】図1の積層/折り畳み型電極組立体を作製する方法でのバイセルの配列組み合わせを示す典型的な図である。
【図３】図1の方法を用いて作製された電極組立体の構造を示す典型的な図である。
【図４】本発明の一実施形態による電極組立体を作製する方法を示す典型的な図である。
【図５】図4の方法を用いて作製された電極組立体の構造を示す典型的な図である。
【図６】図5の電極組立体を含むリチウム二次電池の構造を示す典型的な図である。
【図７】本発明の他の実施形態による電極組立体を作製する方法での、第1の単位電極と第2の電極シートの例示の配列組み合わせを示す典型的な図である。
【図８】本発明の他の実施形態による電極組立体を作製する方法での、第1の単位電極と第2の電極シートの例示の配列組み合わせを示す典型的な図である。
【発明を実施するための形態】
【００６１】
次に、本発明の例示的実施形態について添付の図面を参照して詳細に述べる。しかし本発明の範囲は示される実施形態に限定されないことに留意されたい。
【００６２】
図4は本発明の一実施形態による電極組立体を作製する方法を示す典型的な図であり、図5は図4の方法を用いて作製された電極組立体の構造を示す典型的な図である。
【００６３】
これらの図面を参照すると電極組立体70は、カソード/セパレータ/アノード構造にて構成される。8個の第1の単位電極40および第2の電極シート60は、第1の単位電極40および第2の電極シート60がセパレータシート50を介して互いに対向するように巻かれる。
【００６４】
第2の電極リード線62は、第2の電極シート60の、電極活性材料が適用されていない電流コレクタの被覆されていない部分に取り付けられる(溶接される)。
【００６５】
第1の単位電極40は、巻かれた状態において第1の電極タブ40aが同じ領域に位置するように、第2の電極シート60に対して交互に配置される。第1の単位電極40は第2の電極シート60に対して、第1の単位電極40の間の間隔Lが長手方向(矢印で示される方向)に増加するように配置される。
【００６６】
第1の単位電極40、第2の電極シート60、およびセパレータシート50は、カソード/セパレータ/アノード構造にて電極組立体を構成するように、第1の単位電極40、第2の電極シート60、およびセパレータシート50がもう1つのセパレータシート上に積層された状態で巻かれ、これについては図7および8を参照して以下で述べる。
【００６７】
図6は、図5の電極組立体を含むリチウム二次電池の構造を示す典型的な図である。
【００６８】
図5と共に図6を参照するとリチウム二次電池100は、ポーチ形電池ケース200内にて電極組立体70はカソード、アノード、およびカソードとアノードの間に配置されたセパレータを含み、電極組立体70のカソードタブ31はV字形成によってカソードリード線34に溶接され、アノードリード線33はアノードシートの被覆されていない部分に溶接され、電池ケース200はカソードリード線34およびアノードリード線33が電池ケース200から外側に突出した状態で密閉された、構造を有するように構成される。
【００６９】
電池ケース200は、アルミニウム積層シートなどの軟質のパッキング材料で作られる。電池ケース200は、電極組立体70がその中に位置する凹んだ収容部分230を有するケース本体210と、ケース本体210にその端部の一方が接続されたカバー220とを含む。
【００７０】
絶縁性膜80は、カソードリード線34と電池ケース200の間、およびアノードリード線33と電池ケース200の間の電気的絶縁ならびに密閉性を確保するために、カソードリード線34とアノードリード線33の上面および底面に取り付けられる。
【００７１】
図7は、本発明の他の実施形態による電極組立体を作製する方法における、第1の単位電極および第2の電極シートの例示の配列組み合わせを示す典型的な図である。
【００７２】
図7を参照すると電極組立体72は、第1のセパレータシート52がその間に配置された単位カソード42とアノードシート64とが第2のセパレータシート54上に配置された状態、すなわちアノードシート64、第1のセパレータシート52、および単位カソード42が第2のセパレータシート54上に順次配置された状態で、単位カソード42、アノードシート64、第1のセパレータシート52、および第2のセパレータシート54が、単位カソード42のそれぞれの幅Wで、第1のセパレータシート52および第2のセパレータシート54の長手方向(矢印で示される方向)に順次巻かれた、構造を有するように構成される。
【００７３】
第1のセパレータシート52および第2のセパレータシート54は、同じ材料で作られた多孔質絶縁性膜である。アノードシート64は、熱溶接によって第2のセパレータシート54の上面に付着される。
【００７４】
図8は、本発明の他の実施形態による電極組立体を作製する方法における、第1の単位電極および第2の電極シートの例示の配列組み合わせを示す典型的な図である。
【００７５】
図8を参照すると電極組立体74の構造は以下の点を除いて図7の電極組立体72の構造と同じでありすなわち、電極組立体74は、単位カソード42、第1のセパレータシート52、およびアノードシート64が第2のセパレータシート54上に順次配置された状態で、単位カソード42、第1のセパレータシート52、アノードシート64、および第2のセパレータシート54が単位カソード42のそれぞれの幅Wで、シートの長手方向(矢印で示される方向)に順次巻かれた構造を有するように構成され、その詳しい説明は省く。
【００７６】
説明のために本発明の例示的実施形態が開示されたが、当業者には、添付の特許請求の範囲に開示される本発明の範囲および趣旨から逸脱せずに、様々な変形、追加、および置き換えが可能であることが理解されよう。
【符号の説明】
【００７７】
10  バイセル
11  バイセル
12  バイセル
13  バイセル
14  バイセル
20  セパレータシート
21  セパレータシートの端部
31  カソードタブ
32  アノードタブ
33  アノードリード線
34  カソードリード線
40  第1の単位電極
42  単位カソード
50  セパレータシート
52  第1のセパレータシート
54  第2のセパレータシート
60  第2の電極シート
62  第2の電極リード線
64  アノードシート
70  電極組立体
72  電極組立体
74  電極組立体
80  絶縁性膜
100  リチウム二次電池
200  電池ケース
210  ケース本体
220  カバー
230  収容部分
【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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【国際調査報告】
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