(57)【要約】  本発明に係る電極組立体は、分離膜を挟んで異なる極性を有する一対の電極板を有する１つ以上の単位セルと、前記一対の電極板の断面又は両面上に塗布される電極合剤と、前記電極板の縁に位置すると同時に前記電極合剤が塗布されていない状態の電極タブと、を含み、前記電極タブは、電極並列連結用タブと電極リード連結用タブとを含み、前記電極板は、前記電極並列連結用タブと電極リード連結用タブとのうち何れか１つ以上の電極タブが形成され、最外郭電極板は、陰極の状態である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離膜を挟んで異なる極性を有する一対の電極板を有する１つ以上の単位セルと、
前記電極板に形成された電極タブと、を含み、
前記電極タブは、電極並列連結用タブと電極リード連結用タブとを含み、
前記電極板には、前記電極並列連結用タブと電極リード連結用タブとのうち何れか１つ以上が形成され、
最外郭電極板は、陰極が配置されて積層される、電極組立体。
【請求項２】
前記最外郭電極板には、前記電極並列連結用タブと前記電極リード連結用タブとが形成される、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項３】
電極並列連結用タブのみを含む状態で異なる極性を有する一対の電極板は、
前記一対の電極板のうち陰極板上に塗布された陰極合剤の面積は、陽極板上に塗布された陽極合剤の面積よりも大きく設定され、
前記陰極合剤の角は前記陽極合剤の角を基準に５ｍｍ以内の範囲で外側にずれるように設定され、
単位面積当たりの陽極容量に対する単位面積当たりの陰極容量は１〜１．２倍の範囲である、請求項１又は２に記載の電極組立体。
【請求項４】
前記電極並列連結用タブのみを含む陰極板と、前記電極並列連結用タブと前記リード連結用タブとを全て含む陽極板とが分離膜を挟んで対面した状態で、
前記電極並列連結用タブのみを含む陰極板上に塗布された陰極合剤の面積が、前記電極並列連結用タブと前記リード連結用タブとを全て含む陽極板上に塗布された陽極合剤の面積よりも大きく設定され、
前記電極並列連結用タブのみを含む陰極板の角は前記陽極合剤の角を基準に５ｍｍ以内の範囲で外側にずれるように設定され、
前記陽極板に形成されたタブ−リード結合部を前記電極並列連結用タブのみを含む陰極板が覆う形態である、請求項１又は２に記載の電極組立体。
【請求項５】
前記電極組立体の電極のうち最上段及び最下段に配置された最外郭陰極板は、電極合剤が断面塗布された、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項６】
前記電極組立体は、
前記電極組立体を構成する電極タブのうち何れか１つの電極リード連結用タブ上に形成された補強タブをさらに含む、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項７】
前記電極組立体は、
前記電極組立体を構成する電極タブのうち何れか１つの電極リード連結用タブ上に結合された電極リードは曲げ構造をさらに含む、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項８】
前記電極リード連結用タブと電極リードを前記補強タブを利用して重ね当てた構造のタブ−リード結合部は、前記分離膜の内側に位置する状態である、請求項６に記載の電極組立体。
【請求項９】
前記電極リード連結用タブと曲げ構造の電極リードとが結合されたタブ−リード結合部は、前記分離膜の内側に位置する状態である、請求項７に記載の電極組立体。
【請求項１０】
前記電極組立体と、
前記電極組立体を包む外装材と、を含み、
前記外装材部は、前記電極組立体の外部を包むように上部押印部と下部押印部とが繰り返し押印加工された構造である、請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項１１】
前記複数の上部押印部と下部押印部とは、前記電極組立体及び外装材部の幅と平行な方向に形成される、請求項１０に記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項１２】
前記電極組立体は、互いに異なる面積の電極を３つ以上積層することで構成することを特徴にして形成される、請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項１３】
前記電極組立体を構成する電極のうち、前記電極並列連結用タブと前記リード連結用タブとを含む陽極板の面積が、前記電極組立体を構成する電極のうち最も小さい、請求項１２に記載のリチウムイオン二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フレキシブルな環境において、外部からの繰り返し的な力である曲げやねじりなどにより発生し得る電池の機械的な問題である電極及び電極端子の破損を防止し、電極組立体の最外郭電極を陰極で配置することにより、作業性を上げると同時にエネルギー密度の損失を最小化し、曲げ耐久性及び安全性を向上させる構造の電極組立体を有するリチウムイオン二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  ｂａｔｔｅｒｙ）は、充電が不可能な一次電池とは異なり、充電及び放電が可能な電池をいうものであって、セルラーフォン、ノートパソコン、カムコーダなどの先端電子機器分野で広く使用されている。上記した携帯型電子機器の軽量化と高機能化、及びモノのインターネット（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  ｔｈｉｎｇｓ、ＩｏＴ）の発展により、その駆動電源として使用される二次電池に関して多くの研究が行われている。
【０００３】
特に、リチウム二次電池は、携帯用電子装備の電源として多く使用されているニッケル−カドミウム電池や、ニッケル−水素電池よりも電圧が高く、単位重量当たりのエネルギー密度も高いという長所があり、その需要が増加している傾向である。
【０００４】
二次電池は、電解物質に陽極と陰極とを挿入した状態で、上記した陽極と陰極とを連結した際に電解物質と電極との間で生じる電気化学反応を利用した電池であり、既存の一次電池とは異なり、電気電子製品で消耗したエネルギーを充電器により再充電して繰り返し使用することのできる、充電と放電が可能な電池であるので、無線電気電子製品の大衆化と共に拡散している傾向である。
【０００５】
通常、陽極板と陰極板との間に分離膜を挿入し、これらを共に螺旋状に巻き取ったゼリーロール状の巻取型電極組立体、あるいは分離膜を挟んで多数の陽極板と陰極板とを積層して形成された積層型電極組立体をリチウム二次電池に多く使用している。例えば、円筒形電池は、巻取型電極組立体を円筒形の缶に収納し、電解質を注入してから密封するものであり、角形電池は、巻取型電極組立体や積層型電極組立体を圧迫して平らで扁平にした後、角形の缶に収納するものである。また、ポーチ型電池は、巻取型電極組立体や積層型電極組立体を電解質と共にポーチ型の外装材で包装したものである。このような電極組立体において、陽極板と陰極板からそれぞれ陽極タブと陰極タブが電極組立体の外部に引き出され、二次電池の陽極と陰極に連結されることができる。
【０００６】
一方、上下方向に積層された多数の陽極板と陰極板上の電極タブを介して電極リードに連結することになるが、従来の電極タブと電極リードとの結合構造は、直接溶着する過程で結合力が多少弱くなるので、曲げることのような電池の変形使用動作により前記電極タブと電極リードとの間の結合において問題が発生する。
【０００７】
電極組立体と、前記電極組立体を包む外装材と、を有する既存のリチウム二次電池は、曲げ（ベンディング）評価が進行される場合に、外装材の損傷と同時に電極組立体内の構成要素である陽極、陰極、電極リード、分離膜のずれ及び誤整列による短絡の問題が発生する。上記のように、既存のリチウムイオン二次電池の場合には、外部からの衝撃や力により端子部分が容易に切断されて容量が急激に減少していき、電池としての機能を果たせない場合が多かった。
【０００８】
韓国公開特許公報第１０−２０１３−００６３７０９号を参照しながらポーチ型電池を例に挙げて説明すると、２つの電極と分離膜、電解質をポーチに入れ、シーリングして使用するポーチ型二次電池において、ポーチが内部樹脂層、金属箔層、外部樹脂層からなり、内部樹脂層と金属箔層とが当接する面に金属箔層よりも反応性の小さいバッファ層が形成されていると開示されている。この場合、金属箔層よりも反応性の小さいバッファ層をさらに形成することによって、内部樹脂層にマイクロクラック（ｍｉｃｒｏ  ｃｒａｃｋ）が発生するなどの損傷がある場合も、金属箔層の酸化反応を抑制することにより、電池の外側の腐食を防止することができるという長所があるが、根本的に金属箔はベンディングの際に皺みのような変形に弱く、フレキシブル電池の特性を低下させるといった問題がある。
【０００９】
従来技術において、一般の電池アセンブリの曲げ動作の際は、曲げる内側には圧縮応力が印加され、その反対側には引張応力が電池に印加されることにより、電池の電極組立体を包む外装材も伸びたり縮んだりしながら局所的な機械的破損が発生する。従って、フレキシブル電池の外装材だけでなく、内部の電極組立体を構成する電極板及び電極タブ、電極リード間の構造を改善することにより、新たなフレキシブル電池アセンブリが必要な状況である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】韓国公開特許公報第１０−２０１３−００６３７０９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、分離膜を介して上下に積層される複数の電極を有する電極組立体において、最外郭電極を陰極で配置することにより、フレキシブル電池を曲げる際に電極及び電極端子の破損を防止し、作業性を上げると同時にエネルギー密度の損失を最小化し、曲げ耐久性及び安全性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記のような目的を達成するための本発明の一観点に係る電極組立体は、分離膜を挟んで異なる極性を有する一対の電極板を有する１つ以上の単位セルと、前記一対の電極板の断面又は両面上に塗布される電極合剤と、前記電極板の縁に位置すると同時に前記電極合剤が塗布されていない状態の電極タブと、を含み、前記電極タブは、電極並列連結用タブと電極リード連結用タブとを含み、前記電極板には、前記電極並列連結用タブと電極リード連結用タブとのうち何れか１つ以上の電極タブが形成され、電極組立体の最外郭電極板は、陰極が配置されて積層される。
【００１３】
前記最外郭電極板は、前記電極並列連結用タブと前記電極リード連結用タブとを全て含む。
【００１４】
前記電極並列連結用タブのみを含む状態で異なる極性を有する一対の電極板は、前記一対の電極板のうち陰極板上に塗布された陰極合剤の面積は、陽極板上に塗布された陽極合剤の面積よりも大きく設定され、このような理由で、前記陰極合剤の角は前記陽極合剤の角を基準に５ｍｍ以内の範囲で外側にずれるように設定され、単位面積当たりの陽極容量に対する単位面積当たりの陰極容量は１〜１．２倍である。
【００１５】
前記電極並列連結用タブのみを含む陰極板と、前記電極並列連結用タブと前記リード連結用タブとを全て含む陽極板とが分離膜を挟んで対面した状態で、前記電極並列連結用タブのみを含む陰極板上に塗布された陰極合剤の面積が、前記電極並列連結用タブと前記リード連結用タブとを全て含む陽極板の面積よりも大きく設定され、このような理由で、前記電極並列連結用タブのみを含む陰極板の角は前記陽極合剤の角を基準に外側にずれるように設定され、前記陽極板に形成されたタブ−リード結合部を前記電極並列連結用タブのみを含む陰極板が覆う形態である。
【００１６】
前記電極組立体の電極のうち最上段及び最下段に配置された最外郭陰極板は、電極合剤が断面塗布されることができる。
【００１７】
前記電極組立体は、前記電極組立体を構成する電極タブのうち何れか１つの電極リード連結用タブ上に溶着固定された補強タブをさらに含む。
【００１８】
前記電極組立体を構成する電極タブのうち何れか１つの電極リード連結用タブ上に結合された電極リードは前記電極組立体に向けて接合された状態で１８０゜反対方向に曲げられ、前記電極組立体の外側方向に向けた曲げ構造をさらに含む。
【００１９】
前記電極リード連結用タブと電極リードを前記補強タブを利用して重ね当てた構造のタブリード結合部は、前記分離膜の内側に挿入整列して配置された状態である。
【００２０】
前記電極リード連結用タブと曲げ構造の電極リードとが結合されたタブ−リード結合部は、前記分離膜の内側に挿入整列して配置された状態である。
【００２１】
上記のような目的を達成するための本発明の他の観点に係るリチウムイオン二次電池は、電極組立体と、前記電極組立体を包む外装材と、を含み、前記外装材部は、前記電極組立体の外部を包むように上部押印部と下部押印部とが繰り返し押印加工された構造である。
【００２２】
前記複数の上部押印部と下部押印部とは、前記電極組立体及び外装材部の幅と平行な方向に連続して形成される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、分離膜を介して上下に積層される複数の電極を有する電極組立体において、少なくとも１つ以上の電極は電極並列連結用タブと電極リード連結用タブとを含むように電極組立体を構成し、最外郭電極を陰極で配置する構造改善によって、フレキシブルな環境において外部からの繰り返し的な曲げやねじりなどにより発生し得る電池の機械的な問題である電極及び電極端子の破損を防止する。また、最上段及び最下段の最外郭電極を陰極にすることにより、作業性を上げると同時にエネルギー密度の損失を最小化し、曲げ耐久性及び安全性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係るフレキシブル電池を構成する電極組立体の例示的な構成を示す。
【００２５】
【図２】本発明の実施例により、電極組立体の最外郭電極を陰極で配置した状態の電極組立体の分解図を示す。
【００２６】
【図３】電極組立体を構成する複数の電極及び前記複数の電極の間に配置される分離膜の配置構造を示す。
【図４】電極組立体を構成する複数の電極及び前記複数の電極の間に配置される分離膜の配置構造を示す。
【００２７】
【図５ａ】電極組立体の最外郭電極を陽極で配置した状態と陰極で配置した状態の様々な電極組立体の分解図を示す。
【図５ｂ】電極組立体の最外郭電極を陽極で配置した状態と陰極で配置した状態の様々な電極組立体の分解図を示す。
【図５ｃ】電極組立体の最外郭電極を陽極で配置した状態と陰極で配置した状態の様々な電極組立体の分解図を示す。
【図５ｄ】電極組立体の最外郭電極を陽極で配置した状態と陰極で配置した状態の様々な電極組立体の分解図を示す。
【図５ｅ】電極組立体の最外郭電極を陽極で配置した状態と陰極で配置した状態の様々な電極組立体の分解図を示す。
【図５ｆ】電極組立体の最外郭電極を陽極で配置した状態と陰極で配置した状態の様々な電極組立体の分解図を示す。
【００２８】
【図６】電極組立体の最外郭電極を陽極で配置した状態で、内部の陰極と陽極の合剤の面積により、充放電過程中に陰極上にリチウム金属が析出される状態を示す。
【００２９】
【図７】本発明により、電極並列連結用タブのみを含む状態で異なる極性を有する一対の電極板上に塗布された陰極合剤及び陽極合剤の面積を示す。
【００３０】
【図８】前記電極並列連結用タブのみを含む陰極板と、電極並列連結用タブとリード連結用タブとを全て含む陽極板上の陰極合剤及び陽極合剤の面積を示す。
【００３１】
【図９】電極組立体及び前記電極組立体を包む外装材部を有するフレキシブル電池を示す。
【００３２】
【図１０】フレキシブル電池をなす外装材部において、前記外装材部の幅と平行な方向に上部押印部及び下部押印部などのパターンが形成された様子を示す。
【００３３】
【図１１】外装材部に形成された上部押印部及び下部押印部の具体的な形態を説明する。
【００３４】
【図１２】本発明の実施例により、電極組立体の最外郭電極を陰極で配置した場合、最外郭電極を陽極で配置した場合、及び一般的な電池の組み合わせの場合に、充放電によるベンディングサイクルを示すグラフである。
【００３５】
【図１３ａ】本発明の電極幅とリード連結用タブの幅による実施例を説明するための図である。
【図１３ｂ】本発明の電極幅とリード連結用タブの幅による実施例を説明するための図である。
【図１３ｃ】本発明の電極幅とリード連結用タブの幅による実施例を説明するための図である。
【００３６】
【図１４】本発明の一実施例により、電極を積層することで電池の柔軟性を向上させるための方法を説明するための図である。
【００３７】
【図１５】本発明の一実施例により、電極組立体の最外郭電極が陽極である場合と陰極である場合とに区分し、ここに電極リード連結用タブの幅を互いに異なるように構成して組み合わせた電極組立体を製作し、製作したそれぞれの電極組立体で構成された電池のベンディング評価結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、添付された図面を参照しながら、本発明に係るフレキシブル電池について説明することとする。
【００３９】
以下の実施例は、本発明の理解を助けるための詳細な説明であり、本発明の権利範囲を制限するものではないことは当然である。従って、本発明と同じ機能を果たす均等な発明も本発明の権利範囲に属するはずである。
【００４０】
また、各図面の構成要素に参照符号を付け加えるにおいて、同じ構成要素に対しては、たとえ他の図面上に表示されるとしてもなるべく同じ符号を有するようにしていることに留意しなければならない。また、本発明を説明するにおいて、関連した公知の構成又は機能に関する具体的な説明が本発明の要旨を混乱させ得ると判断される場合は、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
図１及び図２を参照しながら、本発明に係る電極組立体の最外郭電極を陰極で配置した状態の電極組立体の一実施例を説明する。
【００４２】
電極組立体は、陰極板１０及び陽極板２０と、陰極板と陽極板との間でイオン伝達媒介体の役割をする電解液と、電極板の縁に位置し、用途に応じて分離される電極並列連結用と電極リード連結用とに分けられる電極タブと、を含む。前記陰極板１０と陽極板２０とを含む電極板のうち何れか１つ以上の電極板は、電極並列連結用タブと電極リード連結用タブとを両側に離隔して配置することができる。例えば、電極組立体１００の最上段又は最下段に配置される任意の陰極板１０は、陰極並列連結用タブ１２と陰極リード連結用タブ１４とを備え、前記任意の陰極板１０と対面して分離膜を境界に配置された任意の陽極板２０は、陽極並列連結用タブ２２と陽極リード連結用タブ２４とを備える。
【００４３】
ここで、電極板は、電極集電体の断面又は両面に電極合剤が塗布された形態であり、前記電極並列連結用タブ及び電極リード連結用タブは、電極合剤が塗布されていない状態で電極集電体が露出している形態である。
【００４４】
前記複数の電極板は、電極並列連結用電極タブを介して同じ極同士が連結される。つまり、複数の陰極板１０及び複数の陽極板２０は、それぞれ電極タブの間を連結するタブ−タブ結合部により電気的に並列連結される。
【００４５】
一方、電極組立体の電極リード連結用タブと電極リードとの電気的連結により、電極組立体から外装材の外部へ電子を移動させる経路を提供できるようになる。分離膜は、極性が互いに異なる電極板の間に位置させても良く、電子の流れを遮断するものの、電解液に含まれたイオンは通過させる機能をする。
【００４６】
陰極板１０又は陽極板２０上の縁に形成される電極並列連結用タブ１２、２２は、同じ極性の電極板は互いに電気的に並列連結させる。並列連結されたタブ−タブ結合部は、電極組立体の最上段又は最下段をなす最外郭電極板の外面を包んでいる分離膜上に位置して仕上げテーピング処理される。
【００４７】
本発明において、電極板に形成された電極並列連結用タブ１２、２２が互いに結合されたタブ−タブ結合部、及び電極リード連結用タブ１４、２４と電極リードとが互いに結合されたタブ−リード結合部は、スポット電気溶接、超音波溶接、レーザ溶接、及び導電性接着剤による結合を含む接合方式のうち何れか１つにより電気的に連結される。
【００４８】
図３を参照すると、分離膜３０を挟んで陰極板１０と陽極板２０とが連続して積層された状態において、前記分離膜は電極組立体の外郭を全体的に包むジグザグ積層形態であっても良い。既存の陰極板と陽極板とが単に積層される方式は、外部からの曲げやねじりなどにより、電極組立体内の電極と分離膜とのずれと誤整列によるリチウムの析出及び内部短絡の問題が発生し、安全性が低くなる。しかし、本発明においては、ジグザグ積層方式と並列連結用タブが電気的に連結されたタブ−タブ結合部が電極組立体内の電極を掴んでくれるため、フレキシブルな環境でもずれと誤整列を最小化する効果がある。
【００４９】
図４を参照すると、ジグザグ積層した電極の面積の比較と構造の理解を助けるために広げた状態を示す。電極組立体の一側に配置された電極リード連結用タブ１４、２４上には別途の補強タブ７０を補強することができる。前記補強タブ７０に電極リード６０を結合することにより、電極リード連結用タブ１４、２４と電極リード６０とを補強タブ７０を利用して重ね当て構造のタブ−リード結合部５０を形成する。補強タブ７０を利用して電極リード連結用タブ１４、２４と電極リード６０とを結合する補強接合方式は、陽極タブ及び陰極タブのうち少なくとも何れか１つに該当する。
【００５０】
前記補強タブ７０は、電極リード連結用タブ１４、２４と電極リード６０との連結部分の強度を補強することで物理的に強化する。例えば、電極組立体の電極板から延びる電極リード連結用タブの上段に前記電極リード連結用タブよりも１倍〜５倍厚い同種又は異種の金属補強タブ７０を重ね当てることで補強して溶着する。重ね当てることで補強された補強タブ７０及び電極リード連結用タブは、同一又は異なる幅を有する。補強される補強タブ７０の幅は３ｍｍ〜５ｍｍ、長さは２ｍｍ〜４ｍｍであり得るが、これは一実施例に過ぎず、これに限定されるものではない。
【００５１】
重ね当てることで補強された補強タブ７０上に接合することによって電極リード連結用タブと結合する電極リードは、具体的に２ｍｍ〜３ｍｍの幅及び０．５ｍｍ〜１ｍｍの長さを有し得るが、これは一実施例に過ぎず、これに限定されるものではない。本発明において、電極板の集電体は、アルミニウム、ステンレススチール、及び銅を含むグループのうち何れか１つであっても良く、電極リードは、アルミニウム、ニッケル、及びニッケルがコーティングされた銅を含むグループのうち何れか１つの材質を有しても良い。電極リード連結用タブと電極リードのタブ−リード結合部上に重ね当てることで補強する補強タブは円形、楕円形、及び多角形を含むグループのうち１つの形状に形成される。
【００５２】
また、電極組立体を構成する電極タブのうち何れか１つの電極リード連結用タブ上に結合された電極リードは前記電極組立体に向けて接合された状態で１８０゜反対方向に曲げられ、前記電極組立体の外側方向に向けた曲げタブ８０構造を形成することができる。これは、フレキシブルな環境で局所的な機械的負荷を最小化し、電極タブと電極リードとの間の結合補強構造の特徴を有する。電極リード連結用タブと電極リード６０の曲げによる接合方式は、陽極タブ及び陰極タブのうち少なくとも何れか１つに該当し、電極リード連結用タブ上に結合される電極リード６０の幅は２ｍｍ〜３ｍｍ、長さは１ｍｍ〜３ｍｍであり得るが、これは一実施例に過ぎず、これに限定されるものではない。
【００５３】
一方、電極リード連結用タブ１４、２４と電極リード６０とを補強タブ７０を利用して結合したタブ−リード結合部５０、及び電極リード連結用タブと曲げタブ８０構造の電極リード６０とが結合されたタブ−リード結合部５０は、分離膜の内側に挿入／整列された、即ち内側に配置された状態を有する。これにより、フレキシブル電池の最大の弱点である端子部分の外部露出を防止することで保護する。
【００５４】
図４上において、電極リード連結用タブと並列連結用タブとが同時に備えられた電極Ｂ、Ｂ’は、電極並列連結用タブのみを備えた電極Ｃに比べて塗布される合剤層の面積が小さい。
【００５５】
さらに、電極Ｂ、Ｂ’のうち、外側に配置された電極Ｂの合剤層の面積が、内側に配置された電極Ｂ’の合剤層の面積よりも大きくなる。それにより、陰極の角付近で析出される金属リチウムの発生を低減することができる。
【００５６】
本発明において、前記電極Ｂは、陰極である最外郭電極に該当し、電極Ｂ’は、前記最外郭電極と分離膜を境界にして対面する陽極電極板である。つまり、電極組立体上において最下層には陰極である電極Ｂが配置され、前記電極Ｂの直上段に陽極である電極Ｂ’が配置される。前記電極Ｂ’の上段としては、陰極である電極並列連結用タブのみを備えた電極Ｃが配置される。一方、前記電極Ｂ’と電極Ｃとの間には、並列連結用タブのみが形成された状態の一般電極がさらに配置されても良い。
【００５７】
図５ａ乃至図５ｆは、電極組立体の最外郭電極を陽極で配置した状態と陰極で配置した状態の様々な電極組立体の分解図を示す。
【００５８】
図６は、電極組立体の最外郭電極を陽極で配置した状態で、内部の陰極と陽極の合剤の面積により、充放電過程中に陰極上にリチウム金属が析出される状態を示す。
【００５９】
フレキシブル電池のベンディング過程で最も破断し易い電極タブ／リード結合部の損傷を防止するための方法として、前記電極タブ／リード結合部を電極の外部に露出することなく電極の内部に位置させる。そのための最も効果的な方法は、電極並列連結用タブのみを備えた電極に比べて電極並列連結用タブと電極リード連結用タブとを同時に備えた電極に塗布される合剤層の面積を小さくすることである。
【００６０】
図５ａ乃至図５ｂ及び図６のように、最外郭電極を陽極で配置する場合は、電極リード連結用タブが形成された陰極に対面する陽極の合剤層の面積もそれに応じて小さくならなければならない。上記のような理由は、そうでない場合に、充電時に陽極から抜け出したリチウムが陰極の角付近に析出されて容量と効率が減少し、抵抗が大きくなると同時に、析出されたリチウムが針状に成長して分離膜の損傷を誘発し、電池の内部に短絡（ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｓｈｏｒｔ）が発生するためである。
【００６１】
図５ａを参照すると、電極組立体の最外郭電極が陽極である場合、最外郭陽極は断面にコーティングされていなければならず、中間層に位置した陽極の場合、陽極活物質の含まれた陽極合剤の塗布層が陰極活物質の含まれた陰極合剤の塗布層と全面積で対面するよう合剤未塗布領域を備えていなければならない。
【００６２】
また、図５ｂを参照すると、他の解決方法において、最外郭陽極は断面にコーティングされていなければならず、電極並列連結用タブと電極リード連結用タブとを同時に備えた陰極と、電極並列連結用タブのみを備えた陰極の間に位置し、電極リード連結用タブを備えていない陽極の場合、電極並列連結用タブのみを備えた他の陽極よりも大きさが小さくならなければならない。つまり、陽極合剤層が配置されるべき一部５０１の領域を活用できないことにより、エネルギー密度が低くなる。また、電極が積層された電極組立体の厚さ方向を基準に、陰極リード／タブ結合部の周辺で厚さの段差が大きくなり、前記結合部の破損によるフレキシブル電池のベンディング時の品質を低下させることがあり得る。
【００６３】
さらに、図５ｃを参照すると、陰極と陽極とが対面しない部分５０２に、電解液と反応しない非活性材料でありながら、イオンの流れを遮断するアクリル系、又はウレタン系などにより構成される接着テープ、粘着剤、樹脂などのフレキシブル部材５０２を追加しなければならない。
【００６４】
しかし、上述した解決方法は、陽極と陰極に並列連結用タブのみを備えた電極、リード連結用タブまでを全て備えた電極など、様々な大きさと種類に電極を製造しなければならず、陽極と陰極が接する面を全て考慮して設計、管理しなければならず、追加の素材を使用しなければならないので、工程性がかなり低く製造原価が高くなり、エネルギー密度が低くなる。
【００６５】
また、図５ｄ及び図５ｅを参照すると、タブ−リード結合部、即ちリード連結用タブと並列連結用タブとが同時に備えられた電極が電極組立体の電極のうち最外郭の何れか一方へ片寄らない場合、最外郭を陰極で配置するとしても、電極組立体の内部に配置されるタブ−リード結合部により、図５ｄに示されたように、並列連結用タブのみを備えた陽極の大きさを互いに異ならせることで段差部５０３を有するように構成されるか、図５ｅに示されたように、陽極活物質が反応しないように合剤層が塗布されていない部分５０４が形成されなければならない。
【００６６】
しかしこれは、陽極と陰極に並列連結用タブのみを備えた電極、電極リード連結用タブまでを全て備えた電極など、様々な大きさと種類に電極を製造しなければならず、陽極と陰極が接する面を全て考慮して設計、管理しなければならないので、かなり工程性が低くなり、製造原価が高くなる。
【００６７】
また、図５ｆを参照すると、電極リード連結用タブが電極組立体の電極のうち厚さ方向の最外郭の何れか一方ではなく、電極組立体の電極の間に配置される場合、電池の充電時にデンドライト（Ｄｅｎｄｒｉｔｅ）が発生しないよう、様々な大きさの電極に分けて製造、管理しなければならないという問題がある。
【００６８】
さらに、電極リードが電極組立体の中間部分に配置されている場合、内部電極の厚さの段差（例えば、５０５）により、ベンディング及びツイストのような電池の使用環境において耐久性がさらに弱くなる。従って、段差発生部５０５に可撓性の不活性材料を埋める方法などで段差発生部５０５を補完しないと、機械的な剛性及び軟性の脆弱な部分でクラック及び切断が発生し、性能が低下するか、駆動できないという問題を誘発する。
【００６９】
つまり、上述した問題を総合してみると、リード連結用タブが備えられた電極と電極リードは、電極組立体の電極のうち最外郭に片寄って設計されることが好ましい。
【００７０】
また、図６を参照すると、電極組立体の最外郭電極が陽極である場合、内部の陽極と陰極とが対面しない、即ち陽極合剤層が陰極合剤層を越える場合（６０１）、特定の部位にリチウムの析出による性能の低下及びデンドライト（Ｄｅｎｄｒｉｔｅ）による安全性の問題が発生することができる。また、電極組立体の最外郭電極が両面の陽極になると、外側の陽極合剤層においてリチウムイオンが陰極の方に移動して反応しながら安全性の問題を誘発することになる。
【００７１】
図７及び図８において、上記した問題を解消するための適切な電極合剤層の面積の設計方法を示す。
【００７２】
また、上記した現象を抑制するために容量発現に寄与する陽極の合剤層の面積を小さくすると、それに相応してエネルギー密度も低くなるので、好ましくない。
【００７３】
その一方で、陽極の合剤層が両面に塗布される場合は、その塗布される面積を異なるようにしなければならないところ、製造工程上で工程能力が低下する問題が発生するので、本発明により、電極組立体の最外郭電極は陰極で構成することが好ましいといえる。
【００７４】
図７は、電極並列連結用タブのみを含む状態で異なる極性を有する一対の電極板のうち、陰極板上に塗布された陰極合剤の面積は陽極板上に塗布された陽極合剤の面積よりも大きく設定されることを示す。陽極合剤の角を基準に陰極合剤との角の差ｄは５ｍｍ以内の範囲で外側にずれるように設計される。このとき、単位面積当たりの陽極容量に対する単位面積当たりの陰極容量は１〜１．２倍である。
【００７５】
図８は、電極並列連結用タブのみを含む陰極板と、電極並列連結用タブとリード連結用タブとを全て含む陽極板とが分離膜を挟んで対面した状態で、電極並列連結用タブのみを含む陰極板上に塗布された陰極合剤の面積が、電極並列連結用タブと前記リード連結用タブとを全て含む陽極板の面積よりも大きく設定されることを示す。陽極合剤の角を基準に陰極合剤との角の差ｄは５ｍｍ以内の範囲で外側にずれるように設計される。さらに、フレキシブル電池において物理的に最も脆弱な部位である電極タブと電極端子との連結部、即ち陽極板に形成されたタブ−リード結合部５０を電極組立体の分離膜内に配置することにより、脆弱部におけるクラックや切断を防止することができる。そのために、タブ−リード結合部５０を含む陽極板の縁に形成されると同時に陽極合剤が塗布されていない電極タブの長さＤの分だけ電極並列連結用タブのみを含む陰極板が大きく設計されることができる。分かりやすく説明すれば、電極並列連結用タブのみを含む陰極板が電極並列連結用タブとリード連結用タブとを全て含む陽極板を覆う形状が好ましい。このような構造により、フレキシブル電池の電極タブ−端子結合部の曲げ耐久性を向上させることができる。
【００７６】
図９を参照すると、本発明に係る電極組立体は、前記電極組立体の外部を包むように上部押印部と下部押印部とが繰り返し押印加工された構造の外装材部２００を配置する。
【００７７】
図１０を参照すると、外装材部上に繰り返し的に押印加工された複数の上部押印部と下部押印部とは、曲げ、ねじり又は皺み動作において電極組立体を有するフレキシブル電池の圧縮及び引張が可能なようにパターン及び形態が繰り返される。
【００７８】
前記複数の上部押印部と下部押印部とは、前記電極組立体及び外装材部の幅と平行な方向に連続して形成されることができる。
【００７９】
前記複数の上部押印部と下部押印部とは、それぞれ上部及び下部の金型により押印されることができる。
【００８０】
電極組立体の外部を包む外装材部は、シーリング部２３０の赤い点線を基準にし、前記電極組立体上において上部外装材部２１０及び下部外装材部２２０を有する形態であっても良い。つまり、外装材部上に繰り返される複数の上部押印部２１２、２２２と下部押印部２１４、２２４とは、シーリング部を基準に対称する構造に形成され、上部外装材部２１０及び下部外装材部２２０上に対称的に押印される。上記した状態において、前記シーリング部を上下対称に折り曲げた後、前記外装材部の内部に前記電極組立体を収容する。
【００８１】
前記上部外装材部２１０と下部外装材部２２０とを区分する基準であるシーリング部の幅は３ｍｍ〜５ｍｍであり、実際のシーリング幅は１ｍｍ〜２ｍｍであり得るが、これは一実施例に過ぎず、これに限定されるものではない。
【００８２】
図１１を参照すると、前記外装材部上に繰り返される複数の上部押印部の高さｈと下部押印部の高さｈ’とは同一（ｈ＝ｈ’）であっても良い。
【００８３】
前記外装材部上に繰り返される複数の上部押印部の高さｈと下部押印部の高さｈ’は０．５ｍｍ〜１ｍｍであり、最適値は０．７５ｍｍであるが、これは一実施例に過ぎず、これに限定されるものではない。
【００８４】
一方、前記外装材部上に隣接した複数の上部押印部の最高点間の幅ａと複数の下部押印部の最低点間の幅ｂとは同一（ａ＝ｂ）であり、波状パターンを形成する。
【００８５】
本発明は、分離膜を介して上下に積層される複数の電極を有する電極組立体のうち最外郭電極を陰極で配置し、フレキシブル電池を曲げる際に電極端子が破損することを防止する。
【００８６】
図１２は、本発明の実施例により、最外郭電極を陰極で配置した場合、最外郭電極を陽極で配置した場合、及び電極並列連結用タブ部と電極リード連結用タブ部とが別に構成されていない一般的な電池のそれぞれに対する、充放電と同時に行うベンディング回数に応じた電池の電圧変化を示すグラフである。試験条件は、曲率半径２５ｍｍ、曲げ速度１分当たりに２０回にして、ベンディングの繰り返しを行いながらリアルタイムで充電と放電を行い、電圧をモニタリングした結果である。
【００８７】
図１２を参照すると、最外郭電極上に陰極を適用した際と陽極を適用した電池の曲げ評価の結果を示す。上記した一般電池の場合は、３０回の曲げを超えられずに電極リード−タブ結合部が破損された。最外郭電極が陽極で配置された場合は、３，８００回付近で電圧ノイズが発生し、その後、充電中に急激な電圧降下が発生した。それに対し、本発明により最外郭電極を陰極で適用した場合は、６，０００回以上の曲げにも電極の端子部分と電極に損傷がなく、正常な電気化学駆動を示した。
【００８８】
つまり、本発明に係る電極組立体は、分離膜を含んで互いに異なる極性を有する陽極と陰極とが順に積層され、このとき、最上段と最下段の最外郭電極を陰極にすることで、工程性を上げると同時にエネルギー密度の損失を最小化し、曲げ耐久性及び安全性を向上させる効果がある。
【００８９】
図１３ａ乃至図１３ｃは、本発明の電極幅とリード連結用タブの幅による実施例を説明するための図である。
【００９０】
図１３ａを参照すると、第１の電極（Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  １）の電極幅及びリード連結用タブの幅はそれぞれＷｎ１、Ｗｎ２であり、第２の電極（Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ２）の電極幅及びリード連結用タブの幅はそれぞれＷｐ１、Ｗｐ２である。
【００９１】
図１３ａは、Ｗｎ２がＷｎ１の半分以上であり、Ｗｐ２がＷｐ１の半分以上である場合を説明するための図である。本実施例によると、隣り合う各電極の電極幅Ｗｎ１、Ｗｐ１が同一である場合、隣り合う各電極のリード連結用タブの幅Ｗｎ２、Ｗｐ２は電極幅Ｗｎ１、Ｗｐ１の半分以上に設計され、各電極間において所定の領域が重なるように形成されて配置されることができる。
【００９２】
従来のフレキシブル電池は、電極タブ及び電極リードが結合されるタブ−リード結合部が電極組立体の分離膜外部に形成及び外部に露出されており、ベンディングのようなフレキシブルな環境で耐久性が低下し、電極リードが分離されたり、合剤がコーティングされていない電極タブが損傷、切断されたりする現象が頻繁にあった。
【００９３】
それを解決するために、本願発明は、電極タブと電極リードとが結合されるタブ−リード結合部を電極組立体の分離膜内部に配置することで、その現象を補完した。しかし、ここでもより多い回数の外力が繰り返し的に作用されると、分離膜内部でも電極タブが損傷及び切断される問題が発生する。これは、分離膜内部に配置される電極タブとタブ−リード結合部、互いに異なる大きさに積層される電極間の厚さ段差により、曲げる際に段差部に沿って形成される材料の変形によって示される現象であった。従って、本願発明は、電極組立体内における厚さ段差を最小化することにより、上記した問題を解決するために、次のようなフレキシブル電池の製造方法を提案する。
【００９４】
もし、互いに異なる極性を有し、（＋）電極リード、（−）電極リードとそれぞれ連結される各電極の電極タブが同一方向で同じ線上に位置するように分離膜外部に配置されている場合、互いに異なる極性を有する各電極の電極タブが電気的に連結されると、内部ショートが起こり、安全性に問題が発生し得る。つまり、このような問題が発生しないために、互いに異なる極性を有する各電極の電極タブは、重ならないように互いに反対方向に分離するか離隔して配置されるように形成され、かかる各電極の電極タブの間の位置関係に応じて各電極の電極タブの幅が形成される。
【００９５】
しかし、本願発明は、電極タブが電極組立体の分離膜内部に位置し、分離膜内部において電極タブと電極リードとが結合されたタブ−リード結合部が形成され得るので、分離膜によって互いに異なる極性の各電極の電極タブが絶縁されることができる。つまり、本願発明の各電極は、各電極に構成された電極タブの幅に対する設計自由度が向上することができる。例えば、図１３ａのように、互いに異なる極性の各電極の電極幅がそれぞれＷｎ１、Ｗｐ１とすると、リード連結用タブの幅Ｗｎ２、Ｗｐ２はそれぞれ電極幅Ｗｎ１、Ｗｐ１の半分（赤線）以上となるように製作することができる。つまり、各電極のリード連結用タブの幅Ｗｎ２、Ｗｐ２は、視覚的／物理的に所定の領域が重なっているように見えても、各電極のリード連結用タブ及びタブ−リード結合部が分離膜により分離されて電子絶縁されることができる。従って、本願発明は、各電極のリード連結用タブの幅Ｗｎ２、Ｗｐ２を各電極の電極幅Ｗｎ１、Ｗｐ１の半分以上に形成することにより、電極組立体内における厚さ段差による電極タブ−リード結合部におけるクラック及び断線を予防することができる。
【００９６】
他の例において、図１３ｂは、リード連結用タブの幅（例えば、Ｗｎ２）と電極幅（例えば、Ｗｎ１）とが同一である場合を説明するための図である。図１３ｂを参照すると、第１の電極のリード連結用タブの幅１３０１及び第２の電極のリード連結用タブの幅１３０２を各電極の電極幅と同一に形成することができる。この場合、図１３ａの実施例のように、タブ−リード結合部と電極タブとが電極組立体の分離膜内部に配置されることができるので、各電極間のショートの恐れを解消することができる。
【００９７】
図１３ｃは、本発明の一実施例に係る電極タブ−リード結合部において合剤の未コーティングによる厚さ段差を低減する方法を説明するための図である。
【００９８】
図１３ｃを参照すると、電極タブ−リード結合部において合剤の未コーティングによる厚さ段差を最大限低減するために、電極リードと連結される電極タブ領域１３０３に、陽極、陽極、及び電解液と反応しない可撓性の物質（例えば、アクリル系、ウレタン系などの樹脂及びこれらを混合して構成したフィルム、テープ又は粘着剤など）を挿入又は付着することができる。上記した可撓性の物質は、電極組立体を構成する電極合剤層それぞれの柔軟性と類似するか、あるいはより優れたものを採択することができる。
【００９９】
図１４は、本発明の一実施例に係る多数の電極を積層することで電池の柔軟性を向上させるための方法を説明するための図である。図１４を参照すると、本願発明を用いて様々な電極積層構造及び積層数のフレキシブル電池を製造することで電池の柔軟性を向上させることができる。このとき、電極リードと電極タブを連結することによって形成されたタブ−リード結合部は、電極組立体の分離膜内に位置させる。また、本願発明は、各電極の電極タブ−リード結合部領域で形成される厚さ段差を効果的に低減することにより、電池の曲げ特性が求められる使用環境において既存よりも向上した柔軟性と安定した駆動が可能になると同時に、内部ショートのような危険から安全になることができる。さらに、本願発明で上述したように、電極リードと結合される電極リード連結用タブの幅を従来のフレキシブル電池と比較してより大きく設計し、安定した電流の経路を確保することで電池の内部抵抗の上昇を最小化することができ、抵抗による発熱を最小化することで安全性を確保することができる。
【０１００】
図１５は、本発明の一実施例により、最外郭電極が陽極である場合と陰極である場合とに区分し、ここに電極リード連結用タブの幅を互いに異なるように構成して組み合わせた電極組立体を製作し、製作したそれぞれの電極組立体で構成された電池のベンディング評価結果を示すグラフである。
【０１０１】
ここで、評価試料は、計４種類（最外郭電極を陰極で配置＋既存の電極タブ、最外郭電極を陰極で配置＋開発電極タブ、最外郭電極を陽極で配置＋既存の電極タブ、最外郭電極を陽極で配置＋開発電極タブ）で構成した。開発電極タブとは、上述したように電極組立体の分離膜内部に位置し、分離膜を境界にして互いに対面する異なる極性の電極の間にそれぞれ構成された電極リード連結用タブ部の位置関係において、リード連結用タブ領域が投映領域を基準に互いに重なるように構成された電極タブを意味する。
【０１０２】
図１５を参照すると、充電状態が５０％の各試料を利用してベンディングの繰り返し評価を進行しながら電圧をモニタリングした。
【０１０３】
試験条件は、曲率半径２０ｍｍ、曲げ速度１分当たりに２５回にして、ベンディングの繰り返しを行いながらリアルタイムで電圧を確認した結果である。この結果から、電極組立体の最外郭電極が陽極である電池は、２，０００回のベンディングの繰り返しの前に電圧ノイズが発生し、電極リード連結用タブ部分が切断されながら電圧が急激に下がった。しかし、電極組立体の最外郭電極が陰極である電池は、最外郭電極が陽極である電池よりよりも優れた耐久性を示し、開発電極タブで構成された電池の場合、既存の電極タブよりも優れた耐久性を示した。従って、本願発明により、電極組立体の最外郭電極が陰極であって開発電極タブ構造に構成されたフレキシブル電池は、従来のフレキシブル電池よりもベンディングの繰り返しなどの外力による耐久性の面で優れていると言える。
【図１】
2021503707.tif 000003
【図２】
2021503707.tif 000004
【図３】
2021503707.tif 000005
【図４】
2021503707.tif 000006
【図５ａ】
2021503707.tif 000007
【図５ｂ】
2021503707.tif 000008
【図５ｃ】
2021503707.tif 000009
【図５ｄ】
2021503707.tif 000010
【図５ｅ】
2021503707.tif 000011
【図５ｆ】
2021503707.tif 000012
【図６】
2021503707.tif 000013
【図７】
2021503707.tif 000014
【図８】
2021503707.tif 000015
【図９】
2021503707.tif 000016
【図１０】
2021503707.tif 000017
【図１１】
2021503707.tif 000018
【図１２】
2021503707.tif 000019
【図１３ａ】
2021503707.tif 000020
【図１３ｂ】
2021503707.tif 000021
【図１３ｃ】
2021503707.tif 000022
【図１４】
2021503707.tif 000023
【図１５】
2021503707.tif 000024
【国際調査報告】
2021503707.tif 000025
2021503707.tif 000026
2021503707.tif 000027
2021503707.tif 000028