(57)【要約】本発明は、電極組立体、これを含む電池及びその製造方法に関する。本発明の一実施形態による電極組立体は、第１主面及び前記第１主面と逆になる第２主面を持つベース部を含む電気絶縁層と、前記電気絶縁層の前記第１主面に形成された第１電極と、前記第１電極に電気的に連結され、前記電気絶縁層の外側に延びた第１リードと、前記電気絶縁層の前記第２主面に形成され、前記第１電極と極性の異なる第２電極と、前記第２電極に電気的に連結され、前記第１リードの延長方向と逆方向に延びた第２リードと、前記第１電極及び第２電極のうち少なくともいずれか一つ上に密着された分離膜と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１主面及び前記第１主面と逆になる第２主面を持つベース部を含む電気絶縁層と、
前記電気絶縁層の前記第１主面に形成された第１電極と、
前記第１電極に電気的に連結され、前記電気絶縁層の外側に延びた第１リードと、
前記電気絶縁層の前記第２主面に形成され、前記第１電極と極性の異なる第２電極と、
前記第２電極に電気的に連結され、前記第１リードの延長方向と逆方向に延びた第２リードと、
前記第１電極及び第２電極のうち少なくともいずれか一つ上に密着された分離膜と、を含み、
前記電気絶縁層は、ベース部の前記第１主面のエッジの少なくとも一部に沿って形成された第１漏れ防止部と、前記第２主面のエッジの少なくとも一部に沿って形成された第２漏れ防止部とを含み、
前記電気絶縁層が前記第１リードと前記第２リードの延長方向と平行な巻取り軸を基準として少なくとも一回以上巻き取られたロール構造を有する電極組立体。
【請求項２】
前記第１漏れ防止部は、前記ベース部のエッジのうち少なくとも前記巻取り軸の前記第２リードの延長方向側に垂直なエッジを取り囲み、
前記第２漏れ防止部は、前記ベース部のエッジのうち少なくとも前記巻取り軸の前記第１リードの延長方向側に垂直なエッジを取り囲む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漏れ防止部は、前記第１リードが配置されるエッジを除く残りのエッジを取り囲むように形成され、前記第１電極及び前記第１リードが前記第１漏れ防止部の内側に載置され、
前記第２漏れ防止部は、前記第２リードが配置されるエッジを除く残りのエッジを取り囲むように形成され、前記第２電極及び前記第２リードが前記第２漏れ防止部の内側に載置され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４】
前記第１電極は、
前記第１主面に形成された第１集電層と、
前記第１集電層に形成された第１活物質層と、を含む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】
前記第１リードは、前記第１集電層に電気的に直接連結されたことを特徴とする請求項４に記載の電極組立体。
【請求項６】
前記第１リードは、前記第１集電層と一体に形成されたことを特徴とする請求項４に記載の電極組立体。
【請求項７】
前記第２電極は、
前記第２主面に形成された第２集電層と、
前記第２集電層に形成された第２活物質層と、を含む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】
前記第２リードは、前記第２集電層に電気的に直接連結された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２リードは、前記第２集電層と一体に形成されたことを特徴とする請求項７に記載の電極組立体。
【請求項１０】
前記電極組立体は、
ベース部を含む電気絶縁層と、前記電気絶縁層の一主面上に形成され、前記電極組立体の前記第１電極及び前記第２電極のうちいずれか一つに対向し、逆極性を持つ第３電極と、前記第３電極に電気的に連結され、前記電気絶縁層の外側に延びて突出した第３リードとを含むサブ電極組立体と、前記電極組立体の当該電極との間に更なる分離膜を挟んで巻き取ら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１１】
前記サブ電極組立体は、前記サブ電極組立体の前記電気絶縁層の一主面のエッジの少なくとも一部に沿って形成された漏れ防止部を含むことを特徴とする請求項１０に記載の電極組立体。
【請求項１２】
前記ロール構造の両端部にそれぞれ連続的に露出した前記第１リード及び前記第２リードのうち少なくともいずれか一つにより提供される複数のリード重なりを互いに物理的に接触させて電気的に連結することで、共通のリード部を提供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１３】
前記第１電極と前記第２電極のうち、前記ロール構造の最内側に配置される電極は、他の電極に比べて前記巻取り軸からより遠く離隔して配置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１４】
前記電気絶縁層は、天然または合成の可撓性樹脂系材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のうちいずれか一項に記載の電極組立体と、
前記電気絶縁層の一端に前記巻取り軸と平行な方向に配置されるロールコアと、
前記電極組立体及び前記ロールコアを収容するケースと、を含むことを特徴とする電池。
【請求項１６】
前記ロールコアは、中空円筒形または角形のパイプであることを特徴とする請求項１５に記載の電池。
【請求項１７】
前記ロールコアは、中空円筒形または角形のパイプであることを特徴とする請求項１５に記載の電池。
【請求項１８】
前記ロールコアの内部は、前記電池を冷却させるための冷却流路を提供することを特徴とする請求項１７に記載の電池。
【請求項１９】
前記ロールコア及び前記ケースは、前記電極組立体と接触しない表面に絶縁被膜が形成されたことを特徴とする請求項１５に記載の電池。
【請求項２０】
前記ロールコア及び前記ケースの一側に、前記第１リードに電気的に連結された第１端子部をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の電池。
【請求項２１】
前記第１端子部は、
前記ロールコア及び前記ケースを覆う第１カバーと、
前記第１カバーから外側に延びた突起と、
前記第１カバー及び前記突起に結合され、前記第１リードに電気的に連結された第１端子と、を含むことを特徴とする請求項２０に記載の電池。
【請求項２２】
前記ロールコア及び前記ケースの他側に、前記第２リードに電気的に連結された第２端子部をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の電池。
【請求項２３】
前記第２端子部は、
前記ロールコア及び前記ケースを覆う第２カバーと、
前記第２カバーに結合され、前記第２リードに電気的に連結された第２端子と、を含むことを特徴とする請求項２２に記載の電池。
【請求項２４】
前記ロールコア及び前記ケースの一側に、前記第１リードに電気的に連結された第１端子部をさらに含み、
前記ロールコア及び前記ケースの他側に、前記第２リードに電気的に連結された第２端子部をさらに含み、
前記第１端子部及び前記第２端子部は、相互間の挿入結合及び分離可能な凹溝を持つことを特徴とする請求項１５に記載の電池。
【請求項２５】
前記第１及び第２端子部のうち少なくともいずれか一つに電圧センシング部が結合されたことを特徴とする請求項２４に記載の電池。
【請求項２６】
前記第１及び第２端子部のうち少なくともいずれか一つに温度センシング部が結合されたことを特徴とする請求項２４に記載の電池。
【請求項２７】
第１主面及び前記第１主面と逆になる第２主面を持つベース部を含む電気絶縁層と、前記電気絶縁層の前記第１主面に形成された第１電極と、前記第１電極に電気的に連結され、前記電気絶縁層の外側に延びた第１リードと、前記電気絶縁層の前記第２主面に形成され、前記第１電極と極性の異なる第２電極と、前記第２電極に電気的に連結され、前記第１リードの延長方向と逆方向に延びた第２リードと、前記第１電極及び第２電極のうち少なくともいずれか一つに密着された分離膜とを含む電極組立体を形成する段階と、
前記第１電極と前記第２電極とが前記分離膜を挟んで互いに対向して電気化学的反応領域を形成するように、ロールコアを巻取り軸としてロール構造を有するように前記電極組立体を巻き取る段階と、
前記ロールコアに巻き取られた電極組立体をケースに結合する段階と、を含む電池の製造方法。
【請求項２８】
前記電気絶縁層は、ベース部の前記第１主面のエッジの少なくとも一部に沿って形成された第１漏れ防止部と、前記第２主面のエッジの少なくとも一部に沿って形成された第２漏れ防止部とを含むことを特徴とする請求項２７に記載の電池の製造方法。
【請求項２９】
前記ロール構造の両端部にそれぞれ連続的に露出した前記第１リード及び前記第２リードのうち少なくともいずれか一つにより提供される複数のリード重なりを互いに物理的に接触させて電気的に連結する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２７に記載の電池の製造方法。
【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、電極組立体、これを含む電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池産業は、近年、半導体製造技術及び通信技術の発達に伴う携帯用電子装置に関する産業が成長しており、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つつある。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、小型化及び軽量化に容易である。このようなリチウム一次電池は、携帯用電子装置の主電源やバックアップ用電源などの様々な用途に使われている。
【０００３】
二次電池は、可逆性に優れた電極材料を用い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。これらの電池は、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が要求されている。
【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、容量の調節及び巻取り工程が容易な電池の電極組立体を提供することにある。
【０００５】
本発明が解決しようとする他の課題は、上述した利点を有する電極組立体を含み、直列または並列に容易に連結することができ、冷却性能に優れた電池を提供することにある。
【０００６】
本発明が解決しようとするさらに他の課題は、上述した利点を有する電池の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、第１主面及びその逆である第２主面を持つ電気絶縁層と、前記電気絶縁層のうち前記第１主面に形成された第１電極と、前記第１電極に電気的に連結され、前記電気絶縁層の外側に延びた第１リードと、前記電気絶縁層のうち前記第２主面に形成された第２電極と、前記第２電極に電気的に連結され、前記第１リードと逆である前記電気絶縁層の外側に延びた第２リードと、前記第１電極及び第２電極のうち少なくともいずれか一つに密着された分離膜とを含む。
【０００８】
前記電気絶縁層は、前記第１主面及び前記第２主面を持つベース部と、前記ベース部のうち前記第１主面のエッジに沿って相対的に厚く形成された第１漏れ防止部と、前記ベース部のうち前記第２主面のエッジに沿って相対的に厚く形成された第２漏れ防止部とを含んでもよい。前記第１漏れ防止部は、前記第１電極及び前記第１リードの外側に形成されてもよい。
【０００９】
前記第１電極は、前記第１主面に形成された第１集電層と、前記第１集電層に形成された第１活物質層とを含んでもよい。前記第１リードは、前記第１集電層に電気的に直接連結されてもよい。前記第１リードは、前記第１集電層と一体に形成されてもよい。前記第２漏れ防止部は、前記第２電極及び前記第２リードの外側に形成されてもよい。
【００１０】
前記第２電極は、前記第２主面に形成された第２集電層と、前記第２集電層に形成された第２活物質層とを含んでもよい。前記第２リードは、前記第２集電層に電気的に直接連結されてもよい。前記第２リードは、前記第２集電層と一体に形成されてもよい。
【００１１】
前記第１リード及び前記第２リードは、前記分離膜の外側に延びてもよい。前記電気絶縁層は、天然または合成の可撓性樹脂系材料を含んでもよい。
【００１２】
前記電極組立体は、前記電気絶縁層が最内層、中間層及び最外層をなすように巻き取られてもよい。前記第１リードは複数備えられ、相互間に電気的に連結され、前記第２リードは複数備えられ、相互間に電気的に連結されてもよい。
【００１３】
本発明の一実施形態による電池は、上述した電極組立体と、前記電極組立体が巻き取られるロールコアと、前記電極組立体及び前記ロールコアを収容するケースとを含む。
【００１４】
前記ロールコアは、中空円筒形または角形のパイプである。前記ロールコア及び前記ケースは、前記電極組立体と接触しない表面に絶縁被膜が形成されてもよい。
【００１５】
前記ロールコア及び前記ケースの一側に、前記第１リードに電気的に連結された第１端子部をさらに含んでもよい。前記第１端子部は、前記ロールコア及び前記ケースを覆う第１カバーと、前記第１カバーから外側に延びた突起と、前記第１カバー及び前記突起に結合され、前記第１リードに電気的に連結された第１端子とを含んでもよい。
【００１６】
前記ロールコア及び前記ケースの他側に、前記第２リードに電気的に連結された第２端子部をさらに含んでもよい。前記第２端子部は、前記ロールコア及び前記ケースを覆う第２カバーと、前記カバーに結合され、前記第２リードに電気的に連結された第２端子とを含んでもよい。
【００１７】
前記ロールコア及び前記ケースの一側に、前記第１リードに電気的に連結された第１端子部をさらに含み、前記ロールコア及び前記ケースの他側に、前記第２リードに電気的に連結された第２端子部をさらに含み、前記第１端子部及び前記第２端子部は、相互間の結合及び分離可能な形態であってもよい。
【００１８】
前記第１及び第２端子部のうち少なくともいずれか一つに電圧センシング部が結合されてもよい。前記第１及び第２端子部のうち少なくともいずれか一つに温度センシング部が結合されてもよい。
【００１９】
本発明の一実施形態による電池の製造方法は、第１主面及びその逆である第２主面を持つ電気絶縁層と、前記電気絶縁層のうち前記第１主面に形成された第１電極と、前記第１電極に電気的に連結され、前記電気絶縁層の外側に延びた第１リードと、前記電気絶縁層のうち前記第２主面に形成された第２電極と、前記第２電極に電気的に連結され、前記第１リードと逆である前記電気絶縁層の外側に延びた第２リードと、前記第１電極及び第２電極のうち少なくともいずれか一つに密着された分離膜とを含む電極組立体を形成する段階と、前記第１電極と前記第２電極とが前記分離膜を挟んで互いに対向して電気化学的反応領域を形成するように、ロールコアを巻取り軸として前記電極組立体を巻き取る段階と、前記ロールコアに巻き取られた電極組立体をケースに結合する段階と、を含む。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、電極組立体が電気絶縁層の第１主面と第２主面に異なる極性の電極を含む単一の構造体として提供されるので、前記第１電極と前記第２電極とが前記分離膜を挟んで対向して巻き取るだけでも電気化学的反応領域を形成することができる。
【００２１】
なお、本発明の実施形態によれば、金属と異なり、薄くて可撓性を有する電気絶縁層が支持体となるので、厚さが増大するほど加工性が低下する金属集電層を薄膜化し、電極組立体の全体の体積が縮小し、その結果、電池のエネルギー密度が向上する。また、ロールコアが巻取り軸の機能を行うので、ロール構造の電極組立体の形成時に前記ロールコアにより加工性が向上する。
【００２２】
また、本発明の実施形態によれば、ロール形態に具現される第１及び第２電極のうち少なくともいずれか一つに複数のリードを形成することで、電流経路を短くし、電池の内部抵抗を低くし、これによって電池の充放電速度及び充放電効率、サイクル特性を向上させることができる。
【００２３】
また、本発明の一実施形態による電池は、中空パイプ状のロールコアを介して空冷式または水冷式冷媒が通過することで、冷却性能または放熱性能が向上した電池を提供することができる。さらに、このようなロールコアは、複数の電池が相互間に連結されてモジュールまたはパックをなすとき、中心支持体または中心構造体の機能を行うので、電池の機構的剛性が向上する。
【００２４】
また、本発明の一実施形態による電池は、第１端子部及び第２端子部が相互間の結合及び／または分離可能な形態で形成されることで、複数の電池が並列または直列に容易に連結されることができる。
【００２５】
また、本発明の一実施形態による電池は、第１及び第２端子部のうちいずれか一つに電圧センシング部及び／または温度センシング部が結合することで、電池が電池管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）に容易に電気的に連結されることができる。
【００２６】
また、本発明の実施形態によれば、電極組立体の構造が単純化され、薄くて可撓性を有する電気絶縁層が支持体となって金属集電層を薄膜化することができ、ロールコアの巻取りを助けて電池のパッケージングのための巻取り工程が容易であり、形状の変化と容量の調節が容易な電極組立体の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態による電極組立体を示す断面図である。
【図２Ａ】図１に示す電極組立体の上部側ＩＩＡ及び下部側ＩＩＢから見た平面図である。矢印Ａは、図１と同一な巻取り軸方向を表す。
【図２Ｂ】図１に示す電極組立体の上部側ＩＩＡ及び下部側ＩＩＢから見た底面図である。矢印Ａは、図１と同一な巻取り軸方向を表す。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による電極組立体が巻取り軸方向を中心として巻き取られたロール構造を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示す線IIIＢ−IIIＢ′に沿ってカットされた断面の拡大図である。
【図４】本発明の一実施形態による電極組立体及びロールコアがケースに結合された状態を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態によるロール構造を含む電池の一側に提供された第１端子部を示す平面図ＶＡと、線ＶＢ−ＶＢ′に沿ってカットされた拡大断面図ＶＢである。
【図６】本発明の一実施形態によるロール構造を含む電池の他側に提供された第２端子部を示す平面図ＶＩＡと、線ＶＩＢ−ＶＩＢ′に沿ってカットされた拡大断面図ＶＩＢである。
【図７Ａ】本発明の一実施形態による電池の断面図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による電池の斜視図である。
【図８】複数の電池が直列連結された構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付された図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
【００２９】
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、下記の実施形態は、色々な他の形態に変形可能であり、本発明の範囲が下記の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。
【００３０】
また、以下の図面において、各層の厚さや大きさは、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、当該列挙された項目のうちいずれか一つ及び一つ以上の全ての組み合わせを含む。
【００３１】
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、“含む(comprise)”及び／または“含んだ(comprising)”は、言及した形状、数字、段階、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。
【００３２】
本明細書において、第１、第２などの用語は、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。
【００３３】
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において一般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、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概念である。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。
【００３４】
図１は、本発明の一実施形態による電極組立体１００を示す断面図である。矢印Ａは、巻取り軸方向を表す。
【００３５】
図１に示すように、本発明による電極組立体１００は、電気絶縁層１１０と、電気絶縁層１１０の一主面に形成された第１電極１２０と、第１電極１２０に電気的に連結された第１リード１３０と、電気絶縁層１１０の他の主面に形成された第２電極１４０と、第２電極１４０に電気的に連結された第２リード１５０と、第２電極１４０上に配置された分離膜１６０とを含む。他の実施形態において、分離膜１６０は、第１電極１２０上に配置されてもよい。
【００３６】
電気絶縁層１１０は、第１主面１１１及び第１主面１１１と反対面として第２主面１１２を持つベース部１１３を含む。図１に示すように、電気絶縁層１１０は、ベース部１１３の第１主面１１１のエッジの一部に形成された第１漏れ防止部１１４と、第２主面１１２のエッジの一部に形成された第２漏れ防止部１１５とを含む。第１漏れ防止部１１４及び第２漏れ防止部１１５は、ベース部１１３の各主面から突出した陽刻形態を有し、ベース部１１３と一体に形成される。他の側面から、漏れ防止部１１４、１１５を除くベース部１１３の他の領域が漏れ防止部１１４、１１５に比べて陰刻形態を有するものと理解してもよい。
【００３７】
一実施形態において、漏れ防止部１１４、１１５をベース部１１３と一体に形成するために、電気絶縁層１１０の材料をパターニングまたはモールディングする工程により、ベース部１１３と漏れ防止部１１４、１１５とを同時に形成するか、電気絶縁性のベース部１１３上に漏れ防止部１１４、１１５をラミネーティングする工程により、ベース部１１３と別に形成することもできる。第１漏れ防止部１１４は、第１電極１２０をなす第１活物質層の外部漏れを防止し、第２漏れ防止部１１５は、第２電極１４０をなす第２活物質層の外部漏れを防止する役割を行う。
【００３８】
一部の実施形態において、第１漏れ防止部１１４及び第２漏れ防止部１１５の厚さは、機械的支持体、及び後述する第１電極１２０と第２電極１４０とを分離する電気絶縁体の役割を行うベース部１１３の厚さよりも相対的にさらに厚くてもよい。第１漏れ防止部１１４及び第２漏れ防止部１１５は、巻取り軸方向Ａの両端部側ＡＡ、ＡＢを除くベース部１１３上に形成される。これについては詳細に後述する。
【００３９】
電気絶縁層１１０は、ロール構造に加工されるのに適しており、かつ充分な機械的強度を有する可撓性素材を含んでもよい。前記可撓性素材は、天然または合成の可撓性樹脂系材料を含む。例えば、前記可撓性樹脂系材料は、セルロース系樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）とポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などのポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、硫化ポリフェニレン（ＰＰＳ）、ポリイミド、トリアセチルセルロース、ポリビニルアルコール、エチレン・ビニルアルコール共重合体、及びポリアミド系樹脂のうちいずれか一つまたはこれらの組み合わせであり、前記ポリアミド系樹脂は、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン４及びナイロン６−１１である。しかし、これらの材料は例示であり、本発明がこれに制限されるものではなく、他の好適な天然または合成の可撓性樹脂系材料が使われてもよい。
【００４０】
電気絶縁層１１０が第１電極１２０及び第２電極１４０を支持すると共に、ロール構造に加工されるのに適している強度を有するように、電気絶縁層１１０の厚さが決定されてもよい。例えば、電気絶縁層１１０の厚さは、約１μｍないし１００μｍ、好ましくは、約１μｍないし１０μｍの範囲内である。電気絶縁層１１０は、約１００μｍ以下の薄い厚さを有し、かつ優秀な機械的強度と加工性を提供できるので、電極組立体１００の全厚を減少させるのに寄与する。このような電気絶縁層１１０の利点と特徴は、下記の開示事項からさらに明確になる。
【００４１】
第１電極１２０は、電気絶縁層１１０の第１主面１１１に形成される。第１電極１２０は、電気的に正極または負極である。第１電極１２０は、第１主面１１１に形成された第１集電層１２１と、第１集電層１２１に形成された第１活物質層１２２とを含んでもよい。第１電極１２０が電気的に正極の場合、第１集電層１２１は、アルミニウム、ステンレス鋼、チタンまたはこれらのうちいずれか一つの合金のような金属系材料を含み、好ましくは、アルミニウムまたはその合金である。
【００４２】
他の実施形態において、第１集電層１２１は、上述した金属系材料ではない他の材料で形成されてもよい。例えば、第１集電層１２１は、導電性樹脂組成物で形成される。前記導電性樹脂組成物は、マトリックスを形成する樹脂、及び前記マトリックス内に分散された金属微粒子または炭素微粒子のような導電性微粒子を含む複合材料である。または、前記導電性樹脂組成物は、電子伝導が可能な公知の他の樹脂系材料であってもよい。
【００４３】
電気絶縁層１１０が第１集電層１２１を支持し、ロール構造の形成のための機械的強度を提供できるので、第１集電層１２１を薄膜化することができる。薄膜化された第１集電層１２１の厚さは、例えば、約０．０１μｍないし２０μｍ、好ましくは、約０．０１μｍないし１０μｍの範囲内である。
【００４４】
上述した金属系材料を含む第１集電層１２１は、薄膜化された導電層の形成が可能なパルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＲＦスパッタリング、ＲＦマグネトロンスパッタリング、ＤＣスパッタリング、ＤＣマグネトロンスパッタリング、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子線蒸着法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、またはこれらの組み合わせのような気相蒸着法を使用して形成される。しかし、これは例示であり、本発明がこれに制限されるものではない。例えば、第１集電層１２１を構成する当該金属イオンと還元剤の水溶液反応により薄膜を形成する無電解メッキ法によっても第１集電層１２１が形成可能である。
【００４５】
さらに他の実施形態において、金属系材料を含む第１集電層１２１は、１μｍないし２００μｍの範囲内の厚さを有する金属長繊維であってもよい。前記金属長繊維は、織造構造、不織布構造または螺旋構造のような纎維加工による好適な組織を持つように加工されて第１集電層１２１を構成することもできる。
【００４６】
他の実施形態において、第１集電層１２１が上述した導電性樹脂組成物を含む場合、当該高分子樹脂と金属粉末及び炭素微粒子のような導電材とが混合した固状導電性フィルムをラミネーティングしたり、液状導電性組成物を塗布して乾燥させることで、第１集電層１２１を形成することもできる。
【００４７】
上述のように、第１電極１２０は、順次に積層された第１集電層１２１及び第１活物質層１２２を含む。しかし、これは例示であり、本発明がこれに制限されるものではない。例えば、カーボン及び炭素ナノチューブのように金属イオンの挿入（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）及び脱離（ｄｅｉｎｔｅｒｃａｌｓｔｉｏｎ）が可能であり、かつ優秀な導電性を有する材料は、集電層及び活物質層の機能を同時に行うので、これらの材料を用いて電極を構成する場合、第１活物質層１２２の下部に配置される第１集電層１２１は省略可能であり、この場合、第１電極１２０の厚さはさらに減少する。
【００４８】
電気絶縁層１１０の第１主面１１１上に第１集電層１２１を形成した後、第１集電層１２１上に第１活物質層１２２を形成する。第１活物質層１２２は、下記の材料をペースト、スラリー、印刷工程、スプレー工程またはドライコーティング法により、電気絶縁層１１０のうち第１主面１１１に形成する。必要に応じて、自然乾燥または加熱工程を伴う乾燥工程がさらに行われてもよい。また、上述のように、金属長繊維の纎維構造により第１集電層１２１を製造する場合、第１集電層１２１内に第１活物質層１２２を含浸したり、これらを混合して塗布することで、実質的に第１集電層１２１と第１活物質層１２２とが所定の厚さを有する共通層を形成するように提供されてもよい。
【００４９】
第１活物質層１２２は、一次電池であるか二次電池であるかによって、そして、その極性によって好適な物質を含む。例えば、第１電極１２０が正極の場合、一次電池であれば、第１活物質層１２２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む。
【００５０】
二次電池の場合、第１活物質層１２２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及びこ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。例えば、正極活物質層は、［化学式］ＬｉａＡ１−ｂＢｂＤ２を有する。前記化学式において、Ａは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ及びこれらの組み合わせからなる群から選択され、Ｂは、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｖ、希土類元素及びこれらの組み合わせからなる群から選択され、Ｄは、Ｏ、Ｆ、Ｓ、Ｐ及びこれらの組み合わせからなる群から選択され、０．９５≦ａ≦１．１及び０≦ｂ≦０．５の化合物である。
【００５１】
上述した第１活物質層１２２は、約０．０１μｍないし１００μｍの大きさを有する粒子である。好ましくは、第１活物質層１２２は、約０．１μｍないし１５μｍの大きさを有する。しかし、これは例示であり、電池の要求特性によって適宜選択できる。一部の実施形態において、前記第１活物質層が黒鉛粒子のような炭素系物質を含まない場合、第１活物質層１２２は導電材をさらに含んでもよい。前記導電材は、第１活物質層１２２との混合総量に対し、約２ないし１５％の重量比で添加される。前記導電材は、例えば、カーボンブラック、超微細グラファイト粒子、アセチレンブラックのようなファインカーボン（ｆｉｎｅ  ｃａｒｂｏｎ）、ナノ金属粒子ペースト、またはＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ）ペーストである。
【００５２】
第１リード１３０は、第１活物質層１２２が形成されていない第１集電層１２１の露出した表面に電気的に接続され、電気絶縁層１１０の外側に一定の長さほど延びて突出している。第１リード１３０は、第１集電層１２１に機械的に結合されたり、融着または溶接される。前記融着または溶接は、抵抗、摩擦、超音波、レーザー及び公知の他の接着方法により行われ、本発明がこれに制限されるものではない。
【００５３】
第１リード１３０は、四角形の金属薄膜であってもよいし、四角形ではない他のパターンを有してもよい。また、第１リード１３０は、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、金、タンタル、ニオビウム、ハフニウム、ジルコニウム、バナジウム、インジウム、コバルト、タングステン、スズ、ベリリウム、モリブデンまたはこれらの合金を含む。好ましくは、第１リード１３０は、アルミニウムまたはその合金である。
【００５４】
一部の実施形態において、第１リード１３０は、第１集電層１２１と一体に形成されてもよい。例えば、第１集電層１２１が電気絶縁層１１０の外側に一定の長さほど延びて突出していることで、第１リード１３０の役割を行うこともできる。
【００５５】
第２電極１４０は、電気絶縁層１１０の第２主面１１２に形成される。第２電極１４０は、第１電極１２０と逆極性を有する。第２電極１４０は、第２主面１１２に形成された第２集電層１４１と、第２集電層１４１に形成された第２活物質層１４２とを含んでもよい。第２電極１４０が電気的に負極の場合、第２集電層１４１は、銅、ニッケル、ステンレス鋼またはこれらのうちいずれか一つの合金のような金属系材料を含み、好ましくは、銅またはその合金である。
【００５６】
他の実施形態において、第２集電層１４１は、上述した第１集電層１２１と同様に、金属系材料ではない他の材料で形成されてもよい。例えば、第２集電層１４１は、導電性樹脂組成物で形成される。前記導電性樹脂組成物で形成された第２集電層１４１は、第１集電層１２１の製造方法及び／または構造と同様に形成可能であり、これについての事項は、第１集電層１２１について述べられた事項を参照する。
【００５７】
第２集電層１４１の厚さは、第１集電層１２１の厚さと同一な範囲内で選択できる。例えば、第２集電層１４１の厚さは、約０．０１μｍないし２０μｍ、好ましくは、約０．０１μｍないし１０μｍの範囲内である。第１集電層１２１と同様に金属系材料を含む第２集電層１４１も、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの様々な蒸着法、メッキ法及びラミネーションのような膜形成法により形成される金属ホイル、または金属長繊維を用いた織造、不織布またはこれらの組み合わせられた構造を有する導電層である。また、第２集電層１４１は、第１集電層１２１と同様に導電性樹脂組成物を含む。
【００５８】
他の実施形態において、第２電極１４０は、カーボン及び炭素ナノチューブのように金属イオンの挿入及び脱離が可能であり、かつ優秀な導電性を有する材料により、集電層及び活物質層の機能を同時に行う材料で具現される。例えば、第２活物質層１４２の上部に配置される第２集電層１４１は電極組立体１００において省略可能であるので、第２電極１４０の厚さがさらに減少する。
【００５９】
電気絶縁層１１０の第２主面１１２上に第２集電層１４１を形成した後、第２集電層１４１上に第２活物質層１４２を形成する。第２活物質層１４２は、好適な材料をペーストコーティングなどの方法により電気絶縁層１１０の第２主面１１２に形成し、必要に応じて自然乾燥または加熱工程を伴う乾燥工程がさらに行われてもよい。
【００６０】
第２活物質層１４２は、一次電池であるか二次電池であるかによって、そして、その極性によって好適な物質を含む。例えば、第２電極１４０が負極の場合、一次電池であれば、第２活物質層１４２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。また、二次電池の場合、第２活物質層１４２は、リチウムイオンの挿入及び脱離が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（ＰＶＤＦ）、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレートなどの高分子材料が使われる。他の実施形態において、高容量の二次電池を提供するために、第２活物質層１４２は、リチウムとの合金化及び脱合金化が可能なＳ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ａｓ、Ｇａ、Ｐｂ及びＦｅのような金属系または金属間化合物（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ  ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）を含むこともできる。しかし、これは例示であり、本発明がこれに制限されるものではない。例えば、安定性が改善されたリチウムホイルまたはリチウム纎維が使われてもよい。
【００６１】
また、第２活物質層１４２は、第１活物質層１２２と同様に約０．０１μｍないし１００μｍの大きさを有する粒子である。好ましくは、第２活物質層１４２は、約０．１μｍないし１５μｍの大きさを有する。しかし、これは例示であり、電池の要求特性によって適宜選択できる。また、第１活物質層１２２と同様に、第２活物質層１４２も黒鉛粒子のような炭素系物質を含まない場合、導電材をさらに含んでもよい。前記導電材の重量比及び種類は、第１活物質層１２２について述べられた事項を参照する。
【００６２】
第２リード１５０は、第２活物質層１４２が形成されていない第２集電層１４１に電気的に直接連結され、また、第１リード１３０と逆である電気絶縁層１１０の外側に一定の長さほど延びている。第２リード１５０は、第２集電層１４１に機械的に結合されたり、融着または溶接される。前記融着または溶接は、抵抗、超音波、レーザー及びその等価物のうち選択されたいずれか一つにより行われるが、本発明がこれに制限されるものではない。他の実施形態において、第２リード１５０は、第２集電層１４１と一体に形成されてもよい。例えば、第２集電層１４１が電気絶縁層１１０の外側に一定の長さほど延びて突出していることで、第２リード１５０の役割を行うこともできる。
【００６３】
第２リード１５０は、一般に四角形の金属薄膜であり、パターン化された金属薄膜または金属繊維体であってもよい。また、第２リード１５０は、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼、金、タンタル、ニオビウム、ハフニウム、ジルコニウム、バナジウム、インジウム、コバルト、タングステン、スズ、ベリリウム、モリブデンまたはこれらの合金を含む。好ましくは、第２リード１５０は、銅またはその合金である。
【００６４】
上述した第１及び第２リード１３０、１５０は、後述する巻取り軸方向ＡＡに垂直な方向に、集電層１２１、１４１のエッジ部に全範囲で電気的に接続されるため、その充分な接触面積によって低抵抗接合を確保でき、電池の内部抵抗を顕著に減少させ、このような接合抵抗は、ロール構造の巻き回数に関係なく一定であるので、高容量及び高効率の電池が得られる。
【００６５】
分離膜１６０は、第１電極１２０及び第２電極１４０のうちいずれか一つ上に選択的にまたはこれらの両方に位置して密着される。このような分離膜１６０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、ゲル固体高分子電解質膜、無機セラミック粉末がコーティングされた微細多孔膜、またはこれらの組み合わせを含む。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これらの組み合わせである。前記分離膜１６０について列挙された材料は例示であり、分離膜１６０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好適なイオン伝導性を有することもできる。分離膜１６０は、単層膜または多層膜であり、前記多層膜は、同一な単層膜の積層体であってもよいし、異なる材料で形成された単層膜の積層体であってもよい。
【００６６】
分離膜１６０の厚さは、耐久性、ショットダウン機能及び電池の安全性を考慮すれば、約１０μｍないし３００μｍであり、好ましくは、約１０μｍないし４０μｍであり、より好ましくは、約１０μｍないし２５μｍである。分離膜１６０の長さは、電気絶縁層１１０の長さよりも長いように、分離膜１６０の一端部が巻取り軸Ａの軸方向にまたはこれに垂直な電気絶縁層１１０の一側の外にさらに延びることもできる。このように、電気絶縁層１１０の外にさらに延びた余分の分離膜１６０は、電池の化学反応の間に生じる電極組立体１００の収縮変形による変形率に対するマージンを提供して、第１及び第２電極１２０、１４０間の短絡を防止できる。また、電池を高容量化するために、一つの電池を複数の電極組立体１００で具現する場合、前記余分の分離膜１６０は、前記複数の電極組立体１００の間に配置され、前記複数の電極組立体１００を相互間に絶縁させることができる。
【００６７】
上述した実施形態の電極組立体１００によれば、異なる極性の電極が分離されて二つの独立した構造体として提供される従来の電極組立体１００に比べて、負極と正極とが単一の構造体として提供されるので、構造が単純になり、電池２００の形成工程において二枚の分離された電極を整列する従来の製造工程を省略するので、製造過程が単純化される。
【００６８】
また、金属集電層が当該電極の支持構造として機能する従来の電極組立体の構造の場合には、負極及び正極に該当する金属集電層の厚さが一般に２０μｍ以上に設計される。正極及び負極に該当する活物質層の厚さが約４０μｍないし１００μｍであることを考慮するとき、上述した電極組立体の全厚ｔ１は、約６０μｍないし１２０μｍに至る。結果として、従来の技術による電極組立体において、電極組立体の全厚に対する第１及び第２集電層の厚さ比は、１／３ないし１／６である。
【００６９】
しかし、上述した本発明の実施形態によれば、第１及び第２集電層１２１、１４１ではない別の電気絶縁層１１０が機械的な支持構造の役割を行うので、第１及び第２集電層１２１、１４１の厚さが従来の電極組立体の構造に比べて減少する。例えば、第１及び第２活物質層１２２、１４２それぞれの厚さが、従来の電極組立体と同様に約２０μｍないし５０μｍであり、第１及び第２集電層１２１、１４１それぞれの厚さが約０．０１μｍであり、電気絶縁層１１０の厚さが約１μｍである場合を仮定すれば、電極組立体１００の全厚は、約４１μｍないし１０１μｍとなる。したがって、電極組立体１００の全厚ｔ１に対する各集電層ｔ２の厚さ比ｔ２／ｔ１は、１／４１ないし１／１０１であって、従来の電極組立体に比べて顕著に減少する。結果として、電極組立体１００の体積が減少して、巻き取られた電極組立体１００の体積も減少するので、従来の電極組立体に比べて同一な体積でエネルギー密度が向上する。
【００７０】
また、本発明の実施形態によれば、薄くて可撓性を有する電気絶縁層１１０が電極組立体１００の支持体となるので、第１及び第２集電層１２１、１４１を薄膜化することができ、可撓性が向上し、第１及び第２集電層１２１、１４１をパッケージングするための巻取り工程を容易にする。
【００７１】
図２Ａ及び図２Ｂは、図１に示す電極組立体１００の上部側ＩＩＡ及び下部側ＩＩＢから見た平面図及び底面図である。矢印Ａは、図１と同一な巻取り軸方向を表す。
【００７２】
図２Ａに示すように、電気絶縁層１１０の第１漏れ防止部１１４は、ベース部１１３の第１主面１１１上で、第１主面１１１の巻取り軸方向Ａに垂直な一側ＡＡの少なくとも一部を開放しながら、残りのエッジ部分を取り囲むように形成される。例えば、第１漏れ防止部１１４は、コ字状に形成され、その内側に第１電極１２０及び第１リード１３０が載置される。他の実施形態において、図示していないが、第１漏れ防止部１１４は、ベース部１１３の巻取り軸に平行な一側が、巻取り軸方向Ａに垂直な前記一側と共に開放され、巻取り軸方向に垂直な他側を取り囲む形態を有してもよい。この場合、第１漏れ防止部１１４は、Ｌ字状を有する。
【００７３】
その結果、第１電極１２０をなす第１活物質層１２２が、第１漏れ防止部１１４の開放された側、例えば、巻取り軸方向Ａの一側ＡＡの部分を除いては、巻取り軸方向Ａの他の方向、例えば、少なくとも巻取り軸方向Ａの他側ＡＢの部分には漏れない。また、第１リード１３０と対応する電気絶縁層１１０には第１漏れ防止部１１４なしに開放されることで、第１リード１３０が突出した領域付近で電極組立体１００の厚さが過度に増大しない。
【００７４】
図２Ｂに示すように、電気絶縁層１１０の第２漏れ防止部１１５は、ベース部１１３の第２主面１１２上で、第２主面１１２の巻取り軸方向Ａに垂直な他側ＡＢの少なくとも一部を開放しながら、残りのエッジ部分を取り囲むように形成される。例えば、第２漏れ防止部１１５は、コ字状に形成され、その内側に第１電極１２０及び第１リード１３０が載置される。
【００７５】
他の実施形態において、図示していないが、第２漏れ防止部１１５は、ベース部１１３の巻取り軸方向Ａに平行であり、かつ第１漏れ防止部１１４が開放された一側ＡＡを取り囲み、ベース部１１３の巻取り軸方向Ａに平行であり、かつ第１漏れ防止部１１４が閉鎖された他側は開放された形態を有してもよい。この場合、第１漏れ防止部１１４は、Ｌ字状を有する。どちらの場合も、巻取り軸方向Ａの一側ＡＡには第１リード１３０が形成され、巻取り軸方向Ａの他側ＡＢには第２リード１５０が形成され、巻取り軸方向Ａの他側ＡＢには第１漏れ防止部１１４が存在し、巻取り軸方向Ａの一側ＡＡには第２漏れ防止部１１５が存在する。これにより、第１電極１２０をなす第１活物質層１２２が巻取り軸方向Ａの他側ＡＢに漏れず、第２電極１４０をなす第２活物質層１４２が巻取り軸方向Ａの一側ＡＡに漏れないので、ロール構造の形成時に強い回転圧着にもかかわらず、前記活物質層の漏れによる第１電極１２０と第２電極１４０との短絡が防止される。上述した第１リード１３０と第２リード１５０は、それぞれ巻取り軸方向Ａの一側ＡＡの方向と他側ＡＢの方向に互いに逆方向に延び、電気絶縁層１１０の側面から突出した形態を有する。したがって、第１リード１３０が第１電極１２０（例えば、正極）に接続され、第２リード１５０が第２電極１４０（例えば、負極）に接続される場合、巻取り軸方向Ａを基準として電池において正極端子及び負極端子を互いに逆方向に形成する。一部の実施形態において、前記第１リード１３０と第２リード１５０は、分離膜１６０の外側にさらに延びることで、後述する端子にそれぞれ電気的に容易に接続される。
【００７６】
一部の実施形態において、第１電極１２０と第２電極１４０は、巻取り軸方向に平行な電気絶縁層の先端からの離隔距離が異なっている。巻取り軸方向Ａを基準として電気絶縁層１１０を巻き取って提供されるロール構造の最内側に配置される電極は、巻取り軸からさらに遠く離隔される。例えば、第２電極１４０が形成された第２主面１１２が内部となるように、巻取り軸方向に電極組立体１００を巻き取ってロール構造を形成する場合、第２電極１４０は、第１電極１２０に比べて巻取り軸からより遠く離隔される。その結果、ロール構造内で電極を構成する活物質を無駄に浪費せずに正確な電極間の対向面積を確保することができる。
【００７７】
図３Ａは、本発明の一実施形態による電極組立体１００が巻取り軸方向Ａを中心として巻き取られたロール構造を示す断面図であり、図３Ｂは、図３Ａに示す線IIIＢ−IIIＢ′に沿ってカットされた断面の拡大図である。
【００７８】
図３Ａ及び図３Ｂを参照すれば、巻取り軸方向Ａ（紙面に垂直な方向）を基準として電極組立体１００が巻き取られてロール構造１００Ｒが形成される。その結果、前記ロール構造において、電気絶縁層１１０の第１主面１１１（図１）上に配置された第１電極１２０と、第２主面１１２（図１）上に配置された第２電極１４０とが分離膜１６０を挟んで互いに対向している。
【００７９】
図３Ａに示すように、電極組立体１００が巻き取られる方向は、前記ロール構造において分離膜１６０が最外郭に配置されるように定義される。しかし、電極組立体１００が巻き取られる方向は例示であり、電極組立体１００は、第１電極１２０が最外郭に配置されるように逆方向にロール構造が形成されてもよい。また、分離膜１６０が第１電極１２０上に配置されてロール構造が形成されることも上述した通りである。
【００８０】
上述した二つの巻取り方向のどちらの場合も、図３Ｂに示すように、第１電極１２０と第２電極１４０との間に分離膜１６０が介在され、前記ロール構造の内部で分離膜１６０を挟んで第１及び第２電極１２０、１４０が互いに対向し、これによって、前記ロール構造の内部で電気化学的反応領域ＲＡ１、ＲＡ２が形成される。
【００８１】
本発明の実施形態によれば、可撓性に優れた電気絶縁層１１０、薄膜化された第１及び第２集電層１２１、１４１が提供されるので、巻取り工程が容易であり、前記ロール構造の形状が多様になる。例えば、前記ロール構造は、図３Ａに示すように、その断面が円形となるように巻き取られる。他の実施形態において、前記ロール構造の断面は、楕円形、三角形及び四角形のような多角形状を有してもよい。したがって、円形電池及び角形電池のように様々な形状の電池に対応するように、前記ロール構造の形状を設計できる。また、本発明の実施形態によれば、ロール構造の全体に対して巻取り方向に沿ってリード線が実質的に電極の一側に全面積に拡張するので、内部抵抗を減少させ、充放電効率及び充放電速度を向上させることができる。
【００８２】
図４は、本発明の一実施形態による電極組立体１０１及びロールコア２１０がケース２２０に結合された状態を示す断面図である。
【００８３】
図４に示すように、本発明による電極組立体１０１は、巻取り軸として機能するロールコア２１０を含む。すなわち、電極組立体１０１は、ロールコア２１０を巻取り軸として巻き取られる。ロールコア２１０は棒状であるが、回転して中空パイプ状であってもよいし、中空棒状であってもよい。パイプ状の内部は、電池の冷却流路として活用可能であり、これについては後述する。図４は、巻き取られて中空パイプを提供できる薄い板材型ロールコア２１０の断面を例示する。一部の実施形態において、図４に示すように、巻き取られたロール構造の外部がケース２２０に結合される。点線Ａは、巻取り軸方向を表す。
【００８４】
一部の実施形態において、電池の容量を増大させるために、電極組立体１０１は、図１に示す電極組立体と同一な構成を持つ一電極組立体１００の各主面に対向して、第１及び第２サブ電極組立体１００＿１、１００＿２がさらに提供される。サブ電極組立体１００＿１、１００＿２は、図１を参照して説明した電極組立体１００と類似した構成を持っているが、ベース部１１３＿１の両主面ではない一主面にのみ漏れ防止部１１４＿１、１１５＿１を形成し、単一の極性の電極のみを含むという点から、ベース部を挟んで互いに対向する第１電極と第２電極とを持つ電極組立体１００（図１）と区別される。
【００８５】
サブ電極組立体１００＿１、１００＿２は、それぞれ電極組立体１００の主面に分離膜１６０＿１、１６０を挟んで対向しており、第１及び第２サブ電極組立体１００＿１、１００＿２の電極の極性は、電極組立体１００の当該主面の電極の極性と異なっている。例えば、第１サブ電極組立体１００＿１が対向する電極組立体１００の主面の電極が正極であれば、第１サブ電極組立体１００＿１の電極１２０＿１は負極である。同様に、第２サブ電極組立体１００＿２が対向する電極組立体１００の他の主面の電極が負極であれば、第２サブ電極組立体１００＿２の電極１４０＿１は正極である。このために、前記サブ電極組立体１００＿１、１００＿２の各電極１２０＿１、１４０＿１は、好適な集電層１２１＿１、１４１＿１と活物質層１２２＿１、１４２＿１とを含み、これらの材料については上述した事項を参照する。
【００８６】
サブ電極組立体１００＿１、１００＿２の電気絶縁層１１０＿１、１１０＿２も、それぞれベース部１１３＿１、１１３＿２を含み、ベース部１１３＿１、１１３＿２の当該主面上にそれぞれ漏れ防止部１１４＿１、１１５＿１を含む。図１を参照して説明したように、漏れ防止部１１４＿１、１１５＿１は、ベース部１１３＿１、１１３＿２の各主面から突出した陽刻形態にベース部１１３＿１、１１３＿２と一体に形成される。
【００８７】
漏れ防止部１１４＿１、１１５＿１は、巻取り軸方向Ａに垂直なエッジの少なくとも一部を開放しながら、他のエッジ部分を取り囲むように形成される。このように形成された漏れ防止部１１４＿１、１１５＿１の内部に当該電極層とリードとが載置され、電気絶縁層１１０＿１、１１０＿２の外部にリードが露出する。一部の実施形態において、漏れ防止部１１４＿１、１１５＿１は、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明したように、コ字状パターンまたはＬ字状パターンを持つようにベース部１１３＿１、１１３＿２のエッジ上に形成される。
【００８８】
前記漏れ防止部１１４＿１、１１５＿１の開放された方向は、巻取り軸方向Ａに垂直な方向、すなわち、ロールコアの回転中心から直径方向にロール構造内で交番する。その結果、ロール構造の両端部（または、巻取り軸方向の両端部）は、同一な極性を有する各電極に接続されたリードが連続的に露出して提供される複数のリード重なりを有する。これらのリード重なりをロール構造の各端部で互いに物理的に接触させて電気的に連結することで、第１極性共通リード部１３０Ａ及び第２極性共通リード部１５０Ａを提供できる。前記第１極性共通リード部１３０Ａ及び第２極性共通リード部１５０Ａは、ロールコア２１０及びケース２２０の先端よりも外側にさらに延びる。
【００８９】
前記漏れ防止部１１４＿１、１１５＿１の開放された方向は、巻取り軸方向Ａに垂直な方向、すなわち、ロールコアの回転中心から直径方向にロールコア構造内で交番する。その結果、ロールコア構造の両端部（または、巻取り軸方向の両端部）には、同一な極性を有する電極に接続された複数のリードが露出する。これらのリードは、互いに電気的に連結されて第１極性共通リード部１３０Ａ及び第２極性共通リード部１５０Ａを提供できる。前記第１極性共通リード部１３０Ａ及び第２極性共通リード部１５０Ａは、ロールコア２１０及びケース２２０の先端よりも外側にさらに延びる。
【００９０】
第１極性共通リード部１３０Ａ及び第２極性共通リード部１５０Ａは、上部方向ＵＰ及び下部方向ＤＷに露出したリード１３０、１５０（図２Ａ及び図２Ｂ）を仮接合する方式により提供される。前記第１極性共通リード部１３０Ａ及び第２極性共通リード部１５０Ａは、電池のパッケージングを容易にし、内部抵抗を減少させる。当該仮接合は、抵抗、超音波、レーザー、他の融着、圧着、クランプまたは導電性接着剤を用いて行われ、本発明がこれに制限されるものではない。
【００９１】
電極組立体１０１は、巻取り開始領域（例えば、最初にロールコア２１０を一回回転した領域）では、電気絶縁層１１０の表面に第２電極１４０（または、第１電極１２０）だけが形成され、巻取り終端領域（例えば、最後にロールコア２１０を一回回転した領域）でも、電気絶縁層１１０の表面に第１電極１２０（または、第２電極１４０）だけが形成されることで、電気化学的反応領域が具現される。他の観点から、巻取り開始領域で第２電極１４０が位置すれば、これと隣接した外側には、分離膜１６０を境界として第１電極１２０が配置される。また、巻取り終端領域で第１電極１２０が位置すれば、これと隣接した内側には、分離膜１６０を境界として第２電極１４０が配置される。したがって、無駄な電気化学的反応領域なしに、電極組立体１０１の接合領域にわたって電気化学的反応領域が形成される。
【００９２】
ロールコア２１０及びケース２２０の長さ（または、高さ）は、電極組立体１０１の長さ（または、高さ）よりも相対的にさらに長く（または、高く）形成されるか、それと同一に形成されることで、後述する第１端子部及び第２端子部が容易に結合されるようにする。
【００９３】
図５は、本発明の一実施形態によるロール構造を含む電池の一側に提供された第１端子部２３０を示す平面図ＶＡと、線ＶＢ−ＶＢ′に沿ってカットされた拡大断面図ＶＢである。
【００９４】
図５を参照すれば、第１端子部２３０は、図１ないし図４を参照して説明したロール構造の一側に結合され、正極用または負極用外部端子の役割を行う。好ましくは、第１端子部２３０は、正極用外部端子である。
【００９５】
第１端子部２３０は、第１カバー２３０Ａ、突起２３４及び第１端子２３５を含む。第１端子２３５は、第１共通リード部１３０Ａ（図４）に電気的に接続される。また、第１カバー２３０Ａ及び突起２３４は絶縁体であり、第１端子２３５は導電体である。
【００９６】
第１カバー２３０Ａは、ロールコア２１０に連結されたり、ロールコア２１０から延びて形成された内部円筒部２３１と、ケース２２０に連結されたり、ケース２２０から延びて形成された外部円筒部２３２と、内部円筒部２３１及び外部円筒部２３２を連結する連結部２３３とを含む。突起２３４は、連結部２３３に形成されて外側に一定の長さほど突出し、平面視で円形に形成される。
【００９７】
第１端子２３５は、一つの内壁２３５ａ及び二つの側壁２３５ｂを持つＵ字状に形成され、内壁２３５ａに第１共通リード部１３０Ａ（図４）が電気的に接続される。第１端子２３５は、突起２３４を取り囲む形態を有してもよい。例えば、内壁２３５ａが突起２３４の下部に位置し、二つの側壁２３５ｂが突起２３４の両側に密着される。その結果、第１端子２３５は、突起形態の外形を有する。
【００９８】
一部の実施形態において、第１端子２３５のうち二つの側壁２３５ｂは、高効率の充放電電流が流れるように、直線型、斜線型、螺旋型、曲線型などのパターンが形成された屈折線で形成され、これによって、スプリング機能を有する。また、前記二つの側壁２３５ｂには、エンボシング、突起及び他の等価構造物が形成されてもよい。一部の実施形態において、第１端子２３５は、通常絶縁を維持するように突起２３４の上部に絶縁仕上げ部２３６が形成されることもあるが、本発明がこれに制限されるものではない。
【００９９】
一部の実施形態において、第１端子２３５は、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、金、タンタル、ニオビウム、ハフニウム、ジルコニウム、バナジウム、インジウム、コバルト、タングステン、スズ、ベリリウム、モリブデンまたはこれらの合金を含む。好ましくは、第１端子２３５は、アルミニウムまたはその合金である。
【０１００】
前記第１端子部２３０には、電圧センシング部２３７ａ及び温度センシング部２３８ａのうちいずれか一方または両方が結合される。例えば、図５に示すように、第１端子部２３０の外部円筒部２３２及び連結部２３３を貫通して、電圧センシング部２３７ａが結合され、前記電圧センシング部２３７ａは、第１端子部２３０に電気的に連結される。前記電圧センシング部２３７ａに電気的に連結されるように、外部円筒部２３２には、一定の深さのセル電圧センシングコネクタ部２３７ｂが形成される。
【０１０１】
図５に示すように、温度センシング部２３８ａは、第１端子部２３０の外部円筒部２３２及び連結部２３３を貫通して電池に結合される。前記温度センシング部２３８ａはサーミスターであってもよく、電池の内部の温度を感知する。前記温度センシング部２３８ａに電気的に連結されるように、外部円筒部２３２には、セル温度センシングコネクタ部２３７ｂが露出形成される。
【０１０２】
このように、電圧センシング部２３７ａから感知された電圧と、温度センシング部２３８ａから感知された温度は、電池管理装置または電池管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）に伝達されることで、電池の過充電、過放電及び温度状態が効率的に管理できる。一部の実施形態において、電圧センシングコネクタ部２３７ｂ及び温度センシングコネクタ部２３７ｂの形状またはその周辺を異なって形成することで、当該コネクタの誤挿入を防止することもできる。
【０１０３】
図６は、本発明の一実施形態によるロール構造を含む電池の他側に提供された第２端子部２４０を示す平面図ＶＩＡと、線ＶＩＢ−ＶＩＢ′に沿ってカットされた拡大断面図ＶＩＢである。
【０１０４】
図６を参照すれば、第２端子部２４０は、第２カバー２４４及び第２端子２４５を含む。第２端子２４５は、第２リード１５０に電気的に接続される。第２カバー２４４は絶縁体であり、第２端子２４５は導電体である。第２端子部２４０は、正極用または負極用外部端子であり、好ましくは、図５を参照して説明した第１端子部２３０が正極用外部端子の場合、第２端子部２４０は負極用外部端子である。または、その逆であってもよい。
【０１０５】
第２カバー２４４は、ロールコア２１０に連結されたり、ロールコア２１０から延びて形成された内部円筒部２４１と、ケース２２０に連結されたり、ケース２２０から延びて形成された外部円筒部２４２と、内部円筒部２４１及び外部円筒部２４２を連結する連結部（図示せず）とを含む。
【０１０６】
第２端子２４５は、一つの内壁２４５ａ及び二つの側壁２４５ｂを持つｎ字状に形成される。内壁２４５ａに第２共通リード部１５０Ｂが電気的に接続される。また、二つの側壁２４５ｂは、第２カバー２４４をなす内部円筒部２４１及び外部円筒部２４２の内側面に密着される。したがって、全体として第２端子２４５は凹溝構成を有する。
【０１０７】
他の実施形態において、第２端子２４５のうち二つの側壁２４５ｂは、高効率の充放電電流が流れるように、直線型、斜線型、螺旋型、曲線型などのパターンが形成された屈折線で形成され、これによって、スプリング機能を有する。また、前記二つの側壁２４５ｂには、エンボシング、突起及び他の等価構造物が形成されてもよい。
【０１０８】
第２端子２４５が負極用外部端子の場合、例えば、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼、金、タンタル、ニオビウム、ハフニウム、ジルコニウム、バナジウム、インジウム、コバルト、タングステン、スズ、ベリリウム、モリブデンまたはこれらの合金を含む。好ましくは、第２端子２４５は、銅またはその合金である。
【０１０９】
図７Ａは、本発明の一実施形態による電池２００の断面図であり、図７Ｂは、電池２００の斜視図であり、図８は、複数の電池２００＿１、２００＿２が直列連結された構成を示す断面図である。
【０１１０】
図７Ａ及び図７Ｂを参照すれば、本発明による電池２００は、電極組立体１００と、電極組立体１００が巻き取られたロールコア２１０と、電極組立体１００及びロールコア２１０が結合された外部ケース２２０と、ロールコア２１０及び外部ケース２２０の一端に機構的に結合され、電極組立体１００のうち第１電極１２０に第１共通リード部１３０Ａを介して電気的に連結された第１端子部２３０と、ロールコア２１０及び外部ケース２２０の他端に機構的に結合され、電極組立体１００のうち第２電極１４０に第２リード１５０を介して電気的に連結された第２端子部２４０とを含む。
【０１１１】
一部の実施形態において、第１端子部２３０と第２端子部２４０とを、図６及び図７に示す端子部の形態にそれぞれ形成することで、電池２００の第２端子部２４０が他の電池２００の第１端子部２３０に直列または並列に容易に結合及び分離可能である。図８を参照すれば、例えば、複数の電池２００＿１、２００＿２の直列連結のために、矢印Ｋで示したように、第１電池２００＿１の第２端子部２４０＿１の外部円筒部が、第２電池２００＿２の第１端子部２３０の外部円筒部の内側に挿入結合される。同様に、第１電池２００＿１の第１端子部２３０＿１にも他の電池の第２端子部が挿入結合され、第２電池２００＿２の第２端子部２４０＿２にも他の電池の第１端子部が挿入結合され、電池の直列連結を達成することができる。
【０１１２】
第１端子部２３０の突起２３４が、第２端子部２４０がなす凹溝に結合される。その結果、第１端子２３５及び第２端子２４５が互いに接触することで、第１端子２３５及び第２端子２４５が別のバス構造なしに互いに電気的に連結される。必要に応じて、第１端子２３５及び第２端子２４５がスプリング機能を有するように形成された場合、相互間に機構的に結合の強度と締結を容易にする。
【０１１３】
一部の実施形態において、ロールコア２１０及び／または第１及び第２端子２３５、２４５の内部円筒部２３１、２４１は連結されており、パイプ状を有する。その結果、電池の冷却のために空冷式または水冷式冷媒が通過可能な流路２１０が提供され、これによって、電池２００、３００の中心部に蓄積される熱が効率的に発散され、電池２００、３００の熱的平衡を維持して、電池２００、３００の耐熱性が向上する。また、複数の電池が直列に連結されるとしても、図８に示すように、中心線ＣＬに沿って連続的な流路２１０Ｈが提供される。
【０１１４】
また、このような構造は、複数の電池２００が直列または並列に連結されてモジュールまたはパックをなすとき、別の中心ピンなしに中心支持体または構造体の機能を行い、モジュールまたはパックの機構的剛性を向上させることもできる。
【０１１５】
電池２００、３００の外部に露出するロールコア２１０の領域及びケース２２０の領域は絶縁処理される。ロールコア２１０及びケース２２０が導電体で形成される場合、外部に露出するロールコア２１０の領域及びケース２２０の領域には絶縁被膜が形成される。しかし、ロールコア２１０及びケース２２０が絶縁体で形成される場合、当該絶縁被膜は省略可能である。このように、本発明による電池２００、３００は、外部の機器またはシステムとの電気的絶縁を信頼性高く確保でき、電気的短絡が防止され、外部の機器またはシステムの回路設計が容易になる。
【０１１６】
一部の実施形態において、ロールコア２１０、ケース２２０、第１端子部２３０及び第２端子部２４０により取り囲まれた空間、例えば、ロール構造の電極組立体１００が配置される空間には、電解液が注入される。例えば、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）などの塩を含む水系電解液をロール構造に吸湿させ、電池２００、３００を活性化する。また、プロピレンカーボネートまたはエチレンカーボネートなどの高誘電率のカーボネート溶媒と、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートまたはジメチルカーボネートなどの底粘度のカーボネート溶媒との混合溶媒にＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６などのリチウム電解質を混合した非水系電解液がロール構造に吸湿され、電池２００、３００が活性化される。図示していないが、電池２００、３００の使用中の安定性及び／または電力供給特性を制御するための好適な電池管理システム（ｂａｔｔｅｒｙ  ｍａｎａｇｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）がさらに結合されてもよい。
【０１１７】
上述した電池２００、３００の製造は、電極組立体１００の形成段階、電極組立体１００の巻取り段階、電極組立体１００の結合段階、第１端子部２３０の結合段階、電解液の注入段階、及び第２端子部２４０の結合段階により行われる。電極組立体１００の形成段階では、第１主面１１１及びその逆である第２主面１１２を持つ電気絶縁層１１０と、電気絶縁層１１０のうち第１主面１１１に形成された第１電極１２０と、第１電極１２０に電気的に連結され、電気絶縁層１１０の外側に延びた第１リード１３０と、電気絶縁層１１０のうち第２主面１１２に形成された第２電極１４０と、第２電極１４０に電気的に連結され、第１リード１３０と逆である電気絶縁層１１０の外側に延びた第２リード１５０と、第１電極１２０及び第２電極１４０のうち少なくともいずれか一つに密着された分離膜１６０とからなる電極組立体１００を形成する。電極組立体１００の巻取り段階では、第１電極１２０と第２電極１４０とが分離膜１６０を挟んで互いに対向して電気化学的反応領域を形成するように、ロールコア２１０を巻取り軸として電極組立体１００が巻き取られる。
【０１１８】
電極組立体１００の結合段階では、ロールコア２１０に巻き取られた電極組立体１００がケース２２０に結合される。第１端子部２３０の結合段階では、ロールコア２１０及びケース２２０の一端に第１端子部２３０（または、第２端子部）を機構的に結合すると共に、電極組立体１００が第１端子部２３０に電気的に連結される。電解液の注入段階では、ロールコア２１０、ケース２２０及び第１端子部２３０により定義された空間、すなわち、電極組立体１００が配置した内部空間に電解液が注入される。
【０１１９】
第２端子部２４０の結合段階では、ロールコア２１０及びケース２２０の他端に第２端子部２４０（または、第１端子部）を機構的に結合すると共に、電極組立体１００が第２端子部２４０に電気的に連結される。電解液の注入段階は、第１及び第２端子部２３０、２４０の結合以後、ケース２２０、第１端子部２３０または第２端子部２４０に別に備えられた注液口に電解液を注入して行われてもよい。一部の実施形態において、分離膜１６０自体が電解液を含む場合、電解液の注入段階は省略してもよい。
【０１２０】
本発明の実施形態による電池は、向上したエネルギー密度と加工性のため、コンピュータ、ディスプレイ装置、携帯電話などの小型電子装置の小型電池として応用されるか、体積を増大させることで高容量化して自動車の動力源または電力保存のための中大型電池として応用される。上述した開示事項は、矛盾しない限り複数の実施形態が互いに代替されたり組み合わせられて実施される。例えば、図１に示すロール構造と、図４に示すサブ電極組立体を含むロール構造は、互いに交換的に実施可能であり、サブ電極組立体は一つまたは三つ以上であり、この場合、電極組立体を繰り返し積層し、一側または両側にサブ電極組立体が提供される。
【０１２１】
以上で説明した本発明は、上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。
【符号の説明】
【０１２２】
１００  電極組立体
１００＿１、１００＿２  サブ電極組立体
１１０  電気絶縁層
１１１  第１主面
１１２  第２主面
１１３  ベース部
１１４  第１漏れ防止部
１１５  第２漏れ防止部
１２０  第１電極
１２１  第１集電層
１２２  第１活物質層
１３０  第１リード
１４０  第２電極
１４１  第２集電層
１４２  第２活物質層
１５０  第２リード
１６０  分離膜
２００  本発明による電池
２１０  ロールコア
２２０  ケース
２３０  第１端子部
２３０Ａ  第１カバー
２３１  内部円筒部
２３２  外部円筒部
２３３  連結部
２３４  突起
２３５  第１端子
２３５ａ  内壁
２３５ｂ  側壁
２３６  絶縁仕上げ部
２３７ａ  電圧センシング部
２３７ｂ  電圧センシングコネクタ部
２３８ａ  温度センシング部
２３８ｂ  温度センシングコネクタ部
２４０  第２端子部
２４１  内部円筒部
２４２  外部円筒部
２４４  第２カバー
２４５  第２端子
２４５ａ  内壁
２４５ｂ  側壁
【図１】
2015528180.tif 000003
【図２ａ】
2015528180.tif 000004
【図２ｂ】
2015528180.tif 000005
【図３ａ】
2015528180.tif 000006
【図３ｂ】
2015528180.tif 000007
【図４】
2015528180.tif 000008
【図５】
2015528180.tif 000009
【図６】
2015528180.tif 000010
【図７ａ】
2015528180.tif 000011
【図７ｂ】
2015528180.tif 000012
【図８】
2015528180.tif 000013
【国際調査報告】
2015528180.tif 000014
2015528180.tif 000015
2015528180.tif 000016
2015528180.tif 000017