(57)【要約】  本発明は、全幅の長さが同一で、全長の長さが相違する２種類以上の電極ユニットの組み合わせを含み、上記電極ユニット間に段差が形成されるように積層され、上記全幅の長さが同一で、全長の長さが相違する電極ユニット間の境界面において異なる極性の電極が対向するように形成される電極組立体及びこれを含む電池セル、デバイスに関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
全幅の長さが同一で、全長の長さが相違する２つ以上の電極ユニットの組み合わせを含み、
前記電極ユニット間に段差が形成されるように積層され、
前記全長の長さが相違する電極ユニット間の境界面において陽極と陰極が対向するように形成され、下記式１−１を満たす、電極組立体。
［数１］
１≦Ｎｎ／Ｐｎ  ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１  …［式１−１］
前記式１−１において、ｎは１以上の整数、Ｎｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量である。
【請求項２】
前記電極組立体は下記式１−２を満たす、請求項１に記載の電極組立体。
［数２］
１≦Ｎｎ／Ｐｎ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１≦１．２  …［式１−１］
前記式１−１において、ｎは１以上の整数、Ｎｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量である。
【請求項３】
前記全幅の長さが同一であり、全長の長さが相違する２つ以上の電極ユニット間の境界面において、相対的に全長の長さが長い電極ユニットの陰極と相対的に全長の長さが短い電極ユニットの陽極が対向するように形成される、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項４】
前記電極組立体は、２５℃において下記充電条件（Ａ）及び放電条件（Ｂ）で５００回の充放電を行ったときの電気容量が１回の充放電後の電気容量に対して６０％以上、電極組立体全体の厚さ変化率が１５％以下である、請求項１に記載の電極組立体。
充電条件（Ａ）：１Ｃの定電流（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）モードにおいて４．２Ｖまたは４．３５Ｖまで充電した後、定電圧（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）モードに転換して充電電流の量が最小限の電池容量の１／２０になるまで電流を流してから充電を終了する。
放電条件（Ｂ）：定電流（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）モードにおいて１Ｃの放電電流を流し、電圧が３Ｖに達した時点で放電を終了する。
【請求項５】
下記式２を満たす、請求項１に記載の電極組立体。
［数３］
Ｎｎ／Ｐｎ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２  …［式２］
前記式２において、ｎは１以上の整数、Ｎｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｎｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎ＋２はｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量である。
【請求項６】
下記式２−１を満たす、請求項５に記載の電極組立体。
［数４］
１≦Ｎｎ／Ｐｎ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２  …［式２−１］
前記式２−１において、ｎは１以上の整数、Ｎｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｎｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎ＋２はｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量である。
【請求項７】
前記電極組立体は、ｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットがｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットとｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットとの間に介在され、下記式３を満たす、請求項５に記載の電極組立体。
［数５］
Ｎｎ／Ｐｎ＋２≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２  …［式３］
前記式３において、ｎは１以上の整数、Ｎｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｎｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎ＋２はｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量である。
【請求項８】
下記式４を満たす、請求項１に記載の電極組立体。
［数６］
ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１  …［式４］
前記式４において、ｎは１以上の整数、ｄＮｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＰｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さ、ｄＰｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さである。
【請求項９】
下記式４−１を満たす、請求項１に記載の電極組立体。
［数７］
０．５≦ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１≦２  …［式４−１］
前記式４−１において、ｎは１以上の整数、ｄＮｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＰｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さ、ｄＰｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さである。
【請求項１０】
下記式５を満たす、請求項１に記載の電極組立体。
［数８］
ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２  …［式５］
前記式５において、ｎは１以上の整数であり、ｄＮｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＮｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＰｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さ、ｄＰｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さ、ｄＰｎ＋２はｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さである。
【請求項１１】
下記式５−１を満たす、請求項１に記載の電極組立体。
［数９］
０．５≦ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２≦２  …［式５−１］
前記式５−１において、ｎは１以上の整数であり、ｄＮｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＮｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＰｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さ、ｄＰｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さ、ｄＰｎ＋２はｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さである。
【請求項１２】
前記電極組立体は、ｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットがｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットとｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットとの間に介在され、下記式６を満たす、請求項１０に記載の電極組立体。
［数１０］
ｄＮｎ／ｄＰｎ＋２≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２  …［式６］
前記式６において、ｎは１以上の整数、ｄＮｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＮｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＰｎ＋２はｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さである。
【請求項１３】
全長の長さが相違する３種類以上の電極ユニットの組み合わせを含み、
前記電極ユニット間の境界面において対向する陽極の単位面積当たりの可逆容量に対する陰極の単位面積当たりの可逆容量比は、同一であったり、前記電極ユニット間の接触面積が小さくなるほど増加する、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項１４】
前記電極ユニットは、単一電極と、少なくとも一つの陽極、少なくとも一つの陰極、及び少なくとも一つの分離膜を含む少なくとも一つ以上の単位セルと、またはこれらの組み合わせからなる、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項１５】
前記単位セルは、ゼリーロール型、スタック型、ラミネーション・アンド・スタック型及びスタック・アンド・フォールディング型単位セルからなる群より選択される、請求項１４に記載の電極組立体。
【請求項１６】
前記電極ユニットを構成する単一電極及び単位セルの一部または全部が少なくとも一つの長さが長いシート型分離フィルムによって覆われる構造からなる、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項１７】
前記単位セルは、最外郭の両面に配置される電極の極性が同一である、請求項１４に記載の電極組立体。
【請求項１８】
前記単位セルは、最外郭の両面に配置される電極の極性が異なる、請求項１４に記載の電極組立体。
【請求項１９】
前記電極ユニットのそれぞれは、その断面形状が四角形、少なくとも一つの角が曲線からなる四角形、または少なくとも一つ以上の角が曲線状である、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項２０】
前記電極組立体は、断面形状が同一の電極ユニットの組み合わせからなる、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項２１】
前記電極ユニットは、少なくとも一つ以上の電極タブを有し、
前記電極タブは同一極性の電極同士が重なるように積層される、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項２２】
前記電極タブは異なるサイズを有する、請求項２１に記載の電極組立体。
【請求項２３】
前記電極組立体の下部方向から上部方向に向かって電極ユニットの全長の長さが短くなる配列で積層される、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項２４】
前記電極組立体の下部方向から上部方向に向かって電極ユニットの全長の長さが長くなる配列で積層される、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項２５】
前記電極ユニットのうち最も全長の長さが大きい電極ユニットが前記電極組立体の中間層に配置される配列で積層される、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項２６】
前記電極ユニットは、それぞれの電極ユニットの平面方向の中心点が一致する配列で積層される、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項２７】
前記電極ユニットは、それぞれの電極ユニットの平面方向の中心点が所定の間隔で離隔される配列で積層される、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項２８】
前記電極ユニットは、それぞれの電極ユニットの全幅の一辺が一致する配列で積層される、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項２９】
請求項１の電極組立体が電池ケースに内蔵される、電池セル。
【請求項３０】
前記電池ケースはパウチ型ケースである、請求項２９に記載の電池セル。
【請求項３１】
前記電池ケースは、電極組立体の形状に対応する形状からなる、請求項２９に記載の電池セル。
【請求項３２】
前記電池セルは、リチウムイオン二次電池またはリチウムイオンポリマー二次電池である、請求項２９に記載の電池セル。
【請求項３３】
請求項２９の電池セルを一つ以上含む、デバイス。
【請求項３４】
前記電池セルの剰余空間にデバイスのシステム部品が位置する、請求項３３に記載のデバイス。
【請求項３５】
前記デバイスは、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車または電力貯蔵装置である、請求項３４に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、段差を有する電極組立体に関するもので、より詳細には、全幅の長さが同一で、全長の長さが相違する電極ユニットで構成された電極組立体であり、上記全幅の長さが同一で、全長の長さが相違する電極ユニット間の境界面において異なる極性の電極が対向するように形成された電極組立体、及びこれを含む電池に関する。
【０００２】
また、本発明は、上記段差がある電極組立体を含む電池セル、電池パック、及びデバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
モバイル機器に対する技術開発及びニーズの増加に伴い、二次電池のニーズも急増している。このうち、エネルギー密度及び作動電圧が高く、貯蔵及び寿命の特性に優れた二次電池が各種の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】
一般に、二次電池、特にリチウム二次電池は、電池ケースの内部に電極組立体及び電解質が密封される構造で形成され、外形によって大きく円筒型電池、角型電池、パウチ型電池など、電解液の形態によってリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、リチウムポリマー電池などに分けられる。最近のモバイル機器の小型化に伴い、厚さが薄い角型電池及びパウチ型電池に対するニーズが増加しており、特に、重量が少ないパウチ型電池に対する関心が高い実情にある。
【０００５】
一方、電池ケースに収納される電極組立体は、その形態によってゼリーロール型（巻取型）、スタック型（積層型）、スタック・アンド・フォールディング型（複合型）の構造に区分されることができる。一般に、ゼリーロール型電極組立体とは、電流集電体として用いられる金属ホイルに電極活物質をコーティングしてプレスした後、所望する幅及び長さを有するバンド状に裁断し、分離フィルムを用いて陰極と陽極を隔膜してから螺旋状に巻いて製造される電極組立体のことである。また、スタック型電極組立体とは、陰極、分離膜、陽極を垂直に積層する方式で製造される電極組立体のことである。なお、スタック・アンド・フォールディング型電極組立体とは、単一電極または陰極／分離膜／陽極からなる電極積層体を長さが長いシート型分離フィルムで巻いたり折ったりして製造される電極組立体のことである。
【０００６】
しかし、これまで知られていた従来の電極組立体は、同一サイズの単位セルまたは個別の電極を積層する方式で製造されたため、形状の自由度が低下してデザイン面において多くの制約があった。そのため、多様なデザインを具現すべく、異なるサイズを有する電極または単位セルを積層して段差がある電池を製造する方法が提案された。しかし、今までに提案された段差がある電池は、陽極板及び陰極板を所望する面積に裁断して異なる面積の単位セルを製作した後、これらを積層する方法で製造されていた。この場合、各段の面積を調節することはできるが、各段の厚さは単位セルの厚さの倍数に限定されるため、電池の厚さ方向のデザイン自由度はそれほど大きくない。
【０００７】
また、上記従来技術には、単に陰極板及び陽極板を所望するサイズに裁断して異なるサイズの単位セルを形成した後、これらを積層してデザインを変更できるというアイデアが提示されているだけで、実際に使用できる程度の電池特性を有する電池を製造できる具体的な方法はまったく開示されていない。例えば、段差がある電池の場合、電池を構成するサイズが異なる単位セルのそれぞれは、問題なく作動しても、各段を構成する単位セルの構成により、これらを積層したときに作動が不可能であったり、同一体積に対する電池容量が顕著に低下したり、充放電の繰り返しによって各段との境界面におけるスウェリングが激しく発生して製品の寿命が過度に短くなるなどの問題点が生じ、実際には使用できない場合が多い。しかし、従来提案された段差がある電池の場合、このような問題点についてはまったく考慮していない。
【０００８】
そのため、電池セルが適用されるデバイスの形状に応じて多様なデザインを具現しながらも、大容量及び高耐久性の特性を有する電極組立体及びこれを用いた電池の開発に対するニーズが高まっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、上記のような問題点を解決するためのもので、多様なデザインを具現することができ、薄型でありながら優れた電気容量特性を有する電極組立体、これを含む電池セル、及びデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一具現例によると、全幅の長さが同一で、全長の長さが相違する２つ以上の電極ユニットの組み合わせを含み、上記電極ユニット間に段差が形成されるように積層され、上記全幅の長さが同一で、全長の長さが相違する２つ以上の電極ユニット間の境界面において異なる極性の電極が対向するように形成された電極組立体が提供される。
【００１１】
このとき、上記電極組立体は、全幅の長さが同一で、全長の長さが相違する２つ以上の電極ユニット間の境界面において、相対的に全長の長さが長い電極ユニットの陰極と相対的に全長の長さが短い電極ユニットの陽極が対向するように形成されることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の電極組立体は、２５℃において５００回の充放電を行ったときの電気容量が１回の充放電後の電気容量に対して６０％以上、電極組立体全体の厚さ変化率が１５％以下であることが好ましい。このため、異なる全長の長さを有する電極ユニット間の境界面において対向する陽極と陰極のバランス（ｂａｌａｎｃｅ）が合うように調節されることができる。
【００１３】
本発明の好ましい一具現例によると、本発明の電極組立体は、全長の長さが相違するｎ＋１個以上（このとき、ｎは１以上の整数）の電極ユニットを含み、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量をＮｎ、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量をＰｎ、ｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量をＰｎ＋１とするとき、Ｐｎに対するＮｎの比率（即ち、Ｎｎ／Ｐｎ）がＰｎ＋１に対するＮｎの比率（即ち、Ｎｎ／Ｐｎ＋１）より大きくならないように形成されることが好ましい。即ち、本発明の電極組立体は、下記式１を満たすように構成されることができる。
【００１４】
［数１］
Ｎｎ／Ｐｎ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１  …［式１］
【００１５】
また、本発明の電極組立体が全長の長さが相違するｎ＋２個以上の電極ユニットを含む場合、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量をＮｎ、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量をＰｎ、ｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量をＮｎ＋１、ｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量をＰｎ＋１、ｎ＋２番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量をＰｎ＋２とするとき、Ｐｎ＋１に対するＮｎの比率（即ち、Ｎｎ／Ｐｎ＋１）は、Ｐｎに対するＮｎの比率（即ち、Ｎｎ／Ｐｎ）より小さくなく、Ｐｎ＋１に対するＮｎ＋１の比率（即ち、Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋１）より大きくならないように形成されることが好ましい。また、上記Ｐｎ＋１に対するＮｎ＋１の比率（即ち、Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋１）は、Ｐｎ＋２に対するＮｎ＋１の比率（即ち、Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２）より大きくならないように形成されることが好ましい。即ち、本発明の電極組立体が全長の長さが相違する３種類以上の電極ユニットを含む場合、下記式２を満たすように構成されることができる。
【００１６】
［数２］
Ｎｎ／Ｐｎ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２  …［式２］
【００１７】
また、本発明の電極組立体において、全長の長さが相違する３種類以上の電極ユニットを含み、ｎ＋２番目に長い全長を有する電極ユニットがｎ番目に長い全長を有する電極ユニットとｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットとの間に介在される場合、上記Ｐｎ＋２に対するＮｎ＋１の比率（即ち、Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２）は、Ｐｎ＋２に対するＮｎの比率（即ち、Ｎｎ／Ｐｎ＋２）より小さくならないように形成されることが好ましい。即ち、本発明の電極組立体は、下記式３を満たすように構成されることができる。
【００１８】
［数３］
Ｎｎ／Ｐｎ＋２≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２  …［式３］
【００１９】
本発明のさらに他の好ましい具現例によると、本発明の電極組立体は、全長の長さが相違するｎ＋１個以上の電極ユニットの組み合わせを含み、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の厚さをｄＮｎ、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の厚さをｄＰｎ、ｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の厚さをｄＰｎ＋１とするとき、ｄＰｎに対するｄＮｎの比率（即ち、ｄＮｎ／ｄＰｎ）がｄＰｎ＋１に対するｄＮｎの比率（即ち、ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１）より大きくならないように形成されることが好ましい。即ち、この場合、本発明の電極組立体は、下記式４を満たすように構成されることができる。
【００２０】
［数４］
ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１  …［式４］
【００２１】
また、本発明の電極組立体が全長の長さが相違する３種類以上の電極ユニットを含む場合、本発明の電極組立体は、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の厚さをｄＮｎ、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の厚さｄＰｎ、ｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の厚さをｄＮｎ＋１、ｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の厚さをｄＰｎ＋１、ｎ＋２番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の厚さをｄＰｎ＋２とするとき、ｄＰｎ＋１に対するｄＮｎの比率（即ち、ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１）がｄＰｎに対するｄＮｎの比率（即ち、ｄＮｎ／ｄＰｎ）より小さくなく、ｄＰｎ＋１に対するｄＮｎ＋１の比率（即ち、ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋１）より大きくならないように形成されることが好ましい。なお、上記ｄＰｎ＋１に対するｄＮｎ＋１の比率（即ち、ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋１）は、ｄＰｎ＋２に対するｄＮｎ＋１の比率（即ち、ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２）より大きくならないように形成されることが好ましい。即ち、本発明の電極組立体は、下記式５を満たすように構成されることができる。
【００２２】
［数５］
ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２  …［式５］
【００２３】
また、本発明の電極組立体において、全長の長さが相違する３種類以上の電極ユニットを含み、ｎ＋２番目に長い全長を有する電極ユニットがｎ番目に長い全長を有する電極ユニットとｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットとの間に介在される場合、上記ｄＰｎ＋２に対するｄＮｎ＋１の比率（即ち、ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２）は、ｄＰｎ＋２に対するｄＮｎの比率（即ち、ｄＮｎ／ｄＰｎ＋２）より小さくならないように形成されることが好ましい。即ち、この場合、本発明の電極組立体は、下記式６を満たすように構成されることができる。
【００２４】
［数６］
ｄＮｎ／ｄＰｎ＋２≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２  …［式６］
【００２５】
また、本発明の電極組立体は、全長の長さが相違する電極ユニット間の境界面において対向する陽極及び陰極において、上記陽極の厚さに対する上記陰極の厚さの比率が０．５〜２程度になるように構成されることが好ましい。例えば、０．６〜１．９、０．８〜１．５、または１．０〜１．５程度、より具体的には、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４程度になるように構成されることが好ましい。
【００２６】
また、本発明の電極組立体において、全長の長さが相違する電極ユニット間の境界面において対向する陽極及び陰極は、上記陽極の単位面積当たりの可逆容量に対する上記陰極の単位面積当たりの可逆容量比が約１以上になるように構成されることが好ましい。例えば、１〜２、１〜１．５、１〜１．２、１〜１．１、１．５〜２、１〜１．０９、１．０２〜１．２、１．０２〜１．０９または１．０５〜１．０９程度、より具体的には、１．０５、１．０６、１．０７、１．０８、１．０９程度になるように構成されることが好ましい。
【００２７】
また、本発明の電極組立体が全長の長さが相違する３種類以上の電極ユニットを含む場合、上記電極ユニット間の境界面において対向する陽極に対する陰極の単位面積当たりの可逆容量比は、同一であったり、上記電極ユニット間の接触面積が小さくなるほど陽極に対する陰極の単位面積当たりの可逆容量比が増加するように構成されることができる。
【００２８】
また、本発明において、上記電極ユニットは、単一電極と、少なくとも一つの陽極、少なくとも一つの陰極、及び少なくとも一つの分離膜を含む少なくとも一つの単位セルと、これらの組み合わせからなる群より選択された１種以上からなることができる。このとき、上記単位セルは、ゼリーロール型、スタック型、ラミネーション・アンド・スタック型及びスタック・アンド・フォールディング型単位セルからなる群より選択されることができ、上記単位セルは、最外郭の両面に配置される２つの電極の極性が同一であってもよく、異なってもよい。
【００２９】
より好ましくは、本発明の電極組立体は、上記電極ユニットを構成する単一電極及び単位セルの一部または全部が少なくとも一つの長さが長いシート型分離フィルムによって覆われる構造からなることができる。
【００３０】
また、本発明の上記電極ユニットは、多様な断面形状を有することができる。例えば、四角形、少なくとも一つの角が曲線からなる四角形、台形、または少なくとも一つ以上の辺が曲線からなる断面形状であることができる。
【００３１】
また、本発明の電極組立体は、断面形状が異なる電極ユニットの組み合わせからなることができ、断面形状が同一の電極ユニットの組み合わせからなることもできる。
【００３２】
また、本発明の上記電極ユニットは、少なくとも一つ以上の電極タブを備えることができ、上記電極タブは同一極性の電極同士が電気的に連結される。このとき、上記電極タブは、そのサイズが同一であってもよく、電極ユニットの面積によって異なってもよい。
【００３３】
一方、本発明の電極組立体において、上記全幅の長さが同一で、全長の長さが相違する２つ以上の電極ユニットは、多様な配列で積層されることができる。電極ユニットの積層方法は、特に制限されず、例えば、電極組立体の下部方向から上部方向に向かって電極ユニットの全長の長さが小さくなる配列で電極ユニットを積層することができるが、これとは逆に、電極組立体の下部方向から上部方向に向かって電極ユニットの全長の長さが大きくなる配列で電極ユニットを積層することもできる。または、電極ユニットのうち最も全長の長さが長い電極ユニットが上記電極組立体の中間層に配置される配列で積層することもできる。
【００３４】
また、本発明の電極組立体において、上記電極ユニットは、それぞれの電極ユニットの平面方向の中心点が一致する配列で積層されたり、それぞれの電極ユニットの平面方向の中心点が所定の間隔で離隔される配列で積層されたり、それぞれの電極ユニットの全幅の一辺が一致する配列で積層されることもできる。
【００３５】
本発明の他の具現例によると、上記のような本発明の電極組立体が電池ケースに内蔵される電池セルが提供される。このとき、上記電池ケースはパウチ型ケースの電池セルであることができるが、これに限定されない。また、本発明の上記電池ケースは、電極組立体の形状に対応する形状を有するように形成されることが好ましい。また、本発明の上記電池セルは、リチウムイオン二次電池またはリチウムイオンポリマー二次電池であることができる。
【００３６】
本発明のさらに他の具現例によると、上記のような本発明の電池セルを一つ以上含むデバイスが提供される。このとき、上記デバイスは、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、または電力貯蔵装置であるデバイスであることができる。
【００３７】
また、本発明によると、上記電池セルの剰余空間にデバイスのシステム部品が位置することができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の電極組立体は、全長の長さが相違する２種以上の電極ユニットを組み合わせて用いることにより、従来に比べて非常に多様なデザインを具現することができ、商用化が可能な水準の優れた電気容量及び耐久性を有する。
【００３９】
また、本発明の電極組立体は、全長の長さが相違する電極ユニット間の境界面における陽極と陰極のバランスを合わせることにより、容量特性及び耐久性を維持しながらも各段を構成する電極ユニット間の面積及び厚さも比較的自由に調節することができるため、デザイン自由度の面において非常に優れる。その結果、デバイスの装着時にデザイン的な要素によって発生するデッドスペース（ｄｅａｄ  ｓｐａｃｅ）を最小限に抑えることができ、空間活用度に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施例による電極組立体の斜視図である。
【図２】本発明の第１実施例による電極組立体の側面図である。
【図３】本発明の第２実施例による電極組立体の側面図である。
【図４】本発明の第３実施例による電極組立体の側面図である。
【図５】本発明の第４実施例による電極組立体の側面図である。
【図６】本発明の第５実施例による電極組立体の側面図である。
【図７】本発明の一実施例による電極組立体の展開図である。
【図８】本発明の一実施例による電極タブの構成を示すための図面である。
【図９】本発明の電極ユニットの積層例を説明するための図面である。
【図１０】本発明の一実施例による電池セルの斜視図である。
【図１１】本発明の他の実施例による電池セルの斜視図である。
【図１２】本発明の実施例１〜２及び比較例１〜２によって製造された電極組立体を５００回充放電したときの電気容量及び厚さ変化率を示すグラフである。
【図１３】電極ユニット間の境界面における陰極／陽極の可逆容量比によるエネルギー密度の変化を示すグラフである。
【図１４】電極ユニット間の境界面における陰極／陽極の厚さ比率によるエネルギー密度の変化を示すグラフである。
【図１５】ラミネーション・アンド・スタック型単位セルの具現例を示す図面である。
【図１６】ラミネーション・アンド・スタック型単位セルの具現例を示す図面である。
【図１７】ラミネーション・アンド・スタック型単位セルの具現例を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下では、添付の図面を参照し、本発明の好ましい実施例について説明する。しかし、本発明の実施例は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施例に限定されない。また、本発明の実施例は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。
【００４２】
図１には、本発明による電極組立体の一実施例が示されている。図１に示されているように、本発明の電極組立体は、全幅Ｗの長さが同一で、全長Ｌの長さが相違する２種類以上の電極ユニット１１０、１２０、１３０の組み合わせを含み、上記電極ユニット間に段差が形成されるように積層され、上記全幅Ｗの長さが同一で、全長Ｌの長さが相違する電極ユニット間の境界面において異なる極性の電極が対向するように形成されることをその特徴とする。
【００４３】
本発明において、電極ユニットの全幅Ｗとは、相対する二辺の長さがそれぞれ同一の四辺で構成され、電極組立体の構成要素である電極ユニットのうち最も面積が大きい電極ユニットにおいて相対的に長さが短い二辺を意味する。また、全長Ｌとは、電極ユニットの四辺のうち上記全幅Ｗを除外した残りの二辺を意味する。
【００４４】
また、上記「電極ユニット」とは、本発明の段差がある電極積層体における一層を構成する基本単位を称するもので、それぞれの電極ユニットは、陰極または陽極のような単一電極と、少なくとも一つの陰極、少なくとも一つの陽極、及び少なくとも一つの分離膜を含む少なくとも一つ以上の単位セルと、またはこれらの組み合わせからなることができる。
【００４５】
なお、上記「単位セル」とは、少なくとも一つの陰極、少なくとも一つの陽極、及び少なくとも一つの分離膜を含む電極積層体を全て含む概念で、単位セルにおける陰極、陽極及び分離膜の積層方法は特に限定されない。例えば、本発明において、上記「単位セル」とは、シート型陰極とシート型陽極を分離膜フィルムを用いて隔膜してから螺旋状に巻いて製造されるゼリーロール方式で製造された電極積層体と、少なくとも一つ以上の陰極、少なくとも一つ以上の分離膜、及び少なくとも一つ以上の陽極を順に積層して製造されるスタック方式で製造された電極積層体と、単一電極及び／または少なくとも一つ以上の陽極、分離膜、陰極が積層された電極積層体を長さが長いシート型分離フィルム上に配置してからフォールディングするスタック・アンド・フォールディング方式で製造された電極積層体を全て含む概念で理解されなければならない。
【００４６】
また、本明細書において、上記スタック方式で製造された電極積層体は、陽極、分離膜、陰極を一つずつ順に積層する従来の方式で製造される電極単位体のみならず、一つ以上の陽極、一つ以上の陰極及び一つ以上の分離膜をラミネーション（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）して電極単位体を形成した後、この電極単位体を積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）する方式（以下、「ラミネーション・アンド・スタック方式」と称される）で製造された電極積層体を含む概念で理解されなければならない。
【００４７】
また、上記ラミネーション・アンド・スタック方式で電極積層体を製造する場合、上記電極単位体は一つ以上の陽極、一つ以上の陰極及び一つ以上の分離膜を含んでいればよく、その構成に特に制限されるものではない。
【００４８】
しかし、工程の簡便性及び経済性の観点において、ラミネーション・アンド・スタック方式で電極積層体を製造する場合、電極単位体は、第１電極／分離膜／第２電極／分離膜、または分離膜／第１電極／分離膜／第２電極からなる基本構造を含むように構成されることが好ましい。このとき、上記第１電極及び第２電極は異なる極性を有する電極で、陽極または陰極であることができ、上記電極単位体は一つまたは複数個の基本構造を含むことができる。
【００４９】
また、上記ラミネーション・アンド・スタック方式の電極積層体は、上述した基本構造を含む電極単位体のみで構成してもよく、上記基本構造を有する電極単位体及びそれと異なる構造の電極構造体を組み合わせて用いてもよい。
【００５０】
一方、図１５から図１７には、ラミネーション・アンド・スタック方式で製造された電極積層体の多様な例が示されている。
【００５１】
図１５には分離膜６０／陰極５０／分離膜６０／陽極４０の基本構造を有する電極単位体７１０からなるラミネーション・アンド・スタック方式の電極積層体が示されている。図１５には基本構造が分離膜／陰極／分離膜／陽極で示されているが、陽極と陰極の位置を変えて分離膜／陽極／分離膜／陰極の基本構造で形成されてもよい。また、図１５に示されているように、電極単位体の基本構造が分離膜／陰極／分離膜／陽極の場合は、電極積層体の最外郭に分離膜を介することなく陽極が露出するようになるため、容量などを考慮して電極設計をする際には、最外郭に露出する陽極として、露出面に活物質がコーティングされていない片面コーティング陽極を用いることが好ましい。なお、図１５には電極単位体が一つの基本構造を有するように示されているが、これに限定されず、基本構造が２個以上繰り返し積層されているものを一つの電極単位体として用いることもできる。
【００５２】
図１６には分離膜６０／陰極５０／分離膜６０／陽極４０の基本構造を有する電極単位体８１０と分離膜６０／陰極５０／分離膜６０の構造からなる電極構造体が積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）されてなる電極積層体が示されている。図１６のように、最外郭面に分離膜６０／陰極４０／分離膜６０の構造からなる電極構造体を積層する場合は、陽極４０が外部に露出することを防止できるのみならず、電気容量を高めることができるという長所がある。これと同様に、電極単位体の最外郭に陰極が位置する配列の場合は、上部に分離膜／陽極／分離膜の構造からなる電極構造体を積層することができ、陰極の容量を最大限に用いることができるという長所がある。
【００５３】
図１７には陰極５０／分離膜６０／陽極４０／分離膜６０の基本構造を有する電極単位体８１０'と陰極５０／分離膜６０／陽極４０／分離膜６０／陰極５０の構造を有する電極構造体８２０'が積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）されてなる電極積層体が示されている。図１７のように、電極積層体の最外郭面に陰極５０／分離膜６０／陽極４０／分離膜６０／陰極５０の構造を有する電極構造体８２０'が積層される場合は、陽極が外部に露出することを防止できるのみならず、電気容量も高めることができるという長所がある。
【００５４】
図１６及び図１７に例示されているように、ラミネーション・アンド・スタック方式で製造された電極積層体は、上述した基本構造を有する電極単位体とともに、単一電極、分離膜、または上記電極単位体と配列及び構成が異なる単位セルを組み合わせて用いることができる。特に、基本構造を有する電極単位体を積層したとき、陽極が外部に露出することを防止するための観点、及び／または電池容量の向上という観点において、電極積層体の最外郭の一面及び／または両面に単一電極、片面コーティング電極、分離膜、または上記電極単位体と配列及び構成が異なる単位セルを配置することができる。また、図１６及び図１７には電極積層体の上部に異なる構造の電極構造体が積層されているように示されているが、これに限定されず、必要に応じて、電極積層体の下部に異なる構造の電極構造体が積層されてもよく、上部及び下部の両方に異なる構造の電極構造体が積層されてもよい。
【００５５】
また、本発明において、上記単位セルは、陽極／分離膜／陰極／分離膜／陽極、または陰極／分離膜／陽極／分離膜／陰極などのように単位セルの最外郭の両面に配置される電極が同一極性を有してもよく、陽極／分離膜／陰極、または陽極／分離膜／陰極／分離膜／陽極／分離膜／陰極のように単位セルの最外郭の両面に配置される電極が逆の極性を有してもよい。
【００５６】
一方、本発明において、上記「スタック・アンド・フォールディング」は、長さが長いシート型分離フィルム上に単一電極及び／または少なくとも一つ以上の陽極、分離膜、陰極が積層された電極積層体を配置してからフォールディングする方式を称するもので、フォールディング方式とは特に制限されず、当該技術分野によく知られている多様なフォールディング方式、例えば、シート型分離フィルムをジグザグ状に折る方式（Ｚ−フォールディング型または屏風型ともいう）やシート型分離フィルムの一面に少なくとも一つ以上の陰極と陽極の間に分離膜を介して積層させた電極積層体を配置してから巻く方式、シート型分離フィルムの両面に単一電極を交互に配置してからシート型分離フィルムを巻く方式などのような多様なフォールディングを全て包括する概念で理解されなければならない。本明細書では、便宜上、ゼリーロール方式で製造された単位セルをゼリーロール型単位セル、スタック方式で製造された単位セルをスタック型単位セル、スタック・アンド・フォールディング方式で製造された単位セルをスタック・アンド・フォールディング型単位セルと称する。
【００５７】
本発明の電極組立体は、全幅Ｗの長さが同一で、全長Ｌの長さが相違する２種類以上の電極ユニットを段差が形成されるように積層することにより、従来に比べて多様な形状の電池を具現できるようにする。本発明において、上記全長Ｌの長さの差は、電極ユニットが積層されたときに段差を形成することができる程度であればよく、特に限定されず、所望する電池のデザインなどを考慮して自由に調節されることができる。例えば、本発明の一具現例において、電極組立体に含まれる二つの電極ユニットを比較したとき、相対的に全長Ｌの長さが長い電極ユニットを１００％としたとき、相対的に全長Ｌの長さが短い電極ユニットは２０％〜９５％の範囲、好ましくは３０〜９０％の範囲の長さを有することができる。
【００５８】
また、本発明の電極組立体においてそれぞれの電極ユニットの厚さは、特に制限されず、同一であってもよく、異なってもよい。例えば、本発明において、相対的に全長Ｌの長さが長い電極ユニットが相対的に全長Ｌの長さが短い電極ユニットより薄い厚さを有してもよく、厚い厚さを有してもよい。
【００５９】
一方、本発明の電極組立体は、互いに全長Ｌの長さが相違する電極ユニット間の境界面において、異なる極性の電極が対向するように配置することにより、電極ユニット間の境界面においても電気を貯蔵することができ、電気容量が増加する効果をもたらすことができる。このとき、上記「対向」とは、相対する方向に配置されていることを意味し、対向する両電極が接触する必要はなく、両電極の間に他の構成要素、例えば、分離膜及び／またはシート型分離フィルムが介在される場合を包括する概念である。
【００６０】
また、本発明の電極組立体は、全幅Ｗの長さが同一で、全長Ｌの長さが相違する２種類以上の電極ユニット間の境界面において、全長Ｌの長さが長い電極ユニットの陰極と全長Ｌの長さが短い電極の陽極が対向するように形成されることが好ましい。これは、全長Ｌの長さが相違する電極ユニット間の境界面に全長Ｌの長さが長い電極ユニットの陽極が配置される場合、上記電極ユニットの陽極からリチウム金属が析出されて電池寿命が短縮したり、電池の安定性が低下するという問題点が発生する可能性があるためである。
【００６１】
本発明の電極組立体は、異なる全長の長さを有する電極ユニットを含み、必要に応じて、それぞれの電極ユニットの厚さも異なるように構成することにより、非常に多様なデザインを具現することができるという長所がある。ただし、上述のように、単に全長の長さが異なる電極ユニットを製造して積層するのみでは商用化が可能な水準の容量及び耐久性を有する電極組立体を製造することが困難になるのみならず、電極ユニットの厚さが単位セルの厚さまたは単位電極の厚さの倍数に限定されるため、厚さ方向のデザイン自由度において多く制約されるという問題点がある。よって、本発明者らは、デザイン自由度、特に厚さ方向のデザイン自由度が従来より非常に優れるとともに、商用化が可能な程度の出力効率及び構造的安定性を有する電極組立体を製造するための研究を重ねた結果、全長の長さが相違する電極ユニット間の境界面におけるバランスを調節することにより、容量、耐久性及び厚さ方向のデザイン自由度が全て優れている電極組立体を生産できることを見出した。
【００６２】
このとき、上記全長の長さが相違する電極ユニット間の境界面におけるバランス（ｂａｌａｎｃｅ）が合うように調節されるとは、一定サイクル内において出力効率及び電池安定性が安定的に維持されるように、電極ユニット間の境界面において対向する陽極と陰極を設計することを意味する。これは、例えば、境界面における陽極と陰極の容量や厚さなどを適切に調節することにより達成されることができる。より具体的には、本発明の電極組立体は、２５℃において５００回の充放電を行ったときの電気容量が１回の充放電後の電気容量に対して６０％以上、電極組立体全体の厚さ変化率が１５％以下になるように、異なる全長の長さを有する電極ユニット間の境界面に対向する陽極と陰極を設計することが好ましい。
【００６３】
このとき、上記電気容量とは、下記のような充電条件（Ａ）及び放電条件（Ｂ）において測定された電気容量を意味する。また、充電と放電の間には１０分の休止時間を置いた。
【００６４】
充電条件（Ａ）：１Ｃの定電流（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）モードにおいて４．２５Ｖまたは４．３５Ｖまで充電した後、定電圧（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）モードに転換して充電電流の量が最小限の電池容量の１／２０になるまで電流を流してから充電を終了した。
【００６５】
放電条件（Ｂ）：定電流（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）モードにおいて１Ｃの放電電流を流し、電圧が３Ｖに達した時点で放電を終了した。
【００６６】
また、上記電極組立体の厚さ変化率とは、（５００回の充放電後の電極組立体全体の厚さ／１回の充放電後の電極組立体全体の厚さ）×１００を意味する。
【００６７】
一方、本発明者らは、長い研究の末に、全長の長さが相違する電極ユニット間の境界面において対向する陰極と陽極の単位面積当たりの可逆容量を特定条件を満たすように設計することにより、電極ユニット間の境界面におけるバランスを合わせることを見出した。
【００６８】
具体的には、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量をＮｎ、ｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量をＮｎ＋１、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量をＰｎ、ｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量をＰｎ＋１とするとき、本発明の電極組立体は、Ｐｎに対するＮｎの比率（即ち、Ｎｎ／Ｐｎ）がＰｎ＋１に対するＮｎの比率（即ち、Ｎｎ／Ｐｎ＋１）より大きくならないように形成されることができ、より具体的には、下記式１を満たすように構成されることが好ましい。
【００６９】
［数７］
Ｎｎ／Ｐｎ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１  …［式１］
【００７０】
このとき、上記ｎは１以上の整数である。
【００７１】
ここで、上記陰極の単位面積当たりの可逆容量とは、単位面積当たりの陰極の充電容量［ｍＡｈ／ｃｍ２］×陰極効率［％］で定義された値、上記単位面積当たりの陰極の充電容量とは、単位面積当たりの陰極活物質のローディング量［ｇ／ｃｍ２］×単位重量当たりの陰極の充電容量［ｍＡｈ／ｇ］で定義された値を意味する。また、上記陰極効率とは、陰極の充電容量に対する陰極の放電容量の比×１００で定義された値を意味する。なお、上記陽極の単位面積当たりの可逆容量とは、陽極活物質のローディング量［ｇ／ｃｍ２］×単位重量当たりの陽極の充電容量［ｍＡｈ／ｇ］−陰極の単位面積当たりの非可逆容量［ｍＡｈ］で定義された値を意味する。
【００７２】
さらに、陰極活物質ローディング量とは、陰極集電体にコーティングされる陰極活物質の単位面積当たりの重量、陽極活物質ローディング量とは、陽極集電体にコーティングされる陽極活物質の単位面積当たりの重量を意味する。また、上記単位重量当たりの陽極及び陰極の充電容量、放電容量及び非可逆容量は、それぞれ下記のような方法によって測定されることができる。
【００７３】
１）単位重量当たりの陽極の充電容量
評価しようとする陽極を半電池（ｈａｌｆ  Ｃｅｌｌ）に製作した後、相対電極をリチウム金属で構成し、０．１Ｃの定電流下において充電して作用電極電位が４．２５Ｖに達したときの電気容量を測定した。その後、測定された電気容量を陽極半電池の活物質の重量で割った値を単位重量当たりの陽極の充電容量とした。
【００７４】
２）単位重量当たりの陰極の充電容量
評価しようとする陰極を半電池（ｈａｌｆ  Ｃｅｌｌ）に製作した後、相対電極をリチウム金属で構成し、０．１Ｃの定電流下において充電して作用電極電位が１．６Ｖに達したときの電気容量を測定した。その後、測定された電気容量を陰極半電池の活物質の重量で割った値を単位重量当たりの陰極の充電容量とした。
【００７５】
３）単位重量当たりの陰極の放電容量
評価しようとする陰極を半電池（ｈａｌｆ  Ｃｅｌｌ）に製作した後、相対電極をリチウム金属で構成し、０．１Ｃの定電流下において充電して作用電極の電位が１．６Ｖに達した時点で、０．１Ｃの定電流下において放電して作用電極の電位が０Ｖに達したときの電気容量を測定した。その後、測定された電気容量を陰極半電池の活物質の重量で割った値を単位重量当たりの陰極の充電容量とした。
【００７６】
４）単位重量当たりの陰極の非可逆容量
上記のような方式で測定された陰極の充電容量と放電容量の差異を陰極半電池の活物質の重量で割った値である。
【００７７】
一方、本発明者らの研究によると、全長の長さが相違する電極ユニットからなる電極組立体の場合、それぞれの電極ユニットが円滑に動作するように設計されても、電極ユニットの界面における容量比率が上記式１を満たさないと、商用化が可能な水準の容量及び耐久性を有するのが困難であることが確認できた。このような結果は、従来サイズの電極ユニットからなる電極組立体からはまったく予測されないもので、全長の長さが相違する電極ユニットからなる電極組立体を製造するためには、従来の電極組立体の製造過程からは考えられなかった新たな要素を考慮する必要がある点を示す。また、上記式１を満たす場合、その範囲内において個別の電極ユニットの厚さを比較的自由に調節することができるため、厚さ方向のデザイン自由度を画期的に向上させることができるという効果がある。
【００７８】
また、これに制限されないが、経済性及び体積当たりのエネルギー密度などを考慮したとき、本発明の電極組立体において、上記Ｎｎ／Ｐｎ及びＮｎ／Ｐｎ＋１は１以上であることが好ましく、１〜１．２程度であることがより好ましい。即ち、本発明の電極組立体は、下記式１−１を満たすように構成されることができ、下記式１−２を満たすように構成されることがより好ましい。
【００７９】
［数８］
１≦Ｎｎ／Ｐｎ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１  …［式１−１］
【００８０】
［数９］
１≦Ｎｎ／Ｐｎ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１≦１．２  …［式１−２］
【００８１】
上記式１−１及び式１−２において、ｎ、Ｎｎ、Ｐｎ及びＰｎ＋１の定義は上記式１と同一である。
【００８２】
また、本発明の電極組立体が全長の長さが相違するｎ＋２個（ｎは１以上の整数）以上の電極ユニットを含む場合、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量をＮｎ、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量をＰｎ、ｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量をＮｎ＋１、ｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量をＰｎ＋１、及びｎ＋２番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量をＰｎ＋２とするとき、本発明の電極組立体において、Ｐｎ＋１に対するＮｎの比率（即ち、Ｎｎ／Ｐｎ＋１）は、Ｐｎに対するＮｎの比率（即ち、Ｎｎ／Ｐｎ）より小さくなく、Ｐｎ＋１に対するＮｎ＋１の比率（即ち、Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋１）より大きくならないように形成されることが好ましい。また、上記Ｐｎ＋１に対するＮｎ＋１の比率（即ち、Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋１）は、Ｐｎ＋２に対するＮｎ＋１の比率（即ち、Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２）より大きくならないように形成されることが好ましい。即ち、本発明の電極組立体が全長の長さが相違する３類以上の電極ユニットの組み合わせを含む場合、下記式２を満たすように構成されることが好ましい。
【００８３】
［数１０］
Ｎｎ／Ｐｎ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２  …［式２］
【００８４】
上記式２において、ｎは１以上の整数である。
【００８５】
また、経済性や体積当たりのエネルギー密度などを考慮したとき、本発明の電極組立体において、上記Ｎｎ／Ｐｎ、Ｎｎ／Ｐｎ＋１、Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋１及びＮｎ＋１／Ｐｎ＋２は１以上であることが好ましく、１〜１．２程度であることがより好ましい。即ち、本発明の電極組立体は、下記式２−１を満たすように構成されることがより好ましい。
【００８６】
［数１１］
１≦Ｎｎ／Ｐｎ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２  …［式２−１］
【００８７】
［数１２］
１≦Ｎｎ／Ｐｎ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２≦１．２  …［式２−２］
【００８８】
上記式２−１及び式２−２において、ｎ、Ｎｎ、Ｎｎ＋１、Ｐｎ及びＰｎ＋１の定義は上記と同一である。
【００８９】
また、本発明の電極組立体が全長の長さが相違するｎ＋２個以上の電極ユニットを含み、ｎ＋２番目に長い全長を有する電極ユニットがｎ番目に長い全長を有する電極ユニットとｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの間に介在される場合、上記Ｐｎ＋２に対するＮｎ＋１に対する比率（即ち、Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２）は、Ｐｎ＋２に対するＮｎの比率（Ｎｎ／Ｐｎ＋２）より小さくならないように形成されることが好ましい。即ち、本発明の電極組立体が全長の長さが相違する３種類以上の電極ユニットの組み合わせを含む場合、上記式２及び下記式３をともに満たすように構成されることがより好ましい。
【００９０】
［数１３］
Ｎｎ／Ｐｎ＋２≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２  …［式３］
【００９１】
上記式３において、ｎは１以上の整数、Ｎｎはｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｎｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量、及びＰｎ＋２はｎ＋２番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量である。
【００９２】
一方、本発明者らの研究によると、電極組立体に含まれる陽極及び陰極の可逆容量を上記のような条件を満たすように設計した場合、各電極ユニットの全長の長さ及び厚さを多様に変化させながら、優れた出力効率及び構造的安定性、即ち、２５℃において５００回の充放電を行ったときの電気容量が１回の充放電後の電気容量に対して６０％以上、電極組立体全体の厚さ変化率が１５％以下の電極組立体を得ることができる点が確認できた。
【００９３】
一方、本発明の電極組立体は、上記全長の長さが相違する電極ユニット間の境界面において対向する陽極の単位面積当たりの可逆容量に対する陰極の単位面積当たりの可逆容量比が１以上、好ましくは、１〜２、１〜１．５、１〜１．１、１〜１．０９、１．５〜２、１．０２〜１．０９、１．０５〜１．０９、１．０５、１．０６、１．０７、１．０８、または１．０９になるように設計されることができる。本発明者らの研究によると、境界面において対向する陽極に対する陰極の単位面積当たりの可溶容量比が１以上の条件を満たす範囲内では、電極ユニットの面積や厚さなどを比較的自由に変更させても商用可能な水準の電池容量及び耐久性を得ることができる点が確認できた。しかし、境界面において対向する陽極に対する陰極の単位面積当たりの可逆容量比が１未満の場合は、スウェリングが発生して電池安定性及び電極効率が急激に低下することが確認できた。
【００９４】
また、本発明の電極組立体が全長の長さが相違する３種類以上の電極ユニットの組み合わせを含む場合、上記電極ユニット間の境界面における単位面積当たりの陽極の可逆容量に対する単位面積当たりの陰極の可逆容量比は、同一であったり、電極ユニット間の接触面積が小さくなるほど大きくなるように設計されることが好ましい。即ち、全長の長さが最も長い電極ユニット（便宜上、第１電極ユニットとする）、全長の長さが中間の電極ユニット（便宜上、第２電極ユニットとする）、及び全長の長さが最も短い電極ユニット（便宜上、第３電極ユニットとする）を含む場合、上記第２電極ユニットと第３電極ユニットの境界面に配置された陽極に対する陰極の単位面積当たりの可逆容量比は、上記第１電極ユニットと第２電極ユニットの境界面に配置された陽極に対する陰極の単位面積当たりの可逆容量比と同一であるか、これより大きいことが好ましい。全長の長さが異なる電極ユニットの数が多くなると、電極ユニット間の境界面が２つ以上生じ、これら上記２つ以上の境界面におけるバランスが調節されなかった場合、構造的変形による電池安定性及び性能が低下する可能性がある。本発明者らの研究によると、全長の長さが相違する３種類以上の電極ユニットの組み合わせを含む場合、電極ユニット間の境界面に配置された陽極に対する陰極の単位面積当たりの可逆容量比が上記のように構成されるとき、構造的変形による電池安定性及び性能の低下を最大限に抑制することができる。
【００９５】
一方、異なる全長の長さを有する電極ユニット間の境界面における陽極と陰極のバランスを合わせるさらに他の方法としては、全長の長さが相違する電極ユニット間の境界面において対向する陽極の厚さと陰極の厚さの比率が特定範囲を満たすように設計する方法が挙げられる。例えば、本発明の電極組立体において、全長の長さが相違する電極ユニット間の境界面において対向する陽極の厚さに対する陰極の厚さの比率（即ち、陰極の厚さ／陽極の厚さ）は、０．５〜２程度であることができ、好ましくは０．７〜１．８、より好ましくは１．０〜１．４程度であることができる。電極ユニット間の境界面における対向する陽極と陰極の厚さの比率が０．５未満の場合は、陽極のリチウムイオンを受けることができる陰極サイトが不足し、リチウムイオンが析出されて性能及び設計容量に対して低い容量を示す可能性がある。また、２を超過すると、初期充電時にリチウムイオンを受けることができる陰極サイトが多くなって非可逆容量が大きくなって設計容量に対する実際の容量が低くなり、過剰の陰極が用いられて電池密度に対する容量の効率であるエネルギー密度が低くなる上、コーティング力が低下して陰極活物質が脱離するなどの問題点が発生するおそれがある。
【００９６】
また、上記陽極及び陰極の厚さは、イオンミリング装置（ＣＰ、ｃｒｏｓｓ  ｓｅｃｔｉｏｎ  ｐｏｌｉｓｈｅｒ）を用いて電極組立体を切断し、その断面を露出させた後、ＳＥＭ装備を用いて断面をスキャンすることにより測定されることができる。このとき、上記陽極及び陰極の厚さとは、電極集電体及び電極活物質層をともに含む厚さを意味する。例えば、電極活物質層が片面にコーティングされている片面電極の場合は活物質層と集電体を合わせた厚さを意味し、電極活物質層が両面にコーティングされている両面電極の場合、即ち、活物質層／集電体／活物質層からなる電極の場合は２つの活物質層と集電体を合わせた厚さを意味する。
【００９７】
より具体的には、本発明の電極組立体において、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の厚さをｄＮｎ、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の厚さをｄＰｎ、ｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の厚さをｄＰｎ＋１とするとき、ｄＰｎに対するｄＮｎの比率（即ち、ｄＮｎ／ｄＰｎ）がｄＰｎ＋１に対するｄＮｎの比率（即ち、ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１）より大きくならないように形成されることが好ましい。即ち、本発明の電極組立体は、下記式４を満たすように構成されることが好ましい。
【００９８】
［数１４］
ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１  …［式４］
【００９９】
上記式４において、ｎは１以上の整数である。
【０１００】
また、これに制限されないが、経済性及び単位体積当たりのエネルギー密度を考慮したとき、本発明の電極組立体において、上記ｄＮｎ／ｄＰｎ及びｄＮｎ／ｄＰｎ＋１は、好ましくは０．５〜２程度、より好ましくは０．６〜１．９程度、さらに好ましくは１．０〜１．５程度であることができる。即ち、本発明の電極組立体は、下記式４−１を満たすように構成されることが好ましく、下記式４−２を満たすように構成されることがより好ましく、下記式４−３を満たすように構成されることが最も好ましい。
【０１０１】
［数１５］
０．５≦ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１≦２  …［式４−１］
【０１０２】
［数１６］
０．６≦ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１≦１．９  …［式４−２］
【０１０３】
［数１７］
１．０≦ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１≦１．５  …［式４−３］
【０１０４】
このとき、上記式４−１、式４−２及び式４−３において、ｄＮｎ、ｄＰｎ及びｄＰｎ＋１の定義は上記と同一である。
【０１０５】
一方、本発明の電極組立体が全長の長さが相違するｎ＋２個以上の電極ユニットを含む場合、本発明の電極組立体は、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の厚さをｄＮｎ、ｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の厚さをｄＰｎ、ｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の厚さをｄＮｎ＋１、ｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の厚さをｄＰｎ＋１、及びｎ＋２番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の厚さをｄＰｎ＋２とするとき、ｄＰｎ＋１に対するｄＮｎの比率（即ち、ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１）がｄＰｎに対するｄＮｎの比率（即ち、ｄＮｎ／ｄＰｎ）より小さくなく、ｄＰｎ＋１に対するｄＮｎ＋１の比率（即ち、ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋１）より大きくならないように形成されることが好ましい。また、上記ｄＰｎ＋１に対するｄＮｎ＋１の比率（即ち、ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋１）は、ｄＰｎ＋２に対するｄＮｎ＋１の比率（即ち、ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２）より大きくならないように形成されることが好ましい。即ち、本発明の電極組立体が全長の長さが相違する３種類以上の電極ユニットを含む場合、下記式５を満たすように構成されることができる。
【０１０６】
［数１８］
ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２  …［式５］
【０１０７】
上記式５において、ｎは１以上の整数である。
【０１０８】
一方、これに制限されないが、経済性及び単位体積当たりのエネルギー密度を考慮したとき、本発明の電極組立体において、上記ｄＮｎ／ｄＰｎ、ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１、ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋１及びｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２は好ましくは０．５〜２程度、より好ましくは０．６〜１．９程度、さらに好ましくは１．０〜１．５程度であることができる。即ち、本発明の電極組立体は、下記式５−１を満たすように構成されることが好ましく、下記式５−２を満たすように構成されることがより好ましく、下記式５−３を満たすように構成されることが最も好ましい。
【０１０９】
［数１９］
０．５≦ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２≦２  …［式５−１］
【０１１０】
［数２０］
０．６≦ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２≦１．９  …［式５−２］
【０１１１】
［数２１］
１．０≦ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２≦１．５  …［式５−３］
【０１１２】
このとき、上記式５−１、式５−２及び式５−３において、ｄＮｎ、ｄＮｎ＋１、ｄＰｎ及びｄＰｎ＋１の定義は式５と同一である。
【０１１３】
また、本発明の電極組立体が全長の長さが相違する３種類以上の電極ユニットを含み、ｎ＋２番目に長い全長を有する電極ユニットがｎ番目に長い全長を有する電極ユニットとｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの間に介在される場合、上記ｄＰｎ＋２に対するｄＮｎ＋１の比率（即ち、ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２）は、ｄＰｎ＋２に対するｄＮｎの比率（即ち、ｄＮｎ／ｄＰｎ＋２）より小さくならないように形成されることが好ましい。即ち、本発明の電極組立体は、上記式５及び下記式６をともに満たすように構成されることがより好ましい。
【０１１４】
［数２２］
ｄＮｎ／ｄＰｎ＋２≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２  …［式６］
【０１１５】
上記式６において、ｎは１以上の整数、ｄＮｎはｎ番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＮｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＰｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の厚さ、及びｄＰｎ＋２はｎ＋２番目に長い全長を有する電極ユニットの陽極の厚さである。
【０１１６】
上記のように、電極ユニット間の境界面における陽極と陰極の厚さを調節する方法は、可逆容量比を調節する方法に比べて設計が単純になるという長所がある。ただし、用いられる電極の仕様が電極ユニットによって異なる場合、厚さ比率のみではバランスが合わないことがある。したがって、このような場合、境界面における陽極と陰極の可逆容量比を調節する方法によって電極組立体を設計することが好ましい。しかし、それぞれの電極ユニットに用いられる電極の仕様が同一または異なる場合、使用される陰極活物質の充電容量が陽極活物質の充電容量の１．５倍〜３倍程度、好ましくは１．８倍〜２．５倍程度の場合、電極ユニット間の境界面における陽極と陰極の厚さを上記のような範囲で設計することにより、境界面におけるバランスを容易に合わせることができる。
【０１１７】
一方、本発明の電極組立体に含まれるそれぞれの陽極及び陰極は、電極ユニット間の境界面におけるバランスが合うように設計されればよく、それぞれの電極の厚さや空隙率、ローディング量などは特に限定されない。
【０１１８】
例えば、本発明の電極組立体に含まれる陽極及び陰極の厚さは、用いられる電極活物質の種類や具現しようとする電池容量などを考慮して適宜選択されることができる。例えば、本発明の電極組立体において、陽極の厚さは５０〜１５０μｍ、８０〜１４０μｍ、または１００〜１５０μｍ程度であることができ、上記陰極の厚さは８０〜２００μｍ、１００〜２００μｍ、または１００〜１５０μｍ程度であることができる。
【０１１９】
また、本発明の電極組立体に含まれる陽極及び陰極において、電極活物質の単位面積当たりのコーティング量（ローディング量とも言う）は、特に制限されず、用いられる電極活物質の種類や具現しようとする電池容量などを考慮して適宜選択されることができる。例えば、本発明において、陽極活物質の単位面積当たりのコーティング量は１０ｍｇ／ｃｍ２〜３０ｍｇ／ｃｍ２程度、１０ｍｇ／ｃｍ２〜２５ｍｇ／ｃｍ２程度、または１５ｍｇ／ｃｍ２〜３０ｍｇ／ｃｍ２程度であることができ、陰極活物質の単位面積当たりのコーティング量は５ｍｇ／ｃｍ２〜２０ｍｇ／ｃｍ２程度、５ｍｇ／ｃｍ２〜１５ｍｇ／ｃｍ２程度、または１０ｍｇ／ｃｍ２〜２０ｍｇ／ｃｍ２程度であることができる。
【０１２０】
また、上記陽極及び陰極において、空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）は、特に制限されず、用いられる電極活物質の種類、具現しようとする電池容量などを考慮して適宜選択されることができる。例えば、本発明において、陽極の空隙率は１０〜３０％程度、１５〜３０％程度、または１０〜２５％程度であることができ、陰極の空隙率は１５〜５０％程度、２０〜５０％程度、または１５％〜４０％程度であることができる。
【０１２１】
本発明者らの研究によると、電極組立体に含まれる陽極及び陰極の厚さを上記のよう条件を満たすように設計する場合、各電極ユニットの全長の長さ及び／または厚さを多様に変化させながらも、優れた出力効率及び構造的安定性、即ち、２５℃において５００回の充放電を行ったときの電気容量が１回の充放電後の電気容量に対して６０％以上、電極組立体全体の厚さ変化率が１５％以下の電極組立体を得ることができる点が確認された。
【０１２２】
一方、本発明の電極組立体に含まれる電極ユニットは非常に多様な組み合わせで形成されることができる。以下では、図面を参照して本発明の電極ユニットの構成についてより具体的に説明する。図２から図５には本発明による電極組立体における電極ユニットの構成を示す多様な実施例が示されている。
【０１２３】
図２には本発明の一実施例として図１のような形態で積層されたスタック型単位セルからなる電極ユニットを含む電極組立体をＡ−Ａ'に沿って切断した断面図が示されている。図２のように、本発明の電極組立体は、全長Ｌの長さが相違する３種の電極ユニット１１０、１２０、１３０からなることができる。このとき、上記電極ユニットは、陽極４０及び陰極５０が分離膜６０を介して積層されたスタック型単位セルを含んで構成されることができる。このとき、上記それぞれの電極ユニットは、電極ユニット１３０のように一つの単位セル１０５からなることができ、電極ユニット１１０または１２０のような全幅Ｗの長さ及び全長Ｌの長さが同一の２個以上の単位セル１０１、１０２、１０３、１０４の組み合わせからなることもできる。また、図２には電極ユニットを構成する単位セルが全てスタック型単位セルの場合が例示されているが、本発明はこれに限定されない。即ち、本発明において、電極ユニットは、スタック型単位セル以外に、ゼリーロール型単位セル、スタック・アンド・フォールディング型単位セルで構成されることもできる。また、これらの単位セルと単一電極の組み合わせからなることができ、異なる種類の単位セルの組み合わせからなることもできる。
【０１２４】
例えば、図３にはゼリーロール型単位セルと単一電極の組み合わせからなる電極ユニットを含む電極組立体の断面図が示されている。図３のように、本発明の電極組立体は、例えば、全長Ｌの長さが相違する２種の電極ユニット２１０、２２０からなることができる。このとき、相対的に全長Ｌの長さが短い電極ユニット２１０はゼリーロール型単位セル２０１と単一電極２０２の組み合わせからなり、相対的に全長の長さが長い電極ユニット２２０はゼリーロール型単位セル２０３からなることができる。このとき、ゼリーロール型単位セル２０１、２０３は、陰極シート５０'と陽極シート４０'が分離膜６０'を介した状態で巻取され、電池の安定性を考慮したとき、陰極シートが外側に露出するように巻取されることが好ましく、上記単一電極２０２は陽極であることが好ましい。ただし、本発明はこれに制限されず、陽極シートが外側に露出するように巻取されたゼリーロール型単位セルを用いることもできる。この場合、外部に露出する部分に陽極活物質をコーティングしない無地部を形成することが好ましい。
【０１２５】
また、図３にはゼリーロール型単位セルと単一電極の組み合わせからなる電極ユニットと、一つのゼリーロール型単位セルからなる電極ユニットと、が示されているが、本発明はこれに制限されず、スタック型単位セル及び／またはスタック・アンド・フォールディング型単位セルと単一電極を組み合わせて一つの電極ユニットを構成したり、異なる種類の２種以上の単位セルを組み合わせて一つの電極ユニットを構成することもできる。
【０１２６】
例えば、図４に示されているように、スタック型単位セルとスタック・アンド・フォールディング型単位セルを組み合わせて本発明の電極組立体を具現することもできる。図４に示されているように、本発明の電極組立体は、全長Ｌの長さが相違する３種の電極ユニット３１０、３２０、３３０からなることができる。このとき、最も全長Ｌの長さが短い電極ユニット３１０及び最も全長Ｌの長さが長い電極ユニット３３０はスタック型単位セルからなり、全長Ｌの長さが中間の電極ユニット３２０はスタック・アンド・フォールディング型単位セルからなることができる。このうち、最も全長Ｌの長さが短い電極ユニット３１０は、陰極５０／分離膜６０／陽極４０／分離膜６０／陰極５０／分離膜６０／陽極４０の構造からなるスタック型単位セル、最も全長Ｌの長さが長い電極ユニット３３０は陰極５０／分離膜６０／陽極４０／分離膜６０／陰極５０／分離膜６０／陽極４０／分離膜６０／陰極５０の構造からなるスタック型単位セルからなることができる。このように、本発明の単位セルは、最外郭の両面に配置される電極の極性が異なってもよく、同一であってもよい。また、一つの単位セルに一つ以上の陽極及び／または一つ以上の陰極を含むこともできる。また、全長Ｌの長さが中間の電極ユニット３２０は、シート型分離フィルム７０によって陰極、陽極及び分離膜を含む電極積層体が巻かれて積層されたスタック・アンド・フォールディング型単位セルからなることができる。
【０１２７】
また、図５には単一電極からなる電極ユニットの一例が示されている。図５のように、本発明の電極組立体は、単一電極からなる電極ユニット４２０と、一つ以上の単位セル４０１、４０２からなる電極ユニット４１０と、を含んで構成されることができる。
【０１２８】
以上で説明した通り、本発明の電極組立体において、一つの電極ユニットは、単一電極、少なくとも一つ以上の単位セル、またはこれらの組み合わせからなることができる。このとき、上記単位セルとしては、当該技術分野において一般的に用いられる多様な単位セル、例えば、スタック型、ゼリーロール型、スタック・アンド・フォールディング型単位セル及び／またはこれらの組み合わせが制限なく用いられることができる。また、上記図２から図５に示された構成以外にも、多様な電極ユニットの組み合わせが存在することができ、このような変形例は全て本発明の範疇に属すると理解されなければならない。
【０１２９】
また、本発明の電極組立体は、電極ユニットを構成する単一電極及び単位セルの一部または全部が少なくとも一つのシート型分離フィルムによって覆われている構造からなることもできる。図６にはシート型分離フィルムによって電極ユニットを構成する単一電極及び単位セルの一部または全部が覆われている構造で形成された本発明の電極組立体の一具現例が示されている。図６のように、電極ユニット５１０、５２０、５３０を構成する単位セル５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７をシート型分離フィルム７０を用いて覆う場合、シート型分離フィルム７０によって電池膨張が抑制される効果があるため、電池の安定性をより向上させることができる。一方、図６において、点線に示された部分にはシート型分離フィルムがなくてもよい。
【０１３０】
なお、図６にはシート型分離フィルム７０が単位セル５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７をジグザグ方式で覆うように示されているが、本発明はこれに限定されず、シート型分離フィルムで単一電極及び／または単位セルを巻く方式は多様に具現されることができる。
【０１３１】
例えば、図７に示されているように、シート型分離フィルム６７０上に全幅Ｗの長さが同一で、全長Ｌの長さが相違する単位セル６０１、６０２、６０３、６０４、６０５、６０６、６０７を適切な間隔で配列した後、シート型分離フィルムを巻くことにより、本発明の電極積層体を製造することができる。
【０１３２】
また、図面に示されてはいないが、シート型分離フィルムの一面に陽極を所定の間隔で配列し、その反対面に陰極を所定の間隔で配列した後、シート型分離フィルムを巻く方式で本発明の電極積層体を製造したり、２枚のシート型分離フィルムを準備し、このうち一つのシート型分離フィルムには陰極を所定の配列で積層し、他の一つのシート型分離フィルムには陽極を所定の配列で積層した後、２枚のシート型分離フィルムをともに巻く方式で電極積層体を製造することもできる。他にも、シート型分離フィルムを用いて電極ユニットの一部または全部を覆う方法は、製造しようとする電極積層体の形状などによって多様に存在することができ、このような多様な変更例は全て本発明の範疇に属する。
【０１３３】
一方、本発明の上記電極積層体に含まれる陽極、陰極及び分離膜の材質は、特に限定されず、当該技術分野に知られている陽極、陰極及び分離膜を制限なく用いることができる。例えば、上記陰極は、銅、ニッケル、アルミニウムまたはこれらのうち少なくとも１種以上含まれた合金によって製造された陰極電流集電体にリチウム金属、リチウム合金、カーボン、石油コークス、活性化カーボン、グラファイト、シリコン化合物、スズ化合物、チタニウム化合物またはこれらの合金などのような陰極活物質をコーティングして形成されたものであることができる。また、上記陽極は、例えば、アルミニウム、ニッケル、銅またはこれらのうち少なくとも１種以上含まれた合金によって製造された陽極電流集電体にリチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムリン酸鉄またはこれらのうち１種以上が含まれた化合物及び混合物などのような陽極活物質をコーティングして形成されたものであることができる。このとき、一つの単位セルを構成する陽極及び陰極において電極活物質がコーティングされる面積は同一であってもよく、異なってもよい。例えば、図２の単位セルは陰極及び陽極にコーティングされた電極活物質のコーティング面積が同一の場合、図４の単位セルは陰極及び陽極にコーティングされた電極活物質のコーティング面積が異なる場合を示す。また、上記電極活物質は、電流集電体の両面にコーティングされてもよく、無地部などの形成のために電流集電体の一面のみにコーティングされてもよい。
【０１３４】
また、上記分離膜は、例えば、微細多孔構造を有するポリエチレン、ポリプロピレンまたはこれらの組み合わせによって製造される多層フィルム、またはポリビニリデンフルオライド、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンフルオライドヘキサフルオロプロピレン共重合体のような固体高分子電解質用もしくはゲル型高分子電解質用高分子フィルムであることができる。
【０１３５】
また、本発明の電極組立体において、上記電極ユニットは、少なくとも一つ以上の電極タブを備えることができる。一般に、電極ユニットが単一電極で構成される場合（例えば、図５の４２０）は一つの電極タブのみを備え、単位セルを含んで構成される場合は陰極電極タブ及び陽極電極タブをともに備える。上記電極タブは、ケース挿入後に、同一極性の電極同士が電気的に連結される。一方、本発明において、上記電極タブの面積や配列位置などは、特に限定されないが、電極ユニットの四辺のうち同一辺の上に位置することが好ましい。例えば、上記電極タブは、電極ユニットの全幅方向または全長方向の辺に形成されることができ、特に全長方向の辺に電極タブが形成される場合は、全長の長さが最も小さい電極ユニットの全長の長さ内に電極タブが位置するように配置することが好ましい。
【０１３６】
また、本発明において、上記電極タブは、電極ユニットの多様な位置に配置されることができ、例えば、同一極性の電極タブの一部または全部が重なるように配置されることができる。従来の電極組立体は、電池ケースの挿入後に電極タブの電気的連結を容易にするために、同一極性の電極タブを全部重なるように配置することが一般的であった。ただし、この場合、電極積層数が多くなると、電極タブの厚さが厚くなって電極タブ間の接合性が低下するという問題点があり得る。電極タブを全部重なるように配置せず、一部のみ重なるように配置すると、上記のような問題点を大幅に減少させることができる。
【０１３７】
本発明では、面積が異なる電極タブを使用し、これらの電極タブを一部のみが重なるように配列することにより、電気容量を極大化させながら、電極タブの接合性も向上させることができる。図８には本発明の電極組立体に適用されることができる電極タブの一具現例が示されている。図８のように、本発明の電極組立体は、電極ユニットによって面積が異なる電極タブ１０、２０、３０を使用し、これらの電極タブのうち一部のみが重なるように配列することができる。
【０１３８】
また、本発明の電極ユニットは、相対する二辺の長さがそれぞれ同一の四辺で構成されることができる。例えば、本発明の電極ユニットは、長方形、正方形、平行四辺形、ひし形などのような四角形で形成されることができる。また、一つ以上の角が面取りされたり、曲線からなる形状であることもできる。他にも、多様な形態の電極ユニットが存在することができ、このような変更例は全て本発明の範疇に属するものと理解されなければならない。
【０１３９】
また、本発明の電極組立体は、同一の形状の電極ユニットを積層して構成されることができ、図１１に示されているように、異なる形状の電極ユニットを組み合わせて用いることもできる。このように、電極ユニットの形状を多様に形成することにより、多様な形態のバッテリーデザインを具現することができるとともに、空間活用度も向上させることができる。
【０１４０】
一方、本発明の電極組立体は、図９に示されているように、上記全幅Ｗの長さが同一で、全長Ｌの長さが相違する２つ以上の電極ユニットを多様な配列で積層することができる。電極ユニットの積層方法は、特に限定されず、例えば、図９の（ａ）に示されているように、電極組立体の下部方向から上部方向に向かって電極ユニットの全長Ｌの長さが小さくなる配列で電極ユニットを積層することができる。また、これとは逆に、図９の（ｂ）に示されているように、電極組立体の下部方向から上部方向に向かって電極ユニットの全長Ｌの長さが大きくなる配列で電極ユニットを積層することもできる。また、図９の（ｃ）に示されているように、電極ユニットのうち最も全長Ｌの長さが長い電極ユニットが上記電極組立体の中間層に配置される配列で積層することもできる。
【０１４１】
また、本発明の電極組立体において、例えば、図９の（ａ）に示されているように、上記電極ユニットはそれぞれの電極ユニットの平面方向の中心点が一致する配列で積層されたり、図９の（ｄ）に示されているように、それぞれの電極ユニットの平面方向の中心点が所定の間隔で離隔される配列で積層されてそれぞれの電極ユニットの全幅Ｗの一辺が一致する配列で積層されることもできる。
【０１４２】
他にも、非常に多様な積層配列の変形が可能で、このような多様な変形例は全て本発明の範疇に属すると理解されなければならない。
【０１４３】
以下では、本発明の電池セルについて説明する。図１０及び図１１には本発明の電池セルの一実施例が示されている。図１０及び図１１に示されているように、本発明の電池セル９００は、電池ケース９１０の内部に本発明の電極組立体１００が内蔵されることを特徴とする。
【０１４４】
このとき、上記電池ケース９１０は、パウチ型ケースで、電極組立体の形状に対応する形状であることができるが、これに限定されない。
【０１４５】
一方、上記パウチ型ケースは、ラミネートシートからなることができる。このとき、上記ラミネートシートは、最外郭をなす外側樹脂層、物質の貫通を防止する遮断性金属層、密封のための内側樹脂層からなることができるが、これに限定されない。
【０１４６】
また、上記電池ケースは、電極組立体の電極ユニットの電気端子を電気的に連結するための電極リード９２０、９３０が外部に露出する構造で形成されることが好ましく、図面に示されていはいないが、上記電極リードの上下面には電極リードを保護するための絶縁フィルムが付着されることができる。
【０１４７】
なお、上記電池ケースは、本発明の電極組立体の形状に対応する形状を有するように形成されることができ、このような電池ケースの形状は電池ケース自体を変更して形成する方式で形成されることができる。このとき、電池ケースの形状及びサイズと電極組立体の形状及びサイズが完全に一致する必要はなく、電極組立体のずれ現象による内部短絡を防止できるほどの形状及びサイズであればよい。一方、本発明の電池ケースの形状はこれに限定されず、必要に応じて、多様な形状及びサイズの電池ケースが用いられることができる。
【０１４８】
さらに、上記電池セルは、リチウムイオン電池またはリチウムイオンポリマー電池であることが好ましいが、これに限定されない。
【０１４９】
上記のような本発明の電池セルは、単独で用いられることができ、電池セルを少なくとも一つ以上含む電池パックの形態で用いられることもできる。このような本発明の電池セル及び／または電池パックは、多様なデバイス、例えば、携帯電話や携帯用コンピュータ、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車または電力貯蔵装置などに有利に用いられることができる。これらデバイスの構造及びその製作方法は当業界に公知されているため、本明細書ではこれに対する詳細な説明を省略する。
【０１５０】
一方、本発明の電池セルまたは電池パックが上記のようなデバイスに装着される場合、本発明の電池セルまたは電池パックの構造によって形成された剰余空間にデバイスのシステム部品を位置させることができる。本発明の電池セルまたは電池パックは、サイズが異なる電極組立体で形成されるため、電極組立体自体が段差を有するように形成され、電池ケースを電極形状に合うように形成し、これをデバイス装着すると、従来の角形または楕円形の電池セルまたは電池パックには存在しなかった剰余空間が発生するようになる。このような剰余空間にデバイスのシステム部品を装着する場合、デバイスのシステム部品と電池セルまたは電池パックを柔軟に配置することができるため、空間活用度を向上させるのみならず、全体のデバイスの厚さまたは体積を減少させてスリムなデザインを具現することができる。
【０１５１】
以下では、実施例を通じて本発明をより具体的に説明する。下記実施例は、本発明の理解を助けるために例示したものに過ぎず、本発明の範囲はこれに制限されるものではない。
【０１５２】
製造例１：陽極Ａ
陽極活物質としてＬｉＣｏＯ２、バインダーとしてＰＶＤＦ（ＰｏｌｙＶｉｎｙｌｉＤｅｎｅ  Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）を使用し、上記陽極活物質及びバインダーをＮ−メチル−２−ピロリドン（Ｎ−Ｍｅｔｈｙｌ−２−Ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ、ＮＭＰ）に溶かした後、混合して陽極ペーストを製造した。上記陽極ペーストを厚さ１５μｍのアルミニウムホイルの集電体両面に塗布し、１５０度のオーブンにおいて乾燥してからプレスして陽極Ａを製造した。製造された陽極Ａは、厚さが１００μｍ、空隙率が２１％、可逆容量が３３５ｍＡｈであった。
【０１５３】
製造例２：陽極Ｂ
陽極の厚さが１１０μｍになるようにした点を除いては、製造例１と同一方法で陽極Ｂを製造した。製造された陽極Ｂは、厚さが１１０μｍ、空隙率が２１％、可逆容量が３７５ｍＡｈであった。
【０１５４】
製造例３：陰極Ａ
陰極活物質として天然黒鉛と人造黒鉛をブレンドしたもの、バインダーとしてスチレン・ブタジエンゴム（Ｓｔｙｒｅｎｅ−Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ  Ｒｕｂｂｅｒ、ＳＢＲ）及びカルボキシメチルセルロース（Ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌ  Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ、ＣＭＣ）を使用し、上記陰極活物質とバインダーを蒸留水に溶かした後、混合して陰極ペーストを製作した。このように製造して得られたペーストを厚さ１０μｍの銅ホイルの集電体両面に塗布し、１００℃のオーブンにおいて熱処理してからプレスして陰極Ａを製造した。製造された陰極Ａは、厚さが１０５μｍ、空隙率が２７％、可逆容量が３４８ｍＡｈであった。
【０１５５】
製造例４：陰極Ｂ
陰極の厚さが１０８μｍになるようにした点を除いては、製造例３と同一方法で陰極Ｂを製造した。製造された陰極Ｂは、厚さが１０５μｍ、空隙率が２７％、可逆容量が３５９ｍＡｈであった。
【０１５６】
製造例５：陰極Ｃ
陰極の厚さが１１８．８μｍになるようにした点を除いては、製造例３と同一方法で陰極Ｃを製造した。製造された陰極Ｃは、厚さが１１８．８μｍ、空隙率が２７％、可逆容量が４００ｍＡｈであった。
【０１５７】
製造例６：陰極Ｄ
陰極の厚さが９０μｍになるようにした点を除いては、製造例３と同一方法で陰極Ｄを製造した。製造された陰極Ｄは、厚さが９０μｍ、空隙率が２７％、可逆容量が２９４ｍＡｈであった。
【０１５８】
製造例７：陰極Ｅ
陰極の厚さが１４０μｍになるようにした点を除いては、製造例３と同一方法で陰極Ｅを製造した。製造された陰極Ｅは、厚さが１４０μｍ、空隙率が２７％、可逆容量が４６５ｍＡｈでった。
【０１５９】
実施例１
陽極Ａ及び陰極Ａを１００ｍｍ×１５０ｍｍに裁断した後、分離膜を介して積層した大面積の電極ユニット上に、陽極Ａ及び陰極Ａを１００ｍｍ×１２０ｍｍに裁断した後、分離膜を介して積層した小面積の電極ユニット大面積の電極ユニットを積層することにより電極組立体を製造した。
【０１６０】
実施例２
陽極Ａ及び陰極Ａを１００ｍｍ×１５０ｍｍに裁断した後、分離膜を介して積層した大面積の電極ユニット上に、陽極Ａ及び陰極Ｂを１００ｍｍ×１２０ｍｍに裁断した後、分離膜を介して積層した小面積の電極ユニットを積層することにより電極組立体を製造した。
【０１６１】
比較例１
陽極Ａ及び陰極Ｂを１００ｍｍ×１５０ｍｍに裁断した後、分離膜を介して積層した大面積の電極ユニット上に、陽極Ｂ及び陰極Ｃを１００ｍｍ×１２０ｍｍに裁断した後、分離膜を介して積層した小面積の電極ユニットを積層することにより電極組立体を製造した。
【０１６２】
比較例２
陽極Ａ及び陰極Ｄを１００ｍｍ×１５０ｍｍに裁断した後、分離膜を介して積層した大面積の電極ユニット上に、陽極Ａ及び陰極Ａを１００ｍｍ×１２０ｍｍに裁断した後、分離膜を介して積層した小面積の電極ユニットを積層することにより電極組立体を製造した。
【０１６３】
一方、下記表２、表３及び実験例１、２における「大面積電極ユニット」とは全長の長さが長い電極ユニット、「小面積電極ユニット」とは全長の長さが短い電極ユニットを意味する。
【０１６４】
【表１】
2015506563.tif 000003
【０１６５】
実験例１
上記実施例１〜２及び比較例１〜２によって製造された電極組立体を５００回充放電したときの電気容量及び厚さ変化を測定した。
【０１６６】
このとき、上記電気容量は、下記のような充電条件及び放電条件下において測定されており、充電と放電の間には１０分の休止時間を置いた。
【０１６７】
（１）充電条件：１ＣのＣＣ（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）モードにおいて４．２Ｖまたは４．３５Ｖまで充電した後、定電圧（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）モードに転換して充電電流の量が最小限の電池容量の１／２０になるまで電流を流してから充電を終了した。
【０１６８】
（２）放電条件：ＣＣ（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）モードにおいて１Ｃの放電電流を流し、電圧が３Ｖに達した時点で放電を終了した。
【０１６９】
また、上記電極組立体の厚さ変化率は、充放電が１回完了するごとに、電極組立体の全体厚さを測定して計算した。
【０１７０】
測定結果は図１２に示した通りである。図１２を参照すると、本発明によって製造された実施例１及び２の電極組立体の場合、５００サイクルの後にも、測定された電気容量が１回の充放電後に測定された電気容量に対して８０％以上と非常に優れ、厚さ変化率も１０％以下であるのに対し、比較例１及び２の電極組立体では４００サイクル〜５００サイクルの間で電気容量の変化及び厚さ変化が急激に発生したことが分かる。
【０１７１】
実験例２
陽極Ａと陰極Ｅを１００ｍｍ×１２０ｍｍにそれぞれ裁断した後、分離膜を介して積層して小面積の電極ユニットを製造した。
【０１７２】
その後、陰極の厚さを下記表２に示されているように変化させた点を除いては、製造例３と同一方法で陰極１〜８を製造した。製造された陰極１〜８の可逆容量は下記表２に記載の通りである。続いて、陽極Ａ及び陰極１〜８を１００ｍｍ×１５０ｍｍにそれぞれ裁断した後、分離膜を介して積層した大面積の電極ユニット１〜８を製造した。
【０１７３】
次に、大面積の電極ユニット１〜８上に小面積の電極ユニットをそれぞれ積層し、電極組立体１〜８を製造した。
【０１７４】
【表２】
2015506563.tif 000004
【０１７５】
上記のように製造された電極組立体１〜８を、下記のような充電条件及び放電条件で１回の充放電を行い、電気容量及び電圧を測定し、測定された電気容量と電圧を掛けて電気エネルギーを算出した。その後、算出された電気エネルギー値を電極組立体の体積で割って単位体積当たりのエネルギー密度を計算した。
【０１７６】
（１）充電条件：１ＣのＣＣ（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）モードにおいて４．２Ｖまたは４．３５Ｖまで充電した後、ＣＶ（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）モードに転換して充電電流の量が最小限の電池容量の１／２０になるまで電流を流してから充電を終了した。
【０１７７】
（２）放電条件：ＣＣ（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）モードにおいて１Ｃの放電電流を流し、電圧が３Ｖに達した時点で放電を終了した。
【０１７８】
（３）充電と放電の間には１０分の休止時間を置いた。
【０１７９】
図１３は上記測定値に基づいた電極ユニット間の境界面における陽極に対する陰極の単位面積当たりの可逆容量比によるエネルギー密度を示したグラフ、図１４は上記測定値に基づいた電極ユニット間の境界面における陽極に対する陰極の厚さ比率によるエネルギー密度を示したグラフである。
【０１８０】
図１３によると、電極ユニット間の境界面における陽極に対する陰極の単位面積当たりの可逆容量比が１〜１．５程度、特に１〜１．２程度であると、単位体積当たりのエネルギー密度が非常に高いことが分かる。また、図１２に示されているように、境界面における単位面積当たりの可逆容量比が１以下の場合も、商用化が可能な程度のエネルギー密度を得ることができるが、上記実験例１で説明した通り、充放電サイクルが繰り返されるにつれ、電気容量が低下し、厚さ変化が発生するため商用化が困難であるという問題点があった。
【０１８１】
また、図１４によると、電極ユニット間の境界面における陽極に対する陰極の厚さ比率が０．５〜２以内であるとき、単位体積当たりのエネルギー密度が３００Ｗｈ／ｌ以上と商用化が可能な水準で、電極の厚さ比率が０．６〜１．９程度であるとき、単位体積当たりのエネルギー密度が３５０Ｗｈ／ｌ以上と非常に優れたエネルギー密度を示し、電極の厚さ比率が０．８〜１．５程度、特に１．０〜１．５程度であるとき、単位体積当たりのエネルギー密度が４００Ｗｈ／ｌ以上と非常に優れたエネルギー密度を示す。
【符号の説明】
【０１８２】
１０、２０、３０  電極タブ
４０、４０'  陽極
５０、５０'  陰極
６０、６０'  分離膜
７０、６７０  シート型分離フィルム
１００  電極組立体
１１０、１２０、１３０、３１０、３２０、３３０、４１０、４２０、５１０、５２０、５３０  電極ユニット
９００  電池セル
９１０  電池ケース
９２０、９３０  電極リード
【図１】
2015506563.tif 000005
【図２】
2015506563.tif 000006
【図３】
2015506563.tif 000007
【図４】
2015506563.tif 000008
【図５】
2015506563.tif 000009
【図６】
2015506563.tif 000010
【図７】
2015506563.tif 000011
【図８（ａ）】
2015506563.tif 000012
【図８（ｂ）】
2015506563.tif 000013
【図９（ａ）】
2015506563.tif 000014
【図９（ｂ）】
2015506563.tif 000015
【図９（ｃ）】
2015506563.tif 000016
【図９（ｄ）】
2015506563.tif 000017
【図１０】
2015506563.tif 000018
【図１１】
2015506563.tif 000019
【図１２】
2015506563.tif 000020
【図１３】
2015506563.tif 000021
【図１４】
2015506563.tif 000022
【図１５】
2015506563.tif 000023
【図１６】
2015506563.tif 000024
【図１７】
2015506563.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成26年6月16日(2014.6.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
３）単位重量当たりの陰極の放電容量
評価しようとする陰極を半電池（ｈａｌｆ  Ｃｅｌｌ）に製作した後、相対電極をリチウム金属で構成し、０．１Ｃの定電流下において充電して作用電極の電位が１．６Ｖに達した時点で、０．１Ｃの定電流下において放電して作用電極の電位が０Ｖに達したときの電気容量を測定した。その後、測定された電気容量を陰極半電池の活物質の重量で割った値を単位重量当たりの陰極の放電容量とした。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３１】
例えば、図７に示されているように、シート型分離フィルム上に全幅Ｗの長さが同一で、全長Ｌの長さが相違する単位セル６０１、６０２、６０３、６０４、６０５、６０６、６０７を適切な間隔で配列した後、シート型分離フィルムを巻くことにより、本発明の電極積層体を製造することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６３】
一方、下記表１、表２及び実験例１、２における「大面積電極ユニット」とは全長の長さが長い電極ユニット、「小面積電極ユニット」とは全長の長さが短い電極ユニットを意味する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６４】
【表１】
2015506563.tif 000026
【手続補正５】
【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】
全幅の長さが同一で、全長の長さが相違する２つ以上の電極ユニットの組み合わせを含み、
前記電極ユニット間に段差が形成されるように積層され、
前記全長の長さが相違する電極ユニット間の境界面において陽極と陰極が対向するように形成され、下記式１−１を満たす、電極組立体。
［数１］
１≦Ｎｎ／Ｐｎ  ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１  …［式１−１］
前記式１−１において、ｎは１以上の整数、Ｎｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量である。
【請求項２】
前記電極組立体は下記式１−２を満たす、請求項１に記載の電極組立体。
［数２］
１≦Ｎｎ／Ｐｎ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１≦１．２  …［式１−２］
前記式１−２において、ｎは１以上の整数、Ｎｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量である。
【請求項３】
前記全幅の長さが同一であり、全長の長さが相違する２つ以上の電極ユニット間の境界面において、相対的に全長の長さが長い電極ユニットの陰極と相対的に全長の長さが短い電極ユニットの陽極が対向するように形成される、請求項１又は２に記載の電極組立体。
【請求項４】
前記電極組立体は、２５℃において下記充電条件（Ａ）及び放電条件（Ｂ）で５００回の充放電を行ったときの電気容量が１回の充放電後の電気容量に対して６０％以上、電極組立体全体の厚さ変化率が１５％以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の電極組立体。
充電条件（Ａ）：１Ｃの定電流（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）モードにおいて４．２Ｖまたは４．３５Ｖまで充電した後、定電圧（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）モードに転換して充電電流の量が最小限の電池容量の１／２０になるまで電流を流してから充電を終了する。
放電条件（Ｂ）：定電流（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）モードにおいて１Ｃの放電電流を流し、電圧が３Ｖに達した時点で放電を終了する。
【請求項５】
下記式２を満たす、請求項１から４のいずれか一項に記載の電極組立体。
［数３］
Ｎｎ／Ｐｎ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２  …［式２］
前記式２において、ｎは１以上の整数、Ｎｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｎｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎ＋２はｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量である。
【請求項６】
下記式２−１を満たす、請求項５に記載の電極組立体。
［数４］
１≦Ｎｎ／Ｐｎ≦Ｎｎ／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋１≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２  …［式２−１］
前記式２−１において、ｎは１以上の整数、Ｎｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｎｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎ＋２はｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量である。
【請求項７】
前記電極組立体は、ｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットがｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットとｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットとの間に介在され、下記式３を満たす、請求項５に記載の電極組立体。
［数５］
Ｎｎ／Ｐｎ＋２≦Ｎｎ＋１／Ｐｎ＋２  …［式３］
前記式３において、ｎは１以上の整数、Ｎｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｎｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の単位面積当たりの可逆容量、Ｐｎ＋２はｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の単位面積当たりの可逆容量である。
【請求項８】
下記式４を満たす、請求項１から７のいずれか一項に記載の電極組立体。
［数６］
ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１  …［式４］
前記式４において、ｎは１以上の整数、ｄＮｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＰｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さ、ｄＰｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さである。
【請求項９】
下記式４−１を満たす、請求項１から８のいずれか一項に記載の電極組立体。
［数７］
０．５≦ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１≦２  …［式４−１］
前記式４−１において、ｎは１以上の整数、ｄＮｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＰｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さ、ｄＰｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さである。
【請求項１０】
下記式５を満たす、請求項１から９のいずれか一項に記載の電極組立体。
［数８］
ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２  …［式５］
前記式５において、ｎは１以上の整数であり、ｄＮｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＮｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＰｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さ、ｄＰｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さ、ｄＰｎ＋２はｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さである。
【請求項１１】
下記式５−１を満たす、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電極組立体。
［数９］
０．５≦ｄＮｎ／ｄＰｎ≦ｄＮｎ／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋１≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２≦２  …［式５−１］
前記式５−１において、ｎは１以上の整数であり、ｄＮｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＮｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＰｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さ、ｄＰｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さ、ｄＰｎ＋２はｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さである。
【請求項１２】
前記電極組立体は、ｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットがｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットとｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットとの間に介在され、下記式６を満たす、請求項１０に記載の電極組立体。
［数１０］
ｄＮｎ／ｄＰｎ＋２≦ｄＮｎ＋１／ｄＰｎ＋２  …［式６］
前記式６において、ｎは１以上の整数、ｄＮｎはｎ番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＮｎ＋１はｎ＋１番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陰極の厚さ、ｄＰｎ＋２はｎ＋２番目に長い全長の長さを有する電極ユニットの陽極の厚さである。
【請求項１３】
全長の長さが相違する３種類以上の電極ユニットの組み合わせを含み、
前記電極ユニット間の境界面において対向する陽極の単位面積当たりの可逆容量に対する陰極の単位面積当たりの可逆容量比は、同一であったり、前記電極ユニット間の接触面積が小さくなるほど増加する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項１４】
前記電極ユニットは、単一電極と、少なくとも一つの陽極、少なくとも一つの陰極、及び少なくとも一つの分離膜を含む少なくとも一つ以上の単位セルと、またはこれらの組み合わせからなる、請求項１から１３のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項１５】
前記単位セルは、ゼリーロール型、スタック型、ラミネーション・アンド・スタック型及びスタック・アンド・フォールディング型単位セルからなる群より選択される、請求項１４に記載の電極組立体。
【請求項１６】
前記電極ユニットを構成する単一電極及び単位セルの一部または全部が少なくとも一つのシート型分離フィルムによって覆われる構造からなる、請求項１から１５のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項１７】
前記単位セルは、最外郭の両面に配置される電極の極性が同一である、請求項１４に記載の電極組立体。
【請求項１８】
前記単位セルは、最外郭の両面に配置される電極の極性が異なる、請求項１４に記載の電極組立体。
【請求項１９】
前記電極ユニットのそれぞれは、その断面形状が四角形、少なくとも一つの角が曲線からなる四角形、または少なくとも一つ以上の角が曲線状である、請求項１から１８のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項２０】
前記電極組立体は、断面形状が同一の電極ユニットの組み合わせからなる、請求項１から１９のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項２１】
前記電極ユニットは、少なくとも一つ以上の電極タブを有し、
前記電極タブは同一極性の電極同士が重なるように積層される、請求項１から２０のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項２２】
前記電極タブは異なるサイズを有する、請求項２１に記載の電極組立体。
【請求項２３】
前記電極組立体の下部方向から上部方向に向かって電極ユニットの全長の長さが短くなる配列で積層される、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項２４】
前記電極組立体の下部方向から上部方向に向かって電極ユニットの全長の長さが長くなる配列で積層される、請求項１から２３のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項２５】
前記電極ユニットのうち最も全長の長さが大きい電極ユニットが前記電極組立体の中間層に配置される配列で積層される、請求項１から２３のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項２６】
前記電極ユニットは、それぞれの電極ユニットの平面方向の中心点が一致する配列で積層される、請求項１から２３のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項２７】
前記電極ユニットは、それぞれの電極ユニットの平面方向の中心点が所定の間隔で離隔される配列で積層される、請求項１から２６のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項２８】
前記電極ユニットは、それぞれの電極ユニットの全幅の一辺が一致する配列で積層される、請求項１から２６のいずれか一項に記載の電極組立体。
【請求項２９】
請求項１から２８のいずれか一項の電極組立体が電池ケースに内蔵される、電池セル。
【請求項３０】
前記電池ケースはパウチ型ケースである、請求項２９に記載の電池セル。
【請求項３１】
前記電池ケースは、電極組立体の形状に対応する形状からなる、請求項２９又は３０に記載の電池セル。
【請求項３２】
前記電池セルは、リチウムイオン二次電池またはリチウムイオンポリマー二次電池である、請求項２９から３１のいずれか一項に記載の電池セル。
【請求項３３】
請求項２９から３２のいずれか一項の電池セルを一つ以上含む、デバイス。
【請求項３４】
前記電池セルの剰余空間にデバイスのシステム部品が位置する、請求項３３に記載のデバイス。
【請求項３５】
前記デバイスは、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車または電力貯蔵装置である、請求項３４に記載のデバイス。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2015506563.tif 000027
【国際調査報告】
2015506563.tif 000028
2015506563.tif 000029
2015506563.tif 000030
2015506563.tif 000031