(57)【要約】  本発明は、セパレータの収縮率を減少させることができる、安定性が向上された二次電池用バイセル及びその製造方法に関し、本発明の好ましい実施の形態に係る安定性が向上された二次電池用バイセルは：正極が負極より１層多いか、負極が正極より１層多い状態で前記正極と負極が交互に配置され、前記正極と負極よりさらに大きいサイズを有し、前記正極と前記負極を絶縁するセパレータが前記正極と前記負極との間に介在され、正極又は負極を挟んで互いに対向する上部セパレータの縁部と下部セパレータの縁部とは互いに付着され融着部をなす。
2015511764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極が負極より１層多いか、負極が正極より１層多い状態で前記正極と負極が交互に配置され、
前記正極と前記負極よりさらに大きいサイズを有し、前記正極と前記負極を絶縁するセパレータが前記正極と前記負極との間に介在され、
前記正極又は前記負極を挟んで互いに対向する上部セパレータの縁部と下部セパレータの縁部とは互いに付着され融着部をなすことを特徴とする、二次電池用バイセル。
【請求項２】
前記上部セパレータと前記下部セパレータの表面にはバインダー層が形成され、
前記融着部は、前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部とを互いに当接させたまま加熱及び加圧することによって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池用バイセル。
【請求項３】
前記融着部は、前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部とに５０℃〜１００℃の熱と、１０gf/ｃｍ２〜２０gf/ｃｍ２の圧力とを加えることによって形成されることを特徴とする、請求項２に記載の二次電池用バイセル。
【請求項４】
前記融着部は、前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部とに３〜５秒間熱と圧力を加えて形成されることを特徴とする、請求項３に記載の二次電池用バイセル。
【請求項５】
前記融着部を形成するために前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部とに加わる圧力は、正極及び負極を前記セパレータに付着する圧力より低いことを特徴とする、請求項２から４のいずれか一項に記載の二次電池用バイセル。
【請求項６】
正極が負極より１層多いか、負極が正極より１層多いように正極及び負極を交互に配置し、前記正極と前記負極よりさらに大きいサイズのセパレータを前記正極と前記負極との間に介在するステップS１０;及び
前記正極又は前記負極を挟んで互いに対向する上部セパレータの縁部と下部セパレータの縁部とを互いに付着して融着部を形成するステップS２０;を含む、二次電池用バイセルの製造方法。
【請求項７】
前記上部セパレータと前記下部セパレータの表面にはバインダー層が形成され、
前記ステップS２０は、前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部とを互いに当接させたまま加熱及び加圧することによってなされることを特徴とする、請求項６に記載の二次電池用バイセルの製造方法。
【請求項８】
前記ステップS２０は、前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部とに５０℃〜１００℃の熱と、１０gf/ｃｍ２〜２０gf/ｃｍ２の圧力とを加えることによってなされることを特徴とする、請求項７に記載の二次電池用バイセルの製造方法。
【請求項９】
前記ステップS２０は、前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部とに３〜５秒間熱と圧力を加えることによってなされることを特徴とする、請求項８に記載の二次電池用バイセルの製造方法。
【請求項１０】
前記ステップS２０で、融着部を形成するために前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部とに加わる圧力は、正極及び負極を前記セパレータに付着する圧力より低いことを特徴とする、請求項７から９のいずれか一項に記載の二次電池用バイセルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安定性が向上された二次電池用バイセル及びその製造方法に関し、より詳細には、セパレータの収縮率を減少させることができる安定性が向上された二次電池用バイセル及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２０１３年２月２６日に出願された韓国特許出願第１０-２０１３-００２０２５４号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された全ての内容は本出願に援用される。
【０００３】
一般に、モバイル機器に対する技術開発と需要の増加で二次電池の需要が急激に増加しており、その中でも、エネルギー密度と動作電圧が高く、保存と寿命特性に優れたリチウム(イオン/ポリマー)二次電池は、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】
リチウム二次電池は、通常、電極とセパレータが順次積層され形成された電極組立体と、前記電極組立体及び電解質を収容するケース又はポーチとからなる。さらに、電極組立体は、単位セル(unit cell)又はバイセル(bi-cell)を主要構成としてなる。
【０００５】
韓国公開特許第２００８-００９５７７０号を参照すると、正極、セパレータ、負極、セパレータ、正極が順次積層されたバイセルと、負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極が順次積層されたバイセルが開示されている。
【０００６】
このようなバイセルは、電極(正極又は負極)とセパレータを互いに交互に配置し、各層を付着させることによって形成される。
【０００７】
通常、電極の表面とセパレータの表面にはそれぞれバインダー層が形成されているので、電極とセパレータに熱と圧力を加えることになれば、電極とセパレータが互いに付着され、このような方式でバイセルが形成され得る。
【０００８】
セパレータは、主にポリマー材質で形成され、熱によって収縮される性質を有する。したがって、二次電池の外部から熱が加えられるか二次電池の内部で熱が発生することになると、セパレータが収縮され、これにより、正極と負極が当接して短絡(short)が発生し得る危険性がある。
【０００９】
このような現象を防止するため、電極よりさらに大きいサイズのセパレータがバイセルに適用される。しかし、このようなセパレータでバイセルを形成すると、分離膜の縁部は電極と付着されない状態で維持され、通常は、セパレータの縁部に対する特別な処理なしで、一連の二次電池の製造工程が継続して行われる。
【００１０】
しかし、電極の短絡を確実に防止するためには、セパレータを電極よりかなり大きく製造しなければならず、これにより、結局、二次電池の体積は増えることとなる。
【００１１】
また、セパレータが必要以上に多く用いられるので、二次電池の製造コストが上昇するとの問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、前述した問題点を解決するために着想されたものであって、従来の技術に比べて小さい大きさのセパレータを用いることができる安定性が向上された二次電池用バイセル及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明の他の目的は、従来の技術と同じ大きさ又は多少小さい大きさのセパレータを用いるとしても、従来の技術より安定性が向上された二次電池用バイセル及びその製造方法を提供することにある。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、二次電池の製造コストを低減することができる安定性が向上された二次電池用バイセル及びそ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】
【００１５】
前記のような目的を達成するために、本発明の好ましい実施の形態に係る安定性が向上された二次電池用バイセルは：正極が負極より１層多いか、負極が正極より１層多い状態で前記正極と負極が交互に配置され、前記正極と負極よりさらに大きいサイズを有し、前記正極と前記負極を絶縁するセパレータが前記正極と前記負極との間に介在され、正極又は負極を挟んで互いに対向する上部セパレータの縁部と下部セパレータの縁部とは互いに付着され融着部をなす。
【００１６】
好ましくは、前記上部セパレータと前記下部セパレータの表面にはバインダー層が形成され、前記融着部は、前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部とを互いに当接したまま加熱及び加圧することによって形成される。
【００１７】
好ましくは、前記融着部は、前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部とに５０℃〜１００℃の熱と、１０gf/ｃｍ２〜２０gf/ｃｍ２の圧力とを加えることによって形成される。
【００１８】
好ましくは、前記融着部は、前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部とに３〜５秒間、熱と圧力を加えて形成される。
【００１９】
好ましくは、前記融着部を形成するために前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部とに加わる圧力は、正極及び負極を前記セパレータに付着する圧力より低い。
【００２０】
また、前記のような目的を達成するために、本発明の好ましい実施の形態に係る安定性が向上された二次電池用バイセルの製造方法は：正極が負極より１層多いか、負極が正極より１層多いように正極及び負極を交互に配置し、前記正極と負極よりさらに大きいサイズのセパレータを前記正極と負極との間に介在するステップS１０;及び正極又は負極を挟んで互いに対向する上部セパレータの縁部と下部セパレータの縁部とを互いに付着して融着部を形成するステップS２０;を含む。
【００２１】
好ましくは、前記上部セパレータと前記下部セパレータの表面にはバインダー層が形成され、前記S２０ステップは、前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部を互いに当接したまま加熱及び加圧することによってなされる。
【００２２】
好ましくは、前記S２０ステップは、前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部とに５０℃〜１００℃の熱と、１０gf/ｃｍ２〜２０gf/ｃｍ２の圧力とを加えることによってなされる。
【００２３】
好ましくは、前記S２０ステップは、前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部とに３〜５秒間、熱と圧力を加えることによってなされる。
【００２４】
好ましくは、前記S２０ステップで、融着部を形成するために前記上部セパレータの縁部と前記下部セパレータの縁部とに加わる圧力は、正極及び負極を前記セパレータに付着する圧力より低い。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、次のような効果がある。
【００２６】
第一、従来の技術に比べて小さい大きさのセパレータを用いることができる、安定性が向上された二次電池用バイセル及びその製造方法を提供することができる。
【００２７】
第二、従来の技術と同じ大きさ又は多少小さい大きさのセパレータを用いるとしても、従来の技術より安定性が向上された二次電池用バイセル及びその製造方法を提供することができる。
【００２８】
第三、二次電池の体積を減らすことができる、安定性が向上された二次電池用バイセル及びその製造方法を提供することができる。
【００２９】
第四、二次電池の製造コストを低減させることができる、安定性が向上された二次電池用バイセル及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
以下の図等は、本発明の好ましい実施の形態を例示するものであり、前述された発明の詳細な説明とともに、本発明の技術思想をさらに理解させる役割をするものなので、本発明はそのような図に記載された事項のみに限定されて解釈されてはならない。
【図１】二次電池用バイセルの断面図であって、セパレータの縁部が固定されていない状態を示す。
【図２】二次電池用バイセルの断面図であって、セパレータの縁部が互いに付着され融着部が形成された状態を示す。
【図３】本発明の好ましい実施の形態に係る二次電池用バイセルの製造方法を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図を参照し、本発明の好ましい実施の形態に係る、安定性が向上された二次電池用バイセル及びその製造方法に対して詳細に説明する。
【００３２】
本明細書及び特許請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的且つ辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は、自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるとの原則に立脚して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念として解釈されるべきである。したがって、本明細書に記載された実施の形態と図に示された構成は、本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想を全て代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替することができる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
【００３３】
図での各構成要素又はその構成要素をなす特定部分の大きさは、説明の便宜及び明確性のため誇張されたり省略されたり又は概略的に示された。したがって、各構成要素の大きさは実際の大きさを完全に反映するものではない。関連された公知機能や構成に対する具体的な説明が、本発明の要旨を不要にぼかす可能性があると判断される場合、そのような説明は省略する。
【００３４】
図１は二次電池用バイセルの断面図であって、セパレータの縁部が固定されていない状態を示し、図２は二次電池用バイセルの断面図であって、セパレータの縁部が互いに付着され融着部が形成された状態を示す。
【００３５】
図１及び図２を参照し、本発明の好ましい実施の形態に係る、安定性が向上された二次電池用バイセル(以下、「バイセル」とする)に対して説明する。
【００３６】
本発明の好ましい実施の形態に係るバイセル１は、正極２と、負極４と、前記正極２と負極４を絶縁するセパレータ１０とを備える。
【００３７】
また、正極２が負極４より１層多いか、負極４が正極２より１層多い状態で、前記正極２と負極４は交互に配置され、正極２と負極４よりさらに大きいサイズを有するセパレータ１０は、前記正極２と前記負極４との間に介在される。
【００３８】
図１及び図２に示されたセパレータ１０を、その位置に応じてそれぞれ上部セパレータ１２と下部セパレータ１４と称する。
【００３９】
本発明の好ましい実施の形態に係るバイセル１は、正極２、上部セパレータ１２、負極４、下部セパレータ１４、正極２の順に積層されるか、負極４、上部セパレータ１２、正極２、下部セパレータ１４、負極４の順に積層されてもよい。
【００４０】
上部セパレータ１２の縁部と下部セパレータ１４の縁部とは、正極２又は負極４を挟んで互いに対向しており、図１の状態で各セパレータ１０の縁部を互いに当接させて付着すれば、図２に示したように融着部１６が形成される。
【００４１】
図３は、本発明の好ましい実施の形態に係る二次電池用バイセルの製造方法を示すブロック図である。
【００４２】
図３を参照すると、本発明の好ましい実施の形態に係るバイセルの製造方法は、以下のステップを含んでなる。
【００４３】
まず、正極２が負極４より１層多いか、負極４が正極２より１層多いように正極２及び負極４を交互に配置し、正極２と負極４よりさらに大きいサイズのセパレータ１０を正極２と負極４との間に介在するステップS１０を行う。
【００４４】
次に、正極２又は負極４を挟んで互いに対向する上部セパレータ１２の縁部と下部セパレータ１４の縁部とを互いに付着して融着部１６を形成するステップS２０を行う。
【００４５】
前記S１０ステップとS２０ステップを行うと、図２に示した本発明の好ましい実施の形態に係るバイセル１が製造され得る。
【００４６】
上部セパレータ１２と下部セパレータ１４の表面にはバインダー層が形成されている。
【００４７】
前記S２０ステップで、上部セパレータ１２の縁部と下部セパレータ１４の縁部とを互いに当接したまま加熱及び加圧すると、上部セパレータ１２と下部セパレータ１４の表面にそれぞれ形成されたバインダー層が互いに融着され、これにより、上部セパレータ１２の縁部と下部セパレータ１４の縁部とが融着部１６をなすことになる。
【００４８】
上部セパレータ１２と下部セパレータ１４は、通常、ポリマーの中でもポリオレフィン系の材質で形成され得るが、ポリオレフィン系の材質でなるセパレータ１０は融点が略１２０〜１４０℃なので、融点に近い温度をセパレータ１０に加える場合、セパレータ１０の縁部は容易に融着され得る。しかし、融点に近い温度により、セパレータ１０の縁部だけでなく、電極２、４と当接しているセパレータ１０の内側も溶融され得る。
【００４９】
一方、セパレータ１０は、電極２、４の間に介在され、イオンを通過させる役割を行うが、電極２、４と当接しているセパレータ１０の内側まで溶融される場合には、セパレータ１０に形成されている微細な空隙が詰まってしまうこととなり、イオンが通過できる面積が減少することになり、実質的に充放電に用いられる電極２、４の有効面積が小さくなる結果をもたらす。
【００５０】
逆に、ポリオレフィン系のセパレータ１０の融点より過度に低い温度の熱(例えば、略３０℃〜４０℃の熱)をセパレータ１０の縁部に加えるとしても、セパレータ１０が全く溶融されないため、セパレータに融着部１６を形成することができない。融着部１６を形成するために、セパレータ１０の縁部に熱を加える工程で発生し得る数多くの変数を考慮したとき、セパレータ１０の縁部に加わる熱は１００℃を超えないように設定し、セパレータ１０の非正常的な過剰溶融を防止することが好ましく、セパレータ１０を加圧しつつ熱を加えるとき、セパレータ１０の溶融が発生し得る最低温度である５０℃以上の熱をセパレータ１０に加え、融着部１６が未成形されることを防止することが好ましい。
【００５１】
一方、セパレータ１０の縁部に圧力を加えると、セパレータ１０の縁部の厚さが減り、これと逆にセパレータ１０の縁部の面積は広くなることになる。
【００５２】
通常、二次電池用バイセルを用いて製造した電極組立体を仕上げる過程は、セパレータの縁部をテープなどを用いて仕上げる過程を含むことができ、電極２、４が矩形である場合を想定したとき、セパレータ１０の縁部は、電極２、４の４つの角から全て突出され、電極組立体の４つの角全てをテープを用いて仕上げるためには、少なくとも２つのテープを互いに直交する方向に沿って電極組立体を取り囲まなければならない。
【００５３】
このような方式で電極組立体を仕上げるときには、電極組立体の２つの角が接する地点(すなわち、頂点の部分)のセパレータを仕上げるのが最も難しく、電極組立体のきちんとした仕上げのためにはセパレータの縁部の面積が狭いことが有利である。また、常識的にセパレータの縁部が過度に平たく押されると、セパレータの縁部の面積が大いに増加し得るので、セパレータの縁部に過度に強い圧力を加えることは、セパレータの仕上げ品質を阻害し得る。
【００５４】
このような観点からみたとき、本発明でセパレータ１０の縁部に２０gf/ｃｍ２以上の圧力を加えると、セパレータ１０の縁部の面積が大いに増加することがあり得、これに伴い電極組立体の仕上げが困難になる。
【００５５】
逆に、セパレータ１０の縁部に１０gf/ｃｍ２より低い圧力を加えるときは、上部セパレータ１２と下部セパレータ１４の縁部を付着するのが容易でない。したがって、電極組立体の仕上げの容易性だけでなく、上部セパレータ１２と下部セパレータ１４の縁部の付着の容易性もともに追求するため、セパレータ１０の縁部に加える圧力は、１０gf/ｃｍ２〜２０gf/ｃｍ２であることが好ましい。
【００５６】
一方、上部セパレータ１２の縁部と下部セパレータ１４の縁部とに、前述した範囲内の熱と圧力を加える時間が過度に短いと、上部セパレータ１２と下部セパレータ１４の縁部が互いに付着し難く、略３秒以上の熱と圧力を加えてこそセパレータ１０の縁部を融着部１６に形成することができる。
【００５７】
しかし、融着部１６を形成するために、上部セパレータ１２と下部セパレータ１４の縁部に５秒以上の熱と圧力を加える場合には、セパレータ１０の縁部だけでなく、電極２、４と当接しているセパレータ１０の内側まで溶融される可能性を排除することができない。また、融着部１６を形成するために５秒以上の時間を割くのであれば、バイセル１の生産性が低下することとなる。したがって、融着部１６を形成するために、上部セパレータ１２と下部セパレータ１４の縁部に熱と圧力が加わる時間は３〜５秒であることが好ましい。
【００５８】
一方、正極２及び負極４をセパレータ１０に付着するには約１００Kgf/ｃｍ２の圧力が必要であるが、前述したように、融着部１６を形成するために上部セパレータ１２の縁部と下部セパレータ１４の縁部とに加わる圧力は１０gf/ｃｍ２〜２０gf/ｃｍ２の圧力であれば充分であるので、正極２及び負極４をセパレータ１０に付着する圧力よりはるかに低い圧力でも融着部１６を形成することができる。
【００５９】
以下では、本発明に係るバイセル１の効果を検証するために行った実験に対して説明する。
【００６０】
<比較例>
図１に示されているように、セパレータ１０の縁部が重なっていない場合に該当し、１５０℃で３０分間加熱した結果、２０〜２４％の収縮率を示すことが確認された。
【００６１】
<実験例１>
セパレータ１０の縁部が重なっているが、互いに付着されてはいない場合に該当し、１５０℃で３０分間加熱した結果、１６〜１８％の収縮率を示すことが確認された。
【００６２】
<実験例２>
図２に示されているように、セパレータ１０の縁部が互いに付着され融着部１６をなす場合に相当し、１５０℃で３０分間加熱した結果、９〜１２％の収縮率を示すことが確認された。
【００６３】
本発明に係るバイセル１は実験例２に該当し、従来の技術は比較例に該当する。
【００６４】
実験例１と比較例を比較すると、セパレータ１０が別に正極２及び負極４の間に積層されているのに比べて、セパレータ１０が二重に重なっている状態で、セパレータ１０の収縮率が減少するとのことが分かる。
【００６５】
また、実験例２と実験例１を比較すると、セパレータ１０が単に二重に重なっている状態に比べ、セパレータ１０が二重に重なり、これとともに互いに付着された状態では、セパレータ１０の収縮率がさらに減少するとのことを確認することができる。
【００６６】
結局、本発明に係るバイセル１は、セパレータ１０が重なっていることによる収縮率減少効果と、セパレータ１０が互いに付着されたことによる収縮率減少効果とが加わり、従来の技術に比べてセパレータ１０の収縮率が１/２以下に減少することになる効果がある。
【００６７】
したがって、本発明の場合、セパレータ１０の両面に位置した電極２、４が互いに短絡される危険性が低く、よって、従来の技術に比べてバイセル１の安定性が向上されるとのメリットがある。また、従来の技術と同じ大きさ又は多少小さい大きさのセパレータ１０を用いるとしても、従来の技術より安定性が向上されたバイセル１を製造することができる。
【００６８】
また、従来の技術と同等な程度の安定性を有するバイセル１を製造するために必要なセパレータ１０の面積は従来の技術より小さいので、二次電池の体積を減らすことができる。
【００６９】
さらに、従来の技術に比べて狭い面積のセパレータ１０をバイセル１に適用しても構わないため、バイセル１の製造コストを節減することができるとの効果がある。
【００７０】
以上において、本発明はたとえ限定された実施の形態と図によって説明されたが、本発明はこれにより限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術思想と下記に記載される特許請求の範囲の均等範囲内で様々な修正及び変形が可能であることはもちろんである。
【符号の説明】
【００７１】
１：バイセル
２：正極
４：負極
１０：セパレータ
１２：上部セパレータ
１４：下部セパレータ
１６：融着部
【図１】
2015511764.tif 000003
【図２】
2015511764.tif 000004
【図３】
2015511764.tif 000005
【国際調査報告】
2015511764.tif 000006
2015511764.tif 000007
2015511764.tif 000008
2015511764.tif 000009