(57)【要約】【課題】外部衝撃に対しても構造的に安定であり、電極押され現象を防止し、電解液に対する電極組立体の濡れ性を向上させ、究極的に電池の安全性、性能及び寿命特性を改善することができる電極組立体及びそれを含む二次電池を提供する。【解決手段】複数の積層型単位セルを長いシート状の分離フィルムで巻き取った構造の電極組立体であって、分離フィルムのうち、電極組立体の側面を取り囲む分離フィルムの当該部位に電解液の出入りを容易にする複数の貫通孔が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の積層型単位セルを長いシート状の分離フィルムで巻き取った構造を備えてなり、
前記分離フィルムのうち、電極組立体の側面を取り囲む分離フィルムが当該分離フィルムの部位に電解液の出入りを容易にする複数の貫通孔が形成されてなるものである、電極組立体。
【請求項２】
前記電極組立体の外面における上面および／または下面を取り囲む分離フィルムの部位にも、複数の貫通孔がさらに形成されてなるものである、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項３】
前記積層型単位セルが、バイセルまたはフルセルである、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項４】
前記分離フィルムの巻取の外端部が、それに接する分離フィルム上に接着部材を用いて付着され、又は、熱融着により付着されてなる、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項５】
前記貫通孔が５μｍ乃至１０ｍｍの直径を有するものである、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項６】
前記貫通孔が２０μｍ乃至１ｍｍの直径を有するものである、請求項５に記載の電極組立体。
【請求項７】
前記貫通孔が、その直径に対応する大きさを有するパンチで分離フィルムを切り取って形成されてなるものである、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項８】
前記貫通孔が、所定の大きさの直径を有する針状体で分離フィルムを部分的に破断して形成されてなるものである、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項９】
前記貫通孔が、電極組立体の製造のための巻取のために、分離フィルム上に単位セルを位置させる際、前記単位セル間の離隔幅に対応する位置上に複数個形成されてなる、請求項１に記載の電極組立体。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の電極組立体を含んでなる、二次電池。
【請求項１１】
前記二次電池が、電極組立体にリチウム含有電解液を含浸させて製造されてなるものである、請求項１０に記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造的安定性と電解液に対する濡れ性に優れた電極組立体に関し、より詳しくは、複数の積層状単位セルを長いシート状の分離フィルムで巻き取った構造からなり、前記分離フィルムのうち、電極組立体の側面を取り囲む分離フィルムの当該部位には、電解液の出入りを容易にする複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする電極組立体、及びそのような電極組立体を含んでなる二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイル機器に対する技術開発と需要の増加により、二次電池の需要も急増しており、その中でも、エネルギー密度と作動電圧が高く、保存と寿命特性に優れたリチウム二次電池は、各種のモバイル機器はもとより、様々な電子製品のエネルギー源として広く用いられている。
【０００３】
二次電池は、外部及び内部の構造的特徴により、ほぼ円筒形電池、角形電池及びパウチ形電池に分類され、その中でも、高い集積度で積層され、長さに対して小さな幅を有した角形電池とパウチ形電池が特に注目されている。
【０００４】
二次電池を構成する正極／分離膜／負極構造の電極組立体は、その構造により、ジェリーロール型（巻取型）またはスタック型（積層型）に大別される。ジェリーロール型の電極組立体は、集電体として用いられる金属箔に電極活物質などをコートし、乾燥及びプレスした後、所望の幅と長さのバンド状に裁断し、分離膜を用いて負極と正極を隔膜した後、螺旋状に巻き取って製造される。ジェリーロール型電極組立体は、円筒状電池には適合しているが、角形またはパウチ形電池に適用するにおいては、電極活物質の剥離問題、低い空間活用性などの短所を有している。これに対して、スタック型電極組立体は、複数の正極及び負極単位セルを順次積層した構造であり、角形の形態が容易に得られるという長所があるが、製造過程が煩雑であり、衝撃が加えられたとき、電極が押されて短絡が引き起こされるという短所があった。
【０００５】
このような問題点を解決するために、前記ジェリーロール型とスタック型の混合形態である一歩進んだ構造の電極組立体であって、一定の単位サイズの正極／分離膜／負極構造のフルセルまたは正極（負極）／分離膜／負極（正極）／分離膜／正極（負極）構造のバイセルを長い長さの連続的な分離フィルムを用いて、フォールドした構造のスタック−フォールド型電極組立体が開発され、これは、本出願人による特許文献１乃至３に詳細に開示されている。
【０００６】
一般に、スタック−フォールド型電極組立体は、その外面が分離フィルムで取り囲んでおり、一部のフルセルまたはバイセルの側面で、分離フィルムが多層に存在するので、電池の製造過程において、電解液の含浸時、濡れ性に劣るという短所を有している。電解液は、電池の作動に必須な構成要素であるので、電解液の低い濡れ性は、電池の性能低下及び寿命短縮などをもたらす。
【０００７】
また、本出願人による特許文献４には、電極組立体の濡れ性を向上させるために、正極と負極、及びその間に介在される分離膜に貫通孔を形成する技術が開示されている。しかし、上述した技術は、電極そのものに孔を開けるので、孔のサイズだけ容量が減少するようになり、電極に孔を開ける過程において、バリが発生し、短絡が引き起こされる可能性が極めて高く、正極と負極、及び分離膜の組立時、それぞれの貫通孔を一致させ、または分離膜の孔を分極の孔よりも大きく維持させなければならないので、電池の製造工程が極めて精密に制御されなければならないという問題点があった。
【０００８】
また、特許文献５には、積層型電極組立体の積層構造を維持するために、その外面を多孔性フィルムで再度取り囲む技術が開示されている。しかしながら、このような技術は、設計寿命を増加させるために、従来のスタック型電極組立体の外面を別途のフィルム部材で再度取り囲むので、電池の製造工程が複雑であり、体積の増加が不可避であり、外部衝撃の印加時、フィルム部材に接しない電極組立体の内側の電極が依然として押される現象が発生する。しかも、電極組立体を構成する分離膜よりも大きな隙間を有するフィルム部材を用いるとしても、フィルム部材で取り囲む前のスタック型電極組立体に比べて濡れ性が大きく低減するという短所があった。
【０００９】
したがって、外部衝撃の印加時、電極の押され現象を抑制し、電池の安全性を向上させ、電解液に対する電極組立体の濡れ性を効率よく向上させることにより、前記問題点を解決することができる技術に対する必要性が高いことが実状である。
【特許文献１】韓国特許出願公開第２００１−８２０５８号公報
【特許文献２】韓国特許出願公開第２００１−８２０５９号公報
【特許文献３】韓国特許出願公開第２００１−８２０６０号公報
【特許文献４】韓国特許出願公開第２００２−６５２９３号公報
【特許文献５】日本国特開２００５−２９４１５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の積層型単位セルを長いシート状の分離フィルムで巻き取って電極組立体の構造を形成し、前記電極組立体の側面を取り囲む分離フィルムの当該部位に電解液の出入りを容易にする複数の貫通孔を形成することにより、外部衝撃に対しても構造的に安定であり、電極押され現象を防止し、電解液に対する電極組立体の濡れ性を向上させ、究極的に電池の安全性、性能及び寿命特性を改善することができる電極組立体及びそれを含む二次電池を提供することにする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成すべく、本発明に係る電極組立体によれば、複数の積層型単位セルを長いシート状の分離フィルムで巻き取った構造からなり、前記分離フィルムのうち、電極組立体の側面を取り囲む分離フィルムの当該部位に電解液の出入りを容易にする複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
これによると、所定単位の積層型単位セルが分離フィルムにより順次取り囲まれた状態で積層されており、電極の押され現象を根本的に防止し、このような分離フィルムに形成されている貫通孔を通じて電解液の含浸時、濡れ性を向上させることができるので、究極的に電池の優れた安全性、性能及び寿命特性を確保することができる。
【００１３】
本発明による電極組立体において、前記積層型単位セルは、正極と負極、及びその間に介在される分離膜からなるものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、バイセルまたはフルセルであってもよい。
【００１４】
前記フルセルとは、両側にそれぞれ正極と負極が位置するセルであり、正極／分離膜／負極の構造からなる単位セルを意味する。例えば、前記フルセルは、最も基本的な構造の正極／分離膜／負極セルと正極／分離膜／負極／分離膜／正極／分離膜／負極セルなどが挙げられる。このようなフルセルを用いて、前記電極組立体を構成するためには、分離フィルムが介在された状態で、正極と負極が互いに対面するように、複数のフルセルを積層しなければならない。
【００１５】
前記バイセルとは、両側にそれぞれ同一の電極が位置するセルであり、両側に正極が位置する構造からなる単位セルと、両側に負極が位置する構造からなる単位セルとを意味する。例えば、前記バイセルは、正極／分離膜／負極／分離膜／正極セル及び負極／分離膜／正極／分離膜／負極セルなどが挙げられる。このようなバイセルを用いて前記電極組立体を構成するためには、分離フィルムが介在された状態で、正極／分離膜／負極／分離膜／正極構造のバイセルと、負極／分離膜／正極／分離膜／負極構造のバイセルが互いに対面するように、複数のバイセルを積層しなければならない。
【００１６】
本発明における電極組立体の側面とは、電極組立体の上面と下面を除いた外周面のうち、電極タブが突出している前面と、それに対向する後面以外の両側面を意味する。このような側面は、単位セルを取り囲む形態で、分離フィルムを巻取（フォールド）する場合、分離フィルムにより単位セルが覆われる部位でもある。本発明によると、このような側面位置の分離フィルム上に貫通孔が形成されていることを特徴とする。分離フィルムの部位のうち、貫通孔が形成されている部位は、外側の側面部位のみならず、内側の側面部位を全て含む概念である。
【００１７】
場合に応じては、前記電極組立体の外面としての上面および／または下面を取り囲む分離フィルムの当該部位にも、さらに、複数の貫通孔が形成されてもよい。
【００１８】
一つの好ましい例において、分離フィルムの巻取の外端部は、それに接する分離フィルム上に接着部材を用いて付着されていても、または、熱融着により付着されていてもよい。前記接着部材は、例えば、接着剤、両面テープなどが挙げられる。このように、分離フィルムの巻取の外端部が究極的に電極組立体の外面に付着することにより、さらに安定的な構造の電極組立体が製造され得る。
【００１９】
本発明において、前記貫通孔は、様々な直径に形成され得るが、好ましくは、５μｍ乃至１０ｍｍの直径を有し、さらに好ましくは、２０μｍ乃至１ｍｍの直径を有してもよい。前記貫通孔の直径が大き過ぎる場合は、隣接した貫通孔間において分離フィルムが破損する可能性が高く、これに対して、前記貫通孔の直径が小さ過ぎる場合は、電解液の通過が容易でなく、所望の濡れ性を示すことができないので、好ましくない。
【００２０】
前記貫通孔は、様々な方法で形成されるが、例えば、貫通孔の直径に対応する大きさを有するパンチで分離フィルムを切り取って形成しても、所定の大きさの直径を有する針状体で分離フィルムを部分的に破断して形成してもよい。ここで、針状体を用いて貫通孔を形成する場合は、パンチを用いる場合よりも、貫通孔の直径が多少小さいことがあるので、貫通孔の数を増やして所望の濡れ性を具現することができる。
【００２１】
前記貫通孔は、電極組立体の製造のための巻取のために、分離フィルム上に単位セルを位置させるとき、前記単位セル間の離隔幅に対応する位置上に複数個形成してもよい。これにより、巻取過程において、貫通孔が電極組立体の側面に位置することができ、前記離隔幅は、積層される単位セルの個数及び積層される構造に応じて異なる。また、前記貫通孔は、分離フィルムにおいて、各単位セルの側面に対応する部位に形成されているので、前記単位セルの側面に対応する形態に形成されていることが好ましく、例えば、前記単位セル間の離隔幅の間隔で、分離フィルムの長さ方向に垂直な一列または二列の形態に形成されてもよい。
【００２２】
前記貫通孔は、分離フィルムで巻き取って電極組立体を製造するのに先立って、分離フィルム上に予め形成することができる。しかし、貫通孔の形成位置を電極組立体の側面に正確に特定可能に、分離フィルムによる巻取が完了した後、貫通孔を形成してもよい。
【００２３】
本発明はまた、前記電極組立体を含むものからなる二次電池を提供するが、前記二次電池は、電極組立体にリチウム含有電解液を含浸させて製造されるリチウム二次電池に好適に適用され得る。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、外部衝撃時の構造的安定性と電解液に対する濡れ性に優れ、究極的に電池の安全性、性能及び寿命特性を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明するが、本発明の範疇がこれらに限定されるものではない。
【００２６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る電極組立体を模式的に示す断面図である。
【００２７】
図１を参照すると、電極組立体１００は、複数のバイセル１１０、１２０、１３０…が、複数の貫通孔２１０、２２０、２３０…が形成されている一つの長い分離フィルム２００によりフォールドされている。
【００２８】
電極組立体１００は、分離フィルム２００が中央の第１のバイセル１１０の外面を一回り取り囲み、第１のバイセル１１０の上部と下部にそれぞれ第２のバイセル１２０と第３のバイセル１３０を位置させた状態で、これらの外面を一回り取り囲む構造であり、バイセル１１０、１２０、１３０…をフォールドして製造され得る。したがって、分離フィルム２００の第１の貫通孔２１０は、第１のバイセル１１０の一側面に位置してもよく、第２の貫通孔２２０は、第１のバイセル１１０と第２のバイセル１２０との間の他側面に位置してもよく、第３の貫通孔２３０は、第１のバイセル１１０と第２のバイセル１２０との間の一側面に位置してもよい。このような構造として、分離フィルム２００の貫通孔２１０、２２０、２３０…が電極組立体１００の両側面に位置するように、分離フィルム２００の貫通孔２１０、２２０、２３０…は、バイセル１１０、１２０、１３０…の離隔幅で離隔されて形成されている。このような貫通孔２１０、２２０、２３０…の形成構造は、分離フィルム２００の平面図が模式的に示されている図２から容易に確認することができる。
【００２９】
図２を参照すると、分離フィルム２００は、その長さ方向に所定の幅で離隔されている貫通孔２１０、２２０、２３０…を含んでいる。実質的に、それぞれの貫通孔２１０、２２０、２３０…は、図１に示すように一つの一体化した孔からなるものではなく、図２に示すように、一列で配列された複数の孔２１１、２２１、２３１…からなってもよい。したがって、それぞれの貫通孔２１０、２２０、２３０…は、電極組立体１００の側面で、それらの孔２１１、２２１、２３１…がバイセル１１０、１２０、１３０…の長さ方向に向けて一列で配列されている形態として、分離フィルム２００に形成されている。
【００３０】
この際、分離フィルム２００において、第１の貫通孔２１０の離隔距離ｌ１は、第１のバイセル１１０の幅ｗ１と厚さｔ１の１／２を足した値であり、第１の貫通孔２１０と第２の貫通孔２２０の離隔距離ｌ２は、第１のバイセル１１０の幅ｗ１と厚さｔ１を足した値である。実質的に、第１のバイセル１１０の厚さｔ１は、極めて小さい値であるので、第１の貫通孔２１０及び第１の貫通孔２１０と第２の貫通孔２２０の離隔距離ｌ１、ｌ２は、第１のバイセル１１０の幅ｗ１と同じである。しかし、積層されるバイセルの個数が大きくなるほど、バイセルの厚さも増加するので、前記バイセルの厚さも考慮して、離隔距離を計算しなければならない。
【００３１】
図３は、本発明のまた他の実施の形態に係る電極組立体において、それをなす分離フィルムを模式的に示す平面図である。
【００３２】
図３を参照すると、分離フィルム３００は、その長さに応じて所定の距離で離隔されている貫通孔３１０、３２０、３３０…を含んでおり、このような貫通孔３１０、３２０、３３０は、二列で配列された複数の孔３１１、３１２：３２１、３２２：３３１、３３２からなっている。
【００３３】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳述するが、下記の実施例は、本発明を例示するためのものであり、本発明の範疇がこれらのみに限定されるものではない。
【実施例】
【００３４】
［実施例１］
正極活物質としてＬｉＣｏＯ２９５重量％、Ｓｕｐｅｒ−Ｐ（導電剤）２．５重量％、及びＰＶｄＦ（結合剤）２．５重量％を、溶剤であるＮＭＰ（Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−２−ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）に添加して、正極混合物スラリを製造し、負極活物質として人造黒鉛９５重量％、Ｓｕｐｅｒ−Ｐ（導電剤）２．５重量％、及びＰＶｄＦ（結合剤）２．５％を、溶剤であるＮＭＰに添加して、負極混合物スラリを製造した後、アルミ箔と銅箔上にそれぞれコート、乾燥及び圧着して、正極及び負極を製造した。
【００３５】
分離膜としてセルガードＴＭを用い、前記正極と負極、及び前記分離膜を順に積層してバイセルを構成した後、前記分離膜と同一の素材であり、図２に示すような構造で複数の貫通孔が形成されている分離フィルムで、７個のバイセルを図１に示すように順次フォールドして電極組立体を製造し、前記電極組立体を電池ケースに内蔵した後、電解液を注入して電池を完成した。
【００３６】
［比較例１］
分離フィルムを用いることなく、分離膜が介在された状態で、正極と負極を順次積層したことを除いては、前記実施例１と同様にして、電池を完成した。
【００３７】
［比較例２］
貫通孔が形成されていない分離フィルムを用いたことを除いては、前記実施例１と同様にして、電池を完成した。
【００３８】
［実験例１］
前記実施例１と比較例１及び２の過程でそれぞれ製造された２０個の電池に対して、落下衝撃時の短絡発生の有無を確認し、また、実施例１と比較例２の電池において、電解液含浸液の含浸速度を測定した。短絡試験では、電池の側面隅が床に衝突するように、５０回連続落下させる方法により、短絡の有無を確認し、電解液含浸速度の測定は、電解液の注液後、時間別に分解して内部まで含浸されたときの時間を測定する方法で行った。
【００３９】
短絡試験の結果、実施例１と比較例２の電池は、全ての電池において短絡が引き起こされなかったのに対して、比較例１の電池のうち、４個の電池において短絡が発生した。これは、落下衝撃の際に、電極組立体の一部電極が押されながら、正極と負極の部分的な接触により短絡が引き起こされたからである。
【００４０】
また、電解液の含浸結果、実施例１の電池は、比較例２の電池に比べて、電解液の含浸速度が３倍以上速いことが確認された。これは、電極組立体の側面に形成された複数の貫通孔から電解液が電極組立体の内部に容易に移動することができたからである。
【００４１】
本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、前記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る電極組立体を示す断面図である。
【図２】図１に示した電極組立体をなす分離フィルムを示す平面図である。
【図３】本発明のまた他の実施の形態に係る電極組立体において、それをなす分離フィルムを示す平面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１００    電極組立体
１１０、１２０、１３０    バイセル
２００、３００    分離フィルム
２１０、２２０、２３０    貫通孔
２１１、２２１、２３１    孔
３１０、３２０、３３０    貫通孔
３１１、３１２：３２１、３２２：３３１、３３２    孔
【図１】
2007317638.tif 000003
【図２】
2007317638.tif 000004
【図３】
2007317638.tif 000005