(57)【要約】  本発明は、正極又は負極からなる極板の間に分離膜が介在した構造の極板積層体で構成されたユニットセルを含む電極組立体であって、前記電極組立体は、大きさが互いに異なる２種類以上のユニットセルの組み合わせからなっており、前記ユニットセルが、平面を基準として高さ方向に積層されている構造で構成されており、前記ユニットセルのうち電極組立体の下部に位置するベースユニットセルは、一つのシート状の分離フィルムによって２つ以上のベースユニットセルが巻き取られて一体型のベース構造をなしており、前記ベースユニットセルを除いた残りのサブユニットセルは、それぞれ分離膜が介在した状態で積層されている構造からなっていることを特徴とする電極組立体を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極又は負極からなる極板の間に分離膜が介在した構造の極板積層体で構成されたユニットセルを含む電極組立体であって、
前記電極組立体は、大きさが互いに異なる２種類以上のユニットセルの組み合わせからなっており、
前記ユニットセルが、平面を基準として高さ方向に積層されている構造で構成されており、
前記ユニットセルのうち電極組立体の下部に位置するベースユニットセルは、一つのシート状の分離フィルムによって２つ以上のベースユニットセルが巻き取られて一体型のベース構造をなしており、
前記ベースユニットセルを除いた残りのサブユニットセルは、それぞれ分離膜が介在した状態で積層されている構造からなっていることを特徴とする、電極組立体。
【請求項２】
前記互いに異なる２種類以上のユニットセルは、ユニットセルの厚さ、横幅（横の長さ）及び縦幅（縦の長さ）のうち少なくとも１つが異な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３】
前記ベースユニットセルは、１つ以上の正極と１つ以上の負極が、分離膜が介在した状態で積層された構造において、両面に位置した電極の種類が同一であるバイセルからなってい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４】
前記一体型のベース構造は、巻き終わり部位の２つのバイセルが、両端にそれぞれ負極が位置する構造のＣ型バイセルで構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の電極組立体。
【請求項５】
前記バイセルは、同じ大きさで構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の電極組立体。
【請求項６】
前記サブユニットセルは、両面に位置した極板の電極の種類が互いに異なるフルセルであ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７】
前記サブユニットセルは、電極組立体の下部から上部方向にユニットセルの大きさが小さくなる配列で積層されていることを特徴とする、請求項６に記載の電極組立体。
【請求項８】
前記フルセルは、分離膜を挟んで互いに隣接している極板のうち、相対的に大きさが大きい極板の極性がいずれも負極であることを特徴とする、請求項６に記載の電極組立体。
【請求項９】
前記サブユニットセルのそれぞれの厚さは同一であることを特徴とする、請求項６に記載の電極組立体。
【請求項１０】
前記ベースユニットセルは、サブユニットセルのそれぞれの厚さ、横幅及び縦幅よりも大きく構成されてい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】
前記ベースユニットセルとフルセルが隣接している極板において、ベースユニットセルの極板の極性が負極であり、フルセルの極板が正極であることを特徴とする、請求項１０に記載の電極組立体。
【請求項１２】
前記サブユニットセルは、２つ以上のフルセルが、分離膜が介在した状態で熱と圧力によって接着されている構造からな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】
前記フルセルは、分離膜、正極、分離膜、負極、分離膜の順に積層されていることを特徴とする、請求項１２に記載の電極組立体。
【請求項１４】
前記熱と圧力によって接着されているフルセルは、一側面に固定部材をさらに含んでいることを特徴とする、請求項１２に記載の電極組立体。
【請求項１５】
前記ユニットセルは、電極端子が同じ位置に配列されるように積層されてい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１６】
請求項１~１５のいずれかに記載の電極組立体が電池ケースに内蔵されていることを特徴とする、電池セル。
【請求項１７】
前記電極組立体のユニットセルにおいて、各ユニットセルの電極タブは、一つの電極リードに結合されて電池セルの電極端子を形成する構造からなることを特徴とする、請求項１６に記載の電池セル。
【請求項１８】
前記電池セルは、パウチ型ケースに電極組立体が内蔵されているパウチ型電池セルであることを特徴とする、請求項１７に記載の電池セル。
【請求項１９】
前記電池ケースは、電極組立体に対応する形状からなることを特徴とする、請求項１６に記載の電池セル。
【請求項２０】
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ことを特徴とする、請求項１６に記載の電池セル。
【請求項２１】
請求項１６に記載の電池セルを２つ以上含んでいることを特徴とする、電池パック。
【請求項２２】
請求項１６に記載の電池セル又は請求項２１に記載の電池パックを１つ以上含んでいることを特徴とする、デバイス。
【請求項２３】
前記電池セル又は電池パックの余剰空間にデバイスのシステム部品が位置することを特徴とする、請求項２２に記載のデバイス。
【請求項２４】
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、及び電力貯蔵装置から選択されることを特徴とする、請求項２２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、階段構造のハイブリッド電極組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイル機器に対する技術開発及び需要の増加に伴い、二次電池の需要もまた急増しており、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使用されている。
【０００３】
リチウム二次電池は、その外形によって円筒型電池、角型電池、パウチ型電池などに大別され、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類されることもある。
【０００４】
モバイル機器の小型化に対する最近の傾向により、厚さが薄い角型電池、パウチ型電池に対する需要が増加しており、特に、形状の変形が容易であり、製造コストが低く、重量が小さいパウチ型電池への関心が高い実情である。
【０００５】
一般に、パウチ型電池は、樹脂層と金属層を含んで構成されたラミネートシートのパウチ型ケースの内部に、電極組立体と電解質が密封されている電池のことをいう。電池ケースに収納される電極組立体は、ジェリーロール型（巻き取り型）、スタック型（積層型）、または複合型（スタック／フォールディング）の構造となっている。
【０００６】
図１には、スタック型電極組立体を含んでいるパウチ型二次電池の構造が模式的に示されている。
【０００７】
図１を参照すると、パウチ型二次電池１００は、パウチ型電池ケース２０の内部に、正極、負極及びこれらの間に配置された固体電解質コーティング分離膜からなる電極組立体３０が、それの正極及び負極タブ３１，３２と電気的に接続される２つの電極リード４０，４１が外部に露出するように密封されている構造となっている。
【０００８】
電池ケース２０は、電極組立体３０を装着できる凹状の収納部２３を含むケース本体２１、及びそのような本体２１に一体に連結されているカバー２２からなっている。
【０００９】
電池ケース２０は、ラミネートシートからなっており、最外側をなす外側樹脂層２０Ａ、物質の貫通を防止する遮断性金属層２０Ｂ、及び密封のための内側樹脂層２０Ｃで構成されている。
【００１０】
スタック型電極組立体３０は、多数の正極タブ３１及び多数の負極タブ３２がそれぞれ融着されて電極リード４０，４１に共に結合されている。また、ケース本体２１の上端部２４とカバー２２の上端部とが熱融着機（図示せず）によって熱融着されるとき、そのような熱融着機と電極リード４０，４１との間にショートが発生することを防止し、電極リード４０，４１と電池ケース２０との密封性を確保するために、電極リード４０，４１の上下面に絶縁フィルム５０が付着される。
【００１１】
しかし、最近は、スリムなタイプ又は様々なデザイントレンドにより新しい形態の電池セルが要求されている実情である。
【００１２】
すなわち、前記のような電池セルは、同じ大きさ又は容量の電極組立体を含む構成となっているため、電池セルが適用されるデバイスの様々なデザインを考慮した新規な構造にするためには、電池セルの容量を減少させるか、またはさらに大きい大きさにデバイスのデザインを変更しなければならないという問題がある。
【００１３】
また、このようなデザイン変更過程で電気的接続方式が複雑になることにより、所望の条件を満たす電池セルの作製が難しくなるという問題もある。
【００１４】
さらに、電極組立体の形状に応じて電池ケースを別途に作製しなければならないという問題も存在する。
【００１５】
したがって、電池セルが適用されるデバイスの形状に応じて容易に適用可能な電極組立体、電池ケース及びそれを含む電池セルに対する必要性が高い実情である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上記のような従来技術の問題点及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
【００１７】
本発明の目的は、電池セルを構成する電極組立体を、デバイスの様々な空間に装着できるようにする構造に設計して、デバイスの内部空間の活用度を極大化させ、一般的に長方形の構造を有するデバイスの外形構造を超えて、様々な外形を有するデバイスにおいても効率的に装着可能な電極組立体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
このような目的を達成するための本発明に係る電極組立体は、
正極又は負極からなる極板の間に分離膜が介在した構造の極板積層体で構成されたユニットセルを含む電極組立体であって、
前記電極組立体は、大きさが互いに異なる２種類以上のユニットセルの組み合わせからなっており、
前記ユニットセルが、平面を基準として高さ方向に積層されている構造で構成されており、
前記ユニットセルのうち電極組立体の下部に位置するベースユニットセルは、一つのシート状の分離フィルムによって２つ以上のベースユニットセルが巻き取られて一体型のベース構造をなしており、
前記ベースユニットセルを除いた残りのサブユニットセルは、それぞれ分離膜が介在した状態で積層されている構造となっている。
【００１９】
したがって、本発明に係る電極組立体は、前記のような特定の構造に基づいて、様々な容量及び大きさを有する電池セルに作製することができ、このような電池セルを装着するデバイスの製造において、電池セルをデバイスの様々な空間に装着できるので、デバイスの内部空間の活用度を極大化させることができる。
【００２０】
また、互いに異なる大きさのユニットセルが上下に積層された構造となっているので、電池容量を増大させると同時に、コンパクトな構造で余剰空間の活用度を向上させることができる。
【００２１】
前記ユニットセルの大きさの差は、特に限定されるものではなく、例えば、ユニットセルの厚さ、横幅（横の長さ）及び縦幅（縦の長さ）のうちの少なくとも１つが異なる構造であってもよい。
【００２２】
一方、上述したように、前記ユニットセルのうち電極組立体の下部に位置するベースユニットセルは、一つのシート状の分離フィルムによって２つ以上のベースユニットセルが巻き取られて一体型のベース構造をなし、具体的に、前記ベースユニットセルは、１つ以上の正極と１つ以上の負極が、分離膜が介在した状態で積層された構造において、両面に位置した電極の種類が同一であるバイセルで構成されてもよい。
【００２３】
また、一般に、電池の安定性の面及び電池の容量の浪費を防止するためには、負極の面積が正極の面積よりも大きくなければならないため、前記一体型のベース構造は、巻き終わり部位の２つのバイセルが、両端にそれぞれ負極が位置する構造のＣ型バイセルで構成されてもよい。
【００２４】
前記バイセルは、同じ大きさで形成され、一つのシート状の分離フィルムによって巻き取られて一体型のベース構造をなすので、所望の水準の剛性を確保することができる。
【００２５】
一方、サブユニットセルは、一体型のベース構造をなすベースユニットセルに平面を基準として高さ方向に積層される構造をなしており、具体的に、前記サブユニットセルは、両面に位置した極板の電極の種類が互いに異なるフルセルの構造で構成されてもよい。
【００２６】
一具体例において、前記サブユニットセルは、それぞれ同じ厚さで電極組立体の下部から上部方向にユニットセルの大きさが小さくなる配列で積層され、全体的に電極組立体の外面形状が階段状の段差が形成される構造からなる構造であってもよい。
【００２７】
このような構造において、前記フルセルは、分離膜を挟んで互いに隣接している極板のうち、相対的に大きさが大きい極板の極性がいずれも負極である構造で構成されてもよい。
【００２８】
他の具体例において、前記ベースユニットセルは、サブユニットセルのそれぞれの厚さ、横幅及び縦幅よりも大きく構成することができ、前記ベースユニットセルとフルセルが隣接している極板において、ベースユニットセルの極板の極性が負極であり、フルセルの極板が正極で構成されてもよい。
【００２９】
上述したように、一般に、電池の安定性の面及び電池の容量の浪費を防止するためには、負極の面積が正極の面積よりも大きくなければならないため、これについては、以下でより具体的に説明する。
【００３０】
単位セルの境界での正極と負極の対向面積に対する容量比（Ｎ／Ｐ  ｒａｔｉｏ又は対向比）は、積層された単位セルのうち対向面積が相対的に大きい単位セルを構成する正極と負極の対向面積に対する容量比（Ｎ／Ｐ  ｒａｔｉｏ又は対向比）と同一または大きい。
【００３１】
単位セルの境界での対向比が、対向面積が相対的に大きい単位セルを構成する正極と負極の対向比よりも小さい場合には、本発明に係る電極組立体を内蔵するリチウム二次電池の性能及び安定性に問題が発生することがあるため好ましくない。
【００３２】
単位セルの境界において対面する正極と負極の対向比と、単位セルを構成する正極と負極の対向比との比は、１：１〜３：１、１：１〜２：１、１：１〜１．５：１であってもよく、前記対向比は、下記式１を用いて算出することができる。
【００３３】
【数１】
2017503311.tif 000003
【００３４】
前記式１において、
単位面積当たりの負極の充電容量は、単位面積当たりの負極のローディング量（ｇ／ｃｍ２）×活物質における負極活物質の比率（％）×単位重量当たりの負極の充電容量（ｍＡｈ／ｇ）で計算され；
負極の効率は、（負極の放電容量／負極の充電容量）×１００であり；
正極の単位面積当たりの設計容量は、設計容量／コーティングされた正極の面積であり；
また、前記設計容量は、正極のローディング量（ｇ／ｃｍ２）×活物質における正極活物質の比率（％）×単位重量当たりの正極の充電量（ｍＡｈ／ｇ）−負極の不可逆容量（ｍＡｈ）で計算される。
【００３５】
一方、単位重量当たりの正極の充電容量、単位重量当たりの負極の充電容量、放電容量及び不可逆容量などは、それぞれ下記のような方法で測定することができる。
【００３６】
（１）単位重量当たりの正極の充電容量の測定方法：ハーフセル（Ｈａｌｆ  Ｃｅｌｌ）を作製して、片方の電極を評価しようとする正極とし、対向電極をリチウム金属で構成して、低いＣレート（０．２Ｃ以降）で充電するときの容量を測定して、ハーフセル（Ｈａｌｆ  Ｃｅｌｌ）の重量で正規化（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅ）した値。
【００３７】
（２）単位重量当たりの負極の充電容量の測定方法：ハーフセル（Ｈａｌｆ  Ｃｅｌｌ）を作製して、片方の電極を評価しようとする負極とし、対向電極をリチウム金属で構成して、低いＣレート（０．２Ｃ以降）で充電するときの容量を測定して、ハーフセル（Ｈａｌｆ  Ｃｅｌｌ）の重量で正規化（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅ）した値。
【００３８】
（３）単位重量当たりの負極の放電容量の測定方法：ハーフセル（Ｈａｌｆ  Ｃｅｌｌ）を作製して、片方の電極を評価しようとする負極とし、対向電極をリチウム金属で構成して、低いＣレート（０．２Ｃ以降）で充電した後、放電するときの容量を測定して、ハーフセル（Ｈａｌｆ  Ｃｅｌｌ）の重量で正規化（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅ）した値。
【００３９】
（４）単位重量当たりの負極の不可逆容量の測定方法：負極のハーフセル（Ｈａｌｆ  Ｃｅｌｌ）の１回の充放電時に生じる容量の差を測定。
【００４０】
（５）単位面積当たりの負極のローディング量の定義：単位面積当たりの負極集電体にコーティングされる負極活物質の重量。
【００４１】
（６）単位面積当たりの正極のローディング量の定義：単位面積当たりの正極集電体にコーティングされる正極活物質の重量。
【００４２】
電極群の境界での対向比を、対向面積が相対的に大きい電極群を構成する正極と負極の対向比よりも大きくするための一つの具体的な実施例において、ｎ番目の電極群を構成する正極のローディング量とｎ＋１番目の電極群を構成する正極のローディング量とは同一であり、ｎ＋１番目の電極群を構成する負極のローディング量は、ｎ番目の電極群を構成する負極のローディング量よりも大きく構成することができる。
【００４３】
また、ｎ＋１番目の電極群を構成する負極のローディング量とｎ番目の電極群を構成する負極のローディング量とは同一であり、ｎ番目の電極群を構成する正極のローディング量は、ｎ＋１番目の電極群を構成する正極のローディング量よりも大きく構成することができる。
【００４４】
この場合、ｎ番目の電極群を構成する正極と負極の対向比と、ｎ番目の電極群上に積層されたｎ＋１番目の電極群を構成する正極と負極の対向比との比が１：１であってもよい。
【００４５】
また、ｎ番目の電極群を構成する正極と負極の対向比よりも、ｎ番目の電極群上に積層されたｎ＋１番目の電極群を構成する正極と負極の対向比が大きい構造で構成されてもよい。
【００４６】
ここで、ｎ番目の電極群を構成する電極の大きさ又は面積は、ｎ＋１番目の電極群を構成する電極の大きさ又は面積に比べて大きい構造であってもよい。
【００４７】
一方、電極群の境界での対向比を、電極群を構成する正極と負極の対向比よりも大きくするための他の具体的な実施例において、ｎ−１番目の電極群を構成する正極のローディング量、ｎ番目の電極群を構成する正極のローディング量及びｎ＋１番目の電極群を構成する正極のローディング量は同一であり、ｎ−１番目の電極群を構成する負極のローディング量及びｎ＋１番目の電極群を構成する負極のローディング量は、ｎ番目の電極群を構成する負極のローディング量よりも大きくてもよい。
【００４８】
また、ｎ−１番目の電極群を構成する負極のローディング量、ｎ番目の電極群を構成する負極のローディング量及びｎ＋１番目の電極群を構成する負極のローディング量は同一であり、ｎ番目の電極群を構成する正極のローディング量は、ｎ−１番目の電極群を構成する正極のローディング量及びｎ＋１番目の電極群を構成する正極のローディング量よりも大きくてもよい。
【００４９】
この場合、ｎ番目の電極群を構成する正極と負極の対向比と、ｎ番目の電極群上に積層されたｎ＋１番目の電極群を構成する正極と負極の対向比との比は１：１であり、ｎ番目の電極群を構成する正極と負極の対向比と、平面を基準として高さ方向の反対方向にｎ番目の電極群上に積層されたｎ−１番目の電極群を構成する正極と負極の対向比との比は１：１であってもよい。
【００５０】
また、ｎ番目の電極群を構成する正極と負極の対向比よりも、ｎ番目の電極群上に積層されたｎ＋１番目の電極群を構成する正極と負極の対向比が大きく、ｎ番目の電極群を構成する正極と負極の対向比よりも、平面を基準として高さ方向の反対方向にｎ番目の電極群上に積層されたｎ−１番目の電極群を構成する正極と負極の対向比が大きくてもよい。
【００５１】
ここで、ｎ番目の電極群を構成する電極の大きさ又は面積は、ｎ−１番目の電極群を構成する電極の大きさ又は面積及びｎ＋１番目の電極群を構成する電極の大きさ又は面積に比べて大きい。
【００５２】
電極群の境界での対向比が、積層された電極群のうち対向面積が相対的に大きい電極群を構成する正極と負極の対向比と同一又は大きい条件を満足する限り、対向面積が相対的に小さい電極群を構成する正極と負極の対向比は、対向面積が相対的に大きい電極群を構成する正極と負極の対向比と同一又は大きくてもよい。
【００５３】
また、電極群の境界での対向比が、積層された電極群のうち対向面積が相対的に大きい電極群を構成する正極と負極の対向比と同一又は大きい条件を満足する限り、対向面積が相対的に小さい電極群を構成する負極のローディング量は、対向面積が相対的に大きい電極群を構成する負極のローディング量と同一又は大きくてもよい。
【００５４】
また、電極群の境界での対向比が、積層された電極群のうち対向面積が相対的に大きい電極群を構成する正極と負極の対向比と同一又は大きい条件を満足する限り、対向面積が相対的に小さい電極群を構成する正極のローディング量は、対向面積が相対的に大きい電極群を構成する正極のローディング量と同一又は小さくてもよい。
【００５５】
電極の空隙率が同一である条件において、電極のローディング量は電極の厚さで確認することができ、電極の厚さはイオンミリングを用いて確認することができる。
【００５６】
前記の単位セルの積層構造または電極群の積層構造において、同じ極性を有する極板のそれぞれの電極タブは、同一の仮想の垂直線を共有する位置に配列されるようにそれぞれの極板から突出して形成されていてもよい。
【００５７】
すなわち、同じ極性を有する極板のうち最も小さい大きさの極板の電極タブが形成された位置を基準として、残りの電極タブは、前記の最も小さい大きさの極板の電極タブと仮想の垂直線を共有する位置に形成されていてもよい。
【００５８】
例えば、それぞれの正極タブは、最も小さい大きさの正極板の正極タブが形成された位置を基準として、前記最も小さい大きさの正極板の正極タブと仮想の垂直線を共有する位置に形成されていてもよい。
【００５９】
上記の構造において、平面は、任意の平面を意味するので、地面であってもよく、地面に垂直な平面であってもよい。したがって、前記の極板は、地面から高さ方向に積層されていてもよく、地面に垂直な平面において高さ方向に沿って積層されている構造であってもよい。
【００６０】
理解の便宜のため、以下では、前記平面は、地面を示すものとして優先的に考慮することができる。この場合、前記平面からの高さ方向は、重力が作用する方向と反対方向を示し、高さ方向の反対方向は、重力が作用する方向を示すものと考えられる。
【００６１】
例えば、上記において、“平面を基準として高さ方向に沿って積層される”ということは、極板が地面から重力方向及び／又は重力の反対方向に積層され得ることを意味し得る。したがって、極板の積層方向は、重力方向及び／又は重力の反対方向であってもよい。
【００６２】
具体的に、前記階段構造は、互いに異なる大きさの２つの電極群が、分離フィルムが介在した状態で積層され、分離フィルムで電極群の一側面、対向側面、または一側面及び対向側面を覆う場合に形成され得る。
【００６３】
また、前記階段構造は、互いに異なる大きさの３つの電極群が、分離フィルムを挟んで互いに反対の極性を有する極板が対面するように積層され、分離フィルムでそれぞれの電極群の一側面、対向側面、または一側面及び対向側面を覆う場合にも形成され得る。
【００６４】
上記の説明から、３つ以上の階段構造が形成される場合は当業者が容易に理解できるので、これについての具体的な説明は省略する。
【００６５】
一方、前記サブユニットセルは、所望の水準の剛性を確保するために、２つ以上のフルセルが、分離膜が介在した状態で熱と圧力によって接着されている構造からなることができる。
【００６６】
このとき、前記フルセルは、分離膜、正極、分離膜、負極、分離膜の順に積層された構造で構成され、前記熱と圧力によって接着されているフルセルは、一側面に固定部材をさらに含むことで、積層構造の安定性を確保することができる。
【００６７】
また、前記ユニットセルは、電極端子が同じ位置に配列されるように積層される構造であってもよい。
【００６８】
本発明はまた、前記電極組立体が電池ケースに内蔵されている電池セルを提供する。
【００６９】
具体的に、前記電極組立体のユニットセルにおいて、各ユニットセルの電極タブは、一つの電極リードに結合されて電池セルの電極端子を形成する構造からなることができる。
【００７０】
前記電池セルは、例えば、パウチ型ケースに電極組立体が内蔵されているパウチ型電池セルであってもよいが、これに限定されるものではない。
【００７１】
前記パウチ型電池セルは、具体的に、樹脂層と金属層を含むラミネートシートの電池ケースに、電極組立体が、電池ケースの外部に突出した電極端子と接続された状態で内蔵されている構造であってもよい。
【００７２】
前記電池ケースは、階段状の段差を形成することができる所定の柔軟性を有する厚さに製造される。すなわち、前記電池ケースの厚さが厚すぎると、段差を形成する過程において柔軟性の不足による破損の危険があり、電池セル自体の体積及び重量が増加するという欠点がある。反対に、電池ケースの厚さが薄すぎると、外部衝撃などによって電池ケースが破損しやすいという問題が発生する。したがって、前記電池ケースは、適切な柔軟性及び耐久性を有する５０〜２００μｍの厚さに製造されることが好ましい。
【００７３】
このような電池ケースを構成する上部ケースと下部ケースは、互いに独立した部材であってもよく、一側端部が互いに連結されている実質的に一つの部材であってもよい。
【００７４】
前記電池ケースの収納部の階段状の段差は、様々な方法で形成することができる。例えば、内面に階段状の段差が形成されたダイに電池ケースを挿入し、圧力を加えることによって収納部に階段状の段差を形成させる方法を使用することができる。
【００７５】
より好ましくは、互いに異なる大きさの電極またはユニットセルが積層された電極組立体を電池ケースの収納部に挿入し、前記収納部の内部に真空を印加して前記収納部を収縮させることによって階段状の段差を形成させることができる。
【００７６】
すなわち、前記電極組立体は、平面の大きさが異なる多数の電極またはユニットセルが積層されている構造となっており、このような電極組立体を電池ケースの収納部に装着し、前記収納部に真空を加えると、電極組立体の外形に対応して電池ケースが収縮しながら変形されて階段状の段差が形成される。
【００７７】
このような真空印加方式は、電極組立体のデザインが変わるたびに新しい電池ケースを製造しなければならないという問題を解決できるだけでなく、応力が局部的に集中する現象を抑制することができる。
【００７８】
前記電池ケースの収納部は、電極組立体を装着するのに十分な大きさに形成され、一つの好ましい例において、階段状の段差形成部位が、垂直断面視で段差形状に対応して曲面形状をなす構造であってもよい。したがって、真空の印加時に、前記収納部の曲面部位と電極組立体との間の余剰空間が除去されるように前記収納部の曲面部位が電極組立体に密着するとき、収縮する大きさを最小化することができる。
【００７９】
一具体例において、前記電池ケースの収納部は、電極組立体の上端の大きさに対応する平面部位を含む半球形状からなることができる。この場合、収納部の半球形状からなる部位が変形して、階段状の段差が形成される。
【００８０】
前記電池セルは、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セルであってもよいが、これらに限定されないことは勿論である。
【００８１】
一般に、リチウムイオン電池は、正極、負極、分離膜、及びリチウム塩含有非水電解液で構成されている。
【００８２】
前記正極は、例えば、正極集電体上に正極活物質、導電材及びバインダーの混合物を塗布した後、乾燥して製造され、必要に応じて、前記混合物に充填剤をさらに添加することもある。
【００８３】
前記正極活物質は、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ２）などの層状化合物や、１つまたはそれ以上の遷移金属で置換された化合物；化学式Ｌｉ１＋ｘＭｎ２−ｘＯ４（ここで、ｘは０〜０．３３である）、ＬｉＭｎＯ３、ＬｉＭｎ２Ｏ３、ＬｉＭｎＯ２などのリチウムマンガン酸化物；リチウム銅酸化物（Ｌｉ２ＣｕＯ２）；ＬｉＶ３Ｏ８、ＬｉＦｅ３Ｏ４、Ｖ２Ｏ５、Ｃｕ２Ｖ２Ｏ７などのバナジウム酸化物；化学式ＬｉＮｉ１−ｘＭｘＯ２（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、ＢまたはＧａであり、ｘ＝０．０１〜０．３である）で表されるＮｉサイト型リチウムニッケル酸化物；化学式ＬｉＭｎ２−ｘＭｘＯ２（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＺｎまたはＴａであり、ｘ＝０．０１〜０．１である）またはＬｉ２Ｍｎ３ＭＯ８（ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎである）で表されるリチウムマンガン複合酸化物；化学式のＬｉの一部がアルカリ土金属イオンで置換されたＬｉＭｎ２Ｏ４；ジスルフィド化合物；Ｆｅ２（ＭｏＯ４）３などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【００８４】
前記導電材は、通常、正極活物質を含む混合物の全重量を基準として１〜３０重量％で添加される。このような導電材は、当該電池に化学的変化を誘発せずに導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；カーボンブラック、アセチレンブラック、ケチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック；炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維；フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などを使用することができる。
【００８５】
前記バインダーは、活物質と導電材などの結合及び集電体に対する結合を助ける成分であって、通常、正極活物質を含む混合物の全重量を基準として１〜３０重量％で添加される。このようなバインダーの例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム、様々な共重合体などを挙げることができる。
【００８６】
前記充填剤は、正極の膨張を抑制する成分として選択的に使用され、当該電池に化学的変化を誘発せずに繊維状材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系重合体；ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状物質が使用される。
【００８７】
前記負極は、負極集電体上に負極活物質を塗布、乾燥して作製され、必要に応じて、上述したような成分が選択的にさらに含まれてもよい。
【００８８】
前記負極活物質としては、例えば、難黒鉛化炭素、黒鉛系炭素などの炭素；ＬｉｘＦｅ２Ｏ３（０≦ｘ≦１）、ＬｉｘＷＯ２（０≦ｘ≦１）、ＳｎｘＭｅ１-ｘＭｅ’ｙＯｚ（Ｍｅ：Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｇｅ；Ｍｅ’：Ａｌ、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、周期律表の１族、２族、３族元素、ハロゲン；０＜ｘ≦１、１≦ｙ≦３、１≦ｚ≦８）などの金属複合酸化物；リチウム金属；リチウム合金；ケイ素系合金；錫系合金；ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＰｂＯ、ＰｂＯ２、Ｐｂ２Ｏ３、Ｐｂ３Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ５、ＧｅＯ、ＧｅＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ４、Ｂｉ２Ｏ５などの金属酸化物；ポリアセチレンなどの導電性高分子；Ｌｉ−Ｃｏ−Ｎｉ系材料などを使用することができる。
【００８９】
前記分離膜は、正極と負極との間に介在し、高いイオン透過度及び機械的強度を有する絶縁性の薄い薄膜が使用される。一般に、分離膜の気孔径は０．０１〜１０μｍで、厚さは５〜３００μｍである。このような分離膜としては、例えば、耐化学性及び疎水性のポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマー；ガラス繊維またはポリエチレンなどで作られたシートや不織布などが使用される。電解質としてポリマーなどの固体電解質が使用される場合には、固体電解質が分離膜を兼ねることもできる。
【００９０】
リチウム塩含有非水系電解液は、極性有機電解液とリチウム塩からなっている。電解液としては、非水系液状電解液、有機固体電解質、無機固体電解質などが使用される。
【００９１】
前記非水系液状電解液としては、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリジノン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフラン（ｆｒａｎｃ）、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、ホルム酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの非プロトン性有機溶媒を使用することができる。
【００９２】
前記有機固体電解質としては、例えば、ポリエチレン誘導体、ポリエチレンオキシド誘導体、ポリプロピレンオキシド誘導体、リン酸エステルポリマー、ポリエジテーションリシン（ａｇｉｔａｔｉｏｎ  ｌｙｓｉｎｅ）、ポリエステルスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、イオン性解離基を含む重合体などを使用することができる。
【００９３】
前記無機固体電解質としては、例えば、Ｌｉ３Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ５ＮＩ２、Ｌｉ３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ４、ＬｉＳｉＯ４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ２ＳｉＳ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ４ＳｉＯ４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ３ＰＯ４−Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２などのＬｉの窒化物、ハロゲン化物、硫酸塩などを使用することができる。
【００９４】
前記リチウム塩は、前記非水系電解質に溶解しやすい物質であって、例えば、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、ＣＨ３ＳＯ３Ｌｉ、ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ、（ＣＦ３ＳＯ２）２ＮＬｉ、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、４フェニルホウ酸リチウム、イミドなどを使用することができる。
【００９５】
また、非水系電解液には、充放電特性、難燃性などの改善を目的として、例えば、ピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、ｎ−グリム（ｇｌｙｍｅ）、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、Ｎ−置換オキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ−置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、２−メトキシエタノール、三塩化アルミニウムなどが添加されてもよい。場合によっては、不燃性を付与するために、四塩化炭素、三フッ化エチレンなどのハロゲン含有溶媒をさらに含ませることもでき、高温保存特性を向上させるために二酸化炭酸ガスをさらに含ませることもできる。
【００９６】
本発明はまた、前記電池セルを電源として含んでいるデバイスを提供し、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、タブレットＰＣ、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、及び電力貯蔵装置などから選択されるものであってもよい。
【００９７】
本発明はまた、前記電池セルを単位電池として２つ以上含んでいる電池パックを提供する。すなわち、前記電池セルを単位電池として２つ以上を直列及び／又は並列に接続した構造の電池パックを提供し、このような電池パックは、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、タブレットＰＣ、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、及び電力貯蔵装置などのデバイスに使用することができる。
【００９８】
これらデバイスの構造及びその作製方法は当業界に公知となっているので、本明細書では、それについての詳細な説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】従来の電池セルの一般的な構造に対する分解斜視図である。
【図２】本発明の一実施例に係る電池セルに対する斜視図である。
【図３】図２の垂直断面図である。
【図４】本発明の一実施例に係る電極組立体の斜視図である。
【図５】本発明の一実施例に係る極板積層体の構造を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の更に他の実施例に係る極板積層体の構造を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の一実施例に係るユニットセルの構造を模式的に示す断面図である。
【図８】図５の極板積層体の固定構造の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０１００】
以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解のためのものであり、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
【０１０１】
図２は、本発明の一実施例に係る電池セルの斜視図が示されており、図３には、図２の垂直断面図が模式的に示されている。
【０１０２】
図２及び図３を参照すると、電池セル１００は、電極組立体１２０がラミネートシートのパウチ型電池ケース１１０に内蔵されている構造であって、電極組立体１２０と電気的に接続された電極リード１３０が、電池ケース１１０の外部に突出している構造となっている。電池ケース１１０は、上部ケース１１１及び下部ケース１１２で構成され、上部ケース１１１には、電極組立体１２０の装着のための収納部１１６が形成されている。
【０１０３】
電極組立体１２０は、大きさが異なる多数のユニットセル１２２，１２４，１２６が平面を基準として高さ方向に積層されており、電池ケース１１０の収納部は、多数のユニットセル１２２，１２４，１２６が積層された構造の外面形状に対応して階段状の段差１１４が形成された構造となっている。
【０１０４】
このような構造の電池セル１００は、様々な容量及び大きさを有する電池セルとして作製することができ、従来の電池セルの装着が困難であった空間まで容易に装着可能であるだけでなく、デバイスの内部構造に応じて、限定された空間でさらに大きい容量を有する電池セルを装着できるので、デバイスの内部空間の活用度を極大化させることができる。
【０１０５】
図４は、本発明の一実施例に係る電極組立体を示す斜視図が模式的に示されている。
【０１０６】
図４を参照すると、本発明に係る電極組立体２００は、１つのシート状の分離フィルム２１０によって、同じ大きさを有する５個のベースユニットセル２２１，２２２，２２３，２２４，２２５が巻き取られている一体型のベース構造２２０をなしており、ベースユニットセル２２１，２２２，２２３，２２４，２２５の平面を基準として高さ方向にサブユニットセル２３１，２３２が積層されている構造で構成される。
【０１０７】
ベースユニットセル２２１，２２２，２２３，２２４，２２５は、正極と負極が、分離膜が介在した状態で積層された構造において、両面に位置した電極の種類が同一であるバイセル（ｂｉ−ｃｅｌｌ）で構成されており、巻き取り中心部に位置するベースユニットセル２２３及び巻き終わり部位の２つのベースユニットセル２２１，２２５が、両端にそれぞれ負極が位置する構造のＣ型バイセル（ｂｉ−ｃｅｌｌ）で構成され、巻き終わり部位の２つのベースユニットセル２２１，２２５と、巻き取り中心部に位置するベースユニットセル２２３との間に位置するベースユニットセル２２２，２２４が、両端にそれぞれ正極が位置するＡ型バイセル（ｂｉ−ｃｅｌｌ）で構成される。
【０１０８】
サブユニットセル２３１，２３２は、両面に位置した極板の電極の種類が互いに異なるフルセル（ｆｕｌｌ−ｃｅｌｌ）で構成され、それぞれの厚さは同一であり、電極組立体２００の下部から上部方向に相対的に小さい大きさのユニットセルが順次積層される。すなわち、矢印方向に連続的に積層される構造で構成される。
【０１０９】
また、サブユニットセル２３１，２３２は、ベースユニットセル２２１，２２２，２２３，２２４，２２５の大きさよりも相対的に小さく構成され、ベースユニットセル２２１とサブユニットセル２３２が隣接している極板において、ベースユニットセル２２１の極板の極性が負極であり、サブユニットセル２３２の極板が正極で構成される。
【０１１０】
このような構造の電極組立体２００は、バイセルがシート状の分離膜２１０によって巻き取られる一体型のベース構造２２０の上端に、矢印方向にフルセル構造のサブユニットセル２３１，２３２が積層されるハイブリッド型構造を有することによって、バイセルのみで構成する電極組立体に比べて、段差２４０を形成するサブユニットセル２３１，２３２の厚さの自由度を高めることができる。したがって、フルセルのみで構成する電極組立体と比較して一体型のベース構造２２０を含むことによって、電池セルに所望の水準の剛性を確保することができる。
【０１１１】
図５は、本発明の一実施例に係る極板積層体の構造を示しており、図６は、本発明の更に他の実施例に係る極板積層体の構造の模式的な断面図を示している。
【０１１２】
一つの極板積層体は、図５に示された構造のように、分離板６１０、負極板６２０、分離板６３０、正極板６４０が順次積層された状態で接合された構造となっている。
【０１１３】
また、更に他の極板積層体は、図６に示された構造のように、分離板７１０、負極板７２０、分離板７３０が順次積層された状態で接合された構造となっている。
【０１１４】
図７は、本発明の一実施例に係るユニットセルが示されており、具体的に、図５の極板積層体が積層された極板積層体の最上端に図６の極板積層体が積層された構造のユニットセルが示されている。
【０１１５】
図８には、図５の極板積層体に固定部材がさらに付加された実施例が示されている。具体的に、極板積層体６００の側面または前面には固定部材Ｔ１がさらに付加されている。
【０１１６】
単純な積層構造であるため、積層状態の安定性を確保するために、積層された構造の側面に別途のストライプ状の固定部材を用いて固定することができ、このような固定部材は、図８の（ａ）に示されたように、極板積層体６００の前面をテーピングする方式で具現したり、（ｂ）に示されたように、極板積層体６００の両側面のみを固定する固定部材Ｔ２の形態で具現することも可能である。
【０１１７】
図５~図８に示されている極板積層体の場合、同じ厚さの正極又は負極が積層されてバイセルの形態をなすように接合されている構造であるものと説明されているが、適用される電池セルの形態及び大きさに応じて、フルセル又はバイセルの形態で、大きさが互いに異なる様々な極板積層体に適用されることも可能である。
【０１１８】
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、上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ろう。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
以上で説明したように、本発明に係る電極組立体は、ハイブリッド型電極組立体を同時に使用して階段状の段差を形成させることによって、電池セルの装着空間の確保を容易にし、デバイスの内部空間の活用度を極大化させることができるだけでなく、デバイスに高容量の電池セルの使用が可能であり、デバイスをより小型化させることができる効果がある。
【０１２０】
また、電極組立体及び電池ケースの構造的特徴によるデザインの変更が必要な場合にも、所望の形状の電池セルを容易に製造することができる。
【符号の説明】
【０１２１】
１００  電池セル
１１０  パウチ型電池ケース（電池ケース）
１１１  上部ケース
１１２  下部ケース
１１４  段差
１１６  収納部
１２０  電極組立体
１２２  ユニットセル
１２４  ユニットセル
１２６  ユニットセル
１３０  電極リード
２００  電極組立体
２２０  ベース構造
２２１  ベースユニットセル
２２２  ベースユニットセル
２２３  ベースユニットセル
２２４  ベースユニットセル
２２５  ベースユニットセル
２３１  サブユニットセル
２３２  サブユニットセル
２４０  段差
６００  極板積層体
６１０  分離板
６２０  負極板
６３０  分離板
６４０  正極板
７１０  分離板
７２０  負極板
７３０  分離板
【図１】
2017503311.tif 000004
【図２】
2017503311.tif 000005
【図３−４】
2017503311.tif 000006
【図５】
2017503311.tif 000007
【図６】
2017503311.tif 000008
【図７】
2017503311.tif 000009
【図８（ａ）】
2017503311.tif 000010
【図８（ｂ）】
2017503311.tif 000011
【国際調査報告】
2017503311.tif 000012
2017503311.tif 000013
2017503311.tif 000014
2017503311.tif 000015