JP2005123186A - 分離下部テープが付着された二次電池の電極組立体 - Google Patents
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Abstract
【課題】電池が外力で変形してもハードショートが起こらないようにし、電極組立体の下部にも電解液が充分に染み込むようにして電池性能を向上させ、また下部テープの使用量を減少させて原価を低減させる。
【解決手段】負極板、正極板及びセパレーターを含む電極組立体１１が容器に容易に挿入できるようにするために、電極組立体の下部の複数箇所を分離下部テープ２４で、分離して固定する。テープはポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレンからなり、アクリル系の接着剤が一面に塗布されている。
【選択図】図２ａ
【解決手段】負極板、正極板及びセパレーターを含む電極組立体１１が容器に容易に挿入できるようにするために、電極組立体の下部の複数箇所を分離下部テープ２４で、分離して固定する。テープはポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレンからなり、アクリル系の接着剤が一面に塗布されている。
【選択図】図２ａ
Description
本発明は二次電池に関し、特に、角形二次電池のゼリーロールをカンに挿入する際、ゼリーロールの挿入を容易にするためゼリーロールの下部に付着される下部テープの改善された構造に関する。
二次電池は正極板、負極板及びセパレーターで構成された電極組立体をアルミニウムまたはアルミニウム合金のカンに収納し、カン内部に電解液を入れ込み密封することで形成される。電池の上部にはカンと絶縁された電極端子が具備され、電極端子が電池の正極または負極をなすようにし、カン自体は電極端子が正極である場合には負極となり、電極端子が負極である場合には正極となるようにする。密封された電池にはＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子、温度ヒューズ（ｔｈｅｒｍａｌ ｆｕｓｅ）、保護回路基板（ＰＣＭ：Ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｍｏｄｕｌｅ）などのような安全装置が連結される。これらの安全装置は電池の正極と負極にそれぞれ電気的に連結されて電池が高温上昇（過熱）する場合や、過度な充放電などで電池の電圧が急上昇する場合に電流を遮断して電池の破裂などの危険を回避する。このように安全装置が連結された状態の電池は外装ケースに収納され電池パックとなる。
図１は巻取されたゼリーロールをカンに挿入するために従来の単一下部テープを付着した状態を示している。図１には電極組立体１１、負極タップ１２、正極タップ１３、単一下部テープ１４が示されている。電極組立体１１は正極板及び負極板の間にセパレーター（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）を介して積層させた後、ゼリーロール形態に巻取されて使われる。電極組立体１１の上部には負極板及び正極板にそれぞれ電気的に連結された負極タップ１２及び正極タップ１３が引き出されている。電極組立体１１はゼリーロール形態に巻取された後、アルミニウムなどの金属で形成されたおおよそ直方体形状のカン（図示せず）に挿入される。
ゼリーロール形態に巻取された電極組立体１１がカンに挿入される際、電極組立体１１をカンに容易に挿入できるように電極組立体１１の下部には所定長さ及び幅を有するテープが付着されている。従来の単一下部テープは、図１に示されたように、両端部から１ないし２ｍｍ程度の間隔を置いて、電極組立体の下部全体を囲む形態で付着されている。
ところが、このような形態で単一下部テープが付着されている電極組立体をカンに挿入した後、安全性試験を実施すると次のような問題が現れる。
第一に、幅方向から電池の両側を加圧して電池の発火可能性を評価する電池の安全性試験において、電池を圧縮すれと、電池の中間部位がつぶれ電池が半分に屈曲するようになる。この時、電極組立体の下部を押さえている単一下部テープの作用によって特に電極組立体下部の中間部分でしわがひどく発生し、ハードショート（ｈａｒｄ ｓｈｏｒｔ）による発火の可能性が増大する。
第二に、単一下部テープの電極組立体の下部を押さえる力が強いと、電極組立体の下部に電解液が充分に染みこむことができず電池容量などの電池性能を悪化させる。
第三に、単一下部テープは電極組立体の下部のほとんど全面に付着されているので、下部テープの使用量が多くなり、これによって電池の原価が高くなる。その上、下部テープの機能が電極組立体をカンに容易に挿入することにあり、また、下部テープが電極組立体の下部面に弱く付着されている場合には電極組立体がカンに挿入された後に下部テープが落ちてしまう場合もあることを勘案すると、下部テープの過多使用は改善する必要がある。
第三に、単一下部テープは電極組立体の下部のほとんど全面に付着されているので、下部テープの使用量が多くなり、これによって電池の原価が高くなる。その上、下部テープの機能が電極組立体をカンに容易に挿入することにあり、また、下部テープが電極組立体の下部面に弱く付着されている場合には電極組立体がカンに挿入された後に下部テープが落ちてしまう場合もあることを勘案すると、下部テープの過多使用は改善する必要がある。
本発明はこのような問題を解決するために成されたものであり、電池に加えられる外部の力によって電池にしわが生じる時にハードショートによる発火の可能性を減らし、電極組立体の下部にも電解液が充分に染みこむようにして電池性能が低下することを防止し、また下部テープの使用量を減少させて原価低減の効果を得ることを目的とする。
前記のような目的を果たすために本発明に係る電極組立体は、負極板、正極板及びセパレーターを含む電極組立体であって、前記電極組立体を容器に容易に挿入できるようにするために、前記電極組立体の下部を分離下部テープで分離して固定することを特徴とする。
前記分離下部テープは、前記電極組立体の中心から左右対称に所定間隔離隔されて前記電極組立体の下部を固定することができる。
前記分離下部テープは、前記電極組立体の中心から左右非対称に所定間隔離隔されて前記電極組立体の下部を固定することができる。
前記分離下部テープは、左側及び右側の少なくとも２箇所で前記電極組立体の下部を固定することが望ましい。
前記分離下部テープは、前記分離下部テープの全長が前記電極組立体全体幅の１／４ないし３／４であることが望ましい。
また、本発明で前記分離下部テープは、内側端部が前記電極組立体の中心で前記電極組立体の全体幅の１０％以上離隔され、そして外側端部は前記電極組立体の端から前記電極組立体の全体幅の１０％以上離隔されるようにすることが望ましい。
前記分離下部テープは、前記分離下部テープが前記電極組立体に接着された時にその接着高さが３ないし８ｍｍになるように形成される。
前記分離下部テープは、厚さが２０ないし６０μｍに形成されることが望ましい。
前記分離下部テープは、引張強度が少なくとも２ｋｇｆ／ｃｍ２以上であることが望ましい。
前記分離下部テープは、軟伸率が少なくとも５０％以上であることが望ましい。
前記分離下部テープは、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレンのうちいずれか一つでなされることができる。
前記分離下部テープは、接着強度が少なくとも２０ｇ／ｍｍ以上であることが望ましい。
前記分離下部テープは、一面に塗布される接着剤がアクリル係接着剤であることができる。
前記分離下部テープは０．１ないし０．４Ｍｐａの圧力で付着されることが望ましい。
以上のような形状を有する分離下部テープによれば、電池に加えられる外部の力によって電池にしわが生じる場合でもハードショートによる発火の可能性が減少し、電極組立体の下部にも電解液が充分に染みこんで電池性能の低下を防止することができ、また、下部テープの使用量を減少させて原価を節減することもできる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。
図２ａは本発明による分離下部テープが付着された電極組立体の斜視図である。図２ａに示されているように、本発明は電極組立体１１、負極タップ１２、正極タップ１３、分離下部テープ２４を含む。
電極組立体１１は集電体の両面に活物質を塗布してこれを乾燥及びロールプレッシングした後、所定の大きさで切断して形成された正極板または負極板の間にセパレーターを介してともに巻取されたものである。正極板と負極板をセパレーターと相互に重なった状態で楕円形の巻取用マンドレル（ｍａｎｄｒｅｌ）を利用して螺旋形に巻取して、巻取された電極組立体の最外側部は負極板を１回程度さらに巻取した状態でテープによって仕上げ処理される。ゼリーロール形態の楕円形電極組立体を形成した後、これをプレッシングして容器である角形カンの内部に挿入する。ここで、正極板の幅は負極板の幅より狭く、負極板の幅はセパレーターの幅より狭く形成される。
正極板は正極活物質、バインダー、導電剤などのスラリを金属集電体の両面に塗布して形成する。例えば、正極板はＬｉＮｉｘＣｏｙＯ２の正極活物質、スーパー−Ｐの導電剤、ポリビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）のバインダーを有機溶媒であるＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に溶解した混合物（スラリまたはペースト）をアルミニウム箔の集電体の両面に均一に塗布して形成される。塗布された集電体は乾燥を通じて有機溶媒が除去され、以後ロ−ルプレスに圧延されて０．１４７ｍｍ厚さの正極板が形成される。
負極板は負極活物質、バインダー、導電剤などのスラリを金属集電体の両面に塗布して形成する。例えば、負極板はＭＣＦの負極活物質、ポリビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）のバインダーを有機溶媒であるＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に溶解した混合物（スラリまたはペースト）を銅箔の集電体の両面に均一に塗布して形成される。塗布された集電体は乾燥を通じて有機溶媒が除去され、以後ロ−ルプレスに圧延されて０．１７３ｍｍ厚さの負極板が形成される。
セパレーターは有機溶媒と反応性が少なくて安全性に好適な０．０２５ｍｍのポリエチレン多孔性膜を使用する。
正極板と負極板をなす集電体は化学変化を起こさない導電体なら特別に制限されず、一般的にアルミニウム、銅、ステンレス、ニッケル、チタン、塑性炭素などが使用され、集電体の表面はカーボン、ニッケル、チタンまたは銀などで処理されることもできる。リチウムイオン二次電池においては、耐酸化性、電極の柔軟性、費用などを考慮して正極ではアルミ箔、負極では銅箔（Ｃｕ ｆｏｉｌ）が一般的に使われる。銅箔やアルミ箔の厚さは通常１〜３０μｍ、望ましくは、５〜２０μｍであるが、特に制限されるものではない。
負極タップ１２は負極板集電体と同一の銅またはニッケルを使用する。銅負極タップ１２の幅は１ｍｍないし１０ｍｍにして、厚さは５μｍないし５００００μｍにする。
正極タップ１３は正極板集電体と同一のアルミニウムまたはニッケルを使用する。アルミニウム正極タップ１３の幅は１ｍｍないし１０ｍｍにし、厚さは５μｍないし５００００μｍにする。
分離下部テープ２４は電極組立体１１の下部の前後方の所定高さまで囲む構造であり、電極組立体１１の中央を境界にして下部両側に分離して付着される。図２ａの電極組立体１１は、その中央を境界として両側に２箇所の分離下部テープ２４で固定しているが、両側にそれぞれ２箇所ずつ合計４箇所の分離下部テープで固定することもできる。ここで、電極組立体１１の中心線から両側に所定長さは以内では分離下部テープ２４を付着しない。電極組立体１１には分離下部テープ２４を付着しないことが最も望ましいが、電極組立体１１をカンに挿入する工程で電極組立体の下部が損傷される場合が発生することがあるために、これを勘案して分離下部テープ２４の全長は電極組立体１１の下部支持に十分な長さである電極組立体１１の幅の１／４ないし３／４にすることが望ましい。分離下部テープ２４の全長が電極組立体１１の幅の１／４より小さくなれば電極組立体１１を充分に支持できなくなる。また、電極組立体がカン内部に挿入される時に押さえてくれる役目を遂行すれば良いので、電極組立体の幅と同一に形成する必要はないし、分離下部テープ２４の全長は電極組立体１１幅の３／４より大きく形成する必要はない。
分離下部テープ２４はよく伸びる材質のものを使用するのが望ましく、この時、軟伸率は少なくとも５０％を呈する材質を使用する。分離下部テープの軟伸率が５０％より少なければ電極組立体に密着されるように接着させることが難しくなる。また、分離下部テープ２４は引張強度が少なくとも２ｋｇｆ／ｃｍ２になるように形成する。前記引張強度が２ｋｇｆ／ｃｍ２より小さくなれば電極組立体を充分に支持することができなくなる。前記分離下部テープ２４は、望ましくは、二次電池の電解液に耐性があるポリイミドまたはポリエチレンまたはポリプロピレン材質が使われる。
また、前記分離下部テープ２４の表面に塗布される接着剤は、望ましくは二次電池の電解液との反応が少ないアクリル係接着剤を使用し、接着剤の接着強度が少なくとも２０ｇ／ｍｍになるような接着剤を使用する。分離下部テープの接着強度が２０ｇ／ｍｍより少なければ電極組立体１１を効果的に支持できなくなる。
分離下部テープ２４は望ましくは、厚さが２０ないし６０μｍに形成される。すなわち、分離下部テープ２４の厚さが２０μｍより小さくなれば電極組立体１１を支持する力が弱くなって效果が落ち、厚さが６０μｍより大きくなれば電極組立体１１の厚さが増加するという問題がある。
また、分離下部テープ２４は望ましくは、電極組立体１１に付着した時にその接着高さが３ないし８ｍｍになるようにする。すなわち、分離下部テープ２４の接着高さが３ｍｍより小さければ分離下部テープ２４の接触面積があまりにも少ないため電極組立体１１に付着しにくくなる。また、分離下部テープ２４の接着高さが８ｍｍ以上なら分離下部テープ２４が不必要に高く形成され電極組立体の厚さが増加して、分離下部テープ２４の消耗量が増加される問題がある。
また、分離下部テープ２４は電極組立体１１がカンに挿入された後には電極組立体の下部に圧力を与えないものが望ましいので、電極組立体がカンに挿入された後には分離下部テープ２４が電極組立体から分離するのが最も望ましく、分離下部テープ２４が分離しない場合なら分離下部テープ２４が電極組立体の下部に及ぶ影響を最小にすることが望ましい。これのために、分離下部テープ２４を電極組立体１１の下部に付着される工程で、ドラムの圧力を低くする必要がある。すなわち、分離下部テープ２４を付着されるドラムの圧力が０．１ないし０．４Ｍｐａ以下になるようにする。ドラムの圧力が０．１Ｍｐａより低ければ分離下部テープが付着しなくなる。
図２ｂは分離下部テープの一例を示す正断面図である。図２ｂには電極組立体１１の中心線で両側に所定間隔離隔されて付着される２個の分離した下部テープ２４が示されている。電極組立体１１の全体幅の長さをａ、電極組立体１１の幅の縁から分離下部テープ２４の外側端部までの長さをｂ、そして電極組立体１１の中心線から分離下部テープ２４の内側端部までの長さをｃとする時、分離下部テープの幅を変更しながら安全性圧縮実験方法として測定した圧縮時二次電池の発煙割合を見ると次のようになる。安全性圧縮実験は充電された二次電池を側面で立てた状態で垂直に平行なジグの間に置いて１３ＫＮの力で２秒間圧搾した後に解除して発煙状態を検査する方法で行われる。
（実験例１）
分離下部テープの長さ条件をｂ／ａ＝０及びｃ／ａ＝０にした時、圧縮時に発煙される割合が３０％を示した。
（実験例２）
分離下部テープの長さ条件をｂ／ａ＝０．１及びｃ／ａ＝０にした時、圧縮時に発煙される割合が２０％を示した。
（実験例３）
分離下部テープの長さ条件をｂ／ａ＝０及びｃ／ａ＝０．１にした時、圧縮時に発煙される割合が２０％を示した。
（実験例４）
分離下部テープの長さ条件をｂ／ａ＝０．１及びｃ／ａ＝０．１にした時、圧縮時に発煙される割合が５％を示した。
（実験例１）
分離下部テープの長さ条件をｂ／ａ＝０及びｃ／ａ＝０にした時、圧縮時に発煙される割合が３０％を示した。
（実験例２）
分離下部テープの長さ条件をｂ／ａ＝０．１及びｃ／ａ＝０にした時、圧縮時に発煙される割合が２０％を示した。
（実験例３）
分離下部テープの長さ条件をｂ／ａ＝０及びｃ／ａ＝０．１にした時、圧縮時に発煙される割合が２０％を示した。
（実験例４）
分離下部テープの長さ条件をｂ／ａ＝０．１及びｃ／ａ＝０．１にした時、圧縮時に発煙される割合が５％を示した。
上記の実験例で、分離下部テープの長さ条件をｂ／ａが０．１以上、そしてｃ／ａが０．１以上とする場合に圧縮時に発煙される割合が相当に減少することが分かる。よって、分離下部テープは電極組立体の中心線で電極組立体の全体幅の１０％以上離隔させるのが望ましく、分離下部テープの外側端部も電極組立体の縁から電極組立体の全体幅の１０％以上離隔させるのが望ましい。ただし、電極組立体をカンに挿入する挿入工程で挿入不良を考慮する時には少なくとも分離下部テープの内側端部は電極組立体の中心線で電極組立体の全体幅の１０％以上離隔されるようにして、分離下部テープの外側端部は１ないし２ｍｍ程度離隔させても良い。
以上では本発明を１実施形態によって詳細に説明したが、本発明はこの実施形態のみによっては限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できるであろう。
本発明は、安全性が高く、効率的な電池を低価格で提供できるので、電池の製造分野において利用可能である。
１１ 電極組立体、
１２ 負極タップ、
１３ 正極タップ、
１４ 単一下部テープ、
２４ 分離下部テープ。
１２ 負極タップ、
１３ 正極タップ、
１４ 単一下部テープ、
２４ 分離下部テープ。
Claims (14)
- 負極板、正極板及びセパレーターを含む電極組立体であって、
前記電極組立体を容器に容易に挿入できるようにするために、前記電極組立体の下部を分離下部テープで分離して固定することを特徴とする電極組立体。 - 前記分離下部テープは、
前記電極組立体の中心から左右対称に所定間隔離隔されて前記電極組立体の下部を固定することを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。 - 前記分離下部テープは、
前記電極組立体の中心から左右非対称に所定間隔離隔されて前記電極組立体の下部を固定することを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。 - 前記分離下部テープは、
左側及び右側の少なくとも２箇所で前記電極組立体の下部を固定することを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。 - 前記分離下部テープは、
前記分離下部テープの全長が前記電極組立体全体幅の１／４ないし３／４であることを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。 - 前記分離下部テープは、
内側端部が前記電極組立体の中心で前記電極組立体の全体幅の１０％以上離隔され、そして外側端部は前記電極組立体の端から前記電極組立体の全体幅の１０％以上離隔されるようにすることを特徴とする請求項５に記載の電極組立体。 - 前記分離下部テープは、
前記分離下部テープが前記電極組立体に接着された時にその接着高さが３ないし８ｍｍになるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。 - 前記分離下部テープは、
厚さが２０ないし６０μｍに形成されることを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。 - 前記分離下部テープは、
引張強度が少なくとも２ｋｇｆ／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。 - 前記分離下部テープは、
軟伸率が少なくとも５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。 - 前記分離下部テープは、
ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレンのうちからいずれか一つでなされることを特徴とする請求項９に記載の電極組立体。 - 前記分離下部テープは、
接着強度が少なくとも２０ｇ／ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。 - 前記分離下部テープは、
一面に塗布される接着剤がアクリル係接着剤であることを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。 - 前記分離下部テープは、
０．１ないし０．４Ｍｐａの圧力で付着されることを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。
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