JP2011065998A

JP2011065998A - 二次電池

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Publication number: JP2011065998A
Application number: JP2010209410A
Authority: JP
Inventors: Eun-Bee Cho; 銀▲ベ▼ 趙
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2009-09-21
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: US8999543B2; CN102024917A; CN102024917B; KR20110031883A; EP2309582A2; US20110070471A1; JP5383616B2

Abstract

【課題】本発明は、ケース内部で電極組立体の体積変化を許容し、体積膨張率が大きい負極活物質を用いることができる二次電池に関する。
【解決手段】本発明に係る二次電池は、ｉ）正極板と負極板およびセパレータを含み、平坦部および平坦部の両側に位置する曲線部を備えるようにゼリーロール形態で巻かれた電極組立体と、ｉｉ）電極組立体を収容するケースと、ｉｉｉ）ケースと結合してケースを密封し、電極組立体と電気的に連結するキャップ組立体とを含む。平坦部に位置するセパレータ面に垂直する方向を第１方向とするとき、第１方向に沿って測定された平坦部の厚さは、第１方向に沿って測定された曲線部の最大厚さよりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は二次電池に関し、より詳細には、電極組立体の形状を改善した二次電池に関する。

二次電池は充電が不可能な一次電池とは異なり、充電および放電が可能な電池である。低容量の二次電池は携帯電話機やノートパソコンおよびキャムコーダのような携帯が可能な小型電子機器に用いられ、大容量の二次電池はハイブリッド自動車などのモータ駆動用電源として用いられている。

二次電池は、正極板と負極板がセパレータを間において位置する電極組立体を含む。

上述した二次電池の充放電過程において、電極組立体は体積変化を経るようになる。例えば、リチウムイオン電池の場合、負極板の負極活物質は、充電過程においてリチウムイオンを吸蔵しながら体積が膨張し、放電過程においてリチウムイオンを放出しながら体積が縮小する。このように、電極組立体は、充放電サイクルを繰り返すたびに膨張と収縮を繰り返すようになる。

ところが、パウチ型を除いた大部分のケースは金属で製作された剛体（ｒｉｇｉｄｂｏｄｙ）であるため、電極組立体の体積膨張を収容することができない。したがって、ケースの内部容量に比べて電極組立体の容量を減らして製作したり、電極組立体の巻き取り構造を変更するなど、電極組立体の体積膨張に対応するための様々な方案が提案されている。

しかしながら、電極組立体の容量を減らす場合には二次電池の充放電容量が減少するため、二次電池の性能が低下する。また、電極組立体の巻き取り構造を変更する場合には大部分の電極組立体の形状と製造過程が複雑になるため、二次電池の生産効率が低下する。

本発明は、ケース内部で電極組立体の体積膨張が許容されるように電極組立体の形状を改善し、充放電容量を高めて出力性能を向上させることができる二次電池を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る二次電池は、ｉ）正極板と負極板およびセパレータを含み、平坦部および平坦部の両側に位置する曲線部を備えるようにゼリーロール形態で巻かれた電極組立体と、ｉｉ）電極組立体を収容するケースと、ｉｉｉ）ケースと結合してケースを密封し、電極組立体と電気的に連結するキャップ組立体とを含む。平坦部に位置するセパレータ面に垂直する方向を第１方向とするとき、第１方向に沿って測定された平坦部の厚さは、第１方向に沿って測定された曲線部の最大厚さよりも小さい。

曲線部は第１方向と垂直する第２方向の最外郭に位置する第１最外郭曲線部を含んでもよく、第１最外郭曲線部の曲率中心を第１中心点とするとき、第２方向に沿って測定された平坦部の幅は、１対の第１中心点の間の範囲で１対の第１中心点の間隔よりも小さくてもよい。

曲線部は第１最外郭曲線部と平坦部を連結する第２最外郭曲線部をさらに含んでもよい。第２最外郭曲線部の曲率は、第１最外郭曲線部の曲率よりも大きいか、第１最外郭曲線部の曲率と同じであるか、第１最外郭曲線部の曲率よりも小さくてもよい。

正極板は第１集電体と正極活物質層を含み、負極板は第２集電体と負極活物質層を含んでもよい。正極活物質層と負極活物質層は、平坦部と曲線部全体に形成されてもよい。

他の一方として、正極活物質層と負極活物質層は、電極組立体に間欠的に形成されてもよい。正極活物質層と負極活物質層は、曲線部を除いた平坦部に形成されてもよく、平坦部および平坦部と第１中心点の間の範囲に形成されてもよい。

負極活物質層は１０％以上の体積膨張率を有する負極活物質を含んでもよい。負極活物質は、シリコン、シリコン酸化物、およびシリコン−炭素複合体からなる群より選択された少なくとも１つを含んでもよい。

平坦部はケースの内壁と距離をおいて位置してもよい。ケースは角型で形成されてもよい。

一方、本発明の一実施形態に係る電極組立体は、正極板と負極板および前記正極板と負極板の間に介在するセパレータを含み、前記正極板、負極板、およびセパレータは巻き取られ、両側端部に位置する第１曲線部、第２曲線部、および前記第１および第２曲線部の間に介在する平坦部を有する第１断面形状を有し、前記平坦部は前記第１および第２曲線部のうちのいずれか１つの厚さよりもさらに小さい厚さを有する。

本発明の実施形態によれば、ケースの内部に電極組立体の体積膨張を収容することができる空間が提供されているため、体積膨張率が大きくて効率が高い負極活物質で負極板を形成することができる。したがって、二次電池の容量とエネルギー密度を高めることができ、出力効率を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る二次電池の分解斜視図である。図１に示す二次電池の結合状態を示す断面図である。図１に示す二次電池のうちの電極組立体の分解斜視図であって、正極板と負極板およびセパレータが広げられた状態を示す図である。図１に示す二次電池のうちの電極組立体の側面図である。図１に示す二次電池のうちの電極組立体とケースの断面図である。本発明の第２実施形態に係る二次電池のうちの電極組立体の側面図である。本発明の第３実施形態に係る二次電池のうちの電極組立体の側面図である。本発明の第４実施形態に係る二次電池のうちの電極組立体の断面図である。本発明の第５実施形態に係る二次電池のうちの電極組立体の断面図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について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が容易に実施できるように詳しく説明する。本発明は様々に相違した形態で具現されることができ、ここで説明する実施形態に限定されることはない。また、本明細書および図面において、同一する符号は同一する構成要素を示す。

図１は本発明の第１二次電池１００の分解斜視図であり、図２は図１に示す二次電池１００の結合状態を示す断面図である。

図１と図２を参照すれば、第１実施形態の二次電池１００は、正極板１１と負極板１２およびセパレータ１３がゼリーロール形態で巻かれて形成された電極組立体１０と、電極組立体１０を収容するケース２０と、ケース２０と結合してケース２０を密封するキャップ組立体３０とを含む。第１実施形態の二次電池１００において、ケース２０は角型で形成される。

図３は図１に示す二次電池１００のうちの電極組立体１０の分解斜視図であって、正極板１１と負極板１２およびセパレータ１３が広げられた状態を示す図である。

図３を参照すれば、正極板１１は、薄板の金属箔で製造される第１集電体１１１と、第１集電体１１１に形成される正極活物質層１１２とを含む。正極活物質層１１２は第１集電体１１１よりも小さい幅を有するように形成され、正極板１１の長さ方向に沿って正極板１１の一側側端に正極無地部１１３が位置する。正極無地部１１３は正極活物質が塗布されていない領域である。ここで、正極活物質層１１２はリチウムを含み、第１実施形態の二次電池１００はリチウムイオン電池である。

負極板１２は、薄板の金属箔で製造される第２集電体１２１と、第２集電体１２１に形成される負極活物質層１２２とを含む。負極活物質層１２２は第２集電体１２１よりも小さい幅を有するように形成され、負極板１２の長さ方向に沿って負極板１２の他方側端に負極無地部１２３が位置する。負極無地部１２３は負極活物質が塗布されていない領域である。

正極板１１と負極板１２は、絶縁体であるセパレータ１３を間においてゼリーロール形態で巻き取られて電極組立体１０を形成する。このとき、セパレータ１３は、第１集電体１１１および第２集電体１２１よりも小さい幅を有するように形成され、ゼリーロール形態で巻かれた電極組立体１０の一側側端に正極無地部１１３が露出し、電極組立体１０の他方側端に負極無地部１２３が露出するようにする。

再び図１と図２を参照すれば、キャップ組立体３０は、薄い板材で形成されるキャッププレート３１と、キャッププレート３１に位置する正極端子３２および負極端子３３とを含む。

キャッププレート３１には、電解液が注入される電解液注入口および電解液注入口を密封する密封キャップ３４が設けられる。正極端子３２と負極端子３３は絶縁ガスケットによってキャッププレート３１と絶縁する。また、キャッププレート３１には、設定された内部圧力によって破断するように溝が形成されたベント部材３５が設けられる。

ケース２０内部には、電極組立体１０の正極無地部１１３に付着して正極板１１と正極端子３２を電気的に連結する正極リードタップ３６と、負極無地部１２３に付着して負極板１２および負極端子３３を電気的に連結する負極リードタップ３７とが提供される。キャッププレート３１と正極リードタップ３６の間またはキャッププレート３１と負極リードタップ３７の間には、これらを絶縁させる絶縁部材３８が位置する。

図４は図１に示す二次電池１００のうちの電極組立体１０の側面図であり、図５は図１に示す二次電池１００のうちの電極組立体１０とケース２０の断面図である。

図４と図５を参照すれば、電極組立体１０は、巻かれている状態から一方向に平たく加圧される。特に、電極組立体１０は、その中央部位が両側エッジ部位よりもさらに大きく加圧され、ケース２０の内壁に密着しないようにする。

より具体的に、電極組立体１０は、一定の厚さを有する平坦部１４と、平坦部１４の両側に位置して正極板１１と負極板１２およびセパレータ１３が１８０方向転換して丸く湾曲した曲線部１５とを含む。このとき、平坦部１４に位置するセパレータ１３面に垂直する方向を第１方向（図４のｙ軸方向）とすれば、第１方向に沿って測定された平坦部の厚さｔ１は、第１方向に沿って測定された曲線部１５の最大厚さｔ２よりも小さい。

したがって、電極組立体１０の側面は大略的なアレイ形で形成され、平坦部１４は収縮状態でケース２０の内壁に密着せず、ケース２０の内壁と所定のギャップ（図５のｇ参照）を置いて位置する。

リチウムイオン電池において、負極活物質層１２２は、充電時にリチウムイオンを吸蔵しながら体積膨張が起こる。このとき、平坦部１４が曲線部１５よりもさらに多くの量の負極活物質を保有しているため、平坦部１４の体積膨張率が曲線部１５の体積膨張率よりも大きい。したがって、平坦部１４とケース２０の間の空間が平坦部１４の体積膨張を収容する機能を行う。

すなわち、二次電池１００の充電時、平坦部１４はケース２０との間に備えられた空間を満たしながら膨張し、放電時には次第に収縮しながら初期形状に復帰する。このように平坦部１４の厚さｔ１を曲線部１５の最大厚さｔ２よりも小さく形成することにより、平坦部１４の体積膨張がケース２０によって拘束されないようにする。

その結果、第１実施形態の二次電池１００は、１０％以上の体積膨張率を有する効率が優れた負極活物質の適用に極めて有利である。負極活物質層１２２は、シリコン、シリコン酸化物、およびシリコン−炭素複合体のうちの少なくとも１つの負極活物質を含む。

上述した負極活物質材料は、炭素系材料を用いた負極活物質よりも多くのリチウムイオンを吸蔵および放出することができるため、高容量および高エネルギー密度を有する二次電池を製造することができる。例えば、純粋なシリコンは４０１７ｍＡｈ／ｇの高い理論容量を有するものと知られている。しかしながら、上述した負極活物質材料は、充放電時の体積変化が大きいため、実用化に困難があった。

第１実施形態の二次電池１００は、上述した電極組立体１０の形状によってケース２０の内部で電極組立体１０の体積変化を容易に収容することができるため、上述した負極活物質の使用に制約がない。したがって、第１実施形態の二次電池１００は、効率が優れた負極活物質を用いることによって高容量および高エネルギー密度を実現することができ、出力効率を高めることができる。

再び電極組立体１０の側面形状を詳察すれば、曲線部１５は、第１方向（図４のｙ軸方向）と垂直する第２方向（図４のｘ軸方向）の最外郭に位置する第１最外郭曲線部１５１を含む。第１最外郭曲線部１５１は半円形であってもよい。

第１最外郭曲線部１５１の曲率中心を第１中心点（図４のＣ点で表示）とすれば、平坦部１４は１対の第１中心点Ｃの間の範囲内側に存在する。すなわち、第２方向（図４のｘ軸方向）に沿って測定された平坦部１４の幅（図４のＡ参照）は、１対の第１中心点Ｃの間隔（図４のＢ参照）よりも小さい。

上述した条件を満たさなければ、電極組立体１０の中央部位を加圧して平坦部１４と曲線部１５を形成するとき、平坦部１４と対向する曲線部１５の内側部位が過度に変形することがある。したがって、この部位で集電体が破れたり活物質が脱落する不良が発生することがある。しかしながら、第１実施形態の二次電池１００では、上述した平坦部１４の幅設定によって形状安定性が優れた平坦部１４と曲線部１５を形成することができる。

また、曲線部１５は、第１最外郭曲線部１５１と平坦部１４を連結する第２最外郭曲線部１５２を含む。第１実施形態において、第２最外郭曲線部１５２の曲率は第１最外郭曲線部１５１の曲率と同じである。第２最外郭曲線部１５２は、電極組立体１０を加圧するとき、電極組立体１０を加圧する加圧部材（図示せず）の幅と、第１中心点Ｃと加圧部材の間隔、および加圧部材の加圧深さを調節することにより、第１最外郭曲線部１５１と同じ曲率を有するように形成することができる。

図６は本発明の第２実施形態に係る二次電池のうちの電極組立体１０１の側面図である。

図６を参照すれば、第２実施形態の二次電池は、第２最外郭曲線部１５３の曲率が第１最外郭曲線部１５１の曲率よりも大きく形成されたことを除いては、上述した第１実施形態の二次電池１００と同じ構造からなる。

第２実施形態の二次電池では、第２方向（図６のｘ軸方向）に沿った平坦部１４の幅Ａ１が第１実施形態の場合よりも大きいため、平坦部１４を囲むケース２０の内側空間を拡大させ、平坦部１４の体積変化をより容易に収容することができる。

図７は本発明の第３実施形態に係る二次電池のうちの電極組立体１０２の側面図である。

図７を参照すれば、第３実施形態の二次電池は、第２最外郭曲線部１５４の曲率が第１最外郭曲線部１５１の曲率よりも小さく形成されたことを除いては、上述した第１実施形態の二次電池１００と同じ構造からなる。

第３実施形態の二次電池では、第２方向（図７のｘ軸方向）に沿った平坦部１４の幅Ａ２が第１実施形態の場合よりも小さいため、平坦部１４の体積変化を収容するケース２０の内側空間は縮小されるが、平坦部１４と連結する曲線部１５の内側部位がなだらかに曲がるため、曲線部１４の極板損傷や活物質脱落のような不良を効果的に抑制することができる。

上述した第１実施形態〜第３実施形態の二次電池において、図３に示すように、正極活物質層１１２と負極活物質層１２２は該当する集電体１１１、１２１の長さ方向に沿って該当する集電体１１１、１２１と同じ長さを有するように形成され、平坦部１４と曲線部１５の全体に位置する。他の一方として、正極活物質層１１２と負極活物質層１２２は、電極組立体に間欠的に形成されてもよい。

図８は本発明の第４実施形態に係る二次電池のうちの電極組立体１０３の断面図である。

図８を参照すれば、第４実施形態の二次電池は、正極活物質層１１２と負極活物質層１２２が平坦部１４にのみ位置することを除いては、上述した第１実施形態〜第３実施形態のうちのいずれか１つの実施形態の二次電池と同じ構造からなる。図８では、一例として、第１実施形態と同じ形状の平坦部１４と曲線部１５を有する電極組立体を示した。

正極活物質層１１２と負極活物質層１２２が曲線部１５に位置しないことにより、二次電池を充放電する過程において曲線部１５の体積変化およびこれに伴う極板の変形を抑制することができるため、二次電池の寿命特性を高めることができる。ここで、極板とは、正極板１１と負極板１２を含む概念である。

図９は本発明の第５実施形態に係る二次電池のうちの電極組立体１０４の断面図である。

図９を参照すれば、第５実施形態の二次電池は、正極活物質層１１２と負極活物質層１２２が平坦部１４および平坦部１４と第１中心点Ｃの間の範囲に位置することを除いては、上述した第４実施形態の二次電池と同じ構造からなる。

第５実施形態の二次電池では、第４実施形態の場合よりも曲線部１５において若干の体積変化は発生するが、活物質の容量を増やすことができるため、二次電池の容量とエネルギー密度を高めることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属することは当然である。

１０：電極組立体
１１：正極板
１２：負極板
１３：セパレータ
１４：平坦部
１５：曲線部
２０：ケース
３０：キャップ組立体
１００：二次電池
１１１：第１集電体
１１２：正極活物質層
１１３：正極無地部
１２１：第２集電体
１２２：負極活物質層
１２３：負極無地部
１５１：第１最外郭曲線部
１５２：第２最外郭曲線部

Claims

正極板と負極板、および前記正極板と負極板の間に介在するセパレータを含む電極組立体と、
前記電極組立体を収容するケースと、
前記ケースに装着されるキャップアセンブリと、
を含み、
前記電極組立体は、両側端部に位置する２つの曲線部と前記２つの曲線部の間に介在する平坦部を有する第１断面形状を有するように巻かれ、
前記平坦部は前記２つの曲線部の厚さよりもさらに小さい厚さを有する二次電池。
前記電極組立体の前記平坦部は、前記曲線部よりも前記ケースの内壁からさらに離隔して位置し、前記電極組立体の充電時に前記平坦部の膨張（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）を収容することができる請求項１に記載の二次電池。
前記平坦部の厚さと前記曲線部の厚さは、前記平坦部に実質的に垂直する第１方向に沿って測定される請求項１に記載の二次電池。
前記曲線部は前記第１方向と実質的に垂直する第２方向に沿って離隔しており、前記曲線部は中心点を有する請求項３に記載の二次電池。
前記平坦部の前記第２方向に沿って延長した長さは、前記曲線部の中心点の間の距離よりもさらに小さい請求項４に記載の二次電池。
前記曲線部は、前記第２方向の最外郭に位置する第１最外郭曲線部と、前記第１最外郭曲線部を前記平坦部に交差させる第２最外郭曲線部とを含む請求項４に記載の二次電池。
前記中心点は前記第１最外郭曲線部の曲率中心を定義し、
前記第２最外郭曲線部の曲率は、前記第１最外郭曲線部の曲率よりも大きいか、同じであるか、小さい請求項６に記載の二次電池。
前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記正極活物質層と負極活物質層は前記電極組立体の前記平坦部と前記曲線部に形成される請求項１に記載の二次電池。
前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記正極活物質層と負極活物質層は前記電極組立体の前記平坦部にのみ形成される請求項１に記載の二次電池。
前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記曲線部は中心点を有し、
前記正極活物質層と負極活物質層は前記平坦部を含んで前記曲線部の中心点の間で延長する請求項１に記載の二次電池。
前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記負極活物質層は、前記電極組立体の充電時、１０％以上の体積膨張率を有する負極活物質を含む請求項１に記載の二次電池。
前記負極活物質層は、シリコン、シリコン酸化物、およびシリコン−炭素複合体からなる群より選択された少なくとも１つの物質を含む請求項１１に記載の二次電池。
正極板と負極板と、前記正極板と負極板の間に介在するセパレータと、
を含み、
前記正極板、負極板、およびセパレータは巻き取られ、両側端部に位置する第１曲線部、第２曲線部、および前記第１および第２曲線部の間に介在する平坦部を有する第１断面形状を有し、
前記平坦部は前記第１および第２曲線部のうちのいずれか１つの厚さよりもさらに小さい厚さを有する電極組立体。
前記平坦部の厚さと前記曲線部の厚さは、前記平坦部に実質的に垂直する第１方向に沿って測定される請求項１３に記載の電極組立体。
前記曲線部は前記第１方向と実質的に垂直する第２方向に沿って離隔しており、前記曲線部は中心点を有する請求項１４に記載の電極組立体。
前記平坦部の前記第２方向に沿って延長した長さは、前記曲線部の中心点の間の距離よりもさらに小さい請求項１５に記載の電極組立体。
前記曲線部は、前記第２方向の最外郭に位置する第１最外郭曲線部と、前記第１最外郭曲線部を前記平坦部に交差させる第２最外郭曲線部とを含む請求項１６に記載の電極組立体。
前記中心点は前記第１最外郭曲線部の曲率中心を定義し、
前記第２最外郭曲線部の曲率は、前記第１最外郭曲線部の曲率よりも大きいか、同じであるか、小さい請求項１７に記載の電極組立体。
前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記正極活物質層と負極活物質層は前記電極組立体の前記平坦部と前記曲線部に形成される請求項１３に記載の電極組立体。
前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記正極活物質層と負極活物質層は前記電極組立体の前記平坦部にのみ形成される請求項１３に記載の電極組立体。
前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記曲線部は中心点を有し、
前記正極活物質層と負極活物質層は前記平坦部を含んで前記曲線部の中心点の間で延長する請求項１３に記載の電極組立体。
前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記負極活物質層は、前記電極組立体の充電時、１０％以上の体積膨張率を有する負極活物質を含む請求項１３に記載の電極組立体。
前記負極活物質層は、シリコン、シリコン酸化物、およびシリコン−炭素複合体からなる群より選択された少なくとも１つの物質を含む請求項２２に記載の電極組立体。