JP2011124220A - リチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】リチウム二次電池を提供する。
【解決手段】陽極活物質層を備える陽極と、陰極活物質層を備える陰極と、電解液と、陽極及び陰極のうち少なくともいずれか一つの極板の少なくとも一面にコーティングされた無機絶縁セパレータコーティング層と、を備え、陽極活物質層と陰極活物質層とは、実質的に広さが同じであり、整列を容易にするために、陽極及び陰極の各横幅と縦幅とが実質的に同じであるリチウム二次電池である。
【選択図】図１Ｈ
【解決手段】陽極活物質層を備える陽極と、陰極活物質層を備える陰極と、電解液と、陽極及び陰極のうち少なくともいずれか一つの極板の少なくとも一面にコーティングされた無機絶縁セパレータコーティング層と、を備え、陽極活物質層と陰極活物質層とは、実質的に広さが同じであり、整列を容易にするために、陽極及び陰極の各横幅と縦幅とが実質的に同じであるリチウム二次電池である。
【選択図】図１Ｈ
Description
本発明は、リチウム二次電池に係り、さらに詳細には、整列を容易にするためのリチウム二次電池の構造に関する。
二次電池は、再充電が可能であり、小型及び大容量化可能性が大きい。近来に、カムコーダ、携帯用コンピュータ、携帯電話など、携帯用電子機器の需要が増加されつつ、これらの携帯用電子機器の電源として二次電池に関する研究開発がたくさんなされている。近来に開発され、かつ使われるもののうち、代表的には、ニッケル水素(Ｎｉ−ＭＨ)電池とリチウム(Ｌｉ)イオン電池及びリチウムイオン(Ｌｉ−ｉｏｎ)ポリマー電池がある。二次電池の材料としてたくさん使われるリチウムは、元素自体の原子量が小さくて、単位質量当り電気容量の大きい電池の製造に適した材料である。一方、リチウムは、水分と激烈に反応するので、リチウム系電池では、非水生電解質を使用する。この場合、水の電気分解電圧に影響を受けないので、リチウム系電池では、３ないし４ボルト(Ｖ)ほどの起電力を発生させうるという長所がある。リチウム二次電池は、通常、二つの電極とこれらの電極の短絡を防止するセパレータとを積層あるいは巻き取って、非水生電解質と共にケースに入れ、電極をタップを通じてケース外に引き出して、電気端子を形成する方式の基本構成を有する。
リチウムイオン二次電池で使われる非水生電解質は、液体電解質と固体電解質とに大別される。液体電解質は、リチウム塩を有機溶媒に解離させたものである。有機溶媒としては、大体エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートまたは他のアルキル基含有カーボネートや類似した有機化合物が使われうる。固体電解質は、電圧が印加された状態で固体自体がリチウムイオンのようなイオンを通過させる性質を有する物質であって、高分子物質からなる有機系と、結晶質あるいは非晶質の無機物からなる無機系とに分けられる。固体電解質は、自体がイオン伝導性はあるが、通常、導体ではないので、自体がセパレータの役割を行える。一方、セパレータは、電池内の二つの電極の短絡を防止し、電解液がある状態であるいは自体のみでイオンが通過できる構造を有さねばならない。したがって、セパレータは、二つの電極の間でリチウムイオンの移動を制限する要因となる。二つの電極の間に存在するセパレータが電解質に対する十分な透過性、湿潤性（Ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ)を有さない場合、セパレータによる二つの電極の間でのリチウムイオンの移動制限は、同様に放電で重要な問題となる。したがって、電池の性能と関連したセパレータの特性において、セパレータのイオン伝導性(ポリマーセパレータなど)、耐熱性、熱変形抵抗性、耐化学性、機械的強度のように、セパレータの任意の断面で空いている空間部分の面積を意味する孔隙率、電解液による湿潤性が主要指標となる。
また、一般的に、電極組立体の製造時に、陰極活物質層の面積が陽極活物質層の面積より大きく製造され、陽極または陰極の間に配されるセパレータは、陽極と陰極との短絡を防止するために、陽極または/及び陰極より拡張されて製作される。したがって、このようなセパレータのサイズ差によって、電極組立体を製作する時に、陽極、陰極、セパレータを容易に整列できず、電極組立体の製作での加工性が低下する問題点がある。
本発明が解決しようとする課題は、整列を容易にするためのリチウム二次電池を提供することである。
前記課題を達成するために、本発明の一側面によれば、陽極活物質層を備える陽極と、陰極活物質層を備える陰極と、電解液と、前記陽極及び前記陰極のうち少なくともいずれか一つの極板の少なくとも一面にコーティングされた無機絶縁セパレータコーティング層と、を備え、前記陽極活物質層と前記陰極活物質層とは、実質的に広さが同じであり、整列を容易にするために、前記陽極及び前記陰極の各横幅と縦幅とが実質的に同じリチウム二次電池を開示する。
ここで、前記陰極活物質層は、リチウムチタン酸化物(ＬＴＯ：Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ)を備えうる。ここで、前記リチウムチタン酸化物は、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の構成を有しうる。
前記無機絶縁セパレータコーティング層は、セラミックを備えうる。この時、前記無機絶縁セパレータコーティング層の孔隙率は、１０％ないし５０％でありうる。
前記無機絶縁セパレータコーティング層は、相互対応する前記陽極活物質層及び前記陰極活物質層を覆うように、それぞれ前記陽極及び前記陰極に塗布できる。
前記陽極活物質層及び前記陰極活物質層のバインダーは、水系バインダーであり、前記無機絶縁セパレータコーティング層のバインダーは、油系バインダーでありうる。これと異なり、前記陽極活物質層及び前記陰極活物質層のバインダーは、油系バインダーであり、前記無機絶縁セパレータコーティング層のバインダーは、水系バインダーでもある。
ここで、前記陰極活物質層は、リチウム対比０.５Ｖ以上の電位差のある物質を備えうる。
ここで、前記リチウム二次電池は、前記陽極と前記陰極との間に配されたセパレータをさらに備えうる。
ここで、前記リチウム二次電池は、積層型リチウム二次電池であって、前記陽極と前記陰極との面積が実質的に同じでありうる。
ここで、前記リチウム二次電池は、積層型リチウム二次電池であって、前記陽極と前記陰極との形状が実質的に同じでありうる。
以下、添付した図面に示された実施形態を参照して、本発明を詳細に説明する。
図１Ａないし図１Ｈを参照して、本発明による一実施形態を説明する。図１Ａないし図１Ｈは、本発明の一実施形態による積層型リチウム二次電池の電極組立体１０の製造方法を示した図面である。図１Ａないし図１Ｇの各図面は、電極組立体１０の製造方法によって電極組立体１０の平面図、正面図及び側面図を含む。図１Ｈは、電極組立体１０の斜視図及び正面図である。図１Ｈを参照すれば、積層型リチウム二次電池の電極組立体１０は、陰極２０と陽極３０とを備える。この時、陰極２０は、陰極集電体２２、陰極活物質層２３、及び無機絶縁セパレータコーティング層４０を備えうる。陽極３０は、陽極集電体３２、陽極活物質層３３を備える。
ここで、本発明によれば、陰極２０と陽極３０とは、実質的に同じ大きさを有する。従来には、陰極活物質層２３が陽極活物質層３３より大きく形成された。その理由は、リチウムと陰極活物質層２３との電位差のためであるが、リチウムと陰極活物質層との電位差が０.１ボルト(Ｖ)ほどの差に過ぎないので、充電時、陰極にリチウム金属の析出が容易であるという問題点がある。したがって、安全性を阻害するリチウム金属析出を防止するために、従来の陰極活物質層は、陽極活物質層より大きい面積に拡張されて形成された。このように、陰極活物質層が陽極活物質層より大きく製造されるため、各板のサイズ差によって、陰極及び陽極の整列が困難になり、これにより、電極組立体の加工性が低下した。しかし、本発明によれば、陰極活物質層２３は、リチウム対比０.５Ｖ以上の電位差のある活物質を備えることによって、陰極活物質層２３と陽極活物質層３３とは、実質的に同じサイズに形成されても、リチウムの析出が容易でない。すなわち、陰極活物質層２３がリチウム対比０.５Ｖ以上の電位差のある活物質を備えれば、リチウムの析出が容易でない。したがって、陰極活物質層２３は、陽極活物質層３３と実質的に同じサイズに構成され、また、陰極２０と陽極３０とも、実質的に同じ大きさに構成されうる。この時、陰極活物質層２３は、リチウム対比０.５Ｖ以上の電位差のある活物質でリチウムチタン酸化物(ＬＴＯ：Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ)を備えうる。この時、リチウムチタン酸化物は、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２またはＬｉ３Ｔｉ５Ｏ１２の構成を有しうる。この時、陰極２０は、陰極集電体２２の両面に陰極活物質層２３を備える。しかし、陰極活物質層２３の位置は、これに制限されず、陰極集電体２２のいずれか一面に配されるか、または両面に配されうる。
無機絶縁セパレータコーティング層４０は、陰極２０の最外層に配されうる。例えば、図１Ｈで、陰極活物質層２３の外側面に配されうる。このように、無機絶縁セパレータコーティング層４０をコーティングして陰極２０と陽極３０とを別途のセパレータなしにショートを防止し、リチウムイオンを移動させうる。このような無機絶縁セパレータコーティング層４０は、例えば、セラミックを備えうる。セラミックを備えた無機絶縁セパレータコーティング層４０は、陰極表面でのリチウムの析出を物理的に防止する効果がある。すなわち、無機絶縁セパレータコーティング層４０が、陰極表面に形成されて析出されたリチウムが成長しないように抑止する効果を有し、また、もしリチウムが析出される場合に、析出されたリチウムを収容できる。したがって、セラミックで無機絶縁セパレータコーティング層４０を備えることによって、リチウム析出問題を解決できる。このような場合、陰極活物質層２３は、リチウム対比０.５Ｖ以上の電位差のある活物質を備えるか、または備えないこともある。すなわち、陰極活物質層２３がリチウム対比０.５Ｖ以上の電位差のある活物質を備えない場合、無機絶縁セパレータコーティング層４０が陰極表面でのリチウム析出を物理的に防止する。または、陰極活物質層２３がリチウム対比０.５Ｖ以上の電位差のある活物質を備える場合、リチウム析出が発生せずになるが、もし、少量のリチウムが析出される可能性がある場合にも、セラミックを備えた無機絶縁セパレータコーティング層４０によってリチウム析出が発生しないように構成できる。
ここで、孔隙率は、極板上の任意の断面で空いている空間部分の面積の比率(％)を意味するものであって、無機絶縁セパレータコーティング層４０が二つの電極の間に電解質を透過させる程度と関連がある指標である。セラミックで無機絶縁セパレータコーティング層４０を構成した場合、このような孔隙率は、約１０％から５０％ほどの値を有しうる。このようなセラミックの孔隙率は、セラミックを極板にコーティングする時、スラリーの粘度を変化させて調節できる。しかし、セラミックの孔隙率を調節する方法は、これに制限されず、当業者ならば、多様な方法を通じて孔隙率を調節できるということが分かるであろう。
以下、本発明の一実施形態によって、陰極２０と陽極３０との大きさが実質的に同じ積層型リチウム二次電池の電極組立体１０の製造方法を説明する。この時、陰極２０と陽極３０とが実質的に同一であるというのは、例えば、図１Ｈで、陰極集電体２２と陽極集電体３２との面積が同じであるということを意味する。この時、陰極集電体２２と陽極集電体３２との横幅及び縦幅の長さが同一でありうる。ここで、横幅は、直四角形状の陰極集電体２２または陽極集電体３２の左側から右側までの長さを意味し、縦幅は、直四角形状の陽極集電体３２の下側から上側までの長さを意味する。この時、陰極集電体２２または陽極集電体３２の横幅及び縦幅の長さが同一であり、面積が同一でありうる。また、面積が同一であり、形状も同一でありうる。図１Ａを参照すれば、陰極集電体素材２１上に陰極活物質層２３を塗布する。この時、陰極活物質層２３は、バインダー用樹脂及び活物質を含むスラリーを塗布する。図１Ｂを参照すれば、陰極活物質層２３上に無機絶縁セパレータコーティング層４０を塗布する。この時、陰極活物質層２３上に無機絶縁セパレータコーティング層４０とバインダー用樹脂とを塗布する。この時、陰極活物質層２３のバインダーは、水系バインダーならば、無機絶縁セパレータコーティング層４０のバインダーは、油系バインダーでありうる。また、もし陰極活物質層２３のバインダーが油系バインダーならば、無機絶縁セパレータコーティング層４０のバインダーは、水系バインダーで構成されうる。図１Ｂで、無機絶縁セパレータコーティング層４０を塗布した後、長手方向の切断線４５に沿って切取って図１Ｃの実施形態を得る。図１Ｃで、高さ方向の切断線４５に沿って切断して図１Ｄの積層型陰極２０を得る。このように、無機絶縁セパレータコーティング層４０を塗布した後に切断する場合、陽極３０または陰極２０の厚さ上に無機絶縁セパレータコーティング層４０の厚さが加えられて、工程上バー(ｂｕｒｒ）の発生が少なく、たとえバーが発生しても、表面上に現れる可能性が少ない。このように、バーの発生が少なくなれば、バーによって無機絶縁セパレータコーティング層４０が開けられるか、または短絡が発生する可能性が小さくなって、安全性が向上する。また、別途のラミネーティングテープを付ける工程を省略することもある。陽極３０は、陰極２０を製造する方法と類似に製造できる。図１Ｅを参照すれば、陽極集電体元素材３１に陽極活物質層３３を塗布する。この時、陽極活物質層３３は、バインダー用樹脂及び活物質を含むスラリーを塗布する。この時、陽極活物質層３３のバインダーは、無機絶縁セパレータコーティング層４０のバインダーの特性に反して、水系バインダーまたは油系バインダーである。すなわち、無機絶縁セパレータコーティング層４０のバインダーが、水系バインダーならば、陽極活物質層３３のバインダーは、油系バインダーである。また、もし無機絶縁セパレータコーティング層４０のバインダーが油系バインダーならば、陽極活物質層３３のバインダーは、水系バインダーである。
このように形成された積層型陰極２０と陽極３０とを、図１Ｈのように交互に積層して、積層型リチウム二次電池の電極組立体１０を備える。この時、陰極活物質層２３と陽極活物質層３３とのサイズが実質的に同一であるので、陰極２０と陽極３０との大きさを同一に構成できる。したがって、陰極２０及び陽極３０の配列が容易であり、電極組立体１０の製造加工性が向上する。陰極２０及び陽極３０の積層順序は、陰極２０と陽極３０との順序を変えて順次に積層することもある。ここで、図１Ｈによる電極組立体１０は、一実施形態に過ぎず、当業者ならば、多様な変形が可能であるということが分かるであろう。
例えば、図２Ａないし図２Ｄは、図１Ｈの実施形態の変形例を示した断面図である。図２Ａを参照すれば、陰極集電体２２２の一面にのみ陰極活物質層２２３が形成される。この時、陽極２３０は、陰極集電体２２２と対向する面に陽極活物質層２３３を形成することもある。無機絶縁セパレータコーティング層２４０は、陰極２２０上にのみ形成されず、陽極２３０の最外層に形成されうる。例えば、図２Ｂを参照すれば、陰極２２０は、陰極集電体２２２の一面にのみ陰極活物質層２２３が形成され、対応する陽極集電体２３２の一面に陽極活物質層２３３が形成される。この時、陽極２３０の両面に無機絶縁セパレータコーティング層２４０を形成させうる。これと異なり、図２Ｃのように、陰極２２０及び陽極２３０の最外層にそれぞれ無機絶縁セパレータコーティング層２４０を形成させることもある。このように、無機絶縁セパレータコーティング層２４０を陰極２２０と陽極２３０とに配置してショートが発生する確率をさらに減らせる。これと異なり、陰極２２０及び陽極２３０のうち少なくとも一電極の最外層に無機絶縁セパレータコーティング層２４０を形成し、陰極２２０と陽極２３０との間にセパレータ２５０を配置することもある。この時、セパレータ２５０は、通常のポリオレフィン系材料を備えうる。例えば、図２Ｄを参照すれば、陰極２２０の最外層に無機絶縁セパレータコーティング層２４０を形成し、陰極２２０と陽極２３０との間にセパレータ２５０をさらに配置することもある。図２Ａないし図２Ｄは、本発明の一実施形態の変形例に過ぎず、本発明の思想と保護範囲とは、これに制限されない。
図３Ａないし図３Ｄを参照して、本発明による他の実施形態を説明する。図３Ａないし図３Ｄは、本発明の他の実施形態による積層型リチウム二次電池の電極組立体１０の製造方法を示した図面である。ここで、図３Ａないし図３Ｄは、それぞれ電極組立体１０の製造方法によって、電極組立体１０の平面図、正面図及び側面図を含む。図１Ａないし図１Ｈの実施形態では、陰極活物質層にリチウム対比０.５Ｖ以上の電位差がある活物質を備えることによって、陰極及び陽極の大きさを同一に構成できるということを説明した。これと異なり、本発明の他の実施形態は、図３Ａないし図３Ｄを参照して、陰極活物質層３２３がリチウム対比０.５Ｖ以上の電位差がある活物質を備えずとも、陰極３２０と陽極との大きさを実質的に同一に形成できることを説明する。この時、陰極３２０と陽極とが実質的に同一であるというのは、例えば、図３Ｄで陰極集電体３２２の面積が陽極集電体(図示せず）の面積と同じであるということであって、陰極集電体３２２上の横幅及び縦幅の長さが陽極集電体(図示せず）の横幅及び縦幅の長さと同じであることを意味する。この時、無機絶縁セパレータコーティング層３４０は、相互対応する陽極活物質層及び陰極活物質層３２３を覆うように、それぞれ陽極及び陰極３２０に塗布されうる。
活物質層３２３は、従来の活物質材料を使用できる。例えば、陰極活物質層３２３は、黒鉛などの陰極活物質をコーティングできる。陽極活物質層は、例えば、コバルト酸リチウム(ＬｉＣｏＯ２）の陽極活物質をコーティングできる。活物質は、これに制限されず、シリコン系材料やスズ系材料、アルミニウム系材料、ゲルマニウム系材料で構成することもある。この時、活物質の材料は、従来の材料だけでなく、リチウムチタン酸化物(ＬＴＯ)を備えることもある。この時、活物質層３２３がリチウムチタン酸化物(ＬＴＯ)のようなリチウム対比０.５Ｖ以上の電位差がある活物質を備えない場合、リチウムが析出される。このように、リチウムが析出される問題を解決するために、活物質層３２３を覆うように、無機絶縁セパレータコーティング層３４０を塗布できる。ここで、無機絶縁セパレータコーティング層３４０は、例えば、セラミックを備えうる。セラミックを備えた無機絶縁セパレータコーティング層３４０は、析出されたリチウムを吸収できる。したがって、活物質層３２３がリチウムイオンと直接接触しないように活物質層３２３を無機絶縁セパレータコーティング層３４０で覆うことによって、リチウム析出問題を解決できる。例えば、図３Ｄを参照すれば、無機絶縁セパレータコーティング層３４０が陰極活物質層３２３を陰極集電体３２２上に覆い、陰極活物質層３２３が電解液と直接接触しないように構成できる。したがって、活物質層３２３がリチウム対比０.５Ｖ以上の電位差がある活物質を備えなくてリチウムが析出される場合、析出されたリチウムが無機絶縁セパレータコーティング層３４０に吸収される。この時、無機絶縁セパレータコーティング層３４０はセパレータとしても機能して陰極３２０と陽極とのショートを防止し、リチウムイオンを移動させうる。また、無機絶縁セパレータコーティング層３４０が析出されたリチウムを収容できるので、陰極活物質層３２３が陽極活物質層より大きくなく、同じサイズに製作されうる。したがって、陰極３２０と陽極とは、同じ大きさに製作され、電極組立体１０の製作時、整列が容易であるので、加工性が向上する。
以下、本発明の他の実施形態によって、陰極３２０と陽極との大きさが実質的に同じ積層型リチウム二次電池の電極組立体１０の製造方法を説明する。図３Ａを参照すれば、陰極集電体素材３２１上に陰極活物質層３２３を塗布できる。この時、陰極活物質層３２３は、バインダー用樹脂及び活物質を含むスラリーを塗布する。図３Ｂを参照すれば、陰極活物質層３２３上に無機絶縁セパレータコーティング層３４０を塗布する。この時、無機絶縁セパレータコーティング層３４０は、陰極活物質層３２３を覆うように塗布される。陰極活物質層３２３上に無機絶縁セパレータコーティング層３４０とバインダー用樹脂とを塗布する。この時、陰極活物質層３２３のバインダーが水系バインダーならば、無機絶縁セパレータコーティング層３４０のバインダーは、油系バインダーでありうる。また、もし陰極活物質層３２３のバインダーが油系バインダーならば、無機絶縁セパレータコーティング層３４０のバインダーは、水系バインダーで構成されうる。図３Ｂで、無機絶縁セパレータコーティング層３４０を塗布した後、長手方向の切断線３４５に沿って切取って図３Ｃの実施形態を得る。図３Ｃで、高さ方向の切断線３４５に沿って切断して図３Ｄの積層型陰極３２０を得られる。陽極を製造する方法は、積層型陰極３２０を製造する方法と類似した方法で製造されうる。この時、例えば、陽極は、陽極活物質層が陰極活物質層３２３と同じサイズを有するように製造されうる。この時、陽極は、陰極３２０のように、陽極活物質層上に無機絶縁セパレータコーティング層３４０を備えることもある。以後、陰極３２０と陽極とを積層して積層型電極組立体１０を得られる。
図４Ａ及び図４Ｂは、図３Ｄの実施形態の変形例を示した断面図である。図４Ａを参照すれば、陰極集電体４２２の一面にのみ陰極活物質層４２３が形成されうる。この時、陰極活物質層４２３に対応して、陽極集電体４３２の一面に陽極活物質層４３３を備えうる。図４Ｂを参照すれば、陰極４２０と陽極４３０との間にセパレータ４５０を備えることもある。ここで、セパレータ４５０は、ポリオレフィン系材料を備えうる。本発明による電極組立体１０の変形例は、これに制限されず、当業者ならば、多様に変形できる。
以下、本発明が円筒形リチウム二次電池１００に適用された実施形態を説明する。図５は、円形リチウム二次電池の概略的な断面図である。図５を参照すれば、本発明による円筒形リチウム二次電池１００は、電極組立体１０、センターピン１２０、缶１４０、キャップ組立体１５０を備える。電極組立体１０は、陰極５２０,６２０,７２０及び陽極５３０,６３０,７３０を備える。ここで、陰極５２０,６２０,７２０または陽極５３０,６３０,７３０のうち少なくともいずれか一つの電極に無機絶縁セパレータコーティング層が形成され、別途のセパレータを必要としないこともある。ここで、セパレータは、高さ方向の縦幅ｈと長手方向の横幅とを有しうる（図６参照）。もし、無機絶縁セパレータコーティング層を形成せず、従来のセパレータを使用すれば、セパレータは、陰極５２０,６２０,７２０または陽極５３０,６３０,７３０より縦幅ｈが大きくなければならない。その理由は、使用中に陰極５２０,６２０,７２０または陽極５３０,６３０,７３０が移動中に相互接触してショートされる可能性があるため、セパレータの縦幅ｈを陽極より高くしてショートを防止するためである。しかし、陽極活物質と陰極活物質とが相互接触しないように、陰極５２０,６２０,７２０または陽極５３０,６３０,７３０のうち少なくともいずれか一つの電極に無機絶縁セパレータコーティング層が形成されれば、極板が動いてもコーティング面が極板と共に動くので、二つの極板が接触してショートされる可能性が低くなる効果がある。また、図６を参照すれば、上絶縁板１１７と下絶縁板１１６との間に陰極５２０,６２０,７２０と陽極５３０,６３０,７３０との縦幅ｈは、実質的に同一でありうる。ここで、縦幅ｈとは、円筒形リチウム二次電池１００に陰極５２０,６２０,７２０と陽極５３０,６３０,７３０とが缶１４０とキャップ組立体１５０との間に延びた長さを意味する。また、横幅とは、陰極５２０,６２０,７２０と陽極５３０,６３０,７３０とを繰広げた時、長手方向に延びた長さを意味する。このように、陰極５２０,６２０,７２０と陽極５３０,６３０,７３０との縦幅ｈが実質的に同一であるので、電極組立体１０の巻取り時に、工程が有利になる。この時、陰極５２０,６２０,７２０と陽極５３０,６３０,７３０との縦幅ｈは、同じであるが、陰極５２０,６２０,７２０と陽極５３０,６３０,７３０との長手方向の長さである横幅は、相異なりうる。例えば、陰極５２０,６２０,７２０と陽極５３０,６３０,７３０とをジェリーロール形状に巻き取った時、陰極５２０,６２０,７２０または陽極５３０,６３０,７３０のうちいずれか一極の横幅がさらに長いので、電極組立体の表面をさらに覆うこともある。
円筒形缶１４０は、陰極５２０,６２０,７２０、陽極５３０,６３０,７３０をほぼ円柱状に巻き取って受納する。陰極５２０,６２０,７２０は、銅(Ｃｕ)ホイルを含み、陽極５３０,６３０,７３０は、アルミニウム(Ａｌ)ホイルを含みうる。陰極５２０,６２０,７２０には、下部に一定長さで突出して延びた陰極タップ１１４が溶接され、陽極５３０,６３０,７３０には、上部に一定長さで突出した陽極タップ１１５が溶接されうるが、その逆も可能である。それと共に、陰極タップ１１４は、ニッケル(Ｎｉ)材質、陽極タップ１１５は、アルミニウム(Ａｌ)材質でありうる。センターピン１２０は、電極組立体１０のほぼ中央に結合されており、これは、電池の充放電中に電極組立体１０の変形を抑制する役割を行う。
本発明のさらに他の実施形態は、陰極５２０,６２０,７２０と陽極５３０,６３０,７３０との縦幅が同じ円筒形二次電池である。陰極活物質層は、リチウム対比０.５Ｖ以上の電位差がある活物質を備え、例えば、リチウムチタン酸化物(ＬＴＯ)を備えうる。活物質としてリチウムチタン酸化物を備えることによって、リチウムが析出されず、したがって、析出されるリチウムを収容するために、陰極活物質層の縦幅ｈを陽極活物質層より大きく構成する必要がない。すなわち、陰極活物質層と陽極活物質層との縦幅を実質的に同一に構成できる。したがって、陰極と陽極との縦幅を同一にして巻き取れるので、加工性が向上する。この時、陰極と陽極との縦幅が同一であるというのは、陰極の陰極集電体と陽極の陽極集電体との縦幅が同じであるということを意味する。
陰極５２０,６２０,７２０または陽極５３０,６３０,７３０のうち少なくともいずれか一つの電極は、無機絶縁セパレータコーティング層を備えうる。この時、無機絶縁セパレータコーティング層は、陰極５２０,６２０,７２０の最外層に配されうる。このように、無機絶縁セパレータコーティング層をコーティングして陰極５２０,６２０,７２０と陽極５３０,６３０,７３０とを別途のセパレータなしにショートを防止し、リチウムイオンを移動させうる。このような無機絶縁セパレータコーティング層は、例えば、セラミックを備えうる。セラミックを備えた無機絶縁セパレータコーティング層は、析出されたリチウムを吸収する。したがって、セラミック無機絶縁セパレータコーティング層を通じてリチウム析出問題も解決できる。これにより、図７Ａないし図７Ｅを参照して、本発明によるさらに他の実施形態を説明する。図７Ａないし図７Ｅは、本発明のさらに他の実施形態による円形リチウム二次電池の電極組立体１０の製造方法を示した図面である。図７Ａないし図７Ｅの各図面は、電極組立体１０の製造方法によって、電極組立体１０の平面図、正面図及び側面図を含む。
以下、本発明のさらに他の実施形態によって、陰極活物質層５２３と陽極活物質層５３３とのサイズが実質的に同じ円筒形リチウム二次電池の電極組立体１０の製造方法を説明する。
まず、陰極５２０を製造する方法を説明する。図７Ａを参照すれば、陰極集電体素材５２１上に陰極活物質層５２３を塗布する。この時、陰極活物質層５２３は、バインダー用樹脂及び活物質を含むスラリーを塗布する。図７Ｂを参照すれば、陰極活物質層５２３上に無機絶縁セパレータコーティング層５４０を塗布する。この時、陰極活物質層５２３上に無機絶縁セパレータコーティング層５４０とバインダー用樹脂とを塗布する。この時、陰極活物質層５２３のバインダーの特性は、無機絶縁セパレータコーティング層５４０のバインダーの特性に反して、水系あるいは油系バインダーでありうる。図７Ｂで、無機絶縁セパレータコーティング層５４０を塗布した後、長手方向の切断線４５に沿って切取って、図７Ｃに示したように、陰極５２０が得られる。
次いで、陽極５３０を製造する方法を説明する。図７Ｄを参照すれば、陽極集電体素材５３１の両面に陽極活物質層５３３を塗布できる。この時、陽極活物質層５３３は、バインダー用樹脂及び活物質を含むスラリーを塗布できる。この時、陽極活物質層５３３のバインダーは、無機絶縁セパレータコーティング層５４０のバインダーの特性に反して、水系バインダーまたは油系バインダーでありうる。図７Ｄの切断線４５に沿って切取って、陽極５３０を図７Ｅのように得られる。
このように形成された陰極５２０と陽極５３０とは、中央部を中心に巻き取れる。あるいは、陰極５２０と陽極５３０との一端を基準に巻き取れる。この時、陰極５２０または陽極５３０の構成は、図７Ａないし図７Ｅの実施形態に制限されず、多様な変形例を有しうる。このような変形例を、図８Ａないし図８Ｄを参照して説明する。図８Ａないし図８Ｄは、図７Ａないし図７Ｅのさらに他の実施形態の変形例によって巻き取られたジェリーロールを上側から眺めた概略的な平面図である。図８Ａを参照すれば、陽極６３０ａの両面にのみ無機絶縁セパレータコーティング層６４０を備えうる。図８Ｂを参照すれば、陰極集電体６２２の一面に陰極活物質層６２３を形成できる。この時、これに対応して、陽極集電体６３２の一面に陰極活物質層６３３を形成することもある。この時、陰極６２０ｂと陽極６３０ｂとは、陰極６２０ｂの最外層に形成された無機絶縁セパレータコーティング層６４０によってショートが防止され、リチウムイオンが移動されうる。図８Ｃによれば、陰極６２０ｃと陽極６３０ｃとのそれぞれの最外層に無機絶縁セパレータコーティング層６４０が形成されることもある。これと異なり、図８Ｄを参照すれば、陰極６２０ｄと陽極６３０ｄとの間に別途のセパレータ６５０をさらに備えることもある。この時、セパレータ６５０は、通常のポリオレフィン系材料を備えうる。
図９Ａないし図９Ｃは、本発明のさらに他の実施形態による円形リチウム二次電池の電極組立体１０の製造方法を示した図面である。図９Ａないし図９Ｃの各図面は、電極組立体１０の製造方法によって電極組立体１０の平面図、正面図及び側面図を含む。電極組立体１０の製造において、活物質層７２３は、従来の活物質材料を使用できる。ここで、図９Ａないし図９Ｃに示された本発明のさらに他の実施形態は、図７Ａないし図７Ｅに示された実施形態と陰極活物質層７２３の材料面で相異なる。すなわち、図７Ａないし図７Ｅに示された実施形態では、陰極活物質層５２３がリチウムチタン酸化物(ＬＴＯ)のようなリチウム対比０.５Ｖ以上の物質からなる一方、図９Ａないし図９Ｃは、リチウム対比０.５Ｖ以上または以下の物質で構成されうる。図９Ａないし図９Ｃで、陰極活物質層７２３をリチウム対比０.５Ｖ以下の物質を使用する場合、リチウムが析出されるが、無機絶縁セパレータコーティング層７４０が陰極活物質層７２３を覆うように塗布されて析出されたリチウムを吸収する。
この時、例えば、陰極活物質層７２３は、黒鉛などの陰極活物質を含みうる。陽極活物質層は、例えば、コバルト酸リチウム(ＬｉＣｏＯ２）の陽極活物質を含みうる。活物質は、これに制限されない。この時、陰極活物質層７２３がリチウムチタン酸化物(ＬＴＯ)のようなリチウム対比０.５Ｖ以上の電位差がある活物質を備えない場合、リチウムが析出される。このように、リチウムが析出される問題を解決するために、陰極活物質層７２３を覆うように無機絶縁セパレータコーティング層７４０を塗布できる。ここで、無機絶縁セパレータコーティング層７４０は、例えば、セラミックを備えうる。セラミックを備えた無機絶縁セパレータコーティング層７４０は、リチウム析出を防止できる。したがって、陰極活物質層７２３がリチウムイオンと直接接触しないように、陰極活物質層７２３を無機絶縁セパレータコーティング層７４０で覆うことによってリチウム析出問題を解決できる。この時、無機絶縁セパレータコーティング層７４０が、また、セパレータの役割を代わりに行って陰極７２０と陽極７３０とのショートを防止し、リチウムイオンを移動させうる。また、無機絶縁セパレータコーティング層７４０がリチウム析出を防止できるので、陰極活物質層７２３が陽極活物質層より大きくなく、同じサイズに製作できる。したがって、陰極７２０と陽極７３０とは、同じ大きさに製作されて加工性が向上する。この時、陰極７２０と陽極７３０との縦幅が同一であるというのは、陰極７２０の陰極集電体７２２と陽極７３０の陽極集電体７３２との縦幅が同じであるということを意味する。
以下、本発明の他の実施形態によって、陰極活物質層７２３と陽極活物質層とのサイズが実質的に同じ積層型リチウム二次電池の電極組立体１０の製造方法を説明する。
陰極２０の製造方法を説明する。図９Ａを参照すれば、陰極集電体素材７２１上に陰極活物質層７２３を塗布する。この時、陰極活物質層７２３は、バインダー用樹脂及び活物質を含むスラリーを塗布する。図９Ｂを参照すれば、陰極活物質層７２３上に無機絶縁セパレータコーティング層７４０を塗布する。この時、無機絶縁セパレータコーティング層７４０は、陰極活物質層７２３を覆うように塗布される。陰極活物質層７２３上に無機絶縁セパレータコーティング層７４０とバインダー用樹脂とを塗布する。この時、陰極活物質層７２３のバインダーは、無機絶縁セパレータコーティング層７４０のバインダーの特性に反して、水系または油系バインダーでありうる。図９Ｂで、無機絶縁セパレータコーティング層７４０を塗布した後、長手方向の切断線４５に沿って切取って、陰極７２０を図９Ｃのように得られる。陽極７３０の製造方法は、陰極７２０の製造方法と類似に製造できる。この時、陽極７３０は、陽極活物質層が陰極活物質層７２３のサイズと同一に製造されうる。この時、陽極(図示せず)上にも、陽極活物質層(図示せず)上に無機絶縁セパレータコーティング層７４０を塗布することもある。
この時、図９Ａないし図９Ｃに示された実施形態には、集電体７２１の一面に活物質層７２３が形成されたので、巻取り時に陰極活物質層７２３と陽極活物質層とが相互対向するように配置して巻取れる。この時、陰極７２０と陽極７３０との縦幅ｈは、実質的に同一に構成できる。
電極組立体１０の実施形態は、これに制限されず、多様な変形例を有する。例えば、集電体７２１,７３１の両面に活物質層７２３を形成して巻き取ることもある。または、陰極７２０と陽極７３０との間にセパレータ７５０をさらに配置することもある。この時、セパレータ７５０は、通常のポリオレフィン系材料を備えうる。
本発明は、図面に示された実施形態を参照して説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが分かるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されねばならない。
本発明は、二次電池関連の技術分野に好適に適用可能である。
１０ 電極組立体
２０ 陰極
２２ 陰極集電体
２３ 陰極活物質層
３０ 陽極
３２ 陽極集電体
３３ 陽極活物質層
４０ 無機絶縁セパレータコーティング層
２０ 陰極
２２ 陰極集電体
２３ 陰極活物質層
３０ 陽極
３２ 陽極集電体
３３ 陽極活物質層
４０ 無機絶縁セパレータコーティング層
Claims (11)
- 陽極活物質層を備える陽極と、
陰極活物質層を備える陰極と、
電解液と、
前記陽極及び前記陰極のうち少なくともいずれか一つの極板の少なくとも一面にコーティングされた無機絶縁セパレータコーティング層と、を備え、
前記陽極活物質層と前記陰極活物質層とは、実質的に広さが同じであり、整列を容易にするために、前記陽極及び前記陰極の各横幅と縦幅とが実質的に同じであるリチウム二次電池。 - 前記陰極活物質層は、リチウムチタン酸化物(ＬＴＯ：Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ)を備えたことを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
- 前記無機絶縁セパレータコーティング層は、セラミックを備えたことを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
- 前記無機絶縁セパレータコーティング層の孔隙率は、１０％ないし５０％であることを特徴とする請求項３に記載のリチウム二次電池。
- 前記無機絶縁セパレータコーティング層は、相互対応する前記陽極活物質層及び前記陰極活物質層を覆うように、それぞれ前記陽極及び前記陰極に塗布することを特徴とする請求項３に記載のリチウム二次電池。
- 前記陽極活物質層及び前記陰極活物質層のバインダーは、水系バインダーであり、前記無機絶縁セパレータコーティング層のバインダーは、油系バインダーであることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
- 前記陽極活物質層及び前記陰極活物質層のバインダーは、油系バインダーであり、前記無機絶縁セパレータコーティング層のバインダーは、水系バインダーであることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
- 前記陰極活物質層は、リチウム対比０.５Ｖ以上の電位差のあつ物質を備えることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
- 前記リチウム二次電池は、前記陽極と前記陰極との間に配されたセパレータをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
- 前記リチウム二次電池は、積層型リチウム二次電池であって、前記陽極と前記陰極との面積が実質的に同じであることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
- 前記リチウム二次電池は、積層型リチウム二次電池であって、前記陽極と前記陰極との形状が実質的に同じであることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
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