JP2011129497A

JP2011129497A - 二次電池

Info

Publication number: JP2011129497A
Application number: JP2010097882A
Authority: JP
Inventors: Ja Kyung Cho; 慈卿趙; Daikei Kim; 大奎金; Chang-Bum Ahn; ▲チャン▼範安
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2030-04-21
Also published as: KR20110067915A; CN102097611B; US20110143190A1; KR101100990B1; CN102097611A; EP2341567A1; JP5363404B2; US8999559B2

Abstract

【課題】活物質の脱離が防止されると共に、電極板とセパレータ間の密着力が強化された二次電池を提供する。
【解決手段】一側に第１電極タップ１６が備えられた第１電極板１３と、前記第１電極タップと重ならないように他側に第２電極タップ１７が備えられた第２電極板１５と、前記第１電極板及び前記第２電極板の間に介在されたセパレータ１４を含む電極組立体１２と、前記電極組立体と電解液を収容するケースを含み、前記第１電極板及び前記第２電極板と前記セパレータの間に付着された粘着剤８０を更に含む。
【選択図】図３

Description

本発明は二次電池に関し、特に、活物質の脱離が防止されると共に、電極板とセパレータ間の密着力が強化された二次電池に関する。

近年、携帯用電子機器の小型化及び軽量化が急速に進むにつれて、その駆動電源として用いられる二次電池に対する多くの研究が行われている。このような二次電池としては、ニッケル-カドミウム電池、ニッケル-水素電池、ニッケル-亜鉛電池、リチウム二次電池などが挙げられる。

これらのうち、リチウム二次電池は再充電が可能であり、小型及び大容量が可能であり、作動電圧が高く、単位重量当たりのエネルギー密度が高いという長所から先端電子機器分野で広く用いられている。

このようなリチウム二次電池は、活物質がコーティングされた陽極板及び陰極板と、その間に介在されたセパレータで構成される電極組立体を電解液と共にケースに収納し、ケースを封止して製造される。

ところが、リチウム二次電池は、製造過程、特に、電解液の注入や充放電時の副反応又はガスの発生などによりスウェルリング（Ｓｗｅｌｌｉｎｇ）が発生しやすく、それにより、電極組立体の配列がずれてショート欠陥が発生したり、未充電領域が発生するおそれがある。

また、リチウム二次電池は、陽極板及び陰極板をノッチング（ｎｏｔｃｈｉｎｇ）又は切断する過程で脱離した活物質の粉塵及びタップ融着による粉塵などが発生しやすいため、ショート欠陥が発生するおそれがある。

大韓民国特許公開第２００７−００８７２７６号大韓民国特許公開第２００３−２０８８８５号大韓民国特許公開第２００８−００９０７６９号大韓民国特許公開第２００８−２２６６６８号

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、活物質の脱離が防止されると共に、電極板とセパレータ間の密着力が強化されて電極組立体の整列状態が安定して維持され、未充電領域の発生が低減されるようにする二次電池を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、一側に第１電極タップが備えられた第１電極板と、前記第１電極タップと重ならないように他側に第２電極タップが備えられた第２電極板と、前記第１電極板及び前記第２電極板の間に介在されたセパレータを含む電極組立体と、前記電極組立体と電解液を収容するケースとを含み、前記第１電極板及び前記第２電極板と前記セパレータの間に付着された粘着剤を更に含む二次電池を提供する。

ここで、前記粘着剤は、電解液により表面が化学的な変形を起こし、粘着性を有するように変質されて自身が付着された電極板とこれに隣接するセパレータを密着させる物質からなることができる。

また、前記粘着剤は、オリエンテッドポリスチレン（ＯｒｉｅｎｔｅｄＰｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ、ＯＰＳ）接着フィルムからなることができる。

更に、前記粘着剤は、前記第１電極板及び前記第２電極板のそれぞれの対向する縁部に沿って付着され得る。ここで、前記粘着剤は前記第１電極板及び前記第２電極板のそれぞれの上部及び下部縁部に沿って横方向に付着されることができ、前記縁部を覆うように付着され得る。

また、前記粘着剤は、前記第１電極板及び前記第２電極板のそれぞれの両面に対向する辺に沿って付着され得る。

このような本発明によれば、電解液により粘着性を有するように変質される粘着剤を第１電極板及び第２電極板に付着することで、電解液が含浸されるとき、第１電極板及び第２電極板とセパレータ間の密着力を強化できる。これにより、電極組立体の整列状態が安定して維持されてショート欠陥が防止され、スウェルリングによる未充電領域の発生が防止されるという効果を奏する。

特に、粘着剤を活物質の粉塵及びタップ融着による粉塵などが発生するおそれが高い第１及び第２電極板の縁部に付着する場合、活物質の脱離を防止し、粉塵によるショート欠陥を防止できる。

本発明の一実施形態に係る二次電池を示す分解斜視図である。図１の二次電池が結合された状態を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る電極組立体を示す斜視図である。図３に示す粘着剤の付着例を示す要部斜視図である。図３に示す粘着剤の付着例を示す要部斜視図である。本発明の他の実施形態に係る二次電池を示す分解斜視図である。本発明の他の実施形態に係る電極組立体を説明する電極板の平面図である。本発明の他の実施形態に係る電極組立体を説明する電極板の平面図である。本発明の他の実施形態に係る電極組立体を説明する電極板の平面図である。図６Ａ〜図６Ｃに示す粘着剤の付着例を示す断面図である。図６Ａ〜図６Ｃに示す粘着剤の付着例を示す断面図である。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施形態を更に詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る二次電池を示す分解斜視図であり、図２は、図１の二次電池が結合された状態を示す断面図である。本実施形態では巻取型電極組立体を用いた二次電池をその例として開示する。

図１〜図２を参照すれば、本発明の一実施形態に係る二次電池は、電極組立体１２と、前記電極組立体１２と共に電解液を収容するケースを含み、ケースは缶１０及びキャップ組立体２０とこれらの間に位置する絶縁ケース７０を備える。

電極組立体１２は第１電極板１３及び第２電極板１５とこれらの間に介在されたセパレータ１４を含み、第１電極板１３、第２電極板１５及びセパレータ１４はゼリーロール状に巻き取られる.ここで、第１電極板１３及び第２電極板１５はそれぞれ陽極板及び陰極板のうち１つの極板になることができるものであって、例えば、第１電極板１３が陽極板であれば、第２電極板１５は陰極板であり得る。

第１電極板１３及び第２電極板１５はそれぞれアルミニウム金属箔と銅金属箔にスラリをコーティング乾燥させて製造される。このとき、スラリは第１電極板１３及び第２電極板１５のそれぞれの活物質を金属箔に粘着するようにする固定剤を含む。リチウム二次電池の場合、両極活物質としては、主にリチウムが含有された酸化物が利用され、陰極活物質としては、ハードカーボン、ソフトカーボン、黒鉛及び炭素物質のうちいずれか１つを主に利用できるが、本発明がリチウム二次電池にのみ限定されるものではない。

このような第１電極板１３及び第２電極板１５にはそれぞれ電極組立体１２の上端部に突出する第１電極タップ１６及び第２電極タップ１７が備えられる。ここで、第１電極タップ１６及び第２電極タップ１７は所定距離離間するように形成されて電気的に絶縁され、これらが電極組立体１２から引き出される部分にはラミネーションテープ１８が巻き取られている。ラミネーションテープ１８は、第１電極タップ１６又は第２電極タップ１７で発生する熱を遮断し、第１電極タップ１６又は第２電極タップ１７の縁部により電極組立体１２が圧迫されないようにする役割を果たす。

即ち、第１電極タップ１６及び第２電極タップ１７は、それぞれ電極組立体１２の第１電極板１３及び第２電極板１５に電気的に連結され、缶１０の開口された方向に引き出される。そのために、第１電極タップ１６及び第２電極タップ１７は缶１０の内部で電極組立体１２の上部に固定される絶縁ケース７０のリード通孔７２をそれぞれ貫通して缶１０又は端子プレート６０と電気的に連結される。

缶１０は、開口された一側に電極組立体１２を収容し、缶１０の水平断面は隅部が丸く処理された四角形状であり、一対の短辺部１０ａと一対の長辺部１０ｂを含む。

ただし、これは１つの実施形態であって、缶１０の水平断面形状がこれに限定されるものではなく、例えば、缶１０の水平断面形状は四角形状又は楕円形状などで形成されることもできるのはもちろんである。即ち、本実施形態では角形二次電池を示したが、本発明がこれに限定されるものではなく、例えば、本発明は円筒形二次電池にも適用され得る。この場合、電極組立体１２は円筒形に巻き取られることもできる。

このような缶１０は、金属材料、例えば、軽くて軟性のあるアルミニウム又はアルミニウム合金で形成されることができる。また、缶１０はディップドローイング方式によって容易に製作できる。

このような缶１０の上端には段差部が形成され、段差部には後述するキャップ組立体２０が安着する。

キャップ組立体２０は、キャッププレート４０、電極端子３０、絶縁プレート５０、端子プレート６０及びガスケット３５を含む。このうち、キャッププレート４０は、キャップ組立体２０と缶１０の結合時に缶１０の開口面を封止して缶１０の一面を形成できる。そのために、キャッププレート４０は溶接のような方法を用いて缶１０の開口面に結合され得る。

以下ではキャップ組立体２０の構成要素について詳細に説明する。

キャッププレート４０は、絶縁ケース７０のリード通孔７２を貫通して引き出される第１電極タップ１６及び第２電極タップ１７のうちいずれかと電気的に連結される。また、キャッププレート４０にはガスケット３５との結合のための第１端子ホール４１及び電解液の注入のための電解液注入口４２が形成される。電解液注入口４２はキャッププレート４０に形成され、缶１０の内部に電解液を注入する通路として利用される。このような電解液注入口４２は電解液の注入が完了した後、栓４３により封止される。

ガスケット３５は電極端子３０とキャッププレート４０間の絶縁を確保するためのものであって、キャッププレート４０には電極端子３０との結合のための第１端子ホール４１が形成され、電極端子３０は第１端子ホール４１を貫通する形でガスケット３５に結合される。

絶縁プレート５０は、キャッププレート４０と端子プレート６０間の絶縁のために、その間に挿入される。また、絶縁プレート５０には電極端子３０が貫通できるように第２端子ホール５１が形成される。

端子プレート６０は、第３端子ホール６１により電極端子３０と電気的に連結される。このような端子プレート６０は、第１電極タップ１６及び第２電極タップ１７のうちキャッププレート４０と連結されない端子と電気的に連結される。即ち、キャッププレート４０が第１電極タップ１６と電気的に連結される場合、端子プレート６０は第２電極タップ１７と連結され、これにより、電極端子３０と第２電極タップ１７との電気的連結を仲介することができる。

そして、絶縁ケース７０は電極組立体１２とキャップ組立体２０が電気的に絶縁されるようにその間に位置し、より詳しくは、缶１０の上部に挿入された状態で位置する。例えば、絶縁ケース７０は缶１０の水平断面形状と同一に隅部が丸い四角形状に形成されて缶１０に強制嵌合されて結合され得る。

このような絶縁ケース７０は、一般に電気絶縁性に優れた硬質のプラスチック樹脂を用いて製造される。これにより、絶縁ケース７０を缶１０の内部に挿入する場合、電解液による変形が殆どなく、電極組立体１２とキャップ組立体２０間の絶縁を確保しやすい。しかしながら、絶縁ケース７０として硬質のプラスチック樹脂を用いる場合、弾性が弱いため缶１０に結合し難くなるので、これを補完するために、絶縁ケース７０はベース部７４と支持部７３で構成されて缶１０に安定して結合されるようにすることができる。ここで、ベース部７４には電解液注入口（図示せず）及びリード通孔７２が形成される。

但し、図１〜図２には示していないが、本発明において、第１電極板１３及び第２電極板１５には電解液により粘着性を有するように変質される粘着剤が付着され、このような粘着剤は電解液が含浸されるとき、第１電極板及び第２電極板とセパレータ間の密着力を強化させる。これについての更に詳細な説明は、図３以下を参照して後述する。

図３は、本発明の一実施形態に係る電極組立体を示す斜視図であり、図４Ａ〜図４Ｂは、図３に示す粘着剤の付着例を示す要部斜視図である。図３〜図４Ｂでは図１に示す巻取型電極組立体をその例として開示する。

まず、図３を参照すれば、本実施形態に係る電極組立体１２は、第１電極板１３及び第２電極板１５を備え、その間にセパレータ１４が介在されて巻き取られた構造を有する。このとき、第１電極板１３及び第２電極板１５にはそれぞれ粘着剤８０が付着される。

粘着剤８０は、電解液に会って粘着性を有するように変質される物質からなることが好ましい。

例えば、粘着剤８０は電解液が含浸されるとき、電解液と会う表面が化学的な変形を起こし、粘着性を有するように変質され、基本的に高分子物質が有している細孔（ｐｏｒｅ）を保有したオリエンテッドポリスチレン（ＯＲｉｅｎｔｅｄＰｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ、以下、ＯＰＳという）接着フィルムからなることができる。

このようなＯＰＳ接着フィルムは、ジメチルカーボネート（以下、ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（以下、ＥＭＣ）及び／又はプロピレンカーボネート（以下、ＰＣ）などを含む電解液により表面が化学的に変形されながら、粘着性を帯びるようになるものであって、化学的安全性と電気的安全性を保有しており、電池に適用可能である。

更に具体的に、ＯＰＳ接着フィルムは、下記のように電解液に会って表面の連結輪が切れながら、粘着性を帯びるようになる。

即ち、第１電極板１３及び第２電極板１５に粘着剤８０が付着された電極組立体１２がケース内に収容され、電解液が含浸すれば、粘着剤８０が化学的に変形されて粘着性を帯びながら、第１電極板１３及び第２電極板１５をセパレータ１４に密着させてこれら間の密着力が強化される。

粘着剤８０は、第１電極板１３及び第２電極板１５の少なくとも一部分に付着され得るものであって、特に、第１電極板１３及び第２電極板１５のそれぞれの対向する縁部に沿って付着されることが好ましく、密着力を均一、且つ、安定的に強化させるために、第１電極板１３及び第２電極板１５のそれぞれの両面に付着され得る。即ち、粘着剤８０は、第１電極板１３及び第２電極板１５のそれぞれの両面に対向する辺に沿って付着され得る。

例えば、粘着剤８０は、図３に示すように、第１電極板１３及び第２電極板１５のそれぞれの上部及び下部縁部に沿って横方向に両面に付着され得る。ここで、第１電極板１３及び第２電極板１５のそれぞれの上部及び下部縁部はノッチング又は切断工程などで活物質が脱離して粉塵が発生しやすく、第１又は第２電極タップ１６、１７を別途に付着する場合にはタップ融着による粉塵などが発生しやすい領域であって、このような第１電極板１３及び第２電極板１５それぞれの上部及び下部縁部に粘着剤８０を付着する場合、粉塵の発生を抑制してショート欠陥を効果的に防止できる。

このとき、粘着剤８０は、図４Ａに示すように、第１電極板１３及び第２電極板１５それぞれの両面にそれぞれ別に付着されてもよく、図４Ｂに示すように、第１電極板１３及び第２電極板１５それぞれの両面で互いに対応する縁部で連結されて前記縁部を覆うように付着されてもよい。

このような粘着剤８０は、第１電極板１３又は第２電極板１５のノッチング又は切断工程の前、後に付着され得るものであって、ノッチング又は切断工程の前に付着される場合、図４Ａに示すように、粘着剤８０ａが第１電極板１３又は第２電極板１５の両面に分離されて付着されることができ、ノッチング又は切断工程の後に付着される場合には、図４Ｂに示すように、粘着剤８０ｂが第１電極板１３又は第２電極板１５の両面で縁部を覆うように付着され得る。一方、粘着剤８０がノッチング又は切断工程後に付着され得、第１電極板１３又は第２電極板１５の両面に分離されて付着され得るのはもちろんである。

前述したような本発明によれば、電解液により粘着性を有するように変質される粘着剤８０を第１電極板１３及び第２電極板１５に付着することで、電解液が含浸されるとき、第１電極板１３及び第２電極板１５とセパレータ１４間に接着されてこれら間の密着力を強化できる。それにより、電極組立体１２の整列状態を安定的に維持できる。

特に、粘着剤８０を、活物質の粉塵及びタップ融着による粉塵などが発生するおそれが高い第１及び第２電極板１３、１５の縁部、例えば、上、下部縁部に沿って付着する場合、活物質の脱離を防止し、粉塵によるショート欠陥を防止できる。

一方、便宜上、図３では第１電極板１３及び第２電極板１５の間に介在された一枚のセパレータ１４のみを示したが、電極組立体１２の外郭部、例えば、第１電極板１３の方向に他のセパレータ（図示せず）が更に備えられることもできる。この場合、第２電極板１５、セパレータ１４、第１電極板１３及び他のセパレータが順次積層された状態でこれらが巻き取られて電極組立体１２が構成され得る。そして、巻き取られた電極組立体１２には仕上げテープ（図示せず）が更に付着され得る。

図５は、本発明の他の実施形態に係る二次電池を示す分解斜視図である。そして、図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の他の実施形態に係る電極組立体を説明する電極板の平面図であり、図７Ａ及び図７Ｂは、図６Ａ〜図６Ｃに示す粘着剤の付着例を示す断面図である。本実施形態では積層型電極組立体を用いた二次電池をその例として開示する。

まず、図５を参照すれば、本実施形態に係る二次電池は、電極組立体１１２と、前記電極組立体１１２と共に電解液を収容するケース１１０を含み、ケース１１０はパウチケースで実現される。

電極組立体１１２は活物質が塗布された第１電極板１１３及び第２電極板１１５とこれらの間にセパレータ１１４が介在された構造が複数ずつ備えられて積層された状態で形成される。第１電極板１１３の一側には第１電極タップ１１６が備えられ、第２電極板１１５の一側には第２電極タップ１１７が備えられる。第１電極タップ１１６及び第２電極タップ１１７は同じ方向に形成され、互いに重ならないように位置するものであって、各電極板１１３、１１５から延びて電極板１１３、１１５と一体に形成されるか、或いは別途に形成されて各電極板１１３、１１５に付着され得る。

第１電極板１１３及び第２電極板１１５は二次電池の種類によって多少差があるが、通常、金属基材に活物質を塗布及び充電し、これを乾燥、ロールプレス及び切断して形成する。

セパレータ１１４は、第１電極板１１３及び第２電極板１１５の間に介在され、高いイオン透過度と機械的強度を有する絶縁性の薄い薄膜が用いられる。セパレータ１１４の気孔直径は一般的に０.０１〜１０μｍであり、厚さは一般的に５〜３００μｍである。このようなセパレータ１１４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、ガラス繊維又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得る。このとき、電解質としてポリマなどの固体電解質が用いられる場合には固体電解質がセパレータ１１４を兼ねることもできる。

ケース１１０は、電極組立体１１２を収容できる収納空間を備えたパウチケースで実現され、通常、アルミニウム薄膜の上面と下面に積層構造を有するように形成され、ケース１１０の内面は熱接着性樹脂からなる。

但し、図５では示していないが、本実施形態でも第１電極板１１３及び第２電極板１１５には電解液により粘着性を有するように変質される粘着剤が付着され、このような粘着剤は電解液が含浸されるとき、第１電極板１１３及び第２電極板１１５とセパレータ１１４の間に付着されてこれら間の密着力を強化させる。

より具体的に、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、粘着剤１８０、１８０'、１８０''は電極板１１３、１１５の上、下部縁部に沿って横方向に付着されるか、又は電極板１１３、１１５の両側縁部に沿って縦方向に付着されるか、又は電極板１１３、１１５の枠に沿って四辺にいずれも付着され得る。

また、本実施形態でも粘着剤１８０、１８０’、１８０''は第１電極板１１３又は第２電極板１１５のノッチング又は切断工程の前、後に両面に付着され得るものであって、図７Ａに示すように、粘着剤１８０ａが電極板１１３、１１５の両面に分離されて付着されるか、或いは図７Ｂに示すように、粘着剤１８０ｂが電極板１１３、１１５の両面で枠を覆うように付着され得る。ここで、図７Ａ及び図７Ｂは、図６ＡのＩ−Ｉ’線に沿った縦断面を、例えば図６Ａ〜図６Ｃに示す粘着剤の付着例を示す断面図である。

前述したような本実施形態でも、電解液により粘着性を有するように変質される粘着剤１８０、１８０’、１８０''を用いて第１電極板１１３及び第２電極板１１５とセパレータ１１４間の密着力を強化できる。それにより、スウェルリングが防止されて電極組立体１１２の整列状態が安定して維持され、未充電領域が発生するのを防止できる。

特に、粘着剤１８０、１８０’、１８０''を活物質の粉塵及びタップ融着による粉塵などが発生するおそれが高い第１及び第２電極板１１３、１１５の縁部に沿って付着する場合、活物質の脱離を防止し、粉塵によるショート欠陥を防止できる。

以上説明したように、本発明の最も好ましい実施の形態について説明したが、本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、又は明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能なのはもちろんであり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

１２電極組立体
１３第１電極板
１４セパレータ
１５第２電極板
８０粘着剤

Claims

一側に第１電極タップが備えられた第１電極板と、前記第１電極タップと重ならないように他側に第２電極タップが備えられた第２電極板と、前記第１電極板及び前記第２電極板の間に介在されたセパレータを含む電極組立体と、
前記電極組立体と電解液を収容するケースと
を含み、
前記第１電極板及び前記第２電極板と前記セパレータの間に付着された粘着剤を更に含む二次電池。
前記粘着剤は、電解液により表面が化学的な変形を起こし、粘着性を有するように変質されて自身が付着された電極板とこれに隣接するセパレータを密着させる物質からなることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記粘着剤は、オリエンテッドポリスチレン接着フィルムからなることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記粘着剤は、前記第１電極板及び前記第２電極板のそれぞれの対向する縁部に沿って付着されたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記粘着剤は、前記第１電極板及び前記第２電極板のそれぞれの上部及び下部縁部に沿って横方向に付着されたことを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
前記粘着剤は、前記縁部を覆うように付着されたことを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
前記粘着剤は、前記第１電極板及び前記第２電極板のそれぞれの両面に対向する辺に沿って付着されたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
前記電極組立体は、前記第１電極板、前記第２電極板及び前記セパレータがゼリーロール状で巻き取られた構造を有することを特徴とする請求項１に記載の巻取型電極組立体の二次電池。
前記電極組立体は、前記第１電極板、前記第２電極板及び前記セパレータが複数ずつ備えられて積層された構造を有することを特徴とする請求項１に記載の積層型電極組立体の二次電池。
前記粘着剤は、複数の前記第１電極板及び第２電極板のそれぞれの両側縁部に沿って縦方向に付着されたことを特徴とする請求項９に記載の二次電池。
前記粘着剤は、複数の前記第１電極板及び第２電極板のそれぞれの枠に沿って付着されたことを特徴とする請求項９に記載の二次電池。
前記粘着剤は、前記複数の第１電極板及び第２電極板のそれぞれの枠を覆うように付着されたことを特徴とする請求項１１に記載の二次電池。