JP2012049103A - 電極組立体及びこれを含む二次電池とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の大きさに切断される正極及び負極極板の切断面において問題となるバリの発生による不都合を緩和すると同時に、セパレータの熱的安全性を補完できる電極組立体とこれを含む二次電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】電極組立体と二次電池及びその製造方法に関し、少なくとも１つの一面上に活物質が塗布された活性部１１１ｂと、前記活物質が塗布されていない無地部１１１ａを含む正極板と負極板と、及び前記正極板と負極板との間に備えられたセパレータを含む電極組立体であって、前記正極板又は負極板の少なくともいずれか１つの側面部は無機コーティング層１１１ｃで覆われる電極組立体とその製造方法によって、所定の大きさに切断される正極及び負極極板の切断面において問題となるバリの発生の不都合を緩和すると同時に、セパレータの熱的安全性を補完できる。
【選択図】図６

Description

本発明は電極組立体及びこれを含む二次電池に関し、より詳しくは、所定の大きさに切断される正極及び負極極板の切断面において問題となるバリ（ｂｕｒｒ）の発生による不都合を緩和すると同時に、セパレータの熱的安全性を補完できる電極組立体及びこれを含む二次電池に関する。

二次電池は正極集電体及び負極集電体のそれぞれに活性物質を塗布した後、その間にセパレータ（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）を介在して巻き取った電極組立体をケースなどに収納し、電解液を注入して密閉して用いる。

このとき、セパレータは正極と負極の直接的な接触による短絡を防止するポリエチレン（ＰＥ）或いはポリプロピレン（ＰＰ）系の多孔性物質で構成されているが、前記多孔性物質の熱的安全性が低いため、内部の異物及び外部の衝撃によるショートの発生時、多孔性構造が詰まったり、溶けたりして、セパレータとしての役割を果たすことができなくなるという問題がある。

また、所定の大きさに切断される正極及び負極極板の切断面に必然的に発生するバリにより、ショートの発生や電池の爆発がもたらされるおそれがあり、このような安全性の問題を解決する必要がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、所定の大きさに切断される正極及び負極極板の切断面において問題となるバリの発生による不都合を緩和すると同時に、セパレータの熱的安全性を補完できる電極組立体とこれを含む二次電池及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、少なくとも１つの一面上に活物質が塗布された活性部、前記活物質が塗布されていない無地部を含む正極板と負極板、及び前記正極板と負極板との間に備えられたセパレータを含む電極組立体であって、前記正極板又は負極板の少なくともいずれか一方の前記活性部と無地部とを含む側面部は無機コーティング層で覆われている、電極組立体が提供される。

本発明の他の態様によれば、前記電極組立体の正極板と負極板にそれぞれ連結された正極タブ及び負極タブと、前記電極組立体を収容するケースとを含む、二次電池を提供する。

また、本発明の更に他の態様によれば、少なくとも１つの一面上に活物質が塗布された活性部、前記活物質が塗布されていない無地部を含む正極板と負極板、及び前記正極板と負極板との間に備えられたセパレータを含む電極組立体の製造方法であって、前記正極板又は前記負極板を所定の大きさに切断する段階と、前記正極板又は負極板の少なくともいずれか一方の前記活性部と無地部とを含む側面部に無機コーティング層を形成する段階とを含む、二次電池の製造方法を提供する。

本発明によれば、所定の大きさに切断される正極及び負極極板の切断面に問題となるバリの発生による不都合を緩和すると同時に、セパレータの熱的安全性を補完できる二次電池及びその製造方法を提供できるという効果を奏する。

また、電気的なショート現象の誘発及び電池の爆発を防止して、製品の信頼性を高めることができる。

更に、電池の製造過程における不良を最小化でき、製造コストを下げることができる。

本発明の実施形態に係る二次電池の電極組立体の斜視図である。 本発明の実施形態に係る二次電池のうち、正極板の概略的な正面図である。 本発明の実施形態に係る二次電池のうち、正極板の概略的な斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る二次電池のうち、正極板の概略的な正面図である。 本発明の実施形態に係る二次電池のうち、正極板の概略的な斜視図である。 本発明の実施形態に係る二次電池のうち、負極板の概略的な正面図である。 本発明の実施形態に係る二次電池のうち、負極板の概略的な斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る二次電池のうち、負極板の概略的な正面図である。 本発明の他の実施形態に係る二次電池のうち、負極板の概略的な斜視図である。 本発明の一実施形態に係るロールコーティング装置を概略的に示す図である。 本発明の他の実施形態に係るロールコーティング装置を概略的に示す図である。 本発明の更に他の実施形態に係るロールコーティング装置を概略的に示す図である。

本発明は多様な変換を加えることができ、様々な実施形態を有することができるところ、特定の実施形態を図面に例示し、詳細な説明で詳述する。しかしながら、これらは本発明を特定の実施形態について限定するためのものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。本発明の説明において関連する公知となった技術に関する具体的な説明が、本発明の要旨を曖昧にし得ると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。

本明細書で用いる用語は単に特定の実施形態を説明するために使われるものであって、本発明を限定する意図はない。単数の表現は文脈上、明白に異なるものを意味しない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「含む」又は「有する」などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はこれらを組み合わせたものが存在することを指定するためであり、１つ又はそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品又はこれらを組み合わせたものの存在又は付加する可能性を予め排除しないものと理解されなければならない。

以下、本発明の実施形態を添付する図面を参照して詳細に説明する。

図１〜図５は、本発明の実施形態に係る電極組立体、正極板又は負極板を概略的に示す図である。

図１に示す本発明の実施形態に係る二次電池用電極組立体１１０は、正極板１１１、負極板１１２、及びこれらの２つの電極板１１１、１１２の間に介在されるセパレータ１１３を構成要素とする。ここで、通常、正極板１１１はアルミニウム（Ａｌ）、負極板１１２は銅（Ｃｕ）からなる薄板であり得るが、正極板１１１及び負極板１１２を構成する金属物質がこれらに限定されるものではない。また、前記電極組立体１１０は、一端部が上端部上に突出して固定される正極タブ１１４及び負極タブ１１５を更に含むことができる。また、前記正極タブ１１４及び前記負極タブ１１５が電極組立体１１０の上端部に突出する部分には、電極板１１１、１１２間の短絡防止のための絶縁テープ１１６を巻くことができる。一方、前記電極組立体１１０は通常、電気容量を高めるために正極板１１１及び負極板１１２の間にこれらを絶縁させるセパレータ１１３を介在して積層した後、ワインディング（ｗｉｎｄｉｎｇ）してゼリーロール（Ｊｅｌｌｙ ｒｏｌｌ）状で巻き取られて製造される。

このとき、図２及び図４を参照すれば、前記正極板１１１及び前記負極板１１２の一面上にはそれぞれ正極活物質と負極活物質が塗布された活性部１１１ｂ、１１２ｂが形成される。前記正極活物質は高い安全性のマンガン系酸化物を含むことができ、前記負極活物質は炭素系化合物を含むことができるが、本発明でその材質を限定するものではない。また、前記一面のうち、前記正極活物質又は前記負極活物質が塗布されていない部分には、無地部１１１ａ、１１２ａが形成される。そして、本発明では前記活性部１１１ｂ、１１２ｂから延びるか、前記活性部１１１ｂ、１１２ｂから折り曲げられた部分を側面部と定義する。前記側面部は、実質的に正極板１１１と負極板１１２を長手方向に切断した時の切断面を指すものと見られる。

本発明の実施形態によれば、前記側面部には無機コーティング層１１１ｃ、１１２ｃが覆われている。より詳しくは、前記無機コーティング層１１１ｃ、１１２ｃは前記正極板１１１及び前記負極板１１２の長手方向における側面部を覆うように形成される。また、同時に前記無機コーティング層１１１ｃ、１１２ｃは前記活性部１１１ｂ、１１２ｂを覆っている。このとき、前記無機コーティング層１１１ｃ、１１２ｃは１μｍ〜１５μｍの厚さを有するように形成されることが好ましい。

ここで、前記無機コーティング層１１１ｃ、１１２ｃは、無機セラミックペーストを含むスラリーを塗布及び乾燥して形成されるものであって、無機セラミックペーストはアルミナ、ジルコニア、及びアルミナ−ジルコニア混合物からなる群より選択される少なくともいずれか１つのセラミック粉末を含むことができる。前記セラミック粉末は前記無機セラミックペースト全体に対して７重量（ｗｔ）％以下で含まれており、このとき、無機セラミックペーストの粘度は１ｃｐｓ〜５００ｃｐｓの範囲であることが好ましい。

図３及び図５を参照して、本発明の他の実施形態を説明すれば、前記正極板１１１及び前記負極板１１２の一面上にも、同様にそれぞれ正極活物質と負極活物質が塗布された活性部１１１ｂ、１１２ｂが形成される。また、前記一面のうち、前記正極活物質又は前記負極活物質が塗布されていない部分には、無地部１１１ａ、１１２ａが形成される。

本発明の他の実施形態によれば、前記側面部には無機コーティング層１１１ｃ’、１１２ｃ’が覆われている。より詳しくは、前記無機コーティング層１１１ｃ’、１１２ｃ’は、前記正極板１１１及び前記負極板１１２の長手方向における側面部を覆うように形成される。また、同時に前記無機コーティング層１１１ｃ’、１１２ｃ’は前記活性部１１１ｂ、１１２ｂを覆っている。ここで、前述した実施形態と異なる点は、前記無機コーティング層１１１ｃ’、１１２ｃ’が前記活性部１１１ｂ、１１２ｂ上部面のみを覆うのではなく、前記無地部１１１ａ、１１２ａの一部分も覆うように形成されることである。この際にも、前記無機コーティング層１１１ｃ’、１１２ｃ’は１μｍ〜１５μｍの厚さを有するように形成されることが好ましい。ここで、無機コーティング層１１１ｃ’、１１２ｃ’の厚さが１μｍ以下である場合、所望の熱的安全性の実現が不完全になり得る。また、無機コーティング層１１１ｃ’、１１２ｃ’の厚さが１５μｍ以上である場合、熱的安全性には優れているが、電池充電放電時のイオン移動速度が低下するおそれがあり、二次電池１００において無機コーティング層の容積が増加して、同一の大きさを有する二次電池１００において単位体積当たりの容量が減少し得る。

ここで、前記無機コーティング層１１１ｃ’、１１２ｃ’も無機セラミックペーストを含むスラリーが塗布及び乾燥して形成されるものであって、無機セラミックペーストはアルミナ、ジルコニア、及びアルミナ−ジルコニア混合物からなる群より選択される少なくともいずれか１つのセラミック粉末を含むことができる。前記セラミック粉末は前記無機セラミックペースト全体に対して７重量（ｗｔ）％以下で含まれており、このとき、無機セラミックペーストの粘度は１ｃｐｓ〜５００ｃｐｓの範囲であることが好ましい。即ち、前記のように、セラミック粉末が無機セラミックペースト全体に対して７重量（ｗｔ）％以下で含まれており、無機セラミックペーストの粘度が１ｃｐｓ〜５００ｃｐｓの範囲に維持されれば、目標とする無機コーティング層１１１ｃ、１１２ｃ、１１１ｃ’、１１２ｃ’の厚さを１μｍ〜１５μｍの範囲に維持できる。

前述したように、前記正極板１１１及び前記負極板１１２の活性部１１１ｂ、１１２ｂ、側面及び無地部１１１ａ、１１２ａの一部分に無機コーティング層１１１ｃ、１１２ｃ、１１１ｃ’、１１２ｃ’を形成することで、前記正極板１１１及び前記負極板１１２の切断面において必然的に発生するバリによる、ショートの発生や電池の爆発を防止できる。同時に、熱に弱い多孔性物質からなるセパレータ１１３を補完して電池の熱的安全性を補完できるという効果がある。

次に、図６〜図８を参照して、本発明の実施形態に係る正極板上に無機コーティング層を形成する方法を簡略に説明する。

まず、一面上に活物質が塗布された活性部１１１ｂ、前記一面のうち、活物質が塗布されていない無地部１１１ａ及び前記一面のうち、前記活性部１１１ｂから折り曲げられた側面部を含む正極板１１１を用意する。

次に、図６に示すように、スリッター１５を用いて前記正極板１１１を所定の大きさに切断する。次に、前記活性部１１１ｂから折り曲げられた側面部に無機コーティング層１１１ｃを形成する。ここで、無機コーティング層１１１ｃを正極板１１１の一面上に正極板１１１の長手方向における側面部を覆うように形成できる。また、同時に前記無機コーティング層１１１ｃを、活性部１１１ｂを覆うように形成する。前記無機コーティング層１１１ｃの形成段階はロールコーティング装置１７ａにより行われる。ロールコーティング装置１７ａは、切断以前の正極板１１１の幅方向を横切って覆うように配置され、内部又は下部全面にわたって無機コーティング層１１１ｃ形成用無機セラミックペーストを含んでいる。前記スリッター１５を用いて前記正極板１１１を所定の大きさに切断すると同時に、アンワインダ１１及びリワインダ１３を備えたロールコーティング装置を用いて無機コーティング層１１１ｃを正極板１１１の一面上に形成できる。ここで、前記無機コーティング層１１１ｃは無機セラミックペーストを含むスラリーを塗布及び乾燥して形成することができる。

このように、前記切断段階と前記無機コーティング層１１１ｃの形成段階は、１つの工程中で行われ、連続する工程で行うこともできる。

また、本発明の他の実施形態と同様に、無機コーティング層１１１ｃが無地部１１１ａの一部分を覆うように形成するのも、もちろん可能である。

一方、図７に示すように、前記ロールコーティング装置１７ｂ、１７ｂ’は複数で構成されて無機コーティング層１１１ｃの形成をより自由にすることもでき、図８に示すように、１つのロールコーティング装置１７ｃ内の一部分にのみ無機コーティング層１１１ｃ形成用無機セラミックペーストを入れて作動させて、所望の部分にのみ無機コーティング層１１１ｃを形成することも可能である。

前記電極組立体１１０は、別途のケース内に収容するか、又は複数の電極組立体１１０をケースに共に収容して、大容量に製造することも可能である。そして、前記ケースはキャップ組立体などによって封止され得る。

本発明によれば、所定の大きさに切断される正極及び負極極板の切断面において問題となるバリの発生による不都合を緩和すると同時に、セパレータの熱的安全性を補完できる二次電池及びその製造方法を提供できる。

また、電気的なショート現象の誘発及び電池の爆発を防止して、製品の信頼性を高めることができる。

更に、電池の製造過程における不良を最小化でき、製造コストを下げることができる。

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。

Claims (21)

1. 少なくとも１つの一面上に活物質が塗布された活性部と、前記活物質が塗布されていない無地部とをそれぞれ含む正極板及び負極板と、
   前記正極板と負極板との間に備えられたセパレータ
   とを含む電極組立体であって、
   前記正極板又は負極板の少なくともいずれか一方の、前記活性部と無地部とを含む面の側面部は無機コーティング層で覆われていることを特徴とする、電極組立体。
2. 前記無機コーティング層は、前記正極板又は前記負極板の長手方向における前記側面部を覆うことを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
3. 前記無機コーティング層は、前記活性部を覆うことを特徴とする、請求項２に記載の電極組立体。
4. 前記無機コーティング層は、前記無地部の一部分を覆うことを特徴とする、請求項３に記載の電極組立体。
5. 前記無機コーティング層は、無機セラミックペーストを含むスラリーを塗布及び乾燥して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。
6. 前記無機セラミックペーストは、アルミナ、ジルコニア、及びアルミナ−ジルコニア混合物からなる群より選択される少なくともいずれか１つのセラミック粉末を含むことを特徴とする、請求項５に記載の電極組立体。
7. 前記セラミック粉末は、前記無機セラミックペースト全体に対して７重量（ｗｔ）％以下の量で含まれることを特徴とする、請求項６に記載の電極組立体。
8. 前記無機セラミックペーストは、１ｃｐｓ〜５００ｃｐｓの範囲の粘度を有することを特徴とする、請求項５に記載の電極組立体。
9. 前記無機コーティング層は、１μｍ〜１５μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
10. 請求項１〜９のいずれか一項による電極組立体と、
    前記電極組立体の正極板と負極板にそれぞれ連結された正極タブ及び負極タブと、
    前記電極組立体を収容するケース
    とを含むことを特徴とする、二次電池。
11. 少なくとも１つの一面上に活物質が塗布された活性部と、前記活物質が塗布されていない無地部とをそれぞれ含む正極板及び負極板と、
    前記正極板と負極板との間に備えられたセパレータ
    とを含む、電極組立体を用いる、二次電極の製造方法であって、
    前記電極組立体は、
    前記正極板又は前記負極板を所定の大きさに切断する段階と、
    前記正極板又は負極板の少なくともいずれか一方の、前記活性部と無地部とを含む面の側面部に無機コーティング層を形成する段階
    とを含んで製造されることを特徴とする、二次電池の製造方法。
12. 前記切断する段階と前記コーティング層を形成する段階は、１つの工程で行われることを特徴とする、請求項１１に記載の二次電池の製造方法。
13. 前記切断する段階と前記コーティング層を形成する段階は、連続する工程で行われることを特徴とする、請求項１１に記載の二次電池の製造方法。
14. 前記無機コーティング層は、前記正極板又は前記負極板の長手方向における前記側面部を覆うように形成されることを特徴とする、請求項１１に記載の二次電池の製造方法。
15. 前記無機コーティング層は、前記活性部を覆うように形成されることを特徴とする、請求項１４に記載の二次電池の製造方法。
16. 前記無機コーティング層は、前記無地部の一部分を覆うように形成されることを特徴とする、請求項１５に記載の二次電池の製造方法。
17. 前記切断する段階は、スリッターにより行われることを特徴とする、請求項１１に記載の二次電池の製造方法。
18. 前記無機コーティング層を形成する段階は、ロールコーティング装置により行われることを特徴とする、請求項１１に記載の二次電池の製造方法。
19. 前記無機コーティング層を形成する段階は、複数のロールコーティング装置を用いて行われることを特徴とする、請求項１８に記載の二次電池の製造方法。
20. 前記無機コーティング層は、無機セラミックペーストを含むスラリーを塗布及び乾燥して形成されることを特徴とする、請求項１８に記載の二次電池の製造方法。
21. 前記無機コーティング層を形成する前記無機セラミックペーストは、前記ロールコーティング装置の一部分にのみ備えられることを特徴とする、請求項２０に記載の二次電池の製造方法。