JP2013020968A - 二次電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、二次電池に関する。
【解決手段】二次電池は、基材に活物質がコーティングされた活物質部及び第１無地部とから構成された第１極板と、前記第１極板に積層され、基材に活物質がコーティングされた活物質部及び第２無地部とから構成された第２極板と、前記第１極板及び前記第２極板に介在するセパレータとを含み、前記第１無地部は、前記第２極板に対応する部位にセラミック層が備えられる電極組立体を含む。セラミック層は第２極板の活物質部と向き合って備えられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池に関し、より詳細には、安全性が向上した二次電池に関する。
最近、携帯用電子機器の電源として二次電池が多様に用いられている。
また、携帯用電子機器が多様な分野で用いられるにつれ、高容量の二次電池に対する需要が急増している。これにより、二次電池の安全性を向上させるために多様な研究が行われている。
上述した問題を解決するためになされた本発明の目的は、正極板及び負極板のショートまたは短絡を防止することができる二次電池を提供することである。
また、本発明の他の目的は、高温でも安定的に使用することができる二次電池を提供することである。
さらに、本発明のさらに他の目的は、正極板及び負極板の位置合わせが容易な二次電池を提供することである。
本発明の一態様によれば、第１極板、第２極板、及び前記第１極板と前記第２極板との間に備えられたセパレータを備える電極組立体と、前記電極組立体を収納する電池ケースとを含み、前記第１極板が活物質部と、前記活物質部から延びた無地部とを含み、前記第２極板が活物質部と、前記活物質部から延びた無地部とを含み、前記第１極板の前記無地部上には、セラミック層が備えられる二次電池を提供する。
本発明において、前記セラミック層は、前記第２極板の前記活物質部と向き合って備えられる。
また、本発明において、前記セラミック層は、前記第１極板の前記活物質部に隣接して備えられる。
さらに、本発明において、前記セラミック層は、前記第１極板の前記活物質部と前記無地部との間の界面に隣接して備えられる。
本発明において、前記セラミック層は、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ４、ＴｉＯ２及びＳｉＯ２のうちのいずれか１つ以上である。
また、本発明において、前記セラミック層は、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ４、ＴｉＯ２及びＳｉＯ２のうちの２つの物質を７：３から１：１の割合で混合して形成され、前記７：３の割合で混合して形成する時、前記Ａｌ２Ｏ３又はＴｉＯ２のいずれか一方と、ＢａＴｉＯ４又はＳｉＯ２のいずれか一方とがそれぞれ７：３の割合で混合される。
さらに、本発明は、前記第１極板と前記第２極板とは、それぞれ正極板と負極板とであり、前記第１極板の前記活物質部は、第１基材上に正極活物質が塗布され、前記第２極板の前記活物質部は、第２基材上に負極活物質が塗布される。
本発明において、前記電極組立体の前記第１極板、前記第２極板、及び前記セパレータは巻き取られる。
また、本発明において、前記第１極板は、第１基材上の第１表面及び反対側の第２表面の少なくとも１つ以上に第１活物質を塗布して形成され、前記第１極板の前記活物質部は、前記第１基材に前記第１活物質が塗布された領域からなり、前記第１極板の前記無地部は、前記第１基材に前記第１活物質が塗布されない領域からなり、前記セラミック層は、前記無地部上で前記第１基材の前記第１表面及び前記第２表面の少なくともいずれか１つに形成される。
さらに、本発明において、前記第１極板は、前記第１基材の前記第１表面及び前記第２表面上に前記第１活物質を塗布して形成され、前記第１表面上の前記第１活物質と前記第２表面上の前記第１活物質との厚さは等しく形成され、前記第１表面上または前記第２表面上の前記セラミック層の厚さは、３０μｍないし前記第１極板の厚さと前記第１基材の厚さとの差の０．５倍以下である。
本発明において、前記第１表面上または前記第２表面上の前記セラミック層の厚さは、３０μｍないし前記第１基材上の前記第１表面上または前記第２表面上の前記第１活物質の厚さ以下である。
本発明において、前記第１極板と前記第２極板とは、前記第１極板と前記第２極板との間に備えられた前記セパレータと共に交互に積層される。
本発明において、前記セラミック層は、前記第１極板上の前記無地部の第１表面又は反対側の第２表面の少なくともいずれか１つに備えられる。
また、本発明において、前記第１極板、前記第２極板、及び前記第１極板と前記第２極板との間に備えられた前記セパレータは複数個形成されて交互に積層され、複数の前記第１極板及び前記第２極板上にはそれぞれ複数の前記無地部が備えられ、前記第１極板上の複数の前記無地部上には複数の前記セラミック層が形成される。
また、本発明において、前記第１極板の前記無地部は第１電極タブと第１溶接部上で溶接され、前記第２極板の前記無地部は第２電極タブと第２溶接部上で溶接され、前記セラミック層は前記第１極板の前記無地部の第１端部に形成され、前記溶接部は前記第１極板の前記無地部の前記第１端部と反対側の第２端部上に形成される。
さらに、本発明において、第１極板、第２極板、及び前記第１極板と前記第２極板との間に備えられたセパレータを備える電極組立体を含み、前記第１極板は、活物質部と、前記活物質部から延びた無地部とを含み、前記第２極板は、活物質部と、前記活物質部から延びた無地部とを含み、前記第１極板上には、セラミック層が備えられ、前記セラミック層が備えられた領域は前記第１極板と前記第２極板との間で絶縁がなされ、前記第１極板と前記第２極板との間で短絡を防止する。
また、本発明において、前記セラミック層が、前記セパレータが熱によって収縮する時、短絡を防止するように位置する。
以上のような本発明によれば、正極板及び負極板の間の短絡を防止し、安全性が向上した二次電池を提供することができる。
また、本発明によれば、高温でも発火などの問題が発生することなく、安定的に使用することが可能な二次電池を提供することができる。
さらに、本発明によれば、正極板及び負極板の位置合わせが容易で、生産性が向上した二次電池を提供することができる。
本発明の好ましい実施形態にかかる二次電池の分解斜視図である。 図１の電極組立体を構成する第１及び第２極板と、これら極板の間に介在するセパレータを示す図である。 本実施形態にかかる正極板の側面図である。 本発明の他の実施形態にかかる二次電池の分解斜視図である。 図４の電極組立体を構成する第１及び第２極板と、これら極板の間に介在するセパレータを示す図である。
その他実施形態の具体的な事項は、詳細な説明及び図面に含まれている。
本発明の利点及び特徴、そして、それらを達成する方法は、添付した図面と共に詳細に後述する実施形態を参照すれば明確になるはずである。しかし、本発明は、以下に開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現可能であり、以下の説明において、ある部分が他の部分に連結されているとする時、これは、直接的に連結されている場合のみならず、その中間に別の素子を挟んで電気的に連結されている場合をも含む。また、図面において、本発明と関係のない部分は、本発明の説明を明確にするために省略し、明細書全体にわたって類似の部分については同一の図面符号を付した。
以下、添付した図面を参照して、本発明について説明する。
図１ないし図３は、本発明の一態様にかかる好ましい実施形態である。
図１は、本発明の好ましい実施形態にかかる二次電池の分解斜視図を示す図である。図２は、図１の電極組立体を構成する第１及び第２極板と、これら極板の間に介在するセパレータを示す図である。
本発明の好ましい実施形態にかかる二次電池１０は、基材に活物質が塗布された活物質部１１２と、第１無地部１１１とから構成された第１極板１１０と、第１極板１１０に積層され、基材に活物質が塗布された活物質部１２２と、第２無地部１２１とから構成された第２極板１２０と、前記第１及び第２極板１１０、１２０に介在するセパレータ１３０とを含み、第１無地部１１１は、第２極板１２０に対応する部位にセラミック層５０が備えられる電極組立体を含む。
また、第１及び第２無地部１１１、１２１は、第１及び第２極板１１０、１２０で活物質が塗布されない部分であり、活物質部１１２、１２２から延設可能である。
図１を参照すれば、本実施形態にかかる二次電池１０は、電池ケース２０に、電解液（図示せず）と共に電極組立体１００を収納して製作することができる。
電池ケース２０は、電極組立体１００を収容する本体と、本体を覆うカバーとから構成される。本体の外縁部には、密封部２１が備えられている。二次電池１０は、電極組立体１００と共に電解液を電池ケース２０の本体に収容させた後、本体とカバーとを密着させた状態で密封部２１を熱融着して製作できる。
この時、電極組立体１００の第１及び第２無地部１１１、１２１には、第１及び第２電極タブ３０、４０が具備できる。第１及び第２電極タブ３０、４０は、電池ケース２０の密封部２１を介して外部に突出する。また、第１及び第２電極タブ３０、４０は、リードフィルム３２、４２をさらに含むことができる。リードフィルム３２、４２は、第１及び第２電極タブ３０、４０と密封部２１とが対面する部位に具備できる。リードフィルム３２、４２は、第１及び第２電極タブ３０、４０と密封部２１との熱融着時に発生し得る短絡を予防することができ、同時に、これらの密着力を向上させて電解液の流出を防止する。
電解液（図示せず）は、リチウムイオンの供給源として作用するリチウム塩と、電気化学的反応に関与するイオンが移動可能な媒質の役割を果たす非水性有機溶媒を含むことができる。
図１を参照すれば、本実施形態にかかる電極組立体１００は、第１及び第２極板１１０、１２０と、これら極板の間に介在したセパレータ１３０と、を巻き取って形成できる。
図２は、図１に示す電極組立体１００を巻き取る前を示す図であり、セパレータ１３０、第２極板１２０、セパレータ１３０、及び第１極板１１０が順次に積層されている。また、第１及び第２極板１１０、１２０の積層順序は変更可能である。このように積層された第１及び第２極板１１０、１２０とこれら極板の間に介在したセパレータ１３０とを巻き取り、本実施形態にかかる電極組立体１００を製造することができる。
第１極板１１０は、正極板であり得る。正極板は、基材に正極活物質を塗布して形成される正極活物質部１１２と、正極活物質を塗布しない無地部１１１とから構成できる。一般的に、基材は、高い導電性を有する物質で、化学的変化を誘発しないものであれば特に限定されない。正極活物質部１１２を構成する正極活物質は、リチウムを含む層状化合物を含むことができる。
また、第２極板１２０は、負極板であり得る。負極板は、基材に負極活物質を塗布して形成される負極活物質部１２２と、負極活物質を塗布しない無地部１２１とから構成できる。基材は、導電性の金属であり得、負極活物質部１２２に備えられる負極活物質は、黒鉛などを含むことができる。以下、便宜上、第１極板１１０は正極板、第２極板１２０は負極板と称するが、これに限定されるものではない。
セパレータ１３０は、正極板１１０及び負極板１２０の間に介在し、極板同士が直接接触して短絡（ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）することを防止する。一般的に、セパレータ１３０は、高いイオン透過度と機械的強度を有する絶縁性の薄膜である。
二次電池１０が高温にさらされる場合には、セパレータ１３０が収縮して正極板１１０及び負極板１２０の活物質部１１２、１２２が露出することがある。また、これら正極板１１０及び負極板１３０を複数個積層する場合、極板の位置合わせ（アライン、ａｌｉｇｎ）が合わない問題が生じ得る。この場合、互いに極性の異なる極板が互いに直接対面すると短絡が発生することがあるが、特に、負極板１２０に対応する正極板１１０の第１無地部１１１が脆弱であり得る。これを防止するために、正極板１１０の活物質部１１２に隣接する第１無地部１１１には、セラミック層５０をさらに含むことができる。
一般的に、第１無地部１１１で正極活物質部１１２に隣接する部分は、セパレータ１３０を挟んで負極活物質部１２２と対面するように具備できる。したがって、これら極板の間に介在したセパレータ１３０が収縮するかまたは脱落するなどの問題が発生すると、正極板１１０及び負極板１２０は互いに接触して短絡が発生することがある。したがって、第１無地部１１１には、負極活物質部１２２に対応する部位にセラミック層５０が備えられることが好ましい。
図３は、本実施形態にかかる正極板１１０の側面図である。
図３を参照すれば、正極板１１０は、基材１１３の上面及び下面に正極活物質が塗布された正極活物質部１１２を含む。また、正極板１１０は、セラミック層５０が備えられている第１無地部１１１を含むことができるが、この時、第１無地部１１１に備えられるセラミック層５０は、第１無地部１１１の上面及び下面の両方に具備できる。
また、セラミック層５０は、正極板１１０の正極活物質部１１２と第１無地部１１１との境界面に沿って具備できる。また、第１無地部１１１には、第１電極タブ３０（図１参照）が第１無地部１１１から外部に突出するように具備できる。
第１無地部１１１に備えられるセラミック層５０の厚さｘは、基材１１０の上面及び下面に備えられる正極活物質部１１２の厚さが等しい場合、正極板１１０の総厚さにおいて基材１１３の厚さの差に対する０．５倍であり得る。より一般的には、セラミック層５０の厚さｘは、３０μｍ以上ないし基材１１３の同一面上に備えられる正極活物質部１１２の厚さｙ以下であり得る。
一般的に、セラミック層５０の厚さｘが３０μｍ未満の場合には、正極板１１０及び負極板１２０の間の短絡を安定的に防止するのに十分な物性を有しにくく、また、厚さを均一に形成させることが容易でなく、工程費用が高くなる。また、セラミック層５０の厚さｘが正極活物質部１１２の厚さｙを超えると、セパレータ１３０を介在して積層された正極板１１０及び負極板１２０を巻き取る場合、セラミック層５０が備えられる箇所は厚さが相対的に増加するようになる。したがって、これら極板を巻き取る場合、極板間の位置合わせ問題を発生させることがある。また、極板の巻き取りが進むにつれ、セラミック層５０の累積した厚さによって電池ケース２０の密封を妨げることがあり、これにより、電解液の漏洩などの問題が発生し得る。したがって、セラミック層５０の厚さｘは、３０μｍ以上ないし基材１１３の同一面上に備えられる正極活物質部１１２の厚さｙ以下であることが好ましい。
本実施形態では、基材１１３の上面及び下面に備えられる正極活物質部１１２の厚さｙを等しくしたが、厚さｙは異なっていてもよく、これに限定されるものではない。正極活物質部１１２の厚さｙが異なる場合には、セラミック層５０の厚さｘは、基材１１３の同一面上に備えられる正極活物質部１１２の厚さｙに応じて決定可能である。
例えば、セラミック層５０は、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ４、ＴｉＯ２またはＳｉＯ２のうちのいずれか１つ以上で形成できる。この時、セラミック層５０は、前述したＡｌ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ４、ＴｉＯ２またはＳｉＯ２のうちの２つの物質を７：３または５：５で混合して形成できる。また、７：３の割合で混合して形成する時、前記Ａｌ２Ｏ３又はＴｉＯ２のいずれか一方と、ＢａＴｉＯ４又はＳｉＯ２のいずれか一方とがそれぞれ７：３の割合で混合されることができる。
図４及び図５は、本発明の他の態様にかかる好ましい実施形態である。
以下の実施形態では、後述する内容を除けば、図１ないし図３に記載された内容と類似しているため、これに関する詳細な説明は省略する。
図４は、本発明の他の実施形態にかかる二次電池の分解斜視図である。図５は、図４の電極組立体を構成する第１及び第２極板と、これら極板の間に介在するセパレータを示す図である。
本実施形態にかかる二次電池６０は、基材に活物質が塗布された活物質部２１２及び第１無地部２１１とから構成された正極板２１０と、正極板２１０に積層され、基材に活物質が塗布された活物質部２２２及び第２無地部２２１とから構成された負極板２２０と、正極板２１０と負極板２２０との間に介在するセパレータ２３０と、を含み、第１無地部２１１は、負極板２２０に対応する部位にセラミック層５１が備えられる電極組立体を含む。
また、第１及び第２無地部２１１、２２１は、第１及び第２極板２１０、２２０で活物質が塗布されない部分であり、活物質部２１２、２２２から延設可能である。
この時、電極組立体２００の第１及び第２無地部２１１、２２１は、金型で打ち抜いて四角形の形態で、第１及び第２極板２１０、２２０の活物質部２１２、２２２から一側に延びるように形成できる。このように打ち抜かれた第１及び第２無地部２１１、２２１は、リードフィルム３２、４２が備えられている第１及び第２電極タブ３０、４０と溶接され、融着部３１、４１を形成することができる。例えば、第１及び第２無地部２１１、２２１は、第１及び第２極板２１０、２２０で第１及び第２タブ部として作用することができる。
図４を参照すれば、本実施形態にかかる電極組立体２００は、複数の正極板２１０及び負極板２２０を積層して形成されるもので、これら極板の間にセパレータ２３０を介在して形成できる。
図５は、図４に示す電極組立体２００を構成する一単位体であり、これら単位体を複数個積層することで、本実施形態にかかる電極組立体２００を製作することができる。具体的には、一単位体は、１つの負極板２２０と、負極板２２０に積層された正極板２１０と、これら極板の間に介在したセパレータ２３０とからなる。これらの上にさらにセパレータ２３０を介在し、負極板２２０及び正極板２１０を積層することを繰り返すことで、本実施形態にかかる二次電池６０を製作することができ、極板の積層順序は変更可能である。
このように積層した構造では、第１無地部２１１は、負極板２２０に対応する部位で、短絡などに脆弱であり得る。したがって、これを防止するために、負極板２２０に対応する第１無地部２１１には、セラミック層５１が具備できる。この時、第１無地部２１１で正極活物質コーティング部２１２に隣接する部分は、セパレータ２３０を挟んで負極活物質部２２２と対面するため、短絡に最も脆弱であり得る。したがって、第１無地部２１１に備えられるセラミック層５１は、正極活物質部２１２に隣接するように備えられることが好ましい。
セラミック層５１は、負極板２２０との短絡を防止するために、負極板２２０とは異なる極性を有し、負極板２２０と対面する可能性が高い第１無地部２１１の全面を取り囲むように備えられることが好ましい。また、正極板２１０を積層して形成される複数の第１無地部２１１には、第１電極タブ３０と溶接などによって結合される融着部３１を含むことができる。融着部３１は、レーザ溶接または抵抗溶接などによって形成できる。融着部３１にセラミック層５１が備えられると、第１無地部２１１と第１電極タブ３０とを溶接する場合、セラミック層５１が損傷することがある。あるいは、セラミック層５１によって第１無地部２１１と第１電極タブ３０との融着部を妨げることがある。したがって、セラミック層５１は、第１無地部２１１の融着部３１を除いた全面を取り囲むように備えられることが好ましい。
本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更しなくても他の具体的な形態で実施可能であることを理解することができる。そのため、以上で記述した実施形態は、すべての面で例示的なものであって、限定的ではないと理解しなければならない。本発明の範囲は、上記の詳細な説明よりは後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味及び範囲、そして、その均等概念から導き出されるすべての変更または変形された形態が本発明の範囲に含まれると解釈されなければならない。
１０、６０ 二次電池
２０ 電池ケース
５０、５１ セラミック層
１００、２００ 電極組立体
１１０、２１０ 正極板
１２０、２２０ 負極板

Claims (17)

  1. 第１極板、第２極板、及び前記第１極板と前記第２極板との間に備えられたセパレータを備える電極組立体と、前記電極組立体を収納する電池ケースとを含み、
    前記第１極板が活物質部と、前記活物質部から延びた無地部とを含み、
    前記第２極板が活物質部と、前記活物質部から延びた無地部とを含み、
    前記第１極板の前記無地部上には、セラミック層が備えられることを特徴とする二次電池。
  2. 前記セラミック層が前記第２極板の前記活物質部と向き合って備えられることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記セラミック層が前記第１極板の前記活物質部に隣接して備えられることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  4. 前記セラミック層が前記第１極板の前記活物質部と前記無地部との間の界面に隣接して備えられることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  5. 前記セラミック層がＡｌ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ４、ＴｉＯ２及びＳｉＯ２のうちのいずれか１つ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  6. 前記セラミック層が、Ａｌ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ４、ＴｉＯ２及びＳｉＯ２のうちの２つの物質を７：３から１：１の割合で混合して形成され、前記７：３の割合で混合して形成する時、前記Ａｌ２Ｏ３又はＴｉＯ２のいずれか一方と、ＢａＴｉＯ４又はＳｉＯ２のいずれか一方とが７：３の割合で混合されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  7. 前記第１極板と前記第２極板とがそれぞれ正極板と負極板とであり、
    前記第１極板の前記活物質部は、第１基材上に正極活物質が塗布され、
    前記第２極板の前記活物質部は、第２基材上に負極活物質が塗布されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  8. 前記電極組立体の前記第１極板、前記第２極板、及び前記セパレータが巻き取られることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  9. 前記第１極板が、第１基材上の第１表面及び反対側の第２表面の少なくとも１つ以上に第１活物質を塗布して形成され、
    前記第１極板の前記活物質部が、前記第１基材に前記第１活物質が塗布された領域からなり、前記第１極板の前記無地部が、前記第１基材に前記第１活物質が塗布されない領域からなり、
    前記セラミック層が、前記無地部上で前記第１基材の前記第１表面及び前記第２表面の少なくともいずれか１つに形成されることを特徴とする、請求項８に記載の二次電池。
  10. 前記第１極板が前記第１基材の前記第１表面及び前記第２表面上に前記第１活物質を塗布して形成され、前記第１表面上の前記第１活物質と前記第２表面上の前記第１活物質との厚さが等しく形成され、
    前記第１表面上または前記第２表面上の前記セラミック層の厚さが、３０μｍないし前記第１極板の厚さと前記第１基材の厚さとの差の０．５倍以下であることを特徴とする、請求項９に記載の二次電池。
  11. 前記第１表面上または前記第２表面上の前記セラミック層の厚さが、３０μｍないし前記第１基材上の前記第１表面上または前記第２表面上の前記第１活物質の厚さ以下であることを特徴とする、請求項９に記載の二次電池。
  12. 前記第１極板と前記第２極板とが、前記第１極板と前記第２極板との間に備えられた前記セパレータと共に交互に積層されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
  13. 前記セラミック層が、前記第１極板上の前記無地部の第１表面又は反対側の第２表面の少なくともいずれか１つに備えられることを特徴とする、請求項１２に記載の二次電池。
  14. 前記第１極板、前記第２極板、及び前記第１極板と前記第２極板との間に備えられた前記セパレータが複数個形成されて交互に積層され、複数の前記第１極板及び前記第２極板上にはそれぞれ複数の前記無地部が備えられ、前記第１極板上の複数の前記無地部上には複数の前記セラミック層が形成されることを特徴とする、請求項１２に記載の二次電池。
  15. 前記第１極板の前記無地部が第１電極タブと第１溶接部上で溶接され、前記第２極板の前記無地部が第２電極タブと第２溶接部上で溶接され、
    前記セラミック層が前記第１極板の前記無地部の第１端部に形成され、前記溶接部が前記第１極板の前記無地部の前記第１端部と反対側の第２端部上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。
  16. 第１極板、第２極板、及び前記第１極板と前記第２極板との間に備えられたセパレータを備える電極組立体を含み、
    前記第１極板は、活物質部と、前記活物質部から延びた無地部とを含み、
    前記第２極板は、活物質部と、前記活物質部から延びた無地部とを含み、
    前記第１極板上には、セラミック層が備えられ、前記セラミック層が備えられた領域は前記第１極板と前記第２極板との間で絶縁がなされ、前記第１極板と前記第２極板との間で短絡を防止することを特徴とする二次電池。
  17. 前記セラミック層が、前記セパレータが熱によって収縮する時、短絡を防止するように位置することを特徴とする、請求項１６に記載の二次電池。
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