JP2013532367A - 電極組立体用の折畳み機器 - Google Patents

Abstract

本発明は、単位セルが順次積み重ねられる積重ね／折畳みタイプの電極組立体を製造するための折畳み機器であって、分離フィルムが、単位セル間に配置される折畳み機器に関する。折畳み機器は、プレート状単位セルを所定の間隔で分離フィルム上に配置するウェブを供給するウェブ供給ユニットと、単位セルが順次積み重ねられ、分離フィルムが単位セル間に介在するように、ウェブの第１の単位セルを保持し、単位セルを回転させる巻回ジグと、ウェブが進行する方向（Ｘ軸方向）の巻回ジグの回転シャフトの位置を補正するための回転シャフト補正ユニットとを備え、回転シャフト補正ユニットが、プレート状単位セルを巻いている間に生じるウェブのＸ軸速度（Ｖｘ）の変化を補償することを可能にする程度まで回転シャフトの位置を周期的に変える。

Description

本発明は、分離フィルム（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｆｉｌｍ）がそれぞれの単位セルの間に配置された状態で順次積み重なった単位セルを有する積重ね／折畳み式電極組立体（ｓｔａｃｋｅｄ／ｆｏｌｄｅｄ ｔｙｐｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）を製造するための折畳み装置であって、プレート状単位セルを所定の間隔で分離フィルムの上部に配置したウェブを供給するためのウェブ供給ユニットと、分離フィルムがそれぞれの単位セルの間に配置された状態で、単位セルが順次積み重ねられるように、ウェブの単位セルのうちの第１のセルを保持しつつ、単位セルを回転させるための巻回ジグ（ｗｉｎｄｉｎｇ ｊｉｇ）と、ウェブの進行方向（Ｘ軸方向）の巻回ジグの回転シャフトの位置を補償するための回転シャフト補償ユニットとを備え、回転シャフト補償ユニットが、プレート状単位セルを巻いている間に引き起こされるウェブのＸ軸速度（Ｖｘ）の変化を補償するように、回転シャフトの位置を周期的に変化させ、それによってウェブの張力を均一に維持する、折畳み装置に関する。

モバイル機器がますます発達してきており、そのようなモバイル機器の需要が増加してきているため、モバイル機器用のエネルギー源として二次電池の需要も急激に増加している。そのような二次電池の中に、高エネルギー密度、高い動作ポテンシャル、長いサイクル寿命、および低い自己放電率を有するリチウム二次電池があり、このリチウム二次電池は、現在商品化され、幅広く使用されている。

二次電池を構成する、カソード／セパレータ／アノード構造を有する電極組立体は、一般に、電極組立体の構造に基づいて、ジェリーロール（巻回）型電極組立体または積重ねタイプの電極組立体に分類することができる。ジェリーロール型電極組立体は、電流コレクタとして使用される金属箔を電極活性材料でコーティングし、コーティングした金属箔を乾燥および押圧し、乾燥および押圧した金属箔を所定の幅および長さを有する帯の形態に切断し、セパレータを用いてアノードとカソードを互いに隔絶し、アノード／セパレータ／カソード構造を螺旋状に巻回することによって製造される。ジェリーロール型電極組立体は、円筒形電池に適しているが、ジェリーロール型電極組立体は、電極活性材料が隔絶されておりまたは空間利用が低いので、柱状電池（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ ｂａｔｔｅｒｙ）またはパウチ型電池（ｐｏｕｃｈ−ｓｈａｐｅｄ ｂａｔｔｅｒｙ）には適していない。一方、積重ねタイプの電極組立体は、複数の単位カソードおよび複数の単位アノードが順次積み重ねられる構造を有するように構成される。積重ねタイプの電極組立体は、積重ねタイプの電極組立体が、柱状構造を有するように構成できるという点で利点があるが、積重ねタイプの電極組立体は、積重ねタイプの電極組立体を製造するためのプロセスが複雑であり、外部衝撃が積重ねタイプの電極組立体に加えられたときに、積重ねタイプの電極組立体の電極は押され、その結果、積重ねタイプの電極組立体に短絡が生じる可能性があるという点で欠点を有する。

上記の課題を解決するために、ジェリーロール型電極組立体と積重ねタイプの電極組立体の組合せである改善された電極組立体、すなわち所定の単位サイズのカソード／セパレータ／アノード構造を有するフルセル、または所定の単位サイズのカソード（アノード）／セパレータ／アノード（カソード）／セパレータ／カソード（アノード）構造を有するバイセルが、長い連続的なセパレータ膜を用いて折り畳まれている構造を有するように構成された電極組立体が開発されている。そのような電極組立体の例は、本特許出願の出願人の名において提出された韓国特許出願公開第２００１−８２０５８号、第２００１−８２０５９号、および第２００１−８２０６０号に開示されている。本出願では、上述の構成を有する電極組立体は、積重ね／折畳み式電極組立体と呼ばれる。

積重ねタイプの電極組立体または積重ね／折畳み式電極組立体が電池ケース内に取り付けられている構造を有するように形成された二次電池は、様々な形態に構成することができる。二次電池の代表的な例は、アルミニウムラミネートシートで形成されるパウチ形ケースを用いたリチウムイオンポリマー電池（ＬｉＰＢ）である。

リチウムイオンポリマー電池（ＬｉＰＢ）は、電極（カソードおよびアノード）とセパレータを熱溶接することによって製造される電極組立体に電解質を含浸させた構造を有するように構成される。大抵、リチウムイオンポリマー電池は、積重ねタイプの電極組立体または積重ね／折畳み式電極組立体が、封止状態でアルミニウムラミネートシートから形成されたパウチ型電池ケース内に取り付けられる構造を有するように構成される。このため、リチウムイオンポリマー電池は、しばしばパウチ型電池と呼ばれる。

一般に、回転運動によって電極組立体を折り畳む装置が、積重ね／折畳み式電極組立体を折り畳むために使用される。図１を参照すると、折畳み装置は、プレート状単位セル１００、１０１、１０２・・・を所定の間隔で分離フィルムの上部に配置したウェブ２００を供給するためのローラの形状に形成されるウェブ供給ユニット４００と、分離フィルムがそれぞれの単位セルの間に配置された状態で単位セルが順次積み重ねられるように、ウェブの単位セルのうちの第１の単位セルを保持しつつ、単位セルを回転させるための巻回ジグ３００とを備える。巻回ジグ３００が回転させられると、単位セル１００、１０１、１０２・・・が順次積み重ねられる。

しかし、巻回ジグ３００が、プレート状単位セル１００、１０１、１０２・・・を巻くように回転させられるので、ウェブ２００の張力が変化し得る。ウェブ２００の張力の変化は、ウェブ２００が巻回装置に供給される前にプロセス全体に悪影響を与える。したがって、巻回装置がウェブ２００の張力を均一に維持するために、ウェブ２００の進行方向、すなわちＸ軸方向の巻回ジグ３００の位置を補償する方法が、検討され得る。

このことに関連して、図２を参照し、巻回ジグの回転半径をａ、ローラから巻回ジグの回転中心までの距離をｂ、および巻回ジグの角度に基づいたローラからのウェブの長さをｃと仮定すると、ｃは、Ｘ軸に対する巻回ジグの角度θの変化に基づいて以下の式によって表わすことができる。
ｃ＝（ａ^２＋ｂ^２−２ａｂｃｏｓθ）^１／２

図３は、角度θおよび直線の場合（ｌｉｎｅａｒ ｃａｓｅ）におけるウェブの長さの変化量（線形変化量）に基づいたｃ値の変化量を示すグラフである。図３では、角度θが一定の速度で回転し、角速度は一定であるので、したがって、グラフは、時間−変位のグラフと同じになり得る。したがって、線形変化量は、一定の傾斜を有する直線として一定の速度を示す。

プレート状構造の回転運動は、線形変化量に変化させられない。したがって、角度θに基づくｃ値の変化量と線形変化量の間の差に基づいて補償を行うことが必要である。図３に、補償量のグラフも示す。

しかし、上記の計算法を用いて得られる補償量が、ウェブの進行方向（Ｘ軸方向）の巻回ジグの回転シャフトの位置を補償するために適用される場合、所定の回転速度以上でプロセスを行うことが難しい。

このことに関連して、図４を参照すると、補償量のグラフは、θが１８０度である点において微分が可能でなく、この点においてジャーク（ｊｅｒｋ）が過度となるという点で問題を有する。この問題は、使用中の一般的な生産プロセスにおいては深刻でない。しかし、巻回ジグの回転速度が増加する場合には、過度のジャークが巻回装置に加えられ、その結果、構成部品の交換がしばしば必要になる場合があり、製品は、欠陥のあるものになり得る。特に、巻回ジグの回転速度が、プロセス効率を改善するために、使用中の一般的な生産プロセスの回転速度の２倍以上に増加する場合、より深刻な問題が引き起こされる。

したがって、上記課題を解決することができる技術が大きく必要とされている。

韓国特許出願公開第２００１−８２０５８号明細書 韓国特許出願公開第２００１−８２０５９号明細書 韓国特許出願公開第２００１−８２０６０号明細書

したがって、本発明は、上記課題、およびこれから解決されなければならない他の技術的課題を解決するためになされたものである。

上記のような課題を解決するための種々の広範かつ徹底的な研究および実験の結果として、本出願の発明者は、プレート状単位セルを巻いている間に引き起こされるウェブのＸ軸速度（Ｖｘ）の変化を補償するように、回転シャフトの位置を周期的に変化させ、それによってウェブの張力を均一に維持することができる積重ね／折畳み式電極組立体を製造するための折畳み装置を開発した。加えて、本発明者は、積重ね／折畳み式電極組立体が、この折畳み装置を用いて製造される場合、巻回ジグの回転速度が増加する場合でも過度の負荷が装置に加わらず、プロセス効率が改善されることを発見した。本発明は、これらの知見に基づいて完成したものである。

本発明の一態様によれば、上記および他の目的は、分離フィルムがそれぞれの単位セルの間に配置された状態で順次積み重なった単位セルを有する積重ね／折畳み式電極組立体を製造するための折畳み装置であって、プレート状単位セルを所定の間隔で分離フィルムの上部に配置したウェブを供給するためのウェブ供給ユニットと、それぞれの単位セルの間に分離フィルムが配置された状態で、単位セルが順次積み重ねられるように、ウェブの単位セルのうちの第１の単位セルを保持しつつ、単位セルを回転させるための巻回ジグと、ウェブの進行方向（Ｘ軸方向）の巻回ジグの回転シャフトの位置を補償するための回転シャフト補償ユニットとを備え、回転シャフト補償ユニットが、プレート状単位セルを巻いている間に引き起こされるウェブのＸ軸速度（Ｖｘ）の変化を補償するように、回転シャフトの位置を周期的に変化させ、それによってウェブの張力を均一に維持する、折畳み装置を用意することによって達成することができる。

Ｖｘは、ウェブ供給ユニットでの速度である。ウェブ供給ユニットでのＸ軸速度は、ウェブ供給ユニットと巻回ジグの間の張力を均一に維持するように均一でなければならない。

図２および図３を参照して説明する補償量は、１８０度の周期を有する関数として明らかに現れ得る。しかし、実際には、微分することができない点、すなわち異なる傾斜値を有する点が、１８０度あたりに生じる。変位の微分値は速度であり、したがって速度が急に変化する点が生じる。結果として、加速度は、図４に示すように急に変化し、ジャークの増加になる。

これは、巻回ジグまたは単位セルが、円筒形状において回転運動を行わず、プレート状において回転運動を行うことにより生じる。すなわち、巻いている間に発生するウェブのＸ軸速度Ｖｘは、ｓｉｎθに理論上比例し得る。しかし、実際には、最大値は、θ＝９０度のときに現れず、θ＝約８０度のときに現れる。これは、回転運動を行う円の一部の接線（ｐｏｒｔｉｏｎ ｔａｎｇｅｎｔ）で最大値が得られるためである。

巻回ジグが、理論的に計算された補償量に基づいてＸ軸方向に補償される場合には、したがって、所定の速度を超えてプロセスが実行されるとき装置に過度の負荷が加わり、その結果、回転シャフト補償ユニットがより高いトルクを有するように回転シャフト補償ユニットの設計を変更することが必要である。

一方、理論的に計算された補償量が、同様の変位値を有する周期関数に変化させられる場合、微分することができない点は生じない。加えて、巻回ジグの回転速度が増加する場合でも過度の負荷が装置に加わらず、設計を変更することなしにプロセス効率を改善することが可能である。図５を参照すると、微分は、補償量のグラフのあらゆる位置で可能であり、速度および加速度のグラフの両方は、連続的である。また、ジャークは、所定の範囲から逸脱しない。

好ましくは、単位セルが、フルセルまたはバイセルである。

単位セルとしてのフルセルは、カソード／セパレータ／アノードの単位構造を有するセルである。すなわち、フルセルは、カソード、およびその両側に位置するアノードを有するセルである。フルセルは、カソード／セパレータ／アノードの単位構造に加えて、カソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノードの単位構造を有してもよい。

また、単位セルとしてのバイセルは、両側に位置する同じ電極を有するセルである。例えば、バイセルは、カソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソードの単位構造、またはアノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノードの単位構造を有してもよい。本明細書では、カソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソードの構造を有するセルは、「Ｃタイプバイセル」と呼ばれ、アノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノードの構造を有するセルは、「Ａタイプバイセル」と呼ばれる。すなわち、カソードを両側に位置させたセルは、Ｃタイプバイセルと呼ばれ、アノードを両側に位置させたセルは、Ａタイプバイセルと呼ばれる。

バイセルを構成するカソード、アノード、およびセパレータの個数は、バイセルが両側に位置する同じ電極を有する限り、特に限定されない。

フルセルおよびバイセルは、カソードとアノードの間にセパレータが配置された状態で、カソードおよびアノードを結合することによって製造される。そのような結合法の好ましい例は、熱溶接法である。

フルセルおよびバイセルでは、例えば、カソードは、カソード電流コレクタの両側の主面（ｏｐｐｏｓｉｔｅ ｍａｊｏｒ ｓｕｒｆａｃｅｓ）にカソード活性材料、導電剤およびバインダの混合物を加え、乾燥し、押圧することによって用意される。必要に応じて、充填剤が、混合物に加えられてもよい。

一般に、カソード電流コレクタは、３〜５００μｍの厚さを有する。カソード電流コレクタは、カソード電流コレクタが高伝導度を示しつつ、カソード電流コレクタがその適用される電池の化学変化を引き起こさない限り特に限定されない。例えば、カソード電流コレクタは、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、または炭素樹脂で製作することができる。代替として、カソード電流コレクタは、炭素、ニッケル、チタン、または銀で処理された表面を有するアルミニウムまたはステンレス鋼で製作することができる。カソード電流コレクタは、カソード活性材料の接着強度を増加させるようにカソード電流コレクタの表面に形成された微小な一様ではないパターンを有してもよい。カソード電流コレクタは、膜、シート、箔、ネット、多孔質体、発泡体、および不織布体などの様々な形態で構成されてもよい。

カソード活性材料は、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）もしくはリチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）などの層状化合物、または１種または複数種の遷移金属に置き換えられた化合物；化学式Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_２−ｘＯ_４（ただし、ｘ＝０〜０．３３）によって表わされるリチウムマンガン酸化物、またはＬｉＭｎＯ_３、ＬｉＭｎ_２Ｏ_３、もしくはＬｉＭｎＯ_２などのリチウムマンガン酸化物；リチウム銅酸化物（Ｌｉ_２ＣｕＯ_２）； ＬｉＶ_３Ｏ_８、ＬｉＦｅ_３Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_５またはＣｕ_２Ｖ_２Ｏ_７などのバナジウム酸化物；化学式ＬｉＮｉ_１−ｘＭ_ｘＯ_２（ただし、Ｍ＝Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、ＢまたはＧａ、およびｘ＝０．０１〜０．３）によって表わされるニッケルサイト型リチウムニッケル酸化物（Ｎｉ−ｓｉｔｅｄ ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｃｋｅｌ ｏｘｉｄｅ）；化学式ＬｉＭｎ_２−ｘＭ_ｘＯ_２（ただし、Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＺｎまたはＴａ、およびｘ＝０．０１〜０．１）または化学式Ｌｉ_２Ｍｎ_３ＭＯ_８（ただし、Ｍ＝ Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎ）によって表わされるリチウムマンガン複合酸化物；アルカリ土類金属イオンに一部置き換えられる化学式のＬｉを有するＬｉＭｎ_２Ｏ_４；ジスルフィド化合物；あるいはＦｅ_２（ＭｏＯ_４）_３であってもよいが、これらに限定されない。

導電剤は、一般に、カソード活性材料を含む化合物の総重量に基づいて、導電剤が１〜５０重量％であるように．添加される。導電剤は、導電剤が高伝導度を示しつつ、導電剤がその適用される電池の化学変化を引き起こさない限り特に限定されない。例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、またはサーマルブラックなどのカーボンブラック；炭素繊維または金属繊維などの導電性繊維；フッ化炭素粉末、アルミニウム粉末、またはニッケル粉末などの金属粉末；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカ；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；あるいはポリフェニレン誘導体を、導電剤として用いることができる。

バインダは、活性材料と導電剤の間の結合、および電流コレクタとの結合を助ける成分である。バインダは、カソード活性材料を含む化合物の総重量に基づく１〜重量５０％の量で一般に加えられる。バインダの例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム、および様々な共重合体が使用され得る。

充填剤は、カソードの膨張を抑制するために使用される任意の成分である。加えられる電池において化学変化を引き起こさず、繊維性材料で製作される限り、特に充填剤への限定はない。充填剤の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン重合体、およびガラス繊維および炭素繊維などの繊維性材料を使用することができる。

一方、アノードは、アノード電流コレクタにアノード活性材料を加え、乾燥し、押圧することによって用意される。必要に応じて、前述した導電剤、バインダおよび充填剤が、アノード活性材料に選択的に加えられてもよい。

一般に、アノード電流コレクタは、３〜５００μｍの厚さを有する。アノード電流コレクタは、アノード電流コレクタが高伝導度を示しつつ、アノード電流コレクタがその適用される電池の化学変化を引き起こさない限り特に限定されない。例えば、アノード電流コレクタは、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、または炭素樹脂で製作することができる。代替として、アノード電流コレクタは、炭素、ニッケル、チタン、または銀、あるいはアルミニウム−カドミウム合金で処理された表面を有する銅またはステンレス鋼で製作することができる。カソード電流コレクタと同じように、アノード電流コレクタは、アノード活性材料の接着強度を増加させるようにアノード電流コレクタの表面に形成された微小な一様ではないパターンを有してもよい。アノード電流コレクタは、膜、シート、箔、ネット、多孔質体、発泡体、および不織布体などの様々な形態で構成されてもよい。

アノード活性材料としては、例えば、非黒鉛化炭素または黒鉛基炭素などの炭素； Ｌｉ_ｘＦｅ_２Ｏ_３（０≦ｘ≦１）、Ｌｉ_ｘＷＯ_２（０≦ｘ≦１）、Ｓｎ_ｘＭｅ_１−ｘＭｅ’_ｙＯ_ｚ（Ｍｅ：Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｇｅ； Ｍｅ’：Ａｌ、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、周期表の１族、２族および３族の元素、ハロゲン；０≦ｘ≦１；１≦ｙ≦３；１≦ｚ≦８）などの金属複合酸化物；リチウム金属；リチウム合金；シリコン基合金；スズ基合金；ＳｎＯ、ＳｎＯ_２、ＰｂＯ、ＰｂＯ_２、Ｐｂ_２Ｏ_３、Ｐｂ_３Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_５、ＧｅＯ、ＧｅＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_４またはＢｉ_２Ｏ_５などの金属酸化物；ポリアセチレンなどの導電性高分子；またはＬｉ−Ｃｏ−Ｎｉ基材料が使用されてもよい。

セパレータは、カソードとアノードの間に配置される。セパレータとして、例えば、高イオン透過性および高機械的強度を示す絶縁薄膜（ｉｎｓｕｌａｔｉｖｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ）を使用することができる。セパレータは、一般に、孔径０．０１〜１０μｍ、および厚さ５〜３００μｍを有する。セパレータ用の材料としては、例えば、耐化学性および疎水性を示すポリプロピレンなどのオレフィン重合体、ガラス繊維、またはポリエチレン製のシートまたは不織布が使用される。ポリマーなどの固体電解質が電解質として使用される場合、固体電解質は、セパレータとして機能することができる。本発明に用いられる分離フィルムは、セパレータと同じ材料またはセパレータとは異なる材料で形成されてもよい。

単位セルは、第１の単位セルおよび第２単位セルが、少なくとも１つの単位セルに対応する距離だけ互いに離間して配置され、第２単位セルの後の単位セル間の距離が、徐々に増加するように、分離フィルム上に配置されてもよい。

第１の単位セルおよび第２単位セルが互いに離間して配置される理由は、第１の単位セルの外面が１回の巻取りによって分離フィルムで完全に包まれる状態で、第１の単位セルの電極が、別の単位ユニットの電極に面し、それによって電極間の接触による短絡の発生を防止することにある。

積重ね／折畳み式電極組立体を製造するとき、積み重ねた面にある電極が、互いに異なっていなければならない。複数のフルセルを用いる二次電池を含む電気化学セルを構成するために、フルセルは、フルセルのカソードおよびアノードが互いに面するようにそれぞれのフルセルの間に分離フィルムが配置された状態で積み重ねられなければならない。複数のバイセルを用いる二次電池を含む電気化学セルを構成するために、複数のＣタイプバイセルおよび複数のＡタイプバイセルは、バイセルのカソードおよびアノードが互いに面するようにそれぞれのフルセルの間に分離フィルムが配置された状態で積み重ねられなければならない。

単位セルがフルセルである場合、図６に示すように、第１のフルセル１１０および第２フルセル１１１の同じ電極が上向きであり、第２フルセルの後のフルセルの異なる電極が、順次上向きであるように、フルセルは、分離フィルム上に配置されてもよい。例えば、第１のフルセル１１０の正（＋）電極が上向きである場合、第２フルセル１１１の正（＋）電極が上向きであってもよく、第３のフルセル１１２の負（−）電極は、上向きであってもよい。続いて、フルセルの正（＋）電極および負（−）電極が、順次配置されてもよい。

単位セルがバイセルである場合、図７に示すように、第１のバイセル１２０および第２バイセル１２１が、異なるタイプのセルであり、第２バイセルの後のセルが、同じタイプのセルのペアで配置されるように、バイセルは、分離フィルム上に配置されてもよい。例えば、第１のバイセル１２０がＣタイプバイセルである場合、第２のバイセル１２１および第３のバイセル１２２は、Ａタイプバイセルであってもよく、第４のバイセル１２３および第５バイセル１２４は、Ｃタイプバイセルであってもよい。続いて、バイセルは、同じタイプのセルのペアで順次配置されてもよい。

巻回ジグの形状は、巻回ジグがウェブを巻くように構成される限り特に限定されない。例えば、巻回ジグは、単位セルのうちの１つの単位セルの上端、および単位セルのうちの１つの単位セルに対応する分離フィルムの下端にウェブを固定的に保持するように構成されてもよい。

巻回ジグは、巻回ジグが単位セルおよび分離フィルムを同時に保持する状態でウェブを巻く。したがって、単位セルは、分離フィルムがそれぞれの単位セルの間に配置された状態で重ねられる。

本発明による折畳み装置では、角度θに基づいた回転シャフトの補償量は、正弦関数の周期で変化してもよい。

理論計算に基づいて補償量のグラフの値に最も類似する変位値を有する周期関数は、正弦関数である。正弦関数の変位値は、折畳み装置の補償量の計算におけるａ、ｂおよびｃなどの変数の値に応じて変化することができ、計算した補償量に類似する変位値を有する正弦関数が、見出され、使用されてもよい。

本発明による折畳み装置では、巻回ジグは、毎分２０〜２００回転の回転速度を有してもよい。

装置を変更することなく上記のように回転速度を確実にし、それによって回転速度の増加に基づいてプロセス効率を改善することを可能にする。

補償が周期関数を用いて行われる限り、巻回ジグの回転シャフト補償ユニットが使用されることができる。好ましくは、回転シャフト補償ユニットは、巻き速度が増加するときに生じ得る回転シャフト補償ユニットの分離を防ぐために、相互接続した可変回転構造を有するように構成される。可変回転構造の好ましい例は、偏心ローラの回転運動を直線運動に変換するための回転偏心ローラおよび可変クランクを含んでもよい。

本は詰めの別の態様によれば、上述の構成を有する折畳み装置を用いて製造される積重ね−折畳み式電極組立体が提供される。また、電極組立体、およびリチウム塩含有非水電解質を含むリチウム二次電池が提供される。

リチウム塩含有非水電解質は、非水電解質およびリチウムから構成される。非水電解質として、非水電解液、固体電解質、または無機固体電解質が用いられてもよい。

上記非水電解液の例としては、言及したもの（ｍｅｎｔｉｏｎ）は、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリジノン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ガンマ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフラン（ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｘｙ Ｆｒａｎｃ）、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、ギ酸メチル、硝酸メチル、燐酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの非プロトン性の有機溶媒で作製することができる。

前記有機固体電解質の例としては、言及したものは、ポリエチレン誘導体、ポリエチレンオキシド誘導体、ポリプロピレンオキシド誘導体、燐酸エステルポリマー、ポリアジテイションリシン、ポリエステルスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、イオン性解離基を含む重合体で作製することができる。

無機固体電解質の例としては、言及したものは、Ｌｉ_３Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ_５ＮＩ_２、Ｌｉ_３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ_４、ＬｉＳｉＯ_４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ_２ＳｉＳ_３、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、およびＬｉ_３ＰＯ_４−Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２などのリチウムの窒化物、ハロゲン化物、硫酸塩で作製することができる。

リチウム塩は、上記非水系電解質に溶解しやすい物質であり、例えば、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ_１０Ｃｌ_１０、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣＦ_３ＣＯ_２、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉ、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２ＮＬｉ、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、リチウムテトラフェニルボラート、イミドが含まれ得る。

加えて、非水系電解質には、充放電特性、難燃性を改善するために、例えば、ピリジン、亜リン酸トリエチル、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、ｎ−グリム、ヘキサ燐酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、Ｎ−置換オキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ−置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、２−メトキシエタノール、三塩化アルミニウムなどを電解質に添加することもできる。場合によっては、不燃性を付与するために、電解質は、四塩化炭素、および三フッ化エチレンなどのハロゲン含有溶媒をさらに含んでもよい。さらに、高温保存特性を向上させるために、電解質は、二酸化炭酸ガスをさらに含んでもよい。加えて、炭酸フルオロエチレン（ＦＥＣ）、およびプロペンスルトン（ＰＲＳ）が、さらに含まれてもよい。

本発明による二次電池は、小型装置の電源として用いられる電池セルとして使用されてもよい。加えて、本発明による二次電池は、中型または大型の装置の電源として用いられる複数の電池セルを含む中型または大型の電池モジュールの単位セルとして使用されてもよい。

中型または大型の装置の好ましい例は、電気的モータによって動作させられるパワーツールと、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気車（ＨＥＶ）、およびプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）などの電気四輪車と、電動自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）または電動スクータ（Ｅ−ｓｃｏｏｔｅｒ）などの電気二輪車と、電動ゴルフカートとであり得るが、これらに限定されない。

本発明の上記および他の目的、特徴および他の利点は、後続の詳細な説明を、添付図面と併せて参照することによってより明らかに理解されよう。

積重ね／折畳み式電極組立体を製造するための折畳み装置を概略的に示す典型図である。 巻回ジグの回転運動によるウェブの長さの変化の計算を示す図である。 回転運動中のウェブの長さの変化量、直線の場合におけるウェブの長さの変化量、および回転角度θに基づいたウェブの補償量を示すグラフである。 回転角度θに基づく補償量、速度、加速度、およびジャークを示すグラフである。 補償が周期関数を用いて行われる場合の回転角度θに基づく補償量、速度、加速度、およびジャークを示すグラフである。 単位セルがフルセルである場合の配置タイプを示す典型図である。 単位セルがバイセルである場合の配置タイプを示す典型図である。 本発明の一実施形態による折畳み装置を示す概略典型図である。

次に、本発明の例示的な実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示した実施形態によって限定されないことに留意されたい。

図５は、本発明の一実施形態による、補償が周期関数（７．２５正弦関数）を用いて行われる場合の回転角度θに基づく補償量、速度、加速度、およびジャークを示すグラフである。

このことに関連して、図５との比較について図２〜図４を参照して説明が与えられる。

図２を参照すると、巻回ジグの角度に基づいたローラからのウェブの長さｃは、Ｘ軸に対する巻回ジグの角度θの変化に基づいてｃ＝（ａ^２＋ｂ^２−２ａｂｃｏｓθ）^１／２によって表わすことができ、θ＝０のときのｃ_０は、ウェブの長さの変化量を計算するためにｃから差し引かれ得る。

したがって、ウェブの長さの変化量は、図３に示すように、ウェブの長さが回転角度に従って均一に増加する線形変化量と比較してずれ得る。このため、Ｘ軸方向の補償によってそのようなずれをなくす方法が検討され得る。しかし、回転角度θに基づく補償量、速度、加速度、およびジャークの間の関係では、図４に示すように、微分することができない点が、１８０度あたりに生じる。結果として、加速度が急に変化し、過度のジャークになる。

一方、図５のグラフでは、図４に示されるような、微分することができない点は生じない。

図３において計算される補償量のグラフは、周期関数のグラフ、すなわち正弦関数のグラフに類似する。折畳み装置の計算した補償量のグラフに類似する正弦関数のグラフが、補償のために適切に選択されるとき、したがって、図５に示すように、補償量のグラフのあらゆる位置で微分が可能であり、速度および加速度のグラフの両方は、連続的である。また、ジャークは、所定の範囲から逸脱することなく、したがって過度のジャークによるトルクを補償する必要はない。

図６は、本発明の一実施形態による単位セルがフルセルである場合の配置タイプを示す典型図である。

図６を参照すると、積重ね／折畳み式電極組立体は、分離フィルム２００上に単位セルとして順次配置されたカソード／セパレータ／アノードをそれぞれ有するフルセル１１０、１１１、１１２、１１３および１１４を配置し、第１のフルセル１１０からフルセル１１０、１１１、１１２、１１３および１１４を順次巻くことによって製造することができる。

フルセル１１０、１１１、１１２、１１３および１１４の配置において、第１のフルセル１１０および第２フルセル１１１は、少なくとも１つのフルセルに対応する距離だけ互いに離間して配置される。したがって、巻いている間、第１のフルセル１１０の外面は、分離フィルム２００によって完全に包まれ、次いで、第１のフルセル１１０の下端電極（アノード）が、第２フルセル１１１の上端電極（カソード）に接触することになる。

第２フルセル１１１の後にフルセル１１２、１１３および１１４を巻く分離フィルム２００の長さは、巻くことによって行われる順次積重ね中に増加する。このため、フルセルは、それらの間の距離が巻き方向に順次増加するように配置される。

また、フルセル１１０、１１１、１１２、１１３および１１４は、巻いている間、積み重ねたフルセル同士の境界でカソードおよびアノードが互いに面するように構成される。したがって、好ましい例では、第１のフルセル１１０および第２フルセル１１１は、カソード上端電極としてそれぞれ有するフルセルであり、第３のフルセル１１２は、アノードを上端電極として有するフルセルであり、第４のフルセル１１３は、カソードを上端電極として有するフルセルであり、第５のフルセル１１４は、アノードを上端電極として有するフルセルである。すなわち、カソードを上端電極としてそれぞれ有するフルセル１１１および１１３、ならびにアノードを上端電極としてそれぞれ有するフルセル１１２および１１４が、第１のフルセル１１０を除いて交互に配置される。

図７は、本発明の別の実施形態による単位セルがバイセルである場合の配置タイプを示す典型図である。

図７を参照すると、単位セルとして順次配置されたカソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソードまたはアノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノードをそれぞれ有するバイセル１２０、１２１、１２２、１２３および１２４が、分離フィルム２００上に配置され、バイセル１２０、１２１、１２２、１２３および１２４が、第１のバイセル１２０から順次巻かれて、積重ね／折畳み式電極組立体を製造する。

単位セルとしてのバイセル１２０、１２１、１２２、１２３および１２４の配置において、第１のバイセル１２０および第２バイセル１２１は、少なくとも１つのバイセルに対応する距離だけ互いに離間して配置される。したがって、巻いている間、第１のバイセル１２０の外面は、分離フィルム２００によって完全に包まれ、次いで、第１のバイセル１２０の下端電極（アノード）が、第２バイセル１２１の上端電極（カソード）に接触することになる。

第２バイセル１２１の後にバイセル１２２、１２３および１２４を巻く分離フィルム２００の長さは、巻くことによって行われる順次積重ね中に増加する。このため、バイセルは、それらの間の距離が巻き方向に順次増加するように配置される。

また、バイセル１２０、１２１、１２２、１２３および１２４は、巻いている間、積み重ねたバイセル同士の境界でカソードおよびアノードが互いに面するように構成される。好ましい例では、第１のバイセル１２０は、アノードを外部電極として有し、第２バイセル１２１および第３のバイセル１２２は、カソードを外部電極として有し、第４のバイセル１２３および第５のバイセル１２４は、アノードを外部電極として有する。すなわち、カソードを外部電極として有するバイセル１２１および１２２、ならびにアノードを外部電極として有するバイセル１２３および１２４が、第１のバイセル１２０を除いて２つのバイセルおきに交互に配置される。

図８は、本発明の一実施形態による折畳み装置を示す概略典型図である。

図８を参照すると、折畳み装置５００は、回転シャフト補償ユニットおよび巻回ユニット（ｗｉｎｄｉｎｇ ｕｎｉｔ）を備える。回転シャフト補償ユニットは、相互接続した可変回転構造を有するように構成される。回転シャフト補償ユニットは、回転偏心ローラ５１０と、偏心ローラ５１０の回転運動を直線運動に変換するための可変クランク５２０とを備える。

偏心ローラ５１０の偏心シャフトが係合する可変クランク５２０の一部には、偏心シャフトの回転直径だけ垂直方向に延びる溝が形成される。図示しないが、可変クランク５２０は、垂直方向の可変クランク５２０の運動が制約されるように構成される。

したがって、偏心ローラ５１０を通じて伝達される回転運動は、可変クランク５２０を垂直方向に動かすことなく、溝によって水平直線運動に変換される。この直線運動は、偏心ローラ５１０の偏心シャフトの回転によって行われる。したがって、直線運動は、周期関数の形態で行われる。

回転シャフト補償ユニットの可変クランク５２０は、巻回ユニット５３０に動作可能に接続され、巻回ユニット５３０には、巻回ジグ５４０が取り付けられて、ウェブの進行方向に巻回ジグ５４０の回転シャフトを補償する。

この場合、巻回ジグ５４０を用いてウェブを巻いている間の単位セル５５０を分離フィルム５６０上に配置したウェブの送り速度は、均一に維持される。また、上記のように可変クランクが用いられる場合、可変クランクが高速で動かされるときに生じ得る折畳み装置の分離を防ぐことが可能である。

上記の説明から明らかなように、本発明による積重ね／折畳み式電極組立体を製造するための折畳み装置は、従来の装置を変更することなしに、折畳み装置の回転速度を増加させることができるように構成され、それによってプロセス効率を改善する。

本発明の例示的な実施形態を、例示の目的で開示したが、添付の特許請求の範囲に開示した本発明の範囲および精神から逸脱することなく、当業者は、様々な修正、追加および代替が可能であることを理解されよう。

１００ プレート状単位セル、単位セル
１０１ プレート状単位セル、単位セル
１０２ プレート状単位セル、単位セル
１１０ 第１のフルセル、フルセル
１１１ 第２フルセル、フルセル
１１２ 第３のフルセル、フルセル
１１３ 第４のフルセル、フルセル
１１４ 第５のフルセル、フルセル
１２０ 第１のバイセル、バイセル
１２１ 第２バイセル、バイセル
１２２ 第３のバイセル、バイセル
１２３ 第４のバイセル、バイセル
１２４ 第５のバイセル、バイセル
２００ ウェブ、分離フィルム
３００ 巻回ジグ
４００ ウェブ供給ユニット
５００ 折畳み装置
５１０ 回転偏心ローラ、偏心ローラ
５２０ 可変クランク
５３０ 巻回ユニット
５４０ 巻回ジグ
５５０ 単位セル
５６０ 分離フィルム

Claims (11)

1. 分離フィルムがそれぞれの単位セルの間に配置された状態で順次積み重なった前記単位セルを有する積重ね／折畳み式電極組立体を製造するための折畳み装置であって、
   プレート状単位セルを所定の間隔で前記分離フィルムの上部に配置したウェブを供給するためのウェブ供給ユニットと、
   前記分離フィルムがそれぞれの前記単位セルの間に配置された状態で、前記単位セルが順次積み重ねられるように、前記ウェブの前記単位セルのうちの第１の単位セルを保持しつつ、前記単位セルを回転させるための巻回ジグと、
   前記ウェブの進行方向（Ｘ軸方向）の前記巻回ジグの回転シャフトの位置を補償するための回転シャフト補償ユニットと、
   を備え、
   前記回転シャフト補償ユニットが、前記プレート状単位セルを巻いている間に引き起こされる前記ウェブのＸ軸速度（Ｖｘ）の変化を補償するように、前記回転シャフトの前記位置を周期的に変化させ、それによって前記ウェブの張力を均一に維持する、折畳み装置。
2. 前記単位セルが、フルセルまたはバイセルである、請求項１に記載の折畳み装置。
3. 第１の単位セルおよび第２単位セルが、少なくとも１つの単位セルに対応する距離だけ互いに離間して配置され、前記第２単位セルの後の前記単位セル間の前記距離が、徐々に増加するように、前記単位セルが、前記分離フィルム上に配置される、請求項１に記載の折畳み装置。
4. 前記単位セルがフルセルである場合、第１のフルセルおよび第２フルセルの同じ電極が上向きであり、前記第２フルセルの後のフルセルの異なる電極が、順次上向きであるように、前記フルセルが、前記分離フィルム上に配置される、請求項３に記載の折畳み装置。
5. 前記単位セルがバイセルである場合、第１のバイセルおよび第２のバイセルが異なるタイプのセルであり、前記第２バイセルの後のセルが、同じタイプのセルのペアで配置されるように、前記バイセルが、前記分離フィルム上に配置される、請求項３に記載の折畳み装置。
6. 前記巻回ジグが、前記単位セルのうちの１つの単位セルの上端、および前記単位セルのうちの前記１つの単位セルに対応する前記分離フィルムの下端に前記ウェブを固定的に保持するように構成される、請求項１に記載の折畳み装置。
7. 前記回転シャフトの補償量が、正弦関数の周期で変化する、請求項１に記載の折畳み装置。
8. 前記巻回ジグが、毎分２０〜２００回転の回転速度を有する、請求項１に記載の折畳み装置。
9. 前記回転シャフト補償ユニットが、相互接続した可変回転構造を有するように構成される、請求項１に記載の折畳み装置。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の折畳み装置を用いて製造される積重ね／折畳み式電極組立体。
11. 請求項１０に記載の電極組立体を含む二次電池。