JP2014165170A - 電極組立体、該電極組立体を含むバッテリセル、及び該バッテリセルの製造方法 - Google Patents

電極組立体、該電極組立体を含むバッテリセル、及び該バッテリセルの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電極組立体、該電極組立体を含むバッテリセル、及び該バッテリセルの製造方法を提供する。
【解決手段】第１電極、第２電極、及び第１電極並びに第２電極の間に介在されたセパレータが積層されて巻き取られた電極組立体であって、該電極組立体は、該電極組立体の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に湾曲され、セパレータの少なくとも一面が、熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜を含む電極組立体、該電極組立体を含むバッテリセル、及び該バッテリセルの製造方法である。これにより、該電極組立体を含むバッテリセルは、セパレータと電極板との接着力を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電極組立体、該電極組立体を含むバッテリセル、及び該バッテリセルの製造方法に係り、さらに詳細には、バッテリセルが組み込まれる携帯用電子機器の内部空間を効率的に使用することができる湾曲された形状であり、セパレータと電極板との接着力を向上させた電極組立体、該電極組立体を含むバッテリセル、及び該バッテリセルの製造方法に関する。
ＰＤＡ（personal digital assistant）、移動電話、ノート型パソコンなど情報通信のための携帯用電子機器や、電気自転車、電気自動車などに、二次電池の需要が急増しており、電子機器の小型化及び軽量化の趨勢により、小型軽量化及び高容量で充放電可能なリチウム電池が実用化されている。
前記リチウム電池の代表的な形状としては、携帯電話のような電子機器に適用される薄い角形や薄いポーチ型のようなリチウム電池がある。しかし、角形やポーチ型のようなリチウム電池は、平面形態であり、内部空間を効率的に使用することができず、多様な形状及びサイズの電子機器に適用され難い。
従って、流線形（streamlined）のような形状及び／またはサイズを有する携帯電話のような電子機器に使用するために、電子機器の内部空間を効率的に使用し、高容量を有する形状のバッテリセルが要求される。
また、このような形状のバッテリセルの製造のために、セパレータと電極板との接着力を向上させて高強度を有することが要求される。
本発明の一具現例は、セパレータと電極板との接着力を向上させる電極組立体を提供するものである。
本発明の他の具現例は、前記電極組立体を含むバッテリセルを提供するものである。
本発明のさらに他の具現例は、前記電極組立体を含むバッテリセルの製造方法を提供するものである。
本発明の一局面は、第１電極、第２電極、及び前記第１電極並びに第２電極の間に介在されたセパレータが積層されて巻き取られた電極組立体であって、前記電極組立体は、前記電極組立体の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に湾曲される。望ましくは、前記エッジに平行であって長手方向の中央部に仮想的に設けられる軸を中心に湾曲される。前記セパレータの少なくとも一面が、熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜を含む電極組立体が提供される。
本発明の他の局面は、第１電極、第２電極、及び前記第１電極並びに第２電極の間に介在され、少なくとも一面が、熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜を含むセパレータが積層されて巻き取られた電極組立体と；前記電極組立体の一側面から突出した１対の電極タブと；前記電極組立体と電解液とを含み、さらに前記電極組立体と同一の軸を中心に湾曲されたケースと；を含むバッテリセルが提供される。
さらに本発明の他の局面は、両面に熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜を含むセパレータを準備する段階と、第１電極、第２電極、及び前記第１電極並びに第２電極の間に介在された前記セパレータを含む電極組立体を製造する段階と、前記電極組立体をケースに内蔵させた後、前記ケースにおいて、電解液注液口を除いた部分を密封し、電解液を注入した後、前記電解液注入口を密封して平面形状のバッテリセルを製造する段階と、前記電極組立体の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に、前記平面形状のバッテリセルを湾曲させる段階と、を含むバッテリセルの製造方法が提供される。この場合、望ましくは前記エッジに平行であって長手方向の中央部に仮想的に設けられる軸を中心に湾曲される。
前記平面形状のバッテリセルを湾曲させる段階は、ジグに前記平面形状のバッテリセルを装着させた後で加圧する工程と；及び前記ジグからバッテリセルを分離して放置する工程と；を含んでもよい。
前記バッテリセルの平均曲率半径Ｒと、前記ジグの曲率半径ｒとの誤差範囲は、２０ｍｍ以下である。
本発明による電極組立体は、前記電極組立体の長手方向に平行な軸を中心に湾曲されて、内部空間の効率を高めることができ、セパレータの少なくとも一面が、熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜を含み、セパレータと電極板との接着力を向上させることができるので、前記電極組立体を含むバッテリセルは、高強度を有することができる。また、前記バッテリセルは、液状の電解液を含んで密度が高い電極板内に、電解液の含浸が容易に行われる。
本発明の一具現例による電極組立体を概略的に示した斜視図である。 本発明の一具現例による電極組立体が巻き取られる前の状態を概略的に示した断面図である。 本発明の一具現例によるバッテリセルを概略的に示した斜視図である。 図３Ａによるバッテリセルを概略的に示した分離斜視図である。 本発明の一具現例によるバッテリパックを概略的に示した斜視図である。 図４Ａによるバッテリパックを概略的に示した分離斜視図である。 本発明の一具現例によるバッテリセルの製造方法の概略的なフローチャートである。 本発明の一具現例による曲率半径Ｒを有するバッテリセルを製造する過程を示した模式図である。 実施例１のバッテリセルの曲率半径及び平均曲率半径Ｒの頻度を示した分布グラフである。 比較例１のバッテリセルの曲率半径及び平均曲率半径Ｒの頻度を示した分布グラフである。
本発明は、添付される図面と共に詳細に説明する実施例を参照することにより、明確になる。しかし、本発明は、以下で開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現される。本実施例は、本発明の開示を完全なものにし、本発明が属する技術分野で当業者に、発明の範疇を完全に知らせるために提供され、本発明は、特許請求の範囲の範疇によってのみ定義されるものである。一方、本明細書で使用された用語は、実施例を説明するためのものであり、本発明を制限しようとするものではない。本明細書で、単数形は、文言で特別に言及しない限り、複数形も含む。明細書で使用される「含む（comprises）」及び／または「含むところの（comprising）」は、言及された構成要素、段階、動作及び／または素子は、一つ以上の他の構成要素、段階、動作及び／または素子の存在または追加を排除するものではない。第１、第２のような用語は、多様な構成要素を説明するのに使用されるが、構成要素は、用語によって限定されるものではない。用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ使用される。
本発明の一局面としては、第１電極、第２電極、及び前記第１電極並びに第２電極の間に介在されたセパレータが積層されて巻き取られた電極組立体であって、前記電極組立体は、前記電極組立体の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に湾曲される。望ましくは、前記エッジに平行であって長手方向の中央部に仮想的に設けられる軸を中心に湾曲される。前記セパレータの少なくとも一面が、熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜を含む電極組立体が提供される。
図１は、本発明の一具現例による電極組立体１０を概略的に示した斜視図である。
図１を参照すれば、電極組立体１０は、電極組立体１０の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に湾曲された形状を示す。具体的には、前記エッジに平行であって長手方向の中央部に仮想的に設けられる軸を中心に湾曲される。本明細書で使用された「長手方向」というのはｘ軸方向を指すものであり、電極組立体１０は、長手方向にあるエッジに対して、前記ｘ軸方向に平行な軸を中心に、弧状に曲がっている形状を示す。望ましくは、前記エッジに平行であって長手方向の中央部に仮想的に設けられる軸を中心に湾曲される。
電極組立体１０は、流線形（streamlined）のような形状及び／またはサイズを有する携帯電話のような電子機器への適用が非常に容易であり、電子機器の内部空間の効率を高めることができ、このような内部空間を活用して容量を高めることができる。
図２は、本発明の一具現例による電極組立体が巻き取られる前の状態を概略的に示した断面図である。
図２を参照すれば、電極組立体２０は、第１電極板１１及び第１電極活物質層１２を含む第１電極１８、第２電極板１７及び第２電極活物質層１６を含む第２電極１９、及び前記第１電極１８並びに第２電極１９の間に介在されたセパレータ１４が積層されている。
第１電極板１１及び第１電極活物質層１２を含む第１電極１８は、正極に該当する。第１電極板１１は、正極集電体であって、アルミニウム、チタンまたはそれらの合金などを使用することができる。第１電極活物質層１２は、第１電極活物質であって、正極活物質、バインダ及び選択的に導電材を含んでもよく、第１電極活物質層１２は、例えば、前記正極活物質、バインダ及び選択的に導電材を溶媒と混合し、スラリの形態に製造された後、第１電極板１１に塗布してから熱処理して製造される。
前記正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な化合物を使用することができ、例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎ2Ｏ４のようなリチウム含有遷移金属酸化物、またはリチウムカルコゲナイド化合物などを使用することができる。前記バインダは、例えば、フッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレンコーポリマー、ポリフッ化ビニリデンまたはポリアクリロニトリルなどを使用することができる。前記導電材は、例えば、炭素材料などを使用することができる。前記溶媒は、Ｎ−メチルピロリドン、アセトンまたは水などを使用することができる。
第２電極板１７及び第２電極活物質層１６を含む第２電極１９は、負極に該当する。第２電極板１７は、負極集電体であって、銅またはニッケルなどを使用することができる。第２電極活物質層１６は、第２電極活物質として、負極活物質、バインダ及び選択的に導電材を含んでもよく、第２電極活物質層１６は、例えば、負極活物質、バインダ及び選択的に導電材を溶媒と混合し、スラリの形態に製造された後、第２電極板１７に塗布してから熱処理して製造される。
前記負極活物質は、例えば、結晶質炭素、非晶質炭素、炭素複合体、炭素ファイバのような炭素材料；リチウム金属またはリチウム合金などを使用することができる。前記バインダ、導電材及び溶媒は、第１電極の場合と同一のものを使用することができる。
セパレータ１４は、少なくとも一面、例えば、両面が熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜１３，１５に形成されている。
前記熱可塑性ポリマーは、フッ素系熱可塑性ポリマーであってもよい。前記熱可塑性ポリマーは、例えば、ポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデン−コ−ヘキサフルオロプロピレンを含んでもよい。
両面にフッ素系熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜１３，１５が形成されたセパレータ１４は、セパレータ１４と第１電極１８との接着力、及びセパレータ１４と第２電極１９との接着力を向上させ、湾曲された形状の電極組立体を含むバッテリセル及びバッテリパックは、非常な高強度を有することができる。
セパレータ１４は、多孔性ポリオレフィン系セパレータであってもよい。前記多孔性ポリオレフィン系セパレータは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン及びポリペンテンからなる群から選択された１種以上のポリマー、またはそれらのうち２種以上の混合物によって形成されてもよい。
セパレータ１４の厚みは、５ないし３０μｍであり、例えば、７ないし２７μｍであり、例えば、１６ないし２７μｍである。前記コーティングされた膜１３，１５の厚みは、０．５ないし６μｍであり、例えば、３ないし６μｍである。
前記範囲内の厚みを有するセパレータ１４及び熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜１３，１５は、セパレータ１４と第１電極板１１との接着力、及びセパレータ１４と第２電極板１７との接着力を向上させることができ、電解液がセパレータ１４を介して、容易に染みこむことが可能である。
図２の電極組立体をゼリーロール型に巻き取り、前記図１に図示したように、前記電極組立体の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に湾曲された形状の電極組立体１０を製作することができる。
電極組立体１０は、電極組立体１０の中心を通る軸を中心に対称的に形成されている。すなわち、電極組立体１０の中心の曲率半径と、両側端部の曲率半径とが同一である。
電極組立体１０の曲率半径は、１５０ないし６００mmであり、例えば、２５０ないし６００ｍｍである。前記範囲内の曲率半径を有する電極組立体１０は、電極極板の損傷を最小化し、前記電極組立体の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に湾曲された形状を維持することができる。
図３Ａは、本発明の一具現例によるバッテリセル３０を概略的に示した斜視図である。
図３Ａを参照すれば、電極組立体１０、及び電極組立体１０の一側面から突出した第１電極タブ３１並びに第２電極タブ３２を含む１対の電極タブ３３を含んでいる。１対の電極タブ３３が位置した面上に、電解液注入口（図示せず）が配置されてもよい。第１電極タブ３１並びに第２電極タブ３２の上には、第１電極板と第２電極板３５との短絡を防止するために、それぞれ絶縁テープ３４が具備されてもよい。絶縁テープ３４については、図３Ａの円内を参照することができる。
図３Ｂは、図３Ａに示されたバッテリセル３０と同じバッテリセルをバッテリセル４０としてケース４３と共に概略的に示した分離斜視図である。
図３Ｂを参照すれば、第１電極１８、第２電極１９、及び前記第１電極１８並びに第２電極１９の間に介在され、少なくとも一面が、熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜を含むセパレータ１４が積層されて巻き取られた電極組立体１０、電極組立体１０の一側面から突出した第１電極タブ３１並びに第２電極タブ３２を含む１対の電極タブ３３、及び電極組立体１０と電解液（図示せず）とを含み、電極組立体１０と同一の軸、すなわち、図面で、ケース４３の長手方向のエッジに平行であって長手方向に沿った軸を中心に湾曲されたケース４３を含むバッテリセル４０を示す。
前記熱可塑性ポリマーは、フッ素系熱可塑性ポリマーであってもよい。例えば、前記熱可塑性ポリマーは、例えば、ポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデン−コ−ヘキサフルオロプロピレンを含んでもよい。セパレータ１４の少なくとも一面、例えば、両面に前記熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜を含むことにより、セパレータ１４と第１電極１8との接着力、または／及びセパレータ１４と第２電極１9との接着力を向上させることができるので、バッテリセル４０の強度を非常に高めることができる。前記コーティングされた膜１３，１５の厚みは、０．５ないし６μｍであり、例えば、３ないし６μｍである。
セパレータ１４は、多孔性ポリオレフィン系セパレータであってもよい。前記多孔性ポリオレフィン系セパレータは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン及びポリペンテンからなる群から選択された１種以上のポリマー、またはそれらのうち２種以上の混合物によって形成されてもよい。セパレータ１４の厚みは、５ないし３０μｍであり、例えば、７ないし２７μｍであり、例えば、１６ないし２７μｍである。
前記電解液は、リチウム塩及び非水系有機溶媒を含んでもよい。
前記リチウム塩は、有機溶媒に溶解され、電池内で、リチウムイオンの供給源として作用し、基本的なリチウム電池の作動を可能にし、正極と負極との間でのリチウムイオンの移動を促進する役割を行う物質であり、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＳｂＦ６及びＬｉＡｓＦ６からなる群から選択される１種以上である。前記リチウム塩の濃度は、０．１ないし２．０Ｍ範囲内で使用することができる。リチウム塩の濃度が前記範囲に含まれれば、電解液が適切な伝導度及び粘度を有するので、優れた電解液性能を示すことができ、リチウムイオンが効果的に移動することができる。
前記非水系有機溶媒は、電池の電気化学的反応に関与するイオンが移動することができる媒質の役割を行うことができ、カーボネート系、エステル系、エーテル系、ケトン系、アルコール系または非プロトン性溶媒を含んでもよい。前記カーボネート系溶媒としては、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）、エチルプロピルカーボネート（ＥＰＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）などが使用され、前記エステル系溶媒としては、酢酸メチル、酢酸エチル、ｎ−プロピルアセテート、ｔ−ブチルアセテート、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトン、デカノライド（decanolide）、バレロラクトン、メバロノラクトン（mevalonolactone）、カプロラクトン（caprolactone）などが使用される。前記エーテル系溶媒としては、ジブチルエーテル、テトラグライム、ジグライム、ジメトキシエタン、２−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフランなどが使用され、前記ケトン系溶媒としては、シクロヘキサノンなどが使用される。また、前記アルコール系溶媒としては、エチルアルコール、イソプロピルアルコールなどが使用され、前記非プロトン性溶媒としては、Ｒ−ＣＮ（Ｒは、Ｃ２−Ｃ２０直鎖状・分枝状・環状構造の炭化水素基であり、二重結合, 芳香族環またはエーテル結合を含んでもよい）などのニトリル類；ジメチルホルムアミドなどのアミド類；１，３−ジオキソランなどのジオキソラン類；スルホラン（sulfolane）類などが使用されてもよい。
前記非水系有機溶媒は、単独で、または一つ以上混合して使用することができ、一つ以上混合して使用する場合の混合の比率は、目的とする電池の性能によって、適切に調節することができ、それは、当該分野に携わる当業者には周知である。
電極組立体１０は、電極組立体１０の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に湾曲された形状を示す。電極組立体１０は、電極組立体１０の長手方向の中心を通る軸を中心に対称的に形成されている。
電極組立体１０の曲率半径は、１５０ないし６００ｍｍであり、例えば、２５０ないし６００ｍｍである。電極組立体１０は、電極板の損傷を最小化し、湾曲された形状を維持することができる。
ケース４３は、内部に電極組立体１０、補強物１４０（図４Ａ）及び電解液（図示せず）を収容し、上部ケース４１と下部ケース４２とを含んでもよい。上部ケース４１と下部ケース４２は、４１ａ、４１ｂのそれぞれのエッジに沿って一体に接合され、電極組立体１０を密封する。下部ケース４２には、電極組立体１０を収容することができる収容空間がプレス加工の方法によって形成される。
ケース４３は、軟性のポーチタイプで製作されてもよい。例えば、熱融着性を有し、シーリング材の役割を行う熱融着層４３ａ、機械的強度を維持しながら、水気と酸素とのバリア役割を行う金属層４３ｂ、及び絶縁層４３ｃからなる多層構造であってもよい。金属層４３ｂの内側面には、熱融着層４３ａが、外側面には、絶縁層４３ｃが形成されてもよい。また、補強物１４０が、ケース４３と電極組立体１０との間に含まれもする。ポーチタイプのケース４３は、軟性を有するので、補強物を配置することにより、バッテリセル４０の強度を全体的に向上させることができる。
ケース４３は、電極組立体１０と同一の軸を中心に湾曲された形状を示す。すなわち、電極組立体１０の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に湾曲された形状を示す。
バッテリセル４０は、湾曲された形状を有し、流線形のような形状を有する携帯電話のような電子機器への適用が容易であり、内部空間の効率を高めることができ、よってこのような内部空間を活用して容量を高めることができる。
発明の他の局面としては、第１電極、第２電極、及び前記第１電極並びに第２電極の間に介在され、少なくとも一面が、熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜を含むセパレータが積層されて巻き取られた電極組立体であって；前記電極組立体の一側面から突出した１対の電極タブと；前記電極組立体と電解液とを含んで密封し、前記電極組立体と同一の軸を中心に湾曲されたケースと；及び前記１対の電極タブを介して、前記電極組立体と電気的に連結された保護回路モジュール（ＰＣＭ：protection circuit module）；を含むバッテリパックが提供される。
図４Ａは、本発明の一具現例によるバッテリパックを概略的に示した斜視図である。図４Ｂは、図４Ａによるバッテリパックを概略的に示した分離斜視図である。
図４Ａ及び図４Ｂを参照すれば、本発明の一実施例によるバッテリパック１００は、第１電極、第２電極、及び前記第１電極並びに第２電極の間に介在され、少なくとも一面が、熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜を含むセパレータが積層されて巻き取られた電極組立体と；前記電極組立体の一側面から突出した１対の電極タブと；及び前記電極組立体と電解液とを含んで密封し、前記電極組立体と同一の軸を中心に湾曲されたケースと；を含むバッテリセル３０と：保護回路モジュール２００と：及び絶縁テープ３００と：を含む。
バッテリセル３０の上部は、テラス部１５０を含み、バッテリセル３０は、ｘ軸方向を中心に湾曲された形状、すなわち、バッテリセル３０に含まれた電極組立体１０の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に湾曲された形状を示す。
保護回路モジュール２００は、テラス部１５０に載置され、バッテリセル３０と電気的に連結され、バッテリセル３０の過充電、過放電または過電流によって生じる過熱及び爆発を防止する。
保護回路モジュール２００は、回路基板２１０、回路基板２１０上に実装された回路素子２２０、第１電極リードタブ２３１、第２電極リードタブ２３２、安全素子２４０及びケーブル２５１を含んでもよい。回路素子２２０、第１電極リードタブ２３１及び第２電極リードタブ２３２、安全素子２４０並びにケーブル２５１は、いずれも回路基板２１０の一側面に配置されてもよい。
回路基板２１０の一側面には、バッテリセル３０との電気的連結のための第１電極リードタブ２３１と第２電極リードタブ２３２とが配置される。第１電極リードタブ２３１は、バッテリセル３０の第１電極タブ１３２と溶接によって電気的に接続され、第２電極リードタブ２３２は、バッテリセル３０の第２電極タブ１３１と溶接によって電気的に接続される。
回路基板２１０には、バッテリセル３０の充放電を制御することにより、充電状態を均一にさせる充放電回路パターン（図示せず）、または過放電及び過充電を防止する保護回路パターン（図示せず）を含む。回路基板２１０の一側面に、充放電回路パターン及び保護回路パターンの具現のために設置された回路素子２２０が含まれもする。
安全素子２４０は、バッテリセル３０の温度が許容温度以上になれば、電流を遮断することにより、バッテリセル３０の発熱による異常現象を防止する。安全素子２４０では、ＰＴＣ（positive thermal coefficient）が使用される。
ケーブル２５１は、第１電極端子２１１及び第２電極端子２１２に接続され、外部電子機器（例えば、ノート型パソコン、タブレットＰＣ（personal computer）、充電器など）と電気的に連結されもする。ケーブル２５１のうち一部は、グラウンドに接続されてもよい。また、コネクタが、複数のケーブル２５１と外部電子機器との接続を容易にする。
絶縁テープ３００は、テラス部１５０と保護回路モジュール２００との間に配置されてもよい。例えば、回路素子２２０、第１電極リードタブ２３１及び第２電極リードタブ２３２、安全素子２４０並びにケーブル２５１が配置された保護回路モジュール２００の一側面を覆い包むように具備され、保護回路モジュール２００をテラス部１５０から電気的に絶縁させ、外部から保護することができる。絶縁テープ３００は、保護回路モジュール２００上部、及びバッテリセル３０の側面に配置されてもよい。
本発明の他の一実施例によるバッテリパックは、バッテリセルの側面に保護回路モジュール及び絶縁テープなどを含んでもよい。
発明の他の局面としては、バッテリセルは、両面に熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜を含むセパレータを準備する段階と、第１電極、第２電極、及び前記第１電極並びに第２電極の間に介在された前記セパレータを含む電極組立体を製造する段階と、前記電極組立体をケースに内蔵させた後、前記ケースにおいて、電解液注液口を除いた部分を密封し、電解液を注入した後、前記電解液注入口を密封して平面形状のバッテリセルを製造する段階と、前記電極組立体の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に、前記平面形状のバッテリセルを湾曲させる段階と、を含む製造方法が提供される。
前記熱可塑性ポリマーは、ポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデン−コ−ヘキサフルオロプロピレンを含んでもよい。
図５は、本発明の一具現例によるバッテリセルの製造方法の概略的なフローチャートである。
両面に、ポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデン−コ−ヘキサフルオロプロピレンでコーティングされた膜が形成されたセパレータを準備する。
前記セパレータの厚みは、５ないし３０μｍであり、例えば、７ないし２７μｍであり、例えば、１６ないし２７μｍである。
前記コーティングされた膜は、ディップコーティング、スプレーコーティング、ダイコーティング、ロールコーティング、コンマ（comma）コーティング、またはそれらの混合方法によって形成されてもよい。しかし、それらに制限されるものではなく、当該技術分野で利用することができる全てのコーティング方法が可能である。
前記コーティングされた膜の厚みは、０．５ないし６μｍであり、例えば、３ないし６μｍである。
前記範囲内の厚みを有するセパレータ及びポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデン−コ−ヘキサフルオロプロピレンでコーティングされた膜は、セパレータと第１電極板との接着力、及びセパレータと第２電極板との接着力を向上させることができ、電解液がセパレータを介して容易に染みこむことが可能である。
次に、第１電極、第２電極、及び前記第１電極並びに第２電極の間に介在された前記セパレータを含む電極組立体を製造する。第１電極板及び第１電極活物質層を含む第１電極、第２電極板及び第２電極活物質層を含む第２電極、並びに前記第１電極及び第２電極の間に介在されたセパレータを積層させた後、ゼリーロール型に巻き取ることにより、電極組立体を製造する。
前記電極組立体をケースに内蔵させた後、前記ケースにおいて、電解液注液口を除いた部分を密封し、電解液を注入した後、前記電解液注入口を密封して平面形状のバッテリセルを製造する。
前記電解液注液口を除いた部分とは、上部ケースと下部ケースとのエッジ部分をいう。密封の方法としては、減圧してからの熱融着などの方法を使用することができる。
その後、前記電極組立体の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に、前記平面形状のバッテリセルを湾曲させる段階を含む。前記平面形状のバッテリセルを湾曲させる段階は、電極組立体だけではなく、バッテリセルも加圧して曲げるので、工程効率性において優れている。
前記平面形状のバッテリセルを湾曲させる段階は、ジグに、前記平面形状のバッテリセルを装着させた後で加圧する工程、及び前記ジグからバッテリセルを分離して放置する工程を含む。
前記加圧する工程は、１５０ないし１，０００ｋｇｆ圧力で実行することができ、９５ないし１１０℃の温度で実行することができる。前記範囲内の圧力及び温度で熱融着することにより、セパレータの両面でコーティングされたポリマー層と、極板コーティング層のバインダポリマーとの接着力が発生し、前記平面形状のバッテリセルを湾曲させることができる。
図６は、本発明の一具現例による曲率半径Ｒを有するバッテリセルを製造する過程を示した模式図である。
ジグ５０は、曲率半径ｒを有する凹型ジグ５１と、これに対応する凸型ジグ５２とによって形成されている。ジグ５０は、内部にヒータ（図示せず）が装着されていてもよい。
前記ジグの曲率半径ｒは、１５０ないし６００ｍｍであり、例えば、２５０ないし６００ｎｍである。曲率半径ｒであるジグは、容量が高いバッテリセルの製造に適した曲率半径Ｒを有することができる。
曲率半径Ｒを有するバッテリセルは、曲率半径ｒを有するジグ５０に、平面形状のバッテリセル３０’を装着して加圧した後、前記ジグから電極組立体と同一の軸を中心に、すなわち、電極組立体の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に湾曲されたバッテリセル３０’を分離して放置する。前記電極組立体と同一の軸を中心に湾曲されたバッテリセル３０’は、バッテリセル内に液状の電解液が注入され、電極板内に電解液含浸が容易に行われ、電極板との界面摩擦力による応力を最小化し、平面形状に復元される傾向を低減させ、ジグ５０の曲率半径ｒにほぼ近い曲率半径Ｒを形成することができる。
前記バッテリセルの平均曲率半径Ｒと、前記ジグの曲率半径ｒとの誤差範囲は、２０ｍｍ以下である。例えば、前記バッテリセルの平均曲率半径Ｒと、前記ジグの曲率半径ｒとの誤差範囲は、１０ｍｍ以下である。本明細書で「平均曲率半径Ｒ」というのは、三次元形状測定器（３Ｄ optical surface profilers、ＺＹＧＯ社製）を利用して、２回以上測定したときに測定された曲率半径Ｒの平均を意味する。
以下、本発明の実施例及び比較例を記載する。しかし、下記実施例は、本発明の一実施例であるのみ、本発明が下記実施例に限定されるものではない。
製造例１
製造例１−１：第１電極の製造
第１電極活物質として、ＬｉＣｏＯ２粉末９７．２重量部、バインダとして、ポリフッ化ビニリデン１．５重量部、及び導電材として、カーボンブラック１．３重量部を、Ｎ−メチルピロリドン溶媒の中に分散させ、第１電極スラリを製造した。前記第１電極スラリを、ドクターブレード（doctor blade；ギャップ：１７０ｍｍ）を使用して、アルミニウム電極基材上に、約１４５μｍ厚に塗布し、真空中１００℃の条件で、５．５時間熱処理を行った後、乾燥させてロールプレスで圧延して、第１電極活物質層が形成された第１電極板を製造し、前記第１電極板を切り取り、横４５７ｍｍ及び縦６５．５ｍｍである帯状の第１電極を製造した。
製造例１−２：第２電極の製造
第２電極活物質として、グラファイト９８重量部、バインダとして、スチレンブタジエンゴム１重量部、及び増粘剤として、カルボキシメチルセルロース１重量部をＮ−メチルピロリドン溶媒中に分散させ、第２電極スラリを製造した。前記第２電極スラリを、ドクターブレード（ギャップ：１６０ｍｍ））を使用して、銅電極基材上に約１４０μｍ厚に塗布し、真空中１４５℃の条件で、６．５時間熱処理を行った後、乾燥させてロールプレスで圧延し、第２電極活物質層が形成された第２電極板を製造し、前記第２電極板を切り取り、横４４８ｍｍ及び縦６６．５ｍｍである帯状の第２電極を製造した。
製造例１〜３：セパレータの製造
ポリフッ化ビニリデン（Ｓｏｌｖａｙ製）バインダ５重量部に対して、Ｎ−メチルピロリドン溶媒９５重量部を混合してスラリを製造した。前記スラリを、ディップコーティング法で、厚み９μｍのポリエチレンセパレータ（Asahi社製）基材の両面に塗布し、３μｍ厚を有するポリフッ化ビニリデンでコーティングされた膜を含むセパレータを製造した。
比較製造例１
比較製造例１−１：第１電極の製造
前記製造例１−１と同一の方法を実行して、横４５７ｍｍ及び縦６５．５ｍｍである帯状の第１電極を製造した。
比較製造例１−２：第２電極の製造
前記製造例１−２と同一の方法を実行して、横４４８ｍｍ及び縦６６．５ｍｍである帯状の第２電極を製造した。
比較製造例１−３：セパレータ
厚み１４μｍのポリエチレンセパレータ（Asahi社製）を準備した。
実施例１：バッテリセルの製造
製造例１−１で製造された第１電極、製造例１−２で製造された第２電極、及び前記第１電極並びに第２電極の間に製造例１−３で製造されたセパレータを積層させた後、長手方向にゼリーロール型に巻き取って電極組立体を製造した。前記電極組立体をケースに内蔵させた後、前記ケースで、上部ケースと下部ケースとのエッジ部分を減圧して熱融着で密封し、１．１３Ｍ ＬｉＰＦ６が、ＥＣ（エチレンカーボネート）＋ＤＭＣ（ジメチレンカーボネート）＋ＤＥＣ（ジエチレンカーボネート）（３：５：２体積比）に溶けている電解液を注入した後で密封し、平面形状のバッテリセルを製造した。
前記平面形状のバッテリセルを、内部にヒータが装着されており、曲率半径が４００ｎｍである凹型ジグ及び凸型ジグの間に装着させた後、１８０ｋｇｆの圧力及び１００℃の温度で加圧し、前記ジグから前記バッテリセルを分離して２分間放置し、電極組立体の長手方向にあるエッジに、平行な軸を中心に湾曲されたバッテリセルを製造した。
比較例１：バッテリセルの製造
比較製造例１−１で製造された第１電極、比較製造例１−２で製造された第２電極、及び前記第１電極並びに第２電極の間に比較製造例１−３のセパレータを積層させた後、長手方向にゼリーロール型に巻き取って電極組立体を製造した。前記電極組立体をケースに装着させた後、前記ケースで、上部ケースと下部ケースとのエッジ部分を減圧してから熱融着で密封し、１．３Ｍ ＬｉＰＦ６が、ＥＣ（エチレンカーボネート）＋ＤＭＣ（ジメチレンカーボネート）＋ＤＥＣ（ジエチレンカーボネート）（３：５：２体積比）に含まれた高分子電解液を作るために、３：１重量％の下記化学式１のアクリレート系モノマー並びにヘキシルアクリレート、及び前記高分子電解液を基準に少量のラウリルペルオキシド（ＬＰＯ）開始剤が４００ｐｐｍ含まれたポリマー電解液を電池に注入した後で密封し、平面形状のバッテリセルを製造した。
前記平面形状のバッテリセルを、常温で１日間放置した後、真空でガス抜きを行った後で密封し、内部にヒータが装着されており、曲率半径が３００ｎｍである凹型ジグ及び凸型ジグの間に装着させた後、１８０ｋｇＦの圧力で加圧した。前記ジグから前記バッテリセルを分離し、７５℃から３時間放置して電解液の高分子化反応を進め、電極組立体の長手方向に平行な軸を中心に湾曲されたバッテリセルを製造した。
Figure 2014165170
前記化学式１で、ＥＧは、エチレングリコールであり、ＤＥＧは、ジエチレングリコールであり、ＴＭＰは、トリメチルロールプロパンであり、ｌ、ｍ、ｎは、それぞれ０または１以上であり、重量平均分子量は、約２５，０００であり、分子量が約３０，０００未満である。
評価例１：復元力評価
前記実施例１のバッテリセルの曲率半径Ｒと、比較例１のバッテリセルの曲率半径Ｒとに対して、三次元形状測定器（３Ｄ optical surface profilers、ＺＹＧＯ社製）を利用して２０回測定し、ミニタブ（minitab）プログラムを利用して、前記実施例１のバッテリセルの平均曲率半径Ｒと、比較例１のバッテリセルの平均曲率半径Ｒとを求めた。
その結果をそれぞれ図７Ａ及び図７Ｂに示した。また、前記実施例１のバッテリセルの平均曲率半径Ｒ、比較例１のバッテリセルの平均曲率半径Ｒ、及びジグの曲率半径ｒをそれぞれ対比させて、下記表１に示した。
Figure 2014165170
図７Ａ及び７Ｂ、前記表１を参照すれば、実施例１のバッテリセルの平均曲率半径Ｒと、ジグの曲率半径ｒとの誤差が、９．５ｍｍであるところに比べ、比較例１のバッテリセルの平均曲率半径Ｒと、ジグの曲率半径ｒとの誤差は６４ｍｍであった。
実施例１のバッテリセルの平均曲率半径Ｒと、ジグの曲率半径ｒとの誤差が、比較例１のバッテリセルの平均曲率半径Ｒと、ジグの曲率半径ｒとの誤差に比べて小さく、実施例１のバッテリセルの平均曲率半径Ｒと、前記ジグの曲率半径ｒとの誤差範囲は、１０ｍｍ以下であった。
これにより、実施例１のバッテリセルが平面形状に復元される傾向が低減されるということが分かる。
前述のところによれば、ケースがポーチタイプで製作される場合について説明したが、本発明は、それに限定されるものではない。例えば、缶タイプで製作されるバッテリパックにも具備されるということは言うまでもない。
たとえ本発明について、前述の望ましい実施例と係わって説明したにしても、発明の要旨及び範囲から外れずに、多様な修正や変形を行うことが可能である。従って、特許請求の範囲には、本発明の要旨に属する限り、このような修正や変形を含むものである。
本発明の電極組立体、該電極組立体を含むバッテリセル、及び該バッテリセルの製造方法は、例えば、バッテリ関連の技術分野に効果的に適用可能である。
１０，２０ 電極組立体
１１ 第１電極板
１２ 第１電極活物質層
１３，１５ 熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜
１４ セパレータ
１６ 第２電極活物質層
１７，３５ 第２電極板
１８ 第１電極
１９ 第２電極
３０，３０’，４０ バッテリセル
３１，１３１ 第１電極タブ
３２，１３２ 第２電極タブ
３３ １対の電極タブ
３４ 絶縁テープ
４１ 上部ケース
４１ａ 上部シーリング部
４２ 下部ケース
４２ａ 下部シーリング部
４３ ケース
４３ａ 熱融着層
４３ｂ 金属層
４３ｃ 絶縁層
５０ ジグ
５１ 凹型ジグ
５２ 凸型ジグ
１００ バッテリパック
１４０ 補強物
１５０ テラス部
２００ 保護回路モジュール
２１０ 回路基板
２１１ 第１電極端子
２１２ 第２電極端子
２２０ 回路素子
２３１ 第１電極リードタブ
２３２ 第２電極リードタブ
２４０ 安全素子
２５１ ケーブル
３００ 絶縁テープ

Claims (30)

  1. 第１電極、第２電極、及び前記第１電極並びに第２電極の間に介在されたセパレータが積層されて巻き取られた電極組立体であって、
    前記電極組立体は、前記電極組立体の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に湾曲され、前記セパレータの少なくとも一面が、熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜を含む電極組立体。
  2. 前記熱可塑性ポリマーが、フッ素系熱可塑性ポリマーであることを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。
  3. 前記熱可塑性ポリマーが、ポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデン−コ−ヘキサフルオロプロピレンを含むことを特徴とする請求項１に記載の電極組立体。
  4. 前記セパレータは、多孔性ポリオレフィン系セパレータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電極組立体。
  5. 前記セパレータの厚みは、５ないし３０μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電極組立体。
  6. 前記コーティングされた膜の厚みは、０．５ないし６μｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電極組立体。
  7. 前記電極組立体は、前記電極組立体の中心を通る軸を中心に対称的であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電極組立体。
  8. 前記電極組立体の曲率半径が、１５０ないし６００ｍｍであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電極組立体。
  9. 第１電極、第２電極、及び前記第１電極並びに第２電極の間に介在され、少なくとも一面が、熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜を含むセパレータが積層されて巻き取られた電極組立体と、
    前記電極組立体の一側面から突出した１対の電極タブと、
    前記電極組立体と電解液とを含み、前記電極組立体と同一の軸を中心に湾曲されたケースと、を含むバッテリセル。
  10. 前記熱可塑性ポリマーがフッ素系熱可塑性ポリマーであることを特徴とする請求項９に記載のバッテリセル。
  11. 前記熱可塑性ポリマーがポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデン−コ−ヘキサフルオロプロピレンを含むことを特徴とする請求項９に記載のバッテリセル。
  12. 前記電解液は、リチウム塩及び非水系有機溶媒を含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載のバッテリセル。
  13. 前記リチウム塩は、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＳｂＦ６及びＬｉＡｓＦ６からなる群から選択される１種以上であることを特徴とする請求項１２に記載のバッテリセル。
  14. 前記非水系有機溶媒は、カーボネート系、エステル系、エーテル系、ケトン系、アルコール系、または非プロトン性溶媒を含むことを特徴とする請求項１２に記載のバッテリセル。
  15. 前記電極組立体は、前記電極組立体の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に湾曲されたことを特徴とする請求項９〜１４のいずれか一項に記載のバッテリセル。
  16. 前記電極組立体は、前記電極組立体の中心を通る軸を中心に対称的であることを特徴とする請求項１５に記載のバッテリセル。
  17. 前記電極組立体の曲率半径が、１５０ないし６００ｍｍであることを特徴とする請求項１５に記載のバッテリセル。
  18. 前記ケースは、軟性のポーチであることを特徴とする請求項９〜１７のいずれか一項に記載のバッテリセル。
  19. 少なくとも一面に熱可塑性ポリマーでコーティングされた膜を含むセパレータを準備する段階と、
    第１電極、第２電極、及び前記第１電極並びに第２電極の間に介在された前記セパレータを含む電極組立体を製造する段階と、
    前記電極組立体をケースに内蔵させた後、前記ケースにおいて、電解液注液口を除いた部分を密封し、電解液を注入した後、前記電解液注入口を密封して平面形状のバッテリセルを製造する段階と、
    前記電極組立体の長手方向にあるエッジに平行な軸を中心に、前記平面形状のバッテリセルを湾曲させる段階と、を含むバッテリセルの製造方法。
  20. 前記熱可塑性ポリマーがポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデン−コ−ヘキサフルオロプロピレンを含むことを特徴とする請求項１９に記載のバッテリセルの製造方法。
  21. 前記セパレータの厚みは、５ないし３０μｍであることを特徴とする請求項１９又は２０に記載のバッテリセルの製造方法。
  22. 前記コーティングされた膜は、ディップコーティング、スプレーコーティング、ダイコーティング、ロールコーティング、コンマコーティング、またはそれらの混合方法によって形成されたことを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項に記載のバッテリセルの製造方法。
  23. 前記コーティングされた膜の厚みは、０．５ないし６μｍであることを特徴とする請求項１９〜２０のいずれか一項に記載のバッテリセルの製造方法。
  24. 前記平面形状のバッテリセルを湾曲させる段階は、ジグに前記平面形状のバッテリセルを装着させた後で加圧する工程と、
    前記ジグからバッテリセルを分離して放置する工程と、を含むことを特徴とする請求項１９〜２３のいずれか一項に記載のバッテリセルの製造方法。
  25. 前記加圧する工程は、１５０ないし１，０００ｋｇＦ圧力で実行されることを特徴とする請求項２４に記載のバッテリセルの製造方法。
  26. 前記加圧する工程は、９５ないし１１０℃の温度で実行されることを特徴とする請求項２４に記載のバッテリセルの製造方法。
  27. 前記ジグは、内部にヒータが装着されていることを特徴とする請求項２４〜２６のいずれか一項に記載のバッテリセルの製造方法。
  28. 前記ジグの曲率半径ｒは、１５０ないし６００ｍｍであることを特徴とする請求項２４〜２７のいずれか一項に記載のバッテリセルの製造方法。
  29. 前記バッテリセルの平均曲率半径Ｒと、前記ジグの曲率半径ｒとの誤差範囲が２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２４〜２８のいずれか一項に記載のバッテリセルの製造方法。
  30. 前記バッテリセルの平均曲率半径Ｒと、前記ジグの曲率半径ｒとの誤差範囲が１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２９に記載のバッテリセルの製造方法。
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