JP2014524131A - 段差を有する電極組立体、それを含む電池セル、電池パック及びデバイス - Google Patents

段差を有する電極組立体、それを含む電池セル、電池パック及びデバイス Download PDF

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Abstract

本発明は、電極タブが付着された電極ユニットが複数個積層され、シート状分離フィルムにより上記電極ユニットが互いに分離されて積層されたスタック・アンド・フォールディング型積層体を一つ以上含み、上記積層体は隣接する電極ユニットに対して面積差を有する電極ユニットが積層されて形成された段差を一つ以上有する電極組立体を提供する。
【選択図】図８

Description

本発明は電極組立体に関し、より具体的には、サイズの異なる２種以上の電極ユニットを含む段差を有する電極組立体に関する。
また、本発明は上記電極組立体を含む電池セル、電池パック、デバイス及び電池を製造する方法に関する。
モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するにつれ、二次電池への需要も急激に増加しており、中でも、エネルギー密度と作動電圧が高く、保存と寿命特性に優れたリチウム二次電池は、各種モバイル機器はもちろんのこと、多様な電子製品のエネルギー源として広く用いられている。
通常、リチウム二次電池は、電池ケースの内部に電極組立体と電解質を密封する構造で形成され、外形によって円筒型電池、角型電池、パウチ型電池などに分類され、電解液の形態によってリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、リチウムポリマー電池などにも分類される。
最近、このようなモバイル機器の小型化の傾向により、薄い角型電池、パウチ型電池に対する需要が増加しており、特に重量の少ないパウチ型電池に対する関心が高まっている。
電池ケースに収納される電極組立体は、その形態によって、ジェリーロール型（巻取型）、スタック型（積層型）またはスタック・アンド・フォールディング型（複合型）の構造に区分できる。
上記ジェリーロール型電極組立体は、電流集電板として用いられる金属ホイルに電極活物質をコート及びプレスして所望する幅と長さのバンド状に裁断した後、分離膜フィルムを利用して負極と正極を隔膜してから螺旋状に巻いて製造する。また、上記スタック型電極組立体は負極、分離膜、正極を垂直に積層して形成される電極組立体であり、さらに、上記複合型電極組立体はシート状分離フィルム上に負極／分離膜／正極を含む多数のユニットセルを配置した後、上記シート状分離フィルムを折り畳みながら、上記ユニットセルを積層する方式で製造される。
一般的に、従来の電極組立体は同一サイズのユニットセルや個別電極を積層する方式で製造されるため、形状の自由度が著しく低下して多様なデザインを具現するには多くの限界があった。さらに、デザインを変えるためには、個別電極の製造時、電極の積層時、または電気的連結時に複雑、且つ難しい工程が求められる場合が多かった。
このように、最近のモバイル機器は多様な形態で発売されており、これに伴ってモバイル機器に装着される電池にも多様な形態が求められている。よって、モバイル機器の形態に対する要求に伴い、電池セルが適用されるデバイスの形態に応じて多様な形態への変形が容易な電池を製造することができる新しい形態の電極組立体が要求されている。
本発明の一具現例によると、多様なデザインを具現することができる電極組立体を提供する。
また、本発明の一具現例は薄型、且つ優れた電気容量特性を有する電極組立体を提供する。
さらに、本発明の電極組立体を含む電池セル、電池パック及びデバイスを提供する。
本発明は、電極タブが付着された電極ユニットが複数個積層され、シート状分離フィルムにより上記電極ユニットが互いに分離されて積層されたスタック・アンド・フォールディング型積層体を一つ以上含み、上記積層体は隣接する電極ユニットに対して面積差を有する電極ユニットが積層されて形成された段差を一つ以上含む電極組立体を提供する。
上記面積差を有する電極ユニットとそれに隣接する電極ユニットは、分離フィルムを境界として相互対面する対面電極が異なる極性の電極であることが好ましい。
上記スタック・アンド・フォールディング型電極積層体は、Ｚフォールディング型電極積層体であってもよく、このとき、上記電極組立体は上記段差を１つまたは２つ含んでもよい。
また、上記面積差を有する電極ユニットとそれに隣接する電極ユニットのうち面積の大きい電極ユニットの対面電極が負極であることが好ましい。
上記電極ユニットはそれぞれ独立して負極、正極、及び少なくとも一つの負極と少なくとも一つの正極が分離膜が介在された状態で積層されたユニットセルからなる群より選択されてもよい。
このとき、上記ユニットセルは、独立してジェリーロール型、スタック型、ラミネーション・アンド・スタック型及びスタック・アンド・フォールディング型からなる群より選択されてもよい。
さらに、上記ユニットセルは、分離膜を境界として隣接する電極に対して面積差を有する電極が積層されて形成された段差を少なくとも一つ含んでもよい。
上記分離膜はシート状分離フィルムであって、上記シート状分離フィルムは上記段差の形状に符合するように屈曲または切断されていてもよい。
一方、上記積層体は、上記Ｚフォールディング型の積層体とともに、ジェリーロール型積層体、ラミネーション・アンド・スタック型積層体、スタック・アンド・フォールディング型積層体またはこれらの組み合わせである積層体が上記分離フィルムにより積層されたものであってもよい。
さらに、上記電極組立体は、上記Ｚフォールディング型の積層体とともに、スタック型電極積層体、ジェリーロール型積層体、ラミネーション・アンド・スタック型積層体、スタック・アンド・フォールディング型積層体及びこれらが２以上組み合わさった積層体からなる群より選択される少なくとも一つをさらに含んで積層されてもよく、上記スタック型電極積層体、ジェリーロール型積層体、ラミネーション・アンド・スタック型積層体、スタック・アンド・フォールディング型積層体及びこれらの組み合わせのうち少なくとも一つの積層体は段差を有するものであってもよい。
一方、上記積層体は少なくとも一つのコーナー部の形状が異なる電極ユニットを少なくとも一つ含んでもよい。
また、上記積層体は少なくとも一つのコーナー部が曲面状である電極ユニットを一つ以上含んでもよく、上記少なくとも一つのコーナー部が曲面状である電極ユニットを２以上含み、そのうち少なくとも一つの電極ユニットは他の電極ユニットと曲率が異なる曲面状のコーナー部を有してもよい。
上記積層体は、例えば、上記電極ユニットが積層される高さ方向に向かうほど電極ユニットの面積が小さくなるように積層されたものであってもよく、各電極ユニットの一コーナー部が一致する配列で積層されてもよく、また、分離フィルムを境界として相互隣接する電極ユニットのうち少なくとも一つは他の電極ユニットの積層面内に含まれるように積層されてもよい。さらに、上記積層体は各電極ユニットの中心部が一致するように積層されてもよい。
一方、上記電極ユニットはその厚さが同一または異なってもよい。
また、上記電極組立体の最外郭に配置される電極は一面が電極無地部である単面コーティング電極であってもよく、上記電極無地部が電極組立体の外部を向くように配置され、上記電極組立体は分離フィルムまたは分離膜が外部に露出してもよい。このとき、上記単面コーティング電極は正極であってもよい。
一方、上記電極組立体の最外郭に配置される電極は負極であってもよく、上記電極組立体は分離フィルムまたは分離膜が外部に露出してもよい。
上記電極ユニットにはそれぞれの電極に対応する電極タブが付着され、上記それぞれの電極タブはその大きさが同一または異なってもよい。
一方、本発明は、上記電極組立体が電池ケースに収納されている電池セルであって、リチウムイオン二次電池またはリチウムイオンポリマー二次電池を提供し、上記電池ケースはパウチ型ケースであってもよい。このとき、上記電池ケースは内部に電極組立体を収納し、電極組立体の形状に対応して段差または傾斜面を有することができる。
さらに、本発明は、上記電池セルを一つ以上含むデバイスを提供する。このとき、上記電池セルの余剰空間にデバイスのシステム部品が位置してもよく、上記デバイスは携帯電話、携帯用コンピューター、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、または電力貯蔵装置であってもよい。
本発明の一具現例によると、Ｚフォールディングにより一つの工程で段差を有する電極組立体が得られるため、さらに多様なデザインの電池を具現することができる。
本発明の他の具現例によると、段差を有する電極組立体を製造するにおいて、ユニットセルの構造を単純化することができ、製造が簡単で、正極と負極が組み立てられているユニットセルはもちろんのこと、ユニットセルを製造せずに単一電極を用いて電極組立体を製造することができるため、工程簡素化を図ることができる。
本発明のさらに他の具現例によると、本発明により得られた段差を有する電極組立体を電池製造に使用することで、デザイン的な要素のために生じるデッドスペース（ｄｅａｄ ｓｐａｃｅ）を最小化することができるため、空間活用度を上げることができ、さらには電池容量も向上させることができる。
さらに、本発明のさらに他の具現例によると、本発明の電極組立体はサイズの異なるユニットセル同士の界面で異なる種類の電極が対面するように形成されているため、界面部分でも電気化学的反応が発生する。その結果、従来の複合型電極組立体と比較すると、同一サイズで高い出力を具現することができる。
本発明の効果は上記した内容に限定されず、以下に記載する事項により多様な発明の効果が得られることは、通常の技術者であれば、容易に理解できるであろう。
本発明の段差を有する電極組立体を製造する電極ユニットの展開図である。 本発明の段差を有する電極組立体を製造する電極ユニットの展開図である。 本発明の段差を有する電極組立体を製造する電極ユニットの展開図である。 本発明の段差を有する電極組立体を製造する電極ユニットの展開図である。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示したものである。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示したものである。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示したものである。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示した図面である。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示した図面である。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示した図面である。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示した図面である。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示した図面である。 本発明においてユニットセルとして用いられるラミネーション・アンド・スタック型ユニットセルの例を概略的に示したものである。 本発明においてユニットセルとして用いられるラミネーション・アンド・スタック型ユニットセルの例を概略的に示したものである。 本発明においてユニットセルとして用いられるラミネーション・アンド・スタック型ユニットセルの例を概略的に示したものである。 一つの段差を有する電極組立体の例を概略的に示したものである。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の断面形状を概略的に示したものである。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電池セルの斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電池セルの斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電池セルの斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電池セルの斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電池セルの斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電池セルの斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電池セルの斜視図である。 本発明の一実施例による電極タブの積層形態を示すもので、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。
以下、図面を参照し、本発明をより具体的に説明する。但し、添付の図面は本発明の理解を助けるためのもので、本発明の一実施例に過ぎず、本発明の範囲はこれらの図面により限定されない。添付の図面は、発明を理解しやすくするために、一部の構成要素が誇張、縮小または省略されて表現されてもよい。
本発明は段差を有する電極組立体を提供する。本発明において、上記段差を有する電極組立体は、スタック・アンド・フォールディング型により得ることができる。例えば、分離フィルムをその上に積層された電極ユニットによって一定方向に折り畳むワインディング型による電極組立体であってもよく、シート状分離フィルム上に電極ユニットを配置し、これを屏風のように折り畳むＺフォールディング（ｚｉｇｚａｇ−ｆｏｌｄｉｎｇ）型によって電極組立体を得てもよい。上記した折り畳み型のうちＺフォールディング型に対して、図１〜図４に概略的に示した。以下、Ｚフォールディング型の電極組立体を基準に本発明を説明する。
本発明の電極組立体は、面積の異なる電極ユニットの組み合わせであってもよい。このとき、上記電極ユニットは負極、正極または負極と正極の間に介在された分離膜を含むユニットセルを含むもので、これらのうち何れか一つ、またはこれらの組み合わせにより電極組立体を構成してもよい。本発明において、面積が異なるということは、対面する電極ユニットの幅または長さのうち何れか一つが異なることで、対面する二つの電極ユニットの対面電極の面積が同一でないことを意味する。
電極ユニットの面積差は、電極ユニットが積層されて形成される電極組立体に段差を形成することができるものであれば、特に限定しない。例えば、相対的に面積の小さい電極ユニットの長さ及び幅は、相対的に面積の大きい電極ユニットの長さ及び幅の２０％〜９５％、３０〜９０％範囲であってもよい。上記電極ユニットは、長さ及び幅の何れか一つが異なることで面積差を有するものであってもよく、両方とも異なることで面積差を有するものであってもよい。
例えば、一定の面積を有する電極ユニットが一つまたは複数個積層された第１電極積層体上に、より小さい大きさの電極ユニットが単数または複数個積層された第２電極積層体を積層することで、段差を有する電極組立体を得ることができる。また、上記第１電極積層体及び第２電極積層体を形成するにおいて、電極ユニットの積層数は特に限定されず、また、上記電極積層体の高さも限定されず、各積層体別に同一又は異なってもよい。
本発明において、上記電極組立体の段差は１以上であれば特に限定しない。例えば、３つの面積差を有する電極積層体を積層することで、２個の段差を有する電極組立体を得ることができ、２つの面積差を有する電極積層体を積層することで、一つの段差を有する電極組立体を得ることができる。さらに、必要に応じて、それ以上の段差が形成されてもよい。以下、２つの段差を有する電極組立体を中心に説明するが、これに限定されるものではない。
一方、各積層体を形成する各電極ユニットは、同一積層体または積層体同士でも同一厚さを有する電極を使用してもよいが、厚さが異なる電極を積層して各電極ユニット積層体を形成してもよい。例えば、段差を形成するために、電極の面積が小さい電極ユニットに対して電極活物質のローディング量を増大させることで、電極の面積減少による電池容量の減少を相殺させることができる。しかし、必ずしもこれに限定されず、必要に応じて、面積の大きい電極ユニットの厚さを増大させることも、逆に、厚さを減少させることもできる。このとき、電極ユニットの厚さは、製造される電池が適用されるデバイスが求める電池の形状及び高さ、電池容量などを考慮して通常の技術者が適宜選択できるもので、本発明では特に限定しない。
本発明の電極組立体を構成するにおいて、上記それぞれの正極、負極及び分離膜の材質は特に限定されず、本技術分野において、通常用いられるものであれば、本発明でも特に制限なく用いることができる。
本発明のユニットセルにおいて、負極電極と正極電極のそれぞれの電極集電板の表面には、電極活物質が塗布されている。このとき、図５に示したように、上記電極集電板２１、３１は負極２０と正極３０の集電板２１、３１のサイズが同一である。一方、電極活物質２１、３１は、必ずしもこれに限定されないが、電極集電板２１、３１の表面の全体にコーティングされてもよく、場合によっては、末端の一部領域はコーティングされなくてもよい。従って、電極集電板の全体面に電極活物質がコーティングされる場合には、二つの電極のサイズが等しくなる。しかし、この場合、電池反応中に正極活物質に含まれたリチウムが析出されることがあり、電池性能の低下をもたらす恐れがある。従って、場合によっては、正極活物質が正極電極に塗布される領域が、負極電極に負極活物質が塗布される面積より小さくなるようにコーティングされてもよい。これにより、正極活物質からリチウムが析出されることを抑制することができる。
上記負極及び正極は特に限定されず、本分野で通常に用いられるものであれば、本発明にも適切に用いてよい。例えば、これに限定されないが、上記負極は、銅、ニッケル、アルミニウムまたはこれらの組み合わせによって製造された負極集電体の一面または両面に、リチウム金属、リチウム合金、カーボン、石油コークス、活性化カーボン、グラファイト、シリコン化合物、すず化合物、チタン化合物またはこれらの合金またはこれらの組み合わせから選ばれる１種以上の負極活物質をコーティングして形成したものを使用してもよい。また、正極は、アルミニウム、ニッケルまたはこれらの合金またはこれらの組み合わせによって製造された正極集電体の一面または両面に、リチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物及びこれらの組み合わせまたはこれらの複合酸化物などのような正極活物質をコーティングして形成したものであってもよい。
このとき、上記それぞれの電極集電体には同じ量の電極活物質をコーティングして電極厚さを等しく形成してもよく、電極活物質のコーティング量を異ならせて電極厚さを異ならせてもよい。さらに、上記電極活物質のコーティング量は、一つの電極に対して、電極集電体の両面に相違する量でコーティングされてもよく、何れか一面には電極活物質がコーティングされなくてもよい。
また、上記分離膜は、例えば、微細多孔構造を有するポリエチレン、ポリプロピレンまたはこれらの組み合わせにより製造される多層フィルムや、ポリビニリデンフルオリド、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルまたはポリビニリデンフルオリドヘキサフルオロプロピレン共重合体のような固体高分子電解質用またはゲル状高分子電解質用高分子フィルムを用いてもよい。本発明で用いられるシート状分離フィルムは上記分離膜と同じ材質のものを使用してもよい。
上記のような電極ユニットを分離フィルム上に配列し、Ｚ状に折り畳むことで得られる電極積層体の展開図を図１〜図４に示した。これらの展開図は、段差を有する電極組立体を製造することができる例示に過ぎず、これらの図面に示した展開図の他に多様な配列により電極組立体を製造することができることは、通常の技術者であれば、容易に理解できるであろう。また、図面には一つの分離フィルムを用いて積層する例が示されているが、２以上の分離フィルムを並列に配列し、上記分離フィルムの間及び少なくとも一つの分離フィルム上に電極ユニットを配列し折り畳むことで、本発明の電極組立体が得られ、このことは通常の技術者であれば、容易に理解できるであろう。
上記電極積層体とは、負極、正極、及び負極と正極が分離膜が介在された状態で積層されたユニットセルからなる群より選択される電極ユニットが、分離膜またはシート状分離フィルムを境界として２以上積層された構造を有するものであり、上記電極積層体は、２以上の電極が積層されて形成される一つのユニットセルであってもよく、一つ以上のユニットセルと一つ以上の電極の組み合わせであってもよい。従って、本発明において、ユニットセルと電極積層体は厳密に区別されなくてもよい。さらに、このような電極積層体は、一つの電極積層体により電極組立体を形成してもよく、２以上の電極積層体を組み合わせたり、一つ以上の単一電極をともに組み合わせることで電極組立体を得ることができる。従って、以下で使用する電極積層体は、電極組立体を形成する一つの単位構造であっても、それ自体が電極組立体であってもよく、特に限定されない。
図１から分かるように、面積の異なる負極２０及び正極３０のそれぞれの単一電極をシート状分離フィルム４０上に積層してジグザグ方向に折り畳むことで、段差を有する電極積層体を得ることができる。図１の（ａ）はシート状分離フィルム４０の一面に、電極ユニットとして単一の負極２０及び正極３０を一定間隔で順に交差配列してＺ状に折り畳む例を示したものである。一方、（ｂ）は単一の負極２０及び正極３０をシート状分離フィルム４０の両面に配列して電極積層体を製造することを示したもので、上記シート状分離フィルム４０の一面に負極２０を一定間隔で配列し、上記シート状分離フィルム４０のうち上記負極２０が位置しない反対面に正極を配列してＺ状に折り畳むことで、電極積層体を得る例を示したものである。
また、図２〜図４に示したように、負極２０と正極３０が分離膜５０が介在された状態で積層されたユニットセル６０を使用し、Ｚ状に折り畳むことで、電極積層体を得ることができる。図２は、面積の異なるユニットセル６０を分離フィルムの一面に配列してＺ状に折り畳むことで電極積層体を製造する展開図を示したもので、このとき、上記ユニットセル６０は、負極２０と正極３０が分離膜５０を境界として一つずつ積層されたユニットセル６０（フールセル）であってもよく、負極２０と正極３０が分離膜５０を境界として交差積層され、両面には同じ電極が位置するユニットセル６０（バイセル）であってもよい。これらの例を図３及び４に示した。
図３は、二つの正極３０の間に分離膜５０を介在して負極２０が積層されたバイセル（Ａ−型バイセル）と、二つの負極２０の間に分離膜５０を介在して正極３０が積層されたバイセル（Ｃ−型バイセル）をシート状分離フィルム４０に配列した展開図を示したもので、（ａ）はシート状分離フィルム４０の一面に電極ユニットを配列してＺ状に折り畳むことで電極積層体を製造する展開図であり、（ｂ）はシート状分離フィルム４０の両面に電極ユニットを配列してＺ状に折り畳むことで電極積層体を製造する展開図である。
また、図４は上記バイセルとフールセルを組み合わせてシート状分離フィルム４０に配列した展開図を示したもので、（ａ）は分離フィルム４０の一面に電極ユニットを配列してＺ状に折り畳むことで電極積層体を製造する展開図であり、（ｂ）は分離フィルム４０の両面に電極ユニットを配列してＺ状に折り畳むことで電極積層体を製造する展開図である。
上記図２〜図４にはフールセルとバイセルを混用して分離フィルム４０に配列した例を示したが、その他にも、電極ユニットとして単位電極がともに配列されてもよい。さらに、２以上の負極２０と２以上の正極３０が分離膜５０を境界として積層された多様な形態のユニットセル６０を用いてもよい。従って、図２〜図４に示したもの以外の多様な方法で電極ユニットを配列することができる。
図１〜図４に示されたように一つのシート状分離フィルム４０上に電極ユニットを配列してＺ状に折り畳むことで得られた電極組立体１の積層形態に対する例を図５〜図７に示した。図５は図１の（ｂ）に示したように、単一電極１０がシート状分離フィルム４０の両面に配列されたものをＺ状に折り畳むことで得た段差を有する電極組立体１であり、図６は、図３の（ａ）または図４の（ａ）のような展開図であって、シート状分離フィルム４０の一面に面積の異なるフールセルとバイセルの電極ユニットを組み合わせて配列し、これをＺ状に折り畳むことで得られた電極組立体１の積層形態を示したものであり、図７は、面積の異なるバイセルをシート状分離フィルム４０の一面に配列してＺ状に折り畳むことで得られた電極組立体１の積層形態である。
本発明においては、面積差を有する電極ユニットを相互積層することで、積層される電極ユニットの間に段差が形成される。このとき、上記面積差を有する電極ユニットとそれに隣接する電極ユニットは、分離フィルムを境界として対面する対面電極が、異なる極性の電極となるように電極ユニットを配列することが好ましい。同じ極性の電極が分離フィルムを境界として対面する場合、二つの対面電極の間には電池反応が起きなくなる。しかし、異なる極性の電極が対面するように積層される場合には、対面電極の間に電池反応を起こすことができ、全体的に反応面積を広げることができ、これにより、同一サイズで電池容量増大の効果を得ることができる。
上記面積差を有する電極ユニットと隣接する電極ユニットのうち、面積の大きい電極ユニットの対面電極が負極となるように電極ユニットを配列することがより好ましい。即ち、電極組立体において、面積の異なる電極ユニットが分離フィルムを境界として対面する場合、分離フィルムが積層された状態で面積の大きい電極ユニットの表面の一部が外部を向くようになるが、このとき、上記外部を向く電極ユニットの電極が負極になるように配置することが好ましい。これは、正極の表面には正極活物質としてリチウムが存在するが、正極が外部を向くと、正極表面からリチウム金属が析出されて電池寿命が短縮したり、電池の安定性が低下するという問題点が発生する恐れがあるためである。
これと同様の理由で、上記電極ユニットを分離フィルム上に配置するにおいては、図１、図３及び図４に示したように、電極ユニットを積層して得られた電極組立体１の少なくとも一面には負極２０が位置するように電極ユニットを配置することが好ましい。このようにすることで、図５〜７に示したように電極組立体１の一面または両面に負極２０が配置される電極組立体１を得ることができる。
また、本発明の電極組立体の少なくとも一面には、図５に示したように上記負極２０の他に正極３０が配置されてもよい。しかし、この場合には、上記正極３０は外部を向く面に正極活物質３２がコーティングされない無地部を有する単面コーティング正極３３であることが好ましい。図５の電極組立体は、下端に積層される電極ユニットが正極３０であり、上記正極３０の外部を向く面は電極活物質がコーティングされない正極無地部である。このとき、特に記載しなかったが、電極表面が外部に露出しないように上記最外郭電極の外部面には、分離膜または分離フィルムが配置されてもよい。
一方、上記電極ユニットの一種であるユニットセルは、特に限定しないが、負極と正極を分離膜を介して順に積層して形成するスタック型積層体であってもよい。
また、本発明における上記スタック型積層体は、上記のような伝統的な方式により製造されるだけでなく、一つ以上の正極、一つ以上の分離膜をラミネーション（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）して電極セルを形成した後、該電極セルを積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）する方式（以下「ラミネーション・アンド・スタック方式」という）で製造された電極積層体を含む概念と理解されるべきである。
上記ラミネーション・アンド・スタック方式で電極積層体を製造する場合、上記ユニットセルは一つ以上の正極、一つ以上の負極及び一つ以上の分離膜を含むものであればよく、その構成は特に制限されない。
しかし、工程の簡便性及び経済性の観点から、ラミネーション・アンド・スタック方式で電極積層体を製造する場合には、ユニットセルが負極／分離膜／正極／分離膜または分離膜／負極／分離膜／正極からなる基本構造を含むように構成されることが好ましい。このとき、上記ユニットセルは、一つまたは複数の基本構造を含んでもよい。
一方、上記ラミネーション・アンド・スタック方式の電極積層体は、上記した基本構造のユニットセルを含む電極ユニットだけで構成されてもよく、上記基本構造を有する電極ユニットと他の構造の電極ユニットを組み合わせて使用しても差し支えない。
図１３〜図１５には、ラミネーション・アンド・スタック方式で製造された電極積層体の多様な例が開示されている。
図１３には、分離膜５０／負極２０／分離膜５０／正極３０の基本構造を有する電極ユニット６５からなるラミネーション・アンド・スタック方式の電極積層体が示されている。図１３には、基本構造が分離膜／負極／分離膜／正極と開示されているが、正極と負極の位置を入れ替えて分離膜／正極／分離膜／負極の基本構造に形成しても構わない。一方、図１３に示されたように、電極ユニットの基本構造が分離膜／負極／分離膜／正極の場合は、電極積層体の最外郭に分離膜なしに正極が露出するようになるため、このような基本構造を使用するときは、最外郭に露出する正極として、露出する面に活物質がコーティングされない単面コーティング正極を使用することが容量などを考慮した電極設計時に好ましい。一方、図１３には電極ユニットが一つの基本構造を有するものが開示されているが、これに限定されず、基本構造が２つ以上繰り返されて積層されているものを一つの電極ユニットとして使用してもよい。
図１４には、分離膜５０／負極２０／分離膜５０／正極２０の基本構造を有する電極ユニット６６と、分離膜５０／負極２０／分離膜５０の構造からなる電極ユニットとが積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）されてなる電極積層体が示されている。図１４のように、最外郭面に分離膜５０／負極２０／分離膜５０の構造からなる電極ユニットを積層すると、正極３０が外部に露出することが防止できるだけでなく、電気容量を上げることができるという長所がある。これと類似して、電極ユニットの最外郭に負極が位置する配列の場合には、その上部に分離膜／正極／分離膜の構造からなる電極ユニットを積層することができ、この場合、負極の容量を最大限使用できるという長所がある。
図１５には、負極２０／分離膜５０／正極３０／分離膜５０の基本構造を有する電極ユニット６８と、負極２０／分離膜５０／正極３０／分離膜５０／負極２０の構造を有する電極ユニット６７とが積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）されてなる電極積層体が示されている。図１５のように、電極積層体の最外郭面に負極２０／分離膜５０／正極３０／分離膜５０／負極２０の構造を有する電極ユニット６７を積層すると、正極が外部に露出することが防止できるだけでなく、電気容量も上げることができるという長所がある。
図１４及び図１５に例示されたように、ラミネーション・アンド・スタック方式で製造された電極積層体は、上記した基本構造を有する電極ユニットとともに、単一電極、分離膜または上記した電極ユニットと配列及び構成が異なるユニットセルを組み合わせて使用してもよい。特に、基本構造を有する電極ユニットを積層したとき、外部に正極が露出することを防止するため、及び／または電池容量向上の側面から、電極積層体の最外郭の一面及び／または両面に単一電極、単面コーティング電極、分離膜または上記した電極ユニットと配列及び構成が異なるユニットセルを配置してもよい。一方、図１４及び図１５には、電極積層体の上部に異なる構造の電極ユニットが積層されているものが示されているが、これに限定されず、必要に応じて、電極積層体の下部に異なる構造の電極ユニットが積層されてもよく、上部と下部の両方に異なる構造の電極ユニットが積層されてもよい。
さらに、一つのシート状分離フィルム上に負極及び正極または少なくとも一つの負極と少なくとも一つの正極が分離膜を介在した状態で積層された積層体を配列し、上記シート状分離フィルムを折り畳んだスタック・アンド・フォールディング型積層体であってもよい。
このとき、上記スタック・アンド・フォールディング型積層体は、一方向に折り畳むワインディング型積層体とジグザグ方向に折り畳むＺフォールディング型積層体であってもよい。一方、上記ワインディング型積層体は図面に示さなかったが、シート状分離フィルムによる巻取方向が時計回りから反時計回りに変更してもよく、その逆であってもよい。例えば、図１１のジェリーロール型ユニットセル７３の巻取方法のようにワインディング型ユニットセル７１の巻取方向が変わってもよい。また、図１２のジェリーロール型ユニットセル７３の巻取方法のようにワインディング型積層体を巻取してもよい。
また、少なくとも一つの長方形シート状の負極と少なくとも一つの長方形シート状の正極がシート状分離フィルムを介在して螺旋形に巻かれたジェリーロール型積層体であってもよい。例えば、一つの分離フィルムにより本発明によるＺフォールディング型積層体を形成し、連続してジェリーロール型積層体を形成したり、スタック・アンド・フォールディング型積層体を形成することで本発明の段差を有する電極組立体を得ることができる。
このとき、本発明の電極組立体は、上記のようなそれぞれの電極積層体の組み合わせによるＺフォールディング型電極組立体であってもよく、何れか一つの積層体を複数個積層したＺフォールディング型電極組立体であってもよく、さらに、これら積層体の他に、他の電極ユニット、例えば、単一電極がともに積層されてもよい。
このように、ユニットセルとして上記スタック型積層体、ラミネーション・アンド・スタック型積層体、スタック・アンド・フォールディング型積層体及びジェリーロール型積層体のうち少なくとも一つ以上を、一つのシート状分離フィルムの一面または両面に配列しＺ状に折り畳むことで、本発明によるＺフォールディング型電極組立体を得ることができる。このとき、上記ユニットセルは、分離膜を境界として隣接するユニットセルに対し、面積差を有するユニットセルを積層することで段差を形成することができる。
電極ユニットとして、上記のような積層体をユニットセルとして含む本発明の電極組立体の一例を図８に示した。図８は、一つのジェリーロール型ユニットセル７３を大面積のユニットセルとして使用し、一つのスタック型積層体７４を中面積のユニットセルとして使用し、一つのスタック・アンド・フォールディング型積層体としてＺフォールディング型積層体７６と単一電極１０を小面積のユニットセルとして使用し、一つのシート状分離フィルム４０でＺ状に折り畳むことで形成された段差を有する電極組立体１である。図８に示された構造と異なる多様な構造の電極組立体１が形成され得ることは言うまでもない。
また、本発明の電極組立体は、電極ユニットの一部または全ての電極ユニットが少なくとも一つのシート状分離フィルムにより巻取されている構造からなってもよい。一方、図８には示さなかったが、上記ユニットセルとして用いられる積層体７０自体が段差を有するものであってもよい。
一方、本発明の電極組立体は、一つのシート状分離フィルムにより電極ユニットをＺ型及びワインディング型に折り畳み、またジェリーロール型に折り畳んで形成することができる。これに対する一例を図９に示した。図９から分かるように、一つのシート状分離フィルム４０により大面積の電極ユニットとしてワインディング型のスタック・アンド・フォールディング型積層体７２が形成され、中面積の電極ユニットとしてＺフォールディング型のスタック・アンド・フォールディング型積層体７１が形成され、さらに、ジェリーロール型電極積層体７３が小面積の電極ユニットとして形成された電極組立体１を得ることができ、本発明の段差を有する電極組立体を形成することができる。このとき、図９には、一つの上記シート状分離フィルム４０を使用して得られた電極組立体１を例示したが、２以上の分離フィルム４０を直列連結して図９のような構造の段差を有する電極組立体１を形成してもよい。
一方、図９に示された電極組立体１の上端には外部に分離膜５０が積層されている単一電極１０として負極２０が積層されている。上記のように、外部を向く電極としては負極２０が積層されることが好ましいが、その下部に積層されたジェリーロールのユニットセル６０の外部に分離フィルム４０が積層された正極３０が存在するため、別途の負極２０がさらに積層されたのである。また、図９の最下端には分離フィルム４０が積層された正極無地部が外部を向く単面コーティング正極３３が配置されている。
本発明の電極組立体は、電極ユニットとして、上記Ｚフォールディング型の電極積層体の他に、別個のスタック型積層体、ジェリーロール型積層体またはスタック・アンド・フォールディング型積層体がさらに積層されてもよい。このとき、上記電極組立体は上記電極積層体を少なくとも一種以上含んでもよく、同じ種類の電極積層体が２以上含まれれてもよい。また、上記電極積層体は、その内部に段差が形成されたものであってもよく、電極積層体の組み合わせにより段差が形成されてもよい。さらに、上記積層体の他に、単一電極が積層されてもよい。上記本発明の電極組立体を構成するそれぞれの電極積層体または単一電極は、必要に応じて分離膜を介在して積層されてもよい。
このような構造の電極組立体が図１０に例示されている。図１０に示された電極組立体１は、大面積の電極ユニットとして単一電極１０が積層され、また、大面積の電極ユニットと中面積の電極ユニットの段差が形成されたＺフォールディング型積層体７１が積層されており、さらに、中面積の電極ユニットとして単一電極１０とジェリーロール型ユニットセル７３が組み合わせられており、小面積の電極ユニットとしてＺフォールディング型ユニットセル７１が積層されている構造を有する。
さらに、図１１及び図１２に複数の電極積層体が積層されて段差を有する電極組立体を構成する他の例が示されている。図１１及び図１２は段差を有するジェリーロール型積層体７３を組み立てるにおいて、巻取する方向が異なることを除いては同様である。即ち、図１１のジェリーロール型積層体７３は中面積のジェリーロール型ユニットセル７３を時計回りに、そして、大面積のジェリーロール型ユニットセル７３を反時計回りに巻いてそれぞれのジェリーロール型ユニットセルを一つのシート状分離フィルムで形成し、これら中面積及び大面積ジェリーロール型ユニットセルを積層することで形成したものである。図１１及び図１２によると、大面積及び中面積の段差を有する電極ユニットであるＺフォールディング型積層体７１が積層され、中面積及び小面積の段差を有する電極ユニットであるジェリーロール型電極ユニットセル６３と小面積電極ユニットとして単一電極１０が積層された電極組立体１が示されている。このとき、図１１及び図１２の上記ジェリーロール型ユニットセルは、ジェリーロール型ユニットセルの巻取方法のように巻取されたスタック・アンド・フォールディング型のワインディング型に取り替えられてもよい。
以上では、２つの段差を有する電極組立体に対し、添付の図面を例に挙げて説明したが、上記のように、本発明の電極組立体は、２つの電極積層体を積層して一つの段差を有する電極組立体を形成することができる。これに対する電極組立体の例を図１６に示した。
本発明の電極組立体は多様な形態の積層構造を有することができる。図１６は電極組立体の断面を示したもので、電極ユニットの積層形態を概略的に示したものである。図１７から分かるように、電極ユニットの積層方向、即ち、高さ方向に向かうほど電極ユニットのサイズが小さくなってもよく（ａ）、逆に、電極ユニットのサイズが増加するように積層されてもよい（ｂ）。また、積層方向に向かって面積が増加した後に減少するように積層されても（ｃ）、積層方向に向かって面積が減少した後に増加するように積層されてもよい。これらの積層形態は上下対称を成してもよく、積層形態が一定のパターンを持たなくてもよい。
また、例えば、図１８〜図２２に示したように、一つのコーナー部が一致するように電極ユニットを積層して電極組立体を得ることができる。このとき、図１８または図１９のように、各電極ユニットは面積は異なるが、形状が同一であってもよく、図１８〜図２０のように、面積及び形状が異なってもよい。
例えば、図２０及び図２１に示したように、少なくとも一つの電極ユニットはコーナー部がラウンド状であることができ、このようなラウンド状のコーナー部は一つの電極ユニットに２以上形成されてもよい。ラウンド状のコーナー部だけを例に示したが、その他に多様な形状であってもよく、これは以下でも同様である。
このとき、図２０に示したように、コーナー部のラウンドの曲率は異なってもよい。また、図２１に示したように、コーナー部の形状はそれぞれ異なってもよい。一方、図２２に示したように、一つの辺とその辺に隣接する二つのコーナー部が一つのラウンド状であってもよい。
また、図示しなかったが、電極ユニットは、大きい電極ユニットの面内に小さい電極ユニットが含まれるように積層されてもよく、このとき、一定のパターンを形成せずに積層されてもよい。また、図２３に示したように面の中心が一致するように積層されてもよい。
さらに、図２４に示したように、各電極ユニットは電極組立体１の縦方向に長さが同一で、幅方向に段差を形成することができ、このとき、段差は幅方向の一つまたは両方向に形成されてもよい。また、図２５に示したように、電極組立体は長さ方向に段差が形成されてもよい。
上記図面に示した形態の他に、本発明の電極ユニットは多様な形態のコーナー部の形状を有してもよい。上記のような図面から分かるように、電極ユニットは面積の大きい電極ユニットの面内に面積の小さい電極ユニットが含まれるように積層されてもよく、十字（＋）状のように対面電極の接触面の一部が接触し、一部は接触しないように積層されてもよい。
このように、電極組立体１の積層形態、電極ユニットの形状、コーナー部の形状などを多様に形成することで、多様な形態のバッテリーデザインを具現することができ、さらには、空間活用度も向上させることができる。
また、本発明の電極組立体において、上記電極ユニットはそれぞれ負極電極タブ及び／または正極電極タブを含む。電極ユニットがユニットセルの場合は、負極電極タブ及び正極電極タブをともに備え、電極ユニットが個別電極からなる場合には、一つの電極タブのみを備える。上記電極タブは、電池ケースに挿入された後、同一極性の電極同士が電気的に連結される。
上記電極タブの付着位置は多様に選択できる。上記二つの極性の電極タブを電極ユニットの一端部に形成し、電極タブが同じ方向を向くように積層することで、例えば、図１８〜図２５に示したように電極組立体１の一側面に電極タブ２５、３５が突出するようにすることができる。また、図２４のように、電極組立体１の２側面にそれぞれの電極タブ２５、３５が突出するようにすることもできる。
但し、電池ケースに挿入した後の電極タブの電気的連結を容易にするためには、同一極性の電極同士が重畳されるように電極ユニットを配置することが好ましい。
一方、図２２または図２４のような形態に段差が形成される場合、電極組立体１に電極タブ２５、３５を付着すると、電極タブ２５、３５が、面積がより大きい電極ユニットと接触するようになり、電池の安全性に影響を及ぼすことがあるため、電極タブ２５、３５と電極ユニット間の接触は遮断することが好ましく、場合によっては、絶縁性樹脂などを利用して電極タブ２５、３５の表面をコーティングすることができる。
上記電極タブの形態は特に限定されず、上記電極タブの面積も多様に形成されてもよい。例えば、上記電極タブはその幅及び長さが同一であるか、そのうち少なくとも一つが異なってもよい。このように多様なサイズの電極タブを使用することで、面積の大きい電極タブ上に面積の小さい電極タブを２以上並んで配置して積層してもよい。その例として、面積の異なる電極タブを使用する場合の電極タブの積層形態は図２２に示した通りである。
一方、電極ユニットの一部または全ての電極ユニットが少なくとも一つのシート状分離フィルムにより折り畳まれて電極組立体を構成する場合、上記分離フィルムには、面積の大きい電極ユニット積層体の上端と、より小さい電極ユニットの上端とが形成する段差により傾斜面が形成されることができる。該傾斜面は特にワインディング型のスタック・アンド・フォールディング型電極組立体により段差が形成されるか、または段差が形成された電極組立体を分離フィルムで巻く場合に形成されることができる。
この場合、電極組立体が収納される電池ケースの形状を、上記のような分離フィルムの傾斜面に符合するように傾斜面を有するように形成することができる。この場合、必要以上にデバイスの空間を占めるようになるため、上記分離フィルムは電極組立体の形状に符合するように形成されることが、空間活用の側面で好ましい。よって、分離フィルムが電極組立体から離隔されている場合には、分離フィルムを加熱または加圧して伸ばすことで、電極組立体の形状と等しく形成することができる。この場合、段差を有する部分では屈曲が形成されることがある。また、段差を有する部分では、分離フィルムを切断することで、電極組立体の各面の形状と等しく形成することができる。
次に、本発明の電池セルについて説明する。図２３には本発明の電池セル１００の一実施例が示されている。図２３に示されたように、本発明の電池セル１００は電池ケース１２０の内部に本発明の電極組立体１が内蔵されている。このとき、上記電池ケース１２０はパウチ型ケースであってもよい。
上記パウチ型ケースはラミネートシートからなってもよい。このとき、上記ラミネートシートは最外郭を成す外側樹脂層、物質の貫通を防止する遮断性金属層、密封のための内側樹脂層からなってもよいが、これに限定されない。
また、上記電池ケースは、電極組立体の電極ユニットの電気端子を電気的に連結するための電極リードが外部に露出した構造に形成されることが好ましく、図示しなかったが、上記電極リードの上下面には上記電極リードを保護するための絶縁フィルムが付着されてもよい。
また、上記電池ケースは、本発明の電極組立体の形状に合わせて電池ケース１２０の形状を多様に変えてもよい。該電池ケースの形状は、電池ケース自体を変形して形成する方式で形成してもよい。このとき、電池ケースの形状及びサイズが、電極組立体の形状及びサイズと完全に一致しなくてもよく、電極組立体のずれ現象による内部短絡が防止できる程度の形状及びサイズであればよい。一方、本発明の電池ケースの形状はこれに限定されず、必要に応じて多様な形状及びサイズの電池ケースを用いてもよい。
例えば、上記電池ケースは、図２３に示したように、本発明の段差を有する電極組立体１の形状に合わせて段差が形成されてもよい。さらに、図示しなかったが、上記電池ケースは、電極組立体の段差が形成される領域に対応する傾斜面を有することができる。即ち、電極組立体の段差を形成する領域に対して、電池ケースが各段の上側の辺及びコーナー部と同じ形状を有するようにすることで、傾斜面を形成することができる。このような傾斜面は曲面を含んでもよく、傾きが２つ以上であってもよい。
本発明の電池セルは、リチウムイオン電池またはリチウムイオンポリマー電池であることが好ましいが、これらに限定されない。
上記のような本発明の電池セルは単独で用いてもよく、少なくとも一つ以上の電池セルを含む電池パックの形態で用いてもよい。このような本発明の電池セル及び／または電池パックは多様なデバイス、例えば、携帯電話、携帯用コンピューター、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、または電力貯蔵装置などに有用に用いることができる。これらデバイスの構造及びその製作方法は、当業界に公知されているため、本明細書ではそれに対する詳細な説明を省略する。
一方、本発明の電池セルまたは電池パックが上記のようなデバイスに装着される場合、本発明の電池セルまたは電池パックの構造により形成された余剰空間にデバイスのシステム部品を位置させることができる。本発明の電池セルまたは電池パックは、サイズの異なる電極組立体で形成されるため、電極組立体自体が段差のある形態に形成され、電池ケースは電極形状に合わせて形成される。これをデバイスに装着する場合、従来の角形または楕円形電池セルまたは電池パックにはなかった余剰の空間が発生する。
このような余剰空間にデバイスのシステム部品を装着する場合、デバイスのシステム部品と電池セルまたは電池パックを柔軟に配置することができるため、空間活用度を向上させることができる上、デバイスの全体厚さや体積を減少させてスリムなデザインを具現することができる。
１ 電極組立体
１０ 単一電極
２０ 負極
２１ 負極集電板
２２ 負極活物質
２５ 負極電極タブ
３０ 正極
３１ 正極集電板
３２ 正極活物質
３３ 単面コーティング正極
３５ 正極電極タブ
４０ シート状分離フィルム
５０ 分離膜
６１、７１ スタック・アンド・フォールディング型ユニットセルまたは積層体（Ｚフォールディング型）
６２、７２ スタック・アンド・フォールディング型ユニットセルまたは積層体（ワインディング型）
６３、７３ ジェリーロール型ユニットセルまたは積層体
６４ スタック型ユニットセル
６５、６６、６７、６８ ラミネーション・アンド・スタック型ユニットセル
１００ 電池セル
１２０ 電池ケース
本発明の段差を有する電極組立体を製造する電極ユニットの展開図である。 本発明の段差を有する電極組立体を製造する電極ユニットの展開図である。 本発明の段差を有する電極組立体を製造する電極ユニットの展開図である。 本発明の段差を有する電極組立体を製造する電極ユニットの展開図である。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示したものである。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示したものである。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示したものである。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示した図面である。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示した図面である。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示した図面である。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示した図面である。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の積層断面を概略的に示した図面である。 本発明においてユニットセルとして用いられるラミネーション・アンド・スタック型ユニットセルの例を概略的に示したものである。 本発明においてユニットセルとして用いられるラミネーション・アンド・スタック型ユニットセルの例を概略的に示したものである。 本発明においてユニットセルとして用いられるラミネーション・アンド・スタック型ユニットセルの例を概略的に示したものである。 一つの段差を有する電極組立体の例を概略的に示したものである。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の断面形状を概略的に示したものである。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施例による電極タブの積層形態を示すもので、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。
本発明のユニットセルにおいて、負極電極と正極電極のそれぞれの電極集電板の表面には、電極活物質が塗布されている。このとき、図５に示したように、上記電極集電板２１、３１は負極２０と正極３０の集電板２１、３１のサイズが同一である。一方、電極活物質２２、３２は、必ずしもこれに限定されないが、電極集電板２１、３１の表面の全体にコーティングされてもよく、場合によっては、末端の一部領域はコーティングされなくてもよい。従って、電極集電板の全体面に電極活物質がコーティングされる場合には、二つの電極のサイズが等しくなる。しかし、この場合、電池反応中に正極活物質に含まれたリチウムが析出されることがあり、電池性能の低下をもたらす恐れがある。従って、場合によっては、正極活物質が正極電極に塗布される領域が、負極電極に負極活物質が塗布される面積より小さくなるようにコーティングされてもよい。これにより、正極活物質からリチウムが析出されることを抑制することができる。
また、図２〜図４に示したように、負極２０と正極３０が分離膜が介在された状態で積層されたユニットセル６０を使用し、Ｚ状に折り畳むことで、電極積層体を得ることができる。図２は、面積の異なるユニットセル６０を分離フィルムの一面に配列してＺ状に折り畳むことで電極積層体を製造する展開図を示したもので、このとき、上記ユニットセル６０は、負極２０と正極３０が分離膜を境界として一つずつ積層されたユニットセル６０（フールセル）であってもよく、負極２０と正極３０が分離膜を境界として交差積層され、両面には同じ電極が位置するユニットセル６０（バイセル）であってもよい。これらの例を図３及び４に示した。
図３（ａ）及び図４（ａ）は、二つの正極３０の間に分離膜を介在して負極２０が積層されたバイセル（Ａ−型バイセル）と、二つの負極２０の間に分離膜を介在して正極３０が積層されたバイセル（Ｃ−型バイセル）をシート状分離フィルム４０に配列した展開図を示したもので、図３（ａ）はシート状分離フィルム４０の一面に電極ユニットを配列してＺ状に折り畳むことで電極積層体を製造する展開図であり、図４（ａ）はシート状分離フィルム４０の両面に電極ユニットを配列してＺ状に折り畳むことで電極積層体を製造する展開図である。
また、図３（ｂ）及び図４（ｂ）は上記バイセルとフールセルを組み合わせてシート状分離フィルム４０に配列した展開図を示したもので、図３（ｂ）は分離フィルム４０の一面に電極ユニットを配列してＺ状に折り畳むことで電極積層体を製造する展開図であり、図４（ｂ）は分離フィルム４０の両面に電極ユニットを配列してＺ状に折り畳むことで電極積層体を製造する展開図である。
上記図２〜図４にはフールセルとバイセルを混用して分離フィルム４０に配列した例を示したが、その他にも、電極ユニットとして単位電極がともに配列されてもよい。さらに、２以上の負極２０と２以上の正極３０が分離膜を境界として積層された多様な形態のユニットセル６０を用いてもよい。従って、図２〜図４に示したもの以外の多様な方法で電極ユニットを配列することができる。
また、本発明における上記スタック型積層体は、上記のような伝統的な方式により製造されるだけでなく、一つ以上の電極、一つ以上の分離膜をラミネーション（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）して電極セルを形成した後、該電極セルを積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）する方式（以下「ラミネーション・アンド・スタック方式」という）で製造された電極積層体を含む概念と理解されるべきである。
図１４には、分離膜５０／負極２０／分離膜５０／正極３０の基本構造を有する電極ユニット６５と、分離膜５０／負極２０／分離膜５０の構造からなる電極ユニット６６とが積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）されてなる電極積層体が示されている。図１４のように、最外郭面に分離膜５０／負極２０／分離膜５０の構造からなる電極ユニットを積層すると、正極３０が外部に露出することが防止できるだけでなく、電気容量を上げることができるという長所がある。これと類似して、電極ユニットの最外郭に負極が位置する配列の場合には、その上部に分離膜／正極／分離膜の構造からなる電極ユニットを積層することができ、この場合、負極の容量を最大限使用できるという長所がある。
このとき、上記スタック・アンド・フォールディング型積層体は、一方向に折り畳むワインディング型積層体とジグザグ方向に折り畳むＺフォールディング型積層体であってもよい。一方、上記ワインディング型積層体は図面に示さなかったが、シート状分離フィルムによる巻取方向が時計回りから反時計回りに変更してもよく、その逆であってもよい。例えば、図１１のジェリーロール型ユニットセル７３の巻取方法のようにワインディング型ユニットセルの巻取方向が変わってもよい。また、図１２のジェリーロール型ユニットセル７３の巻取方法のようにワインディング型積層体を巻取してもよい。
電極ユニットとして、上記のような積層体をユニットセルとして含む本発明の電極組立体の一例を図８に示した。図８は、一つのジェリーロール型ユニットセル６３を大面積のユニットセルとして使用し、一つのスタック型積層体６４を中面積のユニットセルとして使用し、一つのスタック・アンド・フォールディング型積層体としてＺフォールディング型積層体６１と単一電極１０を小面積のユニットセルとして使用し、一つのシート状分離フィルム４０でＺ状に折り畳むことで形成された段差を有する電極組立体１である。図８に示された構造と異なる多様な構造の電極組立体１が形成され得ることは言うまでもない。
また、本発明の電極組立体は、電極ユニットの一部または全ての電極ユニットが少なくとも一つのシート状分離フィルムにより巻取されている構造からなってもよい。一方、図８には示さなかったが、上記ユニットセルとして用いられる積層体自体が段差を有するものであってもよい。
一方、図９に示された電極組立体１の上端には外部に分離膜５０が積層されている単一電極１０として負極２０が積層されている。上記のように、外部を向く電極としては負極２０が積層されることが好ましいが、その下部に積層されたジェリーロールのユニットセル７３の外部に分離フィルム４０が積層された正極３０が存在するため、別途の負極２０がさらに積層されたのである。また、図９の最下端には分離フィルム４０が積層された正極無地部が外部を向く単面コーティング正極３３が配置されている。
さらに、図１１及び図１２に複数の電極積層体が積層されて段差を有する電極組立体を構成する他の例が示されている。図１１及び図１２は段差を有するジェリーロール型積層体７３を組み立てるにおいて、巻取する方向が異なることを除いては同様である。即ち、図１２のジェリーロール型積層体７３は小面積のジェリーロール型ユニットセル７３を時計回りに、そして、中面積のジェリーロール型ユニットセル７３を反時計回りに巻いてそれぞれのジェリーロール型ユニットセルを一つのシート状分離フィルムで形成し、これら小面積及び中面積ジェリーロール型ユニットセルを積層することで形成したものである。図１１及び図１２によると、大面積及び中面積の段差を有する電極ユニットであるＺフォールディング型積層体７１が積層され、中面積及び小面積の段差を有する電極ユニットであるジェリーロール型電極ユニットセル７３と小面積電極ユニットとして単一電極１０が積層された電極組立体１が示されている。このとき、図１１及び図１２の上記ジェリーロール型ユニットセルは、ジェリーロール型ユニットセルの巻取方法のように巻取されたスタック・アンド・フォールディング型のワインディング型に取り替えられてもよい。
本発明の電極組立体は多様な形態の積層構造を有することができる。図１７は電極組立体の断面を示したもので、電極ユニットの積層形態を概略的に示したものである。図１７から分かるように、電極ユニットの積層方向、即ち、高さ方向に向かうほど電極ユニットのサイズが小さくなってもよく（ａ）、逆に、電極ユニットのサイズが増加するように積層されてもよい（ｂ）。また、積層方向に向かって面積が増加した後に減少するように積層されても（ｃ）、積層方向に向かって面積が減少した後に増加するように積層されてもよい。これらの積層形態は上下対称を成してもよく、積層形態が一定のパターンを持たなくてもよい。
このとき、図２０に示したように、コーナー部のラウンドの曲率は異なってもよい。また、図２０に示したように、コーナー部の形状はそれぞれ異なってもよい。一方、図２１に示したように、一つの辺とその辺に隣接する二つのコーナー部が一つのラウンド状であってもよい。
また、図示しなかったが、電極ユニットは、大きい電極ユニットの面内に小さい電極ユニットが含まれるように積層されてもよく、このとき、一定のパターンを形成せずに積層されてもよい。また、図２２に示したように面の中心が一致するように積層されてもよい。
さらに、図２３に示したように、各電極ユニットは電極組立体１の縦方向に長さが同一で、幅方向に段差を形成することができ、このとき、段差は幅方向の一つまたは両方向に形成されてもよい。また、図２４に示したように、電極組立体は長さ方向に段差が形成されてもよい。
上記電極タブの付着位置は多様に選択できる。上記二つの極性の電極タブを電極ユニットの一端部に形成し、電極タブが同じ方向を向くように積層することで、例えば、図１８〜図２３に示したように電極組立体１の一側面に電極タブ２５、３５が突出するようにすることができる。また、図２４のように、電極組立体１の２側面にそれぞれの電極タブ２５、３５が突出するようにすることもできる。
次に、本発明の電池セルについて説明する。図２２には本発明の電池セル１００の一実施例が示されている。図２２に示されたように、本発明の電池セル１００は電池ケース１２０の内部に本発明の電極組立体１が内蔵されている。このとき、上記電池ケース１２０はパウチ型ケースであってもよい。
例えば、上記電池ケースは、図２２に示したように、本発明の段差を有する電極組立体１の形状に合わせて段差が形成されてもよい。さらに、図示しなかったが、上記電池ケースは、電極組立体の段差が形成される領域に対応する傾斜面を有することができる。即ち、電極組立体の段差を形成する領域に対して、電池ケースが各段の上側の辺及びコーナー部と同じ形状を有するようにすることで、傾斜面を形成することができる。このような傾斜面は曲面を含んでもよく、傾きが２つ以上であってもよい。

Claims (33)

  1. 電極ユニットが複数個積層され、シート状分離フィルムにより前記電極ユニットが互いに分離されて積層されたスタック・アンド・フォールディング型電極積層体を一つ以上含み、
    前記電極積層体は分離フィルムを境界として隣接する電極ユニットに対して面積差を有する電極ユニットが積層されて形成された段差を一つ以上含む、電極組立体。
  2. 前記電極ユニットはシート状分離フィルムの一面または両面に配置されたものである、請求項１に記載の電極組立体。
  3. 前記スタック・アンド・フォールディング型電極積層体は、Ｚフォールディング型電極積層体である、請求項１に記載の電極組立体。
  4. 前記段差を１つまたは２つ含む、請求項１に記載の電極組立体。
  5. 前記面積差を有する電極ユニットとそれに隣接する電極ユニットは、分離フィルムを境界として相互対面する対面電極が異なる極性の電極である、請求項１に記載の電極組立体。
  6. 前記面積差を有する電極ユニットとそれに隣接する電極ユニットのうち面積の大きい電極ユニットの対面電極が負極である、請求項２に記載の電極組立体。
  7. 前記電極ユニットはそれぞれ独立して負極、正極、及び少なくとも一つの負極と少なくとも一つの正極が分離膜が介在された状態で積層されたユニットセルからなる群より選択される、請求項１に記載の電極組立体。
  8. 前記ユニットセルは、それぞれ独立してジェリーロール型、スタック型、ラミネーション・アンド・スタック型及びスタック・アンド・フォールディング型からなる群より選択される、請求項７に記載の電極組立体。
  9. 前記ユニットセルは、分離膜を境界として隣接するユニットセルに対して面積差を有するユニットセルが積層されて形成された段差を少なくとも一つ含む、請求項８に記載の電極組立体。
  10. 前記積層体は、前記Ｚフォールディング型の積層体とともに、ジェリーロール型積層体、スタック・アンド・フォールディング型積層体またはこれらの組み合わせである積層体が前記分離フィルムにより積層されたものである、請求項１に記載の電極組立体。
  11. 前記スタック・アンド・フォールディング型積層体は段差を含む、請求項１０に記載の電極組立体。
  12. 前記電極組立体は、前記Ｚフォールディング型の積層体とともに、スタック型積層体、ジェリーロール型積層体、スタック・アンド・フォールディング型積層体及びこれらが２以上組み合わさった積層体からなる群より選択される少なくとも一つをさらに含む、請求項１に記載の電極組立体。
  13. 前記スタック型積層体、ジェリーロール型積層体、スタック・アンド・フォールディング型積層体及びこれらの組み合わせのうち少なくとも一つの積層体は、段差を有する、請求項１２に記載の電極組立体。
  14. 前記積層体は少なくとも一つのコーナー部の形状が異なる電極ユニットを少なくとも一つ含む、請求項１に記載の電極組立体。
  15. 前記積層体は少なくとも一つのコーナー部が曲面状である電極ユニットを一つ以上含む、請求項１に記載の電極組立体。
  16. 前記少なくとも一つのコーナー部が曲面状である電極ユニットを２以上含み、少なくとも一つの電極ユニットは他の電極ユニットと曲率が異なる曲面状のコーナー部を有する、請求項１５に記載の電極組立体。
  17. 前記積層体は、前記電極ユニットが積層される高さ方向に向かうほど電極ユニットの面積が小さくなるように積層された、請求項１に記載の電極組立体。
  18. 前記積層体は各電極ユニットの一コーナー部が一致するように配列されて積層されている、請求項１に記載の電極組立体。
  19. 前記積層体は、分離フィルムを境界として相互隣接する電極ユニットのうち少なくとも一つは他の電極ユニットの積層面内に含まれるように積層された、請求項１に記載の電極組立体。
  20. 前記積層体は各電極ユニットの中心部が一致するように積層された、請求項１に記載の電極組立体。
  21. 前記電極ユニットはその厚さが同一または異なる、請求項１に記載の電極組立体。
  22. 前記電極組立体の最外郭に配置される電極は一面が電極無地部である単面コーティング電極であり、前記電極無地部が電極組立体の外部を向くように配置され、前記電極組立体は分離フィルムまたは分離膜が外部に露出する、請求項１に記載の電極組立体。
  23. 前記単面コーティング電極は正極である、請求項１９に記載の電極組立体。
  24. 前記電極組立体の最外郭に配置される電極は負極であり、前記電極組立体は分離フィルムまたは分離膜が外部に露出する、請求項１に記載の電極組立体。
  25. 前記電極ユニットはそれぞれの電極に対応する電極タブを有し、前記電極タブはその大きさが同一又は異なる、請求項１に記載の電極組立体。
  26. 前記電極タブは電極ユニットの何れか一つの端部または対向する端部に付着される、請求項１に記載の電極組立体。
  27. 請求項１から２６の何れか１項に記載の電極組立体が電池ケースに収納されている電池セル。
  28. 前記電池ケースはパウチ型ケースである、請求項２７に記載の電池セル。
  29. 前記電池ケースは内部に電極組立体を収納し、電極組立体の形状に対応して段差または傾斜面を有する、請求項２８に記載の電池セル。
  30. 前記電池セルはリチウムイオン二次電池またはリチウムイオンポリマー二次電池である、請求項２７に記載の電池セル。
  31. 請求項２７に記載の電池セルを一つ以上含む、デバイス。
  32. 前記電池セルの余剰空間にデバイスのシステム部品が位置する、請求項３１に記載のデバイス。
  33. 前記デバイスは携帯電話、携帯用コンピューター、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、または電力貯蔵装置である、請求項３１に記載のデバイス。
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