JP2015535650A - 階段構造の電極組立体 - Google Patents

Abstract

本発明は、二次電池の電池ケース内に内蔵される電極組立体に係り、正極と負極との間に分離板が介在して積層されている構造からなっており、最上段と最下段の極板の極性が同一である偶数個の単位セルを含み、階段構造が形成されている電極組立体に関する。

Description

本発明は、二次電池の電池ケース内に内蔵される電極組立体に係り、階段構造の電極組立体に関する。

ＩＴ（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）技術の目覚ましい発達に伴い、様々な携帯型情報通信機器の拡散により、２１世紀は、時間と場所にとらわれずに高品質の情報サービスが可能な‘ユビキタス社会’に発展している。

このようなユビキタス社会への発展のベースには、リチウム二次電池が重要な位置を占めている。具体的には、充放電が可能なリチウム二次電池は、ワイヤレスモバイル機器のエネルギー源として広範囲に使用されているだけでなく、化石燃料を使用する既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの大気汚染などを解決するための方案として提示されている電気自動車、ハイブリッド電気自動車などのエネルギー源としても使用されている。

上記のように、リチウム二次電池が適用されるデバイスの多様化に伴い、リチウム二次電池は、適用されるデバイスに適した出力と容量を提供できるように多様化されている。なお、小型軽薄化が強力に要求されている。

携帯電話、ＰＤＡ、デジタルカメラ、ノートパソコンなどのような小型モバイル機器には、当該製品の小型軽薄化の傾向によって、それに相応するようにデバイス１台当たり１つ、または２乃至４つの小型軽量の電池セルが使用されている。

電気自転車、電気バイク、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などのような中大型デバイスには、高出力大容量の必要性により、複数の電池セルを電気的に接続した中大型電池モジュール（中大型電池パック）が使用されている。

このような電池モジュールまたは電池パックの単位電池としては、その形状に応じて円筒形電池、角形電池、パウチ型電池などが使用されており、その中でも、高い集積度で積層可能であり、重量当たりのエネルギー密度が高く、安価であり、変形が容易なパウチ型電池が多くの関心を集めている。

図１Ａ及び図１Ｂには、従来の代表的なパウチ型電池の一般的な構造が分解斜視図として模式的に示されている。

図１Ａを参照すると、パウチ型電池１０は、所定の大きさの単位で切り取った複数の正極と負極を、分離膜を介在した状態で順次積層した構造からなっており、複数の電極タブ２１，２２が突出しているスタック型電極組立体２０と、電極タブ２１，２２にそれぞれ接続されている２つの電極リード３０，３１と、電極リード３０，３１の一部が外部に露出するようにスタック型電極組立体２０を収納及び密封する構造の電池ケース４０とを含む構成となっている。

電池ケース４０は、スタック型電極組立体２０が載置される凹状の収納部４１を含む下部ケース４２と、そのような下部ケース４２の蓋であって、電極組立体２０を密封する上部ケース４３とからなっている。上部ケース４３と下部ケース４２は、スタック型電極組立体２０を内蔵した状態で熱融着されて、上端シーリング部４４と側面シーリング部４５，４６、及び下端シーリング部４７を形成する。

図１Ａでは、上部ケース４３と下部ケース４２がそれぞれ別途の部材として表示されているが、図１Ｂでのように、一側端部が一体に連続しているヒンジ式構造も可能である。

また、図１Ａ及び図１Ｂは、電極タブと電極リードとが接続された構造の電極端子が一端に共に形成されている構造のパウチ型電池を示しているが、電極端子が、一端とこれに対向する他端にそれぞれ形成されている構造のパウチ型電池もまた、上記のような方法で作製できることは勿論である。

また、図１Ａ及び図１Ｂは、スタック型電極組立体を例示しているが、長いシート状の正極と負極を、分離膜が介在した状態で巻き取った構造のジェリーロール型（巻取り型）電極組立体、またはスタック型電極組立体を長い長さの連続的な分離フィルムを用いて巻き取った構造のスタックアンドフォールディング型電極組立体を使用して図１Ａ及び図１Ｂのパウチ型二次電池を作製できることは勿論である。

上記の電極組立体は、図１Ａ及び図１Ｂでのように、略直方体の形状に製造されることが一般的であり、このような電極組立体が電池ケース内に内蔵されて、直方体状のパウチ型電池が作製され、前記パウチ型電池が積層されて、直方体状の電池パックが完成される。

しかし、このような直方体状の電池と電池パックが適用されるデバイスのデザインは直方体形状ではない場合もある。例えば、スマートフォンの場合には、優れた把持感を有するように側面が曲線処理されていることもある。

しかし、このように曲線処理された部分を有するようにデザインされたデバイスの場合、直方体状の電池または電池パックは、デバイスの内部の空間活用度に限界がある。

すなわち、曲線処理された部分には、電池または電池パックを装着できないデッドスペース（ｄｅａｄ ｓｐａｃｅ）が形成される。このようなデッドスペースは、終局、デバイス体積当たりの容量を低下させるという問題がある。

上記のような従来技術の問題点を解決するために、本発明は、デバイスの体積当たりの容量を最大限向上させることができる階段構造が形成された電極組立体及びこれらを含む電池を提供しようとする。

一方、最上段と最下段の極板の極性が同一であるスタック型電極組立体（以下、Ｓ型電極組立体又はＳ型単位セルと呼ぶこともできる。）からなる従来のスタックアンドフォールディング型電極組立体の場合、奇数個のＳ型電極組立体で構成されることが一般的である。

電池の容量は、ローディング量（ｌｏａｄｉｎｇ ｌｅｖｅｌ）と正比例する。したがって、ローディング量の増加は電池の容量の増加を伴う。しかし、ローディング量が増加するほど、電池のレート特性が低下するという問題がある。

したがって、ローディング量の設計は、レート特性を考慮しなければならないという制限がある。

前記のローディング量の制限のため、前記の従来のスタックアンドフォールディング型電極組立体の場合には、ローディング量を減らしたＳ型電極組立体の個数を増加させる方式で容量を増加させることができた。

すなわち、前記のローディング量の制限のため、２ｎ−１個のＳ型電極組立体（Ａ）からなるスタックアンドフォールディング型電極組立体は、前記Ｓ型電極組立体（Ａ）に比べてローディング量を減らしたＳ型電極組立体（Ｂ）の個数を増加させることによって、容量を増加させることができた。

その結果、２ｎ＋１個のＳ型電極組立体（Ｂ）からなるスタックアンドフォールディング型電極組立体が作られる。

しかし、この場合、Ｓ型電極組立体の個数が２ｎ−１個から２ｎ＋１個に増加する区間において、容量対比厚さの効率が減少するという問題があった。

上記の問題点を解決するために、本発明は、従来の２ｎ＋１個のＳ型電極組立体からなるスタックアンドフォールディング型電極組立体に比べて、同一の厚さにおいて容量が増加した２ｎ個のＳ型電極組立体からなるスタックアンドフォールディング型電極組立体を提供しようとする。

上記目的を達成するための、本発明に係る電極組立体は、
分離板を挟んで互いに反対の極性を有する極板が平面を基準として高さ方向に積層されており、最上段と最下段の極板の極性が互いに同一であり、電極タブが極板から突出して形成されている構造の偶数個の単位セルと、
前記単位セルの一面及び対向面と、電極タブ非形成部位である単位セルの側面とを覆っている一単位のシート状の分離フィルムとを含み、
前記単位セルは、前記分離フィルムを挟んで、互いに反対の極性を有する極板が対面するように、平面を基準として高さ方向に沿って積層されており、
互いに異なる大きさの単位セルの積層構造を含んでいることを特徴とする。

前記単位セルの積層構造は、１つ又は２つ以上の単位セルと大きさが互いに同一または異なる単位セルを１つ又は２つ以上含んでいてもよい。

互いに同じ大きさの偶数個の単位セルは、前記極板の積層方向に積層されて、最上段と最下段の極板の極性が互いに反対である２つ以上の電極群を形成することができる。

前記電極群は互いに大きさが異なり、互いに異なる大きさの電極群の積層構造は、幅と高さがある１つ又は２つ以上の階段構造を形成していてもよい。

前記階段構造は、積層面の面積が互いに異なるｎ個の電極群が積層された場合、段の個数はｎ段であり得る。このとき、ｎは、２以上の自然数であり、ｎは、デバイスの容量ないしデバイスの外周面の曲率などを考慮して適宜調節することができる。

前記極板は、互いに大きさが同一であっても、異なっていてもよい。大きさの異なる極板は、全幅及び／又は全長が異なる極板を意味することができる。

前記極板の形状は、特に限定されないので、平行六面体の形状であってもよく、平面視で多角形、円形などであってもよい。

詳細には、前記極板は、全幅、全長及び全高を有する平行六面体の形状であってもよい。前記平行六面体は、平面視で四角形状であってもよく、このとき、前記全幅は、電極タブが突出している辺の長さであってもよく、前記全長は、電極タブが突出していない辺の長さであってもよい。また、前記全高は、前記平行六面体の高さであってもよい。

より具体的な例において、前記極板は、全長が全幅よりも長く、前記全幅が全高よりも長い直方体形状であってもよい。すなわち、全長、全幅、全高の長さは、全長＞全幅＞全高の大きさを有する。

また、前記極板は、全長と全幅が同一であり、全幅に比べて全高が短い直方体形状であってもよく、全長、全幅及び全高が全て同一である立方体形状であってもよい。

前記極板の角は、全て直角に処理されていてもよく、少なくとも１つの角が曲線処理されていてもよい。より具体的に、平面視で四角形状の極板の４つの角のうち少なくとも１つは曲線をなしていてもよい。

上記のように、少なくとも１つの角が曲線処理されている場合、落下時に、曲線処理された角に加わる衝撃を緩和することができるので、落下安全性が向上するという効果がある。

前記極板の一端には電極タブが突出して形成されており、電極タブのそれぞれの大きさは同一であっても、互いに異なっていてもよい。具体的に、全幅、全長、全高のうちの１つ以上が互いに異なっていてもよく、全幅、全長、全高が全て同一であってもよい。

より具体的に、極板の電極タブは、全幅、全長、全高が全て同一であってもよく、全幅、全長、全高のうちの１つ以上、特に、全幅または全長が互いに異なっていてもよい。

前記極板において、電極タブが突出した面を前面と呼び、前記前面に対向する面を後面と呼ぶことができ、前記平面と平行な面を、それぞれ一面及び対向面と呼ぶことができ、前記一面及び対向面と垂直であり、前記高さ方向に平行な面を一側面と呼び、前記一側面に対向する面を対向側面と呼ぶことができる。一側面及び／又は対向側面は、統一して側面と呼ぶことができる。

前記分離板は、熱融着による接着機能を有していてもよい。これについての詳細は、本出願人の韓国特許出願第１９９９−５７３１２号で具体的に説明している。

前記単位セルは、互いに反対の極性を有する正極板と負極板を、分離板を挟んで交互に積層することによって作製することができる。

前記単位セルは積層型単位セルを含み、前記積層型単位セルは、正極板と負極板のいずれか１つと分離板とが最外郭を構成するように、正極板、負極板、分離板が積層された状態で接合（ｌａｍｉｎａｔｅ）されている構造の第１極板積層体を含むことができる。

前記積層型単位セルは、分離板が最外郭を構成するように、正極板、負極板、分離板が積層された状態で接合（ｌａｍｉｎａｔｅ）されている第２極板積層体を含むことができる。

前記積層型単位セルは、正極板と負極板が最外郭を構成し、分離板が正極板と負極板との間に介在するように、正極板、負極板、分離板が積層された状態で接合されている第３極板積層体を含むことができる。

前記積層型単位セルは、正極板及び負極板のいずれか１つと１つの分離板とが積層された状態で接合されている第４極板積層体を含むことができる。

前記積層型単位セルは、前記第１極板積層体のみが積層された構造であってもよく、第２極板積層体のみが積層された構造であってもよく、第３極板積層体のみが積層された構造であってもよく、第４極板積層体のみが積層された構造であってもよく、またはこれらの組み合わせであってもよい。

例えば、前記第１極板積層体は、正極板、分離板、負極板、分離板が順次にスタックされた状態で接合（ｌａｍｉｎａｔｅ）された構造、または負極板、分離板、正極板、分離板が順次にスタックされた状態で接合された構造であってもよい。

前記積層型単位セルは、前記第１極板積層体のみがスタックされていてもよい。

前記第１極板積層体の最上段または最下段には、第２極板積層体がスタックされていてもよい。

第２極板積層体のみが積層されている構造は、第２極板積層体の間に正極板または負極板のいずれか１つが介在していてもよい。

前記第１極板積層体ないし第４極板積層体には、正極板、分離板、負極板のスタック構造をより堅固に維持する固定部材をさらに付加することができる。

前記固定部材は、第１極板積層体ないし第４極板積層体とは別個の外部部材であって、極板積層体の外周面の一部又は全部を覆っている粘着テープまたは接着テープであってもよい。

前記極板積層体の外周面は、極板積層体の側面、平面、前面、後面などを全て含む概念であり得る。

前記固定部材は、極板積層体を構成する分離板の一部であってもよく、この場合、分離板の末端を熱融着させることによって極板積層体を固定させることができる。但し、これに限定されるものではない。

前記固定部材は、第１極板積層体ないし第４極板積層体を固定させる機能を行うことができる部材を全て含む。

前記の第１極板積層体ないし第４極板積層体を含んで積層型電極組立体を構成する場合、正極板、負極板、分離板が単純にスタックされている構造の積層型電極組立体に比べて、量産性ないし良品率を向上させることができる。

また、第１極板積層体単位で正極板、分離板、負極板が互いに接合されている状態であるので、スウェリングによる体積膨張を最小化することができるという利点がある。

前記の第１極板積層体ないし第４極板積層体を含んで積層型電極組立体を構成する場合、フォールディング工程で具現される電極組立体のアラインメント不良や工程設備を除去し、１つのラミネーターのみを用いて第１極板積層体ないし第４極板積層体の形成を完了し、単純なスタックで積層型電極組立体を具現できるようになるので、フォールディング工程時に発生する電極損傷が減少し、電解液の濡れ性を向上させることができ、外部に露出される分離板に片面有無機複合分離膜（ＳＲＳ分離膜）を適用できるようになるので、セルの厚さが減少すると共に、工程コストを低減することができる。

前記単位セルは、最上段と最下段の極板の極性が互いに同一であるＳ型単位セルであって、前記Ｓ型単位セルは、最上段と最下段の極板の極性が全て正極であるＳＣ型単位セルと、最上段と最下段の極板の極性が全て負極であるＳＡ型単位セルとに区分することもできる。

互いに異なる大きさの単位セルは、それをそれぞれ構成する極板の全長及び／又は全幅が互いに異なっていてもよい。

また、大きさが互いに同一である単位セルの電極タブは、全幅、全長、全高が全て同一であってもよく、大きさが互いに異なる単位セルの電極タブは、全幅、全長、全高のいずれか１つ以上、特に、全幅または全長が互いに異なっていてもよい。大きさが互いに同一である単位セルの場合にも、電極タブの全幅、全長、全高が全て異なっていてもよく、全幅または全長のいずれか１つが異なっていてもよく、大きさが互いに異なる単位セルの場合にも、電極タブの全幅、全長、全高が全て同一であってもよい。

前記単位セルにおいて、電極タブが突出した面を前面と呼び、前記前面に対向する面を後面と呼ぶことができ、前記平面と平行な面を、それぞれ一面及び対向面と呼ぶことができ、前記一面及び対向面と垂直であり、前記高さ方向に平行な面を一側面と呼び、前記一側面に対向する面を対向側面と呼ぶことができる。一側面及び／又は対向側面は、統一して側面と呼ぶことができる。

前記単位セルは、前面、後面、側面のうち少なくとも１つが一致しないように、または同一平面上に存在しないように積層することができる。具体的に、前記単位セルは、前面のみが同一平面上に存在するように積層してもよく、後面のみが同一平面上に存在するように積層してもよく、一側面のみが又は一側面と対向側面のみが同一平面上に存在するように積層してもよく、前面、後面、一側面、対向側面が全て同一平面上に存在しないように積層してもよい。

例えば、前面、後面、一側面、対向側面が全て同一平面上に存在しないように積層される場合、本発明に係る電極組立体は、四角錐台の形状を有することができる。

前記の単位セルの積層配列は、本発明に係る一つの具体例であるので、単位セルの配列が前記の例に限定されるものではない。

積層された単位セルの境界において、互いに対面している正極と負極の大きさまたは対向面積が互いに異なっていてもよい。

例えば、積層された単位セルのうち、下段に積層されている単位セルの最上端面を構成する電極と、上段に積層されている単位セルの最下端を構成する電極との大きさまたは対向面積が互いに異なっていてもよい。

単位セルの境界での正極と負極の対向面積に対する容量比（Ｎ／Ｐ ｒａｔｉｏまたは対抗比）は、積層された単位セルのうち対向面積が相対的に大きい単位セルを構成する正極と負極の対向面積に対する容量比（Ｎ／Ｐ ｒａｔｉｏまたは対抗比）と同一または大きい。

単位セルの境界での対抗比が、対向面積が相対的に大きい単位セルを構成する正極と負極の対抗比よりも小さい場合には、本発明に係る電極組立体を内蔵するリチウム二次電池の性能に問題が発生するため好ましくない。

単位セルの境界において対面する正極と負極の対抗比と、単位セルを構成する正極と負極の対抗比との比は、１：１〜３：１、１：１〜２：１、１：１〜１．５：１であってもよい。

前記対抗比は、下記の式１を用いて算出することができる。

上記式中、
単位面積当たりの負極の充電容量は、単位面積当たりの負極のローディング量（ｇ／ｃｍ^２）×活物質における負極活物質の比率（％）×単位重量当たりの負極の充電容量（ｍＡｈ／ｇ）であり、
負極の効率は、（負極の放電容量／負極の充電容量）×１００であり、
正極の単位面積当たりの設計容量は、設計容量／コーティングされた正極の面積であり、
設計容量は、正極のローディング量（ｇ／ｃｍ^２）×活物質における正極活物質の比率（％）×単位重量当たりの正極の充電量（ｍＡｈ／ｇ）−負極の不可逆容量（ｍＡｈ）である。

重量当たりの正極の充電容量、単位重量当たりの負極の充電容量、放電容量及び不可逆容量などは、それぞれ下記のような方法で測定することができる。

１）単位重量当たりの正極の充電容量の測定方法：ハーフセル（Ｈａｌｆ Ｃｅｌｌ）を作製して、片方の電極を評価しようとする正極とし、対向電極をリチウム金属で構成して、低いレート（０．２Ｃ以降）で充電するときの容量を測定して、ハーフセル（Ｈａｌｆ Ｃｅｌｌ）の重量で正規化（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅ）した値

２）単位重量当たりの負極の充電容量の測定方法：ハーフセル（Ｈａｌｆ Ｃｅｌｌ）を作製して、片方の電極を評価しようとする負極とし、対向電極をリチウム金属で構成して、低いレート（０．２Ｃ以降）で充電するときの容量を測定して、ハーフセル（Ｈａｌｆ Ｃｅｌｌ）の重量で正規化（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅ）した値

３）単位重量当たりの負極の放電容量の測定方法：ハーフセル（Ｈａｌｆ Ｃｅｌｌ）を作製して、片方の電極を評価しようとする負極とし、対向電極をリチウム金属で構成して、低いレート（０．２Ｃ以降）で充電した後、放電するときの容量を測定して、ハーフセル（Ｈａｌｆ Ｃｅｌｌ）の重量で正規化（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅ）した値

４）単位重量当たりの負極の不可逆容量の測定方法：負極のハーフセル（Ｈａｌｆ Ｃｅｌｌ）の１回の充放電時に生じる容量の差を測定

５）単位面積当たりの負極のローディング量の定義：単位面積当たりの負極集電体にコーティングされる負極活物質の重量

６）単位面積当たりの正極のローディング量の定義：単位面積当たりの正極集電体にコーティングされる正極活物質の重量

単位セルの境界での対抗比を、対向面積が相対的に大きい単位セルを構成する正極と負極の対抗比よりも大きくするための一つの具体的な実施例において、ｎ番目の単位セルを構成する正極のローディング量と、ｎ＋１番目の単位セルを構成する正極のローディング量とは同一であり、ｎ＋１番目の単位セルを構成する負極のローディング量は、ｎ番目の単位セルを構成する負極のローディング量よりも大きくてもよい。

また、ｎ＋１番目の単位セルを構成する負極のローディング量と、ｎ番目の単位セルを構成する負極のローディング量とは同一であり、ｎ番目の単位セルを構成する正極のローディング量は、ｎ＋１番目の単位セルを構成する正極のローディング量よりも大きくてもよい。

この場合、ｎ番目の単位セルを構成する正極と負極の対抗比と、ｎ番目の単位セル上に積層されたｎ＋１番目の単位セルを構成する正極と負極の対抗比との比が１：１であってもよい。

この場合、ｎ番目の単位セルを構成する正極と負極の対抗比よりも、ｎ番目の単位セル上に積層されたｎ＋１番目の単位セルを構成する正極と負極の対抗比が大きくてもよい。

このとき、ｎ番目の単位セルを構成する電極の大きさまたは面積は、ｎ＋１番目の単位セルを構成する電極の大きさまたは面積に比べて大きい。

単位セルの境界での対抗比を、単位セルを構成する正極と負極の対抗比よりも大きくするための他の一つの具体的な実施例において、ｎ−１番目の単位セルを構成する正極のローディング量、ｎ番目の単位セルを構成する正極のローディング量及びｎ＋１番目の単位セルを構成する正極のローディング量は同一であり、ｎ−１番目の単位セルを構成する負極のローディング量及びｎ＋１番目の単位セルを構成する負極のローディング量は、ｎ番目の単位セルを構成する負極のローディング量よりも大きくてもよい。

また、ｎ−１番目の単位セルを構成する負極のローディング量、ｎ番目の単位セルを構成する負極のローディング量及びｎ＋１番目の単位セルを構成する負極のローディング量は同一であり、ｎ番目の単位セルを構成する正極のローディング量は、ｎ−１番目の単位セルを構成する正極のローディング量及びｎ＋１番目の単位セルを構成する正極のローディング量よりも大きくてもよい。

この場合、ｎ番目の単位セルを構成する正極と負極の対抗比と、ｎ番目の単位セル上に積層されたｎ＋１番目の単位セルを構成する正極と負極の対抗比との比は１：１であり、ｎ番目の単位セルを構成する正極と負極の対抗比と、平面を基準として高さ方向の反対方向にｎ番目の単位セル上に積層されたｎ−１番目の単位セルを構成する正極と負極の対抗比との比は１：１であってもよい。

この場合、ｎ番目の単位セルを構成する正極と負極の対抗比よりも、ｎ番目の単位セル上に積層されたｎ＋１番目の単位セルを構成する正極と負極の対抗比が大きく、ｎ番目の単位セルを構成する正極と負極の対抗比よりも、平面を基準として高さ方向の反対方向にｎ番目の単位セル上に積層されたｎ−１番目の単位セルを構成する正極と負極の対抗比が大きくてもよい。

このとき、ｎ番目の単位セルを構成する電極の大きさまたは面積は、ｎ−１番目の単位セルを構成する電極の大きさまたは面積及びｎ＋１番目の単位セルを構成する電極の大きさまたは面積に比べて大きい。

単位セルの境界での対抗比が、積層された単位セルのうち対向面積が相対的に大きい単位セルを構成する正極と負極の対抗比と同一または大きい条件を満足する限り、対向面積が相対的に小さい単位セルを構成する正極と負極の対抗比は、対向面積が相対的に大きい単位セルを構成する正極と負極の対抗比と同一または大きくてもよい。

また、単位セルの境界での対抗比が、積層された単位セルのうち対向面積が相対的に大きい単位セルを構成する正極と負極の対抗比と同一または大きい条件を満足する限り、対向面積が相対的に小さい単位セルを構成する負極のローディング量は、対向面積が相対的に大きい単位セルを構成する負極のローディング量と同一または大きくてもよい。

また、単位セルの境界での対抗比が、積層された単位セルのうち対向面積が相対的に大きい単位セルを構成する正極と負極の対抗比と同一または大きい条件を満足する限り、対向面積が相対的に小さい単位セルを構成する正極のローディング量は、対向面積が相対的に大きい単位セルを構成する正極のローディング量と同一または小さくてもよい。

電極の空隙率が同じ条件において、電極のローディング量は、電極の厚さで確認することができ、電極の厚さは、イオンミリングを用いて確認することができる。

前記単位セルは、４つ以上の偶数個の単位セルからなることができ、前記極板の積層方向に積層されて、最上段と最下段の極板の極性が互いに反対である２つ以上の電極群を形成することができる。前記単位セルは、分離フィルムを挟んで互いに反対の極性を有する極板が互いに対面するように、平面を基準として高さ方向に沿って積層することができる。

前記電極群において、電極タブが突出した面を前面と呼び、前記前面に対向する面を後面と呼ぶことができ、前記平面と平行な面を、それぞれ一面及び対向面と呼ぶことができ、前記一面及び対向面と垂直であり、前記高さ方向に平行な面を一側面と呼び、前記一側面に対向する面を対向側面と呼ぶことができる。一側面及び／又は対向側面は、統一して側面と呼ぶことができる。

前記電極群の大きさは全て異なっていてもよい。互いに異なる大きさの電極群の積層構造から階段構造を形成することができる。

積層された電極群の境界において、互いに対面している正極と負極の対向面積が互いに異なっていてもよい。

例えば、積層された電極群のうち、下段に積層されている電極群の最上端面を構成する電極と、上段に積層されている電極群の最下端を構成する電極の大きさまたは対向面積が互いに異なっていてもよい。

電極群の境界での正極と負極の対向面積に対する容量比（Ｎ／Ｐ ｒａｔｉｏまたは対抗比）は、積層された電極群において対向面積が相対的に大きい電極群を構成する正極と負極の対向面積に対する容量比（Ｎ／Ｐ ｒａｔｉｏまたは対抗比）と同一または大きい。

電極群の境界での対抗比が、対向面積が相対的に大きい電極群を構成する正極と負極の対抗比よりも小さい場合には、本発明に係る電極群積層体を内蔵するリチウム二次電池の性能に問題が発生するため好ましくない。

電極群の境界で対面する正極と負極の対抗比と、電極群を構成する正極と負極の対抗比との比は、１：１〜３：１、１：１〜２：１、１：１〜１．５：１であってもよい。

前記対抗比は、上記の式１を用いて算出することができる。

電極群の境界での対抗比を、対向面積が相対的に大きい電極群を構成する正極と負極の対抗比よりも大きくするための一つの具体的な実施例において、ｎ番目の電極群を構成する正極のローディング量とｎ＋１番目の電極群を構成する正極のローディング量とは同一であり、ｎ＋１番目の電極群を構成する負極のローディング量は、ｎ番目の電極群を構成する負極のローディング量よりも大きくてもよい。

また、ｎ＋１番目の電極群を構成する負極のローディング量とｎ番目の電極群を構成する負極のローディング量とは同一であり、ｎ番目の電極群を構成する正極のローディング量は、ｎ＋１番目の電極群を構成する正極のローディング量よりも大きくてもよい。

この場合、ｎ番目の電極群を構成する正極と負極の対抗比と、ｎ番目の電極群上に積層されたｎ＋１番目の電極群を構成する正極と負極の対抗比との比が１：１であってもよい。

この場合、ｎ番目の電極群を構成する正極と負極の対抗比よりも、ｎ番目の電極群上に積層されたｎ＋１番目の電極群を構成する正極と負極の対抗比が大きくてもよい。

このとき、ｎ番目の電極群を構成する電極の大きさまたは面積は、ｎ＋１番目の電極群を構成する電極の大きさまたは面積に比べて大きい。

電極群の境界での対抗比を、電極群を構成する正極と負極の対抗比よりも大きくするための他の一つの具体的な実施例において、ｎ−１番目の電極群を構成する正極のローディング量、ｎ番目の電極群を構成する正極のローディング量及びｎ＋１番目の電極群を構成する正極のローディング量は同一であり、ｎ−１番目の電極群を構成する負極のローディング量及びｎ＋１番目の電極群を構成する負極のローディング量は、ｎ番目の電極群を構成する負極のローディング量よりも大きくてもよい。

また、ｎ−１番目の電極群を構成する負極のローディング量、ｎ番目の電極群を構成する負極のローディング量及びｎ＋１番目の電極群を構成する負極のローディング量は同一であり、ｎ番目の電極群を構成する正極のローディング量は、ｎ−１番目の電極群を構成する正極のローディング量及びｎ＋１番目の電極群を構成する正極のローディング量よりも大きくてもよい。

この場合、ｎ番目の電極群を構成する正極と負極の対抗比と、ｎ番目の電極群上に積層されたｎ＋１番目の電極群を構成する正極と負極の対抗比との比は１：１であり、ｎ番目の電極群を構成する正極と負極の対抗比と、平面を基準として高さ方向の反対方向にｎ番目の電極群上に積層されたｎ−１番目の電極群を構成する正極と負極の対抗比との比は１：１であってもよい。

この場合、ｎ番目の電極群を構成する正極と負極の対抗比よりも、ｎ番目の電極群上に積層されたｎ＋１番目の電極群を構成する正極と負極の対抗比が大きく、ｎ番目の電極群を構成する正極と負極の対抗比よりも、平面を基準として高さ方向の反対方向にｎ番目の電極群上に積層されたｎ−１番目の電極群を構成する正極と負極の対抗比が大きくてもよい。

このとき、ｎ番目の電極群を構成する電極の大きさまたは面積は、ｎ−１番目の電極群を構成する電極の大きさまたは面積及びｎ＋１番目の電極群を構成する電極の大きさまたは面積に比べて大きい。

電極群の境界での対抗比が、積層された電極群のうち対向面積が相対的に大きい電極群を構成する正極と負極の対抗比と同一または大きい条件を満足する限り、対向面積が相対的に小さい電極群を構成する正極と負極の対抗比は、対向面積が相対的に大きい電極群を構成する正極と負極の対抗比と同一または大きくてもよい。

また、電極群の境界での対抗比が、積層された電極群のうち対向面積が相対的に大きい電極群を構成する正極と負極の対抗比と同一または大きい条件を満足する限り、対向面積が相対的に小さい電極群を構成する負極のローディング量は、対向面積が相対的に大きい電極群を構成する負極のローディング量と同一または大きくともよい。

また、電極群の境界での対抗比が、積層された電極群のうち対向面積が相対的に大きい電極群を構成する正極と負極の対抗比と同一または大きい条件を満足する限り、対向面積が相対的に小さい電極群を構成する正極のローディング量は、対向面積が相対的に大きい電極群を構成する正極のローディング量と同一または小さくてもよい。

電極の空隙率が同じ条件において、電極のローディング量は、電極の厚さで確認することができ、電極の厚さは、イオンミリングを用いて確認することができる。

前記の単位セルの積層構造または電極群の積層構造において、同じ極性を有する極板のそれぞれの電極タブは、同一の仮想の垂直線を共有する位置に配列されるようにそれぞれの極板から突出して形成されていてもよい。

すなわち、同じ極性を有する極板のうち最も小さい大きさの極板の電極タブが形成された位置を基準として、残りの電極タブは、前記の最も小さい大きさの極板の電極タブと仮想の垂直線を共有する位置に形成されていてもよい。

例えば、それぞれの正極タブは、最も小さい大きさの正極板の正極タブが形成された位置を基準として、前記最も小さい大きさの正極板の正極タブと仮想の垂直線を共有する位置に形成されていてもよい。

上記において、平面は、任意の平面を意味するので、地面であってもよく、地面に垂直な平面であってもよい。したがって、前記の極板は、地面から高さ方向に積層されていてもよく、地面に垂直な平面において高さ方向に沿って積層されていてもよい。

理解の便宜のため、以下では、前記平面は地面を示すものとする。この場合、前記平面からの高さ方向は重力の反対方向を示し、高さ方向の反対方向は重力方向を示す。

例えば、上記において、“平面を基準として高さ方向に沿って積層される”ということは、極板が地面から重力方向及び／又は重力の反対方向に積層されることを意味することができる。したがって、極板の積層方向は、重力方向及び／又は重力の反対方向であってもよい。

具体的に、前記階段構造は、互いに異なる大きさの２つの電極群が、分離フィルムを挟んだ状態で積層され、分離フィルムで電極群の一側面、対向側面、または一側面及び対向側面を覆う場合に形成可能である。

また、前記階段構造は、互いに異なる大きさの３つの電極群が、分離フィルムを挟んで互いに反対の極性を有する極板が対面するように積層され、分離フィルムでそれぞれの電極群の一側面、対向側面、または一側面及び対向側面を覆う場合にも形成可能である。

上記の説明から、３つ以上の階段構造が形成される場合もまた当業者が容易に理解できるので、これについては、これ以上の詳細な説明を省略する。

このような階段構造が形成される部位は、特に限定されない。

具体的に、前記電極群が、前面のみが同一平面上に存在するように積層される場合、階段構造は、電極群の後面、一側面、または対向側面で形成され、前面、後面、側面が全て同一平面上に存在しないように積層される場合には、階段構造は、電極群の前面、後面、側面で全て形成され得る。具体例において、前記階段構造は、後面、側面のように電極タブ非形成部位に形成されていてもよい。

上記の説明から、階段構造が形成される部位は当業者が容易に理解できるので、これについては、これ以上の詳細な説明を省略する。

前記階段構造は、幅と高さを有し、前記幅は、積層された電極群の全幅または全長の差に対応する長さを有し、前記高さは、それぞれの段の高さの和であり、前記段の高さは、積層されたそれぞれの電極群の高さに対応する長さであり得る。前記幅及び／又は段の高さは、電極組立体を内蔵した電池セルが装着されたデバイスの曲率に応じて変化することができる。

前記階段構造は、（ｉ）段の高さは同一であり、幅が異なるか、または（ｉｉ）幅と段の高さが全て異なっていてもよい。

互いに異なる大きさの電極群の積層構造において、分離フィルムを挟んで隣接している極板のうち、相対的に大きさが大きい極板の極性は全て負極であってもよく、全て正極であってもよい。また、相対的に大きさが大きい極板の極性は正極または負極であってもよい。

分離フィルムを挟んで隣接している極板のうち、相対的に大きさが大きい極板が負極板である場合には、前記負極板は、外部から針状体などの物体が電池を押圧または貫通する場合、安全部材として作用して、一次的に微細短絡を誘発するので、電池の発火及び爆発を防止することができるという効果がある。

このような負極板の安全部材としての機能は、電池モジュールまたは電池パックを構成する一つの電池の発火及び爆発が、電池モジュール及び電池パック全体の発火及び爆発に繋がることがある電池モジュール及び電池パックにおいて特に重要である。

また、分離フィルムを挟んで隣接している極板のうち、相対的に大きさが大きい極板が負極板である場合には、分離フィルムを挟んで隣接している極板のうち、相対的に大きさが大きい極板が正極板である場合に比べて、充放電時に樹枝状成長を最小化することができる。

例えば、上記のように、分離フィルムを挟んで隣接している極板のうち、相対的に大きさが大きい極板の極性が全て負極である場合には、前記積層された単位セルのうち、最下段に積層されている単位セルの最下段の極板の極性は正極であってもよい。このとき、最下段の正極板は、分離板と接触する一面にのみ正極スラリーが塗布されていてもよく、詳細には、前記正極板の一面は、分離板を挟んで積層されている負極板の一面または対向面と対面する部位にのみ正極スラリーが塗布されていてもよい。

更に他の例として、分離フィルムを挟んで隣接している極板のうち、相対的に大きさが大きい極板の極性が全て正極である場合には、前記積層された単位セルのうち、最下段に積層されている単位セルの最下段の極板の極性は負極であってもよい。

本発明に係る電極組立体は、平面を基準として高さ方向に積層された単位セルと対称または非対称的に前記高さ方向の反対方向に、分離フィルムを挟んで互いに反対の極性を有する極板が対面するように、１つまたは２つ以上の単位セルが積層されていてもよい。

すなわち、電極群は、平面を基準として高さ方向及びその反対方向、すなわち、両方向に積層されていてもよく、この場合、平面を基準として高さ方向に積層される電極群と、前記高さ方向の反対方向に積層される電極群とは、互いに対称をなしながら積層されるか、または非対称的に積層されてもよい。

具体的に、前記電極群が対称的に両方向に積層される場合、高さ方向には前面のみが同一平面上に存在するように積層され、高さ方向の反対方向には、後面のみが同一平面上に存在するように積層されてもよく、また、高さ方向及び高さ方向の反対方向に、積層される電極群の一側面及び対向側面がそれぞれ同一平面上に存在することもできる。前記の配列は、本発明に係る一つの具体的な例であるので、単位セルの配列が前記の例に限定されるものではない。

上記でのように、電極群が、高さ方向には前面のみが同一平面上に存在するように積層され、高さ方向の反対方向には、後面のみが同一平面上に存在するように積層される場合、本発明に係る電極組立体は、高さ方向及び高さ方向と反対方向の両方向に積層された電極群が互いに非対称的に積層され得る。

また、前記電極群は、両方向に、前面、後面、一側面、対向側面が全て同一平面上に存在しないように積層されてもよく、この場合、本発明に係る電極組立体は、対称的な八角錐台の形状を有することができる。勿論、この場合にも、非対称的な八角錐台の形状を有するように電極群が積層されてもよいことは、上記の説明から当業者が容易に理解できるであろう。

前記一単位のシート状の分離フィルムは、互いに異なる単位セルの対面する正極と負極の短絡を防止するために、単位セルの一面及び対向面に位置することができ、一側面又は対向側面、または、一側面及び対向側面を覆うことによって、繰り返される充放電によって極板と分離板との間及び単位セルと分離フィルムとの間の界面接触を堅固に維持することができる。具体的に、分離フィルムを巻き取るときに発生する引張力は、極板と分離板との間及び単位セルと分離フィルムとの間の界面を密着する圧力を提供する。

上記のような分離フィルムは、上記の単位セルの一面及び対向面と一側面又は対向側面、または、一側面及び対向側面を全て覆う長さで形成することができる。

また、前記分離フィルムは、上記の長さよりも長い長さで形成されてもよく、この場合、単位セルの一面及び対向面と一側面又は対向側面、または一側面及び対向側面を全て覆ってから残った分離フィルムは、積層された単位セル全体を覆い、末端が熱融着またはテープで固定されてもよい。例えば、熱溶接機または熱板などを仕上げされる分離フィルムに接触させて、分離フィルム自体が熱により溶融されて接着固定されるようにすることができる。これによって、極板と分離板との間及び単位セルと分離フィルムとの間の界面接触をより堅固に維持することができる。

上記のような分離フィルムで単位セルの一面及び対向面と一側面又は対向側面、または一側面及び対向側面を全て覆う場合、分離フィルムは、単位セルの一面及び対向面に密着可能である。

但し、前記分離フィルムで単位セルの一面及び対向面と側面を覆った後、積層された単位セル全体を再び覆う場合には、前記分離フィルムは、互いに異なる大きさの単位セルの一側面、対向側面、または一側面及び対向側面に密着していないことがある。

したがって、この場合には、前記一側面、対向側面、または一側面及び対向側面から離隔している分離フィルムの部位を切断したり熱処理したりして、前記分離フィルムが、一側面、対向側面、または一側面及び対向側面に密着するようにすることができる。

また、前記分離フィルムで単位セルの一面及び対向面と一側面、対向側面、または一側面及び対向側面のみを覆う場合にも、前記分離フィルムは、互いに異なる大きさの単位セルの一側面、対向側面、または一側面及び対向側面に密着していないことがある。

したがって、この場合にも、前記一側面、対向側面、または一側面及び対向側面から離隔している分離フィルムの部位を切断したり熱処理したりして、前記分離フィルムが、一側面、対向側面、または一側面及び対向側面に密着するようにすることができる。

本発明はまた、前記の電極組立体が電池ケース内に内蔵されて電解質で含浸され、密封された構造からなるリチウム二次電池を提供する。前記リチウム二次電池の電極端子は、前記電極組立体のそれぞれの電極タブのそれぞれが電極リードに結合された構造であってもよい。

前記電極リードのそれぞれは、全幅、全長、全高のうちの１つ以上が互いに異なるか、または全幅、全長、全高が全て同一であってもよい。

前記電池ケースは、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートの電池ケースであって、本発明に係る階段構造の電極組立体が内蔵される収納部が形成されていてもよく、前記収納部は、本発明に係る階段構造の電極組立体の形状に対応する階段構造の形状を有することができる。

前記リチウム二次電池は、携帯電話、携帯用コンピュータ、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、及び電力貯蔵装置などの電源として使用することができる。

従来の代表的なパウチ型二次電池の分解斜視図である。 従来の代表的なパウチ型二次電池の分解斜視図である。 本発明に係る電極組立体を構成する極板及び分離板の斜視図と垂直断面図を模式的に示した図である。 本発明に係る電極組立体を構成する極板及び分離板の斜視図と垂直断面図を模式的に示した図である。 最上段の極板と最下段の極板の極性が同一である単位セルの垂直断面図の模式図である。 本発明の一実施例に係る電極組立体の垂直断面図の模式図である。 本発明の他の一実施例に係る電極組立体の垂直断面図の模式図である。 本発明の他の一実施例に係る電極組立体の垂直断面図の模式図である。 本発明の更に他の一実施例に係る電極組立体の展開図の模式図である。 本発明の更に他の一実施例に係る電極組立体の垂直断面図である。 本発明の更に他の一実施例に係る電極組立体の垂直断面図である。 従来の２ｎ＋１個のＳ型単位セルで構成された電極組立体と、本発明の一実施例に係る電極組立体との厚さ対比容量を比較したグラフである。 本発明に係る実施例と比較例のサイクル特性を比較した比較実験結果である。 本発明の非制限的な一実施例に係る第１極板積層体の構造を模式的に示した断面図である。 本発明の非制限的な一実施例に係る第２極板積層体の構造を模式的に示した断面図である。 図１３及び図１４の第１極板積層体と第２極板積層体からなる積層型単位セルの構造を模式的に示した断面図である。 図１３の第１極板積層体の固定構造の模式図である。 本発明の非制限的な一実施例に係る第１極板積層体の製造工程を模式的に示した図である。 本発明の更に他の実施例に係る電極組立体の平面図である。

以下、実施例及び図面を参照して本発明をより詳述するが、下記の実施例及び図面は、本発明を例示するためのものであり、本発明の範疇がこれらに限定されるものではない。

図２及び図３には、本発明に係る電極組立体を構成する正極板１３０、負極板１７０及び分離板１５０が模式的に示されている。図２及び図３を共に参照すると、正極板１３０は、正極集電体１３６上に正極スラリー１３２が塗布されている構造であり、負極板１７０は、負極集電体１７６に負極スラリー１７２が塗布されている構造である。

図２の正極板１３０は、正極スラリー１３２が正極集電体１３６の上下両面に塗布されており、負極板１７０は、負極スラリー１７２が負極集電体１７６の上下両面に塗布されている。図２及び図３の正極板１３０及び負極板１７０は、全長Ｌ１、全幅Ｓ１、全高Ｈを有する平行直方体の形状からなっている。

図４には、図３の正極板１３０と負極板１７０とが、分離板１５０を挟んで、積層面と平行な平面を基準として高さ方向に沿って交互に積層されている単位セル４００の垂直断面図が模式的に示されている。

図４の単位セル３１０，３２０，３３０は、積層された極板のうち最上段の極板と最下段の極板の極性が互いに同一である。単位セル３３０の最下段に積層されている正極板は、上段に積層された分離板と直接接触する一面にのみ正極スラリーが塗布されている。

図５には、図４の単位セルのみで構成した本発明に係る電極組立体の垂直断面図が模式的に示されている。

具体的に、最下段には、最も全幅が長い単位セル４００Ｊ，４００Ｈ，４００Ｆ，４００Ｄ，４００Ｂ，４００Ａが平面を基準として高さ方向に沿って順次積層されており、単位セル４００Ａの上段には、単位セル４００Ｊ，４００Ｈ，４００Ｆ，４００Ｄ，４００Ｂ，４００Ａに比べて全幅が短く、互いに同じ大きさの全幅を有する単位セル４００Ｃ，４００Ｅが順次積層されており、単位セル４００Ｅの上段には、単位セル４００Ｃ，４００Ｅに比べて全幅が短く、互いに同じ全幅を有する単位セル４００Ｇ，４００Ｉが順次積層されている。このとき、最下段の単位セル４００Ｊは図４の単位セル３３０であり、単位セル４００Ｈ，４００Ｄ，４００Ａ，４００Ｅ，４００Ｉは図４の単位セル３１０であり、単位セル４００Ｆ，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｇは図４の単位セル３２０である。

単位セル４００Ｊ，４００Ｈ，４００Ｆ，４００Ｄ，４００Ｂ，４００Ａ，４００Ｃ，４００Ｅ，４００Ｇ，４００Ｉは、その一側面又は対向側面が一致するように、または同一平面上に存在するように積層されている。

単位セル４００Ｊ，４００Ｈ，４００Ｆ，４００Ｄ，４００Ｂ，４００Ａは、一つの第１電極群を構成しており、単位セル４００Ｃ，４００Ｅは、他の一つの第２電極群を構成しており、単位セル４００Ｇ，４００Ｉは、更に他の一つの第３電極群を構成している。それぞれの電極群には、同じ大きさの単位セルが偶数個積層されており、第１電極群、第２電極群、第３電極群は互いに全幅が異なる。

すなわち、第１電極群と第２電極群の積層面には、第１電極群と第２電極群との全幅の差だけの空間が形成される。また、第２電極群と第３電極群の積層面にも、第２電極群と第３電極群との全幅の差だけの空間が形成される。したがって、単位セル４００Ｊ，４００Ｈ，４００Ｆ，４００Ｄ，４００Ｂ，４００Ａ，４００Ｃ，４００Ｅ，４００Ｇ，４００Ｉの積層構造は、幅と高さのある階段構造を形成する。幅は、第１電極群、第２電極群、第３電極群の全幅の差に応じて変化し得る。このような階段構造の幅を構成する単位セルは、最上段と最下段の極板の極性が負極である単位セルである。

図５の電極組立体は、図４の単位セルを使用して説明した場合であるから、全幅が異なる場合として説明しているだけである。したがって、全幅が互いに異なる場合だけでなく、全長が互いに異なる場合にも全長の差だけの幅が形成され得ることは、上記の説明から当業者が容易に理解できるであろう。

また、図５において、単位セル４００Ｊ，４００Ｈ，４００Ｆ，４００Ｄ，４００Ｂ，４００Ａ，４００Ｃ，４００Ｅ，４００Ｇ，４００Ｉはその高さが全て同一であるので、５個の単位セル４００Ｊ，４００Ｈ，４００Ｆ，４００Ｄ，４００Ｂ，４００Ａの高さの和は、２個の単位セル４００Ｃ，４００Ｅの高さの和よりも大きい。その結果、図５の電極組立体は、高さの差がある階段構造を含んでいる。このような幅と高さは、曲線処理されたデバイスの曲率に応じて変化できることは、前述した通りである。

単位セル４００Ｊ，４００Ｈ，４００Ｆ，４００Ｄ，４００Ｂ，４００Ａ，４００Ｃ，４００Ｅ，４００Ｇ，４００Ｉの一面と対向面及び一側面と対向側面は、分離フィルム４５０で覆われており、単位セル４００Ｊ，４００Ｈ，４００Ｆ，４００Ｄ，４００Ｂ，４００Ａ，４００Ｃ，４００Ｅ，４００Ｇ，４００Ｉが積層されている構造物の外周面もまた分離フィルム４５０で覆われている。

分離フィルム４５０は、単位セル４００Ｊ，４００Ｈ，４００Ｆ，４００Ｄ，４００Ｂ，４００Ａ，４００Ｃ，４００Ｅ，４００Ｇ，４００Ｉが積層されている構造物の外周面を覆った後、熱融着で固定されるか、またはテープで固定されてもよい。図７において、分離フィルム４５０は、単位セル４００Ｊ，４００Ｈ，４００Ｆ，４００Ｄ，４００Ｂ，４００Ａ，４００Ｃ，４００Ｅ，４００Ｇ，４００Ｉが積層されている構造物の外周面を覆った後、テープで固定されている。

これと関連して、図６を参照すると、分離フィルム４５０に熱を加えて、単位セル４００Ｊ，４００Ｈ，４００Ｆ，４００Ｄ，４００Ｂ，４００Ａ，４００Ｃ，４００Ｅ，４００Ｇ，４００Ｉの階段構造が形成されている一側面または対向側面に密着させた点で、図５の電極組立体と異なる（点線円（Ｉ）参照）。

また、図７を参照すると、分離フィルム４５０は、単位セル４００Ｊ，４００Ｈ，４００Ｆ，４００Ｄ，４００Ｂ，４００Ａ，４００Ｃ，４００Ｅ，４００Ｇ，４００Ｉの一面と対向面及び一側面と対向側面に密着している。具体的に、点線で表示された円領域（ＩＩ）を参照すると、分離フィルム４５０は、単位セル４００Ｊ，４００Ｈ，４００Ｆ，４００Ｄ，４００Ｂ，４００Ａ，４００Ｃ，４００Ｅ，４００Ｇ，４００Ｉの階段構造が形成されている一側面または対向面に密着するために、切断されていることを確認することができる。

図８には、本発明の他の実施例に係る電極組立体の展開図が示されている。

具体的に、単位セル４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｄ，４００Ｅ，４００Ｆ，４００Ｇ，４００Ｈ，４００Ｉ，４００Ｊは、全幅Ｓ１及び全長Ｌ１が互いに異なる点で、全幅が互いに異なる単位セルからなる図５乃至図７の電極組立体と異なる。

最も大きい全長Ｌ１を有する単位セル４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｄ，４００Ｆ，４００Ｈ，４００Ｊに対応する幅を有する分離フィルム上に、分離フィルム４５０の長さＳ方向に沿って、単位セル４００Ａが、その全幅Ｓ１と単位セル４００Ｂの高さとの和に該当する距離だけ単位セル４００Ｂと離隔し、単位セル４００Ｃが、単位セル４００Ａ，４００Ｂの高さと分離フィルムの厚さとの和に該当する距離だけ単位セル４００Ｂと離隔する方式で、単位セル４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｄ，４００Ｅ，４００Ｆ，４００Ｇ，４００Ｈ，４００Ｉ，４００Ｊが所定の距離で離隔した状態で、順に分離フィルム４５０に配列されており、単位セル４００Ａが巻き始め点に位置し、単位セル４００Ｊが巻き終わり点に位置している。

単位セル４００Ｊ，４００Ｈ，４００Ｆ，４００Ｄ，４００Ｂ，４００Ａは、一つの第１電極群を構成しており、単位セル４００Ｃ，４００Ｅは、他の一つの第２電極群を構成しており、単位セル４００Ｇ，４００Ｉは、更に他の一つの第３電極群を構成している。

それぞれの電極群には、同じ大きさの単位セルが偶数個積層されており、第１電極群、第２電極群、第３電極群は、互いに全幅及び全長が異なる。

単位セル４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｄ，４００Ｅ，４００Ｆ，４００Ｇ，４００Ｈ，４００Ｉ，４００Ｊが配列されている分離フィルムを巻き取ることによって、全幅と全長が異なる単位セルが積層されている電極組立体を作製することができる。

図８において、単位セル４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｄ，４００Ｅ，４００Ｆ，４００Ｇ，４００Ｈ，４００Ｉ，４００Ｊは、平面視で角のうち１つが曲線をなしている。勿論、平面視で角が直角をなしている場合にも、図８のように単位セル４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｄ，４００Ｅ，４００Ｆ，４００Ｇ，４００Ｈ，４００Ｉ，４００Ｊを配列して電極組立体を作製できることは勿論である。また、全幅のみが異なる図５乃至図７の単位セル４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｄ，４００Ｅ，４００Ｆ，４００Ｇ，４００Ｈ，４００Ｉ，４００Ｊを配列して図５乃至図７の電極組立体を作製できることは、上記の説明から当業者が容易に理解できるであろう。

図８において、単位セル４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｄ，４００Ｆ，４００Ｈ，４００Ｊの電極タブの全幅は、単位セル４００Ｃ，４００Ｅの電極タブの全幅に比べて大きい。同様に、単位セル４００Ｃ，４００Ｅの電極タブの全幅は、単位セル４００Ｇ，４００Ｉの電極タブの全幅に比べて大きい。

具体的に、単位セル４００Ｂと単位セル４００Ｉのそれぞれの正極タブ１３８Ｂ，１３８Ｉの全幅は互いに異なる。また、単位セル４００Ｄと単位セル４００Ｇのそれぞれの正極タブ１３８Ｄ，１３８Ｇの全幅は互いに異なる。

図８には、分離フィルム４５０が単位セル４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｄ，４００Ｅ，４００Ｆ，４００Ｇ，４００Ｈ，４００Ｉ，４００Ｊの一面と対向面及び一側面と対向側面を覆う長さＳを有しているように表現されているが、単位セル４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｄ，４００Ｅ，４００Ｆ，４００Ｇ，４００Ｈ，４００Ｉ，４００Ｊが積層されている構造物の外周面を覆うことができる長さを有することができることは、当業者に容易に理解されるであろう。

図９の電極組立体は、分離フィルム４５０が単位セル４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｄ，４００Ｅ，４００Ｆ，４００Ｇ，４００Ｈ，４００Ｉ，４００Ｊの一側面または対向側面のみを覆っており、単位セル４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｄ，４００Ｅ，４００Ｆ，４００Ｇ，４００Ｈ，４００Ｉ，４００Ｊの一側面及び対向側面が不一致または同一平面上に存在しないという点で、図５の電極組立体と異なる。

図１０の電極組立体は、単位セル４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｄ，４００Ｅ，４００Ｆ，４００Ｇ，４００Ｈ，４００Ｉ，４００Ｊが高さ方向及び高さ方向と反対方向の両方向に対称的に積層されている点で、図９の電極組立体と異なる。

このとき、単位セル４００Ｉ，４００Ｊは第１電極群を構成し、単位セル４００Ｈ，４００Ｇは第２電極群を構成し、単位セル４００Ｆ，４００Ｅは第３電極群を構成し、単位セル４００Ｄ，４００Ｃは第４電極群を構成し、単位セル４００Ｂ，４００Ａは第５電極群を構成する。図１０を参照すると、分離フィルム４５０を挟んで互いに反対の極性を有する極板のうち、相対的に全幅が長い極板は、負極板であってもよく、正極板であってもよい。

図１３は、第１極板積層体の模式的な断面図を示しており、図１４は、第２極板積層体の模式的な断面図を示している。

第１極板積層体は、図１３に示した構造のように、分離板６１０、正極板６２０、分離板６３０、負極板６４０が順次積層された状態で接合された構造からなっている。

第２極板積層体は、図１４に示した構造のように、分離板７１０、負極板７２０、分離板７３０が順次積層された状態で接合された構造からなっている。

図１５は、図１３の第１極板積層体が積層された第１極板積層体の最上段に図１４の第２極板積層体が積層された構造のスタック型電極群が示されている。

図１６には、図３の第１極板積層体に固定部材がさらに付加された実施例が示されている。具体的に、第１極板積層体３００の側面または前面には、固定部材Ｔ_１がさらに付加されている。

単純な積層構造であるから、積層の安定性を確保するために、積層された構造の側面に別個の部材を用いて固定を行うことができ、このような固定部材は、図１８（ａ）に示すように、第１極板積層体３００の全面をテーピングする方式で具現するか、または１６（ｂ）に示すように、第１極板積層体３００の側面のみを固定する固定部材Ｔ_２として具現することが可能である。

図１７は、本発明に係る第１極板積層体の製造工程を示す工程模式図である。

図示のように、分離板８１０、正極板８２０、分離板８３０、負極板８４０の材料（シート状の構造でローディングされるローディングユニットを利用）を同時にローディングし、中間層として用いられる正極板８２０を、設計された大きさに切断してローディングし、その後、上部と下部に配置された分離板８１０，８３０が同時にローディングされると同時に、負極板８４０の材料が共にラミネーターＬ_１，Ｌ_２にローディングされる。

その後、ラミネーターでは、熱及び圧力で２つの電極板と２つの分離板が接着された構造体、すなわち、第１極板積層体を具現することになり、次いで、切断機Ｃ３を用いて切断することで、第１極板積層体を完成した後、厚さ検査（ａ）、ビジョン検査（ｂ）、ショート検査（ｃ）などの検査工程をさらに行うことができる。

その後、このように形成された第１極板積層体は、固定部材を用いて固定するか、または積層を通じて複数の第１極板積層体が積層された構造物として形成した後、図１４の第２極板積層体を積層し、固定部材を用いて固定する工程を通じて、スタック型電極群を完成することができる。

図１８は、本発明の更に他の実施例に係る平面図が示されている。

図１８の電極組立体は、互いに異なる大きさを有する２つの極板積層体９１０，９２０が積層されることで、階段構造が形成された電極組立体９００を形成する。このような電極組立体は、極板積層体の大きさ及び個数に応じて、幅と高さがある１つ又は２つ以上の階段構造を形成することができる。

＜実験例１＞

本発明の一実施例に係る８個の単位セルからなる電極組立体、及び従来技術に係る９個の単位セルからなる電極組立体のエネルギー密度を測定し、その結果を図１１に示す。

図１１を参照すると、８個の単位セルからなる本発明に係る電極組立体が、従来の９個の単位セルからなる電極組立体に比べて、同じ厚さにおいて高容量を有することを確認することができる。

具体的に、同じ厚さ３．９ｍｍにおいて、８個の単位セルからなる本発明に係る電極組立体は１５００ｍＡｈの容量を有する一方、従来の９個の単位セルからなる電極組立体は１４５０ｍＡｈの容量を有することから、８個の単位セルからなる本発明に係る電極組立体は、従来の９個の単位セルからなる電極組立体に比べて、同じ厚さにおいて約３％の容量が増加したことを確認することができる。

＜実験例２＞

本発明の一実施例に係る８個の単位セルからなる電極組立体、及び９個の単位セルからなる電極組立体の安全性をテストし、その結果を下記の表１に示す。

＜実験例３＞

本発明の一実施例に係る８個の単位セルからなる電極組立体、及び９個の単位セルからなる電極組立体の釘刺し実験を行い、その結果を下記の表２に示す。

＜実施例＞

下記の表３乃至表５でのように正極板と負極板を作製して、本発明に係る電極群積層体を作製した。このとき、１段を構成する正極と負極の面積は、２段を構成する正極と負極の面積に比べて大きく、２段を構成する正極と負極の面積は、３段を構成する正極と負極の面積に比べて大きい。

＜実験例３＞

実施例及び比較例に係る電極群積層体を内蔵したリチウム二次電池を用いて、２５℃で５００回充放電を繰り返して実施した後、その結果を図１０に示す。

５００回の充放電を実施したときの電気容量が１回充放電後の電気容量対比６０％以上であり、電極組立体全体の厚さ変化率が１５％以下であることを確認することができる。

前記電気容量は、次のような方式で測定した。

電池の最小容量を１時間に流すときの電流の量を１Ｃと定義する。

充電は、ＣＣ／ＣＶの条件で、１Ｃで４．２Ｖまたは４．３５ＶまでＣＣモードで充電した後、ＣＶモードに変えて、充電電流の量が電池の最小容量の１／２０になるまで流して充電を終了する。充電時間は、約１時間３０分かかった。

充電後、放電前には１０分の休止時間をおき、放電は、ＣＣモードで１Ｃで放電電流を流したとき、電池が３．０Ｖに到達すると終了し、放電時間は、約１時間１０分かかり、再び充電する前までは１０分の休止時間をおく。

前記電極群積層体の厚さ変化率は、（５００回充放電実施後の電極群積層体全体の厚さ／１回充放電実施後の電極群積層体全体の厚さ）×１００で計算することができる。

本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。

以上で説明したように、本発明に係る電極組立体は、デバイスの曲率に応じて変化する階段構造を含んでいるので、従来の電極組立体とは異なり、デバイスの内部のデッドスペースを活用して、デバイスの体積当たりの容量を向上させるという効果がある。

また、本発明に係る電極組立体は、２ｎ＋１（ここで、ｎは、１以上の自然数）個の単位セルを重ねた電極組立体に比べて、同じ厚さにおいて高エネルギー密度特性を発揮するという効果がある。

また、本発明に係る電極組立体は、外部の衝撃または釘刺しに対する安全性が向上するという効果がある。

１ デバイス
１０ パウチ型電池
２０ 電極組立体
２１ 電極タブ
２２ 電極タブ
３０ 電極リード
３１ 電極リード
４０ 電池ケース
４１ 収納部
４２ 下部ケース
４３ 上部ケース
４４ 上端シーリング部
４５ 側面シーリング部
４６ 側面シーリング部
４７ 下端シーリング部
６０ 電気容量対比
１３０ 正極板
１３２ 正極スラリー
１３６ 正極集電体
１３８Ｂ 正極タブ
１３８Ｄ 正極タブ
１３８Ｇ 正極タブ
１３８Ｉ 正極タブ
１５０ 分離板
１７０ 負極板
１７２ 負極スラリー
１７６ 負極集電体
３００ 第１極板積層体
３１０ 単位セル
３２０ 単位セル
３３０ 単位セル
４００ 単位セル
４５０ 分離フィルム
６１０ 分離板
６２０ 正極板
６３０ 分離板
６４０ 負極板
７１０ 分離板
７２０ 負極板
７３０ 分離板
８１０ 分離板
８２０ 正極板
８３０ 分離板
８４０ 負極板
９００ 電極組立体
９１０ 極板積層体
９２０ 極板積層体

Claims (21)

1. 分離板を挟んで互いに反対の極性を有する極板が平面を基準として高さ方向に積層されており、最上段と最下段の極板の極性が互いに同一であり、電極タブが極板から突出して形成されている構造の偶数個の単位セルと、
   前記単位セルの一面及び対向面と、電極タブ非形成部位である単位セルの側面とを覆っている一単位のシート状の分離フィルムとを含み、
   前記単位セルは、前記分離フィルムを挟んで互いに反対の極性を有する極板が対面するように、平面を基準として高さ方向に沿って積層されており、
   互いに異なる大きさの単位セルの積層構造を含んでいることを特徴とする、電極組立体。
2. 前記分離フィルムを挟んで隣接している極板のうち、相対的に大きさが大きい極板の極性は全て負極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. 前記分離フィルムを挟んで隣接している極板のうち、相対的に大きさが大きい極板の極性は全て正極であることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
4. 前記分離フィルムを挟んで隣接している極板のうち、相対的に大きさが大きい極板の極性は負極または正極であることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
5. 前記積層された単位セルのうち、最下段に積層されている単位セルの最下段の極板の極性が負極であることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
6. 前記積層された単位セルのうち、最下段に積層されている単位セルの最下段の極板の極性が正極であることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
7. 前記最下段の正極板は、分離板と接触する一面にのみ正極スラリーが塗布されていることを特徴とする、請求項６に記載の電極組立体。
8. 前記最下段の正極板の一面は、分離板を挟んで積層されている負極板の一面に対応する部位にのみ正極スラリーが塗布されていることを特徴とする、請求項７に記載の電極組立体。
9. 平面を基準として高さ方向に積層された単位セルと対称または非対称的に前記高さ方向の反対方向に、分離フィルムを挟んで互いに反対の極性を有する極板が対面するように、１つまたは２つ以上の単位セルが積層されていることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
10. 前記階段構造は、電極タブ非形成部位に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
11. 前記極板は、電極タブ形成部位の長さである全幅、電極タブ非形成部位の長さである全長、及び極板の高さである全高を有する平行六面体の形状であることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
12. 前記極板は、全長＞全幅＞全高の順に短くなる直方体形状であることを特徴とする、請求項１１に記載の電極組立体。
13. 前記極板は、全長と全幅が同一であり、全幅に比べて全高が短い直方体形状であることを特徴とする、請求項１１に記載の電極組立体。
14. 前記極板は、全長、全幅及び全高が全て同一である立方体形状であることを特徴とする、請求項１１に記載の電極組立体。
15. 前記極板は、角のうちの少なくとも１つが曲線をなしていることを特徴とする、請求項１１に記載の電極組立体。
16. 前記階段構造は、（ｉ）段の高さは同一であり、幅が互いに異なるか、または（ｉｉ）幅と段の高さが全て異なることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
17. 前記幅及び／又は段の高さは、電極組立体を内蔵した電池セルが装着されたデバイスの曲率に応じて変化することを特徴とする、請求項１６に記載の電極組立体。
18. 前記幅は、積層された電極群の全幅の差または全長の差に対応し、前記段の高さは、電極群の高さに該当することを特徴とする、請求項１６に記載の電極組立体。
19. 前記分離フィルムは、前記単位セルの一面及び対向面と、電極タブ非形成部位である単位セルの側面とに密着していることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
20. 前記分離フィルムは、積層された電極群全体を覆い、末端が熱融着またはテープで固定されていることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
21. 請求項１乃至２０のいずれかに記載の電極組立体が電池ケース内に内蔵されて電解質で含浸され、密封された構造からなる、リチウム二次電池。

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