JP2015536530A - ずれた配列構造の電極組立体を含む電池セル - Google Patents
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Abstract
本発明は、正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在した分離膜の構造を有する２つ以上の電極組立体が電池ケースに内蔵されている電池セルであって、前記電極組立体は、電極端子の位置を基準として垂直方向に積層されており、電極組立体の界面において、上部位置の電極組立体の一側下端縁部は、下部位置の電極組立体の上面と接し、下部位置の電極組立体の一側上端縁部は、上部位置の電極組立体の下面と接する構造で積層されており、前記電池ケースは、電極組立体の積層外形に対応する内面形状からなることを特徴とする電池セルを提供する。
Description
本発明は、ずれた配列構造の電極組立体を含む電池セルに係り、より詳細には、正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在した分離膜の構造を有する２つ以上の電極組立体が電池ケースに内蔵されている電池セルであって、前記電極組立体は、電極端子の位置を基準として垂直方向に積層されており、電極組立体の界面において、上部位置の電極組立体の一側下端縁部は、下部位置の電極組立体の上面と接し、下部位置の電極組立体の一側上端縁部は、上部位置の電極組立体の下面と接する構造で積層されており、前記電池ケースは、電極組立体の積層外形に対応する内面形状からなることを特徴とする電池セルに関する。
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、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、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。
このようなリチウム二次電池は、電池ケースの形状によって、電極組立体が円筒形又は角形の金属缶に内蔵されている円筒型電池及び角型電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに内蔵されているパウチ型電池とに分類される。
また、電池ケースに内蔵される前記電極組立体は、正極／分離膜／負極の積層構造からなる充放電可能な発電素子であって、活物質が塗布された長いシート状の正極と負極との間に分離膜を介在して巻き取ったジェリーロール型と、所定の大きさの多数の正極と負極とを分離膜が介在した状態で順次積層したスタック型と、これらが複合されたスタック／フォールディング型とに分類される。
そのうち角形電池の一般的な構造が図１に開示されている。
図１を参照すると、角形電池５０は、ジェリーロール型電極組立体１０が角形の金属ケース２０に内蔵されており、ケース２０の開放上端に、突出状の電極端子（例えば、負極端子：３２）が形成されているトップキャップ３０が結合されている構造からなっている。
電極組立体１０の負極は、負極タブ１２を介してトップキャップ３０上の負極端子３２の下端に電気的に接続され、そのような負極端子３２は、絶縁部材３４によってトップキャップ３０から絶縁されている。一方、電極組立体１０のさらに他の電極（例えば、正極）は、その正極タブ１４が、アルミニウム、ステンレススチールなどのような導電性素材からなっているトップキャップ３０に電気的に接続されて、それ自体として正極端子を形成する。
また、電極タブ１２，１４を除いて、電極組立体１０とトップキャップ３０との電気的絶縁状態を保障するために、角形ケース２０と電極組立体１０との間にシート状の絶縁部材４０を挿入した後、トップキャップ３０を覆い、トップキャップ３０とケース２０との接触面に沿って溶接してこれらを結合する。その後、電解液注入口４３を介して電解液を注入した後、溶接して密封し、エポキシなどで溶接部位を塗布することによって、電池が製造される。
しかし、最近は、スリムなタイプまたは様々なデザイントレンドにより、新しい形態の電池セルが要求されている実情である。具体的に、デバイスの小型化及び薄型化に伴い、電池の収納空間に十分な余裕がない状態でも効率的な構造で装着可能な電池セルが必要である。
また、従来のデバイスは、略直方体の形状に製造されたが、最近は、様々な形態の外形を有する構造のデバイスが開発されており、一般に、直方体または円筒形からなる電池セルの場合、上記のようなデバイスの内部に効率的に装着しにくい場合が発生し得るという問題があった。
例えば、スマートフォンの場合には、把持感の向上のために、側面を曲線処理することができる。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、直方体状の電池セル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という問題がある。
すなわち、曲線処理された部分には、電池セルを装着できないデッドスペース（dead space）が形成され、このようなデッドスペースは、デバイス体積当たりの容量を低下させるという問題を発生させる。
したがって、様々な構造のデバイスにおいてもデッドスペースを減少させ、容量を極大化させて、装着効率を高めることができる構造の電池セルに対する必要性が高い実情である。
本発明は、上記のような従来技術の問題点及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
具体的に、本発明の目的は、電池セルをデバイスの様々な空間に装着可能な構造に設計して、デバイスの内部空間の活用度を極大化し、一般的に長方形の構造を有するデバイスの外形構造を超えて、様々な外形を有するデバイスにおいても効率的に装着可能な電池セルを提供するものである。
このような目的を達成するための本発明に係る電池セルは、正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在した分離膜の構造を有する２つ以上の電極組立体が電池ケースに内蔵されている電池セルであって、
前記電極組立体は、電極端子の位置を基準として垂直方向に積層されており、電極組立体の界面において、上部位置の電極組立体の一側下端縁部は下部位置の電極組立体の上面と接し、下部位置の電極組立体の一側上端縁部は上部位置の電極組立体の下面と接する構造で積層されており、
前記電池ケースは、電極組立体の積層外形に対応する内面形状を含む構造からなっている。
前記電極組立体は、電極端子の位置を基準として垂直方向に積層されており、電極組立体の界面において、上部位置の電極組立体の一側下端縁部は下部位置の電極組立体の上面と接し、下部位置の電極組立体の一側上端縁部は上部位置の電極組立体の下面と接する構造で積層されており、
前記電池ケースは、電極組立体の積層外形に対応する内面形状を含む構造からなっている。
すなわち、本発明に係る電池セルは、２つ以上の電極組立体が互いにずれた形状で積層されている構造を含んでいる。したがって、本発明に係る電池セルは、上記のような特定の構造に基づいて、様々な容量及び大きさを有する電池セルとして作製することができ、このような電池セルを装着するデバイスの製造において、電池セルをデバイスの様々な空間に効率的に装着できるので、デバイスの内部の空間活用度を極大化することができる。
前記電極組立体は、特に限定されずに様々な構造で形成することができ、多数の電極組立体が積層されたとき、体積を減少させ、空間を効率的に活用することができる、全体的に板状の六面体構造で形成することができる。
前記電極組立体は、正極と負極を構成する構造であれば、特に限定されるものではなく、好ましくは、巻き取り型構造、スタック型構造、及びスタック／フォールディング型構造を挙げることができる。スタック／フォールディング型構造の電極組立体についての詳細は、本出願人の特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に開示されており、前記出願は、本発明の内容に参照として組み込まれる。
一具体例において、前記電極組立体は、巻き取り型構造であって、垂直断面視でそれぞれ高さよりも相対的に長さが長い楕円形状のジェリーロール型からなることができる。
本発明の電極組立体において、最外郭に位置する電極は同じ極性を有する構造であってもよく、または異なる極性を有する構造であってもよい。
一具体例において、前記電極組立体は、スタック型構造またはスタック／フォールディング型構造であり、積層された状態で最外郭に位置する電極は同一の極性を有する構造からなることができる。具体的に、前記スタック型構造またはスタック／フォールディング型構造において、正極／分離膜／負極の積層構造の最上部及び最下部に位置する電極は負極であってもよい。
一方、前記スタック／フォールディング型構造は、フォールディングされて積層構造を具現する構造において上下部に配置される電極組立体間にアラインメントを精密に具現することが難しいため、信頼性のある品質の組立体を具現することが難しいという欠点がある。
このような欠点を解決するために、前記電極組立体は、ラミネーション−スタック型構造で形成されてもよく、前記ラミネーション−スタック型構造は、負極／分離膜／正極／分離膜または正極／分離膜／負極／分離膜の順次積層構造を基本単位体（radical cell）とし、前記基本単位体が少なくとも１つ以上積層される構造を含む構造で形成される。したがって、電極組立体の製造のためのフルセルまたはバイセルのフォールディング工程を必要とせず、前記基本単位体（radical cell）の単純積層工程のみで電極組立体を具現することによって、工程を簡素化させることができる。
このとき、前記電極組立体は、前記基本単位体が多数積層された構造の上部には、分離膜／負極／分離膜の順次積層構造である最外郭単位体（radical final cell）が配置されてもよい。
本発明の電池セルでは、上記のように、電極組立体が巻き取り型、スタック型、スタック／フォールディング型、またはラミネーション−スタック型に形成されてもよいが、これらが２つ以上組み合わされた形態で１つの電池ケースに内蔵された形態も可能であることは勿論である。
前記電極組立体は、電極端子が同じ方向に配列されるように積層された構造であってもよい。したがって、同じ方向に配列された電極端子は、正極端子及び負極端子がそれぞれ互いに接続される構造からなることができる。
このとき、前記電極端子が突出している電極組立体の一面は上下に隣接する構造を形成するように前記電極組立体を積層させることによって、前記電極端子を容易に接続できる構造からなることができる。
上記で言及したように、前記電極組立体は、上部位置の電極組立体の一側下端縁部は下部位置の電極組立体の上面と接し、下部位置の電極組立体の一側上端縁部は上部位置の電極組立体の下面と接する構造で積層されており、このとき、前記下部位置の電極組立体の上面と接する上部位置の電極組立体の一側下端縁部、及び前記上部位置の電極組立体の下面と接する下部位置の電極組立体の一側上端縁部は、それぞれ電極端子が突出している方向を基準として垂直方向の縁部のうちの１つであってもよい。このような構造により、電極組立体は、ずれた形状で積層される。
一例として、前記電極組立体がずれた形状で積層されており、そのうち、上部位置の電極組立体の下面は、例えば、２０〜９５％の面積、詳細には、２５〜９０％の面積、より詳細には、３０〜８５％の面積で下部位置の電極組立体の上面と対面する構造からなることができる。
前記電極組立体は、互いに同一の大きさを有する構造からなってもよく、または前記電極組立体のうちの少なくとも２つの電極組立体は互いに異なる大きさを有する構造で形成されてもよく、それぞれの電極組立体の大きさ及び形状は特に限定されない。例えば、積層されている２つの電極組立体は、厚さ、横幅（横の長さ）及び縦幅（縦の長さ）のうちの少なくとも１つが異なる構造からなってもよい。
前記電池ケースは、樹脂層と金属層を含むラミネートシートの電池ケースであってもよく、金属缶であってもよい。
前記金属缶型の電池ケースは、金属素材またはプラスチック素材からなっていてもよく、前記パウチ型電池ケースは、樹脂層と金属層を含むラミネートシートからなることができる。
前記ラミネートシートは、金属遮断層の両面に樹脂層が塗布されている構造であってもよく、例えば、金属遮断層の一面（外面）に耐久性に優れた樹脂外郭層が付加され、他面（内面）に熱溶融性の樹脂シーラント層が付加されている構造であってもよい。
一具体例において、前記金属遮断層の素材としては、ガスなどに対する遮断特性及び薄膜形態の加工を可能にする軟性を有するアルミニウムを使用することができる。
前記樹脂外郭層は、外部環境から優れた耐性を有しなければならないので、その素材としては、所定以上の引張強度及び耐候性を有する高分子樹脂として、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）と延伸ナイロンフィルムなどを使用することができる。
また、前記樹脂シーラント層の素材としては、熱融着性（熱接着性）を有し、電解液の浸透を抑制するために吸湿性が低く、電解液によって膨張または侵食しない無延伸ポリプロピレンフィルム（ＣＰＰ）系樹脂などを使用することができる。
一般に、缶型電池ケースの場合には、電極組立体の導入のために開放された一側または両側の空間が蓋で覆われた状態で溶接する方式で密封することができ、パウチ型電池ケースの場合には、収納部の外周面を熱融着する方式で密封することができる。
前記ラミネートシートの電池ケースと金属缶には、本発明に係る特異な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、本発明に係る特異な構造の電極組立体の形状に対応する幅及び高さを有する段差構造の形状を有することができる。
例えば、前記電池ケースがラミネートシートの電池ケースである場合、前記ラミネートシートの電池ケースは、上部ケース及び下部ケースからなることができ、前記上部ケースと下部ケースは、互いに結合されて密封された空間上に、積層された電極組立体を収容できるように、電極組立体の積層外形に対応して収納部が形成されてもよい。
前記電池セルは、リチウムイオン電池セルまたはリチウムイオンポリマー電池セルであってもよいが、これらに限定されないことは勿論である。
本発明はまた、前記電池セルを電源として含んでいるデバイスを提供し、前記デバイスは、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、タブレットＰＣ、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から選択されたものであってもよい。
これらデバイスの構造及びその作製方法は当業界で公知となっているので、本明細書では、それについての詳細な説明は省略する。
以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解のためのものであり、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
図２には、本発明の一実施例に係る電池セルに装着される電極組立体の積層構造に関する斜視図が示されており、図３には、図２の電極組立体が電池ケースに装着された構造に関する垂直断面図が示されている。
図２及び図３を参照すると、第１電極組立体１１２及び第２電極組立体１１６は、板状の六面体構造からなっており、電極端子１１３，１１７の位置を基準として垂直方向に積層されており、第１電極組立体１１２及び第２電極組立体１１６の界面において、上部に位置した第２電極組立体１１６の一側下端縁部１１４は、下部に位置した第１電極組立体１１２の上面と接し、第１電極組立体１１２の一側上端縁部１１８は、第２電極組立体１１６の下面と接する構造で積層されている。
また、第１電極組立体１１２及び第２電極組立体１１６は、電極端子１１３，１１７が同じ方向に配列されるように積層されており、電極端子１１３，１１７は、同一極性間に互いに電気的に接続される。さらに、第１電極組立体１１２及び第２電極組立体１１６の電極端子１１３，１１７が突出した一面は上下に隣接する構造で形成されているので、電極端子１１３，１１７の接続が容易な構造をなしている。
電極組立体１１０は、正極１１６ａ、負極１１６ｂ、及び正極１１６ａと負極１１６ｂとの間に介在した分離膜１１６ｃの構造が積層されているスタック型電極組立体からなっており、それぞれの電極組立体１１２，１１６の最外郭には分離膜１１６ｃ及び負極１１６ｂが位置している。
電池ケース１２０は、電極組立体１１２，１１６の積層外形に対応する内面形状を含む構造からなっており、電極組立体１１２，１１６の形状に対応する幅及び高さの段差構造が形成されている。
したがって、第１電極組立体１１２及び第２電極組立体１１６が互いにずれた形状で積層されており、上記のような構造に基づいて様々な容量及び大きさを有する電池セルを作製することができ、このような電池セルは、デバイスの様々な空間に効率的に装着できるので、デバイスの内部の空間活用度を極大化することができる。
参考に、添付の図面には、説明の便宜のため、積層された状態で最外郭に位置する電極が同じ極性を有する構造を例示したが、積層された状態で最外郭に位置する電極が互いに異なる極性を有する構造も可能であることは勿論である。
図４及び図５には、本発明の更に他の実施例に係る電池セルの垂直断面図が示されている。
図４では、図３とは異なり、上部に位置した第２電極組立体１１６’が、高さＨよりも長さＬが長い楕円形状のジェリーロール型電極組立体として形成されており、図５では、第１電極組立体１１２’及び第２電極組立体１１６’の両方ともジェリーロール型電極組立体として形成されている。また、図示していないが、スタック／フォールディング型電極組立体が含まれてもよい。すなわち、電池ケース１２０の内部に収納される電極組立体は、ジェリーロール型、スタック型、スタック／フォールディング型などの様々な構造の電極組立体を使用することができる。参考に、スタック／フォールディング型電極組立体は、分離膜が介在した状態で正極と負極とが順次積層されたユニットセルが分離フィルムによって巻き取られている構造であって、前記ユニットセルは、両側の外面の電極の極性が同一であるバイセルと、両側の外面の電極の極性が異なるフルセルとに分類することができる。
図６には、ラミネーション−スタック型電極組立体を構成する基本単位体の垂直断面図が示されており、図７には、ラミネーション−スタック型電極組立体の垂直断面図が示されている。
図６及び図７を参照すると、基本単位体１３０は、負極１３２、分離膜１３４、正極１３６、及び分離膜１３８が順に積層されている構造からなっており、基本単位体１３０が多数積層された構造の最上部には、分離膜１４２、負極１４４、分離膜１４６が積層された構造の最外郭単位体（radical final cell）１４０が積層されており、最外郭単位体１４０の積層により、より安定的且つ信頼性のある電極組立体を具現できるようになる。このような基本単位体１３０の積層及び最外郭単位体１４０の積層によって、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（ラミネーター及びフォールディング装備）を除去し、一つのラミネーターのみをもって基本単位体の形成を完了し、単純積層で電極組立体を具現できるようになり、それによって、フォールディング工程時に発生する電極の損傷が減少し、セルのウェッティング（wetting）特性が向上するという効果を提供する。
図８には、本発明の更に他の実施例に係る電池セルの斜視図が示されており、図９には、図８のＡ−Ａ線に沿って切断した垂直断面図が示されている。
図８及び図９を参照すると、電池セル２００は、電極組立体２１２，２１６がラミネートシートのパウチ型電池ケース２２０に内蔵されている構造であって、電極組立体２１２，２１６と電気的に接続された電極リード２３０が電池ケース２２０の外部に突出している構造からなっている。電池ケース２２０は、上部ケース２２６及び下部ケース２２２で構成され、上部ケース２２６及び下部ケース２２２には、第２電極組立体２１６及び第１電極組立体２１２の装着のための第２収納部２１７及び第１収納部２１３が形成されている。
電池ケース２２０の第１収納部２１３及び第２収納部２１７は、平面視で互いにずれた構造の長方形の形状に形成されており、電池ケース２２０は、第１電極組立体２１２及び第２電極組立体２１６の外面形状に対応する内面形状をなしている。
電極組立体２１２，２１６は、同じ大きさの第１電極組立体２１２及び第２電極組立体２１６が平面を基準として高さ方向に積層されており、電池ケース２２０の第１収納部２１３及び第２収納部２１７には、それぞれ第１電極組立体２１２及び第２電極組立体２１６が装着されている。
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、上記の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、本発明に係る電池セルは、２つ以上の電極組立体がずれた形状で積層された構造を含み、これによって、電池セルの外形を前記電極組立体の積層構造に対応して特定の形状に形成させることによって、電池セルの装着空間の確保を容易にし、デバイスの内部のデッドスペースを活用して空間活用度を極大化することができるだけでなく、デバイスに高容量の電池セルの使用が可能であり、デバイスをより小型化する効果を提供する。
１１０ 電極組立体
１１２ 第１電極組立体
１１３ 電極端子
１１６ 第２電極組立体
１１６ａ 正極
１１６ｂ 負極
１１６ｃ 分離膜
１１７ 電極端子
１１２ 第１電極組立体
１１３ 電極端子
１１６ 第２電極組立体
１１６ａ 正極
１１６ｂ 負極
１１６ｃ 分離膜
１１７ 電極端子
Claims (18)
- 正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在した分離膜の構造を有する２つ以上の電極組立体が電池ケースに内蔵されている電池セルであって、
前記電極組立体は、電極端子の位置を基準として垂直方向に積層されており、電極組立体の界面において、上部位置の電極組立体の一側下端縁部は、下部位置の電極組立体の上面と接し、下部位置の電極組立体の一側上端縁部は、上部位置の電極組立体の下面と接する構造で積層されており、
前記電池ケースは、電極組立体の積層外形に対応する内面形状からなることを特徴とする、電池セル。 - 前記電極組立体は、全体的に板状の六面体構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記電極組立体は、巻き取り型構造、スタック型構造、またはスタック／フォールディング型構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記電極組立体は、巻き取り型構造であって、垂直断面視でそれぞれ高さよりも相対的に長さが長い楕円形状のジェリーロール型電極組立体であることを特徴とする、請求項３に記載の電池セル。
- 前記電極組立体は、スタック型構造またはスタック／フォールディング型構造であって、積層された状態で最外郭に位置する電極は同じ極性を有することを特徴とする、請求項３に記載の電池セル。
- 前記最外郭に位置する電極は負極であることを特徴とする、請求項５に記載の電池セル。
- 前記電極組立体は、電極端子が同じ方向に配列されるように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。
- 前記電極端子が突出している電極組立体の一面は上下に隣接する構造で形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の電池セル。
- 前記下部位置の電極組立体の上面と接する上部位置の電極組立体の一側下端縁部、及び前記上部位置の電極組立体の下面と接する下部位置の電極組立体の一側上端縁部は、それぞれ電極端子が突出している方向を基準として垂直方向の縁部のうちの１つであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記電極組立体は、大きさが互いに同一であることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記電極組立体のうちの少なくとも２つの電極組立体は、厚さ、横幅（横の長さ）及び縦幅（縦の長さ）のうちの少なくとも１つが互いに異なることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記上部位置の電極組立体の下面は、２０〜９５％の面積で下部位置の電極組立体の上面と対面していることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記電池ケースは、樹脂層と金属層を含むラミネートシートの電池ケース、または金属缶であることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 前記ラミネートシートの電池ケースまたは金属缶には、幅と高さにおいて段差構造を有する収納部が形成されていることを特徴とする、請求項１３に記載の電池セル。
- 前記ラミネートシートの電池ケースは上部ケース及び下部ケースからなっており、前記上部ケースと下部ケースは、互いに結合されて密封された空間上に、積層された電極組立体が収容可能なように、電極組立体の積層外形に対応して収納部が形成されていることを特徴とする、請求項１４に記載の電池セル。
- 前記電池セルは、リチウムイオン電池セルまたはリチウムイオンポリマー電池セルであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
- 請求項１から１６のいずれか一項に記載の電池セルを電源として含んでいる、デバイス。
- 前記デバイスは、携帯電話、携帯用コンピュータ、スマートフォン、タブレットＰＣ、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、及び電力貯蔵装置からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１７に記載のデバイス。
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