JP2016502240A

JP2016502240A - 蛇行不良が改善された電極及びそれを含む二次電池

Info

Publication number: JP2016502240A
Application number: JP2015544020A
Authority: JP
Inventors: キム、ヨウン−スー; リー、クワン−スー; リュー、ドゥク−ヒュン
Original assignee: LG Chem Ltd
Current assignee: LG Chem Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: US9825301B2; JP6191845B2; KR101645527B1; US20150303485A1; CN104769751A; CN104769751B; TWI569504B; TW201535849A; KR20150037687A

Abstract

本発明は、ゼリーロール型電極組立体に使用される電極集電体の先端部に補強材を適用して電極の蛇行不良を改善した二次電池に関し、ゼリーロール型電極組立体を製造するとき、電極集電体の先端部がカーリングされず、かつ定位置で巻き取られ、その結果、蛇行不良によって発生していた内部短絡を解決することができる。

Description

本発明は、蛇行不良が改善された電極及びそれを含む二次電池に関する。

本出願は、２０１３年９月３０日出願の韓国特許出願第１０−２０１３−０１１６９３９号、及び２０１４年９月３０日出願の韓国特許出願第１０−２０１４−０１３１８７７に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。

近年、充放電可能な二次電池は、ワイヤレスモバイル機器のエネルギー源または補助電力装置などとして幅広く使用されている。また、二次電池は、化石燃料を使用する従来のガソリン車、ディーゼル車などによる大気汚染などを解決するための方案として提案されている電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグ‐インハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ‐ＩｎＨＥＶ）などの動力源としても注目されている。このような二次電池は、電極組立体が電解液とともに電池ケースに収納される形態で製造される。

電極組立体は、製造方法によってスタック型（ｓｔａｃｋｔｙｐｅ）、フォールディング型（ｆｏｌｄｉｎｇｔｙｐｅ）、スタック‐フォールディング型（ｓｔａｃｋ‐ｆｏｌｄｉｎｇｔｙｐｅ）、及びゼリーロール型（ｊｅｌｌｙ‐ｒｏｌｌｔｙｐｅ）などに区分される。スタック型またはスタック‐フォールディング型の電極組立体の場合、単位組立体は、正極と負極とが分離膜を介して順次積層される構造からなる。

一方、ゼリーロール型電極組立体は、活物質が集電体に塗布されたシート型の正極と負極との間に分離膜が介在され、巻き取られて製造されるが、正極と負極を予め製造することが必要である。正極と負極のような単位電極は、一連の電極集電体が単位電極の間隔でノッチング、電極合剤の塗布、及びコーティング剤の塗布などのような所定の工程を経ることで製造され、このような全体的な電池の生産過程で、電極シートが（リ）ワインディングされる工程が繰り返される。本明細書において、「シート」という用語は、活物質が塗布されていない集電体または活物質が塗布された集電体を総称するものとして使用する。このとき、電極で（リ）ワインディングロールに投入され始める部分は電極集電体の先端部であって、これは、図１を参照すれば、電極活物質層が形成されていない無地部２ａに該当し、より具体的には、無地部２ａの幅方向Ｗ端部が（リ）ワインディングロールに最も先に投入される。特に、正極集電体２は、一般にアルミニウムホイルから製造されるが、アルミニウムホイルのように張力の弱い素材は、（リ）ワインディング工程時に先端部がカーリング（ｃｕｒｌｉｎｇ、巻き上がり）される問題を発生させる恐れがある。このように、電極の先端部がカーリングされれば、蛇行不良を起こし、電極組立体を定位置でラミネーションできず、正極無地部が負極活物質に接触するか、負極無地部が正極活物質に接触するか、または正極無地部と負極無地部とが接触するなどの理由によって、内部短絡（ｓｈｏｒｔ‐ｃｉｒｃｕｉｔ）が起きる恐れがある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電極集電体の先端部のカーリングによって発生していた蛇行不良を解消し、また、蛇行不良による内部短絡を防止することを目的とする。

本発明の一態様によれば、電極集電体及び前記電極集電体の少なくとも一面に活物質層を含む電極において、電極集電体の先端部に張力を補強するための補強材が適用されている電極が提供される。

前記補強材は、電極集電体の先端部の幅方向端部に適用され得る。

前記補強材は、電極集電体の先端部の長手方向両端部に適用され得る。

前記補強材は、電極集電体の先端部の幅方向端部と長手方向両端部に適用され得る。

前記補強材は、電極集電体の先端部から活物質層の始まる部分にまで延長されて適用され得る。

前記補強材は、電極集電体の先端部の両面に適用され得る。

前記補強材は、１０〜１００μｍの厚さを有し得る。

前記補強材は、活物質層より薄くてもよい。

前記補強材は、ポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレンヘキサフルオロプロピレン共重合体（ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ‐ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｙｌｅｎｅｃｏｐｏｌｙｍｅｒ、ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン‐エチレン共重合体（ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ‐ｅｔｈｙｌｅｎｅｃｏｐｏｌｙｍｅｒ、ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン‐パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ‐ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｙｌｖｉｎｙｌｅｔｈｅｒｃｏｐｏｌｙｍｅｒ、ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅｆｌｕｏｒｉｄｅ、ＰＶＤＦ）、ポリブチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＥＴ）、ポリエチレン（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＥ）、ポリ塩化ビニル（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｃｈｌｏｒｉｄｅ、ＰＶＣ）、アセテート樹脂（ａｃｅｔａｔｅｒｅｓｉｎｓ）、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、アセテート、グラスクロステープ（ｇｌａｓｓｃｌｏｔｈｔａｐｅｓ）、ポリエステル（ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ）、ポリフェニレンスルフィド（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅ、ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）樹脂、及びステンレス鋼（ｓｔｅｅｌｕｓｅｓｔａｉｎｌｅｓｓ、ＳＵＳ）からなる群より選択された１種または２種以上の混合体から形成され得る。

前記電極集電体は、アルミニウムから形成され得る。

電極集電体の先端部の幅方向端部、長手方向両端部、または両方共に補強材１枚によって取り囲まれ得る。

本発明の他の態様によれば、上述した電極を含むゼリーロール型電極組立体が提供される。

また、本発明の他の態様によれば、前記ゼリーロール型電極組立体が電池ケースの内部に密封されている二次電池が提供される。

本発明の他の態様によれば、前記二次電池を単位電池として二つまたはそれ以上含むことを特徴とする電池パックが提供される。

前記電池パックは、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の電源として使用され得る。

また、本発明の更に他の態様によれば、正極、分離膜、及び負極からなるゼリーロール型電極組立体を含む二次電池の製造方法において、電極集電体の先端部の幅方向端部と電極集電体の後端部の幅方向端部が形成される所にわたって補強材を適用する段階；及び前記電極集電体を単位電池の間隔で切断する段階；を含み、これによって一つの電極集電体の先端部の幅方向端部と、他の電極集電体の後端部の幅方向端部に補強材を適用する二次電池の製造方法が提供される。

本発明によれば、ゼリーロール型電極組立体を製造するとき、電極シートのカーリングなしに電極を定位置で巻き取ることができ、その結果、電極シートの蛇行不良によって発生していた内部短絡を解決することができる。

従来技術により電極を巻き取る前の態様を示した図である。本発明の一態様により電極を巻き取る前の態様を示した図である。本発明の他の態様により電極を巻き取る前の態様を示した図である。本発明の他の態様により電極を巻き取る前の態様を示した図である。本発明の他の態様により電極を巻き取る前の態様を示した図である。本発明の一態様によって１枚の補強材が、図２に示されたように電極集電体の先端部の一面に適用された態様を示した側面図である。本発明の他の態様によって２枚の補強材が図２に示されたように、電極集電体の両面に適用された態様を示した側面図である。本発明の他の態様によって１枚の補強材が図２に示されたように、電極集電体の両面に適用された態様を示した側面図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

図１は従来電極の巻き取り前の態様を示し、図２〜図４は本発明の一態様による電極の巻き取り前の態様を例示した図である。

図１〜図５を参照すれば、集電体２の中心に活物質層３が形成されている。また、活物質層３の両側に無地部が形成され得る（図１〜図４を参照）。本明細書において「無地部」という用語は、電極集電体において活物質層が形成されていない領域を称するものとして使用する。

本発明で使用可能な集電体２は、当業界で通常使用される集電体であり得る。すなわち、集電体は、当業界で通常使用される材質から形成され得、当業界で加えられる加工が行われる場合も含む。例えば、多孔質集電体が使用され得る。集電体の素材及び／または厚さによって、カーリングの防止が一層求められる場合に、本発明の効果がより著しくなり得る。例えば、アルミニウム集電体が使用される電極に本発明が望ましく適用され得る。

活物質層３は、当業界で通常使用される活物質、導電材及びバインダーを含む電極合剤をコーティングし、乾燥させて形成することができ、活物質層を構成する成分及び組成比は本発明で特に制限されない。

図１を参照すれば、従来の電極１は、集電体２の張力を補強するための物質や手段を含まない。したがって、アルミニウムのように、張力の弱い素材を集電体として使用して製造された電極１が巻き取り装置に投入されるときに、電極集電体２の先端部のカーリング現象が発生した。本明細書において「先端部」とは、電極がコア方向に投入される電極の巻き取り始め部を意味する。例えば、図１において先端部とは、「２ａ」部分を意味する。

本発明では、電極の所定の位置に電極先端部の張力を補強するための補強材が適用され、先端部のカーリング現象及びそれによる蛇行不良を改善するという特徴を有する。

本明細書において「補強材」という用語は、電極の所定の位置に適用され、電極シートのカーリング現象を抑制または防止することができる任意の構成要素を称するものとして使用する。

本明細書において「電極の所定の位置」という用語は、補強材が適用されて先端部のカーリング現象及びそれによる蛇行不良を改善できる電極の任意の位置を意味するものとして使用する。

例えば、本発明の一態様を示す図２を参照すれば、電極集電体２の先端部２ａの幅方向端部Ｗに補強材５ａが付着され得る。補強材５ａは、電極活物質の作用効果を妨害しないようにその幅が決定されて、電極集電体２の先端部２ａに適用され得る。補強材５ａが適用される幅を活物質層３が始まる部分にまで延長するか、または活物質層３と一部重複するように延長する場合、図５に示された態様になる。

または、本発明の他の態様を参照すれば、補強材５ａは、電極集電体２の先端部２ａの長手方向端部Ｌに適用されるか（図３を参照）、または電極集電体２の先端部２ａの長手方向端部Ｌ及び幅方向端部Ｗにわたって適用され得る（図４を参照）。

上述したように、補強材５ａが電極集電体２の先端部２ａに適用されることで、電極集電体２の張力が補強される。その結果、電極１が巻き取り装置に投入されるときにも、カーリング現象なしに巻き取りが可能になる。前記補強材５ａは、電極集電体２の先端部２が容易にカーリングされない程度の張力を補強すると同時に、正極集電体における有意義な段差を形成してはならない。

補強材は１０〜１００μｍの厚さを有し得、特に、活物質と同一であるか又はより薄い厚さを有することが望ましい。

本発明で使用できる補強材は、電解液やリチウムイオンに対して高い安定性を有し、電気的絶縁性が高く、熱安定性のある物質であって、集電体の張力を補強することができる物質から形成されたものであれば特に制限されない。

補強材の非制限的な例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレンヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン‐エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン‐パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などのフッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、アセテート樹脂、ポリイミド、アセテート、グラスクロステープ、ポリエステル、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂、及びポリプロピレン樹脂からなる群より選択された１種以上が挙げられ、これらは絶縁テープの形態で電極集電体の所定位置に適用することができる。補強材の更に他の非制限的な例としては、張力をより補強するために、ステンレス鋼のような金属をフィルム形態で電極集電体の所定位置に適用する態様が挙げられる。

前記補強材は、補強材の一面に適用されている接着剤によって電極集電体に付着され得る。または、場合によって熱融着方法で電極集電体に付着され得る。

前記補強材は、電極集電体２の先端部のみに存在することもできるが、場合によっては電極集電体２の後端部に存在することもできる。一例として、電極集電体の先端部の幅方向端部と電極集電体の後端部の幅方向端部を形成する所にわたって補強材を適用する段階、及び前記電極集電体を単位電池の間隔で切断する段階を含む工程によって、一つの電極集電体の先端部の幅方向端部及び他の電極集電体の後端部の幅方向端部に補強材を適用することができる。

このような一態様が図２に示されているが、図２を参照すれば、電極集電体の先端部に補強材５ａが存在するだけでなく、後端部にも補強材５ｂが存在する。

図５を参照して本発明の他の態様を説明すれば、正極の先端部から正極の無地部と活物質層との境界部にまで補強材５ａが延長されて電気絶縁性を確保し、安全性を向上させることができる。この場合、前記補強材は、電極集電体２と活物質層３との境界を被覆するように延長されるため、電極集電体と活物質層との境界に別途絶縁テープを付着する必要がない。このとき、前記補強材５ａが延長される長さは、活物質層の作用効果に悪影響を与えないように決定される。

また、本発明の一態様において、先端部の一面に補強材１枚５ａを適用することができるだけでなく（図６を参照）、電極集電体の両面に補強材を適用することもできる。この場合、２枚の補強材（５ａ、５ａ'）が電極集電体の両面にラミネーション接着するように形成されるか（図７を参照）、または１枚の補強材（５ａ）が電極集電体両面の先端部を取り囲むように適用され得る（図８を参照）。すなわち、補強材１枚は、電極集電体の先端部両面の幅方向端部、長手方向端部、またはこれらを共に取り囲むことができる。１枚の補強材が電極集電体の先端部を取り囲むように適用される場合には、補強材と電極集電体との間の脱ラミネーション（ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）が発生しないという利点を有する。

このような補強材の適用態様は、図２に示された態様だけでなく、図３〜図５に示された態様に適用することもできる。

本発明は、また、前記電極組立体が電解液とともに電池ケースの内部に密封されている二次電池を提供する。

前記二次電池は、望ましくは、高いエネルギー密度、放電電圧、及び出力安定性を有するリチウム二次電池であり得る。本発明によるリチウム二次電池のその他の構成要素について、以下に詳しく説明する。

一般に、リチウム二次電池は、正極、負極、分離膜、及びリチウム塩含有非水電解液などから構成されている。

正極は、例えば、正極集電体上に正極活物質、導電材、及びバインダーの混合物を塗布した後、乾燥させて製造され、必要に応じて、充填材を更に添加する。負極は、また、負極集電体上に負極材料を塗布し、乾燥させて製作し、必要に応じて、上述したような成分を更に含むこともできる。

前記分離膜は負極と正極との間に介在され、高いイオン透過度と機械的強度を有する絶縁性の薄膜が使用される。

リチウム塩含有非水系電解液は、非水電解液とリチウム塩とからなり、非水電解液としては、液相非水電解液、固体電解質、無機固体電解質などを使用することができる。

前記集電体、電極活物質、導電材、バインダー、充填材、分離膜、電解液、リチウム塩などは当業界で公知であるため、それについての詳しい説明は省略する。

本発明によるリチウム二次電池は、当業界で公知の通常の方法によって製造することができる。すなわち、正極と負極との間に多孔性分離膜を挿入し、それに電解液を注入して製造することができる。

正極は、例えば、上述したリチウム遷移金属酸化物活物質、導電材、及び結合剤を含むスラリーを集電体上に塗布した後、乾燥させて製造することができる。同様に、負極は、例えば、上述した炭素活物質、導電材、及び結合剤を含むスラリーを薄い集電体の上に塗布した後、乾燥させて製造することができる。

本発明は、また、前記二次電池を単位電池として二つまたはそれ以上含む電池パックを提供する。

本発明による電池パックは、装着の効率性、構造的安定性などを考慮して、限定された装着空間を有し、かつ頻繁な振動と強い衝撃などに露出する電気自動車、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の電源として、望ましく使用することができる。

Claims

電極集電体及び前記電極集電体の少なくとも一面に適用された活物質層を含む電極であって、電極集電体の先端部に張力を補強するための補強材が適用されている電極。
前記補強材が、電極集電体の先端部の幅方向端部に適用されている請求項１に記載の電極。
前記補強材が、電極集電体の先端部の長手方向両端部に適用されている請求項１に記載の電極。
前記補強材が、前記電極集電体の先端部の幅方向端部と長手方向の両端部に適用されている請求項１に記載の電極。
前記補強材が、前記電極集電体の先端部から前記活物質層の始まる部分にまで延長されて適用されている請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の電極。
前記補強材が、前記電極集電体の先端部両面に適用されている請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の電極。
前記補強材が、１０〜１００μｍの厚さを有する請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の電極。
前記補強材が、前記活物質層より薄い厚さを有する請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載の電極。
前記補強材が、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレンヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン‐エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン‐パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、アセテート樹脂、ポリイミド、アセテート、グラスクロステープ、ポリエステル、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン樹脂、及びステンレス鋼からなる群より選択された１種または２種以上の混合体から形成される請求項１から請求項８のうちいずれか一項に記載の電極。
前記電極集電体が、アルミニウムである請求項１から請求項９のうちいずれか一項に記載の電極。
補強材１枚が、前記電極集電体の先端部両面の幅方向端部、長手方向両端部、または両方共取り囲んでいる請求項１から請求項１０のうちいずれか一項に記載の電極。
請求項１から請求項１１のうちいずれか一項に記載の電極を含むゼリーロール型電極組立体。
請求項１２に記載のゼリーロール型電極組立体が、電池ケースの内部に密封されている二次電池。
請求項１３に記載の二次電池を単位電池として二つまたはそれ以上含む電池パック。
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の電源として使用される請求項１４に記載の電池パック。
正極、分離膜、及び負極からなるゼリーロール型電極組立体を含む二次電池の製造方法であって、
電極集電体の先端部の幅方向端部と電極集電体の後端部の幅方向端部が形成される所にわたって補強材を適用する段階；及び
前記電極集電体を単位電池の間隔で切断する段階；を含み、
これによって、一つの電極集電体の先端部の幅方向端部と他の電極集電体の後端部の幅方向端部に前記補強材を適用する二次電池の製造方法。