JP2017092047A - 階段構造の電池セル - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の目的は、デバイスの様々な空間に装着できるようにする構造設計された電池セルを提供することである【解決手段】本発明は、正極と負極との間に分離膜が介在している構造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、上部ケース及び下部ケースからなっており、前記上部ケース及び／または前記下部ケースに電極組立体の装着のための収納部が形成されている電池ケースと、多数の電極またはユニットセルが平面を基準として高さ方向に積層されており、そのうち少なくとも２つ以上の電極またはユニットセルは平面の大きさが互いに異なる電極組立体と、を含み、前記電池ケースの収納部は、前記電極組立体の外面形状に対応する階段状の段差が形成されていることを特徴とする電池セルを提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、正極と負極との間に分離膜が介在している構造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、上部ケース及び下部ケースからなっており、前記上部ケース及び／または前記下部ケースに電極組立体の装着のための収納部が形成されている電池ケースと、多数の電極またはユニットセルが平面を基準として高さ方向に積層されており、そのうち少なくとも２つ以上の電極またはユニットセルは平面の大きさが互いに異なる電極組立体と、を含み、前記電池ケースの収納部は、前記電極組立体の外面形状に対応する階段状の段差が形成されていることを特徴とする電池セルに関する。
モバイル機器に対する技術開発及び需要の増加に伴い、二次電池の需要もまた急増しており、その中でも、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とより、様々な電子製品のエネルギー源として広く使用されている。
リチウム二次電池は、その外形によって円筒形電池、角形電池、パウチ型電池などに大別され、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分類されることもある。
モバイル機器の小型化に対する最近の傾向により、厚さが薄い角形電池、パウチ型電池に対する需要が増加しており、特に、形状の変形が容易であり、製造コストが低く、重量が小さいパウチ型電池への関心が高い実情である。
一般に、パウチ型電池は、樹脂層と金属層を含んで構成されたラミネートシートのパウチ型ケースの内部に、電極組立体と電解質が密封されている電池のことをいう。電池ケースに収納される電極組立体は、ジェリーロール型（巻取り型）、スタック型（積層型）、または複合型（スタック／フォールディング）の構造となっていてもよい。
図１には、スタック型電極組立体を含んでいるパウチ型二次電池の構造が模式的に示されている。
図１を参照すると、パウチ型二次電池１０は、パウチ型電池ケース２０の内部に、正極、負極及びこれらの間に配置された分離膜からなる電極組立体３０が、それの正極及び負極タブ３１，３２と電気的に接続される２つの電極リード４０，４１が外部に露出するように密封されている構造となっている。
電池ケース２０は、電極組立体３０を載置できる凹状の収納部２３を含むケース本体２１と、そのような本体２１に一体に連結されているカバー２２とからなっている。
図示していないが、電池ケースは、電極組立体を載置できる凹状の収納部を含む下部ケースと、そのような下部ケースの蓋として、電極組立体を密封する上部ケースとからなっていてもよい。
電池ケース２０は、ラミネートシートからなっており、最外郭をなす外側樹脂層２０Ａと、物質の貫通を防止する遮断性金属層２０Ｂと、密封のための内側樹脂層２０Ｃとで構成されていてもよい。
スタック型電極組立体３０は、多数の正極タブ３１及び多数の負極タブ３２がそれぞれ融着されて電極リード４０，４１に共に結合され得る。また、ケース本体２１の上端部２４とカバー２２の上端部とが熱融着機（図示せず）によって熱融着されるとき、そのような熱融着機と電極リード４０，４１との間にショートが発生することを防止し、電極リード４０，４１と電池ケース２０との密封性を確保するために、電極リード４０，４１の上下面に絶縁フィルム５０を付着することができる。
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って新しい形態の電池セルが要求されている実情である。
また、上記のような電池セルは、同じ大きさ又は容量の電極組立体を含むものと構成されているため、電池セルが適用されるデバイスのデザインを考慮して新規な構造とするためには、電池セルの容量を減少させるか、またはさらに大きい大きさにデバイスのデザインを変更しなければならないという問題点がある。
また、このようなデザイン変更過程で電気的接続方式が複雑になることによって、所望の条件を満たす電池セルの作製が難しくなるという問題もある。
さらに、電極組立体の形状に応じて電池ケースを作製しなければならないという問題も存在し得る。
したがって、電池セルが適用されるデバイスの形状に応じて適用可能な電極組立体、電池ケース及びそれを含む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できるようにする構造に設計して、デバイスの内部空間の活用度を極大化させ、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ことである。
本発明の更に他の目的は、このような電池セルの製造が可能な構造及び製造方法の電極組立体及び電池ケースを提供することである。
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、正極と負極との間に分離膜が介在している構造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、
上部ケース及び下部ケースからなっており、前記上部ケース及び／または前記下部ケースに電極組立体の装着のための収納部が形成されている電池ケースと、
多数の電極またはユニットセルが平面を基準として高さ方向に積層されており、そのうち少なくとも２つ以上の電極またはユニットセルは平面の大きさが互いに異なる電極組立体、半径または長軸の長さが互いに異なる２つの電極ロールを含む一つのワインディング型電極組立体、半径または長軸の長さが互いに異なる２つ以上のワインディング型電極組立体を積層した構造の複合電極組立体、及び多数の電極またはユニットセルが平面を基準として高さ方向に積層されており、そのうち少なくとも２つ以上の電極またはユニットセルは平面の大きさが互いに異なり、電極及び／またはユニットセルの平面と少なくとも一つの側面とをシート状の分離フィルムが覆っているスタック／フォールディング型電極組立体などからなる群から選択される一つまたは２つ以上の電極組立体または複合電極組立体と、を含み、
前記電池ケースの収納部は、前記電極組立体の外面形状に対応する階段状の段差が形成されている構造からなることができる。
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、電池セルがデバイスの様々な空間に装着可能であるので、デバイスの内部空間の活用度を極大化させることができる。
前記階段状の段差構造は、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。
前記電極組立体が含む、平面の大きさが互いに異なる電極及び／またはユニットセルの数は、当業者が、電池セルが装着されるデバイスの形状及び必要な容量に応じてその数を調整することができる。２個ないし３個の単位セルで構成された電極組立体はもとより、４個以上の単位セルからなる電極組立体を構成することもできることは勿論である。
前記多数の電極またはユニットセルが平面を基準として高さ方向に積層されており、そのうち少なくとも２つ以上の電極またはユニットセルは平面の大きさが互いに異なる電極組立体、すなわち、積層型電極組立体は、正極板及び負極板のいずれか一つが分離板同士間に介在しており、正極板、負極板、分離板は、積層された状態で、正極板及び負極板のいずれか一つの分離板が最外郭を構成するように接合(laminate)されている構造の第１電極群を含むことができる。このとき、前記積層型電極組立体は、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電極群を含むことができる。
このとき、前記分離板のうち一つは、第２分離膜を構成するものであってもよい。
例えば、前記第１電極群は、正極板、分離板、負極板、分離板が順次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。
前記積層型電極組立体は、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電極群を含むことができる。
前記積層型電極組立体は、前記第１電極群のみが積層された構造であってもよく、第２電極群のみが積層された構造であってもよく、第３電極群のみが積層された構造であってもよく、第４電極群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。
前記第１電極群の最上段または最下段には、第２電極群がスタックされていてもよい。
第２電極群のみが積層されている構造は、第２電極群の間に正極板または負極板のいずれか一つが介在していてもよい。
前記第１電極群ないし第４電極群には、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電極群または第２電極群とは別個の外部部材であって、電極群の外周面の一部また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。
前記電極群の外周面は、電極群の側面、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、電極群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電極群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。
前記分離板の末端は、正極板及び負極板の大きさ、すなわち、横の長さまたは縦の長さに比べて長く延びていてもよい。延長された分離板の末端は互いに熱融着されてもよい。
前記固定部材は、第１電極群または第２電極群を固定させる機能を行うことができる部材を全て含む。
上記の第１電極群及び第２電極群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電極群単位で正極板、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長所がある。
上記の第１電極群及び第２電極群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、一つのラミネーターのみを用いて第１電極群または第２電極群の形成を完了し、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同時に、工程コストを低減できるようになる。
また、互いに異なる大きさの電極またはユニットセルが上下に積層された構造となっているので、電池容量を増大させると同時に、コンパクトな構造で余剰空間の活用度を向上させることができる。
一つの具体的な例において、前記平面の大きさが互いに異なる２つ以上の電極またはユニットセルは、電極またはユニットセルの厚さ、横幅（横の長さ）及び縦幅（縦の長さ）のうち少なくとも一つが異なる構造であってもよい。
このような電極またはユニットセルの大きさの差は、特に限定されるものではなく、例えば、電極またはユニットセルの厚さ、横幅（横の長さ）及び縦幅（縦の長さ）のうち少なくとも一つが異なる構造であってもよい。
第１の例において、２つの電極またはユニットセルを比較するとき、横幅及び縦幅が同じ条件において、相対的に小さい電極またはユニットセルの厚さは、相対的に大きい電極またはユニットセルの厚さの２０％〜９５％の範囲、より具体的な例において、３０〜９０％の範囲であってもよい。
第２の例において、２つの電極またはユニットセルを比較するとき、厚さ及び縦幅が同じ条件において、相対的に小さい電極またはユニットセルの横幅は、相対的に大きい電極またはユニットセルの横幅の２０％〜９５％の範囲、より具体的な例において、３０％〜９０％の範囲であってもよい。
第３の例において、２つの電極またはユニットセルを比較するとき、厚さ及び横幅が同じ条件において、相対的に小さい電極またはユニットセルの縦幅は、相対的に大きい電極またはユニットセルの縦幅の２０％〜９５％の範囲、より具体的な例において、３０％〜９０％の範囲であってもよい。
しかし、上記の例は、一部の例に過ぎないことは勿論である。
本発明において、前記電極またはユニットセルの‘厚さ’は、前記電極またはユニットセルが積層される方向への高さを意味し、前記‘横幅（横の長さ）’及び‘縦幅（縦の長さ）’は、それぞれ、前記電極またはユニットセルが積層される方向に対して垂直な方向への横及び縦の長さを意味する。
一つの具体的な例において、前記ユニットセルは、一つ以上の正極と一つ以上の負極とが、分離膜が介在した状態で積層された構造において、両面に位置した電極の種類が同じユニットセル、または両面に位置した電極の種類が異なるユニットセルであってもよい。
更に他の例において、前記ユニットセルは、電極端子が電気的に接続された状態であってもよい。
前記ユニットセルの積層構造は、特に限定されるものではなく、例えば、電極組立体の下部から上部に行くほどユニットセルの大きさが小さくなる配列で積層されていてもよい。したがって、大きさが互いに異なる電池セルを積層した構造の従来技術と比較してデッドスペースを最小化して、同じ大きさにおいて電池容量を増大させることができるので、非常に好ましい。
前記電池セルは、例えば、パウチ型ケースに電極組立体が内蔵されているパウチ型電池セルであってもよいが、これに限定されるもではない。
前記パウチ型電池セルは、具体的に、樹脂層と金属層を含むラミネートシートの電池ケースに、電極組立体が、電池ケースの外部に突出した電極端子と接続された状態で内蔵されている構造であってもよい。
前記電池ケースは、階段状の段差を形成することができる所定の柔軟性を有する厚さに製造される。前記電池ケースの厚さが厚すぎると、段差を形成する過程において柔軟性の不足による破損の危険があり、電池セル自体の体積及び重量が増加するという短所がある。反対に、電池ケースの厚さが薄すぎると、外部衝撃などによって電池ケースが破損しやすいという問題が生じる。したがって、前記電池ケースは、段差を形成するにおいて、適切な柔軟性を有しながらも、外部衝撃に十分な耐久性を有する５０μｍ〜２００μｍの厚さに製造することができる。
このような電池ケースを構成する上部ケースと下部ケースは、互いに独立した部材であってもよく、一側端部が連結されている実質的に一つの部材であってもよい。
前記電池ケースの収納部の階段状の段差は、様々な方法で形成することができる。例えば、内面に階段状の段差が形成されたダイに電池ケースを挿入し、圧力を加えることによって収納部に階段状の段差を形成させる方法を使用することができる。
また、互いに異なる大きさの電極またはユニットセルが積層された電極組立体を電池ケースの収納部に挿入し、前記収納部の内部に真空を印加して前記収納部を収縮させることによって階段状の段差を形成させることもできる。
具体的に、前記電極組立体は、平面の大きさが異なる多数の電極またはユニットセルが積層されている構造であってもよく、半径または長軸の長さが互いに異なる２つの電極ロールを含む一つのワインディング型電極組立体であってもよく、または半径または長軸の長さが互いに異なる２つ以上のワインディング型電極組立体を積層した構造であってもよい。
このような電極組立体を電池ケースの収納部に装着し、前記収納部に真空を加えると、電極組立体の外形に対応して電池ケースが収縮しながら変形することによって階段状の段差を形成させる方法を使用することができる。
このような真空印加方式は、電極組立体のデザインが変わるたびに新しい電池ケースを製造しなければならないという問題を解決できるだけでなく、応力が局部的に集中する現象を抑制することができる。
前記電池ケースの収納部は、電極組立体を載置するのに十分な大きさに形成することができ、例えば、階段状の段差形成部位が、垂直断面上で段差形状に対応して曲面形状をなす構造であってもよい。したがって、真空の印加時、前記収納部の曲面部位と電極組立体との間の余剰空間が除去されるように前記収納部の曲面部位が電極組立体に密着する時に、前記収納部が収縮する大きさを最小化することができる。
一つの例において、前記電池ケースの収納部は、電極組立体の上端の大きさに対応する平面部位を含む半球形状とすることができる。この場合、収納部の半球形状からなる部位が変形して、階段状の段差を形成することができる。
更に他の例において、前記電池ケースの収納部は、例えば、モールディングによって、電極組立体の外形にほぼ対応する１次階段状の段差を形成させ、前記電池ケースの内部に真空を印加して２次階段状の段差を形成させることで、階段状の段差を完成することができる。このような過程は、真空の印加過程で過度の変形による電池ケースの破損を防止し、電池ケースの厚さが厚い場合にも、階段状の段差を容易に形成させることができる利点を提供できる。
一方、前記電池ケースの収納部を変形させて階段状の段差を形成させるとき、電極組立体の外形に対応する構造の階段状の押圧部材を用いて電池ケースの収納部を圧迫した後、または圧迫と同時に電池ケースの内部に真空を印加して、階段状の段差を形成させることができる。前記階段状の段差を形成させる過程で、上記のような階段状の押圧部材を用いることによって、段差形成過程での不良率を減少させ、より正確な形状の階段状の段差を形成させることができる。
前記電池セルは、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。
本発明の電池セルは、様々な方式で製造することができる。
第１の具体的な製造方法は、
電極組立体を収納する収納部が形成された電池ケースを製造する過程と、
平面の大きさが互いに異なる２つ以上の電極またはユニットセルを含む多数の電極またはユニットセルを、平面を基準として高さ方向に積層して電極組立体を製造したり、又は、シート状の正極とシート状の負極との間にシート状の分離膜が介在するように、シート状の正極、シート状の分離膜、シート状の負極を順に積層した後、一端と他端を全て時計方向に巻き取るか、または一端と他端を全て反時計方向に巻き取ったりして、２つの電極ロールを含む一つのワインディング型電極組立体を製造したり、又は、シート状の正極とシート状の負極との間にシート状の分離膜が介在するように、シート状の正極、シート状の分離膜、シート状の負極を順に積層した後、一端を巻き取って製造した２つ以上のワインディング型電極組立体を、平面を基準として高さ方向に積層して複合電極組立体を製造したり、又は、シート状の分離膜に正極板、負極板及びスタック型電極組立体からなる群から選択される一つ以上の極性体を配列した後、シート状の分離膜を巻き取ったりフォールディングしたりしてスタック／フォールディング型電極組立体を製造する過程と、
前記電池ケースの収納部に前記電極組立体を装着し、電池ケースの一側の外周面を除外した残りの外周面をシールする過程と、
前記電池ケースのシールされていない一側の外周面を介して電池ケースの内部に電解液を注入して、電極組立体を含浸させる過程と、
前記電池ケースのシールされていない一側を介して真空を印加して、電池ケースと電極組立体との間の余剰空間を除去する過程と、
電池ケースを密封する過程と、を含むことができる。
第二の具体的な製造方法は、
電極組立体を収納する収納部が形成された電池ケースを製造する過程と、
平面の大きさが互いに異なる２つ以上の電極またはユニットセルを含む多数の電極またはユニットセルを、平面を基準として高さ方向に積層して電極組立体を製造したり、又は、シート状の正極とシート状の負極との間にシート状の分離膜が介在するように、シート状の正極、シート状の分離膜、シート状の負極を順に積層した後、一端と他端を全て時計方向に巻き取るか、または一端と他端を全て反時計方向に巻き取ったりして、２つの電極ロールを含む一つのワインディング型電極組立体を製造したり、又は、シート状の正極とシート状の負極との間にシート状の分離膜が介在するように、シート状の正極、シート状の分離膜、シート状の負極を順に積層した後、一端を巻き取って製造した２つ以上のワインディング型電極組立体を、平面を基準として高さ方向に積層して複合電極組立体を製造したり、又は、シート状の分離膜に正極板、負極板及びスタック型電極組立体からなる群から選択される一つ以上の極性体を配列した後、シート状の分離膜を巻き取ったりフォールディングしたりしてスタック／フォールディング電極組立体を製造する過程と、
前記電池ケースの収納部に前記電極組立体を装着し、電池ケースの一側の外周面を除外した残りの外周面をシールする過程と、
前記電池ケースのシールされていない一側を介して真空を印加して、電池ケースと電極組立体との間の余剰空間を除去する過程と、
前記電池ケースのシールされていない一側の外周面を介して電池ケースの内部に電解液を注入して、電極組立体を含浸させる過程と、
電池ケースを密封する過程と、を含むことができる。
上記の例示的な電池セルの製造方法において、前記電極組立体を含浸させる過程の後に、電池セルを１回またはそれ以上充放電して電池セルを活性化させる過程と、前記活性化過程で発生したガスを除去する過程とをさらに含むことができる。
参考に、リチウム二次電池は、例えば、正極活物質としてＬｉＣｏＯ２などのリチウム遷移金属酸化物を、負極活物質として炭素材料を使用し、負極と正極との間にポリオレフィン系多孔性分離膜を介在し、ＬｉＰＦ６などのリチウム塩を含む非水電解液を入れて製造する。充電時には、正極活物質のリチウムイオンが放出されて負極の炭素層に挿入され、放電時には、逆に、負極炭素層のリチウムイオンが放出されて正極活物質に挿入され、このとき、非水電解液は、負極と正極との間でリチウムイオンを移動させる媒質の役割を果たす。このようなリチウム二次電池は、基本的に、電池の作動電圧範囲で安定し、十分に速い速度でイオンを伝達することができる性能を有しなければならない。
しかし、継続的な充放電過程において負極活物質の表面で電解液が分解しながらガスが発生し、初期充放電過程において負極活物質の表面にＳＥＩ膜が形成されて、追加のガス発生を抑制する。したがって、電池セル活性化過程は、このようなＳＥＩ膜の形成のために必要であり、最終的な電池セルの製造の前に必ず要求される。
このとき、前記収納部の内部に真空を印加して電池ケースと電極組立体との間の余剰空間を除去する過程は、前記ガスを除去する過程と同時に実行することができる。すなわち、前記収納部の内部に真空を印加することによって、電池セルの活性化過程で発生したガスを除去し、同時に電池ケースの収納部を変形させて、階段状の段差を形成させることができる。したがって、電池ケースの収納部に階段状の段差を形成する過程は、別途の装備を必要としないだけでなく、既存の工程を用いて容易に進行することができる。
また、前記電池ケースのシールされていない一側を介して真空を印加して、電池ケースと電極組立体との間の余剰空間を除去する過程において、電極組立体の外形に対応する構造の階段状の押圧部材を用いて電池ケースの収納部を圧迫した後、または圧迫と同時に電池ケースの内部に真空を印加して、階段状の段差を形成させることができる。階段状の段差形成過程で上記のような階段状の押圧部材を用いることによって、より正確な形状の階段状の段差を形成させることができる。
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るものであってもよい。
本発明はまた、前記電池セルを単位電池として２つ以上含んでいる電池パックを提供する。すなわち、前記電池セルを単位電池として２つ以上を直列及び／または並列に接続した構造の電池パックを提供し、このような電池パックは、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のデバイスに使用することができる。
これらデバイスの構造及びその作製方法は、当業界において公知であるので、本明細書ではそれについての詳細な説明を省略する。
従来の電池セルに対する斜視図である。 本発明の一つの実施例に係る平面図である。 図２の垂直断面図である。 収納部が形成された電池ケースの斜視図である。 モールディングによって収納部に１次階段状の段差が形成された電池ケースの斜視図である。 大きさが異なるユニットセルが積層された電極組立体の斜視図である。 電池ケースの収納部の変形過程に関する模式図である。 電池ケースの収納部の変形過程に関する模式図である。 電池ケースの収納部の変形過程に関する模式図である。 本発明の更に他の実施例に係る電池セルの斜視図である。 図１０の垂直断面図である。 本発明の一実施例に係る第１電極群の構造を示す図である。 本発明の一実施例に係る第２電極群の構造を示す図である。 本発明の一実施例に係る積層型電極組立体を示す模式図である。 図１２の第１電極群の固定構造の模式図である。 本発明の一実施例に係る第１電極群の製造工程図である。 大きさが異なる電極群が積層された構造の電極組立体の模式図である。
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、本発明の一つの実施例に係る電池セルの斜視図が示されており、図３には、図２の垂直断面図が模式的に示されている。
図２及び図３を参照すると、電池セル１００は、電極組立体１２０がラミネートシートのパウチ型電池ケース１１０に内蔵されている構造であって、電極組立体１２０と電気的に接続された電極リード１３０が、電池ケース１１０の外部に突出している構造となっている。電池ケース１１０は、上部ケース１１１及び下部ケース１１２で構成され、上部ケース１１１には、電極組立体１２０の装着のための収納部１１６が形成されている。
電極組立体１２０は、大きさが異なる多数のユニットセル１２２，１２４，１２６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１１０の収納部は、多数のユニットセル１２２，１２４，１２６が積層された構造の外面形状に対応して、階段状の段差１１４が形成された構造となっている。
このような構造の電池セル１００は、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、従来の電池セルの装着が困難であった空間まで容易に装着可能であるだけでなく、デバイスの内部構造に応じて、限定された空間でさらに大きい容量を有する電池セルを装着できるので、デバイスの内部空間の活用度を最大化させることができる。
図４には、収納部が形成された電池ケースの斜視図が示されており、図５には、モールディングによって収納部に１次階段状の段差が形成された電池ケースの斜視図が示されており、図６には、大きさが異なるユニットセルが積層された電極組立体の斜視図が示されている。
まず、図４及び図６を参照すると、電極組立体１２０は、電極組立体１２０の下部から上部に行くほどユニットセル１２２，１２４，１２６の大きさが小さくなる配列で積層された構造となっており、電池ケース１１０の収納部１１６は、ユニットセル１２２，１２４，１２６が積層された構造からなる電極組立体１２０を十分に載置できる大きさを有し、段差が形成される曲面部位１１７を含んでいる。結果的に、収納部１１６は、上端に、電極組立体１２０の上端の大きさに対応する平面部位を含む半球形状となっている。
また、図５及び図６を参照すると、電池ケース１１０’の収納部１１６’は、モールディングにより、電極組立体の外形にほぼ対応する階段状の段差１１４’が形成されている。このような電池ケース１１０’の階段状の段差１１４’は、電極組立体１２０を十分に載置することができる大きさに形成され、以降、真空の印加過程で余剰空間が除去されながら、電極組立体１２０にさらに密着した階段状の段差を形成する。
図７乃至図９には、電池ケースの収納部が変形する過程に関する模式図が示されている。
図６及び図７を図４及び図６と共に参照すると、電池ケース１１０の収納部１１６に電極組立体１２０を装着し、電池ケース１１０の一側の外周面１１９を除外した残りの外周面を熱融着シールした後、電池ケース１１０のシールされていない一側を介して真空を印加して、電池ケース１１０の収納部１１６と電極組立体１２０との間の余剰空間１４０を除去する。真空の印加時に、収納部１１６の曲面部位１１７が電極組立体１２０に密着し、それによって、大きさが異なるユニットセルが積層された構造の外形に対応するように、収納部１１６に階段状の段差１１４が形成される。
電池ケース１１０の収納部１１６は、電極組立体１２０の上部に位置したユニットセルの大きさに対応する平面部位１１８、及び階段状の段差１１４を形成する曲面部位１１７を含む。
一方、電池セル１００の製造過程において、電池ケース１１０に電極組立体１２０を収納し、電解液を注入して電極組立体１２０を含浸させ、電池セルを１回またはそれ以上充放電して電池セルを活性化させた後、活性化過程で発生したガスを除去する過程を含むことができる。このようなガスを除去する過程と、収納部１１６の内部に真空を印加して電池ケース１１０と電極組立体１２０との間の余剰空間１４０を除去し、階段状の段差１１４を形成させる過程とを同時に実行することによって、製造工程性を向上させることができる。
また、図８には、階段状の押圧部材を用いて階段状の段差を形成させる過程に関する模式図が示されている。
図８を図９と共に参照すると、電池ケース１１０のシールされていない一側を介して真空を印加して、電池ケース１１０と電極組立体１２０との間の余剰空間１４０を除去する過程において、電極組立体１２０の外形に対応する構造の階段状の押圧部材１５０を用いて電池ケース１１０の収納部１１６を圧迫した後、または圧迫と同時に電池ケース１１０の内部に真空を印加して、階段状の段差１１４を形成させる。階段状の段差１１４の形成過程で階段状の押圧部材１５０を用いることによって、より正確な形状の階段状の段差１１４を形成させることができる。
図１０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１１には、図１０の垂直断面図が示されている。
図１０及び図１１を参照すると、電池セル２００は、それぞれ長さ（ＡＬ，ＢＬ，ＣＬ）及び容量が異なる電極組立体２１２，２１４，２１６が垂直積層されて、電池ケース２２０の内部に内蔵されている。また、垂直積層された形状は、電池ケース２２０の外部に突出した電極端子２７０の方向に厚さが増加する構造となっている。
一方、電極組立体２１２，２１４，２１６の容量は、各電極組立体２１２，２１４，２１６の長さ（ＡＬ，ＢＬ，ＣＬ）、高さ（ＡＨ−ＢＨ，ＢＨ−ＣＨ，ＣＨ）及び幅（図示せず）の積に比例する。
電池セル２００の特異な構造において、大きさが異なる電極組立体２１２，２１４，２１６によって右側上端に余裕空間Ｓ３が生成され、これは、前記電極組立体２１２，２１４，２１６の長さ、高さ及び幅に反比例する。
このような空間は、適用されるデバイスの不規則な内部空間、または他の部品による干渉などの条件に対応するためのものであって、厚さが増加する方向及び積層厚さの増加程度もまた、適用状況に合わせて柔軟に設計変更が可能である。
第１電極群は、図１２に示した構造のように、分離板３１０、正極板３２０、分離板３３０、負極板３４０が順次積層された状態で接合された構造となっている。
第２電極群は、図１３に示した構造のように、分離板４１０、負極板４２０、分離板４３０が順次積層された状態で接合された構造となっている。
図１４には、図１２の第１電極群が積層された第１電極群積層体の最上段に図１３の第２電極群が積層された構造の積層型電極組立体が示されている。
図１５には、図１２の第１電極群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電極群３００の側面または前面には固定部材Ｔ１がさらに付加されている。
単純な積層構造であるため、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１５（ａ）に示すように、第１電極群３００の全面をテーピングする方式で具現するか、または図１５（ｂ）に示すように、第１電極群３００の側面のみを固定する固定部材Ｔ２として具現することも可能である。
図１６は、本発明に係る第１電極群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３１０、正極板３２０、分離板３３０、負極板３４０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３２０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３１０，３３０が同時にローディングされると同時に、負極板３４０の材料が共にラミネーターＬ１，Ｌ２にローディングされる。
その後、ラミネーターでは、熱と圧力で２つの電極板及び２つの分離板が接着された構造体、すなわち、第１電極群を具現するようになり、次いで、切断機Ｃ３を通じて切断して、第１電極群を完成した後、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電極群は、固定部材を用いて固定するか、または積層を通じて多数の第１電極群が積層された構造物として形成した後、図１３の第２電極群を積層し、固定部材を用いて固定する工程を通じて、積層型電極組立体を完成することができる。
図１７には、大きさが異なる電極群が積層された電極組立体５００の構造が模式的に示されている。図１７を参照すると、第１電極群５１０は、第２電極群５２０よりも平面上の大きさが大きい構造で形成されており、このような第１電極群５１０上に第２電極群５２０が積層されて階段状の段差を形成している。
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、階段状の段差を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、デバイスの内部空間の活用度を極大化させ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させる効果を提供する。
また、電極組立体及び電池ケースの構造的特徴によって、デザインの変更にもかかわらず、所望の電池セルを容易に製造することができる。
１００ 電池セル
１１０ （パウチ型）電池ケース
１１１ 上部ケース
１１２ 下部ケース
１１６ 収納部
１１７ 曲面部位
１２０ 電極組立体とみ
１２２ ユニットセル
１２４ ユニットセル
１２６ ユニットセル
１３０ 電極リード

Claims (23)

  1. 正極と負極との間に分離膜が介在している構造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、
    上部ケース及び下部ケースからなっており、前記上部ケース及び／または前記下部ケースに電極組立体の装着のための収納部が形成されている電池ケースと、
    多数の電極またはユニットセルが平面を基準として高さ方向に積層されており、そのうち少なくとも２つ以上の電極またはユニットセルは平面の大きさが互いに異なる電極組立体と、
    を含み、
    前記電池ケースの収納部は、前記電極組立体の外面形状に対応する階段状の段差が形成されていることを特徴とする電池セル。
  2. 前記平面の大きさが互いに異なる２つ以上の電極またはユニットセルは、電極またはユニットセルの厚さ、横幅（横の長さ）、及び縦幅（縦の長さ）のうち少なくとも一つが異なることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  3. 前記ユニットセルは、一つ以上の正極と一つ以上の負極とが、分離膜が介在した状態で積層された構造において、両面に位置した電極の種類が同じユニットセル、または両面に位置した電極の種類が異なるユニット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。
  4. 前記ユニットセルは、電極端子が電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  5. 前記ユニットセルは、電極組立体の下部から上部に行くほどユニットセルの大きさが小さくなる配列で積層されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  6. 前記電池ケースは、金属層と樹脂層を含むラミネートシートからなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  7. 前記電池ケースの厚さは５０μｍ〜２００μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  8. 前記階段状の段差は、電池ケースの内部に真空を印加して、前記電極組立体の外形に対応するように前記電池ケースが変形して形成されることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  9. 前記真空の印加の前に、電池ケースの収納部は、段差形成予定部位が垂直断面上で段差の形状に対応して曲面形状からなっていることを特徴とする、請求項８に記載の電池セル。
  10. 前記電池ケースの収納部は、電極組立体の上端の大きさに対応する平面部位を含む半球形状からなることを特徴とする、請求項９に記載の電池セル。
  11. 前記真空の印加の前に、電池ケースの収納部はモールディングによって１次階段状の段差が形成され、前記電池ケースの内部に真空を印加して、前記電極組立体の外形に対応するように前記電池ケースが変形して２次階段状の段差が形成されることを特徴とする、請求項８に記載の電池セル。
  12. 前記階段状の段差は、前記電極組立体の外形に対応する構造の階段状の押圧部材を用いて電池ケースの収納部を圧迫した後、電池ケースの内部に真空を印加して、前記電極組立体の外形に対応するように前記電池ケースが変形して形成されることを特徴とする、請求項８に記載の電池セル。
  13. 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。
  14. 階段状の段差が形成されている電池セルを製造する方法であって、
    電極組立体を収納する収納部が形成された電池ケースを製造する過程と、
    平面の大きさが互いに異なる２つ以上の電極またはユニットセルを含む多数の電極またはユニットセルを、平面を基準として高さ方向に積層して電極組立体を製造する過程と、
    前記電池ケースの収納部に前記電極組立体を装着し、電池ケースの一側の外周面を除外した残りの外周面をシールする過程と、
    前記電池ケースのシールされていない一側の外周面を介して電池ケースの内部に電解液を注入して、電極組立体を含浸させる過程と、
    前記電池ケースのシールされていない一側を介して真空を印加して、電池ケースと電極組立体との間の余剰空間を除去する過程と、
    電池ケースをシールする過程と、
    を含むことを特徴とする、電池セルの製造方法。
  15. 階段状の段差が形成されている電池セルを製造する方法であって、
    電極組立体を収納する収納部が形成された電池ケースを製造する過程と、
    平面の大きさが互いに異なる２つ以上の電極またはユニットセルを含む多数の電極またはユニットセルを、平面を基準として高さ方向に積層して電極組立体を製造する過程と、
    前記電池ケースの収納部に前記電極組立体を装着し、電池ケースの一側の外周面を除外した残りの外周面をシールする過程と、
    前記電池ケースのシールされていない一側を介して真空を印加して、電池ケースと電極組立体との間の余剰空間を除去する過程と、
    前記電池ケースのシールされていない一側の外周面を介して電池ケースの内部に電解液を注入して、電極組立体を含浸させる過程と、
    電池ケースを密封する過程と、
    を含むことを特徴とする、電池セルの製造方法。
  16. 前記電極組立体を含浸させる過程の後に、電池セルを１回またはそれ以上充放電して電池セルを活性化させる過程と、
    前記活性化させる過程で発生したガスを除去する過程と、
    をさらに含むことを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の電池セルの製造方法。
  17. 前記ガスを除去する過程と、前記真空を印加して電池ケースと電極組立体との間の余剰空間を除去する過程とは同時に実行されることを特徴とする、請求項１６に記載の電池セルの製造方法。
  18. 前記電池ケースのシールされていない一側を介して真空を印加して、電池ケースと電極組立体との間の余剰空間を除去する過程において、前記電極組立体の外形に対応する構造の階段状の押圧部材を用いて電池ケースの収納部を圧迫した後、電池ケースの内部に真空を印加することを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の電池セルの製造方法。
  19. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の電池セルを単位電池として２つ以上含んでいることを特徴とする、電池パック。
  20. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の電池セルを電源として含んでいるデバイス。
  21. 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２０に記載のデバイス。
  22. 請求項１９に記載の電池パックを電源として含んでいるデバイス。
  23. 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、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２２に記載のデバイス。
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