JP2017510940A - ホールを含んでいる電池セル - 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する分離膜を含む積層構造の電極組立体が電池ケースの収納部に装着されており；前記電極組立体には、電池ケースから正極又は負極に至る１つ以上のホールが形成されており；前記ホールに対応する電池ケースの部位には透明部材のウィンドウ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。

Description

本発明は、ホールを含んでいる電池セルに関する。
近年、化石燃料の枯渇によるエネルギー源の価格上昇、環境汚染への関心が急増するにつれ、環境に優しい代替エネルギー源に対する要求が未来生活のための必須不可欠の要因となっている。そこで、原子力、太陽光、風力、潮力などの様々な電力生産技術に関する研究が続けられており、このように生産されたエネルギーをより効率的に使用するための電力貯蔵装置も高い関心を集めている。
特に、モバイル機器に対する技術開発及び需要の増加に伴い、エネルギー源としての電池の需要が急増しており、それによって、様々な要求に応えられる電池に対して多くの研究が行われている。
代表的に、電池の形状面では、薄い厚さで携帯電話などのような製品に適用できる角型二次電池とパウチ型二次電池に対する需要が高く、材料面では、高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性などの利点を有するリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのようなリチウム二次電池に対する需要が高い。
また、二次電池は、正極、負極、及び正極と負極との間に介在する分離膜が積層された構造の電極組立体がどのような構造からなっているかによって分類されることもあり、代表的には、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る構造のジェリーロール型（巻き取り型）電極組立体、所定の大きさの単位に切り取った多数の正極と負極を分離膜が介在した状態で順次積層したスタック型（積層型）電極組立体などを挙げることができ、最近は、前記ジェリーロール型電極組立体及びスタック型電極組立体が有する問題点を解決するために、前記ジェリーロール型とスタック型の混合形態である進歩した構造の電極組立体として、所定の単位の正極と負極を分離膜が介在した状態で積層した単位セルを分離フィルム上に位置させた状態で順次に巻き取る構造のスタック／フォールディング型電極組立体が開発された。
また、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。
特に、最近は、スタック型又はスタック／フォールディング型電極組立体をアルミニウムラミネートシートのパウチ型電池ケースに内蔵した構造のパウチ型電池が、低い製造コスト、少ない重量、容易な形状変形などを理由で、多くの関心を集めており、また、その使用量が次第に増加している。
しかし、このような二次電池の場合、電極組立体をなすそれぞれの電極は、電池の駆動時に様々な現象及び変化が発生し、前記様々な現象及び変化をリアルタイムで観察することによって、その結果を二次電池に関する基礎研究、性能診断及び改善に活用できるにもかかわらず、前記電極組立体は、不透明な電池ケース内に密封された状態で、電極組立体をなす電極がその他の電極及び分離膜によって積層された構造となっているため、観察が容易でないという問題がある。
また、前記電極組立体をなす電極の観察のための別途の実験用電池が一部開発されているが、内部構造が複雑であるため、従来の二次電池の製作過程を用いて具現しにくく、一部の構成要素が従来の二次電池の構成要素と差があり、コインセルサイズの電極を用いるので、従来の二次電池と同一の性能を具現しにくいため、これによる電極の観察結果を従来の二次電池に適用できる程度に信頼性が高くないという問題がある。
したがって、このような問題点を根本的に解決できる技術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。
本出願の発明者らは、鋭意研究と様々な実験を重ねた結果、後述するように、電極組立体に電池ケースから正極又は負極に至るホールを形成し、前記ホールに対応する電池ケースの部位に透明部材のウィンドウが形成されるように構成することによって、前記ホール及びウィンドウを介して、電池の駆動時に電池の内部で発生する様々な現象及び変化に対するリアルタイム観察が可能であるため、前記観察結果を電池に関する基礎研究、性能診断及び改善に活用することができ、従来の電極組立体及び電池ケースにホール及びウィンドウを形成する簡単な構成のみで、電池の駆動時に電池の内部の変化に対して容易に観察できるので、別途の実験用電池セルに対する複雑な設計及び製作が不要であり、従来の電池と同一の性能を具現した状態で発生する電池の内部の様々な現象及び変化を観察できるので、その結果に対する信頼性を高めることができることを確認し、本発明を完成するに至った。
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する分離膜を含む積層構造の電極組立体が電池ケースの収納部に装着されており、
前記電極組立体には、電池ケースから正極又は負極に至る１つ以上のホールが形成されており、
前記ホールに対応する電池ケースの部位には透明部材のウィンドウが形成されている構造で構成されている。
言い換えると、前記電極組立体及び電池ケースには、１つ以上のホール及び前記ホールに対応する透明部材のウィンドウが垂直断面視で互いに連通する構造で形成されているので、前記ホール及びウィンドウを介して、電池の駆動時に電池の内部で発生する様々な現象及び変化をリアルタイムで観察することができ、前記観察結果を電池に関する基礎研究、性能診断及び改善に活用することができる。
また、従来の電極組立体及び電池ケースにホール及びウィンドウを形成する簡単な構成のみでで、電池の駆動時に電池の内部で発生する変化及び現象に対して容易に観察できるので、別途の実験用電池セルに対する複雑な設計及び作製が不要であり、従来の電池と同じ性能を具現した状態で発生する電極の様々な現象及び変化を観察できるので、その結果に対する信頼性を高めることができる。
一具体例において、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パウチ型ケースであってもよいが、これに限定されるものではなく、円筒形又は角形の缶、及び前記缶の開放上端部に搭載されるキャップを含む構造であってもよい。
また、前記電極組立体は、電池セルの性能低下なしに、電池ケースから正極又は負極に至る１つ以上のホールが形成された構造であれば、大きく制限されるものではなく、具体的に、分離膜シートが介在している正極シートと負極シートが巻き取られている構造のジェリーロール型電極組立体、分離膜が介在した状態で１つ以上の正極板と１つ以上の負極板が積層されているスタック型電極組立体、または正極板と負極板を含む積層型ユニットセルが分離膜シートによって巻き取られているスタック及びフォールディング型電極組立体であってもよい。
一方、前記電極組立体は、垂直断面視で、分離膜が介在した状態で、正極又は負極であるＡ電極、及び前記Ａ電極の対向極であるＢ電極が交互方式で一対以上積層された構造を含んでおり、積層された構造において最外郭電極がそれぞれＡ電極とＢ電極であるか、またはそれぞれＡ電極である構造であってもよい。
言い換えると、前記電極組立体は、垂直断面視で、分離膜が介在した状態で正極及び負極が交互方式で一対以上積層された構造を含んでおり、前記積層構造において最外郭電極は互いに同一または異なる構造からなることができる。
一具体例において、前記電極組立体は、ウィンドウが位置する電池ケースの一側から、１番目の電極がＡ１電極であり、２番目の電極がＢ２電極であり、ｋ−１番目の電極がＡ（ｋ−１）電極であり、ｋ番目の電極がＢｋ電極である場合（ここで、ｋは、４以上の自然数である）、前記ｋ番目の電極の観察のために、１番目の電極からｋ−１番目の電極まで連通するホールが穿孔されている構造であってもよい。
より具体的に、前記多数の電極を含んでいる電極組立体は、ウィンドウが位置する電池ケースの一側から、１番目の電極がＡ１電極であり、これに対向する極性の２番目の電極がＢ２電極である場合、（ｋ−１）番目の電極はＡ（ｋ−１）電極となり、ｋ番目の電極はＢｋ電極となる。
このような場合に、ｋ番目の電極を観察できるように、１番目の電極からｋ−１番目の電極まで連通するホールが穿孔されている構造であり得、前記ホールに対応する電池ケースの部位にはウィンドウが形成されているので、電池の駆動時、前記ウィンドウを介してｋ番目の電極で発生する様々な現象及び変化を容易に観察することができる。
他の具体例において、前記電極組立体は、ウィンドウが位置する電池ケースの一側から、１番目の電極がＡ１電極であり、２番目の電極がＢ２電極であり、ｋ−１番目の電極がＡ（ｋ−１）電極であり、ｋ番目の電極がＢｋ電極である場合（ここで、ｋは、４以上の自然数である）、前記ｋ−１番目の電極の観察のために、１番目の電極からｋ−２番目の電極まで連通するホールが穿孔されている構造であってもよい。
より具体的に、前記多数の電極を含んでいる電極組立体は、ウィンドウが位置する電池ケースの一側から、１番目の電極がＡ１電極であり、これに対向する極性の２番目の電極がＢ２電極である場合、（ｋ−１）番目の電極はＡ（ｋ−１）電極となり、ｋ番目の電極はＢｋ電極となる。
このような場合に、ｋ−１番目の電極を観察できるように、１番目の電極からｋ−２番目の電極まで連通するホールが穿孔されている構造であり得、前記ホールに対応する電池ケースの部位にはウィンドウが形成されているので、電池の駆動時、前記ウィンドウを介してｋ−１番目の電極で発生する様々な現象及び変化を容易に観察することができる。
一方、前記電極組立体及び電池ケースには２つ以上のホール及びウィンドウが形成されている構造であってもよく、具体的に、前記２つ以上のホール及びウィンドウは、それぞれ互いに異なる部位に形成されている構造であって、前記２つ以上のホールは電池ケースの一側、または対向側、または一側及び対向側から観察できるように形成されて、それぞれのホール及びウィンドウを介して、電池の駆動時に互いに異なる電極で発生する様々な現象及び変化を観察することができる。
ただし、前記ホールの面積は、平面視で、電池セルの一面の全面積に対して１〜１５％の大きさであってもよく、詳細には、３〜５％の大きさであってもよい。
もし、前記ホールの面積が電池セルの一面の全面積に対して１％未満の場合、電池の駆動時に電池の内部で発生する様々な現象及び変化を観察できる程度の十分な空間を形成することができず、１５％を超える場合、従来の電池に比べて電池セルの性能が低下してしまい、観察結果に対する信頼度が低下することがある。
また、前記ホールは、電極組立体の電極及び分離膜に形成することができ、前記分離膜に形成されているホールの面積は、電極に形成されているホールの面積に比べて小さい構造で形成され得る。
このような場合に、前記分離膜に形成されているホールの面積は、電極に形成されているホールの面積に対して６０〜９０％の大きさであってもよく、詳細には、７０〜８０％の大きさであってもよい。
もし、前記分離膜に形成されているホールの面積が、電極に形成されているホールの面積に対して６０％未満の場合、上述と同様に、電池の駆動時に電池の内部で発生する様々な現象及び変化を観察できる程度の十分な空間を形成することができず、９０％を超える場合、分離膜を介在して互いに対面する正極と負極が互いに直接接触することによって、電池セルの内部短絡を誘発することがある。
一方、前記電極組立体のホールに対応する電池ケースの部位には透明部材のウィンドウが形成されており、より具体的に、前記電池ケースには、電極組立体のホールに対応する部位に開口が穿孔されており、前記開口に透明部材が付着されてウィンドウを形成している構造であってもよい。
したがって、前記透明部材が付着されて形成されるウィンドウ及びこれに対応するホールを介して電極の観察が容易になる。
このような場合に、前記透明部材は、電池ケースの開口に対する密封性を確保できるように接着剤又は接着テープによって付着されている構造であってもよいが、これに限定されるものではなく、電池セルの性能の変化を誘発せずに、前記電池ケースの開口に対する密封性を確保できる付着方法であれば、大きく制限されるものではない。
一具体例において、前記接着剤は、エポキシ接着剤、セラミック接着剤、及びアクリル接着剤からなる群から選択されるいずれか１つ以上であってもよく、他の具体例において、前記接着テープは、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）テープ、ポリエステル（ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ）テープ、及びポリエチレン（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）テープからなる群から選択されるいずれか１つ以上であってもよい。
前記接着剤及び接着テープの種類は、電池セルの性能の変化を誘発せずに、前記電池ケースの開口に対する透明部材の安定した付着を通じて密封性を確保できるものであれば、大きく制限されるものではない。
また、前記透明部材は、電極の観察が容易な程度の光学的に透明な素材のフィルムであって、高分子フィルムからなることができ、詳細には、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）フィルム及びシクロオレフィン（ｃｙｃｌｏ ｏｌｅｆｉｎ）系フィルムからなる群から選択されるいずれか１つ以上であってもよく、より詳細には、耐化学性及び耐水分性に優れたシクロオレフィン（ｃｙｃｌｏ ｏｌｅｆｉｎ）系フィルムからなることができる。
また、前記透明部材の厚さは、電池ケースの厚さに対して２０〜１５０％の大きさであってもよく、詳細には、５０〜１００％の大きさであってもよく、より具体的に、一般的なパウチ型電池ケースの厚さが１００〜１５０μｍであることを考慮する場合、前記透明部材の厚さは２０〜１００μｍであってもよい。
もし、前記透明部材の厚さが電池ケースの厚さに対して５０％未満の場合、電池ケースの開口に対するウィンドウの形成時、所望の密封力を発揮することができず、１５０％を超える場合、電極を確実に観察できる程度の透明性を確保することができないおそれがある。
一方、前記電池ケースのウィンドウには、透明部材の付着と共に、微細な厚さの薄いガラスをさらに付加することによって、水分浸透防止効果を向上させることができる。
一具体例において、本願発明に係る電池セルの電極に対する観察は、ラマン分光法（Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、Ｘ線回折分析法（Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ；ＸＲＤ）、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＡＦＭ）、走査トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＴＭ）を用いて行うことができ、ラマン分光法により電極を観察する場合、ポリプロピレンフィルムから由来するピーク（ｐｅａｋ）と黒鉛のピークが重なることがあるため、より正確な電極の観察のために、電池ケースのウィンドウを形成する透明部材として、シクロオレフィン（ｃｙｃｌｏ ｏｌｅｆｉｎ）系フィルムを使用することができる。
また、原子間力顕微鏡又は走査トンネル顕微鏡を用いて電極を観察する場合、電極に対する接触式観測が行われるので、電池ケースの開口にウィンドウを形成する透明部材が付着していない状態で電極の観察が行われ、これによって、外部環境による電極の変化をなくしたり最小化したりすることができるように、グローブボックス（ｇｌｏｖｅ ｂｏｘ）または乾燥室（ｄｒｙ ｒｏｏｍ）などの水分が制御される環境で電極を観察し得る。
一方、本発明に係る電池セルは、その種類が特に限定されるものではないが、具体例として、高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性などの利点を有するリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのようなリチウム二次電池であってもよい。
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で構成されている。
前記正極は、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、乾燥して製造され、必要に応じて、前記混合物に充填剤をさらに添加することもある。
前記正極活物質は、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ２）などの層状化合物や、１つまたはそれ以上の遷移金属で置換された化合物；化学式Ｌｉ１＋ｘＭｎ２−ｘＯ４（ここで、ｘは０〜０．３３である）、ＬｉＭｎＯ３、ＬｉＭｎ２Ｏ３、ＬｉＭｎＯ２などのリチウムマンガン酸化物；リチウム銅酸化物（Ｌｉ２ＣｕＯ２）；ＬｉＶ３Ｏ８、ＬｉＦｅ３Ｏ４、Ｖ２Ｏ５、Ｃｕ２Ｖ２Ｏ７などのバナジウム酸化物；化学式ＬｉＮｉ１−ｘＭｘＯ２（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、ＢまたはＧａであり、ｘ＝０．０１〜０．３である）で表されるＮｉサイト型リチウムニッケル酸化物；化学式ＬｉＭｎ２−ｘＭｘＯ２（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＺｎまたはＴａであり、ｘ＝０．０１〜０．１である）またはＬｉ２Ｍｎ３ＭＯ８（ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎである）で表されるリチウムマンガン複合酸化物；化学式のＬｉの一部がアルカリ土金属イオンで置換されたＬｉＭｎ２Ｏ４；ジスルフィド化合物；Ｆｅ２（ＭｏＯ４）３などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
前記導電材は、通常、正極活物質を含む混合物の全重量を基準として１〜３０重量％で添加される。このような導電材は、当該電池に化学的変化を誘発せずに導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；カーボンブラック、アセチレンブラック、ケチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック；炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維；フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などを使用することができる。
前記バインダーは、活物質と導電材などの結合及び集電体に対する結合を助ける成分であって、通常、正極活物質を含む混合物の全重量を基準として１〜３０重量％で添加される。このようなバインダーの例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム、様々な共重合体などを挙げることができる。
前記充填剤は、正極の膨張を抑制する成分として選択的に使用され、当該電池に化学的変化を誘発せずに繊維状材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系重合体；ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状物質が使用される。
前記負極は、負極集電体上に負極活物質を塗布、乾燥して製作され、必要に応じて、上述したような成分が選択的にさらに含まれてもよい。
前記負極活物質としては、例えば、難黒鉛化炭素、黒鉛系炭素などの炭素；ＬｉｘＦｅ２Ｏ３（０≦ｘ≦１）、ＬｉｘＷＯ２（０≦ｘ≦１）、ＳｎｘＭｅ１−ｘＭｅ’ｙＯｚ（Ｍｅ：Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｇｅ；Ｍｅ’：Ａｌ、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、周期律表の１族、２族、３族元素、ハロゲン；０＜ｘ≦１、１≦ｙ≦３、１≦ｚ≦８）などの金属複合酸化物；リチウム金属；リチウム合金；ケイ素系合金；錫系合金；ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＰｂＯ、ＰｂＯ２、Ｐｂ２Ｏ３、Ｐｂ３Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ５、ＧｅＯ、ＧｅＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ４、Ｂｉ２Ｏ５などの金属酸化物；ポリアセチレンなどの導電性高分子；Ｌｉ−Ｃｏ−Ｎｉ系材料などを使用することができる。
前記分離膜及び分離フィルムは、正極と負極との間に介在し、高いイオン透過度及び機械的強度を有する、絶縁性の薄い薄膜が使用される。一般に、分離膜の気孔径は０．０１〜１０μｍであり、厚さは５〜３００μｍである。このような分離膜としては、例えば、耐化学性及び疎水性のポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマー；ガラス繊維またはポリエチレンなどで作られたシートや不織布などが使用される。電解質としてポリマーなどの固体電解質が使用される場合には、固体電解質が分離膜を兼ねることもできる。
また、一具体例において、高エネルギー密度の電池の安全性の向上のために、前記分離膜及び／又は分離フィルムは、有／無機複合多孔性のＳＲＳ（Ｓａｆｅｔｙ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ Ｓｅｐａｒａｔｏｒｓ）分離膜であってもよい。
前記ＳＲＳ分離膜は、ポリオレフィン系列分離膜基材上に無機物粒子及びバインダー高分子を活性層成分として使用して製造され、このとき、分離膜基材自体に含まれた気孔構造と共に、活性層成分である無機物粒子間の空き空間（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｖｏｌｕｍｅ）によって形成された均一な気孔構造を有する。
このような有／無機複合多孔性分離膜を使用する場合、通常の分離膜を使用した場合に比べて、化成工程（Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）時のスウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）による電池の厚さの増加を抑制できるという利点があり、バインダー高分子成分として、液体電解液の含浸時にゲル化が可能な高分子を使用する場合、電解質としても同時に使用することができる。
また、前記有／無機複合多孔性分離膜は、分離膜内の活性層成分である無機物粒子とバインダー高分子の含量の調節によって優れた接着力特性を示すことができるので、電池組立工程を容易に行うことができるという特徴がある。
前記無機物粒子は、電気化学的に安定している限り、特に制限されない。すなわち、本発明で使用できる無機物粒子は、適用される電池の作動電圧範囲（例えば、Ｌｉ／Ｌｉ＋を基準として０〜５Ｖ）で酸化及び／又は還元反応が起こらないものであれば、特に制限されない。特に、イオン伝達能力を有する無機物粒子を使用する場合、電気化学素子内のイオン伝導度を高め、性能向上を図ることができるので、可能な限りイオン伝導度が高いことが好ましい。また、前記無機物粒子が高い密度を有する場合、コーティング時に分散させることが難しいだけでなく、電池の製造時に重量が増加するという問題もあるため、可能な限り密度が小さいことが好ましい。また、誘電率が高い無機物である場合、液体電解質内の電解質塩、例えば、リチウム塩の解離度増加に寄与し、電解液のイオン伝導度を向上させることができる。
リチウム塩含有非水電解液は、極性有機電解液とリチウム塩からなっている。電解液としては、非水系液状電解液、有機固体電解質、無機固体電解質などが使用される。
前記非水系液状電解液としては、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリジノン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフラン（ｆｒａｎｃ）、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、ホルム酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの非プロトン性有機溶媒を使用することができる。
前記有機固体電解質としては、例えば、ポリエチレン誘導体、ポリエチレンオキシド誘導体、ポリプロピレンオキシド誘導体、リン酸エステルポリマー、ポリエジテーションリシン（ａｇｉｔａｔｉｏｎ ｌｙｓｉｎｅ）、ポリエステルスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、イオン性解離基を含む重合体などを使用することができる。
前記無機固体電解質としては、例えば、Ｌｉ３Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ５ＮＩ２、Ｌｉ３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ４、ＬｉＳｉＯ４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ２ＳｉＳ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ４ＳｉＯ４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ３ＰＯ４−Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２などのＬｉの窒化物、ハロゲン化物、硫酸塩などを使用することができる。
前記リチウム塩は、前記非水系電解質に溶解しやすい物質であって、例えば、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、ＣＨ３ＳＯ３Ｌｉ、ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ、（ＣＦ３ＳＯ２）２ＮＬｉ、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、４フェニルホウ酸リチウム、イミドなどを使用することができる。
また、非水系電解液には、充放電特性、難燃性などの改善を目的として、例えば、ピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、ｎ−グリム（ｇｌｙｍｅ）、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、Ｎ−置換オキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ−置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、２−メトキシエタノール、三塩化アルミニウムなどが添加されてもよい。場合によっては、不燃性を付与するために、四塩化炭素、三フッ化エチレンなどのハロゲン含有溶媒をさらに含ませることもでき、高温保存特性を向上させるために二酸化炭酸ガスをさらに含ませることもできる。
本発明の一実施例に係る電池セルをなす電極組立体の構成方法を概略的に示した模式図である。 図１の構成方法により製造された電極組立体の構造を概略的に示した平面図である。 本発明の様々な実施例に係る電池セルの積層構造を概略的に示した模式図である。 本発明の様々な実施例に係る電池セルの積層構造を概略的に示した模式図である。 本発明の様々な実施例に係る電池セルの積層構造を概略的に示した模式図である。 本発明の様々な実施例に係る電池セルの積層構造を概略的に示した模式図である。
以下、本発明の実施例に係る図面を参照して本発明をさらに詳述するが、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１には、本発明の一実施例に係る電池セルをなす電極組立体の構成方法を概略的に示した模式図が示されている。
図１を参照すると、電極組立体１００は、正極１１０、負極１３０及び前記正極１１０と負極１３０との間に介在する分離膜１２０を含む積層構造で構成される。
正極１１０及び分離膜１２０には、それぞれ一つのホール１１１，１２１が穿孔されており、前記正極１１０及び分離膜１２０に穿孔されているホール１１１，１２１は、互いに対応する位置で連通１４０する構造で構成されている。
したがって、前記正極１１０及び分離膜１２０に穿孔されているホール１１１，１２１を介して、電池の駆動時に負極１３０で発生する様々な現象及び変化を観察することができる。
図２には、図１の構成方法により製造された電極組立体の構造を概略的に示した平面図が示されている。
図２を参照すると、電極組立体１００は、正極１１０、負極１３０及び正極１１０と負極１３０との間に介在する分離膜１２０が互いに積層されている本体部１６０を含んでおり、本体部１６０の一側に正極端子１５１及び負極端子１５２が突出している。
本体部１６０には、正極１１０と分離膜１２０の互いに対応する部位で連通するホール１１１，１２１がそれぞれ形成されているため、ホール１１１，１２１を介して電極組立体１００の内部の負極１３０を観察することができる。
分離膜１２０に形成されているホール１２１の面積は、正極１１０に形成されているホール１１１の面積に比べて小さい大きさで形成されており、詳細には、６０％〜９０％の大きさで形成されることで、正極１１０と負極１３０の直接的な接触を防止し、これによる内部短絡の発生を予防することができる。
図３乃至図６には、本発明の様々な実施例に係る電池セルの積層構造を概略的に示した模式図が示されている。
まず、図３を参照すると、電池セル３００の電極組立体３４０は、２つの正極３１１，３１２、２つの負極３３１，３３２、及び正極３１１，３１２と負極３３１，３３２との間に介在している分離膜３２１，３２２，３２３の積層構造となっており、電極組立体３４０の最外郭電極３１１，３３２は、それぞれ互いに異なる極性の正極３１１及び負極３３２で構成され、電池ケース３５１，３５２にそれぞれ対面している。
電極組立体３４０には、一側の電池ケース３５１から４番目の電極である負極３３２に至る一つのホール３７０が形成されており、ホール３７０に対応する電池ケース３５１の部位には透明部材のウィンドウ３６０が形成されている。
ホール３７０は、ウィンドウ３６０が位置する一側の電池ケース３５１から３番目の電極である正極３１２及び分離膜３２３まで連通３８０する構造で形成されている。
したがって、透明部材のウィンドウ３６０を介して、電池セル３００の駆動時に電極組立体３４０の４番目の電極である負極３３２で発生する様々な現象及び変化を容易に観察することができる。
図４を参照すると、電池セル４００の電極組立体４４０は、図３と同様に、２つの正極４１１，４１２、２つの負極４３１，４３２、及び正極４１１，４１２と負極４３１，４３２との間に介在している分離膜４２１，４２２，４２３の積層構造となっており、電極組立体４４０の最外郭電極４１１，４３２は、それぞれ互いに異なる極性の正極４１１及び負極４３２で構成され、電池ケース４５１，４５２にそれぞれ対面している。
ただし、電極組立体４４０には、一側の電池ケース４５１から４番目の電極である負極４３２に至る一つのホール４７１以外に、３番目の電極である正極４１２に至る他のホール４７２がさらに形成されており、前記ホール４７１，４７２に対応する電池ケース４５１の部位には、透明部材のウィンドウ４６１，４６２がそれぞれ形成されている。
一つのホール４７１は、ウィンドウ４６１が位置する一側の電池ケース４５１から３番目の電極である正極４１２及び分離膜４２３まで連通する構造で形成されており、他のホール４７２は、ウィンドウ４６２が位置する一側の電池ケース４５１から２番目の電極である負極４３１及び分離膜４２２まで連通する構造で形成されている。
すなわち、電池セル４００の電極組立体４４０及び電池ケース４５１には、２つのホール４７１，４７２及びウィンドウ４６１，４６２が同一側の電池ケース４５１にそれぞれ形成されており、ホール４７１，４７２に対応する電池ケース４５１の部位にそれぞれ形成されているウィンドウ４６１，４６２を介して、電池セル４００の駆動時、電極組立体４４０の４番目の電極である負極４３２及び３番目の電極である正極４１２で発生する様々な現象及び変化を容易に観察することができる。
ウィンドウは、電池ケースの同一側だけでなく、互いに対向する一側及び対向側から観察できるように形成することができ、前記それぞれのウィンドウが電池ケースの互いに対向する一側及び対向側に形成されている構造が図５に示されている。
図５を参照すると、電極組立体５４０には、一側の電池ケース５５１から２番目の電極である負極５３１に至る一つのホール５７１以外に、対向側の電池ケース５５２から２番目の電極である正極５１２に至る他のホール５７２がさらに形成されており、ホール５７１，５７２に対応する電池ケース５５１，５５２の部位には、透明部材のウィンドウ５６１，５６２がそれぞれ形成されている。
一つのホール５７１は、ウィンドウ５６１が位置する一側の電池ケース５５１から１番目の電極である正極５１１及び分離膜５２１まで連通する構造で形成されており、他のホール５７２は、他のウィンドウ５６２が位置する対向側の電池ケース５５２から１番目の電極である負極５３２及び分離膜５２３まで連通する構造で形成されている。
すなわち、電池セル５００の電極組立体５４０及び電池ケース５５１，５５２には、２つのホール５７１，５７２及びウィンドウ５６１，５６２がそれぞれ形成されており、詳細には、互いに対向する一側の電池ケース５５１及び対向側の電池ケース５５２にそれぞれ形成されている。
したがって、ホール５７１，５７２に対応する電池ケース５５１，５５２の部位にそれぞれ形成されているウィンドウ５６１，５６２を介して、電池セル５００の駆動時、電極組立体５４０の一側から２番目の電極である負極５３１及び他側から２番目の電極である正極５１２で発生する様々な現象及び変化を容易に観察することができる。
以下、本発明の実施例を参照して説明するが、下記の実施例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のみに限定されるものではない。
＜実施例１＞
図１の構成のように、正極及び分離膜に互いに連通する一つのホールがそれぞれ形成されている電極組立体を組み立て、これをパウチ型電池ケースに内蔵した後、１Ｍ ＬｉＰＦ６リチウム塩が含まれたＥＣ／ＥＭＣ系電解液を注液し、電極に含浸させた後、シールして電池セルを製造した。このとき、電極組立体のホールに対応するパウチ型電池ケースの部位には開口が穿孔されており、前記開口には、シクロオレフィン系フィルムが付着されたウィンドウが形成されている。
＜実験例１＞
実施例１で製造された電池セルを対象として、４．２Ｖ〜２．５Ｖで充放電を行い、充放電サイクルによる容量維持率を測定し、その結果を図６に示す。
図６を参照すると、電池セルの電極組立体にホールを形成し、これに対応する電極ケースの部位に透明部材のウィンドウを形成したにもかかわらず、容量維持率に変化がないことを確認できる。
すなわち、電池セルの電極組立体にホールを形成し、これに対応する電極ケースの部位に透明部材のウィンドウを形成する場合、電池セルの性能に変化を誘発しないと共に、前記ホール及びウィンドウを介して、電池の駆動時に電池の内部で発生する様々な現象及び変化に対してリアルタイムで観察できるので、その結果に対する信頼性が高いことを確認することができる。
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、本発明に係る電池セルは、電極組立体に電池ケースから正極又は負極に至るホールを形成し、前記ホールに対応する電池ケースの部位に透明部材のウィンドウが形成されるように構成することによって、前記ホール及びウィンドウを介して、電池の駆動時に電池の内部で発生する様々な現象及び変化に対するリアルタイム観察が可能であるので、前記観察結果を電池に関する基礎研究、性能診断及び改善に活用することができ、従来の電極組立体及び電池ケースにホール及びウィンドウを形成する簡単な構成のみで、電池の駆動時に電池の内部で発生する変化及び現象に対して容易に観察できるので、別途の実験用電池セルに対する複雑な設計及び作製が不要であり、従来の電池と同じ性能を具現した状態で発生する電極の様々な現象及び変化を観察できるので、その結果に対する信頼性を高めることができるという効果がある。
１００ 電極組立体
１１０ 正極
１１１ ホール
１２０ 分離膜
１２１ ホール
１３０ 負極
１４０ 連通構造
１５１ 正極端子
１５２ 負極端子
１６０ 本体部
３００ 電池セル
３１１ 正極
３１２ 正極
３２１ 分離膜
３２２ 分離膜
３３１ 負極
３３２ 負極
３４０ 電極組立体
３５１ 電池ケース
３５２ 電池ケース
３６０ ウィンドウ
３７０ ホール
３８０ 連通構造
４００ 電池セル
４１１ 正極
４１２ 正極
４２１ 分離膜
４２２ 分離膜
４３１ 負極
４３２ 負極
４４０ 電極組立体
４５１ 電池ケース
４５２ 電池ケース
４６１ ウィンドウ
４６２ ウィンドウ
４７１ ホール
４７２ ホール
５００ 電池セル
５１１ 正極
５１２ 正極
５２１ 分離膜
５３１ 負極
５３２ 負極
５４０ 電極組立体
５５１ 電池ケース
５５２ 電池ケース
５６１ ウィンドウ
５６２ ウィンドウ
５７１ ホール
５７２ ホール

Claims (18)

  1. 正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在する分離膜を含む積層構造の電極組立体が電池ケースの収納部に装着されており、
    前記電極組立体には、電池ケースから正極又は負極に至る１つ以上のホールが形成されており、
    前記ホールに対応する電池ケースの部位には、透明部材のウィンドウが形成されていることを特徴とする、電池セル。
  2. 前記電池ケースが、樹脂層と金属層を含むラミネートシートのパウチ型ケースであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  3. 前記電極組立体が、分離膜シートが介在している正極シートと負極シートが巻き取られている構造のジェリーロール型電極組立体、分離膜が介在した状態で１つ以上の正極板と１つ以上の負極板が積層されているスタック型電極組立体、または正極板と負極板を含む積層型ユニットセルが分離膜シートによって巻き取られているスタック及びフォールディング型電極組立体であることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  4. 前記電極組立体が、垂直断面視で、分離膜が介在した状態で、正極又は負極であるＡ電極、及び前記Ａ電極の対向極であるＢ電極が交互方式で一対以上積層された構造を含んでおり、積層された構造において最外郭電極がそれぞれＡ電極とＢ電極であるか、またはそれぞれＡ電極であることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  5. 前記電極組立体が、ウィンドウが位置する電池ケースの一側から、１番目の電極がＡ１電極であり、２番目の電極がＢ２電極であり、ｋ−１番目の電極がＡ（ｋ−１）電極であり、ｋ番目の電極がＢｋ電極である場合（ここで、ｋは、４以上の自然数である）、前記ｋ番目の電極の観察のために、１番目の電極からｋ−１番目の電極まで連通するホールが穿孔されていることを特徴とする、請求項４に記載の電池セル。
  6. 前記電極組立体が、ウィンドウが位置する電池ケースの一側から、１番目の電極がＡ１電極であり、２番目の電極がＢ２電極であり、ｋ−１番目の電極がＡ（ｋ−１）電極であり、ｋ番目の電極がＢｋ電極である場合（ここで、ｋは、４以上の自然数である）、前記ｋ−１番目の電極の観察のために、１番目の電極からｋ−２番目の電極まで連通するホールが穿孔されていることを特徴とする、請求項４に記載の電池セル。
  7. 前記電極組立体及び電池ケースには２つ以上のホール及びウィンドウが形成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。
  8. 前記２つ以上のホール及びウィンドウが、それぞれ互いに異なる部位に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。
  9. 前記２つ以上のホールが、電池ケースの一側、または対向側、または一側及び対向側から観察できるように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。
  10. 前記ホールの面積が、平面視で電池セルの一面の全面積に対して１〜１５％の大きさであることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  11. 前記分離膜に形成されているホールの面積が、電極に形成されているホールの面積に比べて小さいことを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  12. 前記分離膜に形成されているホールの面積が、電極に形成されているホールの面積に対して６０〜９０％の大きさであることを特徴とする、請求項１１に記載の電池セル。
  13. 前記電池ケースには、電極組立体のホールに対応する部位に開口が穿孔されており、前記開口に透明部材が付着されてウィンドウを形成していることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  14. 前記透明部材が、接着剤又は接着テープにより付着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。
  15. 前記接着剤が、エポキシ接着剤、セラミック接着剤、及びアクリル接着剤からなる群から選択されるいずれか１つ以上であることを特徴とする、請求項１４に記載の電池セル。
  16. 前記接着テープが、ポリイミドテープ、ポリエステルテープ、及びポリエチレンテープからなる群から選択されるいずれか１つ以上であることを特徴とする、請求項１４に記載の電池セル。
  17. 前記透明部材が、高分子フィルムであって、ポリプロピレンフィルム及びシクロオレフィン系フィルムからなる群から選択されるいずれか１つ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  18. 前記電池セルがリチウム二次電池であることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
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