JP2017530515A - 両方向に巻き取られている電極組立体及びそれを含むリチウム二次電池 - Google Patents

両方向に巻き取られている電極組立体及びそれを含むリチウム二次電池 Download PDF

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Abstract

本発明は、正極、負極及び正極と負極との間に分離膜が介在している構造の複数の単位セル；及び前記単位セルの間に介在し、単位セルの側面を取り囲んでいる１単位の分離シート；を含んでおり、前記単位セルは、分離シートの一側端部から中央側に分離シートと共に巻き取られて第１積層部を形成する単位セル、分離シートの他側端部から中央側に分離シートと共に巻き取られて第２積層部を形成する単位セル、及び前記分離シートが介在した状態で一面が第１積層部と接し、他面が第２積層部と接する対面単位セルを含んでおり、前記単位セルは、反対の極性を有する電極が分離シートを介在して接するように積層されていることを特徴とする電極組立体に関する。

Description

本出願は、２０１４年１０月０７日付けの韓国特許出願第１０−２０１４−０１３４７７６号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、両方向に巻き取られている電極組立体及びそれを含むリチウム二次電池に関する。
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おり、特に、モバイルデバイスの多機能化、高性能化、小型化などの趨勢により、小型でありながらも高容量を有する二次電池の需要が増加している。
代表的に、電池の形状の面では、薄い厚さで携帯電話などのような製品に適用することができる角型二次電池及びパウチ型二次電池に対する需要が高く、材料の面では、高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性の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／分離膜／負極の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った構造のジェリーロール型（巻取り型）電極組立体と、所定サイズの単位に切り取った多数の正極と負極を分離膜を介在させた状態で順次積層した構造のスタック型（積層型）電極組立体とに大別される。
しかし、このような従来の電極組立体はいくつかの問題点を有している。
第一に、ジェリーロール型電極組立体は、長いシート状の正極と負極を密集した状態で巻き取って、断面視で円筒形又は楕円形の構造にするため、充放電時に電極の膨張及び収縮により誘発される応力が電極組立体の内部に蓄積され、そのような応力の蓄積が一定の限界を超えると、電極組立体の変形が発生するようになる。前記電極組立体の変形により、電極間の間隔が不均一となり、電池の性能が急激に低下し、内部短絡によって電池の安定性が確保されないという問題を招く。また、長いシート状の正極と負極を巻き取らなければならないため、正極と負極の間隔を一定に維持しながら迅速に巻き取ることが難しくなり、生産性が低下するという問題も有している。
第二に、スタック型電極組立体は、多数の正極及び負極単位体を順次積層しなければならないため、単位体の製造のための極板の伝達工程が別途に必要であり、順次の積層工程にかなりの時間と努力が要求されるため、生産性が低いという問題を有している。
このような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との混合形態である進歩した構造の電極組立体として、所定単位の正極と負極を分離膜を介在させた状態で積層したバイセル（Ｂｉ−ｃｅｌｌ）またはフルセル（Ｆｕｌｌ ｃｅｌｌ）を、長い長さの連続した分離膜シートを用いて巻き取った構造のスタック／フォールディング型電極組立体が開発された。これは、本出願人の韓国特許出願公開第２００１−００８２０５８号、第２００１−００８２０５９号及び第２００１−００８２０６０号などに開示されている。
しかし、このようなスタック／フォールディング型電極組立体は、単一方向にバイセル又はフルセルを巻き取って製造されるところ、積層するバイセル又はフルセルの数が増加するほど、分離膜シートの重畳回数が増加するため、電極組立体の全体の幅が厚くなり、巻き取り回数が増加するほど蛇行のおそれが大きくなるという問題がある。
したがって、積層するバイセル又はフルセルの数が増加しても、電極組立体の全体の幅の増加を最小化することができ、巻き取り過程での蛇行の発生を防止することができる技術に対する必要性が高いのが実情である。
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、スタック／フォールディング型電極組立体において、積層する単位セルの数が増加しても、電極組立体の幅の増加を最小化することができ、巻き取り過程で巻き取り回数が増加しても、蛇行の発生を防止することができる電極組立体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極組立体は、
正極、負極及び正極と負極との間に分離膜が介在している構造の複数の単位セル；及び前記単位セルの間に介在し、単位セルの側面を取り囲んでいる１単位の分離シート；を含んでいてもよく、
前記単位セルは、分離シートの一側端部から中央側に分離シートと共に巻き取られて第１積層部を形成する単位セル、分離シートの他側端部から中央側に分離シートと共に巻き取られて第２積層部を形成する単位セル、及び前記分離シートが介在した状態で一面が第１積層部と接し、他面が第２積層部と接する対面単位セルを含んでいてもよく、
前記単位セルは、反対の極性を有する電極が分離シートを介在して接するように積層されている構造からなっていてもよい。
したがって、本発明に係る電極組立体は、単位セルが、分離シートの一側端部から中央側に分離シートと共に巻き取られて第１積層部を形成する単位セル、及び分離シートの他側端部から中央側に分離シートと共に巻き取られて第２積層部を形成する単位セルからなっているので、一方向に巻き取られる電極組立体に比べて、積層する単位セルの数が増加しても、電極組立体の幅の増加を最小化することができ、巻き取り過程で巻き取り回数が増加しても、蛇行の発生を防止することができる。
ここで、電極組立体の幅は、単位セルの長手方向での長さを意味し得る。
前記電極の一例として、前記正極は、正極集電体上に正極スラリー層が形成されており、前記負極は、負極集電体上に負極スラリー層が形成されていてもよい。
具体的に、前記正極は、正極集電体の両面に正極スラリー層が形成されており、前記負極は、負極集電体の両面に負極スラリー層が形成されていてもよい。
一方、前記単位セルのうち特定の部位に位置した単位セル、すなわち、前記電極組立体の最外郭に位置する単位セルにおいて、電極組立体の外面をなす正極は、正極集電体の一面にのみ正極スラリー層が形成されており、電極組立体の外面をなす負極は、負極集電体の一面にのみ負極スラリー層が形成されていてもよい。
前記第１積層部及び第２積層部の構造関係の一例として、第１積層部を形成する単位セルの個数は、第２積層部を形成する単位セルの個数の０．５倍〜１．５倍であってもよい。
具体的に、前記第１積層部を形成する単位セルの個数と第２積層部を形成する単位セルの個数とは同一であってもよい。
前記第１積層部及び第２積層部の巻き取り構造の一例として、前記第１積層部及び第２積層部の単位セルは、それぞれ分離シートの一面に接した状態で巻き取られていてもよい。
具体的に、前記第１積層部の単位セルは、第１方向に巻き取られており、前記第２積層部の単位セルは、第１方向と反対の第２方向に巻き取られていてもよい。
前記対面単位セルの一例として、前記対面単位セルは、前記第１積層部及び第２積層部の単位セルが接した分離シートの一面の対向面に接していてもよい。
具体的に、前記対面単位セルは、第１積層部の最後に巻き取られた単位セルである単位セル（ａ）と、第２積層部の最後に巻き取られた単位セルである単位セル（ｂ）とが互いに対面するように、第１積層部と第２積層部を位置させた状態で、分離シートがそれぞれ介在した状態で単位セル（ａ）と単位セル（ｂ）との間に挿入されていてもよい。
より具体的には、前記単位セル（ａ）と単位セル（ｂ）が互いに対面するように、巻き取り端部を中心に、第１積層部は第２方向に垂直に折り曲げられており、第２積層部は第１方向に垂直に折り曲げられていてもよい。
前記対面単位セルは、負極／分離膜／正極／分離膜／負極を基本構造とするＣ型バイセルであってもよく、前記単位セル（ａ）及び単位セル（ｂ）は、正極／分離膜／負極／分離膜／正極を基本構造とするＡ型バイセルであってもよいが、逆に、前記対面単位セルがＡ型バイセルであってもよく、前記単位セル（ａ）及び単位セル（ｂ）がＣ型バイセルであってもよい。
前記第１積層部において単位セル（ａ）に隣接する単位セル（ａ−１）及び第２積層部において単位セル（ｂ）に隣接する単位セル（ｂ−１）は、電極組立体の外面を形成する電極が、電極合剤の片面コーティング電極であってもよい。
前記分離膜または分離膜シートは、微細気孔を含むポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、またはこれらのフィルムの組み合わせによって製造される多層フィルム、及びポリビニリデンフルオライド、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、またはポリビニリデンフルオライドヘキサフルオロプロピレン共重合体の高分子電解質用高分子フィルムからなる群から選択されるものであってもよい。
本発明はまた、前記電極組立体が電池ケース内に内蔵されて電解液で含浸され、密封された構造からなるリチウム二次電池を提供する。
本発明はまた、前記リチウム二次電池を単位電池として含むことを特徴とする電池モジュールを提供する。
本発明はまた、前記電池モジュールを電源として含むことを特徴とするデバイスを提供する。
前記デバイスは、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、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。これらのデバイスの構造及びその作製方法は当業界に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を省略する。
本発明はまた、前記電極組立体の製造方法であって、
（ａ）正極、負極及び正極と負極との間に分離膜が介在している構造の複数の単位セルを製造するステップ；
（ｂ）１単位の分離シートの上面に前記単位セルを配列するステップ；
（ｃ）前記分離シートの一側端部から中央側に分離シートと共に単位セルを巻き取って第１積層部を形成するステップ；
（ｄ）前記分離シートの他側端部から中央側に分離シートと共に単位セルを巻き取って第２積層部を形成するステップ；
（ｅ）前記分離シートの下面の中央部に対面単位セルを位置させるステップ；
（ｆ）前記第１積層部及び第２積層部を前記対面単位セル側に折り曲げ、前記対面単位セルの一面が第１積層部と接し、他面が第２積層部と接するステップ；
を含む電極組立体の製造方法を提供する。
具体的には、前記（ｂ）ステップにおいて、巻き取り時に電極組立体の最外郭に位置する単位セルにおいて、電極組立体の外面をなす正極は、正極集電体の一面にのみ正極スラリー層が形成されており、電極組立体の外面をなす負極は、負極集電体の一面にのみ負極スラリー層が形成されていてもよい。
また、前記（ｃ）ステップ及び（ｄ）ステップにおいて、前記第１積層部を形成する単位セルの個数は、第２積層部を形成する単位セルの個数の０．５倍〜１．５倍であってもよい。
前記（ｅ）ステップにおいて、対面単位セルは、負極／分離膜／正極／分離膜／負極を基本構造とするＣ型バイセルからなっていてもよく、正極／分離膜／負極／分離膜／正極を基本構造とするＡ型バイセルからなっていてもよい。
本発明の一実施例に係る電極組立体の側面図である。
図１の対面単位セルの側面図である。
図２の対面単位セルに接する単位セルの側面図である。
本発明の他の実施例に係る電極組立体の側面図である。
図１の電極組立体を製造する方法に対する模式図である。
以下、実施例を参照して本発明をさらに詳述するが、以下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。
図１には、本発明の一実施例に係る電極組立体の側面図が示されており、図２には、図１の対面単位セルの側面図が示されており、図３には、図２の対面単位セルに接する単位セルの側面図が示されている。
図１を図２及び図３と共に参照すると、電極組立体１００は単位セル１０１及び分離シート１３０からなっている。単位セル１０１は、分離シート１３０の左側端部から分離シート１３０と共に巻き取られて第１積層部１１０を形成し、分離シート１３０の右側端部から分離シート１３０と共に巻き取られて第２積層部１２０を形成している。
また、中央には、第１積層部１１０及び第２積層部１２０と接する対面単位セル１０２が位置している。
単位セル１０１は、反対の極性を有する電極が分離シート１３０を介在して接して積層されている。
対面単位セル１０２は、上端及び下端に負極１０４が位置し、中央に正極１０３が位置し、負極１０４と正極１０３との間に分離膜１０５が介在するＣ型バイセルの構造となっている。
また、対面単位セル１０２に接する単位セル１０１は、上端及び下端に正極１０３が位置し、中央に負極１０４が位置し、正極１０３と負極１０４との間に分離膜１０５が介在するＡ型バイセルの構造となっている。
また、最外郭に位置する単位セル１０１は、電極組立体１００の外面をなす正極は、正極集電体の一面にのみ正極スラリー層が形成されており、電極組立体の外面をなす負極は、負極集電体の一面にのみ負極スラリー層が形成されている。
第１積層部１１０の単位セル１０１の個数と第２積層部１２０の単位セル１０１の個数とは同一に形成されている。
図４には、本発明の他の実施例に係る電極組立体の側面図が示されている。
図４を参照すると、第１積層部２１０の単位セル２０１の個数は、第２積層部２２０の単位セル２０１の個数の０．７倍の個数となっている。このような積層部２１０，２２０を形成する単位セル２０１の個数を除いた残りの構造は、図１乃至図３で言及した実施例の構造と同一であるので、これに関するその他の詳細な説明は省略する。
図５には、図１の電極組立体を製造する方法に対する模式図が示されている。
図５を参照すると、ステップ（Ａ）では、分離シート１３０の上面に単位セル１０１を配列する。
ステップ（Ｂ）では、分離シート１３０の左側端部から矢印方向に分離シート１３０と共に単位セル１０１を巻き取って第１積層部１１０を形成する。
ステップ（Ｃ）では、分離シート１３０の右側端部から矢印方向に分離シート１３０と共に単位セル１０１を巻き取って第２積層部１２０を形成する。
ステップ（Ｄ）では、分離シート１３０の下面の中央に対面単位セル１０２を位置させる。
ステップ（Ｅ）では、第１積層部１１０及び第２積層部１２０を対面単位セル１０２に接するように矢印方向に折り曲げて電極組立体１００を製造する。
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。
本発明に係る電極組立体は、積層する単位セルの数が増加しても、電極組立体の幅の増加を最小化することができ、巻き取り過程で巻き取り回数が増加しても、蛇行の発生を防止することができる。

Claims (22)

  1. 正極、負極及び正極と負極との間に分離膜が介在している構造の複数の単位セルと、
    前記単位セルの間に介在し、単位セルの側面を取り囲んでいる１単位の分離シートと
    を含んでおり、
    前記単位セルは、分離シートの一側端部から中央側に分離シートと共に巻き取られて第１積層部を形成する単位セル、分離シートの他側端部から中央側に分離シートと共に巻き取られて第２積層部を形成する単位セル、及び前記分離シートが介在した状態で一面が第１積層部と接し、他面が第２積層部と接する対面単位セルを含んでおり、
    前記単位セルは、反対の極性を有する電極が分離シートを介在して接するように積層されていることを特徴とする、電極組立体。
  2. 前記正極は、正極集電体上に正極スラリー層が形成されており、前記負極は、負極集電体上に負極スラリー層が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
  3. 前記電極組立体の最外郭に位置する単位セルにおいて、電極組立体の外面をなす正極は、正極集電体の一面にのみ正極スラリー層が形成されており、電極組立体の外面をなす負極は、負極集電体の一面にのみ負極スラリー層が形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の電極組立体。
  4. 前記第１積層部を形成する単位セルの個数は、第２積層部を形成する単位セルの個数の０．５倍〜１．５倍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. 前記第１積層部を形成する単位セルの個数と、第２積層部を形成する単位セルの個数とは同一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. 前記第１積層部及び第２積層部の単位セルは、それぞれ分離シートの一面に接した状態で巻き取ら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。
  7. 前記第１積層部の単位セルは、第１方向に巻き取られており、前記第２積層部の単位セルは、第１方向と反対の第２方向に巻き取ら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. 対面単位セルは、前記第１積層部及び第２積層部の単位セルが接した分離シートの一面の対向面に接していることを特徴とする、請求項６に記載の電極組立体。
  9. 前記対面単位セルは、第１積層部の最後に巻き取られた単位セルである単位セル（ａ）と、第２積層部の最後に巻き取られた単位セルである単位セル（ｂ）とが互いに対面するように、第１積層部と第２積層部を位置させた状態で、分離シートがそれぞれ介在した状態で単位セル（ａ）と単位セル（ｂ）との間に挿入されていることを特徴とする、請求項８に記載の電極組立体。
  10. 前記単位セル（ａ）と単位セル（ｂ）が互いに対面するように、巻き取り端部を中心に、第１積層部は第２方向に垂直に折り曲げられており、第２積層部は第１方向に垂直に折り曲げられていることを特徴とする、請求項９に記載の電極組立体。
  11. 前記対面単位セルは、負極／分離膜／正極／分離膜／負極を基本構造とするＣ型バイセルであることを特徴とする、請求項１０に記載の電極組立体。
  12. 前記単位セル（ａ）及び単位セル（ｂ）は、正極／分離膜／負極／分離膜／正極を基本構造とするＡ型バイセルであることを特徴とする、請求項１０に記載の電極組立体。
  13. 前記第１積層部において単位セル（ａ）に隣接する単位セル（ａ−１）及び第２積層部において単位セル（ｂ）に隣接する単位セル（ｂ−１）は、電極組立体の外面を形成する電極が、電極合剤の片面コーティング電極であることを特徴とする、請求項１０に記載の電極組立体。
  14. 前記分離膜または分離膜シートは、微細気孔を含むポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、またはこれらのフィルムの組み合わせによって製造される多層フィルム、及びポリビニリデンフルオライド、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、またはポリビニリデンフルオライドヘキサフルオロプロピレン共重合体の高分子電解質用高分子フィルムからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
  15. 請求項１に記載の電極組立体が電池ケース内に内蔵されて電解液で含浸され、密封された構造からなる、リチウム二次電池。
  16. 請求項１５に記載のリチウム二次電池を単位電池として含むことを特徴とする、電池モジュール。
  17. 請求項１６に記載の電池モジュールを電源として含むことを特徴とする、デバイス。
  18. 前記デバイスは、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であることを特徴とする、請求項１７に記載のデバイス。
  19. 請求項１に記載の電極組立体の製造方法であって、
    （ａ）正極、負極及び正極と負極との間に分離膜が介在している構造の複数の単位セルを製造するステップと、
    （ｂ）１単位の分離シートの上面に前記単位セルを配列するステップと、
    （ｃ）前記分離シートの一側端部から中央側に分離シートと共に単位セルを巻き取って第１積層部を形成するステップと、
    （ｄ）前記分離シートの他側端部から中央側に分離シートと共に単位セルを巻き取って第２積層部を形成するステップと、
    （ｅ）前記分離シートの下面の中央部に対面単位セルを位置させるステップと、
    （ｆ）前記第１積層部及び第２積層部を前記対面単位セル側に折り曲げ、前記対面単位セルの一面が第１積層部と接し、他面が第２積層部と接するステップと
    を含むことを特徴とする、電極組立体の製造方法。
  20. 前記（ｂ）ステップにおいて、巻き取り時に電極組立体の最外郭に位置する単位セルにおいて、電極組立体の外面をなす正極は、正極集電体の一面にのみ正極スラリー層が形成されており、電極組立体の外面をなす負極は、負極集電体の一面にのみ負極スラリー層が形成されていることを特徴とする、請求項１９に記載の電極組立体の製造方法。
  21. 前記（ｃ）ステップ及び（ｄ）ステップにおいて、前記第１積層部を形成する単位セルの個数は、第２積層部を形成する単位セルの個数の０．５倍〜１．５倍であることを特徴とする、請求項１９に記載の電極組立体の製造方法。
  22. 前記（ｅ）ステップにおいて、対面単位セルは、負極／分離膜／正極／分離膜／負極を基本構造とするＣ型バイセルであることを特徴とする、請求項１９に記載の電極組立体の製造方法。
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