JP2018502413A - 改善された出力特性を有する二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
前記サイドセルの全体抵抗は、前記中央セルの全体抵抗より小さいことが望ましい。
図1及び図2を参照すれば、本発明による二次電池10は、セル組立体20、及びそれを電解質とともに密封するパウチ包装材40を含む。
前記中央セルブロック20aは互いに並列連結された複数の中央セル30を含み、前記サイドセルブロック20bは互いに並列連結された複数のサイドセル50を含む。ここで、上部と下部にあるサイドセルブロック20bに含まれたサイドセル50の数は同じであっても良く、異なっても良い。
一方、本発明はセル組立体20の構造に実質的特徴があるため、パウチ包装材40は、セル組立体20を電解質とともに密封する包装材の例示として理解する必要がある。したがって、前記パウチ包装材40は本発明が属した技術分野に公知された他の材質の包装材で代替され得る。
前記正極31は、Alなどの金属からなる正極板34の両面に正極材コーティング層35が形成された構造を有する。そして、前記負極32は、Cuなどの金属からなる負極板36の両面に負極材コーティング層37が形成された構造を有する。代案的に、前記正極材コーティング層35及び前記負極材コーティング層37は、正極板34及び負極板36の一面のみにコーティングされ得る。
前記負極材コーティング層37は、リチウムイオンを挿入又は放出できる負極活物質粒子、導電材及びバインダーを含むことができる。一例として、前記負極活物質粒子はグラファイト粒子であり、前記導電材はカーボンブラックであり、前記バインダーはPVDF系高分子であり得る。
前記電極分離膜33は、多孔質の高分子フィルム、例えばポリオレフィンフィルムからなり得る。また、前記電極分離膜33の少なくとも一面には無機物粒子のコーティング層が備えられ得る。前記無機物コーティング層は、無機物粒子がバインダーによって結合されながら無機物粒子同士の間にインタースティシャル・ボリューム(interstitial volume)が形成された構造を有する。
前記中央セル30及び前記サイドセル50の正極にそれぞれコーティングされた正極活物質コーティング層を第1正極材コーティング層及び第2正極材コーティング層と称する。
ローディングエネルギー密度とは、正極の単位面積(1cm2)に形成された活物質コーティング層が、二次電池10の充電状態が0〜100%まで変化する間にリチウムイオンと反応(挿入または放出)できる容量(capacity)を意味し、mAh/cm2単位の数値で示すことができる。
正極のローディングエネルギー密度が相異なる複数の単位セルに対して比面積抵抗を測定したとき、平均比面積抵抗を有する単位セルを基準セルと称する。
また他の態様において、中央セル30とサイドセル50との正極にコーティングされた正極材コーティング層は、相異なる化学的組成及び/または物理的特性(平均粒径など)を有する正極材粒子を含み、コーティング層の厚さは相異なり得る。
単位面積にコーティングされる正極材コーティング層が厚ければ、ローディングエネルギー密度が増加し得る。
一例として、基準セルの抵抗が2mΩであり、中央セル30及びサイドセル50の抵抗がそれぞれ1mΩ及び3mΩであると仮定しよう。
中央セルブロック20aに含まれているバイセルは3つであって、中央のセル(4)は正極/負極/正極の構造を有するAセルであり、中央のセル(4)の左側と右側にあるセル(3)及び(5)は負極/正極/負極の構造を有するCセルである。
以下、本発明による二次電池のエネルギー密度と出力特性の改善効果を検証するために実施された実験結果を説明する。
1.1.比較例1−1:基準二次電池の製作
まず、平均粒径10μmのLiNixCoyMnzO2粉末及び平均粒径10μmのグラファイト粉末をそれぞれ正極活物質及び負極活物質として選択した。
比較例1−1による二次電池の厚さ及び単位セルの総面積は、それぞれ10.49mm及び16129cm2、単位セル1個に対する比面積抵抗は20.3Ωcm2、二次電池の抵抗は1.30mΩ、単位体積当りエネルギー密度は347Wh/Lと測定された。
比較例1−1と同様に、平均粒径10μmのLiNixCoyMnzO2粉末及び平均粒径10μmのグラファイト粉末をそれぞれ正極活物質及び負極活物質として選択した。
実施例1−1と同様に、平均粒径10μmのLiNixCoyMnzO2粉末及び平均粒径10μmのグラファイト粉末をそれぞれ正極活物質及び負極活物質として選択した。
実施例1−1と同様に、平均粒径10μmのLiNixCoyMnzO2粉末及び平均粒径10μmのグラファイト粉末をそれぞれ正極活物質及び負極活物質として選択した。
実施例3−1のセル組立体において、中央セルの正極はサイドセルの正極よりローディングエネルギー密度が高い。
また、サイドセルは実施例2−1の二次電池に含まれたセルと同一であり、中央セルは実施例1−1の二次電池に含まれたセルと同一である。
したがって、前記サイドセルの全体抵抗は実施例2−1の二次電池が有する抵抗値である1.94mΩと実質的に同じである。また、前記中央セルの全体抵抗は実施例1−1の二次電池が有する抵抗値である2.69mΩと実質的に同じである。
2.1.比較例1−2:基準二次電池の製作
実験例1の比較例1−1と実質的に同様の方法で基準二次電池を製作した。セル組立体には11個のCセル及び10個のAセルを含ませた。正極のローディングエネルギー密度はコーティング層の厚さを調節して2.5mAh/cm2になるようにした。
実施例1−2による二次電池は、実施例1−1と同じ工程を行って製作した。セル組立体はセル分離膜を介在してCセル4個及びAセル3個を含む総7個のセルをC/A/C/A/C/A/Cの形態で交互積層させて製作した。
実施例2−2による二次電池は、実施例2−1と同じ工程を行って製作した。セル組立体はセル分離膜を介在してCセル7個及びAセル7個を含む総14個のセルをC/A/C/A/C/A/C/A/C/A/C/A/C/Aの形態で交互積層させて製作した。正極と負極のコーティング層を構成する化学種の種類、平均粒径、導電材の含量などは実施例1−2と同一にした。これは、実施例2−1が実施例1−1に比べて正極コーティング層に含まれる導電材の含量を増加させたこととは対照的である。
中央セルブロック部分に配置される4個のC1セル及び3個のA1セルを実施例2−1と同じ仕様で製作した。ただし、中央セルブロックの最左側と最右側に配置されるC1セルの最外郭負極コーティング層の厚さを、図6に示されたように、非対称的に調節した。
実施例3−2のセル組立体において、中央セルの正極はサイドセルの正極よりローディングエネルギー密度が高い。また、サイドセルは実施例2−2の二次電池に含まれたセルと同一であり、中央セルは実施例1−2の二次電池に含まれたセルと同一である。
11 正極リード
12 負極リード
15 シーリングテープ
20 セル組立体
30 中央セル
31 正極
32 負極
33 電極分離膜
34 正極板
35 正極材コーティング層
36 負極板
37 負極材コーティング層
38 正極タブ
39 負極タブ
40 パウチ包装材
45 セル分離膜
50 サイドセル
70 セル分離膜
80 内側コーティング層
90 外側コーティング層
Claims (12)
- 複数のセルを並列連結させたセル組立体を電解質とともに1つの包装材内に収納している二次電池であって、
前記セル組立体の中央部分に配置された複数の中央セルの正極はサイド部分に配置された複数のサイドセルの正極よりローディングエネルギー密度が高く、
前記中央セルの正極は前記サイドセルの正極より正極表面に形成された正極材コーティング層が厚いことを特徴とする二次電池。 - 前記サイドセルの全体抵抗は、前記中央セルの全体抵抗より小さいことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
- 前記中央セルの正極は3.9〜4.1mAh/cm2のローディングエネルギー密度を有し、
前記サイドセルの正極は1.6〜1.8mAh/cm2のローディングエネルギー密度を有することを特徴とする請求項1に記載の二次電池。 - 前記中央セルの正極に形成された第1正極材コーティング層と前記サイドセルの正極に形成された第2正極材コーティング層とは、化学的組成及び平均粒径が同一な正極材粒子を含むことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
- 前記中央セルの正極に形成された第1正極材コーティング層と前記サイドセルの正極に形成された第2正極材コーティング層とは、同じ含量の導電材を含むことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
- 前記中央セルの正極に形成された第1正極材コーティング層と前記サイドセルの正極に形成された第2正極材コーティング層とは、相異なる化学的組成を有する正極材粒子を含むことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
- 前記中央セルの正極は、第1正極材粒子と導電材を含む第1正極材コーティング層を含み、
前記サイドセルの正極は、第2正極材粒子と導電材を含む第2正極材コーティング層を含み、
前記第1正極材粒子の平均粒径が前記第2正極材粒子の平均粒径より大きいことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。 - 前記中央セルの正極は、第1正極材粒子と導電材を含む第1正極材コーティング層を含み、
前記サイドセルの正極は、第2正極材粒子と導電材を含む第2正極材コーティング層を含み、
前記第2正極材コーティング層が前記第1正極材コーティング層より多量の導電材を含むことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。 - 前記中央セルは、正極、負極及びその間に介在された多孔質の第1分離膜を含み、
前記サイドセルは、正極、負極及びその間に介在された多孔質の第2分離膜を含み、
前記第2分離膜が前記第1分離膜より抵抗が低いことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。 - 前記中央部分と前記サイド部分との境界には中央セルの負極及びサイドセルの正極がそれぞれ配置され、
前記負極は、負極板、その両面にそれぞれコーティングされた内側コーティング層及び外側コーティング層を含み、
内側コーティング層は前記セル組立体の中心側に配置され、前記外側コーティング層より厚いことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。 - 前記中央部分と前記サイド部分との境界には中央セルの正極及びサイドセルの負極がそれぞれ配置され、
前記正極は、正極板、その両面にそれぞれコーティングされた内側コーティング層及び外側コーティング層を含み、
内側コーティング層は前記セル組立体の中心側に配置され、前記外側コーティング層より厚いことを特徴とする請求項1に記載の二次電池。 - 前記包装材は、パウチ包装材であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
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