JP2018527721A

JP2018527721A - 高柔軟性の電極アセンブリおよびこれを含む電池セル

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Publication number: JP2018527721A
Application number: JP2018514338A
Authority: JP
Inventors: ミン・キュ・ユ; スン・ジュン・カン; ジ・ヨン・キム
Original assignee: エルジー・ケム・リミテッド
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: EP3349285B1; CN108140874A; US20180287103A1; WO2017171459A1; JP6678734B2; KR20170113428A; EP3349285A4; CN108140874B; KR102038322B1; EP3349285A1

Abstract

本発明は、正極および負極シートの間に分離膜シートが介在した状態で一方向巻取られた構造の電極アセンブリであって、前記電極アセンブリは、縦の長さ（ｙ）対比３倍またはそれ以上の横の長さ（ｘ）を有し、下記数式１を満足する曲率半径（Ｒ）で両側端部が同一方向に共に曲がっている構造からなることを特徴とする電極アセンブリを提供する。
Ｓ［｛１／ｌｎ（ｘ／ｙ）｝×ｔ］＝Ｒ（１）
ｔは巻取られた電極アセンブリの平均厚さ（ｍｍ）、ｘは電極アセンブリの横の長さ、ｙは電極アセンブリの縦の長さであり、
前記Ｓは８以上の定数であり、前記ｌｎ（ｘ／ｙ）≧１である。

Description

本出願は、２０１６年３月３１日付の韓国特許出願第１０−２０１６−００３８８０４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すべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、高柔軟性の電極アセンブリおよびこれを含む電池セルに関する。

ＩＴ（Information Technology）技術が目覚しい発達を遂げて多様な携帯型情報通信機器の拡散がなされるにつれ、２１世紀は時間と場所にこだわらず高品質の情報サービスが可能な「ユビキタス社会」へ発展している。

このようなユビキタス社会への発展の基盤には、リチウム二次電池が重要な位置を占めている。具体的には、充放電可能なリチウム二次電池は、ワイヤレスモバイル機器のエネルギー源として広範囲に用いられているだけでなく、化石燃料を使用する既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの大気汚染などを解決するための方策として提示されている電気自動車、ハイブリッド電気自動車などのエネルギー源としても用いられている。

前記のように、リチウム二次電池が適用されるデバイスが多様化されるにつれ、リチウム二次電池は、適用されるデバイスに適した出力と容量を提供できるように多様化されている。これに伴って、小型軽薄化が強く求められている。

前記リチウム二次電池は、その形状によって、円筒型電池セル、角型電池セル、パウチ型電池セルなどに分けられ、これらの電池セルは、電極と分離膜とで組み合わされた電極アセンブリが電解液と共に電池ケースに装着された構造からなる。

一方、デバイスのデザインは、直方体形状に限らず、曲げ可能な形状からなってもよい。例えば、スマートフォンの場合には、把持感の向上のために、側面を曲線処理してもよく、フレキシブルディスプレイのような場合には、曲がったり反ったりしてもよいし、多様な形態に作製可能である。

このように曲線処理された部分を有するようにデザインされたデバイスまたは曲げ可能なデバイスの場合、特定形状の電池セルをデバイス内部の空間に内蔵するのに限界があることから、最近は、多様なデザインのデバイス内に容易に装着できるように、電池セルに柔軟な特性が求められている。

したがって、多様な形状のデバイスに対応して、柔軟にデバイスに適用可能な電極アセンブリと電池セルに対する必要性が高い。

本発明は、上記の従来技術の問題点と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。

具体的には、本発明の目的は、横が縦の長さに対して相対的に長い長さを有することによって、自然に曲がった形状を有しながらも、高い柔軟性でよりデバイスの形状に精密に対応可能であり、繰り返しの曲げにも電池特性が一般的な電極アセンブリと同等程度に維持できる電極アセンブリおよびこれを含む電池セルを提供することである。

上記の目的を達成するための、本発明による電極アセンブリは、正極および負極シートの間に分離膜シートが介在した状態で一方向巻取られた構造の電極アセンブリであって、
前記電極アセンブリは、下記数式１を満足する曲率半径（Ｒ）で両側端部が同一方向に共に曲がっている構造からなることを特徴とする。
Ｓ［｛１／ｌｎ（ｘ／ｙ）｝×ｔ］＝Ｒ（１）
式中、ｔは巻取られた電極アセンブリの平均厚さ（ｍｍ）、ｘは電極アセンブリの横の長さ、ｙは電極アセンブリの縦の長さであり、
前記Ｓは８以上の定数であり、前記ｌｎ（ｘ／ｙ）≧１である。
前記Ｓは、正極板と負極板の曲げ応力（flexural stress）と分離膜の弾性力を考慮して決定される任意の定数である。

つまり、本発明による電極アセンブリは、横が縦の長さに対して相対的に長い長さを有することによって、自然に曲がった形状からなり、曲面が形成された外形を有するデバイス、または外面は平面形状であるものの電池セルの装着部位の形状が曲面であるデバイスに適用可能であるという利点を提供する。

具体的には、前記定数Ｓは８以上の値を有することができ、好ましくは９〜１２の間の定数であってもよい。前記定数値の範囲を満足する場合に得られた曲率半径の限度内で、電極アセンブリは繰り返しの曲げ後にも電極アセンブリが破断せずかつ、一般的な電極アセンブリと同等程度に容量維持率などの電池特性を維持する。

本発明において、前記曲率半径（Ｒ）は、縦の長さ（ｙ）と横の長さ（ｘ）が１：３以上の範囲で巻取られた電極アセンブリの平均厚さ（ｔ）と定数Ｓによって決定される。所定の平均厚さを有する電極アセンブリは、前記定数Ｓの範囲を満足する曲率半径の範囲内で自由に曲がり、繰り返しの曲げにも一般的なゼリーロール型電極アセンブリと同等水準の電池特性を満足する。
前記数式の曲率半径（Ｒ）は、特定地点で電極アセンブリが最大に曲がる場合の曲面の半径であって、曲率に反比例する。したがって、曲率半径（Ｒ）が大きいほど、電極アセンブリは緩やかな曲線を描くように曲がり、曲率半径（Ｒ）が小さいほど、急激な曲線を描くように曲がる。
このように曲率半径を有する電極アセンブリは、前記横の長さに基づいて別途の外力がなくても自然に形成され、場合によっては、所定の外力によってより細かい大きさの曲率半径を有するように誘導されてもよい。
このように、電極アセンブリが曲がった形状からなる理由は、相対的に長い長さの横方向に応力が分散しながら曲がった形態への変形のための柔軟性が相対的に増大した構造と理解できる。

また、前記電極アセンブリは、高い柔軟性に基づいて曲率半径が増減する形態に変形してもよい。

一具体例において、前記横の長さ（ｘ）は５０ｍｍ〜５００ｍｍであってもよい。
前記横の長さ（ｘ）が５０ｍｍ未満の場合には、応力の分散効果による柔軟性を期待できず、曲率半径（Ｒ）を有する電極アセンブリの実現が難しく、強制的に曲率半径を有するように変形させるとしても、応力による電極の破断が誘発され得るので、好ましくない。
特に、電極と分離膜が巻取られた構造の電極アセンブリは、巻取中央部位に応力が集中しているため、強制的な変形時、巻取中央部位で歪みが発生し得、このような歪みが電極の破断を誘発し得る。
反面、前記横の長さ（ｘ）が５００ｍｍを超える場合には、曲率半径（Ｒ）が小さく形成されるので、電極アセンブリが大きく曲がるが、逆に、電極アセンブリの外部からの低い外力にもその形態が変形しやすく、このような過程が繰り返されて電極の破断を誘発し得るので、好ましくない。
ただし、前記の場合は、横の長さの数値でのみ決定されるのではなく、横の長さに対して１／３以下の相対的に短い縦の長さが前提となる。
前記縦の長さ（ｙ）と横の長さ（ｘ）の比率（ｙ：ｘ）は１：３〜１：２０であってもよく、詳しくは１：５〜１：１０であってもよい。
前記範囲を外れて横の長さが縦の長さ対比３倍未満の場合には、所望する柔軟性を有しにくく、縦の長さ対比２０倍を超える場合には、電極アセンブリの剛性が過度に劣ることがあり、好ましくない。

一具体例において、前記曲率半径（Ｒ）は、電極アセンブリが過度に曲がりながら巻取中央部位における応力で電極が破断せずかつ、所望する曲がった形態が維持できる大きさであれば特に限定されるものではないが、詳しくは５ｍｍ〜２０ｍｍであってもよい。
特に、前記曲率半径（Ｒ）が５ｍｍ未満の場合には、電極アセンブリの曲がりが大きいため、巻取られた電極シートに形成された応力と曲がりながら発生する応力によって電極が破断し得るので、好ましくない。

一具体例において、前記電極アセンブリは、正極リードと負極リードが縦の長さ（ｙ）と平行な方向に並んで突出している構造であってもよい。

また、正極リードと負極リードは、電極アセンブリの曲がった形態に電極リードが干渉しないように、電極アセンブリにおいて巻取中心部位より相対的に端部側と隣接した部位に位置し得る。ただし、電極リードは、必要に応じて、突出部位を異なって変更可能である。

本発明による電極アセンブリは、その横の長さが長くなるものの平均厚さは相対的に薄い形態からなるように、制限的な回数で正極、負極、および分離膜シートが巻取られた構造であってもよいし、詳しくは、前記巻取は５回以下の回数で行われる。

本発明はまた、前記電極アセンブリが電解液と共に可変性の電池ケースに収納された構造の電池セルであって、
前記電極アセンブリおよび電池ケースは、電池セルの外面に曲面が形成されるように、互いに対向する位置の両側端部が同一方向に共に曲がっている構造からなることを特徴とする電池セルを提供する。

本発明において、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（Li-ion）二次電池、リチウムポリマー（Li-polymer）二次電池、またはリチウムイオンポリマー（Li-ion polymer）二次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、およびリチウム塩含有非水電解液から構成されている。
前記正極は、例えば、正極集電体および／または延長集電部上に正極活物質、導電剤、およびバインダーの混合物を塗布した後、乾燥して製造され、必要に応じては、前記混合物に充填剤をさらに添加したりする。
前記正極集電体および／または延長集電部は、一般に、３〜５００マイクロメートルの厚さに作る。このような正極集電体および延長集電部は、当該電池に化学的変化を誘発することなく高い導電性を有するものであれば特に制限されるわけではなく、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、またはアルミニウムやステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀等で表面処理したものなどが使用できる。正極集電体および延長集電部は、その表面に微細な凹凸を形成して正極活物質の接着力を高めることもでき、フィルム、シート、箔、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態が可能である。

前記正極活物質は、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）などの層状化合物や１またはそれ以上の遷移金属で置換された化合物；化学式Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_２−ｘＯ_４（ここで、ｘは０〜０．３３である）、ＬｉＭｎＯ_３、ＬｉＭｎ_２Ｏ_３、ＬｉＭｎＯ_２などのリチウムマンガン酸化物；リチウム銅酸化物（Ｌｉ_２ＣｕＯ_２）；ＬｉＶ_３Ｏ_８、ＬｉＦｅ_３Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｕ_２Ｖ_２Ｏ_７などのバナジウム酸化物；化学式ＬｉＮｉ_１−ｘＭ_ｘＯ_２（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）で表現されるＮｉサイト型リチウムニッケル酸化物；化学式ＬｉＭｎ_２−ｘＭ_ｘＯ_２（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Ｌｉ_２Ｍｎ_３ＭＯ_８（ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、またはＺｎである）で表現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ＬｉＭｎ_２Ｏ_４；ジスルフィド化合物；Ｆｅ_２（ＭｏＯ_４）_３などが挙げられるが、これらにのみ限定されるものではない。

前記導電剤は、通常、正極活物質を含む混合物の全体重量を基準として１〜３０重量％添加される。このような導電剤は、当該電池に化学的変化を誘発することなく導電性を有するものであれば特に制限されるわけではなく、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、ケッチェンブラック、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キー；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が使用できる。

前記バインダーは、活物質と導電剤などの結合と集電体に対する結合に役立つ成分であって、通常、正極活物質を含む混合物の全体重量を基準として１〜３０重量％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）、デンプン、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、スチレンブチレンゴム、フッ素ゴム、多様な共重合体などが挙げられる。

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することなく繊維状材料であれば特に制限されるわけではなく、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、負極集電体および／または延長集電部上に負極活物質を塗布、乾燥して作製され、必要に応じて、先に説明したような成分が選択的にさらに含まれてもよい。

前記負極集電体および／または延長集電部は、一般に、３〜５００マイクロメートルの厚さに作られる。このような負極集電体および／または延長集電部は、当該電池に化学的変化を誘発することなく導電性を有するものであれば特に制限されるわけではなく、例えば、銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀等で表面処理したもの、アルミニウム−カドミウム合金などが使用できる。また、正極集電体と同様に、表面に微細な凹凸を形成して負極活物質の結合力を強化させることもでき、フィルム、シート、箔、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態で使用できる。

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；Ｌｉ_ｘＦｅ_２Ｏ_３（０≦ｘ≦１）、Ｌｉ_ｘＷＯ_２（０≦ｘ≦１）、Ｓｎ_ｘＭｅ_１−ｘＭｅ’_ｙＯ_ｚ（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；スズ系合金；ＳｎＯ、ＳｎＯ_２、ＰｂＯ、ＰｂＯ_２、Ｐｂ_２Ｏ_３、Ｐｂ_３Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_５、ＧｅＯ、ＧｅＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_４、およびＢｉ_２Ｏ_５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。

前記分離膜は、正極と負極との間に介在し、高いイオン透過度と機械的強度を有する絶縁性の薄い薄膜が使用される。分離膜の気孔径は、一般に０．０１〜１０マイクロメートルであり、厚さは、一般に５〜３００マイクロメートルである。このような分離膜としては、例えば、耐薬品性およ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。

前記電解液は、リチウム塩含有非水系電解液であってもよく、非水電解液とリチウム塩とからなる。非水電解液としては、非水系有機溶媒、有機固体電解質、無機固体電解質などが使用されるが、これらにのみ限定されるものではない。

前記非水系有機溶媒としては、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、ガンマ−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、ギ酸メチル、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が使用できる。

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、ポリア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が使用できる。

前記無機固体電解質としては、例えば、Ｌｉ_３Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ_５ＮＩ_２、Ｌｉ_３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ_４、ＬｉＳｉＯ_４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ_２ＳｉＳ_３、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ_３ＰＯ_４−Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２などのＬｉの窒化物、ハロゲン化物、硫酸塩などが使用できる。

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、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ_１０Ｃｌ_１０、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣＦ_３ＣＯ_２、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉ、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_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、イミドなどが使用できる。

また、非水電解液には、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てもよく、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てもよいし、ＦＥＣ（Fluoro-Ethylene Carbonate）、ＰＲＳ（Propene sultone）などをさらに含ませてもよい。

一具体例において、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２などのリチウム塩を、高誘電性溶媒のＥＣまたはＰＣの環状カーボネートと、低粘度溶媒のＤＥＣ、ＤＭＣ、またはＥＭＣの線状カーボネートとの混合溶媒に添加して、リチウム塩含有非水系電解質を製造することができる。

本発明の一実施例による電極アセンブリの模式図。図１の電極アセンブリの垂直断面図。本発明の一実施例による電池セルの模式図。実施例１と２および比較例１と２の容量維持率と抵抗増加率を示すグラフである。

以下、本発明の実施例によ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って、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および図２には、本発明の一実施例による電極アセンブリが模式的に示されている。
図１および図２を参照すれば、電極アセンブリ１００は、正極および負極シートの間に分離膜シートが介在した状態で一方向巻取られた構造からなり、正極リード１０１と負極リード１０２が縦の長さ（ｙ）と平行な方向に並んで突出している構造からなる。
電極アセンブリ１００はまた、縦の長さ（ｙ）対比約３倍以上の横の長さ（ｘ）からなる。

このような構造は、電極アセンブリ１００が曲がっても、相対的に長い長さの横方向に応力が分散しながら柔軟性が相対的に増大した構造であり、図２のように、電極アセンブリ１００の両側端部が同一方向に曲がる。

このように曲がった電極アセンブリ１００は、曲率半径（Ｒ）を有することができ、この曲率半径（Ｒ）は下記数式１を満足する。
Ｓ［｛１／ｌｎ（ｘ／ｙ）｝×ｔ］＝Ｒ（１）
式中、ｔは積層された電極アセンブリの平均厚さ（ｍｍ）、ｘは電極アセンブリの横の長さ、ｙは電極アセンブリの縦の長さであり、
前記Ｓは８以上の定数であり、前記ｌｎ（ｘ／ｙ）≧１である。
つまり、本発明において、曲率半径（Ｒ）は、電極アセンブリ１００の横の長さと縦の長さの比率によって決定され、特に、横の長さが長くなるほど、応力の分散によって電極アセンブリ１００が曲がりやすいので、相対的に曲がりの程度が大きい、つまり、低い曲率半径を有することができる。
また、横の長さが短くなるほど、応力の分散程度が低くて、電極アセンブリ１００は相対的に緩やかな曲がり形態で高い曲率半径をなすことができる。

本発明において、曲率半径（Ｒ）は、図２のように、垂直断面上に電極アセンブリ１００の厚さに対して略平均の位置を基準とし、前記数式化された曲率半径（Ｒ）は、電極アセンブリ１００が曲がった状態で短絡や歪みのような希望しない欠陥が誘発されない限り、好ましい大きさである。
つまり、電極アセンブリ１００の横および縦の長さと、本発明で提供する数式１を用いて、より安定的に曲がった形態が維持できる曲率半径（Ｒ）を算定できることを理解しなければならない。
一般に、電極と分離膜が巻取られた構造の電極アセンブリ１００は、巻取のために電極がフォールディングされた構造であるので、電極と分離膜が単純積層された電極アセンブリ１００と比較して、電極に形成される応力が高い。それだけでなく、巻取中央部位には応力が集中していて、曲がった形状のために強制的に変形すると、強い応力によって電極が破断したり歪まされる。
したがって、巻取られた構造の電極アセンブリ１００を曲がった形状に変形することが容易でないのが一般的であるが、本発明は、前記のように、電極アセンブリ１００の横の長さが相対的に長い長さからなり、それによって相対的に応力が横方向全般に分散して変形が容易であるだけでなく、前記数式１に基づいてより安定的に曲がった形態が維持できる好ましい曲率半径を算定し、それに対応する曲率半径を有する電極アセンブリ１００を提供することができる。

図３には、本発明の一実施例による電池セルが模式的に示されている。
図３を参照すれば、電池セルは、電極アセンブリ１００が電解液と共に可変性の電池ケースに収納された構造からなる。
また、電池セルは、電極アセンブリ１００と電池ケースが互いに対向する位置の両側端部が同一方向に共に曲がっている構造からなることから、電池セルの外面に曲面が形成されている。
したがって、曲面が形成された外形を有するデバイス、または電池の装着部位の形状が曲面であるデバイスにおいて、軸方向に曲面が形成されている電池セルを装着する時、密着構造を有して不必要な空間浪費を最小化できて効率的であり、消費者の好みによって多様なデザインを有するデバイスの開発が可能であるという利点を有する。

図４は、実施例１と実施例２および比較例１と比較例２の容量維持率と抵抗増加率を示すグラフである。
図４を参照すれば、定数値Ｓが８以上を満足する実施例１と実施例２が、比較例１と比較例２に比べて優れた容量維持率を示しながらも、抵抗増加率が大きくないことを確認することができる。
以下の実験例において、本発明の内容をより具体的に説明するが、本発明がこれに制限されるわけではない。

＜実施例１＞
正極シート、負極シート、および両者の間に分離膜シートを介在させた構造の電極積層体を、ゼリーロール型電極アセンブリの横の長さ（ｘ）と縦の長さ（ｙ）の比が１．５３であり、厚さ０．５ｍｍとなるように巻取って、パウチ型電池ケースに電解液と共に収納しパウチ型ケースを密封して、パウチ型電池セルを製造した。

＜実施例２＞
巻取られたゼリーロール型電極アセンブリの厚さが１．６５ｍｍとなるように電極アセンブリを製造したことを除けば、実施例１と同様に電池セルを製造した。

＜比較例１＞
電極アセンブリの厚さが２．７２ｍｍとなるように電極アセンブリを製造したことを除けば、実施例１と同様に電池セルを製造した。

＜比較例２＞
電極アセンブリの厚さが２．８４ｍｍとなるように電極アセンブリを製造したことを除けば、実施例１と同様に電池セルを製造した。

＜実験例１＞
実施例１と実施例２および比較例１と比較例２による電池セルの最初容量を測定し、下記表１のような定数値により得られた曲率半径だけそれぞれの電池セルを繰り返しベンディング（Bending）した後の容量を測定して、容量維持率を計算した。

＜実験例２＞
実施例１と実施例２および比較例１と比較例２による電池セルの電池抵抗値を測定し、前記表１のような定数値により得られた曲率半径だけそれぞれの電池セルを繰り返しベンディング（Bending）した後の抵抗値を測定して、電池の抵抗増加率を計算した。

前記表２に示されているように、実施例１と実施例２による電池セルは、数式１を満足する曲率半径で繰り返しのベンディング後にもベンディング前の容量対比の容量維持率が８５％程度と高く維持されるのに対し、比較例１と比較例２の場合、４，０００回ベンディング後に電池の容量維持率が急激に減少することから、実施例１と２の電極アセンブリが、柔軟性が高くかつ、電池性能に優れていることが分かる。

一方、前記表３に示されているように、実施例１と実施例２は、比較例１と比較例２に比べて数回ベンディング後の電極アセンブリの抵抗増加率が大幅に増加せず、特に、６，０００回ベンディング後に抵抗増加率が小幅上昇するのに対し、比較例１と比較例２は、６，０００回ベンディング後に急激に抵抗増加率が大きくなるので、実施例の電極アセンブリの場合には、高い柔軟性を有しながらも、抵抗値が大きく変化しないことが分かる。
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、上記の内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用および変形を行うことが可能であろう。

以上説明したように、本発明による電極アセンブリと電池セルは、横が縦の長さに対して相対的に長い長さを有することによって、自然に曲がった形状からなり、曲面が形成された外形を有するデバイス、または外面は平面形状であるものの電池セルの装着部位の形状が曲面であるデバイスに適用可能であるという利点を提供する。

１００電極アセンブリ
１０１正極リード
１０２負極リード

Claims

正極および負極シートの間に分離膜シートが介在した状態で一方向巻取られた構造の電極アセンブリであって、
前記電極アセンブリは、縦の長さ（ｙ）対比３倍またはそれ以上の横の長さ（ｘ）を有し、下記数式１を満足する曲率半径（Ｒ）で両側端部が同一方向に共に曲がっている構造からなることを特徴とする電極アセンブリ。
Ｓ［｛１／ｌｎ（ｘ／ｙ）｝×ｔ］＝Ｒ（１）
式中、ｔは巻取られた電極アセンブリの平均厚さ（ｍｍ）、ｘは電極アセンブリの横の長さ、ｙは電極アセンブリの縦の長さであり、
前記Ｓは８以上の定数であり、前記ｌｎ（ｘ／ｙ）≧１である。
前記曲率半径（Ｒ）は５ｍｍ〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
前記横の長さ（ｘ）は５０ｍｍ〜５００ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
前記電極アセンブリは、正極リードと負極リードが縦の長さ（ｙ）と平行な方向に並んで突出していることを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
前記Ｓは９〜１２の間の定数であることを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
前記電極アセンブリは、相対的に長い長さの横方向に応力が分散しながら曲がった形態への変形のための柔軟性が相対的に増大した構造であることを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
前記巻取は５回以下の回数で行われたことを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
請求項１に記載の電極アセンブリが電解液と共に可変性の電池ケースに収納された構造の電池セルであって、
前記電極アセンブリおよび電池ケースは、電池セルの外面に曲面が形成されるように、互いに対向する位置の両側端部が同一方向に共に曲がっている構造からなることを特徴とする電池セル。