JP2021509997A - 電極組立体 - Google Patents
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Abstract
本発明は、正極、分離膜、負極が繰り返し積層された電極組立体において、前記電極組立体で少なくとも二つ以上が積層され、正極集電体の表面に正極活物質が塗布された構造を有する正極；を含み、前記正極活物質は、ニッケル、コバルト、マンガンが含有され、且つ、何れか一つの正極に塗布された正極活物質のニッケル、コバルト、マンガンの組成比は、他の一つの正極に塗布された正極活物質のニッケル、コバルト、マンガンの組成比と異なることを特徴とする。前記のような技術的特徴を有する本発明は、正極活物質のニッケル、コバルト、マンガンの組成比が互いに異なる正極が積層され、熱的安定性と容量が適切に向上され得る。
Description
本出願は、２０１８年１１月２９日付韓国特許出願第１０−２０１８−０１５１２５９号に基づいた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、電極組立体に関し、より詳細には、二つ以上の正極が積層され、且つ、それぞれの正極は正極集電体に組成比の異なる正極活物質が塗布された構造を有することで、充電・放電容量及び熱的安定性を同時に高めることができる電極組立体に関する。
電気エネルギーを保存する電池は、一般的に一次電池と二次電池に区分される。一次電池は、使い捨ての消耗性電池である一方、二次電池は、電流と物質の間の酸化及び還元過程が繰り返し可能な素材を用いて製造される充電式電池である。すなわち、電流によって素材に対する還元反応が行われると電源が充電され、素材に対する酸化反応が行われると電源が放電されるが、このような充電−放電が繰り返し可能である。
複数の種類の二次電池のうち、リチウム二次電池は、一般的に正極（Ｃａｔｈｏｄｅ）、分離膜（Ｓｅｐａｒａｔｏｒ）及び負極（Ａｎｏｄｅ）が積層された電極組立体がケースに装着されて製造され、リチウムイオンが正極のリチウム金属酸化物から負極へ挿入（Ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）及び脱離（Ｄｅｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）される過程が繰り返されることで、リチウム二次電池の充電／放電が行われる。
前記電極組立体は、正極１／分離膜３／負極２が繰り返し積層されるように製造され、このような電極組立体は、円筒型のカン又は角形のパウチ等のようなケースに収容される。電極組立体の側面の様子が示された図１ａの通り、電極組立体の正極１は正極集電体１ａの両面に正極活物質１ｂが塗布され、負極２は負極集電体２ａの両面に負極活物質２ｂが塗布された構造を有し、前記負極２と正極１のそれぞれでは、負極集電体２ａと正極集電体１ａにおいて（活物質が塗布されていない状態で拡張された）負極タブ２ｃと正極タブ１ｃがそれぞれ突出し、前記負極タブ２ｃと正極タブ１ｃを介して電流が流れるようになる。
一方、ＥＳＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）、電気自動車等のような分野で二次電池の需要が増えるにつれ、二次電池の容量を増大するための研究開発が行われている。
その一環として、ＮＣＭ（ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ））系列の正極材が用いられる二次電池が開発されたことがある。しかし、ＮＣＭ系列の二次電池は、ニッケルの含量が相対的に多く含有されると容量が増大する一方、熱安定性が落ちるため発火可能性も増大する問題があった。図１ｂは、ニッケル含有量によって熱的安定性が変わる様子が示されたグラフである。図１ｂにおいて、（Ａ）は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）の組成比が６：２：２である正極活物質が塗布された電極組立体の熱安定性試験の結果であり、（Ｂ）は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）の組成比が８：１：１である正極活物質が塗布された電極組立体の熱安定性試験の結果である。実験条件は、２Ｋ／ｍｉｎの比率で８０℃から２００℃に加熱が行われる間に時間（横軸）対比温度変化（縦軸）を測定した。二つの電極組立体の全ては、発火が発生しつつ破損（セル電圧［Ｃｅｌｌ Ｖ］が０の地点：Ａでは４６０分（セル電圧が０）、Ｂでは２８０分（セル電圧が０））されたが、組成比が８：１：１である正極活物質が塗布された電極組立体が、組成比が６：２：２である正極活物質が塗布された電極組立体よりさらに早く発火が発生したことが確認できる。すなわち、ニッケル含量が増加するほど熱的安定性が低下することが確認できる。
したがって、本発明は、容量を向上させるためにニッケル含有量が多い正極活物質を用いることができ、且つ、同時に熱的安定性も向上され得る二次電池を提供することに主目的がある。
前述のような目的を達成するための本発明は、正極、分離膜、負極が繰り返し積層された電極組立体において、前記電極組立体で少なくとも二つ以上が積層され、正極集電体の表面に正極活物質が塗布された構造を有する正極；を含み、前記正極活物質は、ニッケル、コバルト、マンガンが含有され、且つ、何れか一つの正極に塗布された正極活物質のニッケル、コバルト、マンガンの組成比は、他の一つの正極に塗布された正極活物質のニッケル、コバルト、マンガンの組成比と異なることを特徴とする。
本発明において、前記電極組立体の積層方向から相対的に外側に配置される正極は、相対的にマンガンを少なく含有し相対的にニッケルを多く含有する正極活物質が塗布され、前記電極組立体の積層方向から相対的に内側に配置される正極は、相対的にマンガンを多く含有し相対的にニッケルを少なく含有する正極活物質が塗布される。
本発明の実施例１では、前記電極組立体の積層方向から相対的に外側に配置される正極は、ニッケル、コバルト、マンガンが８：１：１の比率で含有された正極活物質が塗布され、前記電極組立体の積層方向から相対的に内側に配置される正極は、ニッケル、コバルト、マンガンが１：１：１の比率で含有された正極活物質が塗布される。
本発明の実施例２では、前記電極組立体の積層方向から相対的に外側に配置される正極は、ニッケル、コバルト、マンガンが６：２：２の比率で含有された正極活物質が塗布され、前記電極組立体の積層方向から相対的に内側に配置される正極は、ニッケル、コバルト、マンガンが１：１：１の比率で含有された正極活物質が塗布される。
本発明の実施例３では、前記電極組立体の積層方向から相対的に外側に配置される正極は、ニッケル、コバルト、マンガンが８：１：１の比率で含有された正極活物質が塗布され、前記電極組立体の積層方向から相対的に内側に配置される正極は、ニッケル、コバルト、マンガンが６：２：２の比率で含有された正極活物質が塗布される。
また、前記電極組立体は、三つ以上の正極が積層され、且つ、ニッケル、コバルト、マンガンが１：１：１の比率で含有された正極活物質が塗布された正極と、ニッケル、コバルト、マンガンが６：２：２の比率で含有された正極活物質が塗布された正極と、ニッケル、コバルト、マンガンが８：１：１の比率で含有された正極活物質が塗布された正極と、それぞれを一つ以上ずつ含んでよい。
そして、相対的にマンガンを少なく含有し相対的にニッケルを多く含有する正極活物質が塗布された正極の正極タブと、相対的にマンガンを多く含有し相対的にニッケルを少なく含有する正極活物質が塗布された正極の正極タブは、互いに分離して配置される。
このとき、前記電極組立体で負極に形成された負極タブが一側辺に配置され、前記正極タブはその対向側辺に配置され、相対的にマンガンを少なく含有し相対的にニッケルを多く含有する正極活物質が塗布された正極の正極タブと、相対的にマンガンを多く含有し相対的にニッケルを少なく含有する正極活物質が塗布された正極の正極タブは、一定距離を置いて互いに離隔して配置される。
このような技術的特徴を有する電極組立体は、ケース内に内蔵されて二次電池を提供でき、前記複数の二次電池が電気的に連結されて二次電池モジュールもまた提供できる。
前記のような技術的特徴を有する本発明は、正極活物質のニッケル、コバルト、マンガンの組成比が互いに異なる正極が積層され、熱的安定性と容量が適切に向上され得る。
より詳細には、外側に配置される正極は、高容量を実現できるようにニッケルを多く含有する正極活物質が配置され、（相対的に熱排出が難しいため退化が加速し得る）内側に配置される正極は、熱的安定性を高めるようにニッケルを少なく含有する正極活物質が配置され、ある種類の正極を用いる場合より熱的安定性及び容量の何れも向上させることができる。
同時に、ニッケルを多く含有する正極活物質が塗布された正極の正極タブと、ニッケルを少なく含有する正極活物質が塗布された正極の正極タブは、互いに分離して配置され、（電流が分かれて流れることによって）電気的抵抗をさらに下げることができる。
以下、添付の図面に基づき、本発明に対して本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は、色々と異なる形態で具現されてよく、ここで説明する実施形態に限定されない。
本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略しており、明細書全体にかけて同一又は類似の構成要素に対しては同一の参照符号を付けてある。
また、本明細書及び特許請求の範囲において用いられた用語や単語は、通常的又は辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自身の発明を最善の方法によって説明するために、用語の概念を適切に定義することができるという原則に即し、本発明の技術的思想に符合する意味と概念として解釈されなければならない。
本発明は、正極１０：１０'、１０''、１０'''、分離膜３０、負極２０が繰り返し積層された電極組立体に関し、少なくとも二つ以上の正極１０が積層され、且つ、前記正極１０に塗布された正極活物質１０ｂの組成比は互いに異なるように構成されたことを特徴とする。
より詳細には、本発明において前記正極１０は、ニッケル、コバルト、マンガンが含有された正極活物質１０ｂが塗布され、但し、何れか一つの正極に塗布された正極活物質１０ｂのニッケル、コバルト、マンガンの組成比は、他の一つの正極に塗布された正極活物質１０ｂのニッケル、コバルト、マンガンの組成比と異なるように構成される。
さらに、本発明では、熱排出が相対的に難しい中間部分の熱安定性を高めるように電極組立体の積層方向から相対的に外側に配置される正極１０'、１０'''は、相対的にマンガンを少なく含有し相対的にニッケルを多く含有する正極活物質（Ｈｉｇｈ Ｎｉ系活物質）が塗布され、前記電極組立体の積層方向から相対的に内側に配置される正極１０''は、相対的にマンガンを多く含有し相対的にニッケルを少なく含有する正極活物質（Ｌｏｗ Ｎｉ系活物質）が塗布される。このとき、ニッケルの量は相対的に決定される。
以下、添付の図面を参照して本発明による実施例をより詳しく説明する。
第１実施例
第１実施例による電極組立体の側面の様子が示された図２ａを参照すれば（ちなみに、図２ａから２ｃでは、三つの正極が積層された構造を有するものと示されているが、三つ以上の正極が積層されることも可能である）、この実施例では、上から下に分離膜３０／正極１０'／分離膜３０／負極２０／分離膜３０／正極１０''／分離膜３０／負極２０／分離膜３０／正極１０'''が積層された構造を有する。
第１実施例による電極組立体の側面の様子が示された図２ａを参照すれば（ちなみに、図２ａから２ｃでは、三つの正極が積層された構造を有するものと示されているが、三つ以上の正極が積層されることも可能である）、この実施例では、上から下に分離膜３０／正極１０'／分離膜３０／負極２０／分離膜３０／正極１０''／分離膜３０／負極２０／分離膜３０／正極１０'''が積層された構造を有する。
前記負極２０は、負極集電体２０ａの両面に負極活物質２０ｂが塗布された構造を有し、前記正極１０：１０'、１０''、１０'''もまた正極集電体１０ａの両面に正極活物質１０ｂが塗布された構造を有する。前記正極活物質１０ｂは、リチウム、コバルト、マンガンが含有されて製造されるが、このとき、前記電極組立体の積層方向から相対的に外側に配置される正極、すなわち、上から下の方に第１正極１０'と第３正極１０'''の正極活物質１０ｂは、ニッケル、コバルト、マンガンが８：１：１の比率で含有された構造を有する。それに反し、前記電極組立体の積層方向から相対的に内側に配置される正極１０''の正極活物質１０ｂは、ニッケル、コバルト、マンガンが１：１：１の比率で含有された構造を有する。
第２実施例
第２実施例による電極組立体の側面の様子が示された図２ｂを参照すれば、この実施例でも上から下まで分離膜３０／正極１０'／分離膜３０／負極２０／分離膜３０／正極１０''／分離膜３０／負極２０／分離膜３０／正極１０'''が積層された構造を有する。
第２実施例による電極組立体の側面の様子が示された図２ｂを参照すれば、この実施例でも上から下まで分離膜３０／正極１０'／分離膜３０／負極２０／分離膜３０／正極１０''／分離膜３０／負極２０／分離膜３０／正極１０'''が積層された構造を有する。
同様に、前記正極活物質１０ｂは、リチウム、コバルト、マンガンが含有されて製造されるが、このとき、前記電極組立体の積層方向から相対的に外側に配置される正極、すなわち、上から下までの第１正極１０'と第３正極１０'''の正極活物質１０ｂは、ニッケル、コバルト、マンガンが８：１：１の比率で含有された構造を有する。それに反し、前記電極組立体の積層方向から相対的に内側に配置される正極１０''の正極活物質１０ｂは、ニッケル、コバルト、マンガンが６：２：２の比率で含有された構造を有する。
この実施例による電極組立体は、上記の第１実施例より相対的にニッケル含量が若干少ないため、熱的安定性よりは相対的に容量増大に主眼を置いた構成である。
第３実施例
第３実施例による電極組立体の側面の様子が示された図２ｃを参照すれば、この実施例でも上から下まで分離膜３０／正極１０'／分離膜３０／負極２０／分離膜３０／正極１０''／分離膜３０／負極２０／分離膜３０／正極１０'''が積層された構造を有する。
第３実施例による電極組立体の側面の様子が示された図２ｃを参照すれば、この実施例でも上から下まで分離膜３０／正極１０'／分離膜３０／負極２０／分離膜３０／正極１０''／分離膜３０／負極２０／分離膜３０／正極１０'''が積層された構造を有する。
同様に、前記正極活物質１０ｂは、リチウム、コバルト、マンガンが含有されて製造されるが、このとき、前記電極組立体の積層方向から相対的に外側に配置される正極、すなわち、上から下までの第１正極１０'と第３正極１０'''の正極活物質１０ｂは、ニッケル、コバルト、マンガンが６：２：２の比率で含有された構造を有する。それに反し、前記電極組立体の積層方向から相対的に内側に配置される正極１０''の正極活物質１０ｂは、ニッケル、コバルト、マンガンが１：１：１の比率で含有された構造を有する。
この実施例による電極組立体は、上記の第１実施例と第２実施例より相対的にニッケル含量が若干少ないため、容量増大よりは相対的に熱的安定性に主眼を置いた構成である。
参考までに、本発明において電極組立体は、前述の通り三つ以上が積層されてよい。よって、ニッケル、コバルト、マンガンの組成比が互いに異なる三種類の正極が積層されて構成されてもよい。
このときにも、相対的に熱排出が難しい内側は、ニッケル含量の少ない正極活物質が塗布された正極が配置され、相対的に熱排出が容易な外側は、ニッケル含量の多い正極活物質が塗布された正極が配置されるのが好ましい。例えば、上でから下まで五つの正極が積層されると仮定すれば、最外側層である第１と第５にはニッケル、コバルト、マンガンが８：１：１の比率で含有された正極活物質が塗布された正極が配置され、第２と第４にはニッケル、コバルト、マンガンが６：２：２の比率で含有された正極活物質が塗布された正極が配置され、第３に（ニッケル含有量が相対的に最も少ない）ニッケル、コバルト、マンガンが１：１：１の比率で含有された正極活物質が塗布された正極が配置される。
一方、このように構成された電極組立体では、前記正極１０は同一の組成比を有するもの同士で電気的に連結されるのが好ましい。すなわち、組成比が変わることによって正極活物質１０ｂの電気伝導もまた変わるため、組成比が異なる正極の正極タブは、互いに分離して配置されるのが好ましい。正極タブがこのように組成比によって分離されれば、電流が分かれて移動するようになるため、セルダメージ（ｃｅｌｌ ｄａｍａｇｅ）を最小化して電池寿命を増大させることができる。また、このとき、相対的に熱安定性が高い正極は高電流を印加して充電し、相対的に熱安定性が低い正極は低電流を印加して充電する構成も可能である。
本発明による電極組立体の平面図を示した図３を参照すれば、同一の組成比を有する第１正極１０'の正極タブ１０ｃ'と第３正極１０'''の正極タブは、互いに接合して連結される一方、異なる組成比を有する第２正極１０''の正極タブ１０ｃ''は、第１正極１０'の正極タブ１０ｃ'と離隔して配置される。このとき、前記電極組立体で負極２０に形成された負極タブ２０ｃが一側辺に配置されるため、前記正極タブは、その対向側の同一の辺に間隔を置いて配置される。
前記のような技術的特徴を有する本発明は、正極活物質１０ｂのニッケル、コバルト、マンガンの組成比が互いに異なる正極が積層され、熱的安定性と容量が適切に向上され得る。
より詳細には、外側に配置される正極は、高容量を実現できるようにニッケルを多く含有する正極活物質が配置され、（相対的に熱排出が難しいため退化が加速し得る）内側に配置される正極は、熱的安定性を高めるようにニッケルを少なく含有する正極活物質が配置され、如何なる種類の正極を用いる場合より熱的安定性及び容量の何れも向上させることができる。
さらに、ニッケルを多く含有する正極活物質が塗布された正極の正極タブとニッケルを少なく含有する正極活物質が塗布された正極の正極タブは、互いに分離して配置され、（電流が分かれて流れることによって）電気的抵抗をさらに下げることができる。
このような技術的特徴を有する電極組立体は、ケース内に内蔵されて二次電池を提供でき、前記複数の二次電池が電気的に連結されて二次電池モジュールもまた提供できる。
以上で本発明は、限定された実施形態と図面によって説明されたが、本発明は、これによって限定されず、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者により本発明の技術思想と、以下に記載する特許請求の範囲の均等の範囲内で多様な実施が可能である。
Claims (10)
- 正極、分離膜、負極が繰り返し積層された電極組立体であって、
前記電極組立体で少なくとも二つ以上が積層され、正極集電体の表面に正極活物質が塗布された構造を有する正極；を含み、
前記正極活物質は、ニッケル、コバルト、マンガンが含有され、且つ、何れか一つの正極に塗布された正極活物質のニッケル、コバルト、マンガンの組成比は、他の一つの正極に塗布された正極活物質のニッケル、コバルト、マンガンの組成比と異なる、電極組立体。 - 前記電極組立体の積層方向から相対的に外側に配置される正極は、相対的にマンガンを少なく含有し相対的にニッケルを多く含有する正極活物質が塗布され、前記電極組立体の積層方向から相対的に内側に配置される正極は、相対的にマンガンを多く含有し相対的にニッケルを少なく含有する正極活物質が塗布される、請求項１に記載の電極組立体。
- 前記電極組立体の積層方向から相対的に外側に配置される正極は、ニッケル、コバルト、マンガンが８：１：１の比率で含有された正極活物質が塗布され、前記電極組立体の積層方向から相対的に内側に配置される正極は、ニッケル、コバルト、マンガンが１：１：１の比率で含有された正極活物質が塗布されている、請求項２に記載の電極組立体。
- 前記電極組立体の積層方向から相対的に外側に配置される正極は、ニッケル、コバルト、マンガンが８：１：１の比率で含有された正極活物質が塗布され、前記電極組立体の積層方向から相対的に内側に配置される正極は、ニッケル、コバルト、マンガンが６：２：２の比率で含有された正極活物質が塗布されている、請求項２に記載の電極組立体。
- 前記電極組立体の積層方向から相対的に外側に配置される正極は、ニッケル、コバルト、マンガンが６：２：２の比率で含有された正極活物質が塗布され、前記電極組立体の積層方向から相対的に内側に配置される正極は、ニッケル、コバルト、マンガンが１：１：１の比率で含有された正極活物質が塗布されている、請求項２に記載の電極組立体。
- 前記電極組立体は、三つ以上の正極が積層され、且つ、ニッケル、コバルト、マンガンが１：１：１の比率で含有された正極活物質が塗布された正極と、ニッケル、コバルト、マンガンが６：２：２の比率で含有された正極活物質が塗布された正極と、ニッケル、コバルト、マンガンが８：１：１の比率で含有された正極活物質が塗布された正極とのそれぞれを一つ以上ずつ含む、請求項２に記載の電極組立体。
- 相対的にマンガンを少なく含有し相対的にニッケルを多く含有する正極活物質が塗布された正極の正極タブと、相対的にマンガンを多く含有し相対的にニッケルを少なく含有する正極活物質が塗布された正極の正極タブとは、互いに分離して配置される、請求項２から６の何れか一項に記載の電極組立体。
- 前記電極組立体で負極に形成された負極タブが一側辺に配置され、前記正極タブはその対向側辺に配置され、
相対的にマンガンを少なく含有し相対的にニッケルを多く含有する正極活物質が塗布された正極の正極タブと、相対的にマンガンを多く含有し相対的にニッケルを少なく含有する正極活物質が塗布された正極の正極タブとは、一定距離を置いて互いに離隔して配置される、請求項７に記載の電極組立体。 - 請求項１から８の何れか一項に記載の電極組立体がケース内に内蔵されている二次電池。
- 請求項９に記載の複数の二次電池が電気的に連結されている二次電池モジュール。
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