JP2023161045A - リチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】フレキシブル環境において発生し得る電池の機械的な問題を解決できる方法を提供する。【解決手段】リチウム二次電池は、第１の電極、第２の電極、第１の電極と第２の電極との間に位置する分離膜、第１の電極から突出する第１の電極タブ上に接合される金属タブ、及び金属タブ上に接合される第１の電極リードを含む。第１の電極の集電体は、第２の電極の集電体よりも小さいかあるいは同一のヤング率を有する。第１の電極の集電体と、金属タブと、第１の電極リードとの間のヤング率の関係は、「第１の電極リード≧金属タブ≧第１の電極の集電体」である。【選択図】図１
Description
本発明は、リチウム二次電池に関し、特にフレキシブル環境において発生し得る電池の機械的な問題を解決することができるフレキシブル電池用の金属タブに関する。
二次電池（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）は、充電が不可能な一次電池とは異なり、充電及び放電が可能な電池をいうものであって、セルラーフォン、ノートパソコン、カムコーダなどの先端電子機器分野で広く使用されている。上記した携帯型電子機器の軽量化と高機能化、及びモノのインターネット（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ ｔｈｉｎｇｓ、ＩｏＴ）の発展により、その駆動電源として使用される二次電池に関して多くの研究が行われている。
特に、リチウム二次電池は、携帯用電子装備の電源として多く使用されているニッケル・カドミウム電池や、ニッケル・水素電池よりも電圧が高く、単位重量当たりのエネルギー密度も高いという長所があり、その需要が増加している傾向である。
二次電池は、電解物質に陽極と陰極とを挿入した状態で、上記した陽極と陰極とを連結した際に電解物質と電極との間で生じる電気化学反応を利用した電池であり、既存の一次電池とは異なり、電気電子製品で消耗したエネルギーを充電器により再充電して繰り返し使用することのできる、充電と放電が可能な電池であるので、無線電気電子製品の大衆化と共に拡散している傾向である。
通常、陽極板と陰極板との間に分離膜を挿入し、これらを共に螺旋状に巻き取ったゼリーロール状の巻取型電極組立体、あるいは分離膜を挟んで多数の陽極板と陰極板とを積層して形成されたフレキシブル積層型電極組立体をリチウム二次電池に多く使用している。例えば、円筒形電池は、巻取型電極組立体を円筒形の缶に収納し、電解質を注入してから密封するものであり、角形電池は、巻取型電極組立体や積層型電極組立体を圧迫して平らで扁平にした後、角形の缶に収納するものである。また、ポーチ型電池は、巻取型電極組立体や積層型電極組立体を電解質と共にポーチ型の外装材で包装したものである。このような電極組立体において、陽極板と陰極板からそれぞれ陽極タブと陰極タブが電極組立体の外部に引き出され、二次電池の陽極と陰極に連結されることができる。
一方、上下方向に積層された多数の陽極板と陰極板上の電極タブを介して電極リードに連結することになるが、従来の電極タブと電極リードとの結合構造は、直接溶着する過程で結合力が多少弱くなるので、曲げることのような電池の変形使用動作により前記電極タブと電極リードとの結合において問題が発生する。韓国公開特許公報第１０－２０１３－００６３７０９号を参照しながらポーチ型電池を例に挙げて説明すると、２つの電極と分離膜、電解質をポーチに入れ、シーリングして使用するポーチ型二次電池において、ポーチが内部樹脂層、金属箔層、外部樹脂層からなり、内部樹脂層と金属箔層とが当接する面に金属箔層よりも反応性の小さいバッファ層が形成されていると開示されている。この場合、金属箔層よりも反応性の小さいバッファ層をさらに形成することによって、内部樹脂層にマイクロクラック（ｍｉｃｒｏ ｃｒａｃｋ）が発生するなどの損傷がある場合も、金属箔層の酸化反応を抑制することにより、電池の外側の腐食を防止することができるという長所があるが、根本的に金属箔はベンディングの際に皺みのような変形に弱く、フレキシブル電池の特性を低下させるといった問題がある。
従来技術において、一般の電池アセンブリの曲げ動作の際は、曲げる内側には圧縮応力が印加され、その反対側には引張応力が電池に印加されることにより、電池の電極組立体を包む外装材も伸びたり縮んだりしながら局所的な機械的破損が発生する。従って、フレキシブル特性に適した新たなフレキシブル電池アセンブリが必要な状況である。
さらに、一般のリチウム二次電池の集電体の場合、活物質から発生する電子を外部へ流す経路は提供するが、このとき、異なる極性を有する電極から突出して延びた電極タブは、互いに異なる特性を有するそれぞれの金属を使用する。例えば、陰極集電体としては銅が主に使用される。その理由は、アルミニウムの場合、陰極の作動電位でリチウムと反応し、合金を生成するためである。それに対し、銅の場合は、陰極の作動電位で酸化還元反応に参加せず安定している。このとき、アルミニウムのようにヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）が低い金属集電体と、銅などのように相対的にヤング率が高い金属集電体とを共に使用するが、各要素の延伸率、厚さなどが異なる場合、電池を曲げる際に応力を効果的に最小化する技術が必要であり、特に電極と電極リードとのヤング率の差による問題を効果的に解決する技術が必要である。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、フレキシブル環境において発生し得る電池の機械的な問題を解決できる方法を提供することである。
上記のような目的を達成するための本発明に係るリチウム二次電池は、第１の電極、第２の電極、前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置する分離膜、前記第１の電極から突出する第１の電極タブ上に接合される金属タブ、及び前記金属タブ上に接合される第１の電極リードを含む。前記第１の電極の集電体は、前記第２の電極の集電体よりも小さいかあるいは同一のヤング率を有する。前記第１の電極の集電体と、前記金属タブと、前記第１の電極リードとの間のヤング率の関係は、「第１の電極リード≧金属タブ≧第１の電極の集電体」である。
前記第１の電極の集電体の材質がアルミニウムである場合に、前記第２の電極の集電体の材質はアルミニウム又はステンレススチールである。
前記第１の電極の集電体の材質が銅である場合に、前記第２の電極の集電体の材質はステンレススチールである。
前記リチウム二次電池の最大曲がり角度の内角の範囲は１０゜～１８０゜である。
前記金属タブは、前記第１の電極の集電体の１倍～５倍の厚さであることを特徴とする。
前記第１の電極の集電体が第２の電極の集電体よりもヤング率が小さいかあるいは同一である場合、前記第２の電極から突出して延びた第２の電極タブ上に結合された第２の電極リードは、前記リチウム二次電池をなす電極組立体に向けて前記第２の電極タブ上に接合された状態で１８０゜反対方向に曲げられ、前記電極組立体の外側方向に向けた曲げ構造を有する。
前記第１の電極の集電体が第２の電極の集電体よりもヤング率が小さい場合、前記第２の電極から突出して延びた第２の電極タブ上に第２の電極リードが接合され、前記第１の電極の集電体、第２の電極の集電体、金属タブ、第１の電極リード、及び第２の電極リードのヤング率は、第２の電極の集電体≧第１の電極リード≧金属タブ≧第１の電極の集電体≧第２の電極リードの順である。
分離膜を挟んで互いに異なる極性の第１の電極及び第２の電極が交互に積層されて電極組立体が形成され、前記電極組立体の両側に配置される一対の最外郭電極は、単一の電極合剤コーティング面を有する第１の電極が配置される。
前記一対の最外郭電極の電極タブのうち少なくとも１つの電極タブには、金属タブが接合される。
前記リチウム二次電池は、前記第１の電極及び前記第２の電極の集電体上にそれぞれコーティングされる互いに異なる極性の合剤層と、前記第１の電極及び前記第２の電極の集電体上において合剤層がコーティングされていない状態でそれぞれ配置される電極タブと、を含み、前記電極タブ上に溶着されてリチウム二次電池の外部に突出し、電子を移動させる電極リード部を含むポーチで密封される。
本発明によれば、電極のうち一定水準以下の延伸率及び曲げ性を有する電極上により厚い厚さの電極リードと連結される金属タブを使用する。これにより、厚さ及び延伸率の差による電極とリードとの分離の問題を効果的に解決する。
以下、添付した図面を参照しながら、本発明に係るフレキシブル電池について説明することとする。
以下の実施例は、本発明の理解を助けるための詳細な説明であり、本発明の権利範囲を制限するものではないことは当然である。従って、本発明と同じ機能を果たす均等な発明も本発明の権利範囲に属するはずである。
また、各図面の構成要素に参照符号を付け加えるにおいて、同じ構成要素に対しては、たとえ他の図面上に表示されるとしてもなるべく同じ符号を有するようにしていることに留意しなければならない。また、本発明を説明するにおいて、関連した公知の構成又は機能に関する具体的な説明が本発明の要旨を混乱させ得ると判断される場合は、その詳細な説明は省略する。
また、本発明の構成要素を説明するにおいて、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を使用することができる。このような用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するためだけのものであり、その用語によって当該構成要素の本質や順番又は順序などが限定されるものではない。ある構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」又は「接続」されると記載された場合、その構成要素はその他の構成要素に直接的に連結又は接続されても良く、各構成要素の間に他の構成要素が「連結」、「結合」又は「接続」されても良いと理解しなければならない。
図１は、本発明の一実施例に係る金属タブが電極タブ上に結合された様子の斜視図である。図２は、図１により金属タブが電極タブ上に結合された様子の斜視図である。
図１乃至図２を参照すると、本発明に係る金属タブ１００は、分離膜４００を挟んで異なる極性を有する第１の電極２００及び第２の電極３００を含むリチウム二次電池において使用されるが、二種類の電極のうち、第１の電極２００の集電体は第２の電極３００の集電体と同一あるいはより小さいヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）を有する。
第１の電極２００の集電体が第２の電極３００の集電体よりも小さいヤング率を有する場合は、第１の電極２００の集電体として銅を採用し、第２の電極３００の集電体としてステンレススチールを適用するものであっても良い。
また、第１の電極２００の集電体が第２の電極３００の集電体よりも小さいヤング率を有する場合は、第１の電極２００の集電体としてアルミニウムを採用し、第２の電極３００の集電体としてステンレススチールを適用するものであっても良い。
一方、第１の電極２００の集電体が第２の電極３００の集電体と同一のヤング率を有する場合は、第１の電極２００の集電体としてアルミニウムを採用し、第２の電極３００の集電体としてアルミニウムを適用するものであっても良い。
本発明に係る金属タブ１００は、前記第１の電極２００から電気的連結のために突出した第１の電極タブ２１０上に接合される。本発明の一実施例において、前記金属タブ１００は、第１の電極２００の集電体よりも大きいヤング率の第２の電極３００の集電体では使用されないが、その理由は、曲がった状態で発生する応力による電極リード－電極間の分離問題は第１の電極２００で主に発生するためである。
本発明の一実施例において、前記金属タブ１００のヤング率は、第１の電極２００の集電体よりも大きいかあるいは同一であるが、金極リード５００よりは小さいかあるいは同一であることが好ましい。
本発明の一実施例においては、曲げる際に発生する応力の程度を厚さで制御するが、図１における前記金属タブ１００の厚さは、前記第１の電極２００の集電体の厚さの１倍～５倍である。
その理由は、第１の電極２００の集電体上に上記した厚さの金属タブ１００が結合される際、高いヤング率を有する電極リード５００の曲げによって発生する応力を効果的に吸収できるためである。金属タブ１００の厚さが１倍未満では、前記金属タブ１００を結合した効果なしに電極リード５００と第１の電極タブ２１０の溶着部が曲げる際に容易に切断され、金属タブ１００の厚さが５倍を超える場合、第１の電極２００の電極タブ２１０上に金属タブ１００を溶着する際に結合力が弱くなったり、結合のために超音波を上げると金属タブ１００部分が溶けてホーンとアンビルにべたつくなど溶着の難易度が高くなって作業性が下がったりし、品質が一定ではない。また、曲げる際に電極リード５００と第１の電極２００の電極タブが溶着されるタブ－リード溶着部の下方の無地部である電極タブ２１０が容易に切断されてしまうといった逆効果が起こる。
本発明の一実施例において、前記リチウム二次電池は、曲がる特性を有するフレキシブルリチウム二次電池であり、前記リチウム二次電池の最大曲がり角度の内角の範囲は１０゜乃至１８０゜である。つまり、本発明は、フレキシブル特性のリチウム二次電池において発生する応力の問題、特に厚い厚さの電極リード（例えばニッケル）も共に曲がる場合、薄い厚さの第１の電極２００の集電体（例えば銅）が破れたり、分離されたりしてしまう問題を解決するために、金属タブ１００を第１の電極タブ２１０と電極リード５００との間に使用した。
図３は、本発明の他の実施例に係る金属タブが電極タブ上に結合される構造を示す斜視図である。
図３を参照すると、本発明に係る金属タブ１００は、分離膜４００を挟んで異なる極性を有する第１の電極２００及び第２の電極３００を含むリチウム二次電池で使用されるが、前記第１の電極２００の集電体が第２の電極３００の集電体よりもヤング率が小さいかあるいは同一になる。
第２の電極リード６００は、電極組立体に向けて第２の電極３００から電気的連結のために突出した第２の電極タブ３１０上に接合された状態で１８０゜反対方向に曲げられ、前記電極組立体の外側方向に向けた曲げ構造を有する。
前記第１の電極２００の集電体が第２の電極３００の集電体よりもヤング率が小さい場合、前記第２の電極タブ３１０上に第２の電極リード６００が接合され、前記第１の電極２００の集電体、第２の電極３００の集電体、金属タブ１００、第１の電極リード５００、及び第２の電極リード６００のヤング率は、第２の電極３００＞第１の電極リード５００≧金属タブ１００≧第１の電極２００＞第２の電極リード６００である。
図４は、本発明のさらに他の実施例により、金属タブ上に曲げ構造を有する電極リードが結合された構造を示す斜視図である。
一方、図４を参照すると、第１の電極２００の集電体及び第１の電極リード５００のヤング率が同一である場合、前記第１の電極リード５００は曲げ構造も可能である。
図５は、本発明のさらに他の実施例により、電極組立体を構成する電極のうち最外郭電極を相対的に低いヤング率の集電体を有するように配置した構造を示す図である。
電極組立体は、分離膜４００を挟んで互いに異なる極性の第１の電極２００及び第２の電極３００が交互に積層された構造を有する。
前記構造上において、電極組立体をなす一対の最外郭電極は、相対的により小さいヤング率の集電体を有する第１の電極２００が配置され得る。前記一対の最外郭電極は、単一面上のみに電極合剤が塗布されたものであっても良い。
一方、電極タブがそれぞれ形成された一対の最外郭電極のうち少なくとも何れか１つの最外郭電極は、電極タブ上に金属タブが接合される。
また、前記リチウム二次電池は、前記第１、第２の電極２００、３００の集電体上にそれぞれコーティングされる互いに異なる極性の合剤層と、前記第１、第２の電極２００、３００の集電体上において合剤層がコーティングされていない状態でそれぞれ配置される電極タブと、を含み、前記リチウム二次電池は、前記電極タブ上に溶着されてリチウム二次電池の外部に突出し、電子を移動させる電極リード部を含むポーチで密封される。
本発明に適用されたヤング率に関して説明すると、次の通りである。
ヤング率が大きい場合は、硬直した感じがして、変形に対する抵抗力が大きく、その分堅固さを有すると同時に柔軟性が低い。
ヤング率が小さい場合は、柔らかい感じがして、変形に対する抵抗力が小さく、その分弱さを有すると同時に柔軟性が高い。従って、外部からの力によって電池が曲げられる際、最外郭電極が切断される現象の発生がより少なくなる。
それに対し、厚さが薄過ぎる場合は切れやすいので、適切な厚さを適用しなければならない。また、材質が全く異なる電極が交互に積層され、外部から力を加えた際、相対的にヤング率の低い電極が選択的に先に切れるようになり、これを厚さなどを考慮して適切な値を探し、柔軟性を確保する。
また、例えば銅（Ｃｕ）とステンレススチール（ＳＵＳ）を適用した際、ステンレススチールは銅に比べて単価が高く、相対的に多くの電極が入る銅を最外郭電極に適用することで製造原価を下げることが効率的である。
また、最外郭電極は、電池の容量発現には寄与せず、厚さだけ占めてエネルギー密度を低くするので、断面に電極合剤をコーティングすることが好ましい。
図６は、本発明の一実施例に係る金属タブを適用した際と適用していないバッテリーの曲げ評価の結果を示すグラフである。
図６を参照すると、充放電と曲げ評価を同時に進行した結果、金属タブ１００を適用していない既存のバッテリーは、３０回を超えられずに電極とリードが破損され、金属タブ１００を適用したバッテリーの場合は、５０００回以上でも正常に電気化学駆動を見せている。
既存のリチウム二次電池の場合は、外部からの衝撃や力により端子部分が容易に切断されて容量が急激に減少していき、電池としての機能を果たせない場合が多かった。
しかし、金属タブ１００、電極２００、３００、電極リード５００、６００などを含み、電池を構成する材料の材質の特性を把握し、構造を改善することで、リチウム二次電池が外部から繰り返し的に与えられる力である曲げ及びねじりなどによって破損及び切断が最も起こりやすい脆弱な部分である電極端子部分の極板の耐久性を向上させることができる。
本発明は、互いに異なる極性を有する第１の電極２００及び第２の電極３００を基に小さい金属タブ１００を電極タブ上に接合（スポット溶接、超音波溶接、レーザ溶接、及び導電性接着剤による結合など）する簡単な工程により、端子部分の柔軟性において大きな効果をもたらす。
図７は、本発明の一実施例に係る金属タブ、電極及び電極リードの材質とヤング率とを示すグラフである。
図７に示すように、第１の電極２００を陰極にし、第２の電極３００を陽極にして実施例を作成する場合に、アルミニウム、銅、ステンレススチール、ニッケル、及び銅などを材質にしてヤング率を設定する方式で構成要素を分類することができる。
一方、ヤング率は、弾性を有するある物体が外部からの力（ｓｔｒｅｓｓ）に対して相対的な長さがどのように変化するかを示す係数である。これは物体の形状とは関係なく、単に物体を構成する材質とだけ関係がある。
図８は、本発明の実施例に係る金属タブ及び電極の集電体、電極リードに対する応力試験を進行する方式を示す。図８を参照して、金属タブ１００を適用した電池に対する応力試験を進行する方式を見ると、電池の両末端に力を与えて引っ張る場合、電池材料の断面積は次第に減少していき、切断される。このとき、電池材料には外部から引っ張る力に抵抗しようとする耐力が生じ、この抵抗力を断面積値で除算したものを応力（ｓｔｒｅｓｓ）と定義する。
図９及び図１０は、図８の応力試験方式で測定した結果であり、電池を構成する材料である金属タブ、電極の集電体及び電極リードのそれぞれの応力及び変位を測定し、それによる電極タブ、電極リード、タブ－リード接合部における破損及び切断程度を把握するグラフを示す。
図９は、一実施例において、第１の電極２００の集電体が銅、第２の電極３００の集電体がステンレススチールであって、第１の電極２００の集電体のヤング率が第２の電極３００の集電体のヤング率よりも小さいとき、それぞれの電極の集電体と金属タブ１００、第１の電極リード５００、第２の電極リード６００が破損及び切断される直前までの応力と変位のグラフである。第１の電極２００の集電体である銅は、３０ｋｇｆ／ｍｍ２付近で伸び続けていき、変位１．５ｍｍ付近で切断される。第２の電極３００の集電体であるステンレススチールは、銅とは異なり、力を与えると、伸びるよりは外部から引っ張る力に抵抗しようとする性質の方が大きい。
図１０は、さらに他の実施例において、第１の電極の集電体と第２の電極の集電体、第１の電極リードと第２の電極リードが同じアルミニウムであった際の応力と変位関係を示している。
これにより、金属タブ１００を利用した補強と曲げ構造のタブ、電極集電体間のヤング率と厚さを適切に適用させ、外部からの力によって容易に破損されてしまう脆弱部位を改善することにより、電池の柔軟性を確保することができる。
Claims (11)
- 第１の電極、第２の電極、前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置する分離膜、前記第１の電極から突出する第１の電極タブ上に接合される金属タブ、及び前記金属タブ上に接合される第１の電極リードを含み、
前記第１の電極の集電体は、前記第２の電極の集電体よりも小さいかあるいは同一のヤング率を有し、
前記第１の電極の集電体と、前記金属タブと、前記第１の電極リードとの間のヤング率の関係は、
前記第１の電極リード＞前記金属タブ＞前記第１の電極の集電体
であることを特徴とする、リチウム二次電池。 - 第１の電極、第２の電極、前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置する分離膜、前記第１の電極から突出する第１の電極タブ上に接合される金属タブ、及び前記金属タブ上に接合される第１の電極リードを含み、
前記第１の電極の集電体は、前記第２の電極の集電体よりも小さいかあるいは同一のヤング率を有し、
前記第１の電極の集電体と、前記金属タブと、前記第１の電極リードとの間のヤング率の関係は、
前記第１の電極リード＝前記金属タブ＞前記第１の電極の集電体
であることを特徴とする、リチウム二次電池。 - 前記第１の電極の集電体がアルミニウムである場合に、
前記第２の電極の集電体はアルミニウム又はステンレススチールであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のリチウム二次電池。 - 前記第１の電極の集電体が銅である場合に、
前記第２の電極の集電体はステンレススチールであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のリチウム二次電池。 - 前記リチウム二次電池の曲がり角度の内角の範囲は１０゜～１８０゜であることを特徴とする、請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載のリチウム二次電池。
- 前記金属タブは、前記第１の電極の集電体の１倍以上の厚さであることを特徴とする、請求項１乃至請求項５の何れか１つに記載のリチウム二次電池。
- 前記第２の電極から突出する第２の電極タブ上に接合された第２の電極リードを含み、
前記第２の電極リードは、曲げ構造を有することを特徴とする、請求項１乃至請求項６の何れか１つに記載のリチウム二次電池。 - 前記第２の電極から突出する第２の電極タブ上に第２の電極リードが接合され、
前記第１の電極は陰極であり、前記第２の電極は陽極であり、
前記第１の電極の集電体は、前記第２の電極の集電体よりも小さいヤング率を有し、
前記第２の電極の集電体と、前記第１の電極リードとの間のヤング率の関係は、
前記第２の電極の集電体＞前記第１の電極リード
であり、前記第１の電極の集電体と、前記第２の電極リードとの間のヤング率の関係は、
前記第１の電極の集電体＞前記第２の電極リード
であることを特徴とする、請求項１、２、５乃至７の何れか１つに記載のリチウム二次電池。 - 前記分離膜を挟んで前記第１の電極及び前記第２の電極が交互に積層されて電極組立体が形成され、
前記電極組立体の両側に配置される一対の最外郭電極は、電極合剤がコーティングされた前記第１の電極が配置されることを特徴とする、請求項１乃至請求項８の何れか１つに記載のリチウム二次電池。 - 前記一対の最外郭電極の電極タブのうち少なくとも１つの電極タブには前記金属タブが形成されることを特徴とする、請求項９に記載のリチウム二次電池。
- 前記第１の電極及び前記第２の電極の集電体上にそれぞれコーティングされる合剤層と、前記第１の電極及び前記第２の電極の集電体上において前記合剤層がコーティングされていない状態でそれぞれ配置される電極タブと、を含み、前記電極タブ上に形成されて前記リチウム二次電池の外部に突出する電極リード部を含むポーチで密封されることを特徴とする、請求項１乃至請求項１０の何れか１つに記載のリチウム二次電池。
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