JP2024506355A - 二次電池用電極組立体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、フォールディング分離膜と電極間の離隔空間を最小化して寿命特性及び急速充電性能を改善することのできる電極組立体の製造方法に関し、フォールディング分離膜の一面に複数の単位セルを配置するステップ；前記フォールディング分離膜上に単位セルを固定するステップ；前記フォールディング分離膜の他面の少なくとも一末端部にバインダー組成物を提供するステップ；及び前記フォールディング分離膜を折り畳んで前記単位セルを積層するステップを含む電極組立体の製造方法に関する。
Description
本出願は、２０２１年８月１３日付けで出願された韓国特許出願第１０－２０２１－０１０７６０６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が本明細書の一部として組み込まれる。
本発明は、二次電池用電極組立体及びその製造方法に関し、より具体的には、寿命特性及び急速充電性能に優れたスタック・アンド・フォールディング型（ｓｔａｃｋ ａｎｄ ｆｏｌｄｉｎｇ ｔｙｐｅ）電極組立体及びその製造方法に関する。
モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するにつれて、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加しており、このような二次電池の中でも、高いエネルギー密度と作動電位を示し、サイクル寿命が長く、自己放電率が低いリチウム二次電池が商用化されて広く用いられている。
リチウム二次電池は、一般に、正極、分離膜、負極が積層された電極組立体を電池ケースに収容して電解液を注入して製造され、電極組立体は、その製造方法によって、巻取型（ジェリーロール型）、積層型、スタック・アンド・フォールディング（ｓｔａｃｋ ａｎｄ ｆｏｌｄｉｎｇ）型などに分けられる。具体的には、巻取型電極組立体は、長いシート状の正極板、分離膜及び負極板を巻いて製造されたものであり、積層型電極組立体は、所定の大きさに裁断された正極、分離膜及び負極を積層して製造されたものである。また、スタックアンドフォールディング電極組立体は、長いシート状のフォールディング分離膜上に正極、分離膜、負極が積層された単位セルを並んで配置した後、一側からフォールディングして製造されたものである。
一方、リチウム二次電池用電極は、集電体上に電極スラリーをコーティングして活物質層を形成した後に圧延する方式で製造されるが、このような方法で製造された電極は、活物質層の末端部においてスラリーの塗布量が減少して中央部に比べて活物質層の厚さが減少する現象（以下、スライディング現象という）が生じる。図１は集電体上に電極スラリーをコーティングして製造された電極の活物質層の幅方向の厚さ分布を示す図である。図１から、電極の末端部において活物質層の厚さが減少するスライディング現象が生じることを確認できる。
一方、このようなスライディング現象により電極の末端部において電極と分離膜間に離隔空間が生じるが、電極と分離膜間に離隔空間が存在すると、リチウムイオンの拡散（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）抵抗として作用し、該当領域でリチウムイオンが円滑に移動できずに析出するという問題が生じる。
電極と分離膜間の離隔問題は、電極組立体の製造時に電極と分離膜間を加熱及び加圧工程で圧着することにより最小限に抑えることができる。前記圧着工程で電極活物質層及び／又は分離膜コーティング層に含まれるバインダーが溶融することによって離隔空間へ押し出されて離隔空間を埋めるからである。
しかし、スタックアンドフォールディング型電極組立体の場合、製造工程の特性上、フォールディング分離膜と電極とが圧着されるのではなく単純接触のみする界面が生じ、このような界面で電極と分離膜間の離隔空間が生じてリチウムの析出が生じるという問題がある。図２は従来のスタックアンドフォールディング型電極組立体を適用した電池セルを分解した後に撮影した写真であり、図２から、フォールディング分離膜の下面と単位セルとが接触する部分（ボックスで示す部分）でリチウムの析出が生じることを確認できる。
本発明は、上記問題を解決するためのものであり、フォールディング分離膜と電極間の離隔空間を最小化して寿命特性及び急速充電性能を改善することができる電極組立体及びその製造方法を提供する。
一態様において、本発明は、フォールディング分離膜の一面に複数の単位セルを配置するステップと、前記フォールディング分離膜上に単位セルを固定するステップと、前記フォールディング分離膜の他面の少なくとも一末端部にバインダー組成物を提供するステップと、前記フォールディング分離膜を折り畳んで前記単位セルを積層するステップとを含む、電極組立体の製造方法を提供する。
ここで、前記単位セルを固定するステップは、前記単位セルが配置されたフォールディング分離膜を加熱し、加圧して行われてもよい。
また、前記バインダー組成物は、前記フォールディング分離膜の長さ方向に塗布されてもよく、前記単位セルの電極タブが配置される方向の末端部に提供されてもよい。
さらに、前記バインダー組成物は、バインダー塗布量が０．１ｇ／ｍ２～１ｇ／ｍ２になるように提供されてもよい。
さらに、前記バインダー組成物は、前記フォールディング分離膜の幅をＷとすると、前記フォールディング分離膜の端部から０．１５Ｗの距離にある領域に提供されてもよい。
前記バインダー組成物は、バインダーとして、ポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）、ビニリデンフルオリド－ヘキサフルオロプロピレンコポリマー（ＰＶＤＦ－ｃｏ－ＨＦＰ）、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、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、ポリ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－ジエンモノマーゴム（ＥＰＤＭ ｒｕｂｂｅｒ）、スルホン化－ＥＰＤＭ、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、フッ素ゴム、又はこれらの様々な共重合体を含んでもよく、とりわけ、スチレン－ブタジエンゴムなどの水系バインダーを含むことが特に好ましい。
他の態様において、本発明は、正極、分離膜及び負極を含む複数の単位セルが長いシート状のフォールディング分離膜により巻き取られて積層される電極組立体であり、前記単位セルは、最外側電極の少なくとも一末端に電極活物質層の厚さが減少するスライディング部を含み、前記スライディング部とフォールディング分離膜間にバインダーコーティング層が形成されている、電極組立体を提供する。
さらに他の態様において、本発明は、上述した本発明による電極組立体を含む、二次電池を提供する。
本発明は、スタックアンドフォールディング型電極組立体の製造時にフォールディング分離膜の単位セルが配置されていない面にバインダー組成物を提供した後にフォールディング工程を実施することを特徴とする。本発明のように単位セルが配置されていない面にバインダー組成物を提供した後にフォールディング工程を実施した場合、バインダー組成物が単位セルの最外側電極とフォールディング分離膜間に介在して電極とフォールディング分離膜間の離隔空間を埋め、これにより、電極とフォールディング分離膜間の離隔により生じるリチウムイオンの析出を最小限に抑えることができる。よって、本発明の方法により製造された電極組立体を二次電池に適用した場合、優れた長期寿命特性及び急速充電性能を実現することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明について詳細に説明する。本発明の図面は本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に本発明を明確に理解させるために提供されるものであり、本発明は図面に開示された発明に限定されるものではない。
なお、本発明を明確に説明するために、図面に一部の構成要素を省略して示すことがあり、同一の構成要素は同一の図面符号で示した。
電極組立体の製造方法
まず、本発明による電極組立体の製造方法について説明する。
まず、本発明による電極組立体の製造方法について説明する。
図３は本発明による電極組立体の製造方法の一実施形態を示す。以下、図３を参照して、本発明による電極組立体の製造方法について説明する。
図３に示すように、本発明による電極組立体の製造方法は、（Ａ）フォールディング分離膜の一面に複数の単位セルを配置するステップと、（Ｂ）前記フォールディング分離膜上に単位セルを固定するステップと、（Ｃ）前記フォールディング分離膜の他面の少なくとも一末端部にバインダー組成物を塗布するステップと、（Ｄ）前記フォールディング分離膜を折り畳んで前記単位セルを積層するステップとを含む。
まず、フォールディング分離膜１０の一面に複数の単位セル２０Ａ、２０Ｂを配置する（図３の（Ａ）参照）。
前記単位セル２０Ａ、２０Ｂは、所定の大きさに裁断された正極２２、分離膜２４及び負極２６が積層された電極積層体である。前記単位セルは、図３に示すように、正極２２／分離膜２４／負極２６／分離膜２４／正極２２又は負極２６／分離膜２４／正極２２／分離膜２４／負極２６のように最外側に同じ電極が配置されるバイセル構造であってもよいが、これに限定されるものではなく、正極／分離膜／負極のように正極と負極の数が同じフルセル構造であっても構わない。また、図３にはバイセル構造の電極積層体が５層で構成されていることが開示されているが、これに限定されるものではなく、電極及び分離膜の積層数は多様に変形可能である。
前記フォールディング分離膜１０は、長いシート状の分離膜であって、単位セルに含まれる裁断された形態の分離膜２４とは区別される。前記フォールディング分離膜１０としては、当該技術分野において用いられる様々な分離膜を用いることができ、例えば、ポリオレフィン系多孔性高分子フィルムの表面にセラミック粒子及び／又はバインダーなどの高分子物質がコーティングされた分離膜であってもよい。
前記フォールディング分離膜１０上に複数の単位セル２０Ａ、２０Ｂを配置する。ここで、隣接する単位セルは、フォールディングされると負極２６と正極２２とがフォールディング分離膜１０を介して積層されるように配置される。
次に、フォールディング過程において、単位セル２０Ａ、２０Ｂが動かないように、フォールディング分離膜１０上に単位セル２０Ａ、２０Ｂを固定する（図３の（Ｂ）参照）。
前記単位セル２０Ａ、２０Ｂを固定するステップは、前記単位セル２０Ａ、２０Ｂが配置されたフォールディング分離膜１０を加熱して加圧する方法で行われてもよい。加熱及び加圧工程を行った場合、電極活物質層及び／又はフォールディング分離膜のコーティング層に含まれるバインダー成分が熱により溶融することによって単位セルとフォールディング分離膜とが接着されて固定される。具体的には、ヒータなどの加熱手段３０により前記単位セル２０Ａ、２０Ｂが配置されたフォールディング分離膜１０に熱を加え、その後ロールプレスなどの加圧手段４０により単位セル２０Ａ、２０Ｂを加圧することで、フォールディング分離膜１０上に単位セル２０Ａ、２０Ｂを接着することにより、単位セルを固定することができる。
また、前記加熱及び加圧過程において、電極の末端部の活物質層の厚さ減少領域（以下、スライディング部という）に電極活物質層及び／又はフォールディング分離膜コーティング層に含まれるバインダーがフォールディング分離膜と電極間の離隔空間に押し出されてフォールディング分離膜と単位セル間の離隔空間が減少し、これにより、フォールディング分離膜と電極間の離隔によるリチウムの析出を抑制するという効果が得られる。
一方、前記加熱は、５０℃～１５０℃、好ましくは６０℃～１２０℃、より好ましくは７０℃～９０℃の温度条件で行われてもよい。
また、前記加圧は、１０ｋＰａ～３００ｋＰａ、好ましくは５０ｋＰａ～２５０ｋＰａ、より好ましくは１００ｋＰａ～２００ｋＰａの圧力条件で行われてもよい。
加熱及び／又は加圧が上記条件を満たす場合、単位セルの構成要素やフォールディング分離膜が損傷することなく、単位セルとフォールディング分離膜との固定及び離隔空間の減少が円滑になる。
次に、単位セル２０Ａ、２０Ｂがフォールディング分離膜１０の一面上に固定されると、フォールディング分離膜１０の他面にバインダー組成物５２を提供する（図３の（Ｃ）参照）。ここで、前記他面とは、単位セルが配置されていない面、すなわち単位セルが配置されているフォールディング分離膜の表面とは反対側の表面を意味する。
本ステップは、フォールディング工程後にフォールディング分離膜の他面と単位セル間の離隔空間を最小化するためのものである。上述したように、単位セル固定ステップにより単位セルが配置されているフォールディング分離膜の表面（一面）と単位セル間の界面の離隔空間は最小化することができるが、フォールディング後に単位セルが配置されていないフォールディング分離膜の表面（他面）と単位セルとが接触する面には活物質層のスライディング現象による離隔空間が依然として残る。このような離隔空間が存在すると、リチウムイオンの拡散が阻害されて該当領域でリチウムイオンが析出し、これにより、寿命特性及び急速充電性能が悪くなる。
本発明においては、上記問題を解決するために、フォールディング分離膜を折り畳んで単位セルを積層するフォールディング工程の直前にフォールディング分離膜の他面にバインダー組成物を提供し、フォールディング工程を実施することにより、フォールディング過程において、前記バインダー組成物がフォールディング分離膜と単位セル間の離隔空間を埋めるようにする。
ここで、前記バインダー組成物５２の提供方法は、特に限定されるものではなく、当該技術分野においてよく知られた組成物の塗布方法、例えば、スプレー噴射、バーコーティング、ローラコーティングなどの方法により実施することができる。
一方、前記バインダー組成物５２は、フォールディング分離膜１０の他面の少なくとも一末端部に提供されることが好ましい。電極活物質層の厚さが減少するスライディング部は通常電極の末端部に形成されるので、電極の末端部に対応するフォールディング分離膜の末端部にバインダー組成物を提供することにより、フォールディング分離膜とスライディング部間の離隔空間を効果的に減少させることができる。
図４には本発明の方法によりバインダー組成物が提供されたフォールディング分離膜の他面の一例が図示されている。図４に示すように、前記バインダー組成物５２は、前記フォールディング分離膜１０の長さ方向Ｌに提供されてもよい。また、前記バインダー組成物５２は、単位セル２０の電極タブ２８が配置される方向の末端部に提供されてもよい。通常、電極活物質層のスライディング部は電極タブ方向に配置されるので、図４に示すように、電極タブが配置される方向の末端部にフォールディング分離膜の長さ方向にバインダー組成物を提供した場合、スライディング部による離隔空間の減少に効果的である。
一方、前記バインダー組成物５２は、前記フォールディング分離膜の幅をＷとすると、前記フォールディング分離膜の端部Ｅから０．１５Ｗの距離にある領域に提供されてもよく、具体的には、フォールディング分離膜の端部Ｅから０．０１Ｗ～０．１５Ｗの距離にある領域に提供されてもよく、より具体的には、フォールディング分離膜の端部から３ｍｍ～１０ｍｍの距離にある領域に提供されてもよい。バインダー組成物の提供領域が上記条件を満たす場合、バインダーがフォールディング分離膜とスライディング部間の離隔空間に円滑に介在して離隔空間を埋めることができる。バインダー組成物の提供領域が狭すぎると、離隔空間を十分に埋めることができず、バインダー組成物の提供領域が広すぎると、バインダー組成物の使用量が多くなり、コストが増加するだけでなく、余剰のバインダー組成物によりフォールディング過程の工程性に悪影響を及ぼす。
また、前記バインダー組成物は、バインダー塗布量が０．１ｇ／ｍ２～１ｇ／ｍ２、好ましくは０．１ｇ／ｍ２～０．８ｇ／ｍ２、より好ましくは０．３ｇ／ｍ２～０．５ｇ／ｍ２になるように提供されてもよい。バインダー塗布量が上記範囲を満たす場合、離隔空間を効果的に減少させながらも余剰のバインダーによる副作用を最小限に抑えることができる。
一方、前記バインダー組成物は、バインダー及び溶媒を含んでもよい。
前記バインダーとしては、二次電池分野において用いられる様々なバインダー、例えば、ポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）、ビニリデンフルオリド－ヘキサフルオロプロピレンコポリマー（ＰＶＤＦ－ｃｏ－ＨＦＰ）、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、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、ポリ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－ジエンモノマーゴム（ＥＰＤＭ ｒｕｂｂｅｒ）、スルホン化－ＥＰＤＭ、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、フッ素ゴム、又はこれらの様々な共重合体などを用いることができる。
とりわけ、スチレン－ブタジエンゴムなどの水系バインダーを含むことが特に好ましい。一般に、フォールディング分離膜のコーティング層と、リチウムの析出が生じる負極には、水系バインダーが用いられる。よって、バインダーとして水系バインダーを用いた場合、フォールディング分離膜及び負極との接着力が向上して離隔空間の除去がより円滑になり、これにより、リチウムの析出をより効果的に抑制することができる。
一方、前記溶媒は、バインダー成分を溶解又は分散させて塗布可能にするためのものであり、用いられるバインダーに応じて適切な溶媒を選択して用いることができる。例えば、水系バインダーを用いる場合は、溶媒として水を用いることができ、非水系バインダーを用いる場合は、溶媒としてＮ－メチルピロリドン、アセトン、アルコールなどの有機溶媒を用いることができる。前記溶媒は、バインダー組成物に塗布に適した粘度を持たせる量で用いることができる。
また、必須であるわけではないが、電解液含浸性、伝導性、抵抗特性などの改善のために、前記バインダー組成物に無機物粒子、固体電解質、イオン伝導性ポリマーなどの添加剤がさらに含まれてもよい。
一方、バインダー組成物の塗布後、必要に応じて、溶媒除去のための乾燥工程がさらに実施されてもよい。
次に、フォールディング分離膜１０を折り畳んで（ｆｏｌｄｉｎｇ）前記単位セル２０Ａ、２０Ｂを積層する（図３の（Ｄ）参照）。フォールディング分離膜１０の下面に塗布されたバインダー組成物は、柔軟性を有するので、フォールディング過程でフォールディング分離膜と単位セル間の離隔空間に挿入されて離隔を減少させる。
一方、フォールディングが完了して単位セルの積層が完了した後、必要に応じて、単位セルが積層された電極組立体を加熱及び／又は加圧するステップをさらに行ってもよい。
前記加熱及び／又は加圧工程は、フォールディング分離膜を固定し、単位セルを密着させるためのものである。
ここで、前記加熱は、５０℃～１５０℃、好ましくは６０℃～１２０℃、より好ましくは７０℃～９０℃の温度条件で行われてもよい。
また、前記加圧は、１０ｋＰａ～３００ｋＰａ、好ましくは５０ｋＰａ～２５０ｋＰａ、より好ましくは１００ｋＰａ～２００ｋＰａの圧力条件で行われてもよい。
このような工程がさらに実施された場合、加熱及び／又は加圧により離隔空間に挿入されたバインダーの接着力が増加して離隔の減少においてより効果的であるだけでなく、前記工程中にバインダー組成物中の溶媒を揮発させることができるので、別途の乾燥工程が必要でないという利点がある。また、加圧により単位セル及び電極組立体内部の構成要素が密着することによって、電気化学特性も改善されるという効果をもたらす。
電極組立体
次に、本発明による電極組立体について説明する。
次に、本発明による電極組立体について説明する。
図５には本発明による電極組立体の一例が図示されている。
図５に示すように、本発明の電極組立体１は、複数の単位セル２０が長いシート状のフォールディング分離膜１０により巻き取られて積層される電極組立体である。
前記単位セル２０は、少なくとも１つ以上の正極２２と少なくとも１つ以上の負極２６とが分離膜２４を介して交互に積層された電極積層体であり、前記正極２２、負極２６及び分離膜２４は、所定の大きさに裁断されている。
前記単位セル２０に含まれる正極、負極及び分離膜としては、二次電池分野において用いられる様々な正極、負極及び分離膜を用いることができ、その材質や形態が特に限定されるものではない。
例えば、前記正極２２は、正極集電体の一面又は両面に正極活物質、バインダー及び導電材を含む正極合材をコーティングして正極活物質層を形成する方法で製造されたものであってもよく、前記負極２６は、負極集電体の一面又は両面に負極活物質、バインダー及び導電材を含む負極合材をコーティングして負極活物質層を形成する方法で製造されたものであってもよい。
正極活物質としては、当該技術分野において用いられる様々な物質、例えば、リチウムコバルト系酸化物、リチウムニッケル系酸化物、リチウムマンガン系酸化物、リチウムニッケル－コバルト－マンガン系酸化物、リチウムニッケル－コバルト－アルミニウム系酸化物、リチウムニッケル－コバルト－マンガン－アルミニウム系酸化物などのリチウム遷移金属酸化物が用いられてもよいが、これらに限定されるものではない。
負極活物質としては、当該技術分野において用いられる様々な物質、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛化炭素繊維、非晶質炭素などの炭素系物質；Ｓｉ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｃｄ、Ｓｉ合金、Ｓｎ合金、Ａｌ合金などリチウムとの合金化が可能な金属質化合物；ＳｉＯβ（０＜β＜２）、ＳｎＯ２、バナジウム酸化物、リチウムバナジウム酸化物のようにリチウムをドープ及び脱ドープできる金属酸化物；又はＳｉ－Ｃ複合体もしくはＳｎ－Ｃ複合体のように前記金属質化合物と炭素質材料とを含む複合物などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
前記バインダーは、集電体と活物質間及び活物質と活物質間の結合に助力する成分であって、ポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）、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、ポリ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－ジエンポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化－ＥＰＤＭ、スチレン－ブタジエンゴム、ニトリル－ブタジエンゴム、フッ素ゴム、これらの様々な共重合体などが用いられてもよいが、これらに限定されるものではない。
前記導電材は、電極の導電性を向上させるための成分であって、例えば、ポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）、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、ポリ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－ジエンポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化－ＥＰＤＭ、スチレン－ブタジエンゴム、ニトリル－ブタジエンゴム、フッ素ゴム、これらの様々な共重合体などが用いられてもよいが、これらに限定されるものではない。
一方、前記分離膜は、所定の大きさに裁断されて単位セルの正極及び負極間に介在する分離膜を意味するものであって、長いシート状のフォールディング分離膜とは区別される概念で用いられたものである。前記分離膜としては、当該技術分野において一般的に用いられる分離膜を用いることができ、その材質が特に限定されるものではない。例えば、前記分離膜としては、多孔性高分子フィルム、例えばエチレン単独重合体、プロピレン単独重合体、エチレン／ブテン共重合体、エチレン／ヘキセン共重合体及びエチレン／メタクリレート共重合体などのポリオレフィン系高分子で製造した多孔性高分子フィルム、又はこれらの２層以上の積層構造体を用いることができる。また、通常の多孔性不織布、例えば高融点のガラス繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などからなる不織布を用いることもできる。さらに、耐熱性又は機械的強度の確保のために、セラミック成分又は高分子物質が含まれるコーティングされた分離膜を用いることもでき、選択的に単層又は多層構造として用いることができる。
一方、前記単位セル２０は、正極と負極とを同じ個数含むフルセル（ｆｕｌｌ－ｃｅｌｌ）構造であってもよく、電極積層体の最外側上面及び最外側下面に同じ極性の電極が配置されるように正極及び負極のうち一方の数が他方の数より１つ多いバイセル（ｂｉ－ｃｅｌｌ）構造であってもよい。
図５には単位セル２０として３つの電極が２つの分離膜を介して積層されたバイセル構造の単位セルが図示されているが、本発明は、これに限定されるものではなく、電極及び分離膜の数は多様に変形可能である。
フォールディング分離膜１０は、長いシート状の分離膜であって、単位セル２０間を囲む形態でフォールディングされる。前記フォールディング分離膜１０としては、当該技術分野において用いられる様々な分離膜を用いることができ、例えば、ポリオレフィン系多孔性高分子フィルムの表面にセラミック粒子及び／又はバインダーなどの高分子物質がコーティングされた分離膜であってもよい。
一方、前記単位セル２０は、フォールディング分離膜１０に接触する最外側電極の少なくとも一末端に電極活物質層の厚さが減少するスライディング部を含み、スライディング部とフォールディング分離膜間にバインダーコーティング層５４が形成される（図５の拡大図参照）。
上述したように、スラリーコーティング工程により電極活物質層を形成した場合、コーティング末端部においてコーティングスラリーの量が減少して活物質層の厚さが減少するスライディング部が生じる。このようなスライディング部は、加熱及び／又は加圧工程を経ることによって所定の程度緩和される。しかし、従来のスタック・アンド・フォールディング型電極組立体の場合、フォールディング工程の特性上、フォールディング分離膜と電極とが圧着されるのではなく単純接触のみする界面が生じ、このような界面に位置する電極ではスライディング部が緩和されず、フォールディング分離膜と電極間の離隔空間が残る。それに対して、本発明の電極組立体１は、フォールディング工程の直前にバインダー組成物をフォールディング分離膜の他面に提供し、前記バインダー組成物によりスライディング部とフォールディング分離膜間にバインダーコーティング層が形成されるので、離隔空間が減少するという効果が得られる。
本発明のようにスライディング部とフォールディング分離膜間にバインダーコーティング層が形成された場合、離隔空間が存在する場合に比べてリチウムの拡散が円滑になり、これにより、リチウムの拡散抵抗によるリチウムイオン析出現象を著しく減少させることができる。
一方、前記バインダーコーティング層５４は、二次電池分野において用いられる様々なバインダー、例えば、ポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）、ビニリデンフルオリド－ヘキサフルオロプロピレンコポリマー（ＰＶＤＦ－ｃｏ－ＨＦＰ）、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、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、ポリ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－ジエンモノマーゴム（ＥＰＤＭ ｒｕｂｂｅｒ）、スルホン化－ＥＰＤＭ、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、フッ素ゴム、又はこれらの様々な共重合体を含んでもよく、とりわけ、スチレン－ブタジエンゴムなどの水系バインダーを含むことが特に好ましい。
上記のような本発明の電極組立体は、二次電池に有用に適用することができる。
具体的には、本発明による二次電池は、電池ケースと、前記電池ケースの内部に収容される電極組立体及び電解質とを含み、ここで、前記電極組立体は、上述した本発明による電極組立体である。
前記電池ケースは、当該技術分野において用いられる様々な電池ケース、例えば、角型、円筒型又はパウチ型電池ケースであってもよく、とりわけ、パウチ型電池ケースであることが好ましい。
一方、前記電解質としては、二次電池分野において一般的な電解質、例えば、有機系液体電解質、無機系液体電解質、固体高分子電解質、ゲル型高分子電解質、固体無機電解質、溶融型無機電解質などを用いることができ、その種類が特に限定されるものではない。
前記二次電池は、リチウムイオン電池又はリチウムイオンポリマー電池であることが好ましいが、これらに限定されるものではない。
本発明によるリチウム二次電池は、フォールディング分離膜と単位セル間の離隔空間が最小化されてリチウムの析出が抑制され、これにより、優れた長期寿命特性及び急速充電性能が実現される。よって、携帯電話、ノート型パソコン、デジタルカメラなどの携帯用機器、電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車、及びプラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ－ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＰＨＥＶ）を含む電気自動車；又は電力貯蔵用システムなどに有用に用いることができる。
１０ フォールディング分離膜
２０、２０Ａ、２０Ｂ 単位セル
２２ 正極
２４ 分離膜
２６ 負極
２８ 電極タブ
３０ 加熱手段
４０ 加圧手段
２０、２０Ａ、２０Ｂ 単位セル
２２ 正極
２４ 分離膜
２６ 負極
２８ 電極タブ
３０ 加熱手段
４０ 加圧手段
Claims (12)
- フォールディング分離膜の一面に複数の単位セルを配置するステップ；
前記フォールディング分離膜上に単位セルを固定するステップ；
前記フォールディング分離膜の他面の少なくとも一末端部にバインダー組成物を提供するステップ；及び
前記フォールディング分離膜を折り畳んで前記単位セルを積層するステップを含む、電極組立体の製造方法。 - 前記単位セルを固定するステップは、
前記単位セルが配置された前記フォールディング分離膜を加熱し、加圧して行われるものである、請求項１に記載の電極組立体の製造方法。 - 前記バインダー組成物は、前記フォールディング分離膜の長さ方向に提供されるものである、請求項１に記載の電極組立体の製造方法。
- 前記バインダー組成物は、前記単位セルの電極タブが配置される方向の末端部に提供されるものである、請求項１に記載の電極組立体の製造方法。
- 前記バインダー組成物を提供するステップは、バインダー塗布量が０．１ｇ／ｍ２～１．０ｇ／ｍ２になるように行われるものである、請求項１に記載の電極組立体の製造方法。
- 前記バインダー組成物は、前記フォールディング分離膜の幅をＷとすると、前記フォールディング分離膜の端部から０．１５Ｗの距離にある領域に提供されるものである、請求項１に記載の電極組立体の製造方法。
- 前記バインダー組成物は、水系バインダーを含むものである、請求項１に記載の電極組立体の製造方法。
- 前記単位セルを積層するステップの後に、前記単位セルが積層された電極組立体を加熱して加圧するステップをさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の電極組立体の製造方法。
- 前記加熱は、５０℃～１５０℃の温度で行われ、前記加圧は、１０ｋＰａ～３００ｋＰａの圧力条件で行われるものである、請求項８に記載の電極組立体の製造方法。
- 正極、分離膜及び負極を含む複数の単位セルが長いシート状のフォールディング分離膜により巻き取られて積層される電極組立体であり、
前記単位セルは、少なくとも一末端に電極活物質層の厚さが減少するスライディング部を含み、
前記スライディング部とフォールディング分離膜間にバインダーコーティング層が形成されている、電極組立体。 - 前記バインダーコーティング層は、水系バインダーを含むものである、請求項１０に記載の電極組立体。
- 請求項１０又は請求項１１に記載の電極組立体を含む、二次電池。
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