JP4620552B2 - ゼリーロール型電極組立体を有する二次電池 - Google Patents

ゼリーロール型電極組立体を有する二次電池 Download PDF

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Description

本発明は、二次電池に関し、より詳細には、２つの電極とこれらの電極を離隔して絶縁させるセパレータ(Separator)とを備えてなるゼリーロール型電極組立体を有する二次電池に関する。
二次電池は、再充電が可能であり、小型及び大容量化の可能性のため、近来、移動型電子機器の電源として多く開発されて使用されている。近来、開発されて使用されている二次電池のうち、代表的には、ニッケル水素(Ni-MH)電池とリチウム(Li)電池とリチウムイオン(Li-ion)電池とがある。
これらの二次電池において、ベアセル(Bare Cell)の多くは、陽極、陰極及びセパレータから構成される電極組立体を容器に入れて封止してなる。容器としては、パウチを使用し得るし、鉄、アルミニウム又はアルミニウム合金などの金属缶を使用し得る。電解質としては、完全固体型ポリマー、電解液を含浸させたゲル型ポリマー、溶媒に電解質がイオン形態で含まれる液状電解質などを使用し得る。
封止されたベアセル(Bare Cell)は、PTC素子(Positive Temperature Coefficient)、サーマルヒューズ(Thermal Fuse)及び保護回路基板(PCM: Protective Circuit Module)等の安全装置及びその他の電池部属らと連結された状態で別途のケースに収納されるか、成形樹脂によって間隙が充填されるか被覆されて完成された外観を呈するようになる。
一方、二次電池の製造において、小さな体積と重さを有する電池に多量の電気を蓄積させることは一番重要な目標となり、単位時間当りの電力量、すなわち、電力を大きくすることも電池の利用分野にとって重要な問題である。電力を増大させるためには、電解質に触れる電極活物質の面積を増す必要がある。通常、活物質の表面積を増すために、また、電力量に寄与する活物質の割合を上げるために、活物質は電極板に広くコーティングされる。
活物質がコーティングされた電極板は、二次電池を小さい体積で形成するため、通常、ロール形態で巻き取られる。場合によって、多数の電極板を極性によって交互に積層し、この積層された状態を‘ゼリーロール(Jelly Roll)’と呼称し、同じ極性の電極板を電気的に共に連結することによって電池の２つの電極を形成し得る。この時、他の極性の電極と電極との間はセパレータが介在して内部の短絡を防止する。
図１は、パウチ型リチウム二次電池の一例でパウチが封止される前の状態を示す斜視図である。図１を参照すれば、パウチは、中間部分が折り曲げられて電極組立体が収容される溝が形成されるパウチの下部２０と溝を覆うようになるパウチの上部１０を形成する。パウチ膜は、中間層の金属ホイル１３の上下層に熱接着性CPP(Casted Polypropylene)１１、ナイロンなどを積層して形成する。
通常の電極組立体３０は、陰極板３１、セパレータ３３、陽極板３５が積層された多層膜を渦形に巻き取ってゼリーロール(Jelly Roll) 型に形成する。ゼリーロールを巻取形成する時、陽極板と陰極板との短絡を防ぐために、ロール(roll)の外部に現われる電極板、例えば、陽極板の外側にはセパレータが取り付けられる。
電極組立体３０の陽極板３１と陰極板３５とをパウチの外部と電気的に連結するために、陽極板３１及び陰極板３５の一側には電極タップ３７、３８が形成される。これらの電極タップ３７、３８は、ゼリーロールが巻き取られる方向と垂直方向にゼリーロールから突出し、パウチ膜の封止される一辺を通じてパウチを通って引き出される。タップがパウチと重なる部分には、パウチの封止時にタップとパウチとの接着性を上げるためにフィルム３９が取り付けられる。
ところが、通常のゼリーロールでは、ゼリーロールの中心部に電極タップが設けられる。一方で、電極組立体３０が入る溝２１が形成されたパウチは、パウチの上下部のフランジ２３が溝２１の入口部分で封止される。したがって、ゼリーロールの中心部に設けられた電極タップ３７、３８を封止されるパウチの外部に引き出すためには、パウチ溝２１の内部で一部折り曲げられて、パウチのフランジ２３とのレベル(Level)を調節しなければならない。
パウチ溝２１の内部でタップ３７、３８を折り曲げるためには、タップが折り曲げられた部分を収容する空間が必要となる。このような空間の存在は、電池の小型、高容量化を難しくする。なお、折り曲げられた部分がゼリーロールを成す電極板の上端部、あるいは、他のタップと短絡して電池に不良や安全上の問題をもたらす可能性がある。
このような問題は、主として、パウチに電極組立体を収容する溝を有するパウチ型の電池だけではなく、他のゼリーロール型電極組立体を有する二次電池でも発生し得る。
本発明は、前述した問題点を解決するためのものであって、ゼリーロール型電極組立体において、電極タップによってベアセルの内部でタップと電極板、タップとタップとの間の短絡の可能性を低減できるゼリーロール型電極組立体を有する二次電池を提供することを目的とする。
また、本発明は、ゼリーロール型電極組立体において、タップに重なる電極板の部分に巻取による圧力が集中することを減らして、電極反応が全般的に円滑になるようにするゼリーロール型電極組立体を有する二次電池を提供することを目的とする。
また、本発明は、ベアセル内で容量と関連しない空間を減らして、小型、高容量化されたゼリーロール型電極組立体を有する二次電池を提供することを目的とする。
前記目的を達成するための本発明のゼリーロール型電極組立体を有する二次電池は、互いに異なる極性の２つの電極とこれらの２つの電極間に位置するセパレータとを含んでなる電極積層体が巻き取られてゼリーロール形態となる電極組立体において、電極組立体の２つの電極をケースの外側に引き出すために形成される電極タップが、前記電極組立体から引き出されるレベルと前記ケースから引き出されるレベルとが実質的に等しいことを特徴とする。
本発明では、２つの電極タップは、いずれもゼリーロール型電極組立体の中間部分から同等なレベルで並んで引き出すか、ゼリーロール型電極組立体の上側から又は下側から引き出し得る。電極タップが引き出されるレベルは、必ずしも等しい必要はなく、概ね、ゼリーロール型電極組立体の中間部分と上側から引き出される電極タップのレベル差に該当する電極組立体の厚さの半分より明確に小さい１/３以内とし得る。すなわち、電極タップ間のレベル差が電極組立体の厚さの１/３程度であれば、電極タップが従来に比べて折り曲げられる必要性を確かに減らすものと考えられる。下部に溝が形成されるパウチの場合、電極タップは電極組立体の厚さの上部１/３以内のレベルにあれば、パウチ外に伸びて出る時、溝周辺のフランジ部を通過するまでパウチの内部で大きい折り曲げ部を有さないことも可能である。
本発明では、電極タップ間のレベル差は、電極組立体の厚さの１/１０以内であることがより望ましい。この場合、電極タップは、実質的に直線状に伸びてケースの封止部位を通って外に引き出されるので、ケース内で電極タップが折り曲げられる必要性はほとんどなく、折り曲げられたタップ部分が位置するパウチ内の余裕空間も不要となる。もし、２つの電極の電極タップの全てが電極の外側非被覆部から引き出され、電極タップが電極組立体の厚さ方向に上下に分けられることなく、すべてが上部に位置するならば、電極タップ間のレベル差は電極組立体の厚さの１/１０以内とし得る。
本発明の二次電池の電極組立体は、通常、楕円形状あるいはトラック形状のゼリーロールに形成され、缶型二次電池のうち、角形状に使用するか、電極組立体が収容される溝を一方だけに形成したパウチで使用することが望ましい。
本発明によれば、ゼリーロール型電極組立体において、電極タップによってベアセル内部でタップと電極板、タップとタップとの間の短絡可能性を減らすことができる。
また、ゼリーロール型電極組立体においてタップに重なる電極板部分に巻取による圧力が集中することを減らして、電極反応が電極板で全般的に円滑になるようにして、電気容量の実質的な増加をもたらすことができる。
また、本発明によれば、ベアセル内に容量と関係しない空間を減らして、小型、高容量化されたゼリーロール型電極組立体を有する二次電池を提供できる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例に基づいて本発明をより詳しく説明する。
図２は、本発明の一実施形態による二次電池のゼリーロール型電極組立体において電極タップの形成位置を示す平面図である。
図３は、本発明の一実施形態により形成されるパウチ型ベアセルの構成を概略的に示す斜視図である。
図２及び図３を参照すると、先に、パウチ型リチウム二次電池の一般的な形成方法を考察する。まず、電極組立体が収容される溝が形成されるパウチ１００の下部と、溝を覆うパウチの上部と、を形成する。溝は、プレス(Press)加工などによって形成される。溝の側方には、二次電池の化成工程で発生するガスを取り除くためのガスチャンバーのための溝(図示せず)を更に形成し得る。
通常の電極組立体３０のように、セパレータ３３´、陽極板３１、セパレータ３３、陰極板３５を順に積層した多層膜を形成した後、巻取機で多層膜を渦型に巻き取ってゼリーロール(Jelly Roll)に形成する。ゼリーロールは、通常、離心率の大きい楕円形に形成され、楕円の短軸方向に中央で外部から力を与えてトラック形状を成すようにできる。この時、陽極板３１と陰極板３５との端部の非被覆部には、陽極タップ３８及び陰極タップ３７が超音波溶接などの方法で取り付けられる。
セパレータは、電解質を兼ねる完全固体型ポリマー又は電解液が含浸されたゲル型ポリマーから構成することが望ましい。セパレータがゲル型ポリマーからなる時、通常、ゼリーロール型がなされた後に、電極組立体に電解液を供給してポリマーに電解液含浸がなるようにする。通常、電極板の短絡を防ぐために、電極板よりも大きく形成される。
タップ３７、３８がゼリーロールと重なる部分及びタップがパウチの溶接部、すなわち、フランジ部分と重なる部分には、樹脂フィルム３９、樹脂テープなどが、通常、取り付けることができる。通常、これらの部材は、金属からなるタップと、接着性がパウチの内層に比べて優れている熱接着性物質とからなる。
しかし、本発明では、タップは、トラック形ゼリーロールの外周側(最外郭部)のような長辺にほぼ等しい水準に位置する。したがって、巻き取られたゼリーロールで陰極板３５、陽極板３１及びセパレータ３３、３３´がタップと重なることによって圧力が加えられて、曲げられた部分を成し、この部分に電解質が均一に分布しないという理由で電極反応が少なく起こるという問題の大部分を防止することができる。
図２に示す実施形態では、電極組立体がパウチ溝に積載される場合、電極タップが電極組立体の最上方、厚さ対比で１０％以内にあるようになる。パウチの封止のために形成されるパウチのフランジ部分も、パウチ溝の最上方の開口部の周辺に形成されるので、電極タップのレベルとフランジのレベルとが実質的に等しくなる。したがって、別に電極タップを曲げる加工をする必要がなく、電極タップが直線状に伸びて融着されるフランジの間からパウチの外へ引き出されるようにする。
したがって、封止されたパウチ内に折り曲げられた電極タップ部分のための空間を備える必要がない。すなわち、この実施形態では、電極タップ３７、３８の熱接着性フィルム３９がゼリーロールの電極板と相当な距離だけ離隔しているように表示されるが、実際に、ゼリーロールとパウチ溝の壁体とを離隔させる必要はない。そして、フィルムをゼリーロールの電極板に連結する程度に近く設けることができる。
結果的に、ゼリーロールの上端をパウチ溝のタップが引き出される側の壁体と接触するようにし、ゼリーロールの下端をパウチ溝のタップが引き出される反対側の壁体と接触するようにできる。この場合、パウチの内部がゼリーロールで詰められるようになるので、同じ体積でより高い電池容量を確保できるようになる。
パウチの封止がなされて形成されたベアセル(Bare Cell)には、図示していない保護回路基板(PCM:Protecting Circuit Module)や PTC(Positive Temperature Coefficient)のような付属品あるいは構造体が連結、付着されて、コアパック(Core Pack)が形成される。
そして、コアパックをハードケースに内蔵して結合させると、完成されたハードパック電池が形成される。ハードケースは、内側に別途の回路や導体部なしに、ポリプロピレン樹脂などを用いて形成することができるが、電池が使用される機器の特性によって、ハードケースの内部に別途の部属回路や他の導体部を有する場合がある。
一方、図示する実施形態は、電極組立体を収容する溝を形成したパウチに対するものであるが、本発明は、他のパウチ形態、角形缶を電極組立体を収容する容器に用いる場合でも可能である。
電極組立体を収容する別途の溝を形成しないパウチでは、パウチの融着フランジは、通常、パウチ電池の厚さの半分程度のレベルで形成されるので、２つの電極タップも共に電極組立体の中間レベルから引き出されて、直線状に伸びて融着されたフランジを通じて外部に引き出すことができる。
なお、角形ケースを使用する場合、ゼリーロール型電極組立体は、角形状ケースに収容され、電極タップは、角形缶の開口部を仕上げるキャップ組立体のキャッププレートの一長辺と缶との間から並んで引き出されるか、キャップ組立体の中間レベルに形成された穴を通じて引き出すことができる。この時、角形状ケース及びキャッププレートがプラスチック材質からなるとしたら、タップと角形状ケース、及びタップとキャッププレートとの間には樹脂フィルムが介在しないことも可能である。
パウチ型リチウム二次電池の一例でパウチが封止される前の状態を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による二次電池のゼリーロール型電極組立体で電極タップの形成位置を示す平面図である。 本発明の一実施形態によって形成されるパウチ型ベアセルの構成を概略的に示す斜視図である。
符号の説明
１０ パウチの上部
１１ 熱接着性CPP
１３ 金属ホイル
２０ パウチの下部
２１ 溝
２３ フランジ
３０ 電極組立体
３１ 陽極板
３３、３３´ セパレータ
３５ 陰極板
３７、３８ タップ
３９ フィルム
１００ パウチ

Claims (8)

  1. 互いに異なる極性の２つの電極と２つの該電極間に位置するセパレータとを含んでなる電極積層体が巻き取られてゼリーロール形態となる電極組立体と、前記電極組立体を収容するケースと、を備える二次電池において、
    前記電極組立体の２つの電極を前記ケースの外側に引き出すために形成される電極タップが前記電極組立体から引き出されるレベルと前記ケースから引き出されるレベルとが実質的に等しく、
    前記電極タップが、前記ケースから引き出されながら、封止のために前記ケースと接触する部分には、前記電極タップと前記ケースとの間に別途の樹脂フィルムが介在し、
    前記電極組立体は、楕円形状又はトラック形状のゼリーロールに形成され、
    前記電極組立体を収容する容器は、溝が形成された下部を板状の上部が覆い、
    前記溝周辺のフランジ部分で前記上部と前記下部とを融着して封止されるパウチであり、
    前記電極組立体の前記タップが引き出される方の端面と前記溝を成す前記パウチの下部の対応する側壁とは、直接接触して空間を残さないことを特徴とする二次電池。
  2. 前記電極タップは、前記電極組立体の厚さの２/３以上のレベルで前記電極組立体から引き出されることを特徴とする、請求項１記載の二次電池。
  3. 前記電極組立体は、前記溝に前記タップが上向きに内蔵され、
    前記タップは、前記溝の内部から直線状に伸びて封止された状態の前記パウチの上下部の間で外部に引き出されることを特徴とする、請求項１記載の二次電池。
  4. 前記パウチは、アルミニウム金属ホイルの外側にナイロン層、該ホイル層の内側にCPP(Casted Polypropylene)を積層して形成されることを特徴とする、請求項１または請求項３記載の二次電池。
  5. 前記電極タップは、前記電極組立体の厚さの９/１０以上のレベルで前記電極組立体から引き出されて２つの前記電極の外側無脂部に接続されることを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の二次電池。
  6. 前記樹脂フィルムは、前記ケースの内側面の材質に比べて金属との接着性に優れた熱接着性物質からなることを特徴とする、請求項１記載の二次電池。
  7. 前記セパレータは、電解質を兼ねる完全固体型ポリマー又は電解液が含浸されるゲル型ポリマーからなることを特徴とする、請求項１記載の二次電池。
  8. 前記電極組立体は、角形状プラスチックケースに収容され、
    前記タップは、前記ケースとプラスチックキャップの組立体側の一長辺との間から引き出されて形成されることを特徴とする、請求項１記載の二次電池。
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