JP5290952B2 - 高安全性多層型電気化学セル - Google Patents

Description

本発明は、安全性が改良された多層型電気化学セルにかかり、特に、ユニットセルとして複数のフルセル又はバイセルが、長いシート形状に形成された分離フィルムによって収容され、及びユニットセルのセパレータが、熱溶接によって分離フィルムに固定される構造に構成される電気化学セルに関する。

モバイルデバイスが急速に開発されており、このようなモバイルデバイスの要求が増加し、二次電池の要求もまた急速に増加している。中でも、高エネルギー密度及び電圧並びに優れた保存及び耐用性を有するリチウム二次電池は、モバイルデバイスだけでなく様々なエレクトロニクス製品用のエネルギー源として広く使用されている。

これらの外部及び内部構造に基づき、二次電池は、通常、円筒形電池、角形電池、及びパウチ形電池に分類される。特に、高集積度に積層され及び小さな縦横比を有する角形電池及びパウチ形電池が、注目を集めている。

二次電池を構成するカソード／セパレータ／アノード構造を有する電気化学セルは、電気化学セルの構造に基づき、通常、ジェリーロール（ワインディング）型電気化学セル又は積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）型電気化学セルに分類されうる。ジェリーロール型電気化学セルは、電極活性材料を備えた電流コレクタとして使用される金属ホイルをコーティングし、コーティングされた金属ホイルを乾燥及び加圧し、乾燥及び加圧された金属ホイルを所定の幅及び長さを有するバンド状に切断し、セパレータを使用してアノードとカソードを互いに分離し、並びにアノード／セパレータ／カソード構造を螺旋状に巻くことによって製造される。ジェリーロール型電気化学セルは、円筒形電池に適しているが、電極活性材料が分離される可能性があり、空間的利用性が低いため、ジェリーロール型電気化学セルは、角形電池及びパウチ形電池に適さない。一方、積層型電気化学セルは、複数のカソード及びアノードユニットセルが互いに連続して積層された構造に構成される電気化学セルである。積層型電気化学セルは、積層型電気化学セルが角形構造に構成されることが出来る
という利点を有するが、積層型電気化学セルは、積層型電気化学セルの製造方法が複雑且つ困難であり、及び、積層型電気化学セルに外部の衝撃が与えられた場合、積層型電気化学セルの電極に圧力が加わり、結果として積層型電気化学セル内に短絡が発生するという欠点を有する。

上記の課題を解決するために、ジェリーロール型電気化学セルと積層型電気化学セルとを組み合わせた新規な構造を有する電気化学セルが開発されている。すなわち、所定のユニットサイズのカソード／セパレータ／アノード構造を有するフルセル、又は、所定のユニットサイズのカソード（アノード）／セパレータ／アノード（カソード）／セパレータ／カソード（アノード）構造を有するバイセルが、長い連続する分離フィルムを使用して収容される構造に構成される電気化学セルである。このような電気化学セルの例が、本特許出願の出願人の名前において出願された特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に開示されている。

しかしながら、上記構造を有する電気化学セルにおいて、長い分離フィルムが使用された結果、衝撃及び振動が電池の外部及び内部に与えられたことにより、ユニットセルの電極が、分離フィルムから分離され、又はユニットセルの電極にゆがみが発生し、これは、二次電池内に短絡の発生を引き起こしうる。状況により、二次電池が、引火または爆発しうる。
韓国公開特許２００１−８２０５８号 韓国公開特許２００１−８２０５９号 韓国公開特許２００１−８２０６０号

従って、本発明は、上記課題、及び未だ解決していない他の技術的課題を解決するためになされたものである。

上記のような課題を解決するための様々な広範囲且つ集中的な研究及び実験の結果として、長いシート形状に形成された分離フィルムによって収容される複数のユニットセルのセパレータが、熱溶接によって分離フィルムに固定される場合、外部の衝撃及び振動によって、積層電極の電極が、分離フィルムから分離される又はゆがみを発生することが妨げられ、これによって、電気化学セルの温度が上昇し又はガスの生成により電気化学セルの体積が増加した場合であっても、電気化学セルに熱が発生する又は引火することが防止され、及び電気化学セルの構造安定性が維持されることを本発明の発明者は発見した。本発明は、これらの発見に基づいて完成された。

本発明の１つの側面によると、ユニットセルとして複数のフルセル及びバイセルが長いシート形状に形成された分離フィルムによって収容され、及びユニットセルのセパレータが熱溶接によって分離フィルムに固定される構造に構成される多層型電気化学セルを提供することにより、上記及び他の目的を達成することが出来る。

好ましい実施形態において、分離フィルムが、ユニットセルを覆うために十分な単位長さを有し、及び分離フィルムが、単位長さ毎に内側に曲げられた構造に電気化学セルが構成され、これによって、分離フィルムが、中央ユニットセルから最外部ユニットセルまでユニットセルを連続して覆う。

特に、分離フィルムが、第１中央ユニットセルの外部表面をそれに関して一端部から順に覆い、第２ユニットセル及び第３ユニットセルが、第１ユニットセルの上下にそれぞれ配置されながら、分離フィルムが、第２ユニットセル及び第３ユニットセルの外部表面を順に覆い、ユニットセルの間に分離フィルムが配置されながら、ユニットセルが互いに積層されることが出来、第４ユニットセル及び第５ユニットセルが、第２ユニットセルの上部及び第３ユニットセルの下部にそれぞれ配置されながら、分離フィルムが、第４ユニットセル及び第５ユニットセルの外部表面を順に覆う構造、すなわち、最外部ユニットセルが、分離フィルムによって覆われることが出来る構造に電気化学セルが構成される。

例えば、熱溶接法を使用し、分離フィルムの一端部において、分離フィルムの１つの大きな表面に第１ユニットセルを固定し、第１ユニットセルの厚さと幅及び第１ユニットセル上に積層される第２ユニットセルの厚さが単位長さに設定される条件の下で分離フィルムの１つの大きな表面に第２ユニットセルを固定し、並びに第１及び第２ユニットセルの厚さ及び第１及び第２ユニットセルに固定される第３ユニットセルの厚さが単位長さに設定される条件の下で分離フィルムの１つの大きな表面に第３ユニットセルを固定すること、すなわち、単位長さが、固定したユニットセル（複数）の厚さと固定されるユニットセルの厚さの合計によって定義される条件の下で、ユニットセルが、分離フィルムの１つの大きな表面に固定されながら、分離フィルムを単位長さ毎に内側に曲げることにより、この電気化学セルは、製造されてよい。この時、第１ユニットセルと第２ユニットセルの間の単位長さは、他のユニットセルの間の単位長さとは異なる、第１ユニットセルの厚さと幅を含んだ長さである。

他の好ましい実施形態において、分離フィルムが、ユニットセルを覆うために十分な単位長さを有し、及び分離フィルムが単位長さ毎に外側に曲げられる構造に電気化学セルが構成され、これによって、分離フィルムが、最下部のユニットセルから最上部のユニットセルまでジグザグ状にユニットセルを連続して覆い、及び分離フィルムの残りが、積層されたセルの外部周囲を覆う。

例えば、熱溶接法を使用し、ユニットセルの厚さが単位長さに設定される条件の下で、分離フィルムの一端部において、分離フィルムの１つの大きな表面に第１ユニットセルを固定し、第１ユニットセルと反対側の分離フィルムの他の大きな表面に第２ユニットセルを固定すること、すなわち、単位長さがユニットセルの厚さによって定義される条件の下で、ユニットセルが、分離フィルムの大きな表面の両側に交互に固定されながら、分離フィルムを単位長さ毎に外側に曲げることにより、この電気化学セルが製造されてよい。

本発明において、“内側”及び“外側”の用語は、分離フィルムが曲げられる方向を示す。分離フィルムが、分離フィルムが前に曲げられた方向と同じ方向に曲げられる場合、この方向は、“内側”の用語によって表現される。一方、分離フィルムが、分離フィルムが前に曲げられた方向と反対の方向に曲げられる場合、この方向は、“外側”の用語によって表現される。例えば、分離フィルムが前に曲げられた方向が、右方向である場合、同じ方向、すなわち、右方向は“内側”の用語によって表現され、反対の方向、すなわち、左方向は、“外側”の用語によって表現される。

好ましくは、熱溶接が、それぞれのユニットセルの一側又は両側において実施される。あるいは、熱溶接が、それぞれのユニットセルの下端部及び／又は上端部において実施されてよい。一方、それぞれのユニットセルが、それに関して上端部において電極端子を備えて提供される場合、熱溶接が、それぞれのユニットセルの下端部において実施されてよい。

好ましい実施形態において、熱溶接が、それぞれのセルの下端部及び／又は上端部において実施される場合、それぞれのセルの下端部及び／又は上端部を完全に覆うために十分なサイズを有するセパレータが、それぞれのセルの下端部及び／又は上端部に取り付けられ、熱溶接が、それぞれのセルの下端部及び／又は上端部において実施される。

熱溶接が、低い耐熱性を有する分離フィルム及びセパレータにおいて実施される。このため、熱溶接を７０から１４０℃の温度において実施することが好ましい。温度が低すぎる場合、熱溶接に必要な時間が増加し、熱に加えて高い圧力を加えることが必要である。このため、低い温度は、電池を製造するためのプロセスにおいて望ましいものではない。一方、温度が高すぎる場合、分離フィルム又はセパレータがダメージを受け、熱溶接が実施された場合、結果として、内部短絡が生じる又は電極活性材料がダメージを受けうる。このため、高い温度は、望ましくない。

本発明において使用されるフルセル及びバイセルの構造、並びにフルセル及びバイセルを使用する電気化学セルを構成する方法が、本特許出願の出願人の名前で出願された特許文献１、特許文献２及び特許文献３において完全に開示されている。上記特許公開の開示が、参照により、本願明細書に完全に示したものとして、ここに組み込まれる。

ユニットセルとして使用されるフルセルは、カソード／セパレータ／アノードユニット構造に構成されたセルである。具体的には、フルセルは、それに関して両側にそれぞれ配置されたカソード及びアノードを有するセルである。フルセルの基本的構造は、カソード／セパレータ／アノード構造又はカソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノード構造のいずれかであってよい。カソード／セパレータ／アノード構造を有するフルセルが、図１の典型的な図に示される。フルセルを使用する二次電池を含む電気化学セルを構成するために、分離フィルムがフルセルの間に配置されながら、カソードとアノードとが互いに向き合うように、複数のフルセルを互いに積層することが必要である。

一方、ユニットセルとして使用されるバイセルは、カソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソードユニット構造又はアノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノードユニット構造のいずれかに構成されたセルである。すなわち、バイセルは、それに関して両側に配置される同じ電極を有するセルである。カソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソード構造を有するバイセルが、図２の典型的な図に示され、及びアノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノード構造を有するバイセルが、図３の典型的な図に示される。バイセルを使用する二次電池を含む電気化学セルを構成するために、分離フィルムがバイセルの間に配置されながら、カソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソード構造を有するバイセルとアノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノード構造を有するバイセルとが互いに向き合うように、複数のバイセルを互いに積層することが必要である。

状況に応じ、バイセルが、さらに積層されてよい。さらに積層されたバイセルの例が、図４及び５に説明される。具体的には、カソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソード構造を有するバイセルが、図４の典型的な図に示され、及びアノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノード構造を有するバイセルが、図５の典型的な図に示される。

本発明の他の側面によると、上記電気化学セルを含むリチウム二次電池が提供される。

リチウム二次電池の部品及びこのリチウム二次電池の製造方法は、本発明が関連する当業界において周知であり、それに関する詳細な記述は省略する。

本発明の上記及び他の目的、特徴並びに他の利点が、添付の図面と共に以下の詳細な記述から、より明確に理解されるだろう。

ここで、本発明の好ましい実施形態が、添付の図面を参照し詳細に記述されるだろう。しかしながら、本発明の範囲は、説明された実施形態によって制限されるものではないことに注意すべきである。

図６及び７は、本発明の好ましい実施形態による、ユニットセルとして図２及び３に示されたバイセルを収容し、熱溶接によって分離フィルムをユニットセルの両側に固定することによって製造される電気化学セルをそれぞれ説明する典型的な図である。

これらの図を参照すると、電気化学セル１００；２００は、複数のバイセル１１０、１２０、１３０．．．；２１０．．．２２０が、長いシート形状に形成された分離フィルム３１０によって収容され、バイセル１１０、１２０、１３０．．．；２１０．．．２２０のセパレータ３００が、分離フィルム３１０に、それに関して両側に熱溶接によって固定された構造に構成される。

図６に示すように、電気化学セル１００は、分離フィルム３１０が、第１中央バイセル１１０の外部表面を順に覆い、並びに、第２バイセル１２０及び第３バイセル１３０が、それぞれ、第１バイセル１１０の上下に配置されながら、分離フィルム３１０が、第２バイセル１２０及び第３バイセル１３０の外部表面を順に覆う構造にバイセル１１０、１２０、１３０．．．を収容することによって製造されてよい。一方、図７に示すように、電気化学セル２００は、分離フィルム３１０が、最下部のバイセル２１０から最上部のバイセル２２０までジグザグ状にバイセル２１０．．．２２０を覆う構造にバイセル２１０．．．２２０を収容することによって製造されてよい。

バイセル１１０、１２０、１３０．．．が、前記方法によって収容される場合、バイセルの両側を覆う分離フィルム３１０の厚さが、最外部バイセルから中央バイセルに向かって増加する。結果として、分離フィルムの厚さの増加のために、バイセル１１０の幅が、減少しうる。

図８は、本発明の他の好ましい実施形態による、収容されたユニットセルの下端部に分離フィルムを固定することによって製造される電機化学セルを説明する典型的な図である。

図８を参照すると、電気化学セル１００は、その上端部に、電気化学セル１１０の上端部から外側に突き出した電極端子を備えて提供される。セル１００の下端部が、セル１００の下端部の領域よりもわずかに大きなサイズを有する付加的なセパレータ３２０に熱溶接によって固定される。セパレータ３２０が、分離フィルム３１０の下端部に熱溶接によってしっかりと固定される。また、いくつかのセパレータ３２０が、ユニットセルのアノードとカソードの間に配置されたセパレータ３００に固定される。

以下、本発明の実施例より詳細に記述されるだろう。しかしながら、本発明の範囲は、説明された実施例によって制限されるものではないことに注意すべきである。

＜実施例１＞
カソード活性材料として９５重量パーセントのＬｉＣｏＯ_２、２．５重量パーセントのＳｕｐｅｒ−Ｐ（伝導剤）、及び２．５重量パーセントのＰＶｄｆ（カップリング剤）を、溶媒としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に加えることにより、カソード混合スラリーが調製された。アノード活性材料として９５重量パーセントの人工黒鉛、２．５重量パーセントのＳｕｐｅｒ−Ｐ（伝導剤）、及び２．５重量パーセントのＰＶｄｆ（カップリング剤）を、溶媒としてのＮＭＰに加えることにより、アノード混合スラリーが調製された。カソード混合スラリー及びアノード混合スラリーが、それぞれアルミニウムホイル及び銅ホイル上にコーティングされた。その後、アルミニウムホイル及び銅ホイルが、乾燥され及び加圧された。このようにして、カソード及びアノードが製造された。

セパレータとして、Ｃｅｌｌ Ｇｕａｒｄ^ＴＭが使用された。バイセルを構成するために、カソード、アノード、及びセパレータが、連続して互いに積層された。また、セパレータと同じ材料、すなわちＣｅｌｌ Ｇｕａｒｄ^ＴＭが、分離フィルムとして使用された。分離フィルムを使用し、全部で７つのバイセルが連続的に収容され、次に、１００℃の温度を有するホットプレートを使用し、セパレータが、それに関して両側において分離フィルムに熱溶接された。このようにして、電気化学セルが製造された。製造された電気化学セルが、パウチ形電池ケース内に組み込まれ、次に、電解液が、電池ケースに注入され、これによって電池が最終的に完成した。

＜実施例２＞
セパレータが、バイセルの下端部において分離フィルムに熱溶接されたことを除き、実施例１と同じ方法で、電池が完成された。

＜比較例１＞
バイセルの両側が熱溶接されないことを除き、実施例１と同じ方法で、電池が完成された。

＜実験例１＞
実施例及び比較例によって製造された電池が、４．２Ｖに充電され、次に、１ｍの高さから電池を落下させた。落下実験が、連続して５０回実行された。落下実験の結果が、以下の表１に示される。

複数のユニットセルが、長いシート形状に形成された分離フィルムによって収容され、及びユニットセルのセパレータが、熱溶接によって分離フィルムに固定される構造に構成された電気化学セルを含む電池に対して、５０回の連続落下実験が実行された後でさえも、短絡の発生が大幅に減少することが、表１から理解出来る。

上記から明らかなように、本発明による電気化学セルは、外部の衝撃及び振動によって、積層電極の電極が、分離フィルムから分離される又はゆがみを発生することを防ぎ、これによって、電気化学セルの熱発生又は引火を防止する効果を有する。さらに、電気化学セルの温度が上昇する、又はガスの発生により電気化学セルの体積が増加した場合であっても、電気化学セルの構造安定性が維持される。

説明のため、本発明の好ましい実施形態を開示したが、当業者は、添付の特許請求の範囲に開示されるような本発明の範囲及び精神から外れることなく、様々な修正、追加及び置換が可能であることを理解するだろう。

本発明による電気化学セルのユニットセルとして使用されることが可能な例となるフルセル及びバイセルを説明する典型的な図である。 本発明による電気化学セルのユニットセルとして使用されることが可能な例となるフルセル及びバイセルを説明する典型的な図である。 本発明による電気化学セルのユニットセルとして使用されることが可能な例となるフルセル及びバイセルを説明する典型的な図である。 本発明による電気化学セルのユニットセルとして使用されることが可能な例となるフルセル及びバイセルを説明する典型的な図である。 本発明による電気化学セルのユニットセルとして使用されることが可能な例となるフルセル及びバイセルを説明する典型的な図である。 本発明の好ましい実施形態による、ユニットセルとして図２及び３に示されたバイセルを収容し、熱溶接によって分離フィルムをユニットセルの両側に固定することによって製造される電気化学セルを説明する典型的な図である。 本発明の好ましい実施形態による、ユニットセルとして図２及び３に示されたバイセルを収容し、熱溶接によって分離フィルムをユニットセルの両側に固定することによって製造される電気化学セルを説明する典型的な図である。 本発明の他の好ましい実施形態による、収容されたユニットセルの下端部に分離フィルムを固定することによって製造される電機化学セルを説明する典型的な図である。

符号の説明

１００、２００ 電気化学セル
１１０、１２０、１３０、２１０、２２０ バイセル
３００、３２０ セパレータ
３１０ 分離フィルム

Claims (5)

1. ユニットセルとして複数のフルセル又はバイセルが、長いシート形状に形成された分離フィルムによって収容され、前記ユニットセルのセパレータが、熱溶接によって前記分離フィルムに固定された構造に構成され、
   前記熱溶接が、それぞれのユニットセルの両側において実施される、多層型電気化学セル。
2. 前記分離フィルムが、前記ユニットセルを覆うために十分な単位長さを有し、前記分離フィルムが、単位長さ毎に内側に曲げられ、これによって、前記分離フィルムが、前記中央ユニットセルから、前記最外部ユニットセルまで前記ユニットセルを連続して覆う構造に、前記電気化学セルが構成された、請求項１に記載の電気化学セル。
3. 前記分離フィルムが、前記ユニットセルを覆うために十分な単位長さを有し、前記分離フィルムが、単位長さ毎に外側に曲げられ、これによって、前記分離フィルムが、前記最下部ユニットセルから、前記最上部ユニットセルまでジグザグ状に前記ユニットセルを連続して覆い、前記分離フィルムの残りが、前記積層されたセルの外部周囲を覆う構造に、前記電気化学セルが構成された、請求項１に記載の電気化学セル。
4. 前記熱溶接が、７０から１４０℃の温度において実施される請求項１に記載の電気化学セル。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の前記電気化学セルを含むリチウム二次電池。

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