JP5383616B2 - 二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は二次電池に関し、より詳細には、電極組立体の形状を改善した二次電池に関する。
二次電池は充電が不可能な一次電池とは異なり、充電および放電が可能な電池である。低容量の二次電池は携帯電話機やノートパソコンおよびキャムコーダのような携帯が可能な小型電子機器に用いられ、大容量の二次電池はハイブリッド自動車などのモータ駆動用電源として用いられている。
二次電池は、正極板と負極板がセパレータを間において位置する電極組立体を含む。
上述した二次電池の充放電過程において、電極組立体は体積変化を経るようになる。例えば、リチウムイオン電池の場合、負極板の負極活物質は、充電過程においてリチウムイオンを吸蔵しながら体積が膨張し、放電過程においてリチウムイオンを放出しながら体積が縮小する。このように、電極組立体は、充放電サイクルを繰り返すたびに膨張と収縮を繰り返すようになる。
ところが、パウチ型を除いた大部分のケースは金属で製作された剛体(rigid body)であるため、電極組立体の体積膨張を収容することができない。したがって、ケースの内部容量に比べて電極組立体の容量を減らして製作したり、電極組立体の巻き取り構造を変更するなど、電極組立体の体積膨張に対応するための様々な方案が提案されている。
しかしながら、電極組立体の容量を減らす場合には二次電池の充放電容量が減少するため、二次電池の性能が低下する。また、電極組立体の巻き取り構造を変更する場合には大部分の電極組立体の形状と製造過程が複雑になるため、二次電池の生産効率が低下する。
本発明は、ケース内部で電極組立体の体積膨張が許容されるように電極組立体の形状を改善し、充放電容量を高めて出力性能を向上させることができる二次電池を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態に係る二次電池は、i)正極板と負極板およびセパレータを含み、平坦部および平坦部の両側に位置する曲線部を備えるようにゼリーロール形態で巻かれた電極組立体と、ii)電極組立体を収容するケースと、iii)ケースと結合してケースを密封し、電極組立体と電気的に連結するキャップ組立体とを含む。平坦部に位置するセパレータ面に垂直する方向を第1方向とするとき、第1方向に沿って測定された平坦部の厚さは、第1方向に沿って測定された曲線部の最大厚さよりも小さい。
曲線部は第1方向と垂直する第2方向の最外郭に位置する第1最外郭曲線部を含んでもよく、第1最外郭曲線部の曲率中心を第1中心点とするとき、第2方向に沿って測定された平坦部の幅は、1対の第1中心点の間の範囲で1対の第1中心点の間隔よりも小さくてもよい。
曲線部は第1最外郭曲線部と平坦部を連結する第2最外郭曲線部をさらに含んでもよい。第2最外郭曲線部の曲率は、第1最外郭曲線部の曲率よりも大きいか、第1最外郭曲線部の曲率と同じであるか、第1最外郭曲線部の曲率よりも小さくてもよい。
正極板は第1集電体と正極活物質層を含み、負極板は第2集電体と負極活物質層を含んでもよい。正極活物質層と負極活物質層は、平坦部と曲線部全体に形成されてもよい。
他の一方として、正極活物質層と負極活物質層は、電極組立体に間欠的に形成されてもよい。正極活物質層と負極活物質層は、曲線部を除いた平坦部に形成されてもよく、平坦部および平坦部と第1中心点の間の範囲に形成されてもよい。
負極活物質層は10%以上の体積膨張率を有する負極活物質を含んでもよい。負極活物質は、シリコン、シリコン酸化物、およびシリコン−炭素複合体からなる群より選択された少なくとも1つを含んでもよい。
平坦部はケースの内壁と距離をおいて位置してもよい。ケースは角型で形成されてもよい。
一方、本発明の一実施形態に係る電極組立体は、正極板と負極板および前記正極板と負極板の間に介在するセパレータを含み、前記正極板、負極板、およびセパレータは巻き取られ、両側端部に位置する第1曲線部、第2曲線部、および前記第1および第2曲線部の間に介在する平坦部を有する第1断面形状を有し、前記平坦部は前記第1および第2曲線部のうちのいずれか1つの厚さよりもさらに小さい厚さを有する。
本発明の実施形態によれば、ケースの内部に電極組立体の体積膨張を収容することができる空間が提供されているため、体積膨張率が大きくて効率が高い負極活物質で負極板を形成することができる。したがって、二次電池の容量とエネルギー密度を高めることができ、出力効率を向上させることができる。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について本発明が属する技術分野において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。本発明は様々に相違した形態で具現されることができ、ここで説明する実施形態に限定されることはない。また、本明細書および図面において、同一する符号は同一する構成要素を示す。
図1は本発明の第1二次電池100の分解斜視図であり、図2は図1に示す二次電池100の結合状態を示す断面図である。
図1と図2を参照すれば、第1実施形態の二次電池100は、正極板11と負極板12およびセパレータ13がゼリーロール形態で巻かれて形成された電極組立体10と、電極組立体10を収容するケース20と、ケース20と結合してケース20を密封するキャップ組立体30とを含む。第1実施形態の二次電池100において、ケース20は角型で形成される。
図3は図1に示す二次電池100のうちの電極組立体10の分解斜視図であって、正極板11と負極板12およびセパレータ13が広げられた状態を示す図である。
図3を参照すれば、正極板11は、薄板の金属箔で製造される第1集電体111と、第1集電体111に形成される正極活物質層112とを含む。正極活物質層112は第1集電体111よりも小さい幅を有するように形成され、正極板11の長さ方向に沿って正極板11の一側側端に正極無地部113が位置する。正極無地部113は正極活物質が塗布されていない領域である。ここで、正極活物質層112はリチウムを含み、第1実施形態の二次電池100はリチウムイオン電池である。
負極板12は、薄板の金属箔で製造される第2集電体121と、第2集電体121に形成される負極活物質層122とを含む。負極活物質層122は第2集電体121よりも小さい幅を有するように形成され、負極板12の長さ方向に沿って負極板12の他方側端に負極無地部123が位置する。負極無地部123は負極活物質が塗布されていない領域である。
正極板11と負極板12は、絶縁体であるセパレータ13を間においてゼリーロール形態で巻き取られて電極組立体10を形成する。このとき、セパレータ13は、第1集電体111および第2集電体121よりも小さい幅を有するように形成され、ゼリーロール形態で巻かれた電極組立体10の一側側端に正極無地部113が露出し、電極組立体10の他方側端に負極無地部123が露出するようにする。
再び図1と図2を参照すれば、キャップ組立体30は、薄い板材で形成されるキャッププレート31と、キャッププレート31に位置する正極端子32および負極端子33とを含む。
キャッププレート31には、電解液が注入される電解液注入口および電解液注入口を密封する密封キャップ34が設けられる。正極端子32と負極端子33は絶縁ガスケットによってキャッププレート31と絶縁する。また、キャッププレート31には、設定された内部圧力によって破断するように溝が形成されたベント部材35が設けられる。
ケース20内部には、電極組立体10の正極無地部113に付着して正極板11と正極端子32を電気的に連結する正極リードタップ36と、負極無地部123に付着して負極板12および負極端子33を電気的に連結する負極リードタップ37とが提供される。キャッププレート31と正極リードタップ36の間またはキャッププレート31と負極リードタップ37の間には、これらを絶縁させる絶縁部材38が位置する。
図4は図1に示す二次電池100のうちの電極組立体10の側面図であり、図5は図1に示す二次電池100のうちの電極組立体10とケース20の断面図である。
図4と図5を参照すれば、電極組立体10は、巻かれている状態から一方向に平たく加圧される。特に、電極組立体10は、その中央部位が両側エッジ部位よりもさらに大きく加圧され、ケース20の内壁に密着しないようにする。
より具体的に、電極組立体10は、一定の厚さを有する平坦部14と、平坦部14の両側に位置して正極板11と負極板12およびセパレータ13が180方向転換して丸く湾曲した曲線部15とを含む。このとき、平坦部14に位置するセパレータ13面に垂直する方向を第1方向(図4のy軸方向)とすれば、第1方向に沿って測定された平坦部の厚さt1は、第1方向に沿って測定された曲線部15の最大厚さt2よりも小さい。
したがって、電極組立体10の側面は大略的なアレイ形で形成され、平坦部14は収縮状態でケース20の内壁に密着せず、ケース20の内壁と所定のギャップ(図5のg参照)を置いて位置する。
リチウムイオン電池において、負極活物質層122は、充電時にリチウムイオンを吸蔵しながら体積膨張が起こる。このとき、平坦部14が曲線部15よりもさらに多くの量の負極活物質を保有しているため、平坦部14の体積膨張率が曲線部15の体積膨張率よりも大きい。したがって、平坦部14とケース20の間の空間が平坦部14の体積膨張を収容する機能を行う。
すなわち、二次電池100の充電時、平坦部14はケース20との間に備えられた空間を満たしながら膨張し、放電時には次第に収縮しながら初期形状に復帰する。このように平坦部14の厚さt1を曲線部15の最大厚さt2よりも小さく形成することにより、平坦部14の体積膨張がケース20によって拘束されないようにする。
その結果、第1実施形態の二次電池100は、10%以上の体積膨張率を有する効率が優れた負極活物質の適用に極めて有利である。負極活物質層122は、シリコン、シリコン酸化物、およびシリコン−炭素複合体のうちの少なくとも1つの負極活物質を含む。
上述した負極活物質材料は、炭素系材料を用いた負極活物質よりも多くのリチウムイオンを吸蔵および放出することができるため、高容量および高エネルギー密度を有する二次電池を製造することができる。例えば、純粋なシリコンは4017mAh/gの高い理論容量を有するものと知られている。しかしながら、上述した負極活物質材料は、充放電時の体積変化が大きいため、実用化に困難があった。
第1実施形態の二次電池100は、上述した電極組立体10の形状によってケース20の内部で電極組立体10の体積変化を容易に収容することができるため、上述した負極活物質の使用に制約がない。したがって、第1実施形態の二次電池100は、効率が優れた負極活物質を用いることによって高容量および高エネルギー密度を実現することができ、出力効率を高めることができる。
再び電極組立体10の側面形状を詳察すれば、曲線部15は、第1方向(図4のy軸方向)と垂直する第2方向(図4のx軸方向)の最外郭に位置する第1最外郭曲線部151を含む。第1最外郭曲線部151は半円形であってもよい。
第1最外郭曲線部151の曲率中心を第1中心点(図4のC点で表示)とすれば、平坦部14は1対の第1中心点Cの間の範囲内側に存在する。すなわち、第2方向(図4のx軸方向)に沿って測定された平坦部14の幅(図4のA参照)は、1対の第1中心点Cの間隔(図4のB参照)よりも小さい。
上述した条件を満たさなければ、電極組立体10の中央部位を加圧して平坦部14と曲線部15を形成するとき、平坦部14と対向する曲線部15の内側部位が過度に変形することがある。したがって、この部位で集電体が破れたり活物質が脱落する不良が発生することがある。しかしながら、第1実施形態の二次電池100では、上述した平坦部14の幅設定によって形状安定性が優れた平坦部14と曲線部15を形成することができる。
また、曲線部15は、第1最外郭曲線部151と平坦部14を連結する第2最外郭曲線部152を含む。第1実施形態において、第2最外郭曲線部152の曲率は第1最外郭曲線部151の曲率と同じである。第2最外郭曲線部152は、電極組立体10を加圧するとき、電極組立体10を加圧する加圧部材(図示せず)の幅と、第1中心点Cと加圧部材の間隔、および加圧部材の加圧深さを調節することにより、第1最外郭曲線部151と同じ曲率を有するように形成することができる。
図6は本発明の第2実施形態に係る二次電池のうちの電極組立体101の側面図である。
図6を参照すれば、第2実施形態の二次電池は、第2最外郭曲線部153の曲率が第1最外郭曲線部151の曲率よりも大きく形成されたことを除いては、上述した第1実施形態の二次電池100と同じ構造からなる。
第2実施形態の二次電池では、第2方向(図6のx軸方向)に沿った平坦部14の幅A1が第1実施形態の場合よりも大きいため、平坦部14を囲むケース20の内側空間を拡大させ、平坦部14の体積変化をより容易に収容することができる。
図7は本発明の第3実施形態に係る二次電池のうちの電極組立体102の側面図である。
図7を参照すれば、第3実施形態の二次電池は、第2最外郭曲線部154の曲率が第1最外郭曲線部151の曲率よりも小さく形成されたことを除いては、上述した第1実施形態の二次電池100と同じ構造からなる。
第3実施形態の二次電池では、第2方向(図7のx軸方向)に沿った平坦部14の幅A2が第1実施形態の場合よりも小さいため、平坦部14の体積変化を収容するケース20の内側空間は縮小されるが、平坦部14と連結する曲線部15の内側部位がなだらかに曲がるため、曲線部14の極板損傷や活物質脱落のような不良を効果的に抑制することができる。
上述した第1実施形態〜第3実施形態の二次電池において、図3に示すように、正極活物質層112と負極活物質層122は該当する集電体111、121の長さ方向に沿って該当する集電体111、121と同じ長さを有するように形成され、平坦部14と曲線部15の全体に位置する。他の一方として、正極活物質層112と負極活物質層122は、電極組立体に間欠的に形成されてもよい。
図8は本発明の第4実施形態に係る二次電池のうちの電極組立体103の断面図である。
図8を参照すれば、第4実施形態の二次電池は、正極活物質層112と負極活物質層122が平坦部14にのみ位置することを除いては、上述した第1実施形態〜第3実施形態のうちのいずれか1つの実施形態の二次電池と同じ構造からなる。図8では、一例として、第1実施形態と同じ形状の平坦部14と曲線部15を有する電極組立体を示した。
正極活物質層112と負極活物質層122が曲線部15に位置しないことにより、二次電池を充放電する過程において曲線部15の体積変化およびこれに伴う極板の変形を抑制することができるため、二次電池の寿命特性を高めることができる。ここで、極板とは、正極板11と負極板12を含む概念である。
図9は本発明の第5実施形態に係る二次電池のうちの電極組立体104の断面図である。
図9を参照すれば、第5実施形態の二次電池は、正極活物質層112と負極活物質層122が平坦部14および平坦部14と第1中心点Cの間の範囲に位置することを除いては、上述した第4実施形態の二次電池と同じ構造からなる。
第5実施形態の二次電池では、第4実施形態の場合よりも曲線部15において若干の体積変化は発生するが、活物質の容量を増やすことができるため、二次電池の容量とエネルギー密度を高めることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属することは当然である。
10:電極組立体
11:正極板
12:負極板
13:セパレータ
14:平坦部
15:曲線部
20:ケース
30:キャップ組立体
100:二次電池
111:第1集電体
112:正極活物質層
113:正極無地部
121:第2集電体
122:負極活物質層
123:負極無地部
151:第1最外郭曲線部
152:第2最外郭曲線部
11:正極板
12:負極板
13:セパレータ
14:平坦部
15:曲線部
20:ケース
30:キャップ組立体
100:二次電池
111:第1集電体
112:正極活物質層
113:正極無地部
121:第2集電体
122:負極活物質層
123:負極無地部
151:第1最外郭曲線部
152:第2最外郭曲線部
Claims (15)
- 正極板と負極板、および前記正極板と負極板の間に介在するセパレータを含む電極組立体と、
前記電極組立体を収容するケースと、
前記ケースに装着されるキャップアセンブリと、
を含み、
前記電極組立体は、両側端部に位置する2つの曲線部と前記2つの曲線部の間に介在する平坦部を有する第1断面形状を有するように巻かれ、
前記平坦部に対して実質的に垂直な第1方向に沿って測定される前記平坦部の厚さは、前記平坦部に対して実質的に垂直な第1方向に沿って測定される前記2つの曲線部の厚さよりもさらに小さい厚さを有し、
前記2つの曲線部は前記第1方向に対して実質的に垂直な第2方向に沿って離隔しており、中心点を有し、
前記2つの曲線部は、前記第2方向の最外郭に位置する第1最外郭曲線部と、前記第1最外郭曲線部を前記平坦部に交差させる第2最外郭曲線部とを含み、
前記中心点は前記第1最外郭曲線部の曲率中心を定義し、
前記第2最外郭曲線部の曲率は、前記第1最外郭曲線部の曲率よりも大きい二次電池。 - 前記電極組立体の前記平坦部は、前記曲線部よりも前記ケースの内壁からさらに離隔して位置し、前記電極組立体の充電時に前記平坦部の膨張(swelling)を収容することができる請求項1に記載の二次電池。
- 前記平坦部の前記第2方向に沿って延長した長さは、前記曲線部の中心点の間の距離よりもさらに小さい請求項1に記載の二次電池。
- 前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記正極活物質層と負極活物質層は前記電極組立体の前記平坦部と前記曲線部に形成される請求項1に記載の二次電池。 - 前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記正極活物質層と負極活物質層は前記電極組立体の前記平坦部にのみ形成される請求項1に記載の二次電池。 - 前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記曲線部は中心点を有し、
前記正極活物質層と負極活物質層は前記平坦部を含んで前記曲線部の中心点の間で延長する請求項1に記載の二次電池。 - 前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記負極活物質層は、前記電極組立体の充電時、10%以上の体積膨張率を有する負極活物質を含む請求項1に記載の二次電池。 - 前記負極活物質層は、シリコン、シリコン酸化物、およびシリコン−炭素複合体からなる群より選択された少なくとも1つの物質を含む請求項7に記載の二次電池。
- 正極板と負極板と、前記正極板と負極板の間に介在するセパレータと、
を含み、
前記正極板、負極板、およびセパレータは巻き取られ、両側端部に位置する第1曲線部、第2曲線部、および前記第1および第2曲線部の間に介在する平坦部を有する第1断面形状を有し、
前記平坦部は前記第1および第2曲線部のうちのいずれか1つの厚さよりもさらに小さい厚さを有し、
前記平坦部の厚さと前記曲線部の厚さは、前記平坦部に対して実質的に垂直な第1方向に沿って測定され、
前記曲線部は前記第1方向に対して実質的に垂直な第2方向に沿って離隔しており、中心点を有し、
前記曲線部は、前記第2方向の最外郭に位置する第1最外郭曲線部と、前記第1最外郭曲線部を前記平坦部に交差させる第2最外郭曲線部とを含み、
前記中心点は前記第1最外郭曲線部の曲率中心を定義し、
前記第2最外郭曲線部の曲率は、前記第1最外郭曲線部の曲率よりも大きい電極組立体。 - 前記平坦部の前記第2方向に沿って延長した長さは、前記曲線部の中心点の間の距離よりもさらに小さい請求項9に記載の電極組立体。
- 前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記正極活物質層と負極活物質層は前記電極組立体の前記平坦部と前記曲線部に形成される請求項9に記載の電極組立体。 - 前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記正極活物質層と負極活物質層は前記電極組立体の前記平坦部にのみ形成される請求項9に記載の電極組立体。 - 前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記曲線部は中心点を有し、
前記正極活物質層と負極活物質層は前記平坦部を含んで前記曲線部の中心点の間で延長する請求項9に記載の電極組立体。 - 前記正極板と前記負極板はそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を含み、
前記負極活物質層は、前記電極組立体の充電時、10%以上の体積膨張率を有する負極活物質を含む請求項9に記載の電極組立体。 - 前記負極活物質層は、シリコン、シリコン酸化物、およびシリコン−炭素複合体からなる群より選択された少なくとも1つの物質を含む請求項14に記載の電極組立体。
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