JP5425803B2 - 電極アセンブリー及びその製造方法、二次バッテリー、中型又は大型バッテリーモジュール - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、積重/折り重ね型電極アセンブリーの製造方法及びその製造方法に関し、より詳しくは、基本単位として、カソード/セパレータ/アノード構造（カソードと、セパレータと、アノードとを備えた構造）を有するフルセルから形成された複数の電気化学的セルを重ね合わせ、該重ね合わせた電気化学的セル同士の間に連続的なセパレータシートを配置する構造に構築された電極アセンブリーであって、該セパレータシートにより取り囲まれた単位電極が、該重ね合わせた電気化学的セルの、巻き上げの開始点である中央に配置され、該単位電極の上及び下に配置された該フルセルが、該単位電極を対して（中心にして）該フルセルの電極の方向で互いに対称的である、電極アセンブリーに関する。

発明の背景

可動装置の開発が進み、そのような可動装置の需要が増加するにつれて、可動装置用のエネルギー供給源としてバッテリーの需要も急速に増加している。従って、様々な要求に応えるバッテリーに多くの研究がなされている。

バッテリーの形状に関して、携帯電話のような製品に応用するのに十分に薄いプリズム形二次バッテリーまたは小袋形二次バッテリーの需要が非常に高い。バッテリー用の材料に関しては、リチウム二次バッテリー、例えば高エネルギー密度、高放電電圧、及び高出力安定性を有するリチウムイオンバッテリー及びリチウムイオン重合体バッテリー、の需要が非常に高い。

さらに、二次バッテリーは、カソード/セパレータ/アノード構造を有する電極アセンブリーの構造に基づいて分類することができる。例えば、電極アセンブリーは、長シート型カソード及び長シート型アノードを、カソードとアノードとの間にセパレータをそれぞれ配置した状態で巻き上げたゼリーロール(巻き上げ)型構造、または予め決められたサイズを有する複数のカソード及びアノードを順次積み上げ、カソードとアノードとの間にそれぞれセパレータを配置した積重構造に構築することができる。

しかし、従来の電極アセンブリーには幾つかの問題がある。

第一に、ゼリー-ロール型電極アセンブリーは、長シート型カソード及び長シート型アノードを緊密に巻き上げることにより製造される結果、ゼリー-ロール型電極アセンブリーは、断面が円形または長円形である。従って、バッテリーを充電及び放電する際の電極の膨脹及び収縮により発生した応力が電極アセンブリー中に蓄積し、その応力蓄積が特定の限界を超えると、電極アセンブリーは変形することがある。電極アセンブリーの変形により、電極間に不均一な隙間が生じる。その結果、バッテリーの性能が急速に低下し、バッテリーの内部短絡により、バッテリーの安全性が確保されない。さらに、長シート型カソード及び長シート型アノードを、カソードとアノードとの間の隙間を一様に維持しながら急速に巻き上げることは困難であるため、生産性が低下する。

第二に、積重型電極アセンブリーは、複数の単位カソード及び複数の単位アノードを順次積み重ねることにより、製造される。その結果、単位カソード及び単位アノードの製造に使用する電極プレートを移動させる工程がさらに必要になる。さらに、連続的な積み重ね工程を行うには、非常に多くの時間及び労力が必要であり、その結果、生産性が低下する。

これらの問題を解決するために、ゼリー-ロール型電極アセンブリーと積重型電極アセンブリーの組合せである積重/折り重ね型電極アセンブリーが開発されている。積重/折り重ね型電極アセンブリーは、予め決められたサイズを有する複数のカソード及びアノードを、カソードとアノードとの間にセパレータをそれぞれ配置して連続的に積み重ね、バイ-セルまたはフル-セルを構成し、次いで複数のバイ-セルまたは複数のフル-セルを、バイ-セルまたはフル-セルが（長い）セパレータシート上に配置された状態で巻き上げる構造に構築される。積重/折り重ね型電極アセンブリーの詳細は、本出願者の名前で提出された韓国公開特許出願第2001-0082058号、第2001-0082059号、及び第2001-0082060号の各明細書に開示されている。

図1及び2は、そのような積重/折り重ね型電極アセンブリーの代表的な構造及び積重/折り重ね型電極アセンブリーの製造方法をそれぞれ典型的に例示する。

これらの図に関して、単位電池として、カソード、セパレータ、及びアノードが連続的に配置される構造に構築された複数のフルセル10、11、12、13、14．．．を、セパレータシート20がそれぞれのフルセル間に配置されるように、積み重ねる。セパレータシート20は、それぞれのフルセルを取り囲むのに十分な単位長さを有する。セパレータシート20を、単位長さ毎に内側に折り曲げ、中央のフルセル10から最も外側にあるフルセル14に向けて、それぞれのフルセルを連続的に取り囲む。セパレータシート20の外側末端を、熱溶接または接着剤テープ25により仕上げる。

積重/折り重ね型電極アセンブリーは、例えば、フルセル10、11、12、13、14．．．を（長い）セパレータシート20の上に配置し、フルセル10、11、12、13、14．．．を、セパレータシート20の一端21から連続的に巻き上げることにより、製造される。

単位電池としてのフルセルの組合せを注意深く観察すると、第一のフルセル10及び第二のフルセル11は、少なくとも一個のフルセルに相当する幅に等しい間隔で互いに分離されている。従って、巻き上げ工程の際、第一フルセル10の外側は、セパレータシート20により完全に取り囲まれ、次いで、第一フルセル10の底部電極が第二フルセル11の上部電極と向き合う。

第二フルセル及びその後に続くフルセル11、12、13、14．．．を巻き上げにより連続的積み重ねる際、セパレータシート20の取り囲む長さは増加し、従って、フルセル間の間隔が巻き上げ方向で次第に増加するようにフルセルを配置する。

また、フルセルを巻き上げる際、フルセルのカソードは、各フルセル間の界面で、対応するフルセルのアノードに面する必要がある。従って、第一フルセル10及び第二フルセル11は、上部電極がカソードであるフルセルであり、第三フルセル12は、上部電極がアノードであるフルセルであり、第四フルセル13は、上部電極がカソードであるフルセルであり、第五フルセル14は、上部電極がアノードであるフルセルである。すなわち、第一フルセル10を除いて、上部電極がカソードであるフルセル及び上部電極がアノードであるフルセルが交互に配置される。

従って、積重/折り重ね型電極アセンブリーは、ゼリー-ロール型電極アセンブリー及び積重型電極アセンブリーの欠点をかなり補う。しかし、単位電池であるバイ-セルまたはフルセルを、バイ-セルまたはフルセルが単位電池間の界面で反対の電極を有するように積み重ねるには、バイ-セルまたはフルセルを、バイ-セルまたはフルセルの種類に基づいて分類し、バイ-セルまたはフルセルをセパレータシート上に、予め決められた法則に従って載せる必要があるので、製造工程が複雑に、面倒になり、従って、生産性が低下する。さらに、単位電池の種類に基づいて単位電池を分類することは非常に複雑で、面倒である。従って、単位電池をセパレータシート上に載せる際に、様々な原因、例えば不注意または過失、により、単位電池のどれか1個が抜け落ちたり、間違って配置されると、単位電池同士の間の界面で同じ極性を有する電極が向き合い、その結果、バッテリーの性能が損なわれることになる。

結論として、積重/折り重ね型電極アセンブリーは、バッテリーの作動性能及び安全性の観点から好ましい。しかし、積重/折り重ね型電極アセンブリーは、バッテリーの生産性の観点で不利である。従って、上記の欠点を補いながら、バッテリーのより高い生産性及び作動性能を与えることができる電極アセンブリーの製造方法が強く求められている。

特に、近年多くの関心が集まっている（中型）または（大型）装置、例えば電気自動車及びハイブリッド電気自動車、に使用する大型バッテリーモジュールを製造するには、多数のバッテリーセル(単位電池)が必要である。また、大型バッテリーモジュールは、長い耐用寿命特性を必要とする。従って、上記の問題を全て解決する特殊な構造を有する電極アセンブリーが強く求められている。

従って、本発明は、上記の問題及び他の未解決の技術的問題を解決するためになされたものである。

上記の問題を解決するための、様々な広範囲で集中的な研究及び実験の結果、本発明者らは、フルセルを単位電池として使用し、重ね合わせた単位電池同士の間にセパレータシートを配置し、セパレータシートにより取り囲まれた単位電極を、重ね合わせた単位電池の、巻き上げの開始点である中央に配置する構造に構築された電極アセンブリーを開発し、上記の構造を有する電極アセンブリーが、高い生産性で製造することができ、この電極アセンブリーが、従来の積重/折り重ね型電極アセンブリーと等しい性能及び安全性を示し、さらに、本発明の電極アセンブリーが、長期間使用した後も、優れた作動性能及び安全性を示すことを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成された。

本発明の一態様により、上記の、及び他の目的は、基本単位として、カソード/セパレータ/アノード構造を有するフルセルから形成された複数の電気化学的セルを重ね合わせ、該重ね合わせた電気化学的セル同士の間に連続的なセパレータシートを配置する構造に構築された電極アセンブリーであって、該セパレータシートにより取り囲まれた単位電極が、該重ね合わせた電気化学的セルの、巻き上げの開始点である中央に配置され、該単位電極の上及び下に配置された該フルセルが、該単位電極を中心にして該フルセルの電極の方向で互いに対称的である、電極アセンブリーを提供することにより、達成される。

状況に応じて、i)セパレータシートにより取り囲まれた、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(「Ａ型バイ-セル」)、またはii) セパレータシートにより取り囲まれた、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(「Ｃ型バイ-セル」)が、重ね合わせた電気化学的セルの、巻き上げの開始点である中央に配置され、該バイ-セルの上及び下に配置されたフルセルが、該バイ-セルを中心にして該フルセルの電極の方向で互いに対称的であることができる。

上記の構造を有する電極アセンブリーは、空間を効率的に使用することができる積重/折り重ね型電極アセンブリーである。特に、電極活性材料の含有量を最大限にし、それによって、高度に集積されたバッテリーを実現することができる。さらに、単位電池の電極が、単位電池の予め決められた単位により交互の向きで配置されるように、単位電池を配置する必要が無く、単位電池が同じ電極の向きを有するように、全ての単位電池をセパレータシート上に配置し、単位電池を巻き上げることができ、それによって、製造工程を簡素化し、製造効率を大きく改良することができる。

代表的な例では、セパレータシートは、それぞれの電気化学的セルを取り囲むのに十分な単位長さを有することができ、セパレータシートは、単位長さ毎に内側に向けて折り曲げ、単位電極または中央のバイ-セル及びフルセルを、中央の単位電極または中央のバイ-セルから最も外側にあるフルセルに向けて、順に（連続的に）取り囲むことができる。従来技術では、バッテリーの反復する充電及び放電のために、電極とセパレータシートとの間の界面接触が維持されない場合、バッテリーの容量及び性能が急速に低下する。そのため、界面接触が連続的に維持されるように、界面を安定して圧迫するための圧力が必要である。上記の構造を有する電極アセンブリーでは、フルセルを積み重ねる時、セパレータシートをそれぞれのフルセル間に配置するので、フルセル間の電極を効率的に使用することができる。また、セパレータシートを巻き上げる時に発生する圧力が、セルの電極とセパレータシートとの間の全ての界面を圧迫することができ、従って、本発明の電極アセンブリーは、バッテリーの性能及び容量の観点で非常に優れている。

本発明では、単位電極またはバイ-セルは、重ね合わせた電気化学的セルの、巻き上げの開始点である中央に配置され、残りの基本単位がフルセルである。

単位電極は、カソードまたはアノード構造の電極を意味する。

バイ-セルは、同じ電極がその対向する側に位置する構造、例えばカソード/セパレータ/アノード/セパレータ/カソード構造またはアノード/セパレータ／カソード/セパレータ/アノード構造に構築された単位電池を意味する。バイ-セルの代表的な例を図3に示す。本明細書では、カソード/セパレータ/アノード/セパレータ/カソード構造のセル、すなわちカソードがその対向する側に配置された構造に構築されたセルは、「Ａ型バイ-セル」と呼ばれ、アノード/セパレータ／カソード/セパレータ/アノード構造のセル、すなわちアノードがその対向する側に配置された構造に構築されたセルは、「Ｃ型バイ-セル」と呼ばれる。バイ-セルを構成するカソード、アノード、及びセパレータの数には、電池の対向する側に位置する電極が同じ極性を有する限り、特に制限は無い。

基本単位としてのフルセルには、そのフルセルが、フルセルの上部電極及び底部電極が異なった極性を有する構造に構築される限り、特に制限は無い。例えば、フルセルは、i)カソード/セパレータ/アノード積重構造またはii)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/アノード積重構造に構築することができる。フルセルをセパレータシート上に配置した状態で巻き上げるフルセルの数は、様々なファクター、例えばそれぞれのフルセルの構造、最終的に製造するバッテリーに必要な容量、等に応じて決定することができる。好ましくは、フルセルの数は6〜30である。

一方、複数のフルセルを、フルセルのカソードが対応するフルセルのアノードに面する構造に構築される場合、電極アセンブリーは、アノードができるだけ大きな区域を占めるよう構築する。これによって、例えば、リチウム二次バッテリーに関して、バッテリーの充電及び放電の際の、アノードにおけるリチウム金属の樹枝状晶成長を最大限に抑制(retrain)することができる。

このためには、代表的な例では、重ね合わせた電気化学的セルの、巻き上げの開始点である中央に位置する単位電極は、アノードでよい。他方、重ね合わせた電気化学的セルの、巻き上げの開始点である中央に位置するバイ-セルは、Ｃ型バイ-セルでよい。

別の代表的な例では、電極アセンブリーを、アノードが電極アセンブリーの最上層及び最下層に位置し、電極アセンブリーの外側表面を形成する構造に構築することができる。例えば、カソードまたはＡ型バイ-セルが、重ね合わせた電気化学的セルの、巻き上げの開始点である中央に位置する場合、Ｃ型バイ-セルが電極アセンブリーの最上層及び最下層に位置し、電極アセンブリーの外側表面を形成することができる。

フルセルを、（長い）セパレータシート上に配置した状態で巻き上げる場合、セパレータシートは、重ね合わせたフルセル間に配置される。従って、それぞれのフルセルは、セパレータシートがそれぞれのフルセル間に配置された状態で、カソード及び対応するアノードが互いに向き合うように積み重ねられる必要がある。

セパレータシートは、巻き上げた後に電極アセンブリーを1回取り囲む拡げた長さを有し、シートの最も外側にある末端は、熱溶接または接着剤テープにより固定することができる。例えば、熱溶接装置またはヒートプレートをセパレータシートと接触させ、セパレータシート自体が熱により溶接され、次いで固定されるように、仕上げることができる。これによって、圧力が連続的に維持され、従って、電極とセパレータシートとの間に安定した界面接触が達成される。

セルのカソードとアノードとの間に配置されるセパレータシートまたはセパレータ用の材料には、セパレータシート及びセパレータが高い絶縁性を示し、イオンが内部を移動できる多孔質構造に構築される限り、特に制限は無い。セパレータシート及びセパレータは、同じ材料または異なった材料から製造することができる。

セパレータシートまたはセパレータとして、例えば、イオン透過性が高く、機械的強度が高い絶縁性の薄いフィルムを使用することができる。セパレータシートまたはセパレータは、典型的には0.01〜10μmの細孔直径及び5〜300μmの厚さを有する。セパレータシートまたはセパレータ用の材料としては、例えば、耐薬品性及び疎水性のオレフィン重合体、例えばポリプロピレン、ガラス繊維またはポリエチレンから製造されたシートまたは不織布を使用する。固体の電解質、例えば重合体、を電解質として使用する場合、その固体電解質は、セパレータ及び電解質の両方としても作用することができる。好ましくは、セパレータシートまたはセパレータは、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリエチレンフィルムとポリプロピレンフィルムの組合せにより製造される多層フィルム、またはポリマー電解質（重合体電解質）またはゲル型ポリマー電解質用のポリマーフィルム（重合体フィルム）、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、またはポリフッ化ビニリデンヘキサフルオロプロピレン共重合体から製造する。

セパレータは、フルセルまたはバイ-セルを構成するために、熱溶接による接着機能を有する。他方、セパレータシートは、そのような接着機能を有する必要は無いが、セパレータシートは、巻き上げ工程を容易に行うために、接着機能を有するのが好ましい。代表的な例では、セパレータシート及び／またはセパレータは、熱溶接による接着機能を有する、ポリマー電解質用のポリマーフィルムから製造することができ、このフィルムは、本出願者の名前により提出された韓国特許出願第1999-57312号明細書に開示されており、マイクロ多孔質の第一重合体層およびポリフッ化ビニリデンクロロトリフルオロエチレン共重合体をゲル化させることにより得られる第二重合体層を包含する。この出願の開示をここに参考として含める。

各単位電極は、カソードまたはアノードに分類することができる。各フルセルまたは各バイ-セルは、カソード及びアノードを、カソードとアノードとの間にセパレータを挿入した状態で互いに連結することにより、製造する。各カソードは、例えば、カソード活性材料、導電性試剤、及び結合剤の混合物をカソード集電装置に塗布、乾燥、及びプレス加工することにより製造される。状況に応じて、この混合物に充填材を加えることができる。

一般的に、カソード集電装置は、厚さが3〜500μmである。カソード集電装置には、問題とするバッテリー中で化学的変化を引き起こさずに、高い導電率を有する限り、特に制限は無い。例えば、カソード集電装置は、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、または可塑性炭素から製造することができる。あるいは、カソード集電装置は、炭素、ニッケル、チタンまたは銀で表面処理したアルミニウムまたはステンレス鋼から製造することができる。カソード集電装置は、カソード活性材料の密着力を増加させるために、表面上に形成された微小の凹凸部分を有することができる。カソード集電装置は、様々な形態、例えばフィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質物体、フォーム物体、及び不織布物体、で構築することができる。

リチウム二次バッテリーには、カソード活性材料は、層状化合物、例えばリチウムコバルト酸化物(ＬｉＣｏＯ_２)またはリチウムニッケル酸化物(ＬｉＮｉＯ_２)、または一種以上の遷移金属で置換されている化合物、化学式Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_２−ｘＯ_４(ここで、x＝0〜0.33)により表されるリチウムマンガン酸化物、またはリチウムマンガン酸化物、例えば、ＬｉＭｎＯ_３、ＬｉＭｎ_２Ｏ_３またはＬｉＭｎＯ_２、リチウム銅酸化物(Ｌｉ_２ＣｕＯ_２)、酸化バナジウム、例えばＬｉＶ_３Ｏ_８、ＬｉＦｅ_３Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_５またはＣｕ_２Ｖ_２Ｏ_７、化学式ＬｉＮｉ_１−ｘＭ_ｘＯ_２(ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、ＢまたはＧａ、及びx＝0.01〜0.3) により表されるＮｉサイト型リチウムニッケル酸化物、化学式ＬｉＭｎ_２−ｘＭ_ｘＯ_２(ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＺｎまたはＴａ、及びx＝0.01〜0.1)または化学式Ｌｉ_２Ｍｎ_３ＭＯ_８(ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎ)により表されるリチウムマンガン複合酸化物、Ｌｉが部分的にアルカリ土類金属イオンで置換されている化学式のＬｉＭｎ_２Ｏ_４、二硫化化合物、またはＦｅ_２(ＭｏＯ_４)_３でよいが、これらに限定するものではない。

導電性試剤は、一般的にカソード活性材料を包含する化合物の総重量に対して導電性試剤が1〜50重量％になるように添加する。導電性試剤が、問題とするバッテリーに化学的変化を引き起こさずに、高い導電性を有する限り、導電性材料に特に制限は無い。例えば、グラファイト、例えば、天然グラファイトまたは人造グラファイト、カーボンブラック、例えばカーボンブラック、アセチレンブラック、Ketjenブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック及びサーマルブラック、導電性繊維、例えば炭素繊維または金属繊維、金属粉末、例えばフッ化炭素粉末、アルミニウム粉末及びニッケル粉末、導電性ホイスカー、例えば酸化亜鉛及びチタン酸カリウム、導電性金属酸化物、例えば酸化チタン、またはポリフェニレン誘導体を導電性試剤として使用することができる。

結合剤は、活性材料と導電性試剤との間の結合、及び集電装置との結合を支援する成分である。結合剤は、典型的にはカソード活性材料を包含する化合物の総重量に対して1〜50重量％の量で添加する。結合剤の例としては、ポリフッ化ビニリデン、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、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-ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム及び各種の共重合体を使用することができる。

充填材は、所望により使用する、カソードの膨脹を抑制する成分である。充填材には、問題とするバッテリー中で化学的変化を引き起こさず、繊維状材料から製造されている限り、特に制限は無い。充填材の例としては、オレフィン重合体、例えばポリエチレン及びポリプロピレン、及び繊維状材料、例えばガラス繊維及び炭素繊維、を使用することができる。

他方、アノードは、アノード活性材料をアノード集電装置に、塗布、乾燥、及びプレス加工することにより、製造される。状況に応じて、前に記載した導電性試剤、結合剤、及び充填材をアノード活性材料に選択的に加えることができる。

一般的に、アノード集電装置は厚さが3〜500μmである。アノード集電装置には、問題とするバッテリー中で化学的変化を引き起こさずに、高い導電性を有する限り、特に制限は無い。例えば、アノード集電装置は、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、または可塑性炭素から製造することができる。あるいは、アノード集電装置は、炭素、ニッケル、チタンまたは銀で表面処理した銅またはステンレス鋼、もしくはアルミニウム-カドミウム合金から製造することができる。カソード集電装置と同様に、アノード集電装置は、アノード活性材料の密着力を増加させるために、表面上に形成された微小の凹凸部分を有することができる。アノード集電装置は、様々な形態、例えばフィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質物体、フォーム物体、及び不織布物体、で構築することができる。

アノード活性材料としては、例えば炭素、例えばグラファイト化しない炭素またはグラファイト系炭素、金属複合酸化物、例えばＬｉ_ｘＦｅ_２Ｏ_３（0≦ｘ≦1）、Ｌｉ_ｘＷＯ_２（0≦ｘ≦1）、Ｓｎ_ｘＭｅ_１−ｘＭｅ’_ｙＯ_ｚ（Ｍｅ＝Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｇｅ、Ｍｅ’＝Ａｌ、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、周期律表の1、2及び3族元素、ハロゲン、0＜ｘ≦1、1≦ｙ≦3、1≦ｚ≦8）、リチウム金属、リチウム合金、ケイ素系合金、スズ系合金、金属酸化物、例えばＳｎＯ、ＳｎＯ_２、ＰｂＯ、ＰｂＯ_２、Ｐｂ_２Ｏ_３、Ｐｂ_３Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_５、ＧｅＯ、ＧｅＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_４、またはＢｉ_２Ｏ_５、導電性重合体、例えばポリアセチレン、またはＬｉ−Ｃｏ−Ｎｉ系材料を使用することができる。

本発明の電極アセンブリーは、カソードとアノードとの間の電気化学的反応により電気を発生する電気化学的セルに使用することができる。電気化学的セルの代表例には、スーパーキャパシタ、ウルトラキャパシティ、二次バッテリー、燃料電池、各種センサー、電解装置、電気化学的反応器、等が挙げられる。好ましくは、電気化学的セルは二次バッテリーである。

二次バッテリーは、充電及び放電可能な電極アセンブリーをバッテリーケース中に取り付け、イオン含有電解質で含浸させる構造に構築される。代表的な例では、二次バッテリーはリチウム二次バッテリーである。

近年、リチウム二次バッテリーは、大型装置ならびに小型可動装置用の電力供給源として非常に大きな関心を集めている。本発明のリチウム二次バッテリーをそのような用途に使用する場合、リチウム二次バッテリーは、軽量であるのが好ましい。二次バッテリーの重量を軽減する方法の一例は、二次バッテリーを、電極アセンブリーがアルミニウムラミネートシートから製造された小袋形ケースに取り付けられる構造に構築することである。リチウム二次バッテリーは、本発明が関与する分野で良く知られており、従って、その関連する説明は行わない。

また、二次バッテリーを（中型または大型）装置の電力供給源として使用する場合、前に説明したように、二次バッテリーを、二次バッテリーの作動性能が、長期間の使用の後にも、最大限に抑制される(restrained)構造に構築し、二次バッテリーの耐用寿命が優れており、二次バッテリーを低コストで大量生産することが好ましい。この点で、本発明の電極アセンブリーを包含する二次バッテリーを、単位電池として二次バッテリーを包含する（中型または大型）バッテリーモジュールに使用するのが好ましい。

（中型または大型）バッテリーモジュールは、複数の単位電池が互いに直列または直列/並列に接続され、高出力及び大容量を与える構造に構築される。（中型または大型）バッテリーモジュールは、本発明が関与する分野で良く知られており、従って、その関連する説明は行わない。

本発明の一態様により、基本単位として、カソード/セパレータ/アノード構造を有するフルセルから形成された複数の電気化学的セルを重ね合わせ、該重ね合わせた電気化学的セル同士の間にセパレータシートを配置する構造に構築された電極アセンブリーの製造方法であって、該方法が、1)（長い）カソードシート及び（長い）アノードシートを、該カソードシートと該アノードシートとの間にセパレータを配置しながら積み重ね、該積重構造を予め決められたサイズに切断し、複数のフルセルを製造すること、2)カソードまたはアノードである単位電極を（長い）セパレータシートの第一段階に配置し、工程1で製造した該フルセル(第一フルセル、第二フルセル、第三フルセル...)を、第二段階から予め決められた間隔で、同じ電極の向きで配置すること、及び3)該単位電極を該セパレータシートと共に一回巻き上げ、該それぞれのフルセルが重なり合うように、該セパレータシートを該第一フルセルから、隣接するフルセルが配置されている外側に向けて折り曲げることを包含する、方法を提供する。

状況に応じて、Ａ型バイ-セルまたはＣ型バイ-セルをセパレータシートの第一段階に配置することができる。この場合、本方法は、1)（長い）カソードシート及び（長い）アノードシートを、該カソードシートと該アノードシートとの間にセパレータを配置しながら積み重ね、該積重構造を予め決められたサイズに切断し、複数のフルセルを製造すること、2)Ａ型バイ-セルまたはＣ型バイ-セルを（長い）セパレータシートの第一段階に配置し、工程1で製造した該フルセル(第一フルセル、第二フルセル、第三フルセル...)を、第二段階から予め決められた間隔で、同じ電極の向きで配置すること、及び3)該バイ-セルを該セパレータシートと共に一回巻き上げ、該それぞれのフルセルが重なり合うように、該セパレータシートを該第一フルセルから、隣接するフルセルが配置されている外側に向けて折り曲げることを包含する。

従来の積重/折り重ね型バッテリーを製造する場合、前に説明したように、単位電池をそれらの種類により単位電池の電極を予め決められた間隔で交互の向きに配置する。そのため、バッテリーを製造する際に、予期せぬ間違いにより、単位電池のどれか1個が抜け落ちるか、または誤って配置されても、単位電池間の界面で同じ極性を有する電極が互いに向き合うことになり、バッテリーの性能が損なわれる。

しかし、この電極アセンブリーの製造方法では、前に説明したように、セパレータシートの第二段階の後に配置されたそれぞれのフルセルの上部電極は、セパレータシートの第一段階に配置された単位電極またはバイ-セルの底部電極と反対の極性を有する。従って、単位電池であるフルセルの電極の向きを変える必要が無い。すなわち、フルセルをセパレータシート上に同じ電極の向きで配置し、次いでフルセルを巻き上げることができるので、製造工程が簡素化され、従って、バッテリーの生産性が改良される。また、前に説明したように、バッテリーを製造する際の誤りによりバッテリーの性能が損なわれるという問題が解決される。

代表的な例では、本方法は、工程2)で配置した単位電極またはバイ-セル及びフルセルを、巻き上げの前に、セパレータシートに取り付け、それによって、セパレータシート上のセルを容易に巻き上げることができる。例えば、ラミネーションを低ガラス転移温度(TG)で容易に達成することができる。0〜5 Vの転位範囲内で電気化学的に安定している重合体、例えばPVDF、HFD、PMMA、PEO、またはPMMA、を予め決められた溶剤中に溶解させることにより得た溶液をセパレータに塗布し、次いで乾燥させ、カップリング剤で被覆されたセパレータシートを製造する。続いて、単位電極及びセルをセパレータシート上に配置し、次いで予め決められた圧力及び熱を単位電極、セル、及びセパレータシートに加える。カップリング剤で被覆されたセパレータシートは、各セルのセパレータとして使用することができる。カップリング剤で被覆されたセパレータシートは、その電極に対するカップリング力により、電極アセンブリーを製造する際に、フルセルの積重構造を維持するのに役立つ。

工程2)でフルセルを（長い）セパレータシート上に配置した後、重ね合わせたフルセル間にセパレータシートが配置されるように、フルセルを巻き上げる。これによって反対の極性を有する電極が、各フルセル間の界面で互いに向き合う。これには、それぞれのフルセルを同じ電極の向きで配置する。具体的には、フルセルを、フルセルの上部電極が、セパレータシートの第一段階に配置された単位電極またはバイ-セルの底部電極の極性と反対の極性を有するように配置することができる。その結果、フルセルは、第一フルセルが、第三フルセルの上部電極の極性と反対の極性を有する底部電極を有し、第二フルセルが、第四フルセルの上部電極の極性と反対の極性を有する底部電極を有し、第三フルセルが、第五フルセルの上部電極の極性と反対の極性を有する底部電極を有するように、フルセルが巻き上げられる。

代表的な例では、工程2)で、単位電極またはバイ-セルを、巻き上げを開始するセパレータシートの末端から、または第一フルセルを単位電極またはバイ-セルから、少なくとも単位電極の幅と厚さの合計に等しい間隔を置いて配置し、第二及びそれに続くフルセルを、各フルセルの厚さ及び巻き上げにより増加するセパレータシートの厚さの合計に等しい間隔で配置する。

従って、単位電極またはバイ-セルは、その単位電極またはバイ-セルがセパレータシートの1回巻き上げにより取り囲まれた状態で、第一フルセルと重なり合い、従って、セパレータシートは、第一フルセルの上部電極と、バイ-セルの単位電極または上部電極との間に配置される。

前に説明したように、樹枝状晶成長を最大限に抑制するには、電極アセンブリーを、アノードが第n番目のセルの底部及び第n-1番目のセルの底部に配置し、電極アセンブリーの外側表面、すなわち電極アセンブリーの上部表面及び底部表面を形成するのが好ましい。

代表的な例では、セパレータシートの最終段階に位置する単位電池(第n番目のセル)及び第n番目のセルに隣接する第n-1番目のセルは、第n番目及び第n-1番目のセルの底部電極がアノードになるように構築することができる。具体的には、カソードまたはＡ型バイ-セルがセパレータシートの第一段階に位置する場合、第n番目及び第n-1番目のセルはＣ型バイ-セルでよい。

本発明の上記の、及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら記載する下記の詳細な説明により、より深く理解される。
従来の積重/折り重ね型電極アセンブリーの代表的な構造を例示する典型的な図である。 図1の積重/折り重ね型電極アセンブリーの製造方法における単位電池の代表的な列の組合せを例示する典型的な図である。 本発明の電極アセンブリーでバイ-セルとして使用することができる、代表的なＣ型バイ-セル及び代表的なＡ型バイ-セルを例示する典型的な図である。 本発明の第一実施態様による電極アセンブリーの構造を例示する典型的な図である。 本発明の第二実施態様による電極アセンブリーの構造を例示する典型的な図である。 本発明の一実施態様により図4の電極アセンブリーを製造する方法を例示する典型的な図である。 本発明の別の実施態様により図4の電極アセンブリーを製造する方法を例示する典型的な図である。 本発明のさらに別の実施態様により図5の電極アセンブリーを製造する方法を例示する典型的な図である。 本発明の第三実施態様により電極アセンブリーを製造する方法を例示する典型的な図である。 本発明の第四実施態様により電極アセンブリーを製造する方法を例示する典型的な図である。

好ましい実施態様の詳細な説明

ここで、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は、例示する実施態様に限定されるものではない。

図4及び5は、本発明の代表的な実施態様による電極アセンブリーの構造を例示する典型的な図である。

これらの図に関して、セパレータシート100により取り囲まれた単位電極200、300またはバイ-セル(図には示していない)が、重ね合わせたフルセルの、巻き上げの開始点である中央に位置し、単位電池としてフルセルが単位電極200、300またはバイ-セルの上及び下に、対称的な構造で配置される。セパレータシート100の末端は、例えば熱溶接または接着剤テープ105により固定することができる。

先ず、図4は、本発明の第一実施態様による電極アセンブリーの構造を例示しているが、そこでは、アノード200が電極アセンブリーの、巻き上げの開始点101である中央に位置している。アノード200の上にあるフルセル202及び204及びアノード200の下にあるフルセル201及び203は、対称的構造に配置されている。

次に、図5は、本発明の第二実施態様による電極アセンブリーの構造を例示するが、そこでは、カソード300が電極アセンブリーの、巻き上げの開始点101である中央に位置している。図4におけるように、カソード300の上にあるフルセル302及び304及びカソード300の下にあるフルセル301及び303は、対称的構造に配置されている。電極アセンブリーの外側表面を形成する最下部のセル303及び最上部のセル304は、対称的構造に配置されたフルセル(図には示していない)でもよい。あるいは、最下部のセル303及び最上部のセル304は、アノードが、アノードにおける樹枝状晶成長を最大限に抑制するために大きな区域を占めるＡ型バイ-セルから形成することもできる。

図6〜8は、本発明の様々な実施態様により、単位電極及びフルセルを使用する電極アセンブリーの製造方法をそれぞれ例示する典型的な図である。

これらの図に関して、セパレータシート100は、各フルセルのセパレータと同様に、多孔質構造に構築された長シート型フィルムである。セパレータシート100は、巻き上げた後にさらに1回電極アセンブリーを巻き上げるのに十分な長さを有する。セパレータシート100の縦方向で、単位電極またはバイ-セルがセパレータシート100の第一段階に配置され、フルセルはセパレータシート100の第二段階から配置される。

先ず、図6は、図4の電極アセンブリーを製造する方法を典型的に例示する。単位電極200及びフルセル201、202、203、204...の列を注意深く観察すると、単位電極200は、セパレータシート100の、折り重ねが開始する一端101に配置されている。続いて、第一フルセル201が、第一フルセル201が単位電極200から、単位電極200の幅と厚さの合計に等しい長さＬだけ間隔を置いた位置に配置される。巻き上げの際、巻き上げ単位電極200と第一フルセル201との間の間隔区域Ｌは、単位電極200の外側表面がセパレータシート100の1回巻き上げにより完全に取り囲まれた後、第一フルセル201の上部電極に面する。巻き上げにより、単位電極200の底部は第一フルセル201の最上部に位置し、セパレータシート100は単位電極200と第一フルセル201との間に配置され、単位電極200の最上部は第二フルセル202の上部電極(カソード)に面する。

図4に示す電極アセンブリー製造の別の例を例示する図7に関して、単位電極210は、セパレータシート100の、折り重ねが開始する一端101から、単位電極210の幅と厚さの合計に等しい長さＬ'だけ間隔を置いた位置に配置される。セパレータシート100の末端101と単位電極210との間の間隔区域Ｌ'は、単位電極210の外側表面がセパレータシート100の1回巻き上げにより完全に取り囲まれた後、第一フルセル211の上部電極に面する。すなわち、単位電極200及び210とフルセルとの間に電気的な間隔を維持するための間隔区域Ｌ及びＬ'は、単位電極200及び210の前または後に位置することができる。

図6に戻って、第一及びその後に続くフルセル201、202、203、204...は、フルセル201、202、203、204...が、各フルセルの厚さ及び巻き上げにより増加するセパレータシート100の厚さの合計に等しい長さだけ間隔を置くように、順に（連続的に）配置される。すなわち、巻き上げにより順に（連続的に）積み重ねられる際に、セパレータシート100の取り囲む長さは増加する。従って、フルセル201、202、203、204...は、フルセル201、202、203、204...間の間隔が巻き上げ方向で次第に増加するように、配置する。

フルセルを巻き上げる際、それぞれのフルセル間で、フルセルのカソードは、対応するフルセルのアノードに面する必要がある。具体的には、第一フルセル201の底部電極(アノード)が、第三フルセル203の上部電極(カソード)に面し、第二フルセル202の底部電極(アノード)が、第四フルセル204の上部電極(カソード)に面し、これが反復して行われる。従って、単位電極200がアノードである場合、それぞれのフルセル201、202、203、204...は、それらのアノードが、それぞれのフルセル201、202、203、204...の底部に位置するように、配置される。

単位電極200及びフルセル201、202、203、204...をセパレータシート上に配置する場合、単位電極200及びフルセル201、202、203、204...は、容易に巻き上げるために、セパレータシートの上に取り付けることができる。この取付は、好ましくは熱溶接により行うことができる。

他方、図8に関して、単位電極300はカソードであり、それぞれのフルセル301、302...は、それらのカソードが、それぞれのフルセル301、302...の底部に位置するように配置される。この時、最後のセル300nの底部電極及び最後のセル300nに隣接するセル300n-1の底部電極は、電極アセンブリーの外側表面を形成する。従って、最後のセル300nの底部電極及び隣接するセル300n-1の底部電極がアノードになるように、フルセルの代わりに、Ａ型バイ-セルを、セパレータシート10の最後の位置及びその最後の位置に隣接する位置に配置することができる。

図9及び図10は、本発明の第三及び第四実施態様によりバイ-セル及びフルセルを使用して電極アセンブリーを製造する方法をそれぞれ例示する典型的な図である。

これらの図に関して、バイ-セル400、500は、セパレータシート100の、折り重ねが開始する一端101に配置される。続いて、第一フルセル401、501が、バイ-セル400、500の幅と厚さの合計に等しい長さＬだけバイ-セル400、500から間隔を置いた位置に配置される。巻き上げの際、バイ-セル400、500と第一フルセル401、501との間の間隔区域Ｌは、バイ-セル400、500の外側表面がセパレータシート100の1回巻き上げにより完全に取り囲まれた後、第一フルセル401、501の上部電極に面する。第一フルセルに続くフルセルは、各フルセルの幅に対応する間隔を置かずに、順に（連続的に）積み重ねられる。Ａ型バイ-セル400がセパレータシート100の第一段階に位置する場合、それぞれのフルセル401、402、403、404...は、それらのアノードが、それぞれのフルセル401、402、403、404...の底部に位置するように配置する。他方、Ｃ型バイ-セル500がセパレータシート100の第一段階に位置する場合、それぞれのフルセル501、502...は、それらのカソードが、それぞれのフルセル501、502...の底部に位置するように配置する。この場合、フルセルの代わりに、Ａ型バイ-セル500nおよび500n-1を、セパレータシート10の最後の位置及びその最後の位置に隣接する位置に配置することができる。

本発明により、図6〜9に示すように、基本単位としてフルセルがセパレータシート上に、それぞれのフルセルの電極が同じ方向を向くように配置された状態で巻き上げを行うので、製造工程が簡素化され、従って、バッテリーの生産性が改良される。

上記の説明から明らかなように、本発明の電極アセンブリーは、高い生産性で製造され、電極アセンブリーが、従来の積重/折り重ね型電極アセンブリーと等しい性能及び安全性を示す。さらに、本発明の電極アセンブリーは、長期間使用の後にも、優れた作動性能及び安全性を示す。

本発明の代表的な実施態様を例示のために開示したが、当業者には明らかなように、請求項に記載する本発明の範囲及び精神から離れることなく、様々な修正、追加、及び置き換えが可能である。

Claims (20)

1. 電極アセンブリーであって、
   複数の電気化学的セルを重ね合わせてなり、かつ、前記重ね合わせた電気化学的セル同士の間に連続的なセパレータシートを配置し、前記重ね合わせた電気化学的セルを巻き上げてなる構造に構築されてなり、
   前記複数の電気化学的セルが、基本単位として、カソード/セパレータ/アノード構造から形成されてなるものであり、
   前記セパレータシートにより取り囲まれた単位電極が、巻き上げの開始点である、前記重ね合わせた電気化学的セルの中央に配置されてなり、かつ、前記単位電極の上及び下に配置されたフルセルが、前記単位電極に対して前記フルセルの電極の方向で互いに対称的であり、
   前記単位電極が、カソードまたはアノード構造の電極である、電極アセンブリー。
2. 前記セパレータシートが、それぞれの電気化学的セルを取り囲むのに十分な単位長さを有してなり、かつ、前記セパレータシートが単位長さ毎に内側に向けて折り曲げられ、前記中央の単位電極から最も外側にある前記フルセルに向けて、前記単位電極及び前記フルセルを順に取り囲んでなるものである、請求項１に記載の電極アセンブリー。
3. 前記フルセルが、
   i)カソード/セパレータ/アノード構造、又は
   ii)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/アノード構造を有してなるものである、請求項１に記載の電極アセンブリー。
4. 巻き上げの開始点である、前記重ね合わせた電気化学的セルの中央に配置されてなる、前記単位電極が、アノードである、請求項１に記載の電極アセンブリー。
5. 前記電極アセンブリーが、アノードが前記電極アセンブリーの最上層及び最下層に位置し、前記電極アセンブリーの外側表面を形成するように構築されてなる、請求項１に記載の電極アセンブリー。
6. 前記単位電極であるカソードが、巻き上げの開始点である、前記重ね合わせた電気化学的セルの中央に配置されており、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-セルが前記電極アセンブリーの最上層及び最下層に配置されてなる、請求項５に記載の電極アセンブリー。
7. 前記セパレータシートの最も外側にある末端が、熱溶接又はテープにより固定される、請求項１に記載の電極アセンブリー。
8. 前記セパレータ又は前記セパレータシートが、微細孔質ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、前記ポリエチレンフィルムと前記ポリプロピレンフィルムの組合せにより製造される多層フィルム、並びにポリマー電解質用の、ポリマーフィルム、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、及びポリフッ化ビニリデンヘキサフルオロプロピレン共重合体からなる群から選択された一種から製造されてなるものである、請求項１に記載の電極
   アセンブリー。
9. 前記カソードが、カソード集電装置の対向する主要表面をカソード材料で被覆することにより製造された電極であり、
   前記アノードが、アノード集電装置の対向する主要表面をアノード材料で被覆することにより製造された電極である、請求項１に記載の電極アセンブリー。
10. 請求項１に記載の電極アセンブリーを備えてなる、二次バッテリー。
11. 前記二次バッテリーがリチウム二次バッテリーである、請求項１０に記載の二次バッテリー。
12. 単位電池として請求項１１に記載の二次バッテリーを備えてなる、中型又は大型バッテリーモジュール。
13. 電極アセンブリーの製造方法であって、
    前記電極アセンブリーが、複数の電気化学的セルを重ね合わせてなり、かつ、前記重ね合わせた電気化学的セル同士の間に連続的なセパレータシートを配置し、前記重ね合わせた電気化学的セルを巻き上げてなる構造に構築されてなり、
    前記複数の電気化学的セルが、基本単位として、カソード/セパレータ/アノード構造から形成されてなるものであり、
    1) カソードシート及びアノードシートを、該カソードシートと該アノードシートとの間にセパレータを配置しながら積み重ね、前記積み重ねた構造を予め決められたサイズに切断し、複数のフルセルを製造すること、
    2) カソード又はアノードである単位電極を長いセパレータシートの第一の部分に配置し、前記工程1で製造した複数の前記フルセルを、前記単位電極から前記セパレータシートが延在する一方向に予め決められた間隔で、かつ、同じ電極の向きで前記セパレータシートの上にそれぞれ配置すること、及び
    3) 前記単位電極を前記セパレータシートと共に一回巻き上げ、かつ、それぞれの前記フルセルが重なり合うように、前記セパレータシートを前記巻き上げた方向と同一方向に向けて折り曲げることを含んでなる、製造方法。
14. 前記巻き上げの前に、工程2)で配置した前記単位電極及び前記フルセルを、前記セパレータシートに取り付けることをさらに含んでなる、請求項１３に記載の方法。
15. 工程2)で、前記フルセルを配置し、前記フルセルの上部電極が、前記セパレータシートの第一の部分に配置された前記単位電極の極性と反対の極性を有するものである、請求項１３に記載の方法。
16. 前記フルセルが巻き上げられ、
    前記単位電極に隣接した第一のフルセル、前記一方向において前記第一のフルセルに隣接した第二のフルセル、前記一方向において前記第二のフルセルに隣接した第三のフルセル、前記一方向において前記第三のフルセルに隣接した第四のフルセル、前記一方向において前記第四のフルセルに隣接した第五のフルセルを有しており、
    前記第一のフルセルが、前記第三のフルセルの上部電極の極性と反対の極性を有する底部電極を有してなるものであり、
    前記第二のフルセルが、前記第四のフルセルの上部電極の極性と反対の極性を有する底部電極を有してなるものであり、
    前記第三のフルセルが、前記第五のフルセルの上部電極の極性と反対の極性を有する底部電極を有してなるものである、請求項１３に記載の方法。
17. 工程2)で、前記セパレータシートの前記第一の部分において配置された前記単位電極が、前記巻き上げを開始する前記セパレータシートの末端から、前記単位電極の幅と厚さの合計に等しい間隔を置いて配置されてなり、及び
    前記単位電極から前記一方向に配置された複数の前記フルセルのそれぞれが、配置するフルセル自体の厚さと、前記配置するフルセルから見て前記一方向とは反対側の方向に配置された前記単位電極及び各フルセルの厚さと、巻き上げにより増加する前記セパレータシートの厚さと、の合計に等しい間隔で配置されてなる、請求項１３に記載の方法。
18. 工程2)で、前記単位電極に隣接した第一のフルセルが、前記セパレータシートの前記第一の部分に位置する前記単位電極から、前記単位電極の幅と、厚さの２倍と、及び、前記第一のフルセルの厚さと、前記セパレータシートの厚さと、の合計、に等しい間隔を置いて配置されてなり、及び
    前記第一のフルセルから前記一方向に配置された複数の前記フルセルのそれぞれが、配置するフルセル自体の厚さと、前記配置するフルセルから見て前記一方向とは反対側の方向に配置された前記単位電極及び各フルセルの厚さと、及び巻き上げにより増加する前記セパレータシートの厚さと、の合計に等しい間隔で配置されてなる、請求項１３に記載の方法。
19. 前記単位電極から前記一方向において一番離間して配置された第ｎのフルセルの底部電極、及び、二番目に離間して配置された第ｎ−１のフルセルの底部電極が、共に、アノードになるように構築されてなる、請求項１３に記載の方法。
20. 前記単位電極がカソードであり、前記第ｎのフルセル及び第ｎ−１のフルセルがアノード/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-セルである、請求項１９に記載の方法。

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