JP5779828B2 - 段差を有する電極組立体、それを含む電池セル、電池パック及びデバイス - Google Patents

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Description

本発明は段差を有する電極組立体、それを含む電池セル、電池パック及びデバイスに関し、より具体的には、サイズの異なる２種以上のユニットセルを積層することで得られる段差を有する電極組立体、それを含む電池セル、電池パック及びデバイスに関する。
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、二次電池への需要も急激に増加しており、中でも、エネルギー密度と作動電圧が高く、保存と寿命特性に優れたリチウム二次電池は、各種モバイル機器はもちろんのこと、多様な電子製品のエネルギー源として広く用いられている。
通常、リチウム二次電池は、電池ケースの内部に電極組立体と電解質を密封する構造で形成され、外形によって円筒型電池、角型電池、パウチ型電池などに分類され、電解液の形態によってリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、リチウムポリマー電池などにも分類される。
最近、モバイル機器の小型化の傾向により、薄い角型電池、パウチ型電池に対する需要が増加しており、形態の変形が容易で、製造費用が安価でありながら、重量の少ないパウチ型電池に対する関心が高まっている。
特に、モバイル機器の小型化とともに、デザインが多様化している。このような技術環境の変化のもと、従来のような同じユニットセルが積層された電池をモバイル機器に適用すると、電池と機器の形状が符合しなくなるため、電池機器の内部にデッドスペース（Ｄｅａｄ Ｓｐａｃｅ）を発生させることになり、空間を効率的に活用できないという問題が生じる。そのため、モバイル機器に装着される電池も多様な形状を有することが求められている。
これにより、段差を有する電池に対する需要が増大している。このような段差を有する電池は、デバイスの形状に応じて電池の形状を最大限符合させることができるため、デバイス内部のデッドスペースを最小化しデバイスの内部空間をより効率的に活用することができ、これにより、全体的な電池容量の増大を図ることができる。
従って、電池セルが適用されるデバイスの形に合わせて多様な電池デザインを具現することができ、より高い電池容量特性を発揮することができる電極組立体及びそれを用いた電池に対する開発が要求されている。
本発明は、多様なデザインを具現することができ、薄型、且つ優れた電気容量特性を有する電極組立体を提供する。
さらに、上記製造された電極組立体を含む電池セル、電池パック及びデバイスを提供する。
本発明は段差を有する電極組立体に関し、本発明の一具現例による電極組立体は、各電極の両面に少なくとも一つの分離膜が位置し、少なくとも一つの負極と少なくとも一つの正極が交互に順次積層された複数のユニットセルが積層され、上記ユニットセルの少なくとも一つは隣接するユニットセルに対して面積差を有し、上記面積差により形成された段差を一つ以上含む。
例えば、上記電極組立体は、段差を１つまたは２つ含むことができる。
本発明の一具現例において、上記電極組立体は、負極または正極の単一電極が少なくとも一つ積層されてもよい。このとき、上記単一電極は、積層方向に対して電極組立体の上端及び下端のいずれか一つに位置し、隣接するユニットセルと段差を形成することができる。
また、本発明において、上記ユニットセルは、スタック・アンド・フォールディング型ユニットセル、ジェリーロール型ユニットセル、ラミネーション・アンド・スタック型ユニットセルまたはこれらが組み合わせられたユニットセルを少なくとも一つ含んでもよく、負極または正極の単一電極が少なくとも一つ積層されてもよい。
このとき、上記スタック・アンド・フォールディング型ユニットセルは、少なくとも一つの負極、少なくとも一つの正極、少なくとも一つの正極と少なくとも一つの負極が分離膜を境界として交互に積層されたユニットセルが少なくとも一つの長方形分離膜により折り畳まれて形成されたものであってもよい。
上記スタック・アンド・フォールディング型ユニットセル、ジェリーロール型ユニットセル、ラミネーション・アンド・スタック型ユニットセルまたはこれらが組み合わせられたユニットセルは、少なくとも一つの段差を有してもよい。
本発明の一具現例において、上記ユニットセルとそれに隣接するユニットセルが対面して段差を形成するにおいて、二つのユニットセルが対面する対面電極のうち面積の大きいユニットセルの対面電極が負極であることが好ましい。
一方、本発明において、上記ユニットセルを構成する負極と正極は、それぞれ負極集電体及び正極集電体の一面または両面に負極活物質及び正極活物質がコーティングされ、上記負極集電体上に負極活物質がコーティングされた面積は正極集電体上に正極活物質がコーティングされた面積と同一又はより大きいことが好ましい。
また、上記電極組立体の積層方向の上端及び下端に位置する電極は、少なくとも一つが負極または正極であってもよい。このとき、上記電極組立体の積層方向の上端及び下端に配置される正極は一面が無地部である単面コーティング正極であってもよく、また、上記無地部が外部を向くように配置されてもよい。本発明の一具現例において、上記負極及び正極はそれぞれ負極及び正極の電極タブを含み、上記電極タブは同一極性同士が互いに電気的に連結されることが好ましい。
このとき、上記負極及び正極の電極タブは、電極組立体と同じ方向に突出するように電極の同じ端部に付着されてもよく、また、異なる方向に突出するように異なる端部に付着されてもよいが、同一極性の電極タブは電極の同じ端部に付着されることが好ましい。
また、上記電極タブは、そのサイズが同一または異なってもよい。
本発明の他の具現例において、上記ユニットセルの少なくとも一つは少なくとも一つのコーナー部の形状が異なってもよい。
例えば、上記少なくとも一つのコーナー部の形状は曲面状であってもよく、上記ユニットセルに曲面状のコーナー部を２以上含む場合、上記コーナー部の曲率は互いに同一または異なってもよい。
さらに、上記電極組立体は上記少なくとも一つのコーナー部が曲面状であるユニットセルを２以上含んでもよく、これらのうち少なくとも一つのユニットセルは他のユニットセルと曲率が異なる曲面状のコーナー部を含んでもよい。
また、本発明の一具現例によると、上記電極組立体は相互隣接するユニットセルのうち少なくとも一つが対面する他のユニットセルの面内に含まれるように積層されてもよい。
例えば、上記電極組立体は上記ユニットセルが積層される高さ方向に向かうほど、ユニットセルの面積が小さくなるように積層されてもよく、また、上記電極組立体は各ユニットセルの一コーナー部が一致する配列で積層されてもよく、さらには、各ユニットセルの中心部が一致するように積層されてもよい。
本発明の一具現例において、上記電極組立体に含まれる各電極はその厚さが同一または異なってもよい。
本発明は電池セルを提供し、上記電池セルは上記電極組立体が電池ケースに収納されている。このとき、上記電池ケースはパウチ型ケースであってもよい。また、前記電池ケースは上記内部に電極組立体を収納し、電極組立体の形状に対応して段差または傾斜面を有してもよい。
上記電池セルはリチウムイオン二次電池またはリチウムイオンポリマー二次電池であってもよい。
また、本発明は上記電池セルを一つ以上含むデバイスを提供し、上記デバイスは上記電池セルの余剰空間にデバイスのシステム部品が位置してもよい。このとき、上記デバイスは携帯電話、携帯用コンピューター、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、または電力貯蔵装置であってもよい。
本発明の一具現例によると、多様な形態の電極組立体を提供することができ、急激なモバイル機器のデザイン変化に対し、より効果的に対応できる。従って、多様なデザインの電池を具現することができる。
本発明の他の具現例によると、電池のデザイン的な要素のために発生するモバイル機器のデッドスペース（Ｄｅａｄ Ｓｐａｃｅ）を最小化することができ、空間活用度に優れ、全体電池の容量増大を図ることができる。
また、本発明のさらに他の具現例によると、得られる電極組立体は、サイズの異なるユニットセル間の界面でも異なる種類の電極が対面するように形成することができ、界面部分でも電気化学的反応を誘導することができ、相対的に高い出力を具現することができる。
本発明の一具現例によるスタック型ユニットセルを積層することで得られる段差を有する電極組立体の積層形態を概略的に示した電極組立体の断面図である。 本発明の一具現例による段差を有する電極組立体の積層形態を示すもので、単一電極を含む電極組立体を概略的に示したものである。 本発明の一具現例による段差を有する電極組立体の積層形態を示すもので、単一電極を含む電極組立体を概略的に示したものである。 本発明の一具現例による段差を有する電極組立体の積層形態を示すもので、スタック型ユニットセルと他の形態のユニットセルとの組み合わせにより得られた電極組立体を概略的に示したものである。 本発明の一具現例による段差を有する電極組立体の積層形態を示すもので、スタック型ユニットセルと他の形態のユニットセルとの組み合わせにより得られた電極組立体を概略的に示したものである。 本発明の一具現例による段差を有する電極組立体の積層形態を示すもので、スタック型ユニットセルと他の形態のユニットセルとの組み合わせにより得られた電極組立体を概略的に示したものである。 本発明の一具現例による段差を有する電極組立体の積層形態を示すもので、スタック型ユニットセルと段差を有する他の形態のユニットセルとの組み合わせにより得られた電極組立体を概略的に示したものである。 本発明の一具現例による段差を有する電極組立体の積層形態を示すもので、スタック型ユニットセルと段差を有する他の形態のユニットセルとの組み合わせにより得られた電極組立体を概略的に示したものである。 本発明の一具現例による段差を有する電極組立体の積層形態を示すもので、スタック型ユニットセルと段差を有する他の形態のユニットセルとの組み合わせにより得られた電極組立体を概略的に示したものである。 本発明の一具現例による段差を有する電極組立体の積層形態を示すもので、スタック型ユニットセル、他の形態のユニットセル、及び単一電極の組み合わせにより得られた電極組立体を概略的に示したものである。 本発明でユニットセルとして用いられるラミネーション・アンド・スタック型ユニットセルの例を概略的に示したものである。 本発明でユニットセルとして用いられるラミネーション・アンド・スタック型ユニットセルの例を概略的に示したものである。 本発明でユニットセルとして用いられるラミネーション・アンド・スタック型ユニットセルの例を概略的に示したものである。 一つの段差を有する電極組立体の例を概略的に示したものである。 本発明により得られた段差を有する電極組立体の断面形状を概略的に示したものである。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電極組立体斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施例により得られた多様な具現例による段差を有する電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施例による電極タブの積層形態を示すもので、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。 本発明の電極組立体を含むパウチ型二次電池を概略的に示したものである。 本発明の電極組立体を含むパウチ型二次電池を概略的に示したものである。
以下、図面を参照して、本発明をより具体的に説明する。但し、添付の図面は本発明の理解を助けるためのもので、本発明の一実施例に過ぎず、本発明の範囲はこれらの図面により限定されない。添付の図面は、発明を理解しやすくするために、一部の構成要素が誇張、縮小または省略されて表現されてもよい。
本発明の電極組立体は、複数のユニットセルを積層することで得ることができる。このとき、上記ユニットセルは、負極と正極が交互に順次積層されているもので、上記ユニットセルを構成するそれぞれの電極は、両面に少なくとも一つの分離膜が配置される。従って、上記正極と負極の間に分離膜が介在されており、また、電極組立体の最外郭に配置される電極のように電極の一面に他の電極が配置されない場合でも、上記分離膜は電極表面を覆うように配置されることができる。よって、以下、分離膜を含むことに対して特に記載されていなくても、他の説明がない限り、電極はその両面に分離膜が配置されることができると理解すべきである。
上記ユニットセルを構成する負極、正極及び分離膜の材質は、特に限定されず、本技術分野で通常用いられるものであれば、本発明でも適宜使用できる。
例えば、これに限定されないが、上記負極としては、銅、ニッケル、アルミニウムまたはこれらのうち少なくとも１種の組み合わせによって製造された負極集電体の一面または両面に、リチウム金属、リチウム合金、カーボン、石油コークス、活性化カーボン、グラファイト、シリコン化合物、すず化合物、チタン化合物またはこれらの合金またはこれらの組み合わせから選ばれる１種以上の負極活物質をコーティングして形成したものを使用してもよい。
また、正極は、アルミニウム、ニッケル、銅またはこれらの組み合わせによって製造された正極集電体の一面または両面に、リチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムリン酸鉄及びこれらの組み合わせまたはこれらの複合酸化物などのような正極活物質をコーティングして形成したものであってもよい。
このとき、図１に示したように、同じ面積を有するユニットセルにおいて上記負極及び正極の電極集電板２１、３１のサイズは同一である。一方、電極活物質２２、３２は、必ずしもこれに限定されないが、電極集電板２１、３１の表面全体に対してコーティングされてもよく、場合によっては、末端の一部領域はコーティングされなくてもよい。従って、電極集電板２１、３１の全面に電極活物質２２、３２がコーティングされる場合は、両電極２０、３０のサイズが等しくなる。
しかし、この場合、電池反応中に正極活物質３２に含まれたリチウムが析出されることがあり、電池性能の低下をもたらす恐れがある。従って、場合によっては、正極活物質が正極電極に塗布される領域が、負極電極に負極活物質が塗布される面積より小さくなるようにコーティングされてもよい。これにより、正極活物質３２からリチウムが析出されることを抑制することができる。
上記各電極は、金属集電体にコーティングされる電極活物質のローディング量が同一又は異なってもよい。電極活物質のローディング量を異ならせることで、電極の厚さが相違するように形成することができる。
また、上記分離膜は、例えば、微細多孔構造を有するポリエチレン、ポリプロピレンまたはこれらの組み合わせにより製造される多層フィルムや、ポリビニリデンフルオリド、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ビニリデンフルオリドヘキサフルオロプロピレン共重合体のような固体高分子電解質用またはゲル状高分子電解質用高分子フィルムを用いてもよく、セラミック材質を含んでもよい。
本発明において、上記ユニットセルは、負極と正極が分離膜を境界として交互に順次積層されているものであって、上記負極及び正極が一つずつ積層されたユニットセル（モノセル）であってもよく、負極及び正極のうち少なくとも一つは複数個であってもよい。即ち、両面に負極が配置され、上記負極の間に正極が配置されるユニットセル（Ｃ型バイセル）、または両面に正極が配置され、上記正極の間に負極が配置されたユニットセル（Ａ型バイセル）であってもよい。さらに、上記モノセル、Ａ型バイセルまたはＣ型バイセルが複数個組み合わさったような多様な形態のユニットセルであってもよい。
また、本発明における上記ユニットセルは、上記のような伝統的な方式により製造されるだけでなく、一つ以上の電極、一つ以上の分離膜をラミネーション（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）して電極セルを形成した後、該電極セルを積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）する方式（以下「ラミネーション・アンド・スタック方式」という）で製造された電極積層体を含む概念と理解されるべきである。
上記ラミネーション・アンド・スタック方式で電極積層体を製造する場合、上記ユニットセルは一つ以上の正極、一つ以上の負極及び一つ以上の分離膜を含むものであればよく、その構成は特に制限されない。
しかし、工程の簡便性及び経済性の観点から、ラミネーション・アンド・スタック方式で電極積層体を製造する場合には、ユニットセルが負極／分離膜／正極／分離膜または分離膜／負極／分離膜／正極からなる基本構造を含むように構成されることが好ましい。このとき、上記ユニットセルは、一つまたは複数の基本構造を含んでもよい。
一方、上記ラミネーション・アンド・スタック方式の電極積層体は、上記した基本構造のユニットセルを含む電極ユニットだけで構成されてもよく、上記基本構造を有する電極ユニットと他の構造の電極ユニットを組み合わせて使用しても差し支えない。
図１１〜図１３には、ラミネーション・アンド・スタック方式で製造された電極積層体の多様な例が開示されている。
図１１には、分離膜５０／負極２０／分離膜５０／正極３０の基本構造を有する電極ユニット６５からなるラミネーション・アンド・スタック方式の電極積層体が示されている。図１１には、基本構造が分離膜／負極／分離膜／正極と開示されているが、正極と負極の位置を入れ替えて分離膜／正極／分離膜／負極の基本構造に形成しても構わない。一方、図１１に示したように、電極ユニットの基本構造が分離膜／負極／分離膜／正極の場合は、電極積層体の最外郭に分離膜なしに正極が露出するようになるため、このような基本構造を使用するときは、最外郭に露出する正極として、露出する面に活物質がコーティングされない単面コーティング正極を使用することが容量などを考慮した電極設計時に好ましい。一方、図１１には電極ユニットが一つの基本構造を有するものが開示されているが、これに限定されず、基本構造が２つ以上繰り返されて積層されているものを一つの電極ユニットとして使用してもよい。
図１２には、分離膜５０／負極２０／分離膜５０／正極３０の基本構造を有する電極ユニット６５と、分離膜５０／負極２０／分離膜５０の構造からなる電極ユニット６６とが積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）されてなる電極積層体が示されている。図１２のように、最外郭面に分離膜５０／負極２０／分離膜５０の構造からなる電極ユニットを積層すると、正極３０が外部に露出することが防止できるだけでなく、電気容量を上げることができるという長所がある。これと類似して、電極ユニットの最外郭に負極が位置する配列の場合には、その上部に分離膜／正極／分離膜の構造からなる電極ユニットを積層することができ、この場合、負極の容量を最大限使用できるという長所がある。
図１３には、負極２０／分離膜５０／正極３０／分離膜５０の基本構造を有する電極ユニット６８と、負極２０／分離膜５０／正極３０／分離膜５０／負極２０の構造を有する電極ユニット６７とが積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）されてなる電極積層体が示されている。図１３のように、電極積層体の最外郭面に負極２０／分離膜５０／正極３０／分離膜５０／負極２０の構造を有する電極ユニット６７を積層すると、正極が外部に露出することが防止できるだけでなく、電気容量も上げることができるという長所がある。
図１２及び図１３に例示したように、ラミネーション・アンド・スタック方式で製造された電極積層体は、上記した基本構造を有する電極ユニットとともに、単一電極、分離膜または上記した電極ユニットと配列及び構成が異なるユニットセルを組み合わせて使用してもよい。特に、基本構造を有する電極ユニットを積層したとき、外部に正極が露出することを防止するため、及び／または電池容量向上の側面から、電極積層体の最外郭の一面及び／または両面に単一電極、単面コーティング電極、分離膜または上記した電極ユニットと配列及び構成が異なるユニットセルを配置してもよい。一方、図１２及び図１３には、電極積層体の上部に異なる構造の電極ユニットが積層されているものが示されているが、これに限定されず、必要に応じて、電極積層体の下部に異なる構造の電極ユニットが積層されてもよく、上部と下部の両方に異なる構造の電極ユニットが積層されてもよい。
一方、本発明におけるユニットセルは、上記のような単一電極の組み合わせであってもよく、単一電極またはユニットセルが長方形分離膜により配列されて折り畳まれたスタック・アンド・フォールディング型ユニットセルであってもよい。即ち、少なくとも２個以上の電極が配列できる長さを有する長方形分離膜上に少なくとも一つの負極及び少なくとも一つの正極を配列し、長方形分離膜を一方向に折り畳むことで得られたワインディング型のユニットセルであってもよく、長方形分離膜の一面または両面に少なくとも一つの負極及び少なくとも一つの正極を交互に順次配列し、ジグザグ方向に折り畳むことで得られたＺフォールディング型のユニットセルであってもよい。また、長方形分離膜の両面に長方形の負極及び正極を積層して螺旋状に巻いたジェリーロール型のユニットセルであってもよい。
本発明におけるユニットセルは、上記のように例を挙げて説明したが、これに限定されず、少なくとも一つの負極と少なくとも一つの正極が交差積層されているものであれば、本発明のユニットセルに該当すると理解すべきである。
本発明の電極組立体は段差を有するもので、面積差を有するユニットセルを隣接するように積層することで段差を形成することができる。例えば、図１に示したように、正極３０と負極２０が交差積層されたユニットセルを複数個積層するが、面積の異なるユニットセルを積層することで、面積差を有するユニットセルが相互隣接して積層され、その境界面で段差を形成することができる。このような段差は、得ようとする電池の形状により適切に形成されてもよく、一つ以上の段差を含むことができる。
本発明において、上記電極組立体の段差は１以上であれば特に限定しない。例えば、３個の面積差を有する電極積層体を積層することで、２個の段差を有する電極組立体を得ることができ、２個の面積差を有する電極積層体を積層することで、一つの段差を有する電極組立体を得ることができる。さらに、必要に応じて、それ以上の段差が形成されてもよい。以下、２個の段差を有する電極組立体を中心に説明するが、これに限定されるものではない。
上記電極積層体において、一つのユニットセルとそれに隣接する面積差を有する他のユニットセルが対面して段差を形成する対面電極は、異なる極性の電極が対面するように積層されることが好ましい。このように異なる極性の電極が対面することで、段差が形成された対面電極でも電池反応を図ることができ、電池容量を増大させることができる。
このとき、上記段差を形成する対面電極は、面積の大きいユニットセルの対面電極として負極２０が配置されることが好ましい。即ち、電極積層体において、面積の異なるユニットセルが分離膜を境界として対面する場合、分離膜が積層された状態で、面積の大きいユニットセルの表面の一部が外部を向くようになるが、このとき、上記外部を向くユニットセルの電極が負極２０となるように配置することが好ましい。これは、正極３０の表面にコーティングされる正極活物質３２はリチウムを含み、正極３０が外部を向くようになると、正極３０の表面からリチウム金属が析出されて電池寿命が短縮するか、電池の安定性が低下する問題点が発生し得るためである。
これと同様の理由で、図１に示したように、ユニットセルの積層により得られた電極組立体１において、電極組立体１の上端及び下端の両面には、負極２０が位置するようにユニットセルを配置することが好ましい。また、電極組立体１の両面には上記負極２０の他に正極３０が配置されてもよいが、この場合には、上記正極３０は、外部を向く面に正極活物質３２がコーティングされていない無地部を有する単面コーティング正極３３であってもよい。
本発明の段差を有する電極組立体１は、上記したような多様なユニットセルが積層されることができる。例えば、図１に示したように、正極３０と負極２０が分離膜４０が介在された状態で積層されたユニットセル（スタック型ユニットセル）５１を複数個積層することで得ることができる。このとき、上記ユニットセルは、図１に示したようにモノセルを積層することで組み立てることができるが、Ａ型バイセルまたはＣ型バイセルを用いて組み立ててもよく、モノセル、Ａ型バイセル及びＣ型バイセルを適切に組み合わせて積層してもよい。また、上記スタック型ユニットセルの代わりに上記したようなラミネーション・アンド・スタック型ユニットセルを使用してもよい。
このとき、本発明の段差を有する電極組立体１は、図２及び図３に示したように単一電極１０が配置されてもよい。即ち、このような単一電極１０は電極組立体１の最外郭に配置されてもよい。図２に示したように、単一負極１０を電極組立体１の下端の大面積電極として配置し、上部に積層されるユニットセル５１と段差を形成することができる。勿論、単一正極１０が配置されてもよいが、リチウム析出による問題を引き起こす恐れがある。
また、図３に示したように、小面積単一正極１０が電極組立体１の上端に配置されて下部のユニットセルと段差を形成することができる。このとき、上記単一正極１０は片面コーティングされた単一正極であり、無地部を形成する面が外部を向くように配置されることが好ましい。
図面には、単一電極１０が電極組立体１の上端または下端に配置される場合のみを示したが、その他にも、電極組立体１において段差が形成される形態によって、単一電極１０がその両面に配置されるユニットセルと段差を形成することができると容易に理解できるであろう。例えば、電極組立体１の両末端から内部に向かうほど、面積が小さくなるように積層される場合に単一電極１０を使用することができる。
一方、単一電極１０は同じ面積を有するユニットセルが積層されている積層体の中間に配置されてもよいが、この場合、ユニットセルを構成する単一電極１０と区別されないため、ここでは、便宜上ユニットセルで分類されることができる。
本発明の段差を有する電極組立体１はユニットセルであって、スタック・アンド・フォールディング型ユニットセル６１、６２、ジェリーロール型ユニットセル６３またはこれらが組み合わせられたユニットセルを含んで段差を形成することができる。上記スタック・アンド・フォールディング型ユニットセル６１、６２は、長方形分離膜４０上に単一電極１０またはユニットセルを配列し、これを折り畳むことで形成されたもので、一定方向に巻取して形成するワインディング型とジグザグ方向に折り畳んで形成するＺフォールディング型のいずれであってもよい。このとき、上記ワインディング型のユニットセル６２は一方向に巻取されてもよく、巻取方向が変更されてもよい。例えば、時計回りに巻取してから反時計回りに巻取することもできる。
これに対する一例を図４〜図６に示した。図４に示された電極組立体１は、スタック型ユニットセル５１、５３とＺフォールディング型のスタック・アンド・フォールディング型ユニットセル６１を組み合わせて製造された段差を有する電極組立体１の一例である。図５に示された電極組立体１は、スタック型のユニットセル５１とワインディング型のスタック・アンド・フォールディング型ユニットセル６２を組み合わせて製造された段差を有する電極組立体１の一例であり、また、図６には、スタック型ユニットセル５１、５３とジェリーロール型ユニットセル６３を組み合わせて製造された段差を有する電極組立体１の一例を示した。
一方、本発明の段差を有する電極組立体１を形成するのに用いられるユニットセルであって、スタック・アンド・フォールディング型ユニットセル６１、６２、ジェリーロール型ユニットセル６３またはこれらが組み合わせられたユニットセルは、それ自体が段差を形成するものとして使用されることができる。これに対する例は、図７〜図９に示した。図７に示された電極組立体１は、スタック型ユニットセル５１と段差を有するワインディング型のスタック・アンド・フォールディング型ユニットセル６２を組み合わせて製造された段差を有する電極組立体１の一例である。また、図８に示された電極組立体１は、スタック型ユニットセル５１、５３と段差を有するＺフォールディング型のスタック・アンド・フォールディング型ユニットセル６１を組み合わせて製造された段差を有する電極組立体１の一例である。さらに、図９には、スタック型ユニットセル５１と段差を有するジェリーロール型ユニットセル６３を組み合わせて製造された段差を有する電極組立体１の一例を示した。
さらに、本発明の段差を有する電極組立体１は単一電極１０を含んでもよい。上記したように、電池容量増大のために正極３０と負極２０が交互に積層されるようにすることが好ましいが、場合によっては、負極２０と負極２０または正極３０と正極３０が対面することがある。この場合は、上記同じ電極が対面するユニットセルの間に極性が異なる単一電極１０を積層することで、正極３０と負極２０が交互に積層されてもよい。
特に、上記したように、段差を形成する対面電極のうち相対的に大面積なユニットセルの対面電極は負極２０であることが好ましいが、必要に応じて、正極３０が面積の大きいユニットセルの対面電極であってもよい。従って、このような場合、単一電極１０を使用することで面積の大きい対面電極を負極２０に変更することができる。
これに対する一例を図１０に示した。図１０には、段差を有するスタック型ユニットセル５１と、ワインディング型及びＺフォールディング型のスタック・アンド・フォールディング型ユニットセル６１、６２とが組み合わせられて段差を形成し、上記ワインディング型のスタック・アンド・フォールディング型ユニットセル６２及びＺフォールディング型のスタック・アンド・フォールディング型ユニットセル６１の間に単一電極１０が配置されて形成された段差を有する電極組立体１を示した。
以上では２個の段差を有する電極組立体に対して添付の図面を例に挙げて説明したが、上記したように、本発明の電極組立体は、２個の電極積層体を積層して一つの段差を有する電極組立体を形成することができる。これに対する電極組立体の例を図１４に示した。
本発明の電極組立体１は多様な形態の積層構造を有することができる。図１５は電極組立体１の断面を示したもので、ユニットセルの積層形態を概略的に示した。図１５から分かるように、ユニットセルの積層方向、即ち、高さ方向に向かうほど、ユニットセルのサイズが小さくなってもよく（ａ）、反対に、ユニットセルのサイズが増加するように積層されてもよい（ｂ）。また、積層方向に向かって増加してから減少するように積層されてもよく、積層方向に向かって減少してから増加するように積層されてもよく、このような積層は対称を成すこともできる。勿論、段差を形成するものであれば、積層形態は一定のパターンを持たなくてもよい。
図１６〜図１９は、図１５の（ａ）のような積層形態を有する電極組立体１の多様な例に対する斜視図である。これらの図面に示したように、一つの角が一致するようにユニットセルが積層されてもよい。このとき、図１６または図１７のように電極組立体１を形成する各ユニットセルは、同じ形状と面積を有するユニットセルが積層された一つの段と形状は同一で、面積が異なるユニットセルが積層された他の段により段差を有する電極組立体１を形成することができる。
このとき、ユニットセルは、図１６に示したように角が垂直であってもよく多様な角を有してもよい。また、図１７に示したように一つのコーナー部がラウンド形状であってもよい。また、上記ユニットセルは、このようなラウンド状のコーナー部を２以上有してもよく、上記コーナー部のラウンドの曲率も同一又は異なってもよい。
また、図１８及び図１９に示したように、コーナー部の形状が異なってもよい。例えば、図１８に示したように少なくとも一つのユニットセルはコーナー部がラウンド状であってもよく、このとき、コーナー部のラウンドの曲率は図１９に示したように互いに異なってもよい。
一方、図２０に示したように、一つの辺とその辺に隣接する二つのコーナー部が一つのラウンド状を有してもよい。図２０には、一つの曲線による弧状に示されているが、その他にも、複数の弧が連結された形状を有してもよく、複数の直線が連結された形状を有することもできる。
また、他の例として、図２４に示したように各面の中心が一致するように積層されて段差を形成することもでき、大面積ユニットセルの積層面内に含まれるが、図２４とは異なって、各面の中心が一致しないように積層されてもよい。
さらに、図２１に示したように、各ユニットセルは電極組立体１の縦方向の長さは同一であるが、幅方向の長さが異なるものを使用することで、幅方向に段差を形成することができる。このとき、段差は、幅方向の一側または両側に形成されてもよい。また、図２２に示したように、電極組立体１は長さ方向に段差が形成されてもよい。
また、上記のような図面から分かるように、ユニットセルは大面積ユニットセルの面内により小さい面積のユニットセルが含まれるように積層されることができ、十字（＋）状のように対面電極の接触面の一部が接触し、一部は接触しないように積層されてもよい。
本発明のユニットセルは、上記図面に示した形態の他に多様な形態のコーナー部の形状を有することができる。このように、電極組立体１の積層形態、ユニットセルの形状、コーナー部の形状などを多様に形成することで、多様な形態のバッテリーデザインを具現することができる。これにより、デバイスの空間活用度も向上させることができる。
また、本発明の電極組立体１において、上記ユニットセルはそれぞれ負極電極タブ２５及び／または正極電極タブ３５を含み、同一極性の電極タブは相互電気的に連結され、上記電極タブ２５、３５は、電池ケースに挿入された後同一極性の電極同士が電気的に連結される。
上記電極タブ２５、３５の付着位置は多様に選択できる。上記二つの極性の電極タブ２５、３５を各電極の一側端部に形成し、各極性の電極タブ２５、３５が同じ方向を向くように相互連結することができる。例えば、図１６〜図２１及び図２４に示したように、電極組立体１の一側面に電極タブ２５、３５が突出するようにすることができる。また、図２２のように、電極組立体１の二つの側端部にそれぞれの電極タブ２５、３５が突出するようにしてもよい。
但し、電池ケース１２０に挿入後の電極タブ２５、３５の電気的連結を容易にするためには、同一極性の電極同士が重畳するように電極を積層することが好ましい。
一方、図２２または図２４のように、電極タブが付着される端部の方向に段差が形成される場合、電極タブ２５、３５を付着するにおいて、小面積電極の電極タブ２５、３５がより面積の大きい大面積電極の電極面と接触し、電池安全性に影響を及ぼすことがあるため、電極タブ２５、３５と電極面との接触は遮断することが好ましい。そのために、必要に応じて、電極タブ２５、３５の表面に絶縁性樹脂をコーティングしたり、絶縁テープなどを利用して絶縁させてもよい。
上記電極タブ２５、３５の形態は特に限定されず、上記電極タブ２５、３５の面積も多様に形成されてもよい。例えば、上記電極タブ２５、３５はその幅及び長さが同一であるか、そのうち少なくとも一つが異なってもよい。このように多様なサイズの電極タブ２５、３５を使用することで、面積の大きい電極タブ２５、３５上に面積の小さい電極タブ２５、３５を２以上並んで配置して積層してもよい。例えば、面積の異なる電極タブ２５、３５を使用する場合、同一極性の電極タブ２５、３５を図２３に示したように積層することができる。
一方、ユニットセルの一部または全てのユニットセルが少なくとも一つの長方形分離膜４０により包まれてもよい。このとき、上記長方形分離膜４０には、面積の大きいユニットセルの上端とより小さいユニットセルの上端が形成する段差により傾斜面を形成することができる。このような傾斜面は、特にワインディング型のスタック・アンド・フォールディング型ユニットセル１により段差が形成されたり、または段差が形成された電極組立体１を長方形分離膜４０で巻く場合に形成されることができる。
この場合、電極組立体１が収納される電池ケース１２０を、上記のような分離膜の傾斜面に符合するように傾斜面を有するように形成することができる。この場合、必要以上にデバイスの空間を占めることがあるため、上記分離膜４０は電極組立体の形状に符合するように形成されることが、空間活用の側面で好ましい。よって、長方形分離膜４０が電極組立体１の電極面または側面から離隔されている場合には、長方形分離膜４０を加熱または加圧して伸張し、電極組立体の外部形状と同じ形状を有するように形成することができる。この場合、段差が形成された部分では屈曲が形成されることがある。また、段差を有する部分では、分離膜４０を切断することで電極組立体１の形状と同じ形状にすることができる。
次に、本発明の電池セルについて説明する。図２４及び図２５には、本発明の電池セル１００の一実施例が示されている。図２４及び図２５に示したように、本発明の電池セル１００は、電池ケース１２０の内部に本発明の電極組立体１が内蔵されている。このとき、上記電池ケース１２０はパウチ型ケースであってもよい。
上記パウチ型ケースはラミネートシートからなってもよく、このとき、上記ラミネートシートは最外郭を成す外側樹脂層、物質が貫通することを防止する遮断性金属層、密封のための内側樹脂層からなってもよいが、これに限定されない。
また、上記電池ケース１２０は、電極組立体１のユニットセルの電気端子を電気的に連結するための電極リードが外部に露出した構造に形成されることが好ましく、図示しなかったが、上記電極リードの上下面には上記電極リードを保護するための絶縁フィルムが付着されてもよい。
また、上記電池ケース１２０は、本発明の電極組立体１の形状に合わせて電池ケース１２０の形状を多様に変えてもよい。該電池ケース１２０の形状は、電池ケース１２０自体を変形して形成する方式で形成してもよい。このとき、電池ケース１２０の形状及びサイズが、電極組立体１の形状及びサイズと完全に一致しなくてもよく、電極組立体１のずれ現象による内部短絡が防止できる程度の形状及びサイズであればよい。一方、本発明の電池ケース１２０の形状はこれに限定されず、必要に応じて多様な形状及びサイズの電池ケース１２０を用いてもよい。
例えば、上記電池ケース１２０は、図２４に示したように、本発明の段差を有する電極組立体１の形状に合わせて段差が形成されてもよい。さらに、図２５に示したように、上記電池ケース１２０は、電極組立体１が有する段差が形成される領域に対応する傾斜面を有することができる。即ち、電極組立体１の段差を形成する領域に対して、電池ケース１２０が各段の上側の辺及びコーナー部と同じ形状を有するようにすることで、傾斜面を形成することができる。このような傾斜面は曲面を含んでもよく、傾きが２つ以上であってもよい。
本発明の電池セル１００は、リチウムイオン電池また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、これらに限定されない。
上記のような本発明の電池セル１００は単独で用いてもよく、少なくとも一つ以上の電池セル１００を含む電池パックの形態で用いてもよい。このような本発明の電池セル及び／または電池パックは多様なデバイス、例えば、携帯電話、携帯用コンピューター、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、または電力貯蔵装置などに有用に用いることができる。これらのデバイスの構造及びその製作方法は、当業界に公知されているため、本明細書ではそれに対する詳細な説明を省略する。
一方、本発明の電池セルまたは電池パックが上記のようなデバイスに装着される場合、本発明の電池セルまたは電池パックの構造により形成された余剰空間にデバイスのシステム部品を位置させることができる。本発明の電池セルまたは電池パックは、サイズの異なる電極組立体１で形成されるため、電極組立体１自体が段差のある形態に形成され、電池ケースは電極形状に合わせて形成される。これをデバイスに装着する場合、従来の角形または楕円形電池セルまたは電池パックにはなかった余剰空間が発生する。
このような余剰空間にデバイスのシステム部品を装着する場合、デバイスのシステム部品と電池セルまたは電池パックを柔軟に配置することができるため、空間活用度を向上させることができる上、デバイスの全体厚さや体積を減少させてスリムなデザインを具現することができる。
１ 電極組立体
１０ 単一電極
２０ 負極
２１ 負極集電板
２２ 負極活物質
２５ 負極電極タブ
３０ 正極
３１ 正極集電板
３２ 正極活物質
３３ 単面コーティング正極
３５ 正極電極タブ
４０ 分離膜
５１ モノセル
５２ Ａ型バイセル
５３ Ｃ型バイセル
６１ スタック・アンド・フォールディング型ユニットセル（Ｚフォールディング型）
６２ スタック・アンド・フォールディング型ユニットセル（ワインディング型）
６３ ジェリーロール型ユニットセル
６５、６６、６７、６８ ラミネーション・アンド・スタック型ユニットセル
１００ 電池セル
１２０ 電池ケース
１２５ 負極端子
１３５ 正極端子

Claims (27)

  1. 各電極の両面に少なくとも一つの分離膜が位置し、少なくとも一つの負極と少なくとも一つの正極が交互に順次積層された複数のユニットセルが積層され、
    前記複数のユニットセルの少なくとも一つは隣接するユニットセルに対して面積差を有し、前記面積差により形成された段差を一つ以上含む電極組立体であって、
    前記電極組立体は負極または正極の単一電極が少なくとも一つ積層され、
    前記単一電極は積層方向に対して電極組立体の一方の端及び他方の端のいずれか一つに位置し、隣接するユニットセルと段差を形成する電極組立体。
  2. 前記段差を１つまたは２つ含む、請求項１に記載の電極組立体。
  3. 前記ユニットセルは、スタック・アンド・フォールディング型ユニットセル、ジェリーロール型ユニットセル、ラミネーション・アンド・スタック型ユニットセルまたはこれらが組み合わせられたユニットセルを少なくとも一つ含む、請求項１または請求項２に記載の電極組立体。
  4. 前記スタック・アンド・フォールディング型ユニットセルは、少なくとも一つの負極、少なくとも一つの正極、少なくとも一つの正極と少なくとも一つの負極が分離膜を境界として交互に積層されたユニットセル、またはこれらの組み合わせが少なくとも一つの長方形分離膜により折り畳まれて形成されたものである、請求項３に記載の電極組立体。
  5. 前記スタック・アンド・フォールディング型ユニットセル、ジェリーロール型ユニットセル、ラミネーション・アンド・スタック型ユニットセルまたはこれらが組み合わせられたユニットセルは、少なくとも一つの段差を有する、請求項３に記載の電極組立体。
  6. 前記段差を形成するユニットセルとそれに隣接するユニットセルのうち面積の大きいユニットセルの対面電極が負極である、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の電極組立体。
  7. 負極活物質がコーティングされた面積が正極活物質がコーティングされた面積より大きいことを特徴とする、請求項１から請求項６の何れか一項に記載の電極組立体。
  8. 前記電極組立体の積層方向の一方の端及び他方の端に位置する電極は、少なくとも一つが負極または正極で、前記正極は一面が無地部である単面コーティング正極であり、前記無地部が外部を向くように配置される、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の電極組立体。
  9. 前記負極及び正極はそれぞれ負極及び正極の電極タブを含み、前記電極タブは同一極性同士が互いに電気的に連結された、請求項１から請求項８の何れか一項に記載の電極組立体。
  10. 前記負極及び正極の電極タブは、電極組立体の同じ端部または異なる端部に位置するように付着され、同一極性の電極タブ同士は電極の同じ端部に付着される、請求項９に記載の電極組立体。
  11. 前記電極タブは、そのサイズが同一または異なる、請求項９または請求項１０に記載の電極組立体。
  12. 前記ユニットセルの少なくとも一つは少なくとも一つのコーナー部の形状が異なるユニットセルである、請求項１から請求項１１の何れか一項に記載の電極組立体。
  13. 前記電極組立体は少なくとも一つのコーナー部が曲面状であるユニットセルを一つ以上含む、請求項１から請求項１２の何れか一項に記載の電極組立体。
  14. 前記ユニットセルは曲面状のコーナー部を２以上含み、前記コーナー部の曲率は互いに同一または異なる、請求項１３に記載の電極組立体。
  15. 前記電極組立体は前記少なくとも一つのコーナー部が曲面状であるユニットセルを２以上含み、少なくとも一つのユニットセルは他のユニットセルと曲率が異なる曲面状のコーナー部を有する、請求項１３に記載の電極組立体。
  16. 前記電極組立体は相互隣接する電極のうち少なくとも一つが対面する他の電極の面内に含まれるように積層された、請求項１から請求項１５の何れか一項に記載の電極組立体。
  17. 前記電極組立体は前記ユニットセルが積層される高さ方向に向かうほど、ユニットセルの面積が小さくなるように積層された、請求項１から請求項１６の何れか一項に記載の電極組立体。
  18. 前記電極組立体は各ユニットセルの一コーナー部が一致する配列で積層されている、請求項１から請求項１７の何れか一項に記載の電極組立体。
  19. 積層体は各ユニットセルの中心部が一致するように積層された、請求項１から請求項１８の何れか一項に記載の電極組立体。
  20. 前記ユニットセルは、その厚さが同一または異なる、請求項１から請求項１９の何れか一項に記載の電極組立体。
  21. 請求項１から請求項２０の何れか一項に記載の電極組立体が電池ケースに収納されている電池セル。
  22. 前記電池ケースはパウチ型ケースである、請求項２１に記載の電池セル。
  23. 前記電池ケースは内部に電極組立体を収納し、電極組立体の形状に対応して段差または傾斜面を有する、請求項２２に記載の電池セル。
  24. 前記電池セルはリチウムイオン二次電池またはリチウムイオンポリマー二次電池である、請求項２１から請求項２３の何れか一項に記載の電池セル。
  25. 請求項２１から請求項２４の何れか一項に記載の電池セルを一つ以上含む、デバイス。
  26. 前記電池セルの余剰空間にデバイスのシステム部品が位置する、請求項２５に記載のデバイス。
  27. 前記デバイスは携帯電話、携帯用コンピューター、スマートフォン、スマートパッド、ネットブック、ＬＥＶ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、または電力貯蔵装置である、請求項２５または請求項２６に記載のデバイス。
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