JP5782642B2 - タブ−リード結合部の電極間抵抗差を最小化した電極組立体及びこれを有する電気化学セル - Google Patents

タブ−リード結合部の電極間抵抗差を最小化した電極組立体及びこれを有する電気化学セル Download PDF

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Description

本発明は、タブ−リード結合部の電極間抵抗差を最小化した電極組立体に関し、より詳細には、正極／分離膜／負極構造のスタック型またはスタック／折り畳み型電極組立体において、電極組立体を構成するそれぞれの電極板には、活物質の塗布されていないタブ（電極タブ）が突出しており、これら電極タブは、一つの電極リードに電気的に連結されており、電極リード−電極タブ結合部での電極間抵抗差が最小限に抑えられるように、結合部において電極リードの上面と下面にそれぞれ複数の電極タブが結合されていることを特徴とする電極組立体及び該電極組立体を有する電気化学セルに関する。
モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するに伴い、エネルギー源としての電池の需要も急増しつつあり、これに伴う種々の要求に応えうる電池への多くの研究が行われてきている。
例えば、電池の形状面では、厚さの薄い、携帯電話などのような製品に適用可能な角形二次電池とパウチ形二次電池への需要が多く、材料面では、高いエネルギー密度、放電電圧及び出力安全性を有するリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのようなリチウム二次電池への需要が多い。
また、二次電池は、正極／分離膜／負極構造の電極組立体の構造によっても分類でき、例えば、長いシート型の正極と負極を分離膜が介在された状態で巻き取った構造のジェリーロール（巻き取り型）電極組立体、所定大きさの単位に切り取った複数の正極と負極を分離膜を介在した状態で順次に積層したスタック型（積層型）電極組立体、所定単位の正極と負極を分離膜を介在した状態で積層したバイセル（Bi-cell）またはフールセル（Full cell）を巻き取った構造のスタック／折り畳み型電極組立体などに分類可能である。
図１は、従来の代表的なスタック型電極組立体の一般の構造を模式的に示す側面図である。
図１を参照すると、スタック型電極組立体１０は、正極集電体２１の両面に正極活物質２２が塗布されてなる正極２０と、負極集電体３１の両面に負極活物質３２が塗布されてなる負極３０とが、分離膜７０を介在した状態で順次に積層されて構成される。
正極集電体２１及び負極集電体３１の一側端部には、電池（図示せず）の電極端子を構成する正極リード６０及び負極リード（図示せず）にそれぞれ電気的に接続されるために、活物質の塗布されていない複数の正極タブ４１及び負極タブ５１が突出している。ここで、正極タブ４１と負極タブ５１は、密集した形態で結合して正極リード６０と負極リードにそれぞれ連結される。この構造は、正極タブと正極リードとの結合部を部分的に拡大して模式的に示す図２Ａ及び図２Ｂからより容易に確認できる。図２Ａ及び図２Ｂでは、説明の便宜のために正極タブと正極リードとの結合構造のみを示すが、このような構造は、負極タブと負極リードとの結合部でも同様に適用される。
図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、正極タブ群４０は、矢印方向に密着して正極リード６０に連結される。正極リード６０は、通常、溶接によって結合され、図２Ａに示すように最上端の正極タブ４１の上側面に配置された状態、または、図２Ｂに示すように最下段の正極タブ４２の下側面に配置された状態で結合される。
しかしながら、このような結合構造の電極組立体は、電極リードに対する各電極の抵抗差を誘発することがある。すなわち、上記の電極組立体では、電極リードから最も近距離に位置する電極タブでの電極抵抗と、最も遠距離に位置する電極タブでの電極抵抗が異なる。したがって、このような構造の電極組立体を有する中大型電池パックでは、大容量の電気が充電及び放電されるので、電極間抵抗差によって電極が不均一に作動する、または、劣化する可能性が極めて高く、結果として電池の寿命が短縮するという問題点があった。
また、電極タブと電極リードが上記のような構造で結合される場合、結合のための溶接が一方向からのみ行われ、電極リードに対する電極タブの結合力が低下するという問題点もあった。
そこで、電極間抵抗差を最小化しながら、電極タブ−電極リードの結合力を向上させることができる、改善した構造の電極組立体が切実に要求されている実情である。
本発明は上記の従来技術の問題点を解決するためのもので、その目的は、電極間の抵抗差を最小化できる電極組立体を提供することにある。
本発明の他の目的は、電極タブ−電極リードの結合力を向上させることによって、高い信頼性を確保できる電極組立体を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、上記の電極組立体を有する電気化学セルを提供することにある。
上記目的を達成するための本発明による電極組立体は、正極／分離膜／負極構造のスタック型またはスタック／折り畳み型電極組立体であって、電極組立体を構成するそれぞれの電極板には、活物質の塗布されていないタブ（電極タブ）が突出しており、これら電極タブは、一つの電極リードに電気的に連結されており、電極リード−電極タブ結合部での電極間抵抗差が最小限に抑えられるように、結合部において電極リードの上面と下面にそれぞれ複数の電極タブが結合されてなる。
好ましい一実施形態において、前記電極リードを中心に電極タブが略対称構造に結合されるように、該電極リードの上面と下面にそれぞれ結合される電極タブの数は、略同一である。具体的に、電極リードの上面にＡ個の電極タブが結合される場合、電極リードの下面にも同様にＡ個、または、Ａ個に近似するＡ’個の電極タブが結合される。
上記構造をより具体的に説明すると、図３に示すように、電極リード１００は、上面１１０に３個の電極タブ２１０が配置され、下面１２０に３個の電極タブ２２０が配置された構造で、電極タブ群２００と結合される。したがって、結合部位Ａで電極タブ群２００は、電極リード１００を中心に上面１１０と下面１２０で対称構造をなす。
電極リード１００と電極タブ群２００とは、電極タブ群２００に電極リード１００を挟み込んだ状態で矢印方向に密着した後に、溶接することによって結合しても良く、電極タブ群２００を矢印方向に密着した状態で電極タブ群２００に電極リード１００を挟み込んだ後に、溶接することによって結合して良い。
本発明において、電極リードは、特に制限されるものではなく、電極タブを電気的に連結できる素材はいずれも使用可能であり、好ましくは、金属プレートを使用する。金属プレートの例には、アルミニウムプレート、銅プレート、ニッケルプレート、ニッケルコートの銅プレート、及びＳＵＳプレートなどがある。
また、電極リードは、特に制限されず、電極タブと容易に連結される構造はいずれも可能であり、例えば、垂直断面上、直線の形態を持つ構造が好ましい。このような電極リードは、種々の方式で電極タブに連結されることができ、好ましくは、溶接にてより安定的に連結可能である。溶接には、例えば、超音波溶接、レーザー溶接、及び抵抗溶接などがある。
なお、本発明は、このような電極組立体を有する電気化学セルを提供する。
前記電気化学セルは、電気化学反応を通じて電気を提供するもので、例えば、電気化学二次電池または電気化学キャパシタであり、特に、リチウム二次電池で好適に適用可能である。
前記二次電池は、充放電可能な電極組立体が内蔵されてなる二次電池で、好ましくは、金属層と樹脂層を含むラミネートシートからなる電池ケースに、電極組立体が密封された状態で内蔵されている構造を有し、このような構造の二次電池を、パウチ形二次電池とも呼ぶ。
また、前記二次電池は、複数個の電池セルを組み合わせて高出力大容量の電池パックを製造するときに、単位電池として好適に使用されることができる。
本発明に係る電極組立体によれば、電極間の抵抗差を最小化でき、電極タブ−電極リードの結合力を向上できるため、高い信頼性を確保することが可能になる。
以下、実施例に挙げて本発明をより具体的に説明する。下記の実施例は、本発明を例示するためのもので、本発明の範囲を限定するためのものではない。
実施例１
アルミニウム箔と銅箔の両面に、含リチウム正極活物質と含黒鉛負極活物質をそれぞれ塗布した後、該アルミニウム箔と銅箔を、活物質の塗布されていない電極タブが存在するように切断し、正極板と負極板をそれぞれ製造した。その後、分離膜を挟んで上記正極板と負極板を順次積層した後、図３に示すように、正極タブ群及び負極タブ群にそれぞれ正極リード及び負極リードを挟み込んだ状態で溶接し、電極組立体を完成した。
比較例１
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、正極タブ群の下側部及び負極タブ群の下側部に正極リード及び負極リードをそれぞれ配置した状態で溶接した以外は、上記実施例１と同様にして電極組立体を完成した。
実験例１
上記実施例１及び比較例１においてそれぞれ製造された２０個の電極組立体に対して抵抗測定実験を行い、その結果を、下記の表１に示す。本実験は、それぞれ２０個の電極組立体に対して繰り返し行ったし、Agilent milli-ohmmeterを用いて正極タブ−正極リードの結合部での抵抗をそれぞれ測定した。測定した抵抗値を平均して表１に示した。
下記表１において、Ａグループは、電極組立体の上部に位置する正極タブで、実施例１では、正極リードの上面に位置する正極タブ群を表し、比較例１では、正極リードから遠距離に位置する正極タブ群を表し、Ｂグループは、電極組立体の下部に位置する正極タブ群で、実施例１では、正極リードの下面に位置する正極タブ群を表し、比較例１では、正極リードから近距離に位置する正極タブ群を表す。
Figure 0005782642
上記表１に示すように、本発明による実施例１の電極組立体では、正極リードを基準に、その上面に位置する正極タブ群の抵抗と下面に位置する正極タブ群の抵抗が略一致した。すなわち、全ての正極において実質的に抵抗差がなかった。これに対し、比較例１の電極組立体では、正極リードを中心に近距離に位置する正極タブ群と遠距離に位置する正極タブ群間の抵抗差が確認された。このような抵抗差は、微小であっても、反復的な充放電時に、または、電流量の多い高出力大容量の電池パックにおいて、電極間に作動不均一を招き、特に、長期間使用時には特定電極の劣化を早め、結果として電池の寿命特性を悪化させる要因となる。
以上の内容に基づき、本発明の範囲内で種々の応用及び変形ができるということは、本発明の属する技術分野における通常の知識を持つ者にとっては明らかであろう。
従来のスタック型電極組立体の一般の構造を示す模式図である。 図１の電極組立体において、正極タブが密集した形態で結合して正極リードに連結されている部分を示す拡大図である。 図１の電極組立体において、正極タブが密集した形態で結合して正極リードに連結されている部分を示す拡大図である。 本発明の一実施形態による電極組立体において、正極タブが密集した形態で結合して正極リードに連結されている部分を示す拡大図である。
本願発明の好ましい態様は以下の通りである。
（１）正極／分離膜／負極構造のスタック型またはスタック／折り畳み型電極組立体であって、電極組立体を構成するそれぞれの電極板には、活物質の塗布されていないタブ（電極タブ）が突出しており、これら電極タブは、一つの電極リードに電気的に連結されており、電極リード−電極タブ結合部での電極間抵抗差が最小限に抑えられるように、結合部において電極リードの上面と下面にそれぞれ複数の電極タブが結合されていることを特徴とする、電極組立体。
（２）前記電極リードを中心に、その上面と下面にそれぞれ結合されている電極タブの数は、略同一であることを特徴とする、（１）に記載の電極組立体。
（３）前記電極リードは、金属プレートであることを特徴とする、（１）に記載の電極組立体。
（４）前記金属プレートは、アルミニウムプレート、銅プレート、ニッケルプレート、ニッケルコートの銅プレート、及びＳＵＳプレートより選ばれたいずれかであることを特徴とする、（３）に記載の電極組立体。
（５）前記電極リードは、垂直断面上、直線の形態を有し、溶接によって前記電極タブと結合されることを特徴とする、（１）に記載の電極組立体。
（６）（１）乃至（５）のいずれかに記載の電極組立体を有する、電気化学セル。
（７）前記電気化学セルは、二次電池またはキャパシタであることを特徴とする、（６）に記載の電気化学セル。
（８）前記二次電池は、金属層と樹脂層を含むラミネートシートからなる電池ケースに、電極組立体が密封状態に内蔵されてなることを特徴とする、（７）に記載の電気化学セル。
（９）前記二次電池は、高出力大容量の電池パックに使用される単位電池であることを特徴とする、（８）に記載の電気化学セル。

Claims (3)

  1. パウチ形二次電池であって、
    正極／分離膜／負極構造のスタック型またはスタック／折り畳み型電極組立体を備えてなり、
    前記電極組立体を構成するそれぞれの電極板には、活物質の塗布されていないタブ（電極タブ）が突出しており、
    前記電極タブが、一つの電極リードに電気的に連結されており、
    前記電極リード−前記電極タブの結合部において、電極リードの上面と下面にそれぞれ複数の電極タブが結合されてなり、
    前記電極リードを中心に、その上面と下面にそれぞれ結合されてなる電極タブの数は、略同一であり、及び
    前記電極リードが、金属プレートであり、
    前記金属プレートが、アルミニウムプレート、銅プレート、ニッケルプレート、ニッケルコートの銅プレート、及びＳＵＳプレートからなる群から選択されたものであり、
    前記電極リードが、溶接によって前記電極タブと結合されてなり、
    前記電極リードの前記上面に結合された前記電極タブと前記電極リードの前記下面に結合された前記電極タブとが前記電極リード−前記電極タブの結合部において前記電極リードを中心に対称構造をなし、前記電極リードの前記上面に結合された前記電極タブの長さは、前記電極リードの前記下面に結合された前記電極タブの長さより長く、前記電極リードの前記下面に結合された前記複数の電極タブのうちの最下部の電極タブは、折れ曲がっていない、ことを特徴とする、パウチ形二次電池。
  2. 前記パウチ形二次電池が、金属層と樹脂層を含むラミネートシートからなる電池ケースに、前記電極組立体が密封状態に内蔵されてなることを特徴とする、請求項１に記載のパウチ形二次電池。
  3. 前記パウチ形二次電池が、高出力大容量の電池パックに使用される単位電池であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のパウチ形二次電池。
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