JP5805866B2 - コーナー部の形状が多様な段差を有する電極組立体、これを含む電池セル、電池パック及びデバイス - Google Patents

コーナー部の形状が多様な段差を有する電極組立体、これを含む電池セル、電池パック及びデバイス Download PDF

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Description

本発明は、段差を有する電極組立体に関し、より具体的には、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体に関する。
また、本発明は、上記段差を有する電極組立体を含む電池セル、電池パック、デバイスに関する。
モバイル機器への技術開発と需要が増加するにつれ、二次電池の需要も急激に増加しており、その中でもエネルギー密度と作動電圧が高くて保存と寿命特性に優れたリチウム二次電池が各種のモバイル機器及び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、外形によって大きく円筒型電池、角型電池、パウチ型電池等に分けられ、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等に分けられる。
最近では、上記モバイル機器の小型化の傾向につれ、厚さの薄い角型電池、パウチ型電池への需要が増加しており、特に、重量の少ないパウチ型電池への関心が増大している。
また、モバイル機器の小型化と共にデザインも多様化している。このような技術環境の変化の下で、従来の同一電極ユニットが積層された電池をモバイル機器に適用する場合、電池と機器の形状が合わなくなり、これにより、モバイル機器の内部の空間を効率的に活用することができなくなるという問題が生じる。よって、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。
これに伴い、段差を有する電池への需要が増大している。このような段差を有する電池は、デバイスの形状に電池の形状を最大限に合わせることができるため、デバイスの内部のデッドスペース（ｄｅａｄ ｓｐａｃｅ）を最小化してより効率的に電池で満たすことができ、これにより、全体的な電池の容量の増大を図ることができる。
最近では、コーナー部の形状がラウンド状の多様なデザインのモバイルデバイスが発売されており、このようなデバイスに装着されるためにそのデザインに合わせて電池セルのコーナー部の形状もラウンド状にした電池セルへの要求が増加している。
電極組立体は、通常、単一物質のシートから製造された電極を複数積層することにより製造される。このような物質から電極をカッティングして除去する通常の工程は、非効率性の問題を有する。このような非効率性の問題の１つとして、バッテリーセル内に不所望の形状の周辺部を有する１つ以上の電極を生産する問題がある。特に、電極の周辺部は不所望のエッジ突出部を含むことがある。このような非効率性の問題は、本発明によるバッテリーの組立及び製造工程において生産速度を低下させてコストの増大をもたらす可能性がある。
よって、多様なデザインに対応可能なバッテリーを提供するための電極ユニットが求められており、電極ユニットの製造工程中に不良率を減少させて生産性を向上させることができる方法が求められている。
本発明の目的は、電極ユニットのコーナー部の形状に制約を受けない多様なデザインの電池セルを提供することができる電極組立体を提供することである。
また、上記のような本発明の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ことである。
本発明は、コーナー部の形状が多様な段差を有する電極組立体であって、少なくとも１つの第１の電極ユニットを含む第１の電極段と、上記電極ユニットに対して面積の差を有する少なくとも１つの第２の電極ユニットを含む第２の電極段と、を含み、上記第１の電極段及び第２の電極段が少なくとも１つの分離膜を境界として隣接して積層され且つ上記第１の電極段及び第２の電極段の相互間の面積の差により形成された段差を有する電極積層体を１つ以上含み、上記段差が形成される第１の電極段及び第２の電極段のコーナー部の形状が相違する電極組立体を提供する。
上記電極積層体を形成する少なくとも１つの端は、上記段差を形成するコーナー部が曲面状であっても良い。
上記電極積層体を形成する第１の電極段及び第２の電極段は上記段差を形成するコーナー部が曲面状であり、曲面の曲率が相違しても良い。
上記電極積層体は、第１の電極段及び第２の電極段が少なくとも２つの辺と３つのコーナー部、少なくとも２つの辺と２つのコーナー部、少なくとも１つの辺と２つのコーナー部、少なくとも１つの辺と１つのコーナー部又は少なくとも１つのコーナー部を共有するか、又は１つの辺の一部のみを共有することができる。また、上記電極積層体は、上記第１の電極段が第２の電極段の面内に積層され、全ての辺及びコーナー部に段差を有し、また、上記第１の電極段が第２の電極段の少なくとも２つの辺を共有し、全てのコーナー部に段差を有することができる。
また、上記電極積層体は、上記電極ユニットが積層される高さ方向に電極ユニットの面積が小さくなるように積層されることができる。上記電極積層体において、相互に隣接する電極ユニットの１つは、他の電極ユニットの積層面に含まれることができる。
本発明による上記電極ユニットは、各電極に対応する電極タブを有し、上記電極タブのサイズが同じか異なり、上記電極タブは、上記電極ユニットのいずれか１つの端部又は対向する端部に付着されることができる。上記電極ユニットは、負極、正極、及び分離膜を境界として少なくとも１つの負極と少なくとも１つの正極が交互に積層されたユニットセルからなる群から独立して選択されることができる。上記ユニットセルは独立してゼリーロール型ユニットセル、スタック型ユニットセル、及びスタックアンドフォールディング型ユニットセルからなる群から選択されることができる。上記ユニットセルは、少なくとも１つの段差を含むことができる。
本発明の電極組立体において、上記面積の差を有する電極ユニットとこれに隣接する電極ユニットは、上記分離膜を境界として対面する対面電極が相違する極性の電極であることが好ましい。また、上記面積の差を有する電極ユニットとこれに隣接する電極ユニットのうち面積の大きい電極ユニットの対面電極が負極であることがより好ましい。
また、本発明は、上記電極組立体が電池ケースに収納されている電池セルを提供する。上記電池セルは、リチウムイオン二次電池又はリチウムイオンポリマー二次電池であることができる。
この際、上記電池ケースは、パウチ型ケースであり、上記電極組立体の表面に密着されて電極組立体を収納し且つ電極組立体の形状に対応して段差又は傾斜面を有することができる。
また、本発明は、上記電池セルを１つ以上含むデバイスを提供し、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する。上記デバイスは、携帯電話、携帯コンピューター、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、又は電力貯蔵装置であることができる。
本発明の少なくとも１つの具現例によれば、段差を有する電池セルにおいて、コーナー部の曲率を電極ユニットの積層順によって順次増加又は減少させたり不規則に変化させたりすることができるため、コーナーの形状に制限なくより多様なデザインのバッテリーを具現することができ、既存とは異なる３次元的な立体形状を有するセルが得られる。
また、本発明の少なくとも１つの具現例によれば、電極ユニット間のコーナー部の曲率を同一に形成するための工程を省略することができ、工程の精密度を維持しなくても良いことから、工程の簡素化、不良率の軽減及び廃棄量の軽減が可能となるため、経済的であり、また、電極組立体の生産性の向上を図ることができる。
さらに、本発明の少なくとも１つの具現例によれば、従来の電極ユニット製造設備をそのまま活用することができるため、設備コストの節減を図ることができる。
さらに、本発明の少なくとも１つの具現例によれば、従来の一定曲率を有する電極ユニットの製造時に曲率の形状に沿ってカッティングされて除去されていた領域の一部も電極ユニットに残存させて電池の反応に参加させることができるため、電池の容量を向上させることができる。
少なくとも２つの辺と少なくとも３つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも２つの辺と少なくとも３つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも２つの辺と少なくとも３つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも２つの辺と２つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも２つの辺と２つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも２つの辺と２つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも１つの辺と２つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも１つの辺と２つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも１つの辺と２つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも１つの辺と２つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも１つの辺と２つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも１つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも１つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも１つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも１つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも１つのコーナー部を共有し、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも１つのコーナー部の一部を共有し、全てのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 少なくとも１つのコーナー部の一部を共有し、全てのコーナー部に段差を有する電極組立体の斜視図である。 面積の差により段差を有する電極組立体であって、面積の相対的に大きい電極段内に面積の相対的に小さい電極段が完全に含まれるように積層され、全てのコーナー部及び全ての辺に段差を有する電極組立体の斜視図である。 積層される電極段によって共有する部分が相違する電極組立体の斜視図である。 （ａ）は本発明の一実施例による電極タブの積層形態を示す平面図であり、（ｂ）は本発明の一実施例による電極タブの積層形態を示す正面図である。 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図である。 従来技術により単一物質のシートから複数の電極がカッティングされた形態を示す図である。 従来技術により単一物質のシートから複数の電極がカッティングされた形態を示す図である。 従来技術の非効率的な製造方法によりもたらされた突出したエッジ部を有する電極の形態を示す図である。 本発明により複数の電極をカッティングした単一物質のシートの形態を示す図である。 本発明により複数の電極をカッティングした単一物質のシートの形態を示す図である。 本発明の製造方法から得られた電極の形態を示す図である。
以下では、添付の図面を参照して本発明をより具体的に説明する。但し、本図面は本発明の理解のために提供される一実施例に過ぎず、本発明の範囲は本図面によって限定されるものではない。本図面は、本発明の円滑な理解のために一部の構成要素が誇張、縮小又は省略される可能性がある。
本発明の発明者らは、少なくとも１つのコーナー部が曲率を有し段差を有する電池を具現する上で、面積の相違する電極ユニット間のコーナー部の曲率関係から、コーナー部の形態に制限なく、より多様な形態のバッテリーを具現することができることを見出し、本発明を完成した。
本発明によれば、少なくとも１つの第１の電極ユニットを含む第１の電極段と、上記電極ユニットに対して面積の差を有する少なくとも１つの第２の電極ユニットを含む第２の電極段と、を含み、上記第１の電極段及び第２の電極段が少なくとも１つの分離膜を境界として隣接して積層され且つ上記第１の電極段及び第２の電極段の相互間の面積の差により形成された段差を有する電極積層体を１つ以上含み、上記段差が形成される第１の電極段及び第２の電極段のコーナー部の形状が相違する電極組立体が提供される。
上記電極組立体は、２つ以上の電極ユニットの積層によって形成されることができる。この際、上記電極ユニットは、負極又は正極の単位電極であり、また、少なくとも１つの負極と少なくとも１つの正極が分離膜を介して交互に積層されたユニットセルであることができる。
一方、本発明の段差を有する電極積層体は、２つ以上の長方形の分離膜上にユニットセルを配列し、上記長方形の分離膜を上記ユニットセルを取り囲むようにフォールディングすることにより得られる。上記ユニットセルは、スタック型ユニットセル、スタックアンドフォールディング型ユニットセル、ゼリーロール型ユニットセル等であることができるが、必ずしもこれに限定されるものではない。
上記スタック型ユニットセルは、分離膜を境界として少なくとも１つの正極と少なくとも１つの負極が交互に積層されて形成されたユニットセルである。上記スタック型ユニットセルは、負極と正極が積層された最小単位の電極の積層形態によって、１つの負極と１つの正極が分離膜を境界として積層された積層体であるモノセルと、両面に正極が配置され、上記正極の間に負極が配置され、各電極が分離膜を境界として分離されて積層された積層体であるＡ型のバイセルと、両面に負極が配置され、上記負極の間に正極が配置され、各電極が分離膜を境界として分離されて積層された積層体であるＣ型のバイセルとに分けられるが、必ずしもこれに限定されるものではない。
さらに、上記モノセル、Ａ型のバイセル及びＣ型のバイセルを分離膜を境界として相互に積層することにより、複数の負極と複数の正極が積層された積層体を電極ユニットとして用いることができる。
一方、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、１つ又は２つ以上の長方形の分離膜上に配列された２つ以上の電極ユニットをワインディング型又はＺ‐フォールディング型にフォールディングすることにより得られたユニットセルである。上記長方形の分離膜上に配列される電極ユニットは、図示してはいないが、スタック型電極積層体、ゼリーロール型電極積層体又はスタックアンドフォールディング型電極積層体であることができ、これらの組み合わせであることもできる。
また、本発明の長方形の分離膜上に配列されるユニットセルは、図示してはいないが、１つ又は２つ以上の長方形の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ゼリーロール型電極積層体であることもできる。
上記ユニットセルは、長方形の分離膜によってフォールディングされることにより、他の電極ユニットとの関係で面積の差による段差を形成することができる上、１つのユニットセルを構成する電極ユニットの面積の差により段差を有することができる。
本発明では、上記のようなスタック型ユニットセル、スタックアンドフォールディング型ユニットセル、ゼリーロール型ユニットセル及び単一電極を独立して又は組み合わせて長方形の分離膜上に配列することにより、本発明の電極積層体を組み立てることができる。
この際、上記負極電極及び正極電極は、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、本発明にも適宜用いられることができる。
例えば、上記負極電極としては、特に限定されず、銅、ニッケル、銅合金又はこれらの組み合わせによって製造された負極電流集電体の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、グラファイト等の負極活物質をコーティングして形成されたものを用いることができる。また、正極電極としては、アルミニウム、ニッケル又はこれらの組み合わせによって製造された正極電流集電体の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等の正極活物質をコーティングして形成されたものを用いることができる。
このような負極電極と正極電極は、分離膜を境界として積層される。この際、上記分離膜としては、特に限定されず、本技術分野で通常用いられる材質からなるもの、例えば、微細多孔構造を有するポリエチレン、ポリプロピレン又はこれらの組み合わせによって製造される多層フィルムや、ポリビニリデンフルオライド、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル又はポリビニリデンフルオライ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又はゲル型高分子電解質用の高分子フィルムを用いることができる。
本発明では、面積の相違する電極ユニットを分離膜を境界として相互に積層することにより、段差を有する電極積層体が得られる。この際、電極ユニットの面積が相違するというのは、１つの電極ユニットとこれに隣接する電極ユニットにおいて、横の長さ及び縦の長さのいずれか１つが異なる構造を有することから、対面して積層される電極ユニット間の面積が相違することを意味する。
例えば、本発明の１つの具現例において、電極組立体は、長さ又は幅の相違する電極ユニットが積層されたものであることができる。電極ユニットの面積の差は、電極ユニットが積層されて形成される電極組立体に段差を形成することができれば特に限定されず、例えば、相対的に面積の小さい電極ユニットの長さ又は幅は、相対的に面積の大きい電極ユニットの長さ又は幅の２０％〜９５％、例えば、３０％〜９０％の範囲であることができる。上記電極ユニットは、長さ及び幅のいずれか１つが相違しても良く、両方ともが相違しても良い。
本発明により提供される段差を有する電極積層体は、少なくとも１つの第１の電極ユニットを含む第１の電極段と上記第１の電極ユニットに対して面積の差を有する第２の電極ユニットを含む第２の電極段を分離膜を境界として相互に積層することにより形成されることができる。本発明において、上記電極段とは、面積及び形態が同じで段差を形成しない電極ユニット又は上記電極ユニットが複数積層された積層体のことである。
本発明において、上記第１の電極段及び第２の電極段は段差を含む電極積層体において相対的なものであり、１つの段差を形成する境界面を基準に上下に位置するいずれか１つの電極段を第１の電極段、もう１つの電極段を第２の電極段、上記第１の電極段及び第２の電極段を１つの電極積層体と称する。したがって、本発明では、例えば、３つの面積の差を有する電極段が積層されて形成された２つの段差を有する電極組立体の場合、中間に位置する電極段は、下側に位置する電極段との関係では第２の電極段となるが、上側に位置する電極段との関係では第１の電極段となる。
一方、本発明により提供される電極組立体は、上記のような段差を２つ以上含むことができる。即ち、段差を有する電極積層体が２つ以上積層されて形成されることができる。上記段差は少なくともコーナー部に形成されることが好ましい。この際、段差が形成されたコーナー部は１つ又は２つ以上であることができ、全てのコーナー部に段差を有することもできる。
この際、上記コーナー部が段差を有するというのは、図１から６に示しているように少なくとも１つのコーナー部によって段差が形成される場合はもちろん、図７〜１１に示しているようにいずれか１つの辺の長さの差異によってその辺に隣接するコーナー部を共有しない場合も含まれることを意味する。
本発明では、上記電極積層体を構成する各電極段１０のコーナー部の形状が相違することが好ましい。このようにコーナー部の形状が相違することにより、段差を有する電極組立体１が得られる。例えば、図１から６に示しているように、コーナー部の形状の差異によって、電極組立体１に段差を提供することができる。
この際、コーナー部の形状は、曲面（ラウンド）状であっても良く、図示しているように多様な形状であっても良い。
電極積層体の各電極段１０のコーナー部の形状がラウンド状の場合、少なくとも１つの電極段１０は、隣接するいずれか１つの電極段１０との関係で、上記コーナー部の曲率（Ｒ）が相違しても良い。また、曲率の同じラウンド状のコーナー部を有する複数の電極ユニットと曲率の相違するラウンド状のコーナー部を有する電極ユニットとを組み合わせて段差を有する電極組立体１を形成しても良く、いずれか１つの電極ユニットのコーナー部がラウンド状でなくても良い。
即ち、本発明は、多様なコーナー部の形状を有する電極ユニットを多様な形で配列することにより、少なくとも１つのコーナー部に段差を有する電極組立体１が得られる。本発明において、上記面積の差により形成される段差の形状は、相互に積層される電極ユニットの辺又はコーナー部の共有形態によって多様になることができる。
本発明において、上記共有するというのは、電極ユニット又はこれらが積層された第１の電極段１０と、上記第１の電極段１０に隣接して積層され上記第１の電極段１０の電極ユニットとの面積の差を有する他の電極ユニット又はこれらが積層された第２の電極段１０が、同じ長さ及び角を有し段差を形成せずに積層されていることを意味する。例えば、１つの辺を共有するというのは、同じ長さを有する辺が段差を形成しないように積層されている場合、その辺を、隣接する２つの電極段１０が共有することを意味する。また、コーナー部を共有するというのは、同じ角を有するコーナー部が一致するように複数の電極段１０が積層されることによりそのコーナー部には段差が形成されないことを意味する。
例えば、少なくとも２つの辺と３つ、２つ又は１つのコーナー部を共有するように積層することにより、コーナー部に段差を有する電極積層体が得られる。
２つの辺と３つのコーナー部を共有する例を図１から図３に示した。図１から図３には、電極タブ２０、３０が付着された辺と上記辺の末端にコーナー部を形成する他の辺を共有し、上記２つの辺によって形成された上記コーナー部と２つの辺に隣接するそれぞれの２つのコーナー部を共有し、共有しない１つのコーナー部の形状が相違することにより段差が形成された電極組立体１の例が示されているが、本発明はこれに限定されるものではない。
上記共有する辺とコーナー部は図示のものと相違しても良く、上記段差を形成するコーナー部は図１から３の形状以外にも多様な形状を有することができる。例えば、上述したように各電極段１０の電極ユニットのコーナー部の形状がすべてラウンド状であっても曲率が相違するため、段差を形成することができる。
また、２つの辺と２つのコーナー部を共有する例を図４から６に示した。図４から６には、電極タブが付着された辺と上記辺の末端にコーナー部を形成する他の辺を共有し、上記電極タブ２０、３０が付着された辺に隣接する２つのコーナー部を共有し、共有しない領域に段差を有する電極組立体１の例が示されている。上記共有する辺とコーナー部は図示のものと相違しても良く、上記段差を形成するコーナー部は図４から６の形状以外にも多様な形状を有することができる。
一方、２つの辺と１つのコーナー部を共有する例については図示されていないが、対角線方向に対向する２つのコーナー部が連結された所定の形態の１つの辺を有する電極ユニットによる電極段１０を積層することにより、２つの辺とその間のコーナー部を共有する電極組立体１が得られる。
また、本発明の電極組立体１は、１つの辺と２つのコーナー部を共有し且つ段差を形成することができる。例えば、図７〜１１に示しているような構造の電極組立体１が得られる。上記のように共有形態及びコーナー部の形状等は、上記図に限定されず、多様に変わっても良い。さらに、本発明の電極組立体１は、図示してはいないが、少なくとも１つの辺と１つのコーナー部を共有するように積層されて段差を有するものであっても良い。
一方、図１２から１６に示しているように、１つのコーナー部を共有するように積層することにより、段差を有する電極組立体１が得られる。この際にも、共有するコーナー部を適宜選択しても良く、コーナー部の形状も多様に形成しても良い。なお、図示のように１つのコーナー部の形状が異なっても良く、２つ以上のコーナー部の形状が異なっても良い。
さらに、本発明の電極組立体１は、図１７及び１８に示しているように、１つの辺の一部のみを共有するように積層されることもでき、図１９に示しているように、１つの電極段１０と他の電極段１０が、電極活物質がコーティングされた電極面ともう１つの電極面が分離膜を境界として対面して相互に積層される面である積層面内に、面積の小さい電極段１０の積層面が完全に含まれるように積層されることにより、全ての辺及びコーナー部に段差を有することもできる。一方、図２０は、それぞれの段差を形成する電極段１０とこれに隣接する電極段１０との関係で、一部の辺を共有し且つそれぞれの段差を形成する電極段１０間の積層形態が相違する例を示したものである。
なお、本発明では電極ユニット間の積層において辺及びコーナー部の共有形態が同じ例を説明したが、これらが混用された形で積層された電極組立体１も得られることは言うまでもない。例えば、第１の電極段１０と第２の電極段１０は図１から３のような積層形態を有し、第２の電極段１０と第３の電極段１０は図４から図６のような積層形態を有することができる。
また、本発明には厚さ方向に電極ユニットのサイズが順次減少するように積層された電極組立体１の例が示されているが、厚さ方向に電極ユニットのサイズが順次増加するように積層されても良く、厚さ方向に電極ユニットのサイズが順次増加してから減少するように積層されても良く、対称又は非対称でも良く、他にも多様な形状を有する電極組立体１が得られるものであれば特に限定されない。
本発明の上記電極積層体では、面積の差を有する１つの電極ユニットとそれに隣接する電極ユニットが対面して段差を形成する境界部において、上記２つの電極ユニットが分離膜を境界として対向する面の電極である対面電極は、極性の相違する電極が対面するように積層されることが好ましい。このように相違する極性の電極が対面することにより、段差を形成する境界部でも電池の反応を図ることができるため、電池の容量を増大させることができる。
この際、上記段差を形成する境界部での対面電極は、面積の大きい電極ユニットの対面電極が負極となるように配置されることが好ましい。即ち、電極積層体において、面積の相違する電極ユニットが分離膜を境界として対面する場合、面積の大きい電極ユニットの積層面の一部は外部に向かうようになる。これは、上記外部に向かう電極ユニットの電極が正極の場合は正極の表面の正極活物質に含まれたリチウムが正極の表面から析出されて電池の寿命が短縮されたり電池の安定性が低下したりする問題が発生する可能性があるためである。
また、電極組立体１の最外殻電極は負極であることが好ましい。この際、上記負極の外部に分離膜が積層され、分離膜が電極組立体１の表面に位置することが好ましい。一方、電極組立体１の最外殻電極は正極であっても良いが、この際、上記正極は外部に向かう面に負極活物質が塗布されていない無地部である片面コーティング正極であることが好ましい。
また、本発明の電極組立体１において、上記電極ユニットはそれぞれ負極電極タブ２０及び／又は正極電極タブ３０を含む。電極ユニットがユニットセルの場合は負極電極タブ２０及び正極電極タブ３０をすべて備え、電極ユニットが個別の電極からなる場合は１つの電極タブ２０、３０のみを備える。上記電極タブ２０、３０が電池ケースに挿入された後、同じ極性の電極同士が電気的に連結される。
上記電極タブ２０、３０の付着位置は多様に選択されることができる。上記２つの極性の電極タブ２０、３０を電極ユニットの一端部に形成し、電極タブ２０、３０を同じ方向に向かうように積層することにより、例えば、図１から図２０に示しているように電極組立体１の一側面に電極タブ２０、３０が突出するようにすることができる。また、図２０のように、電極組立体１の２つの側面にそれぞれの電極タブ２０、３０が突出するようにすることもできる。
但し、電池ケースを挿入した後の電極タブ２０、３０の電気的連結を容易にするためには、同じ極性の電極同士が重なるように電極ユニットを配置することが好ましい。
一方、図１９又は図２０のような形で段差が形成される場合、電極組立体１の電極タブ２０、３０を付着すると、電極タブ２０、３０が面積のより大きい電極ユニットと接触してしまい、電池の安全性に影響を及ぼす可能性があるため、電極タブ２０、３０と電極ユニット間の接触を遮断することが好ましい。場合によっては、電極タブ２０、３０の表面に絶縁性樹脂等をコーティングすることにより接触を遮断することができる。
上記電極タブ２０、３０の形態及び面積は、特に限定されず、多様に形成されることができる。例えば、上記電極タブ２０、３０の幅及び長さは同じであっても良く、少なくとも１つが相違しても良い。このように多様なサイズの電極タブ２０、３０を用いることにより、面積の大きい電極タブ２０、３０上に面積の小さい電極タブを並んで配列して積層することもできる。その例として面積の相違する電極タブを用いる場合の電極タブの積層形態を図２１に示した。
電極組立体１が収納される電池ケース１２０の形状は、分離膜の傾斜面に合うように形成されることができる。この場合、必要以上に空間を占める可能性があるため、上記分離膜を電極組立体１の各面に密着させることが空間活用の面で好ましい。したがって、分離膜が電極組立体１から離隔している場合は、分離膜を加熱又は加圧によって伸ばして密着させることができる。この場合、段差を有する部分で屈曲が形成されることができる。また、段差を有する部分で分離膜を切断して電極組立体１の各面に密着するようにすることができる。
次いで、本発明の電池セルについて説明する。図２２には、本発明の電池セル１００の一実施例が示されている。図２２に示されたように、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。この際、上記電池ケース１２０はパウチ型ケースであることができる。
上記パウチ型ケースはラミネートシートからなり、この際、上記ラミネートシートは最外殻をなす外側樹脂層、物質の貫通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ることができるが、これに限定されるものではない。
また、上記電池ケース１２０は電極組立体１の電極ユニットの電気端子を電気的に連結するための電極リード１２５、１３５が外部に露出した構造で形成されることが好ましく、図示してはいないが、上記電極リード１２５、１３５の上下面には上記電極リード１２５、１３５を保護するための絶縁フィルムが付着されることができる。
また、本発明の電極組立体１の形状に応じて電池ケース１２０の形状を多様にすることができる。このような電池ケース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されることができる。この際、電池ケース１２０の形状及びサイズは、電極組立体１の形状及びサイズと完全に一致しなければならないわけではなく、電極組立体１のずれ現象による内部短絡を防止できるものであればいずれのものでも良い。一方、本発明の電池ケース１２０の形状及びサイズは特に限定されず、必要に応じて、多様な形状及びサイズの電池ケース１２０を用いることができる。
例えば、上記電池ケース１２０は、図示してはいないが、本発明の段差を有する電極組立体１の形状に応じて段差が形成されることができる。さらに、図２２のように、上記電池ケース１２０は、電極組立体１の段差の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が各電極段１０の上側コーナー部及び他のコーナー部と密着するようにすること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曲面を含み、傾きの相違する２つ以上の傾斜面からなることができる。
本発明の電池セルの電極組立体に用いられる電極は、図２３に示した電極シートのような単一電極シートから複数の電極をカッティングすることにより形成される。各電極２１０は、電極シート２００の幅方向に沿って並び、且つ材料の廃棄量を最小化するために隣接して並ぶ。電極シート２００は、上記電極２１０が分離される前に位置２２０ａ及び２２０ｂでノッチングされる。位置２２０ｂは、図２４に明確に示されている。ノッチングは、上記電極シートをレーザーカッティングするか、マニュアル通り機械的工作するか又はパンチングすることにより行われる。
電極２１０の分離もレーザーカッティングによって行われる。しかしながら、レーザーでカッティングする場合、レーザーの精密度によって上記電極２１０の形態が不正確になる可能性がある。即ち、レーザー機械装置によって上記電極シート２００が隣接する電極２１０のエッジに沿って正確にカッティングされないと、電極２１０の最終形態が隣接する電極２１０の形態と相違する可能性がある。
このような相違する形態の電極を図２５に電極３１０で示した。エッジ突出部３３０は、シートがずれて整列された状態で隣接する電極のエッジ部がカッティングされることにより電極の外周部に形成される。また、上記ノッチングされた電極シートは、電極材料の応力集中によって隣接する電極の交差地点（即ち、図２３及び２４の非対称のラウンド状のコーナー部）で破れる可能性がある。
図２５に示しているようなエッジ突出部の発生を避けるために、電極シート４００は、図２６及び図２７に示しているような形で提供されることができる。電極シート４００の幅方向に沿って各電極４１０の延長部を含むように各電極４１０を電極シート４００の幅方向に並べた後、上記電極シート４００を位置４２０ａ及び４２０ｂでノッチングし、上記電極４１０を分離する。各延長部４４０は、基本的には、各電極４１０のエッジ部の外部に向かう突出部である。これは、電極シート４００の幅方向に沿って実質的に水平な方向に伸びる平面部４５０を提供する。このような方法において、廃棄される材料を最小化するために、各電極２１０は隣接する。頂上部でのノッチング機器の摩耗を防止するために、電極シート４００の幅方向に沿って測定したときに最小４ｍｍの平らな領域を有することが好ましい。
電極４１０は、電極シート４００から分離されるとき、図２８に示しているような形状を有する。２つの延長部４４０は最終的に外周部に含まれ、これは、組み立てられた電極組立体の最終形状と同一であっても良い。電極４１０は、非対称構造を有し、通常、長方形の外周部を有する物質の平面シートから形成される。上記外周部の少なくとも１つのコーナー４６０は、図２８に関する説明の通り、電極４１０の中心軸に対して非対称構造を有する。電極４１０は、長さ方向４９０及び幅方向４９５に沿って伸びる。長さ方向４９０の最大長さ４７０は、電極４１０によって決められる。また、電極４１０は、幅方向４９５に離隔した第１及び第２の線状縁４８０、４８２によって決められる。第１及び第２の線状縁４８０、４８２それぞれは最大長さ４７０より短い。
第１の線状縁４８０の末端４８０ａ、４８０ｂ及び上記第２の線状縁４８２の末端４８２ａ、４８２ｂにおける上記電極４１０の外周部は、幅方向４９５に対して実質的に平行な方向に対向する線状縁に向かって伸びている。したがって、末端４８０ａ、４８０ｂ、４８２ａ、４８２ｂは、通常、垂直方向に対向する側４８０又は４８２に向かって伸びており、平面部４５０を形成する。したがって、１つの延長部４４０は第１の線状縁４８０及び２つの隣接する平面部４５０を含み、第２の延長部４４０は第２の線状縁４８２及び２つの隣接する平面部４５０を含む。なお、平面部４５０は、上述及び図示では実質的に水平であり幅方向４９５に沿って伸びるとされているが、カーブを形成するか又は上記のように電極４１０の他の部分から伸びる延長部４４０のための十分な空間を提供するように形成されることもできる。
各延長部４４０は電極４１０の他の部分から突出し、各突出部４４０は反対に伸びる。各突出部４４０は、電極４１０の外周部に急激な変化を形成する。即ち、１つの線状縁及び隣接する２つの平面部を含む各延長部は、外周部と２つの平面部の連結地点で外周部の他の部分と交差する。このような連結地点は、例えば、シャープなカーブ又はコーナー部によって外周部に急激な変化を形成する。上記シャープなカーブ又はコーナーの角は、約３０〜１５０°（ｄｅｇｒｅｅ）、好ましくは約６０〜１２０°、より好ましくは約９０°である。一方、延長部４４０を有しない電極４１０と類似した仮想の電極の外周部と比較したとき、本電極４１０は、仮想の電極の外周部から外部へ突出する外周部を示す延長部４４０を含む。
電極４１０を製造する方法では、まず、幅方向４９５に沿って伸び、上部及び下部縁４８６、４８８を有するシート４００のような平面シートの材料を用意する。その後、隣接する電極の間の位置で上記上部及び下部縁４８６、４８８の１つに沿ってシート４００からノッチ（ｎｏｔｃｈ）４５５を除去する。これにより、図２７に示しているように、上部縁４８６にノッチ４５５が形成されることができる。なお、図２６に示しているように、下部縁４８８に更なるノッチが形成されることもできる。
各ノッチ４５５は、切断される上部又は下部縁４８６、４８８の一部、第１の隣接電極の外周部に該当する一部及び第２の隣接電極の外周部に該当する一部を含む外周部を定義する。図２７において、上記第１の電極は左側に位置し、第２の電極は右側に位置する。上記ノッチ４５５の外周部は、第１及び第２の電極の連結地点から幅方向４９５に対して平行な方向に沿って伸びる水平部を含む。上記水平部を図２７に示した。１つの平面部４５０は、第１及び第２の電極のそれぞれに配置される。上記平面部４５０は、上記２つの電極間の連結地点で合う。
次に、第１及び第２の電極を上記ノッチの水平部に垂直に交差する線に沿って分離する。上記線を図２７に線４５８で示した。上記線４５８は、上記電極の１つの第１の線状縁４８０及び上記電極のもう１つの第２の線状縁４８２と一致する。
他の方法によれば、ノッチング工程の代わりにパンチング工程を用いることにより、製造工程中に上記のようなエッジ突出を回避することができる。しかしながら、これは、新たな概念のノッチング及びラミネーション設備を必要とする。
さらに他の方法によれば、ノッチング技術を適用する代わりにレーザーで全工程を行うことにより、上記のように製造された電極におけるエッジ突出を回避することができる。上記レーザーを用いてノッチング部を除去することができる。この際、同じ形状を形成させるためには、両側をカッティングする２台のレーザーが電極シートの幅方向に沿って同時に運転されなければならない。
本発明の電池セル１００は、リチウムイオン電池又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、必ずしもこれらに限定されるものではない。
上記のような本発明の電池セル１００を単独で用いても良く、電池セル１００を少なくとも１つ以上含む電池パックの形で用いても良い。このような本発明の電池セル及び／又は電池パックは、多様なデバイス、例えば、携帯電話、携帯コンピューター、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、又は電力貯蔵装置等に有用に用いられることができる。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、その詳細な説明は省略する。
一方、本発明の電池セル又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、本発明の電池セル又は電池パックの構造によって形成された余剰空間にデバイスのシステム部品が位置するようにすることができる。本発明の電池セル又は電池パックは、サイズの相違する電極組立体１で形成されるため、電極組立体１自体が段差状に形成される。電池ケースを電極の形状に合わせて形成し、これをデバイスに装着すると、従来の角型又は楕円型電池セル又は電池パックにはなかった余剰空間が生じる。
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又は電池パックをフレキシブル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、デバイスの全体的な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 第１の電極段、第２の電極段
２０、３０ 電極タブ
４８０ 第１の線状縁
４８２ 第２の線状縁

Claims (33)

  1. 少なくとも１つの第１の電極ユニットを含む第１の電極段と、前記電極ユニットに対して面積の差を有する少なくとも１つの第２の電極ユニットを含む第２の電極段と、を含み、
    前記第１の電極段及び第２の電極段が少なくとも１つの分離膜を境界として隣接して積層され且つ前記第１の電極段及び第２の電極段の相互間の面積の差により形成された段差を有する電極積層体を１つ以上含み、
    前記第１の電極段及び第２の電極段のコーナー部の形状が相違する電極組立体であって、
    前記第１の電極ユニットはそれぞれ独立して負極、正極、及び少なくとも１つの負極と少なくとも１つの正極が分離膜を介して交互に積層されたユニットセルからなる群から選択され、
    前記負極又は正極の電極は長さ方向及び幅方向に沿って伸び、前記長さ方向の長さが最大であり、幅方向に沿って両末端に配置された第１及び第２の線状縁を有し、前記第１及び第２の線状縁は前記最大長さより短く、
    前記第１及び第２の線状縁のそれぞれの末端における少なくとも１つの外周部が幅方向に対して実質的に平行な方向に対向する線状縁に向かって伸びる少なくとも１つの水平部を含む、電極組立体。
  2. 前記電極積層体を形成する第１及び第２の電極段の少なくとも１つは前記段差を形成するコーナー部が曲面状である、請求項１に記載の電極組立体。
  3. 前記電極積層体を形成する第１の電極段及び第２の電極段は前記段差を形成するコーナー部が曲面状であり、曲面の曲率が相違する、請求項１に記載の電極組立体。
  4. 前記電極積層体は第１の電極段及び第２の電極段が少なくとも２つの辺と３つのコーナー部を共有する、請求項１に記載の電極組立体。
  5. 前記電極積層体は第１の電極段及び第２の電極段が少なくとも２つの辺と２つのコーナー部を共有する、請求項１に記載の電極組立体。
  6. 前記電極積層体は第１の電極段及び第２の電極段が少なくとも１つの辺と２つのコーナー部を共有する、請求項１に記載の電極組立体。
  7. 前記電極積層体は第１の電極段及び第２の電極段が少なくとも１つの辺と１つのコーナー部を共有する、請求項１に記載の電極組立体。
  8. 前記電極積層体は第１の電極段及び第２の電極段が少なくとも１つのコーナー部を共有する、請求項１に記載の電極組立体。
  9. 前記電極積層体は第１の電極段及び第２の電極段が１つの辺の一部を共有する、請求項１に記載の電極組立体。
  10. 前記電極積層体は前記第１の電極段が第２の電極段の面内に積層され、全ての辺及びコーナー部に段差を有する、請求項１に記載の電極組立体。
  11. 前記電極積層体は前記第１の電極段が第２の電極段の少なくとも２つの辺を共有し、全てのコーナー部に段差を有する、請求項１に記載の電極組立体。
  12. 前記電極積層体は前記電極ユニットが積層される高さ方向に電極ユニットの面積が小さくなるように積層される、請求項１に記載の電極組立体。
  13. 前記電極積層体は相互に隣接する電極ユニットの１つが他の電極ユニットの積層面内に含まれるように積層される、請求項１に記載の電極組立体。
  14. 前記電極ユニットは、それぞれの電極に対応する電極タブを有し、前記電極タブのそれぞれのサイズが同じか異なる、請求項１に記載の電極組立体。
  15. 前記電極タブは電極ユニットのいずれか１つの端部又は対向する端部に付着される、請求項１４に記載の電極組立体。
  16. 前記ユニットセルはそれぞれ独立してゼリーロール型、スタック型及びスタックアンドフォールディング型からなる群から選択される電極積層体である、請求項１に記載の電極組立体。
  17. 前記ユニットセルは少なくとも１つの段差を含む電極積層体である、請求項１６に記載の電極組立体。
  18. 前記面積の差を有する電極ユニットとこれに隣接する電極ユニットは前記分離膜を境界として対面する対面電極が相違する極性の電極である、請求項１に記載の電極組立体。
  19. 前記面積の差を有する電極ユニットとこれに隣接する電極ユニットのうち面積の大きい電極ユニットの対面電極が負極である、請求項１８に記載の電極組立体。
  20. 前記第２の電極ユニットはそれぞれ独立して負極、正極、及び少なくとも１つの負極と少なくとも１つの正極が分離膜を介して交互に積層されたユニットセルからなる群から選択され、
    前記負極又は正極の電極は長さ方向及び幅方向に伸び、長さ方向の長さが最大であり、幅方向に沿って両末端に配置された第１及び第２の線状縁を有し、前記第１及び第２の線状縁それぞれは第２の電極ユニットの前記最大長さより短く、
    前記第２の電極ユニットの第１及び第２の線状縁のそれぞれの末端における少なくとも１つの外周部が幅方向に対して実質的に平行な方向に対向する線状縁に向かって伸びる少なくとも１つの水平部を含む、請求項１に記載の電極組立体。
  21. 請求項１から２０のいず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. 前記電池ケースは前記電極組立体の表面に密着されて電極組立体を収納し且つ電極組立体の形状に対応して段差又は傾斜面を有する、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又はリチウムイオンポリマー二次電池である、請求項２２に記載の電池セル。
  25. 請求項２１に記載の電池セルを１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、又は電力貯蔵装置である、請求項２５に記載のデバイス。
  28. 外周部の少なくとも１つのコーナー部が電極の中心軸に対して非対称構造を有する平面シートを含む電極であって、
    前記電極は長さ方向及び幅方向に沿って伸び、前記長さ方向の長さが最大であり、幅方向に沿って両末端に配置された第１及び第２の線状縁を有し、前記第１及び第２の線状縁のそれぞれは前記最大長さより短く、
    前記第１及び第２の線状縁のそれぞれの末端における前記電極の少なくとも１つの外周部が幅方向に対して実質的に平行な方向に対向する線状縁に向かって伸びる少なくとも１つの水平部を含む非対称構造を有する、電極。
  29. 幅方向に沿って伸び、上部及び下部縁を有する平面シートを提供する段階と、
    隣接する第１及び第２の電極の間の位置で前記上部及び下部縁の１つに沿って前記平面シートのノッチを除去し、それぞれのノッチは上部又は下部縁の一部、第１の隣接電極の外周部に該当する一部及び第２の隣接電極の外周部に該当する一部を含む外周部を形成し、前記ノッチの外周部は第１及び第２の電極の連結地点から幅方向に対して平行な方向に伸びる水平部を含む、ノッチを除去する段階と、
    前記ノッチの水平部に垂直に交差する線に沿って第１及び第２の電極を分離する段階と、
    を含む、非対称構造を有する電極を製造する方法。
  30. 前記平面シートの前記ノッチを除去する段階はレーザーで前記ノッチをカッティングするものである、請求項２９に記載の非対称構造を有する電極を製造する方法。
  31. 前記平面シートの前記ノッチを除去する段階は機械で前記ノッチをパンチングするものである、請求項２９に記載の非対称構造を有する電極を製造する方法。
  32. 前記平面シートのノッチを除去する段階は隣接する第１及び第２の電極の間の位置で上部及び下部縁に沿って前記平面シートのノッチを除去するものである、請求項２９に記載の非対称構造を有する電極を製造する方法。
  33. 前記第１及び第２の電極を分離する段階はレーザーで前記線に沿ってカッティングして前記第１及び第２の電極を分離するものである、請求項２９に記載の非対称構造を有する電極を製造する方法。
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