JP5825436B2 - 電極タブ接合性に優れた電極組立体、これを含む電池セル、デバイス及びその製造方法 - Google Patents

電極タブ接合性に優れた電極組立体、これを含む電池セル、デバイス及びその製造方法 Download PDF

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本発明は、電極タブ接合性に優れた電極組立体、これを含む電池セル、デバイス及びその製造方法に関するもので、より詳細には、同一極性の電極タブのうち一部を同一平面上に重畳しないように配置することで、電極タブの接合性を改善させた電極組立体、これを含む電池セル、デバイス及びその製造方法に関する。
モバイル機器に対する技術開発及びニーズの増加に伴い、二次電池のニーズも急増している。このうち、エネルギー密度及び作動電圧が高く、保存及び寿命の特性に優れたリチウム二次電池は、各種の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。
一般に、リチウム二次電池は、電池ケースの内部に電極組立体及び電解質が密封される構造で形成され、外観によって大きく円筒型電池、角型電池、パウチ型電池など、電解液の形状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分けられる。最近のモバイル機器の小型化に伴い、厚さが薄い角型電池及びパウチ型電池に対するニーズが増加しており、特に、形状の変更が容易で、重量が小さいパウチ型電池に対する関心が高い実情にある。
一方、電池ケースに収納される電極組立体は、その形状によってゼリーロール型（巻取型）、スタック型（積層型）、スタック・アンド・フォールディング型（複合型）の構造に区分されることができる。一般に、ゼリーロール型電極組立体は、電流集電体として用いられる金属ホイルに電極活物質をコーティングしてプレスした後、所望する幅及び長さを有するバンド状に裁断し、分離フィルムを用いて負極と正極を隔膜してから螺旋状に巻いて製造される電極組立体を言う。また、スタック型電極組立体は、負極、分離膜、正極を垂直に積層する方式で製造される電極組立体を言う。なお、スタック・アンド・フォールディング型電極組立体は、単一電極または負極／分離膜／正極からなる電極積層体を長さが長いシート型の分離フィルムで巻いたり折ったりして製造される電極組立体を言う。
一方、上記電極組立体は、電気的連結のために、少なくとも一つ以上の負極電極タブ及び少なくとも一つ以上の正極電極タブを備えており、最近の大容量の具現のために、電極組立体に含まれる電極数が多くなるにつれ、電極組立体に備えられる電極タブの数も増える傾向にある。上記電極タブは電池ケースで包装される前に短絡されないように接合されることが一般的であり、接合された電極タブは電池ケースに備えられた電極端子に収容される。このような接合及び包装工程の容易性のために、従来は、図１の（ｂ）に示されているように、同一極性の全ての電極タブ１を平面上に同一位置を有するように配置することが一般的であった。しかし、電極組立体に備えられる電極タブの数が増加するにつれ、このような従来方法によって電極タブを配置する場合、電極タブの積層厚さが厚くなることによって電極タブの接合性が低下するのみならず、電極タブを収容するための電極端子のサイズが大きくなって電池セルのデザイン形状を阻害するという問題点が発生した。
また、多くの数の電極タブを接合するためには、十分に高いエネルギーが求められるが、このような場合、電極タブ接合のために高いエネルギーを用いると、最上部の電極タブに過度なエネルギーが伝達されて電極タブが焼けたり切れたりするなどの変形が発生しやすく、これを防止するために接合エネルギーを減らすと、下部に位置する電極タブが十分に接合されずに分離または剥離されるという問題点が発生する。図１４は１５個の単位セルがスタックされた電極積層体において従来方式通りに電極タブを接合したときの状態を示す写真である。図１４によると、電極タブが十分に接合されていないため分離され、一部の電極タブが焼けたことが分かる。これは、電極数が多い厚い電極組立体の場合、従来方式では電極タブを十分に接合できないことを意味する。
このため、スタック（ｓｔａｃｋ）数が多い電極組立体において、電極タブ間の接合性を改善させることができ、デザイン的に多様な形状を有する電池セルを製造することができる技術の開発が求められている。
本発明の目的は、上記のような問題点を解決するためのもので、電極タブの積層厚さを最小限にして電極タブ接合性に優れた電極組立体及びその製造方法を提供することにある。
本発明の一具現例によると、本発明は、少なくとも一つの負極、少なくとも一つの正極及び少なくとも一つの分離フィルムを含む電極積層体と、上記電極積層体を電気的に連結するための複数個の正極電極タブ及び複数個の負極電極タブと、を含み、上記電極タブは、同一極性の電極タブ同士が電気的に連結されるように配置され、同一極性の電極タブのうち一部が同一平面上に重畳されないように配置されることを特徴とする電極組立体を提供する。
このとき、上記電極タブは、異なる幅を有する２種以上の電極タブを含むことができる。例えば、上記電極タブは、相対的に広い幅を有する少なくとも一つ以上の第１電極タブと、上記第１電極タブより狭い幅を有し、重畳されないように配置される少なくとも一つ以上の第２電極タブ及び少なくとも一つ以上の第３電極タブと、を含むことができる。
また、上記第２電極タブ及び第３電極タブの幅の和が第１電極タブの幅より小さいことが好ましい。
また、本発明の電極積層体は、面積が異なる２種類以上の電極ユニットの組み合わせを含むことができる。この場合、上記面積が異なる電極ユニット間の境界面において相対的に面積が大きい電極ユニットの負極と相対的に面積が小さい電極ユニットの正極が対向されるように形成されることが好ましい。
また、上記電極ユニットは、単一電極と、少なくとも一つの正極、少なくとも一つの負極及び少なくとも一つの分離膜を含む少なくとも一つ以上の単位セルと、またはこれらの組み合わせからなることができる。このとき、上記単位セルは、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単位セルからなる群より選択されることができる。
また、本発明の電極積層体は、上記電極ユニットを構成する単一電極及び単位セルの一部または全部が少なくとも一つの長さが長いシート型分離フィルムによって覆われる構造で形成されることができる。
本発明の他の具現例によると、本発明は、上記のような本発明の電極組立体が電池ケースに内蔵される電池セルを提供する。このとき、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ることができる。
本発明のさらに他の具現例によると、本発明は、上記本発明の電池セルを一つ以上含むデバイスを提供する。このとき、上記デバイスは、携帯電話、携帯用コンピュータ、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ことができる。
本発明のさらに他の具現例によると、本発明は、少なくとも一つの負極、少なくとも一つの正極及び少なくとも一つの分離フィルムを含む電極積層体と、上記電極積層体を電気的に連結するための複数個の正極電極タブ及び複数個の負極電極タブと、を含む電極組立体の製造方法であり、上記電極タブを同一極性の電極タブ同士が電気的に連結されるように配置し、同一極性の電極タブのうち一部が同一平面上に重畳されないように配置する段階を含む電極組立体の製造方法を提供する。本発明の電極組立体の製造方法は、同一極性の電極タブを接合する段階をさらに含むことができる。このとき、上記接合は、例えば、超音波接合方式、レーザー接合方式、抵抗溶接方式またはこれらの組み合わせによって行われることができる。
本発明による電極組立体は、同一極性の電極タブのうち一部が平面上に重畳されないように配置されることで、電極タブの積層厚さが最小限になり、その結果、電極タブ接合性が改善されるとともに優れたデザインが具現できる。
従来の電極タブの配置を説明するためのもので、（ａ）は従来の電極タブの配置を示す平面図、（ｂ）は従来の電極タブの配置を示す断面図である。 本発明の一具現例による電極タブの配置を示すもので、（ａ）は本発明の電極タブの配置を示す平面図、（ｂ）は本発明の電極タブの配置を示す断面図である。 本発明の電極タブ配置の多様な具現例を示す断面図である。 本発明の電極タブ配置の多様な具現例を示す断面図である。 本発明の第１実施例による電極積層体の側面図である。 本発明の第２実施例による電極積層体の側面図である。 本発明の第３実施例による電極積層体の側面図である。 本発明の第４実施例による電極積層体の側面図である。 本発明の第５実施例による電極積層体の側面図である。 本発明の第６実施例による電極積層体の展開図である。 本発明の電極ユニットの積層例を説明するための図面である。 本発明の一実施例による電池セルの斜視図である。 本発明の他の実施例による電池セルの斜視図である。 従来方式通りに形成された電極タブの接合状態を示す写真である。
以下では、添付の図面を参照し、本発明の好ましい実施例について説明する。しかし、本発明の実施例は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施例に限定されない。また、本発明の実施例は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。
本発明は、少なくとも一つの負極、少なくとも一つの正極及び少なくとも一つの分離フィルムを含む電極積層体と、上記電極積層体を電気的に連結するための複数個の正極電極タブ及び複数個の負極電極タブと、を含み、上記電極タブは、同一極性の電極タブ同士が電気的に連結されるように配置され、同一極性の電極タブのうち一部が同一平面上に重畳されないように配置されることを特徴とする電極組立体を提供する。
このとき、同一極性の電極タブのうち一部が同一平面上に重畳されないように配置されるとは、同一極性を有する電極タブを一つの平面（一般に、電極組立体の水平方向の平面）上に投影させたとき、一部の電極タブの投影体が重畳されないように配置されることを意味する。本発明のように、同一極性の電極タブのうち一部が同一平面上に重畳されないように配置される場合、同一個数の電極タブを用いても、接合時の厚さが減少するため、電極タブの積層厚さの増加による接合性低下の問題を解決することができる。ただし、同一極性の電極タブが電気的連結を維持できるように、同一極性の電極タブのうち一部は重畳されるように形成されることが好ましい。
また、本発明において、上記電極タブは異なる幅を有する２種以上の電極タブを含むことがより好ましい。即ち、本発明の上記電極タブは、相対的に広い幅を有する電極タブ及び相対的に狭い幅を有する電極タブを含むことができる。このように、幅が異なる２種以上の電極タブを含む場合、同一極性の電極タブの電気的連結を維持しながら電極タブの積層厚さを減少させるのにより有利である。
図２から図４には、本発明の多様な電極タブの配置例が示されている。図２から図４に示されているように、本発明の電極タブは、例えば、相対的に広い幅を有する少なくとも一つ以上の第１電極タブ１０と、上記第１電極タブより狭い幅を有する少なくとも一つ以上の第２電極タブ２０と、少なくとも一つ以上の第３電極タブ３０と、を含むことができる。このとき、上記第２電極タブ２０及び第３電極タブ３０は同一平面上に重畳されないように配置され、それぞれの第２電極タブ２０及び第３電極タブ３０は同一平面上に第１電極タブ１０と重畳されるように配置される。このとき、上記第２電極タブ及び第３電極タブの幅は同一であっても、異なってもよい。図２及び図３の（ａ）及び（ｂ）には第２電極タブ及び第３電極タブの幅が異なる構成、図３（ｃ）及び図４には第２電極タブ及び第３電極タブの幅が同一である構成が示されている。
また、上記第２電極タブ及び第３電極タブは、第１電極タブと重畳されるように配置されていればよく、第１電極タブの面積内に全て含まれるように配置される必要はない。また、第１電極タブの面積を外れる部分があってもよい。ただし、電極タブが占める空間を最小限にするためには、上記第２電極タブ２０の幅及び第３電極タブ３０の幅の和が第１電極タブ１０の幅より小さいことがより好ましい。電極タブが占める空間が広い場合、これを収容する電極リードが長くなって外観に悪影響を及ぼす可能性があるためである。
また、本発明において、上記第１電極タブ１０、第２電極タブ２０及び第３電極タブ３０の積層順序は特に限定されない。例えば、本発明において、上記電極タブは、図２の（ｂ）に示されているように、相対的に広い幅を有する第１電極タブ１０上に第２電極タブ２０及び第３電極タブ３０が配置される構造で形成されてもよく、図３の（ａ）に示されているように、第１電極タブ１０が中間に位置し、上記第１電極タブの上部及び下部にそれぞれ第２電極タブ２０及び第３電極タブ３０が配置される構造で形成されてもよく、図３の（ｂ）に示されているように、第２電極タブ２０及び第３電極タブ３０の上部に第１電極タブ１０が配置される構造で形成されてもよい。また、図３の（ｃ）に示されているように、相対的に幅が広い第１電極タブ１０の下部に第２電極タブ２０が配置され、上記第１電極タブ１０の上部に第３電極タブ３０が配置される構造で形成されてもよい。なお、本発明の電極タブは、図４に示されているように、第１電極タブ１０の一面には第２電極タブ２２、２４、２６が配置され、第１電極タブ１０の下面には第３電極タブ３２、３４が配置される構造で形成されてもよい。他にも、多様な変形が可能で、このような変更例は全て本発明の範疇に属すると理解されなければならない。
また、本発明において、上記電極タブは、図４に示されているように、第１電極タブ１０より狭い幅を有する電極タブ２２、２４、２６、３２、３４を３種類以上含むことができる。
上記の通り、本発明の電極タブが異なる幅を有する場合は、電極タブ相互間に非常に多様な配置が可能になり、その結果、従来の電極タブ接合時に発生する多様な問題点を解決することができるのみならず、デザイン的な側面においても有利である。例えば、従来は、電極タブを上方から下方にプレスして接合する方式が一般的であったが、このような接合方式を用いる場合、電極積層体の最上部に連結された電極タブが過度に延伸されて破れるなどの損傷が加えられるという問題点があった。しかし、本発明の図３の（ａ）または（ｂ）に示されているように、幅が広い第１電極タブの上面及び下面に第２電極タブ及び／または第３電極タブを配置する構造を用いる場合は、電極タブを上部方向及び下部方向から同時または順次にプレスして接合させることができるため、電極積層体の最上端または最下端に連結された電極タブの過度な延伸を防止することができるという長所がある。また、このように、電極タブの接合位置を自由に調節することができることから、電池ケースに形成される電極端子の位置も自由に調節でき、多様なデザインを具現できるという長所がある。
また、上記図２から図４は同一極性を有する電極タブの配置を説明するためのもので、本発明の電極組立体は、上記のような配置を有する二つの電極タブ、即ち、正極電極タブ及び負極電極タブを備える。このとき、上記正極電極タブ及び負極電極タブそれぞれの電極タブ配置は同一であっても、異なってもよい。
なお、本発明において、上記電極タブは、同一極性の電極タブ同士が電気的に連結されるように配置されていればよく、正極電極タブ及び負極電極タブの形成位置に特に制限はない。即ち、本発明において、上記正極電極タブ及び負極電極タブは、電極積層体の全長方向または全幅方向の一面に並行に形成されてもよく、正極電極タブ及び負極電極タブが他面に形成されてもよい。
一方、本発明において、上記電極積層体は、少なくとも一つの負極、少なくとも一つの正極及び少なくとも一つの分離フィルムを含む構造体であればよく、特に限定されない。即ち、本発明において、電極積層体は、単一電極である負極と正極とが分離フィルムを介した状態で交互積層される形態であってもよく、負極、正極及び分離フィルムからなる単位セルが積層される形態であってもよく、単一電極及び／または単位セルが長さが長いシート型の分離フィルムによって巻かれた形態であってもよく、単位セル及び単一電極が組み合わされる形態であってもよい。
このとき、上記単位セルは、シート型負極及びシート型正極を分離膜フィルムを用いて隔膜した後、螺旋状に巻いて製造されるゼリーロール方式で製造された電極構造体と、少なくとも一つ以上の負極、少なくとも一つ以上の分離膜及び少なくとも一つ以上の正極を順に積層して製造されるスタック方式で製造された電極構造体と、単一電極及び／またはスタック型単位セルを長さが長いシート型分離フィルム上に配置してからフォールディングするスタック・アンド・フォールディング方式で製造された電極構造体と、を全て含む概念で理解されなければならない。本明細書では、便宜上、ゼリーロール方式で製造された単位セルをゼリーロール型単位セル、スタック方式で製造された単位セルをスタック型単位セル、スタック・アンド・フォールディング方式で製造された単位セルをスタック・アンド・フォールディング型単位セルと称する。
また、本明細書において、上記「スタック型」という用語は、正極、分離膜、負極を一つずつ順に積層する従来方式で製造される方式のみならず、負極／分離膜／正極／分離膜または正極／分離膜／負極／分離膜のような順次積層構造を有する基本単位体を製造した後、この基本単位体を分離膜を介在して積層する方式（一般に、「ラミネーション・アンド・スタック方式」と称される）を含む概念である。このとき、上記基本単位体は、正極及び負極を２つ以上含むことができ、基本単位体の最外郭面のうち一面は分離膜で構成され、他面は電極で構成されることができる。上記ラミネーション・アンド・スタック方式で製造された電極積層体の場合、上記した基本単位体のみで形成される必要はなく、上記の基本単位体に他の構造の電極構造体及び／または分離膜を追加して使用することもできる。例えば、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、最上層部または最下層部に分離膜／正極／分離膜または分離膜／負極／分離膜からなる電極構造体及び分離膜を使用し、残りの部分に上記基本単位体を含ませる形態で構成されることができる。上記ラミネーション・アンド・スタック方式で製造された電極積層体の場合、全ての電極積層体に含まれる正極及び負極の個数の和と分離膜の個数が同一に構成されてもよく、電極積層体の最外郭に分離膜などを含ませることで、分離膜の個数が正極及び負極の個数の和より一つ多く構成されてもよい。
なお、上記「スタック・アンド・フォールディング」という用語は、長さが長いシート型分離フィルム上に単一電極及び／またはスタック型単位セルを配置してからフォールディングする方式を通称するもので、フォールディング方式に特に制限はなく、当該技術分野において広く知られている多様なフォールディング方式、例えば、シート型分離フィルムをジグザグ状に折る方式（Ｚ−フォールディング型または屏風型と称される）やシート型分離フィルムの一面にスタック型単位セルを配置して一方向に巻く方式、シート型離フィルムの両面に単一電極を交互に配置してからシート型分離フィルムを巻く方式などのような多様なフォールディング方式を全て包括する概念で理解されなければならない。
一方、本発明の上記電極積層体に含まれる正極、負極及び分離膜の材質は、特に限定されず、当該技術分野に知られている正極、負極及び分離膜を制限なく用いることができる。例えば、上記負極は、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種以上含まれた合金によって製造された負極電流集電体にリチウム金属、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、スズ化合物、チタニウム化合物またはこれらの合金などのような負極活物質をコーティングして形成されたものであることができる。また、上記正極は、例えば、アルミニウム、ニッケル、銅またはこれらのうち少なくとも１種以上含まれた合金によって製造された正極電流集電体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、リチウムリン酸鉄またはこれらのうち１種以上含まれた化合物及び混合物などのような正極活物質をコーティングして形成されたものであることができる。このとき、一つの単位セルを構成する正極及び負極において電極活物質がコーティングされる面積は同一であってもよく、異なってもよい。また、上記電極活物質は、電流集電体の両面にコーティングされてもよく、無地部などの形成のために電流集電体の端面にコーティングされてもよく、必要に応じて、電流集電体表面の一部または全部にコーティングされてもよい。
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って製造される多層フィルム、またはポリビニリデンフルオリド、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、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もしくはゲル状高分子電解質用高分子フィルムであることができる。
一方、本発明において、上記電極積層体に含まれる単一電極及び／または単位セルのサイズや形状などは特に限定されない。即ち、本発明の電極積層体に含まれる単一電極及び／または単位セルは、同一形状及び／またはサイズを有することができ、異なる形状及び／またはサイズを有することもできる。本発明の電極積層体に含まれる単一電極及び／または単位セルが異なるサイズまたは形状を有する場合は、より多様な形状を具現することができるという長所がある。
例えば、本発明の電極積層体は、面積が異なる２種類以上の電極ユニットの組み合わせを含み、上記電極ユニット間に段差が形成されるように積層されたものであることができる。このとき、上記面積とは、電極ユニットの積層方向に対して直交する方向（以下、「平面方向」とする）の表面面積を意味する。
また、「電極ユニット」とは、本発明の段差がある電極積層体における一層を構成する基本単位を称するもので、それぞれの電極ユニットは、負極または正極のような単一電極と、少なくとも一つ以上の単位セルと、またはこれらの組み合わせからなることができる。
ここで、上記の通り、面積が異なる２種類以上の電極ユニットの組み合わせを含む場合、上記面積が異なる電極ユニット間の境界面に異なる極性の電極が対向されるように形成することが好ましい。これは、面積が異なる電極ユニット間の境界面に異なる極性の電極が配置される場合、電極ユニット間の境界面にも電気が貯蔵されることができ、電気容量が増加する効果があるためである。また、相対的に面積が大きい電極ユニットの負極及び相対的に面積が小さい電極ユニットの正極が対向されるように形成することがより好ましい。これは、面積が異なる電極ユニット間の境界面に面積が大きい電極ユニットの正極が配置される場合、大きい面積を有する電極ユニットの正極からリチウム金属が析出されて電池の寿命が減少したり、電池の安定性が低下するという問題点が発生する可能性があるためである。ここで、上記「対向」という用語は、相対する方向に配置されていることを意味し、対向する両電極が接触する必要はなく、両電極の間に他の構成要素、例えば、分離膜及び／またはシート型分離フィルムが介在される場合を包括する概念である。
一方、本発明において、上記電極積層体を構成する電極ユニットは、非常に多様な組み合わせで形成されることができる。以下では、図面を参照して本発明の電極ユニットの構成をより具体的に説明する。図５から図１０には、本発明による電極積層体における電極ユニットの構成を示す多様な実施例が示されている。
例えば、図５には本発明の一実施例としてスタック型単位セルからなる電極ユニットを含む電極積層体が示されている。図５に示されているように、本発明の電極積層体は、面積が異なる３種の電極ユニット１１０、１２０、１３０からなることができる。このとき、上記電極ユニットは、正極４０及び負極５０が分離膜６０を介して積層されたスタック型単位セルを含んで構成されることができる。ここで、上記それぞれの電極ユニットは、電極ユニット１３０のように一つの単位セル１０５からなることができ、電極ユニット１１０または１２０のように面積が同一である２つ以上の単位セル１０１、１０２、１０３、１０４の組み合わせからなることもできる。また、図５には電極ユニットを構成する単位セルが全てスタック型単位セルである場合が示されているが、本発明はこれに限定されない。即ち、本発明において、電極ユニットは、スタック型単位セルの他にゼリーロール型単位セル、スタック・アンド・フォールディング型単位セルで構成されてもよく、これら単位セルと単一電極の組み合わせからなってもよく、異なる種類の単位セルの組み合わせからなってもよい。
例えば、図６にはゼリーロール型単位セルと単一電極の組み合わせからなる電極ユニットを含む電極積層体が示されている。図６に示されているように、本発明の電極積層体は、例えば、面積が異なる２種の電極ユニット２１０、２２０からなることができる。このとき、相対的に面積が小さい電極ユニット２１０はゼリーロール型単位セル２０１と単一電極２０２の組み合わせからなり、相対的に面積が大きい電極ユニット２２０はゼリーロール型単位セル２０３からなることができる。ここで、ゼリーロール型単位セル２０１、２０３は、負極シート５０'及び正極シート４０'が分離膜６０'を介した状態で巻取され、電池の安定性を考慮するとき、負極シートが外側に出るように巻取されることが好ましく、上記単一電極２０２は正極であることが好ましい。また、図６にはゼリーロール型単位セルと単一電極の組み合わせからなる電極ユニット及び一つのゼリーロール型単位セルからなる電極ユニットが示されているが、本発明はこれに限定されず、スタック型単位セル及び／またはスタック・アンド・フォールディング型単位セルと単一電極を組み合わせて一つの電極ユニットを構成したり、異なる２種以上の単位セルを組み合わせて一つの電極ユニットを構成することもできる。
例えば、図７に示されているように、スタック型単位セルとスタック・アンド・フォールディング型単位セルを組み合わせることで、本発明の電極積層体を具現することもできる。図７に示されているように、本発明の電極積層体は、面積が異なる３種の電極ユニット３１０、３２０、３３０からなることができる。このとき、最も面積が小さい電極ユニット３１０及び最も面積が大きい電極ユニット３３０はスタック型単位セルからなり、中間面積の電極ユニット３２０はスタック・アンド・フォールディング型単位セルからなることができる。このうち、最も面積が小さい電極ユニット３１０は、負極５０／分離膜６０／正極４０／分離膜６０／負極５０／分離膜６０／正極４０の構造を有するスタック型単位セルからなることができ、最も面積が大きい電極ユニット３３０は、負極５０／分離膜６０／正極４０／分離膜６０／負極５０／分離膜６０／正極４０／分離膜６０／負極５０の構造を有するスタック型単位セルからなることができる。このように、本発明の単位セルは、最外郭における両面に配置される電極の極性が同一であってもよく、異なってもよく、一つの単位セルに一つ以上の正極及び／または一つ以上の負極を含んでもよい。また、中間面積の電極ユニット３２０は、シート型分離フィルム７０によって負極、正極及び分離膜を含む電極積層体が巻かれて積層されたスタック・アンド・フォールディング型単位セルからなることができる。
一方、図８には単一電極からなる電極ユニット４２０及び一つ以上の単位セル４０１、４０２からなる電極ユニット４１０を含む電極積層体が示されている。
また、本発明の電極積層体は、電極ユニットを構成する単一電極及び単位セルの一部または全部が少なくとも一つのシート型分離フィルムによって覆われている構造からなることもできる。図９はシート型分離フィルムによって電極ユニットを構成する単一電極及び単位セルの一部または全部が覆われている構造で形成された本発明の電極積層体の一具現例を示す。図９に示されているように、電極ユニット５１０、５２０、５３０を構成する単位セル５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７をシート型分離フィルム７０を用いて覆う場合、シート型分離フィルム７０によって電池膨張が抑制される効果があるため、電池の安定性をより向上させることができる。一方、図９では、点線に示される部分にシート型分離フィルムがなくてもよい。
なお、図９にはシート型分離フィルムがスタック型単位セル５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７をジグザグ方式で覆うように示されているが、本発明はこれに限定されず、シート型分離フィルムで単一電極及び／または単位セルを巻く方式は多様に具現されることができる。
例えば、図１０に示されているように、シート型分離フィルム７０上に面積が異なるスタック型単位セル６０１、６０２、６０３、６０４、６０５、６０６、６０７を適切な間隔で配列した後、シート型分離フィルムを巻くことで本発明の電極積層体を製造することができる。
また、図面に示されてはいないが、シート型分離フィルムの一面に正極を所定の間隔で配列し、その反対面に負極を所定の間隔で配列した後、シート型分離フィルムを巻く方式で本発明の電極積層体を製造したり、２枚のシート型分離フィルムを用意し、このうち一つのシート型分離フィルムには負極を所定の配列で積層し、他の一つのシート型分離フィルムには正極を所定の配列で積層した後、２枚のシート型分離フィルムをともに巻く方式で電極積層体を製造することもできる。他にも、シート型分離フィルムを用いて電極ユニットの一部または全部を覆う方法は、製造しようとする電極積層体の形状などによって多様に存在することができ、このような多様な変更例は全て本発明の範疇に属する。
以上で説明した通り、本発明の電極積層体において、一つの電極ユニットは、単一電極、少なくとも一つ以上の単位セルまたはこれらの組み合わせからなることができる。このとき、上記単位セルとしては、当該技術分野において一般的に用いられる多様な単位セル、例えば、スタック型、ゼリーロール型、スタック・アンド・フォールディング型単位セル及び／またはこれらの組み合わせが制限なく用いられることができる。
また、本発明の電極積層体は、図６及び図８に示されているように、異なる面積を有する２種の電極ユニットで構成されることができ、図５、図７及び図９に示されているように、異なる面積を有する３種の電極ユニットで構成されることもできる。なお、図面に示されてはいないが、異なる面積を有する４種以上の電極ユニットで構成されることもできる。
上記図５から図１０に示されたもの以外にも、多様な電極ユニットの組み合わせが存在することができ、このような変更例は全て本発明の範疇に含まれるものと理解されなければならない。
一方、本発明の電極積層体に含まれる電極ユニットは、その形状が同一であっても、異なってもよい。例えば、本発明の電極ユニットは、長方形、正方形、台形、平行四辺形、ひし形などのような四角形で形成されることができる。または、一つ以上の縁が面取りされたり、曲線からなる四角形であったり、一つ以上の辺が曲線からなる形状であることもできる。他にも、多様な形状の電極ユニットが存在することができ、このような変更例は全て本発明の範疇に属するものと理解されなければならない。このように、電極ユニットの形状を多様に形成することで、多様な形状のバッテリーデザインを具現することができるとともに、空間活用度も向上させることができる。
また、本発明において、上記面積が異なる２種以上の電極ユニットは多様な配列で積層されることができる。電極ユニットの積層方法は特に限定されず、例えば、図１１の（ａ）、（ｂ）、（ｄ）に示されているように、下部方向から上部方向に行くほど電極ユニットの面積が小さくなる配列で電極ユニットが積層されてもよく、図１１の（ｅ）に示されているように、下部方向から上部方向に行くほど電極ユニットの面積が大きくなる配列で電極ユニットが積層されてもよく、または図１１の（ｃ）に示されているように、最も面積が大きい電極ユニットが電極積層体の中間層に配列される方式で電極ユニットが積層されてもよい。
なお、本発明の電極積層体において、上記電極ユニットは、例えば、図１１の（ａ）に示されているように、それぞれの電極ユニットの一縁が一致する階段型配列で積層されてもよく、図１１の（ｂ）に示されているように、それぞれの電極ユニットの平面方向の中心点が一致するピラミッド型配列で積層されてもよく、または図１１の（ｄ）に示されているように、それぞれの電極ユニットの平面方向の中心点が所定の間隔または不規則的に離隔されている配列で積層されてもよい。他にも、非常に多様な積層配列の変形が可能で、このような多様な変更例は本発明の範疇に属するものと理解されなければならない。
一方、上記のように面積が異なる２種以上の電極ユニットを含む電極積層体を用いた場合は、電極ユニットごとに電気容量が異なるため、それぞれの電極ユニットにおいて最適化された電極タブのサイズが異なる可能性がある。したがって、面積が異なる２種以上の電極ユニットを含む電極積層体を用いる場合、それぞれの電極ユニットの容量によって最適化されたサイズを有する電極タブを選択し、これら電極タブのうち一部のみ重畳されるように配列する場合、電極タブの接合性を向上させ、電気容量を最大限にすることはもちろん、多様な電池デザインを具現できる効果を得ることができる。また、面積が異なる電極ユニットに最適化された電極タブの幅は、各電極ユニットの容量、全体電池の容量、デザイン的な要素などのような多様なスペックを考慮して当業者が適宜設計できる事項であるため、特に限定されない。例えば、電池安定性や電流密度などを考慮するとき、電極ユニットの容量（単位：Ａ）に対する電極タブの垂直断面積（即ち、電極タブの幅（ｍｍ）×厚さ（ｍｍ））の比率が０．０１５以上になるように設計することができる。
また、上記のような本発明の電極組立体は、上記電極タブを同一極性の電極タブ同士が電気的に連結されるように配置し、同一極性の電極タブのうち一部が同一平面上に重畳されないように配置する段階を含む製造方法によって製造されることができ、上記のような電極タブの配置は単一電極及び／または単位セルにおいて電極タブを形成する位置を調節することで行われることができる。なお、上記電極組立体及び電極タブの具体的な構成は上記で説明した通りであるため省略する。
一方、本発明の電極組立体の製造方法は、同一極性の電極タブを接合する段階をさらに含むことができる。上記電極タブの接合段階は、電池ケースの包装後に電極タブを電極リードに挿入するためのもので、このとき、上記接合は、例えば、超音波接合方式、レーザー接合方式、抵抗溶接方式またはこれらの組み合わせによって行われることができ、具体的な接合条件は積層される電極タブの厚さや段数などによって設計者が適宜変更することができる。
以下では、本発明の電池セルについて説明する。図１２及び図１３には本発明の電池セルの一実施例が示されている。図１２及び図１３に示されているように、本発明の電池セル９００は、電池ケース９１０の内部に本発明の電極組立体１００が内蔵されることを特徴とする。
このとき、上記電池ケース９１０は、パウチ型ケースで、電極組立体の形状に対応する形状であることができるが、これに限定されない。
一方、上記パウチ型ケースは、ラミネートシートからなることができる。このとき、上記ラミネートシートは、最外郭をなす外側樹脂層、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、これに限定されない。
また、上記電池ケースは、電極組立体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９２０、９３０が外部に露出する構造で形成されることが好ましく、図面に示されてはいないが、上記電極リードの上下面には電極リード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。一方、本発明において、上記電極リードは、正極電極タブ及び負極電極タブの形成位置によって多様な位置に形成されることができる。例えば、図１２のように正極リード９２０及び負極リード９３０が電極組立体の一面に並行に形成されることができ、図１３のように正極リード９２０及び負極リード９３０が異なる面に形成されることもできる。
なお、上記電池ケースは、本発明の電極組立体の形状に対応する形状を有するように形成されることができ、このような電池ケースの形状は電池ケース自体を変更して形成する方式で形成されることができる。このとき、電池ケースの形状及びサイズと電極組立体の形状及びサイズが完全に一致する必要はなく、電極組立体のずれ現象による内部短絡を防止できるほど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が用いられることができる。
上記電池セルは、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、これに限定されない。
上記のような本発明の電池セルは、単独で用いられることができ、電池セルを少なくとも一つ以上含む電池パックの形態で用いられることもできる。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、携帯電話や携帯用コンピュータ、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利に用いられることができる。これら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、本明細書ではこ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って形成された剰余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、サイズが異なる電極組立体で形成されるため、電極組立体自体が段差を有するように形成され、電池ケースを電極形状に合うように形成し、これをデバイス装着すると、従来の角形または楕円形の電池セルまたは電池パックには存在しなかった剰余空間が発生するようになる。このような剰余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のみならず、全体のデバイスの厚さまたは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。

Claims (17)

  1. 少なくとも一つの負極、少なくとも一つの正極及び少なくとも一つの分離フィルムを含む電極積層体と、前記電極積層体を電気的に連結するための複数個の正極電極タブ及び複数個の負極電極タブと、を含み、
    前記電極タブは、同一極性の電極タブ同士が電気的に連結されるように配置され、同一極性の電極タブのうち一部が同一平面上に重畳されないように配置され、
    前記電極タブは、異なる幅を有する２種以上の電極タブを含む、電極組立体。
  2. 前記電極タブは、相対的に広い幅を有する少なくとも一つ以上の第１電極タブと、前記第１電極タブより狭い幅を有し、重畳されないように配置される少なくとも一つ以上の第２電極タブ及び少なくとも一つ以上の第３電極タブと、を含む、請求項１に記載の電極組立体。
  3. 前記第２電極タブ及び前記第３電極タブの幅の和が前記第１電極タブの幅より小さい、請求項２に記載の電極組立体。
  4. 前記電極積層体は、面積が異なる２種類以上の電極ユニットの組み合わせを含む、請求項１から３の何れか１項に記載の電極組立体。
  5. 前記電極積層体は、面積が異なる２種類の電極ユニットの組み合わせを含む、請求項４に記載の電極組立体。
  6. 前記電極積層体は、面積が異なる３種類の電極ユニットの組み合わせを含む、請求項４に記載の電極組立体。
  7. 前記面積が異なる電極ユニット間の境界面において相対的に面積が大きい電極ユニットの負極と相対的に面積が小さい電極ユニットの正極が対向されるように形成される、請求項４から６の何れか１項に記載の電極組立体。
  8. 前記電極ユニットは、単一電極と、少なくとも一つの正極、少なくとも一つの負極及び少なくとも一つの分離膜を含む少なくとも一つ以上の単位セルと、またはこれらの組み合わせからなる、請求項４から７の何れか１項に記載の電極組立体。
  9. 前記単位セルは、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単位セルからなる群より選択される、請求項８に記載の電極組立体。
  10. 前記電極ユニットを構成する単一電極及び単位セルの一部または全部が少なくとも一つのシート型分離フィルムによって覆われる構造からなる、請求項４から９の何れか１項に記載の電極組立体。
  11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の電極組立体が電池ケースに内蔵される、電池セル。
  12. 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１１に記載の電池セル。
  13. 請求項１１の電池セルを一つ以上含む、デバイス。
  14. 前記デバイスは、携帯電話、携帯用コンピュータ、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１３に記載のデバイス。
  15. 少なくとも一つの負極、少なくとも一つの正極及び少なくとも一つの分離フィルムを含む電極積層体と、前記電極積層体を電気的に連結するための複数個の正極電極タブ及び複数個の負極電極タブと、を含み、
    前記電極タブを同一極性の電極タブ同士が電気的に連結されるように配置し、同一極性の電極タブのうち一部が同一平面上に重畳されないように配置する段階を含み、
    前記電極タブは、異なる幅を有する２種以上の電極タブを含む、電極組立体の製造方法。
  16. 同一極性の電極タブを接合する段階をさらに含む、請求項１５に記載の電極組立体の製造方法。
  17. 前記接合は、超音波接合方式、レーザー接合方式、抵抗溶接方式またはこれらの組み合わせによって行われる、請求項１６に記載の電極組立体の製造方法。
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