JP5834149B2 - 電極組立体及びそれを用いた二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池及びそれに使用される電極組立体に関し、より詳しくは、二次電池の製造時に電解液の含浸（ｗｅｔｔｉｎｇ）性に優れ、脱気（ｄｅｇａｓｓｉｎｇ）が容易な電極組立体及びそれを含む二次電池に関する。

本出願は、２０１１年１２月２７日出願の韓国特許出願第１０−２０１１−０１４３７６２号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。

一般に、二次電池は充電が不可能な一次電池と違い、充放電が可能な電池を意味し、携帯電話、ノートパソコン、カムコーダなどの電子機器、または電気自動車などに広く使用されている。特に、リチウム二次電池は、電子装備の電源として多く使用されるニッケル‐カドミウム電池（ＮｉＣｄ）またはニッケル‐水素蓄電池（ＮｉＭＨ）より約３倍の容量を有し、単位重量当たりエネルギー密度が高いため、その活用が急増している。

このようなリチウム二次電池は、主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、このような正極活物質が塗布された正極板及び負極活物質が塗布された負極板がセパレータを介して配置された電極組立体と、電極組立体及び電解液を共に密封収納する電池ケースとを備える。

なお、リチウム二次電池は、電池ケースの形態によって、電極組立体が金属缶に内蔵されている缶型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに内蔵されているパウチ型二次電池とに分類され得る。通常、缶型二次電池の場合、正極板と負極板、すなわち電極板が巻き取られた形態で電池缶に収納され、パウチ型二次電池の場合、電極板が積層または巻き取られた形態で電池缶に収納される。

図１は、セパレータ１０の折り畳むことにより電極板を積層する形態の従来の二次電池用電極組立体の構成を概略的に示した斜視図である。

図１を参照すれば、従来の二次電池用電極組立体は、複数の正極板２０と負極板３０とがセパレータ１０を介して対面する形態で構成され、正極板２０には正極タブ２１、負極板３０には負極タブ３１が取り付けられる。このとき、セパレータ１０は、正極板２０と負極板３０との間に介在されて積層されるとき、各層毎に別途分離された形態で構成され得るが、製造工程上の便宜性と構造的安定性のため、図に示されたように一つのセパレータ１０が長く延長された形態で構成されて正極板２０と負極板３０の側面で折り畳まれる形態が広く用いられている。

そして、このように構成された電極組立体は、電池ケースに収納されて電解液の注入工程、活性化工程、及び脱気工程などを経て二次電池として製造される。

しかし、図に示されたようにセパレータ１０が折り畳まれた形態の電極組立体構造によれば、セパレータ１０が折り畳まれた部位で電解液の浸透、または、ガス排出が容易ではない。

図２は、図１の方式によって構成された電極組立体の上面図である。

図２に示されたように、セパレータ１０が折り畳まれた従来の電極組立体の構成によれば、電極板への電解液の浸透及びガスの排出が制限的に行われるしかない。すなわち、従来の電極組立体の構成における電解液の注入またはガスの排出は、図面の矢印ａ及びｂで示されたように、セパレータ１０によって遮られていない、電極タブが位置する図の前方側またはその反対側で行われるしかない。そして、電極板の側面が位置する図の左側または右側ではセパレータ１０で遮られているため、この部分では電極組立体外部の電解液が浸透するか、または、電極組立体内部のガスが排出することができない。

従って、このような構成によれば、電極板に電解液が含浸し難く、脱気工程も円滑に行われない。そのため、二次電池の製造にかかる時間及びコストが嵩むことはいうまでもなく、二次電池の性能及び寿命にも良くない影響を及ぼす。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電極板への電解液の含浸性を向上させ、ガス排出が円滑に行われるように構造が改善された電極組立体及びそれを使用する二次電池を提供することを目的とする。

本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解され得、本発明の実施例によって更に明確に理解され得る。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示された手段及びその組合せによって実現できることが容易に理解され得る。

上記の課題を達成するため、本発明による電極組立体は、電極集電体に正極活物質が塗布された一つ以上の正極板；電極集電体に負極活物質が塗布された一つ以上の負極板；及び前記正極板と前記負極板との間に介在され、ベント（ｖｅｎｔ）が一つ以上形成されたセパレータを含む。

望ましくは、前記セパレータは前記正極板と前記負極板の側面で折り畳まれ、前記ベントは該折り畳み部位に形成される。

更に望ましくは、前記セパレータの折り畳み方向は、各層毎に同一である。

また、望ましくは、前記セパレータの折り畳み方向は各層毎に逆方向に変わる。

また、望ましくは、前記セパレータは前記正極板及び前記負極板と共に複数の層に巻き取られる。

また、上記のような目的を果たすための本発明による二次電池は、前記電極組立体及び電池ケースを含む。

本発明によれば、二次電池の製造時に電極組立体の外部に存在する電解液が、電極組立体の内部に浸透し易くなる。従って、電極板への電解液の含浸性を向上させることで、電池の性能及び寿命を向上させることができる。

また、本発明によれば、電極組立体の内部でガスが発生するとき、ガスを円滑に排出することができる。特に、充放電を繰り返す活性化工程で発生するガスを排出するための脱気工程で、電極板の間のガスを外部に円滑に排出することは勿論、電池の使用中に発生するガスも円滑に排出することができる。従って、電極板の間のガスの発生によって電極組立体が歪む現象を防止することで、電極組立体の構造的安定性を向上させ、電池の性能及び安全性を改善することができる。

また、このような電解液の浸透及びガスの排出の容易性により、電解液の注入及び脱気工程に必要な時間が短縮して二次電池の製造時間及びコストを減少させることができる。

本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
セパレータ１０を折り畳んで電極板を積層する形態の従来の二次電池用電極組立体の構成を概略的に示した斜視図である。 図１の方式によって構成された電極組立体の上面図である。 本発明の一実施例による二次電池用電極組立体の構成を概略的に示した斜視図である。 図３の方式によって構成された電極組立体の上面図である。 図３のｅ‐ｅ’線部分断面図である。 本発明の他の実施例によるセパレータ１００のベント１１０の構成を示した部分断面図である。 本発明の他の実施例によるセパレータ１００のベント１１０の構成を概略的に示した図である。 本発明の他の実施例によるセパレータ１００のベント１１０の構成を概略的に示した図である。 本発明の他の実施例によるセパレータ１００のベント１１０の構成を概略的に示した図である。 本発明の他の実施例によるセパレータ１００のベント１１０の構成を概略的に示した図である。 本発明の他の実施例による二次電池用電極組立体の構成を概略的に示した斜視図である。 本発明の更に他の実施例による二次電池用電極組立体の構成を概略的に示した斜視図である。 図１２のｆ‐ｆ’線断面図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。

従って、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

なお、本明細書には「上部」、「下部」、「左側」及び「右側」など、方向を示す用語が記載されているが、これは相対的な位置を表すものに過ぎず、電極組立体を眺める位置などによって変わり得ることは本発明の当業者にとって自明である。

図３は、本発明の一実施例による二次電池用電極組立体の構成を概略的に示した斜視図である。

図３を参照すれば、本発明による電極組立体は、正極板２００、負極板３００及びセパレータ１００を含む。

前記正極板２００は、電極集電体に正極活物質が塗布される形態で構成され、前記負極板３００は、電極集電体に負極活物質が塗布される形態で構成される。そして、このような正極板２００と負極板３００には、それぞれ正極タブ２０１と負極タブ３０１が突設され得る。

望ましくは、図３に示されたように、正極板２００及び負極板３００はそれぞれ複数備えられて交互に積層され得る。このような実施例によれば、正極板２００及び負極板３００が複数存在するため、二次電池の容量を向上させることができる。但し、本発明が必ずしもこのような構成に限定されることはなく、正極板２００及び負極板３００をそれぞれ一つずつ備える形態も可能であることは勿論である。

前記セパレータ１００は、このような正極板２００と負極板３００との間に介在される。例えば、図３に示されたように、セパレータ１００を中心に上部には正極板２００、下部には負極板３００が位置し得る。そして、セパレータ１００は、正極板２００と負極板３００との間を絶縁させると共に、正極板２００と負極板３００との間で活物質イオンの交換を助ける。

前記セパレータ１００は、長く延長された形態で具現され得るが、この場合、図３に示されたように複数の正極板２００及び複数の負極板３００が互いに所定距離離隔した状態に配置され得る。例えば、複数の正極板２００はセパレータ１００の上部で、複数の負極板３００はセパレータ１００の下部でそれぞれ所定距離離隔した状態で配置され得る。

そして、このように上部及び下部にそれぞれ正極板２００及び負極板３００が配置されたセパレータ１００は、正極板２００と負極板３００の側面部分で折り畳まれ、正極板２００と負極板３００とがセパレータ１００を介して互いに対面するように配置され得る。すなわち、図３を参照すれば、セパレータ１００は正極板２００と負極板３００が位置しない部分で折り畳まれ得る。

このとき、セパレータ１００は、各層毎に同一方向に折り畳まれ得る。例えば、図３に示されたように正面からみたとき、セパレータ１００は反時計回りに折り畳まれる形態で具現され得る。

特に、本発明による電極組立体のセパレータ１００は、図３に示されたように折り畳まれた部分にベント１１０が形成されている。ここで、ベント１１０とは、電解液やガスが流入及び流出できる通路であって、このような役割を果たせるものであればその用語によって制限されることはない。例えば、ベント１１０は、溝、隙間、穴、孔などのような多様な用語で表現され得る。

前記実施例によれば、電解液の注入工程で電解液がより容易に浸透でき、脱気工程または電池の使用中のガス流出がより円滑に行われる。

図４は、図３の方式によって構成された電極組立体の上面図である。

図４を参照すれば、電解液の浸透は矢印ａで示されたように、セパレータ１００によって遮られていない前面及び後面から行われる。また、電解液は、矢印ｃで示されたようにセパレータ１００によって遮られている側面でも浸透できる。すなわち、セパレータ１００が折り畳まれた電極板の側面に、ベント１１０が形成されているため、このようなベント１１０を通じて電解液が流入することができる。従って、電極組立体の外部にある電解液が電極組立体の内部に容易に流入し、電極板への電解液の含浸性を向上させることができる。

また、このようなベント１１０を通じてガスを排出することもできる。すなわち、電極組立体の内部で発生したガスは、矢印ｂで示された方向に排出できるだけでなく、ベント１１０によって矢印ｄで示された方向に排出されることもできる。従って、電極組立体の内部で発生したガスを、電極組立体の外部に容易に排出することができる。

なお、上記のようにセパレータ１００の折り畳み方向が各層毎に同一であるとき、折り畳み部位にはセパレータ１００が複数の層で積層され得る。この場合、折り畳み部位の各層に形成されたベント１１０は、少なくとも一部が互いに重なって一定通路を形成することが望ましい。これについて、図５を参照してより詳しく説明する。

図５は、図３のｅ−ｅ’線部分断面図である。

図５を参照すれば、セパレータ１００が折り畳み部位で複数の層で積層され、折り畳み部位の各層に形成されたベント１１０が互いに重なっている。従って、電極組立体の外部と内部との間には、このように連通したベント１１０によって所定の通路が形成され、このような通路は電解液及びガスの流出入の経路になり得る。すなわち、図５を基準にみれば、右側から左側に電解液が電極組立体の内部に流入され得、左側から右側にガスが電極組立体の外部に排出され得る。

より望ましくは、このようにセパレータ１００の折り畳み部位で各層に形成されたベント１１０が互いに連通するとき、各層のベント１１０の位置及び形態は同一であることが望ましい。このように、セパレータ１００の各層のベント１１０の位置及び形態が同一であれば、通路を通じた電解液及びガスの流出入がより円滑に行われるためである。

なお、図５には、セパレータ１００が折り畳み部位で複数の層に積層されるとき、ベント１１０がそれぞれ同一高さに形成されることが示されているが、本発明が必ずしもこのような実施例に限定されることはない。

図６は、本発明の他の実施例によるセパレータ１００のベント１１０の構成を示した部分断面図である。

図６を参照すれば、折り畳み部位で複数の層で積層されたセパレータ１００は、内部層に形成されたベント１１０が外部層に形成されたベント１１０に連通するように形成され、セパレータ１００の外部層にいくほどベント１１０の個数が多くなるように構成され得る。セパレータ１００の折り畳み部位から外部層にいくほど囲む電極板の個数が増加するが、このような実施例によれば、外部層にいくほどベント１１０の個数も増加するため、電解液の浸透及びガスの排出が各層毎に均等に行われる。

セパレータ１００の折り畳み部位にベント１１０を形成するためには、図３に示されたように、セパレータ１００を折り畳む前に電極板の間にベント１１０を形成した後、折り畳む方式で具現することができる。但し、本発明が必ずしもこのような方式に限定されることはなく、セパレータ１００を折り畳んだ後、側面にベント１１０を形成する方式で具現することもできることは勿論である。

また、図３に示されたベント１１０の構成は、一例に過ぎず、セパレータ１００のベント１１０は、多様な形態で具現され得る。

図７ないし図１０は、本発明の他の実施例によるセパレータ１００のベント１１０の構成を概略的に示した図である。

図７を参照すれば、セパレータ１００の折り畳み部位に２個のベント１１０が形成され、それぞれ電極タブが位置する正面と裏面の端部から長く延長されて切り取られた形態で構成され得る。

また、図８を参照すれば、図７と同様にセパレータ１００の折り畳み部位に２個のベント１１０が形成され、それぞれ正面と裏面の端部でから異なる高さをもって長く延長されて切り取られることによって、互いに交差した形態で構成され得る。

また、図９を参照すれば、セパレータ１００の折り畳み部位に多数のベント１１０が形成され、このような多数のベント１１０が電極組立体の正面から裏面にかけて二列を成し、ベント１１０同士は所定距離離隔した形態で構成され得る。

なお、図３または図７ないし図９に示されたように、セパレータ１００の一つの折り畳み部位で複数のベント１１０が形成されることが望ましい。このように一つの折り畳み部位で複数のベント１１０が形成されれば、セパレータ１００の構造的安定性を低下させず、ベント１１０を通じた電解液及びガスの流出入をより容易にすることができる。しかし、本発明が必ずしもこのような実施例によって限定されることはない。すなわち、図１０に示されたように、セパレータ１００の一つの折り畳み部位に一つのベント１１０のみを形成することもできる。

また、その他にもベント１１０は、セパレータ１００に多様な形態で形成され得る。

なお、上述した実施例では、セパレータ１００が各層毎に同一方向に折り畳まれた形態を中心に説明したが、セパレータ１００は各層毎に方向を変えて折り畳まれ得る。

図１１は、本発明の他の実施例による二次電池用電極組立体の構成を概略的に示した斜視図である。

図１１を参照すれば、複数の正極板２００と負極板３００とが交互に積層され、セパレータ１００はこのような正極板２００と負極板３００との間に介在されて正極板２００及び負極板３００の側面で折り畳まれる。しかし、このとき、折り畳み方向は一つの方向ではなく二つの方向を有する。すなわち、セパレータ１００は、隣接する層の折り畳み方向の逆方向に折り畳まれる。より具体的には、図１１のセパレータ１００は、最下部層で負極板３００の側面を囲むように左側に折り畳まれ、次の層で正極板２００の側面を囲むように右側に折り畳まれ、その次の層で再び負極板３００の側面を囲むように左側に折り畳まれる。

このようにセパレータ１００が折り畳み方向を各層毎に逆方向に変えながら折り畳まれる場合にも、本発明による電極組立体のセパレータ１００は、そのような折り畳み部位にベント１１０が１つ以上形成される。従って、この場合、電解液及びガスの流出入は、セパレータ１００によって遮られていない部分で行われるだけでなく、セパレータ１００によって遮られている部分でもベント１１０によって行われる。すなわち、図１１の実施例において、電解液の流入及びガスの排出はセパレータ１００が存在しない負極板３００の左側及び正極板２００の右側で行われるだけでなく、セパレータ１００が存在する負極板３００の右側及び正極板２００の左側でもセパレータ１００の折り畳み部位に形成されたベント１１０によって行われる。

従って、このような実施例によれば、セパレータ１００が各層毎に方向を変えて折り畳まれる場合にも、電解液及びガスの流出入が更に円滑に行われる。

図１２は、本発明の更に他の実施例による二次電池用電極組立体の構成を概略的に示した斜視図であり、図１３は図１２のｆ‐ｆ’線断面図である。

図１２及び図１３を参照すれば、セパレータ１００は正極板２００及び負極板３００と共に複数の層で巻き取られる。すなわち、セパレータ１００のように長く形成された一つの正極板２００と一つの負極板３００との間にセパレータ１００を位置させ、また、外側に他のセパレータ１００を位置させてこれらを巻き取ることで、ゼリーロール形態の電極組立体を形成することができる。そして、このように正極板２００及び負極板３００と共に巻き取られたセパレータ１００には、ベント１１０が形成されている。

特にこの場合、図１３に示されたように、正極板２００及び負極板３００にもセパレータ１００と同様にベント２１０、３１０が形成され得る。そして、このように正極板２００及び負極板３００に形成されたベント２１０、３１０は、セパレータ１００に形成されたベント１１０と少なくとも一部が互いに連通して一定通路を形成することができる。セパレータ１００、正極板２００及び負極板３００が巻き取られた形態の電極組立体の構造によれば、セパレータ１００にベント１１０が形成されても、正極板２００及び負極板３００によって電解液の流入及びガスの排出が遮断される恐れがある。しかし、本実施例のように、正極板２００及び負極板３００にもベント２１０、３１０を形成し、このような電極板のベント２１０、３１０とセパレータ１００のベント１１０とが電極組立体の外部から内部に至るまで連通するように構成すれば、電極組立体の中心と外部との間で電解液及びガスの流出入が円滑に行われる。

なお、図１２に示されたベント１１０、２１０、３１０の形態は一例に過ぎず、本発明がこのようなベント１１０、２１０、３１０の具体的な形態によって制限されることはない。特に、図１３では、電極組立体に３個の通路が形成されるようにセパレータ１００、正極板２００及び負極板３００にベント１１０、２１０、３１０が形成されているが、これは一例に過ぎず、このような通路が３個未満または４個以上形成されるようにベント１１０、２１０、３１０を形成することができることは勿論である。

本発明による二次電池は、上述した電極組立体及び電池ケースを含む。このような電池ケースは、電極組立体及び電解液を収納し、金属缶の形態またはアルミニウムパウチ型など、多様な材質及び形態で具現され得る。

以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれらによって限定されず、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者にとって、本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは勿論である。

Claims (6)

1. 二次電池用電極組立体であって、
   電極集電体に正極活物質が塗布された一つ以上の正極板と、
   電極集電体に負極活物質が塗布された一つ以上の負極板と、及び
   前記正極板と前記負極板との間に介在し、ベントが一つ以上形成されたセパレータとを備えてなり、
   前記セパレータが前記正極板と前記負極板の側面で折り畳まれてなり、
   前記ベントが前記折り畳み部位に形成されてなり、
   前記セパレータの折り畳み方向が、各層毎に逆方向に変わることを特徴とする、二次電池用電極組立体。
2. 前記折り畳まれたセパレータを介して、前記正極板と前記負極板とが交互に複数個積層されたことを特徴とする、請求項１に記載の二次電池用電極組立体。
3. 前記ベントが、前記セパレータの一つの折り畳み部位に複数形成されたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の二次電池用電極組立体。
4. 二次電池であって、
   正極板と、負極板と、及び前記正極板と前記負極板との間に介在され、ベントが一つ以上形成されたセパレータとを備えた電極組立体と、並びに
   前記電極組立体及び電解液を収納する電池ケースとを備えてなり、
   前記セパレータが前記正極板と前記負極板の側面で折り畳まれてなり、
   前記ベントが前記折り畳み部位に形成されてなり、
   前記セパレータの折り畳み方向が、各層毎に逆方向に変わることを特徴とする、二次電池。
5. 前記折り畳まれたセパレータを介して、前記正極板と前記負極板とが交互に複数個積層されたことを特徴とする、請求項４に記載の二次電池。
6. 前記ベントが、前記セパレータの一つの折り畳み部位に複数形成されたことを特徴とする、請求項５に記載の二次電池。

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