JP5852061B2 - 新規な積層構造の二次電池のための電解質アセンブリ - Google Patents

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Description

本発明は、新規な積層構造を有する、二次電池のための電極アセンブリに関し、より詳細には、集電体の1つの主表面にコーティングされた活性材料層を有するカソードおよび別の集電体の1つの主表面にコーティングされた活性材料層を有するアノードが、縦断面図においてジグザグの形で屈曲し、これらのカソードおよびアノードが、電極活性材料層が互いに対向し、かつ、カソードとアノードの間に隔離板が配置されるように互いに嵌合した構造で構築された、二次電池のための電極アセンブリに関する。
移動デバイスがますます開発され、このような移動デバイスの需要が増加するにつれて、これらの移動デバイスのためのエネルギー源としての二次電池の需要も急激に増加している。これらの二次電池の中でもとりわけ商用化され、かつ、広く使用されているのは、エネルギー密度および電圧が高く、サイクル寿命が長く、また、自己放電率が小さいリチウム二次電池である。
リチウム二次電池は、電極および電解質の構造に基づいて、リチウム-イオン電池、リチウム-イオンポリマー電池またはリチウムポリマー電池に分類することができる。これらのリチウム二次電池の中でもとりわけリチウム-イオンポリマー電池は、電解質がリークする可能性が小さく、軽量、かつ製造コストが安価であり、様々な形状で容易に構築することができるため、ますます広く使用されている。
二次電池を構成しているカソード/隔離板/アノード構造を有する電極アセンブリは、通常、電極アセンブリの構造に基づいて、ジェリー-ロール(巻線)型電極アセンブリまたは積重ね型電極アセンブリに分類することができる。ジェリー-ロール型電極アセンブリは、集電体として使用される金属フォイルに電極活性材料をコーティングし、コーティングされた金属フォイルを乾燥させ、かつ圧縮し、この乾燥および圧縮された金属フォイルを所定の幅および長さを有する帯の形に切断し、アノードおよびカソードを、隔離板を使用して互いに隔離し、かつ、アノード/隔離板/カソード構造を螺旋状に巻くことによって製造される。ジェリー-ロール型電極アセンブリは円筒状電池に適しているが、電極活性材料が分離し、また、空間的な利用可能性が小さいため、このジェリー-ロール型電極アセンブリは、柱状電池またはポーチ形電池には適していない。一方、積重ね型電極アセンブリは、複数のユニットカソードおよびアノードが互いに連続的に積み重ねられた構造で構築された電極アセンブリである。積重ね型電極アセンブリは、積重ね型電極アセンブリを柱状構造で構築することができる点で利点を有しているが、この積重ね型電極アセンブリは、積重ね型電極アセンブリを製造するためのプロセスが複雑、かつ面倒であり、また、積重ね型電極アセンブリに外部から衝撃が加えられると、積重ね型電極アセンブリの電極が押され、そのために積重ね型電極アセンブリ内に短絡が生じる点で欠点を有している。
上記の問題を解決するために、重畳型電極アセンブリ、すなわち、所定のユニットサイズのカソード/隔離板/アノード構造を有するフルセル、または所定のユニットサイズのカソード(アノード)/隔離板/アノード(カソード)/隔離板/カソード(アノード)構造を有するバイセルが、カソードおよび対応するアノードが対向し、かつ、連続した長い隔離板シートがフルセル間またはバイセル間に配置されるように互いに連続的に積み重ねられた構造で構築された電極アセンブリが開発されている。本特許出願の出願人の名前で出願されている韓国特許出願公開第2001-82058号、第2001-82059号および第2001-82060号に、このような重畳型電極アセンブリの例が開示されている。重畳型電極アセンブリを製造するためのプロセスを示す代表的な図である図1および2に、重畳型電極アセンブリの構造が明確に示されている。
図1および2を参照すると、重畳型電極アセンブリ10は、複数のステップ、すなわち、カソード1、アノード2および隔離板5が所定のサイズを有するようにカソード1、アノード2および隔離板5を切断するステップ、切断されたカソード1、アノード2および隔離板5を連続的に積み重ね、バイセル(またはフルセル)を製造するステップ、分離膜7を使用して複数のバイセル6を折りたたむステップ、およびカソード1およびアノード2の1つの側端部から突出している電極タップ3および4を電気接続するステップを介して製造される。そのため、製造プロセスが複雑であり、したがって製造コストが増大し、かつ、製造時間が長くなる。さらに、電極タップ3および4を接続するステップには、本質的に追加接続部材が使用されているため、溶接などの面倒な作業が必要である。したがって製造コストがさらに増大し、また、電池欠陥の可能性が高くなる。
この点に関して、積重ね構造または重畳構造の代わりに、電極アセンブリを縦断面図においてジグザグ形重畳構造で製造する方法が提案されている。
たとえば、特開2001-160393号公報に、隔離板シートを折りたたみ、その隔離板シートにバイセルまたはフルセルなどのカソードおよび電極スタックユニットをジグザグの形で取り付けることによって電極アセンブリを製造する方法が開示されている。しかしながら、この製造方法には、重畳電極アセンブリと同様、電極スタックユニットを製造するステップおよび隔離板シートの上に電極スタックユニットを配置するステップが必要である。したがってこの製造方法には基本的な限界がある。
また、韓国特許出願公開第2000-51741号に、カソード/隔離板/アノード構造を有する積重ね構造で電極シートおよび隔離板を構築し、かつ、この積重ね構造をジグザグの形で折りたたむことによって電極アセンブリを製造する方法が開示されている。この製造方法は、上述の日本特許出願公開に開示されている製造方法と比較すると、この製造方法は極めて単純であるという点で利点を有している。しかしながら、カソード/隔離板/アノード構造を有する積重ね構造は特定の厚さを有しており、そのため、積重ね構造をジグザグの形で折りたたむことが極めて困難である。さらに、積重ね構造を折りたたむために積重ね構造に力が加えられると、電極活性材料層が電極集電体から分離することがある。
したがって、上述の問題を基本的に解決するための技術が大いに必要である。
韓国特許出願公開第2001-82058号 韓国特許出願公開第2001-82059号 韓国特許出願公開第2001-82060号 特開2001-160393号公報 韓国特許出願公開第2000-51741号
したがって、本発明は、上述の問題およびさらに解決すべき他の技術的な問題を解決するべくなされたものである。
上述のような問題を解決するための広範囲にわたる徹底的な様々な研究および実験の結果、本発明の発明者らは、カソードおよびアノードを予め縦断面図においてジグザグの形で屈曲させ、屈曲したカソードおよびアノードを、電極活性材料層が互いに対向するように互いに嵌合させ、かつ、屈曲したカソードとアノードの間に隔離板が配置されるように電極アセンブリを製造することにより、電池を製造するためのプロセスを単純化することができ、したがって製造コストが低減され、かつ、製造時間が短縮され、延いては生産性が改善されることを見出した。本発明は、これらの発見に基づいて完成されたものである。
本発明の一態様によれば、上記および他の目的は、二次電池のための電極アセンブリであって、集電体の1つの主表面にコーティングされた活性材料層を有するカソードおよび別の集電体の1つの主表面にコーティングされた活性材料層を有するアノードが、縦断面図においてジグザグの形で屈曲し、これらのカソードおよびアノードが、電極活性材料層が互いに対向し、かつ、カソードとアノードの間に隔離板が配置されるように互いに嵌合した構造で構築された電極アセンブリを準備することによって達成することができる。
上述のように構築される電極アセンブリは、カソードおよびアノードを所定の形に屈曲させ、かつ、これらのカソードおよびアノードをこれらのカソードおよびアノードが互いに重畳するように互いに嵌合させるための極めて単純なプロセスを介して電極アセンブリを容易に製造することができる点で利点を有している。
本発明によれば、金属製の集電体の上にコーティングされた活性材料層を有するカソード、および金属製の集電体の上にコーティングされた活性材料層を有するアノードを容易に曲げることができるように、また、折りたたみ領域における電極アセンブリの厚さの増加を防止するために、以下で詳細に説明する様々な構造が提供される。
「折りたたみ領域」は、電極をジグザグの形で曲げることによって形成される縁領域である。折りたたみ領域は、電極が曲げられる方向(曲げ方向)に所定の間隔で配置される。電極アセンブリの幅は、隣接する2つの折りたたみ領域の間の距離に基づいて決定される。
好ましい実施形態では、電極を容易に曲げることができるようにするためのマーキングが折りたたみ領域に提供される。詳細には、マーキングは、電極の集電体の上に形成される。たとえば、マーキングは、折りたたみ領域に沿って所定の間隔を隔てて配置された複数の孔を含むことができる。
他の好ましい実施形態では、電極を容易に曲げることができるように、折りたたみ領域には活性材料が加えられないか、あるいはごく薄い活性材料が折りたたみ領域に加えられ、さらに、折りたたみ領域における電極アセンブリの厚さの増加が防止されている。折りたたみ領域は、パターンコーティング方法を使用して集電体に活性材料層を加えることによって形成することができる。
本発明による電極アセンブリの場合、隔離板は、絶縁材料でできた薄い多孔性の膜である。隔離板は、電極アセンブリの製造中は隔離板の処理が容易ではないことを考慮して、電極を曲げる前に、カソードまたはアノードの活性材料層に熱溶接することができる。
通常、積重ね型電極アセンブリは、複数の個別の電極を備えている。したがって電極タップは、電極が互いに組み合わされ、かつ、外部回路に接続されるように、また、電極タップ上には活性材料がコーティングされないように、電極の集電体の方側端部または両側端部から突出している。
一方、本発明によれば、単一の集電体を曲げることによって複数の重畳電極が形成される。屈曲した各電極のための複数の電極タップを形成することは可能であるが、電気接続を達成するための電極リード線を対応する電極に取り付けることができるように、各電極の片側または両側には活性材料層が所定の大きさにわたってコーティングされないことが好ましい。
本発明による電極アセンブリは、以下で詳細に説明するように、様々な形に修正することができる。
第1の修正形態として、隔離板が、曲げ方向に対して直角の縦方向(横方向)に、各電極の幅の倍数に等しいサイズにわたって展開し、複数の電極が互いに嵌合し、かつ、隔離板が、電極と電極の間に、隔離板の縦方向に配置され、次に、隔離板の縦方向に折りたたまれる構造で電極アセンブリを構築することができる。
第1の修正形態として、隔離板が、曲げ方向に対して直角の横方向に、各電極の長さより長い距離にわたって展開し、電極が互いに嵌合し、かつ、隔離板が電極と電極の間に配置され、隔離板の延長部分が嵌合した電極の外部表面を覆う構造で電極アセンブリを構築することができる。この場合、電極は、延長部分を除く隔離板の残りの領域に嵌合することが好ましい。
本発明の他の態様によれば、上述の構造を有する電極アセンブリを備えた二次電池が提供される。
本発明による二次電池は、リチウム-イオンポリマー電池であることが好ましい。リチウム-イオンポリマー二次電池を構成しているコンポーネントおよびリチウム-イオンポリマー二次電池を製造する方法については、本発明に関連する分野では良く知られており、したがってここではその詳細な説明は省略する。
本発明の上記および他の目的、特徴ならびに他の利点については、添付の図面に照らして行う以下の詳細な説明によってより明確に理解されよう。
従来の重畳型電極アセンブリを製造するためのプロセスを示す代表的な図である。 従来の重畳型電極アセンブリを製造するためのプロセスを示す代表的な図である。 電極アセンブリを組み立てる前の本発明の好ましい実施形態による電極アセンブリを示す代表的な図である。 電極アセンブリを組み立てた後の図3の線A-Aに沿って取った縦断面図である。 図3の電極アセンブリに使用することができる電極の一実施例を示す平面図である。 図3の電極アセンブリに使用することができる電極の他の実施例を示す平面図である。 電極アセンブリを組み立てる前の本発明の他の好ましい実施形態による電極アセンブリを示す代表的な図である。 電極アセンブリを組み立てる前の本発明のさらに他の実施形態による電極アセンブリを示す代表的な図である。 電極アセンブリを組み立てた後の図8の線B-Bに沿って取った縦断面図である。
以下、本発明の好ましい実施形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲は、図に示されている実施形態によって制限されないことに留意されたい。
図3は、電極アセンブリを組み立てる前の本発明の好ましい実施形態による電極アセンブリを示す代表的な図であり、また、図4は、電極アセンブリを組み立てた後の図3の線A-Aに沿って取った縦断面図である。
これらの図面を参照すると、電極アセンブリ100は、集電体111の1つの主表面にコーティングされた活性材料層112を有するカソード110および集電体121の1つの主表面にコーティングされた活性材料層122を有するアノード120が、縦断面図においてジグザグの形で屈曲し、これらのカソード110およびアノード120が、電極活性材料層112および122が互いに対向し、かつ、カソード110およびアノード120と同じ形に曲げられた隔離板130がカソード110とアノード120の間に配置されるように互いに嵌合した構造で構築される。隔離板130は、カソード110およびアノード120が互いに嵌合する前に、カソード110およびアノード120と同じ形に曲げることができる。別法として、隔離板130を事前に曲げる代わりに、隔離板130の可撓膜特性を考慮して、カソード110およびアノード120を嵌合させるステップで自然に屈曲するように組立てプロセスを実行することも可能である。
カソード110およびアノード120の末端は、電気接続を達成するための電極リード線(図示せず)が取り付けられる延長部分Cで形成される。集電体111および121の延長部分Cには活性材料はコーティングされない。
また、カソード110およびアノード120は、それぞれ金属集電体111および121から構成される。金属集電体111および121は容易に曲がらないため、折りたたみ領域140を様々な形に修正することができる。折りたたみ領域の構造は、電極の実施例を示す平面図である図4および5から確認することができる。
図5および6を参照すると、折りたたみ領域は、電極の集電体161上の折りたたみ領域、すなわち活性材料が存在しないか、あるいは活性材料層172を集電体171の上にコーティングする際に、活性材料が薄く加えられる領域に沿って所定の間隔を隔てて配置された複数の孔を含んだマーキング160を備えることができる。
図7は、電極アセンブリを組み立てる前の本発明の他の好ましい実施形態による電極アセンブリを示す代表的な図であり、また、図8は、電極アセンブリを組み立てる前の本発明のさらに他の実施形態による電極アセンブリを示す代表的な図である。
最初に図7を参照すると、電極アセンブリ101は、曲げ方向xに対して直角の縦方向yに電極の幅wの3倍のサイズを有する隔離板180を備えている。また、電極アセンブリ101は、3つのカソード110および3つのアノード120が縦方向yに互いに嵌合し、かつ、図3の場合と同様、隔離板180がカソード110と対応するアノード120の間に配置された構造で構築される。電極アセンブリ101は、電極の幅wに基づいて縦方向yに折りたたむことができる。図面に示されているように、カソード110およびアノード120が縦方向yに交互に配置されている場合、カソード110およびアノード120は、電極アセンブリ101を縦方向yに折りたたむ際に、逆の極性を有する電極が互いに対向するようにジグザグの形で曲げることができる。このとき、隔離板180は、縦方向yに曲がっているカソード110とアノード120の間に隔離板180が配置されるように、隔離板180が図3の隔離板よりさらに1/2倍屈曲するだけの十分な長さで展開する。
図8を参照すると、電極アセンブリ102は、曲げ方向xに電極の長さlより長い距離にわたって展開している隔離板190を備えている。また、電極アセンブリ102は、カソード110およびアノード120が互いに嵌合し、かつ、図3の場合と同様、隔離板190がカソード110と対応するアノード120の間に配置され、また、電極110および120の外部表面が隔離板190の延長部分191を使用して覆われる構造で構築される。電極アセンブリ102の詳細な構造は、電極アセンブリを組み立てた後の図8の線B-Bに沿って取った縦断面図である図9から容易に確認される。
以下、本発明の実施例についてより詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲は、説明されている実施例によって制限されないことに留意されたい。
溶媒としてN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に、カソード活性材料として95重量パーセントのLiCoO2、2.5重量パーセントのSuper-P(伝導剤)および2.5重量パーセントのPVdf(カップリング剤)を加えることによってカソード混合物泥状物が準備された。図4に示されているように、このカソード混合物泥状物が、マーキングがその上に形成されたアルミニウムフォイルの1つの主表面にコーティングされ、次に乾燥され、かつ、圧縮されてカソードが製造された。
溶媒としてNMPに、アノード活性材料として95重量パーセントの人工黒鉛、2.5重量パーセントのSuper-P(伝導剤)および2.5重量パーセントのPVdf(カップリング剤)を加えることによってアノード混合物泥状物が準備された。図4に示されているように、このアノード混合物泥状物が、マーキングがその上に形成された銅フォイルの1つの主表面にコーティングされ、次に乾燥され、かつ、圧縮されてアノードが製造された。
隔離板としてCell Guard(商標)が使用された。カソードおよびアノードは、縦断面図において、それらのマーキング領域に沿ってジグザグの形で曲げられた。また、隔離板もカソードおよびアノードと同じ形に曲げられた。カソードおよびアノードは、カソードおよびアノードの活性材料層が互いに対向し、かつ、カソードとアノードの間に隔離板が配置されるように互いに嵌合され、それにより電極アセンブリが製造された。製造された電極アセンブリが電池ケース内に取り付けられ、次に、電池ケース内に電解質が注入され、それにより電池が最終的に完成された。
［比較実施例１］
カソードおよびアノードが互いに積み重ねられ、かつ、カソードとアノードの間に隔離板が配置され、また、積み重ねられたカソード、アノードおよび隔離板がジグザグの形で曲げられ、それにより電極アセンブリが製造された点を除き、実施例1と同じ方法で電池が製造された。
［実験実施例１］
実施例1に従って10個の電池が製造され、また、比較実施例1に従って10個の電池が製造された。これらの電池を製造している間、カソードおよびアノードから分離された固体粉末の量が測定された。その結果、比較実施例1に従って電池を製造している間にカソードおよびアノードから分離された固体粉末の量は、平均で、実施例1に従って電池を製造している間にカソードおよびアノードから分離された固体粉末の量の180パーセントであることが分かった。分離された固体粉末を分析した結果、分離された固体粉末に電極活性材料、カップリング剤および伝導剤が含まれていることが分かった。また、分離された固体粉末を分析した結果、比較実施例1に従って電池を製造している間、比較的大量の電極活性材料がカソードおよびアノードから分離されたことが分かった。
さらに、電池のスウェリング現象(拡張の程度)を測定するために、上述のようにして製造された電池に対する300サイクルの充電および放電試験が実施された。その結果、比較実施例1に従って製造された電池のうちの4つの電池に比較的大きいスウェリング現象が発生したことが分かった。これらの結果から、比較実施例1に従って電池を製造している間、カソード、アノードおよび隔離板の積重ねおよび曲げが正確に実施されなかった、と推論することができる。所定のサイズのカソード/隔離板/アノード構造を有する電極アセンブリを所望の位置で正確に曲げることは困難であり、したがって、比較実施例1による方法を使用する場合、上述の不整合現象が生じる可能性が極めて高くなる。
以上の説明から明らかなように、本発明による電極アセンブリは、電池を製造するためのプロセスを単純にする効果を有しており、したがって製造コストが低減され、かつ、製造時間が短縮され、延いては生産性が改善される。
以上、実例によって説明するために本発明の好ましい実施形態を開示したが、特許請求の範囲に開示されている本発明の範囲および精神を逸脱することなく、様々な改変、追加および置換が可能であることは当業者には理解されよう。
1、110 カソード
2、120 アノード
3、4 電極タップ
5、130、180、190 隔離板
6 バイセル
7 分離膜
10 重畳型電極アセンブリ
100、101、102 電極アセンブリ
111、121、161、171 集電体(金属集電体)
112、122、172 活性材料層
140 折りたたみ領域
160 マーキング
191 隔離板の延長部分

Claims (6)

  1. 電極へと組み立てる前に、集電体の１つの主表面にコーティングされた活性材料層を有するカソードおよび別の集電体の１つの主表面にコーティングされた活性材料層を有するアノードを、縦断面においてジグザグの形で屈曲するステップと、
    前記カソードおよび前記アノードを屈曲した後に、前記活性材料層が互いに対向し、かつ、前記カソードと前記アノードとの間に隔離板が配置されるように、前記カソードおよび前記アノードを互いに嵌合させるステップと、
    を含み、
    前記隔離板が、曲げ方向に対して直角の縦方向に、各電極の幅の倍数に等しいサイズにわたって展開し、複数の電極が前記縦方向に互いに嵌合した後に折りたたまれる、
    電極アセンブリの製造方法。
  2. 前記電極の前記集電体の折りたたみ領域に、前記集電体を容易に曲げることを可能にするためのマーキングが施されている、請求項１に記載の方法。
  3. 前記電極の前記活性材料層が、活性材料が前記折りたたみ領域に存在しないように、あるいは前記活性材料が前記折りたたみ領域に薄く加えられるようにパターン形成されたコーティングである、請求項１に記載の方法。
  4. 前記隔離板が、前記電極を曲げる前に前記カソードまたは前記アノードの前記活性材料層に熱溶接される、請求項１に記載の方法。
  5. 電極リード線を対応する電極に取り付けることができるように、各電極の片側または両側で前記活性材料層が所定の大きさにわたってコーティングされない、請求項１に記載の方法。
  6. 前記隔離板が、曲げ方向に対して直角の横方向に、各電極の長さより長い距離にわたって展開し、前記隔離板の延長部分が前記嵌合した電極の外部表面を覆っている、請求項１に記載の方法。
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