JP5855267B2 - 電極組立体、電極組立体の製造工程及び電極組立体を含む電気化学素子 - Google Patents
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Description
本発明は、フォールディング工法で製造せず、積層工法で形成される電極組立体を具現する単位構造体の製造工程、及びこれを含む電気化学素子に関する。
本出願は、2012年6月28日付で出願された韓国特許出願第10-2012-0069831号及び2013年6月27日付で出願された韓国特許出願第10-2013-0074675号に基づいた優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された全ての内容は本出願に援用される。
二次電池は、化石燃料を用いる既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの大気汚染などを解決するための方案として提示されている電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、パラレル型ハイブリッド電気自動車(PHEV)などの動力源としても注目されているものの、自動車などのような中大型デバイスには高出力、大容量の必要性により、多数の電池セルを電気的に連結した中大型電池モジュールが用いられる。
ところが、中大型電池モジュールは、可能であれば小さな大きさと重量で製造されるのが好ましいので、高い集積度で充積され得、且つ容量に比べ軽い角型電池、パウチ型電池などが中大型電池モジュールの電池セルとして主に用いられている。
電池セルのケース内には電極組立体が収容されており、一般的には正極/分離膜/負極構造の電極組立体が如何なる構造となっているのかに従い分類される。
代表的なものとして、長シート状の正極などと負極などを分離膜が介在された状態で巻き取った構造でなるゼリーロール(巻取型)電極組立体、所定大きさの単位で切り取った多数の正極と負極などを分離膜を介在した状態で順次積層したスタック型(積層型)電極組立体、且つ、スタック/フォールディング型電極組立体に分類することができる。
先ず、本出願人の韓国特許出願公開 第2001-0082059号及び第2001-0082060号に開示されているスタック/フォールディング型電極組立体に対して先に説明する。
図1を参照すれば、スタック/フォールディング型構造の電極組立体1は、単位セルとして順次正極/分離膜/負極が位置されるフルセル(full cell、以下、「フルセル」という)2、3、4…が複数個重畳されており、それぞれの重畳部には分離膜シート5が介在されている。分離膜シート5はフルセルを覆うことのできる単位長さを有し、単位長さごとに内側に折れて中央のフルセル10から始まって、最外角のフルセル14まで連続してそれぞれのフルセルを覆いフルセルの重畳部に介在されている。分離膜シート5の末端部は熱融着するか、接着テープ6などを付着して仕上げる。このようなスタック/フォールディング型電極組立体は、例えば、長い分離膜シート5上にフルセル2、3、4…を配列して分離膜シート5の一端部から始まって順次巻き取ることにより製造される。しかし、このような構造で中心部の電極組立体1a、1b、2と外角部の電極組立体3、4との間には温度勾配が起こり、放熱効率が相違することになるところ、長時間用いる場合、寿命が短くなるとの問題がある。
このような電極組立体を形成する工程は、各電極組立体を形成するラミネーション設備2台と別個の装備としてフォールディング装備1台とが追加され工程が進められるところ、工程のタクトタイム(tact time)を低減するには限界があり、特にフォールディングされて積層構造を具現する構造において、上下部に配置される電極組立体間の整列(aligning)が精密に具現しにくいため、信頼性ある品質の組立体を具現するには多くの困難がある。
図2は、図1で前述したスタック/フォールディング型構造の電極組立体に適用されたフルセルの代わりに適用され得る基本構造体であるA型及びC型バイセル構造を示した図であって、スタック/フォールディング型構造の電極組立体のうち巻取開始点の中央部には分離膜シートで覆われている(a)正極/分離膜/負極/分離膜/正極構造のバイセル(「A型バイセル」)、又は(b)負極/分離膜/正極/分離膜/負極構造のバイセル(「C型バイセル」)構造が配置され得る。
すなわち、従来のバイセル構造は、図2の(a)に示されているように、両面正極10、分離膜20、両面負極30、分離膜40、両面正極50が順次積層された構造である「A型バイセル」、又は(b)に示された構造のような両面負極30、分離膜20、両面正極10、分離膜40、両面負極60が順次積層された構造である「C型バイセル」に具現される。
このようなフォールディング工程が適用される電極組立体の構造では、フォールディング設備が別に必要となり、バイセル構造を適用する場合はバイセルも2つのタイプ(すなわち、A型、C型)に作製して積層を行うことになり、フォールディングの前に長い分離膜シート上に配置するバイセルとバイセルとの間の間隔を正確に維持することに大きな困難が存在することとなる。すなわち、フォールディングすることになる場合、上下のユニットセル(フルセル又はバイセルを意味する)の間の正確な整列を具現しにくくなり、高容量のセルを作製する場合、型交換の時間が多くかかる問題もさらに発生することとなる。
本発明は、前述した問題を解決するために案出されたものであって、必ず2つのタイプ(すなわち、A型、C型)のバイセルを製造しなければならない従来の電極組立体の製造方式から脱して、ただ一つの単位構造体を製造することを介して、中大型リチウムイオンポリマー電池の製造工程の短縮及び一元化を具現し、ひいては設備投資減少及び生産性を向上させ得るようにする製造工法、及び電極組立体の構造を提供することにある。
本発明の他の目的は、従来技術に係るA型バイセルを製造するためのラミネーション設備、又はC型バイセルを製造するためのラミネーション設備をそのまま活用することができ、従来技術に係るA型バイセル又はC型バイセルを廃棄することなく、これをそのまま活用して新しい構造の単位構造体を製造することにある。
前述した課題を解決するための手段として、本発明は第1電極/分離膜/第2電極/分離膜/第1電極構造のバイセルをラミネーティングして形成する第1工程；前記二つの第1電極のいずれか一つの第1電極上に第1分離膜をラミネーティングする第2工程；及び前記二つの第1電極のうち他の一つの第1電極上に第2分離膜/第2電極を順次ラミネーティングする第3工程；を介して単位構造体を製造し、この単位構造体で電極組立体を形成する。
また、このような製造工程を介して製造される単位構造体で電極組立体を形成し、この電極組立体を用いて二次電池及び中大型電池モジュールを製造する。
本発明によれば、ただ一つのタイプの単位構造体を製造することを介して、中大型リチウムイオンポリマー電池の製造工程の短縮及び一元化を具現し、ひいては設備投資減少及び生産性を向上させ得るようにする製造工法及び電極組立体の構造を提供することができる。
また、従来技術に係るA型バイセルを製造するためのラミネーション設備又はC型バイセルを製造するためのラミネーション設備をそのまま活用することができ、従来技術に係るA型バイセル又はC型バイセルを廃棄することなく、これをそのまま活用して新しい構造の単位構造体を製造することができる。
以下では、図を参照して本発明に係る構成及び作用を具体的に説明する。図を参照して説明するにおいて、図面符号に関係なく同一の構成要素は同一の参照符号を付与し、これに対する重複説明は略する。第1、第2などの用語は多様な構成要素などを説明することに用いられ得るが、前記構成要素などは前記用語などにより限定されてはいけない。前記用語などは一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ用いられる。
本発明に係る電極組立体の製造工程は、単位構造体を製造することを核心的な内容とし、具体的には第1電極/分離膜/第2電極/分離膜/第1電極構造のバイセルをラミネーティングして形成する第1工程と、第1工程によって形成されたバイセルに含まれた二つの第1電極のいずれか一つの第1電極上に第1分離膜をラミネーティングする第2工程と、第1工程によって形成されたバイセルに含まれた二つの第1電極のうち他の一つの第1電極上に第2分離膜/第2電極を順次ラミネーティングする第3工程を介して単位構造体が製造され得る。
ここで、第1電極/第2電極は順次負極/正極又は正極/負極になり得るが、説明の便宜のため、以下では第1電極が負極であり、第2電極が正極の場合を例として説明する。
図3を参照すれば、このような構造の単位構造体は、先ず第1負極材、分離膜、正極材、分離膜、第2負極材を順次積層し、これをラミネータにローディングした後、ラミネーティングして第1負極/分離膜/正極/分離膜/第2負極構造のバイセル(C型バイセル)を製造する(第1工程)。
次に、C型バイセルの第2負極上に第1分離膜をラミネーティングする第2工程と、C型バイセルの第1負極上に第2分離膜及び正極をこの順にラミネーティングする第3工程が行われる。
但し、図3では第2工程と第3工程が同時に行われる例示的な実施例が示されているので、第2工程で第1分離膜を第2負極上に配置することと、第3工程で第2分離膜と正極を第1負極上に配置する段階が先に行われ、これらの段階以後にラミネーティングが行われ、第2工程と第3工程がともに完了し得る。
図4は、ブロック図を介して概念的に示した単位組立体の製造工程(図3)を、実際の製造設備で行われる製造工程にて示した図に該当する。
図4に示されたように、第1工程から第3工程が連続工程に具現され得るよう、第1ラミネータL1と第2ラミネータL2は一つの製造ライン上にC型バイセルの進行方向に沿って配置され得、第1ラミネータL1では第1負極材、分離膜、正極材、分離膜、第2負極材が順次ローディングされて積層されながらラミネーティングされる。ここで、ローディングとは、各構成の材料となる基材(すなわち、第1負極材、分離膜、正極材、第2負極材)をラミネータに供給することを意味する。これらの基材が、ローディングユニット(ローディングロール)を介して第1ラミネータL1に同時に供給され、供給された基材などが第1ラミネータL1によって第1負極140/分離膜150/正極160/分離膜170/第2負極180の順で積層(図4の「X」を参照)される。
その後、第2工程及び第3工程は、一つの第2ラミネータL2で同時に行われ得る。すなわち、第1負極140/分離膜150/正極160/分離膜170/第2負極180に積層されるC型バイセルの第2負極180上に第1分離膜110をラミネーティングする第2工程と、第1負極上に第2分離膜/正極を順次ラミネーティングする第3工程が第2ラミネータL2によって同時に行われた結果、単位構造体が製造され得る。
但し、図4には第1分離膜と、第2分離膜/正極の全てがロール状に第2ラミネータL2に供給される実施例が示されているが、ロールではない単なるシート状に供給される実施例もいくらでも想定することができ、この場合、第2工程と第3工程は順次行われ得る。
また、必ず第2分離膜/正極の全てをシート状ではないロール状に第2ラミネータL2に供給するとしても、第2工程と第3工程を順次行うことも可能である。例えば、図4に基づいて第1負極140上に供給されなければならない第2分離膜130及び正極120のローディングを中断したまま、第2負極180上に第1分離膜110を供給した状態でラミネーティングすると第2工程が行われ、次に第2負極180上に供給されなければならない第1分離膜110のローディングを中断したまま、第1負極140上に第2分離膜130及び正極120を供給した状態でラミネーティングをすると第3工程が行われ得る。このように、第1分離膜と、第2分離膜/正極の全てがロール状に第2ラミネータL2に供給される場合においても、第2工程と第3工程を順次行うことが可能である。
ここで、第2工程と第3工程の全てが第2ラミネータL2によって行われなければならないものではなく、第2ラミネータL2は第2工程専用として用いられ、これとは別個のラミネータが第3工程専用として用いられる実施例もいくらでも想定することができるのは勿論である。
一方、分離膜110、130、150、170は接着力を有するコーティング物質で表面がコーティングされ得る。このとき、コーティング物質は無機物粒子とバインダ高分子の混合物であり得る。ここで、無機物粒子は分離膜110、130、150、170の熱的安定性を向上させることができる。すなわち、無機物粒子は高温で分離膜110、130、150、170が収縮することを防止することができる。なお、バインダ高分子は無機物粒子を固定させることができる。これにより無機物粒子は、所定の気孔構造を有することができる。このような気孔構造によって、無機物粒子が分離膜110、130、150、170にコーティングされていても、正極から負極にイオンが円滑に移動することができる。また、バインダ高分子は無機物粒子を分離膜110、130、150、170に安定的に維持させ、分離膜110、130、150、170の機械的安定性も向上させることができる。さらに、バインダ高分子は分離膜を電極により安定的に接着させることができる。このような方式でなされる分離膜のコーティングをSRS(Safety Reinforced Separator)コーティングという。
ところが、単位構造体が製造された状態に基づいて、第2分離膜130は両面に電極120、140が位置するのに反し、第1分離膜110は一面にのみ電極180が位置する。したがって、第2分離膜130は両面に接着力を有するコーティング物質がコーティングされ得、第1分離膜110は電極と対向する一面にのみコーティング物質がコーティングされ得る。これを介して、単位構造体の製造原価を節減することができる。また、図2に示されたバイセルの場合、バイセルの両面の全てに電極が露出しているので、ビジョン検査機が2台必要であったが、本発明に係る単位構造体の場合、第1分離膜110の両面のうち一面には電極がないため、単位構造体の第1分離膜の反対側に位置した電極の近傍にのみビジョン検査機を設けても充分であり、これを介して設備の単価を低めることのできる長所がある。
参考までに、接着力を有するコーティング物質を分離膜110、130、150、170に塗布した場合、所定の物体で分離膜110、130、150、170に直接圧力を加えるのは好ましくない。分離膜110、130、150、170は、通常電極より外側に長く延長される。したがって、分離膜110、130、150、170の縁を、例えば、超音波溶着を介して互いに溶着させようとする試みがあり得る。ところで、このような超音波溶着はホーン(horn)という器具で対象を直接加圧する必要がある。しかし、このようにホーンで分離膜110、130、150、170の縁を直接加圧すれば、接着力を有するコーティング物質によって分離膜にホーンがくっ付き得る。これにより装置の故障を招くことがあり得る。したがって、接着力を有するコーティング物質を分離膜110、130、150、170に塗布した場合、所定の物体で分離膜110、130、150、170に直接圧力を加える工程を適用するのは好ましくない。
第2工程、第3工程でラミネーティングに印加される温度が、第1工程でラミネーティングに印加される温度より20〜50℃低い状態で工程を行うことが可能であり、第2工程、第3工程でラミネーティングに印加される圧力が、第1工程でラミネーティングに印加される圧力の40〜60％の状態で工程を行うことも可能である。このように第2工程、第3工程での温度及び圧力を、第1工程での温度及び圧力と差別化すれば、工程条件が簡素化され、工程を行うのに必要となる費用が節減される効果がある。
さらに、第1工程を行う第1ラミネータL1以外の残りのラミネータの場合、上部ブロック及び下部ブロックに印加される温度を異にすることができる。
例えば、第1分離膜と接触する第2ラミネータL2の上部ブロックより、第2分離膜/正極と接触する第2ラミネータL2の下部ブロックの温度を10〜30℃ほど高く維持し、不要な電力消耗を減らすことができる。
例えば、第1分離膜と接触する第2ラミネータL2の上部ブロックより、第2分離膜/正極と接触する第2ラミネータL2の下部ブロックの温度を10〜30℃ほど高く維持し、不要な電力消耗を減らすことができる。
従来のバイセル(Bi-Cell)を用いて電極組立体を製造しようとすれば、A型バイセルを製造するためのライン設備と、C型バイセルを製造するためのライン設備をそれぞれ構築して別個に製造した後、二つの種類のバイセルを積層しなければならなかった。これに反し、本発明の場合、A型バイセル又はC型バイセルのいずれか一つのバイセルのみを用いて同一の構造の単位構造体を製造し、この単位構造体を少なくとも一つ又は複数個積層することによって電極組立体を形成することができる。したがって、A型バイセルを製造するためのライン設備と、C型バイセルを製造するためのライン設備のいずれか一つのライン設備だけでも、第1工程の施行が可能であり、このライン設備に第2工程を及び第3工程を行う設備を敷設することによって連続工程で単位構造体を製造することができる。
図5は、本発明に係る単位構造体の分解斜視図であり、図6は、本発明に係る単位構造体の断面図である。このような単位構造体は前記で説明したように、C型バイセルを用いて作製するか、A型バイセルを用いて作製することもできる。但し、C型バイセルを用いて作製した場合を例に挙げて、第1工程を介して第1負極140/分離膜150/正極160/分離膜170/第2負極180構造を有するC型バイセルを製造し、C型バイセルの第2負極180上に第1分離膜110をラミネーティングする第2工程と、第1負極上に第2分離膜130/正極120を順次ラミネーティングする第3工程を介して図6に示された構造の単位構造体を製造可能なことが分かる。
このような構造を有する単位構造体を用いて電極組立体を製造すれば、中大型リチウムイオンポリマー電池の製造工程の短縮及び一元化を具現することができ、設備投資減少及び生産性の向上が可能であることはもちろん、従来のようなフォールディング工程ではなく積層工程だけで二次電池を具現し、工程の簡素化及び原価節減の効果を極大化することができるようになる。
図7は、本発明に係る電極組立体を固定する固定部材を適用した実施例を示した図である。
すなわち、本発明に係る電極組立体は、単位構造体自体の側面又は前面を固定するか、複数個の単位構造体が積層されて形成された電極組立体100の側面又は前面を固定する固定部材T1をさらに含んで構成され得る。
すなわち、単純積層構造によって積層の安定性を確保するため、積層された構造の側面に別個の部材を用いて固定を行うことができ、このような固定部は図7(a)に示されたように、積層された前記電極組立体の前面をテーピングする方式で具現するか、図7(b)に示されたように、電極組立体の側面のみを固定する固定部材T2で具現することが可能である。なお、この固定部材の材質は、分離膜の材質とは異に採択され得る。
勿論、別個の固定部を用いること以外に、単位構造体や積層された電極組立体で側面に突出される分離膜の末端を熱融着して、前記電極組立体を固定する構造で具現することもできる。前記分離膜は、微細多孔を含むポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、又はこれらフィルムの組合せによって製造される多層フィルム、及びポリビニリデンフルオライド、ポリエチレンオキシド、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高分子電解質用高分子フィルムからなる群より選択されるものを用いることができる。
以下では、前述した本発明に係る電極組立体を構成する構成要素の具体的な材料及び構成上の特徴を説明する。
[正極構造]
基本単位体に備えられる電極は正極又は負極に区別され、正極及び負極との間に分離膜を介在させた状態で相互結合させて製造される。正極は、例えば、正極集電体上に正極活物質、導電材及びバインダの混合物であるスラリーを塗布した後、乾燥及びプレッシングして製造され得、必要に応じては前記混合物に充填剤をさらに添加したりする。正極をロールに装着されるシート状に具現すれば、基本単位体の製造工程の速度を向上させることができる。
基本単位体に備えられる電極は正極又は負極に区別され、正極及び負極との間に分離膜を介在させた状態で相互結合させて製造される。正極は、例えば、正極集電体上に正極活物質、導電材及びバインダの混合物であるスラリーを塗布した後、乾燥及びプレッシングして製造され得、必要に応じては前記混合物に充填剤をさらに添加したりする。正極をロールに装着されるシート状に具現すれば、基本単位体の製造工程の速度を向上させることができる。
[正極集電体]
正極集電体は、一般的に3〜500μmの厚さに作製する。このような正極集電体の材料は、電池に化学的変化を誘発すること無く高い導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、又はアルミニウムやステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが用いられ得る。正極集電体の表面に微細な凹凸を形成し、正極活物質の接着力を高めることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態が可能である。
正極集電体は、一般的に3〜500μmの厚さに作製する。このような正極集電体の材料は、電池に化学的変化を誘発すること無く高い導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、又はアルミニウムやステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが用いられ得る。正極集電体の表面に微細な凹凸を形成し、正極活物質の接着力を高めることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態が可能である。
[正極活物質]
正極活物質はリチウム二次電池の場合、例えば、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)などの層状化合物や、1又はそれ以上の遷移金属に置換された化合物；化学式Li1+xMn2-xO4(ここで、xは0〜0.33である)、LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2などのリチウムマンガン酸化物；リチウム銅酸化物(Li2CuO2)；LiV3O8、LiFe3O4、V2O5、Cu2V2O7などのバナジウム酸化物；化学式LiNi1-xMxO2(ここで、M=Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B又はGaであり、x=0.01〜0.3である)で表現されるNiサイト型リチウムニッケル酸化物；化学式LiMn2-xMxO2(ここで、M=Co、Ni、Fe、Cr、Zn又はTaで、x=0.01〜0.1である)又はLi2Mn3MO8(ここで、M=Fe、Co、Ni、Cu又はZnである)で表現されるリチウムマンガン複合酸化物；化学式のLiの一部がアルカリ土金属イオンに置換されたLiMn2O4；ジスルフィド化合物；Fe2(MoO4)3などを挙げることができるが、これらだけで限定されるものではない。
正極活物質はリチウム二次電池の場合、例えば、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)などの層状化合物や、1又はそれ以上の遷移金属に置換された化合物；化学式Li1+xMn2-xO4(ここで、xは0〜0.33である)、LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2などのリチウムマンガン酸化物；リチウム銅酸化物(Li2CuO2)；LiV3O8、LiFe3O4、V2O5、Cu2V2O7などのバナジウム酸化物；化学式LiNi1-xMxO2(ここで、M=Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B又はGaであり、x=0.01〜0.3である)で表現されるNiサイト型リチウムニッケル酸化物；化学式LiMn2-xMxO2(ここで、M=Co、Ni、Fe、Cr、Zn又はTaで、x=0.01〜0.1である)又はLi2Mn3MO8(ここで、M=Fe、Co、Ni、Cu又はZnである)で表現されるリチウムマンガン複合酸化物；化学式のLiの一部がアルカリ土金属イオンに置換されたLiMn2O4；ジスルフィド化合物；Fe2(MoO4)3などを挙げることができるが、これらだけで限定されるものではない。
導電材は、通常、正極活物質を含む混合物の全体重量に基づいて1から50重量％に添加される。このような導電材は、電池に化学的変化を誘発すること無く導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、天然黒煙や人造黒煙などの黒煙；カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック；炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維；フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などが用いられ得る。
バインダは、活物質と導電材などの結合と集電体に対する結合に助力する成分であって、通常に正極活物質を含む混合物全体重量に基づいて1から50重量％に添加される。このようなバインダの例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース(CMC)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン-ジエンテルポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブチレンゴム、フッ素ゴム、多様な共重合体などを挙げることができる。
充填剤は、正極の膨張を抑制する成分として選択的に用いられ、電池に化学的変化を誘発すること無く繊維状材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系重合体；ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状物質が用いられる。
[負極構造]
負極は、例えば、負極集電体上に負極活物質を塗布、乾燥及びプレッシングして製造され得、必要に応じて導電材、バインダ、充填剤などが選択的にさらに含まれ得る。負極をロールに装着されるシート状に具現すれば、基本単位体の製造工程の速度を向上させることができる。
負極は、例えば、負極集電体上に負極活物質を塗布、乾燥及びプレッシングして製造され得、必要に応じて導電材、バインダ、充填剤などが選択的にさらに含まれ得る。負極をロールに装着されるシート状に具現すれば、基本単位体の製造工程の速度を向上させることができる。
[負極集電体]
負極集電体は、一般的に3〜500μmの厚さに作製される。このような負極集電体は、電池に化学的変化を誘発すること無く導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム−カドミウム合金などが用いられ得る。また、正極集電体と同様に、表面に微細な凹凸を形成して負極活物質の結合力を強化させることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの多様な形態が可能である。
負極集電体は、一般的に3〜500μmの厚さに作製される。このような負極集電体は、電池に化学的変化を誘発すること無く導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム−カドミウム合金などが用いられ得る。また、正極集電体と同様に、表面に微細な凹凸を形成して負極活物質の結合力を強化させることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの多様な形態が可能である。
[負極活物質]
負極活物質は、例えば、難黒煙化炭素、黒煙系炭素などの炭素；LixFe2O3(0≦x≦1), LixWO2(0≦x≦1), SnxMe1-xMe’yOz (Me：Mn, Fe, Pb, Ge; Me’：Al、B、P、Si、周期律表の1族、2族、3族元素、ハロゲン；0<x≦1；1≦y≦3；1≦z≦8)などの金属複合酸化物；リチウム金属；リチウム合金；ケイ素系合金；錫系合金；SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5などの金属酸化物；ポリアセチレンなどの導電性高分子；Li-Co-Ni系材料などが用いられ得る。
負極活物質は、例えば、難黒煙化炭素、黒煙系炭素などの炭素；LixFe2O3(0≦x≦1), LixWO2(0≦x≦1), SnxMe1-xMe’yOz (Me：Mn, Fe, Pb, Ge; Me’：Al、B、P、Si、周期律表の1族、2族、3族元素、ハロゲン；0<x≦1；1≦y≦3；1≦z≦8)などの金属複合酸化物；リチウム金属；リチウム合金；ケイ素系合金；錫系合金；SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5などの金属酸化物；ポリアセチレンなどの導電性高分子；Li-Co-Ni系材料などが用いられ得る。
[分離膜]
分離膜は、フォールディング工程やロール(roll)工程とは関係なく、単純積層工程により基本単位体を形成して単純積層を具現することになる。特に、分離膜と電極の接着は、ラミネータの内部で圧力(又は圧力と熱)によって行われ得る。これにより、電極と分離膜シートとの間の安定的な界面接触が可能になる。
分離膜は、フォールディング工程やロール(roll)工程とは関係なく、単純積層工程により基本単位体を形成して単純積層を具現することになる。特に、分離膜と電極の接着は、ラミネータの内部で圧力(又は圧力と熱)によって行われ得る。これにより、電極と分離膜シートとの間の安定的な界面接触が可能になる。
分離膜は、絶縁性を現わし、イオンの移動が可能な多孔性構造であれば、その素材が特に制限されるものではなく、例えば、高いイオン透過度と機械的強度を有する絶縁性の薄い薄膜が用いられ得、分離膜又は分離膜シートの気孔直径は一般的に0.01〜10μmであり、厚さは一般的に5〜300μmである。
また、分離膜は、例えば、耐化学性及び疎水性のポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマー；ガラス繊維又はポリエチレンなどで作製されたシートや不織布などが用いられる。電解質としてポリマーなどの固体電解質が用いられる場合は、固体電解質が分離膜を兼ねることもできる。好ましくは、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、又はこれらフィルムの組合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(polyvinylidene fluoride)、ポリエチレンオキシド(polyethylene oxide)、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile)、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(polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene)共重合体などの高分子電解質用又はゲル型高分子電解質用高分子フィルムであり得る。
以下では、本発明に係る電極組立体100が適用され得る電気化学素子に対して説明する。
本発明に係る電極組立体100は、正極と負極の電気化学的反応により電気を生産する電気化学セルに適用され得るところ、電気化学セルの代表的な例としては、スーパーキャパシタ(super capacitor)、ウルトラキャパシタ(ultra capacitor)、二次電池、燃料電池、各種センサ、電気分解装置、電気化学的反応器などを挙げることができ、その中で二次電池が特に好ましい。
前記二次電池は、充放電が可能な電極組立体がイオン含有電解液で含浸された状態で、電池ケースに内装している構造となっており、一つの好ましい例として、前記二次電池はリチウム二次電池であり得る。
近年、リチウム二次電池は小型モバイル機器だけでなく、大型デバイスの電源として多くの関心を集めており、そのような分野への適用時に小さい重量を有するのが好ましい。二次電池の重量を減らす一つの方案として、アルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに電極組立体を内装した構造が好ましい。このようなリチウム二次電池については当業界に公知なので、本明細書では関連説明を略する。
また、前記で説明したように、中大型デバイスの電源として用いる際には、長期間の使用時にも作動性能の低下現象を最大限抑制し、寿命特性に優れ、且つ安い費用で大量生産することのできる構造の二次電池が好ましい。このような観点で本発明の電極組立体を含む二次電池は、これを単位電池とする中大型電池モジュールに好ましく用いられ得る。
多数の二次電池を含む電池モジュールを含む電池パックの場合、パワーツール(power tool)；電気車(Electric Vehicle, EV)、ハイブリッド電気車(Hybrid Electric Vehicle, HEV)及びプラグインハイブリッド電気車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)からなる群より選択された電気車；E-バイク(E-bike)；E-スクーター(E-scooter)；電気ゴルフカート(Electric golf cart)；電気トラック；及び電気商用車からなる中大型デバイスの群より選択された一つ以上の電源に用いられ得る。
中大型電池モジュールは、多数の単位電池をシリーズ方式又はシリーズ/パラレル方式に連結して高出力大容量を提供するように構成されており、それについては当業界に公知なので本明細書には関連説明を略する。
前述したような本発明の詳細な説明では、具体的な実施例に関して説明した。しかし、本発明の範疇から外れない限度内では多様な変形が可能である。本発明の技術的思想は、本発明の記述した実施例に限定されてはならず、特許請求の範囲だけではなく、この特許請求の範囲と均等なものなどによって定められなければならない。
Claims (11)
- 第1電極、第2電極、及び分離膜を含む電極組立体の製造工程において、
第1電極/分離膜/第2電極/分離膜/第1電極構造のバイセルをラミネーティングして形成する第1工程；
前記二つの第1電極のいずれか一つの第1電極上に第1分離膜をラミネーティングする第2工程；及び
前記二つの第1電極のうち他の一つの第1電極上に第2分離膜/第2電極を順次ラミネーティングする第3工程；を介して単位構造体を製造することを特徴とする電極組立体の製造工程。 - 前記単位構造体を複数個積層することを特徴とする請求項1に記載の電極組立体の製造工程。
- 前記第2工程と前記第3工程は、別個のラミネータによって行われる請求項1に記載の電極組立体の製造工程。
- 前記第2工程及び第3工程は、
一つのラミネータによって、同時に又は順次行われることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体の製造工程。 - 前記第2分離膜は両面に接着力を有するコーティング物質がコーティングされ、前記第1分離膜は前記第1電極と接触する一面にのみ接着力を有するコーティング物質がコーティングされることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体の製造工程。
- 前記バイセルに含まれた分離膜は、両面に接着力を有するコーティング物質がコーティングされることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体の製造工程。
- 前記コーティング物質は、無機物粒子とバインダ高分子の混合物であることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の電極組立体の製造工程。
- 前記第1電極及び前記第2電極は、
集電体の両面に活物質がコーティングされた構造を有する両面電極であることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体の製造工程。 - 前記第2工程又は第3工程でのラミネータの上部ブロック及び下部ブロックに印加される温度は、前記第1工程でのラミネータの上部ブロック及び下部ブロックに印加される温度より20〜50℃低いことを特徴とする請求項1に記載の電極組立体の製造工程。
- 前記第2工程又は第3工程でラミネータから前記バイセルに印加される圧力は、前記第1工程でのラミネータから前記バイセルに印加される圧力の40〜60％であることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体の製造工程。
- 前記第1工程を行うラミネータ以外の残りのラミネータの、下部ブロックに印加される温度は上部ブロックに印加される温度よりも、10〜30℃高いことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の電極組立体の製造工程。
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