JP6049892B2 - テーピング処理された電極組立体及びそれを含む電気化学素子 - Google Patents

Description

本発明は、テーピング処理された電極組立体及びそれを含む電気化学素子に関し、より詳しくは、エッジの無い（ｅｄｇｅ-ｆｒｅｅ）電極をゼリーロール（ｊｅｌｌｙ ｒｏｌｌ）形態に巻き取る場合に、分離膜が押される現象及び／または途切れる現象を防止する電極組立体、並びに前記電極組立体を含む電気化学素子に関する。

本出願は、２０１２年１２月７日日出願の韓国特許出願第１０−２０１２−０１４２０２１号、２０１２年１２月７日出願の韓国特許出願第１０−２０１２−０１４２０３０、及び２０１３年１２月４日出願の韓国特許出願第１０−２０１３−０１５００１２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。

近年、電気化学素子のうちエネルギー貯蔵技術に対する関心が高まりつつある。携帯電話、カムコーダー及びノートパソコン、さらには電気自動車のエネルギーまで適用分野が拡がるとともに、電池の研究と開発に対する努力が次第に具体化されている。電気化学素子はこのような面で最も注目される分野であり、その中でも、充放電可能な二次電池の開発に関心が寄せられている。

図１を参照すれば、従来の二次電池に使用された電極の一実施態様として、長いシート型電流集電体３の両面に電極活物質層２、２’が塗布され、電流集電体３の端部には電極活物質層２、２’が塗布されていない活物質無地部ａが形成された電極１が示されている。

電極が分離膜に積層されて電極組立体として形成された後、ゼリーロール形態に巻き取られるとき、電極端部、より詳しくは、電極の巻き終わり端部が分離膜を押す現象が発生する恐れがあるが、上述したように、活物質無地部ａが形成された電極では、前記活物質無地部ａによって電極の巻き終わり端部が分離膜を押す現象が緩和または軽減されて分離膜におけるストレスが軽減されることで、分離膜の途切れを防止できるという長所がある。

しかし、活物質無地部ａが形成された電極１を使用する場合には、電極活物質、特に正極活物質のコーティング時に、電流集電体の活物質無地部に活物質スラリーが飛散して活物質アイランド（ｉｓｌａｎｄ：海島）が形成されるが、このアイランドは、高容量モデルの寿命テストなどでゼリーロールの収縮、膨張が繰り返されて電流集電体のシートが延伸されるとき、電池の内部短絡を発生させる一原因として指摘されてきた。

したがって、図２に示されたように、電流集電体３の両面に電極活物質層２、２’を塗布し、活物質無地部が存在しないように切断して製造したエッジの無い電極１が提案された。
本明細書において、「エッジの無い電極」とは、図２に示されたように活物質と電流集電体とが同一位置で端部を形成する電極を意味する。

ところが、図２に示されたエッジの無い電極は、活物質の飛散によってアイランドが形成されるという問題点がない一方、電極活物質層と電流集電体とが同一位置で端部を形成して高密度段差が形成されるため、前記電極１を分離膜５に積層してゼリーロール形態に巻き取るとき、巻き終り部にある電極端部から分離膜５が受けるストレスは、活物質無地部が形成された電極を使用してゼリーロール形態に巻き取るときに受けるストレスより格段に大きく、分離膜が押される問題及び／または途切れる問題がより深刻であった。

本発明の一実施態様によれば、エッジの無い電極を含み、ゼリーロール形態に巻き取られる電極組立体において、分離膜が押される現象及び／または途切れる現象が緩和または防止できる電極組立体を提供することを目的とする。
また、本発明の他の実施態様によれば、前記電極組立体を含む電気化学素子を提供することを目的とする。
また、本発明の更に他の実施態様によれば、前記電極組立体をより簡素化した方法で製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施態様によれば、電極活物質層と電流集電体とが同一位置で段差を形成する電極を含む電極組立体において、電極端部と分離膜との間に絶縁テープが介在されている電極組立体が提供される。
前記絶縁テープは、電極幅と実質的に同一の幅を有し得る。
前記電極端部は、電極組立体がゼリーロール形態に巻き取られるときに巻き終わり部に位置する端部であり得る。
前記電極は正極、負極、または正極と負極の両方であり得る。
前記電極組立体において、絶縁テープが分離膜に接着して積層され、前記絶縁テープ上に電極端部が置かれるように電極が積層され得る。
電極端部における電極の巻き終わり部における分離膜と対面しない電極端部に絶縁テープまたは弾性材が更に付着し得る。
前記弾性材は、スチレン‐ブタジエンゴムであり得る。

前記電極組立体では２枚の絶縁テープが使用され、そのうち１枚が電極の下面に付着し、他の１枚が電極の上面に付着し、それぞれの前記絶縁テープが電極の下面及び上面と垂直を成す電極の厚さ方向端面に密着するように付着し得る。

前記電極組立体では１枚の絶縁テープが使用され、前記絶縁テープは、電極の下面、前記電極の下面と垂直を成す電極の厚さ方向端面、及び電極の上面に連続して付着し得る。

本発明の他の実施態様によれば、分離膜に絶縁テープを積層する段階、及び前記絶縁テープ上に電極の巻き終わり端部が置かれるように電極を積層する段階を含む電極組立体の製造方法が提供される。
電極端部における電極の巻き終わり部における分離膜と対面しない電極端部に絶縁テープまたは弾性材スラリーを適用する段階を更に含むことができる。

本発明の更に他の態様によれば、電極端部の上面及び下面のそれぞれに絶縁テープを付着させる段階；前記絶縁テープを電極端部の上面及び下面のそれぞれと垂直を成す電極の厚さ方向端面に付着させる段階；並びに前記電極を分離膜に積層する段階を含む電極組立体の製造方法が提供される。
本発明の更に他の態様によれば、上述した電極組立体をゼリーロール形態に含む電気化学素子が提供される。
前記電気化学素子は、リチウム二次電池であり得る。

本発明一実施態様によれば、電極の巻き終わり部の電極端部と分離膜との間に絶縁テープが介在されて、分離膜が押される現象及び／または途切れる現象を緩和または防止する効果を奏する。
また、本発明の他の実施態様によれば、絶縁テープをより簡素化した工程によって電極に適用することができるという工程上の利点がある。

活物質無地部が形成されている電極が分離膜上に積層されている一態様を概略的に示した断面図である。 エッジの無い電極が分離膜上に積層されている一態様を概略的に示した断面図である。 分離膜上に絶縁テープが積層され、前記分離膜及び絶縁テープの上にエッジの無い電極が積層されている本発明の一実施態様を示した断面図である。 図３の上面図である。 分離膜上に絶縁テープが積層され、前記分離膜及び絶縁テープの上にエッジの無い電極が積層され、前記エッジの無い電極において分離膜と対面せず巻き終わり部にある電極端部に弾性材が適用されている本発明の一実施態様を示した断面図である。 図６ａは、エッジの無い電極の巻き終わり端部の上面及び下面のそれぞれに絶縁テープが付着した状態を概略的に示した断面図である。 図６ｂは、図６ａの電極の上面及び下面に付着した絶縁テープが、前記電極の上面及び下面のそれぞれと垂直を成す電極の厚さ方向端面にまで付着している状態を概略的に示した断面図である。 図６ｃは、図６ｂの絶縁テーピング処理されたエッジの無い電極が分離膜上に積層された状態を概略的に示した断面図である。 図６ｃの上面図である。 絶縁テープの中央部を曲げて電極に付着する模様を概略的に示した断面図である。

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。したがって、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。

本発明の一実施態様によれば、エッジの無い電極と分離膜との間に絶縁テープが介在されている電極組立体が提供される。特に、前記電極端部は、電極組立体がゼリーロール形態に巻き取られるとき、エッジの無い電極によって分離膜がストレスを最も多く受ける巻き終わり端部であることが望ましい。
本発明をより詳しく説明するために、本発明の一実施態様である図３を参照して説明する。

図３を参照すれば、分離膜５上に絶縁テープ４が積層され、前記絶縁テープ４及び分離膜５の上に電極１が積層されている。特に、電極の端部が絶縁テープ４上に積層される。

電極１は、電流集電体３と電流集電体３の少なくとも一面に形成されている活物質層２、２’とを含むことができ、前記電流集電体３と活物質層２、２’とが同じ位置で端部を形成しているエッジの無い電極１に該当する。

図４から分かるように、絶縁テープの幅Ｗ４は、分離膜が押される現象及び／または途切れる現象を防止するという本発明の目的を果たすために、電極の幅Ｗ１と同一であるか又はこれより多少大きいことが望ましい。本発明において「同一である」とは、当業界で許容される水準の誤差範囲を含むものである。

絶縁テープの素材としては、絶縁特性を有するとともに電解液に対して非反応性であれば特に制限されない。このような特性を満足する絶縁テープの素材の非制限的な例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン、塩化ビニル、テフロン（登録商標）、ポリイミド、カプトン（登録商標）、ポリフェニレンスルファイドなどが挙げられる。また、絶縁テープは弾性を有し得る。弾性絶縁テープを使用する場合、絶縁テープが電極と分離膜との間に介在されることで発生する電極と分離膜との間の浮き上がりを軽減することができる。

絶縁テープの厚さは、本発明の目的に適する限り、特に制限されない。すなわち、絶縁テープは、分離膜が押される現象及び／または途切れる現象を緩和／防止できるとともに、電池の体積を不要に増加させてはならない。特に、本発明による電極組立体は、ゼリーロール形態に巻き取られて電池缶に収納され、液体電解液が注入されて電気化学素子として製造されるため、分離膜と電極との間の電解質が移動するための分離膜と電極との間の完全な密着を必要としない。本発明の一実施態様において、絶縁テープの厚さは１０〜２０μｍであり得る。

図３において、電極１と分離膜５との間に介在される絶縁テープの長さ４ａ及び分離膜５上に露出する絶縁テープの長さ４ｂは、本発明の目的に適する限り、特に制限されない。一例として、本発明の一実施態様において、電極と分離膜との間に介在される絶縁テープの長さ４ａは５〜２０ｍｍであり得、分離膜５上に露出する絶縁テープの長さ４ｂは５〜１０ｍｍであり得る。

絶縁テープ４は、その一面に接着剤層が形成されているものであり得る。このとき、接着層が分離膜５に付着するように絶縁テープ４を分離膜５に積層する。絶縁テープに適用可能な接着剤の素材としては、電解液に溶解され、電極と分離膜との間に所定の接着力を付与することができるものであれば特に制限されない。あるいは、絶縁テープは、熱融着によって分離膜に接着することができる。

電極は、正極、負極、または正極と負極の両方を意味し得る。したがって、前記実施態様は、絶縁テープが正極と分離膜との間に介在された態様、負極と分離膜との間に介在された態様、及び正極と分離膜との間に介在され、かつ負極と分離膜との間にも介在された態様をすべて含むことができる。
電極を構成する活物質は、本発明で特に制限されない。

本発明で使用可能な分離膜は、当業界で通常使用される分離膜を特に制限なく使用でき、例えば、多孔性高分子分離膜、多孔性コーティング層が多孔性高分子基材の少なくとも一面に形成された複合分離膜、エンジニアリングプラスチック系分離膜などが挙げられる。このとき、「多孔性高分子基材」とは、ポリオレフィン系化合物のように、当業界で分離膜の素材として通常使用される素材として形成された基材を意味し、フィルム基材と不織布基材をすべて含むものである。また、「多孔性コーティング層」とは、無機物粒子とバインダー高分子との混合物を含み、無機粒子同士が互いに接触した状態で充填されて前記バインダー高分子によって互いに結着し、これにより無機物粒子同士の間にインタースティシャル・ボリューム（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｖｏｌｕｍｅ）が形成され、前記無機粒子同士の間のインタースティシャル・ボリュームが空き空間になって気孔を形成する構造を意味する。

また、図５を参照して本発明の他の実施態様を説明すれば、電極１と分離膜５との間に介在される絶縁テープ４の外に、分離膜に対面せず巻き終わり部にある電極端部に、付加的な絶縁テープまたは弾性材６を更に適用することができる。

前記絶縁テープ６は、電極１と分離膜５との間に介在される絶縁テープ４と同じ素材または異なる素材の絶縁テープであり得る。弾性材６としては、スチレン‐ブタジエンゴムのように弾性を有し、非伝導性である物質を使用することができる。

前記絶縁テープまたは弾性材６を電極に適用する時点は特に制限されず、例えば、電極１を分離膜５に積層する前の任意の時点、または電極１を分離膜５に積層した後の任意の時点で適用することができる。
絶縁テープ６を電極に適用する場合、絶縁テープの接着面は電極の上面、及び上面と垂直を成す部分に付着することができる。
スチレン‐ブタジエンゴムスラリーのような弾性材を電極に適用する場合、スラリーを電極に適用した後に乾燥させる後続工程を更に要することがある。
本発明の更に他の実施態様は、図６ａ〜図６ｃに示されている。

図６ａを参照すれば、絶縁テープを２枚４’、４"用意し、前記絶縁テープ４’、４”の接着面を電極１の上面及び下面に付着させる。前記２枚の絶縁テープ４’、４”は、同じ長さを有し得る。

次いで、図６ｂを参照すれば、それぞれの前記絶縁テープ４’、４”を電極の上面と垂直を成す電極の厚さ方向端面、及び電極の下面と垂直を成す電極の厚さ方向端面に密着するように付着させる。このように付着させた後に絶縁テープに余分がある場合、図６ｂに示されたような尾部を形成させる。前記尾部は、分離膜が押される現象または途切れる現象の緩和に寄与することができる。
次いで、図６ｃに示されたように、絶縁テープ４’、４”が付着された電極１を分離膜５上に積層する。

前記実施態様を製造する工程は、２枚の絶縁テープ４’、４”を電極端部の上面及び下面に付着させた後、電極の厚さ方向端面に密着するように付着させる工程からなるため、工程が単純かつ簡単に行われるという長所がある。このような工程は、後述する図８の実施態様において絶縁テープの中央部を曲げるために複雑な施設及び工程が必要であることを勘案すれば、非常に有利な工程上の利点と言える。また、図６ａ〜図６ｃによる工程によれば、絶縁テープが電極により密着するように付着することができる利点もある。

図６ａ〜図６ｃで使用される絶縁テープの素材、厚さ、幅、及び絶縁テープに使用される接着剤の素材は、図３〜図５の実施態様と同一であるため、図３〜図５について上述した内容を参照すればよい。

電極の上面及び下面に付着する絶縁テープの長さも、本発明の目的に適する限り、特に制限されない。本発明の一実施態様において、電極の上面または下面に付着する絶縁テープの長さは５〜２０ｍｍであり得、尾部の長さは５〜１０ｍｍであり得る。

本発明の更に他の実施態様は、図８に示されている。
図８を参照すれば、１枚の絶縁テープ４の中央部が曲げられるように用意され、エッジの無い電極に前記絶縁テープ４を付着する工程を経て製造される。
図８で製造された絶縁テーピング処理された電極も、ゼリーロール形態に巻き取られるときに分離膜が押される現象及び／または途切れる現象が緩和または防止される。但し、本実施態様では、上述したように、絶縁テープ４の中央部を曲げる施設が必要であり、また、曲率を有していた絶縁テープ４を電極の上面、上面と垂直を成す厚さ方向端面、及び電極の下面に密着するように付着させるように注意を払わねばならない。

上述したようにして製造された電極組立体は、ゼリーロール形態に巻き取られて電池缶に収納された後、電解液を注入して電気化学素子として製造されて使用することができ、本発明で使用可能な電気化学素子については以下に説明する。

本発明で使用可能な正極活物質及び負極活物質、また、正極電流集電体及び負極電流集電体としては、当業界で通常使用されるものであれば特に制限なく使用することができる。

前記正極活物質としては、通常、リチウム含有遷移金属酸化物またはリチウムカルコゲニド化合物をすべて使用することができ、その代表的な例としては、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、またはＬｉＮｉ_1-x-yＣｏ_xＭ_yＯ₂（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１、ＭはＡｌ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｌａなどの金属）などの金属酸化物を使用することができるが、これらに制限されることはない。

前記負極活物質としては、結晶質炭素、非晶質炭素、炭素複合体、炭素繊維などの炭素材料、リチウム金属、またはリチウム合金などを使用することができるが、これらに制限されることはない。

正極集電体としては、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタンまたはこれらの合金、もしくはアルミニウムまたはステンレスの表面にカーボン、ニッケル、チタン又は銀を表面処理したものなどを使用することができる。

負極集電体としては、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタンまたはこれらの合金、もしくは銅またはステンレスの表面にカーボン、ニッケル、チタン又は銀を表面処理したものなどを使用することができる。

本発明の一実施例で使用できる電解液は、Ａ⁺Ｂ^-のような構造の塩であり、Ａ⁺はＬｉ⁺、Ｎａ⁺、Ｋ⁺のようなアルカリ金属陽イオンまたはこれらの組み合せからなるイオンを含み、Ｂ^-はＰＦ₆ ^-、ＢＦ₄ ^-、Ｃ_l ^-、Ｂｒ^-、Ｉ^-、ＣｌＯ₄ ^-、ＡｓＦ₆ ^-、ＣＨ₃ＣＯ₂ ^-、ＣＦ₃ＳＯ₃ ^-、Ｎ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂ ^-、Ｃ（ＣＦ₂ＳＯ₂）₃ ^-のような陰イオンまたはこれらの組み合せからなるイオンを含む塩を、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメトキシシエタン、ジエトキシシエタン、テトラハイドロフラン、Ｎ-メチル‐２‐ピロリドン（ＮＭＰ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ‐ブチロラクトン、またはこれらの混合物からなる有機溶媒に溶解または解離したものであるが、これらに限定されることはない。

前記電解液の注入は、最終製品の製造工程及び求められる物性に応じて、電池製造工程のうち適宜な段階において行えばよい。すなわち、電池組立ての前または電池組立ての最終段階などにおいて注入すればよい。

Claims (10)

1. 電極組立体であって、
   電極活物質層と電流集電体とが同一位置で端部に形成された電極を備えてなり、
   絶縁テープが分離膜に積層されたものであり、
   前記電極が前記絶縁テープに積層され、前記電極の端部が前記絶縁テープに置かれてなり、
   前記絶縁テープの一部が、前記電極の端部と前記分離膜との間に介在されてなり、及び
   前記絶縁テープの残部が、前記分離膜に露出されてなるものである、電極組立体。
2. 前記絶縁テープが、電極幅と同一幅を有することを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
3. 前記電極端部が、電極組立体がゼリーロール形態に巻き取られるときに巻き終わり部に位置する端部であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電極組立体。
4. 前記電極が、正極、負極、または正極と負極の両方であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の電極組立体。
5. 電極端部のうち電極の巻き終わり部における分離膜と対面しない電極端部に、絶縁テープ又は弾性材が更に付着していることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の電極組立体。
6. 前記弾性材が、スチレン‐ブタジエンゴムであることを特徴とする、請求項５に記載の電極組立体。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の電極組立体の製造方法であって、
   分離膜に絶縁テープを積層する段階と、及び
   前記絶縁テープ上に電極の巻き終わり部の端部が配置されるように電極を積層する段階とを含んでなることを特徴とする、電極組立体の製造方法。
8. 電極端部における電極の巻き終わり部における分離膜と対面しない電極端部に、絶縁テープ又は弾性材スラリーを適用する段階を更に含むことを特徴とする、請求項７に記載の電極組立体の製造方法。
9. 請求項１〜６の何れか一項に記載の電極組立体をゼリーロール形態に備えてなる、電気化学素子。
10. 前記電気化学素子が、リチウム二次電池であることを特徴とする、請求項９に記載の電気化学素子。

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