JP6098904B2 - 段差が形成された電極組立体、上記電極組立体を含む二次電池、電池パック及びデバイス、並びに上記電極組立体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、スタック・アンド・フォールディング型によって組み立てられた段差を有する電極組立体に関するもので、より詳細には、段差部に形成された分離膜の形状が電極組立体の段差部と同一形状を有する電極組立体及びその製造方法に関する。
また、上記電極組立体を含む二次電池、電池パック及びデバイスに関する。
一般に、段差を有する電極組立体は図１のような構造を有する。このような段差を有する電極組立体１では、両面に最外郭電極として陽極１１または陰極１３が配置される。
上記のような段差を有する電極組立体は、一方向に長い分離膜上に面積差を有する陰極または陽極の電極を一定の順序に配列したり、図２に示されているように、陰極または陽極が分離膜を介して積層されて形成される面積が異なるユニットセルを一定の順序に配列した後、上記分離膜を上記電極またはユニットセル単位でフォールディングすることで得られる。このとき、上記分離膜は、ぴんと張られて各電極またはユニットセルの電極面に平坦かつ緊密に密着して先に積層された電極積層体を覆いながら上記電極積層体の上面または下面に次の電極またはユニットセルを続けて積層する。
これにより、大面積の電極と小面積の電極との面積差によって段差が形成される段差部では、図３に示されているように、電極積層体が積層されて形成される側面に密着せず、傾斜面をなして先に積層された電極積層体を覆うようになる。
その結果、電極組立体の組立時に、各層間の段差部には上記分離膜によってテンション（ｔｅｎｓｉｏｎ）が発生し、このような分離膜のテンションは、電池ケース内への挿入時に電極組立体の挿入性を低下させる。また、加圧工程時には、図４に示されているように、分離膜のテンションによって下端部の大面積電極が曲がるベンディング（ｂｅｎｄｉｎｇ）を誘発して電極組立体の形状不良をもたらす可能性がある。したがって、スタック・アンド・フォールディング型によって組み立てられた電極組立体における上記のような分離膜のテンションは解消される必要がある。
本発明の目的は、スタック・アンド・フォールディング型によって組み立てられた電極組立体において、分離膜によって形成された各層間のテンションが解消された電極組立体を提供することにある。
また、本発明の目的は、上記分離膜のテンションが解消された電極組立体を含む二次電池、電池パック及びデバイスを提供することにある。
なお、本発明の目的は、上記電極組立体においてテンションを解消する方法を提供することにある。
本発明は、テンションが解消された段差を有する電極組立体を提供するためのもので、第１面積を有する少なくとも一つの電極ユニットが積層された第１電極積層体と、上記第１面積より小さい第２面積を有する少なくとも一つの電極ユニットが積層された第２電極積層体と、上記第１電極積層体及び第２電極積層体が平面に対して垂直方向に積層され、上記第１電極積層体と第２電極積層体との面積差によって段差が形成された段差部と、を含み、上記電極組立体は縦方向に対して横方向への長さが長い長方形の分離膜に上記電極ユニットが巻取されて形成され、上記長方形の分離膜は少なくとも一部が上記電極組立体の段差部を覆うように巻取され、上記段差部と同一形状の段差が形成された電極組立体を提供する。
上記電極組立体の段差部を覆う分離膜は、上記電極ユニットを巻取して電極積層体の内部に位置する長方形の分離膜の厚さの９０％以下の厚さを有し、切断されていてもよい。
上記第２電極積層体は、第２面積を有する少なくとも一つの電極ユニット上に第２面積より小さい面積を有する電極ユニットが平面に対して垂直方向に一つ以上積層された電極積層体を含み、一つ以上の段差を有することができる。
このとき、上記電極ユニットは、単一電極と、少なくとも一つの陽極、少なくとも一つの陰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、これらの組み合わせからなる群より選択された１種以上からなることができる。また、上記単位セルは、ゼリーロール型、スタック型、ラミネーション・アンド・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。ここで、最外郭両面に配置される二つの電極の極性は同一であっても、異なってもよい。
また、本発明の上記電極ユニットは、少なくとも一つ以上の電極タブを備えることができる。このとき、上記電極タブは、同一極性の電極同士が電気的に連結される。ここで、上記電極タブは、そのサイズが同一であってもよく、電極ユニットの面積によって異なるサイズを有してもよい。
本発明の電極組立体は、上記第１電極積層体の最上端電極が陰極であることが好ましい。また、上記第１電極積層体及び第２電極積層体は、異なる電極が相対して積層されることが好ましい。
また、本発明は、縦方向に対して横方向への長さが長い長方形の分離膜上に第１電極積層体を形成する第１面積を有する少なくとも一つの第１電極ユニット、及び第２電極積層体を形成する第２面積を有する少なくとも一つの第２電極ユニットを配列し、上記長方形の分離膜を上記各電極ユニット単位で一方向に巻取して第１電極積層体の一面に第２電極積層体を積層し、各電極積層体間の面積差によって段差を有する電極組立体を組み立てる段階と、上記長方形の分離膜が経由し、上記段差が形成された電極組立体の一側端面に位置するそれぞれの上記第２電極ユニットの末端部と上記第１電極積層体の最上端の第１電極ユニットの末端部との間で上記長方形の分離膜の経由によって形成された傾斜面の上記長方形の分離膜を延伸または切断して上記傾斜面のテンションを解消する段階と、を含む電極組立体の製造方法を提供する。
上記延伸は、上記傾斜面を形成する長方形の分離膜を加熱及び加圧して行われることができる。このとき、上記延伸は、８０〜１００℃の温度範囲で行われることが好ましい。
また、上記延伸は、８０〜１００℃の温度を有する治具で上記傾斜面を形成する長方形の分離膜を加圧することで行われることができる。このとき、上記治具は、上記電極組立体の段差部と同一形状を有するものを用いることが好ましい。
一方、上記切断は、ナイフ、レーザー、熱線によって行われることができる。
また、本発明は、上記本発明の電極組立体を含む二次電池を提供する。上記電極組立体は、電池ケースに内蔵されることができる。このとき、上記電池ケースはパウチ型ケースであることができる。なお、上記二次電池は、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。
なお、本発明は、上記二次電池を二つ以上含む電池パックを提供する。
一方、本発明は、上記二次電池を一つ以上含むデバイスを提供する。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。
本発明によると、段差を有する電極組立体において、スタック・アンド・フォールディングによって段差を有する電極組立体を組み立てるとき、分離膜によって発生した各層間のテンションを解消できることにより、電池ケース内への挿入時に電極組立体の挿入性を向上させるとともに、加圧工程時における電極積層体の下端のベンディングを抑制することができるため、電極組立体の外観不良を防止できるようになる。
以下では、添付の図面を参照し、本発明の好ましい実施形態について説明する。しかし、本発明の実施形態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形態に限定されない。また、本発明の実施形態は、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。
本発明の電極組立体は、第１面積を有する少なくとも一つの電極ユニットが積層された第１電極積層体及び上記第１面積より小さい第２面積を有する少なくとも一つの電極ユニットが積層された第２電極積層体を含み、上記第１及び第２電極積層体が平面に対して垂直方向に積層されて図１のような段差を形成する。このとき、上記段差数は、特に制限されず、図１、図５及び図７のように３層で構成されてもよく、図６及び図８のように２層で構成されてもよい。また、図面には示されていないが、４層以上の構成を有することもできる。
また、本発明において、上記それぞれの電極ユニットは、陰極または陽極のような単一電極と、少なくとも一つの陰極、少なくとも一つの陽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」という用語は、少なくとも一つの陰極、少なくとも一つの陽極及び少なくとも一つの分離膜を含む電極積層体を全て含む概念であり、単位セルにおける陰極、陽極及び分離膜の積層方法は特に限定されない。例えば、本発明において、上記「単位セル」は、シート型陰極及びシート型陽極を分離膜フィルムを用いて隔膜してから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る電極積層体と、少なくとも一つ以上の陰極、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陽極を順に積層して製造されるスタック方式で製造される電極積層体と、単一電極及び／または少なくとも一つ以上の陽極、分離膜及び陰極が積層された電極積層体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る電極積層体と、を全て含む概念で理解されなければならない。
一方、本発明において、上記単位セルは、陽極／分離膜／陰極／分離膜／陽極の構造や陰極／分離膜／陽極／分離膜／陰極の構造などのように単位セルの最外郭の両面に配置される電極が同一極性を有してもよく、陽極／分離膜／陰極の構造や陽極／分離膜／陰極／分離膜／陽極／分離膜／陰極の構造などように単位セルの最外郭の両面に配置される電極が逆の極性を有してもよい。
本発明において、上記スタック方式で製造された電極積層体は、陽極、分離膜、陰極を一つずつ順に積層する従来の方式のみならず、一つ以上の陽極、一つ以上の陰極及び一つ以上の分離膜をラミネート（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）して電極単位体を形成し、この電極単位体を積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）する方式（以下、「ラミネーション・アンド・スタック方式」と称する）で製造された電極積層体を含む概念で理解されなければならない。
一方、上記ラミネーション・アンド・スタック方式で電極積層体を製造する場合、上記電極単位体は、一つ以上の陽極、一つ以上の陰極及び一つ以上の分離膜を含んでいればよく、その構成に特に制限されない。
しかし、工程の単純性及び経済性の観点において、ラミネーション・アンド・スタック方式で電極積層体を製造する場合、電極単位体は、第１電極／分離膜／第２電極／分離膜または分離膜／第１電極／分離膜／第２電極からなる基本構造を含むように構成されることが好ましい。このとき、上記第１電極及び第２電極は異なる極性を有する電極で、陽極または陰極であることができ、上記電極単位体は一つまたは複数の基本構造を含むことができる。
また、上記ラミネーション・アンド・スタック方式の電極積層体は、上述した基本構造を含む電極単位体のみで構成してもよく、上記基本構造を有する電極単位体及びそれと異なる構造の電極構造体を組み合わせて用いてもよい。
一方、図１０から図１２には、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多様な例が示されている。
図１０には分離膜６０／陰極５０／分離膜６０／陽極４０の基本構造を有する電極単位体７１０からなるラミネーション・アンド・スタック方式の電極積層体が示されている。図１０には基本構造が分離膜／陰極／分離膜／陽極で示されているが、陽極と陰極の位置を変えて分離膜／陽極／分離膜／陰極の基本構造で形成されてもよい。また、図１０に示されているように、電極単位体の基本構造が分離膜／陰極／分離膜／陽極の場合は、電極積層体の最外郭に分離膜なしで陽極が露出するようになるため、容量などを考慮して電極設計をする際には、最外郭に露出する陽極の露出面には活物質がコーティングされない片面コーティング陽極を用いることが好ましい。なお、図１０には電極単位体が一つの基本構造を有するように示されているが、これに限定されず、基本構造が二つ以上繰り返し積層されているものを一つの電極単位体として用いることもできる。
図１１には、分離膜６０／陰極５０／分離膜６０／陽極４０の基本構造を有する電極単位体８１０と分離膜６０／陰極５０／分離膜６０の構造からなる電極構造体が積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）されてなる電極積層体が示されている。図１１のように、単位セルの最外郭面に分離膜６０／陰極４０／分離膜６０の構造からなる電極構造体を積層する場合は、陽極５０が外部に露出することを防止できるのみならず、電気容量を高めることができるという長所がある。これと同様に、電極単位体の最外郭に陰極が位置する配列の場合は、上部に分離膜／陽極／分離膜の構造からなる電極構造体を積層することができ、陰極の容量を最大限に用いることができるという長所がある。
図１２には、陰極５０／分離膜６０／陽極４０／分離膜６０の基本構造を有する電極単位体８１０’と陰極５０／分離膜６０／陽極４０／分離膜６０／陰極５０の構造を有する電極構造体８２０’が積層（ｓｔａｃｋｉｎｇ）されてなる電極積層体が示されている。図１２のように、電極積層体の最外郭面に陰極５０／分離膜６０／陽極４０／分離膜６０／陰極５０の構造を有する電極構造体８２０’を積層する場合は、陽極が外部に露出することを防止できるのみならず、電気容量も高めることができるという長所がある。
図１１及び図１２に例示されているように、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、上述した基本構造を有する電極単位体とともに、単一電極、分離膜または上記電極単位体と配列及び構成が異なる単位セルを組み合わせて用いることができる。特に、基本構造を有する電極単位体を積層したとき、陽極が外部に露出することを防止するための側面、及び／または電池容量の向上という側面において、電極積層体の最外郭の一面及び／または両面に単一電極、片面コーティング電極、分離膜または上記電極単位体と配列及び構成が異なる単位セルを配置することができる。また、図１１及び図１２には電極積層体の上部に異なる構造の電極構造体が積層されるように示されているが、これに限定されず、必要に応じて、電極積層体の下部に他の構造の電極構造体が積層されてもよく、上部及び下部の両方に他の構造の電極構造体が積層されてもよい。
一方、本発明において、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／または少なくとも一つ以上の陽極、分離膜、陰極が積層された電極積層体を配置してからフォールディングする方式を称するもので、フォールディング方式に特に制限はなく、当該技術分野によ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少なくとも一つ以上の陰極と陽極を分離膜を介して積層させて電極積層体を配置してから巻く方式、シート型分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を全て包括する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。
本発明の電極組立体は、第１電極積層体と上記第１電極積層体上の第２電極積層体とを積層することで形成される。このとき、上記の通り、第１電極積層体は第１面積を有する電極ユニットによって形成され、第２電極積層体は上記第１面積より小さい第２面積を有する電極ユニットによって形成される。これにより、各電極積層体を構成する電極間には面積差が生じて段差が形成され、段差部が含まれる。
上記第２電極積層体は、同一面積の電極ユニットが積層されて段差を有さないこともあるが、第２面積より小さい面積を有する電極積層体が一つ以上積層されて一つ以上の段差を有することができる。このとき、上記第２電極積層体上に積層される電極積層体は、平面に対して垂直方向に順に面積が小さくなる構造であることができる。
上記電極積層体は、陰極と陽極が分離膜を介して交互に積層されて形成される。また、各電極積層体間における積層によって段差を形成する境界部においても陰極と陽極が相対するように積層されることが好ましい。上記のように、異なる電極が相対するように積層すると、段差が形成される境界部においても電池容量を具現できるため、電池容量が増大する効果を得ることができる。このとき、段差を形成する境界部において、面積が大きい第１面積を有する第１電極積層体の最外郭電極、即ち、相対的に面積が小さい第２面積を有する第２電極積層体と相対する電極としては陰極が配置されることがより好ましい。陽極が第１電極積層体の最外郭電極として配置される場合は、電池の充放電中に陽極活物質のリチウムが析出されて電池の安全性を損ねるおそれがある。したがって、段差を有する境界部において陰極と陽極を相対するようにする場合、面積が大きい電極が陰極になるように配置することが好ましい。
本発明の電極組立体は、スタック・アンド・フォールディング型によって組み立てられるものであり、図２に示されているように、縦方向に対して横方向への長さが長い長方形の分離膜上に段差を有する電極組立体が得られるように電極ユニットを配列し、上記長方形の分離膜を上記電極ユニット別に巻取することで電極組立体を形成することができる。
上記長方形の分離膜の材質は、特に限定されず、本発明の分野において分離膜として一般的に用いられるものであれば、本発明でも適切に用いられることができる。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。
上記のような長方形の分離膜を用いてスタック・アンド・フォールディングによる電極組立体を組み立てる場合、長方形の分離膜上に第１電極積層体を形成する第１面積を有する少なくとも一つの第１電極ユニット、及び第２電極積層体を形成する第２面積を有する少なくとも一つの第２電極ユニットを配列し、上記配列された各電極ユニットを上記分離膜で覆いながら一方向にフォールディングして巻取する。これにより、上記長方形の分離膜は電極ユニットを既に形成された電極積層体の一面に相対させながら電極積層体の外部を覆うようになり、このとき、各電極ユニットは、上記長方形の分離膜を介して相対するようになる。その結果、それぞれの電極ユニットが積層されて既に形成された電極積層体の一面に一つの電極ユニットが積層され、次いで他の電極ユニットが電極積層体の反対面に積層される。
これにより、上記長方形の分離膜は第１面積を有する電極積層体が積層された第１電極積層体と第２面積を有する電極積層体が積層された第２電極積層体との面積差により段差が形成された段差部も覆うようになって、段差を有する電極組立体が形成される。このとき、上記電極組立体の段差が形成される一側端面を経由する長方形の分離膜は、図３に示されているように、第２電極積層体の各電極ユニットと第１電極積層体の最上端における電極ユニットとの間で傾斜面を形成する。上記傾斜面は、電極組立体の組立時に各電極ユニットを相対させ、分離膜が各電極ユニット面に平坦かつ緊密に密着させるように分離膜にテンションを加えて巻取したために現れるものである。したがって、段差が形成される段差部には各電極ユニットの積層による段差がそのまま現れない。
このような段差部で現れる分離膜のテンションは、電池ケースに電極組立体への挿入時に、挿入性を低下させ、電極組立体の下端部層にベンディングを誘発して、電極組立体の外観不良をもたらす可能性がある。したがって、このような傾斜面のテンションをなくして上記のような可能性を解消することが好ましい。上記傾斜面の解消は、分離膜の材質によって異なるが、長方形の分離膜を延伸または切断することで行われることができる。
上記延伸または切断について説明すると、図５から図８に示されているように、第２電極ユニットの末端部と上記第１電極積層体の最上端の第１電極ユニットの末端部との間、即ち、長方形の分離膜が経由し、上記段差が形成された電極組立体の一側端面に位置する第２電極ユニットの末端部と上記第１電極積層体の最上端の第１電極ユニットの末端部との間に形成された傾斜面の上記長方形の分離膜を延伸または切断することで上記傾斜面のテンションを解消することができる。
まず、上記長方形の分離膜を延伸して上記段差部の形状と同一の形状を有するように変更または成形することで、電極組立体と同一に段差を形成することができる。上記延伸は、長方形の分離膜を加熱して圧力を加えることで行われることができる。このとき、上記加熱は、分離膜の材質によって異なることができるが、８０〜１００℃の温度範囲で行われることが好ましい。例えば、図４に示されているように、上記温度範囲で加熱された治具を用いて分離膜を加圧することで延伸することができる。ここで、上記治具は、上記電極組立体の段差部と同一形状の段差が形成されたものを用いることが好ましい。このような加熱及び延伸によって分離膜に上記段差部と同一形状の段差を形成することで、傾斜面のテンションを除去することができる。
上記のような加熱及び加圧によって延伸された部分の分離膜は、上記延伸により厚さが減少するようになる。ここで、延伸される程度は、段差部の高度差によって異なり、これによって分離膜の厚さが減少する程度も異なるようになる。したがって、延伸された部分の分離膜の厚さは、特に限定されないが、延伸されない部分、例えば、電極ユニットをフォールディングして電極積層体内に位置する部分の分離膜の厚さに比べて９０％以下になることができる。また、後述の通り、上記のような加熱及び加圧によって分離膜が延伸の限界を超えて破断されることもできる。この場合、破断された部分の分離膜の厚さは延伸されない分離膜の厚さに対して０％であることができる。
また、上記傾斜面の解消は、長方形の分離膜の延伸によって破断されることもできるが、意図的に切断されることもできる。即ち、テンションによって傾斜面を形成する長方形の分離膜を段差部で切断することで、テンションを解消することができる。一般に、分離膜は、非常に薄い厚さを有するもので、テンションが解消されることにより、電極組立体の段差部の各面に密着し、その結果、分離膜は電極組立体の段差部の形状を具現できるようになる。
上記切断は、特に限定されないが、多様な方法によって行われることができる。これに限定されないが、例えば、ナイフでカッティングしたり、レーザーや熱線などの手段で切断することができる。また、切断しようとする位置の分離膜に破断線を形成し、分離膜を加圧したり、加熱しながら加圧して上記破断線による分離膜の切断を誘発することもできる。このように、分離膜の切断により、段差部に傾斜面を形成する分離膜のテンションが解消されて、図７及び図８のように電極組立体の各面に密着し、電極組立体の段差が外部に示されることができる。
このとき、上記切断の位置は特に限定されない。上記段差部は、電極組立体の断面を参照すると、図５及び図６に示されているように、第１電極積層体の最外郭面として、第２電極積層体と相対せず、外部に露出する面の水平線ａ及び第２面積の電極ユニットの積層による第２電極積層体の側端面の垂直線ｂを有し、上記水平線ａと垂直線ｂが直角をなし、上記直角に対する辺として上記分離膜の傾斜面の斜辺ｃを有する直角三角形を形成する。これにより、上記傾斜面ｃを所望する位置で切断することができる。このように切断することにより、テンションが加えられた分離膜のテンションが解消され、切断された分離膜ｃ１は水平線ａに密着し、分離膜ｃ２は垂直線ｂに密着するようになる。このとき、切断された分離膜ｃ１またはｃ２の長さが密着するａまたはｂの長さより大きい場合（ｃ１＞ａまたはｃ２＞ｂ）には分離膜が折られる可能性がある。したがって、切断された分離膜の長さ、即ち、ｃ１またはｃ２の長さが上記水平線ａまたは垂直線ｂの長さより大きくならないように切断されることがより好ましい。即ち、ｃ１≦ａまたはｃ２≦ｂの関係を満たすように切断する。
このような本発明によると、電極組立体の製造中に分離膜による面積差を有する電極ユニットの積層によって形成される段差をそのまま具現できる電極組立体を得ることができる。また、分離膜のテンションによって電池ケースへの収納時に生じる困難性を解消することができ、図４のような電極積層体の下端のベンディングも防止することができる。
一方、本発明の電極組立体において、上記電極ユニットは少なくとも一つ以上の電極タブを備えることができる。一般に、電極ユニットが単一電極で構成される場合には一つの電極タブのみ備え、単位セルを含んで構成される場合には陰極電極タブ及び陽極電極タブをともに備える。また、上記電極タブは、同一極性の電極同士が電気的に連結される。本発明において、上記電極タブの面積や配列位置などは特に限定されない。なお、電極タブを保護したり、電極タブを外部により多く露出させるための目的として、上記電極タブの部分にテーピング（Ｔａｐｉｎｇ）が行われることもできる。
また、本発明において、それぞれの電極ユニットに備えられる電極タブは、その面積が同一であってもよく、異なってもよい。従来は、電極組立体に含まれる電極ユニットの面積が同一であるため、同一面積の電極タブを用いることが一般的であったが、本発明の場合、面積が異なる２種以上の電極ユニットを含むため、電極ユニットごとに最適化された電極タブのサイズが異なることができる。したがって、本発明の電極組立体において、電極ユニットの面積によってそれぞれ異なる面積を有する電極タブを選択することが電気容量を最大限にするのにより有利になり得る。
なお、本発明において、上記電極タブは多様な位置に配置されることができる。例えば、同一極性の電極タブの一部または全部が重畳されるように配置されることができる。従来の電極組立体の場合は、電池ケースの挿入後に電極タブの電気的連結を容易にすべく、同一極性の電極タブが全て重畳されるように配置されることが一般的であった。ただし、この場合、電極積層数が多くなると、電極タブの厚さが厚くなって電極タブ間の接合性が低下するという問題点が発生する可能性がある。このため、全部の電極タブが重畳されるように配置せず、一部のみ重畳されるように配置すると、上記のような問題点の大半を減少させることができる。
特に、本発明の電極組立体のように、面積が異なる２種以上の電極ユニットを用いると、電極ユニットの面積によって面積が異なる電極タブを使用し、これら電極タブが一部のみ重畳されるように配列することで、電気容量を最大限にするとともに、電極タブの接合性も向上させることができる。
一方、本発明で提供する電極組立体を用いることにより、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の電池セルを製造することができる。上記電極組立体は電池ケースに内蔵されることができる。また、上記電池ケースはパウチ型であることができる。このとき、上記電池ケースは、上記電池ケースの内部に収納される電極組立体の形状に応じてパウチフォーミング工程中に事前に段差部を形成することが好ましい。
また、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及び密封する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。
なお、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。
さらに、上記電池ケースは、本発明による電極組立体の形状に対応する形状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形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が電極組立体の形状及びサイズと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。ここで、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。
一方、上記のような本発明の電極組立体を含む電池セルを二つ以上含む電池パックを得ることができ、上記電池セルを一つ以上含むデバイスを得ることができる。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。
１ 電極組立体
５ 電極積層体
７ 電極ユニット
１０ 段差部
２０ 長方形の分離膜
３０ 治具
４０ 陽極
５０ 陰極
６０ 分離膜
７１０、８１０、８１０’ 電極単位体
８２０、８２０’ 電極構造体
ａ 水平線
ｂ 垂直線
ｃ 傾斜面（斜辺）
５ 電極積層体
７ 電極ユニット
１０ 段差部
２０ 長方形の分離膜
３０ 治具
４０ 陽極
５０ 陰極
６０ 分離膜
７１０、８１０、８１０’ 電極単位体
８２０、８２０’ 電極構造体
ａ 水平線
ｂ 垂直線
ｃ 傾斜面（斜辺）
Claims (23)
- 第１面積を有する少なくとも一つの電極ユニットが積層された第１電極積層体と、
前記第１面積より小さい第２面積を有する少なくとも一つの電極ユニットが積層された第２電極積層体と、
前記第１電極積層体及び第２電極積層体が平面に対して垂直方向に積層され、前記第１電極積層体と第２電極積層体との面積差によって段差が形成される段差部と、を含む電極組立体であって、
前記電極組立体は、縦方向に対して横方向への長さが長い長方形の分離膜に前記電極ユニットが巻取されて形成され、前記長方形の分離膜は、少なくとも一部が前記電極組立体の段差部を覆うように巻取され、前記段差部と同一形状の段差が形成され、
前記電極組立体の段差部を覆う分離膜は、前記電極ユニットを巻取して電極積層体の内部に位置する長方形の分離膜の厚さの９０％以下の厚さを有し、
前記電極組立体の段差部を覆う分離膜は切断される、電極組立体。 - 前記第２電極積層体は、第２面積を有する少なくとも一つの電極ユニット上に第２面積より小さい面積を有する電極ユニットが平面に対して垂直方向に一つ以上積層された電極積層体を含み、一つ以上の段差を有する、請求項１に記載の電極組立体。
- 前記電極ユニットは、単一電極と、少なくとも一つの陽極、少なくとも一つの陰極、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を含む、請求項１に記載の電極組立体。
- 前記単位セルは、ゼリーロール型、スタック型、ラミネーション・アンド・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３に記載の電極組立体。
- 前記単位セルは、最外郭の両面に配置される電極の極性が同一である、請求項３に記載の電極組立体。
- 前記単位セルは、最外郭の両面に配置される電極の極性が異なる、請求項３に記載の電極組立体。
- 前記第１電極積層体の最上端の電極は陰極である、請求項１に記載の電極組立体。
- 前記第１電極積層体及び第２電極積層体は、異なる電極が相対して積層される、請求項１に記載の電極組立体。
- 前記電極組立体は２層からなる、請求項１に記載の電極組立体。
- 前記電極組立体は３層以上からなる、請求項１に記載の電極組立体。
- 縦方向に対して横方向への長さが長い長方形の分離膜上に第１電極積層体を形成する第１面積を有する少なくとも一つの第１電極ユニット、及び第２電極積層体を形成する第２面積を有する少なくとも一つの第２電極ユニットを配列し、前記長方形の分離膜を前記各電極ユニット単位で一方向に巻取して第１電極積層体の一面に第２電極積層体を積層し、各電極積層体間の面積差によって段差を有する電極組立体を組み立てる段階と、
前記長方形の分離膜が経由し、前記段差が形成された電極組立体の一側端面に位置するそれぞれの前記第２電極ユニットの末端部と前記第１電極積層体の最上端の第１電極ユニットの末端部との間に前記長方形の分離膜の経由によって形成された傾斜面の前記長方形の分離膜を延伸または切断して前記傾斜面のテンションを解消する段階と、を含み、
前記延伸は、前記傾斜面を形成する長方形の分離膜を加熱かつ加圧して行う、電極組立体の製造方法。 - 前記延伸は、８０〜１００℃の温度範囲で行われる、請求項１１に記載の電極組立体の製造方法。
- 前記延伸は、８０〜１００℃の温度を有する治具で前記傾斜面を形成する長方形の分離膜を加圧して行われる、請求項１１に記載の電極組立体の製造方法。
- 前記治具は、前記電極組立体の段差部と同一形状を有する、請求項１３に記載の電極組立体の製造方法。
- 前記切断は、ナイフ、レーザー、熱線によって行われる、請求項１１に記載の電極組立体の製造方法。
- 請求項１から１０のいずれか一項に記載の電極組立体を含む、二次電池。
- 前記電極組立体は電池ケースに内蔵される、請求項１６に記載の二次電池。
- 前記電池ケースは、前記電極組立体の段差形状と同一の段差部が形成される、請求項１７に記載の二次電池。
- 前記電池ケースはパウチ型ケースである、請求項１７に記載の二次電池。
- 前記二次電池は、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１６に記載の二次電池。
- 請求項１６の二次電池を二つ以上含む、電池パック。
- 請求項１６の二次電池を一つ以上含む、デバイス。
- 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２２に記載のデバイス。
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