JP6249509B2 - 曲がった形状の電極積層体及びそれを含む電池セル - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム二次電池を構成する電極積層体に係り、より詳細には、曲がった形状の電極積層体に関する。
ＩＴ（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）技術の目覚ましい発達に伴い、様々な携帯型情報通信機器の拡散により、２１世紀は、時間と場所にとらわれずに高品質の情報サービスが可能な‘ユビキタス社会’に発展している。
このようなユビキタス社会への発展のベースには、リチウム二次電池が重要な位置を占めている。リチウム二次電池は、電池ケースの収納部に電極積層体と電解質とを内蔵し、収納部の外周面を熱融着することによって作製することができる。
電極積層体は、所定の大きさの正極板、分離膜板、負極板を、正極板と負極板との間に分離膜板が介在するように１つずつ順に繰り返して積層したスタック型（積層型）、所定の大きさの正極シート、分離膜シート、負極シートを、正極シートと負極シートとの間に分離膜シートが介在するように積層した後、分離膜シートを一方向に巻き取った巻き取り型（ジェリーロール型）、所定の数のスタック型電極積層体を分離膜シート上に配列した後、分離膜シートを一方向に巻き取って所定の数の電極積層体を積層させたスタックアンドフォールディング型（Ｓｔａｃｋ＆Ｆｏｌｄｉｎｇ）などが知られている。
図１には、曲がった形状のスタック型電極積層体の模式図が示されている。図１には、説明の便宜のため、１つの正極板１１、１つの分離膜板１２、１つの負極板１３が積層された構造を示したが、電極積層体１０は、複数個の正極板、複数個の分離膜板、複数個の負極板を含むことができる。図１を参照すると、スタック型電極積層体１０の場合、正極板１１、分離板膜１２、負極板１３を１つずつ積層する工程において多くの工数が必要とされなければならない。
図２には、曲がった形状のジェリーロール型電極積層体の模式図が示されている。図２を参照すると、ジェリーロール型電極積層体２０の場合、平面視で、電極タブの突出方向に垂直な仮想の線分（Ｘ’−Ｘ’’）に沿って、ジェリーロール型電極積層体を曲げる場合、折れ曲がった両端（Ａ’，Ａ’’）は、応力が集中して電極が壊れるという問題がある。
図３には、曲がった形状のスタックアンドフォールディング型電極積層体の模式図が示されている。図３を参照すると、スタックアンドフォールディング型電極積層体３０の場合、平面視で、電極タブの突出方向に垂直な仮想の線分（Ｘ’−Ｘ’’）に沿って、スタックアンドフォールディング型電極積層体を曲げる場合、折れ曲がった両端（Ｂ’，Ｂ’’）では、分離膜シートにシワが発生するようになり、これによって、大きさ及び外観の不良が発生することがある。
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、向上した工程性及び良品率を発揮する曲がった形状の電極積層体及びそれを含む電池セルを提供しようとする。
本発明の非制限的な例に係る電極積層体は、
１つ以上の正極、１つ以上の負極、及び１つ以上の分離膜を含み、電極のうちの１つ以上は、片面又は両面に分離膜が接合（ｌａｍｉｎａｔｅ）されており、正極、負極及び分離膜は、正極と負極との間に分離膜が介在するように積層されており、正極、負極及び分離膜の積層面は曲面（ｃｕｒｖｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ）を含むことを特徴とする。前記電極積層体は、ジェリーロール型電極積層体及びスタックアンドフォールディング型電極積層体とは異なり、正極、負極及び分離膜のそれぞれの一端と他端は互いに交差しない。
１つ以上の正極、１つ以上の負極、及び１つ以上の分離膜を含み、電極のうちの１つ以上は、片面又は両面に分離膜が接合（ｌａｍｉｎａｔｅ）されており、正極、負極及び分離膜は、正極と負極との間に分離膜が介在するように積層されており、正極、負極及び分離膜の積層面は曲面（ｃｕｒｖｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ）を含むことを特徴とする。前記電極積層体は、ジェリーロール型電極積層体及びスタックアンドフォールディング型電極積層体とは異なり、正極、負極及び分離膜のそれぞれの一端と他端は互いに交差しない。
電極のうちの１つ以上は、片面又は両面に分離膜が接合されている改良された電極を含んでいる。前記改良された電極は、例えば、分離膜が正極又は負極の片面に接合されている構造で具現されてもよい。また、分離膜が正極の両面又は負極の両面に接合されている構造で具現されてもよい。また、正極と負極との間に分離膜が介在した状態で正極、分離膜及び負極が互いに接合されている構造で具現されてもよい。本明細書において、正極と負極との間に分離膜が介在した状態で正極、分離膜及び負極が互いに接合されている具現例を電極群として定義することができる。
前記電極群は、最外側電極の極性が互いに同一または異なっていてもよく、最外側電極の極性が同一である場合、Ｓ型電極群と呼ぶことができ、最外側電極群の極性が互いに異なる場合、Ｄ型電極群と呼ぶことができる。前記最外側電極のうちの１つ以上は、分離膜間に介在した状態で分離膜と接合されていてもよい。
また、前記改良された電極は、正極及び負極のいずれか１つと分離膜を含み、正極及び負極のいずれか１つと分離膜とが互いに接合されている構造で具現され得る。これを電極素子として定義することができる。前記電極素子は、正極及び負極のいずれか１つが分離膜間に介在し、正極及び負極のいずれか１つが分離膜と接合されていてもよい。
前記電極、改良された電極、分離膜、電極群、電極素子などが組み合わされて、正極と負極との間に分離膜が介在している構造の電極積層体は、本発明の範囲に含まれる。
前記電極積層体は、正極、負極及び分離膜の積層面が曲面を含んでいる。具体的に、前記曲面は、３５ｍｍ以上〜９００ｍｍ未満の範囲の曲率半径（Ｒ）を有することができる。
前記電極積層体は、１つ以上の非曲面（ｎｏｎ−ｃｕｒｖｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ）を含むことができる。前記非曲面は、積層面、または前記積層面に平行でない電極積層体の側面に存在し得る。前記側面は、積層面に垂直であり得る。前記非曲面には、電極タブが形成されていてもよく、正極タブと負極タブがいずれも一つの非曲面に形成されてもよく、一つの非曲面に正極タブが形成され、他の一つの非曲面に負極タブが形成されていてもよい。前記電極タブは電極リードと接続され、電極タブと電極リードが接続された構造の電極端子は、保護回路モジュール（ＰＣＭ）に接続され得る。
本発明の非制限的な例において、前記非曲面は、前記積層面に平行でない電極積層体の側面に形成されてもよく、前記側面は、１つ以上の非曲面を含んでいてもよい。前記側面のうちの１つには、正極タブと負極タブがいずれも形成されていてもよい。
本発明の非制限的な例において、前記電極積層体は、電極群又は電極素子を構成する電極と分離膜との間に接合面（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ−ｓｕｒｆａｃｅ）が形成されてもよく、前記接合面は、感圧接着剤（ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ａｄｈｅｓｉｖｅ）によって接合されてもよい。
この場合、電極群及び電極素子の構成内では、正極又は負極と分離膜が互いに接合されているので、電極積層体に曲面の形成時に、構成要素間の曲率半径の差による空隙が大きくないが、電極群と電極群との間、電極群と電極素子との間、及び電極素子と電極素子との間は、単純に積層させた状態で曲面を形成する場合、各構成要素間の曲率半径の差による空隙が発生することがある。
したがって、このような空隙発生の減少のために、前記電極積層体は、電極群と電極群との間、電極群と電極素子との間、及び電極素子と電極素子との間にも接着面（ａｄｈｅｓｉｏｎ−ｓｕｒｆａｃｅ）を形成することができ、前記接着面は感圧接着剤によって接着されてもよい。
前記感圧接着剤は、圧力によって接着力を提供できれば特に制限されないが、例えば、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−ジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム、及びフッ素ゴムからなる群から選択される１つまたは２つ以上の組み合わせであってもよい。
前記電極積層体は、接合面及び接着面に塗布した感圧接着剤の量が同一または異なっていてもよく、詳細には、塗布した感圧接着剤の量が同一であってもよい。
また、前記電極積層体は、接合面の結合力が接着面の結合力と同一または異なっていてもよく、詳細には、接合面の結合力が接着面の結合力よりも強くてもよい。
感圧接着剤の接着力は、塗布量及び加えられた圧力に比例して増加する性質があるので、接合面の場合、電極群又は電極素子の製造時に初めて圧力が印加され、その後、電極積層体の製造時に接着面を形成する過程で再び圧力が印加されるので、接合面及び接着面に同じ量の感圧接着剤を塗布する場合、接合面の結合力が接着面の結合力よりも強くなり得る。
したがって、一例において、電極積層体の接合面及び接着面に同一の結合力を確保するためには、接着面に、より多くの感圧接着剤を塗布し得る。
ただし、このような場合、接合面に感圧接着剤を塗布する工程及び接着面に感圧接着剤を塗布する工程がそれぞれ必要であるため、生産工程が複雑となり、より多くの生産設備及び生産コストを要するので、接合面及び接着面に同じ量の感圧接着剤を塗布するのが、生産工程の効率性、生産コストの低減の面で好ましい。
本発明の非制限的な例において、前記電極積層体は、電極群、電極素子、正極、負極、及び／又は分離膜のスタック構造をより堅固に維持するための固定部材がさらに付加されていてもよい。
前記固定部材は、電極積層体の外部部材であって、電極積層体の外周面の一部又は全部を包んでいる粘着テープ又は接着テープであってもよい。
前記外周面は、電極積層体の側面、平面、前面、後面などを全て含む概念であり得る。
前記固定部材は、電極群又は電極素子を構成する分離膜の一部であってもよく、この場合、分離膜の末端を熱融着させることによって電極積層体を固定させることができるが、これに限定されるものではない。
前記固定部材は、電極積層体を固定させ得る機能を行うことができる部材を全て含む。
前記の固定部材を含ませて積層型電極組立体を構成する場合、正極、負極、分離膜、電極群、電極素子が単純にスタックされている構造の積層型電極組立体に比べて、量産性乃至良品率を向上させることができる。
また、電極群又は電極素子の単位で正極、分離膜、負極が互いに接合されている状態であるので、スウェリングによる体積膨張を最小化することができるという利点がある。
本発明はまた、前記電極積層体が電解質と共に電池ケースに内蔵されている電池セルを提供することができる。前記電池ケースは、金属缶、又は、金属層と樹脂層を含むラミネートシートのパウチ型電池ケースであってもよく、前記電池ケースは、電極積層体の曲がった形状に対応する形状を有することができる。前記電池セルは、リチウムイオンポリマー電池、リチウムイオン電池、またはリチウムポリマー電池であってもよい。リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、リチウムポリマー電池の公知の構造及び構成要素は本明細書に組み込まれる。
本発明はまた、前記の電池セル及び保護回路モジュール（ＰＣＭ）を含む電池パックを提供することができる。前記保護回路モジュールは電池セルの電極端子に接続される。
前記の電池パックは、曲がった形状のスマートフォン、曲がった形状の携帯電話、曲がった形状のノートブック、曲がった形状のタブレットＰＣ、曲がった形状の時計、曲がった形状のテレビ、曲がった形状の眼鏡などの電源として使用することができる。
以下、本発明の非制限的な実施例に係る図面を参照して本発明をさらに詳述するが、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
図４には、本発明の非制限的な例に係る曲がった形状の電極積層体１００が示されている。図４には、説明の便宜のため、１つの正極１０１、１つの分離膜１０２、１つの負極１０３が積層された構造を示したが、電極積層体１００は、複数個の正極、複数個の分離膜、複数個の負極を含むことができる。
電極積層体１００は、正極１０１、分離膜１０２、負極１０３を含み、正極１０１には、正極材が塗布されていない正極タブ１０１ａが形成されており、負極１０３には、負極材が塗布されていない負極タブ１０３ａが形成されている。電極積層体１００は、正極１０１、分離膜１０２、負極１０３の積層面に曲面が形成されており、積層面に平行でない２つの側面には、非曲面が形成されている。２つの側面のうちの一方には、正極タブ１０１ａ及び負極タブ１０３ａが形成されており、正極タブ１０１ａ及び負極タブ１０３ａは、それぞれ正極リード（図示せず）、負極リード（図示せず）と結合されて正極端子、負極端子を形成する。
電極積層体１００は、図２のジェリーロール型電極積層体２０、図３のスタックアンドフォールディング型電極積層体３０とは異なり、正極１０１、分離膜１０２、負極１０３のそれぞれの一端と他端が互いに交差しない。すなわち、分離膜シートが正極１０１と負極１０３との間に介在していない。したがって、電極積層体１００は、正極タブ１０１ａと負極タブ１０３ａの形成方向に垂直な仮想の線分（Ｘ’−Ｘ’’）に沿って電極積層体１００を曲げる場合にも、折れ曲がった両端において電極が壊れたり、または分離膜シートのシワが発生しない。
また、本発明の非制限的な実施例に係る電極積層体１００は、図１のスタック型電極積層体１０とは異なり、複数の電極のうちの１つ以上の電極１０１，１０３の片面又は両面が分離膜１０２と接合されているので、仮想の線分（Ｘ’−Ｘ’’）に沿って電極積層体１００を曲げる場合にも、正極１０１、分離膜１０２、負極１０３が定位置を離脱する可能性を最小化することができる。
複数の電極のうちの１つ以上の電極の片面又は両面が分離膜と接合されている構造の改良された電極は、図５乃至図９のような様々な形態で具現することができる。ただし、図５乃至図９に示した構造のみに限定されるものではない。
図５には、正極１０１の片面に分離膜１０２が接合されている構造の第１の具現例１１０が模式的に示されている。図６には、正極１０１の両面に分離膜１０２が接合されている構造の第２の具現例１２０が模式的に示されている。図７には、正極１０１と負極１０３との間に分離膜１０２が介在した状態で、正極１０１、分離膜１０２、負極１０３が接合されている構造の第３の具現例１３０が模式的に示されている。図８には、図７の第３の具現例１３０の最外側電極１０１，１０３のうちの１つの電極１０１が分離膜１０２の間に介在した状態で分離膜１０２と接合されている構造の第４の具現例１４０が模式的に示されている。図９には、図７の第３の具現例１３０の最外側電極１０１，１０３が分離膜１０２の間に介在した状態で分離膜１０２と接合されている構造の第５の具現例１５０が模式的に示されている。このとき、第２の具現例１２０は電極素子と呼ぶこともでき、第３の具現例１３０は電極群と呼ぶこともできる。
図１０には、曲がった形状の電極積層体１００に固定部材Ｔがさらに付加された実施例が示されている。説明の便宜のため、１つの正極１０１、１つの分離膜１０２、１つの負極１０３が積層された構造を示したが、電極積層体１００は、複数個の正極、複数個の分離膜、複数個の負極、複数個の電極群、及び複数個の電極素子を含むことができる。
単純な積層構造であるため、積層の安定性を確保するために、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、このような固定部材Ｔは、図１０に示したように、電極積層体１００の全面をテーピングする方式で具現することができる。
電極積層体１００は、複数の正極１０１、複数の分離膜１０２、複数の負極１０３と、第１の具現例１１０、第２の具現例１２０、第３の具現例１３０、第４の具現例１４０、第５の具現例１５０からなる群から選択された１つ以上の具現例の組み合わせを含むことができる。
本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
本発明は、分離膜シートを使用せずに、改良された電極を使用して、曲がった形状の電極積層体を構成するので、分離膜シートの使用によるシワ、折曲部での電極の壊れ、曲げ工程で発生し得る正極と負極の短絡の問題を解決することができる。その結果、良品率及び工程性を同時に向上させることができる。
１００ 電極積層体
１０１ 正極
１０１ａ 正極タブ
１０２ 分離膜
１０３ 負極
１０３ａ 負極タブ
１１０ 第１の具現例
１２０ 第２の具現例
１３０ 第３の具現例
１４０ 第４の具現例
１５０ 第５の具現例
Ｔ 固定部材
１０１ 正極
１０１ａ 正極タブ
１０２ 分離膜
１０３ 負極
１０３ａ 負極タブ
１１０ 第１の具現例
１２０ 第２の具現例
１３０ 第３の具現例
１４０ 第４の具現例
１５０ 第５の具現例
Ｔ 固定部材
Claims (17)
- １つ以上の正極、１つ以上の負極、及び１つ以上の分離膜を含み、正極と負極との間に分離膜が介在した状態で正極、分離膜及び負極が互いに接合されている、１つ又はそれ以上の電極群、及び、正極及び負極のいずれか１つ、及び１つ又は２つ以上の分離膜を含み、正極及び負極のいずれか１つと分離膜とが互いに接合されている、１つ又はそれ以上の電極素子を含む電極積層体であって、
正極、負極及び分離膜の積層面が曲面を含み、
前記電極群と電極素子との間に接着面が形成されており、
前記接着面に塗布されている感圧接着剤の量が、前記正極又は負極と前記分離膜との接合面に塗布されている感圧接着剤の量より多く、
前記感圧接着剤が、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−ジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム、及びフッ素ゴムからなる群から選択される１つまたは２つ以上の組み合わせであることを特徴とする、電極積層体。 - １つ以上の非曲面を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電極積層体。
- 前記積層面に平行でない電極積層体の側面が、１つ以上の非曲面を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電極積層体。
- 電極端子が非曲面に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電極積層体。
- 一つの非曲面に正極端子と負極端子がいずれも形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の電極積層体。
- 一つの非曲面に正極端子が形成されており、他の一つの非曲面に負極端子が形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の電極積層体。
- 前記電極群が、最外側電極の極性が互いに同一または異なることを特徴とする、請求項１に記載の電極積層体。
- 前記最外側電極のうちの１つ以上が、分離膜間に介在した状態で分離膜と接合されていることを特徴とする、請求項７に記載の電極積層体。
- 正極、負極及び分離膜のそれぞれの一端と他端が互いに交差しないことを特徴とする、請求項１に記載の電極積層体。
- 前記電極積層体が、接合面の結合力が接着面の結合力と同一であることを特徴とする、請求項１に記載の電極積層体。
- 前記電極積層体が固定部材をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の電極積層体。
- 請求項１に記載の電極積層体が電解質と共に電池ケースに内蔵されていることを特徴とする、電池セル。
- 前記電池ケースが、金属缶、または、金属層と樹脂層を含むラミネートシートのパウチ型電池ケースであることを特徴とする、請求項１２に記載の電池セル。
- 前記電池セルが、リチウムイオンポリマー電池、リチウムイオン電池、またはリチウムポリマー電池であることを特徴とする、請求項１３に記載の電池セル。
- 請求項１２に記載の電池セル及び保護回路モジュール（ＰＣＭ）を含み、前記保護回路モジュールが、電池セルの電極端子に接続されることを特徴とする、電池パック。
- 請求項１５に記載の電池パックを含むことを特徴とする、デバイス。
- 前記デバイスが、スマートフォン、携帯電話、ノートブック、タブレットＰＣ、時計、テレビ又は眼鏡であることを特徴とする、請求項１６に記載のデバイス。
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