JP6261110B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に関する。

携帯電話、ノート型パソコンなどのモバイル機器についての技術開発及び生産増加に伴って、エネルギー源として二次電池の需要が急増しつつある。最近は、化石燃料に替わる代替エネルギー源として、或いは電気自動車、ハイブリッド自動車のエネルギー源としての用途にも活発な研究開発が進んでいる。

二次電池の一類型では、ゼリーロール状に製作された電極組立体をプレス加圧してケースに収容する。この時、電極板のローディングレベルが高い場合、ゼリーロール内部の電極板はベンディング曲率が非常に小さくてほぼ折り曲げられ、電極板の割れなどの損傷が発生する。二次電池のエネルギー密度を高めるためには、電極板のローディングレベルを高めねばならないが、電極板の損傷によってローディングレベルに限界がある。

本発明の一実施形態は、電極板の損傷が防止される高エネルギー密度の二次電池を提供する。

本発明の一実施形態による二次電池は、互いに積層された第１及び第２電極板を備える第１電極組立体と、前記第１電極組立体を巻取り中心として、第１電極組立体の外周に沿って共に巻き取られた第３及び第４電極板を備える第２電極組立体と、を備える。

例えば、前記第１電極組立体は、前記第１及び第２電極板の間に積層された第１セパレータをさらに備え、前記第２電極組立体は、前記第３及び第４電極板と共に巻取られる第２セパレータをさらに備える。

例えば、前記第２電極組立体のうち、前記第２セパレータは、前記第１電極組立体の外周を取り囲む最内側ターンを形成し、前記第２セパレータの外側に、第３電極板及び第４電極板が順次に配され、前記第３及び第４電極板の間には第３セパレータが介在される。

例えば、記第１電極組立体と第２電極組立体との互いに対向する電極板同士は、互いに反対極性に対向する。

例えば、前記第１電極組立体の外側両側には第２電極板が配され、前記第２電極組立体の最内側ターンを形成する第２セパレータの次に内側に配された第３電極板は、前記第２電極板と反対極性を持つ。

例えば、前記第２電極板は正極で形成され、前記第３電極板は負極で形成される。

例えば、前記第１電極組立体と第２電極組立体との互いに対向する電極板同士は、互いに同じ極性に対向する。

例えば、前記第１電極組立体の外側両側には第２電極板が配され、前記第２電極組立体の最内側ターンを形成する第２セパレータの次に内側に配された第３電極板は、前記第２電極板と同じ極性を持つ。

例えば、前記第２及び第３電極板は、負極で形成される。

例えば、前記第２電極組立体のコーナー部分は、前記第１電極組立体の角部分を取り囲み、前記第２電極組立体の全体軌跡により最小曲率半径を形成する。

例えば、前記第１電極組立体の積層厚さは、前記第２電極組立体の第３電極板または第４電極板の電極板の厚さの１０〜３０倍に形成される。

例えば、前記第１電極組立体の積層厚さは、前記第２電極組立体の厚さより薄い。ここで、前記第２電極組立体の厚さは、前記第１電極組立体の積層方向に沿って第２電極組立体の部分的な厚さを合算したものである。

例えば、前記第１電極組立体の一側に形成された第１電極板の無地部と、前記第２電極組立体の一側に形成された第３電極板の無地部と、を備える。

例えば、前記第２極性の接続部は、前記第１電極組立体の反対側に形成された第２電極板の無地部と、前記第２電極組立体の反対側に形成された第４電極板の無地部と、を備える。

例えば、前記第１極性の接続部に結合される第１集電部材と、前記第２極性の接続部に結合される第２集電部材と、をさらに備える。

例えば、前記第１集電部材と電気的に連結され、前記第１及び第２電極組立体を収容したケースの外部に引き出される第１電極端子と、前記第２集電部材と電気的に連結され、前記第１及び第２電極組立体を収容したケースの外部に引き出される第２電極端子と、をさらに備える。

本発明の望ましい一実施形態による二次電池を示す斜視図である。 図１に示した二次電池の分解斜視図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図である。 理解の便宜のために、図３を再構成した図面である。 第２電極組立体の損傷による充放電容量の減少を示す図面である。 電極板の厚さによって要求される最小限の積層厚さを表示するグラフである。 本発明の他の実施形態による二次電池を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による二次電池を示す断面図である。 図１の二次電池と電極端子との連結構造を説明するための図面である。 本発明の他の実施形態による二次電池の分解斜視図である。 図１０に示した二次電池のＸＩ−ＸＩ線の断面図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい一実施形態に関する二次電池について説明する。

図１は、本発明の望ましい一実施形態による二次電池を示す斜視図である。図面を参照すれば、前記二次電池は、第１電極組立体１１０と、前記第１電極組立体１１０を巻取り中心とし、その外周に沿ってロール状に巻き取られた第２電極組立体１２０とを備える。

前記第１電極組立体１１０は、幅方向（Ｚ１方向）に一側に形成された第１極性の接続部１１ａ’と、反対側に形成された第２極性の接続部２１ａ’とを備える。同様に、前記第２電極組立体１２０は、幅方向（Ｚ１方向）に一側に形成された第１極性の接続部３１ａ’と、反対側に形成された第２極性の接続部４１ａ’とを備える。

前記第１及び第２電極組立体１１０、１２０は、前記第１極性の接続部１１ａ’、３１ａ’と、第２極性の接続部２１ａ’、４１ａ’とで共通に束ねられて例えば溶接結合により並列的に連結され、前記第１及び第２極性の接続部１１ａ’、２１ａ’、３１ａ’、４１ａ’は、充放電電力フローの両端を形成する負極及び正極を形成する。

さらに具体的に、第１及び第２電極組立体１１０、１２０の第１極性の接続部１１ａ’、３１ａ’は、電極組立体１１０、１２０の幅方向（Ｚ１方向）に一側に互いに共通に束ねられて一極性、例えば、負極側を形成する。また、第１及び第２電極組立体１１０、１２０の第２極性の接続部２１ａ’、４１ａ’は、電極組立体１１０、１２０の幅方向（Ｚ１方向）に反対側に互いに共通に束ねられて例えば溶接結合されて反対極性、例えば、正極側を形成する。

前記第１及び第２極性の接続部１１ａ’、２１ａ’、３１ａ’、４１ａ’は、第１及び第２電極組立体１１０、１２０を形成する電極板１０、２０、３０、４０の一部（例えば、電極板の無地部）で形成される。後述するように、前記第１及び第２極性の接続部１１ａ’、２１ａ’、３１ａ’、４１ａ’には第１及び第２集電部材（図示せず）が結合される。例えば、第１及び第２電極組立体１１０、１２０の一側に取り合わせられた第１極性の接続部１１ａ’、３１ａ’は、第１集電部材と連結されて充放電パスを形成し、第１及び第２電極組立体１１０、１２０の反対側に取り合わせられた第２極性の接続部２１ａ’、４１ａ’は、第２集電部材と連結されて充放電パスを形成する。

前記第２電極組立体１２０は、第１電極組立体１１０を巻取り中心とし、第１電極組立体１１０の外周に沿ってロール状に巻き取られる。前記第１電極組立体１１０は、第２電極組立体１２０の巻取り中心を形成し、第２電極組立体１２０の曲率半径を適正以上に保持させることで、第２電極組立体１２０の巻取り過程や、巻取り後に楕円状に平たくプレス成形される加圧成形で、第２電極組立体１２０に無理な変形が強制されることで引き起こされる電極板３０、４０の損傷、例えば、電極板３０、４０の破断や電極活物質の脱落などを予防する。

図２は、図１に示した二次電池の分解斜視図である。図面を参照すれば、第１電極組立体１１０は、第１セパレータ５１を介して第１及び第２電極板１０、２０を交互に積層した積層型構造に形成される。すなわち、一定サイズ単位で形成された第１及び第２電極板１０、２０が、第１セパレータ５１を介して交互に積層される。前記第１セパレータ５１は、前記第１及び第２電極板１０、２０の間でこれらを互いに隔離させ、正負極間の内部短絡を防止する。

前記第１電極組立体１１０は、第２電極組立体１２０の巻取り中心を形成し、その外周に沿って巻き取られる第２電極組立体１２０の曲率半径を適正以上に保持させることで、第２電極組立体１２０の巻取り過程や、巻取り後の加圧成形で発生する第２電極組立体１２０の損傷を防止する。

前記第１電極板１０は、第１電極集電体１１と、前記第１電極集電体１１の少なくとも一面に形成された第１電極活物質１５とを備える。前記第１電極集電体１１は、第１電極活物質１５で発生する電荷の移動通路を提供し、第１電極活物質１５を支持する機能を行う。

前記第１電極活物質１５は、電極活物質、バインダー、導電剤からなる電極合剤を溶媒に分散させてスラリー状に作った後、これを第１電極集電体１１の少なくとも一面に塗布した後、乾燥及び圧縮して形成される。

前記第１電極板１０には、第１電極活物質１５が形成されていない無地部１１ａが形成される。例えば、第１電極板１０の幅方向（Ｚ１方向）の少なくとも一側端部には第１電極活物質１５が形成されず、第１電極集電体１１が露出される無地部１１ａが形成される。

前記無地部１１ａは、第１電極板１０の電荷を外部に引き出すための第１極性の接続部１１ａ’（図１参照）を形成する。但し、本発明の他の実施形態で、前記無地部１１ａ上に別途の電極タップ（図示せず）が形成され、前記電極タップが第１極性の接続部１１ａ’を形成することもある。

前記第２電極板２０は、第２電極集電体２１と、前記第２電極集電体２１の少なくとも一面に形成された第２電極活物質２５とを備える。前記第２電極集電体２１は、第２電極活物質２５で発生する電荷の移動通路を提供して、第２電極活物質２５を保持する機能を行う。

前記第２電極活物質２５は、電極活物質、バインダー、導電剤などからなる電極合剤を溶媒に分散させてスラリー状にした後、これを第２電極集電体２１の少なくとも一面に塗布した後、乾燥及び圧縮して形成される。

前記第２電極板２０には、第２電極活物質２５の形成されていない無地部２１ａが形成される。例えば、第２電極板２０の幅方向（Ｚ１方向）の少なくとも一側端部（但し、前記無地部１１ａが形成された一側端部に対しては後述のように反対側になる）には第２電極活物質２５が形成されず、第２電極集電体２１が露出される無地部２１ａが形成される。例えば、前記第２電極板２０の無地部２１ａは、第１電極板１０の無地部１１ａと反対側に形成される。

前記無地部２１ａは、第２電極板２０の電荷を外部に引き出すための第２極性の接続部２１ａ’（図１参照）を形成する。但し、本発明の他の実施形態で、前記無地部２１ａ上に別途の電極タップ（図示せず）が形成され、前記電極タップが第２極性の接続部２１ａ’を形成することもある。

前記第１及び第２電極板１０、２０は、第１セパレータ５１を介して互いに積層され、前記第１セパレータ５１は、前記第１及び第２電極板１０、２０の間で正負極間の短絡を防止する。前記第１セパレータ５１は高いイオン透過度を持ち、機械的な強度を持つ多孔性フィルムで形成され、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリマー素材で形成される。

一方、前記第２電極組立体１２０は、第１電極組立体１１０を巻取り中心として、長いシート状の第３及び第４電極板３０、４０をロール状に巻き取った巻取り型構造を持つ。前記第３電極板３０の内側には、巻取り中心を形成する第１電極組立体１１０との電気的な絶縁のための第２セパレータ５２が介在される。また、前記第３及び第４電極板３０、４０の間には、第３及び第４電極板３０、４０を互いに隔離させ、正負極間の内部短絡を防止するための第３セパレータ５３が介在される。

前記第３及び第４電極板３０、４０及び第２及び第３セパレータ５２、５３は、前記第１電極組立体１１０を巻取り中心として、前記第１電極組立体１１０を取り囲むように内側から外側方向へ螺旋状に延びる。例えば、前記第２電極組立体１２０は、第１電極組立体１１０を巻取り中心として多重に第１電極組立体１１０を取り囲む。

例えば、前記第２セパレータ５２は、前記第２電極組立体１２０の最内側ターンを形成することができ、第１電極組立体１１０の外面を一回取り囲んで螺旋状に巻き取られる。そして、第２セパレータ５２の次に内側に配された第３電極板３０は、第２セパレータ５２を介して第１電極組立体１１０と対面し、第１電極組立体１１０の外面に形成された第２電極板２０と対面する。この時、前記第２及び第３電極板２０、３０は、互いに反対極性同士で対面することで、二次電池の蓄電面積を増やして提供し、二次電池の充放電容量を増大させる。

前記第３電極板３０は、第３電極集電体３１と、前記第３電極集電体３１の少なくとも一面に形成された第３電極活物質３５とを備える。前記第３電極板３０には、第３電極活物質３５が形成されていない無地部３１ａが形成される。例えば、第３電極板３０の幅方向（Ｚ１方向）の少なくとも一側端部には第３電極活物質３５が形成されず、第３電極集電体３１が露出される無地部３１ａが形成される。

前記無地部３１ａは、第３電極板３０の電荷を外部に引き出すための第１極性の接続部３１ａ’（図１参照）を形成する。但し、本発明の他の実施形態で、前記無地部３１ａ上に別途の電極タップ（図示せず）が形成され、前記電極タップが第１極性の接続部３１ａ’を形成することもある。

前記第４電極板４０は、第４電極集電体４１と、前記第４電極集電体４１の少なくとも一面に形成された第４電極活物質４５とを備える。前記第４電極板４０には、第４電極活物質４５が形成されていない無地部４１ａが形成される。例えば、第４電極板４０の幅方向（Ｚ１方向）の少なくとも一側端部（但し、前記無地部３１ａが形成された一側端部に対しては後述のように反対側になる）には第４電極活物質４５が形成されず、第４電極集電体４１が露出される無地部４１ａが形成される。例えば、前記第４電極板４０の無地部４１ａは、前記第３電極板３０の無地部３１ａと反対側に形成される。

前記無地部４１ａは、第４電極板４０の電荷を外部に引き出すための第２極性の接続部４１ａ’（図１参照）を形成する。但し、本発明の他の実施形態で、前記無地部４１ａ上に別途の電極タップ（図示せず）が形成され、前記電極タップが第２極性の接続部４１ａ’を形成することもある。

前記第２及び第３セパレータ５２、５３は、第１及び第２電極組立体１１０、１２０の互いに対向する電極板２０、３０同士、または第２電極組立体１２０の第３及び第４電極板３０、４０同士の正負極間の短絡を防止する。前記第２及び第３セパレータ５２、５３は高いイオン透過度を持ち、機械的な強度を持つ多孔性フィルムで形成され、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリマー素材で形成される。

図３には、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図が示されている。理解の便宜のために、図４には、図３を再構成した図面が示されている。

図４を参照すれば、第２電極組立体１２０は、その巻取り中心に配された第１電極組立体１１０によって巻き取られて保持され、第１電極組立体１１０の積層厚さｔ１によってコーナー部分１１０ｃの曲率半径ｒが変わる。すなわち、第１電極組立体１１０を巻取り中心として、第２電極組立体１２０が第１電極組立体１１０の外周上に巻き取られる時、第２電極組立体１２０は、楕円状の軌跡に沿って巻き取られる。この時、第２電極組立体１２０の全体軌跡のうちコーナー部分１２０ｃは、最小の曲率半径ｒを形成し、前記曲率半径ｒに沿って第１電極組立体１１０の角部分１１０ｃを取り囲む。

例えば、図４では、第２電極組立体１２０のコーナー部分１２０ｃが略半円状に形成されるという仮定下で、コーナー部分１２０ｃの曲率半径ｒを例示的に表示したが、これは理解の便宜のためのものであり、第２電極組立体１２０の実際形状を描いたものではない。例えば、前記第２電極組立体１２０のコーナー部分１２０ｃは、内側の曲線に沿った複数の点毎に互いに異なる曲率半径ｒに沿って第１電極組立体１１０の角部分１１０ｃを取り囲む。つまり、この時、第２電極組立体１２０のコーナー部分１２０ｃは、内側の曲線に沿った複数の点毎に互いに異なる曲率半径ｒを持つ小さな円弧が組み合わせられた曲線状に形成される。

第２電極組立体１２０のコーナー部分１２０ｃが形成する曲率半径ｒは、第１電極組立体１１０の積層厚さｔ１によって増減する。すなわち、第２電極組立体１２０のコーナー部分１２０ｃは、第１電極組立体１１０の積層厚さｔ１が増大するにつれて、増大した曲率半径ｒでさらに緩やかな屈曲を形成する。このように前記コーナー部分１２０ｃが緩やかに曲げられることで、第２電極組立体１２０の損傷、例えば、電極板３０、４０の破断や活物質の脱落が防止される。これと逆に、第２電極組立体１２０のコーナー部分１２０ｃは、第１電極組立体１１０の積層厚さｔ１が減少するにつれて、減少した曲率半径ｒでさらに急激な屈曲を形成し、コーナー部分１１０ｃで電極板３０、４０の破断や活物質の脱落が引き起こされる。よって、適正積層厚さｔ１以上に形成された第１電極組立体１１０は、第２電極組立体１２０の曲率半径ｒを増大させて第２電極組立体１２０の急激な屈曲を防止し、電極板３０、４０の破断や活物質の脱落のような諸問題を解決する。

本発明によれば、電極板３０、４０のローディングレベル（ｌｏａｄｉｎｇ ｌｅｖｅｌ）、例えば、第２電極組立体１２０を形成する第３及び第４電極板３０、４０の単位面積当たり活物質の重量を増加させることで高エネルギー密度の二次電池を提供できる。この電極板３０、４０のローディングレベルの増加によっても、電極板３０、４０の破断や活物質の脱落などの第２電極組立体１２０の損傷が防止される。

一方、第１電極組立体１１０の積層厚さｔ１は、第１電極組立体１１０を形成する第１及び第２電極板１０、２０及びこれら間の第１セパレータ５１の積層数によって増大し、または第１及び第２電極板１０、２０、第１セパレータ５１の板厚さによっても増大する。

図５は、第２電極組立体１２０の損傷による充放電容量の減少を示す図面である。同図面は、多様な二次電池（ＣｅｌｌＡ、ＣｅｌｌＢ、ＣｅｌｌＣ、ＣｅｌｌＤ）を対象として、活物質の脱落及び電極板３０、４０の破断によって実際の具現容量が当初設計容量に比べていかほど減少するかを示す。活物質の脱落の場合には、約９７％レベルの具現容量を示し、電極板３０、４０の破断の場合には、約８７％レベルの具現容量を示す。例えば、前記第２電極組立体１２０は、第１電極組立体１１０の外周に沿って巻き取られた後、加圧成形により平たくプレス成形されるが、このような加圧成形時に引き起こされる電極板３０、４０の破断は、部分的な活物質の脱落より大きい容量減少を経験する。

本発明の一実施形態では、適正な積層厚さｔ１以上に形成された第１電極組立体１１０を用いて第２電極組立体１２０の急激な屈曲を防止することで、電極板３０、４０の破断や活物質の脱落による容量減少を根本的に防止する。

図４を参照すれば、第１電極組立体１１０の積層厚さｔ１は、第２電極組立体１２０の電極板の厚さｔ３、ｔ４、すなわち、第３電極板３０の厚さｔ３または第４電極板４０の厚さｔ４に鑑みて定められる。例えば、前記第１電極組立体１１０の積層厚さｔ１は、第２電極組立体１２０の電極板の厚さｔ３、ｔ４に相応して増大させることが望ましい。この理由は、第２電極組立体１２０の電極板の厚さｔ３、ｔ４が厚いほど、第２電極組立体１２０が柔らかに変形され難くなるためである。また、コーナー部分１２０ｃで無理な変形が強制される場合に、第２電極組立体１２０では、電極板３０、４０の破損や活物質の脱落が発生する恐れがあるからである。すなわち、第２電極組立体１２０の電極板の厚さｔ３、ｔ４（以下、電極板の厚さ）によって、第１電極組立体１１０の積層厚さｔ１（以下、積層厚さ）が定められ、さらに具体的に、電極板の厚さｔ３、ｔ４によって要求される最小限の積層厚さｔ１が変わる。

図６は、第２電極組立体１２０の電極板３０、４０の厚さｔ３、ｔ４によって要求される最小限の積層厚さｔ１を表示したものである。同図面は、多様な電極板（電極板Ａ、電極板Ｂ、電極板Ｃ、電極板Ｄ、電極板Ｅ）を対象として、電極板３０、４０の厚さｔ３、ｔ４によって要求される最小限の積層厚さｔ１を測定した結果を示す。電極板の種類によって、電極集電体の種類、電極活物質の種類が互いに異なるので、損傷を防止するために要求される最小限の積層厚さｔ１は互いに異なる。しかし、あらゆる種類の電極板で、電極板の厚さｔ３、ｔ４が増大するにつれて積層厚さｔ１の下限が増大することが分かり、比例的に電極板の厚さｔ３、ｔ４によって積層厚さｔ１の下限が増大することが分かる。例えば、第１電極組立体１１０の最小限の積層厚さｔ１は、第２電極組立体１２０の電極板の厚さｔ３、ｔ４、すなわち、第３電極板３０の厚さｔ３または第４電極板４０の厚さｔ４の約１０〜３０倍に当たる。

このように、第１電極組立体１１０の積層厚さｔ１が増大するにつれて、その外周を取り囲む第２電極組立体１２０の曲率半径が増大するので、第２電極組立体１２０の損傷は防止される。しかし、充放電効率の側面からみれば、前記第１電極組立体１１０の両角部分１１０ｃは蓄電面積を提供しないが、第２電極組立体１２０は、楕円状の全体軌跡により互いに反対極性の電極板３０、４０、すなわち、第３及び第４電極板３０、４０が対向する蓄電面積を提供する。このような点で、第１電極組立体１１０よりは第２電極組立体１２０が充放電効率に寄与するところが大きく、第１電極組立体１１０の積層厚さｔ１は、第２電極組立体１２０の損傷を防止できる範囲で制限されることが望ましい。すなわち、第１電極組立体１１０の積層厚さｔ１は、第２電極組立体１２０の厚さｔ２ａ＋ｔ２ｂ＋ｔ２ｃより薄いことが望ましい。この時、前記第２電極組立体１２０の厚さｔ２ａ＋ｔ２ｂ＋ｔ２ｃは、第１電極組立体１１０の積層方向に第２電極組立体１２０の部分的な厚さｔ２ａ、ｔ２ｂ、ｔ２ｃをいずれも加えた合算厚さを意味する。例えば、前記第１電極組立体１１０の積層厚さｔ１は、第２電極組立体１２０の合算厚さｔ２ａ＋ｔ２ｂ＋ｔ２ｃの約１／５〜１／２０に形成され、さらに具体的に、第１電極組立体１１０の積層厚さｔ１は、約３０〜４０ｍｍに形成され、第２電極組立体１２０の合算厚さｔ２ａ＋ｔ２ｂ＋ｔ２ｃは、約１５０〜８００ｍｍに形成される。

図７及び図８は、本発明の他の実施形態による二次電池を示す断面図である。以下、図４、図７及び図８を参照して、第１及び第２電極組立体１１０、１２０間の極性配置に関する多様な実施形態について説明する。

前記図面から分かるように、前記第１及び第２電極組立体１１０、１２０、１１０’、１２０’、１１０”、１２０”の互いに対向する電極板２０、３０、２０１、３０１、１０２、２０２、３０２同士は、互いに同じ極性で対向するか、または反対極性で対向する。ここで、第１及び第２電極組立体１１０、１２０、１１０’、１２０’、１１０”、１２０”の電極板２０、３０、２０１、３０１、１０２、２０２、３０２が互いに対向するということは、これら電極板２０、３０、２０１、３０１、１０２、２０２、３０２が互いに直接当接する場合を限定するものではなく、第１及び第２電極組立体１１０、１２０、１１０’、１２０’、１１０”、１２０”のセパレータ５２、５２１、５２２を介在するか、または別途の絶縁フィルム（図示せず）を介在して２つの電極板２０、３０、２０１、３０１、１０２、２０２、３０２が互いに隔離される場合を含む。

図４の実施形態で、前記第１及び第２電極組立体１１０、１２０の互いに対向する電極板２０、３０同士は互いに反対極性で配することで、蓄電面積を増やして二次電池の充放電容量を増大させる。

例えば、前記第１電極組立体１１０の外面の上下両側に同じ極性の電極板２０（第２電極板）が配され、第２電極組立体１２０の内側ターンを形成する電極板３０（第３電極板）と反対極性で配して、第１及び第２電極組立体１１０、１２０の境界で電荷の蓄電の可能なセル構造を形成する。この時、前記第１電極組立体１１０の第２電極板２０と、第２電極組立体１２０の第３電極板３０との間には第２セパレータ５２が介在され、正負極間の内部短絡を防止する。

例えば、前記第２電極板２０は正極で形成され、これと対向する第３電極板３０は負極で形成される。これは、互いに対向する正極面積と負極面積との割合を考慮したものであり、正極面積＜負極面積に設計することで、充放電時に負極へのリチウムの析出を防止し、安定性を図るための構成である。すなわち、第１電極組立体１１０の上下両面に形成された第２電極板２０の面積（正極面積）より、第１電極組立体１１０を全体的に取り囲む第３電極板３０の面積（負極面積）を相対的に大きく形成する。

図７の実施形態で、前記第１及び第２電極組立体１１０’、１２０’の互いに対向する電極板２０１、３０１同士は互いに同じ極性で配することができ、これにより、第１及び第２電極組立体１１０’、１２０’間の内部短絡を回避して二次電池の安定性を向上させる。

例えば、前記第１電極組立体１１０’の両側で同じ極性の電極板２０１（第２電極板）が配され、第２電極組立体１２０’の内側ターンを形成する電極板３０１（第３電極板）と同じ極性、例えば、負極を配して第１及び第２電極組立体１１０’、１２０’の境界で正負極間の内部短絡を防止する。

例えば、前記第１及び第２電極組立体１１０’、１２０’の対向する第２及び第３電極板２０１、３０１の間には、正負極間の内部短絡を防止するための第２セパレータ５２１が介在されるが、熱的収縮などによる短絡の危険性を低くするために前記のような構造が導入される。一方、図７で５１１は、第１及び第２電極板１０１、２０１の間の第１セパレータを示し、５３１は、第３及び第４電極板３０１、４０１の間の第３セパレータ５３１を示す。

図８の実施形態では、前記第１及び第２電極組立体１１０”、１２０”の互いに対向する電極板１０２、２０２、３０２が、一方では同じ極性同士で対面し、他方では反対極性同志で対面している。例えば、第１電極組立体１１０”の互いに反対側上下面に互いに反対極性の第１及び第２電極板１０２、２０２が配されれば、第１電極組立体１１０”の一側では、互いに同じ極性の第１、第３電極板１０２、３０２同士で互いに対向し、第１電極組立体１１０”の他側では、互いに反対極性の第２及び第３電極板２０２、３０２同士で互いに対向する。例えば、二次電池の配置状態によって第１電極組立体１１０”のいずれか一側の内部短絡の恐れがある場合に、このような構造を適用できる。一方、図８で５１２は、第１及び第２電極板１０２、２０２の間に介在される第１セパレータを示し、５２２は、第２及び第３電極板２０２、３０２の間に介在される第２セパレータを示す。そして、５３２は、第３及び第４電極板３０２、４０２の間に介在される第３セパレータを示す。

図９は、図１に示した二次電池と電極端子８１、８２との連結構造を説明するための図面である。

図面を参照すれば、第１及び第２電極組立体１１０、１２０の電気化学反応により生成された電荷は、第１及び第２電極組立体１１０、１２０の一側に形成された第１極性の接続部１１ａ’、３１ａ’と、反対側に形成された第２極性の接続部２１ａ’、４１ａ’を通じて外部に引き出され、前記第１及び第２極性の接続部１１ａ’、２１ａ’、３１ａ’、４１ａ’にはそれぞれ第１及び第２集電部材６０、７０が結合され、二次電池の充放電パスを形成する。

前記第１極性の接続部１１ａ’、３１ａ’は、第１及び第２電極組立体１１０、１２０から引き出される接続部１１ａ’、３１ａ’（例えば、第１、第３電極板の無地部）であり、第１及び第２電極組立体１１０、１２０から引き出された複数の接続部１１ａ’、３１ａ’は、互いに重なるように束ねられて密集された形態に第１集電部材６０と連結される。

前記第２極性の接続部２１ａ’、４１ａ’は、第１及び第２電極組立体１１０、１２０から引き出される接続部２１ａ’、４１ａ’（例えば、第２及び第４電極板の無地部）であり、第１及び第２電極組立体１１０、１２０から引き出された複数の接続部２１ａ’、４１ａ’は、互いに重なるように束ねられて密集された形態にで第２集電部材７０と連結される。

前記第１及び第２集電部材６０、７０は、電極組立体１１０、１２０と第１及び第２電極端子８１、８２との電気的な連結を媒介する。さらに具体的に、前記第１及び第２集電部材６０、７０は、電極組立体１１０、１２０と連結される下部の集電部６１、７１と、前記第１及び第２電極端子８１、８２と連結される上部のリード部６２、７２と、を備える。

前記集電部６１、７１は、前記電極組立体１１０、１２０の左右両側を取り囲むように結合され、接続部１１ａ’、２１ａ’、３１ａ’、４１ａ’の側端と溶接結合をなすベース部６１ａ、７１ａと、前記ベース部６１ａ、７１ａの両側で対向する方向に折り曲げられて接続部１１ａ’、２１ａ’、３１ａ’、４１ａ’の側面と溶接結合をなすベンディング部６１ｂ、７１ｂとを備える。前記ベンディング部６１ｂ、７１ｂは、前記接続部１１ａ’、２１ａ’、３１ａ’、４１ａ’を圧迫して密集された形態に形成し、密集された接続部１１ａ’、２１ａ’、３１ａ’、４１ａ’と溶接結合される。例えば、前記集電部６１、７１と電極組立体１１０、１２０との結合には、レーザー溶接または超音波溶接が適用される。

前記リード部６２、７２は、前記集電部６１、７１と第１及び第２電極端子８１、８２との電気的な連結を媒介する。例えば、前記リード部６２、７２は、集電部６１、７１から第１及び第２電極端子８１、８２に向かって延び、前記第１及び第２電極端子８１、８２と対向するように折り曲げられた形態を持つ。この時、前記第１及び第２電極端子８１、８２とリード部６２、７２とは、互いに溶接結合される。

図１０は、本発明の他の実施形態による二次電池の分解斜視図であり、図１１は、図１０に示した二次電池のＸＩ−ＸＩ線の断面図である。

図面を参照すれば、前記二次電池は、電極組立体１００と、前記電極組立体１００を収容するケース９４と、前記ケース９４の上端を閉鎖するキャッププレート９０と、を備える。

前記電極組立体１００は、第１電極組立体１１０と、前記第１電極組立体１１０を巻取り中心にして外周に沿って巻き取られた第２電極組立体１２０と、を備える。前記第１電極組立体１１０は積層型に形成され、前記第２電極組立体１２０は巻取り型に形成される。例えば、前記電極組立体１００の互いに反対の端には第１極性の接続部１１ａ’、３１ａ’と、第２極性の接続部２１ａ’、４１ａ’とが形成される。前記第１及び第２電極組立体１１０、１２０に関する詳細な内容は、前述したところと実質的に同一または類似しており、これについての重複する説明は省略する。

第１及び第２電極組立体１１０、１２０から引き出された第１極性の接続部１１ａ’、３１ａ’は、いずれも第１集電部材６０と電気的に連結され、第１及び第２電極組立体１１０、１２０から引き出された第２極性の接続部２１ａ’、４１ａ’は、いずれも第２集電部材７０と電気的に連結される。

前記第１及び第２集電部材６０、７０は、電極組立体１００と連結される下部の集電部６１、７１と、第１及び第２電極端子８１、８２と連結される上部のリード部６２、７２とを備える。前記集電部６１、７１は、前記電極組立体１００の左右両側を取り囲むように結合され、第１及び第２極性の接続部１１ａ’、２１ａ’、３１ａ’、４１ａ’を取り囲むようにベース部６１ａ、７１ａの両側で互いに対向する方向に折り曲げられたベンディング部６１ｂ、７１ｂを備える。前記リード部６２、７２は、前記集電部６１、７１と第１及び第２電極端子８１、８２との電気的な連結を媒介する。前記リード部６２、７２は、前記集電部６１、７１から電極端子８１、８２に向かって延び、電極端子８１、８２と対向するように折り曲げられた形態を持つ。前記第１及び第２電極端子８１、８２と対向するリード部６２、７２の一部には、第１及び第２電極端子８１、８２が挟み込まれる端子ホール６２’、７２’が形成され、前記リード部６２、７２と電極端子８１、８２との境界に沿って溶接結合される。

図１１を参照すれば、ケース９４の上端には、電極組立体１００が収容されたケース９４を閉鎖するためのキャッププレート９０が配される。前記キャッププレート９０とケース９４との当接部分は、レーザー溶接で気密性結合を形成する。前記キャッププレート９０には、ケース９４の内部圧力が設定されたポイントを超過したときに、ガスの排出経路を提供するように破断自在に設計された安全ベント９９が形成される。また、前記キャッププレート９０には、ケース９４内に電解質（図示せず）を注入するための電解質注入口９８ａが形成されており、電解質注入が完了した以後には、シーリング栓９８によって電解液注入口９８ａが閉鎖される。

前記キャッププレート９０には、第１及び第２電極端子８１、８２を外部に引き出すための端子ホール９１’が形成される。前記電極端子８１、８２は、キャッププレート９０と絶縁された状態で結合をなし、電極端子８１、８２とキャッププレート９０との間には絶縁性ガスケット９５、９７が介在され、電極端子８１、８２とキャッププレート９０とを互いに絶縁させる。例えば、前記絶縁性ガスケット９５、９７は、下部ガスケット９７及び上部ガスケット９５を備え、前記下部ガスケット９７は、キャッププレート９０の下部から端子ホール９１’に挟み込まれるように設けられ、前記上部ガスケット９５は、キャッププレート９０の上部から端子ホール９１’に挟み込まれるように設けられる。一方、前記下部ガスケット９７及び上部ガスケット９５以外に、絶縁性シーリング材９６がさらに設けられて電極端子８１、８２とキャッププレート９０または電極端子８１、８２とケース９４との間を絶縁させる。

本発明によれば、積層型電極組立体と巻取り型電極組立体とが互いに結合された形態の電極組立体を適用することで、巻芯内部の電極板の損傷が防止される高エネルギー密度の二次電池が提供される。

本発明は、図面に示した実施形態を参照として説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。よって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって定められねばならない。

本発明は、二次電池関連の技術分野に好適に用いられる。

１０、２０、３０、４０ 電極板
１１ａ’ 第１極性の接続部
２１ａ’ 第２極性の接続部
３１ａ’ 第１極性の接続部
４１ａ’ 第２極性の接続部
１１０ 第１電極組立体
１２０ 第２電極組立体
５１ 第１セパレータ
５２ 第２セパレータ
５３ 第３セパレータ

Claims (15)

1. 互いに積層された第１及び第２電極板を備える第１電極組立体と、
   前記第１電極組立体を巻取り中心として、第１電極組立体の外周に沿って共に巻き取られた第３及び第４電極板を備える第２電極組立体と、を備え、
   前記第１電極組立体と第２電極組立体との互いに対向する電極板同士は、互いに同じ極性で対向する二次電池。
2. 前記第１電極組立体は、前記第１及び第２電極板の間に積層された第１セパレータをさらに備え、
   前記第２電極組立体は、前記第３及び第４電極板と共に巻取られる第２セパレータをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記第２電極組立体のうち、
   前記第２セパレータは、前記第１電極組立体の外周を取り囲む最内側ターンを形成し、
   前記第２セパレータの外側に、第３電極板及び第４電極板が順次に配され、
   前記第３及び第４電極板の間には第３セパレータが介在されることを特徴とする請求項２に記載の二次電池。
4. 前記第１電極組立体の外側両側には第２電極板が配され、
   前記第２電極組立体の最内側ターンを形成する第２セパレータの次に内側に配された第３電極板は、前記第２電極板と同じ極性を持つことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
5. 前記第２及び第３電極板は、負極で形成されることを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
6. 前記第２電極組立体のコーナー部分は、前記第１電極組立体の角部分を取り囲み、
   さらに最小曲率半径は、前記第２電極組立体の全体軌跡のうちのコーナー部分にわたって形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の二次電池。
7. 前記第１電極組立体の積層厚さは、前記第２電極組立体の第３電極板または第４電極板の電極板の厚さの１０〜３０倍に形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の二次電池。
8. 前記第１電極組立体の積層厚さは、前記第２電極組立体が巻き取られたときの前記第２電極組立体の合算厚さより薄いことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の二次電池。
9. 前記第２電極組立体の合算厚さは、前記第１電極組立体の積層方向に沿って第２電極組立体の部分的な厚さを合算したものであることを特徴とする請求項８に記載の二次電池。
10. 前記第１及び第２電極組立体は、一側に形成された第１極性の接続部と、反対側に形成された第２極性の接続部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の二次電池。
11. 前記第１及び第２電極組立体は、第１極性の接続部及び第２極性の接続部で共通に束ねられて並列連結されることを特徴とする請求項１０に記載の二次電池。
12. 前記第１極性の接続部は、
    前記第１電極組立体の一側に形成された第１電極板の無地部と、
    前記第２電極組立体の一側に形成された第３電極板の無地部と、を備えることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の二次電池。
13. 前記第２極性の接続部は、
    前記第１電極組立体の反対側に形成された第２電極板の無地部と、
    前記第２電極組立体の反対側に形成された第４電極板の無地部と、を備えることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の二次電池。
14. 前記第１極性の接続部に結合される第１集電部材と、
    前記第２極性の接続部に結合される第２集電部材と、をさらに備えることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の二次電池。
15. 前記第１集電部材と電気的に連結され、前記第１及び第２電極組立体を収容したケースの外部に引き出される第１電極端子と、
    前記第２集電部材と電気的に連結され、前記第１及び第２電極組立体を収容したケースの外部に引き出される第２電極端子と、をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の二次電池。

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