JP6494861B2 - ガス吸着剤が含まれている電極リードを備えた電池セル - Google Patents

ガス吸着剤が含まれている電極リードを備えた電池セル Download PDF

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Description

本発明は、ガス吸着剤が含まれている電極リードを備えた電池セルに関する。
本出願は、２０１５年１２月１０日付の韓国特許出願第１０−２０１５−０１７５５４５号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
最近、化石燃料の枯渇によるエネルギー源の値上がり、環境汚染の関心が増幅され、環境に優しい代替エネルギー源に対する要求が未来生活のための必須不可欠の要因となっている。これにより、原子力、太陽光、風力、潮力など多様な電力生産技術に対する研究が続いており、このように生産されたエネルギーをより効率的に使用するための電力貯蔵装置も大きな関心が続いている。
特に、モバイル機器に対する技術開発と需要の増加に伴ってエネルギー源としての電池の需要が急激に増加しており、それによって多様な要求に応えられる電池に対する多くの研究が行われている。
代表的に、電池の形状の面では、薄い厚さで携帯電話などのような製品に適用可能な角型二次電池とパウチ型二次電池に対する需要が高く、材料の面では、高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性などの利点を有するリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのようなリチウム二次電池に対する需要が高い。
また、二次電池は、正極、負極、および正極と負極との間に介在する分離膜が積層された構造の電極アセンブリがどのような構造となるかによって分類されたりすることから、代表的には、長いシート状の正極と負極とを分離膜が介在した状態で巻取った構造のゼリーロール型（巻取型）電極アセンブリ、所定大きさの単位で切り取った多数の正極と負極とを分離膜を介在した状態で順次に積層したスタック型（積層型）電極アセンブリなどが挙げられ、最近は、前記ゼリーロール型電極アセンブリおよびスタック型電極アセンブリが有する問題点を解決するために、前記ゼリーロール型とスタック型との混合形態である一歩進んだ構造の電極アセンブリとして、所定単位の正極と負極とを分離膜を介在した状態で積層した単位セルを分離フィルム上に位置させた状態で順次に巻取った構造のスタック／フォールディング型電極アセンブリが開発された。
また、二次電池は、電池ケースの形状によって、電極アセンブリが円筒形または角形の金属缶に内蔵されている円筒型電池および角型電池と、電極アセンブリがアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに内蔵されているパウチ型電池とに分類される。
特に、最近は、スタック型またはスタック／フォールディング型電極アセンブリをアルミニウムラミネートシートのパウチ型電池ケースに内蔵した構造のパウチ型電池が、低い製造費、小さい重量、容易な形態変形などを理由に、多くの関心を集めており、また、その使用量が次第に増加している。
図１には、従来のパウチ型電池セルの構造を概略的に示す模式図が示されている。
図１を参照すれば、電池セル１００は、ラミネートシートからなるパウチ型電池ケース１１０の収納部１１１に電極アセンブリ１２０が収納された状態で、電池ケース１１０の外周辺１１２が熱融着によって密封された構造からなる。
電極アセンブリ１２０は、互いに対向する両側の外周辺側に突出している正極タブ１２１および負極タブ１２２を含んでおり、正極タブ１２１および負極タブ１２２はそれぞれ、正極リード１３１および負極リード１３２に連結されており、正極リード１３１および負極リード１３２は、正極タブ１２１および負極タブ１２２とそれぞれ連結された状態で、電池ケース１１０の外部に突出している。
正極タブ１２１と負極タブ１２２は、互いに同一の大きさとなっており、正極リード１３１と負極リード１３２は、互いに同一の大きさとなっている。
このような電池セルにおける主要研究課題の一つは、安全性を向上させることである。例えば、電池セルは、内部短絡、許容された電流および電圧を超えた過充電状態、高温への露出、落下または外部衝撃による変形など、電池セルの異常な作動状態によって誘発し得る電池内部の高温および高圧によって電池の爆発を生じかねない。
特に、安全性問題の一つとして、高温の環境に曝されたりまたは誤作動などによって電池セルで内部短絡が発生したりすると、正極界面で電解液の分解反応が起こり、それによってガスが多量に発生して、結局、内圧の増加で電池ケースが破裂して電池セルの外部に排出される。
一般に、このような内部ガスは、一酸化炭素などのような人体に有害な有毒成分を含んでいて、安全性に関する問題が誘発される。
したがって、このような問題点を根本的に解決できる技術に対する必要性が高い。
本発明は、上記の従来技術の問題点と過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
本出願の発明者らは、深い研究と多様な実験を繰り返した末に、後で説明するように、電極リードのタブ連結部にガス吸着剤がコーティングされるように構成することによって、電池セルの内部で発生するガスによる電池ケースの破裂および前記ガスの排出による安全性低下の問題点を予防することができ、電極リードのタブ連結部が電極タブに比べて相対的に大きなサイズを有するように構成することによって、ガス吸着剤がコーティングされる面積を広げて、前記効果を極大化することができ、電極リードと電極タブとの連結部位に対する機械的剛性を補完することによって、電池セルの構造的安定性を向上させることができ、電極リードと電極タブとをより簡便に連結可能なため、段差の発生を予防して、製品の不良率を減少させると同時に、電池セルの全体的な安定性を向上させることができることを確認して、本発明を完成するに至った。
上記の目的を達成するための、本発明による電池セルは、
少なくとも一側の外周辺側に突出している電極タブを含んでいる電極アセンブリと、
前記電極アセンブリが搭載される収納部を含んでいる電池ケースと、
外部デバイスとの電気的連結のために、前記電極タブに連結される電極リードと、を含んでおり、前記電極リードは、
前記電極タブに電気的に連結されるタブ連結部と、
前記タブ連結部から延びた状態で、電池ケースの外側に突出して外部デバイスに電気的に連結される突出延長部と、を含んでおり、
前記タブ連結部にはガス吸着剤がコーティングされている構造である。
したがって、電極リードのタブ連結部にコーティングされたガス吸着剤により、電池セルの内部で発生するガスによる電池ケースの破裂および前記ガスの排出による安全性低下の問題点を予防することができる。
ここで、前記電極リードと電極タブは、安定した連結状態を維持できるように、溶接によって連結され、より詳細には、超音波溶接またはレーザ溶接によって連結される。
一実施形態において、前記電池ケースは、樹脂層と金属層とを含むラミネートシートからなるパウチ型ケースであり、電極アセンブリ収納部の外周辺が熱融着によって密封される構造であってもよい。
先に説明したのと同様に、一般的なパウチ型電池セルは、ラミネートシートからなる電池ケースの外周面が熱融着によって密封されるため、角型電池セルまたは円筒型電池セルに比べて相対的な密封力が弱く、内部で発生したガスによって電池セル内部の圧力が上昇する場合、相対的に前記熱融着外周面が開放されて、ガスが排出されやすい。
しかし、本発明による電池セルは、電極タブに電気的に連結される電極リードのタブ連結部にガス吸着剤がコーティングされることによって、前記ガスによる電池ケースの破裂およびガスの排出を抑制し、安全性をより向上させることができる。
また、前記ガス吸着剤は、タブ連結部における電極タブの連結される部位を除いた残りの部位の少なくとも一部にコーティングされている構造であってもよい。
万一、前記ガス吸着剤がタブ連結部における電極タブの連結される部位にコーティングされている場合、前記タブ連結部と電極タブとの間の界面にはガス吸着剤が位置するようになるので、前記タブ連結部と電極タブとの結合が容易でなく、結合後にも、所望の結合力を発揮できず、外部から印加される衝撃といった刺激によって分離されて、短絡を起こすことがある。
したがって、前記ガス吸着剤は、タブ連結部における電極タブの連結される部位を除いた残りの部位の少なくとも一部にコーティングされることによって、前記問題を解決することができる。
また、前記ガス吸着剤は、タブ連結部における電極タブの連結される部位を除いた残りの部位のすべてにコーティングされている構造であってもよいし、この構造により、所望の効果を極大化することができる。
この場合に、前記タブ連結部の表面には、ガス吸着剤および／または電極タブとの結合力を向上させることができるように、所定の凹凸が形成されている構造であってもよい。
一方、前記タブ連結部には、ガス吸着剤が担持可能な複数の気孔が形成されている構造であってもよい。
つまり、前記ガス吸着剤は、タブ連結部の表面にコーティングされるほか、前記タブ連結部に形成されている気孔に担持されてもよいし、これにより、ガスが吸着される量を極大化することができる。
この場合に、前記気孔に含まれるガス吸着剤の量は、タブ連結部にコーティングされるガス吸着剤の全体量に対して０．１％〜３０％の範囲であってもよい。
万一、前記気孔に含まれるガス吸着剤の量がタブ連結部にコーティングされるガス吸着剤の全体量に対して０．１％未満の場合には、ガス吸着剤がコーティングのみされる場合に比べて、前記ガスが吸着される量の増加が少なすぎて、無意味であり、これとは逆に、３０％を超える場合には、前記タブ連結部に含まれるガス吸着剤の量が過度に多くなるので、むしろタブ連結部の機械的剛性が低下することがあり、さらに、電極タブとの安定した連結構造を維持することができない。
一般に、前記電池セルの内部で電解液の分解によって発生するガスは、ほとんどが酸素、一酸化炭素（ＣＯ）、および二酸化炭素（ＣＯ２）である。
これにより、前記ガス吸着剤は、電池セルの内部で多い比率で発生するガスを容易に吸着して所望の効果を発揮できる物質であれば、その種類が大きく制限されるわけではなく、詳細には、前記ガス吸着剤は、ガス吸着性を有する分子篩および金属成分からなる群より選択される１種以上であってもよい。
この時、前記分子篩は、シリカゲル、炭素繊維、多孔質性炭素材料、多孔質性金属酸化物、多孔性ゲル、およびゼオライトからなる群より選択される１種以上であってもよい。
ここで、前記多孔質性炭素材料は、カーボンモレキュラーシーブ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ）および活性炭からなる群より選択される１種以上であってもよいし、前記多孔質性金属酸化物の金属材は、ゼオライト、シリカゲル、アルミナ、およびモレキュラーシーブからなる群より選択される１種以上であってもよい。
また、前記金属成分は、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、タリウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、およびタングステン（Ｗ）からなる群より選択される１種以上であってもよい。
一実施形態において、前記タブ連結部は、電極タブの突出方向に垂直な幅方向の長さが電極タブに比べて相対的に大きなサイズを有する構造であってもよい。
一般に、パウチ型電池セルは、ラミネートシートからなる電池ケースの素材の特性上、十分に高い強度を発揮できず、外部から印加される衝撃に対して、電池ケースに収納された電極アセンブリを安定的に保護できず、所望の構造的安定性を発揮するのに限界がある。
しかし、本発明による電池セルは、電極タブに電気的に連結される電極リードのタブ連結部が電極タブに比べて相対的に大きなサイズを有することによって、前記電極タブが突出する部位の外周辺に対する剛性を効果的に補完することができる。
また、前記構造により、ガス吸着剤がコーティングされるタブ連結部の面積を最大化することによって、電池セルの内部で発生するガス吸着の効果を極大化し、これによる安全性を向上させることができる。
一方、前記タブ連結部は、電極タブの突出方向に垂直な幅方向の長さがこれに対応する電池ケースの収納部の幅より小さいサイズであってもよい。
具体的には、前記タブ連結部は、電極タブの突出方向に垂直な幅方向の長さが電極タブに比べて相対的に大きなサイズを有する構造からなるのに対し、これに対応する電池ケースの収納部の幅より小さいサイズを有することによって、電池セルの製造過程で、より容易に電池ケースの収納部内に安定的に位置できる。
一実施形態において、前記タブ連結部の少なくとも一部は、熱融着外周辺に位置する構造であってもよい。
より具体的には、前記タブ連結部の一部が位置する外周辺は、電極リードの突出延長部が突出するように位置する熱融着外周辺であるか、両側面の熱融着外周辺のうちの少なくとも１つの外周辺であってもよい。
ここで、前記両側面の熱融着外周辺は、前記突出延長部が位置する熱融着外周辺の両側端部に連続されている熱融着外周辺であって、前記突出延長部の突出方向に垂直な幅方向に位置した熱融着外周辺を意味する。
したがって、前記タブ連結部は、電池ケースの外周辺が熱融着によって密封される過程で、前記電池ケースの熱融着外周辺部位に安定的に固定された状態を維持することができ、これにより、前記タブ連結部が電池ケース内で流動する過程で、電極アセンブリとの直接的な接触により発生し得る内部短絡または構造的損傷を効果的に防止することができる。
また、前記タブ連結部の一部が突出延長部の突出する方向の熱融着外周辺に位置する場合には、前記外周辺部位で、熱融着によって形成されるシーリング部に対する構造的安定性を向上させることによって、前記シーリング部上に搭載されるＰＣＭなどの電気的連結部材がより安定的に搭載される効果を発揮することができる。
一実施形態において、前記タブ連結部は、電極タブの突出方向に垂直な幅方向の両側端部が電池ケースの両側面の熱融着外周辺にそれぞれ到達する長さに形成されている構造であってもよい。
したがって、前記タブ連結部は、電極タブの突出方向に垂直な幅方向の両側端部が電池ケースの両側面の熱融着外周辺に固定された状態を維持することによって、より安定的に、電池ケース内に位置できる。
この場合に、前記タブ連結部の両側端部と電池ケースの両側面の熱融着外周辺との間には、熱融着による密封性を向上させることができるように、絶縁フィルムが介在している構造であってもよい。
一般に、電極リードは、電極タブと安定した結合力を発揮すると同時に、安定した電気的連結を発揮できるように、前記電極タブと同一の素材からなってもよいし、より詳細には、当該電池に化学的変化を誘発することなく導電性を有する素材として、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、また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、銀等で表面処理したものなどが使用できる。
反面、前記電池ケースは、熱融着による密封性を発揮できるように、最内側が熱溶融性樹脂シーラント層に形成される。
したがって、電池ケースの外周辺に対する熱融着時、互いに対面することとなるタブ連結部と電池ケースの部位は互いに相異なる素材からなり、これにより、前記タブ連結部の両側端部と電池ケースの両側面の熱融着外周辺との間には絶縁フィルムが介在することによって、熱融着による密封力を向上させることができる。
また、前記絶縁フィルムは、突出延長部が突出する方向の熱融着外周辺にタブ連結部の一部が位置する場合にも、熱融着による密封力を向上させることができるように、前記タブ連結部と熱融着外周辺との間に介在できることはもちろんである。
一実施形態において、前記タブ連結部は、電極タブの突出方向と同じ方向の長さが電極タブの突出長さに対して１０％〜９０％の大きさに形成されている構造であってもよい。
万一、前記タブ連結部の長さが電極タブの突出長さに対して１０％未満の場合には、前記タブ連結部と電極タブとの連結される広さが十分に確保されず、所望の結合力を発揮できず、これとは逆に、９０％を超える時には、前記タブ連結部が電極タブに連結された後、電極アセンブリと直接的に接触することによって、内部短絡が発生したり、前記電極アセンブリまたはタブ連結部が構造的に損傷したりする問題点が発生し得る。
一方、前記電極タブは、突出方向に垂直な幅方向の長さがこれに対応する電極アセンブリの外周辺の幅と同一の構造であってもよい。
一般に、電極タブは、電極シートの無地部を切り欠いて形成される。
この時、このような切り欠きは、一般に、金型による打ち抜き方式で行われ、前記打ち抜き過程で発生する段差によって、電極タブに隣接した電極の外周辺で、電極活物質の塗布されない無地部が含まれる不良が発生し得る。
しかし、本発明による電池セルの電極タブは、突出方向に垂直な幅方向の長さがこれに対応する電極アセンブリの外周辺の幅と同一の構造であって、前記電極タブが形成された外周辺部位はすべて電極活物質の塗布されない無地部に形成されるので、前記不良が発生しない。
また、前記電極タブは、従来の電池セルの電極タブに比べてより広い構造に形成されるので、溶接によるタブ連結部との連結部位がより広くなり得、これにより、前記電極タブとタブ連結部との間でより高い結合力を発揮することができる。
さらに、前記電極タブ構造によって、電池セルの充放電過程で流れる電流は、より広い面積の電極タブを通して流れ、これにより、前記電極タブと電極リードとの連結される部位で発生し得る熱を最小化して、電池セルの劣化を防止し、安定性を向上させることができる。
一実施形態において、前記電極タブは、互いに相異なる極性を有する電極タブが互いに対向する外周辺側に突出している構造であってもよい。
したがって、前記広い構造からなるタブ連結部は、相互間の干渉なしに、極性に応じてより容易に電極タブにそれぞれ連結される。
しかし、前記電極タブの突出構造がこれに限定されるものではなく、他の実施形態において、前記電極タブは、相異なる極性を有する電極タブが互いに同一の外周辺側に突出している構造でもよい。
この場合に、前記電極タブに連結される電極リードのタブ連結部の間には、絶縁体が介在している構造であってもよい。
先に説明したのと同様に、前記電極リードは、一般に電極タブと同一の素材からなってもよいし、これにより、相異なる極性を有する電極タブにそれぞれ連結される電極リードのタブ連結部が互いに直接接触する場合には、ショートによって、内部短絡が発生し得る。
これにより、前記相異なる極性を有する電極タブに連結される電極リードのタブ連結部の間には絶縁体が介在することによって、前記タブ連結部の直接的な接触を防止して、これによる問題点を予防することができる。
この時、前記相異なる極性を有する電極タブに連結されるタブ連結部の間を安定的に絶縁できる構成であれば、その種類が絶縁体に限定されるものではなく、より詳細には、前記タブ連結部が互いに対面する面に絶縁物質がコーティングされることによって、同一の効果を発揮することもできることはもちろんである。
また、前記電極リードの突出延長部と電池ケースの熱融着外周辺との間には、タブ連結部と電池ケースの熱融着外周辺との間と同様に、絶縁フィルムが介在していて、熱融着による密封力を向上させることができる。
一方、本発明による電池セルは、少なくとも一側の外周辺側に突出している電極タブを含んでいる構造であって、電池ケースの収納部に収納された状態で、電極リードと安定した連結状態を維持できる構造であれば、その構造が大きく制限されるわけではなく、詳細には、巻取型構造、スタック型構造、スタック／フォールディング型構造、またはスタック／ラミネーション構造であってもよい。
また、本発明による電池セルは、その種類が特に限定されるものではないが、実施形態として、高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性などの利点を有するリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのようなリチウム二次電池であってもよい。
一般に、リチウム二次電池は、正極、負極、分離膜、およびリチウム塩含有非水電解液から構成されている。
前記正極は、例えば、正極集電体上に正極活物質、導電剤およびバインダーの混合物を塗布した後、乾燥して製造され、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。
前記正極活物質は、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またはそれ以上の遷移金属で置換された化合物；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、または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、またはＴａであり、ｘ＝０．０１〜０．１である）またはＬｉ２Ｍｎ３ＭＯ８（ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、または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で置換されたＬｉＭｎ２Ｏ４；ジスルフィド化合物；Ｆｅ２（ＭｏＯ４）３などが挙げられるが、これらにのみ限定されるものではない。
前記導電剤は、通常、正極活物質を含む混合物の全体重量を基準として１〜３０重量％添加される。このような導電剤は、当該電池に化学的変化を誘発することなく導電性を有するものであれば特に制限されるわけではなく、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；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キー；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使用できる。
前記バインダーは、活物質と導電剤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、正極活物質を含む混合物の全体重量を基準として１〜３０重量％添加される。このようなバインダーの例としては、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）、デンプン、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、スチレンブチレンゴム、フッ素ゴム、多様な共重合体などが挙げられる。
前記充填剤は、正極の膨張を抑制する成分で選択的に使用され、当該電池に化学的変化を誘発することなく繊維状材料であれば特に制限されるわけではなく、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使用される。
前記負極は、負極集電体上に負極活物質を塗布、乾燥して作製され、必要に応じて、先に説明したような成分が選択的にさらに含まれてもよい。
前記負極活物質としては、例えば、難黒鉛化炭素、黒鉛系炭素などの炭素；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；スズ系合金；ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＰｂＯ、ＰｂＯ２、Ｐｂ２Ｏ３、Ｐｂ３Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ５、ＧｅＯ、ＧｅＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ４、および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系材料などを使用することができる。
前記分離膜および分離フィルムは、正極と負極との間に介在し、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使用される。分離膜の気孔径は、一般に０．０１〜１０μｍであり、厚さは、一般に５〜３００μｍである。このような分離膜としては、例えば、耐薬品性およ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；ガラス繊維またはポリエチレンなどで作られたシートや不織布などが使用される。電解質としてポリマーなどの固体電解質が使用される場合には、固体電解質が分離膜を兼ねることもできる。
また、一実施形態において、高エネルギー密度の電池の安全性の向上のために、前記分離膜および／または分離フィルムは、有機／無機複合多孔性のＳＲＳ（Ｓａｆｅｔｙ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ Ｓｅｐａｒａｔｏｒｓ）分離膜であってもよい。
前記ＳＲＳ分離膜は、ポリオレフィン系分離膜基材上に無機物粒子とバインダー高分子を活性層成分として用いて製造され、この時、分離膜基材自体に含まれている気孔構造と共に、活性層成分の無機物粒子間の空き空間（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｖｏｌｕｍｅ）によって形成された均一な気孔構造を有する。
このような有機／無機複合多孔性分離膜を用いる場合、通常の分離膜を用いた場合に比べて、化成工程（Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）時のスウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）による電池厚さの増加を抑制できるという利点があり、バインダー高分子成分として液体電解液の含浸時にゲル化可能な高分子を用いる場合、電解質としても同時に使用できる。
また、前記有機／無機複合多孔性分離膜は、分離膜内の活性層成分である無機物粒子とバインダー高分子の含有量調節によって優れた接着力特性を示し得るので、電池組立工程が容易に行われるという特徴がある。
前記無機物粒子は、電気化学的に安定さえすれば特に制限されない。つまり、本発明で使用可能な無機物粒子は、適用される電池の作動電圧範囲（例えば、Ｌｉ／Ｌｉ＋基準で０〜５Ｖ）で酸化および／または還元反応が起こらないものであれば特に制限されない。特に、イオン伝達能力がある無機物粒子を用いる場合、電気化学素子内のイオン伝導度を高めて性能向上を図ることができるので、可能なイオン伝導度が高いことが好ましい。また、前記無機物粒子が高い密度を有する場合、コーティング時に分散させるのに困難があるだけでなく、電池の製造時に重量増加の問題点もあるので、可能な密度が小さいことが好ましい。さらに、誘電率が高い無機物の場合、液体電解質内の電解質塩、例えば、リチウム塩の解離度の増加に寄与して電解液のイオン伝導度を向上させることができる。
リチウム塩含有非水電解液は、極性有機電解液とリチウム塩とからなる。電解液としては、非水系液状電解液、有機固体電解質、無機固体電解質などが使用される。
前記非水系液状電解液としては、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリジノン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ガンマ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフラン（ｆｒａｎｃ）、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、ギ酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの非フロトン性有機溶媒が使用できる。
前記有機固体電解質としては、例えば、ポリエチレン誘導体、ポリエチレンオキシド誘導体、ポリプロピレンオキシド誘導体、リン酸エステルポリマー、ポリアジテーションリシン（ａｇｉｔａｔｉｏｎ ｌｙｓｉｎｅ）、ポリエステルスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、イオン性解離基を含む重合体などが使用できる。
前記無機固体電解質としては、例えば、Ｌｉ３Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ５ＮＩ２、Ｌｉ３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ４、ＬｉＳｉＯ４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ２ＳｉＳ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ４ＳｉＯ４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ３ＰＯ４−Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２などのＬｉの窒化物、ハロゲン化物、硫酸塩などが使用できる。
前記リチウム塩は、前記非水系電解質に溶解しやすい物質であって、例えば、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、ＣＨ３ＳＯ３Ｌｉ、ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ、（ＣＦ３ＳＯ２）２ＮＬｉ、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、４フェニルホウ酸リチウム、イミドなどが使用できる。
また、非水系電解液には、充放電特性、難燃性などの改善を目的として、例えば、ピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、ｎ−グリム（ｇｌｙｍｅ）、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、Ｎ−置換オキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ−置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、２−メトキシエタノール、三塩化アルミニウムなどが添加されてもよい。場合によっては、不燃性を付与するために、四塩化炭素、三フッ化エチレンなどのハロゲン含有溶媒をさらに含ませてもよく、高温保存特性を向上させるために、二酸化炭酸ガスをさらに含ませてもよい。
本発明はさらに、前記電池セルを１つ以上含む電池パックおよび前記電池パックを含むデバイスを提供することから、前記デバイスは、携帯電話、タブレットコンピュータ、ノートパソコン、パワーツール、ウェアラブル電子機器、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、および電力貯蔵装置からなる群より選択されるいずれか１つであってもよい。
上記のようなデバイス乃至装置は当業界に公知であるので、本明細書ではそれに関する具体的な説明を省略する。
従来のパウチ型電池セルの構造を概略的に示す模式図である。 本発明の一実施例による電池セルの正極タブと正極リードの構造を概略的に示す模式図である。 図２の正極タブおよび正極リードが適用された電池セルの構造を概略的に示す模式図である。 本発明の他の実施例による電池セルの構造を概略的に示す模式図である。 本発明のさらに他の実施例による電池セルの正極リードおよび負極リードの構造を概略的に示す模式図である。
以下、本発明の実施例による図面を参照して本発明をより詳述するが、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２には、本発明の一実施例による電池セルの正極タブと正極リードの構造を概略的に示す模式図が示されている。
図２を参照すれば、正極リード２３１は、タブ連結部２３１ａと突出延長部とを含んでいる。
タブ連結部２３１ａは、正極タブ２４１の突出方向に垂直な幅方向の長さＷ３が正極タブ２４１の幅Ｗ４に比べて相対的に大きなサイズを有する構造からなり、正極タブ２４１は、タブ連結部２３１ａの中央部位に溶接によって結合されている。
タブ連結部２３１ａの上面および下面には、正極タブ２４１の連結される部位を除いた残りの部位のすべてにガス吸着剤コーティング層２５０が形成されている。
タブ連結部２３１ａには複数の気孔２３１ａ’が形成されており、気孔２３１ａ’にはタブ連結部２３１ａにコーティングされたガス吸着剤２５１の一部が担持されている。
したがって、電池セルの内部で発生したガスは、ガス吸着剤によって容易に除去され、これによる電池セルのスウェリング現象および安全性低下の問題を予防することができる。
突出延長部２３１ｂは、タブ連結部２３１ａと一体型構造からなり、正極タブ２４１の突出部位に対応するタブ連結部２３１ａの部位から、正極タブ２４１の突出方向に突出延長されている。
図３には、図２の正極タブおよび正極リードが適用された電池セルの構造を概略的に示す模式図が示されている。
図３を参照すれば、電池セル２００は、ラミネートシートからなるパウチ型電池ケース２１０の収納部２１１に電極アセンブリ２２０が収納された状態で、電池ケース２１０の外周辺２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄが熱融着によって密封された構造からなる。
電極アセンブリ２２０は、互いに対向する上側および下側の外周辺２１２ａ、２１２ｃ側にそれぞれ突出している正極タブ２４１および負極タブ２２２を含んでいる。
正極タブ２４１は、突出方向に垂直な幅方向の長さＷ４が長方形からなる電極アセンブリ２２０の幅Ｗ５に比べて小さい構造からなり、正極リード２３１に電気的に連結されている。
正極リード２３１は、タブ連結部２３１ａと突出延長部２３１ｂとを含んでいる。
タブ連結部２３１ａは、正極タブ２４１と溶接によって結合されており、正極タブ２４１の突出方向に垂直な幅方向の両側端部が電池ケース２１０の両側面の熱融着外周辺２１２ｂ、２１２ｄにそれぞれ到達する長さに形成されている。
したがって、タブ連結部２３１ａの両側端部は、電池ケース２１０の両側面の熱融着外周辺２１２ｂ、２１２ｄにそれぞれ位置し、熱融着による密封力を向上させることができるように、タブ連結部２３１ａの両側端部と電池ケース２１０の両側面の熱融着外周辺２１２ｂ、２１２ｄとの間には絶縁フィルム２４２、２４３がそれぞれ介在している。
したがって、正極リード２３１に対する正極タブ２４１の結合時、正極リード２３１と正極タブ２４１との接続位置がずれることによって発生する段差およびこれによる問題点を予防することができる。
タブ連結部２３１ａは、正極タブ２４１の突出方向と同じ方向の長さＷ６が正極タブ２４１の突出長さＷ７に対して約６０％の大きさに形成されている。
したがって、タブ連結部２３１ａは安定的に固定されて、タブ連結部２３１ａと電極アセンブリ２２０との直接的な接触による内部短絡または構造的損傷を防止することができる。
突出延長部２３１ｂは、タブ連結部２３１ａと一体型に形成されており、正極タブ２４１の突出部位に対応する電池ケース２１０の上側の熱融着外周辺２１２ａ部位に突出しており、熱融着による密封力を向上させることができるように、突出延長部２３１ｂと電池ケース２１０の上側の熱融着外周辺２１２ａとの間には絶縁フィルム２４１が介在している。
負極タブ２２２は、突出方向に垂直な幅方向の長さＷ８が長方形からなる電極アセンブリ２２０の幅Ｗ５と同一の構造からなり、負極リード２３２に電気的に連結されている。
したがって、広い面積の負極タブ２２２を介して、負極タブ２２２と負極リード２３２のタブ連結部２３２ａとの結合部位で発生する熱を効果的に除去することができる。
負極リード２３２は、突出延長部２３２ｂが電池ケース２１０の下側の熱融着外周辺２１２ｃ部位において、一側面の熱融着外周辺２１２ｂ方向に隣接して位置するという点を除いた残りの構造が正極リード２３１と同一であるので、これに関する詳細な説明は省略する。
図４には、本発明の他の実施例による電池セルの構造を概略的に示す模式図が示されている。
図４を参照すれば、電池セル３００の正極リード３３１のタブ連結部３３１ａは、正極タブ３２１の突出方向に垂直な幅方向の長さＷ９が電池ケース３１０の収納部３１１の幅Ｗ１０より小さいサイズとなっている。
正極リード３３１のタブ連結部３３１ａは、一部が突出延長部３３１ｂの突出する電池ケース３１０の上側の熱融着外周辺３１２ａに位置し、正極リード３３１のタブ連結部３３１ａおよび突出延長部３３１ｂと電池ケース３１０の上側の熱融着外周辺３１２ａとの間には、熱融着による密封力を向上させることができるように、絶縁フィルム３４１が介在している。
したがって、正極リード３３１は、電池ケース３１０内で安定的に固定された状態を維持することができる。
前記構造を除いた残りの構造は、図３の電池セル（図３の２００）と同一であるので、これに関する詳細な説明は省略する。
図５には、本発明のさらに他の実施例による電池セルの正極リードおよび負極リードの構造を概略的に示す模式図が示されている。
図５を参照すれば、正極タブ４４１と負極タブ４４２は、同じ方向に突出している。
正極タブ４４１は、正極リード４３１の上面で、正極リード４３１のタブ連結部４３１ａに結合されており、負極タブ４４２は、負極リード４３２の下面で、負極リード４３２のタブ連結部４３２ａに結合されている。
正極リード４３１のタブ連結部４３１ａの上面および負極リード４３２のタブ連結部４３２ａの下面には、正極タブ４４１および負極タブ４４２の連結される部位を除いた残りの部位のすべてにガス吸着剤コーティング層４５０が形成されている。
正極リード４３１の突出延長部４３１ｂは、タブ連結部４３１ａと一体型構造からなり、正極タブ４４１の突出した部位に対応する部位に位置している。
負極リード４３２の突出延長部４３２ｂは、タブ連結部４３２ａと一体型構造からなり、負極タブ４４２の突出した部位に対応する部位に位置している。
正極リード４３１のタブ連結部４３１ａと負極リード４３２のタブ連結部４３２ａは、同一の大きさとなっており、正極リード４３１のタブ連結部４３１ａと負極リード４３２のタブ連結部４３２ａとの間には絶縁体４６０が介在している。
したがって、正極リード４３１と負極リード４３２は互いに直接接触しないので、これによる内部短絡といった問題を予防しながら、正極タブ４４１と負極タブ４４２が同じ方向に突出している構造にも容易に適用されて、所望の効果を発揮することができる。
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、上記の内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用および変形を行うことが可能であろう。
以上説明したように、本発明による電池セルは、電極リードのタブ連結部にガス吸着剤がコーティングされるように構成されることによって、電池セルの内部で発生するガスによる電池ケースの破裂および前記ガスの排出による安全性低下の問題点を予防することができ、電極リードのタブ連結部が電極タブに比べて相対的に大きなサイズを有するように構成することによって、ガス吸着剤がコーティングされる面積を広げて、前記効果を極大化することができ、電極リードと電極タブとの連結部位に対する機械的剛性を補完することによって、電池セルの構造的安定性を向上させることができ、電極リードと電極タブとをより簡便に連結可能なため、段差の発生を予防して、製品の不良率を減少させると同時に、電池セルの全体的な安定性を向上させることができる効果がある。
２００ 電池セル
２１０ パウチ型電池ケース（電池ケース）
２１１ 収納部
２１２ａ 熱融着外周辺（外周辺）
２１２ｂ 熱融着外周辺（外周辺）
２１２ｃ 熱融着外周辺（外周辺）
２１２ｄ 熱融着外周辺（外周辺）
２２０ 電極アセンブリ
２２２ 負極タブ
２３１ 正極リード
２３１ａ タブ連結部
２３１ａ’ 気孔
２３１ｂ 突出延長部
２３２ 負極リード
２３２ａ タブ連結部
２３２ｂ 突出延長部
２４１ 正極タブ
２４２ 絶縁フィルム
２４３ 絶縁フィルム
２５０ ガス吸着剤コーティング層
２５１ ガス吸着剤
３００ 電池セル
３１０ 電池ケース
３１１ 収納部
３１２ａ 熱融着外周辺
３２１ 正極タブ
３３１ 正極リード
３３１ａ タブ連結部
３３１ｂ 突出延長部
３４１ 絶縁フィルム
４３１ 正極リード
４３１ａ タブ連結部
４３１ｂ 突出延長部
４３２ 負極リード
４３２ａ タブ連結部
４３２ｂ 突出延長部
４４１ 正極タブ
４４２ 負極タブ
４５０ ガス吸着剤コーティング層
４６０ 絶縁体

Claims (24)

  1. 少なくとも一側の外周辺側に突出している電極タブを含んでいる電極アセンブリと、
    前記電極アセンブリが搭載される収納部を含んでいる電池ケースと、
    外部デバイスとの電気的連結のために、前記電極タブに連結される電極リードと、を含んでおり、前記電極リードは、
    前記電極タブに電気的に連結されるタブ連結部と、
    前記タブ連結部から延びた状態で、電池ケースの外側に突出して外部デバイスに電気的に連結される突出延長部と、を含んでおり、
    前記タブ連結部にはガス吸着剤がコーティングされており、
    前記ガス吸着剤は、タブ連結部における電極タブの連結される部位を除いた残りの部位の少なくとも一部にコーティングされていることを特徴とする電池セル。
  2. 前記電池ケースは、樹脂層と金属層とを含むラミネートシートからなるパウチ型ケースであり、電極アセンブリ収納部の外周辺が熱融着によって密封されることを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
  3. 前記ガス吸着剤は、タブ連結部における電極タブの連結される部位を除いた残りの部位のすべてにコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
  4. 前記タブ連結部には、ガス吸着剤が担持可能な複数の気孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
  5. 前記気孔に含まれるガス吸着剤の量は、タブ連結部にコーティングされるガス吸着剤の全体量に対して０．１％〜３０％の範囲であることを特徴とする請求項４に記載の電池セル。
  6. 前記ガス吸着剤は、ガス吸着性を有する分子篩および金属成分からなる群より選択される１種以上であることを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
  7. 前記分子篩は、シリカゲル、炭素繊維、多孔質性炭素材料、多孔質性金属酸化物、多孔性ゲル、およびゼオライトからなる群より選択される１種以上であることを特徴とする請求項６に記載の電池セル。
  8. 前記多孔質性炭素材料は、カーボンモレキュラーシーブ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ）および活性炭からなる群より選択される１種以上であることを特徴とする請求項７に記載の電池セル。
  9. 前記多孔質性金属酸化物の金属材は、ゼオライト、シリカゲル、アルミナ、およびモレキュラーシーブからなる群より選択される１種以上であることを特徴とする請求項７に記載の電池セル。
  10. 前記金属成分は、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、タリウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、およびタングステン（Ｗ）からなる群より選択される１種以上であることを特徴とする請求項６に記載の電池セル。
  11. 前記タブ連結部は、電極タブの突出方向に垂直な幅方向の長さが電極タブに比べて相対的に大きなサイズを有することを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
  12. 前記タブ連結部は、電極タブの突出方向に垂直な幅方向の長さがこれに対応する電池ケースの収納部の幅より小さいサイズであることを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
  13. 前記タブ連結部の少なくとも一部は、熱融着外周辺に位置することを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
  14. 前記タブ連結部は、電極タブの突出方向に垂直な幅方向の両側端部が電池ケースの両側面の熱融着外周辺にそれぞれ到達する長さに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
  15. 前記タブ連結部の両側端部と電池ケースの両側面の熱融着外周辺との間には、熱融着による密封性を向上させることができるように、絶縁フィルムが介在していることを特徴とする請求項１４に記載の電池セル。
  16. 前記タブ連結部は、電極タブの突出方向と同じ方向の長さが電極タブの突出長さに対して１０％〜９０％の大きさに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
  17. 前記電極タブは、突出方向に垂直な幅方向の長さがこれに対応する電極アセンブリの外周辺の幅と同一であることを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
  18. 前記電極タブは、互いに相異なる極性を有する電極タブが互いに対向する外周辺側に突出していることを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
  19. 前記電極タブは、相異なる極性を有する電極タブが互いに同一の外周辺側に突出していることを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
  20. 前記電極タブに連結される電極リードのタブ連結部の間には絶縁体が介在していることを特徴とする請求項１９に記載の電池セル。
  21. 前記電池セルは、リチウム二次電池であることを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
  22. 請求項１に記載の電池セルを含むことを特徴とする電池パック。
  23. 請求項２２に記載の電池パックを含むことを特徴とするデバイス。
  24. 前記デバイスは、携帯電話、タブレットコンピュータ、ノートパソコン、パワーツール、ウェアラブル電子機器、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、および電力貯蔵装置からなる群より選択されるいずれか１つであることを特徴とする請求項２３に記載のデバイス。
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