JP6557330B2 - 電極タブと電極リードのタブ−リード結合部が空間部に位置する電極組立体 - Google Patents

Description

本出願は、２０１５年０４月１６日付けの韓国特許出願第１０−２０１５−００５３５７６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全ての内容は本明細書の一部として含まれる。

本発明は、電極タブと電極リードのタブ−リード結合部が空間部に位置する電極組立体に関する。

化石燃料の使用の急激な増加により、代替エネルギーやクリーンエネルギーの使用に対する要求が増加しており、その一環として最も盛んに研究されている分野が、電気化学を用いた発電、蓄電分野である。

現在、このような電気化学的エネルギーを用いる電気化学素子の代表的な例として二次電池を挙げることができ、その使用領域が益々拡大している趨勢である。

二次電池は、電池ケースの形状によって、電極組立体が円筒形又は角形の金属缶に内蔵されている円筒型電池及び角型電池と、電極組立体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。

電池ケースに内蔵される電極組立体は、正極／分離膜／負極の積層構造からなる充放電可能な発電素子であって、活物質が塗布された長いシート状の正極と負極との間に分離膜を介在させて巻き取ったジェリーロール型と、所定サイズの多数の正極と負極を分離膜が介在した状態で順次積層したスタック型とに分類される。

このようなジェリーロール型とスタック型との混合形態である進歩した構造の電極組立体として、一定の単位サイズの正極／分離膜／負極の構造のフルセル（ｆｕｌｌ ｃｅｌｌ）または正極（負極）／分離膜／負極（正極）／分離膜／正極（負極）の構造のバイセル（ｂｉｃｅｌｌ）を長い長さの連続的な分離膜フィルムを用いてフォールディングした構造のスタック／フォールディング型電極組立体が開発された。

また、従来のスタック型電極組立体の工程性を向上させ、様々な形態の二次電池の需要を満足させるために、電極と分離膜が交互に配列されて接合（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）されている単位セルを積層した構造のラミネーション／スタック型電極組立体も開発された。

一方で、このような二次電池のうちのリチウム二次電池は、他の二次電池に比べて重量が軽く、エネルギー密度が高いため、需要が増加する趨勢である。消費者の高エネルギー密度のバッテリーに対する要求は増加し続けているが、リチウム二次電池のエネルギー密度は、そのような消費者の要求を満足させるにはまだ不十分であるというのが実情である。

このような問題を解決するために、二次電池の内部空間を活用してエネルギー密度を増加させるための試みがあったが、二次電池の構造的限界により十分な効果を得ることはできなかった。

特に、複数の極板及び分離膜が積層されている形態の電池において、このような極板から突出している電極タブが占める体積、及びこのような電極タブと電極リードを接続する結合部が占める体積を減少させるための多くの試みがあったが、これもまた十分な効果を得ることができなかった。

したがって、複数の極板及び分離膜が積層されている形態の電池において、全般的な構造を維持しながらも、エネルギー密度を向上させることができる技術に対する必要性が高いのが実情である。

本発明は、上記のような従来技術の問題点及び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、鋭意研究と様々な実験を重ねた結果、後述するように、ユニットセルの極板から突出している電極タブは、タブ−リード結合部によって電極リードと電気的に接続されており、前記タブ−リード結合部が空間部に位置する場合、二次電池のエネルギー密度が著しく向上することを確認し、本発明を完成するに至った。

したがって、本発明に係る電極組立体は、平面を基準として高さ方向に配列されており、少なくとも２つ以上は平面の大きさが互いに異なる複数のユニットセル；及び配列されたユニットセルの平面の大きさの差により形成される空間部；を含み、前記ユニットセルは、それぞれ１つ以上の極板を含んでおり、ユニットセルの極板から突出している電極タブは、タブ−リード結合部によって電極リードと電気的に接続されており、前記タブ−リード結合部は空間部に位置することを特徴とする。

すなわち、従来技術に係る電極組立体は、電極タブ及びタブ−リード結合部が突出して一定の体積を占めることによって、二次電池の容量向上に寄与しない空間が存在していた。

一方、本発明に係る電極組立体によれば、二次電池の容量向上に寄与していない電極タブ及びタブ−リード結合部を、一種のデッドスペース（ｄｅａｄ ｓｐａｃｅ）である空間部に位置させることによって、二次電池のエネルギー密度を著しく向上させることができる。

一つの具体的な例において、前記電極タブは正極タブ及び負極タブで構成されており、同じ極性を有する電極タブは一つの電極リードに電気的に接続されている構造であってもよい。

同じ極性を有する電極タブを分離して互いに異なる電極リードに電気的に接続する構造を考慮できないわけではないが、この場合、電極タブと電極リードを接続する構造がさらに複雑になり、タブ−リード結合部が占める体積がさらに増加し得るため、非効率的である。

また、電極タブと電極リードとの電気的接続をさらに容易にし、製造過程を簡素化するために、前記同じ極性を有する電極タブは、平面視で同一方向に突出している構造であってもよい。

前記電極組立体の空間部は、相対的に平面の大きさが小さいユニットセルの外側に位置し、詳細には電極タブが突出している方向に位置し得る。

このように、相対的に平面の大きさが小さいユニットセルの外側に空間部が位置する場合、一種のデッドスペースとなり得る部分を利用するようになるため、エネルギー密度増加の効果が大きい。

一方、相対的に大きさが大きいユニットセルの外側に空間部が位置する場合、デッドスペースを活用するものと見にくく、タブ−リード結合部を位置させるための別途の空間を使用するものと見られるため、エネルギー効率の増加が大きくない。

一つの具体的な例において、前記電極タブが突出している方向に位置したユニットセルの端部の相互間の配列の不一致によって空間部が形成される構造であってもよい。

平面を基準として高さ方向に配列されており、少なくとも２つ以上は平面の大きさが互いに異なる複数のユニットセルを含む電極組立体、いわゆる、階段状の電極組立体の場合に、通常、電極タブが突出している方向に位置したユニットセルの端部が互いに一致するように配列する。このような配列を通じて電極タブと電極リードとを容易に結合することはできるが、空間部を活用してエネルギー密度を増加させることはできない。

一方、本発明のように電極タブが突出している方向に位置した端部の相互間の配列の不一致によって空間部を形成し、前記空間部にタブ−リード結合部を位置させる構成は、従来の一般的な技術常識を超えるものであり、電極タブと電極リードとの結合を容易に達成しながらも、エネルギー密度を飛躍的に向上させることができる。

一つの具体的な例において、前記電極タブは、同じ極性の電極タブが平面視で互いに同じ方向に突出していれば、前記正極タブ及び負極タブの突出方向は、平面視で互いに同一であってもよく、異なっていてもよい。

詳細に説明すると、前記正極タブ及び負極タブは、平面視で互いに同じ方向に突出する構造であってもよく、また、正極タブが電極組立体の一方向に突出しており、負極タブは、正極タブの対向側に位置し、かつ対向方向に突出している構造であってもよい。

一方、前記タブ−リード結合部は、電極タブが占める体積を減少させるために、少なくとも一部の電極タブが折り曲げられた状態で空間部に位置する構造であってもよい。

前記ユニットセルは、電極組立体を必要とするデバイスの構造に合わせて様々な形状を有することができ、詳細に説明すると、前記ユニットセルの厚さ、長さ及び幅のうち少なくとも１つが異なっていてもよく、ユニットセルの形状は、平面視で多角形又は円形などであってもよい。

また、前記電極リードは、極板に対して平行に延びている構造であってもよい。

このように、本発明に係る電極組立体は、従来の電極組立体と全般的に類似の構造を有するため、既存の製造設備を大きく変更しなくても、エネルギー密度が向上した二次電池を製造できるという利点がある。

前記ユニットセルは、少なくとも１つ以上の極板及び分離膜を含む構造であれば、特に制限されず、最少で１つの極板及び１つの分離膜を含むことができる。

前記ユニットセルは、２つ以上の極板及び分離膜を含み、前記極板及び分離膜は交互に配列されている構造であってもよいことは勿論である。

また、前記ユニットセルは、両面に位置した電極の種類が同一であるユニットセル、または両面に位置した電極の種類が異なるユニットセルであってもよい。

詳細に説明すると、前記ユニットセルは、例えば、極板／分離膜、分離膜／極板／分離膜、第１極板／分離膜／第２極板、分離膜／第１極板／分離膜／第２極板、第１極板／分離膜／第２極板／分離膜、分離膜／第１極板／分離膜／第２極板／分離膜、第１極板／分離膜／第２極板／分離膜／第１極板、分離膜／第１極板／分離膜／第２極板／分離膜／第１極板、及び分離膜／第１極板／分離膜／第２極板／分離膜／第１極板／分離膜などの構造であってもよく、これと類似の方式で極板及び分離膜が配列される構造であってもよい。

一つの具体的な例において、前記分離膜は、極板よりも相対的に大きい大きさを有し；前記電極タブは、極板よりも長く延びている分離膜余剰部によって極板の端部に非接触した状態で、タブ−リード結合部側に折り曲げられている構造であってもよい。

詳細に説明すると、前記電極タブの少なくとも一部は電極組立体の外周面に密着した状態で折り曲げられるように、分離膜余剰部も、電極タブと共にタブ−リード結合部側に折り曲げられている構造であってもよい。

すなわち、前記分離膜の構造によって、電極タブが特定の方向に折り曲げられても、異なる極性を有する極板に接触することを防止し、内部短絡を効果的に防止することができ、結局、二次電池の安定性を向上させることができる。

また、このような分離膜の構造によって、電極タブを電極組立体にさらに密着させることができ、二次電池のエネルギー密度をさらに向上させることができる。

一方、前記空間部においてタブ−リード結合部と密着する電極組立体の外面に位置する極板は、タブ−リード結合部と互いに異なる極性を有し得、したがって、二次電池の安全性の向上のために、タブ−リード結合部と電極組立体の外面に位置する極板との間を絶縁させる必要があり、一つの具体的な例において、前記タブ−リード結合部と電極組立体の外面とは、絶縁性フィルムを介在して密着している構造であってもよい。

前記絶縁性フィルムは、分離膜と同一または異なる素材であってもよく、互いに同一の素材である場合には、電極組立体の製造過程で使用された分離膜をそのまま利用できるため、工程効率性の観点で有利であり、互いに異なる素材である場合には、電極組立体の最外郭に機械的剛性をさらに補強したり、絶縁性をさらに増加させたりして二次電池の安全性を向上させることができる。

一つの具体的な例において、前記タブ−リード結合部は、固定部材によって定位置に固定される構造であってもよく、詳細に説明すると、前記固定部材は接着テープであってもよい。

前記タブ−リード結合部を電極組立体の空間部に位置させた後、電極組立体を電池ケースに挿入する過程で電極リードが定位置から離脱すると、二次電池の外観不良を誘発し得る。したがって、固定部材を用いてタブ−リード結合部を固定させる場合、二次電池の不良率を低減させることができる。

また、タブ−リード結合部は溶接などの方法で接続されているため、他の部位よりも外部衝撃に脆弱であるところ、固定部材などで外面を覆うことによってこのような結合構造を補強する役割も兼ねることができることは勿論である。

一つの具体的な例において、前記電極タブは、長さが互いに同一または異なってもよく、詳細に説明すると、前記電極タブは、長さが互いに異なり、空間部と極板との間の距離の増加によって相対的に長さが増加する構造であってもよい。

より詳細に説明すると、前記タブ−リード結合部において、電極タブの端部は実質的に一致することができる。

前記電極タブの長さが互いに同一である場合、同じ種類の極板を使用して電極組立体を製造することができ、この場合、互いに異なる種類の極板を使用する場合に比べて、工程効率性が高い。

ただし、必要以上に長い長さの電極タブが含まれ得、このような電極タブは二次電池の内部で空間を占めるようになるため、エネルギー密度の観点で好ましくない。

反面、電極タブの長さが互いに異なる場合、互いに異なる種類の極板を使用して製造することができ、この場合、エネルギー密度の観点では有利であるが、互いに異なる種類の極板を使用しなければならないという点においては工程効率性が低下し得る。

したがって、製造過程では、電極タブの長さが同一である極板を使用して工程効率性の向上を図り、製造過程で電極タブの端部が実質的に一致するように切断してエネルギー密度を向上させることができる。

このとき、前記電極タブの長さは、５ｍｍ〜２５ｍｍ、好ましくは６ｍｍ〜２３ｍｍであってもよく、前記タブ−リード結合部の長さは、０．５ｍｍ〜５ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜４ｍｍであってもよいが、これは具体的な例示に過ぎず、これに限定されるものではない。

一つの具体的な例において、前記電極組立体は、その構造が特に限定されるものではなく、例えば、スタック型電極組立体、ラミネーション／スタック型電極組立体、スタック／フォールディング型電極組立体、またはジェリーロール型電極組立体などであってもよい。

本発明はまた、このような電極組立体を製造する方法を提供し、このような製造方法は、
（ａ）平面の大きさが互いに異なる２つ以上のユニットセルを、平面の大きさの差によって空間部を形成するように、平面を基準として高さ方向に配列する過程；
（ｂ）前記ユニットセルの電極タブの少なくとも一部を空間部側に折り曲げる過程；
（ｃ）前記電極タブと電極リードとを電気的に接続するタブ−リード結合部を形成する過程；及び
（ｄ）前記タブ−リード結合部が空間部に位置するように、電極タブを折り曲げる過程；
を含むことができる。

一つの具体的な例において、前記過程（ｂ）の後に以下の過程（ｂ−１）をさらに含むことができる。
（ｂ−１）前記電極タブの端部が実質的に一致するように切断する過程。

前記過程（ｂ−１）を含むことによって、製造過程では、電極タブの長さが同一である極板を使用して工程効率性の向上を図り、製造過程で電極タブの端部が実質的に一致するように切断してエネルギー密度を向上させることができる。

本発明はまた、前記電極組立体が電解液と共に電池ケースの内部に密封されている電池セルを提供する。

一つの具体的な例において、前記電池セルは、電池ケースの外部に電極リードの端部が露出しており、電極タブ及びタブ−リード結合部が電池ケースの内部に位置する構造であってもよい。

本発明に係る電池セルは、前記電極タブ及びタブ−リード結合部が電池ケースの内部に位置することによって、電池セルの内部空間を活用してエネルギー密度を著しく向上させることができ、電池セルの外部空間を活用してエネルギー密度を向上させる技術を追加で適用する場合には、電池セルの内部及び外部空間を全て活用して、電池セルのエネルギー密度をさらに著しく向上させることができる。

一つの具体的な例において、前記電池ケースは、金属層及び樹脂層を含むラミネートシートのパウチ型ケースであってもよい。

前記ラミネートシートは、アルミニウムラミネートシートであってもよく、詳細に説明すると、金属遮断層の一面（外面）に、耐久性に優れた樹脂外郭層が付加されており、他面（内面）に、熱溶融性の樹脂シーラント層が付加されている構造からなることができる。

前記樹脂外郭層は、外部環境から優れた耐性を有しなければならないため、所定以上の引張強度及び耐候性を有することが必要である。そのような観点で、樹脂外郭層の高分子樹脂としてはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及び延伸ナイロンフィルムを好ましく使用することができる。

前記金属遮断層は、ガス、湿気などの異物の流入乃至漏出を防止する機能以外に、電池ケースの強度を向上させる機能を発揮できるように、具体的には、アルミニウムまたはアルミニウム合金が含まれてもよい。

前記樹脂シーラント層の高分子樹脂としては、熱融着性（熱接着性）を有し、電解液の浸透を抑制するために吸湿性が低く、電解液によって膨張又は腐食しないポリオレフィン（ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ）系樹脂を好ましく使用することができ、より具体的に説明すると、無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）を使用することができる。

一般的に、ポリプロピレンなどのようなポリオレフィン系樹脂は金属との接着力が低いため、前記金属遮断層との接着力を向上させるための方案として、詳細に説明すると、前記金属層と樹脂シーラント層との間に接着層をさらに含むことによって接着力及び遮断特性を向上させることができる。前記接着層の素材としては、例えば、ウレタン（ｕｒｅｔｈａｎｅ）系物質、アクリル（ａｃｒｙｌ）系物質、熱可塑性エラストマー（ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）を含有する組成物などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

前記電池ケースは、タブ−リード結合部が位置する部位が相対的に突出している構造であってもよい。

前記電極組立体の外面の少なくとも一部は段差状をなしており、電池ケースには、電極組立体の外面形状に対応する段差が形成されている構造であってもよい。

一方、前記電池セルは、リチウム二次電池、リチウムイオン電池、またはリチウムイオンポリマー電池であってもよい。

前記極板は、正極と負極を総称し、以下で前記二次電池のその他の成分について説明する。

前記正極は、例えば、正極集電体に正極活物質、導電材及びバインダーが混合された正極合剤を塗布して製造することができ、必要に応じて、前記正極合剤に充填剤をさらに添加してもよい。

前記正極集電体は、一般的に３〜３００μｍの厚さに製造され、当該電池に化学的変化を誘発せずに高い導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、及び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、チタンまたは銀などで表面処理したものから選択される１つを使用することができ、具体的にはアルミニウムを使用することができる。集電体は、その表面に微細な凹凸を形成して正極活物質の接着力を高めることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの様々な形態が可能である。

前記正極活物質は、例えば、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）などの層状化合物や、１つまたはそれ以上の遷移金属で置換された化合物；化学式Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_２−ｘＯ_４（ここで、ｘは０〜０．３３である）、ＬｉＭｎＯ_３、ＬｉＭｎ_２Ｏ_３、ＬｉＭｎＯ_２などのリチウムマンガン酸化物；リチウム銅酸化物（Ｌｉ_２ＣｕＯ_２）；ＬｉＶ_３Ｏ_８、ＬｉＶ_３Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｕ_２Ｖ_２Ｏ_７などのバナジウム酸化物；化学式ＬｉＮｉ_１−ｘＭ_ｘＯ_２（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）で表されるＮｉサイト型リチウムニッケル酸化物；化学式ＬｉＭｎ_２−ｘＭ_ｘＯ_２（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Ｌｉ_２Ｍｎ_３ＭＯ_８（ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎである）で表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ＬｉＭｎ_２Ｏ_４；ジスルフィド化合物；Ｆｅ_２（ＭｏＯ_４）_３などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

前記導電材は、通常、正極活物質を含む正極合剤全体の総重量を基準として１〜３０重量％添加される。このような導電材は、当該電池に化学的変化を誘発せずに導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、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カー；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を使用することができる。

前記バインダーは、活物質と導電材などの結合及び集電体に対する結合を助ける成分であって、通常、正極活物質を含む混合物全体の総重量を基準として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や、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、フッ素ゴム、様々な共重合体などを挙げることができる。

前記充填剤は、正極の膨張を抑制する成分として選択的に使用され、当該電池に化学的変化を誘発せずに繊維状材料であれば特に制限されるものではなく、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。

一方、負極は、負極集電体に負極活物質、導電材、及びバインダーを含む負極合剤を塗布して製造することができ、これに充填剤などが選択的にさらに含まれてもよい。

前記負極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発せずに導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、銅、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、銅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、銀などで表面処理したもの、アルミニウム−カドミウム合金などを使用することができる。また、正極集電体と同様に、表面に微細な凹凸を形成して負極活物質の結合力を強化させることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの様々な形態で使用することができる。

本発明において、負極集電体の厚さは３〜３００μｍの範囲内で全て同一であってもよいが、場合によっては、それぞれ互いに異なる値を有することができる。

前記負極活物質は、例えば、難黒鉛化炭素、黒鉛系炭素などの炭素；Ｌｉ_ｘＦｅ_２Ｏ_３（０≦ｘ≦１）、Ｌｉ_ｘＷＯ_２（０≦ｘ≦１）、Ｓｎ_ｘＭｅ_１−ｘＭｅ’_ｙＯ_ｚ（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；錫系合金；ＳｎＯ、ＳｎＯ_２、ＰｂＯ、ＰｂＯ_２、Ｐｂ_２Ｏ_３、Ｐｂ_３Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_５、ＧｅＯ、ＧｅＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_４、及びＢｉ_２Ｏ_５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。

前記分離膜は、正極と負極との間に介在し、高いイオン透過度及び機械的強度を有する絶縁性の薄い薄膜が使用される。一般的に、分離膜の気孔径は０．０１〜１０μｍであり、厚さは５〜３０μｍである。このような分離膜としては、例えば、耐化学性及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；ガラス繊維又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。

前記電解液は、リチウム塩含有非水電解質であってもよく、前記リチウム塩含有非水電解質は非水電解質及びリチウム塩からなっており、前記非水電解質としては、非水系有機溶媒、有機固体電解質、無機固体電解質などが使用されるが、これらに限定されるものではない。

前記非水系有機溶媒としては、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、γ−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、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プロトン性有機溶媒を使用することができる。

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、ポリエ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を使用することができる。

前記無機固体電解質としては、例えば、Ｌｉ_３Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ_５ＮＩ_２、Ｌｉ_３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ_４、ＬｉＳｉＯ_４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ_２ＳｉＳ_３、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ_３ＰＯ_４−Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２などのＬｉの窒化物、ハロゲン化物、硫酸塩などを使用することができる。

前記リチウム塩は、前記非水電解質に溶解しやすい物質であって、例えば、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ_１０Ｃｌ_１０、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣＦ_３ＣＯ_２、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_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、イミドなどを使用することができる。

また、非水電解質には、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ることもでき、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ることもでき、ＦＥＣ（Ｆｌｕｏｒｏ−Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＰＲＳ（Ｐｒｏｐｅｎｅ ｓｕｌｔｏｎｅ）などをさらに含ませることができる。

一つの具体的な例において、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２などのリチウム塩を、高誘電性溶媒であるＥＣ又はＰＣの環状カーボネートと、低粘度溶媒であるＤＥＣ、ＤＭＣ又はＥＭＣの線状カーボネートとの混合溶媒に添加して、リチウム塩含有非水電解質を製造することができる。

本発明はまた、前記電池セルを単位電池として含む電池パック、及び前記電池パックを電源として含むデバイスを提供する。

前記デバイスは、例えば、ノートパソコン、ネットブック、タブレットＰＣ、携帯電話、ＭＰ３、ウェアラブル電子機器、パワーツール（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）、電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ）、電気自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）、電気スクーター（Ｅ−ｓｃｏｏｔｅｒ）、電気ゴルフカート（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）、または電力貯蔵用システムであってもよいが、これらに限定されないことは勿論である。

このようなデバイスの構造及び作製方法は当業界に公知となっているので、本明細書では、それについての詳細な説明を省略する。

一般的な電池セルの電極組立体及び電池ケースを模式的に示した斜視図である。 平面の大きさが互いに異なる２つのユニットセルを含む電極組立体を内蔵している電池セルを模式的に示した斜視図である。 図２の電池セルに含まれている電極組立体を模式的に示した垂直断面図である。 図２の電池セルを模式的に示した垂直断面図である。 本発明の一実施例に係る電極組立体を模式的に示した垂直断面図である。 図５の電極組立体が電池ケースの内部に密封されている電池セルを模式的に示した垂直断面図である。 図５の電極組立体を製造する一連の過程を示した模式図である。 図５の電極組立体を製造する一連の過程を示した模式図である。

以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明の理解をより容易にするためのものであり、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１には、一般的な電池セルの電極組立体及び電池ケースの斜視図が模式的に示されている。

図１を参照すると、電極組立体１０は、積層部１１、電極タブ１２，１３、及び電極リード１６，１７を含んでおり、電池ケース２０は、電極組立体収納部２１、ラミネートシートの外部被覆層２２、内部シーラント層２３、及びカバー部２４を含んでいる。

具体的に、電極組立体１０は、正極と負極との間に分離膜が介在している構造が２つ以上反復的に積層されている板状型の積層部１１を含んでおり、正極集電体及び負極集電体に形成されている電極タブ１２，１３が電極組立体１０の相対的に狭い面に突出している。

同じ極性の電極タブ１２，１３がそれぞれグループをなしており、それぞれの電極タブ１２，１３は電極リード１６，１７と電気的に接続されている。

電池ケース２０は、ラミネートシートからなるパウチ型ケースであって、ラミネートシートの外部には耐候性高分子からなる被覆層２２、内部には熱融着性高分子からなるシーラント層２３が形成されており、外部被覆層２２と内部シーラント層２３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金を含むバリア層が形成されている。

電池ケース２０には、電極組立体１０と電解液を共に収納できるように電極組立体収納部２１が形成されており、電極組立体１０と電解液を収納したまま、カバー部２４で電極組立体収納部２１を覆った後、内部シーラント層２３を熱融着して密封すると、一つの独立した電池セルを製造することができる。

図２には、平面の大きさが互いに異なる２つのユニットセルを含む電極組立体を電池ケースに内蔵している電池セルの斜視図が模式的に示されており、図３には、図２の電池セルに含まれている電極組立体の垂直断面図が模式的に示されており、図４には、図２の電池セルの垂直断面図が模式的に示されている。

まず、図２を参照すると、電池セル１０１は、平面の大きさが互いに異なる２つのユニットセル１１０，１２０を含んでおり、ユニットセル１１０の左側には２つの電極リード１３０が電池ケースの外側に突出している。

詳細に説明すると、相対的に平面の大きさが大きいユニットセル１１０が、平面を基準として下側に位置し、相対的に平面の大きさが小さいユニットセル１２０が、ユニットセル１１０の上面に積層されており、ユニットセル１１０，１２０が上下に積層された状態で電池ケースに収納されている。

特に、ユニットセル１１０，１２０は、電極リードが位置している左側端部は互いに一致するが、右側端部は互いに一致しないように配列されている。

次に図３を参照すると、電極組立体１００は、平面の大きさが互いに異なる２つのユニットセル１１０，１２０を含んでおり、ユニットセル１１０は、３つの極板１１１及び４つの分離膜１１５を含み、ユニットセル１２０は、３つの極板１２１及び３つの分離膜１２５を含んでいる。

それぞれの極板１１１，１２１から左側に突出している電極タブ１４０は、タブ−リード結合部１３１によって電極リード１３０と電気的に接続されている。

電極リード１３０は電極タブ１４０よりも左側に位置し、タブ−リード結合部１３１は電極リード１３０と電極タブ１４０との間に位置する。電極タブ１４０は、それぞれの極板１１１，１２１からタブ−リード結合部１３１に向かって折り曲げられている。

図４を参照すると、電池セル１０１は、２つのユニットセル１１０，１２０を含む電極組立体、及び電極組立体を収納している電池ケース１５０を含んでいる。

ユニットセル１１０，１２０は、積層された状態で電池ケース１５０の内部に収納されており、電極リード１３０の左側端部が電池ケース１５０の外部に露出している。

電極タブ１４０及びタブ−リード結合部１３１は電池ケース１５０の内部に位置しており、電極タブ１４０及びタブ−リード結合部１３１が電池ケース１５０の内部でＶ１だけの体積を占めており、このＶ１に該当する体積は電池セル１０１の電池容量に寄与しない。

図５には、本発明の一実施例に係る電極組立体の垂直断面図が模式的に示されている。

図３と比較して図５を参照すると、電極組立体２００は、平面の大きさが異なる２つのユニットセル２１０，２２０、及びユニットセル２１０，２２０の平面の大きさの差によって形成される空間部２６０を含んでいる。

電極リード２３０は、極板２１１，２２１に対して平行に左側に延びており、ユニットセル２１０，２２０は、厚さ及び幅は互いに同一であるが、長さが異なる構造をなしている。

ユニットセル２１０，２２０は、それぞれ３つの極板２１１，２２１を含んでおり、それぞれの極板２１１，２２１から左側に突出している電極タブ２４０，２４１は、タブ−リード結合部２３１によって電極リード２３０と電気的に接続されており、タブ−リード結合部２３１は空間部２６０に位置している。

空間部２６０は、相対的に平面の大きさが小さいユニットセル２２０の外側に位置し、詳細に説明すると、ユニットセル２２０の電極タブ２４１が突出している左側に位置している。

電極タブ２４１が突出している方向である左側に位置するユニットセル２１０，２２０の端部は、互いに一致しない配列によって空間部２６０を形成しており、特に、図３の電極組立体１００と比較すると、ユニットセル１１０，１２０の左側端部が一致している点において大きな差がある。

従来の技術によれば、このように、電極タブ２４１が突出している方向に空間部２６０を位置させることは、電極タブ２４１の折り曲げ構造だけを複雑にし、工程効率性を低下させる構成と見なされた。

反面、本発明は、従来の通念とは異なり、空間部２６０を形成し、タブ−リード結合部２３１を空間部２６０に位置させることが、空間活用の観点で効率性が高く、電極タブ２４０，２４１を不必要に延長する必要がなく、タブ−リード結合部２３１を位置させる工程が簡素化されることによって、さらに効果的であることを確認した。

一方、分離膜２１５，２２５は、極板２１１，２２１よりも相対的に大きい大きさを有し、電極タブ２４０，２４１は、極板２１１，２２１よりも長く延びている分離膜余剰部２１６によって極板の端部に非接触した状態で、タブ−リード結合部２３１側に折り曲げられている。

電極タブ２４０，２４１の少なくとも一部は電極組立体２００の外周面に密着した状態で折り曲げられるように、分離膜余剰部２１６も、電極タブ２４０，２４１と共にタブ−リード結合部２３１側に折り曲げられている。

このような構造を通じて、電極タブ２４０，２４１が特定の方向に折り曲げられても、異なる極性を有する極板２１１，２２１に接触することを防止し、内部短絡を効果的に防止することができ、結局、二次電池の安定性を向上させることができる。また、このような分離膜２１５，２２５の構造によって、電極タブ２４０，２４１を電極組立体２００にさらに密着させることができ、二次電池のエネルギー密度をさらに向上させることができる。

タブ−リード結合部２３１と電極組立体２００の外面とは、絶縁性フィルム２１３を介在して密着している。絶縁性フィルム２１３によって、電極組立体２００の外面とタブ−リード結合部２３１との間の絶縁性を確保することができる。

図６には、図５の電極組立体が電池ケースの内部に密封されている電池セルの垂直断面図が模式的に示されている。

図４と比較して図６を参照すると、電池セル２０１は、電極タブ２４０，２４１がタブ−リード結合部２３１によって電極リード２３０と接続されている状態で、電池ケース２５０に内蔵されており、電極リード２３０の左側端部が電池ケース２５０の外部に露出している。

このとき、電池セル２０１において電極タブ２４０，２４１及びタブ−リード結合部２３１が占める体積はＶ２であり、この体積Ｖ２が、電池セル１０１において電極タブ１４０及びタブ−リード結合部１３１が占める体積Ｖ１に比べて著しく減少したことを確認できる。

本発明に係る電池セル２０１は、同一の電池容量に対して、大略的にＶ１とＶ２との差だけの体積を減少して、エネルギー密度を向上させることができる。

当業界で使用される一般的な規格の電池セルを例に挙げると、平面視で横１００．０ｍｍ、縦３１５．０ｍｍ、及び厚さ１０．６ｍｍであるとき、電極タブ及びタブ−リード結合部によって縦の長さが７．５ｍｍ増加する。このような電池セルに本発明を適用すると、縦の長さが７．５ｍｍ減少し、その代わりに、タブ−リード結合部が位置する一部分の厚さが０．９ｍｍ増加した。

本発明によれば、タブ−リード結合部は、一種のデッドスペースである空間部に位置するため、このような厚さの増加の影響もまたほとんどなく、本発明に係る電池セルの容量は、一般的な電池セルと比較して約５％増加することが確認された。

図７及び図８には、図５の電極組立体を製造する一連の過程を示した模式図が示されている。

図７及び図８を参照すると、平面の大きさが互いに異なる２つのユニットセル２１０，２２０を、平面の大きさの差によって空間部２６０を形成するように、平面を基準として高さ方向に配列する。

ユニットセル２１０，２２０の電極タブ２４０，２４１の少なくとも一部を空間部２６０側に折り曲げる。詳細に説明すると、電極タブ２４０，２４１の端部が同じ方向に向かうように折り曲げる。特に、電極タブ２４０は、空間部２６０側に１回折り曲げ、電極タブ２４１は、１回〜３回折り曲げることによって空間部２６０を経由して電極タブ２４０の端部が位置した側に折り曲げる。

このとき、電極タブ２４０，２４１の長さが同じ極板を使用するため、折り曲げの後に電極タブ２４０，２４１の端部が互いに一致しない。電極タブ２４０，２４１の余剰部による不必要な空間の浪費を防止するために、電極タブ２４０，２４１の端部が実質的に一致するように切り取り線Ａに沿って切断する。

このような過程を通じて、電極タブ２４０，２４１は、長さが互いに異なり、空間部２６０と極板との間の距離の増加によって相対的に長さが増加する構造となる。

次に、電極タブ２４０，２４１と電極リード２３０の端部を一致させた後、溶接によってタブ−リード結合部２３１を形成し、その後、矢印Ｂ方向に電極タブ２４０，２４１を折り曲げてタブ−リード結合部２３１を空間部２６０に位置させることによって、図５の電極組立体２００を製造することができる。

以上、本発明の実施例に係る図面を参照して説明したが、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。

以上で説明したように、本発明に係る電極組立体は、タブ−リード結合部が一種のデッドスペース（ｄｅａｄ ｓｐａｃｅ）である空間部に位置するため、二次電池のエネルギー密度を著しく向上させることができる。

また、既存の製造設備を大きく変更しなくても、エネルギー密度が向上した二次電池を製造することができる。

１０ 電極組立体
１１ 積層部
１２ 電極タブ
１３ 電極タブ
１６ 電極リード
１７ 電極リード
２０ 電池ケース
２１ 電極組立体収納部
２２ 外部被覆層（被覆層）
２３ 内部シーラント層（シーラント層）
２４ カバー部
１００ 電極組立体
１０１ 電池セル
１１０ ユニットセル
１１１ 極板
１１５ 分離膜
１２０ ユニットセル
１２１ 極板
１２５ 分離膜
１３０ 電極リード
１３１ タブ−リード結合部
１４０ 電極タブ
１５０ 電池ケース
２００ 電極組立体
２０１ 電池セル
２１０ ユニットセル
２１１ 極板
２１３ 絶縁性フィルム
２１５ 分離膜
２１６ 分離膜余剰部
２２０ ユニットセル
２２１ 極板
２２５ 分離膜
２３０ 電極リード
２３１ タブ−リード結合部
２４０ 電極タブ
２４１ 電極タブ
２５０ 電池ケース
２６０ 空間部

Claims (26)

1. 平面を基準として高さ方向に配列されており、少なくとも２つ以上は平面の大きさが互いに異なる複数のユニットセルと、
   配列された前記複数のユニットセルの平面の大きさの差によって形成される空間部と
   を含み、
   前記複数のユニットセルは、それぞれ１つ以上の極板を含んでおり、相対的に平面の大きさが大きいユニットセルの前記極板から突出している電極タブと相対的に平面の大きさが小さいユニットセルの前記極板から突出している電極タブとが電極リードに結合されてタブ−リード結合部が形成され、前記電極タブと前記電極リードとの前記タブ−リード結合部によって前記電極タブが前記電極リードと電気的に接続されており、前記タブ−リード結合部は前記空間部に位置することを特徴とする、電極組立体。
2. 前記電極タブは、正極タブ及び負極タブで構成されており、同じ極性を有する電極タブは、一つの電極リードに電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
3. 前記同じ極性を有する電極タブは、平面視で同一方向に突出していることを特徴とする、請求項２に記載の電極組立体。
4. 前記電極組立体の前記空間部は、前記相対的に平面の大きさが小さいユニットセルの外側に位置し、電極タブが突出している方向に位置することを特徴とする、請求項３に記載の電極組立体。
5. 前記電極タブが突出している方向に位置したユニットセルの端部の相互間の配列の不一致によって前記空間部が形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の電極組立体。
6. 前記正極タブ及び前記負極タブの突出方向は、平面視で互いに同一または異なることを特徴とする、請求項２に記載の電極組立体。
7. 前記タブ−リード結合部は、少なくとも一部の電極タブが折り曲げられた状態で前記空間部に位置することを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
8. 前記電極リードは、前記極板に対して平行に延びていることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
9. 前記複数のユニットセルは、ユニットセルの厚さ、長さ及び幅のうち少なくとも１つが異なることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
10. 前記ユニットセルは、２つ以上の極板及び分離膜を含み、前記極板と前記分離膜とは交互に配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
11. 前記分離膜は、前記極板よりも相対的に大きい大きさを有し、
    前記電極タブは、前記極板よりも長く延びている分離膜余剰部によって前記極板の端部に非接触した状態で、前記タブ−リード結合部側に折り曲げられていることを特徴とする、請求項１０に記載の電極組立体。
12. 前記電極タブの少なくとも一部は電極組立体の外周面に密着した状態で折り曲げられるように、分離膜余剰部も、前記電極タブと共に前記タブ−リード結合部側に折り曲げられていることを特徴とする、請求項１１に記載の電極組立体。
13. 前記複数のユニットセルは、両面に位置した電極の種類が同一であるユニットセル、または両面に位置した電極の種類が異なるユニットセルであることを特徴とする、請求項１０に記載の電極組立体。
14. 前記タブ−リード結合部と電極組立体の外面とは、絶縁性フィルムを介在して密着していることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
15. 前記タブ−リード結合部は、固定部材によって定位置に固定されていることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
16. 前記電極タブは、長さが互いに同一または異なることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
17. 前記電極タブは、長さが互いに異なり、前記空間部と前記極板との間の距離の増加によって相対的に長さが増加することを特徴とする、請求項１６に記載の電極組立体。
18. 前記電極組立体は、スタック型電極組立体、ラミネーション／スタック型電極組立体、またはスタック／フォールディング型電極組立体であることを特徴とする、請求項１に記載の電極組立体。
19. 請求項１に記載の電極組立体が電解液と共に電池ケースの内部に密封されていることを特徴とする、電池セル。
20. 前記電池ケースの外部に前記電極リードの端部が露出しており、前記電極タブ及び前記タブ−リード結合部が前記電池ケースの内部に位置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. 前記電池ケースは、前記タブ−リード結合部が位置する部位が相対的に突出していることを特徴とする、請求項２０に記載の電池セル。
22. 前記電極組立体の外面の少なくとも一部は段差状をなしており、前記電池ケースには、前記電極組立体の外面形状に対応する段差が形成されていることを特徴とする、請求項１９に記載の電池セル。
23. 請求項１９に記載の電池セルを単位電池として含むことを特徴とする、電池パック。
24. 請求項２３に記載の電池パックを電源として含むことを特徴とする、デバイス。
25. 電極組立体を製造する方法であって、
    （ａ）平面の大きさが互いに異なる２つ以上のユニットセルを、平面の大きさの差によって空間部を形成するように、平面を基準として高さ方向に配列する過程と、
    （ｂ）前記ユニットセルの電極タブの少なくとも一部を前記空間部側に折り曲げる過程と、
    （ｃ）電極リードを、相対的に平面の大きさが大きいユニットセルの前記電極タブと相対的に平面の大きさが小さいユニットセルの前記電極タブとに結合させて前記電極タブと前記電極リードとのタブ−リード結合部を形成し、前記タブ−リード結合部によって前記電極タブと電極リードとを電気的に接続する過程と、
    （ｄ）前記タブ−リード結合部が前記空間部に位置するように、電極タブを折り曲げる過程と
    を含むことを特徴とする、製造方法。
26. 前記過程（ｂ）の後に、
    （ｂ−１）前記電極タブの端部が実質的に一致するように切断する過程
    をさらに含むことを特徴とする、請求項２５に記載の製造方法。

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