JP6708337B2

JP6708337B2 - 電極ユニットの製造方法

Info

Publication number: JP6708337B2
Application number: JP2018546491A
Authority: JP
Inventors: チュン・クワン・ピョ; スン・チョン・キム; チャ・フン・ク; テ・キュ・キム; ウォン・ニョン・キム; キョン・ス・カン
Original assignee: エルジー・ケム・リミテッド
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2037-08-08
Also published as: EP3382775A1; CN108475766A; US20190386289A1; KR20180038881A; HUE061661T2; WO2018066800A1; CN108475766B; EP3382775A4; US10971716B2; KR102040819B1; JP2019507485A; ES2944599T3; PL3382775T3; EP3382775B1

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１６年１０月７日付の韓国特許出願第１０−２０１６−０１３００７１号に基づいた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、電極ユニット及びその電極ユニットの製造方法に関する。

繰り返し充電及び放電が可能な二次電池（ｓｅｃｏｎｄａｒｙｂａｔｔｅｒｙ）は、電極組立体（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｓｓｅｍｂｌｙ）を含むことが一般的である。この際、電極組立体は、電極ユニット（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｕｎｉｔ）を組み合わせることで製造されてよい。

図１は、従来の技術による電極ユニットの構造の一例を示した側面図である。図１に示されているところのように、電極ユニットは、正極、分離膜及び負極を含んでよい。電極ユニットは、このような正極、分離膜及び負極が交互に積層されることで形成され、このような電極ユニットが集まって電極組立体が製造されてよい。一方、電極ユニットは、多様な製造方法によって製造されてよい。一例として、電極ユニットを製造する過程は、正極、分離膜及び負極に熱を加えることを含んでよい。一方、正極は、集電体の両面又は片面に正極活物質を塗布することで製造されてよく、負極も集電体の両面又は片面に負極活物質を塗布することで製造されてよい。

図２は、従来の技術による電極ユニットの製造方法の一例を示した側面図である。

図２に示された電極ユニットの製造方法はラミネーション（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）工程であって、ラミネーション工程とは、分離膜と電極を互いに当接するようにするか、近接するように配置した後、ロールなどの装備を用いて加熱及び／又は加圧し、分離膜と電極を付着する工程である。

一方、ラミネーション工程などのように加熱する過程を含めて電極ユニットを製造する場合、完成された電極ユニットは、時間の経過によって冷却される。したがって、加熱する過程を含めて電極ユニットを製造する場合、電極ユニットは、時間の経過によって収縮するようになる。ところが、電極ユニットは、互いに異なる複数の物質を含み、このような複数の物質は、それぞれ別の熱膨張係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｅｘｐａｎｓｉｏｎ）を有するため、電極ユニットの構成がそれぞれ別の収縮率を有して収縮するようになるので、結果的に電極ユニットの曲げ現象が発生するようになる。

電極ユニットを製造する過程において、加熱する工程を取り除くか、熱を加える程度を低める方法も考えられるが、この場合、分離膜と電極の間の接着力及び電極ユニットの強度（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）が低下するという問題点が発生した。

よって、本発明が解決しようとする目的は、熱を加えて電極ユニットを製造する工程以後に電極ユニットが冷却されても、電極ユニットの曲げ現象を発生させないか、電極ユニットの曲げ現象を最小化することにある。

前記目的を達成するための本発明の第１側面によれば、正極、負極及び分離膜を含む電極ユニットの製造方法において、前記正極に含まれた正極集電体、及び前記負極に含まれた負極集電体を選定する選定段階と、前記選定段階で選定された正極集電体及び負極集電体にそれぞれ活物質を塗布する塗布段階と、熱を加えて前記正極、前記分離膜及び前記負極を接着する接着段階と、を含み、前記選定段階は、前記電極ユニットが製造された後、冷却されることによって前記正極集電体及び前記負極集電体の内部に印加される応力（ｓｔｒｅｓｓ）を計算した後、その計算結果を反映して前記正極集電体及び前記負極集電体を選定する電極ユニットの製造方法が提供される。

前記選定段階は、前記正極集電体又は前記負極集電体の厚さによって、前記正極集電体又は前記負極集電体の内部に印加される応力を計算した後、前記正極集電体及び前記負極集電体を選定することができる。

前記選定段階において、前記負極集電体の厚さに対する前記正極集電体の厚さの比は、１．８から３．１になるように前記正極集電体及び前記負極集電体を選定することができる。

前記正極集電体はアルミニウムであってよく、前記負極集電体は銅であってよい。

前記接着段階は、ラミネーション（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）工程によって前記正極、分離膜及び負極を接着することができる。

前記目的を達成するための本発明の第２側面によれば、正極、負極及び分離膜を含む電極ユニットの製造方法において、前記正極に含まれた正極集電体、及び前記負極に含まれた負極集電体を選定する選定段階と、前記選定段階で選定された正極集電体及び負極集電体にそれぞれ活物質を塗布する塗布段階と、熱を加えて前記正極、前記分離膜及び前記負極を接着する接着段階と、を含み、前記選定段階は、前記電極ユニットが製造された後、冷却されることによって前記正極集電体及び前記負極集電体が収縮することで前記電極ユニットが曲がる程度を、前記正極集電体の厚さの変化又は前記負極集電体の厚さの変化によって計算した後、前記正極集電体及び前記負極集電体を選定する電極ユニットの製造方法が提供される。

前記選定段階において、前記負極集電体の厚さに対する前記正極集電体の厚さの比は１．８から３．１になるよう、前記正極集電体及び前記負極集電体を選定することができる。

前記接着段階は、ラミネーション（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）工程によって前記正極、負極及び分離膜を接着することができる。

前記目的を達成するための本発明の第３側面によれば、正極、負極及び分離膜を含む電極ユニットにおいて、前記正極、前記分離膜及び前記負極は互いに接着され、前記正極及び前記負極はそれぞれ正極集電体及び負極集電体を含み、前記負極集電体の厚さに対する前記正極集電体の厚さの比は１．８から３．１である電極ユニットが提供される。

本発明によれば、熱を加えて電極ユニットを製造する工程以後に電極ユニットが冷却されても、電極ユニットの曲げ現象が発生しないか、電極ユニットの曲げ現象を最小化することができる。

従来の技術による電極ユニットの構造の一例を示した側面図である。従来の技術による電極ユニットの製造方法の一例を示した側面図である。電極ユニットの製造が完了した後、電極ユニットが冷却されることによって、電極ユニットの曲がった姿を示した側面図である。本発明の銅の厚さに対するアルミニウムの厚さの比（Ａｌ／Ｃｕｔｈｉｃｋｎｅｓｓｒａｔｉｏ）の変化による電極ユニットの曲がる程度を実験した後、これを整理したグラフである。

以下、図などを参照しながら、本発明の一実施形態による電極ユニットの製造方法に対して説明する。

一方、前述したところのように、熱を加えて電極ユニットを製造する場合、電極ユニットが製造された後に冷却される過程で電極ユニットの曲げ現象が発生する。電極ユニットの曲げ現象は、特に正極と負極を構成する正極集電体と負極集電体が、互いに異なる熱膨張係数を有することに大きな影響を受ける。

図３は、電極ユニットの製造が完了した後、電極ユニットが冷却されることによって、電極ユニットの曲がった姿を示した側面図である。

電極ユニット１の電極１０、２０は、それぞれ電極活物質（図示省略）、及び片面又は両面に電極活物質が塗布される電極集電体（図示省略）を含んでよい。電極を構成する正極１０及び負極２０は、分離膜３０を挟んだまま向い合っていてよく、電極ユニット１の製造過程において、正極１０及び負極２０には熱が加えられることで分離膜３０に接着されてよい。電極ユニット１は、例えば、ラミネーション（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）工程によって製造されてよい。

一方、正極集電体と負極集電体は互いに異なる材料であってよい。したがって、正極集電体と負極集電体は互いに異なる物性を有し得るところ、特に、正極集電体と負極集電体は互いに異なる熱膨張係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｅｘｐａｎｓｉｏｎ）を有することによって、冷却過程での収縮率が異なるようになり、これによって電極ユニットの曲げ現象が発生することがある。

例えば、正極１０の正極集電体はアルミニウムであってよく、負極２０の負極集電体は銅であってよく、この際、線膨張係数を基準にアルミニウムの熱膨張係数は２３．１μｍ＊ｍ^−１＊Ｋ^−１（攝氏２５度基準）であり、銅の熱膨張係数は１６．５μｍ＊ｍ^−１＊Ｋ^−１（攝氏２５度基準）である。以下では、正極集電体がアルミニウムで、負極集電体が銅の場合を例に挙げて説明する。ただし、このような内容は、正極集電体又は負極集電体が異なる材料の場合にも適用されてよい。

熱を加えて電極ユニット１を製造した後に冷却される過程で、正極集電体であるアルミニウムは、負極集電体である銅に比べ相対的に多く収縮される。したがって、図３に示されているところのように、電極ユニット１の両端部がアルミニウム（すなわち、正極集電体）に向けて曲がるようになる。

この際、アルミニウム及び銅が収縮された程度は、電極ユニットが全体的に収縮された程度と異なるため、アルミニウム及び銅には引張力又は収縮力による応力（ｓｔｒｅｓｓ）が発生するようになる。すなわち、アルミニウム（すなわち、正極集電体）が収縮された程度は電極ユニットが全体的に収縮された程度より大きいため、アルミニウムの内部には、アルミニウムの中心から両端部の方向に作用する引張力による引張応力（ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓ）が発生するようになる。一方、銅（すなわち、負極集電体）が収縮された程度は電極ユニットが全体的に収縮された程度より小さいため、銅の内部には銅の中心の方向に作用する収縮力による収縮応力（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｓｓ）が作用するようになる。

理解を助けるために追加説明をすると、アルミニウムと銅は線膨張係数が異なり、それによって温度変化による熱変形の量が銅よりアルミニウムの方がさらに大きい。したがって、銅はアルミニウムに引張応力を加えるものとみてよく、アルミニウムは銅に収縮応力を加えるものと概念的に理解してよい。

これを数式で説明する。

応力（ｓｔｒｅｓｓ、以下、本明細書において文字では「σ」と表記する。）は、材料の単位面積（Ａ）当たりに作用する材料内の抵抗力（Ｐ）で定義される。すなわち、応力は、下記の［式１］で定義される。

また、応力は別の式でも表現されてよいところ、材料が弾性限界（ｅｌａｓｔｉｃｌｉｍｉｔ）内で変形される場合の応力は、弾性係数（ｍｏｄｕｌｕｓｏｆｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ）又はヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓｍｏｄｕｌｕｓ、以下、本明細書において文字では「Ｅ」と表記する。）と変形率（ｓｔｒａｉｎ、単位長さ当たりの材料の変形量、以下、本明細書において文字では「ε」と表記する。）の乗算で表現される。すなわち、応力は、下記の［式２］で表現されてもよい。

この際、［式２］をεに対してまとめた後、［式１］を代入すれば、下記の［式３］が導出される。

一方、材料の長さ変形量（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ、以下、本明細書において文字では「λ」と表記する。）は、その定義上、変形率と材料の長さ（ｌｅｎｇｔｈ、以下、本明細書において文字では「Ｌ」と表記する。）の乗算で定義される。よって、下記の［式４］が導出される。

一方、電極ユニット１を構成する正極集電体及び負極集電体の冷却による収縮の長さは、温度変化による収縮の影響だけでなく、材料に作用する応力による影響も共に考慮しなければならない。

すなわち、図３を参考にして検討すれば、アルミニウム（すなわち、正極集電体）の収縮された長さの量は、温度変化によって収縮された長さの量から引張応力によって増えた長さの量を引いた値となり、銅（すなわち、負極集電体）の収縮された長さの量は、温度変化によって収縮された長さの量から収縮応力によって収縮された長さの量を足した値となる。ところが、正極と負極は同一の分離膜に対して接着されているため、アルミニウムの収縮された長さの量と銅の収縮された長さの量が同一であると仮定してよい。したがって、線膨張係数を基準にした材料の熱膨張係数をαとし、材料の温度変化をΔＴとすれば、下記の［式５］が導出される。

この際、正極集電体の長さと負極集電体の長さとが同一（Ｌ_ａｌ＝Ｌ_ｃｕ）であると仮定し、［式５］をＰに対してまとめれば、下記の［式６］が導出される。

すなわち、［式６］を用いて電極ユニットの内部に印加される抵抗力Ｐを求めることができ、抵抗力Ｐを［式１］に代入してα_ａｌ及びα_ｃｕを求めることができる。

一方、正極集電体がアルミニウムで負極集電体が銅の場合、電極ユニット１の両端部はアルミニウムに向けて曲がるようになるため、電極ユニット１の曲がる程度を減らすためには、アルミニウムの変形量λ_ａｌが減少するか、銅の変形量λ_ｃｕが増加する必要がある。この際、［式２］及び［式４］によれば、アルミニウムの変形量λ_ａｌが減少するためには、アルミニウムの応力σ_ａｌが減少しなければならず、銅の変形量λ_ｃｕが増加するためには、銅の応力σ_ｃｕが増加する必要がある。

すなわち、本発明の一実施形態による、電極ユニットを加熱する過程を含む電極ユニットの製造方法は、正極と負極が冷却されることによって正極集電体及び負極集電体の内部に印加される応力（ｓｔｒｅｓｓ）を計算した後、その計算結果を反映して前記正極集電体及び負極集電体を選定することを含んでよい。すなわち、正極集電体及び負極集電体を選定する段階が、正極集電体及び負極集電体の内部に印加される応力を計算することを含ませることで、冷却によって電極ユニットが曲がることを防止又は最小化することができる。

このように冷却された正極集電体及び負極集電体の内部に印加される応力を制御する方法は、様々なものがあり得る。その中で、本発明の発明者達は、正極集電体又は負極集電体の厚さが、正極集電体又は負極集電体の内部に印加される応力に大きい影響を与える因子であることを確認した。以下の表１は、正極集電体がアルミニウムで負極集電体が銅の場合、アルミニウム又は銅の厚さの変化によるアルミニウムの応力又は銅の応力を測定した実験の結果を示した表である。

前記表を検討してみれば、銅の厚さが５μｍ減少した場合、アルミニウムの応力が減少し銅の応力が増加することで、電極ユニットの曲げ現象が緩和され、アルミニウムの厚さが５μｍ増加した場合、アルミニウムの応力が減少し銅の応力が増加することで、電極ユニットの曲げ現象が緩和されたことを確認できる。

特に、前記実験の結果によれば、正極集電体がアルミニウムで負極集電体が銅であるとき、銅の厚さが５μｍ減少した場合、アルミニウムの応力は１．４ｋｇｆ／ｍｍ^２から１．０ｋｇｆ／ｍｍ^２に約２８％減少し、銅の応力は１．６ｋｇｆ／ｍｍ^２から２．３ｋｇｆ／ｍｍ^２に約４４％増加した反面、アルミニウムの厚さが５μｍ増加した場合、アルミニウムの応力は１．４ｋｇｆ／ｍｍ^２から１．２ｋｇｆ／ｍｍ^２に約１４％減少し、銅の応力は１．６ｋｇｆ／ｍｍ^２から２．０ｋｇｆ／ｍｍ^２に約２５％増加したことを確認できる。すなわち、本発明の発明者達は、前記実験を介して、電極ユニットの曲げ現象を緩和するために、アルミニウムの応力を減少させて銅の応力を増加させるためには、アルミニウムの厚さを調節するよりは、銅の厚さを調節した方がより効果的であることを確認できた。

銅の厚さを調節することが、アルミニウムの厚さを調節するより電極ユニットの曲げ現象を緩和することに効果的な理由は、銅のヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓｍｏｄｕｌｕｓ）がアルミニウムのヤング率より約１．６倍大きく（銅のヤング率は１１０Ｇｐａ、アルミニウムのヤング率は６９Ｇｐａ）、板（ｐｌａｔｅ）状の材料にかかる曲げモーメント（ｂｅｎｄｉｎｇｍｏｍｅｎｔ）は、厚さの３乗に比例するからである。

ところが、電極ユニットの曲げ現象を緩和するために、銅の厚さを無制限に減らしたり、アルミニウムの厚さを無制限に増やしたりすることはできない。なぜならば、銅の厚さが減り過ぎたりアルミニウムの厚さが増え過ぎたりすると、電極ユニットの両端部が却って銅（すなわち、負極集電体）に向けて曲がるようになるからである。よって、電極ユニットの曲げ現象を最小化するためには、アルミニウムの厚さと銅の厚さの割合も重要な要素であることを確認できる。

図４は、本発明の銅の厚さに対するアルミニウムの厚さの比（Ａｌ／Ｃｕｔｈｉｃｋｎｅｓｓｒａｔｉｏ）の変化による電極ユニットの曲がる程度を実験した後、これを整理したグラフである。

図４に示されているところのように、銅の厚さに対するアルミニウムの厚さの比が一定の領域以内にあるとき、電極ユニットが曲がることが著しく防止されることを確認できる。本発明の発明者達は、実験を介し、図４に示されているところのように、銅の厚さに対するアルミニウムの厚さの比が１．８から３．１の場合、電極ユニットの曲がる程度が著しく減ったことを確認した。

以下、前記内容を参照しながら、本発明の一実施形態による電極ユニットの製造方法を説明する。

本発明の一実施形態による正極、負極及び分離膜を含む電極ユニットの製造方法は、正極に含まれた正極集電体、及び前記負極に含まれた負極集電体を選定する選定段階と、選定段階で選定された正極集電体及び負極集電体にそれぞれ活物質を塗布する塗布段階と、熱を加えて前記正極、前記分離膜及び前記負極を接着する接着段階とを含んでよい。この際、前記選定段階は、前記接着段階以後、前記正極と負極が冷却されることによって前記正極集電体及び前記負極集電体の内部に印加される応力（ｓｔｒｅｓｓ）を計算した後、その計算結果を反映して前記正極集電体及び前記負極集電体を選定することを含んでよい。このように、正極集電体及び負極集電体の内部に印加される応力を調節するために、前記正極集電体の厚さ又は前記負極集電体の厚さを調節できることは、前述した通りである。

以上のように本発明は、たとえ限定された実施形態と図面によって説明されたとしても、本発明は、これによって限定されず、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者により、本発明の技術思想と、以下に記載される特許請求の範囲の均等範囲内で多様な実施が可能なことは勿論である。

１電極ユニット
１０電極（正極）
２０電極（負極）
３０分離膜

Claims

正極、負極及び分離膜を含む電極ユニットの製造方法であって、
前記正極に含まれた正極集電体、及び前記負極に含まれた負極集電体を選定する選定段階と、
前記選定段階で選定された正極集電体及び負極集電体にそれぞれ活物質を塗布する塗布段階と、
熱を加えて前記正極、前記分離膜及び前記負極を接着する接着段階と、を含み、
前記選定段階は、
前記電極ユニットが製造された後、冷却されることによって前記正極集電体及び前記負極集電体の内部に印加される応力（ｓｔｒｅｓｓ）を計算した後、その計算結果を反映して前記正極集電体及び前記負極集電体を選定する電極ユニットの製造方法。
前記選定段階は、
前記正極集電体及び前記負極集電体の厚さによって、前記正極集電体及び前記負極集電体の内部に印加される応力を計算した後、前記正極集電体及び前記負極集電体を選定する請求項１に記載の電極ユニットの製造方法。
前記選定段階において、
前記負極集電体の厚さに対する前記正極集電体の厚さの比が１．８から３．１になるよう、前記正極集電体及び前記負極集電体を選定する請求項２に記載の電極ユニットの製造方法。
前記正極集電体はアルミニウムであり、前記負極集電体は銅である請求項１から３のいずれか一項に記載の電極ユニットの製造方法。
前記接着段階は、
ラミネーション（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）工程によって、前記正極、分離膜及び負極を接着する請求項１から４のいずれか一項に記載の電極ユニットの製造方法。
正極、負極及び分離膜を含む電極ユニットの製造方法であって、
前記正極に含まれた正極集電体、及び前記負極に含まれた負極集電体を選定する選定段階と、
前記選定段階で選定された正極集電体及び負極集電体にそれぞれ活物質を塗布する塗布段階と、
熱を加えて前記正極、前記分離膜及び前記負極を接着する接着段階と、を含み、
前記選定段階は、
前記電極ユニットが製造された後、冷却されることによって前記正極集電体及び前記負極集電体が収縮されることで前記電極ユニットが曲がる程度、及び前記正極集電体の厚さと前記負極集電体の厚さとの比の関係性に基づいて、前記正極集電体及び前記負極集電体を選定する電極ユニットの製造方法。
前記選定段階において、
前記負極集電体の厚さに対する前記正極集電体の厚さの比が１．８から３．１になるよう、前記正極集電体及び前記負極集電体を選定する請求項６に記載の電極ユニットの製造方法。
前記正極集電体はアルミニウムであり、前記負極集電体は銅である請求項６又は７に記載の電極ユニットの製造方法。
前記接着段階は、
ラミネーション（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）工程によって、前記正極、負極及び分離膜を接着する請求項６から８のいずれか一項に記載の電極ユニットの製造方法。