JP6879492B2 - 電極組立体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本出願は、２０１８年２月１日付韓国特許出願第１０−２０１８−００１２９９４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、電極組立体及びその製造方法に関し、より詳細には、二次電池の整列度を向上させ、高容量の電池を具現することができ、不良発生時のロス（ｌｏｓｓ）率を減らすことができる電極組立体及びその製造方法に関する。

二次電池は、一次電池とは異なって充電が可能であり、また、小型及び大容量化の可能性により、近年、多く研究開発されている。モバイル機器に対する技術の開発と需要の増加に伴い、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加している。

二次電池は、電池ケース（パウチ、缶など）に電極組立体が内蔵されてなる。電池ケースの内部に装着される電極組立体は、正極／分離膜／負極の積層構造からなり、繰り返し充放電が可能である。

図１ａは、従来の電極組立体のうち、スタックアンドフォールディング（Ｓｔａｃｋ ＆ ｆｏｌｄｉｎｇ）工程で電極組立体を製造する過程を示す側面図である。

図１ａを参照すると、スタックアンドフォールディング型電極組立体は、正極１、分離膜３、負極２が順に積層されて形成された複数のユニットセル４をシート型分離膜５に安着し、このシート型分離膜５を一方向Ｌにフォールディングして形成された構造を有する。

このような構造で形成された従来のスタックアンドフォールディング型電極組立体は、他の構造に比べて相対的に安定性が向上したという長所を有するが、短所もまた存在する。

先ず、従来のスタックアンドフォールディング型の電極組立体では、正極１、 分離膜３、負極２を積層し、基本単位体に切断して形成された個別的なユニットセル４を先ず製造した後、このユニットセル４をシート型分離膜５に付着してフォールディングする工程を経るようになるため、電極組立体の製造の手順が複雑になる。

また、先ずユニットセル４を製造する工程で、正極１、負極２、分離膜３のそれぞれから発生した公差が累積され、このようなユニットセル４を次の段階でフォールディングすると、フォールディング及び積層される過程でユニットセル４間の公差が再び累積される現象が発生するようになるので、正極１が負極２を脱して整列が崩れるオーバーハング（ｏｖｅｒｈａｎｇ）の問題が発生することがあった。

このようなオーバーハングＡは、ユニットセル４の積層数が増加するほど（すなわち、フォールディング回数が増加するほど）さらに大きくなる可能性がある。すなわち、この工程では、ユニットセル４をなす電極の積層数を増加させると、フォールディング回数が減少してフォールディング回数が減少し得るが、ユニットセル４をなす電極の積層数を増加させると、フォールディング時に整列が困難になるという問題点があった。

そして、図１ｂは、ラミネーションアンドスタッキング（Ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ ＆ ｓｔａｃｋｉｎｇ）工程で製造される電極組立体の積層形態を示す側面図である。図１ｂに示されたように、ラミネーションアンドスタッキング工程では、正極１、分離膜３、負極２、分離膜３が積層されて形成されたユニットセルが分離膜３の外側寸法により整列されるようになるところ、この場合もやはりオーバーハングの問題が発生した。すなわち、ユニットセルを製造する過程で複数の電極１、２と複数の分離膜３の個別公差が累積され、ユニットセル同士の公差も累積されるので、正極１が負極２を脱するオーバーハングの問題が発生した。図１ｂでは、正極１が負極２を脱する領域であるオーバーハング領域Ａが示されている。

また、前記のような問題点を解消するため、本出願人は２つの分離膜の間に負極を一定の間隔で配置し、前記負極の１つ置きの位置で両面に正極を配置した後、ジグザグ状をなすように積層する「電極組立体及びその製造方法」を２０１６年１０月５日付で特許出願（韓国公開特許第１０−２０１８−００３７８４７号公報）したことがある。

しかし、このようなジグザグ積層構造は、オーバーハングのイシューを減少させることに効果があったが、１ヶ所の電極でも位置不良が発生する場合、セル全体に不良が発生する問題があった。

したがって、本発明は、前述のような問題点を解消することができる電極組立体及びその製造方法を提供することに主な目的がある。

前記のような目的を達成するための本発明は、電極組立体の製造方法であって、２枚の分離膜の間で互いに離隔配置されるように多数の第１電極を１つずつ介在させる段階；前記第１電極が置かれた多数の位置のうち１つずつ飛ばした位置で前記第１電極の両側それぞれに前記分離膜の外部面に第２電極を積層し、第２電極／分離膜／第１電極／分離膜／第２電極の順に積層されたバイセルと分離膜／第１電極／分離膜の順に積層されたハーフセルを交差して連続して形成させる段階；前記バイセル１つと前記ハーフセル１つがつながったユニットセルで切断する段階；バイセルとハーフセルが積層されるように前記ユニットセルをフォールディングする段階；及びフォールディングされたユニットセル多数を積層して電極組立体に製造する段階；を含むことを特徴とする。

本発明による方法では、ユニットセルで切断されたとき、前記ユニットセルのフォールディングがなされる前に第１電極を挟んで積層された分離膜同士ユニットセルの枠部分で接着させる第１シーリングが実行される段階；をさらに含む。

そして、前記ユニットセルのフォールディングがなされた後にバイセルの枠部分とハーフセルの枠部分が当接するところで接着させる第２シーリングが実行される段階；をさらに含んでもよい。

このとき、前記第２シーリングがなされる地点は、第１シーリングがなされた地点と少なくとも一部で重複される。

前記第１シーリングと第２シーリングは、分離膜同士互いに接着されるように熱と圧力を加えてなされる。

そして、前記ユニットセルが積層されるとき、それぞれのユニットセルはバイセルとハーフセルを連結してフォールディングされた部分であるフォールディング部が同一の方向に向かって置かれるように積層される。

本発明の他の実施形態として、前記ユニットセルが積層されるとき、ｎ層（ｎ は、１以上の自然数）に置かれたユニットセルでバイセルとハーフセルを連結してフォールディングされた部分であるフォールディング部が一側に向かうように置かれると、（ｎ＋１）層に置かれたユニットセルのフォールディング部はその反対側の他側に向かうように置かれるよう製造されてよい。

本発明で、前記第１電極は、第２電極より大きいか同一の面積を有し、前記第１電極は負極であり、第２電極は正極である。

これにより、本発明は、前記のような電極組立体の製造方法が含まれている二次電池の製造方法もまた提供することができる。すなわち、本発明による二次電池の製造方法は、電極組立体を製造する段階、及び前記電極組立体をケースに内蔵する段階を含んでなり、この際、前記電極組立体の製造方法は、本発明で提供された電極組立体の製造方法が適用される。

また、本発明は、負極、分離膜、正極が連続して積層されて製造される電極組立体をさらに提供する。本発明による電極組立体は、正極／分離膜／負極／分離膜／正極の順に積層されたバイセルと分離膜／負極／分離膜の順に積層されたハーフセルが交互に繰り返し積層された構造を有してなり、この際、一側にはバイセルが形成され、他側にはハーフセルが形成され、前記バイセルとハーフセルが積層されるようにフォールディングされたユニットセル多数が積層されて形成されていることを特徴とする。

本発明による電極組立体は、それぞれのユニットセルでフォールディングされたハーフセルとバイセルは、動きが遮断されるよう、前記ハーフセルの分離膜とバイセルの分離膜は少なくともある一地点以上で接着される。また、互いに隣接するユニットセルは、互いに隣接配置された分離膜同士少なくともある一地点以上で接着される。

前記のような構成を有する本発明の電極組立体は、ハーフセルとバイセルがつながった状態でユニットセルをなすので、従来のオーバーハング発生の可能性を減少させることができ、前記ユニットセルは、１つずつ分けられた状態でフォールディングがなされるため、不良発生時に電極組立体全体を廃棄しなければならないという問題点（さらに詳細には、韓国公開特許第１０−２０１８−００３７８４７号公報に記載されている構造の問題点）を解消することができる。

また、本発明では、ユニットセルの第１シーリング及び／または第２シーリングがなされ、電極の動きをさらに効率よく遮断してオーバーハングの問題に対応することができる。

スタックアンドフォールディング工程で電極組立体を製造する過程が示された側面図である。 ラミネーションアンドスタッキング工程で電極組立体を製造する過程が示された側面図である。 本発明の実施形態により２枚の分離膜の間に負極が間隔を置いて配置された様子が示された側面図である。 図２ａの状態で１つずつ間隔を置いた負極の両面それぞれに正極が付着される様子が示された側面図である。 図２ｂで正極が付着された状態が示された側面図である。 １つのバイセルと１つのハーフセルがつながったユニットセルの様子と前記ユニセルの両端それぞれで第１シーリングがなされた様子が示された側面図である。 ユニットセルのフォールディングがなされた様子が示された側面図である。 多数のユニットセルが同一の方向に向かうように置かれた状態で積層された様子が示された図である。 ｎ層（ｎは奇数）に置かれたユニットセルのフォールディング部と（ｎ＋１）層に置かれたユニットセルのフォールディング部が互いに反対側に向かうように置かれた状態で積層された様子が示された図である。 ユニットセルがフォールディングされる前とフォールディングされた後の様子が示された平面図であって、１次シーリングと２次シーリングがなされる地点を表示した図である。 ２次シーリングがなされたユニットセルが積層されている様子が示された図である。

以下、図に基づいて、本発明に対し、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が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は幾多の異なる形態に具現されてよく、ここで説明する実施形態に限定されない。

本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全体に亘って同一または類似の構成要素に対しては、同一の参照符号を付すようにする。

また、本明細書及び特許請求の範囲で用いられた用語や単語は、通常的かつ辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自身の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適宜定義することができるとの原則に即し、本発明の技術的思想に適合する意味と概念として解釈されなければならない。

本発明は、オーバーハングのイシューを解消して不良の発生による損失率を低減するための電極組立体の製造方法、及び前記製造方法を介して製造された電極組立体に関し、前記製造方法が含まれる二次電池の製造方法をさらに提供する。以下、本発明による実施形態を図を参照しながらさらに詳細に説明する。

実施例１
図２ａは、本発明の実施形態により、２枚の分離膜３０の間に負極２０が間隔を置いて配置された様子が示された側面図であり、図２ｂは、図２ａの状態で１つずつ間隔を置いて負極２０の両面それぞれに正極１０が付着される様子が示された側面図であり、図２ｃは、図２ｂで正極１０が付着された状態が示された側面図である。

前記図を参照すると、本発明による製造方法は、２枚の分離膜３０の間で互いに離隔配置されるように多数の第１電極を１つずつ介在させる段階から開始される。

本発明で、前記第１電極は正極１０となってもよいが、負極２０であることが好ましく、隣接する負極２０間の間隔は負極２０間の厚さ、分離膜３０の厚さ及びフォールディング時に要求される条件などにより決定され得る。

そして、図２ｂに示されたように、前記第１電極が置かれた多数の位置のうち１つずつ飛ばした位置で前記第１電極の両側それぞれに前記分離膜３０の外部面に正極１０である第２電極が積層されるように付着させる。

これにより、図２ｃに示されたように、正極／分離膜／負極／分離膜／正極の順に積層されたバイセル１０１と分離膜／負極／分離膜の順に積層されたハーフセル１０２が交互に連続するように形成される。

そして、前記バイセル１０１の１つと前記ハーフセル１０２の１つがつながったユニットセル１００で切断がなされる。このとき、切断されたユニットセル１００は、両側終端で分離膜３０同士広がった状態なので、図３に示されたように、分離膜３０同士枠部分で第１シーリング（１次シーリング）がなされて封じられる。

前記ユニットセル１００は（負極の中心を通るものである）、仮想の中心線を基準に上下が対称をなした状態で第１シーリングがなされるので、追って二次電池の生産工程中に発生するようになる高温、高圧条件でベンディング及び／または変形の発生が抑制され得る。

第１シーリングがなされた後、前記ユニットセル１００は、ハーフセル１０２とバイセル１０１が積層されるよう、図４に示されたようにフォールディングがなされる。

フォールディングされたユニットセル１００は、多数が積層されて電極組立体に製造されるところ、図５ａと図５ｂに示されたように、別途のフォールディング分離膜４０により積層が支持されるように製造されてもよく、それぞれのユニットセル１００の上面と下面を接着させ、別途のフォールディング分離膜４０がなくとも積層がなされてよい。

そして、前記ユニットセル１００は、図５ａに示されたように、バイセル１０１とハーフセル１０２を連結してフォールディングされた部分であるフォールディング部が同一の方向に向かって置かれるように積層されてもよく、もしくは、図５ｂに示されたように、ｎ層（ｎは、１以上の自然数）に置かれたユニットセルのフォールディング部と（ｎ＋１）層に置かれたユニットセルのフォールディング部が互いに反対方向を向かうように積層されてもよい。これは、製品の仕様による選択事項であり得るが、後者の場合が両側の高さが合うように整列されるにはさらに有用な構造であるといえる。

また、本発明では、前述したように、分離膜３０と電極（負極、正極）の動きを防止すべく、第１シーリングがなされる。そして、ユニットセル１００がフォールディングされた状態が固定され得るよう、第２シーリング（２次シーリング）がさらになされてよい。すなわち、図６ａに示されたように、フォールディングがなされる前に（上下から眺めたとき、四角状を有する）ユニットセル１００の各枠部分で分離膜３０同士１次シーリングがなされ、フォールディングがなされた後に２次シーリングがなされてよい。前記２次シーリングは、図示されたように、バイセル１０１の枠部分とハーフセル１０２の枠部分が当接するところでなされるため、２次シーリングがなされる地点は、１次シーリングがなされた地点と少なくとも一部で重複されてよい。

このとき、本発明による分離膜３０は、熱が加えられると接着力が発生する高分子材質を含有するように製造されるため、熱と圧力を加えて第１シーリングと第２シーリングが実施され得る。

第２シーリングがなされた状態で製造されたユニットセル１００は、図６ｂに示されたように両端の動きが固定されるので、さらに安定的に積層がなされ得る。

ちなみに、前述したように、本発明では、前記第１電極は負極２０であり、第２電極は正極１０であり、この際、前記第１電極は第２電極より大きいか同一の面積を有することが好ましい。

一方、電極組立体を内蔵する二次電池の製造方法は、通常、「電極組立体を製造する段階」及び「前記電極組立体をパウチ（ケース）に内蔵する段階」を含んでなる。これにより、本発明は、前記のような電極組立体の製造方法を、二次電池の製造方法のうち「電極組立体を製造する段階」として提供するので、二次電池の製造方法をさらに提供することができる。前記二次電池の製造方法は、前記で説明された電極組立体の製造方法と重複されるので、追加説明を省略する。

実施例２
本発明は、負極２０、分離膜３０、正極１０が連続して積層されて製造される電極組立体をさらに提供する。

本発明による電極組立体は、図５ａ、図５ｂ、図６ｂに示されたように、ユニットセル１００の多数が積層されてなり、この際、前記ユニットセル１００は、バイセル１０１とハーフセル１０２がつながった状態でフォールディングされた構造を有する。

すなわち、図３に示されたように、本発明のユニットセル１００は、バイセル１０１の１つとハーフセル１０２の１つがつながった構造を有してなり、この際、前記バイセル１０１は、ハーフセル１０２の両面それぞれに正極１０がさらに積層される構造を有する。したがって、バイセル１０１は、正極／分離膜／負極／分離膜／正極の順に積層された構造を有し、ハーフセル１０２は、分離膜／負極／分離膜の順に積層された構造を有する。そして、前記ユニットセル１００は、図４に示されたように、ハーフセル１０２とバイセル１０１の積層がなされるようにフォールディングされ、この際、電極及びフォールディング状態の動きを防止すべく、１次シーリングと２次シーリングがなされてよい。ちなみに、図６ａでは、１次シーリングと２次シーリングが分離膜３０の角の一部分でのみ実施されたものとして示されているが、前記１次シーリングと２次シーリングは、分離膜３０の周囲に沿って全体的に実施されてよく、前記で説明された熱と圧力によるシーリングだけでなく、接着剤によるシーリングも可能なはずである。

前記のような構成を有する本発明の電極組立体は、ハーフセル１０２とバイセル１０１がつながった状態でユニットセル１００をなすため、従来のオーバーハング発生の可能性を減少させることができ、前記ユニットセル１００は、１つずつ分けられた状態でフォールディングがなされるため、不良発生時に電極組立体全体を廃棄しなければならないという問題点を解消することができる。

また、本発明では、ユニットセル１００の第１シーリング及び／または第２シーリングがなされ、電極の動きをさらに効率よく遮断してオーバーハングのイシューに対応することができる。

以上で、たとえ限定された実施例と図面により説明されたが、本発明はこれにより限定されず、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特許請求の範囲の均等範囲内で多様な実施が可能である。

Claims (12)

1. 電極組立体の製造方法であって、
   ２枚の分離膜の間で互いに離隔配置されるように複数の第１電極を１つずつ介在させる段階；
   前記第１電極が置かれた複数の位置のうち１つずつ飛ばした位置で前記第１電極の両側それぞれに前記分離膜の外部面に第２電極を積層し、第２電極／分離膜／第１電極／分離膜／第２電極の順に積層されたバイセルと分離膜／第１電極／分離膜の順に積層されたハーフセルを交互に連続するように形成させる段階；
   １つの前記バイセルと１つの前記ハーフセルがつながったユニットセルで切断する段階；
   バイセルとハーフセルが積層されるように前記ユニットセルをフォールディングする段階；及び
   フォールディングされた複数のユニットセルを積層して電極組立体に製造する段階；を含む、電極組立体の製造方法。
2. ユニットセルで切断されたとき、前記ユニットセルのフォールディングがなされる前に第１電極を挟んで積層された分離膜同士ユニットセルの枠部分で接着させる第１シーリングが実行される段階；をさらに含む、請求項１に記載の電極組立体の製造方法。
3. 前記ユニットセルのフォールディングがなされた後にバイセルの枠部分とハーフセルの枠部分が当接するところで接着させる第２シーリングが実行される段階；をさらに含む、請求項２に記載の電極組立体の製造方法。
4. 前記第２シーリングがなされる地点は、第１シーリングがなされた地点と少なくとも一部で重複される、請求項３に記載の電極組立体の製造方法。
5. 前記第１シーリングと第２シーリングは、分離膜同士互いに接着されるように熱と圧力を加えてなされる、請求項３に記載の電極組立体の製造方法。
6. 前記ユニットセルが積層されるとき、それぞれのユニットセルはバイセルとハーフセルを連結してフォールディングされた部分であるフォールディング部が同一の方向に向かって置かれるように積層される、請求項１から５のいずれか一項に記載の電極組立体の製造方法。
7. 前記ユニットセルが積層されるとき、ｎ層（ｎは、１以上の自然数）に置かれたユニットセルでバイセルとハーフセルを連結してフォールディングされた部分であるフォールディング部が一側に向かうように置かれると、（ｎ＋１）層に置かれたユニットセルのフォールディング部はその反対側の他側に向かうように置かれる、請求項１から５のいずれか一項に記載の電極組立体の製造方法。
8. 前記第１電極は、第２電極より大きいか同一の面積を有し、前記第１電極は負極であり、第２電極は正極である、請求項１から５のいずれか一項に記載の電極組立体の製造方法。
9. 電極組立体を製造する段階、及び前記電極組立体をケースに内蔵する段階を含む二次電池の製造方法であって、
   前記電極組立体を製造する段階は、
   ２枚の分離膜の間で互いに離隔配置されるように複数の第１電極を１つずつ介在させる段階；
   前記第１電極が置かれた複数の位置のうち１つずつ飛ばした位置で前記第１電極の両側それぞれに前記分離膜の外部面に第２電極を積層し、第２電極／分離膜／第１電極／分離膜／第２電極の順に積層されたバイセルと分離膜／第１電極／分離膜の順に積層されたハーフセルを交差して連続して形成させる段階；
   １つの前記バイセルと１つの前記ハーフセルがつながったユニットセルで切断する段階；
   バイセルとハーフセルが積層されるように前記ユニットセルをフォールディングする段階；及び
   フォールディングされた複数のユニットセルを積層して電極組立体に製造する段階；を含む、二次電池の製造方法。
10. 負極、分離膜、正極が連続して積層される電極組立体であって、
    正極／分離膜／負極／分離膜／正極の順に積層されたバイセルと分離膜／負極／分離膜の順に積層されたハーフセルが交互に繰り返し積層された構造を有してなり、
    一側にはバイセルが配置され、他側にはハーフセルが配置され、前記バイセルとハーフセルが積層されるようにフォールディングされた複数のユニットセルが積層され、
    互いに隣接するユニットセルは互いに隣接配置された分離膜同士の少なくともある一地点以上で接着されている、電極組立体。
11. 負極、分離膜、正極が連続して積層される電極組立体であって、
    正極／分離膜／負極／分離膜／正極の順に積層されたバイセルと分離膜／負極／分離膜の順に積層されたハーフセルが交互に繰り返し積層された構造を有してなり、
    一側にはバイセルが配置され、他側にはハーフセルが配置され、前記バイセルとハーフセルが積層されるようにフォールディングされた複数のユニットセルが積層され、
    前記分離膜は、前記ユニットセルごとに切断されている、電極組立体。
12. それぞれのユニットセルでフォールディングされたハーフセルとバイセルは、動きが遮断されるよう、前記ハーフセルの分離膜とバイセルの分離膜は少なくともある一地点以上で接着されている、請求項１０または１１に記載の電極組立体。

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