JP7038957B2 - 電池セルおよび電極リードの製造方法 - Google Patents

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Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、２０１７年９月１５日付の韓国特許出願第１０－２０１７－０１１８８５５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、電極リードの製造方法に関する。
最近、化石燃料の枯渇によるエネルギー源の価格上昇、環境汚染の関心が増幅し、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。そこで、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が増加するに伴って、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できる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組立体がどのような構造からなっているかによって分類されたりするが、代表的には、長いシート状の正極と負極を分離膜が介在した状態で巻き取った構造のゼリーロール型（巻取り型）電極組立体、所定大きさの単位に切り取った多数の正極と負極を分離膜を介在させた状態で順次積層したスタック型（積層型）電極組立体などが挙げられ、最近は、前記ゼリーロール型電極組立体およびスタック型電極組立体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の混合形態である一歩進んだ構造の電極組立体であって、所定単位の正極と負極を分離膜を介在させ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き取った構造のスタック／フォールディング型電極組立体が開発された。
また、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または角形の金属缶に内装されている円筒型電池および角型電池と、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装されているパウチ型電池とに分類される。
特に、パウチ型二次電池は、外郭の包装材として軟材質の多層フィルムを使用する製品であって、金属ケースを使用した円筒型二次電池または角型二次電池が有さない多数の長所を有している。
このような長所の代表的な例としては、低い製造コスト、小さい重量、および過剰な内圧の蓄積前に開封されることによって安定性を確保し、優れた放熱性能を有する点などが挙げられる。
図１には、従来の代表的なパウチ型電池セルの一般的な構造を概略的に示す分解斜視図が模式的に示されている。
図１を参照すると、パウチ型電池セル１００は、電極組立体１３０、電極組立体１３０から延びている電極タブ１３１、１３２、電極タブ１３１、１３２に溶接されている電極リード１４１、１４２、および電極組立体１３０を収容する電池ケース１２０を含んで構成されている。
電極組立体１３０は、分離膜を介在させた状態で正極と負極が順次積層されている発電素子であって、スタック型またはスタック／フォールディング型構造となっている。電極タブ１３１、１３２は、電極組立体１３０の各極板から延びており、電極リード１４１、１４２は、各極板から延びた複数個の電極タブ１３１、１３２と、例えば、溶接によってそれぞれ電気的に連結されており、電池ケース１２０の外部に一部が露出している。また、電極リード１４１、１４２の上面／下面の一部には、電池ケース１２０との密封度を高めると同時に電気的絶縁状態を確保するために絶縁フィルム１５０が付着している。
しかし、電池ケース１２０の狭い空間により電極リード１４１の後端が曲げられた状態で形成され、電極リード１４０の曲げ部分は、外部衝撃または振動によって容易に破断する問題がある。このような問題を解決するために、複数の薄い板を積層して電極リードを構成することによって、薄い金属板の弾性力によって電極リードの曲げ現象を改善することができ、そこで、外部衝撃および振動によって電極リードが破断する問題を解決することができる。
図２を参照すると、従来技術による複数の薄い金属板が積層された電極リードを製造する工程が示されている。まず、供給リール１８０から引き取られた金属リード１６０に複数のフィルム片１７０、１７１、１７２、１７３、１７４を付着し、複数のフィルム片１７０、１７１、１７２、１７３、１７４が積層され得るように、金属リード１６０を折り曲げる。そして、金属リード１６０が折り曲げられた部位を切り取って電極リードを製造する。
このような方法で電極リードを製造する場合、電極リードの厚さが非常に薄いので、リードの曲げ部位を切り取ることが難しく、製造時間および費用が増加する問題がある。
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ある。
本発明は、上記のような従来技術の問題点、およ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。
本発明の発明者らは鋭意研究および多様な実験を重ねたた結果、後述するように、電極リードを製造する方法で、複数のリード片がシーリングされたリードフィルムを折り曲げて複数のリード片が積層されるようにし、前記複数のリード片と重畳する前記折り曲げられたリードフィルムをシーリングして電極リードを製造することにより、密封力が高い電極リードを実現できるだけでなく、製造工程を単純化して生産性を向上させることができることを確認し、本発明を完成するに至った。
このような目的を達成するための本発明による電極リードの製造方法は、第１リードフィルムと第２リードフィルムを含むリードフィルムの長さ方向に前記第１リードフィルムと前記第２リードフィルムの間に複数のリード片を配列する段階と、前記リードフィルムを折り曲げて前記複数のリード片が前記リードフィルムの平面を基準に高さ方向に積層されたリード片積層体を形成する段階と、前記複数のリード片と重畳する前記折り曲げられたリードフィルムをシーリングする段階と、を含む。
前記リードフィルムに複数の折り曲げ部が形成され得る。
前記第１リードフィルムと前記第２リードフィルムは、互いに同じ大きさおよび素材に形成され得る。
前記複数のリード片は、それぞれ幅対比長さが長い長方形の板材であり、前記リードフィルムの長さ方向に垂直な方向が前記リード片の長さ方向となるように形成され得る。
前記リードフィルムをＺ形状に折り曲げて前記リード片積層体を形成することができる。
前記リード片積層体が形成された以降に前記折り曲げられたリードフィルムをシーリングすることができる。
前記リード片積層体が形成される以前に、前記リードフィルムを少なくとも一回折り曲げた以降に、前記折り曲げられたリードフィルムをシーリングする段階をさらに含むことができる。
前記シーリングは、熱融着により行うことができる。
前記リードフィルムを折り曲げる以前に、前記第１リードフィルムと前記第２リードフィルムをシーリングする段階をさらに含むことができる。
前記第１リードフィルムと前記第２リードフィルムをシーリングする段階で、前記リードフィルムと前記リード片側面が接触され得る。
前記第１リードフィルムと前記第２リードフィルムをシーリングする段階においての熱融着度は、前記折り曲げられたリードフィルムをシーリングする段階においての熱融着度よりも低いこともある。
前記第１リードフィルムと前記第２リードフィルムをシーリングする段階においての熱融着度は、前記折り曲げられたリードフィルムをシーリングする段階においての熱融着度の３０％～６０％の大きさであり得る。
前記リードフィルムに複数の前記リード片積層体を形成することができる。
前記複数のリード片積層体を切り取る段階をさらに含むことができる。
前記製造方法による電極リードを含む電池セルは、少なくとも一側の外周辺方向に突出した電極タブを含んでいる電極組立体と、前記電極組立体が収納部に装着された状態で、外周辺が熱融着によって密封された構造のシーリング部を含む電池ケースと、前記電極組立体の前記電極タブに連結された状態で、前記シーリング部を通って前記電池ケースの外側方向に突出している電極リードと、を含み、前記電極リードは、複数のリード片が平面を基準に高さ方向に積層されたリード片積層体を含み、前記複数のリード片と重畳するように折り曲げられたリードフィルムがシーリングされている構造であり得る。
前記リードフィルムは、第１リードフィルムと第２リードフィルムを含み、前記第１リードフィルム、または前記第２リードフィルムが、前記リード片積層体の最上段または最下段に位置することができる。
前記複数のリード方の間に前記第１リードフィルムと前記第２リードフィルムが交互に位置することができる。
前記リード片積層体の厚さは０．２ｍｍを超過しない。
前記リード片の厚さは０．０１ｍｍ～０．０４ｍｍであり得る。
従来のパウチ型電池セルの一般的な構造を示す斜視図である。 従来の電極リードの製造工程を示す模式図である。 本発明の一実施形態により第１リードフィルムと第２リードフィルムの間に複数のリード片が配列されていることを示す模式図である。 図３において第１リードフィルム、リード片、および第２リードフィルムが重なっている構造を示す平面図である。 図４の一点鎖線Ａに沿った垂直断面図である。 図４のリード片が積層されたリード片積層体の垂直断面図である。 図５のリード片積層体がシーリングされた状態を示す垂直断面図である。 図３～図７で説明した実施例により製造された電極リードの垂直断面図である。 一つのリードフィルムに複数のリード片積層体が形成されていることを示す模式図である。 図７で説明した電極リードと他の方法で製造された電極リードを示す断面図である。
以下、本発明の実施例による図面を参照して本発明をさらに詳述するが、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３は、本発明の一実施形態により第１リードフィルムと第２リードフィルムの間に複数のリード片が配列されていることを示す模式図である。
図３を参照すると、リードフィルム２１０は、第１リードフィルム２１１と第２リードフィルム２１２を含み、リード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４は、第１リードフィルム２１１と第２リードフィルム２１２の間に配列されている。リード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４それぞれは、幅対比長さが長い長方形の板材であり、リードフィルム２１０の長さ方向に垂直なリードフィルム２１０の幅方向が各リード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４の長さ方向となるように配置されている。リード片２００、２０１、２０１、２０３、２０４の形状や大きさは特に限定されないが、電池ケースの内部空間、電極タブとの連結関係、および電極リードの電池ケースから外部への露出程度などを考慮して選択され得る。
後述する熱融着によるシーリング過程で、第１リードフィルム２１１と第２リードフィルム２１２の間の密封力を高めるために、第１リードフィルム２１１と第２リードフィルム２１２の大きさおよび素材は互いに同じであることもある。
図４は、図３において、第１リードフィルム、リード片、および第２リードフィルムが重なっている構造を示す平面図である。
図３および図４を参照すると、リードフィルム２１０には折り曲げ部２２０、２２１、２２２、２２３が形成されており、リードフィルム２１０は折り曲げ部２２０、２２１、２２２、２２３に沿って矢印方向に折り曲げられている。例えば、互いに隣り合う第１リード片２００と第２リード片２０１の間の第１折り曲げ部２２０を基準に折り曲げられ、第２リード片２０１と重畳する第１リードフィルム２１１部分が第１リード片２００と重畳する第１リードフィルム２１１部分と対向して配置される。
また、互いに隣り合う第２リード片２０１と第３リード片２０２の間の第２折り曲げ部２２１を基準に折り曲げられ、第３リード片２０２と重畳する第２リードフィルム２１２部分が第２リード片２０１と重畳する第２リードフィルム２１２部分と対向して配置される。
また、互いに隣り合う第３リード片２０２と第４リード片２０３の間の第３折り曲げ部２２２を基準に折り曲げられ、第４リード片２０３と重畳する第１リードフィルム２１１部分が第３リード片２０２と重畳する第１リードフィルム２１１部分と対向して配置される。
また、互いに隣り合う第４リード片２０３と第５リード片２０４の間の第４折り曲げ部２２３を基準に折り曲げられ、第５リード片２０４と重畳する第２リードフィルム２１２部分が第４リード片２０３と重畳する第２リードフィルム２１２部分と対向して配置される。
図５は、図４の一点鎖線Ａに沿う垂直断面図である。
図４および図５を参照すると、リード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４の幅方向側面が第１リードフィルム２１１と第２リードフィルム２１２によって覆われる。リード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４の幅方向側面は、第１リードフィルム２１１および第２リードフィルム２１２と接触することができ、このような接触のためにシーリング工程を行うことができる。この時、互いに隣り合うリード片の間に位置する第１リードフィルム２１１と第２リードフィルム２１２が互いにシーリングされることができる。変形実施例として、図６に示したものとは異なり、シーリング工程によって隣り合うリード片の間に位置する第１リードフィルム２１１と第２リードフィルム２１２が互いにシーリングされても、リード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４の幅方向側面は、第１リードフィルム２１１および第２リードフィルム２１２と接触せず離隔した部分を形成することもできる。
図６は、図４のリード片が積層されたリード片積層体の垂直断面図である。
図４および図６を参照すると、リード片積層体３００は、リードフィルム２１０を折り曲げてリード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４がリードフィルム２１０の平面を基準に高さ方向に積層されている。特に、リードフィルム２１０は、折り曲げ部２２０、２２１、２２２、２２３に沿ってＺ形状に折り曲げられている。リードフィルム２１０の曲げ形態は、リード片積層体３００の厚さおよび長さなどを考慮して多様に選択され得る。
リード片２００、２０１、２０１、２０３、２０４が全て積層された後、リード片２００、２０１、２０１、２０３、２０４と重畳する折り曲げられたリードフィルム２１０をシーリング（図６の矢印参照）する。説明の便宜のために、上述したリードフィルム２１０のシーリングは、上部のみに行うことを示しているが、このようなシーリングは、上部または下部、および上／下部の両方で行うことができる。
図７は、図５のリード片積層体がシーリングされた状態を示す垂直断面図である。
図５および図７を参照すると、シーリングされたリード片積層体３００には、リード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４と重畳する折り曲げられたリードフィルム２１０がシーリングされている。シーリングされたリード片積層体３００をリードフィルム２１０で切り取って電極リードを製造する。このように、本発明の実施例による電極リードの製造方法は、リード片積層体３００でリード片を切り取る別途の工程を必要としないので、電極リードの製造工程の時間を短縮して高い生産性を期待できる。
図８は、図３～図７で説明した実施形態により製造された電極リードの垂直断面図である。
図８を参照すると、電極リード４００は、リード片２００、２０１、２０１、２０３、２０４が平面を基準に高さ方向に積層されたリード片積層体を含み、リード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４と重畳するように折り曲げられたリードフィルム２１０がシーリングされている。
リードフィルム２１０は、第１リードフィルム２１１と第２リードフィルム２１２を含み、第１リードフィルム２１１が電極リード４００の最上段に位置し、第２リードフィルム２１２が電極リード４００の最下段に位置する。このような実施形態とは異なり、折り曲げ方向を反対にして第１リードフィルム２１１が電極リード４００の最下段に位置し、第２リードフィルム２１２が電極リード４００の最上段に位置することもできる。第１リードフィルム２１１と第２リードフィルム２１２は、リード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４の間に交互に位置する。
ここで、リード片積層体の厚さは、電極リード４００と電池ケースの密封力を高めるために、０．２ｍｍ以下であることが好ましい。また、リード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４の厚さは０．０１ｍｍ～０．０４ｍｍであることが好ましい。リード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合、製造工程でリード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４の取り扱いが容易でないだけでなく、電極リード４００の十分な強度を確保できない。リード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４の厚さが０．０４ｍｍを超過すると、リード片２００、２０１、２０１、２０３、２０４の十分な弾性力を確保できなくて、電極リード４００の曲げ現象を改善できない。
また、要求される電極リード４００の強度および弾性力を確保するために、リード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４それぞれの厚さを多様に構成することができる。一例として、リード片積層体３００の高さ方向に中心に位置するリード片２０２を中心にして上部と下部に行くほど厚さが減少したり増加したりするリード片を構成することができる。
図５で説明したシーリング工程を第１シーリングとし、図６で説明したシーリング工程を第２シーリングとするとき、第１シーリングおよび第２シーリングは多様な方法で行われるが、一例として、熱融着により行われる。また、図６の第２シーリングの熱融着度は、図５の第１シーリングの熱融着度に比べて相対的に低い。第２シーリングは、第１リードフィルム２１１と第２リードフィルム２１２の間にリード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４が定位置に付着し、リードフィルム２１０の折り曲げ段階でリード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４が定位置から離脱しない程度の熱融着度で行うことができる。これとは異なり、第１シーリングは、リード片２００、２０１、２０２、２０３、２０４と重畳する折り曲げられたリードフィルム２１０が十分に密封され電極リードの厚さを最大限に縮めることが望ましいので、第２シーリングに比べて相対的に高い熱融着が行われることが望ましい。一例として、第２シーリングの熱融着度は、第１シーリングの熱融着度に対して３０％～６０％の大きさに形成することができる。
図９は、一つのリードフィルムに複数のリード片積層体が形成されていることを示す模式図である。
図９を参照すると、複数のリード片積層体３００、３０１、３０２、３０３、３０４が一つのリードフィルム２１０に形成されている。
図１０は、図７で説明した電極リードと他の方法で製造された電極リードを示す断面図である。
図４および図１０を参照すると、一つのリード片が積層される毎に折り曲げられたリードフィルム２１０をシーリングしてリード片積層体を形成することができる。まず、互いに隣り合う第１リード片２００と第２リード片２０１の間の第１折り曲げ部２２０を基準に折り曲げられ、第２リード片２０１と重畳する第１リードフィルム２１１部分が第１リード片２００と重畳する第１リードフィルム２１１部分と対向して配置し、折り曲げられたリードフィルム２１０をシーリングすることができる。そして、互いに隣り合う第２リード片２０１と第３リード片２０２の間の第２折り曲げ部２２１を基準に折り曲げられ、第３リード片２０２と重畳する第２リードフィルム２１２部分が第２リード片２０１と重畳する第２リードフィルム２１２部分と対向して配置し、折り曲げられたリードフィルム２１０をシーリングすることができる。残りのリード片２０３、２０４も同じ方式で積層されてリード片積層体を形成することができる。
これによって、より堅固なシーリング力を確保し、リード片積層体の高さ方向の体積を減らすことができる長所がある。
本発明の属する分野で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に応用および変形可能であろう。
以上で説明した通り、本発明による電極リードの製造方法は、複数のリード片がシーリングされたリードフィルムを折り曲げて複数のリード片が積層されるようにし、前記複数のリード片と重畳する前記折り曲げられたリードフィルムをシーリングして電極リードを製造することにより、密封力が高い電極リードを実現できるだけでなく、製造工程を単純化して生産性を向上させることができる。
１００ パウチ型電池セル
１２０ 電池ケース
１３０ 電極組立体
１３１ 電極タブ
１３２ 電極タブ
１４０ 電極リード
１４１ 電極リード
１４２ 電極リード
１５０ 絶縁フィルム
１６０ 金属リード
１７０ フィルム片
１７１ フィルム片
１７２ フィルム片
１７３ フィルム片
１７４ フィルム片
１８０ 供給リール
２００ 第１リード片
２０１ 第２リード片
２０２ 第３リード片
２０３ 第４リード片
２０４ 第５リード片
２１０ リードフィルム
２１１ 第１リードフィルム
２１２ 第２リードフィルム
２２０，２２１，２２２，２２３ 曲げ部
３００ リード片積層体
３０１ リード片積層体
３０２ リード片積層体
３０３ リード片積層体
３０４ リード片積層体
４００ 電極リード

Claims (19)

  1. 複数のリード片が積層されたリード片積層体を含む電極リードの製造方法であって、
    第１リードフィルムと第２リードフィルムを含むリードフィルムの長さ方向において、前記第１リードフィルムと前記第２リードフィルムの間に複数のリード片を配列する段階と、
    前記リードフィルムを折り曲げて前記複数のリード片が前記リードフィルムの平面を基準に高さ方向に積層されたリード片積層体を形成する段階と、
    前記複数のリード片と重畳する前記折り曲げられたリードフィルムを熱融着によってリードフィルム同士に前記複数のリード片をシーリングする段階と、を含む、電極リードの製造方法。
  2. 前記リードフィルムに複数の折り曲げ部が形成される、請求項１に記載の電極リードの製造方法。
  3. 前記第１リードフィルムと前記第２リードフィルムは互いに同じ大きさを有し、同じ材料からなる、請求項１または２に記載の電極リードの製造方法。
  4. 前記複数のリード片はそれぞれ長辺及び短辺を有する長方形の板材であり、前記リードフィルムの長さ方向に垂直な方向が前記リード片の長辺方向になるようにする、請求項１～３の何れか一項に記載の電極リードの製造方法。
  5. 前記複数の折り曲げ部は、前記リード片の前記長辺に垂直な断面においてみたときにＺ形状に折り曲げられている、請求項４に記載の電極リードの製造方法。
  6. 前記リード片積層体が形成された以降に、前記折り曲げられたリードフィルムをシーリングする、請求項５に記載の電極リードの製造方法。
  7. 前記リード片積層体が形成される以前に、前記リードフィルムを少なくとも一回折り曲げた以降に、前記折り曲げられたリードフィルムをシーリングする段階をさらに含む、請求項５に記載の電極リードの製造方法。
  8. 前記シーリングは熱融着により行われる、請求項２～７の何れか一項に記載の電極リードの製造方法。
  9. 前記リードフィルムを折り曲げる以前に、前記第１リードフィルムと前記第２リードフィルムをシーリングする段階をさらに含む、請求項８に記載の電極リードの製造方法。
  10. 前記第１リードフィルムと前記第２リードフィルムをシーリングする段階で、前記リードフィルムと前記リード片の短辺方向の側面が接触する、請求項９に記載の電極リードの製造方法。
  11. 前記第１リードフィルムと前記第２リードフィルムをシーリングする段階の熱融着度は、前記折り曲げられたリードフィルムをシーリングする段階の熱融着度より低い、請求項９または１０に記載の電極リードの製造方法。
  12. 前記第１リードフィルムと前記第２リードフィルムをシーリングする段階の熱融着度は、前記折り曲げられたリードフィルムをシーリングする段階の熱融着度の３０％～６０％の大きさである、請求項１１に記載の電極リードの製造方法。
  13. 前記リードフィルムに複数の前記リード片積層体を形成する、請求項１～１２の何れか一項に記載の電極リードの製造方法。
  14. 前記複数のリード片積層体を切り取る段階をさらに含む、請求項１３に記載の電極リードの製造方法。
  15. 少なくとも一側の外周辺方向に突出した電極タブを含んでいる電極組立体と、
    前記電極組立体が収納部に装着された状態で、外周辺が熱融着によって密封された構造のシーリング部を含む電池ケースと、
    前記電極組立体の前記電極タブに連結された状態で、前記シーリング部を通って前記電池ケースの外側方向に突出している電極リードと、を含み、
    前記電極リードは、複数のリード片が平面を基準に高さ方向に積層されたリード片積層体を含み、前記複数のリード片と重畳するように折り曲げられたリードフィルムが熱融着によってリードフィルム同士に前記複数のリード片がシーリングされている、電池セル。
  16. 前記リードフィルムは、第１リードフィルムと第２リードフィルムを含み、前記第１リードフィルムまたは前記第２リードフィルムが前記リード片積層体の最上段または最下段に位置する、請求項１５に記載の電池セル。
  17. 前記複数のリード片の間に前記第１リードフィルムと前記第２リードフィルムが交互に位置する、請求項１６に記載の電池セル。
  18. 前記リード片積層体の厚さは０．２ｍｍを超過しない、請求項１５～１７の何れか一項に記載の電池セル。
  19. 前記リード片の厚さは０．０１ｍｍ～０．０４ｍｍである、請求項１５～１８の何れか一項に記載の電池セル。
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