JP7387966B2 - 二次電池およびこれを含むデバイス - Google Patents
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本出願は、２０１９年１０月１８日付の韓国特許出願第１０－２０１９－０１２９９４６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。
本出願は、２０１９年１０月１８日付の韓国特許出願第１０－２０１９－０１２９９４６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。
本発明は、二次電池およびこれを含むデバイスに関し、より具体的には、ゼリーロール電極組立体を含む二次電池およびこれを含むデバイスに関する。
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な要因になっている。よって、原子力、太陽光、風力、潮力などの多様な電力生産技術に関する研究が持続しており、このように生産されたエネルギーをさらに効率的に用い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、それに伴い、多様な要求に応えられる電池に関する多くの研究が行われている。
代表的に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、電池ケースの形状に応じて、電極組立体が円筒形または角型の金属缶に内蔵されている円筒形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蔵されているパウチ型電池とに分類される。
さらに、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もする。
代表的には、長いシート状の正極および負極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（Ｊｅｌｌｙ Ｒｏｌｌ、巻取型）電極組立体、所定サイズの単位に切り取った複数の正極および負極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）電極組立体などが挙げられる。
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として、所定単位の正極および負極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組立体が開発された。
図１は、従来のゼリーロール電極組立体１０が巻取られる前の様子を示す分解斜視図である。
図１を参照すれば、二次電池に挿入される従来のゼリーロール電極組立体１０は、第１電極シート２０と、第２電極シート３０と、第１電極シート２０と第２電極シート３０との間に介在した分離膜４０とを含む。同時に、ゼリーロール形態に巻取られた時、第１電極シート２０と第２電極シート３０とが互いに接するのを防止するために、第２電極シート３０の下に分離膜４０が追加配置されることが好ましい。
ここで、第１電極シート２０と第２電極シート３０は、それぞれ正極シートおよび負極シートに相当することができる。
第１電極シート２０上には活物質層２２が形成され、活物質層２２が形成されていない無地部２３に第１電極タブ２１が溶接などの方法によって接合できる。
同様に、第２電極シート３０上には活物質層３２が形成され、活物質層３２が形成されていない無地部３３に第２電極タブ３１が溶接などの方法によって接合できる。
図２は、図１の電極組立体１０が巻取られた様子を示す斜視図である。
図２を参照すれば、巻取られた電極組立体１０の上部方向（Ｚ軸方向）と下部方向（Ｚ軸の反対方向）に第１電極タブ２１と第２電極タブ３１が延びる。
この時、巻取られた電極組立体１０を上から眺めた時、第１電極タブ２１と第２電極タブ３１は、電極組立体１０の中心軸を基準としていずれか一方に位置するしかない。特に、図２には、第１電極タブ２１が電極組立体１０の中心軸を基準としてＸ軸の反対方向に偏って位置していることが示されている。
このように、電極タブ２１、３１によって、電極組立体１０は、上から眺めた時、外径も増加し、非対称形態を呈するしかない。
このような電極組立体１０が収納された二次電池に対して衝撃試験（Ｉｍｐａｃｔ Ｔｅｓｔ）を進行させる場合、電極タブ２１、３１の位置に応じて結果が異なって導出され、電極タブ２１、３１が位置しない方向に電極組立体１０が押される問題が発生する。これは、二次電池が衝撃試験のみならず、外部衝撃に露出した時にも生じうる問題である。
また、電極組立体１０に対する充放電を進行させる時、電極組立体１０が膨らむ現象が発生しうるが、このような非対称形態によって、電極タブ２１、３１が位置しない部分を基準として形態が歪（Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）む問題が発生しうる。
たとえ、第１電極タブ２１および第２電極タブ３１の厚さが薄いとはいえ、第１電極シート２０、第２電極シート３０および分離膜４０の巻取が通常数十回以上行われるため、このような電極組立体１０の非対称および歪み現象がさらに目立ち、結局、無視できないほどの問題をもたらすことがある。
そこで、このような問題点を解決できる技術に対する必要性が非常に高い、というのが現状である。
本発明の実施例は、かつて提案された方法の上記の問題点を解決するためになされたものであって、電極組立体が巻取られても、電極タブによる形態の非対称や歪み現象が起こらないようにすることを目的とする。
ただし、本発明の実施例が解決しようとする課題は上述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張可能である。
本発明の一実施例による二次電池は、第１電極シートと、第２電極シートと、前記第１電極シートと前記第２電極シートとの間に介在した分離膜とが共に巻取られたゼリーロール電極組立体と、前記第１電極シートの無地部に接合され、前記ゼリーロール電極組立体の中心部に位置する第１電極タブとを含み、前記第１電極タブは、前記無地部に接合される接合部と、前記接合部から外部に延びた延長部とを含み、前記接合部の幅は、前記延長部の幅より広く、前記接合部は、前記ゼリーロール電極組立体の中心部で３／４回以上１回以下で巻取られる。
前記第１電極シートの前記無地部は、前記第１電極シートの一端部に形成される。
前記第１電極シートは、前記第１電極タブが位置した方向に巻取られる。
前記接合部は、前記ゼリーロール電極組立体の中心部で１回巻取られる。
前記接合部の一端部が、前記一端部に対向する他端部と当接していてもよい。
前記接合部の前記一端部に段差部が形成され、前記接合部の前記他端部に前記段差部と噛み合う突出部が形成される。
前記接合部の前記一端部に湾入溝が形成され、前記接合部の前記他端部に前記湾入溝に挿入される湾入溝挿入部が形成される。
前記湾入溝と前記湾入溝挿入部は、前記接合部が前記無地部に接合される面およびそれに対向する面のそれぞれから離隔してもよい。
前記接合部は、前記接合部の角の少なくとも１つに形成されたトリミング部を含むことができる。
前記延長部は、前記無地部の上辺方向に延び、前記接合部は、前記無地部の上辺から離隔してもよい。
前記ゼリーロール電極組立体は、平面上円形の形態に巻取られる。
本発明の実施例によれば、ゼリーロール電極組立体の中心部で３／４回以上１回以下で巻取られる電極タブの接合部を介して、電極組立体の巻取時、電極組立体の形態の非対称や歪み現象が発生するのを防止することができる。
また、電極タブが無地部と広い面積で接合されるため、電極タブから発生した熱を外部に排出させることが容易である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の様々な実施例について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。
本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付す。
また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図示のところに限定されない。図面において、様々な層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして、図面において、説明の便宜のために、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。
さらに、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」あるとする時、これは、他の部分の「直上」にある場合だけでなく、その中間にさらに他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分の「直上に」あるとする時には、中間にさらに他の部分がないことを意味する。また、基準となる部分の「上に」あるというのは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の反対方向に向かって「上に」位置することを意味するものではない。
また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。
さらに、明細書全体において、「平面上」とする時、これは、対象部分を上からみた時を意味し、「断面上」とする時、これは、対象部分を垂直に切断した断面を横からみた時を意味する。
図３は、本発明の一実施例によるゼリーロール電極組立体１００が巻取られる前の様子を示す分解斜視図である。
図３を参照すれば、本発明の一実施例による二次電池は、第１電極シート２００と、第２電極シート３００と、第１電極シート２００と第２電極シート３００との間に介在した分離膜４００とが共に巻取られたゼリーロール電極組立体１００を含む。
第１電極シート２００上には活物質層２２０が形成され、活物質層２２０が形成されていない無地部２３０に第１電極タブ２１０が溶接などの方法によって接合できる。
同様に、第２電極シート３００上には活物質層３２０が形成され、活物質層３２０が形成されていない無地部３３０に第２電極タブ３１０が溶接などの方法によって接合できる。
第１電極シート２００と第２電極シート３００は、正極シートおよび負極シートのうちの１つにそれぞれ相当し、それにより、第１電極タブ２１０と第２電極タブ３１０は、正極タブおよび負極タブのうちの１つにそれぞれ相当することができる。
以下の内容は、第１電極タブ２１０を基準として説明する。この時、第２電極タブ３１０は、図３に示されるように、第１電極タブ２１０とは異なり、従来の電極タブの構成を有することができる。これとは異なり、本実施例における第２電極タブが第１電極タブ２１０と相互に同一乃至類似の構成を有することもできる。
図４は、図３の「Ａ」部分を拡大して示す部分図である。
図４を参照すれば、第１電極タブ２１０は、無地部２３０に接合される接合部２１１と、接合部２１１から外部に延びた延長部２１２とを含む。
接合部２１１の幅Ｃは、延長部２１２の幅Ｄより広い。図４では、延長部２１２が接合部２１１の上辺の中心から延びているが、接合部２１１の幅Ｃが延長部２１２の幅Ｄより広ければ、延長部２１２の位置には制限がないので、延長部２１２が接合部２１１の上辺のいずれかの端部から延びることができる。
本実施例において、接合部２１１の幅Ｃを広く形成したのは、接合部２１１をはじめとする第１電極シート２００が巻取られた時、接合部２１１が電極組立体の中心部で３／４回以上１回以下で巻取られるようにするためである。以下、詳しく説明する。
図５は、図３のゼリーロール電極組立体１００に対してＸ軸の反対方向から眺めた正面図である。
図５を参照すれば、第１電極シート２００と、第２電極シート３００と、分離膜４００とを巻取るにあたり、第１電極シート２００を基準として、第１電極タブ２１０が位置した方向（Ｚ軸方向）、つまり、Ｅ方向に巻取られる。
図６は、図５のゼリーロール電極組立体がＥ方向に巻取られた様子を示す図である。
図６を参照すれば、接合部２１１は、ゼリーロール電極組立体１００の中心部で３／４回以上１回以下で巻取られ、より好ましくは、１回で巻取られる。
このように、本実施例は、図４のように接合部２１１の幅Ｃを広く形成して、接合部２１１が３／４回以上１回以下で巻取られるようにすることで、従来のゼリーロール電極組立体とは異なり、対称形態を維持できる。つまり、ゼリーロール電極組立体１００は、平面上、つまり上から眺めた時、円形の形態に巻取られる。
したがって、このようなゼリーロール電極組立体１００を収納した二次電池に対して衝撃試験を進行させても、電極タブ２１０、３１０の位置にかかわらず一貫した結果を導出することができ、衝撃過程でゼリーロール電極組立体１００が押される問題を解決することができる。
また、ゼリーロール電極組立体１００に対する充放電を進行させても、その形態が歪（Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）む問題を最小化することができる。
接合部２１１が３／４回未満で巻取られる場合、巻取られたゼリーロール電極組立体１００が非対称を呈したり歪み現象が発生するのを効果的に防止することができない。一方、接合部２１１が１回を超えて巻取られる場合、接合部２１１が重複する部分が発生するため、むしろゼリーロール電極組立体１００の非対称形態を誘発することがあって好ましくない。
また、電極タブの場合、発熱が激しく発生するが、広い面積で接合される接合部２１１は、第１電極タブ２１０から発生した熱を外部に排出させるのにより容易である。つまり、広い面積で接合される接合部２１１を介して第１電極タブ２１０の放熱性能が向上できる。
一方、接合部２１１をはじめとする第１電極タブ２１０がゼリーロール電極組立体１００の中心部に位置できるように、図３～図５に示されたように、第１電極シート２００の無地部２３０は、第１電極シート２００の一端部に形成される。
一方、ゼリーロール電極組立体１００の対称形態を実現するためには、接合部２１１が１回で巻取られることが好ましい。このために、図４および図６をともに参照すれば、接合部２１１の対向する一端部２１１ａと他端部２１１ｂとが互いに当接していてもよい。また、先に言及したように、一端部２１１ａと他端部２１１ｂとを互いに当接させるために、第１電極シート２００を図５のＥ方向に巻取ることができる。
図７は、本発明の変形された実施例として、段差部５００と突出部６００とを備えた電極組立体を示す図であり、図６と同じ方向から電極組立体を眺めた様子である。
図７を参照すれば、接合部２１１－１の一端部２１１ａ－１には段差部５００が形成され、接合部２１１－１の他端部２１１ｂ－１には段差部５００と噛み合う突出部６００が形成される。
段差部５００と突出部６００は、接合部２１１－１の１回の巻取をより容易に実現するための構成で、突出部６００が、段差部５００の形成する段差に嵌合されるにつれ、接合部２１１－１の１回の巻取を効果的になすことができる。つまり、段差部５００と突出部６００を介して接合部２１１－１が１回超過で巻取られて重畳部分が発生するのを防止することができる。
また、段差部５００と噛み合う突出部６００の位置には制限がないので、図７とは異なり、一端部２１１ａ－１に突出部が形成され、他端部２１１ｂ－１に段差部が形成されてもよい。
図８は、本発明の変形された実施例として、湾入溝７００と湾入溝挿入部８００とを備えた電極組立体を示す図であり、図６と同じ方向から電極組立体を眺めた様子である。
図８を参照すれば、接合部２１１－２の一端部２１１ａ－２には湾入溝７００が形成され、接合部２１１－２の他端部２１１ｂ－２には湾入溝７００に挿入可能な湾入溝挿入部８００が形成される。
湾入溝７００と湾入溝挿入部８００は、接合部２１１－２の１回の巻取をより容易に実現するための構成で、湾入溝挿入部８００が湾入溝７００に挿入されて、接合部２１１－２の１回の巻取を効果的になすことができる。つまり、湾入溝７００と湾入溝挿入部８００を介して接合部２１１－２が１回超過で巻取られて重畳部分が発生するのを防止することができる。
より詳しくは、湾入溝７００と湾入溝挿入部８００は、それぞれ一端部２１１ａ－２と他端部２１１ｂ－２の中央部に位置することができる。言い換えれば、湾入溝７００と湾入溝挿入部８００とも、接合部２１１－２が無地部に接合される面およびそれに対向する面のそれぞれから離隔して位置することができる。
湾入溝７００に湾入溝挿入部８００が挿入されることによって、一端部２１１ａ－２と他端部２１１ｂ－２との間のより強固な締結が可能である。
また、湾入溝７００と湾入溝挿入部８００の位置には制限がないので、図８とは異なり、一端部２１１ａ－２に湾入溝挿入部が形成され、他端部２１１ｂ－２に湾入溝が形成されてもよい。
一方、図４を参照すれば、第１電極タブ２１０の延長部２１２は、無地部２３０の上辺２３１方向に延び、接合部２１１は、無地部２３０の上辺２３１から離隔してもよい。離隔する距離Ｂに特別な制限があるのではないが、２．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることが好ましい。
接合部２１１が無地部２３０の上辺２３１から離隔しなかったり、離隔する距離Ｂが２．０ｍｍ未満であれば、巻取られる第１電極シートにおいて、第１電極タブ２１０がゼリーロール電極組立体の上に延びることがあり、それにより、幅Ｃの広い接合部２１１がゼリーロール電極組立体の外部に露出して短絡（Ｓｈｏｒｔ）などの問題が発生する可能性が急激に高くなる。
図９は、トリミング部９００を備えた電極組立体に関する部分図である。
図９を参照すれば、接合部２１１－３は、無地部２３０に接合された接合部２１１－３の角の少なくとも１つに形成されたトリミング部９００を含むことができる。
本実施例のように、トリミング部９００を形成することによって、巻取時、接合部２１１－３の角によって、電極シートや分離膜などが裂ける問題を防止することができる。
一方、本発明の実施例による二次電池は、前記ゼリーロール電極組立体を収納する電池ケースを含むことができる。前記電池ケースは、円筒形ケース、角型ケースまたはパウチ型ケースであってもよいが、円筒形ケースであることが好ましい。
上述した本実施例による１つまたはそれ以上の二次電池は多様なデバイスに適用可能である。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッドなどの運送手段に適用可能であるが、これに限定されず、二次電池を用いることができる多様なデバイスに適用可能である。
以上、本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の範囲に属する。
１００：電極組立体
２００：第１電極シート
２１０：第１電極タブ
２１１：接合部
２１２：延長部
３００：第２電極シート
４００：分離膜
５００：段差部
６００：突出部
７００：湾入溝
８００：湾入溝挿入部
２００：第１電極シート
２１０：第１電極タブ
２１１：接合部
２１２：延長部
３００：第２電極シート
４００：分離膜
５００：段差部
６００：突出部
７００：湾入溝
８００：湾入溝挿入部
Claims (12)
- 第１電極シートと、第２電極シートと、前記第１電極シートと前記第２電極シートとの間に介在した分離膜とが共に巻取られたゼリーロール電極組立体と、
前記第１電極シートの無地部に接合され、前記ゼリーロール電極組立体の中心部に位置する第１電極タブとを含み、
前記第１電極タブは、前記無地部に接合される接合部と、前記接合部から外部に延びた延長部とを含み、
前記接合部の幅は、前記延長部の幅より広く、
前記接合部は、前記ゼリーロール電極組立体の中心部で３／４回以上１回以下で巻取られ、
前記接合部の一端部が、前記一端部に対向する他端部と当接している二次電池。 - 第１電極シートと、第２電極シートと、前記第１電極シートと前記第２電極シートとの間に介在した分離膜とが共に巻取られたゼリーロール電極組立体と、
前記第１電極シートの無地部に接合され、前記ゼリーロール電極組立体の中心部に位置する第１電極タブとを含み、
前記第１電極タブは、前記無地部に接合される接合部と、前記接合部から外部に延びた延長部とを含み、
前記接合部の幅は、前記延長部の幅より広く、
前記接合部は、前記ゼリーロール電極組立体の中心部で３／４回以上１回以下で巻取られ、
前記延長部は、前記無地部の上辺方向に延び、
前記接合部は、前記無地部の上辺から離隔している二次電池。 - 前記第１電極シートの前記無地部は、前記第１電極シートの一端部に形成される、請求項１または２に記載の二次電池。
- 前記第１電極シートは、前記第１電極シートを基準として、前記第１電極タブが位置した方向に巻取られる、請求項１から３のいずれか一項に記載の二次電池。
- 前記接合部は、前記ゼリーロール電極組立体の中心部で１回で巻取られる、請求項１から４のいずれか一項に記載の二次電池。
- 前記接合部の前記一端部に段差部が形成され、
前記接合部の前記他端部に前記段差部と噛み合う突出部が形成された、請求項１に記載の二次電池。 - 前記接合部の前記一端部に湾入溝が形成され、
前記接合部の前記他端部に前記湾入溝に挿入される湾入溝挿入部が形成された、請求項１に記載の二次電池。 - 前記湾入溝と前記湾入溝挿入部は、前記接合部が前記無地部に接合される面およびそれに対向する面のそれぞれから離隔している、請求項７に記載の二次電池。
- 前記接合部は、前記接合部の角の少なくとも１つに形成されたトリミング部を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の二次電池。
- 前記延長部は、前記無地部の上辺方向に延び、
前記接合部は、前記無地部の上辺から離隔している、請求項１から９のいずれか一項に記載の二次電池。 - 前記ゼリーロール電極組立体は、平面上円形の形態に巻取られる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の二次電池。
- 請求項１から１１のいずれか一項に記載の二次電池を１つ以上含むデバイス。
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