JP7391461B2 - 二次電池用電極 - Google Patents

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Description

［関連出願との相互引用］
本出願は２０２０年４月１６日付韓国特許出願第１０－２０２０－００４５９０７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。
本発明は二次電池用電極に関し、より具体的には電極タブが付着する電極集電体端部の剛性を向上させる二次電池用電極に関する。
モバイル機器に対する技術開発と需要増加に伴いエネルギ源としての二次電池の需要が急激に増加している。特に、二次電池は携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン、ウェアラブルデバイスなどのモバイル機器だけでなく、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの動力装置に対するエネルギ源としても多くの関心を集めている。
二次電池は正極、負極および分離膜からなる電極組立体をケースに挿入した後に密封して形成することができる。正極または負極（以下「電極板」という）は、正極導電集電体または負極導電集電体にそれぞれ活物質スラリーを一定の厚さでコートしたものであり、前記正極導電集電体と前記負極導電集電体の間には分離膜が介在するようにしてジェリーロール形態で多数回巻き取ったり複数層に積層して電極組立体を形成することができる。
電極板は活物質スラリーがコートされた活物質層とコートされていない無地部で形成されることができる。前記活物質層は電極集電体と接着性が増加し、活物質容量密度が増加するように圧延工程が含まれ得る。前記圧延された電極板は乾燥後に一定の幅のカッターを通過して所定の大きさで切断して使用できる。
従来の二次電池は高温で分離膜の収縮によって正極集電体と負極がおよび／または負極集電体と正極が互いに当接して短絡を起こす問題を解決するために、それぞれの電極板で前記無地部に絶縁部材をコートした。
図１は従来の電極の一部を拡大して概略的に示す図である。図２および図３は図１の切断線Ａ－Ａ’を沿って切断した断面図である。図３は図２の電極の一部が折れたり曲がった構造を示す図面であり、図３（ａ）は図２の断面図で電極の一部が折れた構造を示す図面であり、図３（ｂ）は図２の断面図で電極の一部が曲がった構造を示す図である。
図１および図２を参照すると、電極１は集電体１０上に活物質がコートされている活物質層２０を含み、集電体１０上に活物質層２０の端部と対応する境界に絶縁物質がコートされている絶縁層３０を含むことができる。この時、絶縁層３０は活物質層２０の端部が位置した境界面と隣接するように位置し得て、絶縁コート液の種類によって絶縁層３０が活物質層２０の端部と重なる領域ができるように位置し得る。
図３を参照すると、図１および図２で説明した電極１は集電体１０上に活物質層２０および絶縁層３０がコートされていない露出領域が集電体の端部に隣接するように形成されることができ、露出領域は電極１が後続工程が進行されることにより走行ローラを通過する際に折れたり曲がったりする問題が発生し得る。また、集電体１０上に活物質層２０がおよび絶縁層３０がコートされていない露出領域は、後の工程により電極タブ（図示せず）が溶接などの方法により付着し得て、その後工程で走行ローラを通過する際に折れたり曲がったりする問題が発生した露出領域に付着した電極タブは容易に折れたり断線する可能性が高くなり、不良率が上がり生産性が低くなる。
本発明が解決しようとする課題は、電極タブが付着する電極集電体の部分の剛性を向上させる二次電池用電極を提供することにある。
本発明が解決しようとする課題は、上述した課題に制限されるものではなく、言及されていない課題は本明細書および添付する図面から本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されることができる。
本発明の一実施形態による二次電池用電極は、第１境界で区切られる第１領域および第２領域を含み、前記第２領域の少なくとも一部の領域が露出している電極集電体；前記電極集電体の前記第１領域に位置し、活物質を含む第１コート層；および前記電極集電体の前記第２領域に位置し、絶縁材を含む第２コート層を含み、前記第２コート層は第１ライン部を含み、前記第１ライン部は前記第１境界と対応するように位置し、前記第２コート層は所定のパターンを有する少なくとも一つ以上の第２ライン部をさらに含み、前記第２ライン部は前記第１境界と対応して前記第１ライン部と所定の間隔で離隔している。
また、前記第１境界は前記電極集電体の一端部と所定の距離で離隔している前記第１コート層の一端部と対応し得る。
また、前記第１ライン部および前記少なくとも一つ以上の第２ライン部は互いに同じ間隔で離隔していてもよい。
また、前記少なくとも一つ以上の第２ライン部は前記第１ライン部と同じパターンを有し得る。
また、前記少なくとも一つ以上の第２ライン部は前記第１ライン部と異なるパターンを有し、前記第２ライン部の一端および他端を連結した線が前記第１境界と垂直な第２境界と平行であり得る。
また、前記第２領域のうち少なくとも一部の領域に電極タブが付着し得る。
また、前記第１ライン部および前記少なくとも二つ以上の第２ライン部の間に露出している領域に電極タブが付着し得る。
また、前記第２コート層は前記第１コート層の高さより低いかまたは同一である高さを有し得る。
また、前記第２コート層は少なくとも一つ以上の第３ライン部をさらに含み、前記少なくとも一つ以上の第３ライン部は前記第１境界と垂直な第２境界と対応して所定の間隔で離隔していてもよい。
また、前記少なくとも一つ以上の第３ライン部は互いに同じ間隔で離隔していてもよい。
また、前記少なくとも一つ以上の第３ライン部は前記第１ライン部と同じパターンを有し得る。
また、前記少なくとも一つ以上の第３ライン部は前記第１ライン部と異なるパターンを有し、前記第３ライン部の一端および他端を連結した線が前記第１境界と垂直な第２境界と平行であり得る。
また、前記少なくとも一つ以上の第２ライン部と前記少なくとも一つ以上の第３ライン部が互いに異なる厚さを有し得る。
実施形態によれば、電極集電体で活物質がコートされていない露出領域に所定のパターンを有する絶縁層がコートされることによって、絶縁層が有するパターンによって電極集電体の露出領域の剛性が増加することができる。前記露出領域は電極タブが付着する部分であり、電極工程中に電極タブが曲がったり折れたりすることによる断線を防止して不良率が低くなり生産性が高くなる。
本発明の効果は、上述した効果に制限されるものではなく、言及されていない効果は本明細書および添付する図面から本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されることができる。
従来の電極の一部を拡大して概略的に示す図である。 図１の切断線Ａ－Ａ’を沿って切断した断面図である。 図１の切断線Ａ－Ａ’を沿って切断した断面図であり、図２の電極の一部が折れたり曲がった構造を示す図である。 本発明の一実施形態による二次電池用電極を示す平面図である。 図４の切断線Ｂ－Ｂ’を沿って切断した断面図である。 本発明の他の一実施形態による二次電池用電極を示す平面図である。 図６の切断線Ｃ－Ｃ’を沿って切断した断面図である。 図６の切断線Ｄ－Ｄ’を沿って切断した断面図である。
以下、添付する図面を参照して本発明の様々な実施形態について本発明が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細に説明する。本発明は様々な異なる形態で実現することができ、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、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素に対しては同じ参照符号を付ける。
また、図面に示す各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜上任意に示したので、本発明は必ずしも示されたところに限定されない。図面で複数の層および領域を明確に表現するために厚さを誇張して示した。そして図面で、説明の便宜上、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。
また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」というとき、これは特に反対の意味を示す記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。
また、明細書全体で、「平面上」という時、これは対象部分を上から見た時を意味し、「断面上」という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を横から見た時を意味する。
以下では、本発明の一実施形態による二次電池用電極について説明する。ただし、ここで電極は集電体の上下面のうち上面を基準として説明するが、必ずしもこれに限定されるものではなく、下面である場合にも同一または類似の内容で説明され得る。
図４は本発明の一実施形態による二次電池用電極を示す平面図である。図５は図４の切断線Ｂ－Ｂ’を沿って切断した断面図である。
図４および図５を参照すると、本実施形態による二次電池用電極１００は電極集電体１１０、活物質層１２０、および絶縁層１３０を含む。電極集電体１１０は活物質層１２０が形成された第１領域と、活物質層１２０で覆われていない第２領域を含む。活物質層１２０は電極集電体１１０上に電極スラリーをコートすることにより形成される。絶縁層１３０は電極集電体１１０で活物質層１２０がコートされていない露出領域に形成されることができる。この時、絶縁層１３０は活物質層１２０が形成されていない領域に絶縁液をコートして形成されることができる。
電極１００の端部は後続工程で電極タブを付着するために所定の大きさおよび形状などに切削することができ、特に図４および図５に示すように電極集電体１１０上で絶縁層１３０が位置した端部（Ａで表した位置）が所定の大きさおよび形状などに切削することができる。ただし、図４および図５に示す大きさおよび形状は例示的なものに過ぎず、電極タブを付着するのに適した他の大きさおよび形状などを適用することもできる。
以下では本出願の一実施形態による二次電池用電極１００の各構成について詳細に説明する。ただし、ここで電極１００は正極である場合を基準として説明するが、必ずしもこれに限定されるものではなく、負極である場合にも同一または類似の内容で説明され得る。
本発明の一実施形態による活物質層１２０は電極集電体１１０上で電極スラリーがコートされることにより形成されることができる。活物質層１２０は電極集電体１１０が露出する領域を有するように電極集電体１１０の一領域上で電極スラリーがコートされることにより形成されることができる。活物質層１２０は電極集電体１１０で一端部と平行な第１境界Ｂ１で区切られる領域のうち一領域上で電極スラリーがコートされることにより形成されることができ、電極スラリーがコートされていない領域は電極集電体１１０が露出する領域であり得る。電極集電体１１０は電極スラリーがコートされていない露出領域を有し、露出領域は電極タブが形成される部位である無地部１１５を含むことができる。
本実施形態による絶縁層１３０は電極集電体１１０上で電極スラリーがコートされていない領域であって、電極集電体１１０が露出した領域のうち一部に対して絶縁液がコートされた領域であり得る。また、絶縁層１３０は電極集電体１１０が露出した領域で活物質層１２０と隣接する位置に絶縁液がコートされた領域であり得る。
本実施形態によれば、絶縁層１３０は少なくとも２個のライン部１３１，１３５を含む。図４および図５に示すように、第１ライン部１３１と第２ライン部１３５は電極集電体１１０が露出した領域のうち一部に対して絶縁液が所定のラインに沿ってコートされた部分であり得る。また、電極集電体１１０の露出した領域のうち一部に対して絶縁液がコートされていない領域は電極タブが形成される部位である無地部１１５を含むことができる。
第１ライン部１３１は活物質層１２０の一端部と隣接して配置される。この時、第１ライン部１３１は活物質層１２０の一端部と接触したり所定距離離隔して配置されるように絶縁液がコートされて形成された部分であり得る。
第２ライン部１３５は第１ライン部１３１から離隔して配置される。第２ライン部１３５は第１ライン部１３１と平行に伸びる構造を有することができる。図４および図５で説明する実施形態で第１ライン部１３１と第２ライン部１３５は直線形態のライン部で示しているが、これに限定されず、第１ライン部１３１と第２ライン部１３５は所定のパターンを有することができる。一例として、所定のパターンは曲線、斜線、破線、点線などであり得る。
変形実施形態として、第１ライン部１３１と第２ライン部１３５は互いに異なるパターンを有することができる。この時、第２ライン部１３５の一端および他端を連結した線は第１ライン部１３１と平行であり得る。また、第２ライン部１３５は第１ライン部１３１と同一または異なる厚さを有するようにコートされた領域であり得る。
また、絶縁層１３０に含まれる第１ライン部１３１および第２ライン部１３５はそれぞれ活物質層１２０に対して同一または低い高さを有するようにコートされた領域であり得る。絶縁層１３０に含まれる第１ライン部１３１および第２ライン部１３５は同じ高さを有し、活物質層１２０と同一またはこれより低い高さを有するようにコートされた領域であり得る。絶縁層１３０が活物質層１２０に比べて高い高さを有すると、絶縁層１３０または絶縁層１３０と活物質層１２０が重なった部分が突出し得て、最終セル外観に影響を及ぼし得て、電極集電体１１０で電極スラリーがコートされていない露出領域が曲がったり折れたりする問題が発生し得る。
したがって、本実施形態による電極１００は絶縁層１３０が活物質層１２０と最隣接した第１ライン部１３１だけでなく、第２ライン部１３５をさらに含むことにより、電極集電体１１０で電極スラリーがコートされていない露出領域の剛性が高くなる。したがって、電極集電体１１０で電極スラリーがコートされていない露出領域が容易に曲がったり折れない。また、本実施形態によれば、従来の電極に比べて無地部１１５の領域が減らすことができ、電極集電体１１０で電極スラリーがコートされていない露出領域に含まれた無地部１１５に電極タブが形成されても容易に曲がったり折れない。すなわち、これにより、本発明の一実施形態による電極１００は絶縁層１３０が有する基本的な効果である短絡防止とともに断線を防止して電池の寿命向上とともに生産性を高める複合的な効果を期待することができる。
絶縁層１３０にコートされる絶縁液は非導電物質であり、絶縁層１３０は絶縁液がコートおよび乾燥されて形成される。ただし、前記絶縁液は本実施形態による電極を使用した二次電池に化学的変化を誘発せず、かつ非導電物質であれば特に制限されない。一例として、第１ライン部１３１および第２ライン部１３５は非導電物質を含み、互いに同一または異なる非導電物質を含むことができる。また、絶縁液と電極スラリーを形成する物質が拡散によって混合される程度を減らすために絶縁液の粘度が調節されることができる。一例として、第１ライン部１３１および第２ライン部１３５は同じ粘度の絶縁液でコートされたものであり得る。また、第１ライン部１３１は電極スラリーでコートされた活物質層１２０と隣接するように位置して粘度が高く調節されることができ、これに比べて第２ライン部１３５は粘度が低く調節されることができる。また、絶縁層１３０は二次電池が高温で使用されることにより発生する分離膜の収縮によって電極集電体１１０と異なる極性を有する電極が当接して短絡を起こすことを防止することができる。また、絶縁層１３０は上記のような短絡防止により電池セルの安全性を高めることができる。
以下では本発明の他の一実施形態による電極製造方法を説明する。
図４および図５を参照すると、本実施形態による電極製造方法は、電極集電体１１０をローリングしながら、電極集電体１１０に電極スラリーをコートして活物質層１２０を形成する段階を含むことができる。活物質層１２０を形成する段階は電極スラリーを乾燥させる段階を含むことができる。また、電極集電体１１０で電極スラリーがコートされていない露出領域に絶縁液をコートして絶縁層１３０を形成する段階を含むことができる。絶縁層１３０を形成する段階は活物質層１２０の電極スラリーが完全に乾燥された後に行われ得る。また、絶縁層１３０を形成する段階は絶縁液を乾燥させる段階を含むことができる。
図６は本発明の他の一実施形態による二次電池用電極を示す平面図である。図７は図６の切断線Ｃ－Ｃ’を沿って切断した断面図である。図８は図６の切断線Ｄ－Ｄ’を沿って切断した断面図である。ただし、図４および図５で説明した内容と一部重複する内容があり、異なる特徴を中心に詳細に説明する。
本実施形態による二次電池用電極２００は電極集電体２１０、活物質層２２０、および絶縁層２３０を含む。電極集電体２１０および活物質層２２０の説明は上述した内容と同一であるため、以下では省略する。また、電極集電体２１０の露出した領域のうち一部に対して絶縁液がコートされていない領域は電極タブが形成される部位である無地部２１５を含むことができる。無地部２１５は活物質層２２０から遠くなる方向に位置する絶縁層２３０の端部から外れる電極集電体２１０露出領域であり得る。
また、絶縁層１３０は少なくとも一つ以上のライン部を含み、電極集電体１１０の露出した領域のうち一部に対して絶縁液が所定のパターンを有するようにコートされた領域であり得る。
本実施形態による絶縁層２３０は少なくとも２個のライン部を含み、前記ライン部は第１ライン部２３１、第２ライン部２３５を含み得て、追加的に第３ライン部２３９を含むことができる。第１ライン部２３１および第２ライン部２３５に係る説明は上述した内容と同一であるため、以下では省略する。
第３ライン部２３９は第１ライン部２３１および／または第２ライン部２３５に交差する方向に延びる少なくとも一つ以上のライン部を含むことができる。第３ライン部２３９は第１ライン部２３１および／または第２ライン部２３５に交差する方向に延びる少なくとも二つ以上のライン部を含み得て、前記少なくとも二つ以上のライン部は所定の間隔で互いに離隔することができる。第３ライン部２３９は第１ライン部２３１または第２ライン部２３５と同じパターンを有することができる。
また、第３ライン部２３９は第１ライン部２３１および／または第２ライン部２３５に交差する方向に延びる少なくとも一つ以上のライン部を含み、少なくとも二つ以上のライン部は所定のパターンを有することができる。一例として、所定のパターンは直線、曲線、斜線、破線、点線などであり得る。図６ないし図８では説明の便宜上、所定のパターンを直線で表示した。一例として、第１ライン部２３１、第２ライン部２３５および第３ライン部２３９は電極集電体２１０の露出領域上で所定のパターンにより格子模様を形成することができる。また、第３ライン部２３９が第１ライン部２３１および／または第２ライン部２３５と異なるパターンを有する場合、第３ライン部２３９の一端および他端を連結した線は第１ライン部２３１および／または第２ライン部２３５と垂直であり得る。また、第３ライン部２３９は第１ライン部２３１および／または第２ライン部２３５と同一または異なる厚さを有するようにコートされた領域であり得る。
また、絶縁層２３０に含まれる第３ライン部２３９はそれぞれ活物質層２２０に比べて同一または低い高さを有するようにコートされた領域であり得る。絶縁層２３０に含まれる第１ライン部２３１、第２ライン部２３５、および第３ライン部２３９は同じ高さを有し、前記活物質層２２０に比べて同一または低い高さを有するようにコートされた領域であり得る。絶縁層２３０が活物質層２２０に比べて高い高さを有すると、絶縁層２３０または絶縁層２３０と活物質層２２０が重なった部分が突出し得て、最終セル外観に影響を及ぼし得て、電極集電体で電極スラリーがコートされていない露出領域が曲がったり折れたりする問題が発生し得る。
また、絶縁層２３０にコートされる絶縁液は非導電物質であり、絶縁層２３０は絶縁液がコートおよび乾燥されて形成される。ただし、前記絶縁液は本実施形態による電極を使用した電池に化学的変化を誘発せず、かつ非導電物質であれば特に制限されない。一例として、第１ライン部２３１、第２ライン部２３５および第３ライン部２３９は非導電物質を含み、互いに同一または互いに異なる非導電物質を含むことができる。また、絶縁液と電極スラリーを形成する物質が拡散によって混合される程度を減らすために絶縁液の粘度が調節されることができる。一例として、第１ライン部２３１ないし第３ライン部２３９は同じ粘度の絶縁液でコートされたものであり得る。また、第１ライン部２３１は電極スラリーでコートされた活物質層２２０と隣接するように位置して粘度が高く調節されることができ、これに比べて第２ライン部２３５および第３ライン部２３９は粘度が低く調節されることができる。
したがって、本実施形態による電極２００は、絶縁層２３０が活物質層２２０と隣接する第１ライン部２３１だけでなく、第２ライン部２３５および第３ライン部２３９をさらに含むことにより、電極集電体２１０で電極スラリーがコートされていない露出領域の剛性が高くなる。また、本出願の一実施形態による電極２００は絶縁層２３０が活物質層２２０と隣接する第１ライン部２３１だけでなく、第２ライン部２３５および第３ライン部２３９をさらに含むことにより、電極集電体２１０で電極スラリーがコートされていない露出領域が容易に曲がったり折れない。また、本出願の一実施形態による電極２００は絶縁層１３０が活物質層２２０と隣接する第１ライン部２３１だけでなく、第２ライン部２３５および第３ライン部２３９をさらに含むことにより従来の電極に比べて無地部２１５の領域が減らすことができ、電極集電体２１０で電極スラリーがコートされていない露出領域に電極タブが形成されても容易に曲がったり折れない。すなわち、これにより、本出願の一実施形態による電極２００は絶縁層２３０が有する基本的な効果である短絡防止とともに断線を防止して電池の寿命を高める複合的な効果を期待することができる。また、これにより、本出願の一実施形態による電極２００は以後工程で発生し得る断線のような不良を減らすことにより生産性が高くなる。
変形実施形態として、第１ライン部２３１と第２ライン部２３５のうち一つを省略することができる。この時、第１ライン部２３１と第２ライン部２３５のうち一つのライン部と第３ライン部２３９は同様に格子模様を形成することができる。
以上で説明した差異点の他に図４および図５を参照して説明した内容は本実施形態にすべて適用可能である。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、次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権利範囲に属する。
１００ 電極
１１０，２１０ 電極集電体
１２０，２２０ 活物質層
１３０，２３０ 絶縁層

Claims (11)

  1. 活物質層が形成されている第１領域と活物質層が形成されていない第２領域を含む電極集電体、
    前記電極集電体の第１領域上に位置する活物質層、および
    前記電極集電体の第２領域上に位置する絶縁層を含み、
    前記絶縁層は、前記活物質層に接触し、前記第１領域と前記第２領域が並ぶ方向に対して交差する方向に延在する第１ライン部と、前記第１ライン部と所定の間隔で離隔し、前記第１領域と前記第２領域が並ぶ方向に対して交差する方向に延在する第２ライン部を少なくとも含む、二次電池用電極。
  2. 活物質層が形成されている第１領域と活物質層が形成されていない第２領域を含む電極集電体、
    前記電極集電体の第１領域上に位置する活物質層、および
    前記電極集電体の第２領域上に位置する絶縁層を含み、
    前記絶縁層は、前記第１領域と前記第２領域が並ぶ方向に対して交差する方向に延在する第１ライン部と、前記第１ライン部と所定の間隔で離隔し、前記第１領域と前記第２領域が並ぶ方向に対して交差する方向に延在する第２ライン部を少なくとも含み、
    前記第１ライン部と前記第２ライン部は互いに異なるパターンを有する、二次電池用電極。
  3. 前記第２ライン部は前記第１ライン部と同じパターンを有する、請求項１または２に記載の二次電池用電極。
  4. 前記第１ライン部と前記第２ライン部は互いに異なるパターンを有し、
    前記第２ライン部が延在する方向は前記第１ライン部が延在する方向と平行である、請求項１または２に記載の二次電池用電極。
  5. 前記第２領域のうち少なくとも一部の領域に電極タブが付着する、請求項１から４のいずれか一項に記載の二次電池用電極。
  6. 前記絶縁層は前記活物質層に対して同一または低い高さを有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の二次電池用電極。
  7. 前記絶縁層は少なくとも一つの第３ライン部をさらに含み、
    前記第３ライン部は前記第１ライン部および前記第２ライン部と交差する、請求項１から６のいずれか一項に記載の二次電池用電極。
  8. 前記少なくとも一つの第３ライン部は、所定の間隔で離隔している少なくとも二つのライン部を含む、請求項７に記載の二次電池用電極。
  9. 前記第３ライン部は前記第１ライン部と同じパターンを有する、請求項７または８に記載の二次電池用電極。
  10. 前記第３ライン部は前記第１ライン部と異なるパターンを有し、
    前記第３ライン部の一端および他端を連結した線が、前記第１領域と前記第２領域を区切る第１境界と垂直な第２境界と平行である、請求項７または８に記載の二次電池用電極。
  11. 前記第２ライン部と前記第３ライン部が互いに異なる厚さを有する、請求項７から１０のいずれか一項に記載の二次電池用電極。
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