JP7428308B2 - 二次電池の製造方法 - Google Patents

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Description

関連出願との相互引用
本出願は2021年1月20日付韓国特許出願第10-2021-0008179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。
本発明は二次電池の製造方法に関するものであって、より具体的には、ジェリーロール電極組立体を含む二次電池の製造方法に関するものである。
近来、ノートパソコン、ビデオカメラ、携帯用電話機などのような携帯用電子製品の需要が急激に増大し、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化するにつれて、その駆動電源として使用される二次電池について多くの研究が行われている。
二次電池には例えば、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがある。これらのうち、リチウム二次電池はニッケル系列の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらなくて充放電が自由で、自己放電率が非常に低く作動電圧が高く単位重量当りエネルギー密度が高いという長所のため、先端電子機器分野で広く使用されている。
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金属缶に内装されている円筒型電池、電極組立体が角型の金属缶に内装されている角型電池、および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に分類される。そのうちの円筒型電池は相対的に容量が大きくて構造的に安定するという長所を有する。
電池ケースに内蔵される前記電極組立体は正極、分離膜、負極の積層構造からなる充放電の可能な発電素子であって、ジェリーロール型、スタック型、およびスタック/フォールディング型に分類される。ジェリーロール型は活物質が塗布された長いシート型の正極と負極の間に分離膜を介在させて巻き取った形態であり、スタック型は所定の大きさの複数の正極と負極を分離膜が介された状態で順次に積層した形態であり、スタック/フォールディング型はジェリーロール型とスタック型の複合構造である。そのうちのジェリーロール型電極組立体は製造が容易であり重量当りエネルギー密度が高い長所を有している。
図1は、従来の円筒型二次電池に対する分解斜視図である。
図1を参照すれば、円筒型二次電池10は、ジェリーロール形態の電極組立体20を円筒形の電池ケース30に収納し、電池ケース30内に電解液を注入した後に、電池ケース30上端にキャップ組立体70を結合して製造することができる。
キャップ組立体70は、正極端子を形成する上端キャップ71および上端キャップ71と密着するキャッププレート72を含むことができる。キャップ組立体70と電池ケース30間にクリンピング結合が行われることによって、二次電池10が密封される。この時、キャップ組立体70と電池ケース30の間には密封性向上のためのガスケット80を配置することができる。
この時、電極組立体20に含まれている電極シートの電極集電体を電極組立体20の外周面に露出させることができる。露出された電極集電体を電池ケース30内壁に接触させることによって、電極タップ以外に電子の移動経路を確保することができ、二次電池の抵抗を低めることができる。また、電極集電体が電池ケース30内壁に直ちに接触することによって放熱性能が向上する。
但し、ジェリーロール形態の電極組立体の場合、解かれ防止のためにその外周面にシーリングテープ50が付着されることが一般的である。前述の電極集電体と電池ケース30間の接触を案内するためにシーリングテープ50を電極組立体20の外周面全体でない一部にのみ付着するが、シーリングテープ50の存在自体は前述の抵抗減少や放熱性能において、妨害要因になるしかない。
本発明が解決しようとする課題は、電極集電体と電池ケースの内壁の接触面積を拡大することができる二次電池の製造方法を提供することである。
しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は上述の課題に限定されず、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することができる。
本発明の一実施形態による二次電池の製造方法は、第1電極、第2電極および分離膜を共に巻き取ってジェリーロール形態の電極組立体を製造する段階;前記電極組立体の最外側エッジ部を覆うようにテープを付着する段階;前記電極組立体を上部が開放された電池ケースに収納する段階;および前記電極組立体に付着された前記テープを前記電極組立体から除去する段階を含む。前記テープは、前記電極組立体に付着された第1部分、および前記第1部分から前記電極組立体の上部方向に延長された第2部分を含む。前記テープを除去する段階で、前記第2部分を引っ張って前記テープを除去する。
前記テープは、前記電極組立体の高さ方向に沿って延長されて、前記電極組立体の前記最外側エッジ部を覆うことができる。
前記第1電極は、第1電極集電体、および前記第1電極集電体上に電極活物質が塗布されて形成された第1活物質層を含むことができ、前記第1電極集電体は、前記電極組立体の外周面に露出される露出部を含むことができる。
前記テープを除去する段階で、前記テープが除去されるにつれて前記電極組立体が前記電池ケース内で解かれ、前記露出部が前記電池ケースの内壁と接触することになる。
前記テープの前記第2部分は、前記電極組立体より上部方向に延長されて露出されてもよい。
前記第2部分は、接着性がない部分であってもよい。
前記第2部分は、接着性のある部分同士が対向するように畳んだ状態であってもよい。
前記テープは、前記第1部分と前記第2部分の間に曲がる部分であるベンディング部を含むことができる。
前記ベンディング部は、前記第1部分と前記第2部分それぞれの下側辺に形成することができる。
前記テープを除去する段階で、前記第2部分を上部方向に引っ張って前記テープを除去することができる。
前記第1部分で、接着性のある部分は前記電極組立体に向かう面に配置され、前記第2部分で、接着性のある部分は前記電極組立体と対向する面に配置されてもよい。
前記電池ケースは、円筒形ケースであってもよい。
本発明の実施形態によれば、電極組立体の外周面に付着されたテープを容易に除去することができる構造に形成し、電極組立体が電池ケース内部に収納された状態で前記テープを除去することによって、電極組立体の外周面に露出された電極集電体と電池ケースの内壁間の接触面積を極大化させることができる。
本発明の効果は以上で言及した効果で制限されず、言及されていないまた他の効果は請求範囲の記載から当業者に明確に理解できるはずである。
従来の円筒型二次電池に対する分解斜視図である。 本発明の一実施形態による電極組立体が巻き取られる前、分解された様子を示す分解斜視図である。 図2の電極組立体が巻き取られた様子を示す斜視図である。 図3の電極組立体の外周面にテープが付着された様子を示す斜視図である。 図4の電極組立体を電池ケースに収納する様子を示す斜視図である。 本発明の一実施形態により電極組立体からテープを除去する段階を示す斜視図である。 図6の切断線A-A'に沿って切断した断面を示す断面図である。 本発明の一実施形態による電極組立体を含む二次電池と従来の電極組立体を含む二次電池の抵抗特性を比較したグラフである。 本発明の他の一実施形態によるテープの上部を示す部分図である。 本発明の変形された一実施形態によるテープと電極組立体を示す斜視図である。 図10のテープと電極組立体を示す平面図である。 キャップ組立体が結合された二次電池を示す斜視図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の様々な実施形態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することができるように詳しく説明する。本発明は様々な異なる形態に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な参照符号を付けるようにする。
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されたところに限定されない。図面で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、一部層および領域の厚さを誇張して示した。
また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分"の上に"または"上に"あるという時、これは他の部分"の直上に"ある場合だけでなく、その中間にまた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"あるという時には中間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"または"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、必ずしも重力反対方向に向かって"の上に"または"上に"位置することを意味するのではない。
また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を"含む"という時、これは特に反対に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含むことができるのを意味する。
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。
図2は、本発明の一実施形態による電極組立体が巻き取られる前、分解された様子を示す分解斜視図である。図3は、図2の電極組立体が巻き取られた様子を示す斜視図である。図4は、図3の電極組立体の外周面にテープが付着された様子を示す斜視図である。
図2~図4を参照すれば、本発明の一実施形態による二次電池の製造方法は、第1電極210、第2電極220、および分離膜230、240を共に巻き取ってジェリーロール形態の電極組立体200を製造する段階、および電極組立体200の最外側エッジ部211EDを覆うようにテープ500を付着する段階を含む。
具体的に、第1電極210、第2電極220、および分離膜230を共に巻き取ってジェリーロール形態の電極組立体200を製造することができる。分離膜230は、第1電極210と第2電極220の間に介される。同時に、ジェリーロール形態に巻き取られた時、第1電極210と第2電極220が互いに接することを防止するために第2電極220の下に分離膜240が追加配置されるのが好ましい。
第1電極210は、第1電極集電体211、および第1電極集電体211上に電極活物質が塗布されて形成された第1活物質層212を含むことができる。具体的に、第1電極集電体211上に電極活物質が塗布されて第1活物質層212が形成され、第1電極集電体211の中の電極活物質が塗布されなくて第1電極集電体211が露出される部分に第1電極タップ213を溶接などの方法で付着することができる。ここで、第1電極タップ213は第1電極210の一端部に位置したものと示されているが、その位置に特別な制限はなく、第1電極210の中央部に位置することも可能である。
第2電極220は、第2電極集電体221、および第2電極集電体221上に電極活物質が塗布されて形成された第2活物質層222を含むことができる。具体的に、第2電極集電体221上に電極活物質が塗布されて第2活物質層222が形成され、第2電極集電体221の中の電極活物質が塗布されなくて第2電極集電体221が露出される部分に第2電極タップ223を溶接などの方法で付着することができる。ここで、第2電極タップ223は第2電極220の中央部に位置したものと示されているが、その位置に特別な制限はなく、第2電極220の一端部に位置することも可能である。
一方、第1電極集電体211は、電極組立体200の外周面に露出される露出部211Eを含む。即ち、露出部211Eは第1電極タップ213の付着と関係なく第1電極集電体211が露出された部分であってもよい。図2に示されているように、第1電極タップ213が付着された部分と離隔されている第1電極210の他端部に露出部211Eを配置することができる。図2の電極組立体200が巻き取られた時、図3に示されているように電極組立体200の外周面に露出部211Eが露出される。電極組立体200の外周面にテープ500を付着することができる。本実施形態によるテープ500は電極組立体200の高さ方向d1に沿って延長されて、露出部211Eの最外側エッジ部211EDを覆うことができる。説明の便宜のために、図3はテープが付着される前の様子を示し、図4はテープが付着された後の様子を示した。
ここで、電極組立体200の外周面は、巻取られた円柱形態の電極組立体200に対して外側曲面部分を意味する。電極組立体200の高さ方向d1は、電極組立体200を基準にして電極タップ213、223が突出される方向(z軸方向および-z軸方向)を意味する。露出部211Eの最外側エッジ部211EDは、第1電極210が巻き取られることにおいて、最後に巻き取られる一端部を意味する。
第1電極集電体211が一側に延長されて露出部211Eを形成し、延長された分だけ露出部211Eがさらに巻き取られることによって、電極組立体200の外周面の少なくとも一部に露出部211Eを形成することができる。
図5は、図4の電極組立体を電池ケースに収納する様子を示す斜視図である。
図4および図5を参照すれば、本実施形態による二次電池の製造方法は、電極組立体200を上部が開放された電池ケース300に収納する段階を含む。電池ケース300は電解液が含浸された電極組立体200を収納する構造物であって、金属素材を含むことができ、円筒形ケースであってもよい。
テープ500が巻き取られたジェリーロール形態の電極組立体200の最外側エッジ部211EDを覆っているため、電極組立体200を移動させるか電池ケース300に収納する製造工程で巻取られた電極組立体200が解かれるのを防止することができる。電極組立体200の解かれ防止のためにテープ500は、前述のとおり、電極組立体200の巻取り方向d2でない高さ方向d1に沿ってつながるのが好ましい。
図6は、本発明の一実施形態によって電極組立体からテープを除去する段階を示す斜視図である。
図4~図6を参照すれば、本実施形態による二次電池の製造方法は、電極組立体200に付着されたテープ500を電極組立体200から除去する段階を含む。具体的に、電極組立体200が電池ケース300に収納された状態で電極組立体200の外周面に付着されたテープ500を除去することができる。
この時、本実施形態によるテープ500は、図4に示されているように、電極組立体200に付着された第1部分510および第1部分510から電極組立体200の上部方向に延長された第2部分520を含むことができる。
前記テープ500を除去する段階で、テープ500の第2部分520を引っ張ってテープ500を電極組立体200から除去する。即ち、テープ500除去の便宜のためにテープ500の第2部分520は、電極組立体200より上部方向に延長されて露出されてもよい。また、第1部分510は電極組立体200の外周面に付着される部分であって接着性を有する部分であるが、本実施形態による第2部分520は接着性がない部分であってもよい。第2部分520は電極組立体200をはじめとする他の構成に接着されてはいけないため、工程便宜上、第2部分520は接着性がないのが好ましい。
また、テープ500の第1部分510は、テープ500の容易な除去のために多少低い接着力を有するのが好ましい。
図7は、図6の切断線A-A'に沿って切断した断面を示す断面図である。この時、図7は、図6でテープ500が除去された以後の様子を示した。
図3、図4、図6および図7を共に参照すれば、前記テープ500を除去する段階で、テープ500が除去されるにつれて電極組立体200が電池ケース300内で解かれ、露出部211Eが電池ケース300の内壁と接触することになる。即ち、テープ500を除去するために引っ張り、引っ張る力によって電池ケース300内部で巻取られた電極組立体200が自然に解かれるようになる。これにより、電極組立体200の外周面に露出される露出部211Eが電池ケース300の内壁と接触することになる。テープ500が完全に除去されるので、露出部211Eは電池ケース300の内壁と広い面積で接触することになる。
具体的に図示していないが、電極組立体200から突出した第1電極タップ213は電池ケース300の底と接合されて、電池ケース300が外部回路との接続のための電極端子の機能を果たすことができる。この時、露出部211Eと電池ケース300内壁間接触によって第1電極タップ213以外に追加的な電子の移動経路を確保することができる。追加的な電子移動経路確保によって二次電池100の抵抗を低めることができ、これにより、本実施形態による二次電池は寿命と効率が向上できる。
また、二次電池の充電と放電が繰り返されることによって二次電池の電極組立体200は熱が発生する。電極組立体200の露出部211Eが電池ケース300と直接接触しているため、外部への熱発散が容易になって放熱性能が向上できる。
図1に示した従来の二次電池10の場合、電極組立体20の外周面にシーリングテープ50が付着された状態で電極組立体20が電池ケース30に収納されキャップ組立体70によって密封される。電極組立体20の外周面に電極集電体を露出させるとしても、電極組立体20の外周面に付着されたシーリングテープ50によって前記電極集電体と電池ケース間の接触に制限があるしかない。従って、本発明の一実施形態によって製造されてテープ500が除去された二次電池に比べて従来の二次電池10は抵抗特性や放熱性能が劣るしかない。
図8は、本発明の一実施形態による電極組立体を含む二次電池と従来の電極組立体を含む二次電池の抵抗特性を比較したグラフである。
図8を参照すれば、図1に示されているように二つのシーリングテープ50が付着された状態の電極組立体を含む二次電池はサンプルAに該当し、本発明の一実施形態によってテープ500が除去された電極組立体を含む二次電池はサンプルEに該当する。ここで、サンプルAのシーリングテープ50はポリイミドを含むテープを使用した。
それぞれのサンプルA、サンプルEに対して1khz HIOKI AC抵抗測定器を用いて抵抗を測定した。それぞれのサンプルの数は10個以上用意して分布水準を確認した。
抵抗特性の測定結果、本実施形態のようにテープが除去された二次電池がシーリングテープが付着された従来の二次電池に比べて約1mohm程度抵抗特性が改善されたのを確認することができる。
図9は、本発明の他の一実施形態によるテープの上部を示す部分図である。
先に、本発明の一実施形態によるテープ500の第2部分520は接着性がない部分であってもよいのを説明した。本発明の他の一実施形態によるテープ500aは、電極組立体200に付着される第1部分510a、および第1部分510aから電極組立体200の上部方向に延長された第2部分520aを含むことができる。この時、第2部分520aは接着性がある部分AP同士が対向するように畳んだ状態であってもよい。一面にのみ接着性がある部分APが設けられたテープ500aに対して上端の一部分を接着性のある部分AP同士が対向するように畳むことによって、第1部分510aと第2部分520aを簡単に設けることができる。
これにより、第2部分520aは電極組立体200をはじめとする他の構成に接着されず、このような第2部分520aを引っ張ることによって電池ケース内部で電極組立体からテープ500aを除去することができる。
以下では、図10および図11を参照して、本発明の変形された一実施形態によるテープについて説明する。
図10は、本発明の変形された一実施形態によるテープと電極組立体を示す斜視図である。図11は、図10のテープと電極組立体を示す平面図である。
図10および図11を参照すれば、本発明の変形された一実施形態によるテープ500bは、ジェリーロール形態の電極組立体200の最外側エッジ部211EDを覆うように付着される。電極組立体200が電池ケースに挿入されてから、テープ500bが電極組立体200から除去される。ここまでは、先に説明したテープ500と類似している。
本発明の変形された一実施形態によるテープ500bは電極組立体200に付着された第1部分510bおよび第1部分510bから電極組立体200の上部方向に延長された第2部分520bを含み、このような第2部分520bを引っ張ってテープ500bを電極組立体200から除去する。
但し、本実施形態によるテープ500bは、第1部分510bと第2部分520bの間に曲がる部分であるベンディング部BPが設けられることから、先に説明したテープと差がある。ベンディング部BPは、第1部分510bと第2部分520bそれぞれの下側辺に形成される。言い換えれば、本実施形態によるテープ500bを一度畳み上げることによって、第1部分510bと第2部分520bを区分するベンディング部BPを形成することができる。図10では説明の便宜のために第1部分510bと第2部分520bが多少離隔した様子に示されているが、図11のように第1部分510bと第2部分520bが互いに密着してもよい。
この時、図11に示されているように、第1部分510bで接着性がある部分APは電極組立体200に向かう面に配置することができ、第2部分520bで接着性がある部分APは電極組立体200と対向する面に配置することができる。即ち、テープ500bの外側部分に接着性のある部分APが設けられてもよい。
本実施形態によるテープ500bを除去する段階で、第2部分520bを上部方向に引っ張って、テープ500bを除去することができる。第2部分520bを上部方向に引っ張るにつれて、テープ500bがついて上がりながら自然に電極組立体200から除去される。即ち、本実施形態によれば、テープ500bにベンディング部BPを設けることによって、より容易にテープ500bの除去が可能である。特に、電池ケース内部の限定された空間で、上部方向への力でテープ500bが自然に除去されるという点から工程上長所を有する。
図12は、キャップ組立体が結合された二次電池を示す斜視図である。
図6および図12を参照すれば、テープ500を除去した以後、電池ケース300の開放された上部にキャップ組立体700が結合されることによって、電池ケース300が密封されて二次電池100が製造される。
電池ケース300とキャップ組立体700の結合は、電池ケース300の上部端部をキャップ組立体700方向に曲げるクリンピング(Crimping)結合が行われる。
本実施形態で前、後、左、右、上、下のような方向を示す用語が使用されたが、このような用語は説明の便宜のためのものに過ぎず、対象になる事物の位置や観測者の位置などによって変わることになる。
前述の本実施形態によって製造された二次電池が複数集まって電池モジュールを形成することができる。このような電池モジュールは、BMS(Battery Management System)、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に装着されて電池パックを形成することができる。
前記二次電池、前記電池モジュールまたは前記電池パックは多様なデバイスに適用することができる。具体的には、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することができるが、これに制限されず、二次電池を使用することができる多様なデバイスに適用可能である。
以上で本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるのではなく、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用い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のである。
200:電極組立体
211E:露出部
211ED:最外側エッジ部
500、500a、500b:テープ

Claims (12)

  1. 第1電極、第2電極および分離膜を共に巻き取ってジェリーロール形態の電極組立体を製造する段階;
    前記電極組立体の最外側エッジ部を覆うようにテープを付着する段階;
    前記電極組立体を上部が開放された電池ケースに収納する段階;および
    前記電極組立体に付着された前記テープを前記電極組立体から除去する段階を含み、
    前記テープは、前記電極組立体に付着された第1部分、および前記第1部分から前記電極組立体の上部方向に延長された第2部分を含み、
    前記テープを除去する段階で、前記第2部分を引っ張って前記テープを除去する、二次電池の製造方法。
  2. 前記テープは、前記電極組立体の高さ方向に沿って延長されて、前記電極組立体の前記最外側エッジ部を覆う、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
  3. 前記第1電極は、第1電極集電体、および前記第1電極集電体上に電極活物質が塗布されて形成された第1活物質層を含み、
    前記第1電極集電体は、前記電極組立体の外周面に露出される露出部を含む、請求項1または2に記載の二次電池の製造方法。
  4. 前記テープを除去する段階で、前記テープが除去されるにつれて前記電極組立体が前記電池ケース内で解かれ、前記露出部が前記電池ケースの内壁と接触する、請求項3に記載の二次電池の製造方法。
  5. 前記テープの前記第2部分は、前記電極組立体より上部方向に延長されて露出される、請求項1から4のいずれか一項に記載の二次電池の製造方法。
  6. 前記第2部分は、接着性がない部分である、請求項1から5のいずれか一項に記載の二次電池の製造方法。
  7. 前記第2部分は、接着性のある部分同士が対向するように畳んだ状態である、請求項1から6のいずれか一項に記載の二次電池の製造方法。
  8. 前記テープは、前記第1部分と前記第2部分の間に曲がる部分であるベンディング部を含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の二次電池の製造方法。
  9. 前記ベンディング部は、前記第1部分と前記第2部分それぞれの下側辺に形成される、請求項8に記載の二次電池の製造方法。
  10. 前記テープを除去する段階で、前記第2部分を上部方向に引っ張って前記テープを除去する、請求項9に記載の二次電池の製造方法。
  11. 前記第1部分で、接着性がある部分は前記電極組立体に向かう面に位置し、
    前記第2部分で、接着性がある部分は前記電極組立体と対向する面に位置する、請求項8に記載の二次電池の製造方法。
  12. 前記電池ケースは、円筒形ケースである、請求項1から11のいずれか一項に記載の二次電池の製造方法。
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