KR101522449B1 - 축전지, 조전지, 조전지 설치 방법, 전극군, 전극군의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

에너지 밀도를 저하시키지 않고, 발열량을 조절한다. 이를 해결하기 위하여, 전지 용기(11) 내에는 전극군(12)이 수납되고, 전극군은 정부극 전극(20, 30)사이에 세퍼레이터(40)를 배치하여 이루어진다. 정부극 전극층(22, 32)에는, 정부극 활물질(22A, 32A)이 대략 균일하게 분포하고, 전극군(12)의 전체면에 있어서 균일하게 전하가 충방전된다. 정부극 전극층(22, 32), 세퍼레이터(40)는 전해액(13)에 침지되고, 전해액(13)은, 정부극 전극층(22, 32), 세퍼레이터(40)의 구멍부 내에 충전된다. 정부극 전극층(22, 32)의 단위 면적당의 정부극 활물질(22A, 32A)의 양이 일정한 조건에 있어서, 정부극 전극층(22, 32)의 두께(Tp, Tn)를 변화시킴으로써, 전해액(13)에서 차지하는 정부극 활물질(22A, 32A)의 양의 비율이 변화하여, 발열량을 조절할 수 있다.

Description

축전지, 조전지, 조전지 설치 방법, 전극군, 전극군의 제조 방법{SECONDARY BATTERY, ASSEMBLED BATTERY, ASSEMBLED BATTERY SETTINGS, ELECTRODES, AND PRODUCTION METHOD OF ELECTRODES}
본 발명은, 리튬 이온 이차 전지 등의 축전지 기술에 관한 것이다.
최근, 화석 연료의 자원 절약이나 지구 온난화 등을 배경으로, 에너지 절약의 추진이 요구되고 있고, 이차 전지 중에서도 대용량이고 소형의 리튬 이온 전지는 에너지 절약 사회의 실현에 중요한 축전 디바이스로서 기대되고 있다. 그로 인해, 휴대 정보 단말기나 무선 전자 기기 전원으로서의 민생 용도, 전동 공구의 전원과 같은 산업 용도, 전기 자동차나 하이브리드 전기 자동차와 같은 차량 탑재 용도를 중심으로 수요가 확대되고 있다. 또한, 이러한 여러 용도에 따라, 고출력화, 에너지 고밀도화라는 고성능 전지의 개발이 가속되고 있다.
고출력의 전지에서는, 대전류 방전 시의 줄 열(Joule heat)이 원인으로 발열하고, 에너지 고밀도의 전지에서는, 장시간 사용에 의해 축열된다. 그들의 열은, 전지 내부에서의 방열성의 차이나, 전극 탭 주변의 전류 밀도의 차이로, 전지 내부의 온도 분포는 불균일해진다.
전지 내부에 불균일한 온도 분포가 발생하면,
1) 고온부에서는 출력 밀도가 저하하고,
2) 고온부에서의 집전박의 저항값의 상승에 의해 온도가 더 상승하여, 부분적인 집전박의 팽창에 의해 전극 활물질간의 접촉 불량을 일으키고,
3) 전해액의 부분적인 분해·증발에 의한 리튬 이온의 이동 저해가 발생하고,
4) 부분적인 사이클 열화나 내부 단락의 원인이 된다
는 과제가 발생하여, 최종적으로는 이들 부분적인 열화가 전지 전체의 수명 저하로 이어진다.
따라서, 전지 내부의 온도 분포를 저감하는 배경 기술로서, 특허문헌 1에 기재된 축전 장치용 전극이 알려져 있다. 특허문헌 1에 기재된 전극은, 「집전박과 집전박의 표면에 형성된 복수의 전극 패턴을 갖고, 축전 장치용 전극 중 방열성이 다른 영역보다 낮은 영역에서의 전극 패턴의 형성 밀도가, 상기 다른 영역에서의 전극 패턴의 형성 밀도보다도 낮은 것을 특징으로 하는」 것이다.
또한, 특허문헌 2에는 「방열성이 다른 영역보다도 낮은 영역에서의 전류 밀도가, 상기 다른 영역에서의 전류 밀도보다도 낮아지도록, 전극층의 구성을 전극층 중의 위치에 따라 상이하게 하도록」 한 축전 장치용 전극이 개시되어 있다.
특허문헌 1, 2는, 모두 집전박의 위치에 따라, 활물질의 실장 밀도에 분포를 갖게 한 것이다.
일본 특허 공개 제2008-53088호 공보 일본 특허 공개 제2008-78109호 공보
특허문헌 1에 기재된 전지용 전극에서는, 집전박 상에 활물질이 도포되어 있는 부분과 활물질이 도포되어 있지 않은 부분이 발생하기 때문에, 전극 면적이 작아진다. 또한, 전극이 형성되어 있지 않은 부분에는 전류가 흐르지 않기 때문에, 에너지 밀도 저하의 원인이 된다.
한편, 특허문헌 2에 기재된 이차 전지용 전극에서는, 방열성이 낮은 부분에서 활물질의 양을 적게 하여, 두께를 작게 하고 있다. 그러나, 활물질의 도포량을 적게 함으로써, 전지 전체적으로 출력 밀도 저하의 원인이 된다.
(1) 청구항 1의 발명에 의한 축전지는, 정극 집전박에 정극 활물질을 포함하는 정극 전극층이 형성되어 있는 정극 전극 및 부극 집전박에 부극 활물질을 포함하는 부극 전극층이 형성되어 있는 부극 전극을 세퍼레이터를 사이에 두고 적층한 전극군과, 상기 전극군을 수용하는 전지 용기와, 상기 전지 용기 내에 충전된 전해액을 구비하고, 상기 정극 활물질과 상기 부극 활물질은 상기 정부극 전극층 내에서 각각 대략 균등하게 분포하고 있고, 상기 정극 활물질 및 상기 부극 활물질이 대략 균등하게 분포하고 있는 정부극 전극층에는, 상기 전해액과 상기 정부극 활물질의 비율이 상이한 영역이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
(2) 청구항 2의 발명은, 청구항 1에 기재된 축전지에 있어서, 상기 전해액과 상기 정부극 활물질의 비율은, 상기 정부극 전극층의 두께에 의해 조절되어, 상기 정부극 전극층은 전극군의 면 내에 있어서 상이한 두께의 영역을 갖는 것을 특징으로 한다.
(3) 청구항 3의 발명은, 청구항 2에 기재된 축전지에 있어서, 상기 전극군은 직사각형 시트 형상의 정극 전극, 부극 전극 및 세퍼레이터를 적층한 적층형 전극군이며, 상기 직사각형 시트 형상의 전극군이 확대되는 면 내의 중앙부의 전극층의 두께는 주변부의 두께보다도 두꺼운 것을 특징으로 한다.
(4) 청구항 4의 발명은, 청구항 2 또는 3에 기재된 축전지에 있어서, 상기 정극 전극층 및 상기 부극 전극층의 두께는 폭 방향으로 연속적으로 변화하고 있는 것을 특징으로 한다.
(5) 청구항 5의 발명은, 청구항 2 또는 3에 기재된 축전지에 있어서, 상기 정극 전극층 및 상기 부극 전극층의 두께는 폭 방향으로 불연속으로 변화하고 있는 것을 특징으로 한다.
(6) 청구항 6의 발명은, 청구항 1 또는 2에 기재된 축전지에 있어서, 상기 전극군은, 긴 시트 형상의 정극 전극, 부극 전극 및 세퍼레이터를 권회한 권회 전극군이며, 상기 권회 개시 단부측에서의 전극층의 두께는, 권회 종료 단부측의 전극층의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 한다.
(7) 청구항 7의 발명은, 청구항 6에 기재된 축전지에 있어서, 상기 전극층의 두께는 긴 시트 형상의 전극군의 길이 방향에서, 권회 종료 단부로부터 상기 권회 개시 단부측에 걸쳐 점증되어 있는 것을 특징으로 한다.
(8) 청구항 8의 발명은, 청구항 1 또는 2에 기재된 축전지에 있어서, 상기 전극군은, 긴 시트 형상의 정극 전극, 부극 전극 및 세퍼레이터를 권회한 권회 전극군이며, 상기 긴 시트 형상의 전극군의 폭 방향 중앙부의 전극층의 두께는 전극군의 폭 방향 양단부의 두께보다도 두꺼운 것을 특징으로 한다.
(9) 청구항 9의 발명은, 청구항 2 내지 8 중 어느 한 항에 기재된 축전지에 있어서, 상기 세퍼레이터의 두께 형상은, 상기 정부극 전극층의 두께 형상과 상보 관계에 있고, 상기 전극군은 전역에서 그 두께가 일정한 것을 특징으로 한다.
(10) 청구항 10의 발명은, 청구항 1에 기재된 축전지에 있어서, 상기 전해액과 상기 정부극 활물질의 비율은, 상기 정부극 전극층의 공극률로 조절되어, 상기 정부극 전극층은 전극군의 면 내에서 상이한 공극률의 영역을 갖는 것을 특징으로 한다.
(11) 청구항 11의 발명에 의한 조전지는, 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 기재된 복수개의 축전지와, 상기 복수의 축전지를 직렬 접속 또는 병직렬 접속하는 버스 바와, 상기 복수개의 축전지를 수용하는 하우징을 구비하고, 복수개의 축전지는, 전해액에서 차지하는 정부극 활물질의 비율이 작은 제1 축전지 그룹과, 전해액에서 차지하는 정부극 활물질의 비율이 상기 제1 축전지 그룹보다도 큰 제2 축전지 그룹을 포함하는 것을 특징으로 한다.
(12) 청구항 12의 발명에 의한 조전지의 설치 방법은, 청구항 11에 기재된 조전지의 설치 방법에 있어서, 상기 조전지가 설치되는 환경 하에서, 전해액에서 차지하는 정부극 활물질의 비율이 작은 제1 축전지 그룹을 온도가 높은 제1 환경에 근접하여 배치하고, 전해액에서 차지하는 정부극 활물질의 비율이 상기 제1 축전지 그룹보다도 높은 제2 축전지 그룹은, 상기 제1 환경보다도 온도가 낮은 제2 환경에 근접하여 배치하는 것을 특징으로 한다.
(13) 청구항 13의 발명은, 청구항 11에 기재된 조전지에 있어서, 전해액에서 차지하는 정부극 활물질의 비율이 작은 제1 축전지 그룹을 상기 하우징 내에서 방열성이 나쁜 제1 공간에 배치하고, 전해액에서 차지하는 정부극 활물질의 비율이 상기 제1 축전지 그룹보다도 높은 제2 축전지 그룹은, 상기 제1 공간보다도 상기 하우징 내에서 방열성이 좋은 제2 공간에 배치한 것을 특징으로 한다.
(14) 청구항 14의 발명에 의한 조전지의 설치 방법은, 전지 용기 내에서 전해액 중에 침지되고, 정극 집전박에 정극 활물질을 포함하는 정극 전극층이 형성되어 있는 정극 전극 및 부극 집전박에 부극 활물질에 부극 활물질을 포함하는 부극 전극층이 형성되어 있는 부극 전극을 세퍼레이터를 사이에 두고 적층한 이차 전지용 전극군에 있어서, 상기 정극 활물질과 상기 부극 활물질은 상기 정부극 전극층 내에서 각각 균등하게 분포하고 있으며, 상기 정극 활물질 및 상기 부극 활물질이 균등하게 분포하고 있는 정부극 전극층에는, 상기 전해액과 상기 정부극 활물질의 비율이 상이한 영역이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다 .
(15) 청구항 15의 발명에 의한 전극군은, 청구항 14에 기재된 전극군에 있어서, 상기 전해액과 상기 정부극 활물질의 비율은, 상기 정부극 전극층의 두께에 의해 조절되어, 상기 정부극 전극층은 전극군의 면 내에 있어서 상이한 두께의 영역을 갖는 것을 특징으로 한다.
(16) 청구항 16의 발명은, 청구항 14에 기재된 전극군에 있어서, 상기 전해액과 상기 정부극 활물질의 비율은, 상기 정부극 전극층의 공극률로 조절되어, 상기 정부극 전극층은 전극군의 면 내에 있어서 상이한 공극률의 영역을 갖는 것을 특징으로 한다.
(17) 청구항 17의 발명에 의한 이차 전지용 전극군의 제조 방법은, 청구항 14 내지 16 중 어느 한 항에 기재된 전극군의 제조 방법은, 상기 정극 활물질과 상기 부극 활물질이 전극층 내에서 균등하게 분포하도록, 정부극 집전박에 정부극 활물질을 도포하는 공정과, 상기 정부극 집전박에 도포된 정부극 활물질을 건조하는 공정과, 건조 후, 상기 공극률이 상이한 영역이 형성되도록 상기 정부극 집전박의 정부극 활물질을 프레스하여 정부극 전극층을 제작하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
(18) 청구항 18의 발명은, 청구항 17에 기재된 전극군의 제조 방법은, 상기 프레스하는 공정에서는, 프레스 가압량에 의해 상기 공극률을 조절하는 것을 특징으로 한다.
(19) 청구항 19의 발명은, 청구항 14 내지 16 중 어느 한 항에 기재된 전극군의 제조 방법은, 상기 정극 활물질과 상기 부극 활물질이 전극층 내에서 균등하게 분포하도록, 정부극 집전박에 정부극 활물질을 도포하는 공정과, 상기 정부극 집전박에 도포된 정부극 활물질을 건조하는 공정과, 건조 후, 상기 정부극 활물질이 형성된 정부극 집전박을 소정 길이로 절단하여 각각 정부극 전극을 형성하는 공정과, 상기 정부극 전극을 세퍼레이터를 개재시켜 소정 장력으로 권회하는 공정을 포함하고, 상기 권회 공정에서는, 상기 공극률이 상이한 영역이 형성되도록 상기 소정 장력을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 에너지 밀도를 저하시키지 않고, 발열량을 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 축전지를 대표하는 전극군을 개념적으로 도시하는 단면도.
도 2는 활물질량이 일정한 조건에서의, 전해액에서 차지하는 활물질의 비율과 발열량의 관계를 나타내는 그래프.
도 3은 폭 방향 중앙부에서 전극층의 두께가 최대로 되는 전극군을 설명하는 도면이며, 직사각형 시트의 III-III선 단면도.
도 4는 폭 방향 중앙부에서 전극층의 두께가 최대로 되는 긴 시트 형상 전극군을 설명하는 도면.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태의 원통 형상의 권회식 축전지를 개념적으로 도시하는 횡단면도.
도 6은 도 5의 AB 단면을 따르는 단면도.
도 7은 본 발명의 제3 실시 형태의 편측 탭 부착 적층형 축전지를 도시하는 사시도.
도 8은 도 7의 VIII-VIII 선을 따르는 개념적 단면도.
도 9는 본 발명의 제4 실시 형태의 양측 탭 부착 적층형 축전지를 도시하는 사시도.
도 10은 도 9의 X-X 선을 따르는 개념적인 단면도.
도 11a는 본 발명의 제5 실시 형태의 각형의 권회식 축전지를 개념적으로 도시하는 단면도.
도 11b는 본 발명의 제5 실시 형태의 긴 시트 형상 전극군의 길이 방향 단면도.
도 12는 본 발명의 제6 실시 형태의 조전지를 도시하는 사시도.
도 13a는 조전지에서 사용하는 직경이 큰 축전지의 전극을 개념적으로 도시하는 단면도.
도 13b는 조전지에서 사용하는 직경이 작은 축전지의 전극을 개념적으로 도시하는 단면도.
도 14는 본 발명의 제7 실시 형태에서의 복수매의 전극군을 사용한 적층형 축전지의 전극을 도시하는 개념적인 단면도.
도 15는 본 발명에 의한 축전지의 제8 실시 형태에 있어서의 전극을 개념적으로 도시하는 단면도.
[제1 실시 형태]
제1 실시 형태는, 본 발명에 의한 축전지를 리튬 이온 이차 전지에 적용한 것이다. 이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 제1 실시 형태의 리튬 이온 이차 전지를 설명한다.
도 1은 제1 실시 형태의 리튬 이온 이차 전지(10)의 개념도이다. 리튬 이온 이차 전지(10)는, 전지 용기(11)와, 전지 용기(11) 내에 수용된 적층형 전극군(12)과, 적층형 전극군(12)이 수용된 전지 용기(11)에 주입된 전해액(13)을 주된 구성 요소로 하고 있다.
적층형 전극군(12)은, 시트 형상의 정극 전극(20)과 시트 형상의 부극 전극(30)을 세퍼레이터(40)를 사이에 개재시켜 적층하여 구성되어 있다. 정극 전극(20)은, 정극 금속박인 집전박(21)의 편면에 정극 전극층(22)을 형성한 것이다. 금속박(21)은 알루미늄박, 혹은 알루미늄 합금박을 채용할 수 있지만, 이것에 한정하는 것은 아니다.
정극 전극층(22)은, 정극 활물질(22A)과, 도전 보조제 및 바인더(22B)의 혼합물로 이루어지고, 정극 활물질(22A)이 정극 전극층(22) 내에서 균일하게 분포하도록 정극 집전박(21)에 도포된다. 정극 활물질(22A)의 재료로서, 예를 들어 코발트산리튬, 니켈산리튬, 망간산리튬 등으로 대표되지만, 이것에 한정하는 것은 아니고, 적절히 바꿀 수 있다. 또한, 2종류 이상의 물질을 사용해도 좋다. 정극 활물질(22A)의 입경은 대략 균일하게 하고 있다.
또한, 정극 활물질(22A)을 과장하여 나타내고 있다.
부극 전극(30)은, 부극 금속박인 부극 집전박(31)의 편면에 부극 전극층(32)을 형성한 것이다. 금속박(31)은 구리박, 혹은 구리 합금박을 채용할 수 있다. 니켈박, 스테인리스박 등의 도전성 재료를 사용해도 좋다.
부극 전극층(32)은, 부극 활물질(32A)과, 도전 보조제 및 바인더(32B)의 혼합물로 이루어지고, 부극 활물질(32A)이 부극 전극층(32) 내에 대략 균일하게 분포하도록 부극 집전박(31)에 도포된다. 부극 활물질(32A)의 재료로서, 예를 들어 흑연이나 티타늄산리튬이 일반적이지만, 이것에 한정하는 것은 아니고, 적절히 바꿀 수 있다. 부극 활물질(32A)의 입경은 대략 균일하게 하고 있다.
또한, 부극 활물질(32A)을 과장하여 나타내고 있다.
정극 활물질(22A)이 정극 전극층(22) 내에서 대략 균일 내지는 대략 균등하게 분포한다는 것은, 정극 전극층(22) 내에서의 정극 활물질(22A)의 양이 일정해지는 것을 의미하고 있다. 또한, 부극 활물질(32A)이 부극 전극층(32) 내에서 대략 균일 내지는 대략 균등하게 분포한다는 것은, 부극 전극층(32) 내에서의 부극 활물질(32A)의 양이 일정해지는 것을 의미하고 있다. 이와 같이, 전극층 내에서 활물질의 양을 일정하게 함으로써, 전극군의 전역에서 전류 밀도가 일정해진다.
세퍼레이터(40)는, 정극 전극층(22)과 부극 전극층(32)이 직접 접촉하는 것을 방지하여, 이온 도전성을 유지하는 기능을 가질 필요가 있다. 전해액(13)을 사용하는 전지에서는, 구멍부를 갖는 다공성 재료를 사용한다. 다공성 재료로서, 폴리올레핀이나 폴리에틸렌, 폴리프로필렌으로 대표되지만, 이것에 한정하는 것은 아니다.
전극군(12)은 전지 용기(11) 내에서 전해액(13)에 침지되어 있다. 전해액(13)은 이온 도전상으로 기능하여, 리튬 이온 전지에서는, 비수용액계 전해질이 사용된다. 리튬 이온 전지 내의 전해질은 LiPF6, LiPF4, LiClO4와 같은 리튬염과 에틸렌카보네이트나 디에틸카보네이트와 같은 용매에 의해 구성된다. 또한, 전해액(13)은, 액체나 겔에 한정되지 않고 고체이어도 좋다.
정부극 전극(20, 30)은, 원형 시트 형상이나 직사각형 시트 형상, 긴 시트 형상으로 형성할 수 있지만, 제1 실시 형태의 리튬 이온 이차 전지(10)는, 직사각형 시트 형상의 전극(20, 30) 사이에 세퍼레이터(40)를 끼운 전극군(12)을 복수매 적층한 전지 전극(소위, 라미네이트형)이다. 이 리튬 이온 이차 전지(10)에서는, 큰 전극 면적이 확보되어, 출력 밀도가 높아져 있다.
상술한 바와 같이, 전극군(12)은 전해액(13)에 침지되지만, 발명자들은, 전해액에서 차지하는 활물질의 비율과 발열량 사이에, 도 2에 도시한 바와 같은 상관 관계가 있는 것을 발견했다. 제1 실시 형태의 리튬 이온 이차 전지(10)는, 이러한 지식에 기초하여 설계되어 있다. 이하, 설명한다.
도 2는, 전해액에 대한 활물질의 비율이 각각 상이한 8조건의 리튬 이온 이차 전지에 대해, 미리 정한 방전 조건에서 전극층의 전하를 방전시켰을 때의 발열량을 표현하는 그래프이다. 이들 전지의 전극층에 포함되는 정부극 활물질(22A, 32A)의 중량은 동일, 입경은 거의 동등하고, 또한 전극층 내에서의 활물질의 분포는 균일해지도록 했다. 이러한 복수의 축전지의 단자간 전압, 방전 시간은 거의 동등하므로, 모든 조건에서 방전 특성은 대략 동일하다.
도 2는, 횡축에 전해액에서 차지하는 활물질의 비율을, 종축에 발열량/ 발열량 기준값을 취한 그래프이다. 종축은 발열량을 정규화하기 위한 지표이다. 전해액에서 차지하는 활물질의 비율이 0.5일 때의 발열량을 기준값 1.0으로 했다.
도 2에 도시한 바와 같이, 전해액(13)에서 차지하는 정극 활물질량의 비율이나 부극 활물질량의 비율을 증가시켰을 때는, 전극군(12)의 발열량이 증가하고, 전해액(13)에서 차지하는 정극 활물질량, 부극 활물질량의 비율을 감소시켰을 때는, 전극군(12)의 발열량이 감소한다.
구체적으로 설명하면 이하와 같다. 전해액(13)에서 차지하는 활물질(22A, 32A)의 비율을 50%로부터 20%로 감소시킴으로써 발열량이 20% 저감한다. 한편, 전해액(13)에서 차지하는 활물질(22A, 32A)의 비율을 50%로부터 80%로 증가시킴으로써 발열량이 20% 증가한다.
전해액에서 차지하는 활물질의 비율을 바꾸기 위해서는 다양한 방법이 있지만, 제1 실시 형태의 리튬 이온 이차 전지(10)에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 전극군(12)의 정극 전극층(22)은, 정극 활물질(22A)의 분포가 균일하고, 또한, 폭 방향 중앙부의 두께가 최대로 되도록 폭 방향의 두께가 연속적으로 변화하고 있다. 부극 전극층(32)은, 부극 활물질(32A)의 분포가 균일하고, 또한, 폭 방향 중앙부의 두께가 최대로 되도록 폭 방향의 두께가 연속적으로 변화하고 있다. 정부극 전극층(22, 32)의 두께의 변화에 대응하여, 세퍼레이터(40)는, 정부극 전극층(22, 32)의 두께가 두꺼운 부분에서는 얇게, 정부극 전극층(22, 32)의 두께가 얇은 부분에서는 두껍게 형성되어 있다. 그 결과, 적층형 전극군(12)의 두께는 균일해진다.
이렇게 구성한 제1 실시 형태의 전극군(12)의 작용 효과에 대해, 동일한 소정의 방전 특성을 갖는 종래의 전극군을 사용한 리튬 이온 이차 전지와 비교하여 설명한다. 여기서, 종래의 전극군이란, 전극층의 두께를 폭 방향에서 일정하게 한 전극군이다.
(1) 적층형 전극군(12)의 온도 상승은, 정부극 활물질(22A, 32A)의 열화나, 내부 단락의 원인이 된다. 전극층의 두께가 폭 방향에서 일정한 종래의 적층형 전극군에서는, 양단부보다도 중앙부(전지 내부)의 방열성이 떨어진다. 즉, 중앙부의 온도 상승이 크다. 제1 실시 형태의 전극군(12)에서는, 폭 방향 중앙부의 두께가 최대 두께로 되고, 중앙부의 발열량은 주연부보다도 작아진다. 전극층(20)을 구성하는 정극 활물질(22A)과 부극 활물질(32A)의 중량을, 비교 대상인 종래의 축전지의 활물질의 중량과 동일해지도록 하면, 에너지 밀도나 출력 밀도에 의해 규정되는 방전 특성은 종래의 것과 동등한 상태에서, 전지 내부의 온도 분포를 저감시킬 수 있다.
(2) 방전 용량이 전극군의 어느 영역에서도 일정해지도록, 즉 전극층(20)의 어느 영역에서도 활물질의 양이 일정해지도록 활물질 밀도를 조정하고 있다. 따라서, 전극층의 두께가 일정하면 충방전할 때의 발열량은 전극군의 전역에서 일정하다. 축전지로서 전극군을 내장했을 때의 방열성이 나쁜 영역에는, 전해액에서 차지하는 활물질의 비율을 작게 하고, 축전지로서 전극군을 내장했을 때의 방열성이 좋은 영역에는, 전해액에서 차지하는 활물질의 비율을 크게 했다. 그로 인해, 전극군에는 국소적으로 온도 상승하는 영역이 없어, 부분적인 열화를 일으킬 우려가 없다.
(3) 전지 내부의 온도 분포를 저감시킴으로써, 전지의 국소 열화를 피할 수 있어, 전지로서의 고 수명화를 실현할 수 있다.
(4) 세퍼레이터(40)의 두께 형상은, 정부극 전극층(22, 32)의 두께 형상과 상보 관계에 있고, 전극군(12)은 전역에서 그 두께가 일정하다. 그 결과, 적층, 권회 시의 처리가 용이하고, 축전지에의 내장의 작업성도 양호하다.
또한, 제1 실시 형태의 전극군은 정극 집전박과 부극 집전박의 편면에 전극층을 각각 형성한 것이다. 그러나, 정극 집전박과 부극 집전박의 양면에 전극층을 각각 형성한 축전지에서도, 제1 실시 형태의 축전지와 마찬가지의 작용 효과를 발휘할 수 있다.
제1 실시 형태의 전극군은 직사각형 시트 형상으로 하고, 소위 라미네이트형 리튬 이온 이차 전지의 전극군으로서 사용했지만, 전극군은 도 4에 도시한 바와 같은 긴 시트 형상이어도 좋다. 긴 시트 형상의 전극군(12)에 본 발명을 적용하는 경우, 도 3의 단면의 좌우 방향을 짧은 폭 방향, 지면과 직교하는 방향을 길이 방향으로 한 시트 형상으로 한다. 이 긴 시트 형상의 전극군은, 원통 형상으로 권회하여 원통형 리튬 이온 이차 전지의 전극군으로서 사용하거나, 각형 편평 형상으로 권회하여 각형 리튬 이온 이차 전지의 전극군으로서 사용할 수도 있다.
이상 설명한 제1 실시 형태에 의한 전극군은, 직사각형 시트 형상의 정부극 전극을 적층한 전극군, 혹은 긴 시트 형상으로 형성한 정부극 전극을 권회한 전극군이며, 전지 용기의 형상과 상관없이 각종 형상의 리튬 이온 이차 전지에 적용할 수 있다. 따라서, 예를 들어 상술한 라미네이트형 리튬 이온 이차 전지, 도 4에 도시한 긴 시트 형상 전극군을 원통 형상으로 권회한 권회식 원통형 리튬 이온 이차 전지, 편평 형상으로 권회한 권회식 편평형 리튬 이온 이차 전지 등, 다양한 형상의 리튬 이온 이차 전지에 적용할 수 있다.
[제2 실시 형태]
본 발명에 의한 축전지의 제2 실시 형태를 도 5, 도 6을 참조하여 설명한다. 또한, 도면 중, 제1 실시 형태와 동일 혹은 상당 부분에는 100번대의 부호를 붙이고, 차이점을 주로 설명한다.
제2 실시 형태는, 본 발명을 원통 형상의 권회식 축전지에 적용한 것이다. 여기서 사용되는 전극군은 도 4에 도시한 전극군과 마찬가지의 긴 시트 형상이지만, 전극층의 두께가, 폭 방향이 아니고, 길이 방향으로 서서히 증감하도록 한 것이다.
도 5, 도 6에 있어서, 원통 형상의 권회식 축전지(10A)는, 축심(도시 생략) 주위로 권회된 적층형 전극군(112)을 용기(111)에 수용하고, 용기(111) 내에 전해액(113)을 충전하여 구성되어 있다. 적층형 전극군(112)은, 긴 시트 형상의 1매의 정극 전극(120)과 긴 시트 형상의 1매의 부극 전극(130)을 세퍼레이터(140)를 사이에 개재시켜 도시하지 않은 권회축의 주위로 권회하여 구성되어 있다.
정극 전극(120)은, 정극 금속박(121)의 양면에 정극 전극층(122)을 형성한 것이다. 금속박(121)은 알루미늄박, 혹은 알루미늄 합금박을 채용할 수 있다. 부극 전극(130)은, 부극 금속박(131)의 양면에 부극 전극층(132)을 형성한 것이다. 금속박(131)은 구리박, 혹은 구리 합금박을 채용할 수 있다. 니켈박, 스테인리스박 등의 도전성 재료를 사용해도 좋다.
정극 전극층(122)은, 정극 활물질(122A)과, 도전 보조제 및 바인더(122B)의 혼합물로 이루어지고, 정극 활물질(122A)이 정극 전극층(122) 내에서 균일하게 분포하도록 정극 집전박(121)에 도포된다. 부극 전극층(132)은, 부극 활물질(132A)과 도전 보조제, 바인더 등의 혼합물로 이루어지고, 부극 활물질(132A)이 부극 전극층(132) 내에서 균일하게 분포하도록 부극 집전박(131)에 도포된다.
또한, 도 5, 도 6은 개념도이며, 정부극 활물질(122A, 132A)을 과장하여 나타내고 있다.
세퍼레이터(140)는, 정극 전극층(122)과 부극 전극층(132)이 직접 접촉하는 것을 방지하여, 이온 도전성을 유지할 필요가 있지만, 전해액(113)을 사용하는 전지에서는, 구멍부를 갖는 다공성 재료를 사용한다. 다공성 재료로서, 폴리올레핀이나 폴리에틸렌, 폴리프로필렌으로 대표되지만, 이것에 한정하는 것은 아니다.
권회식 전극군(112)은 전지 용기(111) 내에 수납되고, 용기(111) 내에 전해액(113)을 충전하여 축전지(10A)가 구성되어 있다. 용기(111)는, 예를 들어 니켈 도금된 철제의 캔이다.
제2 실시 형태에 의한 전극군(112)에서는, 도 6의 모식도에 도시한 바와 같이, 권회 중앙부일수록 전극층(122, 132)의 두께를 크게 하고 있다. 원통 형상의 권회식 축전지(10A)에서는, 적층형 전극군(112)의 최외주에 위치하는 용기(111)의 외면으로부터 방열하는 구조로 되어 있기 때문에, 축전지(10A)의 권회 중심부(부호 A로 나타낸다)에서는 온도가 높아진다. 따라서, 적층형 전극군(112)에서의 정부극 전극층(122, 132)의 두께를 외주 단부로부터 중심부 A에 걸쳐 서서히 두껍게 하고, 전해액(113)에서 차지하는 정부극 활물질(122A, 132A)의 비율을 중심부 A를 향하여 서서히 낮게 하고 있다.
도 6에는, 권회 중심부(권회 개시 단부) A로부터 외주부(권회 종료 단부) B 사이에, 최내주 정극 전극(120in), 최내주 부극 전극(130in), 중간 정극 전극(120md), 중간 부극 전극(130md), 최외주 정극 전극(120out), 최외주 부극 전극(130out)이 배치되어 있는 적층형 권회식 전극군(112)이 도시되어 있다. 최내주 정극 전극(120in), 최내주 부극 전극(130in)의 전극층의 두께는, 중간 정극 전극(120md), 중간 부극 전극(130md), 최외주 정극 전극(120out), 최외주 부극 전극(130out)의 전극층의 두께보다도 두껍다. 중간 정극 전극(120md), 중간 부극 전극(130md)의 전극층의 두께는, 최외주 정극 전극(120out), 최외주 부극 전극(130out)의 전극층의 두께보다도 두껍다.
원통형 축전지에서는, 축심측일수록 방열성이 낮으므로, 온도 상승이 크다. 따라서, 이상 설명한 제2 실시 형태의 권회식 축전지에서는, 적층형 전극군(112)의 길이 방향으로 두께를 바꾸어, 권회 축심측일수록 전극층(122, 132)의 두께를 크게 하고, 전해액(113)에서 차지하는 활물질(122A, 132A)의 비율을 축심측일수록 작게 했다. 즉, 전극층(122, 132) 그 자체의 발열량을 중심부일수록 작게 했다. 그 결과, 축전지 전체적인 온도 분포가 저감되어, 국소적인 발열이 없어, 전극의 국소적인 열화도 피할 수 있어, 축전지의 장수명화를 도모할 수 있다.
정부극 전극층(122, 132)의 두께를 권회 중심일수록 두껍게 하는 제조 방법에 대하여 설명한다. 권회식 전극군은, 긴 시트로서 제조한 적층형 전극군(112)을 권회축 중심으로 권회하여 구성된다. 긴 시트로서 제조한 적층형 전극군(112)은, 권회 전에는, 전극층(122, 132)의 두께는 긴 시트 전장에서 일정하다. 권회 장치에 의해 적층형 전극군(112)에는 장력이 부여된다. 제2 실시 형태에서는, 적층형 전극군(112)을 권회할 때, 권회 당초의 장력을 작게 하여 전극층(122, 132)의 두께를 두껍게 하고, 권회함에 따라 장력을 크게 하여 전극층(122, 132)의 두께를 얇게 한다.
또한, 제2 실시 형태의 전극군(112)을 사용하여 편평 각형으로 권회한 소위 편평 각형 권회식 축전지를 구성해도 원통형 권회식 전지와 마찬가지의 작용 효과를 발휘할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이 폭 방향으로 두께가 상이한 긴 시트 형상의 전극군을 권회 전극군으로서 사용할 때, 길이 방향의 전극층의 두께를, 권회 종료 단부로부터 권회 개시 단부로 점증시켜도 좋다. 이 경우, 긴 시트의 폭 방향 중앙부의 발열 경향을 완화시킴과 함께, 권회 중심부측에서의 발열 경향도 완화시킬 수 있다.
[제3 실시 형태]
본 발명에 의한 축전지의 제3 실시 형태를 도 7, 도 8을 참조하여 설명한다. 또한, 도면 중, 제1 실시 형태와 동일 혹은 상당 부분에는 200번대의 부호를 붙이고, 차이점을 주로 설명한다.
제3 실시 형태는, 본 발명을 외부 단자인 정부극 탭을 편측에 설치한 탭 부착 적층형 축전지에 적용한 것이다.
도 7 및 도 8에서, 탭 부착 적층형 축전지(10B)에서는, 평판 형상의 용기(211) 내에, 정극 전극(220), 부극 전극(230)을 세퍼레이터(240)를 개재시켜 적층한 적층형 전극군(212)이 수납되고, 정극 집전박(221)에 접속된 정극 탭(401), 부극 집전박(231)에 접속된 부극 탭(402)이 용기(211)의 동일측의 단부면(211E)에 돌출 설치되어 있다.
또한, 도 8에서는, 도면을 간략화하기 위해, 부극 탭(402)을 부극 금속박(231)과는 별체로서 도시하고 있지만, 실제는 전극군(212)의 복수매의 부극 금속박(231)을 묶어 부극 탭(402)에 용접하고 있다. 정극 탭(401)도 마찬가지이다.
적층형 축전지(10B)에서는, 정극 탭(401), 부극 탭(402)을 통하여 충방전 전류가 흐르기 때문에, 적층형 전극군(212)에서의 정극 탭(401), 부극 탭(402)의 근방의 전류 밀도가 높아진다. 도 7에서는, 적층형 전극군(212)에서의 전류 밀도의 분포 d1 내지 d4(d1<d2<d3<d4)를, 해칭된 도형으로서 나타내고 있다.
따라서, 도 8에 도시한 바와 같이, 정극 전극층(222), 부극 전극층(232)은 단부면(211E)을 향하여 서서히 두껍게 형성되고, 전류 밀도가 높은 부분일수록, 전해액(213)에서 차지하는 활물질(222A, 232A)의 비율을 저하시켜, 적층형 전극군(112)의 발열량을 억제하고 있다. 이에 의해, 정부극 탭(401, 402)의 근방에서, 고전류 밀도에 기인한 온도 상승이 억제되어, 적층형 전극군(212)의 국소 열화나 내부 단락을 방지할 수 있다.
이렇게 제3 실시 형태의 탭 부착 적층형 축전지(10B)에서는, 탭(401, 402)에 근접하는 소정 영역에 대해, 특히 탭에 가까울수록 전극층(222, 232)의 두께가 커지도록 했다. 그 결과, 전극군(212)의 온도 분포를 저감하여, 열화가 느린 리튬 이온 축전지를 제공할 수 있다.
도 8에서는, 탭(401, 402)에 접근할수록 전극층의 두께를 서서히 두껍게 한 예가 도시되어 있다. 그러나, 탭(401, 402)에 걸쳐, 전극층의 두께를 계단 형상으로 불연속으로 두껍게 해도 마찬가지의 작용 효과를 발휘할 수 있다.
[제4 실시 형태]
본 발명에 의한 축전지의 제4 실시 형태를 도 9, 도 10을 참조하여 설명한다. 또한, 도면 중, 제1 실시 형태와 동일 혹은 상당 부분에는 300번대의 부호를 붙이고, 차이점을 주로 설명한다.
제4 실시 형태는, 본 발명을 외부 단자인 정부극 탭의 각각 대향하는 측면에 설치한 탭 부착 적층형 축전지에 적용한 것이다.
도 9에서, 탭 부착 적층형 축전지(10C)는, 평판 형상의 용기(311) 내에, 정극 전극(320), 부극 전극(330)을 적층한 적층형 전극군(312)이 수납되고, 용기(311)에는, 정극 집전박(321)에 접속된 정극 탭(501), 부극 집전박(331)에 접속된 부극 탭(502)이 용기(311)에서의 대칭 위치의 단부면(311E1과 311E2)에 돌출 설치되어 있다.
또한, 도 9, 도 10에서는, 도면을 간략화하기 위해, 탭(501, 502)을 정부극 금속박(321, 331)과는 별체로서 도시하고 있지만, 실제는 전극군(312)의 복수매의 정부극 금속박(321, 231)을 각각 묶어 정부극 탭(501, 502)에 용접되어 있다.
적층형 축전지(10C)에서는, 정극 탭(501), 부극 탭(502)을 통하여 충방전 전류가 흐르기 때문에, 적층형 전극군(312)에서의 정극 탭(501), 부극 탭(502)의 근방의 전류 밀도가 높아진다.
따라서, 도 10에 도시한 바와 같이, 정극 전극층(322), 부극 전극층(332)은 단부면(311E1, 311E2)을 향하여 서서히 두껍게 형성되고, 전류 밀도가 높은 부분일수록, 전해액(313)에서 차지하는 활물질(322A, 332A)의 비율을 저하시켜, 적층형 전극군(312)의 발열량을 억제하고 있다. 이에 의해, 정부극 탭(501, 502)의 근방에서, 고전류 밀도에 기인한 온도 상승이 억제되어, 적층형 전극군(312)의 국소 열화나 내부 단락을 방지할 수 있다.
이렇게 제4 실시 형태의 탭 부착 적층형 축전지(10C)에서는, 탭(501, 502)에 근접하는 소정 영역에 대해, 특히 탭에 가까울수록 전극층(322, 332)의 두께가 커지도록 했다. 그 결과, 전극군(312)의 온도 분포를 저감하여, 열화가 느린 리튬 이온 축전지를 제공할 수 있다.
도 10에서는, 탭(50l, 502)에 접근할수록 전극층의 두께를 서서히 두껍게 한 예가 도시되어 있다. 그러나, 탭(501, 502)에 걸쳐, 전극층의 두께를 계단 형상으로 불연속으로 두껍게 해도 마찬가지의 작용 효과를 발휘할 수 있다.
[제5 실시 형태]
본 발명에 의한 축전지의 제5 실시 형태를 도 11a, 도 11b를 참조하여 설명한다. 또한, 도면 중, 제1 실시 형태와 동일 혹은 상당 부분에는 400번대의 부호를 붙이고, 차이점을 주로 설명한다.
제5 실시 형태는, 본 발명을 각형 권회식 축전지에 적용한 것이다.
도 11a 도 11b에서, 각형 권회식 축전지(10D)는, 축심(도시 생략)의 주위로 권회된 적층형 전극군(412)을 용기(411) 내에 수납하여 구성되어 있다. 용기(411) 내에는 전해액(413)이 충전되어 있다. 도시는 생략하지만, 전극군(412)은 정부극 전극(420, 430)을 세퍼레이터(440)를 개재시켜 편평 각형으로 권회한 것이다. 또한, 정극 전극(420)은, 정극 금속박(421)에 정극 전극층(422)을 형성한 것이며, 부극 전극(430)은, 부극 금속박(431)에 부극 전극층(432)을 형성한 것이다. 금속박의 재료, 정부극 활물질의 재료 등은 제1 내지 제4 실시 형태의 전극군과 마찬가지이다.
제5 실시 형태의 특징은, 긴 시트 형상의 전극층(420, 430)의 길이 방향에서 전극층의 두께를 조정한 점이다. 이하, 설명한다.
각형 권회식 축전지(10D)에서는, 적층형 전극군(412)의 곡률이 큰 코너부(412C)에서는, 정극 전극층(422), 부극 전극층(432)이 찌부러지기 쉬워, 박리되는 경우도 있다. 그로 인해, 코너부(412C)에서는, 전해액(413)에서 차지하는 활물질(422A, 432A)의 비율이 커지는 경향이 있다. 또한, 원통형 축전지와 마찬가지로, 용기(411)로부터 방열하는 구조로 되어 있기 때문에, 중심부의 온도가 상승한다.
따라서, 도 11b에 도시한 바와 같이, 적층형 전극군(412)에서의 정극 전극층(422), 부극 전극층(432)의 두께를, 축심에 가까운 영역에서는 두껍게 하고, 또한, 축심에 가까운 곡률이 큰 코너부(412C)에서는 코너부 이외의 영역에 비하여 전극층(422, 432)의 두께를 두껍게 했다. 그 결과, 축심에 가까운 영역의 전극층(422)에서는 전해액(413)에서 차지하는 정부극 활물질(422A, 432A)의 비율이 저하하고, 또한, 축심에 가까운 전극층(422, 432)의 코너부(412C)에서는, 축심 근방의 코너부 이외의 영역에 비하여, 전해액(413)에서 차지하는 정부극 활물질(422A, 432A)의 비율을 더 저하시키고 있다.
이에 의해, 권회식 전극군(412)의 축심에 가까운 영역에서의 발열량이 저감 됨과 함께, 코너부(412C)에서 전극층(422, 432)의 박리가 발생해도 활물질에 의한 발열이 억제된다. 그 결과, 전극군(412) 전체로서 온도 분포를 균일화할 수 있다.
또한, 도 11b는, 전극층이 축심에 가까울수록 두꺼워지고, 또한 코너부의 전극층의 두께가 주위에 비하여 두껍게 한 점을 모식적으로 도시하는 도면이다. 실제는, 도 6에 도시한 바와 같이, 집전박의 양면에 전극층을 형성하고, 권회 시의 장력 조정으로 축심측일수록 전극층이 두꺼워지도록 하고, 그리고 나서, 코너부에 대응하는 전극층의 두께를 두껍게 한다. 정부극 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터의 두께는, 그들 전극층의 두께와 상보 치수로서, 전극군 전체로서 일정한 두께로 되어 있다.
[제6 실시 형태]
제6 실시 형태는, 본 발명을 조전지에 적용한 것이다. 도 12를 참조하여 제6 실시 형태의 조전지를 설명한다. 또한, 도면 중, 제1 실시 형태와 동일 혹은 상당 부분에는 500번대의 부호를 붙이고, 차이점을 주로 설명한다.
도 12는 제6 실시 형태의 조전지(100)의 개념도이다. 조전지(100)는, 직경이 작은 복수의 원통 형상 축전지(10E)와, 직경이 큰 복수의 원통 형상 축전지(10F)를 직렬, 혹은 병직렬 접속하여 구성된다. 즉, 조전지(100)는, 복수개의 축전지(10E, 10F)와, 복수의 축전지(10E, 10F)를 직렬 접속 또는 병직렬 접속하는 도시하지 않은 버스 바와, 복수개의 축전지(10E, 10F)를 수용하는 하우징(511)을 구비하고 있다. 제6 실시 형태의 조전지(100)는, 전해액에서 차지하는 정부극 활물질의 비율이 작은 복수개의 축전지(10F)의 그룹과, 전해액에서 차지하는 정부극 활물질의 비율이 축전지(10F)의 그룹보다도 큰 복수개의 축전지(10E)의 그룹을 포함하여 구성되어 있다.
조전지(100)를 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 탑재할 때, 도 12에 도시한 바와 같이 조전지(100)의 근방에는 열원(HS)이 배치되는 경우가 있다. 제6 실시 형태의 조전지(100)에서는, 열원(HS)에 가까운 개소에 직경이 큰 원통 형상 축전지(10F)를 복수 배치하고, 열원(HS)으로부터 먼 개소에 직경이 작은 원통 형상 축전지(10E)를 복수 배치하고 있다. 직경이 큰 원통 형상 축전지(10F)는 직경이 작은 원통 형상 축전지(10E)에 비하여 발열량이 작다. 또한, 원통 형상 축전지(10E, 10F)의 에너지 밀도나 출력 밀도는 동등하고, 방전 특성은 동등하게 되어 있다.
직경이 큰 원통 형상 축전지(10F)는, 도 13a에 도시하는 긴 시트 형상의 전극군(512F)을 갖고, 직경이 작은 원통 형상 축전지(10E)는, 도 13b에 도시한 긴 시트 형상의 전극군(512E)을 갖고 있다.
전극군(512F)은, 정극 전극(520F)과 부극 전극(530F)을 세퍼레이터(540)를 개재시켜 원통 형상으로 권회하고, 전극군(512E)은, 정극 전극(520E)과 부극 전극(530E)을 세퍼레이터(540)를 개재시켜 원통 형상으로 권회한 것이다. 정부극 전극(520F, 530F)의 전극층(522F, 532F)의 두께는 긴 시트의 권회 개시 단부부터 권회 종료 단부까지 일정하고, 정부극 전극(520E, 530E)의 전극층(522E, 532E)의 두께도 긴 시트의 권회 개시 단부부터 권회 종료 단부까지 일정하다. 직경이 큰 축전지(10F)의 전극층(522F, 532F)의 두께는, 직경이 작은 축전지(10E)의 전극층(522E, 532E)의 두께보다도 두껍게 되어 있다. 즉, 전해액(513)에서 차지하는 정부극 활물질의 비율은 전극층(522F, 532F)이 전극층(522E, 532E)보다도 작으므로, 직경이 큰 축전지(10F)의 발열량이 작다.
상술한 바와 같이, 축전지(10E, 10F)의 에너지 밀도, 출력 밀도는 동등하다. 이 실시 형태에서는, 축전지(10F)의 전극층(522F, 532F)에 포함되는 활물질량과, 축전지(10E)의 전극층(522E, 532E)에 포함되는 활물질량이 동등해지도록 전극군(512E, 512F)의 전장이 결정되어, 그 결과, 에너지 밀도, 출력 밀도가 양 축전지에서 동등하게 되어 있다.
또한, 도 13a, 도 13b는 전극군을 모식적으로 설명하기 위한 도면이며, 실제는, 도 6에 도시한 바와 같은 정부극 집전박의 양면에 정부극 활물질을 도포한 정부극 전극을 세퍼레이터를 개재시켜 권회하여 권회식 전극군이 구성된다.
정부극 전극층(522E, 532E, 522F, 532F)의 두께 제어에 대하여 이하 설명한다.
상술한 바와 같이, 전극군의 발열량은 전해액에서 차지하는 활물질의 비율을 증감하여 조정할 수 있다. 또한, 전극층 내에 충전되는 전해액의 양은 전극층의 공극률에 의존한다. 공극률은 전극층의 두께에 의존하며, 전극층의 두께는 프레스하여 조정할 수 있다. 전극층 내에 충전되는 전해액의 양은, 전극층의 두께와 공극률은 비례 관계에 있으므로, 이 실시 형태에서는, 프레스에 의해 전극층의 공극률을 조정하여, 전해액에서 차지하는 활물질의 비율을 조정하여 발열량이 조절된다.
도 2의 그래프에서, 전해액에서 차지하는 활물질의 비율을 50%로부터 20%로 감소시키기 위해서는, 전극층의 두께를 2.5배로 두껍게 하면 된다. 또한, 활물질의 비율을 50%로부터 80%로 증가시키기 위해서는, 전극층의 두께를 약 0.6배로 얇게 하면 된다. 따라서, 도 2의 횡축은 정부극 전극층의 두께에 상관하는 지표라고도 할 수 있다.
이상과 같이, 전극층(522E, 532E, 522F, 532F)의 두께는, 정부극 활물질과 바인더 등의 혼합물을 정부극 금속박(521, 531)의 양면에 각각 도포하고, 건조시킨 후에 프레스에 의해 조정할 수 있고, 이 두께의 조정에 의해 적층형 권회식 전극군(512E, 512F)의 발열량을 제어할 수 있다.
실제로는, 전해액에서 차지하는 활물질의 비율을 지나치게 작게 하면, 전자의 이동이 저해되어, 활물질이 전극박으로부터 박리하는 등, 전극으로서의 작용을 상실한다. 한편, 전해액에서 차지하는 활물질의 비율을 지나치게 높게 하면 이온 도전성이 나빠지기 때문에, 마찬가지로 전극으로서의 작용을 상실한다. 따라서, 실장 시에는, 도전 보조제나 바인더를 사용하여 전자나 이온의 도전성을 확보하는 것 이외에도, 전해액에서 차지하는 활물질의 비율은, 전극박으로부터의 박리 등의 트레이드오프를 고려하여 결정할 필요가 있다.
이상 설명한 제6 실시 형태의 조전지에 의하면 다음과 같은 작용 효과를 발휘할 수 있다.
(1) 복수의 축전지(단전지)에 의해 구성되는 조전지는, 방열성의 차이나 발열체의 유무 등, 주위의 환경에 의해, 축전지 내부의 온도 분포가 불균일해지는 것이 알려져 있다. 따라서, 제6 실시 형태에서는, 발열하는 열원(HS)의 부근에 발열량이 작은 직경이 큰 전지(10F)를 배치하고, 발열하는 열원(HS)으로부터 먼 개소에 발열량이 큰 직경이 작은 전지(10A)를 배치했다. 그 결과, 조전지 전체로서, 조전지를 구성하는 복수의 축전지(10E, 10F)의 온도 분포가 저감되고, 복수의 축전지(10E, 10F)의 수명이 균일화되어, 결과적으로 조전지로서의 장수명화의 효과가 얻어진다.
즉, 제6 실시 형태의 조전지를 일반화하여 설명하면 다음과 같이 설명할 수 있다. 조전지가 설치되는 환경 하에서, 전해액에서 차지하는 정부극 활물질의 비율이 작은 제1 축전지 그룹을 온도가 높은 제1 환경에 근접하여 배치하고, 전해액에서 차지하는 정부극 활물질의 비율이 제1 축전지 그룹보다도 높은 제2 축전지 그룹은, 제1 환경보다도 온도가 낮은 제2 환경에 근접하여 배치한다.
또한, 제6 실시 형태에서는, 열원(HS)의 근방에 조전지를 설치한 경우에 대하여 설명했지만, 조전지 내의 축전지의 설치 상황에 의해 단전지의 온도의 편차가 커서, 열화가 상이한 것도 상정된다. 이러한 경우에서도, 발열량이 작은 축전지(10F)를 조전지 수용 공간 내의 온도 상승이 큰 개소에 설치하면, 복수의 축전지의 온도 분포의 편차를 작게 할 수 있다.
즉, 이러한 조전지는, 전해액에서 차지하는 정부극 활물질의 비율이 작은 제1 축전지 그룹을 하우징 내에서 방열성이 나쁜 제1 공간에 배치하고, 전해액에서 차지하는 정부극 활물질의 비율이 제1 축전지 그룹보다도 높은 제2 축전지 그룹은, 제1 공간보다도 하우징 내에서 방열성이 좋은 제2 구간에 배치함으로써 구성할 수 있다.
(2) 제6 실시 형태의 축전지에서 사용하는 전극군에서는, 발열량을 조정하는 데 있어서, 정극 활물질과 부극 활물질의 양은 집전박의 위치에 의하지 않고 대략 균일하여, 정부극 활물질의 양에 장소적 치우침은 발생하지 않는다. 이로 인해, 충방전 사이클을 반복함에 따라 발생하는 리튬 이온의 출입 시에 진행하는 정극 활물질이나 부극 활물질의 구조 변화는 대략 균일하다. 그 결과, 국소 열화의 저감에 효과가 있어, 전체적으로 장수명화의 효과가 얻어진다.
[제7 실시 형태]
본 발명에 의한 축전지의 제7 실시 형태를 도 14를 참조하여 설명한다. 또한, 도면 중, 제1 실시 형태와 동일 혹은 상당 부분에는 600번대의 부호를 붙이고, 차이점을 주로 설명한다.
제7 실시 형태는, 본 발명을 복수의 전극층을 갖는 적층형 축전지에 적용한 것이다.
상술한 바와 같이, 전극군은 축전지 표면보다도 중앙부(전지 내부)의 방열성이 떨어진다. 제7 실시 형태는, 예를 들어 직사각형 시트 형상의 정부극 전극을 적층하여 이루어지는 적층형 축전지이며, 여기에서는, 전지 내부의 전극층을 두껍게 하고, 표면의 전극층을 얇게 하여 전지의 온도 분포의 균일화를 도모하도록 한 것이다.
도 14에 도시한 바와 같이, 전극군(612)은, 두께가 두꺼운 정부극 전극(620in, 630in)을 전지 심층부(중앙부)에 배치하고, 두께가 얇은 정부극 전극(620out, 630out)을 전지 표면에 배치한 예를 나타내고 있다. 표면측의 정극 전극(620out)과 내부측의 부극 전극층(630in) 사이에는 세퍼레이터(640)가 개재되고, 이면측의 부극 전극(630out)과 내부측의 정극 전극층(620in) 사이에는 세퍼레이터(640)가 개재되어 있다.
표리면측에 배치된 정극 전극층(622out), 부극 전극층(632out)의 두께(Tpo ut, Tnout)는, 중앙측에 배치된 정극 전극층(622in), 부극 전극층(632in)의 두께(Tpin, Tnin)보다도 작게 설정되어 있어, 내측의 정극 전극층(622in), 부극 전극층(632in)의 발열량이 억제되어 있다.
이에 의해, 방열성이 낮은 내측의 정극 전극층(622in), 부극 전극층(632in)에서의 발열량이, 외측의 정극 전극층(622out), 부극 전극층(632out)의 발열량보다도 작아, 전극군(612) 전체의 온도 상승이 균일화된다.
[제8 실시 형태]
본 발명에 의한 축전지의 제8 실시 형태를 도 15를 참조하여 설명한다. 또한, 도면 중, 제1 실시 형태와 동일 혹은 상당 부분에는 700번대의 부호를 붙이고, 차이점을 주로 설명한다.
제8 실시 형태는, 제1 실시 형태에서의 전극층(22)과 등가의 효과를 발휘하는 전극군의 다른 예를 하고 있다. 즉, 전극층의 폭 방향의 두께를 계단 형상으로 불연속으로 변화시킨 것이다.
제8 실시 형태의 전극군(712)은, 정부극 전극(720, 730)을 세퍼레이터(740)를 개재시켜 적층한 것이다. 정극 전극(720)은 평판 형상의 정극 금속박(721)과, 정극 금속박(721)의 편면에 도포된 정극 전극층(722)으로 이루어지고, 부극 전극(730)은 평판 형상의 부극 금속박(731)과, 부극 금속박(731)의 편면에 도포된 부극 전극층(732)으로 이루어진다. 정부극 전극층(722, 732) 사이에는, 중앙의 두께가 얇게 된 세퍼레이터(740)가 배치되어 있다.
정부극 전극층(722, 732)은 세퍼레이터(740)의 중앙부의 두께가 얇은 영역에서 두께가 두꺼워진다. 환언하면, 제8 실시 형태의 전극층(720, 730)은 계단 형상이다. 상술한 바와 같이, 전해액에서 차지하는 활물질(722A, 732A)이 작을수록 발열량이 낮으므로, 제8 실시 형태의 축전지는, 전지의 내부(심층부)의 발열이 억제되어, 전지 전체로서는 온도 분포가 작아진다.
[변형예]
제1 실시 형태에서는, 세퍼레이터(40)의 두께를 불균일하게 하고, 전극군(12)의 두께를 균일화했지만, 전극군(12)의 두께의 불균일이 허용되는 경우에는, 세퍼레이터(40)의 두께를 균일하게 해도 좋다.
또한, 세퍼레이터(40)의 두께를 균일하게 하고, 한편, 정부극 전극층(22, 32)의 두께의 변화에 대응하여, 정부극 집전박(21, 31)의 두께를 불균일하게 하고, 전극군(12)의 두께를 균일하게 해도 좋다.
이상의 실시 형태에서는, 정부극 활물질의 입경을 균일하게 했지만, 입경을 정부극 집전박(21, 31)의 위치에 따라 변화시켜, 입경의 대소에 의해 정부극 전극층(122, 132)의 두께를 두껍게 하는 것도 가능하다. 정부극 활물질(122A, 132A)의 입경이 큰 부분에서는, 공극률이 증대하여, 발열량이 억제된다.
10A 내지 10F: 축전지
11, 111, 211, 311, 411: 전지 용기
12, 112, 212, 312, 412, 512, 612, 712: 적층형 전극군
13, 113, 213, 313, 413, 513: 전해액
20, 120, 220, 320, 420, 520, 620, 720: 정극 전극
21, 121, 221, 321, 421, 521, 621, 721: 정극 금속박
22, 122, 222, 322, 422, 522, 622, 722: 정극 전극층
22A, 122A, 222A, 322A, 422A, 522A, 622A, 722A: 정극 활물질
30, 130, 230, 330, 430, 530, 630, 730: 부극 전극
31, 131, 231, 331, 431, 531, 631, 731: 부극 금속박
32, 132, 232, 332, 432, 532, 632, 732 부극 전극층
33A, 132A, 232A, 332A, 432A, 532A, 632A, 732A: 부극 활물질
40, 140, 240, 340, 440, 540, 640, 740: 세퍼레이터
100: 조전지
411C: 코너부
401, 501: 정극 탭
402, 502: 부극 탭

Claims (19)

  1. 정극 집전박에 정극 활물질을 포함하는 정극 전극층이 형성되어 있는 정극 전극 및 부극 집전박에 부극 활물질을 포함하는 부극 전극층이 형성되어 있는 부극 전극을 세퍼레이터를 사이에 두고 적층한 전극군과,
    상기 전극군을 수용하는 전지 용기와,
    상기 전지 용기 내에 충전된 전해액을 구비하고,
    상기 전극군은 직사각형 시트 형상의 정극 전극, 부극 전극 및 세퍼레이터를 적층한 적층형 직사각형 시트 형상의 전극군이며,
    상기 정극 활물질의 양과 상기 부극 활물질의 양은 상기 정부극 전극층 내에서 각각 균등하게 되도록 분포하고 있으며,
    상기 정극 활물질의 양 및 상기 부극 활물질의 양이 균등하게 되도록 분포하고 있는 정부극 활물질층에는, 상기 전해액과 상기 정부극 활물질의 양의 비율이 상이한 영역이 형성되고,
    상기 전해액과 상기 정부극 활물질의 양의 비율은, 상기 전극군의 면 내에 있어서 상기 정부극 전극층이 상이한 두께의 영역을 갖는 것에 의해 조절되고,
    상기 직사각형 시트 형상의 전극군이 확대되는 면 내의 중앙부의 전극층의 두께는 주변부의 두께보다도 두꺼운 것을 특징으로 하는 축전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정극 전극층 및 상기 부극 전극층의 두께는 폭 방향으로 연속적으로 변화하고 있는 것을 특징으로 하는 축전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정극 전극층 및 상기 부극 전극층의 두께는 폭 방향으로 불연속으로 변화하고 있는 것을 특징으로 하는 축전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터의 두께 형상은, 상기 정부극 전극층의 두께 형상과 상보 관계에 있고, 상기 전극군은 전역에서 그 두께가 일정한 것을 특징으로 하는 축전지.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해액과 상기 정부극 활물질의 양의 비율은, 상기 정부극 전극층의 공극률로 조절되고, 상기 정부극 전극층은 전극군의 면 내에서 상이한 공극률의 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 축전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전해액과 상기 정부극 활물질의 양의 비율은, 상기 정부극 전극층의 공극률로 조절되고, 상기 정부극 전극층은 전극군의 면 내에서 상이한 공극률의 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 축전지.
  7. 삭제
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KR1020120075407A 2011-07-11 2012-07-11 축전지, 조전지, 조전지 설치 방법, 전극군, 전극군의 제조 방법 KR101522449B1 (ko)

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