KR20120053460A - 이차 전지, 배터리 유닛 및 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

두께가 3㎜ 내지 20㎜이며, 전지 방전 용량이 3Ah 내지 50Ah인 전지 소자와, 상기 전지 소자를 패키징하는 외장재를 포함하는 이차 전지가 제공된다. 상기 전지 소자는, 정극 집전체 및 정극 활물질층을 구비하는 정극과, 부극 집전체 및 부극 활물질층을 구비하는 부극과, 교대로 적층되는 상기 정극과 상기 부극 사이에 개재되는 세퍼레이터와, 상기 정극 집전체 노출부에 전기적으로 접속되고 상기 외장재의 외부에 도출된 정극 탭과, 상기 부극 집전체 노출부에 전기적으로 접속되고 상기 외장재의 외부에 도출된 부극 탭을 포함한다.

Description

이차 전지, 배터리 유닛 및 배터리 모듈{SECONDARY BATTERY, BATTERY UNIT, AND BATTERY MODULE}
본 발명은 이차 전지, 배터리 유닛 및 배터리 모듈에 관한 것이다. 상세하게는, 대전류 충방전 특성을 갖는 이차 전지, 배터리 유닛 및 배터리 모듈에 관한 것이다.
최근, 카메라?일체형 VTR(Video Tape Recorder), 휴대 전화기, 노트북 PC 등의 포터블 전자 기기가 널리 확산되고, 그러한 기기의 경량화가 도모되고 있다. 그러한 전자 기기의 포터블 전원으로서 사용되는, 전지, 특히 이차 전지에 대해서, 그 에너지 밀도를 향상시키기 위한 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있다.
비수 전해액(nonaqueous elecrtolytic solution)을 사용하는 이차 전지 중에서, 리튬 이온 이차 전지에서는, 종래의 수용액계 전해액 이차 전지인 납 전지, 니켈 카드뮴 전지에 비해서 큰 에너지 밀도가 얻어지기 때문에, 그 시장도 현저하게 성장하고 있다. 특히, 최근, 리튬 이온 이차 전지의 경량 특성 및 고에너지 밀도 특성이 전동 공구, 전기 자동차나 하이브리드 전기 자동차 및 전동 어시스트 자전거용으로 적합하여, 그러한 차량에 적용하기 위해서 이차 전지의 대형화, 고출력화를 목표로 한 검토가 번성하고 있다.
리튬 이온 이차 전지로 대표되는 비수계 이차 전지는, 통상, 세퍼레이터를 개재하여 적층된 복수의 정극 및 부극과, 정극 및 부극 각각에 접속된 탭을 포함한다. 통상, 탭 및, 탭과 정극(부극)의 사이에 개재되는 정극 단자(부극 단자)는, 정극(부극)의 폭에 비해서 가늘게 형성되어 있다(일본 특허공개공보 제2003-178747호).
일본 특허공개공보 제2003-178747호
이차 전지의 고출력화를 실현하기 위해서는, 이차 전지가 대전류 충방전 특성을 가져야 한다. 그러나, 일본 특허공개공보 제2003-178747호에 개시된 바와 같이, 정극 및 부극의 폭보다 가늘게 형성된 탭 또는 단자를 포함하는 이차 전지에서는, 입출력 전류량이 제한되어, 대전류의 입출력에 대응하기 어렵다. 따라서, 그러한 구성을 채용한 이차 전지에서는, 고출력화를 실현하는데 한계가 있다.
따라서, 대전류 충방전 특성을 갖는 이차 전지, 배터리 유닛 및 배터리 모듈을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 두께가 3㎜ 내지 20㎜이며, 전지 방전 용량이 3Ah 내지 50Ah인 전지 소자와, 상기 전지 소자를 패키징하는 외장재를 포함하는 이차 전지가 제공된다. 상기 전지 소자는 정극 집전체 및 정극 활물질층을 구비하고, 정극 집전체 노출부가 형성되고, 상기 정극 집전체 노출부의 폭 wc와 상기 정극 활물질층의 폭 Wc가 이하의 식(1)을 만족하도록 상기 정극 집전체 상에 상기 정극 활물질층이 형성되어 있는 정극과, 부극 집전체 및 부극 활물질층을 구비하고, 부극 집전체 노출부가 형성되고, 상기 부극 집전체 노출부의 폭 wa와 상기 부극 활물질층의 폭 Wa가 이하의 식(2)을 만족하도록 상기 부극 집전체 상에 상기 부극 활물질층이 형성되어 있는 부극과, 교대로 적층되는 상기 정극과 상기 부극 사이에 개재되는 세퍼레이터와, 상기 정극 집전체 노출부에 전기적으로 접속되고, 상기 외장재의 외부에 도출된 정극 탭과, 상기 부극 집전체 노출부에 전기적으로 접속되고, 상기 외장재의 외부에 도출된 부극 탭을 포함한다.
0.5 < (wc/Wc)≤1.0???(1)
0.5 < (wa/Wa)≤1.0???(2)
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 1조의 이차 전지와, 상기 1조의 이차 전지의 외주 측면을 둘러싸는 외주 벽부를 갖는 지지 부재를 포함하는 배터리 유닛이 제공된다. 상기 1조의 이차 전지는 상기 지지 부재의 정면측 및 배면측으로부터 상기 외주 벽부 내에 각각 삽입된다. 상기 이차 전지 각각은, 두께가 3㎜ 내지 20㎜이며 전지 방전 용량이 3Ah 내지 50Ah인 전지 소자와, 상기 전지 소자를 패키징하는 외장재를 포함한다. 상기 전지 소자는 정극 집전체 및 정극 활물질층을 구비하고, 정극 집전체 노출부가 형성되고, 상기 정극 집전체 노출부의 폭 wc와 상기 정극 활물질층의 폭 Wc가 이하의 식(7)을 만족하도록 상기 정극 집전체 상에 상기 정극 활물질층이 형성되어 있는 정극과, 부극 집전체 및 부극 활물질층을 구비하고, 부극 집전체 노출부가 형성되고, 상기 부극 집전체 노출부의 폭 wa와 상기 부극 활물질층의 폭 Wa가 이하의 식(8)을 만족하도록 상기 부극 집전체 상에 상기 부극 활물질층이 형성되어 있는 부극과, 교대로 적층되는 상기 정극과 상기 부극 사이에 개재되는 세퍼레이터와, 상기 정극 집전체 노출부에 전기적으로 접속되고, 상기 외장재의 외부에 도출된 정극 탭과, 상기 부극 집전체 노출부에 전기적으로 접속되고, 상기 외장재의 외부에 도출된 부극 탭을 포함한다.
0.5 < (wc/Wc)≤1.0???(7)
0.5 < (wa/Wa)≤1.0???(8)
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 복수의 배터리 유닛을 포함하는 배터리 모듈이 제공된다. 상기 배터리 유닛 각각은, 1조의 이차 전지와, 상기 1조의 이차 전지의 외주 측면을 둘러싸는 외주 벽부를 갖는 지지 부재를 포함하고, 상기 1조의 이차 전지가 상기 지지 부재의 정면측 및 배면측으로부터 상기 외주 벽부 내에 각각 삽입된다. 상기 이차 전지 각각은, 두께가 3㎜ 내지 20㎜이며 전지 방전 용량이 3Ah 내지 50Ah인 전지 소자와, 상기 전지 소자를 패키징하는 외장재를 포함한다. 상기 전지 소자는, 정극 집전체 및 정극 활물질층을 구비하고, 정극 집전체 노출부가 형성되고, 상기 정극 집전체 노출부의 폭 wc와 상기 정극 활물질층의 폭 Wc가 이하의 식(9)을 만족하도록 상기 정극 집전체 상에 상기 정극 활물질층이 형성되어 있는 정극과, 부극 집전체 및 부극 활물질층을 구비하고, 부극 집전체 노출부가 형성되고, 상기 부극 집전체 노출부의 폭 wa와 상기 부극 활물질층의 폭 Wa가 이하의 식(10)을 만족하도록 상기 부극 집전체 상에 상기 부극 활물질층이 형성되어 있는 부극과, 교대로 적층되는 상기 정극과 상기 부극 사이에 개재되는 세퍼레이터와, 상기 정극 집전체 노출부에 전기적으로 접속되고, 상기 외장재의 외부에 도출된 정극 탭과, 상기 부극 집전체 노출부에 전기적으로 접속되고, 상기 외장재의 외부에 도출된 부극 탭을 포함한다.
0.5 < (wc/Wc)≤1.0???(9)
0.5 < (wa/Wa)≤1.0???(10)
본 발명의 실시형태에 따르면, 전지 소자는 두께가 3㎜ 내지 20㎜이고, 전지 방전 용량이 3Ah 내지 50Ah이다. 전지 소자의 두께가 3㎜보다 작으면, 전지 소자 전체의 체적 중에서 사용되는 비율이 저하하여, 체적 에너지 밀도가 저하한다. 또한, 전지 소자의 두께가 20㎜를 초과하면, 전지 소자의 방열성이 저하하여, 충방전을 반복하는 수명 사이클 기간이 저하할 우려가 있다. 방전 용량이 3Ah 미만이면 상술한 구조를 취하지 않고 레이트 특성이 확보된다.
또한, 정극은 정극 집전체 노출부의 폭 wc와 정극 활성 물질층의 폭 Wc이 이하의 식(1)을 만족하도록 형성되고, 부극은, 부극 집전체 노출부의 폭 wa와 부극 활성 물질층의 폭 Wa가 이하의 식(2)을 만족하도록 형성되어, 대전류의 입출력이 가능하게 될 수 있다.
0.5 ＜ (wc/WC) ≤1.0 ???(1)
0.5 ＜ (wa/Wa) ≤1.0 ???(2)
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따르면, 대전류의 입출력이 가능하게 되어, 이차 전지의 추가적 고출력이 가능하게 된다. 따라서, 예를 들어, 상기 이차 전지는 조합된 복수의 이차 전지를 사용함으로써 고출력을 얻는 전기 자동차나 하이브리드 전기 자동차 등의 이차 전지로서 사용될 수 있다.
도 1의 (a)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 이차 전지의 일 구성예를 도시하는 외관 사시도이며, 도 1의 (b)는, 이차 전지의 구성을 도시하는 대략선도이며, 도 1의 (c)는 이차 전지의 외관 저면측을 도시하는 외관 사시도이며, 도 1의 (d)는 외장재에 의해 외장되는 전지 소자의 측면도이다.
도 2의 (a) 및 도 2의 (b)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 이차 전지에 사용되는 정극의 구성예를 도시하는 대략선도이며, 도 2의 (c) 및 도 2의 (d)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 이차 전지에 사용되는 부극의 구성예를 도시하는 대략선도이다.
도 3의 (a) 내지 도 3의 (e)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 이차 전지에 사용되는 정극 탭 및 부극 탭의 구성예를 도시하는 대략선도이다.
도 4의 (a) 내지 도 4의 (c)는, 정극 탭과 정극 집전체 노출부 사이의 접속 상태를 도시하는 부분 확대도이다.
도 5의 (a)는 정극 집전체 노출부와 정극 탭의 접속 상태를 도시하는 대략선도이며, 도 5의 (b)는 부극 집전체 노출부와 부극 탭의 접속 상태를 도시하는 대략선도이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 이차 전지의 외관 사시도이며, 도 6의 (b) 및 도 6의 (c)는 도 6의 (a)에서 VIB-VIB 및 VIC-VIC를 따라 자른 단면도이며, 도 6의 (d)는 실란트(sealant)의 구비 상태를 도시하는 전지 소자의 측면도이다.
도 7의 (a) 내지 도 7의 (f)는 인슐레이터의 구성예를 도시하는 대략선도이다.
도 8의 (a)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 이차 전지에서의 정극, 부극 및 세퍼레이터의 적층 구조를 도시하는 대략선도이며, 도 8의 (b)는 정극, 부극 및 세퍼레이터의 적층 구조를 도시하는 평면도이다.
도 9의 (a) 내지 도 9의 (f)는 이차 전지의 제조 공정을 도시하는 대략선도이다.
도 10의 (a) 내지 도 10의 (f)는 이차 전지의 제조 공정을 도시하는 대략선도이다.
도 11의 (a) 내지 도 11의 (e)는 집전체 노출부의 절곡부 형성 공정을 도시하는 대략선도이다.
도 12의 (a) 내지 도 12의 (e)는 집전체 노출부의 절단 공정을 도시하는 대략선도이다.
도 13의 (a) 내지 도 13의 (c)는 탭 접속 공정을 도시하는 대략선도이다.
도 14의 (a) 내지 도 14의 (e)는 탭 및 집전체 노출부의 절곡부 형성 공정을 도시하는 대략선도이다.
도 15의 (a)는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 이차 전지에서의 정극, 부극 및 세퍼레이터의 적층 구조를 도시하는 대략선도이며, 도 15의 (b)는 정극, 부극 및 세퍼레이터의 적층 구조를 도시하는 측면도이다.
도 16의 (a) 및 도 16의 (b)는 정극, 부극 및 세퍼레이터의 적층 구조의 변형예를 도시하는 대략선도이다.
도 17의 (a)는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 부극과 세퍼레이터의 적층 구조를 도시하는 대략선도이며, 도 17의 (b)는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 이차 전지에서의 정극, 부극 및 세퍼레이터의 적층 구조를 도시하는 대략선도이며, 도 17의 (c)는 정극, 부극 및 세퍼레이터의 적층 구조를 도시하는 측면도이다.
도 18의 (a)는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 이차 전지에서의 정극, 부극 및 세퍼레이터의 적층 구조의 변형예를 도시하는 대략선도이며, 도 18의 (b)는 도 18의 (a)에서의 화살표 XVIIIB 도이다.
도 19의 (a) 및 도 19의 (b)는 본 발명에 관한 이차 전지를 적용한 배터리 유닛의 구성예를 도시하는 사시도이다.
도 20은 배터리 유닛이 분해된 상태를 도시하는 사시도이다.
도 21은 배터리 유닛이 조합된 배터리 모듈의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 22는 병렬 블록의 단자 방향을 도시하는 도면이다.
도 23의 (a)는 병렬 블록의 삽입 방향으로의 오류를 방지하는 고안에 대해서 설명하기 위한 모듈 케이스의 대략선도이며, 도 23의 (b)는 병렬 블록의 삽입 방향으로의 오류를 방지하는 고안에 대해서 설명하기 위한 병렬 블록의 대략선도이다.
도 24의 (a)는 병렬 블록의 삽입 방향으로의 오류를 방지하는 고안에 대해서 설명하기 위한 모듈 케이스의 대략선도이며, 도 24의 (b)는 병렬 블록의 삽입 방향으로의 오류를 방지하는 고안에 대해서 설명하기 위한 배터리 유닛의 대략선도이다.
도 25의 (a)는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 이차 전지의 외관의 일례를 도시하는 사시도이고, 도 25의 (b)는 전지 소자의 구성의 일례를 도시하는 사시도이고, 도 25의 (c)는 전지 소자의 구성의 일례를 도시하는 분해 사시도이다.
도 26의 (a)는, 정극 탭의 형상의 일례를 도시하는 사시도이다.
도 26의 (b)는 부극 탭의 형상의 일례를 도시하는 사시도이다.
도 27의 (a) 내지 도 27의 (d)는 정극 탭의 제1 내지 제4 형상예를 도시하는 사시도이다.
도 28의 (a) 내지 도 28의 (c)는 정극 탭의 제5 내지 제7 형상예를 도시하는 사시도이다.
도 29의 (a) 내지 도 29의 (c)는 정극 탭의 제작 방법의 제1의 예를 나타내는 공정도이다.
도 30의 (a) 내지 도 30의 (c)는 정극 탭의 제작 방법의 제2의 예를 나타내는 공정도이다.
도 31은 정극 집전체 노출부와 정극 탭과의 접합부를 확대해서 도시한 사시도이다.
도 32의 (a) 내지 도 32의 (d)는 절연 부재의 형상예를 도시하는 사시도이다.
도 33의 (a) 내지 도 33의 (c)는 정극 탭과 전지 소자를 절연하는 절연 부재로서 세퍼레이터를 사용한 제1 내지 제3 예를 도시하는 단면도이다.
도 34의 (a)는 인슐레이터의 형상의 제1의 예를 도시하는 사시도이고, 도 34의 (b)는 인슐레이터의 형상의 제1의 예를 도시하는 분해 사시도이다.
도 35의 (a)는 인슐레이터의 형상의 제2의 예를 도시하는 사시도이고, 도 35의 (b)는 인슐레이터의 형상의 제2의 예를 도시하는 분해 사시도이다.
도 36의 (a) 내지 도 36의 (d)는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 이차 전지의 제조 방법의 일례에 대해서 나타내는 공정도이다.
도 37의 (a) 내지 도 37의 (c)는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 이차 전지의 제조 방법의 일례에 대해서 나타내는 공정도이다.
본 발명의 실시형태들에 대해서 도면을 참조하면서 이하의 순서로 설명한다.
1. 제1 실시형태(각 세퍼레이터를 통해서 정극 및 부극을 적층한 예)
2. 제2 실시형태(지그재그형으로 접힌 1매의 띠 형상의 세퍼레이터를 통해서 정극 및 부극을 적층한 예)
3. 제3 실시형태(부극을 개재한 상태로 지그재그형으로 접힌 한 쌍의 세퍼레이터를 통해서 정극 및 부극을 적층한 예)
4. 제4 실시형태(정극 탭 및 부극 탭을 동일한 측면으로부터 도출(lead-out)한 예)
5. 제5 실시형태(이차 전지를 사용한 배터리 유닛 및 배터리 모듈)
<1. 제1 실시형태>
(1-1) 이차 전지의 구성
도 1의 (a)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 비수 전해질 전지(이하, 이차 전지(1)로서 적절히 칭함)의 외관을 도시하는 대략선도이며, 도 1의 (b)는 이차 전지(1)의 구성을 도시하는 대략선도이다. 또한, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)에 나타낸 이차 전지(1)의 저면 및 상면을 반전시킨 경우의 구성을 나타내고 있다. 또한, 도 1의 (c)는 이차 전지(1)의 외관 저면측을 도시하는 대략선도이다. 이차 전지(1)는, 예를 들어 소위 리튬 이온 이차 전지이며, 전지 소자(2)와 외장재(3)를 포함한다. 도 1의 (d)는 외장재(3)에 의해 외장되는 전지 소자(2)의 측면도이다. 외장재(3)는 전지 소자(2)를 수용하는 제1 외장부(3A)와, 전지 소자(2)를 덮는 덮개(lid)로서 기능하는 제2 외장부(3B)를 포함한다. 전지 소자(2)의 두께는 3 내지 20㎜ 이하이고, 방전 용량은 3 내지 50Ah 이하이다. 전지 소자(2)의 두께가 3㎜ 미만이면 전지 전체의 체적 중에 전지 소자(2)가 차지하는 비율이 저하하고, 체적에너지 밀도가 저하한다. 또한, 전지 소자(2)의 두께가 20㎜를 초과하면, 전지 소자(2)의 방열성이 저하하고, 충방전을 반복하는 사이클 수명이 저하할 우려가 있다. 방전 용량이 3Ah 미만이면 상기의 구조를 취하지 않고도 레이트 특성이 확보된다.
전지 소자(2)는 대략 직사각 형상의 정극(4)과, 정극(4)과 대향해서 배치된 대략 직사각 형상의 부극(5)이, 세퍼레이터(6)을 통해서 교대로 적층된 적층형 전극 구조를 갖고 있다. 또한, 전지 소자(2)로부터는 복수매의 정극(4) 각각과 전기적으로 접속된 정극 집전체 노출부(4C)와, 복수매의 부극(5) 각각과 전기적으로 접속된 부극 집전체 노출부(5C)가 도출되어 있다. 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)에는, 각각 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)이 접속되어 있다. 또한, 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)는 단면이 대략 U자 형상이 되도록 절곡되어 있다.
전지 소자(2)는 외장재(3)에 의해 외장되어 있어, 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)에 각각 접속된 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)은 외장재(3)의 밀봉부로부터 이차 전지(1)의 외부로 도출되어 있다. 외장재(3)는 적어도 한쪽 면 또는 양면에 미리 디프 드로잉(deep drawing) 가공이 실시되는 것에 의해 오목부가 형성되고, 이러한 오목부에 전지 소자(2)가 수납된다. 도 1의 (b)에서는, 외장재(3)를 구성하는 제1 외장부(3A)에 오목부(9)를 갖고, 전지 소자(2)가 오목부(9)에 수납된다. 제2 외장부(3B)가 오목부(9)의 개구를 덮도록 배치되고, 오목부(9)의 개구의 주위가 열 융착 등에 의해 접착됨으로써 밀봉된다. 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)와 각각 접속된 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)은, 외장재(3)의 밀봉 부분으로부터 외부를 향해 상이한 방향으로 도출되어 있다.
[정극]
도 2의 (a) 및 도 2의 (b)는 전지 소자(2)를 구성하는 정극(4)의 구조를 도시하는 대략선도이다. 도 2의 (c) 및 도 2의 (d)는 전지 소자(2)을 구성하는 부극(5)의 구조를 도시하는 대략선도이다. 정극(4)은, 예를 들어 정극 집전체(4A)의 양면에 정극 활물질층(4B)이 구비된 구조를 갖고 있다. 또한, 도시는 하지 않지만, 정극 집전체(4A)의 한쪽 면에만 정극 활물질층(4B)을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시형태에서는, 정극 집전체(4A)의 양면 전체면에 정극 활물질층(4B)이 구비되어 있지 않고, 정극 집전체(4A)의 양면 상에 소정 치수의 깊이를 갖는 정극 집전체 노출부(4C)가 형성되도록 정극 활물질층(4B)이 형성되어 있다. 정극 집전체 노출부(4C)는 정극 단자로서 기능을 한다. 정극 집전체 노출부(4C)의 폭 wc(도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에서는 정극 집전체 노출부(4C)의 길이 방향의 치수)과, 정극 활물질층(4B)의 폭 Wc(도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에서는, 정극 활물질층(4B)의 횡방향의 치수)은 이하의 식(1)을 만족하도록 구성되어 있다.
0.5 <(wc/Wc)≤1.0 ??? (1)
식(1)에서, 0.5 <(wc/Wc)의 경우, 이것은 정극 집전체 노출부(4C)의 폭이 정극 활물질층(4B)의 폭의 절반을 초과하는 경우를 나타낸다. 도 2의 (a)는 (wc/Wc)=0.5일 경우를 나타낸다.
또한, 식(1)에서, (wc/Wc)=1.0의 경우, 이것은 정극 집전체 노출부(4C)의 폭과 정극 활물질층(4B)의 폭이 동일할 경우를 나타낸다. 도 2의 (b)는 (wc/Wc)=1.0,일 경우를 나타낸다. 이와 같이, 본 발명에서는, 종래의 전지에 비하여 정극 단자로서의 정극 집전체 노출부(4C)의 폭이 커지도록 구성되어 있다. 정극 집전체 노출부(4C)의 폭을 크게 구성함으로써, 대전류의 입출력이 가능하게 된다. 또한, 정극 집전체 노출부(4C)의 폭과 정극 활물질층(4B)의 폭이 서로 동일해지도록 구성함으로써, 정극(4)의 제조 공정에 있어서는, 정극 집전체 노출부(4C)를 얇게 형성해야 하는 펀칭 공정 이나 컷팅 공정 등의 공정을 행할 필요가 없기 때문에, 제조 공정을 간략화할 수 있다.
또한, 정극 집전체(4A)와, 정극 단자로서 기능하는 정극 집전체 노출부(4C)는 일체적으로 구성될 수 있고, 별개로 구성되어 서로에 접속될 수 있다. 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에서는, 정극 집전체(4A)와 정극 집전체 노출부(4C)가 일체적으로 형성되어 있는 예를 나타내고 있다. 일체적으로 형성되어 있을 경우, 정극 집전체(4A) 상에 정극 활물질층(4B)을 구비함으로써 정극 집전체 노출부(4C)가 형성되기 때문에, 정극(4)의 제작 공정을 간략화할 수 있다.
또한, 정극 집전체 노출부(4C)를 정극 활물질층(4B)의 도포 방향과 평행 방향으로 형성하는 경우, 정극 집전체(4A) 원재료(raw sheet)의 폭이 정극 활물질층(4B)의 폭과 정극 집전체 노출부(4C)의 폭의 합의 정수배인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 정극 집전체(4A) 원재료의 폭이 정극 활물질층(4B)과 정극 집전체 노출부(4C)의 폭의 합의 짝수배일 수 있다. 이에 의해, 재료 수율이 향상된다.
또한, 정극 집전체 노출부(4C)의 깊이 dc(도 2의 (a), 도 2의 (b)에서는 정극 집전체 노출부(4C)의 횡방향의 치수)와 정극 활물질층(4B)의 깊이 Dc(도 2의 (a), 도 2의 (b)에서 정극 활물질층(4B)의 길이 방향의 치수)가 이하의 식(2)를 만족하는 것이 바람직하다.
0.02 <(dc/Dc)≤0.40 ??? (2)
(dc/Dc)의 값이 0.02 미만에서는, 정극 집전체 노출부(4C)와 정극 탭(7) 사이의 접속 면적이 작아져, 입출력 특성이 저하된다. 한편, (dc/Dc)의 값이 0.40 이상이 되면, 정극 1매당의 전지 용량이 작아진다. 따라서, 이차 전지(1) 전체에서의 원하는 전지 용량을 얻기 위해서는 적층 매수를 증가시킬 필요가 있게 된다. 적층 매수를 증가시키면, 초음파 용접에 의해 정극 집전체 노출부(4C)와 정극 탭(7)을 접속하는 경우, 보다 큰 파워와 에너지가 필요해진다. 이에 의해, 정극 집전체 노출부(4C)가 손상되고, 용접 불량 등의 문제가 발생할 수 있는 우려가 있다. 또한, 적층 매수를 증가시키는 것의 폐해로서, 방열성의 저하를 들 수 있다. 방열성이 저하하면 대전류에 이차 전지(1)의 내부가 고온이 되고, 이차 전지(1)의 수명의 저하를 초래할 우려가 있다.
정극 집전체(4A)는 알루미늄박 등의 금속박에 의해 구성되어 있다. 정극 활물질층(4B)은, 예를 들어 정극 활물질로서, 리튬을 흡장 및 방출하는 것이 가능한 정극 재료의 1종 또는 2종 이상을 포함하고 있어, 필요에 따라 흑연(graphite) 등의 도전제 및 폴리불화비닐리덴(polyvinylidene fluoride) 등의 결착제를 포함할 수 있다.
리튬을 흡장 및 방출하는 것이 가능한 정극 재료로서는, 예를 들어 리튬 산화물, 리튬 인산화물, 리튬 황화물 및 리튬을 포함하는 층간 화합물 등의 리튬 함유 화합물이 적합하며, 이것들의 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 에너지 밀도를 증가시키기 위해서는, 리튬과 전이 금속 원소와 산소(O)를 포함하는 리튬 함유 화합물이 바람직하고, 그 중에서도, 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn) 및 철(Fe)로 이루어지는 군 중 선택된 적어도 1종을 포함하는 것이면 보다 바람직하다. 이러한 리튬 함유 화합물로서는, 예를 들어 조성식(I), 조성식(II) 또는 조성식(III)에 의해 나타낸 층상암염형(layered rock-salt type)의 구조를 갖는 리튬 복합 산화물, 조성식(IV)에 의해 나타낸 스피넬형(spinel type)의 구조를 갖는 리튬 복합 산화물 또는 조성식(V)에 의해 나타낸 올리빈형(olivine type)의 구조를 갖는 리튬 복합 인산염 등을 들 수 있다. 구체적으로는, LiNi0 .50Co0 .20Mn0 .30O2, LiaCoO2(a≒1), LibNiO2(b≒1), Lic1Nic2Co1 -c2O2(c1≒1, 0<c2<1), LidMn2O4(d≒1) 또는 LieFePO4(e≒1) 등을 들 수 있다.
LifMn(1-g-h)NigM1hO(2-j)Fk ???(I)
(M1은 코발트(Co), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 붕소(B), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 구리(Cu), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 및 텅스텐(W)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 표현한다. f, g, h, j 및 k는, 0.8≤f≤1.2, 0 <g<0.5, 0≤h≤0.5, g+h<1, -0.1≤j≤0.2, 0≤k≤0.1의 범위 내의 값을 표현한다. 또한, 리튬의 조성은 충방전의 상태에 따라 상이하고, f의 값은 완전 방전 상태에서의 값을 표현하고 있다.
LimNi(1-n)M2nO(2-p)Fq ???(II)
(M2는 코발트(Co), 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 붕소(B), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 구리(Cu), 아연(Zn), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 및 텅스텐(W)로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 표현한다. m, n, p 및 q는 0.8≤m≤1.2, 0.005≤n≤0.5, -0.1≤p≤0.2, 0≤q≤0.1의 범위 내의 값을 표현한다. 또한, 리튬의 조성은 충방전의 상태에 따라 상이하고, m의 값은 완전 방전 상태에서의 값을 표현한다.)
LirCo(1-s)M3sO(2-t)Fu ???(III)
(M3은 니켈(Ni), 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 붕소(B), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 구리(Cu), 아연(Zn), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 및 텅스텐(W)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 표현한다. r, s, t 및 u는 0.8≤r≤1.2, 0≤s <0.5, -0.1≤t≤0.2, 0≤u≤0.1의 범위 내의 값이다. 또한, 리튬의 조성은 충방전의 상태에 따라 상이하고, r의 값은 완전 방전 상태에서의 값을 표현한다.)
LivMn2 - wM4wOxFy ???(IV)
(M4는 코발트(Co), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 붕소(B), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 구리(Cu), 아연(Zn), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 및 텅스텐(W)로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 표현한다. v, w, x 및 y는 0.9≤v≤1.1, 0≤w≤0.6, 3.7≤x≤4.1, 0≤y≤0.1의 범위 내의 값을 표현한다. 또한, 리튬의 조성은 충방전의 상태에 따라 상이하고, v의 값은 완전 방전 상태에서의 값을 표현한다.)
LizM5PO4???(V)
(M5는 코발트(Co), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 붕소(B), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 니오븀(Nb), 구리(Cu), 아연(Zn), 몰리브덴(Mo), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 텅스텐(W) 및 지르코늄(Zr)로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 표현한다. z는 0.9≤z≤1.1의 범위 내의 값을 표현한다. 또한, 리튬의 조성은 충방전의 상태에 따라 상이하고, z의 값은 완전 방전 상태에서의 값을 표현한다.)
리튬을 흡장 및 방출하는 것이 가능한 정극 재료로서는, 상기한 재료 외에도, MnO2, V2O5, V6O13, NiS, MoS 등의 리튬을 포함하지 않는 무기 화합물도 들 수 있다.
[부극]
부극(5)은, 예를 들어 부극 집전체(5A) 양면 상에 부극 활물질층(5B)이 구비된 구조를 갖는다. 또한, 도시하지 않았지만, 부극 집전체(5A)의 한쪽면에만 부극 활물질층(5B)을 구비할 수 있다. 부극 집전체(5A)는, 예를 들어 동박 등의 금속박으로 형성된다.
부극 활물질층(5B)은, 부극 활물질로서, 리튬을 흡장 및 방출하는 것이 가능한 부극 재료 중 1종 또는 2종 이상을 포함하고, 필요에 따라 정극 활물질층(4B)과 동일한 결착제를 포함할 수 있다.
또한, 전지 소자(2)는, 리튬을 흡장 및 방출하는 것이 가능한 부극 재료의 전기 화학 당량이, 정극(4)의 전기 화학 당량보다 크고, 충전 도중에 부극(5)에 리튬 금속이 석출되지 않도록 구성되어 있다.
도 2의 (c) 및 도 2의 (d)에 도시한 바와 같이, 부극 집전체(5A)의 양면의 전체에 부극 활물질층(5B)이 구비되어 있는 것이 아니고, 부극 집전체(5A)의 양면에 소정 치수의 깊이를 갖는 부극 집전체 노출부(5C)가 형성되도록 부극 활물질층(5B)이 구비되어 있다. 부극 집전체 노출부(5C)는 부극 단자로서 기능한다. 본 실시형태에서는, 부극 집전체 노출부(5C)의 폭 wa(도 2의 (c), 도 2의 (d)에서 부극 집전체 노출부(5C)의 길이 방향의 치수)과, 부극 활물질층(5B)의 폭 Wa(도 2의 (c), 도 2의 (d)에서는 부극 활물질층(5B)의 횡방향의 치수)은 이하의 식(3)을 만족하도록 구성되어 있다.
0.5 <(wa/Wa)≤1.0???(3)
식(3)에서, 0.5 <(wa/Wa)의 경우, 이것은 부극 집전체 노출부(5C)의 폭이 부극 활물질층(5B)의 폭의 절반을 초과하는 경우를 나타낸다. 또한, 식(3)에서, (wa/Wa)=1.0의 경우, 이것은 부극 집전체 노출부(5C)의 폭이 부극 활물질층(5B)의 폭과 동일한 경우를 나타낸다. 이와 같이, 상술한 정극(4)과 마찬가지로, 부극 집전체 노출부(5C)의 폭을 크게 구성하면, 대전류의 입출력이 가능하게 된다. 또한, 부극 집전체 노출부(5C)의 폭과 부극 활물질층(5B)의 폭을 서로 동일해지도록 구성함으로써, 부극(5)의 제조 공정에 있어서, 부극 집전체 노출부(5C)를 가늘게 하기 위한 펀칭 공정이나 컷팅 공정 등의 공정을 행할 필요가 없기 때문에, 제조 공정을 간략화할 수 있다.
또한, 부극 집전체(5A)와, 부극 단자로서 기능하는 부극 집전체 노출부(5C)는 일체적으로 구성될 수 있고, 별개로 구성되어 서로에 접속될 수 있다. 도 2의 (c) 및 도 2의 (d)에서는, 부극 집전체(5A)와 부극 집전체 노출부(5C)가 일체적으로 형성되어 있는 예를 나타내고 있다. 일체적으로 형성되어 있을 경우, 부극 집전체(5A) 상에 부극 활물질층(5B)을 구비함으로써 부극 집전체 노출부(5C)가 형성되기 때문에, 부극(5)의 제작 공정을 간략화할 수 있다.
또한, 부극 집전체 노출부(5C)를 부극 활물질층(5B)의 도포 방향과 평행 방향으로 형성하는 경우, 부극 집전체(5A) 원재료의 폭이 부극 활물질층(5B)의 폭과 부극 집전체 노출부(5C)의 폭의 합의 정수배인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 부극 집전체(5A) 원재료의 폭이 부극 활물질층(5B)과 부극 집전체 노출부(5C)의 폭의 합의 짝수배일 수 있다. 이에 의해, 재료 수율이 향상된다.
또한, 부극 집전체 노출부(5C)의 깊이 da(도 2의 (c) 및 도 2의 (d)에서 부극 집전체 노출부(5C)의 횡방향의 치수)와, 부극 활물질층(5B)의 깊이 Da(도 2의 (c) 및 도 2의 (d)에서는 부극 활물질층(5B)의 길이 방향의 치수)가 이하의 식(4)를 만족하는 것이 바람직하다.
0.02 <(da/Da)≤0.40 ???(4)
리튬을 흡장 및 방출하는 것이 가능한 부극 재료로서는, 예를 들어 비흑연화성(non-graphitization) 탄소, 역흑연화성(easy-graphitization) 탄소, 흑연, 열분해 탄소류, 코크스류, 유리 형상 탄소류, 유기 고분자 화합물 소성체, 탄소 섬유 또는 활성탄 등의 탄소 재료를 들 수 있다. 이 중, 코크스류로서는, 피치 코크스, 니들 코크스 또는 석유 코크스 등이 있다. 유기 고분자 화합물 소성체는 페놀 수지와 푸란 수지 등의 고분자 재료를 적당한 고온에서 소성하여 탄소화한 것을 나타내고, 일부 경우, 비흑연화성 탄소 또는 역흑연화성 탄소로 분류될 수 있다. 또한, 고분자 재료로서는, 폴리아세틸렌 또는 폴리피롤 등을 들 수 있다. 이들 탄소 재료는, 충방전시에 발생하는 결정 구조의 변화가 매우 적고, 높은 충방전 용량을 얻을 수 있으며, 양호한 사이클 특성을 얻을 수 있으므로 바람직하다. 특히, 흑연이 바람직하다. 그 이유는 전기 화학 당량이 크고, 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있기 때문이다. 또한, 비흑연화성 탄소는 우수한 특성이 얻어지므로 바람직하다. 또한, 충방전 전위가 낮은 재료, 구체적으로는, 충방전 전위가 리튬 금속에 가까운 재료가 바람직하다. 그 이유는 전지의 고에너지 밀도화를 용이하게 실현할 수 있기 때문이다.
리튬을 흡장 및 방출하는 것이 가능한 부극 재료로서는, 리튬을 흡장 및 방출하는 것이 가능하고, 금속 원소 및 반금속 원소 중 적어도 1종을 구성 원소로서 포함하는 재료를 들 수 있다. 이러한 재료를 사용하면, 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있기 때문이다. 특히, 이러한 재료를 탄소 재료와 함께 사용하면, 고에너지 밀도를 얻을 수 있고, 우수한 사이클 특성을 얻을 수 있으므로 바람직하다. 이러한 부극 재료는 금속 원소 또는 반금속 원소의 단체(elementary substance), 합금, 화합물이거나, 금속 원소 또는 반금속 원소 중 1종 또는 2종 이상의 상을 포함하는 재료일 수 있다. 또한, 본 실시형태에서, 합금으로서는, 2종 이상의 금속 원소를 포함하는 합금 이외에, 1종 이상의 금속 원소와 1종 이상의 반금속 원소를 포함하는 합금도 들 수 있다. 또한, 비금속 원소를 포함할 수 있다. 부극 재료의 구성에는, 고용체, 공정(공융 혼합물), 금속간 화합물이나, 그들 중 2종 이상이 공존할 수 있다.
부극 재료를 구성하는 금속 원소 또는 반금속 원소로서는, 예를 들어 마그네슘(Mg), 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 비스무트(Bi), 카드뮴(Cd), 은(Ag), 아연(Zn), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt)을 들 수 있다. 이들은 결정질 구조 또는 아몰퍼스 구조를 가질 수 있다.
이 중에, 부극 재료로서는, 단주기형 주기율표에서의 4B족의 금속 원소 또는 반금속 원소를 구성 원소로서 포함하는 것이 바람직하고, 특히 바람직한 것은 규소(Si) 및 주석(Sn) 중 적어도 한쪽을 구성 원소로서 포함하는 것이다. 그 이유는 규소(Si) 및 주석(Sn)은 리튬(Li)을 흡장 및 방출하는 능력이 크고, 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있기 때문이다.
주석(Sn)의 합금으로서는, 예를 들어 주석(Sn) 이외의 제2 구성 원소로서, 규소(Si), 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 아연(Zn), 인듐(In), 은(Ag), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge), 비스무트(Bi), 안티몬(Sb) 및 크롬(Cr)로 이루어지는 군으로부터 선태된 적어도 1종을 포함하는 합금을 들 수 있다. 규소(Si)의 합금으로서는, 예를 들어 규소(Si) 이외의 제2 구성 원소로서, 주석(Sn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 아연(Zn), 인듐(In), 은(Ag), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge), 비스무트(Bi), 안티몬(Sb) 및 크롬(Cr)로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함하는 합금을 들 수 있다.
주석(Sn)의 화합물 또는 규소(Si)의 화합물로서는, 예를 들어 산소(O) 또는 탄소(C)를 포함하는 화합물을 들 수 있다. 주석(Sn) 또는 규소(Si) 외에, 상술한 제2 구성 원소를 포함할 수 있다.
리튬을 흡장 및 방출하는 것이 가능한 부극 재료로서는, 또한, 다른 금속 화합물 또는 고분자 재료를 들 수 있다. 다른 금속 화합물로서는, MnO2, V2O5 및 V6O13 등의 산화물, NiS 및 MoS 등의 황화물, LiNiO2 및 Li4Ti5O12 등의 리튬 전이 금속 산화물, 또는 LiN3 등의 리튬 질화물을 들 수 있다. 고분자 재료로서, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린 또는 폴리피롤 등을 들 수 있다.
[세퍼레이터]
세퍼레이터(6)는, 정극(4)과 부극(5)을 격리하고, 양극 사이의 접촉에 의한 전류의 단락을 방지하면서, 리튬 이온을 통과시킨다. 세퍼레이터(6)로서는, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 등의 합성 수지제의 다공질막 또는 세라믹제의 다공질막을 단층으로 한 것 또는 그것들을 복수로 적층한 것에 의해 구성될 수 있다. 또한, 부직포나 셀룰로오스의 다공질막을 사용할 수 있다. 세퍼레이터(6)로서는, 폴리올레핀제의 다공질막이 바람직하다. 그 이유는 쇼트 방지 효과에 우수하고, 셧 다운 효과에 의한 전지의 안전성 향상을 도모할 수 있기 때문이다. 또한, 세퍼레이터(6)로서는, 폴리올레핀 등의 미다공막 상에 폴리불화비닐리덴(PVdF) 또는 폴리테트라플루오로(PTFE) 등의 다공성의 수지층을 형성함으로써 얻어지는 층을 사용할 수 있다.
일반적으로, 세퍼레이터(6)의 두께는 5 내지 50μm가 적절하게 사용 가능하지만, 5 내지 20μm가 보다 바람직하다. 세퍼레이터(6)는 지나치게 두꺼우면 활물질의 충전량이 저하하여, 전지 용량이 저하하고 이온 전도성도 저하한다. 이에 따라, 전류 특성이 저하한다. 반대로 세퍼레이터(6)가 지나치게 얇으면, 기계적 강도가 저하하여, 정극과 부극의 양극이 이물질에 의해 쇼트되거나, 깨질 수 있다.
[정극 탭 및 부극 탭]
도 3의 (a) 내지 도 3의 (e)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 이차 전지(1)를 구성하는 정극 탭(7)의 외관을 도시하는 대략선도이다. 또한, 부극 탭(8)은 동일한 외관 구성을 가지므로 도시는 생략한다. 도 3의 (a)는 상면 7-1 및 좌측면 7-2을 도시하는 사시도이며, 도 3의 (b)는 저면 7-3 및 우측면 7-4를 도시하는 사시도이며, 도 3의 (c)는 단면도이다.
정극 집전체 노출부(4C)와 접속되는 정극 탭(7) 및 부극 집전체 노출부(5C)와 접속되는 부극 탭(8)은, 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)와, 이차 전지(1)에 접속되는 전자 기기 등을 중계하는 부재이다. 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)은, 판상 또는 직육면체 형상으로 형성되어 있다.
정극 탭(7) 및 부극 탭(8)의 두께는 50 내지 400μm 이하로 하는 것이 바람직하다. 두께가 50μm 미만이면, 집전체 노출부와의 접속 후의 절곡 공정에서 균열이 발생할 우려가 있다. 한편, 400μm을 초과하면 외장재(3)와의 열 용착 부분에서 밀봉성이 악화되어, 누설 불량, 수분 침입이 발생하고 이차 전지(1)의 수명의 저하를 초래할 우려가 있다.
또한, 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)의 도전율은 50% IACS(International annealed copper standard: 전기 저항(또는 전기 전도도)으로서 국제적으로 채택된 어닐링된 표준 연동(soft copper)의 체적 저항률은, 1.7241×10-2μΩ로 규정된다.)인 것이 바람직하다. 도전율이 50% IACS 미만에서는, 대전류를 흘릴 때에 탭의 발열이 커진다. 탭의 발열이 커지면 외장재(3)와의 열 용착 부분이 연화되고, 시일성(seal property)이 저하된다. 또한, 외부 단락 등이 발생하면 탭이 적열 상태(red hot state)인 정도까지 탭의 온도가 높아진다. 이에 의해, 유기 용매로 형성된 전해액이 착화되고, 이차 전지(1)의 폭발을 초래할 우려가 있다.
정극 탭(7) 및 부극 탭(8)은, 예를 들어 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 스테인리스강(SUS), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 등의 재료 또는, 인(P), 은(Ag), 주석(Sn), 철(Fe), 지르코늄(Zr), 크롬(Cr), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni)을 포함하는 합금으로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 및 구리(Cu) 합금을 사용해서 구성될 수 있다.
또한, 정극 탭(7)은 도 3의 (a) 내지 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이, 일단부면 7-5 및 타단부면 7-6을 제외한 상면 7-1, 좌측면 7-2, 저면 7-3 및 우측면 7 -4의 4면이 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au), 및 주석(Sn) 중 어느 하나로 형성되어 있는 피복층(7A)에 의해 피복되어 있다. 상술한 피복되는 4면은, 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)이 실란트(10)를 통해서 외장재(3)와 열 용착되는 면이다. 이러한 열 용착되는 면에서 예를 들어, 구리(Cu)나, 인(P), 은(Ag), 주석(Sn), 철(Fe), 지르코늄(Zr), 크롬(Cr), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 또는 니켈(Ni)을 포함하는 Cu 합금이 노출되어 있으면, 실란트(10)와의 열 용착성, 즉 시일성이 현저하게 저하되고, 전지 수명의 저하를 초래할 우려가 있다. 또한, 피복층(7A)에 의해 피복되는 것이 반드시 정극 탭(7)일 필요는 없고, 정극 탭(7) 또는 부극 탭(8) 중 적어도 어느 한쪽이 피복되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 정극 탭(7) 또는 부극 탭(8)의 재료로서 구리(Cu) 또는 구리(Cu)를 포함하는 합금이 사용된 경우, 구리(Cu) 또는 구리(Cu)를 포함하는 합금이 노출되어 있으면, 구리(Cu) 또는 구리(Cu)를 포함하는 합금에 접촉하는 수지가 열화되는, 즉, 구리해(damage by copper)가 발생한다. 구리해가 발생하면, 이것은 이차 전지(1)의 수명에 악영향을 준다. 따라서, 정극 탭(7) 또는 부극 탭(8)을 구리(Cu) 또는 구리(Cu)를 포함하는 합금을 사용해서 형성한 경우에는, 피복층(7A)을 구비하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 구리(Cu) 또는 구리(Cu)를 포함하는 합금이 수지에 직접 접촉하는 것을 방지하여, 구리해를 억제할 수 있다.
정극 탭(7) 및 부극 탭(8)의 피복 방법으로서는, 예를 들어, 전해 도금 등을 들 수 있다. 전해 도금을 사용해서 실시되는 피복을 행하는 경우, 롤 형상으로 연장된 구리(Cu)나, 인(P), 은(Ag), 주석(Sn), 철(Fe), 지르코늄(Zr), 크롬(Cr), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 또는 니켈(Ni)을 포함하는 Cu 합금의 기재를 소정의 폭에 슬릿한 후에 전해조를 통과시킨다. 이러한 방식으로, 도금 처리가 실시된다.
피복층(7A)의 두께는 0.1 내지 3μm가 바람직하다. 두께가 0.1μm 미만이면 피복층(7A)이 박리되어 탭 기재가 노출되어서 시일성이 저하될 우려가 있다. 한편, 피복층(7A)의 두께가 3μm를 초과하면, 집전체 노출부와 탭 사이의 접속 상태(용접의 경우에는 고착 상태)가 불충분해지고, 탭의 고도전성이 충분히 발휘 가능하지 않게 된다.
도 4의 (a) 내지 도 4의 (c)는, 정극 탭(7)과 정극 집전체 노출부(4C) 사이의 접속 상태를 도시하는 부분 확대도이다. 도 4의 (a)는 정극 집전체 노출부(4C)가 절곡되어 있지 않은 상태를 나타내고, 도 4의 (b) 및 도 4의 (c)는, 정극 집전체 노출부(4C)가 절곡되어 있는 상태를 나타낸다. 정극 탭(7)은 적층되어서 단면에 대략 U자 형상을 갖도록 절곡된 복수의 정극 집전체 노출부(4C)에 고착된다. 이에 의해, 정극 탭(7)은 각각의 정극 집전체 노출부(4C)에 전기적으로 접속된다. 정극 탭(7)의, 정극 집전체 노출부(4C)와의 접속에 사용되는 부분을 접속부(7A)로 칭하고, 외장재(3)로부터 도출되는 부분을 도출부(7B)로 칭하고, 절곡 부분을 절곡부(7C)로 칭한다. 정극 탭(7)은, 도출부(7B)의 저면과 전지 소자(2)의 저면이 동일 평면 상에 위치하도록(flush) 구성되어 있다. 또한, 도시하지 않았지만, 양면이 오목형인 외장재(3)로 전지 소자(2)을 외장 하는 경우 등은, 정극 탭(7)과 전지 소자(2)의 저면이 반드시 동일 평면 상에 위치해야하는 것은 아니다. 정극 탭(7)과 정극 집전체 노출부(4C)의 접속 방법으로서는, 초음파 용접, 저항 용접, 레이저 용접, 스폿 용접 등에 의한 접속 또는 클램프 고정, 코킹 접속 등을 들 수 있다. 이 중에서도, 특히 초음파 용접이 바람직하다. 이것은 복수매의 얇은 정극 집전체 노출부(4C)과 정극 탭(7)을 넓은 면적에서 서로 강하게 접속할 수 있기 때문이다.
본 실시형태에서는, 소정 폭의 외주측 절곡 마진(margin) Ro가 형성되도록 정극 집전체 노출부(4C)의 절곡이 행해진다. 외주측 절곡 마진 Ro이 구비되지 않은 경우에는, 정극 탭(7)이 접속된 정극 집전체 노출부(4C)를 정극(4)의 면에 대하여 대략 수직 방향으로 절곡할 때, 도 4의 (c)에 도시한 바와 같이, 정극 탭(7)이 전지 소자(2)에 접촉되어 정극 집전체 노출부(4C)를 절곡하는 것이 어려워진다. 또한, 정극 집전체 노출부(4C)를 정극(4)의 면에 대하여 대략 수직 방향으로 절곡한 경우에도, 그 절곡에 수반하여 정극 집전체 노출부(4C), 정극 탭(7) 및 전지 소자(2)이가 변형된다. 이러한 경우, 전지 소자(2)의 팩에의 삽입성이 저하된다. 따라서, 외주측 절곡 마진 Ro을 구비함으로써, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 정극 탭(7)을, 적층된 정극(4) 및 부극(5)에 접촉시키지 않고, 정극 집전체 노출부(4C)를 정극(4)의 면과 대략 수직의 방향으로 절곡하는 것이 가능하게 된다.
또한, 정극 탭(7)은 적층된 정극 집전체 노출부(4C)의 소정 폭의 내주측 절곡 마진 Ri이 형성되는 위치에 고착하는 것이 바람직하다. 내주측 절곡 마진 Ri을 형성하면, 정극 집전체 노출부(4C)가 도 4의 (a)에서의 F의 위치를 지지점으로 해서 절곡되었을 경우에도, 정극 탭(7)을 적층된 정극(4) 및 부극(5)에 접촉시키지 않으면서 정극 집전체 노출부(4C)를 정극(4)의 면과 대략 수직의 방향으로 절곡할 수 있다. 따라서, 내주측 절곡 마진 Ri의 폭은, 정극 탭(7)의 두께 이상으로 할 필요가 있다. 또한, 부극 탭(8)도 이러한 방식으로 막 부극 집전체 노출부(5C)에 접속되어 있다. 또한, U자 굽힘 공정의 상세에 대해서는 후술한다.
도 5의 (a)는, 정극 집전체 노출부(4C)와 정극 탭(7) 사이의 접속 면적에 대해서 도시하는 대략선도이다. 정극 탭(7)의 폭을 Tc로 설정하고, 정극 탭(7)의 두께를 Hc로 설정하고, 전지 소자(2)의 두께를 B로 설정하고, 접속 범위의 폭을 Jw로 설정하고, 접속 범위의 깊이를 Jd로 설정하면, Jw×Jd로 표현되는 접속 범위의 면적(접속 면적) Sc는 이하의 식(5)을 만족하도록 설정되는 것이 바람직하다.
Hc≤Sc/Tc≤B ???(5)
접속 면적 Sc이 지나치게 좁으면, 전류 밀도가 높아지고, 대전류를 흘리면 발열될 수 있다. 한편, 접속 면적 Sc이 지나치게 넓으면, 예를 들어 초음파 용접을 통해 접속을 행하는 경우, 복수매의 정극 집전체 노출부(4C)를 고착하기 위해서 의해 큰 파워와 에너지가 필요하지만, 이에 의해 정극 집전체 노출부(4C)가 손상될 수 있고, 용해 불량 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상술한 식(5)을 만족하도록 접속 면적 Sc을 설정하면, 이러한 폐해를 방지할 수 있다.
또한, 구체적인 치수로서는, "접속 면적 Sc/정극 탭(7)의 폭 Tc"의 값이 0.05 내지 10.0㎜로 설정될 수 있다. 또한, 바람직하게는 "접속 면적 Sc/정극 탭(7)의 폭 Tc"의 값이 0.2 내지 7.0㎜로 설정될 수 있다. 이 값이 0.05㎜ 미만이면, 접속 면적 Sc이 좁아져서 전류 밀도가 집중되어, 대전류를 흘리면, 발열할 수 있다. 한편, 이 값이 10.0㎜을 초과하면, 예를 들어 초음파 용접을 통해 접속을 행하는 경우, 복수매의 정극 집전체 노출부(4C)를 고착하기 위해서 큰 파워와 에너지가 필요하지만, 이에 의해 정극 집전체 노출부(4C)가 손상될 수 있고, 용해 불량 등의 문제가 발생할 수 있다는 문제가 있다.
또한, 부극 집전체 노출부(5C)와 부극 탭(8)도 이러한 방식으로 접속되어 있다. 즉, 도 5B에 도시한 바와 같이, 부극 탭(8)의 폭을 Ta로 설정하고, 부극 탭(8)의 두께를 Ha로 설정하고, 전지 소자(2)의 두께를 B로 설정하고, 접속 범위의 폭을 Jw로 설정하고, 접속 범위의 깊이를 Jd로 설정하면, Jw×Jd로 표현되는 접속 범위의 면적(접속 면적) Sa는 이하의 식(6)을 만족하도록 설정되는 것이 바람직하다.
Ha≤Sa/Ta≤B???(6)
또한, 구체적인 치수로서는, "접속 면적 Sa/부극 탭(8)의 폭 Ta"의 값이 0.05 내지 10.0㎜로 설정될 수 있다. 또한, 바람직하게는 "접속 면적 Sa/부극 탭(8)의 폭 Ta"의 값이 0.2 내지 7.0㎜로 되도록 설정될 수 있다.
[전해질]
전해질로서는, 리튬 이온 이차 전지에 일반적으로 사용되는 전해질염과 비수 용매가 사용 가능하다. 비수 용매로서는, 구체적으로는, 에틸렌카르보네이트(EC), 프로필렌카르보네이트(PC), γ-부티로락톤, 디메틸카르보네이트(DMC), 디에틸카르보네이트(DEC), 에틸메틸카르보네이트(EMC), 디프로필카르보네이트(DPC), 에틸프로필카르보네이트(EPC) 또는 이러한 탄산에스테르류의 수소를 할로겐으로 치환함으로써 얻어지는 용매 등을 들 수 있다. 이들 용매 중 1종류를 단독으로 사용할 수 있고, 복수종을 소정의 조성으로 혼합해서 사용할 수 있다.
전해질염으로서는, 상기 비수 용매에 용해되는 염이 사용되고, 양이온과 음이온이 결합된다. 양이온에는 알칼리 금속이나 알칼리 토금속이 사용된다. 음이온에는, Cl-, Br-, I-, SCN-, ClO4 -, BF4 -, PF6 -, CF3SO3 - 등이 사용된다. 구체적으로는, 6불화인산리튬(LiPF6), 4불화붕산리튬(LiBF4), 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드리튬(LiN(CF3SO2)2), 비스(펜타플루오로에탄술포닐)이미드리튬(LiN(C2F5SO2)2), 과염소산리튬(LiClO4)등을 들 수 있다. 전해질염 농도로서는, 전해질염이 상기 용매에 용해될 수 있는 농도이면 문제 없지만, 리튬 이온 농도가 비수 용매에 대하여0.4 mol/kg 내지 2.0 mol/kg인 것이 바람직하다.
중합체 전해질을 사용하면, 비수 용매와 전해질염을 혼합하여 얻어진 겔 형태의 전해액을 매트릭스 중합체에 도입함으로써 중합체 전해질을 얻는다. 매트릭스 중합체는, 비수 용매에 상용 가능한 성질을 갖는다. 이러한 매트릭스 중합체로서는, 실리콘 겔, 아크릴 겔, 아크릴로니트릴 겔, 폴리포스파젠-변성 중합체, 폴리에틸렌옥시드, 폴리프로필렌옥시드, 및 이들의 복합 중합체, 가교 중합체, 및 변성 중합체 등이 사용될 수 있다. 또한, 불소계 중합체로서, 폴리불화비닐리덴(PVdF), 불화비닐리덴(VdF)과 헥사플루오로프로필렌(HFP)을 반복 단위로 하여 포함하는 공중합체, 불화비닐리덴(VdF)과 트리플루오로에틸렌(TFE)을 반복 단위로 하여 포함하는 공중합체 등의 중합체를 들 수 있다. 이러한 중합체 중 1종류를 단독으로 사용하거나, 2종류 이상을 혼합한 상태로 사용할 수 있다.
[실란트]
도 6의 (a) 내지 도 6의 (d)는, 실란트(10)의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 6의 (a)는 이차 전지(1)의 외관을 도시하는 대략선도이며, 도 6의 (b) 및 도 6의 (c)는 도 6의 (a)에서 VIB-VIB 및 VIC-VIC를 따라 자른 단면도다. 도 6의 (d)는, 전지 소자(2)의 측면도이다.
정극 탭(7) 및 부극 탭(8)에 각각 구비되는 실란트(10)는, 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)과 접착성이 우수한 수지 재료로 형성된다. 이러한 수지 재료로서는, 산-변성 폴리프로필렌(PP) 등의 변성 중합체를 들 수 있다. 실란트(10)는 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)과 외장재(3)의 접착성을 향상시켜 외기, 수분 등의 침입을 방지하기 위한 것이다.
실란트(10)의 구성으로서는, 도 6의 (b) 및 도 6의 (c)에 나타낸 구성을 채용하는 것이 가능하지만, 이하의 관점으로부터 도 6의 (c)에 나타낸 구성으로 하는 것이 보다 바람직하다. 도 6의 (b)에서는, 정극 탭(7)에 실란트(10)가 구비되어 있지만, 정극 탭(7)을 절곡하는 것에 의해 형성되는 코너형(corner shape)의 절곡부(7C)는 실란트(10)에 의해 피복되어 있지 않다. 이러한 경우, 이러한 절곡부(7C)가 외장재(3)에 직접 접촉하고, 외장재(3)가 절곡부(7C)에 의해 깨질 우려가 있다. 따라서, 실란트(10)와 정극 탭(7)이 함께 절곡되도록 구성되면, 도 6의 (c)에 나타낸 실시예와 같이 절곡부(7C)를 포함하는 정극 탭(7)을 실란트(10)로 피복한다. 이러한 방식으로, 정극 탭(7)의 절곡부(7C)가 외장재(3)에 직접 접촉하지 않아, 절곡부(7C)에 의해 외장재(3)가 깨지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 정극 탭(7)의 절곡부(7C)를 피복하도록 실란트(10)가 구비되면, 도 6의 (d)에 도시한 바와 같이, 정극 탭(7)이 전지 소자(2)의 최외층에 위치하는 부극(5)에 직접 접촉하지 않는다. 이러한 방식으로, 정극 탭(7)과 부극(5)이 서로 직접 접촉할 때 발생되는 내부 단락을 방지할 수 있다.
단, 단락을 방지하는 방법으로서, 최외층 부극(5)에 여분이 세퍼레이터(6)를 구비하고, 최외층 부극(5)의 단부면을 피복하도록 절연 테이프를 붙이는 방법을 사용할 수도 있다.
[인슐레이터]
도 7의 (a) 내지 도 7의 (f)는, 인슐레이터(11)의 구성에 대해서 도시하는 대략선도이다. 인슐레이터(11)는 정극(4) 및 부극(5)이 세퍼레이터(6)를 개재하며 적층되어 있는 전지 소자(2)와, 정극 탭(7) 사이에 구비되는 평판 형상, 시트 형상 또는 필름 형상의 절연 부재이다. 전술한 바와 같이, 정극 탭(7)의 절곡부에 실란트(10)가 구비되면, 정극 탭(7)과 부극(5)이 서로 직접 접촉함에 의한 단락은 방지할 수 있다. 그러나, 실란트(10)가 개재되어 있지 않은 정극 집전박 노출부(4C)(특히, 코너부)와 부극(5)은 서로 접촉하여 내부 단락이 발생할 수 있다. 인슐레이터(11)를 전지 소자(2)와 정극 탭(7) 사이에 개재하면, 전지 소자(2)와 정극 집전박 노출부(4C)에 의한 단락을 방지한다.
인슐레이터(11)는, 예를 들어, 높이가 정극 탭(7)의 접속부(7A)의 깊이 치수이상이며, 전지 소자(2)의 두께 이하로 구성된다. 인슐레이터(11)의 높이가 정극 탭(7)의 접속부(7A)의 깊이 치수 미만이면, 정극 탭(7)이 인슐레이터(11)를 둘러 지나서 전지 소자(2)와 직접 접촉할 우려가 있다. 한편, 인슐레이터(11)의 높이가 전지 소자(2)의 두께를 초과하는 경우, 인슐레이터(11)가 전지 소자(2)와 탭의 도출부(lead-out portion)에 의해 형성되는 동일 평면으로부터 돌출될 수 있고, 인슐레이터(11)의 단부가 외장재(3)에 접촉해서 외장재(3)를 파손시킬 우려가 있다. 구체적 치수로서, 인슐레이터(11)의 두께는 약 0.2㎜ 이상이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.2㎜ 내지 1.0㎜ 이다. 두께가 0.2㎜ 미만이면, 진동 등의 영향에 의해 장기적인 절연성을 확보할 수 없다. 한편, 두께가 1.0㎜를 초과하면, 인슐레이터(11)에 대한 전지 소자(2)의 체적 비율이 커지므로, 체적 에너지 밀도가 저하된다.
인슐레이터(11)는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리이미드(PI), 및 부직포 등의 재료에 의해 구성될 수 있다.
그러나, 상술된 방법 외에도, 전지 소자(2)가 정극 집전체 노출부(4C)에 직접 접촉할 때 야기되는 단락을 방지하는 방법으로서는, 전지 소자(2)의 최외층에 여분의 세퍼레이터를 설치하는 방법, 전지 소자(2)의 최외층의 단부를 피복하도록 절연 테이프를 부착 설치하는 방법, 정극 집전체 노출부(4C)에 절연 테이프를 부착 설치하는 방법 등을 예로 들 수 있다. 그러나, 이러한 세퍼레이터의 설치 및 이러한 절연 테이프의 부착 설치에 의한 단락 방지의 기능은 장기 진동에 의한 마찰(scraping) 및 전해액에 의한 절연 테이프의 박리에 의해 상실될 수 있는 우려가 있다. 그 외에도, 유동성의 수지를 탭의 절곡부에 충전하여 고착시키는 방법이 있다. 그러나, 전지 소자(2) 내부에 수지가 침입해서 전지 성능이 악화될 우려가 있다. 따라서, 전지 소자(2)가 정극 탭(7)에 직접 접촉할 때 야기되는 단락을 장기적으로 방지하기 위해 전지 소자(2)와 정극 탭(7) 사이에 인슐레이터(11)를 설치하는 것이 바람직하다.
도 7의 (a)에 나타내는 인슐레이터(11)는 직사각형의 평판으로 구성되어 있으나, 인슐레이터(11)의 형상은 평판 형상에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, 대략 가로로 누운 U자 형상도 가능하다. 인슐레이터(11)를 대략 가로로 누운 U자 형상으로 형성하면, 전지 소자(2)가 정극 탭(7)과 접촉하게 되는 것을 방지함과 함께, 전지 소자(2)의 외상 내성을 향상시켜, 측면을 충격 등으로부터 보호할 수 있다.
그러나, 인슐레이터(11)의 코너가 예각으로 형성되고, 이 코너에 의해 인슐레이터(11) 및 전지 소자(2)를 외장하는 외장재(3)가 파손될 수 있다. 따라서, 도 7의 (c)에 도시한 바와 같이, 인슐레이터(11)는 둥근 코너를 갖는 직사각형의 평판(곡률 R = 0.5 내지 2.0)으로 구성될 수 있다. 인슐레이터(11)가 둥근 코너를 갖는 직사각형으로 구성되면, 인슐레이터(11)의 코너에 의해 외장재(3)가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도 7의 (d)에 도시한 바와 같이, 인슐레이터(11)에는 펀칭 가공 등에 의해 복수의 구멍이 형성되어 있으면 좋다. 이에 의해, 전해액의 전지 소자(2) 내부에의 주액성(injecting property)을 확보할 수 있다. 구멍의 형상은 인슐레이터(11)의 본래의 목적인, 전지 소자(2)가 정극 탭((7)과 직접 접촉할 때 야기되는 단락을 장기적으로 방지하는 것이 담보되어 있으면 임의로 선택할 수 있다.
또한, 인슐레이터(11)는 도 7의 (e)에 도시한 바와 같은 전지 소자(2)의 전 측면을 덮는 대략 정사각형, 및 도 7의 (f)에 도시한 바와 같은 전지 소자(2)의 측면 및 상면 모두를 덮는 상자 형상 등의 형상을 가질 수 있다. 인슐레이터(11)를 이러한 대략 정사각형 형상 또는 상자 형상으로 구성한 경우, 상술한 바와 같이 전지 소자(2)와 정극 탭(7)의 접촉을 방지하여 이차 전지(1)의 외상 내성을 향상시키는 효과 이외에, 정극(4), 부극(5) 및 세퍼레이터(6)가 적층되어 있는 전지 소자(2)를 유지하여 전지 소자(2)의 형상을 유지하는 효과도 달성할 수 있다.
[외장재]
외장재(3)의 일례로서 사용하는 라미네이트 필름은, 금속박의 양면에 각각 외측 수지층과 내측 수지층이 형성되어 방습성 및 절연성을 갖는 다층 필름으로 형성된다. 외측 수지층으로서는, 아름다움 관점, 강인함 관점, 또는 유연성 관점에서 나일론(Ny) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)가 사용된다. 금속박은 수분, 산소, 및 광의 침입을 방지하여 내부의 전지 소자(2)를 지키는 가장 중요한 역할을 행하고, 가벼움, 신장성, 가격, 및 가공의 용이성의 관점에서 알루미늄(Al)이 가장 빈번히 사용된다. 내측 수지층은, 열 또는 초음파에 의해 녹아서 다른 내측 수지층에 융착하는 부분이며, 폴리올레핀계 수지 재료, 예를 들어 비연신 폴리프로필렌(CPP)이 내측 수지층으로서 사용된다. 또한, 외장재(3)는 라미네이트 필름 대신에 폴리프로필렌 등의 고분자 필름 또는 금속 필름에 의해 구성하도록 해도 좋다.
[전지 소자]
도 8의 (a) 및 도 8의 (b)는 정극(4), 부극(5) 및 세퍼레이터(6)의 적층 구조를 도시하는 도면을 나타낸다. 도 8의 (a)는 외관 사시도이며, 도 8의 (b)는 평면도이다. 제1 실시형태에서, 전지 소자(2)는, 도 8의 (a)에 도시한 바와 같이, 정극(4) 및 부극(5)이 세퍼레이터(6)를 개재하여 교대로, 예를 들어 부극(5), 세퍼레이터(6), 정극(4), 세퍼레이터(6), 부극(5), … 세퍼레이터(6), 및 부극(5)의 순으로 적층되는 구성을 갖는다.
또한, 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(6)는 정극 집전체 노출부(4C)의 깊이 dc의 절반 이상을 덮지 않도록 그 치수를 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 정극 집전체 노출부(4C)와 세퍼레이터(6)가 서로 겹치는 깊이 G와, 정극 집전체 노출부(4C)의 깊이 dc가 하기의 식(7)을 만족하도록 구성하는 것이 바람직하다.
G < (dc/2) ??? (7)
도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(6)는 부극 집전체 노출부(5C)의 깊이 da의 절반 이상을 덮지 않도록 그 치수를 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 부극 집전체 노출부(5C)와 세퍼레이터(6)가 서로 겹치는 깊이 K와, 부극 집전체 노출부(5C)의 깊이 da가 하기의 식(8)을 만족하도록 구성하는 것이 바람직하다.
K < (da/2) ??? (8)
이는 세퍼레이터(6)에 의해 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)의 깊이의 절반 이상이 덮이면, 정극 집전체 노출부(4C)와 정극 탭(7) 간의 접속 면적, 및 부극 집전체 노출부(5C)와 부극 탭(8) 간의 접속 면적이 좁아져서, 입출력 특성이 저하되기 때문이다.
(1-2) 이차 전지의 제조 방법
상술한 바와 같은 이차 전지(1)는 이하와 같은 공정에 의해 제작될 수 있다.
[정극의 제작]
우선, 예를 들어 정극 활물질과, 저결정성 탄소와, 도전제와, 결착제를 혼합하여 정극 합제를 제조한다. 이 정극 합제를 N-메틸피롤리돈 등의 용제에 분산시켜, 정극 합제 슬러리를 얻는다. 계속해서, 이 정극 합제 슬러리를 정극 집전체(4A)의 양면에 도포한다. 또한, 이 도포 공정에서는, 정극 합제 슬러리를 정극 집전체(4A)의 전체면에 도포하는 것 대신에, 정극 집전체(4A) 위에 정극 활물질층(4B)이 존재하지 않는 정극 집전체 노출부(4C)가 형성되도록 정극 합제 슬러리를 도포한다. 다음, 정극 합제 슬러리를 건조시킨 뒤, 정극 집전체(4A)를 롤 프레스기 등에 의해 압축 성형해서, 정극 활물질층(4B)을 형성한다. 그리고, 소정의 크기가 되도록 커트한 후, 정극(4)을 제작한다.
[부극의 제작]
우선, 예를 들어 부극 활물질과 결착제를 혼합하고, 이 부극 합제를 N-메틸피롤리돈 등의 용제에 분산시켜, 부극 합제 슬러리를 얻는다. 계속해서, 이 부극 합제 슬러리를 부극 집전체(5A)의 양면에 도포한다. 또한, 이 도포 공정에서는, 상술한 정극(4)과 마찬가지로, 부극 합제 슬러리를 부극 집전체(5A)의 전체면에 도포하는 것 대신에, 부극 집전체(5A) 위에 부극 활물질층(5B)이 존재하지 않는 부극 집전체 노출부(5C)가 형성되도록 부극 합제 슬러리를 도포한다. 그리고, 부극 합제 슬러리를 건조시킨 뒤, 부극 집전체(5A)를 롤 프레스기 등에 의해 압축 성형해서, 부극 활물질층(5B)을 형성한다. 그리고, 소정의 크기가 되도록 커트한 후, 부극(5)을 제작한다.
[적층 공정]
정극(4)과 부극(5)을 세퍼레이터(6)를 개재하여 교대로, 예를 들어 부극(5), 세퍼레이터(6), 정극(4), 세퍼레이터(6), 부극(5), … 세퍼레이터(6), 및 부극(5)의 순으로 적층함으로써, 소정수의 정극(4) 및 부극(5)을 적층한다. 또한, 본 발명의 실시형태에서는, 도 8의 (a)에 도시한 바와 같이, 정극(4)과 부극(5)은 정극 집전체 노출부(4C)와 부극 집전체 노출부(5C)가 서로 반대 방향을 향하도록 적층된다. 즉, 정극 집전체 노출부(4C)와 부극 집전체 노출부(5C)가 동일 방향을 향하지 않도록 구성되어 있다. 이에 의해, 정극 집전체 노출부(4C)에 접속되는 정극 탭(7)의 폭 및 부극 집전체 노출부(5C)에 접속되는 부극 탭(8)의 폭을 최적으로 전지 소자(2)의 폭과 대략 동일하게 하는 것이 가능하게 되고, 대전류의 입출력이 구현될 수 있다.
정극(4), 부극(5) 및 세퍼레이터(6)가 서로 밀착하도록 고정됨으로써, 적층 전극체를 제작한다. 고정 공정에는, 접착 테이프 등의 고정 부재를 사용한다. 고정 부재는, 예를 들어 적층 전극체의 양쪽 사이드부 및 보텀부에 설치된다. 겔 전해질을 사용하는 경우, 정극(4) 및 부극(5)의 양면에 각각 겔 전해질층을 형성하고, 세퍼레이터(6)를 개재하여 정극(4) 및 부극(5)을 적층한다.
[적층 이후의 공정]
이어서, 도 9의 (a) 내지 도 10의 (f)를 참조하여 적층 공정 이후의 제조 공정에 대해 개략적으로 설명한다. 도 9의 (a)는 적층 공정을 통해 정극(4), 부극(5) 및 세퍼레이터(6)를 적층함으로써 구성된 전지 소자(2)를 나타낸다. 적층 공정 후에는, 우선, 제1 U자 절곡 공정에서, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)의 절곡이 이루어진다. 이어서, 집전체 절단 공정에서 도 9의 (c)에 도시한 바와 같이, 절곡된 정극 집전체 노출부(4C)의 선단의 잉여분을 절단함으로써, 선단을 가지런하게(even) 한다. 마찬가지로, 부극 집전체 노출부(5C)의 선단도 절단하여, 가지런하게 한다.
이어서, 탭 접속 공정에서, 도 9의 (d)에 도시한 바와 같이, 정극 집전체 노출부(4C)와 정극 탭(7) 간의 접속, 및 부극 집전체 노출부(5C)와 부극 탭(8) 간의 접속을 각각 행한다. 또한, 이 공정에는, 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)에 실란트(10)를 제공하는 공정도 포함된다. 이어서, 탭 절곡 공정에서, 도 9의 (e)에 도시한 바와 같이, 정극 집전체 노출부(4C)에 접속된 정극 탭(7), 및 부극 집전체 노출부(5C)에 접속된 부극 탭(8)을 소정의 형상으로 절곡한다. 이어서, 인슐레이터 설치 공정에서 도 9의 (f)에 도시한 바와 같이, 전지 소자(2)의 정극 집전체 노출부(4C) 측의 측면에 인슐레이터(11)를 설치한다. 이어서, 필요에 따라, 전지 소자(2)의 부극 집전체 노출부(5C) 측의 측면에 인슐레이터(11)를 더 설치한다.
이어서, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이, 제2 U자 절곡 공정에서, 정극 집전체 노출부(4C)에서의 정극 탭(7)과의 접속 부분을 90°의 각도로 절곡한다. 이어서, 부극 집전체 노출부(5C)에서의 부극 탭(8)과의 접속 부분을 90°의 각도로 절곡한다. 이어서, 도 10의 (b) 및 도 10의 (c)에 도시한 바와 같이, 제1 외장 공정에서, 대략 직사각형을 갖는 제1 외장부(3A)의 대략 중앙의 오목부(9)에 전지 소자(2)를 수용하여 외장한다. 이어서, 도 10의 (d)에 도시한 바와 같이, 제2 외장 공정에서, 평판 형상을 갖는 제2 외장부(3B)에 의해 수용부를 커버한다. 이에 의해, 전지 소자(2)가 외장재(3)에 의해 외장된다.
도 10의 (e)에 도시한 바와 같이, 주액 및 시일 공정에서, 하나의 변을 남겨둔 상태로 오목부(9)의 외주 부분을 열 융착에 의해 열 용착하고, 미 용착된 변으로부터 전해액을 주액한 후, 남겨진 하나의 변을 열 용접해서 밀봉한다. 이상의 공정에 의해, 도 10의 (f)에 도시한 바와 같은 이차 전지(1)가 제조된다.
[제1 U자 절곡 공정]
적층된 정극(4)으로부터 인출된 복수의 정극 집전체 노출부(4C) 및 적층된 부극(5)으로부터 인출된 복수의 부극 집전체 노출부(5C)를 대략 U자 형상이 되도록 절곡한다. 제1 U자 절곡 공정은 미리 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)에 최적인 U자 절곡 형상을 갖게 하기 위한 공정이다. 미리 최적인 U자 절곡 형상을 갖게 하는 경우, 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)에 각각 접속되는 각 정극 집전체 노출부(4C) 및 각 부극 집전체 노출부(5C)를 절곡해서 U자 절곡부를 형성할 때, 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)에 인장 응력 등의 스트레스가 가해지는 것을 방지할 수 있다.
도 11의 (a) 내지 도 11의 (e)는 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)의 제1 U자 절곡 공정을 설명하는 측면도를 도시한다. 도 11의 (a) 내지 도 11의 (e)에서는, 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)에 대해 행해지는 각 공정을 설명한다. 또한, 부극 집전체 노출부(5C)에 대해서도 이러한 제1 U자 절곡 공정이 행해진다.
우선, 도 11의 (a)에 도시한 바와 같이, U자 절곡용 박판(21)을 갖는 워크 세트대(20a) 위에 적층 전극체를 배치한다. U자 절곡용 박판(21)은 전지 소자(2)의 두께보다 약간 작은 높이, 구체적으로는, 적어도 복수의 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)의 총 두께만큼의 전지 소자(2)의 두께보다 작은 높이로 워크 세트대(20a)로부터 돌출되도록 설치되어 있다. 이러한 구성에 의해, 정극 집전체 노출부(4C3)의 절곡 외주측이 전지 소자(2)의 두께의 범위 내의 위치이므로, 이차 전지(1)의 두께의 증대 및 외관 불량의 발생을 방지할 수 있다.
계속해서, 도 11의 (b)에 도시한 바와 같이, 전지 소자(2)를 하강시키거나, 또는 워크 세트대(20a)를 상승시킨다. 이때, 전지 소자(2)와 U자 절곡용 박판(21) 간의 간극이 작을수록, 이차 전지(1)의 스페이스 효율이 더욱 증대되므로, 예를 들어 전지 소자(2)와 U자 절곡용 박판(21) 간의 간극이 서서히 작아지도록 된다.
도 11의 (c)에 도시한 바와 같이, 전지 소자(2)가 워크 세트대(20a) 위에 적재되고, 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)에 절곡부를 형성한 후, 도 11의 (d) 및 도 11의 (e)에 도시한 바와 같이, 롤러(22)를 하강시켜 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)가 U자 형상으로 절곡된다.
U자 절곡용 박판(21)은 두께가 1㎜ 이하, 예를 들어 대략 0.5㎜가 바람직하다. U자 절곡용 박판(21)으로서는, 적은 두께에서도 복수의 정극 집전체 노출부(4C) 또는 부극 집전체 노출부(5C)에 절곡 형상을 형성하기 위해 필요한 강도를 갖는 재료를 사용할 수 있다. U자 절곡용 박판(21)에 필요한 강도는 정극(4) 및 부극(5)의 적층 매수, 또는 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)에 사용하는 재료의 경도에 의해 바뀐다. U자 절곡용 박판(21)이 얇을수록, 절곡 최내주의 정극 집전체 노출부(4C1)의 곡률이 작아지므로, 이는 정극 집전체 노출부(4C)의 절곡에 필요한 스페이스를 작게 할 수 있으므로 바람직하다. U자 절곡용 박판(21)으로서는, 예를 들어 스테인리스강(SUS), 강화 플라스틱, 도금을 실시한 강재 등을 사용할 수 있다.
[집전체 노출부 절단 공정]
이어서, U자 절곡부가 형성된 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)의 선단을 절단하여, 가지런하게 한다. 집전체 노출부 절단 공정에서는, 미리 최적인 형상을 갖는 U자 절곡부를 형성하고, 그 U자 절곡 형상에 맞춰서 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)의 잉여분을 절단한다. 도 12의 (a) 내지 도 12의 (e)는 정극 집전체 노출부(4C)의 절단 공정을 설명하는 측면도를 도시한다. 마찬가지로, 부극 집전체 노출부(5C)에 대해서도, 집전체 노출부 절단 공정이 행해진다.
도 12의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 U자 절곡 공정에서 U자 절곡부가 형성된 전지 소자(2)의 상면과 저면을 반전시켜, 집전체 느슨해짐(sagging)용 리세스(23)를 구비하는 워크 세트대(20b)에 전지 소자(2)를 고정한다.
이어서, 도 12의 (b)에 도시한 바와 같이, U자 절곡부가 형성된 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)의 U자 절곡부에서 선단에 이르는 선단 부분이 워크 세트대(20b)에 따라 대략 L자형 형상을 갖는 선단 부분이 되도록 변형된다. 이때, 다시 U자 절곡부를 형성하기 위해 필요한 형상을 유지함으로써, 절곡 외주측의 정극 집전체 노출부(4C3)만큼 큰 느슨해짐이 발생한다. 이러한 느슨해짐이 워크 세트대(20b)의 집전체 느슨해짐용 리세스(23)에 인입함으로써, 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)를 스트레스 없이 변형시킬 수 있다. 또한, 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)의 선단 부분을 고정한 상태에서 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)를 변형시켜도 좋다.
계속해서, 도 12의 (c)에 도시한 바와 같이, 집전체 프레서(presser)(24)를 사용하여 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)를 워크 세트대(20b)에 대해 누르고, 도 12의 (d) 및 도 12의 (e)에 도시한 바와 같이, 예를 들어 집전체 프레서(24)에 맞춰 설치된 절단용 날(25)을 사용하여 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3) 각각의 선단을 절단하여, 가지런하게 한다. 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)의 절단 개소는 다시 U자 절곡을 행했을 때에 정극 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)의 선단이 전지 소자(2)의 두께의 범위 내에 위치하도록, 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)의 선단의 잉여분을 적어도 절단한 후에 결정된다.
[탭 접속 공정]
계속해서, 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)와, 정극 탭(7) 간의 접속을 행한다. 탭 접속 공정에서는, 제1 U자 절곡 공정으로 형성한 최적인 U자 절곡 형상을 유지하면서, 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)를 각각 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)에 고착한다. 이에 의해, 정극 집전체 노출부(4C) 및 정극 탭(7)과, 부극 집전체 노출부(5C) 및 부극 탭(8)이 각각 전기적으로 접속된다. 도 13의 (a) 내지 도 13의 (c)는 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)와, 정극 탭(7)의 접속 공정을 설명하는 측면도를 도시한다. 또한, 도면에 도시는 하지 않지만, 정극 탭(7)에는 미리 실란트(10)가 설치되어 있는 것으로 한다. 부극 집전체 노출부(5C)와 부극 탭(8)에 대해서도, 동일한 접속 공정이 행해진다.
도 13의 (a)에 도시한 바와 같이, 전극 단자 절단 공정에서 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)의 잉여분을 절단한 전지 소자(2)의 상면과 저면을 다시 반전시킨다. 이어서, 도 13의 (b)에 도시한 바와 같이, 집전체 형성 유지용판(26)을 구비하는 워크 세트대(20c)에 전지 소자(2)를 고정한다. 정극 집전체 노출부(4C1)의 절곡 내주측에는 집전체 형성 유지용판(26)의 선단이 위치하여, 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)의 절곡 형상을 유지함과 함께, 고착 장치로부터 발생하는 초음파 진동 등의 외적 요인에 의한 영향을 방지한다.
계속해서, 도 13의 (c)에 도시한 바와 같이, 예를 들어 초음파 용접에 의해 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)와 정극 탭(7)을 고착한다. 초음파 용접에는, 예를 들어 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)의 하부에 구비된 앤빌(anvil)(27a)과, 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)의 상부에 구비된 혼(horn)(27b)이 사용된다. 앤빌(27a)에는 미리 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)가 세팅되어 있고, 혼(27b)이 하강함으로써 앤빌(27a)과 혼(27b) 사이에 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3) 및 정극 탭(7)이 개재된다. 앤빌(27a)과 혼(27b)에 의해, 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3) 및 정극 탭(7)에 초음파 진동이 부여된다. 이에 의해, 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3) 및 정극 탭(7)이 서로 고착된다.
또한, 탭 접속 공정에서는, 도 4의 (a)를 참조하여, 상술한 내주측 절곡 마진 Ri가 형성되도록 정극 탭(7)을 정극 집전체 노출부(4C)에 접속하면 좋다.
[탭 절곡 공정]
이어서, 서로 고착된 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3) 및 정극 탭(7)을 소정의 형상으로 절곡한다. 도 14의 (a) 내지 도 14의 (c)는 정극 탭(7)의 탭 절곡 공정을 설명하는 측면도를 도시한다. 또한, 도면에 도시는 하지 않지만, 탭 절곡 공정에서는, 탭에 설치되어 있는 실란트(10)도 절곡된다. 또한, 부극 집전체 노출부(5C)와 부극 탭(8)에 대해서도, 탭 절곡 공정이 행해진다.
도 14의 (a)에 도시한 바와 같이, 탭 접속 공정에서, 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)와 정극 탭(7)이 서로 고착된 전지 소자(2)의 상면과 저면을 다시 반전시켜, 집전체 느슨해짐용 리세스(23)를 구비하는 워크 세트대(20d) 위에 전지 소자(2)를 고정한다. 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)와 정극 탭(7) 간의 접속 부분은 탭 절곡대(28a) 상에 적재된다.
계속해서, 도 14의 (b)에 도시한 바와 같이, 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)와 정극 탭(7) 간의 접속 부분을 블록(28b)에 의해 누르고, 도 14의 (c)에 도시한 바와 같이, 롤러(29)를 강하시킴으로써, 탭 절곡대(28a) 및 블록(28b)으로부터 돌출되는 정극 탭(7)을 절곡한다.
이때, 정극 탭(7)은 미리 열 용접된 실란트(10)와 함께 절곡되는 것이 바람직하다. 이러한 경우에, 정극 탭(7)의 절곡부를 실란트(10)로 피복하여, 정극 탭(7)과 외장재(3)가 서로 직접 접촉하지 않는다. 이러한 구조에 의해, 장기적인 진동, 충격 등에 의해 야기되는 외장재(3) 내부의 수지층과 정극 탭(7) 간의 마찰(scraping), 외장재(3)의 파손, 및 외장재(3)와 금속층 간의 단락 위험성을 저감할 수 있다.
[인슐레이터 설치 공정]
계속해서, 도 14의 (d)에 도시한 바와 같이, 전지 소자(2)와, 후술하는 제2 U자 절곡 공정에서 절곡되는 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3) 사이에 개재되도록 인슐레이터(11)를 설치한다. 인슐레이터(11)는 후술하는 제2 U자 절곡 공정에 의해 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)가 90°의 각도로 절곡되면, 전지 소자(2)와 정극 탭(7) 사이에 개재된다. 또한, 인슐레이터(11)가 대략 정사각형 형상 또는 상자 형상을 갖도록 구성되면, 전지 소자(2)의 모든 측면을 인슐레이터(11)가 덮도록 인슐레이터(11)가 전지 소자(2)를 덮는다.
[제2 절곡 공정]
계속해서, 도 14의 (e)에 도시한 바와 같이, 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)와 정극 탭(7) 간의 접속 부분을 90°의 각도로 절곡함으로써, 전지 소자(2)를 제작한다. 이 제2 절곡 공정에서는, 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)에 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)이 각각 미리 제1 U자 절곡 공정으로 형성된 U자 절곡 형상을 맞춰 U자 절곡부를 형성한다.
이때, U시 절곡부의 곡률을 갖는 부분에서, 정극 집전체 노출부(4C1)의 절곡 부분의 절곡 외측의 곡률과, 정극 집전체 노출부(4C1)에 인접하는 정극 집전체 노출부(4C2)의 절곡 부분의 절곡 내측의 곡률이 대략 서로 동일하게 되는 것이 바람직하다. 또한, 정극 집전체 노출부(4C2)의 절곡 부분의 외측의 곡률과, 정극 집전체 노출부(4C2)에 인접하는 정극 집전체 노출부(4C3)의 절곡 부분의 내측의 곡률이 대략 서로 동일하게 되는 것이 바람직하다. 최내주의 정극 집전체 노출부(4C1)에서는, 절곡 부분의 내측의 형상이 U자 절곡용 박판(21)의 형상을 맞춰 형성되는 것이 바람직하다.
즉, U자 절곡부에서, 인접하는 2개의 정극 집전체 노출부(4C)의 서로 대향하는 면의 곡률이 대략 서로 동일한 것이 바람직하다. 이에 의해, 정극 집전체 노출부(4C)의 U자 절곡부에서 선단까지의 부분에서, 인접하는 2개의 정극 집전체 노출부(4C) 간에 불필요한 간극이 발생되지 않음으로써, 스페이스 효율이 향상된다.
또한, 상술한 공정에서는, 정극 집전체 노출부(4C1 내지 4C3)에 대해서만 설명했지만, 부극 집전체 노출부(5C)에 대해서도 동일한 방법을 사용함으로써 U자 절곡을 행할 수 있다.
[외장 공정 및 주액 및 시일 공정]
상술한 바와 같이 제작된 전지 소자(2)는 도 10의 (b) 내지 도 10의 (d)에 도시한 바와 같이, 라미네이트 필름 등의 외장재(3)로 외장된다. 또한, 외장재(3)에 접촉하는, 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)의 각 영역에, 실란트(10)가 설치되어 있다.
외장 공정에서, 우선, 전지 소자(2)는, 딥드로잉 가공에 의해 형성된 제1 외장부(3A)의 오목부(9)에 수용되고, 제1 외장부(3A)와 제2 외장부(3B) 사이에 전지 소자(2)가 수직 방향으로 개재된다. 하나의 변을 남겨둔 상태로 오목부(9)의 외주 부분을 열 융착에 의해 열 용착하고, 미 용착된 변으로부터 전해액을 주액한 후, 남겨진 하나의 변을 열 용접해서 밀봉한다. 이상의 공정에 의해, 이차 전지(1)가 얻어진다. 또한, 인슐레이터(11)도 전지 소자(2)와 함께 외장재(3)에 의해 외장된다. 또한, 외장재(3)에 대해서는, 2매의 라미네이트 필름 사이에 전지 소자(2)를 수직으로 개재하는 구성 외에, 1장의 외장재(3)의 일부에 딥드로잉을 행하고, 오목부(9)를 덮도록 외장재(3)를 되접는(fold back) 구성도 채용될 수 있다. 또한, 외장재(3)에 형성된 오목부(9)는 전지 소자(2)의 각 면에 대향하는 제1 및 제2 외장재(3A 및 3B)의 각 면에 딥드로잉을 통해 형성될 수 있다. 이 경우, 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)은 전지 소자(2)의 두께 방향의 중간 부근에서 절곡되고, 외장재(3)의 외부로 도출되도록 구성된다.
상술된 바와 같이 제작된 이차 전지(1)에서는, 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C) 각각의 U자 절곡부가, 제1 U자 절곡 공정에서 얻어진 최적인 U자 절곡부 형상을 유지하고 있다. 이로 인해, 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)의 U자 절곡부에 과대한 스트레스, 주름(wrinkling), 또는 트위스팅(twisting)이 발생하지 않고 스페이스 효율의 향상을 도모할 수 있다.
<2. 제2 실시형태>
(2-1) 이차 전지의 구성
이어서, 본 발명의 제2 실시형태에 대해서 설명한다. 도 15의 (a) 및 도 15의 (b)는 제2 실시형태에 따른 정극(4), 부극(5) 및 세퍼레이터(12)의 적층의 방법을 설명하는 개략선도를 도시한다. 도 15의 (a)는 적층 상태의 외관을 도시하는 사시도를 나타내며, 도 15의 (b)는 적층 상태를 도시하는 개략 측면도를 나타낸다. 제2 실시형태에서, 제1 실시형태와 대략 동일한 개소 또는 대응되는 개소에는 동일한 부호를 부여한다. 제2 실시형태는 세퍼레이터(12)를 긴 띠(strip) 형상으로 형성하고 지그재그 방식으로(in a zigzag fashion) 절첩한다는 점, 그리고 정극(4) 및 부극(5)을 절첩된 세퍼레이터(12)의 절첩부 사이에 각각 개재한 상태로 적층함으로써 전지 소자(2)를 구성하는 점에서 제1 실시형태와 상이하다. 또한, 세퍼레이터(12)의 구성 이외의 이차 전지(1)의 구성은 제1 실시형태와 동일하다.
[세퍼레이터]
세퍼레이터(12)는 정극(4)과 부극(5)을 격리하고, 양자의 극이 서로 접촉할 때 야기되는 전류의 단락을 방지하면서 리튬 이온을 통과시킨다. 제2 실시형태에서는, 세퍼레이터(12)는 긴 띠 형상을 갖는다. 세퍼레이터(12)는 정극(4) 및 부극(5)과 대략 동일한 간격으로 지그재그 방식으로 절첩된다. 띠 형상의 세퍼레이터(12)를 지그재그 방식으로 절첩하여 형성되는 각 세퍼레이터(12)의 면의 폭은 정극(4) 및 부극(5)의 폭과 대략 동일하다. 세퍼레이터(12)는 예를 들어 갈고리 형상의(claw-like) 돌기를 절첩부에 접촉시킴으로서 절첩된다. 또한, 세퍼레이터(12)는, 제1 실시형태와 마찬가지로, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 등의 합성 수지제의 다공질막, 세라믹제의 다공질막, 부직포, 또는 셀룰로오스의 다공질막의 단층 또는 이들의 복수 적층에 의해 구성될 수 있다. 특히, 세퍼레이터(12)로서는, 폴리올레핀으로 형성된 다공질막이 바람직하다. 또한, 세퍼레이터(12)로서는, 폴리올레핀 등의 미세 다공막 상에 폴리불화비닐리덴(PVdF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등의 다공성의 수지층을 형성하여 얻어진 막을 사용해도 좋다.
[전지 소자]
지그재그 방식으로 절첩된 세퍼레이터(12)의 절첩부 사이에 복수매의 정극(4) 각각 및 복수매의 부극(5) 각각이 교대로 개재됨으로써, 전지 소자(2)가 구성되어 있다. 정극(4)은 정극 집전체 노출부(4C)가 세퍼레이터(12)의 절첩 방향에 대해 평행한 방향으로 세퍼레이터(12)의 절첩부 사이의 공간으로부터 도출되는 방식으로 개재되어 있다. 부극(5)도 세퍼레이터(12)의 절첩 방향에 대해 평행한 방향으로 세퍼레이터(12)의 절첩부 사이의 공간으로부터 부극 집전체 노출부(5C)가 도출되는 방식으로 개재되어 있다.
또한, 정극(4)과 부극(5)은 정극 집전체 노출부(4C)와 부극 집전체 노출부(5C)가 서로 반대 방향을 향하는 방식으로 세퍼레이터(12)의 절첩부 사이에 개재되어 있다. 상술된 바와 같이, 제2 실시형태에서도, 제1 실시형태와 마찬가지로, 전지 소자(2)는 정극 집전체 노출부(4C)와 부극 집전체 노출부(5C)가 동일한 방향을 향하지 않는 방식으로 구성되어 있다. 이에 의해, 정극 집전체 노출부(4C)에 접속되는 정극 탭(7)의 폭, 및 부극 집전체 노출부(5C)에 접속되는 부극 탭(8)의 폭을 최대로 전지 소자(2)의 폭과 대략 동일하게 하는 것이 가능하게 되어, 대전류의 입출력이 구현될 수 있다.
(2-2) 이차 전지의 제조 방법
제2 실시형태에 따른 이차 전지(1)는 이하와 같은 공정에 의해 제작될 수 있다. 또한, 정극(4)의 제작 공정 및 부극(5)의 제작 공정은 제1 실시형태와 동일하다.
[적층 공정]
도 15의 (a) 및 도 15의 (b)에 도시한 바와 같이, 정극(4) 및 부극(5)은 지그재그 방식으로 절첩된 세퍼레이터(12)의 절첩부 사이에 개재되도록 설치된다. 이에 의해, 정극(4)과 부극(5)이 세퍼레이터(12)를 개재하여 교대로, 예를 들어 부극(5), 세퍼레이터(12), 정극(4), 세퍼레이터(12), 부극(5), … 세퍼레이터(12), 및 부극(5)의 순으로 적층되는 방식으로 소정 매수의 정극(4) 및 소정 매수의 부극(5)을 적층시킬 수 있다.
정극(4), 부극(5) 및 세퍼레이터(12)가 서로 밀착되도록 고정됨으로써, 적층 전극체를 제작한다. 고정 공정에는, 접착 테이프 등의 고정 부재(도시하지 않음)를 사용한다. 고정 부재는 적층 전극체의 양쪽 사이드부 및 보텀부에 설치된다. 겔 전해질을 사용하는 경우, 정극(4) 및 부극(5)의 양면에 각각 겔 전해질층을 형성하고, 세퍼레이터(12)를 개재하여 정극(4) 및 부극(5)을 적층한다. 이에 의해, 전지 소자(2)가 구성된다.
또한, 제1 실시형태와 마찬가지로, 세퍼레이터(12)의 치수는 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)의 깊이의 절반 이상을 덮지 않도록 설정되는 것이 바람직하다. 이는 세퍼레이터(12)에 의해 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)의 깊이의 절반 이상이 덮이면, 정극 집전체 노출부(4C)와 정극 탭(7) 사이의 접합 면적, 및 부극 집전체 노출부(5C)와 부극 탭(8) 사이의 접합 면적이 좁아져서, 입출력 특성이 저하되기 때문이다.
[적층 이후의 공정]
적층 공정 이후의 공정은 제1 실시형태와 마찬가지이다. 즉, 적층 공정 후, 우선, 제1 U자 절곡 공정에서, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)가 절곡된다. 이어서, 집전체 절단 공정에서, 도 9의 (c)에 도시한 바와 같이, 절곡된 정극 집전체 노출부(4C)의 선단의 잉여분을 절단함으로써, 선단을 가지런하게 한다. 마찬가지로, 부극 집전체 노출부(5C)의 선단도 절단하여 가지런하게 한다.
이어서, 탭 접속 공정에서, 도 9의 (d)에 도시한 바와 같이, 정극 집전체 노출부(4C)와 정극 탭(7) 사이의 접속, 및 부극 집전체 노출부(5C)와 부극 탭(8) 사이의 접속을 각각 행한다. 또한, 이 공정에서는, 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)에 실란트(10)를 설치하는 공정도 포함된다. 이어서, 탭 절곡 공정에서, 도 9의 (e)에 도시한 바와 같이, 정극 집전체 노출부(4C)에 접속된 정극 탭(7), 및 부극 집전체 노출부(5C)에 접속된 부극 탭(8)을 소정의 형상으로 절곡한다.
이어서, 인슐레이터 설치 공정에서, 도 9의 (f)에 도시한 바와 같이, 전지 소자(2)의 정극 집전체 노출부(4C) 측의 측면에 인슐레이터(11)를 설치한다. 이어서, 필요에 따라, 전지 소자(2)의 부극 집전체 노출부(5C) 측의 측면에 인슐레이터(11)를 또한 설치한다. 이어서, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이, 제2 U자 절곡 공정에서, 정극 집전체 노출부(4C)에서의 정극 탭(7)과의 접속 부분을 90°의 각도로 절곡한다. 이어서, 제2 U자 절곡 공정에서, 부극 집전체 노출부(5C)에서의 부극 탭(8)과의 접속 부분을 90°의 각도로 절곡한다. 이어서, 도 10의 (b) 및 도 10의 (c)에 도시한 바와 같이, 제1 외장 공정에서, 대략 직사각형 형상을 갖고 딥드로잉에 의해 중앙부에 오목부(9)가 형성되어 있는 외장재로서의 라미네이트 필름[제1 외장재(3A)]의 오목부(9) 내에 전지 소자(2)를 수용함으로써 외장한다. 이어서, 도 10의 (d)에 도시한 바와 같이, 제2 외장 공정에서, 평판 형상의 라미네이트 필름[제2 외장재(3B)]에 의해 오목부(9)를 커버한다. 이에 의해, 전지 소자(2)가 외장재(3)에 의해 외장된다.
도 10의 (e)에 도시한 바와 같이, 주액 및 시일 공정에서, 하나의 변을 남겨둔 상태로 오목부의 외주 부분을 열 융착에 의해 열 용착하고, 미 용착된 변으로부터 전해액을 주액한 후, 남겨진 하나의 변을 열 용접해서 밀봉한다. 이상의 공정에 의해, 도 1의 (a) 또는 도 10의 (f)에 도시한 바와 같은 이차 전지(1)가 얻어진다.
제2 실시형태에 따르면, 이차 전지 소자(2)의 제조 공정에서, 정극(4), 부극(5) 및 세퍼레이터(12)를 순서대로 적층할 필요가 없고, 세퍼레이터(12)의 절첩부 사이에 정극(4)을 삽입하는 작업과, 세퍼레이터(12)의 절첩부 사이에 부극(5)을 삽입하는 작업을 동시에 행할 수 있다. 이에 의해, 이차 전지(1)의 제조 효율을 높이고, 생산성의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 세퍼레이터(12)의 절첩 방향은 도 16의 (a)에 도시한 바와 같은 세퍼레이터(12)의 절첩부의 길이 방향을 따른 방향에 한정되는 것이 아니다. 도 16의 (b)에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(12)는 세퍼레이터(12)의 절첩부의 측면(lateral) 방향을 따른 방향으로 절첩되어도 좋다. 이러한 경우, 길이 방향을 따라 절첩을 행한 경우와 마찬가지로, 정극(4)과 부극(5)은 정극 집전체 노출부(4C)와 부극 집전체 노출부(5C)가 서로 반대 방향으로 도출되도록 세퍼레이터(12)의 절첩부 사이에 개재된다.
<3. 제3 실시형태>
(3-1) 이차 전지의 구성
이어서, 본 발명의 제3 실시형태에 대해서 설명한다. 도 17의 (a) 내지 도 17의 (c)는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 정극(4), 부극(13) 및 세퍼레이터의 적층 구조를 설명하는 개략선도를 나타낸다. 도 17의 (a)는 제1 세퍼레이터(14), 부극(13) 및 제2 세퍼레이터(15)의 적층 구조를 도시하는 개략선도를 나타내고, 도 17의 (b)는 적층 상태의 외관을 도시하는 사시도를 나타내며, 도 17의 (c)는 적층 상태를 도시하는 개략 측면도를 나타낸다. 제3 실시형태에서, 제1 실시형태와 대략 동일한 개소 또는 대응하는 개소에는 동일한 부호를 부여한다.
제3 실시형태는 지그재그 방식의 절첩을 사용하여 정극(4), 부극(13) 및 세퍼레이터를 적층한다는 점에서 제2 실시형태와 유사하다. 그러나, 부극(13)도 긴 띠 형상으로 형성되는 점, 2매의 세퍼레이터 사이에 부극(13)을 개재하고, 부극(13)과 2매의 세퍼레이터를 지그재그 방식으로 절첩하는 점, 정극(4)을 세퍼레이터의 절첩부 사이에 개재함으로써 전지 소자를 구성하는 점에서, 제3 실시형태는 제2 실시형태와 상이하다. 또한, 세퍼레이터 및 부극(13) 이외의 이차 전지(1)의 구성은 제1 실시형태와 대략 동일하다.
[부극]
부극(13)을 구성하는 부극 집전체(13A)는 세퍼레이터와 유사한 긴 띠 형상으로 형성되어 있다. 부극 집전체(13A)의 양면에는, 측면 방향으로 소정의 치수의 깊이를 갖는 부극 집전체 노출부(13C)가 형성되도록, 부극 활물질층(13B)이 설치되어 있다. 이와 같이 하여, 부극(13)은 도 17의 (a)에 도시한 바와 같이, 긴 띠 형상으로 형성되어 있다. 제3 실시형태에서도, 제1 및 제2 실시형태와 마찬가지로, 부극 집전체(13A)의 양면의 전체면에 부극 활물질층(13B)이 설치되어 있는 것이 아니다. 부극(13)은 긴 띠 형상으로 형성되어 있으므로, 부극 집전체 노출부(13C)의 폭과 부극 활물질층(13B)의 폭은 대략 서로 동일해진다. 즉, 부극 집전체 노출부(13C)의 폭 wa(도 17의 (a)에서의 길이 방향의 치수) 및 부극 활물질층(13B)의 폭 Wa(도 17의 (a)에서의 길이 방향의 치수)는 이하의 식(9)을 만족하도록 구성되어 있다.
(wa/Wa) = 1.0 ??? (9)
부극 집전체 노출부(13C)의 폭과 부극 활물질층(13B)의 폭은 대략 서로 동일하므로, 부극(13)의 제조 공정에서는, 부극 집전체(13A) 위에 부극 활물질층(13B)을 도포하는 공정의 이외에, 부극 집전체 노출부(13C)를 가늘게 형성하기 위한 펀칭 공정 또는 절단 공정 등의 공정이 필요하지 않고, 이에 의해 부극(13)의 제조 공정을 간략화할 수 있다. 또한, 부극 집전체(13A)의 재질, 부극 활물질층(13B)의 재질 등은 제1 실시형태와 동일하다.
또한, 제1 실시형태와 마찬가지로, 부극 집전체 노출부(13C)의 깊이 da(도 17의 (a)에서의 횡방향의 치수) 및 부극 활물질층(13B)의 깊이 Da(도 17의 (a)에서의 횡방향의 치수)는 이하의 식(10)을 만족하는 것이 바람직하다.
0.02 < (da/Da) ≤ 0.40 ??? (10)
[세퍼레이터]
세퍼레이터는 정극(4)과 부극(13)을 격리하고, 양쪽의 극의 접촉에 의한 전류의 단락을 방지하면서 리튬 이온을 통과시킨다. 제3 실시형태에서는, 2개의 세퍼레이터, 즉, 제1 세퍼레이터(14) 및 제2 세퍼레이터(15)를 사용한다. 제1 세퍼레이터(14) 및 제2 세퍼레이터(15)는 부극(13)과 마찬가지로 긴 띠 형상으로 형성되고, 제1 및 제2 세퍼레이터(13, 14)의 치수는 대략 서로 동일하다. 또한, 도 17의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 세퍼레이터(14) 및 제2 세퍼레이터(15)는 부극(13)에 비해 횡방향의 길이가 짧도록 구성되어 있다. 이는 제1 세퍼레이터(14)와 제2 세퍼레이터(15) 사이에 부극(13)을 개재한 상태에서, 제1 세퍼레이터(14)와 제2 세퍼레이터(15) 사이에서 부극 집전체 노출부(13C)가 도출되도록 구성되기 때문이다.
또한, 제1 실시형태와 마찬가지로, 세퍼레이터는 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 등의 합성 수지제의 다공질막, 또는 세라믹제의 다공질막의 단층 또는 이들의 복수의 적층에 의해 구성될 수 있다. 특히, 세퍼레이터로서는, 폴리올레핀으로 형성된 다공질막이 바람직하다. 또한, 세퍼레이터로서는, 폴리올레핀 등으로 형성된 미세 다공막 상에, 폴리불화비닐리덴(PVdF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등으로 형성된 다공성의 수지층을 형성하여 얻어진 층을 사용해도 좋다.
[전지 소자]
상술한 바와 같이 구성된 제1 세퍼레이터(14)와 제2 세퍼레이터(15) 사이에 부극(13)을 개재함으로써, 제1 세퍼레이터(14), 제2 세퍼레이터(15) 및 부극(13)은 일체로 구성된다. 이하, 제1 세퍼레이터(14)와 제2 세퍼레이터(15) 사이에 부극(13)을 개재한 3층 구조체를 3층체(16)라고 칭한다. 부극(13)은 횡방향의 치수를 제1 세퍼레이터(14) 및 제2 세퍼레이터(15)보다 크게 형성하여, 3층체(16)의 제1 세퍼레이터(14)와 제2 세퍼레이터(15) 사이에서 부극 집전체 노출부(13C)가 도출되도록 구성된다.
3층체(16)는 정극(4)의 폭과 대략 동일한 간격으로 지그재그 방식으로 절첩된다. 3층체(16)를 지그재그 방식으로 절첩하는 것에 의해 형성되는 각 절첩부의 폭은 정극(4)의 폭과 대략 동일하다.
지그재그 방식으로 절첩된 3층체(16)의 절첩부 사이에 복수매의 정극(4)의 각각이 개재됨으로써, 전지 소자가 구성되어 있다. 정극(4)은 정극 집전체 노출부(4C)가 3층체(16)의 절첩 방향과 평행한 방향으로 3층체(16)의 절첩부 사이의 공간으로부터 도출되도록 3층체(16)의 절첩부 사이에 개재되어 있다. 또한, 정극(4)은 정극 집전체 노출부(4C)가 부극 집전체 노출부(13C)의 도출 방향의 반대 방향으로 도출되도록 개재되어 있다. 상술된 바와 같이, 제1 실시형태와 마찬가지로, 제3 실시형태에서도, 전지 소자는 정극 집전체 노출부(4C)와 부극 집전체 노출부(13C)가 동일한 방향을 향하지 않도록 구성되어 있다. 이에 의해, 정극 집전체 노출부(4C)에 접속되는 정극 탭의 폭 및 부극 집전체 노출부(13C)에 접속되는 부극 탭의 폭을 최적으로 전지 소자의 폭과 대략 동일하게 하는 것이 가능하게 되어, 대전류의 입출력이 구현될 수 있다.
3-2. 이차 전지의 제조 방법
제3 실시형태에 따른 이차 전지(1)는 이하와 같은 공정으로 제작될 수 있다. 또한, 정극(4)의 제작 공정은 제1 실시형태와 유사하다.
[부극의 제작]
우선, 예를 들어, 부극 활물질과 결착제를 혼합해서, 이 부극 합제를 N-메틸피롤리돈 등의 용제에 분산시켜, 부극 합제 슬러리를 얻는다. 계속해서, 이 부극 합제 슬러리를 부극 집전체(13A)에 도포한다. 또한, 이 도포 공정에서는, 부극 합제 슬러리를 부극 집전체(13A)의 전체면에 도포하는 것 대신에, 부극 집전체(13A) 위에 부극 활물질층(13B)이 형성되지 않는 부극 집전체 노출부(13C)가 형성되도록 부극 합제 슬러리를 도포한다. 다음, 도포된 부극 합제 슬러리를 건조시킨 뒤, 부극 집전체(13A)를 롤 프레스기 등에 의해 압축 성형해서, 부극 활물질층(13B)을 형성한다. 이상의 공정에 의해, 부극(13)이 제작된다. 또한, 제3 실시형태에서는, 부극(13)을 소정의 크기로 절단하는 절단 공정을 행할 필요가 없으므로, 제조 효율을 높일 수 있다.
[적층 공정]
우선, 제1 세퍼레이터(14)와 제2 세퍼레이터(15) 사이에 부극(13)을 개재함으로써, 3층체(16)를 형성한다. 이어서, 3층체(16)를 지그재그 방식으로 복수회 절첩한다. 3층체(16)는 갈고리 형상의 돌기를 절첩부에 접촉시킴으로써 절첩된다. 도 17의 (a) 및 도 17의 (b)에 도시한 바와 같이, 지그재그 방식으로 절첩된 3층체(16)의 절첩부 사이에 정극(4)의 각 시트를 개재된다. 이에 의해, 정극(4)의 소정의 시트와 부극(13)의 소정의 시트를, 세퍼레이터를 개재하여 교대로, 예를 들어 부극(13), 세퍼레이터, 정극(4), 세퍼레이터, 부극(13), …, 세퍼레이터, 부극(13)의 순으로 적층시킨다. 또한, 제3 실시형태에서도, 제1 실시형태와 마찬가지로, 정극(4)과 부극(13)은 정극 집전체 노출부(4C)와 부극 집전체 노출부(13C)가 서로 반대 방향을 향하도록 적층된다. 즉, 정극 집전체 노출부(4C)와 부극 집전체 노출부(13C)가 동일한 방향을 향하지 않도록 구성된다. 이에 의해, 정극 집전체 노출부(4C)에 접속되는 정극 탭의 폭 및 부극 집전체 노출부(13C)에 접속되는 부극 탭의 폭을 최대로 전지 소자의 폭과 대략 동일하게 하는 것이 가능하게 되어, 대전류의 입출력이 구현될 수 있다.
정극(4), 부극(13) 및 세퍼레이터가 서로 밀착하도록 고정됨으로써, 적층 전극체를 제작한다. 고정 공정에는, 접착 테이프 등의 고정 부재(도시하지 않음)를 사용한다. 고정 부재는 적층 전극체의 양쪽 사이드부 및 보텀부에 설치된다. 겔 전해질을 사용하는 경우, 정극(4) 및 부극(13)의 양면에 각각 겔 전해질층을 형성하고, 세퍼레이터를 개재하여 정극(4) 및 부극(13)을 적층함으로써, 전지 소자가 구성된다.
또한, 제1 실시형태와 마찬가지로, 세퍼레이터의 치수는 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(13C)의 깊이의 절반 이상을 덮지 않도록 설정되는 것이 바람직하다. 이는 세퍼레이터에 의해 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(13C)의 절반 이상이 덮이면, 정극 집전체 노출부(4C)와 정극 탭(7) 간의 접합 면적, 및 부극 집전체 노출부(13C)와 부극 탭(8) 간의 접합 면적이 좁아져서, 입출력 특성이 저하되기 때문이다.
[적층 이후의 공정]
적층 공정 이후의 공정은 제1 실시형태와 마찬가지이다. 즉, 적층 공정 후에는, 우선, 절곡 공정에서, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(13C)의 절곡이 이루어진다. 이어서, 집전체 절단 공정에서, 도 9의 (c)에 도시한 바와 같이, 절곡된 정극 집전체 노출부(4C)의 선단의 잉여분을 절단함으로써, 선단을 가지런하게 한다. 마찬가지로, 부극 집전체 노출부(13C)의 선단도 절단하여 가지런하게 한다.
이어서, 접속 공정에서, 도 9의 (d)에 도시한 바와 같이, 정극 집전체 노출부(4C)와 정극 탭(7) 간의 접속, 및 부극 집전체 노출부(13C)과 부극 탭(8) 간의 접속을 각각 행한다. 또한, 이 공정에서는, 정극 탭(7) 및 부극 탭(8)에 실란트(10)를 설치하는 공정도 포함된다. 이어서, 탭 절곡 공정에서, 도 9의 (e)에 도시한 바와 같이, 정극 집전체 노출부(4C)에 접속된 정극 탭(7), 및 부극 집전체 노출부(13C)에 접속된 부극 탭(8)을 소정의 형상으로 절곡한다.
이어서, 인슐레이터 설치 공정에서, 도 9의 (f)에 도시한 바와 같이, 전지 소자의 정극 집전체 노출부(4C) 측의 측면에 인슐레이터(11)를 설치한다. 이어서, 필요에 따라, 전지 소자의 부극 집전체 노출부(5C) 측의 측면에 인슐레이터(11)를 또한 설치한다. 이어서, 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이, 제2 절곡 공정에서, 정극 집전체 노출부(4C)에서의 정극 탭(7)과의 접속 부분을 90°의 각도로 절곡한다. 이어서, 제2 절곡 공정에 있어서, 부극 집전체 노출부(5C)에 있어서의 부극 탭(8)과의 접속 부분을 90°절곡한다. 이어서, 도 10의 (b) 및 도 10의 (c)에 도시한 바와 같이, 제1 외장 공정에 있어서, 대략 직사각 형상을 하며, 딥 드로잉에 의해 중앙부에 형성된 오목부를 갖는 외장재로서의 라미네이트 필름(제1 외장재(3A))의 오목부 내에 전지 소자(2)를 수용하고 외장한다. 이어서, 도 10의 (d)에 도시한 바와 같이, 제2 외장 공정에 있어서, 평판 형상을 한 라미네이트 필름(제2 외장재(3B))에 의해 오목부를 덮는다. 이런 방식에 의해, 전지 소자(2)가 외장재에 의해 외장된다.
도 10의 (e)에 도시한 바와 같이, 주입 및 시일 공정에 있어서, 오목부(9)의 외주 부분의 좌측 한 변이 열 융착에 의해 열 용착되고, 미용착된 한 변으로부터 전해액을 주입한 후, 남아있는 한 변을 열 용착하여 밀봉한다. 상술된 공정에 의해, 도 10의 (f)에 도시한 바와 같은 이차 전지(1)가 얻어진다.
제3 실시형태에 의하면, 1회 지그재그 방식으로 접음으로써 한 세트의 정극(4), 부극(13) 및 세퍼레이터가 적층되기 때문에, 1매의 세퍼레이터를 지그재그 방식으로 접는 구조에 비하여 적층 속도를 2배로 할 수 있다. 따라서, 이차 전지(1)의 제조 효율을 높이고, 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 세퍼레이터만을 접지 않는다. 제1 세퍼레이터(14)와 제2 세퍼레이터(15) 사이에 부극(13)을 개재하고, 그 결과로 생긴 부극(13)을 포함하는 적층체를 지그재그 방식으로 접기 때문에, 세퍼레이터만을 지그재그 방식으로 접는 경우에 비하여 전지 소자의 전체 강성을 향상시킬 수 있다. 이런 방식에 의해, 진동, 충격 등에 대한 내성 외에, 이차 전지(1)를 사용하여 구성한 전지 팩에 있어서의 적층 어긋남의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 제1 세퍼레이터(14), 제2 세퍼레이터(15) 및 부극(13)이 서로 밀착하게 되고, 이들을 통합하여 지그재그 방식으로 접기 때문에, 적층 정밀도 오차를 허용하기 위한 클리어런스(clearance)를 형성할 필요가 없다. 따라서, 정극(4) 및 부극(13)의 크기를 크게 할 수 있음으로써, 에너지 밀도가 높은 이차 전지(1)를 실현할 수 있다. 또한, 부극(13)을 소정의 크기로 절단하는 절단 공정을 행할 필요가 없기 때문에, 오염 리스크를 저감할 수 있다.
또한, 세퍼레이터에 의해 정극(4) 및 부극(13)을 밀봉하지 않기 때문에, 집전체와의 통전이 용이하며, 특히 이런 구성은 대전류형의 이차 전지(1)에 유용하다. 또한, 세퍼레이터에 의한 밀봉 구조에 있어서 우려 사항인, 접음에 의해 발생하는 세퍼레이터의 왜곡으로 인한 전지에의 악영향이 없다. 또한, 부극(13) 내에 정극(4)이 개재하도록 구성되어 있으므로, 리튬(Li) 석출의 우려가 없다. 또한, 단면 도포형의 정극(4) 및 부극(13)의 박면을 서로 등을 맞대고 적층하는 것이 아니고, 양면 도포형의 정극(4) 및 부극(13)을 효율적으로 적층할 수 있으므로, 용량을 유지하면서 얇은 이차 전지(1), 즉, 에너지 밀도가 높은 이차 전지(1)를 제작할 수 있다.
상술한 설명에서는, 세퍼레이터에 의해 부극(13)을 개재하는 예로서, 2매의 세퍼레이터, 즉, 제1 세퍼레이터(14)와 제2 세퍼레이터(15)에 의해 부극(13)을 개재하는 구성을 예시하였지만, 세퍼레이터에 의해 부극(13)을 개재하는 구성은 그러한 예에 한정되지 않는다. 도 18의 (a) 및 도 18의 (b)는 변형예를 도시한 도면을 나타낸다. 도 18의 (a)는 적층 상태의 외관을 나타내는 사시도를 도시하며, 도 18의 (b)는 도 18의 (a)에 있어서의 화살표 XVIIIB의 방향에서 본 도면을 나타낸다. 도 18의 (a) 및 도 18의 (b)에 도시한 바와 같이, 1매의 세퍼레이터(17)를 그 길이 방향을 따라서 2단으로 접고, 접힌 부분 사이에 부극(13)을 개재할 수 있다. 이런 구성에서는, 상술한 2매의 세퍼레이터를 사용하는 구성과 마찬가지의 효과가 달성될 수 있다.
<4. 제4 실시형태>
(4-1) 이차 전지의 구성
도 25의 (a)는 본 발명의 제4 실시형태에 관한 이차 전지의 외관을 나타내는 사시도를 도시한다. 도 25의 (a)에 도시한 바와 같이, 제4 실시형태에 관한 이차 전지는, 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)이 동일한 측면으로부터 도출되어 있는 점에서 제1 실시형태의 것과는 상이하다.
도 25의 (b)는 전지 소자의 구성의 일례를 나타내는 사시도를 도시한다. 도 25의 (c)는 전지 소자의 구성의 일례를 나타내는 분해 사시도를 도시한다. 전지 소자(2)는, 서로 대향하는 제1 주면(A1)과 제2 주면(A2), 및 제1 주면(A1)과 제2 주면(A2) 사이에 설치된 측면부(S)를 갖는다. 측면부(S)는, 서로 대향하는 제1 측면(S1)과 제2 측면(S2), 및 서로 대향하는 제3 측면(S3)과 제4 측면(S4)을 포함한다. 제3 측면(S3) 및 제4 측면(S4)은 제1 측면(S1)과 제2 측면(S2) 사이에 설치된다.
제1 주면(A1) 및 제2 주면(A2)은, 긴 변과 짧은 변을 갖는 직사각 형상을 갖는다. 제1 측면(S1) 내지 제4 측면(S4)은, 가늘고 긴 직사각 형상을 갖는다. 제1 측면(S1) 및 제2 측면(S2)이 각각 제1 주면(A1) 및 제2 주면(A2)의 짧은 변 측에 설치되고, 제3 측면(S3) 및 제4 측면(S4)이 각각 제1 주면(A1) 및 제2 주면(A2)의 긴 변 측에 설치된다.
정극 집전체 노출부(4C)는, 제1 측면(S1) 측에 설치되고, 부극 집전체 노출부(5C)는, 제2 측면(S2) 측에 설치된다. 정극 탭(31)은, 제1 측면(S1) 측에서 정극 집전체 노출부(4C)와 접속되고, 제3 측면(S3) 측에서 외장재(3)의 외부로 도출되어 있다. 이에 대해, 부극 탭(41)은, 제2 측면(S2)에서 부극 집전체 노출부(5C)와 접속되고, 제3 측면(S3) 측에서 외장재(3)의 외부로 도출되어 있다.
[전극 탭]
도 26의 (a)는, 정극 탭(31)의 형상의 일례를 나타내는 사시도를 도시한다. 예를 들어, 정극 탭(31)은 전지 소자(2)의 제1 측면(S1) 및 제3 측면(S3)을 따라 구부러진 굴곡부(32)와, 제3 측면(S3)에 대하여 수직 방향으로 도출되는 도출부(33)를 포함한다. 예를 들어, 굴곡부(32)는 전지 소자(2)의 제1 측면(S1) 및 제3 측면(S3)에 대향하는 이면(Sa)과, 이 이면(Sa)과는 반대측의 정면(Sb)을 갖는다. 예를 들어, 굴곡부(32)는 전지 소자(2)의 제1 주면(A1)의 측에서 보면, 대략 L자 형상을 갖는다. 보다 구체적으로는, 굴곡부(32)는, 정극 집전체 노출부(4C)와 접속되는 접속부(32a)와, 이 접속부(32a)의 일 단부로부터, 접속부(32a)의 이면(Sa)에 대하여 대략 수직 방향으로 연장되어진 연장부(32b)를 포함하는 판상 부재이다. 도출부(33)는, 연장부(32b)의 정면(Sa)에 대하여 대략 수직 방향으로 세워져 설치되어 있다.
도 26의 (b)는, 부극 탭(41)의 형상의 일례를 나타내는 사시도를 도시한다. 예를 들어, 부극 탭(41)은 전지 소자(2)의 제2 측면(S2) 및 제3 측면(S3)을 따라 구부러진 굴곡부(42)와, 제3 측면(S3)에 대하여 수직 방향으로 도출되는 도출부(43)를 갖는다. 예를 들어, 굴곡부(42)는 전지 소자(2)의 제2 측면(S2) 및 제3 측면(S3)에 대향하는 이면(Sa)과, 이 이면(Sa)과는 반대측의 정면(Sb)을 갖는다. 예를 들어, 굴곡부(42)는 전지 소자(2)의 제1 주면(A1)의 측에서 보면, 대략 L자 형상을 갖는다. 보다 구체적으로는, 굴곡부(42)는, 부극 집전체 노출부(5C)와 접속되는 접속부(42a)와, 이 접속부(42a)의 일 단부로부터, 접속부(42a)의 이면(Sa)에 대하여 대략 수직 방향으로 연장된 연장부(42b)를 포함하는 판상 부재이다. 도출부(43)는, 연장부(42b)의 정면(Sa)에 대하여 대략 수직 방향으로 세워져 설치되어 있다.
정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 유효 단면적은, 이차 전지(1)의 정격 용량(0.2C 방전 용량) 당 0.1 내지 3.0 ㎜2/Ah가 바람직하고, 0.5 내지 1.0 ㎜2/Ah가 보다 바람직하다. 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 유효 단면적이 0.1 ㎜2/Ah 미만이면, 전지 용량에 대하여 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 유효 단면적이 작기 때문에, 대전류의 입출력 시에 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)이 발열한다. 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)이 발열하면, 외장재(3)와의 시일부의 수지가 연화되어, 누설이 발생할 우려가 있다. 한편, 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 유효 단면적이 3.0 ㎜2/Ah를 초과하면, 전지 내의 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 비율이 커지기 때문에, 체적 에너지 밀도가 저하할 수 있다. 또한, 유효 단면적이 크기 때문에, 외장재(3)와의 시일링에서 결함이 쉽게 발생할 수 있다. 여기서, 유효 단면적은, 정극 탭(31) 또는 부극 탭(41)의 수직 단면적과, 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 접합부의 수직 단면적 중에서, 최소 단면적을 의미한다. 또한, 수직 단면적은 이차 전지(1)의 충방전 시에 흐르는 전류의 방향에 대하여 수직인 단면의 면적을 의미한다. 또한, 정격 용량(Ah)은 이차 전지(1)를 0.2C에 대응하는 전류값에서 방전했을 때에 취출할 수 있는 전기량을 의미한다.
정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 재료로서는, 도전성이 우수한 금속을 주성분으로 포함하는 재료가 바람직하다. 이러한 금속으로서는, 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 인(P), 은(Ag), 주석(Sn), 철(Fe), 지르코늄(Zr), 크롬(Cr), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni) 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 예를 들어, 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 인(P), 은(Ag), 주석(Sn), 철(Fe), 지르코늄(Zr), 크롬(Cr), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni) 등의 단일체(elementary substance) 또는 이들의 2종 이상을 포함하는 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 합금으로서는, 스테인리스강(Stainless Steel:SUS), 구리(Cu) 합금 등을 사용하는 것이 바람직하다.
정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 도전율이, 70(IACS%) 이상인 것이 바람직하다. 이 경우에, 유효 단면적이 0.1 내지 3.0 ㎜2/Ah의 범위에 있어서도, 대전류의 입출력 시에도 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)에서의 발열이 억제된다. 여기서, IACS%은 도전율 측정기(FORESTER JAPAN Limited사에 의해 제조된 시그마 테스터)를 사용하여 체적 저항률을 측정하고, 1.7241×10-2μΩm의 어닐링된 구리의 도전율에 대한 체적 저항률의 비율을 산출함으로써 얻어진 값이다.
[전극 탭의 형상예]
도 27의 (a) 내지 도 28의 (c)는, 정극 탭의 제1 내지 제7 형상예를 나타내는 사시도를 도시한다. 또한, 정극 탭(31)과 부극 탭(41)의 형상은 서로 대칭 관계에 있기 때문에, 정극 탭(31)의 형상예에 대해서만 설명하고, 부극 탭(41)의 형상예에 관한 설명은 반복하지 않는다.
도 27의 (a)는 연장부(32b)의 정면(Sb)의 저변 측에 도출부(33)가 세워져 설치된 예를 나타낸다. 이런 구성은 전지 소자(2)의 제1 주면(상면)(A1)을 덮는 측에, 딥 드로잉에 의해 미리 오목부(9)가 형성된 외장재(3)를 사용하는 경우에 바람직하다.
도 27의 (b)는 연장부(32b)의 정면(Sb)의 상변 측에 도출부(33)가 세워져 설치된 예를 나타낸다. 이런 구성은 전지 소자(2)의 제2 주면(하면)(A2)을 덮는 측에, 딥 드로잉에 의해 미리 오목부(9)가 형성된 외장재(3)를 사용하는 경우에 바람직하다.
도 27의 (c)는 연장부(32b)의 정면(Sb)의 중앙부에 도출부(33)가 세워져 설치된 예를 나타낸다. 이런 구성은 전지 소자(2)의 제1 주면(상면)(A1) 및 제2 주면(하면)(A2)을 덮는 측에 각각 딥 드로잉에 의해 미리 오목부(9)가 형성된 외장재(3)를 사용하는 경우에 바람직하다.
연장부(32b)의 정면(Sb)으로부터 도출부(33)가 세워지는 위치는 특별히 한정되는 것이 아니며, 정면(Sb) 상의 임의의 위치일 수 있으며, 예를 들어, 외장재(3)의 오목부(9)의 위치에 따라서 적절히 선택될 수 있다.
도 27의 (d)는 굴곡부(32)의 코너부 각각에 대하여 모따기(chamfering) 가공을 실시한 예를 나타낸다. 이런 모따기 가공은 굴곡부(32)의 이면(Sa)과 정면(Sb) 중 적어도 정면(Sb)에 대하여 실시되는 것이 바람직하고, 이면(Sa) 및 정면(Sb)의 양쪽에 실시될 수 있다. 모따기 가공이 정면(Sb)에 대하여 실시되는 경우, 이차 전지(1)의 제조 시에 또는 사용 시에, 진동으로 인해 정극 탭(31)의 코너부에 의해 야기되는 전지 소자(2) 또는 외장재(3)의 파손을 억제할 수 있다. 모따기 가공이 굴곡부(32)의 이면(Sa)에 대하여 실시되는 경우, 전지 소자(2)의 코너부에 대하여 정면(Sb)과 마찬가지로 모따기 가공을 실시하는 것이 바람직하다. 이는 전지 소자(2)의 코너부와 굴곡부(32)의 코너부의 사이의 간극을 제거하고, 이들 양쪽을 서로 밀착시킬 수 있기 때문이다.
모따기 가공으로서는, 예를 들어, C-모따기, R-모따기 등을 예로 들 수 있고, 정극 탭(31)의 코너부와 부극 탭(41)의 코너부에 대하여 각각 서로 다른 모따기 가공을 실시할 수 있다. 예를 들어, 정극 탭(31)의 코너부와 부극 탭(41)의 코너부에 있어서, 한쪽에 대하여 C-모따기 가공을 실시하고, 다른 쪽에 대하여 R-모따기 가공을 실시할 수도 있다.
도 28의 (a)는 별개로 형성된 굴곡부(32)와 도출부(33)를 사용한 부극 탭(41)의 예를 나타낸다. 도출부(33)는, 예를 들어, 직사각 형상을 갖고, 그 한쪽 변으로부터 도출부(33)가 세워지는 접합부(38a)를 갖는다. 이 접합부(38a)는 굴곡부(32)의 연장부(32b)의 정면(Sb)에 접합된다.
도 28의 (b)는 도 27의 (a)에 나타낸 것보다도 도출부(33)의 폭을 좁게 하는 예를 나타내고, 도출부(33)의 폭을 굴곡부(32)의 폭과 거의 동일하게 제조한 예를 나타낸다.
도 28의 (c)는 도출부(33)의 선단 부분에 나사부가 설치된 예를 나타낸다. 이런 구성에 따르면, 너트 결합에 의해 간접 접속형 전지에 대응할 수 있다. 예를 들어, 한쪽의 이차 전지(1)의 도출부(33)와, 다른 쪽의 이차 전지(1)의 도출부(35)를 너트(34)를 통해서 전기적으로 접속할 수 있다.
[탭의 제작 방법]
정극 탭(31) 및 부극 탭(41)은, 예를 들어, 성형 공정, 프레스 공정, 굴절 공정, 용접 공정 등을 적절히 조합함으로써 제작할 수 있다. 이하, 예로서, 정극 탭(31)의 제작 방법에 대해서 설명한다.
(제1 예)
도 29의 (a) 내지 도 29의 (c)는, 정극 탭의 제작 방법의 제1 예를 나타내는 공정도를 도시한다. 우선, 예를 들어, 펀칭 가공 등에 의해, 금속편을 가공한다. 이런 가공에 따라, 도 29의 (a)에 도시한 바와 같이, 가늘고 긴 직사각형부(36)와, 그 가늘고 긴 직사각형부(36)의 일 단부에 형성된 광폭의 직사각형부(37)를 포함하는 금속편이 형성된다.
이어서, 광폭의 직사각형부(37)에 대하여 L자 굽힘 가공을 실시한다. 이런 가공에 의해, 도 29의 (b)에 도시한 바와 같이, 가늘고 긴 직사각형부(36)가 광폭의 직사각형부(37)에 대하여 세워짐으로써, 도출부(33)가 형성된다. 이어서, 가늘고 긴 직사각형부(36)에 대하여 L자 굽힘 가공을 실시한다. 이런 가공에 의해, 도 29의 (c)에 도시한 바와 같이, 굴곡부(32)와 도출부(33)를 갖는 정극 탭(31)이 형성된다.
(제2 예)
도 30의 (a) 내지 도 30의 (c)는 정극 탭의 제작 방법의 제2 예를 도시한다. 우선, 예를 들어, 펀칭 가공에 의해, 도 30의 (a)에 도시한 바와 같이, 직사각 형상의 금속편을 제작한다. 이어서, 금속편에 대하여 L자 굽힘 가공을 실시한다. 이런 가공에 의해, 도 30의 (b)에 도시한 바와 같이, 직사각 형상의 금속편의 한쪽 변이 세워져, 접합부(38a)를 갖는 도출부(33)가 형성된다. 이어서, 별도의 공정에 의해 제작된 굴곡부(32)의 연장부(32b)의 정면(Sb)에, 도출부(33)의 접합부(38a)를 접합한다. 접합 방법으로서는, 예를 들어, 초음파 용접, 저항 용접 등을 사용할 수 있다.
(피복층)
정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 적어도 한쪽의 표면이 피복층에 의해 피복되어 있는 것이 바람직하고, 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 양쪽의 표면이 피복층에 의해 피복되어 있는 것이 보다 바람직하다. 피복층으로서는, 제1 실시형태와 마찬가지의 피복층을 사용할 수 있다.
(접합 면적)
도 31은 정극 집전체 노출부와 정극 탭 사이의 접합부를 나타내는 확대 사시도를 도시한다. 정극 집전체 노출부(4C)와 정극 탭(31) 사이의 접합 면적(Sc)은 정극 탭(31)의 유효 단면적(Asc)과, 정극 집전체의 노출부 폭(wc)과, 전지 소자(2)의 두께(B)와 함께, 이하의 식(11)을 만족시키는 것이 바람직하다.
Figure pat00001
Asc>Sc이면, 대전류의 충방전 시에, 정극 집전체 노출부(4C)와 정극 탭(31) 사이의 접합부에 발열이 집중함으로써, 전지 수명을 저하시킬 우려가 있다. 한편, Sc>wc×B이면, 접합부의 치수가 정극 집전체 노출부(4C)의 폭 또는 전지 소자(2)의 두께보다도 밀려나오기 때문에, 이차 전지(1)의 체적 에너지 밀도를 저하시킨다. 또한, 밀려나온 정극 탭(31) 또는 정극 집전체 노출부(4C)에 의해, 알루미늄 적층 필름 등의 외장재 내부의 수지층이 파손될 수 있기 때문에, 알루미늄층 등과의 전기적인 접촉으로 인해 내부 단락이 발생할 수 있다는 우려가 있다.
부극 집전체 노출부(5C)와 부극 탭(41) 사이의 접합 면적(Sa)이, 부극 탭(41)의 유효 단면적(Asa)과, 부극 집전체의 노출부 폭(wa)과, 전지 소자(2)의 두께(B)와 함께, 이하의 식(12)을 만족시키는 것이 바람직하다.
Figure pat00002
Asa>Sa이면, 대전류의 충방전 시에, 부극 집전체 노출부(5C)와 부극 탭(41) 사이의 접합부에 발열이 집중함으로써, 전지 수명을 저하시킬 우려가 있다. 한편, Sa>wa×B이면, 접합부의 치수가 부극 집전체 노출부(5C)의 폭 또는 전지 소자(2)의 두께보다도 밀려나오기 때문에, 이차 전지(1)의 체적 에너지 밀도를 저하시킨다. 또한, 밀려나온 부극 탭(41) 또는 부극 집전체 노출부(5C)에 의해, 알루미늄 적층 필름 등의 외장재 내부의 수지층이 파손될 수 있고, 알루미늄층 등과의 전기적인 접촉으로 인해 내부 단락이 발생할 수 있다는 우려가 있다.
(전극 탭과 전지 소자 사이의 절연 부재)
정극 탭(31) 및 부극 탭(41)과, 전지 소자(2)의 사이 중 적어도 일부에, 절연 부재(이하, 인슐레이터라고 적절히 칭함)를 설치하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 정극 탭(31)의 굴곡부(32)와, 전지 소자(2)의 제1 측면(S1) 및 제3 측면(S3) 중 적어도 한쪽의 측면의 사이에 인슐레이터를 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 부극 탭(41)의 굴곡부(42)와, 전지 소자(2)의 제2 측면(S2) 및 제3 측면(S3) 중 적어도 한쪽 측면과의 사이에 인슐레이터를 구비하는 것이 바람직하다. 전지 소자(2)의 최외층에 정극(4) 또는 부극(5)을 설치하는 구성을 채용한 경우에도, 정극(4) 또는 부극(5)이 정극 탭(31) 또는 부극 탭(41)과 접촉하는 경우에 야기되는 내부 단락의 발생을 억제할 수 있다. 즉, 이차 전지(1)의 안전성을 향상시키고, 이차 전지(1)의 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
도 32의 (a) 내지 도 32의 (d)는 절연 부재의 형상예를 나타내는 사시도를 도시한다. 도 32의 (a)는 전지 소자(2)의 제3 측면(S3)과, 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 사이에, 인슐레이터(51)를 설치한 예를 나타낸다.
도 32의 (b)는 인슐레이터(51)가 1개 또는 복수개의 구멍부(51a)를 구비한 예를 나타낸다. 이런 방식으로, 구멍부(51a)를 설치하면, 전해액의 전지 소자 내부로의 주액성을 확보할 수 있다. 구멍부(51a)의 형상으로서는, 예를 들어, 원형, 타원형, 다각형, 부정형(undefined shape) 등을 예로 들 수 있지만, 형상은 이들에 특별히 한정되는 것이 아니며, 2개 이상의 형상을 조합하여 사용할 수도 있다. 구멍부(51a)의 배열 패턴으로서는, 규칙적 패턴 또는 불규칙적 패턴을 사용할 수 있다. 구멍부(51a)의 형성 방법으로서는, 예를 들어, 펀칭 가공 등을 예로 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것이 아니다.
도 32의 (b)는 인슐레이터(51)가 1개 또는 복수개의 절결부(51b)를 구비한 예를 나타낸다. 이런 방식으로, 절결부(51b)를 설치하면, 전해액의 전지 소자 내부로의 주액성을 확보할 수 있다. 절결부(51b)의 형상으로서는, 예를 들어, 부분 원형, 부분 타원형, 다각형, 부정형 등을 예로 들 수 있지만, 이들에 특별히 한정되는 것이 아니며, 2개 이상의 형상을 조합하여 사용할 수도 있다. 절결부(51b)의 배열 패턴으로서는, 규칙적 패턴 또는 불규칙적 패턴을 사용할 수 있다. 절결부(51b)의 형성 방법으로서는, 예를 들어, 펀칭 가공 등을 예로 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것이 아니다.
도 32의 (d)는 인슐레이터(51)를 대략 가로로 누운 U자 형상(lateral U-shape)으로 하고, 전지 소자(2)의 제1 측면(S1), 제2 측면(S2) 및 제3 측면(S3)을 인슐레이터(51)로 덮는 예를 나타낸다. 이런 구성에 의해, 제3 측면 외에, 제1 측면(S1) 및 제2 측면(S2)에 있어서의 내부 단락도 억제할 수 있다. 즉, 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 인슐레이터(51)를 대략 사각형 형상으로 하여, 전지 소자(2)의 측면(S)을 모두 덮도록 형성할 수 있다.
인슐레이터(51)의 형상으로서는, 예를 들어, 판상, 시트 형상, 필름 형상을 예로 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것이 아니다. 인슐레이터(51)의 재료로서는, 고분자 수지 또는 부직포 등이 바람직하다. 고분자 수지로서는, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리이미드(PI)를 사용하는 것이 바람직하다.
인슐레이터(51)는 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)과, 전지 소자(2) 사이를 절연시킬 수 있는 것이면, 상술한 예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 인슐레이터(51)로서는, 점착성 절연 부재를 사용할 수 있다. 이 경우, 점착성 절연 부재는, 예를 들어, 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 이면(Sa) 또는 전지 소자(2)의 제1 측면(S1), 제2 측면(S2) 및 제3 측면(S3)에 접합된다. 점착성 절연 부재로서는, 예를 들어, 접착성 절연 테이프를 사용할 수 있다. 또한, 유동성을 갖는 수지 재료를, 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)과, 전지 소자(2)의 측면(S) 사이에 충전하여, 고화시킬 수 있다. 수지 재료로서는, 예를 들어, 핫 멜트 수지(hot melt resin), 열가소성 수지, 열경화성 수지 또는 감광성 수지를 사용할 수 있지만, 수지는 이들에 한정되는 것이 아니다.
인슐레이터(51)의 두께는, 바람직하게는 0.2㎜ 이상, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 1.0㎜인 것이 바람직하다. 인슐레이터(51)의 두께가 0.2㎜ 미만이면, 진동 등이 가해지는 환경 하에서 이차 전지(1)를 사용한 경우에, 장기적인 절연성을 확보할 수 없다. 한편, 인슐레이터(51)의 두께가 1.0㎜를 초과하면, 이차 전지(1)에 대한 인슐레이터(51)의 체적 비율이 증가하고, 이차 전지(1)의 체적 에너지 밀도가 저하될 수 있다.
인슐레이터(51)의 폭은, 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 폭 이상, 전지 소자(2)의 두께 이하인 것이 바람직하다. 인슐레이터(51)의 폭이 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 폭 미만이면, 인슐레이터(51)로부터 밀려나온 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 부분이 부극(5) 또는 정극(4)과 단락할 수 있다는 우려가 있다. 한편, 인슐레이터(51)의 폭이 전지 소자(2)의 두께를 초과하면, 인슐레이터(51)의 단부면이 외장재(3)를 파손시킬 우려가 있다.
인슐레이터(51)의 형상이 특별히 한정되는 것은 아니지만, 직사각 형상, 대략 가로로 누운 U자 형상, 대략 사각형 형상 또는 상술된 형상에 있어서 코너부를 절단함으로써 취해진 형상인 것이 바람직하다. 코너부를 절단한 형상으로서는, 코너부가 곡률 R을 갖고, R자로 형상화된 형상이 바람직하며, 곡률 R은 0.5 내지 2.0의 범위 내인 것이 바람직하다. 이는 코너부가 R자로 형상화된 직사각 형상 등의 형상은 가공이 용이하기 때문에, 생산성이 우수하고, 인슐레이터(51)의 코너부가 외장재(3)를 파손시킬 위험성이 낮다.
(세퍼레이터의 일부를 절연 부재로서 사용하는 예)
인슐레이터(51)를 더 구비하는 대신에, 세퍼레이터(6)의 일부를 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)과 전지 소자(2) 사이를 절연하는 절연 부재로서 사용할 수 있다.
도 33의 (a)는, 정극 탭과 전지 소자를 절연하는 절연 부재로서 세퍼레이터를 사용한 제1 예를 나타내는 단면도를 도시한다. 전지 소자(2)에 포함되는 세퍼레이터(6)의 일부 또는 전부가 정극(4) 및 부극(5)보다도 크게 설정되어, 적층된 정극(4) 및 부극(5)으로부터 세퍼레이터(6)의 잉여부(6a)가 밀려나온다. 밀려나온 잉여부(6a)에 의해 전지 소자(2)의 제3 측면(S3)이 덮인다. 이런 구성에 의해, 전지 소자(2)의 제3 측면(S3)과 정극 탭(31) 사이를, 세퍼레이터(6)의 잉여부(6a)로 절연할 수 있다.
도 33의 (b)는 정극 탭과 전지 소자 사이를 절연하는 절연 부재로서 세퍼레이터를 사용한 제2 예를 나타내는 단면도를 도시한다. 전지 소자(2)는 최외층 전극인 부극(5)의 표면에 또한 적층된 세퍼레이터(6)를 구비한다. 이 세퍼레이터(6)는 적층된 정극(4) 및 부극(5)보다도 크게 설정되어, 전지 소자(2)의 최외층인 세퍼레이터(6)의 잉여부(6a)가 밀려나오게 된다. 밀려나온 잉여부(6a)에 의해 전지 소자(2)의 제3 측면(S3)이 덮인다. 이런 구성에 의해, 전지 소자(2)의 제3 측면(S3)과 정극 탭(31) 사이를, 세퍼레이터(6)의 잉여부(6a)를 사용하여 절연할 수 있다. 또한, 전지 소자(2)의 제1 측면(S1) 및/또는 제2 측면(S2)이 잉여부(6a)에 의해 덮이도록 구성될 수 있다.
도 33의 (c)는 정극 탭과 전지 소자 사이를 절연하는 절연 부재로서 세퍼레이터를 사용한 제3 예를 나타내는 단면도를 도시한다. 제2 실시형태에 있어서, 지그재그 방식으로 접힌 세퍼레이터(12)의 길이 방향의 일 단부를 잉여부로서 연장시킬 수 있어서, 최외층 전극인 정극(4)을 덮고, 전지 소자(2)의 제3 측면(S3)의 둘레를 따라가며 잉여부(12a)를 설치할 수 있다. 이런 구성에 의해, 전지 소자(2)의 제3 측면(S3)과 정극 탭(31) 사이를, 세퍼레이터(12)의 잉여부(12a)를 사용하여 절연할 수 있다.
(전극 탭과 외장재 사이의 절연 부재)
정극 탭(31) 및 부극 탭(41)과, 외장재(3) 사이의 적어도 일부에, 절연 부재(이하, 인슐레이터라고 적절히 칭함)(52)를 더 설치하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 이차 전지(1)의 사용 중에 진동 마찰로 인해, 정극 탭(31) 및 부극 탭(41), 특히 그들의 단부가 외장재(3)의 표면에 구비된 수지층을 파손시키고, 외장재(3)의 알루미늄층과 전기적으로 접촉함으로써, 내부 쇼트(내부 단락)가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
도 34의 (a)는 인슐레이터의 형상의 제1 예를 나타내는 사시도를 도시한다. 도 34의 (b)는 인슐레이터의 형상의 제1 예를 도시하는 분해 사시도를 도시한다. 이 제1 예에서는, 인슐레이터(52)를 대략 가로로 누운 U자 형상으로 하고, 전지 소자(2)의 제1 측면(S1), 제2 측면(S2) 및 제3 측면(S3)을 인슐레이터(52)로 덮는다.
도 35의 (a)는 인슐레이터의 형상의 제2 예를 나타내는 사시도를 도시한다. 도 35의 (b)는 인슐레이터의 형상의 제2 예를 도시하는 분해 사시도를 도시한다. 이 제2 예에서는, 인슐레이터(52)를 대략 사각형 형상으로 하고, 전지 소자(2)의 모든 측면(S)을 인슐레이터(52)로 덮는다.
인슐레이터(52)의 형상으로서는, 예를 들어, 판상, 시트 형상 및 필름 형상을 예로 들 수 있지만, 이에 한정되는 것이 아니다. 인슐레이터(52)의 재료로서는, 고분자 수지 또는 부직포가 바람직하다. 고분자 수지로서는, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리이미드(PI)를 사용하는 것이 바람직하다.
인슐레이터(52)의 두께는, 바람직하게는 0.2㎜ 이상, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 1.0㎜인 것이 바람직하다. 인슐레이터(52)의 두께가 0.2㎜ 미만이면, 진동 등이 가해지는 환경하에서 이차 전지(1)를 사용한 경우에, 장기적인 절연성을 확보할 수 없다. 한편, 인슐레이터(52)의 두께가 1.0㎜를 초과하면, 이차 전지(1)에 대한 인슐레이터(52)의 체적 비율이 증가하여서, 이차 전지(1)의 체적 에너지 밀도가 저하될 수 있다.
인슐레이터(52)의 폭은, 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 폭 이상, 전지 소자(2)의 두께 이하인 것이 바람직하다. 인슐레이터(52)의 폭이 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 폭 미만이면, 인슐레이터(52)로부터 밀려나온 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)의 부분이 외장재(3)의 표면에 형성된 수지층을 파손시키고, 외장재(3)의 알루미늄층 등과 단락될 우려가 있다. 한편, 인슐레이터(52)의 폭이 전지 소자(2)의 두께를 초과하면, 인슐레이터(52)의 단부면이 외장재(3)를 파손시킬 우려가 있다.
인슐레이터(52)는 1개 또는 복수개의 구멍부를 구비하는 것이 바람직하다. 이런 방식으로, 구멍부를 설치함으로써, 전해액의 전지 소자 내부로의 주액성을 확보할 수 있다. 구멍부의 형상으로서는, 예를 들어, 원형, 타원형, 다각형, 부정형 등을 예로 들 수 있지만, 이들에 특별히 한정되는 것이 아니며, 둘 이상의 형상을 조합하여 사용할 수 있다. 구멍부의 배열 패턴으로서는, 규칙적 패턴 또는 불규칙적 패턴이 사용될 수 있다. 구멍부의 형성 방법으로서는, 예를 들어, 펀칭 가공 등을 예로 들 수 있지만, 이에 한정되는 것이 아니다.
인슐레이터(52)는 1개 또는 복수개의 절결부를 구비하는 것이 바람직하다. 이런 방식으로, 절결부를 설치함으로써, 전해액의 전지 소자 내부로의 주액성을 확보할 수 있다. 절결부의 형상으로서는, 예를 들어, 부분 원형, 부분 타원형, 다각형, 부정형 등을 예로 들 수 있지만, 이들에 특별히 한정되는 것이 아니며, 둘 이상의 형상을 조합하여 사용할 수 있다. 절결부의 배열 패턴으로서는, 규칙적 패턴 또는 불규칙적 패턴이 사용될 수 있다. 절결부의 형성 방법으로서는, 예를 들어, 펀칭 가공 등을 예로 들 수 있지만, 이에 한정되는 것이 아니다.
인슐레이터(52)의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 직사각 형상, 대략 가로로 누운 U자 형상, 대략 사각형 형상 또는 상술된 형상에 있어서 코너부를 절단함으로써 얻어진 절단된 형상인 것이 바람직하다. 코너부가 절단된 형상으로서는, 코너부가 곡률 R을 갖고, 코너부가 R자로 형상화된 형상이 바람직하고, 곡률 R은 0.5 내지 2.0의 범위 내인 것이 바람직하다. 이는 코너부가 R자로 형상화된 직사각 형상 등의 형상이 가공이 용이하므로, 생산성이 우수하고, 인슐레이터(52)의 코너부가 외장재(3)를 파손시킬 위험성이 낮기 때문이다.
(4-2) 이차 전지의 제조 방법
이어서, 도 36의 (a) 내지 도 37의 (c)를 참조하여, 이차 전지의 제조 방법의 일례에 대해서 설명한다.
우선, 탭 접속 공정 전의 공정들을 제1 실시형태와 마찬가지로 수행함으로써, 전지 소자(2)를 제작한다. 이런 방식으로, 도 36의 (a)에 도시한 바와 같이, 전지 소자(2)의 제1 측면(S1) 측에, 절곡된 정극 집전체 노출부(4C)가 형성되고, 전지 소자(2)의 제2 측면(S2) 측에, 절곡된 부극 집전체 노출부(5C)가 형성된다.
이어서, 도 36의 (b)에 도시한 바와 같이, 정극 탭(31)의 접속부(32a)의 정면(Sb)을 정극 집전체 노출부(4C)에 접합하고, 부극 탭(41)의 접속부(42a)의 정면(Sb)을 부극 집전체 노출부(5C)에 접합한다. 접합 방법으로서는, 예를 들어, 초음파 용접, 저항 용접 등을 사용할 수 있다.
이어서, 제1 실시형태와 마찬가지로, 정극 집전체 노출부(4C) 및 부극 집전체 노출부(5C)에 U자 굴곡부를 형성한다. 이런 방식으로, 도 36의 (c)에 도시한 바와 같이, 정극 탭(31)의 굴곡부(32)가 전지 소자(2)의 제1 측면(S1) 및 제3 측면(S3)을 따라 배치되고, 부극 탭(41)의 굴곡부(42)가 전지 소자(2)의 제2 측면(S2) 및 제3 측면(S3)을 따라 배치된다. 또한, 정극 탭(31)의 도출부(33)가 전지 소자(2)의 제3 측면(S3)에 세워지며, 부극 탭(41)의 도출부(43)가 전지 소자(2)의 제3 측면(S3)에 세워진다.
이어서, 도 36의 (d)에 도시한 바와 같이, 외장재(3)의 오목부(9)에 전지 소자(2)를 수용하고, 도 37의 (a)에 도시한 바와 같이, 외장재(3)를 되접고, 외장재(3)의 주연부를 서로 중첩한다. 이어서, 외장재(3)의 중첩된 주연부를 열 융착에 의해 융착하여 밀봉한다. 이때, 도 37의 (b)에 도시한 바와 같이, 정극 탭(31) 및 부극 탭(41)과 외장재(3) 사이에, 밀착 필름인 실란트 재료(10)를 배치하는 것이 바람직하다. 이어서, 필요에 따라, 도 37의 (c)에 도시한 바와 같이, 융착된 외장재(2)의 양단부를 구부려 세워지게 한다. 이런 방식으로, 목적으로 하는 이차 전지(1)를 얻을 수 있다.
본 발명의 제4 실시형태에 따른 이차 전지에서는, 종래 기술의 이차 전지에 비하여 정극 단자로서의 정극 집전체 노출부(4C)의 폭이 커지도록 되어 있다. 정극 집전체 노출부(4C)의 폭을 크게 구성하면, 대전류의 입출력을 실현하는 것이 가능하다. 또한, 정극 집전체 노출부(4C)의 폭이 정극 활성 물질층(4B)의 폭과 동일하도록 구성되면, 정극(4)의 제조 공정에 있어서는, 정극 집전체 노출부(4C)를 가늘게 형성하기 위한 펀칭 공정 또는 절단 공정 등의 공정을 행할 필요가 없기 때문에, 제조 공정을 간략화할 수 있다.
<5. 제5 실시형태>
[이차 전지를 사용한 배터리 유닛 및 배터리 모듈]
이하, 도 19의 (a) 내지 도 24의 (b)를 참조하여, 본 발명의 실시형태들에 따른 이차 전지를 사용하여 구성된 배터리 유닛 및 배터리 모듈에 대해서 설명한다.
[배터리 유닛]
도 19의 (a) 및 도 19의 (b)는 본 발명의 실시형태들의 전지 소자가 적용된 배터리 유닛의 구성예를 도시하는 사시도를 도시한다. 도 19의 (a) 및 도 19의 (b)에는, 각각 다른 측으로부터 본 배터리 유닛(100)이 도시된다. 도 19의 (a)에 주로 도시된 측을 배터리 유닛(100)의 정면측으로 설정하고, 도 19의 (b)에 주로 도시된 측을 배터리 유닛(100)의 배면측으로 설정한다. 도 19의 (a) 및 도 19의 (b)에 도시한 바와 같이, 배터리 유닛(100)은 이차 전지(1-1 및 1-2), 브래킷(110) 및 버스 바(120-1 및 120-2)를 포함한다. 이차 전지(1-1 및 1-2)는 제1 내지 제4 실시형태의 임의의 구성을 채용한 이차 전지이다.
브래킷(110)은 이차 전지(1-1 및 1-2)의 강도를 확보하기 위한 지지 도구이며, 브래킷(110)의 정면측에 이차 전지(1-1)가 장착되며, 브래킷(110)의 배면측에 이차 전지(1-2)가 장착된다. 또한, 브래킷(110)은 정면측 및 배면측에서 보면, 거의 동일한 형상을 하고 있지만, 하측의 한쪽 코너부에는 모따기부(111)가 형성되어 있다. 모따기부(111)가 우측 아래에 위치하는 것으로 보이는 측을 정면측으로 설정하고, 모따기부(111)가 좌측 아래에 위치하는 것으로 보이는 측을 배면측으로 설정한다.
버스 바(120-1 및 120-2)는 대략 L자 형상을 한 금속의 부재이며, 이차 전지(1-1 및 1-2)의 탭에 접속되는 접속 부분이 브래킷(110)의 측면측에 배치되고, 배터리 유닛(100)의 외부와 접속되는 단자가 브래킷(110)의 상면에 배치되도록, 브래킷(110)의 양측면에 각각 장착된다.
도 20은 배터리 유닛(100)을 나타내는 분해 사시도를 도시한다. 도 20의 상측을 배터리 유닛(100)의 정면측으로 설정하고, 도 20의 하측을 배터리 유닛(100)의 배면측으로 설정한다. 이하, 이차 전지(1-1)에 관하여, 전지 소자가 수용된 볼록 부분을 이차 전지 본체(1-1A)라고 칭한다. 마찬가지로, 이차 전지(1-2)에 관하여, 전지 소자가 수용된 볼록 부분을 이차 전지 본체(1-2A)라고 칭한다.
이차 전지(1-1 및 1-2)는 이차 전지 본체(1-1A 및 1-2A) 측을 서로 마주보게 한 상태에서 브래킷(110)에 장착된다. 즉, 이차 전지(1-1)는 정극 탭(7-1) 및 부극 탭(8-1)이 설치되는 면이 정면측을 향하도록 브래킷(110)에 장착되고, 이차 전지(2-2)는 정극 탭(7-2) 및 부극 탭(8-2)이 설치되는 면이 배면측을 향하도록 브래킷(110)에 장착된다.
브래킷(110)은 외주벽(112) 및 리브부(113)를 포함한다. 외주벽(112)은 이차 전지(1-1 및 1-2)의 이차 전지 본체(1-1A 및 1-2A)의 외주보다도 약간 넓게, 즉, 이차 전지(1-1 및 1-2)가 장착된 상태에서 이차 전지 본체(1-1A 및 1-2A)를 둘러싸도록 형성된다. 리브부(113)는 외주벽(112)의 내측의 측면에 외주벽(112)의 두께 방향의 중앙 부분으로부터 내측을 향하여 신장하도록 형성된다.
도 20의 구성예에서는, 이차 전지(1-1 및 1-2)가 브래킷(110)의 정면측 및 배면측으로부터 외주벽(112) 내에 삽입되고, 양면에 점착성을 갖는 양면 접착 테이프(130-1 및 130-2)에 의해, 브래킷(110)의 리브부(113)의 양면에 접착된다. 양면 접착 테이프(130-1 및 130-2)는 이차 전지(1-1 및 1-2)의 외주 단부를 따라 소정의 폭을 갖는 대략 사각형 형상을 하고 있으며, 브래킷(110)의 리브부(113)는 양면 접착 테이프(130-1 및 130-2)가 접착하는 면적만큼 형성될 수 있다.
이런 방식으로, 리브부(113)는 이차 전지(1-1 및 1-2)의 외주 단부를 따라 소정의 폭만큼, 외주벽(112)의 내측의 측면으로부터 내측을 향하여 신장하도록 형성되어 있고, 리브부(113)보다도 내측에는 개구부가 형성되어 있다. 따라서, 브래킷(110)의 정면측으로부터 양면 테이프(130-1)에 의해 리브부(113)에 접착되는 이차 전지(1-1)와, 브래킷(110)의 배면측으로부터 양면 테이프(130-2)에 의해 리브부(113)에 접착되는 이차 전지(1-2) 사이에는, 개구부에 의한 간극이 발생한다.
즉, 브래킷(110)의 중앙 부분에 개구부가 형성되어 있어, 이차 전지(1-1 및 1-2)는 리브부(113)의 두께와 양면 접착 테이프(130-1 및 130-2)의 두께를 합계한 치수의 간극을 갖고서 브래킷(110)에 장착된다. 예를 들어, 이차 전지(1-1 및 1-2)에는, 충방전, 가스의 발생 등에 의해 팽창(swelling)이 발생할 수 있지만, 개구부에 의해 형성되는 이 간극에 의해, 이차 전지(1-1 및 1-2)의 이런 팽창이 수용되게 된다. 따라서, 이차 전지(1-1 및 1-2)의 팽창에 의해 야기되는 배터리 유닛(100)의 전체 두께가 증가하는 등의 영향을 배제할 수 있다.
또한, 이차 전지(1-1 및 1-2)를 리브부(113)에 접착할 때에, 접착 면적이 넓을 경우에는, 상당한 압력이 필요하지만, 리브부(113)의 접착면을 외주 단부로 한정함으로써, 효율적으로 압력을 가하여, 용이하게 접착할 수 있다. 따라서, 제조 시에 이차 전지(1-1 및 1-2)에 인가되는 스트레스를 경감할 수 있다.
도 20에 도시한 바와 같이, 1개의 브래킷(110)에 2개의 이차 전지(1-1 및 1-2)를 장착하기 때문에, 1개의 브래킷에 1개의 이차 전지를 장착할 경우와 비교하여, 브래킷(110)의 두께와 공간을 삭감할 수 있다. 따라서, 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 배터리 유닛(100)의 두께 방향의 강성이 2매의 이차 전지(1-1 및 1-2)를 접합하는 경우에 얻어지는 상승 효과에 의해 얻어질 수 있기 때문에, 브래킷(110)의 리브부(113)를 얇게 할 수 있다. 즉, 예를 들어, 리브부(113)의 두께를 1㎜이하(수지 성형의 한계 정도의 두께)로 설정하여도, 이차 전지(1-1 및 1-2)를 리브부(113)의 양측으로부터 서로 접합할 때에, 배터리 유닛(100)의 전체적으로 충분한 강성을 얻을 수 있다. 또한, 리브부(113)의 두께를 얇게 함으로써, 배터리 유닛(100)의 두께가 얇아져 체적이 감소하므로, 배터리 유닛(100)의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 외부 스트레스 내성을 높이기 위해서, 배터리 유닛(100)은 이차 전지(1-1 및 1-2)의 외주면(양측면 및 상하면)이 브래킷(110)의 외주벽(112)의 내주면과 접촉하지 않고, 이차 전지(1-1 및 1-2)의 넓은 면이 리브부(113)에 접합되는 방식으로 구성된다.
이런 구성에 따르면, 에너지 밀도가 높고, 외부 스트레스에 강한 배터리 유닛(100)을 실현할 수 있다.
[배터리 모듈]
이어서, 도 21 내지 도 24의 (b)를 참조하여, 배터리 유닛(100)이 조합된 배터리 모듈(200)의 구성예에 대해서 설명한다. 배터리 모듈(200)은, 모듈 케이스(210), 고무 시트부(rubber seat portion)(220), 이차 전지부(230), 이차 전지 커버(240), 고정 시트부(fixing sheet portion)(250), 전기 부품부(260) 및 박스 커버(270)를 포함한다.
모듈 케이스(210)는 배터리 유닛(100)을 수납하고 장비에 장착하기 위한 케이스이며, 도 21에 도시된 구성예에서는, 24개의 배터리 유닛(100)을 수납할 수 있는 크기를 갖는다.
고무 시트부(220)는 배터리 유닛(100)의 저면에 놓여서, 충격을 완화하기 위한 시트이다. 고무 시트부(220)에서는, 3개의 배터리 유닛(100)마다 1매의 고무 시트가 설치되고, 24개의 배터리 유닛(100)에 대응하기 위해서는 8매의 고무 시트가 설치된다.
도 21에 도시된 구성예에서는, 이차 전지부(230)가 조합된 24개의 배터리 유닛(100)을 포함한다. 또한, 이차 전지부(230)에서는, 3개의 배터리 유닛(100)이 서로 병렬로 접속됨으로써, 병렬 블록(231)을 구성하고, 8개의 병렬 블록(231)이 직렬로 접속된다.
이차 전지 커버(240)는 이차 전지부(230)를 고정하기 위한 커버이며, 이차 전지(1)의 버스 바(120)에 대응하는 개구부를 갖는다.
고정 시트부(250)는 이차 전지 커버(240)의 상면에 배치되고, 박스 커버(270)가 모듈 케이스(210)에 고정되었을 때에, 이차 전지 커버(240) 및 박스 커버(270)에 밀착하는 시트이다.
전기 부품부(260)는 배터리 유닛(100)의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로 등의 전기적인 부품을 포함한다. 충방전 회로는, 예를 들어, 이차 전지부(230)에 있어서 병렬 배치된 2개의 버스 바(120) 사이의 공간에 배치된다.
박스 커버(270)는 모듈 케이스(210)에 각 부분이 수납된 후에, 모듈 케이스(210)를 폐쇄하기 위한 커버이다.
여기서, 배터리 모듈(200)에서는, 3개의 배터리 유닛(100)이 병렬로 접속된 병렬 블록(231)이 직렬로 접속되어서 이차 전지부(230)를 구성한다. 이런 직렬 접속은 전기 부품부(260)에 포함된 금속판 부재에 의해 행하여 진다. 따라서, 이차 전지부(230)에서는, 병렬 블록(231)마다 각 블록의 단자의 방향이 교대로 되도록, 즉, 인접하는 병렬 블록(231)의 플러스 단자와 마이너스 단자가 서로 정렬되도록, 병렬 블록(231)들이 각각 배치된다. 따라서, 배터리 모듈(200)에서는, 인접하는 병렬 블록(231)에 있어 동극의 단자(homopolar terminal)가 정렬되는 상황을 방지할 필요가 있다.
예를 들어, 도 22에 도시한 바와 같이, 배터리 유닛(100-1 내지 100-3)을 포함하는 병렬 블록(231-1)과, 배터리 유닛(100-4 내지 100-6)을 포함하는 병렬 블록(231-2)은 플러스 단자와 마이너스 단자가 서로 인접하는 배치로 모듈 케이스(210)에 수납된다. 이러한 배치를 조정하기 위해서, 배터리 유닛(100)의 브래킷(110)의 하측의 한쪽 코너부에 형성되어 있는 모따기부(111)가 이용된다.
예를 들어, 도 23의 (a) 내지 도 24의 (b)에 도시한 바와 같이, 병렬 블록(231)에서는, 배터리 유닛(100-1 내지 100-3)이 각각의 모따기부(111-1 내지 111-3)가 동일한 방향을 향하도록 조합되어서, 모따기 영역(280)이 형성된다. 또한, 모듈 케이스(210)는 모따기 영역(280)의 경사에 대응하는 경사부(290)를 가지며, 이 경사부(290)는 3개의 이차 전지(1)의 전체 두께에 대응하는 길이로 교대로 배치되어 있다.
이런 방식으로, 병렬 블록(231)의 모따기 영역(280)과, 모듈 케이스(210)의 경사부(290)에 의해, 병렬 블록(231)을 잘못된 방향에서 모듈 케이스(210)에 수납 하고자 한 경우에는, 병렬 블록(231)의 하측의 코너가 모듈 케이스(210)의 경사부(290)의 한쪽에 접촉하게 된다. 이 경우, 병렬 블록(231)이 모듈 케이스(210)의 저면으로부터 부상된 상태가 되기 때문에, 병렬 블록(231)이 모듈 케이스(210) 내에 완전하게 수납되지 않는다. 이런 방식으로, 배터리 모듈(200)에서는, 인접하는 병렬 블록(231)의 동극의 단자가 서로 인접하여 정렬되는 것이 방지된다.
[실시예들]
이하, 본 발명의 실시형태들을 실시예들을 참조하여 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 실시형태들은 이들 실시예에만 한정되는 것이 아니다. 상술한 바와 같이 얻어진 이차 전지에 관한 실시예(1-1 내지 1-9) 및 비교예(1-1 내지 1-10)에 대해서, 출력 밀도의 측정 시험을 행했다.
<실시예 1-1>
(정극 제작)
정극은 이하와 같이 제작하였다. 우선, 인산철 리튬 90 질량부, 폴리불화비닐리덴 5 질량부, 카본 블랙 5 질량부 및 (분량외의) N-메틸-피롤리돈을 믹서로 혼련하고, 원하는 점도를 갖도록 N-메틸-피롤리돈(NMP)을 첨가한 후 분산시킴으로써, 정극 합제 슬러리를 얻었다. 이어서, 정극 집전체 노출부가 형성되도록 정극 합제 슬러리를 두께 15μm의 알루미늄박의 양면에 도포하고, 도포된 정극 합제 슬러리를 건조하고, 그 결과로 생긴 건조된 합제를 롤 프레스기 등에 의해 압축 성형함으로써 정극 활성 물질층을 형성했다. 그 후, 얻어진 정극 활성 물질층을 직사각 형상으로 절단함으로써, 정극을 얻었다. 정극 집전체 노출부의 폭 wc와 정극 활성 물질층의 폭 Wc의 관계가 wc/Wc=1.0을 만족시키도록 설정되고, 정극 집전체 노출부의 깊이 dc와 정극 활성 물질층의 깊이 Dc의 관계가 dc/Dc=0.1을 만족시키도록 설정되었다.
(부극 제작)
부극은 이하와 같이 제작하였다. 우선, 인조 흑연 94 질량부, 폴리불화비닐리덴 5 질량부, 기상 성장 탄소 섬유(VGCF) 1 질량부, (분량외의) N-메틸-피롤리돈을 혼련함으로써, 부극 합제 슬러리를 얻었다. 이어서, 부극 집전체 노출부가 형성되고, 부극 집전체 노출부의 폭 wa와 부극 활성 물질층의 폭 Wa의 관계가 wa/Wa=1.0을 만족시키도록, 부극 합제를 두께 8μm의 동박의 양면에 도포하고, 도포된 부극 합제를 건조하고, 그 결과로 생긴 합제를 롤 프레스기 등에 의해 압축 성형함으로써 부극 활성 물질층을 형성했다. 그 후, 얻어진 부극 활성 물질층을 직사각 형상으로 절단함으로써, 부극을 얻었다. 부극 집전체 노출부의 폭 wa와 부극 활성 물질층의 폭 Wa의 관계가 wa/Wa=1.0을 만족시키도록 설정되고, 부극 집전체 노출부의 깊이 da와 부극 활성 물질층의 깊이 Da의 관계가 da/Da=0.1를 만족시키도록 설정되었다.
또한, 부극 활성 물질층 및 정극 활성 물질층을 각각 부극 집전체 및 정극 집전체에 도포하여 형성하기 전에, 미리 부극 합제의 중량당 리튬 흡장 능력 및 정극 합제의 중량당 리튬 방출 능력을 측정하고, 부극 합제층의 단위 면적당 리튬 흡장 능력이 정극 합제층의 단위 면적당 리튬 방출 능력을 초과하지 않도록 설정되었다.
(전지 소자 제작)
전지 소자는 이하와 같이 제작하였다. 우선, 두께 20μm의 폴리프로필렌으로 형성된 미세 다공 필름을 도 8의 (a) 및 도 8의 (b)에 도시된 형상으로 절단하고, 이것을 세퍼레이터로 사용하였다. 이어서, 상술한 바와 같이 얻어진 부극 26매, 정극 25매, 세퍼레이터 50매를, 도 8의 (a) 및 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 부극, 세퍼레이터, 정극, ???, 정극, 세퍼레이터 및 부극의 순으로 적층하였다. 또한, 정극과 부극은 정극 집전체 노출부와 부극 집전체 노출부가 서로 반대 방향이 되도록 적층하였다. 전지 소자의 두께는 8㎜로 설정하였다. 이런 방식으로, 전지 소자는 정극 합제층, 세퍼레이터 및 부극 합제층을 포함하는 기본 적층 단위를 50층분 포함한다. 또한, 전지 소자가 상하 최외층에 부극 합제층을 포함하였지만, 이 부극 합제층이 정극과 대향하지 않기 때문에, 이 부극 합제층이 전지 반응에는 기여하지 않는다. 또한, 이 적층에 관련하여, 적층 방향으로부터 보아, 정극 합제층의 투영면이 부극 합제층의 투영면의 내측에 있도록, 부극과 정극의 상대 위치를 조정하였다.
(이차 전지 제작)
이어서, 정극 집전체 노출부 25매를 통합하여 알루미늄(Al)으로 형성된 정극 탭에 초음파 용접을 통해 접속하였다. 이와 마찬가지로, 부극 집전체 노출부 26매를 통합하여 니켈(Ni)로 형성된 부극 탭에 초음파 용접을 통해 접속하였다. 이어서, 라미네이티드 필름으로서, 무연신 폴리프로필렌(CPP)으로 형성된 수지층, 접착층, 알루미늄박, 접착층, 및 나일론으로 형성된 수지층을 순차적으로 적층한 직사각 형상을 한 적층 필름 2매를 준비하였다. 2매의 상기 적층 필름의 한쪽에는 전지 소자를 수용하는 오목부를 형성했다. 이어서, 정극 탭 및 부극 탭 각각의 일단부를 외부에 인출하도록 해서 전지 소자를 적층 필름의 오목부에 수용했다. 이어서, 다른 쪽의 라미네이티드 필름을 전지 소자를 수용한 오목부를 덮도록 한쪽의 적층 필름에 중첩시키고, 한 변을 제외한 적층 필름의 주연부를 열 융착해서 주머니 형상으로 했다.
이어서, 에틸렌카르보네이트와 프로필렌카르보네이트를 50:50의 질량비로 혼합하고, 0.7 kmol/kg의 LiPF6을 용해시켜서 전해액을 제조했다. 이어서, 주머니 형상의 적층 필름의 개구부측으로부터 전해액을 주입하고, 전지 소자에 함침시킨 뒤, 개구부를 열 융착에 의해 밀봉했다.
이와 같이 하여, 목적으로 하는 이차 전지가 제작되었다.
<실시예 1-2>
정극 집전체 노출부의 폭 wc과 정극 활물질층의 폭 Wc를 wc/Wc=0.9의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 1-3>
정극 집전체 노출부의 폭 wc과 정극 활물질층의 폭 Wc를 wc/Wc=0.8의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 1-4>
정극 집전체 노출부의 폭 wc과 정극 활물질층의 폭 Wc를 wc/Wc=0.7의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 1-5>
정극 집전체 노출부의 폭 wc과 정극 활물질층의 폭 Wc를 wc/Wc=0.6의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<비교예 1-1>
정극 집전체 노출부의 폭 wc과 정극 활물질층의 폭 Wc를 wc/Wc=0.5의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<비교예 1-2>
정극 집전체 노출부의 폭 wc과 정극 활물질층의 폭 Wc를 wc/Wc=0.4의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<비교예 1-3>
정극 집전체 노출부의 폭 wc과 정극 활물질층의 폭 Wc를 wc/Wc=0.3의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<비교예 1-4>
정극 집전체 노출부의 폭 wc과 정극 활물질층의 폭 Wc를 wc/Wc=0.2의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<비교예 1-5>
정극 집전체 노출부의 폭 wc과 정극 활물질층의 폭 Wc를 wc/Wc=0.1의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 1-6>
정극 집전체 노출부의 폭 wc과 정극 활물질층의 폭 Wc를 wc/Wc=1.0의 관계를 만족시키도록 설정하고, 부극 집전체 노출부의 폭 wa와 부극 활물질층의 폭 Wa를 wa/Wa=0.9의 관계를 만족시키도록 설정하여, 실시예 1-6의 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 1-7>
부극 집전체 노출부의 폭 wa와 부극 활물질층의 폭 Wa를 wa/Wa=0.8의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-6과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 1-8>
부극 집전체 노출부의 폭 wa와 부극 활물질층의 폭 Wa를 wa/Wa=0.7의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-6과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 1-9>
부극 집전체 노출부의 폭 wa와 부극 활물질층의 폭 Wa를 wa/Wa=0.6의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-6과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<비교예 1-6>
부극 집전체 노출부의 폭 wa와 부극 활물질층의 폭 Wa를 wa/Wa=0.5의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-6과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<비교예 1-7>
부극 집전체 노출부의 폭 wa와 부극 활물질층의 폭 Wa를 wa/Wa=0.4의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-6과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<비교예 1-8>
부극 집전체 노출부의 폭 wa와 부극 활물질층의 폭 Wa를 wa/Wa=0.3의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-6과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<비교예 1-9>
부극 집전체 노출부의 폭 wa와 부극 활물질층의 폭 Wa를 wa/Wa=0.2의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-6과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<비교예 1-10>
부극 집전체 노출부의 폭 wa와 부극 활물질층의 폭 Wa를 wa/Wa=0.1의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는, 실시예 1-6과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
(출력 밀도의 측정 시험)
SOC(state of charge) 50% 상태의 전지에 0.5C, 1C, 2C, 3C, 4C의 전류를 10초간 인가하고, 각각의 전류값에 있어서의 10초째의 전압을 측정하고, 전류-전압 특성으로부터 출력 밀도를 구했다. 즉, 출력(Po)은 전지의 방전 종지 전압(Vd=2.0 V)과 전류-전압 특성을 방전 종지 전압까지 외삽법에 의해 추정했을 때의 전류값(Id)을 사용하여, 식 Po=Id×Vd로부터 구하였다. 이 출력(Po)을 전지의 중량으로 나눈 값을 출력 밀도로 했다.
시험 결과를 표 1에 나타낸다.
wc/Wc wa/Wa 출력 밀도(W/kg)


실시예		 1-1 1 1 3018
1-2 0.9 1 3014
1-3 0.8 1 3009
1-4 0.7 1 3002
1-5 0.6 1 2991


비교예		 1-1 0.5 1 2975
1-2 0.4 1 2950
1-3 0.3 1 2908
1-4 0.2 1 2824
1-5 0.1 1 2597

실시예		 1-6 1 0.9 3023
1-7 1 0.8 3026
1-8 1 0.7 3028
1-9 1 0.6 3027


비교예		 1-6 1 0.5 3021
1-7 1 0.4 3009
1-8 1 0.3 2982
1-9 1 0.2 2920
1-10 1 0.1 2735
표 1에 나타낸 바와 같이, 정극에 관한 실시예 1-1 내지 실시예 1-5에서는, 비교예 1-1 내지 비교예 1-5에서보다 높은 출력 밀도가 얻어졌다. 또한, 부극에 관한 실시예 1-6 내지 실시예 1-9에 있어서도, 비교예 1-6 내지 비교예 1-10에서보다 높은 출력 밀도가 얻어졌다. 또한, wc/Wc의 값 및 wa/Wa의 값이 1.0에 근사해 가는 것에 따라 출력 밀도가 높아져 갔다. 따라서, 출력 밀도의 관점에서는, 집전체 노출부의 폭은 큰 것이 바람직하다고 하는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 2-1 내지 실시예 2-6에 따른 이차 전지에 대해서, 방전 용량 유지율의 측정 시험을 행하였다.
<실시예 2-1>
정극 집전체 노출부의 깊이 dc와 정극 활물질층의 깊이 Dc가 dc/Dc=0.02의 관계를 만족시키도록 설정하고, 전지 소자의 두께를 6.3 ㎜로 하고, 전지 방전 용량을 10 Ah로 한 것 이외에는 실시예 1-1과 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 2-2>
정극 집전체 노출부의 깊이 dc와 정극 활물질층의 깊이 Dc가 dc/Dc=0.10의 관계를 만족시키도록 설정하고, 전지 소자의 두께를 6.8 ㎜로 한 것 이외에는 실시예 2-1과 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 2-3>
정극 집전체 노출부의 깊이 dc와 정극 활물질층의 깊이 Dc가 dc/Dc=0.30의 관계를 만족시키도록 설정하고, 전지 소자의 두께를 8.7 ㎜로 한 것 이외에는 실시예 2-1과 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 2-4>
정극 집전체 노출부의 깊이 dc와 정극 활물질층의 깊이 Dc가 dc/Dc=0.40의 관계를 만족시키도록 설정하고, 전지 소자의 두께를 10.0 ㎜로 한 것 이외에는 실시예 2-1과 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 2-5>
정극 집전체 노출부의 깊이 dc와 정극 활물질층의 깊이 Dc가 dc/Dc=0.01의 관계를 만족시키도록 설정한 것 이외에는 실시예 2-1과 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 2-6>
정극 집전체 노출부의 깊이 dc와 정극 활물질층의 깊이 Dc가 dc/Dc=0.42의 관계를 만족시키도록 설정하고, 전지 소자의 두께를 10.6 ㎜로 한 것 이외에는 실시예 2-1과 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다.
(방전 용량 유지율의 측정 시험)
방전 용량 유지율의 측정 시험을 이하와 같이 행하였다. 우선, 10A, 3.6V의 정전류 정전압 충전으로 충전시킨 후, 10A로 2.0V까지 방전시켜서, 1사이클째의 방전 용량을 구했다. 이어서, 이 1사이클째의 방전 용량을 측정한 경우와 마찬가지의 조건 하에서 충방전을 반복하고, 1000사이클째의 방전 용량을 구하였다. 이어서, 1사이클째의 방전 용량 및 1000사이클째의 방전 용량을 사용하여, 이하의 식으로부터 1000사이클 후의 방전 용량 유지율을 구하였다.
1000사이클 후의 용량 유지율(%)=(1000사이클째의 방전 용량/1사이클째의 방전 용량)×100
시험 결과를 표 2에 나타낸다.
dc/Dc 셀 두께
(㎜)		 1000사이클 시점에서의
방전 용량 유지율(%)


실시예		 2-1 0.02 6.3 94
2-2 0.10 6.8 97
2-3 0.30 8.7 92
2-4 0.40 10.0 90
2-5 0.01 6.3 88
2-6 0.42 10.6 85
표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 2-1 내지 실시예 2-4에서는, 실시예 2-5 및 실시예 2-6에서보다 높은 방전 용량 유지율을 얻을 수 있었다. 또한, 실시예 2-5에 있어서는, 고 레이트 사이클에 의해 용접 부분이 발열하고, 사이클 수명이 저하했다. 또한, 실시예 2-6에 있어서는, 고 레이트 사이클에 의해 전지 소자 내부의 방열성이 저하하고, 사이클 수명이 저하하였다. 실시예 2-1 내지 실시예 2-4에서는 이러한 문제는 발생하지 않았다. 이 결과로부터, 0.02 < (dc/Dc) ≤ 0.40이 바람직한 범위인 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 3-1 내지 실시예 3-21에 따른 이차 전지에 대해서, 전지 소자의 팽창량의 측정 시험, 외부 단락 시험 및 절곡 가공 후의 균열 유무의 확인 시험을 행하였다.
<실시예 3-1>
정극 탭은 알루미늄(Al)으로 형성하고, 그 도전율은 60 IACS%로 하였다. 또한, 부극 탭은 구리(Cu) 합금으로 형성하고, 그 도전율은 90 IACS%로 하였다. 정극 탭 및 부극 탭의 두께는 각각 50㎛로 하였다. 또한, 부극 탭은, 일단부면 및 타단부면을 제외한 상면, 좌측면, 저면 및 우측면의 4면을 니켈(Ni)로 피복하였다. 니켈(Ni)에 의한 피복층의 두께는 1㎛으로 하였다. 상술한 조건들 이외에는 실시예 1-1과 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-2>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 100㎛로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-3>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-4>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 400㎛로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-5>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 하고, 부극 탭은 알루미늄(Al)으로 형성하고, 도전율을 60 IACS%로 하고, 또한 탭의 피복은 행하지 않은 점 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-6>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 하고, 부극 탭은 구리(Cu)로 형성하고, 도전율을 100 IACS%로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-7>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 하고, 부극 탭은 구리(Cu) 합금으로 형성하고, 부극 탭의 도전율을 70 IACS%로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-8>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 하고, 부극 탭의 도전율을 80 IACS%로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-9>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 하고, 부극 탭의 도전율을 100 IACS%로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-10>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 하고, 피복 재질을 주석(Sn)으로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-11>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 하고, 피복층의 두께를 0.1㎛로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-12>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 하고, 피복층의 두께를 3㎛로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-13>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 25㎛로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-14>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 450㎛로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-15>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 하고, 부극 탭은 니켈(Ni)로 형성하고, 부극 탭의 도전율을 20 IACS%로 하고, 또한 탭의 피복은 행하지 않은 점 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-16>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 하고, 부극 탭의 도전율을 50 IACS%로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-17>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 하고, 부극 탭의 도전율을 30 IACS%로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-18>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 하고, 도 3d의 사선으로 표시한 바와 같이 상면 및 저면의 2면을 피복한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-19>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 하고, 도 3e의 사선으로 표시한 바와 같이 좌측면 및 우측면을 피복한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-20>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 하고, 피복층의 두께를 0.05㎛로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 3-21>
정극 탭 및 부극 탭의 각 두께를 200㎛로 하고, 피복층의 두께를 4㎛로 한 것 이외에는, 실시예 3-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
(이차 전지의 팽창량의 측정 시험)
이차 전지의 팽창량의 측정 시험을 이하와 같이 행하였다. 1조의 평행 평판 사이에 전지를 끼우고, 300g의 중량으로 눌렀을 때의 두 평판 사이의 두께를 이차 전지의 두께로서 측정하였다. 또한, 이차 전지의 팽창량의 측정 시험은, 온도 60℃, 습도 RH 90%의 조건 하에서, 이차 전지를 1개월 동안 보존한 후의 팽창량을 측정함으로써 행하였다.
(외부 단락 시험)
외부 단락 시험을 이하와 같이 행하였다. 정극 탭과 부극 탭을 와이어 하네스를 통해 접속하고 나서, 전지 상태를 관측하였다.
(절곡 가공 후의 균열 유무의 확인 시험)
절곡 가공 후의 균열 유무의 확인 시험을 이하와 같이 행하였다. 절곡 상태의 탭을 광학 현미경으로 관찰하고, 균열 유무를 판정하였다.
상술한 3개 시험의 시험 결과를 표 3에 나타낸다.
Figure pat00003
표 3에 나타낸 바와 같이, 이차 전지의 팽창량의 측정 시험에서는, 탭 두께가 두꺼우면, 이차 전지가 부푸는 것을 알 수 있다. 이것은 탭이 두꺼우면, 탭 측면의 시일성이 불충분하기 때문이다. 또한, 부극 탭의 Ni 피복이 평면 또는 측면에 행해진 경우, 이차 전지가 부푸는 것을 알 수 있다. 이것은 실란트(수지)에 Cu 합금이 직접 접촉하면, 구리해가 발생하여 시일성이 저하되기 때문이다. 또한, Ni 피복이 되어있더라도 그 피복 두께가 0.01 ㎜ 정도이면, 피복이 불충분한 부분에서 구리해가 발생했기 때문에, 이차 전지의 팽창량이 증가하였다.
또한, 표 3에 나타낸 바와 같이, 외부 단락 시험에서는, 실시예 3-1 내지 3-12에서는 개열(開裂)은 발생하지 않고 있다. 한편, 실시예 3-13, 실시예 3-16 및 실시예 3-21에서는 개열이 발생했다. 또한, 실시예 3-15 및 실시예 3-17에서는 개열이 발생하고, 전해액의 착화가 발생했다.
또한, 표 3에 나타낸 바와 같이, 절곡 가공 후의 균열 유무 확인 시험에서, 실시예 3-1 내지 3-12에서는 절곡 가공에 의한 균열은 발생하지 않고 있다. 한편, 실시예 3-13에서는 절곡 가공 후에 균열이 발생했다.
실시예 3-13에서는, 정극 탭의 두께는 실시예 3-1 내지 3-12에서보다 얇기 때문에, 대전류 방전으로 인해 열이 발생하여 피복층이 용융되었다. 실시예 3-14에서는, 정극 탭의 두께는 실시예 3-1 내지 3-12에서보다 두껍기 때문에, 정극 탭의 옆으로부터 수분이 침입하였다. 실시예 3-15에서는, 실시예 3-1 내지 3-12에서보다 부극 탭의 도전율이 낮고, 대전류 방전에 의해 부극 탭이 적열 상태에 있고 피복층이 용용되어, 전해액의 착화가 발생했다. 실시예 3-16에서는, 실시예 3-1 내지 3-12에서보다 부극 탭의 도전율이 낮고, 대전류 방전에 의해 부극 탭이 발열하여 피복층이 용융되었다. 실시예 3-17에서는, 실시예 3-1 내지 3-12에서보다 부극 탭의 도전율이 낮고, 부극 탭이 적열 상태에 있어서 피복층이 용융되고, 전해액의 착화가 발생하였다.
실시예 3-18에서는, 구리해가 발생함으로써 피복재의 시일성이 저하되어 수분이 침입하였다. 실시예 3-19에서는, 구리해가 발생함으로써 피복층의 시일성이 저하되고, 실시예 3-18에 비해 다량의 수분이 침입하였다. 실시예 3-20에서는, 피복층이 불균일하기 때문에 탭 기재가 노출되었다. 또한, 구리해가 발생함으로써 피복재의 시일성이 저하되고 수분이 침입하였다. 실시예 3-21에서는, 피복층의 두께가 실시예 3-1 내지 3-12에서보다 두껍고, 대전류 방전에 의해 발열이 일어났다.
또한, 이하에 나타내는 실시예 4-1 내지 실시예 4-6에 따른 이차 전지에 대해서, 접속 부분에서의 인장 강도 측정 시험 및 외부 단락 시험을 행하였다.
<실시예 4-1>
정극 집전체 노출부와 정극 탭 사이의 접속은 초음파 용접에 의해 행하고, 접속 면적/정극 탭의 폭을 0.05로 한 것 이외에는 실시예 1-1과 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 4-2>
접속 면적/정극 탭의 폭을 0.2로 한 것 이외에는 실시예 4-1과 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 4-3>
접속 면적/정극 탭의 폭을 7로 한 것 이외에는 실시예 4-1과 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 4-4>
접속 면적/정극 탭의 폭을 10으로 한 것 이외에는 실시예 4-1과 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 4-5>
접속 면적/정극 탭의 폭을 0.025로 한 것 이외에는 실시예 4-1과 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 4-6>
접속 면적/정극 탭의 폭을 11로 한 것 이외에는 실시예 4-1과 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다.
(접속 부분의 인장 강도 측정 시험)
접속 부분의 인장 강도 측정 시험을 이하와 같이 행하였다. 접속된 복수매의 집전박과 탭을 1㎜/sec의 속도로 수직 방향으로 인장하고, 단위 길이 당의 강도(N/㎝)의 평균값을 산출하였다.
(외부 단락 시험)
외부 단락 시험을 이하와 같이 행하였다. 정극 탭과 부극 탭을 와이어 하네스를 통해 접속하고 나서, 전지 상태를 관측하였다.
상술한 두 시험의 시험 결과를 표 4에 나타낸다.
접속 방법 접속 면적/탭 폭 용접 강도(N/cm) 외부 단락 시험


실시예		 4-1 초음파 용접 0.05 108.3 개열 없음
4-2 초음파 용접 0.2 98.7 개열 없음
4-3 초음파 용접 7 96.5 개열 없음
4-4 초음파 용접 10 86.7 개열 없음
4-5 초음파 용접 0.025 112.5 개열
4-6 초음파 용접 11 40.2 개열 없음
실시예 4-1 내지 실시예 4-4에서는 높은 인장 강도를 얻을 수 있다. 한편, 실시예 4-5에서는, 높은 인장 강도를 얻을 수는 있지만, 개열이 일어나버렸다. 또한, 실시예 4-6에서는, 인장 강도가 낮은 값이 되어버렸다. 이들 시험 결과로부터, 접속 면적/정극 탭의 값이 0.05㎜ 내지 10.0㎜, 보다 구체적으로는 0.2 내지 7.0㎜가 되도록 접속을 행하면 바람직함을 알 수 있다.
또한, 실시예 5-1 내지 실시예 5-36에 따른 이차 전지에 대해서, 체적 에너지 밀도의 측정 시험, 진동 시험 후의 OCV(Open circuit voltage) 측정 시험 및 주액 완료 시간 측정 시험을 행하였다.
<실시예 5-1>
정극 탭의 절곡부에 실란트를 설치하고, 정극 탭은 정극 집전체 노출부와 전지 소자 사이에 있어서 정극 집전체 노출부와 접속하였다. 또한, 정극 탭과 전지 소자의 최외주의 부극 사이의 절연은 인슐레이터를 설치함으로써 행하였다. 인슐레이터는 폴리프로필렌(PP)을 사용해서 형성하고, 그 두께는 0.4㎜로 하고, 그 높이는 5.5㎜로 하고, 그 길이는 부극의 폭과 대략 동일한 치수로 하였다. 또한, 인슐레이터의 형상은 둥근 코너를 갖는 직사각형으로 하고 펀칭 가공은 행하지 않았다. 이상의 조건들 이외에는 실시예 1-1과 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-2>
정극 탭과 전지 소자의 최외주 부극 사이의 절연은 인슐레이터 및 최외층 세퍼레이터를 설치함으로써 행한 점 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-3>
인슐레이터로서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)을 사용한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-4>
인슐레이터로서 폴리에틸렌(PE)을 사용한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-5>
인슐레이터로서 폴리이미드(PI)를 사용한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-6>
인슐레이터의 두께를 0.2㎜로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-7>
인슐레이터의 두께를 0.75㎜로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-8>
인슐레이터의 두께를 1.0㎜로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-9>
인슐레이터의 높이를 5.0㎜로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-10>
인슐레이터의 높이를 6㎜로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-11>
인슐레이터의 높이를 6.5㎜로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-12>
인슐레이터의 높이를 7.0㎜로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-13>
인슐레이터의 폭을 세퍼레이터의 폭과 대략 동일한 치수로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-14>
인슐레이터의 형상을 직사각 형상으로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-15>
인슐레이터를 부직포를 사용해서 형성하고, 인슐레이터의 형상을 직사각 형상으로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-16>
인슐레이터의 길이를 세퍼레이터의 폭(내측 치수)과 대략 동일한 치수로 하고, 인슐레이터의 형상을 대략 가로로 누운 U자 형상으로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-17>
인슐레이터의 길이를 세퍼레이터의 폭(내측 치수)과 대략 동일한 치수로 하고 인슐레이터의 형상을 대략 정사각형으로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-18>
인슐레이터의 길이를 세퍼레이터의 폭(내측 치수)과 대략 동일한 치수로 하고 인슐레이터의 형상을 상자 형상으로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-19>
펀칭 가공을 행한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-20>
인슐레이터의 형상을 직사각형 형상으로 하고, 높이를 6㎜로 하고, 펀칭 가공을 행한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-21>
인슐레이터의 두께를 0.75㎜로 하고, 높이를 6㎜로 하고, 인슐레이터의 폭을 세퍼레이터의 폭(내측 치수)과 대략 동일한 치수로 하고, 인슐레이터의 형상을 대략 가로로 누운 U자 형상으로 하고, 펀칭 가공을 행한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-22>
인슐레이터의 두께를 0.75㎜로 하고, 높이를 6㎜로 하고, 인슐레이터의 폭을 세퍼레이터의 폭(내측 치수)과 대략 동일한 치수로 하고, 인슐레이터의 형상을 대략 정사각형으로 하고, 펀칭 가공을 행한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-23>
인슐레이터의 두께를 0.75㎜로 하고, 높이를 6㎜로 하고, 인슐레이터의 폭을 세퍼레이터의 폭(내측 치수)과 대략 동일한 치수로 하고, 인슐레이터의 형상을 상자 형상으로 하고, 펀칭 가공을 행한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-24>
인슐레이터를 부직포를 사용해서 형성하고, 인슐레이터의 두께를 0.75㎜로 하고, 높이를 6㎜로 하고, 인슐레이터의 폭을 세퍼레이터의 폭(내측 치수)과 대략 동일한 치수로 하고, 인슐레이터의 형상을 대략 가로로 누운 U자 형상으로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-25>
인슐레이터의 형상을 대략 정사각형으로 한 것 이외에는, 실시예 5-24와 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-26>
인슐레이터의 형상을 상자 형상으로 한 것 이외에는, 실시예 5-24와 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-27>
정극 탭의 절곡부에 실란트를 설치하지 않은 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-28>
정극 탭은 정극 집전체 노출부와 외장재 사이에 있어서 정극 집전체 노출부와 접속한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-29>
정극 탭과 전지 소자의 최외주 부극 사이의 절연은 인슐레이터를 사용하지 않고 최외층 세퍼레이터를 설치함으로써 행한 점 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-30>
정극 탭과 전지 소자의 최외주 부극 사이의 절연은 인슐레이터를 사용하지 않고 폴리프로필렌(PP) 점착 테이프를 사용하여 행한 점 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-31>
인슐레이터의 두께를 0.1㎜로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-32>
인슐레이터의 두께를 1.2㎜로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-33>
인슐레이터의 높이를 4.5㎜로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-34>
인슐레이터의 높이를 7.5㎜로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-35>
인슐레이터의 길이를 "부극의 폭-1㎜"로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
<실시예 5-36>
인슐레이터의 길이를 "세퍼레이터의 폭+1㎜"로 한 것 이외에는, 실시예 5-1과 마찬가지로 하여, 이차 전지를 제작하였다.
(체적 에너지 밀도 측정 시험)
체적 에너지 밀도 측정 시험을 이하와 같이 행하였다. 0.2C 방전 용량(Ah)과 전지의 평균 방전 전압(V)으로부터 방전 에너지량(Wh)을 구하고, 이 방전 에너지량을 전지의 최대 치수 체적(L)으로 나눔으로써 얻은 값을 체적 에너지 밀도(Wh/L)로 했다.
(진동 시험 후의 OCV 측정 시험)
진동 시험 후의 OCV 측정 시험을 이하와 같이 행하였다. 진동 가속도 3G, 진동수 20 Hz로, 전지에 대하여 세로, 가로 및 높이 방향으로 100회씩 진동을 인가하였다. 그 후 OCV를 측정하였다.
(주액 완료 시간 측정 시험)
주액 완료 시간 측정 시험을 이하와 같이 행하였다. 시일이 되어 있지 않은 개구부를 위로해서 전해액을 디스펜서로부터 주액하고, 전해액면이 개구부 직하 위치에 도달하는 시간을 측정하였다. (대기압 하에서 외장 오목부에 액이 자연 강하하는 시간을 측정했다).
상술한 두 시험의 시험 결과를 표 5에 나타낸다.
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
이상의 시험 결과들로부터, 실시예 5-29 및 실시예 5-30과 같이 인슐레이터를 설치하지 않은 경우, 그리고 실시예 5-31과 같이 인슐레이터의 두께가 얇은 경우, 체적 에너지 밀도는 높아지는 경향이 있음을 알 수 있다. 한편, 실시예 5-33과 같이 인슐레이터의 두께가 두꺼울 경우에는 체적 에너지 밀도가 낮아지는 경향이 있었다.
진동 시험 후의 OCV 측정 시험과 관련해서는, 실시예 5-1 내지 5-26, 실시예 5-32에서는 OCV에 변화는 없지만, 실시예 5-27 내지 5-31, 실시예 5-33 내지 5-36에서는 OCV가 저하된다고 하는 변화가 발생함을 확인할 수 있었다.
주액 완료 시간 측정 시험에서는, 인슐레이터의 형상이 대략 가로로 누운 U자 형상, 대략 정사각형 형상 및 상자 형상일 경우에, 인슐레이터의 형상이 직사각형 및 둥근 코너의 직사각형인 경우보다 주액 완료 시간이 길어졌을 확인할 수 있었다.
또한, 정극 탭의 절곡부에 실란트가 설치되어 있지 않은 실시예 5-27에서는, 정극 탭 및 부극 탭의 선단이 전지 소자의 최외층과 접촉하는 것에 의한 단락이 발생하였다. 또한, 정극 집전체 노출부와 외장재 사이에 있어서 정극 탭을 정극 집전체 노출부에 접속한 실시예 5-28에 있어서도 정극 탭 및 부극 탭의 선단이 전지 소자의 최외층과 접촉하는 것에 의한 단락이 발생하였다.
또한, 절연에 최외층 세퍼레이터를 사용한 실시예 5-29에서는, 세퍼레이터가 찢어졌을 때 유발된 정극 집전체 노출부와 최외층 부극 사이의 접촉으로 인한 단락이 발생하였다. 또한, 절연에 폴리프로필렌(PP) 점착 테이프를 사용한 실시예 5-30에서는, 점착 테이프의 박리에 의해 유발된 정극 집전체 노출부와 최외층 부극 사이의 접촉으로 인한 단락이 발생하였다.
또한, 실시예 5-31에서는, 인슐레이터가 얇기 때문에 정극 집전체 노출부와 최외층 부극 사이의 접촉으로 인한 단락이 발생하였다. 또한, 인슐레이터의 두께가 1.2㎜인 실시예 5-32에서는, 인슐레이터가 두껍고, 그 두께는 정극 집전체 노출부의 절곡 간격 이상이 되고, 이에 따라 체적 에너지 밀도가 대폭 저하되었다. 또한, 실시예 5-33에서는, 인슐레이터가 낮기 때문에 정극 집전체 노출부와 최외층 부극 사이의 접촉으로 인한 단락이 발생하였다.
또한, 실시예 5-34에서는, 인슐레이터가 전지 소자 이상의 높이가 되기 때문에, 진동에 의해 인슐레이터가 외장재를 찢었다. 이로 인해, 이차 전지 내에 수분이 침입하여 OCV가 저하되었다. 또한, 실시예 5-35에서는, 인슐레이터의 폭이 좁기 때문에, 정극 집전체 노출부와 최외층 부극 사이의 접촉으로 인한 단락이 발생하였다. 또한, 실시예 5-36에서는, 인슐레이터의 폭이 전지 소자의 폭 이상이 되기 때문에, 진동에 의해 인슐레이터가 외장재를 찢었다. 이로 인해, 이차 전지 내에 수분이 침입하여 OCV가 저하되었다.
이상의 결과로부터, 정극 탭 및 부극 탭의 절곡부에는 실란트를 설치하고, 정극 탭 및 부극 탭은 집전체 노출부와 전지 소자 사이에 있어서 집전체 노출부와 접속하고, 절연은 인슐레이터에 의해 행하는 것이 바람직함을 알 수 있다. 또한, 인슐레이터의 두께는 약 0.2㎜ 이상으로 하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시형태에 따른 이차 전지, 배터리 유닛 및 배터리 모듈이 구성되어 있다. 또한, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 기술적 사상으로부터 일탈하지 않는 한, 각종 변형이 가능하다.
예를 들어, 상술한 실시형태에 있어서의 구성, 방법, 공정, 형상, 재료 및 수치 등은 어디까지나 예에 지나지 않으며, 이와 다른 구성, 방법, 공정, 형상, 재료 및 수치 등을 사용해도 된다. 또한, 상술한 실시형태의 각 구성, 방법, 공정, 형상, 재료 및 수치는, 본 발명의 사상으로부터 일탈하지 않는 한, 서로 조합하는 것이 가능하다.
또한, 상술한 실시형태에서는, 리튬 이온 이차 전지에 대해 본 발명을 적용한 예에 대해 설명했지만, 본 발명은 이 예에 한정되는 것이 아니라, 외장재에 의해 전지 소자를 밀봉하는 구조를 갖는 다양한 이차 전지 및 일차 전지에 대하여 적용 가능하다.
본 발명의 이차 전지(1), 이차 전지(1)를 조합한 배터리 유닛(100) 및 배터리 모듈(200)은 전동 공구, 전기 자동차나 하이브리드 전기 자동차 및 전동 어시스트 자전거, 및 주택 혹은 빌딩 등에 사용하는 축전 시스템에 사용할 수 있다.
본 출원은 2010년 11월 17일자로 일본 특허청에 출원된 일본 우선권 특허출원 JP2010-257350호 및 2011년 6월 17일자로 일본 특허청에 출원된 일본 우선권 특허출원 JP2011-135752호에 개시된 바와 관련된 요지를 포함하며, 그 전체 내용은 본원에 참조로서 원용된다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자이면, 특허청구범위 또는 그 균등물의 사상의 범주 내에 있는 한, 설계 요구조건 및 다른 요소에 따라 각종 변경, 조합, 하위 조합 및 수정에 상도할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (15)

  1. 이차 전지로서,
    두께가 3㎜ 내지 20㎜이며, 전지 방전 용량이 3Ah 내지 50Ah인 전지 소자와,
    상기 전지 소자를 패키징하는 외장재를 포함하고,
    상기 전지 소자는,
    정극 집전체 및 정극 활물질층을 구비하고, 정극 집전체 노출부가 형성되고, 상기 정극 집전체 노출부의 폭 wc와 상기 정극 활물질층의 폭 Wc가 이하의 식(1)을 만족하도록 상기 정극 집전체 상에 상기 정극 활물질층이 형성되어 있는 정극과,
    부극 집전체 및 부극 활물질층을 구비하고, 부극 집전체 노출부가 형성되고, 상기 부극 집전체 노출부의 폭 wa와 상기 부극 활물질층의 폭 Wa가 이하의 식(2)을 만족하도록 상기 부극 집전체 상에 상기 부극 활물질층이 형성되어 있는 부극과,
    교대로 적층되는 상기 정극과 상기 부극 사이에 개재되는 세퍼레이터와,
    상기 정극 집전체 노출부에 전기적으로 접속되고, 상기 외장재의 외부에 도출된 정극 탭과,
    상기 부극 집전체 노출부에 전기적으로 접속되고, 상기 외장재의 외부에 도출된 부극 탭을 포함하는, 이차 전지.
    0.5 < (wc/Wc)≤1.0???(1)
    0.5 < (wa/Wa)≤1.0???(2)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정극은, 상기 정극 집전체 노출부의 깊이 dc와 상기 정극 활물질층의 깊이 Dc가 이하의 식(3)을 만족하도록 형성되고,
    상기 부극은, 상기 부극 집전체 노출부의 깊이 da와 상기 부극 활물질층의 깊이 Da가 이하의 식(4)을 만족하도록 형성되어 있는, 이차 전지.
    0.02 < (dc/Dc) ≤ 0.40???(3)
    0.02 < (da/Da) ≤ 0.40???(4)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정극 탭은, 상기 정극 탭과 상기 정극 집전체 노출부 사이의 접합 면적 Sc와, 상기 정극 탭의 폭 Tc와, 상기 정극 탭의 두께 Hc와, 상기 전지 소자의 두께 B가 하기의 식(5)을 만족하도록 형성되어 있고,
    상기 부극 탭은, 상기 부극 탭과 상기 부극 집전체 노출부 사이의 접합 면적 Sa와, 상기 부극 탭의 폭 Ta와, 상기 부극 탭의 두께 Ha와, 상기 전지 소자의 두께 B가 하기의 식(6)을 만족하도록 형성되어 있는, 이차 전지.
    Hc≤Sc/Tc≤B???(5)
    Ha≤Sa/Ta≤B???(6)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정극 탭을 피복하는 정극측 실란트와,
    상기 부극 탭을 피복하는 부극측 실란트를 더 포함하고,
    상기 정극 집전체 노출부는 상기 정극 및 상기 부극의 각각의 면에 대하여 대략 수직인 방향으로 절곡되고,
    상기 정극 탭은 상기 정극 집전체 노출부에 접속되는 정극측 접속부와, 상기 외장재의 외부에 도출되는 정극측 도출부를 포함하고, 상기 정극측 접속부는 상기 정극측 실란트와 함께 상기 정극 및 상기 부극의 각각의 면에 대하여 대략 수직인 방향으로 절곡되어 있고,
    상기 정극측 접속부는 절곡된 상기 정극 집전체 노출부의 상기 전지 소자와 대향하는 측의 면에 접속되어 있고,
    상기 부극 집전체 노출부는 상기 정극 및 상기 부극의 각각의 면에 대하여 대략 수직인 방향으로 절곡되어 있고,
    상기 부극 탭은 상기 부극 집전체 노출부에 접속되는 부극측 접속부와, 상기 외장재의 외부에 도출되는 부극측 도출부를 포함하고, 상기 부극측 접속부는 상기 부극측 실란트와 함께 상기 정극 및 상기 부극의 각각의 면에 대하여 대략 수직인 방향으로 절곡되어 있고,
    상기 부극측 접속부는 절곡된 상기 부극 집전체 노출부의 상기 전지 소자와 대향하는 측의 면에 접속되어 있는, 이차 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전지 소자와 절곡된 상기 정극 탭의 상기 접속부 사이에 절연 부재가 제공되어 있는, 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정극 및 상기 부극은, 상기 정극 집전체 노출부와 상기 부극 집전체 노출부가 상이한 방향으로 향하도록 적층되어 있는, 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 지그재그 방식으로 절첩되어 있고, 상기 정극 및 상기 부극은 상기 세퍼레이터의 절첩부들 사이에 개재되어 있는, 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 부극은 한 쌍의 상기 세퍼레이터 사이에 개재되어 있고, 상기 부극과 상기 한 쌍의 세퍼레이터는 지그재그 방식으로 절첩되어 있고, 상기 정극은 상기 세퍼레이터의 상기 절첩부들 사이에 개재되어 있는, 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전지 소자는, 대향하는 제1 주면 및 제2 주면과, 상기 제1 주면과 상기 제2 주면 사이에 형성된 측면을 갖고,
    상기 측면은, 대향하는 제1 측면 및 제2 측면과, 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이에 형성된 제3 측면을 포함하고,
    상기 정극 집전체 노출부는 상기 제1 측면에 제공되어 있고, 상기 부극 집전체 노출부는 상기 제2 측면에 제공되어 있고,
    상기 정극 탭은, 상기 제1 측면의 측에서 상기 정극 집전체 노출부에 접속되고, 상기 제3 측면의 측으로부터 상기 외장재의 외부에 도출되어 있고,
    상기 부극 탭은, 상기 제2 측면의 측에서 상기 부극 집전체 노출부에 접속되고, 상기 제3 측면의 측으로부터 상기 외장재의 외부에 도출되어 있는, 이차 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 정극 탭은, 상기 제1 측면 및 상기 제3 측면을 따르도록 절곡된 굴곡부와, 상기 제3 측면에 대해 수직인 방향으로 도출된 도출부를 포함하고,
    상기 부극 탭은, 상기 제2 측면 및 상기 제3 측면을 따르도록 절곡된 굴곡부와, 상기 제3 측면에 대해 수직인 방향으로 도출된 도출부를 포함하는, 이차 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 정극 탭의 굴곡부와, 상기 제1 측면 및 상기 제3 측면 중 적어도 한쪽의 측면 사이에 배치된 절연 부재와,
    상기 부극 탭의 굴곡부와, 상기 제2 측면 및 상기 제3 측면 중 적어도 한쪽의 측면 사이에 배치된 절연 부재를 더 포함하는, 이차 전지.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 정극 탭의 굴곡부와 상기 외장재 사이에 제공된 절연 부재와,
    상기 부극 탭의 굴곡부와 상기 외장재 사이에 제공된 절연 부재를 더 포함하는, 이차 전지.
  13. 배터리 유닛으로서,
    1조의 이차 전지와,
    상기 1조의 이차 전지의 외주 측면을 둘러싸는 외주 벽부를 갖는 지지 부재를 포함하고,
    상기 1조의 이차 전지가 상기 지지 부재의 정면측 및 배면측으로부터 상기 외주 벽부 내에 각각 삽입되어 있고,
    상기 이차 전지 각각은, 두께가 3㎜ 내지 20㎜이며, 전지 방전 용량이 3Ah 내지 50Ah인 전지 소자와, 상기 전지 소자를 패키징하는 외장재를 포함하고,
    상기 전지 소자는,
    정극 집전체 및 정극 활물질층을 구비하고, 정극 집전체 노출부가 형성되고, 상기 정극 집전체 노출부의 폭 wc와 상기 정극 활물질층의 폭 Wc가 이하의 식(7)을 만족하도록 상기 정극 집전체 상에 상기 정극 활물질층이 형성되어 있는 정극과,
    부극 집전체 및 부극 활물질층을 구비하고, 부극 집전체 노출부가 형성되고, 상기 부극 집전체 노출부의 폭 wa와 상기 부극 활물질층의 폭 Wa가 이하의 식(8)을 만족하도록 상기 부극 집전체 상에 상기 부극 활물질층이 형성되어 있는 부극과,
    교대로 적층되는 상기 정극과 상기 부극 사이에 개재되는 세퍼레이터와,
    상기 정극 집전체 노출부에 전기적으로 접속되고, 상기 외장재의 외부에 도출된 정극 탭과,
    상기 부극 집전체 노출부에 전기적으로 접속되고, 상기 외장재의 외부에 도출된 부극 탭을 포함하는, 배터리 유닛.
    0.5 < (wc/Wc)≤1.0???(7)
    0.5 < (wa/Wa)≤1.0???(8)
  14. 제13항에 있어서,
    상기 외주 벽부의 내측면에서 내측을 향해서 연장하는 리브부를 더 포함하고,
    2개의 상기 이차 전지는 상기 지지 부재의 정면측 및 배면측으로부터 상기 외주 벽부 내에 각각 삽입되어 상기 리브부의 양면에 대하여 장착되는, 배터리 유닛.
  15. 배터리 모듈로서,
    복수의 배터리 유닛을 포함하고,
    상기 배터리 유닛 각각은,
    1조의 이차 전지와,
    상기 1조의 이차 전지의 외주 측면을 둘러싸는 외주 벽부를 갖는 지지 부재를 포함하고,
    상기 1조의 이차 전지가 상기 지지 부재의 정면측 및 배면측으로부터 상기 외주 벽부 내에 각각 삽입되어 있고,
    상기 이차 전지 각각은, 두께가 3㎜ 내지 20㎜이며, 전지 방전 용량이 3Ah 내지 50Ah인 전지 소자와, 상기 전지 소자를 패키징하는 외장재를 포함하고,
    상기 전지 소자는,
    정극 집전체 및 정극 활물질층을 구비하고, 정극 집전체 노출부가 형성되고, 상기 정극 집전체 노출부의 폭 wc와 상기 정극 활물질층의 폭 Wc가 이하의 식(9)을 만족하도록 상기 정극 집전체 상에 상기 정극 활물질층이 형성되어 있는 정극과,
    부극 집전체 및 부극 활물질층을 구비하고, 부극 집전체 노출부가 형성되고, 상기 부극 집전체 노출부의 폭 wa와 상기 부극 활물질층의 폭 Wa가 이하의 식(10)을 만족하도록 상기 부극 집전체 상에 상기 부극 활물질층이 형성되어 있는 부극과,
    교대로 적층되는 상기 정극과 상기 부극 사이에 개재되는 세퍼레이터와,
    상기 정극 집전체 노출부에 전기적으로 접속되고, 상기 외장재의 외부에 도출된 정극 탭과,
    상기 부극 집전체 노출부에 전기적으로 접속되고, 상기 외장재의 외부에 도출된 부극 탭을 포함하는, 이차 전지.
    0.5 < (wc/Wc)≤1.0???(9)
    0.5 < (wa/Wa)≤1.0???(10)
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