KR20180069001A - 전지 및 전지의 제작 방법 - Google Patents

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미노루 다카하시
료타 다지마
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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

안전하게 변형시킬 수 있는 전지를 제공한다. 더 큰 두께를 가지는 굴곡될 수 있는 전지를 제공한다. 용량을 증가시킨 전지를 제공한다. 전지의 외장체에는 하나의 방향으로 주기적인 파도 형상의 필름이 사용된다. 공간은, 외장체에 의하여 둘러싸이고 고정되지 않는 전극 적층체의 단부와 외장체의 내벽 사이에 있는 영역에 제공된다. 또한 전극 적층체가 사이에 끼워진 외장체의 한 쌍의 부분의 파의 위상은 서로 상이하다. 특히 파의 능선이 서로 중첩하고 파의 골짜기선이 서로 중첩하도록 위상이 서로 180° 상이하다.

Description

전지 및 전지의 제작 방법
본 발명의 일 형태는 전지에 관한 것이다. 본 발명의 다른 일 형태는 굴곡될 수 있는 전지에 관한 것이다. 본 발명의 다른 일 형태는 전지의 외장체에 관한 것이다.
또한 본 발명의 일 형태는 상술한 기술분야에 한정되지 않는다. 본 명세서 등에 기재된 본 발명의 일 형태의 기술분야의 예에는 반도체 장치, 표시 장치, 발광 장치, 전력 저장 장치, 기억 장치, 전자 기기, 조명 장치, 입력 장치, 입출력 장치, 이들의 구동 방법, 및 이들의 제작 방법이 포함된다.
근년에 들어, 스마트폰으로 대표되는 휴대 정보 단말이 활발하게 개발되고 있다. 전자 기기의 일종인 휴대 정보 단말이 사용자에게 경량이며 소형인 것이 요구되고 있다. 사용자가 착용하여 사용하는 웨어러블 단말의 개발도 행해지고 있다.
웨어러블 디바이스 및 휴대 정보 단말 등의 장치에는, 충전 및 방전의 반복이 가능한 이차 전지가 포함되는 경우가 많다. 이러한 장치는 경량이며 소형인 것이 요구되므로, 사용되는 이차 전지의 용량이 필연적으로 적어지고 장치의 동작 시간이 한정된다는 문제가 있다. 이러한 장치에 사용되는 이차 전지는 경량이며 소형이어야 하고, 긴 시간 사용될 수 있어야 한다.
특허문헌 1에는, 외장체로서 얇고 유연한 필름 형태의 재료를 사용한 유연성이 높은 전지가 개시(開示)되어 있다.
국제공개공보 2012/140709호
그러나, 특허문헌 1에 개시된 기술을 사용하여 가요성의 전지를 제작하는 경우, 전지의 두께가 얇지 않는 한(예를 들어 400μm 이하), 전지를 굴곡시키면 외장체가 손상될 수 있다. 그러나 이러한 얇은 전지는, 충분한 용량을 가지지 않는다.
본 발명의 일 형태의 과제는, 안전하게 변형시킬 수 있는 전지를 제공하는 것이다. 다른 과제는 더 두꺼운 두께를 가지는 굴곡될 수 있는 전지를 제공하는 것이다. 다른 과제는 용량이 증가된 전지를 제공하는 것이다. 다른 과제는 신뢰성이 높은 전지를 제공하는 것이다. 다른 과제는 낮은 비용으로 전지를 제작하는 것이다.
또한 이들 과제의 기재는 다른 과제의 존재를 방해하지 않는다. 본 발명의 일 형태는 상술한 모든 과제를 반드시 달성할 필요는 없다. 다른 과제는 본 명세서 등의 기재로부터 추출할 수 있다.
본 발명의 일 형태는 적층체 및 외장체를 포함하는 전지이다. 외장체는 필름 형태를 가지고, 외장체의 대향하는 부분 사이에 적층체를 끼워 반으로 접어진다. 외장체는 한 쌍의 제 1 부분, 제 2 부분, 한 쌍의 제 3 부분, 및 제 4 부분을 포함한다. 한 쌍의 제 1 부분은 서로 중첩하고, 제 1 부분 각각이 제 2 부분, 한 쌍의 제 3 부분, 및 제 4 부분에 의하여 둘러싸이고, 적층체와 접어진 부분을 포함한다. 제 2 부분은 한 쌍의 제 1 부분 사이에 위치하는 접어진 부분이다. 한 쌍의 제 3 부분은 각 제 1 부분을 끼워 서로 대향하여 위치하고, 제 2 부분과 교차되는 방향으로 연장한 벨트 형상의 부분이다. 제 4 부분은 각 제 1 부분을 끼워 제 2 부분과 대향하여 위치하는 벨트 형상의 부분이다. 외장체는 제 3 부분 및 제 4 부분에서 접합된다. 외장체에 의하여 둘러싸인 영역에서는, 적층체와 제 2 부분이 서로 접하지 않고 적층체 및 제 2 부분 사이에 공간을 가진다.
외장체의 평면도에서, 제 3 부분의 연장 방향에서의 제 3 부분 각각의 길이는 상기 연장 방향에 평행한 방향에서의 제 1 부분 중 하나, 제 2 부분, 및 제 4 부분의 전체 길이보다 긴 것이 바람직하다.
제 1 부분 각각은, 복수의 능선 및 복수의 골짜기선이 서로 평행하며 교대로 위치한 파도 형상을 가지고, 제 3 부분 각각이 평탄한 것이 바람직하다.
제 1 부분 각각은, 제 2 부분으로부터의 거리가 가까워질수록 파도의 주기의 길이가 증가되고 파도의 진폭이 감소되는 영역을 포함하는 것이 바람직하다.
외장체의 한 쌍의 제 1 부분은 하나의 제 1 부분의 능선과 다른 하나의 제 1 부분의 골짜기선이 중첩하지 않는 영역을 포함하는 것이 바람직하다. 한 쌍의 제 1 부분은 능선이 서로 중첩하고 골짜기선이 서로 중첩하는 영역을 포함하는 것이 특히 바람직하다.
제 2 부분은 파도 형상을 가지지 않는 것이 바람직하다.
제 2 부분과 제 2 부분의 가장 가까이에 위치한 제 1 부분의 골짜기선 사이에 능선의 하나가 위치되는 것이 바람직하다.
굴곡되어 있지 않은 상태의 전지의 외장체에 의하여 둘러싸인 영역에 있어서, 적층체의 제 2 부분 측의 단부와 외장체의 내부 표면 사이의 거리는, 적층체의 두께가 2t일 때 π×t 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일 형태는, 외장체에 의하여 둘러싸인 영역에 적층체를 포함하는 전지의 제작 방법이다. 상기 방법은 이하의 제 1 내지 제 3 단계를 포함한다. 제 1 단계는, 서로 평행한 복수의 능선 및 복수의 골짜기선이 교대로 위치하고, 복수의 능선이 일정한 간격으로 위치한 파도 형상을 가지도록 형성된 필름 형태의 외장체를 준비하는 단계이다. 제 2 단계는, 적층체를 개재(介在)하여 능선 및 골짜기선에 수직인 방향으로 외장체의 일부를 180°로 접어지는 단계이다. 제 3 단계는, 밴드 형상이며 적층체보다 외측에 위치하며 능선 및 골짜기선에 수직인 방향으로 연장한 외장체의 다른 일부를 접합시키는 단계이다. 제 3 단계에서는, 외장체의 일부가 평탄하게 되도록 외장체의 접합을 수행하고, 적층체와 중첩되는 외장체의 일부에서, 외장체의 접어진 부분으로부터의 거리가 가까워질수록 복수의 능선 사이의 거리가 멀어진다.
상기 방법은, 외장체의 능선 및 골짜기선에 평행한 방향으로 연장한 밴드 형상의 부분이 평탄하게 되도록 외장체를 가공하는 제 4 단계를, 제 1 단계 후이며 제 2 단계 전에 포함하는 것이 바람직하다. 평탄하게 가공된 외장체의 일부가 제 2 단계에서 접어지는 것이 바람직하다.
제 2 단계에서는, 서로 중첩되는 외장체의 하나의 부분의 능선이 다른 하나의 부분의 골짜기선과 중첩되지 않도록 외장체를 접는 것이 바람직하다. 제 2 단계에서, 서로 중첩되는 외장체의 능선의 하나의 부분의 능선이 다른 하나의 부분의 능선과 중첩되고, 하나의 부분의 골짜기선이 다른 하나의 부분의 골짜기선과 중첩되도록 외장체를 접는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 안전하게 변형시킬 수 있는 전지를 제공할 수 있다. 또는 더 두꺼운 두께를 가지는 굴곡될 수 있는 전지를 제공할 수 있다. 또는 용량이 증가된 전지를 제공할 수 있다. 또는 신뢰성이 높은 전지를 제공할 수 있다. 또는 낮은 비용으로 전지를 제작할 수 있다.
또한 본 발명의 일 형태는 상술한 모든 효과를 반드시 가질 필요는 없다. 다른 효과는 명세서, 도면, 및 청구항 등의 기재로부터 추출할 수 있다.
도 1의 (A) 내지 (E)는 실시형태의 전지의 구조예를 나타낸 것.
도 2의 (A) 내지 (C)는 실시형태의 굴곡된 상태의 전지의 구조예 및 모델도를 나타낸 것.
도 3의 (A) 및 (B)는 실시형태의 전지의 제작 방법을 나타낸 것.
도 4의 (A) 내지 (E)는 실시형태의 전지의 제작 방법을 나타낸 것.
도 5의 (A) 내지 (E)는 실시형태의 전지의 제작 방법을 나타낸 것.
도 6의 (A) 내지 (F)는 실시형태의 전지의 제작 방법을 나타낸 것.
도 7은 실시형태의 전지의 구조예를 나타낸 것.
도 8은 실시형태의 필름의 가공 방법을 나타낸 것.
도 9의 (A) 내지 (C)는 실시형태의 필름의 가공 방법을 나타낸 것.
도 10의 (A) 내지 (E)는 실시형태의 전지의 제작 방법을 나타낸 것.
도 11은 실시형태의 전지의 구조예를 나타낸 것.
도 12의 (A) 내지 (E)는 실시형태의 전지의 구조예를 나타낸 것.
도 13의 (A) 내지 (C)는 실시형태의 전지의 구조예를 나타낸 것.
도 14의 (A) 내지 (C)는 실시형태의 전지의 구조예를 나타낸 것.
도 15의 (A) 내지 (C)는 실시형태의 전지의 구조예를 나타낸 것.
도 16의 (A) 내지 (H)는 실시형태의 전자 기기를 나타낸 것.
도 17의 (A) 내지 (C)는 실시형태의 전자 기기를 나타낸 것.
도 18의 (A) 및 (B)는 실시형태의 차량을 나타낸 것.
도 19의 (A) 내지 (D)는 실시예 1의 전지의 외관을 나타낸 사진.
도 20의 (A) 및 (B)는 실시예 1의 전지의 X선 화상.
도 21의 (A) 및 (B)는 실시예 1의 전지의 X선 화상.
도 22의 (A) 및 (B)는 실시예 1의 전지의 X선 CT 화상.
도 23은 실시예 2의 필름의 인장 시험 결과를 나타낸 것.
도 24의 (A) 및 (B)는 실시예 3의 수분 침입량의 측정 결과를 나타낸 것.
도 25의 (A) 및 (B)는 실시예 4의 측정 방법을 나타낸 것.
도 26은 실시예 4의 전지를 굴곡시키는 데 필요한 힘의 측정 결과를 나타낸 것.
도 27의 (A) 내지 (E)는 실시예 5의 밴드의 제작 방법을 나타낸 것.
도 28의 (A) 및 (B)는 실시예 5의 밴드를 내장한 전지를 나타낸 사진.
도 29의 (A) 내지 (C)는 실시예 5의 밴드를 내장한 전지를 나타낸 사진.
도 30의 (A) 내지 (C)는 실시예 6의 전지의 X선 화상.
도 31의 (A) 내지 (C)는 실시예 6의 전지의 외관을 나타낸 사진.
도 32는 실시예 6의 수분 침입량의 측정 결과를 나타낸 것.
도 33의 (A1) 내지 (B2)는 실시예 7의 계산 모델을 나타낸 것.
도 34의 (A) 및 (B)는 실시예 7의 계산 모델을 나타낸 것.
도 35의 (A) 및 (B)는 실시예 7의 계산 모델을 나타낸 것.
실시형태 및 실시예에 대하여 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 또한 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않는다. 본 발명의 취지 및 그 범위에서 벗어나지 않고 본 발명의 형태 및 상세한 사항을 다양하게 변경할 수 있다는 것은 통상의 기술자에 의하여 용이하게 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 이하의 실시형태 및 실시예의 기재에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
아래에 기재된 본 발명의 구조에서, 동일한 부분 또는 비슷한 기능을 가지는 부분은 상이한 도면에서 동일한 부호로 표시되고, 이의 설명은 반복되지 않음을 주목해야 한다. 또한 유사한 기능을 가지는 부분에는 동일한 해치 패턴을 적용하고, 이 부분을 특별히 부호로 나타내지 않는 경우가 있다.
또한 본 명세서에서 기재하는 각 도면에서 각 구성 요소의 크기, 층 두께, 또는 영역은 명료화를 위하여 과장되어 있는 경우가 있다. 따라서 각 구성 요소의 스케일은 도면에 반드시 한정되지는 않는다.
또한, 본 명세서 등에서 "제 1" 및 "제 2" 등의 서수사는, 구성 요소 간의 혼동을 피하기 위하여 사용되는 것이며 수를 한정하지 않는다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서, 본 발명의 일 형태의 전지의 구조예 및 이들의 제작 방법의 예에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 형태는 굴곡될 수 있는 전지이다. 전지의 외장체에는 하나의 방향으로 주기적인 파도 형상의 필름이 사용된다. 외장체에 파도 형상을 사용하면, 파도의 주기 및 진폭이 변화되록 외장체가 변형되기 때문에, 외장체를 굴곡시켰을 때의 응력이 완화되어 외장체가 파손되는 것을 방지한다.
본 발명의 일 형태의 전지에 포함되는 전극 적층체는, 탭 등이 접속된 일부가 고정되고, 다른 일부에서 전극의 상대적인 위치가 시프트된다. 전지의 외장체가 굴곡되면, 전극 적층체는, 전극의 상대적인 위치가 시프트되도록 고정 점을 받침점으로서 사용하여 그 형태를 변화시킬 수 있다.
본 발명의 일 형태는, 전극 적층체의 고정되지 않는 단부와 외장체의 내벽 사이이며 외장체에 의하여 둘러싸인 영역에 공간을 더 포함한다. 이 공간에 의하여 전지가 굴곡될 때 전극 적층체가 시프트될 수 있어 전극 적층체의 일부 및 외장체의 내벽이 서로 접하는 것을 방지한다. 본 발명의 일 형태는 전극 적층체의 두께에 상관없이, 전극 적층체의 변형에 따른 전극 적층체와 외장체 사이의 접촉에 의하여 외장체가 파손되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어 전지의 두께가 400μm 보다 두꺼운 경우, 500μm 이상인 경우, 또는 1mm 이상인 경우에서도 굴곡 등의 변형을 안전하게 반복할 수 있다. 본 발명의 일 형태는 1μm 내지 400μm의 두께를 가지는 매우 얇은 전지에도 사용할 수 있다는 것은 말할 나위 없다.
전지의 두께는, 사용하는 데 적합한 두께가 되도록, 전지가 제공된 전자 기기에 필요한 용량 및 장치의 형태 등에 따라 결정되기만 하면 한정되지 않는다. 예를 들어 두께 10mm 이하, 바람직하게는 5mm 이하, 더 바람직하게는 4mm 이하, 더욱 바람직하게는 3mm 이하이다.
외장체의 내벽과 전극 적층체 사이에 더 큰 공간을 형성하기 위해서는, 전극 적층체가 끼워진 외장체의 한 쌍의 부분의 파의 위상(phase of wave)이 서로 상이한 것이 바람직하다. 구체적으로는, 전극 적층체가 사이에 끼워진 한 쌍의 부분 중 하나의 파(波)의 능선이 다른 하나의 부분의 파의 골짜기선과 중첩하지 않는 것이 바람직하다. 전극 적층체가 사이에 끼워진 외장체의 한 쌍의 부분의 파의 위상은, 외장체의 한 쌍의 부분의 파의 능선이 서로 중첩되고 그 파의 골짜기선이 서로 중첩되도록 서로 180° 차이가 나는 것이 특히 바람직하다. 그 경우, 전극 적층체와 외장체 사이에 최대 거리가 확보되는 공간을 형성할 수 있다. 한편, 한 쌍의 부분의 파의 위상에 있어서, 하나의 부분의 파의 능선과 다른 하나의 부분의 파의 골짜기선이 중첩되도록 조정되는 것은 바람직하지 않다. 그 경우, 형성되는 공간은 일그러져 전극 적층체와 외장체 사이의 거리가 가장 짧아진다.
본 발명의 일 형태는 예를 들어, 전극 적층체를 개재하여 파의 능선 및 파의 골짜기선에 평행한 방향으로 필름을 반으로 접고, 접힌 부분에 대하여 수직인 적어도 2변이 평탄하게 되도록 가압 및 가열에 의하여 접합을 수행함으로써 제작할 수 있다. 또한 필름에 대향하는 부분의 파의 위상이 적어도 서로 상이하도록 필름이 반으로 접어지는 것이 바람직하다. 파의 위상이 서로 180° 상이하도록 필름이 접어지는 것이 특히 바람직하다.
여기서, 전극 적층체가 사이에 끼워진 외장체의 한 쌍의 부분의 파의 위상이, 접합 후에 변화되는 경우가 있다. 이러한 경우에서도, 접합 후에 있어서, 한 쌍의 부분의 파의 위상이 서로 상이한 부분이, 적어도 접힌 부분에 인접한 영역에 포함되는 것이 바람직하다.
이 접합에 의하여, 전극 적층체가 사이에 끼워진 필름의 2변은, 자연 길이보다 길어진다. 이에 의하여 전극 적층체와 중첩하는 부분에서 파의 능선 및 골짜기선에 수직인 방향으로 신장하는 힘이 발생한다. 한편, 파도 형상이 유지되도록, 전극 적층체와 중첩하는 부분에는 상기 신장하는 힘과 대향하는 방향으로 반발이 생긴다. 상기 반발은, 접힌 부분으로부터의 거리가 가까워질수록 감소하기 때문에, 접힌 부분으로부터의 거리가 가까워질수록 외장체의 파도가 신장되도록 외장체가 변형된다. 구체적으로, 접힌 부분으로부터의 거리와 가까워질수록 파도의 주기의 길이가 증가되고 파도의 진폭이 감소되도록, 외장체가 변형된다. 이러한 메커니즘을 거쳐, 접합부가 충분히 평탄하게 되도록 접합을 수행함으로써, 접힌 부분과 전극 적층체 사이에 공간을 형성할 수 있다.
필름의 파도 형상은, 적층체의 내벽과 전극 적층체 사이에 충분한 공간을 형성하는 데 중요하다. 필름의 파도의 주기의 길이가 감소될수록, 또한 파도의 진폭이 증가될수록 더 큰 공간을 형성할 수 있다. 예를 들어, 이하의 길이를 가지는 파도 형상의 필름을 사용하는 것이 바람직하다: 필름을 신장하였을 때의 길이가 1.02배 이상, 바람직하게는 1.05배 이상, 더 바람직하게는 1.1배 이상이며 필름의 자연 길이의 2배 이하. 파도 형상은, 하나의 방향으로 산과 골짜기가 적어도 반복되는 파도 형상을 가지기만 하면, 사인파 형상, 삼각파 형상, 원호 형상, 및 직사각형 등의 다양한 형상 중 어느 것을 사용할 수 있다. 파도의 진폭이 크면, 전지의 체적이 증가될 수 있기 때문에, 자연 길이에 대한 막이 신장되었을 때의 길이의 비율이 높게 되도록 파도의 주기의 길이를 작게 설정하는 것이 바람직하다.
충분한 공간을 형성하기 위해서는, 접합을 위한 조건도 중요하다. 접합이 부족하면, 접합부의 형상이 평탄하게 되는 대신에 파도 형상이 되어 충분한 공간을 형성할 수 없는 경우가 있다. 또한 접합이 부족하면, 전지가 변형되었을 때, 파의 위상이 서로 상이한 상태에서 접합이 수행되므로 접합부에 갭이 형성될 수 있다. 그러나, 최적화된 접합 방법을 사용하면, 이러한 문제를 피할 수 있다. 접합을 위한 바람직한 조건은 필름의 재료, 접합에 사용하는 접착제의 재료 등에 의존하고, 예를 들어 폴리프로필렌을 열 접착층(heat-sealing layer)에 사용한 경우, 폴리프로필렌의 융점 이상의 온도에서, 엠보싱된 파도 형상을 평탄화할 수 있는 압력이 가해진다. 또한 엠보싱된 파도 형상에 평행한 방향에서의 접합부(톱 실링한 부분)와 비교하여, 엠보싱된 파도 형상에 수직인 방향에서의 접합 부분(사이드 실링한 부분)에 대하여 높은 압력을 가하여 접합을 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 형태는 이차 전지의 형상을 자유로이 설계할 수 있기 때문에, 예를 들어 곡면을 가지는 이차 전지를 사용하면, 전자 기기 전체의 설계 자유성이 증가되어, 다양한 디자인을 가지는 전자 기기를 제공할 수 있다. 또한 이차 전지가 곡면을 가지는 전자 기기의 내면을 따라 제공되면, 전자 기기 내의 공간을 낭비하지 않고 유효하게 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 일 형태는 이차 전지의 용량을 증가시킬 수 있기 때문에 전자 기기를 적은 충전 빈도로 긴 시간 동안 사용할 수 있다.
따라서 신규 구조를 가지는 전자 기기를 제공할 수 있다.
구조 및 제작 방법의 구체적인 예에 대하여 도면을 참조하여 아래에서 설명한다.
[구조예]
도 1의 (A)는 아래에서 예로서 설명하는 전지(10)의 평면도이다. 도 1의 (B)는 도 1의 (A)의 속이 빈 화살표에 의하여 나타내어진 방향으로부터 본 전지(10)의 도면이다. 도 1의 (C), (D), 및 (E)는 각각 도 1의 (A)에서의 A1-A2, B1-B2, 및 C1-C2를 따라 자른 단면 개략도이다.
전지(10)는 외장체(11), 외장체(11)에 의하여 둘러싸인 영역에 위치한 적층체(12), 및 적층체(12)와 전기적으로 접속되며 외장체(11)의 외측으로 연장한 전극(13a 및 13b)을 포함한다. 외장체(11)에 의하여 둘러싸인 영역 내부에는 적층체(12)에 더하여 전해질이 제공된다.
외장체(11)는 필름 형태의 형상을 가지고, 외장체의 대향하는 부분들 사이에 적층체(12)를 끼워 반으로 접어져 있다. 외장체(11)는 적층체(12)를 끼운 한 쌍의 부분(31), 접어진 부분(32), 한 쌍의 접합부(33), 및 접합부(34)를 포함한다. 한 쌍의 접합부(33)는, 접어진 부분(32)에 실질적으로 수직인 방향으로 연장된 벨트 형상의 부분이며, 부분(31)을 개재하여 위치한다. 접합부(34)는, 부분(31)을 개재하여 접어진 부분(32)과 대향하는 벨트 형상의 부분이다. 부분(31)은, 접어진 부분(32), 한 쌍의 접합부(33), 및 접합부(34)에 의하여 둘러싸인 영역이라고 할 수도 있다. 여기서 전극(13a) 및 전극(13b)은, 도 1의 (A) 등에서의 접합부(34)에 의하여 일부 끼워진다.
외장체(11)의 부분(31)의 적어도 표면은, 한 쌍의 접합부(33)가 연장된 방향으로 능과 골짜기가 반복된 파도 형상을 가진다. 바꿔 말하면 부분(31)은, 능선(21)과 골짜기선(22)이 교대로 반복된 파도 형상을 가진다. 도 1의 (A) 등에서는, 능선(21)의 산을 일점쇄선으로 나타내고, 골짜기선(22)의 골짜기를 파선(破線)으로 나타내었다.
평면도에서, 연장 방향에서의 접합부(33) 각각의 길이는, 접합부(33)의 연장 방향으로 평행한 방향에서의 외장체(11)의 접합부(34), 부분(31), 및 접어진 부분(32)의 전체 길이보다 길다. 도 1의 (A)에 나타낸 바와 같이, 접합부(34)의 가장 가까이에 위치한 접어진 부분(32)은, 접어진 부분(32) 측의 한 쌍의 접합부(33)의 단부를 접속하는 선으로부터 거리(L1)만큼 접합부(34)에 가깝다.
적층체(12)는 양극과 음극이 교대로 적층된 구조를 적어도 가진다. 적층체(12)는 전극 적층체라고 부를 수도 있다. 또한 양극과 음극이 분리되도록 세퍼레이터를 제공하여도 좋다. 여기서는, 적층체(12)의 층의 수의 증가에 따라 전지(10)의 용량이 증가된다. 적층체(12)의 자세한 사항은 아래에서 설명한다.
여기서 적층체(12)의 두께는 예를 들어, 200μm 이상 9mm 이하, 바람직하게는 400μm 이상 3mm 이하, 더 바람직하게는 500μm 이상 2mm 이하이고, 대표적으로는 1.5mm 정도이다.
도 1의 (A), (C), 및 (D)에 나타낸 바와 같이, 외장체(11)에 의하여 둘러싸인 영역에서의 공간(25)(갭 또는 공동이라고도 함)은, 접어진 부분(32)에 가장 가까운 적층체(12)의 단부와, 접어진 부분(32)에 위치한 외장체(11)의 내측 표면 사이에 제공된다. 여기서 접합부(33)의 연장 방향에 평행한 방향에서의 공간(25)의 길이는 거리(d0)로 나타내어진다. 거리(d0)는, 접어진 부분(32)에 가장 가까운 적층체(12)의 단부와, 접어진 부분(32)에 위치한 외장체(11)의 내측 표면 사이의 거리라고 할 수도 있다.
적층체(12)는, 접합부(34)를 통하여 외장체(11)에 의하여 둘러싸인 영역의 내측 및 외측으로 연장하는 전극(13a)(및 전극(13b))에 접합된다. 그러므로, 적층체(12) 및 외장체(11)의 상대적인 위치가 접합부(34)에 의하여 고정되어 있다고 할 수도 있다. 전극(13a)은 적층체(12)에서의 복수의 양극 또는 복수의 음극에 접합되고, 전극(13b)은 전극(13a)에 접합되지 않는 복수의 양극 또는 복수의 음극에 접속된다.
또한 도 1의 (A), (C), 및 (D)에 나타낸 바와 같이, 외장체(11)의 부분(31)은, 접어진 부분(32)으로부터의 거리가 가까워질수록 파도의 주기의 길이가 증가되고 파도의 진폭이 감소되는 영역을 포함하는 것이 바람직하다. 전지(10)가 이러한 구조를 가지도록 제작되면, 외장체(11)에 의하여 둘러싸인 영역에 공간(25)이 형성될 수 있다.
도 1의 (C) 및 (D)에 나타낸 바와 같이, 부분(31)의 파의 위상이 서로 180° 상이하도록, 적층체(12)를 끼운 한 쌍의 부분(31)이 서로 대향하는 것이 가장 좋다. 바꿔 말하면, 능선(21)이 서로 중첩하고 골짜기선(22)이 서로 중첩하도록, 적층체(12)를 개재하여 외장체(11)가 접어지는 것이 바람직하다. 이 경우, 바람직한 형상을 가지는 공간(25)이 제공될 수 있다.
[공간]
다음에, 공간(25)이 제공된 전지(10)의 굴곡 형태에 대하여 설명한다.
도 2의 (A)는 부분적으로 나타내어진 전지(10)의 구조의 간단한 단면 개략도이다.
여기서는 외장체(11)의 한 쌍의 부분(31)을 서로 구별하고, 부분(31a) 및 부분(31b)으로서 나타내었다. 마찬가지로, 부분(31a) 및 부분(31b)의 능선 및 골짜기선을 각각 능선(21a), 능선(21b), 및 골짜기선(22a), 골짜기선(22b)으로서 나타내었다.
도 2의 (A)에서 적층체(12)는, 5개의 전극(43)이 적층된 구조를 가진다. 전극(43)은, 도 1의 (A)에서의 전극(41) 또는 전극(42)에 대응한다. 복수의 전극(43)의 상대적인 위치는, 접합부(34) 측의 단부에서 고정된다. 적층체(12) 및 외장체(11)의 상대적인 위치는, 접합부(34)에 의하여 고정된다.
외장체(11)에 의하여 둘러싸인 영역에서의 공간(25)은, 접어진 부분(32)의 근방에 제공된다. 여기서, 외장체(11)가 굴곡되지 않는 경우에서의 외장체(11)의 내벽과 접어진 부분(32) 측의 전극(43)의 단부 사이의 거리를, 거리(d0)로 가정한다.
전지(10)의 중립면을 중립면 C이라고 나타낸다. 여기서 중립면 C는, 적층체(12)에 포함되는 5개의 전극(43)의 중앙에 위치하는 전극(43)의 중립면에 대응한다.
도 2의 (B)는, 원호 형상을 가지도록 점 O를 중심으로 하여 굴곡진 상태의 전지(10)의 단면 개략도이다. 여기서는, 부분(31a)이 외측을 향하고 부분(31b)이 내측을 향하도록 전지(10)를 굴곡시킨다.
도 2의 (B)에 나타낸 바와 같이, 외측을 향한 부분(31a)은, 파도의 진폭이 작아지고 파도의 주기의 길이가 커지도록 변형된다. 바꿔 말하면, 외측을 향한 부분(31a)의 능선(21a)끼리 및 골짜기선(22a)끼리의 거리는 멀어진다. 한편, 내측을 향한 부분(31b)은, 파도의 진폭이 커지고 파도의 주기의 길이가 작아지도록 변형된다. 바꿔 말하면, 내측을 향하고 굴곡된 상태의 부분(31b)의 능선(21b)끼리 및 골짜기선(22b)끼리의 거리는 가까워진다. 이와 같이 하여 부분(31a) 및 부분(31b)이 변형함으로써, 외장체(11)에 가해지는 응력이 완화되어 외장체(11)에 손상 없이 전지(10)를 굴곡시킬 수 있다.
도 2의 (B)에 나타낸 바와 같이, 복수의 전극(43)의 상대적인 위치가 시프트되도록, 적층체(12)가 변형된다. 이에 의하여 적층체(12)에 가해지는 응력이 완화되어 적층체(12)에 손상 없이 전지(10)를 굴곡시킬 수 있다. 도 2의 (B)에서는, 전극(43)이 굴곡으로 인하여 신장되지 않다고 가장하였다. 전극(43)의 두께를 전지(10)가 굴곡되는 곡률 반경에 대하여 충분히 작게 설정하면, 전극(43)에 가해지는 응력이 작아진다.
중립면 C보다 외측에 위치한 적층체(12)에 포함되는 전극(43)의 단부는 접합부(34) 측에 시피트된다.
한편, 중립면 C보다 내측에 위치한 전극(43)의 단부는 접어진 부분(32) 측에 시프트된다. 여기서 외장체(11)의 내벽과 접어진 부분(32) 측의 가장 내측 전극(43)의 단부 사이의 거리는, 거리(d0)로부터 거리(d1)로 감소된다. 여기서 중립면 C에 위치한 전극(43)과 가장 내측의 전극(43) 사이의 상대적인 편차의 양을 거리(d2)로 가정한다. 거리(d1)는, 거리(d0)로부터 거리(d2)를 뺌으로써 얻어지는 값에 대응한다.
굴곡되기 전의 거리(d0)가 굴곡된 후의 거리(d2)보다 작은 경우, 중립면 C보다 내측에 위치한 적층체(12)의 전극(43)은 외장체(11)의 내벽에 접하게 된다. 그러므로 거리(d0)에 요구되는 값을 아래에서 설명한다.
아래에서는, 도 2의 (C)를 참조하여 설명한다. 도 2의 (C)에서는, 중립면 C에 대응하는 곡선을 파선으로 나타내고, 적층체(12)의 가장 내측 표면에 대응하는 곡선을 실선에 의하여 곡선 B로서 나타내었다.
곡선 C는 반경 r 0의 원호이고, 곡선 B는 반경 r 1의 원호이다. 반경 r 0과 반경 r 1 사이의 차이를 t로 가정한다. 여기서 t는 적층체(12)의 두께의 절반에 대응한다. 곡선 C와 곡선 B의 원호 길이는 서로 같다. 곡선 C의 중심각을 θ로 가정하고, 곡선 B의 중심각을 θ+Δθ로 가정한다.
곡선 C와 곡선 B의 단부 사이의 차이의 양인 거리(d2)는, 상술한 관계로부터 다음과 같이 계산된다.
[식 1]
Figure pct00001
거리(d2)는 적층체(12)의 두께 및 굴곡되는 각도로부터 추산할 수 있고, 예를 들어 적층체(12)의 길이 및 굴곡의 곡률 반경에 의존하지 않는다는 것을 나타낸다.
공간(25)의 거리(d0)를, 상술한 바와 같이 거리(d2) 이상으로 설정함으로써, 전지(10)가 굴곡될 때에, 적층체(12)와 외장체(11)가 서로 접하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 두께가 2t인 전지(10)를 굴곡하여 사용하고, 전지(10)가 굴곡되는 최대 각도를 θ°로 한 경우, 공간(25)에서의 적층체(12)와 외장체(11)의 내벽 사이의 거리(d0)는 t×θ 이상의 값으로 설정한다.
예를 들어 전지를 30°로 굴곡하여 사용하는 경우, 공간(25)의 거리(d0)를 πt/6 이상의 값으로 설정한다. 마찬가지로, 전지를 60°로 굴곡하여 사용하는 경우는 거리(d0)를 πt/3 이상의 값으로 설정하고, 전지를 90°로 굴곡하여 사용하는 경우는 거리(d0)를 πt/2 이상의 값으로 설정하고, 전지를 180°로 굴곡하여 사용하는 경우는 거리(d0)를 πt 이상의 값으로 설정한다.
예를 들어 전지(10)를 감은 상태에서 사용하지 않는 경우, 예를 들어 전지(10)가 굴곡되는 최대 각도는 180°로 추산된다. 따라서 이와 같이 전지(10)를 사용하는 경우, 거리(d0)를 πt 이상, 바람직하게는 πt보다 큰 값으로 설정함으로써 전지(10)를 모든 장치에 사용할 수 있다. 전지(10)가 V자 또는 U자를 가지도록 굴곡된 상태, 예를 들어 전지(10)가 반으로 접어진 상태에서 사용되는 다양한 전자 기기에 전지(10)를 제공할 수 있다.
전지(10)가 원통형의 물체를 한 번 감도록 한 경우는, 전지(10)가 360° 굴곡될 수 있도록, 공간(25)의 거리(d0)를 2πt 이상의 값으로 설정한다. 전지(10)가 원통형의 물체를 한 번 이상 감록한 경우, 이에 따라 공간(25)의 거리(d0)를 적절한 값으로 설정한다. 전지(10)가 주름상자(bellows) 형상을 가지도록 변형되는 경우, 공간(25)의 거리(d0)는 전지(10)가 굴곡되는 부분의 수, 방향, 및 각도에 따라 적절한 값으로 설정된다.
이상이 공간(25)의 설명이다.
[제작 방법예]
전지(10)를 제작하는 방법의 예에 대하여 아래에서 설명한다.
먼저, 외장체(11)가 되는 가요성의 필름을 준비한다.
필름에 대하여, 높은 내수성 및 높은 가스 저항을 가지는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 외장체로서 사용되는 필름에는, 금속필름과 절연필름이 적층된 적층필름을 사용하는 것이 바람직하다. 금속필름은, 알루미늄, 스테인리스강, 니켈 스틸, 금, 은, 구리, 타이타늄, 크로뮴, 철, 주석, 탄탈럼, 나이오븀, 몰리브데넘, 지르코늄, 및 아연 등의 금속 포일, 또는 이들의 합금의 형태를 가질 수 있는 금속 중 어느 것을 사용하여 형성할 수 있다. 절연필름으로서는, 유기 재료로 만들어진 플라스틱 필름, 유기 재료(예를 들어 유기 수지 또는 섬유) 및 무기 재료(예를 들어 세라믹)을 포함하는 하이브리드 재료 필름, 및 탄소 함유 무기 필름(예를 들어 카본 필름 또는 흑연 필름)으로부터 선택된 단층필름, 또는 상술한 필름 중 2개 이상을 포함하는 적층필름이 사용될 수 있다. 금속필름은 엠보싱되기 쉽다. 엠보싱에 의한 볼록부의 형성은 외기에 노출되는 금속필름의 표면적을 증가시켜, 효과적인 열방산을 달성한다.
이어서, 예를 들어 엠보싱에 의하여 가요성 필름을 가공하여 파도 형상을 가지는 외장체(11)를 형성한다.
필름의 볼록부와 오목부는 프레싱(예를 들어 엠보싱)에 의하여 형성할 수 있다. 엠보싱에 의하여 필름에 형성된 볼록부와 오목부는, 밀봉 구조의 벽의 일부로서 기능하는 필름에 의하여 밀봉된, 내부 체적이 가변적인 밀폐 공간을 형성한다. 이 밀폐 공간은, 필름이 아코디언 구조 또는 주름상자 구조를 가지기 때문에 형성된다고 할 수 있다. 필름을 사용하는 밀봉 구조는 물 및 먼지의 침입을 방지할 수 있다. 또한, 프레싱의 일종인 엠보싱을 반드시 채용할 필요는 없고, 필름의 일부에 부조(relief)를 형성할 수 있는 방법을 채용할 수 있다. 이들 방법의 조합, 예를 들어, 엠보싱 및 다른 프레싱을 하나의 필름에 수행하여도 좋다. 또는 엠보싱을 하나의 필름에 복수회 수행하여도 좋다.
필름의 볼록부는 중공 반원형, 중공 반타원형, 중공 다각형, 또는 중공 부정형을 가질 수 있다. 중공 다각형인 경우, 3개보다 많은 모서리를 가지면 모서리에 집중하는 응력을 감소시킬 수 있어 바람직하다.
도 3의 (A)는, 이와 같이 하여 형성된 외장체(11)의 사시 개략도의 예이다. 외장체(11)는 전지(10)의 외측이 되는 면에 복수의 능선(21)과 복수의 골짜기선(22)이 교대로 배열된 파도 형상을 가진다. 여기서는, 능선(21)이 서로 일정한 간격으로 인접하고 골짜기선(22)이 서로 일정한 간격으로 인접하는 것이 바람직하다.
이어서, 미리 준비된 적층체(12)를 끼우도록 외장체(11)의 일부를 접힌다(도 3의 (B)). 이때 외장체(11)의 길이는, 적층체(12)에 접속된 전극(13)(전극(13a) 또는 전극(13b))이 외측에 노출되도록 조정되는 것이 바람직하다. 또한 적층체(12)보다 돌출한 외장체(11)의 부분의 폭은, 그 돌출부가 나중에 접합부(33)와 접합부(34)로서 기능하기 때문에 적층체(12)의 두께를 고려하여 충분히 길게 설정된다.
도 3의 (B)는, 적층체(12)를 끼우는 한 쌍의 부분(31)이, 부분(31)의 파의 위상이 서로 180° 상이하도록 위치된 경우의 예를 나타낸 것이다. 바꿔 말하면, 도 3의 (B)는, 한 쌍의 부분(31)에서 능선(21)이 서로 중첩하고 골짜기선(22)이 서로 중첩하도록 외장체(11)가 접힌 경우를 나타낸 것이다.
여기서, 외장체(11)의 접어진 부분(32)의 위치 및 형상에 대하여 설명한다. 도 4의 (A)는 외장체(11)의 단면 개략도이다. 도 4의 (B) 내지 (E)는, 접어지는 위치를 도 4의 (A)에서의 점 P1, P2, P3, 또는 P4로 한 경우에서의 접어진 부분(32)의 단면 형상을 각각 나타낸 것이다. 또한 외장체(11)가 도 4의 (A)에 화살표로 나타낸 방향으로 접힌 경우에 대하여 아래에서 설명하고, 아래쪽을 향하는 면은 전지(10)의 외측 면에 대응한다. 도 4의 (A)에서, 위쪽으로 돌출한 부분을 골짜기선(22)으로서 나타내고, 아래쪽으로 돌출한 부분을 능선(21)으로서 나타내었다.
도 4의 (B) 내지 (E)에서, 접어진 부분(32)에 의하여 일부 둘러싸인 영역을 해칭하였다. 여기서, 외장체(11)의 파도의 주기성이 없어지는 2개의 위치를 경계로 하고, 상기 2개의 위치 사이에 끼워진 영역이 접어진 부분(32)이다. 또한 도 4의 (B) 내지 (E)에서, 접어진 부분(32)의 형상이 과장되어 있기 때문에, 둘레가 정확히 나타내어지지 않는 경우가 있다.
점 P1은 골짜기선(22)과 일치한다. 도 4의 (B)에 나타낸 바와 같이, 외장체(11)가 점 P1에서 접어짐으로써 접어진 부분(32)은 실질적으로 원호 형상을 가질 수 있다. 또한 점 P1에서 외장체(11)가 접어짐으로써 대향하는 파의 위상은 서로 180° 상이해질 수 있다.
점 P2는 능선(21)과 일치한다. 도 4의 (C)에 나타낸 바와 같이, 외장체(11)가 점 P2에서 접어질 때에도 접어진 부분(32)은 실질적으로 원호 형상을 가질 수 있다. 또한 점 P2에서 외장체(11)가 접어짐으로써 대향하는 파의 위상은 서로 180° 상이해질 수 있다.
점 P3은 능선(21)과 골짜기선(22) 사이에 위치하며 능선(21)과 골짜기선(22)의 중심점보다 능선(21)에 가까운 점이다. 도 4의 (D)에 나타낸 바와 같이, 점 P3이 능선(21) 및 골짜기선(22)과 일치하지 않음으로써, 접어진 부분(32)의 형상은 상하 대칭이 맞지 않고 일그러진다. 또한 외장체(11)가 점 P3에서 접어지는 경우, 능선끼리, 골짜기선끼리, 및 파의 능선과 골짜기선의 일치를 피할 수 있다.
점 P4는 능선(21) 및 골짜기선(22)의 중심점과 일치한다. 도 4의 (E)에 나타낸 바와 같이, 외장체(11)가 점 P4에서 접어지는 경우, 접어진 부분(32)의 형상은 상당히 일그러진다. 구체적으로는, 접어진 부분(32)은 위쪽 또는 아래쪽으로 돌출하는 경향이 있다. 따라서 적층체(12)와 돌출부에 대향하는 측의 외장체(11)의 내벽 사이의 거리를 크게 확보하기 어렵다.
여기서 도 4의 (B) 내지 (D)는, 접어진 부분(32)과 접어진 부분(32)에 가장 가까운 부분(31)의 골짜기선(22) 사이에 하나의 능선(21)이 위치한다는 점이 같다. 특히 도 4의 (B)는, 접어진 부분(32)의 경계가 파의 능선(21)과 일치하는 경우의 예를 나타낸 것이다. 이와 같이 외장체(11)가 2개의 파의 능선(21) 또는 이들 근방을 경계로 하여 접어짐으로써, 두께 방향으로 큰 공간을, 접어진 부분(32) 및 이들 근방의 내측에 확보할 수 있다. 상술한 바와 같이, 전지(10)가 접어질 때, 외장체(11)의 내벽과 적층체의 가장 외측의 전극 사이의 거리를 유지하는 것이 중요하고, 도 4의 (B)에 나타낸 형상에 의하여 거리를 크게 할 수 있다.
한편, 도 4의 (E)에 있어서는, 아래 측에서, 접어진 부분(32)과 접어진 부분(32)에 가장 가까운 부분(31)의 골짜기선(22) 사이에 능선(21)이 없다. 그러므로 두께 방향으로 큰 공간은, 접어진 부분(32) 및 이들 근방에서 형성되기 어렵다.
여기서 접어진 부분(32)이 되는 외장체(11)의 일부는, 파도 형상 대신에 평탄한 형상을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어 도 5의 (A)에 나타낸 바와 같이, 각각 평탄한 면을 가지는 주형(鑄型)(51 및 52)에 의하여 끼워진 상태에서 가압하거나 가열하면서 가압함으로써 외장체(11)의 일부를 평탄화한다.
도 5의 (B)는, 이와 같이 하여 일부를 평탄화한 외장체(11)의 단면 개략도이다. 여기서, 능선(21)이 접속되도록 외장체(11)의 일부를 평탄화한다.
도 5의 (C)는, 형성된 평탄 부분의 중심의 점 P5에서 접어진 외장체(11)의 단면 개략도이다. 도 5의 (C)에 나타낸 바와 같이, 평탄화된 외장체(11)가 접어진 부분(32)에 사용되면, 도 4의 (B)보다 큰 공간을 형성할 수 있다.
도 5의 (D) 및 (E)는 각각 도 5의 (C)보다 큰 영역에서 평탄화를 수행한 경우의 예를 나타낸 것이다. 도 5의 (B)와 같이, 능선(21)이 접속되도록 외장체(11)의 일부를 평탄화한다. 외장체(11)는, 이와 같이 하여 적층체(12)의 두께보다 큰 영역에서 평탄화됨으로써, 두께 방향으로 균일한 큰 공간을 형성할 수 있다.
이상이 접어진 부분의 위치와 형상의 관계에 대한 설명이다.
상술한 바와 같이, 적층체(12)를 끼우도록 외장체(11)를 접은 후, 접합부(33)가 되는 외장체(11)의 일부를 가열하면서 가압함으로써 접합한다.
도 6의 (A)에 나타낸 바와 같이, 평탄한 표면을 각각 가지는 한 쌍의 주형(53 및 54)에 끼워진 외장체(11)에 대하여 가압 접합을 수행할 수 있다. 다음에, 주형(53 및 54) 표면에 수직인 방향으로 가압 접합을 수행함으로써, 접합부(33)가 되는 외장체(11)의 부분이, 도 6의 (B)에 나타낸 바와 같이 평탄하게 되도록 접합된다. 이때, 주형(53 및 54) 사이의 거리가 일정하게 유지되도록 간격을 제공하는 것이 바람직하다. 이 경우, 예를 들어 다음 문제를 피할 수 있다: 접합부의 두께가 일정한 값보다 더 감소됨으로써 필름에 함유되는 도전 재료(예를 들어 알루미늄 포일)가 노출되어 절연성의 소실 또는 감소로 이어지는 문제.
접합부(33)가 충분히 평탄하게 되도록, 예를 들어 후속의 접합부(34)의 형상보다 높은 압력에서 접합을 수행하는 것이 바람직하다. 압력은 외장체의 재료 및 두께에 따라 정해진다; 예를 들어 대략 110μm의 두께를 가지는 필름의 경우, 가압 접합을 위한 압력은 100kPa/cm2 이상 1000kPa/cm2 이하로 하고, 대표적으로는 대략 600kPa/cm2로 할 수 있다. 또한 가압 접합에서, 온도는 퓨징층(fusing layer)으로서 사용되는 재료의 융점 이상이기만 하면 좋다; 예를 들어 폴리프로필렌이 사용되는 경우, 온도는 대략 175℃가 바람직하다.
또한 가압 접합 후의 접합부(33) 각각의 두께는, 가압 접합 전의 2개의 외장체(11)의 전체 두께보다 작은 것이 바람직하다. 예를 들어 퓨징층을 포함하는 적층막을 외장체로서 사용하는 경우, 가압 접합 후의 접합부(33)의 퓨징층의 두께는, 가압 접합이 수행되지 않는 외장체(11)의 부분(예를 들어 전지(10)의 부분(31) 및 접어진 부분(32))의 2개의 퓨징층의 전체 두께의 30% 이상 95% 이하가 바람직하고, 50% 이상 90% 이하가 더 바람직하고, 60% 이상 80% 이하가 더욱 바람직하다.
접합부(33)가 상술한 조건하에서 형성되면, 전지(10)를 굴곡 등으로 반복적으로 변형시켜도 밀봉이 파괴되지 않고, 외장체(11)에 의하여 둘러싸인 영역을 채운 전해액 등의 누출을 방지할 수 있다. 이에 의하여 전지(10)는 매우 높은 신뢰성 및 안전성을 가질 수 있다. 특히, 도 6의 (A)에 나타낸 바와 같이 외장체(11)의 대향하는 부분의 파의 위상이 서로 180° 상이한 경우에서도, 전지(10)가 변형되기 때문에 갭이 형성되지 않는 접합부(33)를 형성할 수 있다.
도 6의 (C)에서는, 접합할 때 외장체(11)의 각 부분에 가해지는 힘을 화살표로 모식적으로 나타내었다. 여기서는 큰 힘을 긴 화살표로 나타내었다.
접합 전에 파도 형상을 가지는 외장체(11)의 일부는 접합에 의하여 평탄하게 됨에 따라 연신 방향으로(두꺼운 화살표로 나타냄) 신장한다. 이 신장에 의하여, 외장체(11)의 부분(31)에 대하여 접어진 부분(32) 측으로 인장력이 발생한다. 이 힘은 접합부(33)로부터의 거리가 가까워질수록 증가되고, 접합부(33)로부터의 거리가 멀어질수록 감소된다.
한편, 부분(31)이 파도 형상을 가지기 때문에, 상술한 힘에 대향하는 방향으로 반발이 일어난다. 이 반발은 접어진 부분(32)으로부터의 거리가 멀어질수록 증가되고, 접어진 부분(32)으로부터의 거리가 가까워질수록 감소된다.
부분(31) 및 접어진 부분(32)에 상술한 2종류의 힘을 가함으로써, 도 6의 (D)에 나타낸 바와 같이, 접어진 부분(32)으로부터의 거리가 가까워질수록 파도의 주기가 서서히 증가되도록 부분(31)이 신장된다. 이 신장은 접합부(33)로부터의 거리가 가까워질수록 증가되고, 접합부(33)로부터의 거리가 멀어질수록 감소되기 때문에, 접어진 부분(32)의 중심 부분은 부분(31) 측에 우묵해진다.
도 6의 (E) 및 (F)는 접합부(33)의 형성 전후를 나타낸 단면 개략도이다. 도 6의 (E)에 나타낸 바와 같이, 적층체(12)가 접합 전에 외장체(11)의 내벽과 접하는 경우에서도, 접합부(33)의 형성에서 외장체(11)의 부분(31)의 신장에 의하여, 도 6의 (F)에 나타낸 바와 같이 공간(25)을 형성할 수 있다.
상술한 식으로, 접합부(33)가 평탄하게 되도록 형성함으로써 공간(25)이 접어진 부분(32)과 적층체(12) 사이에 형성될 수 있다.
이어서, 접합부(34)가 되는 부분으로부터 전해액을 도입한다. 감압 분위기하 또는 불활성 가스 분위기하에서 봉지 모양의 외장체(11)에 의하여 둘러싸인 영역에 원하는 양의 전해액을 적하한다.
그 후, 상술한 방법과 비슷한 방법에 의하여 접합부(34)가 되는 부분을 접합함으로써 접합부(34)를 형성한다. 접합부(34)의 형성에서, 절연성의 밀봉층을 외장체(11)와 전극(13a 및 13b) 사이에 제공하여도 좋다. 밀봉층이 가압 접합 시에 녹음으로써 전극(13a 및 13b) 및 필름 형태의 외장체(11)가 고정된다.
상술한 식으로 도 1의 (A) 등에 나타낸 전지(10)를 제작할 수 있다.
이상이 전지의 제작 방법예에 대한 설명이다.
[전지 형상]
상술한 바와 같이, 접합부(33)의 형성 시에, 외장체(11)의 일부의 신장에 따라 공간(25)이 형성될 수 있다. 즉, 공간(25)에서의 적층체(12)와 외장체(11) 사이의 거리(d0)는 접합부(33)에서의 외장체(11)의 신장의 양에 따라 변화한다. 거리(d0)를 증가시키기 위하여, 신장된 길이가 자연 길이에 대하여 상술한 비율인 파도 형상을 가지는 필름을 외장체(11)로서 사용하는 것이 바람직하다.
또한 부분(31)에서 접합부(33)로부터의 거리가 멀어질수록 신장의 양이 감소되어 거리(d0)가 감소된다. 한편, 접합부(33)의 신장의 양이 증가될수록 부분(31)의 인장력이 증가되기 때문에 따라서 접합부(33)로부터 멀어진 위치에서도 거리(d0)를 증가시킬 수 있다. 여기서, 같은 필름을 사용한 경우, 접합부(33)의 신장의 양은 연신 방향에서의 접합부(33)의 길이에 대하여 비례하여 증가한다.
도 7은 도 1의 (A) 내지 (E)와 상이한 종횡비를 가지는 전지(10)의 상면 개략도이다. 연신 방향에서 접합부(33)의 길이를 X, 한 쌍의 접합부(33) 사이의 거리(즉 부분(31)의 폭)를 Y1로 한 경우, X 대 Y1의 비율(X/Y1)이 1 이상이 되도록 전지(10)를 설계하는 것이 바람직하다. 예를 들어 X 대 Y1의 비율(X/Y1)이 1.2 이상, 1.5 이상, 1.7 이상, 2 이상, 또는 3 이상이다. X 대 Y1의 비율에 상한은 없지만, 생산성을 고려하면 예를 들어 100 미만 또는 50 미만으로 하는 것이 바람직하다.
접합부(33)의 폭을 포함하는 전지(10)의 폭을 Y2로 가정하여 X대 Y2의 비율(X/Y2)을 예를 들어 4/3 또는 16/9로 하면, 전지(10)가 제공된 전자 기기의 설계가 용이해질 수 있고 전지(10)가 더 널리 사용되어 바람직하다. 전지(10)를 시계줄 등의 좁은 물체에 제공하는 경우에는, X대 Y2의 비율(X/Y2)을 예를 들어 1.5 이상, 2 이상, 또는 3 이상으로 할 수 있다.
이상이 전지의 형상에 대한 설명이다.
[필름 가공 방법]
다음에, 외장체(11)에 사용할 수 있는 필름 가공 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 가요성 재료로 이루어진 시트를 준비한다. 시트로서는, 적층체를 즉 열접착층(heat seal layer)이 제공된 금속필름, 또는 열접착층들에 끼워진 금속필름을 사용한다. 열접착층으로서는, 예를 들어 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌을 함유하는 열접착 수지필름을 사용한다. 본 실시형태에서는 금속 시트, 구체적으로는 상면에 나일론 수지가 제공되고 하면에 내산 폴리프로필렌막과 폴리프로필렌막의 적층이 제공된 알루미늄 포일을 시트로서 사용한다. 이 시트를 잘라서 원하는 사이즈의 막을 얻는다.
그리고, 이 필름을 엠보싱함으로써 요철을 가지는 필름을 얻을 수 있다. 필름은 복수의 볼록부와 오목부를 포함함으로써 시인 가능한 파도 패턴을 가질 수 있다. 여기서는 시트를 자른 다음에 엠보싱을 수행하는 예를 설명하지만, 순서는 특별히 한정되지 않고, 시트를 자르기 전에 엠보싱을 수행하고, 그 다음에 시트를 잘라도 좋다. 또는 시트가 접어진 상태로 열압착을 수행한 후에, 시트를 잘라도 좋다.
프레싱의 일종인 엠보싱에 대하여 아래에서 설명한다.
도 8은 엠보싱의 예를 나타낸 단면도이다. 또한 엠보싱이란 표면에 요철을 가지는 엠보싱 롤을 필름에 압착함으로써 필름에 요철을 형성하는 가공을 나타낸다. 또한 엠보싱 롤은 표면이 패턴화된 롤이다.
도 8은 필름의 양면에 엠보싱을 수행하는 예를 나타낸 것이고, 정상부가 한쪽 면에 있는 볼록부를 가지는 필름의 형성 방법을 나타낸 것이다.
도 8은 필름(50)이 필름의 한쪽의 표면과 접촉되는 엠보싱 롤(55)과 다른 쪽의 표면과 접촉되는 엠보싱 롤(56) 사이에 끼워지고, 필름(50)이 방향(60)으로 이동되고 있는 상태를 나타낸 것이다. 필름의 표면이 압력 또는 열에 의하여 패턴화된다. 필름의 표면은 압력 및 열에 의하여 패턴화하여도 좋다.
엠보싱 롤은, 금속 롤, 세라믹 롤, 플라스틱 롤, 고무 롤, 유기 수지 롤, 또는 목재 롤 등으로 적절히 형성될 수 있다.
도 8에서, 엠보싱은 수컷 엠보싱 롤(male embossing roll)(56) 및 암컷 엠보싱 롤(female embossing roll)(55)을 사용하여 수행된다. 수컷 엠보싱 롤(56)은 복수의 볼록부(56a)를 가진다. 상기 볼록부는 가공되는 필름에 형성되는 볼록부에 대응한다. 암컷 엠보싱 롤(55)은 복수의 볼록부(55a)를 가진다. 인접한 볼록부(55a) 사이에, 수컷 엠보싱 롤(56)의 볼록부(56a)에 의하여 필름에 형성된 볼록부에 맞는 오목부가 위치한다.
필름(50)의 일부를 들뜨게 하는 엠보싱과 필름(50)의 일부를 우묵하게 하는 디보싱(debossing)을 연속적으로 함으로써 볼록부 및 평탄한 부분을 연속적으로 형성할 수 있다. 이런 식으로 필름(50)에 패턴을 형성할 수 있다.
다음에, 도 8을 참조하여 설명한 것과 상이한 방법인, 복수의 볼록부를 가지는 필름의 형성 방법을, 도 9의 (A) 내지 (C)를 참조하여 설명한다. 도 9의 (A) 내지 (C)에는 필름의 하나의 면이 엠보싱된 예를 나타내고, 정상부가 한쪽 면에 있는 볼록부를 가지는 필름의 형성 방법을 나타내었다.
도 9의 (A)는 필름(50)이 필름의 한쪽 면과 접촉되는 엠보싱 롤(55)과 다른 쪽 표면과 접촉되는 롤(57) 사이에 끼워지고, 필름(50)이 방향(60)으로 이동되고 있는 상태를 나타낸 것이다. 또한 롤(57)은 선회하지 않고 고정되어도 좋다. 여기서는 엠보싱 롤(55)이 필름의 한쪽 면에만 제공되기 때문에, 필름에 형성되는 복수의 볼록부는 공간을 가지지 않는다. 이는, 필름이 한쪽 면에서는 돌출부를 가지고 다른 쪽 면에서는 평탄한 것을 의미한다.
다음에, 도 9의 (B)에 나타낸 바와 같이, 엠보싱에 의하여 한쪽 면에 볼록부가 형성된 필름(61)의 일부를 제거한다. 여기서는 필름은, 볼록부의 평탄한 면, 즉 롤(57)과 접하는 면으로부터 필름의 일부가 제거된다. 필름의 일부를 제거하는 방법으로서는, 레이저 조사에 의한 열적 제거(thermal removal), 에천트 적하에 의한 화학적 제거(chemical removal), 공구를 사용한 물리적 제거(physical removal) 등이 있다.
그 결과, 도 9의 (C)에 나타낸 바와 같이, 공간(64)을 볼록부(63)에 형성할 수 있다. 이런 식으로, 볼록부(63)를 가지는 필름(62)을 형성할 수 있다.
또한 도 9의 (A) 내지 (C)에 나타낸 필름의 형성 방법에서는, 금속필름이 필름(50)으로서 사용되는 것이 바람직하다. 또한 도 9의 (A) 내지 (C)에 나타낸 공정을 거친 후, 금속필름의 한쪽 또는 양쪽 면에 열접착층이 제공되는 것이 바람직하다.
상술한 식으로 엠보싱 롤을 사용하여 가공을 수행하기 때문에, 가공 장치를 작게 할 수 있다. 또한 필름을 자르기 전에 가공할 수 있어 우수한 생산성을 달성할 수 있다. 또한 필름의 가공 방법은 엠보싱 롤을 사용한 가공에 한정되지 않는다; 필름에 거슬러 요철 면을 가지는 한 쌍의 엠보싱 플레이트의 프레스에 의하여 필름을 가공할 수 있다. 이 경우, 엠보싱 플레이트의 한쪽은 평탄하여도 좋고, 필름을 복수의 단계에 의하여 가공하여도 좋다.
[이차 전지 제작 방법예]
전지(10)로서 특히 이차 전지를 사용하는 경우의 제작 방법예에 대하여 아래에서 설명한다. 또한 이미 상술한 기재의 설명은 생략하는 경우가 있다.
여기서는 파도 형상을 가지는 필름 형태의 외장체(11)를, 2개의 단부가 서로 중첩되도록 반으로 접고, 접착층을 사용하여 3개의 변을 밀봉한다.
파도 형상을 가지도록 가공된 필름으로 이루어진 외장체(11)는, 도 10의 (A)에 나타낸 상태가 얻어지도록 접어진다.
다음에, 도 10의 (B)에 나타낸 바와 같이, 이차 전지에 포함되는 양극 집전체(72), 세퍼레이터(73), 및 음극 집전체(74)를 포함하는 적층체가 준비된다. 도면에는 나타내지 않았지만, 양극 집전체(72)의 표면의 일부에 양극 활물질층이 형성되는 한편, 음극 집전체(74)의 표면의 일부에는 음극 활물질층이 형성된다. 양극 집전체(72) 및 음극 집전체(74)는 예를 들어, 스테인리스강, 금, 백금, 아연, 철, 니켈, 구리, 알루미늄, 타이타늄, 또는 탄탈럼 등의 금속, 또는 이들의 합금 등의 리튬 이온 등의 캐리어 이온과 합금화하지 않는, 높은 도전성을 가지는 재료를 사용하여 각각 형성할 수 있다. 또는 실리콘, 타이타늄, 네오디뮴, 스칸듐, 또는 몰리브데넘 등 내열성을 향상시키는 원소가 첨가된 알루미늄 합금을 사용할 수 있다. 또는 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소를 사용할 수 있다. 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소의 예에는, 지르코늄, 타이타늄, 하프늄, 바나듐, 나이오븀, 탄탈럼, 크로뮴, 몰리브데넘, 텅스텐, 코발트, 및 니켈 등이 포함된다. 집전체는 각각 적절히 박 형상, 판 형상(시트 형상), 그물 형상, 원주 형상, 코일 형상, 펀칭 메탈 형상, 또는 강망(expanded-metal) 형상 등을 가질 수 있다. 집전체는 각각 5μm 이상 40μm 이하의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 또한 여기서 나타낸 예에서는, 간략화를 위하여, 양극 활물질층이 제공된 양극 집전체(72), 세퍼레이터(73), 및 음극 활물질층이 제공된 음극 집전체(74)를 포함하는 하나의 적층이 외장체에 수납된다. 이차 전지의 용량을 증가시키기 위하여, 복수의 적층들을 적층하고, 외장체에 수납한다.
또한 도 10의 (C)에 나타낸 밀봉층(75)을 가지는 리드 전극(76)을 2개 준비한다. 리드 전극(76)은 각각 리드 단자 또는 탭이라고도 하며, 이차 전지의 양극 또는 음극을 외장 필름의 외측으로 리드하기 위하여 제공된다. 알루미늄 및 니켈 도금된 구리가 각각 양극 리드 및 음극 리드에 사용된다.
그리고, 양극 리드는 초음파 용접 등에 의하여 양극 집전체(72)의 돌출부와 전기적으로 접속되고, 음극 리드는 초음파 용접 등에 의하여 음극 집전체(74)의 돌출부와 전기적으로 접속된다.
그리고, 필름 형태의 외장체(11)의 2개의 변을 상술한 방법에 의하여 열압착으로 밀봉하고, 전해액을 도입하기 위하여 하나의 변을 열어 둔다. 이런 식으로 접합부(33)를 형성한다. 그 후, 감압하 또는 불활성 가스 분위기에서 원하는 양의 전해액을 봉지 모양의 필름 형태의 외장체(11)에 적하한다. 마지필름으로, 열압착하지 않고 열어 둔 필름의 변을 열압착에 의하여 밀봉함으로써 접합부(34)를 형성한다. 열압착에서, 리드 전극에 제공된 밀봉층(75)도 녹아 리드 전극과 필름 형태의 외장체(11)가 서로 고정된다.
이런 식으로, 이차 전지인 도 10의 (D)에 나타낸 전지(10)를 제작할 수 있다.
얻어진 이차 전지인 전지(10)의 필름 형태의 외장체(11)는 파도의 패턴을 가진다. 단부와 도 10의 (D)의 점선 사이의 영역에 접합부(33)와 접합부(34)가 있고, 이 영역은 평탄하게 가공된다.
도 10의 (E)는 도 10의 (D)의 일점쇄선 D1-D2를 따라 자른 단면의 예를 나타낸 것이다.
도 10의 (E)에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체(72), 양극 활물질층(78), 세퍼레이터(73), 음극 활물질층(79), 및 음극 집전체(74)는 이 순서대로 적층되고, 접어진 필름 형태의 외장체(11)에 의하여 둘러싸인다. 접어진 필름 형태의 외장체(11)는 필름 형태의 외장체(11)의 단부에서 접합부(34)에 의하여 밀봉되고, 필름 형태의 외장체(11)에 의하여 끼워진 공간에는 전해액(77)이 제공된다. 바꿔 말하면, 필름 형태의 외장체(11)에 의하여 둘러싸인 공간은 전해액(77)으로 채워진다.
양극 활물질층(78)에 사용될 수 있는 양극 활물질의 예에는, 올리빈 결정 구조를 가지는 복합 산화물, 층상 암염 결정 구조를 가지는 복합 산화물, 및 스피넬 결정 구조를 가지는 복합 산화물이 포함된다. 예를 들어 LiFeO2, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, V2O5, Cr2O5, 또는 MnO2 등의 화합물을 사용한다.
또는 복합 재료(LiMPO4(일반식)(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), 및 Ni(II) 중 하나 이상))를 사용할 수 있다. 재료로서 사용할 수 있는 일반식 LiMPO4의 대표적인 예에는, LiFePO4, LiNiPO4, LiCoPO4, LiMnPO4, LiFe a Ni b PO4, LiFe a Co b PO4, LiFe a Mn b PO4, LiNi a Co b PO4, LiNi a Mn b PO4(a+b≤1, 0<a<1, 및 0<b<1), LiFe c Ni d Co e PO4, LiFe c Ni d Mn e PO4, LiNi c Co d Mn e PO4(c+d+e≤1, 0<c<1, 0<d<1, 및 0<e<1), 및 LiFe f Ni g Co h Mn i PO4(f+g+h+i≤1, 0<f<l, 0<g<l, 0<h<l, 및 0<i<1) 등의 리튬 화합물이 있다.
또는 Li(2- j )MSiO4(일반식)(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), 및 Ni(II) 중 하나 이상, 0≤j≤2) 등의 복합 재료를 사용하여도 좋다. 재료로서 사용할 수 있는 일반식 Li(2- j )MSiO4의 대표적인 예에는, Li(2- j )FeSiO4, Li(2- j )NiSiO4, Li(2- j )CoSiO4, Li(2- j )MnSiO4, Li(2- j )Fe k Ni l SiO4, Li(2- j )Fe k Co l SiO4, Li(2- j )Fe k Mn l SiO4, Li(2- j )Ni k Co l SiO4, Li(2- j )Ni k Mn l SiO4(k+l≤1, 0<k<1, 및 0<l<1), Li(2- j )Fe m Ni n Co q SiO4, Li(2- j )Fe m Ni n Mn q SiO4, Li(2- j )Ni m Co n Mn q SiO4(m+n+q≤1, 0<m<1, 0<n<1, 및 0<q<1), 및 Li(2- j )Fe r Ni s Co t Mn u SiO4(r+s+t+u≤1, 0<r<1, 0<s<1, 0<t<1, 및 0<u<1) 등의 리튬 화합물이 있다.
또는 AxM2(XO4)3(일반식)(A=Li, Na, 또는 Mg, M=Fe, Mn, Ti, V, Nb, 또는 Al, X=S, P, Mo, W, As, 또는 Si)으로 표현되는 나시콘 화합물을 양극 활물질에 사용할 수 있다. 나시콘 화합물의 예에는 Fe2(MnO4)3, Fe2(SO4)3, 및 Li3Fe2(PO4)3이 있다. 또는, Li2MPO4F, Li2MP2O7, 또는 Li5MO4(일반식)(M=Fe 또는 Mn)로 표현되는 화합물, NaFeF3 및 FeF3 등의 페로브스카이트 플루오린화물, TiS2 및 MoS2 등의 금속 칼코게나이드(황화물, 셀레늄화물, 또는 텔루륨화물), LiMVO4 등의 역스피넬 구조를 가지는 산화물, 바나듐 산화물(V2O5, V6O13, 또는 LiV3O8 등), 망가니즈 산화물, 또는 유기 황 화합물 등을 양극 활물질에 사용할 수 있다.
캐리어 이온이 리튬 이온 이외의 알칼리 금속 이온, 또는 알칼리 토금속 이온인 경우, 리튬 대신에 알칼리 금속(예를 들어, 소듐 및 포타슘) 또는 알칼리 토금속(예를 들어, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 베릴륨, 및 마그네슘)을 함유하는 재료를 양극 활물질로서 사용하여도 좋다.
세퍼레이터(73)로서는 셀룰로스(종이), 구멍을 가지는 폴리프로필렌 또는 구멍을 가지는 폴리에틸렌 등의 절연체를 사용할 수 있다.
전해액(77)의 전해질로서, 캐리어 이온 이동도를 가지며 캐리어 이온으로서 리튬 이온을 함유하는 재료를 사용한다. 전해질의 대표적인 예는 LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, 및 Li(C2F5SO2)2N 등의 리튬염이 있다. 이들 전해질 중 하나를 단독으로 사용하여도 좋고, 이들 중 2종류 이상을 적절한 조합 및 비율로 사용하여도 좋다.
전해액의 용매로서는 캐리어 이온 이동도를 가지는 재료를 사용한다. 전해액의 용매로서는, 비양성자성 유기 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 비양성자성 유기 용매의 대표적인 예는, 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트, 다이메틸카보네이트, 다이에틸카보네이트(DEC), γ-뷰티로락톤, 아세토나이트릴, 다이메톡시에테인, 및 테트라하이드로퓨란 등을 포함하고, 이들 재료 중 하나 이상을 사용할 수 있다. 전해액의 용매로서 겔화된 고분자 재료를 사용하는 경우, 누액 등에 대한 안전성이 향상된다. 또한 축전지를 더 얇고 더 가볍게 할 수 있다. 겔화된 고분자 재료의 대표적인 예에는, 실리콘(silicone) 겔, 아크릴 겔, 아크릴로나이트릴 겔, 폴리에틸렌 옥사이드계 겔, 폴리프로필렌 옥사이드계 겔, 및 플루오린계 폴리머 겔 등이 포함된다. 또는, 전해액의 용매로서 불연성 및 불휘발성의 특징을 가지는 이온성 액체(상온 용융염) 중 1종류 이상을 사용하면, 축전지가 내부 단락하거나 또는 과충전 등에 의하여 내부 온도가 상승하여도, 축전지의 폭발 또는 발화를 방지할 수 있다. 이온성 액체는 유동 상태의 염이며 이온 이동성(전도성)이 높다. 이온 액체는 양이온 및 음이온을 함유한다. 이온 액체의 예는 에틸메틸이미다졸륨(EMI) 양이온을 함유하는 이온 액체 및 N-메틸-N-프로필피페리디늄(PP13) 양이온을 함유하는 이온 액체를 포함한다.
전해액 대신에, 황화물계 무기 재료 또는 산화물계 무기 재료 등의 무기 재료를 포함하는 고체 전해질, 또는 PEO(polyethylene oxide)계 고분자 재료 등의 고분자 재료를 포함하는 고체 전해질을 사용하여도 좋다. 고체 전해질을 사용하는 경우, 세퍼레이터 및 스페이서는 불필요하다. 또한 전지를 전체적으로 고체화할 수 있기 때문에, 누액의 가능성이 없으므로 전지의 안전성이 극적으로 높아진다.
리튬을 용해 및 석출할 수 있는 재료, 또는 리튬 이온의 삽입·탈리가 가능한 재료를 음극 활물질층(79)에 사용되는 음극 활물질에 사용할 수 있다; 예를 들어, 금속 리튬, 탄소계 재료, 또는 합금계 재료 등을 사용할 수 있다.
금속 리튬은 산화환원 전위(표준 수소 전극보다 3.045V 낮음)가 낮고, 단위 중량당 및 단위 체적당 비용량(3860mAh/g 및 2062mAh/cm3임)이 높기 때문에 바람직하다.
탄소계 재료의 예는, 흑연, 흑연화 탄소(소프트 카본), 비흑연화 탄소(하드 카본), 카본 나노튜브, 그래핀, 풀러렌, 및 카본 블랙 등을 포함한다.
흑연의 예는 MCMB(meso-carbon microbeads), 코크스(coke)계 인조 흑연, 또는 피치계 인조 흑연 등의 인조 흑연, 및 구상 천연 흑연 등의 천연 흑연을 포함한다.
흑연은 리튬 이온이 흑연에 삽입되면(리튬-흑연 층간 화합물이 형성될 때), 금속 리튬과 실질적으로 같은 낮은 전위를 가진다(0.1V 이상 0.3V 이하 vs. Li/Li+). 이 이유로, 리튬 이온 이차 전지는 높은 작동 전압을 가질 수 있다. 또한, 흑연은 비교적 높은 단위 체적당 용량, 작은 체적 팽창, 저비용, 금속 리튬 보다 높은 안전성 등의 이점이 있기 때문에 바람직하다.
리튬과의 합금 반응 및 탈합금 반응에 의하여 충방전 반응할 수 있는 합금계 재료 또는 산화물을 음극 활물질에 사용할 수 있다. 캐리어 이온이 리튬 이온인 경우, 예를 들어 Al, Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Ag, Au, Zn, Cd, In, 및 Ga 등 중 적어도 하나를 함유하는 재료를 합금계 재료로서 사용할 수 있다. 이러한 원소는 탄소보다 높은 용량을 가진다. 특히, 실리콘은 4200mAh/g의 매우 높은 이론 용량을 가진다. 이러한 이유로, 실리콘을 음극 활물질로서 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 원소를 사용하는 합금계 재료의 예는 Mg2Si, Mg2Ge, Mg2Sn, SnS2, V2Sn3, FeSn2, CoSn2, Ni3Sn2, Cu6Sn5, Ag3Sn, Ag3Sb, Ni2MnSb, CeSb3, LaSn3, La3Co2Sn7, CoSb3, InSb, 및 SbSn 등을 포함한다.
또는, SiO, SnO, SnO2, 또는 이산화 타이타늄(TiO2), 리튬 타이타늄 산화물(Li4Ti5O12), 리튬-흑연 층간 화합물(Li x C6), 오산화 나이오븀(Nb2O5), 산화 텅스텐(WO2), 또는 산화 몰리브데넘(MoO2) 등의 산화물을 음극 활물질에 사용할 수 있다. 또한 SiO란, 실리콘이 풍부한 부분(silicon-rich portion)을 포함하는 산화 실리콘의 분말을 말하고, SiO y (2>y>0)라고 할 수도 있다. SiO의 예는 Si2O3, Si3O4, 및 Si2O 중 하나 이상을 포함하는 재료, 및 Si 분말과 이산화 실리콘(SiO2)의 혼합물을 포함한다. 또한 SiO는 다른 원소(예를 들어 탄소, 질소, 철, 알루미늄, 구리, 타이타늄, 칼슘, 및 망가니즈)를 함유하여도 좋다. 바꿔 말하면 SiO란, 단결정 실리콘, 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, Si2O3, Si3O4, Si2O, 및 SiO2 중 2개 이상을 함유하는 재료를 말한다. 또한 SiO는 유색 재료이다. 그러므로, SiO는 투명하고 무색 또는 백색인 SiO x (x는 2 이상)와 구별될 수 있다. 또한, 이차 전지가 그 재료로서 SiO를 사용하여 제작되고 SiO가 충방전 사이클의 반복 때문에 산화되는 경우, SiO가 SiO2로 변화되는 경우가 있다.
또는 음극 활물질에, 리튬 및 전이 금속을 함유하는 질화물이고, Li3N 구조를 가지는 Li3 - x M x N(M=Co, Ni, 또는 Cu)을 사용할 수 있다. 예를 들어, Li2 . 6Co0 . 4N3은 충방전 용량(900mAh/g 및 1890mAh/cm3)이 높기 때문에 바람직하다.
리튬 및 전이 금속을 함유하는 질화물을 사용하는 것이 바람직하고, 이 경우, 리튬 이온이 음극 활물질에 함유되기 때문에, 음극 활물질을 V2O5 또는 Cr3O8 등 리튬 이온을 함유하지 않는 양극 활물질을 위한 재료와 조합하여 사용할 수 있다. 리튬 이온을 함유하는 재료를 양극 활물질로서 사용하는 경우, 양극 활물질에 함유되는 리튬 이온을 미리 추출함으로써, 리튬 및 전이 금속을 함유하는 질화물을 음극 활물질에 사용할 수 있다.
또는, 컨버전 반응을 발생시키는 재료를 음극 활물질에 사용할 수 있다; 예를 들어, 산화 코발트(CoO), 산화 니켈(NiO), 및 산화 철(FeO) 등 리튬과 합금 반응을 발생시키지 않는 전이 금속 산화물을 사용하여도 좋다. 컨버전 반응을 발생시키는 재료의 다른 예는, Fe2O3, CuO, Cu2O, RuO2, 및 Cr2O3 등의 산화물, CoS0 .89, NiS, 및 CuS 등의 황화물, Zn3N2, Cu3N, 및 Ge3N4 등의 질화물, NiP2, FeP2, 및 CoP3 등의 인화물, 그리고 FeF3 및 BiF3 등의 플루오린화물을 포함한다. 또한 그 높은 전위에 의하여, 플루오린화물 중 어느 것을 양극 활물질로서 사용할 수 있다.
음극 활물질층(79)은 상술한 음극 활물질에 더하여, 활물질의 밀착성을 증가시키기 위한 바인더, 음극 활물질층의 도전성을 증가시키기 위한 도전 보조제 등을 더 포함하여도 좋다.
이차 전지에서 예를 들어, 세퍼레이터(73)는 약 15μm 내지 30μm의 두께를 가지고, 양극 집전체(72)는 약 10μm 내지 40μm의 두께를 가지고, 양극 활물질층(78)은 약 50μm 내지 100μm의 두께를 가지고, 음극 활물질층(79)은 약 50μm 내지 100μm의 두께를 가지고, 음극 집전체(74)는 약 5μm 내지 40μm의 두께를 가진다. 필름 형태의 외장체(11)는 약 20μm 내지 500μm의 두께를 가진다. 필름 형태의 외장체(11)의 볼록부는 각각 약 5μm 내지 400μm의 높이를 가진다. 필름 형태의 외장체(11)의 볼록부가 각각 약 2mm 이상의 높이인 경우, 이차 전지의 전체 두께는 지나치게 커진다.
단위 체적당 전지 용량은 가능한 한 큰 것이 바람직하다. 단위 체적당 전지 용량은 이차 전지의 총 체적에 대한 전지 부분의 체적의 비율이 증가될수록 커진다. 필름 형태의 외장체(11)의 볼록부의 높이가 커지면, 이차 전지의 전체 두께가 증가되고, 전체 체적에 대한 전지 부분의 체적의 비율이 감소되어, 결과적으로 전지의 용량이 작아진다.
또한 접착층은 이하와 같이 형성한다: 폴리프로필렌으로 만들어진 층이, 필름이 접착되는 측의 필름의 표면에 제공되고, 열압착된 부분만이 접착층이 된다.
도 10의 (E)는 필름 형태의 외장체(11)의 아래 측이 고정되고, 압착이 수행된 예를 나타낸 것이다. 이 경우, 위 측이 크게 굴곡되어 단차가 형성된다. 따라서 복수의 상술한 적층체(예를 들어 8 이상의 적층체)가 접어진 필름 형태의 외장체(11)의 대향하는 부분 사이에 제공되는 경우, 단차가 커져 필름 형태의 외장체(11)의 위 측에 지나친 응력이 가해질 수 있다. 또한 필름의 위 측의 단부는 필름의 아래 측의 단부와 어긋날 수 있다. 단부의 어긋남을 방지하기 위하여, 단차를 필름의 아래 측에 제공하고, 응력이 균일하게 가해지도록 중앙부에서 압착을 수행하여도 좋다.
어긋남이 큰 경우, 한쪽의 필름의 단부의 일부가 다른 쪽의 필름과 중첩되지 않는 영역이 있다. 필름의 위 측의 단부 및 아래 측의 단부의 어긋남을 수정하기 위하여, 이러한 영역을 절단하여도 좋다.
여기서, 도 11을 참조하여 이차 전지의 충전에서의 전류의 흐름을 설명한다. 리튬을 사용한 이차 전지를 폐회로로 간주할 때, 리튬 이온의 이동과 전류의 흐름은 동일한 방향이 된다. 또한 리튬을 사용하는 이차 전지에서, 애노드 및 캐소드는 충전 및 방전 시에 교체하고, 산화 반응 및 환원 반응은 대응하는 측에서 발생하기 때문에, 높은 산화 환원 전위를 가지는 전극을 양극이라고 부르고, 낮은 산화 환원 전위를 가지는 전극을 음극이라고 부른다. 이러한 이유로, 본 명세서에서는, 충전이 수행되는 경우, 방전이 수행되는 경우, 역 펄스 전류가 공급되는 경우, 및 충전 전류가 공급되는 경우의 모든 경우에서, 양극을 "양극"이라고 말하고, 음극을 "음극"이라고 말한다. 애노드와 캐소드는 충전 및 방전 시에 바뀌기 때문에, 산화 반응 및 환원 반응에 관련하여 "애노드" 및 "캐소드"라는 용어를 사용하는 것은 혼란을 초래할 수 있다. 그러므로, 본 명세서에서는 "애노드" 및 "캐소드"라는 용어를 사용하지 않는다. 만약에 "애노드" 또는 "캐소드"란 말이 사용되면, 애노드 또는 캐소드가 충전 시의 것인지 또는 방전 시의 것인지를, 그리고 양극에 대응하는 것인지 또는 음극에 대응하는 것인지를 명시해야 한다.
도 11에서의 2개의 단자는 충전기에 접속되고, 전지(10)가 충전된다. 전지(10)의 충전이 진행될수록 전극들 사이의 전위차가 증가된다. 도 11에서는, 전지(10)의 외측 단자로부터 양극 집전체(72)로 전자가 흐르고, 양극 집전체(72)로부터 전지(10)의 음극 집전체(74)로 전류가 흐른다. 도 11에서는, 음극으로부터 전지(10)의 외측 단자로 흐르는 전류의 방향을 양의 방향으로 간주할 수 있다. 바꿔 말하면, 충전 전류가 흐르는 방향을 전류의 방향으로 간주한다.
[전극 적층체의 예]
복수의 전극을 포함하는 적층체의 구조예를 아래에서 설명한다.
도 12의 (A)는 양극 집전체(72)의 상면도이다. 도 12의 (B)는 세퍼레이터(73)의 상면도이다. 도 12의 (C)는 음극 집전체(74)의 상면도이다. 도 12의 (D)는 밀봉층(75)과 리드 전극(76)의 상면도이다. 도 12의 (E)는 필름 형태의 외장체(11)의 상면도이다.
구성 요소의 치수는 도 12의 (A) 내지 (E)에 있어서 실질적으로 같다. 도 12의 (E)에서 일점쇄선에 의하여 둘러싸인 영역(71)은, 도 12의 (B)에서의 세퍼레이터와 실질적으로 같은 치수를 가진다. 도 12의 (E)에서의 단부와 파선 사이의 영역은 접합부(33)와 접합부(34)에 대응한다.
도 13의 (A)는 양극 활물질층(78)이 양극 집전체(72)의 양면에 제공되는 예를 나타낸 것이다. 구체적으로는, 음극 집전체(74), 음극 활물질층(79), 세퍼레이터(73), 양극 활물질층(78), 양극 집전체(72), 다른 양극 활물질층(78), 다른 세퍼레이터(73), 다른 음극 활물질층(79), 및 다른 음극 집전체(74)가 이 순서대로 적층된다. 도 13의 (B)는 평면(80)을 따른 적층 구조의 단면도이다.
또한 도 13의 (A)에 세퍼레이터를 2개 사용한 예를 나타내었지만, 아래의 구조를 채용하여도 좋다: 하나의 세퍼레이터를 접고 2개의 단부를 봉지 형상이 형성되도록 밀봉하고, 양극 집전체(72)가 상기 봉지 형상에 제공된다. 양극 활물질층(78)은 봉지 형상의 세퍼레이터에 제공되는 양극 집전체(72)의 양면에 형성된다.
음극 활물질층(79)을 음극 집전체(74)의 양면에 제공하여도 좋다. 도 13의 (C)에 나타낸 이차 전지에서는 양면에 음극 활물질층(79)이 각각 제공된 3개의 음극 집전체(74), 양면에 양극 활물질층(78)이 각각 제공된 4개의 양극 집전체(72), 및 8개의 세퍼레이터(73)가, 한쪽 면에 음극 활물질층(79)을 각각 가지는 2개의 음극 집전체(74) 사이에 끼워진다. 이 경우, 4개의 봉지 형상의 세퍼레이터를 8개의 세퍼레이터 대신에 사용할 수 있다.
이차 전지의 용량은 적층의 수의 증가에 의하여 증가될 수 있다. 또한, 양극 활물질층(78)이 양극 집전체(72)의 양면에 제공되고, 음극 활물질층(79)이 음극 집전체(74)의 양면에 제공되면, 이차 전지의 두께를 작게 할 수 있다.
도 14의 (A)는 양극 활물질층(78)이 양극 집전체(72)의 한쪽 면에 제공되고, 음극 활물질층(79)이 음극 집전체(74)의 한쪽 면에 제공된 이차 전지를 나타낸 것이다. 구체적으로, 음극 활물질층(79)은 음극 집전체(74)의 한쪽 면에 제공되고, 세퍼레이터(73)는 음극 활물질층(79)과 접촉하여 적층된다. 양극 집전체(72)의 한쪽 면에 제공된 양극 활물질층(78)은, 음극 활물질층(79)으로부터 떨어진 세퍼레이터(73)의 표면과 접한다. 양극 활물질층(78)이 한쪽 면에 제공된 다른 쪽 양극 집전체(72)는, 양극 집전체(72)의 다른 쪽 면과 접한다. 또한 양극 집전체(72)는 양극 활물질층(78)으로부터 떨어진 표면이 서로 대향하도록 제공된다. 다른 세퍼레이터(73)는 그들 위에 적층되고, 다른 음극 집전체(74)의 한쪽 면에 제공된 다른 음극 활물질층(79)은 세퍼레이터와 접촉하여 적층된다. 도 14의 (B)는 평면(90)을 따른 도 14의 (A)에서의 적층 구조의 단면도이다.
도 14의 (A)에서는 2개의 세퍼레이터가 사용되었지만, 아래의 구조를 채용하여도 좋다: 하나의 세퍼레이터를 접고 2개의 단부를 봉지 형상이 형성되도록 밀봉하고, 한쪽 면에 양극 활물질층(78)이 각각 제공된 2개의 양극 집전체(72)가 봉지 형상으로 제공되는 구조.
도 14의 (C)에서는, 도 14의 (A)에 나타낸 복수의 적층체가 적층된다. 도 14의 (C)에서 음극 활물질층(79)으로부터 떨어진 표면이 서로 대향하도록 음극 집전체(74)가 제공된다. 도 14의 (C)에서는 12개의 양극 집전체(72), 12개의 음극 집전체(74), 및 12개의 세퍼레이터(73)가 적층된다.
양극 활물질층(78)이 양극 집전체(72)의 한쪽 면에 제공되고, 음극 활물질층(79)이 음극 집전체(74)의 한쪽 면에 제공되는 구조를 가지는 이차 전지는, 양극 활물질층(78)이 양극 집전체(72)의 양면에 제공되고, 음극 활물질층(79)이 음극 집전체(74)의 양면에 제공되는 구조를 가지는 이차 전지보다 두껍다. 그러나, 양극 활물질층(78)이 제공되지 않는 양극 집전체(72)의 표면은 양극 활물질층(78)이 제공되지 않는 다른 양극 집전체(72)의 표면과 대향한다; 결과적으로, 금속이 서로 접촉된다. 마찬가지로, 음극 활물질층(79)이 제공되지 않는 음극 집전체(74)의 표면은 음극 활물질층(79)이 제공되지 않는 다른 음극 집전체(74)의 표면과 대향한다; 결과적으로, 금속이 서로 접촉된다. 금속이 서로 접촉되는 표면은 낮은 마찰 때문에 서로 미끄러워지기 쉽다. 이차 전지의 금속은 굴곡 시에 서로 미끄러지기 때문에, 이차 전지는 용이하게 굴곡된다.
양극 집전체(72) 및 음극 집전체(74)의 돌출부는 탭부라고도 말한다. 이차 전지가 굴곡되면, 양극 집전체(72) 및 음극 집전체(74)의 탭부는 용이하게 절단된다. 이것은 탭부가 길고 좁은 돌출부이고, 응력이 탭부의 뿌리에 가해지기 쉽기 때문이다.
양극 활물질층(78)이 양극 집전체(72)의 한쪽 면에 제공되고, 음극 활물질층(79)이 음극 집전체(74)의 한쪽 면에 제공되는 구조에서, 양극 집전체(72)가 서로 접촉되는 표면 및 음극 집전체(74)가 서로 접촉되는 표면이 있다. 집전체가 서로 접촉되는 표면은 낮은 마찰 저항을 가지기 때문에, 전지가 변형될 때에 발생하는 곡률 반경의 차이로 인한 응력을 용이하게 감소시킨다. 또한, 양극 활물질층(78)이 양극 집전체(72)의 한쪽 면에 제공되고, 음극 활물질층(79)이 음극 집전체(74)의 한쪽 면에 제공되는 구조에서는 탭부 각각의 전체 두께가 크기 때문에, 양극 활물질층(78)이 양극 집전체(72)의 양면에 제공되고, 음극 활물질층(79)이 음극 집전체(74)의 양면에 제공되는 구조의 경우에 비하여 응력이 확산된다. 결과적으로, 탭부가 절단되기 어려워진다.
이와 같이 적층하는 경우, 모든 양극 집전체(72)를 동시에 고장하여 전기적으로 접속하기 위하여 초음파 용접을 수행한다. 또한 초음파 용접이 리드 전극과 중첩되는 양극 집전체(72)에 수행되면, 이들을 효율 좋게 전기적으로 접속할 수 있다.
초음파 용접은, 다른 양극 집전체의 탭부와 중첩되도록 배치된 양극 집전체의 탭부에, 압력이 인가된 상태로, 초음파를 인가하는 식으로 수행될 수 있다.
세퍼레이터(73)는 양극 집전체(72)와 음극 집전체(74) 간의 전기적인 단락을 억제하는 형태를 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어 도 15의 (A)에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(73)의 각각의 폭이 양극 집전체(72)와 음극 집전체(74)의 폭보다 크면, 굴곡 등의 변형으로 인하여 양극 집전체(72)와 음극 집전체(74)의 상대적인 위치가 시프트된 경우에서도, 양극 집전체(72)와 음극 집전체(74)가 서로 접촉되는 일이 적어 바람직하다. 또는 도 15의 (B)에 나타낸 바와 같이 하나의 세퍼레이터(73)가 주름상자 형상으로 접어지거나, 도 15의 (C)에 나타낸 바와 같이 하나의 세퍼레이터(73)가 양극 집전체(72)와 음극 집전체(74)의 주위를 교대로 두르는 것이 바람직하다. 이들 경우에서는, 양극 집전체(72)와 음극 집전체(74)의 상대적인 위치가 시프트될 때에도 양극 집전체(72)와 음극 집전체(74)는 서로 접촉되지 않는다. 도 15의 (B) 및 (C)에서, 세퍼레이터(73)는 양극 집전체(72)와 음극 집전체(74)의 적층 구조의 측면의 일부를 덮도록 제공된다.
도 15의 (A) 내지 (C)에는 양극 활물질층(78)과 음극 활물질층(79)을 나타내지 않았지만, 이들 형성 방법에 대해서는 상술한 설명을 참조할 수 있다. 여기서는 양극 집전체(72)와 음극 집전체(74)가 교대로 배치된 예를 나타내었지만, 상술한 바와 같이 2개의 양극 집전체(72) 또는 2개의 음극 집전체(74)가 서로 인접하여도 좋다.
본 실시형태의 예에서, 하나의 직사각형의 필름이 반으로 접어지고, 2개의 단부들은 밀봉하기 위하여 서로 중첩하게 한다. 그러나, 필름의 형상은 직사각형에 한정되지 않고, 삼각형, 정방형, 또는 오각형 등의 다각형, 또는 원형 또는 별 모양 등의 직사각형 이외의 어떤 좌우 대칭의 형상으로 할 수 있다.
휴대 정보 단말 등에 사용되는 작은 전지의 예를 본 실시형태에서 설명하였지만, 본 발명의 일 형태는 이 예에 특히 한정되지 않는다. 차량 등에 제공되는 큰 전지에 적용할 수도 있다.
리튬 이온 이차 전지로의 적용의 예를 본 실시형태에서 설명하였지만, 본 발명의 일 형태는 이 예에 한정되지 않는다. 납 축전지, 리튬 이온 폴리머 이차 전지, 니켈 수소 축전지, 니켈 카드뮴 축전지, 니켈 철 축전지, 니켈 아연 축전지, 산화 은 아연 축전지, 고체 전지, 및 공기 전지 등의 다양한 이차 전지에 적용할 수도 있다. 1차 전지, 용량 소자, 및 리튬 이온 용량 소자 등의 다양한 축전 장치에 적용할 수도 있다. 또한 태양 전지, 광학 센서, 터치 센서, 표시 장치, FPC(가요성 인쇄 회로), 및 광학 필름(예를 들어, 편광판, 위상차판, 프리즘 시트, 광반사 시트, 및 광확산 시트) 등에 적용할 수 있다.
본 실시형태의 적어도 일부를, 본 명세서에서 설명하는 다른 실시형태 및 실시예 중 어느 것과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는, 실시형태 1을 사용하여 얻어진 전지, 특히 이차 전지를 내장한 전자 기기의 예에 대하여 설명한다.
실시형태 1에 따라 제작될 수 있는 이차 전지는, 얇고 플렉시블한 필름을 외장체로서 포함하기 때문에, 플렉시블하게 변형시킬 수 있다.
시계 등의 전자 기기의 일부는 사용자의 몸의 일부(손목 또는 팔)와 접촉, 즉 사용자가 전자 기기를 장착함으로써, 사용자는 전자 기기의 실제 무게보다 가볍게 느낄 수 있다. 이차 전지가 적합한 형상으로 고정될 수 있도록, 사용자의 몸의 일부에 맞는 곡면을 가지는 형상의 전자 기기에 플렉시블 이차 전지를 제공할 수 있다.
사용자가 전자 기기를 장착한 몸의 일부를 움직이면, 전자 기기가 몸의 일부에 맞는 곡면을 가지는 경우에도, 사용자는 위화감을 느끼고, 전자 기기를 불편한 것으로서 간주하고 스트레스를 느낄 수 있다. 변화될 수 있는 부분에 플렉시블 이차 전지가 제공된 전자 기기를 사용자의 몸의 움직임에 따라 적어도 부분적으로 변형시킬 수 있어, 사용자가 불편함을 안 느끼는 전자 기기를 얻을 수 있다.
전자 기기는 곡면 가지는 형상 또는 복잡한 형상을 반드시 가질 필요는 없고, 간단한 형상을 가져도 좋다. 예를 들어, 간단한 형상을 가지는 전자 기기에 내장할 수 있는 부품의 수 또는 사이즈는 전자 기기의 하우징에 의하여 형성되는 공간의 체적에 따라 결정되는 경우가 많다. 이차 전지 이외의 부품들 사이의 작은 공간에 플렉시블 이차 전지를 제공함으로써 전자 기기의 하우징에 의하여 형성되는 공간을 효율 좋게 사용할 수 있기 때문에, 전자 기기의 사이즈를 축소할 수 있다.
웨어러블 디바이스의 예에는 웨어러블 카메라, 웨어러블 마이크로폰, 및 웨어러블 센서 등의 웨어러블 입력 단말; 웨어러블 디스플레이 및 웨어러블 스피커 등의 웨어러블 출력 단말; 및 어느 것의 입력 단말 및 어느 것의 출력 단말의 기능을 가지는 웨어러블 입출력 단말이 포함된다. 웨어러블 디바이스의 다른 예로서, 각 장치의 제어 및 데이터의 계산 또는 가공을 수행하는 장치, 대표적으로는 CPU를 포함하는 웨어러블 컴퓨터가 있다. 다른 웨어러블 디바이스의 예로서는, 데이터를 기억하고, 데이터를 송신하고, 및 데이터를 수신하는 장치, 대표적으로, 휴대 정보 단말 및 메모리를 포함한다.
플렉시블 이차 전지를 사용하는 각 전자 기기의 예는 다음과 같다: 헤드 마운티드 디스플레이 및 고글형 디스플레이 등의 표시 장치, 텔레비전(텔레비전 수신기라고도 함), 데스크톱형 퍼스널 컴퓨터, 노트북형 퍼스널 컴퓨터, 컴퓨터용 등의 모니터, 디지털 카메라 또는 디지털 비디오 카메라 등의 카메라, 디지털 포토프레임, 전자 수첩, 전자 서적 리더, 전자 번역기, 장난감, 마이크로폰 등의 음성 입력 기기, 전기 면도기, 전동 칫솔, 전자 레인지 등의 고주파 가열 장치, 전기 밥솥, 전기 세탁기, 전기 청소기, 온수기, 선풍기, 모발 건조기, 가습기나 제습기나 에어컨디셔너 등의 공기 조화 설비, 식기 세척기, 식기 건조기, 의류 건조기, 이불 건조기, 전기 냉장고, 전기 냉동고, 전기 냉동 냉장고, DNA 보존용 냉동고, 손전등, 전동 공구, 연기 감지기나 가스 경보 장치나 방범 경보 장치 등의 경보 장치, 산업용 로봇, 보청기나 심장 페이스메이커나 X선 장치나 방사선 측정기나 전기 마사지기나 투석기 등의 건강 기기 및 의료 기기, 휴대 전화기(휴대 전화 장치 또는 휴대 전화라고도 함), 휴대형 게임기, 휴대 정보 단말, 조명 장치, 헤드폰 스테레오, 스테레오, 리모트 컨트롤러, 탁상 시계나 벽시계 등의 시계, 무선 전화기의 수화기, 트랜스시버, 보수계, 계산기, 디지털 오디오 플레이어 등의 휴대형 또는 설치형 음향 재생 장치, 및 파친코기 등의 대형 게임기.
또한 플렉시블 이차 전지는 집 또는 빌딩의 굴곡된 내벽/외벽 표면 또는 자동차의 굴곡된 내장/외장 표면을 따라 내장할 수 있다.
도 16의 (A)는 휴대 전화기의 예를 나타낸 것이다. 휴대 전화기(7400)는 하우징(7401)에 내장된 표시부(7402), 조작 버튼(7403), 외부 접속 포트(7404), 스피커(7405), 및 마이크로폰(7406) 등을 포함한다. 또한 휴대 전화기(7400)는 이차 전지(7407)를 포함한다.
도 16의 (B)는 굴곡된 휴대 전화기(7400)를 나타낸 것이다. 휴대 전화기(7400) 전체가 외력으로 굴곡된 경우, 휴대 전화기(7400)에 포함되는 이차 전지(7407)도 굴곡된다. 도 16의 (C)는 굴곡된 이차 전지(7407)를 나타낸 것이다. 이차 전지(7407)는 래미네이트 축전지이다(적층 전지 또는 필름-외장 전지라고도 함). 이차 전지(7407)는 굴곡된 상태로 고정된다. 또한 이차 전지(7407)는 집전체(7409)와 전기적으로 접속된 리드 전극(7408)을 포함한다. 예를 들어 이차 전지(7407)의 외장체로서 기능하는 필름이 엠보싱됨으로써 이차 전지(7407)가 굴곡된 경우에도 높은 신뢰성을 가진다. 휴대 전화기(7400)에는 SIM 카드의 삽입을 위한 슬롯, USB 메모리 등의 USB 장치를 접속하기 위한 커넥터 부분이 더 제공되어도 좋다.
도 16의 (D)는 굴곡할 수 있는 휴대 전화기의 예를 나타낸 것이다. 팔뚝을 따라 굴곡되면, 휴대 전화기는 도 16의 (E)와 같이 뱅글형 휴대 전화기로서 사용할 수 있다. 휴대 전화기(7100)는 하우징(7101), 표시부(7102), 조작 버튼(7103), 및 이차 전지(7104)를 포함한다. 도 16의 (F)는 굴곡된 상태의 이차 전지(7104)를 나타낸 것이다. 이차 전지(7104)가 굴곡된 채 휴대 전화를 사용자의 팔에 끼우면, 하우징이 변형되고 이차 전지(7104)의 일부 또는 전부의 곡률이 변화된다. 구체적으로, 하우징 또는 이차 전지(7104)의 주된 표면의 일부 또는 전체는 곡률 반경 10mm 내지 150mm의 범위에서 변화된다. 또한 이차 전지(7104)는 집전체(7106)와 전기적으로 접속된 리드 전극(7105)을 포함한다. 예를 들어, 프레싱은 이차 전지(7104)의 외장체로서 기능하는 필름의 표면에 복수의 요철을 형성하도록 수행되어, 이차 전지(7104)가 상이한 곡률로 복수회 굴곡되어도 신뢰성을 유지한다. 휴대 전화기(7100)에는 SIM 카드의 삽입을 위한 슬롯, USB 메모리 등의 USB 장치를 접속하기 위한 커넥터 부분이 더 제공되어도 좋다. 도 16의 (D)에 나타낸 휴대 전화기의 중앙 부분을 굴곡하면, 도 16의 (G)에 나타낸 형태를 얻을 수 있다. 휴대 전화기의 단부들이 도 16의 (H)에 나타낸 바와 같이 서로 중첩되도록 휴대 전화기의 중심부가 접어지면, 휴대 전화기의 사이즈를, 예컨대 사용자가 입은 옷의 주머니에 넣을 만큼 줄일 수 있다. 상술한 바와 같이, 도 16의 (D)에 나타낸 휴대 전화기는, 하나보다 많은 형태로 변형할 수 있고, 휴대 전화기를 변형하기 위해서는 적어도 하우징(7101), 표시부(7102), 및 이차 전지(7104)가 유연성을 가지는 것이 바람직하다.
도 17의 (A)는 청소기의 예를 나타낸 것이다. 이차 전지가 제공됨으로써, 청소기는 무선화할 수 있다. 청소기 내에, 흡인한 먼지를 넣기 위한 집진(集塵) 공간을 확보하기 위하여, 이차 전지(7604)로 차지되는 공간은 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 이러한 이유로, 외측 표면과 집진 공간 사이에, 굴곡할 수 있는 이차 전지(7604)를 제공하는 것이 유용하다.
청소기(7600)에는 조작 버튼(7603) 및 이차 전지(7604)가 제공된다. 도 17의 (B)는 굴곡된 상태의 이차 전지(7604)를 나타낸 것이다. 이차 전지(7604)의 외장체로서 기능하는 필름이 엠보싱됨으로써 이차 전지(7604)가 굴곡된 경우에도 높은 신뢰성을 가진다. 이차 전지(7604)는, 음극에 전기적으로 접속된 리드 전극(7601) 및 양극에 전기적으로 접속된 리드 전극(7602)을 포함한다.
외장체의 각 짧은 변으로부터 하나의 집전체가 노출된 이차 전지의 예로서, 굴곡된 이차 전지(7605)를 도 17의 (C)에 나타내었다. 도 17의 (C)에 나타낸 이차 전지(7605)에서는, 양극 집전체(72)의 일부가 외장체의 짧은 하나의 변으로부터 노출되고, 음극 집전체(74)의 일부가 외장체의 짧은 다른 하나의 변으로부터 노출된다. 이차 전지(7605)의 외장체로서 기능하는 필름도 엠보싱됨으로써 이차 전지(7605)는 굴곡될 수 있고 높은 신뢰성을 가진다. 또한 하나의 리드 전극이 외장체의 짧은 하나의 변으로부터 노출된 구조를 채용하여도 좋다.
박형 이차 전지(7604)는 실시형태 1에 기재된 래미네이트 이차 전지의 제작 방법에 의하여 제작될 수 있다.
박형 이차 전지(7604)는 래미네이트 구조를 가지고, 굴곡된 상태로 고정된다. 청소기(7600)는 예를 들어, 박형 이차 전지(7604)의 전력 잔량을 표시하는 표시부(7606)를 포함한다. 표시부(7606)의 표시면은 청소기의 외측 면의 형상에 맞도록 굴곡된다. 청소기는 콘센트와 접속되기 위한 접속 코드를 포함한다. 박형 이차 전지(7604)에 충분한 전력이 충전되면, 접속 코드를 콘센트에서 빼선 청소기를 사용할 수 있다. 박형 이차 전지(7604)는 접속 코드를 사용하지 않고 무선으로 충전하여도 좋다.
굴곡될 수 있는 이차 전지가 차량에 사용됨으로써, 하이브리드 전기 차량(HEVs), 전기 차량(EVs), 및 플러그인 하이브리드 전기 차량(PHEVs) 등의 차세대 클린 에너지 차량을 생산할 수 있다. 또한 농업 기계, 전동 어시스트 자전거를 포함하는 엔진이 달린 자전거, 오토바이, 전동 휠체어, 전동 카트, 보트 또는 선박, 잠수함, 고정 날개 항공기 및 회전 날개 항공기 등의 항공기, 로켓, 인공 위성, 우주 탐사기, 혹성 탐사기, 및 우주선 등의 이동체에 굴곡할 수 있는 이차 전지를 사용할 수도 있다.
도 18의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명의 일 형태에 따라 제작된 차량의 예를 나타낸 것이다. 도 18의 (A)에 나타낸 자동차(8100)는 전기 모터의 힘으로 주행하는 전기 차량이다. 또는 자동차(8100)는, 전기 모터 및 엔진의 한쪽을 적절히 사용하여 주행할 수 있는 하이브리드 전기 차량이다. 차량에 래미네이트 이차 전지를 제공하는 경우, 복수의 래미네이트 이차 전지를 포함하는 전지 모듈이 1개소 이상에 배치된다. 본 발명의 일 형태에 따르면 이차 전지 자체를 소형화 및 경량화할 수 있어, 예를 들어 곡면을 가지는 이차 전지가 차량의 타이어 내측에 제공되면 이 차량은 연비가 좋은 차량이 될 수 있다. 또한 다양한 형상을 가질 수 있는 이차 전지는 차량의 좁은 공간에 제공할 수 있고, 트렁크의 공간 및 승객을 위한 공간을 확보할 수 있다. 자동차(8100)는 이차 전지를 포함한다. 이차 전지는 전기 모터를 구동할 뿐만 아니라, 헤드라이트(8101) 또는 실내전등(도면에 나타내지 않았음) 등의 발광 장치에 전력을 공급하기 위해서도 사용된다.
이차 전지는 자동차(8100)에 포함되는 속도계 또는 회전 속도계 등의 표시 장치에 전력을 공급할 수도 있다. 또한, 이차 전지는 내비게이션 시스템 등, 자동차(8100)에 포함되는 반도체 장치에 전력을 공급할 수 있다.
도 18의 (B)는 자동차(8200)를 나타낸 것이다. 자동차(8200)에 포함되는 이차 전지에 플러그인 시스템 또는 비접촉 급전 시스템 등에 의하여 외부의 충전 설비를 통하여 전력이 공급될 때, 자동차(8200)를 충전할 수 있다. 도 18의 (B)에서, 자동차(8200)에 포함되는 이차 전지는 케이블(8022)을 통하여 지상 기반 충전 장치(8021)를 사용하여 충전된다. 충전에 있어서, 충전 방법 및 커넥터의 규격 등으로서는 CHAdeMO(등록 상표) 또는 Combined Charging System 등의 소정의 방법을 적절히 채용하면 좋다. 충전 장치(8021)는 상용 시설에 제공된 충전 스테이션 또는 가정용 전원이라도 좋다. 예를 들어, 플러그인 기술을 이용하여, 외부로부터의 전력 공급에 의하여, 자동차(8200)에 포함되는 이차 전지를 충전할 수 있다. 충전은 AC-DC 컨버터 등의 컨버터를 통하여 AC 전력을 DC 전력으로 변환함으로써 수행될 수 있다.
또한 나타내지 않았지만, 상기 자동차는 지상 송전 장치로부터 전력을 비접촉 방식으로 공급받아 충전될 수 있도록 수전 장치를 포함하여도 좋다. 비접촉 급전 시스템의 경우, 도로 또는 외벽에 송전 장치를 설치함으로써 자동차가 멈출 때뿐만 아니라 움직일 때에도 충전이 수행될 수 있다. 또한 비접촉 급전 시스템은 2대의 자동차 사이에서 송전/수전을 수행하기 위하여 이용하여도 좋다. 또한, 자동차의 외장에 태양 전지를 제공하여, 자동차가 멈출 때 또는 움직일 때에 이차 전지를 충전하여도 좋다. 이와 같은 비접촉 방식으로 전력을 공급하기 위해서는 전자 유도 방식 또는 자기 공명 방식을 이용할 수 있다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 이차 전지를 제공할 수 있는 장소의 자유도를 증가시킬 수 있어 자동차를 효율 좋게 설계할 수 있다. 또한 본 발명의 일 형태에 따르면, 이차 전지의 특성 향상의 결과, 이차 전지 자체를 작고 가볍게 할 수 있다. 작고 가벼운 이차 전지는 자동차의 무게의 감소에 공헌하기 때문에 운전 거리를 증가시킨다. 또한, 자동차에 포함되는 이차 전지는 자동차 이외의 제품에 전력을 공급하기 위한 전원으로서 사용할 수 있다. 이러한 경우, 전력 수요의 피크 시에 상용 전원을 사용하는 것을 피할 수 있다.
본 실시형태의 적어도 일부를, 본 명세서에서 설명하는 다른 실시형태 및 실시예 중 어느 것과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시예 1)
본 실시예에서는, 본 발명의 일 형태의 전지로서 제작되고 촬상된, 실시형태 1에서 예시한 굴곡될 수 있는 전지(리튬 이온 이차 전지)의 내부 형상에 대하여 설명한다.
각 리튬 이온 이차 전지는 양극 활물질로서 LiCoO2, 음극 활물질로서 흑연, 외장체로서 엠보싱된 알루미늄 래미네이트 필름을 사용하고, 실시형태 1에서 설명한 제작 방법에 의하여 제작되었다. 전극 적층체의 두께는 약 1.5mm이다. 전극 적층체에서는, 각각 알루미늄 포일로 만들어지고 한쪽에 양극 활물질층이 제공된 6개의 집전체와 각각 구리 포일로 만들어지고 한쪽에 음극 활물질층이 제공된 6개의 집전체를 교대로 적층하였다.
각 외장체로서는, 폴리프로필렌, 알루미늄 포일, 및 나일론이 이 순서대로 적층된 약 110μm의 두께를 가지는 알루미늄 래미네이트 필름이 사용되었다. 파도의 피치가 2mm, 또한 산과 골짜기 사이의 높이 차이가 0.5mm가 되도록 가공함으로써 필름을 얻었다.
필름의 접합부의 형성을 위한 접합은 평면을 가지는 주형(열 바(heat bar))을 사용하여 수행하였다. 파의 능선 및 파의 골짜기선에 대하여 수직인 방향의 한 쌍의 접합층(사이드 실링한 부분)은 폭 1mm의 열 바를 사용하고 압력 600kPa/cm2, 온도 175℃로 압착함으로써 형성하였다. 한편, 파의 능선 및 파의 골짜기선에 대하여 평행한 방향의 접합층(톱 실링한 부분)은 리드 부분과 대향하는 위치에 홈이 제공된 폭 2mm의 열 바를 사용하고 압력 125kPa/cm2, 온도 175℃로 압착함으로써 형성하였다.
여기서, 다음과 같이 제작한 2종류의 시료를 준비하였다. 접어진 부분이 되는 필름의 부분을 평탄화하고, 서로 중첩된 부분의 파의 위상이 서로 약 180° 상이하도록 필름을 접는다, 즉 파의 능선이 서로 중첩되고 파의 골짜기선이 서로 중첩되도록 제작된 시료의 하나를 시료 1로 하였다. 평탄화는, 압력 60kPa/cm2, 온도 100℃에서 열 바 가압법(heat bar press method)에 의하여, 파의 능선들을 경계로 하고, 상기 파의 능선들 사이의 폭 약 6mm의 영역에 대하여 수행한다.
대향하는 부분의 파의 위상이 일치되도록, 즉 파의 능선의 한쪽 부분이 파의 골짜기선의 다른 쪽 부분과 중첩하도록 필름이 접어져 제작된 다른 시료를 시료 2로 하였다.
제작된 2개의 시료의 이차 전지 각각의 내부를 X선 전산화 단층 촬영(X선 CT)에 의하여 관찰하였다.
도 19의 (A) 및 (B)는 시료 1의 외간을 나타낸 사진이고, 도 19의 (C) 및 (D)는 시료 2의 외관을 나타낸 사진이다. 시료 1 및 시료 2 각각의 접합부가 매우 평탄하게 형성되었다는 것이 이들 사진으로부터 알았다. 또한 시료 1 및 시료 2 각각의 필름의 일부는, 필름의 단부에 가까운 부분의 파도의 주기가 필름의 중앙 부분의 파도의 주기보다 길고 필름의 단부에 가까운 부분의 파도의 진폭이 필름의 중앙 부분의 파도의 진폭보다 작게 되도록 변형되어 있다.
도 20의 (A) 및 (B)는 시료 1의 X선 투과 사진이다. 도 20의 (A)는 상면을 나타낸 사진이고, 도 20의 (B)는 측면을 나타낸 사진이다. 도 20의 (A)에 나타낸 바와 같이, 접어진 부분은 접합부(사이드 실링한 부분)로부터의 거리가 멀어질수록 더 오목하게 만곡되어 있다. 또한 도 20의 (B)에 나타낸 바와 같이, 전극 적층체와 필름 사이에 공간이 형성되어 있다.
도 21의 (A) 및 (B)는 시료 2의 X선 투과 사진이다. 시료 1과 같이, 시료 2의 접어진 부분은 접합부로부터의 거리가 멀어질수록 더 오목하게 만곡된다. 전극 적층체와 필름 사이에 공간이 형성되어 있다는 것도 알았다.
도 22의 (A)는 접어진 부분을 가로 방향으로부터 관찰한 시료 1의 X선 CT 화상의 확대도이다. 시료 1의 접어진 부분은 실질적으로 좌우 대칭의 단정한 원호 형상을 가진다. 이 사진으로부터, 전극 적층체와 필름의 내벽 사이의 거리가 전극 적층체의 중앙 근방에서 약 2.2mm, 전극 적층체의 단부 근방에서 약 2.0mm인 것도 알았다. 도 22의 (A)에 나타낸 바와 같이, 필름의 접어진 부분은 파의 능선들이 접속되도록 형성되기 때문에, 필름에 의하여 둘러싸인 영역의 공간은 두께 방향으로 커지도록 형성되고, 전극 적층체의 단부는 필름의 표면과 접촉하지 않는다.
도 22의 (B)는 접어진 부분을 가로 방향으로부터 관찰한 시료 2의 X선 CT 화상의 확대도이다. 시료 2의 접어진 부분은 좌우 비대칭의 왜곡된 형상을 가진다. 또한 시료 2에는 전극 적층체와 필름의 내벽 사이의 거리가 약 2.4mm의 큰 부분뿐만 아니라, 전극 적층체와 필름의 내벽 사이의 거리가 약 1.3mm의 작은 부분도 포함되고, 이는, 시료 1과 달리 충분한 공간이 형성되지 않은 것을 명시한다. 또한 도 22의 (B)에 나타낸 바와 같이, 전극 적층체의 하나의 단부가 필름과 부분적으로 접촉되고, 이에 의하여 전지가 굴곡되는 경우, 전극 적층체의 하나의 단부와 필름이 서로 마찰할 수 있는 것이 시사된다.
상술한 결과로부터, 필름의 파의 위상이 서로 180° 상이하도록 만들어질 때, 접어진 부분은 두께 방향에서 대칭으로 형성될 수 있는 것이 시사되었다. 상술한 결과로부터, 능선들이 접속되도록 접어진 부분이 되는 필름의 일부를 평탄화함으로써, 공간이 형성된 부분에 어느 파도가 위치하는 것을 방지하고, 두께 방향에도 공간이 더 크게 형성되는 것도 나타내어진다.
(실시예 2)
필름의 인장 시험의 결과에 대하여 아래에서 설명한다.
상기 시험에는 실시예 1에서 사용된 것과 같은 필름을 사용하였다. 시험편은 15mm×100mm의 크기의 직사각형으로 하였다.
상기 인장 시험에서 시험편은 클램프를 사이에 끼워지고, 인장 방향에서의 클램프들 사이의 거리를 변경하면서 인장에 필요한 힘을 측정하였다. 시험편이 인장되기 전의 클램프들 사이의 거리는 50mm이다. 시험에는 EZ 그래프(Shimadzu Corporation 제조)를 사용하였다.
도 23은 인장 시험의 결과를 나타낸 것이다. 가로축은 시험편의 변위량을 나타내고, 세로축은 인장 강도를 나타낸다. 인장 강도는, 변위량이 약 4mm에 달하기 까지 완만한 경사로 선형적으로 변형하고, 이는 엠보싱된 파도 형상이 신장되도록 변형된 것을 나타낸다. 이는 필름이 약한 힘으로 변형될 수 있는 것을 시사한다. 인장 강도는 변위량이 약 4mm에 달한 후에 급격하게 증가하고, 이는 시험편 자체가 신장된 것을 시사한다.
따라서, 전지의 외장체에 쉽게 신장될 수 있는 엠보싱된 적층필름을 사용함으로써 플렉시블하게 굴곡할 수 있는 전지를 제작할 수 있다.
(실시예 3)
본 실시예에서는, 본 발명의 일 형태의 전지를 제작하고, 굴곡 시험에 의하여 전지의 밀봉성(sealing capability)에 미치는 영향을 조사하였다. 구체적으로는, 굴곡 시험을 수행한 시료와 굴곡 시험을 수행하지 않은 시료 각각의 필름에 들어간 수분의 양을 측정하였다.
본 실시예에서 사용한 전지는, 필름의 접합 온도를 제외하고 실시예 1의 시료 1과 같은 방법에 의하여 제작하였다. 즉, 각각의 전지의 필름을, 파의 능선들이 실질적으로 서로 중첩되도록, 파의 골짜기선들이 실질적으로 서로 중첩되도록 접었다. 사이드 실링 부분과 톱 실링 부분의 필름의 접합은 185℃로 수행하였다.
제작된 전지 각각의 톱 실링 부분의 길이와 사이드 실링 부분의 길이는 각각 약 15mm 및 52mm이다. 전해액으로서는, 약 400μL의 프로필렌 카보네이트(PC)를 사용하였다.
필름 각각에 들어간 수분의 양의 측정은 다음과 같은 방법에 의하여 수행하였다. 먼저, 물이 주입된 오토클레이브(autoclave)를 준비하고, 제작된 전지가 담가지도록 오토클레이브에 넣었다. 다음에 오토클레이브를 120℃로 유지한 온도 조절 장치에 넣고, 전지를 약 25.5시간 동안 끓었다. 그 후, 전지를 꺼내 글러브 박스 내에서 필름 각각을 개봉하고, 400μL의 PC를 첨가하였다. 첨가된 PC와 전지 각각의 전해액을 잘 혼합하여 혼합물을 약 0.3g 얻었다. 그리고 얻어진 혼합물에서의 수분의 양에 대하여 Karl Fischer 수분계(MKC 610, Kyoto Electronics Manufacturing Co., Ltd. 제조)를 사용하여 측정하였다. 각각의 필름에 들어간 수분의 양은, 측정된 수분의 양으로부터 PC 자체에 함유된 원래 수분의 양을 뺌으로써 추산하였다.
수분이 들어간 양의 측정에는 이하의 4종류의 전지를 사용하였다. 제 1 전지는 굴곡 시험을 수행하지 않은 것(조건 1)이다. 제 2 전지는 40mm의 곡률 반경으로 10000번 반복하여 굴곡진 것(조건 2)이다. 제 3 전지는 제작 후에 160℃로 15분 동안 가열한 것(조건 3)이다. 제 4 전지는 제작 후에 160℃로 15분 동안 가열하고, 40mm의 곡률 반경으로 10000번 반복하여 굴곡진 것(조건 4)이다.
도 24의 (A)는 조건 1 및 조건 2의 전지에 들어간 수분의 양의 측정 결과를 나타낸 것이다. 조건 1의 측정 시료의 수는 5이고 조건 2의 측정 시료의 수는 7이다. 반복적으로 굴곡진 조건 2의 시료에 들어간 수분의 양은 조건 1의 시료와 실질적으로 동일하였다. 이것은 반복적인 굴곡이 필름의 밀봉성을 저하시키지 않았다는 것을 명시한다. 또한 조건 2의 시료들 중 하나에 들어간 수분의 양은 다른 시료보다 현저히 많지만 110ppm 미만이고, 이것은 전지의 밀봉성을 보증하는 데 충분히 낮다.
도 24의 (B)는 조건 3 및 4의 전지에 들어간 수분의 양의 측정 결과를 나타낸 것이다. 조건 3의 측정 시료의 수는 5이고 조건 4의 측정 시료의 수는 3이다. 조건 3의 시료의 측정 결과로부터, 가열 후에도 충분한 밀봉성이 보증될 수 있는 것이 명시되었다. 조건 4의 시료의 측정 결과로부터, 가열 후에 반복적으로 굴곡하여도 말봉성이 저하되지 않는 것이 명시되었다. 또한 다음과 같은 경향이 관찰되었다: 조건 4의 시료의 밀봉성이 조건 3의 시료의 밀봉성보다 약간 좋다는 경향.
상술한 결과로부터, 일 형태의 전지는 반복적인 굴곡 및 높은 온도 환경에 대하여 충분한 내성을 가지는 것이 명시되었다.
(실시예 4)
본 실시예에서는, 상이한 두께를 가지는 외장체를 사용하여 전지를 제작하고, 상기 전지 각각의 굴곡에 필요한 힘에 대하여 측정하였다.
본 실시예에서는, 이하의 3종류의 외장체를 사용하여 전지(시료 3, 시료 4, 및 시료 5)를 제작하였다. 각 시료에 사용된 외장체는 폴리프로필렌, 알루미늄 포일, 및 나일론이 적층된 알루미늄 래미네이트 필름이다. 시료 3에는, 알루미늄 포일의 두께가 약 40μm, 전체 두께가 약 110μm인 필름이 사용되었다. 시료 4에는, 알루미늄 포일의 두께가 약 30μm, 전체 두께가 약 70μm인 필름이 사용되었다. 시료 5에는, 알루미늄 포일의 두께가 약 20μm, 전체 두께가 약 50μm인 필름이 사용되었다.
또한 외장체의 재료 외는 실시예 3과 같은 방법에 의하여 시료 3 내지 5를 제작하였다.
다음에, 다음과 같은 방법에 의하여 제작된 3개의 시료 각각의 굴곡에 필요한 힘에 대하여 측정하였다. 도 25의 (A) 및 (B)는 측정 방법을 설명한 개략도이다. 측정 장치는 아래 측에 오목 부재를 포함하고 위 측에 볼록 부재를 포함한다. 오목 부재 및 볼록 부재의 곡면의 곡률 반경은 30mm이다. 각 시료는, 그 단부가 오목 부재의 오목부의 에지 부분에 의하여 지지되도록 위치된다. 그리고 도 25의 (B)에 나타낸 바와 같이, 볼록 부재의 볼록부가 시료에 대하여 꽉 늘리면서 볼록 부재가 아래쪽으로 변위되어 평탄한 상태의 시료가 굴곡된다. 볼록 부재를 아래쪽으로 변위시키는 데 필요한 힘을 측정함으로써 시료를 굴곡하는 데 필요한 힘을 추산하였다. 이 측정에는, Shimadzu Corporation 제조의 소형 탁상 정밀 만능 시험기(EZ-Graph)를 사용하였다.
도 26은 측정 결과를 나타낸 것이다. 도 26에서 가로축은 볼록 부재의 변위량을 나타내고, 세로축은 변위에 필요한 힘을 나타낸다. 도 26에서 약 6mm의 변위량으로부터 굴곡에 필요한 힘이 증가하는 것은, 시료의 저면이 오목 부재의 상면과 접하여 시료를 가압하도록 가해지는 힘이 지배적인 상태인 것에 기인한다.
변위량이 6mm 이하일 때, 시료 각각의 굴곡에 필요한 힘은 2N 이하이고, 이것은 전지가 쉽게 굴곡될 수 있는 것을 명시한다.
또한 도 26에 나타낸 바와 같이, 이하의 경향이 관찰되었다: 각 시료의 굴곡에 필요한 힘은, 변위량이 증가될수록, 즉 시료의 곡률 반경이 감소될수록 증가하는 경향. 이것은, 각 전지에 탄력성이 있고 곡률 반경이 감소될수록 원래 형상으로 돌아가려고 하는 힘이 증가되는 것에 기인한다. 특히, 파도 형상을 가지도록 가공된 필름이 외장체로서 사용되고, 외장체의 복원하는 힘은 지배적이라고 추측된다.
도 26에서의 시료의 결과 간의 비교는, 외장체의 두께가 감소될수록 굴곡에 필요한 힘이 감소되는 것을 나타낸다. 예를 들어, 변위량이 4mm일 때, 시료 3의 굴곡에 필요한 힘은 시료 5의 굴곡에 필요한 힘의 약 2배이고, 이 차이는 시료 3과 시료 5 사이의 두께의 차이와 실질적으로 동일하다. 한편, 시료 4의 굴곡에 필요한 힘은 시료 5의 굴곡에 필요한 힘의 약 1.3배이다. 시료 4의 두께는 시료 5의 약 1.4배이기 때문에 시료 4와 시료 5 간의 굴곡에 필요한 힘의 차이는 시료 4와 시료 5 간의 두께의 차이와 실질적으로 동일하다. 이들 결과는, 굴곡에 필요한 힘이 외장체로서 사용되는 필름의 두께에 비례하는 것을 시사한다.
상술한 결과는, 본 발명의 일 형태의 전지가, 파도 형성을 가지는 필름을 외장체로서 사용함으로써 굴곡에 요구되는 힘이 매우 약하고, 외장체의 두께의 감소에 의하여 더 약한 힘으로 굴곡할 수 있는 것을 명시한다.
(실시예 5)
본 실시예에서는, 본 발명의 일 형태의 전지를 내장하는 시계줄을 제작하였다.
먼저, 밴드를 제작하는 방법에 대하여 설명한다. 밴드는 다음과 같은 방법에 의하여 제작되었다. 밴드를 제작하는 방법에 대하여 도 27의 (A) 내지 (E)를 참조하여 설명한다.
먼저, 아래 주형(lower mold) 및 제 1 위 주형(upper mold) 사이에 끼운 성형되는 재료에 대하여 가압하고, 아래 주형 및 제 1 위 주형이 서로 맞는 상태로 이 재료를 경화시킴으로써 아래 성형체(lower molded body)를 형성하였다(도 27의 (A) 및 (B)). 여기서는 도 27의 (B)에 나타낸 바와 같이, 아래 성형체의 일부에 홈을 형성하였다.
이어서 제 1 위 주형을 제외하고 아래 성형체의 홈에 맞도록 전지를 설치하였다(도 27의 (C)).
그 후, 제 2 위 주형 및 아래 주형을, 전지와 제 2 위 주형 사이에 위치한, 성형되는 재료에 대하여 가압하고, 제 2 위 주형 및 아래 주형이 서로 맞는 상태로 상기 재료를 경화시켰다(도 27의 (D)).
그 후, 제 2 위 주형 및 아래 주형을 제거함으로써 전지를 내장하는 밴드를 제작하였다(도 27의 (E)).
본 실시예에서는 성형되는 재료로서, 밀라블형 실리콘(millable silicone) 원료를 사용한 시료 6과 액체 실리콘(liquid silicone) 원료를 사용한 시료 7을 제작하였다. 시료 6에는 실시예 4에서 설명한 시료 3과 같은 방법에 의하여 제작된 전지를 사용하고, 시료 7에는 실시예 4에서 설명한 시료 5와 같은 방법에 의하여 제작된 전지를 사용하였다.
도 28의 (A)는 시료 6의 상면의 외관을 나타낸 사진이다. 도 28의 (A)는 유백색의 실리콘(silicone) 고무에 내장된 전지를 나타낸 것이다. 도 28의 (B)는 전지가 위치하는 밴드의 부분이 굴곡된 상태를 나타낸 사진이다.
도 29의 (A) 및 (B)는 각각 시료 7의 상면 및 측면의 외관을 나타낸 사진이다. 시료 7의 고무 성형체(rubber molded body)는 시료 6보다 깊은 유백색이지만 약간 투명하고, 내장된 전지의 외장체의 파도 형상이 유지된 것이 확인되었다. 도 29의 (C)는 전지가 위치한 밴드의 부분이 굴곡된 상태를 나타낸 사진이다. 시료 7의 외장체에 사용된 필름의 두께는 시료 6의 외장체에 사용된 필름보다 얇기 때문에 시료 7은 높은 신뢰성을 가지고 약한 힘으로 굴곡할 수 있다.
본 발명의 일 형태의 전지를 내장하는 고무 성형체는, 외장체를 고무로 덮고 고무를 성형하는, 상술한 방법으로 제작할 수 있다. 여기서는 시계줄 형상을 형성하였지만, 본 발명의 일 형태는 이에 한정되지 않고, 본 발명의 일 형태의 전지는 다양한 고무 성형체의 임의의 것에 사용될 수 있다.
(실시예 6)
본 실시예에서는, 본 발명의 일 형태에서 제작된 전지의 굴곡 시험의 결과에 대하여 설명한다.
본 실시예에서는, 이하의 3종류의 시료, 시료 8, 시료 9, 및 시료 10을 제작하였다.
시료 8, 시료 9, 및 시료 10 각각의 외장체에는 폴리프로필렌, 알루미늄 포일, 및 나일론이 적층된 알루미늄 래미네이트 필름이 사용되었다. 알루미늄 포일의 두께는 약 20μm이고, 이 필름의 전체 두께는 약 50μm이다. 또한 파도의 피치가 2mm, 능면과 골짜기면 사이의 높이 차이가 0.5mm가 되도록 필름을 가공하였다.
필름을 접는 방법을 제외하고 실시예 1과 같은 방법에 의하여 시료 8, 시료 9, 및 시료 10을 제작하였다.
파의 위상이 서로 180° 상이하도록, 즉 파의 능선들이 서로 중첩하고 파의 골짜기선들이 서로 중첩하도록 막을 접음으로써 시료 8을 얻었다.
파의 위상이 서로 상이하도록, 구체적으로는 약 90° 상이하도록, 필름을 접으로써 시료 9를 얻었다.
파의 위상이 일치하도록, 즉 한쪽 부분의 능선과 다른 쪽 부분의 골짜기선이 중첩하도록 접으로써 시료 10을 얻었다.
도 30의 (A), (B), 및 (C)는 각각 시료 8, 시료 9, 및 시료 10의 X선 투과 사진이다. 각 필름의 한 쌍의 부분의 파도의 일부의 위상은, 필름의 접합 공정 때문에 약간 차이가 나지만, 원하는 형상이 실질적으로 얻어진 것을, 상기 사진이 나타내고 있다.
이어서, 시료 8, 시료 9, 및 시료 10의 각각에 굴곡 시험을 수행하였다. 시험은, 각 시료를 굴곡 반경 40mm(굴곡 시)와 150mm(신장 시) 사이에서 10000번 반복적으로 굴곡하였다.
도 31의 (A), (B), 및 (C)는 굴곡 시험 후의 시료의 외관을 나타낸 사진이다.
도 31의 (A)에 나타낸 바와 같이, 굴곡 시험 후에도, 시료 8의 외관에 현저한 변화는 없었다. 도 31의 (B)의 파선(破線)에 의하여 나타낸 바와 같이, 시료 9의 사이드 실링 부분은 일부 변형하였지만, 전해액의 누설은 없었다. 한편, 시료 10의 사이드 실링 부분은, 도 31의 (C)의 파선으로 나타낸 바와 같이, 일부가 현저히 왜곡되었다. 또한 시료 10의 전해액의 누설은 굴곡 시험을 10000번 수행한 후에 확인되었다.
상술한 결과는, 필름의 파의 위상이 서로 상이한 조건(시료 8 및 시료 9)의 시료의 사이드 실링 부분이, 필름의 파의 위상이 일치한 조건(시료 10)의 시료의 사이드 실링 부분에 비하여 쉽게 변형되지 않다는 것을 나타낸다. 특히, 필름의 파의 위상이 서로 180° 상이한 시료 8에서는 사이드 실링 부분의 형상이 거의 변형되지 않은 것이 관찰되고, 시료 8로부터 양호한 결과가 얻어졌다.
시료 8 및 시료 9의 각 필름에 들어간 수분의 양을 측정하고, 밀봉성을 평가하였다. 수분이 들어간 양의 측정은 실시예 3과 같은 방법에 의하여 수행하였다. 또한 시료 10의 전해액의 누설이 상술한 바와 같이 관찰되었기 때문에 시료 10에 대한 평가는 수행하지 않았다. 또한 2개의 시료 8을 같은 조건하에서 제작하고 굴곡 시험을 수행하고, 2개의 시료 9를 같은 조건하에서 제작하고 굴곡 시험을 수행하여 시료 8 및 시료 9를 평가하였다.
도 32는 수분이 들어간 양의 측정 결과를 나타낸 것이다.
시료 8 각각에 들어간 수분의 양은 100ppm 미만이고, 굴곡 시험을 10000번 수행한 후에도 양호한 밀봉성을 유지한 것이 명시되었다. 또한 시료 8은 실시예 3에서 얻은 시료보다 알루미늄 포일이 얇은 필름을 포함하지만, 시료 8의 밀봉성은 시료 3에서 얻은 시료와 비슷하다.
시료 9 각각에 들어간 수분의 양은 시료 8 각각보다 많다. 이것은, 도 31의 (B)의 외관 사진에 나타내어진 바와 같이, 사이드 실링 부분에 가까운 위치에서 국소적인 변형이 쉽게 생기는 부분이 있기 때문에, 이들 부분의 형상의 반복적인 변형이 금속 피로를 일으켜 알루미늄 포일에 크랙이 생기고, 밀봉성이 악화한 결과라고 추측된다. 특히, 본 실시예의 알루미늄 포일의 두께는 실시예 3의 두께보다 매우 얇기 때문에 밀봉성의 현저한 차이가 관찰될 수 있다.
또한 본 시험에 사용된, 오토클레이브를 사용하고 고온 고압의 물을 이용한 처리는 실용적인 조건보다 힘든 환경의 조건하에서의 검사이고, 굴곡 시험으로 인한 시료 9의 전해액의 누설은 없었다. 이것은 실용적인 밀봉성이 충분히 확보된 것이라고 시사된다.
상술한 결과로부터, 필름의 파의 위상이 서로 상이한 시료가 반복적으로 굴곡된 경우에도, 전해액의 누설 등의 문제가 발생하지 않은 것이 시사되었다. 특히 필름의 파의 위상이 서로 180° 상이한 경우, 밀봉성은 거의 악화되지 않았다. 바꿔 말하면, 필름의 파의 위상 사이의 차이가 180°에 가까운 경우, 굴곡에 대한 저항이 높다.
(실시예 7)
본 실시예에서는 전지가 굴곡된 경우, 파도 형상을 가지는 외장체의 필름의 변형의 계산 결과에 대하여 설명한다.
계산에는 2개의 모델(Model 1 및 Model 2)을 사용한다. 도 33의 (A1) 및 (A2)는 Model 1을 나타내고, 도 33의 (B1) 및 (B2)는 Model 2를 나타내었다. 도 33의 (A1) 및 (B1)은 각각 Model 1 및 Model 2의 사시도이고, 도 33의 (A2) 및 (B2)는 각각 Model 1 및 Model 2를 가로 방향으로부터 본 도면이다.
계산 모델에 대하여 설명한다. 먼저, 각 전지의 외장체로서, 각각 파도 형상을 가지는 2개의 필름이 간격을 두도록 배치되고, 폭 방향의 단부에서 서로 접합된 구조로 가정하였다. 이하의 필름의 재료 특성의 값은, 실시예 2에서 얻어진 알루미늄 래미네이트 필름의 인장 시험의 결과로부터 계산된다: 영률(Young's modulus)을 4.9×109Pa, 항복 응력을 2×107Pa, 접선 계수를 6.3×107Pa, 및 푸아송비를 0.3으로 가정하였다. 계산 구조의 간략화를 위하여 전지 내부에 적층체가 제공되지 않은 것으로 가정하였다.
Model 1의 전지의 외장체는, 파의 위상이 서로 180° 상이하도록 위치된 한 쌍의 필름이고, Model 2의 전지의 외장체는 파의 위상이 일치하도록 위치된 한 쌍의 필름이다.
각 전지의 외장체는 강체(剛體)의 표면을 따라 변형되는 것으로 가정하였다. 강체는 곡률 반경 25mm로 만곡된 표면을 가진다. 또한 강체의 일부는, 계산의 편의상을 위하여, 전지의 능과 강체 사이의 접합부에서의 접합 조건이 설정되도록 빗살 형상을 가지는 것으로 가정하였다.
원주형 강체는, 전지의 단부 근방에 위치하고, 도 33의 (A2) 등에 화살표로 나타낸 바와 같이, 수직 방향으로 변위시켜 전지를 변형시켰다.
계산에는 ANSYS, Inc. 제조의 ANSYS Mechanical APDL 14.0을 사용하였다. 계산 모델의 메시 조건은 다음과 같다: 요소 타입: 285(3차원 4접점 4면체 고체(three-dimensional four-contact tetrahedron solid)).
Model 1과 Model 2에 있어서, 계산된 응력이 값 사이에서 눈에 띄는 차이는 없었다.
도 34의 (A) 및 (B)는 각각 변형된 Model 1의 형상을 나타내고, 도 35의 (A) 및 (B)는 각각 변형된 Model 2의 형상을 나타낸 것이다. 도 34의 (A) 및 도 35의 (B)는 각각 도 33의 (A2) 및 (B2)에 대응하고, 도 34의 (B) 및 35의 (B)는 각각 도 33의 (A2) 및 (B2)를 뒤쪽(배면 측)으로부터 본 것에 대응한다.
굴곡 후의 형상에 대하여 설명한다. Model 1은 굴곡에 따라 균일하게 변형되고, Model 2는 현저하게 왜곡된 것이 확인되었다. 구체적으로는, 도 34의 (A) 및 (B)에서의 Model 1의 계산 결과는 각각 대칭적인 형상을 나타내었다. 한편, 도 35의 (A) 및 (B)에서의 Model 2의 계산 결과는 각각 비대칭적인 형상을 나타내었다. 특히, 외장체의 앞쪽이 강체의 표면과 접하지 않도록 뒤틀리게 변형된 전지가 도 35의 (A)로부터 관찰되었다.
여기서 각 전지의 외장체로서, 한 쌍의 필름(위쪽 및 아래쪽의 필름)이 사이드 실링 부분에 의하여 고정되어 있다. 사이드 실링 부분은 전지의 외장체의 대략 중립면에 위치한다. 그러므로 전지의 외장체를 굴곡시켰을 때, 사이드 실링 부분은 신축하지 않고, 한 쌍의 사이드 실링 부분 사이의 파도 형상 부분의 형태가 주로 변형된다.
필름의 하나가 굴곡되면, 중립면과 가까운 골짜기선 부분을 기점으로 하여 필름의 하나가 변형된다. 2개의 골짜기선 부분 사이의 능선 부분은, 상기 능선 부분의 양쪽에 위치하는 2개의 골짜기선 부분의 변형에 따라 변형한다. 따라서 한 쌍의 필름은 골짜기선 부분을 기점으로서 변형한다. 이러한 이유로, 중립면을 개재하여 서로 근접한 2개의 골짜기선 부분 사이의 부분은, 가장 변형되기 쉽다고 추측된다.
Model 1에서는, 파의 위상 사이의 차이가 180°이기 때문에, 중립면을 개재하여 서로 근접한 2개의 골짜기선 부분 사이의 거리가 가장 짧다; 따라서 Model 1은 굴곡되기 쉽다.
또한 Model 1에서는, 전지의 외장체를 가로 방향으로부터 봤을 때, 중립면을 개재하여 서로 근접한 2개의 골짜기선 부분을 접속하는 직선이 굴곡의 중심을 통과한다. 이것은 도 34의 (A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이, Model 1이 적은 왜곡으로 변형된 이유라고 생각된다.
한편, Model 2에서는, 파의 위상이 일치하기 때문에, 중립면을 개재하여 서로 근접한 2개의 골짜기선 부분 사이의 거리가 가장 길다; 따라서 Model 2는 굴곡되기가 쉽지 않다.
또한 Model 2에서는, 하나의 골짜기선 부분이, 상기 골짜기선 부분과 2개의 골짜기선 부분 사이에 중립면을 개재하여 반대 측에 위치하는 2개의 골짜기선 부분과 근접된다. 즉 골짜기선 부분당 2개의 부분이 가장 쉽게 변형한다. 또한 전지의 외장체를 가로 방향으로부터 봤을 때, 2개의 직선이 하나의 골짜기선 부분과 상기 하나의 골짜기선 부분과 근접한 골짜기선 부분들에 접속되고, 이들 직선의 양쪽은 굴곡의 중심을 통과하지 않고 하나의 골짜기선 부분에서 교차된다. 이것이 Model 1과의 차이점이다. 골짜기선 부분당 2개의 변형되기 쉬운 부분의 형태는 같은 정도로 변형되지 않고 하나의 부분의 형태가 다른 하나의 부분보다 크게 변형될 수 있다.
또한 어느 쪽 부분이 변형되기 쉬운지는 일의적으로 결정되지 않기 때문에, 전지가 굴곡될 때, 가장 변형되기 쉬운 2개의 부분 양쪽이 크게 왜곡된 부분이 국소적으로 생길 수 있다. 도 35의 (A) 및 (B)에 나타낸, 크게 왜곡된 부분은 2개의 부분에 대응한다고 생각된다. 이 설명은, 파의 위상이 일치된 시료 10의 사이드 실링 부분이, 실시예 6과 같이 굴곡 시험에 의하여 부분적으로 크게 왜곡되는 결과와 일치한다.
상술한 결과로부터, 파의 위상이 Model 2로서 완벽하게 일치하는 전지의 외장체의 구조는 굴곡에 적합하지 않고, 파의 위상이 서로 상이한 구조가 바람직한 것이 시사되었다. 또한 Model 1과 같이, 파의 위상이 서로 180° 상이한 전지의 외장체의 구조가 가장 바람직하다.
10: 전지, 11: 외장체, 12: 적층체, 13: 전극, 13a: 전극, 13b: 전극, 21: 능선, 21a: 능선, 21b: 능선, 22: 골짜기선, 22a: 골짜기선, 22b: 골짜기선, 25: 공간, 31: 부분, 31a: 부분, 31b: 부분, 32: 접어진 부분, 33: 접합부, 34: 접합부, 41: 전극, 42: 전극, 43: 전극, 50: 필름, 51: 주형, 52: 주형, 53: 주형, 54: 주형, 55: 엠보싱 롤, 55a: 볼록부, 56: 엠보싱 롤, 56a: 볼록부, 57: 롤, 60: 방향, 61: 필름, 62: 필름, 63: 볼록부, 64: 공간, 71: 영역, 72: 양극 집전체, 73: 세퍼레이터, 74: 음극 집전체, 75: 접착층, 76: 리드 전극, 77: 전해액, 78: 양극 활물질층, 79: 음극 활물질층, 80: 평면, 90: 평면, 7100: 휴대 전화기, 7101: 하우징, 7102: 표시부, 7103: 조작 버튼, 7104: 이차 전지, 7105: 리드 전극, 7106: 집전체, 7400: 휴대 전화기, 7401: 하우징, 7402: 표시부, 7403: 조작 버튼, 7404: 외부 접속 포트, 7405: 스피커, 7406: 마이크로폰, 7407: 이차 전지, 7408: 리드 전극, 7409: 집전체, 7600: 청소기, 7601: 리드 전극, 7602: 리드 전극, 7603: 조작 버튼, 7604: 이차 전지, 7605: 이차 전지, 7606: 표시부, 8021: 충전 장치, 8022: 케이블, 8100: 자동차, 8101: 헤드라이트, 8200: 자동차
본 출원은 2015년 10월 27일에 일본 특허청에 출원된 일련 번호 2015-210931, 2015년 12월 9일에 일본 특허청에 출원된 일련 번호 2015-240157, 및 2015년 12월 17일에 일본 특허청에 출원된 일련 번호 2015-245916의 일본 특허 출원에 기초하고, 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합된다.

Claims (20)

  1. 전지로서,
    적층체; 및
    외장체를 포함하고,
    상기 외장체는 필름 형태를 가지고, 상기 외장체의 대향하는 면 사이에 적층체를 끼워 반으로 접어지고,
    상기 외장체는 한 쌍의 제 1 부분, 제 2 부분, 한 쌍의 제 3 부분, 및 제 4 부분을 포함하고,
    상기 한 쌍의 제 1 부분은 서로 중첩하고,
    상기 제 1 부분은 각각 상기 제 2 부분, 상기 한 쌍의 제 3 부분, 및 상기 제 4 부분에 의하여 둘러싸이고, 상기 적층체와 중첩하는 부분을 포함하고,
    상기 제 2 부분은 상기 한 쌍의 제 1 부분 사이에 위치하는 접어진 부분이고,
    상기 한 쌍의 제 3 부분은 상기 제 1 부분을 각각 끼워 서로 대향하여 위치하고, 상기 제 2 부분과 교차되는 방향으로 연장한 벨트 형상의 부분이고,
    상기 제 4 부분은 상기 제 1 부분을 개재하여 상기 제 2 부분과 대향하여 위치하는 벨트 형상의 부분이고,
    상기 외장체는 상기 제 3 부분 및 상기 제 4 부분에서 접합되고,
    상기 외장체에 의하여 둘러싸인 영역에서는, 상기 적층체와 상기 제 2 부분이 서로 접하지 않고 상기 적층체와 상기 제 2 부분 사이에 공간을 가지는, 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외장체의 평면도에서, 상기 제 3 부분의 연장 방향에서의 상기 제 3 부분 각각의 길이는 상기 연장 방향에 평행한 방향에서의 상기 제 1 부분 중 하나, 상기 제 2 부분, 및 상기 제 4 부분의 전체 길이보다 긴, 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 부분은 각각 복수의 능선 및 복수의 골짜기선이 서로 평행하며 교대로 위치한 파도 형상을 가지고,
    상기 제 3 부분은 각각 평탄한, 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 부분은 각각 상기 제 2 부분으로부터의 거리가 가까워질수록 파도의 주기의 길이가 증가되고 파도의 진폭이 감소되는 영역을 포함하는, 전지.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 외장체의 상기 한 쌍의 제 1 부분은, 하나의 제 1 부분의 상기 능선이 다른 하나의 제 1 부분의 골짜기선과 중첩하지 않는 영역을 포함하는, 전지.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제 1 부분은, 상기 능선이 서로 중첩하고 상기 골짜기선이 서로 중첩하는 영역을 포함하는, 전지.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 부분은 파도 형상을 가지지 않는, 전지.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 능선의 하나는, 상기 제 2 부분과 상기 제 2 부분의 가장 가까이에 위치한 상기 제 1 부분의 상기 골짜기선 사이에 위치하는, 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 부분 측의 상기 적층체의 단부와 굴곡되어 있지 않은 상태의 상기 전지의 상기 외장체의 내부 표면 사이의 거리는, 상기 적층체의 두께가 2t일 때, π×t 이상인, 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전지가 180°로 굴곡될 때, 상기 제 2 부분 측의 상기 적층체의 상기 단부와 상기 외장체의 상기 내부 표면 사이에 거리를 가지는, 전지.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 부분의 경계는 상기 한 쌍의 상기 제 1 부분의 파도 형상의 상기 능선과 일치하는, 전지.
  12. 전지로서,
    적층체; 및
    외장체를 포함하고,
    상기 외장체는 필름 형태의 형상을 가지고 상기 외장체의 대향하는 부분 사이에서 상기 적층체가 반으로 접어지고,
    상기 외장체는 한 쌍의 제 1 부분과 제 2 부분을 포함하고,
    상기 한 쌍의 제 1 부분은 서로 중첩하고,
    상기 제 1 부분은 각각 상기 적층체와 중첩하는 부분을 포함하고,
    상기 제 2 부분은 상기 한 쌍의 제 1 부분 사이에 위치하는 접어진 부분이고,
    상기 외장체에 의하여 둘러싸인 영역에서는, 상기 적층체와 상기 제 2 부분이 서로 접하지 않고 상기 적층체와 상기 제 2 부분 사이에 공간을 가지고,
    상기 제 1 부분은 각각 복수의 능선 및 복수의 골짜기선이 서로 평행하고 교대로 위치한 파도 형상을 가지고,
    상기 외장체의 상기 한 쌍의 제 1 부분은 하나의 제 1부분의 상기 능선이 다른 하나의 제 1 부분의 상기 골짜기선과 중첩하지 않는 영역을 포함하는, 전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 부분은 각각 상기 제 2 부분으로부터의 거리가 가까워질수록 파도의 주기의 길이가 증가되고 파도의 진폭이 감소되는 영역을 포함하는, 전지.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제 1 부분은, 상기 능선이 서로 중첩하고 상기 골짜기선이 서로 중첩하는 영역을 포함하는, 전지.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 능선의 하나는, 상기 제 2 부분과 상기 제 2 부분의 가장 가까이에 위치한 상기 제 1 부분의 상기 골짜기선 사이에 위치하는, 전지.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 부분 측의 상기 적층체의 단부와 굴곡되어 있지 않은 상태의 상기 전지의 상기 외장체의 내부 표면 사이의 거리는, 상기 적층체의 두께가 2t일 때, π×t 이상인, 전지.
  17. 외장체에 의하여 둘러싸인 영역에서의 적층체를 포함하는 전지의 제작 방법으로서,
    서로 평행한 복수의 능선 및 복수의 골짜기선이 교대로 위치하고 상기 복수의 능선이 일정한 간격으로 위치한 파도 형상을 가지도록 가공된 필름 형태의 상기 외장체를 준비하는 단계;
    상기 적층체를 개재하여 상기 능선과 상기 골짜기선에 수직인 방향으로 상기 외장체의 일부를 180°로 접어지는 단계; 및
    벨트 형상이며, 상기 적층체보다 외측에 위치하고, 상기 능선과 상기 골짜기선에 수직인 방향으로 연장한 상기 외장체의 다른 일부를 접합시키는 단계를 포함하고,
    상기 외장체의 접합은, 상기 외장체의 일부가 평탄하게 되고, 상기 적층체와 중첩하는 상기 외장체의 부분에서 상기 외장체의 접어진 부분으로부터의 거리가 가까워질수록 상기 복수의 능선 사이의 거리가 멀어지도록 수행되는, 전지의 제작 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 외장체의 일부를 180°로 접어지기 전에, 상기 외장체의 상기 능선과 상기 골짜기선에 평행한 방향으로 연장된 벨트 형상의 부분이 평탄하게 되도록 상기 외장체를 가공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 외장체의 일부를 180°로 접어질 때, 평탄하게 가공된 상기 외장체의 상기 벨트 형상의 부분이 접어지는, 전지의 제작 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 외장체는, 서로 중첩되는 상기 외장체의 하나의 부분의 상기 능선이, 다른 하나의 부분의 상기 골짜기선과 중첩되지 않도록 접어지는, 전지의 제작 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 외장체는, 서로 중첩되는 상기 외장체의 하나의 부분의 상기 능선이 다른 부분의 상기 능선과 중첩되고, 상기 하나의 부분의 상기 골짜기선이 상기 다른 부분의 상기 골짜기선과 중첩되도록 접어지는, 전지의 제작 방법.
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