KR20220106725A - 2차 전지, 및 2차 전지를 구비한 전자 기기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신규 구조를 갖는 전자 기기를 제공한다. 구체적으로는, 다양한 외관 형상으로 변화할 수 있는 신규 구조를 갖는 전자 기기를 제공한다.
구체적으로는, 집전체의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 활물질층을 형성한 후, 휘어지는 영역의 활물질층을 부분적으로 제거한다. 활물질층을 제거하는 영역은 라인 형상, 도트 형상, 그리드 형상 등으로 할 수 있다. 집전체의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 활물질층을 형성한 후, 레이저 광 등을 사용하여 조사 영역의 활물질층을 부분적으로 제거하는 레이저 가공을 실시한다. 이 집전체 표면이 노출된 영역에는 활물질층이 형성되지 않으므로 전지로서는 기능하지 않는 영역이다. 이와 같은 영역을 형성함으로써 넓은 범위로 가동 영역을 갖는 2차 전지를 실현할 수 있다.
구체적으로는, 집전체의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 활물질층을 형성한 후, 휘어지는 영역의 활물질층을 부분적으로 제거한다. 활물질층을 제거하는 영역은 라인 형상, 도트 형상, 그리드 형상 등으로 할 수 있다. 집전체의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 활물질층을 형성한 후, 레이저 광 등을 사용하여 조사 영역의 활물질층을 부분적으로 제거하는 레이저 가공을 실시한다. 이 집전체 표면이 노출된 영역에는 활물질층이 형성되지 않으므로 전지로서는 기능하지 않는 영역이다. 이와 같은 영역을 형성함으로써 넓은 범위로 가동 영역을 갖는 2차 전지를 실현할 수 있다.
Description
본 발명의 일 형태는 물건, 방법, 또는 제작 방법에 관한 것이다. 또는, 본 발명은 공정(process), 기계(machine), 제품(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다. 본 발명의 일 형태는 반도체 장치, 표시 장치, 발광 장치, 축전 장치, 조명 장치, 또는 전자 기기의 제작 방법에 관한 것이다. 특히 전자 기기 및 그 운영 체계(operating system)에 관한 것이다.
또한, 본 명세서에서 전자 기기란 2차 전지를 갖는 장치 전반을 가리키며, 2차 전지를 갖는 전기 광학 장치, 2차 전지를 갖는 정보 단말 장치 등은 모두 전자 기기이다.
사용자가 휴대하거나 장착하는 전자 기기가 활발히 개발되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는 박형 휴대 전자 서적이 기재되어 있다.
사용자가 휴대하거나 장착하는 전자 기기는 전원으로서 2차 전지를 사용하여 동작한다. 상기 전자 기기는 장시간 사용이 가능한 것이 바람직하고, 이를 실현하기 위해서는 대용량 2차 전지를 사용하면 좋다. 한편으로 전자 기기에 대용량 2차 전지를 내장시키면 사이즈가 커서 중량이 증가된다는 문제가 있다. 그러므로, 휴대하는 전자 기기에 내장할 수 있는 소형 또는 박형이며 대용량인 2차 전지의 개발이 진행되고 있다.
특허문헌 1에는 활물질 합제층이 복수의 개구부를 갖는 영역과 개구부를 갖지 않는 영역으로 이루어지고, 복수의 개구부를 갖는 영역이 집합 시트의 적어도 휘어진 부분을 덮는 각형 리튬 이온 2차 전지가 기재되어 있다.
외장체로서 금속캔을 사용하는 경우, 2차 전지 자체의 중량이 증가된다는 문제가 있다. 또한, 박형 2차 전지를 실현하기 위한 얇은 금속캔은 성형 가공으로 제작하기가 어렵고, 또한 얇은 금속캔을 사용하여 2차 전지를 제작하는 것도 어렵다.
외장체로서 금속박(알루미늄, 스테인리스 등)과 수지(열 융착성 수지)의 적층을 포함하는 필름(래미네이트 필름이라고도 함)을 사용하면, 금속캔을 사용한 2차 전지보다 경량이며 박형인 2차 전지를 제작할 수 있다.
사용자가 쾌적한 장착감을 느낄 수 있도록, 몸에 장착하여 사용되는 표시 장치는 경량화 및 소형화가 요구되고 있고, 또한 표시 장치의 구동 장치나 전원을 포함한 전자 기기 전체의 경량화가 요구되고 있다.
신규 구조를 갖는 전자 기기를 제공한다. 구체적으로는, 다양한 외관 형상으로 변화할 수 있는 신규 구조를 갖는 전자 기기를 제공한다.
또는, 본 발명의 일 형태는 신규 축전 장치, 신규 2차 전지 등을 제공하는 것을 과제로 한다. 또한, 이들의 과제의 기재는 다른 과제의 존재를 방해하는 것이 아니다. 또한, 본 발명의 일 형태는 반드시 이들 과제 모두를 해결할 필요는 없다. 또한, 이들 외의 과제는 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 저절로 명확해지는 것이며 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 이들 외의 과제가 추출될 수 있다.
2차 전지의 외장체로서 필름을 사용한 경우 필름의 강도는 금속캔보다 약하고, 외부로부터 힘이 가해질 때 외장체 내부에 배치되는 집전체 또는 집전체 표면에 제공된 활물질층 등이 대미지(damage)를 받을 우려가 있다.
가요성을 갖는 2차 전지, 또는 휘어진 2차 전지를 제작하는 경우, 복수의 전극이 휘어질 때 이들 전극은 각각 상이한 곡률로 휘어진다. 곡률 중심에 가까운 전극과 비교하여 곡률 중심으로부터 먼 전극이 더 만곡되어 단부의 위치가 어긋나거나, 또는 인장된 상태가 된다. 전극의 단부에는, 리드와 전기적으로 접하는 부분(전극 탭부라고도 함)이 있다. 또한, 전극 탭부에는 활물질층은 제공하지 않는다.
래미네이트 필름을 외장체로서 사용하는 박형 2차 전지는 균열이 들어가기 쉬운 전극 형상, 즉 리드 전극을 인출하기 위하여 부분적으로 돌출된 돌출부(전극 탭부, 리드 단자부라고도 함)를 갖는다.
박형의 2차 전지를 제작하는 경우, 외장체로 둘러싸인 영역에 제 1 전극(양극)과 활물질층과 제 2 전극(음극)의 조합을 복수 적층시킨다. 또한, 복수의 제 1 전극은 제 1 전극끼리를 중첩한 후, 단부를 고정시키기 위하여 초음파 용접 등을 실시한다. 또한, 마찬가지로 제 2 전극도 제 2 전극끼리를 중첩한 후, 단부를 고정시키기 위하여 초음파 용접 등을 실시한다.
적층 단수가 증가될수록 용량이 증대되며 두께도 두꺼워지므로, 곡률 중심에 가까운 전극과 곡률 중심으로부터 먼 전극의 곡률 반경의 차이가 커진다. 따라서, 비교하였을 때 곡률 중심으로부터 먼 전극의 단부의 위치가 더 많이 어긋나거나, 또는 인장된다.
구체적으로는 집전체의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 활물질층을 형성한 후, 휘어진 영역의 활물질층을 부분적으로 제거한다. 활물질층을 제거하는 영역은 라인 형상, 도트 형상, 그리드(grid) 형상 등으로 할 수 있다.
본 명세서에서 제시하는 발명의 구성 중 하나는 집전체와, 집전체와 접하는 복수의 활물질층과, 집전체 및 복수의 활물질층에 접하는 전해액을 갖고, 복수의 활물질층은 집전체의 긴 변 방향 및 짧은 변 방향 중 한 방향으로 간격을 두고 나란히 배치하는 것을 특징으로 하는 2차 전지이다.
집전체 표면에, 활물질층을 어떤 일정한 두께로 전면적으로 형성한 후, 레이저 광의 조사나 절삭이나 프레스 등으로 그것을 부분적으로 제거함으로써 집전체 표면이 노출되어 패턴(스트라이프, 도트, 그리드 등)이 형성된다. 예를 들어, 스트라이프 패턴으로 하는 경우에는 인접된 활물질층과의 간격은 균일하게 한다. 구체적으로는, 집전체의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 활물질층을 형성한 후, 레이저 광 등을 사용하여 조사 영역의 활물질층을 부분적으로 제거하는 레이저 가공을 실시한다.
상기 집전체 표면이 노출된 영역은 활물질층이 형성되지 않고, 인접된 활물질층끼리를 접속하는 영역으로서 기능한다. 이와 같은 영역을 형성함으로써 넓은 범위로 가동 영역을 갖는 2차 전지, 예를 들어 집전체 단부의 상면 방향 또는 하면 방향으로 가동 영역을 갖는 2차 전지를 실현할 수 있다.
또는, 2차 전지에서 사용하는 집전체를 부분적으로 절삭 가공하여 복잡한 패턴 형상(예를 들어, 사행(蛇行) 형상)으로 함으로써 곡률 중심에 가까운 집전체와 곡률 중심으로부터 먼 집전체를 비교하였을 때 곡률 중심으로부터 먼 집전체가 더 만곡되어, 단부의 위치가 곡률 중심에 가까운 집전체의 위치와 어긋나는 것을 억제하거나, 또는 곡률 중심으로부터 먼 집전체에 부하되는 장력을 완화시켜도 좋다. 또한, 2차 전지의 형상을 전자 기기에 맞춰 복잡한 형상으로 하여도 좋고, 그 경우에는 집전체도 그 전자 기기의 형상에 맞춘 형상으로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 안경형의 전자 기기의 경우, 안경 프레임의 일부, 예를 들어 안경 다리(템플)에 2차 전지를 내장하는 구성으로 하여도 좋다.
레이저 광의 강도를 조절함으로써 집전체를 부분적으로 제거할 수 있다. 집전체를 부분적으로 제거하는 레이저 광의 조사보다 레이저 광의 조사 조건을 약하게 함으로써 집전체를 남기면서 조사한 영역의 활물질층만을 제거할 수도 있다.
본 명세서에서 제시하는 발명의 다른 구성 중 하나는, 집전체와, 집전체와 접하는 복수의 활물질층과, 집전체 및 복수의 활물질층에 접하는 전해액을 갖고, 집전체의 상면 형상은 사행부를 갖고, 사행부에 있어서 폭이 가는 부분은 적어도 2군데 이상이며, 적어도 1군데는 인접된 활물질층의 경계와 중첩되는 것을 특징으로 하는 2차 전지이다.
상기 구성에 있어서 사행부는 미앤더(meander) 형상, 파형, 또는 복수의 커브를 갖는 형상의 패턴이라고도 할 수 있고, 그 부분은 2차 전지의 휘어질 수 있는 부분이 된다. 2차 전지 단부를 가지며 그 단부의 상면 방향 또는 하면 방향으로 당겨 2차 전지를 변형시킨 경우, 단부가 당겨져 사행부가 펴져도 집전체가 절단되지 않고 2차 전지의 변형을 견딜 수 있다.
복수의 굴곡부를 갖는 사행 형상(사행상의 패턴)을 갖는 양극 집전체를 사용하는 경우, 음극 집전체의 형상은 양극 집전체와 상이한 형상으로 한다. 탭 전극을 제공하는 경우, 양극과 음극이 가까운 거리에 배치되면 단락될 우려가 있기 때문에 양극의 탭 전극과 음극의 탭 전극은 넓은 간격을 두고 위치되도록 양극 집전체와 음극 집전체를 중첩시킨다. 또한, 집전체의 사행 패턴의 선단부에는 탭 전극이 전기적으로 접속된다.
또한 집전체 표면에, 활물질층을 어떤 일정한 두께로 전면적으로 형성한 후, 레이저 광의 조사나 절삭 등으로 부분적으로 제거하는 것에 한정되지 않는다. 활물질층을 부분적으로 프레스함으로써 프레스한 부분의 막 두께를 얇게 만들어도 좋다. 또한, 부분적으로 프레스하면 집전체에도 압력이 가해져 집전체를 부분적으로 얇게 할 수도 있다. 집전체를 부분적으로 얇게 함으로써 2차 전지는 단부의 가동 영역을 넓히는 효과를 갖는다.
또한, 본 명세서에서 제시하는 발명의 다른 구성 중 하나는 집전체와, 집전체와 접하는 활물질층과, 활물질층에 접하는 전해액을 갖고, 활물질층은 막 두께가 두꺼운 영역과 막 두께가 얇은 영역을 갖고, 막 두께가 얇은 영역은 집전체 위에 선 형상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 2차 전지이다.
상기 각 구성에 있어서, 활물질층은 리튬을 포함하고, 상기 구성을 사용한 2차 전지는 리튬 이온 2차 전지이다.
또한, 상기 각 구성에 있어서 복수의 집전체를 중첩시켜 필름(대표적으로는 래미네이트 필름)을 사용한 외장체로 둘러싸는 박형 2차 전지로 한다. 휘어지기 쉽게 하기 위하여 필름(대표적으로는 래미네이트 필름)에 대하여 엠보싱 가공을 실시하여도 좋다.
가요성을 갖는 2차 전지 또는 휘어진 2차 전지를 실현할 수 있다.
또한, 2차 전지가 휘어져, 상기 2차 전지의 전극도 휘어진 경우, 전극의 일부 또는 활물질층의 일부가 절삭되어 있기 때문에 전극의 단부가 당겨져 전극에 크랙이 생기는 것을 방지할 수 있고, 결과적으로 휘어질 수 있는 2차 전지 또는 휘어진 2차 전지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전자 기기의 하우징을 가요성을 갖는 하우징으로 하면, 전지를 포함하여 전자 기기는 부분적으로 또는 전체적으로 휘어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 형태를 도시한 사시도 및 단면도.
도 2는 본 발명의 일 형태를 도시한 사시도 및 단면도.
도 3은 본 발명의 일 형태를 도시한 사시도 및 단면도.
도 4는 본 발명의 일 형태를 도시한 사시도 및 단면도.
도 5는 본 발명의 일 형태를 도시한 사시도 및 단면도.
도 6은 본 발명의 일 형태를 도시한 상면도 및 사진.
도 7은 본 발명의 일 형태를 도시한 상면도 및 사시도.
도 8은 본 발명의 일 형태를 도시한 사시도.
도 9는 가요성 2차 전지를 갖는 전기 기기를 설명하기 위한 도면.
도 10은 전기 기기를 설명하기 위한 도면.
도 11은 2차 전지를 갖는 차량을 설명하기 위한 도면.
도 12는 양극 및 음극의 사진.
도 13은 충전한 후의 음극의 주사형 전자 현미경 사진.
도 2는 본 발명의 일 형태를 도시한 사시도 및 단면도.
도 3은 본 발명의 일 형태를 도시한 사시도 및 단면도.
도 4는 본 발명의 일 형태를 도시한 사시도 및 단면도.
도 5는 본 발명의 일 형태를 도시한 사시도 및 단면도.
도 6은 본 발명의 일 형태를 도시한 상면도 및 사진.
도 7은 본 발명의 일 형태를 도시한 상면도 및 사시도.
도 8은 본 발명의 일 형태를 도시한 사시도.
도 9는 가요성 2차 전지를 갖는 전기 기기를 설명하기 위한 도면.
도 10은 전기 기기를 설명하기 위한 도면.
도 11은 2차 전지를 갖는 차량을 설명하기 위한 도면.
도 12는 양극 및 음극의 사진.
도 13은 충전한 후의 음극의 주사형 전자 현미경 사진.
이하에서는, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면들을 참조하여 자세히 설명한다. 다만, 본 발명은 하기의 설명에 제한되지 않고 이 형태 및 자세한 사항을 다양하게 변경할 수 있다는 것은 당업자라면 용이하게 이해된다. 또한, 본 발명은 이하에 나타내는 실시형태의 기재 내용에 한정되는 것으로서 해석되어서는 안 된다.
"전기적으로 접속"에는, "어떠한 전기적 작용을 갖는 것"을 통하여 접속되어 있는 경우가 포함된다. 여기서, 제시하는 "어떠한 전기적 작용을 갖는 것"은 접속된 대상들 간에서의 전기 신호의 송수신이 가능한 것이라면, 특별히 제한은 없다.
도면들 등에 도시되어 있는 각 구성의 위치, 크기, 범위 등은 용이한 이해를 위하여 실제의 위치, 크기, 범위 등이 정확하게 표시되어 있지 않은 경우가 있다. 그러므로, 제시된 발명은 반드시 도면 등에 도시된 위치, 크기, 범위 등에 한정되는 것은 아니다.
"제 1", "제 2", "제 3" 등의 서수사는 구성 요소의 혼동을 피하기 위하여 붙인 것이다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서는, 도 1~5를 사용하여 본 발명의 일 형태에 따른 2차 전지용 전극 및 2차 전지의 제작 방법에 대하여 설명한다.
도 1의 (A)는 양극 집전체(12) 위에 복수의 양극 활물질층을 형성한 것을 도시한 사시도이고, 도 1의 (B)는 그 단면도이다. 양극 집전체(12)는 한쪽 면에 접하여 복수의 양극 활물질층이 형성되어 있다. 또한, 양극 집전체(12)는 한쪽 면에 접하여 "복수의 영역으로 분단된 복수의 양극 활물질층이 형성되어 있다"라고도 표현할 수 있다.
제작 방법으로서는, 슬러리를 도포하고 건조시킨 후, 레이저 광을 조사함으로써 양극 활물질층을 부분적으로 제거하여 복수의 양극 활물질층(18a, 18b, 18c, 18d)을 형성한다.
레이저 광의 광원으로서는, 발진 파장이 약 1065nm의 ML-7320DL(Miyachi Technos Corp.제)를 사용하여 스테이지를 이동시킨 후에 갈바노 미러를 이동시킴으로써 레이저 광의 주사를 행한다.
또한, 도 1의 (C)는 한쪽 면에 복수의 양극 활물질층(18a, 18b, 18c, 18d)을 형성하고, 다른 쪽 면에 복수의 양극 활물질층(18e, 18f, 18g, 18h)을 형성한 것을 도시한 단면도이다. 또한, 도 1의 (C)에서는, 양쪽 면의 양극 활물질층의 단부들이 일치되도록 배치한 예를 도시하였지만, 특별히 한정되지 않는다.
또한, 도 1의 (D)는 한쪽 면에 복수의 양극 활물질층(18a, 18b, 18c, 18d)을 형성하고, 다른 쪽 면에 복수의 양극 활물질층(18e, 18f, 18g, 18h, 18i)을 상기 복수의 양극 활물질층(18a, 18b, 18c, 18d)의 위치에서 어긋나게 형성한 것을 도시한 것이다.
또한, 도 1에서는 복수의 양극 활물질층 사이의 간격을 거의 일정하게 하는 예를 도시하였지만, 특별히 한정되지 않는다. 도 2의 (B)에서는 양극 활물질층(18a)과 양극 활물질층(18b) 사이의 간격(P1)을 양극 활물질층(18b)과 양극 활물질층(18c) 사이의 간격(P2)보다 넓게 하는 예를 도시하였다. 또한, 도 2의 (A)는 사시도이고, 도 2의 (B)와 대응한 것이다.
또한, 도 2의 (C)는 한쪽 면에 복수의 양극 활물질층(18a, 18b, 18c, 18d)을 형성하고, 다른 쪽 면에 복수의 양극 활물질층(18e, 18f, 18g, 18h)을 형성한 것을 도시한 단면도이다.
또한, 도 2의 (D)는 한쪽 면에 복수의 양극 활물질층(18a, 18b, 18c, 18d)을 형성하고, 다른 쪽 면에 복수의 양극 활물질층(18e, 18f, 18g, 18h, 18i)을 상기 복수의 양극 활물질층(18a, 18b, 18c, 18d)의 위치에서 어긋나게 형성한 것을 도시한 것이다.
또한, 도 3의 (A)는 볼록부를 갖는 롤(80)을 사용하여, 부분적으로 막 두께가 상이한 양극 활물질층(18)을 형성한 것을 도시한 사시도이고, 도 3의 (B)는 그 단면도이다. 또한, 도 3의 (C)는 부분적으로 막 두께가 상이한 양극 활물질층(18)을 양쪽 면에 형성한 것을 도시한 것이다. 또한, 도 3의 (D)는 한쪽 면에 양극 활물질층(18)을 형성하고, 다른 쪽 면에 오목부의 위치가 상기 양극 활물질층(18)의 오목부의 위치에서 어긋나도록 양극 활물질층(18)을 형성한 것을 도시한 것이다.
또한, 도 4의 (A)는 볼록부를 갖는 롤(80)보다 볼록부들 사이의 간격이 더 넓은 볼록부를 갖는 롤(90)을 사용하여, 부분적으로 막 두께가 상이한 양극 활물질층(18)을 형성한 것을 도시한 사시도이고, 도 4의 (B)는 그 단면도이다. 또한, 도 4의 (C)는 부분적으로 막 두께가 상이한 양극 활물질층(18)을 양쪽 면에 형성한 것을 도시한 것이다. 또한, 도 4의 (D)는 한쪽 면에 양극 활물질층(18)을 형성하고, 다른 쪽 면에 오목부의 위치가 상기 양극 활물질층(18)의 오목부의 위치에서 어긋나도록 양극 활물질층(18)을 형성한 것을 도시한 것이다.
또한, 도 4의 (E)는 볼록부를 갖는 롤(90)을 사용하여, 부분적으로 막 두께가 상이한 양극 활물질층(18)을 형성한 후, 레이저 광을 조사함으로써 복수의 양극 활물질층(18a, 18b, 18c, 18d)을 형성한 것을 도시한 것이다.
도 1, 2, 3, 4에서는 합계로 13 종류의 베리에이션이 도시되었지만, 특별히 한정되지 않고 어느 것을 사용하여도 좋다. 또한, 본 실시형태에서는, 양극 활물질층의 예를 제시하였지만 음극 활물질층에 대하여 레이저 광을 조사하여도 좋고, 롤로 프레스하여도 좋다.
도 1, 2, 3, 4에 도시된 양극 활물질층을 갖는 양극 집전체(12)를 사용하여 2차 전지(40)를 제작하는 예를 이하에서 설명한다.
도 5의 (B)는 양극과 세퍼레이터와 음극을 적층시킨 사시도이다. 양극은 적어도 집전체와 양극 활물질층을 갖는다. 또한, 음극은 적어도 집전체와 음극 활물질층을 갖는다. 도 5의 (B)에서는, 축전지용 전극(양극 또는 음극)을 직사각형의 시트 형상으로 하는 경우를 도시하였지만, 축전지용 전극의 형상은 이것에 한정되지 않고, 임의의 형상을 적절히 선택할 수 있다. 도 5의 (B)에서는 활물질층은 집전체의 한쪽 면에만 형성되어 있지만, 활물질층은 집전체의 양쪽 면에 형성되어 있어도 좋다. 또한, 활물질층은 집전체의 표면에 전체적으로 형성할 필요는 없고, 전극 리드와 전기적으로 접속하기 위한 영역 등 비도포 영역을 적절히 제공한다.
양극이나 음극에 사용되는 집전체는 2차 전지 내에서 현저한 화학 변화를 일으키지 않고 도전성이 높은 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 금, 백금, 철, 니켈, 구리, 알루미늄, 타이타늄, 탄탈럼, 망가니즈 등의 금속, 및 이들의 합금(스테인리스 등)을 사용할 수 있다. 또한, 탄소, 니켈, 타이타늄 등으로 피복하여도 좋다. 또한, 실리콘, 네오디뮴, 스칸듐, 몰리브데넘 등을 첨가시켜 내열성을 향상시켜도 좋다. 또한, 집전체는 박(箔) 형태, 시트 형태, 판 형태, 그물 형태, 원기둥 형태, 코일 형태, 펀칭 메탈 형태, 강망(expanded-metal) 형상, 다공질 형태, 및 부직포 형태를 비롯한 다양한 형태를 적절히 사용할 수 있다. 또한, 활물질과의 밀착성을 높이기 위하여 집전체 표면은 미세한 요철을 가져도 좋다. 또한, 집전체는 두께가 5μm 이상 30μm 이하인 것을 사용하면 좋다.
양극이나 음극에 사용되는 활물질은 리튬 이온 등의 캐리어 이온과의 가역적인 반응이 가능한 재료이면 좋다. 적당한 수단에 의하여 분쇄, 조립(造粒), 및 분급(分級)함으로써 활물질의 평균 입경이나 입경 분포를 제어할 수 있다.
양극 활물질층(18)에 사용되는 양극 활물질로서는, 올리빈(olivine)형의 결정 구조, 층상 암염(rock-salt)형의 결정 구조, 또는 스피넬(spinel)형의 결정 구조를 갖는 복합 산화물 등이 있다. 양극 활물질로서, 예를 들어 LiFeO2, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, V2O5, Cr2O5, MnO2 등의 화합물을 사용한다.
또는, 복합 재료(일반식 LiMPO4(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), Ni(II) 중 하나 이상))를 사용할 수 있다. 일반식 LiMPO4의 대표적인 예로서는, LiFePO4, LiNiPO4, LiCoPO4, LiMnPO4, LiFeaNibPO4, LiFeaCobPO4, LiFeaMnbPO4, LiNiaCobPO4, LiNiaMnbPO4(a+b는 1 이하, 0<a<1, 0<b<1), LiFecNidCoePO4, LiFecNidMnePO4, LiNicCodMnePO4(c+d+e는 1 이하, 0<c<1, 0<d<1, 0<e<1), LiFefNigCohMniPO4(f+g+h+i는 1 이하, 0<f<1, 0<g<1, 0<h<1, 0<i<1) 등의 리튬 화합물을 재료로서 사용할 수 있다.
또는, 일반식 Li(2-j)MSiO4(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), Ni(II) 중 하나 이상, 0≤j≤2) 등의 복합 재료를 사용할 수 있다. 일반식 Li(2-j)MSiO4의 대표적인 예로서는 Li(2-j)FeSiO4, Li(2-j)NiSiO4, Li(2-j)CoSiO4, Li(2-j)MnSiO4, Li(2-j)FekNilSiO4, Li(2-j)FekColSiO4, Li(2-j)FekMnlSiO4, Li(2-j)NikColSiO4, Li(2-j)NikMnlSiO4(k+l은 1 이하, 0<k<1, 0<l<1), Li(2-j)FemNinCoqSiO4, Li(2-j)FemNinMnqSiO4, Li(2-j)NimConMnqSiO4(m+n+q는 1 이하, 0<m<1, 0<n<1, 0<q<1), Li(2-j)FerNisCotMnuSiO4(r+s+t+u는 1 이하, 0<r<1, 0<s<1, 0<t<1, 0<u<1) 등의 리튬 화합물을 재료로서 사용할 수 있다.
또한, 양극 활물질로서 AxM2(XO4)3(A=Li, Na, Mg, M=Fe, Mn, Ti, V, Nb, Al, X=S, P, Mo, W, As, Si)의 일반식으로 나타내어지는 나시콘(nasicon)형 화합물을 사용할 수 있다. 나시콘형 화합물로서는 Fe2(MnO4)3, Fe2(SO4)3, Li3Fe2(PO4)3 등을 들 수 있다. 또한, 양극 활물질로서 Li2MPO4F, Li2MP2O7, Li5MO4(M=Fe, Mn)의 일반식으로 나타내어지는 화합물, NaFeF3, FeF3 등의 페로브스카이트(perovskite)형 불화물, TiS2, MoS2 등의 금속 칼코게나이드(chalcogenide)(황화물, 셀렌화물, 텔루르화물), LiMVO4 등의 역 스피넬형 결정 구조를 갖는 산화물, 바나듐 산화물계(V2O5, V6O13, LiV3O8 등), 망가니즈 산화물, 유기 황 등의 재료를 사용할 수 있다.
또한, 캐리어 이온이 리튬 이온 이외의 알칼리 금속 이온이나, 알칼리 토금속 이온인 경우, 양극 활물질로서 리튬 대신에 알칼리 금속(예를 들어 나트륨이나 칼륨 등), 알칼리 토금속(예를 들어 칼슘, 스트론튬, 바륨, 베릴륨, 마그네슘 등)을 사용하여도 좋다.
세퍼레이터(13)로서, 셀룰로스(종이), 공공(空孔)이 형성된 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌 등의 절연체를 사용할 수 있다.
전해액에는 전해질로서 캐리어 이온이 이동 가능하고, 또한 캐리어 이온인 리튬 이온을 갖는 재료를 사용한다. 전해질의 대표적인 예로서는 LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, Li(C2F5SO2)2N 등의 리튬염을 들 수 있다. 이들 전해질은 1종을 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 임의의 조합 및 비율로 사용하여도 좋다.
또한, 전해액의 용매로서는 캐리어 이온이 이동 가능한 재료를 사용한다. 전해액의 용매로서는, 비프로톤성 유기 용매가 바람직하다. 비프로톤성 유기 용매의 대표적인 예로서는 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트, 다이메틸 카보네이트, 다이에틸 카보네이트(DEC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), γ-부티로락톤, 아세토나이트릴, 다이메톡시에탄, 테트라하이드로퓨란 등이 있고 상술한 비프로톤성 유기 용매 중 하나 또는 복수를 사용할 수 있다. 또한, 전해액의 용매로서 겔화된 고분자 재료의 사용, 또는 전해액에 겔화를 위한 고분자 재료의 첨가 등에 의하여 누액성 등에 대한 안전성이 높아진다. 또한, 2차 전지의 박형화 및 경량화가 가능하다. 겔화된 고분자 재료의 대표적인 예로서는 실리콘 겔, 아크릴 겔, 아크릴로나이트릴 겔, 폴리에틸렌옥사이드계 겔, 폴리프로필렌옥사이드계 겔, 불소계 중합체의 겔 등이 있다. 또한, 전해액의 용매로서, 난연성(難燃性) 및 난휘발성(難揮發性)인 이온 액체(상온 용융염)를 하나 또는 복수 사용함으로써, 2차 전지의 내부 단락이나, 과충전 등으로 인하여 내부 온도가 상승되어도, 2차 전지의 파열이나 발화 등을 방지할 수 있다. 또한, 이온 액체는 유동 상태에 있는 염이며 이온 이동도(전도도)가 높다. 또한, 이온 액체는 양이온과 음이온을 포함한다. 이온 액체로서는 에틸메틸이미다졸륨(EMI) 양이온을 포함한 이온 액체, 또는 N-메틸-N-프로필피페리디늄(PP13) 양이온을 포함한 이온 액체 등이 있다.
또한, 전해액 대신 황화물계나 산화물계 등의 무기물 재료를 갖는 고체 전해질이나 PEO(폴리에틸렌옥사이드)계 등의 고분자 재료를 갖는 고체 전해질을 사용할 수 있다. 고체 전해질을 사용하는 경우에는 세퍼레이터나 스페이서를 설치할 필요가 없다. 또한, 전지 전체를 고체화할 수 있기 때문에, 누액될 우려가 없어 안전성이 비약적으로 향상된다.
또한, 음극 활물질층(19)에 사용하는 음극 활물질로서는 리튬의 용해·석출, 또는 리튬 이온과의 가역적인 반응이 가능한 재료를 사용할 수 있고, 리튬 금속, 탄소계 재료, 합금계 재료 등을 사용할 수 있다.
리튬 금속은, 산화 환원 전위가 낮고(표준 수소 전극에 대하여 -3.045V), 중량 및 체적당의 비용량이 크기(각각 3860mAh/g, 2062mAh/cm3) 때문에 바람직하다.
탄소계 재료로서는, 흑연, 이흑연화성 탄소(소프트 카본), 난흑연화성 탄소(하드 카본), 카본 나노 튜브, 그래핀, 카본 블랙 등을 들 수 있다.
흑연으로서는 메소카본 마이크로비즈(MCMB), 코크스계 인조 흑연, 피치계(pitch-based) 인조 흑연 등의 인조 흑연이나, 구상(球狀)화 천연 흑연 등의 천연 흑연을 들 수 있다.
흑연은 리튬 이온이 흑연에 삽입되었을 때(리튬-흑연 층간 화합물의 생성 시) 리튬 금속과 동일 정도로 낮은 전위를 나타낸다(0.1~0.3V vs.Li/Li+). 이에 의하여, 리튬 이온 2차 전지는 높은 작동 전압을 나타낼 수 있다. 또한, 흑연은 단위 체적당의 용량이 비교적 높고, 체적 팽창이 작으며, 염가이고, 리튬 금속에 비하여 안전성이 높은 등의 이점을 갖기 때문에, 바람직하다.
음극 활물질로서, 리튬과의 합금화 및 탈합금화 반응에 의하여 충방전 반응이 가능한 합금계 재료 또는 산화물도 사용할 수 있다. 캐리어 이온이 리튬 이온인 경우, 합금계 재료로서는 예를 들어 Al, Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Ag, Au, Zn, Cd, In, Ga 등 중 적어도 하나를 포함하는 재료를 들 수 있다. 이런 원소는 탄소에 대하여 용량이 크고 특히 실리콘은 이론 용량이 4200mAh/g로 비약적으로 높다. 그러므로, 음극 활물질에 실리콘을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 원소를 사용한 합금계 재료로서는 예를 들어 Mg2Si, Mg2Ge, Mg2Sn, SnS2, V2Sn3, FeSn2, CoSn2, Ni3Sn2, Cu6Sn5, Ag3Sn, Ag3Sb, Ni2MnSb, CeSb3, LaSn3, La3Co2Sn7, CoSb3, InSb, SbSn 등을 들 수 있다.
또한, 음극 활물질로서는 SiO, SnO, SnO2, 이산화 타이타늄(TiO2), 리튬 타이타늄 산화물(Li4Ti5O12), 리튬-흑연 층간 화합물(LixC6), 오산화 나이오븀(Nb2O5), 산화 텅스텐(WO2), 산화 몰리브데넘(MoO2) 등의 산화물을 사용할 수 있다. 또한, SiO란, 실리콘이 많이 포함되는 부분(silicon-rich portion)을 포함하는 실리콘 산화물의 분말을 가리키며, SiOy(2>y>0)라고도 표기할 수 있다. 예를 들어, SiO는 Si2O3, Si3O4, 또는 Si2O로부터 선택된 단수 또는 복수를 포함하는 재료나, Si의 분말과 이산화 실리콘(SiO2)의 혼합물도 포함한다. 또한, SiO는 다른 원소(탄소, 질소, 철, 알루미늄, 구리, 타이타늄, 칼슘, 망가니즈 등)를 포함하는 경우도 있다. 즉, 단결정 Si, 비정질 Si, 다결정 Si, Si2O3, Si3O4, Si2O, SiO2로부터 선택되는 복수를 포함하는 재료를 가리키며, SiO는 유색 재료이다. SiO가 아닌 SiOx(X는 2 이상)이면 무색 투명 또는 백색이므로 구별할 수 있다. 다만, 2차 전지의 재료로서 SiO를 사용하여 2차 전지를 제작한 후, 충방전의 반복 등에 의하여 SiO가 산화된 경우, SiO2로 변질되는 경우도 있다.
또한, 음극 활물질로서, 리튬과 전이 금속의 질화물인 Li3N형 구조를 갖는 Li(3-x)MxN(M=Co, Ni, Cu)을 사용할 수 있다. 예를 들어, Li2.6Co0.4N3은 큰 충방전 용량(900mAh/g, 1890mAh/cm3)을 나타내어 바람직하다.
리튬과 전이 금속의 질화물을 사용하면, 음극 활물질 중에 리튬 이온을 포함하기 때문에, 양극 활물질로서 리튬 이온을 포함하지 않는 V2O5, Cr3O8 등의 재료와 조합할 수 있어 바람직하다. 또한, 양극 활물질에 리튬 이온을 포함하는 재료를 사용하는 경우에도, 미리 양극 활물질에 포함되는 리튬 이온을 이탈시켜 둠으로써, 음극 활물질로서 리튬과 전이 금속의 질화물을 사용할 수 있다.
또한, 컨버전 반응(conversion reaction)이 일어나는 재료를 음극 활물질로서 사용할 수도 있다. 예를 들어, 산화 코발트(CoO), 산화니켈(NiO), 산화 철(FeO) 등의, 리튬과 합금화 반응이 일어나지 않는 전이 금속 산화물을 음극 활물질로서 사용하여도 좋다. 컨버전 반응이 일어나는 재료로서는, Fe2O3, CuO, Cu2O, RuO2, Cr2O3 등의 산화물, CoS0.89, NiS, CuS 등의 황화물, Zn3N2, Cu3N, Ge3N4 등의 질화물, NiP2, FeP2, CoP3 등의 인화물, FeF3, BiF3 등의 불화물도 들 수 있다. 또한, 상기 불화물의 전위는 높기 때문에 양극 활물질로서 사용하여도 좋다.
또한, 음극 활물질층(19)에는 상술한 음극 활물질 외에, 활물질의 밀착성을 높이기 위한 결착제(바인더), 음극 활물질층(19)의 도전성을 높이기 위한 도전조제 등이 포함되어도 좋다.
본 실시형태에 있어서, 축전체의 구성으로서는 예를 들어 세퍼레이터(13)의 두께를 약 15μm 이상 약 30μm 이하, 양극(101)의 집전체의 두께를 약 10μm 이상 약 40μm 이하, 양극 활물질층의 두께를 약 50μm 이상 약 100μm 이하, 음극 활물질층의 두께를 약 50μm 이상 약 100μm 이하, 음극(102)의 집전체의 두께를 약 5μm 이상 약 40μm 이하로 한다.
외장체로서, 가요성 기재로 이루어지는 시트를 준비한다. 시트는 적층체이며, 금속 필름의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 접착층(히트실층이라고도 부름)을 갖는 것을 사용한다. 접착층에는 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌 등을 포함하는 열 융착성 수지 필름을 사용한다. 본 실시형태에서는 시트로서, 알루미늄박 표면에 나일론 수지가 제공되고, 알루미늄박 뒷면에 내산성 폴리프로필렌막과 폴리프로필렌막의 적층이 제공된 금속 시트를 사용한다. 이 시트를 잘라서 필름(11)을 준비한다. 필름(11)을 중앙에서 반으로 접어 대향하는 2개의 단부를 중첩시키고, 3변을 접착층으로 밀봉하는 구조로 한다.
다음에, 필름(11)을 한 번 접어, 도 5의 (A)에 도시된 상태로 한다.
또한, 도 5의 (B)에 도시된 바와 같이 2차 전지를 구성하는 양극 집전체(12), 세퍼레이터(13), 음극 집전체(14)를 적층한 것을 준비한다.
또한, 도 5의 (C)에 도시된 밀봉층(15)을 갖는 리드 전극(16a) 및 리드 전극(16b)을 준비한다. 리드 전극(16a) 및 리드 전극(16b)은 리드 단자라고도 불리며, 2차 전지의 양극 또는 음극을 외장 필름의 외측으로 리드하기 위하여 제공된다. 리드 전극(16a)은 양극에 전기적으로 접속된다. 리드 전극(16a)의 재료로서는 알루미늄 등의 양극 집전체에 사용할 수 있는 재료를 사용할 수 있다. 또한, 리드 전극(16b)은 음극에 전기적으로 접속된다. 리드 전극(16b)의 재료로서는 구리 등의 음극 집전체에 사용할 수 있는 재료를 사용할 수 있다.
그리고, 리드 전극(16a)과, 양극 집전체(12)의 돌출부를 초음파 용접 등에 의하여 전기적으로 접속한다. 그리고, 리드 전극(16b)과, 음극 집전체(14)의 돌출부를 초음파 용접 등에 의하여 전기적으로 접속한다.
그리고, 전해액을 넣기 위한 1변을 남기면서 필름(11)의 2변에 대하여 열 압착을 실시하여 접합한다(이후, 이 상태의 필름 형상을 봉지 형상이라고도 함). 열 압착할 때, 리드 전극에 제공된 밀봉층(15)도 녹아 리드 전극과 필름(11) 사이가 고정된다. 그리고, 감압 분위기하, 또는 불활성 분위기하에서 원하는 양의 전해액을, 주머니 형상으로 된 필름(11)의 내측에 적하한다. 마지막에, 열 압착하지 않던 필름 주연에 열 압착을 실시하여 밀봉한다.
이와 같이 하여 도 5의 (D)에 도시된 2차 전지를 제작할 수 있다. 또한, 도 5의 (D)에 도시된 점선과 단부면(end face)의 영역은 열 압착 영역(17)이다. 또한, 도 5의 (E)는 도 5의 (D)에 도시된 쇄선 A-B로 자른 단면도이다. 도 5의 (E)에 도시된 바와 같이, 양극 집전체(12)에는 복수의 양극 활물질층(18)이 제공되고, 음극 집전체(14)에는 복수의 음극 활물질층(19)이 제공되고, 복수의 양극 활물질층(18) 사이 및 복수의 음극 활물질층(19) 사이에는 전해액(20)을 갖는다. 또한, 도 5의 (E)에 도시된 바와 같이, 2차 전지(40)는 단부에 있어서 접착층(30)으로 접착되고, 그 외의 공간에는 전해액(20)을 갖는다. 접착층(30)은 열 압착할 때 필름(11)의 일부가 녹은 후, 냉각되어 고체가 된 것이다.
얻어진 2차 전지(40)는, 활물질층이 부분적으로 제거되어 있어, 2차 전지가 휘어질 때 가해지는 응력을 완화시킬 수 있다. 복수의 활물질층을 제공함으로써 2차 전지(40)가 휘어지기 쉬워지고, 2차 전지 단부의 가동 영역이 넓어진다.
여기서, 2차 전지의 충전 시의 전류의 흐름을 도 5의 (F)를 사용하여 설명한다. 리튬을 사용한 2차 전지를 하나의 폐회로로 간주할 때, 리튬 이온의 움직임과 전류의 흐름은 같은 방향이 된다. 또한, 리튬을 사용한 2차 전지에서는 충전 시와 방전 시에 애노드(anode)와 캐소드(cathode)가 서로 바뀌어 산화 반응과 환원 반응이 서로 바뀌기 때문에, 반응 전위가 높은 전극을 양극이라고 부르고, 반응 전위가 낮은 전극을 음극이라고 부른다. 따라서 본 명세서에서는 충전 중이든, 방전 중이든, 역 펄스 전류를 흘리는 경우든, 충전 전류를 흘리는 경우든, 양극은 "양극" 또는 "+극(플러스극)"이라고 부르고, 음극은 "음극" 또는 "-극(마이너스극)"이라고 부르기로 한다. 산화 반응이나 환원 반응에 관련된 애노드나 캐소드라는 용어를 사용하면, 충전 시와 방전 시에는 서로 바뀌기 때문에 혼란을 가져올 수 있다. 따라서, 애노드나 캐소드라는 용어는, 본 명세서에서는 사용하지 않기로 한다. 만약 애노드나 캐소드라는 용어를 사용하는 경우에는, 충전 시인지 방전 시인지를 명기하고, 양극(플러스극)과 음극(마이너스극) 중 어느 쪽에 대응하는 것인지도 병기하기로 한다.
도 5의 (F)에 도시된 2개의 단자에는 충전기가 접속되어 2차 전지(40)가 충전된다. 2차 전지(40)의 충전이 진행되면 전극간의 전위차는 커진다. 도 5의 (F)에서는, 2차 전지(40)의 외부 단자로부터 양극 집전체(12) 쪽으로, 2차 전지(40)에서 양극 집전체(12)로부터 음극 집전체(14) 쪽으로, 음극 집전체(14)로부터 2차 전지(40)의 외부 단자 쪽으로 전류가 흐르는 방향을 정(正) 방향으로 한다. 즉, 충전 전류가 흐르는 방향을 전류 방향으로 한다.
본 실시형태에서는 휴대 정보 단말 등에 사용하는 소형 전지의 예를 제시하였지만, 특별히 한정되지 않고, 차량 등에 탑재하는 대형 전지에도 적용할 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는 사행부를 갖는 집전체를 사용하여 2차 전지를 제작하는 예를 이하에 제시한다.
우선, 띠 모양의 금속박의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 양극 활물질층을 형성한다.
다음에, 레이저 광을 조사함으로써 양극 활물질층을 선택적으로 제거한다. 제거하는 부분은 나중의 공정에서 전극 리드와 접속되는 폭이 좁은 영역과, 사행부의 폭이 좁은 부분의 2군데이다. 그리고, 레이저 가공을 실시한다. 이 레이저 가공에서는 양극 활물질층 및 금속박의 양쪽 모두를 선택적으로 제거한다. 여기서는 사행부를 갖는 집전체의 윤곽을 그리도록 레이저 가공을 실시함으로써 집전체의 형상을 형성한다. 이 단계에서는 도 6의 (A)에 도시된 상태로 할 수 있다. 도 6의 (A)에 도시된 바와 같이, 집전체의 일부(사행 패턴의 뿌리 부분)를 노출시켜 양극 활물질층(18a)과 양극 활물질층(18b)이 형성된다.
또한, 여기서는 레이저 가공에 의하여 집전체의 외형 형상을 형성하였지만, 절단 장치 또는 펀칭 장치를 사용하여 금속박을 원하는 형상으로 가공한 다음에, 레이저 가공을 실시하여 복잡한 형상의 집전체를 형성하는 공정으로 하여도 좋다.
또한, 양극 집전체(12)의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 활물질층을 형성한 후에 레이저 가공을 실시하는 것이 바람직하다. 레이저 광을 조사하여 형성된 절단면은 강한 에너지가 주어져 집전체와 활물질층이 견고하게 고착되기 때문에 바람직하다.
도 6의 (A)에 도시된 바와 같이, 집전체의 사행부에 있어서 폭이 좁은 부분은 적어도 2개 있고, 적어도 하나(사행 패턴의 뿌리 부분)는 인접된 활물질층의 경계(양극 활물질층(18a)과 양극 활물질층(18b) 사이의 영역)와 중첩된다.
도 6의 (B)는 양극 집전체(12)를 핀셋으로 유지한 상태를 촬영한 사진이다. 도 6의 (A)에 도시한 바와 같이, 양극 집전체(12)의 사행부에 있어서 폭은 균일하지 않다.
다음에 띠 모양의 금속박의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 음극 활물질층을 형성한다.
다음에, 레이저 광을 조사함으로써 음극 활물질층을 선택적으로 제거한다. 제거하는 부분은 나중의 공정에서 전극 리드와 접속되는 폭이 좁은 영역이다. 그리고, 레이저 가공을 실시한다. 이 레이저 가공에서는 사행부를 갖는 집전체의 윤곽을 그리도록 가공함으로써 집전체의 형상을 형성한다.
도 6의 (C)는 음극 집전체(14) 및 음극 활물질층(19)의 상면 모식도이고, 도 6의 (D)는 음극 집전체를 핀셋으로 유지한 상태를 촬영한 사진이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 양극과 음극의 집전체는 둘 다 사행부를 갖지만 폭이 부분적으로 상이하다. 사행부는 반환 지점이라고도 할 수 있다. 또한, 사행부란, 직선 형상의 패턴을 포함한, 굴곡된 패턴 형상이다. 본 명세서에서는 집전체의 상면 형상의 윤곽의 일부가 90도 이상의 굴곡을 2번 이상 반복하는 것을 사행 형상이라고 부른다. 또한, 집전체의 상면 형상의 윤곽의 일부가 구형파나 삼각파의 파형을 갖는 형상, S자 형상 등도 사행 형상에 포함한다. 또한, 사행 형상에서의 굴곡은 동일 패턴을 반복할 필요는 없고, 불규칙한 굴곡을 갖는 형상이라도 좋다. 또한, 사행부를 형성하기 위하여 절단된 부분을 슬릿이라고 부른다.
나중의 공정에서 양극 집전체와 음극 집전체를 중첩시키면, 음극 집전체의 슬릿과 중첩되는 영역에 양극 활물질층이 위치되는 경우가 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 집전체의 경우, 음극 집전체의 슬릿과 양극 집전체의 사행부의 폭이 좁은 부분이 중첩되기 때문에 이 부분에 양극 활물질층이 존재하면, 양극 활물질층과 중첩되는 영역에 음극 활물질층이 없는 상태가 된다. 이 경우, 양극 활물질층과 중첩되는 영역에 음극 활물질층이 없는 것으로 인하여 전지 반응이 일어날 때 문제가 생길 우려가 있다. 구체적으로는 양극 활물질층으로부터 나온 캐리어 이온이 슬릿에 가장 가까운 영역의 음극 활물질층에 집중되어 음극 활물질층 표면에 캐리어 이온이 석출될 우려가 있다. 그래서, 중첩되는 영역에 음극 활물질층이 없는 양극 활물질층, 도 6의 경우에는 양극 집전체의 사행부의 폭이 좁은 부분의 양극 활물질층을 레이저 광의 조사로 제거함으로써 캐리어 이온의 석출을 억제할 수 있다.
또한, 상술한 이유로 양극과 음극의 슬릿의 폭은 같거나, 또는 양극의 슬릿의 폭이 더 넓은 것이 바람직하다. 양극의 슬릿의 폭을 넓게 함으로써 중첩되는 영역에 음극 활물질층이 없는 양극 활물질층을 없애거나, 또는 감소시킬 수 있다. 그래서 음극 활물질층 표면에 캐리어 이온이 석출되는 것을 억제할 수 있다.
다음에 도 7의 (A)에 도시된 바와 같이, 양극 집전체(12)를 세퍼레이터(13)로 끼운다. 그리고, 세퍼레이터(13)에서 양극 집전체(12)와 중첩되지 않은 영역의 일부(13a)를 접착하고, 세퍼레이터(13)로 양극 집전체(12)를 싸이도록 제작한다(도 7의 (B) 참조). 또한, 세퍼레이터(13)에 폴리프로필렌이나 폴리불화비닐리덴(PVDF)을 사용하는 경우는 190℃~230℃로 열 용착함으로써 접착할 수 있다.
다음에, 도 7의 (C)에 도시된 바와 같이, 세퍼레이터(13)로 싸여진 양극 집전체(12)와, 음극 집전체(14)를 적층시킨다. 이 때, 복수의 양극 집전체(12)와 음극 집전체(14)를 적층시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 세퍼레이터(13)로 싸여진 양극 집전체(12)와 음극 집전체(14)를 교대로 적층시키고, 또한 양극 집전체(12)는 전극 탭부끼리 중첩되고, 음극 집전체(14)는 전극 탭부끼리 중첩되도록 하면 좋다. 복수의 양극 집전체(12)와 음극 집전체(14)를 적층시켜 전기적으로 접속함으로써 2차 전지의 용량을 증대시킬 수 있다.
그리고, 적층된 세퍼레이터(13), 양극 집전체(12) 및 음극 집전체(14)를 묶어 고정하는 것이 바람직하다. 고정은 점착 테이프, 점착제를 도포한 폴리이미드 필름을 비롯한 수지 테이프 등을 사용하여 행할 수 있다.
다음에 양극 집전체(12)의 전극 탭부와 하나의 리드 전극(16a)을 전기적으로 접속한다. 또는 음극 집전체(14)의 전극 탭부와 다른 하나의 리드 전극(16b)을 전기적으로 접속한다. 전기적인 접속은 초음파 용접으로 실시할 수 있다. 또한, 복수의 양극 집전체(12)와 음극 집전체(14)를 적층시킨 경우, 리드 전극(16a)과 복수의 양극 집전체(12)의 전극 탭부끼리를 초음파 용접으로 접속하는 공정과, 리드 전극(16b)과 복수의 음극 집전체(14)의 전극 탭부끼리를 초음파 용접으로 접속하는 공정을 동시에 처리할 수 있다. 이로써 복수의 양극 집전체(12)끼리와 복수의 음극 집전체(14)끼리의 도통을 얻을 수 있다.
또한, 양극 집전체(12)에 접속되는 리드 전극은 알루미늄 등의 양극 집전체에 사용할 수 있는 재료를 사용하면 좋다. 또한, 음극 집전체(14)에 접속되는 리드 전극은 구리 등의 음극 집전체에 사용할 수 있는 재료를 사용하면 좋다. 양극 집전체(12)에 전기적으로 접속되는 리드 전극은 양극 집전체(12)와 같은 전위가 되고, 음극에 대하여도 마찬가지므로 집전체에 사용할 수 있는 재료는 리드 전극에 사용할 수 있다.
다음에, 도 8의 (A)에 도시된 바와 같이, 필름(11)을 중앙부에서 반으로 접는다. 그리고, 도 8의 (B)에 도시된 바와 같이, 필름(11)의 주변을 2개의 변을 남기면서 열 압착으로 접합한다. 도 8의 (B)에 도시된 바와 같이, 1변은 필름(11)을 접은 변이 되기 때문에 이 공정에서는 1변(11b)만 접합하면 좋다. 이로써 필름(11)으로 둘러싸인 영역에 적층된 세퍼레이터(13), 양극 집전체(12), 및 음극 집전체(14)를 수납할 수 있다.
또한, 필름(11)에 미리 엠보싱 가공을 실시하여도 좋다. 엠보싱 가공을 실시함으로써 더 휘어지기 쉬운 2차 전지로 할 수 있다.
다음에, 도 8의 (C)에 도시된 바와 같이, 필름(11)으로 둘러싸인 영역에 양극 집전체(12), 세퍼레이터(13), 및 음극 집전체(14)를 수납하고, 필름(11)의 1변(11c)을 열 압착으로 접합한다. 이 때, 리드 전극(16a) 및 리드 전극(16b)은 필름(11)으로 둘러싸인 영역의 외측으로 인출한다.
다음에, 도 8의 (D)에 도시된 바와 같이, 필름(11)으로 둘러싸인 영역에 전해액(20)을 주입한다. 그리고, 진공 배기하여 가열 및 가압을 행하면서 도 8의 (E)에 도시된 바와 같이 필름(11)의 나머지 1변(11d)을 접합한다. 상술한 조작은 글로브 박스를 사용하는 등의 방법에 의하여 산소를 배제한 환경하에서 행한다. 진공 배기는 탈기 실러(sealer), 주액 실러 등을 사용하여 행하면 좋다. 또한, 실러가 갖는 가열 가능한 2개의 바(Bar)로 필름(11)을 끼움으로써, 가열 및 가압을 행하여 밀봉할 수 있다. 각 조건은 예를 들어 진공도를 60kPa, 가열을 190℃, 가압을 0.1MPa로 하며 3초로 할 수 있다.
다음에, 상기 공정에서 얻어진 2차 전지에 에이징(aging) 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 에이징 처리에 의하여 전극과 전해질의 계면에 생기는 피막을 제어하여 활물질을 활성화시킬 수 있다.
또한, 에이징 처리를 실시한 2차 전지를 한 번 개봉하고, 에이징 처리로 인하여 생긴 가스를 뺀 다음에, 전해액을 더 추가하고 다시 밀봉하여도 좋다. 양극과 음극의 전극 사이에 가스가 존재하면 전지 반응에 불균일이 생겨, 열화 요인이 되기 때문에 가스를 빼고 다시 밀봉함으로써 열화를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 직사각형의 세퍼레이터(13), 양극 집전체(12), 음극 집전체(14), 및 필름(11)을 사용하여 설명하였기 때문에 4개의 변을 순차적으로 접합하는 방법을 제시하였지만, 본 발명의 일 형태는 이 방법에 한정되지 않는다. 직사각형 이외의 2차 전지를 제작하는 경우에는 접합하는 순서, 접합 방법을 적절히 변경할 수 있다.
상술한 바와 같이, 사행 패턴을 갖는 집전체와, 사행 패턴의 뿌리 부분의 양극 활물질층을 부분적으로 제거함으로써 휘어지는 전지를 실현할 수 있다.
본 실시형태는 실시형태 1과 자유롭게 조합시킬 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는, 실시형태 1 또는 2를 사용하여 얻어지는 리튬 이온 2차 전지를 제공한 전자 기기의 일례를 제시한다.
실시형태 1 또는 2를 사용하여 얻어지는 2차 전지는 활물질층이 부분적으로 제거되어, 2차 전지가 휘어질 때 가해지는 응력을 완화시킬 수 있다. 이 2차 전지는 곡면을 갖는 지지 구조체에 접착시켜 지지 구조체의 곡률 반경이 큰 영역의 곡면 부분에 추종한 가요성 형상으로 변형시킬 수 있다.
가요성 형상을 구비한 축전 장치를 적용한 전자 기기로서 예를 들어, 헤드 마운트 디스플레이나 고글형 디스플레이 등의 표시 장치(텔레비전 또는 텔레비전 수신기라고도 함), 데스크톱형이나 노트북형 등의 퍼스널 컴퓨터, 컴퓨터용 등의 모니터, 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라, 디지털 포토프레임, 전자 수첩, 전자 서적, 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 감지기, 가스 경보 장치나 방범 경보 장치 등의 경보 장치, 산업용 로봇, 보청기, 심장 페이스메이커, X선 촬영 장치, 방사선 측정기, 전기 마사지기나 투석 장치 등의 건강 기기나 의료 기기, 휴대 전화기(휴대 전화, 휴대 전화 장치라고도 함), 휴대형 게임기, 휴대 정보 단말기, 조명 장치, 헤드폰, 스테레오, 리모트 컨트롤러, 탁상 시계나 벽걸이 시계 등의 시계, 무선 전화기의 수화기, 트랜스시버, 보수계, 계산기, 디지털 오디오 플레이어 등의 휴대형 또는 설치형 음향 재생 장치, 파친코기 등의 대형 게임기 등을 들 수 있다.
또한, 가요성 형상을 구비한 축전 장치를, 집이나 빌딩의 내벽 또는 외벽이나, 자동차의 내장 또는 외장의 곡면을 따라 제공할 수도 있다.
도 9의 (A)는 휴대 전화기의 일례를 도시한 것이다. 휴대 전화기(7400)는, 하우징(7401)에 조합된 표시부(7402)에 더하여 조작 버튼(7403), 외부 접속 포트(7404), 스피커(7405), 마이크로폰(7406) 등을 구비한다. 또한, 휴대 전화기(7400)는 축전 장치(7407)를 갖는다.
도 9의 (B)는 휴대 전화기(7400)를 만곡시킨 상태를 도시한 것이다. 휴대 전화기(7400)를 외부로부터의 힘으로 변형시켜 전체를 만곡시키면 그 내부에 제공된 축전 장치(7407)도 만곡된다. 또한, 도 9의 (C)는 만곡된 축전 장치(7407)의 상태를 도시한 것이다. 축전 장치(7407)는 래미네이트 구조의 축전지(적층 구조 전지, 필름 외장 전지라고도 불림)이고, 휘어진 상태로 고정되어 있다. 또한, 축전 장치(7407)는, 집전체(7409)와 전기적으로 접속된 리드 전극(7408)을 갖는다. 예를 들어, 축전 장치(7407)의 외장체인 필름에 엠보싱 가공이 실시되어 있으므로, 축전 장치(7407)가 휘어진 상태에서의 신뢰성이 높은 구성이 되어 있다. 또한, 휴대 전화기(7400)에는 SIM 카드를 삽입하기 위한 슬롯이나, USB 메모리 등의 USB 디바이스를 접속하기 위한 커넥터부 등을 제공하여도 좋다.
도 9의 (D)는 휘어질 수 있는 휴대 전화기의 일례를 도시한 것이다. 아래팔에 감는 형상으로 휘어지면, 도 9의 (E)에 도시된 팔찌형 휴대 전화기로 할 수 있다. 휴대 전화기(7100)는 하우징(7101), 표시부(7102), 조작 버튼(7103), 및 축전 장치(7104)를 구비한다. 또한, 도 9의 (F)는 휘어질 수 있는 축전 장치(7104)의 상태를 도시한 것이다. 축전 장치(7104)는 휘어진 상태로 사용자의 팔에 장착될 때에, 하우징이 변형되어 축전 장치(7104)의 곡률이 부분적 또는 전체적으로 변화된다. 구체적으로는, 곡률 반경이 10mm 이상 150mm 이하의 범위 내에서 하우징 또는 축전 장치(7104)의 주된 표면이 부분적 또는 전체적으로 변화된다. 또한, 축전 장치(7104)는 집전체(7106)와 전기적으로 접속된 리드 전극(7105)을 갖는다. 예를 들어, 축전 장치(7104)의 외장체 필름 표면에 복수의 요철을 형성하는 프레스 가공이 실시되어 있고, 축전 장치(7104)가 곡률을 변화시켜 휘어지는 횟수가 많아도 높은 신뢰성을 유지할 수 있는 구성이 되어 있다. 또한, 휴대 전화기(7100)에는 SIM 카드를 삽입하기 위한 슬롯이나, USB 메모리 등의 USB 디바이스를 접속하는 커넥터부 등을 제공하여도 좋다. 또한, 도 9의 (D)에 도시된 휴대 전화기를 중앙 부분으로 접으면 도 9의 (G)에 도시된 바와 같은 형상으로 할 수도 있다. 또한, 휴대 전화기의 중앙 부분을 더 접고, 도 9의 (H)에 도시된 바와 같이 휴대 전화기의 단부가 서로 중첩되도록 하여 소형화시켜, 사용자의 주머니 등에 넣는 크기로 할 수 있다. 이와 같이, 도 9의 (D)에 도시된 휴대 전화기는 복수의 형상으로 변화할 수 있는 디바이스이고, 그것을 실현하기 위해서는 적어도 하우징(7101), 표시부(7102), 및 축전 장치(7104)가 가요성을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 도 10의 (A)는 청소기의 일례를 도시한 것이다. 청소기는 2차 전지를 구비함으로써 코드리스화할 수 있고, 청소기 내부에 빨아들인 먼지를 집진(集塵)하는 스페이스를 확보하기 위하여, 축전 장치(7604)가 차지하는 공간은 작을수록 바람직하다. 따라서, 외측 표면과 집진 스페이스 사이에 휘어질 수 있는 박형의 축전 장치(7604)를 배치하는 것은 유용하다.
청소기(7600)는 조작 버튼(7603) 및 축전 장치(7604)를 구비한다. 또한, 휘어질 수 있는 축전 장치(7604)의 상태를 도 10의 (B)에 도시하였다. 축전 장치(7604)는 외장체인 필름에 엠보싱 가공이 실시되어 있으므로, 축전 장치(7604)가 휘어진 상태에서의 신뢰성이 높은 구성이 되어 있다. 축전 장치(7604)는, 음극과 전기적으로 접속된 리드 전극(7601)과, 양극에 전기적으로 접속된 리드 전극(7602)을 갖는다.
또한, 외장체의 짧은 변 하나에 대하여 하나의 리드 전극을 각각 노출시킨 축전 장치의 예로서 휘어질 수 있는 축전 장치(7605)의 상태를 도 10의 (C)에 도시하였다. 축전 장치(7605)는, 외장체의 짧은 변 2개에 각각 집전체 또는 리드 전극이 노출된 구성을 갖는다. 축전 장치(7605)의 외장체인 필름에도 엠보싱 가공을 실시하면 휘어질 수 있어 신뢰성이 높다.
박형의 축전 장치(7604)는 실시형태 1 또는 2에 제시된 2차 전지의 제작 방법을 사용하여 제작할 수 있다.
박형의 축전 장치(7604)는 래미네이트 구조이며, 휘어진 상태로 고정되어 있다. 또한, 청소기(7600)는 박형의 축전 장치(7604)의 전력 잔량 등을 표시하는 표시부(7606)를 갖고, 이 표시부(7606)는 청소기의 외부 표면의 형상을 따라 표시면도 만곡된다. 또한, 청소기는 콘센트에 접속되기 위한 접속 코드를 갖고, 박형의 축전 장치(7604)에 충분한 전력이 충전되면, 접속 코드를 콘센트로부터 빼서 청소기를 사용할 수도 있다. 또한, 박형의 축전 장치(7604)는 접속 코드를 사용하지 않고, 무선 충전하여도 좋다.
또한, 휘어질 수 있는 축전 장치를 차량에 탑재하면, 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자동차(EV), 또는 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 등의 차세대 클린 에너지 자동차를 실현할 수 있다. 또한, 농업 기계, 전동 어시스트 자전거를 포함하는 원동기 장착 자전거, 자동 이륜차, 전동 휠체어, 전동 카트, 소형 또는 대형 선박, 잠수함, 고정 날개나 회전 날개 등을 갖는 항공기, 로켓, 인공 위성, 우주 탐사기나 혹성 탐사기, 우주선 등의 이동체에 휘어질 수 있는 축전 장치를 탑재할 수도 있다.
도 11은 본 발명의 일 형태를 사용한 차량을 예로서 도시한 것이다. 도 11의 (A)에 도시된 자동차(8100)는 주행하기 위한 동력원으로서 전기 모터를 사용하는 전기 자동차이다. 또는 주행하기 위한 동력원으로서 전기 모터와 엔진을 적절히 선택하여 사용할 수 있는 하이브리드 자동차이다. 래미네이트 구조의 2차 전지를 차량에 탑재하는 경우, 복수의 래미네이트 구조의 2차 전지를 집적시킨 배터리 모듈을 한 개소 또는 복수 개소에 설치한다. 본 발명의 일 형태를 사용함으로써, 축전 장치 자체를 소형 경량화할 수 있다. 예를 들어, 곡면을 갖는 축전 장치를 차륜 내측에 제공하고, 주행 가능 거리가 긴 차량을 실현할 수 있다. 또한, 다양한 형상으로 한 축전 장치를 차량의 틈에 배치할 수 있으므로, 트렁크의 스페이스나 차내의 탑승 스페이스를 더 넓게 확보할 수 있다. 또한, 자동차(8100)는 축전 장치를 갖는다. 축전 장치는 전기 모터를 구동시킬 뿐만 아니라 헤드라이트(8101)나 룸 라이트(미도시) 등의 발광 장치에 전력을 공급할 수 있다.
또한, 축전 장치는 자동차(8100)가 갖는 스피드 미터, 회전 속도계 등의 표시 장치에 전력을 공급할 수 있다. 또한, 축전 장치는 자동차(8100)가 갖는 내비게이션 시스템 등의 반도체 장치에 전력을 공급할 수 있다.
도 11의 (B)에 도시된 자동차(8200)는, 자동차(8200)가 갖는 축전 장치에 플러그인 방식이나 비접촉 급전 방식 등에 의하여 외부의 충전 설비로부터 전력 공급을 받아 충전할 수 있다. 도 11의 (B)에는, 지상 설치형 충전 장치(8021)로부터 자동차(8200)에 탑재된 축전 장치에 케이블(8022)을 통하여 충전하고 있는 상태를 도시하였다. 충전에서, 충전 방법이나 커넥터의 규격 등은 CHAdeMO(등록 상표)나 콤보 등의 소정의 방식으로 적절히 행하면 좋다. 충전 장치(8021)는 상용 시설에 제공된 충전 스테이션이라도 좋고, 또한 일반 주택의 전원이라도 좋다. 예를 들어, 플러그인 기술에 의하여, 외부로부터의 전력 공급에 의하여 자동차(8200)에 탑재된 축전 장치를 충전할 수 있다. 또한, ACDC 컨버터 등의 변환 장치를 통하여 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 충전할 수 있다.
또한, 도시하지 않았지만, 수전 장치를 차량에 탑재하고, 지상의 송전 장치로부터 전력을 비접촉으로 공급하여 충전할 수도 있다. 이 비접촉 급전 방식의 경우, 도로나 외벽에 송전 장치를 장착함으로써 정차 시뿐만 아니라 주행 시에도 충전할 수 있다. 또한, 이 비접촉 급전의 방식을 이용하여, 2대의 차량끼리 전력을 송수신하여도 좋다. 또한, 차량의 외장부에 태양 전지를 제공하여, 정차 시나 주행 시에 축전 장치를 충전하여도 좋다. 이와 같은 비접촉 전력 공급에는 전자 유도 방식이나 자계 공명 방식을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 휘어질 수 있는 축전 장치를 제공함으로써 축전 장치의 설치 장소에 관한 자유도가 높아지고, 자동차의 차량 설계를 효율 좋게 행할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태에 따르면 축전 장치의 특성을 향상시킬 수 있어 축전 장치 자체를 소형 경량화할 수 있다. 축전 장치 자체를 소형 경량화할 수 있으면 차량의 경량화에 기여하기 때문에 주행 가능 거리를 향상시킬 수 있다. 또한, 차량에 탑재된 축전 장치를 차량 외의 전력 공급원으로서 사용할 수도 있다. 이 경우 전력 수요의 피크 시에 상용 전원을 사용하는 것을 회피할 수 있다.
본 실시형태는 실시형태 1 또는 2와 자유롭게 조합될 수 있다.
또한, 어느 하나의 실시형태에서 설명하는 내용(일부의 내용이라도 좋음)은, 그 실시형태에서 설명하는 다른 내용(일부의 내용이라도 좋음), 및/또는 하나 또는 복수의 다른 실시형태에서 설명하는 내용(일부의 내용이라도 좋음)에 대하여, 적용, 조합, 또는 치환 등을 행할 수 있다.
또한, 실시형태에서 설명하는 내용이란, 각 실시형태에 있어서, 다양한 도면을 사용하여 설명하는 내용, 또는 명세서에 기재되는 문장을 사용하여 설명하는 내용을 말한다.
또한, 어느 하나의 실시형태에서 설명하는 도면(일부라도 좋음)은, 그 도면의 다른 부분, 그 실시형태에서 설명하는 다른 도면(일부라도 좋음), 및/또는, 하나 또는 복수의 다른 실시형태에서 설명하는 도면(일부라도 좋음)에 대하여 조합함으로써, 더 많은 도면을 구성할 수 있다.
또한, 명세서 중에서 도면이나 문장으로 규정되지 않은 내용에 관하여, 그 내용을 제외하는 것을 규정한 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 또는, 어떤 값에 관하여, 상한 값과 하한 값 등으로 나타내어지는 수치 범위가 기재된 경우, 그 범위를 임의로 좁힘으로써, 또는 그 범위 내의 한 점을 제외함으로써 그 범위의 일부를 제외한 발명의 일 형태를 규정할 수 있다. 이로써, 예를 들어, 종래 기술이 본 발명의 일 형태의 기술적 범위 내에 들어가지 않는 것을 규정할 수 있다.
다른 구체적인 예로서는, 어떤 값에 관해서 예를 들어, "어떤 전압이, 3V 이상 10V 이하인 것이 적합하다"라고 기재되어 있는 것으로 한다. 그 경우 예를 들어, 어떤 전압이 -2V 이상 1V 이하인 경우를 제외함을 규정하여 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 또는, 예를 들어, 어떤 전압이 13V 이상인 경우를 제외함을 규정하여 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 또한, 예를 들어, 그 전압이 5V 이상 8V 이하임을 규정하고 발명을 구성하는 것도 가능하다. 또한, 예를 들어, 그 전압이 대략 9V임을 규정하고 발명을 구성하는 것도 가능하다. 또한, 예를 들어, 그 전압이 3V 이상 10V 이하이지만 9V인 경우를 제외함을 규정하고 발명을 구성하는 것도 가능하다. 또한, 어떤 값에 관하여 "이와 같은 범위인 것이 바람직하다", "이들을 만족시키는 것이 바람직하다" 등으로 기재되어 있더라도, 어떤 값은 그 기재에 한정되지 않는다. 즉, "바람직하다", "적합하다" 등으로 기재되어 있더라도 반드시 그 기재에 한정되는 것은 아니다.
다른 구체적인 예로서는, 어떤 값에 대해서, 예를 들어, "어떤 전압이, 10V인 것이 적합하다"라고 기재되어 있는 것으로 한다. 그 경우 예를 들어, 어떤 전압이 -2V 이상 1V 이하인 경우를 제외함을 규정하여 발명의 일 형태를 구성할 수 있고, 또는, 예를 들어, 어떤 전압이 13V 이상인 경우를 제외함을 규정하여 발명의 일 형태를 구성할 수 있다.
다른 구체적인 예로서는, 어떤 물질의 성질에 관하여, 예를 들어, "어떤 막은, 절연막이다"라고 기재되어 있는 것으로 한다. 그 경우, 예를 들어, 그 절연막이 유기 절연막인 경우를 제외함을 규정하여 발명의 일 형태를 구성할 수 있고, 또는, 예를 들어 그 절연막이 무기 절연막인 경우를 제외함을 규정하여 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 또는, 예를 들어, 그 막이 도전막인 경우를 제외함을 규정하여 발명의 일 형태를 구성할 수 있고, 또는, 예를 들어, 그 막이 반도체막인 경우를 제외함을 규정하여 발명의 일 형태를 구성할 수 있다.
다른 구체적인 예로서는, 어떤 적층 구조에 관하여 예를 들어, "A막과 B막 사이에, 어떤 막이 제공된다"라고 기재되어 있는 것으로 한다. 그 경우, 예를 들어, 그 막이, 4층 이상의 적층막인 경우를 제외함을 규정하여 발명을 구성할 수 있고, 또는 예를 들어, A막과 상기 막 사이에 도전막이 제공된 경우를 제외함을 규정하여 발명을 구성할 수 있다.
또한, 본 명세서 등에서는 능동 소자(트랜지스터, 다이오드 등), 수동 소자(용량 소자, 저항 소자 등) 등이 갖는 모든 단자에 관하여, 그 접속 대상이 특정되지 않더라도, 당업자라면 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능한 경우가 있다. 즉, 접속 대상을 특정하지 않더라도, 발명의 일 형태가 명확하다고 할 수 있다. 그리고 접속 대상이 특정된 내용이 본 명세서 등에 기재되어 있는 경우 접속 대상을 특정하지 않은 발명의 일 형태가 본 명세서 등에 기재되어 있다고 판단할 수 있는 경우가 있다. 특히, 단자의 접속 대상에서 복수의 경우가 고려되면, 그 단자의 접속 대상을 특정한 개소에 한정할 필요는 없다. 따라서, 능동 소자(트랜지스터, 다이오드 등), 수동 소자(용량 소자, 저항 소자 등) 등이 갖는 일부의 단자만 그 접속 대상을 특정함으로써, 발명의 일 형태를 구성할 수 있는 경우가 있다.
또한, 본 명세서 등에서는 어떤 회로에 관하여 적어도 접속 대상을 특정하기만 하면 당업자라면 발명을 특정하는 것이 가능한 경우가 있다. 또는, 어떤 회로에 관하여 적어도 기능을 특정하면, 당업자라면 발명을 특정하는 것이 가능한 경우가 있다. 즉, 기능을 특정하면, 발명의 일 형태는 명확하다고 할 수 있다. 그리고, 기능이 특정된 발명의 일 형태가 본 명세서 등에 기재되어 있다고 판단할 수 있는 경우가 있다. 따라서, 어떤 회로에 대해서 기능을 특정하지 않더라도 접속 대상을 특정하면 발명의 일 형태로서 제시되어 있는 것이고, 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능하다. 또는, 어떤 회로에 관하여, 접속 대상을 특정하지 않더라도 기능을 특정하면, 발명의 일 형태로서 제시되어 있는 것이며, 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능하다.
또한, 본 명세서 등에서는 어느 하나의 실시형태에 기재된 도면 또는 문장에서 그 일부를 추출하여 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능하다. 따라서, 어떤 부분을 서술하는 도면 또는 문장이 기재되어 있는 경우, 그 일부분의 도면 또는 문장을 추출한 내용도, 발명의 일 형태로서 제시되어 있는 것이며, 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능한 것으로 한다. 그리고, 그 발명의 일 형태는 명확하다고 할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 능동 소자(트랜지스터, 다이오드 등), 배선, 수동 소자(용량 소자, 저항 소자 등), 도전층, 절연층, 반도체층, 유기 재료, 무기 재료, 부품, 장치, 동작 방법, 제조 방법 등이 단수 또는 복수 제시된 도면 또는 문장에 있어서, 그 일부분을 추출하여, 발명의 일 형태를 구성할 수 있는 것으로 한다. 예를 들어, N개(N은 정수)의 회로 소자(트랜지스터, 용량 소자 등)를 갖고 구성된 회로도로부터 M개(M은 정수이고, M<N)의 회로 소자(트랜지스터, 용량 소자 등)를 추출하여 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능하다. 다른 예로서는, N개(N은 정수)의 층을 갖고 구성된 단면도로부터 M개(M은 정수이고, M<N)의 층을 추출하여 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능하다. 또 다른 예로서는, N개(N은 정수)의 요소를 갖고 구성된 흐름도로부터 M개(M은 정수이고, M<N)의 요소를 추출하여 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능하다. 다른 예로서는, "A는 B, C, D, E, 또는 F를 갖는다"라고 기재되어 있는 문장으로부터 일부의 요소를 임의로 추출하여, "A는 B와 E를 갖는다", "A는 E와 F를 갖는다", "A는 C와 E와 F를 갖는다", 또는, "A는 B와 C와 D와 E를 갖는다" 등의 발명의 일 형태를 구성할 수 있다.
또한, 본 명세서 등에서는 어느 하나의 실시형태에서 설명된 도면 또는 문장에서 구체적인 예가 적어도 하나 기재된 경우, 그 구체적인 예의 상위 개념을 도출하는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있다. 따라서, 어떤 하나의 실시형태에 있어서 서술하는 도면 또는 문장에 있어서, 적어도 하나의 구체적인 예가 기재되는 경우, 그 구체적인 예의 상위 개념도, 발명의 일 형태로서 제시되어 있는 것이며, 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능하다. 그리고, 그 발명의 일 형태는 명확하다고 할 수 있다.
또한, 본 명세서 등에서는 적어도 도면에 기재된 내용(도면 내의 일부라도 좋음)은 발명의 일 형태로서 기재된 것으로 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능하다. 따라서, 어느 내용에 대하여, 도면에 기재되어 있으면, 문장을 사용하여 설명하지 않아도, 그 내용은 발명의 일 형태로서 제시되어 있는 것이고, 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능하다. 마찬가지로, 도면의 일부를 추출한 도면에 관해서도, 발명의 일 형태로서 제시되어 있는 것이며, 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능하다. 그리고, 그 발명의 일 형태는 명확하다고 할 수 있다.
(실시예)
본 실시예에서는 양극 활물질을 부분적으로 제거한 2차 전지와, 제거하지 않은 2차 전지를 제작하고, 충전한 후의 전극을 서로 비교하였다.
<양극 활물질 제거 샘플>
양극 활물질을 부분적으로 제거한 2차 전지는 이하에 제시하는 대로 제작하였다.
양극 활물질에는 LiCoO2를 사용하고, 이것에 도전조제 및 바인더로서 아세틸렌 블랙(AB) 및 PVDF를 혼합하였다. 이들의 혼합 비율은 LiCoO2를 90wt%, AB을 5wt%, PVDF를 5wt%로 하였다. 양극 집전체에는 두께 20μm의 알루미늄을 사용하여 양극 집전체의 한쪽 면에 LiCoO2, AB, 및 PVDF의 혼합물을 도포하여 양극 활물질층을 형성하였다.
그리고, 레이저 광을 조사함으로써 나중의 공정에 의하여 전극 리드와 접속되는 폭이 좁은 영역과 사행부의 폭이 좁은 부분 2개소의 양극 활물질층을 선택적으로 제거하였다. 또한, 사행부를 갖는 집전체의 윤곽을 그리도록 레이저 가공을 실시함으로써 양극 활물질층과 금속박 양쪽을 선택적으로 제거하여 도 6의 (A)에 도시된 바와 같은 형상의 양극 집전체와 양극 활물질층을 제작하였다.
음극 활물질에는 흑연을 사용하고, 이것에 도전조제 및 바인더로서 기상법 탄소 섬유(VGCF(등록상표)), 카복시메틸 셀룰로스(CMC), 및 스타이렌-뷰타다이엔고무(SBR)를 혼합시켰다. 이들의 혼합 비율은 흑연을 96wt%, VGCF를 1wt%, CMC를 1wt%, SBR를 2wt%로 하였다. 음극 집전체에는 두께 18μm의 구리를 사용하였다. 음극 집전체의 한쪽 면에 흑연, VGCF, CMC, 및 SBR의 혼합물을 도포하여 음극 활물질층을 형성하였다.
그리고, 레이저 광을 조사함으로써 나중의 공정에 의하여 전극 리드와 접속되는 폭이 좁은 영역의 음극 활물질을 선택적으로 제거하였다. 또한, 사행부를 갖는 집전체의 윤곽을 그리도록 레이저 가공을 실시함으로써 음극 활물질층과 금속박 양쪽을 선택적으로 제거하여 도 6의 (C)에 도시된 바와 같은 형상의 음극 집전체와 음극 활물질층을 제작하였다.
전해액에는 EC:DEC:EMC를 중량비 3:6:1로 혼합시킨 유기 용매 중에 1.2mol/L의 LiPF6을 용해시키고, 첨가제로서 프로페인설톤(PS)을 0.5wt%, 비닐렌 카보네이트(VC)를 0.5wt% 첨가한 것을 사용하였다.
세퍼레이터에는 폴리프로필렌을 사용하였다.
외장체에는 알루미늄 래미네이트 필름을 사용하였다.
상기 양극 집전체 및 음극 집전체를 각 1장, 전해액, 세퍼레이터 및 외장체를 사용하여 실시형태 1에서 제시한 제작 방법에 따라 2차 전지를 제작하고, 그것을 양극 활물질 제거 샘플로 하였다.
<양극 활물질 비제거 샘플>
양극 활물질을 제거하지 않은 2차 전지는, 상기 양극 활물질 제거 샘플과 거의 같은 공정으로 제작되었지만, 다른 점으로서는 레이저 광을 조사하는 공정에서 사행부의 폭이 좁은 부분의 양극 활물질층을 제거하지 않았다는 것을 들 수 있다.
<충전>
양극 활물질 제거 샘플과 양극 활물질 비제거 샘플을 같은 조건하에서 충전하였다. 충전 온도는 25℃, 충전 조건은 4.1V, 레이트 0.3C, CCCV, 종지 전류 0.01C로 하였다.
<충전 후의 전극 비교>
도 12의 (A)는 충전 후의 양극 활물질 제거 샘플의 양극 집전체를 촬영한 사진이고, 도 12의 (B)는 음극 집전체를 촬영한 사진이다. 도 12의 (A)에서 동그라미를 친 부분은, 양극 활물질이 제거된 사행부의 폭이 좁은 부분을 나타낸 것이다. 도 12의 (B)에서 동그라미를 친 부분은, 양극 집전체에서의 사행부의 폭이 좁은 부분과 중첩되어 있던 부분을 나타낸 것이다.
또한, 도 12의 (C)는 충전 후의 양극 활물질 비제거 샘플의 양극 집전체를 촬영한 사진이고, 도 12의 (D)는 음극 집전체를 촬영한 사진이다. 도 12의 (C)에서 동그라미를 친 부분은, 양극 활물질이 제거되지 않은 사행부의 폭이 좁은 부분을 나타낸 것이다. 도 12의 (D)에서 동그라미를 친 부분은, 양극 집전체에서의 사행부의 폭이 좁은 부분과 중첩되어 있던 부분을 나타낸 것이다.
또한, 충전 후의 음극 집전체를 SEM(주사형 전자 현미경)을 사용하여 관찰하였다. 음극 집전체에서의, 양극 집전체의 사행부의 폭이 좁은 부분으로부터 가장 가까운 음극 활물질, 즉 슬릿에 가장 가까운 음극 활물질의 전자 현미경 사진을 도 13에 제시하였다. 도 13의 (A)는 양극 활물질 제거 샘플에서의 음극 집전체의 전자 현미경 사진이고, 도 13의 (B)는 비제거 샘플에서의 음극 집전체의 전자 현미경 사진이다.
도 13의 (A)의 양극 활물질 제거 샘플에서는 음극 활물질 표면에 이상은 보이지 않는다. 한편으로 도 13의 (B)의 양극 활물질 비제거 샘플에서는 음극 활물질 표면에 침 형상의 생성물이 관찰되어 음극 활물질 표면에 리튬이 석출되어 있는 것을 알 수 있었다.
상기 결과를 보면, 양극 활물질을 부분적으로 제거함으로써 음극 활물질 표면의 리튬 석출을 억제할 수 있다는 것이 분명해졌다.
11: 필름
12: 양극 집전체
13: 세퍼레이터
14: 음극 집전체
15: 밀봉층
16a: 리드 전극
16b: 리드 전극
18: 양극 활물질층
18a: 양극 활물질층
18b: 양극 활물질층
18c: 양극 활물질층
18d: 양극 활물질층
18e: 양극 활물질층
18f: 양극 활물질층
18g: 양극 활물질층
18h: 양극 활물질층
18i: 양극 활물질층
19: 음극 활물질층
20: 전해액
40: 2차 전지
80: 롤
90: 롤
7100: 휴대 전화기
7101: 하우징
7102: 표시부
7103: 조작 버튼
7104: 축전 장치
7105: 리드 전극
7106: 집전체
7400: 휴대 전화기
7401: 하우징
7402: 표시부
7403: 조작 버튼
7404: 외부 접속 포트
7405: 스피커
7406: 마이크로폰
7407: 축전 장치
7408: 리드 전극
7409: 집전체
7600: 청소기
7601: 리드 전극
7602: 리드 전극
7603: 조작 버튼
7604: 축전 장치
7605: 축전 장치
7606: 표시부
8021: 충전 장치
8022: 케이블
8100: 자동차
8101: 헤드라이트
8200: 자동차
12: 양극 집전체
13: 세퍼레이터
14: 음극 집전체
15: 밀봉층
16a: 리드 전극
16b: 리드 전극
18: 양극 활물질층
18a: 양극 활물질층
18b: 양극 활물질층
18c: 양극 활물질층
18d: 양극 활물질층
18e: 양극 활물질층
18f: 양극 활물질층
18g: 양극 활물질층
18h: 양극 활물질층
18i: 양극 활물질층
19: 음극 활물질층
20: 전해액
40: 2차 전지
80: 롤
90: 롤
7100: 휴대 전화기
7101: 하우징
7102: 표시부
7103: 조작 버튼
7104: 축전 장치
7105: 리드 전극
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7401: 하우징
7402: 표시부
7403: 조작 버튼
7404: 외부 접속 포트
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7407: 축전 장치
7408: 리드 전극
7409: 집전체
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7601: 리드 전극
7602: 리드 전극
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7604: 축전 장치
7605: 축전 장치
7606: 표시부
8021: 충전 장치
8022: 케이블
8100: 자동차
8101: 헤드라이트
8200: 자동차
Claims (2)
- 2차 전지에 있어서,
양극과, 음극과, 상기 양극 및 상기 음극의 사이에 제공된 세퍼레이터를 포함하고,
상면에서 보았을 때, 상기 양극은, 직선 형상의 영역과, 절단된 제 1 부분에 의해 굴곡된 형상을 갖는 영역을 포함하고,
상면에서 보았을 때, 상기 음극은, 직선 형상의 영역과, 절단된 제 2 부분에 의해 굴곡된 형상을 갖는 영역을 포함하고,
상기 제 1 부분은, 상기 제 2 부분보다 큰, 2차 전지. - 제1항이 있어서,
상기 제 1 부분은, 상기 제 2 부분과 중첩되는 영역을 포함하는, 2차 전지.
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| E601 | Decision to refuse application |