KR20220128294A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20220128294A
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다케루 하라
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프라임 플래닛 에너지 앤드 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

전극체의 내부에 있어서의 건조 불균일의 발생을 억제할 수 있는 기술을 제공한다. 여기서 개시되는 이차 전지(100)는, 적어도 한 쌍의 직사각형면을 갖는 전극체와, 해당 전극체를 수용하는 전지 케이스를 구비한다. 전지 케이스(10)는, 한 쌍의 직사각 형상 광폭면과, 해당 한 쌍의 광폭면 사이에 있는 4개의 직사각 형상 측면을 갖는 6면 상자형 형상으로 형성되어 있다. 전극체(20)는, 해당 전극체의 직사각형면이 전지 케이스(10)의 광폭면과 대향하도록, 전지 케이스(10)에 수용되어 있다. 여기서, 전지 케이스(10)는, 내부에 돌출부(13)를 구비하고 있고, 돌출부(13)는, 전지 케이스(10)에 수용된 전극체(20)의 직사각형면의 긴 변 방향의 중심선을 포함하는 중앙 영역의 적어도 일부에 접촉하고 있다.

Description

이차 전지{SECONDARY BATTERY}
본 발명은, 이차 전지에 관한 것이다.
현재, 리튬 이온 이차 전지나 니켈 수소 전지 등의 이차 전지는, 차량이나 휴대 단말기 등의 여러 분야에 있어서 널리 사용되고 있다. 이러한 종류의 이차 전지의 전형례로서, 정극, 부극 및 해당 정극과 해당 부극을 이격하는 세퍼레이터를 구비하는 전극체와, 해당 전극체를 수용하는 전지 케이스를 구비하는 구성의 것을 들 수 있다.
상기 구성의 이차 전지를 제조하는 방법으로서, 예를 들어 특허문헌 1에 기재된 방법을 들 수 있다. 특허문헌 1에서는, 전극체가 전지 케이스에 수용되어 있고, 또한 전해액이 주액되어 있지 않은 상태의 전지 조립체의 내부를 건조시키는 공정에 대해서, 기재되어 있다. 당해 문헌에서 개시되는 제조 방법은, 이하의 공정: 전극체가 전지 케이스에 수용된 상태의 전지 조립체를 진공 건조로의 내부에 배치하는 배치 공정; 진공 건조로의 내부를 승온 또한 감압된 상태로 하고, 전지 조립체를 건조시키는 건조 공정; 및 전지 조립체를 건조시킨 후에, 진공 건조로의 내부를 승압하는 승압 공정을 포함한다.
일본 특허 출원 공개 제2018-6261호 공보
그런데, 상기와 같은 전지 조립체의 건조에 있어서, 전극체의 내부에 건조 불균일이 있으면, 전류의 분포나 전위의 분포에 불균일함을 발생시키는 요인이 될 수 있으므로, 바람직하지 않다.
본 발명은, 이러한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 점은, 전극체의 내부에 있어서의 건조 불균일의 발생을 억제할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.
여기에 개시되는 이차 전지는, 정극, 부극 및 해당 정극과 해당 부극을 이격하는 세퍼레이터를 구비하고, 적어도 한 쌍의 직사각형면을 갖는 전극체와, 해당 전극체를 수용하는 전지 케이스를 구비한다. 상기 전지 케이스는, 한 쌍의 직사각 형상 광폭면과, 해당 한 쌍의 광폭면 사이에 있는 4개의 직사각 형상 측면을 갖는 6면 상자형 형상으로 형성되어 있다. 상기 전극체는, 해당 전극체의 상기 직사각형면이 상기 전지 케이스의 상기 광폭면과 대향하도록, 상기 전지 케이스에 수용되어 있다. 여기서, 상기 전지 케이스는, 내부에 돌출부를 구비하고 있고, 상기 돌출부는, 상기 전지 케이스에 수용된 상기 전극체의 상기 직사각형면의 긴 변 방향의 중심선을 포함하는 중앙 영역의 적어도 일부에 접촉하고 있다.
본 발명자의 검토에 의해, 전지 조립체의 건조 공정에 있어서, 전극체의 중앙 영역에 수분이 남는 경향이 있다고 알 수 있었다. 상기 이차 전지는, 전지 케이스의 내부에, 상기 중앙 영역의 적어도 일부에 접촉하는 돌출부가 구비된다. 이에 의해, 전지 조립체의 건조 공정에 있어서, 상기 중앙 영역에 대한 전열 효율을 향상할 수 있다. 그 때문에, 상기 중앙 영역으로부터의 수분의 제거를 재촉하여, 전극체의 내부에 있어서의 건조 불균일의 발생을 억제할 수 있다.
여기에 개시되는 이차 전지의 적합한 일 양태에서는, 상기 전극체에 있어서의 상기 직사각형면의 긴 변 방향의 길이 L1과, 상기 중앙 영역의 상기 긴 변 방향의 길이 L2의 비(L2/L1)는 1/8 이상 1/2 이하이다. 상기 비(L2/L1)를 상기 범위가 되도록 설정한 구성에 있어서, 여기서 개시되는 기술의 효과는, 적절하게 실현될 수 있다.
여기에 개시되는 이차 전지의 적합한 다른 일 양태에서는, 상기 길이 L1은, 100mm 이상이다. 여기서 개시되는 기술의 효과는, 길이 L1이 100mm 이상의 전극체를 갖는 전지 조립체를 건조시킬 때, 바람직하게 발휘될 수 있다.
여기에 개시되는 이차 전지의 적합한 다른 일 양태에서는, 상기 정극은, 긴 띠상의 정극 시트이며, 상기 부극은, 긴 띠상의 부극 시트이다. 상기 전극체는, 상기 정극 시트 및 상기 부극 시트가, 상기 세퍼레이터를 개재시키면서 적층되어서, 시트 길이 방향에 직교하는 권회축을 중심으로 하여 권회된 권회 전극체이다. 여기서, 상기 정극 시트, 상기 부극 시트 및 상기 세퍼레이터의 적층면은, 상기 권회축 방향의 양단부로부터 상기 전극체의 외부에 대하여 개방되어 있다. 상기 구성의 권회 전극체의 건조에서는, 전극체 중의 수분이 개방 적층면으로부터 외부로 나가기 때문에, 권회 전극체에서는 건조 불균일이 발생하기 쉽다. 여기서 개시되는 기술의 효과는, 권회 전극체를 갖는 전지 조립체를 건조시킬 때, 바람직하게 발휘될 수 있다.
여기에 개시되는 이차 전지의 적합한 다른 일 양태에서는, 상기 전극체를 복수 구비하고 있다. 복수의 상기 전극체는, 소정의 일 방향으로 배열된 상태에서 상기 전지 케이스에 수용되어 있다. 상기 돌출부는, 상기 배열 방향에 있어서의 양단부의 상기 전극체에 접촉하고 있다. 여기서 개시되는 기술의 효과는, 복수의 전극체를 구비하는 전지 조립체를 건조시킬 때에 있어서도, 적절하게 발휘될 수 있다.
여기에 개시되는 이차 전지의 적합한 다른 일 양태에서는, 각 전극체의 사이에는, 인서트 부재가 구비되어 있다. 상기 인서트 부재는, 해당 인서트 부재와 인접하는 상기 전극체의 상기 중앙 영역의 적어도 일부에 접촉하고 있다. 이러한 구성에 의하면, 각 전극체의 사이에 인서트 부재를 구비함으로써, 전극체의 중앙 영역으로의 전열 효율을 보다 높일 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 이차 전지를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II선을 따르는 모식적인 횡단면도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 따른 이차 전지의 케이스 본체를 전개한 상태의 사시도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 따른 이차 전지의 전극체를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 5는 제1 실시 형태에 따른 이차 전지의 전극체 구성을 도시하는 모식도이다.
도 6은 제2 실시 형태에 따른 이차 전지의 구성을 도시하는 횡단면도이다.
도 7은 제3 실시 형태에 따른 이차 전지의 구성을 도시하는 횡단면도이다.
이하, 도면을 참조하면서, 여기서 개시되는 기술의 몇몇 적합한 실시 형태를 설명한다. 또한, 본 명세서에 있어서 특별히 언급하고 있는 사항 이외의 사항이며 본 발명의 실시에 필요한 사항(예를 들어, 여기서 개시되는 기술을 특징짓지 않는 이차 전지의 일반적인 구성 및 제조 프로세스)은 당해 분야에 있어서의 종래 기술에 기초하는 당업자의 설계 사항으로서 파악될 수 있다. 여기서 개시되는 기술은, 본 명세서에 개시되어 있는 내용과 당해 분야에 있어서의 기술 상식에 기초하여 실시할 수 있다.
본 명세서에 있어서 「이차 전지」란, 반복 충방전이 가능한 축전 디바이스 전반을 가리키는 용어이며, 리튬 이온 이차 전지나 니켈 수소 전지 등의 소위 축전지(화학 전지)와, 전기 이중층 캐패시터 등의 캐패시터(물리 전지)를 포함하는 개념이다.
본 명세서에 있어서 참조하는 각 도면에 있어서의 부호 X는 「깊이 방향」을 나타내고, 부호 Y는 「폭 방향」을 나타내고, 부호 Z는 「높이 방향」을 나타낸다. 또한, 깊이 방향 X에 있어서의 F는 「전방」을 나타내고, Rr은 「후방」을 나타낸다. 폭 방향 Y에 있어서의 L은 「좌측」을 나타내고, R은 「우측」을 나타낸다. 그리고, 높이 방향 Z에 있어서의 U는 「상방」을 나타내고, D는 「하방」을 나타낸다. 단, 이들은 설명의 편의상의 방향에 지나지 않고, 이차 전지의 설치 형태를 하등 한정하는 것은 아니다.
<제1 실시 형태>
여기서 개시되는 이차 전지의 일례를, 도 1, 2에 도시한다. 도 1은, 제1 실시 형태에 따른 이차 전지를 모식적으로 도시하는 사시도이다. 도 2는, 도 1의 II-II선을 따르는 모식적인 횡단면도이다. 이차 전지(100)는 전극체(20), 전극체(20)를 덮는 전극체 홀더(70) 및 도시되지 않는 전해액과, 해당 전극체, 해당 전극체 홀더 및 해당 전해액을 수용하는 전지 케이스(10)를 구비하고 있다. 이차 전지(100)는, 여기서는 리튬 이온 이차 전지이다. 또한, 전해액에 대해서는, 이러한 종류의 이차 전지에 있어서 사용될 수 있는 것을 특별히 제한없이 사용할 수 있고, 여기에 개시되는 기술을 특징짓는 것은 아니므로 상세한 설명을 생략한다.
전지 케이스(10)는, 개구를 갖는 케이스 본체(12)와, 개구를 막는 덮개(14)를 구비하고 있다. 전지 케이스(10)는 케이스 본체(12)의 개구 주연에 덮개(14)가 접합됨으로써, 일체화되어 기밀하게 밀봉(밀폐)되어 있다. 덮개(14)에는, 주액 구멍(15)과, 안전 밸브(17)와, 정극 외부 단자(30)와, 부극 외부 단자(40)가 마련되어 있다. 주액 구멍(15)은 전지 케이스(10) 내에 전해액을 주액하기 위한 구멍이며, 밀봉 마개(16)에 의해 밀봉되어 있다. 안전 밸브(17)는 전지 케이스(10) 내의 압력이 소정값 이상으로 되었을 때에 파단하여, 전지 케이스(10) 내의 가스를 외부로 배출하도록 구성된 박육부이다. 정극 외부 단자(30) 및 부극 외부 단자(40)는, 전지 케이스(10) 내에 수용된 전극체와 전기적으로 접속되어 있다.
전지 케이스(10)는 한 쌍의 직사각 형상 광폭면(12b)과, 한 쌍의 광폭면(12b) 사이에 있는 4개의 직사각 형상 측면을 갖는 6면 상자형 형상으로 형성되어 있다. 전지 케이스(10)는 한 쌍의 직사각 형상 광폭면(12b) 외에, 직사각 형상의 저면(12a)과, 한 쌍의 직사각 형상 협폭면(12c)을 갖고 있다. 즉, 도 1에 있어서, 상기 4개의 직사각 형상 측면 중 3개가, 저면(12a)과, 한 쌍의 협폭면(12c)으로 구성되어 있고, 나머지 하나가 덮개(14)로 구성되어 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 전지 케이스(10)는 내부에 돌출부(13)를 구비하고 있다. 돌출부(13)는 전지 케이스(10)에 수용된 전극체(20)(상세하게는, 후술하는 중앙 영역의 적어도 일부)에 접촉하고 있다. 돌출부(13)는 전극체(20)를 사이에 두고, 깊이 방향 X의 F측 및 Rr측의 어느 쪽에도 배치되어 있고, 양측으로부터 전극체(20)와 접촉하고 있다. 또한, 「전극체(20)에 접촉하고 있다」란, 전극체 홀더(70)에 덮인 상태의 전극체(20)에 접촉하고 있는 것을 포함한다.
전지 케이스(10)는, 예를 들어 금속제이다. 전지 케이스(10)를 구성하는 금속 재료로서는, 예를 들어 알루미늄, 알루미늄 합금, 철, 철 합금 등을 들 수 있다.
도 3에, 케이스 본체(12)의 구성의 일례를 나타낸다. 당해 도면은, 제1 실시 형태에 따른 이차 전지의 케이스 본체를 전개한 상태의 사시도이다. 케이스 본체(12)는, 도 3에 도시하는 바와 같은 1매의 판재(11)로 형성되어 있다. 판재(11)는, 1개의 저면부(11a), 2개의 광폭면부(11b) 및 2개의 협폭면부(11c)를 갖고 있다. 2개의 광폭면부(11b)는, 모두 저면부(11a)의 긴 변측에서, 저면부(11a)와 인접하고 있다. 2개의 협폭면부(11c)는, 모두 저면부(11a)의 짧은 변측에서, 협폭면부(11c)와 인접하고 있다. 저면부(11a)는 케이스 본체(12)의 저면(12a)의 구성부이며, 직사각 형상이다. 도 1, 3에 도시하는 바와 같이, 저면부(11a)의 긴 변을 따라서 광폭면부(11b)를 절곡하면, 케이스 본체(12)의 저면(12a)으로부터 상승된 광폭면(12b)이 형성된다. 저면부(11a)의 짧은 변을 따라서 협폭면부(11c)를 절곡하면, 케이스 본체(12)의 저면(12a)으로부터 상승된 협폭면(12c)이 형성된다. 그리고, 상기와 같은 절곡 후, 광폭면부(11b)의 짧은 변과, 협폭면부(11c)의 긴 변을 용접함으로써, 케이스 본체(12)가 얻어진다.
판재(11)의 광폭면부(11b)에는, 돌출부(13)가 형성되어 있다. 예를 들어, 돌출부(13)는 판재(11)와는 별개의 부재이며, 돌출부(13)를 구성하는 부재(예를 들어 판재)와, 광폭면부(11b)를 접합함으로써, 돌출부(13)와 판재(11)를 일체화할 수 있다. 상기와 같이 광폭면부(11b)를 절곡하면, 케이스 본체(12)의 광폭면(12b)에 돌출부가 형성된다(도 2 참조). 돌출부(13)는, 예를 들어 금속제이다. 돌출부(13)는 판재(11)의 구성 재료와 동일해도 되고, 달라도 된다. 또한, 판재(11)와 돌출부(13)의 접합 방법은 특별히 한정되지 않고, 레이저 용접, 초음파 접합 및 저항 용접 등 종래 공지된 방법을 사용해도 된다. 돌출부(13)의 두께는, 전극체(20)와 접촉할 수 있도록 적절히 설정될 수 있다.
광폭면부(11b)에 있어서의 돌출부(13)의 형성 면적은, 전극체(20)의 중앙 영역과의 접촉 면적이 소정 범위가 되도록 설정될 수 있다. 여기서, 상기 중앙 영역의 면적을 100%라 했을 때, 당해 접촉 면적은, 40% 이상으로 할 수 있고, 예를 들어 50% 이상이며, 바람직하게는 60% 이상이며, 보다 바람직하게는 70% 이상이며, 더욱 바람직하게는 80% 이상이며, 100%에 가까울수록(예를 들어 90% 이상, 혹은 95% 이상) 좋다.
돌출부(13)는, 상기 접촉 면적을 실현하도록 형성되어 있으면 되므로, 그 형상은 특별히 한정되지 않는다. 돌출부(13)는, 도 3에 도시하는 바와 같은 평면 직사각 형상이어도 되고, 도트형, 리브 구조 등의 그 밖의 형상이어도 된다.
전극체(20)는, 이차 전지(100)의 발전 요소이며, 정극, 부극 및 해당 정극과 해당 부극을 이격하는 세퍼레이터를 구비하고 있다. 도 4는, 제1 실시 형태에 따른 이차 전지의 전극체를 모식적으로 도시하는 사시도이다. 도 5는, 제1 실시 형태에 따른 이차 전지의 전극체 구성을 도시하는 모식도이다. 도 2, 4에 도시하는 바와 같이, 전극체(20)에는, 정극 내부 단자(50)와 부극 내부 단자(60)가 설치되어 있다. 정극 내부 단자(50)는 정극 외부 단자(30)(도 1 참조)와 접속된다. 부극 내부 단자(60)는 부극 외부 단자(40)(도 1 참조)와 접속된다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 전극체(20)는 정극(22) 및 부극(24)을 갖는다. 전극체(20)는, 여기서는, 긴 띠상의 정극 시트(22)와 띠상의 긴 띠상의 부극 시트(24)가 긴 띠상의 세퍼레이터(26)를 개재하여 적층되고, 시트 길이 방향에 직교하는 권회축 WL을 중심으로 하여 권회된, 편평 형상의 권회 전극체이다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 전극체(20)는 한 쌍의 직사각형면(20a)과, 한 쌍의 폭 방향 Y의 단부면(20b)을 갖고 있다. 단부면(20b)은 정극(22), 부극(24) 및 세퍼레이터(26)의 적층면이며, 전극체(20)의 외부에 대하여 개방되어 있다.
상세한 도시는 생략하지만, 전극체(20)는 권회축 WL이 폭 방향 Y와 평행해지는 방향으로, 외장체(12)의 내부에 배치되어 있다. 도 1, 2의 전지 케이스(10) 내에 수용된 상태에 있어서, 전극체(20)의 한 쌍의 직사각형면(20a)은 전지 케이스(10)의 광폭면(12b)과 대향하고 있다. 또한, 한 쌍의 단부면(20b)은 협폭면(12c)과 대향하고 있다.
정극 시트(22)는, 긴 띠상의 정극 집전박(22c)(예를 들어 알루미늄박)과, 정극 집전박(22c)의 적어도 한쪽의 표면 상에 고착된 정극 활물질층(22a)을 갖는다. 특별히 한정하는 것은 아니지만, 정극 시트(22)의 폭 방향 Y에 있어서의 한쪽의 측연부에는, 필요에 따라서, 정극 보호층(22p)이 마련되어 있어도 된다. 또한, 정극 활물질층(22a)이나 정극 보호층(22p)을 구성하는 재료는, 이러한 종류의 이차 전지에 있어서 사용되는 것을 특별히 제한없이 사용할 수 있고, 여기에 개시되는 기술을 특징짓는 것은 아니므로, 여기서의 상세한 설명은 생략한다.
정극 집전박(22c)의 폭 방향 Y의 한쪽의 단부(도 4의 좌측 단부)에는, 복수의 정극 탭(22t)이 마련되어 있다. 복수의 정극 탭(22t)은, 각각 폭 방향 Y의 일방측(도 4의 좌측)을 향하여 돌출되어 있다. 복수의 정극 탭(22t)은 정극판(22)의 길이 방향을 따라서 간격을 두고(간헐적으로) 마련되어 있다. 정극 탭(22t)은 정극 집전박(22c)의 일부이며, 정극 집전박(22c)의 정극 활물질층(22a) 및 정극 보호층(22p)이 형성되어 있지 않은 부분(집전박 노출부)이다. 복수의 정극 탭(22t)은 폭 방향 Y의 한쪽의 단부(도 4의 좌측 단부)에서 적층되어, 정극 탭군(23)을 구성하고 있다. 정극 탭군(23)에, 정극 내부 단자(50)가 접합되어 있다(도 2, 4 참조).
부극 시트(24)는, 긴 띠상의 부극 집전박(24c)(예를 들어 구리박)과, 부극 집전박(24c)의 적어도 한쪽의 표면 상에 고착된 부극 활물질층(24a)을 갖는다. 또한, 부극 활물질층(24a)을 구성하는 재료는, 이러한 종류의 이차 전지에 있어서 사용되는 것을 특별히 제한없이 사용할 수 있고, 여기에 개시되는 기술을 특징짓는 것은 아니므로, 여기서의 상세한 설명은 생략한다.
부극 집전박(24c)의 폭 방향 Y의 한쪽의 단부(도 4의 우측 단부)에는, 복수의 부극 탭(24t)이 마련되어 있다. 복수의 부극 탭(24t)은, 폭 방향 Y의 일방측(도 4의 우측)을 향하여 돌출되어 있다. 복수의 부극 탭(24t)은, 부극판(24)의 길이 방향을 따라서 간격을 두고(간헐적으로) 마련되어 있다. 부극 탭(24t)은, 여기서는 부극 집전박(24c)의 일부이며, 부극 집전박(24c)의 부극 활물질층(24a)이 형성되어 있지 않은 부분(집전박 노출부)이다. 복수의 부극 탭(24t)은 폭 방향 Y의 한쪽의 단부(도 4의 우측 단부)에서 적층되어, 부극 탭군(25)을 구성하고 있다. 부극 탭군(25)에, 부극 내부 단자(60)가 접합되어 있다(도 2, 4 참조).
전극체(20)의 중앙 영역(201)은 도 4에 도시하는 바와 같이, 전극체(20)의 직사각형면(20a)의 긴 변 방향 Y(이하, 「폭 방향 Y」를 적절히 「긴 변 방향 Y」라고도 함)의 중심선 C를 포함하는 영역이다. 여기서, 「중심선 C를 포함한다」란, 중앙 영역(201) 중에 중심선 C를 포함하고 있으면 되고, 당해 영역의 중심선이 중심선 C인 경우와, 당해 영역의 중심선이 중심선 C가 아닌 경우를 포함한다. 중앙 영역(201)의 중심선이 중심선 C가 아닌 경우, 중앙 영역(201)의 중심선과 중심선 C의 거리가 1/4 L2 이하가 되도록 설정하면 된다(길이 L2에 대해서는 후술).
전극체(20)의 직사각형면(20a)의 긴 변 방향 Y에 있어서의 길이 L1과, 중앙 영역(201)의 동일 방향 길이 L2의 비(L2/L1)는, 예를 들어, 1/8 이상으로 할 수 있고, 건조 불균일을 저감하는 관점에서, 바람직하게는 1/6 이상이며, 보다 바람직하게는 1/4 이상이다. 또한, 비(L2/L1)는, 예를 들어, 1/2 이하로 할 수 있고, 건조 불균일을 저감하는 관점에서, 바람직하게는 2/5 이하이고, 보다 바람직하게는 1/3 이하이다.
본 발명자의 검토에 의하면, 상기 길이 L1이 커질수록 건조 불균일이 발생하기 쉬운 것을 알수 있었다. 여기서 개시되는 기술의 효과는, 상기 길이 L1이 100mm 이상인 전극체를 갖는 이차 전지의 제조에 있어서 바람직하게 실현될 수 있다. 또한, 상기 길이 L1이 200mm 이상, 250mm 이상, 혹은 300mm 이상이어도, 여기서 개시되는 기술의 효과를 바람직하게 실현할 수 있다. 상기 길이 L1은, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 1000mm 이하로 할 수 있다.
이차 전지(100)의 제조 방법은, 적어도 이하의 공정 (1) 및 (2):
(1) 전지 조립체 제작 공정; 및
(2) 건조 공정
을 포함한다.
(1) 전지 조립체 제작 공정에서는, 전지 케이스에 전극체를 수용하여, 전지 조립체를 제작한다. 본 공정은, 전극체(20) 및 덮개(14)와의 합체물을 제작하는 것, 해당 합체물을 케이스 본체(12)에 수용하는 것 및 케이스 본체(12)를 밀봉하는 것을 포함할 수 있다. 본 공정을 한정할 의도는 없지만, 먼저, 전극체(20)를 종래 공지된 방법으로 제작한다. 이어서, 전극체(20)의 정극 탭군(23)에 정극 내부 단자(50)를 설치하고, 또한 부극 탭군(25)에 부극 내부 단자(60)를 설치하여, 전극체와 내부 단자의 합체물(제1 합체물)을 준비한다. 이어서, 제1 합체물과 덮개(14)를 일체화하여, 제2 합체물을 준비한다. 구체적으로는, 예를 들어, 덮개(14)에 미리 설치된 정극 외부 단자(30)와 제1 합체물의 정극 내부 단자(50)를 접합한다. 마찬가지로, 덮개(14)에 미리 설치된 부극 외부 단자(40)와 제1 합체물의 부극 내부 단자(60)를 접합한다. 접합 수단으로서는, 예를 들어, 초음파 접합, 저항 용접, 레이저 용접 등을 사용할 수 있다.
이어서, 제2 합체물을, 케이스 본체(12)에 수용한다. 구체적으로는, 예를 들어, 절연성의 수지 시트(예를 들어 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀제)를 주머니형 또는 상자형으로 절곡하여 제작한 전극체 홀더(70)에 전극체(20)를 수용한다. 그리고, 전극체 홀더(70)로 덮인 전극체(20)를 케이스 본체에 삽입한다. 이 상태에서, 케이스 본체(12)의 개구부에 덮개(14)를 중첩하여, 케이스 본체(12)와 덮개(14)를 용접한다. 이와 같이 하여, 케이스 본체(12)를 밀봉하여, 전지 조립체를 제작한다.
(2) 건조 공정에서는, 전지 조립체의 내부를 건조시킨다. 특별히 한정하는 것은 아니지만, 전지 조립체의 건조 방법으로서는, 예를 들어, 건조 챔버를 사용하는 것을 들 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어, 먼저, 건조 챔버 내에 전지 조립체와 발열체(플레이트 히터, 전열 히터 등)를 수용하고, 발열체의 스위치를 온으로 하여, 건조 챔버 내를 가열한다. 건조 챔버 내의 온도가 미리 정해진 온도가 될 때까지 가열하고, 당해 온도에 도달하고 나서 소정의 시간(예를 들어, 10분 내지 4시간) 유지하면 된다. 당해 온도는, 전지 조립체의 내부로부터 수분을 충분히 제거할 수 있는 온도라면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 100℃ 이상 150℃ 이하가 되도록 설정하면 된다.
이때, 건조 챔버 내를 감압하면 된다. 예를 들어, 건조 챔버에 진공 펌프를 접속하고, 해당 진공 펌프의 스위치를 온으로 하여, 건조 챔버 내를 감압한다. 건조 챔버 내의 압력이 미리 정해진 압력까지 저하될 때까지 감압하고, 당해 압력에 도달하고 나서 소정의 시간(예를 들어, 1시간 내지 3시간) 유지하면 된다. 당해 압력은, 특별히 한정되지 않지만, 대기압(0.1MPa)에 대하여, 예를 들어, -0.05MPa 이하, -0.08MPa 이하, -0.09MPa 이하로 할 수 있고, 보다 낮은 압력일수록 좋다.
건조 공정 후, 발열체의 스위치를 오프로 하여, 건조 챔버 내 및 전지 조립체의 온도를 저하시킨다. 또한, 건조 챔버 내를 감압하고 있는 경우는, 진공 펌프의 스위치를 오프로 하여, 대략 대기압과 동일 정도로 될 때까지 건조 챔버 내를 승압한다.
전지 조립체를 건조 챔버로부터 취출하고, 종래 공지된 방법에 의해 주액 구멍(15)을 통하여, 전지 케이스(10)에 전해액을 주액한다. 그 후, 주액 구멍(15)을 밀봉 마개(16)로 밀봉함으로써, 이차 전지(100)가 얻어진다. 그리고, 소정의 조건 하에, 이차 전지(100)의 초기 충전 및 에이징 처리를 행함으로써, 사용 가능 상태로 할 수 있다.
이차 전지(100)는, 각종 용도에 이용 가능하다. 적합한 용도로서는, 전기 자동차(BEV: Battery Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 등의 차량에 탑재되는 구동용 전원을 들 수 있다. 또한, 이차 전지(100)는 소형 전력 저장 장치 등의 축전지로서 사용할 수 있다. 이차 전지(100)는, 전형적으로는 복수개를 직렬 및/또는 병렬로 접속하여 이루어지는 조전지의 형태로도 사용될 수 있다.
이하, 본 발명자가 행한 시험예를 설명한다.
<전지 조립체의 구축>
정극 활물질로서의 NCM과, 바인더로서의 PVdF와, 도전재로서의 아세틸렌 블랙을, 질량비가 98:1:1이 되도록 칭량하고, N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 중에서 혼합하여, 정극 슬러리를 조제하였다. 이 정극 슬러리를, 긴 띠상의 정극 집전체(알루미늄박)의 양면에 도포하고, 건조시켰다. 이것을 소정의 사이즈로 잘라내고, 롤 프레스로 압연함으로써, 정극 집전체의 양면에 정극 활물질층을 구비한 정극 시트를 얻었다.
부극 활물질로서의 흑연 분말과, 바인더로서의 스티렌부타디엔 러버와, 증점제로서의 카르복시메틸셀룰로오스를, 질량비가, 98:1:1이 되도록 칭량하고, 물 안에서 혼합하여, 부극 슬러리를 조제하였다. 이 부극 슬러리를 긴 띠상의 부극 집전체(구리박)의 양면에 도포하고, 건조시켰다. 이것을 소정의 사이즈로 잘라내고, 롤 프레스로 압연함으로써, 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층을 구비한 부극 시트를 얻었다. 다음에, 상기 제작한 정극 시트와 부극 시트를, 폴리에틸렌제의 세퍼레이터 시트를 개재하여 대향시켜서 적층하였다. 이것을 시트 길이 방향으로 권회함으로써, 도 4에 도시하는 바와 같은 권회 전극체를 제작하였다.
이어서, 정극 시트(정극 탭군)에는 정극 내부 단자로서의 알루미늄 리드를 용접하고, 부극 시트(부극 탭군)에는 부극 내부 단자로서의 니켈 리드를 용접하였다. 또한, 전극체의 치수 관계에 대해서는, 이하와 같다:
W: 11.6mm ± 0.2mm;
L1: 332mm ± 1.6mm;
H1: 94mm ± 0.25mm; 및
H2: 81mm
또한, 각 부호는, 도 4에 기재된 바와 같다. 구체적으로는, W는, 전극체(20)의 두께이다. L1은, 전극체(20)의 폭이다. H1은, 전극체(20)의 높이이다. H2는, 전극체(20)의 직사각형면(20a)의 높이이다. 또한, 상기 치수 관계는, 3개 전극체를 제작하여 얻어진 평균값이다.
이어서, 정극 내부 단자 및 부극 내부 단자를 통하여, 전극체와 전지 케이스의 덮개를 접속하였다. 이것을 케이스 본체에 삽입하고, 해당 케이스 본체와 덮개를 용접하였다. 이와 같이 하여, 시험용의 전지 조립체를 구축하였다.
<전지 조립체의 건조>
이어서, 상기 시험용 전지 조립체를, 플레이트 히터를 구비한 건조 챔버 내에 수용하였다. 건조 챔버 내에서는, 플레이트 히터 상에 시험용 전지 조립체를 배치하였다. 이어서, 건조 챔버에 접속된 진공 펌프의 스위치와, 플레이트 히터의 스위치를 온으로 하여, 해당 건조 챔버 내를 소정의 압력까지 감압하고, 또한, 소정의 온도까지 가열하였다. 그 후, 이 감압 상태 및 가열 상태를 소정의 시간 유지하였다. 상기 소정의 시간 경과 후, 진공 펌프의 스위치와 플레이트 히터의 스위치를 오프로 하여, 건조 챔버 내를 승압, 또한, 냉각하였다. 그 후, 시험용 전지 조립체를 건조 챔버로부터 취출하였다.
<수분 측정>
건조 전후의 시험용 전지 조립체에 있어서의 수분량을 측정하여, 시험용 전지 조립체에 있어서의 건조 상태를 평가하였다. 구체적으로는, 먼저, 드라이 룸 내에서, 건조 전후의 시험용 전지 조립체의 정극 시트로부터, 2cm×2cm의 시험편을 잘라냈다. 당해 시험편의 준비에 관해서, 전극체(20)의 직사각형면(20a)을 긴 변 방향 Y에 있어서, 3개의 영역(좌측 단부 영역(202), 중앙 영역(201) 및 우측 단부 영역(203))으로 구분하고(도 4 참조), 각 영역으로부터 3매씩의 시험편을 잘라냈다. 또한, 당해 3개의 영역의 동일 방향의 길이는, 모두 1/3 L1이었다.
이어서, 칼 피셔 수분 측정 장치를 사용하여, 상기 시험편에 있어서의 수분량을 측정하였다. 측정 시의 가열 온도는, 150℃이었다. 각 영역에 있어서의 건조 전후의 수분량을 비교하여, 건조에 의해 전극체로부터 수분이 일정량 제거된 것을 확인하였다. 표 1의 「수분 잔량」란에, 각 영역에 있어서의 수분 잔량(즉, 건조 후의 수분량)으로서, 우측 단부 영역에 있어서의 수분 잔량을 1이라 했을 때의 상대값을 나타낸다. 또한, 상기 각 영역으로부터 잘라낸 3매의 시험편에 있어서의 측정값을 사용하여 얻어진 평균값을 사용하여 표 1에 기재된 수치를 산출하였다.
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표 1에 나타내는 결과로부터, 건조 후의 전극체 중앙 영역에 있어서의 수분 잔량은, 해당 중앙 영역을 제외한 다른 영역(즉, 단부 영역)보다도 많았다. 즉 상기 시험용 전지 조립체의 전극체에서는, 건조 불균일이 발생하였음을 알았다.
여기서 개시되는 이차 전지에서는, 전지 케이스(10)가, 내부에 돌출부(13)를 구비하고 있다. 돌출부(13)는, 전지 케이스(10)에 수용된 전극체(20)의 직사각형면(20a)의 긴 변 방향 Y의 중심선 C를 포함하는 중앙 영역(201)의 적어도 일부에 접촉하고 있다. 전지 케이스(10)가 상기와 같은 돌출부(13)를 구비함으로써, 이차 전지 제조 시에 있어서의, 전지 조립체의 건조 공정에서, 전극체(20)의 중앙 영역(201)으로의 전열 효율을 선택적으로 높일 수 있다. 이 때문에, 당해 영역으로부터의 수분의 제거를 촉진하여, 전극체(20)에 있어서의 건조 불균일의 발생을 억제할 수 있다.
권회 전극체의 건조에 관해서, 권회 전극체 내의 수분은, 전극체의 외부에 대하여 개방된 적층면(도 4에 있어서의 단부면(20b))으로부터 제거된다. 권회 전극체에서는, 본 발명자의 검토예에도 도시된 바와 같이, 중앙 영역에 수분이 남아, 건조 불균일이 발생하기 쉽다. 여기서 개시되는 기술을, 권회 전극체를 구비하는 이차 전지의 제조에 적용함으로써, 권회 전극체에 있어서의 건조 불균일의 발생을 억제할 수 있다.
상술한 제1 실시 형태는, 여기서 개시되는 이차 전지의 일례에 지나지 않는다. 여기서 개시되는 기술은, 다른 형태로 실시할 수 있다. 이하, 여기서 개시되는 기술의 다른 실시 형태에 대해서 설명한다.
<제2 실시 형태>
상기 제1 실시 형태에서는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 이차 전지(100)가 구비하는 전극체(20)가 1개이다. 그러나, 여기서 개시되는 이차 전지가 구비하는 전극체의 수는, 1개에 한정되지 않는다. 즉, 여기서 개시되는 이차 전지는, 전극체를 복수(2개 이상) 구비해도 된다. 도 6은, 제2 실시 형태에 따른 이차 전지의 구성을 도시하는 횡단면도이다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 제2 실시 형태에 따른 이차 전지(200)는, 복수의 전극체(20)를 구비하고 있다. 복수의 전극체(20)는, 소정의 일방향(도 6에 있어서는 깊이 방향 X)으로 배열된 상태에서 전지 케이스(10)(케이스 본체(12))에 수용되어 있다. 복수의 전극체(20)는, 상기 방향으로 배열되고, 또한, 전극체 홀더(70)에 수용된 상태에서, 전지 케이스(10) 내에 수용되어 있다. 돌출부(13)는, 배열 방향(깊이 방향 X)에 있어서의 양단부의 전극체(20)에 접촉하고 있다. 이러한 구성에 있어서도, 전지 조립체의 건조 공정에 있어서, 각각의 전극체(20)의 중앙 영역으로의 열전도 효율을 선택적으로 높일 수 있다. 그 때문에, 건조 불균일의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 도 6에서는, 전극체(20)의 수를 편의상 3개로 하고 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 또한, 제2 실시 형태에 따른 이차 전지(200)는, 상술한 점을 제외하고, 제1 실시 형태에 따른 이차 전지(100)와 마찬가지이어도 된다. 도 6에 있어서의 부호 22t는 「정극 탭」, 부호 24t는 「부극 탭」, 부호 50은 「정극 내부 단자」, 부호 60은 「부극 내부 단자」를 나타낸다.
<제3 실시 형태>
상기 제2 실시 형태에서는, 전지 케이스(10) 내에 수용된 복수의 전극체(20) 중, 배열 방향(깊이 방향 X)에 있어서의 양단부의 전극체(20)에만 돌출부(13)가 접촉하고 있다. 그러나, 이것에 한정되지 않는다. 도 7은, 제3 실시 형태에 따른 이차 전지의 구성을 도시하는 횡단면도이다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 제3 실시 형태에 따른 이차 전지(300)는, 복수의 전극체(20)를 구비하고 있고, 각 전극체(20)의 사이에는, 인서트 부재(80)가 구비되어 있다. 인서트 부재(80)는, 해당 인서트 부재와 인접하는 전극체(20)의 중앙 영역(201)(도 4 참조)의 적어도 일부에 접촉하고 있다. 복수의 전극체(20)는, 인서트 부재(80)를 사이에 개재시키면서 소정의 일방향(도 7에 있어서는 깊이 방향 X)으로 배열되고, 또한, 전극체 홀더(70)에 수용된 상태에서, 전지 케이스(10) 내에 수용되어 있다. 돌출부(13)는, 배열 방향(깊이 방향 X)에 있어서의 양단부의 전극체(20)에 접촉하고 있다.
특별히 한정되는 것은 아니지만, 인서트 부재(80)는, 예를 들어 금속제이다. 인서트 부재(80)를 구성하는 금속 재료로서는, 예를 들어 알루미늄, 알루미늄 합금, 철, 철 합금 등을 들 수 있다. 인서트 부재(80)의 구성 재료는, 전지 케이스(10)나 돌출부(13)의 구성 재료와 동일해도 되고, 달라도 된다. 인서트 부재(80)를 사용함으로써, 전지 조립체의 건조 공정에서의, 각각의 전극체(20)의 중앙 영역으로의 선택적인 열전도 효율을 보다 높일 수 있다. 그 때문에, 건조 불균일의 발생을 보다 고도로 억제할 수 있다. 또한, 도 7에서는, 전극체(20)의 수를 편의상 3개로 하고 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 또한, 제3 실시 형태에 따른 이차 전지(300)는, 상술한 점을 제외하고, 제1 실시 형태에 따른 이차 전지(100)와 마찬가지이어도 된다. 도 7에 있어서의 부호 22t는 「정극 탭」, 부호 24t는 「부극 탭」, 부호 50은 「정극 내부 단자」, 부호 60은 「부극 내부 단자」를 나타낸다.
<그 밖의 변형예>
상기 실시 형태에 있어서의 돌출부(13)는, 판재(11)의 광폭면부(11b)에 형성되어 있다(도 3 참조). 그러나, 돌출부(13)는 전극체(20)의 중앙 영역(201)에 접촉하도록 구비되어 있으면 되므로, 상기 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 판재(11)의 저면부(11a)에 형성되어도 된다. 또한, 상기 실시 형태에서는, 서로 별개의 부재인 돌출부(13)와 판재(11)를 접합함으로써 일체화시키고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 이들을 반드시 일체화시키지는 않아도 된다. 또한, 상기 실시 형태에서는, 1매의 판재(11)를 소정 형상으로 펀칭함으로써, 케이스 본체(12)를 제작하고 있다. 그러나, 이것에 한정되지 않고, 복수의 판재를 조합하여 케이스 본체(12)를 제작해도 된다. 혹은, 딥 드로잉 가공에 의해, 케이스 본체(12)를 제작해도 된다.
이상, 여기서 개시되는 기술의 구체예를 상세하게 설명했지만, 이들은 예시에 지나지 않고, 특허 청구 범위를 한정하는 것은 아니다. 여기서 개시되는 기술에는 상기의 구체예를 다양하게 변형, 변경한 것이 포함된다. 예를 들어, 여기서 개시되는 기술은, 나트륨 이온 이차 전지에도 적용할 수 있다. 또한, 여기서 개시되는 기술은, 적층 전극체를 구비하는 이차 전지에도 적용할 수 있다.
10: 전지 케이스
11: 판재
12: 케이스 본체
14: 덮개
15: 주액 구멍
16: 밀봉 마개
17: 안전 밸브
20: 전극체
22: 정극(정극 시트)
23: 정극 탭군
24: 부극(부극 시트)
25: 부극 탭군
26: 세퍼레이터
30: 정극 외부 단자
40: 부극 외부 단자
50: 정극 내부 단자
60: 부극 내부 단자
70: 전극체 홀더
80: 인서트 부재
100: 2차 전지

Claims (6)

  1. 정극, 부극 및 해당 정극과 해당 부극을 이격하는 세퍼레이터를 구비하고, 적어도 한 쌍의 직사각형면을 갖는 전극체와, 해당 전극체를 수용하는 전지 케이스를 구비하는 이차 전지이며,
    상기 전지 케이스는, 한 쌍의 직사각 형상 광폭면과, 해당 한 쌍의 광폭면 사이에 있는 4개의 직사각 형상 측면을 갖는 6면 상자형 형상으로 형성되어 있고,
    상기 전극체는, 해당 전극체의 상기 직사각형면이 상기 전지 케이스의 상기 광폭면과 대향하도록, 상기 전지 케이스에 수용되어 있고,
    여기서, 상기 전지 케이스는, 내부에 돌출부를 구비하고 있고,
    상기 돌출부는, 상기 전지 케이스에 수용된 상기 전극체의 상기 직사각형면의 긴 변 방향의 중심선을 포함하는 중앙 영역의 적어도 일부에 접촉하고 있는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극체에 있어서의 상기 직사각형면의 긴 변 방향의 길이 L1과, 상기 중앙 영역의 상기 긴 변 방향의 길이 L2의 비(L2/L1)는, 1/8 이상 1/2 이하인 이차 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 길이 L1은, 100mm 이상인 이차 전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정극은, 긴 띠상의 정극 시트이며,
    상기 부극은, 긴 띠상의 부극 시트이며,
    상기 전극체는, 상기 정극 시트 및 상기 부극 시트가, 상기 세퍼레이터를 개재시키면서 적층되어, 시트 길이 방향에 직교하는 권회축을 중심으로 하여 권회된 권회 전극체이며,
    여기서, 상기 정극 시트, 상기 부극 시트 및 상기 세퍼레이터의 적층면은, 상기 권회축 방향의 양단부로부터 상기 전극체의 외부에 대하여 개방되어 있는 이차 전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극체를 복수 구비하고 있고,
    복수의 상기 전극체는, 소정의 일 방향으로 배열된 상태에서 상기 전지 케이스에 수용되어 있고, 상기 돌출부는, 상기 배열 방향에 있어서의 양단부의 상기 전극체에 접촉하고 있는 이차 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    각 전극체의 사이에는, 인서트 부재가 구비되어 있고,
    상기 인서트 부재는, 해당 인서트 부재와 인접하는 상기 전극체의 상기 중앙 영역의 적어도 일부에 접촉하고 있는 이차 전지.
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