KR20240067271A - 집전체, 이차 전지, 전자 기기, 및 그 제작 방법 - Google Patents

집전체, 이차 전지, 전자 기기, 및 그 제작 방법 Download PDF

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KR20240067271A
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KR
South Korea
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secondary battery
film
curvature
positive electrode
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KR1020247014342A
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Inventor
마사아키 히로키
료타 타지마
Original Assignee
가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators

Abstract

본 발명은 웨어러블 디바이스에 적합한 이차 전지를 제공하는 것이 목적이다. 신규 축전 장치를 제공하는 것이 또 다른 목적이다. 전극의 일부, 구체적으로 이차 전지를 위한 집전체 및 활물질층은 복잡한 형상을 갖도록 절삭 가공을 받는다. 곡률 중심에 가까운 전극보다 곡률 중심에서 먼 전극의 구부림의 정도가 크기 때문에 곡률 중심에 가까운 전극과 곡률 중심에서 먼 전극의 단부와의 위치 어긋남을 억제하고, 또는 곡률 중심에서 먼 전극에 인가되는 장력을 완화시킨다.

Description

집전체, 이차 전지, 전자 기기, 및 그 제작 방법{CURRENT COLLECTOR, SECONDARY BATTERY, ELECTRONIC DEVICE, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명의 일 형태는 이차 전지 및 상기 이차 전지를 포함하는 전자 기기에 관한 것이다.
다만, 본 발명의 일 형태는 상술한 기술 분야에 한정되지 않는다. 본 명세서 등에 개시(開示)되는 발명의 일 형태의 기술 분야는 물건, 방법, 또는 제작 방법에 관한 것이다. 또한, 상기 본 발명의 일 형태는 공정(process), 기계(machine), 제품(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 명세서에 개시되는 본 발명의 일 형태의 기술 분야의 예에는 반도체 장치, 표시 장치, 발광 장치, 축전 장치, 기억 장치, 이들 중 어느 것을 구동하기 위한 방법, 및 이들 중 어느 것을 제작하기 위한 방법이 포함된다.
또한, 본 명세서에서 전자 기기란, 이차 전지를 포함하는 모든 장치를 의미하고, 이차 전지를 포함하는 전기 광학 장치, 이차 전지를 포함하는 정보 단말 장치, 이차 전지를 포함하는 차량 등은 모두 전자 기기이다.
최근, 머리에 장착되는 표시 장치 등, 인체에 착용되면서 사용되는 표시 장치가 개발되고 있고, 헤드 마운티드 디스플레이 또는 웨어러블(wearable) 디스플레이라고 불린다. 표시 장치뿐만 아니라 보청기 등, 인체에 착용되면서 사용되는 전자 기기(이런 전자 기기는 웨어러블 디바이스라고도 불림)도 가볍고 작은 것이 바람직하다.
대부분의 웨어러블 디바이스 및 휴대 정보 단말은 반복적으로 충전 및 방전이 가능한 이차 전지를 포함하고, 웨어러블 디바이스 및 휴대 정보 단말은 가볍고 소형이기 때문에, 이들의 조작 시간에 한계가 있다는 문제를 갖는다. 웨어러블 디바이스 및 휴대 정보 단말에 사용되는 이차 전지는 가볍고 소형이어야 하고, 장시간 사용될 수 있어야 한다.
전자 기기의 경량화에 따라, 전자 기기에 전력을 공급하기 위한 이차 전지에도 가볍고 작은 것이 요구되고 있다.
가요성 표시 장치를 포함하는 전자 서적 리더가 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시되어 있다.
일본국 특개 제 2010-282181호 공보 일본국 특개 제 2010-282183호 공보
웨어러블 디바이스에 적합한 이차 전지를 제공하는 것이 목적이다. 신규 축전 장치를 제공하는 것이 또 다른 목적이다.
신규 구조를 갖는 전자 기기, 구체적으로는 외관이 다양하게 변경될 수 있는 신규 구조를 갖는 전자 기기를 제공하는 것이 또 다른 목적이다. 다양한 형상을 가질 수 있는 신규 구조를 갖는 전자 기기 및 상기 전자 기기의 형상에 맞는 이차 전지를 제공하는 것이 또 다른 목적이다.
또한, 이들 목적의 기재는 다른 목적의 존재를 방해하지 않는다. 본 발명의 일 형태에서, 모든 목적을 달성할 필요는 없다. 다른 목적은 명세서, 도면, 및 청구항 등의 기재로부터 명백해질 것이며 명세서, 도면, 및 청구항 등의 기재로부터 추출될 수 있다.
가요성 이차 전지를 제작 및 사용하는 경우, 또는 구부러진 이차 전지를 제작하는 경우, 복수의 전극을 구부릴 때 복수의 전극은 상이한 곡률로 구부러진다. 곡률 중심에 가까운 전극보다 곡률 중심에서 먼 전극이 더 구부러져, 곡률 중심에서 먼 전극의 단부의 위치가 어긋나거나, 또는 곡률 중심에서 먼 전극의 단부가 연장된다. 상기 전극의 단부는, 리드와 접하는 부분(이 부분은 전극 탭(tab)이라고도 불림)을 포함한다.
박형 이차 전지를 제작하는 경우, 외장체에 의하여 둘러싸인 영역에서 제 1 전극(양극), 활물질층, 및 제 2 전극(음극)을 각각 포함하는 복수의 조합이 적층된다. 복수의 제 1 전극을 서로 중첩시킨 후, 이들의 단부를 고정하기 위하여 제 1 전극은 초음파 용접 등을 받는다. 마찬가지로, 제 2 전극들을 서로 중첩시킨 후, 이들의 단부를 고정하기 위하여 제 2 전극은 초음파 용접 등을 받는다.
적층의 개수가 증가됨에 따라 이들의 용량 및 두께가 증가된다. 그래서, 곡률 중심에서 먼 전극은 곡률 중심에 가까운 전극보다 더 구부러져, 곡률 중심에서 먼 전극의 단부의 위치가 상당히 어긋나거나, 또는 곡률 중심에서 먼 전극의 단부가 연장된다.
이 관점에서, 이차 전지에 사용되는 전극의 일부는 복잡한 형상을 갖도록 절삭 가공을 받는다. 곡률 중심에 가까운 전극보다 곡률 중심에서 먼 전극의 구부림의 정도가 더 크기 때문에, 곡률 중심에 가까운 전극과 곡률 중심에서 먼 전극의 단부의 위치가 어긋나는 것이 억제되거나, 또는 곡률 중심에서 먼 전극에 인가되는 장력이 완화된다.
구체적으로는, 집전체 위에 활물질층이 형성된 후, 조사 영역에서 집전체의 일부 및 활물질층의 일부를 제거하기 위한 레이저 가공이 레이저 광 등을 사용하여 수행된다. 레이저 가공에 의하여 절삭되어 제작될 수 있는 개구(opening), 커트(cut), 또는 갭(gap)은 선형 형상, 기하학적 형상(예를 들어, 다각형 또는 부정형), 또는 원형을 가질 수 있다. 복수의 개구 또는 복수의 커트는 규칙적으로 만들어져도 좋고, 불규칙적으로 만들어져도 좋다. 이차 전지는, 일부가 잘라 내어진 형상을 갖는 전극 또는 일부에 커트가 만들어진 형상을 갖는 전극을 사용하여 제작된다. 예를 들어, 번갈아 커트(예를 들어, 긴 커트 또는 들쭉날쭉한 커트)가 만들어진 형상을 갖는 전극을 포함하는 이차 전지가 제작된다.
이차 전지에 사용되는 양극 및 음극 중 적어도 하나 또는 양쪽은, 레이저 가공을 받아도 좋다.
구부러진 이차 전지의 경우, 곡률 중심에 가까운 전극과 곡률 중심에서 먼 전극의 위치 관계가 미리 결정된다. 그래서, 레이저 가공에 의한 절삭이, 적어도 곡률 중심에서 가장 먼 전극의 일부에 수행되어도 좋다. 상기 가공은, 절삭에 의하여 집전체가 2개로 나뉘지 않도록 수행된다. 곡률 중심에서 가장 먼 전극의 경우, 커트는 전극상의 장력이 완화되도록 제공된다. 곡률 중심에 가까운 전극의 경우, 커트는 전극에 대한 압축력이 완화되도록 제공된다.
가요성 이차 전지의 경우, 어느 쪽이든 구부릴 수 있는 이차 전지를 만들기 위하여, 일정한 방향에 구부러질 때 적어도 가장 외측에 위치하는 전극(즉, 가장 위에 있는 층의 양극, 가장 아래에 있는 층의 양극, 가장 위에 있는 층의 음극, 및 가장 아래에 있는 층의 음극)에 레이저 가공에 의한 절삭이 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 가요성 이차 전지란 일부가 복수회 구부러질 수 있는 이차 전지를 나타내고, 한편 구부러진 이차 전지란 전자 기기에 이차 전지를 결합하는 제작 공정에서 한 번 구부러진 상태로 고정된 이차 전지를 나타낸다.
절삭 가공은 집전체의 일부 및 활물질층의 일부가 제거되는 레이저 가공에 한정되지 않는다. 절삭 가공은 커터 또는 가위 등의 날붙이를 사용하거나, 또는 선반이나 밀링 머신 등의 절삭 공구를 사용하여 수행되어도 좋다. 또한, 집전체의 일부 및 활물질층의 일부를 레이저 광으로 주사하여 절삭을 행하는 대신에, 집전체의 일부 및 활물질층의 일부에 초고압수를 방출하여 집전체의 일부 및 활물질층의 일부를 제거하여도 좋다.
커트 및 개구는, 장력을 완화시키기 위한 부분을 갖는 집전체를 제공하기 위하여 만들어지지만, 본 발명의 일 형태는 그것에 특별히 한정되지 않는다. 이차 전지를 구부릴 때의 장력을 완화시키기 위하여 국소적으로 얇은 부분이 제공되어도 좋다. 이 경우에, 집전체는 적어도 2개의 상이한 경사면 및 상기 2개의 경사면 사이의 곡면을 포함하는 형상을 갖는다. 2개의 경사면 사이가 이루어진 각도는 90° 이상 180° 미만, 바람직하게는 120° 이상 170° 이하이다. 또한, 2개의 경사면 사이의 곡면을 갖는 영역은, 다른 영역보다 얇다. 집전체에는 커트, 개구, 및 얇은 부분의 조합, 또는 이들의 복수의 조합이 제공되어도 좋다.
장력을 완화시키기 위한 부분이 집전체에 제공되지 않는 경우, 이차 전지를 구부릴 때의 장력 때문에 크랙이 발생된다. 이차 전지를 반복적으로 구부리면 크랙이 넓어져 집전체가 찢어질 수 있다(분열될 수 있다). 집전체가 찢어지면 전류가 흐르는 면적이 축소되고, 전계가 상기 부분에 집중되어, 단락이 발생하거나 또는 이차 전지의 열화 등이 진행되는 경우가 있다. 또한, 크랙에서의 밀착성(집전체와 활물질층 사이의 계면에서의 밀착성)이 저하되어, 이차 전지로서의 기능이 소실되는 경우가 있다.
가요성 이차 전지 또는 구부러진 이차 전지를 얻을 수 있다.
또한, 이차 전지의 구부림에 의하여 이차 전지의 전극이 구부러질 때, 전극의 일부가 절삭되기 때문에 전극의 단부가 연장되는 것에 기인하는 전극에서의 크랙이 방지된다. 결과적으로, 구부릴 수 있는 이차 전지 또는 구부러진 이차 전지는 향상된 신뢰성을 가질 수 있다. 또한, 전자 기기의 하우징이 가요성을 갖는 경우, 배터리를 포함하는 전자 기기는 전체 또는 일부가 구부러질 수 있다.
도 1의 (A) 내지 (F)는 본 발명의 일 형태를 나타낸 사시도 및 단면도이다.
도 2의 (A) 내지 (C)는 본 발명의 일 형태를 나타낸 사시도, 상면도, 및 단면도이다.
도 3의 (A) 내지 (F)는 각각 본 발명의 일 형태를 도시한 평면도이다.
도 4의 (A) 내지 (C)는 각각 본 발명의 일 형태를 도시한 사시도이다.
도 5의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명의 일 형태를 도시한 사시도이다.
도 6의 (A) 내지 (E)는 본 발명의 일 형태의 전자 기기 및 이차 전지의 외관 사시도이다.
도 7의 (A) 내지 (D)는 본 발명의 일 형태의 전자 기기 및 이차 전지의 외관 사시도이다.
도 8의 (A) 내지 (C)는 전자 기기의 평면도 및 단면도이다.
도 9의 (A) 및 (B)는 전자 기기의 외관 사시도이다.
도 10의 (A) 및 (B)는 이차 전지를 포함하는 차량을 도시한 것이다.
도 11의 (A) 내지 (C)는 면의 곡률 반경을 도시한 것이다.
도 12의 (A) 내지 (D)는 곡률 중심을 도시한 것이다.
도 13의 (A)는 양극의 평면도이고, 도 13의 (B)는 음극의 평면도이다.
도 14는 샘플의 X선 CT 이미지이다.
도 15의 (A) 내지 (D)는 외관 사진, 샘플의 X선 CT 이미지, 및 추출된 전극의 사진이다.
도 16의 (A) 내지 (G)는 샘플의 X선 CT 이미지, 외관 사진, 및 충전 및 방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 17의 (A) 및 (B)는 충전 특성 및 방전 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 실시형태들은 도면을 참조하여 이하에 자세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고, 여기서 개시되는 형태 및 상세가 다양하게 변경될 수 있는 것은 당업자에 의하여 용이하게 이해된다. 또한, 본 발명은 실시형태들의 설명에 한정되어 해석되지 않는다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서는, 복수의 커트가 제공된 집전체 및 외장체로서 패턴이 엠보싱된 필름을 포함하는 리튬 이온 이차 전지를 제작하는 예를 설명한다.
우선, 가요성 재료로 만든 시트를 준비한다. 시트로서는 적층체, 접착층(heat-seal)이 제공되거나(가열(접합) 밀봉층이라고도 함), 또는 접착층들 사이에 끼워진 금속 필름이 사용된다. 접착층으로서는 예를 들어 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌을 포함하는 열 융착성 수지 필름이 사용된다. 본 실시형태에서 시트로서는 구체적으로 알루미늄박 상면에 나일론 수지가 제공되고, 알루미늄박 뒷면에 내산성 폴리프로필렌막과 폴리프로필렌막을 포함하는 적층이 제공된 금속 시트가 사용된다.
필름을 준비하기 위하여 시트를 절단하고, 필름을 엠보싱하여, 패턴이 시인될 수 있도록 오목 및 볼록을 형성한다. 본 실시형태에서, 필름의 양면에는 패턴을 갖도록 오목 및 볼록이 제공된다. 도 1의 (A)에 나타낸 바와 같이, 직사각형을 갖는 경우, 접어진 필름(11)의 2변이 서로 중첩되도록 필름(11)은 반으로 접어지고, 3변을 접착층으로 밀봉한다.
구부릴 수 있는 이차 전지 또는 구부러진 이차 전지를 제작하기 위하여, 외장체로서 기능하는 필름 등은, 응력에 의한 변형을 완화시키는 구조를 갖는 것이 바람직하다. 필름의 오목 또는 볼록은 프레싱, 예를 들어 엠보싱에 의하여 형성된다.
또한, 엠보싱이란 표면에 요철이 있는 엠보싱 롤을 필름에 압력으로 접촉시킴으로써 필름에 요철을 형성하는 가공을 나타낸다. 엠보싱 롤은 표면에 패턴이 있는 롤이다.
엠보싱 가공에 의하여 형성된 필름의 오목 또는 볼록은 밀봉 구조의 벽의 일부로서 기능하는 필름에 의하여 밀봉되고, 내부의 용적(inner volume)이 가변적인 폐색 공간(obstructed space)을 형성한다. 이 폐색 공간에서, 필름의 오목 또는 볼록은 아코디언 구조(벨로스(bellows) 구조)를 형성한다고도 말할 수 있다. 또한, 프레스 가공의 일종인 엠보스 가공이 반드시 채용될 필요는 없고, 필름의 일부에 부조(relief)가 형성되는 임의의 방법이 채용된다.
이차 전지는 다양한 구조 중 어느 것을 가질 수 있지만, 여기서는 외장체로서 필름이 사용되는 구조를 채용한다. 또한, 외장체로서 사용되는 필름은 금속 필름(예를 들어 알루미늄 필름, 스테인리스강 필름, 및 니켈강 필름), 유기 재료로 만든 플라스틱 필름, 유기 재료(예를 들어, 유기 수지 또는 섬유)와 무기 재료(예를 들어, 세라믹)를 함유하는 하이브리드 재료 필름, 탄소 함유 필름(예를 들어, 카본 필름 및 그래파이트 필름) 등으로부터 선택되는 단층 필름 또는 상술한 필름들 중 2가지 이상 포함하는 적층 필름이다. 금속 필름은 엠보싱하기 쉽다. 엠보싱 가공에 의하여 오목 또는 볼록을 형성하면, 외기에 노출되는 필름의 표면적이 증대되어, 효과적인 열방산을 달성한다.
상술한 구성에 있어서, 이차 전지의 외장체는 곡률 반경 10mm 이상 150mm 이하, 바람직하게는 30mm 이상 150mm 이하의 범위에서 변형될 수 있다. 하나 또는 2장의 필름이 이차 전지의 외장체로서 사용된다. 래미네이트 필름을 사용한 밀봉 구조(래미네이트 구조의 이차 전지라고 함)의 이차 전지를 원호 형상(arc-shape)의 단면을 갖도록 구부릴 때, 배터리는 필름의 2개의 곡면에 의하여 끼워진다.
도 11의 (A) 내지 (C)를 참조하여 면의 곡률 반경에 대하여 설명한다. 도 11의 (A)에서, 곡면(1700)이 절단된 평면(1701) 위에서, 곡면(1700)의 곡선(1702)의 일부를 원호로 근사하고, 그 원의 반경을 곡률 반경(1703)으로서 나타내고, 원의 중심은 곡률 중심(1704)으로서 나타낸다. 도 11의 (B)는, 곡면(1700)의 상면도이다. 도 11의 (C)는 평면(1701)을 따라 절단한 곡면(1700)의 단면도이다. 평면을 따라 곡면을 절단할 때, 곡면과 평면 사이의 각도 또는 절단 위치에 따라 단면에서의 곡선의 곡률 반경이 달라지지만, 본 명세서 등에서는 가장 작은 곡률 반경을 면의 곡률 반경으로 한다.
전극 및 전해액을 포함하는 구성 요소(1805)가 외장체로서의 2개의 필름 사이에 끼워진 이차 전지가 만곡되는 경우, 이차 전지의 곡률 중심(1800)에 가까운 필름(1801)의 곡률 반경(1802)은 곡률 중심(1800)으로부터 먼 필름(1803)의 곡률 반경(1804)보다 작다(도 12의 (A)). 이차 전지를 만곡시켜 원호 형상의 단면을 가질 때, 곡률 중심(1800)에 가까운 필름의 표면에는 압축 응력이 가해지고, 곡률 중심(1800)으로부터 먼 필름의 표면에는 인장 응력이 가해진다(도 12의 (B)). 그러나, 외장체 표면에 볼록 및 오목의 패턴을 형성함으로써, 압축 응력 및 인장 응력이 가해지더라도 왜곡(distortion)의 영향을 허용 가능한 정도로 줄일 수 있다. 이런 이유로, 이차 전지는 곡률 중심에 가까운 측의 외장체가 10mm 이상, 바람직하게는 30mm 이상의 곡률 반경을 가져 변형될 수 있다.
또한, 이차 전지의 단면 형상은 단순한 원호 형상에 한정되지 않고, 단면은 부분적으로 원호 형상이 될 수 있고, 예를 들어, 도 12의 (C)에 도시된 형상, 도 12의 (D)에 도시된 웨이브 형상(wavy shape), S자 형상이 사용될 수 있다. 이차 전지의 곡면이 복수의 곡률 중심을 갖는 형상인 경우, 복수의 곡률 중심에 대한 곡률 반경들 중 가장 작은 곡률 반경의 곡면에서, 곡률 중심에 가까운 측의 외장체의 면의 곡률 반경이 10mm 이상, 바람직하게는 30mm 이상으로 변형할 수 있다.
외장체로서 기능하는 2개의 필름 사이에 전해액 등을 갖는 이차 전지를 구부릴 때, 제 1 필름의 곡률 반경은 제 2 필름의 곡률 반경보다 작다. 또한, 이차 전지에서, 제 1 필름의 패턴과 제 2 필름의 패턴은 서로 다르다. 이차 전지가 만곡되어 원호 형상의 단면을 가질 때, 곡률 중심에 가까운 필름 표면에는 압축 응력이 가해지고, 곡률 중심으로부터 먼 필름 표면에는 인장 응력이 가해진다. 이런 식으로, 필름 표면에 압축 응력 또는 인장 응력이 가해지더라도, 외장체는 오목 또는 볼록에 의하여 형성되는 패턴을 갖기 때문에, 변형의 영향이 허용된다.
다음에, 도 1의 (B)에 도시된 바와 같이 이차 전지를 구성하는 양극 집전체(12), 세퍼레이터(13), 및 음극 집전체(14)가 적층된 것을 준비한다.
양극 집전체(12) 및 음극 집전체(14)는, 각각 스테인리스 강, 금, 백금, 아연, 철, 니켈, 구리, 알루미늄, 타이타늄, 및 탄탈럼으로 대표되는 금속 또는 이들의 합금 등, 예를 들어 리튬의 캐리어 이온과 합금화되지 않는 도전성이 높은 재료를 사용하여 형성될 수 있다. 또는, 실리콘, 타이타늄, 네오디뮴, 스칸듐, 또는 몰리브데넘 등, 내열성을 향상시키는 원소가 첨가된 알루미늄 합금이 사용될 수 있다. 또는, 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소가 사용될 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 박 형상, 판 형상(시트 형상), 펀칭 메탈(punching-metal) 형상, 또는 강망(expanded-metal) 형상 등을 적절히 가질 수 있다. 집전체는 각각 5μm 이상 30μm 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 여기서는 간략화를 위하여, 양극 집전체(12), 세퍼레이터(13), 및 음극 집전체(14)가 적층된 한 조합을 외장체에 의하여 둘러싸인 영역에 넣는 예를 도시하였다. 이차 전지의 용량을 증대시키기 위하여 복수의 조합을 적층하고 외장체에 의하여 둘러싸인 영역에 넣는 것이 바람직하다.
도 1의 (B)에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체(12)는 복수의 커트(21)를 갖는 형상을 갖는다.
복수의 커트(21)를 갖는 형상으로 함으로써 양극 집전체(12)는 구부러질 때 전체적으로 확장된다. 그래서, 단부의 위치 어긋남(position shift)을 작게 할 수 있다. 또한, 양극 집전체(12)는 구부러질 때, 뒤틀린 형상(twisted shape), 즉 만곡된 부분을 갖는 형상을 부분적으로 갖는다. 이런 이유로, 양극 집전체(12)는 상이한 경사면을 갖는 집전체라고 할 수도 있다. 또는 양극 집전체(12)는 2개의 경사면 사이에 커트 또는 개구가 제공된 집전체라고 할 수 있다. 또는, 양극 집전체(12)는 2개의 경사면 사이에 곡면을 갖는 집전체라고도 할 수 있다.
양극 집전체(12)의 복수의 커트(21)를 형성하기 위한 레이저 가공을 위한 레이저광원으로서는, 약 1065nm의 방사 파장으로 광을 발하는 ML-7320DL(AMADA MIYACHI Co., LTD. 제작)이 사용될 수 있다. 상기 레이저 광원을 사용하여 레이저 광을 발하고, 스테이지를 이동시킴으로써 레이저 광 주사가 수행된다.
양극 집전체(12)의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 활물질층이 형성된 후에 레이저 가공이 수행되는 것이 바람직하다. 레이저 광 조사에 의하여 형성된 절단면은 강한 에너지의 적용에 의하여 집전체와 활물질층이 서로 단단하게 고정되기 때문에 바람직하다.
다음에, 도 1의 (C)에 나타낸 밀봉층(15)을 갖는 리드 전극(16a) 및 리드 전극(16b)을 준비한다. 리드 전극(16a) 및 리드 전극(16b)은 각각 리드 단자라고도 하고, 이차 전지의 양극 또는 음극이 외장 필름의 외측으로 리드되기 위하여 제공된다. 리드 전극(16a)은 양극에 전기적으로 접속된다. 리드 전극(16a)의 재료로서는 알루미늄 등의 양극 집전체에 사용될 수 있는 재료가 사용될 수 있다. 리드 전극(16b)은 음극에 전기적으로 접속된다. 리드 전극(16b)의 재료로서는 구리 등의 음극 집전체에 사용될 수 있는 재료가 사용될 수 있다.
리드 전극 중 하나는, 초음파 용접 등에 의하여 양극 집전체(12)의 돌출부에 전기적으로 접속된다. 다른 리드 전극은 초음파 용접 등에 의하여 음극 집전체(14)의 돌출부에 전기적으로 접속된다.
그리고, 필름(11)의 2변은 열 압착에 의하여 밀봉되고, 전해액을 도입하기 위한 1변은 개방된 채로 둔다. 열 압착에서는 리드 전극 위에 제공된 밀봉층(15)도 녹이기 때문에 리드 전극과 필름(11)이 서로 고정된다. 그 후, 감압 분위기하 또는 불활성 분위기하에서 원하는 양의 전해액은, 봉투 형상의 필름(11)의 내측에 도입된다. 마지막으로, 열 압착이 수행되지 않고, 개방된 채로 둔 필름의 변이 열 압착에 의하여 밀봉된다.
이런 식으로, 도 1의 (D)에 나타낸 이차 전지(40)를 제작할 수 있다.
도 1의 (E)는 도 1의 (D)의 쇄선 A-B를 따라 절단한 단면의 예를 도시한 것이다.
도 1의 (E)에 나타낸 바와 같이, 필름(11)의 요철은 양극 집전체(12)와 중첩되는 영역과 열 압착 영역(17) 사이에서 다르다. 도 1의 (E)에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체(12), 양극 활물질층(18), 세퍼레이터(13), 음극 활물질층(19), 및 음극 집전체(14)는 이 순서대로 적층되고, 접어진 필름(11) 내측에 위치하고, 단부가 접착층(30)으로 밀봉되고, 그 이외의 공간에는 전해액(20)이 제공된다.
얻어진 이차 전지(40)의 양극 집전체(12)에는 커트가 제공된다. 도 2의 (C)는 구부린 상태를 나타낸 단면 모식도(길이 방향의 단면도)이다. 또한, 도 2의 (A)는 이차 전지(40)의 필름의 내측에 위치하는 양극 집전체(12), 세퍼레이터(13), 및 음극 집전체(14)의 적층의 위치 관계를 나타낸 사시도이다.
도 2의 (C)는 상면도인 도 2의 (B)에서의 쇄선 X-X'를 따라 절단한 단면 모식도이다. 도 2의 (C)에 나타낸 바와 같이, 구부러진 이차 전지의 내측에 커트를 사이에 두고 상이한 경사면을 갖는 양극 집전체(12)가 제공된다. 따라서, 커트가 제공된 양극 집전체(12)는 변형시킬 수 있다. 이차 전지를 구부릴 때 양극 집전체(12)를 부분적으로 변형함으로써, 이차 전지를 구부리는 동안에 가해지는 응력이 완화된다. 도 2의 (C)에서, 쇄선 X-X'를 따라 절단한 단면에 2개의 커트가 제공된다. 제 1 경사면과 제 2 경사면은 각도 β1을 형성하는 한편, 제 2 경사면과 제 3 경사면은 β2를 형성한다. 각도 β1 또는 각도 β2는, 90° 이상 180° 미만, 바람직하게는 120° 이상 170° 이하이다. 도 2의 (C)에서는 한 방향으로 구부리는 예를 나타내었지만, 반대 방향으로 구부리는 경우에도 제 1 경사면과 제 2 경사면은 각도를 형성한다. 또한, 도 2의 (C)에 나타낸 바와 같이, 양극 활물질층(18)에도 커트가 제공된다. 양극 활물질층(18)에 가요성을 갖는 바인더가 사용되는 경우, 커트가 반드시 양극 활물질층(18)에 만들어질 필요는 없다.
양극 활물질층(18)에 사용될 수 있는 양극 활물질의 예에는 올리빈(olivine) 구조의 복합 산화물, 층상 암염(rock-salt) 구조의 복합 산화물, 및 스피넬(spinel) 구조의 복합 산화물이 포함된다. 양극 활물질로서, LiFeO2, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, V2O5, Cr2O5, 및 MnO2 등의 화합물이 사용될 수 있다.
또는, 복합 재료(LiMPO4(일반식)(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), 및 Ni(II) 중 하나 이상))가 사용될 수 있다. 재료로서 사용될 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 재료가 사용될 수 있다. 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, 양극 활물질로서 A x M 2(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 표시되는 나시콘형 화합물이 사용될 수 있다. 나시콘형 화합물의 예에는 Fe2(MnO4)3, Fe2(SO4)3, 및 Li3Fe2(PO4)3이 있다. 또는, 양극 활물질로서 Li2 MPO4F, Li2 MP2O7, 또는 Li5 MO4(일반식)(M=Fe 또는 Mn)로 표시되는 화합물, NaFeF3 또는 FeF3 등의 페로브스카이트(perovskite)형 불화물, TiS2 또는 MoS2 등의 금속 칼코게나이드(chalcogenide)(황화물, 셀레늄화물 또는 텔루륨화물), LiMVO4 등의 역 스피넬형 결정 구조를 갖는 산화물, 바나듐 산화물(V2O5, V6O13, LiV3O8 등), 망가니즈 산화물, 유기 황 화합물 등도 사용될 수 있다.
캐리어 이온이 리튬 이온 이외의 알칼리 금속 이온, 또는 알칼리 토금속 이온인 경우, 양극 활물질로서 리튬 대신에 알칼리 금속(예를 들어 소듐 및 포타슘), 또는 알칼리 토금속(예를 들어 칼슘, 스트론튬, 바륨, 베릴륨, 및 마그네슘)을 함유하는 재료가 사용되어도 좋다.
세퍼레이터(13)로서, 셀룰로스(종이), 구멍(pore)을 갖는 폴리에틸렌, 및 구멍을 갖는 폴리프로필렌 등의 절연체가 사용될 수 있다.
전해액의 전해질로서, 캐리어 이온을 함유하는 재료가 사용된다. 전해질의 대표적인 예에는 LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, 및 Li(C2F5SO2)2N 등의 리튬염이 있다. 이들 전해질 중 하나가 단독으로 사용되어도 좋고, 또는 이들 중 2가지 이상이 적절한 조합 및 적절한 비율로 사용되어도 좋다.
또한, 캐리어 이온이, 리튬 이온 이외의 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온인 경우, 상술한 리튬염에서, 리튬 대신에 알칼리 금속(예를 들어, 소듐 또는 포타슘), 알칼리 토금속(예를 들어, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 베릴륨, 또는 마그네슘)이 전해질에 사용되어도 좋다.
전해액의 용매로서는 리튬 이온이 이동 가능한 재료가 사용된다. 전해액의 용매로서는 반 양성자성 유기 용매가 사용되는 것이 바람직하다. 반 양성자성 유기 용매의 대표적인 예에는 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트, 다이메틸카보네이트, 다이에틸카보네이트(DEC), 에틸메틸카보네이트(EMC), γ-뷰티로락톤, 아세토나이트릴, 다이메톡시에탄, 테트라하이드로퓨란 등이 포함되고, 이들 재료 중 하나 이상이 사용될 수 있다. 전해액의 용매로서 겔화된 고분자 재료가 사용되거나, 또는 전해액에 겔화를 위한 고분자 재료가 첨가될 때, 누액 등에 대한 안전성이 높아진다. 또한, 축전지가 더 얇게 더 가볍게 될 수 있다. 겔화된 고분자 재료의 대표적인 예에는, 실리콘(silicone) 겔, 아크릴 겔, 아크릴로나이트릴 겔, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 불소계 폴리머 등이 포함된다. 또는, 전해액의 용매로서 불연성 및 불휘발성의 특징을 갖는 이온 액체(상온 용융염)를 하나 또는 복수 사용함으로써, 축전지의 내부 단락이나 과충전 등에 의하여 내부 온도가 상승하여도, 축전지의 파열이나 발화를 방지할 수 있다. 이온 액체는 유동 상태에 있는 염이며 이온 이동도(전도도)가 높다. 또한, 이온 액체는 양이온과 음이온을 포함한다. 이러한 이온 액체의 예에는 에틸메틸이미다졸륨(EMI) 양이온을 함유하는 이온 액체 및 N-메틸-N-프로필피페리디늄(PP13) 양이온을 함유하는 이온 액체가 있다.
전해액 대신에 황화물계 무기 재료 또는 산화물계 무기 재료 등의 무기 재료를 포함하는 고체 전해질이나, 폴리에틸렌옥사이드(PEO)계 고분자 재료 등의 고분자 재료를 포함하는 고체 전해질이 사용될 수 있다. 고체 전해질을 사용하는 경우에는, 세퍼레이터 또는 스페이서는 불필요하다. 또한, 배터리는 전체적으로 고체화될 수 있기 때문에, 누액될 우려가 없어 배터리의 안전성이 굉장히 향상된다.
리튬이 용해 및 석출 가능한 재료, 또는 리튬 이온과 가역적인 반응이 가능한 재료는 음극 활물질층(19)의 음극 활물질에 사용될 수 있고, 예를 들어, 리튬 금속, 탄소계 재료, 합금계 재료 등이 사용될 수 있다.
리튬 금속은, 산화 환원 전위가 낮고(표준 수소 전극보다 3.045V 낮음), 단위 중량당 및 단위 체적당 비용량이 크기(3860mAh/g 및 2062mAh/cm3) 때문에 바람직하다.
탄소계 재료의 예에는, 흑연, 흑연화성 탄소(소프트 카본), 비흑연화성 탄소(하드 카본), 카본 나노튜브, 그래핀, 카본 블랙 등이 포함된다.
흑연의 예에는 메소카본 마이크로비즈(MCMB), 코크스계 인조 흑연, 또는 피치계 인조 흑연 등의 인조 흑연이나, 구상 천연 흑연 등의 천연 흑연이 포함된다.
흑연은 리튬 이온이 흑연에 삽입되었을 때(리튬-흑연 층간 화합물의 형성 시)에 리튬 금속과 대략 같은 정도로 낮은 전위(0.1~0.3V vs.Li/Li+)를 갖는다. 이런 이유로 리튬 이온 이차 전지는 높은 작동 전압을 가질 수 있다. 또한, 흑연은 단위 체적당 용량이 비교적 높고, 체적 팽창이 작고, 가격이 싸고, 리튬 금속에 비하여 안전성이 높은 등의 이점을 갖기 때문에 바람직하다.
음극 활물질로서, 리튬과의 합금화 및 탈합금화 반응에 의하여 충방전 반응이 가능한 합금계 재료가 사용될 수 있다. 캐리어 이온이 리튬 이온인 경우, 예를 들어 Al, Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Ag, Au, Zn, Cd, In, Ga 등 중 적어도 하나를 함유하는 재료가 사용될 수 있다. 이러한 원소는 탄소보다 큰 용량을 갖는다. 특히, 실리콘은 상당히 높은 4200mAh/g의 이론 용량을 갖는다. 이런 이유로, 실리콘은 음극 활물질로서 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 원소를 사용한 재료의 예에는 SiO, Mg2Si, Mg2Ge, SnO, SnO2, Mg2Sn, SnS2, V2Sn3, FeSn2, CoSn2, Ni3Sn2, Cu6Sn5, Ag3Sn, Ag3Sb, Ni2MnSb, CeSb3, LaSn3, La3Co2Sn7, CoSb3, InSb, SbSn 등이 포함된다. 또한, SiO는 실리콘이 많이 포함되는 부분(silicon-rich portion)을 포함하는 실리콘 산화물의 분말을 나타내고, SiO y (2>y>0)라고 할 수도 있다. SiO의 예는, Si2O3, Si3O4, 및 Si2O 중 하나 이상을 함유하는 재료나, 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, SiO는 단결정 실리콘, 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, Si2O3, Si3O4, Si2O, 및 SiO2 중 2가지 이상을 함유하는 유색 재료를 나타낸다. 따라서, SiO는 무색 투명 또는 백색인 SiO x (x는 2 이상)와 구별될 수 있다. 또한, 이차 전지의 재료로서 SiO를 사용하여 이차 전지가 제작되어 충전 및 방전 사이클이 반복됨으로써 SiO가 산화되는 경우, SiO가 SiO2로 변질되는 경우도 있다.
또는, 음극 활물질에는 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 산화물이 사용될 수 있다.
또는, 음극 활물질로서는, 리튬 및 전이 금속을 함유하는 질화물인, Li3N 구조를 갖는 Li3- x M x N(M=Co, Ni, 또는 Cu)도 사용될 수 있다. 예를 들어, Li2.6Co0.4N3은 충방전 용량이 크기 때문에(900mAh/g 및 1890mAh/cm3) 바람직하다.
리튬 및 전이 금속을 함유하는 질화물을 사용하면, 음극 활물질에 리튬 이온이 함유되어, 음극 활물질은 V2O5 또는 Cr3O8 등의 리튬 이온을 함유하지 않는 양극 활물질의 재료와 조합되어 사용될 수 있으므로 바람직하다. 양극 활물질로서 리튬 이온이 함유되는 재료를 사용하는 경우, 양극 활물질에 함유되는 리튬 이온을 미리 추출시킴으로써, 리튬과 전이 금속을 함유하는 질화물이 음극 활물질에 사용될 수 있다.
또는, 컨버전(conversion) 반응이 일어나는 재료는 음극 활물질로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 산화 코발트(CoO), 산화 니켈(NiO), 산화 철(FeO) 등, 리튬과의 합금화 반응이 일어나지 않는 전이 금속 산화물을 음극 활물질에 사용하여도 좋다. 컨버전 반응이 일어나는 재료의 다른 예에는, Fe2O3, CuO, Cu2O, RuO2, 및 Cr2O3 등의 산화물, CoS0.89, NiS, 또는 CuS 등의 황화물, Zn3N2, Cu3N, 및 Ge3N4 등의 질화물, NiP2, FeP2, 및 CoP3 등의 인화물, 및 FeF3 및 BiF3 등의 불화물이 포함된다. 또한, 그 높은 전위 때문에 이들 불화물 중 어느 것이 양극 활물질로서 사용될 수 있다.
음극 활물질층(19)에는 상술한 음극 활물질에 더하여 활물질의 밀착성을 높이기 위한 바인더, 음극 활물질층(19)의 도전성을 높이기 위한 도전 보조제 등이 더 포함되어도 좋다.
이차 전지에서, 예를 들어 세퍼레이터(13)는 약 25μm의 두께를 갖고, 양극 집전체(12)는 약 10μm 내지 40μm의 두께를 갖고, 양극 활물질층(18)은 약 100μm의 두께를 갖고, 음극 활물질층(19)은 약 100μm의 두께를 갖고, 음극 집전체(14)는 약 8μm 내지 40μm의 두께를 갖는다. 필름(11)은 0.113mm의 두께를 갖는다. 필름(11)은 약 500μm의 깊이에 엠보싱 가공을 받는다. 필름(11)이 2mm 이상의 깊이에 엠보싱 가공을 받는다면, 이차 전지 전체가 지나치게 두껍게 되기 때문에, 필름(11)은 1mm 이하의 깊이, 바람직하게는 500μm 이하의 깊이에 엠보싱 가공을 받는다. 도 1의 (E)에서는 접착층(30)을 부분적으로만 나타내었지만, 필름(11)의 표면 위에 제공된 폴리프로필렌으로 만들어진 층의 열압착된 부분만이 접착층(30)이다.
도 1의 (E)는, 필름(11)의 아래쪽이 고정되고, 압착이 수행된 예를 도시한 것이다. 이 경우, 위쪽이 크게 구부러져 단차가 형성된다. 따라서, 상술한 적층의 복수의 조합(예를 들어 8개 이상의 조합)이 접어진 필름(11)의 내측에 제공되는 경우, 그 단차가 커서 필름(11)의 위쪽에 지나친 응력이 가해질 수 있다. 또한, 필름의 위쪽의 단부면(end face)은 필름의 아래쪽의 단부면과 어긋나게 될 수 있다. 단부면들의 어긋남을 방지하도록 필름의 아래쪽에도 단차가 제공되어도 좋고, 응력이 균일하게 가해지도록 중앙부에서 압착이 수행되어도 좋다.
얻어진 이차 전지(40)에서, 외장체로서 기능하는 필름(11)의 표면은 요철을 포함하는 패턴을 갖는다. 도 1의 (D)에서 점선으로 나타낸 에지 영역은 열 압착 영역(17)이다. 열 압착 영역(17)의 표면에도 요철을 포함하는 패턴을 갖는다. 열 압착 영역(17)에서의 요철은 중앙부보다 작지만, 이차 전지를 구부릴 때에 가해지는 응력을 완화시킬 수 있다.
여기서는, 이차 전지의 충전에서의 전류의 흐름에 대하여 도 1의 (F)를 참조하여 설명한다. 리튬을 사용한 이차 전지를 폐회로라고 간주할 때, 리튬 이온의 이동과 같은 방향으로 전류가 흐른다. 또한, 리튬을 사용한 이차 전지에서는, 충전과 방전으로 양극(anode)과 음극(cathode)이 교체되고, 산화 반응과 환원 반응은 대응하는 측에서 일어난다. 따라서, 산화환원 전위가 높은 전극을 "양극"이라고 칭하고, 산화환원 전위가 낮은 전극을 "음극"이라고 칭한다. 이런 이유로, 본 명세서에서는 충전이 수행되는 경우, 방전이 수행되는 경우, 역 펄스 전류가 공급되는 경우, 및 충전 전류가 공급되는 경우의 모든 경우에서 양극은 "양극"이라고 하고, 음극은 "음극"이라고 한다. 산화 반응 및 환원 반응에 관련된 "애노드" 및 "캐소드"라는 용어를 사용하면, 충방전 시에는 양극과 음극이 교체되기 때문에, 혼란을 초래할 수 있다. 따라서, "애노드" 및 "캐소드"라는 용어는 본 명세서에서는 이용하지 않는다. 만일 "애노드" 또는 "캐소드"라는 용어를 사용하는 경우에는 충전 시인지 방전 시인지를 명기하고, 양극과 음극 중 어느 쪽에 해당하는 것인지도 명기한다.
도 1의 (F)에서의 2개의 단자에는 충전기가 접속되고, 이차 전지(40)가 충전된다. 이차 전지(40)의 충전이 진행되면 전극간의 전위차는 커진다. 도 1의 (F)에서의 양의 방향은, 전류가 이차 전지(40)의 외부의 한쪽 단자로부터 양극 집전체(12)로, 이차 전지(40)에서 양극 집전체(12)로부터 음극 집전체(14)로, 및 음극 집전체(14)로부터 이차 전지(40)의 외부의 다른 쪽 단자로 흐르는 방향이다. 즉, 전류는 충전 전류의 흐름의 방향으로 흐른다.
커트의 위치 및 크기는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 3의 (B)에 나타낸 바와 같이, 하나의 커트가 제공된 양극 집전체(12c), 또는 도 3의 (C)에 나타낸 양극 집전체(12b)가 사용되어도 좋다. 도 3의 (C)에 나타낸 양극 집전체(12b)의 경우, 도 2의 (B)의 경우와 커트의 방향이 다르기 때문에, 도 2의 (B)에서의 경우의 구부러진 방향과 다른 방향으로 구부리게 할 수 있다. 또는, 도 3의 (A)에 나타낸 바와 같이, 슬릿과 같은 복수의 개구(27)가 제공된 양극 집전체(12a)가 사용되어도 좋고, 또는 도 3의 (D)에 나타낸 바와 같이, 복수의 직사각형의 개구(27)가 제공된 양극 집전체(12d)가 사용되어도 좋다. 또는, 개구 및 커트가 제공된 양극 집전체가 사용되어도 좋다. 또는 도 3의 (E)에 나타낸 바와 같이, 불구불한(meandering) 부분이 제공된 상면 형상을 갖는 양극 집전체(12e), 또는 도 3의 (F)에 나타낸 바와 같이, 복수의 불구불한 부분이 제공된 상면 형상을 갖는 양극 집전체(12f)가 사용되어도 좋다.
또한, 본 실시형태에서 설명한 예에서, 커트는 양극 집전체(12) 및 양극 활물질층(18)에 제공된다. 그러나 커트는 이에 특별히 한정되지 않는다. 커트는 음극 집전체(14) 및 음극 활물질층(19)에 제공되어도 좋다. 양극 집전체(12) 및 음극 집전체(14)의 커트는 서로 상이하여도 좋다. 예를 들어, 이차 전지를 구부림으로써 다른 쪽의 집전체보다 크게 변형하는 집전체에는, 다른 쪽의 집전체보다 더 많은 커트가 제공되어, 응력을 더 효과적으로 완화할 수 있다.
도 1의 (E)에 나타낸 이차 전지(40)는, 간략화를 위하여 하나의 양극 집전체, 하나의 세퍼레이터, 및 하나의 음극 집전체를 사용하여 설명된다. 그러나, 실제로는 복수의 양극 집전체 및 복수의 음극 집전체가 사용된다. 예를 들어, 도 4의 (B)에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체(12), 세퍼레이터(13), 및 음극 집전체(14)가 각각 적층한 8개의 조합을 사용하고, 외장 필름에 의하여 둘러싸인 영역 내로 감싸였다. 양극 집전체(12)는 양극 활물질층이 제공된 한쪽 면을 갖는다. 또한, 도 4의 (B)에 나타낸 구조에서, 세퍼레이터의 하나의 시트는 접어져, 접어진 세퍼레이터의 면들 사이에 양극 집전체(12)가 제공된다. 그래서, 16개의 세퍼레이터가 제공되고, 즉, 세퍼레이터의 8개의 시트가 접어진다. 세퍼레이터가 접어지지 않고 사용되는 경우에는, 15개의 세퍼레이터로 충분하다. 세퍼레이터는 봉투 형상을 가져도 좋다. 이차 전지(40)의 두께가 감소되는 경우, 도 4의 (A)에 나타낸 바와 같이, 양극 집전체(12), 세퍼레이터(13), 및 음극 집전체(14)의 적층을 포함하는 하나의 조합이 채용된다. 도 4의 (A)에서는 또 다른 세퍼레이터도 제공되었지만, 이 세퍼레이터는 생략할 수 있다.
집전체의 한쪽 면에 활물질이 코팅되는 경우, 도 4의 (C)에 나타낸 바와 같이 양극 집전체의 양극 활물질이 코팅되지 않은 면들이 서로 접하고, 음극 집전체의 음극활물질이 코팅되지 않은 면들이 서로 접하도록 적층되어도 좋다. 이 순서대로 집전체를 적층함으로써 세퍼레이터의 수가 절반으로 감소될 수 있어 바람직하다.
도 5의 (A) 및 (B)는 2개의 조합의 사시도이다. 또한, 양극 집전체(12)가 양극 활물질층들 사이에 끼워진 예를 도시한 것이다. 구체적으로는, 음극 집전체(14), 음극 활물질층, 세퍼레이터(13), 양극 활물질층, 양극 집전체(12), 양극 활물질층, 세퍼레이터, 음극 활물질층, 및 음극 집전체가 순서대로 적층된다. 도 5의 (A)에 나타낸 음극 집전체(14)에서, 레이저 가공에 의하여 만들어진 기하학적 패턴을 나타내는 복수의 커트가 제공된다. 기하학적 패턴은, 스트라이프 패턴, 체크 패턴, 구불구불한 패턴 등을 포함하는 패턴을 나타낸다. 도 5의 (A) 및 (B)에 2개의 세퍼레이터가 도시되었지만, 양극 집전체(12)는 하나의 세퍼레이터를 접어 형성된 2개의 표면 사이에 위치하여도 좋다. 세퍼레이터는 봉투 형상을 가져도 좋다.
음극 집전체는 음극 활물질층들 사이에 끼워져도 좋다. 도 5의 (B)는, 음극 활물질층이 제공된 한쪽 면을 각각 갖는 2개의 음극 집전체 사이에, 음극 활물질층들 사이에 각각 끼워진 3개의 음극 집전체, 양극 활물질층들 사이에 각각 끼워진 4개의 양극 집전체, 및 8개의 세퍼레이터가 끼워진 예를 도시한 것이다.
본 실시형태에서, 휴대 정보 단말 등에 사용되는 소형 배터리의 예가 설명되었지만, 본 발명의 일 형태는 이 예에 특별히 한정되지 않는다. 차량 등에 제공되는 대형 배터리에도 적용이 가능하다.
본 실시형태에서, 리튬 이온 이차 전지에 적용한 예가 설명되었지만, 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 전지에도 적용이 가능하다. 일차 전지, 용량 소자, 및 리튬 이온 커패시터 등의 다양한 축전 장치에도 적용이 가능하다. 또한, 태양 전지, 광 센서, 터치 센서, 표시 장치, 가요성 인쇄 회로(FPC), 및 광학 필름(예를 들어, 편광판, 위상지연판, 프리즘 시트, 광반사 시트, 및 광확산 시트) 등에도 적용이 가능하다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는, 실시형태 1에 설명된 리튬 이온 이차 전지 중 어느 것을 결합시키는 전자 기기의 예를 설명한다.
실시형태 1에 따라 제작된 이차 전지는, 외장체로서 가요성을 갖는 얇은 필름을 포함하기 때문에, 곡면을 갖는 지지 구조체에 접착될 수 있고, 큰 곡률 반경을 갖는 지지 구조체의 영역의 곡면을 따라 변형시킬 수 있다.
가요성 축전 장치를 사용하는 각 전자 기기의 예는 다음과 같다. 헤드 마운티드 디스플레이나 고글형 디스플레이 등의 표시 장치(텔레비전 또는 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, 마이크 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 단말기, 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 등을 들 수 있다.
또한, 가요성 축전 장치는 집 또는 건물의 만곡된 내측/외측의 벽면이나, 건물이나, 자동차의 만곡된 외부/내부 면을 따라 조합될 수 있다.
도 6의 (A)는 휴대 전화기의 예를 도시한 것이다. 휴대 전화기(7400)는, 하우징(7401)에 조합된 표시부(7402), 조작 버튼(7403), 외부 접속 포트(7404), 스피커(7405), 마이크(7406) 등이 제공된다. 또한, 휴대 전화기(7400)는 축전 장치(7407)를 포함한다.
도 6의 (B)에 도시된 휴대 전화기(7400)는 구부러진다. 외부의 힘에 의하여 휴대 전화기(7400) 전체가 구부러지면, 휴대 전화기(7400)에 포함되는 축전 장치(7407)도 구부러진다. 도 6의 (C)는 구부러진 축전 장치(7407)를 도시한 것이다. 축전 장치(7407)는 래미네이트된 축전지(필름 외장 배터리(film-covered battery)라고도 함)이다. 축전 장치(7407)는 구부러진 상태로 고정된다. 또한, 축전 장치(7407)는 집전체(7409)에 전기적으로 접속된 리드 전극(7408)을 포함한다. 예를 들어, 축전 장치(7407)의 외장체로서 기능하는 필름은 엠보싱을 받고, 집전체에는 커트가 제공되기 때문에, 축전 장치(7407)가 구부러질 때도 높은 신뢰성을 갖는다.
도 6의 (D)는 팔찌형 휴대 전화기의 예를 도시한 것이다. 휴대 전화기(7100)는 하우징(7101), 표시부(7102), 조작 버튼(7103), 및 축전 장치(7104)를 포함한다. 도 6의 (E)는 구부릴 수 있는 축전 장치(7104)를 도시한 것이다. 사용자가 구부러진 상태의 축전 장치(7104)를 손목에 장착할 때 축전 장치(7104)의 하우징은 변형되고, 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 포함한다. 예를 들어, 프레스 가공은, 축전 장치(7104)의 외장체로서 기능하는 필름의 표면에 복수의 오목 또는 볼록을 형성하기 위하여 수행되고, 집전체에는 커트가 제공되어, 축전 장치(7104)가 상이한 곡률로 여러 번 구부러져도 높은 신뢰성이 유지된다.
도 7의 (A)는 청소기의 예를 도시한 것이다. 이차 전지가 제공됨으로써, 청소기는 코드리스화할 수 있다. 청소기 내부에 빨아들인 먼지를 저장하기 위한 집진(集塵) 공간을 확보하기 위하여, 축전 장치(7604)에 의하여 차지되는 공간은 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 이런 이유로 외측 표면과 먼지 집진 공간 사이에, 구부릴 수 있는 얇은 축전 장치(7604)를 제공하는 것은 유용하다. 청소기(7600)에는 조작 버튼(7603) 및 축전 장치(7604)가 제공된다. 도 7의 (B)는 구부릴 수 있는 축전 장치(7604)를 도시한 것이다. 축전 장치(7604)의 외장체로서 기능하는 필름은 엠보싱을 받고, 집전체에는 커트가 제공되기 때문에, 축전 장치(7604)는 높은 신뢰성을 갖는다. 축전 장치(7604)는 음극에 전기적으로 접속된 리드 전극(7601)과, 양극에 전기적으로 접속된 리드 전극(7602)을 포함한다.
외장체의 하나의 짧은 변에서 2개의 리드 전극이 노출된 축전 장치(7604)의 다른 예로서, 구부릴 수 있는 축전 장치(7605)가 도 7의 (C)에 도시되었다. 축전 장치(7605)는, 외장체의 2개의 짧은 변 각각에서 집전체 및 리드 전극이 노출된 구조를 갖는다.
도 7의 (D)는 축전 장치(7605)의 내부 구조의 예를 도시한 것이다. 도 7의 (D)에 도시된 바와 같이, 축전 장치(7605)는 양극 집전체(12), 세퍼레이터(13), 및 2개의 음극 집전체(14)를 포함한다. 2개의 음극 집전체(14)는, 축전 장치(7605)가 구부러진 방향에 수직의 방향으로 연장된 커트를 갖는다. 세퍼레이터(13)는 접어지고, 그 접어진 세퍼레이터(13) 내부에 양극 집전체(12)가 제공된다. 또한, 양극 집전체(12)는 양극 활물질층들 사이에 끼워진다.
도 8의 (A) 내지 (C), 도 9의 (A) 및 (B)는 실시형태 1에서 설명한 리튬 이온 이차 전지 중 어느 것을 결합시키는 전자 기기의 예를 도시한 것이다.
전자 기기(7700)는 접을 수 있는 표시부(7702)를 갖는다. 도 8의 (A)는 표시부(7702)가 펼쳐진 상태를 나타낸 평면도이다. 전자 기기(7700)의 단면도는 도 8의 (B)에 나타내었다. 축전 장치(7704)는 전자 기기(7700) 내부에 제공된다. 도 9의 (A)는 표시부(7702)가 펼쳐진 상태를 나타낸 외관 사시도에 해당된다.
또한, 표시부(7702)를 접을 수 있게 하는 힌지(7701 및 7703)가 제공된다. 표시부(7702)는 플라스틱 기판 위에 유기 EL 소자를 포함하는 액티브 매트릭스형 표시 장치이고, 가요성 표시 패널이다. 예를 들어, 산화물 반도체층을 갖는 트랜지스터가 포함되고, 트랜지스터와 유기 EL 소자는 서로 전기적으로 접속되고, 트랜지스터 및 유기 EL 소자는 2개의 플라스틱 기판 사이에 배치된다. 도 8의 (A) 내지 (C), 및 도 9의 (A) 및 (B)에 나타낸 전자 기기는 힌지(7701 및 7703)가 제공된 부분에서 접음으로써 소형화할 수 있는 전자 기기(7700)의 예이다.
도 8의 (C)는 접어진 상태의 전자 기기의 단면도이다. 도 9의 (B)는 그 상태의 전자 기기의 외관 사시도에 해당된다. 2개의 힌지(7701 및 7703)를 사용하여 두 군데를 접는 예를 들었지만, 전자 기기의 접기는 이에 한정되지 않는다. 세 군데 이상 접어질 수 있는 전자 기기를 표시부(7702)의 크기를 크게 하고, 힌지의 개수를 늘림으로써 얻어도 좋다. 또는 하나의 힌지를 사용하여 한 군데 접어질 수 있는 전자 기기를 얻어도 좋다.
전자 기기(7700)의 하우징의 재료(실리콘(silicone) 고무 또는 플라스틱 재료)를 선택함으로써 가요성 하우징이 얻어지고, 하우징 내부에 제공된 축전 장치(7704)가 구부러질 수 있는 동안, 전자 기기(7700)는 전체적으로 또는 부분적으로 구부러질 수 있다.
차량에 구부릴 수 있는 축전 장치를 사용하면, 하이브리드 전기 자동차(HEV), 전기 자동차(EV), 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV) 등의 차세대 클린 에너지 자동차의 생산을 가능하게 한다. 또한, 농업 기계, 전동 어시스트 자전거를 포함하는 모터 구동식 자전거, 오토바이, 전동 휠체어, 전동 카트, 보트 또는 배/선박, 잠수함, 고정 날개 항공기 및 회전 날개 항공기 등의 항공기, 로켓, 인공 위성, 우주 탐사기, 혹성 탐사기, 및 우주선 등의 이동체에 구부릴 수 있는 축전 장치가 사용될 수도 있다.
도 10의 (A) 및 (B)는 각각 본 발명의 일 형태를 사용한 차량의 예를 도시한 것이다. 도 10의 (A)에 도시된 자동차(8100)는 전기 모터(8106)의 힘으로 주행하는 전기 자동차이다. 또는, 자동차(8100)는 전기 모터 또는 엔진을 적절히 사용하여 운전할 수 있는 하이브리드 전기 자동차이다. 차량에 래미네이트된 이차 전지가 제공되는 경우, 복수의 래미네이트된 이차 전지를 포함하는 배터리 모듈이 한 군데 또는 한 군데 초과에 배치된다. 본 발명의 일 형태에 따르면, 축전 장치 자체를 더 소형화 및 경량화할 수 있고, 예를 들어 곡면을 갖는 축전 장치가 차량의 타이어 내측에 제공되면 이 차량은 연비가 좋은 차량이 될 수 있다. 또한, 다양한 형상을 가질 수 있는 축전 장치는 차량의 작은 공간에 제공될 수 있고, 트렁크 내의 공간이나 탑승 공간을 확보할 수 있다. 자동차(8100)는 축전 장치를 포함한다. 축전 장치는 전기 모터(8106)를 구동할 뿐만 아니라, 헤드라이트(8101) 또는 차내등(미도시) 등의 발광 장치에 전력을 공급하기 위해서도 사용된다.
축전 장치는, 자동차(8100)에 포함되는 스피드 미터 또는 회전 속도계 등의 표시 장치에 전력을 공급할 수도 있다. 또한, 축전 장치는 자동차(8100)에 포함되는 내비게이션 시스템 등의 반도체 장치에 전력을 공급할 수 있다.
도 10의 (B)는 축전 장치를 포함하는 자동차(8200)를 도시한 것이다. 자동차(8200)는, 플러그인 방식, 비접촉 급전 방식 등에 의하여 외부 충전 설비로부터 전력 공급을 받을 때 충전될 수 있다. 도 10의 (B)에서, 자동차(8200)에 포함되는 축전 장치는 케이블(8022)을 통하여 지상 기반 충전 장치(8021)를 사용하여 충전된다. 충전에는, 충전 방법, 커넥터의 규격 등으로서는 CHAdeMO(등록상표) 또는 Combined Charging System 등의 소정의 방법을 적절히 채용할 수 있다. 충전 장치(8021)는 상용 시설에 제공된 충전 스테이션 또는 주택의 전원이라도 좋다. 예를 들어, 플러그인 기술을 사용하여, 외부로부터 전력이 공급됨으로써 자동차(8200)에 포함된 전력 축전 장치(8024)가 충전될 수 있다. 충전은 AC-DC 컨버터 등의 컨버터를 통하여 AC 전력을 DC 전력으로 변환함으로써 수행될 수 있다.
또한, 도시되지 않았지만, 차량은, 지상의 송전 장치로부터 비접촉 방식으로 전력의 공급을 받음으로써 충전되도록 수전 장치를 포함할 수 있다. 이 비접촉 급전 방식의 경우, 도로 또는 외벽에 송전 장치를 장착함으로써 전기 자동차가 정차될 때뿐만 아니라 주행될 때에도 충전할 수 있다. 또한, 이 비접촉 급전 방식을 이용하여 2대의 차량간에서 송신/수신하여도 좋다. 또한, 자동차의 정차될 때나 주행될 때에 축전 장치를 충전하기 위하여 자동차의 외장에 태양 전지가 제공되어도 좋다. 이러한 비접촉 방식의 전력 공급에는 전자기 유도 방식 또는 자계 공명 방식이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 축전 장치가 제공될 수 있는 장소의 유연도가 높아져, 차량을 효율 좋게 설계될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태에 따르면, 축전 장치의 특성이 향상되어, 결과적으로 축전 장치 자체가 더 소형화 및 경량화될 수 있다. 소형 및 경량의 축전 장치는 차량의 경량화로 이어지기 때문에 항속 거리가 길어진다. 또한, 차량에 포함되는 축전 장치가 차량 이외의 제품에 전력을 공급하기 위한 전원으로서 사용될 수 있다. 이 경우, 전력 수요의 피크 시에서의 상용 전원의 사용을 피할 수 있다.
또한, 하나의 실시형태에 설명되는 내용(또는 내용의 일부이어도 좋음)은, 이 실시형태에 설명되는 다른 내용(또는 다른 내용의 일부이어도 좋음), 및/또는 하나 또는 복수의 다른 실시형태에 설명되는 내용(또는 내용의 일부이어도 좋음)에 적용, 조합, 또는 치환되어도 좋다.
또한 각 실시형태에서, 실시형태에 설명되는 내용은 다양한 도면을 참조하여 설명되는 내용 또는 본 명세서에 기재되는 문장으로 설명되는 내용이다.
또한, 하나의 실시형태에 도시된 도면(또는 이 도면의 일부이어도 좋음)을 이 도면의 다른 부분, 이 실시형태에 도시된 다른 도면(또는 이 다른 도면의 일부이어도 좋음), 및/또는 하나 또는 복수의 다른 실시형태에 도시된 도면(또는 이 도면의 일부이어도 좋음)과 조합함으로써, 더 많은 도면이 형성될 수 있다.
또한, 명세서 중의 어느 도면 또는 문장에서 명시되어 있지 않은 내용은 발명의 일 형태에서 제외될 수 있다. 또는, 상한값과 하한값으로 규정되는 수치 범위가 기재되는 경우, 그 범위의 일부를 적절히 좁히거나 그 범위의 일부를 제외함으로써, 그 범위의 일부를 제외한 발명의 일 형태가 구성될 수 있다. 이런 식으로, 예를 들어 종래 기술이 제외되도록 본 발명의 일 형태의 기술적 범위가 명시될 수 있다.
구체적인 예로서, 제 1 트랜지스터 내지 제 5 트랜지스터를 포함하는 회로의 도면이 도시되었다. 이 경우, 발명에서는 그 회로가 제 6 트랜지스터를 포함하지 않는 것으로 명시될 수 있다. 발명에서는 그 회로가 용량 소자를 포함하지 않는 것으로 명시될 수 있다. 발명에서는 그 회로가 특정한 접속 구조를 갖는 제 6 트랜지스터를 포함하지 않는 것으로 명시될 수 있다. 발명에서는 그 회로가 특정한 접속 구조를 갖는 용량 소자를 포함하지 않는 것으로 명시될 수 있다. 예를 들어, 발명에서는 게이트가 제 3 트랜지스터의 게이트에 접속되는 제 6 트랜지스터가 포함되지 않는 것으로 명시될 수 있다. 예를 들어, 발명에서는 제 1 전극이 제 3 트랜지스터의 게이트에 접속되는 용량 소자가 포함되지 않는 것으로 명시될 수 있다.
다른 구체적인 예로서는, "어떤 전압이 3V 이상 10V 이하인 것이 바람직하다"라는 값의 기재를 든다. 이 경우, 예를 들어 그 전압이 -2V 이상 1V 이하인 경우는 그 발명의 일 형태에서 제외된다고 명시될 수 있다. 예를 들어 그 전압이 13V 이상인 경우는 그 발명의 일 형태에서 제외된다고 명시될 수 있다. 또한, 예를 들어 그 전압이 5V 이상 8V 이하인 것으로 발명에서 명시될 수 있다. 예를 들어 그 전압이 약 9V인 것으로 그 발명에서 명시될 수 있다. 예를 들어 그 전압이 3V 이상 10V 이하이지만, 9V가 아닌 것으로 그 발명에서 명시될 수 있다. 또한, "어떤 값이 특정한 범위에 있는 것이 바람직하다" 또는 "어떤 값이 특정한 조건을 만족시키는 것이 바람직하다"라는 기재를 든 경우에도, 그 값은 이 기재에 한정되지 않는다. 즉, "바람직하다" 또는 "바람직하게" 등의 용어를 포함하는 값의 기재는 반드시 그 값을 한정하지는 않는다.
또 다른 구체적인 예로서, "어떤 전압이 10V인 것이 바람직하다"라는 기재를 든다. 이 경우, 예를 들어 그 전압이 -2V 이상 1V 이하인 경우는 발명의 일 형태에서 제외된다고 명시될 수 있다. 예를 들어 그 전압이 13V 이상인 경우는 발명의 일 형태에서 제외된다고 명시될 수 있다.
또 다른 구체적인 예로서, 재료의 성질을 설명하기 위하여, "어떤 막은 절연막이다"라는 기재를 든다. 이 경우, 예를 들어 그 절연막이 유기 절연막인 경우는 그 발명의 일 형태에서 제외된다고 명시될 수 있다. 예를 들어 그 절연막이 무기 절연막인 경우는 그 발명의 일 형태에서 제외된다고 명시될 수 있다. 예를 들어 그 절연막이 도전막인 경우는 그 발명의 일 형태에서 제외된다고 명시될 수 있다. 예를 들어, 그 절연막이 반도체막인 경우는 그 발명의 일 형태에서 제외된다고 명시될 수 있다.
또 다른 구체적인 예로서, "어떤 막이 A막과 B막 사이에 제공된다"라는 적층 구조의 기재를 든다. 이 경우, 예를 들어 그 막이 4층 이상의 적층막인 경우는 그 발명에서 제외된다고 명시될 수 있다. 예를 들어 도전막이 A막과 그 막 사이에 제공되는 경우는 그 발명에서 제외된다고 명시될 수 있다.
또한, 다양한 사람들은 본 명세서 등에 기재되는 발명의 일 형태를 실시할 수 있다. 그러나, 상이한 사람들이 그 발명의 일 형태의 실시에 관여될 수 있다. 예를 들어, 송수신 시스템의 경우에는, A사가 송신 장치를 제조 및 판매하고, B사가 수신 장치를 제조 및 판매하는 경우가 있을 수 있다. 다른 예로서는, 트랜지스터 및 발광 소자를 포함하는 발광 장치의 경우에는, A사가 트랜지스터를 포함하는 반도체 장치를 제조 및 판매하고, B사가 그 반도체 장치를 구입하고, 그 반도체 장치에 발광 소자를 제공하며, 발광 장치를 완성시키는 경우가 있을 수 있다.
이러한 경우, A사 및 B사 각각에 대하여 특허 침해를 주장할 수 있도록 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 바꿔 말하면, A사만이 그 형태를 실시하도록 발명의 일 형태를 구성할 수 있고, B사만이 그 형태를 실시하도록 발명의 또 다른 일 형태를 구성할 수 있다. A사 또는 B사에 대하여 특허 침해 소송을 제기할 수 있는 발명의 일 형태는 명확하며, 본 명세서 등에 개시되어 있다고 간주할 수 있다. 예를 들어, 송수신 시스템의 경우에는, 송신기만이 사용되는 경우 또는 수신기만이 사용되는 경우의 기재가 본 명세서 등에 포함되지 않을 때도, 송신기만으로 발명의 일 형태를 구성할 수 있고, 수신기만으로 발명의 또 다른 일 형태를 구성할 수 있다. 이들 발명의 형태는 명확하며, 본 명세서 등에 개시되어 있다고 간주할 수 있다. 다른 예는 다음과 같다: 트랜지스터 및 발광 소자를 포함하는 발광 장치의 경우에는, 트랜지스터를 포함하는 반도체 장치만이 사용되는 경우 또는 발광 소자를 포함하는 발광 장치만이 사용되는 경우의 기재가 본 명세서 등에 포함되지 않을 때도, 트랜지스터를 포함하는 반도체 장치만으로 발명의 일 형태를 구성할 수 있고, 발광 소자를 포함하는 발광 장치만이 발명의 또 다른 일 형태를 구성할 수 있다. 이들 발명의 형태는 명확하며, 본 명세서 등에 개시되어 있다고 간주할 수 있다.
또한 본 명세서 등에서, 능동 소자(예를 들어 트랜지스터 또는 다이오드), 및 수동 소자(예를 들어 용량 소자 또는 저항 소자) 등의 모든 단자가 접속되는 부분이 명시되지 않더라도, 당업자는 발명의 일 형태를 구성할 수 있을 것이다. 바꿔 말하면, 접속부가 명시되지 않더라도, 발명의 일 형태는 명확하다. 또한, 본 명세서 등에 접속부가 개시되는 경우, 접속부가 명시되지 않는 발명의 일 형태가 본 명세서 등에 개시된다고 판단될 수 있는 경우가 있다. 특히, 단자가 접속되는 부분의 개수가 하나보다 많은 경우, 그 단자가 접속되는 부분을 명시할 필요는 없다. 따라서, 능동 소자(예를 들어 트랜지스터 또는 다이오드), 수동 소자(예를 들어 용량 소자 또는 저항 소자) 등의 단자들 중 일부가 접속되는 부분만을 명시함으로써, 발명의 일 형태를 구성할 수 있다.
또한 본 명세서 등에서, 적어도 회로의 접속부가 명시되면, 당업자가 발명을 자세히 말할 수 있다. 또는, 적어도 회로의 기능이 명시되면, 당업자는 발명을 자세히 말할 수 있다. 바꿔 말하면, 회로의 기능이 명시되면, 발명의 일 형태가 명확해진다. 또한, 기능이 명시되는 발명의 일 형태가 본 명세서 등에 개시된다고 판단될 수 있다. 따라서, 회로의 접속부가 명시되면, 기능이 명시되지 않더라도 그 회로는 발명의 일 형태로서 개시되고, 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 또는, 회로의 기능이 명시되면, 접속부가 명시되지 않더라도 그 회로는 발명의 일 형태로서 개시되고, 발명의 일 형태를 구성할 수 있다.
또한 본 명세서 등에서, 하나의 실시형태에서 설명하는 도면 또는 문장의 일부를 추출하여 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 따라서, 어떤 부분에 관련된 도면 또는 문장이 기재되는 경우, 그 도면 또는 그 문장의 일부로부터 추출된 내용도 발명의 일 형태로서 개시되고, 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 본 발명의 일 형태는 명확하다. 따라서, 예를 들어 능동 소자(예를 들어 트랜지스터 또는 다이오드), 배선, 수동 소자(예를 들어 용량 소자 또는 저항 소자), 도전층, 절연층, 반도체층, 유기 재료, 무기 재료, 부품, 장치, 동작 방법, 또는 제작 방법 등이 하나 이상 기재된 도면 또는 문장에 있어서, 그 도면 또는 그 문장의 일부를 추출하여 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 예를 들어, N개의 회로 소자(예를 들어 트랜지스터 또는 용량 소자; N은 정수)가 제공되는 회로도로부터 M개의 회로 소자(예를 들어 트랜지스터 또는 용량 소자; M은 정수이고, M<N)를 추출하여 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 또 다른 예에는, N개(N은 정수)의 층이 제공된 단면도로부터 M개(M은 정수이고, M<N)의 층을 추출하여 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 또 다른 예에는, N개(N은 정수)의 요소가 제공된 흐름도로부터 M개(M은 정수이고, M<N)의 요소를 추출하여 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 또 다른 예에는 "A는 B, C, D, E, 또는 F를 포함한다"라는 문장으로부터 일부의 임의의 요소를 추출하여, 발명의 일 형태, 예를 들어 "A는 B와 E를 포함한다", "A는 E와 F를 포함한다", "A는 C와 E와 F를 포함한다", 또는 "A는 B와 C와 D와 E를 포함한다"를 구성할 수 있다.
또한 본 명세서 등에서 하나의 실시형태에서 설명하는 도면 또는 문장에 적어도 하나의 구체적인 예가 기재되는 경우, 그 구체적인 예의 더 넓은 개념이 도출될 수 있다는 것은 당업자에 의하여 용이하게 이해될 것이다. 따라서, 하나의 실시형태에서 설명하는 도면 또는 문장에서, 적어도 하나의 구체적인 예가 기재되는 경우에는, 그 구체적인 예의 더 넓은 개념이 발명의 일 형태로서 개시되고, 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 본 발명의 일 형태는 명확하다.
또한 본 명세서 등에서, 적어도 도면에 도시된 것(도면의 일부이어도 좋음)은 발명의 일 형태로서 개시되고, 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 따라서, 어떤 내용이 도면에서 기재될 때, 그 내용이 문장에 기재되지 않더라도 그 내용은 발명의 일 형태로서 개시되고, 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 마찬가지로, 도면으로부터 추출한 도면의 일부가 발명의 일 형태로서 기재되고, 발명의 일 형태를 구성할 수 있다. 본 발명의 일 형태는 명확하다.
(실시예 1)
본 실시예에서는, 각각 양극, 세퍼레이터, 및 음극을 각각 포함하는 복수의 세트가 준비되고, 외장체로서 기능하는 래미네이트 필름에 의하여 둘러싸이고, 복수의 양극과 접속된 돌출된 양극 리드와 복수의 음극과 접속된 돌출된 음극 리드를 포함하는 이차 전지의 샘플을 제작하도록 밀봉되었다. 또한, 샘플을 반복적으로 구부리는 실험이 수행되고, 그 실험 후에 X선 CT 이미지가 촬영되어, 샘플의 내측의 전극에 대미지가 있는지 여부가 판단되었다.
우선, 양극으로서 도 13의 (A)에 나타낸 상면 형상을 갖는 전극이 형성되었다. 양극 집전체에는 알루미늄이 사용되었다.
0.5mm 이상 5mm 이하의 폭을 갖는 슬릿을 형성하도록, 양극에 레이저 가공이 수행되었다. 본 실시예에서는, 도 13의 (A)에 나타낸 바와 같이, 각각 2mm의 폭을 갖는 2개의 슬릿이 형성되었다. 제 1 슬릿과 제 2 슬릿 사이에 형성되는 각도 α는 90도 미만으로 설정되었다.
음극으로서, 도 13의 (B)에 나타낸 상면 형상을 갖는 전극이 형성되었다. 음극 집전체에는 구리가 사용되었다.
상기 음극에 레이저 가공이 수행되고, 각각 2mm의 폭을 갖는 2개의 슬릿이 형성되었다. 제 1 슬릿과 제 2 슬릿 사이에 형성되는 각도 β는 90도 미만으로 설정되었다.
다음에, 레이저 가공을 받은 양극, 레이저 가공을 받은 음극, 및 세퍼레이터를 포함하는 6개의 세트(즉, 양극 및 음극의 개수는 총 12개)가 준비되어 적층되었다. 이들은 엠보싱을 받은 래미네이트 필름에 의하여 둘러싸인다. 그 후, 복수의 양극 집전체의 둘출부 및 하나의 리드 전극은 초음파 용접에 의하여 서로 전기적으로 접속되었다. 복수의 음극 집전체의 둘출부 및 다른 리드 전극은 마찬가지로 서로 접속되었다.
다음에 래미네이트 필름에 의하여 둘러싸인 영역 내에 전해액이 주입되고, 전극 및 전해액을 밀봉하도록 열 압착에 의하여 래미네이트 필름의 일부를 서로 접착하였다. 따라서, 이차 전지의 샘플이 제작되었다.
이 샘플을 복수회 구부림으로써, 전극 탭 주변에서 단절 등이 발생되는지 여부가 X선 CT 이미지를 사용하여 관찰되었다. 도 14는 샘플의 X선 CT 이미지이다. 도 14에서는, 샘플의 내측에 대미지가 관찰되지 않았다. 그래서, 도 13의 (A) 및 도 13의 (B)에 나타낸 전극의 형상은 샘플이 구부러질 때, 전극의 단부의 확장(extension)으로 인한 전극 탭 주변에서의 크랙 등을 방지하는 유익한 효과를 갖는다.
(실시예 2)
본 실시예에서는, 실시예 1에서 설명된 바와 같은 박형 이차 전지(리튬 이온 이차 전지)를, 본 발명의 일 형태의 축전 장치로서 제작하였다. 휨시험 장치(bend tester)를 사용하여 초기의 이차 전지의 충전 및 방전 특성 및 휨시험을 받은 이차 전지의 충전 및 방전 특성이 평가되었다.
본 실시예에서, 샘플로서 사용된 이차 전지의 재료 및 제작 방법을 설명한다.
우선, 양극에 대하여 설명한다. LiCoO2는 양극 활물질로서 사용되고, 이것에 도전조제 및 바인더로서 아세틸렌 블랙(AB) 및 PVDF가 혼합되었다. LiCoO2, AB, 및 PVDF의 혼합 비율은 다음과 같다. LiCoO2를 90wt%, AB를 5wt%, 및 PVDF를 5wt%로 하였다. 양극 집전체로서, 두께 20μm의 알루미늄이 사용되었다. 양극 집전체의 양면 또는 한쪽 면에 LiCoO2, AB, 및 PVDF의 혼합물이 코팅되고 나서, 양극이 도 13의 (A)에 나타낸 상면 형상을 갖도록 각각 폭 2mm의 2개의 슬릿을 형성하기 위한 레이저 가공이 수행되었다. 레이저 가공 후, 양극은 에탄올로 세정되었다.
다음에, 음극에 대하여 설명한다. 흑연은 음극 활물질로서 사용되고, 이것에 도전 보조제 및 바인더로서 기상법 탄소 섬유(VGCF), 카복시메틸셀룰로스(CMC), 및 스타이렌 뷰타다이엔 고무(SBR)가 혼합되었다. 흑연, VGCF, CMC, 및 SBR의 혼합 비율은 다음과 같다. 흑연을 96wt%, VGCF를 약 1wt%, CMC를 약 1wt%, 및 SBR를 약 1wt%로 하였다. 음극 집전체로서, 두께 18μm의 구리가 사용되었다. 음극 집전체의 한쪽 면 또는 양면에 흑연, VGCF, CMC, 및 SBR의 혼합물이 코팅되고 나서, 음극이 도 13의 (B)에 나타낸 상면 형상을 갖도록 각각 폭 2mm의 2개의 슬릿을 형성하기 위한 레이저 가공이 수행되었다. 레이저 가공 후, 음극은 에탄올로 세정되었다.
본 실시예에서는, 양극으로서 양면에 각각 양극 활물질, 도전조제, 및 바인더가 코팅된 3개의 전극이 사용되었다. 또한, 음극으로서 양면에 각각 음극 활물질, 도전조제, 및 바인더가 코팅된 2개의 전극과, 한쪽 면에 각각 음극 활물질, 도전조제, 및 바인더가 코팅된 2개의 전극이 사용되었다. 즉, 양극 및 음극으로서 총 7개의 금속박이 사용되었다.
다음에, EC, DEC, 및 EMC가 3:6:1의 중량비율로 혼합된 유기 용매에 LiPF6이 1.2mol/L 용해되고, 거기에 첨가제로서 프로페인설톤(PS)이 0.5wt%, 바이닐렌카보네이트(VC)가 0.5wt% 첨가되었다. 그 결과로 얻은 용액이 전해액으로서 사용되었다.
세퍼레이터로서는 폴리프로필렌이 사용되었다.
외장체로서는, 엠보싱된 래미네이트 필름이 사용되었다. 래미네이트 필름은 금속 필름(본 실시형태에서는 알루미늄 필름) 및 유기 재료를 사용하여 형성된 플라스틱 필름(본 실시형태에서는 열 융착성 수지 필름)을 포함하는 다층 구조를 갖는다.
레이저 가공된 양극, 레이저 가공된 음극, 및 세퍼레이터는 적층되고, 래미네이트 필름에 의하여 둘러싸인다. 복수의 양극 집전체의 돌출부와 하나의 리드 전극 은 초음파 용접에 의하여 서로 전기적으로 접속되었다. 복수의 음극 집전체의 돌출부와 다른 리드 전극도 마찬가지로 서로 접속되었다.
그리고, 래미네이트 필름의 2변은 열 압착으로 밀봉되었고, 전해액을 주입하기 위하여 1변을 개방된 채로 둔다. 열 압착에서, 리드 전극 위에 제공된 밀봉층도 녹음으로써 리드 전극과 래미네이트 필름이 서로 고정되었다. 그 후, 감압 분위기하, 또는 불활성 분위기하에서 원하는 양의 전해액이, 봉투 형상의 래미네이트 필름 내측에 주입되었다. 마지막에, 열 압착을 수행하지 않고, 개방된 채로 두었던 필름 주연은 열 압착에 의하여 밀봉되었다.
상술한 바와 같이, 약 300mAh의 용량을 갖는 이차 전지의 샘플이 제작되었다.
이차 전지가 구부려, 곡률 반경이 약 40mm의 곡면을 갖는 프레임에 고정되었다. 도 15의 (A)는 그 사진이다.
도 15의 (B)는 프레임에 고정된 이차 전지의 X선 CT 이미지에 해당된다.
리튬 이온 이차 전지는 충전된 후에 분해되고, 양극 및 음극이 추출되었다. 도 15의 (C) 및 (D)는 각각 핀셋으로 유지된 양극 및 음극의 사진이다.
총 10000번 수행되는 휨시험에서 0번, 1000번, 3000번, 6000번, 및 10000번 구부러지게 한 후에 X선 CT 이미지가 촬영되고, 내부가 파손되어 있는지 판단되었다. 상기 이미지는 도 16의 (A), (B), (C), (D), 및 (E)에 나타내었다. 각 배터리의 특성을 판단하기 위한 X선 CT 분석 후에 충전 및 방전이 수행되었다. 도 16의 (G)에는 충전 및 방전 특성을 나타내었다. 휨시험은, 이하에서 설명할 충전 중의 휨시험과 비슷한 방식으로 수행되었다.
도 16의 (F)는 휨시험이 10000번 수행된 후의 이차 전지의 외관 사진이다.
도 17의 (A)는, 충전 시작으로부터 만충전(full charge)이 될 때까지의 충전에서, 휨시험이 1000번 반복하여 수행되어 측정된 리튬 이온 이차 전지의 충전 특성을 나타낸 것이다. 휨시험은 다음과 같이 수행되었다. 휨시험 장치가 사용되고, 위 및 아래로부터 얇은 금속판으로 끼워진 이차 전지의 전극부에 대하여 최대 곡률 반경 150mm, 최소 곡률 반경 40mm의 이차 전지의 변형이 반복적으로 수행되었다. 휨시험 기간의 동안, 최대 곡률 반경 150nm, 최소 곡률 반경 40nm의 변형이 10초간에 1000번 반복적으로 수행되었다. 충전은, 0.2C에 상당하는 61mA의 정전류로 전압이 4.1V에 도달할 때까지 전압이 인가되고 나서, 4.1V의 정전류가 전류값이 3mA에 도달할 때까지 인가되는 방식으로 수행되었다.
도 17의 (B)는, 충전 시작으로부터 방전이 종료될 때까지의 방전에서, 휨시험이 1000번 반복하여 수행되어 측정된 리튬 이온 이차 전지의 방전 특성을 나타낸 것이다. 휨시험은 상술한 충전에서의 휨시험과 비슷한 방식으로 수행되었다. 방전은, 0.2C에 상당하는 61mA의 정전류로 전압이 2.5V에 도달할 때까지 전압이 인가되는 방식으로 수행되었다.
여기서는 충전 레이트 및 방전 레이트에 대하여 설명한다. 예를 들어, 소정의 용량[Ah]의 이차 전지를 정전류로 충전하는 경우, 충전 레이트 1C란 딱 1시간에 충전이 종료되는 전류값 I[A]를 의미하고, 충전 레이트 0.2C란 I/5[A](즉, 딱 5시간에 충전이 종료되는 전류값)를 의미한다. 마찬가지로, 방전 레이트 1C란 딱 1시간에 방전이 종료되는 전류값 I[A]를 의미하고, 방전 레이트 0.2C란 I/5[A](즉, 딱 5시간에 방전이 종료되는 전류값)를 의미한다.
도 17의 (A) 및 (B)에 나타낸 결과로부터, 충전 및 방전 중에 휨시험이 수행된 경우에도, 전압 변동 등의 악영향은 없다는 것이 밝혔다.
11: 필름, 12: 양극 집전체, 12a: 양극 집전체, 12b: 양극 집전체, 12c: 양극 집전체, 12d: 양극 집전체, 13: 세퍼레이터, 14: 음극 집전체, 15: 밀봉층, 16a: 리드 전극, 16b: 리드 전극, 17: 열 압착 영역, 18: 양극 활물질층, 19: 음극 활물질층, 20: 전해액, 21: 커트, 27: 개구, 30: 접착층, 40: 이차 전지, 1700: 곡면, 1701: 평면, 1702: 곡선, 1703: 곡률 반경, 1704: 곡률 중심, 1800: 곡률 중심, 1801: 필름, 1802: 곡률 반경, 1803: 필름, 1804: 곡률 반경, 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: 마이크, 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, 7700: 전자 기기, 7701: 힌지, 7702: 표시부, 7703: 힌지, 7704: 축전 장치, 8021: 충전 장치, 8022: 케이블, 8024: 축전 장치, 8100: 자동차, 8101: 헤드라이트, 8106: 전기 모터, 8200: 자동차.
본 출원은 2014년 2월 21일에 일본 특허청에 출원된 일련 번호 2014-031995의 일본 특허 출원, 2014년 4월 11일에 일본 특허청에 출원된 일련 번호 2014-082331의 일본 특허 출원, 및 2014년 6월 23일에 일본 특허청에 출원된 일련 번호 2014-128649의 일본 특허 출원에 기초하고, 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합된다.

Claims (2)

  1. L자 형상의 부분을 갖는 집전체를 포함하는 이차 전지로서,
    상기 집전체는, 상기 L자 형상의 부분의 내측을 이루는 제 1 변 및 제 2 변을 포함하고,
    상기 제 1 변과 상기 제 2 변의 사이에 만곡하는 부분을 포함하고,
    상기 제 1 변의 연신상과 상기 제 2 변의 연신상의 교점에 있어서, 상기 집전체를 갖지 않고,
    상기 제 1 변의 연신상에 위치하고, 상기 교점이 있는 측과는 반대측에 위치하는 모서리는, 면취(面取)되어 있는, 이차 전지.
  2. L자 형상의 부분을 갖는 집전체를 포함하는 이차 전지로서,
    상기 집전체는, 상기 L자 형상의 부분의 내측을 이루는 제 1 변 및 제 2 변을 포함하고,
    상기 제 1 변과 상기 제 2 변의 사이에 만곡하는 부분을 포함하고,
    상기 제 1 변의 연신상과 상기 제 2 변의 연신상의 교점에 있어서, 상기 집전체를 갖지 않고,
    상기 제 1 변의 연신상에 위치하고, 상기 교점이 있는 측과는 반대측에 위치하는 모서리는, 둥그스름한 형상을 갖는, 이차 전지.
KR1020247014342A 2014-02-21 2015-02-12 집전체, 이차 전지, 전자 기기, 및 그 제작 방법 KR20240067271A (ko)

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