JP6296569B2 - 正極タブ上に絶縁層を含む正極及びこれを含む二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、正極集電体、前記正極集電体から突出された正極タブ、及び前記正極タブ上に絶縁性物質でコーティングされた絶縁層を含む正極及びこれを含む二次電池に関する。
モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するに伴い、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加しており、それに伴い多様な要求に応じ得る電池に対する多くの研究が行われている。
代表的に、電池の形状面では薄い厚さで携帯電話などのような製品等に適用され得る角型電池とパウチ型電池に対する需要が高く、材料面ではエネルギー密度、放電電圧、安全性が優れたリチウムコバルトポリマー電池のようなリチウム二次電池に対する需要が高い。
このような二次電池において、主な研究課題の一つは安全性を向上させることである。電池の安全性関連事故の主な原因は、正極と負極との間の短絡による非正常的な高温状態の到達に起因する。すなわち、正常的な状況では、正極と負極との間にセパレータが位置して電気的絶縁を維持しているが、電池が過充電又は過放電を起こすか、電極材料の樹枝状成長(dendritic growth)又は異物によって内部短絡を起こすか、釘、螺などの鋭い物体が電池を貫くか、外力によって電池に無理な変形が加えられるなど、非正常的な呉濫用の状況では既存のセパレータだけでは限界を見せるようになる。
一般にセパレータは、ポリオレフィン樹脂からなる微細多孔膜が主に用いられているが、その耐熱温度が１２０から１６０℃程度であって、耐熱性が十分でない。したがって、内部短絡が発生すると、短絡反応熱によってセパレータが収縮して短絡部が拡大され、さらに多大な反応熱が発生する熱暴走 (thermal runaway)状態に至るようになる問題があった。
また、図１に示しているように、一般的に二次電池は正極と負極を一定の大きさに切断して幾枚重なって角型に製造される。このとき、高分子電解質でコーティングされた正極又は負極電極の縁部は、目立たない非常に小さな針状の鋭い部分が存在するので、電極を積層すると、この部分で微細な内部短絡が発生して電池の性能に悪影響を及ぼすことができる。特に、縁部は、高分子電解質をコーティングする際においても、不規則な面が内側より多いため、均一にコーティングされないので短絡が発生する可能性が高い。また電極を積層する際、下層の電極が少しでもずれるようになると、正極と負極の短絡が発生し得る。
このように、セルの変形や外部衝撃、又は正極と負極の物理的短絡の可能性を低めるための多様な方法が研究されてきた。
例えば、電池を完成した状態で電極組立体が動くことにより、電極タブが電極組立体の上端に接触され、短絡が誘発されることを防止するため、集電体の上端に隣接した電極タブ上に所定の大きさで絶縁テープを付着する方法がある。このような絶縁テープとしては、通常、ポリイミドフィルムが用いられ、集電体の上端から下側までやや延長された長さまで絶縁テープを巻くことが一般的に勧められている。また、解けることを防止するため、通常２から３回程度巻いている。
しかし、このような絶縁テープの巻取り作業は非常に煩雑であり、集電体の上端から下側にやや延長された長さまで絶縁テープを巻く場合には、そのような部位が電極組立体の厚さの増加を誘発することができる。さらに、電極タブの折曲時に解けやすい問題点を有している。
本発明の解決しようとする課題は、セルの変形や高温雰囲気でセパレータの収縮などによる正極と負極の物理的短絡の可能性を最小化することができる正極タブを含む正極、及びこれを含む二次電池を提供することである。
前記課題を解決するために、本発明は、正極集電体、前記正極集電体から突出された正極タブ、及び前記正極タブ上に絶縁性物質でコーティングされた絶縁層を含む正極を提供する。
また、本発明は、前記正極、負極及び前記正極と負極との間に介在されたセパレータを含む二次電池を提供する。
本発明は、正極タブ上に絶縁性物質でコーティングされた絶縁層を含むことにより、セルの変形や高温雰囲気でセパレータの収縮などによる正極と負極の物理的短絡の可能性をより低めることができる。さらに、電池性能の安全性と信頼性を大きく向上させることができる。
本明細書の図等は本発明の好ましい実施例を例示するものであり、前述した発明の内容とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割をするものなので、本発明はそのような図に記載された事項にのみ限定されて解釈されてはならない。
二次電池において、従来の短絡発生の一例を示した図である。
一般的な正極集電体上に突出された正極タブを含む正極の平面図(a)及びこの側断面図(b)を示したものである。
本発明の一実施例によって、無地部で形成された正極タブ上に絶縁層を含む正極の平面図(a)及び側断面図(b)を示したものである。
本発明の実施例によって、正極活物質コーティング部を含む正極タブ上に絶縁層を含む正極の側断面図を示したものである。
本発明の実施例によって、正極活物質コーティング部を含む正極タブ上に絶縁層を含む正極の側断面図を示したものである。
本発明の実施例によって、正極活物質コーティング部を含む正極タブ上に絶縁層を含む正極の側断面図を示したものである。
本発明の一実施例によって、絶縁層を含む正極タブを含む二次電池の模式図を示したものである。
以下、本発明に対する理解を助けるために本発明をより詳しく説明する。
本明細書及び特許請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的且つ辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自分の発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適宜定義することができるとの原則に即して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念に解釈されなければならない。
本発明の一実施例による正極は、正極集電体、前記正極集電体から突出された正極タブ、及び前記正極タブ上に絶縁性物質でコーティングされた絶縁層を含む。
本発明の一実施例によれば、前記正極タブ上に絶縁層を含む正極は、電池の製造工程を大きく短縮することができるので、究極的に電池の製造費用を節減することができ、絶縁部位をより広くして電池の安全性をさらに向上させることができる。それだけでなく、従来の絶縁性フィルムやテープを用いるにおいて発生し得る問題、すなわち、当該部位に対する付着のための正極タブの折曲時に脱離される可能性が非常に低く、電極組立体の厚さの増加を誘発しない効果を奏する。
本発明の一実施例による前記正極タブは、正極タブの少なくとも一面に電気絶縁性物質(以下、絶縁性物質と略称したりする)がコーティングされている構造でなっている。
本発明の一実施例によれば、前記絶縁性物質は、ブチルアクリレート、スチレン、アクリル酸、ヒドロキシエチルアクリレート及びスチレン−ブタジエンゴム(SBR)からなる群より選ばれたいずれか一つ、又はこれらのうち２種以上の混合物を含むことができる。前記絶縁性物質は、１０重量％から９０重量％の量で水に分散された水溶液であり得る。
本発明の一実施例によれば、前記正極タブは正極集電体と一体であって、正極集電体の材質であるアルミニウムホイル、アルミニウムメッシュ又はその等価物のうち選ばれたいずれか一つであり得る。
図２は、一般的な正極集電体上に突出された正極タブを含む正極の平面図(a)及びこの側断面図(b)の一例を示したものである。
具体的に検討してみれば、図２(a)及び(b)のように正極集電体３０の一面又は両面に正極活物質コーティング部１０が含まれており、前記正極集電体３０と対向される一端が正極活物質コーティング部を含まない無地部で正極タブ２０が形成され得る。
本発明の一実施例による正極タブは、正極集電体の一面又は両面に活物質がコーティングされている連続的な正極シートを単位電極間隔で金型等によってノッチング(notching)することで形成され得る。
本発明によれば、ノッチング後に形成された正極タブは、図２及び３のように正極活物質コーティング部を含まない無地部として形成されるか、図４から６のように正極活物質コーティング部を一部含むことができる。
一方、本発明の一実施例による絶縁層のコーティング部分は電池の構造など多様な要素によって変更され得、これに限定されるものではないが、図３から６を参照として例を挙げて検討してみれば次の通りである。
先ず、図３を検討してみれば、図３は本発明の一実施例によって無地部として形成された正極タブを含む正極の平面図(a)及びその側断面図(b)を示したものである。
図３(a)及び(b)を参照として具体的に検討してみれば、正極集電体３０の一面又は両面に正極活物質コーティング部１０を含み、前記正極集電体３０と対向される一端が正極活物質コーティング部を含まない無地部として形成された前記正極タブ２０は、その一面又は両面に絶縁性物質がコーティングされた絶縁層４０を含むことができる。
本発明の一実施例によれば、図３(a)において、前記絶縁層４０は正極タブ２０の突出方向(L)に正極タブの全長(d+l)の１０％から９０％にコーティングされ得、例えば前記絶縁層は長さ(l)が１mmから１０mmであり得る。前記正極タブ２０の突出方向(L)に垂直である前記絶縁層４０の幅(w)は、正極タブ２０の幅と同一の幅でコーティングされるのが好ましいが、これに限定されるものではない。
本発明のまた他の実施例による前記正極タブ２０は、図４から６のように正極活物質コーティング部１０を一部含むことができる。
図４から６を参照として検討してみれば、本発明の一実施例による前記正極は、正極集電体３０の一面又は両面に正極活物質コーティング部１０を含み、前記集電体３０から突出された正極タブ２０は、正極活物質コーティング部１０を一部含むことができる。前記正極活物質コーティング部１０は、正極タブ２０の突出方向に厚さが減少する傾斜部を含むことができる。
また、本発明の一実施例によれば、図６のように前記正極タブ上に形成された正極活物質コーティング部は、前記正極集電体と前記傾斜部との間に、具体的には前記正極集電体上に形成された正極活物質コーティング部と傾斜部との間に、平坦部をさらに含むことができる。
本発明の一実施例によれば、絶縁層４０は、前記正極活物質コーティング部１０を含んで正極タブ２０上にコーティングされ得る。前記正極タブ２０上に形成された正極活物質コーティング部１０は、正極集電体３０上に形成された正極活物質コーティング部１０の一部が正極タブ２０上に延長されたものであり得る。したがって、正極タブ２０上に形成された正極活物質コーティング部１０は、正極集電体３０上に形成された正極活物質コーティング部１０とその材料が同一であり得る。
前記絶縁層４０は、前記正極活物質コーティング部１０の傾斜部の傾斜面の一部(図４及び６)又は全部(図５)を含むことができ、前記正極タブ２０の突出方向に正極タブ２０の全長(d+l)の１０％から９０％にコーティングされて形成され得る。例えば、前記絶縁層は長さ(l)が１mmから１０mmであり得、前記正極タブ２０の突出方向(L)に垂直である前記絶縁層４０の幅は、正極タブ２０の幅と同一の幅でコーティングされるのが好ましいが、これに限定されるものではない。
本発明の一実施例によれば、図４及び６のように前記絶縁層４０は正極タブ２０上に正極活物質コーティング部１０の傾斜部の傾斜長さ(s)の１／２以後から、正極タブの突出方向に正極タブの全長(d+l)の１０％から９０％にコーティングされ得る。
また、図５のように、前記絶縁層４０は、正極タブ２０上に正極活物質コーティング部１０の傾斜部の傾斜面全部(傾斜長さ(s)の全体)を含み、正極タブの突出方向に正極タブの全長(d+l)の１０％から９０％にコーティングされ得る。
一方、前記絶縁層４０は、正極タブ２０上に正極活物質コーティング部１０の厚さの５０％から１００％の厚さ(T)でコーティングされて形成され得、例えば、１μｍから１００μｍであり得る。前記絶縁層のコーティングの厚さ(T)が薄すぎると、所望の電気絶縁性を得難くなることがあり、逆に厚すぎると、コーティング層の固化時間が長くなるか、厚さの増加を誘発する可能性があるので好ましくない。
本発明の一実施例によって、前記絶縁層４０が正極活物質コーティング部１０の一部を含むことは、正極活物質コーティング部１０と正極タブ２０との間に絶縁層が形成されないギャップ(gap)の発生を防止するためである。
前記正極タブの一面又は両面に形成された絶縁層のコーティング方式もまた多様であり得、好ましくは、例えば絶縁性物質を含む水溶液を正極タブ上にスプレーコーティング方式によってコーティングすることができる。
本発明の一実施例によれば、前記正極タブ上に絶縁性物質のコーティングは、二次電池の製造工程においていずれの段階でも可能であり、これに限定されるものではない。
例えば、正極集電体の一面又は両面に正極活物質を塗布した後、正極集電体の無地部領域、又は正極活物質コーティング部の一部を含み、無地部領域に絶縁性物質をコーティングして絶縁層を形成した後、目的とする正極タブの形態に金型等によってノッチングして、前記絶縁層を含む正極タブを得ることができる。
本発明のまた他の一例として、前記正極タブ上に絶縁性物質のコーティングは、正極集電体の一面又は両面に正極活物質が塗布されている連続的な正極シートを、単位電極間隔で目的とする正極タブの形態で金型等によってノッチングして正極タブを形成した後、正極タブ上に絶縁性物質をコーティングして絶縁層を含む正極タブを得ることができる。
前記絶縁性物質がコーティングされた正極は、当分野で通常に知られた乾燥方法で前記コーティング層を完全に乾燥して水気を除去することができる。乾燥は水気が全て揮発する程度の温度で熱風方式、直接加熱方式、誘導加熱方式などを変更して適用することができ、これに限定されるものではない。
また、本発明は、前記正極、負極及び前記正極と負極との間に介在されたセパレータを含む二次電池を提供することができる。
図７は、本発明の一実施例による二次電池の模式図を示したものであって、正極集電体３０上に正極活物質コーティング部１０を含む正極１００；負極集電体６０上に負極活物質コーティング部７０を含む負極２００；及び前記正極１００と負極２００との間に介在されたセパレータ３００を含む二次電池において、前記正極に絶縁性物質がコーティングされた絶縁層４０を含む正極タブ２０が延長されている。
本発明の一実施例によって、用いられる正極活物質は、リチウム含有遷移金属酸化物又はその等価物のうち選ばれたいずれか一つであり得、より具体的には、例えば、前記正極活物質はマンガン系スピネル(spinel)活物質、リチウム金属酸化物又はこれらの混合物を含むことができる。さらに、前記リチウム金属酸化物は、リチウム−マンガン系酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン系酸化物、リチウム−マンガン−コバルト系酸化物、及びリチウム−ニッケル−マンガン−コバルト系酸化物からなる群より選ばれ得、より具体的にはLiCoO２、LiNiO２、LiMnO２、LiMn２O４、Li(NiaCobMnc)O２(ここで、０＜a＜１、０＜b＜１、０＜c＜１、a+b+c=１) 、LiNi１-YCoYO２、LiCo１-YMnYO２、LiNi１-YMnYO２ (ここで、０≦Y＜１) 、Li(NiaCobMnc)O４(０＜a＜２、０＜b＜２、０＜c＜２、a+b+c=２) 、LiMn２-zNizO４, LiMn２-zCozO４(ここで、０＜Z＜２)であり得る。
また、前記正極集電体は、アルミニウムホイル、アルミニウムメッシュ又はその等価物のうち選ばれたいずれか一つを用いることができ、このような材質で本発明を限定するものではない。
本発明の一実施例による前記負極集電体は銅が好ましく、負極活物質として結晶質炭素、非晶質炭素又は炭素複合体のような炭素系負極活物質が、単独で又は２種以上が混用されて用いられ得、このような材質で本発明を限定するものではない。
前記正極及び負極集電体の厚さは、略１０umから１００um程度であり得、前記集電体にコーティングされる活物質の厚さは、５０umから２００um程度であり得るが、このような厚さで本発明を限定するものでもない。
本発明の一実施例によれば、正極と負極の物理的短絡を防止するため、正極より負極をさらに大きく製作することができる。
また、正極と負極の物理的短絡を防止するため、正極と負極との間にセパレータを挿入することができる。前記セパレータは、多孔性高分子フィルム、例えばエチレン単独重合体、プロピレン単独重合体、エチレン／ブテン共重合体、エチレン／ヘキセン共重合体及びエチレン／メタクリレート共重合体などのようなポリオレフィン系高分子で製造した多孔性高分子フィルムが、単独で又は２種以上が積層されたものであり得る。それ以外に通常の多孔性不織布、例えば高融点のガラス繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などからなる不織布を用いることができ、これに限定されるものではない。
本発明による二次電池を収納する電池容器の外形は特に制限はないが、例えば、缶を用いた円筒型、角型又はパウチ(pouch)型であり得、特に、絶縁性フィルムの付着による副作用が大きい角型電池に好ましく適用され得る。
本発明によって絶縁性物質を含む絶縁層がコーティングされている正極タブは、セルの変形や電池の製造過程で電極の切断時に電極の縁部が鋭くなるので、電極を積層した際に発生し得る内部短絡、又は高温雰囲気でセパレータの収縮などによる正極と負極の物理的短絡などを防止することができる。これによって、電池性能の安全性と信頼性が大きく向上した電池を製造することができ、さらに二次電池の実用化を容易にすることができる。
本発明は、正極タブ上に絶縁性物質でコーティングされた絶縁層を含むことによって、セルの変形や高温雰囲気でセパレータの収縮などによる正極と負極の物理的短絡の可能性をより低めることができる。さらに、電池性能の安全性と信頼性を大きく向上させることができる。
１０：正極活物質コーティング部
２０：正極タブ
３０：正極集電体
４０：絶縁層
１００：正極
２００：負極
３００：セパレータ
d：無地部
l：絶縁層の長さ
w：絶縁層の幅
T：絶縁層の厚さ
２０：正極タブ
３０：正極集電体
４０：絶縁層
１００：正極
２００：負極
３００：セパレータ
d：無地部
l：絶縁層の長さ
w：絶縁層の幅
T：絶縁層の厚さ
Claims (8)
- 正極集電体；
前記正極集電体から突出された正極タブ；
前記正極集電体上に正極活物質がコーティングされた正極活物質コーティング部；及び
前記正極タブ上に絶縁性物質がコーティングされた絶縁層；を含み、
前記正極タブ上に、前記正極活物質コーティング部の一部を含むものであり、
前記正極活物質コーティング部の一部は、前記正極タブの突出方向に厚さが減少する傾斜部が形成されているものであり、
前記絶縁層は、前記傾斜部の傾斜面の一部を含み、前記正極タブの突出方向に前記正極タブの全長の１０％から９０％にコーティングされたものであり、
前記絶縁層の厚さは、前記傾斜部以外の前記正極活物質コーティング部の厚さよりも薄く、
前記絶縁性物質は、ブチルアクリレート、スチレン、アクリル酸、ヒドロキシエチルアクリレート及びスチレン−ブタジエンゴム(SBR)からなる群より選ばれたいずれか一つ、又はこれらのうち２種以上の混合物を含む正極。 - 前記絶縁層は、前記傾斜部の傾斜面を半分以上覆う厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の正極。
- 前記正極活物質コーティング部の一部は、前記正極集電体と前記傾斜部との間に平坦部をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の正極。
- 前記絶縁層は、長さが１mmから１０mmであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の正極。
- 前記絶縁層は、厚さが１μｍから１００μｍであることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の正極。
- 請求項１から５の何れか１項に記載の正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に介在されたセパレータを含む二次電池。
- 前記負極は、前記正極より大きさがさらに大きいことを特徴とする請求項６に記載の二次電池。
- 前記二次電池は、円筒型、角型又はパウチ(pouch)型であることを特徴とする請求項６または７に記載の二次電池。
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