JP6699023B2 - 正極集電体に間歇的無地部が形成されたゼリーロール型電極組立体を備える二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池に関し、より詳しくは、正極集電体の一部に無地部が形成されたゼリーロール型電極組立体を備える二次電池に関する。
本出願は、２０１３年１０月３１日出願の韓国特許出願第１０−２０１３−０１３１１８０号及び２０１４年１０月２８日出願の韓国特許出願第１０−２０１４−０１４７６６３号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
モバイル機器、電気自動車、ハイブリッド自動車、電力貯蔵装置、無停電電源装置などに対する技術開発と需要の増加と共に、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に伸びている。それに従って多様な要求に応えられる電池に対する研究が多大に行われている。
二次電池に含まれる電極組立体は、正極板、分離膜及び負極板が成している形態によって分類され得、その一つがゼリーロール型電極組立体である。ゼリーロール型電極組立体に関しては、本出願人による韓国特許公開第１０−２００８−００４７１６５号、第１０−２００９−０１２９６２１号、第１０−２０１０−００７１９４１号、第１０−２０１０−０１０９８４２号及び第１０−２０１３−００５２４１０号公報などに詳しく開示されている。
図１は、一般的なゼリーロール型電極組立体１０の構成を示した断面図である。
図１を参照すれば、ゼリーロール型電極組立体１０は、正極集電体の断面または両面に正極活物質コーティング部を有する正極と、負極集電体の断面または両面に負極活物質コーティング部を有する負極とが、分離膜を介在して巻き取られて製造される。このようなゼリーロール型電極組立体１０は、電池の充電時にリチウムイオンの移動によって体積が膨張し、放電時に本来の体積に戻る。すなわち、電池は充放電と共に全体体積の数％以内で膨張及び収縮を繰り返す。
膨張と収縮によるゼリーロール型電極組立体１０の体積の変化は、ゼリーロール型電極組立体１０の内外郭に応力（ｔｅｎｓｉｏｎ）を伝達するようになる。特に、ゼリーロール型電極組立体の屈曲面１１で発生する応力は他の部分と相異なる様相を呈し、それにより電極組立体１０の捩れ現象などが発生し、二次電池の寿命が低下するという問題がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、屈曲面における正極活物質の分離または脱離現象を防止できる構造を有するゼリーロール型電極組立体を備える二次電池を提供することを目的とする。
上記の課題を達成するため、本発明による二次電池は、正極集電体の少なくとも一面に正極活物質コーティング部を有する正極と、負極集電体の少なくとも一面に負極活物質コーティング部を有する負極とが、分離膜を介在して対向するようにゼリーロール構造に巻き取られた電極組立体；及び前記正極集電体及び前記負極集電体にそれぞれ電気的に接続し、前記電極組立体の外部に突出した正極タブ及び負極タブ；を備える二次電池であって、前記正極集電体は、巻き取られたときの屈曲面に該当する部分の一部に、正極活物質コーティング部のない間歇的無地部が形成されたことを特徴とする。
本発明の一実施例によれば、前記間歇的無地部は、電極組立体が巻き取られたとき、前記電極組立体の内側から電極組立体の厚さの３０％以内の屈曲面に対応する部分に形成される。
本発明の一実施例によれば、前記間歇的無地部は、電極組立体が巻き取られたとき、中心に近い屈曲面より中心から遠い屈曲面に対応する無地部の面積がより広い。望ましくは、前記間歇的無地部は、巻き取られた電極組立体の各屈曲面の中心点から同じ中心角を有する扇形状に形成される。
本発明の一態様によれば、ゼリーロール型電極組立体の屈曲面に正極活物質ルがコーティングされないため、正極活物質の分離または脱離現象を防止することができる。
本発明の他の態様によれば、充電中の負極活物質の体積膨張に備えた予備空間が形成されるため、電極組立体の捩れを防止することができる。
本発明のさらに他の態様によれば、電池の充放電中に発生するガスの移動通路が確保されるため、電極組立体の内圧を低下させることができる。
本発明のさらに他の態様によれば、二次電池の貫通などで短絡事故が生じたとき、短絡電流による発熱を分散させることができる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
図２は、本発明の望ましい実施例による二次電池に備えられる電極組立体１００の構造を模式的に示した図である。
図２を参照すれば、電極組立体１００は、正極集電体１１０、分離膜１２０及び負極集電体１３０を含む単位セルから構成されている。
正極集電体１１０の材質はアルミニウムが主に用いられる。代案的に、前記正極集電体１１０は、ステンレススチール、ニッケル、チタン、焼成炭素、またはアルミニウムやステンレススチールの表面をカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものを使用することができる。さらに、二次電池の化学的変化を引き起こさず、高い導電性を有する材質であれば、正極集電体１１０として制限なく使用できる。
正極集電体１１０の一部領域には正極タブ１４０が備えられる。正極タブ１４０は前記正極集電体１１０が延びた形態で形成される。前記正極タブ１４０は、電極組立体の外部に突出した形態を有する。代案的に、正極タブ１４０は正極集電体１１０の所定部位に導電性材質の部材を溶接などで接合して形成することもできる。また、正極タブ１４０は正極材料を前記正極集電体１１０の一部領域に塗布及び乾燥する方式によって形成することもできる。
前記正極集電体１１０に対応する負極集電体１３０は主に銅材質が用いられる。代案的に、負極集電体１３０は、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、または銅やステンレススチールの表面をカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものを使用でき、アルミニウム‐カドミウム合金などが使用できる。
負極集電体１３０も一部領域に負極タブ１５０が備えられる。上述した正極タブ１４０のように前記負極集電体１３０から延びた形態で形成できることはもちろん、負極集電体１３０の所定部位に導電性材質の部材を溶接などで接合することもでき、負極材料を前記負極集電体外周面の一部領域に塗布及び乾燥する方式などで形成することもできる。前記負極タブ１５０は電極組立体の外部に突出した形態を有する。
前記正極集電体１１０に備えられた正極タブ１４０には正極リード（図示せず）を、前記負極集電体１３０に備えられた負極タブ１５０には負極リード（図示せず）を電気的に接続することができる。前記正極リード及び前記負極リードはそれぞれ複数の正極タブ１４０及び複数の負極タブ１５０と接合され得る。
前記正極集電体１１０の一面または両面には正極活物質１６０がコーティングされている（以下、「正極活物質コーティング部」とする）。また、前記負極集電体１３０の一面または両面には負極活物質１７０がコーティングされている（以下、「負極活物質コーティング部」とする）。一例として、前記正極活物質は、リチウム系列の活物質であり、代表的にはＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４またはＬｉ１＋ｚＮｉ１−ｘ−ｙＣｏｘＭｙＯ２（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ＭはＡｌ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｌａ、Ｍｎなどの金属）などの金属酸化物が挙げられる。前記負極活物質は、炭素系列の活物質であり、前記負極活物質としては結晶質炭素、非晶質炭素、炭素複合体、炭素繊維などの炭素材料、リチウム金属、リチウム合金などが使用できる。前記正極活物質と負極活物質の種類と化学的組成は、二次電池の種類によって変わり得るため、上述した具体的な例は一例に過ぎないと理解せねばならない。
分離膜１２０は、多孔性材質のものであれば特に制限されない。前記分離膜１２０は、多孔性高分子膜、例えば多孔性ポリオレフィン膜、ポリフッ化ビニリデン‐ヘキサフルオロプロピレン、ポリフッ化ビニリデン‐トリクロロエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアセテート、エチレンビニルアセテート共重合体、ポリエチレンオキサイド、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオネート、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、プルラン、カルボキシルメチルセルロース、アクリロニトリルスチレンブタジエン共重合体、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリアセタール、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンナフタレート、不織布膜、多孔性ウェブ（ｗｅｂ）構造を有する膜またはこれらの混合体などで形成することができる。前記分離膜１２０の断面または両面には無機物粒子が結着することができる。
前記無機物粒子は、５以上の高誘電率定数を有する無機物粒子が望ましく、１０以上の誘電率定数を有して密度が低い無機物粒子がより望ましい。これは電池内で移動するリチウムイオンを容易に伝達できるためである。５以上の高誘電率定数を有する無機物粒子の非制限的な例としては、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）、Ｐｂ１−ｘＬａｘＺｒ１−ｙＴｉｙＯ３（ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３‐ＰｂＴｉＯ３（ＰＭＮ‐ＰＴ）、ＢａＴｉＯ３、ハフニア（ＨｆＯ２）、ＳｒＴｉＯ３、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、ＣｅＯ２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｎＯ、Ｙ２Ｏ３またはこれらの混合体などが挙げられる。
本発明に備えられる電極組立体１００は、正極集電体１１０と負極集電体１３０とが分離膜１２０を介在して対向するようにゼリーロール構造に巻き取られた電極組立体である。特に、本発明による電極組立体１００の正極集電体１１０は、巻き取られたときの屈曲面に該当する部分の一部に、正極活物質コーティング部１６０のない間歇的無地部１６０−１が形成される。
図３は、本発明の望ましい実施例による二次電池に備えられる電極組立体１００の構成を示した断面図である。
図３を参照すれば、電極組立体１００が巻き取られたとき、電極組立体１００の両側に形成される屈曲面に該当する部分には正極活物質コーティング部１６０のない部分が存在することが確認できる。周知のように、従来のゼリーロール型電極組立体は屈曲面で折り曲げられることによって正極活物質コーティング部が正極集電体から分離または脱離し易い。また、充電時には、屈曲面に沿って正極活物質コーティング部と対向する負極活物質コーティング部の体積が膨張することでゼリーロール型電極組立体に捩れが生じることもある。したがって、本発明による電極組立体１００は、上記のような問題を解決するため、電極組立体１００が巻き取られたときの屈曲面に該当する部分に、正極活物質コーティング部１６０が存在しない間歇的無地部１６０−１を形成した。
本発明の望ましい実施例によれば、前記間歇的無地部１６０−１は、電極組立体１００が巻き取られたとき、電極組立体１００の内側から電極組立体１００の厚さＴの３０％厚さＴＣ以内の屈曲面に対応する部分に形成される。巻取りの中心に近いほど、曲率半径が小さいため折り曲げられる程度も大きく、それにより屈曲面１１で発生する応力も非常に大きくなるため、中心に近い屈曲面に対応する間歇的無地部１６０−１を形成することが望ましい。このような点を考慮して、間歇的無地部１６０−１は電極組立体１００の内側を基準に厚さＴの３０％に該当する厚さＴＣ以内の範囲に位置することが最も効果的である。また、間歇的無地部１６０−１が上記の範囲から外れる場合は、電池のエネルギー密度が格段に低下して必要な電池容量を確保し難いという問題が生じる。
前記間歇的無地部１６０−１は、電極組立体１００が巻き取られたとき、中心に近い屈曲面より中心から遠い屈曲面に対応する無地部の面積がより広い。また、図３に示された実施例のように、前記間歇的無地部１６０−１は巻き取られた電極組立体１００の各屈曲面の中心点１８０、１９０から同じ中心角を有する扇形状Ａ、Ｂに形成されることが望ましい。前記中心角の大きさは前記間歇的無地部１６０−１の幅を変化させて多様に設定できることは自明である。
上記のような構成を有する本発明の望ましい実施例による二次電池は、ゼリーロール型電極組立体の屈曲面に形成された間歇的無地部１６０−１により、屈曲面で発生する正極活物質の分離または脱離現象を防止することができる。したがって、充電中の負極活物質の体積膨張に備えた予備空間が形成されることで、電極組立体の捩れを防止することができる。また、電池の充放電中に発生するガスの移動通路が確保されるため、電極組立体の内圧を低下させることができる。さらに、二次電池の貫通などで短絡事故が生じたとき、短絡電流による発熱を分散させることができる。
本発明を適用する場合、電極組立体の屈曲面における正極活物質の分離または脱離現象を防止することで、二次電池の生産性を向上させることができる。
Claims (2)
- 正極集電体の少なくとも一面に正極活物質コーティング部を有する正極と、負極集電体の少なくとも一面に負極活物質コーティング部を有する負極とが、分離膜を介在して対向するようにゼリーロール構造に巻き取られた電極組立体；及び
前記正極集電体及び前記負極集電体にそれぞれ電気的に接続し、前記電極組立体の外部に突出した正極タブ及び負極タブ；を備え、
前記正極集電体は、巻き取られたときの屈曲面に該当する部分の一部に、正極活物質コーティング部のない間歇的無地部が形成され、
前記屈曲面は、前記電極組立体の両側に形成され、
前記間歇的無地部は、巻取された電極組立体の各屈曲面に共通する中心点から同じ中心角を有する扇形状に形成され、
前記中心角は各屈曲面にそれぞれ形成される間歇的無地部において同一であり、かつ１８０°未満である二次電池。 - 前記間歇的無地部は、電極組立体が巻き取られたとき、前記電極組立体の内側から電極組立体の厚さの３０％以内の屈曲面に対応する部分に形成される請求項１に記載の二次電池。
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