JP6980982B2 - 電極組立体およびその電極組立体の製造方法 - Google Patents

電極組立体およびその電極組立体の製造方法 Download PDF

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Description

本出願は、２０１８年８月１３日付けの韓国特許出願第１０‐２０１８‐００９４４８４号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示されている全ての内容は、本明細書の一部として組み込まれる。
本発明は、電極組立体およびその電極組立体の製造方法に関し、より詳細には、セルの内部の電流密度のバラツキを改善することができる電極組立体およびその電極組立体の製造方法に関する。
物質の物理的反応や化学的反応により電気エネルギーを生成し、外部に電源を供給する電池（ｃｅｌｌ、ｂａｔｔｅｒｙ）は、各種の電機電子機器で囲まれている生活環境によって、建物に供給される交流電源を取得できない場合や直流電源が必要な場合に使用する。
かかる電池のうち、化学的反応を用いる化学電池である一次電池と二次電池が一般的に多く使用されているが、一次電池は、乾電池と称するものであり消耗性の電池である。また、二次電池は、電流と物質との間の酸化還元過程が多数繰り返し可能な素材を使用して製造される再充電式の電池であり、電流によって素材に対する還元反応が行われると電源が充電され、素材に対する酸化反応が行われると電源が放電するが、かかる充電‐放電が繰り返して行われて電気が生成される。
一方、二次電池のうち、リチウムイオン電池は、正極導電箔と負極導電箔にそれぞれ活物質を所定の厚さでコーティングし、前記両導電箔の間にはセパレータが介在されるようにして、略ゼリーロール（ｊｅｌｌｙ ｒｏｌｌ）あるいは円筒状に多数回巻取して作製した電極組立体を円筒型または角型の缶、パウチなどに収納し、これをシール処理して作製される。
かかるリチウムイオン電池が商用化して広く使用されて、自動車／電子機器／パワーツール（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）など、活用される用途も様々になっている。
これに伴い、二次電池の出力も重要なスペック（ｓｐｅｃ）として挙がっている。
現在、ポリマーセルは、正極／セパレータ／負極／セパレータを順に積層し、タブ（ｔａｂ）部を連結して、負極は負極同士で、正極は正極同士で繋げている。
韓国公開特許第１０‐２００８‐００３８４６５号公報には、構造的安定性と絶縁抵抗性に優れた電池セルについて開示されている。
従来のパウチ電池は、端子を片方向／両方向のいずれも１個ずつ正／負極端子を使用している。
しかし、かかる従来のパウチ電池は、徐々に大きくなる電極面積に比べて電子入口であるタブ（ｔａｂ）のサイズが小さく形成されるという問題があった。
したがって、電流が移動する通路が少なく、電極内部的に電流密度が相違することで、セル内部で電流密度のバラツキが生じ得るという問題があった。
したがって、本発明は、前記のような問題を解決するために導き出されたものであり、本発明の課題は、電極組立体の内部の電子移動経路を確保することができる電極組立体および電極組立体の製造方法を提供することである。
本発明の一実施形態による電極組立体は、複数個の負極と正極が交互に繰り返して積層され、複数個の負極と正極との間にセパレータが積層される単一の電極組立体であって、前記電極組立体の一端に複数個の前記負極から延びて形成された負極タブ部と、前記電極組立体の一端に前記負極タブ部と離隔し、前記複数個の正極を互いに電気的に連結する正極バスバーと、前記電極組立体で前記一端の反対側に位置した他端に複数個の前記正極から延びて形成された正極タブ部と、前記電極組立体の他端に前記正極タブ部と離隔し、前記複数個の負極を互いに電気的に連結する負極バスバーとを含むことを特徴とする。
前記正極バスバーと前記負極バスバーは、前記電極組立体の中央部を中心に互いに対称な位置に形成され得る。
前記正極バスバーと前記負極バスバーは、それぞれ複数個が形成され得る。
前記正極バスバーは、前記正極から延びた電極集電体で形成され、前記負極バスバーは、前記負極から延びた電極集電体で形成され得る。
前記正極バスバーと前記電極組立体の負極とを絶縁するように、前記正極バスバーと前記負極との間に設置されるか、または前記負極バスバーと前記電極組立体の正極とを絶縁するように、前記負極バスバーと前記正極との間に設置される絶縁部材を含むことができる。
本発明の一実施形態による電極組立体の製造方法は、電極とセパレータを交互に積層して単一の電極積層体を形成する際、一側端で正極とセパレータよりも長さが長い部分である負極延長部を含む負極および他側端で負極とセパレータよりも長さが長い部分である正極延長部を含む正極を用いて電極積層体を形成する積層ステップと、複数の前記負極に含まれる複数の前記負極延長部を互いに溶接する負極溶接ステップと、複数の前記正極に含まれる複数の前記正極延長部を互いに溶接する正極溶接ステップとを含むことを特徴とする。
前記積層ステップは、一側端に正極タブ部が形成されている正極、セパレータおよび一側端に負極延長部を含む負極を順に積層することができる。
前記負極溶接ステップにおいて、前記負極延長部を互いに溶接するときに、前記負極延長部で前記正極タブ部と離隔する部分を溶接することができる。
前記積層ステップは、他側端に負極タブ部が形成されている負極、セパレータおよび他側端に正極延長部を含む正極を順に積層することができる。
前記正極溶接ステップにおいて、前記正極延長部を互いに溶接するときに、前記正極延長部で前記負極タブ部と離隔する部分を溶接することができる。
前記負極溶接ステップと前記正極溶接ステップにおいて、前記負極延長部および前記正極延長部の溶接は、それぞれ超音波溶接または熱溶接で行われることができる。
前記負極延長部で互いに溶接されていない箇所を切断する負極切断ステップをさらに含むことができる。
前記負極切断ステップで切断されていない互いに溶接された前記負極延長部は、負極バスバーを形成することができる。
前記負極バスバーと前記電極積層体の正極とを絶縁するように、絶縁部材を設置する第１の絶縁部材設置ステップをさらに含むことができる。
前記正極延長部で互いに溶接されていない箇所を切断する正極切断ステップをさらに含むことができる。
前記正極切断ステップで切断されていない互いに溶接された前記正極延長部は、正極バスバーを形成することができる。
前記正極バスバーと前記電極積層体の負極とを絶縁するように、絶縁部材を設置する第２の絶縁部材設置ステップをさらに含むことができる。
本発明の一実施形態による二次電池は複数個の負極と正極が交互に繰り返して積層され、複数個の負極と正極との間にセパレータが積層される単一の電極組立体を含む二次電池であって、前記電極組立体の一端に複数個の前記負極から延びて形成された負極タブ部と、前記電極組立体の一端に前記負極タブ部と離隔し、前記複数個の正極を互いに電気的に連結する正極バスバーと、前記電極組立体で前記一端の反対側に位置した他端に複数個の前記正極から延びて形成された正極タブ部と、前記電極組立体の他端に前記正極タブ部と離隔し、前記複数個の負極を互いに電気的に連結する負極バスバーとを含むことを特徴とする。
本発明によると、電極組立体の内部に電子移動経路を確保することで、電流密度のバラツキを極小化する効果がある。
本発明によると、電極組立体の内部に電子移動経路を確保することで、出力改善の効果がある。
本発明の一実施形態による電極組立体を図示した斜視図である。 図１のＡ‐Ａ線に沿って電極組立体を切開し、主要部を図示した側断面図である。 本発明の一実施形態による電極組立体の製造方法を順に図示したフローチャートである。 本発明の一実施形態による電極組立体の製造方法で積層ステップを概略的に図示した側面図である。 本発明の一実施形態による電極組立体の製造方法で負極および正極の溶接ステップを概略的に図示した側面図である。 本発明の他の実施形態による電極組立体の製造方法で切断ステップを概略的に図示した側面図である。 本発明の一実施形態による二次電池を図示した斜視図である。
以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態による電極組立体およびその電極組立体の製造方法について詳細に説明する。
本明細書および特許請求の範囲にて使用されている用語や単語は、通常的または辞書的な意味に限定して解釈してはならず、発明者らは、自分の発明を最善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いう原則に則って、本発明の技術的思想に合致する意味と概念に解釈すべきである。したがって、本明細書に記載の実施形態と図面に図示された構成は、本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではないため、本出願時点においてこれらを代替することができる様々な均等物があり得ることを理解すべきである。
図面において、各構成要素またはその構成要素をなす特定の部分のサイズは、説明の便宜および明確性のために誇張または省略されたり、もしくは概略的に図示されている。したがって、各構成要素のサイズは、実際のサイズを全面的に反映するものではない。関連する公知の機能あるいは構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にし得ると判断した場合、かかる説明は省略する。
図１は本発明の一実施形態による電極組立体を図示した斜視図であり、図２は図１のＡ‐Ａ線に沿って電極組立体を切開し、主要部を図示した側断面図である。
図１および図２を参照すると、本発明の一実施形態による電極組立体は、複数個の負極１１と正極１３が交互に繰り返して積層され、複数個の負極１１と正極１３との間にセパレータ１５が積層される単一の電極組立体１０であって、前記電極組立体１０の一端に複数個の前記負極１１から延びて形成された負極タブ部２０と、前記電極組立体１０の一端に前記負極タブ部２０と離隔し、前記複数個の正極１３を互いに電気的に連結する正極バスバー４０と、前記電極組立体１０で前記一端の反対側に位置した他端に複数個の前記正極１３から延びて形成された正極タブ部３０と、前記電極組立体１０の他端に前記正極タブ部３０と離隔し、前記複数個の負極１１を互いに電気的に連結する負極バスバー５０とを含む。
正極１３は、アルミニウム電極集電体であってもよく、正極活物質が塗布された正極維持部と、正極活物質が塗布されていない正極無地部とを含むことができる。
正極活物質は、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎＯ４のようなリチウム含有遷移金属酸化物またはリチウムカルコゲナイド化合物であってもよい。
正極維持部は、例えば、アルミニウム電極集電体の少なくともいずれか一つの面の一部に正極活物質を塗布して形成し、正極活物質が塗布されていないアルミニウム電極集電体の残りの部分が正極無地部になり得る。
正極無地部には、正極タブ部３０が電気的に連結されて、正極１３から延びるように形成され得る。
負極１１は、銅電極集電体であってもよく、負極活物質が塗布された負極維持部と、負極活物質が塗布されていない負極無地部とを含むことができる。
負極活物質は、結晶質炭素、非晶質炭素、炭素複合体、炭素繊維のような炭素材料、リチウム金属またはリチウム合金などであってもよい。
負極維持部は、例えば、銅電極集電体の少なくともいずれか一つの面の一部に負極活物質を塗布して形成し、負極活物質が塗布されていない銅電極集電体の残りの部分が負極無地部になり得る。
負極無地部には、負極タブ部２０が電気的に連結されて、負極から延びるように形成され得る。
セパレータは、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）およびポリエチレン（ＰＥ）とポリプロピレン（ＰＰ）の共重合体（ｃｏ‐ｐｏｌｙｍｅｒ）からなる群から選択されるいずれか一つの基材に、ポリビニリデンフルオライド‐ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＰＶＤＦ‐ＨＦＰ ｃｏ‐ｐｏｌｙｍｅｒ）をコーティングすることで製造され得る。
正極バスバー４０は、電極組立体１０で負極タブ部２０が形成された端部に前記負極タブ部２０と離隔するように電極組立体１０の正極１３から延びた電極集電体で形成され得る。かかる正極バスバー４０は、負極タブ部２０と離隔して、負極タブ部２０との短絡を防止するとともに、複数個の正極１３を電気的に連結して、電流が流れるようにすることができる。
正極バスバー４０は、アルミニウム素材であってもよい。
負極バスバー５０は、電極組立体１０で正極タブ部３０が形成された端部に正極タブ部３０と離隔するように電極組立体１０の負極１１から延びた電極集電体で形成され得る。かかる負極バスバー５０は、正極タブ部３０と離隔して、正極タブ部３０との短絡を防止し、複数個の負極１１を電気的に連結して、電流が流れるようにすることができる。
負極バスバー４０は、銅素材であってもよい。
中大型以上の二次電池は、厚さの増加によって電池の内部に温度が蓄積し、蓄積された温度は、二次電池の温度上昇を引き起こし得る。
正極バスバー４０と負極バスバー５０は、単一の電極組立体１０の中央部Ｃを中心に対角線に互いに対称な位置に形成され得る。すなわち、正極バスバー４０と負極バスバー５０は、相互間の離隔距離を極大化して、電流の移動による熱の発散を電極組立体１０の全体に分散することができ、二次電池の温度上昇を防止し、安定性を高める効果があり得る。
正極バスバー４０と負極バスバー５０がそれぞれ複数個に形成され、単一の電極組立体の全体に均一に電子移動経路を確保することで、電流密度のバラツキを防止し、熱分配による安定性の向上と出力改善の効果を得ることができる。
図２を参照して、本発明の他の実施形態によって正極バスバー４０と電極組立体１０の負極１１との間に、ゴム、プラスチックなどの絶縁部材６０が設置され得る。
絶縁部材６０は、正極バスバー４０と電極組立体１０の負極１１とを絶縁するように、正極バスバー４０と負極１１との間に設置され、正極バスバー４０と負極１１とが短絡されることを防止することができる。
また、絶縁部材６０は、負極バスバー５０と電極組立体１０の正極１３とを絶縁するように、負極バスバー５０と正極１３との間に設置されて、負極バスバー５０と正極とが短絡されることを防止することができる。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態による電極組立体の製造方法について詳細に説明する。
図３は本発明の一実施形態による電極組立体の製造方法を順に図示したフローチャートである。
図３に図示されているように、本発明の一実施形態による電極組立体の製造方法は、積層ステップ（Ｓ１）と、負極溶接ステップ（Ｓ２）と、正極溶接ステップ（Ｓ３）とを含むことができる。
図４は本発明の一実施形態による電極組立体の製造方法で積層ステップを概略的に図示した側面図である。
図４に図示されたように、積層ステップ（Ｓ１）は、電極とセパレータを交互に積層して単一の電極積層体を形成することができる。この際、負極１１は、一側端で正極１３とセパレータ１５よりも長さが長い部分である負極延長部５０ａを含むことができる。また、正極１３は、他側端で負極１１とセパレータ１５よりも長さが長い部分である正極延長部４０ａを含むことができる。
また、積層ステップ（Ｓ１）で、一側端に正極タブ部３０が形成されている正極１３、セパレータ１５および一側端に負極延長部５０ａを含む負極１１を順に積層することができる。
さらに、積層ステップ（Ｓ１）は、他側端に負極タブ部２０が形成されている負極１１、セパレータ１５および他側端に正極延長部４０ａを含む正極１３を順に積層することができる。
これは、つまり、積層ステップにおいて、
一側端に正極タブ部３０が形成されており、他側端には正極延長部４０ａを含む正極１３／セパレータ１５／一側端には負極延長部５０ａを含み、他側端には負極タブ部２０が形成されている負極１１を順に積層することを意味し得る。
図５は本発明の一実施形態による電極組立体の製造方法で負極および正極の溶接ステップを概略的に図示した側面図である。
図５に図示されたように、負極溶接ステップ（Ｓ２）は、複数の負極１１に含まれる複数の負極延長部５０ａを互いに溶接することができる。一方、負極延長部５０ａを互いに溶接する際、負極延長部５０ａで正極タブ部３０と離隔する部分を溶接することができる。
正極溶接ステップ（Ｓ３）は、複数の正極１３に含まれる複数の正極延長部４０ａを互いに溶接することができる。一方、正極延長部４０ａを互いに溶接する際、正極延長部４０ａで負極タブ部２０と離隔する部分を溶接することができる。
このように、負極延長部５０ａで正極タブ部３０と離隔する部分を溶接し、正極延長部４０ａで負極タブ部２０と離隔する部分を溶接した後、溶接されていない部分を後述する負極切断ステップと正極切断ステップで切断すると、短絡の恐れを遮断することができる。すなわち、負極切断ステップと正極切断ステップで切断後に残った負極延長部５０ａと正極延長部４０ａの溶接された部分は、それぞれ正極タブ部３０と負極タブ部２０と離隔して接触しないため、短絡の恐れが除去され得る。
負極溶接ステップ（Ｓ２）と正極溶接ステップ（Ｓ３）において、負極延長部５０ａおよび正極延長部４０ａの溶接は、それぞれ超音波溶接または熱溶接で行うことができる。
図６は本発明の他の実施形態による電極組立体の製造方法で切断ステップを概略的に図示した側面図である。
図６に図示されているように、本発明の他の実施形態による電極組立体の製造方法は、負極延長部５０ａで互いに溶接されていない箇所を切断する負極切断ステップをさらに含むことができる。また、正極延長部４０ａで互いに溶接されていない箇所を切断する正極切断ステップをさらに含むことができる。このように溶接されていない負極延長部５０ａと正極延長部４０ａを切断することにより、負極延長部５０ａと正極タブ部３０との短絡および正極延長部４０ａと負極タブ部２０との短絡可能性を除去することができる。
溶接されていない部分として切断される部分は、電極タブ２０、３０と平行な方向を基準として、電極延長部４０ａ、５０ａの端部であってもよく、電極タブ２０、３０に向かう方向を基準として、電極延長部４０ａ、５０ａの端部であってもよい。
正極切断ステップで切断されていない互いに溶接された正極延長部４０ａは、正極バスバー４０を形成することができる。また、負極切断ステップで切断されていない互いに溶接された負極延長部５０ａは、負極バスバー５０を形成することができる。
一方、図６を参照すると、負極バスバー５０と電極積層体の正極１３との間に絶縁部材６０を設置して短絡を防止する第１の絶縁部材設置ステップをさらに含むことができる。
また、正極バスバー４０と電極積層体の負極１１との間に絶縁部材６０を設置して短絡を防止する第２の絶縁部材設置ステップをさらに含むことができる。
図７は本発明の一実施形態による二次電池を図示した斜視図である。
図１、図２および図７を参照すると、本発明の一実施形態による二次電池は、複数個の負極１１と正極１３が交互に繰り返して積層され、複数個の負極１１と正極１３との間にセパレータ１５が積層される単一の電極組立体１０を含む二次電池であって、前記電極組立体１０の一端に複数個の前記負極１１から延びて形成された負極タブ部２０と、前記電極組立体１０の一端に前記負極タブ部２０と離隔し、前記複数個の正極１３を互いに電気的に連結する正極バスバー４０と、前記電極組立体１０で前記一端の反対側に位置した他端に複数個の前記正極１３から延びて形成された正極タブ部３０と、前記電極組立体１０の他端に前記正極タブ部３０と離隔し、前記複数個の負極１１を互いに電気的に連結する負極バスバー５０とを含む。
電極組立体１０は、電解液とともに缶部材またはパウチなどのケース３に収容され得る。
上述のとおり、本発明によると、電極組立体の内部に電子移動経路を確保することで、電流密度のバラツキを極小化する効果がある。
本発明によると、電極組立体の内部に電子移動経路を確保することで、出力改善の効果がある。
以上、本発明による電極組立体およびその電極組立体の製造方法について例示された図面を参照して説明しているが、本発明は、以上で説明した実施形態と図面によって限定されず、特許請求の範囲内で本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者によって様々な実施が可能である。

Claims (17)

  1. 複数個の負極と正極が交互に繰り返して積層され、複数個の負極と正極との間にセパレータが積層される単一の電極組立体であって、
    前記電極組立体の一端に複数個の前記負極から延びて形成された負極タブ部と、
    前記電極組立体の一端に前記負極タブ部と離隔し、前記複数個の正極を互いに電気的に連結する正極バスバーと、
    前記電極組立体で前記一端の反対側に位置した他端に複数個の前記正極から延びて形成された正極タブ部と、
    前記電極組立体の他端に前記正極タブ部と離隔し、前記複数個の負極を互いに電気的に連結する負極バスバーとを含み、
    前記正極バスバーと前記負極バスバーは、前記電極組立体の中央部を中心に互いに対称な位置に形成される、電極組立体。
  2. 前記正極バスバーと前記負極バスバーは、それぞれ複数個が形成される、請求項１に記載の電極組立体。
  3. 前記正極バスバーは、前記正極から延びた電極集電体で形成され、前記負極バスバーは、前記負極から延びた電極集電体で形成される、請求項１または２に記載の電極組立体。
  4. 前記正極バスバーと前記電極組立体の負極とを絶縁するように、前記正極バスバーと前記負極との間に設置されるか、または前記負極バスバーと前記電極組立体の正極とを絶縁するように、前記負極バスバーと前記正極との間に設置される絶縁部材を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の電極組立体。
  5. 電極とセパレータを交互に積層して電極積層体を形成する際、一側端で正極とセパレータよりも長さが長い部分である負極延長部を含む負極および他側端で負極とセパレータよりも長さが長い部分である正極延長部を含む正極を用いて電極積層体を形成する積層ステップと、
    複数の前記負極に含まれる複数の前記負極延長部を互いに溶接する負極溶接ステップと、
    複数の前記正極に含まれる複数の前記正極延長部を互いに溶接する正極溶接ステップとを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の電極組立体の製造方法。
  6. 前記積層ステップは、
    一側端に正極タブ部が形成されている正極、セパレータおよび一側端に負極延長部を含む負極を順に積層する、請求項５に記載の電極組立体の製造方法。
  7. 前記負極溶接ステップにおいて、前記負極延長部を互いに溶接するときに、前記負極延長部で前記正極タブ部と離隔する部分を溶接する、請求項６に記載の電極組立体の製造方法。
  8. 前記積層ステップは、
    他側端に負極タブ部が形成されている負極、セパレータおよび他側端に正極延長部を含む正極を順に積層する、請求項５に記載の電極組立体の製造方法。
  9. 前記正極溶接ステップにおいて、前記正極延長部を互いに溶接するときに、前記正極延長部で前記負極タブ部と離隔する部分を溶接する、請求項８に記載の電極組立体の製造方法。
  10. 前記負極溶接ステップと前記正極溶接ステップにおいて、
    前記負極延長部および前記正極延長部の溶接は、それぞれ超音波溶接または熱溶接で行われる、請求項５から９のいずれか一項に記載の電極組立体の製造方法。
  11. 前記負極延長部で互いに溶接されていない箇所を切断する負極切断ステップをさらに含む、請求項５から１０のいずれか一項に記載の電極組立体の製造方法。
  12. 前記負極切断ステップで切断されていない互いに溶接された前記負極延長部は、負極バスバーを形成する、請求項１１に記載の電極組立体の製造方法。
  13. 前記負極バスバーと前記電極積層体の正極とを絶縁するように、絶縁部材を設置する第１の絶縁部材設置ステップをさらに含む、請求項１２に記載の電極組立体の製造方法。
  14. 前記正極延長部で互いに溶接されていない箇所を切断する正極切断ステップをさらに含む、請求項５から１３のいずれか一項に記載の電極組立体の製造方法。
  15. 前記正極切断ステップで切断されていない互いに溶接された前記正極延長部は、正極バスバーを形成する、請求項１４に記載の電極組立体の製造方法。
  16. 前記正極バスバーと前記電極積層体の負極とを絶縁するように、絶縁部材を設置する第２の絶縁部材設置ステップをさらに含む、請求項１５に記載の電極組立体の製造方法。
  17. 複数個の負極と正極が交互に繰り返して積層され、複数個の負極と正極との間にセパレータが積層される単一の電極組立体を含む二次電池であって、
    前記電極組立体の一端に複数個の前記負極から延びて形成された負極タブ部と、
    前記電極組立体の一端に前記負極タブ部と離隔し、前記複数個の正極を互いに電気的に連結する正極バスバーと、
    前記電極組立体で前記一端の反対側に位置した他端に複数個の前記正極から延びて形成された正極タブ部と、
    前記電極組立体の他端に前記正極タブ部と離隔し、前記複数個の負極を互いに電気的に連結する負極バスバーとを含み、
    前記正極バスバーと前記負極バスバーは、前記電極組立体の中央部を中心に互いに対称な位置に形成される、二次電池。
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