JP5174841B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に関する。

二次電池は、一般的に陽極板及び陰極板と、これらの間に介在するセパレータとを積層または巻回して形成された電極組立体を、缶形またはパウチ形のケースの内部に電解質とともに収納して構成される。

図１に示すように、上記陽極板及び陰極板は、それぞれ集電体１、３の少なくとも一面に活物質層２、４が塗布されて形成される。一般的に、上記集電体の表面のうち活物質層が塗布されない部分を無地部と称する。上記無地部は、通常、陽極板及び陰極板の両端部に形成される。上記陽極板及び陰極板において、極板を切断する際、通常上記無地部が切断される。

しかし、このような無地部の切断時、バリＢが発生する。このようなバリをスリットバリ（Ｓｌｉｔｔｉｎｇ Ｂｕｒｒ）と称する。スリットバリはセパレータ５を損傷させ、これは短絡発生の原因になる。

よって、従来にはセパレータ５の厚さを（１６−２）μｍ〜（１６＋２）μｍの範囲で使用することが困難であった。それは、セパレータ５の厚さを上記範囲で使用するには、短絡の発生を防止するために、セパレータ５の最小厚さである１４μｍに対して１/２の厚さである７μｍ以下の高さｈにスリットバリＢを管理しなければならないからである。このように７μｍ以下にスリットバリＢを管理するには、スリットカッターの研摩回数が増加して、製造費用が上昇する。また、スリットカッターの頻繁な取替えによって、工程遅延が発生する。

このような問題点は、極板を切断する際に発生するスリットバリによる極板間の短絡を防止できるなら、セパレータをより薄く形成できることを示唆する。セパレータの厚さがより薄くなれば、電池の容量は増大する。さらに、製造費用を節減する効果が得られる。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、陰極または陽極の切断部分でスリットバリによる短絡の発生を防止することにある。

本発明の他の目的は、スリットバリによる短絡を防止することで、セパレータの厚さを薄く形成することにある。

本発明のまた他の目的は、セパレータを薄膜化して、電池の容量を増大させながら製造費用を節減することにある。

本発明は、活物質が塗布された集電体の少なくとも一端部に無地部が形成された第１電極；活物質が塗布された集電体の少なくとも一端部に無地部が形成された第２電極；及び上記第１電極及び第２電極の間に介在するセパレータを含み、上記第１電極の無地部のバリが発生する部分と、第２電極で上記第１電極の無地部のバリ発生領域に対応する領域との間には、絶縁部材が具備されたことを特徴とする。

上記絶縁部材は、上記第１電極の無地部と対応する上記第２電極の対応領域の長さ分付着することが好ましい。

上記絶縁部材は、上記第１電極の無地部と対応する上記第２電極の対応領域の長さよりも長く付着することが好ましい。

上記絶縁部材は、上記第１電極の先端無地部または後端無地部に付着するか、または第１電極の先端及び後端無地部に同時に付着することが好ましい。

上記絶縁部材は、上記第１電極の先端無地部または後端無地部と対応する第２電極の対応領域に個別的に付着するか、または同時に付着することが好ましい。

上記第１電極が陽極で、上記第２電極が陰極であっても良い。

上記第１電極の集電体はアルミニウム（Ａｌ）からなることが好ましい。

上記第２電極の集電体は銅（Ｃｕ）からなることが好ましい。

上記セパレータの厚さは３〜１４μｍであることが好ましい。

上記絶縁部材の材質は、有機、無機、有機‐無機複合体のうち選択されるいずれか一つであることが好ましい。

本発明の他の側面として、活物質が塗布された集電体の少なくとも一端部に無地部が形成された第１電極；活物質が塗布された集電体の少なくとも一端部に無地部が形成された第２電極；及び上記第１電極及び第２電極の間に介在するセパレータを含み、上記第１電極、セパレータ及び第２電極の巻回後端で、上記第１電極の無地部に絶縁部材が付着した二次電池を提供することができる。

この時、上記絶縁部材は、上記第２電極と対応する長さ分上記第１電極の無地部に付着するか、または上記絶縁部材は、上記第２電極と対応する長さよりも長く上記第１電極の無地部に付着しても良い。

本発明のまた他の側面として、 活物質が塗布された集電体の少なくとも一端部に無地部が形成された第１電極；活物質が塗布された集電体の少なくとも一端部に無地部が形成された第２電極；及び上記第１電極及び第２電極の間に介在するセパレータを含み、上記第１電極、セパレータ及び第２電極の巻回後端で、上記第２電極に絶縁部材が付着した二次電池を提供することができる。

この時、上記絶縁部材は、上記第１電極の無地部と対応する長さ分上記第２電極に付着するか、または上記絶縁部材は、上記第１電極の無地部と対応する長さよりも長く上記第２電極に付着しても良い。

以上説明したように本発明によれば、陰極または陽極の切断部分でスリットバリによる短絡を防ぐことができる。特に、陽極の切断部分である陽極無地部と陰極活物質及び無地部との接触による短絡発生を防止することができる。

これにより、本発明は、スリットバリによる短絡を防止し、セパレータの厚さを薄く形成することができ、セパレータを薄膜化して、電池の容量を増大させながら製造費用は節減することができる。

従来の二次電池に関する陽極板、陰極板及びセパレータの積層断面構造の模式図である。 本発明の一実施例に係る二次電池の斜視図である。 本発明の一実施例に係る二次電池の電極組立体の断面図である。 本発明の一実施例に係る絶縁部材の付着状態を説明する図である。 本発明の他の実施例に係る絶縁部材の付着状態を説明する図である。 陽極板と陰極板の集電体材質による短絡関係を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。なお、本発明は、下記実施例に限られるのではない。本発明は、下記実施例の他にも本発明が属する技術思想の範囲内で修正及び変形が可能である。

図２〜図４に示すように、本発明の一実施例に係る二次電池１０は、電極組立体１００が安着する内部空間１１を有する第１ケース１２と、第１ケース１２を密封する第２ケース１３とを含む。

第１、２ケース１２、１３は、絶縁層、金属層及び保護層が順次に積層された構造を有する。絶縁層は最内層として、絶縁性及び熱接着性を有する物質で形成され、金属層は、水分浸透及び電解液の損失を防止する役割をする。上記保護層は最外層として、電池の本体を保護する役割をする。但し、上記パウチの材質や形状をこれに限定する必要はない。

電極組立体１００は、第１ケース１２の内部空間に収納される。この時、電極組立体１００の陽極タブ１４０及び陰極タブ１５０は、密封される第１ケース１２と第２ケース１３の外部に引き出される。電極組立体１００が第１ケース１２の内部に収納された後、電解液を注入し、内部空間１１の周縁に沿って密閉面に所定の熱と圧力を加えて第１ケース１２と第２ケース１３を密封すると、二次電池１０の製造が完了する。

上記の説明では、ケースがパウチ形である二次電池１０を例に挙げているが、本実施例はこれに限らない。すなわち、上記ケースを金属材質の缶形に形成することもできる。

電極組立体１００は、陽極板１１０と陰極板１２０及びセパレータ１３０を含む。上記陽極板１１０と陰極板１２０の間にセパレータ１３０が介在した後、ゼリーロール（ｊｅｌｌｙ−ｒｏｌｌ）形態に巻回される。

上記陽極板１１０は、薄板のアルミニウム（Ａｌ）ホイルからなる陽極集全体１１１と、上記陽極集全体１１１の両面に塗布されるリチウム系酸化物を主成分とする陽極活物質層１１２とを含む。陽極集全体１１１上には、陽極活物質層１１２が塗布されない領域である陽極無地部（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｎｏｎ−ｃｏａｔｉｎｇ ｐｏｒｔｉｏｎ）１１３が陽極板１１０の両端にそれぞれ形成される。上記陽極無地部１１３には、陽極タブ１４０が超音波溶接されて固定される。陽極タブ１４０は、通常ニッケルまたはニッケル合金で形成され、他の金属素材を使用することもできる。

上記陰極板１２０は、薄板の銅ホイルからなる陰極集全体１２１と、上記陰極集全体１２１の両面に塗布された炭素材を主成分とする陰極活物質層１２２とを含む。上記陰極集全体１２１にも、陰極活物質層１２２が塗布されない領域である陰極無地部（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｎｏｎ−ｃｏａｔｉｎｇ ｐｏｒｔｉｏｎ）１２３が陰極板の両端の所定領域に形成される。上記陰極無地部１２３には陰極タブ１５０が超音波溶接されて固定される。陰極タブ１５０は、通常ニッケルまたはニッケル合金で形成され、他の金属素材を使用することもできる。

上記セパレータ１３０は、各電極板１１０、１２０間の絶縁のために、上記陽極板１１０と陰極板１２０との間に配置されている。上記セパレータ１３０は、ポリエチレン、ポリプロピレン、またはポリエチレンとポリプロピレンの複合フィルムからなっている。上記セパレータ１３０は、上記陽極板１１０と陰極板１２０より広い幅で形成されて、陽極板１１０と陰極板１２０の上下部へ突出している。

また、上記電極組立体１００は、絶縁部材として絶縁テープを使用する。

絶縁テープとしては、保護テープ１６０、ラミネーションテープ１７０、１８０が使用される。上記絶縁テープの材質は、有機、無機、有機‐無機複合体のうち選択されるいずれか一つであっても良い。

上記絶縁テープの材質は、一例として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレンヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン‐エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン‐ペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などのフッ素樹脂、ポリイミド、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、アセテート樹脂からなる群から選択されることができる。この時、絶縁テープの材質は、電解液やリチウムイオンに対して高い安定性を有する絶縁性材料であればどのような材質であっても良い。

上記保護テープ１６０は、電極タップ１４０、１５０が電極板１１０、１２０に溶接された部分の外面を包むように付着する。これにより、保護テープ１６０は、電極タップ１４０、１５０が電極板１１０、１２０から突出した部分によってセパレータ１３０が損傷されることを防止する。

上記ラミネーションテープ１７０、１８０は、電極板１１０、１２０の基材である集電体１１１、１２１の両面で活物質層１１２、１２２の形成が始まる部分と終わる部分に付着する。これは、活物質の塗布時開始部分と終了部分が突出するので、活物質層１１２、１２２の突出部分によってセパレータ１３０が損傷されることを防止する。

本発明に係る電極組立体１００において、陽極板１１０とセパレータ１３０と陰極板１２０がゼリーロール形態に巻回される際、陽極板１１０及び陰極板１２０の両端に形成された無地部１１３、１２３のうち巻回が始まる無地部を先端無地部１１３Ａ、１２３Ａと称し、巻回が終わる無地部を後端無地部１１３Ｂ、１２３Ｂと称する。

説明の便宜上、本発明に係る上記電極組立体１００の陽極板１１０及び陰極板１２０の先端が位置する部分を電極組立体の内周部と定義し、陽極板１１０及び陰極板１２０の後端が位置する部分を電極組立体の外周部と定義する。

本発明の一実施例に係る電極組立体１００の外周部には、陽極タブ１４０と陰極タブ１５０が取り付けられる。

上記陽極タブ１４０は後端陽極無地部１１３Ｂに溶接され、その上に保護テープ１６０が付着する。上記陰極タブ１５０は後端陰極無地部１２３Ｂに溶接され、その上に保護テープ１６０が付着する。しかし、陽極タブ１４０及び陰極タブ１５０が付着する位置を電極組立体１００の後端部に限定する必要はない。

そして、上記陽極板１１０の後端陽極無地部１１３Ｂの内面に、絶縁部材が付着する。このような絶縁部材は、陽極活物質層１１２と後端陽極無地部１１３Ｂの境界部分に付着するラミネーションテープ１７０Ａである。上記ラミネーションテープ１７０Ａは、陽極板１１０の後端陽極無地部１１３Ｂの端部まで延長されて付着する。よって、上記陽極板１１０のラミネーションテープ１７０Ａは、セパレータ１３０を介在させて、陰極板１２０の後端陰極無地部１２３Ｂの外面と対応する。

また、上記陰極板１２０の後端陰極無地部１２３Ｂの内面と対応する上記陽極板１１０の外面にも、絶縁部材が付着する。このような絶縁部材は、陽極板１１０の後端陽極無地部１１３Ｂの境界部分に付着するラミネーションテープ１７０Ｂである。上記ラミネーションテープ１７０Ｂは、陽極板１１０の後端陽極無地部１１３Ｂで、上記セパレータ１３０’を介在させて、陰極板１２０の後端陰極無地部１２３Ｂの内面と対応する。

上記陽極板１１０及び陰極板１２０または陽極無地部１１３Ｂ及び陰極無地部１２３Ｂにおいて、「外面」は電極組立体の外側に向けている面を意味し、「内面」は電極組立体の内側に向ける面を意味する。

結果的に、上記陽極板１１０の後端陽極無地部１１３Ｂの内面側にラミネーションテープ１７０Ａが付着し、後端陽極無地部１１３Ｂの外面側にラミネーションテープ１７０Ｂが付着する。このようなラミネーションテープ１７０Ａ、１７０Ｂは、陰極板１２０の後端陰極無地部１２３Ｂと少なくとも同じ長さで付着するか、またはもっと長く付着する。

これにより、陽極板１１０の陽極無地部１１３Ｂで発生するバリによってセパレータ１３０、１３０’が損傷されても、陽極板１１０の陽極無地部１１３Ｂと陰極板１２０の活物質層１２２及び後端陰極無地部１２３Ｂとが接触しなくなる。したがって、陽極板１１０と陰極板１２０の短絡を防止するようになる。

一方、本発明の一実施例は、電極組立体１００の内周部で、陽極板１１０の先端陽極無地部１１３Ａの両面にラミネーションテープ１８０がさらに付着しても良い。この時、上記ラミネーションテープ１８０は陽極板１１０の先端陽極無地部１１３Ａと少なくとも同じ長さで付着するか、またはもっと長く付着する。このようなラミネーションテープ１８０によって、陽極板１１０の先端陽極無地部１１３Ａが陰極板１２０の陰極活物質層１２２及び先端陰極無地部１２３Ａと接触することを遮断するようになる。そして、陽極板１１０と陰極板１２０が短絡されることを防止するようになる。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

本発明の他の実施例に係る二次電池の構成は、上述した本発明の一実施例と等しい。そして、上記電極組立体１００の構成も、上述した本発明の一実施例と等しい。よって、同一構成には同一符号を使用し、詳細な説明は省略する。

図５に示すように、本発明の他の実施例に係る二次電池は、電極組立体１００の陰極板１２０の後端陰極無地部１２３Ｂの両側面に、ラミネーションテープ１７０Ａ、１７０Ｂが付着する。

このようなラミネーションテープ１７０Ａ、１７０Ｂは、陰極板１２０の集電体１２１及び活物質層１２２と少なくとも同じ長さで付着するか、またはもっと長く付着する。

これにより、陽極板１１０の陽極無地部１１３Ｂで発生するバリによってセパレータ１３０、１３０’が損傷されても、陽極板１１０の後端陽極無地部１１３Ｂと陰極板１２０の活物質層１２２及び後端陰極無地部１２３Ｂとが接触しなくなる。したがって、陽極板１１０と陰極板１２０の短絡を防止するようになる。

図６は、陽極板と陰極板の集電体材質に応じて液状電解質を使用する場合、時間経過による電圧の大きさを示したグラフである。

図６に示すように、陽極板集電体がアルミニウムからなり陰極板の集電体が銅からなる場合、短絡発生を最小化することができる。

このように説明された本発明の一実施例及び他の実施例は、陰極板１２０の後端で陰極板１２０の活物質層１２２と後端陰極無地部１２３Ｂが陽極板１１０の後端陽極無地部１１３Ｂのバリと接触しなくなる。したがって、セパレータ１３０、１３０’を薄膜化しても、陽極板１１０と陰極板１２０の短絡を防止することができる。

通常、角形の二次電池は液状の電解液を使用するので、セパレータの厚さを１６μｍ以下に形成し難い。また、パウチ形の二次電池は、高分子電解質を使用しても、セパレータの厚さを１２μｍ以下に形成し難い。この時、アルミニウム（Ａｌ）材質で形成された陽極板１１０の集電体１１１の厚さは１２μｍで、陽極活物質層１１２の厚さは６０μｍである。また、銅（Ｃｕ）材質で形成された陰極板１２０の集電体１２１の厚さは８μｍで、陰極活物質層１２２の厚さは６０μｍである。

それに対して本発明では、角形の二次電池で液状電解質を使用する際、セパレータ１３０、１３０’の厚さを１４μｍ以下に形成することができる。また、パウチ形の二次電池で高分子電解質を使用する際、セパレータ１３０、１３０’の厚さを１２μｍ以下に形成することができる。すなわち、本発明は、セパレータ１３０、１３０’が陽極板１１０の後端陽極無地部１１３Ｂで発生したバリによって損傷されても、陰極板１２０の活物質層１２２及び後端陰極無地部１２３Ｂは陽極板１１０の後端陽極無地部１１３Ｂと直接接触しない。これにより、セパレータ１３０、１３０’の厚さを薄く形成することができる。

好ましく、セパレータ１３０、１３０’は３〜１４μｍの厚さに形成されることができる。

セパレータの厚さが３μｍ未満に形成される場合には、セパレータが陽極板と陰極板を絶縁しながらイオンの電子移動を可能にする本来の機能を果たし難い。よって、少なくとも３μｍ以上の厚さに形成されることが好ましい。

また、セパレータが１４μｍよりも厚く形成される場合には、セパレータの厚さが１６μｍに形成される場合と比較して電池容量の増大効果が小さい。

このように本発明は、セパレータに損傷を発生させる陽極無地部のバリをカバーできるように絶縁部材を備えて、セパレータが陽極と陰極の絶縁及びイオン移動が可能な性質を具現しながらも薄膜化される。したがって、セパレータが薄膜化される体積分、電池の容量を増大させる効果を奏する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ 電池
１００ 電極組立体
１１０ 陽極
１１１ 陽極集電体
１１２ 陽極活物質層
１１３Ｂ 陽極後端無地部
１２０ 陰極
１２１ 陰極集電体
１２２ 陰極活物質層
１２３Ｂ 陰極後端無地部

Claims (19)

1. 活物質が塗布された集電体の少なくとも一端部に無地部が形成された第１電極と、
   活物質が塗布された集電体の少なくとも一端部に無地部が形成された第２電極と、
   前記第１電極及び第２電極の間に介在するセパレータと、
   を含み、
   前記第１電極の無地部のバリが発生する部分と、第２電極で前記第１電極の無地部のバリ発生領域に対応する領域との間には、絶縁部材が具備され、
   前記第１電極の無地部および前記第１電極の活物質の塗布領域の双方が前記第２電極の活物質の塗布領域に対向し、
   前記第１電極の無地部と前記第２電極の活物質の塗布領域の間、および前記第１電極の活物質の塗布領域と前記第２電極の活物質の塗布領域の間の双方に前記絶縁部材が介在する、二次電池。
2. 前記絶縁部材は、前記第１電極の無地部と対応する前記第２電極の対応領域の長さ分付着した、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記絶縁部材は、前記第１電極の無地部と対応する前記第２電極の対応領域の長さよりも長く付着した、請求項１又は２に記載の二次電池。
4. 前記絶縁部材は、前記第１電極の先端無地部または後端無地部に付着するか、または第１電極の先端及び後端無地部に同時に付着した、請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次電池。
5. 前記絶縁部材は、前記第１電極の先端無地部または後端無地部と対応する第２電極の対応領域に個別的に付着するか、または同時に付着した、請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池。
6. 前記第１電極が陽極で、前記第２電極が陰極である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の二次電池。
7. 前記第１電極の集電体はアルミニウム（Ａｌ）からなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の二次電池。
8. 前記第２電極の集電体は銅（Ｃｕ）からなる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の二次電池。
9. 前記セパレータの厚さは３〜１４μｍである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の二次電池。
10. 前記絶縁部材の材質は、有機物、無機物、及び有機‐無機複合体のうちから選択されるいずれか一つである、請求項１〜９のいずれか１項に記載の二次電池。
11. 前記第１電極は陽極で、前記第２電極は陰極であり、
    前記第１電極の無地部と前記第２電極の活物質が対応する位置で、前記第２電極の長さより長く前記絶縁部材が前記第１電極の無地部に形成された、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の二次電池。
12. 活物質が塗布された集電体の少なくとも一端部に無地部が形成された第１電極と、
    活物質が塗布された集電体の少なくとも一端部に無地部が形成された第２電極と、
    前記第１電極及び第２電極の間に介在するセパレータと、
    を含み、
    前記第１電極、セパレータ及び第２電極の巻回後端で、前記第１電極の無地部に絶縁部材が付着し、
    前記第１電極の無地部および前記第１電極の活物質の塗布領域の双方が前記第２電極の活物質の塗布領域に対向し、
    前記第１電極の無地部と前記第２電極の活物質の塗布領域の間、および前記第１電極の活物質の塗布領域と前記第２電極の活物質の塗布領域の間の双方に前記絶縁部材が介在する、二次電池。
13. 前記絶縁部材は、前記第２電極と対応する長さ分前記第１電極の無地部に付着した、請求項１２に記載の二次電池。
14. 前記絶縁部材は、前記第２電極と対応する長さよりも長く前記第１電極の無地部に付着した、請求項１２又は１３に記載の二次電池。
15. 前記第１電極が陽極で、前記第２電極が陰極である、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の二次電池。
16. 前記第１電極が陰極で、前記第２電極が陽極である、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の二次電池。
17. 前記陽極の集電体はアルミニウム（Ａｌ）からなる、請求項１５または１６に記載の二次電池。
18. 前記陰極の集電体は銅（Ｃｕ）からなる、請求項１５または１６に記載の二次電池。
19. 前記セパレータの厚さは３〜１４μｍである、請求項１２〜１８のいずれか１項に記載の二次電池。