JP7501971B2 - 外形固定枠が備えられた電極組立体及びこれを含むリチウム二次電池 - Google Patents

Description

本出願は、２０２１年１月２８日付けの韓国特許出願第２０２１－００１２５２６号に基づいた優先権の利益を主張し、該当の韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は、本明細書の一部として含まれる。

本願発明は、外形固定枠が備えられた電極組立体及びこれを含むリチウム二次電池に関する。具体的には、電極組立体の外面に外形固定枠を設け、電極の移動又は振動及び／又は分離膜のローリングなどの変形を防止できる、安定性が向上した外形固定枠が備えられた電極組立体及びこれを含むリチウム二次電池に関する。

スマートフォンなどのモバイル機器に対する需要が増加するにつれて、これらのエネルギー源として使用される二次電池に対する需要も大きくなっている。また、二次電池は、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグ－インハイブリッド電気自動車（Ｐ－ＨＥＶ）及びエネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＳ）などにも適用されている。

二次電池の構造に対して検討すると、二次電池は、外部及び内部の構造的特徴によって、概して円筒型電池、角型電池及びパウチ型電池に分類され、そのうち、高い集積度で積層され得ると共に、長さに比べて小さい幅を有する角型電池及びパウチ型電池が特に注目されている。

二次電池を構成する正極／分離膜／負極構造の電極組立体は、その構造によって、大きくゼリーロール型（巻取型）とスタック型（積層型）に区分される。ゼリーロール型電極組立体は、集電体として使用される金属ホイルに電極活物質などをコーティングし、乾燥及びプレッシングした後、所望の幅及び長さのバンド状に裁断し、分離膜を使用して負極と正極を隔膜した後、螺旋状に巻いて製造される。ゼリーロール型電極組立体は、円筒型電池には適しているが、角型又はパウチ型電池に適用するには電極活物質の剥離問題、低い空間活用性などの短所を有している。

このような問題を解決するために、スタック型又はスタック／フォールディング型電極組立体をラミネートシートのパウチ型電池ケースに内蔵した構造のパウチ型電池が開発されており、低い製造費、小さい重量、容易な形態変形などのために多くの関心を集めており、また、その使用量が漸次増加している。

このような二次電池において、主要な研究課題の一つは安定性を向上させることにある。例えば、二次電池は、内部短絡、許容された電流及び電圧を超えた過充電状態、高温への露出、落下又は外部衝撃による変形などの電池の非正常的な作動状態によって誘発され得る電池内部の高温及び高圧によって電池の発火がもたらされ得る。

このような安定性の問題の一つとして、スタック型又はスタック／フォールディング型電極組立体の場合、電池の落下又は外部衝撃の印加時に分離膜が巻かれ、又は分離膜を中心にした各電極の動きによって電極間の短絡が誘発される可能性が高く、これによって、電極組立体の外周面に電極組立体を固定するための固定用接着テープが付加されることもある。

図１は、従来の電極組立体の外周面に接着テープが付加されているスタック型電極組立体の構造を示した模式図である。

図１を参照すると、電極組立体１０は、正極１１、負極１３、及びこれらの正極１１と負極１３との間に介在する分離膜１２が交互に積層されている構造であって、電極組立体１０の互いに対向する外周面には、それぞれ二つの接着テープ１４が付加されている。このような電極組立体１０の移送中に、正極、負極、及び分離膜の配列が食い違うことを防止するために、電極組立体の外周面の一部に固定用接着テープを付加することによって製造された。しかし、前記のような従来技術に係る電極組立体は、接着テープの不規則的な付着などによって電池セルの不良率が高くなるという問題を有する。

特許文献１は、接着テープの非接着面の上部を固定する固定端が備えられたテーピング部；接着テープを引き取るクランプ；及び移送部；を含んでおり、第１固定端と第２固定端が電極組立体に対する位置で互いに段差を形成していることを特徴とする正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在する分離膜で構成された積層構造の電極組立体の外面に接着テープを付着させるための装置を開示した。

特許文献１は、接着テープを電極組立体の外面に一定に付着させる装置及び技術を開示したが、電極組立体の中間に位置する電極の移動防止、及び中間に位置する分離膜のローリングなどの変形を防止できる電極組立体については開示していない。

このように多数の単位セルで構成される電極組立体に対して、中間に位置する電極及び／又は分離膜の移動又はローリングなどの変形による問題を解決するための効果的な手段は未だに提示されていない。

大韓民国登録特許公報第１０－１８２０４４２号

本願発明は、前記のような問題を解決するための電極組立体の中間に位置する電極及び／又は分離膜の移動又は変形を防止できる外形固定枠を備える電極組立体を提供することを目的とする。

また、本願発明は、安定性が向上する外形固定枠を備える電極組立体を提供することを目的とする。

前記のような目的を達成するために、本願発明に係る電極組立体は、一つ以上の電極、及び一つ以上の分離膜を含む単位セルを含み、前記単位セルを含むスタック型、スタック－フォールディング型及びワインディング型から選ばれる１種以上の電極組立体であって、前記電極組立体の外面の一部を覆う外形固定枠を含むことができる。

本願発明に係る電極組立体の前記単位セルはフルセルであり、前記フルセルを２個以上含むことができる。

本願発明に係る電極組立体の前記単位セルはバイセルであり、前記バイセルを１個以上含むことができる。

本願発明に係る電極組立体の前記単位セルはモノ型ハーフセルであり、前記ハーフセルを３個以上含むことができる。

本願発明に係る電極組立体の前記第１電極の第１電極端子と第２電極の第２電極端子は、同一の方向に位置し得る。

本願発明に係る電極組立体は、直方体状であり、前記直方体状の電極組立体は、各電極端子が位置する第１面と、前記第１面の反対面である第２面と、前記第１面及び第２面に両端部が接しており、相対的に小面積部位である第３面及び第４面と、前記第１面及び第２面に両端部が接しており、相対的に大面積部位である第５面及び第６面とを含んでおり、前記第１面乃至第６面のうち少なくとも一つ以上に対応する部位に、外形固定枠が備えられ得る。

本願発明に係る電極組立体の前記外形固定枠は、前記電極組立体の第１面及び第２面にそれぞれ対応する部位に位置し得る。

本願発明に係る電極組立体の前記外形固定枠は、前記電極組立体の第１面乃至第４面にそれぞれ対応する部位に位置し得る。

本願発明に係る電極組立体の前記外形固定枠は、それが位置する部位で電極組立体の外面を基準にして８０％乃至１００％の大きさであり得る。

本願発明に係る電極組立体の前記外形固定枠は格子状であり得る。

本願発明に係る電極組立体の前記外形固定枠は、熱可塑性樹脂で形成され得る。

本願発明に係る電極組立体、前記電極組立体を収容する電池ケース、及び電解液を含むリチウム二次電池を提供することができる。

前記リチウム二次電池を含む電池モジュールを提供することができる。

本願発明は、前記のような各構成のうち相反しない構成を一つ又は二つ以上選んで組み合わせることができる。

本願発明に係る外形固定枠は、電極組立体の外面に配置されることによって、落下或いは振動などによる分離膜のローリング或いは変形と電極の移動及び変形を防止することができ、電極組立体の安定性を向上させることができる。

本願発明に係る外形固定枠は、電極組立体の外面に配置されることによって、電極組立体の分離膜のローリング或いは変形を防止することができ、電極間の短絡を防止し、安全性を高めることができる。

既存の電極組立体を変更せずにそのまま使用できるので、電極組立体の生産工程に対する変更が不必要であり、経済的な利点がある。

従来技術に係る電極組立体の模式図である。 本願発明の第１実施例に係る電池セルの模式図である。 本願発明の第１実施例に係る外形固定枠の模式図である。 本願発明の第１実施例に係る外形固定枠が電池セルを覆うことを示す模式図である。 本願発明の第１実施例に係るシーリング装置を用いて外形固定枠を固定させることを示す模式図である。 本願発明の第１実施例に係る外形固定枠に固定された電池セルの模式図である。 本願発明の第２実施例に係る外形固定枠の模式図である。

本出願において、「含む」、「有する」又は「備える」などの用語は、明細書上に記載の特徴、数字、段階、構成要素、部品又はこれらの組み合わせが存在することを指定しようとするものであって、一つ又はそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はこれらの組み合わせの存在又は付加可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。

また、図面全体にわたって類似する機能及び作用をする部分に対しては、同一の図面符号を使用する。明細書全体において、一つの部分が他の部分と連結されているとしたとき、これは、直接連結されている場合のみならず、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、一つの構成要素を含むことは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。

以下、本願発明に係る電池モジュールに関して添付の図面を参照して説明する。

図２は、本願発明の第１実施例に係る電極組立体の模式図で、図３は、本願発明の第１実施例に係る外形固定枠の模式図で、図４は、本願発明の第１実施例に係る外形固定枠が電極組立体を覆うことを示す模式図で、図５は、本願発明の第１実施例に係るシーリング装置を用いて外形固定枠を固定させることを示す模式図で、図６は、本願発明の第１実施例に係る外形固定枠に固定された電池セルの模式図である。

図２乃至図６を参照しながら本願発明の第１実施例に係る電極組立体を説明する。

本願発明において、電極組立体１２０は、第１電極と第２電極との間に分離膜が介在している各単位セルを積層したスタック型であるか、又は分離膜シートを用いて前記各電池セルを巻き取った構造のスタック／フォールディング型電極組立体であり得る。ここで、電極組立体１２０は、３個以上の電極、及び２個以上の分離膜を含むことができる。電極は、第１電極及び第２電極を含み、第１電極は負極或いは正極で、第２電極は正極或いは負極であり得る。前記正極の一端には正極集電体から突出した各正極タブを、負極の一端には負極集電体から突出した各負極タブをそれぞれ含んでいる。前記各正極タブと各負極タブは、互いに離隔して前記電極組立体の一端に同一方向にそれぞれ形成されている。

本願発明での電極端子１１０は、前記各電極タブ自体であるか、又はこれらを正極と負極に区別し、それぞれ一つに組み合わせて溶接させた電極リードであり得る。電極端子が電極タブ自体である場合は、多数の電極タブを電気的接続部材に直接溶接した構造であってもよく、電極端子が電極リードである場合は、多数の電極タブを集めて一つの電極リードに溶接した状態で再び電気的接続部材に溶接させた構造であってもよい。

前記接続部材の形態は多様であり得るが、単位セルの電極端子に対する電気的連結及び／又は外部入出力端子との電気的連結が容易な形態であれば特に限定されない。本願発明において、溶接の種類としては、特に限定されないが、例えば、超音波溶接、レーザー溶接、スポット溶接、シーム溶接などを挙げることができる。

本願発明において、電極組立体は、特にその形態を限定することなく、多様な形態が全て含まれ得ることは当然であり、例えば、一つ以上タイプのスタック型単位セルを交差して長く裁断された分離フィルムでワインディング（ｗｉｎｄｉｎｇ）して含むスタック－フォールディング型電極組立体と、前記と同一の方式のスタック－フォールディング型電極組立体として同一のタイプのスタック型単位セルを含むスタック－フォールディング型電極組立体と、前記各スタック型単位セルを分離フィルムでワインディング（ｗｉｎｄｉｎｇ）する場合、ジグザグ方向にフォールディングするＺ型スタック－フォールディング電極組立体と、前記各スタック型単位セルを同一の方向に連続してワインディング（Ｗｉｎｄｉｎｇ）するスタック－フォールディング型電極組立体と、前記スタック型セルを単位セルとして分離フィルムでフォールディングするのではなく、正極と負極を交互に分離フィルム上に置いた状態で連続してワインディングする電極組立体と、スタック型セルをジグザグ方向にワインディングするＺ型電極組立体と、一般的なスタック型電極組立体、正極板、分離膜、及び負極板の順に配置された状態で一方向にワインディングされたゼリーロール型の電極組立体などが全て含まれ得る。

本願発明での単位セルであるフルセルとして、正極／分離膜／負極、及び正極／分離膜／負極／分離膜／正極／分離膜／負極などを挙げることができる。フルセルを使用して電極組立体を構成するためには、分離膜シートが介在した状態で正極と負極が互いに対面するように多数のフルセルを積層することができる。

本願発明での単位セルであるバイセル（Ｂｉ－ｃｅｌｌ）は、正極／分離膜／負極／分離膜／正極の単位構造、及び負極／分離膜／正極／分離膜／負極の単位構造のようにセルの両側に同一の電極が位置するセルであり、正極／分離膜／負極／分離膜／正極の順に形成されたＡ型バイセル、及び負極／分離膜／正極／分離膜／負極の順に形成されたＣ型バイセルのうち少なくとも一つを含むことができる。これらの各バイセルは、セルの両側の電極が同一の構造であれば、それをなす正極、負極及び分離膜の数が特に限定されない。

本願発明での単位セルであるハーフセル（Ｈａｌｆ ｃｅｌｌ）は、負極／分離膜／正極で形成されるモノ（ｍｏｎｏ）型ハーフセルを含む。

本願発明において、正極は、正極集電体上に正極活物質、導電材及びバインダーの混合物を塗布した後、乾燥して製造され、必要によっては、前記混合物に充填剤をさらに添加してもよい。

前記正極活物質としては、例えば、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）などの層状化合物や、１又はそれ以上の遷移金属に置換された化合物；化学式Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_２－ｘＯ_４（ここで、ｘは、０～０．３３である）、ＬｉＭｎＯ_３、ＬｉＭｎ_２Ｏ_３、ＬｉＭｎＯ_２などのリチウムマンガン酸化物；リチウム銅酸化物（Ｌｉ_２ＣｕＯ_２）；ＬｉＶ_３Ｏ_８、ＬｉＦｅ_３Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｕ_２Ｖ_２Ｏ_７などのバナジウム酸化物；化学式ＬｉＮｉ_１－ｘＭ_ｘＯ_２（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｂ又はＧａで、ｘ＝０．０１～０．３である）で表現されるＮｉサイト型リチウムニッケル酸化物；化学式ＬｉＭｎ_２－ｘＭ_ｘＯ_２（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｚｎ又はＴａで、ｘ＝０．０１～０．１である）又はＬｉ_２Ｍｎ_３ＭＯ_８（ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ又はＺｎである）で表現されるリチウムマンガン複合酸化物；化学式のＬｉの一部がアルカリ土類金属イオンに置換されたＬｉＭｎ_２Ｏ_４；ジスルフィド化合物；Ｆｅ_２（ＭｏＯ_４）_３などを挙げることができるが、これらのみに限定されることはない。

前記正極集電体は、一般に３μｍ乃至５００μｍの厚さに作る。

このような正極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発しないと共に、高い導電性を有するものであれば特に限定されなく、正極集電体としては、例えば、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、又は、アルミニウムやステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが使用され得るが、詳細には、アルミニウムが使用され得る。集電体は、その表面に微細な凹凸を形成することによって正極活物質の接着力を高めることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの多様な形態が可能である。

前記導電材は、通常、正極活物質を含む混合物の全体の重量を基準にして１重量％乃至５０重量％で添加される。このような導電材は、当該電池に化学的変化を誘発しないと共に、導電性を有するものであれば特に限定されなく、前記導電材としては、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック；炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維；フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などが使用され得る。

前記バインダーは、活物質と導電材などの結合及び集電体に対する結合に役立つ成分であって、通常、正極活物質を含む混合物の全体の重量を基準にして１重量％乃至５０重量％で添加される。このようなバインダーの例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－プロピレン－ジエンテルポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブチレンゴム、フッ素ゴム、多様な共重合体などを挙げることができる。

前記充填剤は、正極の膨張を抑制する成分として選択的に使用され、当該電池に化学的変化を誘発しないと共に、繊維状材料であれば特に限定されなく、前記充填剤としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系重合体；ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状物質が使用される。

前記負極は、負極集電体上に前記負極活物質を塗布、乾燥及びプレッシングして製造され、必要によっては、前記のような導電材、バインダー、充填剤などが選択的にさらに含まれ得る。

前記負極活物質としては、例えば、難黒鉛化炭素、黒鉛系炭素などの炭素；Ｌｉ_ｘＦｅ_２Ｏ_３（０≦ｘ≦１）、Ｌｉ_ｘＷＯ_２（０≦ｘ≦１）、Ｓｎ_ｘＭｅ_１－ｘＭｅ’_ｙＯ_ｚ（Ｍｅ:Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｇｅ；Ｍｅ’:Ａｌ、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、周期律表の１族、２族、３族元素、ハロゲン；０＜ｘ≦１；１≦ｙ≦３；１≦ｚ≦８）などの金属複合酸化物；リチウム金属；リチウム合金；ケイ素系合金；スズ系合金；ＳｎＯ、ＳｎＯ_２、ＰｂＯ、ＰｂＯ_２、Ｐｂ_２Ｏ_３、Ｐｂ_３Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_５、ＧｅＯ、ＧｅＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_４、及びＢｉ_２Ｏ_５などの金属酸化物；ポリアセンチレンなどの導電性高分子；Ｌｉ－Ｃｏ－Ｎｉ系材料などを使用することができる。

前記負極集電体は、一般に３μｍ乃至５００μｍの厚さに作られる。

このような負極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発しないと共に、導電性を有するものであれば特に限定されなく、負極集電体としては、例えば、銅、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、銅やステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム－カドミウム合金などが使用され得る。また、負極集電体は、正極集電体と同様に、表面に微細な凹凸を形成することによって負極活物質の結合力を強化させることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの多様な形態で使用され得る。

本願発明において、分離膜としては、高いイオン透過度及び機械的強度を有する絶縁性の薄い薄膜が使用可能であり、分離膜の気孔直径は０．０１μｍ～１０μｍで、厚さは５μｍ～３００μｍであり得るが、それに限定されない。前記分離膜の素材としては、例えば、耐化学性及び疎水性のポリプロピレンなどのオレフィン系高分子、ガラス繊維又はポリエチレンなどで作られたシートや不織布などが使用され得る。好ましくは、分離膜の素材は、微細気孔を含むポリエチレンフィルム；ポリプロピレンフィルム；これらのフィルムの組み合わせによって製造される多層フィルム；及びポリビニリデンフルオライド、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、又は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の高分子電解質用高分子フィルムからなる群から選ばれ得る。

一つの好ましい例において、分離膜の両面には、無機物粉末がバインダーによってコーティングされている構造であり得る。前記無機物粉末は、例えば、誘電率定数が５以上である無機物粒子、リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子及びこれらの混合物からなる群から選ばれてもよく、粒径が０．００１μｍ乃至１０μｍであってもよい。一般に、誘電率定数は、電解質内の電解質塩などのリチウム塩の解離度増加に寄与し、電解液のイオン伝導度を向上させる要素であって、前記誘電率定数が５以上である無機物粒子としては、例えば、ＢａＴｉＯ_３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、Ｐｂ_１－ｘＬａ_ｘＺｒ_１－ｙＴｉｙＯ_３（０≦ｘ、ｙ≦１）、ＰＢ（Ｍｇ_３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３－ＰｂＴｉＯ_３、ハフニア（ＨｆＯ_２）、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｎＯ_２、ＣｅＯ_２、ＭｇＯ、ＮｉＯ、ＣａＯ、ＺｎＯ、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＴｉＯ_２などや、これらの二つ以上の混合物を挙げることができる。

前記リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子としては、例えば、Ｌｉ_３ＰＯ_４、Ｌｉ_ｘＴｉ_ｙ（ＰＯ_４）_３（０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜３）、Ｌｉ_ｘＡｌ_ｙＴｉ_ｚ（ＰＯ_４）_３（０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜３）、（ＬｉＡｌＴｉＰ）_ｘＯ_ｙ系列ガラス（０＜ｘ＜４、０＜ｙ＜１３）、Ｌｉ_ｘＬａ_ｙＴｉＯ_３（０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜３）、Ｌｉ_ｘＧｅ_ｙＰ_ｚＳ_ｗ（０＜ｘ＜４、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１、０＜ｗ＜５）、Ｌｉ_ｘＮ_ｙ（０＜ｘ＜４、０＜ｙ＜２）、ＳｉＳ_２（Ｌｉ_ｘＳｉ_ｙＳ_ｚ:０＜ｘ＜３、０＜ｙ＜２、０＜ｚ＜４）系列ガラス、Ｐ_２Ｓ_５（Ｌｉ_ｘＰ_ｙＳ_ｚ:０＜ｘ＜３、０＜ｙ＜３、０＜ｚ＜７）系列ガラスなどや、これらの二つ以上の混合物を挙げることができる。

前記バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－プロピレン－ジエンテルポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブチレンゴム、フッ素ゴム、多様な共重合体などが使用され得る。

本願発明において、分離膜シートは、フルセル又はバイセルの分離膜と同一の性状及び素材からなってもよく、フルセル又はバイセルの分離膜と異なる性状及び素材からなってもよい。

本願発明の図面には示していないが、本願発明の電極組立体１２０及び電極端子１１０で構成される電池セル１００は、パウチ型ケースに収納される。前記パウチ型ケースは、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートからなり、電極組立体１２０及び電解液を内蔵した状態で枠領域が熱融着されて密封されるように構成され得る。より具体的には、ケースは、２個のケース、すなわち、上部ケース及び下部ケースで構成されてもよく、そのうち少なくとも一つには凹状の内部空間が形成されてもよい。そして、上部ケースと下部ケースの枠領域が互いに熱融着されることによって、電極組立体が収容された内部空間を密閉させることができる。

また、ラミネートシートは、一般に、ガスバリア層（Ｇａｓ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｌａｙｅｒ）、表面保護層（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）及びシーラント層（Ｓｅａｌａｎｔ Ｌａｙｅｒ）を含む。ガスバリア層は、電池ケースの機械的強度を確保し、二次電池の外部のガス又は水分などの出入りを遮断し、電解液の漏水を防止する。

一般に、ガスバリア層は金属を含み、主に、ガスバイリア層としてアルミニウム箔（Ａｌ Ｆｏｉｌ）が使用されるが、これは、所定水準以上の機械的強度を確保できると共に、重さが軽く、電極組立体１２０及び電解液による電気化学的性質に対する補完及び放熱性などを確保できるためである。

表面保護層は、ポリマーで製造され、最外層に位置し、外部との摩擦及び衝突から二次電池を保護しながら、電極組立体１２０を外部から電気的に絶縁させる。ここで、最外層とは、前記ガスバリア層を基準にして電極組立体１２０が位置する方向の反対方向であって、外部に向かう方向をいう。

このような表面保護層としては、主に、耐磨耗性及び耐熱性を有するナイロン（Ｎｙｌｏｎ）樹脂又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などのポリマーが使用される。そして、表面保護層は、いずれか一つの物質からなる単一膜構造を有し、又は２個以上の物質がそれぞれ層をなして形成された複合膜構造を有することもできる。

シーラント層は、ポリマーで製造され、最内層に位置し、電極組立体１２０と直接接触する。パウチ型電池ケースは、前記のような積層構造のラミネートシートを、パンチなどを用いてドローイング（Ｄｒａｗｉｎｇ）成形すると、一部が延伸され、上部収納部又は下部収納部を形成しながら製造される。

そして、このような収納部の内部に電極組立体１２０が収容されると、電解液を注入する。その後、上部ケースと下部ケースを互いに接触させ、シーリング部に熱圧着を行うと、シーラント層同士が接着することによって電池ケースがシーリングされる。

このとき、シーラント層は、電極組立体１２０と直接接触するので絶縁性を有さなければならなく、電解液とも接触するので耐食性を有さなければならない。また、内部を完全に密閉し、内部と外部との間の物質移動を遮断しなければならないので、高いシーリング性を有さなければならない。すなわち、シーラント層同士が接着したシーリング部は、優れた熱接着強度を有さなければならない。

一般に、このようなシーラント層には、主にポリプロピレン（ＰＰ）又はポリエチレン（ＰＥ）などのポリオレフィン系樹脂が使用される。ポリプロピレン（ＰＰ）は、引張強度、剛性、表面硬度、耐磨耗性、耐熱性などの機械的物性、及び耐食性などの化学的物性に優れ、シーラント層の製造に主に使用される。さらに、シーラント層は、無延伸ポリプロピレン（Ｃａｔｅｄ Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）又はポリプロピレン－ブチレン－エチレン三元共重合体で構成されてもよい。また、シーラント層は、いずれか一つの物質からなる単一膜構造を有し、または２個以上の物質がそれぞれ層をなして形成された複合膜構造を有することができる。

本願発明において、電極組立体１２０は直方体状であり、前記直方体状の電極組立体は、各電極端子１１０が位置する第１面と、前記第１面の反対面である第２面と、前記第１面及び第２面に両端部が接しており、相対的に小面積部位である第３面及び第４面と、前記第１面及び第２面に両端部が接しており、相対的に大面積部位である第５面及び第６面とを含んでいる。ここで、第５面及び第６面は、単位セルであるフルセル（ｆｕｌｌ ｃｅｌｌ）又はバイセル（ｂｉｃｅｌｌ）が対面しながら形成される面積が相対的に大きい面であって、前記各単位セルの面積が大きい面の４個のエッジ側面が積層されて形成される各面が第１面、第２面、第３面及び第４面を形成する。従来技術に係る電極組立体は、前記第１面、第２面、第３面及び第４面の方向に電極及び／又は分離膜が移動或いは変形し、不良が発生する。

したがって、本願発明において、後述する外形固定枠２００は、電極組立体１２０の第１面乃至第６面のうち少なくとも一つ以上に対応する部位に位置し得る。一つの具体的な例において、前記外形固定枠２００は、電極組立体１２０の第１面及び第２面にそれぞれ対応する面に対面して位置し得る。他の一つの具体的な例において、前記外形固定枠２００は、電極組立体１２０の第３面及び第４面に対応する部位に対面してそれぞれ位置し得る。場合によっては、電極組立体１２０の第１面乃至第６面に対応する部位に前記外形固定枠２００がそれぞれ位置し得る。これにより、外形固定枠２００で電極組立体１２０を固定することによって電極の揺れ及び移動を防止し、分離膜の移動、ローリング及び変形などを防止するのに有利になる。

また、外形固定枠２００の大きさは、位置する部位で電極組立体１２０の外面を基準にして８０％乃至１００％の大きさであり得る。前記外形固定枠２００の大きさが対応する電極組立体１２０の外面に比べて８０％未満である場合は、電極組立体１２０を安定的に固定する効果が低下し得る一方で、１００％以上である場合は、電極組立体１２０の規格又は寸法に影響を与え得るので、前記範囲内の大きさを有することが好ましい。

次に、外形固定枠２００について説明すると、本願発明において、外形固定枠２００は、格子状のシートであり得る。具体的には、外形固定枠２００は、第１パターン２１０と第２パターン２２０が交差して構成され得る。図３では、第１パターン２１０と第２パターン２２０の交差角度を直角で示したが、前記交差角度は鋭角或いは鈍角になり得る。また、第１パターン２１０と第２パターン２２０はライン状であってもよく、断面が円形及び多角形であってもよく、詳細には、電極組立体１２０と密着する辺が平らな四角形であってもよい。これにより、既存の電極組立体の体積増加を最小化しながら電極組立体を安定的に覆うのに有利になる。

また、図３では、第１パターン２１０と第２パターン２２０は、反復的な直線状に示したが、反復的な曲線状であってもよい。本願発明において、第１パターン２１０と第２パターン２２０は、同一の形状及び断面の直径を有することができ、電極組立体１２０の特性によって、電極組立体１２０の長辺に対応して位置するパターンの直径或いは幅（図４において、ｘ方向或いはｚ方向）が相対的に大きい形状をなすことができる。

本願発明において、第１パターン２１０と第２パターン２２０は、０．０２５ｍｍ乃至０．０５であってもよく、外形固定枠２００が成形され得ると共に、電極組立体１２０を安定的に覆うことができるものであれば特に限定されない。

また、隣接した第１パターン２１０の間の間隔及び隣接した第２パターン２２０の間の間隔は一定に形成されてもよく、隣接したパターンの間の間隔は１ｍｍ乃至５ｍｍであってもよい。前記隣接したパターンの間の間隔が５ｍｍ以上である場合は、電解液の含浸性に影響を与え得る一方で、１ｍｍ以下である場合は、電極組立体１２０を安定的に固定する効果が低下し得る。

本願発明において、外形固定枠２００は、電気化学的に安定しており、軽い特性を有し、優れた熱接着強度を有する熱可塑性樹脂であり得る。このような熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン（ＰＰ）又はポリエチレン（ＰＥ）などのポリオレフィン系樹脂が使用され得る。本願発明において、外形固定枠２００は、詳細には、ポリプロピレン（ＰＰ）であり得る。ポリプロピレン（ＰＰ）は、引張強度、剛性、表面硬度、耐磨耗性、耐熱性などの機械的物性、及び耐食性などの化学的物性に優れ、電極組立体１２０を安定的に覆うことができるだけでなく、熱圧縮などの工程を通じて前記電池ケースのシーラント層と接着・結合され、安定性を向上させるのに有利であり得る。その他に、外形固定枠２００は、無延伸ポリプロピレン（Ｃａｔｅｄ Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）又はポリプロピレン－ブチレン－エチレン三元共重合体で構成されてもよい。

本願発明において、外形固定枠２００は、シーリング装置３００によって電極組立体１２０の外面に固定される。本願発明に係るシーリング装置３００は、上部シーリングツール３１０、第１側面シーリングツール３２０、第２側面シーリングツール３３０及び下部シーリングツール３４０を含むことができる。本願発明において、上部シーリングツール３１０は電極組立体１２０の第１面に対応し、下部シーリングツール３４０は電極組立体１２０の第２面に対応し、第１側面シーリングツール３２０と第２側面シーリングツール３３０は、それぞれ電極組立体１２０の第３面及び第４面に対応する。図面には示していないが、場合によっては、電極組立体１２０の第５面及び第６面に対応するシーリングツールが設けられ得る。

ここで、上部シーリングツール３１０は、電極端子１１０の水平断面（ｘｙ面）形状のホールが形成され、電極端子１１０が位置する部分を除いた電極組立体１２０の第１面と密着するように構成され、下部シーリングツール３４０は電極組立体１２０の第２面に密着し、第１側面シーリングツール３２０及び第２側面シーリングツール３３０は、それぞれ電極組立体１２０の第３面及び第４面に密着するように構成される。

また、本願発明において、シーリング装置３００の前記各シーリングツール３１０、３２０、３３０、３４０が電極組立体１２０に対面する面の面積は、対応する電極組立体１２０の面の大きさ以上に形成された。詳細には、各シーリングツール３１０、３２０、３３０、３４０の縁部の長さは、それぞれ対面する電極組立体１２０の各面の縁部の長さと同一であるか、又はそれより長くなり得る。これにより、電極組立体１２０のそれぞれの面に位置する外形固定枠２００を安定的に熱融着・固定させるのに有利になる。

本願発明において、前記各シーリングツール３１０、３２０、３３０、３４０は、外形固定枠２００を同時に又は順次圧着することができ、外形固定枠２００を安定的に電極組立体１２０の外面に固定できるものであれば特に限定されない。

本願発明において、シーリング装置３００にはヒーティング部が設けられ、前記外形固定枠２００を圧着しながら融着・結合させることができる。ここで、ヒーティング部は、１６０℃以上で３００℃以下の温度でヒーティングすることができる。１６０℃未満である場合は、外形固定枠２００を効果的に融着・固定できない一方で、３００℃以上である場合は、既存の電極組立体１２０の変形が誘発され得る。前記ヒーティング部は、各シーリングツール３１０、３２０、３３０、３４０の内部に内蔵されるヒーティングコイルで構成されてもよく、前記各シーリングツールをシーリング工程に必要な温度までヒーティングできるものであれば特に限定されない。

図２乃至図６を参照して、電極組立体１２０の外面に外形固定枠２００を固定させる過程を説明する。

電極組立体１２０を外形固定枠２００で覆う作業をした後、シーリング装置３００を用いて互いに重ね、又は互いに対面して密着する外形固定枠２００を圧着して熱融着・結合させる。前記のような作業を通じて、前記電極組立体１２０が外形固定枠２００によって固定された電池セル１１００が完成する。

本願発明の図面には示していないが、本願発明において、分離膜及び／又は分離膜シートは、第１電極及び第２電極より長い長さで突出している。前記分離膜及び／又は分離膜シートの突出した部分は、外形固定枠２００によって同一の方向に折り曲げられて固定され得る。したがって、電極組立体１２０を構成する単位セルと分離膜及び／又は分離膜シートを安定的に固定させるのに有利になる。

図７は、本願発明の第２実施例に係る外形固定枠の模式図である。本願発明の第２実施例に係る外形固定枠１２００の一部分の位置において、隣接する第１パターン１２１０の間の間隔及び隣接する第２パターン１２２０の間の間隔が広く形成されることを除いては、図２乃至図６を参照しながら説明した第１実施例と同一であるので、以下では、第１パターン１２１０及び第２パターン１２２０の構成についてのみ説明する。

第２実施例において、前記電極組立体の第５面及び第６面に対面する位置に形成される外形固定枠１２００の隣接した第１パターン１２１０の間の間隔及び隣接した第２パターン１２２０の間の間隔は、前記電極組立体の第１面乃至第４面に対面する位置に形成される外形固定枠１２００の第１パターン１２１０の間の間隔及び隣接した第２パターン１２２０の間の間隔より広く形成され得る。

第２実施例に係る外形固定枠の第１パターン１２１０及び第２パターン１２２０はライン状であって、第１実施例と同一である。ここで、前記電極組立体の第５面及び第６面に対面する位置に形成される外形固定枠１２００の第１パターン１２１０及び／又は第２パターン１２２０は、前記電極組立体の第１面乃至第４面に対面して位置する外形固定枠１２００の第１パターン１２１０及び／又は第２パターン１２２０より厚く形成され、又は前記電極組立体の第１面乃至第４面に対面して位置する第１パターン１２１０又は第２パターン１２２０を二つの層で結合して形成され得る。これにより、前記電極組立体の第５面及び第６面を安定的に支持及び固定するのに有利になる。

第１面乃至第４面に対面して位置する第１パターン１２１０の間の間隔及び第２パターン１２２０の間の間隔は第１実施例と同一にすることによって、前記電極組立体を構成する単位セル及び分離膜の移動及び揺れによる変形が容易な電極組立体の第１面乃至第４面を相対的に稠密な外形固定枠で覆いながら前記電極組立体の中間に位置する電極及び／又は分離膜を安定的に固定するのに有利になる。また、前記電極組立体を安定的に固定させながら外形固定枠１２００の生産原料を節減し、経済的な利益を向上させるのに有利になる。

また、第２実施例において、前記電極組立体の第５面及び第６面に対面する位置に形成される外形固定枠１２００の第１パターン１２１０及び第２パターン１２２０が形成されない場合もある。これにより、前記電極組立体を安定的に固定させながら外形固定枠１２００の生産原料を節減し、経済的な利益を向上させるのに有利になる。

以上のような本願発明に係る電極組立体は、リチウム二次電池及び二次電池モジュールに適用され得る。

以上では、本願発明の内容の特定の部分を詳細に記述したが、当業界で通常の知識を有する者にとっては、このような具体的な記述は好ましい実施様態に過ぎなく、これによって本願発明の範囲が限定されることはなく、本願発明の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正が可能であることは当業者にとって明らかであり、このような変形及び修正が添付の特許請求の範囲に属することも当然である。

１０ 従来技術に係る電極組立体
１１ 正極
１２ 分離膜
１３ 負極
１４ 接着テープ
１００、１１００ 電池セル
１２０ 電極組立体
２００、１２００ 外形固定枠
２１０、１２１０ 第１パターン
２２０、１２２０ 第２パターン
３００ シーリング装置
３１０ 上部シーリングツール
３２０ 第１側面シーリングツール
３３０ 第２側面シーリングツール
３４０ 下部シーリングツール

Claims (9)

1. 一つ以上の電極、及び一つ以上の分離膜を含む単位セルを含み、
   前記単位セルを含むスタック型、スタック－フォールディング型及びワインディング型から選ばれる１種以上の電極組立体であって、
   前記電極組立体の外面の一部を覆う格子状の外形固定枠を含み、
   前記一つ以上の電極は、第１電極及び第２電極を含み、
   前記電極組立体は、前記第１電極の第１電極端子と、前記第２電極の第２電極端子とを含み、
   前記第１電極端子と前記第２電極端子は同一の方向に位置し、
   前記電極組立体は直方体状であり、
   前記直方体状の電極組立体は、前記第１電極端子及び前記第２電極端子が位置する第１面と、前記第１面の反対面である第２面と、前記第１面及び前記第２面に両端部が接しており、相対的に小面積部位である第３面及び第４面と、前記第１面及び前記第２面に両端部が接しており、相対的に大面積部位である第５面及び第６面と、を含んでおり、
   前記外形固定枠は、少なくとも前記電極組立体の前記第１面、前記第２面、前記第３面、及び前記第４面にそれぞれ対応する部位に位置する、電極組立体。
2. 前記単位セルはフルセルであり、
   前記フルセルを２個以上含む、請求項１に記載の電極組立体。
3. 前記単位セルはバイセルであり、
   前記バイセルを１個以上含む、請求項１に記載の電極組立体。
4. 前記単位セルはモノ型ハーフセルであり、
   前記モノ型ハーフセルを３個以上含む、請求項１に記載の電極組立体。
5. 前記外形固定枠は、それが位置する部位で前記電極組立体の外面を基準にして８０％乃至１００％の大きさである、請求項１から４のいずれか一項に記載の電極組立体。
6. 前記外形固定枠は熱可塑性樹脂で形成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の電極組立体。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の電極組立体；
   前記電極組立体を収容する電池ケース；及び
   電解液；を含むリチウム二次電池。
8. 請求項７に記載のリチウム二次電池を含む電池モジュール。
9. 一つ以上の電極、及び一つ以上の分離膜を含む単位セルを含み、
   前記単位セルを含むスタック型、スタック－フォールディング型及びワインディング型から選ばれる１種以上の電極組立体であって、
   前記電極組立体の外面の一部を覆う格子状の外形固定枠を含み、
   前記一つ以上の電極は、第１電極及び第２電極を含み、
   前記電極組立体は、前記第１電極の第１電極端子と、前記第２電極の第２電極端子とを含み、
   前記第１電極端子と前記第２電極端子は同一の方向に位置し、
   前記電極組立体は直方体状であり、
   前記直方体状の電極組立体は、前記第１電極端子及び前記第２電極端子が位置する第１面と、前記第１面の反対面である第２面と、前記第１面及び前記第２面に両端部が接しており、相対的に小面積部位である第３面及び第４面と、前記第１面及び前記第２面に両端部が接しており、相対的に大面積部位である第５面及び第６面と、を含んでおり、
   前記外形固定枠は、少なくとも前記電極組立体の前記第１面から前記第６面にそれぞれ対応する部位に位置する、電極組立体。

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