JP7670423B2 - 電極組立体およびそれを含む二次電池 - Google Patents

電極組立体およびそれを含む二次電池 Download PDF

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Description

本明細書は、電極組立体およびそれを含む二次電池に関する。
本出願は、２０２１年１１月１９日付にて韓国特許庁に提出された韓国特許出願第１０－２０２１－０１６０３５５号の出願日の利益を主張し、その内容のすべては本明細書に含まれる。
近年、高容量、高出力を具現する電池の必要性が高まっている。環境にやさしい政策基調で電気自動車市場が急激に成長し、これにより電池に要求される性能も大幅に増加している。
円筒型二次電池の場合、限られた空間内に大量の電極を入れるために集電体や分離膜の厚さ、缶およびトップキャップなどの大きさや形状を変更して最適化を進めているが、限られた大きさの中で限界水準までに達している。
従来の円筒型の場合、陽極と陰極にそれぞれ１つまたは２つ程度のタップを活用して導電パスとして活用したが、この場合タップから物理的に距離が遠くなるほど抵抗が増加するという欠点があり、抵抗改善に対する制限があった。
これを改善するために電極集電体の上下に電極活物質の未コーティング領域（無地部）を作ってノッチング工程後に重ねてタップとして活用する方法があるが、この場合、図２に示すように、一部の陽極無地部１１０が折れて中に入り込んで陰極１３０に当たってショートする場合が発生するため、これに対する改善策が必要である。
本発明は、電極組立体の電極の無地部の折り畳み方式を変更して、既存の電極無地部の折り畳み方式によるショート発生の可能性を除去することを目的とする。
本明細書の一実施形態は、第１電極、分離膜および第２電極が積層されて巻き取られた電極組立体であって、前記第１電極は、集電体および、前記集電体上に設けられた電極活物質層を含み、前記電極組立体の巻取軸の一端部側に設けられた前記集電体の縁部は、電極活物質層が設けられていない無地部を含み、前記第１電極の無地部は、前記電極組立体の巻取中心から前記電極組立体の外郭方向に１回以上折り曲げられた電極組立体を提供する。
また、本明細書の一実施形態において、前記第１電極の無地部は複数の分節片を含み、前記複数の分節片は、前記電極組立体の巻取中心から前記電極組立体の外郭方向に１回以上折り曲げられてもよい。
なお、本明細書の一実施形態において、前記電極組立体の少なくとも最外郭に存在する第１電極の無地部の分節片は、前記電極組立体の側面に対向するように２回折り曲げられてもよい。
また、本明細書の一実施形態において、前記第１電極の無地部の折り曲げられた部分の少なくとも一部は、隣接した無地部の曲げられた部分の少なくとも一部と接する。
なお、本明細書の一実施形態において、前記第１電極の無地部の最初の屈曲部位から端部までの長さは、１ｍｍ以上であってもよい。
さらに、本明細書の一実施形態において、前記２回折り曲げられた第１電極の無地部の分節片は、前記電極組立体の全体高さの１％以上３０％以下で電極組立体の側面に接してもよい。
また、本明細書の一実施形態において、前記第１電極は陽極であり、前記第２電極は陰極であり、前記第１電極は、前記電極組立体の上面を基準に外部に露出するように形成されてもよい。
なお、本明細書の一実施形態において、前記第１電極は、前記電極組立体の側面と対向する面の反対面に設けられた絶縁テープをさらに含んでもよい。
また、本明細書の一実施形態は、上述の電極組立体、前記電極組立体を収容する電池缶、および前記電池缶の上部と結合されるキャップ組立体を含む二次電池を提供する。
本明細書の一実施形態による電極組立体は、電極の無地部が電極組立体の巻取り中心から前記電極組立体の外郭方向に１回以上折り曲げられることにより、陽極無地部が陰極に当たって内部短絡が発生することを防止することができる。
既存の陽極無地部が電極組立体の外側から電極組立体の巻取り中心に折り曲げる方向を示す模式図である。 陽極無地部が電極組立体の外側から電極組立体の巻取り中心に折り畳まれた場合、陽極無地部が上部荷重によって内側に折れ込んで陰極に当たってショートが発生することを示した模式図である。 本明細書の一実施形態による電極組立体における陽極無地部の折り畳み形態と方向を示した模式図である。 第１電極の無地部が複数の分節片を含むことを概略的に示した図である。
以下、本明細書についてさらに詳細に説明する。
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。これに先立って、本明細書および特許請求の範囲で使用された用語または単語は、通常または辞書の意味に限定して解釈されるべきではなく、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切に定義することができるという原則に基づいて、本発明の技術的思想に符合する意味と概念として解釈されなければならない。
したがって、本明細書に記載の実施形態と図面に示される構成は、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、本出願の時点においてこれらを置き換えることのできる様々な均等物と変形例があり得ることを理解すべきである。
さらに、本発明の理解を助けるために、添付の図面は実際の尺度で示されているのではなく、一部の構成要素の寸法が誇張されて示されることもある。また、異なる実施形態において同一の構成要素については同一の参照番号を付すことができる。
本明細書において、「上」とは、一つの層の上に物理的に接して位置することを意味するのではなく、位置上、上に位置することを意味する。すなわち、いずれかの層上に位置する層は、その間に他の層があってもよい。
本明細書において、ある部分がある構成要素を「含む」と言う場合、これは、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んでもよいことを意味する。
本明細書に係る電極組立体１０は、シート状を有した第１電極および第２電極と、それらの間に介在された分離膜が一方向に巻き取られた構造を有するゼリーロール型の電極組立体である。
本明細書の一実施形態において、電極組立体１０は、第１電極１１０、分離膜１２０および第２電極１３０が積層されて巻き取られた電極組立体であって、前記第１電極１１０は、集電体１１１および、前記集電体１１１上に設けられた電極活物質層１１２を含み、前記電極組立体１０の巻取軸の一端部側に設けられた前記集電体１１１の縁部は、電極活物質層１１２が設けられていない無地部１１３を含み、前記第１電極の無地部１１３は、前記電極組立体１０の巻取り中心から前記電極組立体１０の外郭方向Ｐに１回以上折り曲げられたものである。
本明細書の一実施形態において、前記第１電極の無地部１１３は、前記電極組立体の巻取中心から前記電極組立体の外郭方向Ｐに１回以上３０°～９０°の角度で折り曲げられたものである。
図３に、前記電極組立体の巻取中心から前記電極組立体の外郭方向Ｐを示した。
電極活物質層が形成されていない集電体の領域は無地部（図示せず）であり、陽極または陰極集電体が露出する領域を意味する。
このとき、第１電極の無地部には別途の電極タップが結合されておらず、前記無地部の少なくとも一部はそれ自体で電極タップとして使用されてもよい。
本明細書の一実施形態において、前記第１電極１１０は陽極であり、前記第２電極１３０は陰極であり、前記第１電極１１０は前記電極組立体の上面を基準に外部に露出されるように形成されるものであってもよい。
本明細書の一実施形態において、前記第１電極１１０および第２電極１３０は、集電体１１１および前記集電体１１１上に設けられた電極活物質層１１２を含み、前記電極活物質層１１２は電極活物質を含む。
このとき、前記電極活物質は、当業界で公知の活物質であれば制限なく使用することができる。
一例において、陽極活物質は、作用電圧が高く容量特性に優れたリチウムコバルト酸化物、高い可逆容量を有し大容量の電池具現が容易な、リチウムニッケル酸化物、ニッケルの一部をコバルトに置換したリチウムニッケルコバルト酸化物、ニッケルの一部をマンガン、コバルトまたはアルミニウムで置換したリチウムニッケルコバルト金属酸化物、熱的安定性に優れ、安価なリチウムマンガン系酸化物、安定性に優れたリチウム鉄リン酸化物などを含んでもよい。
陰極活物質は、例えば、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、シリコン、リチウム金属またはリチウム合金などであってもよい。
分離膜１２０は、一定の機械的強度を有したまま陽極と陰極との間に位置し、電極間イオンの移動が円滑になるように多孔性材質でできており、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の基材から形成されてもよい。
本明細書の一実施形態において、前記電極組立体の第１電極の無地部の折り曲げ方法は、折り曲げ装置を用いて圧力を加えて行われるものであってもよい。
具体的には、前記折り曲げ装置を用いて、前記電極組立体の巻き取り方向から前記電極組立体の外郭方向に第１電極の無地部を巻いて折り曲げるものでもよい。前記折り曲げ装置を用いることにより、慣性によって電極組立体の少なくとも最外郭に存在する第１電極の無地部も折り曲げられるものであってもよい。
より具体的には、前記折曲装置を用いて第１電極の無地部を１回折り曲げた後、前記電極組立体の少なくとも最外郭に存在する第１電極の無地部は、絶縁テープをテーピングする工程と共に追加的な折り曲げがなされるか、底部が開けており、天井が遮られている中空の円筒形のホルダーに電極組立体を結合させて追加の折り曲げを誘導し、絶縁テープをテーピングする工程によって形成されてもよい。
図３は、電極組立体における陽極無地部の折り畳み形態と方向を示すために図示した図であり、図３に示された陽極１１０は電極活物質層（図示せず）、絶縁コーティング層（図示せず）、無地部（図示せず）をすべて含む。
図３に示されたように、本明細書の一実施形態による電極組立体は、陽極１１０、分離膜１２０、陰極１３０を含み、前記陽極１１０の無地部が電極組立体の巻き取り中心から前記電極組立体の外郭方向に折り曲げられている形態を有し、特に、電極組立体の最外郭に存在する陽極の無地部は、前記電極組立体の側面に対向するように２回折り曲げられている。
電極集電体の上下に無地部を作ってノッチング工程後に重ねてタップとして活用するが、本明細書の図１に示すように、陽極無地部の折り畳み方向が電極組立体の巻取中心方向である従来方法があるが、この場合、本明細書の図２に示す点線の円形のように、一部の陽極無地部が折れて中に入り込み陰極に触れてショートする場合が発生するという問題があった。
本発明では、図３のように陽極の無地部が電極組立体の巻取中心から前記電極組立体の外郭方向に折り曲がっている形態を有することにより、陽極無地部が陰極に当たって発生する内部短絡を防止する効果を有することができる。
本明細書の一実施形態において、前記第１電極の無地部は複数の分節片１１３を含み、前記複数の分節片１１３は前記電極組立体の巻き取り中心から前記電極組立体の外郭方向Ｐに１回以上折り曲げられたものであってもよい。
本明細書の一実施形態において、前記第１電極の無地部は、ノッチング加工された複数の分節片１１３を含んでもよい。すなわち、前記第１電極の無地部は、歯車の形態で形成されたものであってもよい。図４は、第１電極の無地部１１３が複数の分節片を含むことを概略的に示した図であり、電極活物質層１１２が設けられていない無地部１１３が分断されて歯車状に形成されているのを示した。前記図４は、各分節片が離間して形成されたことを示すための図であり、分節片の形状、長さ、離間距離はこれに限定されない。
本明細書の一実施形態において、前記複数の分節片１１３は、高さ、幅、離間距離が同じでも異なっていてもよい。
本明細書の一実施形態において、前記複数の分節片１１３のそれぞれの長さは４ｍｍから２０ｍｍであってもよい。
前記分節片１１３の長さは、集電体１１１の電極活物質層１１２と無地部１１３の境界から無地部の末端部までの垂直距離を意味する。
前記長さ範囲を満たす場合、分節片の長さが短く、折り曲げ時に電極組立体の内側に入り込んでショートを起こす現象を防止することができる。
本明細書の一実施形態において、前記複数の分節片１１３のそれぞれの長さは４ｍｍから１５ｍｍであってもよい。
本明細書の一実施形態において、前記複数の分節片１１３のそれぞれの長さは６ｍｍから１０ｍｍであってもよい。
本明細書の一実施形態において、前記複数の分節片のいずれか１つの分節片１１３は、隣接する他の分節片との離間距離が１ｍｍから１５０ｍｍであってもよい。
前記離間距離範囲を満たす場合、電極の抵抗を適切に維持しながらも電解液注液時のガス排出が容易であり、電池活性化後の使用時のガストラッピング（ｇａｓ ｔｒａｐｐｉｎｇ）が発生しにくくなる。
本明細書の一実施形態において、前記複数の分節片のいずれか１つの分節片１１３は、隣接する他の分節片との離間距離が１ｍｍ～４８ｍｍであってもよい。
本明細書の一実施形態において、前記複数の分節片のいずれか１つの分節片１１３は、隣接する他の分節片との離間距離が５ｍｍ～３６ｍｍであってもよい。
本明細書の一実施形態において、前記分節片１１３の幅は２ｍｍ～３０ｍｍであってもよい。
前記範囲を満たす場合、溶接および折り曲げを容易にすることができる。
本明細書の一実施形態において、前記電極組立体の少なくとも最外郭に存在する第１電極１１５の無地部の分節片は、前記電極組立体の側面と対向するように２回折り曲げられてもよい。
本明細書の一実施形態において、前記電極組立体の少なくとも最外郭に存在する第１電極１１５の無地部の分節片は、前記図３のように前記電極組立体１０の側面に対向するように２回折り曲げられて、コ字型またはＵ字型を有するものであってもよい。
前記電極組立体の少なくとも最外郭に存在する第１電極１１５の無地部が２回折り曲げられた形態を有することにより、第１電極１１０が陽極として使用される場合、陽極無地部が陰極に当たって発生するショットを防止しながらも構造的な安定性を強化することができる。
本明細書の一実施形態において、前記無地部の折り曲げられた部分の少なくとも一部は、隣接した無地部の折り曲げられた部分の少なくとも一部と接してもよい。
前記隣接は、前記無地部に近い他の無地部との位置関係を意味することができ、物理的に接したものだけを意味するものではない。具体的には、前記無地部と最も近い他の無地部との位置関係を意味してもよい。
前記無地部の折り曲げられた部分の少なくとも一部が隣接した無地部の折り曲げられた部分の少なくとも一部と接する場合、陰極と接触せず、内部短絡を防止することができる。
本明細書の一実施形態において、前記無地部の折り曲げられた部分の少なくとも一部と隣接した無地部の折り曲げられた部分の少なくとも一部と接する面積の幅ａの長さは、前記第１電極の幅ｂの長さより長くてもよい。この場合、構造的な安定性をより強化することができる。
本明細書の一実施形態において、前記無地部の最初の折り曲げ部位から端部までの長さは１ｍｍ以上であってもよい。前記長さを満たす場合、電極同士が当たって発生するショートを防止することができる。
本明細書の一実施形態において、前記無地部の最初の折り曲げ部位から端部までの長さは２ｍｍ以上であってもよい。
本明細書の一実施形態において、前記無地部の最初の折り曲げ部位から端部までの長さは４ｍｍ以上であってもよい。
本明細書の一実施形態において、前記無地部の最初の折り曲げ部位から端部までの長さは５ｍｍ以上であってもよい。
本明細書の一実施形態において、前記無地部の最初の折り曲げ部位から端部までの長さは１０ｍｍ以上であってもよい。
本明細書の一実施形態において、前記２回折り曲げられた無地部は、前記電極組立体の全体高さの１％以上で電極組立体の側面に接してもよい。
本明細書において、前記電極組立体の全体高さとは、前記電極組立体の巻取軸方向の最大長さを意味し、図３におけるｙ方向への長さを意味する。
本明細書の一実施形態において、前記２回折り曲げられた無地部は、前記電極組立体の全体高さの２％以上で電極組立体の側面に接してもよい。
本明細書の一実施形態において、前記２回折り曲げられた無地部は、前記電極組立体の全体高さの３％以上で電極組立体の側面に接してもよい。
本明細書の一実施形態において、前記２回折り曲げられた無地部は、前記電極組立体の全体高さの４％以上で電極組立体の側面に接してもよい。
本明細書の一実施形態において、前記２回折り曲げられた無地部は、前記電極組立体の全体高さの５％以上で電極組立体の側面に接してもよい。
本明細書の一実施形態において、前記２回折り曲げられた無地部は、前記電極組立体の全体高さの３０％以下で電極組立体の側面に接してもよい。
本明細書の一実施形態において、前記２回折り曲げられた無地部は、前記電極組立体の全体高さの２５％以下で電極組立体の側面に接してもよい。
本明細書の一実施形態において、前記２回折り曲げられた無地部は、前記電極組立体の全体高さの２０％以下で電極組立体の側面に接してもよい。
本明細書の一実施形態において、前記２回折り曲げられた無地部は、前記電極組立体の全体高さの１５％以下で電極組立体の側面に接してもよい。
本明細書の一実施形態において、前記２回折り曲げられた無地部は、前記電極組立体の全体高さの１０％以下で電極組立体の側面に接してもよい。
本明細書の一実施形態において、前記２回折り曲げられた無地部において、前記電極組立体の側面に対向する部分の高さは、前記電極組立体の全体高さの１％以上３０％以下であってもよい。
本明細書の一実施形態において、前記第１電極１１０は、前記電極組立体の側面と対向する面の反対面に設けられた絶縁テープ１４０をさらに含んでもよい。前記絶縁テープ１４０が設けられることにより、電極組立体の側面に露出した２回折り曲げられた第１電極の無地部が電池缶と接触してショートが発生するのを防止することができる。図３に、２回折り曲げられた無地部に絶縁テープ１４０が設けられる位置を示したが、絶縁テープを備える位置はこれに限定されない。
本明細書の一実施形態において、前記絶縁テープ１４０は、第１電極の無地部の２回折り曲げられた部位から端部までの領域を取り囲むように設けられるものであってもよい。
本明細書の一実施形態において、前記絶縁テープ１４０は、第１電極の無地部の２回折り曲げられた部位と隣接した分離膜を一緒に取り囲むように設けられるものであってもよい。
前記絶縁テープ１４０の材料は、当業界で公知の絶縁材料であれば制限なく使用することができるが、一例としてポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートまたはゴムを含んでもよい。
本明細書の一実施形態において、前記第１電極１１０および第２電極１３０は、図４に示すように、電極活物質層１１２と無地部１１３との間の境界を覆う絶縁コーティング層１１４をさらに含んでもよい。絶縁コーティング層１１４は、絶縁性のある高分子樹脂を含み、無機物フィラーを選択的にさらに含んでもよい。
前記絶縁コーティング層１１４は、電極活物質層１１２の端部が分離膜を介して対向している反対の極性の活物質層と接触することを防止し、分節片１１３の折り曲げを構造的に支持する役割を果たす。
本明細書の一実施形態において、前記第２電極１３０は、集電体および前記集電体上に設けられた電極活物質層を含み、前記電極組立体の巻取軸の他端部側に設けられた前記集電体の縁部は、電極活物質層が設けられていない無地部を含んでもよい。
本明細書の一実施形態において、前記第２電極１３０は陰極であってもよい。
前記第２電極の電極活物質層に用いられる電極活物質は、上述した陰極活物質と同様である。
本明細書の他の実施形態は、上述の電極組立体、前記電極組立体を収容する電池缶、および前記電池缶の上部と結合されるキャップ組立体を含む二次電池を提供する。
前記電極組立体は、巻き取られたゼリーロールの形態で電池缶に挿入されてもよい。
前記電池缶は、電極組立体を内部に収容するものであり、ステンレススチール（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）、アルミニウム（Ａｌ）などで形成されてもよいが、必ずしもこれに限定されず、内部に電極組立体および電解液を収容し、反応性が小さく、外部の衝撃から保護できる素材で選択されればよい。
前記電池缶は円筒形であってもよく、その大きさは両端部の円形の直径が３０ｍｍ～５５ｍｍ、高さが６０ｍｍ～１２０ｍｍであってもよい。例えば、円筒形電池缶の円形直径×高さは、４０ｍｍ×６０ｍｍ、４０ｍｍ×８０ｍｍ、または４０ｍｍ×９０ｍｍ、４０ｍｍ×１２０ｍｍであってもよい。
前記キャップ組立体は、回路基板および絶縁性ガスケットなどが含まれてもよく、電池缶の上部に結合されて内部を密封する。
本明細書の一実施形態において、前記二次電池は、前記電極組立体上に設けられる上部集電板をさらに含み、この時、前記上部集電板は前記電極組立体と溶接されて結合されてもよい。
本明細書の一実施形態において、前記二次電池の前記集電板は、前記キャップ組立体と結合されてもよい。
本明細書の一実施形態において、前記二次電池は、前記電極組立体の下部に設けられる下部集電板をさらに含み、この時、前記下部集電板は、電池缶と電気的に結合されてもよい。すなわち、前記下部集電板は、前記電極組立体と電池缶との間に設けられるものであってもよい。
本明細書の一実施形態において、前記下部集電板は、前記電極組立体の第２電極の無地部と電気的に結合されるものであってもよい。
本発明の他の実施形態は、上述の実施形態による二次電池を含む電池モジュールおよび電池パックを提供する。
本発明が属する分野において通常の知識を有する者であれば、前記の内容に基づいて本発明の範囲内で種々の応用および変形を行うことが可能である。
１１０：第１電極、陽極
１１１：集電体
１１２：電極活物質層
１１３：無地部、分節片
１１４：絶縁コーティング層
１１５：電極組立体の最外郭に存在する第１電極
１２０：分離膜
１３０：第２電極、陰極
１４０：絶縁テープ
ａ：無地部の折り曲げられた部分の少なくとも一部と隣接した無地部の曲げられた部分の少なくとも一部と接する面積の幅
ｂ：第１電極の幅
Ｐ：電極組立体の巻取中心から前記電極組立体の外郭方向

Claims (6)

  1. 第１電極、分離膜および第２電極が積層されて巻き取られた電極組立体であって、
    前記第１電極は、集電体および前記集電体上に設けられた電極活物質層を含み、前記電極組立体の巻取軸の一端部側に設けられた前記集電体の縁部は、電極活物質層が設けられていない無地部を含み、
    前記第１電極の無地部は、前記電極組立体の巻取中心から前記電極組立体の外郭方向に１回以上折り曲げられたものであり、
    前記第１電極の折り曲げられた部分の少なくとも一部は、隣接した前記無地部の折り曲げられた部分の少なくとも一部と接し、
    前記第１電極の無地部は、複数の分節片を含み、
    前記複数の分節片は、前記電極組立体の巻き取り中心から前記電極組立体の外側方向に１回以上折り曲げられ、
    前記電極組立体の少なくとも最外郭に存在する第１電極の無地部の分節片は、前記電極組立体の側面に対向するように２回折り曲げられ、
    前記電極組立体の側面は、前記分離膜である、
    電極組立体。
  2. 前記第１電極の無地部の最初の折り曲げ部から端部までの長さは１ｍｍ以上である、
    請求項１に記載の電極組立体。
  3. 前記２回折り曲げられた第１電極の無地部の分節片は、前記電極組立体の全体高さの１％以上３０％以下で電極組立体の側面に接する、
    請求項１に記載の電極組立体。
  4. 前記第１電極は陽極であり、前記第２電極は陰極であり、前記第１電極は前記電極組立体の上面を基準にして外部に露出するように形成されている、
    請求項１に記載の電極組立体。
  5. 前記第１電極は、前記電極組立体の側面と対向する面の反対面に設けられた絶縁テープをさらに含む、
    請求項１に記載の電極組立体。
  6. 請求項１に記載の電極組立体；
    前記電極組立体を内部に収容する電池缶；および
    前記電池缶の上部と結合されるキャップ組立体を含む、二次電池。
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