JP5271245B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池、その製造方法及び切断金型に関する。

一般的に、二次電池は正極板と負極板及びこれら二つの電極板の間に介在されたセパレータで構成された電極組立体を電解液と共に外装ケースに収納して形成される。

ところで、高容量二次電池を具現するために、多数の正極タブ及び多数の負極タブを具備する電極組立体が要求される。電極組立体が巻回型に形成された場合は、多数の正極タブ及び多数の負極タブを形成することが難しいので、改善が要求される。

本発明の目的は、多数の正極タブ及び多数の負極タブが形成された電極組立体を具備する二次電池及びその製造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、空間効率が高い二次電池及びその製造方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、電解液含浸が容易な二次電池及びその製造方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、より軽い二次電池及びその製造方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、二次電池の製造方法で用いる切断金型を提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明の一側面によると、正極無地部を有する正極板、負極無地部を有する負極板及び前記二つの極板の間に介在されたセパレータを具備し、巻回されて形成された電極組立体を含み、前記電極組立体の第１端部と第２端部には、前記正極無地部の一部及び前記負極無地部の一部が除去されて形成された正極タブと負極タブがそれぞれ位置することを特徴とする二次電池が提供される。

前記正極無地部の除去部分は両側屈曲部を含み、前記負極無地部の除去部分は両側屈曲部を含んでもよい。

前記二次電池は、前記電極組立体が収容された外装ケースをさらに含んでもよい。この時、前記正極タブまたは負極タブは、Ｖ字、Ｕ字、またはＳ字状に折曲された状態で、前記外装ケースに収容されてもよい。

前記二次電池は、前記正極タブに付着した正極端子と、前記負極タブに付着した負極端子をさらに含んでもよい。この時、前記正極端子の幅は前記正極タブの幅に対応し、前記負極端子の幅は前記負極タブの幅に対応してもよい。

前記正極タブは多数個が重なって構成され、前記負極タブは多数個が重なって構成されてもよい。

本発明の他の側面によると、負極無地部を有する負極板、第１セパレータ、正極無地部を有する正極板及び第２セパレータを順次に積層する積層段階；前記積層された正極板、負極板、二つのセパレータを巻回して平らな形態に形成する巻回段階；前記負極無地部の一部及び前記正極無地部の一部を取り除く除去段階；及び前記巻回された正極板、負極板、二つのセパレータを外装ケースに収納する収納段階を含み、前記負極無地部と正極無地部は、巻回方向に沿って各々両側に位置することを特徴とする二次電池の製造方法が提供される。

前記除去段階で除去される部分は、前記負極無地部の両側屈曲部と、前記正極無地部の両側屈曲部とを含んでもよい。

前記除去段階は、レーザによる切断によって行われてもよい。

前記除去段階は、固定部と前記固定部に対して移動して除去部分を切断する移動部とを具備する金型によって行われてもよい。

前記製造方法は、前記負極無地部と前記正極無地部各々に負極端子と正極端子を付着させる端子付着段階をさらに含んでもよい。

前記端子付着段階で、前記負極無地部の重なった部分が一緒に結合され、前記正極無地部の重なった部分が一緒に結合されてもよい。

前記除去段階で除去される部分は、前記負極無地部から前記負極端子が結合された部分を除いた残りの部分と、前記正極無地部から前記正極端子が結合された部分を除いた残りの部分であってもよい。この時、前記収納段階で、前記正極端子及び負極端子は、前記外装ケース内部で折曲されてもよい。

本発明のまた他の側面によると、正極無地部を有する正極板、負極無地部を有する負極板及び前記二つの極板の間に介在されたセパレータを具備し、巻回されて形成された電極組立体の少なくとも一部分を取り除くための装置であって、前記電極組立体が載置される固定部；及び前記固定部に対して移動する移動部を含む切断金型が提供される。

前記固定部は、前記電極組立体の除去部分を除いた残りの領域に対応して形成された支持台を具備し、前記移動部には、前記固定部に対応する形状の収容空間が設けられてもよい。

本発明の構成によると、上記の本発明の目的を達成することができる。具体的には、本発明によると、巻回型の電極組立体において上部及び下部にそれぞれ位置する正極無地部及び負極無地部の両側屈曲部分が除去されるので、多数の正極タブ及び多数の負極タブを形成することができる。また、正極無地部及び負極無地部の両側屈曲部分が除去されて、多数の正極タブ及び多数の負極タブが折曲できるので、外装ケースの内部空間効率を高めることができ、除去された分に該当する二次電池の重さを減らすことができる。そして、正極無地部の一部及び負極無地部の一部が除去されるので、無地部に粘着される電解液の量が減少する。

本発明の一実施形態に係る二次電池の斜視図である。 図１の二次電池のＡ−Ａ線断面図である。 図２の電極組立体の斜視図である。 図１に図示した二次電池の製造方法を示す順序図である。 図４に図示された二次電池の製造方法の各段階を説明するための図である。 図４に図示された二次電池の製造方法の各段階を説明するための図である。 図４に図示された二次電池の製造方法の各段階を説明するための図である。 図４に図示された二次電池の製造方法の各段階を説明するための図である。

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。

図１は、本発明の一実施形態に係る二次電池の斜視図であり、図２は、図１の二次電池のＡ−Ａ線断面図である。図３は、図１及び図２の内部に収容された電極組立体の斜視図である。

図１及び図２を参照すると、二次電池１００は、外装ケース１１０と、外装ケース１１０に収容された電極組立体１２０とを具備する。

外装ケース１１０は、パウチ型であり、第１シート１１１と第２シート１１４を具備する。第１シート１１１は、電極組立体１２０を収容する空間１１１ａが設けられた収容部１１２と、第２シート１１４と結合されるフランジ１１３を具備する。収容部１１２には、開口端部１１１ｂが形成される。フランジ１１３は、収容部１１２の開口端部１１１ｂから外方へ延長形成される。第２シート１１４は、平らな形態を有し、収容部１１２の開口端部１１１ｂを覆う。

第１シート１１１と第２シート１１４は、それぞれ一面が熱接着性を有する素材のフィルムからなり、その他の材質のフィルムが複数枚積層されて結合される形態からなる。このような構成によって、第１シート１１１のフランジ１１３と第２シート１１４は、それぞれ熱接着性を有する素材からなる一面が互いに接触した状態で、加熱及び加圧によって密封される。よって、外装ケース１１０のエッジには、フランジ１１３と対応して密封部１１０ｂが形成される。

第１、第２シート１１１、１１４は、ポリオレフィン系樹脂層（ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ ｌａｙｅｒ）、アルミニウム層、ナイロン層の３層構造からなることができる。ポリオレフィン系樹脂層は、熱接着性を有し、密封材の役割を果たす。アルミニウム層は、外装ケース１１０の機械的強度を維持する基材及び水分と酸素のバリア層としての役割を果たす。ナイロン層は、基材及び保護層の役割を果たす。ポリオレフィン系樹脂層としては、ＣＣＰ（Ｃａｓｔｅｄ Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）が主に使用される。

図１乃至図３を参照すると、電極組立体１２０は、平らな形態を有し、正極板１２１と、負極板１２４と、二つの極板１２１、１２４の間に介在された第１、第２セパレータ１２７、１２８とを具備する。電極組立体１２０は、二つの極板１２１、１２４と二つのセパレータ１２７、１２８が積層された状態で巻回されて形成される。電極組立体１２０の巻回構造が露出する第１端部１２０ａ及び第２端部１２０ｂには、それぞれ正極タブ１２２ａと負極タブ１２５ａが位置する。

正極板１２１は、正極集電体１２２と、正極集電体１２２の両面に塗布された正極活物質１２３とを具備する。一般的に、正極集電体１２２は、アルミニウムのような伝導性金属板で形成される。

正極集電体１２２には、正極活物質１２３が形成されない正極無地部が設けられるが、正極無地部の一部が除去されて多数の正極タブ１２２ａとなる。これについては、以後製造方法でさらに詳しく説明する。多数の正極タブ１２２ａは、同じ大きさ及び形状を有し、同じ位置で重なるように形成される。正極タブ１２２ａの幅は、正極端子１３０ａの幅と対応するように形成される。正極タブ１２２ａには、外装ケース１１０の外部に引き出される正極端子１３０ａが超音波溶接、抵抗溶接などのような方法によって融着される。この時、多数の正極タブ１２２ａが一緒に積層された形態で結合される。多数の正極タブ１２２ａと正極端子１３０ａが結合された部分は、外装ケース１１０内で略Ｖ字（またはＵ字）状に曲がって、不必要な空間が最大限形成されないようにする。これとは異なって、Ｓ字状に曲がってもよい。正極端子１３０ａは、外装ケース１１０の密封部１１０ｂを介して外部に引き出されるが、正極端子１３０ａには、密封部１１０ｂと接触する絶縁テープ１３１ａが巻かれている。

正極活物質１２３は、リチウムを含む層状化合物と、伝導性を向上させる導電材と、層状化合物と導電材の間の結合力を向上させるバインダとを含んで形成される。

負極板１２４は、負極集電体１２５と、負極集電体１２５の両面に塗布された負極活物質１２６とを具備する。一般的に、負極集電体１２５は、銅のような伝導性金属板で形成される。

負極集電体１２５には、負極活物質１２６が形成されない負極無地部が設けられるが、負極無地部の一部が除去されて多数の負極タブ１２５ａとなる。これについては、以後製造方法でさらに詳しく説明する。多数の負極タブ１２５ａは、多数の正極タブ１２２ａの反対側に位置し、多数の正極タブ１２２ａと反対方向に延長される。多数の負極タブ１２５ａは、同じ大きさ及び形状を有し、同じ位置で重なるように形成される。負極タブ１２５ａの幅は、負極端子１３０ｂの幅と対応するように形成される。このような構成を有する多数の負極タブ１２５ａは、負極集電体１２５の無地部の一部を取り除いて形成されるが、これについては、以後製造方法で詳しく説明する。負極タブ１２５ａには、外装ケース１１０の外部に引き出される負極端子１３０ｂが超音波溶接、抵抗溶接などのような方法によって、融着される。この時、多数の負極タブ１２５ａが一緒に積層された形態で結合される。多数の負極タブ１２５ａと負極端子１３０ｂが結合された部分は、外装ケース１１０内で略Ｖ字（またはＵ字）状に曲がって、不必要な空間が最大限形成されないようにする。これとは異なって、Ｓ字状に曲がってもよい。負極端子１３０ｂは、外装ケース１１０の密封部１１０ｂを介して外部に引き出されるが、負極端子１３０ｂには、密封部１１０ｂと接触する絶縁テープ１３１ｂが巻かれている。

負極活物質１２６は、炭素を含む黒鉛のようなカーボンと、カーボン粒子の結合力を向上させるバインダとを含んで形成される。また、負極活物質１２６は、酸化スズ（ＳｎＯ）またはチタン酸リチウム（ＬＴＯ）で形成されることができる。負極活物質として黒鉛が使用される場合、対応する正極板が負極板より小さな面積に形成されることができる。また、負極活物質としてＳｎＯまたはＬＴＯが使用される場合は、対応する正極板が負極板より大きな面積に形成されることができる。

第１セパレータ１２７及び第２セパレータ１２８には微細気孔が形成され、該微細気孔を通過して二つの電極板１２１、１２４の間をリチウムイオンが移動する。第１セパレータ１２７及び第２セパレータ１２８は、ポリエチレン（ＰＥ）またはポリプロピレン（ＰＰ）のような高分子樹脂で形成されることができる。

巻回された電極組立体１２０の外周面端部には、電極組立体１２０が解けることを防止する仕上げテープ１２９が付着する。

以下、本発明の一実施形態に係る二次電池の製造方法を詳しく説明する。

図４は、図１に図示された二次電池の製造方法を示す順序図である。図５乃至図８は、図４に図示された製造方法の各段階を説明するための図である。

図４を参照すると、本発明の一実施形態に係る二次電池の製造方法は、積層段階Ｓ１０、巻回段階Ｓ２０、端子付着段階Ｓ３０、除去段階Ｓ４０及び外装ケース収納段階Ｓ５０を含む。

先ず、積層段階Ｓ１０を詳しく説明する。積層段階Ｓ１０では、正極板、負極板、セパレータが積層される。図５は、積層段階Ｓ１０で積層された正極板、負極板及びセパレータの積層構造を示す斜視図であり、図６は、図５の積層構造のＢ−Ｂ線断面図である。図５及び図６を参照すると、上から順に負極板１２４、第１セパレータ１２７、正極板１２１、第２セパレータ１２８が積層され、延長軸線Ｘに沿って延長されている。負極板１２４に形成された無地部１２５ｂ及び正極板１２１に形成された無地部１２２ｂは、延長軸線Ｘを中心に互いに反対側に形成されている。第１セパレータ１２７と第２セパレータ１２８は、正極板１２１の正極活物質１２３及び負極板１２４の負極活物質１２６が形成された領域に対応して形成される。よって、正極板１２１の無地部１２２ｂ及び負極板１２４の無地部１２５ｂは、第１、第２セパレータ１２７、１２８の領域外部に延長されている。

次に、巻回段階Ｓ２０を詳しく説明する。巻回段階Ｓ２０は、図５に示す積層構造を巻回する段階である。図５に図示された状態で、積層された正極板１２１、負極板１２４及び第１、第２セパレータ１２７、１２８は、矢印で示すように、延長軸線Ｘに沿って平らな形態になるように巻回される。巻回段階２０を経た状態が図７に示されている。図７を参照すると、巻回された正極板１２１の無地部１２２ｂ及び巻回された負極板１２４の無地部１２５ｂが、巻回中心線Ｙに沿って延長軸線Ｘを中心に互いに反対側に形成される。巻回された正極板１２１、負極板１２４及び第１、第２セパレータ１２７、１２８の外周面端部には、解けることを防止する仕上げテープ１２９が付着する。

次に、端子付着段階Ｓ３０を詳しく説明する。端子付着段階Ｓ３０は、正極端子及び負極端子を形成する段階である。図７に図示された状態で、正極端子１３０ａと負極端子１３０ｂがそれぞれ正極無地部１２２ｂの中央部及び負極無地部１２５ｂの中央部に熱融着によって付着して、図８に示すような状態になる。この時、正極端子１３０ａと負極端子１３０ｂが結合される部分で重なった正極無地部１２２ｂと重なった負極無地部１２５ｂが一緒に結合される。図８を参照すると、正極端子１３０ａと負極端子１３０ｂは、互いに反対側に延長される。正極端子１３０ａと負極端子１３０ｂには、それぞれ絶縁テープ１３１ａ、１３１ｂが巻かれている。

次に、除去段階Ｓ４０を詳しく説明する。除去段階Ｓ４０は、正極無地部及び負極無地部の一部を取り除く段階である。図８に図示された電極組立体の状態で、正極無地部１２２ｂ及び負極無地部１２５ｂで点線で示された部分が除去される。除去部分１２２ｃ、１２２ｄ、１２５ｃ、１２５ｄは、正極無地部１２２ｂ及び負極無地部１２５ｂから、正極端子１３０ａと負極端子１３０ｂが結合された部分を除いた残りの部分である。即ち、除去される部分は、正極無地部１２２ｂで屈曲される両側端部１２２ｃ、１２２ｄ及び負極無地部１２５ｂで屈曲される両側端部１２５ｃ、１２５ｄを含む。このように、正極無地部１２２ｂ及び負極無地部１２５ｂの両側端部１２２ｃ、１２２ｄ、１２５ｃ、１２５ｄが除去されるので、正極無地部１２２ｂ及び負極無地部１２５ｂで残った部分が、図２に示すように、容易に折曲されることができる。また、無地部に粘着される電解液の量を減らすことができるので、電解液含浸が容易に行われることができる。そして、除去された無地部の重さの分に該当する二次電池の重さを減少させることができる。除去段階Ｓ４０は、図示されたように、切断金型２００によって行われることができる。

切断金型２００は、固定部２１０と移動部２２０を具備する。固定部２１０は、ベース２１１と、ベース２１１から突出形成された支持台２１２とを具備する。支持台２１２には、図８に示す状態の電極組立体が載置される。支持台２１２は、図８に示す状態の電極組立体から除去部分１２２ｃ、１２２ｄ、１２５ｃ、１２５ｄを除いた残りの部分に対応する形状を有する。詳しく図示されていないが、移動部２２０には、支持台２１２に対応する形状の収容空間が設けられる。移動部２２０が固定部２１０に対して移動することで、図８に示す状態の電極組立体から除去部分１２２ｃ、１２２ｄ、１２５ｃ、１２５ｄを取り除くことができる。除去段階Ｓ４０は、レーザを用いて行われることもできる。除去段階Ｓ４０を経て、図３に図示されたような電極組立体１２０が完成される。正極無地部１２２ｂ及び負極無地部１２５ｂから除去されずに残った部分は、それぞれ正極端子１３０ａ及び負極端子１３０ｂが結合される正極タブ１２２ａ及び負極タブ１２５ａとなる。

次に、外装ケース収納段階Ｓ５０を詳しく説明する。外装ケース収納段階Ｓ５０は、電極組立体を外装ケースに収納する段階である。図３に図示された構成の電極組立体１２０が、図２に図示されたような外装ケース１１０の第１シート１１１の収容部１１２に収納される。次に、第２シート１１４が第１シート１１１のフランジ１１３に熱融着されることで、第１シート１１１と第２シート１１４が密封される。この時、正極タブ１２２ａ及び負極タブ１２５ａはＶ字状に折曲される。また、正極端子１３０ａを包む絶縁テープ１３１ａと負極端子１３０ｂを包む絶縁テープ１３１ｂが、外装ケース１１０の密封部１１０ｂに位置するようになる。

以上、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。

１００ 二次電池
１１０ 外装ケース
１２０ 電極組立体
１２１ 正極板
１２２ａ 正極タブ
１２２ｂ 正極無地部
１２４ 負極板
１２５ａ 負極タブ
１２５ｂ 負極無地部
１２７ 第１セパレータ
１２８ 第２セパレータ

Claims (7)

1. 正極無地部を有する正極板、負極無地部を有する負極板及び前記二つの極板の間に介在されたセパレータを具備し、巻回されて形成された電極組立体と、
   前記電極組立体が収容された外装ケースと、
   を含み、
   前記電極組立体の第１端部と第２端部には、前記正極無地部の両側屈曲部を含む一部及び前記負極無地部の両側屈曲部を含む一部が除去されて形成された正極タブと負極タブがそれぞれ位置し、
   前記正極タブに付着した正極端子をさらに含み、
   前記正極タブは、前記正極タブと前記正極端子とが付着した部分が折曲された状態で前記外装ケースに収容されることを特徴とする二次電池。
2. 前記正極タブは、Ｖ字、Ｕ字、またはＳ字状に折曲されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記正極端子の幅が前記正極タブの幅と等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池。
4. 前記負極タブに付着した負極端子をさらに含み、
   前記負極タブは、前記正極タブと前記正極端子とが付着した部分が折曲された状態で前記外装ケースに収容されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次電池。
5. 前記負極タブは、Ｖ字またはＵ字状に折曲されることを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
6. 前記負極端子の幅が前記負極タブの幅と等しいことを特徴とする請求項４または５に記載の二次電池。
7. 前記正極タブは多数個が重なって構成され、前記負極タブは多数個が重なって構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の二次電池。

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