特許 7490920 電極組立体およびこれを含む二次電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-20

(45)【発行日】2024-05-28

(54)【発明の名称】電極組立体およびこれを含む二次電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/04 20060101AFI20240521BHJP

   H01M 4/70 20060101ALI20240521BHJP

   H01M 10/0585 20100101ALI20240521BHJP

   H01M 50/531 20210101ALI20240521BHJP

   H01M 50/533 20210101ALI20240521BHJP

   H01M 4/02 20060101ALI20240521BHJP

   H01M 4/13 20100101ALI20240521BHJP

【ＦＩ】

H01M10/04 Z

H01M4/70 A

H01M10/0585

H01M50/531

H01M50/533

H01M4/02 Z

H01M4/13

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022559384

(86)(22)【出願日】2021-03-09

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-05-22

(86)【国際出願番号】 KR2021002913

(87)【国際公開番号】W WO2021251595

(87)【国際公開日】2021-12-16

【審査請求日】2022-10-06

(31)【優先権主張番号】10-2020-0068992

(32)【優先日】2020-06-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】521065355

【氏名又は名称】エルジー エナジー ソリューション リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】コ、ヨハン

【審査官】佐溝 茂良

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５１－０６５３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－００７１０８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／００－ １０／３９

Ｈ０１Ｍ ４／００－ ４／８４

Ｈ０１Ｍ ５０／００－ ５０／５９８

Ｈ０１Ｇ １１／００－ １１／８６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心側を基準に放射状構造体を形成する複数の単位セルを含み、
水平断面を基準として、前記放射状構造体の外側から前記中心側方向へいくほど前記単位セルの厚さが減少し、
前記単位セルに含まれる集電体の上側角、下側角、外側角および中心側角の少なくとも１つに電極タブが形成され、
前記単位セルは、順次に積層された正極、第１分離膜、負極および第２分離膜を含み、
前記正極は、正極集電体と、前記正極集電体上に形成された正極合剤層とを含み、
前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体上に形成された負極合剤層とを含み、
前記放射状構造体の前記外側から前記中心側方向へいくほど、前記正極合剤層および前記負極合剤層の少なくとも１つの密度が増加する電極組立体。

【請求項2】

前記正極集電体の上側角、外側角および中心側角の少なくとも１つに正極タブが形成される、請求項１に記載の電極組立体。

【請求項3】

前記負極集電体の下側角、外側角および中心側角の少なくとも１つに負極タブが形成される、請求項１または２に記載の電極組立体。

【請求項4】

前記放射状構造体の前記外側から前記中心側方向へいくほど、前記正極合剤層および前記負極合剤層の少なくとも１つの厚さが減少する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電極組立体。

【請求項5】

前記正極集電体、前記正極合剤層、前記第１分離膜、前記負極合剤層、前記負極集電体および前記第２分離膜が順次に積層される、請求項１から４のいずれか一項に記載の電極組立体。

【請求項6】

前記集電体に貫通型ホールが形成された、請求項１から５のいずれか一項に記載の電極組立体。

【請求項7】

前記電極タブに接合される電極リードをさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の電極組立体。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載の電極組立体と、
前記電極組立体を収納する電池ケースと、
前記電極組立体上に位置するキャップ組立体とを含み、
前記電極タブは、直接または電極リードと接合されて、前記キャップ組立体または前記電池ケースと連結される二次電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願との相互参照
本出願は、２０２０年６月８日付の韓国特許出願第１０－２０２０－００６８９９２号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。

【0002】

本発明は、電極組立体およびこれを含む二次電池に関し、より具体的には、放射状構造体を有する電極組立体およびこれを含む二次電池に関する。

【背景技術】

【0003】

近年、ノートパソコン、ビデオカメラ、携帯用電話などのような携帯用電子製品の需要が急激に増大し、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化するにつれ、その駆動電源として用いられる二次電池について多くの研究が行われている。

【0004】

電池ケースに内蔵される前記電極組立体は、正極、分離膜、負極の積層構造からなる充放電可能な発電素子であって、ゼリーロール型、スタック型およびスタック／フォールディング型に分類される。ゼリーロール型は、活物質が塗布された長いシート状の正極と負極との間に分離膜を介在して巻取った形態であり、スタック型は、所定の大きさの多数の正極と負極とを分離膜が介在した状態で順次に積層した形態であり、スタック／フォールディング型は、ゼリーロール型とスタック型との複合構造である。そのうち、ゼリーロール型電極組立体は、製造が容易であり、重量あたりのエネルギー密度が高いというメリットがある。

【0005】

二次電池は、電池ケースの形状に応じて、電極組立体が円筒形金属缶に内蔵されている円筒形電池、電極組立体が角形の金属缶に内蔵されている角型電池、および電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに内蔵されているパウチ型電池に分類される。そのうち、円筒形電池は、相対的に容量が大きく、構造的に安定しているというメリットを有する。

【0006】

一方、二次電池には、例えば、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがある。これらのうち、リチウム二次電池は、ニッケル系の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらず充放電が自由であり、自己放電率が非常に低くて作動電圧が高く、単位重量あたりのエネルギー密度が高いというメリットのため、先端電子機器分野で幅広く用いられている。

【0007】

図１は、従来のゼリーロール電極組立体が巻取られる前の様子を示す分解斜視図である。

【0008】

図１を参照すれば、二次電池に挿入される従来のゼリーロール電極組立体１０は、正極シート２０と、負極シート３０と、正極シート２０と負極シート３０との間に介在した分離膜４０とを含む。同時に、ゼリーロール形態に巻取られた時、正極シート２０と負極シート３０とが互いに接するのを防止するために、負極シート３０の下に分離膜４０が追加配置されることが好ましい。

【0009】

正極シート２０は、正極集電体に正極活物質が塗布されて形成された正極合剤層２２と、正極活物質が塗布されず前記正極集電体が露出する部分である正極無地部２３とを含むことができる。このような正極無地部２３に正極タブ２１が溶接などの方法によって接合される。

【0010】

同様に、負極シート３０は、負極集電体に負極活物質が塗布されて形成された負極合剤層３２と、負極活物質が塗布されず前記負極集電体が露出する部分である負極無地部３３とを含むことができる。このような負極無地部３３に負極タブ３１が溶接などの方法によって接合される。

【0011】

この時、ゼリーロール形態に巻取るために、正極シート２０と負極シート３０は、長方形シートの形態を有することが普通であるが、長方形シートの形態であるので、正極タブ２１や負極タブ３１から前記正極集電体や前記負極集電体を介して電子の移動する距離が長くなる。このように電子の移動する距離が長くなる場合、電子伝達抵抗が非常に大きくなる問題を有し、特に、高電流作動条件で、このような問題はさらに深刻になりうる。

【0012】

一方、リチウム二次電池の場合、一般に電解液中のリチウムイオンは、特定の濃度範囲で高いイオン伝導度を示し、これより濃度が薄かったり濃ければイオン伝導度が減少する。リチウム二次電池内部の電解液の濃度あるいはリチウムイオンの濃度は一定でなく、電池の作動条件により正極と負極近傍のリチウムイオンの濃度は互いに反対方向に挙動する。

【0013】

したがって、このような問題点を解消するために、新たな形態の二次電池に対する技術が必要であるのが現状である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

本発明が解決しようとする課題は、伝達抵抗を低減し、構造的安定性を有する新たな形態の電極組立体およびこれを含む二次電池を提供することである。

【0015】

しかし、本発明の実施例が解決しようとする課題は、上述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張可能である。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明の一実施例による電極組立体は、中心側を基準に放射状構造体を形成する複数の単位セルを含み、水平断面を基準として、前記放射状構造体の外側から前記中心側方向へいくほど前記単位セルの厚さが減少し、前記単位セルに含まれる集電体の上側角、下側角、外側角および中心側角の少なくとも１つに電極タブが形成される。

【0017】

前記単位セルは、順次に積層された正極、第１分離膜、負極および第２分離膜を含むことができる。

【0018】

前記正極は、正極集電体と、前記正極集電体上に形成された正極合剤層とを含むことができ、前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体上に形成された負極合剤層とを含むことができる。

【0019】

前記正極集電体の上側角、外側角および中心側角の少なくとも１つに正極タブが形成される。

【0020】

前記負極集電体の下側角、外側角および中心側角の少なくとも１つに負極タブが形成される。

【0021】

前記放射状構造体の前記外側から前記中心側方向へいくほど、前記正極合剤層および前記負極合剤層の少なくとも１つの厚さが減少できる。

【0022】

前記放射状構造体の前記外側から前記中心側方向へいくほど、前記正極合剤層および前記負極合剤層の少なくとも１つの密度が増加できる。

【0023】

前記正極集電体、前記正極合剤層、前記第１分離膜、前記負極合剤層、前記負極集電体および前記第２分離膜が順次に積層される。

【0024】

前記集電体に貫通型ホールが形成される。

【0025】

前記電極組立体は、前記電極タブに接合される電極リードをさらに含むことができる。

【0026】

本発明の一実施例による二次電池は、前記電極組立体と、前記電極組立体を収納する電池ケースと、前記電極組立体上に位置するキャップ組立体とを含み、前記電極タブは、直接または電極リードと接合されて、前記キャップ組立体または前記電池ケースと連結される。

【発明の効果】

【0027】

本発明の実施例は、放射状構造体を形成する複数の単位セル構造を提示して伝達抵抗を低減することができ、貫通型ホールが形成された集電体を適用して二次電池内の電解液の濃度変化幅を減少させて二次電池の性能向上を図ることができる。

【0028】

また、集電体の一側角に形成された電極タブ構造により組立体の構造的安定性を向上させることができ、重量増加を最小化することができる。

【0029】

本発明の効果は以上に言及した効果に制限されず、言及されていないさらに他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】従来のゼリーロール電極組立体が巻取られる前の様子を示す分解斜視図である。

【図2】本発明の一実施例による電極組立体を示す斜視図である。

【図3】図２の切断線Ａ－Ａ'に沿った断面の一部を示す部分断面図である。

【図4】図２の切断線Ｂ－Ｂ'に沿った断面の一部を示す部分断面図である。

【図5】図５（ａ）～図５（ｃ）は、本発明の多様な実施例による正極集電体および正極タブを示す図である。

【図6】図６（ａ）～図６（ｃ）は、本発明の多様な実施例による負極集電体および負極タブを示す図である。

【図7】図７（ａ）～図７（ｃ）は、本発明の変形された実施例による正極タブおよび正極リードの接合構造を示す図である。

【図8】図８（ａ）～図８（ｃ）は、本発明の変形された実施例による負極タブおよび負極リードの接合構造を示す図である。

【図9】本発明の一実施例による二次電池に対する分解斜視図である。

【図10】本発明の一実施例による二次電池の充電と放電時の電圧変化を比較評価した結果を示すグラフである。

【図11】本発明の一実施例による二次電池の充電と放電時の温度変化を比較評価した結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、添付した図面を参照して、本発明の様々な実施例について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。

【0032】

本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付す。

【0033】

また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図示のところに限定されない。図面において様々な層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして、図面において、説明の便宜のために、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。

【0034】

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」あるとする時、これは、他の部分の「直上に」ある場合のみならず、その中間にさらに他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分の「直上に」あるとする時には、中間に他の部分がないことを意味する。さらに、基準となる部分の「上に」あるというのは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の反対方向に向かって「上に」位置することを意味するわけではない。

【0035】

また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。

【0036】

さらに、明細書全体において、「平面上」とする時、これは、対象部分を上から見た時を意味し、「断面上」とする時、これは、対象部分を垂直に切断した断面を横から見た時を意味する。

【0037】

図２は、本発明の一実施例による電極組立体を示す斜視図である。図３は、図２の切断線Ａ－Ａ'に沿った断面の一部を示す部分断面図である。図４は、図２の切断線Ｂ－Ｂ'に沿った断面の一部を示す部分断面図である。より具体的には、切断線Ａ－Ａ'に沿った図３の断面図は、図２の電極組立体を水平方向に切断した断面に相当し、切断線Ｂ－Ｂ'に沿った図４の断面図は、図２の電極組立体を垂直方向に切断した断面に相当する。

【0038】

図２～図４を参照すれば、本発明の一実施例による電極組立体１００は、中心側を基準に放射状構造体を形成する複数の単位セル１００Ｕを含む。水平断面を基準として、前記放射状構造体の外側から前記中心側方向へいくほど単位セル１００Ｕの厚さが減少し、単位セル１００Ｕに含まれる集電体２１０、３１０の上側角、下側角、外側角および中心側角の少なくとも１つに電極タブ２１１ａ、３１１ａが形成される。ここで、水平断面とは、図２に示されているように、電極組立体１００をｘｙ平面で切断した断面を意味し、先に説明した切断線Ａ－Ａ'に沿った断面に相当する。

【0039】

本実施例による電極組立体１００は、円筒形の形状を有することができ、ここで、中心側とは、水平断面を基準として電極組立体１００の内側中心領域を意味し、外側とは、水平断面を基準として電極組立体１００の外周面の外側領域を意味する。電極組立体１００の中心側には垂直方向（ｚ軸方向）に貫通する中空が形成される。

【0040】

上述のとおり、本実施例による単位セル１００Ｕは、放射状構造体を形成し、水平断面を基準として前記放射状構造体の外側から前記中心側方向へいくほど単位セル１００Ｕの厚さが減少する。このような単位セル１００Ｕが複数構成されて円筒形の電極組立体１００を形成することができる。より具体的には、ｎ個（ｎは５以上の整数）の単位セル１００Ｕが集まって電極組立体１００を形成することができ、このような電極組立体１００の形状は、水平断面を基準として、外周面が円形またはそれに近い形態であるか、ｎ角形であってもよく、または扇形形態であってもよい。言い換えれば、電極組立体１００の水平断面上の形態は単位セル１００Ｕの個数によって決定され、その個数が少なければｎ角形であり、その個数が多くなれば円形をなすことができる。例えば、電極組立体１００の断面形状がｎ角形であるが、ｎが５以上の場合、あるいは１０以上の場合は、円形の範疇に含まれると解釈できる。

【0041】

本実施例による集電体２１０、３１０は、正極集電体２１０および負極集電体３１０を含むことができ、電極タブ２１１ａ、３１１ａは、正極タブ２１１ａおよび負極タブ３１１ａを含むことができる。具体的には、本実施例による単位セル１００Ｕは、順次に積層された正極２００、第１分離膜４００、負極３００、第２分離膜５００を含むことができる。

【0042】

正極２００は、正極集電体２１０と、正極集電体２１０上に形成された正極合剤層２２０とを含むことができる。正極合剤層２２０は、正極集電体２１０上に正極活物質などを塗布して形成される。

【0043】

負極３００は、負極集電体３１０と、負極集電体３１０上に形成された負極合剤層３２０とを含むことができる。負極合剤層３２０は、負極集電体３１０上に負極活物質などを塗布して形成される。

【0044】

図３を参照すれば、前記放射状構造体の前記外側から前記中心側方向へいくほど、正極合剤層２２０および負極合剤層３２０の少なくとも１つの厚さが減少できる。特に、正極合剤層２２０および負極合剤層３２０とも、前記放射状構造体の前記外側から前記中心側方向へいくほど厚さが減少することが好ましい。

【0045】

つまり、本実施例によれば、集電体２１０、３１０にローディングされる合剤層２２０、３２０の厚さを、前記放射状構造体の前記外側から前記中心側方向へいくほど減少するように設計することによって、単位セル１００Ｕに厚さ配向性を付与し、放射状構造体を形成することができる。

【0046】

一方、前記放射状構造体の前記外側から前記中心側方向へいくほど、正極合剤層２２０および負極合剤層３２０の少なくとも１つの密度が増加できる。特に、正極合剤層２２０および負極合剤層３２０とも、前記放射状構造体の前記外側から前記中心側方向へいくほど密度が増加することが好ましい。

【0047】

先に説明したように、本実施例により、集電体２１０、３１０にローディングされる合剤層２２０、３２０の厚さを、前記放射状構造体の前記外側から前記中心側方向へいくほど減少するように設計する場合、単位セル１００Ｕの位置あるいは方向性によって容量不均一が発生しうる。そこで、本実施例では、集電体２１０、３１０にローディングされる合剤層２２０、３２０の密度を、前記放射状構造体の前記外側から前記中心側方向へいくほど増加するように設計することによって、単位セル１００Ｕの厚さ配向性による容量不均一を補償することができる。例えば、集電体２１０、３１０にローディングされた合剤層２２０、３２０の厚さの薄い領域は、合剤層２２０、３２０の密度を高く設定することができる。このような合剤層２２０、３２０の密度配向性は、集電体２１０、３１０上に合剤層２２０、３２０を均一にローディングした状態でローラを用いて圧力を加える時、一方向に加圧あるいは減圧することによって実現可能である。

【0048】

一方、単位セル１００Ｕにおいて、正極集電体２１０、正極合剤層２２０、第１分離膜４００、負極合剤層３２０、負極集電体３１０および第２分離膜５００が順次に積層される。これによって、単位セル１００Ｕが複数集まって電極組立体１００を形成する時、いずれか１つの単位セル１００Ｕの第２分離膜５００が、隣接した他の単位セル１００Ｕの正極集電体２１０と対面することができる。つまり、本実施例による電極組立体１００において、第１分離膜４００は、正極合剤層２２０と負極合剤層３２０との間に位置することができ、第２分離膜５００は、正極集電体２１０と負極集電体３１０との間に位置することができる。

【0049】

先に説明したように、単位セル１００Ｕに含まれる集電体２１０、３１０の上側角、下側角、外側角および中心側角の少なくとも１つに電極タブが形成されるが、以下、図５の（ａ）～（ｃ）および図６の（ａ）～（ｃ）を参照して、正極タブと負極タブとを分けて説明する。

【0050】

図５の（ａ）～（ｃ）は、本発明の多様な実施例による正極集電体および正極タブを示す図であり、図６の（ａ）～（ｃ）は、本発明の多様な実施例による負極集電体および負極タブを示す図である。

【0051】

まず、図５の（ａ）～（ｃ）を参照すれば、正極集電体２１０の上側角、外側角および中心側角の少なくとも１つに正極タブ２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃが形成される。具体的には、図５の（ａ）は、正極集電体２１０の上側角に形成された正極タブ２１１ａを示し、図５の（ｂ）は、正極集電体２１０の外側角に形成された正極タブ２１１ｂを示し、図５の（ｃ）は、正極集電体２１０の中心側角に形成された正極タブ２１１ｃを示す。ここで、前記上側角は、図２にてｚ軸方向に位置した角であり、前記外側角は、図２にて電極組立体１００の外側に位置した角であり、前記中心側角は、図２にて電極組立体１００の中心側に位置した角である。

【0052】

各正極タブ２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃは、上側に向かって延びた構造であってもよい。上側角に形成された正極タブ２１１ａは、上側方向に一直線に延びた構造であってもよく、外側角や中心側角に形成された正極タブ２１１ｂ、２１１ｃは、上側方向に１回曲がって延びた構造であってもよい。

【0053】

次に、図６の（ａ）～（ｃ）を参照すれば、負極集電体３１０の下側角、外側角および中心側角の少なくとも１つに負極タブ３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃが形成される。具体的には、図６の（ａ）は、負極集電体３１０の下側角に形成された負極タブ３１１ａを示し、図６の（ｂ）は、負極集電体３１０の外側角に形成された負極タブ３１１ｂを示し、図６の（ｃ）は、負極集電体３１０の中心側角に形成された負極タブ３１１ｃを示す。前記下側角は、図２にて－ｚ軸方向に位置した角であり、前記外側角は、図２にて電極組立体１００の外側に位置した角であり、前記中心側角は、図２にて電極組立体１００の中心側に位置した角である。

【0054】

各負極タブ３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃは、下側に向かって延びた構造であってもよい。下側角に形成された負極タブ３１１ａは、下側方向に一直線に延びた構造であってもよく、外側角や中心側角に形成された負極タブ３１１ｂ、３１１ｃは、下側方向に１回曲がって延びた構造であってもよい。

【0055】

一方、正極タブ２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃは、正極集電体２１０と一体に構成される。つまり、板材形状の正極集電体２１０の一部が突出して正極タブ２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃを形成することができる。同様に、負極タブ３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃは、負極集電体３１０と一体に構成される。つまり、板材形状の負極集電体３１０の一部が突出して負極タブ３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃを形成することができる。

【0056】

本実施例による電極組立体１００は、先に説明した正極タブ２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃの１つと負極タブ３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃの１つとが組み合わされて構成される。具体的には、例えば、上側角に形成された正極タブ２１１ａと下側角に形成された負極タブ３１１ａとが組み合わされ、外側角に形成された正極タブ２１１ｂと外側角に形成された負極タブ３１１ｂとが組み合わされ、中心側角に形成された正極タブ２１１ｃと中心側角に形成された負極タブ３１１ｃとが組み合わされる。また、外側角に形成された正極タブ２１１ｂと中心側角に形成された負極タブ３１１ｃとが組み合わされる。各組み合わせに対する特別な制限はなく、多様な組み合わせが可能である。

【0057】

一つの例として、図２に示された電極組立体１００は、正極タブ２１１ａが正極集電体の上側角に形成され、負極タブ３１１ａが負極集電体の下側角に形成された場合に相当する様子である。

【0058】

一方、図示とは異なり、本実施例の一つとして、正極タブが下側角に形成されて下側方向に延び、負極タブが上側角に形成されて上側方向に延びることができる。

【0059】

図１に示された従来のゼリーロール電極組立体１０は、正極シート２０と負極シート３０が巻取のために長方形シートで構成されて、正極集電体や負極集電体を介して電子の移動する距離が長くなり、電子伝達抵抗が大きくなる問題があった。例えば、従来のゼリーロール電極組立体１０の場合、正極または負極の集電体は、厚さが数～数十マイクロメートルであるのに対し、長さは数百ミリメートル～１メートルである。このような集電体に対して電極タブが真ん中に位置する場合、集電体の長さの半分つまり、数百ミリメートルだけ電子が移動しなければならない。

【0060】

これに対し、本実施例による電極組立体１００は、外形的にのみ円筒形構造を形成することが従来のゼリーロール電極組立体１０と類似しているだけで、放射状構造体を形成する複数の単位セル１００Ｕを含み、単位セル１００Ｕごとに、先に説明した正極タブ２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃと負極タブ３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃが形成される。つまり、本実施例による電極組立体１００は、新規な構造を形成することによって、正極集電体２１０や負極集電体３１０を介して電子の移動する距離を縮小することができる。例えば、本実施例による電極組立体の場合、正極または負極の集電体は、厚さが数マイクロメートルであり、長さが６０ミリメートル前後である。従来のゼリーロール電極組立体１０と比較して類似の大きさおよび形状の電極組立体を形成しても、電子の移動する経路をはるかに短縮することができる。したがって、本実施例による電極組立体１００は、従来のゼリーロール電極組立体１０が有する電子伝達抵抗の上昇の問題を解決することができる。

【0061】

図３および図４を再度参照すれば、本発明の一実施例による集電体２１０、３１０に貫通型ホール２１２、３１２が形成され、このような貫通型ホール２１２、３１２は、集電体２１０、３１０の厚さ方向に形成され、複数構成される。具体的には、第１分離膜４００を挟んで正極合剤層２２０と負極合剤層３２０との間のイオン伝達が行われることが普通である。この時、先に説明したように、第２分離膜５００が正極集電体２１０と負極集電体３１０との間に位置するが、正極集電体２１０と負極集電体３１０にそれぞれ貫通型ホール２１２、３１２が形成されるので、貫通型ホール２１２、３１２を介して正極合剤層２２０と負極合剤層３２０が第２分離膜５００と接することができる。したがって、第２分離膜５００を挟んで正極合剤層２２０と負極合剤層３２０との間のイオン伝達が行われる。つまり、第２分離膜５００と複数の貫通型ホール２１２、３１２が形成された多孔性集電体２１０、３１０によって、二次電池の充放電時、イオン伝達が両方向で行われて、二次電池の性能が改善できる。

【0062】

また、貫通型ホール２１２、３１２が形成された集電体２１０、３１０を単位セル１００Ｕに適用することによって、二次電池内の電解液またはリチウムイオンの濃度変化幅を減少させて電池の性能向上を図ることができる。さらに、厚さ方向に貫通型ホール２１２、３１２が形成された集電体２１０、３１０を単位セル１００Ｕに適用することによって、電解液中のリチウムイオンの濃度を一定範囲で均一に維持できる。これによって、二次電池の過電圧要素の中で、電解液に関連する過電圧要因を減少させて電池の性能を高めることができる。

【0063】

一方、本発明の一実施例によれば、貫通型ホール２１２、３１２が形成された面積分率は、１０％～８０％の範囲であってもよい。より具体的には、貫通型ホール２１２、３１２が形成された面積分率は、１０％～８０％、１０％～７０％、１０％～５０％、２０％～９０％、３０％～９０％または３０％～６０％の範囲であってもよい。ここで、貫通型ホール２１２、３１２が形成された面積分率は、集電体２１０、３１０の面積に対する、貫通型ホール２１２、３１２が形成された面積の比率を意味することができる。

【0064】

一方、本発明の一実施例によれば、貫通型ホール２１２、３１２は、１０ｃｍ×１０ｃｍの単位面積あたり１０個～５００個形成される。より具体的には、貫通型ホール２１２、３１２は、前記単位面積あたり１０個～３００個、１０個～２００個、１０個～１００個、１０個～７０個、３０個～５０個、５０個～５００個、１００個～２００個、５０個～３００個、１００個～５００個、３０個～２００個または１０個～２００個形成される。例えば、前記集電体２１０、３１０は、メッシュ形態であってもよい。

【0065】

貫通型ホール２１２、３１２の単位面積あたりの数または面積分率を前記範囲に制御することによって、機械的強度の大きな低下なく集電体の変形の程度を低減し、二次電池内の電解液の濃度またはリチウムイオンの濃度変化幅を低くすることができる。

【0066】

以下、図７および図８を参照して、本発明の変形された実施例として、電極タブと接合された電極リードについて詳しく説明する。

【0067】

図７の（ａ）～（ｃ）は、本発明の変形された実施例による正極タブおよび正極リードの接合構造を示す図であり、図８の（ａ）～（ｃ）は、本発明の変形された実施例による負極タブおよび負極リードの接合構造を示す図である。

【0068】

まず、図７の（ａ）～（ｃ）を参照すれば、正極集電体２１０の上側角、外側角および中心側角の少なくとも１つに正極タブ２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃが形成される。具体的には、図７の（ａ）は、正極集電体２１０の上側角に形成された正極タブ２１１ａを示し、図７の（ｂ）は、正極集電体２１０の外側角に形成された正極タブ２１１ｂを示し、図７の（ｃ）は、正極集電体２１０の中心側角に形成された正極タブ２１１ｃを示す。各正極タブ２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃには正極リード２１３が接合される。また、各正極リード２１３は、上側に向かって延びた構造であってもよい。

【0069】

次に、図８の（ａ）～（ｃ）を参照すれば、負極集電体３１０の下側角、外側角および中心側角の少なくとも１つに負極タブ３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃが形成される。具体的には、図８の（ａ）は、負極集電体３１０の下側角に形成された負極タブ３１１ａを示し、図８の（ｂ）は、負極集電体３１０の外側角に形成された負極タブ３１１ｂを示し、図８の（ｃ）は、負極集電体３１０の中心側角に形成された負極タブ３１１ｃを示す。各負極タブ３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃには負極リード３１３が接合される。また、各負極リード３１３は、下側に向かって延びた構造であってもよい。

【0070】

本実施例による電極組立体は、先に説明した正極タブ２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃおよび正極リード２１３の接合構造の１つと、負極タブ３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃおよび負極リード３１３の接合構造の１つとが組み合わされて構成される。

【0071】

一つの実施例として、上側角に形成された正極タブ２１１ａに接合された正極リード２１３と、下側角に形成された負極タブ３１１ａに接合された負極リード３１３とが組み合わされる。このように構成された電極組立体は、正極リード２１３と負極リード３１３が電極組立体１００の上側と下側にそれぞれ位置するが、製造工程が比較的簡単であるというメリットがある。

【0072】

他の実施例として、外側角に形成された正極タブ２１１ｂに接合された正極リード２１３と、中心側角に形成された負極タブ３１１ｃに接合された負極リード３１３とが組み合わされる。また、中心側角に形成された正極タブ２１１ｃに接合された正極リード２１３と、外側角に形成された負極タブ３１１ｂに接合された負極リード３１３とが組み合わされる。このように構成された電極組立体は、電極リード２１３、３１３が電極組立体を外側と中心側で支えて電極変形に対する構造的安定性を確保できるというメリットがある。

【0073】

さらに他の実施例として、外側角に形成された正極タブ２１１ｂに接合された正極リード２１３と、外側角に形成された負極タブ３１１ｂに接合された負極リード３１３とが組み合わされる。このように構成された電極組立体は、電極リード２１３、３１３が電極組立体を外側で二重に支えて電極変形、特に外側方向への膨張に対する構造的安定性を確保できるというメリットがある。

【0074】

さらに他の例として、中心側角に形成された正極タブ２１１ｃに接合された正極リード２１３と、中心側角に形成された負極タブ３１１ｃに接合された負極リード３１３とが組み合わされる。このように構成された電極組立体は、追加的な重量増加を最小化できるというメリットがある。

【0075】

一方、正極タブ２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃと正極リード２１３との接合や負極タブ３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃと負極リード３１３との接合の方法に特別な制限はなく、一つの例として、溶接接合が行われる。

【0076】

図９は、本発明の一実施例による二次電池に対する分解斜視図である。

【0077】

図９を参照すれば、本発明の一実施例による二次電池は、中心側を基準に放射状構造体を形成する複数の単位セルを含む電極組立体１００と、電極組立体１００を収納する電池ケース６００と、電極組立体１００上に位置するキャップ組立体７００とを含む。

【0078】

電池ケース６００は、電解液が含浸された電極組立体１００を収納する構造物であって、円筒形形状であってもよい。

【0079】

キャップ組立体７００は、上端キャップ７１０と安全ベント７２０とを含むことができる。上端キャップ７１０は、安全ベント７２０上に位置し、安全ベント７２０と相互密着した構造を形成して電気的に連結される。上端キャップ７１０は、中央が上向突出し、正極タブ２１１ａなどを介して電極組立体１００の正極２００と間接的に連結されて、外部回路との接続による正極端子としての機能を果たすことができる。

【0080】

一方、電池ケース６００とキャップ組立体７００との間に密封のためのガスケット８００が位置することができる。具体的には、電池ケース６００とキャップ組立体７００との間にガスケット８００を位置させ、電池ケース６００の端部を曲げることによってクリンピング部を形成することができる。これによって、キャップ組立体７００の装着および二次電池の密封が行われる。

【0081】

本実施例による電極タブ２１１ａ、３１１ａは、直接キャップ組立体７００または電池ケース６００に連結される。具体的には、上側方向に延びた正極タブ２１１ａがキャップ組立体７００と連結されて、キャップ組立体７００の上端キャップ７１０が正極端子として機能することができる。また、下側方向に延びた負極タブ３１１ａが電池ケース６００の底部と連結されて、電池ケース６００の底部が負極端子として機能することができる。この時、電極タブ２１１ａ、３１１ａそれぞれをキャップ組立体７００や電池ケース６００に連結することができ、他の方法として、電極タブ２１１ａ、３１１ａ同士で先に接合した後、これをキャップ組立体７００や電池ケース６００に連結することができる。

【0082】

一方、具体的に示さないが、本発明の変形された実施例として、電極タブが電極リードと接合されてキャップ組立体７００または電池ケース６００に連結される。具体的には、正極タブと接合され上側方向に延びた正極リードがキャップ組立体７００と連結されて、キャップ組立体７００の上端キャップ７１０が正極端子として機能することができる。また、負極タブと接合され下側方向に延びた負極リードが電池ケース６００の底部と連結されて、電池ケース６００の底部が負極端子として機能することができる。この時、前記電極リードそれぞれをキャップ組立体７００や電池ケース６００に連結することができ、他の方法として、前記電極リード同士で先に接合した後、これをキャップ組立体７００や電池ケース６００に連結することができる。

【0083】

一方、図２を再度参照すれば、水平断面を基準として、電極組立体１００の中心側には垂直方向（ｚ軸方向）に貫通する中空が形成されるが、内径と外径との直径比率は、１：１．１～１００の範囲であってもよい。電極組立体１００の内径と外径との直径比率は、それぞれ内径と外径との平均値を基準として算出する。具体的な実施例において、電極組立体１００の内径と外径との直径比率は、１：１．１～１００の範囲、１：１．５～８０の範囲、１：２～５０の範囲、１：１０～１００の範囲または１：３０～１００の範囲であってもよい。

【0084】

一方、単位セル１００Ｕは、水平断面を基準として、内周面を形成する中心側方向の内側端部の厚さ（Ｄｉｎ）と、外周面を形成する外側端部の厚さ（Ｄｏｕｔ）との比率（Ｄｏｕｔ：Ｄｉｎ）が、１：１．５～１０の範囲であってもよい。具体的な実施例において、前記比率（Ｄｏｕｔ：Ｄｉｎ）は、１：１．１～１００の範囲、１：１．５～８０の範囲、１：２～５０の範囲、１：１０～１００の範囲または１：３０～１００の範囲であってもよい。

【0085】

上述のとおり、本実施例による単位セル１００Ｕは、一方向へいくほど厚さが減少する放射状構造体を形成する。これは、既存の角型電池、パウチ型電池または円筒形電池とは差別化される形態である。既存の二次電池は、外部形状の差があるが、各電池を構成する単位セルは、全体的な厚さを均一に製造しかつ、積層形態あるいは巻取形態を異ならせたに過ぎない。これに対し、本実施例による単位セル１００Ｕにおいて、電極２００、３００は、水平断面を基準として、放射状構造体の外側から中心側へいくほど電極と電極との間の間隔が減少する構造である。

【0086】

正極活物質は、リチウム含有酸化物を含むことができる。前記リチウム含有酸化物としては、リチウム含有遷移金属酸化物が使用できる。一つの例において、正極合剤層２２０は、正極活物質のほかに、導電材およびバインダー高分子などを含むことができ、必要に応じて、当業界にて通常使用される正極添加剤をさらに含むことができる。

【0087】

正極集電体２１０は、導電性の高い金属で正極活物質スラリーが容易に接着できる金属でかつ、二次電池の電圧範囲で反応性がないものであれば素材に特別な制限はない。具体的には、正極集電体２１０は、アルミニウム、ニッケルまたはこれらの組み合わせによって製造される箔であってもよい。

【0088】

負極活物質として炭素材が使用される場合、低結晶性炭素および高結晶性炭素などがすべて使用できる。低結晶性炭素としては、軟化炭素（ｓｏｆｔ ｃａｒｂｏｎ）および硬化炭素（ｈａｒｄ ｃａｒｂｏｎ）が代表的である。高結晶性炭素としては、天然黒鉛、キッシュ黒鉛（Ｋｉｓｈ ｇｒａｐｈｉｔｅ）、熱分解炭素（ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｃａｒｂｏｎ）、液晶ピッチ系炭素繊維（ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈ ｂａｓｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）、炭素微小球体（ｍｅｓｏｃａｒｂｏｎ ｍｉｃｒｏｂｅａｄｓ）、液晶ピッチ（Ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈｅｓ）および石油と石炭系コークス（ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｏｒｃｏａｌ ｔａｒ ｐｉｔｃｈｄｅｒｉｖｅｄ ｃｏｋｅｓ）などの高温焼成炭素が代表的である。

【0089】

負極集電体３１０は、銅、金、ニッケルまたは銅合金またはこれらの組み合わせによって製造される箔であってもよい。また、負極集電体３１０は、前記物質からなる基材を積層して使用してもよい。

【0090】

第１分離膜４００および第２分離膜５００は、リチウム二次電池で用いられる多孔性基材であればすべて使用可能であり、例えば、ポリオレフィン系多孔性膜（ｍｅｍｂｒａｎｅ）または不織布を使用することができるが、これに特に限定はない。前記ポリオレフィン系多孔性膜の例としては、高密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレンのようなポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリペンテンなどのポリオレフィン系高分子をそれぞれ単独またはこれらを混合した高分子で形成した膜（ｍｅｍｂｒａｎｅ）が挙げられる。

【0091】

一方、本発明の他の実施例による電極組立体は、全固体電池に適用可能である。具体的に示さないが、正極と負極との間に、分離膜の代わりに、固体電解質層が位置することができる。つまり、第１分離膜および第２分離膜の代わりに、当該位置に固体電解質が満たされた固体電解質層が位置することによって、全固体電池用電極組立体を形成することができる。

【0092】

本発明の一実施例によれば、前記電解液は、非水電解液を含む非水系電解質を使用することができる。前記非水電解液としては、例えば、Ｎ－メチル－２－ピロリジノン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ガンマ－ブチロラクトン、１，２－ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフラン（ｆｒａｎｃ）、２－メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３－ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、ギ酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、１，３－ジメチル－２－イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの非プロトン性有機溶媒が使用できる。しかし、特にこれに限定されるものではなく、通常、リチウム二次電池分野にて使用される多数の電解液成分が適切な範囲内で加減できる。

【0093】

以下、具体的な実施例を通じて本記載による電極組立体について説明する。

【0094】

実施例１
正極活物質としてＮＣＭ（ＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１Ｍｎ_０．１Ｏ_２）１００重量部、導電材としてカーボンブラック（ＦＸ３５、Ｄｅｎｋａ）１．５重量部およびバインダー高分子としてポリビニリデンフルオライド（ＫＦ９７００、Ｋｕｒｅｈａ）２．３重量部を、溶剤のＮＭＰ（Ｎ－ｍｅｔｈｙｌ－２－ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）に添加して、正極合剤層スラリーを製造した。前記正極合剤層スラリーを６４０ｍｇ／２５ｃｍ^２のローディング量で貫通型ホールが形成されたアルミニウム集電体の一面にコーティングした後、真空乾燥して、正極を得た。前記アルミニウム集電体において、貫通型ホールが面積分率約４０％水準に形成され、１０ｃｍ×１０ｃｍの単位面積あたり約５０個形成された構造である。また、前記正極合剤層は、一方向に厚さ約４０％水準まで順次に減少するように加圧した。

【0095】

負極は、負極活物質として人造黒鉛（ＧＴ、Ｚｉｃｈｅｎ（Ｃｈｉｎａ））１００重量部、導電材としてカーボンブラック（Ｓｕｐｅｒ－Ｐ）１．１重量部、スチレン－ブタジエンゴム２．２重量部、カルボキシメチルセルロース０．７重量部を、溶剤の水に添加して負極活物質スラリーを製造した後、貫通型ホールが形成された銅集電体の一面にコーティング、乾燥および圧着して製造した。前記銅集電体において、貫通型ホールが面積分率約４０％水準に形成され、１０ｃｍ×１０ｃｍの単位面積あたり約５０個形成された構造である。また、前記正極合剤層は、一方向に厚さ約４０％水準まで順次に減少するように加圧した。

【0096】

一方、ポリプロピレンを乾式方法を用いて一軸延伸して、融点が１６５℃であり、一側の幅が２００ｍｍである微細多孔性構造の分離膜を製造した。第１分離膜を正極と負極との間に介在し、正極と負極の外側には第２分離膜が位置する構造の単位セルが繰り返されるように集合して電極組立体を製造した。前記電極組立体は、水平断面を基準として、中心側を中心に５０個の単位セルが放射状に集合された構造である。

【0097】

前記電極組立体を円筒形電池ケースに内蔵した後、１Ｍ ＬｉＰＦ６カーボネート系溶液電解液を注入して二次電池を完成した。

【0098】

実施例２
アルミニウムおよび銅集電体をそれぞれメッシュ構造の集電体を用いたことを除けば、実施例１と同様の方法で二次電池を製造した。

【0099】

比較例１
正極および負極集電体にそれぞれ厚さ方向に貫通型ホールを形成せず、正極および負極合剤層の厚さ勾配を形成しなかったことを除けば、実施例１と同様の方法で正極および負極を製造した。

【0100】

実験例１：二次電池の物性評価
実施例１および比較例１で製造した各二次電池について物性を評価した。具体的には、各二次電池に対する充電と放電を行い、充電および放電時の電圧と温度変化をそれぞれ測定した。二次電池に対する充電と放電は２０℃、１Ｃの条件で行った。

【0101】

二次電池の充電と放電時の電圧変化を評価した結果は図１０に示し、二次電池の充電と放電時の温度変化を評価した結果は図１１に示した。

【0102】

まず、図１０を参照すれば、実施例１による二次電池は、比較例１に比べて、放電電圧が高く、充電電圧が低いことが分かる。これによって、実施例１による二次電池は、製品への適用時により高いパワーを提供し、充電時にはより低い充電パワーを要求することが分かる。

【0103】

図１１を参照すれば、実施例１による二次電池は、比較例１に比べて、充放電時の温度が低く、その変化幅が顕著に小さいことが分かる。したがって、実施例１による二次電池は、要求される冷却性能がより低く、よりコンパクトな設計が可能である。

【0104】

したがって、各種モバイル電子機器（ｍｏｂｉｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）、ウェアラブル電子機器（ｗｅａｒａｂｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）などへの適用が可能であり、特に、無線イヤホンやスマートウォッチのような小型機器、特に、二次電池の重量および体積に制約を受けながらも長期間使用を要するデバイスに特に適する。

【0105】

また、出力に優れて電池ベースのモータによって動力を受けて動くパワーツール（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）にも使用可能であり、ドローン（ｄｒｏｎｅ）、電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）、プラグ－インハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ－ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ）などを含む電気車、電気自転車（Ｅ－ｂｉｋｅ）、電気スクーター（Ｅ－ｓｃｏｏｔｅｒ）を含む電気二輪車、電気ゴルフカート（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）など高出力の電気を利用する輸送手段だけでなく、電気貯蔵システムへの適用にも適する。

【0106】

本実施例において、前、後、左、右、上、下のような方向を示す用語が使用されたが、これらの用語は説明の便宜のためのものに過ぎず、対象となる事物の位置や観測者の位置などに応じて異なる。

【0107】

以上、本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の範囲に属する。

【符号の説明】

【0108】

１００：電極組立体
１００Ｕ：単位セル
２００：正極
２１０：正極集電体
２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ：正極タブ
３００：負極
３１０：負極集電体
３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃ：負極タブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】