特許 7650088 電極用集電体

(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】2025-03-13

(45)【発行日】2025-03-24

(54)【発明の名称】電極用集電体

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/66 20060101AFI20250314BHJP

   H01M 50/583 20210101ALI20250314BHJP

   H01M 4/70 20060101ALI20250314BHJP

【ＦＩ】

H01M4/66 A

H01M50/583

H01M4/70 A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2022566402

(86)(22)【出願日】2021-11-05

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-08-22

(86)【国際出願番号】 KR2021015962

(87)【国際公開番号】W WO2022108204

(87)【国際公開日】2022-05-27

【審査請求日】2023-01-17

(31)【優先権主張番号】10-2020-0154532

(32)【優先日】2020-11-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】521018683

【氏名又は名称】ユーアンドエス エナジー インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100179316

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 寛奈

(72)【発明者】

【氏名】キム，キョン ジュン

(72)【発明者】

【氏名】チェ，スン ホ

(72)【発明者】

【氏名】ジン，ヨン フン

【審査官】窪田 陸人

(56)【参考文献】

【文献】韓国公開特許第１０－２０２０－００９９３１４（ＫＲ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２３８４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３１９３１２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】韓国公開特許第１９９７－００５１６２０（ＫＲ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／１２１９７２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１９４９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２５０３０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ４／６４－８４

Ｈ０１Ｍ ５０／５０－５０／５９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高分子フィルムと、
前記高分子フィルムの上面又は下面のうち少なくとも一つの表面に設けられる導電材とを含み、
前記導電材は、相対的に厚さの薄い部分と相対的に厚さの厚い部分を含み、
短絡発生時に、前記導電材の厚さの薄い部分は、その全体厚さにわたって厚さ方向に沿って完全に腐食または割れながら短絡電流を遮断することを特徴とする電極用集電体。

【請求項2】

高分子フィルムと、
前記高分子フィルムの上面又は下面のうち少なくとも一つの表面に設けられる導電材とを含み、
前記高分子フィルムは、前記高分子フィルムの表面から陽刻で突出した部分または前記高分子フィルムの表面から陰刻で陥没した部分を含み、陽刻で突出した部分または陰刻で陥没した部分は高分子フィルムの一部として高分子フィルムと一体に形成され、
前記導電材は、相対的に厚さの薄い部分と相対的に厚さの厚い部分とを含み、
前記導電材の厚さの薄い部分は、前記高分子フィルムの表面から陽刻で突出した部分の垂直面または前記高分子フィルムの表面から陰刻に陥没した部分の垂直面に形成され、
短絡発生時、前記導電材のうち厚みが薄い部分は、その全体厚さにわたって厚さ方向に沿って完全に腐食または割れながら短絡電流を遮断することを特徴とする電極用集電体。

【請求項3】

前記導電材は、前記高分子フィルムの面方向に沿って形成された厚さの薄い部分を含む、又は、前記高分子フィルムの面方向と垂直な方向に沿って形成された厚さの薄い部分を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電極用集電体。

【請求項4】

前記高分子フィルムの表面から陽刻で突出した部分は、前記高分子フィルムに形成された段差部または前記高分子フィルムの表面から陰刻で陥没した部分を含むことを特徴とする請求項３に記載の電極用集電体。

【請求項5】

前記導電材のうち前記厚さの薄い部分は、他の部分の厚さに対して７０％以下の厚さで形成されることを特徴とする請求項３に記載の電極用集電体。

【請求項6】

前記導電材のうち前記厚さの薄い部分は、０．４μｍ以下の厚さで形成されることを特徴とする請求項３に記載の電極用集電体。

【請求項7】

前記導電材のうち前記厚さの薄い部分は、前記高分子フィルムに設けられた前記導電材を上から見た時に閉曲線又は閉多角形状で形成されることを特徴とする請求項３に記載の電極用集電体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電極用集電体に関し、さらに詳しくは、高分子フィルムに設けられた導電材金属の一部分が他の部分より薄く形成されることで、短絡時の電池の過熱現象を防止するか短絡電流パスを遮断するなどの電気化学的ヒューズ機能を発揮する電極用集電体に関するものである。

【背景技術】

【0002】

二次電池の需要が急激に増加しており、かかる二次電池のうち高いエネルギー密度と作動電位を表し、自然放電率の低いリチウム二次電池が商用化されている。

【0003】

リチウム金属二次電池は、最初に商用化された二次電池であり、リチウム金属を陰極（負極）として使用する。しかし、リチウム金属二次電池は、リチウム金属陰極（負極）の表面に形成されるリチウム樹枝状によってセルの体積膨張、容量およびエネルギー密度の漸進的な減少、樹枝状の持続成長に伴う短絡発生、サイクル寿命の減少とセル安定性の問題（爆発及び発火）があり、商用化以来わずか何年で生産が中断された。そこで、リチウム金属の代わりに、より安定し、格子や空の空間内にリチウムをイオン状態で安定して貯蔵することができる炭素系陰極（負極）が使用され、前記炭素系陰極（負極）の使用により本格的なリチウム二次電池の商用化および普及が進行された。

【0004】

現在までリチウム二次電池は、炭素系又は非炭素系陰極（負極）素材が主流をなしており、大部分の陰極（負極）材の開発は、炭素系（黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボンなど）と非炭素系（シリコーン、スズ、チタン酸化物など）の素材に集中している。

【0005】

一方、最近では、携帯用電子機器及び情報通信機器が小型化されるにつれて、これらを駆動するための超小型電源システムとしてリチウム二次電池の利用が大きく期待されている。

【0006】

さらに、最近では、柔軟性（Ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ）、低価格、製作容易性などの長所を利用した高分子系電子機器及び素子の開発及び研究が活発に進行されている。従って、小型化された機器に使用するためには、リチウム二次電池のエネルギー密度または性能は維持しつつも、電池の厚さまたは重さを減らす必要がある。

【0007】

また、リチウム二次電池の厚さまたは重さを減らしても、短絡発生時に電流パスを遮断または破壊することでリチウム二次電池の安全性を高める必要がある。

【0008】

特に、２Ａｈ以上のエネルギーを貯蔵できる大容量リチウム二次電池の場合、短絡が発生する場合に短絡電流を減らすか遮断することができる電池安全化技術がさらに必要な実情である。

【0009】

本出願人は、上記のような問題点を解決するために、本発明を提案するようになった。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

ホイルからなる集電体と比較して、厚さまたは重さを減らすことができると同時に、内部短絡または外部短絡の発生時にヒューズのような機能をすることで、温度上昇を防止し電池の安全性を高めることができる電極用集電体を提供する。

【0011】

また、本発明は、大型リチウム二次電池において、短絡発生時に陽極（正極）電極用集電体が反対極集電体と面接触をするため、短絡電流が遮断できないことを防止することができる電極用集電体を提供する。

【0012】

また、本発明は、短絡発生時にアルミニウム導電材が厚さ方向に完全に腐食するか割れないため、短絡電流が遮断できないことを防止することができる電極用集電体を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記のような課題を達成するために、本発明の一実施例に係る電極用集電体は、高分子フィルムと、前記高分子フィルムの上面又は下面のうち少なくとも一つの表面に設けられる導電材とを含み、前記導電材は、相対的に厚さの薄い部分と相対的に厚さの厚い部分を含むことができる。

【0014】

前記導電材は、相対的に厚さの薄い部分を含み、前記厚さの薄い部分で電気化学的ヒューズの機能又は短絡電流の遮断機能を行うことができる。

【0015】

前記導電材は、前記高分子フィルムの面方向に沿って形成された厚さの薄い部分を含むか、前記高分子フィルムの面方向と垂直な方向に沿って形成された厚さの薄い部分を含むことができる。

【0016】

前記導電材の厚さの薄い部分は、前記導電材の表面から陰刻で陥没した部分の水平面、又は表面から陽刻で突出した部分の垂直面に形成されることができる。

【0017】

前記高分子フィルムは、前記高分子フィルムの表面から陰刻で陥没した部分を含むか、前記高分子フィルムの表面から陽刻で突出した部分を含むことができる。

【0018】

前記高分子フィルムの表面から陰刻で陥没した部分の水平面に形成された導電材、又は前記高分子フィルムの表面から陽刻で突出した部分の垂直面に形成された導電材は、他の部分より厚さが薄く形成されることができる。

【0019】

前記高分子フィルムの表面から陽刻で突出した部分は、前記高分子フィルムに形成された段差部を含むか、前記高分子フィルムの表面に付着したポリマーを含むことができる。

【0020】

前記導電材のうち前記厚さの薄い部分は、他の部分の厚さに対して７０％以下の厚さで形成されることができる。

【0021】

前記導電材のうち前記厚さの薄い部分は、０．４μｍ以下の厚さで形成されることができる。

【0022】

前記導電材のうち前記厚さの薄い部分は、前記高分子フィルムに設けられた前記導電材を上から見た時に閉曲線又は閉多角形状で形成されることができる。

【発明の効果】

【0023】

本発明に係る電極用集電体は、金属ホイルの代わりに不導体からなる高分子フィルムを利用し、高分子フィルムの表面に導電材をコーティング又はメッキ層を形成するため、金属ホイルからなる集電体より厚さを減らすことができる。

【0024】

本発明に係る電極用集電体は、短絡発生時に金属ホイルからなる集電体の抵抗より大きい抵抗値を有し、かつ、高分子フィルムの表面に形成された導電材のうち厚さの薄い部分における電気化学的反応により電流の流れが妨害を受けられるため、短絡発生時に短絡電流を低下させることができ、電池の温度が高くなることを防止して、電池の安全性を向上させることができる。

【0025】

本発明に係る電極用集電体は、短絡発生時にアルミニウム導電材のうち厚さが相対的に薄い部分において厚さ全体にわたって導電材が完全に腐食するか割れるため、抵抗が増加して短絡電流を遮断することができる。

【0026】

本発明に係る電極用集電体は、二次電池のエネルギー密度は高めながらも安全性を高めることができ、短絡発生時に大容量二次電池の安全性を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の一実施例に係る電極用集電体を含む電極組立体を示した斜視図である。

【図2】本発明の一実施例に係る電極組立体を示した分解斜視図である。

【図3】本発明の一実施例に係る電極用集電体を示した斜視図である。

【図4】本発明の一実施例に係る電極用集電体にリードタブが連結された様子を示す断面図である。

【図5】本発明の一実施例に係る電極用集電体の平面図である。

【図6】本発明の一実施例に係る電極用集電体の断面図である。

【図7】本発明の他の一実施例に係る電極用集電体の断面図である。

【図8】本発明の他の一実施例に係る電極用集電体の断面図である。

【図9】短絡電流の遮断性能を比較するための比較対象電極用集電体を示した平面図である。

【図10】本発明の他の一実施例に係る電極用集電体を示した平面図である。

【図11】図９及び図１０に係る比較対象電極用集電体を含むリチウム二次電池と本発明の他の一実施例に係る電極用集電体を含むリチウム二次電池に対して外部短絡時に電圧及び温度の変化を比較した試験結果である。

【図12】図９及び図１０に係る比較対象電極用集電体を含むリチウム二次電池と本発明の他の一実施例に係る電極用集電体を含むリチウム二次電池に対して外部短絡時に電圧及び温度の変化を比較した試験結果である。

【図13】図９及び図１０に係る比較対象電極用集電体を含むリチウム二次電池と本発明の他の一実施例に係る電極用集電体を含むリチウム二次電池に対して外部短絡時に電圧及び温度の変化を比較した試験結果である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下では、添付の図面を参照して本発明に係る実施例を詳しく説明する。しかし、本発明が実施例によって制限されるか限定されるものではない。各図面に提示された同一の参照符号は、同一の部材を表す。

【0029】

図１は、本発明の一実施例に係る電極用集電体を含む電極組立体を示した斜視図であり、図２は、本発明の一実施例に係る電極組立体を示した分解斜視図であり、図３は、本発明の一実施例に係る電極用集電体を示した斜視図であり、図４は、本発明の一実施例に係る電極用集電体にリードタブが連結された様子を示す断面図であり、図５及び図６は、本発明の一実施例に係る電極用集電体の平面図及び断面図であり、図７および図８は、本発明の他の一実施例に係る電極用集電体の断面図である。

【0030】

図１及び図２には、本発明に係る電極用集電体１００を含む電極組立体１０が示されている。図１及び図２の場合、本発明に係る電極用集電体１００は陽極（正極）電極用集電体である。電極組立体１０に使用されるために、電極用集電体１００の表面に陽極（正極）活物質１０３が塗布されなければならない。

【0031】

一方、陰極（負極）電極用集電体２００は、陰極（負極）金属ホイル２０１に陰極（負極）活物質２０３が塗布され、長さ方向の一端側に陰極（負極）リードタブ２９０が連結されることができる。

【0032】

陰極（負極）電極用集電体２００と本発明に係る電極用（陽極）集電体１００との間に分離膜３００が配置されることができる。図２に示すように、分離膜３００を挟んで上下にそれぞれ陰極（負極）電極用集電体２００と陽極（正極）電極用集電体１００を順に積むと、図１のような電極組立体１０となる。

【0033】

以下では、説明の便宜のために、陽極（正極）電極用集電体１００を電極用集電体という。

【0034】

図３には、本発明の一実施例に係る電極用集電体１００が示されている。電極用集電体１００は、上述した陰極（負極）電極用集電体２００とは異なり、金属ホイルを使用しない。

【0035】

図３に示すような本発明の一実施例に係る電極用集電体（ＣＵＲＲＥＮＴ ＣＯＬＬＥＣＴＯＲ ＦＯＲ ＥＬＥＣＴＲＯＤＥＳ）１００は、金属ホイルからなる集電体の抵抗より大きい抵抗値を有するため、集電体を流れる電流の限界電流値を調整することができ、高分子フィルムの損傷により電流の流れが妨害を受けられるため、二次電池の内部短絡の発生時に短絡電流を低下させるか発熱を防止することができる。

【0036】

本発明に係る電極用集電体１００を具備したリチウム二次電池（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｂａｔｔｅｒｙ）は、Ｍａｘ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｂａｔｔｅｒｙ（ＭＣＬＢ）の性格又は概念を有することができる。以下では、ＭＣＬＢの実現を可能にする本発明に係る電極用集電体について説明する。

【0037】

本発明の一実施例に係る電極用集電体１００は、陽極（正極）集電体であって、既存電池の陽極（正極）集電体、即ち、金属ホイル（ｍｅｔａｌ ｆｏｉｌ）で形成された陽極（正極）集電体の抵抗より高い抵抗値を有するため、限界電流を調整することができるだけでなく、内部短絡時に電流パスを遮断するか崩壊させることで、短絡電流を低下させるか短絡時に発生する発熱現象を減らして、電池の安全性を高めることができる。

【0038】

本発明の一実施例に係る電極用集電体１００は、金属ホイルを使用せずに、高分子フィルム１０１を基本素材とし、高分子フィルム１０１上に薄い厚さの金属を塗布するかコーティングすることを一特徴とする。

【0039】

図３及び図４を参照すると、本発明の一実施例に係る電極用集電体１００（ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）は、高分子フィルム１０１（ｐｏｌｙｍｅｒ ｆｉｌｍ）と、前記高分子フィルム１０１の上面又は下面のうち少なくとも一つの表面に設けられる導電材１０２とを含むことができる。

【0040】

ここで、前記導電材１０２は、電気化学的ヒューズ（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｆｕｓｅ）の機能をすることができるため、短絡防止機能を有することができる。かかる導電材１０２の電気化学的特性については後述する。

【0041】

一方、高分子フィルム１０１の上面又は下面のうち少なくとも一つの表面に設けられた導電材１０２の上に少なくとも一つの金属片１２０（ｍｅｔａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）が設けられることができる。すなわち、高分子フィルム１０１と金属片１２０との間に導電材１０２が設けられることができる。

【0042】

高分子フィルム１０１は、一定の長さを有するように帯状に設けられることができる。ここで、高分子フィルム１０１は、ポリエチレン（ＰＥ：ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリプロピレン（ＰＰ：ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ：Ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ポリイミド（ＰＩ：Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ：ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）等の不導体材質で設けられることが好ましい。

【0043】

高分子フィルム１０１は、５０μｍ以下の厚さを有するが、１．４μｍ以上、５０μｍ以下の厚さを有することが好ましい。本発明の一実施例に係る電極用集電体１００は、既存の金属ホイル集電体を使用する場合、より電池の厚さまたは重さを減らすことができるが、厚さが１．４μｍ以上、５０μｍ以下の不導体の高分子フィルム１０１を集電体１００の基本構成として使用することで、本発明の一実施例に係る電極用集電体１００を具備したリチウム二次電池の全体的な厚さまたは重さを減らすことができる。

【0044】

一方、リードタブ１９０が付着される面の反対面または高分子フィルム１０１の両面に金属片１２０を位置させ、金属片１２０にリードタブ１９０を溶接して固定するが、高分子フィルム１０１がリードタブ１９０の溶接温度より低い温度で溶けなければリードタブ１９０が結合されることができない。従って、高分子フィルム１０１は、リードタブ１９０を溶接する過程で溶けられる程度の融点を有することが好ましい。

【0045】

図３及び図４を参照すると、高分子フィルム１０１の表面に設けられた導電材１０２と接触するか電気的に連結されるように金属片１２０が設けられることができる。図４に示すように、金属片１２０は、高分子フィルム１０１の両表面に全部設けられるか、またはある一面のみに設けられることができる。

【0046】

金属片１２０は、高分子フィルム１０１上でリードタブ１９０を溶接する位置を確保する役割をすることができる。即ち、金属片１２０は、リードタブ１９０の連結部のような役割をすることができる。

【0047】

金属片１２０は、５μｍ以上の厚さを有するように形成されることが好ましい。

【0048】

上記のように、金属片１２０は、５μｍ以上の厚さを有する金属薄膜又は金属ホイルの形態を有することが好ましいが、必ずしもこのような形態に限定されるものではない。即ち、金属片１２０は、薄膜、ホイル又はメッシュ（ｍｅｓｈ）の形態で設けられることができる。

【0049】

金属片１２０は、アルミニウムホイル（ｆｏｉｌ）またはＳＵＳ ３１６Ｌホイルで設けられることが好ましい。

【0050】

一方、本発明の一実施例に係る電極用集電体１００は、高分子フィルム１０１および／または高分子フィルム１０１の表面に設けられる導電材１０２（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）を含むことができる。この時、導電材１０２が設けられる高分子フィルム１０１の表面は、陰刻の陥没した部分又は陽刻の突出した部分を含むことができる。

【0051】

電極用集電体１００が陽極（正極）電極用集電体である場合に、導電材１０２はアルミニウム（Ａｌ）金属で設けられることができる。導電材１０２は、電極用集電体１００の最も外面を形成する導電層（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ）ともいえる。

【0052】

前記導電材１０２は、電極用集電体１００の限界電流又は最大電流を調節または低くするように形成されることができる。換言すると、導電材１０２は、電極集電体１００の伝導性（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）を制御するために、高分子フィルム１０１の陰刻で陥没した表面又は陽刻で突出した表面にメッキまたはコーティングされるアルミニウム金属であり、高分子フィルム１０１および／または金属片１２０の表面にメッキ又はコーティングされた状態に重点を置く場合は、導電材１０２は導電層ともいえる。以下では、導電材１０２は、導電層を含む概念であることを明らかにする。

【0053】

高分子フィルム１０１の表面にメッキ（コーティング）または設けられる導電材１０２のコーティング量またはコーティングの厚さを調節することで、電極用集電体１００を流れる電流の最大量を制御または低くすることができ、これにより、リチウム二次電池の安全性を高めることができ、短絡時の電池の安全性を確保することができる。

【0054】

換言すると、高分子フィルム１０１の表面に形成された導電材１０２の厚さまたは量によって、電極用集電体１００を流れる限界電流または最大電流が調節されることができる。このように、本発明の一実施例に係る電極用集電体１００の導電材１０２によってリチウム二次電池（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｂａｔｔｅｒｙ）のＭａｘ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｂａｔｔｅｒｙ（ＭＣＬＢ）の性格または概念が実現されることができる。

【0055】

また、物理的な内部短絡または外部短絡の発生時に高分子フィルム１０１が溶けられるため、急激な電流の発生を妨害し得て電池の安全性を向上させることができる。

【0056】

前記導電材１０２は、多様な方式によって高分子フィルム１０１の表面に形成されることができる。例えば、導電材１０２のアルミニウム金属は、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）または蒸発コーティング（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ）によって高分子フィルム１０１の表面に形成されることができる。アルミニウムは酸化し易いため、電解メッキによって高分子フィルム１０１の表面に導電材１０２を形成することは容易ではない。

【0057】

導電材１０２がコーティングされている量（重さ）または厚さによって電極用集電体１００の伝導性を制御するか電池の安全性を確保することができるため、メッキまたはコーティングする時導電材１０２の厚さまたは重さを制御または調節することができる方式を使用する必要がある。

【0058】

導電材１０２は、高分子フィルム１０１のある一面のみに形成されてもよく、両面に全部形成されてもよい。この時、導電材１０２は、最小断面基準０．５μｍ、最大断面基準２．５μｍの厚さで形成されることが好ましい。

【0059】

本発明の一実施例に係る電極用集電体１００は、導電材１０２によって電流の流れが可能であるため、高分子フィルム１０１の表面に導電材１０２がコーティングされた状態がよく維持される必要がある。そのため、高分子フィルム１０１の表面処理をして導電材１０２と高分子フィルム１０１の結着力を高めることが好ましい。

【0060】

導電材１０２と高分子フィルム１０１間の結着力が良くなければ、電解液が注入された状態で導電材１０２が高分子フィルム１０１の表面から分離または離脱し得るため、導電材１０２と高分子フィルム１０１間の結着力を高めることが重要である。

【0061】

高分子フィルム１０１の表面には、導電材１０２との接着力または結着力を高めるための表面処理が形成されることができる。

【0062】

導電材１０２と高分子フィルム１０１の結着力を高めるために、高分子フィルム１０１の表面にコロナ処理をすることが好ましい。

【0063】

一方、本発明の一実施例に係る電極用集電体１００は、外部機器との連結のためのリードタブ１９０を具備することができる。

【0064】

既存の金属ホイル集電体は、金属ホイルに直接リードタブを溶接することができるが、本発明の一実施例に係る電極用集電体１００は、既存の金属ホイルに対応する構成が高分子フィルム１０１であるため、高分子フィルム１０１に直接リードタブを溶接することが不可能である。本発明の一実施例に係る電極用集電体１００は、高分子フィルム１０１の両面またはリードタブ１９０が連結される面の反対側面に金属片１２０を追加で位置させ、金属片１２０にリードタブ１９０を溶接することで、このような問題を解決することができる。

【0065】

本発明の一実施例に係る電極用集電体１００において、リードタブ１９０は、超音波溶接（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗｅｌｄｉｎｇ）、レーザー溶接（ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ）またはスポット溶接（ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ）によって金属片１２０に溶接されることができる。

【0066】

図４に示すように、高分子フィルム１０１の上下両面に設けられた金属片１２０のいずれか一つの金属片１２０にリードタブ１９０が連結されることができる。図示してはいないが、高分子フィルム１０１の一面にリードタブ１９０と連結され、リードタブ１９０と向かい合う高分子フィルム１０１の他面には金属片１２０が設けられることもできる。この時、高分子フィルム１０１と金属片１２０の間、または高分子フィルム１０１とリードタブ１９０の間に導電材１０２が位置することになる。即ち、高分子フィルム１０１の上面および下面に導電材１０２を先に塗布またはコーティングした後に、導電材１０２と電気的に連結されるように金属片１２０が導電材１０２上に位置するか、金属片１２０が導電材１０２と接触するように設けられることができる。

【0067】

高分子フィルム１０１の両面に設けられた金属片１２０のいずれか一つの金属片１２０にリードタブ１９０を溶接する時、高分子フィルム１０１が溶けることで、高分子フィルム１０１の両面に設けられた金属片１２０が互いに連結され、その結果、リードタブ１９０が高分子フィルム１０１の両面に設けられた導電材１０２と同時に電気的に連結されることができる。

【0068】

高分子フィルム１０１の上下両面に金属片１２０と導電材１０２が設けられた状態で、高分子フィルム１０１の上面に設けられた金属片１２０にリードタブ１９０を超音波溶接、レーザー溶接、またはスポット溶接すると、高分子フィルム１０１の一部が溶けることができる。リードタブ１９０を溶接する時に発生する溶接熱が高分子フィルム１０１の融点より高い場合は、溶接過程で高分子フィルム１０１が溶けることができる。

【0069】

このように高分子フィルム１０１が溶けた部分では高分子フィルム１０１が存在しないため、上下の金属片１２０同士で直接接触することができる。この時、金属片１２０も溶接熱によって溶融した状態であるため、上下の金属片１２０同士が接合することになる。従って、高分子フィルム１０１が溶けてなくなった部分において上下の金属片１２０同士が直接溶融結合するため、いずれか一つの金属片１２０に溶接されるリードタブ１９０が上下の金属片１２０だけでなく高分子フィルム１０１の上下面に形成された導電材１０２と電気的に連結されることができる。

【0070】

本発明の一実施例に係る電極用集電体１００は、溶接熱によって高分子フィルム１０１の一部が溶けても金属片１２０が高分子フィルム１０１と連結された状態を維持するため、リードタブ１９０を連結することが可能である。

【0071】

但し、場合によっては、高分子フィルム１０１が溶けなかった状態でもリードタブ１９０を金属片１２０に溶接することができる。

【0072】

一方、本発明の一実施例に係る電極用集電体１００は、二次電池の陽極（正極）として使用される集電体であり、既存の金属ホイルからなる集電体とは異なり、二次電池の安全性を高めることができる。何故なら、高分子フィルム１０１に塗布またはコーティングされた導電材１０２があたかもヒューズのように短絡電流の遮断機能をするためである。

【0073】

一般的に二次電池に内部短絡または外部短絡が発生すると、短絡電流によって二次電池の温度が上がるという発熱現象が生じ、また、発熱のため電池が爆発するなどの危険性がある。一方、陽極（正極）として本発明の一実施例に係る電極用集電体１００を使用する二次電池の場合、内部短絡または外部短絡が発生しても二次電池の温度が上がることを防止し、短絡電流を遮断することで、電池の安全性を確保することができる。

【0074】

高分子フィルム１０１に塗布またはコーティングされた導電材１０２が電流パス（ｐａｔｈ）の機能をするが、短絡発生時に導電材１０２が電解液と反応しながら腐食したように細かく割れると電流パスが遮断されるため、短絡電流がこれ以上流れなくなる。

【0075】

本発明の一実施例に係る陽極（正極）電極用集電体１００を含む二次電池の場合、短絡発生時に電流パスを遮断することができる理由は、高分子フィルム１０１の表面に形成された導電材１０２のうち厚さが相対的に薄い部分が存在し、該厚さの薄い部分で電気化学的反応が発生し抵抗が増加するため、短絡電流のパスを遮断することができる。

【0076】

図５および図６を参照すると、本発明の一実施例に係る電極用集電体１００は、高分子フィルム１０１と、高分子フィルム１０1の上面又は下面のうち少なくとも一つの表面に設けられる導電材１０２とを含み、導電材１０２は、電気化学的ヒューズの機能を有するか短絡電流の遮断機能を有することができる。

【0077】

上述したように、導電材１０２は、相対的に厚さの薄い部分１０２ｂを含み、前記厚さの薄い部分１０２ｂにおいて電気化学的ヒューズの機能又は短絡電流の遮断機能を行うことができる。

【0078】

図５は、高分子フィルム１０１の上面に設けられた導電材１０２を上から見た平面図であり、図６は、図５の切断線Ａ－Ａに沿った断面図である。図５および図６を参照すると、移送方向Ｓに沿って帯状を有する高分子フィルム１０１の上面に設けられた導電材１０２は、厚さが相対的に薄い部分１０２ｂと厚さが相対的に厚い部分１０２ａとを含むことができる。

【0079】

導電材１０２の大部分は相対的に厚さの厚い部分１０２ａであり、残りの部分は相対的に厚さの薄い部分１０２ｂであることができる。図５を参照すると、導電材１０２のうち厚さの薄い部分１０２ｂは、格子状で均一に形成されることができ、厚さの薄い部分１０２ｂは、同じ厚さで形成されることができる。

【0080】

図５および図６の場合とは異なり、導電材１０２の全体にわたって一様に厚さの薄い部分１０２ｂが形成される代わりに、導電材１０２の一部分のみに厚さの薄い部分１０２ｂが形成されることもできる。例えば、導電材１０２のうちリードタブ１９０が連結された部分のみで導電材１０２の厚さが薄く形成されることもできる。

【0081】

図５および図６に示された本発明の一実施例に係る電極用集電体１００を含むリチウム二次電池に内部短絡が発生する場合、導電材１０２の厚さの薄い部分１０２ｂにおいて電気化学的反応が容易に生じ得る。

【0082】

本発明の一実施例に係る電極用集電体１００を使用するリチウム二次電池に短絡が発生すると、アルミニウム金属が導電材１０２として高分子フィルム１０１に塗布またはコーティングされた陽極（正極）電極用集電体１００の電位が陰極（負極）電位近く（即ち、＜０．３ｖｏｌｔ、陰極（負極）Ｌｉ金属）に低くなりながら導電材１０２が電解液と反応すると、導電材１０２があたかも腐食したように割れて短絡電流を遮断することができる。

【0083】

高分子フィルム１０１に塗布またはコーティングされた導電材１０２が電流パス（ｐａｔｈ）の機能をするが、短絡発生時に導電材１０２が電解液と反応して腐食したように細かく割れると電流パスが遮断されるため、短絡電流がこれ以上流れなくなる。

【0084】

本発明の一実施例に係る電極用集電体１００を含むリチウム二次電池に短絡が発生すると、導電材１０２が電解液と反応して導電材１０２の全体厚さにわたって厚さ方向に沿って腐食するか割れるため、短絡電流のパスを遮断することができる。

【0085】

しかし、導電材１０２の厚さの厚い部分１０２ａでは、導電材１０２がその厚さ方向（深さ方向）に沿ってある程度まで割れるものの、抵抗が大きくなく依然として電流が流れられる状態である。従って、導電材１０２の厚さの厚い部分１０２ａでは短絡が発生しても、全体厚さにわたって導電材１０２が厚さ方向に腐食するか割れないため、短絡電流パスが遮断されない。

【0086】

しかし、本発明の一実施例に係る電極用集電体１００の場合は、導電材１０２のうち相対的に厚さの薄い部分１０２ｂが存在し、短絡発生時に導電材１０２の厚さの薄い部分１０２ｂは、その全体厚さにわたって厚さ方向に沿って完全に腐食するか割れやすく、その結果、この部分で抵抗が増加するため短絡電流のパスを遮断することができる。

【0087】

このように、本発明の一実施例に係る電極用集電体１００の導電材１０２は、相対的に厚さの薄い部分１０２ｂで電気化学的ヒューズ機能又は短絡電流の遮断機能を発揮するため、短絡発生時に電池の温度が高くなることを防止し、短絡電流を遮断することで電池の安全性を確保することができる。

【0088】

図５および図６を参照すると、導電材１０２のうち厚さの薄い部分１０２ｂは、高分子フィルム１０１の面方向に沿って形成されている。図６を参照すると、導電材１０２のうち厚さの薄い部分１０２ｂは、高分子フィルム１０１の上面（表面）方向に沿って形成されている。図５および図６に示された場合、導電材１０２は、その表面から陰刻で陥没した部分１０２ｂを含むことができ、この陰刻で陥没した部分１０２ｂの厚さが薄いため、該部分が短絡電流を遮断することができる。

【0089】

ここで、高分子フィルム１０１の表面に導電材１０２の厚さの厚い部分１０２ａを形成した後、導電材１０２を一定の深さほど掻きだすか除去することで、導電材１０２の厚さの薄い部分１０２ｂ を形成することができる。または、導電材１０２の厚さの厚い部分１０２ａにレーザーパターニング（ｌａｓｅｒ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ）をして厚さの薄い部分１０２ｂを形成することもできる。また、高分子フィルム１０１の表面に導電材１０２をコーティングまたは蒸着する時、厚さの厚い部分１０２ａと厚さの薄い部分１０２ｂを一括して形成することもできる。

【0090】

図５に図すような電極用集電体１００の場合、短絡が発生すると、格子状の導電材１０２部分のいずれか一つの格子部分の縁に沿って厚さの薄い部分１０２ｂが完全に腐食するか割れることで、他の格子部分に電流が流れることを効果的に遮断することができる。即ち、短絡発生時に格子部分を電気的に孤立させることで、短絡電流が導電材１０２の全体にわたって流れることを遮断することができる。

【0091】

導電材１０２のうち厚さの薄い部分１０２ｂは、高分子フィルム１０１に設けられた導電材１０２を上から見た時に閉曲線または閉多角形状で形成されることができる。例えば、図５に図示された場合は、厚さの薄い部分１０２ｂが四角形状で形成されている。このように、厚さの薄い部分１０２ｂが閉曲線または閉多角形状で形成されれば、短絡発生時に厚さの薄い部分１０２ｂで囲まれた導電材１０２を流れる電流が他の部分に流れることを遮断することができる。

【0092】

導電材１０２のうち厚さの薄い部分１０２ｂは、他の部分１０２ａの厚さに対して７０％以下の厚さで形成されることができる。図６を参照すると、導電材１０２のうち厚さの薄い部分１０２ｂの厚さをＴ１、厚い部分１０２ａの厚さをＴ２というと、導電材１０２は、Ｔ１／Ｔ２が０．７以下となるように形成されることが好ましい。また、導電材１０２のうち厚さの薄い部分１０２ｂは、０．４μｍ以下の厚さで形成されることが好ましい。

【0093】

導電材１０２のうち厚さの薄い部分は、図５および図６に示すように、陰刻で陥没形成されるだけでなく、導電材１０２の表面から陽刻で突出すように形成されることもできる。

【0094】

図７及び図８には、本発明の他の一実施例に係る電極用集電体の断面図が示されている。図７及び図８に図示された場合、いずれも導電材１０２の表面から陽刻で突出した部分１０２ｄを含む。

【0095】

図７の場合、高分子フィルム１０１が段差部１０１ｂと非段差部１０１ａを含む。段差部１０１ｂは、非段差部１０１ａの表面から突出した部分である。このように、段差部１０１ｂと非段差部１０１ａを含む高分子フィルム１０１の表面に導電材１０２をコーティングまたは蒸着すると、導電材１０２は、非段差部１０１ａと段差部１０１ｂの表面に形成されるだけでなく、段差部１０１ｂの厚さ面にも導電材１０２が形成されることができる。

【0096】

導電材１０２を高分子フィルム１０１の表面にスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）方式でコーティングする場合、導電材１０２は、高分子フィルム１０１の表面と垂直な方向に上側から下側にスパッタリングされる。図７における矢印ＳＰは、導電材１０２のスパッタリング方向を意味する。スパッタリングされた導電材１０２は、高分子フィルム１０１の非段差部１０１ａ及び段差部１０１ｂの表面、段差部１０１ｂの側面（厚さ面）にコーティングされる。この時、段差部１０１ｂの側面にコーティングされた導電材１０２は、非段差部１０１ａの表面側に流れる。従って、非段差部１０１ａの表面に形成された導電材１０２ａ及び段差部１０１ｂの表面に形成された導電材１０２ｄの厚さより、段差部１０１ｂの側面に形成された導電材１０２ｃの厚さは必然的に薄くなる。

【0097】

高分子フィルム１０１の非段差部１０１ａの表面に形成された導電材１０２ａの厚さと段差部１０１ｂの表面に形成された導電材１０２ｄの厚さをＴ４といい、段差部１０１ｂの側面に形成された導電材１０２ｃの厚さをＴ３というと、Ｔ４がＴ３より大きい。

【0098】

一方、図８は、高分子フィルム１０１の形態が図７の場合と異なる。図７の場合は、段差部１０１ｂも高分子フィルム１０１で形成されるが、図８の場合は、段差部１０４が高分子フィルム１０１を形成しないという点で異なる。

【0099】

図８に示された電極用集電体１００の場合は、高分子フィルム１０１の表面に付着したポリマー１０４を含むことができる。ポリマー１０４は、高分子フィルム１０１の表面に付着して段差部を形成し、ポリマー１０４と高分子フィルム１０１との間には付着のための接着剤（図示せず）が位置することができる。ここで、接着体を含むポリマー１０４の厚さＴ５は、図７の段差部１０１ｂの厚さと同一であることが好ましい。

【0100】

図７と同様に、高分子フィルム１０１の表面に形成された導電材１０２ａの厚さ及びポリマー１０４の表面に形成された導電材１０２ｄの厚さよりポリマー１０４の側面（厚さ面）に形成された導電材１０２ｃの厚さが薄くなる。

【0101】

このように、導電材１０２は、高分子フィルム１０１の面方向と垂直な方向に沿って形成された厚さの薄い部分１０２ｃを含むことができる。

【0102】

本発明の他の一実施例に係る電極用集電体１００の場合は、導電材１０２のうち相対的に厚さの薄い部分１０２ｃが存在し、短絡発生時に導電材１０２の厚さの薄い部分１０２ｃは、その全体厚さにわたって厚さ方向に沿って完全に腐食するか割れやすく、その結果、この部分で抵抗が増加するため、短絡電流のパスを遮断することができる。

【0103】

このように、本発明の他の一実施例に係る電極用集電体１００の導電材１０２は、相対的に厚さの薄い部分１０２ｃで電気化学的ヒューズ機能又は短絡電流の遮断機能を発揮するため、短絡発生時に電池の温度が高くなることを防止し短絡電流を遮断することで、電池の安全性を確保することができる。

【0104】

図７及び図８の場合、導電材１０２のうち厚さの薄い部分１０２ｃは、他の部分１０２ａ、１０２ｄの厚さに対して７０％以下の厚さで形成されることができる。図７を参照すると、導電材１０２のうち厚さの薄い部分１０２ｃの厚さをＴ３、厚い部分１０２ａ、１０２ｄの厚さをＴ４というと、導電材１０２は、Ｔ３／Ｔ４が０．７以下になるように形成されることが好ましい。また、導電材１０２のうち厚さの薄い部分１０２ｃは、０．４μｍ以下の厚さで形成されることが好ましい。

【0105】

下記の［表１］は、導電材１０２のうち厚さの薄い部分１０２ｃの厚さによる外部短絡時の温度上昇有無を測定した実験結果である。

【0106】

実験に実際使用された電池は、約３５０～４００ｍＡｈを有するように製作し、陽極（正極）活物質はリチウムコバルトオキシド（ＬＣＯ）、陰極（負極）活物質は黒鉛を使用した。分離膜はＰＥ単層（７μｍ）を適用し、電解液はＥＣ／ＥＭＣ １．１Ｍ ＬｉＰＦ６にＶＳ、ＦＥＣ、ＰＳ、ＳＮが添加された形態を適用した。

【0107】

【表1】

【0108】

［表１］から分かるように、導電材１０２のうち厚さの薄い部分１０２ｃの厚さＴ３が０．４μｍ以下である場合は、外部短絡（～６０ｍＯｈｍ）が発生する場合にもリチウム二次電池の温度上昇がないことが分かる。これは、外部短絡発生時に導電材１０２のうち厚さが相対的に薄い部分１０２ｃで厚さ全体にわたって導電材１０２が完全に腐食するか割れながら抵抗が増加して、短絡電流が遮断されるためである。

【0109】

図７及び図８に示された導電材１０２を上から見ると、段差部１０１ｂまたはポリマー１０４の縁（側面）に形成された導電材１０２ｃは、四角形状をなす。図５および図６と関連して言及したものと同様に、導電材１０２のうち厚さの薄い部分１０２ｃは、高分子フィルム１０１に設けられた導電材１０２を上から見た時に閉曲線または閉多角形状で形成されることができる。

【0110】

図５～図８に示すように、高分子フィルム１０１は、その表面から陰刻で陥没した部分を含むか陽刻で突出した部分を含むことができ、導電材１０２もその表面から陰刻で陥没した部分１０２ｂまたはその表面から陽刻で突出した部分１０２ｃ、１０２ｄを含むことができる。陽刻で突出した部分１０２ｃ、１０２ｄの側面（厚さ面）に形成された導電材１０２ｃは、他の部分より薄い厚さを有することになる。すなわち、高分子フィルム１０１のうち陰刻で陥没した部分の水平面に形成された導電材１０２ｂ、または陽刻で突出した部分の垂直面に形成された導電材１０２ｃは、他の部分より厚さが薄く形成されることができる。

【0111】

一方、高分子フィルム１０１に段差部１０１ｂを形成する代わりに、導電材１０２がコーティングまたは蒸着される高分子フィルム１０１の表面に陰刻のパターンを形成するかスクラッチを作った後、導電材１０２をコーティングするか蒸着することで、厚さの薄い部分１０２ｂを作ることもできる。高分子フィルム１０１の表面に陰刻のパターンを形成するかスクラッチを作ると、その部分が陥没しながら深さ方向の垂直面が存在するようになる。この垂直面に塗布された導電材１０２は、他の部分より厚さが薄くなり、薄い厚さで形成された導電材１０２は、短絡発生時にその厚さ全体にわたって割れるか腐食しながら短絡電流のパスを遮断することができる。

【0112】

上述したように、本発明に係る電極用集電体１００は、高分子フィルム１０１に設けられた導電材１０２に相対的に厚さの薄い部分１０２ｂ、１０２ｃが存在し、短絡発生時に厚さの薄い部分１０２ｂ、１０２ｃが電気化学的ヒューズ機能又は短絡電流の遮断機能を発揮して、短絡電流のパスを遮断することができる。

【0113】

本発明の発明者らは、導電材の厚さによる安全性を確認するために、図９および図１０に示された電極用集電体を含むリチウム二次電池を対象として外部短絡試験などを行い、その結果、本発明に係る電極用集電体１００は、導電材１０２のうち厚さの薄い部分を通じて電池の安全性を確保することができるということを確認することができた。以下では、図９～図１３を参照して外部短絡試験結果について説明する。

【0114】

図９および図１０は、短絡電流の遮断性能を比較するための比較対象電極用集電体と本発明の他の一実施例に係る電極用集電体を示した平面図であり、図１１～図１３は、図９および図１０による比較対象電極用集電体を含むリチウム二次電池と本発明の他の一実施例に係る電極用集電体を含むリチウム二次電池に対して外部短絡時の電圧および温度変化を比較した試験結果である。

【0115】

本発明の発明者らは、電流パス（ｐａｔｈ）を減らす方案として、導電材の面積または電流パスの長さを減らした電極用集電体（図９参照）と、導電材の厚さを減らした電極用集電体（図１０参照）を準備した。

【0116】

図９に示された電極用集電体は、高分子フィルムの両面にリードタブ１９０を置いて溶接してリードタブ１９０と導電材１０２を電気的に連結したものである。高分子フィルムは、ＰＥＴが使用され、その厚さは７μｍであり、導電材１０２としては、アルミニウムが０．６μｍ以下の厚さでコーティングされる。陽極（正極）活物質１０３とリードタブ１９０との間に位置する導電材１０２の一部分１０２ｅを除去して電流パスを減らす。この時、残っている部分の導電材１０２の長さＬ１は５ｍｍ、１０ｍｍとなるようにする。すなわち、電流パスの長さＬ１が５ｍｍ、１０ｍｍである。図９による電極用集電体は、導電材１０２の厚さは減らさず電流パスの長さのみ減らしたものである。

【0117】

図１０に図示された電極用集電体は、図８に示された本発明の他の一実施例に係る電極用集電体１００である。すなわち、高分子フィルム１０１の表面にアルミニウム導電材１０２をコーティングする前に高分子フィルム１０１にポリマー１０４を接着し、その状態で導電材１０２をコーティングした電極用集電体である。ここで、ポリマー１０４としてはＰＥＴが使用され、ポリマー１０４と接着剤（図示せず）の厚さは１２μｍである。ここで、ポリマー１０４の側面には、厚さの薄い導電材１０２ｃが形成されることができる（［表１］の条件２と同一）。

【0118】

図１１及び図１２は、それぞれ図９による電極用集電体において、残っている部分の導電材１０２の長さＬ１、すなわち、電流パスの長さＬ１が５ｍｍおよび１０ｍｍの電極用集電体を含む二次電池の外部短絡試験結果であり、図１３は、図１０による電極用集電体を含む二次電池の外部短絡試験結果である。ここで、試験に使用された二次電池は、厚さ７μｍのＰＥ分離膜を使用し、容量が３５０～４００ｍＡｈのパウチ型二次電池である。

【0119】

図１１及び図１２を参照すると、高分子フィルム１０１に設けられた導電材１０２の厚さは減らさず、電流パスの長さＬ１のみ減らした場合は、短絡発生時に電流が遮断されず電池の温度が急激に上がることが分かる。

【0120】

一方、図１３を参照すると、高分子フィルム１０１に設けられた導電材１０２に厚さの薄い部分１０２ｃがある場合は、短絡発生時に抵抗が大きくなり短絡電流が遮断されるということがわかる。

【0121】

このように、本発明に係る電極用集電体１００を使用する二次電池に短絡が発生すると、導電材１０２のうち厚さの薄い部分１０２ｂ、１０２ｃが厚さ全体にわたって割れるか腐食するため、短絡電流を遮断することができ、その結果、電池の爆発などを防止し電池の安全性を確保することができる。

【0122】

以上のように、本発明の一実施例では、具体的な構成要素などのような特定事項と限定された実施例及び図面によって説明されたが、これは本発明のより全般的な理解を助けるために提供されたものであるだけで、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、本発明が属する分野で通常の知識を有する者であればこのような記載から多様な修正及び変形が可能である。従って、本発明の思想は、説明された実施例に限定されて定められてはならず、後述する請求の範囲だけでなく、この請求の範囲と均等であるか等価的変形のある全てのものは本発明思想の範疇に属するといえる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】