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特表2023-547799電極組立体の製造方法およびその製造装置

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-11-14

(54)【発明の名称】電極組立体の製造方法およびその製造装置

(51)【国際特許分類】

H01M 10/04 20060101AFI20231107BHJP

H01M 10/0587 20100101ALI20231107BHJP

H01M 4/04 20060101ALI20231107BHJP

H01M 4/139 20100101ALI20231107BHJP

H01M 50/538 20210101ALI20231107BHJP

【ＦＩ】

H01M10/04 W

H01M10/0587

H01M4/04 A

H01M4/139

H01M50/538

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023522535

(86)(22)【出願日】2022-09-28

(85)【翻訳文提出日】2023-04-26

(86)【国際出願番号】 KR2022014599

(87)【国際公開番号】W WO2023055094

(87)【国際公開日】2023-04-06

(31)【優先権主張番号】10-2021-0128689

(32)【優先日】2021-09-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【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】ソン、ウンジ

(72)【発明者】

【氏名】パク、キボム

(72)【発明者】

【氏名】ソン、ウイソブ

(72)【発明者】

【氏名】イー、ミンハ

(72)【発明者】

【氏名】リ、ゼンファ

(72)【発明者】

【氏名】リー、ヒョジューン

【テーマコード（参考）】

5H028

5H029

5H043

5H050

【Ｆターム（参考）】

5H028AA05

5H028BB05

5H028BB07

5H028BB19

5H028CC01

5H028CC05

5H028CC08

5H028CC12

5H028HH00

5H028HH05

5H028HH08

5H029AJ14

5H029BJ06

5H029BJ14

5H029CJ02

5H029CJ28

5H029CJ30

5H029HJ00

5H029HJ12

5H029HJ14

5H043AA19

5H043BA11

5H043BA19

5H043CA12

5H043EA06

5H043EA32

5H043LA21E

5H050AA19

5H050BA08

5H050BA17

5H050DA20

5H050FA05

5H050GA02

5H050GA09

5H050GA29

5H050HA04

5H050HA12

(57)【要約】

本発明では、単位セルを分離フィルムで巻き取った電極組立体を製造する方法であって、（ａ）巻き取った後同じ極性の電極タブが互いに上下方向の同じ位置にあるように、前記単位セルを前記分離フィルムの上面に搭載して配列体を製造する過程；（ｂ）前記配列体の巻き取り方向と平行な前記分離フィルムの長手方向に上下部で前記単位セルのタブが形成された一端部およびその他端部と、これに対応する前記分離フィルムを共に熱処理する過程；および（ｃ）前記熱処理された単位セルを前記分離フィルムで巻き取る過程を含む電極組立体の製造方法およびその製造装置が提供される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

単位セルを分離フィルムで巻き取った電極組立体を製造する方法であって、
（ａ）前記単位セルを前記分離フィルムの上面に搭載して配列体を製造する段階；
（ｂ）前記配列体の巻き取り方向と平行な前記分離フィルムの長手方向に上下部で前記単位セルのタブが形成された一端部およびその他端部と、これに対応する前記分離フィルムを熱処理する段階；および
（ｃ）前記熱処理された単位セルを前記分離フィルムで巻き取る段階；
を含む、電極組立体の製造方法。

【請求項2】

前記段階（ａ）は巻き取った後同じ極性の電極タブが互いに上下方向の同じ位置にあるように、前記単位セルを前記分離フィルムの上面に搭載することである、請求項１に記載の電極組立体の製造方法。

【請求項3】

前記段階（ｂ）の熱処理は加熱または熱風で行われる、請求項１に記載の電極組立体の製造方法。

【請求項4】

前記段階（ｂ）の熱処理は５０℃～２００℃で行われる、請求項１に記載の電極組立体の製造方法。

【請求項5】

前記単位セルに含まれる電極は、活物質層の厚さが一定である平坦部および前記平坦部の両端で前記活物質層の厚さが減少する傾斜部を有し、
前記単位セルのタブが形成された一端部およびその他端部は、前記傾斜部に対応する領域を含む、請求項１に記載の電極組立体の製造方法。

【請求項6】

前記段階（ｃ）の巻き取り速度は５ｐｐｍ～３０ｐｐｍである、請求項１に記載の電極組立体の製造方法。

【請求項7】

前記段階（ｂ）の熱処理と前記段階（ｃ）の巻き取りは連続して行われる、請求項１に記載の電極組立体の製造方法。

【請求項8】

前記電極組立体は巻き取られた状態で最外側に位置する電極が内側にのみ活物質層が形成されている片面電極である、請求項１に記載の電極組立体の製造方法。

【請求項9】

前記単位セルはそれぞれバイセル、フルセルまたはモノセルである、請求項１から８のいずれか一項に記載の電極組立体の製造方法。

【請求項10】

単位セルを分離フィルムで巻き取った電極組立体を製造する装置であって、
前記単位セルが前記分離フィルムの上面に搭載された状態の配列体を巻き取る巻取り機、および
前記配列体の巻き取り方向と平行な前記分離フィルムの長手方向に上下部に位置して前記単位セルのタブが形成された一端部およびその他端部と、これに対応する前記分離フィルムを熱処理するヒータを含む、電極組立体製造装置。

【請求項11】

前記ヒータは加熱式または熱風式である、請求項１０に記載の電極組立体製造装置。

【請求項12】

前記ヒータは前記単位セルが前記分離フィルムの上面に搭載される部分の全体に形成されている、請求項１０に記載の電極組立体製造装置。

【請求項13】

前記巻取り機は前記ヒータの一側に位置する、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の電極組立体製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［関連出願との相互引用］
本出願は２０２１年９月２９日付韓国特許出願第１０－２０２１－０１２８６８９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の製造方法およびその製造装置に関する。

【背景技術】

【0003】

化石燃料使用の急激な増加により代替エネルギー、クリーンエネルギーの使用への要求が増加しており、その一環として最も活発に研究されている分野が電気化学を利用した発電、蓄電分野である。

【0004】

現在、このような電気化学的エネルギーを用いる電気化学素子の代表的な例として二次電池が挙げられ、日増しにその使用領域が拡大している傾向にある。

【0005】

最近では携帯用コンピュータ、携帯電話、カメラなどの携帯用機器に対する技術開発と需要の増加によりエネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加しており、そのような二次電池のうち高いエネルギー密度と作動電位を示し、サイクル寿命が長くて自己放電率が低いリチウム二次電池について多くの研究が行われてきており、また商用化されて広く使用されている。

【0006】

また、環境問題への関心が高まるにつれて、大気汚染の主な原因の一つであるガソリン車両、ディーゼル車両など化石燃料を使用する車両に代わる電気自動車、ハイブリッド電気自動車などについて研究が多く進められている。このような電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの動力源としては主にニッケル水素金属二次電池が使用されているが、高いエネルギー密度と放電電圧のリチウム二次電池を使用する研究が活発に進行しており、一部商用化の段階にある。

【0007】

このようなリチウム二次電池は電極組立体が二次電池ケースに内蔵された構造からなっており、前記電極組立体は構造的に、正極シート、負極シート、分離フィルムを巻き取って製造するジェリーロール型電極組立体、単位正極、単位負極、および分離膜を積層する積層型電極組立体、バイセル、フルセルまたはモノセルなどの単位セルを分離フィルムで巻き取るスタック／折り畳み型電極組立体、前記単位セルを積層してラミネーションするスタック／ラミネーション型電極組立体に区分される。

【0008】

この時、前記スタック／折り畳み型電極組立体は分離フィルムで単位セルを巻き取る折り畳み（ｆｏｌｄｉｎｇ）工程の際、前記単位セルを分離フィルムに載置した後単にワインディングすることによりフォールディング面と単位セルの間の未接着領域が発生し、このような未接着領域での界面抵抗が増加してリチウムが析出される問題が引き起こされる。

【0009】

特にこのような未接着領域は、前記単位セルに含まれる電極が活物質層の厚さが一定である平坦部と、これらの両端でその厚さが次第に減少する傾斜部を有することになるが、このとき前記傾斜部でより顕著となる。

【0010】

したがって、これから析出されたリチウムが二次電池の安全性を脅かし、サイクル特性が顕著に低下する問題がある。

【0011】

したがって、かかる問題を解決できる二次電池用電極組立体の製造技術の開発が切実であることが実情である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明は上記した問題を解決するためのものであり、電極組立体タブが形成された両端でのリチウム析出を抑制して二次電池の安全性およびサイクル特性を向上させることができる電極組立体の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本明細書および特許請求の範囲に使用された用語や単語は、通常的または辞典的な意味に限定して解釈すべきではなく、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適宜定義できるという原則に則して本発明の技術的思想に適う意味と概念で解釈すべきである。

【0014】

以下、本発明の実施形態によれば、単位セルを分離フィルムで巻き取った電極組立体を製造する方法であって、
（ａ）前記単位セルを前記分離フィルムの上面に搭載して配列体を製造する段階；
（ｂ）前記配列体の巻き取り方向と平行な前記分離フィルムの長手方向に上下部で前記単位セルのタブが形成された一端部およびその他端部と、これに対応する前記分離フィルムを熱処理する段階；および
（ｃ）前記熱処理された単位セルを前記分離フィルムで巻き取る段階を含む電極組立体の製造方法が提供される。

【0015】

前記段階（ａ）は巻き取った後同じ極性の電極タブが互いに上下方向の同じ位置にあるように、前記単位セルを前記分離フィルムの上面に搭載し得る。

【0016】

また、前記段階（ｂ）の熱処理は加熱または熱風で行われ得、前記段階（ｂ）の熱処理は５０℃～２００℃で行われ得る。

【0017】

前記熱処理が行われる領域を具体的に検討すれば、前記単位セルに含まれる電極は、活物質層の厚さが一定である平坦部および前記平坦部の両端で活物質層の厚さが減少する傾斜部を有し、
前記単位セルのタブが形成された一端部およびその他端部は、前記傾斜部に対応する領域を含むものであり得る。

【0018】

一つの具体的な例で、前記段階（ｃ）の巻き取り速度は５ｐｐｍ～３０ｐｐｍであり得る。

【0019】

前記段階（ｂ）の熱処理と段階（ｃ）の巻き取りは連続して行われ、したがって、熱処理時間は前記巻き取り速度に影響を受ける。

【0020】

一方、前記電極組立体は巻き取られた状態で最外側に位置する電極が内側にのみ活物質層が形成されている片面電極であり得る。

【0021】

また、前記単位セルはそれぞれバイセル、フルセルまたはモノセルであり得る。

【0022】

本発明のまた他の一実施形態によれば、単位セルを分離フィルムで巻き取った電極組立体を製造する装置であって、
前記単位セルが前記分離フィルムの上面に搭載された状態の配列体を巻き取る巻取り機、および
前記配列体の巻き取り方向と平行な前記分離フィルムの長手方向に上下部に位置して前記単位セルのタブが形成された一端部およびその他端部と、これに対応する前記分離フィルムを熱処理するヒータを含む電極組立体製造装置が提供される。

【0023】

ここで、前記ヒータは加熱式または熱風式であり得る。

【0024】

また、前記ヒータは前記単位セルが前記分離フィルムの上面に搭載される部分の全体に形成されていてもよい。

【0025】

前記巻取り機は前記ヒータの一側に位置し得る。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の一実施形態による電極組立体製造装置の模式図である。

【図2】本発明の単位セルの側面模式図である。

【図3】本発明の電極組立体の断面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、添付する図面を参照して本発明の好ましい実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

【0028】

また、本明細書および特許請求の範囲に使用された用語や単語は、通常的、かつ辞書的な意味で解釈されるべきではなく、発明者らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適宜定義できるという原則に則して本発明の技術的思想に適う意味と概念で解釈すべきである。したがって、本明細書に記載された実施形態と図面に示す構成は本発明の好ましい実施形態に過ぎなく、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではないので、本出願時点においてこれらの代わりとなる多様な均等物と変形例があり得、本発明の範囲は、次に記述する実施形態に限定されるものではない。

【0029】

本発明の一実施形態によれば、単位セルを分離フィルムで巻き取った電極組立体を製造する方法であって、
（ａ）前記単位セルを前記分離フィルムの上面に搭載して配列体を製造する段階；
（ｂ）前記配列体の巻き取り方向と平行な前記分離フィルムの長手方向に上下部で前記単位セルのタブが形成された一端部およびその他端部と、これに対応する前記分離フィルムを熱処理する段階；および
（ｃ）前記熱処理された単位セルを前記分離フィルムで巻き取る段階を含む電極組立体の製造方法が提供される。

【0030】

また、本発明のまた他の一実施形態によれば、
単位セルを分離フィルムで巻き取った電極組立体を製造する装置であって、
巻き取った後同じ極性の電極タブが互いに上下方向の同じ位置にあるように、前記単位セルが前記分離フィルムの上面に搭載された状態の配列体を巻き取る巻取り機、および
前記配列体の巻き取り方向と平行な前記分離フィルムの長手方向に上下部に位置して前記単位セルのタブが形成された一端部およびその他端部と、これに対応する前記分離フィルムを共に熱処理するヒータを含む電極組立体製造装置が提供される。

【0031】

以下では、電極組立体製造装置の模式図に基づいて、本発明による電極組立体の製造方法とその製造装置を共に説明する。

【0032】

具体的には、図１には本発明の一実施形態による二次電池用電極製造装置を模式的に示した。

【0033】

図１を参照すると、本発明による二次電池用電極組立体製造装置１００は、単位セル（１０８：１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７）が分離フィルム１１０の上面に搭載された状態の配列体１２０を巻き取る巻取り機１３０、および配列体１２０の巻き取り方向と平行な分離フィルム１１０の長手方向に上下部に位置して単位セル１０８のタブが形成された一端部およびその他端部と、これに対応する分離フィルム１１０を共に熱処理するヒータ１４０を含む。

【0034】

先に、本発明の一実施形態によれば、本発明の電極組立体は、先に分離フィルム１１０上に多数の単位セル１０８を配列して配列体１２０を製造する。

【0035】

この時、単位セル１０８は巻き取った後同じ極性の電極タブが互いに上下方向の同じ位置にあるように配列される。

【0036】

単位セル１０８のそれぞれは、同じ極性の電極が両端に位置する形態のバイセル、異なる極性の電極が両端に位置する形態のフルセル、または一つの電極を含む形態のモノセルであり得る。

【0037】

例えば、前記バイセルは負極／分離膜／正極／分離膜／負極のような構造であり得、フルセルは負極／分離膜／正極のような構造であり得、前記モノセルは正極または負極のうちの一つの電極と分離膜が積層された形態の構造であり得る。

【0038】

ただし、単位セル１０８は巻き取った後正極と負極が交互に配列される積層形態を有するように配列されるべきであるのはもちろんである。

【0039】

一方、単位セル１０８に含まれる電極は、電極の製造過程中に電極活物質スラリーの塗布によってタブが形成される一端部とその他端部に傾斜が発生する。

【0040】

これについて具体的に説明するために、図２に本発明の単位セルの側面図を模式的に示した。

【0041】

図２を参照すると、単位セル２００は多数の電極２１０，２２０，２３０で構成される。図２には３個の電極２１０，２２０，２３０で構成されるバイセルを示したが、これに限定されるものではない。

【0042】

電極２１０，２２０，２３０はそれぞれ、集電体２１１，２２１，２３１上に活物質層２１２，２２２，２３２が形成された構造で形成されており、集電体２１１，２２１，２３１の一側には電極タブ２１１ａ，２２１ａ，２３１ａがそれぞれ形成されている。

【0043】

ここで、活物質層２１２，２２２，２３２を検討すれば、活物質層２１２，２２２，２３２は活物質層２１２，２２２，２３２の厚さが一定である平坦部Ｐおよび平坦部Ｐの両端で活物質層２１２，２２２，２３２の厚さが減少する傾斜部Ｌ１，Ｌ２を有する。具体的にはタブが形成された方向の一端部側の傾斜部Ｌ１とこれに対応する他端部側の傾斜部Ｌ２を有する。

【0044】

このように、単位セル２００をなす電極２１０，２２０，２３０の活物質層が傾斜部Ｌ１，Ｌ２を有するので、このような単位セル２００を分離フィルムで巻き取る場合、タブが形成された一端部の傾斜部Ｌ１とこれに対応する他端部の傾斜部Ｌ２は分離フィルムとの間が離隔して空間が発生するため、接着されず、そのため、前記領域でリチウム析出がよく発生する。

【0045】

しかし、再び図１を参照すると、本発明は、このような単位セル１０８が分離フィルム１１０上に搭載された配列体１２０に対して単位セル１０８でタブが形成された一端部およびその他端部とこれに対応する分離フィルム１１０を共に熱処理する過程が行われる。

【0046】

この時、熱処理が行われる単位セル１０８のタブが形成された一端部およびその他端部は、電極の傾斜部に対応する領域を含む領域であり得る。

【0047】

前記熱処理の実行は分離フィルム１１０の長手方向に上下部に位置するヒータ１４０により行われ、この時、熱処理は加熱または熱風で行われることができ、したがって、ヒータ１４０は加熱式または熱風式機器であり得る。

【0048】

また、熱処理は５０℃～２００℃で行われ得る。

【0049】

前記範囲を外れて、過度に低い温度で行う場合には、本発明が意図した接着効果を十分に得ることができず、過度に高い温度の場合には活物質層への変形、分離フィルムの変形が行われるため、好ましくない。

【0050】

一方、前記熱処理後には単位セル１０８を分離フィルム１１０で巻き取る。

【0051】

この時、前記熱処理時間は熱処理後に行われる巻き取り速度に影響を受け得る。

【0052】

具体的には、配列体１２０を巻き取る巻取り機１３０はヒータ１４０の一側に前記位置し得、そのため、段階（ｂ）の熱処理と段階（ｃ）の巻き取りは連続して行われ得る。したがって、熱処理時間が巻き取り速度に影響を受け得る。

【0053】

この時、前記段階（ｃ）の巻き取り速度は５ｐｐｍ～３０ｐｐｍであり得る。

【0054】

前記範囲を外れて、過度に巻き取り速度が速すぎると、十分な熱処理効果を得ることができず、過度に遅いと過熱され得るので、好ましくない。

【0055】

また、前記熱処理を行うヒータ１４０はその大きさに制限はないが、単位セル１０８が十分に熱処理されるように、単位セル１０８が分離フィルム１１０の上面に搭載される部分の全体に形成されている。

【0056】

具体的には、このように行われる場合、前記単位セルに対する熱処理時間は、３秒～２０秒であり得る。

【0057】

前記範囲を外れる場合、十分な熱処理効果を得ることができないか、逆に過熱され得るので、好ましくない。

【0058】

一方、このように製造された電極組立体は巻き取られた状態で最外側に位置する電極が内側にのみ活物質層が形成されている片面電極であり得る。

【0059】

したがって、図１の巻き取り終点にある２個の単位セル１０６，１０７での分離フィルム１１０と対面する電極は片面電極であり得る。

【0060】

これをより明確に説明するために、下記図３に巻き取られた形態の電極組立体の断面図を示した。

【0061】

図３を参照すると、電極組立体３００は単位セルが分離フィルム３１０で巻き取られた構造からなる。この時、最外側に存在する単位セル１０６，１０７に含まれるそれぞれの電極３２０，３３０はそれぞれ集電体３２１，３３１上に活物質層３２２，３３２が電極組立体３００の内側にのみ形成されている片面電極である。

【0062】

具体的には、上部に位置する電極３２０は集電体３２１の下面にのみ活物質層３２１が形成されており、下部に位置する電極３３０は集電体３３１の上面にのみ活物質層３３２が形成されている。

【0063】

このように最外側に位置する電極が片面電極である場合、活物質層の浪費がなく、電極組立体の全体的な厚さが減少するので、より好ましい。

【0064】

本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば、上記の内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用および変形を行うことが可能であろう。

【符号の説明】

【0065】

１００電極組立体製造装置
１１０分離フィルム
１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７単位セル
１２０配列体
１３０巻取り機
１４０ヒータ
２００単位セル
３００電極組立体

【産業上の利用可能性】

【0066】

本発明によれば、電極組立体で接着がよく行われないタブが形成された一端部とその対応する他端部に対し、単位セルを分離フィルム上に配列した状態で巻き取り前に熱処理を行う場合、分離フィルムと単位セルの未接着領域を最小化できるため、リチウム析出が最小化され、そのためそれを含む二次電池の安全性およびサイクル特性を向上させることができる効果がある。

【図1】