2025-507099 電極組立体及びその製造方法

(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】2025-03-13

(54)【発明の名称】電極組立体及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/04 20060101AFI20250306BHJP

   H01M 10/0583 20100101ALI20250306BHJP

【ＦＩ】

H01M10/04 Z

H01M10/0583

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024553441

(86)(22)【出願日】2023-12-04

(85)【翻訳文提出日】2024-09-06

(86)【国際出願番号】 KR2023019748

(87)【国際公開番号】W WO2024123003

(87)【国際公開日】2024-06-13

(31)【優先権主張番号】10-2022-0169261

(32)【優先日】2022-12-07

(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】リー、ソ イェオン

(72)【発明者】

【氏名】バエ、ウォン シク

(72)【発明者】

【氏名】リー、ビェオン キュ

【テーマコード（参考）】

5H028

5H029

【Ｆターム（参考）】

5H028AA05

5H028BB00

5H028BB04

5H028BB05

5H028CC01

5H028CC08

5H028CC15

5H028CC26

5H028HH00

5H028HH05

5H028HH08

5H029AJ14

5H029BJ15

5H029CJ02

5H029CJ03

5H029CJ05

5H029CJ28

5H029DJ04

5H029HJ00

5H029HJ04

5H029HJ14

5H029HJ15

(57)【要約】

本発明は、第１単位電極組立体～第ｎ単位電極組立体（ｎは３以上の自然数）を含む電極組立体であって、前記単位電極組立体はジグザグに折り畳まれた分離膜の間に正極と負極が交互に配置されたものであり、前記正極と前記負極はそれぞれ隣接する分離膜と接着されたものであり、第ｉ＋１単位電極組立体（ｉは１～ｎ－１の自然数）は、第ｉ単位電極組立体上に積層された電極組立体とその製造方法を提供する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１単位電極組立体～第ｎ単位電極組立体（ｎは３以上の自然数）を含む電極組立体であって、
前記単位電極組立体はジグザグに折り畳まれた分離膜の間に正極と負極が交互に配置されたものであり、
前記正極と前記負極はそれぞれ隣接する分離膜と接着されたものであり、
第ｉ＋１単位電極組立体（ｉは１～ｎ－１の自然数）は、第ｉ単位電極組立体上に積層されたものである、電極組立体。

【請求項2】

前記第１単位電極組立体～前記第ｎ－１単位電極組立体は正極と負極をｍ個ずつ含み（ｍは１～２０の自然数）、
前記第ｎ単位電極組立体は正極ｍ個と負極ｍ＋１個を含むものである、請求項１に記載の電極組立体。

【請求項3】

前記ｍは５～１０の自然数である、請求項２に記載の電極組立体。

【請求項4】

前記電極組立体は、
前記第１単位電極組立体～前記第ｎ単位電極組立体を包む最外郭の分離膜をさらに含むものである、請求項１に記載の電極組立体。

【請求項5】

前記電極組立体は、
長辺の長さが短辺の長さの１．８～５．５倍である、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】

（Ｓ１０）分離膜をジグザグに折り畳みながら、間と間に正極と負極を交互に配置して積層体を形成する段階；
（Ｓ２０）前記積層体に熱と圧力を印加して前記正極と前記分離膜、及び前記負極と前記分離膜とを接着して単位電極組立体を製造する段階；及び
（Ｓ３０）前記単位電極組立体を複数個積層する段階を含む、電極組立体の製造方法。

【請求項7】

前記電極組立体は、
第１単位電極組立体～第ｎ単位電極組立体（ｎは３以上の自然数）を含み、
前記第１単位電極組立体～第ｎ－１単位電極組立体は、前記正極と前記負極を同一の個数で含み、
前記第ｎ単位電極組立体は、前記負極を前記正極よりも１個多く含むものである、請求項６に記載の電極組立体の製造方法。

【請求項8】

（Ｓ４０）前記積層された複数個の単位電極組立体を分離膜で包む段階をさらに含む、請求項７に記載の電極組立体の製造方法。

【請求項9】

前記（Ｓ２０）段階は、
前記積層体に４５～８０℃の温度で１～４ＭＰａの圧力を１～３０秒間印加することである、請求項６に記載の電極組立体の製造方法。

【請求項10】

前記積層体の厚さは２～９．５ｍｍである、請求項６から９のいずれか一項に記載の電極組立体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ジグザグ型分離膜を含む電極組立体及びそれを製造するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電気化学素子は、電気化学反応を利用して化学的エネルギーを電気的エネルギーに転換するものであって、近年ではエネルギー密度と電圧が高くサイクル寿命が長く、様々な分野で使用可能なリチウム二次電池が広く使われている。近年では、電気自動車やエネルギー貯蔵装置に対する需要が伸びるにつれ、容量とエネルギー密度を最大化するための素材と構造の開発が行われている。

【0003】

二次電池は、正極、負極、正極と負極との間に配置される分離膜を含む電極組立体を含むことができ、前記電極組立体を電解液と共にケースに収納して製造することができる。二次電池は、電極組立体が収納されるケースの形状に応じて、パウチ型、円筒型、角型、コイン型などに区分することができ、電極組立体の製造方法や形状に応じて、ゼリーロール型、スタック型などに区分することができる。

【0004】

近年では、長いシート状の分離膜をジグザグ状に折り曲げながら、隣接する折り曲げの間に正極と負極を交互に配置するジグザグスタッキング方式の電極組立体が開発されている。例えば、ジグザグ型電極組立体は、円筒に巻き取られた長いシート状の分離膜が供給されるとき、電極組立体が積層されるテーブルをチルティングまたはスイングしたり、分離膜を移送させる供給ロールを往復運動させて分離膜をジグザグに折り畳みながら、間と間に各電極を配置する方法で製造することができる。ジグザグスタッキングは、他の類型に比べて工程が単純なので生産性に優れるという利点がある。

【0005】

ジグザグ型電極組立体は、分離膜の間に電極を配置した後、電極組立体に熱と圧力を加えて分離膜に対する電極の位置を固定する一次熱圧着（ｈｅａｔ ｐｒｅｓｓ）段階と、前記熱圧着された電極組立体に熱と圧力をさらに加えて、分離膜と電極とを完全に接着させる二次熱圧着段階を通じて製造することができる。しかし、多数の電極が挿入された電極組立体を熱圧着する場合、熱と圧力が電極組立体の中心部まで均一に伝達されず、位置による接着力の差を生じさせた。電極組立体の位置による接着力の差は、電極と分離膜の脱離だけでなく、電気化学素子の低い剛性（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）につながり、安全性の問題を引き起こした。これを解決するために熱と圧力を高めると、電極組立体の外郭に位置する分離膜は、過度な圧縮によって通気度が低下し、電気抵抗が高くなるという問題が発生した。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、中心部まで均一に電極と分離膜との接着が具現されたジグザグ型電極組立体とそれを製造する方法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】

【0007】

本発明の一側面は、第１単位電極組立体～第ｎ単位電極組立体（ｎは３以上の自然数）を含む電極組立体であって、前記単位電極組立体はジグザグに折り畳まれた分離膜の間に正極と負極が交互に配置されたものであり、前記正極と前記負極はそれぞれ隣接する分離膜と接着されたものであり、第ｉ＋１単位電極組立体（ｉは１～ｎ－１の自然数）は、第ｉ単位電極組立体上に積層されたものを提供する。

【0008】

前記第１単位電極組立体～前記第ｎ－１単位電極組立体は正極と負極をｍ個ずつ含み（ｍは１～２０の自然数）、前記第ｎ単位電極組立体は正極ｍ個と負極ｍ＋１個を含むことができる。

【0009】

前記ｍは５～１０の自然数であり得る。

【0010】

前記電極組立体は、前記第１単位電極組立体～前記第ｎ単位電極組立体を包む最外郭の分離膜をさらに含むことができる。

【0011】

前記電極組立体は、長辺の長さが短辺の長さの１．８～５．５倍であり得る。

【0012】

本発明の他の一側面は、前記電極組立体の製造方法として、（Ｓ１０）分離膜をジグザグに折り畳みながら、間と間に正極と負極を交互に配置して積層体を形成する段階、（Ｓ２０）前記積層体に熱と圧力を印加して前記正極と前記分離膜、及び前記負極と前記分離膜とを接着して単位電極組立体を製造する段階、及び（Ｓ３０）前記単位電極組立体を複数個積層する段階を含む方法を提供する。

【0013】

前記電極組立体は、第１単位電極組立体～第ｎ単位電極組立体（ｎは３以上の自然数）を含み、前記第１単位電極組立体～第ｎ－１単位電極組立体は、前記正極と前記負極を同一の個数で含み、前記第ｎ単位電極組立体は、前記負極を前記正極よりも１個多く含むことができる。

【0014】

前記製造方法は、（Ｓ４０）前記積層された複数個の単位電極組立体を分離膜で包む段階をさらに含むことができる。

【0015】

前記（Ｓ２０）段階は、前記積層体に４５～８０℃の温度で１～４ＭＰａの圧力を１～３０秒間印加することであり得る。

【0016】

前記積層体の厚さは２～９．５ｍｍであり得る。

【0017】

本発明の別の一側面は、前記電極組立体を含む電気化学素子を提供する。

【発明の効果】

【0018】

本発明のジグザグ型電極組立体は、生産性に優れるという利点を保ちながら、上部、中心部及び下部にわたって電極と分離膜との接着が均一に具現された構造を提供して、前記電極組立体を含む電気化学素子の安全性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一具体例に従って単位電極組立体を製造する過程を示す概念図である。

【0020】

【図2】本発明の一具体例に従って電極組立体を製造する過程を示す概念図である。

【0021】

【図3】（ａ）は本発明の一具体例に係る電極組立体の正面図であり、（ｂ）は前記電極組立体の斜視図である。

【0022】

【図4】本発明の一具体例に係る電極組立体の剛性実験の過程を示す概念図であり、（ａ）は実験準備の過程、（ｂ）は電極組立体が反った長さ（Ｍ）を測定する過程を示す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように本発明の各構成をより詳細に説明するが、これは一つの例示に過ぎず、本発明の権利範囲が下記の内容によって制限されない。

【0024】

本明細書で使用される「含む」という用語は、本発明に有用な材料、組成物、装置、及び方法を列挙する際に使用され、その列挙された例に制限されるものではない。

【0025】

本明細書で使用される「約」、「実質的に」は、固有の製造及び物質の許容誤差を勘案して、その数値や程度の範疇またはそれに近い意味で使用され、本発明の理解を助けるために提供された、正確な数値や絶対的な数値が言及された開示内容を侵害者が不当に利用するのを防ぐために使用される。

【0026】

以下、添付の図面を参照して本発明の一具体例を詳細に説明する。図面は、本発明の一具体例の内容を説明または強調するために誇張したり省略したり、概略的に図示したりすることがある。

【0027】

本発明の一具体例は、第１単位電極組立体～第ｎ単位電極組立体（ｎは３以上の自然数）を含む電極組立体であって、前記単位電極組立体はジグザグに折り畳まれた分離膜の間に正極と負極が交互に配置されたものであり、前記正極と前記負極はそれぞれ隣接する分離膜と接着されたものであり、第ｉ＋１単位電極組立体（ｉは１～ｎ－１の自然数）は、第ｉ単位電極組立体上に積層されたものを提供する。

【0028】

前記単位電極組立体は、ジグザグに折り畳まれた分離膜の間に正極と負極を交互に配置した積層体を熱圧着して製造されたものであり得る。

【0029】

前記分離膜は、ポリオレフィン基材や不織布などの多孔性基材の少なくとも一面に無機物とバインダーを含む多孔性コーティング層が形成された機能性分離膜を意味することができるが、これに限定されない。分離膜は、多孔性基材なしで無機物とバインダーで形成されたフリースタンディング分離膜を包括して指すことができる。

【0030】

前記多孔性高分子基材は、正極及び負極を電気的に絶縁して短絡を防止しながら、リチウムイオンは通過できる気孔を提供するものである。前記多孔性高分子基材は、有機溶媒である電気化学素子の電解液に対して耐性を有することができる。例えば、前記多孔性高分子基材は、ポリエチレン、ポリプロピレン及びポリブテンなどのポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート、ポリシクロオレフィン、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアラミド、ポリシクロオレフィン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン、及びこれらの共重合体または混合物などの高分子樹脂を含むことができるが、これに限定されない。

【0031】

前記多孔性高分子基材の厚さは１～１００μｍであり得る。具体的には、前記多孔性高分子基材の厚さは、１０μｍ以上９５μｍ以下、１５μｍ以上９０μｍ以下、２０μｍ以上８５μｍ以下、２５μｍ以上８０μｍ以下、３０μｍ以上７５μｍ以下、３５μｍ以上７０μｍ以下、４０μｍ以上６５μｍ以下、４５μｍ以上６０μｍ以下、５０μｍ以上６５μｍ以下、または５５μｍ以上６０μｍ以下であり得る。好ましくは１～３０μｍであり得、より好ましくは１５～３０μｍであり得る。上述した範囲で前記多孔性高分子基材の厚さを調節することにより、前記電気化学素子の体積を最小限に抑えることができ、正極と負極を電気的に絶縁することができる。

【0032】

前記多孔性高分子基材は、平均直径が０．０１～１０μｍである気孔を含むことができる。具体的には、前記高分子基材に含まれる気孔のサイズは、１０ｎｍ以上９５ｎｍ以下、１０ｎｍ以上９０ｎｍ以下、１５ｎｍ以上８５ｎｍ以下、２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下、２５ｎｍ以上７５ｎｍ以下、３０ｎｍ以上７０ｎｍ以下、３５ｎｍ以上６５ｎｍ以下、４０ｎｍ以上６０ｎｍ以下、または４５ｎｍ以上５５ｎｍ以下であり得る。好ましくは、前記高分子基材に含まれる気孔のサイズは、１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり得る。上述した範囲で前記多孔性高分子基材に含まれる気孔のサイズを調節して、リチウムイオンの透過度を調節することができる。

【0033】

前記多孔性高分子基材の少なくとも一面には、スラリーが塗布及び乾燥されて後述する多孔性コーティング層を形成することができる。前記スラリーは、高分子バインダー、無機物粒子、分散媒などを含むことができる。前記多孔性コーティング層は、前記多孔性高分子基材の機械的物性と絶縁性を向上させるための無機物粒子、及び電極と分離膜との間の接着力を向上させるための高分子バインダーを含むことができる。前記高分子バインダーは、電極と分離膜との間の接着力を提供すると同時に、隣接する無機物粒子を結合させ、前記結合を維持することができる。無機物粒子は、隣接する無機物粒子と結合して、無機物粒子間の空隙であるインタースティシャル・ボリュームを提供することができ、リチウムイオンが前記インタースティシャル・ボリュームを通して移動することができる。

【0034】

前記多孔性コーティング層の厚さは２～２０μｍであり得る。具体的には、前記多孔性コーティング層の厚さは、２μｍ以上１９μｍ以下、３μｍ以上１８μｍ以下、４μｍ以上１７μｍ以下、５μｍ以上１６μｍ以下、６μｍ以上１５μｍ以下、７μｍ以上１４μｍ以下、８μｍ以上１３μｍ以下、９μｍ以上１２μｍ以下、または１０μｍ以上１１μｍ以下であり得る。上述した範囲で前記多孔性コーティング層の厚さを調節することにより、電気化学素子用分離膜の厚さを調節すると同時に軽量化を具現化して、高温で前記多孔性高分子基材の収縮を防止することができる。前記多孔性コーティング層が多孔性高分子基材の両面に形成された分離膜の厚さは、６～３６μｍであり得る。

【0035】

前記高分子バインダーを含む分離膜は、電極と共に熱圧着されて電極組立体を形成して電極と分離膜との間の接着力を示すことができる。電極と分離膜との間の接着力は、電解液のない状態（ドライ（Ｄｒｙ）状態）で４０～１００ｇｆ／２０ｍｍであり、電解液に含浸した状態（ウェット（Ｗｅｔ）状態）で１０～４０ｇｆ／２０ｍｍであり得る。具体的には、ドライ（Ｄｒｙ）状態の接着力は、４５ｇｆ／２０ｍｍ以上９５ｇｆ／２０ｍｍ以下、５０ｇｆ／２０ｍｍ以上９０ｇｆ／２０ｍｍ以下、５５ｇｆ／２０ｍｍ以上８５ｇｆ／２０ｍｍ以下、６０ｇｆ／２０ｍｍ以上８０ｇｆ／２０ｍｍ以下、または６５ｇｆ／２０ｍｍ以上７５ｇｆ／２０ｍｍ以下であり得る。具体的には、ウェット（Ｗｅｔ）状態の接着力は、１５ｇｆ／２０ｍｍ以上３５ｇｆ／２０ｍｍ以下、または２０ｇｆ／２０ｍｍ以上３０ｇｆ／２０ｍｍ以下であり得る。それぞれの接着力が上述した範囲を満たすと、分離膜表面でリチウムデンドライトを析出させることなく分離膜への電解質含浸を均一に行うことができる。

【0036】

前記高分子バインダーは、アクリル系バインダー、フッ素系バインダーなど、当業界で公知されているものを用いることができる。前記無機物粒子は多孔性コーティング層の厚さを均一に形成し、適用される電気化学素子の作動電圧範囲内で酸化還元反応が起こらないものであり得る。例えば、前記無機物粒子は、リチウムイオン伝達能力、圧電性（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ）及び難燃性の中での一つ以上の特性を有し得るものであって、当業界で公知されているものを用いることができる。

【0037】

前記正極と負極は、電気化学素子に化学的変化を引き起こすことなく導電性を有する材料の少なくとも一面に電極活物質が塗布されて乾燥されたものを意味することができる。前記材料及び前記電極活物質は、電気化学素子に使用できるものであれば、その種類が限定されない。前記正極と負極の厚さはそれぞれ１２．５～１５．５μｍであり得る。具体的には、各電極の厚さは、１３μｍ以上１５μｍ以下、または１３．５μｍ以上１４．５μｍ以下であり得る。好ましくは、各電極の厚さは、１４μｍ以上１５μｍ以下であり得る。上述した範囲で電極の厚さを調節することにより、電気化学素子の所望の容量を確保すると同時に、分離膜の変形を防止することができる。

【0038】

前記分離膜は、あらかじめ定められた間隔でジグザグに折り畳まれたものであり、前記間隔は正極と負極が互いに接触することを防止できるものであれば制限されないが、一定の間隔であることが好ましい。電極は、両面が分離膜によって包まれた状態で積層され、前記熱圧着によって隣接する分離膜と接着され得る。例えば、前記分離膜と前記電極は、互いに同一であるかまたは異なる種類のバインダーを含んで熱圧着によって接着され得る。前記正極と前記負極がそれぞれ隣接する分離膜と接着されるということは、単一電極組立体内で電極と分離膜が接着されたことを意味する。

【0039】

前記第ｉ＋１単位電極組立体（ｉは１～ｎ－１の自然数）は、第ｉ単位電極組立体上に積層され得る。単位電極組立体の積層は接着を通じて行われるわけではない。例えば、第ｎ単位電極組立体を第ｎ－１単位電極組立体上に積層するが、ただし、分離膜や電極が互いに整列するように配置することができる。前記電極組立体はｎ個の単位電極組立体を含んで、分離膜を挟んで正極と負極が交互に積層された構造を有することができる。

【0040】

前記第１単位電極組立体～前記第ｎ－１単位電極組立体は正極と負極をｍ個ずつ含むことができ（ｍは１～２０の自然数）、前記第ｎ単位電極組立体は正極ｍ個と負極ｍ＋１個を含むことができる。好ましくは、前記ｍは５～２０の自然数であり得、最も好ましくは前記ｍは５～１０の自然数であり得る。

【0041】

図１は、ｍが５である場合を例示して前記ｎ単位電極組立体の製造過程を示す概念図である。前記第ｎ単位電極組立体は、ジグザグに折り畳まれた分離膜（３００）の間に負極（１００）と正極（２００）を交互に挿入し熱圧着して製造することができる。前記第ｎ単位電極組立体は、正極（２００）５個、負極（１００）６個を含むことができ、分離膜（３００）は、正極（１００）及び負極（２００）を包んで電極を外部に露出しないものであり得る。

【0042】

図２は、ｎが３である場合を例示して電極組立体の製造過程を示す概念図である。第１単位電極組立体（１０）上に第２単位電極組立体（２０）を積層することができ、前記第２単位電極組立体（２０）上に第３単位電極組立体（３０）を積層することができる。

【0043】

図２を参照すると、電極組立体は、積層された電極の中で最上段と最下段に位置する電極が負極であり得る。例えば、前記第１単位電極組立体～前記第ｎ－１単位電極組立体は、最下段の分離膜上に負極から積層されて、最上段に正極が配置されたものであり得る。前記負極は分離膜によって包まれたものであり、前記正極は一面が外部に露出したものであり得る。第２単位電極組立体を第１単位電極組立体上に積層しながら、第２単位電極組立体の最下段の分離膜を挟んで第２単位電極組立体の負極と第１単位電極組立体の最上段の正極が積層され得る。

【0044】

図３の（ａ）は完成した電極組立体の正面図であり、（ｂ）は斜視図である。図３の（ａ）を参照すると、前記電極組立体は、前記第１単位電極組立体～前記第ｎ単位電極組立体を包む最外郭の分離膜をさらに含むことができる。前記最外郭の分離膜は、単位電極組立体に含まれるものとは別に準備されたものであり得るが、これに限定されない。例えば、図示していないが、前記最外郭の分離膜は、第１単位電極組立体または第ｎ単位電極組立体に含まれる分離膜の一端が延長されたものであり得る。最外郭の分離膜は、単位電極組立体を包み、単位電極組立体の離脱を防止することができる。例えば、最外郭の分離膜は、単位電極組立体を包んだ後、最外郭の分離膜または単位電極組立体に含まれる分離膜のうちのいずれか一つ以上と接合されて単位電極組立体を固定することができる。

【0045】

図３の（ｂ）を参照すると、前記電極組立体は、長辺と短辺の長さが互いに異なるものであり得る。電極の積層面を基準として、長辺の長さが短辺の長さの１．８～５．５倍であり得る。

【0046】

前記電極組立体は電気化学素子に適用することができる。前記電気化学素子は、前記電極組立体をポーチやケースに挿入し、電解液を注液した後、前記ポーチやケースを密封して製造することができる。

【0047】

前記電解液は、リチウム塩含有の非水系電解液であり得る。前記電解液は電解液とリチウム塩とからなり、前記電解液としては非水系有機溶媒、有機固体電解質、無機固体電解質などを用いることができる。

【0048】

前記電極組立体を挿入するためのケースやポーチの形状は制限されない。例えば、前記電気化学素子は、円筒型、角型、コイン型、パウチ型のリチウム二次電池であり得る。前記リチウム二次電池は、単位セルとしてパックまたはモジュール化されて、コンピュータ、携帯電話、パワーツール（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）などの小型デバイスと、電池的モータによって動力を受けて動くパワーツール（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）；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）；電力貯蔵用システムなどの中大型デバイスに使用することができる。

【0049】

本発明の他の一具体例は、前記電極組立体の製造方法として、（Ｓ１０）分離膜をジグザグに折り畳みながら、間と間に正極と負極を交互に配置して積層体を形成する段階、（Ｓ２０）前記積層体に熱と圧力を印加して前記正極と前記分離膜、及び前記負極と前記分離膜とを接着して単位電極組立体を製造する段階、及び（Ｓ３０）前記単位電極組立体を複数個積層する段階を含む方法を提供する。前記電極組立体の製造方法に関する説明の中で、前述した電極組立体の説明と同一の内容は、先の具体例の記載で代える。

【0050】

前記（Ｓ１０）段階は、分離膜をジグザグに折り畳みながら形成された折り曲げの間に正極と負極を交互に配置して積層体を形成する段階である。前記分離膜は、長手方向（またはＭＤ方向；機械方向（Ｍａｃｈｉｎｅ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ））の長さが幅方向（またはＴＤ方向；横方向（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ））の長さよりも長いものであり得る。前記分離膜は、前記ＭＤ方向に沿ってあらかじめ定められた間隔を空けてジグザグに折り畳まれ得る。

【0051】

前記分離膜、前記正極及び前記負極はそれぞれ長方形の形状であり得るが、これに限定されるものではない。例えば、前記分離膜、前記正極及び前記負極は、それぞれＭＤ方向がＴＤ方向の長さよりも長い長方形の形状であり得る。前記正極と前記負極は、前記分離膜のＭＤ方向に沿って複数個配置され得、前記分離膜のＭＤ方向と前記正極及び前記負極のＴＤ方向とが互いに平行になるように配置され得る。好ましくは、前記正極と前記負極は、それぞれのＴＤ方向の中心線が一致するように整列され得る。

【0052】

前記（Ｓ２０）段階は、前記（Ｓ１０）段階で形成した積層体を熱圧着する段階である。前記積層体の厚さは２～９．５ｍｍであり得る。具体的には、前記積層体の厚さは、２．５ｍｍ以上９ｍｍ以下、３ｍｍ以上８．５ｍｍ以下、３．５ｍｍ以上８ｍｍ以下、４ｍｍ以上７．５ｍｍ以下、４．５ｍｍ以上７ｍｍ以下、または５ｍｍ以上６．５ｍｍ以下であり得る。上述した範囲で前記積層体の厚さを調節することにより、熱圧着によって積層体を構成する全ての電極と分離膜との均一な接着を具現することができる。前記積層体に熱と圧力を印加して前記正極と前記分離膜とを接着し、前記負極と前記分離膜とを接着して一つの単位電極組立体を製造することができる。前記熱圧着は、プレス装置を用いて積層体の最上段と最下段を圧縮することであり得、一つ以上の積層体に４５～８０℃の温度で１～４ＭＰａの圧力を１～３０秒間印加することであり得る。具体的には、前記熱圧着は、一つ以上の積層体に４５℃以上７５℃以下、５０℃以上７０℃以下、または５５℃以上６５℃以下の温度と、１．５ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下、または２ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の圧力を印加することであり得る。好ましくは、前記熱圧着は、４５～６０℃の温度で２～３ＭＰａの圧力を１～３０秒間印加することであり得る。上述した範囲で熱圧着の温度及び圧力条件を調節することにより、積層体の損傷を引き起こすことなく積層体を構成する分離膜と電極との均一な接着を具現することができる。前記プレス装置は、積層体の中に含まれる分離膜と電極の整列を維持しつつ、積層体の一面または両面に熱と圧力を同時にまたは異時に加えて分離膜と電極とを接着させることができるものであれば、その種類は限定されない。

【0053】

前記温度、圧力及び時間の範囲において、正極と負極の数、ｍ個またはｍ＋１個（ｍは１～２０の自然数）を含む積層体から製造された単位電極組立体は、１５ｇｆ／２０ｍｍ未満の接着力の差を示すことができる。前記接着力とは、単位電極組立体の製造後、電解液のない乾燥した条件での接着力（ドライ（Ｄｒｙ）接着力）と、単位電極組立体の製造後、電解液に含浸した条件で電極と分離膜との間の接着力（ウェット（Ｗｅｔ）接着力）を包括して意味し、電極と分離膜をあらかじめ定められた速度で剥離して測定した値であり得る。接着力の差が１５ｇｆ／２０ｍｍを超えると、前記単位電極組立体を含む電気化学素子の剛性が大きく低下して、電気化学素子の安全性を確保することができない。

【0054】

好ましくは、前記温度、圧力及び時間の範囲において、正極と負極の数、ｍ個またはｍ＋１個（ｍは１～２０の自然数）を含む積層体から製造された単位電極組立体は、１５％未満のドライ（Ｄｒｙ）接着力の差及び５％未満のウェット（Ｗｅｔ）接着力の差を示すことができる。前記ドライ（Ｄｒｙ）接着力の差は、単位電極組立体の製造後、電解液のない乾燥した条件で電極と分離膜との間の接着力の最大値と最小値との差を前記最大値に対する百分率で表したものである。前記ウェット（Ｗｅｔ）接着力の差は、単位電極組立体の製造後、電解液に含浸した条件で電極と分離膜との間の接着力の最大値と最小値との差を前記最大値に対する百分率で表したものである。例えば、前記接着力は、単位電極組立体の厚さ方向を基準として最外郭（最上段または最下段）で最大値を示し、中心部で最小値を表すことができる。熱と圧力が単位電極組立体の中心部まで均一に伝達されて、前記接着力の差が少なくなるほど好ましい。電極と分離膜との接着が頑丈でないと、ドライ（Ｄｒｙ）接着力の差が１５％未満となっても、電解液の注液によってウェット（Ｗｅｔ）接着力の差が５％以上となる可能性がある。

【0055】

本具体例に係る製造方法は、前記（Ｓ２０）段階で一つ以上の単位電極組立体を一つのプレス装置で同時に熱圧着することにより、１次及び２次の熱圧着を伴う従来のジグザグ型電極組立体の製造方法に比べて、熱圧着の回数を低減してより優れた生産性を達成することができる。例えば、ｎ個の積層体を一つのプレス装置に載せた後、１回の熱圧着のみで第１単位電極組立体～第ｎ単位電極組立体を製造することができ、製造された単位電極組立体を単純に積層して電極組立体を準備することができる。

【0056】

本具体例に係る製造方法は、前記（Ｓ２０）段階で一つ以上の単位電極組立体を一つのプレス装置で同時に熱圧着することにより、１次及び２次の熱圧着を伴う従来のジグザグ型電極組立体の製造方法に比べて、熱圧着条件を緩和してより優れた生産効率を達成することができる。例えば、前記積層体は既存に比べて含む電極の数が少ないため、従来の方法よりも低い温度及び圧力条件でも中心部まで均一に接着された単位電極組立体を製造することができる。相対的に低い温度及び圧力は、単位電極組立体の最外郭に位置する分離膜の損傷を防ぐことができる。

【0057】

前記（Ｓ３０）段階は、前記（Ｓ２０）段階で製造した単位電極組立体を積層して電極組立体を形成する段階である。第ｉ＋１単位電極組立体（ｉは１～ｎ－１の自然数）を第ｉ単位電極組立体上に整列して積み重ねる方式で、ｎ個の単位電極組立体を積層して電極組立体を形成することができる。電極組立体は、ジグザグ型分離膜の間にｍ個の正極とｍ＋１個の負極が交互に配置された構造を有することができる。前記電極組立体は、追加の熱圧着を経ることなく電気化学素子のポーチやケースに挿入することができる。

【0058】

前記製造方法は、（Ｓ４０）前記積層された複数個の単位電極組立体を分離膜で包む段階をさらに含むことができる。前記分離膜は、前述した最外郭の分離膜であって、単位電極組立体に含まれる分離膜の一端が延長されたものであり得、別途に準備されたものであり得る。

【0059】

以下では、具体的な実施例及び実験例を通じて本発明をさらに詳細に説明する。下記の実施例及び実験例は本発明を例示するためのものであって、本発明が下記の実施例及び実験例によって限定されるものではない。

【0060】

実施例１
無機物とバインダーを含むスラリーがコーティングされた厚さ１５μｍの分離膜を準備し、９０ｍｍ×３１５ｍｍサイズ、厚さ１５μｍの正極及び９５．５ｍｍ×３２０ｍｍサイズ、厚さ１５μｍの負極をそれぞれ３０個、３１個ずつ準備した。前記分離膜を９８．５ｍｍの間隔でジグザグに折り畳みながら、負極６個と正極６個を交互に配置して積層体４個を準備し、負極７個と正極６個を交互に配置して積層体１個を準備した。

【0061】

前記積層体５個をプレス装置に載置し、６０℃、３ＭＰａの圧力で２０秒間１回熱圧着して単位電極組立体５個を同時に製造した。最上段と最下段の電極が負極となるように単位電極組立体を積層して電極組立体を準備した。

【0062】

実施例２
分離膜をジグザグに折り畳みながら、負極１０個と正極１０個を交互に配置して積層体２個を準備し、負極１１個と正極１０個を交互に配置して積層体１個を準備したこと以外は、実施例１と同様の方法で電極組立体を準備した。

【0063】

比較例１
実施例１で用いたものと同じ種類及び個数の分離膜、正極及び負極を用いたが、ただし、分離膜をジグザグに折り畳みながら、負極３１個と正極３０個を交互に配置して積層体１個を準備した。

【0064】

前記積層体をプレス装置に載置し、６０℃、２．５ＭＰａの圧力で２０秒間一次熱圧着して正極と分離膜、及び分離膜と負極をそれぞれ部分的に接着させ、前記分離膜に対する電極の位置を固定 した。次いで、前記積層体を６０℃で３ＭＰａの圧力で２０秒間二次熱圧着して分離膜と電極を完全に接着して電極組立体を準備した。

【0065】

比較例２
実施例１で用いたものと同じ種類及び個数の分離膜、正極及び負極を用いたが、ただし、分離膜をジグザグに折り畳みながら、負極３１個と正極３０個を交互に配置して積層体１個を準備した。

【0066】

前記積層体をプレス装置に載置し、実施例１と同じ条件で１回熱圧着して単位電極組立体を製造した。

【0067】

比較例３
実施例１と同じ方法で積層体５個を準備した。

【0068】

前記積層体５個をプレス装置に載置し、６０℃、２ＭＰａの圧力で１分間一次熱圧着し、７０℃で３ＭＰａの圧力で３０秒間二次熱圧着して単位電極組立体５個を同時に製造した。最上段と最下段の電極が負極となるように単位電極組立体を積層して電極組立体を準備した。

【0069】

比較例４
実施例２と同じ方法で積層体３個を準備した。

【0070】

前記積層体３個をプレス装置に載置し、６０℃、２ＭＰａの圧力で１分間一次熱圧着し、７０℃で３ＭＰａの圧力で３０秒間二次熱圧着して単位電極組立体３個を同時に製造した。最上段と最下段の電極が負極となるように単位電極組立体を積層して電極組立体を準備した。

【0071】

比較例５
実施例１で用いたものと同じ種類及び個数の分離膜、正極及び負極を用いたが、ただし、分離膜をジグザグに折り畳みながら、負極１５個と正極１５個を交互に配置して積層体１個を準備し、負極１６個と正極１５個を交互に配置して積層体１個を準備した。

【0072】

前記積層体２個をプレス装置に載置し、６０℃、２ＭＰａの圧力で１分間一次熱圧着し、７０℃で３ＭＰａの圧力で３０秒間二次熱圧着して単位電極組立体２個を同時に製造した。最上段と最下段の電極が負極となるように単位電極組立体を積層して電極組立体を準備した。

【0073】

比較例６
比較例５と同じ方法で積層体２個を準備した。

【0074】

前記積層体２個をプレス装置に載置し、実施例１と同一の条件で１回熱圧着して単位電極組立体２個を同時に製造した。最上段と最下段の電極が負極となるように単位電極組立体を積層して電極組立体を準備した。

【0075】

実験例
電極組立体の製造条件
実施例及び比較例で製造した電極組立体の製造過程と、電極組立体の製造に要する時間を下記表１にまとめた。

【0076】

単位電極組立体を形成せずに積層体を１個準備して電極組立体を形成した場合、単位電極組立体の数（ｎ）は０で表した。記載していないが、単位電極組立体当たりに含まれる負極の数は正極の数（ｍ）よりも１個多く（ｍ＋１）、熱圧着方式は熱圧着の回数に応じて一次及び二次に区分した。電極組立体の製造に要する時間（Ｔａｃｔ ｔｉｍｅ、ｓ）は、分離膜の間に電極を挿入し、熱圧着と積層によって電極組立体完成品１個を生産するのに要する全時間を示したものである。

【0077】

電極－分離膜のドライ（Ｄｒｙ）接着力分布の確認
実施例及び比較例で製造した電極組立体の中央をカットした後、電極と分離膜との間の接着力を確認した。図３の（ｂ）を参照すると、電極組立体をＡＡ'線に沿って切って二等分した。カットした電極組立体の分離膜または電極を１層ずつ（ｌａｙｅｒ ｂｙ ｌａｙｅｒ）９０°、２００ｍｍ／ｍｉｎの速度で剥離しながら、正極から分離膜を剥離する際の接着力を測定して下記表１にまとめた。

【0078】

電極組立体の最上段から正極１０個ずつ３グループに分けて、上部（上）、中心部（中）、下部（下）と称し、平均接着力を記載した。

【0079】

電極－分離膜のウェット（Ｗｅｔ）接着力分布の確認
前記のようにカットした電極組立体をポーチに入れ、電解液（ＥＣ／ＥＭＣ ３／７）を注液して密封した後、電池製造のＰＰ工程（Ｐｒｅ－ｈｅａｔ ａｎｄ Ｐｒｅ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を模擬して、７０℃、５ｋｇｆ／ｃｍ^２の温度及び圧力を５分間印加した。ポーチを剥がして電極組立体を回収した後、カットした電極組立体の分離膜または電極を１層ずつ９０°、２００ｍｍ／ｍｉｎの速度で剥離しながら、正極から分離膜を剥離する際の接着力を測定して下記表１にまとめた。

【0080】

電極組立体の最上段から正極１０個ずつ３グループに分けて、上部（上）、中心部（中）、下部（下）と称し、平均接着力を記載した。

【0081】

電極組立体の剛性（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）の確認
図４は、電極組立体の剛性を確認する実験過程を示す概念図である。図４の（ａ）のようにテーブル（２）の上に電極組立体（１）をＤ（１０ｃｍ）だけ載せて置き、Ｄ部分は押して電極組立体１がテーブル（２）から落ちないようにした。図４の（ｂ）のように電極組立体の一端が垂直方向に曲がる長さ（Ｍ）を測定した。曲がる長さ（Ｍ）が２ｃｍを超えるとバッド（ｂａｄ）、０．５～２ｃｍであるとグッド（ｇｏｏｄ）、０．５ｃｍ未満であるとベリーグッド（ｖｅｒｙ ｇｏｏｄ）とし下記表１にまとめた。

【0082】

【表1】

【0083】

前記表１を参照すると、実施例に係る電極組立体は、多数の積層体の同時１回の熱圧着による単位電極組立体の一括製造を通じて電極組立体の製造時間が大幅に短縮され、ドライ（Ｄｒｙ）接着力の差５．５～１２．７％、ウェット（Ｗｅｔ）接着力の差２．９～４％となり、電極組立体の厚さ方向に均一な接着がなされたことが確認された。これによって製造された電極組立体の剛性も優れていることが示された。

【0084】

一方、比較例１及び２では、正極３０個を含む積層体を使用することにより、熱圧着の回数に関係なく電極組立体の中心部で十分なドライ（Ｄｒｙ）接着力及びウェット（Ｗｅｔ）接着力を確保することができず、剛性も劣位であることが示された。

【0085】

比較例３～５では、単位電極組立体の製造後、２回熱圧着を行いながら実施例に比べて電極組立体の製造時間が長くかかり、比較例４はドライ（Ｄｒｙ）接着力の差４％と優れていたが、ウェット（Ｗｅｔ）接着力の差１２．５％となり、ウェット（Ｗｅｔ）接着力を十分に確保するほど均一な接着がなされていないことを確認した。

【符号の説明】

【0086】

１：電極組立体 ２：テーブル
１０：第１単位電極組立体 ２０：第２単位電極組立体
３０：第３単位電極組立体 １００：負極
２００：正極 ３００：分離膜

【図1】

【図2】

【図3(a)】

【図3(b)】

【図4(a)】

【図4(b)】

【手続補正書】

【提出日】2024-09-06

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0035】

前記高分子バインダーを含む分離膜は、電極と共に熱圧着されて電極組立体を形成して電極と分離膜との間の接着力を示すことができる。電極と分離膜との間の接着力は、電解液のない状態（ドライ（Ｄｒｙ）状態）で４０～１００ｇｆ／２０ｍｍ（０．３９２３～０．９８０７Ｎ／２０ｍｍ）であり、電解液に含浸した状態（ウェット（Ｗｅｔ）状態）で１０～４０ｇｆ／２０ｍｍ（０．０９８１～０．３９２３Ｎ／２０ｍｍ）であり得る。具体的には、ドライ（Ｄｒｙ）状態の接着力は、４５ｇｆ／２０ｍｍ（０．４４１３Ｎ／２０ｍｍ）以上９５ｇｆ／２０ｍｍ（０．９３１６Ｎ／２０ｍｍ）以下、５０ｇｆ／２０ｍｍ（０．４９０３Ｎ／２０ｍｍ）以上９０ｇｆ／２０ｍｍ（０．８８２６Ｎ／２０ｍｍ）以下、５５ｇｆ／２０ｍｍ（０．５３９４Ｎ／２０ｍｍ）以上８５ｇｆ／２０ｍｍ（０．８３３６Ｎ／２０ｍｍ）以下、６０ｇｆ／２０ｍｍ（０．５８８４Ｎ／２０ｍｍ）以上８０ｇｆ／２０ｍｍ（０．７８４５Ｎ／２０ｍｍ）以下、または６５ｇｆ／２０ｍｍ（０．６３７４Ｎ／２０ｍｍ）以上７５ｇｆ／２０ｍｍ（０．７３５５Ｎ／２０ｍｍ）以下であり得る。具体的には、ウェット（Ｗｅｔ）状態の接着力は、１５ｇｆ／２０ｍｍ（０．１４７１Ｎ／２０ｍｍ）以上３５ｇｆ／２０ｍｍ（０．３４３２Ｎ／２０ｍｍ）以下、または２０ｇｆ／２０ｍｍ（０．１９６１Ｎ／２０ｍｍ）以上３０ｇｆ／２０ｍｍ（０．２９４２Ｎ／２０ｍｍ）以下であり得る。それぞれの接着力が上述した範囲を満たすと、分離膜表面でリチウムデンドライトを析出させることなく分離膜への電解質含浸を均一に行うことができる。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0053】

前記温度、圧力及び時間の範囲において、正極と負極の数、ｍ個またはｍ＋１個（ｍは１～２０の自然数）を含む積層体から製造された単位電極組立体は、１５ｇｆ／２０ｍｍ（０．１４７１Ｎ／２０ｍｍ）未満の接着力の差を示すことができる。前記接着力とは、単位電極組立体の製造後、電解液のない乾燥した条件での接着力（ドライ（Ｄｒｙ）接着力）と、単位電極組立体の製造後、電解液に含浸した条件で電極と分離膜との間の接着力（ウェット（Ｗｅｔ）接着力）を包括して意味し、電極と分離膜をあらかじめ定められた速度で剥離して測定した値であり得る。接着力の差が１５ｇｆ／２０ｍｍ（０．１４７１Ｎ／２０ｍｍ）を超えると、前記単位電極組立体を含む電気化学素子の剛性が大きく低下して、電気化学素子の安全性を確保することができない。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0079】

電極－分離膜のウェット（Ｗｅｔ）接着力分布の確認
前記のようにカットした電極組立体をポーチに入れ、電解液（ＥＣ／ＥＭＣ ３／７）を注液して密封した後、電池製造のＰＰ工程（Ｐｒｅ－ｈｅａｔ ａｎｄ Ｐｒｅ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を模擬して、７０℃、５ｋｇｆ／ｃｍ^２ （０．０４９Ｎ／ｃｍ ^２ ）の温度及び圧力を５分間印加した。ポーチを剥がして電極組立体を回収した後、カットした電極組立体の分離膜または電極を１層ずつ９０°、２００ｍｍ／ｍｉｎの速度で剥離しながら、正極から分離膜を剥離する際の接着力を測定して下記表１にまとめた。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００８２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0082】

【表1】

【国際調査報告】