JP7711359B2 - ゼリーロール電極組立体およびこれを含む二次電池 - Google Patents

Description

関連出願との相互参照
本出願は、２０２１年１１月２４日付の韓国特許出願第１０－２０２１－０１６３３８６号および２０２２年１１月２３日付の韓国特許出願第１０－２０２２－０１５８７６２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。

本発明は、ゼリーロール電極組立体およびこれを含む二次電池に関する。

モバイル機器に対する技術開発と需要の増加に伴い、エネルギー源として二次電池の需要が急激に増加している。特に、二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン、ウェアラブルデバイスなどのモバイル機器だけでなく、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの動力装置に対するエネルギー源としても多くの関心がもたれている。

二次電池は、電池ケースの形状により、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、電極組立体が角型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。

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が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。

このため、最近、高容量、高出力を実現するための電池の必要性が大きくなるにつれ、円筒形電池の場合、限られた空間中に多量の電極を入れるために、集電体や分離膜の厚さ、缶およびトップキャップなどの大きさや形状を変更しながら最適化を進行中である。

その方法の一つとして、負極集電体として銅を外郭タブとして活用する方式が提案された。つまり、外側のタブと分離膜を除去して円筒形缶に銅集電体が物理的に当たって電流を流すのである。

このような方式により、分離膜の投入量とタブの投入量を減らし、外径を小幅減少させることで空間確保およびコスト節減の効果が現れ、確保した空間を活用して容量を増やしたり出力を改善させることができる。また、銅集電体が缶に直接当接するので、熱を伝達する面積が増加して発熱水準も改善させることができる。

しかし、実際に銅を外郭部に露出させた場合、ゼリーロールの真円度に応じて外径の大きい１、２箇所が缶と当接して、既存の予想より効果が減少する。

これを改善するために、電解質に反応して膨らむ性質を有するスウェリングテープを活用して接触水準は改善したものの、製造工程での付着時に空気トラップ（ａｉｒ ｔｒａｐ）が発生し、これによって外径が増加して生産性が低下する問題があった。

したがって、このような問題を解決できるゼリーロール電極組立体および二次電池技術の開発が必要なのが現状である。

本発明の解決しようとする課題は、スウェリングテープの付着により発生する空気トラップによる外径の増加を解消して生産性を改善できるゼリーロール電極組立体に関する。

本発明の解決しようとする課題が上述した課題に制限されるわけではなく、言及されていない課題は本明細書および添付した図面から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に明確に理解されるであろう。

本発明の一実施例によるゼリーロール電極組立体は、正極シート、負極シート、および前記正極シートと前記負極シートとの間に介在した分離膜が共に巻取られたゼリーロール電極組立体であって、
前記ゼリーロール電極組立体の最外側には、前記負極シートに活物質層が形成されない無地部が巻取られており、
前記負極シートの無地部には、前記ゼリーロール電極組立体の中心部方向への内面にスウェリングテープが付着しており、
前記スウェリングテープは、１以上の穿孔ホールを含むことを特徴とする。

前記スウェリングテープは、前記負極シートの無地部の内面の一部と、前記負極シートの無地部と前記活物質層が形成されている保持部との境界面から前記負極シートの保持部方向に前記負極シートの保持部の一部まで付着していてもよい。

ここで、前記スウェリングテープは、前記負極シートの保持部の全体面積の０．２５％～５％の範囲で前記負極シートの保持部を覆うものであってもよい。

あるいは、前記スウェリングテープは、前記負極シートの無地部の内面の一部にのみ形成されていてもよい。

また、前記スウェリングテープは、前記負極シートの無地部の内面の全体面積の１０％～９０％を覆うように形成されていてもよい。

さらに、前記スウェリングテープが形成される前記最外側の負極シートの無地部は、内側に位置する前記負極シートの保持部と対面することができる。

このような前記スウェリングテープは、単面または両面テープであってもよく、前記単面または両面テープは、スウェリングされながら耐薬品性、耐電圧性を有する素材であれば限定されず、例えば、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、およびポリイミド（ＰＩ）からなる群より選択される１種以上からなる。

あるいは、前記スウェリングテープは、具体的には、原反基材の単面または両面に粘着層が形成されている構造であり、前記原反基材は、ポリオレフィン基材であってもよく、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、またはポリプロピレン（ＰＰ）であってもよいし、前記粘着層は、ポリアクリレート（ＰＡ）、ゴム（ｒｕｂｂｅｒ）、およびスチレン（ｓｔｙｒｅｎｅ）からなる群より選択される１種以上の物質を含むことができる。

一方、前記スウェリングテープに形成されている前記穿孔ホールの直径は、０．１ｍｍ～３ｍｍであってもよく、前記スウェリングテープは、２以上の穿孔ホールを含み、それぞれの穿孔ホールの間隔は、１ｍｍ～１０ｍｍであってもよい。

また、前記穿孔ホールは、前記スウェリングテープの全体面積を基準として１０％～６０％の面積を有するように形成されていてもよい。

このような穿孔ホールの位置は、前記スウェリングテープにおいて前記ゼリーロール電極組立体の巻取方向と垂直な方向に巻取内側に一列に形成されていてもよく、または前記ゼリーロール電極組立体の巻取方向と水平な方向に両端で一列に形成されていてもよいし、または前記スウェリングテープの中央部に形成されていてもよい。

一方、本発明の他の実施例によれば、前記ゼリーロール電極組立体を含む二次電池が提供される。

本発明の一実施例によるゼリーロール電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施例によるゼリーロール電極組立体の負極シートの上面図である。 本発明の一実施例によるゼリーロール電極組立体の巻取前の断面図である。 本発明の他の実施例によるゼリーロール電極組立体の巻取前の断面図である。 図１のＡ－Ａ'に沿った断面図である。 本発明の一実施例によるスウェリングテープの上面図である。

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。

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。

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ものに限定されない。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。

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、これは特に反対の記載がない限り、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。

なお、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。

図１は、本発明の一実施例によるゼリーロール電極組立体の斜視図である。

図１を参照すれば、本発明の一実施例によるゼリーロール電極組立体１００は、正極シート、負極シート、および前記正極シートと前記負極シートとの間に介在した分離膜が共に巻取られた形状を有する。

この時、正極シートには正極タブ１１３が形成されており、これは後に円筒形電池のキャップ組立体などと電気的連結をなして正極端子を形成することができる。

一方、ゼリーロール電極組立体１００の最外側には、負極シートに活物質層が形成されない無地部１２１が巻取られており、このような無地部１２１が後に二次電池の缶の内側壁面に接触するのである。したがって、負極シートの無地部１２１が端子の役割を果たしながら、円筒形二次電池ケースの缶と電気的に直接連結できることから、負極タブを別途に必要としない。

また、ゼリーロール電極組立体１００は、最外側に分離膜が形成されないことから、外径減少効果を得て、これによって電池の内部空間確保、容量増大、エネルギー密度向上および電池性能効果改善を得ることができる。

ただし、上述したように、実際に負極シートの無地部１２１を外側部に露出させた場合、ゼリーロールの真円度に応じて外径の大きい１、２箇所が缶と当接して、既存の予想より効果が減少する問題があり、本発明では、これを改善するために、電解質に反応して膨らむ性質を有するスウェリングテープを適用した。

この時、スウェリングテープは、容量に影響を与えず、最外側の負極シートの無地部１２１が後に円筒形二次電池ケースと全体として接触できるように、ゼリーロール電極組立体１００の負極シートの無地部１２１の外側ではない、ゼリーロール電極組立体１００の中心部方向への内面に付着した構造を有する。

したがって、図１には、このようなスウェリングテープが示されていない。

一方、本発明による前記スウェリングテープについて具体的に説明するために、図２には、前記図１のゼリーロール電極組立体１００における巻取前の負極シート１２０の上面図が示されており、図３には、図１のゼリーロール電極組立体１００の巻取前の断面図が示されており、図４には、他の実施例によるゼリーロール電極組立体１００の巻取前の断面図が示されており、図５には、図１のゼリーロール電極組立体１００のＡ－Ａ'に沿った断面図が示されている。

まず、図２および図３を参照すれば、正極シート１１０は、正極活物質層が形成される保持部と、正極活物質層が形成されない無地部とを含み、このような無地部は保持部との間に備えられ、無地部には正極タブ１１３が付着している構造を有する。

また、正極シート１１０と負極シート１２０との間には分離膜１３０が介在する。

負極シート１２０は、負極集電体１２４上に活物質層１２３が形成されている保持部（負極シートの保持部１２２）と、活物質層１２３が形成されない無地部１２１とを含み、この時、無地部１２１は、一側に位置して最外側に巻取られることによって、負極端子としての役割を果たす。

一方、無地部１２１の巻取内面にはスウェリングテープ１２５が付着している。

ここで、スウェリングテープ１２５は、負極シート１２０の無地部１２１の内面の全体面積Ａの１０％～９０％を覆う面積Ａ'に形成される。

また、スウェリングテープ１２５は、負極シート１２０の保持部１２２とは重ならないように、無地部１２１の内面の一部にのみ形成されていてもよい。

あるいは、図４を参照すれば、スウェリングテープ１２５'は、負極シート１２０'の無地部１２１'の内面の一部と、負極シートの無地部１２１'と保持部１２２'との境界面から前記負極シート１２０'の保持部１２２'方向に負極シート１２０の保持部１２２'の一部まで付着しているものであってもよい。この時、対面する正極シート１１０の活物質層とは重ならない長さｌの範囲内で形成され、例えば、前記スウェリングテープは、前記負極シートの保持部の全体面積の０．２５％～１０％、詳しくは０．５％～５％の範囲で前記負極シートの保持部を覆うものであってもよい。

ただし、いずれの場合も、スウェリングテープ１２５が形成される最外側の負極シート１２０の無地部１２１は、内側に位置する負極シート１２０の活物質層１２３、つまり、保持部１２２と対面する。

したがって、スウェリングテープ１２５が活物質層１２３の正極と対面しない部分、つまり、容量に寄与しない部分に形成されるので、容量の問題が発生しない。同時に、スウェリングテープ１２５は、ゼリーロール電極組立体１００の最外側から負極シート１２０の集電体１２４の内側に形成されるので、集電体１２４が後に円筒形電池ケースの缶と全体として接触可能で、導電性および発熱水準の改善が低下することなく本願の意図した効果を達成することができる。

一方、このようなスウェリングテープ１２５は、電解液を吸収すれば、体積が膨張する性質を有するものであって、単面または両面テープであってもよい。

この時、前記単面または両面テープは、スウェリングされながら耐薬品性、耐電圧性を有する素材であれば限定されず、例えば、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、およびポリイミド（ＰＩ）からなる群より選択される１種以上からなる。

あるいは、スウェリングテープ１２５は、原反基材の単面または両面に粘着層が形成されている構造であってもよい。

ここで、前記原反基材は、ポリオレフィン系基材であり、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、またはポリプロピレン（ＰＰ）であってもよいし、前記粘着層は、ポリアクリレート（ＰＡ）、ゴム（ｒｕｂｂｅｒ）、およびスチレン（ｓｔｙｒｅｎｅ）からなる群より選択される１種以上の物質を含むことができる。

一方、このようなスウェリングテープ１２５は、１以上の穿孔ホール１２６を含む。

穿孔ホール１２６は、スウェリングテープ１２５を厚さ方向に貫通する形態に穿孔されているホールである。

したがって、スウェリングテープ１２５を無地部１２１に付着しながら発生しうる空気トラップを除去して、これから発生するゼリーロール電極組立体１００の外径の増加を防止できるので、生産性が改善できる。

穿孔ホール１２６の形態、形成位置、大きさなどは、スウェリングテープ１２５の付着時に発生する空気トラップを除去できる形態、形成位置、および大きさに形成されさえすれば大きく限定されない。

ただし、空気トラップの除去をより効果的に行うためには、形成位置や大きさなどが影響を及ぼす。

具体的には、スウェリングテープ１２５に形成される穿孔ホール１２６を具体的に説明するために、図６にはスウェリングテープ１２５の例を示した。

図６を参照すれば、スウェリングテープ１２５には多数の穿孔ホール１２６が形成されている。具体的には、スウェリングテープ１２５は、２以上の穿孔ホール１２６を有することができ、空気トラップの程度とスウェリングテープ１２５による電池ケースとの接触面積の増加を考慮して適切に選択可能である。

この時、穿孔ホール１２６の直径（Ｒ）は、０．１ｍｍ～３ｍｍであってもよく、詳しくは１ｍｍ～３ｍｍであってもよい。

前記範囲を外れて、過度に小さい場合、空気トラップの除去に容易でなく、過度に大きい場合、スウェリングテープの適用効果が十分に得られないので、好ましくない。

また、穿孔ホール１２６の間隔（Ｄ）は、１ｍｍ～１０ｍｍ、詳しくは３ｍｍ～１０ｍｍであってもよい。

前記範囲を外れて、間隔が過度に小さい場合、隣接する穿孔ホール１２６同士で破れながら穿孔ホール１２６の大きさが大きくなり、スウェリングテープ１２５の適用効果が十分に得られず、間隔が過度に大きい場合、その間に形成されるトラップされた空気の排出が容易でないので、好ましくない。

また、前記穿孔ホール１２６の占める面積は、スウェリングテープ１２５の全体面積を基準として１０％～６０％で形成されていてもよい。

前記範囲を外れて、過度に少ない面積で形成される場合、トラップされた空気の排出が容易でなく、過度に大きい場合には、スウェリングテープ１２５の適用効果が得られないので、好ましくない。

一方、このような穿孔ホール１２６は、スウェリングテープ１２５の付着前、付着と同時に、または付着後に形成されてもよいし、付着方法により、空気トラップがよく形成される部位、または前記付着のために用いられる機器に重ならない部位に形成される。

具体的には、前記穿孔ホール１２６は、付着前にスウェリングテープ１２５に先に形成された状態で負極シートの無地部に付着でき、または負極シートに付着するのと同時に空気がトラップされた部位の近くに形成することができ、スウェリングテープ１２５が付着した後に空気がトラップされた部位の近くに別途に形成することができる。

一方、スウェリングテープ１２５の付着方法を考慮する時、穿孔ホール１２６は、ゼリーロール電極組立体の巻取方向と水平な方向に両端で一列に形成され（図６の（ａ））、ゼリーロール電極組立体の巻取方向と垂直な方向に巻取内側に一列に形成されていてもよいし（図６の（ｂ））、スウェリングテープ１２５の中央部に形成されていてもよい（図６の（ｃ））。

ただし、このような構造に限定されるものではなく、多様な位置に形成可能である。

また、図面においては、穿孔ホール１２６を円形で示したが、その形状も限定されるものではなく、多角形に形成されてもよい。

このようにスウェリングテープ１２５が穿孔ホール１２６を含む場合、スウェリングテープ１２５の付着時にうまく付着していない状態でローラの圧着でねじれが発生することによって、トラップされた空気が効果的に排出されるように誘導可能で、ゼリーロール電極組立体の外径の増加を防止できるので、生産性が改善できる効果がある。

その他、ゼリーロール電極組立体を構成する正極シート、負極シート、および分離膜の組成、構造などは当業界に知られているので、本明細書において詳しい説明は省略する。

一方、本発明は、前記ゼリーロール電極組立体を含む二次電池を提供する。

この時、二次電池は、ゼリーロール電極組立体を缶に内蔵する円筒形二次電池または角型二次電池であってもよい。

このような二次電池についても当業界にて知られているので、本明細書においては詳しい説明を省略する。

以上、図面を参照して、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。

１００：ゼリーロール電極組立体
１１０：正極シート
１２０：負極シート
１３０：分離膜
１１３：正極タブ
１２１：負極シートの無地部
１２２：負極シートの保持部
１２５：スウェリングテープ
１２６：穿孔ホール

実施例によれば、本発明のゼリーロール電極組立体は、最外側の負極シートの電池無地部の内面にスウェリングテープを含み、前記スウェリングテープがトラップされた空気を排出できる穿孔ホールを含むことによって、空気のトラップで発生するゼリーロール電極組立体の外径の増加を防止できるので、生産性が改善できる。

Claims (15)

1. 正極シート、負極シート、および前記正極シートと前記負極シートとの間に介在した分離膜が共に巻取られたゼリーロール電極組立体であって、
   前記ゼリーロール電極組立体の最外側には、前記負極シートに活物質層が形成されない無地部が巻取られており、
   前記負極シートの無地部には、前記ゼリーロール電極組立体の中心部方向への内面にスウェリングテープが付着しており、
   前記スウェリングテープは、１以上の穿孔ホールを含み、
   前記スウェリングテープは、前記負極シートの無地部の内面の一部と、前記負極シートの無地部と前記活物質層が形成されている保持部との境界面から前記負極シートの保持部方向に前記負極シートの保持部の一部まで付着している、
   ゼリーロール電極組立体。
2. 前記スウェリングテープは、前記負極シートの保持部の全体面積の０．２５％～１０％の範囲で前記負極シートの保持部を覆う、請求項１に記載のゼリーロール電極組立体。
3. 前記スウェリングテープは、前記負極シートの無地部の内面の一部にのみ形成されている、請求項１に記載のゼリーロール電極組立体。
4. 前記スウェリングテープは、前記負極シートの無地部の内面の全体面積の１０％～９０％を覆うように形成されている、請求項１に記載のゼリーロール電極組立体。
5. 前記スウェリングテープは、単面または両面テープである、請求項１に記載のゼリーロール電極組立体。
6. 前記単面または両面テープは、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、およびポリイミド（ＰＩ）からなる群より選択される１種以上からなる、請求項５に記載のゼリーロール電極組立体。
7. 前記スウェリングテープは、ポリオレフィン系基材の単面または両面に粘着層が形成されている構造である、請求項１に記載のゼリーロール電極組立体。
8. 前記粘着層は、ポリアクリレート（ＰＡ）、ゴム（ｒｕｂｂｅｒ）、およびスチレン（ｓｔｙｒｅｎｅ）からなる群より選択される１種以上の物質を含む、請求項７に記載のゼリーロール電極組立体。
9. 正極シート、負極シート、および前記正極シートと前記負極シートとの間に介在した分離膜が共に巻取られたゼリーロール電極組立体であって、
   前記ゼリーロール電極組立体の最外側には、前記負極シートに活物質層が形成されない無地部が巻取られており、
   前記負極シートの無地部には、前記ゼリーロール電極組立体の中心部方向への内面にスウェリングテープが付着しており、
   前記スウェリングテープは、１以上の穿孔ホールを含み、
   前記穿孔ホールの直径は、０．１ｍｍ～３ｍｍである、ゼリーロール電極組立体。
10. 正極シート、負極シート、および前記正極シートと前記負極シートとの間に介在した分離膜が共に巻取られたゼリーロール電極組立体であって、
    前記ゼリーロール電極組立体の最外側には、前記負極シートに活物質層が形成されない無地部が巻取られており、
    前記負極シートの無地部には、前記ゼリーロール電極組立体の中心部方向への内面にスウェリングテープが付着しており、
    前記スウェリングテープは、１以上の穿孔ホールを含み、
    前記スウェリングテープは、２以上の穿孔ホールを含み、それぞれの穿孔ホールの間隔は、１ｍｍ～１０ｍｍである、ゼリーロール電極組立体。
11. 前記穿孔ホールは、前記スウェリングテープの全体面積を基準として１０％～６０％の面積を有するように形成されている、請求項１に記載のゼリーロール電極組立体。
12. 前記穿孔ホールは、前記スウェリングテープにおいて前記ゼリーロール電極組立体の巻取方向と垂直な方向に巻取内側に一列に形成されている、請求項１に記載のゼリーロール電極組立体。
13. 前記穿孔ホールは、前記ゼリーロール電極組立体の巻取方向と水平な方向に両端で一列に形成されている、請求項１に記載のゼリーロール電極組立体。
14. 前記穿孔ホールは、前記スウェリングテープの中央部に形成されている、請求項１に記載のゼリーロール電極組立体。
15. 請求項１、９又は１０に記載のゼリーロール電極組立体を含む二次電池。