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KR102643977B1 - 이차 전지를 가지는 전자 기기 - Google Patents

이차 전지를 가지는 전자 기기 Download PDF

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KR102643977B1
KR102643977B1 KR1020237001396A KR20237001396A KR102643977B1 KR 102643977 B1 KR102643977 B1 KR 102643977B1 KR 1020237001396 A KR1020237001396 A KR 1020237001396A KR 20237001396 A KR20237001396 A KR 20237001396A KR 102643977 B1 KR102643977 B1 KR 102643977B1
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KR
South Korea
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cushioning material
current collector
secondary battery
power storage
storage unit
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KR1020237001396A
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KR20230014856A (ko
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미노루 다카하시
료타 타지마
다쿠야 미와
유고 고토
Original Assignee
가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

이차 전지의 외장체로서, 금속캔보다 강도가 낮은 필름을 사용하는 경우, 외부에서 이차 전지에 힘이 가해졌을 때에, 외장체로 둘러싸인 영역에 제공된 집전체 또는 집전체 표면에 제공된 활물질층 등이 대미지(damage)를 받을 수 있다. 외부에서 힘이 가해질 때에도 내구성이 있는 이차 전지를 제공한다. 이차 전지의 외장체로 둘러싸이는 영역에 완충재를 제공한다. 구체적으로는, 외장체(필름)의 밀봉 부분이 완충재 외측에 위치하도록, 집전체 주변에 완충재를 제공한다.

Description

이차 전지를 가지는 전자 기기{ELECTRONIC DEVICE WITH SECONDARY BATTERY}
본 발명의 일 형태는 물건, 방법, 또는 제작 방법에 관한 것이다. 본 발명은 공정(process), 기계(machine), 제품(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다. 본 발명의 일 형태는 반도체 장치, 표시 장치, 발광 장치, 축전 장치, 조명 장치, 전자 기기, 또는 그 제작 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명의 일 형태는 전자 기기와 그 운영 체계에 관한 것이다.
또한, 본 명세서에서 전자 기기란 이차 전지를 포함하는 모든 장치를 의미하고, 이차 전지를 포함하는 전기 광학 장치 및 이차 전지를 포함하는 정보 단말 장치 등은 모두 전자 기기이다.
휴대용 전자 기기 및 웨어러블(wearable) 전자 기기가 활발히 개발되고 있다. 예를 들어, 얇은 휴대용 전자책이 특허문헌 1에 개시(開示)되어 있다.
휴대용 전자 기기 및 웨어러블 전자 기기는 전지(battery)를 전원으로 사용하여 동작한다. 휴대용 전자 기기는 장시간의 사용에 견딜 필요가 있기 때문에 고용량 이차 전지를 포함할 수 있다. 그 경우, 전자 기기의 크기와 무게가 커지는 문제가 일어난다. 이 문제를 감안하여, 휴대용 전자 기기에 포함될 수 있는 작고 얇은 고용량 이차 전지가 개발되고 있다.
이차 전지의 외장체로서는 금속캔이 사용되고, 금속캔 내에 전해질 등이 들어 있다.
일본 공개 특허 출원 제S63-15796호
외장체로서 사용되는 금속캔은, 이차 전지의 무게를 증가시키는 문제가 있다. 또한, 얇은 이차 전지를 얻기 위하여, 얇은 금속캔을 성형에 의하여 제작하고 얇은 금속캔을 사용하여 이차 전지를 제작하기는 어렵다.
금속 포일(예를 들어, 알루미늄 포일 또는 스테인리스 강 포일)과 수지(히트실(heat-seal) 수지)의 적층을 포함하는 필름(래미네이트 필름이라고도 함)을 외장체로서 사용하면, 금속캔을 사용한 이차 전지보다 더 얇고 가벼운 이차 전지를 제작할 수 있다. 본 발명의 일 형태의 과제는 신규 축전 장치 또는 신규 이차 전지 등을 제공하는 것이다. 또한, 이들 과제의 기재는 다른 과제의 존재를 방해하지 않는다. 본 발명의 일 형태에서, 반드시 모든 과제를 해결할 필요는 없다. 다른 과제는 명세서, 도면, 및 청구항 등의 기재로부터 명백해질 것이며 명세서, 도면, 및 청구항 등의 기재로부터 추출될 수 있다.
금속캔보다 강도가 낮은 필름을 이차 전지의 외장체로서 사용한 경우, 외부에서 이차 전지에 힘이 가해졌을 때에, 외장체로 둘러싸인 영역에 제공된 집전체 또는 집전체 표면에 제공된 활물질층 등이 대미지(damage)를 받을 수 있다. 집전체는 리드 전극으로의 접속을 위한 돌출(전극 탭부(tab portion)라고도 함)을 포함한다. 외력에 의하여 이차 전지가 구부러질 때, 집전체의 일부는 돌출(전극 탭부) 부근에서 크랙(crack) 등의 대미지를 받고, 이는 이차 전지의 파손으로 이어진다.
이차 전지의 외장체로 둘러싸이는 영역에 완충재를 제공한다. 구체적으로는, 외장체(필름)의 밀봉 부분이 완충재 외측에 위치하도록, 집전체 주변에 완충재를 제공한다. 용량을 높이기 위해서는, 적어도 양극 집전체, 세퍼레이터, 및 음극 집전체를 각각 포함하는 복수의 유닛을 외장체로 둘러싸이는 영역에 적층한다. 또한, 외장체와 가장 바깥쪽의 집전체 사이에 완충재를 제공한다. 완충재는 세퍼레이터 및 집전체보다 두께가 두껍다. 또한, 완충재는 세퍼레이터와 동일한 재료를 사용하여 형성하여, 롤 시트 형상으로 하여도 좋다.
완충재의 형상의 예에는 평판 형상, 막대기 형상, 구(球) 형상(예를 들어, 플라스틱 구슬 또는 유리 구슬의 형상), 및 직방체 형상이 포함된다. 예를 들어, 슬릿을 가지는 시트 형상의 플라스틱 필름을 채용하여도 좋다. 또한, 외장체로 둘러싸이는 영역에 복수의 완충재를 제공하여도 좋다. 재료는 크기 및 형상이 달라도 좋다. 예를 들어, 묶은 복수의 섬유실(유리 섬유)을 포함하는 집합체를 완충재로서 사용하여도 좋다. 또는, 직물처럼 엮은 유기 수지실을 포함하는 집합체(직물)를 사용하여도 좋다. 또한, 말거나 또는 접는 시트 형상의 재료를 사용하여도 좋다. 구체적으로는 집전체보다 면적이 큰, 얇은 판 형상의 완충재(플라스틱 필름)를, 외장체로 둘러싸이는 영역에 집전체와 중첩되도록 제공한다. 본 명세서에 개시된 일 형태는, 필름과, 이 필름으로 둘러싸이는 영역에 제 1 집전체, 활물질층, 제 2 집전체, 및 완충재를 포함하는 이차 전지이다. 완충재는, 제 1 집전체와 제 2 집전체가 서로 중첩되는 영역의 면적보다 면적이 큰 플라스틱 필름이다.
집전체와 이 집전체의 외형에 맞는 완충재의 조합의 평면 형상이 거의 직사각형이 되도록, 외장체로 둘러싸이는 영역에 프레임 형상의 완충재를 제공한다. 이 경우, 외장체로 둘러싸이는 영역에서 집전체와 완충재가 서로 접촉되지 않아도, 열압착에 의하여 외장체의 외측 단부를 밀봉함으로써, 집전체와 완충재의 경계가 외관상 불분명해진다. 본 명세서에 개시된 이차 전지의 외관에서, 외측 단부는 열압착되어 얇다. 적층(예를 들어, 제 1 집전체, 세퍼레이터, 및 제 2 집전체)이 존재하는 중심부는 외측 단부보다 두께가 두껍다. 중심부와 외측 단부 사이에 완충재가 제공되고, 중심부와 외측 단부 사이의 부분은 외측 단부보다 두껍다. 또한, 적층에서의 제 1 집전체에 전기적으로 접속된 제 1 리드 전극은 돌출되어 노출되어 있고, 제 2 집전체에 전기적으로 접속된 제 2 리드 전극은 돌출되어 노출되어 있다.
완충재의 재료는 절연체(예를 들어, 플라스틱, 고무(천연 고무 또는 합성 고무), 유리, 부직포, 또는 종이)인 것이 바람직하다. 특히, 완충재의 재료는 탄성 재료(예를 들어, 실리콘 고무, 플루오린 고무, 클로로프렌 고무, 나이트릴 뷰타다이엔 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 또는 스타이렌 뷰타다이엔 고무 등의 합성 고무)인 것이 바람직하다. 구체적으로, 세퍼레이터보다 탄성률이 큰 재료를 완충재의 재료로서 사용한다. 또는, 기포를 포함하는 다공성 재료(예를 들어, 시트 형상의 스티로폼 또는 상술한 합성 고무 재료 중 어느 것을 사용하여 형성된 스펀지 고무)를 완충재의 재료로서 사용하여도 좋다. 겔 상태가 된 재료를 완충재의 재료로서 사용하여도 좋다.
또는, 절연 표면을 가지는 도전 재료를 완충재의 재료로서 사용할 수 있다. 완충재의 재료의 예에는, 유기 수지로 표면이 코팅된 탄소 섬유; 산화 실리콘막 등의 무기 절연막이 표면에 형성된 금속 포일(예를 들어, 알루미늄 포일, 구리 포일, 또는 스테인리스 강 포일); 및 유기 수지로 표면이 코팅된 금속 포일이 포함된다.
이차 전지에서 외장체로 둘러싸이는 영역에 완충재를 제공하면, 집전체 등을 안정되게 배치할 수 있다. 이차 전지를 원하는 형태로 구부릴 때, 완충재도 구부러질 수 있음으로써 이차 전지를 원하는 형태로 할 수 있고, 이는 이차 전지의 구부러진 형태를 유지하는 데 기여한다. 또한, 이차 전지가 필요 이상으로 구부러지는 것을 방지하는 제한 기능을 제공하여도 좋다. 완충재는 이차 전지의 골격으로도 기능할 수 있다.
완충재는 반드시 외장체로 둘러싸이는 영역에 제공할 필요는 없고, 부분적으로 노출되도록 제공하여도 좋다. 그 경우, 완충재 자체가 외장체의 일부, 즉 밀봉 재료로서 기능한다.
전자 기기의 형태에 따라, 전자 기기에 제공된 이차 전지가 구부러지고, 완충재도 구부릴 수 있는 것이 바람직하다. 그러므로, 완충재의 재료는 플렉시블한 것이 바람직하다. 또한, 시간에 따른 열화 때문에 이차 전지에서 전해액의 체적이 감소되어도, 구부림에 의한 주름의 발생 및 이차 전지의 외관의 변화를 억제할 수 있다. 또한, 외장체로 둘러싸인 영역에 위치하는 완충재가, 이차 전지에 가해지는 충격의 집중을 완화시켜, 국소적으로 구부러져서 대미지를 받는 것으로부터 이차 전지를 보호한다.
본 발명의 다른 일 형태는, 외장체로 둘러싸이는 영역에, 양극을 위한 복수의 제 1 집전체 및 음극을 위한 제 2 집전체들을 포함하는 축전 유닛이다.
본 발명의 일 형태에 따른 축전 유닛은 곡률 반경 10mm 이상, 바람직하게는 30mm 이상으로 변형할 수 있다. 축전 유닛의 외장체로서 1장 또는 2장의 필름을 사용한다. 축전 유닛이 층상 구조를 가지는 경우, 축전 유닛은 구부러졌을 때에 필름(들)의 두 곡선에 끼워진 단면을 가진다.
면의 곡률 반경에 대하여 도 7의 (A)~(C)를 참조하여 설명한다. 도 7의 (A)에서, 곡면(1700)을 절단하는 평면(1701)에 있어서, 곡면(1700)을 형성하는 곡선(1702)의 일부를 원호로 근사하고, 이 원의 반경을 곡률 반경(1703)이라고 하고, 이 원의 중심을 곡률 중심(1704)이라고 한다. 도 7의 (B)는 곡면(1700)의 상면도이다. 도 7의 (C)는 평면(1701)을 따라 취한 곡면(1700)의 단면도이다. 평면을 따라 곡면을 절단할 때, 단면에서의 곡선의 곡률 반경은, 곡면과 평면 사이의 각도 또는 절단 위치에 따라 달라지지만, 본 명세서 등에서는 가장 작은 곡률 반경을 면의 곡률 반경으로 정의한다.
전극 및 전해액을 포함하는 내용물(1805)이 외장체로서의 2장의 필름 사이에 끼워진 축전 유닛을 구부리는 경우, 축전 유닛의 곡률 중심(1800)에 가까운 필름(1801)의 곡률 반경(1802)은, 곡률 중심(1800)에서 떨어져 있는 필름(1803)의 곡률 반경(1804)보다 작다(도 8의 (A)). 축전 유닛이 만곡되고 원호상의 단면을 가질 때, 곡률 중심(1800)에 더 가까운 쪽의 필름의 표면에 압축 응력이 가해지고, 곡률 중심(1800)에서 떨어져 있는 쪽의 필름의 표면에 인장 응력이 가해진다(도 8의 (B)). 그러나, 볼록 또는 오목을 포함하는 패턴을 외장체 표면에 형성함으로써, 압축 응력 및 인장 응력이 가해질 때에도 스트레인의 영향을 허용 가능한 정도로 줄일 수 있다. 이러한 이유로, 축전 유닛은 곡률 중심에 가까운 쪽의 외장체의 곡률 반경이 10mm 이상, 바람직하게는 30mm 이상이 되도록 변형할 수 있다.
또한, 축전 유닛의 단면 형상은 단순한 원호 형상에 한정되지 않고 단면을 부분적으로 원호 형상으로 할 수 있고, 예를 들어, 도 8의 (C)에 도시된 형상, 도 8의 (D)에 도시된 물결 형상, 또는 S 형상을 사용할 수 있다. 축전 유닛의 곡면이 복수의 곡률 중심을 가지는 형상인 경우, 축전 유닛은, 곡률 중심에 가까운 쪽의 외장체의 표면인, 복수의 곡률 중심에 대한 곡률 반경 중 가장 작은 곡률 반경을 가지는 곡면이 10mm 이상, 바람직하게는 30mm 이상의 곡률 반경을 가지도록, 변형할 수 있다.
본 발명의 일 형태는 다양한 축전 장치에 사용될 수 있다. 이러한 축전 장치의 예에는, 전지, 일차 전지, 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지(리튬 이온 폴리머 이차 전지를 포함함), 및 리튬 공기 전지가 포함된다. 또한, 축전 장치의 또 다른 예로서 커패시터를 제시한다. 예를 들어, 본 발명의 일 형태에 따른 음극과 전기 이중층 양극의 조합에 의하여 리튬 이온 커패시터 등의 커패시터를 제작할 수 있다.
외력으로 인한 이차 전지의 변형의 정도, 즉 외력으로 인한 이차 전지의 내부 구조의 일부의 변화는, 완충재의 재료 또는 위치에 의하여 조절될 수 있다. 예를 들어, 완충재는 이차 전지의 내부 구조가 파괴되지 않도록, 급격한 구부림을 억제할 수 있다. 그러므로 완충재는, 외부에서 구부리는 힘에 의하여 대미지를 받는 것으로부터 내부 구조를 보호할 수 있다. 또한, 신규 축전 장치 또는 신규 이차 전지 등을 제공할 수 있다. 또한, 이들 효과의 기재는 다른 효과의 존재를 방해하지 않는다. 본 발명의 일 형태는 반드시 상술한 모든 효과를 가질 필요는 없다. 다른 효과는 명세서, 도면, 및 청구항 등의 기재로부터 명백해질 것이며 명세서, 도면, 및 청구항 등의 기재로부터 추출될 수 있다.
첨부 도면에 있어서:
도 1의 (A) 및 (B)는 본 발명의 실시형태를 도시한 외관 모식도 및 단면도이고;
도 2의 (A)~(C)는 본 발명의 실시형태의 외장체로 둘러싸이는 영역의 구조예를 도시한 사시도이고;
도 3의 (A) 및 (B)는 본 발명의 일 형태의 구조예를 도시한 외관 모식도이고;
도 4의 (A)~(E)는 본 발명의 일 형태의 구조예를 도시한 외관 모식도 및 본 발명의 일 형태를 나타낸 X선 사진이고;
도 5의 (A)~(H)는 본 발명의 실시형태의 전자 기기를 도시한 외관 사시도이고;
도 6의 (A)~(D)는 전자 기기를 도시한 것이고;
도 7의 (A)~(C)는 면의 곡률 반경을 도시한 것이고;
도 8의 (A)~(D)는 축전 유닛의 단면을 도시한 것이다.
본 발명의 실시형태에 대하여 이하에서 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고 여기에 개시된 형태 및 자세한 사항을 다양하게 변경할 수 있는 것은 당업자에 의하여 쉽게 이해된다. 또한, 본 발명은 실시형태의 기재에 한정하여 해석되지 않는다.
또한, 본 명세서에서 참조하는 각 도면에서, 발명을 명료화를 위하여 각 구성 요소의 크기 또는 층의 두께가 과장되어 있거나, 또는 각 구성 요소의 영역이 생략되어 있는 경우가 있다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 반드시 이러한 스케일에 한정되지는 않는다.
또한, 본 명세서 등에서 "제 1" 및 "제 2" 등의 서수사는, 구성 요소 간의 혼동을 피하기 위하여 사용하는 것이며, 우선도 또는 단계의 순서 등의 순서 또는 적층 순서 등의 순서를 나타내지 않는다. 구성 요소 간의 혼동을 피하기 위하여, 본 명세서 등에서 서수사가 없는 용어에, 청구범위에서 서수사가 붙여지는 경우가 있다.
(실시형태 1)
도 1의 (A)는 축전 유닛의 모식도의 예를 도시한 것이다. 도 2의 (A)는 축전 유닛의 외장체로 둘러싸이는 내부 구조의 예를 도시한 것이다.
본 발명의 일 형태에 따른 축전 유닛(100)은, 외장체(107) 내에 적어도 양극(101), 세퍼레이터(103), 음극(102), 완충재(110), 및 전해액을 포함한다. 축전 유닛은 다양한 구조 중 어느 것을 가질 수 있고, 본 실시형태에서는 외장체(107)의 형성에 필름을 사용한다.
외장체(107)를 형성하기 위하여 사용하는 필름은, 금속 필름(알루미늄, 스테인리스 강, 니켈 강, 금, 은, 구리, 타이타늄, 니크롬, 철, 주석, 탄탈럼, 나이오븀, 몰리브데넘, 지르코늄, 또는 아연 등의 포일 형태의 금속, 또는 그 합금의 필름), 유기 재료로 만들어진 플라스틱 필름, 유기 재료(예를 들어, 유기 수지 또는 섬유)와 무기 재료(예를 들어, 세라믹)를 함유하는 하이브리드 재료 필름, 및 탄소 함유 필름(예를 들어, 카본 필름 또는 그래파이트 필름) 중에서 선택되는 단층 필름; 또는 상술한 필름들 중 2개 이상을 포함하는 층상 필름이다.
본 실시형태에서는, 양극(101)보다 면적이 큰 시트 형상의 플라스틱 필름을 완충재(110)로서 사용한다. 본 실시형태에서는, 세퍼레이터(103)보다 두께가 두꺼운 플라스틱 필름을 완충재(110)로서 사용한다. 완충재(110)에는 슬릿이 제공되어도 좋다. 완충재(110)의 형상은 직사각형에 한정되지 않고, 4개의 둥근 모서리를 가지는 형상이어도 좋다. 완충재(110)의 형상이 예리한 모서리를 가지면, 축전 유닛이 구부러질 때에, 모서리가 외장체로서 기능하는 필름에 대미지를 줄 수 있다. 그러므로, 완충재(110)의 모서리를 챔퍼(chamfer)하여, 축전 유닛이 높은 신뢰성을 가질 수 있도록 한다. 완충재(110)의 재료로서는 절연 재료를 사용한다; 예를 들어, PP, PE, PET 또는 PBT 등의 폴리에스터, 나일론 6 또는 나일론 66 등의 폴리아마이드, 무기 증착 필름, 또는 종이를 사용한다.
축전 유닛의 외장체로 둘러싸이는 영역에 제공되는 완충재(110)에 의하여, 집전체 등을 안정되게 배치할 수 있다. 축전 유닛을 원하는 형태로 구부릴 때, 완충재도 구부러질 수 있음으로써 축전 유닛을 원하는 형태로 할 수 있고, 이는 축전 유닛의 구부러진 형태를 유지하는 데 기여한다. 또한, 축전 유닛이 필요 이상으로 구부러지는 것을 방지하는 제한 기능을 제공하여도 좋다. 완충재는 축전 유닛의 골격으로도 기능할 수 있다. 축전 유닛의 외장체로 둘러싸이는 영역에 완충재(110)를 제공함으로써, 축전 유닛에 외부에서 힘을 가하는 것에 기인하는 스트레인의 영향을 허용 가능한 정도로 줄일 수 있다. 그러므로, 축전 유닛은 높은 신뢰성을 가질 수 있다.
또한, 축전 유닛의 외장체로 둘러싸이는 영역에 제공되는 완충재(110)가, 표면이 매끄러운 플라스틱 필름이면, 완충재(110)는 완충재(110) 표면과 접촉되는 집전체 및 완충재(110) 표면과 접촉되는 외장체와 접동(摺動)할 수 있다. 그러므로, 축전 유닛은 반복적인 구부림에 대한 저항력을 가질 수 있다.
또한, 양극(101)이란 하나의 면 또는 양면에 각각 양극 활물질층 등이 제공된 집전체(예를 들어, 알루미늄)를 포함하는 것을 말한다. 음극(102)이란 하나의 면 또는 양면에 각각 음극 활물질층 등이 제공된 집전체(예를 들어, 구리)를 포함하는 것을 말한다. 양극(101)은 양극 리드(104)에 전기적으로 접속된다. 음극(102)은 음극 리드(105)에 전기적으로 접속된다. 양극 리드(104) 및 음극 리드(105)를 각각 리드 전극 또는 리드 단자라고도 한다. 양극 리드(104) 및 음극 리드(105)의 일부는 외장체 외측에 배치된다. 축전 유닛(100)은 양극 리드(104) 및 음극 리드(105)를 통하여 충전 및 방전된다.
여기서, 도 1의 (B)를 참조하여 이차 전지의 충전에서의 전류의 흐름을 설명한다. 리튬을 사용한 이차 전지를 폐회로로 간주할 때, 리튬 이온의 이동과 전류의 흐름은 동일한 방향이 된다. 또한, 리튬을 사용한 이차 전지에서는, 충전과 방전에서 애노드와 캐소드가 바뀌고, 산화 반응과 환원 반응이 대응하는 쪽에서 일어나기 때문에, 산화 환원 전위가 높은 전극을 양극이라고 부르고, 산화 환원 전위가 낮은 전극을 음극이라고 부른다. 이러한 이유로, 본 명세서에서는 충전을 행하는 경우, 방전을 행하는 경우, 역 펄스 전류를 공급하는 경우, 및 충전 전류를 공급하는 경우의 모든 경우에서, 양극을 "양극"이라고 하고, 음극을 "음극"이라고 한다. 애노드와 캐소드는 충전 및 방전 시에 바뀌기 때문에, 산화 반응 및 환원 반응에 관련하여 "애노드" 및 "캐소드"라는 용어를 사용하는 것은 혼란을 초래할 수 있다. 그러므로, 본 명세서에서는 "애노드" 및 "캐소드"라는 용어를 사용하지 않는다. 만약에 "애노드" 또는 "캐소드"라는 용어를 사용하는 경우에는, 애노드 또는 캐소드가 충전 시의 것인지 또는 방전 시의 것인지, 그리고 양극 또는 음극 중 어느 쪽에 대응하는지를 언급하여야 한다.
도 1의 (B)에서의 2개의 단자는 충전기에 접속되고, 축전 유닛(100)이 충전된다. 축전 유닛(100)의 충전이 진행될수록 전극간의 전위차가 커진다. 도 1의 (B)에서의 양의 방향은, 전류가 축전 유닛(100)의 외부의 하나의 단자(양극 리드(104))로부터 양극 집전체(양극(101))로 흐르고, 축전 유닛(100)에서 양극(101)으로부터 음극(102)으로 흐르고, 그리고 음극으로부터 축전 유닛(100)의 외부의 다른 단자(음극 리드(105))로 흐르는 방향이다. 바꿔 말하면, 충전 전류의 흐름의 방향으로 전류가 흐른다.
본 실시형태에서는 단순화를 위하여, 외장체에 한 쌍 양극(101)과 음극(102)을 제공하는 예를 설명한다. 하지만, 축전 유닛의 용량을 높이기 위하여 외장체(107)에 복수 쌍의 양극(101)과 음극(102)을 제공하여도 좋다.
도 2의 (A)는 외장체(107)의 배치의 예를 도시한 것이고; 완충재(110), 양극(101), 세퍼레이터(103), 및 음극(102)이 도 2의 (A)와 같이 배치되어 있다. 또한, 단순화를 위하여, 도 2의 (A)에는 외장체(107), 양극 리드(104), 및 음극 리드(105)를 도시하지 않았다.
세퍼레이터(103)를 형성하기 위한 재료의 예에는, 셀룰로스, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리뷰텐, 나일론, 폴리에스터, 폴리설폰, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리플루오린화바이닐리덴, 및 테트라플루오로에틸렌 등의 다공성 절연체가 포함된다. 또는, 유리 섬유 등의 부직포, 또는 유리 섬유 및 고분자 섬유를 혼합한 격막을 사용할 수 있다.
본 실시형태에서, 축전 유닛의 구조는 다음과 같고, 예를 들어: 세퍼레이터(103)의 두께는 약 15㎛~30㎛; 양극(101)의 집전체의 두께는 약 10㎛~40㎛; 양극 활물질층의 두께는 약 50㎛~100㎛; 음극 활물질층의 두께는 약 50㎛~100㎛; 그리고 음극(102)의 집전체의 두께는 약 5㎛~40㎛이다.
도 2의 (A)에서의 세퍼레이터(103)로서 시트 형상의 세퍼레이터를 사용하여도 좋지만, 봉지 형태의 것을 사용하여도 좋다. 또한, 하나의 세퍼레이터를 구부려서 외장체(107)에 제공하여, 구부러진 세퍼레이터의 마주 보는 면들 사이에 양극(또는 음극)이 위치하도록 하여도 좋다.
또한, 완충재(110)의 위치는 도 2의 (A)의 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 2의 (B)에 도시된 바와 같이 완충재(110)를 음극(102)과 접촉되는 측에 제공하여도 좋다.
또한, 완충재(110)의 수는 하나일 필요는 없고, 하나보다 많아도 좋다. 예를 들어, 도 2의 (C)에 도시된 바와 같이 양극(101), 세퍼레이터(103), 및 음극(102)을 제 1 완충재(110a)와 제 2 완충재(110b) 사이에 제공하여도 좋다.
축전 유닛(100)의 양극 활물질층에 사용할 수 있는 양극 활물질의 예에는, 올리빈 구조를 가지는 복합 산화물, 층상 암염 구조를 가지는 복합 산화물, 및 스피넬 구조를 가지는 복합 산화물이 포함된다. 구체적으로는, LiFeO2, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, V2O5, Cr2O5, 또는 MnO2를 사용할 수 있다.
또는, 복합 재료(LiMPO4(일반식)(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), 및 Ni(II) 중 하나 이상))를 사용할 수 있다. 재료로서 사용할 수 있는 일반식 LiMPO4의 대표적인 예에는, LiFePO4, LiNiPO4, LiCoPO4, LiMnPO4, LiFe a Ni b PO4, LiFe a Co b PO4, LiFe a Mn b PO4, LiNi a Co b PO4, LiNi a Mn b PO4(a+b≤1, 0<a<1, 및 0<b<1), LiFe c Ni d Co e PO4, LiFe c Ni d Mn e PO4, LiNi c Co d Mn e PO4(c+d+e≤1, 0<c<1, 0<d<1, 및 0<e<1), 및 LiFe f Ni g Co h Mn i PO4(f+g+h+i≤1, 0<f<1, 0<g<1, 0<h<1, 및 0<i<1) 등의 리튬 화합물이 있다.
또는, Li(2- j )MSiO4(일반식)(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), 및 Ni(II) 중 하나 이상; 0≤j≤2) 등의 복합 재료를 사용하여도 좋다. 재료로서 사용할 수 있는 일반식 Li(2- j )MSiO4의 대표적인 예에는, Li(2- j )FeSiO4, Li(2- j )NiSiO4, Li(2- j )CoSiO4, Li(2- j )MnSiO4, Li(2- j )Fe k Ni l SiO4, Li(2- j )Fe k Co l SiO4, Li(2- j )Fe k Mn l SiO4, Li(2- j )Ni k Co l SiO4, Li(2- j )Ni k Mn l SiO4(k+l≤1, 0<k<1, 및 0<l<1), Li(2- j )Fe m Ni n Co q SiO4, Li(2- j )Fe m Ni n Mn q SiO4, Li(2- j )Ni m Co n Mn q SiO4(m+n+q≤1, 0<m<1, 0<n<1, 및 0<q<1), 및 Li(2- j )Fe r Ni s Co t Mn u SiO4(r+s+t+u≤1, 0<r<1, 0<s<1, 0<t<1, 및 0<u<1) 등의 리튬 화합물이 있다.
또는, AxM2(XO4)3(일반식)(A=Li, Na, 또는 Mg, M=Fe, Mn, Ti, V, Nb, 또는 Al, X=S, P, Mo, W, As, 또는 Si)으로 표현되는 나시콘 화합물을 양극 활물질에 사용할 수 있다. 나시콘 화합물의 예에는 Fe2(MnO4)3, Fe2(SO4)3, 및 Li3Fe2(PO4)3이 있다. 또는, Li2MPO4F, Li2MP2O7, 또는 Li5MO4(일반식)(M=Fe 또는 Mn)로 표현되는 화합물, NaFeF3 및 FeF3 등의 페로브스카이트 플루오린화물, TiS2 및 MoS2 등의 금속 칼코게나이드(황화물, 셀레늄화물, 또는 텔루륨화물), LiMVO4 등의 역스피넬 구조를 가지는 산화물, 바나듐 산화물(V2O5, V6O13, 또는 LiV3O8 등), 망가니즈 산화물, 또는 유기 황 화합물 등을 양극 활물질에 사용할 수 있다.
캐리어 이온이 리튬 이온 외의 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온인 경우, 양극 활물질로서 리튬 대신에 알칼리 금속(예를 들어, 소듐 및 포타슘) 또는 알칼리 토금속(예를 들어, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 베릴륨, 및 마그네슘)을 함유하는 재료를 사용하여도 좋다.
세퍼레이터(103)로서, 셀룰로스(종이), 구멍을 가지는 폴리프로필렌, 또는 구멍을 가지는 폴리에틸렌 등의 절연체를 사용할 수 있다.
전해액의 전해질로서, 캐리어 이온 이동도를 가지며 캐리어 이온으로서 리튬 이온을 함유하는 재료를 사용한다. 전해질의 대표적인 예에는 LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, 및 Li(C2F5SO2)2N 등의 리튬염이 있다. 이들 전해질 중 하나를 단독으로 사용하여도 좋고, 또는 이들 중 2개 이상을 적절한 비로 적절히 조합하여 사용하여도 좋다.
전해액의 용매로서는 캐리어 이온 이동도를 가지는 재료를 사용한다. 전해액의 용매로서는, 비양성자성 유기 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 비양성자성 유기 용매의 대표적인 예에는, 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트, 다이메틸 카보네이트, 다이에틸 카보네이트(DEC), γ-뷰티로락톤, 아세토나이트릴, 다이메톡시에테인, 및 테트라하이드로퓨란 등이 포함되고, 이들 재료 중 하나 이상을 사용할 수 있다. 전해액의 용매로서 겔화된 고분자 재료를 사용하면, 누액(漏液) 등에 대한 안전성이 향상된다. 또한, 축전지를 더 얇고 더 가볍게 할 수 있다. 겔화된 고분자 재료의 대표적인 예에는, 실리콘(silicone) 겔, 아크릴 겔, 아크릴로나이트릴 겔, 폴리에틸렌 옥사이드계 겔, 폴리프로필렌 옥사이드계 겔, 및 플루오린계 폴리머 겔 등이 포함된다. 또는, 전해액의 용매로서 불연성 및 불휘발성의 특징을 가지는 이온성 액체(상온 용융염) 중 1종류 이상을 사용하면, 축전지가 내부 단락하거나 또는 과충전 등에 의하여 내부 온도가 상승하여도, 축전지의 폭발 또는 발화를 방지할 수 있다. 이온 액체는 액체 상태의 염이며 이온 이동도(전도도)가 높다. 이온 액체는 양이온 및 음이온을 함유한다. 이온 액체의 예에는 에틸메틸이미다졸륨(EMI) 양이온을 함유하는 이온 액체, 및 N-메틸-N-프로필피페리디늄(PP13) 양이온을 함유하는 이온 액체가 포함된다.
전해액 대신에, 황화물계 무기 재료 또는 산화물계 무기 재료 등의 무기 재료를 포함하는 고체 전해질, 또는 PEO(polyethylene oxide)계 고분자 재료 등의 고분자 재료를 포함하는 고체 전해질을 사용하여도 좋다. 고체 전해질을 사용하는 경우, 세퍼레이터 및 스페이서는 불필요하다. 또한, 전지를 전체적으로 고체화할 수 있기 때문에, 누액의 가능성이 없어지므로 전지의 안전성이 극적으로 높아진다.
리튬을 용해 및 석출시킬 수 있는 재료, 또는 리튬 이온이 삽입 및 추출될 수 있는 재료를 축전 유닛(100)에서의 음극 활물질층에 사용되는 음극 활물질에 사용할 수 있고; 예를 들어 리튬 금속, 탄소계 재료, 또는 합금계 재료 등을 사용할 수 있다.
리튬 금속은, 산화 환원 전위가 낮고(표준 수소 전극보다 3.045V 낮음), 단위 중량당 및 단위 체적당 비용량이 높기(3860mAh/g 및 2062mAh/cm3) 때문에 바람직하다.
탄소계 재료의 예에는, 흑연, 흑연화성 탄소(소프트 카본), 난흑연화성 탄소(하드 카본), 카본 나노튜브, 그래핀, 및 카본 블랙 등이 포함된다.
흑연의 예에는 메소카본 마이크로비즈(MCMB), 코크스계 인조 흑연, 또는 피치계 인조 흑연 등의 인조 흑연, 및 구상 천연 흑연 등의 천연 흑연이 포함된다.
흑연은 리튬 이온이 흑연에 삽입되었을 때(리튬-흑연 층간 화합물이 형성될 때)에 리튬 금속과 실질적으로 같은 낮은 전위를 가진다(0.1V~0.3V vs. Li/Li+). 이러한 이유로, 리튬 이온 이차 전지는 높은 동작 전압을 가질 수 있다. 또한, 흑연은 단위 체적당 용량이 비교적 높고, 체적 팽창이 작고, 저렴하며, 리튬 금속보다 안전성이 높은 등의 이점이 있으므로 바람직하다.
리튬과의 합금화 반응 및 탈합금화 반응에 의하여 충방전 반응을 가능하게 하는 합금계 재료 또는 산화물을 음극 활물질에 사용할 수 있다. 캐리어 이온이 리튬 이온인 경우, 합금계 재료로서 예를 들어 Al, Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Ag, Au, Zn, Cd, In, 및 Ga 등 중 적어도 하나를 함유하는 재료를 사용할 수 있다. 이러한 원소는 탄소보다 용량이 높다. 특히, 실리콘은 이론 용량이 4200mAh/g로 매우 높다. 이러한 이유로, 음극 활물질로서 실리콘을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 원소를 사용한 합금계 재료의 예에는 Mg2Si, Mg2Ge, Mg2Sn, SnS2, V2Sn3, FeSn2, CoSn2, Ni3Sn2, Cu6Sn5, Ag3Sn, Ag3Sb, Ni2MnSb, CeSb3, LaSn3, La3Co2Sn7, CoSb3, InSb, 및 SbSn 등이 포함된다. 또한, SiO란, 실리콘이 풍부한 부분(silicon-rich portion)을 포함하는 산화 실리콘의 분말을 말하고, SiO y (2>y>0)라고 할 수도 있다. SiO의 예에는, Si2O3, Si3O4, 및 Si2O 중 하나 이상을 함유하는 재료, 및 Si 분말과 이산화 실리콘(SiO2)의 혼합물이 포함된다. 또한, SiO는 다른 원소(예를 들어, 탄소, 질소, 철, 알루미늄, 구리, 타이타늄, 칼슘, 및 망가니즈)를 함유하여도 좋다. 바꿔 말하면, SiO란, 단결정 실리콘, 비정질 실리콘, 다결정 실리콘, Si2O3, Si3O4, Si2O, 및 SiO2 중 2개 이상을 함유하는 유색 재료를 말한다. 그러므로, SiO는 무색 투명 또는 백색인 SiO x (x는 2 이상)와 구별될 수 있다. 또한, 이차 전지가 그 재료로서 SiO를 사용하여 제작되고, SiO가 반복적인 충방전 사이클에 의하여 산화되는 경우, SiO는 SiO2로 변화되는 경우가 있다.
또는, SiO, SnO, SnO2, 또는 이산화 타이타늄(TiO2), 리튬 타이타늄 산화물(Li4Ti5O12), 리튬-흑연 층간 화합물(Li x C6), 오산화 나이오븀(Nb2O5), 산화 텅스텐(WO2), 또는 산화 몰리브데넘(MoO2) 등의 산화물을 음극 활물질에 사용할 수 있다.
또는, 리튬 및 전이 금속을 함유하는 질화물인 Li3N 구조를 가지는 Li3- x M x N(M=Co, Ni, 또는 Cu)을 음극 활물질에 사용할 수 있다. 예를 들어, Li2.6Co0.4N3은 높은 충전 및 방전 용량(900mAh/g 및 1890mAh/cm3)을 가지므로 바람직하다.
리튬 및 전이 금속을 함유하는 질화물을 사용하면, 음극 활물질에 리튬 이온이 함유되기 때문에, 음극 활물질을 V2O5 또는 Cr3O8 등 리튬 이온을 함유하지 않는 양극 활물질의 재료와 조합하여 사용할 수 있으므로 바람직하다. 리튬 이온을 함유하는 재료를 양극 활물질로서 사용하는 경우, 양극 활물질에 함유되는 리튬 이온을 미리 추출해 둠으로써, 리튬과 전이 금속을 함유하는 질화물을 음극 활물질에 사용할 수 있다.
또는, 컨버전 반응을 일으키는 재료를 음극 활물질에 사용할 수 있다; 예를 들어, 산화 코발트(CoO), 산화 니켈(NiO), 및 산화 철(FeO) 등, 리튬과 합금화 반응을 일으키지 않는 전이 금속 산화물을 사용하여도 좋다. 컨버전 반응을 일으키는 재료의 다른 예에는, Fe2O3, CuO, Cu2O, RuO2, 및 Cr2O3 등의 산화물, CoS0.89, NiS, 및 CuS 등의 황화물, Zn3N2, Cu3N, 및 Ge3N4 등의 질화물, NiP2, FeP2, 및 CoP3 등의 인화물, 및 FeF3 및 BiF3 등의 플루오린화물이 포함된다. 또한, 그 높은 전위 때문에, 플루오린화물 중 어느 것을 양극 활물질로서 사용할 수 있다.
음극 활물질층은 상술한 음극 활물질에 더하여, 활물질의 밀착성을 높이기 위한 바인더, 및 음극 활물질층의 도전성을 높이기 위한 도전조제 등을 더 포함하여도 좋다.
완충재는 반드시 외장체로 둘러싸이는 영역에 제공할 필요는 없고, 부분적으로 노출되도록 제공하여도 좋다. 외장체(107)의 외측 단부를 열압착에 의하여 접착함에 있어서, 열압착은 접착 영역과 시트 형상의 완충재의 일부가 서로 중첩된 상태로, 밀봉을 위하여 행하여도 좋다. 그 경우, 시트 형상의 완충재는 접착 영역과 접촉되는 부분에 고정된다.
본 실시형태에서는 휴대 정보 단말 등에 사용되는 소형 전지의 예를 설명하였지만, 본 발명의 일 형태는 이 예에 특별히 한정되지 않는다. 차량 등에 제공되는 대형 전지로의 적용도 가능하다.
(실시형태 2)
실시형태 1에서는 시트 형상의 완충재를 사용한다. 본 실시형태에서는, 실시형태 1과는 다른 형상의 완충재를 사용하여, 실시형태 1과는 다른 위치에 제공한다.
도 3의 (A)는 축전 유닛의 모식도의 예를 도시한 것이다. 도 3의 (B)는 축전 유닛의 외장체로 둘러싸이는 내부 구조의 예를 도시한 것이다. 또한, 도 3의 (A) 및 (B)에서, 도 1의 (A) 및 (B)와 동일한 부분에는 동일한 부호를 사용하고, 여기서는 간략화를 위하여 이 부분에 대한 자세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 형태에 따른 축전 유닛(300)은, 외장체(107) 내에 적어도 양극(101), 세퍼레이터(103), 음극(102), 제 1 완충재(310a), 제 2 완충재(310b), 및 전해액을 포함한다.
본 실시형태에서는, 각각 세퍼레이터(103)보다 두꺼운 막대기 형상의 탄성체들(탄성 재료)을 제 1 완충재(310a) 및 제 2 완충재(310b)로서 사용한다.
도 3의 (A) 및 (B)에 도시된 바와 같이, 양극(101), 세퍼레이터(103), 및 음극(102)은 제 1 완충재(310a)와 제 2 완충재(310b) 사이에 배치된다.
열압착에 의하여 외장체(107)의 마주 보는 외측 단부들을 접착한다. 외장체(107)로서 사용되는 필름 표면에는 폴리프로필렌층이 제공되고, 열압착을 행하는 부분만이 접착 영역이다.
본 실시형태에서, 접착 영역(311)은 제 1 완충재(310a)와 접촉되고, 제 1 완충재(310a)는 축전 유닛(300)의 측면에서 노출된다. 완충재를 노출시키지 않고 축전 유닛 내측에 제공하는 경우, 완충재의 단면 형상으로서 쐐기 형상을 채용하여 밀봉 부분 부근의 단차를 완만하게 한다. 또한, 접착 영역은 제 2 완충재(310b)와 접촉되고, 제 2 완충재(310b)는 축전 유닛(300)의 측면에서 노출된다. 제 1 완충재(310a) 및 제 2 완충재(310b)는 밀봉 재료로도 기능한다.
제 1 완충재(310a) 및 제 2 완충재(310b)의 재료로서는 세퍼레이터보다 탄성률이 높은 것을 사용한다. 예를 들어, 고무(예를 들어, 천연 고무 또는 합성 고무)를 사용한다. 또한, 전해액과의 접촉에 의하여 화학적으로 반응하기 어려운 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 전해액과의 접촉에 의하여 화학적으로 반응하기 어려운 실리콘 고무를 사용한다. 또한, 제 1 완충재(310a) 및 제 2 완충재(310b)에 사용하는 재료에서 전해액과 접촉되는 부분은, 전해액에 대한 내용제성이 높은 재료로 피복하고, 표면 처리를 행하는 것이 바람직하다.
제 1 완충재(310a) 및 제 2 완충재(310b)의 재료로서는 열압착에 의하여 접착될 수 있는 것을 사용한다.
제공된 제 1 완충재(310a) 및 제 2 완충재(310b)에 의하여, 축전 유닛(300)이 구부러질 때에도 축전 유닛(300)의 외측 단부에서 외장체로서 기능하는 필름에 주름이 발생되는 것을 억제할 수 있다.
적층된 양극(101), 세퍼레이터(103), 및 음극(102)의 복수의 조합을 외장체에 넣어서 축전 유닛(300)의 용량을 높이는 경우, 전체의 두께가 두꺼워져 전체의 두께와 외측 단부의 두께의 차이가 커진다. 이에 따라 외장체의 단차가 형성된다. 제 1 완충재(310a) 및 제 2 완충재(310b)를 제공하여 이 단차를 줄이는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 완충재(310a) 및 제 2 완충재(310b)의 길이를 크게 하여 공간을 제공함으로써, 축전 유닛(300)이 구부러질 때에 집전체 등이 접동할 수 있도록 하여도 좋다.
제 1 완충재(310a) 및 제 2 완충재(310b)의 2개의 탄성체를 사용하는 예를 설명하였지만, 본 발명의 일 형태는 이 예에 특별히 한정되지 않는다. 하나의 U형의 탄성 재료 또는 프레임 형상의 탄성 재료를 완충재로서 사용하여도 좋다.
본 실시형태는 실시형태 1과 조합될 수 있다. 예를 들어, 제 1 완충재(310a)와 제 2 완충재(310b) 사이에 배치된 양극(101), 세퍼레이터(103), 및 음극(102), 그리고 제 3 완충재로서의 시트 형상의 플라스틱 필름을 축전 유닛에 넣어도 좋다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는, 프레스, 예를 들어 엠보싱에 의하여 외장체로서 기능하는 필름에 요철을 형성하고, 외장체로 둘러싸이는 영역에 완충재(110)로서 시트 형상의 플라스틱 필름을 사용한다.
본 실시형태에서는, 표면이 어떤 패턴으로 엠보싱된 필름을 사용하여 리튬 이온 이차 전지를 제작하는 예에 대하여 도 4의 (A)~(E)를 참조하여 설명한다. 또한, 도 4의 (A)~(E)에서, 도 1의 (A) 및 (B)와 동일한 부분에는 동일한 부호를 사용하고, 여기서는 간략화를 위하여 이 부분에 대한 자세한 설명을 생략한다.
먼저, 플렉시블 재료로 만들어진 시트를 준비한다. 시트로서는, 접착층(히트실층이라고도 함)이 제공된 금속 필름, 또는 접착층들 사이에 끼워진 금속 필름 등의 적층체를 사용한다. 접착층으로서는 예를 들어 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌을 함유하는 히트실 수지 필름을 사용한다. 본 실시형태에서는 금속 시트, 구체적으로는 상면에 나일론 수지가 제공되고 하면에 내산 폴리프로필렌막과 폴리프로필렌막을 포함하는 적층이 제공된 알루미늄박을 시트로서 사용한다. 이 시트를 잘라서 필름을 얻는다.
그리고, 시각적으로 패턴을 인식할 수 있도록 필름을 엠보싱하여 요철을 형성한다. 여기서는 시트를 자른 다음에 엠보싱을 행하는 예를 설명하지만, 순서는 특별히 한정되지 않고, 시트를 자르기 전에 엠보싱을 행하여도 좋고, 그 다음에 시트를 잘라도 좋다. 또는 시트가 구부러진 상태로 열압착을 행한 후에, 시트를 잘라도 좋다.
또한, 엠보싱이란, 표면에 요철을 가지는 엠보싱 롤을 필름에 압접시킴으로써, 필름 표면에 요철을 형성하기 위한 처리를 말한다. 엠보싱 롤은 표면에 패턴이 있는 롤이다.
반드시 엠보싱 롤을 사용할 필요는 없고, 엠보싱 플레이트를 사용하여도 좋다. 또한, 반드시 엠보싱을 채용할 필요는 없고, 필름의 일부에 부조(relief)를 형성 가능한 어떤 방법을 채용한다.
본 실시형태에서는, 필름(411)의 양면에 패턴을 가지도록 요철을 제공하고, 4개의 모서리 중 2개를 각각 포함하는 2개의 단부가 서로 중첩되도록 필름(411)을 반으로 접고, 접착층으로 세 변을 밀봉한다.
그리고, 필름(411)을 반으로 접어서 도 4의 (A)에 도시된 상태로 한다.
도 4의 (B)에 도시된 바와 같이 적층되어 이차 전지에 포함되는 양극(101), 세퍼레이터(103), 및 음극(102), 그리고 완충재(110)를 준비한다. 양극(101) 및 음극(102)에 사용되는 집전체들은, 각각 스테인리스 강, 금, 백금, 아연, 철, 니켈, 구리, 알루미늄, 타이타늄, 및 탄탈럼으로 대표되는 금속 또는 그 합금 등, 예를 들어 리튬의 캐리어 이온과 합금화하지 않는 도전성이 높은 재료를 사용하여 형성될 수 있다. 또는, 실리콘, 타이타늄, 네오디뮴, 스칸듐, 및 몰리브데넘 등, 내열성을 향상시키는 원소가 첨가된 알루미늄 합금을 사용할 수 있다. 또는, 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소를 사용할 수 있다. 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소의 예에는, 지르코늄, 타이타늄, 하프늄, 바나듐, 나이오븀, 탄탈럼, 크로뮴, 몰리브데넘, 텅스텐, 코발트, 및 니켈 등이 포함된다. 집전체는 각각 박 형상, 판 형상(시트 형상), 그물 형상, 원기둥 형상, 코일 형상, 펀칭 메탈(punching-metal) 형상, 또는 강망(expanded-metal) 형상 등을 적절히 가질 수 있다. 집전체는 각각 5㎛ 이상 40㎛ 이하의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 여기서는 간략화를 위하여, 적층된 양극(101), 세퍼레이터(103), 및 음극(102)의 한 조합을 외장체에 넣는 예를 도시하였다. 이차 전지의 용량을 높이기 위하여 복수의 조합을 적층하고 외장체에 넣어도 좋다. 본 실시형태에서는, 12개의 조합을 적층하고 외장체에 넣는다.
또한, 도 4의 (C)에 도시된 밀봉층(415)을 가지는 2개의 리드 전극을 준비한다. 리드 전극들은 각각 리드 단자라고도 하며, 이차 전지의 양극 또는 음극을 외장 필름의 외측으로 리드하기 위하여 제공된다. 양극 리드(104) 및 음극 리드(105)로서는 각각, 알루미늄 및 니켈 도금된 구리를 사용한다.
그리고, 초음파 용접 등에 의하여, 양극 리드(104)를 양극(101)의 돌출부에 전기적으로 접속한다. 음극 리드(105)는 초음파 용접 등에 의하여, 음극(102)의 돌출부에 전기적으로 접속된다.
그리고, 필름(411)의 두 변을 열압착에 의하여 밀봉하고, 전해액을 도입하기 위하여 한 변을 열어 둔다. 열압착에서는, 리드 전극에 제공된 밀봉층(415)도 녹이기 때문에, 리드 전극과 필름(411)이 서로 고정된다. 그 후, 감압 분위기 또는 불활성 분위기에서 원하는 양의 전해액을 봉투 형상의 필름(411) 안에 도입한다. 마지막으로, 열압착을 행하지 않고 열어둔 필름의 외측 단부를 열압착에 의하여 밀봉한다.
이와 같이 도 4의 (D)에 도시된 축전 유닛(400)을 제작할 수 있다.
얻어진 축전 유닛(400)에서는 외장체로서 기능하는 필름(411) 표면이 요철을 포함하는 패턴을 가진다. 단부 영역은 열압착된 영역이다. 열압착된 영역 표면도 요철을 포함하는 패턴을 가진다. 열압착된 영역의 요철은 중심부보다 작지만, 이차 전지가 구부러질 때에 가해지는 응력을 완화시킬 수 있다. 응력에 기인하는 스트레인을 완화시킬 수 있는 이러한 구조에 의하여, 예를 들어 구부림에 의하여 변형될 때에 이차 전지(예를 들어, 외장체)가 대미지를 받는 것을 방지할 수 있어, 장기 신뢰성을 얻을 수 있다.
도 4의 (E)는 전해액이 없는 상술한 구조의 제작된 샘플을 A1-A2를 따라 찍은 경우를 나타낸 X선 사진이다.
도 4의 (E)로부터, 외장 필름에 요철이 있고, 외장 필름의 아래쪽과 집전체 사이에 공간이 있는 것을 알 수 있다. 플라스틱 필름은 X선으로 관찰되지 않고, 이 공간에는 시트 형상의 플라스틱 필름(두께 300㎛)이 제공되어 있다.
완충재로서 제공된 시트 형상의 플라스틱 필름은, 외장 필름의 요철과 집전체가 서로 직접 접촉됨에 따라 축전 유닛이 구부러질 때에 이들이 대미지를 받는 것을 방지할 수 있다.
본 실시형태는 실시형태 1 또는 2와 자유로이 조합될 수 있다.
(실시형태 4)
본 실시형태에서는, 실시형태 1~3 중 어느 하나를 사용하여 얻어지는 축전 유닛을 각각 포함하는 전자 기기들의 예에 대하여 설명한다.
축전 유닛을 각각 사용한 전자 기기들의 예는 다음과 같다: 헤드 마운티드 디스플레이 및 고글형 디스플레이 등의 표시 장치(텔레비전 또는 텔레비전 수신기라고도 함), 데스크톱 퍼스널 컴퓨터, 랩톱 퍼스널 컴퓨터, 컴퓨터 등의 모니터, 디지털 카메라 또는 디지털 비디오 카메라 등의 카메라, 디지털 액자, 전자 공책, 전자 책, 전자 번역기, 장난감, 마이크로폰 등의 음성 입력 기기, 전기 면도기, 전동 칫솔, 전자 레인지 등의 고주파 가열 장치, 전기 밥솥, 전기 세탁기, 전기 청소기, 온수기, 선풍기, 헤어 드라이어, 가습기, 제습기, 및 에어컨디셔너 등의 공기 조화 설비, 식기 세척기, 식기 건조기, 빨래 건조기, 이불 건조기, 전기 냉장고, 전기 냉동고, 전기 냉동 냉장고, DNA 보존용 냉동고, 손전등, 전동 공구, 연기 탐지기, 가스 경보 장치, 및 방범 경보 장치 등의 경보 장치, 산업용 로봇, 보청기, 심장 페이스메이커, X선 장치, 방사선 측정기, 전기 마사지기, 및 투석 장치 등의 건강 기기 및 의료 기기, 휴대 전화(휴대 전화 장치 또는 휴대폰이라고도 함), 휴대 게임기, 휴대 정보 단말, 조명 장치, 헤드폰 스테레오, 스테레오, 리모컨, 탁상 시계 및 벽걸이 시계 등의 시계, 무선 전화기의 수화기, 트랜스시버, 보수계, 계산기, 디지털 오디오 플레이어 등의 휴대 또는 설치형 음악 재생 장치, 및 파친코기 등의 대형 게임기이다.
실시형태 1~3 중 어느 것에 따라 제작된 축전 유닛은, 외장체로서 유연성을 가지는 얇은 필름을 포함하기 때문에, 곡면을 가지는 지지 구조체에 접착될 수 있고, 큰 곡률 반경을 가지는 지지 구조체의 영역의 곡면을 반영하여 변형시킬 수 있다.
또한, 플렉시블 축전 유닛은 집 또는 빌딩의 만곡된 내벽 또는 외벽의 표면, 또는 자동차의 만곡된 내장 또는 외장의 표면을 따라 제공할 수 있다.
도 5의 (A)는 휴대 전화의 예를 도시한 것이다. 휴대 전화(7400)는, 하우징(7401)에 제공된 표시부(7402), 조작 버튼(7403), 외부 접속 포트(7404), 스피커(7405), 및 마이크로폰(7406) 등을 포함한다. 또한, 휴대 전화(7400)는 축전 유닛(7407)을 포함한다.
도 5의 (B)는 구부러진 휴대 전화(7400)를 도시한 것이다. 외력에 의하여 휴대 전화(7400) 전체가 구부러지면, 휴대 전화(7400)에 포함되는 축전 유닛(7407)도 구부러진다. 도 5의 (C)는 구부러진 축전 유닛(7407)을 도시한 것이다. 축전 유닛(7407)은 래미네이트 축전지(층상 전지 또는 필름 외장 배터리(film-covered battery)라고도 함)이다. 축전 유닛(7407)은 구부러진 상태로 고정된다. 또한, 축전 유닛(7407)은 집전체(7409)에 전기적으로 접속된 리드 전극(7408)을 포함한다. 예를 들어, 축전 유닛(7407)의 외장체로서 기능하는 필름으로 둘러싸이는 영역에 완충재를 제공하면, 축전 유닛(7407)은 구부러질 때에도 높은 신뢰성을 가지게 된다. 휴대 전화(7400)에는, SIM 카드를 삽입하기 위한 슬롯, USB 메모리 등의 USB 장치를 접속하기 위한 접속부를 더 제공하여도 좋다.
도 5의 (D)는 구부러질 수 있는 휴대 전화의 예를 도시한 것이다. 구부려서 전완에 끼우면, 휴대 전화를 도 5의 (E)에 도시된 바와 같이 팔찌형 휴대 전화로서 사용할 수 있다. 휴대 전화(7100)는 하우징(7101), 표시부(7102), 조작 버튼(7103), 및 축전 유닛(7104)을 포함한다. 도 5의 (F)는 구부릴 수 있는 축전 유닛(7104)을 도시한 것이다. 축전 유닛(7104)이 구부러진 상태로 휴대 전화가 사용자의 팔에 장착될 때, 하우징이 변형되고 축전 유닛(7104)의 일부 또는 전체의 곡률이 변화된다. 구체적으로는, 하우징 또는 축전 유닛(7104)의 주된 표면의 일부 또는 전체가 곡률 반경 10mm~150mm의 범위 내에서 변화된다. 또한, 축전 유닛(7104)은 집전체(7106)와 전기적으로 접속된 리드 전극(7105)을 포함한다. 예를 들어, 축전 유닛(7104)의 외장체로서 기능하는 필름으로 둘러싸이는 영역에 완충재를 제공하면, 축전 유닛(7104)이 상이한 곡률로 여러 번 구부러질 때에도 축전 유닛(7104)이 높은 신뢰성을 유지할 수 있다. 상술한 바와 같이, 도 5의 (D)에 도시된 휴대 전화는, 하나보다 많은 형태로 변형될 수 있고, 휴대 전화를 변형하기 위해서는 적어도 하우징(7101), 표시부(7102), 및 축전 유닛(7104)이 유연성을 가지는 것이 바람직하다.
휴대 전화(7100)에는, SIM 카드를 삽입하기 위한 슬롯, USB 메모리 등의 USB 장치를 접속하기 위한 접속부를 더 제공하여도 좋다.
휴대 전화의 다른 사용예로서, 도 5의 (D)에 도시된 휴대 전화의 중앙 부분을 구부리면, 도 5의 (G)에 도시된 형태를 얻을 수 있다. 휴대 전화의 중앙 부분을 접어서, 도 5의 (H)에 도시된 바와 같이 휴대 전화의 단부들이 서로 중첩되도록 하면, 휴대 전화를 소형화하여 예를 들어 사용자가 입고 있는 옷의 포켓에 넣을 수 있다. 도 5의 (D), (G), 및 (H)에 도시된 변형만의 경우, 축전 유닛(7104)은 구부러지지 않는다. 얇은 휴대 전화가 떨어지거나 또는 다른 어떤 충격을 받으면, 안에 제공된 축전 유닛(7104)도 충격을 받는다. 축전 유닛(7104)의 외장체로서 기능하는 필름으로 둘러싸이는 영역에 제공되는 완충재는, 이러한 충격을 완화시키고, 완충재의 사용에 의하여 내구성이 있는 이차 전지의 제작이 가능해진다. 그러므로, 외장체로서 기능하는 필름으로 둘러싸이는 영역에 완충재가 제공된 축전 유닛(7104)을 사용하면, 휴대 전화를 구부리는지 여부에 상관없이 신뢰성이 높은 휴대 전화의 제작이 가능해진다.
도 6의 (A)는 청소기의 예를 도시한 것이다. 이차 전지를 제공함으로써, 청소기를 코드리스로 할 수 있다. 청소기 내에, 흡인한 먼지를 넣기 위한 집진(集塵)공간을 확보하기 위하여, 축전 유닛(7604)으로 차지되는 공간은 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 이러한 이유로, 외측 표면과 집진 공간 사이에, 구부러질 수 있는 축전 유닛(7604)을 제공하는 것이 유용하다.
청소기(7600)에는 조작 버튼(7603) 및 축전 유닛(7604)이 제공된다. 도 6의 (B)는 구부러질 수 있는 축전 유닛(7604)을 도시한 것이다. 축전 유닛(7604)의 외장체로서 기능하는 필름으로 둘러싸이는 영역에 완충재를 제공함으로써, 축전 유닛(7604)이 구부러질 때에도 높은 신뢰성을 가지게 된다. 축전 유닛(7604)은, 음극에 전기적으로 접속된 리드 전극(7601) 및 양극에 전기적으로 접속된 리드 전극(7602)을 포함한다.
외장체의 하나의 단변에서 2개의 리드 전극이 노출되어 있는 축전 유닛(7604)의 다른 예로서, 구부러질 수 있는 축전 유닛(7605)을 도 6의 (C)에 도시하였다. 축전 유닛(7605)의 집전체 또는 리드 전극이, 외장체의 2개의 단변에서 노출되어 있다. 축전 유닛(7605)의 외장체로서 기능하는 필름으로 둘러싸이는 영역에 제공된 완충재는, 축전 유닛(7605)을 구부러질 수 있게 하여 그 신뢰성을 향상시킨다.
도 6의 (D)는 축전 유닛(7605)의 내부 구조의 예를 도시한 것이다. 도 6의 (D)에 도시된 바와 같이, 축전 유닛(7605)은 양극(101), 세퍼레이터(103), 및 2개의 음극(102)을 포함한다. 세퍼레이터(103)는 접히고, 이 접힌 세퍼레이터(103) 내에 양극(101)이 제공된다. 또한, 양극(101)은 양극 활물질층 사이에 끼워진다. 도 6의 (D)는 하나의 양극과 2개의 음극의 조합을 도시한 것이지만, 양극과 음극의 조합을 더 많이 사용하여 축전 유닛(7605)의 용량을 높여도 좋다. 축전 유닛(7605)은 음극들(102) 중 하나와 접촉되는 완충재(110)도 포함한다. 완충재(110)는 축전 유닛(7605)의 필름으로 둘러싸이는 영역에 위치하며, 축전 유닛(7605)의 기계적인 강도를 높이는 기능을 가진다.
얇은 축전 유닛(7604)은 실시형태 3에 기재된 래미네이트 이차 전지의 제작 방법에 의하여 제작될 수 있다.
얇은 축전 유닛(7604)은 래미네이트 구조를 가지며, 구부러져서 고정된다. 청소기(7600)는 예를 들어, 얇은 축전 유닛(7604)의 전력 잔량을 표시하는 표시부(7606)를 포함한다. 표시부(7606)의 표시 영역은 청소기의 외부 표면의 형상에 맞도록 만곡된다. 청소기는 콘센트에 접속하기 위한 접속 코드를 포함한다. 얇은 축전 유닛(7604)에 충분한 전력이 충전되면, 접속 코드를 콘센트에서 제거하여 청소기를 사용할 수 있다. 접속 코드를 사용하지 않고, 얇은 축전 유닛(7604)을 무선으로 충전하여도 좋다. 축전 유닛(7604)의 외장체로서 기능하는 필름으로 둘러싸이는 영역에 제공된 완충재는, 축전 유닛(7604)을 충격에 견디게 하고 신뢰성을 높게 한다.
구부러질 수 있는 축전 유닛을 차량에 사용하면, 하이브리드 전기 자동차(HEV), 전기 자동차(EV), 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV) 등의 차세대 클린 에너지 자동차의 생산이 가능해진다. 또한, 구부러질 수 있는 축전 유닛은, 농업 기계, 전동 어시스트 자전거를 포함하는 원동기 부착 이륜차, 오토바이, 전동 휠체어, 전동 카트, 보트 또는 선박, 잠수함, 고정익 항공기 및 회전익 항공기 등의 항공기, 로켓, 인공 위성, 우주 탐사기, 혹성 탐사기, 및 우주선 등의 이동체에도 사용될 수 있다.
100: 축전 유닛, 101: 양극, 102: 음극, 103: 세퍼레이터, 104: 양극 리드, 105: 음극 리드, 107: 외장체, 110: 완충재, 110a: 완충재, 110b: 완충재, 300: 축전 유닛, 310a: 완충재, 310b: 완충재, 311: 접착 영역, 400: 축전 유닛, 411: 필름, 415: 밀봉층, 1700: 곡면, 1701: 평면, 1702: 곡선, 1703: 곡률 반경, 1704: 곡률 중심, 1800: 곡률 중심, 1801: 필름, 1802: 곡률 반경, 1803: 필름, 및 1804: 곡률 반경
본 출원은 2014년 5월 16일에 일본 특허청에 출원된 일련 번호 2014-102894의 일본 특허 출원에 기초하고, 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합된다.

Claims (12)

  1. 이차 전지로서,
    제 1 집전체, 제 2 집전체, 제 1 완충재, 제 2 완충재 및 세퍼레이터를 포함하고,
    상기 세퍼레이터는 상기 제 1 집전체 위에 배치되고,
    상기 제 2 집전체는 상기 세퍼레이터 위에 배치되고,
    상기 제 1 집전체 및 상기 제 2 집전체는 상기 제 1 완충재와 상기 제 2 완충재 사이에 배치되고,
    상기 제 1 완충재는 상기 제 1 집전체의 제 1 측면 및 상기 제 2 집전체의 제 1 측면과 마주하고,
    상기 제 2 완충재는 상기 제 1 집전체의 제 2 측면 및 상기 제 2 집전체의 제 2 측면과 마주하고,
    상기 제 1 완충재 및 상기 제 2 완충재 각각의 탄성률은 상기 세퍼레이터의 탄성률보다 큰, 이차 전지.
  2. 이차 전지로서,
    제 1 집전체, 제 2 집전체, 제 1 완충재, 제 2 완충재, 세퍼레이터 및 필름을 포함하고,
    상기 세퍼레이터는 상기 제 1 집전체 위에 배치되고,
    상기 제 2 집전체는 상기 세퍼레이터 위에 배치되고,
    상기 필름은 상기 제 1 집전체, 상기 세퍼레이터, 상기 제 2 집전체, 상기 제 1 완충재 및 상기 제 2 완충재를 둘러싸고,
    상기 제 1 집전체 및 상기 제 2 집전체는 상기 제 1 완충재와 상기 제 2 완충재 사이에 배치되고,
    상기 제 1 완충재는 상기 제 1 집전체의 제 1 측면 및 상기 제 2 집전체의 제 1 측면과 마주하고,
    상기 제 2 완충재는 상기 제 1 집전체의 제 2 측면 및 상기 제 2 집전체의 제 2 측면과 마주하고,
    상기 제 1 완충재 및 상기 제 2 완충재 각각의 탄성률은 상기 세퍼레이터의 탄성률보다 크고,
    상기 필름의 표면은 볼록들 또는 오목들을 포함하는 패턴을 포함하는, 이차 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제 1 완충재 및 상기 제 2 완충재 각각은 탄성체인, 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 완충재 및 상기 제 2 완충재 각각은 플라스틱 필름인, 이차 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제 1 완충재 및 상기 제 2 완충재 각각의 면적은 상기 제 1 집전체 및 상기 제 2 집전체가 서로 중첩되는 영역의 면적보다 큰, 이차 전지.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제 1 완충재 및 상기 제 2 완충재 각각은 플라스틱 필름인, 이차 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제 1 완충재 및 상기 제 2 완충재 각각의 면적은 상기 제 1 집전체 및 상기 제 2 집전체가 서로 중첩되는 영역의 면적보다 큰, 이차 전지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제 1 완충재는 상기 필름 및 상기 제 1 집전체와 접동(摺動)하고,
    상기 제 2 완충재는 상기 필름 및 상기 제 2 집전체와 접동하는, 이차 전지.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제 1 완충재 및 상기 제 2 완충재 각각은 상기 이차 전지를 구부리는 것의 범위를 한정하는, 이차 전지.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제 1 완충재 및 상기 제 2 완충재 각각은 상기 세퍼레이터보다 두께가 두꺼운, 이차 전지.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전해액을 더 포함하는, 이차 전지.
  12. 전자 기기로서,
    제1항 또는 제2항에 따른 이차 전지; 및
    표시부, 하우징, 스피커, 마이크로폰 및 조작 버튼 중 적어도 하나를 포함하는, 전자 기기.
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