JP2008027892A - 新規な電極リード−電極タブ結合部を有する電極組立体及びこれを備えた電気化学セル - Google Patents

Abstract

【課題】正極／分離膜／負極構造のスタック型またはスタック／折り畳み型電極組立体を提供する。
【解決手段】電極組立体を構成するそれぞれの電極板には、活物質の塗布していないタブ（電極タブ）が突出しており、これら電極タブは、一つの電極リードに結合して電極リード−電極タブ結合部を形成し、前記電極リードは、電極タブ積層体の上面と下面を同時に被覆する構造に結合するように、その端部が分枝された電極組立体とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、新規な電極リード−電極タブ結合部を有する電極組立体に関し、より詳細には、正極／分離膜／負極構造のスタック型またはスタック／折り畳み型電極組立体において、電極組立体を構成するそれぞれの電極板には、活物質の塗布していないタブ（電極タブ）が突出しており、これら電極タブは、一つの電極リードに結合して電極リード−電極タブ結合部を形成し、該電極リードは、電極タブ積層体の上面と下面を同時に被覆する構造で結合するように、その端部が分枝されていることを特徴とする、電極組立体及び該電極組立体を備える電気化学セルに関する。

モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するに伴い、エネルギー源としての電池の需要も急増しつつあり、これに伴う種々の要求に応えうる電池への多くの研究が行われてきている。

例えば、電池の形状面では、厚さの薄い、携帯電話などのような製品に適用可能な角形二次電池とパウチ形二次電池への需要が多く、材料面では、高いエネルギー密度、放電電圧及び出力安全性を有するリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのようなリチウム二次電池への需要が多い。

また、二次電池は、正極／分離膜／負極構造の電極組立体の構造によっても分類でき、例えば、長いシート型の正極と負極を分離膜が介在された状態で巻き取った構造のジェリーロール（巻き取り型）電極組立体、所定大きさの単位に切り取った複数の正極と負極を分離膜を介在した状態で順次に積層したスタック型（積層型）電極組立体、所定単位の正極と負極を分離膜を介在した状態で積層したバイセル（Bi-cell）またはフールセル（Full cell）を巻き取った構造のスタック／折り畳み型電極組立体などに分類可能である。

図１は、従来の代表的なスタック型電極組立体の一般の構造を模式的に示す側面図である。
図１を参照すると、スタック型電極組立体１０は、正極集電体２１の両面に正極活物質２２が塗布されてなる正極２０と、負極集電体３１の両面に負極活物質３２が塗布されてなる負極３０とが、分離膜７０を介在した状態で順次に積層されて構成される。

正極集電体２１及び負極集電体３１の一側端部には、電池の電極端子を構成する正極リード６０及び負極リード（図示せず）にそれぞれ電気的に接続されるために、活物質の塗布していない複数の正極タブ４１及び負極タブ５１が突出している。ここで、正極タブ４１と負極タブ５１は、密集した形態に結合されて正極リード６０と負極リードにそれぞれ連結される。この構造は、正極タブと正極リードとの結合部を部分的に拡大して模式的に示す図２Ａ及び図２Ｂからより容易に確認できる。図２Ａ及び図２Ｂでは、説明の便宜のために正極タブと正極リードとの結合構造のみを示すが、このような構造は、負極タブと負極リードとの結合部でも同様に適用される。

同図を参照すると、正極タブ４０は、矢印方向に密着して正極リード６０に連結される。通常、正極リード６０は溶接によって結合されるもので、図２Ａに示すように、最上端の正極タブ４１の上側面に配置される、または、図２Ｂに示すように、最下端の正極タブ４２の下側面に配置された状態で結合される。

しかしながら、上記の構造において、電極組立体は、電極リードに対する電極タブの結合力が低下するという問題点を抱えていた。すなわち、上記構造の電極組立体では、電極リードと電極タブとを結合させるための溶接が、片方のみから行われるため、外力の印加時に電極リードと電極タブが相互に分離し易くなってしまう。

また、このような電極組立体は、外力による移動時に、電極タブ−電極リード結合部で電極リードの変形を招き、それによる電極組立体に対する電極リードの短絡可能性が非常に高いという短所があった。

したがって、電極リードと電極タブとの結合力を向上させることができ、結合部位で内部短絡を防止できる技術が切に要求されている現状にある。

本発明は、上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、電極タブ−電極リードの結合力を向上させることによって、優れた信頼性を確保できる電極組立体を提供することにある。

本発明の他の目的は、電極タブ−電極リードの結合部で電極リードの変形を抑えて内部短絡を防止できる電極組立体を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、上記の電極組立体を備えて構成された電気化学セルを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る電極組立体は、正極／分離膜／負極構造のスタック型またはスタック／折り畳み型電極組立体であって、電極組立体を構成するそれぞれの電極板には、活物質の塗布していないタブ電極タブが突出しており、これら電極タブは、一つの電極リードに結合して電極リード−電極タブ結合部を形成し、前記電極リードは、電極タブ積層体の上面と下面を同時に被覆する構造に結合するように、その端部が分枝されていることを特徴とする。

場合によっては、前記電極リードの分枝型端部は、垂直断面上において、電極タブ積層体の上面と下面で対称構造とされても良く、積層体の上面及び下面のいずれかの一面で偏向して非対称構造とされても良い。具体的に、非対称構造は、端部の長さまたは形態によるもので、より具体的には、積層体の上面及び下面のいずれかの一面で端部の長さが延びている構造などがある。このように、前記電極リードの分枝型端部は、対称構造及び非対称構造のいずれも可能であるが、電極タブ積層体に対する電極リードの結合力をより向上させるには対称構造とすることが最も好ましい。

好ましい一例として、前記電極リードは、同じ大きさを有する２個のリード部材を相互密着させた状態で、分枝型端部部位を除く残りの部位を結合させる構造にすることができる。

この構造において、各リード部材は、結合後に一側で分枝型端部を形成できるように、結合前または結合後に所定の形態に折り曲げられ、該折り曲げ作業を容易にするためには、結合前に所定の形態に折り曲げることが好ましい。具体的に、前記各リード部材は、分枝型端部が電極タブ積層体の上面と下面に安定して装着されるように、垂直断面上において、結合予定部位を基準にＶ字またはＵ字状に折り曲げた後に結合することが好ましい。

他の例として、前記電極リードは、相対的に長いリード部材（ａ）に、相対的に短いリード部材（ｂ）を密着した状態で、リード部材（ｂ）の一側端部をリード部材（ａ）上に結合させる構造にしても良い。この場合、リード部材（ｂ）の一側端部は、電極リードの分枝型端部に対応する端部で、上にも説明したように、リード部材（ｂ）がリード部材（ａ）に対して垂直断面上、Ｖ字またはＵ字状となるように、リード部材（ａ）の略中央に結合されることが好ましい。

さらに他の例として、前記電極リード−電極タブの結合部は、分枝型端部が形成されている電極リードを組み立てた後、電極リードを電極タブ積層体に結合する構造とすることができる。すなわち、上述した構造におけると同様に、リード部材を折り曲げ及び結合することによって電極リードを組み立てた後、電極リードの分枝型端部を電極タブ積層体の上面及び下面に配置した状態で結合することによって、電極リード−電極タブ結合部を形成することができる。

この場合、前記結合部において電極リードと電極タブは様々な方式で結合可能であり、好ましくは、溶接によって一層安定的に結合されることができる。使用可能な溶接には、例えば、超音波溶接、レーザー溶接、抵抗溶接などがある。

場合によっては、前記電極リード−電極タブの結合部は、電極タブ積層体の上面と下面にそれぞれのリード部材を配置した後に結合することによって形成しても良い。すなわち、上述した例による構造のように、分枝型端部が形成されるように折り曲げられたリード部材を、電極タブ積層体の上面と下面にそれぞれ配置した状態で結合することによって、電極リード−電極タブ結合部を形成しても良い。この時、前記結合部において電極リードと電極タブは、上にも説明したように、例えば、溶接などによって安定的に結合させることができる。

本発明において、前記電極リードは、特に限定されるものではなく、電極タブを電気的に接続できる素材はいずれも使用可能であり、好ましくは、金属プレートを使用する。金属プレートの例には、アルミニウムプレート、銅プレート、ニッケルプレート、ニッケルコートの銅プレート、ＳＵＳプレートなどがあるが、これらに限定されるわけではない。
なお、本発明は、上記の電極組立体を備えて構成された電気化学セルを提供する。

前記電気化学セルは、単位セルとして３〜４個が組み合わせられて小型電気化学セルとされても良く、単位セルとして多数個が組み合わせられて中大型電気化学セルとされても良い。この時、小型電気化学セルでは、厚さ０．１ｍｍ以下の電極リードを備えることが好ましく、中大型電気化学セルでは、厚さ０．１〜０．５ｍｍの電極リードを備えることが好ましい。

前記電気化学セルは、電気化学反応を通じて電気を提供するもので、例えば、電気化学二次電池または電気化学キャパシタであり得、なかでもリチウム二次電池で好適に適用可能である。

前記二次電池は、充放電が可能な電極組立体が内蔵されているもので、好ましくは、金属層と樹脂層とを含むラミネートシートの電池ケースに、電極組立体がシール状態に内蔵されている構造でありうる。このような構造の二次電池を、パウチ形二次電池とも称する。

また、前記二次電池は、複数個の電池セルを組み合わせて高出力大容量の電池パックを製造する時に単位電池として好適に使用されることができる。高出力大容量の電池パックに使用される単位電池（電池セル）は、小型電池パックの電池セルに比べて非常に大きいため、外力の印加時に電極組立体自体の大きい重量によって電極リード−電極タブ結合部に相対的に大きい衝撃が加えられる。したがって、本発明のように電極リード−電極タブ結合部の安全性に優れた構造は、中大型電池セルにより好適に適用可能である。

本発明による電極組立体によれば、電極タブ−電極リード結合部の結合力が向上するため、優れた信頼性を確保することができ、且つ、電極タブ−電極リード結合部における電極リードの変形を抑えて内部短絡を防止することが可能になる。

以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。ただし、下記の実施形態は、本発明のより容易な理解のために例示されるもので、本発明の範囲を限定するためのものではない。

図３には、本発明の一実施形態による電極組立体において、正極タブが密集した形態に結合して正極リードに連結されている電極リード−電極タブ結合部が模式的に拡大図示されている。

図３を参照すると、複数の正極タブ２００は、分枝型の端部１１１，１２１が形成されている正極リード１００に結合されている。正極リード１００は、同じ大きさの上部リード１１０と下部リード１２０とで構成されており、上部リード１１０と下部リード１２０をそれぞれ２回折り曲げられた状態で結合される。

正極リード１００は、分枝型端部１１１，１２１がそれぞれ正極タブ２００のうち、最上端の正極タブ２０１の上面及び最下端の正極タブ２０２の下面に安定的に装着できるように、上部リード１１０と下部リード１２０の分枝型端部１１１，１２１を、それぞれの折り曲げ部位１１１ａ，１１１ｂ；１２１ａ，１２１ｂで２回折り曲げ、面接する上部リード１１０と下部リード１２０のそれぞれの結合端部１１２，１２２を相互に溶接することによって製造される。したがって、正極リード１００は、上部リード１１０の分枝型端部１１１と下部リード１２０の分枝型端部１２１との間に正極タブ２００を挿入した状態で、正極タブ２００と溶接によって結合される。

変形例では、図４に示すように、上部リード３１０と下部リード３２０をそれぞれ１回のみ折り曲げて正極リード３００を構成する。すなわち、正極リード３００は、上部リード３１０と下部リード３１０の分枝型端部３１１，３２１をそれぞれの折り曲げ部位３１１ａ，３２１ａで１回折り曲げ、相互に面接する結合端部３１２，３２２を溶接することによって製造される。したがって、横Ｙ字形構造となる正極リード３００は、分枝型端部３１１，３２１の間に正極タブ２００を挿入した状態で、正極タブ２００と溶接によって結合される。好ましくは、正極タブ２００との溶接過程で、分枝型端部３１１，３２１を図３に示すような形態または緩やかに折り曲げた形態に変形して溶接をより容易にさせても良い。

図５には、本発明の他の実施形態による電極組立体において、正極タブが密集した形態に結合して正極リードと連結されている電極リード−電極タブ結合部を模式的に拡大図示する。

図５を参照すると、正極タブ２００は、分枝型の端部４１０，４２１が形成されている正極リード４００に結合されている。正極リード４００は、相異なる大きさの上部リード４１０と下部リード４２０とで構成されており、下部リード４２０を２回折り曲げた状態で、上部リード４１０を結合することによってなる。

すなわち、正極リード４００は、下部リード４２０の分枝型端部４２１を折り曲げ部位Ａ ４２１ａ及び折り曲げ部位Ｂ ４２１ｂで２回折り曲げ、下部リード４２０の折り曲げ部位Ａ ４２１ａに上部リード４１０を結合することによって製造される。この場合、上部リード４１０はそれ自体が分枝型端部を形成するので、折り曲げ部位４１０ａで１回のみ折り曲げられる。したがって、正極リード４００は、上部リード４１０と下部リード４２０の分枝型端部４２１との間に正極タブ２００を挿入した状態で、正極タブ２００と溶接によって結合される。

場合によっては、図３乃至図５において、下部リード１２０，３２０，４２０を折り曲げずに上部リード１１０，３１０，４１０のみを折り曲げ、正極タブ２００の結合部位を被覆するように非対称構造に製造しても良い。

以下、実施例に挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、下記の実施例は本発明を例示するためのもので、本発明の範囲を限定するためのものではない。

実施例１
同じ大きさのアルミニウム金属板２枚及び同じ大きさの銅金属板２枚を使って、図３のような、垂直断面構造を有する正極リード及び負極リードを製造した。その後、製造された正極リードと負極リードを、図１のように正極／分離膜／負極が順次に積層された電極組立体の正極タブと負極タブに連結し、これを電池ケースに装着し、電解液を注入した後、電池ケースをシールすることで電池を完成した。

実施例２
相異なる大きさのアルミニウム金属板２枚及び相異なる大きさの銅金属板２枚を使って、図５のような垂直断面構造を有する正極リード及び負極リードを製造した以外は、上記の実施例１と同様にして電池を完成した。

比較例１
アルミニウム金属板からなる正極リード及び銅金属板からなる負極リードを、図２Ａの構造のように正極タブ及び負極タブに連結する以外は、上記の実施例１と同様にして電池を完成した。

実験例１
上記の実施例１、２及び比較例１においてそれぞれ製造された電池に対して前方落下実験を行い、その結果を下記表１に示す。本実験では、それぞれ２０個の電池に対して繰り返し行い、１．５ｍ高さで電極端子が底に衝突するように自由落下としたし、電池の短絡及び結合部位で電極リード−電極タブ結合部の分離現象を観察した。

上記表１に示すように、本発明に係る実施例１ないし３の電池は、前方落下実験で、２０個電池のいずれでも内部短絡及び電極タブ−電極リードの分離現象が起こらなかった。すなわち、電極リードの分枝型端部によって、電極タブに対する電極リードの結合力を向上させることによって、リードの変形による内部短絡及び結合部位における電極タブ−電極リードの分離現象が防止できた。これに対し、比較例１の電池では、多数の電池で内部短絡及び分離現象が確認された。

以上の内容に基づいて本発明の範囲内で種々の応用及び変形が可能であることは、本発明の属する技術分野における通常の知識を持つ者にとっては明らかであろう。

従来のスタック型電極組立体の一般の構造を示す模式図である。 図１の電極組立体において、正極タブが密集して結合して正極リードに連結されている部分を拡大して示す図である。 図１の電極組立体において、正極タブが密集して結合して正極リードに連結されている部分を拡大して示す図である。 本発明の一実施形態による電極組立体において、正極タブが密集して結合して正極リードに連結されている電極リード−電極タブ結合部を示す拡大図である。 図３の変形例による電極組立体において、正極タブが密集して結合して正極リードに連結されている電極リード−電極タブ結合部を示す拡大図である。 本発明の他の実施形態による電極組立体において、正極タブが密集して結合して正極リードに連結されている電極リード−電極タブ結合部を示す拡大図である。

Claims (15)

1. 正極／分離膜／負極構造のスタック型またはスタック／折り畳み型電極組立体であって、
   電極組立体を構成するそれぞれの電極板には、活物質の塗布していないタブ（電極タブ）が突出しており、これら電極タブは、一つの電極リードに結合して電極リード−電極タブ結合部を形成し、前記電極リードは、電極タブ積層体の上面と下面とを同時に被覆する構造で結合するように、その端部が分枝されている、ことを特徴とする、電極組立体。
2. 前記電極リードの分枝型端部は、対称または非対称の垂直断面構造を有する、請求項１に記載の電極組立体。
3. 前記電極リードは、同じ大きさを有する２個のリード部材が相互密着した状態で、分枝型端部部位を除く残りの部位が結合されてなる、請求項１に記載の電極組立体。
4. 結合前の前記各リード部材は、結合後に一方の側に分枝型端部が形成されるように、所定の形態に折り曲げられている、請求項３に記載の電極組立体。
5. 前記電極リードは、相対的に長いリード部材に、相対的に短いリード部材を密着した状態で、前記相対的に短いリード部材の一方の側の端部を、相対的に長いリード部材上に結合させてなる、請求項１に記載の電極組立体。
6. 前記電極リード−電極タブ結合部は、電極タブ積層体に、分枝型端部が形成されている電極リードを組み立てた後に溶接を行うことによって形成されたものである、請求項１に記載の電極組立体。
7. 前記電極リード−電極タブ結合部は、電極タブ積層体の上面と下面にそれぞれリード部材が結合したものである、請求項１に記載の電極組立体。
8. 前記電極リードは、金属プレートからなる、請求項１に記載の電極組立体。
9. 前記金属プレートは、アルミニウムプレート、銅プレート、ニッケルプレート、ニッケルコートの銅プレート及びＳＵＳプレートの中から選択されることを特徴とする、請求項８に記載の電極組立体。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電極組立体を備えて構成された電気化学セル。
11. 小型電気化学セルであって、厚さ０．１ｍｍ以下の電極リードを備える、請求項１０に記載の電気化学セル。
12. 中大型電気化学セルであって、厚さ０．１〜０．５ｍｍの電極リードを備える、請求項１０に記載の電気化学セル。
13. 前記電気化学セルは、二次電池またはキャパシタである、請求項１０に記載の電気化学セル。
14. 前記二次電池は、金属層と樹脂層とを含むラミネートシートの電池ケースに、電極組立体がシール状態に内蔵されてなる、請求項１３に記載の電気化学セル。
15. 前記二次電池は、高出力大容量の電池パックに使用される単位電池である、請求項１４に記載の電気化学セル。

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