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JP2015534218A - 電極組立体 - Google Patents

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Abstract

本発明に係る電極組立体は、(a)互いに同一の個数の電極と分離膜が交互に配置されて一体に結合された1種の基本単位体が繰り返し配置された構造や、または(b)互いに同一の個数の電極と分離膜が交互に配置されて一体に結合された2種以上の基本単位体が定められた手順に従い配置された構造を有する単位体スタック部、及び単位体スタック部の上面から単位体スタック部の側面に沿って単位体スタック部の下面まで延長されて単位体スタック部を固定する固定部を含む。ここで、(a)の1種の基本単位体は、第1電極、第1分離膜、第2電極及び第2分離膜が順次配置された4層構造や、4層構造が繰り返して配置された構造を有し、また、(b)の2種以上の基本単位体をそれぞれ1つずつ定められた手順に従い配置すれば、4層構造や4層構造が繰り返して積層された構造が形成される。【選択図】図２２

Description

本発明は、電極組立体に関し、さらに詳しくは、積層で具現することができながらも積層安定性に優れた電極組立体に関する。
本願は、2013年2月15日に出願された韓国特許出願第10-2013-0016514号及び2014年2月17日に出願された韓国特許出願第10-2014-0017716号に基づいた優先権を主張する。そして、該当出願の明細書及び図面に開示された全ての内容は本願に援用される。
二次電池は、電極組立体の構造によって多様に分類され得る。一例として、二次電池はスタック型構造、巻取型(ゼリーロール型)構造またはスタック／フォールディング型構造に分類され得る。ところが、スタック型構造は、電極組立体を構成する電極単位(正極、分離膜及び負極)が互いに別に積層されるため、電極組立体を精密に整列することが非常に困難であるだけでなく、電極組立体を生産するために非常に多くの工程が求められるとの短所がある。また、スタック／フォールディング型構造は、一般的に2台のラミネーション装備と1台のフォールディング装備が求められるため、電極組立体の製造工程が非常に複雑であるとの短所がある。特に、スタック／フォールディング型構造は、フォールディングを介してフルセルやバイセルを積層するため、フルセルやバイセルを精密に整列し難いとの短所もある。
これに対して、本出願人は、積層だけで電極組立体を製造することができながらも、電極組立体を非常に精密に整列させることができるだけでなく、生産性を向上させることができる新たなタイプの電極組立体を出願している。このような電極組立体において、本発明は、基本的に積層安定性を向上させるためのことと関連がある。
したがって、本発明は、前記のような問題等を解決するために案出されたものであって、本発明の課題は、積層で具現することができながらも積層安定性に優れた電極組立体を提供することにある。
本発明に係る電極組立体は、(a)互いに同一の個数の電極と分離膜が交互に配置されて一体に結合された1種の基本単位体が繰り返し配置された構造や、または(b)互いに同一の個数の電極と分離膜が交互に配置されて一体に結合された2種以上の基本単位体が定められた手順に従い配置された構造を有する単位体スタック部、及び単位体スタック部の上面から単位体スタック部の側面に沿って単位体スタック部の下面まで延長されて単位体スタック部を固定する固定部を含む。ここで、(a)の1種の基本単位体は、第1電極、第1分離膜、第2電極及び第2分離膜が順次配置された4層構造や、4層構造が繰り返して配置された構造を有し、また、(b)の2種以上の基本単位体をそれぞれ1つずつ定められた手順に従い配置すれば、4層構造や4層構造が繰り返して積層された構造が形成される。
本発明に係る電極組立体は、単位体スタック部が積層に基づいた構造を有し、固定部が単位体スタック部を固定するため、積層で容易に具現することができながらも積層安定性に優れた効果がある。
本発明に係る基本単位体の第1構造を示している側面図である。 本発明に係る基本単位体の第2構造を示している側面図である。 図1の基本単位体の積層で形成される単位体スタック部を示している側面図である。 本発明に係る基本単位体の第3構造を示している側面図である。 本発明に係る基本単位体の第4構造を示している側面図である。 図4の基本単位体と図5の基本単位体との積層で形成される単位体スタック部を示している側面図である。 本発明に係る基本単位体を製造する工程を示している工程図である。 異なる大きさを有する基本単位体が積層されて形成される単位体スタック部を示している斜視図である。 図8の単位体スタック部を示している側面図である。 異なる幾何学的形状を有する基本単位体が積層されて形成される単位体スタック部を示している斜視図である。 本発明に係る基本単位体と第1補助単位体とを含む単位体スタック部の第1構造を示している側面図である。 本発明に係る基本単位体と第1補助単位体とを含む単位体スタック部の第2構造を示している側面図である。 本発明に係る基本単位体と第2補助単位体とを含む単位体スタック部の第3構造を示している側面図である。 本発明に係る基本単位体と第2補助単位体とを含む単位体スタック部の第4構造を示している側面図である。 本発明に係る基本単位体と第1補助単位体とを含む単位体スタック部の第5構造を示している側面図である。 本発明に係る基本単位体と第1補助単位体とを含む単位体スタック部の第6構造を示している側面図である。 本発明に係る基本単位体と第2補助単位体とを含む単位体スタック部の第7構造を示している側面図である。 本発明に係る基本単位体と第2補助単位体とを含む単位体スタック部の第8構造を示している側面図である。 本発明に係る基本単位体と第1補助単位体とを含む単位体スタック部の第9構造を示している側面図である。 本発明に係る基本単位体、第1補助単位体及び第2補助単位体を含む単位体スタック部の第10構造を示している側面図である。 本発明に係る基本単位体と第2補助単位体とを含む単位体スタック部の第11構造を示している側面図である。 本発明の一実施形態に係る固定部を含む電極組立体を示している斜視図である。 図22の電極組立体を示している平面図である。 図23の固定部の第1変形例を示している平面図である。 図23の固定部の第2変形例を示している平面図である。 図23の固定部の第3変形例を示している平面図である。 図23の固定部の第4変形例を示している平面図である。 図23の固定部の第5変形例を示している平面図である。 図23の固定部の第6変形例を示している平面図である。 図23の固定部の第7変形例を示している平面図である。 図23の固定部の第8変形例を示している平面図である。 図31の電極組立体を示している斜視図である。 図31の固定部の第1変形例を示している平面図である。 図31の固定部の第2変形例を示している平面図である。
以下では、図を参照して本発明の好ましい実施例を詳しく説明する。しかし、本発明が以下の実施例によって制限されたり、限定されたりするものではない。
本発明に係る電極組立体は、基本的に単位体スタック部と単位体スタック部を固定する固定部とを含む。よって、以下で単位体スタック部に対して先ず検討してみたあと、固定部に対して検討してみる。
単位体スタック部
本発明における単位体スタック部は、1種の基本単位体が繰り返し配置された構造を有するか、または2種以上の基本単位体が定められた手順に従って、例えば、交互に配置された構造を有する。よって、以下で先ず基本単位体に対して検討してみる。
[基本単位体の構造]
本発明に係る電極組立体で基本単位体は、電極と分離膜が交互に配置されて形成される。このとき、電極と分離膜は同じ数だけ配置される。例えば、図1で示しているように、基本単位体110aは2つの電極111、113と2つの分離膜112、114が積層されて形成され得る。このとき、正極と負極は当然分離膜を介して互いに対向することができる。基本単位体がこのように形成されれば、基本単位体の一側末端に電極(図1と2で図面符号111の電極参照)が位置することとなり、基本単位体の他側末端に分離膜(図1と2で図面符号114の分離膜参照)が位置することとなる。
本発明に係る電極組立体は、基本単位体の積層だけで単位体スタック部(すなわち、電極組立体)を形成することができるとの点に基本的な特徴がある。すなわち、本発明は、1種の基本単位体を繰り返して積層し、または2種以上の基本単位体を定められた手順に従い積層して単位体スタック部を形成することができるとの点に基本的な特徴がある。このような特徴を具現するため、基本単位体は以下のような構造を有し得る。
第一、基本単位体は、第1電極、第1分離膜、第2電極及び第2分離膜が順次積層されて形成され得る。より具体的に、基本単位体110a、110bは、図1で示しているように第1電極111、第1分離膜112、第2電極113及び第2分離膜114が上側から下側に順次積層されて形成されるか、または図2で示しているように第1電極111、第1分離膜112、第2電極113及び第2分離膜114が下側から上側に順次積層されて形成され得る。このような構造を有する基本単位体を以下で第1基本単位体という。このとき、第1電極111と第2電極113は互いに逆の電極である。例えば、第1電極111が正極であれば、第2電極113は負極である。
このように第1電極、第1分離膜、第2電極及び第2分離膜が順次積層されて基本単位体が形成されれば、図3で示しているように、1種の基本単位体110aを繰り返して積層することだけでも単位体スタック部100aを形成することができる。ここで、基本単位体は、このような4層構造以外にも8層構造や12層構造を有し得る。すなわち、基本単位体は4層構造が繰り返して配置された構造を有し得る。例えば、基本単位体は、第1電極、第1分離膜、第2電極、第2分離膜、第1電極、第1分離膜、第2電極及び第2分離膜が順次積層されて形成されることもある。
第二、基本単位体は、第1電極、第1分離膜、第2電極、第2分離膜、第1電極及び第1分離膜が順次積層されて形成されるか、第2電極、第2分離膜、第1電極、第1分離膜、第2電極及び第2分離膜が順次積層されて形成され得る。前者の構造を有する基本単位体を以下で第2基本単位体といい、後者の構造を有する基本単位体を以下で第3基本単位体という。
より具体的に第2基本単位体110cは、図4に示されているように第1電極111、第1分離膜112、第2電極113、第2分離膜114、第1電極111及び第1分離膜112が上側から下側に順次積層されて形成され得る。また、第3基本単位体110dは、図5に示されているように第2電極113、第2分離膜114、第1電極111、第1分離膜112、第2電極113及び第2分離膜114が上側から下側に順次積層されて形成され得る。これとは逆に下側から上側に順次積層されて形成されることもある。
第2基本単位体110cと第3基本単位体110dを一つずつのみ積層すれば、4層構造が繰り返して積層された構造が形成される。したがって、第2基本単位体110cと第3基本単位体110dを一つずつ交互に積層し続ければ、図6で示しているように第2及び第3基本単位体の積層だけでも、単位体スタック部100bを形成することができる。参考までに、3種の基本単位体が準備されるとすれば、例えば、1番基本単位体、2番基本単位体、3番基本単位体、再び1番基本単位体、2番基本単位体、3番基本単位体の順に、すなわち定められた手順に従って基本単位体を積層して単位体スタック部を形成することができる。
このように本発明で1種の基本単位体は、第1電極、第1分離膜、第2電極及び第2分離膜が順次配置された4層構造や、4層構造が繰り返して配置された構造を有する。また、本発明で2種以上の基本単位体をそれぞれ1つずつ定められた手順に従い配置すれば、4層構造や4層構造が繰り返して配置された構造が形成される。例えば、前述した第1基本単位体は4層構造を有し、前述した第2基本単位体と第3基本単位体をそれぞれ1つずつ合計2つを積層すると、4層構造が繰り返して積層された12層構造が形成される。
したがって、本発明で1種の基本単位体を繰り返して積層するか、または2種以上の基本単位体を定められた手順に従い積層すれば、単に積層だけでも単位体スタック部(すなわち、電極組立体)を形成することができる。
本発明で単位体スタック部は、基本単位体が基本単位体の単位で積層されて形成される。すなわち、先ず基本単位体を制作した後、これを繰り返してまたは定められた手順に従い積層して単位体スタック部を制作する。このように、本発明は基本単位体の積層だけで単位体スタック部を形成することができる。したがって、本発明は、基本単位体を非常に精密に整列させることができる。基本単位体が精密に整列されれば、電極と分離膜も単位体スタック部で精密に整列され得る。また、本発明は、単位体スタック部(電極組立体)の生産性を非常に向上させることができる。工程が非常に単純になるためである。
[基本単位体の製造]
図7を参照して代表的に第1基本単位体を製造する工程に対して検討してみる。先ず、第1電極材料121、第1分離膜材料122、第2電極材料123及び第2分離膜材料124を準備する。ここで第1分離膜材料122と第2分離膜材料124は互いに同一の材料であり得る。その後、第1電極材料121をカッターC1を介して所定の大きさに切断し、第2電極材料123もカッターC2を介して所定の大きさに切断する。その後、第1電極材料121を第1分離膜材料122に積層し、第2電極材料123を第2分離膜材料124に積層する。
その後、ラミネータL1、L2で電極材料と分離膜材料を互いに接着させることが好ましい。このような接着により電極と分離膜が一体に結合された基本単位体が製造され得る。結合の方法は多様であり得る。ラミネータL1、L2は、接着のために材料に圧力を加えるか圧力と熱を加える。このような接着は、単位体スタック部を製造する際に基本単位体の積層をより容易にする。また、このような接着は基本単位体の整列にも有利である。このような接着後に第1分離膜材料122と第2分離膜材料124をカッターC3を介して所定の大きさに切断すれば、基本単位体110aが製造され得る。このような過程中に分離膜の末端は隣接した分離膜の末端と接合されない。
このように、基本単位体で電極は隣接した分離膜に接着され得る。または分離膜が電極に接着されるとみることもできる。このとき、電極は分離膜に対向する面で全体的に分離膜に接着されるのが好ましい。これは電極が安定的に分離膜に固定され得るためである。通常、電極は分離膜より小さい。
このために接着剤を分離膜に塗布することができる。しかし、このように接着剤を用いようとすれば、接着剤を接着面に亘ってメッシュ(mesh)形態やドット(dot)形態に塗布する必要がある。接着剤を接着面の全体に万遍なく塗布すれば、リチウムイオンのような反応イオンが分離膜を通過することができないためである。したがって、接着剤を用いれば、電極を全体的に(すなわち、接着面の全体に亘って)分離膜に接着させることはできるとしても、全体的に万遍なく接着させることは困難である。
または、接着力を有するコーティング層を備える分離膜を介して全体的に電極を分離膜に接着させることができる。さらに詳述する。分離膜は、ポリオレフィン系列の分離膜基材のような多孔性の分離膜基材、及び分離膜基材の一面または両面に全体的にコーティングされる多孔性のコーティング層を含むことができる。このとき、コーティング層は無機物粒子等と無機物粒子等を互いに連結及び固定するバインダ高分子の混合物で形成され得る。
ここで無機物粒子は、分離膜の熱的安定性を向上させることができる。すなわち、無機物粒子は、高温で分離膜が収縮されることを防止し得る。また、バインダ高分子は、無機物粒子を固定させて分離膜の機械的安定性も向上させることができる。また、バインダ高分子は、電極を分離膜に接着させることができる。バインダ高分子はコーティング層に全体的に分布するので、前述した接着剤とは異なり、接着面の全体で万遍なく接着が起こり得る。したがって、このような分離膜を用いれば、電極をより安定的に分離膜に固定させることができる。このような接着を強化するため、前述したラミネータを用いることができる。
ところが、無機物粒子等は、充填構造(densely packed structure)を成してコーティング層で全体的に無機物粒子等間のインタースティシャルボリューム(interstitial volumes)を形成することができる。このとき、無機物粒子等が限定するインタースティシャルボリュームによって、コーティング層には気孔構造が形成され得る。このような気孔構造によって分離膜にコーティング層が形成されていても、リチウムイオンが分離膜を良好に通過することができる。参考までに、無機物粒子等が限定するインタースティシャルボリュームは位置に応じてバインダ高分子により塞がっていることもある。
ここで、充填構造は、ガラス瓶に砂利が盛られているような構造で説明され得る。したがって、無機物粒子等が充填構造を成すと、コーティング層で局部的に無機物粒子等間のインタースティシャルボリュームが形成されるのではなく、コーティング層で全体的に無機物粒子等間のインタースティシャルボリュームが形成される。これによって、無機物粒子の大きさが増加すると、インタースティシャルボリュームによる気孔の大きさも共に増加する。このような充填構造によって分離膜の全体面でリチウムイオンが円滑に分離膜を通過することができる。
一方、単位体スタック部では、基本単位体も基本単位体同士で互いに接着され得る。例えば、図1で第2分離膜114の下面に接着剤が塗布されるか、前述したコーティング層がコーティングされると、第2分離膜114の下面に他の基本単位体が接着され得る。
このとき、基本単位体で電極と分離膜との間の接着力は、単位体スタック部で基本単位体間の接着力より大きいことがあり得る。もちろん、基本単位体間の接着力はないこともある。この場合、電極組立体(単位体スタック部)を分離する際に、接着力の差によって基本単位体単位に分離される可能性が高い。参考までに、接着力は剥離力に表現することもできる。例えば、電極と分離膜との間の接着力は、電極と分離膜を互いに取り外すとき必要な力として表現することもできる。このように単位体スタック部内で基本単位体は、隣接した基本単位体と結合されないか、または基本単位体内で電極と分離膜が互いに結合された結合力とは異なる結合力で隣接した基本単位体と結合され得る。
参考までに、分離膜が前述したコーティング層を含む場合、分離膜に対する超音波融着は好ましくない。分離膜は、通常、電極より大きい。これによって、第1分離膜112の末端と第2分離膜114の末端を超音波融着で互いに結合させようとする試みがあり得る。ところが、超音波融着はホーンで対象を直接加圧する必要がある。しかし、ホーンで分離膜の末端を直接加圧すれば、接着力を有するコーティング層によって分離膜にホーンがくっ付き得る。これにより装置の故障が招かれ得る。
[基本単位体の変形]
今まで互いに同じ大きさを有する基本単位体のみを説明した。しかし、基本単位体は互いに異なる大きさを有することもできる。互いに異なる大きさを有する基本単位体を積層すれば、単位体スタック部を多様な形状に製造することができる。ここで、基本単位体の大きさは、分離膜の大きさを基準に説明する。通常、分離膜が電極より大きいためである。
図8と図9を参照してさらに詳述すれば、基本単位体は複数個に設けられ、互いに異なる大きさを有する少なくとも2つのグループに分けられ得る(図9の図面符号1101a、1102a、1103a参照)。このような基本単位体等を大きさに従って積層すると、複数段の構造を有する単位体スタック部100cが形成され得る。図8と図9は、3つのグループに分けられる基本単位体1101a、1102a、1103aが互いに同じ大きさの基本単位体同士に積層されて3つの段を形成した例を示している。これにより、図8及び図9で単位体スタック部100cは3つの段を形成した構造を有する。参考までに、1つのグループに属する基本単位体等が2つ以上の段を形成しても構わない。
ところが、このように複数段を形成する場合、基本単位体は、前述した4層構造や4層構造が繰り返して積層された構造、すなわち第1基本単位体の構造を有するのが最も好ましい(本明細書で基本単位体等が互いに積層構造が同一であれば、互いに大きさが異なるとしても1種の基本単位体に属するものとみなす)。
これに対して詳述すれば、1つの段で正極と負極は互いに同じ数だけ積層されるのが好ましい。また、段と段との間で互いに逆の電極が分離膜を介して互いに対向するのが好ましい。ところが、例えば、第2及び第3基本単位体の場合、前記のように1つの段を形成するために2種の基本単位体が必要となる。
しかし、図9に示されているように第1基本単位体の場合、前記のように1つの段を形成するために1種の基本単位体のみ必要となる。したがって、基本単位体が前述した4層構造や4層構造が繰り返して積層された構造を有せば、複数段を形成するとしても基本単位体の種類の数を減らすことができる。
また、例えば、第2及び第3基本単位体の場合、前記のように1つの段を形成するために2種の基本単位体を少なくとも1つずつ積層する必要があるので、1つの段は最小12層の構造を有するようになる。しかし、第1基本単位体の場合、前記のように1つの段を形成するために1種の基本単位体のみ積層すればよいので、1つの段は最小4層の構造を有するようになる。したがって、基本単位体が前述した4層構造や4層構造が繰り返して積層された構造を有せば、複数段を形成するとき、各段の厚さを非常に容易に調節することができる。
一方、基本単位体は互いに異なる大きさを有し得るだけでなく、互いに異なる幾何学的形状も有し得る。例えば、図10で示しているように、基本単位体等は大きさだけでなく、角形状において差があり得、穿孔の有無において差があり得る。より具体的に図10で示しているように、3つのグループに分けられる基本単位体等が互いに同じ幾何学的形状の基本単位体同士に積層されて3つの段を形成することもできる。
このため、基本単位体は、少なくとも2つのグループ(各グループは互いに異なる幾何学的形状を有する)に分けられ得る。このときも同様に、基本単位体は前述した4層構造や4層構造が繰り返して積層された構造、すなわち第1基本単位体の構造を有するのが最も好ましい(本明細書で基本単位体等が互いに積層構造が同一であれば、互いに幾何学的形状が異なるとしても1種の基本単位体に属するものとみなす)。
[補助単位体]
単位体スタック部は、第1補助単位体と第2補助単位体のうち少なくともいずれか1つをさらに含むことができる。先ず、第1補助単位体に対して検討してみる。本発明で基本単位体は、一側末端に電極が位置し、他側末端に分離膜が位置する。したがって、基本単位体を順次積層すれば、単位体スタック部の最上側や最下側に電極(図11で図面符号116の電極参照、以下「末端電極」という)が位置することとなる。第1補助単位体は、このような末端電極にさらに積層される。
より具体的に末端電極116が正極であれば、第1補助単位体130aは図11で示しているように、末端電極116から順次、すなわち末端電極116から外側に分離膜114、負極113、分離膜112及び正極111が順次積層されて形成され得る。また、末端電極116が負極であれば、第1補助単位体130bは図12で示しているように、末端電極116から順次、すなわち末端電極116から外側に分離膜114及び正極113が順次積層されて形成され得る。
単位体スタック部100d、100eは、図11と図12に示されているように、第1補助単位体130a、130bを介して末端電極側の最外側に正極を位置させることができる。このとき、最外側に位置する正極、すなわち第1補助単位体の正極は、集電体の両面のうち基本単位体に対向する一面(図11を基準に下側に向かう一面)にのみ活物質層がコーティングされるのが好ましい。このように活物質層がコーティングされれば、末端電極側の最外側に活物質層が位置しなくなるので、活物質層が浪費されることを防止することができる。参考までに、正極は(例えば)リチウムイオンを放出する構成なので、最外側に正極を位置させれば電池の容量において有利である。
次に、第2補助単位体に対して検討してみる。第2補助単位体は、基本的に第1補助単位体と同一の役割を担う。さらに詳述する。本発明で基本単位体は、一側末端に電極が位置し、他側末端に分離膜が位置する。したがって、基本単位体を順次積層すれば、単位体スタック部の最上側や最下側に分離膜(図13で図面符号117の分離膜参照、以下「末端分離膜」という)が位置することとなる。第2補助単位体は、このような末端分離膜にさらに積層される。
より具体的に、基本単位体で末端分離膜117に接した電極113が正極であれば、第2補助単位体140aは、図13で示しているように、末端分離膜117から順次負極111、分離膜112及び正極113が積層されて形成され得る。また、基本単位体で末端分離膜117に接した電極113が負極であれば、第2補助単位体140bは、図14で示しているように正極111で形成され得る。
単位体スタック部100f、100gは、図13と図14に示されているように、第2補助単位体140a、140bを介して末端分離膜側の最外側に正極を位置させることができる。このとき、最外側に位置する正極、すなわち第2補助単位体の正極もまた第1補助単位体の正極と同様に、集電体の両面のうち基本単位体に対向する一面(図13を基準に上側に向かう一面)にのみ活物質層がコーティングされるのが好ましい。
ところが、第1補助単位体と第2補助単位体は、前述した構造とは異なる構造を有することもできる。先ず、第1補助単位体に対して検討してみる。図15で示しているように末端電極116が正極であれば、第1補助単位体130cは分離膜114及び負極113が末端電極116から順次積層されて形成され得る。また、図16に示されているように末端電極116が負極であれば、第1補助単位体130dは分離膜114、正極113、分離膜112及び負極111が末端電極116から順次積層されて形成され得る。
単位体スタック部100h、100iは、図15と図16に示されているように、第1補助単位体130c、130dを介して末端電極側の最外側に負極を位置させることができる。
次に、第2補助単位体に対して検討してみる。図17で示しているように、基本単位体で末端分離膜117に接した電極113が正極であれば、第2補助単位体140cは負極111で形成され得る。また、図18で示しているように、基本単位体で末端分離膜117に接した電極113が負極であれば、第2補助単位体140dは正極111、分離膜112及び負極13が末端分離膜117から順次積層されて形成され得る。単位体スタック部100j、100kは、図17と図18に示されているように、第2補助単位体140c、140dを介して末端分離膜側の最外側に負極を位置させることができる。
参考までに、負極は電位差によって電池ケース(例えば、パウチ型ケース)のアルミニウム層と反応を起こし得る。したがって、負極は、分離膜を介して電池ケースから絶縁されるのが好ましい。このため、図15から図18で、第1及び第2補助単位体は負極の外側に分離膜をさらに含むこともできる。例えば、図15の第1補助単位体130cと対比して図19の第1補助単位体130eは、最外側に分離膜112をさらに含むこともできる。参考までに、補助単位体が分離膜を含めば、補助単位体を基本単位体に整列するとき一層容易である。
一方、図20で示しているように、単位体スタック部100mを形成することもできる。基本単位体110bは、下側から上側に第1電極111、第1分離膜112、第2電極113及び第2分離膜114が順次積層されて形成され得る。このとき、第1電極111は正極であり得、第2電極113は負極であり得る。
また、第1補助単位体130fは、分離膜114、負極113、分離膜112及び正極111が末端電極116から順次積層されて形成され得る。このとき、第1補助単位体130fの正極111は、集電体の両面のうち基本単位体110bに対向する一面にのみ活物質層が形成され得る。
また、第2補助単位体140eは、末端分離膜117から順次正極(第1正極)111、分離膜112、負極113、分離膜114及び正極(第2正極)118が積層されて形成され得る。このとき、第2補助単位体140eの正極のうち最外側に位置した正極(第2正極)118は、集電体の両面のうち基本単位体110bに対向する一面にのみ活物質層が形成され得る。
最後に、図21で示しているように単位体スタック部100nを形成することもできる。基本単位体110eは、上側から下側に第1電極111、第1分離膜112、第2電極113及び第2分離膜114が積層されて形成され得る。このとき、第1電極111は負極であり得、第2電極113は正極であり得る。また、第2補助単位体140fは、負極111、分離膜112、正極113、分離膜114及び負極119が末端分離膜117から順次積層されて形成され得る。
固定部
本発明で電極組立体は、単位体スタック部を固定する固定部を含む。本発明に係る電極組立体は、基本単位体の積層だけで単位体スタック部(電極組立体)を形成することができるとの点に基本的な特徴がある。しかし、基本単位体を積層して単位体スタック部を形成すると、基本単位体の間に浮きが発生することがある。または電極と分離膜との間に浮きが発生することもある。このような浮きが発生すると、電極組立体が分離されることもある。したがって、電極組立体において積層安定性を確保するために浮きを防ぐことが好ましい。このため、本発明で電極組立体は固定部を含む。
固定部200は、図22で示しているように、基本的に単位体スタック部100の上面から単位体スタック部100の側面に沿って単位体スタック部100の下面まで延長され、単位体スタック部100を固定する。図8のように単位体スタック部が複数段を有するとしても、固定部により同一に固定することができる。参考までに、図22は1つの基本単位体を含む単位体スタック部を例示している。
ここで、固定部200は、単位体スタック部100の内側に単位体スタック部100を押して固定することが好ましい。一例として、単位体スタック部100の上面に高分子テープの一端を熱融着で固定した後、高分子テープの他端を単位体スタック部100の側面に沿って引っ張って単位体スタック部100の下面に熱融着で固定することにより、単位体スタック部100を固定することができる。この場合、固定部200を介して単位体スタック部100をより安定的に固定することができる。
ところが、単位体スタック部100の電極と電気的に接続される電極端子または電極タブ310、320は、図22で示しているように、極性に応じて互いに逆方向に延長され得る。例えば、正極端子は全て前方に延長され、負極端子は全て後方に延長され得る。または電極端子が極性に応じて互いに離隔されたまま互いに同じ方向に延長され得る。
固定部200は、前述のように形成され得る(図22及び図23参照)。このとき、固定部200は、図23で示しているように、単位体スタック部100の4つの側面のうち、第1方向(これに対しては後述する)D1に平行な2つの側面にそれぞれ備えられ得る。
ここで、固定部201、202は、図24や図25で示しているように、第1方向(図23参照)D1に沿って複数個備えられることもある(図24は、左側に第1方向に沿って2つの固定部を、さらに右側に第1方向に沿って2つの固定部を示している)。このように固定部201、202を形成すれば、単位体スタック部100の外側で浮きが発生することをより効果的に防ぐことができる。また、図26で示しているように固定部203を形成すれば、単位体スタック部100の最外側で浮きが発生することをより効果的に防ぐことができる。
ところが、第1方向D1は、単位体スタック部100を高さ方向(図22を基準に上下方向)に投影した平面で定義され得る。図22で示しているように、本実施例で単位体スタック部100は直方体の形状を有する(通常分離膜が最も大きいため、分離膜を基準に説明する)。したがって、単位体スタック部100を高さ方向に投影すると長方形が導き出される(図23参照)。長方形は4つの辺を有するが、その中で2つの辺は第1方向D1に延長されて互いに平行であり、残りの2つの辺は第1方向D1に垂直な第2方向D2に延長されて互いに平行である。第1方向D1と第2方向D2は、このように定義され得る。但し、単位体スタック部を投影した平面が必ずしも長方形である必要はない。
一方、図23の固定部200は、図27のように変形され得る。すなわち、固定部204は、図27で示しているように、単位体スタック部100の側面のうち、第2方向(図23参照)D2に平行な2つの側面にそれぞれ備えられ得る。ここで、固定部204は、第2方向D2に沿って複数個備えられ得る(図27は、上側に第2方向に沿って2つの固定部を、そして下側に第2方向に沿って2つの固定部を示している)。
または、図28に示されているように、固定部205は、単位体スタック部100の4つの側面に全部備えられてもよい。参考までに、第1方向D1と第2方向D2は相対的である。例えば、図28で単位体スタック部の上側側面と下側側面を第1方向D1に平行であると定義することもできる。
また、固定部206、207は、図29と図30で示しているように、幅を図23の固定部200とは異にすることもできる。図29と図30で示しているように、固定部206、207の幅を厚く形成すると、より安定的に単位体スタック部100を固定することができる。参考までに、図30で固定部207は、単位体スタック部100の全ての側面に備えられている。
一方、固定部208は、図31と図32で示しているように、第2方向D2に平行な方向に単位体スタック部100を一回りまたはそれ以上巻き付けることもできる。すなわち、固定部208が単位体スタック部100の上面から単位体スタック部100のいずれか一方の側面に沿って単位体スタック部100の下面まで延長された後、引続き単位体スタック部100の下面から他の一方の側面に沿って単位体スタック部100の上面まで延長され得る。このように固定部208を形成すると、図23のように固定部200を形成する場合よりも安定的に単位体スタック部100を固定することができる。
参考までに、図23のように固定部200を形成すると、図31のように固定部208を形成するときより固定部200の長さが減少する。したがって、電極組立体の製造コストを低減させることができる。また、図23のように固定部200を形成すると、図31のように固定部208を形成する場合よりも、電極組立体の厚さが減少する。図23のように固定部200を形成すると、単位体スタック部100の上面と下面の中央部に固定部200が備えられない反面、図31のように固定部208を形成すると、単位体スタック部100の上面と下面の中央部にも固定部が備えられるためである。
ところが、図31の固定部208は、図33や図34のように変形されてもよい。すなわち、図33で示しているように、固定部209は第1方向D1に沿って複数個備えられ得る。または、図34に示されているように、固定部210は、第1方向D1に平行な方向に単位体スタック部100を一回りまたはそれ以上巻き付けることができる。このとき、固定部210は第2方向D2に沿って複数個備えられ得る。

Claims (32)

  1. (a)互いに同一の個数の電極と分離膜が交互に配置されて一体に結合された1種の基本単位体が繰り返し配置された構造や、または(b)互いに同一の個数の電極と分離膜が交互に配置されて一体に結合された2種以上の基本単位体が定められた手順に従い配置された構造を有する単位体スタック部、及び
    前記単位体スタック部の上面から前記単位体スタック部の側面に沿って前記単位体スタック部の下面まで延長されて前記単位体スタック部を固定する固定部を含み、
    前記(a)の1種の基本単位体は、第1電極、第1分離膜、第2電極及び第2分離膜が順次配置された4層構造や、前記4層構造が繰り返して配置された構造を有し、
    前記(b)の2種以上の基本単位体をそれぞれ1つずつ定められた手順に従い配置すれば、前記4層構造や前記4層構造が繰り返して積層された構造が形成されることを特徴とする電極組立体。
  2. 前記分離膜の末端は、隣接した分離膜の末端と接合されないことを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  3. 前記単位体スタック部内で前記基本単位体は、隣接した基本単位体と結合されないか、または前記基本単位体内で前記電極と前記分離膜が互いに結合された結合力とは異なる結合力で隣接した基本単位体と結合されることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  4. 前記単位体スタック部を高さ方向に投影した平面が第1方向に延長された2つの平行辺と、前記第1方向に垂直な第2方向に延長された2つの平行辺とを有するとき、前記固定部は、前記単位体スタック部の側面のうち、前記第1方向に平行な2つの側面にそれぞれ備えられることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  5. 前記固定部は、前記第1方向に平行な2つの側面にそれぞれ複数個備えられることを特徴とする請求項4に記載の電極組立体。
  6. 前記固定部は、前記単位体スタック部の側面のうち、前記第2方向に平行な2つの側面にもそれぞれ備えられることを特徴とする請求項4に記載の電極組立体。
  7. 前記固定部は、前記第2方向に平行な2つの側面にそれぞれ複数個備えられることを特徴とする請求項6に記載の電極組立体。
  8. 前記単位体スタック部を高さ方向に投影した平面が第1方向に延長された2つの平行辺と、前記第1方向に垂直な第2方向に延長された2つの平行辺とを有するとき、前記固定部は、前記第1方向に平行な方向に前記単位体スタック部を少なくとも一回り巻き付けることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  9. 前記固定部は、複数個備えられて前記第2方向に互いに離隔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. 前記固定部は、前記単位体スタック部を前記単位体スタック部の内側に押して固定することを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  11. 前記固定部は、高分子テープであることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  12. 前記(a)の1種の基本単位体は、前記4層構造や前記4層構造が繰り返して配置された構造を有する第1基本単位体を含み、
    前記単位体スタック部は、前記第1基本単位体が繰り返して配置された構造を有することを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  13. 前記(b)の2種以上の基本単位体は、
    第1電極、第1分離膜、第2電極、第2分離膜、第1電極及び第1分離膜が順次配置されて一体に結合された第2基本単位体と、
    第2電極、第2分離膜、第1電極、第1分離膜、第2電極及び第2分離膜が順次配置されて一体に結合された第3基本単位体とを含み、
    前記単位体スタック部は、前記第2基本単位体と前記第3基本単位体が交互に配置された構造を有することを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  14. 前記(a)の1種の基本単位体は複数個に設けられ、互いに異なる大きさを有する少なくとも2つのグループに分けられ、
    前記単位体スタック部は、前記(a)の1種の基本単位体等が大きさに従って積層され、複数段を形成した構造を有することを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  15. 前記(a)の1種の基本単位体は複数個に設けられ、互いに異なる幾何学的形状を有する少なくとも2つのグループに分けられ、
    前記単位体スタック部は、前記(a)の1種の基本単位体等が幾何学的形状に従って積層され、複数段を形成した構造を有することを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  16. 前記電極は、それぞれの基本単位体内で隣接した分離膜に接着されることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  17. 前記電極は、前記隣接した分離膜に対向する面で全体的に前記隣接した分離膜に接着されることを特徴とする請求項16に記載の電極組立体。
  18. 前記電極と前記分離膜との間の接着は、前記電極と前記隣接した分離膜に圧力を加えることによる接着、又は前記電極と前記隣接した分離膜に圧力と熱を加えることによる接着であることを特徴とする請求項16に記載の電極組立体。
  19. 前記基本単位体内で、前記電極と前記隣接した分離膜との間の接着力は、前記単位体スタック部内で前記基本単位体間の接着力よりも大きいことを特徴とする請求項16に記載の電極組立体。
  20. 前記分離膜は、多孔性の分離膜基材、及び前記分離膜基材の一面または両面に全体的にコーティングされる多孔性のコーティング層を含み、
    前記コーティング層は、無機物粒子等と前記無機物粒子等を互いに連結及び固定するバインダ高分子の混合物で形成され、
    前記電極は、前記コーティング層によって前記隣接した分離膜に接着されることを特徴とする請求項16に記載の電極組立体。
  21. 前記無機物粒子等は、充填構造(densely packed structure)を成して前記コーティング層で全体的に無機物粒子等間のインタースティシャルボリューム(interstitial volumes)を形成し、前記無機物粒子等が限定するインタースティシャルボリュームによって前記コーティング層に気孔構造が形成されることを特徴とする請求項20に記載の電極組立体。
  22. 前記単位体スタック部は、最上側または最下側に位置する電極である末端電極に積層される第1補助単位体をさらに含み、
    前記末端電極が正極であるとき、前記第1補助単位体は、前記末端電極から順次分離膜、負極、分離膜及び正極が積層されて形成され、
    前記末端電極が負極であるとき、前記第1補助単位体は、前記末端電極から順次分離膜及び正極が積層されて形成されることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  23. 前記第1補助単位体の正極は、
    集電体;及び
    前記集電体の両面のうち前記基本単位体に対向する一面にのみコーティングされる活物質を備えることを特徴とする請求項22に記載の電極組立体。
  24. 前記単位体スタック部は、最上側または最下側に位置する分離膜である末端分離膜に積層される第2補助単位体をさらに含み、
    前記基本単位体で、前記末端分離膜に接した電極が正極であるとき、前記第2補助単位体は前記末端分離膜から順次負極、分離膜及び正極が積層されて形成され、
    前記基本単位体で、前記末端分離膜に接した電極が負極であるとき、前記第2補助単位体は正極で形成されることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  25. 前記第2補助単位体の正極は、
    集電体;及び
    前記集電体の両面のうち前記基本単位体に対向する一面にのみコーティングされる活物質を備えることを特徴とする請求項24に記載の電極組立体。
  26. 前記単位体スタック部は、最上側または最下側に位置する電極である末端電極に積層される第1補助単位体をさらに含み、
    前記末端電極が正極であるとき、前記第1補助単位体は前記末端電極から順次分離膜及び負極が積層されて形成され、
    前記末端電極が負極であるとき、前記第1補助単位体は前記末端電極から順次分離膜、正極、分離膜及び負極が積層されて形成されることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  27. 前記第1補助単位体は、前記負極の外側に分離膜をさらに含むことを特徴とする請求項26に記載の電極組立体。
  28. 前記単位体スタック部は、最上側または最下側に位置する分離膜である末端分離膜に積層される第2補助単位体をさらに含み、
    前記基本単位体で、前記末端分離膜に接した電極が正極であるとき、前記第2補助単位体は負極で形成され、
    前記基本単位体で、前記末端分離膜に接した電極が負極であるとき、前記第2補助単位体は前記末端分離膜から順次正極、分離膜及び負極が積層されて形成されることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  29. 前記第2補助単位体は、前記負極の外側に分離膜をさらに含むことを特徴とする請求項28に記載の電極組立体。
  30. 前記単位体スタック部は、最上側または最下側に位置する分離膜である末端分離膜に積層される第2補助単位体をさらに含み、
    前記基本単位体で、前記末端分離膜に接した電極が負極であるとき、前記第2補助単位体は前記末端分離膜から順次第1正極、分離膜、負極、分離膜及び第2正極が積層されて形成されることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。
  31. 前記第2補助単位体の第2正極は、
    集電体;及び
    前記集電体の両面のうち前記基本単位体に対向する一面にのみコーティングされる活物質を備えることを特徴とする請求項30に記載の電極組立体。
  32. 前記単位体スタック部は、最上側または最下側に位置する分離膜である末端分離膜に積層される第2補助単位体をさらに含み、
    前記基本単位体で、前記末端分離膜に接した電極が正極であるとき、前記第2補助単位体は前記末端分離膜から順次第1負極、分離膜、正極、分離膜及び第2負極が積層されて形成されることを特徴とする請求項1に記載の電極組立体。

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