JP5618010B2 - 多方向性リード−タブ構造を有するリチウム二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、リチウム二次電池に関し、より詳細には、多方向性リード-タブ構造を有するリチウム二次電池に関する。

二次電池は、正極/分離膜/負極の構造を有する電極組立体が如何なる構造からなっているかによって分類することができ、代表的には、長いシート状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を有するゼリーロール型（巻き取り型）電極組立体と、所定大きさの単位に切り取った多数の正極と負極を、分離膜を介在した状態で順に積層したスタック型（積層型）電極組立体と、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）またはフルセル（Full cell）を巻き取った構造を有するスタック/折り畳み（stack/folding）型電極組立体などが挙げられる。

最近、スタック型電極組立体またはスタック/折り畳み型電極組立体をアルミニウムラミネートシートのパウチ型電池ケースに内蔵した構造を有するパウチ型電池が、低い製造コスト、小さい重量、容易な形態変形可能性などの理由で多くの関心を集めており、その使用量が益々増加している。

図1には従来の代表的なパウチ型二次電池の一般的な構造が分解斜視図として示されている。

図1を参照すると、パウチ型二次電池10は、電極組立体30と、電極組立体30から延長している電極タブ31、32と、電極タブ31、32に溶接されている電極リード40、41と、電極組立体30を収容する電池ケース20と、を含んで構成されている。

電極組立体30は、分離膜が介在された状態で正極と負極が順に積層されている発電素子であり、スタック型またはスタック/折り畳み型の構造からなっている。電極タブ31、32は、電極組立体30の各極板から延長しており、電極リード40、41は、各極板から延長した複数の電極タブ31、32と、例えば、溶接によってそれぞれ電気的に連結されており、一部が電池ケース20の外部に露出している。また、電極リード40、41の上下面の一部には、電池ケース20との密封度を高めるとともに電気的絶縁状態を確保するための絶縁フィルム50が付着されている。

電池ケース20は、電極組立体30を載置するための凹状の収納部23を含むケース本体22と、ケース本体22に一体に連結されているカバー21と、からなっており、収納部23に電極組立体30を収納した状態で、接触部位である両側部24と上端部25とを接着させることで電池を完成する。電池ケース20は、樹脂層/金属箔層/樹脂層のアルミニウムラミネート構造からなっており、互いに接するカバー21と本体22の両側部24および上端部25の部位に熱と圧力を加えて樹脂層を互いに融着させることで接着する。両側部24は、上下の電池ケース20の同一の樹脂層が直接接するため、溶融による均一な密封が可能である。反面、上端部25には電極リード40、41が突出しており、電極リード40、41の厚さおよび電池ケース20の素材との異質性を考慮して密封性を高めるために、電極リード40、41との間に絶縁フィルム50を介在した状態で熱融着を行って最終的に電池を製作する。

図2には他のパウチ型電池の形態の例として、電極リードが電池ケースの上部と下部にそれぞれ突出しているパウチ型電池の斜視図が示されている。

図1のパウチ型電池と比較すると、図2のパウチ型電池101は、電極リード411、421が上部と下部にそれぞれ位置しており、電池ケースが互いに分離した形態の下部ケース221と上部ケース231からなっている点において相違する。したがって、電池ケースの下部ケース221と上部ケース231が熱圧着されることにより、上部シール部241、下部シール部261、および両側面シール部251、271がそれぞれ形成される。収納部211は、上部ケース231または下部ケース221にのみ形成されてもよく、両ケース221、231の両方に形成されてもよい。

図1および図2に示すように、従来の電池は、同一極性のタブが軸方向に同一位置に整列して位置するように電極板を積層した後、前記同一極性のタブを一つの正極リードまたは負極リードと溶接することで製作された。このように製作された電池は、小容量用途の電池に用いられる場合には問題がないが、大電流を使用する中大型電池の用途に用いられる場合には問題があり得る。すなわち、自動車など、高エネルギー特性が要求されるところに用いられる電池の場合、リードを介する電流の大きさが大きくなるにつれて熱発生が多くなるため、安全性の面で問題があり得る。

このような問題を解決するためにリード-タブを厚くしたり広くする方法を用いることもあるが、この場合、リード-タブ部位のシール性（密封性）に劣る恐れがあり、これによってこの部位の水分浸透問題が生じる恐れがある。また、大量生産工程で標準サイズでないリードとタブを使用することで、製作工程における不都合も生じることになる。

そのため、従来のリード-タブの大きさをそのまま使用し、かつ高電流使用に適する電池に対する需要が増加している。したがって、本発明は、同一形態の電極板をタブ方向が相違するように交互に積層し、これをリードと溶接して製作する形態の電池を提供することを目的とする。

本発明は、このような問題点を解決するためのものであり、集電体、活物質およびタブが設けられた電極板と分離膜が交互に積層される電極組立体と、前記タブと電気的に連結されるリードと、電池ケースと、を含むリチウム二次電池において、前記リードは、正極リードと負極リードとに分けられ、前記正極リードおよび負極リードはそれぞれ少なくとも一つ以上設けられているリチウム二次電池を提供する。

また、本発明は、集電体、活物質およびタブが設けられた電極板と分離膜が交互に積層される電極組立体と、前記タブと電気的に連結されるリードと、電池ケースと、を含むリチウム二次電池において、前記リードは、正極リードと負極リードとに分けられ、前記正極リードおよび負極リードはそれぞれ二つ以上設けられているリチウム二次電池を提供することができる。

前記電極組立体は、同一極性の電極板間の軸方向のタブの位置が相違するように電極板および分離膜が交互に積層されて形成されたものであり、前記タブの位置に対応する位置にリードが設けられていることを特徴とする。

また、前記電極組立体は、互いに異なる極性の電極板間の軸方向のタブの位置が相違するように電極板および分離膜が交互に積層されて形成されたものであり、前記タブの位置に対応する位置にリードが設けられていることを特徴とする。

前記電極組立体は、断面状長方形をなし、前記正極リードおよび負極リードはそれぞれ電極組立体の四つの辺に選択的に設けられる。

例えば、前記正極リードおよび負極リードは、断面状長方形をなす電極組立体の四つの辺のうち何れか一つの辺に同一方向に形成されるか、断面状長方形をなす電極組立体の四つの辺のうち互いに隣接した辺にそれぞれ区分して形成されるか、断面が長方形をなす電極組立体の四つの辺のうち互いに対向する二つの辺にそれぞれ対向するように形成されることができる。

前記正極リードの個数と負極リードの個数は同一または相違してもよく、その個数が相違する場合、前記負極リードの個数は正極リードの個数より少なく形成されることができる。

前記正極リードおよび負極リードの幅は1〜10cmの範囲以内であることを特徴とする。

前記正極リードおよび負極リードの厚さは50〜500μｍの範囲以内であることを特徴とする。

前記リチウム二次電池の用途は大面積電池用であることを特徴とする。

本発明の電池は、同一形態の電極板をタブ方向が相違するように交互に積層し、これをリードと溶接して製作することにより、従来のリード-タブの大きさをそのまま使用し、かつ高電流使用に適するという効果がある。

従来の代表的なパウチ型二次電池の斜視図である。 従来の代表的なパウチ型二次電池の斜視図である。 本発明の一実施形態の概路図である。 本発明の一実施形態の概路図である。 電極板の積層方法の例示図である。 電極板の積層方法の例示図である。 電極板が積層された電極組立体の一実施形態を示す斜視図である。 電極板が積層された電極組立体の他の実施形態を示す概路図である。 本発明の一実施形態の構造図である。 本発明のさらに他の実施形態の構造図である。 電極組立体の様々な方向に電極リードが形成されていることを示す概路図である。 電極組立体の様々な方向に電極リードが形成されていることを示す概路図である。 電極組立体の様々な方向に電極リードが形成されていることを示す概路図である。 電極組立体の様々な方向に電極リードが形成されていることを示す概路図である。

以下、本発明のリチウム二次電池に対する好ましい実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態は発明の詳細な説明のためのものであって、権利範囲を制限するためのものではない。

図3および図4には本発明の一実施形態を示している。

本発明は、集電体、活物質およびタブが設けられた電極板と分離膜が交互に積層される電極組立体と、前記タブと電気的に連結されるリードと、電池ケースと、を含むリチウム二次電池において、前記リードは、正極リードと負極リードとに分けられ、前記正極リードおよび負極リードはそれぞれ二つ以上設けられているリチウム二次電池を提供する。

すなわち、正極リードおよび負極リードがそれぞれ一つずつのみ設けられる従来の技術とは異なり、本発明は、正極リードおよび負極リードがそれぞれ二つ以上設けられていることを特徴とする。これは、リードがそれぞれ一つずつ設けられる従来の技術とは異なり、リードを二つ以上設けることで電流を分散するためである。

この際、前記電極組立体は、同一極性の電極板間の軸方向のタブの位置が相違するように電極板および分離膜が交互に積層されて形成されたものであり、前記タブの位置に対応する位置にリードが設けられていることを特徴とする。前記『軸方向のタブの位置が相違する』とは、軸方向からみてタブの位置が異なっているという意味である。

図1に示すように、従来、同一極性の電極板の軸方向のタブの位置が全て一致するように積層して電極組立体を形成したが、本発明は、同一電極板の軸方向のタブの位置が少なくとも二つ以上になるように交互に積層することを特徴とする。このように積層することでそれぞれ二つ以上設けられた正極リードおよび負極リードとの溶接が容易になる。

一方、断面状長方形をなす電極組立体において、電極リードは必要に応じて電極組立体の四つの辺に選択的に設けられることができる。例えば、図3は四つの辺のうち短い二つの辺にそれぞれ正極リードと負極リードが二つずつ形成されているものを示しており、図4は四つの辺のうち長い二つの辺にそれぞれ正極リードと負極リードが二つずつ形成されているものを示している。

図3および図4に示す実施形態において、各電極リードが二つずつ形成されているが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、各電極リードを三つ、四つあるいはそれ以上形成してもよい。

特に、本発明に用いられる正極リードおよび負極リードの幅aは1〜10cmの範囲以内であることが好ましく、正極リードおよび負極リードの厚さbは50〜500μｍの範囲以内であることが好ましい。

前記範囲未満ではリードを介する電流の大きさが大きくなるにつれて熱発生が多くなるため、安全性の面で好ましくない恐れがある。特に、高エネルギー特性が要求される大面積電池の場合にはより好ましくない（前記大面積電池とは、高エネルギーを充放電するために電極組立体の面積を大きく製作した電池を意味し、通常、約225cm²以上に製作された電池を意味する）。

また、前記範囲を超えると、リード-タブ部位のシール性（密封性）に劣る恐れがあり、これによってこの部位の水分浸透問題が生じる恐れがある。また、通常、打ち抜きにより製作されるリードの大きさから外れるため、製作工程における不都合が生じる恐れもある。

図5から図7は本発明の電極組立体の形成過程を図式的に示している。

図5には本発明の電極組立体の積層概念を示している。図5に示すように、同一電極板の軸方向のタブの位置が相違するようにして順に交互に積層すると、同一電極板のタブの位置が互いに異なるものが二つ以上形成される。前記タブを前記正極リードおよび負極リードにそれぞれ溶接して電池を形成する。

この際、正極リードおよび負極リードは、図5の上側図のように断面状長方形をなす電極組立体の四つの辺のうち何れか一つの辺に同一方向に形成されてもよく、または、図5の下側図のように互いに隣接した辺にそれぞれ区分して形成されてもよい。図示してはいないが、電極組立体の四つの辺のうち互いに対向する二つの辺にそれぞれ正極リードと負極リードが対向するように形成されてもよいことは言うまでもない。

図6には本発明の一実施形態の電池を製作する過程を示している。図6に示したところによれば、前記電極組立体は、互いに異なる極性の電極板間の軸方向のタブの位置が相違するように電極板および分離膜が交互に積層して形成され、前記タブの位置に対応する位置にリードが設けられている。

これによれば、まず、軸方向のタブの位置が右に偏向した正極板および負極板を準備し、これらの間に分離膜を介在した後に積層して第1積層体を形成する。

次に、軸方向のタブの位置が左に偏向した正極板および負極板を準備（集電体を中心として両側面に活物質が塗布された正極板および負極板の場合には、前記右に偏向した正極板および負極板を覆せば左に偏向した正極板および負極板になることができる）し、これらの間に分離膜を介在した後に積層して第2積層体を形成する。

前記第1積層体と第2積層体との間に分離膜を介在した後、これをまた積層する方式を繰り返せば、図7のような最終的に軸方向のタブの位置が相違する電極組立体を完成することができる。

また、電極板の四つの辺のうち何れか一つの辺に同一方向に正極タブと負極タブが設けられている場合、正極タブと負極タブが設けられ、軸方向のタブの位置が相違する他の電極板を準備した後、それぞれの電極板を軸方向のタブの位置が相違するように積層して、図8のような電極組立体を完成することもできる。

この場合、電極組立体の四つの辺のうち何れか一つの辺には正極タブと負極タブが同一方向に形成され、これと対向する辺には正極タブと負極タブが同一位置に形成されるか交互する位置に形成される。

図9と図10には本発明により製造された電池の構造がそれぞれ示されている。

図9によれば、従来の電極組立体とは異なり、同一電極板のタブの軸方向の位置が相違するように積層された電極組立体にそれぞれのタブに対応する位置に設けられたリードを溶接して、電極組立体の四つの辺のうち互いに対向する辺にそれぞれ正極リードと負極リードが区分して形成された電池を完成することができる。

また、図10によれば、電極組立体の軸方向のタブの位置が図5の下側図のように位置するように積層し、対応する電極リードと溶接すると、電極組立体の四つの辺のうち互いに隣接した二つの辺に正極リードが形成され、残りの二つの辺に負極リードが形成されて、図10のような構造を有する電池を完成することができる。

一方、上述した実施形態では、正極リードの個数と負極リードの個数が二つ以上と同一であることを一例として説明したが、正極リードの個数と負極リードの個数が必ずしも二つ以上であるか同一である必要はない。勿論、電池が許容する範囲内で正極リードの個数と負極リードの個数がそれぞれ二つ以上である場合、電流の分散効果がより向上することはできる。

すなわち、通常、正極板はアルミニウム箔を使用し、負極板は銅箔を使用するが、銅の電気伝導性はアルミニウムの電気伝導性より2倍以上高いため、正極リードの個数と負極リードの個数は一致しなくてもよい。

したがって、本発明は、集電体、活物質およびタブが設けられた電極板と分離膜が交互に積層されて形成される電極組立体と、前記タブと電気的に連結されるリードと、電池ケースと、を含むリチウム二次電池において、前記リードは、正極リードと負極リードとに分けられ、前記正極リードおよび負極リードはそれぞれ少なくとも一つ以上設けられているリチウム二次電池を提供することができる。

このような一例を図11から図14に示している。

図11と図12には電極板の短い辺にそれぞれリードが設けられており、図11には、電極板の一側の短い辺に三つの正極リードが形成され、他側の短い辺に二つの負極リードが形成されており、図12には、電極板の一側の短い辺に二つの正極リードが形成され、他側の短い辺に一つの負極リードが形成されている。

また、図13と図14には電極板の長い辺にそれぞれリードが設けられており、図13には、図面における電極板の一側の長い辺に三つの正極リードが形成され、他側の長い辺に二つの負極リードが形成されており、図14には、電極板の一側の長い辺に二つの正極リードが形成され、他側の長い辺に一つの負極リードが形成されている。

このように、正極リードの個数と負極リードの個数が相違してもよく、上述したように負極板として用いられる銅が正極板として用いられるアルミニウムより高い電気伝導性を有するため、負極リードの個数が正極リードの個数より少なくても二次電池の機能を発揮するには問題がない。

一方、本発明では、正極リードと負極リードが同一の長さや大きさを有する場合を一例として説明しているが、本発明はこれに限定されず、その長さや大きさが相違してもよい。

以上、本発明の実施形態および図面を参照して説明したが、本発明が属する分野において通常の知識を有する者であれば、前記内容に基づき本発明の範疇内で様々な応用および変形を行うことが可能であろう。

Claims (11)

1. リチウム二次電池であって、
   集電体と、活物質およびタブが設けられた電極板と分離膜が交互に積層される電極組立体と、前記タブと電気的に連結されるリードと、電池ケースとを備えてなり、
   前記リードが、正極リードと負極リードとに分けられてなり、
   前記正極リードおよび負極リードが、それぞれ複数個設けられ、
   前記電極板は、相違する素材で備えられる正極板と負極板を含み、
   前記正極リードと前記負極リードの個数は、前記正極板と前記負極板の電気的伝導性の違いにより互いに異なるように決定されることを特徴とする、リチウム二次電池。
2. 前記電極組立体が、同一極性の電極板間の軸方向のタブの位置が相違するように電極板および分離膜が交互に積層されて形成されてなるものであり、
   前記タブの位置に対応する位置にリードが設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池。
3. 前記電極組立体が、互いに異なる極性の電極板間の軸方向のタブの位置が相違するように電極板および分離膜が交互に積層されて形成されてなるものであり、
   前記タブの位置に対応する位置にリードが設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池。
4. 前記電極組立体が、断面状長方形をなし、
   前記正極リードおよび負極リードが、それぞれ前記電極組立体の四つの辺に選択的に設けられることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池。
5. 前記正極リードおよび負極リードが、断面状長方形をなす電極組立体の四つの辺のうち何れか一つの辺に同一方向に形成されることを特徴とする、請求項４に記載のリチウム二次電池。
6. 前記正極リードおよび負極リードが、断面状長方形をなす電極組立体の四つの辺のうち互いに隣接した辺にそれぞれ区分して形成されることを特徴とする、請求項４に記載のリチウム二次電池。
7. 前記正極リードおよび負極リードは、断面状長方形をなす電極組立体の四つの辺のうち互いに対向する二つの辺にそれぞれ対向するように形成されることを特徴とする、請求項４に記載のリチウム二次電池。
8. 前記負極リードの個数は正極リードの個数より少ないことを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池。
9. 前記正極リードおよび負極リードの幅が１〜１０cmの範囲以内であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池。
10. 前記正極リードおよび負極リードの厚さが５０〜５００μｍの範囲以内であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池。
11. 前記リチウム二次電池の用途は大面積電池用であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池。