CN115706233A - 电极组件、二次电池、电池组和包括电池组的车辆 - Google Patents

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Abstract

电极组件、二次电池、电池组和包括电池组的车辆。本公开的电极组件是这样一种电极组件，该电极组件通过围绕卷绕轴线卷绕正极、负极和插置在正极与负极之间的隔膜来限定芯和外周表面，其中，正极或负极包括片状的集流器，该集流器具有长边和短边并且在长边的端部处具有未涂覆部分，其中，未涂覆部分包括自身用作电极接头的电极接头限定区段和不用作电极接头的至少一个电极接头未限定区段，其中，至少一个电极接头未限定区段的最大电流路径包括沿着集流器的短边的宽度方向电流路径和沿着集流器的长边的长度方向电流路径，并且当宽度方向电流路径和长度方向电流路径的长度分别为L1和L2时，电流路径比L2/L1为11或更小。

Description

电极组件、二次电池、电池组和包括电池组的车辆
技术领域
本公开涉及一种电极组件、二次电池、电池组和包括电池组的车辆，并且更具体地，涉及能够实现低电阻的果冻卷型电极组件、包括电极组件的圆柱形二次电池、电池组和包括电池组的车辆。
背景技术
二次电池根据产品组和电特性(例如高能量密度)而具有高适用性，并且因此通常不仅应用于便携式装置，而且还应用于由电源驱动的电动车辆(EV)或混合动力电动车辆(HEV)。这样的二次电池作为新能源吸引了注意，以提高环境友好性和能量效率，因为它不仅具有显著减少化石燃料的使用的主要优点，而且没有从使用能量产生的副产物。
关于二次电池的类型，已知圆柱形二次电池、棱柱形二次电池和袋型二次电池。在圆柱形二次电池的情况下，作为绝缘体的隔膜被设置在正极与负极之间并且被卷绕以形成果冻卷型电极组件，并且通过将得到的电极组件插入到电池罐中来形成电池。另外，具有条形形状的电极接头可以被连接到正极和负极中的每一个的未涂覆部分，并且电极接头电连接电极组件和暴露于外部的电极端子。
在圆柱形二次电池中，可以通过增大电池单元尺寸来增大容量。此时，需要设计一种即使在高电流密度下也能够在能量损失和发热方面表现出优异品质的低电阻电芯。最后，使低电阻电芯的设计中的电流路径最小化是重要的。
图1是例示应用于常规圆柱形二次电池的正极和负极展开的状态的图。
参照图1，关于应用于常规圆柱形二次电池的电极，例示了正极1和负极2。条形正极接头1b连接到在长度方向上形成在正极1的中间部分中的未涂覆部分1a，以沿着宽度方向向上突出，并且条形负电极接头2b连接到在长度方向上形成在负极2的两端的未涂覆部分2a，以沿着宽度方向向下突出。在图1的(a)中，分别存在一个正极接头1b和一个负极接头2b，并且在图1的(b)中，存在一个正极接头1b和两个负极接头2b。
图2是示意性地例示常规圆柱形二次电池中的二次电池外部的电流或电子的流动的图。图3是示意性地例示构成常规圆柱形二次电池中的电极组件的正极和负极中的电流或电子的流动的图。
参照图2和图3，电流路径可以主要分成两个路径，也就是说，从模块汇流条焊接位置到每个电极1、2的电极接头1b、2b的路径(在下文称为第一路径)，以及从每个电极1、2的电极接头1b、2b到电极的端点的另一路径。
图2中例示了第一路径，其中电流起始点(用圆圈标记)位于正极端子1c和负极端子2c处。正极端子1c是密封电池罐3的开口的密封体的帽，并且负极端子2c是电池罐3。以模块汇流条焊接位置位于圆柱形二次电池的顶部的情况作为示例。形成从正极端子1c开始并连接到正极接头1b的电流路径，并且形成从负极端子2c开始并连接到负极接头2b的电流路径(连接位置用三角形标记)。以这种方式，第一路径由电芯外观确定。
当在电极的活性材料层中发生电化学氧化反应时，在活性材料层的整个区域中将金属原子(Li)转化成金属阳离子(Li+)以生成电子。电子通过构成电极的集流器(箔)移动到电极接头，然后通过第一路径流向外部。此时，电流在与电子流相反的方向上流动。另一方面，当电极中发生电化学还原反应时，电子从第一路径通过电极接头引入构成电极的集流器(箔)中，并且然后移动到电极的活性材料层的整个区域以结合到阳离子(例如，Li+)，由此金属阳离子转化为金属。此时，电流在与电子流相反的方向上流动。
此外，当在电极中发生氧化或还原反应时，电子移动所通过的路径与电流路径相对应。电极的最大电流路径根据构成电极的集流器(箔)的几何形状以及电极接头的位置和数量来确定。电极的最大电流路径可以被限定为距离电极接头最远的电极点与电极接头之间的最长距离。当电化学氧化还原反应在距离电极接头最远的电极点处发生时，电子移动通过连接电极点和电极接头的多个路径，并且一些电子也移动通过最大电流路径。因此，当电极的最大电流路径延长时，从整个电极的角度来看，电子的平均移动距离增大，并且因此电极的电阻也增大。
在下文中，为了便于描述，根据电极的几何形状以及电极接头的数量和位置而唯一地确定的最大电流路径被称为电极的第二路径。在图3中，例示了作为电极的最大电流路径的第二路径，其中第二路径的长度根据电极接头1b、2b的形成位置和数量而变化。
参照图3的(a)，正极1的第二路径(最大电流路径)包括从图2的正极端子1c开始并且在圆柱形二次电池内部沿着正极接头1b延伸的宽度方向电流路径，以及在正极1的长度方向上横过并且在正极1的右下方处终止的长度方向电流路径(用正方形标记距离电极接头最远的电极点)。负极2的第二路径(最大电流路径)包括从图2的负极端子2c开始并且在圆柱形二次电池内部沿着负极接头2b延伸的宽度方向电流路径，以及在负极2的长度方向上横过并且在负极2的左上处结束的长度方向电流路径。
参照图3的(b)，正极1的第二路径与图3的(a)的相同。在负极2的情况下，由于其包括两个负极接头2b，负极2的第二路径(最大电流路径)在长度方向电流路径上减小了1/2，因此比图3的(a)的第二路径短。如上所述，当电极接头的数量增加时，第二路径减少由于长度方向电流路径的减少而导致的量。
在当前使用的形状因子为1865(直径：18mm、高度：65mm)和/或2170(直径：21mm、高度：70mm)的小圆柱形二次电池的情况下，根据第二路径的电阻非常大。这里，形状因子意指指示圆柱形二次电池的直径和高度的值。在表示形状因子的数值中，前两个数字表示电芯的直径，并且其余数字表示电芯的高度。
如图3所示，在常规圆柱形二次电池中，长度方向电流路径与宽度方向电流路径相比非常长。电池的电阻随着电流路径延长而增大。与图3的(a)相比，图3的(b)中所示的负极接头2b的数量的增加也是通过减小其长度方向电流路径来减小负极的电阻。
圆柱形二次电池的电阻受到根据电池外部的第一路径的电阻和根据电池内部的第二路径的电阻的影响，并且具体地，其主要受到根据第二路径的电阻的影响。由于电极组件的结构，这与电流(或电子)的流动路径的长度有关。因此，考虑到电阻增大的主要原因，需要找到能够实现圆柱形二次电池中的低电阻的方法。随着电阻越小，在实际使用环境中产生的热量越少，并且对于快速充电或高速率放电是有利的。
此外，常规圆柱形二次电池的问题在于，因为电流集中在联接到未涂覆部分1a、2a的条形电极接头1b、2b上，所以电阻高，产生大量的热，并且集流效率差。对于小的圆柱形二次电池，电阻和发热不是大的问题。然而，当形状因子增大以将圆柱形二次电池应用于电动车辆时，电阻和发热可能导致着火事故，这是一个大的问题。为了解决该问题，涉及了一种具有如下结构的圆柱形二次电池(所谓的无接头圆柱形二次电池)，其中，正极未涂覆部分和负极未涂覆部分被设计为分别位于果冻卷型电极组件的顶部和底部，并且集流器板被焊接到这些未涂覆部分以提高集流效率。
图4至图6是例示制造无接头圆柱形二次电池的工艺的图。图4例示了电极的结构，图5例示了电极的卷绕工艺，并且图6例示了将集流器板焊接到未涂覆部分的弯曲表面区域的工艺。
参照图4至图6，正极10和负极11具有其中活性材料21涂覆在片状集流器20上的结构，并且包括沿着卷绕方向X的在一个长边处的未涂覆部分22。长边意指平行于X轴方向并且相对较长的边。
如图5所示，通过顺序地将正极10和负极11与两个隔膜12层叠在一起来制造电极组件A，然后在一个方向X上卷绕它们。在这种情况下，正极10和负极11的未涂覆部分沿相反方向设置。正极未涂覆部分10a完全形成在电极组件A的上部上，并且负极未涂覆部分11a完全形成在电极组件A的下部上。
在卷绕工艺之后，正极10的未涂覆部分10a和负极11的未涂覆部分11a朝向芯弯曲。之后，集流器板30、31被分别焊接并联接到未涂覆部分10a、11a。
由于单独的电极接头未被联接到正极未涂覆部分10a和负极未涂覆部分11a，集流器板30、31被连接到外部电极端子，并且电流路径被形成在沿着电极组件A的卷绕轴线方向(参照箭头)的大截面面积中，因此存在如下优点：二次电池的电阻可以被降低。这是因为电阻与电流流过的路径的截面面积成反比。
在无接头圆柱形二次电池中，为了改进未涂覆部分10a、11a和集流器板30、31的焊接特性，未涂覆部分10a、11a应通过向未涂覆部分10a、11a的焊接区域施加强压力而尽可能弯曲。然而，当未涂覆部分10a、11a的焊接区域弯曲时，未涂覆部分10a、11a的形状可能不规则地扭曲和变形。在这种情况下，变形部分可能与具有相反极性的电极接触以导致内部短路或者可能导致未涂覆部分10a、11a中的微小裂纹。另外，与电极组件A的芯33相邻的未涂覆部分32被弯曲以完全或基本上在电极组件A的芯中阻塞腔。在这种情况下，电解质注入工艺中出现问题。也就是说，电极组件A的芯33中的腔用作通过其注入电解质的通道。然而，当对应的通道被阻塞时，难以注入电解质。另外，当电解质注入器被插入到芯33中的腔中时，它可能干扰芯33附近的未涂覆部分32，由此未涂覆部分32被撕裂。
另外，未涂覆部分10a、11a的集流器板30、31被焊接到的弯曲部分应当在多个层中交叠，并且应当没有空的空间(间隙)。只有这样，才可以获得足够的焊接强度，并且即使当使用例如激光焊接的最新技术时，也可以防止激光可能穿透电极组件A以熔化隔膜12或活性材料21的问题。
另外，在常规无接头圆柱形二次电池中，正极未涂覆部分10a完全形成在电极组件A的顶部上，并且因此，当电池罐的上端的外周表面被向内按压以形成卷边部分(beadingportion)时，电极组件A的上边缘部分34被电池罐按压。这种压力可能导致电极组件A的部分变形，并且此时，隔膜12可能被撕裂，从而导致内部短路。如果二次电池内部发生短路，则可能发生发热或爆炸。
考虑到这些点，未涂覆部分10a、11a不应该如现在这样完全形成在电极组件A的顶部和底部，并且需要在一些区段中省略。当未涂覆部分10a、11a在一些区段中被省略时，根据前述电极组件内部的长度方向电流路径的电阻增大，并且因此还应当考虑设计使无接头圆柱形二次电池中的电流路径最小化的低电阻电芯。特别地，当形状因子增大以将圆柱形二次电池应用于电动车辆时，在快速充电过程期间可能产生大量的热以导致圆柱形二次电池的着火问题，由此使得设计使电流路径最小化的低电阻电池更加重要。
发明内容
技术问题
本公开是在如上所述的现有技术的背景下设计的，并且本公开被设计为解决相关领域的问题，因此本公开涉及提供一种电极组件，该电极组件使电流路径、特别是长度方向电流路径最小化，以实现圆柱形二次电池中的低电阻，并且因此，圆柱形二次电池可以在具有大容量和/或高输出的同时由于高电流密度而在发热程度方面表现出优异的品质。
本公开还旨在提供二次电池、包括二次电池的电池组和包括电池组的车辆，该二次电池包括具有用于使电流路径最小化的改进结构的电极组件。
本公开要解决的技术问题不限于上述问题，并且本领域技术人员根据本公开的以下描述可以清楚地理解本文未提及的其它问题。
技术方案
用于解决上述问题的本公开的电极组件是如下电极组件：所述电极组件通过围绕卷绕轴线卷绕正极、负极和插置在所述正极与所述负极之间的隔膜来限定芯和外周表面，其中，所述正极或所述负极包括片状集流器，所述片状集流器具有长边和短边，并且在所述长边的端部处具有未涂覆部分，其中，所述未涂覆部分包括自身用作电极接头的电极接头限定区段和不用作电极接头的至少一个电极接头未限定区段，其中，至少一个电极接头未限定区段的最大电流路径包括沿着所述集流器的所述短边的宽度方向电流路径和沿着所述集流器的所述长边的长度方向电流路径，并且当所述宽度方向电流路径和所述长度方向电流路径的长度分别为L1和L2时，电流路径比L2/L1为11或更小。
优选地，电流路径比L2/L1可以为10.15或更小。
电流路径比L2/L1可以为8.5或更小，或者2至5。
所述电极接头未限定区段的未涂覆部分的高度可以比所述电极接头限定区段的未涂覆部分的高度小。
所述电极接头未限定区段的长度的最大值可以为所述正极的长度和所述负极的长度的4％至23％。
所述电极接头未限定区段的长度的最大值可以为所述正极和所述负极的宽度的2.5倍至11倍。
根据本公开的一方面，所述未涂覆部分可以包括与所述芯相邻的第一部分、与所述外周表面相邻的第二部分以及在所述第一部分与所述第二部分之间的第三部分，并且所述第一部分在所述卷绕轴线方向上的高度可以比所述第三部分的高度小。
此外，所述第三部分可以被限定为沿着所述电极组件的径向方向处于弯曲状态的电极接头。
所述第二部分在所述卷绕轴线方向上的高度可以等于或小于所述第三部分的高度。
所述第二部分和所述第三部分可以被限定为沿着所述电极组件的径向方向处于弯曲状态的电极接头。
所述集流器的短边长度可以为60mm至85mm，并且所述集流器的长边长度可以为3m至5m。
在本文中，在所述第一部分中沿着所述集流器的所述长边的长度的最大值可以为所述集流器的所述长边的长度的4％至23％。
在所述第一部分中沿着所述集流器的所述长边的长度可以为660mm或更小。
所述第一部分可以与所述电极接头未限定区段相对应。
所述第一部分可以不沿着所述电极组件的径向方向弯曲。
所述第二部分可以不沿着所述电极组件的径向方向弯曲。
所述第三部分的长度在所述电极组件的卷绕方向上可以比所述第一部分的长度和所述第二部分的长度长。
所述第一部分可以从集流器的所述芯的所述短边开始，所述第一部分的高度可以沿着卷绕方向恒定，并且所述第一部分可以不沿着所述电极组件的径向方向弯曲。
根据本公开的另一方面，所述第三部分的至少部分区域可以被分成多个能独立弯曲的分段件(segment piece)。
在本文中，所述分段件在所述卷绕轴线方向上弯曲和交叠。
优选地，所述集流器的短边长度为60mm至85mm，所述集流器的长边长度为3m至5m，所述集流器的厚度为5μm至25μm，所述分段件的宽度为3mm至10mm，并且所述分段件的高度为10mm或更小。
在本文中，在所述第一部分中沿着所述集流器的所述长边的长度为660mm或更小。
所述电极组件基于沿着所述卷绕轴线方向的截面沿着径向方向顺序地包括其中不存在分段件的分段件省略区段和其中所述分段件的高度均匀的高度均匀区段，其中，多个分段件被设置在所述高度均匀区段中并且沿着所述电极组件的径向方向弯曲以形成弯曲表面区域。
作为另一示例，所述电极组件还包括高度可变区段，其中，所述分段件的高度在所述分段件省略区段与所述高度均匀区段之间是能变化的，其中，所述多个分段件被设置在所述高度可变区段和所述高度均匀区段中并且可以沿着所述电极组件的径向方向弯曲以形成弯曲表面区域。
所述分段件省略区段可以与所述电极接头未限定区段相对应。
所述第二部分未被分成多个分段件，并且所述第一部分和所述第二部分的高度可以相同。
所述第三部分可以包括至少一个分段件省略区段，其中，沿着所述电极组件的卷绕方向没有分段件。
在本文中，所述未涂覆部分在所述分段件省略区段中的高度可以与所述第一部分的高度相同。
所述分段件可以定位在基于所述芯沿周向方向布置的至少两个扇形或多边形区域中。
即使在这种情况下，所述分段件省略区段也可以与所述电极接头未限定区段相对应。
可以在所述芯中设置腔，所述第三部分可以被限定为沿着所述电极组件的径向方向处于弯曲状态的电极接头，所述第三部分可以被分成多个能独立弯曲的分段件，并且弯曲的分段件可以不阻塞所述腔。
在这种情况下，在所述第一部分中沿着所述集流器的所述长边的长度的最大值可以为所述集流器的所述长边的长度的4％至23％。
用于解决上述问题的本公开的二次电池包括：根据本公开的电极组件；圆柱形电池壳体，所述圆柱形电池壳体通过形成在一侧上的开口容纳所述电极组件并连接到所述负极的未涂覆部分；密封体，所述密封体密封所述电池壳体的所述开口以与所述电池壳体绝缘；以及正极端子，所述正极端子通过形成在位于电池壳体的所述开口的相对侧上的所述电池壳体的所述底部处的通孔铆接，并且连接到所述正极的未涂覆部分。
优选地，在根据本公开的二次电池中，所述正极的未涂覆部分暴露于所述隔膜的外部，并且所述负极的未涂覆部分在与所述正极的未涂覆部分相反的方向上暴露于所述隔膜的外部，并且所述二次电池还包括电连接到所述正极的未涂覆部分的正极集流器板和电连接到所述负极的未涂覆部分的负极集流器板。
所述二次电池可以具有4mΩ或更小的DC电阻和3mΩ或更小的AC电阻。
优选地，所述二次电池可以具有2mΩ或更小的AC电阻。
所述二次电池的直径与高度的比可以大于0.4。
所述密封体可以包括不具有极性的盖板和插置在所述盖板的边缘与所述电池壳体的开口之间的密封垫片。
所述正极端子可以包括：主体部分，所述主体部分插入所述通孔中；外凸缘部分，所述外凸缘部分从所述主体部分的通过所述电池壳体的所述底部的外表面暴露的一侧的周缘沿着所述外表面延伸；内凸缘部分，所述内凸缘部分从所述主体部分的通过所述电池壳体的所述底部的内表面暴露的另一侧的周缘朝向所述内表面延伸；以及平坦部分，所述平坦部分设置在所述内凸缘部分内部。
所述二次电池还可以包括电连接到所述正极的未涂覆部分的正极集流器板和电连接到所述负极的未涂覆部分的负极集流器板，其中，所述正极端子可以在所述平坦部分中通过激光焊接联接到所述正极集流器板。
所述电极接头未限定区段可以不连接到所述负极集流器板和所述正极集流器板，因此其可以不是形成电流路径的部分。
本公开的另一目的可以通过包括多个上述二次电池的电池组来实现。
优选地，所述多个二次电池被布置成预定数量的行，并且每个二次电池的所述正极端子和所述电池壳体的所述底部的外表面被设置为面朝上。
本公开的另一目的还可以通过包括至少一个电池组的车辆来实现。
有益效果
根据本公开的一个方面，呈现了最大电流路径中的电流路径比L2/L1的上限。电流路径比L2/L1的范围与其中电极组件可以在具有大容量的同时使内阻最小化的范围相对应。因此，包括这种电极组件的二次电池可以在具有大容量和/或高输出的同时由于高电流密度而在发热程度方面可表现出优异的品质。
根据本公开的另一方面，由于从电极组件的上部和下部突出的未涂覆部分自身被用作电极接头，因此二次电池的内阻可以减小并且能量密度可以增大。
根据本公开的又一方面，通过改进电极组件的未涂覆部分的结构，可以防止未涂覆部分在未涂覆部分弯曲时被撕裂，并且通过充分增大未涂覆部分中的交叠层的数量，可以改进集流器板的焊接强度。
根据本公开的又一方面，通过将分段件结构应用到电极的未涂覆部分并优化分段件的尺寸(宽度、高度和间隔节距)以充分增大用作焊接目标区域的区域中的分段件层叠的数量，可以改进集流器板焊接到的区域的物理性质。
根据本公开的又一方面，提供了一种电极组件，该电极组件通过应用其中集流器板在宽的区域中被焊接到通过弯曲分段件形成的弯曲表面区域的结构而具有改进的能量密度和减小的电阻。
根据本公开的又一方面，可以提供具有改进设计的圆柱形二次电池，以在顶部执行电气布线。
根据本公开的又一方面，通过改进圆柱形二次电池的正极端子的结构以扩大电流路径的截面积，可以改进在快速充电期间发生的内部发热的问题。
根据本公开的又一方面，改进了与电极组件的芯相邻的未涂覆部分的结构，以防止当未涂覆部分弯曲时电极组件的芯中的腔被阻塞，使得可以容易地执行电解质注入工艺以及电池壳体(或正极端子)和集流器板的焊接工艺。
根据本公开的又一方面，可以提供一种圆柱形二次电池、电池组和包括该电池组的车辆，该圆柱形二次电池具有低内阻，防止内部短路，并且在集流器板与未涂覆部分之间具有改进的焊接强度。
特别地，本公开可以提供一种圆柱形二次电池、电池组和包括该电池组的车辆，该圆柱形二次电池具有4mΩ或更小的DC电阻、3mΩ或更小的AC电阻、以及0.4或更大的直径与高度的比。
另外，本公开可以具有将在每个实施方式中描述的各种其它效果，或者将省略对于本领域技术人员可以容易推断的效果的对应描述。
附图说明
附图例示了本公开的优选实施方式，并且与前述公开一起用于提供对本公开的技术特征的进一步理解，并且因此本公开不应被解释为限于附图。
图1是例示应用于常规圆柱形二次电池的正极和负极展开的状态的图。
图2是示意性地例示常规圆柱形二次电池中的二次电池外部的电流或电子的流动的图。
图3是示意性地例示构成常规圆柱形二次电池中的电极组件的正极和负极中的电流或电子的流动的图。
图4是例示用于制造常规无接头圆柱形二次电池的电极的结构的平面图。
图5是例示常规无接头圆柱形二次电池的电极卷绕工艺的图。
图6例示了在常规无接头圆柱形二次电池中将集流器板焊接到未涂覆部分的弯曲表面的工艺。
图7是用于描述根据本公开的实施方式的电极组件的图。
图8用于描述将包括在图7的电极组件中的电极中的电流路径与最大电流路径的比设置在预定范围内的背景，并且是示意性地例示构成虚拟电极组件的正极和负极中的电流或电子的流动的图。
图9是例示可以包括在图7的电极组件中的第一实施方式的电极结构的平面图。
图10是用于仿真的包括电极接头未限定区段的电极的示意图。
图11是根据通过仿真确认的焊接点的数量的电阻的曲线图。
图12是例示根据本公开的另一实施方式的可以被包括在电极组件中的第二实施方式的电极结构的平面图。
图13是例示根据本公开的另一实施方式的可以被包括在电极组件中的第三实施方式的电极结构的平面图。
图14是例示根据本公开的另一实施方式的可以被包括在电极组件中的第四实施方式的电极结构的平面图。
图15是例示根据本公开的另一实施方式的可以被包括在电极组件中的第五实施方式的电极结构的平面图。
图16是示出根据本公开的实施方式的分段件(segment piece)的宽度、高度和间隔节距的定义的图。
图17是例示根据本公开的第五实施方式的电极的变形结构的平面图。
图18是例示当根据本公开的变型例的电极被卷绕成电极组件时多个分段件可以定位在其中的独立区域的俯视平面图。
图19是例示根据本公开的第六实施方式的电极的结构的平面图。
图20是示出根据本公开的第六实施方式的包括在电极中的分段件的宽度、高度和间隔节距的定义的图。
图21是示意性地例示其中形成有弯曲表面区域的电极组件的上方立体图。
图22是沿着Y轴方向(缠绕轴方向)切割的果冻卷型电极组件的截面图，其中，第五实施方式和第六实施方式(其变型例)的电极中的任一个被应用到正极和负极。
图23是例示根据本公开的第五实施方式的电极的变形结构的平面图。
图24是根据本公开的实施方式的圆柱形二次电池的截面图。
图25是示意性地例示根据本公开的实施方式的电池组的配置的图。
图26是用于描述包括图25的电池组的车辆的图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本公开的优选实施方式。在描述之前，应该理解的是，说明书和所附权利要求中使用的用语不应该被理解为仅限于一般的和字典中的含义，而应该根据允许发明人适当地定义用语以获得最佳解释的原则基于与本公开的技术方面相对应的含义和概念来进行解释。因此，本文提出的描述仅仅是仅出于例示的目的的优选示例，而不旨在限制本公开的范围，因此应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对其进行其它等同和修改。
另外，为了帮助理解本公开，附图未按比例绘制，但是一些部件的尺寸可能被放大。此外，在不同的实施方式中，可以将相同的附图标记指配给相同的部件。
两个比较的对象“相同”的陈述意味着“基本相同”。因此，“基本相同”可以包括在本领域中被认为低的偏差，例如在5％内的偏差。此外，预定区域中的某个参数的均匀性可以意味着它在平均值方面是均匀的。
如本文所用，除非另有说明，否则每个部件可以是单数或复数。
将任一部件放置在部件的“上部(或下部)”或部件的“顶部(或下方)”上可以意指任一部件被设置成与部件的顶部(或底部)表面接触，并且还可意以指其它部件可以插置部件与设置在以部件上(或下方)的任一部件之间。
另外，当描述部件“链接”、“联接”或“连接”到另一部件时，该组件可以彼此直接链接或连接，但应理解，又一部件可以“插入”于每个部件之间，或每个组件可以通过又一部件“链接”、“联接”或“连接”。此外，连接可以包括电连接或物理连接。
为了便于描述，在本说明书中，沿着以卷绕形状卷绕的电极组件的卷绕轴线的长度方向的方向被称为卷绕轴线方向(Y轴方向)。此外，围绕卷绕轴线的方向被称为周缘方向或外周方向(X轴方向)。并且，更靠近或远离卷绕轴线的方向被称为径向方向。
本公开的特征之一是在构成果冻卷型电极组件的正极和/或负极中设置最大电流路径，以便使圆柱形二次电池中的电阻最小化。特别地，本公开呈现了在最大电流路径中相对于沿着集流器的短边的宽度方向电流路径的长度L1和沿着集流器的长边的长度方向电流路径的长度L2的电流路径比L2/L1的上限。该电流路径比的范围与电极组件可以在具有大容量的同时使内阻最小化的范围相对应，并且当超过电流路径比L2/L1的上限时，不可能满足二次电池的最小电阻要求(例如，4mΩ或更小的DC电阻，以及3mΩ或更小的AC电阻)。
首先，将描述本公开的电极组件。图7是用于描述根据本公开的实施方式的电极组件的图。
参照图7，电极组件100可以包括正极40、负极50和设置在正极与负极之间的隔膜60。电极组件100可以是具有正极40、负极50和隔膜60沿一个方向卷绕的结构的果冻卷型电极组件。电极组件100可以通过卷绕层叠件来制造，该层叠件通过在相对于卷绕轴线B的一个方向(图中的X轴方向)上顺序地层叠正极40、隔膜60、负极50和隔膜60至少一次来形成。电极组件100的最内侧被限定为芯，并且最外侧被限定为外周表面。X轴方向是卷绕方向。
芯可以设置有腔。腔的直径可以是例如2mm至8mm。腔可以是除去用作卷绕轴线的卷绕芯的位置。腔直径越小，利用包括电极组件100的电池壳体的内部空间越有利，但是由于电极组件100可以仅通过使用卷绕芯来制造，所以腔直径不可能是0。另外，当注入电解质时，腔是电解质的移动通道，并且因此它应该具有预定尺寸或更大尺寸，以便平稳地实现电解质浸渍。因此，优选的是，在可允许的卷绕工艺的水平下，腔直径为2mm或更大，并且当腔直径超过8mm时，内部空间的使用是低效的，这在能量密度方面不是优选的。
正极40具有其中正极活性材料层40b被涂覆在具有长边和短边的片形正极集流器的一个或两个表面上的结构，并且包括其中活性物质不被涂覆在沿卷绕方向的长边的一端上的正极未涂覆部分40a。这里，长边处于平行于X轴方向的方向上，并且意指具有相对长的长度的边。X轴方向可以被称为长度方向。短边在图中处于平行于Y轴方向的方向上，并且意指具有比长边短的长度的边。Y轴方向可以被称为宽度方向。
正极未涂覆部分40a自身被限定为电极接头，并且区别于条形电极接头被单独附接的现有技术。这里，所谓电极接头意指当被制造为二次电池时，其通过被联接到集流器而变成形成电流路径的部分。另外，正极未涂覆部分40a的仅一部分被限定为电极接头。这意指正极未涂覆部分40a的一部分不被用作电极接头。未用作电极接头的部分由于与正极未涂覆部分40a的其它部分相比在卷绕轴线方向(Y轴方向)上的较低高度或者在一些区段中省略而未连接到集流器板，因此可以指不形成电流路径的部分。因此，与现有技术的进一步区别在于正极未涂覆部分40a的仅一部分被限定为电极接头。如上所述，正极未涂覆部分40a可以包括自身用作电极接头的电极接头限定区段和不用作电极接头的至少一个电极接头未限定区段。
负极50也具有其中负极活性材料层50b被涂覆在具有长边和短边的片形负极集流器的一个或两个表面上的结构，并且包括其中活性物质不被涂覆在沿卷绕方向的长边的一端上的负极未涂覆部分50a。负极未涂覆部分50a自身也被限定为电极接头。另外，负极未涂覆部分50a的仅一部分被限定为电极接头。如上所述，负极未涂覆部分50a可以包括自身用作电极接头的电极接头限定区段和不用作电极接头的至少一个电极接头未限定区段。
正极未涂覆部分40a和负极未涂覆部分50a被设置在相反的方向上，并且电极组件100在卷绕完成之后具有基本上圆柱形形状。正极未涂覆部分40a位于电极组件100的上端，并且负极未涂覆部分50a位于电极组件100的下端。在电极组件100中，正极未涂覆部分40a的向上突出的一部分和负极未涂覆部分50a的向下突出的一部分被用作电极接头，并且每个集流器板被焊接并连接到该部分，使得可以制造具有改进的集流效率的无接头圆柱形二次电池。通过使用电极组件100自身的在上部和下部上突出的未涂覆部分40a、50a作为电极接头，可以减小二次电池的内阻并可以增大能量密度。
根据本公开的实施方式的电极组件100与现有技术的区别还在于，在正极40或负极50中，构成电极的第二路径的沿着集流器的长边的长度方向电流路径的长度L2与构成电极的第二路径(最大电流路径)的沿着集流器的短边的宽度方向电流路径的长度L1的比(L2/L1，“电流路径比”)为11或更小，正极40或负极50是包括在电极组件100中的电极。
电极集流器的短边和长边分别与电极的宽度和长度相对应。因此，在正极40或负极50的最大电流路径中，长度方向电流路径的长度L2与宽度方向电流路径的长度L1的比L2/L1为11或更小。
将参照图8描述将包括在电极组件中的电极中的最大电流路径中的电流路径比设置在如上文在本公开中所述的预定范围内的背景。图8示意性地例示构成虚拟电极组件的正极或负极中的电流或电子的流动(第一路径及第二路径的连接位置用三角形来标记，并且电极的端点用正方形来标记)。
例如，图8中所示的正极10’和负极11’具有如下结构，其中，在参照图4至图6描述的现有技术中，通过在宽度方向上对正极10的未涂覆部分10a和负极11的未涂覆部分11a进行开槽来形成多个正极接头10c和多个负极接头11c。
如果包括图8所示的正极10’和负极11’的电极组件被制造为圆柱形二次电池，并且模块汇流条焊接位置与参照图2描述的二次电池的汇流条焊接位置相同，则作为通向每个电极10’、11’的电极接头10c、11c的路径的第一路径也将与参照图2描述的二次电池中的相同。然而，如图8所示，电极10’、11’的第二路径(最大电流路径)明显不同于图3。
在图8中，正极10’和负极11’两者的沿宽度方向的电流路径的长度在沿宽度方向的长度的水平处是短的，并且由于几乎连续存在的未涂覆部分10a、11a，沿长度方向的移动比图3中所示的常规第二路径短。特别地，当正极10’的正极接头10c和负极11’的负极接头11c被设置在电极组件的上部和下部中彼此对应的位置处时，长度方向上的移动很少或非常短，如图所示。因此，电极10’、11’的最大电流路径变得与电极的宽度方向电流路径基本相同。
也就是说，如果正极10’和负极11’具有如图8所示的电极结构，则最大电流路径的宽度方向电流路径的长度实际上在电极的宽度方向上的距离水平处较短，并且电极的长度方向电流路径非常短。因此，电流路径比将接近于零。
然而，电极的最大电流路径中的长度方向电流路径的长度可以根据电极接头(未涂覆部分)的结构而变化，如参照图3所述。图8示出了其中电极接头10c、11c沿着电极10’、11’的长度方向大致连续地形成的结构，但是优选地，可以存在电极接头从其去除的区域。
例如，根据本公开的实施方式的电极组件可具有未涂覆部分朝向芯弯曲的形状。在这种情况下，为了防止弯曲的未涂覆部分阻塞设置在芯中的腔，靠近芯的未涂覆部分可以不弯曲，可以降低卷绕方向上的高度，或者可以去除大部分并留下作为如上所述的电极接头未限定区段。电极接头未限定区段可以在卷绕电极之后靠近电极组件的芯侧形成。另外，电极接头未限定区段可以基于电极被卷绕之前的时间沿长度方向设置在一端与另一端之间的多个位置处。此外，电极接头限定区段在卷绕方向上的长度可以根据电极接头未限定区段的位置和长度不同地设置。当电极包括多个电极接头未限定区段时，电极的最大电流路径可以在卷绕方向上具有最长长度的电极接头未限定区段中限定。由于电子应当朝向电极接头未限定区段中的电极接头限定区段移动，因此在具有最长长度的电极接头未限定区段中限定最大电流路径。因此，随着电极接头未限定区段的卷绕方向上的长度增大，电流路径比不可避免地变得比图8所示的情况长。此外，电流路径比可以根据电极接头限定区段的位置而变化。
最大电流路径根据电极接头限定区段的位置如何设置而变化，并且随着最大电流路径变小，电极的电阻减小。然而，当设计电极组件时，必须在未涂覆部分的部分区段中包括电极接头未限定区段，因此存在增大电阻的因素。因此，在本公开中，电极接头未限定区段的最大电流路径中的电流路径比L2/L1的上限被限制为满足低电阻条件。也就是说，电流路径比L2/L1的范围可以被限制成使得二次电池的电阻不会增大超过预定范围。
如上所述，在本公开中，电极接头未限定区段的最大电流路径中的电流路径比L2/L1的上限被限制在预定范围内，同时在未涂覆部分的至少部分区段中包括电极抽头未限定区段。换句话说，本公开提供了在使二次电池的电阻增大最小化的同时电极接头未限定区段可以设置得多长的指导。
图9是例示可以包括在图7的电极组件中的第一实施方式的电极结构的平面图。
参照图9，电极140(其可以是图7中所示的正极40或负极50)包括由金属箔制成的电极集流器141和活性材料层142。金属箔可以是诸如铝或铜之类的导电金属，并且根据电极140的极性适当地选择。正极集流器(箔)的厚度可以是10μm至20μm，并且负极集流器(箔)的厚度可以是5μm至15μm。
集流器141的短边长度可以为60mm至85mm，集流器141的长边长度可以为3m至5m。在这种情况下，集流器141的短边与长边的比可以是1.2％至2.8％，其显著小于具有1865或2170的形状因子的圆柱形二次电池中的6％至11％的水平。也就是说，集流器141在长度方向上非常长，并且在卷绕时具有非常大的绕组匝数。可以基于电极组件100的芯侧端对绕组匝进行计数。
活性材料层142形成在集流器141的至少一个表面上。活性材料层142沿着卷绕方向(X轴方向)形成。电极140包括在卷绕方向上的长侧端处的未涂覆部分143。未涂覆部分143是集流器141的未涂覆有活性材料的部分区域。在卷绕方向上的未涂覆部分143一部分被设置为电极接头未限定区段，其余部分被设置为电极接头限定区段。
电极140通过在集流器141上形成活性材料层142然后将其压制来制造。优选地，绝缘涂层144可以形成在活性材料层142与未涂覆部分143之间的边界处。绝缘涂层144的至少一部分形成为与活性材料层142与未涂覆部分143之间的边界交叠。绝缘涂层144防止具有彼此面对的不同极性的两个电极140(也就是说，正极40和负极50)之间的短路，其中隔膜(参照图7中的60)插置两个电极间。绝缘涂层144可以具有0.3mm至5mm的宽度以覆盖活性材料层142与未涂覆部分143之间的边界。绝缘涂层144的宽度可以沿着电极140的卷绕方向变化。绝缘涂层144可以包括聚合物树脂和无机填料，诸如Al2O3。由于集流器141的被绝缘涂层144覆盖的部分不是涂覆有活性材料层的区域，因此它可以被认为是未涂覆部分。
未涂覆部分143包括与电极组件100的芯相邻的第一部分B1、与电极组件100的外周表面相邻的第二部分B3以及在第一部分B1与第二部分B3之间的第三部分B2。
B1/B2的边界可以被适当地限定为未涂覆部分的高度(或变化图案)从电极组件的芯侧到外周侧基本上变化的点，或者基于电极组件的半径的预定百分比(例如，半径的5％、10％、15％等)的点。B2/B3的边界也可以被适当地限定为未涂覆部分的高度(或变化图案)从电极组件的外周侧到芯侧基本上变化的点，或者基于电极组件的半径的预定百分比(例如，半径的85％、90％、95％等)的点。当指定B1/B2的边界和B2/B3的边界时，可以自动指定第三部分B2。
不排除在第一部分B1与第三部分B2之间插置另一结构。此外，不排除在第三部分B2与第二部分B3之间插置另一结构。
在本公开中，未涂覆部分143的高度不是恒定的，并且在卷绕方向上存在相对差异。也就是说，第一部分B1在卷绕轴线方向上具有比第三部分B2小的高度。在未涂覆部分143被形成为具有恒定的高度之后，第一部分B1的未涂覆部分可以比第三部分B2的未涂覆部分被切割得更大以具有这样的高度差。这里，每个部分的高度可以是平均高度或最大高度，并且此后是相同的。
第一部分B1和第二部分B3在卷绕轴线方向上的高度可以是0或更大，并且第一部分B1和第二部分B3的高度可以彼此相同或不同。在本实施方式中，以第一部分B1的高度与第二部分B3的高度不同并且第二部分B3的高度等于第三部分B2的高度的情况作为示例。
在本实施方式中，第一部分B1与电极接头未限定区段相对应，第三部分B2与电极接头限定区段相对应。第二部分B3也可以设置为电极接头限定区段。第三部分B2可被限定为沿着电极组件100的径向方向处于弯曲状态的电极接头。同样，第二部分B3也可被限定为沿径向方向处于弯曲状态的电极接头。由于第一部分B1不沿着径向方向弯曲并且不与稍后描述的集流器板电接触，所以在第一部分B1中发生氧化还原反应期间，电流(电子)以迂回(detour)方式流过相邻的第三部分B2。
在具有该结构的电极140中，第二部分B3可以弯曲以变成焊接区域。在卷绕方向上，第三部分B2的长度dB2可以比第一部分B1的长度dB1长。第三部分B2的长度dB2可以比第二部分B3的长度dB3长。通过增大第三部分B2的长度dB2，弯曲部分可以在弯曲期间在多个层中交叠。通过增大第三部分B2的长度dB2，可以确保足够的焊接区域。
优选地，与电极接头未限定区段相对应的第一部分B1靠近芯。在首先卷绕第一部分B1之后，卷绕第三部分B2。由于第三部分B2通过第一部分B1被定位成比芯远，所以当第三部分B2弯曲时，第三部分B2不变形。
第一部分B1的高度小并且不弯曲，使得电极组件100的芯中的腔不被阻塞。如果芯的腔没有被阻塞，则在电解质注入工艺中没有困难，并且提高了电解质注入效率。另外，焊接夹具可以穿过芯插入以容易地在负极(或正极)侧上的集流器板与电池壳体(或电极端子)之间执行焊接工艺。
在未涂覆部分143被形成为具有恒定高度之后，第一部分B1的未涂覆部分可以比第三部分B2的未涂覆部分被切割得更大以具有高度差，并且因此第一部分B1不被用作电极接头。如上所述，当未涂覆部分143包括电极接头未限定区段时，与整个未涂覆部分被设计为电极接头限定区段的情况相比，电阻随着最大电流路径的增加而增大。
优选地，需要第一部分B1以便在电极接头限定区段弯曲的同时不阻塞芯的腔。即使第一部分B1的长度dB1增大，当第三部分B2的长度dB2和第二部分B3的长度dB3相对较长或者由第三部分B2确保的焊接面积足够时，整个电芯的电阻(AC电阻和DC电阻)可能不会显著改变，但是第一部分B1中的电阻增大。因此，考虑到第一部分B1中的电阻增大，必须限制第一部分B1的长度dB1。
在最大电流路径的电流路径比L2/L1中，分母恒定为电极的宽度。因此，第一部分B1的长度dB1是确定最大电流路径的电流路径比L2/L1的因子。在本公开中，通过调整第一部分B1的长度dB1来将最大电流路径的电流路径比L2/L1设置为11或更小，由此防止芯的腔被阻塞并且使电阻的增大最小化。优选地，最大电流路径的电流路径比L2/L1可以是10.15或更小。更优选地，最大电流路径的电流路径比L2/L1可以是8.5或更小。更优选地，最大电流路径的电流路径比L2/L1可以是2至5。每个数值可以是考虑到集流器141和活性材料层142的电、物理和化学性质条件、二次电池的电阻条件、不阻塞芯的腔所需的第一部分B1的长度dB1、在具有适当数量的交叠层的同时固定有效焊接区域所需的第二部分B3的长度dB3以及第三部分B2的长度dB2而被优化以具有关键效果的值。如上所述，在本公开中，在将最大电流路径的电流路径比L2/L1限制到预定范围的同时调整电极接头未限定区段的数量和长度，并且其余部分被设计为电极接头限定区段。
图9示出了根据一实施方式的最大电流路径(第一路径及第二路径的连接位置用三角形来标记，并且电极的端点用正方形来标记)。最大电流路径包括在第一部分B1中，第一部分B1是电极接头未限定区段。最大电流路径与具有当在第一部分B1中发生电化学氧化还原反应时电流(电子)流过的路径的最大长度的路径相对应。
最大电流路径的宽度方向电流路径的长度L1与集流器141或电极140的短边长度一样短。具体地，宽度方向电流路径的长度L1是从未涂覆部分143的长边的一端到集流器141的长边的另一端的最小长度。由于第二部分B3和第三部分B2的高度相同，所以电极140的宽度方向电流路径的长度与电极140的短边长度(宽度)相同，并且由于第二部分B3的未涂覆部分未被切割，所以其与集流器141的短边长度相同。
在这个实施方式中，最大电流路径的电流路径比为L2/L1，并且L1与电极140的宽度相对应，因此可以通过使用第一部分B1的长度dB1来调整电流路径比。
电流路径比L2/L1的上限可以是使得包括电极组件100的二次电池的DC电阻为4mΩ或更小并且AC电阻为3mΩ或更小的值。更优选地，电流路径比L2/L1的上限可以是使得包括电极组件100的二次电池的AC电阻为2mΩ或更小的值。
二次电池的电阻可以根据集流器141和活性材料层142的电、物理和化学性质条件而变化，例如，当集流器141的短边长度为60mm至85mm、集流器141的长边长度为3m至5m并且集流器141的厚度为5μm至20μm时，第一部分B1的长度dB1可为660mm或更小。在这种情况下，第一部分B1的长度dB1的最大值为660mm，并且考虑到集流器141的长边长度，第一部分B1的长度dB1的最大值可以是集流器141的长边长度的13.2％至22％。当集流器141的长边的长度或厚度改变时，第一部分B1的长度dB1的最大值可以为4％至23％。也就是说，电极140中未限定为电极接头的部分(即，电极接头未限定区段)的长度的最大值为660mm，并且考虑到集流器141的长边长度变为电极140的长边长度的点，可以将其视为电极140的长度的4％至23％。另外，当集流器141的短边长度变成电极140的短边长度时，可以看出，作为电极140中未限定为电极接头的部分的长度的最大值的660mm为电极140的宽度的9.4倍至11倍。当集流器141的短边的长度或厚度改变时，第一部分B1的长度dB1的最大值可以为2.5倍至11倍。
另外，当第一部分B1的长度dB1为660mm并且集流器141的长边长度为4mm时，电流路径比L2/L1可以为10.15。可以通过使第一部分B1的长度dB1小于660mm来进一步减小电流路径比L2/L1。
电流路径比L2/L1的上限可以使得满足二次电池的最小电阻要求。也就是说，二次电池电阻可以被确定为小于二次电池电阻的最大值。在该实施方式中应用的4mΩ的DC电阻的最大值和3mΩ的AC电阻的最大值可以根据二次电池的规格而变化。
本公开的发明人通过仿真证实，二次电池的电阻随着电极接头未限定区段的长度(如在第一部分B1中)增大而增大。然而，证实当电极接头未限定区段的长度增大到某个水平或更高时，电阻不再增大并收敛。通过检查电极接头未限定区段的长度与二次电池的电阻之间的相关性，可以确定满足二次电池的最小电阻需求的电极接头未限定区段的长度。
图10是用于仿真的包括电极接头未限定区段的电极的示意图，并且图11是根据通过仿真确认的焊接点的数量的电阻的曲线图。
图10例示了电极接头143a1以相等的间隔存在，第一路径和第二路径的连接位置用三角形标记，并且电极的端点用正方形标记的情况。例如，如果电极接头143a1的数量为6，则电极接头未限定区段143a2的数量为7，并且如果电极接头143a1的数量为7，则电极接头未限定区段143a2的数量为8。与上述情况一样，当电极接头143a1的数量为Q时，假设电极接头未限定区段143a2的数量为Q+1的相等间隔条件。由于每个电极接头143a1被焊接到集流器板，因此焊接点的数量与电极接头143a1的数量相同。
在仿真中，假设包括在电极140’中的集流器141’的短边长度为60mm至85mm，集流器141’的长边长度为3m至5m，集流器141’的厚度为5μm至20μm。
在将电极接头143a1的数量从1增加到50的同时，仿真包括电极组件的二次电池的AC电阻，其中电极140’包括正极和负极。参照与结果相对应的图11，可以看出，电阻随着电极接头143a1的数量增加而收敛，并且在仿真条件下二次电池的AC电阻为2mΩ或更小的电极接头143a1的数量为6。
电极接头143a1的数量可以被转换成电极接头未限定区段143a2的长度。当电极接头143a1的宽度为10mm时，当在具有长边长度3m至5m的集流器141’中以相等间隔存在六个电极接头143a1时，一个电极接头未限定区段143a2的长度为660mm。当存在七个电极接头143a1时，一个电极接头未限定区段143a2的长度为564mm。当存在七个电极接头143a1时，二次电池的AC电阻被仿真为1.7mΩ。
通过该仿真，得出结论，电极接头未限定区段143a2的长度优选地被设置为660mm或更小。考虑到集流器141’的短边长度为60mm至85mm，对应于长度方向电流路径的电极接头未限定区段143a2的长度与对应于宽度方向电流路径的集流器141’的短边长度的比为11或更小。因此，当包括电极接头未限定区段时，得出结论，只要电流路径比L2/L1被设置为11或更小，就可以满足二次电池的AC电阻为2mΩ或更小的低电阻条件。
基于仿真结果，优选地，第一部分B1的长度dB1被设置为660mm或更小，如本实施方式所提出的。换句话说，通过管理电极接头未限定区段143a2的长度不超过660mm，电池单元电阻可以满足二次电池的最小电阻要求。
当第一部分B1的长度dB1增大时，电流路径比L2/L1增大，并且当第一部分B1的长度dB1减小时，电流路径比L2/L1减小。第一部分B1的长度dB1可以在满足电流路径比(L2/L1)的条件下通过应用当第三部分B2的未涂覆部分朝向芯弯曲时设置在电极组件100的芯中的腔不被阻塞的条件来设计。
也就是说，第一部分B1的长度dB1可以根据660mm或更小的必要条件来确定，并且当第一部分B1的长度dB1为660mm并且集流器141的短边长度为65mm时，电流路径比L2/L1可以为10.15，由此根据第一部分B1的长度dB1，电流路径比L2/L1可以满足10.15或更小的范围。换句话说，当设计包括第一部分B1的电极140时，与包括所有未涂覆部分(诸如第三部分B2)而没有第一部分B1的情况相比，电流路径比增大，但是第一部分B1的长度dB1可以增大直到电流路径比L2/L1变为10.15或更小为止作为满足最小电阻的引导，由此当第三部分B2的未涂覆部分朝向芯弯曲时，可以不阻塞设置在电极组件100的芯中的腔。
图12是例示根据本公开的另一实施方式的可以被包括在电极组件中的第二实施方式的电极结构的平面图。
当与第一实施方式相比时，图12中所示的电极145a的不同之处在于，第二部分B3的高度朝向外周逐渐减小，并且其余配置基本相同。在一个变型例中，第二部分B3可以变形成其中高度逐渐减小的阶梯形状(参照虚线)。在这些实施方式中，第二部分B3具有比第三部分B2小的高度。通过将第二部分B3设置为高度比第三部分B2小，当在弯曲的第三部分B2上方弯曲第二部分B3时，可以进一步抑制第三部分B2的变形。
图13是例示根据本公开的另一实施方式的可以被包括在电极组件中的第三实施方式的电极结构的平面图。
在根据第三实施方式的电极145b中，第一部分B1和第二部分B3的高度为0或更大，但相对小于第三部分B2的高度。另外，第一部分B1和第二部分B3的高度相同。与第一部分B1类似，第二部分B3与电极接头未限定区段相对应，使得第二部分B3的未涂覆部分不被限定为电极接头，并且第三部分B2被限定为电极接头。在卷绕方向上，第二部分B3的长度比第一部分B1的长度dB1短。第二部分B3可以是电极区域的包括最外绕组匝的未涂覆部分。第三部分B2可被限定为沿着电极组件100的径向方向处于弯曲状态的电极接头。第一部分B1和第二部分B3不沿着径向方向弯曲。根据该实施方式，当电极组件被插入到电池壳体中并且电池壳体的外周表面被压配合以形成卷边部分时，可以防止在卷边部分在第二部分B3附近被按压的工艺中卷边部分和第二部分B3彼此接触时发生内部短路。
图14是例示根据本公开的另一实施方式的可以被包括在电极组件中的第四实施方式的电极结构的平面图。
在根据第四实施方式的电极150中，第一部分B1和第二部分B3的高度为0或更大，但相对小于第三部分B2的高度。另外，第一部分B1和第二部分B3的高度可以彼此相同或不同。
优选地，第三部分B2的高度可以具有从芯侧到外周侧逐渐增大的阶梯形状。
通过基于未涂覆部分143的高度改变的位置划分第三部分B2来获得图案1至图案7。优选地，图案的数量以及每个图案的高度(在Y轴方向上的长度)和宽度(在X轴方向上的长度)可以被调整以使未涂覆部分143的弯曲处理期间的应力分布最大化。应力分布用于当未涂覆部分143朝向电极组件的芯弯曲时防止未涂覆部分143被撕裂。
第一部分B1的长度dB1通过应用当第三部分B2的图案朝向芯弯曲时不阻塞设置芯中的腔的条件来设计，但是在一个示例中，第一部分B1的长度dB1可以与图案1的弯曲长度成比例地增大。基于图案的弯曲点，弯曲长度与图案的高度相对应。
优选地，第一部分B1的长度dB1可以被设置为使得由第一部分B1形成的绕组匝的径向宽度等于或大于图案1的弯曲长度。在变型例中，第一部分B1的长度dB1可以被设置为使得通过从图案1的弯曲长度减去由第一部分B1形成的绕组匝的径向宽度而获得的值小于芯半径的0或10％或更小。
在具体示例中，当电极150用于制造形状因子为4680的圆柱形二次电池的电极组件时，根据芯的直径和图案1的弯曲长度，第一部分B1的长度dB1可以被设置为180mm至350mm。在这种情况下，电流路径比L2/L1可以为2.57至5.83。如果进一步调整第一部分B1的长度dB1，则电流路径比L2/L1可以为2至5。
在一个实施方式中，每个图案的宽度可以被设计为构成电极组件的一个或至少两个绕组匝(winding turn)。
在一个变型例中，第三部分B2的高度可以具有从芯侧到外周侧增大然后减小的台阶形状。
在另一变型例中，第二部分B3可以变形为具有与第二实施方式的第二部分相同的结构。
在又一变型例中，施加到第三部分B2的图案结构可以延伸到第二部分B3(参照虚线)。
图15是例示根据本公开的另一实施方式的可以被包括在电极组件中的第五实施方式的电极结构的平面图。
优选地，在电极160中，第三部分B2可以包括多个分段件161。换句话讲，第三部分B2的至少部分区域可以被分成多个可独立弯曲的分段件161。
多个分段件161的高度可以从芯侧到外周侧逐步增大。多个分段件161具有宽度从底部到顶部减小的几何图形。优选地，该几何图形是梯形的。如稍后将描述的，可以以各种方式来修改几何图形的形状。
分段件161可以利用激光来开槽。分段件161可以通过已知的金属箔切割工艺(诸如超声切割或冲压)来形成。分段件161在卷绕轴线方向上弯曲和交叠。
由于分段件161是可独立弯曲的，因此当分段件161弯曲时，未涂覆部分143的变形可以被进一步抑制，这是优选的。另外，存在的优点在于，可以进行控制，使得在弯曲分段件161并使它们在多个层中交叠时不存在空的空间(间隙)。通过具有分段件161结构，可以防止未涂覆部分143在未涂覆部分143弯曲时被撕裂。
第一部分B1从集流器141的芯短侧开始，并且第一部分B1的高度沿着卷绕方向恒定并且不沿着径向方向弯曲。仅第三部分B2的分段件161被限定为电极接头。因此，在电极160中，为了将作为沿着集流器141的长边的长度方向电流路径的长度L2与沿着集流器141的短边的宽度方向电流路径的长度L1的比值的电流路径比L2/L1设置为11或更小，可以调整首先位于长度方向上的从电极160的芯端到分段件161的下端的长度，这里，该长度是等于第一部分B1的长度dB1的长度。
优选地，集流器141的厚度可以为5μm至25μm，分段件161的宽度(参照图16中的D)可以为3mm至10mm，并且分段件161的高度(参照图16中的H)可以为10mm或更小。
在一个方面中，多个分段件161可以形成从芯侧到外周侧的多个分段件组。属于相同分段件组的分段件的宽度、高度和间隔节距中的至少一个可以基本相同。优选地，属于相同分段件组的分段件的宽度、高度和间距可以彼此相等。
可以考虑到电阻、加工的容易性(例如，是否可以在没有裂纹的情况下施加激光开槽)、弯曲的容易性、若干分段件161之间的交叠程度等来调整分段件161的尺寸(宽度、高度、间隔节距)。
优选地，属于相同分段件组的分段件的宽度和高度可以基本相同。
图16示出了梯形分段件161的宽度D、高度H和间隔节距P的定义。
参照图16，分段件161的宽度D、高度H和间隔节距P被设计成在充分增大未涂覆部分143的交叠层的数量的同时防止未涂覆部分143的异常变形，以便防止弯曲点附近的未涂覆部分143被撕裂并确保在未涂覆部分143的弯曲处理期间的足够的焊接强度。
在穿过切割槽163的下端或其上部的线G上执行分段件161的弯曲。切割槽163使得分段件161能够在电极组件的径向方向上平滑且容易地弯曲。
分段件161的宽度D被限定为其中从分段件161的两侧163b延伸的两条直线和从切割槽163的底部163a延伸的一条直线相交的两个点之间的长度。分段件161的高度H被定义为分段件161的最上侧与从切割槽163的底部163a延伸的直线之间的最短距离。分段件161的间隔节距P被限定为其中从切割槽163的底部163a延伸的直线和从连接到底部163a的两个侧面163b延伸的两条直线相交的两个点之间的长度。当侧面163b和/或底部163a弯曲时，直线可以用在侧面163b和底部163a相交的交点处从侧面163b和/或底部163a延伸的切线代替。
优选地，分段件161的宽度D为1mm或更大。如果D小于1mm，则可能出现如下的区域或空的空间(间隙)，其中，当分段件161朝向芯弯曲时，分段件161不交叠成足以确保焊接强度。
优选地，分段件161的宽度D可以根据其中分段件161定位的绕组匝的半径自适应地调节，使得当分段件161朝向芯弯曲时，分段件161的交叠在径向方向上很好地形成。
分段件161的高度H可以是2mm或更大。如果分段件161的高度H小于2mm，则可能出现如下的区域或空的空间(间隙)，其中，当分段件161朝向芯弯曲时，分段件161不交叠成足以确保焊接强度。
分段件161的高度H可以通过应用当分段件161朝向芯弯曲时不阻塞芯的腔的条件来确定。优选地，分段件161的高度H可以被调整成使得芯的直径的90％或更多可以向外部敞开。
优选地，根据分段件161所位于的绕组匝的半径和芯的半径，分段件161的高度H可以从芯向外周侧增大。
在一个实施方式中，随着绕组匝的半径增大，分段件161的高度H可以通过N个步长从h1阶段地增大到hN。
在一个示例中，电极160的总绕组匝半径为22mm，并且分段件161的高度从3mm开始。每当包括分段件161的绕组匝的半径增大1mm时，分段件161的高度依次增大到3mm、4mm、5mm、6mm，并且在剩余的绕组匝中高度可以保持与6mm基本相同。也就是说，在整个绕组匝的半径当中，分段件161的高度可变区段的径向宽度为3mm，并且剩余的径向区段与高度均匀区段相对应。
对于另一示例，当芯半径rc为3m时，包括高度为3mm(h1)、4mm(h2)、5mm(h3)和6mm(h4)的分段件161的绕组匝的起始半径r1、r2、r3和r4可以分别为6mm、7mm、8mm和9mm，并且分段件161的高度可以从半径9mm到最后绕组匝保持在6mm。另外，分段件161可以不包括在具有小于6mm的半径r1的绕组匝中。在该示例中，由于具有最靠近芯C的3mm的高度h1的分段件161从具有6mm的半径的绕组匝开始定位，所以即使分段件161朝向芯C弯曲，它也仅覆盖3mm至6mm的径向区段，并且因此基本上不阻塞芯的腔。
在分段件161的高度可变区段中，分段件161的高度H可为10mm或更小。为了电绝缘，隔膜60的端部可以进一步从电极160的端部向外延伸到与绝缘间隙相对应的长度。另外，当电极160和隔膜60被卷绕时，考虑到隔膜60的端部导致弯曲的事实，与隔膜60的最小弯曲余量(meandering margin)相对应的区段应被分配给未涂覆部分143。此外，为了切割分段件161，应将最小切割废料余量分配给集流器箔的端部。
优选地，当电极160是正极时，绝缘间隙可以为0.2mm至6mm。此外，当电极160是负极时，绝缘间隙可以为0.1mm至2mm。优选地，隔膜60的最小弯曲余量可以为0至1mm。优选地，切割废料余量可以为1.5mm至8mm。切割废料余量可以不根据形成分段件161的处理来分配。例如，切割槽163可以形成为使得分段件161的上侧和集流器箔的上侧彼此重合，并且在这种情况下，切割废料边缘可以为零。
考虑到上述条件，在分段件161的高度可变区段中的分段件161的最大高度可以设置为10mm。因此，在分段件161的高度可变区段中的分段件161的高度可以在2mm至10mm的区段中沿着电极组件的径向方向分阶段或逐渐地增大。
参照图16，可以在0.05mm至1mm的范围内调整分段件161的间隔节距P。如果间隔节距P小于0.05mm，则当在卷绕工艺等中驱动电极160时，由于应力，在切割槽163的下端附近的未涂覆部分143中可能发生裂纹。另一方面，如果间隔节距P超过1mm，则可能发生当分段件161弯曲时分段件161不彼此交叠成足以确保的焊接强度的区域或空的空间(间隙)。
此外，当电极160的集流器141由铝制成时，更优选的是，间隔节距P设置为0.5mm或更大。当间隔节距P为0.5mm或更大时，即使在卷绕工艺等中在300gf或更大的张力下以100mm/s或更大的速度驱动电极160，也可以防止在切割槽163的下部中发生裂纹。
如图16所示，切割槽163在卷绕方向上插置在彼此相邻的两个分段件(twosegment pieces)161之间。切割槽163与在去除未涂覆部分143时产生的空间相对应。优选地，切割槽163的下部的两端的拐角部分具有圆形形状。也就是说，切割槽163包括基本平坦的底部163a和圆形部分163c。圆形部分163c连接分段件161的底部163a和其侧部163b。在变型例中，切割槽163的底部163a可以用弧形形状来代替。在这种情况下，分段件161的侧部163b可以通过底部163a的弧形形状平滑地连接。
多个分段件161的下内角θ可以从芯到外周侧增大。在一示例中，多个分段件161的下内角θ可从芯到外周侧逐渐地或分阶段地增大。下内角θ是从切割槽163的底部163a延伸的直线与从分段件161的侧部163b延伸的直线之间的角度。当分段件161对称时，左下内角θ和右下内角θ基本相同。
随着电极组件的半径增大，曲率半径增大。如果分段件161的下内角θ根据电极组件的半径的增大而一起增大，则可以消除当分段件161弯曲时在径向方向和周向方向上产生的应力。另外，如果下内角θ增大，则在分段件161弯曲时与内部分段件161交叠的面积和交叠层的数量也增大，由此确保径向方向和周向方向上的均匀焊接强度并形成平坦的弯曲表面区域。
优选地，下内角θ可以由分段件161所位于的绕组匝的半径和分段件161的宽度D来确定。在一个示例中，当电极160形成具有22mm的直径和4mm的芯半径的卷绕结构时，在高度可变区段中，分段件161的下内角可以逐渐地或分阶段地在60度至85度的范围内增大。
再次参照图15，第一部分B1的长度dB1被设计成使得当第三部分B2的分段件161朝向芯弯曲时，芯向外敞开基于其直径的90％或更多。第一部分B1的长度dB1可以与组1的分段件161的弯曲长度成比例地增大。弯曲长度与从弯曲点到分段件161的上端的长度相对应。
分段件161的弯曲点可以设置在穿过切割槽163的下端的线处或设置在与该线向上间隔开预定距离的点处。当分段件161在与切割槽163的下端间隔开预定距离的点处朝向芯弯曲时，分段件在径向方向上的交叠更好地执行。当分段件161弯曲时，外侧上的分段件基于芯的中央挤压内侧上的分段件。此时，如果弯曲点与切割槽163的下端部间隔开预定距离，则内部分段件在卷绕轴线方向上被外部分段件按压，因此更好地执行分段件的交叠。弯曲点的间隔距离可以优选为1mm或更小。由于分段件的最小高度为2mm，所以弯曲点的分离距离与最小高度的比可以为50％或更小。
在一实施方式中，每个分段件组的宽度可以被设计为构成电极组件的相同绕组匝。这里，当卷绕电极160时，可以基于第一部分B1的端部对绕组匝进行计数。
在另一变型例中，每个分段件组的宽度可以被设计为构成电极组件的至少一个绕组匝。
组1至组8仅是包括在第三部分B2中的分段件组的示例。组的数量、包括在每个组中的分段件161的数量和组的宽度可以优选地被调整成使得分段件161在多个层中交叠，以便在未涂覆部分143的弯曲处理期间将应力分布到最大并且确保与集流器的足够的焊接强度。
在第三部分B2中，其中分段件161的高度基于电极160的卷绕方向逐步增大的区段(组1至组7)可以被限定为分段件的高度可变区段，并且最后分段件组(组8)可以被限定为其中分段件的高度均匀地保持的高度均匀区段。
也就是说，在第三部分B2中，当分段件161的高度从h1阶段地增大到hN时，其中高度为h1至hN-1(N为高度索引，并且为自然数为2或更大)的分段件161被设置的区段与高度可变区段相对应，并且其中高度为hN的分段件161被设置的区段与高度均匀区段相对应。
组1的宽度可以是第一部分B1的宽度的35％-40％。组2的宽度可以是组1的宽度的130％-150％。组3的宽度可以是组2的宽度的120％-135％。组4的宽度可以是组3的宽度的85％-90％。组5的宽度可以是组4的宽度的120％-130％。组6的宽度可以是组5的宽度的100％-120％。组7的宽度可以是组6的宽度的90％-120％。组8的宽度可以是组7的宽度的115％-130％。第二部分B3的长度dB3可以是180mm至350mm，类似于第一部分B1的宽度。
组1至组8的宽度没有显示出恒定的增大或减小图案的原因是，分段件的宽度从组1至组8逐渐增大，但是包括在组中的分段件的数量限于整数，并且电极的厚度在卷绕方向上具有轻微的偏差。因此，可以减少特定分段件组中的分段件的数量。因此，该组的宽度可以在从芯侧到外周侧的同时呈现如上述示例中的不规则变化图案。
通过上述实施方式，可以通过充分增大分段件161的交叠层的数量来提高集流器板的焊接强度。由于在用作焊接目标区域的区域中的分段件161的层叠的数量通过优化分段件161的尺寸(宽度、高度和间隔节距)而充分增大，因此可以改进集流器板被焊接的区域的物理性质。
在图15中也示出了代表性的电流路径。第一路径及第二路径的连接位置用三角形来标记，并且电极的端点用正方形来标记。第一路径和第二路径的连接位置可以是第二部分B3和第三部分B2的任何位置，但是为了便于例示，在附图中指示了组1中的一个位置和组8中的一个位置。电极端点也可以是任何位置，但是指示了示出宽度方向电流路径的长度L1的一个位置和位于最大电流路径上的一个位置。
这里再次地，确定电流路径比L2/L1的上限的L2是从被限定为电极接头的第三部分B2到电极端点的距离，并且与第一部分B1的长度dB1相对应。通过调整第一部分B1的长度dB1，可以调整电流路径比L2/L1。即使电阻略微增大，该电流路径比L2/L1也满足二次电池的最小电阻要求，并且因此当进一步考虑分段件161的交叠程度和焊接强度的固定等时，该电流路径比L2/L1可以降低到11或更小、10.15或更小、8.5或更小、或在2至5的范围中。例如，如果需要通过使第三部分B2的长度dB2足够长以形成更大或更多的分段件161来增大分段件161的交叠程度，则电流路径比L2/L1可以低于8.5或更小，或者在2至5的范围中。本公开是有意义的，因为电流路径比L2/L1的上限是从设计使电流路径最小化的低电阻电芯的角度设置的。当电流路径比L2/L1超过上限时，可能不满足二次电池的最小电阻要求。
在具有该结构的电极160中，第三部分B2可以弯曲以变成焊接区域。在卷绕方向上，第三部分B2的长度dB2可以比第一部分B1的长度dB1长。第三部分B2的长度dB2可以比第二部分B3的长度dB3长。通过增大第三部分B2的长度dB2，弯曲部分可以在弯曲期间在多个层中交叠。可以通过增大第三部分B2的长度dB2来确保足够的焊接区域。
根据又一变型例，当电极160的未涂覆部分143具有分段件结构时，电极160可以包括其中多个分段件中的一些如图17所示被规则地或不规则地省略的分段件省略区段164。图17是例示根据本公开的第五实施方式的电极的变形结构的平面图。
参照图17，优选地，分段件省略区段164可以是多个。在一个示例中，分段件省略区段164的宽度可以从芯到外周侧是恒定的。在另一示例中，分段件省略区段164的宽度可以从芯到外周侧规则地或不规则地增大或减小。优选地，存在于分段件省略区段164中的未涂覆部分的高度可以与第一部分B1和/或第二部分B3的高度相对应。
存在于分段件省略区段164之间的分段件161的数量可以是至少一个。如图17所示，电极160可以包括未涂覆部分，其中存在于分段件省略区段164之间的分段件161的数量从芯侧朝向外周侧增大。
即使当如上所述将分段件省略区段164设置在未涂覆部分143的中间时，分段件省略区段164也与电极接头未限定区段相对应，因此可以考虑到电极接头未限定区段中的电流路径比L2/L1应为11或更小的条件来确定分段件省略区段164的长度。
图18是例示当根据本公开的变型例的电极被卷绕成电极组件时多个分段件可以定位在其中的独立区域的俯视平面图。
优选地，如图18所示，当卷绕电极160时，分段件省略区段164的宽度可以设置为使得位于每个绕组匝处的分段件可以基于电极组件200的芯C定位在预设的独立区域166中。
也就是说，当从卷绕轴线方向观察电极组件200时，多个分段件161可以基于芯C定位在多个独立区域166中。独立区域166的数量可以改变为2、3、4、5等。
优选地，独立区域166可以具有扇形形状。在这种情况下，独立区域166之间的角度可以基本相同。另外，独立区域166的周向角δ可以为20度或更大，可选地25度或更大，可选地30度或更大，可选地35度或更大，或者可选地40度或更大。
在变型例中，独立区域166可以具有诸如正方形、矩形、平行四边形、梯形等的几何图形的形状。
在这种情况下，具有集流器板的焊接部分可以仅形成在独立区域166中，并且集流器板可以被设计成具有与独立区域166相对应的腿部结构，由此在集流效率方面具有优点。
图19是例示根据本公开的第六实施方式的电极的结构的平面图。
参照图19，第六实施方式的电极170具有基本相同的配置，除了分段件161’的形状不同于上述实施方式的分段件的形状。因此，除非另有说明，否则第五实施方式的配置可以等同地应用于第六实施方式。
分段件161’具有其中上部和下部的宽度基本相同的几何形状。优选地，分段件161’可以具有矩形形状。
图20是示出根据本公开的第六实施方式的包括在电极中的分段件的宽度、高度和间隔节距的定义的图。
参照图20，分段片161’的宽度D、高度H和间隔节距P可以被设置成在充分增大未涂覆部分143的交叠层的数量的同时防止未涂覆部分143的异常变形，以便防止未涂覆部分143被撕裂并提高在未涂覆部分143的弯曲处理期间电极组件的焊接强度。异常变形意指在弯曲点的底部处的未涂覆部分不保持笔直状态并且在没有犹豫的情况下不规则地变形。
分段件161’的宽度D被限定为其中从分段件161’的两侧延伸的两条直线和从切割槽163的底部163a延伸的一条直线相交的两个点之间的长度。分段件161’的高度H被定义为分段件161’的最上侧与从切割槽163的底部163a延伸的直线之间的最短距离。分段件161’的间隔节距P被限定为其中从切割槽163的底部163a延伸的直线和从连接到底部163a的两个侧面163b延伸的两条直线相交的两个点之间的长度。当侧面163b和/或底部163a弯曲时，直线可以用在侧面163b和底部163a相交的交点处从侧面163b和/或底部163a延伸的切线代替。
优选地，关于分段件161’的宽度D、高度H和间隔节距P的条件与上述第五实施方式的条件基本相同，并且因此将省略重复描述。然而，由于分段件161’具有矩形形状，因此分段件161’的下内角可以恒定为90度。
类似于第五实施方式的电极160，根据第六实施方式的电极170也可包括分段件省略区段164，其中多个分段件中的一些被规则地或不规则地省略。
如在第五实施方式和第六实施方式中，当第三部分B2包括多个分段件161、161’时，每个分段件161、161’的形状可以进行各种修改。
根据本公开的另一方面，在电极160、170被卷绕到电极组件中之后，暴露于电极组件的上部和下部的分段件可以沿着电极组件的径向方向在多个层中交叠，以形成弯曲表面区域。
在分段件161朝向电极组件200的芯C弯曲的同时形成的弯曲表面区域F可以形成在电极组件200的上部和下部中。图21是示意性地例示其中形成有弯曲表面区域的电极组件的上方立体图。
参照图21，弯曲表面区域F具有如下结构，其中，分段件161在卷绕轴线方向上在多个层中交叠。交叠方向是卷绕轴线方向。
可以根据包括分段件161的绕组匝的半径来调整分段件161的高度、宽度和间隔节距，以优化在弯曲表面区域F的每个位置处的分段件161的层叠的数量，以满足集流器板的所需焊接强度。
上述实施方式(变型例)的电极结构可以应用于包括在果冻卷类型或本领域已知的其它类型的电极组件中的正极和负极。
在本公开中，可以在没有限制的情况下使用涂覆在正极上的正极活性材料和涂覆在负极上的负极活性材料，只要该活性材料是本领域已知的。
在一个示例中，正极活性材料可包括由通式A[AxMy]O2+z(A包括Li、Na和K中的至少一种元素；M包括选自Ni、Co、Mn、Ca、Mg、Al、Ti、Si、Fe、Mo、V、Zr、Zn、Cu、Mo、Sc、Zr、Ru和Cr中的至少一种元素；x≥0、1≤x+y≤2、-0.1≤z≤2；化学计量系数x、y和z被选择成使化合物保持电中性)表示的碱金属化合物。
在另一示例中，正极活性材料可以是US6,677,082,US6,680,143等中公开的碱金属化合物xLiM1O2-(1-x)Li2M2O3(M1包括具有平均氧化态3的至少一种元素；M2包括具有平均氧化态4的至少一种元素；0≤x≤1)。
在又一示例中，正极活性材料可以是由通式LiaM1 xFe1-xM2 yP1-yM3 zO4-z(M1包括选自Ti、Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、Nd、Al和Mg中的至少一种元素；M2包括选自Ti、Si、Mn、Co、Fe、V、Cr、Mo、Ni、Nd、Al、Mg、As、Sb、Si、Ge、V和S中的至少一种元素；M3包括卤素元素，其可选地包括F；0<a≤2、0≤x≤1、0≤y<1、0≤z<1；化学计量系数a、x、y和z被选择成使化合物保持电中性)或Li3M2(PO4)3(M包括选自Ti、Si、Mn、Fe、Co、V、Cr、Mo、Ni、Al和Mg中的至少一种元素)表示的锂金属磷酸盐。
优选地，正极活性材料可以包括初级颗粒和/或次级颗粒，其中初级颗粒聚集。
在一个示例中，碳材料、锂金属或锂金属化合物、硅或硅化合物、锡或锡化合物等可以用作负极活性材料。具有小于2V的电位的金属氧化物(诸如TiO2或SnO2)也可以用作负极活性材料。所有的低结晶碳、高结晶碳等可以用作碳材料。
作为隔膜，多孔聚合物膜，例如，由诸如乙烯均聚物、丙烯均聚物、乙烯/丁烯共聚物、乙烯/己烯共聚物、乙烯/甲基丙烯酸酯共聚物等的聚烯烃类聚合物制成的多孔聚合物膜可以单独使用或通过层叠它们来使用。作为另一示例，常规的多孔非织造网(例如，由高熔点玻璃纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维等制成的非织造网)可以用作隔膜。
隔膜的至少一个表面可以包括无机颗粒的涂覆层。此外，隔膜自身可以由无机颗粒的涂覆层制成。构成涂覆层的颗粒可以具有联接到粘合剂的结构，使得在相邻颗粒之间存在间隙体积。
无机颗粒可以由具有5或更大的介电常数的无机材料形成。无机颗粒的非限制性示例可以包括选自由Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT)、PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)、BaTiO3、二氧化铪(HfO2)、SrTiO3、TiO2、Al2O3、ZrO2、SnO2、CeO2、MgO、CaO、ZnO和Y2O3组成的组中的至少一种材料。
图22是沿着Y轴方向(缠绕轴方向)切割的果冻卷型电极组件的截面图，其中，第五实施方式和第六实施方式(其变型例)的电极中的任一个被应用到正极和负极。
参照图22，正极未涂覆部分143a包括与电极组件200的芯相邻的第一部分B1、与电极组件200的外周表面相邻的第二部分B3以及插置在第一部分B1与第二部分B3之间的第三部分B2。
第一部分B1的高度相对小于第三部分B2的高度。另外，第三部分B2中的最内正极未涂覆部分143a的弯曲长度等于或小于第一部分B1的径向长度R。弯曲长度H’与从正极未涂覆部分143a被弯曲的点到正极未涂覆部分143a的上端的距离相对应。在变型例中，弯曲长度H’可以比第一部分B1的径向长度R与芯C的半径的10％之和小。
因此，即使当第三部分B2弯曲时，电极组件200的芯C向外敞开其直径的90％或更多。芯C位于电极组件200的中央并且具有腔。如果芯C的腔没有被阻塞，则在电解质注入工艺中没有困难，并且提高了电解质注入效率。另外，通过将焊接夹具穿过芯C插入，可以容易地执行负极(或正极)侧上的集流器板与电池壳体(或电极端子)之间的焊接工艺。
第二部分B3的高度相对小于第三部分B2的高度。因此，在第二部分B3附近按压电池壳体的卷边部分的工艺中，可以在卷边部分和第二部分B3彼此接触的同时防止内部短路的发生。
负极未涂覆部分143b具有与正极未涂覆部分143a相同的结构。在变型例中，负极未涂覆部分143b可以具有常规电极结构或其它实施方式(变型例)的电极结构。
在变型例中，与图22所示不同，第二部分B3的高度可以逐渐地或分阶段地减小。另外，在图22中，第三部分B2的高度在外周侧上相同，但第三部分B2的高度可从第一部分B1与第三部分B2之间的边界到第三部分B2与第二部分B3之间的边界逐渐地或分阶段地增大。当第三部分B2被划分为多个分段件时，其中正极未涂覆部分143a的高度改变的区段与分段件的高度可变区段E2相对应。
更详细地，电极组件200基于沿着卷绕轴线方向的截面沿着径向方向顺序地包括其中不存在分段件的分段件省略区段E1、其中分段件的高度可变的高度可变区段E2以及其中分段件的高度均匀的高度均匀区段E3。
正极未涂覆部分143a和负极未涂覆部分143b的端部201可以在电极组件200的径向方向上(例如，从外周侧到芯)弯曲。此时，第一部分B1和第二部分B3不弯曲。
上述多个分段件161、161’设置在高度可变区段E2和高度均匀区段E3中，并且沿着电极组件200的径向方向弯曲以形成弯曲表面区域(图21中的F)。由于其中集流器板被焊接到大面积的结构可以被应用到通过弯曲分段件161、161’形成的弯曲表面区域F，因此包括该结构的电极组件200的能量密度可以被改进并且电阻可以被减小。
当第三部分B2包括多个分段件时，弯曲应力被释放以防止弯曲点附近的正极未涂覆部分143a和负极未涂覆部分143b被撕裂或异常变形。另外，当根据以上描述的实施方式的数值范围调整分段件161、161’的宽度和/或高度和/或间隔节距时，分段件161、161’朝向芯C弯曲并且在足以确保足够的焊接强度的多层中交叠，并且不在弯曲表面区域中形成中空孔(空隙)。
在本实施方式中，分段件省略区段E1与第一部分B1相对应。
此外，在电极组件200中省略高度可变区段E2的变型例也是可能的。
图23是例示根据本公开的第五实施方式的电极的变形结构的平面图。
在图23中，变型例的电极180具有均匀高度的分段件161，并且因此除了当如图22所示制造电极组件200时仅包括分段件省略区段E1和高度均匀区段E3而不包括高度可变区段E2之外，其余配置基本相同。因此，除非另有说明，否则第五实施方式的配置可以等同地应用于这个变型例。另外，第二部分B3并未分成多个分段件，并且第一部分B1的高度与第二部分B3的高度相同。
图23示出了最大电流路径的L1和L2(第一路径及第二路径的连接位置用三角形来标记，并且电极的端点用正方形来标记)。
在具有如图23所示的结构的电极180中，通过改变第一部分B1的长度dB1来获得示例和比较例的二次电池，然后测试AC电阻、DC电阻、低温循环和快速充电循环。分段件161的数量为115，分段件161的宽度在最宽宽度处为8mm，分段件161的高度为6mm。负极集流器为铜并具有10μm的厚度，并且正极集流器为铝并具有15μm的厚度。在每个集流器中，几乎接近L1的短边长度为65mm，并且长边长度为4m。正极活性材料包含锂复合过渡金属氧化物，并且负极活性物质包含石墨。隔膜是聚烯烃隔膜。通过将1.4MLiPF6溶解在其中碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)以20:70:10的体积比混合的溶剂中来制备电解质。
例如，可以通过使用常用的AC阻抗分析仪施加频率为1kHz的AC来测量AC电阻评估。在该实验中，在执行形成200mA电流(0.1C)之后，在4.2V 666mA(0.3C、0.05C截止)的条件下的CC/CV充电和在2.5V 666mA(0.3C)的条件下的CC放电被重复3次。此后，使用多阻抗分析仪(Biologic，型号名称：VMP3)在25℃温度和50％充电状态(SOC)下测量10mHz至100kHz范围中的AC电阻。
例如，可以通过使用常用的DC电阻测量仪器将探针放置在电极表面上并允许电流仅流过电极表面来测量DC电阻评估。在该实验中，记录当完全充电的二次电池在室温下放电至50％SOC并在0.5C的电流下放电10秒时产生的电压降，并测量使用欧姆定律(R＝V/I)计算的DC电阻(DC-IR)值(放电脉冲(施加0.5C脉冲10秒)，DC-IR＝(V0-V1)/I，V0是放电脉冲之前的电压，V1是施加放电脉冲之后的电压)。
在低温循环性能(低温寿命特性的评估)中，在执行形成200mA电流(0.1C)之后，在4.2V 666mA(0.3C、0.05C截止)的条件下的CC/CV充电和在2.5V 666mA(0.3C)的条件下的CC放电被在10℃重复300次。此后，在第一放电容量作为初始容量的情况下，将第300次放电容量与初始容量进行比较，并且以％计算容量保持比。为了测量放电容量，可以使用诸如PNE-0506充电器/放电器(制造商：PNE Solution，5V，6A)的装置。
对于快速循环性能，从10％SOC到80％SOC快速充电25分钟并放电到10％SOC的过程被重复500次。所有充电和放电通过CC来执行。在500次循环之后，以％计算充电容量的变化比。
确定L2的第一部分B1的长度dB1在示例1的二次电池中为556mm，第一部分B1的长度dB1在比较例1的二次电池中为680mm，并且第一部分B1的长度dB1在比较例2的二次电池中为920mm。在示例1中，第一部分B1的长度dB1为556mm，由此满足通过仿真确认的电极接头未限定区段143a2的660mm或更小的长度。在比较例1和比较例2中，第一部分B1的长度dB1大于通过仿真确认的电极接头未限定区段143a2的长度660mm。
表1总结了示例1、比较例1和比较例2的条件和实验结果。
[表1]
Figure BDA0003784071640000361
参照表1，在示例1的情况下，测量AC电阻为1.5mΩ，并且DC电阻为3.6Ω。如仿真结果所示，AC电阻满足2mΩ或更小，并且DC电阻也满足二次电池的最小电阻要求(DC电阻为4mΩ或更小，并且AC电阻为3mΩ或更小)。
比较例1中测量的DC电阻为3.9mΩ并且AC电阻为1.7mΩ，这满足二次电池的最小电阻要求，但低温循环为76％，并且快速充电循环为83％，由此与低温循环为82％并且快速充电循环为87％的示例1相比表现出较差的性能。特别地，可以看出，从快速充电循环的角度来看，第一部分B1的长度dB1应该有利地如示例1中为660mm或更小。
比较例2中测量的DC电阻为4.3mΩ，其不满足二次电池的最小电阻要求，并且低温循环为58％并且快速充电循环为64％，由此与比较例1相比表现出较差的性能。也就是说，可以看出，随着第一部分B1的长度dB1增大超过660mm(680mm→920mm)，电阻增大，并且低温循环和快速充电循环性能劣化。
如上所述，根据本公开的实施方式，当第一部分B1的长度dB1被设置在预定范围内并且电流路径比L2/L1为11或更小时，可以看出，可以设计满足二次电池的最小电阻要求并且在低温循环和快速充电循环方面具有优异性能的低电阻电池，由此适合于制造为应用于电动车辆的具有增大的形状因子的圆柱形二次电池。
根据本公开的实施方式的各种电极组件结构可以应用于圆柱形二次电池。
优选地，圆柱形二次电池可以是例如具有大于大约0.4的形状因子比(限定为通过将圆柱形二次电池的直径除以高度而获得的值，也就是说，直径Φ与高度H的比)的圆柱形二次电池。
优选地，圆柱形二次电池的直径可以为40mm至50mm，并且高度可以为60mm至130mm。根据实施方式的圆柱形二次电池的形状因子可以是例如46110、4875、48110、4880或4680。在指示形状因子的数字符号中，前两个数字指示二次电池的直径，并且其余数字指示二次电池的高度。
当具有无接头结构的电极组件被应用到具有大于0.4的形状因子比的圆柱形二次电池时，在弯曲未涂覆部分时在径向方向上施加的应力较大，因此未涂覆部分可能容易被撕裂。而且，为了在将集流器焊接到未涂覆部分的弯曲表面区域时充分确保焊接强度和较低的电阻，在弯曲表面区域中的未涂覆部分的层叠的数量应该充分增大。该要求可以通过根据本公开的实施方式(变型例)的电极和电极组件来实现。特别地，可以在满足电流路径比L2/L1为11或更小的条件的同时实现该要求，使得低电阻设计是可能的。
根据本公开实施方式的二次电池具有大致圆柱形形状，并且可以是直径为大约46mm、高度为大约110mm并且形状因子比为0.418的圆柱形二次电池。
根据另一实施方式的二次电池具有大致圆柱形形状，并且可以是直径为大约48mm、高度为大约75mm并且形状因子比为0.640的圆柱形二次电池。
根据又一实施方式的二次电池具有大致圆柱形形状，并且可以是直径为大约48mm、高度为大约110mm并且形状因子比为0.436的圆柱形二次电池。
根据又一实施方式的二次电池具有大致圆柱形形状，并且可以是直径为大约48mm、高度为大约80mm并且形状因子比为0.600的圆柱形二次电池。
根据又一实施方式的二次电池具有大致圆柱形形状，并且可以是直径为大约46mm、高度为大约80mm并且形状因子比为0.575的圆柱形二次电池。
通常，已经使用具有大约0.4或更小的形状因子比的二次电池。也就是说，通常使用例如18650二次电池、21700二次电池等。在18650二次电池的情况下，直径为约18mm，高度为约65mm，并且形状因子比为率0.277。在21700二次电池的情况下，直径为约21mm，高度为约70mm，并且形状因子比为率0.300。
在下文中，将详细描述根据本公开的实施方式的圆柱形二次电池。
图24是根据本公开的实施方式的圆柱形二次电池的截面图。图24的二次电池300包括电极组件200，电极组件200是果冻卷型电极组件，其中第五实施方式和第六实施方式(其变型例)的电极中的任一个被应用到正极和负极。图24是沿着卷绕轴线方向截取的二次电池300的截面图。
参照图24，在电极组件200中，正极未涂覆部分143a和负极未涂覆部分143b沿相反方向设置。此外，正极未涂覆部分143a和负极未涂覆部分143b被暴露于隔膜(参照图7中的60)的外部。在电极组件200中，仅正极未涂覆部分143a和负极未涂覆部分143b的一部分可以被限定并用作电极接头。例如，正极未涂覆部分143a的仅一部分可以用作正极接头，并且负极未涂覆部分143b的仅一部分可以用作负极接头。
二次电池300还包括容纳电极组件200并连接到负极未涂覆部分143b的圆柱形电池壳体305。电池壳体305由导电金属材料制成。在一个示例中，电池壳体305可以由铁、镀镍铁或不锈钢(SUS)制成，并且可以是电池罐，但是本公开不限于此。
优选地，电池壳体305的一侧(在该实施方式中为下部)敞开以形成开口。电池壳体305中的开口的相对侧是封闭部分。在该实施方式中，封闭部分是电池壳体305的底部310。电池壳体305的底部310是圆形的。电池壳体305的侧面(外周表面)和底部310可以一体地形成。电池壳体305的底部310具有近似平坦的形状。电池壳体305通过开口容纳电极组件200，并且还容纳电解质。电池壳体305的侧表面从底部310延伸预定长度。
电池壳体305的底部310具有其中正极端子315通过填缝工艺铆接到通孔320的结构。此外，二次电池300可以包括插置在正极端子315与通孔320之间的铆钉垫片325。
正极端子315由导电金属材料制成。在一个示例中，正极端子315可以由包含铝作为主要成分的材料制成，但是本公开不限于此。正极端子315可以由易于铆接并具有低电阻的10系铝合金制成。正极端子315的一部分插入到电池壳体305中，并且另一部分暴露于电池壳体305的外部。
铆钉垫片325可以由具有绝缘和弹性的聚合物树脂制成。在一个示例中，铆钉垫片325可以由聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚氟乙烯等制成，但是本公开不限于此。
二次电池300包括连接至正极未涂覆部分143a的正极集流器板330。正极未涂覆部分143a与正极集流器板330之间的连接可以通过焊接来执行。正极集流器板330被连接到正极未涂覆部分143a的电极接头限定区段。正极集流器板330还连接到正极端子315。正极集流器板330和正极端子315通过激光焊接来连接。正极集流器板330可以由与正极集流器和/或正极端子315相同的金属制成，或者可以由容易焊接到正极集流器和/或正极端子的材料制成。例如，正极集流器板330可以由包含铝作为主要成分的材料制成，并且可以是铁、镀镍铁、SUS等。正极端子315通过正极集流器板330被连接到正极未涂覆部分143a。
二次电池300还可以包括密封体335，密封体335密封电池壳体305的开口以与电池壳体305绝缘。优选地，密封体335可以包括不具有极性的盖板340和插置在盖板340的边缘与电池壳体305的开口之间的密封垫片345。
盖板340可以由诸如铝、铁、镀镍铁、SUS等的导电金属材料制成。另外，密封垫片345可以由聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚氟乙烯等制成，所有这些都具有绝缘性和弹性。然而，本公开不限于盖板340和密封垫片345的材料。盖板340可以覆盖电池壳体305的开口。即使当盖板340由导电金属制成时，它也不具有极性。没有极性意指盖板340没有连接到电极组件200。此外，这可能意指它与电池壳体305和正极端子315电绝缘。由于其不具有极性，所以盖板340不用作电极端子。盖板340不需要连接到电极组件200和电池壳体305，并且其材料不一定必须是导电金属。
盖板340可以包括排气凹口350，当电池壳体305内部的压力超过阈值时，排气凹口350破裂。排气凹口350可以形成在盖板340的一个或两个表面上。排气凹口350可以在盖板340的表面上形成连续或不连续的圆形图案、直线图案或其它图案。例如，排气凹口350可以形成为具有预定宽度的近似圆环形状。该圆环形排气凹口350可具有与盖板340的中心相同的中心，并具有比盖板340的半径小的半径。
电池壳体305的断裂压力可以通过控制排气凹口350的深度和宽度来控制。例如，排气凹口350可以被设置为当电池壳体305内部的压力在15kgf/cm2至35kgf/cm2的范围中时被破裂。排气凹口350可以通过开槽部分地减小电池壳体305的厚度而形成。排气凹口350可以具有厚度梯度。厚度梯度意指当检查其截面时，排气凹口350通过基于预定水平面以预定角度倾斜而形成。当电池壳体305内部的压力异常增大时，排气凹口350破裂，由此将所有内部气体排出到外部。
电池壳体305可以包括压接部分355，该压接部分355朝向电池壳体305的内部延伸并弯曲，并且围绕盖板340的边缘并将盖板340的边缘与密封垫片345固定在一起，以固定密封体335。优选地，盖板340的下表面可以定位在压接部分355的下端上方。然后，在盖板340的下部形成排气空间，并且因此当排气凹口350破裂时，气体可以平稳地排出。
电池壳体305还可以包括在与开口相邻的区域中朝向电池壳体305的内部压配合的卷边部分360。卷边部分360凹入电池壳体305中。当密封体335被压接部分355固定时，卷边部分360支撑密封体335的边缘，特别是支撑密封垫片345的外周表面。
二次电池300还可以包括连接到负极未涂覆部分143b的负极集流器板365。负极未涂覆部分143b与负极集流器板365之间的连接可以通过焊接来执行。负极集流器板365被连接到负极未涂覆部分143b的电极接头限定区段。负极集流器板365可以由与负极集流器相同类型的金属制成，或者可以由容易焊接到负极集流器的材料制成。例如，它可以是铜或铜合金、镍或镍合金、铁、SUS或其复合材料。优选地，在负极集流器板365中，不与负极未涂覆部分143b接触的边缘的至少一部分365a被插置在卷边部分360与密封垫片345之间，并且可以被压接部分355固定。可选地，负极集流器板365的边缘的至少一部分365a可以通过焊接固定到卷边部分360的相邻压接部分355的内周表面360a。因此，负极集流器板365也被连接到电池壳体305，并且电池壳体305通过负极集流器板365被连接到负极未涂覆部分143b。另外，负极集流器板365可以包括在其中央的集流器板孔(未示出)。集流器板孔不阻塞芯C的腔。负极集流器板365包括集流器板孔，在将正极集流器板330焊接到正极端子315的步骤中，激光束穿过该集流器板孔，使得激光束可以到达正极集流器板330。
集流器板330、365中的每一个将在电极组件200的每个电极中产生的电流感应至正极端子315和电池壳体305。集流器板330、365中的每一个是被连接以从作为每个电极的端部的正极未涂覆部分143a和负极未涂覆部分143b汲取电流的部件。由于这是通过将集流器板330、365通过焊接等直接连接至正极未涂覆部分143a和负极未涂覆部分143b来汲取电流的结构，因此不需要单独的集流接头。因此，集流接头的安装工艺是不必要的，由此提高了生产率。另外，由于用于容纳集流接头的空间可以被减小，因此整个电池结构变得紧凑并且改进了空间利用率。
另外，二次电池300具有如下结构，其中除了正极端子315当中的正极端子315和电池壳体305的外表面310a占据的区域之外的其余区域可以分别用作正极端子和负极端子。也就是说，它具有其中与电池壳体305的开口相对的表面的大部分可以用作负极端子的结构。因此，优点在于可以固定足够的区域以焊接用于连接的部件，例如用于电线的汇流条。
通过正极端子315，可以增大电池壳体305中的空间效率。因此，可以降低包括该结构的二次电池300的内阻并增大能量密度。正极端子315可以被改进以扩大电流路径的截面积。因此，在包括该结构的二次电池300中，在快速充电期间发生的内部发热问题得到改进。
正极端子315可以包括插入到通孔320中的主体部分315a、从主体部分315a的通过电池壳体305的底部310的外表面310a暴露的一侧的周缘沿着外表面310a延伸的外凸缘部分315b、从主体部分315a的通过电池壳体305的底部310的内表面310b暴露的另一侧的周缘朝向内表面310b延伸的内凸缘部分315c以及设置在内凸缘部分315c内部的平坦部分315d。
优选地，正极集流器板330的至少一部分可以通过激光焊接来联接到正极端子315的平坦部分315d。优选地，平坦部分315d和电池壳体305的底部310的内表面310b可以彼此平行。这里，“平行”意指当视觉观察时基本上平行。
平坦部分315d可以具有3mm至14mm的直径。平坦部分315d可以确定可焊接区域的尺寸。如果可焊接区域的直径小于3mm，则可能难以确保适当的焊接强度。当可焊接区域的直径超过14mm时，正极端子315的外凸缘部分315b的直径变得过大，并且因此难以充分确保电池壳体305的底部310的外表面310a的用作负极端子的面积。
激光焊接用于将平坦部分315d连接到正极集流器板330。在电极组件200通过电池壳体305的开口插入的状态下，可以在电池壳体305的开口敞开的同时执行激光焊接。在激光焊接期间，激光束可以穿过电极组件200的芯C中的腔以到达正极集流器板330的焊接区域。当正极集流器板330被焊接到正极端子315的平坦部分315d时，正极端子315可以支撑正极集流器板330的焊接区域。另外，由于正极端子315的平坦部分315d具有大的面积，因此焊接区域也可以被广泛地固定。因此，可以通过降低焊接区域的接触电阻来降低二次电池300的内阻。铆接正极端子315和正极集流器板330的面对面焊接结构对于快速充电非常有用。这是因为每单位面积的电流密度可以在电流流动的方向上在截面中降低，由此与现有技术相比降低了在电流路径中产生的热量。
另外，应用正极端子315的铆接结构的二次电池300可以在一个方向上执行电布线。在二次电池300中，密封体335的盖板340不具有极性。相反，由于负极集流器板365连接到电池壳体305，所以电池壳体305的底部310的外表面310a具有与正极端子315的极性相反的极性。因此，当多个二次电池300被连接时，正极和负极两者可以在一个方向上连接，由此简化连接结构。因此，当多个二次电池300串联和/或并联连接以制造电池组时，可以使用电池壳体305的底部310的外表面310a和正极端子315来在二次电池300的上部处执行诸如汇流条连接的布线。因此，可以通过增加可以安装在相同空间中的二次电池的数量来提高能量密度，并且可以容易地执行电气布线。因此，空间效率良好并且电气布线的效率高，使得在电动车辆的组装工艺以及电池组的组装和维护中存在显著的工作改进效果。
另外，电气布线在电池壳体305的底部310的外表面310a和正极端子315所位于的一侧执行，并且可以不设置在位于相对侧上的盖板340上，由此使形成在盖板340中的排气凹口350的效果最大化。此外，如果散热器、冷却板、托盘等朝向盖板340定位，则可以有效地实现组装和冷却的目的，而不管电气布线连接部分如何。另外，通过组装通风凹口350以向下设置，从二次电池的内部排出的气体向下放电。通常，二次电池安装在比例如EV的车辆的乘员低的位置处，并且因此，当气体从二次电池向上放电时，它可能伤害乘员。本公开的二次电池300能够有效地排放二次电池内部的高压气体，无论上部电气布线连接部分如何都是安全的，并且此外，当气体由于排气凹口350的破裂而排放时，不会通过向下排出气体而损害乘员，由此大大提高安全性。
二次电池300还可以包括插置在电池壳体305的封闭部分与正极集流器330之间的绝缘体370。绝缘体370可以插置在正极集流器板330与电池壳体305的底部310的内表面310b之间，并且插置在电池壳体305的侧壁的内周表面305a与电极组件200之间。
优选地，绝缘体370可以包括焊接孔370a，该焊接孔370a朝向正极集流器板330暴露正极端子315的平坦部分315d。此外，焊接孔370a可以与电极端子的平坦部分315d一起暴露内凸缘部分315c和内垫片325b。优选地，焊接孔370a不阻塞芯C的腔。因此，当由于二次电池中的异常而产生大量气体时，气体朝向盖板340移动通过芯C的腔的移动不受阻碍。因此，当产生大量气体时，排气凹口350可以平稳地控制电池的内部压力。盖板340还包括焊接孔370a，使得在将正极集流器板330焊接到正极端子315的步骤中，激光束可以穿过焊接孔370a到达正极集流器板330。
优选地，绝缘体370可以至少覆盖正极集流器板330的表面和电极组件200的一个(上)边缘。因此，可以防止具有与电池壳体305的极性不同的极性的正极集流器板330和正极未涂覆部分143a彼此接触。
优选地，绝缘体370由绝缘树脂制成，并且可以包括上板370b和侧套筒370c。在一个示例中，上板370b和侧套筒370c可以通过注射成型一体地形成。另选地，侧套筒370c可以用绝缘带等来代替。绝缘带可以覆盖正极集流器板330的外边缘以及通过电极组件200的外周表面暴露的正极未涂覆部分143a。
优选地，绝缘体370和电池壳体305的底部310的内表面310b可以彼此紧密接触。这里，“紧密”意指没有视觉上识别的空间(间隙)。为了消除空间(间隙)，从电池壳体305的底部310的内表面310b到正极端子315的平坦部分315d的距离可以等于或略小于绝缘体370的厚度。
此外，图24示出了从模块汇流条焊接位置到正极未涂覆部分143a和负极未涂覆部分143b的路径(第一路径)，正极未涂覆部分143a和负极未涂覆部分143b是每个电极140的电极接头(电流起点用圆圈标记，并且连接位置用三角形标记)。电流起点位于正极端子315和负极端子处。负极端子是电池壳体305。模块汇流条焊接位置位于二次电池300的上端。形成从正极端子315开始并连接至正极未涂覆部分143a的电流路径，并且形成从负极端子开始并连接至负极未涂覆部分143b的电流路径。
当与图2所示的传统圆柱形二次电池相比时，第一路径彼此相似，但是构成电极组件200的电极140中的第二路径与参照图3描述的常规第二路径和参照图8描述的虚拟第二路径(也如图15所示)明显不同。此外，本公开的特征在于电流路径比L2/L1被设置为11或更小，并且为此，电极接头未限定区段的长度(例如，第一部分B1的长度dB1)被设置在范围中。
在本公开中，与参照图1至图3描述的常规电极结构不同，基于在卷绕电极之前的展开状态，通过在电极的长边上形成未涂覆的电极接头，电流几乎不沿着电极的长度方向移动，并且通过允许沿着宽度方向移动，可以使电流路径最小化，由此减小电阻。一直以来，未涂覆部分的部分区段被设置为电极接头未限定区段，使得当未涂覆部分的焊接区域弯曲时不发生变形并且电极组件的芯中的腔未被阻塞。此外，在使用具有上述结构的电极来制造果冻卷型电极组件和包括该果冻卷型电极组件的圆柱形二次电池时，电极接头未限定区段的长度或相邻分段件之间的间隔被调整，因此最大电流路径中的电流路径比L2/L1被设置为11或更小，如上所述。
根据上述实施方式(变型例)的圆柱形二次电池可以用于制造电池组。
图25是示意性地例示根据本公开的实施方式的电池组的配置的图。
参照图25，根据本公开的实施方式的电池组400包括二次电池401被电连接到的组件和容纳该组件的电池组壳体402。二次电池401可以是根据上述实施方式(变型例)的二次电池中的任一种。在附图中，为了便于例示，省略了诸如汇流条、冷却单元和用于二次电池401的电连接的外部端子的部件。
电池组400可以安装在车辆中。车辆可以是例如电动车辆、混合动力车辆或插电式混合动力车辆。车辆包括四轮车辆或两轮车辆。
图26是用于描述包括图25的电池组400的车辆的图。
参照图26，根据本公开的实施方式的车辆V包括根据本公开的实施方式的电池组400。根据本公开的实施方式，通过从电池组400接收电力来操作车辆V。
尽管上文已经关于有限数量的实施方式和附图描述了本公开，但是本公开不限于此，并且对于本领域技术人员显而易见的是，可以在本公开的技术方面和所附权利要求的等同范围内对其进行各种修改和改变。
[附图标记]
100、200：电极组件
140、150、160、170、180：电极
141：集流器
142：活性材料层
143：未涂覆部分
143a：正极未涂覆部分
143b：负极未涂覆部分
161、161’：分段件
164：分段件省略区段
166：独立区域
300、401：二次电池
305：电池壳体
315：正极端子
330：正极集流器板
335：密封体
340：盖板
345：密封垫片
365：负极集流器板
400：电池组

Claims (46)

1.一种电极组件，所述电极组件通过围绕卷绕轴线卷绕正极、负极和插置在所述正极与所述负极之间的隔膜来限定最内侧的芯和最外侧的外周表面，
其中，所述正极或所述负极包括片状的集流器，所述集流器具有长边和短边并且在所述长边的端部处具有未涂覆部分，
其中，所述未涂覆部分包括自身用作电极接头的电极接头限定区段和不用作电极接头的至少一个电极接头未限定区段，
其中，至少一个电极接头未限定区段的最大电流路径包括沿着所述集流器的所述短边的宽度方向电流路径和沿着所述集流器的所述长边的长度方向电流路径，并且当所述宽度方向电流路径和所述长度方向电流路径的长度分别为L1和L2时，电流路径比L2/L1为11或更小。
2.根据权利要求1所述的电极组件，
其中，所述电流路径比L2/L1为10.15或更小。
3.根据权利要求2所述的电极组件，
其中，所述电流路径比L2/L1为8.5或更小。
4.根据权利要求3所述的电极组件，
其中，所述电流路径比L2/L1为2至5。
5.根据权利要求1所述的电极组件，
其中，所述电极接头未限定区段的未涂覆部分的高度比所述电极接头限定区段的未涂覆部分的高度小。
6.根据权利要求1所述的电极组件，
其中，所述电极接头未限定区段的长度的最大值为所述正极的长度或所述负极的长度的4％至23％。
7.根据权利要求1所述的电极组件，
其中，所述电极接头未限定区段的长度的最大值为所述正极的宽度和所述负极的宽度的2.5倍至11倍。
8.根据权利要求1所述的电极组件，
其中，所述未涂覆部分包括与所述芯相邻的第一部分、与所述外周表面相邻的第二部分以及在所述第一部分与所述第二部分之间的第三部分，并且
所述第一部分在所述卷绕轴线方向上的高度比所述第三部分的高度小。
9.根据权利要求8所述的电极组件，
其中，所述第一部分对应于所述电极接头未限定区段，所述第三部分对应于所述电极接头限定区段。
10.根据权利要求9所述的电极组件，
其中，所述第三部分被限定为沿着所述电极组件的径向方向处于弯曲状态的电极接头。
11.根据权利要求9所述的电极组件，
其中，所述第二部分在所述卷绕轴线方向上的高度等于或小于所述第三部分的高度。
12.根据权利要求11所述的电极组件，
其中，所述第二部分和所述第三部分被限定为沿着所述电极组件的径向方向处于弯曲状态的电极接头。
13.根据权利要求9所述的电极组件，
其中，所述集流器的短边长度为60mm至85mm，并且所述集流器的长边长度为3m至5m。
14.根据权利要求13所述的电极组件，
其中，在所述第一部分中沿着所述集流器的所述长边的长度的最大值为所述集流器的所述长边的长度的4％至23％。
15.根据权利要求13所述的电极组件，
其中，在所述第一部分中沿着所述集流器的所述长边的长度为660mm或更小。
16.根据权利要求9所述的电极组件，
其中，所述第一部分与所述电极接头未限定区段相对应。
17.根据权利要求9所述的电极组件，
其中，所述第一部分不沿着所述电极组件的径向方向弯曲。
18.根据权利要求9所述的电极组件，
其中，所述第二部分不沿着所述电极组件的径向方向弯曲。
19.根据权利要求9所述的电极组件，
其中，所述第三部分的长度在所述电极组件的卷绕方向上比所述第一部分的长度和所述第二部分的长度长。
20.根据权利要求9所述的电极组件，
其中，所述第一部分从所述集流器的所述芯的短边开始，所述第一部分的高度沿着卷绕方向恒定，并且所述第一部分不沿着所述电极组件的径向方向弯曲。
21.根据权利要求9所述的电极组件，
其中，所述第三部分的至少部分区域被分成多个能独立弯曲的分段件。
22.根据权利要求21所述的电极组件，
其中，所述分段件在所述卷绕轴线方向上弯曲和交叠。
23.根据权利要求21所述的电极组件，
其中，所述集流器的短边长度为60mm至85mm，所述集流器的长边长度为3m至5m，所述集流器的厚度为5μm至25μm，所述分段件的宽度为10mm或更小，并且所述分段件的高度为10mm或更小。
24.根据权利要求23所述的电极组件，
其中，在所述第一部分中沿着所述集流器的所述长边的长度为660mm或更小。
25.根据权利要求21所述的电极组件，
所述电极组件基于沿所述卷绕轴线方向的截面沿着径向方向顺序地包括不存在分段件的分段件省略区段和所述分段件的高度均匀的高度均匀区段，其中，多个分段件被设置在所述高度均匀区段中并且沿着所述电极组件的径向方向弯曲以形成弯曲表面区域。
26.根据权利要求25所述的电极组件，
所述电极组件还包括高度可变区段，其中，所述分段件的高度在所述分段件省略区段与所述高度均匀区段之间是能变化的，其中，所述多个分段件被设置在所述高度可变区段和所述高度均匀区段中并且沿着所述电极组件的径向方向弯曲以形成弯曲表面区域。
27.根据权利要求25所述的电极组件，
其中，所述分段件省略区段与所述电极接头未限定区段相对应。
28.根据权利要求25所述的电极组件，
其中，所述第二部分未被分成多个分段件，并且所述第一部分和所述第二部分的高度相同。
29.根据权利要求21所述的电极组件，
其中，所述第三部分包括沿着所述电极组件的卷绕方向没有分段件的至少一个分段件省略区段。
30.根据权利要求29所述的电极组件，
其中，所述未涂覆部分在所述分段件省略区段中的高度与所述第一部分的高度相同。
31.根据权利要求29所述的电极组件，
其中，所述分段件定位在基于所述芯沿周向方向布置的至少两个扇形或多边形区域中。
32.根据权利要求29所述的电极组件，
其中，所述分段件省略区段与所述电极接头未限定区段相对应。
33.根据权利要求9所述的电极组件，
其中，在所述芯中设置腔，所述第三部分被限定为沿着所述电极组件的径向方向处于弯曲状态的电极接头，所述第三部分被分成多个能独立弯曲的分段件，并且弯曲的分段件不阻塞所述腔。
34.根据权利要求33所述的电极组件，
其中，在所述第一部分中沿着所述集流器的所述长边的长度的最大值为所述集流器的所述长边的长度的4％至23％。
35.一种二次电池，所述二次电池包括：
根据权利要求1至34中的任一项所述的电极组件；
圆柱形电池壳体，所述圆柱形电池壳体通过形成在一侧上的开口容纳所述电极组件并且连接到所述负极的未涂覆部分；
密封体，所述密封体密封所述电池壳体的所述开口以与所述电池壳体绝缘；以及
正极端子，所述正极端子通过形成在位于电池壳体的所述开口的相对侧上的所述电池壳体的底部处的通孔铆接，并且连接到所述正极的未涂覆部分。
36.根据权利要求35所述的二次电池，
其中，所述正极的未涂覆部分暴露于所述隔膜的外部，并且所述负极的未涂覆部分在与所述正极的未涂覆部分相反的方向上暴露于所述隔膜的外部，
所述二次电池还包括电连接到所述正极的未涂覆部分的正极集流器板和电连接到所述负极的未涂覆部分的负极集流器板。
37.根据权利要求35所述的二次电池，
所述二次电池具有4mΩ或更小的DC电阻和3mΩ或更小的AC电阻。
38.根据权利要求35所述的二次电池，
所述二次电池具有2mΩ或更小的AC电阻。
39.根据权利要求35所述的二次电池，
所述二次电池的直径与高度的比大于0.4。
40.根据权利要求35所述的二次电池，
其中，所述密封体包括不具有极性的盖板和插置在所述盖板的边缘与所述电池壳体的开口之间的密封垫片。
41.根据权利要求35所述的二次电池，
其中，所述正极端子包括：
主体部分，所述主体部分插入所述通孔中；
外凸缘部分，所述外凸缘部分从所述主体部分的通过所述电池壳体的所述底部的外表面暴露的一侧的周缘沿着所述外表面延伸；
内凸缘部分，所述内凸缘部分从所述主体部分的通过所述电池壳体的所述底部的内表面暴露的另一侧的周缘朝向所述内表面延伸；以及
平坦部分，所述平坦部分设置在所述内凸缘部分内部。
42.根据权利要求41所述的二次电池，
所述二次电池还包括电连接到所述正极的未涂覆部分的正极集流器板和电连接到所述负极的未涂覆部分的负极集流器板，
其中，所述正极端子在所述平坦部分中通过激光焊接联接到所述正极集流器板。
43.根据权利要求36所述的二次电池，
其中，所述电极接头未限定区段不连接到所述负极集流器板和所述正极集流器板，因此所述电极接头未限定区段不是形成电流路径的部分。
44.一种包括多个根据权利要求35至43中的任一项所述的二次电池的电池组。
45.根据权利要求44所述的电池组，
其中，所述多个二次电池被布置成预定数量的行，并且每个二次电池的所述正极端子和所述电池壳体的所述底部的外表面被设置为面朝上。
46.一种包括根据权利要求44至45中的任一项所述的电池组中的至少一个的车辆。
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