JP2023550097A - サブセル及びその製造方法、並びに、サブセルを含む円筒型二次電池、バッテリーパック及び自動車 - Google Patents

サブセル及びその製造方法、並びに、サブセルを含む円筒型二次電池、バッテリーパック及び自動車 Download PDF

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Abstract

本発明の一実施形態によるサブセルは、電極タブを備えるゼリーロール型電極組立体と、前記電極組立体の一方の側に結合され、前記電極タブと電気的に接続される集電プレートと、前記電極タブと前記集電プレートとの間に介在して前記電極タブと集電プレートとを結合させ、前記電極タブ及び集電プレートよりも低い融点を有する半田と、を含む。

Description

本発明は、サブセル及びその製造方法、並びに、サブセルを含むバッテリーパック及び自動車に関する。より詳細には、本発明は、電極組立体の無地部と集電プレートとを電気的に接続するための溶接を行う際に、母材の融点よりも低い温度で溶接を行い、溶接スパッタの発生を防止することができる構造を有するサブセルに関する。また、本発明は、該サブセルの製造方法、該サブセルを含む円筒型二次電池、該円筒型二次電池を含むバッテリーパック及び自動車に関する。
本出願は、２０２１年１月１９日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２１－０００７２８２号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
円筒型二次電池において、電池缶内に収容されるゼリーロール（ｊｅｌｌｙ－ｒｏｌｌ）型電極組立体に設けられた無地部（電極タブ）は、溶接により集電プレートと結合する。このように電極組立体及び集電プレートを含むサブセルを製造する際に用いられる溶接技術としては、レーザー溶接が挙げられる。
レーザー溶接により集電プレートと無地部とを結合させるためには、電極組立体上に配置されている集電プレートの母材の融点以上の温度で溶接が行われてこそ集電プレートの一部が溶融して無地部と結合され得る。
集電プレートとしては、例えばアルミニウム材質のプレートが用いられ得、その他に銅材質のプレートも用いられることがある。しかし、このようなアルミニウムや銅材質からなる通常の集電プレートを直接溶融させて無地部と接合させる溶接方式の場合、アルミニウムや銅の融点が高いことからエネルギーが非常に高いレーザーを照射して溶接せざるを得ない。
このように、溶接のために照射されるレーザーのエネルギーが非常に高く、レーザーを直接照射する対象である集電プレートの融点以上で溶接すると、溶接スパッタ（ｓｐａｔｔｅｒ）が発生する。溶接スパッタは、電極組立体内に金属異物として残る場合があり、電極間の不要な電気的接続に起因して微細なショート（ｓｈｏｒｔ）を引き起こす場合がある。このようなマイクロショートは、円筒型二次電池の性能低下及び安全性の阻害などの悪影響を及ぼす要因となる。
したがって、円筒型二次電池を構成する電極組立体と集電プレートとを結合するレーザー溶接を行う場合に、このような溶接スパッタの発生を防止する構造のサブセルとその製造方法を開発する必要がある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、円筒型二次電池を構成する電極組立体と集電プレートとを結合するレーザー溶接を行う際に、溶接スパッタの発生を防止することを目的とする。
また、本発明は、複数の円筒型二次電池を一方向に電気的に接続する際に、電池缶の閉鎖部の広い面を電極端子として活用することで、バッテリーパックを製造するためのバスバーなどの電気的接続部品と円筒型二次電池の電極端子とを溶接できる面積を十分に確保することを他の目的とする。
但し、本発明が解決しようとする技術的課題は、上述した課題に何ら制限されるものではなく、言及されていない他の課題は、下記に記載されている発明の説明から当業者にとって明らかに理解できる筈である。
上述した課題を解決するための本発明の一実施形態によるサブセルは、電極タブを備えるゼリーロール型電極組立体と、前記電極組立体の一方の側に結合され、前記電極タブと電気的に接続される集電プレートと、前記電極タブと前記集電プレートとの間に介在して前記電極タブと前記集電プレートとを結合させ、前記電極タブ及び集電プレートよりも低い融点を有する半田（ｓｏｌｄｅｒ、ソルダー）と、を含む。
前記半田は、溶接による溶融時の毛細管現象による浸透により、互いに隣接する電極タブの間に介在してもよい。
前記半田の浸透距離は、前記電極タブの延在長さよりも短く形成されてもよい。
前記電極タブは、その長さ方向の端部が、前記集電プレートと平行な方向に折り曲げられた形状を有してもよく、前記半田は、前記電極タブの折り曲げにより形成される平面と集電プレートとの間に介在してもよい。
前記半田が互いに隣接する電極タブの間に浸透する距離は、前記電極組立体の外周面から巻取中心部に向かって徐々に短くなってもよい。
前記集電プレートは、中心部から放射状に延在する、互いに離隔された複数のサブプレートを備えてもよい。
前記サブプレートは、前記電極組立体の外周面から巻取中心部に向かって幅が徐々に狭くなる形状を有していてもよい。
前記半田は、前記電極組立体の外周面から巻取中心部に向かって幅が徐々に狭くなる形状を有していてもよい。
前記電極組立体は、第１電極と、第２電極と、これらの間に介在するセパレーター（分離膜）とが一方向に巻き取られた構造を有してよく、前記第１電極及び第２電極は、それぞれ長辺端部に、活物質がコーティングされていない、前記セパレーターの外部に露出された第１無地部及び第２無地部を備えてもよい。
前記第１無地部及び第２無地部のうちの少なくともいずれか一方は、前記電極タブとして機能してもよい。
前記第１無地部及び第２無地部のうちの少なくともいずれか一方は、前記電極組立体の巻取方向に沿って分割された複数のセグメント片を含んでいてもよく、前記複数のセグメント片は、前記電極組立体の半径方向にベンディングされてもよい。
ベンディングされた前記複数のセグメント片は、前記半径方向に沿って多重に重ね合わされてもよい。
前記電極組立体は、前記無地部に設けられた前記セグメント片の重ね合わせ数が前記電極組立体の半径方向に沿って一定に維持される領域である溶接ターゲット領域を備えていてもよい。
前記集電プレートは、前記溶接ターゲット領域内で前記無地部と結合されてもよい。
本発明の一実施形態によるサブセルの製造方法は、ゼリーロール型電極組立体を用意するステップ（Ｓ１）と、一方の面に半田が形成された集電プレートを用意するステップ（Ｓ２）と、前記電極組立体上に前記集電プレートを載置するステップ（Ｓ３）と、前記半田を溶融させて前記電極組立体の電極タブと前記集電プレートとを互いに結合するように溶接を行うものの、前記電極タブの融点及び前記集電プレートの融点よりも低い温度で溶接を行うステップ（Ｓ４）と、を含む。
前記ステップ（Ｓ４）は、前記半田を溶融させて毛細管現象により互いに隣接する電極タブの間に前記半田を浸透させるステップであってもよい。
前記ステップ（Ｓ２）は、前記半田の浸透距離が前記電極タブの延在長さよりも小さくなるように、前記集電プレートの一方の面に形成される前記半田の厚さを調整するステップを含んでいてもよい。
前記ステップ（Ｓ２）は、
前記半田が互いに隣接する電極タブの間に浸透する距離が、前記電極組立体の外周面から巻取中心部に向かって徐々に短くなるように、前記集電プレートの一方の面に形成される前記半田の厚さを調整するステップを含んでいてもよい。
本発明の一実施形態による円筒型二次電池は、本発明の一実施形態によるサブセルと、一方の側に設けられた開放部を介して前記サブセルを収容し、前記電極組立体と電気的に接続される電池缶と、を含む。
前記円筒型二次電池は、前記電極組立体と電気的に接続され、前記電池缶とは反対の極性を有し、前記電池缶と絶縁される端子をさらに含んでいてもよい。
前記端子は、前記電池缶の開放部の反対側に設けられる閉鎖部を通じて外側に露出されてもよい。
前記円筒型二次電池は、前記開放部を密閉するキャッププレートをさらに含んでいてもよい。
前記キャッププレートは、極性を有しなくてもよい。
一方、本発明の一実施形態によるバッテリーパックは、本発明の一実施形態による複数の円筒型二次電池と、これらを収容するパックハウジングと、を含む。
この場合、前記複数の円筒型二次電池のそれぞれは、前記電極組立体と電気的に接続され、前記電池缶とは反対の極性を有し、前記電池缶と絶縁される端子を含んでいてもよい。
前記複数の円筒型二次電池のそれぞれの前記電池缶の閉鎖部の外面と前記電池缶の前記端子とは、同じ方向を向くように配置されてもよい。
前記バッテリーパックは、複数の前記円筒型二次電池を直列及び並列に接続する複数のバスバーを含んでいてもよい。
前記複数のバスバーは、前記複数の円筒型二次電池の上部に配置されてもよい。この場合、それぞれの前記バスバーは、
隣接する円筒型二次電池の端子の間で延在するボディー部と、
前記ボディー部の一方向に延在し、前記一方向に位置する円筒型二次電池の端子に電気的に結合される複数の第１バスバー端子と、
前記ボディー部の他方向に延在し、前記他方向に位置する円筒型二次電池の前記閉鎖部の外面に電気的に結合される複数の第２バスバー端子と、を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態による自動車は、本発明の一実施形態によるバッテリーパックを含む。
本発明の一側面によれば、円筒型二次電池を構成する電極組立体と集電プレートとを結合するレーザー溶接を行う際に、溶接スパッタを発生させないことにより、円筒型二次電池の性能低下を防止することができ、円筒型二次電池の使用上の安全性阻害を防止することができる。
本発明の他の側面によれば、円筒型二次電池を直列および／または並列接続するための電気的配線作業を、円筒型二次電池の一方側で行ってもよい。
本発明のさらに他の側面によれば、複数の円筒型二次電池を一方向に電気的に接続する際に、電池缶の閉鎖部の広い面を電極端子として活用することができ、これによりバッテリーパックの製造のためのバスバーなどの電気的接続部品と円筒型二次電池の電極端子とを溶接できる十分な面積を確保することができる。
本明細書に添付される以下の図面は、本発明の好ましい実施形態を例示するものであり、後述する発明の詳細な説明とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすものであるため、本発明はそのような図面に記載された事項のみに限定されて解釈されてはいけない。
本発明の一実施形態によるサブセルを示す図である。 本発明の一実施形態によるサブセルを示す図である。 本発明の一実施形態によるサブセルを示す図である。 本発明の一実施形態によるサブセルを製造するための集電プレート及びその一方の面に形成された半田を示す図である。 本発明の他の実施形態によるサブセルを示す図である。 本発明の他の実施形態によるサブセルを製造するための集電プレート及びその一方の面に形成された半田を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態によるサブセルを示す図である。 本発明のさらに他の実施形態によるサブセルを製造するための集電プレート及びその一方の面に形成された半田を示す図である。 本発明の好ましい実施形態による電極構造を例示的に示す平面図である。 本発明の実施形態による第１電極の無地部の分節構造が第２電極にも適用された電極組立体を長手方向Ｙに沿って切断した断面図である。 本発明の実施形態により無地部が折り曲げられた電極組立体を長手方向Ｙに沿って切断した断面図である。 本発明の実施形態により無地部が折り曲げられた電極組立体の斜視図である。 本発明の一実施形態による円筒型二次電池の外観を示す図である。 本発明の一実施形態による円筒型二次電池の内部構造を示す断面図である。 本発明の実施形態による複数の円筒型二次電池を、バスバーを用いて直列及び並列に接続した様子を示す上部平面図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーパックを示す概略図である。 本発明の一実施形態による自動車を示す概念図である。
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施形態及び図面に示された構成は、本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
図１から図３、図１３及び図１４を参照すると、本発明の一実施形態によるサブセル１は、電極組立体、集電プレート（第１集電プレート）、及び、電極組立体１０と集電プレート２０とを結合させる半田Ｓを含む。前記サブセル１は、集電プレート（第１集電プレート）に加えて、集電プレート（第２集電プレート）６０をさらに含んでいてもよい。
前記電極組立体１０は、第１極性を有する第１電極、第２極性を有する第２電極、及び、第１電極と第２電極との間に介在するセパレーターを含む。前記電極組立体１０は、ゼリーロール（ｊｅｌｌｙ－ｒｏｌｌ）型の電極組立体であってもよい。すなわち、前記電極組立体１０は、第１電極、セパレーター、第２電極を順次少なくとも１回積層して形成された積層体を、巻取中心部Ｃを基準として巻き取ることにより製造できる。この場合、前記電極組立体１０の外周面には、電池缶（図１３及び図１４参照）と絶縁するためのセパレーターが設けられてもよい。前記第１電極は正極または負極であり、第２電極は第１電極とは反対の極性を有する。
前記第１電極は、第１電極集電体と、第１電極集電体の片面又は両面に塗布された第１電極活物質を含む。前記第１電極集電体の幅方向（Ｚ軸に平行な方向）の一方の端部には、第１電極活物質が塗布されていない無地部が存在する。前記無地部は、第１電極タブとして機能する。前記第１電極タブ１１は、正極タブまたは負極タブでもある。
前記第２電極は、第２電極集電体と、第２電極集電体の片面又は両面に塗布された第２電極活物質を含む。前記第２電極集電体の幅方向（Ｚ軸に平行な方向）の他方の端部には、第２電極活物質が塗布されていない無地部が存在する。前記無地部は、第２電極タブとして機能する。前記第２電極タブ１２は、第１電極タブ１１とは反対の極性を有する。
前記第１電極タブ及び第２電極タブ１２は、互いに反対方向に延びていてもよい。本発明の図面は、第１集電プレート２０、第２集電プレート６０、及び第２電極タブ１２の全てが設けられていることを示しているが、本発明はそれに限定されるものではない。すなわち、前記第１集電プレート及び第２集電プレートのうちのいずれか一方は設けられていなくてもよい。また、本発明の図１から図３及び図７では、前記第１集電プレート２０と第１電極タブ１１との結合構造のみが示されているが、これは単なる一例であり、また説明の便宜のためのものであり、これら図面に示された結合構造は、第１集電プレート２０と第１電極タブ１１との結合、および／または第２集電プレート６０と第２電極タブ１２との結合に適用されてもよい。
図１及び図１４を参照すると、前記集電プレート２０は、高さ方向（Ｚ軸に平行な方向）で電極組立体１０の一方の側に結合される。前記集電プレート２０は、導電性を有する金属材質からなり、第１電極タブと電気的に接続される。前記集電プレート２０は、第１電極タブ１１と結合されるタブ結合部を含んでいてもよい。また、前記集電プレート２０は、円筒型二次電池の電極端子として機能できる部品と結合される端子結合部を含んでもよい。
前記集電プレート（第１集電プレート）２０は、例えば、その中心部から放射状に延在する複数のサブプレート２０を備えていてもよい。この場合、前記サブプレートは、タップ結合部として機能してもよい。前記複数のサブプレート２０は、互いに離隔して配置されてもよい。これは、集電プレート２０を電極組立体の上部または下部に結合する際に、集電プレート２０が電極組立体１０の上面または下面を部分的にのみ覆うことにより、電解質を注入するときの含浸性を向上させ、かつ、電極組立体１０の内部にガスが発生するときのガス排出の容易性を確保する為である。
前記集電プレート２０は、リードプレート２２をさらに含んでいてもよい。前記リードプレート２２は、端子結合部として機能してもよい。もちろん、これとは異なり、前記集電プレート２０は、リードプレート２２を備えなくてもよく、この場合、例えば、集電プレート２０の中心部が端子結合部として機能してもよい。
集電プレート（第２集電プレート）６０は、高さ方向（Ｚ軸に平行な方向）において電極組立体１０の他方の側に結合される。前記集電プレート６０は、導電性を有する金属材質からなり、第２電極タブ１２と電気的に接続される。前記集電プレート（第２集電プレート）６０は、第２電極タブ１２と結合されるタブ結合部を含んでいてもよい。また、前記集電プレート２０は、円筒型二次電池における電極端子として機能できる部品と結合される端子結合部を含んでいてもよい。
図２及び図３を参照すると、前記半田Ｓは、電極タブ１１と集電プレートとの間に介在して電極タブ１１と集電プレート２０とを結合させる。前記半田Ｓは、電極タブ及び集電プレートよりも融点の低い金属材質からなる。これは、半田Ｓの融点を母材の融点よりも低くして溶接温度を低下させ、これにより、溶接時に溶接スパッタ（ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｐａｔｔｅｒ）が発生することを防止するためである。
前記半田Ｓは、半田付け（ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）タイプまたはろう付け（ｂｒａｚｉｎｇ）タイプで提供され得る。ここで、半田付けタイプとは、集電プレート２０の一方の面に低融点の半田ペーストを塗布する方法により半田Ｓを提供することを意味する。また、ろう付けタイプとは、集電プレート２０の一方の面に低融点の合金層をクラッディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）して、集電プレート２０と半田Ｓとを一体的に提供することを意味する。
前記半田付けタイプの場合、例えば、Ｓｎ、Ａｇ及びＢｉを含む三元系合金を半田Ｓとして用いることができる。この場合、前記半田Ｓは、約２９０度の融点を有し得る。前記ろう付けタイプの場合、例えば、Ａｌ４０系列（Ａｌにシリコンを添加して融点を低下させる）の合金を半田Ｓとして使用できる。この場合、前記半田Ｓは、約５１０度の融点を有し得る。
前記電極タブ１１は、箔（ｆｏｉｌ）からなる電極集電体における、電極活物質が塗布されていない領域に該当する。したがって、前記電極タブ１１は、銅またはアルミニウムからなってもよい。前記集電プレートもまた、アルミニウムまたは銅材質のプレートであってもよい。前記半田付けタイプ及びろう付けタイプのいずれの場合も、半田Ｓを構成する合金は、電極タブ及び集電プレート２０に通常用いられる金属であるアルミニウムや銅に比べて十分に低い融点を有する。
図２を参照すると、互いに離隔された複数の電極タブが、電極組立体１０の一方の側に並んで延在しており、溶接による溶融中の毛細管現象による浸透によって、半田Ｓが、互いに隣接する電極タブの間に介在する。本発明の図では、前記半田Ｓが介在する態様を示すために、互いに隣接する電極タブ同士の間には十分な間隔が示されているが、実際には、ゼリーロール型電極組立体では、互いに隣接する電極の間及び互いに隣接する電極タブの間には非常に微細な隙間しか存在しない。そのため、溶接により一時的に溶融した半田Ｓは、毛細管現象により互いに隣接する電極タブ間の隙間に浸透する。
前記半田Ｓの浸透距離Ｄが電極タブ１１の延在長さＬよりも長い場合、半田Ｓが電極集電体上に形成された電極活物質と接触する。この現象が発生すると、電極活物質が損傷を受ける恐れがあり、互いに隣り合う反対極性の電極間が電気的に接続されて短絡が発生する恐れがある。そのため、前記半田Ｓが互いに隣接する電極タブの間に浸透する距離Ｄは、電極タブ１１の延在長さＬよりも短い。
図４を参照すると、前記集電プレート上に形成される半田Ｓの厚さＴは、溶接により半田Ｓが互いに隣接する電極タブの間に浸透する距離Ｄが電極タブ１１の延在長さＬよりも短くなるように調整される。
図３を参照すると、前記電極タブ１１の長手方向の端部は、集電プレート２０と平行な方向（Ｘ軸に平行な方向）に折り曲げられている。この場合、前記半田Ｓは、電極タブ１１の折り曲げにより形成された平面と集電プレートとの間に介在する。このように電極タブ１１が折り曲げられた形状を有する場合、電極タブ１１が占める空間が減少してエネルギー密度を向上させることができる。
図５に示す本発明の他の実施形態によるサブセル１は、半田Ｓの浸透形態の違いを除いて、図２に示す実施形態と実質的に同一である。そのため、本発明の他の実施形態によるサブセル１についての説明では、上述した実施形態と重複する説明を省略し、半田Ｓの浸透形態に重点を置いて説明する。
図５を参照すると、前記半田Ｓは、毛細管現象により浸透して互いに隣接する電極タブの間に介在する。その際、前記半田Ｓの浸透距離Ｄ１，Ｄ２は、電極組立体１０の外周面から巻取中心部Ｃに向かって徐々に短くなる。すなわち、距離Ｄ１は距離Ｄ２よりも長く形成され、半田Ｓの浸透距離がＤ１からＤ２にほぼ一定に減少する。このように、半田Ｓの浸透距離が差等的に形成されることにより、電極タブ１１と半田Ｓとの接合領域全体にわたって、電気抵抗及び発熱量のばらつき（偏差）を最小化することができる。
図１を参照すると、ゼリーロール型の電極組立体１０を上部から見ると、巻取中心部Ｃから遠くなるほど一つの円を描きながら巻き取られた電極の面積が大きくなる。前記巻取中心部Ｃから遠い位置の半田Ｓ領域と接する電極の面積は、巻取中心部Ｃから近い位置の半田Ｓ領域と接する電極の面積よりも大きくなる。したがって、有利には、巻取中心部Ｃから遠く位置する半田Ｓ領域は、巻取中心部Ｃから近く位置する半田Ｓ領域と比較して、電極と接触する面積が相対的により大きい。
図５及び図６を参照すると、前記集電プレート上に形成される半田Ｓの厚さＴ１、Ｔ２は、溶接により半田Ｓが電極タブの間に浸透する距離Ｄ１、Ｄ２が電極組立体１０の外周面から巻取中心部Ｃに向かって漸減するように調整される。すなわち、溶接前に集電プレート２０の一方の面に形成されていた半田Ｓの厚さＴ１、Ｔ２は、集電プレート２０の外側から中心部に向かって漸減している。すなわち、厚さＴ１は厚さＴ２よりも大きく形成され、半田Ｓの厚さはＴ１からＴ２にほぼ一定に減少している。
図７に示す本発明のさらに他の実施形態によるサブセル１は、集電プレート２０の形状を除いて、上述した実施形態と実質的に同一である。そのため、本発明のさらに他の実施形態によるサブセル１についての説明では、上述した実施形態と重複する説明を省略し、集電プレート２０の形状及びそれによる半田Ｓの形状に重点を置いて説明する。
図７及び図８を参照すると、前記集電プレート２０のサブプレート２１は、電極組立体１０の外周面から巻取中心部に向かって幅が徐々に狭くなる形状を有する。これにより、前記サブプレート２１の一方の面に形成される半田Ｓもまた、電極組立体１０の外周面から巻取中心部に向かって幅が徐々に狭くなる形状を有する。このような構造は、図５に示す構造と同じ利点を得るためのものである。また、図７及び図８に示すサブセル１の構造を、図５及び図６に示すサブセル１の構造と組み合わせることができ、これにより、電極タブ１１と半田Ｓとの間の接合領域全体にわたる電気抵抗及び発熱量のばらつき（偏差）をさらに低減することができる。
図９から図１２を参照すると、本発明の一実施形態による電極組立体１０の具体的な構造が示されている。以下の説明では、上述した第１電極及び第２電極のうちの第１電極を一例として説明するが、この第１電極の構造は、第２電極にも同様に適用することができる。
図９及び図１０を参照すると、前記第１電極１１０は、導電性材質の箔からなる略シート状の第１電極集電体１１１と、第１電極集電体１１１の少なくとも一方の面に形成された第１活物質層１１２と、第１電極集電体１１１の長辺端部において活物質がコーティングされていない第１無地部（第１電極タブ）１１と、を含む。
好ましくは、前記第１無地部１１は、複数のノッチ付きセグメント片１１ａを含み得る。複数のセグメント片１１ａは複数のグループを形成し、各グループに属するセグメント片１１ａは、高さ（Ｚ方向の長さ）及び／又は幅（Ｘ方向の長さ）及び／又は離隔ピッチが同一であってもよい。各グループに属するセグメント片１１ａの数は、図示の数に比べて増減することができる。前記セグメント片１１ａは、少なくとも１つの直線および／または少なくとも１つの曲線が組み合わされた幾何学的図形の形状を有する。好ましくは、セグメント片１１ａは、台形状を有してもよく、四角形、平行四辺形、半円形、または半楕円形などに変形してもよい。
好ましくは、前記セグメント片１１ａの高さは、電極組立体１０の巻取方向と平行な一方向に沿って、例えばコア側から外周側に向かって段階的に増加し得る。また、電極組立体１０のコア側に隣接するコア側無地部１１－１は、セグメント片１１ａを含まなくてもよく、コア側無地部１１－１の高さは、他の領域の無地部の高さよりも低くてもよい。 また、電極組立体１０の外周側に隣接する外周側無地部１１－２は、セグメント片１１ａを含まなくてもよく、外周側無地部１１－２の高さは、他の領域の無地部の高さよりも低くてもよい。
選択的に、前記第１電極１１０は、活物質層１１２と第１無地部との間の境界を覆う絶縁コーティング層Ｅを含んでいてもよい。前記絶縁コーティング層Ｅは、絶縁性高分子樹脂を含み、無機物フィラーを選択的にさらに含んでいてもよい。前記絶縁コーティング層Ｅは、活物質層１１２の端部が、セパレーターを介して対向している反対極性の活物質層と接触することを防止し、セグメント片１１ａの折り曲げを構造的に支持するのに役立ち得る。このために、前記第１電極１１０を巻き取って電極組立体１０を形成する際に、絶縁コーティング層Ｅの少なくとも一部をセパレーターから外部に露出させることが望ましい。
前記無地部１１、１２の高さが変化するパターンを概略的に示す。すなわち、無地部１１、１２の高さは、断面が切断される位置に応じて不規則に変化してもよい。例えば、台形のセグメント１１ａのサイド部分が切断されると、断面における無地部の高さはセグメント１１ａの高さよりも低くなる。したがって、電極組立体１０の断面図に示される無地部１１、１２の高さは、各巻き取りターンに含まれる無地部の高さの平均に相当すると理解されたい。
図９から図１２を参照すると、無地部１１、１２は、電極組立体１０の半径方向に沿って、例えば外周側からコア側に向かって折り曲げられてもよい。無地部１１、１２において折り曲げが生じる部分は、図１０において点線のボックスで示されている。無地部１１、１２が折り曲げられるとき、半径方向に隣接しているセグメント片が多重に重ね合わされながら電極組立体１０の上部と下部に折曲面１０２が形成される。このとき、コア側無地部（図９の１１－１）は、その高さが低いために折り曲げられず、最も内側で折り曲げられるセグメント片１１ａの高さｈは、セグメント片構造のないコア側無地部１１－１により形成された巻取領域の半径方向の長さｒと同じかそれより小さい。したがって、電極組立体１０のコア、すなわち、巻取中心Ｃに形成された孔（ホール）が閉鎖されていない。前記孔が閉鎖されていない場合、電解液の注液工程に困難はなく、電解液の注液効率を向上させることができる。また、前記孔を通して溶接具を挿入することで端子（４０）と集電プレート（図１４参照）とを容易に溶接することができる。
一方、図９から図１２及び図１４を参照すると、上述したように、第１電極タブ（第１無地部）および／または第２電極タブ（第２無地部）１２がそれぞれセグメント片を有し、セグメント片が、ほぼ電極組立体１０の半径方向に沿って内側または外側に折り曲げられて多重に重ね合わされる構造を有する場合、電極組立体１０は、セグメント片の重ね合わせ層数が半径方向に沿ってほぼ一定に維持される領域である溶接ターゲット領域を備えていてもよい。
この領域では、重ね合わせ層数がほぼ最大に維持される。したがって、集電プレート２０、６０と電極タブ１１、１２との間の溶接がこの領域内で行われることが有利であり得る。これは、例えば、レーザー溶接を適用する場合に、溶接品質の向上のためにレーザーの出力を高める場合、レーザービームが電極タブ１１、１２を貫通して電極組立体１０を損傷させることを防止するためである。また、これは、溶接スパッタ等の異物が電極組立体１０の内部に流入するのを効果的に防止するためである。
図１から図８を参照すると、上記のような本発明のサブセル１の製造方法は、電極組立体１０を用意するステップ（Ｓ１）、集電プレート２０を用意するステップ（Ｓ２）、電極組立体上に集電プレート２０を載置するステップ（Ｓ３）、及び溶接を行うステップ（Ｓ４）を含む。前記ステップ（Ｓ１）及びステップ（Ｓ２）のいずれか一方を先に行ってもよいし、両方のステップを同時に行ってもよい。
前記ステップ（Ｓ１）は、電極とセパレーターとを含む積層体を巻き取ってゼリーロール型電極組立体１０を用意するステップである。
前記ステップ（Ｓ２）は、一方の面に半田Ｓが形成された集電プレート２０を用意するステップである。前記ステップ（Ｓ２）は、集電プレート２０上に半田ペーストを塗布するステップ、または、集電プレート２０の一方の面に合金層をクラッディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）するステップを含む。
前記ステップ（Ｓ２）は、ステップ（Ｓ４）を行う際に半田Ｓの浸透距離が電極タブ１１の延在長さよりも短くなるように、集電プレート２０の一方の面に形成される半田Ｓの厚さを調整するステップをさらに含んでいてもよい（図２及び図４参照）。前記ステップ（Ｓ２）は、半田Ｓが互いに隣接する電極タブの間に浸透する距離が、電極組立体（１０）の外周面から巻取中心部Ｃに向かって徐々に短くなるように、集電プレート２０の一方の面に形成される半田Ｓの厚さを調整するステップをさらに含んでいてもよい（図５及び図６参照）。
前記ステップ（Ｓ４）は、半田Ｓが溶融して電極組立体１０の電極タブ１１と集電プレート２０とを結合するための溶接を行うステップである。前記ステップ（Ｓ４）は、集電プレート２０及び電極タブ１１の融点よりも低い温度で溶接を行うステップである。前記溶接は、例えばレーザー溶接であってもよい。前記ステップ（Ｓ４）は、半田Ｓを溶融させて毛細管現象により互いに隣接する電極タブの間に浸透させるステップである（図２及び図５参照）。
図１３及び図１４を参照すると、本発明の円筒型二次電池２の例示的な形態を示す。本発明の一実施形態による円筒型二次電池２は、本発明の一実施形態によるサブセル及びこれを収容する電池缶３０を含む。前記円筒型二次電池２は、それらに加えて、電極組立体１０と電気的に接続される端子および／または電池缶３０の一方の側に形成される開放部を仕上げるキャップ５０をさらに含んでいてもよい。
前記電池缶３０は、一方の側に開放部を有する略円筒状の収容体であり、例えば金属のような導電性材質からなる。前記電池缶３０は、開放部の反対側に位置する閉鎖部を備え、前記閉鎖部の外面３０ａは、略平坦な形状を有してもよい。前記電池缶３０は、開放部を介して電極組立体１０を収容し、電解質をも共に収容する。前記電池缶３０は、開放部側に隣接して形成されるビーディング部３１及びクリンピング部３２を備えていてもよい。前記ビーディング部３１は、電池缶３０の外周面の周りを圧入して形成される。前記ビーディング部３１は、電池缶３０内に収容された電極組立体１０の開放部側への離脱を防止する固定部として機能してもよい。前記クリンピング部３２は、図１３及び図１４に示すように、ビーディング部３１の下側に形成される。前記クリンピング部３２は、キャップ５０の外周面及びキャップ５０の下面の一部を囲むために、ビーディング部から延びて折り曲げられた形状を有する。この場合、前記クリンピング部３２が形成された領域にシーリングガスケットＧ２を備えてもよい。前記シーリングガスケットＧ２は、電池缶３０の内面とキャップとの間に介在してもよい。
前記電池缶３０は、電極組立体１０の第２電極タブ１２と電気的に接続されてもよい。前記電池缶３０と第２電極タブとの間の電気的接続は、集電プレート（第２集電プレート）６０を介して行われてもよい。この場合、前記集電プレート６０の端子結合部は、例えば、電池缶３０の側壁に電気的に結合されてもよい。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、第２電極タブ１２が電池缶３０に直接結合されてもよい。
前記端子４０は、第１電極タブ１１と電気的に接続される。前記端子４０と第１電極タブとは、集電プレート（第１集電プレート）２０を介して結合されてもよい。前記端子４０は、集電プレート２０の端子結合部と結合されてもよく、電池缶３０の閉鎖部の略中心部を通って外側に露出されてもよい。この場合、前記端子４０と電池缶３０の極性が異なるので、電池缶３０と端子４０との間に絶縁ガスケットＧ１を介在させて、両者の接触を防ぐとともに、端子４０の露出部分の密閉性を強化することができる。
前記キャップ５０は、電池缶３０の一方の側に形成された開放部を密閉する。本発明の円筒型二次電池２が図１３及び図１４に示す形状を有する場合、前記キャップ５０は、導電性を有する金属材質で形成されていても極性を有さなくてもよい。キャップ５０が極性を有しないということは、キャップ５０が電極組立体１０に電気的に接続されていないことを意味する。このように、前記キャップ５０が電極組立体１０に電気的に接続されてない場合、キャップ５０は電極端子として機能しない。すなわち、本発明において、キャップ５０は、必ずしも電極組立体及び電池缶３０と電気的に接続される必要はなく、その材質が必ずしも導電性金属でなければならないわけでもない。
本発明の円筒型二次電池２が図１３及び図１４に示す構造を有する場合、第１電極タップ１１と電気的に接続されて第１電極端子として機能できる端子４０と、第２電極タップ１２と電気的に接続されて第２電極端子として機能できる電池缶３０の閉鎖部の外面３０ａとが、同じ方向に位置している。このような構造によれば、バスバーを用いて円筒型二次電池を電気的に接続する作業が容易になる。
図１５を参照すると、上述したように、円筒型二次電池２の第１電極端子と第２電極端子とが同一方向に位置する場合、複数の円筒型二次電池２が電気的に接続された構造の一例が示されている。複数の円筒型二次電池は、バスバー１５０を用いて円筒型二次電池２の上部で直列及び並列に接続されてもよい。円筒型二次電池２の数は、バッテリーパックの容量を考慮して増減してもよい。
各円筒型二次電池２において、例えば、端子４０は正の極性を有していてもよく、電池缶３０の閉鎖部の外面３０ａは負の極性を有していてもよい。もちろん、その逆も可能である。
好ましくは、複数の円筒型二次電池２を複数の列及び行に配置してもよい。図１５に示すように、列は上下方向であり、行は左右方向である。また、空間効率を最大化するために、円筒型二次電池２を最密パッキング構造（ｃｌｏｓｅｓｔ ｐａｃｋｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）で配置してもよい。最密パッキング構造は、電池缶３０の外部に露出される端子４０のそれぞれの上面の中心を互いに接続したときに正三角形が形成される場合に形成される。好ましくは、バスバー１５０を、複数の円筒型二次電池２の上部、より好ましくは、隣接する列の間に配置してもよい。これに代えて、バスバー１５０を隣接する行の間に配置してもよい。
好ましくは、バスバー１５０は、同じ列に配置された円筒型二次電池２同士を互いに並列に接続し、隣接する２つの列に配置された円筒型二次電池２同士を互いに直列に接続する。
好ましくは、バスバー１５０は、直列接続及び並列接続のためのボディー部１５１、複数の第１バスバー端子１５２及び複数の第２バスバー端子１５３を含んでいてもよい。
前記ボディー部１５１は、隣接する円筒型二次電池２の端子４０の間に、好ましくは円筒型二次電池２の列間に延在してもよい。あるいは、前記ボディー部１５１は、円筒型二次電池２の列に沿って延びていてもよいし、この場合、規則的にジグザグ状に折り曲げられてもよい。
複数の第１バスバー端子１５２は、ボディー部１５１の一側から各円筒型二次電池２の端子４０に向かって突出して延在し、端子４０に電気的に結合されてもよい。第１バスバー端子１５２と端子４０との間の電気的結合は、レーザー溶接、超音波溶接などによって行われてもよい。また、複数の第２バスバー端子１５３は、ボディー部１５１の他側から各円筒型二次電池２の外面２０ａに電気的に結合されてもよい。前記第２バスバー端子１５３と外面２０ａとの電気的結合は、レーザー溶接、超音波溶接などによって行われてもよい。
好ましくは、前記ボディー部１５１、複数の第１バスバー端子１５２及び複数の第２バスバー端子１５３は、一つの導電性金属板からなってもよい。金属板は、例えば、アルミニウム板または銅板であってもよいが、本発明はこれらに限定されるものではない。変形例において、前記ボディー部１５１、複数の第１バスバー端子１５２及び第２バスバー端子１５３を、個別のピース単位で製造し、次いで溶接などで互いに結合してもよい。
本発明による円筒型二次電池２は、正の極性を有する端子４０と負の極性を有する電池缶３０の閉鎖部の外面２０ａとが同じ方向に位置しているので、バスバー１５０を用いて円筒型二次電池２同士を容易に電気的に接続することができる。
また、円筒型二次電池２の端子４０と電池缶３０の閉鎖部の外面２０ａの面積が大きいので、バスバー１５０の結合面積を十分に確保することができ、これにより、円筒型二次電池２を含むバッテリーパックの抵抗を十分に低減することができる。
図１６を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリーパック４は、上述したような本発明の一実施形態による複数の円筒型二次電池２が電気的に接続された二次電池集合体及びこれを収容するパックハウジング３を含む。本発明の図１６では、図示の便宜上、電気的接続のためのバスバー、電力端子などの部品を省略する。複数の円筒型二次電池２の電気的接続構造の具体例は、上記図１５を参照して説明したものと同様である。
図１７を参照すると、本発明の一実施形態による自動車５は、例えば電気自動車であってもよく、本発明の一実施形態によるバッテリーパック４を含む。前記自動車５は、本発明の一実施形態によるバッテリーパックから電力の供給を受けて動作する。
以上、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で様々な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。

Claims (29)

  1. 電極タブを備えるゼリーロール型電極組立体と、
    前記ゼリーロール型電極組立体の一方の側に結合され、前記電極タブと電気的に接続される集電プレートと、
    前記電極タブと前記集電プレートとの間に介在して前記電極タブと前記集電プレートとを結合させ、前記電極タブ及び前記集電プレートよりも低い融点を有する半田と、
    を含む、サブセル。
  2. 前記半田は、
    溶接による溶融時の毛細管現象による浸透により、互いに隣接する電極タブの間に介在する、請求項１に記載のサブセル。
  3. 前記半田の浸透距離は、
    前記電極タブの延在長さよりも短い、請求項２に記載のサブセル。
  4. 前記電極タブは、その長さ方向の端部が、前記集電プレートと平行な方向に折り曲げられた形状を有し、
    前記半田は、前記電極タブの折り曲げにより形成される平面と前記集電プレートとの間に介在する、請求項１～３のいずれか一項に記載のサブセル。
  5. 前記半田が互いに隣接する電極タブの間に浸透する距離は、前記ゼリーロール型電極組立体の外周面から巻取中心部に向かって徐々に短くなる、請求項３に記載のサブセル。
  6. 前記集電プレートは、
    中心部から放射状に延在する、互いに離隔された複数のサブプレートを備える、請求項１～５のいずれか一項に記載のサブセル。
  7. 前記サブプレートは、
    前記ゼリーロール型電極組立体の外周面から巻取中心部に向かって幅が徐々に狭くなる形状を有する、請求項６に記載のサブセル。
  8. 前記半田は、
    前記ゼリーロール型電極組立体の外周面から巻取中心部に向かって幅が徐々に狭くなる形状を有する、請求項７に記載のサブセル。
  9. 前記ゼリーロール型電極組立体は、第１電極と、第２電極と、これらの間に介在するセパレーターとが一方向に巻き取られた構造を有し、
    前記第１電極及び第２電極は、それぞれ長辺端部に、活物質がコーティングされていない、前記セパレーターの外部に露出された第１無地部及び第２無地部を備える、請求項１～８のいずれか一項に記載のサブセル。
  10. 前記第１無地部及び第２無地部のうちの少なくともいずれか一方は、前記電極タブとして機能する、請求項９に記載のサブセル。
  11. 前記第１無地部及び第２無地部のうちの少なくともいずれか一方は、前記ゼリーロール型電極組立体の巻取方向に沿って分割された複数のセグメント片を含み、
    前記複数のセグメント片は、前記ゼリーロール型電極組立体の半径方向にベンディングされる、請求項９に記載のサブセル。
  12. ベンディングされた前記複数のセグメント片は、
    前記半径方向に沿って多重に重ね合わされる、請求項１１に記載のサブセル。
  13. 前記ゼリーロール型電極組立体は、
    前記無地部に設けられた前記複数のセグメント片の重ね合わせ数が前記ゼリーロール型電極組立体の半径方向に沿って一定に維持される領域である溶接ターゲット領域を備える、請求項１２に記載のサブセル。
  14. 前記集電プレートは、
    前記溶接ターゲット領域内で前記無地部と結合される、請求項１３に記載のサブセル。
  15. 請求項１～１４のいずれか一項に記載のサブセルと、
    一方の側に設けられた開放部を介して前記サブセルを収容し、前記ゼリーロール型電極組立体と電気的に接続される電池缶と、
    を含む、円筒型二次電池。
  16. 前記ゼリーロール型電極組立体と電気的に接続され、前記電池缶とは反対の極性を有し、前記電池缶と絶縁される端子をさらに含む、請求項１５に記載の円筒型二次電池。
  17. 前記端子は、
    前記電池缶の開放部の反対側に設けられる閉鎖部を通じて外側に露出される、請求項１６に記載の円筒型二次電池。
  18. 前記開放部を密閉するキャッププレートをさらに含む、請求項１５～１７のいずれか一項に記載の円筒型二次電池。
  19. 前記キャッププレートは、
    極性を有しない、請求項１８に記載の円筒型二次電池。
  20. 複数の請求項１５～１９のいずれか一項に記載の円筒型二次電池と、
    複数の前記円筒型二次電池を収容するパックハウジングと、
    を含む、バッテリーパック。
  21. 前記複数の円筒型二次電池のそれぞれは、
    前記ゼリーロール型電極組立体と電気的に接続され、前記電池缶とは反対の極性を有し、前記電池缶と絶縁される端子を含む、請求項２０に記載のバッテリーパック。
  22. 前記複数の円筒型二次電池のそれぞれの前記電池缶の閉鎖部の外面と前記電池缶の前記端子とは、同じ方向を向くように配置される、請求項２１に記載のバッテリーパック。
  23. 前記バッテリーパックは、複数の前記円筒型二次電池を直列及び並列に接続する複数のバスバーを含む、請求項２２に記載のバッテリーパック。
  24. 前記複数のバスバーは、前記複数の円筒型二次電池の上部に配置され、
    それぞれの前記バスバーは、
    隣接する円筒型二次電池の端子の間で延在するボディー部と、
    前記ボディー部の一方向に延在し、前記一方向に位置する円筒型二次電池の端子に電気的に結合される複数の第１バスバー端子と、
    前記ボディー部の他方向に延在し、前記他方向に位置する円筒型二次電池の前記閉鎖部の外面に電気的に結合される複数の第２バスバー端子と、
    を含む、請求項２３に記載のバッテリーパック。
  25. 請求項２０～２４のいずれか一項に記載のバッテリーパックを含む、自動車。
  26. ゼリーロール型電極組立体を用意するステップ（Ｓ１）と、
    一方の面に半田が形成された集電プレートを用意するステップ（Ｓ２）と、
    前記ゼリーロール型電極組立体上に前記集電プレートを載置するステップ（Ｓ３）と、
    前記半田を溶融させて前記ゼリーロール型電極組立体の電極タブと前記集電プレートとを互いに結合するように溶接を行うものの、前記電極タブの融点及び前記集電プレートの融点よりも低い温度で溶接を行うステップ（Ｓ４）と、
    を含むサブセルの製造方法。
  27. 前記ステップ（Ｓ４）は、
    前記半田を溶融させて毛細管現象により互いに隣接する電極タブの間に前記半田を浸透させるステップである、請求項２６に記載のサブセルの製造方法。
  28. 前記ステップ（Ｓ２）は、
    前記半田の浸透距離が前記電極タブの延在長さよりも小さくなるように、前記集電プレートの一方の面に形成される前記半田の厚さを調整するステップを含む、請求項２７に記載のサブセルの製造方法。
  29. 前記ステップ（Ｓ２）は、
    前記半田が互いに隣接する電極タブの間に浸透する距離が、前記ゼリーロール型電極組立体の外周面から巻取中心部に向かって徐々に短くなるように、前記集電プレートの一方の面に形成される前記半田の厚さを調整するステップを含む、請求項２８に記載のサブセルの製造方法。
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