JP2023553034A - 電極組立体、バッテリーセル、バッテリーパック、および自動車 - Google Patents

電極組立体、バッテリーセル、バッテリーパック、および自動車 Download PDF

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Abstract

Figure 2023553034000001
本発明は、第１の電極、分離膜および第２の電極が積層されて巻き取られた電極組立体であって、前記第１の電極および第２の電極のうち少なくとも一つは、集電体および前記集電体上に設けられた電極活物質層を含み、前記第１の電極は、前記電極活物質層であって、前記電極組立体の巻取り中心部に最も近い縁部に設けられ、前記分離膜の少なくとも一部に固定される固定部を含む電極組立体を提供する。また、本発明は、前記電極組立体；前記電極組立体を収納する一側に開放部を有する電池缶；前記電池缶の底部に形成された貫通孔を通じてリベットされた電極端子；前記電極端子と前記貫通孔の外径との間に設けられたガスケット；および前記電池缶の開放部を封止する密封体を含むバッテリーセルを提供する。

Description

本出願は、２０２１年４月８日付にて韓国特許庁に提出された韓国特許出願第１０－２０２１－００４５９９３号の出願日の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は、本明細書に含まれる。
本発明は、電極組立体、バッテリーセル、バッテリーパック、および自動車に関する。
製品群に応じた適用容易性が高く、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は、携帯用機器だけでなく電気的駆動源によって駆動する電気自動車（ＥＶ、Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ、Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などに普遍的に応用されている。
このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減らすことができるという一次的な利点だけでなく、エネルギーの使用による副産物が全く発生しないという利点も有するため、環境にやさしく、またエネルギー効率性の向上のための新しいエネルギー源として注目されている。
現在広く使用されている二次電池の種類には、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などがある。このような単位二次電池セルの動作電圧は、約２．５Ｖ～４．５Ｖである。したがって、これより高い出力電圧が求められる場合、複数のバッテリーセルを直列に連結してバッテリーパックを構成することもある。また、バッテリーパックに要求される充放電容量に応じて複数のバッテリーセルを並列接続してバッテリーパックを構成することもできる。従って、前記バッテリーパックに含まれるバッテリーセルの数および電気的な連結形態は、要求される出力電圧および／または充放電容量に応じて様々に設定されることができる。
一方、二次電池セルの種類として、円筒形、角形、ポーチ型のバッテリーセルが知られている。前記バッテリーセルは円筒形のバッテリーセルであってもよい。前記バッテリーセルは、陽極と陰極との間に絶縁体の分離膜を介し、これを巻き取ってゼリーロール状の電極組立体を形成し、これを電解質とともに電池缶の内部に挿入して電池を構成する。そして、陽極および陰極のそれぞれの無地部には、ストリップ状の電極タブが連結されることがあり、電極タブは、電極組立体と外部に露出される電極端子との間を電気的に接続する。ちなみに、陽極の電極端子は、電池缶の開放口を封止する密封体のキャッププレートであり、陰極の電極端子は、電池缶である。
ところで、このような構造を有する従来のバッテリーセルによると、陽極無地部および／または陰極無地部と結合されるストリップ状の電極タブに電流が集中するため、抵抗が大きく、熱が多く発生し、集電効率がよくないという問題があった。
１８６５０または２１７００のフォームファクタを有する小型の円筒形バッテリーセルは、抵抗と発熱が大きな問題にはならない。しかし、円筒形バッテリーセルを電気自動車に適用するためにフォームファクタを増加させる場合、急速充電の過程で電極タブの周りに多くの熱が発生し、円筒形バッテリーセルが発火するという問題が発生する可能性がある。
このような問題を解決するために、ゼリーロールタイプの電極組立体の上端および下端にそれぞれ陽極無地部および陰極無地部が位置するように設計し、このような無地部に集電プレートを溶接して集電効率が改善された構造を有するバッテリーセル（いわゆるタブ－レス（Ｔａｂ－ｌｅｓｓ）バッテリーセル）が提示された。
図１から図４は、タブ－レスバッテリーセルの製造工程を示す図である。図１は電極板の構造を示し、図２は電極板の巻き取り工程を示し、図３は無地部の折り曲げ面に集電プレートが溶接される工程を示す。図４は、タブ－レスバッテリーセルを長手方向Ｙに切った断面図である。
第１の電極は陰極であり、第２の電極は陽極であってよく、前記陰極は陰極板、前記陽極は陽極板を含んでもよい。
図１から図４を参照すると、陽極板１０と陰極板１１とは、シート状の集電体２０に活物質２１がコーティングされた構造を有し、巻取方向Ｘに沿って一側の長辺側に無地部２２を含む。
電極組立体Ａは、陽極板１０と陰極板１１を、図２に示すように、２枚の分離膜１２とともに順次に積層させた後、一方向Ｘに巻き取って作製する。このとき、陽極板１０と陰極板１１の無地部は、逆方向に配置される。
巻き取り工程の後、陽極板１０の無地部１０ａと陰極板１１の無地部１１ａとは、コア側へと折り曲げられる。その後には、無地部１０ａ、１１ａに集電プレート３０、３１をそれぞれ溶接して結合させる。
陽極無地部１０ａと陰極無地部１１ａには、別途の電極タブが結合されておらず、集電プレート３０、３１が外部の電極端子と接続され、電流パスが電極組立体Ａの巻取軸の方向（矢印参照）に沿って大きな断面積で形成されるため、バッテリーセルの抵抗を下げることができるという長所がある。抵抗は、電流が流れる通路の断面積に反比例するからである。
しかし、円筒形バッテリーセルのフォームファクタが増加し、急速充電時の充電電流の大きさが大きくなると、タブ－レスバッテリーセルでも発熱の問題が再び発生する。
具体的には、従来のタブ－レスバッテリーセル４０は、図４に示すように、電池缶４１と密封体４２を含む。密封体４２は、キャッププレート４２ａ、密封ガスケット４２ｂ、および連結プレート４２ｃを含む。密封ガスケット４２ｂは、キャッププレート４２ａの縁を包み込み、クリンピング部４３によって固定される。また、電極組立体Ａは、上下流動を防止するために、ビーディング部４４によって電池缶４１の内に固定される。
通常、陽極端子は、密封体４２のキャッププレート４２ａであり、陰極端子は電池缶４１である。したがって、陽極板１０の無地部１０ａに結合された集電プレート３０は、ストリップ状のリード４５を介してキャッププレート４２ａに取り付けられた連結プレート４２ｃに電気的に連結される。また、陰極板１１の無地部１１ａに結合された集電プレート３１は、電池缶４１の底部に電気的に連結される。インシュレーター４６は、集電プレート３０をカバーし、極性の異なる電池缶４１と陽極板１０の無地部１０ａとが互いに接触して短絡を起こすことを防止する。
集電プレート３０が連結プレート４２ｃに連結されるときには、ストリップ状のリード４５が使用される。リード４５は、集電プレート３０に別途取り付けるか、集電プレート３０と一体に作製される。ところで、リード４５は厚みの薄いストリップ状であるため、断面積が小さく、急速充電の電流が流れる場合に熱が多く発生する。また、リード４５から発生した過剰な熱は、電極組立体Ａ側に伝達され、分離膜１２を収縮させることにより、熱暴走の主な原因である内部短絡を起こす恐れがある。
さらに、従来のタブ－レスバッテリーセル４０を直列および／または並列に連結するためには、密封体４２のキャッププレート４２ａと電池缶４１の底面にバスバーの部品を連結する必要があるため、空間効率性に劣る。電気自動車に搭載されるバッテリーパックは、数百個のバッテリーセル４０を含む。したがって、電気的な配線の非効率性は、電気自動車の組み立て過程、そしてバッテリーパックのメンテナンスの時にもかなりの煩雑さを引き起こす。
本発明の技術的課題は、電極組立体の電極は、分離膜に固定される固定部を備えることで、電極組立体のコア領域に陰極タブが結合された構造を有することなく、高温による分離膜の収縮現象を防止することにある。
本発明の他の技術的課題は、上述した従来技術の背景下で創設されたものであり、バッテリーセルの電極端子の構造を改善して電池缶内の空間効率性を向上させることにより、バッテリーセルの内部抵抗を下げ、エネルギー密度を増加させることにある。
本発明の他の技術的課題は、バッテリーセルの電極端子の構造を改善して電流パスの断面積を拡大することによって、急速充電の時に生じる内部発熱の問題を改善することを目的とする。
本発明のまた他の技術的課題は、バッテリーセルの直列および／または並列接続のための電気配線の作業をバッテリーセルの一側で行うことができる改良された構造のバッテリーセルを提供することにある。
本発明のまた他の技術的課題は、改善された構造を有するバッテリーセルを用いて製造されたバッテリーパックとそれを含む自動車を提供することにある。
ただし、本発明が解決しようとする技術的課題は、上述の課題に限定されず、言及されていない他の課題は、以下に記載される発明の説明から当業者には明確に理解されるのであろう。
本発明の一実施形態は、第１の電極、分離膜および第２の電極が積層されて巻き取られた電極組立体であって、前記第１の電極および第２の電極の少なくとも一つは、集電体および前記集電体上に設けられた電極活物質層を含み、前記第１の電極は、前記電極活物質層であって、前記電極組立体の巻取中心部に最も近い縁部に設けられ、前記分離膜の少なくとも一部に固定される固定部を含む、電極組立体を提供する。
本発明の他の一実施形態は、前述の実施形態による電極組立体；前記電極組立体を収納する一側に開放部を有する電池缶；前記電池缶の底部に形成された貫通孔を通じてリベットされた電極端子；前記電極端子と前記貫通孔の外径との間に設けられたガスケット；および前記電池缶の開放部を封止する密封体を含むバッテリーセルを提供する。
本発明のまた他の一実施形態は、上述の実施形態によるバッテリーセルを含むバッテリーパックを提供する。
本発明のまた他の一実施形態は、上述の実施形態によるバッテリーパックを含む自動車を提供する。
バッテリーセルは、電極組立体の外径が小さい場合、内部の熱が外部に逃げる際に無理はないが、高容量高出力を必要とするバッテリーセルは、電極組立体の外径が大きくなることで、熱がコアから外側の方向へと逃げる速度が遅くなる。
このようにコアから熱がうまく抜け出せない場合、熱放出の速度の低下によりコア部分で高温による分離膜の収縮が起こり、それによって、分離膜が陽極と陰極との間で正常な機能を果たすことができない状況が発生する可能性がある。
円筒型バッテリーセルの場合、コア部分に陰極タブが結合される場合もあり、この場合、コアから分離膜が熱ダメージを受けて収縮が発生しても、陰極タブが物理的に分離膜を固定させる機能をすることができる。
しかし、このように分離膜の収縮を物理的に妨害することができる陰極タブが適用されていない電極組立体の場合、分離膜の収縮に伴う問題の発生に脆弱であり得る。
本発明の一側面によると、電極組立体の電極に分離膜と固定される固定部を備えることにより、電極組立体のコア領域に陰極タブが結合された構造を有することなく、高温による分離膜の収縮現象を防止することができる。
本発明の他の側面によると、前記のような高温安全性の問題を解決することにより、バッテリーセルのサイズを大きくすることができ、これはバッテリーセルの電極端子の構造を改善し、電池缶内の空間効率性を高め、内部抵抗を下げ、エネルギー密度を高めることによって具現することができる。
本明細書に添付した以下の図面は、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解りやすくす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られて解釈されてはならない。
従来のタブ－レスバッテリーセルに用いられる電極板の構造を示す平面図である。 従来のタブ－レスバッテリーセルに含まれる電極組立体の巻き取り工程を示す図である。 図２の電極組立体における無地部の折り曲げ面に集電プレートが溶接される工程を示す図である。 従来のタブ－レスバッテリーセルを長手方向Ｙに切断した断面図である。 本発明の実施形態による電極組立体の非巻き取り状態を示す図である。 図５による電極組立体を示す正面図である。 図５による電極組立体を示す平面図である。 本発明の実施形態による電極端子のリベット構成を示す断面図である。 図８の点線の丸で示す部分の拡大断面図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーセルを長手方向Ｙに沿って切断した断面図である。 本発明の好ましい実施形態による電極板の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電極板の無地部の分節構造を第１の電極板および第２の電極板に適用し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。 本発明の一実施形態によって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。 本発明の一実施形態によるバッテリーセルを含むバッテリーパックの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態によるバッテリーパックを含む自動車の概略構成を示す図である。
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。これに先立って、本明細書および特許請求の範囲で使用された用語または単語は、通常の意味または辞書的な意味に限定して解釈されるべきではなく、発明者はその発明を最良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即して、本発明の技術的思想に合致する意味と概念として解釈されなければならない。
従って、本明細書に記載された実施形態および図面に示される構成は、本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想を全て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を置き換えることができる様々な均等物と変形例があり得ることを理解すべきである。
明細書の全体において、ある部分がある構成要素を「含む」と言うとき、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。
また、本明細書に記載の「…部」は、少なくとも１つの機能や動作などを処理する単位を意味する。なお、明細書の全体において「ＡからＢ」とは、Ａ以上Ｂ以下を意味するものであり、ＡとＢの両方を含む数値範囲を意味する。以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
また、本発明を理解しやすくするために、添付の図面は、実際の寸法で示されているのではなく、いくつかの構成要素の寸法が誇張して示されることがある。また、相違する実施形態において、同一の構成要素には同一の参照番号を付与することができる。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
本発明の一実施形態は、第１の電極２、分離膜４、５および第２の電極３が積層されて巻き取られた電極組立体であって、前記第１の電極２および第２の電極３のうち少なくとも１つは、集電体９１および前記集電体上に設けられた電極活物質層９２を含み、前記第１の電極は、前記電極活物質層９２に設けられ、前記電極組立体の巻き取り中心部に最も近い縁部６に設けられ、前記分離膜４、５の少なくとも一部に固定される固定部７を含む電極組立体を提供する。
前記電極活物質層９２は、電極の集電体９１上にコーティングされて設けられてもよい。
一例によると、前記第１の電極２は、第２の電極３よりも大きく設けられてもよく、第１の電極活物質層は、第２の電極活物質層よりも大きく設けられてもよい。
前記固定部７は、前記電極活物質層９２に設けられ、前記電極組立体の巻取中心部に最も近い縁部６に設けられてもよい。
前記固定部７が前記電極活物質層を備えていない無地部に設けられる場合、前記無地部を作るために価格競争力が低下する可能性がある。前記固定部７は、前記電極活物質層９２に設けられるため、価格競争力があり、高温による分離膜の収縮現象を防止することができて有利である。
前記巻き取り中心部とは、積層された電極と分離膜とを巻き取り始める位置を意味し、前記電極組立体のコア領域に設けられてもよい。
前記巻取中心部に最も近い縁部６は、前記電極の巻取軸方向に設けられる２つの縁部のうち、前記巻取中心部０側に設けられる部分を意味する。
前記分離膜４は、第１の電極２と第２の電極３との間に設けられ、前記固定部７に少なくとも一部が固定されてもよい。前記固定部７に前記分離膜４が固定されることにより、陰極タブが結合された構造を有しない電極組立体でも、高温による分離膜の収縮現象を防止することができる。
また、高温安全性の問題を解決することで、バッテリーセルのサイズを増加させることができ、これはバッテリーセルの電極端子の構造を改善して電池缶内の空間効率性を高め、内部抵抗を下げ、エネルギー密度を高めることによって具現されることができる。
図５は、本発明の実施形態による電極組立体の非巻き取り状態１を示す図である。
図５を参照すると、本発明の実施形態による電極組立体であって、第１の電極２、分離膜４、５および第２の電極３が積層され、非巻き取り状態１であるもので、前記分離膜４、５は、第１の分離膜４および第２の分離膜５を含んでもよい。好ましくは、前記第１の電極２が前記第２の電極３よりも大きく、前記分離膜４、５は、第１の電極２および第２の電極３よりも大きくなければならない。ここでサイズが大きいとは、巻取軸に対して垂直な電極組立体の長手方向により長く設けられることができることを意味する。
前記固定部７は、第１の電極の活物質層に設けられ、前記電極組立体の巻取中心部に最も近い縁部６に設けられ、分離膜４、５の少なくとも一部に固定される。
図６および図７は、それぞれ図５による電極組立体を示す正面図と平面図である。
図６および図７を参照すると、本発明の実施形態による電極組立体の非巻き取り状態１の一例を図示したもので、前記固定部７は、前記第１の電極２において前記電極組立体の巻取中心部に最も近い活物質層の縁部６に設けられ、前記固定部７は、前記分離膜４、５の一部に分離されないように固定される。
一実施形態によると、前記電極組立体は、前記活物質層を備えない無地部（第１の電極無地部８、第２の電極無地部９）を含み、前記電極組立体の巻取軸の一端部側に設けられた前記集電体の縁部に前記無地部８、９が備えられてもよい。
前記無地部８、９は、前記第１の電極２および第２の電極３において、前記電極組立体の巻取軸の一端部側に設けられてもよい。一例によると、前記無地部８、９は、電極組立体の両側端部から延びて露出されてもよい。好ましくは、第１の電極の無地部８と前記第２の電極の無地部９は、前記電極組立体の両側端部にそれぞれ反対方向に設けられてもよい（図７参照）。
前記無地部８、９が電極組立体の両端から延びて露出して集電プレート７８、７９と電気的に接続されることで、内部抵抗を下げてエネルギー密度を増加させることができ、電極組立体にタブやリードが結合された構造を有さなくても、高温による分離膜の収縮現象を防止することができる。
前記電極活物質層９２は、前記無地部８、９を除いた領域に設けられてもよい。一例によると、前記電極活物質層９２は、前記集電体の縁部において無地部が設けられた縁部を除いた領域に設けられてもよい。また、前記電極活物質層９２は、電極組立体の両側端部から延びたり、露出されたりすることができず、第１の電極活物質層と第２の電極活物質層は、分離膜４を介して互いに重なることがない。
一実施形態によると、前記分離膜４、５は、前記第１の電極２と前記第２の電極３との間に設けられた第１の分離膜４および前記第１の電極の前記第１の分離膜と対向する面の反対面に設けられた第２の分離膜５を含み、前記第１の分離膜４および前記第２の分離膜５の少なくとも一つは、前記固定部７に固定される。
一例によると、前記第１の分離膜４は、第１の電極２と第２の電極３との間に設けられ、前記固定部７に固定されてもよく、前記第２の分離膜５は、前記第１の電極２との前記第１の分離膜４と対向する面の反対面に設けられ、前記固定部７に固定されてもよい。
前記固定部７は、前記第１の電極２の一側に設けられ、前記第１の分離膜４に固定されるか、前記第１の電極２の他側に設けられ、前記第２の分離膜５に固定されてもよい。好ましくは、前記第１の電極２の一側および他側にも設けられ、前記第１の分離膜４および第２の分離膜５に固定されてもよい。
電極組立体の電極において分離膜４、５に固定される固定部７を設けることにより、高温による分離膜の収縮現象を防止することができる。
また、前記第１の電極２の一側および／または他側に設けられた前記固定部７が第１の分離膜２および第２の分離膜３に固定されることにより、バッテリーセルのサイズを増加させることができ、このようなバッテリーセルでも高温による分離膜の収縮現象を効果的に防止することができる。
一実施形態によると、前記固定部７は、前記電極組立体の非巻き取り状態１で前記第２の電極３と重ならない。
前記電極組立体の非巻き取り状態１は、第１の電極２、分離膜４および第２の電極３が積層された状態であり、前記第１の電極２は、前記第２の電極３より大きく備えられてもよい。前記第１の電極２が前記第２の電極３より大きく設けられることは、巻取軸の垂直な電極組立体の長手方向Ｙへと、前記第１の電極２が前記第２の電極３より長く設けられることを意味する。このとき、分離膜４は、前記第１の電極２および前記第２の電極３より長く設けなければならない。
前記固定部７は、前記電極組立体の巻取中心部に最も近い縁部６に設けられてもよく、図６を参照すると、前記電極組立体の積層された状態で固定部７は前記第２電極３と重ならないように設けられてもよい。
前記固定部７が前記第２の電極３と重ならないことにより、前記電極組立体の充填時にも分離膜の損傷を防止し、電池の寿命の減少を防止することができる。
一実施形態によると、前記固定部の幅７Ｗは、１２ｍｍ以下、１１．５ｍｍ以下、１１ｍｍ以下、１０．５ｍｍ以下、または１０ｍｍ以下であってもよい。また、前記固定部の幅７Ｗは、２ｍｍ以上、３ｍｍ以上、または４ｍｍ以上であってもよい。前記固定部の幅７Ｗは、前記範囲で分離膜４、５に固定され、高温でも分離膜の収縮を防止することができる。一例によると、前記固定部の幅７Ｗは、巻芯８０の外周面に対して１５％～６５％であってもよい。前記固定部の幅７Ｗは、巻芯８０の外周面に対して１５％以上、２０％以上、２５％以上、３０％以上、または３５％以上であってもよい。前記固定部の幅７Ｗは、巻芯８０の外周面に対して６５％以下、６０％以下、５５％以下、５０％以下、４５％以下であってもよい。
前記巻芯８０の外周面は、電池の大きさによって異なるように設定することができ、これにより固定部の幅７Ｗを前記範囲で分離膜４、５に固定され、高温で分離膜の収縮を防止することができる。
前記固定部の幅７Ｗとは、前記電極組立体の非巻き取り状態１で第２の電極３と重ならない部分の長さを意味する。前記固定部の幅７Ｗ以内の範囲で固定部７が分離膜４、５に固定されることができ、これにより高温による分離膜の収縮現象を防止することができる。
一例によると、前記固定部７を除いた部分では、前記第１の電極２、前記分離膜４、５および前記第２の電極３が固定されていなくてもよい（図６参照）。従って、巻き取り時にひだやしわの発生を抑制し、巻き取りを容易にすることができる。
前記第１の電極２は陰極であり、前記第２の電極３は陽極であってもよい。
一実施形態によると、前記固定部７は、ラミネートテープであってもよい。前記ラミネートテープは、少なくとも一面にラミネートが可能な接着層を有するテープであってもよく、両面にラミネート可能な接着層を有するテープであってもよい。
前記ラミネートとは、高温で接着力を有するものであり、ラミネートテープの接着層に熱を加えて滑らかにして接着力を有することを意味する。
前記ラミネートテープは、前記分離膜４、５の少なくとも一部に固定されてもよい。
前記固定部７は、分離膜に固定されるものであれば、その大きさ、形状、または種類に制限はなく、例えば両面テープであってもよい。一例によると、前記両面テープは、両面とも接着力を有するものでもよく、前記分離膜の少なくとも一部に接着して固定されてもよい。
一実施形態によると、前記ラミネートテープの熱分解温度は、１８０℃以上、１９０℃以上、２００℃以上、２１０℃以上、２２０℃以上、２３０℃以上、または２４０℃以上であってもよい。前記ラミネートテープの熱分解温度は、３２０℃以下、３１０℃以下、３００℃以下、２９０℃以下、２８０℃以下、または２７０℃以下であってもよい。
前記ラミネートテープの熱分解温度は、基材の種類によって異なるように設定されることができ、前記範囲を満たすとき、前記ラミネートテープの熱分解温度が分離膜の融点より高く、分離膜が溶融する前までに前記ラミネートテープを分離膜に固定して、分離膜の収縮を防止することができる。
一実施形態によると、前記ラミネートテープの常温での接着力は、２０ｇｆ／１００ｍｍ～４０ｇｆ／１００ｍｍ、２３ｇｆ／１００ｍｍ～３７ｇｆ／１００ｍｍ、または２５ｇｆ／１００ｍｍ～３５ｇｆ／１００ｍｍであってもよい。例えば、前記ラミネートテープの常温での接着力は、２０ｇｆ／１００ｍｍ以上、２３ｇｆ／１００ｍｍ以上、２５ｇｆ／１００ｍｍ以上、２７ｇｆ／１００ｍｍ以上、または２９ｇｆ／１００ｍｍ以上であってもよい。前記ラミネートテープの常温での接着力は、４０ｇｆ／１００ｍｍ以下、３７ｇｆ／１００ｍｍ以下、３５ｇｆ／１００ｍｍ以下、３３ｇｆ／１００ｍｍ以下、または３１ｇｆ／１００ｍｍ以下であってもよい。前記範囲を満たす場合、前記ラミネートテープが前記分離膜４、５に固定され、高温による分離膜の収縮現象を防止することができる。
一例によると、前記ラミネートテープは、一定温度以上で接着力を有する。一定温度以上で接着力を有するとは、前記ラミネートテープの接着層に熱を加えて滑らかにし、接着力を有することを意味し、前記接着力は、電極の工程性を考慮して調節されてもよい。このとき、ラミネートテープは、常温の接着力より高い接着力を有してもよく、前記分離膜４、５に固定され、高温でも分離膜の収縮現象を防止することができる。
前記ラミネートテープは、約４０℃以上、４５℃以上、５０℃以上、５５℃以上、６０℃以上、または６５℃以上で接着力を有してもよい。一例によると、前記ラミネートテープは、好ましくは約５０℃以上、より好ましくは６０℃以上で接着力を有してもよい。前記範囲を満たすと、前記ラミネートテープの接着力が発揮することができ、これは、バッテリーセルの工程において固定部７が分離膜４、５に固定される温度範囲を設定することができるため、有利である。
一実施形態によると、前記ラミネートテープの接着力の変化率は、下記式１を満たすことができる。
［式１］
０．８≦［Ｘ１／Ｘ２］×１００（％）≦１．２
前記式１において、Ｘ１は２３℃にて２０分放置した時のラミネートテープの接着力であり、Ｘ２は２３℃にて２０分放置した後６５℃にて２０分保管した時のラミネートテープの接着力である。
前記Ｘ１は、２３℃にて２０分放置した時のラミネートテープの接着力であり、常温でのラミネートテープの接着力であってもよい。前記Ｘ２は、２３℃にて２０分放置した後６５℃にて２０分保管した時のラミネートテープの接着力であり、ラミネート後のラミネートテープの接着力であってもよい。
前記ラミネートは、ラミネートテープの接着層に熱を加えて滑らかにし、接着力を有することをいい、ラミネート工程によって進行することができる。
前記範囲内でラミネートテープは、前記ラミネートの前後にも接着力を維持することができ、分離膜４、５に固定されて高温による分離膜の収縮現象を防止することができる。
ラミネートテープの接着力の測定方法について、前記Ｘ１は、２３℃にて２０分放置した時のラミネートテープの接着力を意味し、ＳＵＳ３０４基板に前記ラミネートテープの接着層を２ｋｇのゴムローラで１回往復して圧着し、２３℃にて２０分放置した後、前記有色ポリイミドでバックプレートフィルムを１８０°の角度および３００ｍｍ／分の剥離速度でテクスチャーアナライザー（Ｔｅｘｔｕｒｅ ａｎａｌｙｚｅｒ（Ｓｔａｂｌｅ Ｍｉｃｒｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ社）を用いて測定することができる。
なお、前記Ｘ２は、２３℃にて２０分放置した後６５℃にて２０分保管した時のラミネートテープの接着力を意味し、ＳＵＳ３０４基板に前記ラミネートテープの接着層を２ｋｇのゴムローラで１回往復して圧着し、２３℃にて２０分放置し、６５℃にて２０分保存後、前記有色ポリイミドでバックプレートフィルムを１８０°の角度および３００ｍｍ／分の剥離速度でテクスチャーアナライザー（Ｔｅｘｔｕｒｅ ａｎａｌｙｚｅｒ（Ｓｔａｂｌｅ Ｍｉｃｒｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ社）を用いて測定した。
一実施形態によると、前記固定部７は、前記電極組立体の巻取軸方向に互いに対向する縁部側に設けられた２つの点、および前記２つの点の間に設けられた１つの点で、前記分離膜の少なくとも一部と固定される。前記固定部７において前記２つの点および前記１つの点は、前記分離膜４、５に固定されるための最小の部分であり得、分離膜に固定されるものであれば、その大きさおよび形状は制限されない。
一例によると、前記２つの点と前記１つの点とを含む３つの点は、前記固定部７内に設けられ、離隔している３つ以上の部分を含むか、離隔せずに面積からなるものであっても、前記分離膜４、５に固定されるものであれば、位置や面積に特に限定されない。
一実施形態によると、前記固定部７は、前記電極組立体の巻取軸方向の長さ４０％以上、５０％以上、または６０％以上が前記分離膜に固定されてもよい。この範囲内で、前記固定部７が前記分離膜４、５に分離されず、固定されることができ、高温での分離膜の収縮を防止することができる。
前記電極組立体の巻取軸方向の長さは、前記巻取軸方向の縁部の長さであるか、前記電極組立体の巻取軸方向に対向する縁部の間の長さであってもよい。また、前記電極組立体の巻取軸方向の長さの４０％以上は、連続した長さ範囲であるか、連続していない長さの範囲であってもよい。
本発明の一実施形態は、本発明の実施形態による電極組立体７１；前記電極組立体を収納する一側に開放部を有する電池缶５１；前記電池缶の底部に形成された貫通孔を通ってリベットされた電極端子５０；前記電極端子と前記貫通孔の外径との間に設けられたガスケット５４；および前記電池缶の開放部を封止する密封体７４を含むバッテリーセル７０を提供する。一例として、電池缶の底部にリベットされた電極端子は、リベット構造であってもよい。
前記バッテリーセル７０は、本発明の実施形態による電極組立体７１を含むことにより、高温による分離膜の収縮現象を防止することができ、高温安全性の問題を解決してバッテリーセル７０のサイズを増加させることができる。
また、前記バッテリーセル７０の電極端子の構造を改善することにより、電池缶５１内の空間効率性を高め、内部抵抗を下げ、エネルギー密度を増加させることで、バッテリーセル７０のサイズの増加を具現することができる。
一実施形態によると、前記第１の電極２は、前記電池缶５１と電気的に接続され、前記第２の電極３は、前記電極端子５０と電気的に接続され、前記密封体７４は、前記電池缶５１から絶縁可能である。
図８は、本発明の一実施形態による電極端子５０のリベット構造を示す断面図であり、図９は、点線の丸で示した部分の拡大断面図である。
図８および図９を参照すると、実施形態による電極端子５０のリベット構造は、一側が開放された円筒形の電池缶５１と、電池缶５１の底部５２に形成された貫通孔５３を介してリベットされた電極端子５０と、電極端子５０と貫通孔５３の外径との間に設けられたガスケット５４とを含んでもよい。
電池缶５１は導電性金属材質からなる。一例において、電池缶５１はスチール材質からなり得るが、本発明はこれに限定されるものではない。
電極端子５０は導電性金属材質からなる。一例において、電極端子５０はアルミニウムからなることができるが、本発明はこれに限定されるのではない。
ガスケット５４は、絶縁性および弾性のある高分子樹脂からなってもよい。一例において、ガスケット５４は、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリフッ化エチレンなどからなってもよいが、本発明はこれに限定されない。
好ましくは、電極端子５０は、貫通孔５３に挿入された胴体部５０ａ、電池缶５１の底部５２の外部面５２ａを介して露出された胴体部５０ａの一側の周りから外部面５２ａに沿って延びた外部フランジ部５０ｂおよび電池缶５１の底部５２の内部面５２ｂを介して露出された胴体部５０ａの他側の周りから内部面５２ｂに向かって延びた内部フランジ部５０ｃおよび内部フランジ部５０ｃの内側に設けられた平坦部５０ｄを含んでもよい。
好ましくは、平坦部５０ｄと電池缶５１の底部５２の内部面５２ｂとは、互いに平行であってもよい。ここで、「平行」とは、肉眼で観察したときに実質的に平行であることを意味する。
一側面によると、内部フランジ部５０ｃと電池缶５１の底部５２の内部面５２ｂとの間の角度θは、０°から６０°以下であってもよい。角度の大きさは、カシメ工法にて電極端子５０が電池缶５１の貫通孔５３に設置されるとき、カシメ強度によって決定される。一例として、カシメ強度が増加するほど、角度θは０°まで減少することができる。角度が６０°を超えると、ガスケット５４のシーリング効果が低下する可能性がある。
他の側面によると、内部フランジ部５０ｃと平坦部５０ｄとの間にリセス部５５が設けられてもよい。リセス部５５は、非対称溝の断面構造を有してもよい。一例として、非対称溝は略Ｖ字形であってもよい。非対称溝は、平坦部５０ｄの側壁５５ａと、前記側壁５５ａの端部と連結された内部フランジ部５０ｃの傾斜面５５ｂとを含んでもよい。前記側壁５５ａは、電池缶５１の底部５２の内部面５２ｂと実質的に垂直であってもよい。「垂直」とは、肉眼で観察したときに実質的に垂直な場合を意味する。リセス部５５は、カシメ工法にて、電極端子５０が電池缶５１の貫通孔５３に設けられるときに、カシメ治具の形状によって作られたものである。
好ましくは、内部フランジ部５０ｃの厚さは、電極端子５０の胴体部５０ａから離れるほど減少してもよい。
他の側面によると、ガスケット５４は、外部フランジ部５０ｂと電池缶５１の底部５２の外部面５２ａとの間に介在した外部ガスケット部５４ａと、内部フランジ部５０ｃと電池缶５１の底部５２の内部面５２ｂとの間に介在された内部ガスケット部５４ｂを含んでもよい。
外部ガスケット部５４ａと内部ガスケット部５４ｂとは、厚さが位置によって異なってもよい。好ましくは、内部ガスケット部５４ｂの領域のうち、電池缶５１の底部５２の内部面５２ｂと連結された貫通孔５３の内側エッジ５６と内部フランジ部５０ｃとの間に介在された領域の厚さが相対的に小さくてもよい。好ましくは、貫通孔５３の内側エッジ５６と内部フランジ部５０ｃとの間に介在したガスケット領域に最小厚さの地点が存在してもよい。また、貫通孔５３の内側エッジ５６は、内部フランジ部５０ｃと向かい合う対向面５７を含んでもよい。
一方、電池缶５１の底部５２と垂直を成す貫通孔５３の内壁の上端と下端は、電極端子５０に向かってテーパ状の表面を形成するように面取り（ｃｏｒｎｅｒ ｃｕｔｔｉｎｇ）されている。しかし、貫通孔５３の内壁の上端および／または下端は、曲率を持った滑らかな曲面に変形されてもよい。この場合、貫通孔５３の内壁の上端および／または下端の付近でガスケット５４に加わるストレスをより緩和することができる。
好ましくは、内部ガスケット部５４ｂは、電池缶５１の底部５２の内部面５２ｂと０°から６０°の角度を成して内部フランジ部５０ｃより長く延びてもよい。
また他の側面において、電池缶５１の底部５２の内部面５２ｂを基準にして平坦部５０ｄの高さＨ１が内部ガスケット部５４ｂの端部の高さＨ２と同じであるか、より大きくてもよい。
また、電池缶５１の底部５２の内部面５２ｂを基準にして平坦部５０ｄの高さＨ１が内部フランジ部５０ｃの端部の高さＨ３と同じであるか、より大きくてもよい。
高さパラメータであるＨ１、Ｈ２、Ｈ３が前記の条件を満たすと、内部フランジ部５０ｃと内部ガスケット部５４ｂとが他の部品と干渉することを防止することができる。
また他の側面では、電極端子５０の胴体部５０ａの中心から外部フランジ部５０ｂの縁までの半径Ｒ１は、電池缶５１の底部５２の半径Ｒ２を基準として１０％から６０％であってもよい。
Ｒ１が小さくなると、電極端子５０に電気配線部品（バスバー）を溶接する際に溶接空間が不足する。また、Ｒ１が大きくなると、電極端子５０を除いた電池缶５１の底部５２の外部面５２ａに電気配線部品（バスバー）を溶接する際に溶接空間が減少する。
割合Ｒ１／Ｒ２を１０％から６０％の間で調節すると、電極端子５０および電池缶５１の底部５２の外部面に対する溶接空間を適切に確保することができる。
また、電極端子５０の胴体部５０ａの中心から平坦部５０ｄの縁までの半径Ｒ３は、電池缶５１の底部５２の半径Ｒ２を基準として４から３０％であってもよい。
Ｒ３が小さくなると、電極端子５０の平坦部５０ｄに集電プレート（図１０の７９参照）を溶接する際に溶接空間が不足し、電極端子５０の溶接面積が減少してコンタクト抵抗が増加する恐れがある。また、Ｒ３はＲ１よりは小さい必要があり、Ｒ３が大きくなると内部フランジ部５０ｃの厚さが薄くなって、内部フランジ部５０ｃがガスケット５４を圧着する力が弱くなり、ガスケット５４のシーリング能力が低下することがある。
Ｒ３／Ｒ２を４％から３０％の間で調節すると、電極端子５０の平坦部５０ｄと集電プレート（図１０の７９）の溶接面積を十分に確保することで、溶接工程を容易に進めることができるだけでなく、溶接領域のコンタクト抵抗を低減することができ、ガスケット５４のシーリング能力の低下を防止することができる。
本発明の一実施形態によると、電極端子５０のリベット構造は、上下運動を行うカシメ治具を用いて形成してもよい。まず、電池缶５１の底部５２に形成された貫通孔５３にガスケット５４を介在させて電極端子５０のプレフォーム（図示せず）を挿入する。プレフォームは、リベットされる前の電極端子を指す。
次に、カシメ治具を電池缶５１の内側空間に挿入する。カシメ治具は、プレフォームをリベットして電極端子５０を形成するために、プレフォームと対向する面に電極端子５０の最終形状に対応する溝と突起を有する。
次に、カシメ治具を下部に移動させてプレフォームの上部を加圧フォーミングし、プレフォームをリベットされた電極端子５０に変形させる。
カシメ治具によりプレフォームが加圧される間、外部フランジ部５０ｂと電池缶５１の底部５２の外部面５２ａとの間に介在した外部ガスケット部５４ａが弾性的に圧縮されることで、その厚さが減少する。また、貫通孔５３の内側エッジ５６とプレフォームとの間に介在した内部ガスケット部５４ｂの部位が内部フランジ部５０ｃによって弾性的に圧縮されて他の領域より厚さがさらに減少する。特に、内部ガスケット部５４ｂの厚さが集中的に減少する領域は、図９の点線の丸で示された部分である。これにより、リベットされた電極端子５０と電池缶５１との間のシーリング性および密閉性が著しく向上する。
好ましくは、ガスケット５４は、プレフォームがリベットされる過程で物理的に損傷することなく、所望のシーリング強度を確保できるように十分圧縮されることが好ましい。
一例において、ガスケット５４がポリブチレンテレフタレートからなる場合、ガスケット５４は、それが最小の厚さに圧縮される地点で圧縮率が５０％以上であることが好ましい。圧縮率は、圧縮前の厚さに対する圧縮前後の厚さの変化の割合である。
他の例において、ガスケット５４がポリフルオロエチレンからなる場合、ガスケット５４は、それが最小の厚さに圧縮される地点で圧縮率が６０％以上であることが好ましい。
また他の例において、ガスケット５４がポリプロピレンからなる場合、ガスケット５４は、それが最小の厚さに圧縮される地点で圧縮率が６０％以上であることが好ましい。
好ましくは、カシメ治具の上下移動を少なくとも２回以上実施してプレフォーム上部の加圧フォーミングを段階的に進行することができる。すなわち、プレフォームを段階的に加圧フォーミングして複数回にわたって変形することができる。このとき、カシメ治具にかかる圧力を段階的に増加させることができる。このようにすると、プレフォームに加わる応力を複数回に分散させることで、カシメ工程が進行される間にガスケット５４が損傷するのを防止することができる。特に、貫通孔５３の内側エッジ５６とプレフォームとの間に介在した内部ガスケット部５４ｂの部位が内部フランジ部５０ｃによって集中的に圧縮されるとき、ガスケットの損傷が最小化される。
カシメ治具を用いたプレフォームの加圧フォーミングが完了した後、カシメ治具を電池缶５１から分離すると、図９に示すように、本発明の実施形態による電極端子５０のリベット構造が得られる。
上述の実施形態によると、カシメ治具は、電池缶５１の内部で上下運動を介してプレフォームの上部を加圧フォーミングする。場合によって、プレフォームの加圧フォーミングのために従来技術で使用されるロータリー（ｒｏｔａｒｙ）回転治具が使用されてもよい。
ただし、ロータリー回転治具は、電池缶５１の中心軸を基準にして所定角度傾斜した状態で回転運動をする。したがって、回転半径の大きいロータリー回転治具は、電池缶５１の内壁と干渉を起こすことがある。また、電池缶５１の深さが大きい場合、ロータリー回転治具の長さもそれだけ長くなる。この場合、ロータリー回転治具の端部の回転半径が大きくなって、プレフォームの加圧フォーミングがきちんと行われない場合がある。従って、カシメ治具を用いた加圧フォーミングが、ロータリー回転治具を用いた方式より効果的である。
上述した本発明の実施形態による電極端子５０のリベット構成は、バッテリーセルに適用可能である。
一例において、前記バッテリーセルは、電池缶５１を含んでもよい。前記電池缶は円筒形であってもよい。その大きさは、両端の円形の直径が３０ｍｍ～５５ｍｍ、高さが６０ｍｍ～１２０ｍｍであってもよい。好ましくは、円筒形電池缶の円形直径×高さは、４６ｍｍ×６０ｍｍ、４６ｍｍ×８０ｍｍ、４６ｍｍ×９０ｍｍ、または４６ｍｍ×１２０ｍｍであってもよい。
好ましくは、円筒形バッテリーセルは、例えば、フォームファクタの比（円筒形バッテリーセルの直径を高さで割った値、すなわち高さ（Ｈ）対直径（Φ）の比で定義される）が約０．４より大きい円筒形バッテリーセルであってもよい。
ここで、フォームファクタとは、円筒形バッテリーセルの直径および高さを示す値を意味する。本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセルは、例えば、４６１１０セル、４８７５０セル、４８１１０セル、４８８００セル、４６８００セル、４６９００セルであってもよい。フォームファクタを表す数値において、前の２つの数字はセルの直径を表し、その次の２つの数字はセルの高さを表し、最後の数字の０はセルの断面が円形であることを示す。
本発明の一実施形態によるバッテリーセルは、略円柱状のセルであって、その直径が約４６ｍｍであり、その高さは約１１０ｍｍであり、フォームファクタの比は０．４１８の円筒形バッテリーセルであってもよい。
他の実施形態によるバッテリーセルは、略円柱状のセルであって、その直径が約４８ｍｍであり、その高さは約７５ｍｍであり、フォームファクタの比は０．６４０の円筒形バッテリーセルであってもよい。
また他の実施形態によるバッテリーセルは、略円柱状のセルであって、その直径が約４８ｍｍであり、その高さは約１１０ｍｍであり、フォームファクタの比は０．４１８である円筒形バッテリーセルであってもよい。
また他の実施形態によるバッテリーセルは、略円柱状のセルであって、その直径が約４８ｍｍであり、その高さは約８０ｍｍであり、フォームファクタの比は０．６００の円筒形バッテリーセルであってもよい。
また他の実施形態によるバッテリーセルは、略円柱状のセルであって、その直径が約４６ｍｍであり、その高さは約８０ｍｍであり、フォームファクタの比は０．５７５の円筒形バッテリーセルであってもよい。
また他の実施形態によるバッテリーセルは、略円柱状のセルであって、その直径が約４６ｍｍであり、その高さは約９０ｍｍであり、フォームファクタの比は０．５１１の円筒形バッテリーセルであってもよい。
従来には、フォームファクタの比が約０．４以下のバッテリーセルが用いられていた。すなわち、従来には、例えば１８６５０セル、２１７００セルなどが用いられていた。１８６５０セルの場合、その直径が約１８ｍｍであり、その高さは約６５ｍｍであり、フォームファクタの比は０．２７７である。２１７００セルの場合、その直径が約２１ｍｍであり、その高さは約７０ｍｍであり、フォームファクタの比は０．３００である。
図１０は、本発明の一実施形態によるバッテリーセル７０を長手方向Ｙに沿って切断した断面図である。
図１０を参照すると、実施形態によるバッテリーセル７０は、シート状の第１の電極板と第２の電極板とが分離膜が介在した状態で巻き取られ、両側端部から延びて露出した前記第１の電極板の無地部７２と、前記第２の電極板の無地部７３とを含む電極組立体７１を含む。
実施形態において、第１の電極板は陰極板であり、第２の電極板は陽極板であってもよい。もちろん、その逆の場合も可能である。
電極組立体７１の巻き取り方法は、図２を参照して説明した従来技術によるタブ－レスバッテリーセルの製造の際に使用される電極組立体の巻き取り方法と実質的に同じである。
電極組立体７１を図示する際には、分離膜の外側に露出して延びた無地部７２、７３のみを詳細に示しており、第１の電極板、第２の電極板および分離膜の巻き取り構造についての図示は省略している。
バッテリーセル７０はまた、電極組立体７１を収納し、第１の電極板の無地部７２と電気的に接続された電池缶５１を含む。
好ましくは、電池缶５１の一側（下部）は開放されている。また、電池缶５１の底部５２は、電極端子５０がカシメ工程を通じて貫通孔５３にリベットされた構造を有する。
バッテリーセル７０はまた、電極端子５０と貫通孔５３の外径との間に設けられたガスケット５４を含んでもよい。
バッテリーセル７０はまた、電池缶５１から絶縁可能に電池缶５１の開放端部を封止する密封体７４を含んでもよい。好ましくは、密封体７４は、極性の無いキャッププレート７４ａおよびキャッププレート７４ａの縁と電池缶５１の開放端部との間に介在した密封ガスケット７４ｂを含んでもよい。
キャッププレート７４ａは、アルミニウム、スチール、ニッケルなどの導電性金属材質からなってもよい。また、密封ガスケット７４ｂは、絶縁性および弾性のあるポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリフッ化エチレンなどからなってもよい。しかし、本発明がキャッププレート７４ａと密封ガスケット７４ｂの素材によって限定されるものではない。
キャッププレート７４ａは、電池缶５１の内部の圧力が閾値を超えたときに破裂するベントノッチ７７を含んでもよい。ベントノッチ７７は、キャッププレート７４ａの両面に形成されてもよい。ベントノッチ７７は、キャッププレート７４ａの表面に連続的または不連続な円形パターン、直線パターン、または他のパターンを形成することができる。
電池缶５１は、密封体７４を固定するために、電池缶５１の内側に延長および折り曲げられて密封ガスケット７４ｂとともにキャッププレート７４ａの縁を包んで固定するクリンピング部７５を含んでもよい。
電池缶５１はまた、開放端部に隣接した領域に電池缶５１の内側に圧入されたビーディング部７６を含んでもよい。ビーディング部７６は、密封体７４がクリンピング部７５によって固定されるとき、密封体７４の縁、特に密封ガスケット７４ｂの外周表面を支持する。
バッテリーセル７０はまた、第１の電極板の無地部７２と溶接される第１の集電プレート７８をさらに含んでもよい。第１の集電プレート７８は、アルミニウム、スチール、ニッケルなどの導電性金属材質からなる。好ましくは、第１の集電プレート７８は、第１の電極板の無地部７２と接触しない縁の少なくとも一部７８ａがビーディング部７６と密封ガスケット７４ｂとの間に介在されてクリンピング部７５によって固定されてもよい。選択的に、第１の集電プレート７８の端部の少なくとも一部７８ａは、クリンピング部７５と隣接したビーディング部７６の内周面７６ａに溶接によって固定されてもよい。
バッテリーセル７０はまた、第２の電極板の無地部７３と溶接される第２の集電プレート７９を含んでもよい。好ましくは、第２の集電プレート７９の少なくとも一部、例えば中央部７９ａは、電極端子５０の平坦部５０ｄと溶接されてもよい。
好ましくは、第２の集電プレート７９が溶接されるとき、溶接具は、電極組立体７１のコアに存在する巻芯８０を通して挿入され、第２の集電プレート７９の溶接地点まで到達してもよい。また、第２の集電プレート７９が電極端子５０の平坦部５０ｄに溶接されるとき、電極端子５０が第２の集電プレート７９の溶接領域を支持するため、溶接領域に強い圧力を認可して溶接の品質を向上させることができる。また、電極端子５０の平坦部５０ｄは、面積が広いため、溶接領域も広く確保することができる。これにより、溶接領域の接触抵抗を下げることにより、バッテリーセル７０の内部抵抗を下げることができる。リベットされた電極端子５０と第２の集電プレート７９との面対面の溶接構造は、ハイシーレート（ｃ－ｒａｔｅ）電流を用いた急速充電に非常に有用である。電流が流れる方向の断面において単位面積当たりの電流密度を下げることができるため、電流パスで発生する発熱量を従来より低くすることができるためである。
電極端子５０の平坦部５０ｄと第２の集電プレート７９との溶接の時には、レーザ溶接、超音波溶接、スポット溶接、抵抗溶接のいずれかを用いてもよい。平坦部５０ｄの面積は、溶接方式によって異なるように調節することができ、溶接強度と溶接工程の容易性のために２ｍｍ以上であることが好ましい。
一例において、平坦部５０ｄと第２の集電プレート７９とがレーザで溶接され、円形パターンの形態で連続的または不連続なラインに溶接される場合、平坦部５０ｄの直径は４ｍｍ以上であることが好ましい。平坦部５０ｄの直径が当該条件を満たす場合、溶接強度の確保が可能であり、レーザ溶接具を電極組立体７１の巻芯８０に挿入して溶接工程を進行することに困難はない。
他の例において、平坦部５０ｄと第２の集電プレート７９とが超音波で溶接され、円形のパターンで溶接される場合、平坦部５０ｄの直径は２ｍｍ以上であることが好ましい。平坦部５０ｄの直径が当該条件を満たす場合、溶接強度の確保が可能であり、超音波溶接具を電極組立体７１の巻芯８０に挿入して溶接工程を進行するのに困難がない。
バッテリーセル７０はまた、絶縁キャップ８０'をさらに含んでもよい。絶縁キャップ８０'は、第２の集電プレート７９と電池缶５１の底部５２の内部面５２ａとの間、電池缶５１の側壁の内周面５１ａと電極組立体７１との間に介在されてもよい。好ましくは、絶縁キャップ８０'は、電極端子５０の平坦部５０ｄを第２の集電プレート７９側に露出させる溶接孔８０ａを含み、第２の集電プレート７９の表面と電極組立体７１の一側（上部）の縁をカバーしてもよい。
好ましくは、第１の電極板および／または第２の電極板の無地部７２、７３は、電極組立体７１の外周側からコア側に折り曲げられることで、電極組立体７１の上部および下部に折り曲げ面を形成してもよい。また、第１の集電プレート７８は、第１の電極板の無地部７２が折り曲げられて形成された折り曲げ面に溶接され、第２の集電プレート７９は、第２の電極板の無地部７３が折り曲げられて形成された折り曲げ面に溶接されてもよい。
無地部７２、７３が折り曲げられるときに生じる応力を緩和するために、第１の電極板および／または第２の電極板は、従来の電極板（図４参照）とは異なる改善された構造を有してもよい。
図１１は、本発明の好ましい実施形態による電極板９０の構造を例示的に示す平面図である。
図１１を参照すると、電極板９０は、導電性材料のホイルからなるシート状の集電体９１と、集電体９１の少なくとも一面に形成された活物質層９２と、集電体９１の長辺の端部に、活物質がコーティングされていない無地部９３とを含む。
好ましくは、無地部９３は、ノッチ加工された複数の分節片９３ａを含んでもよい。複数の分節片９３ａは複数のグループを成し、各グループに属した分節片９３ａは、高さ（Ｙ方向の長さ）および／または幅（Ｘ方向の長さ）および／または離隔ピッチが同じであってもよい。各グループに属した分節片９３ａの数は、図示されたものより増加或いは減少してもよい。分節片９３ａは台形であってもよく、四角形、平行四辺形、半円形、または半楕円形に変形されてもよい。
好ましくは、分節片９３ａの高さは、コア側から外周側に行くほど段階的に増加してもよい。また、コア側に隣接したコア側無地部９３'は、分割片９３ａを含まなくてもよく、コア側の無地部９３'の高さは、他の無地部の領域より小さくてもよい。
選択的に、電極板９０は、活物質層９２と無地部９３との間の境界を覆う絶縁コーティング層９４を含んでもよい。絶縁コーティング層９４は、絶縁性のある高分子樹脂を含み、無機物フィラーを選択的にさらに含んでもよい。絶縁コーティング層９４は、活物質層９２の端部が分離膜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、分節片９３ａの折り曲げを構造的に支持する役割をする。このために、電極板９０が電極組立体に巻き取られたとき、絶縁コーティング層９４は、少なくとも一部が分離膜から外部に露出されることが好ましい。
図１２は、本発明の実施形態による電極板９０の無地部の分節構造を第１の電極板および第２の電極板に適用した電極組立体１００を長手方向Ｙに沿って切断した断面図である。
図１２を参照すると、電極組立体１００は、図２により説明した巻き取り工法で製造することができる。説明の便宜上、分離膜の外へと延びた無地部７２、７３の突出構造を詳細に図示し、第１の電極板、第２の電極板および分離膜の巻き取り構造に関する図示は省略している。下部に突出した無地部７２は、第１の電極板から延びたものであり、上部に突出した無地部７３は、第２の電極板から延びたものである。
無地部７２、７３の高さが変化するパターンは概略的に図示した。すなわち、断面が切られる位置に応じて無地部７２、７３の高さは不規則に変化することがある。一例として、台形の分節片９３ａのサイドの部分が切られると、断面での無地部の高さは分節片９３ａの高さより低くなる。従って、電極組立体１００の断面を示した図に示された無地部７２、７３の高さは、各巻き取りパターンに含まれた無地部の高さの平均に対応すると理解すべきである。
無地部７２、７３は、図１３に示したように、電極組立体１００の外周側からコア側に折り曲げられてもよい。図１２において、折り曲げられる部分１０１は、点線のボックスで示されている。無地部７２、７３が折り曲げられるとき、半径方向に隣接している分節片が複数回重なり合って電極組立体１００の上部と下部に折曲面１０２が形成される。このとき、コア側の無地部（図１１の９３'）は、高さが低いため折り曲げられず、最も内側から折り曲げられる分節片の高さｈは、分節片の構造がないコア側の無地部９３'によって形成された巻き取り領域の半径方向の長さｒと同じであるか、より小さい。したがって、電極組立体１００のコアにある巻芯８０が折り曲げられた分節片によって閉鎖されない。巻芯８０が閉鎖されないと、電解質注液の工程に困難がなく、電解液注液の効率が向上する。また、巻芯８０を介して溶接具を挿入して電極端子５０と第２の集電プレート７９との溶接を容易に行うことができる。
本発明の実施形態によるバッテリーセル７０は、密封体７４のキャッププレート７４ａが極性を持たない。その代わりに、第１の集電プレート７８が電池缶５１の側壁に連結されているため、電池缶５１の底部５２の外部面５２ａが電極端子５０とは反対の極性を有する。したがって、複数のセルを直列および／または並列に接続したい場合、電池缶５１の底部５２の外部面５２ａと電極端子５０を用いてバッテリーセル７０の上部でバスバー接続などの配線を行うことができる。これにより、同一空間に搭載できるセルの数を増やしてエネルギー密度を向上させることができる。
本発明において、陽極板にコーティングされる陽極活物質と陰極板にコーティングされる陰極活物質は、当業界で公知の活物質であれば制限なく使用することができる。
一例において、陽極活物質は一般式Ａ［ＡｘＭｙ］Ｏ２＋ｚ（ＡはＬｉ、ＮａおよびＫのうち少なくとも１つ以上の元素を含む；ＭはＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｒｕ、およびＣｒから選択された少なくとも１つ以上の元素を含む；ｘ≧０、１≦ｘ＋ｙ≦２、－０．１≦ｚ≦２；ｘ、ｙ、ｚおよびＭに含まれた成分の化学量論的係数は、化合物が電気的中性を維持するように選択される）で表されるアルカリ金属化合物を含んでもよい。
他の例において、陽極活物質は、米国特許第６、６７７、０８２号明細書、米国特許第６、６８０、１４３号明細書などに開示されたアルカリ金属化合物ｘＬｉＭ１Ｏ２．（１－ｘ）Ｌｉ２Ｍ２Ｏ３（Ｍ１は平均酸化状態３を有する少なくとも１つ以上の元素を含む；Ｍ２は平均酸化状態４を有する少なくとも１つ以上の元素を含む；０≦ｘ≦１）であってもよい。
また他の例において、陽極活物質は、一般化学式ＬｉａＭ１ ｘＦｅ１－ｘＭ２ ｙＰ１－ｙＭ３ ｚＯ４－ｚ（Ｍ１はＴｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｄ、Ａｌ、ＭｇおよびＡｌから選択される少なくとも１つ以上の元素を含む；Ｍ２は、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｄ、Ａｌ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＶおよびＳから選択される少なくとも１つ以上の元素を含む；Ｍ３は、Ｆを選択的に含むハロゲン族元素を含む；０＜ａ≦２、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１；ａ、ｘ、ｙ、ｚ、Ｍ１、Ｍ２およびＭ３に含まれた成分の化学量論的係数は、化合物が電気的中性を維持するように選択される）、またはＬｉ３Ｍ２（ＰＯ４）３［ＭはＴｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、ＭｇおよびＡｌから選択された少なくとも１つの元素を含む］で表されるリチウム金属ホスフェートであってもよい。
好ましくは、陽極活物質は、一次粒子および／または一次粒子が凝集した二次粒子を含んでもよい。
一例において、陰極活物質は、炭素材、リチウム金属またはリチウム金属化合物、ケイ素またはケイ素化合物、錫または錫化合物などを使用してもよい。電位が２Ｖ未満のＴｉＯ２、ＳｎＯ２のような金属酸化物も陰極活物質として使用可能である。炭素材としては、低結晶炭素、高結晶性炭素などのいずれも用いられてもよい。
分離膜は、多孔性高分子フィルム、例えばエチレン単独重合体、プロピレン単独重合体、エチレン／ブテン共重合体、エチレン／ヘキセン共重合体、エチレン／メタクリレート共重合体などのようなポリオレフィン系高分子から製造した多孔性高分子フィルムを単独で、或いはこれらを積層して使用してもよい。他の例として、分離膜は、通常の多孔性不織布、例えば高融点のガラス繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などからなる不織布を使用してもよい。
分離膜の少なくとも一側の表面は、無機物粒子のコーティング層を含んでもよい。
また、分離膜自体が無機物粒子のコーティング層からなることも可能である。コーティング層を構成する粒子は、隣接する粒子の間に間隙容量（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｖｏｌｕｍｅ）が存在するようにバインダーと結合された構造を有してもよい。
無機物粒子は、誘電率が５以上の無機物からなってもよい。非制限的な例として、前記無機物粒子は、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）、Ｐｂ１－ｘＬａｘＺｒ１－ｙＴｉｙＯ３（ＰＬＺＴ）、ＰＢ（Ｍｇ３Ｎｂ２／３）Ｏ３－ＰｂＴｉＯ３（ＰＭＮ－ＰＴ）、ＢａＴｉＯ３、ｈａｆｎｉａ（ＨｆＯ２）、ＳｒＴｉＯ３、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、ＣｅＯ２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｎＯおよびＹ２Ｏ３からなる群から選択される少なくとも１つ以上の物質を含んでもよい。
電解質は、Ａ＋Ｂ－のような構造を有する塩であってもよい。ここで、Ａ＋は、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋などのアルカリ金属カチオンまたはそれらの組み合わせからなるイオンを含む。そしてＢ－は、Ｆ－、Ｃｌ－、Ｂｒ－、Ｉ－、ＮＯ３ －、Ｎ（ＣＮ）２ －、ＢＦ４ －、ＣｌＯ４ －、ＡｌＯ４ －、ＡｌＣｌ４ －、ＰＦ６ －、ＳｂＦ６ －、ＡｓＦ６ －、ＢＦ２Ｃ２Ｏ４ －、ＢＣ４Ｏ８ －、（ＣＦ３）２ＰＦ４ －、（ＣＦ３）３ＰＦ３ －、（ＣＦ３）４ＰＦ２ －、（ＣＦ３）５ＰＦ－、（ＣＦ３）６Ｐ－、ＣＦ３ＳＯ３ －、Ｃ４Ｆ９ＳＯ３ －、ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ３ －、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ－、（ＦＳＯ２）２Ｎ－、ＣＦ３ＣＦ２（ＣＦ３）２ＣＯ－、（ＣＦ３ＳＯ２）２ＣＨ－、（ＳＦ５）３Ｃ－、（ＣＦ３ＳＯ２）３Ｃ－、ＣＦ３（ＣＦ２）７ＳＯ３ －、ＣＦ３ＣＯ２ －、ＣＨ３ＣＯ２ －、ＳＣＮ－および（ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ２）２Ｎ－からなる群から選択されたいずれか１つ以上のアニオンを含む。
電解質はまた有機溶媒に溶解して使用してもよい。有機溶媒としては、プロピレンカーボネート（ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）、エチレンカーボネート（ｅｔｈｙｌｅｎｅｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ｄｉｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＤＭＣ）、ジプロピルカーボネート（ｄｉｐｒｏｐｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＤＰＣ）、ジメチルスルホキシド（ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｓｕｌｆｏｘｉｄｅ）、アセトニトリル（ａｃｅｔｏｎｉｔｒｉｌｅ）、ジメトキシエタン（ｄｉｍｅｔｈｏｘｙｅｔｈａｎｅ）、ジエトキシエタン（ｄｉｅｔｈｏｘｙｅｔｈａｎｅ）、テトラヒドロフラン（ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（Ｎ－ｍｅｔｈｙｌ－２－ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ、ＮＭＰ）、エチルメチルカーボネート（ｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＥＴＭ）、ガンマブチロラクトン（γｂｕｔｙｒｏｌａｃｔｏｎｅ）またはそれらの混合物が使用されてもよい。
本発明のまた他の実施形態は、上述のバッテリーセルを少なくとも１つ含むバッテリーパックを提供する。
上述の実施形態による円筒形バッテリーセルは、バッテリーパックを製造するために使用されてもよい。
図１４は、本発明の実施形態によるバッテリーパックの構成を概略的に示した図である。
図１４を参照すると、本発明の実施形態によるバッテリーパック２００は、円筒形バッテリーセル２０１が電気的に接続された集合体およびそれを収容するパックハウジング２０２を含む。円筒形バッテリーセル２０１は、上述した実施形態によるバッテリーセルである。図示の便宜上、円筒形バッテリーセル２０１の電気的な接続のためのバスバー、冷却ユニット、外部端子などの部品の図示は省略している。
本発明のまた他の実施形態は、上述のバッテリーパックを少なくとも１つ含む自動車を提供する。
バッテリーパック２００は、自動車に搭載されてもよい。自動車は、一例として、電気自動車、ハイブリッド自動車、またはプラグインハイブリッド自動車であってもよい。自動車は四輪自動車または二輪自動車を含む。
図１５は、図１４のバッテリーパック２００を含む自動車を説明するための図である。
図１５を参照すると、本発明の一実施形態による自動車Ｖは、本発明の一実施形態によるバッテリーパック２００を含む。自動車Ｖは、本発明の一実施形態によるバッテリーパック２００から電力が供給されて動作する。
以上、本発明が、限定された実施形態と図面によって説明されたが、本発明がこれ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以下に記載される特許請求の範囲の均等範囲内で様々な修正および変形が可能であることは勿論である。
０ ・・・巻取中心部
１ ・・・電極組立体の非巻き取り状態
２ ・・・第１の電極
３ ・・・第２の電極
４ ・・・第１の分離膜
５ ・・・第２の分離膜
６ ・・・電極組立体の巻取中心部に最も近い縁部
７ ・・・固定部
７Ｗ ・・・固定部の幅
８ ・・・第１の電極無地部
９ ・・・第２の電極無地部
１０ ・・・陽極板
１０ａ ・・・陽極板の無地部
１１ ・・・陰極板
１１ａ ・・・陰極板の無地部
１２ ・・・分離膜
２０ ・・・集電体
２１ ・・・活物質
２２ ・・・無地部
３０、３１ ・・・集電プレート
４０ ・・・タブ－レスバッテリーセル
４１ ・・・電池缶
４２ ・・・密封体
４２ａ ・・・キャッププレート
４２ｂ ・・・密封ガスケット
４２ｃ ・・・連結プレート
４３ ・・・クリンピング部
４４ ・・・ビーディング部
４５ ・・・リード
４６ ・・・インシュレーター
５０ ・・・電極端子
５０ａ ・・・胴体部
５０ｂ ・・・外部フランジ部
５０ｃ ・・・内部フランジ部
５０ｄ ・・・平坦部
５１ ・・・一側が開放された円筒形の電池缶
５１ａ ・・・電池缶側壁の内周面
５２ ・・・底部
５２ａ ・・・外部面
５２ｂ ・・・内部面
５３ ・・・貫通孔
５４ ・・・ガスケット
５４ａ ・・・外部ガスケット部
５４ｂ ・・・内部ガスケット部
５５ ・・・リセス部
５５ａ ・・・平坦部の側壁
５５ｂ ・・・内部フランジ部の傾斜面
５６ ・・・内側エッジ（貫通孔の内側エッジ）
５７ ・・・対向面（内部フランジ部と向かい合う対向面）
７０ ・・・バッテリーセル
７１ ・・・電極組立体
７２ ・・・第１の電極板の無地部
７３ ・・・第２の電極板の無地部
７４ ・・・密封体
７４ａ ・・・キャッププレート
７４ｂ ・・・密封ガスケット
７５ ・・・クリンピング部
７６ ・・・ビーディング部
７６ａ ・・・ビーディング部の内周面
７７ ・・・ベントノッチ
７８ ・・・第１の集電プレート
７８ａ ・・・第１の集電プレートの縁
７９ ・・・第２の集電プレート
７９ａ ・・・中央部
８０ ・・・巻芯
８０' ・・・絶縁キャップ
８０ａ ・・・溶接孔
９０ ・・・電極板
９１ ・・・集電体
９２ ・・・活物質層
９３ ・・・無地部
９３' ・・・コア側無地部
９３ａ ・・・分節片
９４ ・・・絶縁コーティング層
１００ ・・・電極組立体
１０１ ・・・折り曲げられる部分
１０２ ・・・折曲面
２００ ・・・バッテリーパック
２０１ ・・・円筒形バッテリーセル
２０２ ・・・パックハウジング

Claims (18)

  1. 第１の電極、分離膜および第２の電極が積層されて巻き取られた電極組立体であって、
    前記第１の電極および前記第２の電極のうち少なくとも一つは、集電体および前記集電体上に設けられた電極活物質層を含み、
    前記第１の電極は、前記電極活物質層であって、前記電極組立体の巻取中心部に最も近い縁部に設けられ、前記分離膜の少なくとも一部に固定される固定部を含む電極組立体。
  2. 前記電極組立体の巻取軸の一端部側に設けられた前記集電体の縁部は、前記電極活物質層が設けられていない無地部を含む、請求項１に記載の電極組立体。
  3. 前記分離膜は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた第１の分離膜および前記第１の電極の前記第１の分離膜と対向する面の反対側に設けられた第２の分離膜を含み、
    前記第１の分離膜および前記第２の分離膜の少なくとも一つは、前記固定部と固定されている、請求項１に記載の電極組立体。
  4. 前記固定部は、前記電極組立体の非巻き取り状態において、前記第２の電極と重ならない、請求項１に記載の電極組立体。
  5. 前記固定部の幅は、１２ｍｍ以下である、請求項１に記載の電極組立体。
  6. 前記固定部を除く部分では、前記第１の電極、前記分離膜、および前記第２の電極が固定されていない、請求項１に記載の電極組立体。
  7. 前記第１の電極は陰極であり、前記第２の電極は陽極である、請求項１に記載の電極組立体。
  8. 前記固定部は、ラミネートテープである、請求項１に記載の電極組立体。
  9. 前記ラミネートテープの熱分解温度は、１８０℃以上である、請求項８に記載の電極組立体。
  10. 前記ラミネートテープの常温の接着力は、２０ｇｆ／１００ｍｍから４０ｇｆ／１００ｍｍである、請求項８に記載の電極組立体。
  11. 前記ラミネートテープは、４０℃以上で接着力を有する、請求項８に記載の電極組立体。
  12. 前記ラミネートテープの接着力の変化率が下記式１を満たす、請求項８に記載の電極組立体。
    ［式１］
    ０．８≦［Ｘ２／Ｘ１］×１００（％）≦１．２
    前記式１において、Ｘ１は２３℃にて２０分放置した時のラミネートテープの接着力であり、Ｘ２は２３℃にて２０分放置した後６５℃にて２０分保管した時のラミネートテープの接着力である。
  13. 前記固定部は、前記電極組立体の巻取軸方向に互いに対向する縁部側に設けられた２つの点、および前記２つの点の間に設けられた１つの点で前記分離膜の少なくとも一部に固定される、請求項１に記載の電極組立体。
  14. 前記固定部は、前記電極組立体の巻取軸方向の長さの４０％以上が前記分離膜に固定されている、請求項１に記載の電極組立体。
  15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の電極組立体；前記電極組立体を収納する一側に開放部を有する電池缶；前記電池缶の底部に形成された貫通孔を通じてリベットされた電極端子；前記電極端子と前記貫通孔の外径との間に設けられたガスケット；および前記電池缶の開放部を封止する密封体；を含むバッテリーセル。
  16. 前記第１の電極は、前記電池缶と電気的に接続され、前記第２の電極は、前記電極端子と電気的に接続され、前記密封体は、前記電池缶から絶縁可能である、請求項１５に記載のバッテリーセル。
  17. 請求項１５に記載のバッテリーセルを少なくとも１つ含む、バッテリーパック。
  18. 請求項１７に記載のバッテリーパックを少なくとも１つ含む、自動車。
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