JP2024505220A - 電極組立体、円筒形バッテリーセル、それを含むバッテリーパック及び自動車 - Google Patents

電極組立体、円筒形バッテリーセル、それを含むバッテリーパック及び自動車 Download PDF

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Abstract

本発明は、電極組立体、円筒形バッテリーセル、それを含むバッテリーパック及び自動車を開示する。電極組立体は、シート状の第１電極集電体及び第２電極集電体と前記第１電極集電体と前記第２電極集電体との間に介在された分離膜とが一方向に巻き取られた構造を有するゼリーロール型の電極組立体であって、前記第１電極集電体は長辺端部に活物質層がコーティングされていない第１無地部を含み、前記第１無地部は前記電極組立体の中心を基準にして複数の巻回ターンを形成しながら前記分離膜の外側に露出し、それ自体が電極タブとして使用され、前記複数の巻回ターンのうちの前記電極組立体の外周面で露出している最外郭の巻回ターンに位置する前記第１無地部の露出曲面を覆う絶縁部材を含む。

Description

本出願は、２０２１年９月３０日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２１－０１３０３９０号、２０２１年１２月１０日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２１－０１７７０６２号、及び２０２２年７月１９日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２２－００８９２３２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。
本発明は、電極組立体、円筒形バッテリーセル、それを含むバッテリーパック及び自動車に関し、より詳しくは、絶縁部材の厚さ減少によってバッテリーセルの容量を増大可能な電極組立体、円筒形バッテリーセル、それを含むバッテリーパック及び自動車に関する。
製品群毎の適用性が高く、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）などに普遍的に適用されている。
このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少させるという一次的な長所だけでなく、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点で環境にやさしく、エネルギー効率向上のための新たなエネルギー源として注目されている。
現在、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の二次電池が広く使用されている。このような単位二次電池セルの作動電圧は約２．５Ｖ～４．５Ｖである。
したがって、これよりも高い出力電圧が求められる場合、複数個のバッテリーセルを直列に接続してバッテリーパックを構成する。また、バッテリーパックに求められる充放電容量に合わせて、複数のバッテリーセルを並列に接続してバッテリーパックを構成することもある。したがって、バッテリーパックに含まれるバッテリーセルの個数及び電気的接続形態は、求められる出力電圧及び充放電容量の少なくとも一つによって多様に設定され得る。
一方、二次電池セルの種類としては、円筒形、角形及びパウチ型バッテリーセルが知られている。円筒形バッテリーセルの場合、正極と負極との間に絶縁体である分離膜を介在し、これを巻き取ってゼリーロール（ｊｅｌｌｙ－ｒｏｌｌ）型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。
ここで、電池缶が負極または正極（通常、負極）に連結されて極性を有する場合、電池缶とゼリーロール型の電極組立体との間にも絶縁が必要である。
一方、近年、円筒形バッテリーセルが電気自動車に適用されることで、円筒形バッテリーセルのフォームファクタ（ｆｏｒｍ ｆａｃｔｏｒ）が増加している。すなわち、円筒形バッテリーセルの直径と高さが従来の１８６５０、２１７００などのフォームファクタを有する円筒形バッテリーセルに比べて増加している。フォームファクタの増加は、エネルギー密度の増加、熱暴走に対する安全性の増大、そして冷却効率の向上をもたらす。
円筒形バッテリーセルのエネルギー密度は、フォームファクタの増加とともに、電池缶内部の不要な空間が最小化するときさらに増加し得る。したがって、電極組立体と電池缶との間の電気的絶縁のために使用される部品も、電気的絶縁を確保するとともにバッテリーセルの容量を増大できるように最適に設計される必要がある。
本発明は、上述した従来技術の背景下で創案されたものであって、電極組立体の絶縁構造を改善して絶縁部材の厚さを減少させることができ、これにより電極組立体の側面と電池缶との間で絶縁部材が不要に空間を占めることを防止することができる電極組立体、円筒形バッテリーセル、それを含むバッテリーパック及び自動車を提供することを目的とする。
また、本発明は、絶縁部材の厚さ減少によって電極組立体の大きさが増加し、これによりバッテリーセルの容量が増大可能な電極組立体、円筒形バッテリーセル、それを含むバッテリーパック及び自動車を提供することを他の目的とする。
また、本発明は、電池缶と電極組立体との間の空間を最小化させて振動による問題を解決することができる電極組立体、円筒形バッテリーセル、それを含むバッテリーパック及び自動車を提供することをさらに他の目的とする。
また、本発明は、絶縁部材の上側に絶縁板が備えられる場合、設計の自由度が高くなって射出性も向上することができる電極組立体、円筒形バッテリーセル、それを含むバッテリーパック及び自動車を提供することをさらに他の目的とする。
また、本発明は、改善された構造を有する円筒形バッテリーセルを用いて製作されたバッテリーパック、及びそれを含む自動車を提供することをさらに他の目的とする。
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制限されず、他の課題は下記の発明の説明から通常の技術者に明らかに理解できるであろう。
上記の課題を達成するため、本発明の一態様による電極組立体は、シート状の第１電極集電体及び第２電極集電体と前記第１電極集電体と前記第２電極集電体との間に介在された分離膜とが一方向に巻き取られた構造を有するゼリーロール型の電極組立体であって、前記第１電極集電体は長辺端部に活物質層がコーティングされていない第１無地部を含み、前記第１無地部は前記電極組立体の中心を基準にして複数の巻回ターンを形成しながら前記分離膜の外側に露出し、それ自体が電極タブとして使用され、前記電極組立体は、前記複数の巻回ターンのうちの前記電極組立体の外周面で露出している最外郭の巻回ターンに位置する前記第１無地部の露出曲面を覆う絶縁部材を含む。
望ましくは、前記絶縁部材は、前記第１無地部の対向面に接着層が形成された絶縁テープであり得る。
一形態において、前記絶縁テープは、一側のみに接着層が形成された片面テープであり得る。
他の形態において、前記絶縁部材は、熱が加えられると収縮する熱収縮チューブから構成され得る。
さらに他の形態において、前記絶縁部材は、前記第１無地部の露出曲面を覆うように前記露出曲面の幅（巻取軸方向の長さ）よりも広く形成され得る。
望ましくは、前記絶縁テープの厚さが１０μｍ以上５０μｍ以下であり得る。
さらに他の形態において、前記絶縁テープは、一層以上で前記電極組立体を覆うように設けられ得る。
さらに他の形態において、前記絶縁テープは、前記電極組立体の発熱時に熱変形が防止される材料から製造され得る。
望ましくは、前記絶縁テープは、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリプロピレン（ＰＰ）から製造され得る。
一形態において、前記絶縁テープは、前記第１無地部の露出曲面を覆う部分がポリイミドを含み得る。
他の形態において、前記絶縁テープは、前記第１無地部の露出曲面を覆う部分がポリイミドを含み、前記露出曲面と隣接した分離膜を覆う部分がポリエチレンテレフタレートを含み得る。
さらに他の形態において、前記第１無地部の少なくとも一部区間は、前記電極組立体の巻取方向に沿って複数の分切片に分割され得る。
望ましくは、前記複数の分切片は、前記電極組立体の半径方向に沿って折り曲げられ得る。
望ましくは、前記複数の分切片は、前記電極組立体の半径方向に沿って多重に重なり得る。
さらに他の形態において、前記絶縁テープは、前記電極組立体の外周面の少なくとも一部分、及び前記電極組立体の上面の少なくとも一部分にともに貼り付けられ得る。
望ましくは、前記絶縁テープは、前記電極組立体の外周面に貼り付けられる第１部分と、前記第１部分から延長され、前記第１部分から折り曲げられて前記電極組立体の上面に貼り付けられる第２部分と、を含み得る。
一形態において、前記第１部分は、前記第１無地部の折り曲げられた複数の分切片の最外側の露出曲面、及びそれと隣接する前記分離膜の少なくとも一部を覆うように設けられ得る。
他の形態において、前記第１部分は、前記第１無地部の複数の分切片の最外側の露出曲面を覆う部分の大きさが前記露出曲面と隣接した分離膜を覆う部分の大きさよりも小さいかまたは同一であり得る。
さらに他の形態において、前記第２部分は、前記第１無地部の折り曲げられた複数の分切片の上面部分を覆い得る。
望ましくは、前記第１部分は、前記第２部分よりも大きく設けられ得る。
他の形態において、前記第２部分には少なくとも一つの切欠部が形成され得る。
さらに他の形態において、前記切欠部の下端は、前記第１無地部の折曲面よりも高く位置するように設けられ得る。
上記の課題を達成するため、本発明の他の一態様による円筒形バッテリーセルは、シート状の第１電極集電体及び第２電極集電体と前記第１電極集電体と前記第２電極集電体との間に介在された分離膜とが一方向に巻き取られた構造を有するゼリーロール型の電極組立体であって、前記第１電極集電体は長辺端部に活物質層がコーティングされていない第１無地部を含み、前記第１無地部は前記電極組立体の中心を基準にして複数の巻回ターンを形成しながら前記分離膜の外側に露出し、それ自体が電極タブとして使用される電極組立体と、前記電極組立体が収納されて前記第２電極集電体と電気的に接続される円筒形の電池缶と、前記第１電極集電体と電気的に接続される集電板と、前記集電板と連結されるセル端子と、前記複数の巻回ターンのうちの前記電極組立体の外周面で露出している最外郭の巻回ターンに位置する前記第１無地部の露出曲面を覆う絶縁部材と、を含む。
望ましくは、前記電池缶の直径は前記電極組立体の直径よりも大きく形成され、前記電池缶と前記電極組立体との間には予め設定された大きさの間隔が設けられ、前記絶縁部材は前記間隔に介在され得る。
望ましくは、前記絶縁部材は、前記第１無地部の対向面に接着層が形成された絶縁テープであり得る。
望ましくは、前記第１無地部の少なくとも一部区間は、前記電極組立体の巻取方向に沿って複数の分切片に分割され得る。
望ましくは、前記複数の分切片は、前記電極組立体の半径方向に沿って折り曲げられ得る。
望ましくは、前記複数の分切片は、前記電極組立体の半径方向に沿って多重に重なり得る。
一形態において、前記絶縁テープは、前記電極組立体の外周面に貼り付けられる第１部分と、前記第１部分から延長され、前記第１部分から折り曲げられて前記電極組立体に結合された集電板の上面に貼り付けられる第２部分と、を含み得る。
望ましくは、前記第１部分は、前記第１無地部の折り曲げられた複数の分切片の最外側の露出曲面、及びそれと隣接する前記分離膜の少なくとも一部を覆うように設けられ得る。
望ましくは、前記第２部分は、前記第１無地部の折り曲げられた複数の分切片の上面部分に結合された集電板を覆うように設けられ得る。
望ましくは、前記絶縁テープは、前記第１無地部の折り曲げられた複数の分切片の最外側の露出曲面の端部から折り曲げられて前記集電板の上側に結合され得る。
望ましくは、前記集電板には前記第１無地部と溶接された溶接部が形成され、前記第２部分は前記溶接部と干渉しないように、前記溶接部の外側縁から離隔して前記集電板の上側に結合され得る。
他の形態において、前記絶縁テープは、前記電極組立体の外周面に貼り付けられる第１部分と、前記第１部分から延長され、前記第１部分から折り曲げられて前記第１無地部の前記複数の分切片の折曲面に貼り付けられる第２部分と、を含み得る。
望ましくは、前記集電板は、前記絶縁テープの前記第２部分の上側に配置され得る。
さらに他の形態において、前記電池缶には対向して位置する閉鎖部及び開放部がそれぞれ形成され、前記電池缶の前記開放部を密閉するように構成されるキャッププレートをさらに含み得る。
望ましくは、前記キャッププレートは、前記電極組立体から分離して無極性で設けられ得る。
さらに他の形態において、前記閉鎖部には貫通孔が形成され、前記セル端子は前記貫通孔に結合され得る。
さらに他の形態において、前記閉鎖部と前記集電板との間に介在される絶縁板をさらに含み得る。
望ましくは、前記絶縁板は、絶縁性のあるポリマー材料を含み得る。
さらに他の形態において、前記絶縁板は、弾性を有する材料から構成され得る。
さらに他の形態において、前記絶縁板は、中心部に予め設定された直径を有する中心孔を備え得る。
望ましくは、前記セル端子は端子挿入部を備え、前記端子挿入部は前記貫通孔を通って電池缶内に挿入され得る。
望ましくは、前記セル端子は、前記端子挿入部の下側周縁部が前記電池缶の上端の内側面に向かってリベッティングされながら前記貫通孔に固定され得る。
望ましくは、前記絶縁板の前記中心孔の直径は前記端子挿入部の直径よりも大きいかまたは同一であり得る。
望ましくは、前記セル端子の端子挿入部は、前記絶縁板の前記中心孔を貫通し得る。
望ましくは、前記セル端子の端子挿入部は、前記絶縁板の前記中心孔を貫通して前記集電板と電気的に結合され得る。
さらに他の形態において、本発明による円筒形バッテリーセルは、前記キャッププレートの周縁と前記電池缶の前記開放部との間に介在された密封ガスケットを含み得る。また、前記電池缶は、前記開放部に隣接した領域に前記電池缶の内側に押し込まれたビーディング部を含み得る。また、前記電池缶は、前記電池缶の内側に延長されて折り曲げられて前記密封ガスケットとともに前記キャッププレートの周縁を包んで固定するクリンピング部を含み得る。
望ましくは、前記クリンピング部は、前記電池缶の配置状態を基準にして、前記電池缶の下部（すなわち、閉鎖部の反対側）に形成され得る。
望ましくは、前記キャッププレートは、前記電池缶の内圧が臨界値を超えたときに破裂するベンティングノッチを含み得る。
一形態において、前記ベンティングノッチは前記キャッププレートの両面に形成され、前記キャッププレートの表面で連続的な円形パターン、不連続的な円形パターン及び直線パターンのうちの少なくとも一つのパターンで形成され得る。
他の形態において、前記ベンティングノッチは、前記電池缶の配置状態を基準にして前記電池缶の下部に形成され、前記ベンティングノッチが破裂したとき、前記電池缶の内部のガスが前記電池缶の下側から排出され得る。
さらに他の形態において、前記電極組立体の下部に結合される下部集電板をさらに含み得る。
望ましくは、前記第２電極集電体は、長辺端部に活物質層がコーティングされていない第２無地部を含み、前記第２無地部は、前記電極組立体の中心を基準にして複数の巻回ターンを形成しながら前記分離膜の外側に露出し、それ自体が電極タブとして使用され得る。
望ましくは、前記下部集電板は、導電性を有する金属材料からなり、前記第２電極集電体の第２無地部と電気的に接続され得る。前記第２無地部の少なくとも一部は複数の分切片に分割され得る。また、複数の分切片は前記電極組立体の半径方向に沿って折り曲げられて多重に重なり得る。
望ましくは、前記下部集電板は、縁端の少なくとも一部が前記電池缶のビーディング部上に電気的に接続され得る。より望ましくは、前記下部集電板は、縁端の少なくとも一部が前記クリンピング部に隣接した前記ビーディング部の下側面を通じて電気的に接続され得る。
望ましくは、前記下部集電板は、前記ビーディング部に電気的に接続された部分を除いた他の部分の少なくとも一部が溶接を通じて第２無地部の折曲面に結合され得る。
望ましくは、前記絶縁部材は、前記集電板と前記電池缶の上端の内側面との間の距離に対応する厚さを有し得る。
望ましくは、前記絶縁部材の厚さが１００～５００μｍであり得る。
上記の課題は、上述した円筒形バッテリーセルを少なくとも一つ含むバッテリーパック、及び前記バッテリーパックを少なくとも一つ含む自動車によっても達成され得る。
本発明の一態様によれば、電極組立体の絶縁構造を改善して絶縁部材の厚さを減少させることができ、これにより電極組立体の側面と電池缶との間で絶縁部材が不要に空間を占めることを防止することができる。
また、本発明の一態様によれば、絶縁部材の厚さ減少によって電極組立体の大きさが増加し、これによりバッテリーセルの容量が増大可能である。
また、本発明の一態様によれば、電池缶と電極組立体との間の空間を最小化させて振動による問題を解決することができる。
また、本発明の一態様によれば、絶縁部材の上側に絶縁板が備えられる場合設計の自由度が高くなって射出性も向上することができる。
また、本発明の一態様によれば、改善された構造を有する円筒形バッテリーセルを用いて製作することで容量が向上したバッテリーパック、及びそれを含む自動車を提供することができる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施形態を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割のためのものであるため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されるものではない。
本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセルの斜視図である。 図１の円筒形バッテリーセルの中心部を示した断面斜視図である。 本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセルの断面図である。 本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセルにおいて、電池缶を示した図である。 本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセルにおいて、電極組立体の側面に絶縁テープが貼り付けられた様子を示した図である。 図５の電極組立体の側面に取り付けられた絶縁テープが折り曲げられて集電体の上面に貼り付けられる過程を矢印に沿って示した図である。 図６の過程によって電極組立体の側面及び集電体の上面に絶縁テープが貼り付けられた様子を示した図である。 図５の他の実施形態による円筒形バッテリーセルにおいて、電極組立体の側面に絶縁テープが貼り付けられた様子を示した図である。 図３の円筒形バッテリーセルに対する他の実施形態の断面図である。 本発明の他の実施形態による円筒形二次電池を説明するための図である。 本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセルにおいて、集電板及び溶接部を示した図である。 本発明の一実施形態による電極集電体の構造を示した平面図である。 図１２の分切片の幅、高さ及び離隔ピッチの定義を示した図である。 本発明の他の実施形態による電極集電体の構造を示した平面図である。 図１４の分切片の幅、高さ及び離隔ピッチの定義を示した図である。 本発明の一実施形態による電極組立体をＹ軸方向（巻取軸方向）に沿って切断した断面図である。 本発明の他の実施形態による電極組立体をＹ軸方向（巻取軸方向）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パックの構成を概略的に示した図である。 図１８のバッテリーパックを含む自動車を説明するための図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲において使用された用語や単語は通常的及び辞書的な意味に限定して解釈されるものではなく、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るものである。
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、本発明の最も望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表すものではないため、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されたい。
また、発明の理解の補助のため、添付された図面は実際の縮尺通りに図示されず、一部構成要素の寸法を誇張して図示することがある。また、異なる実施形態における同じ構成要素に対しては同じ参照符号が付され得る。
図１は本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセルの斜視図であり、図２は図１の円筒形バッテリーセルの中心部を示した断面斜視図であり、図３は本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセルの断面図であり、図４は本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセルにおいて電池缶を示した図であり、図５は本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセルにおいて電極組立体の側面に絶縁テープが貼り付けられた様子を示した図であり、図６は図５の電極組立体の側面に取り付けられた絶縁テープが折り曲げられて集電体の上面に貼り付けられる過程を矢印に沿って示した図であり、図７は図６の過程によって電極組立体の側面及び集電体の上面に絶縁テープが貼り付けられた様子を示した図であり、図８は図５の他の実施形態によって円筒形バッテリーセルにおいて電極組立体の側面に絶縁テープが貼り付けられた様子を示した図であり、図９は図３の円筒形バッテリーセルに対する他の実施形態の断面図であり、図１０は本発明の他の実施形態による円筒形二次電池を説明するための図であり、図１１は本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセルにおいて集電板及び溶接部を示した図であり、図１２は本発明の一実施形態による電極集電体の構造を示した平面図であり、図１３は図１２の分切片の幅、高さ及び離隔ピッチの定義を示した図であり、図１４は本発明の他の実施形態による電極集電体の構造を示した平面図であり、図１５は図１４の分切片の幅、高さ及び離隔ピッチの定義を示した図であり、図１６は本発明の一実施形態による電極組立体をＹ軸方向（巻取軸方向）に沿って切断した断面図であり、図１７は本発明の他の実施形態による電極組立体をＹ軸方向（巻取軸方向）に沿って切断した断面図である。
まず、本発明の一実施形態による電極組立体１００について説明する。電極組立体１００は、シート状の第１電極集電体及び第２電極集電体とこれらの間に介在された分離膜とが一方向に巻き取られた構造を有するゼリーロール型の電極組立体１００である。
図３を参照すると、第１電極集電体は長辺端部に活物質層がコーティングされていない第１無地部１１０を含む。そして、第２電極集電体も長辺端部に活物質層がコーティングされていない第２無地部１２０を含み得る。すなわち、第１電極集電体及び第２電極集電体の少なくとも一つは、巻取方向の長辺端部に活物質がコーティングされていない無地部を含み得る。
ここで、第１無地部１１０は、電極組立体１００の中心を基準にして複数の巻回ターンを形成しながら分離膜の外側に露出し、それ自体が電極タブとして使用される。
望ましくは、電極組立体１００は、複数の巻回ターンのうち電極組立体１００の外周面で露出している最外郭の巻回ターンに位置する第１無地部１１０の露出曲面１１１を覆う絶縁部材５００を含む。
絶縁部材５００は、第１無地部１１０の対向面に接着層が形成された絶縁テープ５１０であり得る。すなわち、絶縁テープ５１０を第１無地部１１０に張り付けて第１無地部１１０を電気的に絶縁させることができる。
本発明者等の研究によれば、第１無地部１１０の絶縁のため、電極組立体１００の上側及び側面を同時に覆う絶縁キャップの使用が考えられる。すなわち、絶縁キャップが電極組立体１００の側面と集電板３００の上側をともに覆うように設けられ得る。
しかし、電極組立体１００の上側及び側面をともに覆う絶縁キャップの場合、組み立ての簡便化の面で有利であるものの、絶縁キャップを射出で製作するとき、射出の限界によって一定大きさ以下には製作し難いため、絶縁キャップが電池缶２００の内部で体積を多く占めることから、電極組立体１００の大きさを増加させるという限界がある。
実際、このような射出物の厚さは、薄く形成したとしても約０．２０～０．３０ｍｍ程度の厚さを有する。そして、電極組立体１００の大きさを増加させないと、全体バッテリーセルの容量を増加させることができないという短所がある。また、電池缶２００において絶縁キャップが配置された部分では電極組立体１００が固定される一方、絶縁キャップのない部分では電池缶２００と電極組立体１００との間に空間が生じて振動による問題が発生するおそれがある。
本発明の一実施形態による電極組立体１００は、絶縁キャップが持つ限界を克服するため、絶縁キャップに代替して絶縁テープ５１０を含む。これにより、絶縁部材５００が電池缶２００の内部で占める体積を減少させて電極組立体１００の大きさを増やすことができ、結果的にバッテリーセルの容量を増大させることができる。但し、このような説明によって本発明の円筒形バッテリーセル１０における絶縁キャップの使用が排除されることはない。
一形態において、絶縁テープ５１０は、一側のみに接着層が形成された片面テープであり得る。
代案的には、絶縁部材５００は、熱が加えられると収縮する熱収縮チューブから構成され得る。すなわち、熱収縮チューブを電極組立体１００に覆い被せた後、熱を加えると、熱収縮チューブが収縮しながら電極組立体１００に密着する。ここで、熱収縮チューブは、多様な種類の絶縁材料から設けられ得る。
絶縁部材５００は、第１無地部１１０の露出曲面１１１を覆うように露出曲面１１１の幅よりも広く形成され得る。第１無地部１１０が巻き取られるとき、最外側の巻回ターンで露出曲面１１１が形成されるが、絶縁部材５００は第１無地部１１０を覆うように第１無地部１１０の露出曲面１１１の幅よりも広く形成される。絶縁部材５００は、集電板３００と電池缶２００の上端の内側面との間の距離に対応する厚さを有し得、例えば絶縁部材５００は１００～５００μｍの厚さを有し得る。
絶縁部材５００は、第１無地部１１０の露出面を覆うように露出面の幅よりも広く形成され得る。第１無地部１１０は折り曲げられながら露出曲面１１１を形成する。絶縁部材５００は、第１無地部１１０の露出曲面１１１を覆うため、第１無地部１１０の露出曲面１１１の幅よりも広く形成される。絶縁テープ５１０はその厚さが特に制限されないが、１０μｍ以上５０μｍ以下の厚さを有し得る。
他の形態において、絶縁テープ５１０は、絶縁部材５００が電池缶２００と電極組立体１００との間で占める空間を減少させるように一層で電極組立体１００を覆うように設けられ得るが、これに限定されることはなく、短絡防止の面から一層以上で電極組立体１００を覆ってもよい。
絶縁テープ５１０は、電極組立体１００に貼り付けられるため、電極組立体１００から発生する熱による熱変形を防止する必要がある。したがって、絶縁テープ５１０は、電極組立体１００の発熱時に熱変形が防止されるように、熱変形温度の高い多様な材料から製造され得る。
例えば、絶縁テープ５１０は、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリプロピレン（ＰＰ）から製造され得る。但し、絶縁テープ５１０の材料が上記の材料に限定されることはない。
ここで、絶縁テープ５１０は、ポリイミドから製造された絶縁テープ５１０が第１無地部１１０の露出曲面１１１を覆うように設けられ得る。このとき、絶縁テープ５１０は熱変形温度の高いポリイミドのみを使用して電極組立体１００に貼り付けられ得る。
但し、ポリイミドの場合、熱変形温度は高いものの高価であるため、発熱が酷い部分である第１無地部１１０の露出曲面１１１はポリイミドから製造された絶縁テープ５１０で覆い、第１無地部１１０の露出曲面１１１と隣接した分離膜の露出曲面１１１は比較的に発熱が酷くないため、ポリイミドに比べて相対的に安価なポリエチレンテレフタレートから製造された絶縁テープ５１０で覆い得る。例えば、図３の第１部分５１１及び第２部分５１２はポリイミドから製造された絶縁テープ５１０で覆い、図３のＰ部分はポリエチレンテレフタレートから製造された絶縁テープ５１０で覆うように構成し得る。しかし、これは一例であるだけで、これに限定されることはない。
一方、第１無地部１１０の少なくとも一部区間は、電極組立体１００の巻取方向に沿って複数の分切片６１（図１２を参照）に分割され得る。ここで、複数の分切片６１は、電極組立体１００の半径方向に沿って、例えばコア側に折り曲げられ得る。
また、複数の分切片６１は、電極組立体１００の半径方向に沿って多重に重なる構造を有し得る。例えば、複数の分切片６１は、レーザーでノッチングされたものであり得る。分切片６１は、超音波切断や打ち抜きなどの公知の金属箔切断工程で形成し得る。分切片６１の構造について詳しくは後述する。
第１無地部１１０の折曲加工時に活物質層が損傷されることを防止するため、分切片６１同士の間の切断線下端と活物質層との間には所定のギャップを設けることが望ましい。第１無地部１１０が折り曲げられるとき、切断線下端付近に応力が集中されるためである。また、レーザー切断時にパターンを形成し難くなるためである。ギャップは０．２～４ｍｍであることが望ましい。ギャップが上記の数値範囲に調節されれば、第１無地部１１０の折曲加工時に生じる応力によって切断線下端付近の活物質層が損傷されることを防止できる。また、ギャップは、分切片６１のノッチングまたは切断時に公差による活物質層の損傷を防止することができる。
第１無地部１１０の折曲方向は、上述したように、例えば電極組立体１００の巻取中心に向かう方向であり得る。第１無地部１１０がこのように折り曲げられた形態を有する場合、第１無地部１１０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。また、第１無地部１１０と集電板３００との結合面積の増加により、追加的な結合力向上及び追加的な抵抗減少の効果を奏することができる。
第１無地部１１０のみを挙げて折曲及び重畳について上述したが、第２無地部１２０にも第１無地部１１０と同様の構造が適用され得ることは勿論である。
絶縁テープ５１０は、多様な方式で電極組立体１００に貼り付けられ得る。例えば、絶縁テープ５１０は、電極組立体１００の外周面の少なくとも一部分、及び電極組立体１００の上面の少なくとも一部分にともに貼り付けられ得る。
ここで、他の実施形態として電極組立体１００の上面に集電板３００が結合された場合は、絶縁テープ５１０は、電極組立体１００の外周面の少なくとも一部分、及び集電板３００の上面の少なくとも一部分にともに貼り付けられる。図３には、電極組立体１００の上面に集電板３００が結合され、集電板３００の上面に絶縁テープ５１０が張り付けられた実施形態が示されており、図９には、電極組立体１００の上面に絶縁テープ５１０が直接貼り付けられた実施形態が示されている。
図５を参照すると、絶縁テープ５１０が電極組立体１００の外周面全体を覆い、電極組立体１００の側面よりも高く集電板３００上に突出している。すなわち、絶縁テープ５１０は、電極組立体１００の外周面に貼り付けられる第１部分５１１と、第１部分５１１から延長され、第１部分５１１から折り曲げられて集電板３００の上面に貼り付けられる第２部分５１２とを含むように構成され得る。これと異なり、図９に示されたように、電極組立体１００の上面に第２部分５１２が張り付けられ、第２部分５１２の上面に集電板３００が結合されてもよい。
第１部分５１１と第２部分５１２とは、分離されて構成されてもよいが、一体的に形成されることが望ましい。但し、このような説明が本発明の権利範囲を限定することはない。
図７及び図９を参照すると、第１部分５１１は、第１無地部１１０の折り曲げられた複数の分切片６１の最外側の露出曲面１１１、及び露出曲面１１１と隣接した分離膜の少なくとも一部を覆うように設けられる。そして、第２部分５１２は、電極組立体１００の上面に貼り付けられるかまたは集電板３００の上面に張り付けられて、第１無地部１１０の折り曲げられた複数の分切片の上面部分を覆うように設けられる。
第１部分５１１は、第２部分５１２よりも大きく設けられ得る。但し、第１部分５１１及び第２部分５１２がこのような大きさで限定されることはない。代案的な実施形態において、第１部分５１１が電極組立体１００の側面全体を覆ってもよい。したがって、図３において、Ｐ部分を覆う絶縁テープも第１部分５１１に含まれ得る。
第１部分５１１は、第１無地部１１０の露出曲面１１１を覆う部分の大きさが分離膜を覆う部分の大きさより小さいかまたは同一に設けられ得るが、これに限定されることはない。
図６を参照すると、第２部分５１２が第１部分５１１から図６の矢印Ｘ方向に沿って折り曲げられて、図７のように第２部分５１２が集電板３００の上面に貼り付けられ得る。
図５～図７では絶縁テープ５１０の第１部分５１１が電極組立体１００の側面全体を覆っているが、これに限定されることはなく、絶縁テープ５１０が電極組立体１００の側面の一部を覆うように設けられてもよい。
一方、他の実施形態として図８を参照すると、絶縁テープ５１０の第２部分５１２に少なくとも一つの切欠部５１５が形成され得る。このように、絶縁テープ５１０の第２部分５１２に切欠部５１５が形成されると、第２部分５１２を第１部分５１１から容易に折り曲げることができる。ここで、切欠部５１５の下端は第１無地部１１０の折曲面よりも高く位置し得る。
上述した本発明の一実施形態による電極組立体１００は、円筒形バッテリーセル１０に適用可能である。
望ましくは、円筒形バッテリーセル１０は、例えばフォームファクタの比（円筒型バッテリーセルの直径を高さで除した値、すなわち高さ（Ｈ）対比直径（Φ）の比で定義される）が約０．４よりも大きい円筒形バッテリーセル１０であり得る。
ここで、フォームファクタ（ｆｏｒｍ ｆａｃｔｏｒ）とは、円筒形バッテリーセル１０の直径及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１０は、例えば４６１１０セル、４８７５０セル、４８１１０セル、４８８００セル、４６８００セルであり得る。フォームファクタを示した数値において、前方の二桁はセルの直径を示し、その後の二桁はセルの高さを示し、最後の数字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、高さが約１１０ｍｍであり、フォームファクタの比が０．４１８である円筒形バッテリーセル１０であり得る。
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、高さが約７５ｍｍであり、フォームファクタの比が０．６４０である円筒形バッテリーセル１０であり得る。
さらに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、高さが約１１０ｍｍであり、フォームファクタの比が０．４１８である円筒形バッテリーセル１０であり得る。
さらに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、高さが約８０ｍｍであり、フォームファクタの比が０．６００である円筒形バッテリーセル１０であり得る。
さらに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、高さが約８０ｍｍであり、フォームファクタの比が０．５７５である円筒形バッテリーセル１０であり得る。
従来、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る。すなわち、従来は、例えば１８６５０セル、２１７００セルなどが用いられている。１８６５０セルの場合、直径が約１８ｍｍであり、高さが約６５ｍｍであり、フォームファクタの比が０．２７７である。２１７００セルの場合、直径が約２１ｍｍであり、高さが約７０ｍｍであり、フォームファクタの比が０．３００である。
図２及び図３を参照すると、本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセル１０は、電極組立体１００、円筒形の電池缶２００、集電板３００、セル端子４００、及び絶縁部材５００を含む。
電極組立体１００は、シート状の第１電極集電体及び第２電極集電体が分離膜を介在した状態で一方向に巻き取られるように設けられる。第１電極集電体は、正または負の極性を有し得、第２電極集電体は第１電極集電体と反対極性を有する。すなわち、第１電極集電体は正極板または負極板であり得、第２電極集電体は第１電極集電体と反対極性になる負極板または正極板であり得る。但し、以下では説明の便宜上、第１電極集電体が正極板であり、第２電極集電体が負極板である場合を中心にして説明する。一方、電極組立体１００についての詳細な説明は上述した説明で代替する。
電極組立体１００には上述した絶縁部材５００が結合され得る。絶縁部材５００は絶縁テープ５１０として設けられ、電極組立体１００の側面及び上面、または、電極組立体１００の側面及び集電板３００の上面に結合され得る。
第１電極集電体には、一面または両面上に第１電極活物質が塗布されている。そして、第１電極集電体の端部には、第１電極活物質が塗布されていない第１無地部１１０が存在する。
第２電極集電体には、一面または両面上に第２電極活物質が塗布されている。そして、第２電極集電体の端部には、第２電極活物質が塗布されていない第２無地部１２０が存在する。
そして、第１電極集電体の第１無地部１１０と第２電極集電体の第２無地部１２０とは反対方向に向かうように設けられる。第１無地部１１０は電池缶２００の閉鎖部２１０に向かって延長され、第２無地部１２０は電池缶２００の開放部２２０に向かって延長される。
本発明において、正極板にコーティングされる正極活物質及び負極板にコーティングされる負極活物質は当業界に公知の活物質であれば制限なく使用され得る。
一例として、正極活物質は、一般化学式Ａ［ＡｘＭｙ］Ｏ２＋ｚ（ＡはＬｉ、Ｎａ及びＫのうちの少なくとも一つの元素を含む；ＭはＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｒｕ及びＣｒから選択された少なくとも一つの元素を含む；ｘ≧０、１≦ｘ＋ｙ≦２、－０．１≦ｚ≦２；化学量論係数ｘ、ｙ及びｚ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み得る。
他の例として、正極活物質は、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一つの元素を含む；Ｍ２は平均酸化状態４を有する少なくとも一つの元素を含む；０≦ｘ≦１）であり得る。
さらに他の例として、正極活物質は、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及びＡｌから選択された少なくとも一つの元素を含む；Ｍ２はＴｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｎｄ、Ａｌ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｖ及びＳから選択された少なくとも一つの元素を含む；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；化学量論係数ａ、ｘ、ｙ及びｚ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及びＡｌから選択された少なくとも一つの元素を含む］で表されるリチウム金属ホスフェートであり得る。
望ましくは、正極活物質は、一次粒子及び／または一次粒子が凝集した二次粒子を含み得る。
一例において、負極活物質としては、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、スズまたはスズ化合物などを使用し得る。電位が２Ｖ未満であるＴｉＯ２、ＳｎＯ２のような金属酸化物も負極活物質として使用可能である。炭素材としては、低結晶性炭素、高結晶性炭素などがいずれも使用され得る。
分離膜としては、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で製造した多孔性高分子フィルムを、単独でまたはこれらを積層して使用し得る。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得る。
分離膜の少なくとも一面には、無機物粒子のコーティング層を含み得る。また、分離膜自体が無機物粒子のコーティング層からなってもよい。コーティング層を構成する粒子は、隣接する粒子同士の間にインタースティシャル・ボリューム（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得る。
無機物粒子は、誘電率が５以上である無機物からなり得る。非制限的な例として、無機物粒子は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）、Ｐｂ１－ｘＬａｘＺｒ１－ｙＴｉｙＯ３（ＰＬＺＴ）、ＰＢ（Ｍｇ３Ｎｂ２／３）Ｏ３－ＰｂＴｉＯ３（ＰＭＮ－ＰＴ）、ＢａＴｉＯ３、ハフニア（ＨｆＯ２）、ＳｒＴｉＯ３、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、ＣｅＯ２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｎＯ及びＹ２Ｏ３からなる群より選択された少なくとも一つの物質を含み得る。
電解質は、Ａ＋Ｂ－のような構造の塩であり得る。ここで、Ａ＋は、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋のようなアルカリ金属陽イオンまたはこ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－及び（ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ２）２Ｎ－からなる群より選択されたいずれか一つ以上の陰イオンを含む。
また、電解質は、有機溶媒に溶解させて使用し得る。有機溶媒としては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ－ブチロラクトンまたはこれらの混合物が使用され得る。
電池缶２００は、円筒形であって電極組立体１００が収納され、電極組立体１００の第２電極集電体と電気的に接続される。これにより、電池缶２００は、第２電極集電体と同じ極性を有し得る。すなわち、第２電極集電体が負の極性を有すると、電池缶２００も負の極性を有する。
ここで、電池缶２００の直径は電極組立体１００の直径よりも大きく形成され、電池缶２００と電極組立体１００との間には予め設定された大きさの間隔が設けられ、図３のように、絶縁部材５００は第１部分５１１が前記間隔に介在されるように設けられ得る。
もし、電池缶２００の大きさが規格に従って決められた状態で電極組立体１００の大きさを増加させると、バッテリーセルの全体容量は増加する一方、電池缶２００と電極組立体１００との間の間隔は減少する。
すなわち、バッテリーセルの全体容量を増加させるため電極組立体１００の大きさを増加させれば電池缶２００と電極組立体１００との間の間隔が減少するため、バッテリーセルの容量増加のためには電池缶２００と電極組立体１００との間の減少した間隔に絶縁部材５００が介在されねばならず、そのためには絶縁部材５００の厚さが最大限に薄いことが望ましい。
図４を参照すると、電池缶２００には対向して位置する閉鎖部２１０及び開放部２２０がそれぞれ形成され得る。
例えば、図４を基準にして、電池缶２００の下部には開放部２２０が形成され得る。電池缶２００は、下部に形成された開放部２２０から電極組立体１００が収容され、電解質も電池缶２００の下部に形成された開放部２２０を通して注入される。
すなわち、電池缶２００は、下部に開放部２２０が形成された略円筒形の収容体であって、例えば金属のような導電性を有する材料からなる。電池缶２００の材料は、導電性を有する金属、例えばアルミニウム、鋼鉄、ステンレス鋼などであり得るが、これに限定されることはない。
また、図４を基準にして、電池缶２００の上部には閉鎖部２１０が形成され得る。閉鎖部２１０には貫通孔２１１が形成され、図３のようにセル端子４００が貫通孔２１１に結合され得る。
図３を参照すると、閉鎖部２１０と集電板３００との間に絶縁板６００が介在され得る。例えば、絶縁板６００は、上述した絶縁テープ５１０の上側に配置され得る。ここで、絶縁部材５００、すなわち、絶縁テープ５１０の上側に絶縁板６００が備えられる場合、設計の自由度が高くなって射出性も向上する。
絶縁板６００は、第１無地部１１０と電池缶２００との接触、集電板３００と電池缶２００との接触を防止する。すなわち、絶縁板６００は、電池缶２００の内部に収容され、電極組立体１００の少なくとも一部を覆い、第１無地部１１０と電池缶２００との電気的接続を遮断するように構成される。したがって、前記絶縁板６００は、絶縁性を有する材料からなり得る。例えば、絶縁板６００は、絶縁ポリマー材料を含み得るが、これに限定されることはない。
絶縁板６００は、絶縁テープ５１０とともに、第１無地部１１０と電池缶２００との接触、及び集電板３００と電池缶２００との接触を防止することができる。
絶縁板６００は、例えば弾性を有する材料を含み得る。したがって、円筒形バッテリーセル１０に振動または外部衝撃が加えられる場合、絶縁板６００は弾性によって圧縮されてから再び元の状態に戻る過程で衝撃を吸収することができる。これにより、バッテリーセルに振動または外部衝撃が加えられても、バッテリーセルの内部構成要素の損傷を最小化することができる。
絶縁板６００は、中心部に予め設定された直径を有する中心孔を備え得る。例えば絶縁板６００は、巻取中心に隣接するように略円形の中心孔を備え得る。中心孔の存在により、セル端子４００が集電板３００または第１無地部１１０と接触可能な状態になる。
電池缶２００の下部にはビーディング部２４０及びクリンピング部２５０が形成され得る。ビーディング部２４０は、電池缶２００の開放部２２０に隣接した領域で電池缶２００の外周面の周りが内側に押し込まれて形成される。
ビーディング部２４０は、電池缶２００の幅と略対応するサイズを有する電極組立体１００が電池缶２００の下部に形成された開放部２２０から抜け出ないように電極組立体１００を支持し、キャッププレート２３０が載置される支持部としても機能することができる。また、ビーディング部２４０は、密封ガスケット２６０の外周面を支持する。
クリンピング部２５０は、電池缶２００の内側に延長されて折り曲げられ、密封ガスケット２６０とともにキャッププレート２３０の周縁を包んで固定するように設けられる。ここで、クリンピング部２５０は、電池缶２００の配置状態を基準にして電池缶２００の下部に形成される。例えば、図３のようにセル端子４００が上部に位置するように電池缶２００が配置された場合、クリンピング部２５０は図３を基準にして電池缶２００の下部に形成される。そして図３のように、クリンピング部２５０はビーディング部２４０の下部に形成される。
但し、本発明は、電池缶２００がビーディング部２４０及びクリンピング部２５０の少なくとも一つを備えない場合を排除しない。本発明において、電池缶２００がビーディング部２４０及びクリンピング部２５０の少なくとも一つを備えない場合、電極組立体１００の固定、キャッププレート２３０の固定、または電池缶２００の密封は、電極組立体１００に対するストッパとして機能可能な部品の追加的な適用、キャッププレート２３０が載置可能な構造物の追加的な適用、及び電池缶２００とキャッププレート２３０との溶接のうちの少なくとも一つを通じて実現可能である。
図３を基準にして、クリンピング部２５０はビーディング部２４０の下部に形成される。クリンピング部２５０は、ビーディング部２４０の下部に配置されるキャッププレート２３０の周縁を包むように延長され折り曲げられた形態を有する。このように折り曲げられたクリンピング部２５０の形状によってキャッププレート２３０がビーディング部２１上に固定される。勿論、クリンピング部２５０を省略し、他の固定構造を通じてキャッププレート２３０が電池缶２００の開放部を覆いながら固定されるようにしてもよい。例えば、本出願人による韓国特許公開第１０－２０１９－００３００１６号公報にはビーディング部が省略された円筒形電池セルが開示されており、このような構造が本発明に採用されてもよい。
集電板３００は、電極組立体１００の上部で第１電極集電体と電気的に接続される。集電板３００は、導電性を有する金属材料からなり、電極組立体１００の第１無地部１１０と連結される。
集電板３００は、第１無地部１１０の端部が集電板３００と平行な方向に折り曲げられて形成された結合面の上部に結合され得る。第１無地部１１０の折曲方向は、例えば電極組立体１００の巻取中心に向かう方向であり得る。
第１無地部１１０がこのように折り曲げられた形態を有する場合、第１無地部１１０の占有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。また、第１無地部１１０と集電板３００との間の結合面積の増加によって結合力向上及び抵抗減少の効果を奏することができる。
セル端子４００は、導電性を有する金属材料からなり、電池缶２００の閉鎖部２１０に形成された貫通孔２１１に結合されて集電板３００と電気的に接続される。そして、セル端子４００は、集電板３００を通じて電極組立体１００の第１電極集電体と電気的に連結され、これにより正の極性を有する。すなわち、セル端子４００は第１電極端子である正極端子として機能する。そして、電池缶２００は、上述したように電極組立体１００の第２電極集電体と電気的に接続され、これにより負の極性を有する。
セル端子４００は端子挿入部４１０を備え得る。端子挿入部４１０は、電池缶２００の閉鎖部２１０に形成された貫通孔２１１を通って電池缶２００内に挿入され、下端部が第１無地部１１０と電気的に接続され得る。
端子挿入部４１０は、電池缶２００及び絶縁板６００を同時に貫通して集電板３００または第１無地部１１０と結合し得る。端子挿入部４１０の下端縁部がカシメ（ｃａｕｌｋｉｎｇ）治具によって押し付けられて電池缶２００の上端の内側面に向かってリベッティングされながら貫通孔に固定され得る。
すなわち、端子挿入部４１０の下端縁部はカシメ治具の適用によって電池缶２００の内側面に向かって曲げられた形態を有し得る。これにより、端子挿入部４１０の端部の最大幅は、端子挿入部４１０の貫通のために形成された電池缶２００の孔の最大幅よりも広く形成され得る。
一方、他の実施形態として、端子挿入部４１０は電池缶２００の内側面に向かって曲げられた形態ではなくてもよい。例えば、図１０を参照すると、端子挿入部４１０は電池缶２００の上面の略中心部に位置した孔を貫通する略円筒形状であり得る。
本発明の一実施形態において、端子挿入部４１０はその平面形状が円形であり得るが、これに限定されない。端子挿入部４１０は、選択的に多角形、星形状、中央から延長される脚を備える形状などであり得る。
セル端子４００の端子挿入部４１０は絶縁板６００の中心孔を貫通し得る。そして、絶縁板６００の中心孔の直径は、端子挿入部４１０の直径よりも大きいかまたは同一であり得る。そして、セル端子４００の端子挿入部４１０は、絶縁板６００の中心孔を貫通して集電板３００と電気的に結合され得る。
絶縁部材５００は、電池缶２００と電極組立体１００との間に介在される。絶縁部材５００についての具体的な説明において、上述した本発明の一実施形態による電極組立体１００の絶縁部材５００についての説明と共通する説明は上述した説明で代替し、説明されていない部分を中心に説明する。
本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセル１０において、集電板３００の位置に応じたそれぞれの実施形態を説明する。
まず、図３のように、第１無地部１１０の折り曲げられた複数の分切片６１の上面部分に集電板３００が結合された場合について説明する。この場合、絶縁テープ５１０の第２部分５１２は、第１無地部１１０ではなく、集電板３００の上面を覆う。
すなわち、絶縁テープ５１０が第１部分５１１及び第２部分５１２から構成される場合、絶縁テープ５１０の第１部分５１１は電極組立体１００の側面、例えば第１無地部１１０の折り曲げられた複数の分切片の最外側の露出曲面１１１部分、及びそれに隣接した分離膜の少なくとも一部を覆う。そして、第２部分５１２は、第１無地部１１０の折り曲げられた複数の分切片６１の上面部分に結合された集電板３００の上面に結合され、少なくとも集電板３００の縁端部分を覆う。これにより、絶縁テープ５１０が第１無地部１１０及び集電板３００を電池缶２００から電気的に絶縁させることができる。第２部分５１２が第１部分５１１から延長される構造は上述した説明で代替する。
望ましくは、絶縁テープ５１０は、第１無地部１１０の折り曲げられた複数の分切片６１の最外側の露出曲面１１１から折り曲げられて集電板３００の上面に結合され得る。
集電板３００は、多様な種類の溶接によって第１無地部１１０の分切片６１の折曲面に結合され得る。図１１を参照すると、集電板３００には第１無地部１１０の分切片６１と溶接される溶接部３１０が形成されるが、絶縁テープ５１０の第２部分５１２は、溶接部３１０と干渉しないように、溶接部３１０の外側縁に当接するか、または、前記外側縁から離隔して集電板３００の上側に結合され得る。
一方、他の実施形態として、図９を参照して、第１無地部１１０の折り曲げられた複数の分切片６１の上面部分に絶縁テープ５１０の第２部分５１２が結合され、絶縁テープ５１０の第２部分５１２の上側に集電板３００が結合された場合について説明する。
第２部分５１２は、第１部分５１１から延長され、第１部分５１１から折り曲げられて第１無地部１１０の複数の分切片６１の折曲面に貼り付けられる。そして、集電板３００は絶縁テープ５１０の第２部分５１２の上側に配置される。集電板３００と電池缶２００との間には絶縁板６００が介在され、集電板３００と電池缶２００とが絶縁し得る。
キャッププレート２３０は、電池缶２００の開放部２２０を密閉するように構成される。キャッププレート２３０は、剛性を確保するため、例えば金属材料からなり得る。
キャッププレート２３０は、電池缶２００の下端に形成された開放部２２０を密閉する。キャッププレート２３０は、電極組立体１００から分離して無極性で設けられ得る。すなわち、キャッププレート２３０は、導電性を有する金属材料からなる場合にも極性を持たない。キャッププレート２３０が極性を持たないとは、キャッププレート２３０が電池缶２００及びセル端子４００と電気的に絶縁されていることを意味する。このように、キャッププレート２３０は、極性を持たなくてもよく、その材料が必ずしも導電性金属である必要もない。
キャッププレート２３０は、電池缶２００に形成されたビーディング部２４０上に載置されて支持され得る。また、キャッププレート２３０はクリンピング部２５０によって固定される。キャッププレート２３０と電池缶２００のクリンピング部２５０との間には、電池缶２００の気密性を確保するため、密封ガスケット２６０が介在され得る。すなわち、密封ガスケット２６０は、キャッププレート２３０の周縁と電池缶２００の開放部２２０との間に介在され得る。
一方、本発明の電池缶２００は、ビーディング部２４０及びクリンピング部２５０の少なくとも一つを備えなくてもよく、この場合、密封ガスケット２６０は、電池缶２００の気密性を確保するため、電池缶２００の開放部２２０側に備えられた固定のための構造物とキャッププレート２３０との間に介在され得る。
ベンティングノッチ２３１は、電池缶２００の内圧が臨界値を超えたときに破裂するように、キャッププレート２３０に形成され得る。
例えば、ベンティングノッチ２３１は、キャッププレート２３０の両面に形成され得、キャッププレート２３０の表面で連続的な円形パターン、不連続的な円形パターン及び直線パターンのうちの少なくとも一つのパターンで形成され得る。また、ベンティングノッチ２３１は多様な他のパターンで形成されてもよい。
ベンティングノッチ２３１は、電池缶２００の配置状態を基準にして電池缶２００の下部に形成され、ベンティングノッチ２３１が破裂したとき、電池缶２００内部のガスが電池缶２００の下側から排出されるように設けられ得る。
例えば、図３のようにセル端子４００が上部に位置するように電池缶２００が配置された場合、ベンティングノッチ２３１は図３を基準にして電池缶２００の下部に形成され得る。
ベンティングノッチ２３１は、キャッププレート２３０において周辺領域と比べて厚さの薄い領域で形成され得る。
ベンティングノッチ２３１は周辺領域と比べて薄いため、周辺領域よりも破断し易く、電池缶２００の内圧が一定水準以上に増加すれば、ベンティングノッチ２３１が破断して電池缶２００の内部に発生したガスが排出される。
例えば、ベンティングノッチ２３１は、キャッププレート２３０の一面または両面上にノッチング（ｎｏｔｃｈｉｎｇ）を通じて部分的に電池缶２００の厚さを減らすことで形成し得る。
本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセル１０は、上部に正極端子及び負極端子がすべて存在する構造を有するため、上部の構造が下部の構造よりも複雑である。
したがって、電池缶２００の内部で発生したガスの円滑な排出のため、円筒形バッテリーセル１０の下面を構成するキャッププレート２３０にベンティングノッチ２３１が形成され得る。
このように円筒形バッテリーセル１０に備えられた電池缶２００の内部で発生したガスが下側から排出されると、ユーザの安全の面でも有利である。例えば、円筒形バッテリーセル１０が電気自動車の運転席の直下に配置された場合、ガスが上側に排出されれば、運転者の安全事故につながる危険性がある。
しかし、本発明の一実施形態による円筒形バッテリーセル１０のようにガスが電池缶２００の下側に排出されると、円筒形バッテリーセル１０が電気自動車の運転席の直下に配置されても上記のような問題が生じない。
図３を参照すると、キャッププレート２３０の下端部は、電池缶２００の下端部よりも上方に配置されることが望ましい。この場合、電池缶２００の下端部が地面に接するかまたはモジュールやパック構成のためのハウジングの底面に接しても、キャッププレート２３０は地面またはモジュールやパック構成のためのハウジングの底面に接しない。
したがって、円筒形バッテリーセル１０の重量によってベンティングノッチ２３１の破断に要求される圧力が設計値から変わる現象を防止でき、これによりベンティングノッチ２３１の破断円滑性を確保できる。
図３を参照すると、下部集電板７００は電極組立体１００の下部に結合される。下部集電板７００は、アルミニウム、鋼鉄、銅、ニッケルなどの導電性を有する金属材料からなり、第２電極集電体の第２無地部１２０と電気的に接続される。
望ましくは、下部集電板７００は電池缶２００と電気的に接続される。そのため、下部集電板７００は、縁端部の少なくとも一部が電池缶２００の内側面と密封ガスケット２６０との間に介在されて固定され得る。
一形態として、下部集電板７００の縁端部の少なくとも一部は電池缶２００の下端に形成されたビーディング部２４０の下端面に支持された状態で溶接によってビーディング部２４０に固定され得る。変形形態として、下部集電板７００の縁端部の少なくとも一部は電池缶２００の内壁面に直接溶接され得る。
望ましくは、下部集電板７００においてビーディング部との結合部分を除いた他の部分の少なくとも一部は、第２無地部１２０の折曲面に溶接、例えばレーザー溶接を通じて結合され得る。
例えば、下部集電板７００は、縁端の少なくとも一部がビーディング部２４０の上面及び下面のうちのクリンピング部２５０に隣接した面に電気的に結合され得る。
一方、本発明の一実施形態による電極組立体１００は、第１電極集電体及び第２電極集電体を含み、第１電極集電体は第１無地部を含み、第２電極集電体は第２無地部を含み得る。そして、第１無地部及び／または第２無地部の少なくとも一部区間は複数の分切片に分割され得る。以下、分切片の構造について詳しく説明する。
図１２を参照すると、電極板６０の無地部４３において、コア側無地部Ｂ１及び外周側無地部Ｂ３の高さは０以上であり、且つ、中間無地部Ｂ２よりも相対的に低い。また、コア側無地部Ｂ１の高さと外周側無地部Ｂ３の高さとは同一であるかまたは異なり得る。
望ましくは、中間無地部Ｂ２は、少なくとも一部区間が複数の分切片６１を含み得る。複数の分切片６１は、コア側から外周側に向かって高さが段階的に増加し得る。
分切片６１はレーザーでノッチングされたものであり得る。分切片６１は、超音波切断や打ち抜きなどの公知の金属箔切断工程で形成し得る。
図１２において、無地部４３の折曲加工時に活物質層４２及び／または絶縁コーティング層４４が損傷されることを防止するため、分切片６１同士の間の切断線下端（図１３のＣ４）と活物質層４２との間に所定のギャップを設けることが望ましい。無地部４３が折り曲げられるとき、切断線下端付近に応力が集中されるためである。ギャップは０．２～４ｍｍであることが望ましい。ギャップが上記の数値範囲に調節されれば、無地部４３の折曲加工時に生じる応力によって切断線下端付近の活物質層４２及び／または絶縁コーティング層４４が損傷されることを防止できる。また、ギャップは、分切片６１のノッチングまたは切断時に公差による活物質層４２及び／または絶縁コーティング層４４の損傷を防止することができる。望ましくは、電極板６０が巻き取られたとき、絶縁コーティング層４４の少なくとも一部は分離膜の外側に露出し得る。この場合、分切片６１が折り曲げられるとき、絶縁コーティング層４４が折曲地点を支持可能である。
複数の分切片６１は、コア側から外周側に向かって複数の分切片グループを成し得る。同一分切片グループに属した分切片の幅、高さ及び離隔ピッチのうちの少なくとも一つは実質的に同一であり得る。
図１３は、本発明の実施形態による分切片６１の幅、高さ及び離隔ピッチの定義を示した図である。
図１３を参照すると、分切片６１の幅Ｃ１、高さＣ２及び離隔ピッチＣ３は、無地部４３の折曲加工時に無地部４３が破れることを防止し且つ溶接強度を向上させるため、無地部４３の重畳層数を十分に増加させながら無地部４３の異常な変形を防止できるように設計される。異常な変形とは、折曲地点の下部の無地部が直線状態を維持できずに崩れて不規則に変形されることを言う。
望ましくは、分切片６１の幅Ｃ１は１ｍｍ～６ｍｍの範囲で調節され得る。Ｃ１が１ｍｍ未満であると、分切片６１がコア側に折り曲げられたとき、溶接強度を十分に確保可能な程度に重ならない領域または空いた空間（間隙）が発生する。一方、Ｃ１が６ｍｍを超えると、分切片６１が折り曲げられるとき、折曲地点付近の無地部４３が応力によって破れるおそれがある。
また、分切片６１の高さは２ｍｍ～１０ｍｍの範囲で調節され得る。Ｃ２が２ｍｍ未満であると、分切片６１がコア側に折り曲げられたとき、溶接強度を十分に確保可能な程度に重ならない領域または空いた空間（間隙）が発生する。一方、Ｃ２が１０ｍｍを超えると、巻取方向Ｘにおける無地部の平坦度を均一に維持しながら電極を製造することが困難である。すなわち、無地部が高くなってうねり（ｓｗｅｌｌ）が生じる。また、分切片６１の離隔ピッチＣ３は０．０５ｍｍ～１ｍｍの範囲で調節され得る。Ｃ３が０．０５ｍｍ未満であると、分切片６１が折り曲げられるとき、応力によって折曲地点付近の無地部４３が破れるおそれがある。一方、Ｃ３が１ｍｍを超えると、分切片６１が折り曲げられたとき、溶接強度を十分に確保可能な程度に分切片６１が重ならないか、または、空いた空間（間隙）が発生するおそれがある。
図１３を参照すると、巻取方向Ｘにおいて隣接する分切片６１同士の間には切断部６２が介在される。切断部６２は、無地部４３が除去されながら生じた空間に該当する。望ましくは、切断部６２の下端の角部分はラウンド形状（部分拡大を参照）になり得る。ラウンド形状は、電極板６０の巻取及び／または分切片６１の折曲時に切断部６２の下端に印加される応力を緩和させることができる。
図１２をさらに参照すると、コア側無地部Ｂ１の幅ｄＢ１は、中間無地部Ｂ２の分切片６１をコア側に折り曲げたとき、電極組立体のコアの空洞を塞がない条件を適用して設計する。
一例として、コア側無地部Ｂ１の幅ｄＢ１は、グループ１の分切片６１の折曲長さに比例して増加し得る。折曲長さは折曲地点（図１３の６３）を基準にした分切片６１の高さに該当する。図１３を参照すると、Ｃ４は折曲可能な位置の最低地点を示す。折曲地点はＣ４で示された位置またはＣ４の上側に適切に設定され得る。折曲長さは、折曲地点から分切片６１の上端までの長さである。具体的には、折曲地点は、Ｃ４を基準にして分切片６１の高さＣ２の所定地点に設定され得る。所定地点は、分切片６１の折曲時に生じる応力が活物質層４２や絶縁コーティング層４４に物理的損傷を起こすことを防止し、分切片６１が電極組立体の半径方向に折り曲げられるとき半径方向に重なる層数を十分に確保することで、分切片６１の折曲領域に集電板を溶接したとき十分な溶接強度が確保できるように設定され得る。
具体的な例において、電極板６０がフォームファクタ４６８００の円筒形セルの電極組立体を製造するのに使用される場合、コア側無地部Ｂ１の幅ｄＢ１は電極組立体のコアの直径に応じて１８０ｍｍ～３５０ｍｍに設定され得る。
一例において、各分切片グループの幅は、電極組立体の同一巻回ターンを構成するように設計され得る。
ここで、巻回ターンは、電極板６０が巻き取られた状態であるとき、コア側無地部Ｂ１の端部を基準にして計数し得る。
他の例において、各分切片グループの幅は、電極組立体の少なくとも一つの巻回ターンを構成するように設計され得る。
さらに他の例において、同一分切片グループに属した分切片６１の幅及び／または高さ及び／または離隔ピッチは、グループ内で徐々に及び／または段階的に及び／または不規則的に増加または減少し得る。
グループ１～グループ８は分切片グループの一例に過ぎない。グループの個数、各グループに含まれる分切片６１の個数、及びグループの幅は、無地部４３の折曲過程で応力を最大限に分散させ、溶接強度を十分に確保できるように、分切片６１が多重に重なるように好適に調節され得る。
他の例において、外周側無地部Ｂ３の高さは徐々にまたは段階的に減少し得る。
さらに他の例において、中間無地部Ｂ２の分切構造は、外周側無地部Ｂ３まで拡張可能である（点線を参照）。この場合、外周側無地部Ｂ３も中間無地部Ｂ２と同様に、複数の分切片を含み得る。この場合、外周側無地部Ｂ３の分切片は、幅及び／または高さ及び／または離隔ピッチが中間無地部Ｂ２よりも大きくなり得る。選択的には、外周側無地部Ｂ３の分切構造は、中間無地部Ｂ２の最外側にある分切片グループと実質的に同一であり得る。
具体的な具現例において、電極板６０がフォームファクタ４６８００の円筒形セルの電極組立体を製造するのに使用される場合、コア側無地部Ｂ１の幅ｄＢ１は１８０ｍｍ～３５０ｍｍであり得る。グループ１の幅はコア側無地部Ｂ１の幅対比３５％～４０％であり得る。グループ２の幅はグループ１の幅対比１３０％～１５０％であり得る。グループ３の幅はグループ２の幅対比１２０％～１３５％であり得る。グループ４の幅はグループ３の幅対比８５％～９０％であり得る。グループ５の幅はグループ４の幅対比１２０％～１３０％であり得る。グループ６の幅はグループ５の幅対比１００％～１２０％であり得る。グループ７の幅はグループ６の幅対比９０％～１２０％であり得る。グループ８の幅はグループ７の幅対比１１５％～１３０％であり得る。外周側無地部Ｂ３の幅ｄＢ３はコア側無地部Ｂ１の幅と同様に１８０ｍｍ～３５０ｍｍであり得る。
グループ１～グループ８の幅が一定の増加または減少パターンを見せない理由は、分切片の幅はグループ１からグループ８に行くほど徐々に増加するが、グループ内に含まれる分切片の個数は整数個に制限されるためである。したがって、特定の分切片グループでは分切片の個数が減少し得る。したがって、グループの幅は、コア側から外周側に向かって上記の例示のように不規則な変化様相を示し得る。
すなわち、電極組立体の円周方向において連続して隣接する三つの分切片グループのそれぞれに対する巻取方向の幅をそれぞれＷ１、Ｗ２及びＷ３としたとき、Ｗ２／Ｗ１よりもＷ３／Ｗ２が小さい分切片グループの組み合わせを含み得る。
上述した具体的な例において、グループ４～グループ６がこれに該当する。グループ４に対するグループ５の幅比率は１２０％～１３０％であり、グループ５に対するグループ６の幅比率は１００％～１２０％であって、その値が１２０％～１３０％よりも小さい。
図１４を参照すると、電極板７０は、図１２と比べて分切片６１’の形状が四角形から台形に変更された点を除き、他の構成は実質的に同一である。
図１５は、台形状の分切片６１’の幅、高さ及び離隔ピッチの定義を示した図である。
図１５を参照すると、分切片６１’の幅Ｄ１、高さＤ２及び離隔ピッチＤ３は、無地部４３の折曲加工時に折曲地点付近の無地部４３が破れることを防止し且つ十分な溶接強度を確保するため、無地部４３の重畳層数を十分に増加させながら無地部４３の異常な変形を防止できるように設計される。
望ましくは、分切片６１’の幅Ｄ１は１ｍｍ～６ｍｍの範囲で調節され得る。Ｄ１が１ｍｍ未満であると、分切片６１’がコア側に折り曲げられたとき、溶接強度を十分に確保可能な程度に分切片６１’が重ならない領域または空いた空間（間隙）が発生するおそれがある。一方、Ｄ１が６ｍｍを超えると、分切片６１が折り曲げられるとき、折曲地点付近の無地部４３が応力によって破れるおそれがある。また、分切片６１’の高さは２ｍｍ～１０ｍｍの範囲で調節され得る。Ｄ２が２ｍｍ未満であると、分切片６１’がコア側に折り曲げられたとき、溶接強度を十分に確保可能な程度に分切片６１’が重ならない領域または空いた空間（間隙）が発生するおそれがある。一方、Ｄ２が１０ｍｍを超えると、巻取方向における無地部４３の平坦度を均一に維持しながら電極集電体を製造することが困難である。また、分切片６１’の離隔ピッチＤ３は０．０５ｍｍ～１ｍｍの範囲で調節され得る。Ｄ３が０．０５ｍｍ未満であると、分切片６１’が折り曲げられるとき、応力によって折曲地点Ｄ４付近の無地部４３が破れるおそれがある。一方、Ｄ３が１ｍｍを超えると、分切片６１’が折り曲げられたとき、溶接強度を十分に確保可能な程度に分切片６１’が重ならない領域または空いた空間（間隙）が発生するおそれがある。
巻取方向Ｘにおいて隣接する分切片６１’同士の間には切断部６２が介在される。切断部６２は、無地部４３が除去されながら生じた空間に該当する。望ましくは、切断部６２の下端の角部分はラウンド形状（部分拡大を参照）になり得る。ラウンド形状は、分切片６１’の折曲時に応力を緩和させることができる。
図１４及び図１５を参照すると、複数の分切片６１’はコア側から外周側に向かって徐々に台形の下部内角θが増加し得る。電極組立体の半径が増加すれば、曲率が増加する。もし、分切片６１’の下部内角θが電極組立体の半径の増加とともに増加すれば、分切片６１’が折り曲げられるとき半径方向及び円周方向で生じる応力を緩和させることができる。また、下部内角θが増加すれば、分切片６１’が折り曲げられたとき内側の分切片６１’と重なる面積及び重畳層数もともに増加することで、半径方向及び円周方向で溶接強度を均一に確保でき、折曲面を平坦に形成することができる。
一例において、電極板７０がフォームファクタ４６８００の円筒形セルの電極組立体を製造するのに使用される場合、電極組立体の半径が４ｍｍから２２ｍｍまで増加するとき、分切片６１’の内角は６０°～８５°の区間で段階的に増加し得る。
他の例において、外周側無地部Ｂ３の高さは、上述した実施形態と同様に、徐々にまたは段階的に減少し得る。また、中間無地部Ｂ２の分切構造は外周側無地部Ｂ３まで拡張可能である（点線を参照）。この場合、外周側無地部Ｂ３も中間無地部Ｂ２と同様に複数の分切片を含み得る。この場合、外周側無地部Ｂ３の分切片は、幅及び／または高さ及び／または離隔ピッチが中間無地部Ｂ２よりも大きくなり得る。選択的には、外周側無地部Ｂ３の分切構造は、中間無地部Ｂ２の最外側にある分切片グループと実質的に同一であり得る。
具体的な具現例において、電極板７０がフォームファクタ４６８００の円筒形セルの電極組立体を製造するのに使用される場合、コア側無地部Ｂ１の幅ｄＢ１は１８０ｍｍ～３５０ｍｍであり得る。グループ１の幅はコア側無地部Ｂ１の幅対比３５％～４０％であり得る。グループ２の幅はグループ１の幅対比１３０％～１５０％であり得る。グループ３の幅はグループ２の幅対比１２０％～１３５％であり得る。グループ４の幅はグループ３の幅対比８５％～９０％であり得る。グループ５の幅はグループ４の幅対比１２０％～１３０％であり得る。グループ６の幅はグループ５の幅対比１００％～１２０％であり得る。グループ７の幅はグループ６の幅対比９０％～１２０％であり得る。グループ８の幅はグループ７の幅対比１１５％～１３０％であり得る。外周側無地部Ｂ３の幅ｄＢ３はコア側無地部Ｂ１の幅と同様に１８０ｍｍ～３５０ｍｍであり得る。グループ１～グループ８の幅が一定の増加または減少パターンを見せない理由は、分切片の幅はグループ１からグループ８に行くほど徐々に増加するが、グループ内に含まれる分切片の個数は整数個に制限されるためである。したがって、特定の分切片グループでは分切片の個数が減少し得る。したがって、グループの幅は、コア側から外周側に向かって上記の例示のように不規則な変化様相を示し得る。
すなわち、電極組立体の円周方向において連続して隣接する三つの分切片グループのそれぞれに対する巻取方向の幅をそれぞれＷ１、Ｗ２及びＷ３としたとき、Ｗ２／Ｗ１よりもＷ３／Ｗ２が小さい分切片グループの組み合わせを含み得る。
上述した具体的な例において、グループ４～グループ６がこれに該当する。グループ４に対するグループ５の幅比率は１２０％～１３０％であり、グループ５に対するグループ６の幅比率は１００％～１２０％であって、その値が１２０％～１３０％よりも小さい。
図１６を参照すると、電極集電体の無地部４３ａは、電極組立体１００のコアに隣接したコア側無地部Ｂ１、電極組立体１００の外周表面に隣接した外周側無地部Ｂ３、及びコア側無地部Ｂ１と外周側無地部Ｂ３との間に介在された中間無地部Ｂ２を含む。
コア側無地部Ｂ１の高さは中間無地部Ｂ２の高さよりも相対的に低い。また、中間無地部Ｂ２において最内側に位置した無地部４３ａの折曲長さは、コア側無地部Ｂ１の半径方向の長さＲと同一であるかまたは短い。折曲長さＨは、無地部４３ａが折り曲げられる地点（図１３のｈ、図１５のｈ）を基準にした無地部４３ａの高さに該当する。
したがって、中間無地部Ｂ２が折り曲げられても、折曲部位が電極組立体１００のコアの空洞１０２を閉塞することがない。空洞１０２が閉塞されないと、電解質注液工程に差し支えがなく、電解液注液の効率が向上する。また、空洞１０２を通して溶接治具を挿入して負極（または正極）側の集電板と電池缶（またはリベット端子）との間の溶接工程を容易に行うことができる。
外周側無地部Ｂ３の高さは中間無地部Ｂ２の高さよりも相対的に低い。したがって、電池缶のビーディング部が外周側無地部Ｂ３付近で押し付けられる過程でビーディング部と外周側無地部Ｂ３とが接触することを防止することができる。
一変形例において、外周側無地部Ｂ３の高さは、図１６と異なり、徐々にまたは段階的に減少し得る。また、図１６では、中間無地部Ｂ２の高さが外周側一部分で等しいが、中間無地部Ｂ２の高さはコア側無地部Ｂ１と中間無地部Ｂ２との境界から中間無地部Ｂ２と外周側無地部Ｂ３との境界まで徐々にまたは段階的に増加し得る。
下部無地部４３ｂは上部無地部４３ａと同じ構造を有する。一変形例において、下部無地部４３ｂは従来の電極集電体の構造や他の実施形態（変形例）の電極集電体の構造を有してもよい。
上部無地部４３ａ及び下部無地部４３ｂの端部１０１は、電極組立体１００の外周側からコア側に折曲加工され得る。このとき、コア側無地部Ｂ１及び外周側無地部Ｂ３は実質的に折り曲げられない。
中間無地部Ｂ２が複数の分切片を含む場合、折曲応力が緩和されるため、折曲地点付近の無地部４３ａが破れるかまたは異常に変形することを防止することができる。また、分切片の幅及び／または高さ及び／または離隔ピッチが上述した実施形態の数値範囲で調節される場合、分切片がコア側に折り曲げられながら溶接強度を十分に確保可能な程度に多重に重なり、折曲面（Ｙ軸方向から眺めた表面）に空いた空間（間隙）を形成しない。
図１７を参照すると、電極組立体１１０は、図１６の電極組立体１００と比べて、外周側無地部Ｂ３の高さが中間無地部Ｂ２の最外側の高さと実質的に同一である点を除き、他の構成は実質的に同一である。外周側無地部Ｂ３は複数の分切片を含み得る。
電極組立体１１０において、コア側無地部Ｂ１の高さは中間無地部Ｂ２の高さよりも相対的に低い。また、中間無地部Ｂ２において最内側に位置した無地部の折曲長さＨは、コア側無地部Ｂ１の半径方向の長さＲと同一であるかまたは短い。
したがって、中間無地部Ｂ２が折り曲げられても、折曲部位が電極組立体１１０のコアの空洞１１２を閉塞することがない。空洞１１２が閉塞されないと、電解質注液工程に差し支えがなく、電解液注液の効率が向上する。また、空洞１１２を通して溶接治具を挿入して負極（または正極）側の集電板と電池缶（またはリベット端子）との間の溶接工程を容易に行うことができる。
一変形例において、中間無地部Ｂ２の高さがコア側から外周側に向かって徐々にまたは段階的に増加する構造は、外周側無地部Ｂ３まで拡張され得る。この場合、無地部４３ａの高さはコア側無地部Ｂ１と中間無地部Ｂ２との境界から電極組立体１１０の最外側表面まで徐々にまたは段階的に増加し得る。
下部無地部４３ｂは上部無地部４３ａと同じ構造を有する。一変形例において、下部無地部４３ｂは従来の電極集電体の構造や他の実施形態（変形例）の電極集電体の構造を有してもよい。
上部無地部４３ａ及び下部無地部４３ｂの端部１１１は、電極組立体１１０の外周側からコア側に折曲加工され得る。このとき、コア側無地部Ｂ１は実質的に折り曲げられない。
中間無地部Ｂ２及び外周側無地部Ｂ３が複数の分切片を含む場合、折曲応力が緩和されるため、折曲地点付近の無地部４３ａ、４３ｂが破れるかまたは異常に変形することを防止することができる。また、分切片の幅及び／または高さ及び／または離隔ピッチが上述した実施形態の数値範囲で調節される場合、分切片がコア側に折り曲げられながら溶接強度を十分に確保可能な程度に多重に重なり、折曲面（Ｙ軸方向から眺めた表面）に空いた空間（間隙）を形成しない。
図１８は、本発明の一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１８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８００は、円筒形バッテリーセル１０が電気的に接続された集合体、及びそれを収容するパックハウジング８１０を含む。円筒形バッテリーセル１０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１０の電気的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は示されていない。
バッテリーパック８００は、自動車９００に搭載される。自動車９００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り得る。自動車９００は、四輪自動車または二輪自動車を含む。
図１９は、図１８のバッテリーパックを含む自動車を説明するための図である。
図１９を参照すると、本発明の一実施形態による自動車９００は、本発明の一実施形態によるバッテリーパック８００を含む。自動車９００は、本発明の一実施形態によるバッテリーパック８００から電力の供給を受けて動作する。
以上のように、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、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ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多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
本発明は、電極組立体、円筒形バッテリーセル、それを含むバッテリーパック及び自動車に関し、特に、二次電池関連産業に利用可能である。
１０ 円筒形バッテリーセル
２１ ビーディング部
４２ 活物質層
４３ 無地部
４４ 絶縁コーティング層
６０ 電極板
６１ 分切片
６２ 切断部
７０ 電極板
１００ 電極組立体
１０１ 端部
１０２ 空洞
１１０ 電極組立体、第１無地部
１１１ 端部
１１２ 空洞
１２０ 第２無地部
２００ 電池缶
２１０ 閉鎖部
２１１ 貫通孔
２２０ 開放部
２３０ キャッププレート
２３１ ベンティングノッチ
２４０ ビーディング部
２５０ クリンピング部
２６０ 密封ガスケット
３００ 集電板
３１０ 溶接部
４００ セル端子
４１０ 端子挿入部
５００ 絶縁部材
５１０ 絶縁テープ
５１１ 第１部分
５１２ 第２部分
５１５ 切欠部
６００ 絶縁板
７００ 下部集電板
８００ バッテリーパック
８１０ パックハウジング
９００ 自動車

Claims (60)

  1. シート状の第１電極集電体及び第２電極集電体と前記第１電極集電体と前記第２電極集電体との間に介在された分離膜とが一方向に巻き取られた構造を有するゼリーロール型の電極組立体であって、
    前記第１電極集電体は、長辺端部に活物質層がコーティングされていない第１無地部を含み、
    前記第１無地部は、前記電極組立体の中心を基準にして複数の巻回ターンを形成しながら前記分離膜の外側に露出し、それ自体が電極タブとして使用され、
    前記電極組立体は、前記複数の巻回ターンのうちの前記電極組立体の外周面で露出している最外郭の巻回ターンに位置する前記第１無地部の露出曲面を覆う絶縁部材を含む、電極組立体。
  2. 前記絶縁部材は、前記第１無地部の露出曲面と対向する面に接着層が形成されている絶縁テープである、請求項１に記載の電極組立体。
  3. 前記絶縁テープは、一側のみに接着層が形成されている片面テープである、請求項２に記載の電極組立体。
  4. 前記絶縁部材は、熱が加えられると収縮する熱収縮チューブである、請求項１に記載の電極組立体。
  5. 前記絶縁部材は、前記第１無地部の露出曲面を覆うように前記露出曲面の幅よりも広く形成される、請求項１に記載の電極組立体。
  6. 前記絶縁テープの厚さが１０μｍ以上５０μｍ以下である、請求項２に記載の電極組立体。
  7. 前記絶縁テープは、一層以上で前記電極組立体を包むように設けられる、請求項２に記載の電極組立体。
  8. 前記絶縁テープは、前記電極組立体の発熱時に熱変形が防止される材料から製造される、請求項２に記載の電極組立体。
  9. 前記絶縁テープは、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、またはポリプロピレンから製造される、請求項８に記載の電極組立体。
  10. 前記絶縁テープは、前記第１無地部の露出曲面を覆う部分がポリイミドを含む、請求項９に記載の電極組立体。
  11. 前記絶縁テープは、前記第１無地部の露出曲面を覆う部分がポリイミドを含み、前記露出曲面と隣接した分離膜の露出曲面を覆う部分がポリエチレンテレフタレートを含む、請求項９に記載の電極組立体。
  12. 前記第１無地部の少なくとも一部区間は、前記電極組立体の巻取方向に沿って複数の分切片に分割されている、請求項２、３、及び６から１１のいずれか一項に記載の電極組立体。
  13. 前記複数の分切片は、前記電極組立体の半径方向に沿って折り曲げられている、請求項１２に記載の電極組立体。
  14. 前記複数の分切片は、前記電極組立体の半径方向に沿って多重に重なっている、請求項１２に記載の電極組立体。
  15. 前記絶縁テープは、前記電極組立体の外周面の少なくとも一部分、及び前記電極組立体の上面の少なくとも一部分にともに貼り付けられる、請求項１３に記載の電極組立体。
  16. 前記絶縁テープは、
    前記電極組立体の外周面に貼り付けられる第１部分と、
    前記第１部分から延長され、前記第１部分から折り曲げられて前記電極組立体の上面に貼り付けられる第２部分と、
    を含む、請求項１５に記載の電極組立体。
  17. 前記第１部分は、前記第１無地部の折り曲げられた複数の分切片の最外側の露出曲面、及びそれと隣接する前記分離膜の少なくとも一部を覆うように設けられる、請求項１６に記載の電極組立体。
  18. 前記第１部分は、前記第１無地部の複数の分切片の最外側の露出曲面を覆う部分の大きさが前記露出曲面と隣接した分離膜を覆う部分の大きさよりも小さいかまたは同一である、請求項１７に記載の電極組立体。
  19. 前記第２部分は、前記第１無地部の折り曲げられた複数の分切片の上面部分を覆う、請求項１６に記載の電極組立体。
  20. 前記第１部分は、前記第２部分よりも大きく設けられる、請求項１６に記載の電極組立体。
  21. 前記第２部分には少なくとも一つの切欠部が形成されている、請求項１６に記載の電極組立体。
  22. 前記切欠部の下端は、前記第１無地部の折曲面よりも高く位置するように設けられる、請求項２１に記載の電極組立体。
  23. シート状の第１電極集電体及び第２電極集電体と前記第１電極集電体と前記第２電極集電体との間に介在された分離膜とが一方向に巻き取られた構造を有するゼリーロール型の電極組立体であって、前記第１電極集電体は長辺端部に活物質層がコーティングされていない第１無地部を含み、前記第１無地部は前記電極組立体の中心を基準にして複数の巻回ターンを形成しながら前記分離膜の外側に露出し、それ自体が電極タブとして使用される電極組立体と、
    前記電極組立体が収納されて前記第２電極集電体と電気的に接続される円筒形の電池缶と、
    前記第１電極集電体と電気的に接続される集電板と、
    前記集電板と連結されるセル端子と、
    前記複数の巻回ターンのうちの前記電極組立体の外周面で露出している最外郭の巻回ターンに位置する前記第１無地部の露出曲面を覆う絶縁部材と、
    を含む、円筒形バッテリーセル。
  24. 前記電池缶の直径は前記電極組立体の直径よりも大きく形成され、前記電池缶と前記電極組立体との間には予め設定された大きさの間隔が設けられ、
    前記絶縁部材は前記間隔に介在されている、請求項２３に記載の円筒形バッテリーセル。
  25. 前記絶縁部材は、前記第１無地部の露出曲面と対向する面に接着層が形成されている絶縁テープである、請求項２３に記載の円筒形バッテリーセル。
  26. 前記第１無地部の少なくとも一部区間は、前記電極組立体の巻取方向に沿って複数の分切片に分割されている、請求項２５に記載の円筒形バッテリーセル。
  27. 前記複数の分切片は、前記電極組立体の半径方向に沿って折り曲げられている、請求項２６に記載の円筒形バッテリーセル。
  28. 前記複数の分切片は、前記電極組立体の半径方向に沿って多重に重なっている、請求項２６に記載の円筒形バッテリーセル。
  29. 前記絶縁テープは、
    前記電極組立体の外周面に貼り付けられる第１部分と、
    前記第１部分から延長され、前記第１部分から折り曲げられて前記電極組立体に結合された集電板の上面に貼り付けられる第２部分と、
    を含む、請求項２７に記載の円筒形バッテリーセル。
  30. 前記第１部分は、前記第１無地部の折り曲げられた複数の分切片の最外側の露出曲面部分、及びそれと隣接した前記分離膜の少なくとも一部を覆うように設けられる、請求項２９に記載の円筒形バッテリーセル。
  31. 前記第２部分は、前記第１無地部の折り曲げられた複数の分切片の上面部分に結合された集電板を覆うように設けられる、請求項３０に記載の円筒形バッテリーセル。
  32. 前記絶縁テープは、前記第１無地部の露出曲面の端部から折り曲げられて前記集電板の上側に結合される、請求項３１に記載の円筒形バッテリーセル。
  33. 前記集電板には、前記第１無地部と溶接された溶接部が形成され、
    前記第２部分は、前記溶接部と干渉しないように、前記溶接部の外側縁に当接するかまたは前記外側縁から離隔して前記集電板の上側に結合される、請求項３２に記載の円筒形バッテリーセル。
  34. 前記絶縁テープは、
    前記電極組立体の外周面に貼り付けられる第１部分と、
    前記第１部分から延長され、前記第１部分の端部から折り曲げられて前記第１無地部の前記複数の分切片の折曲面に貼り付けられる第２部分と、
    を含む、請求項２７に記載の円筒形バッテリーセル。
  35. 前記集電板は、前記絶縁テープの前記第２部分の上側に結合される、請求項３４に記載の円筒形バッテリーセル。
  36. 前記電池缶には、対向して位置する閉鎖部及び開放部がそれぞれ形成され、
    前記電池缶の前記開放部を密閉するように構成されるキャッププレートをさらに含む、請求項２３に記載の円筒形バッテリーセル。
  37. 前記キャッププレートは、前記電極組立体から電気的に分離して無極性で設けられる、請求項３６に記載の円筒形バッテリーセル。
  38. 前記閉鎖部には貫通孔が形成され、
    前記セル端子は前記貫通孔に結合される、請求項３６に記載の円筒形バッテリーセル。
  39. 前記閉鎖部と前記集電板との間に介在される絶縁板をさらに含む、請求項３８に記載の円筒形バッテリーセル。
  40. 前記絶縁板は、絶縁ポリマー材料を含む、請求項３９に記載の円筒形バッテリーセル。
  41. 前記絶縁板は、弾性を有する材料から構成される、請求項３９に記載の円筒形バッテリーセル。
  42. 前記絶縁板は、中心部に予め設定された直径を有する中心孔を備える、請求項３９に記載の円筒形バッテリーセル。
  43. 前記セル端子は、端子挿入部を備え、
    前記端子挿入部は、前記貫通孔を通って電池缶内に挿入される、請求項４２に記載の円筒形バッテリーセル。
  44. 前記セル端子は、前記端子挿入部の下側周縁部が前記電池缶の上端の内側面に向かってリベッティングされながら前記貫通孔に固定される、請求項４３に記載の円筒形バッテリーセル。
  45. 前記絶縁板の前記中心孔の直径は、前記端子挿入部の直径よりも大きいかまたは同一である、請求項４３に記載の円筒形バッテリーセル。
  46. 前記セル端子の端子挿入部は、前記絶縁板の前記中心孔を貫通する、請求項４３に記載の円筒形バッテリーセル。
  47. 前記セル端子の端子挿入部は、前記絶縁板の前記中心孔を貫通して前記集電板と電気的に接続される、請求項４３に記載の円筒形バッテリーセル。
  48. 前記キャッププレートの周縁と前記電池缶の前記開放部との間に介在された密封ガスケットを含み、
    前記電池缶は、前記開放部に隣接した領域に前記電池缶の内側に押し込まれたビーディング部を含み、
    前記電池缶は、前記電池缶の内側に延長されて折り曲げられて前記密封ガスケットとともに前記キャッププレートの周縁を包んで固定するクリンピング部を含む、請求項３６に記載の円筒形バッテリーセル。
  49. 前記クリンピング部は、前記電池缶の配置状態を基準にして、前記電池缶の下部に形成されている、請求項４８に記載の円筒形バッテリーセル。
  50. 前記キャッププレートは、前記電池缶の内圧が臨界値を超えたときに破裂するベンティングノッチを含む、請求項３６に記載の円筒形バッテリーセル。
  51. 前記ベンティングノッチは、前記キャッププレートの両面に形成され、前記キャッププレートの表面で連続的な円形パターン、不連続的な円形パターン及び直線パターンのうちの少なくとも一つのパターンで形成される、請求項５０に記載の円筒形バッテリーセル。
  52. 前記ベンティングノッチは、前記電池缶の配置状態を基準にして前記電池缶の下部に形成され、前記ベンティングノッチが破裂したとき、前記電池缶の内部のガスが前記電池缶の下側から排出される、請求項５０に記載の円筒形バッテリーセル。
  53. 前記電極組立体の下部に結合される下部集電板をさらに含む、請求項４８に記載の円筒形バッテリーセル。
  54. 前記下部集電板は、縁端の少なくとも一部が前記ビーディング部上に電気的に接続され、前記縁端を除いた他の部分の少なくとも一部が前記第２電極集電体の第２無地部と電気的に接続される、請求項５３に記載の円筒形バッテリーセル。
  55. 前記下部集電板は、縁端の少なくとも一部が前記ビーディング部の上面及び下面のうちの前記クリンピング部に隣接した面に電気的に接続される、請求項５４に記載の円筒形バッテリーセル。
  56. 前記下部集電板と前記ビーディング部とはレーザー溶接を通じて結合される、請求項５５に記載の円筒形バッテリーセル。
  57. 前記絶縁部材は、前記集電板と前記電池缶の上端の内側面との間の距離に対応する厚さを有する、請求項２３に記載の円筒形バッテリーセル。
  58. 前記絶縁部材の厚さが１００μｍ～５００μｍである、請求項２３に記載の円筒形バッテリーセル。
  59. 請求項２３から５８のいずれか一項に記載の円筒形バッテリーセルを少なくとも一つ含むバッテリーパック。
  60. 請求項５９に記載のバッテリーパックを少なくとも一つ含む自動車。
JP2023545866A 2021-09-30 2022-09-28 電極組立体、円筒形バッテリーセル、それを含むバッテリーパック及び自動車 Pending JP2024505220A (ja)

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