JP2024509464A - 円筒形バッテリー、それを含むバッテリーパック及び自動車 - Google Patents

円筒形バッテリー、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

本発明の一実施例による円筒形バッテリーは、第１電極、第２電極、及びこれらの間に介在された分離膜が巻き取られた電極組立体を含む。前記第１電極及び第２電極はそれぞれ、第１無地部及び第２無地部を含む。前記第１無地部及び前記第２無地部の少なくとも一方はそれ自体が電極タブとして定義され、コア側無地部、外周側無地部、及びこれらの間に介在された中間無地部を含む。前記コア側無地部及び前記外周側無地部の少なくとも一方は前記中間無地部よりも巻取軸方向の高さが低い。前記円筒形バッテリーは、開口部から前記電極組立体を収容して前記第２無地部と電気的に接続されるバッテリーハウジング、前記第１無地部と電気的に接続され、前記バッテリーハウジングの閉鎖部を貫通して外部に露出する外部端子、及び前記バッテリーハウジングの前記開口部を覆うキャッププレートを含む。

Description

本発明は、円筒形バッテリー、それ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１０月２２日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２１－０１４２１８９号に基づく優先権を主張し、優先権の基礎になった出願の内容は本明細書の一部として組み込まれる。
通常、円筒形バッテリーを用いてバッテリーパックを製作する場合、複数の円筒形バッテリーをハウジング内に起立させて配置し、円筒形バッテリーの上端及び下端をそれぞれ正極端子及び負極端子として活用して複数の円筒形バッテリー同士を電気的に接続する。
円筒形バッテリーの電気的接続において、バッテリーハウジングの内部に収納される電極組立体の負極無地部は下方に延在してバッテリーハウジングの底面と電気的に接続され、正極無地部は上方に延在してトップキャップと電気的に接続される。すなわち、円筒形バッテリーにおいて、バッテリーハウジングの底面が負極端子として用いられ、バッテリーハウジングの上端開口部を覆うトップキャップが正極端子として用いられることが一般的である。
円筒形バッテリーの正極端子と負極端子とが反対側に位置する場合、複数の円筒形バッテリーを電気的に接続するためのバスバーなどの電気的接続部品が円筒形バッテリーの上部及び下部にすべて適用されねばならない。これは、バッテリーパックの電気的接続構造を複雑にする。
さらに、このような構造では、絶縁のための部品、及び防水性や密閉性を確保するための部品などがバッテリーパックの上部及び下部にそれぞれ適用されるため、適用される部品数の増加及び構造の複雑化をもたらす。
したがって、複数の円筒形バッテリーの電気的接続構造を単純化できるように、正極端子及び負極端子が同一方向に適用された構造を有する円筒形バッテリーに対する開発が求められている。
一方、製品群毎の適用性が高く、充放電を繰り返すことができ、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）または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。以下、バッテリーとは、二次電池を称する。
バッテリーは、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バッテリーが広く使用されており、単位バッテリーの作動電圧は約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の個数及び電気的接続形態は、求められる出力電圧及び／または充放電容量によって多様に設定され得る。
一方、単位バッテリーの種類としては、円筒形、角形及びパウチ型のバッテリーが知られている。円筒形バッテリーの場合、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、これをバッテリーハウジングの内部に挿入して電池を構成する。そして、正極及び負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、電極タブは電極組立体と外部に露出する電極端子との間を電気的に接続する。参考までに、正極端子はバッテリーハウジングの開放口を密封する密封体のキャッププレートであり、負極端子はバッテリーハウジングである。
しかし、このような構造を有する従来の円筒形バッテリーによれば、正極無地部及び／または負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されるため、抵抗が大きくて発熱が多く、集電効率が良くないという問題がある。
１８６５や２１７０のフォームファクタ（ｆｏｒｍ ｆａｃｔｏｒ）を有する小型円筒形バッテリーにおいては、抵抗と発熱が大した問題にならない。しかし、円筒形バッテリーを電気自動車に適用するためフォームファクタを増加させる場合、急速充電過程で電極タブの周辺で多量の熱が発生しながら円筒形バッテリーが発火する問題が発生するおそれがある。
このような問題を解決するため、ゼリーロール型の電極組立体の上端及び下端にそれぞれ正極無地部及び負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板を溶接して集電効率が改善された構造を有する円筒形バッテリー（いわゆる、タブレス（ｔａｂ－ｌｅｓｓ）円筒形バッテリー）が提示されている。
図１～図３は、タブレス円筒形バッテリーの製造過程を示した図である。図１は電極の構造を示し、図２は電極の巻取工程を示し、図３は無地部の折曲面に集電板が溶接される工程を示している。
図１～図３を参照すると、正極１０及び負極１１は、シート状の集電体２０に活物質層２１がコーティングされた構造を有し、巻取方向Ｘに沿って一方の長辺側に無地部２２を含む。
電極組立体Ａは、正極１０と負極１１とを、図２に示されたように、２枚の分離膜１２と一緒に順次に積層させた後、一方向（Ｘ軸方向）に巻き取って製作する。このとき、正極１０の無地部と負極１１の無地部とは互いに反対方向に配置される。
巻取工程の後、正極１０の無地部１０ａ及び負極１１の無地部１１ａはコア側に折り曲げられる。その後、無地部１０ａ、１１ａに集電板３０、３１をそれぞれ溶接して結合させる。
正極無地部１０ａ及び負極無地部１１ａには、別途の電極タブが結合されておらず、集電板３０、３１が外部の電極端子と連結され、電流経路が電極組立体Ａの巻取軸方向（矢印を参照）に沿って大きい断面積で形成されるため、バッテリーの抵抗を低減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ためである。
タブレス円筒形バッテリーにおいて、無地部１０ａ、１１ａと集電板３０、３１との溶接特性を向上させるためには、無地部１０ａ、１１ａの溶接地点に強い圧力を加えて最大限に扁平に無地部１０ａ、１１ａを折り曲げる必要がある。
しかし、無地部１０ａ、１１ａの溶接地点を折り曲げるとき、無地部１０ａ、１１ａの模様が不規則に歪みながら変形され得る。この場合、変形された部位が反対極性の電極と接触して内部短絡を起こすか、または、無地部１０ａ、１１ａに微細なクラックを誘発し得る。また、電極組立体Ａのコアに隣接した無地部３２が折り曲げられながら電極組立体Ａのコアにある空洞３３を全部または相当部分を閉塞する。この場合、電解液注液工程で問題が生じる。すなわち、電極組立体Ａのコアにある空洞３３は電解液が注入される通路として使用される。しかし、該通路が閉塞されれば、電解液を注入し難い。また、電解液注入器が空洞３３に挿入される過程でコア付近の無地部３２と干渉を起こし、無地部３２が破れる問題が生じ得る。
また、集電板３０、３１が溶接される無地部１０ａ、１１ａの折曲部位は多重に重なっており、空いた空間（間隙）が存在してはならない。それによって、十分な溶接強度が得られ、レーザー溶接などの最新技術を使用する際にも、レーザーが電極組立体Ａの内部に浸透して分離膜や活物質を溶融させる問題を防止することができる。
一方、従来のタブレス円筒形バッテリーは、電極組立体Ａの上部に全体的に正極無地部１０ａが形成されている。したがって、バッテリーハウジングの上端の外周面を内側に押し込んでビーディング部を形成するとき、電極組立体Ａの上端の周縁領域３４がバッテリーハウジングによる圧迫を受けるようになる。このような圧迫は、電極組立体Ａを部分的に変形させ、このとき、分離膜１２が破れながら内部短絡が発生し得る。電池内部で短絡が発生すれば、電池の発熱や爆発につながるおそれがある。
一方、従来の二次粒子を含む正極活物質を適用して電極を製造すると、粒子割れが発生し、また、充放電時に発生する内部クラックによってガス発生が増加して、電池安定性に問題が発生するおそれがある。
これを解決しようとして、一次粒子の大きさが比較的に大きい単粒子または疑似単粒子形態の正極活物質が開発されているが、前記単粒子または疑似単粒子形態の正極活物質を高ローディング電極に適用して圧延する場合、電極の空隙率が目標とするレベルまで達しない状態で電極が割れ、リチウム二次電池の抵抗特性及び充放電効率が良くないという問題がある。
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、正極端子及び負極端子が同じ方向に適用された構造を有する円筒形バッテリーを提供することを目的とする。
また、本発明は、一方向で複数の円筒形バッテリーを電気的に接続しようとする場合において、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形バッテリーの電極端子とが溶接される十分な面積を確保することを他の目的とする。
また、本発明は、電極組立体の両端に露出した無地部を折り曲げるとき無地部に加えられる応力ストレスを緩和できるように改善された無地部の構造を有する電極組立体を提供することをさらに他の目的とする。
また、本発明は、無地部が折り曲げられても電解液注入通路が閉塞されない電極組立体を提供することをさらに他の目的とする。
また、本発明は、バッテリーハウジングの上端がビーディングされるとき電極組立体の上端周縁とバッテリーハウジングの内面とが接触することを防止可能な構造を含む電極組立体を提供することをさらに他の目的とする。
また、本発明は、エネルギー密度が向上して抵抗が減少した電極組立体を提供することをさらに他の目的とする。
また、本発明は、改善された構造の電極組立体を含む円筒形バッテリー、それを含むバッテリーパック、及び該バッテリーパックを含む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、正極活物質として単粒子または疑似単粒子を適用することで優れた熱安定性を実現でき、電気伝導性が高くて圧延特性が高い電極及びそれを含む電極組立体を提供することをさらに他の目的とする。
また、本発明は、負極にシリコン系負極活物質を含ませることで、エネルギー密度が改善された電極組立体を提供することをさらに他の目的とする。
また、本発明は、リチウム析出の心配なく、正極活物質部の区間が増加した電極組立体を提供することをさらに他の目的とする。
また、本発明は、フォームファクタの増加によってバッテリーの体積が増加しても、優れた熱安定性を示すことができる円筒形バッテリーを提供することをさらに他の目的とする。
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円筒形バッテリーは、第１電極と第２電極とこれらの間に介在された分離膜とが巻取軸を中心に巻き取られることでコア及び外周面が画定された電極組立体を含む。
前記第１電極及び第２電極はそれぞれ、巻取方向に沿って活物質層がコーティングされていない第１無地部及び第２無地部を含む。
前記第１無地部及び前記第２無地部の少なくとも一方はそれ自体が電極タブとして定義され、コア側無地部、外周側無地部、及びこれらの間に介在された中間無地部を含む。
前記コア側無地部と前記外周側無地部のうちの少なくとも一つは、前記中間無地部よりも巻取軸方向の高さが低い。
前記円筒形バッテリーは、開口部から前記電極組立体を収容して前記第２無地部と電気的に接続されるバッテリーハウジングと、前記第１無地部と電気的に接続され、前記開口部の反対側に位置する前記バッテリーハウジングの閉鎖部を貫通して前記バッテリーハウジングの外部に露出する外部端子と、前記バッテリーハウジングの前記開口部を覆うキャッププレートと、を含む。
前記キャッププレートは、前記バッテリーハウジングと絶縁され、前記電極組立体と電気的に接続されないことによって極性を持たない。
前記外部端子は、第１極性を有する前記第１無地部と電気的に接続され得る。
前記バッテリーハウジングは、前記第１極性と異なる第２極性を有する前記第２無地部と電気的に接続され得る。
前記外部端子は、バッテリーハウジングの閉鎖部の中心部に位置し得る。
前記外部端子は、前記バッテリーハウジングの外側に延在する端子露出部と、前記バッテリーハウジングの閉鎖部を貫通する端子挿入部と、を含み得る。
前記端子露出部の断面は前記端子挿入部の断面よりも大きく、前記電極組立体に向かう前記端子挿入部の下端部の周縁は前記閉鎖部の内側面に向かってリベッティングされ得る。
前記円筒形バッテリーは、前記バッテリーハウジングと前記外部端子との間に介在されて前記外部端子とバッテリーハウジングとを絶縁させる絶縁ガスケットをさらに含み得る。
前記絶縁ガスケットは、前記バッテリーハウジングの外側に延在するガスケット露出部と、前記バッテリーハウジングの閉鎖部を貫通するガスケット挿入部と、を含み得る。
前記端子挿入部の下端部の周縁と前記バッテリーハウジングとの間に介在された絶縁ガスケットの一部分は、前記リベッティングによって前記閉鎖部の内側面に密着し得る。
前記円筒形バッテリーは、前記バッテリーハウジングの開口部と隣接した前記バッテリーハウジングの外周面の周りを押し込んで形成したビーディング（ｂｅａｄｉｎｇ）部と、前記バッテリーハウジングの開口部側の端部を前記キャッププレートの周縁を包むように前記巻取軸方向に折り曲げたクリンピング（ｃｒｉｍｐｉｎｇ）部と、前記バッテリーハウジングの開口部と前記キャッププレートとの間に介在された状態で前記クリンピング部によって圧着されて前記キャッププレートと前記バッテリーハウジングの開口部との間を密閉するシーリングガスケットと、をさらに含み得る。
前記中間無地部の少なくとも一部区間は、独立的に折曲可能な複数の分切片を含み得る。
前記複数の分切片の巻取軸方向の高さ及び巻取方向の幅の少なくとも一つは、個別にまたはグループ毎にコア側から外周側に向かって段階的に増加し得る。
前記複数の分切片は、コア側から外周側に向かって複数の分切片グループを形成し、同一分切片グループに属した分切片は、巻取方向の幅、巻取軸方向の高さ及び巻取方向の離隔ピッチのうちの少なくとも一つが互いに同一であり得る。
同一分切片グループに属した分切片は、コア側から外周側に向かって巻取方向の幅、巻取軸方向の高さ及び巻取方向の離隔ピッチのうちの少なくとも一つが段階的に増加し得る。
前記複数の分切片はコア側に折り曲げられながら、前記巻取軸方向に沿って多重に重なり得る。
前記コア側無地部の半径方向長さＲと前記中間無地部の最内側分切片の折曲長さＨは、関係式「Ｈ≦Ｒ」を満たし得る。
前記分切片の切断線の下端と前記活物質層との間にはギャップが設けられ得る。
前記第１無地部はそれ自体が電極タブとして定義され、前記第１無地部は、前記電極組立体のコアに隣接したコア側無地部、前記電極組立体の外周表面に隣接した外周側無地部、及び前記コア側無地部と前記外周側無地部との間に介在された中間無地部を含み、前記第１無地部の中間無地部は独立的に折曲可能な複数の分切片を含み、前記第１無地部の複数の分切片は、前記コア側に折り曲げられて前記電極組立体の一側端部に分切片の折曲面を形成し得る。
前記円筒形バッテリーは、前記第１無地部の分切片の折曲面に結合された第１集電板と、前記第１集電板と前記閉鎖部の内側面との間に介在された絶縁体と、をさらに含み得る。この場合、前記電極組立体と対向する前記外部端子の端部は前記絶縁体を通過して前記第１集電板に結合され得る。
前記第２無地部はそれ自体が電極タブとして定義され、前記第２無地部は、前記電極組立体のコアに隣接したコア側無地部、前記電極組立体の外周表面に隣接した外周側無地部、及び前記コア側無地部と前記外周側無地部との間に介在された中間無地部を含み、前記第２無地部の中間無地部は独立的に折曲可能な複数の分切片を含み、前記第２無地部の複数の分切片は、前記コア側に折り曲げられながら前記電極組立体の他側端部に分切片の折曲面を形成し得る。
前記円筒形バッテリーは、前記第２無地部の分切片の折曲面に結合された第２集電板をさらに含み得る。この場合、前記第２集電板の周縁の少なくとも一部は、前記ビーディング部の内側面に向かって延在して前記ビーディング部の内側面と前記シーリングガスケットとの間に介在されて固定され得る。
前記キャッププレートは、隣接領域よりも薄い領域からなるベンティング（ｖｅｎｔｉｎｇ）部を含み得る。前記ベンティング部は、ノッチング（ｎｏｔｃｈｉｎｇ）パターンであり得る。前記ベンティング部は、連続的または不連続的な直線パターンまたは曲線パターンであり得る。
前記キャッププレートが地面に向かうように前記円筒形バッテリーを起立させたとき、前記キャッププレートの下端部は前記バッテリーハウジングの下端部よりも上方に位置し得る。
前記第１電極の有地部と無地部との境界領域に活物質層の厚さが減少する第１スライド部を含み、前記第２電極の有地部と無地部との境界領域に活物質層の厚さが減少する第２スライド部を含み、前記第１スライド部と前記第２スライド部とは巻取軸方向において反対方向に位置し得る。
前記第１電極の有地部は活物質のローディング量が減少するローディング減少部を含み、前記ローディング減少部の位置は前記第２スライド部の位置に対応し得る。
前記第１電極の活物質層は、単粒子、疑似単粒子、またはこれらの組み合わせを含む正極活物質を含み得る。
前記正極活物質の体積累積分布で現れる最小粒子サイズＤｍｉｎが１．０μｍ以上であり得る。
前記正極活物質の体積累積分布において体積累積量が５０％であるときの粒子サイズＤ５０が５．０μｍ以下であり得る。
前記正極活物質の体積累積分布で現れる最大粒子サイズＤｍａｘが１２μｍ～１７μｍであり得る。
前記正極活物質は、体積累積粒度分布グラフにおいて単一ピークが現れるユニモーダル（ｕｎｉｍｏｄａｌ）粒度分布を有し、下記の数式１で表される粒度分布（ＰＳＤ：Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｉｚｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）が３以下であり得る。
［数式１］
粒度分布（ＰＳＤ）＝（Ｄｍａｘ－Ｄｍｉｎ）／Ｄ５０
前記単粒子、疑似単粒子、またはこれらの組み合わせは、前記第１電極の活物質層に含まれた正極活物質の全体重量を基準にして９５ｗｔ％～１００ｗｔ％の量で含まれ得る。
前記正極活物質は、遷移金属の全体モル数を基準にしてＮｉを８０モル％以上で含むリチウムニッケル系酸化物を含み得る。
前記第１電極の活物質層は、空隙率が１５％～２３％であり得る。
前記第１電極の活物質層は、０．０５ｗｔ％～５ｗｔ％の重量比率で鱗片状黒鉛を含み得る。
前記第１電極の活物質層は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）をさらに含み得る。
前記第２電極の活物質層は、シリコン系負極活物質及び炭素系負極活物質を含み得る。
前記シリコン系負極活物質と炭素系負極活物質とは、１：９９～２０：８０の重量比で前記第２電極の活物質層に含まれ得る。
本発明の他の一態様によるバッテリーパックは、上述した特徴のうちの少なくとも一つを有する複数の円筒形バッテリー、及びそれを収容するパックハウジングを含む。
本発明のさらに他の一態様による自動車は、上述したバッテリーパックを含む。
本発明の一態様によれば、正極端子及び負極端子が同じ方向に適用された構造を有する円筒形バッテリーが提供されるため、複数の円筒形バッテリーの電気的接続構造を単純化することができる。
また、本発明の一態様によれば、円筒形バッテリーの電極端子がバスバーなどの電気的接続部品と溶接される十分な面積を有することで、電極端子と電気的接続部品との間の接合強度を十分に確保することができ、電気的接続部品と電極端子との接合部位における抵抗を望ましい水準に下げることができる。
また、本発明の一態様によれば、電極組立体の上部及び下部に突出した無地部自体を電極タブとして使用することで、バッテリーの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る。
また、本発明の一態様によれば、電極組立体の無地部の構造を改善することで、バッテリーハウジングのビーディング部を形成する過程で電極組立体とバッテリーハウジングの内周面とが互いに干渉せず、電極組立体の部分的変形による円筒形バッテリーの内部短絡を防止することができる。
また、本発明の一態様によれば、電極組立体の無地部の構造を改善して無地部の折り曲げ時に無地部が破れる現象を防止し、無地部の重畳層数を十分に増加させて溶接強度を向上させることができる。
また、本発明の一態様によれば、電極組立体のコアに隣接した無地部の構造を改善することで、無地部の折り曲げ時に電極組立体のコアにある空洞が閉塞されることを防止し、電解液注入工程及びバッテリーハウジングと集電板との溶接工程を容易に行うことができる。
また、本発明の一態様によれば、内部抵抗が低く、内部短絡が防止され、集電板と無地部との溶接強度が向上した構造を有する円筒形バッテリー、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ができる。
また、本発明の一態様によれば、Ｄｍｉｎが１．０μｍ以上である正極活物質粉末を正極に含ませることで、電池の熱安定性をさらに改善することができる。本発明者らの研究によれば、正極活物質として単粒子及び／または疑似単粒子を適用しても、正極活物質粉末の粒度に応じて圧延後の粒子破れの抑制及び熱安定性の改善効果が異なることが確認された。特に、正極活物質粉末内に粒径１．０μｍ未満の粒子が含まれる場合、圧延工程で線圧が増加することで、粒子割れが増加して熱安定性が低下し、大型円筒形電池への適用時に熱安定性を十分に確保することができなかった。したがって、本発明では、最小粒子サイズＤｍｉｎが１．０μｍ以上に制御された正極活物質粉末を使用することで、熱安定性の改善効果を極大化できるようにした。
また、本発明の一態様によれば、Ｄ５０、Ｄｍａｘ及び粒度分布（ＰＳＤ）が適切に調節された正極活物質粉末を正極に含ませることで、単粒子の適用による抵抗増加を最小化できるため、優れた容量特性及び出力特性を実現することができる。
また、本発明の一態様によれば、正極が導電性コーティング層で被覆された単粒子系正極活物質を含むかまたは新規ＣＮＴを導電材として含むことで、電極の導電性を改善することができる。
また、本発明の一態様によれば、正極活物質層に鱗片状黒鉛が含まれるため、正極活物質層を圧延する場合、前記鱗片状黒鉛が前記正極活物質に滑り効果を提供して電極の圧延特性が向上し、電極空隙率を目標とするレベルまで下げることができる。これにより、円筒形バッテリーの安定性、初期抵抗特性、及び充放電効率が改善される。
また、本発明の一態様によれば、負極に容量の大きいシリコン系負極活物質が含まれることで、より高いエネルギー密度を実現することができる。
また、本発明の一態様によれば、正極活物質のローディング量が少ないローディング減少部が正極に含まれるため、リチウム析出の心配なく、正極活物質部の区間を増加させることができる。
また、本発明の一態様によれば、ストリップ状の電極タブを備えた従来のバッテリーと比べて、バッテリーの内部発熱を効果的に減少させることができるため、バッテリーの熱安定性を改善することができる。
他にも本発明は多様な効果を奏し、それについては実施形態を挙げて後述する。但し、通常の技術者が容易に類推可能な効果などについては、該説明を省略することにする。
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。
従来のタブレス円筒形バッテリーの製造に使用される電極の構造を示した平面図である。 従来のタブレス円筒形バッテリーの電極巻取工程を示した図である。 従来のタブレス円筒形バッテリーにおいて、無地部の折曲面に集電板が溶接される工程を示した図である。 本発明の一実施形態による円筒形バッテリーの外観を示した図である。 本発明の一実施形態による円筒形バッテリーの内部構造を示した断面図である。 本発明の一実施形態による円筒形バッテリーの上部構造を示した部分断面図である。 本発明の一実施形態による円筒形バッテリーの上部構造を示した部分断面図である。 本発明の一実施例に適用される第１集電板と電極組立体との結合構造を示した図である。 本発明の一実施例に適用される第１集電板と電極組立体との結合構造を示した図である。 本発明の一実施形態による円筒形バッテリーの下部構造を示した部分断面図である。 本発明の一実施形態による円筒形バッテリーの下部構造を示した下面図である。 本発明の一実施形態による第２集電板の平面図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーパックを示した概路図である。 本発明の一実施形態による自動車を示した概路図である。 本発明の第１実施形態による電極の構造を示した平面図である。 本発明の第２実施形態による電極の構造を示した平面図である。 本発明の第３実施形態による電極の構造を示した平面図である。 本発明の第４実施形態による電極の構造を示した平面図である。 本発明の実施形態による分切片の幅、高さ及び離隔ピッチの定義を示した図である。 本発明の第５実施形態による電極の構造を示した平面図である。 本発明の他の実施形態による分切片の幅、高さ及び離隔ピッチの定義を示した図である。 第１実施形態の電極を第１電極（正極）及び第２電極（負極）に適用したゼリーロール型の電極組立体をＹ軸方向（巻取軸方向）に沿って切断した断面図である。 第２実施形態の電極を第１電極（正極）及び第２電極（負極）に適用したゼリーロール型の電極組立体をＹ軸方向（巻取軸方向）に沿って切断した断面図である。 第３実施形態～第５実施形態（これらの変形形態）の電極のうちいずれか一つを第１電極（正極）及び第２電極（負極）に適用したゼリーロール型の電極組立体をＹ軸方向（巻取軸方向）に沿って切断した断面図である。 本発明のさらに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。 本発明のさらに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。 本発明のさらに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円筒形バッテリーをＹ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円筒形バッテリーをＹ軸方向に沿って切断した断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による円筒形バッテリーをＹ軸方向に沿って切断した断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による円筒形バッテリーをＹ軸方向に沿って切断した断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による円筒形バッテリーをＹ軸方向に沿って切断した断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による円筒形バッテリーをＹ軸方向に沿って切断した断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による円筒形バッテリーをＹ軸方向に沿って切断した断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による円筒形バッテリーをＹ軸方向に沿って切断した断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による円筒形バッテリーをＹ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新規ＣＮＴの走査型電子顕微鏡写真である。 一般に使用されている従来のカーボンナノチューブ（従来ＣＮＴ）の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 従来ＣＮＴの物性と新規ＣＮＴの物性とを比較した表である。 正極活物質として単粒子系活物質粒子が適用された場合、導電材の比率に応じた面抵抗を示したグラフである。 正極活物質として単粒子系活物質粒子が適用された場合、導電材の比率に応じた高温寿命特性を示したグラフである。 正極活物質として単粒子系活物質粒子が適用された場合、導電材の比率に応じた高温寿命特性を示したグラフである。 正極活物質として単粒子系活物質粒子が適用された場合、導電材の比率に応じた高温寿命特性を示したグラフである。 ＢＥＴ比表面積が３００ｍ２／ｇ～５００ｍ２／ｇであるカーボンナノチューブ（新規ＣＮＴ）を適用した場合及びＢＥＴ比表面積が２００ｍ２／ｇ以上３００ｍ２／ｇ未満のカーボンナノチューブ（従来ＣＮＴ）を適用した場合において、正極スラリーの固形分含量、粘度、ＭＰコーティング層における抵抗値、及びＭＰ界面層における抵抗値を比較した表である。 本発明の実施例２－１で使用された正極活物質のＳＥＭ写真である。 本発明の実施例２－２で使用された正極活物質のＳＥＭ写真である。 本発明の比較例２－２で使用された正極活物質のＳＥＭ写真である。 本発明の実施例１によって製造された４６８０セルに対するホットボックステストの結果を示したグラフである。 本発明の比較例１によって製造された４６８０セルに対するホットボックステストの結果を示したグラフである。 本発明の実施例２－１のサンプル１及び比較例２－１によって製造された４６８０セルに対するホットボックステストの結果を示したグラフである。 本発明の実施例２－１のサンプル２、３、実施例２－２のサンプル１、２及び比較例２－２によって製造された４６８０セルに対するホットボックステストの結果を示したグラフである。 本発明の実施例２－１で製造された正極の断面ＳＥＭ写真である。 比較例２－１で製造された正極の断面ＳＥＭ写真である。 本発明の実施例３－３、比較例３－１及び比較例３－２による正極を含むコイン型ハーフセルを４．２Ｖまで充電しながら、ＳＯＣに応じた抵抗特性を測定した結果を示したグラフである。 本発明の実施例３－１、実施例３－３及び比較例３－１による４６８０セルに対する充放電サイクル実験を通じて得た、容量維持率及び抵抗増加率の測定結果を示したグラフである。 本発明の一実施形態による電極組立体を示した図である。 図４８のＡ－Ａ’線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負極を製造する工程を示した図である。 本発明の一実施形態によって負極を製造する工程を示した図である。 本発明の一実施形態による負極を示した斜視図である。 本発明の一実施形態によって正極を製造する工程を示した図である。 本発明の一実施形態によって正極を製造する工程を示した図である。 本発明の一実施形態による正極を示した斜視図である。 本発明の比較形態による電極組立体を示した図である。 図５６のＢ－Ｂ’線に沿って切断した断面図である。 本発明の比較形態によって負極を製造する工程を示した図である。 本発明の比較形態によって正極を製造する工程を示した図である。 シリコン系負極活物質と炭素系負極活物質との混合物を負極活物質として使用したバッテリーにおいて、シリコン系負極活物質の含量とシリコン系負極活物質のドーピング有無に応じたエネルギー密度の変化を示したグラフである。
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番号が付され得る。
図示された各構成の大きさ及び厚さは説明の便宜上任意に示されたものであり、本発明が必ずしも図示によって限定されることはない。図面において、多くの層及び領域を明確に示すため、厚さを拡大して示している。また、図面において、説明の便宜上、一部の層及び領域の厚さを誇張して示している。
また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」または「上側に」あるとするとき、これは他の部分の「真上に」ある場合だけでなく、その中間にさらに他の部分がある場合も含む。反対に、ある部分が他の部分の「真上に」あるとするときは、中間に他の部分が存在しないことを意味する。また、基準になる部分の「上に」または「上側に」あるとは、基準になる部分の上方または下方に位置することを意味し、必ずしも重力との反対向きの「上に」または「上側に」位置することを意味するものではない。
また、明細書の全体において、ある部分が他の構成要素を「含む」とは、特に言及しない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。
また、明細書の全体において、「平面図」とするとき、これは対象部分を上方から眺めた場合を意味し、「断面図」とするとき、これは対象部分を垂直に切った断面を側方から眺めた場合を意味する。
図４～図６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１は、電極組立体Ａ、バッテリーハウジングＢＨ、キャッププレート４０、及び外部端子５０を含む。
円筒形バッテリー１は、上述した構成要素の他にも、絶縁ガスケット３５及び／または第１集電板３６及び／または絶縁体３７及び／または第２集電板３８及び／またはシーリングガスケット３９をさらに含み得る。
電極組立体Ａ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電極との間に介在される分離膜を含む。前記第１電極は正極または負極であり、第２電極は第１電極と反対極性を有する電極に該当する。
電極組立体Ａは、例えばゼリーロール構造を有し得る。すなわち、電極組立体Ａは、第１電極、分離膜、第２電極を順次に少なくとも１回積層して形成された積層体を、巻取中心Ｃを基準にして巻き取ることで製造され得る。この場合、前記電極組立体Ａの外周面上にはバッテリーハウジングＢＨとの絶縁のために分離膜がさらに備えられ得る。
前記第１電極は、第１電極集電体、及び第１電極集電体の一面または両面上に塗布された第１電極活物質を含む。前記第１電極集電体の幅方向（Ｚ軸方向）の一側端部には、第１電極活物質が塗布されていない第１電極の無地部（第１無地部）が存在する。前記第１無地部は第１電極タブ１３として機能する。前記第１電極タブ１３は、バッテリーハウジングＢＨ内に収容された電極組立体Ａの高さ方向（Ｚ軸方向）の上部に備えられる。
前記第２電極は、第２電極集電体、及び第２電極集電体の一面または両面上に塗布された第２電極活物質を含む。前記第２電極集電体の幅方向（Ｚ軸方向）の他側端部には、第２電極活物質が塗布されていない第２電極の無地部（第２無地部）が存在する。前記第２無地部は第２電極タブ１４として機能する。前記第２電極タブ１４は、バッテリーハウジングＢＨ内に収容された電極組立体Ａの高さ方向（Ｚ軸方向）の下部に備えられる。
前記第１電極タブ１３及び第２電極タブ１４は、電極組立体Ａの幅方向、すなわち円筒形バッテリー１の高さ方向（Ｚ軸方向）に沿って互いに反対方向に延在して突出する。
図４～図７を参照すると、前記バッテリーハウジングＢＨは、下方に開口部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。バッテリーハウジングＢＨの材料は、例えばアルミニウムであり得る。前記バッテリーハウジングＢＨの側面（外周面）と上面とは一体的に形成され得る。前記バッテリーハウジングＢＨの上面（Ｘ－Ｙ平面に平行な面）は略扁平（ｆｌａｔ）な形態を有する。前記開口部の反対側に位置する上部を閉鎖部と称することにする。前記バッテリーハウジングＢＨは、下方に形成された開口部を通して電極組立体Ａを収容し、電解質も一緒に収容する。
前記バッテリーハウジングＢＨは電極組立体Ａと電気的に接続される。前記バッテリーハウジングＢＨは、例えば電極組立体Ａの第２電極タブ１４と電気的に接続される。この場合、前記バッテリーハウジングＢＨは、第２電極タブ１４と同じ極性を有する。
図５及び図１０を参照すると、前記バッテリーハウジングＢＨは、その下端に形成されたビーディング部２３及びクリンピング部２４を備え得る。前記ビーディング部２３は電極組立体Ａの下部に位置する。前記ビーディング部２３は、バッテリーハウジングＢＨの外周面の周りを押し込んで形成される。前記ビーディング部２３は、バッテリーハウジングＢＨの幅と略対応するサイズを有する電極組立体ＡがバッテリーハウジングＢＨの下端に形成された開口部から抜け出ないようにし、キャッププレート４０が載置される支持部として機能することができる。
前記クリンピング部２４はビーディング部２３の下部に形成される。前記クリンピング部２４は、ビーディング部２３の下方に配置されるキャッププレート４０の外周面、及びキャッププレート４０の下面の一部を包むように延在して折り曲げられた形態を有する。
但し、本発明は、バッテリーハウジングＢＨがこのようなビーディング部２３及び／またはクリンピング部２４を備えない場合を排除しない。本発明の一実施例において、バッテリーハウジングＢＨがビーディング部２３及び／またはクリンピング部２４を備えない場合、電極組立体Ａの固定及び／またはキャッププレート４０の固定及び／またはバッテリーハウジングＢＨの密封は、例えば電極組立体Ａ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及び／またはキャッププレート４０が載置可能な構造物の追加的な適用及び／またはバッテリーハウジングＢＨとキャッププレート４０との間の溶接などを通じて実現可能である。
図５及び図１０を参照すると、前記キャッププレート４０は、剛性を確保するため、例えば金属材料からなり得る。前記キャッププレート４０は、バッテリーハウジングＢＨの下端に形成された開口部を覆う。すなわち、前記キャッププレート４０は、円筒形バッテリー１の下面を構成する。本発明の一実施例による円筒形バッテリー１において、前記キャッププレート４０は、伝導性を有する金属材料である場合にも極性を持たない。極性を持たないとは、前記キャッププレート４０がバッテリーハウジングＢＨ及び外部端子５０と電気的に絶縁されていることを意味する。したがって、前記キャッププレート４０は、正極端子または負極端子として機能しない。したがって、前記キャッププレート４０は、電極組立体Ａ及びバッテリーハウジングＢＨと電気的に接続される必要がなく、その材料が必ずしも伝導性金属である必要もない。
本発明の一実施例によるバッテリーハウジングＢＨがビーディング部２３を備える場合、前記キャッププレート４０は、バッテリーハウジングＢＨに形成されたビーディング部２３上に載置され得る。また、本発明の一実施例によるバッテリーハウジングＢＨがクリンピング部２４を備える場合、前記キャッププレート４０はクリンピング部２４によって固定される。前記キャッププレート４０とバッテリーハウジングＢＨのクリンピング部２４との間には、バッテリーハウジングＢＨの気密性を確保するため、シーリングガスケット３９が介在され得る。一方、上述したように、本発明の一実施例によるバッテリーハウジングＢＨはビーディング部２３及び／またはクリンピング部２４を備えなくてもよく、この場合、前記シーリングガスケット３９は、バッテリーハウジングＢＨの気密性確保のため、バッテリーハウジングＢＨの開放部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４０との間に介在され得る。
図１０及び図１１を参照すると、前記キャッププレート４０は、バッテリーハウジングＢＨの内部で発生したガスによって内圧が既に設定された値を超えて増加することを防止するために形成されるベンティング部４１をさらに備え得る。前記ベンティング部４１は、キャッププレート４０において周辺領域と比べて厚さの薄い領域に該当する。前記ベンティング部４１は、周辺領域と比べて構造的に脆弱である。したがって、前記円筒形バッテリー１に異常が発生してバッテリーハウジングＢＨの内圧が一定水準以上に増加すれば、ベンティング部４１が破断してバッテリーハウジングＢＨの内部に発生したガスが排出される。前記ベンティング部４１は、例えばキャッププレート４０の一面上にまたは両面上にノッチング（ｎｏｔｃｈｉｎｇ）して部分的にキャッププレート４０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１は、後述するように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、前記バッテリーハウジングＢＨ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１の下面を構成するキャッププレート４０にベンティング部４１が形成され得る。
図１０に示されたように、前記キャッププレート４０の下端部はバッテリーハウジングＢＨの下端部よりも上側に位置することが望ましい。この場合、前記バッテリーハウジングＢＨ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４０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、前記円筒形バッテリー１の重量によってベンティング部４１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、これによってベンティング部４１の破断円滑性を確保できる。
一方、前記ベンティング部４１が図１０及び図１１に示されたように閉ループ形態を有する場合、破断容易性の面ではキャッププレート４０の中心部からベンティング部４１までの距離が遠いほど有利である。これは、同じベンティング圧が作用するとき、前記キャッププレート４０の中心部からベンティング部４１までの距離が遠くなるほど、ベンティング部４１に作用する力が大きくなって破断が容易になるためである。また、ベンティングガスの排出円滑性の面でもキャッププレート４０の中心部からベンティング部４１までの距離が遠いほど有利である。このような観点からみて、前記ベンティング部４１は、キャッププレート４０の周縁領域から下方（図１０を基準にして下方）に突出した略扁平な領域の周縁に沿って形成されることが有利である。
図１１には、前記ベンティング部４１がキャッププレート４０上で略円を描きながら連続的に形成されている場合が示されているが、これによって本発明が限定されることはない。前記ベンティング部４１は、キャッププレート４０上に略円を描きながら不連続的に形成されてもよく、略直線形態またはその他の形態で形成されてもよい。
図４～図６を参照すると、前記外部端子５０は、伝導性を有する金属材料からなり、バッテリーハウジングＢＨの上面、すなわちバッテリーハウジングＢＨの開口部の反対側に位置する面（Ｘ－Ｙ平面に平行な面）を通過する。前記外部端子５０は、例えば電極組立体Ａの第１電極タブ１３と電気的に接続される。この場合、前記外部端子５０は第１極性を有する。したがって、前記外部端子５０は、本発明の一実施例による円筒形バッテリー１において第１電極端子Ｅ１として機能することができる。前記外部端子５０がこのように第１極性を有する場合、外部端子５０は第２極性を有するバッテリーハウジングＢＨとは電気的に絶縁される。前記外部端子５０とバッテリーハウジングＢＨとの間の電気的絶縁は、多様な方式で実現可能である。例えば、前記外部端子５０とバッテリーハウジングＢＨとの間に後述するような絶縁ガスケット３５を介在させることで絶縁を実現し得る。これと異なり、前記外部端子５０の一部に絶縁性コーティング層を形成させることで絶縁を実現してもよい。または、前記外部端子５０とバッテリーハウジングＢＨとが接触できないように、外部端子５０を構造的に堅固に固定する方式を適用してもよい。または、上述した方式のうちの複数の方式を組み合わせて適用してもよい。
前記外部端子５０は、端子露出部５０ａ及び端子挿入部５０ｂを含む。前記端子露出部５０ａは、バッテリーハウジングＢＨの外側に露出する。前記端子露出部５０ａは、バッテリーハウジングＢＨの上面の略中心部に位置し得る。前記端子露出部５０ａの最大幅は、外部端子５０が通過するバッテリーハウジングＢＨの孔の最大幅よりも大きく形成され得る。前記端子挿入部５０ｂは、バッテリーハウジングＢＨの上面の略中心部を貫通して第１電極タブ１３と電気的に接続され得る。前記端子挿入部５０ｂの下端部の周縁領域は、バッテリーハウジングＢＨの内側面上にリベット（ｒｉｖｅｔ）結合され得る。すなわち、前記端子挿入部５０ｂの下端部の周縁領域は、バッテリーハウジングＢＨの内側面に向かって折り曲げられた形態を有し得、これにより端子挿入部５０ｂの下端部の最大幅は、端子挿入部５０ｂが通過するバッテリーハウジングＢＨの孔の最大幅よりも大きく形成され得る。
一方、本発明の一実施例による円筒形バッテリー１が第１集電板３６を備える場合、端子挿入部５０ｂの下端部の中心領域は第１集電板３６と結合され得る。前記端子挿入部５０ｂの下端部の中心領域は、例えば略円柱状であり得る。前記端子挿入部５０ｂの下端部の中心領域の底面の直径は約６．２ｍｍに設定され得る。
前記端子挿入部５０ｂの下端部の中心領域の底面と第１集電板３６との間の結合は、例えばレーザー溶接または超音波溶接によって行われ得る。
前記レーザー溶接は、電極組立体Ａの巻取中心Ｃに形成された孔を通してレーザーを照射して第１集電板３６の一面上にレーザー溶接線を形成することで行われ得る。前記レーザー溶接線は、第１集電板３６の上部面及び下部面のうちの端子挿入部５０ｂの下端部の中心領域の底面と接触しない反対側面に略同心円を描く形態で形成され得る。前記溶接線は連続的に形成されるかまたは部分的に不連続的に形成され得る。
同心円状の前記溶接線は、端子挿入部５０ｂの下端部の中心領域の底面の直径に対して約６０％～８０％の直径を有し得る。例えば、前記端子挿入部５０ｂの下端部の中心領域の底面の直径が約６．２ｍｍである場合、溶接線が描く円の直径は約４．０ｍｍ以上であることが望ましい。前記溶接線が描く円の直径が小さ過ぎると、溶接による結合力が足りなくなり得る。一方、前記溶接線が描く円の直径が大き過ぎると、熱及び／または溶接スパッタなどによって電極組立体Ａが損傷されるおそれがある。
前記超音波溶接は、電極組立体Ａの巻取中心Ｃに形成された孔を通して超音波溶接のための溶接棒を挿入して行われ得る。前記超音波溶接によって形成される溶接部は、端子挿入部５０ｂの下端部の中心領域の底面と第１集電板３６との接触界面に形成される。前記超音波溶接によって形成される溶接部は、端子挿入部５０ｂの下端部の中心領域の底面に対して約３０％～８０％の直径を有する同心円内に全体的に形成され得る。例えば、前記端子挿入部５０ｂの下端部の中心領域の底面の直径が約６．２ｍｍである場合において、超音波溶接による溶接部が描く円の直径は望ましくは約２．０ｍｍ以上であり得る。前記超音波溶接による溶接部が描く円の直径が小さ過ぎると、溶接による結合力が足りなくなり得る。一方、前記超音波溶接による溶接部が描く円の直径が大き過ぎると、熱及び／または振動などによって電極組立体Ａが損傷されるおそれがある。
本発明の一実施形態において、前記バッテリーハウジングＢＨの上面と前記バッテリーハウジングＢＨの外側に露出した外部端子５０とは反対極性を有しながらも同じ方向を向いている。また、前記外部端子５０とバッテリーハウジングＢＨの上面との間には段差が形成され得る。具体的には、前記バッテリーハウジングＢＨの上面全体が扁平な形状を有するか、または、その中心部で上方に突出した形状を有する場合は、外部端子５０の端子露出部５０ａがバッテリーハウジングＢＨの上面よりも上方にさらに突出し得る。反対に、前記バッテリーハウジングＢＨの上面がその中心部で下方に、すなわち電極組立体Ａに向かう方向に凹んだ凹状である場合は、バッテリーハウジングＢＨの上面が外部端子５０の端子露出部５０ａよりも上方にさらに突出し得る。
一方、前記バッテリーハウジングＢＨの上面がその中心部で下方に、すなわち電極組立体Ａに向かう方向に凹んだ凹状である場合において、凹んだ深さ及び外部端子５０の端子露出部５０ａの厚さによってバッテリーハウジングＢＨの上面と端子露出部５０ａの上面とが同一平面を成し得る。この場合は、前記バッテリーハウジングＢＨの上面と端子露出部５０ａとの間に段差が形成されなくてもよい。
前記絶縁ガスケット３５は、バッテリーハウジングＢＨと外部端子５０との間に介在され、反対極性を有するバッテリーハウジングＢＨと外部端子５０とが接触することを防止する。これにより、略扁平な形状を有するバッテリーハウジングＢＨの上面が円筒形バッテリー１の第２電極端子Ｅ２として機能することができる。
前記絶縁ガスケット３５は、ガスケット露出部３５ａ及びガスケット挿入部３５ｂを含む。前記ガスケット露出部３５ａは、外部端子５０の端子露出部５０ａとバッテリーハウジングＢＨとの間に介在される。前記ガスケット挿入部３５ｂは、外部端子５０の端子挿入部５０ｂとバッテリーハウジングＢＨとの間に介在される。前記ガスケット挿入部３５ｂは、端子挿入部５０ｂのリベッティング（ｒｅｖｅｔｉｎｇ）時に一緒に変形されてバッテリーハウジングＢＨの内側面に密着され得る。前記絶縁ガスケット３５は、例えば絶縁性を持つ樹脂材料からなり得る。
図７を参照すると、前記絶縁ガスケット３５のガスケット露出部３５ａは、外部端子５０の端子露出部５０ａの外周面を覆うように延在した形態を有し得る。このように絶縁ガスケット３５が外部端子５０の外周面を覆う場合、バスバーなどの電気的接続部品をバッテリーハウジングＢＨの上面及び／または外部端子５０に結合させる過程で短絡が発生することを防止することができる。図示していないが、前記絶縁ガスケット３５のガスケット露出部３５ａは、端子露出部５０ａの外周面だけでなく、上面の一部も一緒に覆うように延在した形態を有してもよい。
前記絶縁ガスケット３５が樹脂材料からなる場合において、絶縁ガスケット３５は熱融着によって前記バッテリーハウジングＢＨ及び外部端子５０と結合され得る。この場合、絶縁ガスケット３５と外部端子５０との結合界面及び絶縁ガスケット３５とバッテリーハウジングＢＨとの結合界面における気密性が強化される。一方、前記絶縁ガスケット３５のガスケット露出部３５ａが端子露出部５０ａの上面まで延在した形態を有する場合において、外部端子５０はインサート射出によって絶縁ガスケット３５と結合されてもよい。
本発明の一実施形態によれば、前記絶縁ガスケット３５、絶縁体３７及びシーリングガスケット３９は同じ材料から形成され得るが、必ずしもこれに限られない。絶縁ガスケット３５の厚さと絶縁体３７の厚さとは同一であり得るが、必ずしもこれに限られない。これらの厚さが異なる場合、絶縁体３７が絶縁ガスケット３５よりも薄くてもよく、その反対も可能である。
前記バッテリーハウジングＢＨの上面において、前記外部端子５０及び前記絶縁ガスケット３５が占める領域を除いた他の領域全体が前記外部端子５０と反対極性を有する第２電極端子Ｅ２に該当する。これと異なり、本発明の一実施例において、前記絶縁ガスケット３５が省略されて外部端子５０に部分的に絶縁コーティング層が備えられた場合は、バッテリーハウジングＢＨの上面から絶縁コーティング層を備える外部端子５０が占める領域を除いた他の領域全体が第２電極端子Ｅ２として機能可能である。
前記バッテリーハウジングＢＨの円筒形側壁は、第２電極端子Ｅ２との間で不連続な部分がないように、第２電極端子Ｅ２と一つのピースで形成され得る。前記バッテリーハウジングＢＨの側壁から第２電極端子Ｅ２への連結は滑らかな曲線であり得る。但し、本発明がこれに限定されることはなく、連結部位は所定の角度を有するエッジを少なくとも一つ含み得る。
図５～図７を参照すると、前記第１集電板３６は電極組立体Ａの上部に結合される。前記第１集電板３６は導電性を有する金属材料からなり、第１電極タブ１３と連結される。図示していないが、前記第１集電板３６は、その下面に放射状に形成された複数の凹凸を備え得る。凹凸が形成された場合、第１集電板３６を押し付けて凹凸に第１電極タブ１３を押し込み得る。
図８を参照すると、前記第１集電板３６は第１電極タブ１３の端部に結合される。前記第１電極タブ１３と第１集電板３６との結合は、例えばレーザー溶接によって行われ得る。前記レーザー溶接は、第１集電板３６の母材を部分的に溶融させる方式で行われ得、第１集電板３６と第１電極タブ１３との間に溶接のための半田を介在させた状態で行われてもよい。この場合、前記半田は、第１集電板３６及び第１電極タブ１３と比べて低い融点を有するものが望ましい。
図９を参照すると、前記第１集電板３６は、第１電極タブ１３の端部が第１集電板３６と平行な方向に折り曲げられて形成された結合面上に結合され得る（部分拡大構造を参照）。前記第１電極タブ１３の折曲方向は、例えば電極組立体Ａの巻取中心Ｃに向かう方向であり得る。前記第１電極タブ１３がこのように折り曲げられた形態を有する場合、第１電極タブ１３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、前記第１電極タブ１３と第１集電板３６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。
図５～図７を参照すると、前記絶縁体３７は、電極組立体Ａの上端とバッテリーハウジングＢＨの内側面との間または電極組立体Ａの上部に結合された第１集電板３６とバッテリーハウジングＢＨの内側面との間に備えられる。前記絶縁体３７は、第１電極タブ１３とバッテリーハウジングＢＨとの接触及び／または第１集電板３６とバッテリーハウジングＢＨとの接触を防止する。前記絶縁体３７は、その他にも電極組立体Ａの外周面の上端とバッテリーハウジングＢＨの内側面との間にも介在され得る。前記第１集電板３６は、電極組立体Ａの外周面の上端を完全に横切って延在するプレートであり得る。但し、本発明がこれに限定されることはなく、前記第１集電板３６は電極組立体Ａの外周面の上端を部分的にのみ横切って延在するように形成されてもよい。
本発明の一実施形態による円筒形バッテリー１が絶縁体３７を備える場合、外部端子５０の端子挿入部５０ｂは絶縁体３７を通過して第１集電板３６または第１電極タブ１３と結合される。
前記絶縁体３７は、巻取中心Ｃに隣接した開口を備え得る。前記開口を通して外部端子５０の端子挿入部５０ｂが第１集電板３６と直接接触し得る。
本発明の一実施形態において、前記端子挿入部５０ｂ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。前記端子挿入部５０ｂは、選択的に多角形、星型、中央から延びる脚を備える形状などであり得る。
図５及び図１０を参照すると、前記第２集電板３８は、電極組立体Ａの下部に結合される。前記第２集電板３８は導電性を有する金属材料からなり、第２電極タブ１４と連結される。また、前記第２集電板３８は、バッテリーハウジングＢＨと電気的に接続される。前記第２集電板３８は、図１０に示されたように、バッテリーハウジングＢＨの内側面とシーリングガスケット３９との間に介在されて固定され得る。これと異なり、前記第２集電板３８は、バッテリーハウジングＢＨの内壁面に溶接されてもよい。
図示していないが、前記第２集電板３８は、その一面上に放射状に形成された複数の凹凸を備え得る。凹凸が形成された場合、第２集電板３８を押し付けて凹凸に第２電極タブ１４を押し込み得る。
図８を参照すると、前記第２集電板３８は第２電極タブ１４の端部に結合される。前記第２電極タブ１４と第２集電板３８との結合は、例えばレーザー溶接によって行われ得る。前記レーザー溶接は、第２集電板３８の母材を部分的に溶融させる方式で行われ得、第２集電板３８と第２電極タブ１４との間に溶接のための半田を介在させた状態で行われてもよい。この場合、前記半田は、第２集電板３８及び第２電極タブ１４と比べて低い融点を有するものが望ましい。
図９を参照すると、前記第２集電板３８は、第２電極タブ１４の端部が第２集電板３８と平行な方向に折り曲げられて形成された結合面上に結合され得る（部分拡大構造を参照）。前記第２電極タブ１４の折曲方向は、例えば電極組立体Ａの巻取中心Ｃに向かう方向であり得る。前記第２電極タブ１４がこのように折り曲げられた形態を有する場合、第２電極タブ１４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、前記第２電極タブ１４と第２集電板３８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。
図１０及び図１２を参照すると、前記第２集電板３８は、中心部から放射状に延在して互いに離隔した複数のサブプレート３８ａを含み得る。この場合、複数のサブプレート３８ａはそれぞれ、第２電極タブ１４及びバッテリーハウジングＢＨと結合される。
それぞれのサブプレート３８ａの外側端部３８ｂは、ビーディング部２３の内側面に向かって折り曲げられ、端部がシーリングガスケット３９とビーディング部２３の内側面との間に介在された状態で固定され得る。また、外側端部３８ｂの端部はビーディング部２３の内側面、例えば下部面に溶接され得る。溶接を通じてバッテリーハウジングＢＨと第２電極タブ１４とが電気的に接続され得る。キャッププレート４０と外側端部３８ｂの溶接領域との間にはシーリングガスケット３９が介在されているため、キャッププレート４０は電気的に極性を持たない。
前記第２集電板３８が互いに離隔した複数のサブプレート３８ａを含む場合、第２集電板３８は電極組立体Ａの下面を部分的に覆うようになる。したがって、前記電極組立体Ａで発生したガスがキャッププレート４０に向かって移動可能な空間が十分に確保され、円筒形バッテリー１の下方への円滑なガスベンティングが可能になる。一方、上述したように複数のサブプレート３８ａを備える第２集電板３８の構造は、上述した第１集電板３６にも同様に適用され得る。
図６及び図１０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１は、その長さ方向（Ｚ軸方向）の一側に第１極性を有する外部端子５０、及び外部端子５０と電気的に絶縁されて第２極性を有する第２電極端子Ｅ２が一緒に備えられる。すなわち、本発明の一実施形態による円筒形バッテリー１は、一対の電極端子（第１電極端子Ｅ１、第２電極端子Ｅ２）が同一方向に位置するため、複数個の円筒形バッテリー１を電気的に接続させる場合において、バスバーなどの電気的接続部品を円筒形バッテリー１の一側のみに配置可能である。これは、バッテリーパック構造の単純化及びエネルギー密度の向上をもたらすことができる。
また、前記円筒形バッテリー１は、略扁平な形態を有するバッテリーハウジングＢＨの一面を第２電極端子Ｅ２として利用可能な構造を有することで、バスバーなどの電気的接続部品を第２電極端子Ｅ２に接合する際に十分な接合面積を確保することができる。これにより、前記円筒形バッテリー１は、電気的接続部品と第２電極端子Ｅ２との間の十分な接合強度を確保でき、接合部位における抵抗を望ましい水準に下げることができる。
図４を参照すると、本発明の一実施例による円筒形バッテリー１の第１電極端子Ｅ１及び第２電極端子Ｅ２のそれぞれにバスバーＢが連結されている。前記第１電極端子Ｅ１及び第２電極端子Ｅ２のそれぞれにおいて、バスバーＢの結合のための面積を十分に確保するため、第１電極端子Ｅ１のうちのバッテリーハウジングＢＨの外側に露出した領域、すなわち端子露出部５０ａの上面の幅Ｄ１は、第２電極端子Ｅ２、すなわちバッテリーハウジングＢＨの上面の幅Ｄ２の約１０％～６０％に設定され得る。
望ましくは、円筒形バッテリーは、例えばフォームファクタの比（円筒型バッテリー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は、例えば４６１１０バッテリー、４８７５バッテリー、４８１１０バッテリー、４８８０バッテリー、４６８０バッテリーであり得る。フォームファクタを示す数値において、前方の二桁はバッテリーの直径を示し、残り数字はバッテリーの高さを示す。
本発明の一実施形態によるバッテリーは、略円柱状のバッテリーであって、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約０．４１８である円筒形バッテリーであり得る。
他の実施形態によるバッテリーは、略円柱状のバッテリーであって、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約０．６４０である円筒形バッテリーであり得る。
さらに他の実施形態によるバッテリーは、略円柱状のバッテリーであって、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約０．４３６である円筒形バッテリーであり得る。
さらに他の実施形態によるバッテリーは、略円柱状のバッテリーであって、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約０．６００である円筒形バッテリーであり得る。
さらに他の実施形態によるバッテリーは、略円柱状のバッテリーであって、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約０．５７５である円筒形バッテリーであり得る。
従来、フォームファクタの比が約０．４以下であるバッテリーが用いられている。すなわち、従来は、例えば１８６５バッテリー、２１７０バッテリーなどが用いられている。１８６５バッテリーの場合、その直径が約１８ｍｍであり、高さが約６５ｍｍであり、フォームファクタの比が約０．２７７である。２１７０バッテリーの場合、その直径が約２１ｍｍであり、高さが約７０ｍｍであり、フォームファクタの比が約０．３００である。
図１３ａ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３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形バッテリー１が電気的に接続されたバッテリー集合体、及びそれを収容するパックハウジング２を含む。図示の便宜上、電気的接続のためのバスバー、冷却ユニット、電力端子などの部品は示されていない。
図１３ｂ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、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、本発明の一実施形態によるバッテリーパック３を含む。前記自動車５は、四輪自動車または二輪自動車を含む。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３から電力の供給を受けて動作する。
以下、図１１～図３５を参照して電極板、電極組立体及び円筒形バッテリーの多様な実施形態を説明する。
まず、本発明の実施形態による電極組立体について説明する。電極組立体は、シート状の第１電極と第２電極とが分離膜を介在して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る。
望ましくは、第１電極及び第２電極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む。無地部の少なくとも一部はそれ自体が電極タブとして使用される。無地部は、電極組立体のコアに隣接したコア側無地部、電極組立体の外周表面に隣接した外周側無地部、及びコア側無地部と外周側無地部との間に介在された中間無地部を含む。
望ましくは、コア側無地部及び外周側無地部の少なくとも一つの高さは中間無地部よりも相対的に低い。
図１４は、本発明の第１実施形態による電極６０ａの構造を示した平面図である。
図１４を参照すると、第１実施形態の電極６０ａは、金属ホイルからなる集電体６１、及び活物質層６２を含む。金属ホイルはアルミニウムまたは銅であり得、電極６０ａの極性に合わせて適切に選択される。活物質層６２は、集電体６１の少なくとも一面に形成され、巻取方向Ｘの長辺端部に無地部６３を含む。無地部６３は、活物質がコーティングされていない領域である。活物質層６２と無地部６３との境界には絶縁コーティング層６４が形成され得る。絶縁コーティング層６４は、少なくとも一部が活物質層６２と無地部６３との境界と重なるように形成される。絶縁コーティング層６４は高分子樹脂を含み、Ａｌ２Ｏ３のような無機物フィラーを含み得る。
無地部６３は、電極組立体のコア側と隣接したコア側無地部Ｂ１、電極組立体の外周側と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、外周側無地部Ｂ３及び中間無地部Ｂ２は、電極６０ａがゼリーロール型の電極組立体として巻き取られたとき、それぞれコア側に隣接した領域の無地部、外周側に隣接した領域の無地部、及びこれらを除いた他の領域の無地部として定義され得る。コア側無地部Ｂ１と中間無地部Ｂ２との境界は、電極組立体のコア側から外周側に向かって無地部の高さ（または変化パターン）が実質的に変わる地点、若しくは、電極組立体の半径を基準にして所定％の地点（例えば、半径の５％、１０％、１５％地点など）で適切に定義され得る。中間無地部Ｂ２と外周側無地部Ｂ３との境界は、電極組立体の外周側からコア側に向かって無地部の高さ（または変化パターン）が実質的に変わる地点、若しくは、電極組立体の半径を基準にして所定％の地点（例えば、半径の８５％、９０％、９５％地点など）で定義され得る。コア側無地部Ｂ１と中間無地部Ｂ２との境界及び中間無地部Ｂ２と外周側無地部Ｂ３との境界が特定されると、中間無地部Ｂ２は自動に特定され得る。もし、コア側無地部Ｂ１と中間無地部Ｂ２との境界のみが特定される場合、中間無地部Ｂ２と外周側無地部Ｂ３との境界は電極組立体の外周側付近の地点で適切に選択され得る。反対に、中間無地部Ｂ２と外周側無地部Ｂ３との境界のみが特定される場合、コア側無地部Ｂ１と中間無地部Ｂ２との境界は電極組立体のコア側付近の地点で適切に選択され得る。第１実施形態において、無地部６３の高さは一定ではなく、巻取方向Ｘにおいて相対的に差がある。すなわち、外周側無地部Ｂ３の高さ（Ｙ軸方向の長さ）は、コア側無地部Ｂ１及び中間無地部Ｂ２よりも相対的に低い。
図１５は、本発明の第２実施形態による電極６０ｂの構造を示した平面図である。
図１５を参照すると、第２実施形態の電極６０ｂは、第１実施形態と比較して、外周側無地部Ｂ３の高さが外周側に向かって徐々に減少する点のみで異なり、他の構成は実質的に同一である。
一変形形態において、外周側無地部Ｂ３は、高さが段階的に減少する階段形状（点線を参照）で変形可能である。
図１６は、本発明の第３実施形態による電極６０ｃの構造を示した平面図である。
図１６を参照すると、第３実施形態の電極６０ｃは、コア側無地部Ｂ１及び外周側無地部Ｂ３の高さが中間無地部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相異なり得る。
望ましくは、中間無地部Ｂ２の高さは、コア側から外周側に向かって段階的に増加する階段形状であり得る。
パターン１～パターン７は、無地部６３の高さが変化する位置を中心にして中間無地部Ｂ２を区分したものである。望ましくは、パターンの個数、各パターンの高さ（Ｙ軸方向の長さ）と幅（Ｘ軸方向の長さ）は、無地部６３の折曲過程で応力を最大限に分散できるように調節可能である。応力の分散は無地部６３が破れることを防止するためものである。
コア側無地部Ｂ１の幅ｄＢ１は、中間無地部Ｂ２のパターン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。
一例において、コア側無地部Ｂ１の幅ｄＢ１は、パターン１の折曲長さに比例して増加し得る。折曲長さは、パターンの折曲地点を基準にしたパターンの高さに該当する。
具体的な例において、電極６０ｃがフォームファクタ４６８０の円筒形バッテリー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、それぞれのパターンの幅は、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。
他の例において、中間無地部Ｂ２の高さはコア側から外周側に向かって増加してから減少する階段形状であり得る。
さらに他の例において、外周側無地部Ｂ３は第２実施形態と同じ構造を有するように変形され得る。
さらに他の例において、中間無地部Ｂ２に適用されたパターン構造が外周側無地部Ｂ３まで拡張され得る（点線を参照）。
図１７は、本発明の第４実施形態による電極６０ｄの構造を示した平面図である。
図１７を参照すると、第４実施形態の電極６０ｄは、コア側無地部Ｂ１及び外周側無地部Ｂ３の高さが中間無地部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相異なり得る。
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Ｐを含み得る。複数の分切片Ｐ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Ｐは、レーザーでノッチングされたものであり得る。分切片Ｐは、超音波カッティングや打ち抜きなどの公知の金属箔カッティング工程で形成し得る。
第４実施形態において、無地部６３の折曲加工の際、活物質層６２及び／または絶縁コーティング層６４が損傷されることを防止するため、分切片Ｐ同士の間の切断線の下端と活物質層６２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６３が折り曲げられるとき、切断線の下端付近に応力が集中されるためである。ギャップは０．２ｍｍ～４ｍｍであることが望ましい。ギャップを上記の数値範囲に調節することで、無地部６３の折曲加工時に生じる応力によって切断線の下端付近の活物質層６２及び／または絶縁コーティング層６４が損傷されることを防止することができる。また、ギャップは、分切片Ｐのノッチングまたはカッティング時の公差による活物質層６２及び／または絶縁コーティング層６４の損傷を防止することができる。望ましくは、電極６０ｄが電極組立体として巻き取られたとき、絶縁コーティング層６４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Ｐが折り曲げられるとき、絶縁コーティング層６４が折曲地点を支持可能である。
複数の分切片Ｐ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は実質的に同一であり得る。
図１８は、本発明の実施形態による分切片Ｐの幅、高さ及び離隔ピッチの定義を示した図である。
図１８を参照すると、分切片Ｐの幅Ｃ１、高さＣ２及び離隔ピッチＣ３は、無地部６３の折曲加工時に無地部６３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６３の重畳層数を十分に増加させながら無地部６３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Ｃ４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Ｐ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Ｐ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Ｐが折り曲げられるとき、折曲地点Ｃ４付近の無地部６３が応力によって破れるおそれがある。また、分切片Ｐ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Ｐ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Ｐ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Ｐが折り曲げられるとき、応力によって折曲地点Ｃ４付近の無地部６３が破れるおそれがある。一方、Ｃ３が１ｍｍを超えると、分切片Ｐ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Ｐ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１７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Ｐ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。
一例において、コア側無地部Ｂ１の幅ｄＢ１は、グループ１の分切片Ｐ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１８のＣ４）を基準にした分切片Ｐの高さに該当する。
具体的な例において、電極６０ｄがフォームファクタ４６８０の円筒形バッテリー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。
他の例において、同一分切片グループに属した分切片Ｐ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７は分切片グループの一例に過ぎない。グループの個数及び各グループに含まれる分切片Ｐの個数は、無地部６３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Ｐが多重に重なるように調節され得る。
さらに他の例において、外周側無地部Ｂ３の高さは第１実施形態及び第２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。
具体的な例において、電極６０ｄがフォームファクタ４６８０の円筒形バッテリーの電極組立体を製造するのに使用される場合、８個のグループで分切片が形成され得る。このとき、グループ１～７の分切片は中間無地部Ｂ２に形成され、グループ８の分切片は上述した例のように外周側無地部Ｂ３に形成され得る。
具体的な例において、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。
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、電極組立体の半径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１９は、本発明の第５実施形態による電極６０ｅの構造を示した平面図である。
図１９を参照すると、第５実施形態の電極６０ｅは、第４実施形態と比較して、分切片Ｐ’の形状が方形から台形に変更された点を除き、他の構成は第４実施形態（または変形形態）と実質的に同一である。
図２０は、台形状の分切片Ｐ’の幅、高さ及び離隔ピッチの定義を示した図である。
図２０を参照すると、分切片Ｐ’の幅Ｄ１、高さＤ２及び離隔ピッチＤ３は、無地部６３の折曲加工時に折曲地点Ｄ４付近の無地部６３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６３の重畳層数を十分に増加させながら無地部６３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Ｐ’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Ｐ’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Ｐ’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Ｐ’が折り曲げられるとき、折曲地点Ｄ４付近の無地部６３が応力によって破れるおそれがある。また、分切片Ｐ’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Ｐ’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Ｐ’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６３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。また、分切片Ｐ’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Ｐ’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６３が破れるおそれがある。一方、Ｄ３が１ｍｍを超えると、分切片Ｐ’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Ｐ’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。
第５実施形態において、複数の分切片Ｐ’はコア側から外周側に向かって台形の下部内角θが増加し得る。電極組立体Ａの半径が増加すれば、曲率が減少する。もし、分切片Ｐ’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Ｐ’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Ｐ’が折り曲げられたとき内側の分切片Ｐ’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６０ｅがフォームファクタ４６８０の円筒形バッテリー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Ａの半径が４ｍｍから２２ｍｍまで増加するとき、分切片Ｐ’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、第１実施形態及び第２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。
第４実施形態及び第５実施形態のように、中間無地部Ｂ２が複数の分切片Ｐ、Ｐ’を含むとき、それぞれの分切片Ｐ、Ｐ’の形状は三角形、半円形、半楕円形、平行四辺形などに変更可能である。
また、中間無地部Ｂ２の領域毎に分切片Ｐ、Ｐ’の形状を変更することも可能である。一例において、応力が集中される区間には応力分散に有利なラウンド形状（例えば、半円形、半楕円形など）を適用し、応力が相対的に低い区間には面積が最大限に広い多角形状（例えば、方形、台形、平行四辺形など）を適用し得る。
第４実施形態及び第５実施形態において、中間無地部Ｂ２の分切構造はコア側無地部Ｂ１にも適用可能である。但し、コア側無地部Ｂ１に分切構造が適用されれば、コアの曲率半径によって、中間無地部Ｂ２の分切片Ｐ、Ｐ’が折り曲げられるときコア側無地部Ｂ１の端部が外周側に曲がる逆フォーミング（ｒｅｖｅｒｓｅ ｆｏｒｍｉｎｇ）現象が発生するおそれがある。したがって、コア側無地部Ｂ１には分切構造を適用しないか、または、分切構造を適用してもコアの曲率半径を考慮して分切片Ｐ、Ｐ’の幅及び／または高さ及び／または離隔ピッチを逆フォーミングが発生しない水準に調節することが望ましい。
上述した実施形態（変形形態）の電極構造は、ゼリーロール型の電極組立体Ａに含まれた極性の異なる第１電極及び第２電極の少なくとも一つに適用され得る。また、第１電極及び第２電極の一方に実施形態（変形形態）の電極構造が適用される場合、他方には従来の電極構造が適用され得る。また、第１電極及び第２電極に適用された電極構造は同一ではなく、相異なり得る。
一例として、第１電極及び第２電極がそれぞれ正極及び負極であるとき、第１電極には実施形態（変形形態）のいずれか一つが適用され、第２電極には従来の電極構造（図１を参照）が適用され得る。
他の例として、第１電極及び第２電極がそれぞれ正極及び負極であるとき、第１電極には実施形態（変形形態）のいずれか一つが選択的に適用され、第２電極には実施形態（変形形態）のいずれか一つが選択的に適用され得る。
以下、本発明の実施形態による電極組立体の構造について詳しく説明する。
図２１は、第１実施形態の電極６０ａを第１電極（正極）及び第２電極（負極）に適用したゼリーロール型の電極組立体Ａ１をＹ軸方向（巻取軸方向）に沿って切断した断面図である。
電極組立体Ａ１は、図２を参照して説明した巻取工法で製造可能である。説明の便宜上、分離膜の外側に延在した無地部４３ａ、４３ｂの突出構造を詳細に示し、第１電極、第２電極及び分離膜の巻取構造の図示は省略されている。上側に突出した無地部４３ａは第１電極から延在したものであり、下側に突出した無地部４３ｂは第２電極から延在したものである。
無地部４３ａ、４３ｂの高さが変化するパターンは概略的に示した。すなわち、断面の切断位置によって無地部４３ａ、４３ｂの高さは不規則に変化し得る。一例として、台形状の分切片Ｐ、Ｐ’の側辺が切断されれば、断面における無地部の高さは分切片Ｐ、Ｐ’の高さよりも低くなる。したがって、電極組立体の断面を示した図面に示された無地部４３ａ、４３ｂの高さは、それぞれの巻回ターンに含まれた無地部の高さ（図１８のＣ２、図２０のＤ２）の平均に対応すると理解されたい。
図２１を参照すると、第１電極の無地部４３ａは、電極組立体Ａ１のコアに隣接したコア側無地部Ｂ１、電極組立体Ａ１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。
外周側無地部Ｂ３の高さ（Ｙ軸方向の長さ）は中間無地部Ｂ２の高さよりも相対的に低い。したがって、バッテリーハウジングのビーディング部に外周側無地部Ｂ３が押し付けられて内部短絡が起きる現象を防止することができる。
下部無地部４３ｂは上部無地部４３ａと同じ構造を有する。一変形形態において、下部無地部４３ｂは従来の電極構造や他の実施形態（変形形態）の電極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８１は、電極組立体Ａ１の外周側からコア側に折り曲げられ得る。このとき、外周側無地部Ｂ３は実質的に折り曲げられなくてもよい。
図２２は、第２実施形態の電極６０ｂを第１電極（正極）及び第２電極（負極）に適用したゼリーロール型の電極組立体Ａ２をＹ軸方向（巻取軸方向）に沿って切断した断面図である。
図２２を参照すると、第１電極の無地部４３ａは、電極組立体Ａ２のコアに隣接したコア側無地部Ｂ１、電極組立体Ａ２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。
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く、コア側から外周側に向かって徐々にまたは段階的に減少する。したがって、バッテリーハウジングのビーディング部に外周側無地部Ｂ３が押し付けられて内部短絡が起きる現象を防止することができる。
下部無地部４３ｂは上部無地部４３ａと同じ構造を有する。一変形形態において、下部無地部４３ｂは従来の電極構造や他の実施形態（変形形態）の電極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９１は、電極組立体Ａ２の外周側からコア側に折り曲げられ得る。このとき、外周側無地部Ｂ３の最外側９２は実質的に折り曲げられなくてもよい。
図２３は、第３実施形態～第５実施形態（これらの変形形態）の電極６０ｃ、６０ｄ、６０ｅのうちのいずれか一つを第１電極（正極）及び第２電極（負極）に適用したゼリーロール型の電極組立体Ａ３をＹ軸方向（巻取軸方向）に沿って切断した断面図である。
図２３を参照すると、第１電極の無地部４３ａは、電極組立体Ａ３のコアに隣接したコア側無地部Ｂ１、電極組立体Ａ３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１８のＣ４、図２０のＤ４）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Ａ３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側の集電板とバッテリーハウジング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、バッテリーハウジングのビーディング部に外周側無地部Ｂ３が押し付けられて内部短絡が起きる現象を防止することができる。
一変形形態において、外周側無地部Ｂ３の高さは、図２３と異なり、徐々にまたは段階的に減少し得る。また、図２３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。一変形形態において、下部無地部４３ｂは従来の電極構造や他の実施形態（変形形態）の電極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Ａ３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２４は、本発明のさらに他の実施形態による電極組立体Ａ４をＹ軸方向（巻取軸方向）に沿って切断した断面図である。
図２４を参照すると、電極組立体Ａ４は、図２３の電極組立体Ａ３と比較して、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。複数の分切片の構成については第４実施形態及び第５実施形態（変形形態）の説明が実質的に同様に援用される。
電極組立体Ａ４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Ａ４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側の集電板とバッテリーハウジングとの間の溶接工程を容易に行うことができる。
一変形形態において、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Ａ４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。一変形形態において、下部無地部４３ｂは従来の電極構造や他の実施形態（変形形態）の電極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Ａ４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２５は、本発明のさらに他の実施形態による電極組立体Ａ５をＹ軸方向（巻取軸方向）に沿って切断した断面図である。
図２５を参照すると、電極組立体Ａ５は、図２３の電極組立体Ａ３と比較して、中間無地部Ｂ２の高さが徐々にまたは段階的に増加してから減少するパターンを有する点のみで異なり、他の構成は実質的に同一である。
このような中間無地部Ｂ２の高さ変化は、中間無地部Ｂ２に含まれた階段パターン（図１６を参照）や分切片（図１７または図１９を参照）の高さを調節することで実現可能である。
電極組立体Ａ５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がコア側に向かって折り曲げられても、折曲部位が電極組立体Ａ５コアの空洞１２２を閉塞することがない。空洞１２２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、空洞１２２を通して溶接治具を挿入して負極側の集電板とバッテリーハウジングとの間の溶接工程を容易に行うことができる。
また、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、バッテリーハウジングのビーディング部に外周側無地部Ｂ３が押し付けられて内部短絡が起きる現象を防止することができる。一変形形態において、外周側無地部Ｂ３の高さは外周側に向かって徐々にまたは段階的に減少し得る。
下部無地部４３ｂは上部無地部４３ａと同じ構造を有する。変形形態において、下部無地部４３ｂは従来の電極構造や他の実施形態（変形形態）の電極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１２１は、電極組立体Ａ５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、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２６は、本発明のさらに他の実施形態による電極組立体Ａ６をＹ軸方向（巻取軸方向）に沿って切断した断面図である。
図２６を参照すると、電極組立体Ａ６は、図２５の電極組立体Ａ５と比較して、外周側無地部Ｂ３の高さが外周側無地部Ｂ３と中間無地部Ｂ２との境界地点から電極組立体Ａ６の最外側表面に向かって徐々にまたは段階的に減少するパターンを有する点で異なり、他の構成は実質的に同一である。
このような外周側無地部Ｂ３の高さ変化は、中間無地部Ｂ２に含まれた階段パターン（図１６を参照）を外周側無地部Ｂ３まで確張するとともに、パターンの高さを外周側に向かって徐々にまたは段階的に減少させることで実現可能である。また、他の変形形態において、外周側無地部Ｂ３の高さ変化は、中間無地部Ｂ２の分切片構造を外周側無地部Ｂ３まで確張するとともに、分切片の高さを外周側に向かって徐々にまたは段階的に減少させることで実現可能である。
電極組立体Ａ６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がコア側に向かって折り曲げられても、折曲部位が電極組立体Ａ５コアの空洞１３２を閉塞することがない。空洞１３２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、空洞１３２を通して溶接治具を挿入して負極側の集電板とバッテリーハウジングとの間の溶接工程を容易に行うことができる。
下部無地部４３ｂは上部無地部４３ａと同じ構造を有する。一変形形態において、下部無地部４３ｂは従来の電極構造や他の実施形態（変形形態）の電極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１３１は、電極組立体Ａ６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。
本発明の実施形態による多様な電極組立体の構造は、ゼリーロール型の円筒形バッテリーに適用可能である。
望ましくは、円筒形バッテリーは、例えばフォームファクタの比（円筒型バッテリー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であり得る。
本発明の一実施形態による円筒形バッテリーは、例えば４６１１０バッテリー、４８７５バッテリー、４８１１０バッテリー、４８８０バッテリー、４６８０バッテリーであり得る。
フォームファクタの比が０．４を超過する円筒形バッテリーにタブレス構造を有する電極組立体を適用する場合、無地部の折り曲げ時に半径方向に加えられる応力が大きく、無地部が破れ易い。また、無地部の折曲面に集電板を溶接するとき、溶接強度を十分に確保して抵抗を下げるためには、無地部の重畳層数を十分に増加させなければならない。このような要求条件は、本発明の実施形態（変形形態）による電極と電極組立体によって達成され得る。
以下、本発明の実施形態による円筒形バッテリーについて詳しく説明する。
図２７は、本発明の一実施形態による円筒形バッテリー１４０をＹ軸方向に沿って切断した断面図である。
図２７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１４０は、第１電極、分離膜及び第２電極を含む電極組立体１４１、電極組立体１４１を収納するバッテリーハウジング１４２、及びバッテリーハウジング１４２の開放部を密封する密封体１４３を含む。
バッテリーハウジング１４２は、上方に開口部が形成された円筒形の容器である。バッテリーハウジング１４２は、アルミニウムまたは鋼鉄のような導電性を有する金属材料からなる。バッテリーハウジング１４２は、上端開口部を通して内側空間に電極組立体１４１を収容し、電解質も一緒に収容する。
電極組立体１４１はゼリーロール構造であり得る。電極組立体１４１は、図２に示されたように、下部分離膜、第１電極、上部分離膜及び第２電極を順次に少なくとも１回積層して形成された積層体を巻取中心Ｃを基準にして巻き取ることで製造され得る。
第１電極と第２電極とは極性が異なる。すなわち、一方が正の極性を有すれば、他方は負の極性を有する。第１電極及び第２電極の少なくとも一つは、上述した実施形態（変形形態）による電極構造を有し得る。また、第１電極及び第２電極の他方は、従来の電極構造または実施形態（変形形態）による電極構造を有し得る。
電極組立体１４１の上部と下部からは、それぞれ第１電極の無地部１４６ａ及び第２電極の無地部１４６ｂが突出する。第１電極は第１実施形態（変形形態）の電極構造を有する。したがって、第１電極の無地部１４６ａは、外周側無地部Ｂ３の高さが他の部分の無地部の高さよりも低い。外周側無地部Ｂ３はバッテリーハウジング１４２の内周面、特にビーディング部１４７と所定の間隔だけ離隔している。したがって、第１電極の外周側無地部Ｂ３が第２電極と電気的に接続されたバッテリーハウジング１４２と接触しないため、バッテリー１４０の内部短絡が防止される。
第２電極の無地部１４６ｂは高さが等しい。変形形態において、第２電極の無地部１４６ｂは、第１電極の無地部１４６ａと同じ構造を有し得る。他の変形形態において、第２電極の無地部１４６ｂは、実施形態（変形形態）による電極の無地部の構造を選択的に有し得る。
密封体１４３は、キャッププレート１４３ａ、キャッププレート１４３ａとバッテリーハウジング１４２との間に気密性を提供し、絶縁性を有する第１ガスケット１４３ｂ、及び前記キャッププレート１４３ａと電気的に及び機械的に結合された連結プレート１４３ｃを含み得る。
キャッププレート１４３ａは、伝導性を有する金属材料からなる部品であり、バッテリーハウジング１４２の上端開口部を覆う。キャッププレート１４３ａは、第１電極の無地部１４６ａと電気的に接続され、バッテリーハウジング１４２とは第１ガスケット１４３ｂを通じて電気的に絶縁される。したがって、キャッププレート１４３ａは、円筒形バッテリー１４０の第１電極端子として機能することができる。
キャッププレート１４３ａは、バッテリーハウジング１４２に形成されたビーディング部１４７上に載置され、クリンピング部１４８によって固定される。キャッププレート１４３ａとクリンピング部１４８との間には、バッテリーハウジング１４２の気密性の確保及びバッテリーハウジング１４２とキャッププレート１４３ａとの間の電気的絶縁のため、第１ガスケット１４３ｂが介在され得る。キャッププレート１４３ａは、その中心部から上方に突出して形成された突出部１４３ｄを備え得る。
バッテリーハウジング１４２は、第２電極の無地部１４６ｂと電気的に接続される。したがって、バッテリーハウジング１４２は第２電極と同じ極性を有する。もし、第２電極が負の極性を有すれば、バッテリーハウジング１４２も負の極性を有する。
バッテリーハウジング１４２は、上端にビーディング部１４７及びクリンピング部１４８を備える。ビーディング部１４７は、バッテリーハウジング１４２の外周面の周りを押し込んで形成する。ビーディング部１４７は、バッテリーハウジング１４２の内部に収容された電極組立体１４１がバッテリーハウジング１４２の上端開口部から抜け出ないようにし、密封体１４３が載置される支持部として機能することができる。
ビーディング部１４７の内周面は、第１電極の外周側無地部Ｂ３と所定の間隔だけ離隔している。より具体的には、ビーディング部１４７の内周面の下端が第１電極の外周側無地部Ｂ３と所定の間隔だけ離隔している。また、外周側無地部Ｂ３は高さが低いため、ビーディング部１４７を形成するためバッテリーハウジング１４２を外側から押し込むときにも、外周側無地部Ｂ３は実質的に影響を受けない。したがって、外周側無地部Ｂ３がビーディング部１４７などの他の構成要素によって押し付けられることがなく、これにより電極組立体１４１の部分的変形の発生が防止され、円筒形バッテリー１４０の内部短絡を防止することができる。
望ましくは、ビーディング部１４７の押し込み深さをＤ１とし、バッテリーハウジング１４２の内周面から外周側無地部Ｂ３と中間無地部Ｂ２との境界地点までの半径方向長さをＤ２とすると、関係式「Ｄ１≦Ｄ２」が満たされ得る。この場合、ビーディング部１４７を形成するためバッテリーハウジング１４２を押し込むとき、外周側無地部Ｂ３の損傷が実質的に防止される。
クリンピング部１４８は、ビーディング部１４７の上部に形成される。クリンピング部１４８は、ビーディング部１４７上に配置されるキャッププレート１４３ａの外周面、及びキャッププレート１４３ａの上面の一部を包むように延在して折り曲げられた形態を有する。
円筒形バッテリー１４０は、第１集電板１４４及び／または第２集電板１４５及び／または絶縁体１４６をさらに含み得る。
第１集電板１４４は、電極組立体１４１の上部に結合される。第１集電板１４４は、アルミニウム、銅、ニッケルなどのような導電性を有する金属材料からなり、第１電極の無地部１４６ａと電気的に接続される。第１集電板１４４にはリード１４９が連結され得る。リード１４９は、電極組立体１４１の上方に延在して連結プレート１４３ｃに結合されるか、または、キャッププレート１４３ａの下面に直接結合され得る。リード１４９と他の部品との結合は溶接を通じて行われ得る。
望ましくは、第１集電板１４４は、リード１４９と一体的に形成され得る。この場合、リード１４９は、第１集電板１４４の中心部から外側に延在した長いプレート形状であり得る。
第１集電板１４４は、その下面に放射状に形成された複数の凹凸（図示せず）を備え得る。放射状の凹凸が備えられた場合、第１集電板１４４を押し付けて凹凸に第１電極の無地部１４６ａを押し込み得る。
第１集電板１４４は、第１電極の無地部１４６ａの端部に結合される。無地部１４６ａと第１集電板１４４との結合は、例えばレーザー溶接によって行われ得る。レーザー溶接は、集電板の母材を部分的に溶融させる方式で行われ得る。変形形態において、第１集電板１４４と無地部１４６ａとの溶接は、半田を介在させた状態で行われ得る。この場合、半田は第１集電板１４４及び無地部１４６ａと比べて低い融点を有し得る。レーザー溶接は、抵抗溶接、超音波溶接などで代替可能である。
電極組立体１４１の下面には第２集電板１４５が結合され得る。第２集電板１４５の一面は第２電極の無地部１４６ｂと溶接によって結合され、他面はバッテリーハウジング１４２の内側底面上に溶接によって結合され得る。第２集電板１４５と第２電極の無地部１４６ｂとの結合構造は、第１集電板１４４と第１電極の無地部１４６ａとの結合構造と実質的に同一であり得る。
無地部（第１無地部１４６ａ、第２無地部１４６ｂ）は図示された構造のみに限定されない。したがって、無地部１４６ａ、１４６ｂは、従来の無地部の構造だけでなく、実施形態（変形形態）による電極の無地部の構造を選択的に有し得る。
絶縁体１４６は、第１集電板１４４を覆い得る。絶縁体１４６は、第１集電板１４４の上面で第１集電板１４４を覆うことで、第１集電板１４４とバッテリーハウジング１４２の内周面との間の直接接触を防止することができる。
絶縁体１４６は、第１集電板１４４から上方に延在するリード１４９が引き出されるように、リード孔１５１を備える。リード１４９は、リード孔１５１を通って上方に引き出され、連結プレート１４３ｃの下面またはキャッププレート１４３ａの下面に結合される。
絶縁体１４６の周縁領域は、第１集電板１４４とビーディング部１４７との間に介在され、電極組立体１４１と第１集電板１４４との結合体を固定し得る。これにより、電極組立体１４１と第１集電板１４４との結合体は、バッテリー１４０の高さ方向の移動が制限され、バッテリー１４０の組み立て安定性が向上できる。
絶縁体１４６は、絶縁性のある高分子樹脂からなり得る。一例として、絶縁体１４６は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミドまたはポリブチレンテレフタレートからなり得る。
バッテリーハウジング１４２は、その下面に形成されたベンティング部１５２をさらに備え得る。ベンティング部１５２は、バッテリーハウジング１４２の下面において周辺領域と比べてより薄い厚さを有する領域に該当する。ベンティング部１５２は、周辺領域と比べて構造的に脆弱である。したがって、円筒形バッテリー１４０に異常が発生して内圧が一定水準以上に増加すれば、ベンティング部１５２が破裂してバッテリーハウジング１４２の内部に発生したガスが外部に排出され得る。
ベンティング部１５２は、バッテリーハウジング１４２の下面に円を描いて連続的にまたは不連続的に形成され得る。変形形態において、ベンティング部１５２は、直線パターンまたはその外の他のパターンで形成され得る。
図２８は、本発明の他の実施形態による円筒形バッテリー１５０をＹ軸方向に沿って切断した断面図である。
図２８を参照すると、円筒形バッテリー１５０は、図２７の円筒形バッテリー１４０と比べて第１電極の無地部１４６ａに第２実施形態（変形形態）の電極構造が採用された点を除き、他の構成は実質的に同一である。
図２８を参照すると、第１電極の無地部１４６ａは、外周側無地部Ｂ３の高さがバッテリーハウジング１４２の内周面を向かって徐々にまたは段階的に低くなる形態であり得る。望ましくは、外周側無地部Ｂ３の最上端を連結した仮想の線は、ビーディング部１４７の内周面と同一または類似の形状を有し得る。
外周側無地部Ｂ３は傾斜面を形成している。したがって、ビーディング部１４７を形成するためバッテリーハウジング１４２を押し込むとき、外周側無地部Ｂ３がビーディング部１４７によって押し付けられて損傷されることを防止することができる。また、外周側無地部Ｂ３が反対極性のバッテリーハウジング１４２と接触して内部短絡を起こす現象を抑制することができる。
円筒形バッテリー１５０の他の構成は、上述した実施形態（変形形態）と実質的に同一である。
無地部（第１無地部１４６ａ、第２無地部１４６ｂ）は図示された構造のみに限定されない。したがって、無地部１４６ａ、１４６ｂは、従来の無地部の構造だけでなく、実施形態（変形形態）による電極の無地部の構造を選択的に有し得る。
図２９は、本発明のさらに他の実施形態による円筒形バッテリー１６０をＹ軸方向に沿って切断した断面図である。
図２９を参照すると、円筒形バッテリー１６０は、上述した円筒形バッテリー１４０、１５０と比べて、第１集電板１４４に連結されたリード１４９が絶縁体１４６のリード孔１５１を通って密封体１４３のキャッププレート１４３ａに直接連結され、絶縁体１４６及び第１集電板１４４がキャッププレート１４３ａの下面に密着した構造を有する点を除き、他の構成は実質的に同一である。
円筒形バッテリー１６０において、第１集電板１４４の直径及び中間無地部Ｂ２の最外側直径はバッテリーハウジング１４２の最小内径よりも小さい。また、第１集電板１４４の直径は、中間無地部Ｂ２の最外側直径と同一であるかまたはより大きくなり得る。
具体的には、バッテリーハウジング１４２の最小内径は、ビーディング部１４７が形成された位置におけるバッテリーハウジング１４２の内径に該当し得る。このとき、第１集電板１４４及び中間無地部Ｂ２の最外側直径は、ビーディング部１４７が形成された位置におけるバッテリーハウジング１４２の内径よりも小さい。また、第１集電板１４４の直径は、中間無地部Ｂ２の最外側直径と同一であるかまたはより大きくなり得る。絶縁体１４６の周縁領域は、下部に折り曲げられた状態で外周側無地部Ｂ３とビーディング部１４７との間に介在され、電極組立体１４１と第１集電板１４４との結合体を固定することができる。
望ましくは、絶縁体１４６は、外周側無地部Ｂ３を覆う部分、及び第１集電板１４４を覆う部分を含み、これら二つの部分を連結する部分はビーディング部１４７の屈曲形状に対応して一緒に屈曲した形態を有し得る。絶縁体１４６は、外周側無地部Ｂ３とビーディング部１４７の内周面とを絶縁させると同時に、第１集電板１４４とビーディング部１４７の内周面とを絶縁させることができる。
第１集電板１４４は、ビーディング部１４７の下端よりも高く位置し得、コア側無地部Ｂ１及び中間無地部Ｂ２に結合され得る。このとき、ビーディング部１４７の押し込み深さＤ１は、バッテリーハウジング１４２の内周面から外周側無地部Ｂ３と中間無地部Ｂ２との境界までの距離Ｄ２よりも小さいかまたは同一である。したがって、コア側無地部Ｂ１及び中間無地部Ｂ２、そしてこれらに結合された第１集電板１４４は、ビーディング部１４７の下端よりも高く位置し得る。ビーディング部１４７の下端とは、バッテリーハウジング１４２において電極組立体１４１が収容された部分とビーディング部１４７との間の折曲地点Ｂを意味する。
コア側無地部Ｂ１及び中間無地部Ｂ２がビーディング部１４７の半径方向の内側空間を占めるため、電極組立体１４１とキャッププレート１４３ａとの間の空いた空間は最小化される。また、電極組立体１４１とキャッププレート１４３ａとの間の空いた空間に位置していた連結プレート１４３ｃが省略されている。したがって、第１集電板１４４のリード１４９がキャッププレート１４３ａの下面と直接結合可能である。このような構造によれば、バッテリー内の空いた空間が減少し、減少した空いた空間だけエネルギー密度が極大化可能である。
円筒形バッテリー１６０において、第１集電板１４４及び第２集電板１４５は、上述した実施形態と同様に、第１無地部１４６ａ及び第２無地部１４６ｂの端部にそれぞれ溶接され得る。
無地部１４６ａ、１４６ｂは図示された構造のみに限定されない。したがって、無地部１４６ａ、１４６ｂは、従来の無地部の構造だけでなく、実施形態（変形形態）による電極の無地部の構造を選択的に有し得る。
図３０は、本発明のさらに他の実施形態による円筒形バッテリー１７０をＹ軸方向に沿って切断した断面図である。
図３０を参照すると、円筒形バッテリー１７０は、図２７に示された円筒形バッテリー１４０と比べて、電極組立体の構造は実質的に同一であり、電極組立体を除いた他の構造が変更された点で相違する。
具体的には、円筒形バッテリー１７０は、外部端子１７２が貫設されたバッテリーハウジング１７１を含む。外部端子１７２は、バッテリーハウジング１７１の閉鎖面（図面において上面）に取り付けられる。外部端子１７２は、絶縁性の第２ガスケット１７３が介在された状態でバッテリーハウジング１７１の貫通孔にリベッティングされる。外部端子１７２は、重力方向の反対方向に向かって外部に露出する。
外部端子１７２は、端子露出部１７２ａ及び端子挿入部１７２ｂを含む。端子露出部１７２ａは、バッテリーハウジング１７１の閉鎖面の外側に露出する。端子露出部１７２ａは、バッテリーハウジング１７１の閉鎖面の略中心部に位置し得る。端子露出部１７２ａの最大直径は、バッテリーハウジング１７１に形成された貫通孔の最大直径よりも大きく形成され得る。端子挿入部１７２ｂは、バッテリーハウジング１７１の閉鎖面の略中心部を貫通して第１電極の無地部１４６ａと電気的に接続され得る。端子挿入部１７２ｂは、バッテリーハウジング１７１の内側面上にリベット（ｒｉｖｅｔ）結合され得る。すなわち、端子挿入部１７２ｂの下縁部は、バッテリーハウジング１７１の内側面に向かって曲げられた形態を有し得る。端子挿入部１７２ｂの下部の最大直径は、バッテリーハウジング１７１の貫通孔の最大直径よりも大きくなり得る。
端子挿入部１７２ｂの下端面は、第１電極の無地部１４６ａに連結された第１集電板１４４に溶接され得る。第１集電板１４４とバッテリーハウジング１７１の内側面との間には絶縁物質からなる絶縁体１７４が介在され得る。絶縁体１７４は、第１集電板１４４の上部と電極組立体１４１の上端周縁部分を覆う。これにより、電極組立体１４１の外周側無地部Ｂ３が反対極性を有するバッテリーハウジング１７１の内側面と接触して短絡を起こすことを防止することができる。外部端子１７２の端子挿入部１７２ｂは、絶縁体１７４を貫通して第１集電板１４４に溶接され得る。
第２ガスケット１７３は、バッテリーハウジング１７１と外部端子１７２との間に介在され、反対極性を有するバッテリーハウジング１７１と外部端子１７２とが電気的に接触することを防止する。これにより、略扁平な形状を有するバッテリーハウジング１７１の上面が円筒形バッテリー１７０の第２電極端子として機能することができる。
第２ガスケット１７３は、ガスケット露出部１７３ａ及びガスケット挿入部１７３ｂを含む。ガスケット露出部１７３ａは、外部端子１７２の端子露出部１７２ａとバッテリーハウジング１７１との間に介在される。ガスケット挿入部１７３ｂは、外部端子１７２の端子挿入部１７２ｂとバッテリーハウジング１７１との間に介在される。ガスケット挿入部１７３ｂは、端子挿入部１７２ｂのリベッティング（ｒｅｖｅｔｉｎｇ）時に一緒に変形されてバッテリーハウジング１７１の内側面に密着され得る。第２ガスケット１７３は、例えば絶縁性を有する高分子樹脂からなり得る。
第２ガスケット１７３のガスケット露出部１７３ａは、外部端子１７２の端子露出部１７２ａの外周面を覆うように延在した形態を有し得る。第２ガスケット１７３が外部端子１７２の外周面を覆う場合、バスバーなどの電気的接続部品をバッテリーハウジング１７１の上面及び／または外部端子１７２に結合させる過程で短絡が発生することを防止することができる。図示していないが、ガスケット露出部１７３ａは、端子露出部１７２ａの外周面だけでなく、上面の一部も一緒に覆うように延在した形態を有してもよい。
第２ガスケット１７３が高分子樹脂からなる場合において、第２ガスケット１７３は熱融着によってバッテリーハウジング１７１及び外部端子１７２と結合され得る。この場合、第２ガスケット１７３と外部端子１７２との結合界面及び第２ガスケット１７３とバッテリーハウジング１７１との結合界面における気密性が強化される。一方、第２ガスケット１７３のガスケット露出部１７３ａが端子露出部１７２ａの上面まで延在した形態を有する場合において、外部端子１７２はインサート射出によって第２ガスケット１７３と一体に結合されてもよい。
バッテリーハウジング１７１の上面において外部端子１７２及び第２ガスケット１７３が占める領域を除いた他の領域１７５が外部端子１７２と反対極性を有する第２電極端子に該当する。
第２集電板１７６は、電極組立体１４１の下部に結合される。第２集電板１７６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電極の無地部１４６ｂと電気的に接続される。
望ましくは、第２集電板１７６は、バッテリーハウジング１７１と電気的に接続される。そのため、第２集電板１７６は、周縁部分の少なくとも一部がバッテリーハウジング１７１の内側面と第１ガスケット１７８ｂとの間に介在されて固定され得る。一例において、第２集電板１７６の周縁部分の少なくとも一部は、バッテリーハウジング１７１の下端に形成されたビーディング部１８０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１８０に固定され得る。変形例において、第２集電板１７６の周縁部分の少なくとも一部は、バッテリーハウジング１７１の内壁面に直接溶接され得る。
第２集電板１７６は、無地部１４６ｂに対向する面上に放射状に形成された複数の凹凸（図示せず）を備え得る。凹凸が形成された場合、第２集電板１７６を押し付けて凹凸に無地部１４６ｂを押し込み得る。
望ましくは、第２集電板１７６と無地部１４６ｂの端部とは溶接、例えばレーザー溶接によって結合され得る。
バッテリーハウジング１７１の下部開放部を密封する密封体１７８は、キャッププレート１７８ａ及び第１ガスケット１７８ｂを含む。第１ガスケット１７８ｂは、キャッププレート１７８ａとバッテリーハウジング１７１とを電気的に分離する。クリンピング部１８１は、キャッププレート１７８ａの周縁と第１ガスケット１７８ｂとを一緒に固定する。キャッププレート１７８ａにはベント部１７９が備えられる。ベント部１７９の構成は、上述した実施形態（変形形態）と実質的に同一である。
望ましくは、キャッププレート１７８ａは導電性のある金属材料からなる。しかし、キャッププレート１７８ａとバッテリーハウジング１７１との間に第１ガスケット１７８ｂが介在されているため、キャッププレート１７８ａは電気的極性を持たない。密封体１７８は、バッテリーハウジング１７１下部の開放部を密封して、バッテリー１７０の内圧が臨界値以上増加したときにガスを排出させる機能をする。
望ましくは、第１電極の無地部１４６ａと電気的に接続された外部端子１７２は第１電極端子として使用される。また、第２集電板１７６を通じて第２電極の無地部１４６ｂと電気的に接続されたバッテリーハウジング１７１の上面のうち外部端子１７２を除いた部分１７５は、第１電極端子と反対極性の第２電極端子として使用される。このように、二つの電極端子が円筒形バッテリー１７０の上部に位置する場合、バスバーなどの電気的接続部品を円筒形バッテリー１７０の一側のみに配置することが可能である。これは、バッテリーパック構造の単純化及びエネルギー密度の向上をもたらすことができる。また、第２電極端子として使用される部分１７５は略扁平な形態を有するため、バスバーなどの電気的接続部品を接合する際に十分な接合面積を確保することができる。これにより、円筒形バッテリー１７０は、電気的接続部品の接合部位における抵抗を望ましい水準に下げることができる。
電極組立体１４１の構造及び無地部の構造は図示されたものに限定されず、上述した実施形態（変形形態）の構造で代替可能である。
図３１は、本発明のさらに他の実施形態による円筒形バッテリー１８０をＹ軸方向に沿って切断した断面図である。
図３１を参照すると、円筒形バッテリー１８０は、図２８に示された円筒形バッテリー１５０と電極組立体１４１の構造が実質的に同一であり、電極組立体１４１を除いた他の構成は図３０に示された円筒形バッテリー１７０と実質的に同一である。
したがって、円筒形バッテリー１５０、１７０の実施形態（変形形態）の構成が円筒形バッテリー１８０においても同様に適用され得る。
また、電極組立体１４１の構造及び無地部の構造は図示されたものに限定されず、上述した実施形態（変形形態）の構造で代替可能である。
図３２は、本発明のさらに他の実施形態による円筒形バッテリー１９０をＹ軸方向に沿って切断した断面図である。
図３２を参照すると、円筒形バッテリー１９０は図２４に示した電極組立体Ａ４を含み、電極組立体Ａ４を除いた他の構成は図２７に示した円筒形バッテリー１４０と実質的に同一である。
図３２を参照すると、電極組立体Ａ４の無地部１４６ａ、１４６ｂは外周側からコア側に折り曲げられる。このとき、コア側無地部Ｂ１は他の部分よりも高さが低いため、実質的に折り曲げられない。第１集電板１４４は無地部１４６ａの折曲面に溶接され、第２集電板１４５は無地部１４６ｂの折曲面に溶接され得る。折曲面は、無地部１４６ａ、１４６ｂが折り曲げられるとき、Ｙ軸方向に沿って多重に重なりながら電極組立体Ａ４の上部及び下部にそれぞれ形成され得る。
電極組立体Ａ４は、コア側無地部Ｂ１の高さが他の部分よりも相対的に低い。また、図２４に示されたように、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の半径方向長さＲと同一であるかまたは短い。
したがって、無地部１４６ａをコア側に向かって折り曲げても、電極組立体Ａ４のコアの空洞１１２は閉塞されず、上部で開放され得る（一点鎖線円を参照）。
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第２集電板１４５とバッテリーハウジング１４２との溶接工程を容易に行うことができる。
無地部１４６ａ、１４６ｂが分切構造を有する場合、分切片の幅及び／または高さ及び／または離隔ピッチを上述した実施形態の数値範囲を満たすように調節すると、分切片が折り曲げられるとき、分切片が溶接強度を十分に確保可能な程度に多重に重なり、折曲面上に空いた空間（間隙）を形成しない。
無地部１４６ａ、１４６ｂの構造は、図示と異なり、上述した実施形態（変形形態）による構造に制限なく変更され得る。また、無地部１４６ａ、１４６ｂのいずれか一方に従来の無地部の構造が適用されることを制限しない。
図３３は、本発明のさらに他の実施形態による円筒形バッテリー２００をＹ軸方向に沿って切断した断面図である。
図３３を参照すると、円筒形バッテリー２００は、図２４に示した電極組立体Ａ４を含み、電極組立体Ａ４を除いた他の構成は図３１に示した円筒形バッテリー１８０と実質的に同一である。
図３３を参照すると、電極組立体Ａ４の無地部１４６ａ、１４６ｂは、外周側からコア側に折り曲げられる。このとき、コア側無地部Ｂ１は高さが他の部分よりも低いため、実質的に折り曲げられない。第１集電板１４４は無地部１４６ａの折曲面に溶接され、第２集電板１７６は無地部１４６ｂの折曲面に溶接され得る。
電極組立体Ａ４は、コア側無地部Ｂ１の高さが他の部分よりも相対的に低い。また、図２４に示されたように、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の半径方向長さＲと同一であるかまたは短い。
したがって、無地部１４６ａ、１４６ｂをコア側に向かって折り曲げても、電極組立体Ａ４のコアの空洞１１２は閉塞されず、上部で開放され得る（点線円を参照）。
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第２集電板１７６とバッテリーハウジング１７１との間の溶接工程を容易に行うことができる。
無地部１４６ａ、１４６ｂが分切構造を有する場合、分切片の幅及び／または高さ及び／または離隔ピッチを上述した実施形態の数値範囲を満たすように調節すると、分切片が折り曲げられるとき、分切片が溶接強度を十分に確保可能な程度に多重に重なり、折曲面上に空いた空間（間隙）を形成しない。
無地部１４６ａ、１４６ｂの構造は、図示と異なり、上述した実施形態（変形形態）による構造に制限なく変更され得る。また、無地部１４６ａ、１４６ｂのいずれか一方に従来の無地部の構造が適用されることを制限しない。
図３４は、本発明のさらに他の実施形態による円筒形バッテリー２１０をＹ軸方向に沿って切断した断面図である。
図３４を参照すると、円筒形バッテリー２１０は、図２３に示した電極組立体Ａ３を含み、電極組立体Ａ３を除いた他の構成は図２７に示した円筒形バッテリー１４０と実質的に同一である。
望ましくは、電極組立体Ａ３の無地部１４６ａ、１４６ｂは外周側からコア側に折り曲げられる。このとき、無地部１４６ａのコア側無地部Ｂ１及び外周側無地部Ｂ３は他の部分よりも高さが低いため、実質的に折り曲げられない。これは無地部１４６ｂの場合も同様である。第１集電板１４４は無地部１４６ａの折曲面に溶接され、第２集電板１４５は無地部１４６ｂの折曲面に溶接され得る。
コア側無地部Ｂ１の高さは中間無地部Ｂ２よりも相対的に低い。また、図２３に示されたように、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の半径方向長さＲと同一であるかまたは短い。
したがって、無地部１４６ａ、１４６ｂをコア側に向かって折り曲げても、電極組立体Ａ３のコアの空洞１０２は閉塞されず、上部で開放され得る（点線円を参照）。
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、空洞を通して溶接治具を挿入して第２集電板１４５とバッテリーハウジング１４２との間の溶接工程を容易に行うことができる。
また、外周側無地部Ｂ３の高さは中間無地部Ｂ２よりも相対的に低い。したがって、無地部１４６ａが折り曲げられるとき、外周側無地部Ｂ３は実質的に折り曲げられない。また、外周側無地部Ｂ３はビーディング部１４７と十分に離隔しているため、ビーディング部１４７が押し込まれる過程で外周側無地部Ｂ３が損傷される問題を解決することができる。
無地部１４６ａ、１４６ｂが分切構造を有する場合、分切片の幅及び／または高さ及び／または離隔ピッチを上述した実施形態の数値範囲を満たすように調節すると、分切片が折り曲げられるとき、分切片が溶接強度を十分に確保可能な程度に多重に重なり、折曲面上に空いた空間（間隙）を形成しない。
無地部１４６ａ、１４６ｂの構造は、図示と異なり、上述した実施形態（変形形態）による構造に制限なく変更され得る。また、無地部１４６ａ、１４６ｂのいずれか一方に従来の無地部の構造が適用されることを制限しない。
図３５は、本発明のさらに他の実施形態による円筒形バッテリー２２０をＹ軸方向に沿って切断した断面図である。
図３５を参照すると、円筒形バッテリー２２０は図２３に示した電極組立体Ａ３を含み、電極組立体Ａ３を除いた他の構成は図３１に示した円筒形バッテリー１８０と実質的に同一である。
望ましくは、電極組立体Ａ３の無地部１４６ａ、１４６ｂは外周側からコア側に折り曲げられる。このとき、無地部１４６ａのコア側無地部Ｂ１は高さが他の部分よりも低いため、実質的に折り曲げられない。これは無地部１４６ｂの場合も同様である。第１集電板１４４は無地部１４６ａの折曲面に溶接され、第２集電板１７６は無地部１４６ｂの折曲面に溶接され得る。
電極組立体Ａ３は、コア側無地部Ｂ１の高さが中間無地部Ｂ２よりも相対的に低い。また、図２３に示されたように、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の半径方向長さＲと同一であるかまたは短い。
したがって、無地部１４６ａをコア側に向かって折り曲げても、電極組立体Ａ３のコアの空洞１０２は閉塞されず、上部で開放され得る（点線円を参照）。
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第２集電板１７６とバッテリーハウジング１７１との間の溶接工程を容易に行うことができる。
また、無地部１４６ａの外周側無地部Ｂ３の高さは中間無地部Ｂ２よりも相対的に低い。したがって、無地部１４６ａが折り曲げられるとき、外周側無地部Ｂ３は実質的に折り曲げられない。これは無地部１４６ｂにおいても同様である。
無地部１４６ａ、１４６ｂが分切構造を有する場合、分切片の幅及び／または高さ及び／または離隔ピッチを上述した実施形態の数値範囲を満たすように調節すると、分切片が折り曲げられるとき、分切片が溶接強度を十分に確保可能な程度に多重に重なり、折曲面上に空いた空間（間隙）を形成しない。
無地部１４６ａ、１４６ｂの構造は、図示と異なり、上述した実施形態（変形形態）による構造に制限なく変更され得る。また、無地部１４６ａ、１４６ｂのいずれか一方に従来の無地部の構造が適用されることを制限しない。
上述した実施形態（変形形態）による円筒形バッテリーはバッテリーパックの製造に使用することができ（図１３ａを参照）、バッテリーパックは自動車に搭載できる（図１３ｂを参照）。
本発明の実施形態によれば、電極組立体の上部及び下側に突出した無地部自体を電極タブとして使用することで、円筒形バッテリーの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る。
また、本発明の実施形態によれば、電極組立体の無地部の構造を改善することで、バッテリーハウジングのビーディング部を形成する過程で電極組立体とバッテリーハウジングの内周面とが互いに干渉せず、電極組立体の部分的変形による円筒形バッテリーの内部短絡を防止することができる。
また、本発明の実施形態によれば、電極組立体の無地部の構造を改善することで、無地部の折り曲げ時に折曲地点付近の無地部が破れる現象を防止し、無地部の重畳層数を十分に増加させて溶接強度を向上させることができる。
また、本発明の実施形態によれば、電極組立体のコアに隣接した無地部の構造を改善することで、無地部の折り曲げ時に電極組立体のコアにある空洞が閉塞されることを防止し、電解液注入工程及びバッテリーハウジングと集電板との溶接工程を容易に行うことができる。
また、本発明の実施形態によれば、内部抵抗が低く、内部短絡が防止され、集電板と無地部との溶接強度が向上した構造を有する円筒形バッテリー、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ができる。
以下、本発明の一実施例による円筒形バッテリーに使用される正極活物質の実施形態について説明する。
実施形態において、「一次粒子」とは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）パターン分析機を用いて５，０００倍～２０，０００倍の視野で観察したとき、外観上粒界が存在しない粒子単位を意味する。「一次粒子の平均粒径」は、ＳＥＭまたはＥＢＳＤのイメージで観察される一次粒子の粒径を測定した後、計算されたこれらの算術平均値を意味する。
「二次粒子」とは、複数個の一次粒子が凝集して形成された粒子である。本発明においては、一次粒子が数十～数百個凝集して形成される従来の二次粒子と区別するため、１０個以下の一次粒子が凝集した二次粒子を疑似単粒子と称することにする。
本発明において「比表面積」は、ＢＥＴ法によって測定したものであって、具体的には日本ベル社製のＢｅｌｓｏｒｐ－ｍｉｎｉ ＩＩを用いて液体窒素温度（７７Ｋ）下での窒素ガス吸着量から算出され得る。
本発明において「Ｄｍｉｎ」、「Ｄ５０」及び「Ｄｍａｘ」は、レーザー回折法を用いて測定された正極活物質の体積累積分布の粒度値である。具体的には、Ｄｍｉｎは体積累積分布における最小粒子サイズであり、Ｄ５０は体積累積量が５０％であるときの粒子サイズであり、Ｄｍａｘは体積累積分布における最大粒子サイズである。正極活物質が単粒子である場合、Ｄ５０は一次粒子の平均粒径を意味する。また、正極活物質が疑似単粒子である場合、Ｄ５０は一次粒子が凝集して形成された粒子の平均粒径を意味する。
前記体積累積分布の粒度値は、例えば、正極活物質を分散媒中に分散させた後、市販のレーザー回折粒度測定装置（例えば、マイクロトラック社製のＭＴ３０００）に導入し、約２８ｋＨｚの超音波を出力６０Ｗで照射した後、体積累積粒度分布グラフを得て測定し得る。
本発明において「本質的にＡからなる（ｃｏｎｓｉｓｔ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ Ａ）」とは、Ａ成分と本発明の基本的且つ新規な特徴に実質的に影響を及ぼすことのない言及されていない任意の成分とを含むことを意味する。本発明の基本的且つ新規な特徴は、電池製造時の粒子割れを最小化すること、このような粒子割れによって発生するガスを最小化すること、及び内部クラックの発生を最小化することのうちの少なくとも一つを含む。当技術分野の通常の技術者であれば、このような特性の物質的影響を認知可能である。
本発明者らは、高い容量を実現しながらも安全性に優れた電気化学素子用正極及びそれを含む電気化学素子を開発するために研究を重ねた結果、正極活物質として１個の一次粒子からなる単粒子または１０個以下の一次粒子の凝集体である疑似単粒子形態の正極活物質を単独で使用する場合、大型円筒形バッテリーの安全性を画期的に向上できることを確認した。
一形態によれば、正極は、正極集電体、及び前記正極集電体の少なくとも一側面上に形成された正極活物質層を含み、前記正極活物質層は正極活物質を含み得、選択的には導電材及び／またはバインダーを含み得る。
正極は、長いシート状の正極集電体の少なくとも一面または両面に正極活物質層が形成された構造であり得、前記正極活物質層は正極活物質及びバインダーを含み得る。
具体的には、前記正極は長いシート状の正極集電体の一面または両面に、正極活物質、導電材及びバインダーをジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、イソプロピルアルコール、Ｎ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）、アセトン、水などのような溶媒に分散させて製造した正極スラリーを塗布し、乾燥工程を経て正極スラリーの溶媒を除去した後、圧延する方法で製造され得る。一方、前記正極スラリーの塗布時に正極集電体の一部領域、例えば正極集電体の一端部に正極スラリーを塗布しない方法で、無地部（非コーティング部）を含む正極を製造し得る。
他の形態において、前記正極活物質は単粒子系活物質粒子を含む。一実施形態において、前記単粒子系活物質粒子は、前記正極活物質１００ｗｔ％に対して９０ｗｔ％以上、９５ｗｔ％以上、９８ｗｔ％以上、または９９ｗｔ％以上で含まれ得る。具体的な実施形態において、前記正極活物質は前記単粒子系活物質粒子のみから構成され得る。
本明細書において、前記単粒子系活物質粒子は単粒子、疑似単粒子、またはこれら両方をすべて含むものを称する。前記単粒子は１個の一次粒子からなる粒子であり、前記疑似単粒子は１０個以下の一次粒子の凝集体である。
従来、リチウムバッテリーの正極活物質としては、数十～数百個の一次粒子が凝集した球状の二次粒子を一般に使用している。しかし、このように多くの一次粒子が凝集した二次粒子形態の正極活物質の場合、正極製造時の圧延工程で一次粒子が離れ落ちて粒子割れが発生し易く、充放電過程で粒子内部にクラックが発生するという問題がある。正極活物質の粒子割れや粒子内部のクラックが発生する場合、電解液との接触面積が増加するため、電解液との副反応によるガス発生が増加するという問題がある。円筒形バッテリーの内部でガス発生が増加すれば、電池内圧が増加して電池が爆発する危険性がある。特に、円筒形バッテリーの体積を増やす場合、体積増加によって電池内部の活物質量が増加し、これによってガス発生量も著しく増加するため、電池の発火及び／または爆発の危険性がさらに大きくなる。
一方、１個の一次粒子からなる単粒子または１０個以下の一次粒子が凝集した疑似単粒子形態の単粒子系活物質粒子は、一次粒子が数十～数百個凝集している従来の二次粒子形態の正極活物質に比べて粒子強度が高いため、圧延時の粒子割れが殆ど発生しない。また、単粒子系活物質粒子の場合、粒子を構成する一次粒子の個数が少ないため、充放電時に一次粒子の体積膨張、収縮による変化が少なく、これによって粒子内部のクラック発生も著しく減少する。
したがって、本発明の一実施例によるように単粒子系活物質粒子を使用する場合、粒子割れ及び内部クラックの発生によるガス発生量を著しく減少させることができる。これにより、大型円筒形バッテリーに適用される場合、優れた安全性を実現することができる。
一方、前記単粒子及び／または疑似単粒子は、正極に含まれる全体正極活物質の重量を基準にして９５ｗｔ％～１００ｗｔ％、望ましくは９８ｗｔ％～１００ｗｔ％、より望ましくは９９ｗｔ％～１００ｗｔ％、さらに望ましくは１００ｗｔ％の量で含まれることが望ましい。
単粒子及び／または疑似単粒子の含量が上記の範囲を満足すると、大型電池への適用時に十分な安全性が得られる。二次粒子形態の正極活物質が全体正極活物質中に５ｗｔ％を超える量で含まれる場合、電極の製造及び充放電時に二次粒子から発生する微粉によって電解液との副反応が増加して、ガス発生を抑制する効果が低下し、これにより大型電池への適用時に安定性を改善する効果が低下するためである。
一方、本発明の一実施例による単粒子及び／または疑似単粒子を含む正極活物質は、Ｄｍｉｎが１．０μｍ以上、１．１μｍ以上、１．１５μｍ以上、１．２μｍ以上、１．２５μｍ以上、１．３μｍ以上、または１．５μｍ以上であり得る。正極活物質のＤｍｉｎが１．０μｍ未満であると、正極の圧延工程で線圧が増加して粒子割れが発生し易く、熱安定性が低下して大型円筒形電池への適用時に熱安定性を十分に確保することができない。
一方、抵抗及び出力特性を考慮すると、前記正極活物質のＤｍｉｎは３μｍ以下、２．５μｍ以下、または２μｍ以下であり得る。Ｄｍｉｎが大き過ぎれば、粒子内のリチウムイオン拡散距離が増加して抵抗及び出力特性が低下するおそれがある。
例えば、前記正極活物質のＤｍｉｎは１．０μｍ～３μｍ、１．０μｍ～２．５μｍ、または１．３μｍ～２．０μｍであり得る。
一方、前記正極活物質は、Ｄ５０が５μｍ以下、４μｍ以下、または３μｍ以下であり得、例えば０．５μｍ～５μｍ、望ましくは１μｍ～５μｍ、より望ましくは２μｍ～５μｍであり得る。
単粒子及び／または疑似単粒子形態の正極活物質は、粒子の内部においてリチウムイオンの拡散経路になる一次粒子同士の間の界面が少ないため、二次粒子形態の正極活物質よりもリチウム移動性が低下し、これにより抵抗が増加するという問題がある。このような抵抗の増加は粒子の大きさが大きくなるほどもっと酷くなり、抵抗が増加すれば容量及び出力特性が悪影響を及ぼす。したがって、正極活物質のＤ５０を５μｍ以下に調節することで、正極活物質の粒子内部でのリチウムイオン拡散距離を最小化することによって抵抗増加を抑制することができる。
また、前記正極活物質は、Ｄｍａｘが１２μｍ～１７μｍ、望ましくは１２μｍ～１６μｍ、より望ましくは１２μｍ～１５μｍであり得る。正極活物質のＤｍａｘが上記の範囲を満足すると、抵抗特性及び容量特性にさらに優れる。正極活物質のＤｍａｘが大き過ぎる場合は、単粒子同士の間で凝集が発生した場合であって、凝集した粒子内部でのリチウム移動経路が長くなってリチウム移動性が低下し、これにより抵抗が増加するおそれがある。一方、正極活物質のＤｍａｘが小さ過ぎる場合は、過度な解砕が行われた場合であって、過度な解砕によってＤｍｉｎが１μｍ未満に小さくなり得るため、圧延時の粒子割れが誘発されて熱安定性が低下するおそれがある。
一方、前記正極活物質は、下記の数式１で表される粒度分布（ＰＳＤ）が３以下、望ましくは２～３、より望ましくは２．３～３であり得る。
［数式１］
粒度分布（ＰＳＤ）＝（Ｄｍａｘ－Ｄｍｉｎ）／Ｄ５０
正極活物質が上記のような粒度分布を有すると、正極の電極密度を適切に維持でき、粒子割れ及び抵抗増加を効果的に抑制することができる。
一方、前記正極活物質は、一次粒子の平均粒径が５μｍ以下、４μｍ以下、３μｍ以下、または２μｍ以下であり得、例えば０．５μｍ～５μｍ、望ましくは１μｍ～５μｍ、より望ましくは２μｍ～５μｍであり得る。一次粒子の平均粒径が上記の範囲を満足する場合、電気化学的特性に優れた単粒子及び／または疑似単粒子形態の正極活物質を形成可能である。一次粒子の平均粒径が小さ過ぎると、正極活物質を形成する一次粒子の凝集個数が多くなって、圧延時の粒子割れ発生を抑制する効果が低下するおそれがある。また、一次粒子の平均粒径が大き過ぎると、一次粒子内部でのリチウム拡散経路が長くなって抵抗が増加し、出力特性が低下するおそれがある。
本発明の一実施例において、前記正極活物質は、ユニモーダル（ｕｎｉｍｏｄａｌ）粒度分布を有することが望ましい。従来は、正極活物質層の電極密度を向上させるため、平均粒径の大きい大粒径正極活物質と平均粒径の小さい小粒径正極活物質とを混合して使用するバイモーダル（ｂｉｍｏｄａｌ）正極活物質が多く使用されている。しかし、単粒子または疑似単粒子形態の正極活物質の場合、粒径が増加すればリチウム移動経路が長くなって抵抗が著しく増加するため、大粒径粒子を混合して使用する場合、容量及び出力特性が低下する問題が生じるおそれがある。したがって、本発明ではユニモーダル分布を有する正極活物質を使用することで、抵抗増加を最小化できるようにした。
一方、前記正極活物質は、リチウムニッケル系酸化物を含むものであり得、具体的には、遷移金属の全体モル数を基準にしてＮｉを８０モル％以上で含むリチウムニッケル系酸化物を含むものであり得る。望ましくは、前記リチウムニッケル系酸化物は、Ｎｉを８０モル％以上１００モル％未満、８２モル％以上１００モル％未満、または８３モル％以上１００モル％未満で含み得る。上記のようにＮｉ含量が高いリチウムニッケル系酸化物を使用する場合、高い容量を実現することができる。
より具体的には、前記正極活物質は、下記の化学式１で表されるリチウムニッケル系酸化物を含むものであり得る。
［化学式１］
ＬｉａＮｉｂＣｏｃＭ１ ｄＭ２ ｅＯ２
化学式１において、前記Ｍ１はＭｎ、Ａｌまたはこれらの組み合わせであり得、望ましくはＭｎ、またはＭｎ及びＡｌであり得る。
前記Ｍ２は、Ｚｒ、Ｗ、Ｙ、Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｔａ及びＮｂからなる群より選択される１種以上であり、望ましくはＺｒ、Ｙ、Ｍｇ及びＴｉからなる群より選択された１種以上であり得、より望ましくはＺｒ、Ｙまたはこれらの組み合わせであり得る。Ｍ２元素は必須に含まれるものではないが、適切な量で含まれる場合、焼成時の粒子成長を促進するか、または、結晶構造の安定性を向上させる役割を果たすことができる。
前記ａは、リチウムニッケル系酸化物内のリチウムモル比を示し、０．８≦ａ≦１．２、０．８５≦ａ≦１．１５、または０．９≦ａ≦１．２であり得る。リチウムのモル比が上記の範囲を満足すると、リチウムニッケル系酸化物の結晶構造を安定的に形成可能である。
前記ｂは、リチウムニッケル系酸化物においてリチウムを除いた全体金属中のニッケルのモル比を示し、０．８≦ｂ＜１、０．８２≦ｂ＜１、０．８３≦ｂ＜１、０．８５≦ｂ＜１、０．８８≦ｂ＜１、または０．９０≦ｂ＜１であり得る。ニッケルのモル比が上記の範囲を満足すると、高いエネルギー密度を示して高容量を実現可能である。
前記ｃは、リチウムニッケル系酸化物においてリチウムを除いた全体金属中のコバルトのモル比を示し、０＜ｃ＜０．２、０＜ｃ＜０．１８、０．０１≦ｃ≦０．１７、０．０１≦ｃ≦０．１５、０．０１≦ｃ≦０．１２、または０．０１≦ｃ≦０．１０であり得る。コバルトのモル比が上記の範囲を満足すると、良好な抵抗特性及び出力特性を実現可能である。
前記ｄは、リチウムニッケル系酸化物においてリチウムを除いた全体金属中のＭ１元素のモル比を示し、０＜ｄ＜０．２、０＜ｄ＜０．１８、０．０１≦ｄ≦０．１７、０．０１≦ｄ≦０．１５、０．０１≦ｄ≦０．１２、または０．０１≦ｄ≦０．１０であり得る。Ｍ１元素のモル比が上記の範囲を満足すると、正極活物質の構造安定性に優れる。
前記ｅは、リチウムニッケル系酸化物においてリチウムを除いた全体金属中のＭ２元素のモル比を示し、０≦ｅ≦０．１または０≦ｅ≦０．０５であり得る。
一方、本発明の一実施例による正極活物質は、必要に応じて、前記リチウムニッケル系酸化物粒子の表面に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｂ、Ｆ、Ｐ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｓｒ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｉ及びＳからなる群より選択される１種以上のコーティング元素を含むコーティング層をさらに含み得る。望ましくは、前記コーティング元素はＡｌ、Ｂ、Ｃｏ、またはこれらの組み合わせであり得る。
リチウムニッケル系酸化物粒子の表面にコーティング層が存在する場合、コーティング層によって電解質とリチウムニッケル系酸化物との接触が抑制され、これにより電解質との副反応による遷移金属の溶出またはガス発生を減少させる効果が得られる。
前記正極活物質は、正極活物質層の総重量に対して８０ｗｔ％～９９ｗｔ％、望ましくは８５ｗｔ％～９９ｗｔ％、より望ましくは９０ｗｔ％～９９ｗｔ％で含まれ得る。
一方、前記正極集電体としては、当技術分野で使用される多様な正極集電体が使用され得る。例えば、前記正極集電体としては、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、アルミニウムやステンレス鋼の表面に炭素、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが使用され得る。前記正極集電体は、通常３μｍ～５００μｍの厚さを有し得、前記正極集電体の表面上に微細な凹凸を形成して正極活物質の接着力を高めてもよい。前記正極集電体は、例えばフィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの多様な形態で使用され得る。
一方、本発明の一実施形態において、前記単粒子系活物質粒子の全部または一部は、粒子の表面が伝導性コーティング層で被覆されたコア－シェル（ｃｏｒｅ－ｓｈｅｌｌ）構造を有し得る。前記伝導性コーティング層は粒子の少なくとも一部または全部を被覆し得る。前記伝導性コーティング層は伝導性ナノ物質を含むものである。
前記単粒子系活物質粒子の場合、従来の二次粒子形態の正極活物質に比べて抵抗が高く、導電材との接触面積が小さいため、電気伝導度が低下するという問題がある。電気伝導度を改善しようとして導電材を過量投入すると、正極スラリー内で凝集が発生して粘度が増加し、これによりコーティング性が低下する問題が発生する。したがって、円滑なコーティング性を実現するためには固形分の含量を減少させて正極スラリーの粘度を下げる必要があるが、正極スラリー内の固形分の含量が減少すれば活物質の含量が減少し、容量特性が低下する問題がある。本発明は、このような問題を解決するため、単粒子系活物質粒子の表面を伝導性ナノ物質でコーティングすることで、正極スラリーに別途の導電材を添加しなくても、優れた電気伝導性を実現可能にした。
本発明の実施形態において、前記単粒子系活物質粒子の表面に伝導性ナノ物質をコーティングした正極活物質を適用する場合、前記正極活物質層は導電性コーティング層を除いた部分に導電材を使用しなくてもよい。このように正極スラリーの凝集を誘発する導電材を追加的に使用しなくてもよいため、正極スラリーの粘度が減少して固形分の含量が増加し、電極コーティングの工程性及び電極接着力が改善される効果を奏することができる。
本発明の一実施例において前記伝導性ナノ物質は、粒子上に円滑にコーティングされるようにナノサイズの大きさを有し、伝導性を有する物質であればよく、その種類は特に限定されない。例えば、前記伝導性ナノ物質は、カーボンナノチューブ、カーボンナノ粒子などであり得る。
前記伝導性ナノ物質は多様な形態を有し得、例えば、球状、鱗片状、または繊維状などであり得る。
一方、前記伝導性コーティング層は、コア部である単粒子系活物質粒子と伝導性ナノ物質とを混合した後、熱処理する方法で形成され得る。このとき、前記混合は固相混合または液相混合で行われ得る。
本発明の一実施形態において、前記正極活物質層は鱗片状黒鉛を含む。正極活物質として前記単粒子系活物質を使用するとき、正極活物質層が鱗片状黒鉛を含むと、正極活物質層を圧延する場合、前記鱗片状黒鉛が前記正極活物質に滑り効果を提供して電極の圧延特性が向上し、電極の空隙率を目標とするレベルまで下げることができる。これにより、本発明の一実施例による正極が適用されたバッテリーは安定性、初期抵抗特性、及び充放電効率が改善可能である。
本発明の一実施形態において、前記鱗片状黒鉛は、前記正極活物質層１００ｗｔ％に対して０．１ｗｔ％～５ｗｔ％で含まれ得、望ましくは０．１ｗｔ％～３ｗｔ％で含まれ得る。
鱗片状黒鉛の含量が上記の範囲を満足すると、正極の圧延特性が改善されて優れた電極密度を実現することができる。鱗片状黒鉛の含量が少ないと圧延特性の改善効果が低く、過剰であればスラリー粘度の上昇及び相安定性の低下を誘発し得、導電材との結合によって電極均一性が低下し、抵抗が増加するおそれがある。
一方、本発明で使用される鱗片状黒鉛は、平均粒径が１μｍ～２０μｍ、望ましくは２μｍ～１０μｍ、より望ましくは３μｍ～５μｍであり得るが、これによって制限されることはない。鱗片状黒鉛が小さ過ぎれば、所望の空隙率を実現し難く、電流密度を下げて容量が低下するおそれがある。このとき、前記鱗片状黒鉛の平均粒径はレーザー回折方法（ＩＳＯ １３３２０）で測定され得る。
また、前記鱗片状黒鉛は、アスペクト比が０．１～５００、望ましくは１～１００、より望ましくは１～３０であり得る。鱗片状黒鉛のアスペクト比が上記の範囲を満足する場合、伝導性を改善して電極抵抗を下げる効果を奏する。
また、前記鱗片状黒鉛は、密度が２．０ｇ／ｃｍ３～２．５ｇ／ｃｍ３、望ましくは２．１ｇ／ｃｍ３～２．４ｇ／ｃｍ３、より望ましくは２．２ｇ／ｃｍ３～２．３ｇ／ｃｍ３であり得る。
一方、本発明の一実施例において、前記正極活物質層の空隙率は１５％～２３％、望ましくは１７％～２３％、より望ましくは１８％～２３％であり得る。正極活物質層の空隙率が上記の範囲を満足すると、電極密度が増加して優れた容量を実現することができ、抵抗が減少する。空隙率が低過ぎると、電解液含浸性が低下して電解液の未含浸によるリチウム析出が発生するおそれがあり、空隙率が高過ぎると、電極間の接触が良くなくて抵抗が増加し、エネルギー密度が減少して、容量改善の効果が低い。
前記正極活物質層の空隙率数値は、ｉ）前記正極活物質が単粒子系活物質粒子を含むこと、及びｉｉ）前記正極活物質に鱗片状黒鉛を添加することによって達成可能である。
正極活物質層のローディング量が比較的に高い高ローディング電極を実現する際に、本発明の一実施例によるように単粒子または疑似単粒子形態の正極活物質を使用すると、従来の二次粒子形態の正極活物質に比べて圧延時の活物質の粒子割れが著しく減少し、正極集電体（Ａｌホイル）の損傷が減少するため、相対的に高い線圧で圧延可能になり、正極活物質層の空隙率が上記のような数値範囲まで減少してエネルギー密度を高めることができる。
また、本発明の一実施例によるように正極活物質層に鱗片状黒鉛が含まれると、圧延時に前記鱗片状黒鉛が滑り効果を提供し、前記正極活物質層の空隙を満たすことができるため、正極活物質層の空隙率が上記のような数値範囲まで減少し得る。
また、前記正極は、ローディング量が５７０ｍｇ／２５ｃｍ２以上、望ましくは６００ｍｇ／２５ｃｍ２～８００ｇ／２５ｍ２、より望ましくは６００ｍｇ／２５ｃｍ２～７５０ｍｇ／２５ｃｍ２であり得る。具体的には、本発明の一実施例によるリチウム二次電池の場合、単粒子及び／または疑似単粒子形態の正極活物質及び鱗片状黒鉛を適用することで電極の圧延特性が向上するため、前記正極のローディング量を比較的に高いレベルに確保でき、これによって高容量特性を実現することができる。
本発明の一実施形態において、前記正極活物質層は導電材をさらに含み得る。前記導電材は、電極に導電性を付与するために使用されるものであって、バッテリーの内部で化学変化を引き起こさず電子伝導性を有するものであれば、特に制限なく使用可能である。具体的な例としては、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、炭素繊維、カーボンナノチューブなどの炭素系物質；銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末または金属繊維；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；またはポリフェニレン誘導体などの伝導性高分子などが挙げられ、これらのうちの１種単独でまたは２種以上の混合物が使用され得る。前記導電材は、通常、正極活物質層の総重量に対して１ｗｔ％～３０ｗｔ％、望ましくは１ｗｔ％～２０ｗｔ％、より望ましくは１ｗｔ％～１０ｗｔ％で含まれ得る。
本発明の一実施例による具体的な一実施形態において、前記導電材はカーボンナノチューブを含み得る。
本発明の一実施形態において、前記正極活物質は、導電材として比表面積が高くて層数（ｗａｌｌ ｎｕｍｂｅｒ）が小さい多層カーボンナノチューブを含み得る。前記多層カーボンナノチューブは、導電材１００ｗｔ％に対して５０ｗｔ％以上、７０ｗｔ％以上、９０ｗｔ％以上または９９ｗｔ％以上で含まれ得る。本発明の具体的な実施形態において、前記導電材は前記多層カーボンナノチューブのみから構成され得る。
本発明の一実施例において、前記多層カーボンナノチューブは、３００ｍ２／ｇ～５００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有するものである。これを従来技術と区別するため、「新規ＣＮＴ」と称する。
従来、一般に使用されているカーボンナノチューブ（従来ＣＮＴ）は、ＢＥＴ比表面積が３００ｍ２／ｇ未満である。本発明で使用される新規ＣＮＴ（図３６）と従来ＣＮＴ（図３７）との走査型電子顕微鏡イメージ及び物性を比較（図３８）すると、以下のようである。
ＳＥＭイメージから分かるように、本発明の一実施例に適用される新規ＣＮＴは、バンドル型（ｂｕｎｄｌｅｄ ｔｙｐｅ）であって、多層（ｍｕｌｔｉ ｗａｌｌ）構造であるが、従来ＣＮＴと比べてＢＥＴが高く、層数及び直径が小さい。
二次粒子形態の正極活物質を使用する場合、従来ＣＮＴを０．４ｗｔ％～０．６ｗｔ％程度で使用しても十分な電気伝導性を実現できる。しかし、単粒子または疑似単粒子形態の正極活物質の場合、従来の二次粒子形態の正極活物質に比べて抵抗が高く、導電材との接触面積が小さくて電気伝導度が低下するため、ＢＥＴ比表面積が３００ｍ２／ｇ未満の従来ＣＮＴを使用して十分な電気伝導性を実現するためには、導電材の含量が０．９ｗｔ％以上にならねばならない。
図３９～図４２は、正極活物質として単粒子または疑似単粒子を適用する場合、導電材の比率に応じた面抵抗及び高温寿命特性を示したグラフである。
グラフから、正極活物質として単粒子または疑似単粒子を適用する場合、従来の二次粒子形態の正極活物質を適用する場合に比べて、導電材の使用量を増加させる必要があることが分かる。
しかし、カーボンナノチューブの含有量が０．９ｗｔ％以上に増加すれば、正極スラリー内で凝集が発生して粘度が増加し、これによりコーティング性が低下する。したがって、円滑なコーティング性を実現するためには、正極スラリー内の固形分含量を減少させて正極スラリーの粘度を下げなければならないが、正極スラリー内の固形分含量が減少すると活物質含量が減少して容量特性が低下するという問題がある。
本発明者らはこのような問題を解決するために研究を重ねた結果、単粒子系活物質粒子である正極活物質とともに、導電材としてＢＥＴ比表面積が３００ｍ２／ｇ～５００ｍ２／ｇであるカーボンナノチューブを適用する場合、相対的に少量のカーボンナノチューブだけでも十分な電気伝導性を確保でき、これによって正極スラリーの固形分含量を７０ｗｔ％～８０ｗｔ％程度に高く形成しても、スラリー粘度を低く維持できることを確認した。
具体的には、本発明で使用される前記カーボンナノチューブは、ＢＥＴ比表面積が３００ｍ２／ｇ～５００ｍ２／ｇ、望ましくは３００ｍ２／ｇ～４５０ｍ２／ｇである多層カーボンナノチューブであり得る。ＢＥＴ比表面積が上記の範囲を満足すると、少量のカーボンナノチューブだけでも十分な電気伝導性を確保することができる。
また、前記カーボンナノチューブは、層数（ｗａｌｌ ｎｕｍｂｅｒ）が２～８、望ましくは２～６、より望ましくは３～６である多層カーボンナノチューブであり得る。
また、前記カーボンナノチューブは、直径が１ｎｍ～８ｎｍ、望ましくは３ｎｍ～８ｎｍ、より望ましくは３ｎｍ～６ｎｍであり得る。
前記カーボンナノチューブは、正極活物質層の総重量に対して０．７ｗｔ％以下、望ましくは０．３ｗｔ％～０．７ｗｔ％、より望ましくは０．４ｗｔ％～０．６ｗｔ％で含まれ得る。カーボンナノチューブの含量が上記の範囲を満足すると、十分な電気伝導性を実現でき、正極スラリー内における固形分含量を高く維持できるため、正極活物質層内で正極活物質の含量を高く形成可能であり、これにより優れた容量特性を実現することができる。
図４３に示された表は、ＢＥＴ比表面積が３００ｍ２／ｇ～５００ｍ２／ｇであるカーボンナノチューブ（新規ＣＮＴ）を適用した場合及びＢＥＴ比表面積が２００ｍ２／ｇ以上３００ｍ２／ｇ未満のカーボンナノチューブ（従来ＣＮＴ）を適用した場合において、正極スラリーの固形分含量、粘度、ＭＰコーティング層における抵抗値、及びＭＰ界面層における抵抗値を比較したものである。表から、新規ＣＮＴを適用する場合、従来ＣＮＴに比べて正極スラリーの固形分含量が高い場合にもより低い粘度を示し、電気伝導性も優れることを確認できる。
前記バインダーは、正極活物質粒子同士の付着及び正極活物質と正極集電体との接着力を向上させる役割を果たすものであって、具体的な例としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレンコポリマー（ＰＶＤＦ－ｃｏ－ＨＦＰ）、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－プロピレン－ジエンモノマー（ＥＰＤＭ）ゴム、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、フッ素ゴム、またはこれらの多様な共重合体などが挙げられ、これらのうちの１種単独または２種以上の混合物が使用され得る。前記バインダーは、正極活物質層の総重量に対して１ｗｔ％～３０ｗｔ％、望ましくは１ｗｔ％～２０ｗｔ％、より望ましくは１ｗｔ％～１０ｗｔ％で含まれ得る。
本発明の他の一実施形態は、前記正極を含む電極組立体、及びそれを含むバッテリーに関する。前記電極組立体は負極及び正極を含み、前記正極は上述したような構成的特徴を有する。
前記電極組立体は、例えば分離膜が負極と正極との間に介在された状態で積層されて積層型または積層／折り畳み型の構造体を形成するか、または、巻き取られてゼリーロール型の構造体を形成し得る。ゼリーロール型の構造体を形成したとき、負極と正極との接触を防止するため、外側に分離膜がさらに配置され得る。
前記負極は、負極集電体、及び前記負極集電体の少なくとも一面上に形成された負極活物質層を含む。前記負極は、長いシート状の負極集電体の一面または両面に負極活物質層が形成された構造であり得、前記負極活物質層は負極活物質、導電材及びバインダーを含み得る。
具体的には、前記負極は長いシート状の負極集電体の一面または両面に、負極活物質、導電材及びバインダーをジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、イソプロピルアルコール、Ｎ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）、アセトン、水などのような溶媒に分散させて製造した負極スラリーを塗布し、乾燥工程を経て負極スラリーの溶媒を除去した後、圧延する方法で製造され得る。前記負極スラリーの塗布時に負極集電体の一部領域、例えば負極集電体の一端部に負極スラリーを塗布しない方法で、無地部を含む負極を製造し得る。
前記負極活物質としては、リチウムの可逆的な挿入（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）及び脱離（ｄｅｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）が可能な化合物が使用され得る。具体的な例としては、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛化炭素繊維、非晶質炭素などの炭素質材料；Ｓｉ、Ｓｉ－Ｍｅ合金（ここで、ＭｅはＡｌ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、及びＮｉからなる群より選択される１種以上）、ＳｉＯｙ（ここで、０＜ｙ＜２）、Ｓｉ－Ｃ複合体などのようなシリコン系物質；リチウム金属薄膜；Ｓｎ、Ａｌなどのようにリチウムと合金化可能な金属物質；などが挙げられ、これらのうちのいずれか一つまたは二つ以上の混合物が使用され得る。
本発明の一実施例において、前記負極はシリコン系負極活物質を含み得る。前記シリコン系負極活物質は、Ｓｉ、Ｓｉ－Ｍｅ合金（ここで、ＭｅはＡｌ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、及びＮｉからなる群より選択される１種以上）、ＳｉＯｙ（ここで、０＜ｙ＜２）、Ｓｉ－Ｃ複合体、またはこれらの組み合わせであり得、望ましくはＳｉＯｙ（ここで、０＜ｙ＜２）であり得る。シリコン系負極活物質は高い理論容量を有するため、シリコン系負極活物質を含む場合、容量特性を向上させることができる。
前記シリコン系負極活物質は、Ｍｂ金属でドーピングされたものであり得、このとき、前記Ｍｂ金属は１族金属元素、２族金属元素であり得、具体的には、Ｌｉ、Ｍｇなどであり得る。具体的には、前記シリコン系負極活物質はＭｂ金属でドーピングされたＳｉ、ＳｉＯｙ（ここで、０＜ｙ＜２）、Ｓｉ－Ｃ複合体などであり得る。金属ドーピングされたシリコン系負極活物質の場合、ドーピング元素によって活物質容量は多少低下するが高い効率を有するため、高いエネルギー密度を実現することができる。
図６０は、シリコン系負極活物質と炭素系負極活物質との混合物を負極活物質として使用したバッテリーにおいて、シリコン系負極活物質の含量とシリコン系負極活物質のドーピング有無に応じたエネルギー密度の変化を示したグラフである。
図６０において、低効率ＳｉＯは非ドーピングＳｉＯであり、超高効率ＳｉＯはＭｇ／ＬｉドーピングＳｉＯを意味する。図６０から、全体負極活物質中のシリコン系負極活物質の含量が増加するほどエネルギー密度が向上することが確認できる。また、シリコン系負極活物質中における、ドーピングされたシリコン系負極活物質の比率が増加するほど、エネルギー密度の改善効果がさらに優れることが確認できる。
前記シリコン系負極活物質は、粒子の表面に炭素コーティング層をさらに含み得る。このとき、前記炭素コーティング量は、シリコン系負極活物質の全体重量を基準にして２０ｗｔ％以下、望ましくは１～２０ｗｔ％であり得る。前記炭素コーティング層は、乾式コーティング、湿式コーティング、化学気相成長（ＣＶＤ）、物理気相成長（ＰＶＤ）、原子層成長（ＡＬＤ）などの方式を通じて形成し得る。
本発明の一実施形態において、前記シリコン系負極活物質は１，０００～４，０００ｍＡｈ／ｇの容量を有し得、初期効率が６０～９５％程度であり得る。
本発明の他の実施形態において、前記シリコン系負極活物質のＤ５０は３μｍ～８μｍであり得、Ｄｍｉｎ～Ｄｍａｘは０．５μｍ～３０μｍの範囲に含まれ得る。
前記負極は、必要に応じて、負極活物質として炭素系負極活物質をさらに含み得る。前記炭素系負極活物質は、例えば人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛化炭素繊維、非晶質炭素、軟質炭素（ｓｏｆｔ ｃａｒｂｏｎ）、硬質炭素（ｈａｒｄ ｃａｒｂｏｎ）などであり得るが、これらに限定されることはない。
負極活物質としてシリコン系負極活物質と炭素系負極活物質との混合物を使用する場合、前記シリコン系負極活物質と炭素系負極活物質との混合比は重量比率で１：９９～２０：８０、望ましくは１：９９～１５：８５、より望ましくは１：９９～１０：９０であり得る。
前記負極活物質は、負極活物質層の総重量に対して８０ｗｔ％～９９ｗｔ％、望ましくは８５ｗｔ％～９９ｗｔ％、より望ましくは９０ｗｔ％～９９ｗｔ％で含まれ得る。
必要に応じて、前記負極活物質は、リチウム金属、及びＳｎ、Ａｌなどのようにリチウムと合金化可能な金属物質から選択された１種以上をさらに含み得る。
前記負極集電体としては、当技術分野で一般に使用される負極集電体が使用され得、例えば、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレス鋼の表面に炭素、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム－カドミウム合金などが使用され得る。前記負極集電体は、通常３μｍ～５００μｍの厚さを有し得、正極集電体と同様に、前記集電体の表面に微細な凹凸を形成して負極活物質の結合力を強化させてもよい。例えば、負極集電体は、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態で使用され得る。
前記導電材は、負極に導電性を付与するために使用されるものであって、バッテリーの内部で化学変化を引き起こさず電子伝導性を有するものであれば、特に制限なく使用可能である。具体的な導電材の例としては、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、炭素繊維、カーボンナノチューブなどの炭素系物質；銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末または金属繊維；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；またはポリフェニレン誘導体などの伝導性高分子などが挙げられ、これらのうちの１種単独でまたは２種以上の混合物が使用され得る。前記導電材は、通常、負極活物質層の総重量に対して１ｗｔ％～３０ｗｔ％、望ましくは１ｗｔ％～２０ｗｔ％、より望ましくは１ｗｔ％～１０ｗｔ％で含まれ得る。
前記バインダーは、負極活物質粒子同士の付着及び負極活物質と負極集電体との接着力を向上させる役割を果たす。具体的なバインダーの例としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレンコポリマー（ＰＶＤＦ－ｃｏ－ＨＦＰ）、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－プロピレン－ジエンモノマー（ＥＰＤＭ）ゴム、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、フッ素ゴム、またはこれらの多様な共重合体などが挙げられ、これらのうちの１種単独または２種以上の混合物が使用され得る。前記バインダーは、負極活物質層の総重量に対して１ｗｔ％～３０ｗｔ％、望ましくは１ｗｔ％～２０ｗｔ％、より望ましくは１ｗｔ％～１０ｗｔ％で含まれ得る。
前記電極組立体は分離膜をさらに含み、前記分離膜は負極と正極との間に介在される方式で電極組立体内に配置される。前記分離膜は、負極と正極とを分離し、リチウムイオンの移動通路を提供するものであって、通常リチウムバッテリーでセパレータとして使用されるものであれば特に制限なく使用可能である。
前記分離膜としては、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、及びエチレン／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、または、これらの２層以上の積層構造体が使用され得る。また、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が使用されてもよい。また、耐熱性または機械的強度の確保のため、セラミックス成分または高分子物質が含まれたコーティングされた分離膜が使用されてもよい。
本発明のさらに他の一実施形態は、前記電極組立体を含むバッテリーに関する。前記バッテリーは、電池ケースに電極組立体及び電解液が一緒に収納されているものである。前記電池ケースとしては、パウチ型または金属缶型などの当技術分野で通常使用されるものであれば、特に制限なく適切なものが選択され得る。
本発明で使用される電解質としては、リチウムバッテリーに使用可能な多様な電解質、例えば、有機系液体電解質、無機系液体電解質、固体高分子電解質、ゲル型高分子電解質、固体無機電解質、溶融型無機電解質などが使用され得、その種類が特に限定されることはない。
具体的には、前記電解質は有機溶媒及びリチウム塩を含み得る。
前記有機溶媒としては、電池の電気化学的反応に関与するイオンが移動可能な媒質の役割を果たせるものであれば、特に制限なく使用され得る。具体的には、前記有機溶媒としては、メチルアセテート、エチルアセテート、γ－ブチロラクトン、ε－カプロラクトンなどのエステル系溶媒；ジブチルエーテルまたはテトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒；シクロヘキサノンなどのケトン系溶媒；ベンゼン、ベンゼン、フルオロベンゼンなどの芳香族炭化水素系溶媒；ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）などのカーボネート系溶媒；エチルアルコール、イソプロピルアルコールなどのアルコール系溶媒；Ｒ－ＣＮ（ＲはＣ２～Ｃ２０の直鎖状、分枝状または環状構造の炭化水素基であり、二重結合芳香環またはエーテル結合を含み得る）などのニトリル類；ジメチルホルムアミドなどのアミド類；１，３－ジオキソランなどのジオキソラン類；またはスルホラン類などが使用され得る。中でも、カーボネート系溶媒が望ましく、電池の充放電性能を向上可能な高いイオン伝導度及び高誘電率を有する環状カーボネート（例えば、エチレンカーボネートまたはプロピレンカーボネートなど）と、低粘度の線状カーボネート系化合物（例えば、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネートまたはジエチルカーボネートなど）との混合物がより望ましい。
前記リチウム塩は、リチウムバッテリーで使用されるリチウムイオンを提供可能な化合物であれば、特に制限なく使用され得る。具体的には、前記リチウム塩は、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｌＯ４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ３）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＣｌ、ＬｉＩ、またはＬｉＢ（Ｃ２Ｏ４）２などが使用され得る。前記リチウム塩の濃度は、０．１～５．０Ｍ、望ましくは０．１Ｍ～３．０Ｍ範囲内であり得る。リチウム塩の濃度が上記の範囲に含まれれば、電解質が適切な伝導度及び粘度を有するため、優れた電解質性能を示し、リチウムイオンが効果的に移動可能である。
前記電解質には、上述した電解質構成成分の外にも、電池寿命特性の向上、電池容量減少の抑制、電池の放電容量向上などを目的として添加剤をさらに含み得る。例えば、前記添加剤としては、ジフルオロエチレンカーボネートなどのようなハロアルキレンカーボネート系化合物、ピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、ｎ－グライム（ｇｌｙｍｅ）、ヘキサメチルリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、Ｎ－置換オキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ－置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、２－メトキシエタノール、または三塩化アルミニウムなどを単独でまたは混合して使用し得るが、これらに限定されることはない。前記添加剤は、電解質の総重量に対して０．１ｗｔ％～１０ｗｔ％、望ましくは０．１ｗｔ％～５ｗｔ％で含まれ得る。
本発明のさらに他の実施形態において、前記正極は、隣接領域よりも正極活物質のローディング量が少ないローディング減少部を含み得る。正極がこのような構造を有すると、リチウム析出の心配なく、正極活物質部の区間を増加させることができる。これにより、電極組立体のエネルギー密度を向上させることができる。
近年、高いエネルギー密度の実現及びコスト節減のため、バッテリーのサイズを増加させる方向で開発が進んでいる。バッテリーのサイズに応じてエネルギーが増加するほど、バッテリー当たりの抵抗は減少しなければならない。抵抗の減少のため、電極に電極タブを付着する方式ではなく、電極の集電体を電極タブとして活用する方式を使用可能である。このとき、電極集電体上に電極スラリーを塗布する電極製造工程の特性上、負極スラリーが塗布された負極活物質部と負極集電体との境界部分にローディング量が減少する部分が発生する。Ｎ／Ｐ比を考慮すると、前記ローディング量が減少する部分と対面する正極活物質部に金属リチウムが析出するおそれがある。ここで、Ｎ／Ｐ比とは、負極の面積及び質量当たりの容量に基づいて算出した負極の容量を、正極の面積及び質量当たりの容量に基づいて得た正極の容量で除した値であるが、一般に１以上の値を有する。すなわち、負極の容量をより大きく製作する。参考までに、Ｎ／Ｐ比が１にならないと、充放電時に金属リチウムが析出し易く、これは高率充放電時に電池の安全性を急激に劣化させる原因になる。換言すると、Ｎ／Ｐ比は電池の安全性及び容量に多大な影響を及ぼす。このように金属リチウムの析出危険のため、負極のローディング量が減少する部分と対面する正極部分に正極活物質部を位置させることができない。これはバッテリーのエネルギー密度を高められなくする原因になる。そこで本発明は、正極活物質部の区間を増やしてエネルギー密度を改善した。
図４８は本発明の一実施形態による電極組立体を示した図であり、図４９は図４８のＡ－Ａ’線に沿って切断した断面図である。
図４８及び図４９を参照すると、本発明の一実施形態による電極組立体３００は、負極４００、正極５００及び分離膜６００を含む。分離膜６００は、負極４００と正極５００との間に位置する。負極４００、正極５００及び分離膜６００が一緒に巻き取られてゼリーロール構造体３００Ｓを形成する。ここで、ゼリーロール構造体３００Ｓは、負極４００、正極５００及び分離膜６００が巻き取られて形成された構造物を称する。また、ゼリーロール構造体３００Ｓを形成したとき、負極４００と正極５００とが接することを防止するため、外側に分離膜６００がさらに配置されることが望ましい。
負極４００は、負極集電体４１０、及び負極集電体４１０上に負極活物質が塗布されて形成された負極活物質部４２０を含む。特に、図示されたように負極集電体４１０の両面ともに負極活物質が塗布されて負極活物質部４２０が形成され得る。また、負極集電体４１０において負極活物質が塗布されていない負極無地部４３０が第１方向ｄ１に延びる。負極無地部４３０は、巻き取られる負極４００の一端部に沿って延在される。また、負極無地部４３０は第１方向ｄ１に向かって分離膜６００よりも長く延在する。これにより、ゼリーロール構造体３００Ｓの第１方向の一端部には負極無地部４３０が露出し得る。
正極５００は、正極集電体５１０、及び正極集電体５１０上に正極活物質が塗布されて形成された正極活物質部５２０を含む。特に、図示されたように正極集電体５１０の両面ともに正極活物質が塗布されて正極活物質部５２０が形成され得る。また、正極集電体５１０において正極活物質が塗布されていない正極無地部５３０が第２方向ｄ２に延びる。正極無地部５３０は、巻き取られる正極５００の一端部に沿って延在される。また、正極無地部５３０は第２方向ｄ２に向かって分離膜６００よりも長く延在する。これにより、ゼリーロール構造体３００Ｓの第２方向の一端部には正極無地部５３０が露出し得る。
ここで、第１方向ｄ１と第２方向ｄ２とは対向する方向である。また、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２は、ゼリーロール構造体３００Ｓの高さ方向と平行な方向であり得る。
本実施形態による電極組立体３００は、別途の電極タブを付着する形態ではなく、抵抗減少のために負極集電体４１０の負極無地部４３０及び正極集電体５１０の正極無地部５３０自体を電極タブとして活用する形態である。
図示していないが、負極無地部４３０及び／または正極無地部５３０は、上述した電極の無地部の構造を実質的に同様に備え得る。
一実施形態において、正極活物質部５２０は、隣接領域よりも正極活物質のローディング量が少ないローディング減少部５００Ｄを含み、ローディング減少部５００Ｄは、正極５００の第１方向ｄ１の一端部に位置する。より具体的には、ローディング減少部５００Ｄは、第１方向ｄ１に向かって前記正極活物質のローディング量が徐々に減少し得る。
ここで、ローディング量とは、単位面積当たりの活物質の塗布量を意味する。ローディング量が多い部分は、単位面積に多量の負極活物質または正極活物質が塗布されて負極活物質部または正極活物質部の厚さが相対的に厚くなり得る。ローディング量が少ない部分は、単位面積に少量の負極活物質または正極活物質が塗布されて負極活物質部または正極活物質部の厚さが相対的に薄くなり得る。
活物質を含むスラリーを塗布して活物質部を形成するが、このような工程で無地部と活物質部との間には徐々にローディング量が減少する境界部が形成され得る。
具体的には、負極活物質部４２０は、負極活物質部４２０と負極無地部４３０との間の境界を形成する負極境界部４２０Ｂを含み得る。負極境界部４２０Ｂは、負極無地部４３０が位置する方向に向かって徐々にローディング量が減少し得る。
同様に、正極活物質部５２０は、正極活物質部５２０と正極無地部５３０との間の境界を形成する正極境界部５２０Ｂを含み得る。正極境界部５２０Ｂは、正極無地部５３０が位置する方向に向かって徐々にローディング量が減少し得る。
このようにローディング量が徐々に減少する負極境界部４２０Ｂ及び正極境界部５２０Ｂは、活物質を含むスラリーを負極集電体４１０及び正極集電体５１０に塗布する過程で自然に発生する。
このとき、第２方向ｄ２と垂直な方向を基準にして、正極境界部５２０Ｂに対応する領域では正極活物質の量が負極活物質の量よりも少なくなる。これにより、Ｎ／Ｐ比が１よりも大きい値になるため、金属リチウムが析出する問題などが発生しない。
しかし、負極境界部４２０Ｂと対応する領域では問題がある。第１方向ｄ１と垂直な方向を基準にして、負極境界部４２０Ｂに対応する領域では負極活物質の量が正極活物質の量よりも少なくなる。これにより、Ｎ／Ｐ比が１よりも小さい値になるため、金属リチウムが析出する問題が発生するおそれがある。
そこで、本実施形態では、正極５００にローディング減少部５００Ｄを設け、第１方向ｄ１と垂直な方向を基準にして、ローディング減少部５００Ｄと対応する部分に負極活物質部４２０を位置させている。より具体的には、第１方向ｄ１と垂直な方向を基準にして、ローディング減少部５００Ｄと対応する部分に負極境界部４２０Ｂが位置し得る。
ローディング量が徐々に減少する負極境界部４２０Ｂと対応する位置に、隣接領域よりも正極活物質のローディング量が少ないローディング減少部５００Ｄを設けることで、リチウム析出の心配なく、正極活物質が塗布された区間を増加させることができる。特に、負極無地部４３０に向かってローディング量が徐々に減少する負極境界部４２０Ｂの形状と対応するように、ローディング減少部５００Ｄは第１方向ｄ１に向かって前記正極活物質のローディング量が徐々に減少する形態を有し得る。したがって、負極境界部４２０Ｂが形成された領域における負極４００と正極５００とに対するＮ／Ｐ比を高く維持することができ、リチウムの析出を防止することができる。
以下、図５０～図５５を参照して本発明の一実施形態による電極組立体の製造方法を詳しく説明する。
図５０及び図５１は、本発明の一実施形態によって負極を製造する過程を示した図である。具体的には、図５０は負極シートの上面図であり、図５１は図５０の負極シートの正面図である。
図５０及び図５１を参照すると、本発明の一実施形態による電極組立体の製造方法は、負極集電体４１０上に負極活物質が塗布された負極活物質部４２０と負極活物質が塗布されていない負極無地部４３０とが交互に位置するように負極シート４００Ｓを製造する段階を含む。
具体的には、負極活物質を第３方向ｄ３に延びるように塗布して負極活物質部４２０を形成し得る。また、第３方向ｄ３と垂直な第４方向ｄ４に沿って塗布領域を離隔させることで、複数の負極活物質部４２０を第４方向ｄ４に沿って離隔させて位置させ得る。すなわち、複数の負極活物質部４２０同士の間に負極無地部４３０が位置するように塗布工程を行い得る。
ここで、第３方向ｄ３及び第４方向ｄ４は、負極シート４００Ｓを基準にして説明するための方向であって、上述したゼリーロール構造体３００Ｓにおける第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２とは関係のない方向である。
その後、負極無地部４３０及び負極活物質部４２０をスリッティング（ｓｌｉｔｔｉｎｇ）して負極４００を製造する段階を含み得る。図５２は、本発明の一実施形態による負極を示した斜視図である。
図５０～図５２を参照すると、図５０及び図５１に点線で示した部分のように、負極無地部４３０及び負極活物質部４２０のそれぞれに対して第３方向ｄ３と平行な方向にスリッティングを行い得る。これにより、負極シート４００Ｓから図５２に示されたような負極４００を複数個製造し得る。すなわち、図５２の負極４００は、図５０及び図５１の負極シート４００Ｓをスリッティングして製造された複数の負極のうちの一つに該当する。負極シート４００Ｓにおいて負極無地部４３０及び負極活物質部４２０をそれぞれスリッティングすることで、一側に負極無地部４３０が延在した負極４００が製造され得る。
負極活物質部４２０を形成するとき、負極活物質を含むスラリーを負極集電体４１０上に塗布するが、このようなスラリー塗布過程において、負極活物質部４２０と負極無地部４３０との間の境界には負極無地部４３０が位置する方向に向かって徐々にローディング量が減少する負極境界部４２０Ｂが形成され得る。
図５３及び図５４は、本発明の一実施形態によって正極を製造する工程を示した図である。具体的には、図５３は正極シートの上面図であり、図５４は図５３の正極シートを正面図である。
図５３及び図５４を参照すると、本発明の一実施形態による電極組立体の製造方法は、正極集電体５１０上に正極活物質が塗布された正極活物質部５２０と正極活物質が塗布されていない正極無地部５３０とが交互に位置するように正極シート５００Ｓを製造する段階を含む。
具体的には、正極活物質を第３方向ｄ３に延びるように塗布して正極活物質部５２０を形成し得る。また、第３方向ｄ３と垂直な第４方向ｄ４に沿って塗布間隔を調節することで、複数の正極活物質部５２０を離隔させて位置させ得る。すなわち、複数の正極活物質部５２０同士の間に正極無地部５３０が位置するように塗布工程を行い得る。
ここで、第３方向ｄ３及び第４方向ｄ４は、正極シート５００Ｓを基準にして説明するための方向であって、上述したゼリーロール構造体３００Ｓにおける第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２とは関係のない方向である。
その後、正極無地部５３０及び正極活物質部５２０をスリッティングして正極５００を製造する段階を含み得る。図５５は、本発明の一実施形態による正極５００を示した斜視図である。
図５３～図５５を参照すると、図５３及び図５４に点線に示した部分のように、正極無地部５３０及び正極活物質部５２０のそれぞれに対して第３方向ｄ３と平行な方向にスリッティングを行い得る。これにより、正極シート５００Ｓから図５５に示されたような正極５００を複数個製造し得る。すなわち、図５５の正極５００は、図５３及び図５４の正極シート５００Ｓをスリッティングして製造された複数の正極のうちの一つに該当する。正極シート５００Ｓにおいて正極無地部５３０及び正極活物質部５２０をそれぞれスリッティングすることで、一側に正極無地部５３０が延在した正極５００が製造され得る。
正極活物質部５２０を形成するとき、正極活物質を含むスラリーを正極集電体５１０上に塗布するが、このようなスラリー塗布過程において、正極活物質部５２０と正極無地部５３０との間の境界には正極無地部５３０が位置する方向に向かって徐々にローディング量が減少する正極境界部５２０Ｂが形成され得る。
図４８、図５２及び図５５をともに参照すると、製造された負極４００及び正極５００を分離膜６００と一緒に巻き取ってゼリーロール構造体３００Ｓを形成する段階が続いて行われ得る。このとき、ゼリーロール構造体３００Ｓにおいて、負極無地部４３０は第１方向ｄ１に向かって分離膜６００よりも長く延在し、正極無地部５３０は第１方向ｄ１と反対の第２方向ｄ２に向かって分離膜６００よりも長く延在し得る。
図５３～図５５をさらに参照すると、本発明の一実施形態による電極組立体の製造方法において、正極シート５００Ｓは、隣接領域よりも前記正極活物質のローディング量が少ないローディング減少領域５００ＤＡを含む。ローディング減少領域５００ＤＡを形成する方法には特に制限がなく、一例としてスラリーの塗布程度を調節して形成し得る。
前記正極５００を製造する段階において、正極活物質部５２０からローディング減少領域５００ＤＡをスリッティングする。スリッティングされたローディング減少領域５００ＤＡが、図４８及び図４９に示されたゼリーロール構造体３００Ｓにおいて隣接領域よりも正極活物質のローディング量が少ないローディング減少部５００Ｄを形成する。
具体的には、正極シート５００Ｓに形成された正極活物質部５２０に、隣接領域よりも前記正極活物質のローディング量が少ないローディング減少領域５００ＤＡが形成される。図５４に示されたように、ローディング減少領域５００ＤＡは正極活物質部５２０の中央に形成され得る。一方、ローディング減少領域５００ＤＡは、ローディング減少領域５００ＤＡの中央部５００Ｃに向かって前記正極活物質のローディング量が徐々に減少するように構成され得、前記正極５００を製造する段階において、ローディング減少領域５００ＤＡの中央部５００Ｃをスリッティングすることによって、本実施形態によるローディング減少部５００Ｄを形成し得る。
すなわち、正極活物質を含むスラリーを塗布することでローディング減少領域５００ＤＡを形成し、ローディング減少領域５００ＤＡの中央部５００Ｃをスリッティングすることで、ローディング減少部５００Ｄが形成された正極５００を複数個製造し得る。
図５５を参照すると、製造された正極５００の一端部にはローディング減少部５００Ｄが設けられ、前記一端部と対向する前記正極５００の他端部には正極無地部５３０が設けられ得る。
図４８及び図４９を参照すると、このような正極５００が巻き取られてゼリーロール構造体３００Ｓを形成するとき、ローディング減少部５００Ｄは正極５００の第１方向ｄ１の一端部に位置し、正極無地部５３０は正極５００の第２方向ｄ２の一端部に位置し得る。
また、ローディング減少領域５００ＤＡの中央部５００Ｃをスリッティングすることによって、ローディング減少部５００Ｄは、第１方向ｄ１に向かって正極活物質のローディング量が徐々に減少し得る。
また、ゼリーロール構造体３００Ｓにおいて、第１方向ｄ１と垂直な方向を基準にして、ローディング減少部５００Ｄと対応する部分に負極活物質部４２０が位置し得る。より具体的には、ゼリーロール構造体３００Ｓにおいて、第１方向ｄ１と垂直な方向を基準にして、ローディング減少部５００Ｄと対応する部分に負極境界部４２０Ｂが位置し得る。
ローディング減少部５００Ｄと負極境界部４２０Ｂとの対応する位置関係については、上述した説明と同様であるため省略する。
以下、図５６～図５９を参照して本発明の比較形態による電極組立体を説明し、本発明の実施形態による電極組立体が比較形態による電極組立体に比べて持っている長所を説明する。
図５６は本発明の比較形態による電極組立体を示した図であり、図５７は図５６のＢ－Ｂ’線に沿って切断した断面図である。
図５６及び図５７を参照すると、本発明の比較形態による電極組立体６００は、負極７００、正極８００及び分離膜９００を含み、負極７００、正極８００及び分離膜９００が巻き取られてゼリーロール構造体６００Ｓを形成する。
負極７００は、負極集電体７１０、負極活物質部７２０及び負極無地部７３０を含み得る。また、負極無地部７３０は、第１方向ｄ１に向かって延在し得、負極活物質部７２０は、負極活物質部７２０と負極無地部７３０との境界を形成しながらローディング量が徐々に減少する負極境界部７２０Ｂを含み得る。
図５８は、本発明の比較形態によって負極７００を製造する工程を示した図である。
図５８を参照すると、負極活物質部７２０と負極無地部７３０とが第４方向ｄ４に沿って交互に位置するように負極シート７００Ｓが製造された後、負極無地部７３０及び負極活物質部７２０をスリッティング（ｓｌｉｔｔｉｎｇ）して複数の負極７００を製造し得る。
一方、図５６及び図５７をさらに参照すると、正極８００は、正極集電体８１０、正極活物質部８２０及び正極無地部８３０を含み得る。また、正極無地部８３０は、第１方向ｄ１と対向する第２方向ｄ２に向かって延在し得、正極活物質部８２０は、正極活物質部８２０と正極無地部８３０との境界を形成しながらローディング量が徐々に減少する正極境界部８２０Ｂを含み得る。
図５９は、本発明の比較形態によって正極８００を製造する工程を示した図である。
図５９を参照すると、正極活物質部８２０と正極無地部８３０とが第４方向ｄ４に沿って交互に位置するように正極シート８００Ｓが製造された後、正極無地部８３０及び正極活物質部８２０をスリッティング（ｓｌｉｔｔｉｎｇ）して複数の正極８００を製造し得る。
その後、製造された負極７００及び正極８００を分離膜９００と一緒に巻き取って本発明の比較形態による電極組立体６００を製造し得る。
すなわち、本発明の比較形態による電極組立体６００は、ローディング減少部５００Ｄ（図４９を参照）を除いて、本発明の実施形態による電極組立体３００と類似の構造を有し得る。
図５６及び図５７を参照すると、比較形態による電極組立体６００の場合、第１方向ｄ１と垂直な方向を基準にして、負極境界部７２０Ｂと対応する部分に正極活物質部８２０が位置できない。もし、正極活物質部８２０が負極境界部７２０Ｂと対応する部分にまで延在すると、該当部分は低いＮ／Ｐ比を有する部分になり、金属リチウムが析出する可能性が高い。したがって、リチウム析出を防止するためには正極活物質部８２０の長さを制限するしかない。すなわち、図示されたＢ１領域のみに正極活物質部８２０を形成でき、Ｂ２領域には正極活物質部８２０を形成できず、負極境界部７２０Ｂによって正極活物質部８２０の長さが縮小される結果につながる。
一方、図４８及び図４９を参照すると、本発明の実施形態による電極組立体３００の場合、第１方向ｄ１と垂直な方向を基準にして、負極境界部４２０Ｂと対応する部分に正極活物質部５２０、特にローディング減少部５００Ｄが位置し得る。負極境界部４２０Ｂと対応する位置に隣接領域よりも正極活物質のローディング量が少ないローディング減少部５００Ｄが設けられるため、該当部分でのＮ／Ｐ比を高く維持でき、リチウムの析出を防止することができる。これにより、Ａ１領域にわたって正極活物質部５２０を形成でき、正極活物質部５２０を形成できないＡ２領域を減らすことができる。一例として、高さ方向における負極４００の幅に対する高さ方向における正極５００の幅を９８％以上に高めることができる。
図４８及び図４９のＡ１領域と図５６及び図５７のＢ１領域とを比べると、本実施形態による電極組立体３００は、正極活物質部の長さをローディング減少部５００Ｄだけ増やすことができるため、比較形態による電極組立体６００よりも、限定された空間でさらに高いエネルギー密度を実現可能である。
本発明のさらに他の一実施形態は、正極、負極、前記正極と負極との間に介在された分離膜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と、前記電極組立体が収納される円筒形バッテリーハウジングと、前記バッテリーハウジングの上部に配置されて前記バッテリーハウジングを密封する密封体である電池キャップと、を含む円筒形バッテリーに関する。ここで、前記正極は本発明の一実施例によるものであって、正極活物質として平均粒径Ｄ５０が５μｍ以下の単粒子系活物質粒子を含むものである。前記円筒形バッテリーは、電解液をさらに含み得、電解液については上述した説明を参照可能である。
前記電極組立体は、上述したような積層型、積層／折り畳み型、またはゼリーロール型の構造を有し得る。本発明の具体的な一実施形態において、前記電極組立体は上述したように正極がローディング減少部を有するものであり得る。
従来の円筒形バッテリーの場合、ストリップ状の電極タブに電流が集中されて抵抗が大きく、多量の熱が発生し、集電効率が良くないという問題がある。
近年、電気自動車関連技術の発展に伴って高容量電池に対する要求が増加するにつれて、体積が大きい大型円筒形バッテリーの開発が要求されている。従来一般に使用されている小型円筒形バッテリー、すなわち、１８６５や２１７０のフォームファクタを有する円筒形バッテリーの場合、容量が小さいため、抵抗や発熱が電池性能に深刻な影響を及ぼすことがない。しかし、従来の小型円筒形バッテリーの仕様を大型円筒形バッテリーにそのまま適用する場合、電池安全性に深刻な問題が生じるおそれがある。
電池が大きくなれば、電池内部で発生する熱とガスの量も一緒に増加するが、このような熱とガスによって電池内部の温度及び圧力が上昇し、電池が発火するかまたは爆発することがあるためである。これを防止するためには、電池内部の熱とガスが外部へと適切に排出されねばならず、そのためには電池外部への熱の排出通路になる電池の断面積が体積の増加に応じて増加する必要がある。しかし、通常、断面積の増加分は体積の増加分に及ばないため、電池が大型化されるほど電池内部の発熱量が増加し、それによって爆発の危険性が大きくなって出力が低下するなどの問題が発生する。また、高電圧で急速充電を行う場合、短時間で電極タブの周辺で多量の熱が発生しながら電池が発火するおそれもある。そこで本発明は、高容量を実現できるように大きい体積を有しながらも高い安全性を有する円筒形バッテリーを提案する。
また、前記単粒子または疑似単粒子形態の正極活物質が適用された高ローディング電極が円筒形バッテリーに適用されるため、円筒形バッテリーの初期抵抗特性と充放電効率を改善することができる。
本発明の一実施例による円筒形バッテリーは、単粒子または疑似単粒子形態の正極活物質を適用することで従来に比べてガス発生量を著しく減少させ、これによってフォームファクタの比が０．４以上である大型円筒形バッテリーにおいても優れた安全性を実現することができる。
本発明の一実施例による円筒形バッテリーは、望ましくは、電極タブを含まないタブレス構造のバッテリーであるが、これに限定されるものではない。
前記タブレス構造のバッテリーは、例えば、正極及び負極がそれぞれ活物質層が形成されていない無地部を含み、電極組立体の上端及び下端にそれぞれ正極無地部及び負極無地部が位置し、前記正極無地部及び負極無地部に集電板が結合されており、前記集電板が電極端子と連結されている構造であり得る。
円筒形バッテリーを上記のようにタブレス構造で形成する場合、電極タブを備える従来の電池に比べて電流集中が低減するため、電池内部の発熱を効果的に減少させることができ、これによって電池の熱安定性が改善される効果を奏することができる。
以下、具体的な実施例を挙げて本発明をより詳しく説明する。
＜実施例１＞
平均粒径Ｄ５０が３μｍであるユニモーダル粒度分布を有し、単粒子形態である正極活物質Ｌｉ［Ｎｉ０．９Ｃｏ０．０６Ｍｎ０．０３Ａｌ０．０１］Ｏ２とカーボンナノチューブとＰＶＤＦバインダーとを９７．８：０．６：１．６の重量比でＮ－メチルピロリドン中で混合して正極スラリーを製造した。前記正極スラリーをアルミニウム集電体シートの一面に塗布した後、１２０℃で乾燥してから圧延して正極を製造した。
負極活物質（黒鉛：ＳｉＯ＝９５：５（重量比）混合物）と導電材（スーパーＣ）とスチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）とカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）とを９６：２：１．５：０．５の重量比で水中で混合して負極スラリーを製造した。前記負極スラリーを銅集電体シートの一面に塗布した後、１５０℃で乾燥してから圧延して負極を製造した。
製造された正極と負極との間に分離膜を介在して分離膜／正極／分離膜／負極の順に積層した後、巻き取ってゼリーロール型の電極組立体を製造した。上記のように製造された電極組立体を円筒形電池缶に挿入した後、電解液を注入して４６８０セルを製造した。
＜比較例１＞
正極活物質として、大粒径平均粒径Ｄ５０が９μｍであって、小粒径平均粒径Ｄ５０が４μｍであるバイモーダル粒度分布を有し、二次粒子形態であるＬｉ［Ｎｉ０．９Ｃｏ０．０５Ｍｎ０．０４Ａｌ０．０１］Ｏ２を使用したことを除き、実施例１と同様の方法で４６８０セルを製造した。
＜実験例１＞
実施例１及び比較例１によって製造された４６８０セルに対し、ホットボックステスト（ｈｏｔ ｂｏｘ ｔｅｓｔ）を実施した。
具体的には、実施例１及び比較例１によって製造された４６８０セルをそれぞれ常温でホットボックスチャンバーに入れ、５℃／分の昇温速度で１３０℃まで昇温させた後、３０分間維持するホットボックス評価を行い、時間に応じた電池の温度変化を測定した。正確な評価のため、実施例１のセルに対しては２回のホットボックス評価を行った。測定結果を図４５ａ及び図４５ｂに示した。
図４５ａは実施例１によって製造された４６８０セルに対するホットボックステストの結果を示したグラフであり、図４５ｂは比較例１によって製造された４６８０セルに対するホットボックステストの結果を示したグラフである。
図４５ａ及び図４５ｂから、単粒子形態の正極活物質を使用した実施例１のリチウム二次電池の場合、６５分が経過するまで電池の電圧及び温度が安定的に維持される一方、比較例１のリチウム二次電池は３５分経過後に電池温度が急激に上昇したことが確認できる。
＜実施例２－１＞
ユニモーダル粒度分布を有してＤｍｉｎ＝１．７８μｍ、Ｄ５０＝４．２３μｍ、Ｄｍａｘ＝１３．１μｍであり、単粒子と疑似単粒子とが混合されている正極活物質（組成：Ｌｉ［Ｎｉ０．９Ｃｏ０．０６Ｍｎ０．０３Ａｌ０．０１］Ｏ２）を用意した。図４４ａに実施例２－１で使用された正極活物質のＳＥＭ写真を示した。
正極活物質とカーボンナノチューブとＰＶＤＦバインダーとを９７．８：０．６：１．６の重量比でＮ－メチルピロリドン中で混合して正極スラリーを製造した。前記正極スラリーをアルミニウム集電体シートの一面に塗布した後、１２０℃で乾燥してから圧延して正極を製造した。
負極活物質（黒鉛：ＳｉＯ＝９５：５（重量比）混合物）と導電材（スーパーＣ）とスチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）とカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）とを９６：２：１．５：０．５の重量比で水中で混合して負極スラリーを製造した。前記負極スラリーを銅集電体シートの一面に塗布した後、１５０℃で乾燥したから圧延して負極を製造した。
製造された正極と負極との間に分離膜を介在して分離膜／正極／分離膜／負極の順に積層した後、巻き取ってゼリーロール型の電極組立体を製造した。上記のように製造された電極組立体を電池缶に挿入した後、電解液を注入して４６８０セルを製造した。
＜実施例２－２＞
正極活物質として、ユニモーダル粒度分布を有してＤｍｉｎ＝１．３８μｍ、Ｄ５０＝４．６９μｍ、Ｄｍａｘ＝１８．５μｍであり、単粒子と疑似単粒子とが混合されている正極活物質（組成：Ｌｉ［Ｎｉ０．９Ｃｏ０．０６Ｍｎ０．０３Ａｌ０．０１］Ｏ２）を使用したことを除き、実施例２－１と同様の方法で４６８０セルを製造した。図４４ｂに実施例２－２で使用された正極活物質のＳＥＭ写真を示した。
＜比較例２－１＞
大粒径平均粒径Ｄ５０が９μｍであって、小粒径平均粒径Ｄ５０が４μｍであるバイモーダル粒度分布を有し、二次粒子形態である正極活物質（組成：Ｌｉ［Ｎｉ０．９Ｃｏ０．０５Ｍｎ０．０４Ａｌ０．０１］Ｏ２）を使用したことを除き、実施例２－１と同様の方法で４６８０セルを製造した。
＜比較例２－２＞
ユニモーダル粒度分布を有してＤｍｉｎ＝０．８９２μｍ、Ｄ５０＝３．０２μｍ、Ｄｍａｘ＝１１μｍであり、単粒子と疑似単粒子とが混合されている正極活物質（組成：Ｌｉ［Ｎｉ０．９Ｃｏ０．０６Ｍｎ０．０３Ａｌ０．０１］Ｏ２）を使用したことを除き、実施例２－１と同様の方法で４６８０セルを製造した。
図４４ｃに比較例２－２で使用された正極活物質のＳＥＭ写真を示した。
＜実験例２－１＞
実施例２－１、２－２及び比較例２－１、２－２によって製造された４６８０セルに対し、ホットボックステストを実施した。
具体的には、実施例２－１及び比較例２－１によって製造された４６８０セルをそれぞれ常温でホットボックスチャンバーに入れ、５℃／分の昇温速度で１３０℃まで昇温させた後、３０分間維持してから電池の温度変化を測定した。テスト中に熱暴走及び発火が発生しない場合をパス（ｐａｓｓ）、熱暴走及び／または発火が発生した場合をフェイル（ｆａｉｌ）で示した。また、テストの正確度のため、実施例２－１及び２－２のセルに対してはテストを２回以上行った。
測定結果を下記の表１及び図４５ｃ、図４５ｄに示した。図４５ｃは実施例２－１のサンプル１及び比較例２－１によって製造された４６８０セルに対するホットボックステストの結果を示したグラフであり、図４５ｄは実施例２－１のサンプル２、３、実施例２－２のサンプル１、２及び比較例２－２によって製造された４６８０セルに対するホットボックステストの結果を示したグラフである。
表１、図４５ｃ及び図４５ｄを参照すると、Ｄｍｉｎが１．０μｍ以上である単粒子／疑似単粒子形態の正極活物質を適用した実施例２－１の４６８０セルの場合、６５分が経過するまで電池の電圧及び温度が安定的に維持される一方、正極活物質として二次粒子を適用した比較例２－１及びＤｍｉｎが１．０μｍ未満である単粒子／疑似単粒子形態の正極活物質を適用した比較例２－２の４６８０セルは、電池温度が急激に上昇したことが確認できる。
＜実験例２－２＞
実施例２－１及び比較例２－１で製造された正極に対し、圧延後の正極活物質粒子の割れ程度を確認するため、イオンミリング装置で正極を切断した後、断面をＳＥＭで撮影した。図４６ａに実施例２－１で製造された正極の断面ＳＥＭ写真を示し、図４６ｂに比較例２－１で製造された正極の断面ＳＥＭ写真を示した。
図４６ａ及び図４６ｂから、実施例２－１の正極は圧延後にも正極活物質の粒子割れが殆どない一方、二次粒子を使用した比較例２－２の正極は圧延後に正極活物質の粒子割れが多数観察される。
＜実施例３－１＞
ユニモーダル粒度分布を有してＤｍｉｎ＝１．７８μｍ、Ｄ５０＝４．２３μｍ、Ｄｍａｘ＝１３．１μｍであり、単粒子と疑似単粒子とが混合されている正極活物質粉末（組成：Ｌｉ［Ｎｉ０．９Ｃｏ０．０６Ｍｎ０．０３Ａｌ０．０１］Ｏ２）と鱗片状黒鉛（ＳＦＧ６Ｌ）と導電材（多層カーボンナノチューブ）とＰＶＤＦバインダーとを９６．３：１．５：０．４：１．８の重量比でＮ－メチルピロリドン中で混合して正極スラリーを製造した。前記正極スラリーをアルミニウム集電体シートの一面に塗布した後、乾燥して３．０ｔｏｎ／ｃｍの線圧で圧延して正極を製造した。製造された正極の正極活物質層の空隙率を測定した。空隙率は１７．５％であった。
＜実施例３－２＞
正極活物質と鱗片状黒鉛と導電材とバインダーとを９７．２：０．６：０．４：１．８の重量比で混合したことを除き、実施例３－１と同様に正極を製造して正極活物質層の空隙率を測定した。空隙率は１９％であった。
＜実施例３－３＞
正極活物質と鱗片状黒鉛と導電材とバインダーとを９７．４：０．４：０．４：１．８の重量比で混合したことを除き、実施例３－１と同様に正極を製造して正極活物質層の空隙率を測定した。空隙率は２０％であった。
＜実施例３－４＞
正極活物質と鱗片状黒鉛と導電材とバインダーとを９７．６：０．２：０．４：１．８の重量比で混合したことを除き、実施例３－１と同様に正極を製造して正極活物質層の空隙率を測定した。空隙率は２１％であった。
＜比較例３－１＞
鱗片状黒鉛を添加せず、正極活物質と導電材とバインダーとを９７．８：０．４：１．８の重量比でＮ－メチルピロリドン中で混合して正極スラリーを製造したことを除き、実施例３－１と同様に正極を製造して正極活物質層の空隙率を測定した。空隙率は２４％であった。
＜比較例３－２＞
鱗片状黒鉛を添加せず、正極活物質と導電材とバインダーとを９７．８：０．４：１．８の重量比でＮ－メチルピロリドン中で混合して正極スラリーを製造し、２．０ｔｏｎ／ｃｍの線圧で圧延したことを除き、実施例３－１と同様に正極を製造して正極活物質層の空隙率を測定した。空隙率は３０％であった。
＜実験例３－１．充放電容量及び充放電効率の測定＞
実施例３－１～３－４、比較例３－１及び３－２による正極を含むコイン型ハーフセルを製造し、０．２Ｃ電流条件で４．２５Ｖまで充電した後、０．２Ｃ電流条件で２．５Ｖまで放電して、各コイン型ハーフセルの充電容量（ｍＡｈ／ｇ）及び放電容量（ｍＡｈ／ｇ）測定した。測定結果を下記の表２に示した。
表２から、鱗片状黒鉛を添加した正極を使用した実施例３－１～３－４の場合、比較例３－１及び３－２に比べて低い空隙率を示し、優れた容量特性を示すことが確認できる。
＜実験例３－２．抵抗特性の確認＞
実施例３－３、比較例３－１及び比較例３－２による正極を含むコイン型ハーフセルを４．２Ｖまで充電しながら、ＳＯＣに応じた抵抗特性を測定した。実験の結果を図４７ａに示した。
図４７ａを参照すると、ＳＯＣ１０％を基準にして、正極活物質層に鱗片状黒鉛を添加した実施例３－３の抵抗値が鱗片状黒鉛を含まない比較例３－１及び比較例３－２よりも低いことが確認できる。これは、正極活物質層に鱗片状黒鉛を添加する場合、低いＳＯＣにおける抵抗特性を改善する効果があることを示す。
＜実験例３－３．高温寿命特性及び抵抗増加率の測定＞
実施例３－１、実施例３－３及び比較例３－１による正極と負極との間に分離膜を介在して分離膜／正極／分離膜／負極の順に積層した後、巻き取ってゼリーロール型の電極組立体を製造した。製造された電極組立体を円筒形電池缶に挿入した後、電解液を注入して４６８０セルを製造した。
このとき、前記負極は、負極活物質（黒鉛：ＳｉＯ＝９５：５（重量比）混合物）と導電材（スーパーＣ）とスチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）とカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）とを９６：２：１．５：０．５の重量比で水中で混合して負極スラリーを製造した後、該負極スラリーを銅集電体シートの一面に塗布し、１５０℃で乾燥してから圧延して製造した。
このように製造された４６８０セルを、４０℃で０．５Ｃで４．２Ｖまで充電してから０．５Ｃで２．５Ｖまで放電することを１サイクルとして、５０サイクルの充放電を行った後、容量維持率及び抵抗（ＤＣＩＲ）増加率を測定した。測定結果を図４７ｂに示した。
図４７ｂを参照すると、実施例３－１及び３－３の二次電池の場合、比較例３－１の二次電池に比べてサイクル数に応じた容量維持率の変化が少なく、サイクル数に応じた抵抗増加率の変化も少ないことが分かる。
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。
１０ 正極
１０ａ 正極無地部
１１ 負極
１１ａ 負極無地部
１２ 分離膜
１３ 第１電極タブ
１４ 第２電極タブ
２０ 集電体
２１ 活物質層
２２ 無地部
２３ ビーディング部
２４ クリンピング部
３０ 集電板
３１ 集電板
３２ 無地部
３３ 空洞
３４ 周縁領域
３５ 絶縁ガスケット
３５ａ ガスケット露出部
３５ｂ ガスケット挿入部
３６ 第１集電板
３７ 絶縁体
３８ 第２集電板
３８ａ サブプレート
３８ｂ 外側端部
３９ シーリングガスケット
４０ キャッププレート
４１ ベンティング部
４３ａ 上部無地部
４３ｂ 下部無地部
５０ 外部端子
５０ａ 端子露出部
５０ｂ 端子挿入部
６０ａ 電極
６０ｂ 電極
６０ｃ 電極
６０ｄ 電極
６０ｅ 電極
６１ 集電体
６２ 活物質層
６３ 無地部
６４ 絶縁コーティング層

Claims (31)

  1. 第１電極と第２電極とこれらの間に介在された分離膜とが巻取軸を中心に巻き取られることでコア及び外周面が画定された電極組立体であって、前記第１電極及び第２電極は、それぞれ、巻取方向に沿って活物質層がコーティングされていない第１無地部及び第２無地部を含み、前記第１無地部及び前記第２無地部の少なくとも一方はそれ自体が電極タブとして定義され、前記電極組立体のコアに隣接したコア側無地部、前記電極組立体の外周表面に隣接した外周側無地部、及び前記コア側無地部と前記外周側無地部との間に介在された中間無地部を含み、前記コア側無地部と前記外周側無地部とのうちの少なくとも一つは、前記中間無地部よりも巻取軸方向の高さが相対的に低い電極組立体と、
    下端に形成された開口部から前記電極組立体を収容して前記第２無地部と電気的に接続されるバッテリーハウジングと、
    前記第１無地部と電気的に接続され、前記開口部の反対側に位置する前記バッテリーハウジングの閉鎖部を貫通して前記バッテリーハウジングの外部に露出する外部端子と、
    前記バッテリーハウジングの前記開口部を覆うキャッププレートと、を含む円筒形バッテリー。
  2. 前記キャッププレートは、前記バッテリーハウジングと絶縁され、前記電極組立体と電気的に接続されないことによって極性を持たない、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
  3. 前記バッテリーハウジングの外側に露出した前記外部端子の表面は第１電極端子であり、
    前記バッテリーハウジングの前記閉鎖部の外部面のうち前記第１電極端子の上面と平行な部分は第２電極端子である、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
  4. 前記外部端子は、前記閉鎖部の中心部に位置している、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
  5. 前記外部端子は、
    前記バッテリーハウジングの外側に延在する端子露出部と、
    前記バッテリーハウジングの閉鎖部を貫通する端子挿入部と、を含み、
    前記端子露出部の断面は前記端子挿入部の断面よりも大きく、
    前記電極組立体に向かう前記端子挿入部の下端部の周縁は前記閉鎖部の内側面に向かってリベッティングされている、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
  6. 前記バッテリーハウジングの前記閉鎖部側には前記バッテリーハウジングと前記外部端子との間に介在される絶縁ガスケットが備えられ、
    前記端子挿入部の下端部の周縁と前記バッテリーハウジングとの間に介在された絶縁ガスケットの一部分は、前記リベッティングによって前記閉鎖部の内側面に密着されている、請求項５に記載の円筒形バッテリー。
  7. 前記バッテリーハウジングの開口部と隣接した前記バッテリーハウジングの外周面の周りを押し込んで形成したビーディング部と、
    前記バッテリーハウジングの開口部側の端部を前記キャッププレートの周縁を包むように前記巻取軸方向に折り曲げたクリンピング部と、
    前記バッテリーハウジングの開口部と前記キャッププレートとの間に介在された状態で前記クリンピング部によって圧着されて前記キャッププレートと前記バッテリーハウジングの開口部との間を密閉するシーリングガスケットと、をさらに含む、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
  8. 前記中間無地部の少なくとも一部区間は、独立的に折曲可能な複数の分切片を含む、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
  9. 前記複数の分切片の巻取軸方向の高さ及び巻取方向の幅の少なくとも一つが個別にまたはグループ毎にコア側から外周側に向かって段階的に増加する、請求項８に記載の円筒形バッテリー。
  10. 前記複数の分切片は、コア側から外周側に向かって複数の分切片グループを形成し、同一分切片グループに属した分切片は、巻取方向の幅、巻取軸方向の高さ及び巻取方向の離隔ピッチのうちの少なくとも一つが互いに同一である、請求項８に記載の円筒形バッテリー。
  11. 同一分切片グループに属した分切片は、コア側から外周側に向かって巻取方向の幅、巻取軸方向の高さ及び巻取方向の離隔ピッチのうちの少なくとも一つが段階的に増加する、請求項１０に記載の円筒形バッテリー。
  12. 前記複数の分切片はコア側に折り曲げられながら、前記巻取軸方向に沿って多重に重なっている、請求項８に記載の円筒形バッテリー。
  13. 前記コア側無地部の半径方向長さＲと前記中間無地部の最内側分切片の折曲長さＨが関係式「Ｈ≦Ｒ」を満たす、請求項１２に記載の円筒形バッテリー。
  14. 前記分切片の切断線の下端と前記活物質層との間にギャップが設けられている、請求項８に記載の円筒形バッテリー。
  15. 前記第１無地部は、それ自体が電極タブとして定義され、
    前記第１無地部は、前記電極組立体のコアに隣接したコア側無地部、前記電極組立体の外周表面に隣接した外周側無地部、及び前記コア側無地部と前記外周側無地部との間に介在された中間無地部を含み、
    前記第１無地部の中間無地部は、独立的に折曲可能な複数の分切片を含み、
    前記第１無地部の複数の分切片は、前記コア側に折り曲げられて前記電極組立体の一側端部に分切片の折曲面を形成する、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
  16. 前記第１無地部の分切片の折曲面に結合された第１集電板と、
    前記第１集電板と前記閉鎖部の内側面との間に介在された絶縁体と、をさらに含み、
    前記電極組立体と対向する前記外部端子の端部が前記絶縁体を通過して前記第１集電板に結合されている、請求項１５に記載の円筒形バッテリー。
  17. 前記第２無地部は、それ自体が電極タブとして定義され、
    前記第２無地部は、前記電極組立体のコアに隣接したコア側無地部、前記電極組立体の外周表面に隣接した外周側無地部、及び前記コア側無地部と前記外周側無地部との間に介在された中間無地部を含み、
    前記第２無地部の中間無地部は、独立的に折曲可能な複数の分切片を含み、
    前記第２無地部の複数の分切片は、前記コア側に折り曲げられながら前記電極組立体の他側端部に分切片の折曲面を形成する、請求項７に記載の円筒形バッテリー。
  18. 前記第２無地部の分切片の折曲面に結合された第２集電板をさらに含み、
    前記第２集電板の周縁の少なくとも一部は、前記ビーディング部の内側面に向かって延在して前記ビーディング部の内側面と前記シーリングガスケットとの間に介在されて固定される、請求項１７に記載の円筒形バッテリー。
  19. 前記キャッププレートは、隣接領域よりも薄い領域からなるベンティング部を含む、請求項７に記載の円筒形バッテリー。
  20. 前記キャッププレートが地面に向かうように前記円筒形バッテリーを起立させたとき、前記キャッププレートの下端部は前記バッテリーハウジングの下端部よりも上方に位置する、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
  21. 前記第１電極の有地部と無地部との境界領域に活物質層の厚さが減少する第１スライド部を含み、
    前記第２電極の有地部と無地部との境界領域に活物質層の厚さが減少する第２スライド部を含み、
    前記第１スライド部と前記第２スライド部とは巻取軸方向において反対方向に位置している、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
  22. 前記第１電極の有地部は、活物質のローディング量が減少するローディング減少部を含み、
    前記ローディング減少部の位置は前記第２スライド部の位置に対応する、請求項２１に記載の円筒形バッテリー。
  23. 前記第１電極の活物質層は、単粒子、疑似単粒子、またはこれらの組み合わせを含む正極活物質を含み、
    前記正極活物質の体積累積分布で現れる最小粒子サイズＤｍｉｎが１．０μｍ以上であり、
    前記正極活物質の体積累積分布において体積累積量が５０％であるときの粒子サイズＤ５０が５．０μｍ以下であり、
    前記正極活物質の体積累積分布で現れる最大粒子サイズＤｍａｘが１２μｍ～１７μｍである、請求項１に記載の円筒形バッテリー。
  24. 前記正極活物質は、体積累積粒度分布グラフにおいて単一ピークが現れるユニモーダル粒度分布を有し、下記の数式１
    ［数式１］
    粒度分布（ＰＳＤ）＝（Ｄｍａｘ－Ｄｍｉｎ）／Ｄ５０
    で表される粒度分布（ＰＳＤ）が３以下である、請求項２３に記載の円筒形バッテリー。
  25. 前記単粒子、疑似単粒子、またはこれらの組み合わせは、前記第１電極の活物質層に含まれた正極活物質の全体重量を基準にして９５ｗｔ％～１００ｗｔ％の量で含まれる、請求項２３に記載の円筒形バッテリー。
  26. 前記正極活物質は、遷移金属の全体モル数を基準にしてＮｉを８０モル％以上で含むリチウムニッケル系酸化物を含む、請求項２３に記載の円筒形バッテリー。
  27. 前記第１電極の活物質層の空隙率が１５％～２３％であり、
    前記第１電極の活物質層は０．０５ｗｔ％～５ｗｔ％の重量比率で鱗片状黒鉛を含む、請求項２３に記載の円筒形バッテリー。
  28. 前記第１電極の活物質層はカーボンナノチューブをさらに含む、請求項２３に記載の円筒形バッテリー。
  29. 前記第２電極の活物質層は、シリコン系負極活物質及び炭素系負極活物質を含み、
    前記シリコン系負極活物質と前記炭素系負極活物質とは、１：９９～２０：８０の重量比で含まれる、請求項２３に記載の円筒形バッテリー。
  30. 請求項１から２９のいずれか一項に記載の円筒形バッテリーを複数個含む、バッテリーパック。
  31. 請求項３０に記載のバッテリーパックを含む、自動車。
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