KR20220105146A - 전지 및 이에 적용되는 집전체, 그리고 이러한 전지를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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KR20220105146A
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김재웅
박종식
최유성
이병구
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이관희
이재은
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이순오
최규현
박필규
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지는, 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제1 무지부를 포함하는 전극 조립체; 일 측에 개방부를 구비하고 상기 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 하우징; 상기 전극 조립체의 상부에 배치되는 지지부, 상기 지지부로부터 연장되어 상기 제1 무지부와 결합되는 제1 탭 결합부 및 상기 지지부로부터 연장되어 상기 전지 하우징의 내면 상에 전기적으로 결합되는 제1 하우징 결합부를 포함하는 제1 집전체; 및 상기 개방부를 밀폐하는 하우징 커버;를 포함할 수 있다.

Description

전지 및 이에 적용되는 집전체, 그리고 이러한 전지를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{battery and current collector applied thereto, and battery pack and vehicle including the battery}
본 발명은, 전지 및 이에 적용되는 집전체, 그리고 이러한 전지를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로는, 본 발명은, 외부 충격이 가해지더라도 전극 조립체와의 용접 부위에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있는 구조를 갖는 집전체 및 이를 포함하는 전지, 그리고 이러한 전지를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
종래의 원통형 전지는, 젤리-롤과 외부 단자를 이어주는 탭을 젤리-롤의 포일에 용접하여 연결하는 구조를 갖는 것이 일반적이었다. 이러한 구조의 원통형 전지는, 전류의 경로(path)가 한정적이고 젤리-롤의 자체 저항이 매우 높을 수 밖에 없었다.
이에 따라, 젤리-롤과 외부 단자를 이어주는 탭의 개수를 늘려 저항을 낮추는 방식이 시도되었으나, 이처럼 탭의 개수를 늘리는 것만으로는 원하는 수준으로 저항을 낮추고 전류의 경로(path)를 충분히 확보하는 데에 한계가 있었다.
이에 따라, 젤리-롤의 자체 저항 감소를 위해 새로운 젤리-롤 구조의 개발 및 이러한 젤리-롤의 구조에 적합한 집전체 구조의 개발이 필요하다. 특히, 이러한 새로운 구조의 젤리-롤 및 집전체의 적용은, 예를 들어 전기 자동차와 같이 고출력/고용량을 갖는 배터리 팩을 요구하는 디바이스에 그 필요성이 더욱 크다.
또한, 집전체와 전지 하우징 사이의 결합력이 향상된 상태로 유지되는 구조를 갖는 원통형 전지 및 이러한 원통형 전지에 적용되는 집전체 구조의 개발에 대한 필요성이 있다.
아울러, 집전체와 전지 하우징이 결합될 경우, 전지 하우징 내부의 데드 스페이스를 최소화함으로써, 원통형 전지의 에너지 밀도를 향상시킨 원통형 전지의 개발에 대한 필요성이 대두되었다.
최근 원통형 전지가 전기 자동차에 적용됨에 따라 원통형 전지의 폼 팩터가 증가하고 있다. 즉, 원통형 전지의 직경과 높이가 종래의 1865, 2170 등의 폼 팩터를 가진 원통형 전지에 비해 증가하고 있다. 폼 팩터의 증가는 에너지 밀도의 증가, 열 폭주에 대한 안전성 증대, 그리고 냉각 효율의 향상을 가져온다.
원통형 전지의 에너지 밀도는 폼 팩터의 증가와 함께 전지 하우징 내부의 불필요한 공간이 최소화될 때 더욱 증가될 수 있다. 따라서, 집전체도 전지의 용량을 증대시키면서도 급속 충전시의 발열량을 최소화 수 있도록 전지의 전체 구조를 저저항 구조로 설계할 필요가 있다.
또한, 이처럼 전기 자동차 등에 적용되는 배터리 팩의 경우, 사용 환경을 고려할 때 진동 및 충격에 많이 노출될 수 밖에 없다. 따라서, 진동 및 외부 충격이 가해지더라도, 용접 부위에 파손이 발생될 위험성이 적은 구조를 갖는 원통형 전지 및 이러한 원통형 전지에 적용되는 집전체 구조의 개발에 대한 필요성이 있다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 저저항 구조를 갖는 전극 조립체에 적합한 구조를 갖는 집전체 및 이를 포함하는 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다른 측면에서, 본 발명은, 집전체와 전지 하우징과의 결합 부위의 결합력을 향상시킬 수 있는 구조를 갖는 집전체 및 이를 포함하는 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 구조를 갖는 집전체 및 이를 포함하는 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 전지를 제조함에 있어서, 전지 하우징과 집전체의 전기적 연결을 위한 용접 공정의 편의성을 높이고, 이로써 생산성을 향상시킬 수 있는 구조를 갖는 집전체 및 이를 포함하는 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 진동 및 충격이 가해지더라도 전극 조립체와의 용접 부위 및/또는 전지 하우징과의 용접 부위에 파손이 발생될 가능성을 크게 낮출 수 있는 구조를 갖는 집전체 및 이를 포함하는 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 전지를 제조함에 있어서, 전지 하우징과 집전체의 전기적 연결을 위한 용접 공정의 편의성을 높이고, 이로써 생산성을 향상시킬 수 있는 구조를 갖는 집전체 및 이를 포함하는 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지는, 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제1 무지부를 포함하는 전극 조립체; 일 측에 개방부를 구비하고 상기 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 하우징; 상기 전극 조립체의 상부에 배치되는 지지부, 상기 지지부로부터 연장되어 상기 제1 무지부와 결합되는 제1 탭 결합부 및 상기 지지부로부터 연장되어 상기 전지 하우징의 내면 상에 전기적으로 결합되는 제1 하우징 결합부를 포함하는 제1 집전체; 및 상기 개방부를 밀폐하는 하우징 커버; 를 포함한다.
상기 제1 탭 결합부와 상기 제1 하우징 결합부는 직접 연결되지 않고, 상기 지지부를 통해 간접적으로 연결될 수 있다.
상기 전지 하우징은, 상기 개방부에 인접한 단부에 형성되며 내측을 향해 압입된 비딩부를 구비할 수 있다.
상기 제1 탭 결합부는, 적어도 하나의 주액 홀을 구비할 수 있다.
상기 제1 하우징 결합부는, 상기 전지 하우징의 비딩부 상에 결합되는 제1 접촉부; 및 상기 지지부와 상기 제1 접촉부 사이를 연결하는 제1 연결부; 를 포함할 수 있다.
상기 제1 연결부는, 적어도 일부가 상기 제1 무지부와 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 탭 결합부, 제1 연결부 및 제1 접촉부는 연장 방향을 따라 실질적으로 동일한 폭을 가질 수 있다.
상기 제1 탭 결합부는, 상기 제1 연결부보다 큰 폭을 가질 수 있다.
상기 제1 연결부는, 상기 제1 연결부의 길이 방향 양 단부 사이를 연결한 가상의 직선을 기준으로 상방으로 볼록한 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 연결부는, 상기 비딩부보다 상방으로 융기된 구조를 가질 수 있따.
상기 비딩부는, 압입되어 내입된 최 내측 지점을 중심으로 상방에 위치한 상부 비딩부; 및 압입되어 내입된 최 내측 지점을 중심으로 하방에 위치한 하부 비딩부; 를 포함할 수 있다.
상기 상부 비딩부 및 상기 하부 비딩부는, 상기 비딩부의 최 내측 지점을 상기 전지 하우징의 바닥면과 평행하게 통과하는 가상의 기준 평면을 기준으로 비대칭일 수 있다.
상기 제1 집전체의 적어도 하나의 제1 탭 결합부는, 상기 하부 비딩부보다 더 하측에 위치할 수 있다.
상기 상부 비딩부 및 상기 하부 비딩부 중 적어도 어느 하나는, 상기 전지 하우징의 하면과 소정 각도를 이루며 경사진 형태를 가질 수 있다.
상기 제1 접촉부는, 상기 비딩부의 경사진 상면 상에 안착될 수 있다.
상기 상부 비딩부 및 상기 하부 비딩부 중 적어도 어느 하나는, 적어도 일부 영역에서 상기 전지 하우징의 하면과 평행할 수 있다.
상기 제1 접촉부는, 상기 비딩부의 평탄한 상면 상에 안착될 수 있다.
상기 제1 접촉부는, 상기 비딩부의 상면에 용접 결합될 수 있다.
상기 제1 접촉부는, 상기 상부 비딩부 상에 형성되는 평탄한 영역 내에 용접 결합될 수 있다.
상기 제1 접촉부는, 적어도 일부가 상기 전지 하우징의 비딩부를 따라 원주 방향으로 연장되는 호 형태를 가질 수 있다.상기 제1 접촉부는, 상기 제1 연결부와 상기 제1 접촉부의 교차 지점으로부터, 상기 비딩부 상에서 원주 방향을 따라 서로 반대 방향으로 연장되는 호 형태를 가질 수 있다.
상기 전지는, 상기 비딩부의 압입 깊이를 PD라고 하고, 상기 비딩부의 곡률 반경의 최소값을 R1,min 이라고 하고, 용접 비드 폭의 최소값을 Wbead,min 이라고 하고, 상기 비딩부와 상기 전지 하우징의 내 측면 사이의 경계 영역에서의 곡률 반경의 최소값을 R2,min 라고 했을 때, PD ≥ R1,min+R2,min+Wbead,min 를 만족하도록 구성될 수 있다.
상기 비딩부의 압입 깊이는, 0.2 ~ 10 mm 일 수 있다.
상기 전지는, 상기 비딩부의 압입 깊이를 PD라고 하고, 상기 압입 깊이의 최대 값을 PDmax라고 하고, 상기 제1 접촉부의 단부로부터 상기 비딩부의 최 내측 지점을 지나는 수직선 까지의 최단 거리인 오버랩 길이를 OV라고 하고, 상기 비딩부의 곡률 반경의 최소값을 R1,min 이라고 하고, 용접 비드 폭의 최소값을 Wbead,min 이라고 하고, 상기 비딩부와 상기 전지 하우징의 내 측면 사이의 경계 영역에서의 곡률 반경의 최소값을 R2,min 라고 했을 때, (R1,min+Wbead,min)/PDmax ≤ OV/PD ≤ (PDmax-R2,min)/PDmax 를 만족할 수 있다.
상기 제1 접촉부와 상기 비딩부 사이의 용접 영역은, 상기 비딩부의 평탄한 상면보다 좁게 형성될 수 있다.
상기 전지에 있어서, 상기 비딩부의 압입 깊이를 PD라고 하고, 상기 압입 깊이의 최대 값을 PDmax라고 하고, 상기 비딩부의 최 내측 지점으로부터, 반경 방향으로 최외곽에 위치하는 용접 비드의 중앙 지점까지의 거리를 W라고 하고, 상기 제1 접촉부의 단부로부터 상기 비딩부의 최 내측 지점을 지나는 수직선 까지의 최단 거리인 오버랩 길이를 OV라고 하고, OV의 최소값을 OVmin 이라고 하고 OV의 최대값을 OVmax 라고 하고, 용접 비드 폭의 최소값을 Wbead,min 이라고 했을 때, (OVmin-0.5*Wbead,min)/PDmax ≤ W/PD ≤ (OVmax-0.5*Wbead,min)/PDmax 를 만족할 수 있다.
상기 전지는, 상기 비딩부의 최 내측 지점으로부터 반경 방향으로 최외곽에 위치하는 용접 비드의 중앙 지점까지의 거리의 최소 값을 W1라고 하고, 오버랩 길이가 OV일 때의 상기 비딩부의 최 내측 지점으로부터 반경 방향으로 최외곽에 위치하는 용접 비드의 중앙 지점까지의 거리를 W라고 했을 때, W1 = R1 + 0.5 * Wbead,min 및 W = OV - 0.5 * Wbead,min 를 만족할 수 있다.
상기 비딩부는 적어도 일부 영역에서 상기 전지 하우징의 하면과 평행한 평탄 구간을 갖고, 상기 제1 집전체와 접촉하는 상기 비딩부의 상기 평탄 구간의 길이는, 오버랩 길이가 OV이고, 상기 비딩부의 곡률 반경이 R1일 때, OV - R1 일 수 있다.
상기 비딩부와 상기 제1 접촉부 사이에 형성되는 용접 패턴의 반경 방향 폭 길이는, Wbead,min 이상 OV - R1 이하일 수 있다.
상기 평탄 구간의 길이 대비 상기 용접 패턴의 반경 방향 폭 길이의 비율은, 10 ~ 40 % 의 범위를 만족할 수 있다.
상기 제1 연결부는, 연장 방향이 적어도 1회 전환되는 적어도 하나의 제1 밴딩부를 구비할 수 있다.
상기 제1 밴딩부는, 상기 제1 접촉부의 일 단부와 상기 제1 탭 결합부의 일 단부를 연결한 가상의 직선의 중심을 지나며 상기 전지 하우징의 바닥면과 평행한 가상의 평면보다 상방에 위치할 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1 밴딩부는, 상기 전지 하우징의 길이 방향 축을 따라 보았을 때, 서로 겹쳐지지 않도록 둔각으로 절곡될 수 있다.
상기 제1 접촉부와 상기 제1 연결부의 경계 지점은, 둔각으로 절곡되어 있을 수 있다.
상기 제1 연결부는, 상기 비딩부를 향해 갈수록 그 경사가 단계적 또는 점진적으로 감소하는 형태를 가질 수 있다.
상기 제1 탭 결합부와 상기 제1 연결부 사이의 각도는, 0 ~ 90 도 일 수 있다.
상기 제1 연결부는, 상기 하우징 커버를 지지할 수 있다.
상기 제1 탭 결합부와 상기 제1 접촉부는, 실질적으로 동일 높이에 위치할 수 있다.
상기 제1 접촉부는, 상기 개방부 측을 향하는 상기 비딩부의 상면과 결합되는 평탄면을 구비할 수 있다.
상기 제1 집전체는, 그 중심부에 형성되는 집전체 홀을 구비할 수 있다.
상기 집전체 홀은, 상기 전극 조립체의 중심부에 형성되는 권취 홀과 대응되는 위치에 구비될 수 있다.
상기 집전체 홀의 직경은, 상기 전극 조립체의 코어에 구비된 권취 홀의 직경보다 크거나 같게 형성될 수 있다.
상기 제1 집전체는, 상기 제1 탭 결합부의 단부로부터 연장되어 상기 전지 하우징의 내측 면 상에 결합되는 제2 하우징 결합부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 하우징 결합부는, 상기 전지 하우징의 내측 면 상에 결합되는 제2 접촉부; 및 상기 제1 탭 결합부의 단부와 상기 제2 접촉부 사이를 연결하는 제2 연결부; 를 포함할 수 있다.
상기 제2 접촉부는, 적어도 일부가 상기 전지 하우징의 내주면을 따라 연장된 형태를 가질 수 있다.
상기 제2 연결부는, 연장 방향이 적어도 1회 전환되는 제2 밴딩부를 적어도 하나 구비할 수 있다.
상기 제1 집전체의 중심부로부터 상기 제1 탭 결합부의 단부에 이르는 거리는 상기 전극 조립체의 권취 홀의 중심부로부터 상기 비딩부의 최 내측부에 이르는 거리와 실질적으로 동일하거나 더 짧게 형성될 수 있다.
상기 비딩부의 상면에는 평탄부가 구비될 수 있다.
상기 비딩부와 상기 제1 접촉부 사이에 형성되는 용접 비드는 적어도 하나 이상일 수 있고, 적어도 하나의 상기 용접 비드는 원주 방향을 따라 연장되는 직선 형상의 용접 패턴을 형성할 수 있다.
상기 비딩부와 상기 제1 접촉부 사이에 형성되는 용접 비드는 적어도 하나 이상일 수 있고, 적어도 하나의 상기 용접 비드는, 원주 방향을 따라 연장되는 호 형상의 용접 패턴을 형성할 수 있다.
상기 비딩부와 상기 제1 접촉부 사이에 형성되는 용접 비드는, 용접 패턴을 형성할 수 있고, 상기 용접 패턴은 점 용접이 연결된 선 형태를 가질 수 있다.
상기 비딩부와 상기 제1 접촉부 사이에 형성되는 용접 비드는, 동일 제1 접촉부 내에 복수 개 형성될 수 있다.
상기 제2 전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제2 무지부를 더 포함할 수 있고, 이 경우 상기 전지는, 상기 개방부의 반대 편에서 상기 전지 하우징을 관통하여 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결되는 단자; 를 더 포함할 수 있다.
상기 전지는, 상기 전극 조립체와 상기 단자 사이에 위치하는 제2 집전체를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 집전체는, 상기 제2 무지부와 결합되는 제2 탭 결합부; 및 상기 단자와 결합되는 단자 결합부; 를 포함할 수 있다.
상기 단자 결합부는, 상기 전극 조립체의 권취 홀을 커버할 수 있다.
상기 제2 집전체의 외경은, 상기 제1 집전체의 외경보다 크게 형성될 수 있다.
상기 제2 탭 결합부는, 상기 제2 무지부의 절곡에 의해 형성된 결합면 상에 결합될 수 있다.
상기 전지 하우징은, 상기 비딩부의 상부에 형성되며, 상기 하우징 커버의 가장자리 둘레를 감싸도록 연장 및 밴딩되는 클림핑부를 구비할 수 있다.
상기 제1 하우징 결합부는, 상기 클림핑부에 의해 압착 고정될 수 있다.
상기 전지는, 상기 클림핑부 내에 배치되며, 상기 전지 하우징과 상기 하우징 커버 사이에 개재되는 실링 가스켓을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 접촉부는, 상기 비딩부와 상기 실링 가스켓 사이에 개재될 수 있다.
상기 제1 접촉부는, 상기 클림핑부의 절곡에 의해 고정될 수 있다.
상기 실링 가스켓은, 상기 제1 접촉부와 접촉하는 영역보다, 상기 제1 접촉부와 접촉하지 않는 영역에서 더 큰 두께를 가질 수 있다.
상기 실링 가스켓은, 상기 제1 접촉부와 접촉하는 영역에서의 압축률이, 상기 제1 접촉부와 접촉하지 않는 영역에서의 압축률보다 더 크게 나타날 수 있다.
상기 실링 가스켓은, 상기 제1 접촉부와 접촉하는 영역에서의 압축률과 상기 제1 접촉부와 접촉하지 않는 영역에서의 압축률이 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 실링 가스켓은, 상기 비딩부 상에서 원주 방향을 따라 영역별로 그 두께가 변할 수 있다.
상기 실링 가스켓은, 상기 비딩부 상에서 원주 방향을 따라 그 두께가 증가와 감소를 교차로 반볼할 수 있다.
상기 실링 가스켓은, 상기 비딩부 상에서 원주 방향을 따라 영역별로 그 압축률이 변할 수 있다.
상기 제1 하우징 결합부는, 상기 비딩부 상에 탄성 바이어스 될 수 있다.
상기 제1 접촉부와 상기 제1 연결부의 연결 부위는, 상기 비딩부의 내측 면과 형합될 수 있다.
상기 제1 무지부의 적어도 일부는, 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함할 수 있고, 상기 복수의 분절편은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 밴딩되어 절곡면을 형성할 수 있다.
밴딩된 상기 복수의 분절편은, 여러 겹으로 중첩되면서 절곡면을 형성할 수 있고, 상기 절곡면은, 상기 전극 조립체의 외주측으로부터 코어측으로 가면서 분절편의 중첩 레이어 수가 최대치까지 순차적으로 증가하는 적층수 증가구간과 중첩 레이어 수가 최대치가 된 반경 지점부터 최내측 분절편이 존재하는 반경 지점까지의 적층수 균일구간을 포함할 수 있다.
상기 제1 탭 결합부는, 상기 적층수 균일구간과 중첩되도록 상기 절곡면에 결합될 수 있다.
상기 적층수 균일구간의 중첩 레이어 수는 10 이상일 수 있다.
상기 제1 탭 결합부는, 상기 절곡면에 용접되고, 상기 탭 결합부의 용접 영역은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 상기 적층수 균일구간과 적어도 50% 이상 중첩될 수 있다.
상기 제1 무지부와 상기 제1 탭 결합부는, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 용접에 의해 결합될 수 있다.
상기 제1 탭 결합부는, 상기 전지 하우징의 하면과 평행한 상태로 상기 제1 무지부에 용접 결합될 수 있다.
상기 제1 무지부와 상기 제1 탭 결합부 사이에 형성되는 용접 비드는, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 연장된 직선 형상의 용접 패턴을 형성할 수 있다.
상기 제1 무지부와 상기 제1 탭 결합부 사이에 형성되는 용접 비드는, 용접 패턴을 형성할 수 있고, 상기 용접 패턴은, 점 용접이 연결된 선 형태를 가질 수 있다.
상기 제1 무지부와 상기 제1 탭 결합부 사이에 형성되는 용접 비드의 폭은, 0.1 mm 이상일 수 있다.
상기 제1 탭 결합부 및 상기 제1 하우징 결합부는 각각 복수 개 구비될 수 있고, 복수의 상기 제1 탭 결합부 및 제1 하우징 결합부는, 상기 제1 집전체의 중심부를 기준으로 방사형, 십자형 또는 이들이 조합된 형태로 배치될 수 있다.
복수의 상기 제1 하우징 결합부는 각각 서로 인접하는 제1 탭 결합부 사이에 배치될 수 있다.
상기 제1 하우징 결합부가 복수 개 구비될 수 있으며, 복수의 상기 제1 하우징 결합부 각각의 제1 접촉부는, 상호 연결되어 일체로 형성될 수 있다.
상기 제1 연결부의 최 외측 지점은, 상기 비딩부의 최 내측 지점과 소정 간격 이격될 수 있다.
상기 제1 밴딩부에 의해, 상기 제1 접촉부와 상기 제1 연결부 사이의 각도가 예각이 될 수 있다.
상기 주액 홀은, 복수 개가 구비될 수 있다.
복수의 상기 주액 홀은, 상기 제1 탭 결합부의 폭 방향 중심부를 기준으로 좌우 대칭되도록 배치될 수 있다.
좌우 대칭되도록 배치된 주액 홀 사이에는 상기 제1 탭 결합부와 상기 제1 무지부의 결합을 위한 용접 비드가 형성될 수 있다.
상기 제1 탭 결합부는, 상기 제1 탭 결합부와 상기 지지부의 연결 부위에서의 폭보다 상기 연결 부위로부터 상기 제1 탭 결합부의 길이 방향 단부를 향해 소정 거리 이격된 위치에서의 폭이 더 크게 형성될 수 있다.
상기 주액 홀은, 상기 연결 부위로부터 상기 제1 탭 결합부의 길이 방향 단부를 향해 소정 거리 이격된 위치에 형성될 수 있다.
상기 주액 홀이 형성된 영역 중 적어도 일부는, 상기 제1 탭 결합부와 상기 지지부의 연결 부위에서의 폭과 비교하여 상기 연결 부위로부터 상기 제1 탭 결합부의 단부를 향해 소정 거리 이격된 위치에서의 폭이 증가됨으로써 늘어난 영역에 포함될 수 있다.
상기 제1 탭 결합부의 길이 방향 단부는, 상기 전지 하우징의 내주 면과 대응되는 호 형태를 가질 수 있다.
상기 제1 무지부와 상기 제1 탭 결합부 사이에 형성되는 용접 패턴의 연장 방향과 상기 비딩부와 상기 제1 접촉부 사이에 형성되는 용접 패턴의 연장 방향은 서로 수직을 이룰 수 있다.
상기 비딩부의 최 내측 지점은, 상기 클림핑부의 말단 지점보다 반경 방향으로 더 내측에 위치할 수 있다.
상기 실링 가스켓은 상기 하우징 커버를 감싸며, 상기 실링 가스켓의 부위 중에서 상기 하우징 커버의 하면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이는, 상기 실링 가스켓의 부위 중에서 상기 하우징 커버의 상면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이보다 작게 형성될 수 있다.
상기 전지는, 상기 제1 탭 결합부의 반경 방향 총 길이를 T라고 하고, 상기 전극 조립체의 외경을 JR이라고 하고, 상기 전극 조립체의 최외곽에 배치된 분절편의 높이를 F라고 했을 때, JR - 2*F ≤ T < JR 를 만족할 수 있다.
상기 전극 조립체의 외경을 지름으로 하는 원의 면적 대비 상기 제1 집전체가 상기 전극 조립체의 상면과 접촉하지 않는 면적의 비율은, 30% 이상 100 % 미만일 수 있다.
상기 전극 조립체의 외경을 지름으로 하는 원의 면적 대비 상기 제1 집전체가 상기 전극 조립체와 접촉하지 않는 면적의 비율은, 60% 이상 100 % 미만일 수 있다.
상기 집전체 홀의 직경은, 상기 전극 조립체의 코어에 구비된 권취 홀의 직경보다 작게 형성될 수 있다.
상기 권취 홀의 직경을 R3 이라고 할 때, 상기 집전체 홀의 직경은 0.5*R3 이상 R3 미만일 수 있다.
상기 권취 홀의 직경을 R3라고 할 때, 상기 집전체 홀의 직경은 0.7*R3 이상 R3 미만일 수 있다.
상기 전지의 직경을 높이로 나눈 폼 팩터의 비가 0.4 보다 크게 형성될 수 있다.
상기 전지에 있어서, 양극과 음극 사이에서 측정된 저항이 4miliohm 이하일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지는, 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제1 무지부를 포함하는 전극 조립체; 일 측에 개방부를 구비하고 상기 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 하우징; 및 상기 제1 무지부 및 상기 전지 하우징의 내면과 전기적으로 결합하는 집전체;을 포함할 수 있으며, 상기 집전체는 상기 전지 하우징의 내면과 접하는 제1 부분과 상기 제1무지부와 결합된 제2 부분을 포함할 수 있고, 상기 제1 부분의 중앙 영역을 상기 제2 부분이 존재하는 평면으로 투영하였을 때 상기 제1 부분의 중앙영역과 상기 제2 부분은 상기 전극 조립체의 원주 방향을 따라 이격될 수 있다.
상기 전지는, 상기 전지 하우징의 개방부와 상기 집전체 사이에 개재된 실링 가스켓을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 부분은 상기 전지 하우징의 내면과 상기 실링 가스켓 사이에 개재될 수 있고, 상기 제1 부분과 상기 제 2부분은 상기 전극 조립체의 권취 축 방향에서 다른 평면 상에 위치할 수 있다.
한편, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 집전체는, 전지에 적용되는 전극 조립체와 전지 하우징 사이를 전기적으로 연결시키는 집전체로서, 상기 전극 조립체의 상부에 배치되는 지지부; 상기 지지부로부터 연장되어 상기 전극 조립체의 제1 무지부와 결합되는 복수의 탭 결합부; 및 상기 지지부로부터 연장되어 서로 인접한 상기 탭 결합부 사이에 위치하고 상기 전지 하우징의 비딩부 상에 전기적으로 결합되는 제1 하우징 결합부; 를 포함한다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 집전체에 있어서,
상기 탭 결합부와 상기 하우징 결합부는 직접 연결되지 않고, 상기 지지부를 통해 간접적으로 연결될 수 있다.
상기 탭 결합부는, 적어도 하나의 주액 홀을 구비할 수 있다.
상기 제1 하우징 결합부는, 상기 전지 하우징의 내측 면 상에 결합되는 제1 접촉부; 및 상기 지지부와 상기 접촉부 사이를 연결하는 제1 연결부; 를 포함할 수 있다.
상기 제1 연결부는, 연장 방향이 적어도 1회 전환되는 제1 밴딩부를 적어도 하나 구비할 수 있다.
상기 집전체는, 그 중심부에 형성되는 집전체 홀을 구비할 수 있다.
상기 집전체는, 상기 복수의 탭 결합부 중 하나의 단부로부터 연장되어 상기 전지 하우징의 내측 면 상에 결합되는 제2 하우징 결합부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 하우징 결합부는, 상기 전지 하우징의 내측 면 상에 결합되는 제2 접촉부; 및 상기 복수의 탭 결합부 중 하나의 단부와 상기 접촉부 사이를 연결하는 제2 연결부; 를 포함할 수 있다.
상기 제2 연결부는 적어도 일부가 제1 무지부(11)와 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 탭 결합부, 제2 연결부 및 제2 접촉부는 연장 방향을 따라 실질적으로 동일한 폭을 가질 수 있다.
상기 제1 탭 결합부는 제2 연결부보다 큰 폭을 가질 수 있다.
상기 제2 접촉부는 제2 연결부보다 큰 폭을 가질 수 있다.
상기 제1 하우징 결합부가 복수 개 구비되고, 복수의 상기 제1 하우징 결합부 각각의 1 접촉부는, 상호 연결되어 일체로 형성될 수 있다.
상기 제1 밴딩부에 의해, 상기 접촉부와 상기 연결부 사이의 각도가 예각이 될 수 있다.
상기 주액 홀은, 복수 개가 구비될 수 있다.
복수의 상기 주액 홀은, 상기 탭 결합부의 폭 방향 중심부를 기준으로 좌우 대칭되도록 배치될 수 있다.
상기 탭 결합부는, 상기 탭 결합부와 상기 지지부의 연결 부위에서의 폭보다 상기 연결 부위로부터 상기 탭 결합부의 길이 방향 단부를 향해 소정 거리 이격된 위치에서의 폭이 더 크게 형성될 수 있다.
상기 주액 홀은, 상기 연결 부위로부터 상기 탭 결합부의 길이 방향 단부를 향해 소정 거리 이격된 위치에 형성될 수 있다.
상기 주액 홀이 형성된 영역 중 적어도 일부는, 상기 탭 결합부와 상기 지지부의 연결 부위에서의 폭과 비교하여 상기 연결 부위로부터 상기 탭 결합부의 단부를 향해 소정 거리 이격된 위치에서의 폭이 증가됨으로써 늘어난 영역에 포함될 수 있다.
상기 탭 결합부의 길이 방향 단부는, 상기 전지 하우징의 내주 면과 대응되는 호 형태를 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지를 복수 개 포함한다.
복수의 상기 전지는 소정 수의 열로 배열될 수 있고, 각 전지의 단자와 전지 하우징 바닥의 외부면은 상부를 향하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 배터리 팩은, 복수의 전지를 직렬 및 병렬로 연결하는 복수의 버스바를 포함할 수 있으며, 각 버스바는 인접하는 전지의 상부에 배치될 수 있고, 각 버스바는, 인접하는 단자 사이에서 연장되는 바디부; 상기 바디부의 일측으로 연장되어 상기 일측에 위치한 전지의 전극 단자에 전기적으로 결합하는 복수의 제1버스바 단자; 및 상기 바디부의 타측으로 연장되어 상기 타측에 위치한 전지의 전지 하우징 바닥의 외부면에 전기적으로 결합하는 복수의 제2버스바 단자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명에 따르면, 전극 조립체와 전지 하우징 사이를 전기적으로 연결함에 있어서 저항을 크게 낮출 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명에 따르면, 집전체와 전지 하우징과의 결합 부위의 결합력을 향상시킬 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명에 따르면, 전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명에 따르면, 전지를 제조함에 있어서, 전지 하우징과 집전체의 전기적 연결을 위한 용접 공정의 편의성을 높이고, 이로써 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.
또 다른 측면에서, 본 발명에 따르면, 전지의 사용 가정에서 진동 및 충격이 가해지더라도 집전체와 전극 조립체 간의 용접 부위 및/또는 집전체와 전지 하우징 간의 용접 부위에 파손이 발생될 가능성을 크게 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전지를 제조함에 있어서, 전지 하우징과 집전체의 전기적 연결을 위한 용접 공정의 편의성을 높이고, 이로써 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 효과는 상술한 효과들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적인 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지의 내부 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집전체(제1 집전체)을 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 집전체(제1 집전체)의 제1 연결부의 다양한 예시적 형태를 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7은 각각 전극 조립체의 높이에 따른 제1 연결부의 형태를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 집전체(제1 집전체)을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 집전체(제1 집전체)을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 집전체(제1 집전체)의 제2 연결부의 예시적 형태를 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12는 앞선 실시예들에서 설명 및 도시된 것과는 다른 형태를 갖는 본 발명의 집전체(제1 집전체)을 나타내는 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 집전체(제1 집전체)이 적용된 원통형 전지의 내부 구조를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 집전체(제1 집전체)과 전지 하우징이 결합된 형태를 나타내는 평면도이다.
도 15는 본 발명의 전극 조립체의 상부를 확대한 도면이다.
도 16은 도 15의 무지부의 상부를 확대한 도면이다.
도 17은 집전체(제1 집전체)의 용접 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 전지 하우징의 비딩 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 전지 하우징의 크림핑 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 전지 하우징의 사이징 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 사이징 공정 전 집전체 형상에 따라 사이징 공정 후의 집전체(제1 집전체)의 형상 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 22 및 도 23은 사이징 공정 후에도 용접 영역이 유지될 수 있도록 구성된 집전체(제1 집전체)의 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 본 발명의 집전체(제1 집전체)의 접촉부와 비딩부 사이의 용접 영역에 형성되는 용접 비드위 위치, 길이 및 폭 등을 설명하기 위한 도면이다.
도 25는 본 발명에 적용되는 집전체(제2 집전체)의 일 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 26은 도 25에 도시된 집전체(제2 집전체)과는 다른 실시 형태의 집전체(제2 집전체)을 나타내는 도면이다.
도 27은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극 구조를 예시적으로 나타낸 평면도이다.
도 28은 본 발명의 실시예에 따른 제1 전극의 무지부 분절구조가 제2 전극에도 적용된 전극 조립체를 길이 방향(Z)을 따라 자른 단면도이다.
도 29는 본 발명의 실시예에 따라 무지부가 밴딩된 전극 조립체를 길이 방향(Z)을 따라 자른 단면도이다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따라 무지부가 밴딩된 전극 조립체의 사시도이다.
도 31은 본 발명의 실시예에 따른 복수의 원통형 전지를 버스바를 이용하여 직렬 및 병렬로 연결한 모습을 나타낸 상부 평면도이다.
도 32는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 전지들을 포함하는 배터리 팩의 개략적 구성을 나타낸 도면이다.
도 33은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 서로 다른 실시예에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여될 수 있다.
2 개의 비교 대상이 동일하다는 언급은 '실질적으로 동일'한 것을 의미한다. 따라서 실질적 동일은 당업계에서 낮은 수준으로 간주되는 편차, 예를 들어 5% 이내의 편차를 가지는 경우를 포함할 수 있다. 또한, 소정 영역에서 어떠한 파라미터가 균일하다는 것은 평균적 관점에서 균일하다는 것을 의미할 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
설명의 편의상 본 명세서에서 젤리롤 형태로 감기는 전극 조립체의 권취축의 길이방향을 따르는 방향을 축방향(Y)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축을 둘러싸는 방향을 원주방향 또는 둘레방향(X)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축에 가까워지거나 권취축으로부터 멀어지는 방향을 반경방향이라 지칭한다. 이들 중 특히 권취축에 가까워지는 방향을 구심방향, 권취축으로부터 멀어지는 방향을 원심방향이라 지칭한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지(1)는 전극 조립체(10), 전지 하우징(20), 집전체(제1 집전체)(30), 하우징 커버(40) 및 단자(50)를 포함한다. 상기 원통형 전지(1)는, 그 밖에도 실링 가스켓(G1) 및/또는 절연 가스켓(G2) 및/또는 집전체(제2 집전체)(60) 및/또는 인슐레이터(70)를 더 포함할 수도 있다. 본 발명은 전지의 형상에 의해 제한되지 않으며, 다른 형상의 전지, 예컨대 각형 전지에도 적용 가능하다.
상기 전극 조립체(10)는, 제1 무지부(11) 및 제2 무지부(12)를 구비한다. 좀 더 구체적으로는, 상기 전극 조립체(10)는 그 사이에 분리막을 개재시킨 상태로 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 구조를 갖는다. 즉, 본 발명에 적용되는 전극 조립체(10)는, 젤리-롤 타입의 전극 조립체일 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(10)의 외주면 상에는 전지 하우징(20)과의 절연을 위해 추가적인 분리막이 구비될 수도 있다. 상기 전극 조립체(10)는, 제한 없이, 당업계에서 잘 알려진 권취 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 제1 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제1 전극 활물질을 포함한다. 상기 제1 전극의 폭 방향(도 1에 도시된 원통형 전지(1)의 높이 방향과 나란한 방향) 일 측 단부에는 제1 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 즉, 상기 제1 전극은 권취 방향을 따라 장변 단부에 활물질이 코팅되어 있지 않으며 분리막의 외부로 노출된 무지부를 포함한다. 제1 전극 탭으로서 기능하는 상기 무지부를 이하 제1 무지부(11)로 칭하기로 한다. 상기 제1 무지부(11)는, 전지 하우징(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(도 1에 도시된 원통형 전지(1)의 높이 방향과 나란한 방향) 상부에 구비된다. 즉, 상기 제1 전극은, 장변 단부에 활물질 층이 코팅되어 있지 않으며 분리막의 외부로 노출된 제1 무지부를 포함하고, 제1 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되는 것이다. 상기 제1 무지부(11)는, 예를 들어 음극 탭일 수 있다.
한편, 상기 제1 무지부(11)의 적어도 일부는, 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 분절편(도 30의 참조부호 11a)은, 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 밴딩될 수 있다.
도 1과 함께 도 15 및 도 16을 참조하면, 밴딩된 상기 제1 무지부(11)의 복수의 분절편은, 여러 겹으로 중첩되어 절곡면(결합면)(102)을 형성할 수 있다. 이 경우, 후술할 집전체(제1 집전체)(30)의 탭 결합부(제1 탭 결합부)(32)는, 상기 절곡면(102) 상에 결합될 수 있다. 상기 탭 결합부(32)는, 복수의 분절편이 여러 겹으로 중첩되어 있는 영역에 결합될 수 있다. 상기 절곡면(102)은, 전극 조립체(10)의 외주측으로부터 코어측으로 가면서 분절편의 중첩 레이어 수가 최대치까지 순차적으로 증가하는 적층수 증가 구간과 중첩 레이어 수가 최대치가 된 반경 지점부터 최내측 분절편이 존재하는 반경 지점까지의 적층수 균일구간을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 탭 결합부(제1 탭 결합부)(32)가 제1 무지부(11)의 절곡면(102) 상에 안착된 상태에서, 일정 영역에 대한 용접이 실시될 수 있다. 즉, 상기 탭 결합부(32)는, 제1 무지부(11)의 복수의 분절편들이 여러 겹으로 중첩되어 있는 영역에 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 탭 결합부(32)는, 적층수 균일구간과 중첩되도록 절곡면(102)에 결합될 수 있다. 도 16을 참조하면, 상기 탭 결합부(322)와 제1 무지부(11)의 용접은 제1 무지부(11)의 절곡면(102)에 있어서 제1 무지부(11)의 중첩 레이어 수가 대략 10장 이상인 영역에서 이루어질 수 있다. 중첩 레이어 수가 10장 이상인 구간의 반경 방향 비율은 제1 무지부(11)의 길이를 조절함으로써 코어를 제외한 전극 조립체(10)의 반경을 기준으로 대략 25% 이상으로 설계될 수 있다.
상기 집전체(제1 집전체)(30)의 탭 결합부(제1 탭 결합부)(32)는, 상기 적층수 균일구간과 중첩되도록 절곡면(102)에 결합될 수 있다. 바람직하게, 상기 탭 결합부(32)는, 절곡면(102)에 용접되고, 탭 결합부(32)의 용접 영역은 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 적층수 균일구간과 적어도 50% 이상 중첩될 수 있다. 바람직하게, 상기 적층수 균일구간의 중첩 레이어 수는 대략 10 이상일 수 있다.
제1 무지부(11)의 절곡면(102)에 집전체(30)을 용접시킬 때, 용접 강도를 충분히 확보하기 위해 레이저의 출력을 증가시키는 것이 바람직하다. 레이저의 출력이 증가하면, 레이저가 제1 무지부(11)가 중첩된 영역을 관통하여 전극 조립체(10)의 내부까지 침투하여 분리막, 활물질층 등을 손상시킬 수 있다. 따라서, 레이저의 관통을 방지하기 위해서는 제1 무지부(11)의 중첩 레이어 수를 일정한 수준 이상으로 증가시키는 것이 바람직하다. 제1 무지부(11)의 중첩 레이어 수를 증가시키기 위해서는 분절편의 높이를 증가시켜야 한다. 하지만, 분절편의 높이를 증가시키면 제1 전극 집전체의 제조 과정에서 제1 무지부(11)에 너울이 발생할 수 있다. 따라서, 분절편의 높이는 적절한 수준으로 조절하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 무지부의 분절편의 중첩 레이어 수가 10 이상인 반경 방향 길이 비율을 전극 조립체의 반경을 기준으로 25% 이상으로 설계하고, 무지부의 분절편이 10장 이상 중첩된 영역과 집전체(30)을 레이저 용접하면 레이저의 출력을 증대시키더라도 무지부의 중첩부위가 레이저를 충분히 마스킹하여 레이저에 의해 분리막, 활물질층 등이 손상되는 현상을 방지할 수 있다.
바람직하게, 레이저의 출력은 대략 250W 내지 320W의 범위에서 또는 레이저 최대 출력 사양의 대략 40% ~ 90% 범위에서 적절하게 조절될 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 레이저의 출력이 상기 수치범위를 충족하면, 용접 강도를 충분히 증가시킬 수 있다. 일 예에서, 용접 강도는 2kgf/cm2 이상, 보다 바람직하게는 4kgf/cm2 이상으로 증가시킬 수 있다. 용접 강도는 바람직하게 8kgf/cm2 이하, 더욱 바람직하게 6kgf/cm2 이하로 설정될 수 있다. 용접 강도는 집전 플레이트가 절곡 표면 영역으로부터 분리되기 시작할 때의 집전체(30) 단위 면적당 인장력(kgf/cm2)으로서 정의된다. 구체적으로, 집전 플레이트의 용접을 완료한 후 집전 플레이트에 인장력을 가하되 그 크기를 점차 증가시킨다. 인장력이 커지면 용접 계면으로부터 무지부가 분리되기 시작한다. 이 때, 집전체에 가해진 인장력을 집전 플레이트의 면적으로 나눈 값이 용접 강도이다.
도 16은 4680의 폼 팩터를 가진 원통형 전지에 포함되는 반경이 22mm이고 코어의 반경이 4mm인 전극 조립체에 있어서 복수의 분절편으로 분할되어 있는 제1 전극 집전체의 제1 무지부(11)가 외주측으로부터 코어측으로 절곡되면서 10장 이상으로 중첩된 절곡 표면영역이 나타난 모습을 도시한 부분 단면도이다. 도면에서, 분절편이 없는 전극 조립체 영역과 코어 영역은 별도로 도시되지 않았다. 분절편들의 높이는 3mm부터 시작하여 전극 조립체의 반경이 1mm씩 증가할 때마다 1mm씩 증가한다. 그리고, 도면에 나타낸 길이인 6mm, 7mm 또는 8mm에 도달되면 이후에는 분절편의 높이가 실질적으로 동일하게 유지된다.
도 16을 참조하면, 외주측으로부터 코어측으로 가면서 제1 무지부(11)의 중첩 레이어 수는 서서히 증가하며, 제1 무지부(11)의 길이가 길수록 중첩 레이어 수의 최대값이 증가하는 것을 알 수 있다.
일 예로, 제1 무지부(11)의 길이가 8mm일 때, 복수의 분절편으로 분할된 제1 무지부(11)의 중첩 레이어 수는 전극 조립체의 외주 표면으로부터 7mm 구간까지 18장까지 증가하고, 코어측으로 8mm 구간에서는 제1 무지부(11)의 중첩 레이어 수가 최대치 18장 수준으로 유지되다가 코어에 인접한 반경 구간에서 1-2장 감소한다. 분절편의 높이는 반경 7mm 내지 12mm 구간에서 3mm부터 8mm까지 단계적으로 증가한다. 본 발명에서, 적층수 균일 구간은 도 16에 나타낸 것처럼 중첩 레이어 수가 최대치에 도달된 반경 지점부터 최내측 분절편이 위치한 지점까지의 반경 구간으로 정의한다. 따라서, 제1 무지부(11)의 분절편이 10장 이상 중첩된 적층수 균일 구간의 비율은 코어(4mm)를 제외한 전극 조립체의 반경 대비 44.4%(8/18)이다.
다른 예로, 제1 무지부(11)의 길이가 7mm일 때, 복수의 분절편으로 분할된 제1 무지부(11)의 중첩 레이어 수는 전극 조립체의 외주 표면으로부터 6mm 구간까지 15장까지 증가하고, 코어측으로 9mm 구간에서는 제1 무지부(11)의 중첩 레이어 수가 최대치 15장 수준으로 일정하게 유지되다가 코어에 인접한 반경 구간에서 1-2장 감소한다. 분절편의 높이는 반경 7mm 내지 11mm 구간에서 3mm부터 7mm까지 단계적으로 증가한다 따라서, 제1 무지부(11)의 분절편이 10장 이상 중첩된 적층수 균일구간의 비율은 코어(4mm)를 제외한 전극 조립체의 반경 대비 50%(9/18)이다.
또 다른 예로, 제1 무지부(11)의 길이가 6mm일 때, 복수의 분절편으로 분할된 제1 무지부(11)의 중첩 레이어 수는 전극 조립체의 외주 표면으로부터 5mm 구간까지 12장까지 증가하고, 코어측으로 10mm 구간에서는 제1 무지부(11)의 중첩 레이어 수가 최대치 12장 수준으로 일정하게 유지되다가 코어에 인접한 반경 구간에서 1-2장 감소한다. 분절편의 높이는 반경 7mm 내지 10mm 구간에서 3mm부터 6mm까지 증가한다. 따라서, 제1 무지부(11)의 분절편이 10장 이상 중첩된 적층수 균일구간의 비율은 코어(4mm)를 제외한 전극 조립체의 반경 대비 55.6%(10/18)이다.
실시예에 따르면, 중첩 레이어 수가 순차적으로 증가하는 구간의 길이는 제1 무지부(11)의 길이가 길수록 5mm부터 7mm까지 증가하고, 특히 적층 레이어 수가 10장 이상인 적층수 균일 구간의 비율이 코어를 제외한 전극 조립체의 반경을 기준으로 25% 이상인 조건이 충족된다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 있어서, 적층수 균일 구간은 코어의 반경, 분절편의 높이 가변 구간에서 분절편 높이의 최소값과 최대값, 그리고 전극 조립체의 반경 방향에서 분절편의 높이 증가 폭에 의해 증감될 수 있다. 따라서, 당업자는 적층수 균일 구간의 비율에 영향을 미치는 팩터들을 조절하여 해당 비율을 25% 이상으로 디자인하는 것은 극히 자명하다. 일 예에서, 분절편의 높이 가변 구간에서 분절편 높이의 최소값과 최대값을 함께 증가시키면 적층 레이어 수는 늘어나면서 적층수 균일 구간의 비율은 25% 수준으로 감소시킬 수 있다.
적층수 균일 구간은 집전체가 용접될 수 있는 영역이다. 따라서, 적층수 균일 구간의 비율을 25% 이상으로 조절하면, 집전체의 용접 강도를 바람직한 범위에서 확보할 수 있고, 용접 계면의 저항 측면에서도 유리하다.
상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 제2 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제2 전극 활물질을 포함한다. 상기 제2 전극의 폭 방향(도 1에 도시된 원통형 전지(1)의 높이 방향과 나란한 방향) 타 측 단부에는 제2 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 즉, 상기 제2 전극은 권취 방향을 따라 장변 단부에 활물질이 코팅되어 있지 않으며 분리막의 외부로 노출된 무지부를 포함한다. 제2 전극 탭으로서 기능하는 상기 무지부를 이하 제2 무지부(12)로 칭하기로 한다. 상기 제2 무지부(12)는, 전지 하우징(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향 하부에 구비된다. 즉, 상기 제2 전극은, 장변 단부에 활물질 층이 코팅되어 있지 않으며 분리막의 외부로 노출된 제2 무지부를 포함하고, 제2 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되는 것이다. 상기 제2 무지부(12)는, 예를 들어 양극 탭일 수 있다.
한편, 상기 제2 무지부(12)의 적어도 일부는, 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 분절편은, 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 밴딩될 수 있다.
도 1과 함께 도 15 및 도 16을 참조하면, 밴딩된 상기 제2 무지부(12)의 복수의 분절편은, 여러 겹으로 중첩되어 절곡면(결합면)(102)을 형성할 수 있다. 이 경우, 후술할 집전체(제2 집전체)(60)의 탭 결합부(제2 탭 결합부)(62)는, 상기 절곡면(102) 상에 결합될 수 있다. 상기 탭 결합부(62)는, 복수의 분절편이 여러 겹으로 중첩되어 있는 영역에 결합될 수 있다. 상기 절곡면(102)은, 전극 조립체(10)의 외주측으로부터 코어측으로 가면서 분절편의 중첩 레이어 수가 최대치까지 순차적으로 증가하는 적층수 증가 구간과 중첩 레이어 수가 최대치가 된 반경 지점부터 최내측 분절편이 존재하는 반경 지점까지의 적층수 균일구간을 포함할 수 있다.
상기 집전체(제2 집전체)(60)의 탭 결합부(제2 탭 결합부(62)는, 상기 적층수 균일구간과 중첩되도록 절곡면에 결합될 수 있다. 바람직하게, 상기 탭 결합부(62)는, 절곡면(102) 상에 용접되고, 탭 결합부(62)의 용접 영역은 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 적층수 균일구간과 적어도 50% 이상 중첩될 수 있다. 바람직하게, 상기 적층수 균일구간의 중첩 레이어 수는 대략 10 이상일 수 있다.
상기 제1 무지부(11) 및/또는 제2 무지부(12)가 밴딩되어 형성된 대략 플랫한 결합 면(102) 상에 제1 집전체(30) 및/또는 제2 집전체(60)을 용접시킬 때, 용접 강도를 충분히 확보하기 위해서는 레이저의 출력을 증가시키는 것이 바람직하다. 레이저의 출력이 증가하게 되면, 레이저가 제1 무지부(11) 및/또는 제2 무지부(12)가 중첩된 영역을 관통하여 전극 조립체(10)의 내부까지 침투하여 분리막, 활물질 층 등을 손상시킬 수 있다. 따라서, 레이저의 관통을 방지하기 위해서는 제1 무지부(11) 및/또는 제2 무지부(12)의 중첩 레이어 수를 일정한 수준 이상으로 증가시키는 것이 바람직하다. 상기 제1 무지부(11) 및/또는 제2 무지부(12)의 중첩 레이어 수를 증가시키기 위해서는 분절편의 높이를 증가시켜야 한다. 그러나, 분절편의 높이를 증가시키면 전극판의 제조 과정에서 제1 무지부(11) 및/또는 제2 무지부(12)에 너울이 발생할 수 있다. 따라서, 분절편의 높이는 적절한 수준으로 조절되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 제1 무지부(11) 및/또는 제2 무지부(12)의 분절편의 중첩 레이어 수가 10 이상인 구간의 반경 방향 길이를 전극 조립체(10)의 반경 대비하여 대략 25% 이상으로 설계하고, 상기 용접 타겟 영역 내에서 용접이 이루어지게 되면, 레이저의 출력을 증대시키더라도 제1 무지부(11) 및/또는 제2 무지부(12)의 중첩 부위가 레이저를 충분히 마스킹 하여 레이저에 의해 분리막, 활물질 층 등이 손상되는 현상을 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 양극판에 코팅되는 양극 활물질과 음극판에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
일 예에서, 양극 활물질은 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤2, ­0.1 ≤ z ≤ 2; 화학량론적 계수 x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2­(1­x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0≤x≤1)일 수 있다.
또 다른 예에서, 양극 활물질은, 일반 화학식 LiaM1 xFe1­xM2 yP1­yM3 zO4­z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤ 2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; 화학량론적 계수 a, x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 수 있다.
일 예에서, 음극 활물질은 탄소재, 리튬금속 또는 리튬금속화합물, 규소 또는 규소화합물, 주석 또는 주석 화합물 등을 사용할 수 있다. 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 음극 활물질로 사용 가능하다. 탄소재로는 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등이 사용될 수 있다.
분리막은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 분리막은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.
분리막의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다. 또한 분리막 자체가 무기물 입자의 코팅층으로 이루어지는 것도 가능하다. 코팅층을 구성하는 입자들은 인접하는 입자 사이 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 존재하도록 바인더와 결합된 구조를 가질 수 있다.
무기물 입자는 유전율이 5이상인 무기물로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 상기 무기물 입자는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1­xLaxZr1­yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3­PbTiO3(PMN­PT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
전해질은 A+B-와 같은 구조를 갖는 염일 수 있다. 여기서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 그리고 B-는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- ,　CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -,SCN-　및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함한다.
전해질은 또한 유기 용매에 용해시켜 사용할 수 있다. 유기 용매로는, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드 (dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄 (dimethoxyethane), 디에톡시에탄 (diethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γ-butyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 전지 하우징(20)은, 일 측에 개방부가 형성된 대략 원통형의 수용체로서, 도전성을 갖는 금속 재질이다. 상기 전지 하우징(20)의 측면, 그리고 상기 개방부의 반대 편에 위치하는 하면(도 1을 기준으로 아래쪽 면)은 일체로 형성되는 것이 일반적이다. 즉, 상기 전지 하우징(20)은, 그 높이 방향 상단은 개방되어 있고, 하단은 폐쇄된 형태를 갖는 것이 일반적이다. 상기 전지 하우징(20)의 하면은 대략 플랫한 형태를 가질 수 있다. 상기 전지 하우징(20)은, 그 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측에 형성된 개방부를 통해 전극 조립체(10)를 수용한다. 상기 전지 하우징(20)은, 상기 개방부를 통해 전해질도 함께 수용할 수 있다.
상기 전지 하우징(20)은, 전지 하우징(20)의 상단에 구비된 개방부에 인접한 단부에 형성되는 비딩부(21)를 구비할 수 있다. 상기 전지 하우징(20)은, 비딩부(21) 상에 형성되는 클림핑부(22)를 더 구비할 수도 있다. 상기 비딩부(21)는, 전지 하우징(20)의 외주면 둘레가 소정의 깊이로 압입된 형태를 갖는다. 좀 더 구체적으로, 상기 비딩부(21)는 전지 하우징(20)의 일 측에 형성된 개방부와 전극 조립체(10)를 수용하는 수용부 사이의 영역에서 내측을 향해 압입된 형태를 가질 수 있다.
상기 비딩부(21)의 압입 깊이는, 예를 들어 대략 0.2 ~ 10mm 일 수 있다. 상기 비딩부(21)의 압입 깊이(PD)의 최소값은 비딩부(21)의 곡률 반경(R1), 용접 비드의 폭(Wbead) 및 비딩부(21)와 전지 하우징(20)의 내측면 사이의 경계 영역에서의 곡률 반경(R2)이 모두 고려되어야 한다. 예를 들어, 도 24를 참조하면, 용접이 가능하기 위해서는 비딩부(21)의 곡률 반경(R1) 및 비딩부(21)와 전지 하우징(20)의 내측면 사이의 경계 영역에서의 곡률 반경(R2)에 더하여 추가적인 공간이 필요하다. 만약 압입 깊이(PD)가 R1 + R2라면, 비딩부(21) 상에는 평탄 구간(F)이 존재하지 않기 때문이다. 나아가, 용접이 가능하기 위해서는, 추가적으로 필요한 공간이 상기 용접 비드(BD)의 최소 폭(Wbead,min) 이상이어야 한다. 따라서, 압입 깊이(PD)의 최소값은 다음 관계식을 만족한다.
PD ≥ R1,min+R2,min+Wbead,min
예를 들어, R1,min 및 R2,min의 최소값이 각각 대략 0.05mm 일 수 있고, Wbead,min이 대략 0.1mm 일 수 있다. 이 경우, 압입 깊이(PD)의 최소값은 대략 0.2mm 이상일 수 있다.
다른 측면에서, 비딩부(21)의 압입 깊이(PD)의 최대값은, 전지 하우징(20)의 재질 및 두께에 따라 달라질 수 있다. 일 예에서, 전지 하우징(20)의 재질이 스틸 재질이고, 전지 하우징(20)의 최대 두께가 대략 1mm 일 때, 비딩부(21)의 압입 깊이(PD)의 최대 값은는 대략 10 mm 일 수 있다. 따라서, 일 예에서 비딩부(21)의 압입 깊이(PD)는 대략 0.2 ~ 10 mm 사이의 값을 가질 수 있다.
상기 비딩부(21)는, 전극 조립체(10)의 상부에 형성된다. 상기 비딩부(21)가 형성된 영역에서의 전지 하우징(20)의 내경은, 전극 조립체(10)의 직경보다 더 작게 형성된다. 상기 비딩부(21)는, 전지 하우징(20)이 압입되어 내입된 최 내측 지점을 중심으로 상방에 위치하는 상부 비딩부 및 압입되어 내입된 최 내측 지점을 중심으로 하방에 위치하는 하부 비딩부를 포함할 수 있다. 후술할 집전체(30)의 적어도 하나의 탭 결합부(32)는, 하부 비딩부보다 더 하측에 위치할 수 있다.
상기 상부 비딩부 및 하부 비딩부 중 적어도 어느 하나는, 전지 하우징(20)의 하면과 소정의 각도를 이루면서 경사진 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 후술할 집전체(제1 집전체)(30)의 제1 접촉부(33a)는, 비딩부(21)의 상부 비딩부의 경사진 상면 상에 안착될 수 있다.
이와는 달리, 상기 상부 비딩부 및 하부 비딩부 중 적어도 어느 하나는, 적어도 일부 영역에서 전지 하우징(20)의 하면과 대략 평행한 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 후술할 집전체(30)의 제1 접촉부(33a)는, 상부 비딩부의 대략 평탄한 상면 상에 안착될 수 있다. 상기 제1 접촉부(33a)는, 전지 하우징(20)의 개방부 측을 향하는 비딩부(21)의 상면과 결합되는 평탄면을 구비할 수 있다. 여기서, 비딩부(21)의 상면이란 개방부를 향하는 면을 의미한다.
상기 비딩부(21)는, 하우징 커버(40)가 안착될 수 있는 지지 면을 제공한다. 또한, 상기 비딩부(21)는, 후술할 집전체(30)의 가장자리 둘레 중 적어도 일부가 안착 및 결합될 수 있는 지지 면을 제공할 수 있다. 즉, 상기 상부 비딩부의 상면에는, 본 발명의 집전체(30)의 가장자리 둘레 중 적어도 일부 및/또는 하우징 커버(40)의 가장자리 둘레가 안착될 수 있다. 상기 집전체(30)의 가장자리 둘레 중 적어도 일부 및/또는 하우징 커버(40)의 가장자리 둘레를 안정적으로 지지할 수 있도록 하기 위해, 상기 상부 비딩부의 상면은 전지 하우징(20)의 하면에 대략 나란한 방향을 따라, 즉 전지 하우징(20)의 측벽에 대략 수직한 방향을 따라 연장된 형태를 가질 수 있다. 이러한 비딩부(21)가 생략되고, 집전체(30)의 가장자리 둘레 중 적어도 일부가 전지 하우징(20)의 플랫한 측벽에 직접 부착되는 것도 가능은 하다.
도 1과 함께 도 20을 참조하면, 상기 비딩부(21)는, 압입 방향을 따라 최 내측에 위치하는 최내측부를 기준으로 각각 상부와 하부에 위치하는 상부 비딩부 및 하부 비딩부를 포함할 수 있다. 상기 상부 비딩부와 하부 비딩부는, 서로 비대칭적 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 상부 비딩부 및 하부 비딩부는, 비딩부의 최 내측 지점을 전지 하우징(20)의 바닥면과 평행하게 통과하는 가상의 기준 평면을 기준으로 비대칭적인 형상을 가질 수 있다. 이러한 비대칭적 형상은, 사이징(sizing) 공정을 통해 전지 하우징(20)의 높이 방향(Z축과 나란한 방향)을 따라 전지 하우징(20)을 압축하는 과정에서 형성될 수 있다. 사이징 공정은 전지 하우징(20)을 전극 조립체(10)의 권취 축 방향을 따라 가압하여 원통형 전지(1)의 높이를 설계 폼 팩터에 맞추는 공정이다.
상기 상부 비딩부는 전지 하우징(20)의 폐쇄부와 대략 나란한 평탄부를 구비할 수 있다. 반면, 비대칭적 형상으로 인해 하부 비딩부는 최 내측부를 향하는 방향을 따라 적어도 부분적으로 하향 경사진 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 하부 비딩부는 전극 조립체(10)의 상부를 압박하여 고정시킬 수 있다. 상기 비딩부(21)는, 전지 하우징(20)의 내경과 대략 대응되는 사이즈를 가질 수 있는 전극 조립체(10)가 전지 하우징(20)의 상단에 형성된 개구부를 통해 빠져나오지 않도록 하며, 하우징 커버(40)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다. 상기 상부 비딩부는 하우징 커버(40) 뿐만 아니라 집전체(제1 집전체)(30)의 제1 접촉부(33a), 실링 가스켓(G1) 등을 고정시키기 위한 지지부로서 기능할 수 있다.
상기 클림핑부(22)는, 비딩부(21)의 상부에 형성된다. 상기 클림핑부(22)는, 비딩부(21)의 상부에 배치되는 하우징 커버(40)의 가장자리 둘레를 감싸도록 연장 및 밴딩된 형태를 갖는다. 이러한 클림핑부(22)의 형상에 의해 하우징 커버(40)는 비딩부(21) 상에 고정된다. 물론, 이러한 클림핑부(22)가 생략되고 다른 고정 구조를 통해 하우징 커버(40)가 전지 하우징(20)의 개방부를 커버하면서 고정되록 하는 것도 가능은 하다. 상기 비딩부(21)의 최 내측 지점은, 클림핑부(22)의 말단 지점보다 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 더 내측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 상기 비딩부(21)의 최 내측 지점에 비해, 클림핑부(22)의 말단 지점이 반경 방향으로 더 외측에 위치할 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 사이징 공정 후에도 비교적 평탄한 비딩부(21)를 유지할 수 있다. 만약, 예를 들어, 비딩부(21)의 최 내측 지점이 클림핑부(22)의 말단 지점보다 반경 방향에서 더 외측에 위치하게 된다면, 클림핑부(22)의 상면의 반경 방향 길이가 비딩부(21)의 반경 방향 길이보다 길어지게 된다. 그렇게 되면, 사이징 공정에서 압력을 받는 부분인 클림핑부(22)의 상면의 면적이 넓어지게 되고, 이에 따라 사이징 공정 후에 비딩부(21)가 평탄해지지 않을 수 있다.
다음은, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 집전체(제1 집전체)(30)을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 집전체(30)은, 전지 하우징(20) 내부에 수용되며, 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결되고, 또한 전지 하우징(20)과 전기적으로 연결된다. 즉, 상기 집전체(30)은, 전극 조립체(10)와 전지 하우징(20) 사이를 전기적으로 연결한다.
상기 집전체(30)은, 전극 조립체(10)의 일 면 상에 위치하는 지지부(31), 제1 무지부(11)와 결합되는 복수의 탭 결합부(제1 탭 결합부)(32) 및 상기 지지부(31)로부터 연장되어 전지 하우징(20)의 내측 면 상에 결합되는 복수의 제1 하우징 결합부(33)를 포함한다. 상기 탭 결합부(32)와 제1 하우징 결합부(33)는, 지지부(31)를 통해 간접적으로 연결되며, 서로 직접 연결되지 않는다. 따라서, 본 발명의 원통형 전지(1)에 외부 충격이 가해졌을 때, 집전체(30)과 전극 조립체(10)의 결합 부위 및 집전체(30)과 전지 하우징(20)의 결합 부위에 손상 발생 가능성을 최소화 할 수 있다. 상기 탭 결합부(32) 및/또는 제1 하우징 결합부(33)는 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 적어도 하나의 상기 탭 결합부(32)와 적어도 하나의 상기 제1 하우징 결합부(33)는 집전체(30)의 중심부를 기준으로 예를 들어 대략 방사형, 십자형, 또는 이들이 조합된 헝태로 배치될 수 있다. 다른 측면에서, 복수의 상기 제1 하우징 결합부(33) 각각은, 서로 인접하는 탭 결합부(32) 사이에 배치될 수 있다.
상기 지지부(31) 및 복수의 탭 결합부(32)는 전극 조립체(10)의 상부에 배치된다. 상기 탭 결합부(32)는, 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)와 결합된다. 상기 탭 결합부(32)는, 예를 들어 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 제1 무지부(11)와 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 탭 결합부(32)는, 예를 들어 전지 하우징(20)의 하면과 대략 평행한 상태로 제1 무지부(11)에 용접 결합될 수 있다. 상기 제1 무지부(11)와 탭 결합부(32) 사이에 형성되는 용접 비드는, 예를 들어 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 연장된 대략 직선 형상의 용접 패턴을 형성할 수 있다. 상기 용접 패턴은, 예를 들어 점 용접이 연결된 선 형태를 가질 수 있다. 상기 용접 패턴은 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 연장된 하나의 패턴 또는 2개 이상의 패턴을 포함할 수 있다.
한편, 상기 탭 결합부(32) 뿐만 아니라, 상기 지지부(31) 역시 제1 무지부(11)와 결합될 수도 있다. 상기 탭 결합부(32)와 제1 무지부(11)는 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 지지부(31) 및 탭 결합부(32)는, 전지 하우징(20)에 비딩부(21)가 형성되는 경우에 있어서 비딩부(21)보다 하부에 위치한다.
상기 지지부(31)는, 전극 조립체(10)의 대략 중심부에 형성되는 권취 홀(H1)과 대응되는 위치에 형성되는 집전체 홀(H2)을 구비할 수 있다. 서로 연통되는 권취 홀(H1) 및 집전체 홀(H2)은, 후술할 단자(50)와 집전체(제2 집전체)(60) 간의 용접 또는 단자(50)와 리드 탭(미도시) 간의 용접을 위한 용접봉의 삽입 또는 레이저 빔의 조사를 위한 통로로서 기능할 수 있다. 상기 집전체 홀(H2)은, 전극 조립체(10)의 코어에 형성되는 권취 홀(H1)을 가리지 않도록 전극 조립체(10)의 권취 홀(H1)이 실질적으로 동일하거나 이보다 더 큰 직경을 가질 수 있다. 만약, 상기 집전체 홀(H2)의 직경이 권취 홀(H1)의 직경보다 과도하게 작다면 권취 홀(H1)에 형성된 홀이 가려져서 주액성이 저하될 수 있고, 또한 용접을 위한 장치의 삽입이나 레이저 조사를 위한 공간이 충분히 확보되기 어려울 수 있다.
상기 실시 형태와는 달리, 본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 상기 집전체 홀(H2)의 직경은 권취 홀(H1)보다 작을 수도 있다. 이 경우, 예를 들어, 상기 권취 홀(H1)의 직경을 R3라고 할 때, 집전체 홀(H2)의 직경은 대략 0.5*R3 이상 R3 미만일 수 있고, 바람직하게는 대략 0.7*R3 이상 R3 미만일 수 있다. 일반적으로, 벤팅이 발생될 때, 전극 조립체(10)의 권취 중심 부분에서 가스가 배출되면서 강한 압력에 의해 권취 중심 쪽에 있는 분리막이나 무지부가 전극 조립체(10)의 상면으로부터 빠져 나올 수 있다. 이 때, 집전체 홀(H2)의 직경이 상기 전극 조립체(10)의 코어에 구비된 홀의 직경보다 작으면, 권취 중심 쪽에 있는 분리막이나 무지부가 전극 조립체(10)로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. 다만, 상기 집전체 홀(H2)의 직경이 과도하게 작아질 경우, 전해액 주액성이 저하될 수 있으며, 제2 집전체(60)과 단자(50)의 용접 작업을 위한 공간의 확보가 필요하므로, 상기 집전체 홀(H2)의 직경은 대략 0.5*R3 이상인 것이 바람직하고, 0.7*R3 이상인 것이 보다 바람직하다.
상기 복수의 탭 결합부(32)들은 집전체(30)의 지지부(31)로부터 대략 방사상으로 전지 하우징(20)의 측벽을 향해 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 복수의 탭 결합부(32)들 각각은 지지부(31)의 둘레를 따라 상호 이격되어 위치할 수 있다. 한편, 상기 집전체(30)과 전극 조립체(10) 간의 결합 면적 증대를 통한 결합력 확보 및 전기저항 감소를 위해, 상기 탭 결합부(32) 뿐만 아니라 지지부(31) 역시 제1 무지부(11)와 결합할 수도 있다. 상기 제1 무지부(11)의 적어도 일부는, 그 단부가 탭 결합부(32)와 대략 나란하도록 밴딩된 형태로 포밍될 수 있다. 이 경우, 상기 밴딩은 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심(C) 측을 향해 이루어질 수 있다. 이처럼 제1 무지부(11)의 단부가 포밍되어 탭 결합부(32)와 나란한 상태로 탭 결합부(32)와 결합되는 경우, 결합 면적을 증대시켜 결합력 향상 및 전기 저항 감소 효과를 얻을 수 있으며, 또한 전극 조립체(10)의 총고를 최소화 하여 에너지 밀도 향상 효과를 얻을 수 있다. 한편, 밴딩된 상기 제1 무지부(11)의 단부는, 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 이처럼 여러 겹의 제1 무지부(11)가 중첩되는 경우, 집전체(30)이 탭 결합부(32)는, 제1 무지부(11)가 밴딩되고 여러 겹으로 중첩되어 형성된 결합면(102)(도 15 및 도 16 참조) 상에 결합될 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 복수의 제1 하우징 결합부(33)들은 집전체(30)의 지지부(31)로부터 대략 방사상으로 전지 하우징(20)의 측벽을 향해 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 복수의 제1 하우징 결합부(33)들 각각은 지지부(31)의 둘레를 따라 상호 이격되어 위치할 수 있다. 서로 이웃하는 탭 결합부(32) 사이에는 적어도 하나의 제1 하우징 결합부(33)가 위치할 수 있다. 상기 복수의 제1 하우징 결합부(33)들은, 전지 하우징(20)의 내측 면 중, 예를 들어 비딩부(21)에 결합될 수 있다. 상기 제1 하우징 결합부(33)들은, 특히 비딩부(21)의 상면에 결합될 수 있다. 본 발명의 원통형 전지(1)에 있어서, 이러한 구조를 적용하는 경우, 집전체(30)이 결합된 상태의 전극 조립체(10)를 전지 하우징(20) 내에 수용시키는 공정을 통해 제1 하우징 결합부(33)가 자연스럽게 비딩부(21) 상에 안착될 수 있다. 따라서, 전지 하우징(20)과 집전체(30)의 용접 공정이 수월하게 진행될 수 있다. 상기 전지 하우징(20)과 집전체(30)의 결합을 위한 용접은, 예를 들어 레이저 용접, 초음파 용접 또는 스폿 용접 등이 적용될 수 있다. 이와 같이 비딩부(21) 상에 제1 하우징 결합부(33)를 용접 결합시켜 다중 전류 패스(path)를 형성함에 따라 저항 수준을 급속 충전에 적합한 대략 4 미리옴(milliohm) 이하로 제한할 수 있다. 또한, 비딩부(21)의 상면이 전지 하우징(20)의 하면에 대략 나란한 방향, 즉 전지 하우징(20)의 측벽에 대략 수직한 방향을 따라 연장된 형태를 갖도록 하고 제1 하우징 결합부(33) 역시 동일한 방향, 즉 반경 방향 및 원주 방향을 따라 연장된 형태를 갖도록 함으로써 제1 하우징 결합부(33)가 비딩부(21) 상에 안정적으로 접촉하도록 할 수 있다. 또한, 이처럼 상기 제1 하우징 결합부(33)가 비딩부(21) 상에 안정적으로 접촉됨에 따라 두 부품 간의 용접이 원활하게 이루어질 수 있고, 이로써 두 부품 간의 결합력 향상 및 결합 부위에서의 저항 증가 최소화 효과를 얻을 수 있다.
다음으로, 도 3 내지 도 7을 참조하면, 상기 제1 하우징 결합부(33)는 전지 하우징(20)의 내측 면 상에 결합되는 제1 접촉부(33a) 및 지지부(31)와 제1 접촉부(33a) 사이를 연결하는 제1 연결부(33b)를 포함한다. 상기 제1 연결부(33b)는 적어도 일부가 제1 무지부(11)와 접촉하도록 배치될 수 있다. 상기 제1 연결부(33b) 및 제1 접촉부(33a)는 연장 방향을 따라 실질적으로 동일한 폭을 가질 수 있다. 상기 제1 탭 결합부(32)는 제1 연결부(33b)보다 큰 폭을 가질 수 있다. 상기 제1 접촉부(33a)는 제1 연결부보다 큰 폭을 가질 수 있다.
상기 제1 접촉부(33a)는, 전지 하우징(20)의 내측 면 상에 결합된다. 상기 전지 하우징(20)에 비딩부(21)가 형성되는 경우에 있어서, 상기 제1 접촉부(33a)는 상술한 바와 같이 비딩부(21) 상에 결합될 수 있다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 안정적인 접촉 및 결합을 위해 비딩부(21) 및 제1 접촉부(33a)는 모두 전지 하우징(20)의 하면에 대략 나란한 방향, 즉 전지 하우징(20)의 측벽에 대략 수직한 방향을 따라 연장된 형태를 가질 수 있다. 또한, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 제1 접촉부(33a)와 제1 연결부(33b)의 연결 부위는, 비딩부(21)의 내측 면과 형합될 수 있다. 즉, 상기 제1 접촉부(33a)와 제1 연결부(33b)의 연결 부위의 형상과 그에 대응되는 위치에서의 비딩부(21)의 형상이 서로 정합되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 하우징 결합부(33)를 비딩부(21)에 결합시키는 경우에 있어서 제1 하우징 결합부(33)와 비딩부(21) 간의 결합력이 증대될 수 있고, 접촉 면적의 증가에 따라 저항 감소 효과가 증대될 수 있다. 한편, 상기 제1 연결부(33b)의 최 외측 지점은, 비딩부(21)의 최 내측 지점과 소정 간격 이격될 수 있다.
상기 제1 연결부(33b)는, 지지부(31)와 제1 접촉부(33a) 사이에서 그 연장 방향이 적어도 1회 전환되는 제1 밴딩부(B1)를 적어도 하나 구비할 수 있다. 상기 제1 연결부(33b)는, 일정 범위 내에서 수축 및 신장이 가능한, 예를 들어 스프링 유사 구조 또는 자바라 유사 구조를 가질 수 있다. 이러한 제1 연결부(33b)의 구조는, 일정 범위 내에서 전극 조립체(10)의 높이 산포가 존재하더라도, 집전체(30)이 결합된 전극 조립체(10)를 전지 하우징(20) 내에 수용시키는 과정에서 제1 접촉부(33a)가 비딩부(21) 상에 밀착될 수 있도록 한다.
예를 들어, 상기 집전체(30)에 외부 힘이 가해지지 않아 변형이 없는 상태에서의 상기 제1 접촉부(33a)와 지지부(31) 사이의 연직 방향 거리(D)는, 집전체(30)이 결합된 상태의 전극 조립체(10)가 전지 하우징(20) 내에 안착되었을 때의 비딩부(21)의 상면과 지지부(31) 사이의 연직 방향 거리와 실질적으로 동일하거나 제1 연결부(33b)의 신장 가능 범위 내에서 더 작게 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제1 하우징 결합부(33)는, 비딩부(21) 상에 탄성 바이어스 될 수 있다. 좀 더 구체적으로, 상기 제1 하우징 결합부(33)는, 제1 연결부(33b)의 길이 방향 일측 단부에서 타측 단부에 이르는 직선 거리가 감소되는 방향으로 변형을 일으킬 수 있도록 하는 탄성 에너지를 저장한 상태로 비딩부(21) 상에 결합될 수 있다. 상기 제1 연결부(33b)가 이와 같은 조건을 충족하도록 구성되는 경우, 전지 하우징(20) 내에 집전체(30)이 결합된 전극 조립체(10)를 안착시켰을 때 제1 접촉부(33a)는 비딩부(21) 상에 자연스럽게 밀착될 수 있다.
뿐만 아니라, 이러한 제1 연결부(33b)의 수축 및 신장 가능한 구조는 원통형 전지(1)(도 1 참조)의 사용 과정에서 진동 및/또는 충격이 발생하여 전극 조립체(10)가 상하로 움직이더라도 일정 범위 내에서는 전극 조립체(10)의 움직임에 따른 충격이 완화 되도록 한다. 즉, 상기 제1 연결부(33b)의 수축 및 신장 가능한 구조는, 제1 접촉부(33a)와 전지 하우징(20) 간의 결합 부위 및 탭 결합부(32)와 제1 무지부(11) 간의 결합 부위에 충격이 전달되지 않도록 완충 작용을 할 수 있다(도 1 내지 도 5를 참조).
한편, 상기 제1 접촉부(33a)는, 비딩부(21)의 상면(상부 비딩부의 상면)에 용접 결합될 수 있다. 더욱이, 상기 제1 접촉부(33a)는, 비딩부(21)의 상면 상의 평탄한 영역에 용접 결합될 수 있다. 상기 제1 접촉부(33a)와 비딩부(21) 사이의 용접 영역은, 비딩부(21)의 평탄한 상면보다 좁게 형성될 수 있다. 상기 제1 밴딩부(B1)가 구비되는 경우, 제1 밴딩부(B1)로 인해 제1 접촉부(33a)와 제1 연결부(33b) 사이의 각도는 예각이 될 수 있다.
다음으로, 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 집전체(30)이 나타나 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 집전체(30)은, 앞서 설명된 집전체(30)(도 2를 예시적으로 참조하여 설명한 집전체)과 비교하여 제1 접촉부(33a)의 형태에 있어서 차이가 있을 뿐, 그 외에는 앞서 설명된 집전체(30)의 구조가 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
도 1 및 도 8을 참조하면, 제1 접촉부(33a)는 적어도 일부가 전지 하우징(20)의 비딩부(21)를 따라 원주 방향으로 연장된 호 형태를 가질 수 있다. 이로써, 상기 제1 접촉부(33a)의 원주 방향 연장 길이는 제1 연결부(33b)의 폭보다 더 길게 형성될 수 있다. 이 경우, 접촉 면적의 극대화를 위해, 상기 집전체(30)은, 복수의 제1 하우징 결합부(33) 각각의 제1 접촉부(33a)의 원주방향 연장 길이의 합이 전지 하우징(20)의 내주와 실질적으로 동일하거나 약간 짧도록 구성될 수 있다. 다른 측면에서, 상기 제1 접촉부(33a)는, 연결부(33b)와 접촉부(33a)의 교차 지점으로부터 비딩부(21) 상에서 원주 방향을 따라 서로 반대 방향으로 연장된 호 형태를 가질 수 있다.
다음으로, 도 1과 함께 도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 집전체(30)이 나타나 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 집전체(30)은, 앞선 실시예들에 따른 집전체(30)들(도 2 및 도 8을 예시적으로 참조하여 설명한 집전체)과 비교하여 제2 하우징 결합부(34)가 더 구비된다는 점에서 차이가 있을 뿐, 그 외에는 앞서 설명된 집전체(30)(도 9 참조)들의 구조가 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
상기 제2 하우징 결합부(34)는, 탭 결합부(32)의 단부로부터 연장되어 전지 하우징(20)의 내측 면 상에 결합된다. 복수의 상기 탭 결합부(32)들 중 적어도 하나의 단부에는 이러한 제2 하우징 결합부(34)가 구비될 수 있다. 상기 제2 하우징 결합부(34)는 전지 하우징(20)의 내측 면 상에 결합되는 제2 접촉부(34a) 및 지지부(31)탭 결합부(32)의 단부와 제2 접촉부(34a) 사이를 연결하는 제2 연결부(34b)를 포함한다. 상기 제2 연결부(34b)는 적어도 일부가 제1 무지부(11)와 접촉하도록 배치될 수 있다. 상기 제1 탭 결합부(32), 제2 연결부(34b) 및 제2 접촉부(34a)는 연장 방향을 따라 실질적으로 동일한 폭을 가질 수 있다. 상기 제1 탭 결합부(32)는 제2 연결부(34b)보다 큰 폭을 가질 수 있다. 상기 제2 접촉부(34a)는 제2 연결부(34b)보다 큰 폭을 가질 수 있다.
상기 제2 접촉부(34a)는, 전지 하우징(20)의 내측 면 상에 결합된다. 상기 전지 하우징(20)에 비딩부(21)가 형성되는 경우에 있어서, 제2 접촉부(34a)는 전술한 제1 접촉부(33a)와 마찬가지로 비딩부(21) 상에 결합될 수 있다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 안정적인 접촉 및 결합을 위해, 비딩부(21) 및 제2 접촉부(34a)는 모두 전지 하우징(20)의 하면에 대략 나란한 방향, 즉 전지 하우징(20)의 측벽에 대략 수직한 방향을 따라 연장된 형태를 가질 수 있다.
한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 도 8에 도시된 제1 접촉부(33a)의 형태처럼, 제2 접촉부(34a) 역시 적어도 일부가 전지 하우징(20)의 비딩부(21)를 따라 원주 방향으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 이로써, 상기 제2 접촉부(34a)의 원주 방향 연장 길이는 제2 연결부(34b)의 폭보다 더 길게 형성될 수 있다. 이 경우, 집전체(30)과 전지 하우징(20) 간의 접촉 면적 극대화를 위해, 상기 집전체(30)은, 복수의 제1 하우징 결합부(33) 각각의 제1 접촉부(33a)의 원주방향 연장 길이의 합과, 그리고 복수의 제2 하우징 결합부(34) 각각의 제2 접촉부(34a)의 원주방향 연장 길이의 합을 모두 더한 길이가 전지 하우징(20)의 내주와 실질적으로 동일하거나 약간 짧도록 구성될 수 있다.
상기 제2 연결부(34b)는, 앞서 설명한 제1 연결부(33b)와 마찬가지로, 탭 결합부(32)와 제2 접촉부(34a) 사이에서 그 연장 방향이 적어도 1회 전환되는 제2 밴딩부(B2)를 적어도 하나 구비할 수 있다. 상기 제2 밴딩부(B2)의 형성으로 인해 제2 연결부(34b)가 수축 및 신장이 가능한 구조를 가지며, 이에 따라 원통형 전지(1)의 조립 공정 상의 장점 및 완충 효과를 갖는다는 점은 앞서 설명한 바와 동일하다.
본 발명의 도면에서는 상기 제2 밴딩부(B2)가 하나 구비된 경우만을 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 앞서 도 4 및 도 5를 예시적으로 참조하여 설명한 제1 연결부(33b)와 마찬가지로, 제2 밴딩부(B2) 역시 복수개 구비될 수 있다.
도 11을 참조하면, 앞서 설명한 것과는 또 다른 형태를 갖는 집전체(30)이 도시되어 있다. 도 1과 함께 도 11을 참조하면, 본 발명의 집전체(제1 집전체)(30)은 적어도 하나의 주액 홀(H3)을 구비할 수 있다. 상기 주액 홀(H3)은, 예를 들어 탭 결합부(32)에 구비될 수 있다. 상기 탭 결합부(32)가 복수개 구비되는 경우에 있어서, 적어도 하나의 탭 결합부(32)에 상기 주액 홀(H3)이 구비될 수 있다. 상기 주액 홀(H3)은, 예를 들어 탭 결합부(32) 상에 형성되는 적어도 하나의 용접 비드 (W)의 일 측에 구비되거나 또는 양 측에 각각 구비될 수 있다. 도 1 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지(1)를 제조함에 있어서, 전극 조립체(10)와 집전체(제1 집전체)(30)을 포함하는 결합체를 전지 하우징(20) 내에 수용시킨 후 전해액을 주액할 수 있다. 이 때, 상기 주액 홀(H3)로 인해 주액성이 향상될 수 있다.
하나의 탭 결합부(32)에 있어서, 상기 주액 홀(H3)은, 복수 개가 구비될 수 있다. 복수의 상기 주액 홀(H3)은, 탭 결합부(32)의 폭 방향 중심부를 기준으로 좌우로 대략 대칭되도록 배치될 수 있다. 이처럼 대략 좌우 대칭이 되도록 배치된 주액 홀(H3) 사이에는 탭 결합부(32)와 제1 무지부(11)의 결합을 위한 용접 비드(W)가 형성될 수 있다.
상기 탭 결합부(32)는, 탭 결합부(32)와 지지부(31)의 연결 부위에서의 폭보다, 상기 연결 부위로부터 탭 결합부의 길이 방향 단부를 향해 소정 거리 이격된 위치에서의 폭이 더 크게 형성될 수 있다. 상기 주액 홀(H3)이 형성된 영역 중 적어도 일부는, 상기 탭 결합부(32)와 지지부(31)의 연결 부위에서의 폭과 비교하여 상기 연결 부위로부터 탭 결합부(32)의 단부를 향해 소정 거리 이격된 위치에서의 폭이 증가됨으로써 늘어난 영역 내에 포함될 수 있다. 한편, 상기 탭 결합부(32)의 길이 방향 단부는, 전지 하우징(20)의 내주 면과 대응되도록 대략 호 형태를 가질 수 있다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 제1 하우징 결합부(33)의 제1 연결부(33b) 및/또는 제2 하우징 결합부(34)의 제2 연결부(34b)는 1회 밴딩된 형태를 가질 수 있으며, 도 3 및 도 10에 도시된 것과는 다른 방향으로 밴딩된 형태를 가질 수 있다. 즉, 제1 연결부(33b)에 형성되는 제1 밴딩부(B1) 및/또는 제2 연결부(34b) 상에 형성되는 제2 밴딩부(B2)는 원통형 전지(1)(도 1 참조)의 중심부를 향하는 방향으로 돌출된 형태를 가질 수 있다. 이러한 제1 연결부(33b) 및/또는 제2 연결부(34b)의 밴딩 방향은 사이징(sizing) 공정 진행 시에 집전체(제1 집전체)(30)과 전극 조립체(10)의 결합 부위 및/또는 집전체(제1 집전체)(30)과 전지 하우징(20)의 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지하기 위함이다. 사이징(sizing) 공정이란, 원통형 전지(1)를 제조함에 있어서, 원통형 전지(1)의 총고를 감소시키기 위해 전지 하우징(20)의 비딩부(21) 영역이 차지하는 높이를 축소시키기 위한 압축 공정이다. 상기 밴딩부(B1, B2) 형성 여부 및 밴딩부(B1, B2)의 돌출 방향을 달리하여 사이징 공정 이 후의 용접부 손상 정도를 실험을 통해 확인해 본 결과, 원통형 전지(1)의 중심부를 향하는 방향으로 밴딩부(B1, B2)가 돌출된 구조를 갖는 원통형 전지(1)에서는 거의 손상이 발생되지 않는다는 것이 확인되었다.
도 17 내지 도 20을 참조하면, 본 발명의 원통형 전지(1)의 제조 공정 중 일부가 나타나 있다. 먼저, 도 17을 참조하면, 상기 전지 하우징(20) 내부에 수용된 전극 조립체(10) 상에 집전체(30)을 올린 후, 전극 조립체(10)의 상방으로 돌출된 제1 무지부(11)와 집전체(30)을 용접한다. 이 경우, 상기 제1 무지부(11)에 구비된 복수의 분절편(11a)(도 20 참조)이 절곡된 절곡면(102)(도 15 참조) 상에 집전체(30)의 탭 결합부(32)가 용접된다. 변형 예에서, 전지 하우징(20)의 내부에 전극 조립체(10)를 수용하기 전에 집전체(30)을 절곡면(102)에 미리 용접시킬 수도 있다.
다음으로, 도 18을 참조하면, 상기 집전체(30)이 전극 조립체(10) 상에 용접된 상태에서 비딩 나이프가 전지 하우징(20)의 내부를 향해 전진할 수 있다. 이에 따라, 전지 하우징(20)의 측벽에는 전지 하우징(20)의 내측을 향해 압입된 형태를 갖는 비딩부(21)가 형성되며, 비딩부(21)는, 집전체(30)의 접촉부(33a)의 하방에 위치하게 된다. 따라서, 추후 접촉부(33a)와 비딩부(21)는 용접 가능한 위치에 놓여진다.
다음으로, 도 18과 함께 도 19를 참조하면, 비딩부(21)의 상면에 집전체(30)의 접촉부(33a)가 얹혀질 수 있다. 이처럼 비딩부(21)의 상면에 집전체(30)이 얹혀진 상태에서 집전체(30)과 비딩부(21)가 용접될 수 있다. 상기 접촉부(33a)의 상면에는 실링 가스켓(G1)에 의해 단부가 감싸진 하우징 커버(40)가 얹혀질 수 있다. 그 후, 상기 하우징 커버(40)의 가장자리 둘레를 감싸도록 상기 전지 하우징(20)을 절곡하여 하우징 커버(40) 및 집전체(30)을 고정한다. 이처럼 전지 하우징(20)의 비딩부(21)의 상부에 위치하는 영역을 절곡함으로써 클림핑부(22)가 형성되며, 클림핑부(22)의 연장 및 절곡된 형상에 의해 하우징 커버(40) 및 집전체(30)의 접촉부(33a)는 비딩부(21) 상에 고정된다. 상기 하우징 결합부(33)는, 클림핑부(22)에 의해 압착 고정될 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 제1 무지부(11)와 탭 결합부(32) 사이에 형성되는 용접 패턴의 연장 방향과 비딩부(21)와 제1 접촉부(33a) 사이에 형성되는 용접 패턴의 연장 방향은 서로 대략 수직을 이룰 수 있다. 예를 들어, 제1 무지부(11)와 탭 결합부(32) 사이에 형성되는 용접 패턴의 연장 방향은 전극 조립체(10)의 반경 방향이고, 비딩부(21)와 제1 접촉부(33a) 사이에 형성되는 용접 패턴의 연장 방향은 전극 조립체(10)(또는 전지 하우징(20))의 원주 방향일 수 있다. 이 경우, 원주 방향의 임의의 지점에서 그려지는 접선은 반경 방향과 수직을 이루게 된다. 이와 같은 구조에 따르면, 집전체(30)과 전극 조립체(10) 간의 결합력 및 집전체(30)과 전지 하우징(20) 간의 결합 강도가 증가할 수 있다. 즉, 이러한 구조에 따르면, 원통형 전지(1)에 임의의 방향에서 진동 및/또는 충격이 가해지더라도 집전체(30)이 전극 조립체(10) 및 전지 하우징(20)과 각각 견고한 고정상태를 유지할 수 있게 된다.
다음으로, 도 19와 함께 도 20을 참조하면, 사이징(sizing) 공정에 의해 총고가 조절된 원통형 전지가 나타나 있다. 사이징 공정이란, 원통형 전지를 제조함에 있어서, 총고를 감소시키기 위해서 전지 하우징(20)의 비딩부(21) 영역이 차지하는 높이를 축소시키기 위한 압축 공정이다. 사이징 공정에 의하면, 전지 하우징(20)을 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 압축하기 때문에, 전극 조립체(10)의 비딩부(21)가 눌려 일부가 압축된 형태를 가질 수 있다. 다른 측면에서, 사이징 공정에 의하면, 전지 하우징(20)을 길이 방향(상하 방향)으로 압축하게 되기 때문에 집전체(30)이 상하 방향의 압력을 받아 휘어질 수 있다. 즉, 사이징 공정의 진행에 따라 탭 결합부(32)가 상방으로 휘어지게 되어, 탭 결합부(32)와 제1 무지부(11) 사이의 용접이 손상될 가능성이 있다. 따라서, 상기 집전체(30)은 사이징 공정을 거친 후에도 탭 결합부(32)와 제1 무지부(11) 간의 용접부가 손상되지 않도록 할 수 있는 구조를 가질 필요가 있다.
예를 들어, 도 22에 도시된 바와 같이 연결부(제1 연결부)(33b)가 상방으로 볼록한 형태를 갖는 경우, 도 20에 도시된 바와 같이 탭 결합부(32)가 상방으로 들뜨는 현상에 대한 억제 효과가 극대화될 수 있다. 즉, 도 19의 전지 하우징(20)을 상하 방향으로 압축하게 되면, 연결부(33b)의 휘어짐에 따라 본 발명의 탭 결합부(32)에는 상방으로의 응력이 작용하게 된다. 그러나, 본 발명의 집전체(30)과 같이 연결부(33b)가 대략 상방으로 볼록한 형태를 갖는 경우에는 탭 결합부(32)에 가해지는 응력이 최소화될 수 있다. 따라서, 상기 탭 결합부(32)는 상방으로 휘어지지 않고 제1 무지부(11)와의 용접부의 용접 상태가 양호하게 유지될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 22 및 도 23을 참조하면, 사이징 공정 전의 연결부(33b)는 접촉부(33a)와 연결부(33b)의 연결 지점과 연결부(33b)와 탭 결합부(32)의 연결 지점 사이를 연결하는 가상의 직선, 즉 연결부(33b)의 길이 방향 양 단부 사이를 연결하는 가상의 직선을 기준으로 상방으로 볼록한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 연결부(33b) 상에는 둔각을 이루는 밴딩부(B1)가 적어도 하나 구비될 수 있다. 한편, 상기 밴딩부(B1)는 연결부(33b)의 양 단부를 연결한 가상의 직선의 대략 중심부를 지나며 전지 하우징(20)의 바닥면과 평행한 가상의 평면보다 상방에 위치할 수 있다. 바람직하게, 상기 밴딩부(B1)로부터 탭 결합부(32)에 이르는 연결부(33b)의 길이는, 상기 밴딩부(B1)로부터 접촉부(33a)에 이르는 연결부(33b)의 길이보다 더 길게 형성될 수 있다.
이와 같은 구조에 의하면, 상하 방향의 압력을 받는 사이징 공정 시 접촉부(33a)는 화살표 방향과 같이 하방으로 내려가고, 연결부(33b)는 화살표 방향과 같이 상방으로 융기된다(점선 참조). 보다 구체적으로, 연결부(33b)는 비딩부(21)보다 상방으로 융기된다. 즉, 사이징 공정 전후로 하우징 결합부(33)의 프로파일이 도 22 및 도 23과 같이 변화하게 된다. 상기 연결부(33b)가 융기되는 정도는 사이징 공정에 의해 발생되는 전지 하우징(20)의 높이 변화에 따라 달라질 수 있다. 한편, 도시된 것과는 달리 밴딩부(B1)의 위치는 접촉부(33a)의 높이 수준까지만 융기될 수 있다. 이와 같이 연결부(33b)가 상방으로 융기되는 현상에 의해, 연결부(33b)에서 응력을 대부분 흡수할 수 있게 되므로, 탭 결합부(32)와 제1 무지부(11)의 용접 영역에 가해지는 응력이 상대적으로 작아진다. 따라서 본 발명에 의하면, 탭 결합부(32)가 상방으로 들뜨는 현상이 발생하지 않게 된다. 또한, 상술한 바와 같은 구조에 의하면, 밴딩부(B1)로부터 탭 결합부(32)에 이르는 연결부(33b)의 길이가 밴딩부(B1)로부터 접촉부(33a)에 이르는 연결부(33b)의 길이보다 더 길기 때문에 집전체(30)의 전지 하우징(20) 내부로의 삽입이 용이해지고, 응력 분산이 효과적으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 연결부(33b)의 융기에 의한 형태 변형은, 도 22에 도시된 바와 같이 상방으로 볼록한 대략 곡선 형태로 이루어질 수도 있고, 이와는 달리 도 23에 도시된 바와 같이 밴딩부(B1)를 기준으로 밴딩된 직선 형태로 이루어질 수도 있다. 도 23에 도시된 바와 같이 직선 형태로 밴딩이 이루어지는 경우, 연결부(33b)에 있어서 밴딩부(B1)로부터 접촉부(33a)에 이르는 영역과 밴딩부(B1)로부터 탭 결합부(32)에 이르는 영역 각각이 직선 형태를 가질 수 있다.
본 발명자는, 집전체(30)의 뒤틀림 및/또는 들뜸 현상을 방지할 수 있는 집전체(30) 구조에 대해 연구한 결과, 연결부(33b)가 상방으로 볼록한 구조를 갖는 경우 사이징 공정 진행에 따른 탭 결합부(32)와 제1 무지부(11) 간의 용접 부위 손상이 현저히 감소됨을 확인하였다.
도 21은 사이징 공정 전의 집전체(30)의 형상에 따른 용접부 손상의 정도 차이를 비교하기 위한 도면이다. 도 21을 참조하면, 실험예 1은 사이징 전 연결부(33b)가 직선 형상인 실험예이며, 실험예 2는 사이징 전 연결부(33b)가 하방으로 볼록한 실험예이고, 실험예 3은 사이징 전 연결부(33b)가 상방으로 볼록한 실험예이다. 상기 실험예 1 내지 3에 대해 1 mm 사이징 공정을 실시한 결과, 연결부(33b)가 직선 형상이었던 실험예 1은 탭 결합부(32)와의 용접 영역이 대략 0.72 mm 들뜨는 현상이 발생하였다. 연결부(33b)가 하방으로 볼록한 형상이었던 실험예 2에서는 탭 결합부와의 용접 영역이 대략 0.99 mm 들뜨는 현상이 발생하였다. 즉, 연결부(33b)가 하방으로 볼록한 경우, 연결부(33b)가 직선인 형상에 비해 들뜸 현상이 심화되었음을 확인할 수 있었다. 한편, 연결부(33b)가 상방으로 볼록한 형상이었던 실험예 3에서는 탭 결합부(32)와의 용접 영역이 대략 0.02 mm 들뜨는 현상이 발생하였다. 이는 실험예 1 및 2에 비해서 현저하게 들뜸 현상이 완화되었음을 의미한다. 즉, 연결부(33b)가 상방으로 볼록한 형상인 실험예 3의 경우 탭 결합부와 제1 무지부 사이의 용접 영역의 손상이 최소화되었음을 확인 할 수 있었다. 이는, 집전체(30)의 들뜸 정도는 집전체(30)이 전극 조립체(10)에 가하는 응력에 따라 달라질 수 있기 때문이다. 즉, 연결부(33b)가 직선 형상인 실험예 1 및 연결부(33b)가 하방으로 볼록한 형상인 실험예 2에서는 사이징 공정에서 집전체(30)과 전극 조립체(10)가 용접된 부분에 가해지는 응력이 각각 대략 4.5 MPa, 3.7 MPa 으로서 매우 크기 때문에, 집전체(30)의 들뜸 현상이 심화되었음을 확인할 수 있었다. 반면, 연결부(33b)가 상방으로 볼록한 형상인 실험예 3에서는 사이징 공정에서 집전체(30)과 전극 조립체(10)가 용접된 부분에 가해지는 응력이 대략 2.0 MPa 수준으로 실험예 1 및 2에 비해 상대적으로 낮기 때문에, 집전체(30) 들뜸 현상이 상대적으로 적게 나타났음을 알 수 있다.
따라서, 바람직하게, 도 22에 도시된 바와 같이, 상기 연결부(33b)의 기울기는 일정하지 않고 소정 지점(예를 들면, 밴딩부(B1))을 기준으로 상부 영역에서의 기울기가 하부 영역에서의 기울기보다 작을 수 있다. 소정 지점은 연결부(33b)의 중간 지점보다 상방에 위치할 수 있다. 대안적으로, 상기 연결부(33b)는 탭 결합부(32)와 접촉부(33a)를 연결한 가상의 직선을 기준으로 상부로 볼록한 형태를 가질 수 있다. 볼록한 형태는 직선과 직선이 연결된 형태, 곡선 형태, 또는 이들이 결합된 형태일 수 있다. 일 예에서, 도 22 또는 도 23에 도시된 바와 같이, 상기 연결부(33b)는, 상기 소정 지점을 기준으로 적어도 하나의 밴딩부(B1)를 구비할 수 있다. 바람직하게, 상기 적어도 하나의 밴딩부(B1)는, 상기 전지 하우징(20)의 길이 방향 축을 따라 보았을 때, 서로 겹치지 않도록, 둔각으로 절곡되어 있을 수 있다. 한편, 상기 접촉부(33a)와 연결부(33b)의 경계 지점은 둔각으로 절곡되어 있을 수 있다. 이에 따라, 상기 연결부(33b)는, 상기 연결부(33b)가 상기 비딩부(21)를 향해 갈수록, 그 경사가 단계적 또는 점진적으로 감소할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 도 20를 참조하면, 상기 탭 결합부(32)와 상기 연결부(33b) 사이의 각도(θ)는, 예를 들어 0 ~ 90 도일 수 있다. 예를 들어, 사이징 공정에서 전극 조립체(10)의 상단이 비딩부(21)와 대응되는 높이까지 상승하면, 상기 탭 결합부(32)와 상기 접촉부(33a)는 동일 높이에 위치할 수 있다. 이 경우는 탭 결합부(32)와 상기 연결부(33b) 사이의 각도(θ)가 대략 0도인 경우에 해당한다. 사이징 공정을 실시하더라도, 상기 접촉부(33a)가 상기 탭 결합부(32)보다 하부에 위치하는 것은 바람직하지 않다. 이 경우 비딩부(21)에 의해 제1 무지부(11)가 과도하게 눌려 손상될 수 있기 때문이다. 따라서, 탭 결합부(32)와 연결부(33b) 사이의 각도(θ)는 0도 이상인 것이 바람직하다. 다른 측면에서, 탭 결합부(32)와 연결부(33b) 사이의 각도(θ)는 연결부(33b)의 길이, 두께 또는 기울기가 단계적 또는 점진적으로 변화하는 형상에 따라서 대략 90도까지 증가할 수 있다. 그러나, 하우징 커버(40) 와의 접촉을 피하기 위해, 상기 각도(θ)가 90도를 초과하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 연결부(33b)는, 상기 하우징 커버(40)를 지지할 수도 있다. 예를 들어, 상기 연결부(33b)는, 사이징 공정에 의해 상방으로 휘어진 형태가 될 수 있다. 이 때, 상방으로 휘어진 연결부(33b)는 상기 하우징 커버(40)와 접촉하게 될 수 있다. 이 경우, 상기 연결부(33b)는 상기 하우징 커버(40)를 상방으로 지지하는 역할을 할 수 있다. 따라서 집전체(30)은 사이징 공정에 의해 상하 방향으로 확실하게 고정될 수 있다. 이에 따라, 원통형 전지(1)의 사용 과정에서 진동 및/또는 충격이 발생하더라도, 전극 조립체(10)가 전지 하우징(20) 내부에서 상하로 불필요하게 움직이는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 비딩부(21) 상면 및 상기 비딩부(21) 하면은, 상기 비딩부(21)의 최 내측 지점을 전지 하우징의 바닥면과 평행하게 통과하는 가상의 기준 평면을 기준으로 비대칭일 수 있다. 예를 들어 도 20를 참조하면, 사이징 공정에 의해 전지 하우징(20)이 상하 방향으로 압축되면 비딩부(21) 또한 상하 방향으로 압축된다. 이 때, 상기 비딩부(21) 상면 및 상기 비딩부(21) 하면은, 상기 비딩부(21)의 최내측 지점을 통과하는 가상의 기준 평면(일점 쇄선 참조)을 기준으로 비대칭인 형상이 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 비딩부(21)의 압입 깊이를 PD라고 정의할 수 있다. 예를 들어 도 24를 참조하면, 전지 하우징(20)의 내측 면에서부터 상기 비딩부(21)의 최 내측 지점까지의 수직 거리를 압입 깊이(PD)로 정의할 수 있다. 다른 한편으로, 상기 접촉부(33a)의 단부로부터 상기 비딩부(21)의 최 내측 지점을 지나는 수직선 까지의 최단 거리를 오버랩 길이(OV)라고 정의할 수 있다. 즉, 도 24를 참조하면, 오버랩 길이(OV)는, 상기 비딩부(21)의 상부로부터 하방으로 보았을 때, 비딩부(21)와 집전체(30)이 중복되는 영역의 반경 방향 길이를 의미한다. 이 때, 본 발명의 원통형 전지(1)는 다음 관계식을 만족할 수 있다.
(R1,min+Wbead,min)/PDmax ≤ OV/PD ≤ (PDmax-R2,min)/PDmax
상기 집전체(30)의 접촉부(33a)가 상기 비딩부(21) 상에 용접 가능하게 얹혀지기 위해서는 상기 비율이 (R1,min+Wbead,min)/PDmax이상인 것이 바람직하다. 도 24를 참조하면, 집전체(30)의 접촉부(33a)가 상기 비딩부(21) 상에 용접 가능하게 얹혀지기 위해서는 비딩부(21)의 곡률 반경(R1)보다 더 오버랩 되는 영역이 필요하다. 예를 들어, 접촉부(33a)가 비딩부(21)의 곡률 반경(R1)만큼만 오버랩 되면, 평탄 구간이 존재하지 않기 때문에 접촉부(33a)는 비딩부(21)와 하나의 접점에서만 접할 수 있다. 즉, 접촉부(33a)가 비딩부(21) 상에 안정적으로 얹혀질 수 없다. 따라서 접촉부(33a)는 비딩부(21)의 곡률 반경(R1)에 더하여 추가로 오버랩되는 영역이 필요한데, 이 때, 추가로 오버랩 되는 영역의 길이는 최소한 용접 비드 폭(Wbead) 이상인 것이 바람직하다. 즉, 추가로 오버랩 되는 영역에서 실질적으로 접촉부(33a)가 비딩부(21)와 중첩되며, 이 영역에서 용접이 이루어질 수 있다. 따라서 추가로 오버랩 되는 영역의 길이가 최소한 용접 비드 폭(Wbead) 이상이어야 중첩 영역을 벗어나지 않은 상태로 안정적인 용접이 가능해진다. 즉, 접촉부(33a)가 상기 비딩부(21) 상에 용접 가능하게 얹혀지기 위한 최소한의 오버랩 길이는 R1,min+Wbead,min가 된다.
다른 측면에서, 집전체(30)의 접촉부(33a)가 상기 비딩부(21) 상에 용접 가능하게 얹혀지기 위해서는 상기 비율이 (PDmax-R2,min)/PDmax이하인 것이 바람직하다. 도 24를 참조하면, 비딩부(21)와 전지 하우징(20)의 내 측면 사이의 경계 영역에는 곡률 반경(R2)이 존재한다. 따라서, 집전체(30)의 접촉부(33a)가, 곡률 반경(R2)이 형성된 비딩부(21)와 전지 하우징(20)의 내 측면 사이의 경계 영역까지 진입하게 되면, 곡률 반경(R2)에 의해 상기 접촉부(33a)가 상기 비딩부(21)에 밀착되지 못하고 들뜨게 된다. 따라서, 접촉부(33a)가 상기 비딩부(21) 상에 밀착되게 얹혀지기 위한 최대한의 오버랩 길이는 PDmax-R2,min가 된다.
일 예에서, 비딩부(21)의 압입 깊이(PD)의 최대값(PDmax)은 대략 10mm 일 수 있고, R1,min 및 R2,min의 최소값이 각각 대략 0.05mm 일 수 있고, Wbead,min이 대략 0.1mm 일 수 있다. 이 때, 비딩부(21)의 압입 깊이(PD) 대비 오버랩 길이(OV)의 비율은 대략 1.5 ~ 99.5 % 범위를 만족할 수 있다. 상기 집전체(30)의 접촉부(33a)가 상기 비딩부(21) 상에 용접 가능하게 얹혀지기 위해서는 상기 비율이 대략 1.5% 이상인 것이 바람직하다. OV/PD 비율의 하한값은 비딩부(21)의 압입 깊이의 최대값(PDmax), 곡률 반경(R1)의 최소값(R1,min) 및 접촉부(33a)의 용접을 위해 비딩부(21)의 상면과 접촉해야 하는 접촉부(33a)의 최소폭, 즉 용접 비드(BD)의 최소 폭(Wbead,min)의 길이로부터 결정할 수 있다. 구체적으로, 일 예에서 압입 깊이의 최대값(PDmax)은 10mm이고, 접촉부(33a)의 용접을 위해 필요한 접촉부(33a)의 최소 접촉폭, 즉 용접 비드(BD)의 최소 폭(Wbead,min)의 길이는 0.1mm이고, 곡률 반경(R1)의 최소값(R1,min)은 0.05mm일 수 있다. 이 조건에서, 오버랩 길이(OV)의 최소 값은 0.15mm(= 0.1mm + 0.05mm)이고 PDmax는 10mm이므로, OV/PD 비율의 하한값은 1.5%가 된다. 다른 한편으로, 상기 집전체(30)의 접촉부(33a)가 상기 비딩부(21) 상면의 평탄부 상에 최대 폭으로 접촉될 수 있는 지점은 전지 하우징의 내측면으로부터 곡률 반경(R2)만큼 이격된 지점이다. 따라서, 접촉부(33a)의 단부가 해당 지점에 위치할 때 오버랩 길이(OV)가 최대가 된다. OV/PD 비율의 상한값은 압입 깊이의 최대값과 곡률 반경(R2)의 최소값(R2,min)으로부터 결정할 수 있다. 구체적으로, 압입 깊이의 최대값은 10mm이고, 곡률 반경(R2)의 최소값은 0.05mm일 수 있다. 이 조건에서, 오버랩 길이(OV)의 최대 값은 9.95mm(= 10mm - 0.05mm)이고 PDmax는 10mm이므로, OV/PD 비율의 상한값은 99.5%가 된다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 비딩부(21)와 접촉부(33a)가 용접되는 용접 위치를 W로 정의할 수 있다. 보다 구체적으로, 용접 위치(W)는 비딩부(21)의 최 내측 지점으로부터, 반경 방향으로 최외곽에 위치하는 용접 비드(BD)의 중앙 지점까지의 거리를 의미할 수 있다. 이 때, 용접 위치(W)와 압입 깊이(PD)는 다음 관계식을 만족할 수 있다.
(OVmin-0.5*Wbead,min)/PDmax ≤ W/PD ≤ (OVmax-0.5*Wbead,min)/PDmax
비딩부(21)와 접촉부(33a)의 용접 위치(W)는 접촉부(33a)와 비딩부(21)의 오버랩 길이와 용접 비드(BD)의 최소 폭(Wbead,min)으로부터 결정될 수 있다. 용접 위치(W)는 용접 비드(BD)의 중앙 지점이다.
도 24를 참조하여 설명하면, 접촉부(33a)가 비딩부(21)에 최소한으로 걸쳤을 때의 용접 위치를 W1라고 정의할 수 있다. 이 때의 오버랩 길이는 상술한 바와 같이 OVmin가 된다. 한편, 오버랩 되는 영역 내에서 용접 비드(BD)가 형성되어야 안정적으로 용접이 이루어질 수 있기 때문에, 오버랩 되는 영역 내에 용접 비드(BD)가 완전히 포함되어야 한다. 따라서, 용접 위치(W1)는 OVmin로부터 최소한 0.5*Wbead,min 만큼 비딩부(21)의 내 측을 향해 이격된 지점이어야 한다. 따라서 W1은 다음 관계식을 만족할 수 있다.
W1 = OVmin-0.5*Wbead,min
= R1,min+Wbead,min-0.5*Wbead,min
= R1,min+0.5*Wbead,min
한편, W1/PD의 값이 최소가 되기 위해서는, PD값이 최대가 되어야 하므로, W/PD의 최소값은 (OVmin-0.5*Wbead,min)/PDmax이 된다.
다른 측면에서, 도 24를 참조하여 설명하면, 접촉부(33a)가 비딩부(21)에 최대한으로 진입했을 때의 용접 위치를 W2라고 정의할 수 있다. 이 때의 오버랩 길이는 상술한 바와 같이 OVmax가 된다. 한편, 오버랩 되는 영역 내에서 용접 비드(BD)가 형성되어야 안정적으로 용접이 이루어질 수 있기 때문에, 오버랩 되는 영역 내에 용접 비드(BD)가 완전히 포함되어야 한다. 따라서, 용접 위치(W2)는 OVmax로부터 최소한 0.5*Wbead,min만큼 비딩부(21)의 내 측을 향해 이격된 지점이어야 한다. 따라서 W2는 다음 관계식을 만족할 수 있다.
W2 = OVmax-0.5*Wbead,min
= PDmax-R2,min -0.5*Wbead,min
한편, W2/PD의 값이 최대가 되기 위해서는, (PDmax-R2,min -0.5*Wbead,min)를 PD로 나눈 값인 {1-(R2,min +0.5*Wbead,min)/PD}이 최대가 되어야 한다. 즉, PD 값이 최대일 때 W2/PD 값도 최대가 된다. 따라서, W/PD의 최대값은 (OVmin-0.5*Wbead,min)/PDmax이 된다.
일 예에서, 비딩부(21)에 접촉부(33a)를 용접하기 위해 필요한 최소폭은 0.1mm일 수 있다. 즉, 0.1mm의 폭은 레이저 용접으로 형성할 수 있는 용접 비드(BD)의 최소폭에 해당한다. 따라서, 접촉부(33a)가 비딩부(21)의 상면에 최소 폭으로 접촉할 때의 용접 위치(W1)는 비딩부(21)의 최내측 지점으로부터 (R1,min+0.5*0.1mm)만큼 이격된 지점에 해당한다. 여기서, R1,min은 곡률 반경(R1)의 최소값으로서, 예컨대 0.05mm이다. 해당 지점에 레이저를 조사하면, 접촉부(33a)와 비딩부(21)의 접촉면에 0.1mm의 폭을 가진 용접 비드(BD)가 형성된다. 용접 비드(BD)의 폭은 접촉부(33a)의 최소 접촉폭과도 대응한다. 비딩부(21)의 압입 깊이(PD)를 기준으로 용접 위치(W1)는 비딩부(21)의 최내측 지점을 기준으로 0.1mm 이격된 지점이다.
한편, 접촉부(33a)가 비딩부(21)의 상면과 최대폭으로 접촉하는 경우는 접촉부(33a)의 단부가 전지 하우징의 내측면으로부터 곡률 반경(R2,min)만큼 이격된 지점에 위치하는 경우이다. 여기서, R2,min은 곡률 반경(R2)의 최소값으로서, 예컨대 0.05mm이다. 이 경우, 접촉부(33a)의 끝단과 가장 근접시킬 수 있는 용접 위치(W2)는 접촉부(33a)의 끝단으로부터 0.05mm 이격된 지점이다. 해당 지점에 레이저를 조사하면 0.1mm의 최소폭을 가진 용접 비즈를 접촉부(33a)의 끝단과 맞닿게 형성할 수 있다. 접촉부(33a)가 비딩부(21)의 상면과 최대폭으로 접촉하는 경우의 용접 위치(W2)는 비딩부(21)의 최내측 지점을 기준으로 (PD-R2,min-0.05mm) 만큼 이격된 지점이다. 일 예에서, R2,min이 0.05mm일 때, 용접 위치(W2)의 최대값은 비딩부(21)의 최내측 지점을 기준으로 PD-0.1mm 만큼 이격된 지점이다 .
상술한 바에 따르면, R1,min 및 R2,min이 0.05mm일 때, 압입 깊이(PD)를 기준으로 접촉부(33a)의 용접 위치(W)는 비딩부(21)의 최내측 지점을 기준으로 (0.1mm) 내지 (PD-0.1mm)의 범위에 설정될 수 있다. 압입 깊이(PD)를 기준으로 한 용접 위치(W1)의 비율은 압입 깊이(PD)가 최대값일 때이므로 W1/PD의 최소값(%)은 1%(=100*0.1mm/10mm)이다. 또한, 압입 깊이(PD)를 기준으로 한 용접 위치(W2)의 비율 W1/PD의 최대값은 PD가 최대값일 때이므로 W2/PD의 최대값(%)은 99%(=100*(10mm-0.1mm)/10mm)이다. 요컨대, 압입 깊이(PD)를 기준으로 한 용접 위치 영역은 압입 깊이(PD)를 기준으로 1% 이상 99% 이하인 영역일 수 있다.
한편, 도 24를 참조하여 설명하면, 오버랩 길이가 OV일 때의 상기 비딩부(21)의 최 내측 지점으로부터 반경 방향으로 최외곽에 위치하는 용접 비드(BD)의 중앙 지점까지의 거리를 W 라고 정의 할 수 있다. 이 때, 본 발명의 원통형 전지(1)는 다음 관계식을 만족할 수 있다.
W = OV - 0.5 * Wbead,min
다른 측면에서, 상기 비딩부(21)는 적어도 일부 영역에서 상기 전지 하우징(20)의 하면과 평행한 평탄 구간(F)을 갖고, 상기 집전체(30)과 접촉하는 상기 비딩부(21)의 상기 평탄 구간(F)의 길이는, OV - R1 일 수 있다. 즉, 도 23을 참조하여 설명하면, 평탄 구간(F)은 오버랩 길이(OV)로부터 비딩부(21)의 곡률 반경(R1)만큼 뺀 길이에 해당한다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 오버랩 길이가 OV일 때, 상기 비딩부(21)와 상기 접촉부(33a) 사이에 형성되는 용접 비드(BD)의 집합인 용접 패턴의 반경 방향 폭 길이는, Wbead,min 이상 OV - R1 이하일 수 있다.
도 24를 참조하여 설명하면, 용접 비드(BD)의 최소 폭이 Wbead,min 이므로, 비딩부(21)와 상기 접촉부(33a) 사이에 형성되는 용접 패턴의 반경 방향 폭 길이의 최소 값은 최소한 Wbead,min 이 되어야 한다. 한편, 상기 용접 비드(BD)는 상기 비딩부(21)의 평탄 구간(F) 전체 영역에 걸쳐 복수 개 형성될 수도 있다. 이 때, 복수의 용접 비드(BD)는 일정한 용접 패턴을 형성할 수 있다. 도 23을 참조하면, 비딩부(21)와 상기 접촉부(33a) 사이에 형성되는 용접 패턴의 반경 방향 폭 길이의 최대 값은 다음 관계식을 만족할 수 있다.
비딩부(21)와 접촉부(33a) 사이에 형성되는 용접 패턴의 반경 방향 폭 길이의 최대 값
= W - W1 + 용접 비드(BD)의 최소 폭
= [(OV - 0.5*Wbead,min) - (R1 + 0.5*Wbead,min)] + Wbead,min
= OV - R1
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 평탄 구간(F) 길이 대비 상기 용접 패턴의 반경 방향 폭 길이의 비율은 대략 10 ~ 40 % 의 범위를 만족할 수 있다. 바람직하게, 상기 비율은 대략 20 ~ 30 %를 만족할 수 있다. 상기 비율이 상기 범위를 만족할 때, 용접 면적 증가에 따라 용접 강도가 증가될 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 원통형 전지(1)는 높은 내충격 특성을 확보할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 전극 조립체(10)의 외경을 지름으로 하는 원의 면적 대비 상기 집전체(30)이 상기 전극 조립체(10)의 상면과 접촉하지 않는 면적의 비율을 집전체(30)의 개구율로 정의할 수 있다. 상기 개구율은 다음 식으로 계산될 수 있다.
개구율(%)
= 1 - (집전체가 전극 조립체 상면과 접촉하는 면적)/(전극 조립체 외경을 지름으로 하는 원의 면적)
= (집전체가 전극 조립체 상면과 접촉하지 않는 면적)/(전극 조립체 외경을 지름으로 하는 원의 면적)
상기 집전체(30)의 개구율은, 예를 들어 대략 30 % 이상 100 % 미만일 수 있고, 바람직하게는 대략 60 % 이상 100 % 미만일 수 있다. 도 8a에 도시된 집전체(30)이 전극 조립체(10) 상에 얹혀져 결합되는 경우를 예로 들어 설명하면, 상기 집전체(30)이 상기 전극 조립체(10)와 접촉하는 영역은, 지지부(31) 및 탭 결합부(32)일 수 있다. 즉, 달리 말하면, 상기 전극 조립체(10)의 외경을 지름으로 하는 원의 면적 대비 상기 집전체(30)이 상기 전극 조립체(10)와 접촉하는 면적의 비율은 대략 70 % 이하일 수 있고, 바람직하게는 대략 40 % 이하일 수 있다. 집전체(30)의 개구율이 상기 범위일 때, 전해액 주액 시 집전체 홀(H2)을 비롯한 집전체(30)의 개구영역을 통해 전해액이 원활하게 전극 조립체(10) 내부로 침투할 수 있다. 즉, 집전체(30)의 개구율이 상기 범위일 때, 전해액이 전극 조립체(10)에 구비된 권취 중심 홀(H1)괴 집전체(30)의 개구 영역을 통해 전극 조립체(10)에 스며들게 되며, 특히 분절편(11a)들의 중첩면들 사이, 그리고 인접하는 분절편(11a)들 사이에 미세한 틈이 있기 때문에, 해당 틈을 통한 모세관 현상에 의해 전해액이 전극 조립체(10)로 원활하게 스며들 수 있다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 상기 집전체(30)의 중심부로부터 탭 결합부(32)의 단부에 이르는 거리(A)는, 전극 조립체(10)의 권취 홀(H1)의 중심부로부터 전지 하우징(20)에 형성된 비딩부(21)의 최 내측부에 이르는 거리(B)와 실질적으로 동일하거나 더 짧게 형성될 수 있다. 이 경우, 앞서 설명한 사이징 공정 시에 비딩부(21)가 집전체(30)과 간섭을 일으키는 현상을 방지할 수 있으며, 이로써 비딩부(21)가 집전체(30)을 눌러 집전체 및/또는 전극 조립체(10)가 손상되는 것을 방지할 수 있게 된다.
상기 용접 비드(W)는 각각의 탭 결합부(32)마다 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 상기 용접 비드(W)는, 탭 결합부(32) 뿐만 아니라 집전체(30)의 지지부(31)에도 형성될 수 있다
상기 비딩부(21) 상에는 상술한 바와 같이 평탄부가 구비될 수 있다. 상기 비딩부(21)와 제1 접촉부(33a) 사이에 형성되는 용접 비드(W)는, 적어도 하나 이상이다. 적어도 하나의 상기 용접 비드(W)는 비딩부(21) 상에서 대략 원주 방향을 따라 연장되는 직선 형상의 용접 패턴을 형성할 수 있다. 이와는 달리, 상기 비딩부(21)와 제1 접촉부(33a) 사이에 형성되는 적어도 하나의 용접 비드(W)는, 비딩부 (21) 상에서 대략 원주 방향을 따라 연장되는 호 형상의 용접 패턴을 형성할 수 있다. 상기 제1 접촉부(33a) 상에 형성되는 용접 비드(W)는, 원주 방향을 따라 연장된 형태를 가질 수 있다. 다른 측면에서, 상기 용접 패턴은, 점 용접이 연결된 선 형태를 가질 수 있다. 또 다른 측면에서, 상기 비딩부(21)와 제1 접촉부(33a) 사이에 형성되는 용접 비드는, 동일 접촉부(33a) 내에 복수 개 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 하우징 결합부(33)가 복수 개 구비된 경우에 있어서, 도면에 도시되지는 않았으나, 복수의 제1 하우징 결합부(33) 각각에 구비된 제1 접촉부(33a)들은 상호 연결되어 일체로 형성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 하우징 커버(40)는, 전지 하우징(20)의 일 측에 형성된 상기 개방부를 커버한다. 상기 하우징 커버(40)는, 전지 하우징(20) 상단에 형성되는 클림핑부(22)에 의해 고정될 수 있다. 이 경우, 고정력의 향상 및 전지 하우징(20)의 밀폐성 향상을 위해 전지 하우징(20)과 하우징 커버(40) 사이 및 집전체(30)과 하우징 커버(40) 사이에는 실링 가스켓(G1)이 개재될 수도 있다. 이 경우, 상기 제1 접촉부(33a) 및/또는 제2 접촉부(34a)는, 전지 하우징(20)의 비딩부(21)와 실링 가스켓(G1) 사이에 개재될 수 있다. 이처럼 비딩부(21)와 실링 가스켓(G1) 사이에 개재된 제1 접촉부(33a) 및/또는 제2 접촉부(34a)는, 비딩부(21)로부터 상방으로 연장되는 클림핑부(22)의 절곡에 의해 고정될 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서 하우징 커버(40)는 전류의 통로로서 기능해야 하는 부품은 아니다. 따라서, 용접 또는 다른 부품의 적용에 따른 고정을 통해 전지 하우징(20)과 하우징 커버(40)를 견고히 고정시키고 전지 하우징(20)의 개방부의 밀폐성을 확보할 수만 있다면, 이러한 실링 가스켓(G1)의 적용이 필수적인 것은 아니다.
상기 실링 가스켓(G1)이 적용되는 경우 실링 가스켓(G1) 중 집전체(30)과 하우징 커버(40) 사이에 개재된 부분의 연장 길이는 전지 하우징(20)과 하우징 커버(40) 사이에 개재된 부분의 연장 길이와 비교하여 더 짧게 형성될 수 있다. 즉, 상기 실링 가스켓(G1)은, 하우징 커버(40)를 감싸며, 하우징 커버(40)의 하면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이가 하우징 커버(40)의 상면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이가 더 짧게 형성될 수 있다. 상기 전지 하우징(20)의 내측에서 실링 가스켓(G1)이 원통형 전지(1)의 중심부를 향하는 방향으로 너무 길게 연장된 경우, 실링 가스켓(G1)과 집전체(30) 간의 간섭으로 인해 집전체(30)에 변형이 생길 수 있으며, 이로 인해 집전체(30)과 전지 하우징(20) 간의 용접 부위 및/또는 집전체(30)과 제1 무지부(11) 간의 용접 부위에 힘이 가해져 크랙 등의 구조적 불량이 발생할 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이 실링 가스켓(G1)에 있어서 연장 길이를 제어함으로써 이와 같은 불량 발생을 방지할 수 있다.
도 1 및 도 14를 참조하면, 상기 실링 가스켓(G1)은, 제1 접촉부(33a)와 접촉하는 영역보다, 제1 접촉부(33a)와 접촉하지 않는 영역에서 더 큰 두께를 가질 수 있다. 상기 실링 가스켓(G1)은, 제1 접촉부(33a)와 접촉하는 영역에서의 압축률이 제1 접촉부(33a)와 접촉하지 않는 영역에서의 압출률보다 더 클 수 있다. 상기 실링 가스켓(G1)은, 제1 접촉부(33a)가 개재된 영역과 개재되지 않은 영역이 함께 존재함으로 인해, 비딩부(21) 상에서 원주 방향을 따라 영역별로 그 두께가 변할 수 있다. 상기 실링 가스켓(G1)은, 제1 접촉부(33a)가 개재된 영역과 개재되지 않은 영역이 함께 존재함으로 인해, 비딩부(21) 상에서 원주 방향을 따라 그 두께가 증가와 감소를 교차로 반복할 수 있다. 상기 실링 가스켓(G1)은, 제1 접촉부(33a)가 개재된 영역과 개재되지 않은 영역이 함께 존재함으로 인해, 비딩부(21) 상에서 원주 방향을 따라 영역별로 그 압축률이 변할 수 있다. 이는 제1 접촉부(33a)가 삽입된 영역과 삽입되지 않은 영역 각각에서 실링 가스켓(G1)의 압축된 정도의 차이가 나기 때문이며, 이로 인해 그 두께가 차이가 나기 때문이다. 한편, 이와는 달리, 실링 가스켓(G1)의 위치별 두께를 달리함으로써, 상기 실링 가스켓(G1)은, 제1 접촉부(33a)와 접촉하는 영역에서의 압축률과 제1 접촉부(33a)와 접촉하지 않는 영역에서의 압축률이 실질적으로 동일할 수도 있다. 일 예에서, 제1 접촉부(33a)와 접촉하지 않는 실링 가스켓(G1)의 두께를 증가시킬 수 있다. 이 경우, 제1 접촉부(33a)가 개재되지 않은 영역에서 실링 가스켓(G1)의 압축률이 주변 영역과 비교하여 상대적으로 낮아지는 현상을 방지할 수 있으며, 이로써 해당 영역에서의 실링력이 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 하우징 커버(40)는, 전지 하우징(20) 내부에 발생된 가스로 인한 내압 증가를 방지하기 위해 형성되는 벤팅부(41)를 구비할 수 있다. 상기 벤팅부(41)는, 하우징 커버(40)의 일부에 형성되며 내부 압력이 가해졌을 때 용이하게 파단될 수 있도록 주변 영역보다 구조적으로 취약한 영역에 해당한다. 상기 벤팅부(41)는, 예를 들어 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역일 수 있다.
상기 단자(50)는, 전지 하우징(20)의 개방부의 반대 편에서 전지 하우징(20)을 관통하여 전극 조립체(10)의 제2 무지부(12)와 전기적으로 연결된다. 상기 단자(50)는, 전지 하우징(20)의 하면의 대략 중심부를 관통할 수 있다. 상기 단자(50)는, 예를 들어 제2 무지부(12)에 결합되는 집전체(제2 집전체)(60)과 결합되거나 또는 제2 무지부(12)에 결합되는 리드 탭(미도시)과 결합됨으로써 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 상기 단자(50)는 전극 조립체(10)의 제2 전극과 동일한 극성을 가지며, 제2 전극 단자(T2)로서 기능할 수 있다. 상기 제2 무지부(12)가 양극 탭인 경우, 단자(50)는 양극 단자로서 기능할 수 있다.
이러한 단자(50)의 극성 및 기능을 고려할 때, 단자(50)는 이와 반대 극성을 갖는 전지 하우징(20)과는 절연 상태를 유지해야 한다. 이를 위해, 단자(50)와 전지 하우징(20) 사이에는 절연 가스켓(G2)이 적용될 수 있다. 이와는 달리, 단자(50)의 표면 중 일부에 절연성 물질로 코팅을 함으로써 절연을 실현할 수도 있다.
마찬가지 이유에서, 제2 무지부(12) 및/또는 집전체(제2 집전체)(60)은 전지 하우징(20)과 절연 상태를 유지해야 한다. 이를 위해, 상기 제2 무지부(12)와 전지 하우징(20) 사이 및/또는 집전체(제2 집전체)(60)과 전지 하우징(20) 사이에는 인슐레이터(70)가 개재될 수 있다. 상기 인슐레이터(70)가 적용되는 경우, 제2 무지부(12)와의 전기적 연결을 위해 단자(50)는 인슐레이터(70)를 관통할 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 전지 하우징(20)의 상단에 구비된 개방부의 반대편에 위치하는 폐쇄부의 외부면(20a)은 제1 전극 단자(T1)로서 기능할 수 있다. 상기 제1 무지부(11)가 음극 탭인 경우, 제1 전극 단자(T1)는 음극 단자일 수 있다. 본 발명에 따른 원통형 전지(1)는, 이처럼 전지 하우징(20)의 개방부 반대 편에 위치하는 하면 상에 노출되는 단자(50)를 제2 전극 단자(T2)로서 이용할 수 있고, 전지 하우징(20)의 하면 중 단자(50)가 차지하는 영역(절연 가스켓(G2)이 폐쇄부의 외부면(20a) 상에서 단자(50)의 외측으로 노출된 경우에는 절연 가스켓(G2)이 노출된 영역도 포함)을 제외한 나머지 영역을 제1 전극 단자(T1)로 이용할 수 있는 구조를 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 원통형 전지(1)는, 복수의 원통형 전지(1)를 전기적으로 연결함에 있어서 일 방향에서 양극/음극을 모두 연결할 수 있어 전기적 연결 구조를 간소화 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 원통형 전지(1)는, 전지 하우징(20)의 개방부 반대 편에 위치한 하면의 대부분을 전극 단자로 이용 가능한 구조를 가지므로, 전기적 연결을 위한 부품을 용접할 수 있는 충분한 면적의 확보가 가능한 장점을 갖는다.
도 1과 함께 도 14를 참조하면, 본 발명의 원통형 전지(1)에 있어서, 상기 집전체(제1 집전체)(30)은, 제1 무지부(11) 및 전지 하우징(20)의 내면과 결합하도록 구성된다. 상기 집전체(30)은, 전지 하우징(20)의 내면과 접하는 제1 부분, 그리고 상기 제1 무지부(11)와 결합된 제2 부분을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 부분의 중앙영역(제1 부분에 있어서, 전극 조립체(10)의 원주 방향을 따라 대략 중심부를 의미함)을 제2 부분이 존재하는 평면으로 투영하였을 때 제1 부분의 중앙영역과 제2 부분은 전극 조립체(10)의 원주 방향을 따라 이격되어 위치할 수 있다.
상기 전지 하우징(20)의 개방부와 집전체(30) 사이에는 실링 가스켓(G1)이 개재될 수 있으며, 이 경우 상기 제1 부분은 전지 하우징(20)의 내면과 실링 가스켓(G1) 사이에 개재될 수 있다. 바람직하게, 상기 제1 부분은 전지 하우징(20)의 비딩부(21)와 실링 가스켓(G1) 사이에 개재될 수 있다.
한편, 상기 제1 부분과 제2 부분은, 전극 조립체(10)의 권취 축 방향에서 서로 다른 평면 상에 위치할 수 있다. 즉, 상기 제1 부분과 제2 부분은, 원통형 전지(1)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 서로 이격되어 위치할 수 있다.
도 1과 함께 도 25를 참조하면, 상기 집전체(제2 집전체)(60)은, 전극 조립체(10)의 하부에 결합된다. 상기 집전체(60)은, 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며, 제2 무지부(12)와 전기적으로 결합된다. 상기 집전체(60)은, 제2 무지부(12)의 단부가 집전체(60)과 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합면(절곡면)(102)(도 15 참조) 상에 결합될 수 있다. 상기 제2 무지부(12)의 절곡 방향은 반경 방향일 수 있으며, 예를 들어 전극 조립체(10)의 코어를 향하는 방향일 수 있다. 상기 제2 무지부(12)가 이처럼 절곡된 형태를 가지는 경우, 제2 무지부(12)가 상하 방향으로 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 이처럼 제2 무지부(12)가 절곡되어 형성하는 결합면(102) 상에 집전체(60)이 결합되는 경우 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 접촉 저항 감소의 효과를 가져올 수 있다. 이는, 앞서 설명한 제1 무지부(11)의 경우에도 마찬가지이다.
상기 집전체(제2 집전체)(60)은, 탭 결합부(제2 탭 결합부)(62) 및 단자 결합부(63)를 포함한다. 상기 집전체(60)은, 테두리부(61)를 더 포함할 수 있다. 상기 테두리부(61)는, 전극 조립체(10)의 하부에 배치되며, 그 내부에 빈 공간(S)이 형성된 대략 림(rim) 형태를 가질 수 있다. 본 발명의 도면에서는 상기 테두리부(61)가 대략 원형의 림 형태를 나타내는 경우만을 도시하고 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 테두리부(61)는, 도시된 것과는 달리 대략 사각의 림 형태, 육각의 림 형태, 팔각의 림 형태, 또는 그 밖의 다른 림 형태를 가질 수도 있는 것이다.
상기 탭 결합부(62)는, 테두리부(61)로부터 내측으로 연장될 수 있으며 제2 무지부(12)와 결합된다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 집전체(60)과 제2 무지부(12)와의 결합은, 분절편의 중첩 레이어 수가 대략 최대치를 나타내면서 대략 일정하게 유지되는 적층수 균일구간과 적어도 대략 50% 이상 중첩되도록 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 상기 집전체(60)의 탭 결합부(62)는, 적층수 균일구간과 적어도 대략 50% 이상 중첩되도록 제2 무지부(12)와 결합될 수 있다.
상기 단자 결합부(63)는, 탭 결합부(62)와 이격된다. 상기 단자 결합부(63)는 테두리부(61)의 내측에 위치할 수 있다. 상기 단자 결합부(63)는, 후술할 단자(50)와 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 단자 결합부(63)는, 단자(50)의 바닥면에 형성된 평탄부와의 결합을 위한 용접 면적의 확보를 위해, 단자(50)의 바닥면에 형성되는 평탄부의 직경과 실질적으로 동일하거나 더 큰 직경을 가질 수 있다. 상기 단자 결합부(63)는, 예를 들어 테두리부(61)에 의해 둘러싸인 내측 공간의 대략 중심부에 위치할 수 있다.
상기 단자 결합부(63)는, 전극 조립체(10)의 코어부에 형성되는 권취 홀(H1)과 대응되는 위치에 배치될 수 있다. 상기 단자 결합부(63)는, 전극 조립체(10)의 권취 홀(H1)이 외측으로 노출되지 않도록 전극 조립체(10)의 권취 홀(H1)을 커버하도록 구성될 수 있다. 이처럼 상기 전극 조립체(10)의 권취 홀(H1)이 가려지는 경우, 홀 내를 통과하는 전해액의 유속으로 인해 홀 내측에 위치하는 분리막이 손상되고 이로써 전극이 노출되는 현상을 방지할 수 있다. 이를 위해, 상기 단자 결합부(63)는 상술한 바와 같이 권취 홀(H1)보다 더 큰 직경 또는 폭을 가질 수 있다. 다만, 본 발명이, 단자 결합부(63)의 직경이 상기 단자(50)의 바닥면에 형성되는 평탄부의 직경보다 작은 경우를 배제하는 것은 아니다.
상기 탭 결합부(62) 및 단자 결합부(63)는 직접적으로 연결되지 않고 서로 이격되도록 배치되며 테두리부(61)에 의해 전기적으로 연결된다. 이처럼, 본 발명의 집전체(60)은, 탭 결합부(62)와 단자 결합부(63)가 서로 직접 연결되어 있지 않고 테두리부(61)를 통해서 간접적으로 연결된 구조를 가짐으로써 원통형 전지(1)에 충격 및/또는 진동이 가해지는 경우 탭 결합부(62)와 제2 무지부(12) 간의 결합 부위와 단자 결합부(63)와 단자(50) 간의 결합 부위에 가해지는 충격을 분산시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 집전체(60)은, 외부 충격으로 인한 용접부위의 파손을 최소화 또는 방지할 수 있다. 좀 더 구체적으로, 본 발명의 집전체(60)은, 단자(50)를 통해 전지(1)의 내측으로 외부 충격이 전달되었을 때 테두리부(61)와 단자 결합부(63)의 연결 부위에 응력이 집중될 수 있는 구조를 갖는다. 그러나, 이러한 연결 부위는 부품 간의 결합을 위한 용접부가 형성된 부위가 아니다. 따라서, 본 발명에 있어서 외부 충격으로 인한 용접부 파손에 따른 제품 불량 발생이 효과적으로 방지될 수 있다.
상기 집전체(제2 집전체)(60)의 외경은 집전체(제1 집전체)(30)의 외경과 비교하여 더 길게 형성될 수 있다. 상기 제2 집전체(60)의 외경은, 제2 집전체(60)의 중심부로부터 제2 탭 결합부(62)의 단부에 이르는 거리(제2 집전체(60)이 테두리부(61)를 구비하는 경우에는 테두리부(61)에 이르는 거리)의 2배에 해당하는 길이를 의미한다. 상기 제1 집전체(30)의 외경은, 제1 집전체(30)의 중심부로부터 제1 탭 결합부(32)의 최 외측부에 이르는 거리의 2배에 해당하는 길이를 의미한다. 상기 제2 집전체(60)의 경우 전지 하우징(20)의 내경에 근접한 외경을 가질 수 있다. 상기 제2 집전체(60)은, 전지 하우징(20)의 내경 대비 대략 33% 내지 98.5% 범위의 외경을 가질 수 있다. 상기 제2 집전체(60)의 외경의 최소 값은 저항의 과도한 증가를 방지하기 위한 수치이다. 상기 제2 집전체(60)의 외경의 최대 값은, 예를 들어 집전체(60) 제조 시에 발생될 수 있는 제2 집전체(60) 외경의 공차, 전극 조립체(10)와 제2 집전체(60)의 결합 시에 발생되는 조립 공차, 전지 하우징(20) 제조 시에 발생될 수 있는 전지 하우징(20) 내경의 공차, 전극 조립체(10)와 제2 집전체(60)의 결합체를 전지 하우징(20) 내에 삽입할 때 발생될 수 있는 위치 상의 공차 등을 고려한 것이다. 본 발명에 있어서 인슐레이터(70)가 적용되고, 인슐레이터(70)가 전극 조립체(10)의 외주면 상단부까지 덮는 구조를 갖는 경우에는, 인슐레이터(70)의 삽입을 위한 공간까지 더 고려해야 하므로, 전지 하우징(20)의 내경 대비 제2 집전체(60)의 외경의 비율은 상기 최대 값보다 더 작아지게 된다. 상기 제2 집전체(60)의 외경은 이러한 공차를 고려하여 전지 하우징(20)의 내경부다 미세하게 작게 형성되는 수준에서 그 사이즈가 제한되는 반면, 제1 집전체(30)의 경우 사이징(sizing) 공정 시에 발생될 수 있는 간섭을 피하기 위해 그 직경이 더욱 제한될 수 있다. 이처럼 간섭의 회피를 위해, 상기 제1 집전체(30)의 외경은, 전지 하우징(20)의 비딩부(21)가 형성된 영역에서의 내경과 대략 같거나 더 짧게 형성될 수 있다.
한편, 제1 집전체(30) 및/또는 제2 집전체(60)의 외경을 T라고 하고, 상기 전극 조립체(10)의 외경을 JR이라고 하고, 상기 제1 무지부(11)의 분절편 및/또는 제2 무지부(12)의 최외각 분절편의 높이를 F라고 했을 때, 다음 관계식을 만족할 수 있다. 여기서, 상기 제1 집전체(30)의 외경이라 함은 제1 집전체(30)의 중심부로부터 제1 탭 결합부(32)의 단부에 이르는 거리의 2배를 의미하고, 제2 집전체(60)의 외경이라 함은 제2 집전체(60)의 중심부로부터 제2 탭 결합부(62)의 단부(또는 테두리부(61)의 최 외측부)에 이르는 거리의 2배를 의미한다.
JR - 2*F ≤ T < JR
바람직하게, 상기 제1 집전체(30) 및/또는 제2 집전체(60)의 외경(T)은, 상기 전극 조립체(10)의 외경(JR)으로부터 제1 무지부(11)의 분절편(11a) 및/또는 제2 무지부(12)의 최외곽 분절편의 높이(F)를 2회 뺀 길이보다 크거나 같을 수 있다. 이러한 관계식을 만족하는 경우, 제1 탭 결합부(32) 및/또는 제2 탭 결합부(62)가 최외곽 분절편(11a)의 단부를 덮는다. 즉, 제1 집전체(30) 및/또는 제2 집전체(60)은, 제1 전극의 마지막 권회턴에서 절곡된 분절편의 단부를 덮는 외경을 가질 수 있다. 이 경우, 제1 탭 결합부(32) 및/또는 제2 탭 결합부(62)(또는 테두리부(61))가 결합되는 절곡 면(102)을 형성하는 분절편(11a)들 전체가 집전체(30)에 의해 균일하게 눌려진 상태에서 용접이 가능하고 용접 이후에도 분절편(11a)의 긴밀한 적층 상태가 잘 유지될 수 있다. 긴밀한 적층 상태는 도 8에 도시된 것처럼 분절편들 사이에 틈이 실질적으로 없는 상태를 의미한다. 긴밀한 적층 상태는 원통형 전지(1)의 저항을 급속 충전에 적합한 수준(예컨대 4miliohm) 이하로 낮추는데 기여한다.
다른 측면에서, 상기 제1 집전체(30) 및/또는 제2 집전체(60)의 외경(T)은, 상기 전극 조립체(10)의 외경(JR)보다 작을 수 있다. 만약 상기 제1 집전체(30) 및/또는 제2 집전체(60)의 외경(T)이 전극 조립체(10)의 외경(JR)보다 크면, 전지 하우징(20) 내부의 데드 스페이스(Dead space)가 늘어나 원통형 전지(1)의 에너지 밀도에 악영향을 끼칠 수 있다. 따라서, 상기 제1 집전체(30) 및/또는 제2 집전체(60)의 외경(T)은, 상기 전극 조립체(10)의 외경(JR)보다 작은 것이 바람직하다.
한편, 상기 제2 집전체(60)의 제2 탭 결합부(62)와 제2 무지부(12) 간을 결합시키는 용접부가 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 연장된 길이(L2)는, 제1 집전체(30)의 제1 탭 결합부(32)와 제1 무지부(11) 간을 결합시키는 용접부가 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 연장된 길이(L1)보다 더 길게 형성될 수 있다. 예를 들어 상기 제2 집전체(60)이 알루미늄 재질의 양극 집전체고 제1 집전체(30)이 구리 재질의 음극 집전체인 경우에 있어서, 이처럼 길이 L2가 길이 L1보다 더 길게 형성되면, 상대적으로 더 낮은 전기전도도를 갖는 양극 집전체의 용접부 면적을 더 크게 형성하여 양극 집전체와 음극 집전체 각각에서의 전류의 흐름이 균형을 이룰 수 있다. 여기서, 집전체(30, 60)과 무지부(11, 12) 사이를 결합시키는 용접부의 연장 길이라 함은, 용접에 의해 형성되는 용접 비드의 연장 길이를 의미하는 것이다.
상기 전극 조립체(10)의 코어를 기준으로 하여, 상기 제1 집전체(30)의 제1 탭 결합부(32)와 상기 제1 무지부(11) 간을 결합시키는 용접부의 시작 지점에 이르는 거리는 상기 제2 집전체(60)의 제2 탭 결합부(62)와 상기 제2 무지부(12)를 결합시키는 용접부의 시작 지점에 이르는 거리와 비교하여 실질적으로 동일할 수 있다. 여기서, 실질적으로 동일하다는 것은, 두 거리가 서로 동일하거나 예를 들어 대략 5% 이하의 편차를 가짐을 의미할 수 있다.
상기 집전체(60)은, 테두리부(61)로부터 내측으로 연장되어 단자 결합부(63)와 연결되는 브릿지부(64)를 더 포함할 수 있다. 상기 브릿지부(64)는, 테두리부(61)의 내측면으로부터 단자 결합부(63)를 향하는 방향을 따라 그 폭이 연속적으로 및/또는 단계적으로 좁아지는 테이퍼부(64a)를 구비할 수 있다. 상기 테이퍼부(64a)는 단자 결합부(63)와 테두리부(61)의 연결 부위에서 테두리부(61)를 향하는 방향을 따라 그 폭이 연속적으로 및/또는 단계적으로 넓어지는 형태를 가질 수 있다. 상기 테이퍼부(64a)가 구비되는 경우 브릿지부(64)와 테두리부(61)의 연결 부위에서의 부품의 강성이 향상될 수 있다. 상기 테이퍼부(64a)가 구비되는 경우 원통형 전지(1)의 제조 공정에 있어서, 예를 들어 이송 장비 및/또는 작업자가 테이퍼부(64a)를 파지함으로써 집전체(60) 및/또는 집전체(60)과 전극 조립체(10)의 결합체를 용이하고 안전하게 이송할 수 있다. 즉, 상기 테이퍼부(64a)가 구비되는 경우, 탭 결합부(62) 또는 단자 결합부(63)와 같이 다른 부품과 용접이 이루어지는 부품을 파지함으로써 발생될 수 있는 제품의 불량 발생을 방지할 수 있다.
상기 탭 결합부(42) 및/또는 브릿지부(44)는, 복수개가 구비될 수 있다. 상기 탭 결합부(42) 및/또는 브릿지부(44)의 개수는 원통형 전지(1)에 요구되는 저항 수준, 집전체(60)에 요두되는 개구율 등을 고려하여 결정될 수 있다.
도 1 및 도 26을 참조하면, 상기 브릿지부(64)는, 브릿지부(64)의 단면적을 부분적으로 감소시키도록 형성되는 전류 차단부(N)를 구비할 수 있다. 상기 전류 차단부(N)가 형성된 영역에서의 브릿지부(64)의 단면적 감소는, 예를 들어 폭 및/또는 두께의 부분적인 감소를 통해 실현될 수 있다. 상기 전류 차단부(N)가 구비되는 경우, 전류 차단부(N)가 형성된 영역에서의 전기 저항이 증가하게 되고, 이로써 과전류 발생 시에 전류 차단부(N)에서 파단이 발생되어 신속한 전류 차단이 가능하게 된다. 상기 전류 차단부(N)는, 브릿지부(64)의 길이 방향을 따라 복수개가 구비될 수도 있다. 상기 브릿지부(64)가 복수개 구비되는 경우, 전류 차단부는 복수의 브릿지부(64)들 중 적어도 하나에 구비될 수 있다. 본 발명의 도면에서는, 상기 전류 차단부(N)가 노치의 형태를 갖는 경우만을 도시하고 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 홈 형태 및/또는 관통 홀 형태로 형성될 수도 있다. 한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 전류 차단부(N)가 형성된 영역에는 브릿지부(64)를 감싸는 형태의 테이프가 적용될 수 있다. 상기 테이프가 적용되는 경우, 전류 차단부(N)에서 파단이 일어날 때 발생되는 금속 용융물과 같은 이물이 다른 부품으로 튀어서 단락 등을 발생시키는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전류 차단부(N)에서 발생되는 열이 외부로 전달되지 않으므로 전류 차단부(N)가 보다 빠르게 파단될 수 있다.
한편, 상기 전류 차단부(N)는, 파단 시에 발생되는 이물질이 전극 조립체(10)의 내부로 유입되는 것을 방지하기 위해, 앞서 설명한 제2 무지부(12)의 적층수 균일구간과 대응되는 영역에 구비되는 것이 바람직하다. 이는, 이 영역에서는, 제2 무지부(12)의 분절편들의 중첩 레이어 수가 최대로 유지되고, 이로써 중첩된 분절편들이 마스크(mask)로서 기능할 수 있기 때문이다. 상기 전류 차단부(N)는, 예들 들어, 전극 조립체(10)의 코어로부터 반경 방향을 따라 전극 조립체(10)의 반경을 기준으로 대략 40% 내지 90% 떨어진 지점에 형성될 수 있다. 바람직하게, 상기 전류 차단부(N)는, 전극 조립체(10)의 코어부와 최외각부 사이에서 대략 중심부에 위치할 수 있다.
도 27 내지 도 30을 참조하여, 상기 전극 조립체(10)의 구조를 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다. 이하의 설명에서는 앞서 설명한 바 있는 제1 전극 및 제2 전극 중 제1 전극을 예로 들어 설명을 하지만, 이러한 제1 전극의 구조는 제2 전극에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 27 내지 도 30을 참조하면, 상기 제1 전극(110)은, 도전성 재질의 포일로 이루어진 쉬트 형상의 제1 전극 집전체(111)와, 제1 전극 집전체(111)의 적어도 일 면에 형성된 제1 활물질 층(112)과, 제1 전극 집전체(111)의 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않음으로써 형성되는 제1 무지부(11)를 포함한다.
바람직하게, 상기 제1 무지부(11)는, 노칭 가공된 복수의 분절편(11a)을 포함할 수 있다. 복수의 분절편(11a)은 복수의 그룹을 이루며, 각 그룹에 속한 분절편(11a)들은 높이(Z방향 길이) 및/또는 폭(X 방향 길이) 및/또는 이격 피치가 실질적으로 동일할 수 있다. 각 그룹에 속한 분절편(11a)들의 수는 도시된 것보다 증가 또는 감소될 수 있다. 상기 분절편(11a)은, 적어도 하나의 직선 및/또는 적어도 하나의 곡선이 조합된 기하학적 도형의 형상을 가진다. 바람직하게, 분절편(11a)은 사다리꼴 모양일 수 있는데, 사각형, 평행사변형, 반원형 또는 반타원형 등으로 변형될 수 있다.
바람직하게, 상기 분절편(11a)의 높이는 전극 조립체(10)의 권취 방향과 평행한 일 방향을 따라, 예를 들어 코어측으로부터 외주측으로 가면서 단계적으로 증가할 수 있다. 또한, 전극 조립체(10)의 코어측과 인접한 코어측 무지부(11-1)는, 분절편(11a)을 포함하지 않을 수 있고, 코어측 무지부(11-1)의 높이는 다른 영역의 무지부보다 낮을 수 있다. 또한, 전극 조립체(10)의 외주측과 인접한 외주측 무지부(11-2)는, 분절편(11a)을 포함하지 않을 수 있고, 외주측 무지부(11-2)의 높이는 다른 무지부 영역보다 낮을 수 있다.
선택적으로, 상기 제1 전극(110)은, 활물질 층(112)과 제1 무지부(11) 사이의 경계를 덮는 절연 코팅층(E)을 포함할 수 있다. 상기 절연 코팅층(E)은 절연성이 있는 고분자 수지를 포함하며, 무기물 필러를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 상기 절연 코팅층(E)은 활물질 층(112)의 단부가 분리막을 통해 대향하고 있는 반대 극성의 활물질 층과 접촉하는 것을 방지하고, 분절편(11a)의 절곡을 구조적으로 지지하는 기능을 할 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 전극(110)이 권취되어 전극 조립체(10)를 형성했을 때, 절연 코팅 층(E)은 적어도 일부가 분리막으로부터 외부로 노출되는 것이 바람직하다.
도 27 및 도 28을 참조하면, 상기 전극 조립체(10)는 도 2를 통해 설명한 바 있는 권취 공법으로 제조할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 분리막 밖으로 연장된 무지부(11, 12)의 돌출 구조를 상세하고 도시하고, 제1 전극, 제2 전극 및 분리막의 권취 구조에 대한 도시는 생략하였다. 상부로 돌출된 제1 무지부(11)는 제1 전극으로부터 연장된 것이고, 하부로 돌출된 제2 무지부(12)는 제2 전극으로부터 연장된 것이다.
상기 무지부(11, 12)의 높이가 변화하는 패턴은 개략적으로 도시하였다. 즉, 단면이 잘리는 위치에 따라서 무지부(11, 12)의 높이는 불규칙하게 변화할 수 있다. 일 예로, 사다리꼴의 분절편(11a)의 사이드 부분이 잘리면 단면에의 무지부 높이는 분절편(11a)의 높이보다 낮아진다. 따라서, 전극 조립체(10)의 단면을 나타낸 도면에 도시된 무지부(11, 12)의 높이는 각 권취 턴에 포함된 무지부 높이의 평균에 대응한다고 이해하여야 한다.
도 27 내지 도 30을 참조하면, 무지부(11, 12)는 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라, 예를 들어 외주측으로부터 코어측으로 절곡될 수 있다. 무지부(11, 12)에 있어서, 절곡이 발생되는 부위는 도 28에서 점선 박스로 표시하였다. 무지부(11, 12)가 절곡될 때, 반경 방향으로 인접하고 있는 분절편들이 여러 겹으로 중첩되면서 전극 조립체(10)의 상부와 하부에 절곡 면(102)이 형성된다. 이 때, 코어측 무지부(도 27의 11-1)는 높이가 낮아서 절곡되지 않으며, 가장 안쪽에서 절곡되는 분절편(11a)의 높이(h)는 분절편 구조가 없는 코어측 무지부(11-1)에 의해 형성된 권취 영역의 반경 방향 길이(r)와 권취 홀 직경의 10%를 합산한 길이와 대략 같거나 이보다 더 작다. 따라서, 전극 조립체(10)의 코어(C)에 형성된 홀이 폐쇄되지 않는다. 상기 홀이 폐쇄되지 않으며, 전해액 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상될 수 있다. 또한, 상기 홀을 통해 용접 도구를 삽입하여 단자(50)와 제2 집전체(60)의 용접을 용이하게 수행할 수 있다(도 13 참조).
한편, 도 31을 참조하면, 복수의 원통형 전지(1)들은 버스바(150)를 이용하여 원통형 전지(1)의 상부에서 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다. 원통형 전지(1)들의 수는 배터리 팩의 용량을 고려하여 증감될 수 있다.
각 원통형 전지(1)에 있어서, 예를 들어 단자(50)는 양의 극성을 가지고 전지 하우징(20)의 폐쇄부의 외부면(20a)은 음의 극성을 가질 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다. 상기 원통형 전지(1)의 단자(50)와 전지 하우징(20)의 개구부 반대 편에 위치하는 폐쇄부의 외부면(20a)은 모두 상부를 향하도록 배치될 수 있다(도 1에 도시된 것과는 반대로 상하로 반전된 형상임).
바람직하게, 복수의 원통형 전지(1)들은 복수의 열과 행으로 배치될 수 있다. 열은 지면을 기준으로 상하 방향이고, 행은 지면을 기준으로 좌우 방향이다. 또한, 공간 효율성을 최대화 하기 위해, 원통형 전지(1)들은 최밀 팩킹 구조(closest packing structure)로 배치될 수 있다. 최밀 팩킹 구조는, 전지 하우징(20)의 외부로 노출된 단자(50)의 단자 노출부들의 중심을 서로 연결했을 때 정삼각형이 만들어질 때 형성된다. 바람직하게, 버스바(150)는 복수의 원통형 전지(1)의 상부, 보다 바람직하게는 인접하는 열들 사이에 배치될 수 있다. 대안적으로, 버스바(150)는 인접하는 행 사이에 배치될 수 있다.
바람직하게, 버스바(150)는, 동일 열에 배치된 전지(1)들을 서로 병렬로 연결시키고, 인접하는 2개의 열에 배치된 원통형 전지(1)들을 서로 직렬로 연결시킨다.
바람직하게, 버스바(150)는, 직렬 및 병렬 연결을 위해 바디부(151), 복수의 제1 버스바 단자(152) 및 복수의 제2 버스바 단자(153)를 포함할 수 있다.
상기 바디부(151)는, 인접하는 원통형 전지(1)들의 단자(50)들 사이에서, 바람직하게는 원통형 전지(1)들의 열들 사이에서 연장될 수 있다. 대안적으로, 상기 바디부(151)는, 원통형 전지(1)들의 열을 따라 연장되되, 지그재그 형상과 같이 규칙적으로 절곡될 수 있다.
복수의 제1 버스바 단자(152)는, 바디부(151)의 일측으로부터 각 원통형 전지(1)의 단자(50)를 향해 돌출 연장되고, 단자(50)에 전기적으로 결합될 수 있다. 제1 버스바 단자(152)와 단자(50) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 복수의 제2 버스바 단자(153)는 바디부(151)의 타측으로부터 각 원통형 전지(1)의 외부면(20a)에 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 제2 버스바 단자(153)와 외부면(20a) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 바디부(151), 복수의 제1 버스바 단자(152) 및 복수의 제2 버스바 단자(153)는 하나의 도전성 금속판으로 이루어질 수 있다. 금속판은, 예를 들어 알루미늄 판 또는 구리 판일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 변형 예에서, 상기 바디부(151), 복수의 제1 버스바 단자(152) 및 제2 버스바 단자(153)는 별개의 피스 단위로 제작한 후 서로 용접 등을 통해 결합될 수도 있다.
본 발명에 따른 원통형 전지(1)은, 양의 극성을 가진 단자(50)와 음의 극성을 가진 전지 하우징(20)의 폐쇄부의 외부면(20a)이 동일한 방향에 위치하고 있으므로 버스바(150)를 이용하여 원통형 전지(1)들의 전기적 연결을 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 원통형 전지(1)의 단자(50)와 전지 하우징(20)의 폐쇄부의 외부면(20a)은 면적이 넓으므로 버스바(150)의 결합 면적을 충분히 확보하여 원통형 전지(1)을 포함하는 배터리 팩의 저항을 충분히 낮출 수 있다.
바람직하게, 원통형 전지는, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 전지의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 전지일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 전지의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지는, 예를 들어 46110 전지, 4875 전지, 48110 전지, 4880전지, 4680 전지일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 전지의 직경을 나타내고, 그 다음 숫자들은 전지의 높이를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지는, 대략 원기둥 형태의 전지로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.418인 원통형 전지일 수 있다.
다른 실시예에 따른 원통형 전지는, 대략 원기둥 형태의 전지로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.640인 원통형 전지일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 원통형 전지는, 대략 원기둥 형태의 전지로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.436인 원통형 전지일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 원통형 전지는, 대략 원기둥 형태의 전지로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.600인 원통형 전지일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 원통형 전지는, 대략 원기둥 형태의 전지로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.575인 원통형 전지일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 전지들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 1865 전지, 2170 전지 등이 이용되었다. 1865 전지의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.277이다. 2170 전지의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.300이다.
본 발명의 원통형 전지(1)는, 상술한 바와 같이, 부품 간의 접촉 면적 확대, 전류 패스(path)의 다중화, 전류 패스 길이의 최소화 등을 통해 저항이 최소화된 구조를 갖는다. 제품의 완성 후 양극과 음극 사이, 즉 단자(40)의 상면과 전지 하우징(20)의 폐쇄부의 외부면(20a) 사이에서의 저항 측정기를 통해 측정되는 원통형 배터리(1)의 AC 저항은 대략 4밀리옴(miliohm) 이하일 수 있다. 상기 원통형 배터리(1)의 AC 저항은 대략 0.5miliohm 이상, 바람직하게는 대략 1.0miliohm 이상일 수 있다.
도 32를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 원통형 전지(1)가 전기적으로 연결된 전지 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(2)을 포함한다. 본 발명의 도면에서는, 도면 도시의 편의상 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 전력 단자 등의 부품은 생략되었다. 상기 배터리 팩(3)의 제조를 위한 복수의 전지(1)들의 전기적 연결 구조에 대해서는 앞서 도 31을 참조하여 예시적으로 설명한 바 있다.
도 33을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는, 예를 들어 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 포함한다. 상기 자동차(5)는, 4륜 자동차 및 2륜 자동차를 포함한다. 상기 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
본 발명에 따르면, 전극 조립체와 전지 하우징 사이를 전기적으로 연결함에 있어서 저항을 크게 낮출 수 있다. 다른 측면에서, 본 발명에 따르면, 집전체와 전지 하우징과의 결합 부위의 결합력을 향상시킬 수 있다. 또 다른 측면에서, 본 발명에 따르면, 원통형 전지의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 또 다른 측면에서, 본 발명에 따르면, 원통형 전지를 제조함에 있어서, 전지 하우징과 집전체의 전기적 연결을 위한 용접 공정의 편의성을 높이고, 이로써 생산성을 향상시킬 수 있게 된다. 또 다른 측면에서, 본 발명에 따르면, 전지의 사용 가정에서 진동 및 충격이 가해지더라도 집전체와 전극 조립체 간의 용접 부위 및/또는 집전체와 전지 하우징 간의 용접 부위에 파손이 발생될 가능성을 크게 낮출 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 원통형 전지를 제조함에 있어서, 전지 하우징과 집전체의 전기적 연결을 위한 용접 공정의 편의성을 높이고, 이로써 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
5: 자동차
3: 배터리 팩
2: 팩 하우징
1: 원통형 전지
10: 전극 조립체
11: 제1 무지부
12: 제2 무지부
H1: 권취 홀
20: 전지 하우징
20a: 폐쇄부의 외부면
T1: 제1 전극 단자
21: 비딩부
22: 클림핑부
30: 집전체(제1 집전체)
H2: 집전체 홀
31: 지지부
32: 탭 결합부(제1 탭 결합부)
H3: 주액 홀
33: 제1 하우징 결합부
33a: 제1 접촉부
33b: 제1 연결부
34: 제2 하우징 결합부
34a: 제2 접촉부
34b: 제2 연결부
40: 하우징 커버
41: 벤팅부
G1: 실링 가스켓
50: 단자
T2: 제2 전극 단자
G2: 절연 가스켓
60: 집전체(제2 집전체)
61: 테두리부
62: 탭 결합부(제2 탭 결합부)
63: 단자 결합부
64: 브릿지부
64a: 테이퍼부
N: 전류 차단부
70: 인슐레이터

Claims (131)

  1. 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제1 무지부를 포함하는 전극 조립체;
    일 측에 개방부를 구비하고 상기 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 하우징;
    상기 전극 조립체의 상부에 배치되는 지지부, 상기 지지부로부터 연장되어 상기 제1 무지부와 결합되는 제1 탭 결합부 및 상기 지지부로부터 연장되어 상기 전지 하우징의 내면 상에 전기적으로 결합되는 제1 하우징 결합부를 포함하는 제1 집전체; 및
    상기 개방부를 밀폐하는 하우징 커버;
    를 포함하는 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탭 결합부와 상기 제1 하우징 결합부는 직접 연결되지 않고, 상기 지지부를 통해 간접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전지 하우징은,
    상기 개방부에 인접한 단부에 형성되며 내측을 향해 압입된 비딩부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탭 결합부는,
    적어도 하나의 주액 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 전지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 하우징 결합부는,
    상기 전지 하우징의 비딩부 상에 결합되는 제1 접촉부; 및
    상기 지지부와 상기 제1 접촉부 사이를 연결하는 제1 연결부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 연결부는,
    적어도 일부가 상기 제1 무지부와 접촉하도록 배치된 것을 특징으로 하는 전지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 연결부 및 제1 접촉부는 연장 방향을 따라 동일한 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 탭 결합부는,
    상기 제1 연결부보다 큰 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1 접촉부는,
    상기 제1 연결부보다 큰 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제1 연결부는,
    상기 제1 연결부의 길이 방향 양 단부 사이를 연결한 가상의 직선을 기준으로 상방으로 볼록한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 제1 연결부는,
    상기 비딩부보다 상방으로 융기된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 비딩부는,
    압입되어 내입된 최 내측 지점을 중심으로 상방에 위치한 상부 비딩부; 및
    압입되어 내입된 최 내측 지점을 중심으로 하방에 위치한 하부 비딩부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 상부 비딩부 및 상기 하부 비딩부는,
    상기 비딩부의 최 내측 지점을 상기 전지 하우징의 바닥면과 평행하게 통과하는 가상의 기준 평면을 기준으로 비대칭인 것을 특징으로 하는 전지.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 집전체의 적어도 하나의 제1 탭 결합부는,
    상기 하부 비딩부보다 더 하측에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 상부 비딩부 및 상기 하부 비딩부 중 적어도 어느 하나는,
    상기 전지 하우징의 하면과 소정 각도를 이루며 경사진 것을 특징으로 하는 전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 접촉부는,
    상기 비딩부의 경사진 상면 상에 안착되는 것을 특징으로 하는 전지.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 상부 비딩부 및 상기 하부 비딩부 중 적어도 어느 하나는,
    적어도 일부 영역에서 상기 전지 하우징의 하면과 평행한 것을 특징으로 하는 전지.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 접촉부는,
    상기 비딩부의 평탄한 상면 상에 안착되는 것을 특징으로 하는 전지.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 제1 접촉부는,
    상기 비딩부의 상면에 용접 결합되는 것을 특징으로 하는 전지.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 제1 접촉부는,
    상기 상부 비딩부 상에 형성되는 평탄한 영역 내에 용접 결합되는 것을 특징으로 하는 전지.
  21. 제5항에 있어서,
    상기 제1 접촉부는,
    적어도 일부가 상기 전지 하우징의 비딩부를 따라 원주 방향으로 연장되는 호 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  22. 제5항에 있어서,
    상기 제1 접촉부는,
    상기 제1 연결부와 상기 제1 접촉부의 교차 지점으로부터, 상기 비딩부 상에서 원주 방향을 따라 서로 반대 방향으로 연장되는 호 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  23. 제3항에 있어서,
    상기 비딩부의 압입 깊이를 PD라고 하고,
    상기 비딩부의 곡률 반경의 최소값을 R1,min 이라고 하고,
    용접 비드 폭의 최소값을 Wbead,min 이라고 하고,
    상기 비딩부와 상기 전지 하우징의 내 측면 사이의 경계 영역에서의 곡률 반경의 최소값을 R2,min 라고 했을 때,
    PD ≥ R1,min+R2,min+Wbead,min
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 전지.
  24. 제3항에 있어서,
    상기 비딩부의 압입 깊이는,
    0.2 ~ 10 mm 인 것을 특징으로 하는 전지.
  25. 제5항에 있어서,
    상기 비딩부의 압입 깊이를 PD라고 하고, 상기 압입 깊이의 최대 값을 PDmax라고 하고,
    상기 제1 접촉부의 단부로부터 상기 비딩부의 최 내측 지점을 지나는 수직선 까지의 최단 거리인 오버랩 길이를 OV라고 하고,
    상기 비딩부의 곡률 반경의 최소값을 R1,min 이라고 하고,
    용접 비드 폭의 최소값을 Wbead,min 이라고 하고,
    상기 비딩부와 상기 전지 하우징의 내 측면 사이의 경계 영역에서의 곡률 반경의 최소값을 R2,min 라고 했을 때,
    (R1,min+Wbead,min)/PDmax ≤ OV/PD ≤ (PDmax-R2,min)/PDmax
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 전지.
  26. 제19항에 있어서,
    상기 제1 접촉부와 상기 비딩부 사이의 용접 영역은,
    상기 비딩부의 평탄한 상면보다 좁게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  27. 제5항에 있어서,
    상기 비딩부의 압입 깊이를 PD라고 하고, 상기 압입 깊이의 최대 값을 PDmax라고 하고,
    상기 비딩부의 최 내측 지점으로부터, 반경 방향으로 최외곽에 위치하는 용접 비드의 중앙 지점까지의 거리를 W라고 하고,
    상기 제1 접촉부의 단부로부터 상기 비딩부의 최 내측 지점을 지나는 수직선 까지의 최단 거리인 오버랩 길이를 OV라고 하고, OV의 최소값을 OVmin 이라고 하고 OV의 최대값을 OVmax 라고 하고,
    용접 비드 폭의 최소값을 Wbead,min 이라고 했을 때,
    (OVmin-0.5*Wbead,min)/PDmax ≤ W/PD ≤ (OVmax-0.5*Wbead,min)/PDmax
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 전지.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 비딩부의 최 내측 지점으로부터 반경 방향으로 최외곽에 위치하는 용접 비드의 중앙 지점까지의 거리의 최소 값을 W1라고 하고,
    오버랩 길이가 OV일 때의 상기 비딩부의 최 내측 지점으로부터 반경 방향으로 최외곽에 위치하는 용접 비드의 중앙 지점까지의 거리를 W라고 했을 때,
    W1 = R1 + 0.5 * Wbead,min
    W = OV - 0.5 * Wbead,min
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 전지.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 비딩부는 적어도 일부 영역에서 상기 전지 하우징의 하면과 평행한 평탄 구간을 갖고,
    상기 제1 집전체와 접촉하는 상기 비딩부의 상기 평탄 구간의 길이는,
    오버랩 길이가 OV이고,
    상기 비딩부의 곡률 반경이 R1일 때,
    OV - R1 인 것을 특징으로 하는 전지.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 비딩부와 상기 제1 접촉부 사이에 형성되는 용접 패턴의 반경 방향 폭 길이는,
    Wbead,min 이상 OV - R1 이하인 것을 특징으로 하는 전지.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 평탄 구간의 길이 대비 상기 용접 패턴의 반경 방향 폭 길이의 비율은,
    10 ~ 40 % 의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 전지.
  32. 제5항에 있어서,
    상기 제1 연결부는,
    연장 방향이 적어도 1회 전환되는 적어도 하나의 제1 밴딩부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 제1 밴딩부는,
    상기 제1 접촉부의 일 단부와 상기 제1 탭 결합부의 일 단부를 연결한 가상의 직선의 중심을 지나며 상기 전지 하우징의 바닥면과 평행한 가상의 평면보다 상방에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 밴딩부는,
    상기 전지 하우징의 길이 방향 축을 따라 보았을 때, 서로 겹쳐지지 않도록 둔각으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  35. 제32항에 있어서,
    상기 제1 접촉부와 상기 제1 연결부의 경계 지점은,
    둔각으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 제1 연결부는,
    상기 비딩부를 향해 갈수록 그 경사가 단계적 또는 점진적으로 감소하는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  37. 제5항에 있어서,
    상기 제1 탭 결합부와 상기 제1 연결부 사이의 각도는,
    0 ~ 90 도 사이인 것을 특징으로 하는 전지.
  38. 제5항에 있어서,
    상기 제1 연결부는,
    상기 하우징 커버를 지지하는 것을 특징으로 하는 전지.
  39. 제5항에 있어서,
    상기 제1 탭 결합부와 상기 제1 접촉부는,
    실질적으로 동일 높이에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지.
  40. 제5항에 있어서,
    상기 제1 접촉부는,
    상기 개방부 측을 향하는 상기 비딩부의 상면과 결합되는 평탄면을 구비하는 것을 특징으로 하는 전지.
  41. 제1항에 있어서,
    상기 제1 집전체는,
    그 중심부에 형성되는 집전체 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 전지.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 집전체 홀은,
    상기 전극 조립체의 중심부에 형성되는 권취 홀과 대응되는 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 전지.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 집전체 홀의 직경은,
    상기 전극 조립체의 코어에 구비된 권취 홀의 직경보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 전지.
  44. 제1항에 있어서,
    상기 제1 집전체는,
    상기 제1 탭 결합부의 단부로부터 연장되어 상기 전지 하우징의 내측 면 상에 결합되는 제2 하우징 결합부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 제2 하우징 결합부는,
    상기 전지 하우징의 내측 면 상에 결합되는 제2 접촉부; 및
    상기 제1 탭 결합부의 단부와 상기 제2 접촉부 사이를 연결하는 제2 연결부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  46. 제44항에 있어서,
    상기 제2 연결부는,
    적어도 일부가 상기 제1 무지부와 접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전지.
  47. 제44항에 있어서,
    상기 제1 탭 결합부, 제2 연결부 및 제2 접촉부는 연장 방향을 따라 동일한 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  48. 제44항에 있어서,
    상기 제1 탭 결합부는,
    상기 제2 연결부보다 큰 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  49. 제44항에 있어서,
    상기 제2 접촉부는,
    상기 제2 연결부보다 큰 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  50. 제45항에 있어서,
    상기 제2 접촉부는,
    적어도 일부가 상기 전지 하우징의 내주면을 따라 연장된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  51. 제45항에 있어서,
    상기 제2 연결부는,
    연장 방향이 적어도 1회 전환되는 제2 밴딩부를 적어도 하나 구비하는 것을 특징으로 하는 전지.
  52. 제3항에 있어서,
    상기 제1 집전체의 중심부로부터 상기 제1 탭 결합부의 단부에 이르는 거리는 상기 전극 조립체의 권취 홀의 중심부로부터 상기 비딩부의 최 내측부에 이르는 거리와 실질적으로 동일하거나 더 짧은 것을 특징으로 하는 전지.
  53. 제3항에 있어서,
    상기 비딩부의 상면에는 평탄부가 구비되는 것을 특징으로 하는 전지.
  54. 제20항에 있어서,
    상기 비딩부와 상기 제1 접촉부 사이에 형성되는 용접 비드는 적어도 하나 이상이고,
    적어도 하나의 상기 용접 비드는, 원주 방향을 따라 연장되는 직선 형상의 용접 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 전지.
  55. 제20항에 있어서,
    상기 비딩부와 상기 제1 접촉부 사이에 형성되는 용접 비드는 적어도 하나 이상이고,
    적어도 하나의 상기 용접 비드는, 원주 방향을 따라 연장되는 호 형상의 용접 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 전지.
  56. 제20항에 있어서,
    상기 비딩부와 상기 제1 접촉부 사이에 형성되는 용접 비드는, 용접 패턴을 형성하고,
    상기 용접 패턴은 점 용접이 연결된 선 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  57. 제5항에 있어서,
    상기 비딩부와 상기 제1 접촉부 사이에 형성되는 용접 비드는,
    동일 제1 접촉부 내에 복수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 전지.
  58. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제2 무지부를 더 포함하고,
    상기 전지는, 상기 개방부의 반대 편에서 상기 전지 하우징을 관통하여 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결되는 단자; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  59. 제58항에 있어서,
    상기 전극 조립체와 상기 단자 사이에 위치하는 제2 집전체를 더 포함하며,
    상기 제2 집전체는,
    상기 제2 무지부와 결합되는 제2 탭 결합부; 및
    상기 단자와 결합되는 단자 결합부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  60. 제59항에 있어서,
    상기 단자 결합부는,
    상기 전극 조립체의 권취 홀을 커버하는 것을 특징으로 하는 전지.
  61. 제59항에 있어서,
    상기 제2 집전체의 외경은,
    상기 제1 집전체의 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 전지.
  62. 제59항에 있어서,
    상기 제2 탭 결합부는,
    상기 제2 무지부의 절곡에 의해 형성된 결합면 상에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  63. 제5항에 있어서,
    상기 전지 하우징은,
    상기 비딩부의 상부에 형성되며, 상기 하우징 커버의 가장자리 둘레를 감싸도록 연장 및 밴딩되는 클림핑부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지.
  64. 제63항에 있어서,
    상기 제1 하우징 결합부는,
    상기 클림핑부에 의해 압착 고정되는 것을 특징으로 하는 전지.
  65. 제63항에 있어서,
    상기 전지는,
    상기 클림핑부 내에 배치되며, 상기 전지 하우징과 상기 하우징 커버 사이에 개재되는 실링 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  66. 제65항에 있어서,
    상기 제1 접촉부는,
    상기 비딩부와 상기 실링 가스켓 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 전지.
  67. 제66항에 있어서,
    상기 제1 접촉부는,
    상기 클림핑부의 절곡에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 전지.
  68. 제65항에 있어서,
    상기 실링 가스켓은,
    상기 제1 접촉부와 접촉하는 영역보다, 상기 제1 접촉부와 접촉하지 않는 영역에서 더 큰 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  69. 제65항에 있어서,
    상기 실링 가스켓은,
    상기 제1 접촉부와 접촉하는 영역에서의 압축률이, 상기 제1 접촉부와 접촉하지 않는 영역에서의 압축률보다 더 큰 것을 특징으로 하는 전지.
  70. 제65항에 있어서,
    상기 실링 가스켓은,
    상기 제1 접촉부와 접촉하는 영역에서의 압축률과 상기 제1 접촉부와 접촉하지 않는 영역에서의 압축률이 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 전지.
  71. 제65항에 있어서,
    상기 실링 가스켓은,
    상기 비딩부 상에서 원주 방향을 따라 영역별로 그 두께가 변하는 것을 특징으로 하는 전지.
  72. 제65항에 있어서,
    상기 실링 가스켓은,
    상기 비딩부 상에서 원주 방향을 따라 그 두께가 증가와 감소를 교차로 반복하는 것을 특징으로 하는 전지.
  73. 제65항에 있어서,
    상기 실링 가스켓은,
    상기 비딩부 상에서 원주 방향을 따라 영역별로 그 압축률이 변하는 것을 특징으로 하는 전지.
  74. 제3항에 있어서,
    상기 제1 하우징 결합부는,
    상기 비딩부 상에 탄성 바이어스 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  75. 제31항에 있어서,
    상기 제1 접촉부와 상기 제1 연결부의 연결 부위는,
    상기 비딩부의 내측 면과 형합되는 것을 특징으로 하는 전지.
  76. 제1항에 있어서,
    상기 제1 무지부의 적어도 일부는, 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함하고,
    상기 복수의 분절편은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 밴딩되어 절곡면을 형성하는 것을 특징으로 하는 전지.
  77. 제76항에 있어서,
    밴딩된 상기 복수의 분절편은,
    여러 겹으로 중첩되면서 절곡면을 형성하고,
    상기 절곡면은, 상기 전극 조립체의 외주측으로부터 코어측으로 가면서 분절편의 중첩 레이어 수가 최대치까지 순차적으로 증가하는 적층수 증가구간과 중첩 레이어 수가 최대치가 된 반경 지점부터 최내측 분절편이 존재하는 반경 지점까지의 적층수 균일구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  78. 제77항에 있어서,
    상기 제1 탭 결합부는,
    상기 적층수 균일구간과 중첩되도록 상기 절곡면에 결합되는 것을 특징으로 하는 전지.
  79. 제78항에 있어서,
    상기 적층수 균일구간의 중첩 레이어 수는 10 이상인 것을 특징으로 하는 전지.
  80. 제79항에 있어서,
    상기 제1 탭 결합부는,
    상기 절곡면에 용접되고, 상기 탭 결합부의 용접 영역은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 상기 적층수 균일구간과 적어도 50% 이상 중첩되는 것을 특징으로 하는 전지.
  81. 제5항에 있어서,
    상기 제1 무지부와 상기 제1 탭 결합부는,
    상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 용접에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 전지.
  82. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탭 결합부는,
    상기 전지 하우징의 하면과 평행한 상태로 상기 제1 무지부에 용접 결합되는 것을 특징으로 하는 전지.
  83. 제81항에 있어서,
    상기 제1 무지부와 상기 제1 탭 결합부 사이에 형성되는 용접 비드는,
    상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 연장된 직선 형상의 용접 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 전지.
  84. 제81항에 있어서,
    상기 제1 무지부와 상기 제1 탭 결합부 사이에 형성되는 용접 비드는, 용접 패턴을 형성하고,
    상기 용접 패턴은, 점 용접이 연결된 선 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  85. 제81항에 있어서,
    상기 제1 무지부와 상기 제1 탭 결합부 사이에 형성되는 용접 비드의 폭은,
    0.1 mm 이상인 것을 특징으로 하는 전지.
  86. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탭 결합부 및 상기 제1 하우징 결합부는 각각 복수 개 구비되고,
    복수의 상기 제1 탭 결합부 및 제1 하우징 결합부는, 상기 제1 집전체의 중심부를 기준으로 방사형, 십자형 또는 이들이 조합된 형태로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  87. 제86항에 있어서,
    복수의 상기 제1 하우징 결합부는 각각 서로 인접하는 제1 탭 결합부 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 전지.
  88. 제5항에 있어서,
    상기 제1 하우징 결합부가 복수 개 구비되고,
    복수의 상기 제1 하우징 결합부 각각의 제1 접촉부는, 상호 연결되어 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 전지.
  89. 제5항에 있어서,
    상기 제1 연결부의 최 외측 지점은,
    상기 비딩부의 최 내측 지점과 소정 간격 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  90. 제32항에 있어서,
    상기 제1 밴딩부에 의해,
    상기 제1 접촉부와 상기 제1 연결부 사이의 각도가 예각이 되는 것을 특징으로 하는 전지.
  91. 제4항에 있어서,
    상기 주액 홀은,
    복수 개가 구비되는 것을 특징으로 하는 전지.
  92. 제91항에 있어서,
    복수의 상기 주액 홀은,
    상기 제1 탭 결합부의 폭 방향 중심부를 기준으로 좌우 대칭되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전지.
  93. 제92항에 있어서,
    좌우 대칭되도록 배치된 주액 홀 사이에는 상기 제1 탭 결합부와 상기 제1 무지부의 결합을 위한 용접 비드가 형성되는 것을 특징으로 하는 전지.
  94. 제4항에 있어서,
    상기 제1 탭 결합부는,
    상기 제1 탭 결합부와 상기 지지부의 연결 부위에서의 폭보다 상기 연결 부위로부터 상기 제1 탭 결합부의 길이 방향 단부를 향해 소정 거리 이격된 위치에서의 폭이 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 전지.
  95. 제94항에 있어서,
    상기 주액 홀은,
    상기 연결 부위로부터 상기 제1 탭 결합부의 길이 방향 단부를 향해 소정 거리 이격된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 전지.
  96. 제95항에 있어서,
    상기 주액 홀이 형성된 영역 중 적어도 일부는,
    상기 제1 탭 결합부와 상기 지지부의 연결 부위에서의 폭과 비교하여 상기 연결 부위로부터 상기 제1 탭 결합부의 단부를 향해 소정 거리 이격된 위치에서의 폭이 증가됨으로써 늘어난 영역에 포함되는 것을 특징으로 하는 전지.
  97. 제4항에 있어서,
    상기 제1 탭 결합부의 길이 방향 단부는,
    상기 전지 하우징의 내주 면과 대응되는 호 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
  98. 제83항에 있어서,
    상기 제1 무지부와 상기 제1 탭 결합부 사이에 형성되는 용접 패턴의 연장 방향과 상기 비딩부와 상기 제1 접촉부 사이에 형성되는 용접 패턴의 연장 방향은 서로 수직인 것을 특징으로 하는 전지.
  99. 제63항에 있어서,
    상기 비딩부의 최 내측 지점은,
    상기 클림핑부의 말단 지점보다 반경 방향으로 더 내측에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지.
  100. 제65항에 있어서,
    상기 실링 가스켓은 상기 하우징 커버를 감싸며,
    상기 실링 가스켓의 부위 중에서 상기 하우징 커버의 하면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이는, 상기 실링 가스켓의 부위 중에서 상기 하우징 커버의 상면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 전지.
  101. 제76항에 있어서,
    상기 제1 탭 결합부의 반경 방향 총 길이를 T라고 하고,
    상기 전극 조립체의 외경을 JR이라고 하고,
    상기 전극 조립체의 최외곽에 배치된 분절편의 높이를 F라고 했을 때,
    JR - 2*F ≤ T < JR
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 전지.
  102. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 외경을 지름으로 하는 원의 면적 대비 상기 제1 집전체가 상기 전극 조립체의 상면과 접촉하지 않는 면적의 비율은,
    30% 이상 100 % 미만인 것을 특징으로 하는 전지.
  103. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 외경을 지름으로 하는 원의 면적 대비 상기 제1 집전체가 상기 전극 조립체와 접촉하지 않는 면적의 비율은,
    60% 이상 100 % 미만인 것을 특징으로 하는 전지.
  104. 제41항에 있어서,
    상기 집전체 홀의 직경은,
    상기 전극 조립체의 코어에 구비된 권취 홀의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 전지.
  105. 제104항에 있어서,
    상기 권취 홀의 직경을 R3 이라고 할 때,
    상기 집전체 홀의 직경은 0.5*R3 이상 R3 미만인 것을 특징으로 하는 전지.
  106. 제104항에 있어서,
    상기 권취 홀의 직경을 R3라고 할 때,
    상기 집전체 홀의 직경은 0.7*R3 이상 R3 미만인 것을 특징으로 하는 전지.
  107. 제1항에 있어서,
    상기 전지의 직경을 높이로 나눈 폼 팩터의 비가 0.4 보다 큰 것을 특징으로 하는 전지.
  108. 제1항에 있어서,
    양극과 음극 사이에서 측정된 저항이 4miliohm 이하인 것을 특징으로 하는 전지.
  109. 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제1 무지부를 포함하는 전극 조립체;
    일 측에 개방부를 구비하고 상기 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 하우징; 및
    상기 제1 무지부 및 상기 전지 하우징의 내면과 전기적으로 결합하는 집전체;을 포함하고,
    상기 집전체는 상기 전지 하우징의 내면과 접하는 제1 부분과 상기 제1무지부와 결합된 제2 부분을 포함하고,
    상기 제1 부분의 중앙 영역을 상기 제2 부분이 존재하는 평면으로 투영하였을 때 상기 제1 부분의 중앙영역과 상기 제2 부분은 상기 전극 조립체의 원주 방향을 따라 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  110. 제109항에 있어서,
    상기 전지 하우징의 개방부와 상기 집전체 사이에 개재된 실링 가스켓을 더 포함하고,
    상기 제1 부분은, 상기 전지 하우징의 내면과 상기 실링 가스켓 사이에 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  111. 제109항에 있어서,
    상기 제1 부분과 상기 제 2부분은 상기 전극 조립체의 권취 축 방향에서 다른 평면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지.
  112. 전지에 적용되는 전극 조립체와 전지 하우징 사이를 전기적으로 연결시키는 집전체로서,
    상기 전극 조립체의 상부에 배치되는 지지부;
    상기 지지부로부터 연장되어 상기 전극 조립체의 제1 무지부와 결합되는 복수의 탭 결합부; 및
    상기 지지부로부터 연장되어 상기 전지 하우징과 전기적으로 결합되는 제1 하우징 결합부;
    를 포함하는 집전체.
  113. 제112항에 있어서,
    상기 탭 결합부와 상기 제1 하우징 결합부는 직접 연결되지 않고, 상기 지지부를 통해 간접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 집전체.
  114. 제112항에 있어서,
    상기 탭 결합부는,
    적어도 하나의 주액 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 집전체.
  115. 제112항에 있어서,
    상기 제1 하우징 결합부는,
    상기 전지 하우징의 내측 면 상에 결합되는 제1 접촉부; 및
    상기 지지부와 상기 제1 접촉부 사이를 연결하는 제1 연결부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 집전체.
  116. 제115항에 있어서,
    상기 제1 연결부는,
    연장 방향이 적어도 1회 전환되는 제1 밴딩부를 적어도 하나 구비하는 것을 특징으로 하는 집전체.
  117. 제112항에 있어서,
    상기 집전체는,
    그 중심부에 형성되는 집전체 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 집전체.
  118. 제112항에 있어서,
    상기 집전체는,
    상기 복수의 탭 결합부 중 하나의 단부로부터 연장되어 상기 전지 하우징의 내측 면 상에 결합되는 제2 하우징 결합부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집전체.
  119. 제118항에 있어서,
    상기 제2 하우징 결합부는,
    상기 전지 하우징의 내측 면 상에 결합되는 제2 접촉부; 및
    상기 복수의 탭 결합부 중 하나의 단부와 상기 제2 접촉부 사이를 연결하는 제2 연결부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 집전체.
  120. 제115항에 있어서,
    상기 제1 하우징 결합부가 복수 개 구비되고,
    복수의 상기 제1 하우징 결합부 각각의 제1 접촉부는, 상호 연결되어 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 집전체.
  121. 제116항에 있어서,
    상기 제1 밴딩부에 의해,
    상기 제1 접촉부와 상기 제1 연결부 사이의 각도가 예각이 되는 것을 특징으로 하는 집전체.
  122. 제114항에 있어서,
    상기 주액 홀은,
    복수 개가 구비되는 것을 특징으로 하는 집전체.
  123. 제122항에 있어서,
    복수의 상기 주액 홀은,
    상기 탭 결합부의 폭 방향 중심부를 기준으로 좌우 대칭되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 집전체.
  124. 제114항에 있어서,
    상기 탭 결합부는,
    상기 탭 결합부와 상기 지지부의 연결 부위에서의 폭보다 상기 연결 부위로부터 상기 탭 결합부의 길이 방향 단부를 향해 소정 거리 이격된 위치에서의 폭이 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 집전체.
  125. 제124항에 있어서,
    상기 주액 홀은,
    상기 연결 부위로부터 상기 탭 결합부의 길이 방향 단부를 향해 소정 거리 이격된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 집전체.
  126. 제125항에 있어서,
    상기 주액 홀이 형성된 영역 중 적어도 일부는,
    상기 탭 결합부와 상기 지지부의 연결 부위에서의 폭과 비교하여 상기 연결 부위로부터 상기 탭 결합부의 단부를 향해 소정 거리 이격된 위치에서의 폭이 증가됨으로써 늘어난 영역에 포함되는 것을 특징으로 하는 집전체.
  127. 제112항에 있어서,
    상기 탭 결합부의 길이 방향 단부는,
    상기 전지 하우징의 내주 면과 대응되는 호 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 집전체.
  128. 제1항 내지 제111항 중 어느 한 항에 따른 전지를 복수 개 포함하는 배터리팩.
  129. 제128항에 있어서,
    복수의 상기 전지는 소정 수의 열로 배열되고,
    각 전지의 단자와 전지 하우징 바닥의 외부면은 상부를 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  130. 제129항에 있어서,
    복수의 전지를 직렬 및 병렬로 연결하는 복수의 버스바를 포함하고,
    각 버스바는 인접하는 전지의 상부에 배치되고,
    각 버스바는,
    인접하는 단자 사이에서 연장되는 바디부;
    상기 바디부의 일측으로 연장되어 상기 일측에 위치한 전지의 전극 단자에 전기적으로 결합하는 복수의 제1버스바 단자; 및
    상기 바디부의 타측으로 연장되어 상기 타측에 위치한 전지의 전지 하우징 바닥의 외부면에 전기적으로 결합하는 복수의 제2버스바 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  131. 제128항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
KR1020220008150A 2021-01-19 2022-01-19 전지 및 이에 적용되는 집전체, 그리고 이러한 전지를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 KR102448987B1 (ko)

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