KR20220105149A - 서브 셀 및 그 제조 방법, 그리고 서브 셀을 포함하는 원통형 이차전지, 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 서브 셀은, 전극 탭을 구비하는 젤리-롤 타입의 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 일 측에 결합되며 상기 전극 탭과 전기적으로 연결되는 집전 플레이트; 및 상기 전극 탭과 상기 집전 플레이트 사이에 개재되어 상기 전극 탭과 집전 플레이트를 결합시키며, 상기 전극 탭 및 집전 플레이트와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 솔더; 를 포함한다.

Description

서브 셀 및 그 제조 방법, 그리고 서브 셀을 포함하는 원통형 이차전지, 배터리 팩 및 자동차{Sub cell and its manufacturing method, and cylindrical secondary battery, battery pack and vehicle including the sub cell}
본 발명은, 서브 셀 및 그 제조 방법, 그리고 서브 셀을 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로는, 본 발명은 전극 조립체의 무지부와 집전 플레이트 간의 전기적 연결을 위한 용접 시에 모재의 융점보다 낮은 온도에서 용접이 수행될 수 있도록 함으로써 용접 스패터가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 하는 구조를 갖는 서브 셀에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 서브 셀의 제조 방법, 그리고 이러한 서브 셀을 포함하는 원통형 이차전지, 그리고 이러한 원통형 이차전지를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
원통형 이차전지에 있어서, 전지 캔 내에 수용되는 젤리-롤(jelly-roll) 타입의 전극 조립체에 구비된 무지부(전극 탭)는 용접에 의해 집전 플레이트와 결합된다. 이처럼 전극 조립체 및 집전 플레이트를 포함하는 서브 셀을 제조함에 있어서 이용되는 용접 기술로는 레이저 용접이 이용될 수 있다.
레이저 용접을 통해 집전 플레이트와 무지부를 결합시키기 위해서는, 전극 조립체 상에 놓여진 집전 플레이트의 모재의 융점 이상의 온도로 용접이 진행되어야 집전 플레이트의 일부가 용융되어 무지부와 결합될 수 있다.
집전 플레이트로는, 예를 들어 알루미늄 재질의 플레이트가 이용될 수 있으며 그 밖에 구리 재질의 플레이트도 이용되는 경우가 있다. 그러나, 이러한 알루미늄이나 구리 재질로 이루어진 통상적인 집전 플레이트를 직접 용융시켜 무지부와 접합시키는 용접 방식의 경우, 알루미늄이나 구리의 높은 융점으로 인해 매우 큰 에너지를 갖는 레이저를 조사하여 용접이 진행될 수 밖에 없다.
이처럼, 용접을 위해 조사되는 레이저의 에너지가 매우 높고 레이저가 직접 조사되는 대상물인 집전 플레이트의 융점 이상에서 용접이 이루어지는 경우, 용접 스패터(spatter)가 발생된다. 용접 스패터는, 전극 조립체 내부에 금속 이물질로서 잔존하게 되며, 전극 간의 불필요한 전기적 연결에 의한 미세 쇼트(short)를 발생시킬 수 있다. 이러한 미세 쇼트는, 원통형 이차전지의 성능 저하 및 안전성의 저해 등의 부정적 영향을 미칠 수 있는 요소이다.
따라서, 원통형 이차전지를 구성하는 전극 조립체 및 집전 플레이트 간의 결합을 위한 레이저 용접을 수행함에 있어서 이러한 용접 스패터가 발생하지 않도록 하는 구조를 갖는 서브 셀 및 이러한 서브 셀을 제조 방법을 개발하는 것이 요구된다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 원통형 이차전지를 구성하는 전극 조립체 및 집전 플레이트 간의 결합을 위한 레이저 용접을 수행함에 있어서 용접 스패터가 발생하지 않도록 하는 것을 목적으로 한다.
다른 측면에서, 본 발명은, 일 방향에서 복수의 원통형 이차전지를 전기적으로 연결하고자 하는 경우에 있어서, 전지 캔의 폐쇄부의 넓은 면을 전극 단자로 활용할 수 있도록 함으로써 배터리 팩 제조를 위한 버스바 등의 전기적 연결 부품과 원통형 이차전지의 전극 단자가 용접될 수 있는 충분한 면적을 확보하는 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 서브 셀은, 전극 탭을 구비하는 젤리-롤 타입의 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 일 측에 결합되며 상기 전극 탭과 전기적으로 연결되는 집전 플레이트; 및 상기 전극 탭과 상기 집전 플레이트 사이에 개재되어 상기 전극 탭과 집전 플레이트를 결합시키며, 상기 전극 탭 및 집전 플레이트와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 솔더; 를 포함한다.
상기 솔더는, 용접에 의한 용융 시 모세관 현상에 따른 침투로 인해 서로 인접한 전극 탭 사이에 개재될 수 있다.
상기 솔더의 침투 거리는, 상기 전극 탭의 연장 길이보다 짧게 형성될 수 있다.
상기 전극 탭은 그 길이 방향 단부가 상기 집전 플레이트와 나란한 방향으로 절곡된 형태를 가질 수 있고, 상기 솔더는 상기 전극 탭의 절곡에 의해 형성된 평면과 집전 플레이트 사이에 개재될 수 있다.
상기 솔더가 서로 인접한 전극 탭 사이로 침투한 거리는, 상기 전극 조립체의 외주면으로부터 권취 중심부를 향할수록 점점 더 짧아질 수 있다.
상기 집전 플레이트는, 중심부로부터 방사상으로 연장되며 상호 이격된 복수의 서브 플레이트를 구비할 수 있다.
상기 서브 플레이트는, 상기 전극 조립체의 외주면으로부터 권취 중심부를 향하는 방향으로 갈수록 그 폭이 점점 더 좁아지는 형태를 가질 수 있다.
상기 솔더는, 상기 전극 조립체의 외주면으로부터 권취 중심부를 향하는 방향으로 갈수록 그 폭이 점점 더 좁아지는 형태를 가질 수 있다.
상기 전극 조립체는 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가질 수 있으며, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 장변 단부에 활물질이 코팅되어 있지 않으며 상기 분리막의 외부로 노출된 제1 무지부 및 제2 무지부를 구비할 수 있다.
상기 제1 무지부 및 제2 무지부 중 적어도 어느 하나는 상기 전극 탭으로서 기능할 수 있다.
상기 제1 무지부 및 제2 무지부 중 적어도 어느 하나의 무지부는 전극 조립체의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함할 수 있고, 상기 복수의 분절편은, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 밴딩될 수 있다.
밴딩된 상기 복수의 분절편은, 상기 반경 방향을 따라서 여러 겹으로 중첩될 수 있다.
상기 전극 조립체는, 상기 무지부에 구비된 상기 분절편의 중첩 수가 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 일정하게 유지되는 영역인 용접 타겟 영역을 구비할 수 있다.
상기 집전 플레이트는, 상기 용접 타겟 영역 내에서 상기 무지부와 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 서브 셀의 제조 방법은, (S1) 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 마련하는 단계; (S2) 일 면 상에 솔더가 형성된 집전 플레이트를 마련하는 단계; (S3) 상기 전극 조립체 상에 상기 집전 플레이트를 안착시키는 단계; 및 (S4) 상기 솔더가 용융되어 상기 전극 조립체의 전극 탭과 상기 집전 플레이트가 상호 결합되도록 용접을 수행하되, 상기 전극 탭의 융점 및 상기 집전 플레이트의 융점보다 더 낮은 온도로 용접을 수행하는 단계; 를 포함한다.
상기 (S4) 단계는, 상기 솔더를 용융시켜 모세관 현상에 의해 서로 인접한 전극 탭 사이로 상기 솔더가 침투하도록 하는 단계일 수 있다.
상기 (S2) 단계는, 상기 솔더의 침투 거리가 상기 전극 탭의 연장 길이보다 더 짭게 형성되도록 상기 집전 플레이트의 일 면 상에 형성되는 상기 솔더의 두께를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (S2) 단계는, 상기 솔더가 서로 인접한 전극 탭 사이로 침투한 거리가 상기 전극 조립체의 외주면으로부터 권취 중심부를 향할수록 점점 더 짧아지도록 상기 집전 플레이트의 일 면 상에 형성되는 상기 솔더의 두께를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지는, 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 셀; 및 일 측에 구비된 개방부를 통해 상기 서브 셀을 수용하고, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전지 캔; 을 포함한다.
상기 원통형 이차전지는, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되고, 상기 전지 캔과 반대 극성을 가지며, 상기 전지 캔과 절연되는 단자를 더 포함할 수 있다.
상기 단자는, 상기 전지 캔의 개방부의 반대편에 구비되는 폐쇄부를 통해 외측으로 노출될 수 있다.
상기 원통형 이차전지는, 상기 개방부를 밀폐하는 캡 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 캡 플레이트는, 극성을 갖지 않을 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 원통형 이차전지 및 이를 수용하는 팩 하우징을 포함한다.
이 경우, 상기 복수의 원통형 이차전지 각각은, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되고, 상기 전지 캔과 반대 극성을 가지며, 상기 전지 캔과 절연되는 단자를 포함할 수 있다.
상기 복수의 원통형 이차전지 각각의 상기 전지 캔의 폐쇄부의 외부면과 상기 전지 캔의 상기 단자는 동일한 방향을 향하도록 배치될 수 있다.
상기 배터리 팩은, 복수의 상기 원통형 이차전지를 직렬 및 병렬로 연결하는 복수의 버스바를 포함할 수 있다.
상기 복수의 버스바는, 상기 복수의 원통형 이차전지들의 상부에 배치될 수 있다. 이 경우, 각각의 상기 버스바는, 인접하는 원통형 이차전지들의 단자들 사이에서 연장되는 바디부; 상기 바디부의 일측 방향으로 연장되어 상기 일측 방향에 위치한 원통형 이차전지의 단자에 전기적으로 결합되는 복수의 제1 버스바 단자; 및 상기 바디부의 타측 방향으로 연장되어 상기 타측 방향에 위치한 원통형 이차전지의 상기 폐쇄부의 외부면에 전기적으로 결합되는 복수의 제2 버스바 단자; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 원통형 이차전지를 구성하는 전극 조립체 및 집전 플레이트 간의 결합을 위한 레이저 용접을 수행함에 있어서 용접 스패터가 발생하지 않게 되며, 이에 따라 원통형 이차전지의 성능 저하를 방지할 수 있고, 원통형 이차전지 사용 상의 안전성이 저해되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 원통형 이차전지의 직렬 및/또는 병렬 연결을 위한 전기적 배선 작업을 원통형 이차전지의 한 쪽에서 수행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 일 방향에서 복수의 원통형 이차전지를 전기적으로 연결하고자 하는 경우에 있어서, 전지 캔의 폐쇄부의 넓은 면을 전극 단자로 활용할 수 있게 되며, 이로써 배터리 팩 제조를 위한 버스바 등의 전기적 연결 부품과 원통형 이차전지의 전극 단자가 용접될 수 있는 충분한 면적을 확보할 수 있다.
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 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 셀을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 셀을 제조하기 위한 집전 플레이트 및 그 일 면에 형성된 솔더를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 서브 셀을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 서브 셀을 제조하기 위한 집전 플레이트 및 그 일 면 상에 형성된 솔더를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 서브 셀을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 서브 셀을 제조하기 위한 집전 플레이트 및 그 일 면 상에 형성된 솔더를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극 구조를 예시적으로 나타낸 평면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 제1 전극의 무지부 분절구조가 제2 전극에도 적용된 전극 조립체를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 무지부가 절곡된 전극 조립체를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 무지부가 절곡된 전극 조립체의 사시도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 외관을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 내부 구조를 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 원통형 이차전지를 버스바를 이용하여 직렬 및 병렬로 연결한 모습을 나타낸 상부 평면도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 개략도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 나타내는 개념도이다.
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.
도 1 내지 도 3, 그리고 도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 셀(1)은 전극 조립체(10), 집전 플레이트(제1 집전 플레이트)(20) 및 전극 조립체(10)와 집전 플레이트(20)를 결합시키는 솔더(S)를 포함한다. 상기 서브 셀(1)은, 집전 플레이트(제1 집전 플레이트)(20) 외에 집전 플레이트(제2 집전 플레이트)(60)를 더 포함할 수도 있다.
상기 전극 조립체(10)는, 제1 극성을 갖는 제1 전극, 제2 극성을 갖는 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 분리막을 포함한다. 상기 전극 조립체(10)는, 젤리-롤(jelly-roll) 타입의 전극 조립체일 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 전극, 분리막, 제2 전극을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 중심부(C)를 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(10)의 외주면 상에는 전지 캔(30)(도 13 및 도 14 참조)과의 절연을 위해 분리막이 구비될 수 있다. 상기 제1 전극은 양극 또는 음극이고, 제2 전극은 제1 전극과 반대되는 극성을 갖는 전극에 해당한다.
상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 제1 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제1 전극 활물질을 포함한다. 상기 제1 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측 단부에는 제1 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 상기 무지부는, 제1 전극 탭(11)으로서 기능한다. 상기 제1 전극 탭(11)은, 양극 탭 또는 음극 탭일 수 있다.
상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 제2 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제2 전극 활물질을 포함한다. 상기 제2 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 타 측 단부에는 제2 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 상기 무지부는, 제2 전극 탭(12)으로서 기능한다. 상기 제2 전극 탭(12)은, 제1 전극 탭(11)과 반대의 극성을 갖는다.
상기 제1 전극 탭(11) 및 제2 전극 탭(12)은 서로 반대방향으로 연장될 수 있다. 본 발명의 도면에서는, 제1 집전 플레이트(20)와 제2 집전 플레이트(60)와 제2 전극 탭(12)이 모두 구비되는 경우만을 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 제1 집전 플레이트(20) 및 제2 집전 플레이트(60) 중 어느 하나는 구비되지 않을 수도 있다. 또한, 본 발명의 도 1 내지 도 3, 그리고 도 7에서는 상기 제1 집전 플레이트(20)와 제1 전극 탭(11)의 결합 구조에 대해서만 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐이고 또한 설명의 편의를 위한 것일 뿐이며, 이들 도면에 도시된 결합 구조는 제1 집전 플레이트(20)와 제1 전극 탭(11)의 결합 및/또는 제2 집전 플레이트(60)와 제2 전극 탭(12)의 결합에 적용될 수 있는 것이다.
도 1 및 도 14를 참조하면, 상기 집전 플레이트(20)는, 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측에 결합된다. 상기 집전 플레이트(20)는 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며, 제1 전극 탭(11) 과 전기적으로 연결된다. 상기 집전 플레이트(20)는, 제1 전극 탭(11)과 결합되는 탭 결합부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 집전 플레이트(20)는, 원통형 이차전지에 있어서 전극 단자로서 기능할 수 있는 부품과 결합되는 단자 결합부를 포함할 수 있다.
상기 집전 플레이트(제1 집전 플레이트)(20)는, 예를 들어 중심부로부터 방사상으로 연장되는 복수의 서브 플레이트(20)를 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 서브 플레이트(20)들은 탭 결합부로서 기능할 수 있다. 상기 복수의 서브 플레이트(20)는 서로 이격되어 배치될 수 있다. 이는, 집전 플레이트(20)가 전극 조립체(10)의 상부 또는 하부에 결합되었을 때, 집전 플레이트(20)가 전극 조립체(10)의 상면 또는 하면을 부분적으로만 가리도록 함으로써 전해질 주입시의 함침성을 향상하고, 또한 전극 조립체(10) 내부에서 가스 발생 시에 가스 배출 용이성을 확보하기 위함이다.
상기 집전 플레이트(20)는, 추가적으로 리드 플레이트(22)를 더 포함할 수 있다. 상기 리드 플레이트(22)는, 단자 결합부로서 기능할 수 있다. 물론, 이와는 달리, 상기 집전 플레이트(20)는 리드 플레이트(22)를 구비하지 않을 수도 있고, 이 경우 예를 들어 집전 플레이트(20)의 중심부가 단자 결합부로서 기능할 수 있다.
상기 집전 플레이트(제2 집전 플레이트)(60)는, 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 타 측에 결합된다. 상기 집전 플레이트(60)는 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며, 제2 전극 탭(12)과 전기적으로 연결된다. 상기 집전 플레이트(제2 집전 플레이트)(60)는, 제2 전극 탭(12)과 결합되는 탭 결합부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 집전 플레이트(20)는, 원통형 이차전지에 있어서 전극 단자로서 기능할 수 있는 부품과 결합되는 단자 결합부를 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 솔더(S)는, 전극 탭(11)과 집전 플레이트(20) 사이에 개재되어 전극 탭(11)과 집전 플레이트(20)를 결합시킨다. 상기 솔더(S)는, 전극 탭(11) 및 집전 플레이트(20)보다 더 낮은 융점을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 이는, 솔더(S)의 융점을 모재의 융점보다 낮게 형성함으로써 용접 온도를 낮추고, 이에 따라 용접 시에 용접 스패터(welding spatter)가 발생되는 것을 방지하기 위함이다.
상기 솔더(S)는, 솔더링 타입 또는 브레이징 타입으로 제공될 수 있다. 여기서 솔더링 타입이란, 집전 플레이트(20)의 일 면 상에 저융점을 갖는 솔더 페이스트를 도포하는 방식으로 솔더(S)를 제공하는 것을 의미한다. 또한, 브레이징 타입이란, 집전 플레이트(20)의 일 면 상에 저융점을 갖는 합금 층을 클래딩(cladding) 하여 집전 플레이트(20)와 솔더(S)가 일체로 제공되는 것을 의미한다.
상기 솔더링 타입의 경우, 예를 들어 Sn, Ag 및 Bi를 포함하는 3원계 합금이 솔더(S)로 이용될 수 있다. 이 경우, 상기 솔더(S)는 대략 290도의 융점을 가질 수 있다. 상기 브레이징 타입의 경우, 예를 들어 Al 40 계열(Al에 실리콘을 첨가하여 융점을 낮춤)의 합금이 솔더(S)로 이용될 수 있다. 이 경우, 상기 솔더(S)는 대략 510도의 융점을 가질 수 있다.
상기 전극 탭(11)은, 포일(foil)로 이루어지는 전극 집전체 중 전극 활물질이 도포되지 않은 영역에 해당한다. 따라서, 상기 전극 탭(11)은, 구리 또는 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 상기 집전 플레이트(20) 역시 알루미늄 또는 구리 재질의 플레이트가 이용될 수 있다. 상기 솔더링 타입 및 브레이징 타입의 경우 모두, 솔더(S)를 구성하는 합금은 전극 탭(11) 및 집전 플레이트(20)에 통상적으로 이용되는 금속인 알루미늄 및 구리와 비교하여 충분히 낮은 융점을 갖는다.
도 2를 참조하면, 서로 이격된 복수의 전극 탭(11)들은 전극 조립체(10)의 일 측으로 나란히 연장되며, 솔더(S)는 용접에 의한 용융 시 모세관 현상에 따른 침투로 인해 서로 인접한 전극 탭(11) 사이에 개재된다. 본 발명의 도면에서는 상기 솔더(S)가 개재된 형태가 나타나도록 하기 위해 서로 인접한 전극 탭(11) 사이의 간격을 충분히 넓게 도시하였으나, 실제로는 젤리-롤 타입의 전극 조립체에 있어서 서로 인접한 전극 사이 및 서로 인접한 전극 탭(11) 사이에는 매우 미세한 틈새만이 존재한다. 따라서, 용접에 의해 일시적으로 용융되는 솔더(S)는 모세관 현상에 의해 인접한 전극 탭(11) 사이의 틈새로 침투하게 된다.
상기 솔더(S)의 침투 거리(D)가 전극 탭(11)의 연장 길이(L)보다 길어지는 경우 솔더(S)가 전극 집전체 상에 형성된 전극 활물질과 접촉하게 된다. 이러한 현상이 발생되는 경우, 전극 활물질이 손상될 수 있으며, 서로 인접한 반대 극성의 전극 사이가 전기적으로 연결되어 단락이 발생될 수 있다. 따라서, 상기 솔더(S)가 인접한 전극 탭(11) 사이로 침투한 거리(D)는 전극 탭(11)의 연장 길이(L)보다 더 짧게 형성된다.
도 4를 참조하면, 상기 집전 플레이트(20) 상에 형성되는 솔더(S)의 두께(T)는, 전극 탭(11)의 연장 길이(L)보다 용접에 의해 솔더(S)가 인접한 전극 탭(11) 사이로 침투하는 거리(D)가 더 짧게 형성될 수 있도록 조절된다.
도 3을 참조하면, 상기 전극 탭(11)은, 그 길이 방향 단부가 집전 플레이트(20)와 나란한 방향(X축에 나란한 방향)으로 절곡된 형태를 갖는다. 이 경우, 상기 솔더(S)는, 전극 탭(11)의 절곡에 의해 형성된 평면과 집전 플레이트 사이에 개재된다. 이처럼 전극 탭(11)이 절곡된 형태를 갖는 경우, 전극 탭(11)이 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도 향상을 가져올 수 있다.
도 5에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 서브 셀(1)은, 도 2에 도시된 실시예와 비교하여 솔더(S)의 침투 형태에 있어서 차이가 있을 뿐, 그 밖의 요소들은 실질적으로 동일하다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 서브 셀(1)을 설명함에 있어서는 앞선 실시예에서와 중복되는 설명은 생략하기로 하며, 솔더(S)의 침투 형태에 대해서 집중적으로 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 상기 솔더(S)는, 모세관 현상에 따라 침투하여 서로 인접한 전극 탭(11) 사이에 개재된다. 이 때, 상기 솔더(S)가 침투한 거리(D1, D2)는 전극 조립체(10)의 외주면으로부터 권취 중심부(C)를 향할수록 점점 더 짧아진다. 즉, 거리 D1은 거리 D2보다 더 길게 형성되며, 솔더(S)의 침투 거리는 D1에서부터 D2까지 대략 일정하게 감소한다. 이처럼 솔더(S)의 침투 거리가 차등적으로 형성됨으로써, 전극 탭(11)과 솔더(S)가 접합 영역 전체에 걸쳐 전기저항 및 발열량의 편차를 최소화 할 수 있다.
도 1을 참조하면, 젤리-롤 타입의 전극 조립체(10)를 상부에서 바라봤을 때, 권취 중심부(C)로부터 멀어질수록 하나의 원을 그리며 감겨진 전극의 면적은 커진다. 상기 권취 중심부(C)로부터 멀리 위치하는 솔더(S) 영역과 접하는 전극의 면적은 권취 중심부(C)로부터 가까이 위치하는 솔더(S) 영역과 접하는 전극의 면적보다 더 커지게 된다. 따라서, 권취 중심부(C)로부터 멀리 위치하는 솔더(S) 영역은 권취 중심부(C)로부터 가까이 위치하는 솔더(S) 영역과 비교하여 전극과 접촉하는 면적이 상대적으로 더 큰 것이 유리하다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 집전 플레이트(20) 상에 형성되는 솔더(S)의 두께(T1, T2)는, 용접에 의해 전극 탭(11) 사이로 솔더(S)가 침투한 거리(D1, D2)가 전극 조립체(10)의 외주면으로부터 권취 중심부(C)를 향할수록 점점 더 짧게 형성되도록 조절된다. 즉, 용접 수행 이 전에 집전 플레이트(20)의 일 면 상에 형성된 솔더(S)의 두께(T1, T2)는 집전 플레이트(20)의 외측으로부터 중심부를 향할수록 점점 더 작아진다. 즉, 두께 T1은 두께 T2보다 더 크게 형성되며, 솔더(S)의 두께는 T1에서부터 T2까지 대략 일정하게 감소한다.
도 7에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 서브 셀(1)은, 앞선 실시예들과 비교하여 집전 플레이트(20)의 형상에 있어서 차이가 있을 뿐, 그 밖의 요소들은 실질적으로 동일하다. 따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 서브 셀(1)을 설명함에 있어서는 앞선 실시예들과 중복되는 설명은 생략하기로 하며, 집전 플레이트(20)의 형상 및 그에 따른 솔더(S)의 형태에 대해서 집중적으로 설명하기로 한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 집전 플레이트(20)의 서브 플레이트(21)는, 전극 조립체(10)의 외주면으로부터 권취 중심부를 향하는 방향으로 갈수록 그 폭이 점점 더 좁아지는 형태를 갖는다. 이에 따라, 상기 서브 플레이트(21)의 일 면 상에 형성된 솔더(S) 역시 전극 조립체(10)의 외주면으로부터 권취 중심부를 향하는 방향으로 갈수록 그 폭이 점점 더 좁아지는 형태를 갖는다. 이러한 구조는, 도 5에 도시된 구조가 갖는 장점과 동일한 장점을 얻기 위한 것이다. 또한, 도 7 및 도 8에 도시된 서브 셀(1)의 구조는 도 5 및 도 6에 도시된 서브 셀(1)의 구조와 조합되어 전극 탭(11)과 솔더(S)의 접합 영역 전체에 걸쳐 전기저항 및 발열량의 편차를 더욱 감소시킬 수 있다.
도 9 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(10)의 구체적인 구조가 나타나 있다. 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 9 및 도 10을 참조하면, 상기 제1 전극(110)은 도전성 재질의 포일로 이루어진 대략 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 적어도 일 면에 형성된 제1 활물질 층(112)과, 제1 전극 집전체(111)의 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않음으로써 형성되는 제1 무지부(제1 전극 탭)(11)을 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 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 코팅층(E)은 적어도 일부가 분리막으로부터 외부로 노출되는 것이 바람직하다.
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 9 내지 도 12를 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 10에서 점선 박스로 표시하였다. 무지부(11, 12)가 절곡될 때, 반경 방향으로 인접하고 있는 분절편들이 여러 겹으로 중첩되면서 전극 조립체(10)의 상부와 하부에 절곡면(102)이 형성된다. 이 때, 코어측 무지부(도 9의 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 같거나 이보다 더 작다. 따라서, 전극 조립체(10)의 코어, 즉 권취 중심(C)에 형성된 홀이 폐쇄되지 않는다. 상기 홀이 폐쇄되지 않으면, 전해액 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상될 수 있다. 또한, 상기 홀을 통해 용접 도구를 삽입하여 단자(40)와 집전 플레이트(20)(도 14 참조)의 용접을 용이하게 수행할 수 있다.
한편, 도 9 내지 도 12와 함께 도 14를 참조하면, 상술한 바와 같이 제1 전극 탭(제1 무지부)(11) 및/또는 제2 전극 탭(제2 무지부)(12)이 각각 분절편들을 갖고 분절편들이 대략 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 내측 또는 외측으로 절곡되어 여러 겹으로 중첩된 구조를 갖는 경우에 있어서, 전극 조립체(10)는 분절편들의 중첩 레이어 수가 반경 방향을 따라 대략 일정하게 유지되는 영역인 용접 타겟 영역을 구비할 수 있다. 이 영역에서는 중첩 레이어 수가 대략 최대로 유지된다. 따라서, 집전 플레이트(20, 60)와 전극 탭(11, 12) 간의 용접이 이 영역 내에서 이루어지는 것이 유리할 수 있다. 이는, 예를 들어 레이저 용접을 적용하는 경우에 있어서, 용접 품질의 향상을 위해 레이저의 출력을 높이는 경우 레이저 빔이 전극 탭(11, 12)을 관통하여 전극 조립체(10)를 손상시키는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 이는 용접 스패터 등의 이물질이 전극 조립체(10)의 내부로 유입되는 것을 효과적으로 방지할 수 있도록 하기 위함이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 상술한 바와 같은 본 발명의 서브 셀(1)의 제조 방법은, (S1) 전극 조립체(10)를 마련하는 단계, (S2) 집전 플레이트(20)를 마련하는 단계, (S3) 전극 조립체(10) 상에 집전 플레이트(20)를 안착시키는 단계, 및 (S4) 용접을 수행하는 단계를 포함한다. 상기 (S1) 단계와 (S2)단계는 어느 하나의 단계가 먼저 수행될 수도 있고, 두 가지 단계가 동시에 수행될 수도 있다.
상기 (S1) 단계는, 전극과 분리막을 포함하는 적층체를 권취하여 젤리-롤 타입의 전극 조립체(10)를 마련하는 단계이다.
상기 (S2) 단계는, 일 면 상에 솔더(S)가 형성된 집전 플레이트(20)를 마련하는 단계이다. 상기 (S2) 단계는, 집전 플레이트(20) 상에 솔더 페이스트를 도포하는 단계 또는 집전 플레이트(20)의 일 면 상에 합금 층을 클래딩(cladding) 하는 단계를 포함한다.
상기 (S2) 단계는, (S4) 단계의 수행 시에 솔더(S)의 침투 거리가 전극 탭(11)의 연장 길이보다 더 짧게 형성되도록 집전 플레이트(20)의 일 면 상에 형성되는 솔더(S)의 두께를 조절하는 단계를 더 포함할 수도 있다(도 2 및 도 4 참조). 상기 (S2) 단계는, 솔더(S)가 서로 인접한 전극 탭(11) 사이로 침투한 거리가 전극 조립체(10)의 외주면으로부터 권취 중심부(C)를 향할수록 점점 더 짧아지도록 집전 플레이트(20)의 일 면 상에 형성되는 솔더(S)의 두께를 조절하는 단계를 더 포함할 수도 있다(도 5 및 도 6 참조).
상기 (S4) 단계는, 솔더(S)가 용융되어 전극 조립체(10)의 전극 탭(11)과 집전 플레이트(20)가 상호 결합되도록 용접을 수행하는 단계이다. 상기 (S4) 단계는, 집전 플레이트(20)와 전극 탭(11)의 융점보다 더 낮은 온도로 용접을 수행하는 단계이다. 상기 용접은 예를 들어 레이저 용접일 수 있다. 상기 (S4) 단계는, 솔더(S)를 용융시켜 모세관 현상에 의해 서로 인접한 전극 탭(11) 사이로 솔더(S)가 침투하도록 하는 단계이다(도 2 및 도 5 참조).
도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 원통형 이차전지(2)의 예시적 형태가 나타나 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(2)는 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 셀(1) 및 이를 수용하는 전지 캔(30)을 포함한다. 상기 원통형 이차전지(2)는, 그 밖에도 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결되는 단자(40) 및/또는 전지 캔(30)의 일 측에 형성되는 개방부를 마감하는 캡(50)을 더 포함할 수 있다.
상기 전지 캔(30)은, 일 측에 개방부가 구비된 대략 원통형의 수용체로서, 예를 들어 금속과 같은 도전성을 갖는 재질로 이루어진다. 상기 전지 캔(30)은, 개방부의 반대편에 위치하는 폐쇄부를 구비하며, 상기 폐쇄부의 외부면(30a)은, 대략 플랫한 형태를 가질 수 있다. 상기 전지 캔(30)은, 개방부를 통해 전극 조립체(10)를 수용하며, 전해질도 함께 수용한다. 상기 전지 캔(30)은, 개방부 측에 인접 형성되는 비딩부(31) 및 클림핑부(32)를 구비할 수 있다. 상기 비딩부(31)는, 전지 캔(30)의 외주면 둘레를 압입하여 형성된다. 상기 비딩부(31)는, 전지 캔(30) 내에 수용된 전극 조립체(10)가 개방부쪽으로 이탈하지 않도록 하는 고정부로서 기능할 수 있다. 상기 클림핑부(32)는, 도 13 및 도 14를 기준으로 볼 때, 비딩부(31)의 하부에 형성된다. 상기 클림핑부(32)는, 캡(50)의 외주면, 그리고 캡(50)의 하면의 일부를 감싸도록 비딩부(31)로부터 연장 및 절곡된 형태를 갖는다. 이 경우, 상기 클림핑부(32)가 형성된 영역에는, 실링 가스켓(G2)이 구비될 수 있다. 상기 실링 가스켓(G2)은, 전지 캔(30)의 내측면과 캡(50) 사이에 개재될 수 있다.
상기 전지 캔(30)은, 전극 조립체(10)의 제2 전극 탭(12)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전지 캔(30)과 제2 전극 탭(12) 간의 전기적 연결은 집전 플레이트(제2 집전 플레이트)(60)을 통해 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 집전 플레이트(60)의 단자 결합부는, 예를 들어 전지 캔(30)의 측벽에 전기적으로 결합될 수 있다. 다만, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 제2 전극 탭(12)이 직접 전지 캔(30)과 결합될 수도 있다.
상기 단자(40)는, 제1 전극 탭(11)과 전기적으로 연결된다. 상기 단자(40)와 제1 전극 탭(11) 간의 결합은 집전 플레이트(제1 집전 플레이트)(20)을 통해 이루어질 수 있다. 상기 단자(40)는, 집전 플레이트(20)의 단자 결합부와 결합될 수 있으며, 전지 캔(30)의 폐쇄부의 대략 중심부를 통해 외측으로 노출될 수 있다. 이 경우, 상기 단자(40)와 전지 캔(30)은 서로 다른 극성을 가지므로, 이들 사이의 접촉을 방지하고 단자(40)의 노출 부위에서의 밀폐성을 강화하기 위해 전지 캔(30)과 단자(40) 사이에는 절연 가스켓(G1)이 개재될 수 있다.
상기 캡(50)은, 전지 캔(30)의 일 측에 형성된 개방부를 밀폐한다. 본 발명의 원통형 이차전지(2)가 도 13 및 도 14에 도시된 형태를 갖는 경우, 상기 캡(50)은 전도성을 갖는 금속 재질인 경우라도 극성을 갖지 않을 수도 있다. 상기 캡(50)이 극성을 갖지 않는다는 것은 캡(50)이 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결되지 않음을 의미한다. 이처럼 상기 캡(50)이 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결되지 않는 경우, 캡(50)은 전극 단자로서 기능하지 않는다. 즉, 본 발명에 있어서 캡(50)은, 전극 조립체(10) 및 전지 캔(30)과 반드시 전기적으로 연결될 필요는 없으며, 그 재질이 반드시 전도성 금속이어야 하는 것도 아니다.
본 발명의 원통형 이차전지(2)가 도 13 및 도 14에 도시된 구조를 갖는 경우, 제1 전극 탭(11)과 전기적으로 연결되어 제1 전극 단자로서 기능할 수 있는 단자(40)와 제2 전극 탭(12)과 전기적으로 연결되어 제2 전극 단자로서 기능할 수 있는 전지 캔(30)의 폐쇄부의 외부면(30a)이 동일한 방향에 위치하고 있다. 이러한 구조에 따르면, 버스바를 이용하여 원통형 이차전지(2)들을 전기적으로 연결하는 작업이 용이해질 수 있다.
도 15를 참조하면, 상술한 바와 같이 원통형 이차전지(2)의 제1 전극 단자와 제2 전극 단자가 동일 방향에 위치하는 경우에 있어서, 복수의 원통형 이차전지(2)들이 전기적으로 연결된 구조의 예시가 나타나 있다. 복수의 원통형 이차전지(2)들은 버스바(150)를 이용하여 원통형 이차전지(2)의 상부에서 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다. 원통형 이차전지(2)들의 수는 배터리 팩의 용량을 고려하여 증감될 수 있다.
각 원통형 이차전지(2)에 있어서, 예를 들어 단자(40)는 양의 극성을 가지고 전지 캔(30)의 폐쇄부의 외부면(30a)은 음의 극성을 가질 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.
바람직하게, 복수의 원통형 이차전지(2)들은 복수의 열과 행으로 배치될 수 있다. 도 15를 기준으로 볼 때, 열은 상하 방향이고, 행은 좌우 방향이다. 또한, 공간 효율성을 최대화 하기 위해, 원통형 이차전지(2)들은 최밀 팩킹 구조(closest packing structure)로 배치될 수 있다. 최밀 팩킹 구조는, 전지 캔(30)의 외부로 노출된 단자(40)들 각각의 상면의 중심을 서로 연결했을 때 정삼각형이 만들어지는 경우에 형성된다. 바람직하게, 버스바(150)는 복수의 원통형 이차전지(2)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 원통형 이차전지(2)들을 서로 병렬로 연결시키고, 인접하는 2개의 열에 배치된 원통형 이차전지(2)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 이차전지(2)들의 단자(40)들 사이에서, 바람직하게는 원통형 이차전지(2)들의 열들 사이에서 연장될 수 있다. 대안적으로, 상기 바디부(151)는, 원통형 이차전지(2)들의 열을 따라 연장되되, 지그재그 형상과 같이 규칙적으로 절곡될 수 있다.
복수의 제1 버스바 단자(152)는, 바디부(151)의 일측으로부터 각 원통형 이차전지(2)의 단자(40)를 향해 돌출 연장되고, 단자(40)에 전기적으로 결합될 수 있다. 제1 버스바 단자(152)와 단자(40) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 복수의 제2 버스바 단자(153)는 바디부(151)의 타측으로부터 각 원통형 이차전지(2)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 이차전지(2)는, 양의 극성을 가진 단자(40)와 음의 극성을 가진 전지 캔(30)의 폐쇄부의 외부면(20a)이 동일한 방향에 위치하고 있으므로 버스바(150)를 이용하여 원통형 이차전지(2)들의 전기적 연결을 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 원통형 이차전지(2)의 단자(40)와 전지 캔(30)의 폐쇄부의 외부면(20a)은 면적이 넓으므로 버스바(150)의 결합 면적을 충분히 확보할 수 있으며, 이로써 원통형 이차전지(2)를 포함하는 배터리 팩의 저항을 충분히 낮출 수 있다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(4)은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 원통형 이차전지(2)가 전기적으로 연결된 이차전지 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(3)을 포함한다. 본 발명의 도 16에서는, 도면 도시의 편의상 전기적 연결을 위한 버스바, 전력 단자 등의 부품은 생략되었다. 복수의 원통형 이차전지(2)들의 전기적 연결 구조의 구체적인 예시에 대해서는 앞서 도 15를 참조하여 설명한 바와 같다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는, 예를 들어 전기 자동차일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(4)을 포함한다. 상기 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(4)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
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
4: 배터리 팩
3: 팩 하우징
2: 원통형 이차전지
1: 서브 셀
10: 전극 조립체
C: 권취 중심
11: 제1 전극 탭(제1 무지부)
12: 제2 전극 탭(제2 무지부)
20: 집전 플레이트(제1 집전 플레이트)
21: 서브 플레이트
22: 리드 플레이트
S: 솔더
30: 전지 캔
30a: 폐쇄부의 외부면(제2 전극 단자)
40: 단자(제1 전극 단자)
50: 캡
60: 집전 플레이트(제2 집전 플레이트)
G1: 절연 가스켓
G2: 실링 가스켓

Claims (29)

  1. 전극 탭을 구비하는 젤리-롤 타입의 전극 조립체;
    상기 전극 조립체의 일 측에 결합되며 상기 전극 탭과 전기적으로 연결되는 집전 플레이트; 및
    상기 전극 탭과 상기 집전 플레이트 사이에 개재되어 상기 전극 탭과 집전 플레이트를 결합시키며, 상기 전극 탭 및 집전 플레이트와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 솔더;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 솔더는,
    용접에 의한 용융 시 모세관 현상에 따른 침투로 인해 서로 인접한 전극 탭 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 서브 셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 솔더의 침투 거리는,
    상기 전극 탭의 연장 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 서브 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극 탭은, 그 길이 방향 단부가 상기 집전 플레이트와 나란한 방향으로 절곡된 형태를 가지며,
    상기 솔더는, 상기 전극 탭의 절곡에 의해 형성된 평면과 집전 플레이트 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 서브 셀.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 솔더가 서로 인접한 전극 탭 사이로 침투한 거리는, 상기 전극 조립체의 외주면으로부터 권취 중심부를 향할수록 점점 더 짧아지는 것을 특징으로 하는 서브 셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 집전 플레이트는, 중심부로부터 방사상으로 연장되며 상호 이격된 복수의 서브 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 서브 셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 서브 플레이트는,
    상기 전극 조립체의 외주면으로부터 권취 중심부를 향하는 방향으로 갈수록 그 폭이 점점 더 좁아지는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 서브 셀.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 솔더는,
    상기 전극 조립체의 외주면으로부터 권취 중심부를 향하는 방향으로 갈수록 그 폭이 점점 더 좁아지는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 서브 셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가지며,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 장변 단부에 활물질이 코팅되어 있지 않으며 상기 분리막의 외부로 노출된 제1 무지부 및 제2 무지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 서브 셀.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 무지부 및 제2 무지부 중 적어도 어느 하나는 상기 전극 탭으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 서브 셀.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 무지부 및 제2 무지부 중 적어도 어느 하나의 무지부는 전극 조립체의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함하고,
    상기 복수의 분절편은, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 밴딩되는 것을 특징으로 하는 서브 셀.
  12. 제11항에 있어서,
    밴딩된 상기 복수의 분절편은,
    상기 반경 방향을 따라서 여러 겹으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 서브 셀.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전극 조립체는,
    상기 무지부에 구비된 상기 분절편의 중첩 수가 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 일정하게 유지되는 영역인 용접 타겟 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 서브 셀.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 집전 플레이트는,
    상기 용접 타겟 영역 내에서 상기 무지부와 결합되는 것을 특징으로 하는 서브 셀.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 서브 셀; 및
    일 측에 구비된 개방부를 통해 상기 서브 셀을 수용하고, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전지 캔;을 포함하는 원통형 이차전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되고, 상기 전지 캔과 반대 극성을 가지며, 상기 전지 캔과 절연되는 단자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 단자는,
    상기 전지 캔의 개방부의 반대편에 구비되는 폐쇄부를 통해 외측으로 노출되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 개방부를 밀폐하는 캡 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는,
    극성을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  20. 제15항에 따른 복수의 원통형 이차전지; 및
    상기 복수의 원통형 이차전지를 수용하는 팩 하우징;
    을 포함하는 배터리 팩.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 복수의 원통형 이차전지 각각은,
    상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되고, 상기 전지 캔과 반대 극성을 가지며, 상기 전지 캔과 절연되는 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 복수의 원통형 이차전지 각각의 상기 전지 캔의 폐쇄부의 외부면과 상기 전지 캔의 상기 단자는 동일한 방향을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 배터리 팩은, 복수의 상기 원통형 이차전지를 직렬 및 병렬로 연결하는 복수의 버스바를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 복수의 버스바는, 상기 복수의 원통형 이차전지들의 상부에 배치되고,
    각각의 상기 버스바는,
    인접하는 원통형 이차전지들의 단자들 사이에서 연장되는 바디부;
    상기 바디부의 일측 방향으로 연장되어 상기 일측 방향에 위치한 원통형 이차전지의 단자에 전기적으로 결합되는 복수의 제1 버스바 단자; 및
    상기 바디부의 타측 방향으로 연장되어 상기 타측 방향에 위치한 원통형 이차전지의 상기 폐쇄부의 외부면에 전기적으로 결합되는 복수의 제2 버스바 단자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  25. 제20항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
  26. (S1) 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 마련하는 단계;
    (S2) 일 면 상에 솔더가 형성된 집전 플레이트를 마련하는 단계;
    (S3) 상기 전극 조립체 상에 상기 집전 플레이트를 안착시키는 단계; 및
    (S4) 상기 솔더가 용융되어 상기 전극 조립체의 전극 탭과 상기 집전 플레이트가 상호 결합되도록 용접을 수행하되, 상기 전극 탭의 융점 및 상기 집전 플레이트의 융점보다 더 낮은 온도로 용접을 수행하는 단계;
    를 포함하는 서브 셀 제조 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 (S4) 단계는,
    상기 솔더를 용융시켜 모세관 현상에 의해 서로 인접한 전극 탭 사이로 상기 솔더가 침투하도록 하는 단계인 것을 특징으로 하는 서브 셀 제조 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 (S2) 단계는,
    상기 솔더의 침투 거리가 상기 전극 탭의 연장 길이보다 더 짭게 형성되도록 상기 집전 플레이트의 일 면 상에 형성되는 상기 솔더의 두께를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브 셀 제조 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 (S2) 단계는,
    상기 솔더가 서로 인접한 전극 탭 사이로 침투한 거리가 상기 전극 조립체의 외주면으로부터 권취 중심부를 향할수록 점점 더 짧아지도록 상기 집전 플레이트의 일 면 상에 형성되는 상기 솔더의 두께를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브 셀 제조 방법.
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