KR20220108012A - 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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KR20220108012A
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current collector
battery housing
electrode assembly
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조민기
강보현
김도균
민건우
최수지
황보광수
임혜진
공진학
이순오
최규현
임재원
김학균
이제준
정지민
김재웅
박종식
최유성
이병구
류덕현
이관희
이재은
박필규
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리는, 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1 활물질부와, 활물질층이 코팅되지 않은 제1 무지부를 포함하고, 상기 제1 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되는 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 상부에서 상기 제1 무지부의 적어도 일부에 결합되는 제1 집전체; 상기 전극 조립체 및 상기 제1 집전체를 수용하는 배터리 하우징; 및 상기 제1 무지부와 상기 배터리 하우징 사이의 전기적 연결을 차단하도록, 상기 제1 무지부 또는 상기 제1 집전체가 대향하는 상기 배터리 하우징의 내부 면과 상기 제1 무지부 또는 상기 제1 집전체 사이에 개재된 인슐레이터;를 포함한다.

Description

배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{Cylindrical secondary battery cell, and battery pack and vehicle including the same}
본 발명은, 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로는, 본 발명은 종래의 배터리의 구조를 크게 변형시키지 않으면서 양극 단자와 음극 단자가 모두 배터리의 일 측에 인접 배치된 구조를 갖는 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
배터리에 있어서, 집전 효율의 극대화를 위해 배터리 하우징이 높이 방향을 따라 상하로 각각 양극 탭 및 음극 탭이 연장된 형태를 갖는 젤리롤을 적용할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조에 의하면, 양극 탭 및 음극 탭이 젤리롤 높이 방향 양측으로 돌출되는 구조이기 때문에, 양극 탭과 배터리 하우징이 서로 접촉할 가능성이 있다. 배터리 하우징이 음극 탭과 전기적으로 연결되어 있는 경우, 만약 양극 탭과 배터리 하우징이 추가적으로 접촉하면, 단락이 발생할 수 있다. 전지 내부에서 단락이 발생하면, 전지의 발열이나 폭발이 초래될 수 있다. 따라서, 상방으로 돌출된 양극 탭과 배터리 하우징 사이의 전기 접촉을 효과적으로 방지하기 위한 절연 부재의 제공이 필요하다.
그러므로, 배터리의 내부 저항이 낮으면서도 동시에 단락 위험이 낮은 배터리, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
또한, 상술한 바와 같은 구조를 갖는 배터리에서는, 특히 양극 탭과 배터리 하우징의 상면 또는 양극 집전체와 배터리 하우징의 상면 사이에 빈 공간이 형성될 수 있다. 이러한 빈 공간은, 젤리롤이 배터리 하우징의 내부에서 특히 상하 방향, 즉 배터리의 높이 방향을 따라 움직이게 하는 원인이 될 수 있다. 상기 젤리롤이 이처럼 상하 방향으로 움직이는 경우, 집전체와 무지부 사이의 결합 부위에 손상이 발생될 수 있으며, 이에 더하여 집전체와 배터리 하우징 간의 결합 부위, 집전체와 단자 간의 결합 부위 등에도 손상이 발생될 수 있다.
따라서, 이러한 젤리롤의 유동 공간을 최대한 축소시킬 필요가 있다. 또한, 젤리롤의 유동 공간 축소를 위해 적용하는 부가적인 부품을 사용하는 경우 공정 상의 번잡성이 증가되고, 제조 단가 또한 상승할 수 있으므로 기존에 이미 적용되던 부품을 활용하여 이러한 문제를 해소할 필요성이 있다.
한편, 최근 배터리가 전기 자동차에 적용됨에 따라 배터리의 폼 팩터가 증가하고 있다. 즉, 배터리의 직경과 높이가 종래의 1865, 2170 등의 폼 팩터를 가진 배터리에 비해 증가하고 있다. 폼 팩터의 증가는 에너지 밀도의 증가, 열 폭주에 대한 안전성 증대, 그리고 냉각 효율의 향상을 가져온다.
배터리의 에너지 밀도는 폼 팩터의 증가와 함께 배터리 하우징 내부의 불필요한 공간이 최소화될 때 더욱 증가될 수 있다. 따라서, 전극 조립체와 배터리 하우징 사이의 전기적 절연을 위해 사용되는 부품도 전기적 절연을 확보하면서도 배터리의 용량을 증대시킬 수 있도록 최적으로 설계될 필요가 있다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리의 내부 저항을 감소시키고, 동시에 내부 단락을 효과적으로 방지하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 배터리 하우징 내에서 전극 조립체가 움직임으로써 전기적 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 배터리의 제조에 있어서, 기존에 적용되던 부품을 활용하여 전극 조립체의 움직임을 방지함으로써, 추가 부품의 적용으로 인해 발생되는 제조 공정 복잡화 및 제조 비용 증가 등을 방지하는 것을 또 다른 목적으로 할 수도 있다.
또한, 본 발명은 전극 조립체의 전기적 절연을 위해 사용되는 부품의 구조를 최적화시킴으로써 폼 팩터가 종래보다 큰 배터리 내부의 불필요한 공간을 최소화하여 에너지 밀도를 극대화하는 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 배터리는, 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1 활물질부와, 활물질층이 코팅되지 않은 제1 무지부를 포함하고, 상기 제1 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되는 전극 조립체;
상기 전극 조립체의 상부에서 상기 제1 무지부의 적어도 일부에 결합되는 제1 집전체;
상기 전극 조립체 및 상기 제1 집전체를 수용하는 배터리 하우징; 및
상기 제1 무지부와 상기 배터리 하우징 사이의 전기적 연결을 차단하도록, 상기 제1 무지부 또는 상기 제1 집전체가 대향하는 상기 배터리 하우징의 내부 면과 상기 제1 무지부 또는 상기 제1 집전체 사이에 개재된 인슐레이터;를 포함한다.
본 발명의 일 측면에서, 상기 인슐레이터는, 상기 배터리 하우징의 내측 면과 대향하는 제1 무지부의 단부 또는 상기 제1 집전체의 표면을 커버하는 제1 커버부; 및 상기 전극 조립체의 외주면의 상단을 커버하는 제2 커버부;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제2 커버부는, 상기 제1 커버부의 외주변부로부터 수직으로 하방 연장된 형태를 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 집전체는, 상기 전극 조립체의 상부에서 상기 제1 무지부에 결합되어, 상기 제1 무지부와 상기 인슐레이터 사이에 개재될 수 있다.
여기서, 상기 제1 커버부는, 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면과 대향하는 상기 제1 집전체의 표면을 커버할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 커버부는, 상기 제1 집전체와 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 상기 제1 무지부의 적어도 일부 구간은, 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 복수의 분절편으로 분할되어 있을 수 있다.
여기서, 상기 복수의 분절편은, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡될 수 있다.
바람직하게, 상기 복수의 분절편은, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩될 수 있다.
이 때, 상기 인슐레이터는, 상기 배터리 하우징의 내측 면과 대향하는 상기 제1 무지부의 복수의 분절편이 절곡되어 형성된 절곡 면 또는 제1 집전체와 상기 배터리 하우징의 내측 면 사이에 개재된 제1 커버부; 및 상기 전극 조립체의 외주면의 상단을 커버하는 제2 커버부;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 집전체는, 상기 전극 조립체의 상부에서, 상기 절곡 면 상에 결합되어, 상기 절곡 면과 상기 인슐레이터 사이에 개재될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 커버부는, 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면과 대향하는 상기 제1 집전체의 표면을 커버할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 커버부는, 상기 제1 집전체와 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 제2 커버부는, 상기 제1 무지부가 상기 배터리 하우징의 내주면을 향해 노출되지 않도록 상기 제1 무지부의 최외곽의 노출된 측면부 전체를 커버할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 커버부의 연장 길이는, 상기 제1 무지부의 연장 길이보다 크거나 같을 수 있다.
바람직하게, 상기 제2 커버부의 연장 길이는, 상기 복수의 분절편 사이의 절단 라인 하단 지점으로부터, 상기 복수의 분절편의 절곡 지점까지의 길이보다, 크거나 같을 수 있다.
바람직하게, 상기 제2 커버부의 하단부는, 상기 제1 무지부의 하단부보다 더 하부에 위치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 인슐레이터는, 절연 폴리머 재질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 인슐레이터는, 탄성을 갖는 재질로 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 인슐레이터는, 상기 제1 커버부의 중심에 소정 직경을 갖는 중심 홀을 구비할 수 있다.
여기서, 상기 제1 집전체의 중심은, 상기 전극 조립체의 권취 중심과 동일 선 상에 위치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 제1 집전체의 직경은, 상기 인슐레이터의 상기 중심 홀의 직경보다 작거나 같을 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 집전체의 직경은, 상기 전극 조립체의 권취 중심 홀의 직경보다 클 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 커버부는, 상기 제1 무지부의 단부와 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 제1 무지부의 적어도 일부 구간은, 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 복수의 분절편으로 분할되어 있을 수 있다.
여기서, 상기 복수의 분절편은, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡될 수 있다.
바람직하게, 상기 복수의 분절편은, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 커버부는, 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면과 대향하는 상기 제1 무지부의 복수의 분절편이 절곡되어 형성된 절곡 면과, 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면 사이에 개재될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 커버부는, 상기 절곡 면과 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 배터리는, 상기 제1 무지부와 전기적으로 연결되고 적어도 일부가 상기 배터리 하우징의 상단부에 형성된 관통 홀을 통해 외부로 노출되는 단자;를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 단자는, 상기 관통 홀에 삽입된 몸체부; 상기 배터리 하우징의 상단부의 외측 면을 통해 노출된 상기 몸체부의 일측 둘레로부터 상기 외측 면을 따라 연장된 외부 플랜지부; 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면을 통해 노출된 상기 몸체부의 타측 둘레로부터 상기 내측 면을 향해 연장된 내부 플랜지부; 및 상기 내부 플랜지부의 내측에 구비된 평탄부;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 평탄부와 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면은 서로 평행할 수 있다.
바람직하게, 상기 평탄부와 상기 제1 집전체는 서로 평행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 단자의 몸체부, 내부 플랜지부 및 평탄부는, 상기 관통 홀을 통해 상기 배터리 하우징 내로 삽입될 수 있다.
예를 들어, 상기 내부 플랜지부는, 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면을 향해 리벳팅되어 고정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 인슐레이터의 상기 중심 홀의 직경은, 상기 몸체부의 직경보다 크거나 같을 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 인슐레이터의 상기 중심 홀의 직경은, 상기 내부 플랜지부의 직경보다 크거나 같을 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 단자의 몸체부는, 상기 인슐레이터의 상기 중심 홀을 관통할 수 있다.
바람직하게, 상기 단자의 평탄부는, 상기 인슐레이터의 상기 중심 홀을 관통하여, 상기 제1 집전체와 전기적으로 결합될 수 있다.
예를 들어, 상기 단자의 평탄부는, 상기 제1 집전체와 용접 결합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 배터리는, 상기 배터리 하우징과 상기 단자 사이에 개재되어 상기 배터리 하우징과 상기 단자의 전기적 연결을 차단하는 절연 가스켓;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 절연 가스켓은, 상기 인슐레이터와 연결되어 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 전극 조립체의 외주면의 적어도 일부를 커버하며, 상기 배터리 하우징의 내주면과 접촉하는 사이드 스페이서;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 사이드 스페이서는, 상기 전극 조립체의 외주 둘레를 따라, 상기 전극 조립체의 외주면의 적어도 일부를 커버할 수 있다.
바람직하게, 상기 사이드 스페이서는, 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 배터리 하우징의 내주면 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 사이드 스페이서는, 상기 인슐레이터와 연결되어 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 사이드 스페이서는, 절연 폴리머 재질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 사이드 스페이서는, 탄성을 갖는 재질로 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 제2 전극은, 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제2 활물질부와, 활물질층이 코팅되지 않은 제2 무지부를 포함하고, 상기 제2 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 배터리는, 상기 전극 조립체의 하부에서 상기 제2 무지부와 결합하는 제2 집전체;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 배터리 하우징은, 하단에 형성된 개방부에 인접한 단부에 형성되며 내측을 향해 압입된 비딩부; 및 상기 비딩부보다 상기 개방부를 향하는 측에 형성되며 상기 개방부를 향해 연장 및 절곡된 크림핑부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 제2 집전체는, 상기 제2 무지부와 결합되는 적어도 하나의 탭 결합부; 및 상기 배터리 하우징의 내측 면의 상기 비딩부에 전기적으로 결합되는 적어도 하나의 하우징 결합부;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 하우징 결합부는, 상기 크림핑부에 의해 압착 고정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 하우징 결합부는, 상기 비딩부에 용접 결합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 배터리는, 상기 배터리 하우징의 개방부를 커버하는 캡;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 배터리는, 상기 캡과 상기 제2 집전체 사이에 개재되며, 상기 전극 조립체의 유동을 방지하도록 구성된 하부 스페이서;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 하부 스페이서는, 상기 제2 집전체와 상기 캡 사이의 거리와 대응되는 높이를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 하부 스페이서는, 절연 폴리머 재질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 하부 스페이서는, 탄성을 갖는 재질로 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 제1 커버부의 두께는, 상기 제2 커버부의 두께와 상이할 수 있다.
바람직하게, 상기 제2 커버부의 두께는, 상기 제1 커버부의 두께보다 작을 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 제1 커버부는, 상기 제1 커버부의 외주변부에서 소정의 곡률 반경을 갖는 라운드부;를 구비할 수 있다.
바람직하게, 상기 라운드부는, 상기 제1 커버부의 상면과 상기 제2 커버부의 측면의 교차 지점에 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 라운드부의 곡률 반경은, 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면과 상기 배터리 하우징의 측면의 교차 지점에 형성된 곡률 반경보다 작거나 같을 수 있다.
바람직하게, 상기 라운드부는, 상기 배터리 하우징의 내측 면과 빈틈 없이 밀착될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 제1 커버부 및 상기 제2 커버부는 일체로 형성될 수 있다.
또는, 상기 제1 커버부 및 상기 제2 커버부는 별도로 형성되어 결합된 구조일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 절연 가스켓은, 상기 외부 플랜지부와 상기 배터리 하우징 사이에 개재된 가스켓 노출부; 및 상기 내부 플랜지부와 상기 배터리 하우징 사이에 개재된 가스켓 삽입부;을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 가스켓 노출부와 상기 가스켓 삽입부는, 위치에 따라 두께가 달라질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 제1 커버부의 상기 중심 홀의 주위에는, 상기 중심 홀보다 작은 직경을 갖는 복수의 홀이 더 형성되어 있을 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리; 및 복수의 상기 배터리를 수용하는 팩 하우징;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명에 의하면, 양극 단자와 음극 단자가 동일 방향에 적용된 구조를 갖는 배터리 구조를 제공되며, 이에 따라 복수의 배터리의 전기적 연결 구조가 단순화 될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 무지부와 배터리 하우징 사이의 전기적 접촉을 방지함으로써, 배터리 내부의 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 배터리 하우징 내에서 전극 조립체의 움직임이 최소화 되어 전기적 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리의 전극 단자가 버스바 등의 전기적 연결 부품과 용접될 수 있는 충분한 면적을 가짐으로써 전극 단자와 전기적 연결 부품 간의 접합 강도를 충분히 확보할 수 있고, 전기적 연결 부품과 전극 단자의 접합 부위에서의 저항을 바람직한 수준으로 낮출 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 1은 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리의 종단면도이다.
도 3은 도 1의 배터리의 내부를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 1의 배터리의 내부를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5b 내지 도 5e는 본 발명의 다른 실시예를 따르는 배터리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 배터리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 배터리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 1의 배터리를 포함하는 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 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 동일’은 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 권취 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.
도 1 내지 도 4, 도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리(1)는 전극 조립체(10), 배터리 하우징(20), 제1 집전체(30) 및 인슐레이터(40)를 포함한다.
상기 배터리(1)는, 상술한 구성요소들 이 외에도 추가적으로 단자(50) 및/또는 절연 가스켓(60) 및/또는 사이드 스페이서(70) 및/또는 제2 집전체(80) 및/또는 캡(90) 및/또는 실링 가스켓(100) 및/또는 하부 스페이서(110)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 제1 전극은 양극 또는 음극이고, 제2 전극은 제1 전극과 반대되는 극성을 갖는 전극에 해당한다.
상기 전극 조립체(10)는, 예를 들어 권취 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 전극, 제2 전극, 그리고 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 분리막을 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 중심(C)을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(10)의 외주면 상에는 배터리 하우징(20)과의 절연을 위해 추가적인 분리막이 구비될 수 있다. 상기 전극 조립체(10)는 관련 기술 분야에서 잘 알려진 권취 구조를 제한 없이 가질 수 있다.
상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 제1 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제1 활물질부를 포함한다. 상기 제1 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측 단부에는 제1 활물질부가 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 상기 무지부는, 그 자체로서 제1 전극 탭으로서 기능한다. 상기 제1 무지부(11)는, 배터리 하우징(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 상부에 구비된다.
상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 제2 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제2 활물질부를 포함한다. 상기 제2 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 타 측 단부에는 제2 활물질부가 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 상기 무지부는, 그 자체로서 제2 전극 탭으로서 기능한다. 상기 제2 무지부(12)는, 배터리 하우징(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 하부에 구비된다.
즉, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체(10)일 수 있다. 이 때, 상기 제1 전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1 활물질부와, 활물질층이 코팅되지 않은 제1 무지부를 포함하고, 상기 제1 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용될 수 있다. 한편, 상기 제2 전극은, 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제2 활물질부와, 활물질층이 코팅되지 않은 제2 무지부(12)를 포함하고, 상기 제2 무지부(12)의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용될 수 있다.
바람직하게, 상기 전극 조립체(10)는, 쉬트 형상을 가진 제1 전극 집전체 및 제2 전극 집전체와 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 권취 타입의 전극 조립체(10)일 수 있다. 상기 제1 전극 집전체는 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 제1 무지부(11)를 포함하고, 상기 제1 무지부(11)의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용될 수 있다. 또한 상기 제2 전극 집전체는 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 제2 무지부(12)를 포함하고, 상기 제2 무지부(12)의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용될 수 있다.
상기 전극 조립체(10)는, 극성이 서로 다른 제1 무지부(11) 및 제2 무지부(12)가 서로 반대 방향으로 돌출된 권취 타입일 수 있다. 즉, 상기 제1 무지부(11) 및 제2 무지부(12)는, 전극 조립체(10)의 폭 방향, 즉 배터리(1)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 서로 반대 방향으로 연장 돌출될 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; 화학량론 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; 화학량론 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 모두 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.
한편, 상기 제1 무지부(11)의 적어도 일부 구간은, 상기 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 복수의 분절편으로 분할되어 있을 수 있다. 분절편은 사다리꼴 모양, 사각형 모양, 평형사변형 모양, 반원 모양, 반타원 모양 등을 가지며, 권취 방향을 따라 소정 간격을 두고 반복적으로 배열될 수 있다. 분절편은 하부의 폭이 상부의 폭보다 클 수 있고, 하부에서 상부로 가면서(즉, 도 2의 z 방향으로 가면서) 폭이 점진적 및/또는 단계적으로 증가할 수 있다. 상기 복수의 분절편은, 상기 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 절곡될 수 있다. 여기서 반경 방향이란, 전극 조립체(10)의 코어 측을 향하는 방향 또는 전극 조립체(10)의 외주 측을 향하는 방향을 의미한다. 예를 들면, 도 5b에서와 같이, 상기 복수의 분절편은, 코어측으로 절곡될 수 있다. 또한, 상기 복수의 분절편은, 여러 겹으로 중첩되는 구조를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 복수의 분절편은 상기 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 한편, 상기 복수의 분절편은 레이저로 노칭된 것일 수 있다. 분절편은 초음파 커팅이나 타발 등 공지의 금속박 커팅 공정으로 형성할 수 있다.
제1 무지부(11)의 절곡 가공시 활물질층이 손상되는 것을 방지하기 위해 분절편 사이의 절단 라인 하단과 활물질층 사이에 소정의 갭을 두는 것이 바람직하다. 제1 무지부(11)가 절곡될 때 절단 라인 하단 근처에 응력이 집중되기 때문이다. 또한, 레이저 컷팅 시 패턴 형성이 어려워지기 때문이다. 갭은 0.2 내지 4mm인 것이 바람직하다. 갭이 해당 수치범위로 조절되면, 제1 무지부(11)의 절곡 가공시 생기는 응력에 의해 절단 라인 하단 근처의 활물질층이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 갭은 분절편의 노칭 또는 커팅시 공차로 인한 활물질층의 손상을 방지할 수 있다.
상기 제1 무지부(11)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)을 향하는 방향일 수 있다. 상기 제1 무지부(11)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 제1 무지부(11)가 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 제1 무지부(11)와 제1 집전체(30) 간의 결합 면적의 증가로 인해 추가적인 결합력 향상 및 추가적인 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.
상기에서는 제1 무지부(11)의 절곡 및 중첩에 대해서만 설명하였으나, 제2 무지부(12)에도 상기 제1 무지부(11)와 동일한 구조가 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 배터리 하우징(20)은 상기 전극 조립체(10) 및 상기 제1 집전체(30)를 수용할 수 있다. 상기 배터리 하우징(20)은, 하단에 개방부가 형성된 대략 원통형의 수용체로서, 예를 들어 금속과 같은 도전성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 상기 배터리 하우징(20)의 재질은, 예를 들어 알루미늄, 스틸, 스테인레스 스틸, 니켈 등일 수 있다. 개방부가 구비된 상기 배터리 하우징(20)의 바닥부를 개방단(opened end)이라고 칭하기로 한다. 상기 배터리 하우징(20)의 측면(외주면)과 상면은 일체로 형성될 수 있다. 상기 배터리 하우징(20)의 상면(X-Y 평면에 나란한 면)은 대략 플랫(flat)한 형태를 갖는다. 상기 개방부(또는 개방단)의 반대편에 위치하는 상면을 폐쇄부(closed portion)이라고 칭하기로 한다. 상기 배터리 하우징(20)은, 하방에 형성된 개방부를 통해 전극 조립체(10)를 수용하며, 전해질도 함께 수용한다.
상기 배터리 하우징(20)은, 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결된다. 상기 배터리 하우징(20)은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 제2 무지부(12)와 전기적으로 연결된다. 이 경우, 상기 배터리 하우징(20)은, 제2 무지부(12)와 동일한 극성을 갖는다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 배터리 하우징(20)은, 그 하단에 형성된 비딩부(21) 및 크림핑부(22)를 구비할 수 있다. 상기 비딩부(21)는, 전극 조립체(10)의 하부에 위치한다. 상기 비딩부(21)는, 배터리 하우징(20)의 외주면 둘레를 압입하여 형성된다. 예를 들어, 상기 비딩부(21)는, 하단에 형성된 개방부에 인접한 단부에 형성되며 내측을 향해 압입될 수 있다. 상기 비딩부(21)는, 배터리 하우징(20)의 내경과 대략 대응되는 사이즈를 가질 수 있는 전극 조립체(10)가 배터리 하우징(20)의 하단에 형성된 개방부를 통해 빠져나오지 않도록 하며, 캡(90)이 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다.
상기 크림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하부에 형성된다. 상기 크림핑부(22)는 상기 비딩부(21)보다 상기 개방부를 향하는 측에 형성되며 상기 개방부를 향해 연장 및 절곡될 수 있다. 상기 크림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하방에 배치되는 캡(90)의 외주면, 그리고 캡(90)의 하면의 적어도 일부를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다.
한편, 본 발명은, 배터리 하우징(20)이 이러한 비딩부(21) 및/또는 크림핑부(22)를 구비하지 않는 경우를 배제하지 않는다. 즉, 본 발명에 있어서 배터리 하우징(20)이 비딩부(21) 및/또는 크림핑부(22)를 구비하지 않는 경우, 전극 조립체(10)의 고정 및/또는 배터리 하우징(20)의 밀봉은, 예를 들어 전극 조립체(10)에 대한 스토퍼로서 기능할 수 있는 부품의 추가 적용 등을 통해 실현할 수 있다. 또한, 만약 본 발명의 배터리(1)가 캡(90)을 포함할 경우, 전극 조립체(10)의 고정 및/또는 배터리 하우징(20)의 밀봉은, 예를 들어 캡(90)이 안착될 수 있는 구조물의 추가 적용 및/또는 배터리 하우징(20)과 캡(90) 간의 용접 등을 통해 실현할 수 있다. 예를 들어, 본 출원인의 공개 특허 KR 10-2019-0030016 A 에서는 비딩부가 생략된 배터리를 개시하고 있으며, 이와 같은 구조가 본 발명에 채용될 수도 있다.
도 2 내지 도 5a를 참조하면, 상기 제1 집전체(30)는, 전극 조립체(10)의 상부에 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 집전체(30)는, 상기 전극 조립체(10)의 상부에서 제1 무지부(11)에 결합될 수 있다. 상기 제1 집전체(30)는 상기 제1 무지부(11)와 상기 인슐레이터(40) 사이에 개재될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 집전체(30)는, 상기 전극 조립체(10)의 상부에서 상기 제1 무지부(11)에 결합되어, 상기 제1 무지부(11)와 상기 인슐레이터(40) 사이에 개재될 수 있다. 상기 제1 집전체(30)는 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 제1 집전체(30)는, 그 하면에 방사상으로 형성된 복수의 요철을 구비할 수 있다. 상기 요철이 형성된 경우, 제1 집전체(30)를 눌러서 요철을 제1 무지부(11)에 압입시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예를 따르는 배터리(1)는, 제1 집전체(30)를 포함하지 않을 수도 있다. 이 경우, 제1 무지부(11)는 바로 단자(50)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제1 집전체(30)는 제1 무지부(11)의 단부에 결합될 수 있다. 상기 제1 무지부(11)와 제1 집전체(30) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제1 집전체(30) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수도 있고, 선택적으로 제1 집전체(30)와 제1 무지부(11) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는, 제1 집전체(30)와 제1 무지부(11)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 한편 레이저 용접 외에도, 저항 용접, 초음파 용접, 스폿 용접 등이 가능하나, 용접 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5b를 참조하면, 상기 제1 집전체(30)는, 제1 무지부(11)의 단부가 제1 집전체(30)와 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 수도 있다. 상기 제1 무지부(11)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)을 향하는 방향일 수 있다. 상기 제1 무지부(11)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 제1 무지부(11)가 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 제1 무지부(11)와 제1 집전체(30) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합 면에서의 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.
도 2 내지 도 5a를 참조하면, 상기 인슐레이터(40)는, 상기 제1 무지부(11)와 상기 배터리 하우징(20) 사이의 전기적 연결을 차단하도록, 상기 제1 무지부(11) 또는 상기 제1 집전체(30)가 대향하는 상기 배터리 하우징(20)의 내부 면과 상기 제1 무지부(11) 또는 상기 제1 집전체(30) 사이에 개재될 수 있다. 예를 들어, 상기 인슐레이터(40)는, 전극 조립체(10)의 상단과 배터리 하우징(20)의 내측 면 사이 또는 전극 조립체(10)의 상부에 결합된 제1 집전체(30)와 배터리 하우징(20)의 내측 면 사이에 구비될 수 있다. 상기 인슐레이터(40)는, 제1 무지부(11)와 배터리 하우징(20) 사이의 접촉 및/또는 제1 집전체(30)와 배터리 하우징(20) 사이의 접촉을 방지한다. 즉, 상기 인슐레이터(40)는, 상기 배터리 하우징(20) 내부에 수용되고, 상기 전극 조립체(10)의 적어도 일부를 커버하며, 상기 제1 무지부(11)와 상기 배터리 하우징(20) 사이의 전기적 연결을 차단하도록 구성된다. 따라서, 상기 인슐레이터(40)는 절연 성능을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 인슐레이터(40)는 절연 폴리머 재질을 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 5a를 참조하면, 상기 인슐레이터(40)는, 제1 커버부(41) 및 제2 커버부(42)를 포함할 수 있다.
상기 제2 커버부(42)는, 상기 제1 커버부(41)의 외주변부로부터 수직으로 하방 연장된 형태를 가질 수 있다. 즉, 제2 커버부(42)는 상기 제1 커버부(41)의 외측 가장자리로부터 상하 방향(Z축에 나란한 방향)으로 연장된 부분을 의미한다. 따라서, 상기 제1 커버부(41)와 상기 제2 커버부(42)는 컵 형태를 가질 수 있다. 제1 커버부(41)는 인슐레이터(40) 중에서 제2 커버부(42)가 아닌 모든 부분을 의미한다. 예를 들어, 도 2 내지 도 5a에서 제1 커버부(41)는 인슐레이터(40) 중 수평 방향(X-Y 평면에 나란한 방향)으로 연장된 부분을 의미한다. 상기 제1 커버부(41)는 상기 배터리 하우징(20)의 내측 면과 대향하는 상기 제1 무지부(11)의 단부 또는 상기 제1 집전체(30)의 표면을 커버할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 커버부(41)는 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면과 대향하고 있는 상기 제1 집전체(30)의 표면을 커버할 수 있다.
상기 인슐레이터(40)는, 상기 제1 커버부(41)의 중심에 소정 직경을 갖는 중심 홀을 구비할 수 있다. 예를 들어 상기 인슐레이터(40)는, 권취 중심(C)에 인접한 중심 홀을 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 커버부(41)는, 권취 중심(C)에 인접한 대략 원형의 중심 홀을 구비할 수 있다. 상기 중심 홀의 존재로 인해, 상기 단자(50)가 제1 집전체(30) 또는 제1 무지부(11)와 접촉할 수 있는 상태가 될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 상기 제1 커버부(41)의 상기 중심 홀의 주위에는, 상기 중심 홀보다 작은 직경을 갖는 복수의 홀이 더 형성되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 커버부(41)의 상기 중심 홀의 주위에는 전해액이 이동할 수 있도록 복수의 홀이 형성될 수 있다. 여기서, 전해액이 배터리 하우징(20)에 주입될 때는 인슐레이터(40)가 바닥부에 놓이도록 배치될 수 있다. 즉, 도 2의 배터리(1)의 상하가 반전되도록, 즉 단자(50)가 하측에 위치하도록 배치된 상태에서 전해액이 배터리 하우징(20)에 주입될 수 있다.
전해액은 인슐레이터(40)의 제1 커버부(41)에 구비된 중심 홀을 통해 하측으로 이동 제1 커버부(41)의 표면을 통해 수평 방향으로 이동하며, 복수의 홀을 통해 상방으로 이동할 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(10)에 전체적으로 전해액이 제공될 수 있다. 즉, 이와 같이 인슐레이터(40)의 제1 커버부(41)에 복수의 홀이 형성되어 있으면, 전해액을 원활하고 용이하게 전극 조립체(10)에 제공할 수 있다.
한편, 복수의 홀은 미리 설정된 간격으로 이격될 수 있다. 예를 들어, 인슐레이터(40)의 중심부로부터 인슐레이터(40)의 외주면을 향하는 어느 하나의 직선상에 복수개의 복수의 홀이 배치될 수 있다.
상기 제1 커버부(41)는, 상기 제2 커버부(42)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 커버부(41)는, 상기 제2 커버부(42)와 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 커버부(41) 및 상기 제2 커버부(42)는 일체로 성형된 폴리머 성형체일 수 있다. 또는, 상기 제1 커버부(41) 및 상기 제2 커버부(42)는 별도로 형성되어 결합된 구조일 수도 있다. 예를 들어, 상기 제1 커버부(41) 및 상기 제2 커버부(42)는 별도로 성형되어 결합된 폴리머 구조체일 수 있다.
이 때, 상기 제1 커버부(41)의 두께는, 상기 제2 커버부(42)의 두께와 상이할 수 있다. 구체적으로, 도 5a 등을 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 제2 커버부(42)의 두께는, 상기 제1 커버부(41)의 두께보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 전극 조립체(10)의 외주 측에 위치하는 제1 무지부(11)의 적어도 일부는 생략될 수 있다. 따라서 제1 무지부(11)가 생략된 영역인, 전극 조립체(10)의 외주부 상단에, 소정 공간이 형성될 수 있다. 따라서 소정 공간에 의해 제1 무지부(11)와 배터리 하우징(20) 사이의 전기적 접촉이 일차적으로 방지될 수 있다. 다만, 보다 더 확실한 절연성 확보를 위해 제2 커버부(42)를 구비할 수 있다. 이 때, 상기 제2 커버부(42)의 두께가 제1 커버부(41)의 두께보다 작아도 절연 성능이 충분히 확보될 수 있다. 나아가, 상기 제2 커버부(42)의 두께를 제1 커버부(41)의 두께보다 작게 형성함으로써 인슐레이터(40)가 차지하는 공간이 최소화될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 상기 제1 커버부(41)는, 상기 제1 커버부(41)의 외주변부에서 소정의 곡률 반경을 갖는 라운드부(R);를 구비할 수 있다. 상기 라운드부(R)는, 상기 제1 커버부(41)의 상면과 상기 제2 커버부(42)의 측면의 교차 지점에 형성될 수 있다. 이 때, 상기 라운드부(R)의 곡률 반경은, 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면과 상기 배터리 하우징(20)의 측면의 교차 지점에 형성된 곡률 반경보다 작거나 같을 수 있다. 상기와 같은 구조에 의하면, 상기 라운드부(R)는, 상기 배터리 하우징(20)의 내측 면과 빈틈 없이 밀착될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해지더라도, 배터리 하우징(20) 내에서 전극 조립체(10)의 움직임이 최소화 되어 전기적 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 하지만, 예를 들어, 상기 라운드부(R)의 곡률 반경이, 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면과 상기 배터리 하우징(20)의 측면의 교차 지점에 형성된 곡률 반경보다 크면, 상기 라운드부(R)와 상기 배터리 하우징(20)의 내측 면 사이에 공간이 생길 수 있다. 이 때, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해지면, 전극 조립체(10)의 움직임이 발생하여 전기적 결합 부위에 손상이 발생될 위험이 있다.
한편, 본 발명의 배터리(1)는, 제1 집전체(30)를 포함하지 않을 수 있다. 이 경우, 상기 인슐레이터(40)는, 상기 제1 무지부(11)의 단부를 커버하는 제1 커버부(41) 및 상기 전극 조립체(10)의 외주면의 상단을 커버하는 제2 커버부(42)를 포함할 수 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 제1 커버부(41)는 상기 제1 무지부(11)의 단부와 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면 사이의 공간에 위치될 수 있다.
이 때, 상기 인슐레이터(40)의 상기 제1 커버부(41)는, 상기 제1 무지부(11)의 단부와 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다. 따라서, 상기 제1 커버부(41)가, 상기 제1 무지부(11)의 단부와 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면 사이의 공간을 빈틈 없이 메꿀 수 있게 된다. 이에 따라, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해지더라도, 배터리 하우징(20) 내에서 전극 조립체(10)의 움직임이 최소화 되어 전기적 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 인슐레이터(40)는 약 0.1 mm 이상의 두께를 가질 수 있다. 인슐레이터(40)가 너무 얇으면 절연성이 떨어질 수 있기 때문이다. 또 다른 측면에서, 인슐레이터(40)의 두께가 특정 두께 이하로 형성되는 것이 공정 상 달성하기 어려울 수 있기 때문이다. 한편, 인슐레이터(40)의 두께의 상한은, 배터리 하우징(20)의 내부 면과 상기 제1 무지부(11) 사이의 거리 또는 배터리 하우징(20)의 내부 면과 상기 제1 집전체(30) 사이의 거리에 대응되는 두께일 수 있다. 만약 인슐레이터(40)가 너무 두꺼우면 배터리 하우징(20) 내부의 공간을 많이 차지하여 배터리 셀의 용량이 감소하고 또한 비용이 증대된다. 따라서, 적절한 절연성이 유지되면서 배터리 셀의 용량이 감소되지 않도록, 인슐레이터(40)의 두께가 적정 범위에서 설정될 수 있다. 다만, 인슐레이터(40)의 두께가 상기 범위에 한정되는 것은 아니며, 절연성의 확보가 가능하면서 배터리 하우징(20) 내에서 전극 조립체(10)의 움직임을 최소화하여 전기적 결합 부위 손상 발생이 방지될 수 있는 범위라면 본 발명의 범위에 포함된다.
한편, 만약, 본 발명의 배터리(1)가 제1 집전체(30)를 포함하는 경우라면, 상기 인슐레이터(40)는, 상기 제1 집전체(30)의 적어도 일부를 커버하는 제1 커버부(41) 및 상기 전극 조립체(10)의 외주면의 상단을 커버하는 제2 커버부(42)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 제1 커버부(41)는 상기 제1 집전체(30)의 적어도 일부를 커버할 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 상기 제1 커버부(41)는, 제1 집전체(30)의 상면에서, 중앙에 위치한 일부 영역을 제외한 모든 영역을 커버할 수 있다. 또한, 상기 제1 커버부(41)는, 상기 제1 무지부(11) 중, 상기 제1 집전체(30)에 의해 커버되지 않는 일부 영역을 커버할 수 있다.
이 때, 예를 들면 도 5a와 같이, 상기 인슐레이터의 상기 제1 커버부(41)는, 상기 제1 집전체(30)와 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다. 따라서, 상기 제1 커버부(41)가, 상기 제1 집전체(30)와 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면 사이의 공간을 빈틈 없이 메꿀 수 있게 된다. 이에 따라, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해지더라도, 배터리 하우징(20) 내에서 전극 조립체(10)의 움직임이 최소화 되어 전기적 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 5b 또는 도 5e를 참조하면, 다른 실시 형태로서, 상기 제1 무지부(11)의 적어도 일부 구간은, 복수의 분절편으로 분할되어 있을 수 있다. 여기서, 상기 복수의 분절편은, 코어측으로 절곡될 수 있다. 또한, 상기 복수의 분절편은, 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩되는 구조를 가질 수 있다. 이 때, 상기 제1 무지부(11)의 복수의 분절편은, 절곡 및 중첩되어, 하나의 절곡 면을 형성할 수 있다. 상기 절곡 면은 배터리 하우징의 상면과 대략 평행한 상태가 될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 커버부(41)는, 상기 제1 무지부(11)의 복수의 분절편이 절곡되어 형성된 절곡 면을 커버할 수 있다. 제2 커버부(42)는 상기 전극 조립체(10)의 외주면의 상단을 커버할 수 있다. 도 5e를 참조하면, 상기 전극 조립체(10)의 상부에서 상기 복수의 분절편의 상기 절곡 면 상에 결합되어, 상기 절곡 면과 상기 배터리 하우징(20) 사이에 개재되는 제1 집전체(30)의 면적이, 상기 전극 조립체(10)의 상면의 면적에 비해 상대적으로 매우 작게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 집전체(30)의 직경은, 상기 인슐레이터(40)의 상기 중심 홀의 직경보다 작거나 같을 수 있다. 또한, 상기 제1 집전체(30)의 직경은, 상기 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀의 직경보다 클 수 있다. 상기 제1 집전체(30)의 직경이 상기 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀의 직경보다 크기 때문에 상기 제1 집전체(30)가 상기 전극 조립체(10) 상에서 지지될 수 있다. 한편, 상기 제1 집전체(30)의 중심은, 상기 전극 조립체(10)의 권취 중심과 동일 선 상에 위치할 수 있다. 따라서, 상기 제1 집전체(30)와 상기 단자(50)는, 추후 서로 용접될 수 있도록 접촉한 상태로 유지될 수 있다. 한편, 제1 무지부(11)의 복수의 분절편들은 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 서로 중첩된 상태로 절곡되어 있을 수 있다. 따라서 복수의 분절편들의 중첩에 의해 상기 전극 조립체(10)는 절곡 면에서 집전 성능을 가질 수 있다. 나아가, 상기 절곡 면의 적어도 일부와 상기 제1 집전체(30)가 전기적으로 결합되어 있기 때문에, 상기 전극 조립체(10)는 상기 제1 집전체(30)를 통해 상기 단자(50)와 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 도 5d와 같이, 도 5e의 실시 형태에서 제1 무지부(11)만 절곡되지 않은 실시 형태도 본 발명에 채용 가능함은 물론이다.
도 5b 또는 도 5e를 참조하면, 상기 제1 커버부(41)는, 상기 복수의 분절편의 상기 절곡 면과 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다. 따라서, 상기 제1 커버부(41)가, 상기 절곡 면과 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면 사이의 공간을 빈틈 없이 메꿀 수 있게 된다. 예를 들어 도 5e를 참조하면, 상기 제1 커버부(41)는, 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면과 대향하는 상기 제1 무지부(11)의 복수의 분절편이 절곡되어 형성된 절곡 면과, 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면 사이에 개재될 수 있다. 한편, 도 5b를 참조하면, 상기 제1 커버부는, 상기 제1 집전체(30)와 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면 사이에 개재될 수 있다. 이 때, 상기 제1 커버부(41)는, 상기 제1 집전체(30)와 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다.
이에 따라, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해지더라도, 배터리 하우징(20) 내에서 전극 조립체(10)의 움직임이 최소화 되어 전기적 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
또는, 도 5b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 형태로서, 상기 전극 조립체(10)의 상부에서 상기 복수의 분절편의 상기 절곡 면 상에 결합되어, 상기 절곡 면과 상기 배터리 하우징(20) 사이에 개재되는 제1 집전체(30)의 면적이 상기 전극 조립체(10)의 상면의 면적과 대략 유사할 수 있다. 이 때, 상기 제1 커버부(41)는, 상기 제1 집전체(30)를 커버할 수 있다. 상기 제1 커버부(41)는, 상기 제1 집전체(30)와 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다. 따라서, 상기 제1 커버부(41)가, 상기 제1 집전체(30)와 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면 사이의 공간을 빈틈 없이 메꿀 수 있게 된다. 이에 따라, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해지더라도, 배터리 하우징(20) 내에서 전극 조립체(10)의 움직임이 최소화 되어 전기적 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제2 커버부(42)는 전극 조립체(10)의 외주면의 상단을 커버할 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4를 참조하면, 예를 들어 제2 커버부(42)는, 상기 제1 무지부(11)의 측면을 커버할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 커버부(42)는, 상기 제1 무지부(11)가 상기 배터리 하우징(20)의 내주면을 향해 노출되지 않도록, 상기 제1 무지부(11)의 최외곽의 노출된 측면부 전체를 커버할 수 있다. 이에 따라, 제1 무지부(11)와 반대되는 극성을 띠는 배터리 하우징(20)과 제1 무지부(11) 사이의 전기적 접촉이 확실하게 방지될 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면 배터리(1)의 내부 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 4를 참조하면, 상기 제2 커버부(42)의 연장 길이는, 상기 제1 무지부(11)의 연장 길이보다 크거나 같게 구성될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 제2 극성을 갖는 배터리 하우징(20)과, 제1 극성을 갖는 제1 무지부(11) 사이의 전기적 접촉이 방지될 수 있다. 따라서, 최소한 상기 제2 커버부(42)의 연장 길이가 상기 제1 무지부(11)의 연장 길이와 같아야 하며, 확실한 절연을 위해 제2 커버부(42)의 연장 길이가 상기 제1 무지부(11)의 연장 길이보다 조금이라도 더 길게 형성되는 것이 바람직하다. 만약, 다른 실시 형태로서, 상기 제1 무지부(11)의 복수의 분절편이 절곡 및 중첩되어, 하나의 절곡 면을 형성하는 경우, 상기 제2 커버부(42)의 연장 길이는, 상기 복수의 분절편 사이의 절단 라인 하단 지점으로부터, 상기 복수의 분절편의 절곡 지점까지의 길이보다, 크거나 같게 구성될 수 있다. 바람직하게, 상기 제2 커버부(42)의 하단부는, 상기 제1 무지부(11)의 하단부보다 더 하부에 위치할 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 제2 커버부(42)가 제1 무지부(11)의 측면과 배터리 하우징(20) 사이의 전기적 접촉을 확실하게 방지할 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 단자(50)는 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)와 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 상기 단자(50)는, 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 단자(50)는, 상기 제1 무지부(11)와 전기적으로 연결되고, 적어도 일부가 상기 배터리 하우징(20)의 상단부에 형성된 관통 홀을 통해 외부로 노출될 수 있다. 상기 단자(50)는, 예를 들어 배터리 하우징(20)의 상단에 형성된 폐쇄부의 대략 중심부를 관통할 수 있다. 즉, 상기 배터리 하우징(20)은, 상기 배터리 하우징(20)의 상방에 구비된 폐쇄부에 관통 홀을 구비할 수 있다. 상기 단자(50)는, 상기 관통 홀을 통해 배터리 하우징(20) 내로 삽입될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 단자(50)의 몸체부(50a), 내부 플랜지부(50c) 및 평탄부(50d)는, 상기 관통 홀을 통해 배터리 하우징(20) 내로 삽입될 수 있다. 이에 따라, 상기 단자(50)의 일부는 배터리 하우징(20)의 상부로 노출되고 나머지 일부는 배터리 하우징(20)의 내부에 위치할 수 있다. 바람직하게는, 상기 단자(50)는, 상기 관통 홀을 통해 리벳팅될 수 있다. 예를 들어, 상기 단자(50)는, 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면을 향해 리벳팅되어 고정될 수 있다. 구체적으로, 상기 단자(50)의 내부 플랜지부(50c)는, 예를 들어 리벳팅(riveting)에 의해 배터리 하우징(20)의 폐쇄부의 내측면 상에 고정될 수 있다. 단자(50)는 인슐레이터(40)를 관통하여 제1 집전체(30) 또는 제1 무지부(11)와 결합할 수 있다. 예를 들어, 상기 단자(50)는 인슐레이터(40)에 구비된 중심 홀을 관통하여 제1 집전체(30) 또는 제1 무지부(11)와 결합할 수 있다. 이 때, 상기 인슐레이터(40)의 상기 중심 홀의 직경은, 후술할 내부 플랜지부(50c)의 직경보다 크거나 같게 형성될 수 있다. 상기 단자(50)의 평탄부(50d)는, 상기 인슐레이터(40)의 상기 중심 홀을 관통하여, 상기 제1 집전체(30)와 전기적으로 결합될 수 있다. 이 경우, 상기 단자(50)는 제1 극성을 가질 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 단자(50)의 평탄부(50d)는, 상기 제1 집전체(30)와 용접 결합될 수 있다. 즉, 용접은 상기 내부 플랜지부(50c)의 내측에 구비된 평탄부(50d)와, 상기 제1 집전체(30) 사이에서 이루어질 수 있다. 상기 평탄부(50d)는 상기 단자(50)의 하단부에 구비될 수 있다. 상기 평탄부(50d)와 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면은 서로 평행할 수 있다. 따라서, 상기 평탄부(50d)와 상기 제1 집전체(30)는 서로 평행할 수 있다. 상기 용접 방식으로는 레이저 용접이 채용될 수 있다. 레이저 용접 외에도, 저항 용접, 초음파 용접 등이 가능하나, 용접 방법이 이에 한정되는 것은 아니다. 위와 같은 구조에 의해, 상기 단자(50)는, 본 발명의 배터리(1)에 있어서 제1 전극 단자로서 기능할 수 있다. 상기 단자(50)가 이처럼 제1 극성을 갖는 경우, 단자(50)는 제2 극성을 갖는 배터리 하우징(20)과는 전기적으로 절연된다. 상기 단자(50)와 배터리 하우징(20) 간의 전기적 절연은, 다양한 방식으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 상기 단자(50)와 배터리 하우징(20) 사이에 후술할 바와 같은 절연 가스켓(60)을 개재시킴으로써 절연을 실현할 수 있다. 이와는 달리, 상기 단자(50)의 일부에 절연성 코팅층을 형성시킴으로써 절연을 실현할 수 있다. 또는, 상기 단자(50)와 배터리 하우징(20)의 접촉이 불가능하도록 단자(50)를 구조적으로 단단히 고정시키는 방식을 적용할 수도 있다. 또는, 앞서 설명한 방식들 중 복수의 방식을 함께 적용할 수도 있다.
도 4를 참조하면, 상기 단자(50)는, 상기 관통 홀에 삽입된 몸체부(50a); 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 외측 면을 통해 노출된 상기 몸체부(50a)의 일측 둘레로부터 상기 외측 면을 따라 연장된 외부 플랜지부(50b); 상기 배터리 하우징(20)의 상단부의 내측 면을 통해 노출된 상기 몸체부(50a)의 타측 둘레로부터 상기 내측 면을 향해 연장된 내부 플랜지부(50c); 및 상기 내부 플랜지부(50c)의 내측에 구비된 평탄부(50d)를 포함한다.
상기 외부 플랜지부(50b)는, 배터리 하우징(20)의 외측으로 노출된다. 상기 외부 플랜지부(50b)는, 배터리 하우징(20)의 상면의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 상기 외부 플랜지부(50b)의 최대 폭은 단자(50)의 관통으로 인해 배터리 하우징(20)에 형성된 홀의 최대 폭보다 더 크게 형성될 수 있다.
상기 몸체부(50a)는, 상기 배터리 하우징(20) 내측으로 삽입될 수 있다. 상기 몸체부(50a)는, 배터리 하우징(20)의 상면의 대략 중심부를 관통하여 제1 무지부(11)와 전기적으로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 몸체부(50a)는 배터리 하우징(20) 및 인슐레이터(40)를 동시에 관통하여 제1 집전체(30) 또는 제1 무지부(11)와 결합할 수 있다. 상기 몸체부(50a)는, 내부 플랜지부(50c)에 의해 배터리 하우징(20)의 내측 면 상에 리벳(rivet) 결합될 수 있다. 즉, 상기 몸체부(50a)의 하측 주변 단부에는, 코킹 지그의 적용에 의해 배터리 하우징(20)의 내측 면을 향해 휘어진 형태를 가지는 내부 플랜지부(50c)가 구비될 수 있다. 이로써 몸체부(50a)의 최대 폭은 몸체부(50a)의 관통에 의해 형성된 배터리 하우징(20)의 홀의 최대 폭보다 더 크게 형성될 수 있다. 한편 다른 실시 형태로서, 상기 몸체부(50a)는 배터리 하우징(20)의 내측 면을 향해 휘어진 형태를 갖지 않을 수도 있다. 즉, 상기 몸체부(50a)에는 내부 플랜지부(50c)가 구비되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, 상기 몸체부(50a)는 상기 배터리 하우징(20)의 상면의 대략 중심부에 위치한 홀을 관통하는, 대략 원통 형상을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 몸체부(50a)는, 그 평면 형상이 원형일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 몸체부(50a)는, 선택적으로 다각형, 별 형상, 중앙으로부터 연장되는 다리를 구비하는 형상 등을 가질 수 있다.
도 2 내지 도 5a를 참조하면, 상기 절연 가스켓(60)은, 배터리 하우징(20)과 단자(50) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 배터리 하우징(20) 과 단자(50)가 서로 접촉되는 것을 방지한다. 즉, 상기 절연 가스켓(60)은, 배터리 하우징(20)과 단자(50)의 전기적 연결을 차단한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 배터리 하우징(20)의 상면이 배터리(1)의 제2 전극 단자로서 기능할 수 있다.
도 2 내지 도 5a를 참조하면, 상기 절연 가스켓(60)은, 가스켓 노출부(61) 및 가스켓 삽입부(62)를 포함한다. 상기 가스켓 노출부(61)는 단자(50)의 외부 플랜지부(50b)와 배터리 하우징(20) 사이에 개재된다. 상기 가스켓 삽입부(62)는 단자(50)의 몸체부(50a)와 배터리 하우징(20) 사이에 개재된다. 바람직하게, 상기 가스켓 삽입부(62)는 내부 플랜지부(50c)와 배터리 하우징(20) 사이에 개재된다. 상기 가스켓 삽입부(62)는, 몸체부(50a)의 리벳팅(reveting) 시에 몸체부(50a)와 함께 변형되어 배터리 하우징(20)의 내측 면에 밀착될 수 있다. 상기 절연 가스켓(60)의 가스켓 노출부(61)와 상기 가스켓 삽입부(62)는, 위치에 따라 두께가 달라질 수 있다.
한편, 상기 절연 가스켓(60)은, 예를 들어 절연성을 갖는 수지 재질로 이루어질 수 있다. 상기 절연 가스켓(60)이 수지 재질로 이루어지는 경우에 있어서, 절연 가스켓(60)은 열 융착에 의해 상기 배터리 하우징(20) 및 단자(50)와 결합될 수 있다. 이 경우, 절연 가스켓(60)과 단자(50)의 결합 계면 및 절연 가스켓(60)과 배터리 하우징(20)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다.
상기 배터리 하우징(20)의 상면 중에서 상기 단자(50) 및 상기 절연 가스켓(60)이 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역 전체가 상기 단자(50)와 반대 극성을 갖는 제2 전극 단자에 해당한다. 이와는 달리, 본 발명에 있어서, 상기 절연 가스켓(60)이 생략되고 단자(50)에 부분적으로 절연 코팅층이 구비된 경우에는, 배터리 하우징(20)의 상면 중에서 절연 코팅층을 구비하는 단자(50)가 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역 전체가 제2 전극 단자로서 기능할 수 있다.
상기 배터리 하우징(20)의 원통형 측벽은, 제2 전극 단자와의 사이에 불연속되는 부분이 없도록 제2 전극 단자와 원피스(one piece)로 형성될 수 있다. 상기 배터리 하우징(20)의 측벽으로부터 제2 전극 단자로의 연결은 부드러운 곡선일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 연결부위는 소정 각도를 갖는 모서리를 적어도 하나 포함할 수 있다.
도 6 및 도 7의 실시예에 따른 배터리(1)는, 앞선 도 5a의 실시예의 배터리(1)와 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 6을 참조하면, 상기 몸체부(50a)는 상기 배터리 하우징(20)의 상면의 대략 중심부에 위치한 홀을 관통하는, 대략 원통의 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 몸체부(50a)를 감싸고 있는 상기 가스켓 삽입부(62)는, 몸체부(50a)의 외주면 상에 밀착될 수 있다. 동시에 상기 가스켓 삽입부(62)는, 제1 집전체(30)와도 밀착될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 단자(50)를 배터리 하우징(20)의 홀에 삽입하는 것이 용이해질 수 있다.
도 5c 및 도 7을 참조하면, 상기 절연 가스켓(60)과 상기 인슐레이터(40)는 동일 재질로 이루어질 수 있다. 나아가, 상기 절연 가스켓(60)은 상기 인슐레이터(40)와 연결되어 일체로 형성될 수도 있다. 상기 절연 가스켓(60)은 예를 들어 복원력을 갖는 재질로 구성될 수 있다. 따라서 상기 절연 가스켓(60)이 상기 배터리 하우징(20)의 홀에 끼워질 때에는 체결에 용이한 상태로 그 형태가 변형되었다가, 체결이 완료되면 도 5c 및 도 7과 같은 상태로 되돌아올 수 있다. 다만, 이는 절연 가스켓(60)이 상기 배터리 하우징(20)의 홀에 체결되는 방식의 한 예시일 뿐으로서 결합 방식이 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 결합 방식이 채용될 수 있음은 물론이다. 이와 같은 구조에 의하면 절연 가스켓(60) 및 상기 인슐레이터(40)의 일체 형성으로 인해 고정력 및 내진동성이 보다 향상될 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리는 사이드 스페이서(70)를 더 포함할 수 있다. 사이드 스페이서(70)는 상기 전극 조립체(10)의 외주면의 적어도 일부를 커버할 수 있다. 사이드 스페이서(70)는 상기 배터리 하우징(20)의 적어도 일부와 접촉할 수 있다. 예를 들어 사이드 스페이서(70)는 상기 배터리 하우징(20)의 내주면과 접촉할 수 있다. 바람직하게는, 상기 사이드 스페이서(70)는, 상기 전극 조립체(10)의 외주 둘레를 따라, 상기 전극 조립체(10)의 외주면의 적어도 일부를 커버할 수 있다. 즉, 상기 사이드 스페이서(70)는 상기 전극 조립체(10)의 외주면과 상기 배터리 하우징(20)의 내주면 사이에 위치될 수 있다. 이 때, 상기 사이드 스페이서(70)는, 상기 전극 조립체(10)의 외주면과 상기 배터리 하우징(20)의 내주면 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다. 예를 들어 도 8을 참조하여 설명하면, 상기 사이드 스페이서(70)의 두께는, 상기 전극 조립체(10)의 외주면과 상기 배터리 하우징(20)의 내주면 사이의 거리와 대략 동일하다. 한편, 상기 사이드 스페이서(70)의 두께는, 상기 인슐레이터(40)의 제2 커버부(42)의 두께와 대략 동일할 수 있다.
이러한 사이드 스페이서(70)의 구조적 특징에 의하면, 상기 전극 조립체(10)의 외주면과 상기 배터리 하우징(20)의 내주면 사이의 공간을 확실히 메꿀 수 있게 된다. 이에 따라, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해지더라도, 배터리 하우징(20) 내에서 전극 조립체(10)의 움직임이 최소화 되어 전기적 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도시되지는 않았으나, 상기 사이드 스페이서(70)는 그 단부가 상기 인슐레이터(40)의 제2 커버부(42)와 접하도록 형성될 수도 있다. 나아가, 상기 사이드 스페이서(70)는 상기 제2 커버부(42)와 일체로 형성될 수도 있다. 즉, 상기 사이드 스페이서(70)는, 상기 인슐레이터(40)와 연결되어 일체로 형성될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 상기 전극 조립체(10)의 외주면과 상기 배터리 하우징(20)의 내주면 사이의 빈 공간 더욱 줄어들어 내진동성이 더욱 향상될 수 있다. 한편 상기 사이드 스페이서(70)는 절연 폴리머 재질을 포함할 수 있다.
도 2, 도 4 및 도 9를 참조하면, 상기 제2 집전체(80)는, 전극 조립체(10)의 하부에 결합된다. 상기 제2 집전체(80)는 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제2 무지부(12)와 연결된다.
도 4를 참조하면, 상기 제2 집전체(80)는, 제2 무지부(12)와 결합되는 적어도 하나의 탭 결합부(81) 및 상기 배터리 하우징(20)의 내측 면의 비딩부(21)에 전기적으로 결합되는 적어도 하나의 하우징 결합부(82)를 포함할 수 있다. 상기 하우징 결합부(82)는 상기 크림핑부(22)에 의해 압착 고정될 수 있다. 바람직하게, 상기 하우징 결합부(82)는, 상기 비딩부(21)에 용접 결합될 수 있다. 상기 제2 집전체(80)는, 배터리 하우징(20)과 전기적으로 연결된다. 상기 제2 집전체(80)는, 도 4 및 도 8에 도시된 바와 같이 배터리 하우징(20)의 비딩부(21)의 내측 면(하부면)과 실링 가스켓(100) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 이와는 달리, 상기 제2 집전체(80)는, 비딩부(21)의 내측 면(하부면)에 용접될 수도 있다.
상기 제2 집전체(80)는, 상기 탭 결합부(81) 및 상기 하우징 결합부(82)가 반경 방향을 따라 연장되는 레그 구조를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 레그 구조는 복수 개 구비될 수 있다. 상기 탭 결합부(81)는 전극 조립체(10)의 하부에 배치되며, 비딩부(21)보다 상부에 위치할 수 있다.
상기 제2 집전체(80)는, 전극 조립체(10)의 중심부에 형성되는 권취 중심 홀과 대응되는 위치에 형성되는 원형의 집전체 홀을 구비한다. 서로 연통되는 권취 중심 홀 및 집전체 홀은, 단자(50)와 제1 집전체(30) 간의 용접을 위한 용접봉의 삽입 또는 레이저 용접 빔의 조사를 위한 통로로서 기능할 수 있다.
도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 제2 집전체(80)는, 그 일 면 상에 방사상으로 형성된 복수의 요철을 구비할 수 있다. 상기 요철이 형성된 경우, 제2 집전체(80)를 눌러서 요철을 제2 무지부(12)에 압입시킬 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 제2 집전체(80)는 제2 무지부(12)의 단부에 결합된다. 상기 제2 무지부(12)와 제2 집전체(80) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제2 집전체(80) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식을 이루어질 수도 있고, 선택적으로 제2 집전체(80)와 제2 무지부(12) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는 제2 집전체(80)와 제2 무지부(12)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 한편, 레이저 용접 외에도, 저항 용접, 초음파 용접 등이 가능하나, 용접 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
도면에 도시되지는 않았으나, 상기 제2 집전체(80)는, 제2 무지부(12)의 단부가 제2 집전체(80)와 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 수 있다. 상기 제2 무지부(12)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)을 향하는 방향일 수 있다. 상기 제2 무지부(12)는 절곡 구조를 형성하기 위해 제1 무지부(11)와 마찬가지로 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 상기 제2 무지부(12)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 제2 무지부(12)가 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 제2 무지부(12)와 제2 집전체(80) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합 면에서의 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.
도 2 및 도 9를 참조하면, 상기 캡(90)은, 강성 확보를 위해, 예를 들어 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 캡(90)은, 배터리 하우징(20)의 하단에 형성된 개방부(또는 개방단)를 커버한다. 즉, 상기 캡(90)은, 배터리(1)의 하면을 이룬다. 본 발명의 배터리(1)에 있어서, 상기 캡(90)은, 전도성을 갖는 금속 재질인 경우에도, 극성을 갖지 않는다. 극성을 갖지 않는다는 것은, 상기 캡(90)이 배터리 하우징(20) 및 단자(50)와 전기적으로 절연되어 있음을 의미할 수 있다. 따라서, 상기 캡(90)은, 양극 단자 또는 음극 단자로서 기능하지 않는다. 따라서, 상기 캡(90)은, 전극 조립체(10) 및 배터리 하우징(20)과 전기적으로 연결될 필요가 없으며, 그 재질이 반드시 전도성 금속이어야 하는 것도 아니다.
본 발명의 배터리 하우징(20)이 비딩부(21)를 구비하는 경우, 상기 캡(90)은, 배터리 하우징(20)에 형성된 비딩부(21) 상에 안착될 수 있다. 또한, 본 발명의 배터리 하우징(20)이 크림핑부(22)를 구비하는 경우, 상기 캡(90)은, 크림핑부(22)에 의해 고정될 수 있다. 상기 캡(90)과 배터리 하우징(20)의 크림핑부(22) 사이에는 배터리 하우징(20)의 기밀성을 확보하기 위해 기밀 가스켓(100)이 개재될 수 있다. 한편, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 배터리 하우징(20)은 비딩부(21) 및/또는 크림핑부(22)를 구비하지 않을 수도 있으며, 이 경우 상기 기밀 가스켓(100)은 배터리 하우징(20)의 기밀성 확보를 위해 배터리 하우징(20)의 개방부 측에 구비된 고정을 위한 구조물과 캡(90) 사이에 개재될 수 있다.
도 2 및 도 9를 참조하면, 상기 캡(90)은, 배터리 하우징(20) 내부에 발생된 가스로 인한 내압이 기 설정된 수치를 넘어서 증가하는 것을 방지하기 위해 형성되는 벤팅부(91)를 더 구비할 수 있다. 상기 벤팅부(91)는, 캡(90) 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 상기 벤팅부(91)는, 주변 영역과 비교하여 구조적으로 취약하다. 따라서, 상기 배터리(1)에 이상이 발생하여 배터리 하우징(20)의 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 벤팅부(91)가 파단되어 배터리 하우징(20)의 내부에 생성된 가스가 배출된다. 상기 벤팅부(91)는, 예를 들어, 캡(90)의 어느 상 면 및/또는 하 면 상에 노칭(noching)을 하여 부분적으로 배터리 하우징(20)의 두께를 감소시킴으로써 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 실링 가스켓(100)은, 상기 캡(90)을 감싸는 대략 링 형상을 가질 수 있다. 상기 실링 가스켓(100)은, 캡(90)의 하면, 상면 및 측면을 동시에 커버할 수 있다. 실링 가스켓(100)의 부위 중에서 캡(90)의 상면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이는, 실링 가스켓(100)의 부위 중에서 상기 캡(90)의 하면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이보다 작거나 같을 수 있다. 실링 가스켓(100)의 부위 중에서 캡(90)의 상면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이가 지나치게 길면, 배터리 하우징(20)을 상하로 압축하는 사이징 공정에서 실링 가스켓(100)이 제2 집전체(80)를 가압하여, 제2 집전체(80)가 손상되거나 배터리 하우징(20)이 손상될 가능성이 있다. 따라서, 실링 가스켓(100)의 부위 중에서 캡(90)의 상면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이를 일정 수준으로 작게 유지할 필요가 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리(1)는, 하부 스페이서(110)를 더 포함할 수 있다. 상기 하부 스페이서(110)는, 상기 캡(90)과 상기 제2 집전체(80) 사이에 개재될 수 있다. 상기 하부 스페이서(110)는, 상기 전극 조립체(10)의 유동을 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 스페이서는, 도 9에서와 같이, 상기 제2 집전체(80)와 상기 캡(90) 사이의 거리와 대응되는 높이를 가질 수 있다. 따라서, 상기 하부 스페이서(110)가, 상기 캡(90)과 상기 제2 집전체(80) 사이의 공간을 확실히 메꿀 수 있게 된다. 이에 따라, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해지더라도, 배터리 하우징(20) 내에서 전극 조립체(10)의 움직임이 최소화 되어 전기적 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 한편 상기 하부 스페이서(110)는, 절연 폴리머 재질을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 인슐레이터(40), 절연 가스켓(60), 사이드 스페이서(70) 및 하부 스페이서(110)는, 예를 들어 탄성을 갖는 재질을 포함할 수 있다. 따라서, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해질 경우, 상기 인슐레이터(40), 절연 가스켓(60), 사이드 스페이서(70) 및 하부 스페이서(110)는 탄성에 의해 압축되었다가 다시 원상태로 복귀하면는 과정에서 충격을 흡수할 수 있다. 이에 따라, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해지더라도, 배터리(1)의 내부 구성요소들의 손상이 최소화될 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 배터리는, 예를 들어 폼 팩터의 비(배터리의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 클 수 있다. 여기서, 폼 팩터란, 배터리의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다.
바람직하게, 원통형 배터리의 직경은 40mm 내지 50mm일 수 있고, 높이는 60mm 내지 130mm일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리는, 예를 들어 46110 셀, 4875 셀, 48110 셀, 4880 셀, 4680 셀일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 나머지 숫자는 셀의 높이를 나타낸다.
최근 배터리가 전기 자동차에 적용됨에 따라 배터리의 폼 팩터가 종래의 1865, 2170 등보다 증가하고 있다. 폼 팩터의 증가는 에너지 밀도의 증가, 열 폭주에 대한 안전성 증대, 그리고 냉각 효율의 향상을 가져온다.
배터리의 에너지 밀도는 폼 팩터의 증가와 함께 배터리 하우징 내부의 불필요한 공간이 최소화될 때 더욱 증가될 수 있다. 본 발명에 따른 배터리는 전극 조립체와 배터리 하우징 사이의 전기적 절연을 확보하면서도 배터리의 용량을 증대시킬 수 있는 최적 구조를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.418인 배터리일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.640인 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.436인 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.600인 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.575인 배터리일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 1865 배터리, 2170 배터리 등이 이용되었다. 1865 배터리의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.277이다. 2170 배터리의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.300이다.
상술한 실시예에 따른 배터리는 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(3)은 배터리(1)가 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(2)을 포함한다. 배터리(1)는 상술한 실시예에 따른 배터리다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 배터리(1)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
배터리 팩(3)은 자동차에 탑재될 수 있다. 자동차는 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차는 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함한다.
도 11은 도 10의 배터리 팩(3)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 포함한다. 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)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
3: 배터리 팩
2: 팩 하우징
1: 배터리
10: 전극 조립체
C: 권취 중심
11: 제1 무지부
12: 제2 무지부
20: 배터리 하우징
21: 비딩부
22: 크림핑부
30: 제1 집전체
40: 인슐레이터
41: 제1 커버부
42: 제2 커버부
50: 단자
50a: 몸체부
50b: 외부 플랜지부
50c: 내부 플랜지부
50d: 평탄부
60: 절연 가스켓
61: 가스켓 노출부
62: 가스켓 삽입부
70: 사이드 스페이서
80: 제2 집전체
81: 탭 결합부
82: 하우징 결합부
90: 캡
100: 기밀 가스켓
110: 하부 스페이서
R: 라운드부

Claims (71)

  1. 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1 활물질부와, 활물질층이 코팅되지 않은 제1 무지부를 포함하고, 상기 제1 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체의 상부에서 상기 제1 무지부의 적어도 일부에 결합되는 제1 집전체;
    상기 전극 조립체 및 상기 제1 집전체를 수용하는 배터리 하우징; 및
    상기 제1 무지부와 상기 배터리 하우징 사이의 전기적 연결을 차단하도록, 상기 제1 무지부 또는 상기 제1 집전체가 대향하는 상기 배터리 하우징의 내부 면과 상기 제1 무지부 또는 상기 제1 집전체 사이에 개재된 인슐레이터;
    를 포함하는 배터리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인슐레이터는,
    상기 배터리 하우징의 내측 면과 대향하는 제1 무지부의 단부 또는 상기 제1 집전체의 표면을 커버하는 제1 커버부; 및
    상기 전극 조립체의 외주면의 상단을 커버하는 제2 커버부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 커버부는,
    상기 제1 커버부의 외주변부로부터 수직으로 하방 연장된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 집전체는,
    상기 전극 조립체의 상부에서 상기 제1 무지부에 결합되어, 상기 제1 무지부와 상기 인슐레이터 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 커버부는,
    상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면과 대향하는 상기 제1 집전체의 표면을 커버하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 커버부는,
    상기 제1 집전체와 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면 사이의 거리와 대응되는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 무지부의 적어도 일부 구간은,
    상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 복수의 분절편으로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 분절편은,
    상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 분절편은,
    상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 인슐레이터는,
    상기 배터리 하우징의 내측 면과 대향하는 상기 제1 무지부의 복수의 분절편이 절곡되어 형성된 절곡 면 또는 제1 집전체와 상기 배터리 하우징의 내측 면 사이에 개재된 제1 커버부; 및
    상기 전극 조립체의 외주면의 상단을 커버하는 제2 커버부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 집전체는,
    상기 전극 조립체의 상부에서, 상기 절곡 면 상에 결합되어, 상기 절곡 면과 상기 인슐레이터 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 커버부는,
    상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면과 대향하는 상기 제1 집전체의 표면을 커버하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 커버부는,
    상기 제1 집전체와 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면 사이의 거리와 대응되는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리.
  14. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 커버부는,
    상기 제1 무지부가 상기 배터리 하우징의 내주면을 향해 노출되지 않도록 상기 제1 무지부의 최외곽의 노출된 측면부 전체를 커버하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  15. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 커버부의 연장 길이는,
    상기 제1 무지부의 연장 길이보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 배터리.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 커버부의 연장 길이는,
    상기 복수의 분절편 사이의 절단 라인 하단 지점으로부터, 상기 복수의 분절편의 절곡 지점까지의 길이보다, 크거나 같은 것을 특징으로 하는 배터리.
  17. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 커버부의 하단부는,
    상기 제1 무지부의 하단부보다 더 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  18. 제 2 항에 있어서,
    상기 인슐레이터는,
    절연 폴리머 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  19. 제 2 항에 있어서,
    상기 인슐레이터는,
    탄성을 갖는 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리.
  20. 제 2 항에 있어서,
    상기 인슐레이터는,
    상기 제1 커버부의 중심에 소정 직경을 갖는 중심 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제1 집전체의 중심은,
    상기 전극 조립체의 권취 중심과 동일 선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제1 집전체의 직경은,
    상기 인슐레이터의 상기 중심 홀의 직경보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 배터리.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 제1 집전체의 직경은,
    상기 전극 조립체의 권취 중심 홀의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 제1 커버부는,
    상기 제1 무지부의 단부와 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면 사이의 거리와 대응되는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 제1 무지부의 적어도 일부 구간은,
    상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 복수의 분절편으로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 복수의 분절편은,
    상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 복수의 분절편은,
    상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 제1 커버부는,
    상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면과 대향하는 상기 제1 무지부의 복수의 분절편이 절곡되어 형성된 절곡 면과, 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 제1 커버부는,
    상기 절곡 면과 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면 사이의 거리와 대응되는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리.
  30. 제 20 항에 있어서,
    상기 제1 무지부와 전기적으로 연결되고 적어도 일부가 상기 배터리 하우징의 상단부에 형성된 관통 홀을 통해 외부로 노출되는 단자;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 단자는,
    상기 관통 홀에 삽입된 몸체부;
    상기 배터리 하우징의 상단부의 외측 면을 통해 노출된 상기 몸체부의 일측 둘레로부터 상기 외측 면을 따라 연장된 외부 플랜지부;
    상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면을 통해 노출된 상기 몸체부의 타측 둘레로부터 상기 내측 면을 향해 연장된 내부 플랜지부; 및
    상기 내부 플랜지부의 내측에 구비된 평탄부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 평탄부와 상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면은 서로 평행한 것을 특징으로 하는 배터리.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 평탄부와 상기 제1 집전체는 서로 평행한 것을 특징으로 하는 배터리.
  34. 제 31 항에 있어서,
    상기 단자의 몸체부, 내부 플랜지부 및 평탄부는,
    상기 관통 홀을 통해 상기 배터리 하우징 내로 삽입되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  35. 제 31 항에 있어서,
    상기 내부 플랜지부는,
    상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면을 향해 리벳팅되어 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  36. 제 31 항에 있어서,
    상기 인슐레이터의 상기 중심 홀의 직경은,
    상기 몸체부의 직경보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 배터리.
  37. 제 31 항에 있어서,
    상기 인슐레이터의 상기 중심 홀의 직경은,
    상기 내부 플랜지부의 직경보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 배터리.
  38. 제 31 항에 있어서,
    상기 단자의 몸체부는,
    상기 인슐레이터의 상기 중심 홀을 관통하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  39. 제 31 항에 있어서,
    상기 단자의 평탄부는,
    상기 인슐레이터의 상기 중심 홀을 관통하여, 상기 제1 집전체와 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 단자의 평탄부는,
    상기 제1 집전체와 용접 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  41. 제 31 항에 있어서,
    상기 배터리는,
    상기 배터리 하우징과 상기 단자 사이에 개재되어 상기 배터리 하우징과 상기 단자의 전기적 연결을 차단하는 절연 가스켓;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 절연 가스켓은,
    상기 인슐레이터와 연결되어 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리.
  43. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 외주면의 적어도 일부를 커버하며, 상기 배터리 하우징의 내주면과 접촉하는 사이드 스페이서;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 사이드 스페이서는,
    상기 전극 조립체의 외주 둘레를 따라, 상기 전극 조립체의 외주면의 적어도 일부를 커버하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  45. 제 43 항에 있어서,
    상기 사이드 스페이서는,
    상기 전극 조립체의 외주면과 상기 배터리 하우징의 내주면 사이의 거리와 대응되는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리.
  46. 제 43 항에 있어서,
    상기 사이드 스페이서는,
    상기 인슐레이터와 연결되어 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리.
  47. 제 43 항에 있어서,
    상기 사이드 스페이서는,
    절연 폴리머 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  48. 제 43 항에 있어서,
    상기 사이드 스페이서는,
    탄성을 갖는 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리.
  49. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극은,
    권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제2 활물질부와, 활물질층이 코팅되지 않은 제2 무지부를 포함하고, 상기 제2 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  50. 제 49 항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 하부에서 상기 제2 무지부와 결합하는 제2 집전체;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 배터리 하우징은,
    하단에 형성된 개방부에 인접한 단부에 형성되며 내측을 향해 압입된 비딩부; 및
    상기 비딩부보다 상기 개방부를 향하는 측에 형성되며 상기 개방부를 향해 연장 및 절곡된 크림핑부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 제2 집전체는,
    상기 제2 무지부와 결합되는 적어도 하나의 탭 결합부; 및
    상기 배터리 하우징의 내측 면의 상기 비딩부에 전기적으로 결합되는 적어도 하나의 하우징 결합부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  53. 제 52 항에 있어서,
    상기 하우징 결합부는,
    상기 크림핑부에 의해 압착 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  54. 제 52 항에 있어서,
    상기 하우징 결합부는,
    상기 비딩부에 용접 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  55. 제 50 항에 있어서,
    상기 배터리 하우징의 개방부를 커버하는 캡;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 캡과 상기 제2 집전체 사이에 개재되며, 상기 전극 조립체의 유동을 방지하도록 구성된 하부 스페이서;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 하부 스페이서는,
    상기 제2 집전체와 상기 캡 사이의 거리와 대응되는 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리.
  58. 제 56 항에 있어서,
    상기 하부 스페이서는,
    절연 폴리머 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  59. 제 56 항에 있어서,
    상기 하부 스페이서는,
    탄성을 갖는 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리.
  60. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 커버부의 두께는,
    상기 제2 커버부의 두께와 상이한 것을 특징으로 하는 배터리.
  61. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 커버부의 두께는,
    상기 제1 커버부의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 배터리.
  62. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 커버부는,
    상기 제1 커버부의 외주변부에서 소정의 곡률 반경을 갖는 라운드부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  63. 제 62 항에 있어서,
    상기 라운드부는,
    상기 제1 커버부의 상면과 상기 제2 커버부의 측면의 교차 지점에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  64. 제 62 항에 있어서,
    상기 라운드부의 곡률 반경은,
    상기 배터리 하우징의 상단부의 내측 면과 상기 배터리 하우징의 측면의 교차 지점에 형성된 곡률 반경보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 배터리.
  65. 제 64 항에 있어서,
    상기 라운드부는,
    상기 배터리 하우징의 내측 면과 빈틈 없이 밀착되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  66. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 커버부 및 상기 제2 커버부는 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리.
  67. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 커버부 및 상기 제2 커버부는 별도로 형성되어 결합된 구조인 것을 특징으로 하는 배터리.
  68. 제 41 항에 있어서,
    상기 절연 가스켓은,
    상기 외부 플랜지부와 상기 배터리 하우징 사이에 개재된 가스켓 노출부; 및
    상기 내부 플랜지부와 상기 배터리 하우징 사이에 개재된 가스켓 삽입부;을 포함하고,
    상기 가스켓 노출부와 상기 가스켓 삽입부는, 위치에 따라 두께가 다른 것을 특징으로 하는 배터리.
  69. 제 20 항에 있어서,
    상기 제1 커버부의 상기 중심 홀의 주위에는, 상기 중심 홀보다 작은 직경을 갖는 복수의 홀이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리.
  70. 제1항 내지 제69항 중 어느 한 항에 따른 복수의 배터리; 및
    복수의 상기 배터리를 수용하는 팩 하우징;
    을 포함하는 배터리 팩.
  71. 제70항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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