KR20220118952A - 전극 조립체, 배터리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

전극 조립체, 배터리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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KR20220118952A
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조민기
김재웅
황보광수
임혜진
최수지
임재원
김학균
이제준
정지민
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Abstract

본 발명은 전극 조립체, 배터리, 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 개시한다. 전극 조립체는, 제1전극, 제2전극 및 이들 사이에 개재된 세퍼레이터가 일 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의하는 전극 조립체로서, 상기 제1전극 및 상기 제1전극 중 적어도 하나는 상기 권취 방향을 따르는 장변 단부에 상기 세퍼레이터를 넘어서 상기 축 방향으로 노출된 무지부를 포함하고, 상기 무지부의 적어도 일 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡됨으로써 상기 무지부의 중첩 레이어들을 가지는 절곡 표면영역을 정의하고, 상기 절곡 표면영역은, 상기 무지부의 중첩 레이어들을 복수개 가지는 용접 타겟 영역을 구비하고, 상기 용접 타겟 라인은 상기 전극 조립체의 반경 방향으로 연장될 수 있다.

Description

전극 조립체, 배터리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 {Electrode assembly, Battery, and Battery pack and Vehicle including the same}
본 발명은 전극 조립체, 배터리, 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지, 즉, 단위 배터리의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리를 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리를 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 단위 이차 전지의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리가 알려져 있다. 원통형 배터리의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 세퍼레이터를 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전지 하우징 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 상기 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극 탭이 연결될 수 있으며, 전극 탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적으로 연결시킨다. 참고로, 양극 전극 단자는 전지 하우징의 개방부를 밀봉하는 밀봉체의 캡이고, 음극 전극 단자는 전지 하우징이다. 그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 원통형 배터리에 의하면, 양극 무지부 및/또는 음극 무지부와 결합되는 스트립 형태의 전극 탭에 전류가 집중되기 때문에 저항이 크고 열이 많이 발생하며 집전 효율이 좋지 않다는 문제점이 있었다.
1865나 2170의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 배터리는 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 배터리를 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 원통형 배터리가 발화하는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 젤리롤 타입의 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하도록 설계하고, 이러한 무지부에 집전체를 용접시켜 집전 효율이 개선된 구조를 갖는 원통형 배터리(소위 탭-리스(Tab-less) 원통형 배터리)이 제시되었다.
도 1 내지 도 4는 탭-리스 원통형 배터리의 제조 과정을 보여주는 도면이다. 도 1은 전극의 구조를 나타내고, 도 2는 전극의 권취 공정을 나타내고, 도 3은 포밍 지그(30)를 이용하여 무지부(32, 33)를 절곡하는 공정을 나타내고, 도 4는 무지부(32, 33)의 절곡 표면영역에 집전체(34, 35)가 용접된 상태를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 양극(10)과 음극(11)은 쉬트 모양의 도전성 기재(20)에 활물질(21)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향(X)을 따라 한쪽 장변 측에 무지부(22)를 포함한다.
전극 조립체(A)는 양극(10)과 음극(11)을 도 2에 도시된 것처럼 2장의 세퍼레이터(12)와 함께 순차적으로 적층시킨 후 일방향(X)으로 권취시켜 제작한다. 이 때, 양극(10)과 음극(11)의 무지부는 권취 축(Y) 방향에서 서로 반대 방향으로 배치된다.
권취 공정 이후, 양극(10)의 무지부(32)와 음극(11)의 무지부(33)는 코어측으로 절곡된다. 그 이후에는, 무지부(32, 33)에 각각 플레이트 형상의 집전체(34, 35)를 용접시켜 결합시킨다.
양극 무지부(32)와 음극 무지부(33)에는 별도의 전극 탭이 결합되어 있지 않으며, 집전체(34, 35)가 외부의 전극 단자와 연결된다. 전류 패스가 전극 조립체(A)의 권취 축 방향(화살표 참조)을 따라 큰 단면적으로 형성되므로 배터리의 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반비례하기 때문이다.
탭-리스 원통형 배터리에서, 무지부(32,33)와 집전체(34,35)의 용접 특성을 향상시키기 위해서는 무지부(32,33)의 용접 지점에 강한 압력을 가하여 최대한 평평하게 무지부(32, 33)를 절곡시켜야 한다.
또한, 집전체(34,35)가 용접되는 무지부(32, 33)의 절곡 부위는 여러 겹으로 중첩되어 있어야 하고 빈 공간(빈틈)의 볼륨이 크지 않아야 한다. 그래야만, 충분한 용접 강도를 얻을 수 있고 레이저 용접 등의 최신 기술을 사용하더라도 레이저가 전극 조립체(A) 내부로 침투하여 세퍼레이터나 활물질을 융발시키는 문제를 방지할 수 있다.
무지부(32, 33)가 전극 조립체(A)의 반경 방향을 따라 균일하게 중첩되기 위해서는 각 권회 턴의 위치를 기준으로 해당 위치의 무지부가 코어측으로 절곡되면서 그 안쪽의 권회 턴에서 절곡된 무지부의 윗면을 덮어야 한다. 또한, 전극 조립체(A)의 반경 방향을 기준으로 인접하는 권회턴 사이의 무지부 간격을 d라고 하고, 각 권회턴에 위치한 무지부의 절곡 길이를 e라고 할 때, 절곡 길이 e는 d*n(n은 2 이상의 자연수) 이상의 길이를 가져야 한다. 그래야만 무지부(32, 33)가 여러 겹으로 중첩되는 영역이 생긴다. 또한, 무지부(32, 33)가 동일한 수로 중첩되는 영역을 전극 조립체(A)의 반경 방향에서 충분한 길이로 형성하기 위해서는 무지부(32, 33)의 길이가 충분히 길어야 한다. 하지만, 소형 원통형 배터리에 포함되어 있는 전극 조립체는 반경이 작아서 무지부(32, 33)의 절곡 길이를 충분히 길게 설계하는 개념을 도출할 수 있는 동기를 착상하기 어렵다.
또한, 소형 원통형 배터리는 직경이 18mm, 21mm 등으로 작기 때문에 무지부(32, 33)가 여러 겹으로 균일하게 중첩되도록 절곡하는 것이 어렵다. 따라서, 무지부(32, 33)를 절곡할 때 포밍 지그(30)를 이용하여 무지부(32, 33)의 단부를 랜덤하게 문질러서 포밍시키거나 상하 운동을 하는 지그(31)를 이용하여 무지부(32, 33)를 반복적으로 탭핑함으로써 절곡 표면영역을 형성시킨다.
또한, 무지부(32, 33)를 전극 조립체(A)의 반경 방향을 따라 절곡하는 공법을 사용하더라도 그 목적은 절곡 표면영역을 형성하는 데에만 초점이 맞추어져 있고, 무지부(32, 33)의 중첩 구조를 미세하게 조절하는 것에는 특별한 목적을 두지 않는다. 따라서, 종래의 소형 원통형 배터리에 사용되는 전극 조립체에서는 무지부(32, 33)가 전극 조립체(A)의 코어 방향을 따라 여러 겹으로 균일하게 중첩된 구조를 확인하기 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 배경하에서 창안된 것으로서, 전극 조립체의 양단에 노출된 무지부를 절곡시킬 때 전극 조립체의 반경 방향에서 무지부가 균일하게 여러 겹 중첩되는 영역을 충분한 길이로 확보하여 용접 출력을 증가시키더라도 세퍼레이터나 활물질층의 손상을 방지할 수 있는 무지부 절곡 구조를 가진 전극 조립체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소된 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 개선된 구조의 전극 조립체를 포함하는 배터리와 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전ㄹ극 조립체는, 제1전극, 제2전극 및 이들 사이에 개재된 세퍼레이터가 일 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의하는 전극 조립체로서, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 적어도 하나는 상기 권취 방향을 따르는 장변 단부에 상기 세퍼레이터를 넘어서 상기 축 방향으로 노출된 무지부를 포함하고, 상기 무지부의 적어도 일 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡됨으로써 상기 무지부의 중첩 레이어들을 가지는 절곡 표면영역을 정의하고, 상기 절곡 표면영역은, 상기 무지부의 중첩 레이어들을 복수개 가지는 용접 타겟 영역을 구비하고, 상기 용접 타겟 라인은 상기 전극 조립체의 반경 방향으로 연장될 수 있다.
상기 무지부의 두께는 5um 내지 25um이고, 인접하는 권회턴 사이의 무지부 간격은 350 내지 380um일 수 있다.
상기 용접 타겟 영역에서 상기 무지부의 중첩 레이어들의 평균 적층 두께는 25um 이상일 수 있다.
상기 용접 타겟 영역에서 상기 무지부의 중첩 레이어들은 상기 축 방향과 실질적으로 수직으로 적층될 수 있다.
상기 전극 조립체의 반경 대비 상기 용접 타겟 영역의 반경 방향 길이의 비율은 30% 이상, 선택적으로 40% 이상, 선택적으로 50% 이상, 선택적으로 60% 이상, 선택적으로 70% 이상 또는 선택적으로 80% 이상일 수 있다.
성가 전극 조립체의 반경 대비 상기 용접 타겟 영역의 반경 방향 길이의 비율은 30% 이상 90% 이하일 수 있다.
상기 용접 타겟 영역은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 상기 무지부의 평균 중첩 레이어 수가 5장 이상, 선택적으로 6장 이상, 선택적으로 7장 이상, 선택적으로 8장 이상, 선택적으로 9장 이상 또는 선택적으로 10장 이상일 수 있다.
상기 용접 타겟 영역은 평균 중첩 레이어 수가 5장 이상 15장 이하일 수 있다.
상기 무지부의 다른 부분은 절곡되지 않으며, 상기 용접 타겟 영역과 상기 무지부의 다른 부분 사이의 경계(boundary)는 상기 축 방향을 따라 커팅 되어 있을 수 있다.
상기 용접 타겟 영역은 상기 전극 조립체의 코어 중심으로부터 외각측으로 방사상으로 배치될 수 있다.
상기 용접 타겟 영역은 상기 전극 조립체의 코어 중심으로부터 외각측으로 십자 형태로 배치될 수 있다.
상기 용접 타겟 영역에 집전체가 용접되어 있을 수 있다.
상기 집전체는 상기 용접 타겟 영역에 레이저 용접 또는 초음파 용접될 수 있다.
상기 집전체와 상기 용접 타겟 영역 사이의 용접 패턴은 성기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 선형으로 배열된 복수의 도트 패턴을 포함할 수 있다.
상기 무지부는 상기 전극 조립체의 코어 측 또는 외각 측에 인접한 영역에서 상기 전극 조립체의 권취 축 방향의 높이가 나머지 영역보다 낮은 무지부 커팅부를 포함할 수 있다.
상기 무지부 커팅부에 잔존하는 무지부 부분은 절곡되지 않을 수 있다.
상기 무지부 커팅부가 권취되면서 형성되는 권취 턴들의 반경 방향 폭은 상기 무지부의 절곡 길이보다 클 수 있다.
상기 무지부 커팅부에 잔존하는 무지부의 높이는 0.2 내지 4mm일 수 있다.
상기 무지부가 절곡되기 전, 상기 축 방향을 따라 연장된 무지부의 최대 높이는 12mm일 수 있다.
상기 무지부의 절곡 깊이는 1mm 내지 5mm일 수 있다.
상기 제1전극 및 상기 제2전극 중에서 상기 무지부를 가지는 전극은 상기 축 방향을 따라 한 쌍의 단변들(short sides)을 가지며, 상기 한 쌍의 단변들은 동일한 길이 또는 다른 길이를 가질 수 있다.
상기 제1전극 및 상기 제2전극 중에서 상기 무지부를 가지는 전극은 상기 권취 방향을 따라 한 쌍의 장변들(long sides)을 가지며, 상기 한 쌍의 장변들은 동일한 길이 또는 다른 길이를 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리는, 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 세퍼레이터가 일 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은, 각각, 상기 권취 방향을 따르는 장변 단부에 상기 세퍼레이터를 넘어서 상기 축 방향으로 노출된 무지부를 포함하고, 상기 무지부의 적어도 일 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡됨으로써 상기 무지부의 중첩 레이어들을 가지는 절곡 표면영역을 정의하고, 상기 절곡 표면영역은, 상기 무지부의 중첩 레이어들을 복수개 가지는 용접 타겟 영역을 구비하고, 상기 용접 타겟 라인은 상기 전극 조립체의 반경 방향으로 연장된 것인, 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되며, 개방부를 가진 제1단부(first end)와 제2단부(second end)를 가지는 전지 하우징; 상기 전지 하우징의 상기 제1단부에서 상기 개방부를 밀봉하는 밀봉체; 상기 전지 하우징의 제2단부 또는 상기 밀봉체를 통해 외부로 노출된 표면을 가지는 단자; 상기 제1전극의 무지부의 용접 타겟 영역과 상기 단자에 전기적으로 연결된 제1집전체; 및 상기 제2전극의 무지부의 용접 타겟 영역과 상기 전지 하우징에 전기적으로 연결된 제2집전체를 포함할 수 있다.
상기 단자는 상기 전지 하우징의 제2단부에 있는 관통홀에 배치된 리벳 단자이고, 상기 전지 하우징의 제2단부의 관통홀과 상기 리벳 단자 사이에 밀봉 가스켓이 개재될 수 있다.
상기 리벳 단자는 상기 제1집전체에 용접될 수 있다.
상기 밀봉체는 상기 전지 하우징의 상기 제1단부의 개방부에서 밀봉 가스켓과 함께 크림핑된 캡을 포함하고, 상기 밀봉 가스켓은 상기 캡과 상기 전지 하우징의 제1단부의 개방부 사이에 개재되어 상기 전지 하우징으로부터 상기 캡을 절연시킬 수 있다.
상기 배터리는, 상기 전지 하우징의 제1단부의 개방부 근처에 비딩부를 포함하고, 상기 밀봉체는, 상기 전지 하우징의 제1단부의 개방부에서 밀봉 가스켓과 함께 클림핑된 캡을 포함하고, 상기 제2집전체는 가장 자리의 적어도 일부가 상기 비딩부와 상기 밀봉 가스켓 사이에 개재되어 상기 비딩부의 내측면과 접촉할 수 있다.
상기 제2집전체는 가장 자리의 적어도 일부가 상기 비딩부의 내측면에 용접될 수 있다.
상기 캡은 전기적 극성을 갖지 않을 수 있다.
상기 용접 타겟 영역은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 상기 무지부의 평균 중첩 레이어 수가 5장 이상일 수 있다.
상기 용접 타겟 영역에서 상기 무지부의 중첩 레이어들의 평균 적층 두께는 25um 이상일 수 있다.
상기 제1집전체에는, 상기 제1전극의 무지부의 용접 타겟 영역과 상기 제1집전체 사이의 용접에 의해 형성된 제1용접 패턴이 구비되고, 상기 제2집전체에는, 상기 제2전극의 무지부의 용접 타겟 영역과 상기 제2집전체 사이의 용접에 의해 형성된 제2용접 패턴이 구비될 수 있다.
상기 제1용접 패턴과 상기 제2용접 패턴은 상기 전극 조립체의 코어 중심으로부터 5mm 내지 10mm 이격된 지점에서 시작되어 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 연장될 수 있다.
상기 제1용접 패턴과 상기 제2용접 패턴은 상기 전극 조립체의 코어 중심으로부터 동일한 거리로 이격된 지점으로부터 시작되어 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 연장될 수 있다.
상기 제1용접 패턴과 상기 제2용접 패턴은 상기 전극 조립체의 반경 방향으로 동일한 길이 또는 다른 길이를 가질 수 있다.
상기 제1용접 패턴은 상기 제2용접 패턴보다 더 길 수 있다.
상기 무지부가 절곡되기 전, 상기 축 방향을 따라 연장되는 무지부의 최대 높이는 12mm일 수 있다.
상기 무지부의 다른 부분은 절곡되지 않으며, 상기 무지부의 다른 부분과 상기 용접 타겟 영역 사이의 경계(boundary)는 커팅되어 있을 수 있다.
상기 무지부의 절곡 깊이는 1mm 내지 5mm일 수 있다.
상기 제1전극 및 상기 제2전극은 각각 상기 축 방향을 따르는 한 쌍의 단변들을 포함하고, 상기 한 쌍의 단변들은 동일한 길이 또는 다른 길이를 가질 수 있다.
상기 제1전극 및 상기 제2전극은 각각 상기 권취 방향을 따르는 한 쌍의 장변들을 포함하고, 상기 한 쌍의 장변들은 동일한 길이 또는 다른 길이를 가질 수 있다.
상기 단자와 상기 전지 하우징의 제2단부 사이에서 측정한 저항이 4밀리오옴(mΩ) 이하일 수 있다.
상기 배터리의 높이 대비 직경의 비율이 0.4보다 클 수 있다.
상기 기술적 과제는 상술한 배터리를 포함하는 배터리 팩, 그리고 배터리 팩을 포함하는 자동차에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전극 조립체의 양단에 노출된 무지부를 절곡시킬 때 전극 조립체의 반경 방향에서 무지부가 균일하게 중첩되는 영역을 충분히 확보하여 용접 출력을 증가시키더라도 세퍼레이터나 활물질층의 손상을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 코어에 인접한 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 전극 조립체의 코어에 있는 공동이 폐색되는 것을 방지하여 전해액 주입 공정과 전지 하우징과 집전체의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면. 스트립 형태의 전극 탭을 대신하여 무지부의 절곡 표면영역을 집전체에 직접 용접하여 데드 스페이스를 감소시킴으로써 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소된 전극 조립체를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내부 저항이 낮고, 집전체와 무지부의 용접 강도가 향상된 구조를 갖는 배터리, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시예에서 설명하거나, 통상의 기술자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래의 탭-리스 원통형 배터리의 제조에 사용되는 전극의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 2는 종래의 탭-리스 원통형 배터리의 전극 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 탭-리스 원통형 배터리 제조 방법에 있어서 무지부를 절곡하는 공정을 나타낸 도면이다.
도 4는 종래의 탭-리스 원통형 배터리 제조 방법에 있어서 무지부의 절곡 표면영역에 집전체가 용접된 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체를 권취 축방향(Y 축)으로 자른 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 전극 조립체의 단부에 노출된 무지부를 코어로부터 외각측으로 절곡시킨 모습을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 전극 조립체의 단부에 노출된 무지부를 외각으로부터 코어측으로 절곡시킨 모습을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 단부에 노출된 무지부를 절곡시킬 때 절곡 깊이에 따라 무지부의 중첩 레이어 수가 어떻게 변화하는지를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에서 전극 조립체의 양극 무지부 및 음극 무지부를 절곡시키는 방향에 따라 무지부의 평균 중첩 레이어 수 변화와 중첩 품질을 비교한 실험 결과이다.
도 11은 본 발명의 실시예에서 전극 조립체의 무지부를 절곡하기 전에 절곡 영역을 미리 커팅한 모습을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에서 전극 조립체의 양극 무지부 및 음극 무지부의 커팅 여부 및 절곡 방향에 따라 무지부의 평균 중첩 레이어 수 변화와 중첩 품질을 비교한 실험 결과이다.
도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리를 권취 축(Y축) 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1집전체의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 13c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2집전체의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 14a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 권취 축(Y축) 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 14b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1집전체의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 14c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1집전체의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 원통형 배터리들이 전기적으로 연결된 상태를 나타낸 상부 평면도이다.
도 16은 도 15의 부분 확대도이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리를 포함하는 배터리 팩을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 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 안 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 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 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 '동일'하다는 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, 영역에서 어떠한 파라미터가 균일하다는 것은 해당 영역에서 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 권취 축의 길이방향을 따르는 방향을 축방향(Y)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취 축을 둘러싸는 방향을 원주방향 또는 둘레방향(X)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취 축에 가까워지거나 권취 축으로부터 멀어지는 방향을 반경방향이라 지칭한다. 이들 중 특히 권취 축에 가까워지는 방향을 구심방향, 권취 축으로부터 멀어지는 방향을 원심방향이라 지칭한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체에 관해 설명한다. 전극 조립체는 쉬트 형상을 가진 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 세퍼레이터가 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체이다.
전극 조립체의 형상은 젤리롤 타입에 한정되지 않는다. 따라서 전극 조립체는 원통형 배터리에 채용될 수 있는 다른 공지의 구조를 가질 수 있다.
바람직하게, 제1전극 및 제2전극 중 적어도 하나는 권취 방향의 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 무지부를 포함한다. 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극(40)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 5를 참조하면, 전극(40)은 금속 포일로 이루어진 도전성 기재(40a) 및 활물질층(40b)을 포함한다. 전극(40)은 한 쌍의 단변들(short side)과 한 쌍의 단변들 사이에서 연장되는 한 쌍의 장변들(long side)을 가진다. 한 쌍의 단변들은 권취 축 방향(Y)을 따라 연장되고, 한 쌍의 장변들은 권취 방향(X)을 따라 연장된다. 한 쌍의 단변들은 길이가 동일하거나 다를 수 있고, 한 쌍의 장변들 또한 길이가 동일하거나 다를 수 있다.
금속 포일(foil)은 알루미늄 또는 구리일 수 있으며, 전극(40)의 극성에 따라 적절하게 선택된다. 활물질층(40b)은 한 쌍의 단변 사이에서 연장되는 도전성 기재(40a)의 적어도 일면에 형성되며, 권취 방향(X)을 따라 연장된 한 쌍의 장변들 중 한쪽 단부에 무지부(40c)를 포함한다. 무지부(40c)는 활물질이 코팅되지 않은 영역이다. 활물질층(40b)과 무지부(40c)의 경계에는 절연 코팅층(40d)이 형성될 수 있다. 절연 코팅층(40d)은 적어도 일부가 활물질층(40b)과 무지부(40c)의 경계와 중첩되도록 형성된다. 절연 코팅층(40d)은 고분자 수지를 포함하고, Al2O3와 같은 무기물 필터를 포함할 수 있다. 고분자 수지는 다공질 구조를 가질 수 있다. 절연 코팅층(40d)은 권취 축(Y) 방향에서 0.3mm 내지 5mm의 폭을 가질 수 있다. 절연 코팅층(40d)이 형성된 무지부(40c)의 부분은 활물질이 코팅되지 않은 영역이므로 해당 부분 역시 무지부로 간주될 수 있다.
바람직하게, 코어측에 인접하는 무지부(40c)의 일부는 노칭 공정을 통해 커팅할 수 있다. 이 경우, 무지부(40c)를 코어측으로 절곡하더라도 전극 조립체의 코어가 무지부(40c)의 절곡부에 의해 폐색되지 않는다. 참고로, 코어에는 전극 조립체의 권취 시 사용되었던 보빈이 제거되면서 생긴 공동이 구비된다. 공동은 전해액 주입 통로 또는 용접 지그를 삽입하기 위한 통로로 활용될 수 있다. 도면에서, 점선은 무지부(40c)가 절곡되는 위치를 나타낸다. 무지부(40c)의 절곡 위치는 변경될 수 있다.
무지부(40c)의 커팅부(B)는 전극(40)이 권취되었을 때 반경 방향으로 복수의 권회 턴을 형성한다. 복수의 권회 턴은 반경 방향에서 소정의 폭을 가진다. 바람직하게, 소정의 폭은 무지부(40c)의 절곡 길이(h)보다 같거나 크도록 커팅부(B)의 폭(d)과 무지부(40c)의 절곡 길이(h)가 조절될 수 있다. 그러면, 무지부(40c)가 절곡되더라도 전극 조립체의 코어가 무지부(40c)의 절곡부에 의해 폐색되지 않는다.
대안적으로, 커팅부(B)의 폭(d)과 무지부(40c)의 절곡 길이(h)는 전극 조립체의 코어(공동)가 그것의 직경을 기준으로 90% 이상 외부로 개방되도록 조절될 수 있다.
무지부(40c)의 커팅부(B)를 형성할 때 활물질층(40b) 및/또는 절연 코팅층(40d)이 손상되는 것을 방지하기 위해 절단 라인과 절연 코팅층(40d) 사이에 갭을 두는 것이 바람직하다. 갭은 바람직하게 0.2mm 내지 4mm, 보다 바람직하게 0.5mm 내지 2mm일 수 있다. 갭이 해당 수치범위로 조절되면, 무지부(40c)가 커팅될 때 커팅 공차에 의해 활물질층(40b) 및/또는 절연 코팅층(40d)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 커팅부(B)의 절단라인은 활물질층(40b)의 단부로부터 0.5mm 내지 4mm 이격되는 것이 바람직하다. 이격 거리가 0.5mm 내지 4mm의 범위로 조절되면, 무지부(40c)의 커팅부(B)가 형성되는 과정에서 커팅 공차에 의해 활물질층(40b)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
구체적인 예에서, 전극(40)이 폼 팩터가 4680(직경: 46mm, 높이:80mm)인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 무지부 커팅부(B)의 폭(d)은 전극 조립체 코어의 직경에 따라 180mm 내지 350mm로 설정할 수 있다.
한편, 전극 조립체의 코어가 전해액 주입 공정, 용접 공정 등에서 사용되지 않는 경우, 무지부(40c)의 커팅부(B)는 형성하지 않아도 무방하다. 또한, 무지부(40c)의 커팅부(B)는 전극(40)의 외주 측에 형성될 수 있다. 무지부(40c)의 커팅부(B)가 전극(40)의 외주 측에 형성되면, 전극(40)의 외주 측에 있는 무지부(40c)의 부분이 전지 하우징과 전기적으로 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 효과는 전극(40)의 극성과 전지 하우징의 극성이 서로 다를 때 유용하다.
상술한 실시예의 전극(40)은 젤리롤 타입의 전극 조립체에 포함된 극성이 다른 제1전극 및/또는 제2전극에 적용될 수 있다. 또한, 제1전극 및 제2전극 중 어느 하나에 실시예의 전극 구조가 적용될 경우, 다른 하나에는 종래의 전극 구조(도 1)가 적용될 수 있다. 또한, 제1전극 및 제2전극에 적용된 전극 구조는 서로 동일하지 않고 다를 수 있다.
본 발명에 있어서, 양극에 코팅되는 양극 활물질과 음극에 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; 0 ≤ x, 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-(1-x)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 xFe1-xM2 yP1-yM3 zO4-z(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.
세퍼레이터는 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, 세퍼레이터는 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.
세퍼레이터의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다. 또한 세퍼레이터 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), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전극(40)을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체(50)를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 6을 참조하면, 전극 조립체(50)는 도 2를 통해 설명한 권취 공법으로 제조할 수 있다. 전극 조립체(50)의 상부로 돌출된 무지부(41)는 제1전극(43)으로부터 연장된 것이다. 전극 조립체(50)의 하부로 돌출된 무지부(42)는 제2전극(44)으로부터 연장된 것이다. 세퍼레이터(45)는 제1전극(43)과 제2전극(44) 사이에 개재된다. 제1전극(43)의 활물질 코팅영역의 Y축 방향 길이는 제2전극(44)의 활물질 코팅 영역의 Y 축 방향의 길이보다 작을 수 있다. 따라서, 제2전극(44)의 활물질 코팅 영역이 제1전극(43)의 활물질 코팅 영역보다 Y축 방향을 따라 길게 연장될 수 있다.
바람직하게, 제1전극(43) 및 제2전극(44)의 활물질 영역과 무지부 사이의 경계에 형성된 절연 코팅층(47)은 세퍼레이터(45)의 단부까지 연장되거나 단부로부터 외측으로 노출될 수 있다. 절연 코팅층(47)이 세퍼레이터(45) 외부로 노출될 경우 무지부(41, 42)가 절곡될 때 절곡 지점을 지지하는 역할을 할 수 있다. 절곡 지점이 지지되면, 무지부(41, 42)가 절곡될 때 활물질층과 세퍼레이터(45) 측으로 인가되지 응력이 완화된다. 또한, 절연 코팅층(47)은 제1전극(43) 및 제2전극(44)이 서로 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있다. 절연 코팅층(47)의 단부는 세퍼레이터(45)의 단부를 넘어서 권취 축(Y) 방향을 따라 0 초과 2mm 이하의 길이로 노출될 수 있다.
제1전극(43)은 도전성 기재 및 그것의 적어도 일면에 형성된 활물질 코팅층을 포함한다. 도전성 기재(무지부 41)는 알루미늄으로 이루어지고, 두께는 10um 내지 25um일 수 있다. 활물질 코팅층을 포함한 제1전극(43)의 두께는 180um 내지 220um일 수 있다. 제2전극(44)은 도전성 기재 및 그것의 적어도 일면에 형성된 활물질 코팅층을 포함한다. 도전성 기재(무지부 42)는 구리로 이루어지고, 두께는 5um 내지 20um일 수 있다. 활물질 코팅층을 포함한 제2전극(44)의 두께는 140um 내지 180um일 수 있다. 세퍼레이터(45)는 제1전극(43) 및 제2전극(44)의 사이에 개재되며, 두께는 8um 내지 18um일 수 있다.
제1전극(43)의 권회 구조에 있어서 반경 방향으로 인접하는 권회턴에 위치한 무지부(41)의 간격은 350um 내지 380um일 수 있다. 또한, 제2전극(44)의 권회 구조에 있어서 반경 방향으로 인접하는 권회턴에 위치한 무지부(42)의 간격은 350um 내지 380um일 수 있다.
전극 조립체(50)에 있어서, 제1전극(43)의 권회턴수는 원통형 배터리의 폼 팩터에 따라 달라지는데 48 내지 56일 수 있다. 제2전극(44)의 권회턴수 또한 원통형 배터리의 폼 팩터에 따라 달라지는데 48 내지 56일 수 있다.
무지부(41, 42)는 소형 원통형 배터리의 설계에 적용되는 무지부보다 더 길다. 바람직하게, 무지부(41, 42)는 6mm 이상, 선택적으로 7mm 이상, 선택적으로 8mm 이상, 선택적으로 9mm 이상, 선택적으로 10mm 이상, 선택적으로 11mm 이상, 선택적으로 12mm 이상일 수 있다.
바람직하게, 무지부(41, 42)는 전극 조립체(50)의 반경 방향, 더욱 바람직하게는 외각으로부터 코어측으로 절곡될 수 있다.
도 7은 포밍 지그(60)를 이용하여 전극 조립체(50)의 무지부(41)를 코어로부터 외각측으로 절곡시킨 모습을 나타낸 단면도이다. 도 8은 포밍 지그(60)를 이용하여 전극 조립체(50)의 무지부(41)를 외각으로부터 코어측으로 절곡시킨 모습을 나타낸 단면도이다. 본 실시예에서, 무지부(41)의 소재는 알루미늄이고, 두께는 10um이고, 권취 축 방향 길이는 8mm이고, 절곡 깊이는 2mm로 설정하였다. 절곡 깊이는 무지부(41)가 절곡되기 전과 절곡된 이후의 높이 차이에 해당한다. 무지부(41)가 절곡된 이후의 높이는 절곡 표면영역의 높이이다. 높이의 기준 점은 활물질 코팅층과 무지부(41)의 경계지점일 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 무지부(41)가 코어로부터 외각측으로 절곡되면 코어 근처에서 무지부(41)의 찌그러짐(buckling)이 심하게 일어난다. 반면, 무지부(41)가 외각으로부터 코어측으로 절곡되면 무지부(41)의 찌그러짐 현상이 상당 부분 완화된다. 무지부(41)의 찌그러짐이 심하면, 무지부(41)와 활물질층의 경계에 응력이 집중되어 도전성 기재에 크랙이 발생될 수 있다. 심지어, 무지부(41)의 단부가 응력을 이기지 못하고 찢어질 수 있다. 또한, 무지부(41)가 찢어질 때 세퍼레이터도 함께 찢어지면서 제1전극(43)과 제2전극(44) 사이에 마이크로 단락이 유발될 수 있다. 무지부(41)의 찌그러짐은 무지부(41)가 절곡되면서 곡률 반경이 역전되는 것에서 비롯된 것이다. 도 7 및 도 8을 참작할 때, 무지부(41)는 전극 조립체(50)의 외각으로부터 코어측으로 절곡되는 것이 바람직하다. 유사하게, 무지부(42) 또한 전극 조립체(50)의 외각으로부터 코어측으로 절곡되는 것이 바람직하다.
한편, 무지부(41, 42)의 찌그러짐은 전극 조립체(50)의 코어 근처에서 생긴다. 만약, 코어 근처의 무지부(41, 42)에 커팅부(도 5의 B)를 형성하여 코어 근처에서 무지부를 절곡하지 않으면 무지부(41, 42)의 찌그러짐을 방지할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 커팅부(B) 또는 그와 유사한 구조를 전극 조립체(50)의 코어 근처에 적용할 경우, 무지부(41, 42)는 전극 조립체(50)의 외각으로부터 코어측으로 절곡되는 것도 가능하다.
바람직하게, 무지부(41, 42)의 절곡 깊이는 적어도 1mm 이상, 선택적으로 1.5mm 이상, 선택적으로 2mm 이상, 선택적으로 2.5mm 이상, 선택적으로 3.0mm 이상, 선택적으로 3.5mm 이상, 선택적으로 4mm 이상, 선택적으로 4.5이상, 선택적으로 5.0mm 이상일 수 있다.
도 9는 포밍 지그(60)를 이용하여 무지부(41)의 단부를 절곡시킬 때 절곡 깊이를 1mm, 2mm 및 3mm로 변화시켰을 때 무지부(41)의 중첩 레이어 수가 어떻게 변화하는지를 측정한 결과이다. 무지부(41)의 소재, 길이 및 두께는 앞서 설명한 실험 조건과 동일하다.
도 9를 참조하면, 무지부(41)의 절곡 깊이가 1mm일 때 전극 조립체(50)의 반경 중앙(수직 점선들에 의해 지시된 영역)에서 무지부(41)의 중첩 레이어 수는 3장이다. 무지부(41)의 절곡 깊이가 2mm일 때 전극 조립체(50)의 반경 중앙에서 무지부(41)의 중첩 레이어 수는 6장이다. 무지부(41)의 절곡 깊이가 3mm일 때 전극 조립체(50)의 중앙에서 무지부(41)의 중첩 레이어 수는 9장이다. 3 가지 조건의 절곡 깊이에 따른 무지부의 중첩 레이어 수는 절곡 깊이의 대략 3배이다. 따라서, 무지부(41)의 절곡 깊이가 3mm보다 클 때 전극 조립체(50)의 반경 방향 중앙에서 무지부(41)의 중첩 레이어 수는 9장 보다 더 많아질 것임은 당업자에게 자명하다.
도 10은 무지부의 중첩 레이어 수를 다르게 조절하면서 무지부를 절곡한 후 집전체를 레이저로 용접했을 때 전극 집전체의 상부를 근접 촬영한 사진들과 용접 지점의 횡단면을 광학 현미경으로 촬영한 사진들이다.
집전체의 상부 촬영 사진 중에서 좌측 사진은 절곡 공정 이후의 사진이고 우측 사진은 집전체를 용접한 이후의 사진이다. 용접부 횡단면 사진에 있어서 좌측 사진은 80배율 사진이고, 우측 사진은 120배율 사진이다. 실시예1 및 2는 무지부를 외각으로부터 코어측으로 절곡시켰다. 반면, 비교예1 및 2는 무지부를 코어로부터 외각측으로 절곡시켰다.
(실시예1, 2) 전극 조립체의 외각으로부터 코어측으로 무지부를 절곡시킬 때 양극 측의 무지부와 음극 측의 무지부에 대한 절곡 깊이는 각각 3mm 및 3mm로 설정하였다. 양극 무지부의 소재, 길이 및 두께는 각각 알루미늄, 8mm 및 10um이고, 음극 무지부의 소재, 길이 및 두께는 각각 구리, 8mm 및 15um이다.
(비교예1, 2) 전극 조립체의 코어로부터 외각측으로 무지부를 절곡시킬 때 양극 측의 무지부와 음극 측의 무지부에 대한 절곡 깊이는 각각 3mm 및 3mm로 설정하였다. 양극 무지부의 소재, 길이 및 두께는 각각 알루미늄, 8mm, 10um이고, 음극 무지부의 소재, 길이 및 두께는 각각 구리, 8mm, 15um이다.
도 10을 참조하면, 비교예1 및 2에 있어서, 집전체의 용접 구간 내에서 계산한 양극 무지부 및 음극 무지부의 평균 중첩 레이어 수는 각각 3장 및 4장이며, 무지부 사이에 큰 볼륨의 빈공간(갭)이 존재하는 것을 확인하였다.
본 발명에 있어서, 평균 중첩 레이어 수는 용접 구간에서 1mm 간격으로 측정 포인트를 설정하고, 각 측정 포인트에서 확인한 중첩 레이어 수의 평균을 구하여 결정하였다. 무지부 레이어들의 중첩면은 실질적으로 권취 축 방향과 수직일 수 있다. 중첩 레이어 수는 측정 포인트에서 권취 방향과 평행한 가상의 선을 그었을 때 가상의 선이 통과하는 무지부 중첩 레이어들의 수를 의미한다.
비교예1 및 2는, 무지부의 중첩 레이어 수가 작기 때문에 용접 강도를 증가시키기 위해 레이저의 출력을 늘리면 레이저가 무지부의 중첩 영역을 통과하여 전극 조립체의 내부로 침투할 수 있다. 따라서, 용접 영역의 강도를 원하는 수준으로 증가시키는데 한계가 있다. 4680의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리는 자동차 등에 탑재된다. 자동차가 운행될 때 원통형 배터리에 진동이 지속적으로 가해지고, 원통형 배터리의 사용 기간이 증가할수록 스웰링 현상이 생기면서 집전체와 무지부의 절곡 표면영역이 용접된 지점에 응력이 증대되면서 용접 계면에 크랙이 생기는 등의 문제가 발생될 수 있다. 비교예1 및 2의 경우 이러한 문제에 취약하다.
또한, 비교예1 및 2와 같이 중첩된 무지부의 레이어 사이에 큰 볼륨의 빈 공간(갭)이 존재하면, 레이저가 무지부의 중첩 영역에 의해 마스킹되지 못하고 레이저가 전극 조립체의 내부로 침투함으로써 세퍼레이터나 활물질층을 융발시킬 수 있다.
반면, 실시예1 및 2에 있어서 집전체의 용접 구간 내에서 계산한 양극 무지부 및 음극 무지부의 평균 중첩 레이어 수에 대한 평균은 각각 5장 및 7장으로 확인되었고 무지부 사이에 빈 공간(갭)이 현저하게 줄어든 것을 확인할 수 있다. 따라서, 실시예1 및 2는 비교예1 및 2에 비해 용접 강도가 우수하고 진동 내성이 우수하고 레이저의 마스킹 효과가 우수하다.
도 10에 나타난 비교 실험 결과를 참조할 때, 무지부가 전극 조립체의 외각으로부터 코어측으로 절곡되어 형성된 절곡 표면영역은 실질적으로 평평하고, 무지부의 평균 중첩 레이어 수가 5장 이상, 선택적으로 6장 이상, 선택적으로 7장 이상, 선택적으로 8장 이상, 선택적으로 9장 이상, 선택적으로 10장 이상인 용접 타겟 영역을 포함할 수 있다.
바람직하게, 절곡 표면영역은 무지부의 중첩 레이어 수가 5장 이상 15장 이하인 용접 타겟 영역을 포함할 수 있다.
절곡 표면영역에 있어서, 평균 중첩 레이어 수는 전극 조립체의 반경 방향에서 인접하는 권회 턴으로부터 돌출된 무지부의 간격에 기초하여 무지부의 길이와 절곡 깊이를 조절하여 소망하는 값으로 결정할 수 있다.
일 예에서, 무지부의 간격이 350um이고 절곡 깊이가 3mm라면, 절곡 지점으로부터 코어측으로 연장된 무지부의 절곡부는 대략 3mm의 길이를 가진다. 또한, 무지부의 절곡부는 절곡 지점의 내측에서 적어도 8 권회턴(3mm/350um=8.57)에 대응되는 반경 구간으로부터 돌출된 무지부와 중첩된다. 따라서, 해당 반경 구간에서 무지부의 평균 중첩 레이어 수는 대략 8장 수준으로 조절될 수 있다.
최적의 평균 중첩 레이어 수는 용접에 사용되는 레이저의 출력, 무지부의 소재 및 두께, 인접하는 권회턴 사이의 무지부 간격 등을 고려하여 시행 착오법(trial and error)에 의해 적응적으로(adaptively) 결정할 수 있다.
절곡 표면영역에서, 무지부의 평균 중첩 레이어 수가 5장 이상인 영역은 집전체가 용접되는 용접 타겟 영역으로 정의될 수 있다. 용접 타겟 영역은 전극 조립체(50)의 반경 방향을 따라 연장된다. 또한, 용접 타겟 영역은 무지부의 중첩 레이어들을 포함한다. 여기서, 중첩은 무지부가 권취 축 방향을 따라서 여러 겹으로 적층되는 것을 의미한다. 절곡 표면영역이 제1전극(43)의 무지부(41)에 의해 형성될 때 용접 타겟 영역에서 무지부(41)의 중첩 레이어들의 평균 적층 두께는 50um 이상일 수 있다. 무지부(41)의 두께는 바람직하게 10um 내지 25um이기 때문이다. 유사하게, 절곡 표면영역이 제2전극(44)의 무지부(42)에 의해 형성될 때 용접 타겟 영역에서 무지부(42)의 중첩 레이어들의 평균 적층 두께는 25um 이상일 수 있다. 무지부(42)의 두께는 바람직하게 5um 내지 20um이기 때문이다. 한편, 용접 타겟 영역에서 무지부(41, 42)의 평균 적층 두께의 상한은 평균 중첩 레이어 수의 상한에 의해 결정될 수 있다. 즉, 평균 적층 두께의 상한은 평균 중첩 레이어 수의 상한과 무지부(41, 42)의 두께 최대값을 곱셈한 값에 의해 결정될 수 있다.
바람직하게, 전극 조립체(50)의 반경 방향에서, 중첩 레이어 수가 5장 이상인 용접 타겟 영역의 길이의 비율은 전극 조립체(50)의 반경을 기준으로 30% 이상, 선택적으로 40% 이상, 선택적으로 50% 이상, 선택적으로 60% 이상, 선택적으로 70% 이상 또는 선택적으로 80% 이상으로 설계될 수 있다.
바람직하게, 전극 조립체(50)의 반경 방향에서, 중첩 레이어 수가 5장 이상인 용접 타겟 영역의 길이의 비율은 전극 조립체(50)의 반경을 기준으로 30% 이상 90% 이하일 수 있다.
도 10을 참조할 때, 용접 타겟 영역은 무지부의 적어도 일부가 전극 조립체의 반경 방향으로 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역에 정의된다. 용접 타겟 영역은 전극 조립체의 코어를 기준으로 방사상으로 연장될 수 있다. 용접 타겟 영역 이외의 무지부의 다른 부분은 절곡되지 않을 수 있다. 용접 타겟 영역의 표면 높이는 그 주변 보다 낮다. 용접 타겟 영역은 전극 조립체의 코어 중심으로부터 외각을 향해 방사상으로 연장된 홈 구조를 가질 수 있다. 일 예에서, 도 10에 나타난 홈 구조는 십자형태를 가진다. 용접 타겟 영역에 형성된 용접 패턴은 전극 조립체의 반경 방향을 따라 배열된 복수의 용접 도트들을 포함할 수 있다. 용접 도트들은 적어도 1열 이상, 바람직하게는 2열 이상 반경 방향으로 배열될 수 있다. 용접 도트는 레이저 용접에 의해 생긴 용접 비드에 해당한다. 용접 비드는 레이저에 의해 용융된 금속의 고화물이다. 용접 타겟 영역에 용접되는 집전체의 형상은 용접 타겟 영역의 형상에 대응될 수 있다. 또한 집전체의 중앙에는 전극 조립체(50)의 코어에 있는 공동과 연통될 수 있도록 홀이 구비될 수 있다.
바람직하게, 전극 조립체(50)의 무지부(41, 42)가 절곡될 영역은 미리 소정의 깊이로 커팅될 수 있다. 커팅 깊이는 1mm 내지 5mm일 수 있다. 커팅이 이루어지는 위치는 용접 타겟 영역과 나머지 영역의 경계이다. 도 11은 무지부(41, 42)가 절곡될 영역이 미리 커팅된 모습을 나타낸 도면이다. 동심원은 무지부(41, 42)를 개념적으로 나타낸 것이며, 무지부(41, 42)의 경우 실제로는 나선형 형태로 권회되어 있다. 무지부(41, 42)가 커팅되면, 커팅 라인(70)이 형성된다. 무지부(41, 42)의 커팅은 절곡 지점까지 이루어질 수 있다. 무지부(41, 42)의 커팅 시에는 초음파 커팅 공법이나 레이저 커팅 공법을 적용할 수 있다. 기타, 금속 포일의 노칭에 사용되는 공법이 제한 없이 사용될 수 있다. 무지부(41, 42)가 커팅되면, 화살표가 지시하는 방향으로 무지부(41, 42)가 절곡될 때 응력이 완화되므로 타겟 용접 영역에서 무지부의 중첩 레이어 수가 균일해지고 무지부가 중첩된 영역에서 빈 공간(갭)의 볼륨이 현저하게 줄어든다.
도 12는 무지부(41, 42)가 커팅된 이후 절곡이 이루어질 경우와 무지부(41, 42)가 커팅되지 않고 절곡될 때의 차이를 명확하게 보여주는 비교 실험 결과이다.
표의 세번째 칼럼에 있어서, 왼쪽 사진은 양극 무지부의 상부 사진이고 오른쪽 사진은 음극 무지부의 상부 사진이다. 표의 네번째 칼럼에 나타낸 CT image는 양극 무지부의 용접 부위를 잘라서 CT 장비를 이용하여 단면을 촬영한 이미지이다. 표의 다섯 번째 칼럼의 횡단면 사진은 음극 무지부의 용접 부위를 잘라서 광학 현미경으로 촬영한 사진이다.
실시예 ①은 절곡 영역을 커팅하지 않고 코어로부터 외각측으로 무지부를 절곡시킨 경우로서 용접 영역에서의 평균 중첩 레이어 수는 3장이다. 실시예 ①은 앞서 설명된 비교예1과 실질적으로 동일하다. 무지부가 중첩된 영역은 불규칙하게 무지부가 변형되어 있으며, 무지부의 중첩 영역에 큰 볼륨의 빈 공간이 확인된다.
실시예 ②은 절곡 영역을 커팅하지 않고 외각으로부터 코어측으로 무지부를 절곡시킨 경우로서 용접 영역에서의 평균 중첩 레이어 수는 6장이다. 무지부의 절곡 깊이, 소재, 길이 및 두께는 실시예 ①과 실질적으로 동일하다. 무지부가 중첩된 영역에서 무지부의 변형 정도가 실시예 ① 보다는 크지 않고 빈 공간(갭)도 실시예 ①에 비해 상대적으로 덜하다.
실시예 ③은 절곡 영역을 커팅한 후 코어로부터 외각측으로 무지부를 절곡시킨 경우로서 용접 영역에서의 평균 중첩 레이어 수는 5장이다. 무지부의 소재 및 두께는 실시예 ①과 동일하고, 무지부의 커팅 깊이는 2mm이다. 절곡 영역이 커팅되었지만, 코어로부터 외각측으로 무지부가 절곡되면서 무지부가 중첩된 영역에서 무지부가 불규칙하게 변형된 것이 확인된다. 한편, 무지부의 중첩 영역에 빈 공간(갭)의 볼륨은 다소 감소하였다.
실시예 ④는 절곡 영역을 커팅한 후 외각으로부터 코어 측으로 무지부를 절곡시킨 경우로서 용접 영역에서의 평균 중첩 레이어 수는 6장이다. 무지부의 소재 및 두께는 실시예 ②와 동일하고, 무지부의 커팅 깊이는 2mm이다. 절곡 영역이 미리 커팅됨으로써, 용접 영역에서 무지부가 실시예 ②보다 더 균일하게 중첩되며 무지부의 중첩 영역에서 빈 공간(갭)의 볼륨이 가장 적음을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예(변형예)에 따른 다양한 전극 조립체 구조는 젤리롤 타입의 원통형 배터리에 적용될 수 있다.
바람직하게, 원통형 배터리는, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 배터리일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리는, 예를 들어 46110 배터리, 4875 배터리, 48110 배터리, 4880 배터리, 4680 배터리일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 배터리의 직경을 나타내고, 나머지 숫자는 배터리의 높이를 나타낸다.
폼 팩터의 비가 0.4를 초과하는 원통형 배터리에 탭-리스 구조를 가진 전극 조립체를 적용할 경우, 무지부를 절곡할 때 반경 방향으로 가해지는 응력이 커서 무지부가 찢어지기 쉽다. 또한, 무지부의 절곡 표면영역에 집전체를 용접할 때 용접 강도를 충분히 확보하고 저항을 낮추기 위해서는 무지부의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시켜야 한다. 이러한 요구 조건은 본 발명의 실시예들(변형예들)에 따른 전극과 전극 조립체에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태를 가지며, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태를 가지며, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태를 가지며, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.436인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태를 가지며, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태를 가지며, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 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 0.277이다. 2170 배터리의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 0.300이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(190)을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 13a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(190)은 제1전극, 세퍼레이터 및 제2전극을 포함하는 전극 조립체(110), 전극 조립체(110)가 수납되며 상부 및 하부에 각각 제1단부(first end) 및 제2단부(second end)를 가지는 전지 하우징(142) 및 전지 하우징(142)의 개방부를 밀봉하는 밀봉체(143)를 포함한다.
전지 하우징(142)은, 제1단부에 개구부(opening)가 구비되고 제1단부의 반대측인 제2단부에 폐쇄부(바닥부)가 구비된 원통형의 용기이다. 전지 하우징(142)은 알루미늄이나 스틸과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 전지 하우징(142)은 제1단부의 개구부를 통해 내측 공간에 전극 조립체(110)를 수용하며 전해질도 함께 수용한다.
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.
전극 조립체(110)는, 젤리롤 형상을 가질 수 있는데 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 전극 조립체(110)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 세퍼레이터, 제1전극, 상부 세퍼레이터 및 제2전극을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 축을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다.
제1전극과 제2전극은 극성이 다르다. 즉 하나가 양의 극성을 띠면 다른 하나는 음의 극성을 띤다. 제1전극과 제2전극 중 적어도 하나는 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 전극 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1전극과 제2전극 중 다른 하나는 종래의 전극 구조 또는 실시예들(변형예들)에 따른 전극 구조를 가질 수 있다.
전극 조립체(110)의 상부와 하부에는 각각 제1전극의 무지부(146a)와 제2전극의 무지부(146b)가 세퍼레이터의 단부로부터 외부로 돌출된다.
밀봉체(143)는 중앙부가 돌출된 플레이트 형상의 캡(143a), 캡(143a)와 전지 하우징(142) 사이에 기밀성을 제공하며 절연성을 가진 밀봉 가스켓(143b) 및 상기 캡(143a)와 전기적으로 및 기계적으로 결합된 연결 플레이트(143c)를 포함할 수 있다.
캡(143a)는 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지는 부품이며, 전지 하우징(142)의 개구부를 커버한다. 캡(143a)는, 제1전극의 무지부(146a)와 전기적으로 연결되며, 전지 하우징(142)과는 밀봉 가스켓(143b)을 통해 전기적으로 절연된다. 따라서 캡(143a)는, 원통형 배터리(190)의 제1전극 단자로서 기능할 수 있다.
캡(143a)는 전지 하우징(142)에 형성된 비딩부(147) 상에 안착되며, 크림핑부(148)에 의해 고정된다. 캡(143a)와 크림핑부(148) 사이에는, 전지 하우징(142)의 기밀성을 확보하고 전지 하우징(142)과 캡(143a) 사이의 전기적 절연을 위해 밀봉 가스켓(143b)이 개재될 수 있다. 캡(143a)는 그 중심부로부터 상방으로 돌출 형성된 돌출부(143d)를 구비할 수 있다.
전지 하우징(142)은 제2전극의 무지부(146b)와 전기적으로 연결된다. 따라서 전지 하우징(142)은 제2전극과 동일한 극성을 갖는다. 만약, 제2전극이 음의 극성을 가지면, 전지 하우징(142) 또한 음의 극성을 가진다.
전지 하우징(142)은 상단에 비딩부(147) 및 크림핑부(148)를 구비한다. 비딩부(147)는 전지 하우징(142)의 외주 둘레를 압입하여 형성한다. 비딩부(147)는 전지 하우징(142)의 내부에 수용된 전극 조립체(110)가 전지 하우징(142)의 상단 개구부를 통해 빠져나오지 못하도록 하며, 밀봉체(143)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다.
크림핑부(148)는 비딩부(147)의 상부에 형성된다. 크림핑부(148)는, 비딩부(147) 상에 배치되는 캡(143a)의 외주 둘레, 그리고 캡(143a)의 상면 일부를 감싸도록 전지 하우징(142)의 내측으로 절곡된 형태를 갖는다.
원통형 배터리(190)은 제1집전체(144) 및/또는 제2집전체(145) 및/또는 인슐레이터(146)를 더 포함할 수 있다.
도 13b 및 도 13c는 각각 제1집전체(144)와 제2집전체(145)의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 제1집전체(144)는 전극 조립체(110)의 상부에 결합된다. 제1집전체(144)는 알루미늄, 구리, 니켈 등과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제1전극의 무지부(146a)가 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역의 용접 타겟 영역에 용접된다. 용접 타겟 영역은 도 10 및 도 12에 도시된 것처럼 방사상의 홈 구조를 가질 수 있다. 방사상의 홈 구조는 전극 조립체(110)의 코어 중심으로부터 외각측으로 연장될 수 있다.
바람직하게, 용접 타겟 영역은 무지부(146a)의 평균 중첩 레이어 수가 5장 이상일 수 있다. 또한, 용접 타겟 영역은 무지부(146a)의 중첩 레이어들의 평균 적층 두께가 50um 이상일 수 있다.
제1집전체(144)는 용접 타겟 영역의 홈 구조에 안착될 수 있는 구조를 가질 수 있다. 일 예에서, 용접 타겟 영역이 도 10 및 도 12에 도시된 바와 같이 십자 형태의 홈 구조를 가지는 경우 제1집전체(144) 또한 십자형태를 가진 플레이트일 수 있다.
제1집전체(144)는 지지부(144a), 지지부(144a)로부터 외측으로 연장된 복수의 레그부(144b), 및 인접하는 레그부(144b)들 사이에서 지지부(144a)로부터 외측으로 연장된 리드부(149)를 포함할 수 있다.
지지부(144a)는 전극 조립체(110)의 코어 근처에 안착되며, 복수의 레그부(144b)는 절곡 표면영역에 안착된 상태에서 절곡 표면영역의 용접 타겟 영역에 용접될 수 있다.
지지부(144a)의 중심에는 홀(H1)이 구비된다. 전해액은 홀(H1)을 통해 주입될 수 있다. 홀(H1)의 직경은 전극 조립체(110)의 코어에 있는 공동 직경의 0.5 배 이상이다. 홀(H1)의 직경이 코어에 있는 공동 직경보다 작으면 원통형 배터리(190)에서 벤트가 일어날 때 코어의 공동을 통해 전극이나 분리막이 빠져나오는 것을 방지할 수 있다. 또한, 홀(H1)의 직경이 코어에 있는 공동 직경보다 같거나 크면 제2집전체(145)를 전지 하우징(142)의 바닥부에 용접하는 과정에서 용접 지그를 용이하게 삽입할 수 있고 전해액 주입이 원활하게 이루어질 수 있다.
리드부(149)는 전극 조립체(110)의 상방으로 연장되어 연결 플레이트(143c)에 결합되거나 캡(143a)의 하면에 직접 결합될 수 있다. 연결 플레이트(143c)는 캡(143a)의 하부면에 결합될 수 있다. 리드부(149)와 다른 부품의 결합은 용접을 통해 이루어질 수 있다.
무지부(146a)의 절곡 표면영역과 제1집전체(144) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 레이저 용접은, 집전체 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수 있다. 레이저 용접은 저항 용접, 초음파 용접 등으로 대체 가능하다.
도 13a 및 도 13c를 참조하면, 전극 조립체(110)의 하면에는 플레이트 형상의 제2집전체(145)가 결합될 수 있다.
제2집전체(145)는 홀(H2)이 형성된 지지부(145a), 지지부(145a)로부터 외측으로 연장된 복수의 레그부(145b), 홀(H2) 내측에 구비되어 전지 하우징(142)의 바닥면에 결합되는 접속부(145c) 및 접속부(145c)와 지지부(145a)를 연결하는 브릿지부(145d)를 포함할 수 있다.
제2집전체(145)는 알루미늄, 구리, 니켈 등과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 지지부(145a)는 전극 조립체(110)의 하부면에서 코어 근처에 안착된다. 복수의 레그부(145b)들은 무지부(146b)가 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역의 용접 타겟 영역에 용접된다. 접속부(145c)는 전지 하우징(142)의 내측 바닥 면 상에 용접될 수 있다.
접속부(145c)의 직경은 전극 조립체(110)의 코어에 있는 공동의 직경보다 크다. 브릿지부(145d)는 홀(H2)의 내측면과 접속부(145c)의 외측면을 연결한다. 브릿지부(145d)는 제2집전체(145)에 진동이나 응력이 인가되었을 때 진동이나 응력을 완충하는 작용을 한다. 브릿지부(145d)의 폭이나 두께는 부분적으로 감소될 수 있다. 그러면, 브릿지부(145d)를 통해 과전류가 흐를 때 브릿지부(145d)가 녹아서 끊어짐으로써 과전류가 차단될 수 있다.
전극 조립체(110) 하부면의 절곡 표면영역에 정의되는 용접 타겟 영역은 도 10 및 도 12에 도시된 것처럼 방사상의 홈 구조를 가질 수 있다. 방사상의 홈 구조는 전극 조립체(110)의 코어 중심으로부터 외각측으로 연장될 수 있다.
바람직하게, 용접 타겟 영역은 무지부(146b)의 평균 중첩 레이어 수가 5장 이상일 수 있다. 또한, 용접 타겟 영역은 무지부(146a)의 중첩 레이어들의 평균 적층 두께가 25um 이상일 수 있다.
제2집전체(145)의 레그부(145b)들은 방사상으로 연장된 용접 타겟 영역의 홈 구조에 안착될 수 있는 구조를 가질 수 있다. 일 예에서, 용접 타겟 영역이 도 10 및 도 12에 도시된 바와 같이 십자 형태의 홈 구조를 가지는 경우 제2집전체(145)의 레그부(145b)들 또한 십자 형태로 지지부(145a)로부터 연장될 수 있다.
도 13b 및 도 13c를 참조하면, 제1집전판(144)의 레그부(144b)에 형성되는 용접 패턴(W1)과 제2집전판(145)의 레그부(145b)에 형성되는 용접 패턴(W2)은 전극 조립체(110)의 코어 중심으로부터 실질적으로 동일한 거리로 이격된 지점부터 시작되어 반경 방향으로 연장될 수 있다. 용접 패턴(W1)의 반경 방향 길이는 용접 패턴(W2)의 반경 방향 길이와 동일하거나 다를 수 있다. 용접 패턴(W1, W2)은 연속적인 용접 비즈이거나 불연속적인 용접 비즈들의 배열일 수 있다.
도 13a를 참조하면, 인슐레이터(146)는 제1집전체(144)를 커버할 수 있다. 인슐레이터(146)는 제1집전체(144)의 상면에서 제1집전체(144)를 커버함으로써, 제1집전체(144)와 전지 하우징(142)의 내주면 사이의 직접 접촉을 방지할 수 있다.
인슐레이터(146)는, 제1집전체(144)로부터 상방으로 연장되는 리드부(149)가 인출될 수 있도록, 리드 홀(151)을 구비한다. 리드부(149)는 리드 홀(151)을 통해 상방으로 인출되어 연결 플레이트(143c)의 하면 또는 캡(143a)의 하면에 결합된다.
인슐레이터(146)의 가장자리 둘레 영역은, 제1집전체(144)와 비딩부(147) 사이에 개재되어, 전극 조립체(110) 및 제1집전체(144)의 결합체를 고정시킬 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(110) 및 제1집전체(144)의 결합체는, 배터리 (190)의 높이 방향의 이동이 제한되어 원통형 배터리(190)의 조립 안정성이 향상될 수 있다.
인슐레이터(146)는 절연성이 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 인슐레이터(146)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트로 이루어질 수 있다.
전지 하우징(142)은 그 하면에 형성된 벤팅부(152)를 더 구비할 수 있다. 벤팅부(152)는 전지 하우징(142)의 하면 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 벤팅부(152)는, 주변 영역과 비교하여 구조적으로 취약하다. 따라서, 원통형 배터리(190)에 이상이 발생하여 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하면, 벤팅부(152)가 파열되어 전지 하우징(142)의 내부에 생성된 가스가 외부로 배출될 수 있다.
벤팅부(152)가 전지 하우징(142)의 하면에 원을 그리며 연속적으로 또는 불연속적으로 형성될 수 있다. 변형 예에서, 벤팅부(152)는 직선 패턴 또는 그 밖의 다른 패턴으로 형성될 수 있다.
제2집전체(145)의 접속부(145c)의 직경은 전극 조립체(110)의 코어에 있는 공동의 직경보다 크므로 벤팅부(152)가 파열되어 전지 하우징(142)의 내부에서 생성된 가스가 외부로 배출될 때 코어 근처에 있는 전극이나 분리막이 빠져나오는 것을 방지할 수 있다.
도 14a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(200)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 14a를 참조하면, 원통형 배터리(200)은 도 13a에 도시된 원통형 배터리(190)과 비교하여 전극 조립체의 구조는 실질적으로 동일하고, 전극 조립체를 제외한 나머지 구조가 변경된 점에서 차이가 있다.
구체적으로, 원통형 배터리(200)은 리벳 타입의 단자(172)가 관통 설치된 전지 하우징(171)을 포함한다. 단자(172)는 전지 하우징(171)의 제2단부에 있는 폐쇄부(바닥부)의 관통홀에 설치된다. 단자(172)의 하부 가장자리 부분은 절연성이 있는 제1밀봉 가스켓(173)이 개재된 상태에서 전지 하우징(171)의 관통홀에 리벳팅된다. 리벳팅은 콜킹(caulking) 지그로 단자(172)의 하부 가장자리를 가압하여 해당 부분을 전지 하우징(171)의 바닥부를 향해 소성 변형시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 단자(172)는 중력 방향과 반대 방향을 향해 외부로 노출된다.
단자(172)는, 단자 노출부(172a) 및 단자 삽입부(172b)를 포함한다. 단자 노출부(172a)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄부의 외측으로 노출된다. 단자 노출부(172a)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄부의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 단자 노출부(172a)의 최대 지름은 전지 하우징(171)의 폐쇄부에 형성된 관통홀의 최대 지름보다 더 크게 형성될 수 있다. 단자 삽입부(172b)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄부의 대략 중심부를 관통하여 제1전극의 무지부(146a)와 전기적으로 연결될 수 있다. 단자 삽입부(172b)는, 전지 하우징(171)의 내측 면 상에 리벳(rivet) 결합될 수 있다. 즉, 단자 삽입부(172b)의 하부 가장자리 부분은, 전지 하우징(171)의 내측 면을 향해 휘어진 형태를 가질 수 있다. 단자 삽입부(172b)의 하부 단부의 최대 지름은 전지 하우징(171)의 폐쇄부에 형성된 관통홀의 최대 지름보다 더 클 수 있다. 단자 삽입부(172b)의 하단면은 실질적으로 평평하며 제1전극의 무지부(146a)와 연결된 제1집전체(144')와 용접될 수 있다.
도 14b는 제1집전체(144')의 구조를 나타낸 상부 평면도이다. 도 14b를 참조하면, 제1집전체(144')는 도 13c에 나타낸 집전체(145)와 실질적으로 동일한 구조를 가진다. 즉, 제1집전체(144')는 홀(H3)을 포함하는 지지부(144a'), 지지부(144')로부터 반경 방향을 따라 연장된 복수의 레그부(144b')들, 홀(H3) 내측에 구비된 접속부(144c') 및 지지부(144a')와 접속부(144c')를 연결하는 브릿지부(144d')를 포함할 수 있다. 제1집전체(144')의 접속부(144c')는 단자(172)의 단자 삽입부(172b)의 평탄한 하단에 용접될 수 있다. 복수의 레그부(144b')들은 전극 조립체(110) 상부의 절곡 표면영역에 정의된 용접 타겟 영역에 용접될 수 있다.
도 14a를 참조하면, 제1집전체(144')와 전지 하우징(171)의 내측면 사이에는 절연물질로 이루어진 인슐레이터(174)가 개재될 수 있다. 인슐레이터(174)는 제1집전체(144')의 상부면과 전지 하우징(171) 폐쇄부의 내부면과 접촉된다. 인슐레이터(174)은 제1집전체(144')의 상부와 전극 조립체(110)의 상단 가장자리 부분을 커버한다. 이로써, 전극 조립체(110)의 외각측 무지부가 다른 극성을 가진 전지 하우징(171)의 내측면과 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있다. 인슐레이터(174)는 절연성이 있는 고분자 수지로 이루어진다.
단자(172)의 단자 삽입부(172b)는 인슐레이터(174)를 관통하여 제1집전체(144')에 용접될 수 있다. 이를 위해, 인슐레이터(174)의 중앙부에는 단자 삽입부(172b)의 하부를 노출시키는 홀이 구비된다. 홀의 직경은 단자 삽입부(172b)의 하부 직경보다 클 수 있다.
제1밀봉 가스켓(173)은 전지 하우징(171)과 단자(172) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 전지 하우징(171)과 단자(172)가 전기적으로 서로 접촉되는 것을 방지한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 전지 하우징(171)의 상면(175)이 원통형 배터리(200)의 전극 단자로서 기능할 수 있다.
제1밀봉 가스켓(173)은, 가스켓 노출부(173a) 및 가스켓 삽입부(173b)를 포함한다. 가스켓 노출부(173a)는 단자(172)의 단자 노출부(172a)와 전지 하우징(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는 단자(172)의 단자 삽입부(172b)와 전지 하우징(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는, 단자 삽입부(172b)의 리벳팅(reveting) 시에 함께 변형되어 전지 하우징(171)의 내측 면에 밀착될 수 있다. 제1밀봉 가스켓(173)은, 예를 들어 절연성을 갖는 고분자 수지로 이루어질 수 있다.
제1밀봉 가스켓(173)의 가스켓 노출부(173a)는, 단자(172)의 단자 노출부(172a)의 외각면을 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다. 제1밀봉 가스켓(173)이 단자(172)의 외각면을 커버하는 경우 버스바 등의 전기적 연결 부품을 전지 하우징(171)의 상면 및/또는 단자(172)에 결합시키는 과정에서 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 가스켓 노출부(173a)는, 단자 노출부(172a)의 외각면뿐만 아니라 상면의 일부도 함께 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다.
제1밀봉 가스켓(173)이 고분자 수지로 이루어지는 경우에 있어서, 제1밀봉 가스켓(173)은 열 융착에 의해 전지 하우징(171) 및 단자(172)와 결합될 수 있다. 이 경우, 제1밀봉 가스켓(173)과 단자(172)의 결합 계면 및 제1밀봉 가스켓(173)과 전지 하우징(171)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다. 한편, 제1밀봉 가스켓(173)의 가스켓 노출부(173a)가 단자 노출부(172a)의 상면까지 연장된 형태를 갖는 경우에 있어서, 단자(172)는 인서트 사출에 의해 제1밀봉 가스켓(173)과 일체로 결합될 수 있다.
전지 하우징(171)의 상면 중에서 단자(172) 및 제1밀봉 가스켓(173)이 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역(175)이 단자(172)와 반대 극성을 갖는 전극 단자에 해당한다.
도 14c는 제2집전체(176)의 구조를 나타낸 사시도이다. 도 14a 및 도 14c를 참조하면, 제2집전체(176)은, 전극 조립체(110)의 하부에 결합된다. 제2집전체(176)은 알루미늄, 스틸, 구리, 니켈 등의 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 제2집전체(176)의 적어도 일부는 제2전극의 무지부(146b)의 절곡 표면영역에 포함된 용접 타겟 영역과 용접을 통해 결합될 수 있다.
제2집전체(176)는 지지부(176a), 및 지지부(176a)로부터 반경 방향을 따라 연장되고 용접 타겟 영역에 용접되는 복수의 레그부(176b)를 포함한다. 지지부(176a)는 중앙에 홀(H4)을 포함한다. 전해액은 홀(H4)을 통해 주입될 수 있다. 홀(H4)의 직경은 전극 조립체(110)의 코어에 있는 공동의 직경 대비 0.5배 이상이다. 홀(H4)의 기능은 앞서 설명된 홀(H1)의 기능과 실질적으로 동일하다.
바람직하게, 제2집전체(176)의 적어도 일부는 전지 하우징(171)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일 예에서, 제2집전체(176)은 가장 자리 부분의 적어도 일부가 전지 하우징(171)의 내측 면과 제2밀봉 가스켓(178b) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 이를 위해, 제2집전체(176)는 하우징 접속부(176c)를 포함한다. 하우징 접속부(176c)는 레그부(176b)의 단부로부터 비딩부(180)의 하부면을 향해 경사지게 연장된 연결부(176c2)와 비딩부(180)의 하부면에 배치되는 컨택부(176c1)를 포함한다. 컨택부(176c1)는 비딩부(180)와의 접촉 면적을 증가시키기 위해 비딩부(180)의 원주 방향을 따라 원호 형상으로 연장될 수 있다.
제2집전체(176)의 가장 자리 부분의 적어도 일부, 예컨대 컨택부(176c1)는 전지 하우징(171) 하단에 형성된 비딩부(180)의 하단면에 지지된 상태에서 용접에 의해 비딩부(180)에 고정될 수 있다. 변형예에서, 제2집전체(176)의 가장 자리 부분의 적어도 일부는 전지 하우징(171)의 내벽 면에 직접적으로 용접될 수 있다.
바람직하게, 제2집전체(176)과 무지부(146b)의 절곡 표면영역에 포함된 용접 타겟 영역은 용접, 예컨대 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다. 이 때, 용접은 무지부(146b)의 절곡 표면영역에 있어서 무지부(146b)의 평균 중첩 레이어 수가 5장 이상인 영역 또는 무지부(146b)의 평균 적층 두께가 25um 이상인 영역에서 이루어진다.
한편, 제1집전체(144')의 레그부(144b')에 형성되는 용접 패턴(W1)과 제2집전체(176)의 레그부(176b)에 형성되는 용접 패턴(W2)은 전극 조립체(110)의 코어 중심으로부터 실질적으로 동일한 거리로 이격된 지점부터 시작되어 반경 방향으로 연장될 수 있다. 용접 패턴(W1)의 반경 방향 길이는 용접 패턴(W2)의 반경 방향 길이와 동일하거나 다를 수 있다. 일 예에서, 용접 패턴(W1)의 반경 방향 길이가 용접 패턴(W2)의 반경 방향 길이보다 더 길다. 제2집전체(176)는 연결부(176c2)를 포함하므로, 제2집전체(176)의 레그부(176b)가 제1집전체(144')의 레그부(144b')보다 짧기 때문이다. 제2집전체(176)의 컨택부(176c1)에도 적어도 하나 이상의 용접 패턴(W3)이 형성된다. 용접 패턴(W3)은 직선 또는 원호의 형상을 가질 수 있다. 용접 패턴(W1, W2, W3)은 연속적인 용접 비즈이거나 불연속적인 용접 비즈들의 배열일 수 있다.
전지 하우징(171)의 제1단부에 있는 개방부를 밀봉하는 밀봉체(178)는 캡(178a)와 제2밀봉 가스켓(178b)을 포함한다. 제2밀봉 가스켓(178b)은 캡(178a)와 전지 하우징(171)을 전기적으로 분리시킨다. 크림핑부(181)는 캡(178a)의 가장자리와 제2밀봉 가스켓(178b)을 함께 고정시킨다. 캡(178a)에는 벤트부(179)가 구비된다. 벤트부(179)의 구성은 상술한 실시예(변형예)와 실질적으로 동일하다.
바람직하게, 캡(178a)는 도전성이 있는 금속 재질로 이루어진다. 하지만, 캡(178a)와 전지 하우징(171) 사이에 제2밀봉 가스켓(178b)이 개재되어 있으므로 캡(178a)는 전기적 극성을 띠지 않는다. 밀봉체(178)는 전지 하우징(171) 하부의 개방단을 밀봉시키고 배터리(200)의 내부 압력이 임계치 이상 증가하였을 때 가스를 배출시키는 기능을 한다.
바람직하게, 제1전극의 무지부(146a)와 전기적으로 연결된 단자(172)는 제1전극 단자로 사용된다. 또한, 제2집전체(176)을 통해 제2전극의 무지부(146b)와 전기적으로 연결된 전지 하우징(171)의 상부 표면 중에서 단자(172)를 제외한 부분(175)은 제1전극 단자와 극성이 다른 제2전극 단자로 사용된다. 이처럼, 2개의 전극 단자가 원통형 배터리(200)의 상부에 위치할 경우, 버스바 등의 전기적 연결 부품을 원통형 배터리(200)의 일 측에만 배치시키는 것이 가능하다. 이는, 배터리 팩 구조의 단순화 및 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 제2전극 단자로 사용되는 부분(175)은 대략 플랫한 형태를 가지므로 버스바 등의 전기적 연결 부품을 접합시키는데 있어서 충분한 접합 면적을 확보할 수 있다. 이에 따라, 원통형 배터리(200)은 전기적 연결 부품의 접합 부위에서의 저항을 바람직한 수준으로 낮출 수 있다.
본 발명에 있어서, 무지부(146a, 146b)를 코어측을 향해 절곡시키더라도 전극 조립체(110) 코어의 공동(112)이 폐색되지 않고 상부로 개방될 수 있다. 이를 위해, 제1전극 및 제2전극은 코어 근처에 무지부 커팅부(도 5의 B 참조)를 포함할 수 있다. 무지부 커팅부(B)의 폭(d)과 무지부(146a, 146b)의 절곡 길이(h)에 대한 설계 조건은 이미 상술하였다.
공동(112)이 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 공동(112)을 통해 용접 지그를 삽입하여 제2집전체(145)와 전지 하우징(142) 바닥부 사이의 용접 또는 제1집전체(144')와 단자(172) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리(200)는 상부에서 전기적 연결을 수행할 수 있는 이점이 있다.
도 15는 복수의 원통형 배터리(200)들이 전기적으로 연결된 상태를 나타낸 상부 평면도이고, 도 16은 도 15의 부분 확대도이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 복수의 원통형 배터리(200)들은 버스바(210)를 이용하여 원통형 배터리(200)의 상부에서 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다. 원통형 배터리(200)들의 수는 배터리 팩의 용량을 고려하여 증감될 수 있다.
각 원통형 배터리(200)에 있어서, 단자(172)는 양의 극성을 가지고 전지 하우징(171)의 단자(172) 주변의 평평한 면(171a)은 음의 극성을 가질 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.
바람직하게, 복수의 원통형 배터리(200)들은 복수의 열과 행으로 배치될 수 있다. 열들은 도면 상에서 상하 방향으로 제공되고, 행들은 도면 상에서 좌우 방향으로 제공된다. 또한, 공간 효율성을 최대화하기 위해, 원통형 배터리(200)들은 최밀 팩킹 구조(closest packing structure)로 배치될 수 있다. 최밀 팩킹 구조는, 전지 하우징(171)의 외부로 노출된 단자(172)의 중심을 서로 연결했을 때 정삼각형이 만들어질 때 형성된다. 바람직하게, 버스바(210)는, 동일 열에 배치된 원통형 배터리(200)들을 서로 병렬로 연결시키고, 인접하는 2개의 열에 배치된 원통형 배터리(200)들을 서로 직렬로 연결시킨다.
바람직하게, 버스바(210)는, 직렬 및 병렬 연결을 위해 바디부(211), 복수의 제1 버스바 단자(212) 및 복수의 제2 버스바 단자(213)를 포함할 수 있다.
상기 바디부(211)는, 인접하는 단자(172) 사이에서 원통형 배터리(200)들의 열을 따라 연장될 수 있다. 대안적으로, 상기 바디부(211)는, 원통형 배터리(200)들의 열을 따라 연장되되, 상기 바디부(211)는 지그재그 형상과 같이 규칙적으로 절곡될 수 있다.
복수의 제1 버스바 단자(212)는, 바디부(211)의 일측 방향으로 연장되며, 일측 방향에 위치한 원통형 배터리(200)의 단자(172)와 전기적으로 결합될 수 있다. 제1 버스바 단자(212)와 단자(172) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다.
복수의 제2 버스바 단자(213)는, 바디부(211)의 타측 방향으로부터 연장되며, 타측 방향에 위치한 단자(172) 주변의 평평한 면(171a)에 전기적으로 결합될 수 있다. 제2 버스바 단자(213)와 평평한 면(171a) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 바디부(211), 복수의 제1 버스바 단자(212) 및 복수의 제2 버스바 단자(213)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(211), 복수의 제1 버스바 단자(212) 및 제2 버스바 단자(213)는 별개의 피스 단위로 제작한 후 서로 용접 등을 통해 결합될 수도 있다.
상술한 본 발명의 원통형 배터리(200)은, 절곡 표면영역을 통한 용접 면적 확대, 제2집전체(176)을 이용한 전류 패스(path)의 다중화, 전류 패스 길이의 최소화 등을 통해 저항이 최소화된 구조를 갖는다. 양극과 음극 사이, 즉 단자(172)와 그 주변의 평평한 면(171a) 사이에서의 저항 측정기를 통해 측정되는 원통형 배터리(200)의 AC 저항은 급속 충전에 적합한 0.5 밀리오옴(milliohm) 내지 4 밀리오옴(mΩ), 바람직하게는 1 밀리오옴(mΩ) 내지 4 밀리오옴(mΩ)일 수 있다.
본 발명에 따른 원통형 배터리(200)은, 양의 극성을 가진 단자(172)와 음의 극성을 가진 평평한 면(171a)이 동일한 방향에 위치하고 있으므로 버스바(210)를 이용하여 원통형 배터리(200)들의 전기적 연결을 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 원통형 배터리(200)의 단자(172)와 그 주변의 평평한 면(171a)은 면적이 넓으므로 버스바(210)의 결합 면적을 충분히 확보하여 원통형 배터리(200)을 포함하는 배터리 팩의 저항을 충분히 낮출 수 있다.
또한, 원통형 배터리(200)의 상부에서 전기적 배선을 수행할 수 있으므로 배터리 모듈/팩의 단위 부피당 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 이점이 있다.
상술한 실시예들(변형예들)에 따른 원통형 배터리는 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(300)은 원통형 배터리(301)이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(302)을 포함한다. 원통형 배터리(301)은 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 배터리 중 어느 하나일 수 있다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 배터리(301)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
배터리 팩(300)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 18은 도 17의 배터리 팩(300)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)을 포함한다. 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)으로부터 전력을 공급받아 동작한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전극 조립체의 양단에 노출된 무지부를 절곡시킬 때 전극 조립체의 반경 방향에서 무지부가 균일하게 중첩된 용접 타겟 영역을 충분히 확보하여 용접 출력을 증가시키더라도 세퍼레이터나 활물질층의 손상을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 코어에 인접한 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 전극 조립체의 코어에 있는 공동이 폐색되는 것을 방지하여 전해액 주입 공정과 전지 하우징(또는 단자)과 집전체의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면. 스트립 형태의 전극 탭을 대신하여 무지부의 절곡 표면영역을 집전체에 직접 용접함으로써 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소된 전극 조립체를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내부 저항이 낮고, 집전체와 무지부의 용접 강도가 향상된 구조를 갖는 원통형 배터리, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (53)

  1. 제1전극, 제2전극 및 이들 사이에 개재된 세퍼레이터가 일 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의하는 전극 조립체에 있어서,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 적어도 하나는 상기 권취 방향을 따르는 장변 단부에 상기 세퍼레이터를 넘어서 상기 축 방향으로 노출된 무지부를 포함하고,
    상기 무지부의 적어도 일 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡됨으로써 상기 무지부의 중첩 레이어들을 가지는 절곡 표면영역을 정의하고,
    상기 절곡 표면영역은, 상기 무지부의 중첩 레이어들을 복수개 가지는 용접 타겟 영역을 구비하고, 상기 용접 타겟 라인은 상기 전극 조립체의 반경 방향으로 연장된 것인, 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무지부의 두께는 5um 내지 25um이고, 인접하는 권회턴 사이의 무지부 간격은 350 내지 380um인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용접 타겟 영역에서 상기 무지부의 중첩 레이어들의 평균 적층 두께는 25um 이상인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 용접 타겟 영역에서 상기 무지부의 중첩 레이어들은 상기 축 방향과 실질적으로 수직으로 적층된 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 반경 대비 상기 용접 타겟 영역의 반경 방향 길이의 비율은 30% 이상인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 반경 대비 상기 용접 타겟 영역의 반경 방향 길이의 비율은 40% 이상인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 반경 대비 상기 용접 타겟 영역의 반경 방향 길이의 비율은 50% 이상인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 반경 대비 상기 용접 타겟 영역의 반경 방향 길이의 비율은 60% 이상인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 반경 대비 상기 용접 타겟 영역의 반경 방향 길이의 비율은 70% 이상인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 용접 타겟 영역은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 상기 무지부의 평균 중첩 레이어 수가 5장 이상인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 용접 타겟 영역은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 상기 무지부의 평균 중첩 레이어 수가 6장 이상인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 용접 타겟 영역은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 상기 무지부의 평균 중첩 레이어 수가 7장 이상인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 용접 타겟 영역은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 상기 무지부의 평균 중첩 레이어 수가 8장 이상인 용접 타겟 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 용접 타겟 영역은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 상기 무지부의 평균 중첩 레이어 수가 9장 이상인 용접 타겟 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 용접 타겟 영역은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 상기 무지부의 평균 중첩 레이어 수가 10장 이상인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 무지부의 다른 부분은 절곡되지 않으며, 상기 용접 타겟 영역과 상기 무지부의 다른 부분 사이의 경계(boundary)는 상기 축 방향을 따라 커팅 되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 용접 타겟 영역은 상기 전극 조립체의 코어 중심으로부터 외각측으로 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 용접 타겟 영역은 상기 전극 조립체의 코어 중심으로부터 외각측으로 십자 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 용접 타겟 영역에 용접된 집전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 집전체는 상기 용접 타겟 영역에 레이저 용접 또는 초음파 용접된 것임을 특징으로 하는 전극 조립체.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 집전체와 상기 용접 타겟 영역 사이의 용접 패턴은 성기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 선형으로 배열된 복수의 도트 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 무지부는 상기 전극 조립체의 코어 측 또는 외각 측에 인접한 영역에서 상기 전극 조립체의 권취 축 방향의 높이가 나머지 영역보다 낮은 무지부 커팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 무지부 커팅부에 잔존하는 무지부 부분은 절곡되지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 무지부 커팅부가 권취되면서 형성되는 권취 턴들의 반경 방향 폭은 상기 무지부의 절곡 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 무지부 커팅부에 잔존하는 무지부의 높이는 0.2 내지 4mm임인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 무지부가 절곡되기 전, 상기 축 방향을 따라 연장된 무지부의 최대 높이는 12mm인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 무지부의 절곡 깊이는 1mm 내지 5mm인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극 중에서 상기 무지부를 가지는 전극은 상기 축 방향을 따라 한 쌍의 단변들(short sides)을 가지며, 상기 한 쌍의 단변들은 동일한 길이 또는 다른 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극 중에서 상기 무지부를 가지는 전극은 상기 권취 방향을 따라 한 쌍의 장변들(long sides)을 가지며, 상기 한 쌍의 장변들은 동일한 길이 또는 다른 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  30. 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 세퍼레이터가 일 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은, 각각, 상기 권취 방향을 따르는 장변 단부에 상기 세퍼레이터를 넘어서 상기 축 방향으로 노출된 무지부를 포함하고, 상기 무지부의 적어도 일 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡됨으로써 상기 무지부의 중첩 레이어들을 가지는 절곡 표면영역을 정의하고, 상기 절곡 표면영역은, 상기 무지부의 중첩 레이어들을 복수개 가지는 용접 타겟 영역을 구비하고, 상기 용접 타겟 라인은 상기 전극 조립체의 반경 방향으로 연장된 것인, 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 수납되며, 개방부를 가진 제1단부(first end)와 제2단부(second end)를 가지는 전지 하우징;
    상기 전지 하우징의 상기 제1단부에서 상기 개방부를 밀봉하는 밀봉체;
    상기 전지 하우징의 제2단부 또는 상기 밀봉체를 통해 외부로 노출된 표면을 가지는 단자;
    상기 제1전극의 무지부의 용접 타겟 영역과 상기 단자에 전기적으로 연결된 제1집전체; 및
    상기 제2전극의 무지부의 용접 타겟 영역과 상기 전지 하우징에 전기적으로 연결된 제2집전체를 포함하는 것을 특징으로 배터리.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 단자는 상기 전지 하우징의 제2단부에 있는 관통홀에 배치된 리벳 단자이고,
    상기 전지 하우징의 제2단부의 관통홀과 상기 리벳 단자 사이에 밀봉 가스켓이 개재된 것을 특징으로 하는 배터리.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 리벳 단자는 상기 제1집전체에 용접된 것을 특징으로 하는 배터리.
  33. 제30항에 있어서,
    상기 밀봉체는 상기 전지 하우징의 상기 제1단부의 개방부에서 밀봉 가스켓과 함께 크림핑된 캡을 포함하고,
    상기 밀봉 가스켓은 상기 캡과 상기 전지 하우징의 제1단부의 개방부 사이에 개재되어 상기 전지 하우징으로부터 상기 캡을 절연시키는 것을 특징으로 하는 배터리.
  34. 제30항에 있어서,
    상기 전지 하우징의 제1단부의 개방부 근처에 비딩부를 포함하고,
    상기 밀봉체는, 상기 전지 하우징의 제1단부의 개방부에서 밀봉 가스켓과 함께 클림핑된 캡을 포함하고,
    상기 제2집전체는 가장 자리의 적어도 일부가 상기 비딩부와 상기 밀봉 가스켓 사이에 개재되어 상기 비딩부의 내측면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 제2집전체는 가장 자리의 적어도 일부가 상기 비딩부의 내측면에 용접된 것을 특징으로 하는 배터리.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 캡은 전기적 극성을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 배터리.
  37. 제30항에 있어서,
    상기 용접 타겟 영역은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 상기 무지부의 평균 중첩 레이어 수가 5장 이상임을 특징으로 하는 배터리.
  38. 제30항에 있어서,
    상기 용접 타겟 영역에서 상기 무지부의 중첩 레이어들의 평균 적층 두께는 25um 이상인 것을 특징으로 하는 배터리.
  39. 제30항에 있어서,
    상기 제1집전체에는, 상기 제1전극의 무지부의 용접 타겟 영역과 상기 제1집전체 사이의 용접에 의해 형성된 제1용접 패턴이 구비되고,
    상기 제2집전체에는, 상기 제2전극의 무지부의 용접 타겟 영역과 상기 제2집전체 사이의 용접에 의해 형성된 제2용접 패턴이 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 제1용접 패턴과 상기 제2용접 패턴은 상기 전극 조립체의 코어 중심으로부터 5mm 내지 10mm 이격된 지점에서 시작되어 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 연장된 것을 특징으로 하는 배터리.
  41. 제39항에 있어서,
    상기 제1용접 패턴과 상기 제2용접 패턴은 상기 전극 조립체의 코어 중심으로부터 동일한 거리로 이격된 지점으로부터 시작되어 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 연장된 것을 특징으로 하는 배터리.
  42. 제39항에 있어서,
    상기 제1용접 패턴과 상기 제2용접 패턴은 상기 전극 조립체의 반경 방향으로 동일한 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 배터리.
  43. 제39항에 있어서,
    상기 제1용접 패턴과 상기 제2용접 패턴은 상기 전극 조립체의 반경 방향으로 서로 다른 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 배터리.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 제1용접 패턴은 상기 제2용접 패턴보다 더 긴 것을 특징으로 하는 배터리.
  45. 제30항에 있어서,
    상기 무지부가 절곡되기 전, 상기 축 방향을 따라 연장되는 무지부의 최대 높이는 12mm임을 특징으로 하는 배터리.
  46. 제30항에 있어서,
    상기 무지부의 다른 부분은 절곡되지 않으며, 상기 무지부의 다른 부분과 상기 용접 타겟 영역 사이의 경계(boundary)는 커팅되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리.
  47. 제30항에 있어서,
    상기 무지부의 절곡 깊이는 1mm 내지 5mm임을 특징으로 하는 배터리.
  48. 제30항에 있어서,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극은 각각 상기 축 방향을 따르는 한 쌍의 단변들을 포함하고, 상기 한 쌍의 단변들은 동일한 길이 또는 다른 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 배터리.
  49. 제30항에 있어서,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극은 각각 상기 권취 방향을 따르는 한 쌍의 장변들을 포함하고, 상기 한 쌍의 장변들은 동일한 길이 또는 다른 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 배터리.
  50. 제30항에 있어서,
    상기 단자와 상기 전지 하우징의 제2단부 사이에서 측정한 저항이 4밀리오옴(mΩ) 이하임을 특징으로 하는 배터리.
  51. 제30항에 있어서,
    상기 배터리의 높이 대비 직경의 비율이 0.4보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리.
  52. 제30항 내지 제51항 중 어느 한 항에 따른 배터리를 포함하는 배터리 팩.
  53. 제52항에 따른 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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