KR20220118956A - 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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강보현
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민건우
최수지
황보광수
김재웅
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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 전극 및 제2 전극은 각각 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제1 무지부 및 제2 무지부를 포함하는 전극 조립체; 일 측에 형성된 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 하우징; 벤팅부를 구비하고, 상기 개방부를 커버하며, 상기 전지 하우징 및 제1 무지부와 전기적으로 연결되는 캡; 및 상기 전지 하우징의 일 면을 관통하며, 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결되는 전지 단자; 를 포함한다.

Description

배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{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 전지 하우징의 일 측 개방부를 커버하는 캡이 벤팅 디바이스로서의 기능 및 CID(current interruption device)로서의 기능을 동시에 수행할 수 있는 구조를 갖는 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
통상적으로, 원통형 배터리를 이용하여 배터리 팩을 제작하고자 하는 경우, 통상적으로 복수의 원통형 배터리들을 하우징 내에 기립 배치시키고, 원통형 배터리의 상단과 하단을 각각 양극 단자 및 음극 단자로 활용하여 복수의 원통형 배터리들 상호 간을 전기적으로 연결시킨다.
이는, 원통형 배터리에 있어서, 전지 하우징의 내부에 수납되는 전극 조립체의 음극 무지부는 하방으로 연장되어 전지 하우징의 바닥 면과 전기적으로 연결되고, 양극 무지부는 상방으로 연장되어 캡과 전기적으로 연결되기 때문이다. 즉, 원통형 배터리에 있어서, 전지 하우징의 바닥면이 음극 단자로서 이용되고, 전지 하우징의 상단 개방부를 커버하는 캡이 양극 단자로서 이용되는 것이 일반적이다.
그러나, 이처럼 원통형 배터리의 양극 단자와 음극 단자가 서로 반대 편에 위치하는 경우, 복수의 원통형 배터리를 전기적으로 연결하기 위한 버스바 등의 전기적 연결 부품이 원통형 배터리의 상부와 하부에 모두 적용되어야 한다. 이는, 배터리 팩이 전기적 연결 구조를 복잡하게 한다.
뿐만 아니라, 이와 같은 구조에서는, 절연을 위한 부품 및 방수성의 확보를 위한 부품 등이 배터리 팩의 상부와 하부에 개별적으로 적용되어야 하기 때문에 적용되는 부품 수의 증가 및 구조의 복잡화를 초래한다.
따라서, 복수의 원통형 배터리의 전기적 연결 구조를 단순하게 할 수 있도록, 양극 단자와 음극 단자가 동일 방향에 적용된 구조를 갖는 원통형 배터리에 대한 개발이 요구된다. 아울러, 이러한 구조를 갖는 원통형 배터리에 있어서, 양극 단자와 음극 단자가 형성된 일 방향에는 양극 단자와 음극 단자의 형성을 위해 여러 부품들이 집중될 수 있다. 따라서, 내압 증가에 따른 벤팅을 위한 구조 및 과전류 발생 시의 전류 차단을 위한 구조는 양극 단자와 음극 단자가 형성된 방향과 반대편에서 이루어질 필요가 있다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 전지 하우징의 개방부를 커버하는 캡이 벤팅 디바이스로서의 기능 및 CID(current interruption device)로서의 기능을 동시에 수행할 수 있도록 하는 것을 일 목적으로 한다.
그 밖에도, 본 발명은, 복수의 배터리의 전기적 연결 구조를 단순화 할 수 있도록 하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 복수의 배터리를 전기적으로 연결함에 있어서, 전기적 연결을 위한 부품과 배터리 간의 접합 면적이 충분히 확보될 수 있도록 하는 것을 일 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 전극 및 제2 전극은 각각 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제1 무지부 및 제2 무지부를 포함하는 전극 조립체; 일 측에 형성된 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 하우징; 주변 영역과 비교하여 얇은 두께를 갖도록 구성된 벤팅부를 구비하고, 상기 개방부를 커버하며, 상기 전지 하우징 및 제1 무지부와 전기적으로 연결되는 캡; 및 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결되는 전지 단자; 를 포함한다.
상기 전지 하우징은, 상기 캡을 통해 상기 제1 무지부와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 캡은, 상기 제1 무지부와의 전기적 연결을 위한 접속부를 구비할 수 있다.
상기 벤팅부는 폐루프를 그리며 연속적으로 형성될 수 있고, 상기 접속부는 상기 폐루프 내에 위치할 수 있다.
상기 벤팅부는, 상기 캡의 외측 면 및 내측 면 중 적어도 어느 하나의 면 상에 형성된 홈 형태를 가질 수 있다.
상기 전지 단자는, 상기 개방부의 반대편에 위치하는 상기 전지 하우징의 폐쇄부를 통해 상기 전지 하우징의 외측으로 노출될 수 있다.
상기 전지 단자는, 상기 폐쇄부의 중심부를 관통할 수 있다.
상기 전지 단자는, 상기 전지 하우징과 전기적으로 절연될 수 있다.
상기 배터리는, 상기 제1 무지부와 결합되는 제1 집전체를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 집전체는, 상기 캡과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 집전체와 상기 캡은 리드 탭을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 리드 탭은, 상기 제1 집전체와 상기 캡 사이의 거리보다 더 긴 길이를 가질 수 있다.
상기 배터리는, 상기 제2 무지부와 결합되는 제2 집전체를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 집전체는, 상기 전지 단자와 결합될 수 있다.
상기 배터리는, 상기 캡과 상기 전지 하우징 사이에 개재되는 실링 가스켓을 더 포함할 수 있다.
상기 전지 하우징은, 외주면 둘레가 압입되어 형성된 비딩부; 및 상기 비딩부의 하방에서 상기 개방부를 정의하는 끝단이 상기 캡의 가장자리를 감싸도록 연장 및 절곡된 클림핑부; 를 구비할 수 있다.
상기 실링 가스켓은, 상기 클림핑부가 형성된 영역에서 상기 캡과 상기 전지 하우징이 접촉하는 영역을 제외한 나머지 영역에 개재될 수 있다.
상기 전지 하우징은, 외주면 둘레가 압입되어 형성된 비딩부; 및 상기 비딩부의 하방에서 상기 개방부를 정의하는 끝단이 상기 캡의 가장자리를 감싸도록 연장 및 절곡된 클림핑부; 를 구비할 수 있다.
상기 제1 집전체의 가장자리는, 상기 비딩부에 의해 지지될 수 있다.
서로 마주보는 상기 제1 집전체의 가장자리와 상기 전지 하우징의 비딩부 사이에는 절연 층이 개재될 수 있다.
상기 절연 층은, 상기 제1 집전체 또는 상기 비딩부 중 어느 하나의 표면에 형성된 절연 코팅 층일 수 있다.
상기 배터리는, 상기 캡과 대면하는 상기 전극 조립체의 하면을 커버하는 인슐레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 인슐레이터는, 상기 전극 조립체의 권취 중심에 형성된 홀과 대응되는 위치에 형성되는 홀을 구비할 수 있다.
상기 제1 집전체와 상기 캡은 리드 탭을 통해 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 인슐레이터는 상기 리드 탭이 통과되는 홀을 구비할 수 있다.
상기 제1 무지부의 적어도 일부는, 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함할 수 있고, 상기 복수의 분절편은, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 밴딩될 수 있다.
밴딩된 상기 복수의 분절편은, 상기 반경 방향을 따라서 여러 겹으로 중첩될 수 있다.
상기 전극 조립체는, 상기 제1 무지부의 상기 분절편의 중첩 수가 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 일정하게 유지되는 영역인 용접 타겟 영역을 구비할 수 있고, 상기 제1 집전체는, 상기 용접 타겟 영역에서 상기 제1 무지부와 결합될 수 있다.
상기 제2 무지부의 적어도 일부는 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함할 수 있고, 상기 복수의 분절편은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 밴딩될 수 있다.
밴딩된 상기 복수의 분절편은, 상기 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩될 수 있다.
상기 전극 조립체는 상기 제2 무지부의 상기 분절편의 중첩 수가 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 일정하게 유지되는 영역인 용접 타겟 영역을 구비할 수 있고, 상기 제2 집전체는 상기 용접 타겟 영역에서 상기 제2 무지부와 결합될 수 있다.
양극과 음극 사이에서 측정된 저항이 4miliohm 이하일 수 있다.
상기 배터리의 직경을 높이로 나눈 폼 팩터의 비가 0.4보다 클 수 있다.
한편, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 배터리를 복수 개 포함한다.
복수의 상기 배터리는 소정 수의 열로 배열될 수 있고, 각각의 상기 배터리의 상기 전지 단자와 전지 하우징의 폐쇄부의 외부면은 상부를 향하도록 배치될 수 있다.
상기 배터리 팩은, 복수의 상기 배터리를 직렬 및 병렬로 연결하는 복수의 버스바를 포함할 수 있고, 상기 복수의 버스바는, 상기 복수의 배터리들의 상부에 배치될 수 있다. 이 때, 각각의 상기 버스바는, 인접하는 배터리들의 전지 단자들 사이에서 연장되는 바디부; 상기 바디부의 일측 방향으로 연장되어 상기 일측 방향에 위치한 배터리의 전지 단자에 전기적으로 결합하는 복수의 제1 버스바 단자; 및 상기 바디부의 타측 방향으로 연장되어 상기 타측 방향에 위치한 배터리의 전지 하우징의 폐쇄부의 외부면에 전기적으로 결합하는 복수의 제2 버스바 단자; 를 포함할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명이 일 실시예에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명의 배터리 팩을 포함한다.
본 발명에 따르면, 전지 하우징의 개방부를 커버하는 캡이 벤팅 디바이스로서의 기능 및 CID(current interruption device)로서의 기능을 동시에 수행할 수 있게 된다.
그 밖에도, 본 발명에 따르면, 복수의 배터리의 전기적 연결이 배터리의 길이 방향 일 측에서 이루어질 수 있게 되므로, 전기적 연결 구조가 단순화 될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전기적 연결을 위한 부품과 배터리 간의 접합 면적이 충분히 확보될 수 있게 되어 전기 저항을 감소시킬 수 있으며, 결합 강도를 충분히 확보할 수 있게 된다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리의 외관을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리의 내부 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 배터리의 하부 구조를 나타내는 단면도로서, 본 발명의 배터리에 있어서 제1 집전체와 전지 하우징이 접촉하는 경우에 발생될 수 있는 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리의 하부 구조를 나타내는 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리의 바닥면을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 캡 상에 구비되는 접속부와 벤팅부의 위치 관계 및 벤팅부의 형태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리의 상부 구조를 나타내는 부분 단면도이다.
도 7은 분절편이 형성된 전극 조립체를 나타내는 도면이다
도 8 및 도 9는 본 발명에 적용되는 집전체와 전극 조립체의 무지부 간의 결합 구조를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 복수의 원통형 배터리를 버스바를 이용하여 직렬 및 병렬로 연결한 모습을 나타낸 상부 평면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 나타내는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 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 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.
도 1 내지 도 3b, 그리고 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리(1)는, 예를 들어 원통형 배터리일 수 있다. 상기 원통형 배터리(1)는 전극 조립체(10), 전지 하우징(20), 캡(30) 및 전지 단자(40)를 포함한다. 상기 원통형 배터리(1)는, 상술한 구성요소들 이 외에도 추가적으로 제1 집전체(50) 및/또는 실링 가스켓(60) 및/또는 절연 가스켓(70) 및/또는 제2 집전체(80) 및/또는 인슐레이터(제1 인슐레이터)(90)를 더 포함할 수도 있다. 본 발명은, 전지의 형상에 의해 제한되지 않으며, 다른 형상의 전지, 예컨데 각형 전지에도 적용 가능하다.
상기 전극 조립체(10)는, 제1 무지부(11) 및 제2 무지부(12)를 구비한다. 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 음극 또는 양극이고, 제2 전극은 제1 전극과 반대되는 극성을 갖는 전극에 해당한다.
상기 전극 조립체(10)는, 예를 들어 젤리-롤(jelly-roll) 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 전극, 분리막, 제2 전극을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 이러한 젤리-롤 타입의 전극 조립체(10)는, 권취 중심부(C)에 형성되어 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 연장되는 권취 중심 홀을 구비할 수 있다. 한편, 상기 전극 조립체(10)의 외주면 상에는 하우징(20)과의 절연을 위해 추가적인 분리막이 구비될 수 있다.
상기 제1 전극은, 제1 도전성 기재 및 제1 도전성 기재의 일 면 또는 양 면 상에 도포되어 형성되는 제1 전극 활물질 층을 포함한다. 상기 제1 도전성 기재의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측 단부에는 제1 전극 활물질이 도포되지 않은 제1 전극 무지부가 존재한다. 상기 제1 전극 무지부는, 제1 전극이 펼쳐진 상태를 기준으로 볼 때 제1 전극의 길이 방향을 따라 일 측 단부로부터 타 측 단부까지 연장된 형태를 갖는다. 상기 제1 전극 무지부(11)는, 제1 전극 탭으로서 기능할 수 있다. 상기 제1 무지부(11)는, 전극 조립체(10)의 일 면 상에 구비된다. 좀 더 구체적으로, 상기 제1 무지부(11)는, 하우징(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 하부에 구비된다.
상기 제2 전극은, 제2 도전성 기재 및 제2 도전성 기재의 일 면 또는 양 면 상에 도포되어 형성되는 제2 전극 활물질 층을 포함한다. 상기 제2 도전성 기재의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 타 측 단부에는 제2 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 상기 제2 전극 무지부는, 제2 전극이 펼쳐진 상태를 기준으로 볼 때 제2 전극의 길이 방향을 따라 일 측 단부로부터 타 측 단부까지 연장된 형태를 갖는다. 상기 제2 전극 무지부(12)는, 제2 전극 탭으로서 기능할 수 있다. 상기 제2 무지부(12)는, 전극 조립체(10)의 타 면 상에 구비된다. 좀 더 구체적으로, 상기 제2 무지부(12)는, 하우징(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 상부에 구비된다.
즉, 상기 제1 무지부(11)와 제2 무지부(12)는, 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향), 즉 원통형 배터리(1)의 높이 방향을 따라 서로 반대 방향으로 연장 돌출되며 분리막의 외부로 노출된다.
한편, 도 7을 참조하면, 상기 제1 무지부(11) 및/또는 제2 무지부(12)의 적어도 일부는, 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편(F)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 분절편은, 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 밴딩될 수 있다. 밴딩된 상기 복수의 분절편은, 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 이 경우, 후술할 제1 집전체(50) 및/또는 제2 집전체(80)는, 복수의 분절편(F)이 여러 겹으로 중첩되어 있는 영역에 결합될 수 있다.
한편, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 무지부(11) 및/또는 제2 무지부(12)의 분절편(F)의 중첩 레이어 수가 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 일정하게 유지되는 영역인 용접 타겟 영역을 구비할 수 있다. 이러한 용접 타겟 영역에서는, 분절편(F)의, 중첩 레이어 수가 대략 최대로 유지되므로, 후술할 제1 집전체(50)와 제1 무지부(11)의 용접 및/또는 제2 집전체(80)와 제2 무지부(12)의 용접이 용접 타겟 영역에서 이루어지는 것이 유리할 수 있다. 이는, 예를 들어 레이저 용접을 적용하는 경우에 있어서, 용접 품질의 향상을 위해 레이저의 출력을 높이는 경우 레이저 빔이 제1 무지부(11) 및/또는 제2 무지부(12)를 관통하여 전극 조립체(10)를 손상시키는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 이는, 용접 스패터 등의 이물질이 전극 조립체(10)의 내부로 유입되는 것을 효과적으로 방지할 수 있도록 하기 위함이다.
도 1 내지 도 3b를 참조하면, 상기 전지 하우징(20)은, 하방에 개방부가 형성된 대략 원통형의 수용체로서, 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 상기 전지 하우징(20)의 측면과 상면은 일체로 형성될 수 있다. 상기 전지 하우징(20)의 상면, 즉 전지 하우징(20)의 폐쇄부의 외부면은 대략 플랫한 형태를 갖는다. 상기 전지 하우징(20)은, 그 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측에 형성된 개방부를 통해 전극 조립체(10)를 수용하며, 전해질도 함께 수용한다.
상기 전지 하우징(20)은, 그 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 하단은 개방되어 있고, 상단은 폐쇄된 형태를 가질 수 있다. 상기 전지 하우징(20)은, 그 하단부에 형성된 비딩부(21) 및 클림핑부(22)를 구비할 수 있다. 상기 비딩부(21)는, 전극 조립체(10)의 하부에 형성된다. 상기 비딩부(21)는, 전지 하우징(20)의 외주면 둘레가 압입되어 형성될 수 있다. 상기 비딩부(21)는, 예를 들어 전지 하우징(20)의 폭(직경)과 대응되는 사이즈를 갖는 전극 조립체(10)가 전지 하우징(20)의 하단에 형성된 개방부를 통해 빠져나오지 않도록 하며, 캡(30)이 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다. 다른 측면에서, 상기 비딩부(21)는, 제1 집전체(50)가 안착되는 지지부로서도 기능할 수 있다. 즉, 상기 제1 집전체(50)의 가장자리는 비딩부(21)에 의해 지지될 수 있다.
상기 클림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하부에 형성된다. 상기 클림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하방에서 전지 하우징(20)의 개방부를 정의하는 끝단이 캡(30)의 가장자리를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 가질 수 있다.
다만, 본 발명의 전지 하우징(20)은, 이러한 비딩부(21) 및/또는 클림핑부(22)를 구비하지 않을 수도 있다. 이 경우, 전극 조립체(10)의 고정 및/또는 캡(30)의 고정 및/또는 전지 하우징(20)이 밀봉은, 예를 들어 전극 조립체(10)에 대한 스토퍼로서 기능할 수 있는 부품의 추가 적용 및/또는 캡(30)이 안착될 수 있는 구조물의 추가 적용 및/또는 전지 하우징(20)과 캡(30) 간의 용접 등을 통해 실현 가능할 수 있다.
한편, 상기 전지 하우징(20)은, 하방으로 연장된 제1 무지부(11)와 동일한 극성을 갖는다. 상기 전지 하우징(20)은, 캡(30)을 통해 제1 무지부(11)와 전기적으로 연결된다. 상기 전지 하우징(20)의 극성과 관련해서는, 캡(30)에 대한 설명과 함께 좀 더 상세하게 후술하기로 한다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 상기 캡(30)은, 전지 하우징(20)의 하단에 형성된 개방부를 커버하며, 전지 하우징(20) 및 제1 무지부(11)와 전기적으로 연결된다. 상기 캡(30)은, 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지는 부품이다. 상기 캡(30)은, 내압 증가에 따라 파단되어 내부 가스를 배출할 수 있도록 하는 벤팅부(31) 및 제1 무지부(11)와의 전기적 연결을 위한 접속부(P)를 구비한다. 상기 캡(30)은, 본 발명의 원통형 배터리(1)에 있어서 배터리의 이상 발생에 따른 내압 증가 시에 벤팅 부재로서 기능하며, 또한 과전류의 발생 시에 전류 차단 부재로서 기능한다.
상기 캡(30)은 전지 하우징(20)의 하단에 형성된 개방부에 용접에 의해 결합될 수 있다. 이와는 달리, 상기 캡(30)은, 후술할 실링 가스켓(60)에 의해 전지 하우징(20)의 클림핑부(22) 내에 고정될 수도 있다. 물론, 상기 실링 가스켓(60)이 적용되는 경우에도 더 나은 고정력 및 전기 저항 감소를 위해 용접에 의한 고정이 병행될 수도 있다.
상기 캡(30)은, 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)와 전기적으로 연결된다. 상기 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)은 캡(30)의 접속부(P)에 직접 결합될 수 있다. 이와는 달리, 상기 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)은 후술할 제1 집전체(50) 및/또는 리드 탭(L)을 통해 캡(30)의 접속부(P)에 결합될 수도 있다.
상기 벤팅부(31)는, 캡(30)에 있어서 주변 영역과 비교하여 강성의 측면에서 더 취약한 영역에 해당한다. 상기 캡(30)의 두께 조절을 통해 벤팅부(31)를 생성하는 경우, 벤팅부(31)는 캡(30)에 있어서 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 예를 들어, 상기 벤팅부(31)는, 캡(30)의 외측 면 및/또는 내측 면 상에 형성된 홈 형태를 가질 수 있다. 상기 캡(30)이 전체적으로 동일한 재질인 경우 특정 영역의 두께가 더 얇게 형성되어 있다면, 전지 하우징(20)의 내압이 비정상적으로 크게 증가하는 경우 더 얇은 두께로 형성된 영역이 파단되어 그 부분을 통해 내부에 생성된 가스가 배출될 수 있다. 물론, 이와는 달리, 주변 영역과 비교하여 강도 및/또는 융점 등의 측면에서 더 취약한 재질을 적용하는 방식으로 벤팅부(31)를 형성하는 것도 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(1)는, 후술할 바와 같이 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 상부에 전지 단자(40)가 구비된 구조를 가지며, 이로 인해 상부의 구조가 하부의 구조보다 복잡하다. 따라서, 벤팅을 통한 내부 가스의 배출을 위해 원통형 배터리(1)의 바닥면을 이루는 캡(30)에 벤팅부(31)가 형성될 수 있다.
한편, 상기 벤팅부(31)는, 폐루프를 그리며 연속적으로 형성되며, 접속부(P)는 이러한 폐루프 내에 위치하게 된다. 즉, 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)으로부터 캡(30)을 통과하여 전지 하우징(20)으로 이동하는 전류는 반드시 벤팅부(31)를 지나야만 한다. 이는, 상기 캡(30)이 상술한 바와 같은 벤팅 부재로서의 기능 이 외에도 과전류 발생 시에 전류 차단 부재로서의 기능도 수행할 수 있도록 하기 위함이다. 상기 접속부(P)가 벤팅부(31)의 폐루프 외측에 위치하는 경우 전류의 경로는 벤팅부(31)를 통과하지 않게 될 것이므로 벤팅부(31)는 전류 차단 부재로서 기능할 수 없게 된다. 또한, 상기 접속부(P)가 벤팅부(31)가 형성하는 루프 내에 위치하더라도 도 5에 도시된 바와 같이 그 루프가 폐루프를 형성하지 못하고 일부라도 오픈된 형태를 갖게 되면, 전극 조립체(10)로부터 캡(30)로 전달된 전류는 오픈된 영역을 통해 흐르게 될 것이므로 이 경우에도 벤팅부(31)는 전류 차단 부재로서 기능할 수 없게 된다.
도 1, 도 2 및 도 6을 참조하면, 상기 전지 단자(40)는, 전지 하우징(20)의 일 측에 형성된 개방부의 반대편에 위치하는 폐쇄부를 관통할 수 있다. 상기 전지 단자(40)는, 전지 하우징(20) 내에서 전극 조립체(10)의 제2 무지부(12)와 전기적으로 연결된다. 상기 전지 단자(40)는 제2 무지부(12)와 직접 결합될 수도 있으나, 후술할 제2 집전체(80)를 통해서 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결될 수도 있다. 상기 전지 단자(40)는, 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지는 부품이다. 상기 전지 단자(40)는, 전지 하우징(20)과 전기적으로 절연된다.
상기 전지 단자(40)와 전지 하우징(20) 간의 절연은, 다양한 방식에 의해 실현 가능하다. 예를 들어, 절연은, 절연 가스켓(70)의 적용에 의해 실현될 수 있다. 다른 예시로서, 절연은, 전지 단자(40) 및/또는 전지 하우징(20)의 적어도 일부에 절연을 위한 코팅을 통해 실현될 수도 있다. 또 다른 예시로서, 절연은, 절연을 위한 코팅 등과 같은 처리나 별도의 부품의 적용 없이 전지 단자(40)와 전지 하우징(20)의 이격 상태가 유지되도록 전지 단자(40)를 단단히 고정함으로써 실현될 수도 있다.
상기 전지 단자(40)는, 전지 하우징(20)의 상면(X-Y평면에 나란한 면)의 대략 중심부를 관통할 수 있다. 상기 전지 단자(40)는 전지 하우징(20)의 내부로 삽입된 부분 중 적어도 일부가 전극 조립체(10)의 제2 무지부(12) 또는 제2 전극 집전체(80)와 용접 등에 의해 결합될 수 있다. 또한, 상기 전지 단자(40)는, 전지 하우징(20)의 내부로 상입된 부분 중 적어도 일부가 전지 하우징(20)의 상면쪽으로 휘어져 리벳팅 될 수 있다. 즉, 본 발명의 전지 단자(40)는, 전지 하우징(20)을 관통하여 전지 하우징(20)의 내측 면 상에 리벳팅에 의해 결합되는 리벳 타입의 단자일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 원통형 배터리(1)는, 제1 무지부(11)와 동일한 극성을 갖는 전지 하우징(20)의 상면, 즉 폐쇄부의 외부면이 제1 전극 단자(T1)로서 기능하고, 제2 무지부(12)와 동일한 극성을 갖는 전지 단자(40)가 제2 전극 단자(T2)로서 기능할 수 있다. 따라서, 본 발명의 원통형 배터리(1)는, 높이 방향 일 측에 한 쌍의 전극 단자(T1, T2)가 모두 구비된 구조를 가지며, 이로써 복수의 원통형 배터리(1)를 전기적으로 연결함에 있어서 일 방향에 모든 전기적 연결 부품의 배치가 집중될 수 있는 구조를 갖는다. 이러한 구조는, 배터리 팩의 제조에 있어서 구조적 간소화를 가져올 수 있으며, 이로써 생산성의 향상 및 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다.
또한, 본 발명의 원통형 배터리(1)는, 전지 하우징(20)의 대략 플랫한 상면 중에서 전지 단자(40)가 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역 전체를 제1 전극 단자(T1)로 활용 가능하다. 따라서, 버스바 등의 전기적 연결을 위한 부품을 제1 전극 단자(T1)에 결합시키는데 있어서 충분한 결합 면적을 확보할 수 있으며, 이에 따라 대면적 버스바의 적용 시에도 용이한 결합이 가능하고 결합 부위에서의 전기저항을 감소시킬 수 있다.
도 2 내지 도 3b를 참조하면, 상기 제1 집전체(50)는, 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 하단에 결합될 수 있다. 상기 제1 집전체(50)는, 제1 무지부(11)와 결합될 수 있다. 상기 제1 집전체(50)는, 캡(30)과 전기적으로 연결된다. 즉, 상기 원통형 배터리(1)가 제1 집전체(50)를 구비하는 경우, 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)는 제1 집전체(50)를 통해 캡(30)과 전기적으로 연결된다. 상기 제1 집전체(50)는, 예를 들어 리드 탭(L)을 통해 캡(30)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 리드 탭(L)은, 제1 집전체(50)와 일체로 형성된 부품일 수도 있고, 별도로 제공되어 그 일 측이 제1 집전체(50)에 결합되고 그 타 측이 캡(30)에 결합될 수도 있다. 도 2 및 도 3과 함께 도 5를 참조하면, 상기 제1 집전체(50) 또는 리드 탭(L)은 캡(30)의 접속부(P)에 결합되며, 접속부(P)는 벤팅부(31)가 형성하는 폐루프 내에 위치한다. 이는, 제1 집전체(50)와 전지 하우징(20) 사이를 통과하는 전류가 벤팅부(31)를 반드시 지나도록 함으로써 과전류 발생 시에 벤팅부(31)에 의한 신속한 과전류 차단을 할 수 있도록 하기 위함이다.
바람직하게 상기 리드 탭(L)은, 제1 집전체(50)와 캡(30) 사이의 거리보다 더 긴 길이를 갖도록 구성될 수 있다. 이는, 상기 리드 탭(L)의 연장 길이가 부족한 경우 리드 탭(L)으로 인해 벤팅부(31)의 파단 압력이 설계치보다 더 커지는 것을 방지하기 위함이다.
한편, 상기 제1 집전체(50)는, 전극 조립체(10)의 권취 중심부(C)에 형성된 홀과 대응되는 위치에 형성되는 집전체 홀(50a)을 구비할 수 있다. 상기 집전체 홀(50a)은 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)에 형성된 홀과 연통되며, 이로써 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀을 통해 도구를 삽입하거나 레이저 빔을 통과시켜 제1 집전체(50)와 반대편에 위치하는 제2 집전체(80)와 전지 단자(40)를 용접할 수 있다. 상기 집전체 홀(50a)은, 그 밖에도 전해액 주입을 위한 통로로서 기능할 수 있다.
도 2 내지 도 3b를 참조하면, 상기 실링 가스켓(60)은, 전지 하우징(20)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 하단 개방부를 커버하는 캡(30)에 의한 밀봉성을 향상시키기 위해 적용되는 부품이다. 이러한 기능을 고려하여 상기 실링 가스켓(60)의 재질로는, 탄성을 갖는 재질이 적용될 수 있다. 상기 실링 가스켓(60)은, 전지 하우징(20)과 캡(30) 사이에 부분적으로 개재된다. 상술한 바와 같이, 상기 전지 하우징(20)은 캡(30)과 접촉하여 전기적으로 연결되어야 한다. 따라서, 상기 실링 가스켓(60)은, 전지 하우징(20)과 캡(30) 사이의 접촉을 완전히 차단하지 않아야 한다. 이를 위해, 상기 실링 가스켓(60)은, 전지 하우징(20)의 클림핑부(22)가 형성된 영역에서 캡(30)과 전지 하우징(20) 사이에 개재되되, 캡(30)과 전지 하우징(20)이 접촉하는 영역을 제외한 나머지 영역에 개재될 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 6을 참조하면, 상기 절연 가스켓(70)은, 전지 하우징(20)과 전지 단자(40) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 전지 하우징(20)과 전지 단자(40)가 서로 접촉되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 절연 가스켓(70)은, 전지 단자(40)의 적용으로 인해 전지 하우징(20)의 밀봉성이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 기능을 고려하여, 상기 절연 가스켓(70)의 재질로는, 절연성 및 탄성을 갖는 재질이 적용될 수 있다. 상기 절연 가스켓(70)의 일부는 전지 단자(40)의 리벳팅 시에 전지 하우징(20)의 폐쇄부의 내측면을 향해 전지 단자(40)의 플랜지부와 함께 휘어질 수 있다. 이로써, 절연 가스켓(70)의 일부는 전지 단자(40)의 플랜지부와 전지 하우징(20)의 폐쇄부의 내측면 사이에 개재될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 제2 집전체(80)는, 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 상단에 결합된다. 이에 따라, 상기 제2 집전체(80)는, 제2 무지부(12)와 결합된다. 상기 제2 집전체(80)는, 전지 단자(40)와 전기적으로 연결된다. 즉, 상기 원통형 배터리(1)가 제2 집전체(80)를 구비하는 경우, 전극 조립체(10)의 제2 무지부(12)은 제2 집전체(80)를 통해 전지 단자(40)와 전기적으로 연결된다. 상기 제2 집전체(80)는, 전지 단자(40)와 직접 결합될 수 있다. 이와는 달리, 상기 제2 집전체(80)는, 앞서 설명한 제1 집전체(50)(도 3 참조)와 유사하게 리드 탭(미도시)과 같은 별도의 부품을 통해 전지 단자(40)와 전기적으로 연결될 수도 있다. 이 경우, 상기 리드 탭은, 제2 집전체(80)와 일체로 형성된 부품일 수도 있고, 제2 집전체(80)와는 별도로 제공되어 그 일 측이 제2 집전체(80)에 결합되고 그 타 측이 전지 단자(40)에 결합될 수도 있다.
한편, 도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명에 적용되는 집전체(50, 80)와 전극 조립체(10)의 결합 구조가 나타나 있다.
먼저, 도 8을 참조하면, 상기 제2 집전체(80)는, 제2 무지부(12)의 단부가 제2 집전체(80)와 대략 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합면 상에 결합될 수 있다. 상기 제2 무지부(12)와 제2 전극 집전체(80) 간의 결합은, 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제2 집전체(80) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수도 있고, 제2 집전체(80)와 제2 무지부(12) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는, 제2 집전체(80) 및 제2 무지부(12)와 비교하여 더 낮은 용융점을 갖는 것이 바람직하다.
도 9를 참조하면, 상기 제1 집전체(50)는, 제1 무지부(11)의 단부가 제1 집전체(50)와 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 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) 및/또는 제2 무지부(12)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 제1 무지부(11) 및/또는 제2 무지부(12)가 상기 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 차지하는 공간이 축소되어, 즉 전극 조립체(10)의 높이(Z축 방향 길이)가 감소되어, 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 인슐레이터(90)는, 전극 조립체(10)의 상단과 전지 하우징(20)의 내측 면 사이 또는 전극 조립체(10)의 상부에 결합된 제2 집전체(80)와 전지 하우징(20)의 내측 면 사이에 개재된다. 상기 인슐레이터(90)는, 전극 조립체(10)의 측부도 추가적으로 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 인슐레이터(90)는, 제2 무지부(12)와 전지 하우징(20) 사이의 접촉 또는 제2 집전체(80)와 전지 하우징(20) 사이의 접촉을 방지한다.
본 발명의 원통형 배터리(1)가 전극 조립체(10)의 상부에 배치되는 인슐레이터(90)를 구비하는 경우, 전지 단자(40)는 전지 하우징(20)의 내부에서 인슐레이터(90)를 관통하여 제2 집전체(80) 또는 제2 무지부(12)와 결합된다.
한편, 본 발명의 도 3에 도시된 바와 같이 제1 집전체(50)와 전지 하우징(20) 사이의 접촉이 직접 이루어지는 경우, 본 발명의 캡(30)이 과전류 차단 부재로서의 기능을 수행할 수 없다. 상기 캡(30)이 과전류 차단 부재로서 기능하기 위해서는, 제1 집전체(50)와 전지 하우징(20) 간의 전기적 연결이 캡(30)을 통해서 이루어져야 한다. 이는, 제1 집전체(50)로부터 전달된 전류가 캡(30)에 형성된 벤팅부(31)를 통과해야 주변보다 얇은 두께를 갖도록 구성된 벤팅부(31)에서 과전류에 의한 파단이 일어남으로써 과전류를 차단할 수 있기 때문이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 제1 집전체(50)와 전지 하우징(20)이 직접 접촉되는 현상을 방지하기 위해 제1 집전체(50)와 전지 하우징(20) 사이에는 절연 층(CL) 및/또는 인슐레이터(제2 인슐레이터)(IS)가 개재될 수 있다.
상기 절연 층(CL)은, 서로 마주보는 제1 집전체(50)의 가장자리와 전지 하우징(20)의 비딩부(21) 사이에 개재될 수 있다. 상기 절연 층(CL)은, 예를 들어 제1 집전체(50) 및/또는 비딩부(21) 중 어느 하나의 표면에 형성된 절연 코팅 층일 수 있다.
상기 인슐레이터(제2 인슐레이터)(IS)는, 캡(30)과 대면하는 전극 조립체(10)의 하면을 커버할 수 있다. 상기 인슐레이터(IS)는, 절연의 확실성을 위해 서로 대면하는 제1 무지부(11)와 전지 하우징(20)의 측벽부의 내측면 사이에도 개재되도록 연장된 형태를 가질 수도 있다. 상기 인슐레이터(IS)는, 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)에 형성된 홀과 대응되는 위치에 형성되는 홀을 구비할 수 있다. 이 홀은, 전해액의 주입을 위한 통로 및/또는 제2 집전체(80)와 전지 단자(40)의 용접을 위해 도구를 삽입하거나 레이저 빔을 통과시키기 위한 통로로서 기능할 수 있다. 한편, 상기 인슐레이터(IS)는, 제1 집전체(50)와 캡(30)을 전기적으로 연결시키는 리드 탭(L)이 통과되는 홀을 구비할 수 있다.
상술한 본 발명의 원통형 배터리(1)는, 무지부(11, 12)의 절곡에 따라 형성되는 결합면의 형성에 따른 용접 면적 확대, 전지 하우징(20)의 폐쇄부의 외부면을 이용하여 버스바를 결합시킴에 따른 용접 면적 확대 등을 통해 저항이 최소화된 구조를 갖는다. 양극과 음극 사이, 전지 단자(40, T2)와 그 주변의 대략 플랫한 면(T1) 사이에서의 저항 측정기를 통해 측정되는 원통형 배터리(1)의 AC 저항은 급속 충전에 적합한 대략 0.5 밀리오옴(miliohm) 내지 4 밀리오옴(miliohm), 바람직하게는 대략 1 밀리오옴(miliohm) 내지 4밀리오옴(miliohm)일 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. 바람직하게, 원통형 배터리의 직경은 대략 40mm 내지 50mm 일 수 있고, 높이는 대략 60mm 내지 130mm 일 수 있다. 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 절곡 표면영역에서 무지부의 적층수를 충분히 증가시켜야 한다. 이러한 요구 조건은 본 발명의 실시예들(변형예들)에 따른 전극과 전극 조립체에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.418인 원통형 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 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.418인 원통형 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 원통형 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 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 대략 0.277이다. 2170 배터리의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.300이다.
도 10을 참조하면, 복수의 원통형 배터리(1)들은 버스바(150)를 이용하여 원통형 배터리(1)의 상부에서 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다. 원통형 배터리(1)들의 수는 배터리 팩의 용량을 고려하여 증감될 수 있다.
각 원통형 배터리(1)에 있어서, 전지 단자(50, T2)는 양의 극성을 가지고 전지 하우징(20)의 폐쇄부의 외부면(T1)은 음의 극성을 가질 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.
바람직하게, 복수의 원통형 배터리(1)들은 복수의 열과 행으로 배치될 수 있다. 열은 지면을 기준으로 상하 방향이고, 행은 지면을 기준으로 좌우 방향이다. 또한, 공간 효율성을 최대화 하기 위해, 원통형 배터리(1)들은 최밀 팩킹 구조(closest packing structure)로 배치될 수 있다. 최밀 팩킹 구조는, 전지 하우징(20)의 외부로 노출된 전지 단자(60)의 중심을 서로 연결했을 때 정삼각형이 만들어질 때 형성된다. 바람직하게, 버스바(150)는 복수의 원통형 배터리(1)의 상부, 보다 바람직하게는 인접하는 열들 사이에 배치될 수 있다. 대안적으로, 버스바(150)는 인접하는 행 사이에 배치될 수 있다.
바람직하게, 버스바(150)는, 동일 열에 배치된 배터리(1)들을 서로 병렬로 연결시키고, 인접하는 2개의 열에 배치된 원통형 배터리(1)들을 서로 직렬로 연결시킨다.
바람직하게, 버스바(150)는, 직렬 및 병렬 연결을 위해 바디부(151), 복수의 제1 버스바 단자(152) 및 복수의 제2 버스바 단자(153)를 포함할 수 있다.
상기 바디부(151)는, 인접하는 원통형 배터리(1)들의 전지 단자(50)들 사이에서, 바람직하게는 원통형 배터리(1)들의 열들 사이에서 연장될 수 있다. 대안적으로, 상기 바디부(151)는, 원통형 배터리(1)들의 열을 따라 연장되되, 지그재그 형상과 같이 규칙적으로 절곡될 수 있다.
복수의 제1 버스바 단자(152)는, 바디부(151)의 일측으로부터 각 원통형 배터리(1)의 전지 단자(50)를 향해 돌출 연장되고, 전지 단자(50)에 전기적으로 결합될 수 있다. 제1 버스바 단자(152)와 전지 단자(50) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 복수의 제2 버스바 단자(153)는 바디부(151)의 타측으로부터 각 원통형 배터리(1)의 전지 하우징(20)의 폐쇄부의 외부면(T1)에 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 제2 버스바 단자(153)와 외부면(T1) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 바디부(151), 복수의 제1 버스바 단자(152) 및 복수의 제2 버스바 단자(153)는 하나의 도전성 금속판으로 이루어질 수 있다. 금속판은, 예를 들어 알루미늄 판 또는 구리 판일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 변형 예에서, 상기 바디부(151), 복수의 제1 버스바 단자(152) 및 제2 버스바 단자(153)는 별개의 피스 단위로 제작한 후 서로 용접 등을 통해 결합될 수도 있다.
본 발명에 따른 원통형 배터리(1)는, 양의 극성을 가진 전지 단자(50)와 음의 극성을 가진 하우징(20)의 폐쇄부의 외부면(T1)이 동일한 방향에 위치하고 있으므로 버스바(150)를 이용하여 원통형 배터리(1)들의 전기적 연결을 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 원통형 배터리(1)의 전지 단자(50)와 전지 하우징(20)의 폐쇄부의 외부면(T1)은 면적이 넓으므로 버스바(150)의 결합 면적을 충분히 확보하여 원통형 배터리(1)를 포함하는 배터리 팩의 저항을 충분히 낮출 수 있다.
한편, 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 원통형 배터리(1)가 전기적으로 연결된 배터리 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(2)을 포함한다. 버스바를 통한 복수의 배터리(1)의 전기적 연결 구조와 관련해서는 앞서 도 10을 참조하여 예시적으로 설명한 바 있으며, 그 밖에 냉각 유닛, 전력 단자 등의 부품은 도면 도시의 편의상 생략되었다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는, 예를 들어 전기 자동차일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 포함한다. 상기 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
F: 분절편
20: 전지 하우징
T1: 제1 전극 단자
21: 비딩부
22: 클림핑부
30: 캡
31: 벤팅부
40: 전지 단자
T2: 제2 전극 단자
50: 제1 집전체
L: 리드 탭
60: 실링 가스켓
70: 절연 가스켓
80: 제2 집전체
90: 인슐레이터(제1 인슐레이터)
IS: 인슐레이터(제2 인슐레이터)
CL: 절연 층

Claims (35)

  1. 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제1 무지부 및 제2 무지부를 포함하는 전극 조립체;
    일 측에 형성된 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 하우징;
    주변 영역과 비교하여 얇은 두께를 갖도록 구성된 벤팅부를 구비하고, 상기 개방부를 커버하며, 상기 전지 하우징 및 제1 무지부와 전기적으로 연결되는 캡; 및
    상기 제2 무지부와 전기적으로 연결되는 전지 단자;
    를 포함하는 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지 하우징은,
    상기 캡을 통해 상기 제1 무지부와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캡은, 상기 제1 무지부와의 전기적 연결을 위한 접속부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 벤팅부는, 폐루프를 그리며 연속적으로 형성되고,
    상기 접속부는, 상기 폐루프 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅부는,
    상기 캡의 외측 면 및 내측 면 중 적어도 어느 하나의 면 상에 형성된 홈 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전지 단자는,
    상기 개방부의 반대편에 위치하는 상기 전지 하우징의 폐쇄부를 통해 상기 전지 하우징의 외측으로 노출되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전지 단자는,
    상기 폐쇄부의 중심부를 관통하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전지 단자는,
    상기 전지 하우징과 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는,
    상기 제1 무지부와 결합되는 제1 집전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 집전체는,
    상기 캡과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 집전체와 상기 캡은 리드 탭을 통해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 리드 탭은,
    상기 제1 집전체와 상기 캡 사이의 거리보다 더 긴 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는,
    상기 제2 무지부와 결합되는 제2 집전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 집전체는,
    상기 전지 단자와 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는,
    상기 캡과 상기 전지 하우징 사이에 개재되는 실링 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전지 하우징은,
    외주면 둘레가 압입되어 형성된 비딩부; 및
    상기 비딩부의 하방에서 상기 개방부를 정의하는 끝단이 상기 캡의 가장자리를 감싸도록 연장 및 절곡된 클림핑부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 실링 가스켓은,
    상기 클림핑부가 형성된 영역에서 상기 캡과 상기 전지 하우징이 접촉하는 영역을 제외한 나머지 영역에 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 전지 하우징은,
    외주면 둘레가 압입되어 형성된 비딩부; 및
    상기 비딩부의 하방에서 상기 개방부를 정의하는 끝단이 상기 캡의 가장자리를 감싸도록 연장 및 절곡된 클림핑부;
    를 구비하고,
    상기 제1 집전체의 가장자리는,
    상기 비딩부에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  19. 제18항에 있어서,
    서로 마주보는 상기 제1 집전체의 가장자리와 상기 전지 하우징의 비딩부 사이에는 절연 층이 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 절연 층은,
    상기 제1 집전체 또는 상기 비딩부 중 어느 하나의 표면에 형성된 절연 코팅 층인 것을 특징으로 하는 배터리.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 배터리는,
    상기 캡과 대면하는 상기 전극 조립체의 하면을 커버하는 인슐레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 인슐레이터는,
    상기 전극 조립체의 권취 중심에 형성된 홀과 대응되는 위치에 형성되는 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 제1 집전체와 상기 캡은 리드 탭을 통해 전기적으로 연결되며,
    상기 인슐레이터는 상기 리드 탭이 통과되는 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  24. 제9항에 있어서,
    상기 제1 무지부의 적어도 일부는, 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함하고,
    상기 복수의 분절편은, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 밴딩되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  25. 제24항에 있어서,
    밴딩된 상기 복수의 분절편은,
    상기 반경 방향을 따라서 여러 겹으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 전극 조립체는, 상기 제1 무지부의 상기 분절편의 중첩 수가 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 일정하게 유지되는 영역인 용접 타겟 영역을 구비하고,
    상기 제1 집전체는, 상기 용접 타겟 영역에서 상기 제1 무지부와 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  27. 제13항에 있어서,
    상기 제2 무지부의 적어도 일부는, 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함하고,
    상기 복수의 분절편은, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 밴딩되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  28. 제27항에 있어서,
    밴딩된 상기 복수의 분절편은,
    상기 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 전극 조립체는, 상기 제2 무지부의 상기 분절편의 중첩 수가 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 일정하게 유지되는 영역인 용접 타겟 영역을 구비하고,
    상기 제2 집전체는, 상기 용접 타겟 영역에서 상기 제2 무지부와 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  30. 제1항에 있어서,
    양극과 음극 사이에서 측정된 저항이 4miliohm 이하인 것을 특징으로 하는 배터리.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 직경을 높이로 나눈 폼 팩터의 비가 0.4보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리.
  32. 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 따른 배터리를 복수 개 포함하는 배터리 팩.
  33. 제32항에 있어서,
    복수의 상기 배터리는 소정 수의 열로 배열되고,
    각각의 상기 배터리의 상기 전지 단자와 전지 하우징의 폐쇄부의 외부면은 상부를 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 배터리 팩은, 복수의 상기 배터리를 직렬 및 병렬로 연결하는 복수의 버스바를 포함하고,
    상기 복수의 버스바는, 상기 복수의 배터리들의 상부에 배치되고,
    각각의 상기 버스바는,
    인접하는 배터리들의 전지 단자들 사이에서 연장되는 바디부;
    상기 바디부의 일측 방향으로 연장되어 상기 일측 방향에 위치한 배터리의 전지 단자에 전기적으로 결합하는 복수의 제1 버스바 단자; 및
    상기 바디부의 타측 방향으로 연장되어 상기 타측 방향에 위치한 배터리의 전지 하우징의 폐쇄부의 외부면에 전기적으로 결합하는 복수의 제2 버스바 단자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  35. 제32항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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