KR20220118957A - 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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KR20220118957A
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조민기
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최수지
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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 있지 않은 제1 무지부를 포함하는 전극 조립체; 하단에 형성된 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 하우징; 상기 제1 무지부와 결합되며 상기 하우징 내에 위치하는 제1 집전체; 상기 개방부를 커버하는 캡; 및 상기 제1 집전체와 상기 캡 사이에 개재되며, 상기 제1 집전체와 상기 캡 사이의 거리와 대응되는 높이를 갖는 스페이서; 를 포함한다.

Description

배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{Battery, 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 내부 전극 조립체의 움직임을 최소화할 수 있는 구조를 갖는 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
배터리에 있어서, 집전 효율의 극대화를 위해 하우징이 높이 방향을 따라 상하로 각각 양극 탭 및 음극 탭이 연장된 형태를 갖는 전극 조립체를 적용할 수 있다. 이러한 구조를 갖는 전극 조립체가 적용되는 배터리에 있어서, 양극 탭 및 음극 탭 각각을 단자 및 하우징과 각각 연결시키기 위한 중간 매개체로서 집전체가 이용될 수 있다.
이 경우, 예를 들어, 양극 집전체는 전극 조립체의 일 면을 커버하면서 양극 탭과 결합되고, 음극 집전체는 전극 조립체의 타 면을 커버하면서 음극 탭과 결합될 수 있다. 또한, 상기 양극 집전체는 단자와 전기적으로 연결되며, 음극 집전체는 하우징과 전기적으로 연결될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조를 갖는 배터리에서는, 특히 음극 집전체와 캡 사이에 비교적 큰 빈 공간이 형성될 수 있다. 또한, 상기 캡과 반대편에 위치하는 하우징의 바닥 면과 양극 집전체 사이에도 빈 공간이 형성될 수 있다.
이러한 빈 공간들은, 전극 조립체가 하우징의 내부에서 특히 상하 방향, 즉 배터리의 높이 방향을 따라 움직이게 하는 원인이 될 수 있다. 상기 전극 조립체가 이처럼 상하 방향으로 움직이는 경우, 집전체와 전극 탭 사이의 결합 부위에 손상이 발생될 수 있으며, 이에 더하여 집전체와 하우징 간의 결합 부위, 집전체와 단자 간의 결합 부위 등에도 손상이 발생될 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체가 상하 방향으로 진동하면 전극 탭이 굽힘과 펴짐을 반복하면서 끊어질 수 있다. 그렇게 되면 전지 내부에서 단락이 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 전극 조립체의 유동 공간을 최대한 축소시킬 필요가 있다. 또한, 전극 조립체의 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.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리의 하우징 내에서 전극 조립체가 움직임으로써 전기적 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지하는 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 있지 않은 제1 무지부를 포함하는 전극 조립체; 하단에 형성된 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 하우징; 상기 제1 무지부와 결합되며 상기 하우징 내에 위치하는 제1 집전체; 상기 개방부를 커버하는 캡; 및 상기 제1 집전체와 상기 캡 사이에 개재되며, 상기 제1 집전체와 상기 캡 사이의 거리와 대응되는 높이를 갖는 스페이서; 를 포함한다.
바람직하게, 상기 스페이서는, 제1 집전체의 일 면 상에서 중심부에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 상기 제1 집전체는, 상기 전극 조립체의 일 면 상에서 중심부에 위치하는 지지부; 상기 지지부로부터 연장되며 상기 제1 무지부와 결합되는 무지부 결합부; 및 상기 지지부로부터 연장되거나 또는 상기 무지부 결합부의 단부로부터 연장되어 상기 하우징과 전기적으로 결합하는 하우징 접촉부;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 스페이서는, 상기 제1 집전체의 상기 지지부가 상기 스페이서의 외측으로 노출되지 않도록 상기 지지부를 커버할 수 있다.
특히, 상기 제1 집전체와 대향하는 상기 스페이서의 상단부의 외경은, 상기 지지부의 외경과 같거나 더 클 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 상기 스페이서는, 상기 제1 집전체의 상기 무지부 결합부와 상기 제1 무지부가 용접되어 형성되는 용접부의 적어도 일부를 커버할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 집전체와 대향하는 상기 스페이서의 상단부의 반경은, 상기 전극 조립체의 코어로부터 가장 가깝게 위치하는 용접부로부터 상기 전극 조립체의 코어에 이르는 거리보다 더 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 캡은, 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 벤팅부를 구비할 수 있다.
바람직하게, 상기 벤팅부는, 상기 하우징의 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 파단되도록 구성될 수 있다.
특히, 상기 벤팅부는, 상기 캡의 양 면 중 적어도 일 면 상에 형성된 노칭부일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 벤팅부는, 폐루프를 형성할 수 있다.
바람직하게, 상기 벤팅부는, 원형일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 벤팅부는, 상기 캡의 중심과 상기 캡의 말단 지점을 잇는 직선의 중간 지점보다 더 말단 측에 위치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 벤팅부는, 상기 캡의 가장자리 둘레 영역으로부터 하방으로 돌출된 플랫한 영역의 가장자리 둘레를 따라 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 스페이서는, 상기 캡에 형성된 상기 벤팅부를 덮지 않도록 벤팅부보다 더 코어 방향으로 내측에 위치할 수 있다.
바람직하게, 상기 캡과 대향하는 상기 스페이서의 하단부의 반경은, 상기 캡의 중심으로부터 상기 벤팅부에 이르는 거리보다 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 스페이서는, 상기 전극 조립체의 권취 중심 홀과 대응되는 위치에 형성되는 스페이서 홀을 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 지지부는, 상기 전극 조립체의 권취 중심 홀에 대응되는 위치에 형성되는 제1 집전체 홀을 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 배터리는, 상기 전극 조립체의 외주면의 적어도 일부를 커버하며, 상기 하우징의 내주면과 접촉하는 사이드 커버; 를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 사이드 커버는, 상기 전극 조립체의 외주 둘레를 따라, 상기 전극 조립체의 외주면의 적어도 일부를 커버할 수 있다.
특히, 상기 사이드 커버는, 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 하우징의 내주면 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 하우징은, 외주면 둘레가 압입되어 형성된 비딩부; 및 상기 비딩부의 하방에서 상기 개방부를 정의하는 끝단이 상기 캡의 가장자리를 감싸도록 연장 및 절곡된 클림핑부; 를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 하우징 접촉부는, 상기 캡과 대면하는 상기 비딩부의 일 면 상에 접촉할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 제2 전극은, 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제2 무지부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 배터리는, 상기 제2 무지부와 결합되는 제2 집전체; 및 상기 하우징의 상단에 형성된 폐쇄부와 상기 제2 집전체 사이에 개재되는 인슐레이터;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 인슐레이터는, 상기 제2 집전체와 상기 폐쇄부 사이의 거리와 대응되는 높이를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 스페이서는, 탄성을 갖는 재질로 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 양극과 음극 사이에서 측정된 저항이 4miliohm 이하일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 배터리의 직경을 높이로 나눈 폼 팩터의 비가 0.4보다 클 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리를 복수 개 포함한다.
본 발명의 일 측면에서, 상기 배터리는, 상기 개방부의 반대 편에 구비되며 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 단자;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 복수의 상기 배터리는 소정 수의 열로 배열되고, 각각의 상기 배터리의 상기 단자와 하우징 폐쇄부의 외부면은 상부를 향하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 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 단자들 사이에서 연장되는 바디부; 상기 바디부의 일측 방향으로 연장되어 상기 일측 방향에 위치한 배터리의 단자에 전기적으로 결합하는 복수의 제1 버스바 단자; 및 상기 바디부의 타측 방향으로 연장되어 상기 타측 방향에 위치한 배터리의 하우징의 폐쇄부의 외부면에 전기적으로 결합하는 복수의 제2 버스바 단자; 를 포함할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시에에 따른 자동차는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리의 하우징 내에서 전극 조립체의 움직임이 최소화되어 전기적 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 효과는 상술한 효과들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적인 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 내부 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 제1 집전체의 예시적 형태를 나타내는 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예를 따르는 스페이서가 적용된 영역을 나타내는 부분 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 스페이서와 제1 집전체의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4c는 본 발명의 스페이서와 벤팅부의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 따르는 스페이서가 적용된 영역을 나타내는 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 배터리의 바닥면을 나타내는 평면도이다.
도 7a는 본 발명의 인슐레이터가 적용된 영역을 나타내는 부분 단면도이다.
도 7b는 본 발명의 사이드 커버가 적용된 영역을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 분절편이 형성된 전극 조립체를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 배터리를 버스바를 이용하여 직렬 및 병렬로 연결한 모습을 나타낸 상부 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 나타내는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
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 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리(1)는, 예를 들어 원통형 배터리일 수 있다. 상기 배터리(1)는, 전극 조립체(10), 하우징(20), 제1 집전체(30), 캡(40) 및 스페이서(50)를 포함한다.
상기 배터리(1)는, 상술한 구성요소들 이 외에 절연 가스켓(G) 및/또는 단자(60) 및/또는 제2 집전체(70) 및/또는 인슐레이터(80)를 및/또는 사이드 커버(90) 및/또는 실링 가스켓(100)을 더 포함할 수도 있다.
본 발명은, 전지의 형상에 의해 제한되지 않으며, 다른 형상의 전지, 예컨대 각형 전지에도 적용 가능하다.
도 2, 도 4a, 도 7a 및 도 8을 참조하면, 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, 제1분리막, 제1 전극, 제2분리막 및 제2 전극을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 이러한 젤리-롤 타입의 전극 조립체(10)는, 그 중심부에 형성되어 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 연장되는 권취 중심 홀(C)을 구비할 수 있다. 젤리-롤 형상의 전극 조립체(10)의 구조는 원통형 배터리의 기술분야에 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다. 한편, 상기 전극 조립체(10)의 외주면 상에는 하우징(20)과의 절연을 위해 추가적인 분리막이 구비될 수 있다.
상기 제1 전극은, 쉬트 형상을 가진 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 무지부(11)가 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, 그 자체로서 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, 쉬트 형상을 가진 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 무지부(12)는, 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, 그 자체로서 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 배터리(1)의 높이 방향을 따라 서로 반대 방향으로 연장 돌출되며 분리막의 외부로 노출된다.
한편, 도 8을 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 절곡될 수 있다. 절곡된 상기 복수의 분절편은, 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 이 경우, 후술할 제1 집전체(30) 및/또는 제2 집전체(70)는, 복수의 분절편(F)이 여러 겹으로 중첩되어 있는 영역에 결합될 수 있다. 한편, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 무지부(11)의 분절편(F)의 중첩 레이어 수가 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 일정하게 유지되는 영역인 용접 타겟 영역을 구비할 수 있다. 이 영역에서는, 중첩 레이어 수가 대략 최대로 유지되므로, 후술할 제1 집전체(30)와 제1 무지부(11)의 용접 및/또는 제2 집전체(70)와 제2 무지부(12)의 용접이 이 영역 내에서 이루어지는 것이 유리할 수 있다. 이는, 예를 들어 레이저 용접을 적용하는 경우에 있어서, 용접 품질의 향상을 위해 레이저의 출력을 높이는 경우 레이저 빔이 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.
본 발명에 있어서, 양극 집전체에 코팅되는 양극 활물질과 음극 집전체에 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-(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 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.
도 1, 도 2, 도 4a 및 도 7a를 참조하면, 상기 하우징(20)은, 그 하단에 형성된 개방부를 통해 전극 조립체(10)를 수용한다. 상기 하우징(20)은, 그 하단에 개방부가 형성되고 상단에는 폐쇄부가 형성된 대략 원통형의 수용체일 수 있다. 상기 하우징(20)은, 금속과 같은 도전성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 상기 하우징(20)의 재질은, 금속, 예를 들어 스틸, 스테인레스스틸 또는 알루미늄일 수 있다. 상기 하우징(20)의 측면(외주면)과 상면은 일체로 형성될 수 있다. 상기 하우징(20)의 상면(X-Y 평면에 나란한 면)은 대략 플랫(flat)한 형태를 가질 수 있다. 상기 하우징(20)은, 하단에 형성된 개방부를 통해 전극 조립체(10)와 함께 전해질도 수용한다.
상기 하우징(20)은, 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결된다. 상기 하우징(20)은, 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)와 연결된다. 따라서, 상기 하우징(20)은, 전기적으로 제1 무지부(11)와 동일한 극성을 갖는다.
도 2 및 도 4a를 참조하면, 상기 하우징(20)은, 그 하단에 형성되는 비딩부(21) 및 클림핑부(22)를 구비할 수 있다. 상기 비딩부(21)는, 하우징(20)의 내부에 수용된 전극 조립체(10)의 하측에 구비된다. 상기 비딩부(21)는, 하우징(20)이 외주면 둘레를 압입하여 형성된다. 상기 비딩부(21)는, 하우징(20)의 내경을 부분적으로 감소시킴으로써, 하우징(20)의 폭과 대략 대응되는 사이즈를 가질 수 있는 전극 조립체(10)가 하우징(20)의 하단에 형성된 개방부를 통해 빠져나오지 않도록 한다. 상기 비딩부(21)는, 캡(40)이 안착되는 지지부로서도 기능할 수 있다.
상기 클림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하부에 형성된다. 상기 클림핑부(22)는 상기 비딩부(21)보다 상기 개방부를 향하는 측에 형성되며 상기 개방부를 향해 연장 및 하우징(20)의 내측으로 절곡될 수 있다. 상기 클림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하방에 배치되는 캡(40)의 외주면, 그리고 캡(40)의 하면의 적어도 일부를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다.
도 2 내지 도 4a를 참조하면, 상기 제1 집전체(30)는, 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)와 결합되며 하우징(20) 내에 위치한다. 상기 제1 집전체(30)는, 전극 조립체(10)의 하단 일 면의 적어도 일부를 커버한다. 상기 전극 조립체(10)와 제1 집전체(30)를 포함하는 결합체는 하우징(20)의 하단에 형성되는 개방부를 통해 하우징(20) 내에 삽입될 수 있다. 상기 제1 집전체(30)는, 하우징(20)과 전기적으로 연결된다. 즉, 상기 제1 집전체(30)는, 전극 조립체(10)와 하우징(20) 간의 전기적 연결을 위한 매개체로서 기능할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 제1 집전체(30)는, 예를 들어 지지부(31), 무지부 결합부(32) 및 하우징 접촉부(33)를 포함할 수 있다.
상기 지지부(31)는, 전극 조립체(10)의 하단에 형성되는 일 면 상에서 대략 중심부에 위치한다. 상기 지지부(31)에는 제1 집전체 홀(H1)이 구비될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 집전체 홀(H1)은, 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(C)과 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 상기 제1 집전체 홀(H1)은, 후술할 단자(60)와 제2 집전체(70) 간의 결합을 위한 용접봉의 삽입이나 레이저 조사를 위한 통로로서 기능할 수 있다. 그 밖에도, 상기 제1 집전체 홀(H1)은 전해액의 주액 시에 전극 조립체(10) 내부로 원활한 전해액 함침이 이루어질 수 있도록 하는 통로로서도 기능할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 상기 무지부 결합부(32)는, 지지부(31)로부터 연장되며 제1 무지부(11)와 결합한다. 특히, 상기 무지부 결합부(32)는 상기 제1 무지부(11)와 용접 결합될 수 있다. 용접 방법으로는 예를 들면 레이저 용접, 저항 용접, 초음파 용접 등이 가능하나, 용접 방법이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 무지부 결합부(32)는, 상기 배터리 하우징(20)의 상면과 평행한 상태로 상기 제1 무지부(11)에 용접 결합될 수 있다. 상기 제1 무지부(11)와 상기 무지부 결합부(32)는 상기 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 용접 결합될 수 있다.
일 실시 형태로서, 상기 무지부 결합부(32)가 상기 제1 무지부(11)의 단부에 안착된 상태에서, 일정 영역에 대한 용접이 실시될 수 있다. 다른 실시 형태로서, 도 8에서와 같이, 제1 무지부(11)의 적어도 일부는, 상기 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 복수의 분절편(F)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 분절편(F)은, 상기 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 절곡되어 절곡면을 형성할 수 있다. 전극 조립체의 반경 방향이란 코어 측 또는 외주 측을 향하는 방향을 의미한다. 예를 들면, 상기 복수의 분절편(F)은, 전극 조립체(10)의 코어 측을 향해 절곡될 수 있다. 상기 복수의 분절편(F)은, 상기 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 상기 절곡면은, 싱기 전극 조립체(10)의 외주측으로부터 코어측으로 가면서 분절편(F)의 중첩 레이어 수가 최대치까지 순차적으로 증가하는 적층수 증가구간과 중첩 레이어 수가 최대치가 된 반경 지점부터 최내측 분절편이 존재하는 반경 지점까지의 적층수 균일구간을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 무지부 결합부(32)가 상기 제1 무지부(11)의 절곡면에 안착된 상태에서, 일정 영역에 대한 용접이 실시될 수 있다. 즉, 상기 무지부 결합부(32)는, 복수의 분절편(F)이 여러 겹으로 중첩되어 있는 영역에 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 무지부 결합부(32)는, 적층수 균일구간과 중첩되도록 상기 절곡면에 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 무지부 결합부(32)와 상기 제1 무지부(11)의 용접은, 제1 무지부(11)의 절곡면에 있어서 제1 무지부(11)의 중첩 레이어 수가 10장 이상인 영역에서 이루어질 수 있다. 중첩 레이어 수가 10장 이상인 구간의 반경 방향 비율은 제1 무지부(11)의 길이를 조절함으로써 코어를 제외한 전극 조립체의 반경을 기준으로 25% 이상으로 설계될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 상기 제1 무지부(11)와 상기 무지부 결합부(32) 사이의 용접 영역에는, 용접 비드가 형성될 수 있다. 용접 비드란, 특정 지점에 점 용접을 실시하였을 때 형성되는 대략 원형의 용접부를 의미한다. 용접 비드가 복수 개 연결되면, 특정한 용접 패턴을 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 복수의 용접 비드가 모여 대략 직선 형상의 용접부(BD)를 형성할 수 있다. 일 실시 형태에서, 상기 제1 무지부(11)와 상기 무지부 결합부(32) 사이에 형성되는 용접부(BD)는, 상기 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 연장된 용접 패턴을 형성할 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 제1 무지부(11)와 상기 무지부 결합부(32) 사이에 형성되는 용접부(BD)는, 상기 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 연장된 직선 형상의 용접 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 무지부 결합부(32)는, 예를 들어 복수개가 구비될 수 있다. 이 경우, 복수의 무지부 결합부(32)들 각각은, 지지부(31)로부터 방사상으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 무지부 결합부(32)는 스트립 형상을 가질 수 있다. 변형예에서, 상기 무지부 결합부(32)의 사이드는 라운드 형상으로 변형될 수 있다.
상기 하우징 접촉부(33)는, 도 3에 도시된 바와 같이 지지부(31)로부터 연장되거나 또는 도 3에 도시된 것과는 달리 무지부 결합부(32)의 단부로부터 연장될 수 있다. 이에 따라, 상기 하우징 접촉부(33)는 상기 하우징(20)과 전기적으로 결합될 수 있다. 구체적으로, 상기 하우징 접촉부(33)의 단부는 후술할 실링 가스켓(100)과 하우징(20) 사이에 개재되어 하우징(20)과 접촉할 수 있으며, 이로써 하우징(20)과 제1 집전체(30) 간의 전기적 연결이 이루어질 수 있다. 상기 하우징 접촉부(33)의 단부는, 예를 들어 캡(40)과 대면하는 비딩부(21)의 일 면 상에 접촉할 수 있다.
나아가, 상기 하우징 접촉부(33)는 상기 클림핑부(22)에 의해 압착 고정될 수 있다. 예를 들어 도 4a를 참조하면, 비딩부(21)의 하면에 제1 집전체(30)의 하우징 접촉부(33)가 얹혀질 수 있다. 상기 하우징 접촉부(33)의 하면에는 실링 가스켓(100)에 의해 단부가 감싸진 캡(40)이 얹혀질 수 있다. 그 후, 상기 캡(40)의 가장자리 둘레를 감싸도록, 상기 하우징(20)을 절곡하여 상기 캡(40) 및 제1 집전체(30)를 고정한다. 이러한 접혀진 클림핑부(22)의 형상에 의해 캡(40) 및 제1 집전체(30)는 비딩부(21) 상에 고정된다.
더 나아가, 상기 하우징(20)의 비딩부(21)와 상기 제1 집전체(30)의 하우징 접촉부(33) 사이에 용접부가 형성될 수도 있다. 예를 들어, 클림핑 힘만으로는 하우징 접촉부(33)의 고정이 확실하게 이루어지지 않을 수 있다. 게다가, 실링 가스켓(100)이 열에 의해 수축되거나, 클림핑부(22)가 외부로부터 충격을 받아 변형될 경우, 제1 집전체(30)와 하우징(20) 사이의 결합력이 저하될 가능성이 있다. 따라서, 하우징 접촉부(33)가 상기 하우징(20)의 비딩부(21)에 얹혀진 상태에서 용접을 통해 상기 제1 집전체(30)를 하우징(20)에 고정할 수 있다. 이 때, 상기 하우징 접촉부(33)는, 하우징(20)의 내측 면 중, 비딩부(21)에 결합될 수 있다. 도 4a와 같이, 비딩부(21)의 하면이 하우징(20)의 상면에 대략 나란한 방향, 즉 하우징(20)의 측벽에 대략 수직한 방향을 따라 연장된 형태를 갖도록 하고 하우징 접촉부(33) 역시 동일한 방향을 따라 연장된 형태를 갖도록 함으로써 하우징 접촉부(33)가 비딩부(21) 상에 안정적으로 접촉하도록 할 수 있다. 또한, 이처럼 상기 하우징 접촉부(33)가 비딩부(21)에 안정적으로 접촉됨에 따라 두 부품 간의 용접이 원활하게 이루어질 수 있고, 이로써 두 부품 간의 결합력 향상 및 결합 부위에서의 저항 증가 최소화 효과를 얻을 수 있다.
또한, 이와 같이 제1 집전체(30)가 하우징(20)의 원통부 내측 면이 아닌 하우징(20)의 비딩부(21)에 결합되는 구조에 의해, 제1 집전체(30)와 비딩부(21) 사이의 거리가 감소될 수 있다. 따라서, 하우징(20) 내부의 데드 스페이스가 최소화되어 배터리(1)의 에너지 밀도가 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 상기 비딩부(21)와 상기 하우징 접촉부(33) 사이에 형성되는 용접부는, 원주 방향을 따라 연장되는 직선 형상의 용접 패턴을 형성할 수 있다. 또는, 상기 비딩부(21)와 상기 하우징 접촉부(33) 사이에 형성되는 용접부는, 원주 방향을 따라 연장되는 호 형상의 용접 패턴을 형성할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 하우징 접촉부(33)는, 예를 들어 복수개가 구비될 수 있다. 이 경우, 복수의 하우징 접촉부(33)들은, 도 3에 도시된 바와 같이, 지지부(31)로부터 방사상으로 연장된 형태를 가질 수 있고, 서로 이웃하는 무지부 결합부(32) 사이에 적어도 하나의 하우징 접촉부(33)가 위치할 수 있다. 또는, 상기 복수의 하우징 접촉부(33)들은, 도 3에 도시된 것과는 달리, 복수의 무지부 결합부(32) 각각의 단부로부터 연장된 형태를 가질 수도 있다.
도 2, 도 4a 및 도 6을 참조하면, 상기 캡(40)은, 하우징(20)에 형성된 개방부를 커버한다. 상기 캡(40)은, 강성 확보를 위해 예를 들어 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 캡(40)은, 배터리(1)의 하면을 이룬다. 본 발명의 배터리(1)에 있어서, 캡(40)은, 전도성을 갖는 금속 재질인 경우에도, 극성을 갖지 않을 수 있다. 극성을 갖지 않는다는 것은, 상기 캡(40)이 하우징(20) 및 단자(60)와 전기적으로 절연되어 있음을 의미할 수 있다. 따라서, 상기 캡(40)은, 양극 단자 또는 음극 단자로서 기능하지 않는다. 따라서, 상기 캡(40)은, 전극 조립체(10) 및 하우징(20)과 전기적으로 연결될 필요가 없으며, 그 재질이 반드시 전도성 금속이어야 하는 것도 아니다.
본 발명의 하우징(20)이 비딩부(21)를 구비하는 경우, 상기 캡(40)은, 하우징(20)에 형성된 비딩부(21) 상에 안착될 수 있다. 또한, 본 발명의 하우징(20)이 클림핑부(22)를 구비하는 경우, 상기 캡(40)은, 클림핑부(22)에 의해 고정된다. 상기 캡(40)과 하우징(20)의 클림핑부(22) 사이에는 하우징(20)의 기밀성 확보를 위해 실링 가스켓(100)이 개재된다.
도 4a 및 도 6을 참조하면, 상기 캡(40)은, 하우징(20)의 내부에 발생된 가스로 인해 내압이 기 설정된 수치를 넘어서 증가하는 것을 방지하기 위해 벤팅부(41)를 더 구비할 수 있다. 상기 벤팅부(41)는, 캡(40) 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 상기 벤팅부(41)는, 주변 영역과 비교하여 구조적으로 취약하다. 따라서, 상기 배터리(1)에 이상이 발생하여 하우징(20)의 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 벤팅부(41)가 파단되어 하우징(20)의 내부에 생성된 가스가 배출될 수 있다. 상기 벤팅부(41)는, 예를 들어 캡(40)의 어느 일 면 상에 또는 양 면 상에 노칭(notching)을 하여 부분적으로 하우징(20)의 두께를 감소시킴으로써 형성될 수 있다. 즉, 상기 벤팅부(41)는, 상기 캡(40)의 양 면 중 적어도 일 면 상에 형성된 노칭부일 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 캡(40)의 하단부는 하우징(20)의 하단부보다 더 상방에 위치하는 것이 바람직하다. 이와 같은 구조에 의하면, 상기 하우징(20)의 하단부가 지면에 닿거나 또는 모듈이나 팩 구성을 위한 하우징의 바닥면에 닿더라도, 캡(40)은 지면 또는 하우징의 바닥면에 닿지 않게 된다. 따라서, 배터리(1)의 무게로 인해 벤팅부(41)의 파단에 요구되는 압력이 설계치와 달라지는 현상을 방지할 수 있으며, 이에 따라 벤팅부(41)의 파단 원활성이 확보될 수 있다.
한편, 상기 벤팅부(41)가 도 6에 도시된 바와 같이 폐루프 형태를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 벤팅부(41)는 원형일 수 있다. 이 때, 특히 파단의 용이성 측면에서 캡(40)의 중심부로부터 벤팅부(41)에 이르는 거리가 클수록 유리하다. 이는, 동일한 벤팅 압력이 작용했을 때, 상기 캡(40)의 중심부로부터 벤팅부(41)에 이르는 거리가 멀어질수록 벤팅부(41)에 작용하는 힘이 커져 파단이 용이해지기 때문이다. 또한, 벤팅 가스 배출의 원활성 측면에서도 캡(40)의 중심부로부터 벤팅부(41)에 이르는 거리가 멀수록 유리하다. 예를 들어, 상기 벤팅부(41)는, 상기 캡(40)의 중심과 상기 캡(40)의 말단 지점을 잇는 직선의 중간 지점보다 더 말단 측에 위치할 수 있다. 이러한 관점에서 볼 때, 상기 벤팅부(41)는, 캡(40)의 가장자리 둘레 영역으로부터 하방(도 4a를 기준으로 아래를 향하는 방향)으로 돌출된 대략 플랫한 영역의 가장자리 둘레를 따라 형성되는 것이 유리할 수 있다.
본 발명의 도 6에서는, 상기 벤팅부(41)가 대략 원을 그리며 연속적으로 형성된 경우를 도시하고 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 벤팅부(41)는, 캡(40) 상에 대략 원을 그리며 불연속적으로 형성될 수도 있고, 대략 직선 형태 또는 그 밖의 다른 형태로 형성될 수도 있다.
도 2, 도 4a 및 도 5를 참조하면, 상기 스페이서(50)는, 전극 조립체(10)의 유동을 방지하도록 구성된다. 즉, 상기 스페이서(50)는 전극 조립체(10)를 고정하도록 캡(40)과 전극 조립체(10) 사이에 배치된다. 보다 구체적으로, 상기 스페이서(50)는 전극 조립체(10)의 상하 방향 위치를 고정할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 상기 스페이서(50)의 상면은, 제1 집전체(30)의 하면과 접촉할 수 있고, 스페이서(50)의 하면은 캡(40)의 내측면과 접촉할 수 있다. 즉, 상기 스페이서(50)는, 제1 집전체(30)와 캡(40) 사이에 개재된다. 상기 스페이서(50)는, 제1 집전체(30)와 캡(40) 사이의 거리와 대응되는 높이를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 스페이서(50)는, 제1 집전체(30)와 캡(40) 사이에 형성되는 유격으로 인해 전극 조립체(10)가 하우징(20) 내에서 움직이는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 예컨대, 스페이서(50)가, 제1 집전체(30)와 캡(40) 사이에 형성되는 공간을 적어도 일부 메꿈으로써, 배터리(1)가 상하 방향으로 진동하더라도, 전극 조립체(10)가 상하 방향으로 진동하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 제1 무지부(11) 및/또는 제2 무지부(12)가 불필요하게 굽혀지거나 펴지는 현상이 방지될 수 있다. 따라서, 상기 스페이서(50)는, 전극 조립체(10)와 제1 집전체(30) 간의 결합 부위 및/또는 제1 집전체(30)와 하우징(20) 간의 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 최종적으로, 상기 스페이서(50)는 배터리(1)의 내부 단락을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 상기 스페이서(50)는, 전극 조립체(10) 하단의 일 면 상에서 대략 중심부에 위치할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 따르는 스페이서가 적용된 영역을 나타내는 부분 단면도이다. 도 5를 참조하면, 상기 스페이서(50)는, 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(C)과 대응되는 위치에 형성되는 스페이서 홀(H2)을 구비할 수 있다. 상기 스페이서 홀(H2)은, 상술한 제1 집전체 홀(H1)과 마찬가지로 용접봉의 삽입 통로 또는 레이저 조사를 위한 통로로서 기능할 수 있다. 이 때, 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(C), 제1 집전체 홀(H1) 및 스페이서 홀(H2)은 동일 직선 상에 위치될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 상기 스페이서 홀(H2)은, 상술한 제1 집전체 홀(H1)과 마찬가지로, 전해액의 주액 시에 전극 조립체(10) 내부로 원활한 전해액 함침이 이루어질 수 있도록 하는 통로로서도 기능할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 상기 스페이서(50)는, 제1 집전체(30)의 지지부(31)가 스페이서(50)의 외측으로 노출되지 않도록 상기 지지부(31)를 커버할 수 있다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 제1 집전체(30)와 대향하는 상기 스페이서(50)의 상단부의 외경은 상기 지지부(31)의 외경과 대략 같거나 더 크게 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 스페이서(50)는, 제1 집전체(30)를 효과적으로 눌러줄 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 상기 스페이서(50)는, 제1 집전체(30)의 무지부 결합부(32)와 제1 무지부(11)가 용접되어 형성되는 용접부(BD)의 적어도 일부를 커버하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 제1 집전체(30)와 대향하는 상기 스페이서(50)의 상단부의 반경은 전극 조립체(10)의 코어로부터 가장 가깝게 위치하는 용접부(BD)로부터 전극 조립체(10)의 코어에 이르는 거리보다 더 크게 형성될 수 있다. 상기 스페이서(50)와 용접부(BD)가 중첩되는 영역의 반경 방향 폭은, 용접부(BD)의 전체 반경 방향 폭의 적어도 5% 이상, 바람직하게 10% 이상, 더욱 바람직하게 20% 이상일 수 있다. 이 경우, 상기 스페이서(50)는, 예를 들어 클림핑 공정이나 사이징 공정 등을 진행하는 과정에서 제1 집전체(30)와 제1 무지부(11)의 용접부위가 파손되는 현상을 효과적을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 스페이서(50)는, 캡(40)에 형성된 벤팅부(41)를 덮지 않도록 벤팅부(41)보다 더 코어 방향으로 내측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4c를 참조하면, 상기 캡(40)과 대향하는 상기 스페이서(50)의 하단부의 반경은, 캡(40)의 중심으로부터 벤팅부(41)에 이르는 거리보다 작게 형성될 수 있다. 이는, 상기 스페이서(50)에 의해 벤팅부(41)가 가려져 벤팅부(41)의 파단 압력이 설계치와 달라지는 것을 방지하기 위함이다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 스페이서(50)는 대략 원통형의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어 도 2의 단면도에서, 상기 스페이서(50)는 원통이 반 잘려진 형태인 것을 확인할 수 있다. 그러나, 스페이서(50)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 스페이서(50)는 다각 기둥의 형태를 가질 수도 있다. 이 경우, 상기 스페이서(50)의 중심에서부터 상기 스페이서(50)의 다각형 꼭지점까지의 거리가, 상기 지지부(31)의 반경과 대략 같거나 더 크게 형성될 수 있다. 다른 측면에서, 상기 스페이서(50)의 중심에서부터 상기 스페이서(50)의 다각형 꼭지점까지의 거리가, 상기 전극 조립체(10)의 코어로부터 가장 가깝게 위치하는 용접부로부터 전극 조립체(10)의 코어에 이르는 거리보다 더 크게 형성될 수 있다. 또 다른 측면에서, 상기 스페이서(50)의 중심에서부터 상기 스페이서(50)의 다각형 꼭지점까지의 거리가, 캡(40)의 중심으로부터 벤팅부(41)에 이르는 거리보다 작게 형성될 수 있다.
또는, 상기 스페이서(50)는 일정한 높이를 갖고, 횡단면이 폐곡선을 갖는 기둥의 형태를 가질 수도 있다. 이 경우, 상기 스페이서(50)의 중심에서부터의 거리가 가장 큰 지점까지의 거리가, 상기 지지부(31)의 반경과 대략 같거나 더 크게 형성될 수 있다. 다른 측면에서, 상기 스페이서(50)의 중심에서부터의 거리가 가장 큰 지점까지의 거리가, 상기 전극 조립체(10)의 코어로부터 가장 가깝게 위치하는 용접부로부터 전극 조립체(10)의 코어에 이르는 거리보다 더 크게 형성될 수 있다. 또 다른 측면에서, 상기 스페이서(50)의 중심에서부터의 거리가 가장 큰 지점까지의 거리가, 캡(40)의 중심으로부터 벤팅부(41)에 이르는 거리보다 작게 형성될 수 있다.
한편, 상기 스페이서(50)는 탄성을 갖는 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어 상기 스페이서(50)는, 절연 폴리머 재질을 포함할 수 있다. 따라서, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해질 경우, 상기 스페이서(50)는 탄성에 의해 압축되었다가 다시 원상태로 복귀하는 과정에서 충격을 흡수할 수 있다. 이에 따라, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해지더라도, 배터리(1)의 내부 구성요소들의 손상이 최소화될 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 7a을 참조하면, 상기 단자(60)는 전극 조립체(10)의 제2 무지부(12)와 전기적으로 연결된다. 상기 단자(60)는 상기 하우징(20)의 개방부의 반대 편에 구비되며 상기 제2 전극과 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 상기 단자(60)는, 예를 들어 하우징(20)의 상단에 형성된 폐쇄부의 대략 중심부를 관통할 수 있다. 상기 단자(60)의 일부는 하우징(20)의 상부로 노출되고 나머지 일부는 하우징(20)의 내부에 위치할 수 있다. 상기 단자(60)는, 예를 들어 리벳팅(riveting)에 의해 하우징(20)의 폐쇄부의 내측면 상에 고정될 수 있다. 즉, 콜킹(caulking) 지그를 이용하여 상기 단자(60) 하부의 가장자리를 소성 변형시켜 가장자리 부분이 하우징(20) 폐쇄부의 내측면을 향해 절곡되어 리벳팅될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 있어서 하우징(20)은 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)와 전기적으로 연결이 되므로, 하우징(20)의 상단에 형성된 폐쇄부는 제1 극성을 갖는 제1 전극 단자(20a)로서 기능할 수 있다. 반면, 상기 단자(60)는, 전극 조립체(10)의 제2 무지부(12)와 전기적으로 연결이 되므로, 하우징(20)의 외측으로 노출된 단자(60)는 제2 전극 단자로서 기능할 수 있다.
즉, 본 발명의 배터리(1)는, 한 쌍의 전극 단자(60, 20a)가 동일 방향에 위치하는 구조를 갖는다. 따라서, 복수의 배터리(1)를 전기적으로 연결시키는 경우에 있어서, 버스바 등의 전기적 연결 부품을 배터리(1)의 일 측에만 배치시키는 것이 가능하다. 이는, 배터리 팩 구조의 단순화 및 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 배터리(1)는, 대략 플랫한 형태를 갖는 하우징(20)의 일 면을 제1 전극 단자(20a)로 이용할 수 있는 구조를 가짐으로써 버스바 등의 전기적 연결 부품을 제1 전극 단자(20a)에 접합시키는데 있어서 충분한 접합 면적을 확보할 수 있다. 이에 따라, 상기 배터리(1)는, 전기적 연결 부품과 제1 전극 단자(20a) 간의 충분한 접합 강도를 확보할 수 있으며, 접합 부위에서의 저항을 바람직한 수준으로 낮출 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 단자(60)가 제2 전극 단자로서 기능하는 경우, 단자(60)는 제1 극성을 갖는 하우징(20)과는 전기적으로 절연된다. 상기 하우징(20)과 단자(60) 간의 전기적 절연은 다양한 방식으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 상기 단자(60)와 하우징(20) 사이에 절연 가스켓(G)을 개재시킴으로써 절연을 실현할 수 있다. 이와는 달리, 상기 단자(60)의 일부에 절연성 코팅층을 형성시킴으로써 절연을 실현할 수도 있다. 또는, 상기 단자(60)와 하우징(20)의 접촉이 불가능하도록 상호 이격된 상태로 배치를 하되, 단자(60)를 구조적으로 단단히 고정시키는 방식을 적용할 수도 있다. 또는, 앞서 설명한 방식들 중 복수의 방식을 함께 적용할 수도 있다.
한편, 전기적 절연을 위해 절연 가스켓(G)을 적용하고 단자(60)의 고정을 위해 리벳팅이 적용되는 경우, 절연 가스켓(G)은 단자(60)의 리벳팅 시에 함께 압축 변형되어 하우징(20)의 상단 폐쇄부의 내측면을 향해 절곡될 수 있다. 상기 절연 가스켓(G)이 수지 재질로 이루어지는 경우에 있어서, 절연 가스켓(G)은 열 융착에 의해 상기 하우징(20) 및 단자(60)와 결합될 수 있다. 이 경우, 절연 가스켓(G)과 단자(60)의 결합 계면 및 절연 가스켓(G)과 하우징(20)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다.
도 2 및 도 7a을 참조하면, 상기 제2 집전체(70)는, 전극 조립체(10)의 상부에 결합된다. 상기 제2 집전체(70)는, 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제2 무지부(12)와 결합된다. 상기 제2 무지부(12)와 제2 집전체(70) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다.
도 2 및 도 7a을 참조하면, 상기 인슐레이터(80)는, 하우징(20)의 상단에 형성된 폐쇄부와 전극 조립체(10)의 상단 사이 또는 상기 폐쇄부와 제2 집전체(70) 사이에 개재된다. 상기 인슐레이터(80)는, 예를 들어 절연성을 갖는 수지 재질로 이루어질 수 있다. 상기 인슐레이터(80)는, 전극 조립체(10) 하우징(20) 간의 접촉 및/또는 전극 조립체(10)와 제2 집전체(70) 간의 접촉을 방지한다.
상기 인슐레이터(80)는, 그 밖에도 전극 조립체(10)의 외주면의 상단과 하우징(20)의 내측면 사이에도 개재될 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(10)의 제2 무지부(12)가 하우징(20)의 측벽부의 내측면과 접촉하여 쇼트가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
상기 인슐레이터(80)는, 하우징(20)의 상단에 형성된 폐쇄부와 전극 조립체(10) 사이의 거리 또는 상기 폐쇄부와 제2 집전체(70) 사이의 거리와 대응되는 높이를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(10)가 하우징(20) 내부에서 움직이는 것을 방지할 수 있으며, 이로써 부품 간의 전기적 연결을 위한 결합부위가 파손될 위험성이 현저히 감소할 수 있다. 상기 인슐레이터(80)가, 전술한 스페이서(50)와 함께 적용되는 경우, 전극 조립체(10)의 유동 방지 효과가 극대화될 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 상기 인슐레이터(80)는 탄성을 갖는 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어 상기 인슐레이터(80)는, 절연 폴리머 재질을 포함할 수 있다. 따라서, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해질 경우, 상기 인슐레이터(80)는 탄성에 의해 압축되었다가 다시 원상태로 복귀하는 과정에서 충격을 흡수할 수 있다. 이에 따라, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해지더라도, 배터리(1)의 내부 구성요소들의 손상이 최소화될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 상기 인슐레이터(80)는, 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(C)과 대응되는 위치에 형성되는 개구를 구비할 수 있다. 상기 개구를 통해 단자(60)는 제2 집전체(70)와 직접 접촉할 수 있다.
나아가, 상기 단자(60)의 하단면은, 상기 제2 집전체(70)의 상단면과 접촉한 상태에서 상기 제2 집전체(70)와 용접 결합될 수 있다. 특히, 상기 단자(60)는 상기 제2 집전체(70)의 중심부에 용접 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 7b를 참조하면, 상기 단자(60)와 상기 제2 집전체(70)의 용접은, 권취 중심 홀(C1) 및 제1 집전체 홀(H1)을 통해 삽입된 용접봉 또는 레이저 용접 빔에 의해 실시될 수 있다. 용접 방법으로는 예를 들면 레이저 용접, 저항 용접, 초음파 용접 등이 가능하나, 용접 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리(1)는 사이드 커버(90)를 더 포함할 수 있다. 사이드 커버(90)는 상기 전극 조립체(10)의 외주면의 적어도 일부를 커버할 수 있다. 사이드 커버(90)는 상기 하우징(20)의 적어도 일부와 접촉할 수 있다. 예를 들어 사이드 커버(90)는 상기 하우징(20)의 내주면과 접촉할 수 있다. 바람직하게는, 상기 사이드 커버(90)는, 상기 전극 조립체(10)의 외주 둘레를 따라, 상기 전극 조립체(10)의 외주면의 적어도 일부를 커버할 수 있다. 즉, 상기 사이드 커버(90)는 상기 전극 조립체(10)의 외주면과 상기 하우징(20)의 내주면 사이에 위치될 수 있다. 이 때, 상기 사이드 커버(90)는, 상기 전극 조립체(10)의 외주면과 상기 하우징(20)의 내주면 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다. 예를 들어 도 7b을 참조하여 설명하면, 상기 사이드 커버(90)의 두께는, 상기 전극 조립체(10)의 외주면과 상기 하우징(20)의 내주면 사이의 거리와 대략 동일하다.
이러한 사이드 커버(90)의 구조적 특징에 의하면, 상기 전극 조립체(10)의 외주면과 상기 하우징(20)의 내주면 사이의 공간을 확실히 메꿀 수 있게 된다. 이에 따라, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해지더라도, 하우징(20) 내에서 전극 조립체(10)의 움직임이 최소화되어 전기적 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 사이드 커버(90)는 배터리(1)의 좌우 방향 진동에 대한 내진동성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에서, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 사이드 커버(90)는 그 단부가 상기 인슐레이터(80)의 절곡된 단부와 접하도록 형성될 수도 있다. 나아가, 상기 사이드 커버(90)는 상기 인슐레이터(80)의 절곡된 단부와 일체로 형성될 수도 있다. 즉, 상기 사이드 커버(90)는, 상기 인슐레이터(80)와 연결되어 일체로 형성될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 상기 전극 조립체(10)의 외주면과 상기 하우징(20)의 내주면 사이의 빈 공간 더욱 줄어들어 내진동성이 더욱 향상될 수 있다.
한편 상기 사이드 커버(90)는 탄성을 갖는 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어 상기 사이드 커버(90)는, 절연 폴리머 재질을 포함할 수 있다. 따라서, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해질 경우, 상기 사이드 커버(90)는 탄성에 의해 압축되었다가 다시 원상태로 복귀하는 과정에서 충격을 흡수할 수 있다. 이에 따라, 배터리(1)에 진동 및 외부 충격이 가해지더라도, 배터리(1)의 내부 구성요소들의 손상이 최소화될 수 있다.
도 4a 및 도 5를 참조하면, 상기 실링 가스켓(100)은, 상기 하우징(20)과 상기 캡(40) 사이에 개재되어 상기 하우징(20)과 상기 캡(40) 사이의 기밀성을 유지하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 상기 실링 가스켓(100)은, 상기 캡(40)을 감싸는 대략 링 형상을 가질 수 있다. 상기 실링 가스켓(100)은, 캡(40)의 하면, 상면 및 측면을 동시에 커버할 수 있다. 실링 가스켓(100)의 부위 중에서 캡(40)의 상면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이는, 실링 가스켓(100)의 부위 중에서 상기 캡(40)의 하면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이보다 작거나 같을 수 있다. 실링 가스켓(100)의 부위 중에서 캡(40)의 상면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이가 지나치게 길면, 하우징(20)을 상하로 압축하는 사이징 공정에서 실링 가스켓(100)이 제1 집전체(30)를 가압하여, 제1 집전체(30)가 손상되거나 하우징(20)이 손상될 가능성이 있다. 따라서, 실링 가스켓(100)의 부위 중에서 캡(40)의 상면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이를 일정 수준으로 작게 유지할 필요가 있다.
상술한 본 발명의 배터리(1)는, 절곡면을 통한 용접 면적 확대, 제1 집전체(30)를 이용한 전류 패스(path)의 다중화, 전류 패스 길이의 최소화 등을 통해 저항이 최소화된 구조를 갖는다. 양극과 음극 사이, 단자(60)와 그 주변의 평평한 외부면(20a) 사이에서의 저항 측정기를 통해 측정되는 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, 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 큰 배터리일 수 있다. 여기서, 폼 팩터란, 배터리의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다.
바람직하게, 배터리의 직경은 대략 40mm 내지 50mm 일 수 있고, 높이는 대략 60mm 내지 130mm 일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 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 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 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.
도 9를 참조하면, 복수의 배터리(1)들은 버스바(150)를 이용하여 배터리(1)의 상부에서 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다. 배터리(1)들의 수는 배터리 팩의 용량을 고려하여 증감될 수 있다.
각 배터리(1)에 있어서, 단자(60)는 양의 극성을 가지고 하우징(20)의 폐쇄부의 외부면(20a)은 음의 극성을 가질 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.
바람직하게, 복수의 배터리(1)들은 복수의 열과 행으로 배치될 수 있다. 열은 도면상에서 상하 방향이고, 행은 도면상에서 좌우 방향이다. 또한, 공간 효율성을 최대화하기 위해, 배터리(1)들은 최밀 팩킹 구조(closest packing structure)로 배치될 수 있다. 최밀 팩킹 구조는, 하우징(20)의 외부로 노출된 단자(60)의 중심을 서로 연결했을 때 정삼각형이 만들어질 때 형성된다. 바람직하게, 버스바(150)는 복수의 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 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 배터리(1)들의 단자(60)들 사이에서, 바람직하게는 배터리(1)들의 열들 사이에서 연장될 수 있다. 대안적으로, 상기 바디부(151)는, 배터리(1)들의 열을 따라 연장되되, 지그재그 형상과 같이 규칙적으로 절곡될 수 있다.
복수의 제1 버스바 단자(152)는, 바디부(151)의 일측으로부터 각 배터리(1)의 단자(60)를 향해 돌출 연장되고, 단자(60)에 전기적으로 결합될 수 있다. 제1 버스바 단자(152)와 단자(60) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 복수의 제2 버스바 단자(153)는 바디부(151)의 타측으로부터 각 배터리(1)의 외부면(20a)에 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 제2 버스바 단자(153)와 외부면(20a) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 바디부(151), 복수의 제1 버스바 단자(152) 및 복수의 제2 버스바 단자(153)는 하나의 도전성 금속판으로 이루어질 수 있다. 금속판은, 예를 들어 알루미늄 판 또는 구리 판일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 변형 예에서, 상기 바디부(151), 복수의 제1 버스바 단자(152) 및 제2 버스바 단자(153)는 별개의 피스 단위로 제작한 후 서로 용접 등을 통해 결합될 수도 있다.
본 발명에 따른 배터리(1)는, 양의 극성을 가진 단자(60)와 음의 극성을 가진 하우징(20)의 폐쇄부의 외부면(20a)이 동일한 방향에 위치하고 있으므로 버스바(150)를 이용하여 배터리(1)들의 전기적 연결을 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 배터리(1)의 단자(60)와 하우징(20)의 폐쇄부의 외부면(20a)은 면적이 넓으므로 버스바(150)의 결합 면적을 충분히 확보하여 배터리(1)를 포함하는 배터리 팩의 저항을 충분히 낮출 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 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 9를 참조하여 예시적으로 설명한 바 있으며, 그 밖에 냉각 유닛, 전력 단자 등의 부품은 도면 도시의 편의상 생략되었다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는, 예를 들어 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 포함한다. 상기 자동차(5)는, 4륜 자동차 및 2륜 자동차를 포함한다. 상기 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
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
11: 제1 무지부
12: 제2 무지부
C: 권취 중심 홀
20: 하우징
20a: 제1 전극 단자
21: 비딩부
22: 클림핑부
30: 제1 집전체
31: 지지부
32: 무지부 결합부
33: 하우징 접촉부
H1: 제1 집전체 홀
BD: 용접부
40: 캡
41: 벤팅부
50: 스페이서
H2: 스페이서 홀
60: 단자(제2 전극 단자)
G: 절연 가스켓
70: 제2 집전체
80: 인슐레이터
90: 사이드 커버
100: 실링 가스켓

Claims (34)

  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 있지 않은 제1 무지부를 포함하는 전극 조립체;
    하단에 형성된 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 하우징;
    상기 제1 무지부와 결합되며 상기 하우징 내에 위치하는 제1 집전체;
    상기 개방부를 커버하는 캡; 및
    상기 제1 집전체와 상기 캡 사이에 개재되며, 상기 제1 집전체와 상기 캡 사이의 거리와 대응되는 높이를 갖는 스페이서;
    를 포함하는 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서는,
    제1 집전체의 일 면 상에서 중심부에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 집전체는,
    상기 전극 조립체의 일 면 상에서 중심부에 위치하는 지지부;
    상기 지지부로부터 연장되며 상기 제1 무지부와 결합되는 무지부 결합부; 및
    상기 지지부로부터 연장되거나 또는 상기 무지부 결합부의 단부로부터 연장되어 상기 하우징과 전기적으로 결합하는 하우징 접촉부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스페이서는,
    상기 제1 집전체의 상기 지지부가 상기 스페이서의 외측으로 노출되지 않도록 상기 지지부를 커버하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 집전체와 대향하는 상기 스페이서의 상단부의 외경은,
    상기 지지부의 외경과 같거나 더 큰 것을 특징으로 하는 배터리.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 스페이서는,
    상기 제1 집전체의 상기 무지부 결합부와 상기 제1 무지부가 용접되어 형성되는 용접부의 적어도 일부를 커버하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 집전체와 대향하는 상기 스페이서의 상단부의 반경은,
    상기 전극 조립체의 코어로부터 가장 가깝게 위치하는 용접부로부터 상기 전극 조립체의 코어에 이르는 거리보다 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 캡은,
    주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 벤팅부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 벤팅부는,
    상기 하우징의 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 파단되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 벤팅부는,
    상기 캡의 양 면 중 적어도 일 면 상에 형성된 노칭부인 것을 특징으로 하는 배터리.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 벤팅부는,
    폐루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 벤팅부는,
    원형인 것을 특징으로 하는 배터리.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 벤팅부는,
    상기 캡의 중심과 상기 캡의 말단 지점을 잇는 직선의 중간 지점보다 더 말단 측에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 벤팅부는,
    상기 캡의 가장자리 둘레 영역으로부터 하방으로 돌출된 플랫한 영역의 가장자리 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 스페이서는,
    상기 캡에 형성된 상기 벤팅부를 덮지 않도록 벤팅부보다 더 코어 방향으로 내측에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 캡과 대향하는 상기 스페이서의 하단부의 반경은,
    상기 캡의 중심으로부터 상기 벤팅부에 이르는 거리보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서는,
    상기 전극 조립체의 권취 중심 홀과 대응되는 위치에 형성되는 스페이서 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  18. 제3항에 있어서,
    상기 지지부는,
    상기 전극 조립체의 권취 중심 홀에 대응되는 위치에 형성되는 제1 집전체 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 외주면의 적어도 일부를 커버하며, 상기 하우징의 내주면과 접촉하는 사이드 커버;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 사이드 커버는,
    상기 전극 조립체의 외주 둘레를 따라, 상기 전극 조립체의 외주면의 적어도 일부를 커버하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 사이드 커버는,
    상기 전극 조립체의 외주면과 상기 하우징의 내주면 사이의 거리와 대응되는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리.
  22. 제3항에 있어서,
    상기 하우징은,
    외주면 둘레가 압입되어 형성된 비딩부; 및
    상기 비딩부의 하방에서 상기 개방부를 정의하는 끝단이 상기 캡의 가장자리를 감싸도록 연장 및 절곡된 클림핑부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 하우징 접촉부는,
    상기 캡과 대면하는 상기 비딩부의 일 면 상에 접촉하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은,
    권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제2 무지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 배터리는,
    상기 제2 무지부와 결합되는 제2 집전체; 및
    상기 하우징의 상단에 형성된 폐쇄부와 상기 제2 집전체 사이에 개재되는 인슐레이터;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 인슐레이터는,
    상기 제2 집전체와 상기 폐쇄부 사이의 거리와 대응되는 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서는,
    탄성을 갖는 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리.
  28. 제1항에 있어서,
    양극과 음극 사이에서 측정된 저항이 4miliohm 이하인 것을 특징으로 하는 배터리.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 직경을 높이로 나눈 폼 팩터의 비가 0.4보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 따른 배터리를 복수 개 포함하는 배터리 팩.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 배터리는,
    상기 개방부의 반대 편에 구비되며 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 단자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  32. 제31항에 있어서,
    복수의 상기 배터리는 소정 수의 열로 배열되고,
    각각의 상기 배터리의 상기 단자와 하우징 폐쇄부의 외부면은 상부를 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  33. 제31항에 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 단자들 사이에서 연장되는 바디부;
    상기 바디부의 일측 방향으로 연장되어 상기 일측 방향에 위치한 배터리의 단자에 전기적으로 결합하는 복수의 제1 버스바 단자; 및
    상기 바디부의 타측 방향으로 연장되어 상기 타측 방향에 위치한 배터리의 하우징의 폐쇄부의 외부면에 전기적으로 결합하는 복수의 제2 버스바 단자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  34. 제31항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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