KR20220139818A - 전극 조립체, 배터리 셀, 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

전극 조립체, 배터리 셀, 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 전극 조립체로서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 집전체 및 상기 집전체 상에 구비된 전극 활물질층을 포함하고, 상기 제1 전극은, 상기 전극 활물질층에 구비되고 상기 전극 조립체의 권취 중심부에 가장 가까운 가장자리부에 구비되고 상기 분리막의 적어도 일부에 고정되는 고정부를 포함하는 것인 전극 조립체를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하는 일측에 개방부를 갖는 전지 캔; 상기 전지 캔의 바닥에 형성된 관통 홀을 통해 리벳팅된 전극 단자; 상기 전극 단자와 상기 관통 홀의 외경 사이에 구비된 가스켓; 및 상기 전지 캔의 개방부를 밀봉하는 밀봉체를 포함하는 배터리 셀을 제공한다.

Description

전극 조립체, 배터리 셀, 배터리 팩 및 자동차{ELECTRODE ASSEMBLY, BATTERY CELL, BATTARY PACK AND VEHICLE}
본 출원은 2021년 4월 8일 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2021-0045993호의 출원일의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 전극 조립체, 배터리 셀, 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), 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 주목 받고 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 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 이차 전지 셀의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리 셀이 알려져 있다. 상기 배터리 셀은 원통형 배터리 셀일 수 있다. 상기 배터리 셀은 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전해질과 함께 전지 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 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 캔의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡 플레이트이고, 음극 전극 단자는 전지 캔이다.
그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 배터리 셀에 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.
18650이나 21700의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 배터리 셀은 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 배터리 셀을 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 원통형 배터리 셀이 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 집전 플레이트를 용접시켜 집전 효율이 개선된 구조를 갖는 배터리 셀(소위 탭-리스(Tab-less) 배터리 셀)이 제시되었다.
도 1 내지 도 4은 탭-리스 배터리 셀의 제조 과정을 보여주는 도면이다. 도 1는 전극판의 구조를 나타내고, 도 2는 전극판의 권취 공정을 나타내고, 도 3은 무지부의 절곡면에 집전 플레이트가 용접되는 공정을 나타낸다. 도 4는 탭-리스 배터리 셀을 길이 방향(Y)으로 자른 단면도이다.
제1 전극은 음극이고, 제2 전극은 양극일 수 있으며, 상기 음극은 음극판, 상기 양극은 양극판을 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 양극판(10)과 음극판(11)은 쉬트 모양의 집전체(20)에 활물질(21)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향(X)을 따라 한쪽 장변 측에 무지부(22)를 포함한다.
전극 조립체(A)는 양극판(10)과 음극판(11)을 도 2에 도시된 것처럼 2장의 분리막(12)과 함께 순차적으로 적층시킨 후 일방향(X)으로 권취시켜 제작한다. 이때, 양극판(10)과 음극판(11)의 무지부는 서로 반대 방향으로 배치된다.
권취 공정 이후, 양극판(10)의 무지부(10a)와 음극판(11)의 무지부(11a)는 코어측으로 절곡된다. 그 이후에는, 무지부(10a, 11a)에 집전 플레이트(30, 31)를 각각 용접시켜 결합시킨다.
양극 무지부(10a)와 음극 무지부(11a)에는 별도의 전극 탭이 결합되어 있지 않으며, 집전 플레이트(30, 31)가 외부의 전극 단자와 연결되며, 전류 패스가 전극 조립체(A)의 권취축 방향(화살표 참조)을 따라 큰 단면적으로 형성되므로 배터리 셀의 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반비례하기 때문이다.
하지만, 원통형 배터리 셀의 폼 팩터가 증가하고 급속 충전 시 충전 전류의 크기가 커지면 탭-리스 배터리 셀에서도 발열 문제가 또 다시 발생한다.
구체적으로, 종래의 탭-리스 배터리 셀(40)은 도 4에 도시된 바와 같이 전지 캔(41)과 밀봉체(42)를 포함한다. 밀봉체(42)는 캡 플레이트(42a), 밀봉 가스켓(42b) 및 연결 플레이트(42c)를 포함한다. 밀봉 가스켓(42b)은 캡 플레이트(42a)의 가장자리를 감싸며 클림핑부(43)에 의해 고정된다. 또한, 전극 조립체(A)는 상하 유동을 방지하기 위해 비딩부(44)에 의해 전지 캔(41) 내에 고정된다.
통상적으로 양극 단자는 밀봉체(42)의 캡 플레이트(42a)이고 음극 단자는 전지 캔(41)이다. 따라서, 양극판(10)의 무지부(10a)에 결합된 집전 플레이트(30)는 스트립 형태의 리드(45)를 통해 캡 플레이트(42a)에 부착된 연결 플레이트(42c)에 전기적으로 연결된다. 또한, 음극판(11)의 무지부(11a)에 결합된 집전 플레이트(31)는 전지 캔(41)의 바닥에 전기적으로 연결된다. 인슐레이터(46)는 집전 플레이트(30)를 커버하여 극성이 다른 전지 캔(41)과 양극판(10)의 무지부(10a)가 서로 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지한다.
집전 플레이트(30)가 연결 플레이트(42c)에 연결될 때에는 스트립 형태의 리드(45)가 사용된다. 리드(45)는 집전 플레이트(30)에 별도로 부착하거나, 집전 플레이트(30)와 일체로 제작된다. 그런데, 리드(45)는 두께가 얇은 스트립 형태이므로 단면적이 작아서 급속충전 전류가 흐를 경우 열이 많이 발생한다. 또한, 리드(45)에서 발생한 과도한 열은 전극 조립체(A) 측으로 전달되어 분리막(12)을 수축시킴으로써 열 폭주의 주요 원인인 내부 단락을 일으킬 수 있다.
뿐만 아니라, 종래의 탭-리스 배터리 셀(40)을 직렬 및/또는 병렬로 연결하기 위해서는 밀봉체(42)의 캡 플레이트(42a)와 전지 캔(41)의 바닥 면에 버스 바 부품을 연결해야 하므로 공간 효율성이 떨어진다. 전기 자동차에 탑재되는 배터리 팩은 수 백 개의 배터리 셀(40)을 포함한다. 따라서, 전기적 배선의 비효율성은 전기 자동차의 조립 과정, 그리고 배터리 팩의 유지 보수 시에도 상당한 번거로움을 초래한다.
본 발명의 기술적 과제는 전극 조립체의 전극은 분리막에 고정되는 고정부를 구비함으로써, 전극 조립체의 코어 영역에 음극 탭이 결합된 구조를 갖지 않아도, 고온에 의한 분리막의 수축 현상을 방지하는데 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 배경 하에 창안된 것으로서 배터리 셀의 전극 단자 구조를 개선하여 전지 캔 내의 공간 효율성을 증가시킴으로써 배터리 셀의 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시키는데 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 배터리 셀의 전극 단자 구조를 개선하여 전류 패스의 단면적을 확대함으로써 급속 충전 시 생기는 내부 발열 문제를 개선하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 배터리 셀의 직렬 및/또는 병렬 연결을 위한 전기적 배선 작업을 배터리 셀의 한 쪽에서 수행할 수 있는 개선된 구조의 배터리 셀을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 개선된 구조를 가진 배터리 셀을 이용하여 제작된 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공하는데 있다.
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.
본 발명의 일 실시상태는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 전극 조립체로서, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 집전체 및 상기 집전체 상에 구비된 전극 활물질층을 포함하고, 상기 제1 전극은, 상기 전극 활물질층에 구비되고 상기 전극 조립체의 권취 중심부에 가장 가까운 가장자리부에 구비되고 상기 분리막의 적어도 일부에 고정되는 고정부를 포함하는 것인 전극 조립체를 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하는 일측에 개방부를 갖는 전지 캔; 상기 전지 캔의 바닥에 형성된 관통 홀을 통해 리벳팅된 전극 단자; 상기 전극 단자와 상기 관통 홀의 외경 사이에 구비된 가스켓; 및 상기 전지 캔의 개방부를 밀봉하는 밀봉체를 포함하는 것인 배터리 셀을 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공한다.
배터리 셀은 전극 조립체의 외경이 작은 경우, 내부의 열이 외부로 빠져나가는데 있어서 큰 무리가 없으나, 고용량 고출력을 요하는 배터리 셀은 전극 조립체의 외경이 커지면서 열이 코어로부터 외측 방향으로 빠져나가는 속도가 느려진다.
이와 같이 코어에서 열이 잘 빠져나가지 못하는 경우, 열 방출 속도의 저하로 인하여 코어 부분에서 고온에 의하여 분리막의 수축이 발생할 수 있고, 이로 인해 분리막이 양극과 음극 사이에서 정상적인 기능을 수행하지 못하는 상황이 발생할 수도 있다.
원통형 배터리 셀의 경우, 코어 부분에 음극 탭이 결합되는 경우도 있으며, 이 경우 코어에서 분리막이 열 데미지를 입어 수축이 발생하더라도, 음극 탭이 물리적으로 분리막을 고정해주는 기능을 할 수 있다.
그러나, 이처럼 분리막의 수축을 물리적으로 방해할 수 있는 음극 탭이 적용되지 않은 전극 조립체의 경우 분리막 수축에 따른 문제 발생에 취약할 수 있다.
본 발명들의 일 측면에 따르면, 전극 조립체의 전극에 분리막과 고정되는 고정부를 구비함으로써, 전극 조립체의 코어 영역에 음극 탭이 결합된 구조를 갖지 않아도 고온에 의한 분리막의 수축 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기와 같은 고온 안전성 문제를 해결함으로써, 배터리셀의 크기를 증가시킬 수 있으며, 이는 배터리 셀의 전극 단자 구조를 개선하여 전지 캔 내의 공간 효율성을 증가시켜 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킴으로써 구현될 수 있다.
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 아니 된다.
도 1는 종래의 탭-리스 배터리 셀에 사용되는 전극판의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 2는 종래의 탭-리스 배터리 셀에 포함되는 전극 조립체의 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 전극 조립체에서 무지부의 절곡면에 집전 플레이트가 용접되는 공정을 나타낸 도면이다.
도 4은 종래의 탭-리스 배터리 셀을 길이 방향(Y)으로 자른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시상태에 따른 전극 조립체의 비권취 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 따른 전극 조립체를 도시하는 정면도이다.
도 7은 도 5에 따른 전극 조립체를 도시하는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자의 리벳팅 구조를 나타낸 단면도이다.
도 9는 도 8의 점선 원으로 표시된 부분의 확대 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극판 구조를 예시적으로 나타낸 평면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전극판의 무지부 분절구조를 제1 전극판 및 제2 전극판에 적용한 전극 조립체를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 무지부가 절곡된 전극 조립체를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀들을 포함하는 배터리 팩의 개략적 구성을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차의 개략적인 구성을 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.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부"는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다. 또한, 명세서 전체에서 "A 내지 B"라 함은 A 이상 B 이하를 의미하는 것으로서, A와 B를 모두 포함하는 수치범위를 의미한다. 이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명한다.
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.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는 제1 전극(2), 분리막(4, 5) 및 제2 전극(3)이 적층되어 권취된 전극 조립체로서, 상기 제1 전극(2) 및 제2 전극(3) 중 적어도 하나는 집전체(91) 및 상기 집전체 상에 구비된 전극 활물질층(92)을 포함하고, 상기 제1 전극은, 상기 전극 활물질층(92)에 구비되고 상기 전극 조립체의 권취 중심부에 가장 가까운 가장자리부(6)에 구비되고 상기 분리막(4, 5)의 적어도 일부에 고정되는 고정부(7)를 포함하는 것인 전극 조립체를 제공한다.
상기 전극 활물질층(92)은 전극의 집전체(91) 상에 코팅되어 구비될 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제1 전극(2)은 제2 전극(3) 보다 크게 구비될 수 있으며, 제1 전극 활물질층은 제2 전극 활물질층 보다 크게 구비될 수 있다.
상기 고정부(7)는 상기 전극 활물질층(92)에 구비되고 상기 전극 조립체의 권취 중심부에 가장 가까운 가장자리부(6)에 구비될 수 있다.
상기 고정부(7)가 상기 전극 활물질층이 구비되지 않은 무지부에 구비되는 경우, 상기 무지부를 만들기 위하여 가격 경쟁력이 떨어질 수 있다. 상기 고정부(7)는 상기 전극 활물질층(92)에 구비됨으로써, 가격 경쟁력이 있으며 고온에 의한 분리막의 수축 현상을 방지할 수 있어 유리하다.
상기 권취 중심부란 적층된 전극과 분리막을 권취하기 시작하는 위치를 의미하고, 상기 전극 조립체의 코어 영역에 구비될 수 있다.
상기 권취 중심부에 가장 가까운 가장자리부(6)는 상기 전극의 권취축 방향으로 구비되는 두 가장자리부 중에서 상기 권취 중심부 측에 구비되는 부분을 의미한다.
상기 분리막(4)은 제1 전극(2)과 제2 전극(3) 사이에 구비되며, 상기 고정부(7)에 적어도 일부가 고정될 수 있다. 상기 고정부(7)에 상기 분리막(4)이 고정됨으로써 음극 탭이 결합된 구조를 갖지 않는 전극 조립체에서도 고온에 의한 분리막의 수축 현상을 방지할 수 있다.
또한, 고온 안전성 문제를 해결함으로써 배터리셀의 크기를 증가시킬 수 있으며, 이는 배터리 셀의 전극 단자 구조를 개선하여 전지 캔 내의 공간 효율성을 증가시켜 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킴으로써 구현될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시상태에 따른 전극 조립체의 비권취 상태(1)를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시상태에 따른 전극 조립체로써 제1 전극(2), 분리막(4, 5) 및 제2 전극(3)이 적층되고 비권취 상태(1)인 것으로, 상기 분리막(4, 5)은 제1 분리막(4) 및 제2 분리막(5)을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 전극(2)이 상기 제2 전극(3)보다 크기가 커야 하며, 상기 분리막(4, 5)은 제1 전극(2) 및 제2 전극(3)보다 크기가 커야 한다. 여기서 크기가 크다는 것은 권취축의 수직인 전극 조립체의 길이방향으로 더 길게 구비될 수 있다는 것을 의미한다.
상기 고정부(7)는 제1 전극의 활물질층에 구비되고, 상기 전극 조립체의 권취 중심부에 가장 가까운 가장자리부(6)에 구비되어 분리막(4, 5)의 적어도 일부에 고정된다.
도 6 및 도 7은 각각 도 5에 따른 전극 조립체를 도시하는 정면도와 평면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시상태에 따른 전극 조립체의 비권취 상태(1)의 일 예를 도시한 것으로, 상기 고정부(7)는 상기 제1 전극(1)에서 상기 전극 조립체의 권취 중심부에 가장 가까운 활물질층의 가장자리부(6)에 구비되며, 상기 고정부(7)는 상기 분리막(4, 5)의 일부에 분리되지 않도록 고정된다.
일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체는 상기 활물질층을 구비하지 않는 무지부(8, 9)를 포함하고, 상기 전극 조립체의 권취축의 일 단부측에 구비된 상기 집전체의 가장자리부에 상기 무지부(8, 9)가 구비될 수 있다.
상기 무지부(8, 9)는 상기 제1 전극(2)과 제2 전극(3)에서 상기 전극 조립체의 권취축의 일 단부측에 구비될 수 있다. 일 예에 따르면, 상기 무지부(8, 9)는 전극 조립체의 양측 단부로부터 연장되어 노출될 수 있다. 바람직하게는, 제1 전극의 무지부(8)와 상기 제2 전극의 무지부(9)는 상기 전극 조립체의 양측 단부에 각각 반대 방향으로 구비될 수 있다(도 7 참조).
상기 무지부(8, 9)가 전극 조립체의 양측 단부로부터 연장되어 노출되어 집전 플레이트(78, 79)와의 전기적 연결됨으로써, 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있으며, 전극 조립체에 탭이나 리드가 결합된 구조를 갖지 않아도 고온에 의한 분리막의 수축 현상을 방지할 수 있다.
상기 전극 활물질층(92)은 상기 무지부(8, 9)를 제외한 영역에 구비될 수 있다. 일 예에 따르면, 상기 전극 활물질층(92)은 상기 집전체의 가장자리부에서 무지부가 구비된 가장자리부를 제외한 영역에 구비될 수 있다. 또한, 상기 전극 활물질층(92)은 전극 조립체의 양측 단부로부터 연장되거나 노출될 수 없으며, 제1 전극 활물질층과 제2 전극 활물질층은 분리막(4)을을 개재하여 서로 겹쳐지지 않는다.
일 실시상태에 따르면, 상기 분리막(4, 5)은 상기 제1 전극(2)과 상기 제2 전극(3) 사이에 구비된 제1 분리막(4) 및 상기 제1 전극의 상기 제1 분리막과 대향하는 면의 반대면에 구비된 제2 분리막(5)을 포함하고, 상기 제1 분리막(4) 및 상기 제2 분리막(5)의 적어도 하나는 상기 고정부(7)에 고정된다.
일 예에 따르면, 상기 제1 분리막(4)은 제1전극(2)과 제2 전극(3) 사이에 구비되어 상기 고정부(7)에 고정될 수 있으며, 상기 제2 분리막(5)은 상기 제1전극(2)과 의 상기 제1 분리막(4)과 대향하는 면의 반대면에 구비되어 상기 고정부(7)에 고정될 수 있다.
상기 고정부(7)는 상기 제1전극(2)의 일측에 구비되어 상기 제1 분리막(4)에 고정될 수 있거나, 상기 제1 전극(2)의 타측에 구비되어 상기 제2 분리막(5)에 고정될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1전극(2)의 일측 및 타측에도 구비되어 상기 제1 분리막(4) 및 제2 분리막(5)에 고정될 수 있다.
전극 조립체의 전극에서 분리막(4, 5)에 고정되는 고정부(7)를 구비함으로써, 고온에 의한 분리막의 수축 현상을 방지할 수 있다.
또한, 상기 제1전극(2)의 일측 및/또는 타측에 구비된 상기 고정부(7)가 제1 분리막(2) 및 제2 분리막(3)에 고정됨으로써, 배터리 셀의 크기를 증가시킬 수 있으며, 이런 배터리 셀에서도 고온에 의한 분리막의 수축 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 고정부(7)는 상기 전극 조립체의 비권취 상태(1)에서 상기 제2 전극(3)과 겹쳐지지 않는다.
상기 전극 조립체의 비권취 상태(1)는 제1 전극(2), 분리막(4) 및 제2 전극(3)이 적층된 상태로써, 상기 제1 전극(2)은 상기 제2 전극(3)보다 크게 구비될 수 있다. 상기 제1 전극(2)이 상기 제2 전극(3)보다 크게 구비된다는 것은 권취축의 수직인 전극 조립체의 길이방향(Y)으로 상기 제1 전극(2)이 상기 제2 전극(3)보다 더 길게 구비된다는 것을 의미한다. 이 때, 분리막(4)은 상기 제1 전극(2) 및 상기 제2 전극(3) 보다 더 길게 구비 되어야 한다.
상기 고정부(7)는 상기 전극 조립체의 권취 중심부에 가장 가까운 가장자리부(6)에 구비될 수 있으며, 도 6을 참조하면, 상기 전극 조립체의 적층된 상태에서 고정부(7)는 상기 제2 전극(3)과 겹쳐지지 않도록 구비될 수 있다.
상기 고정부(7)가 상기 제2 전극(3)과 겹쳐지지 않음으로써, 상기 전극 조립체 충전 시에도 분리막의 손상을 방지하고, 전지의 수명 감소를 방지할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 고정부의 폭(7W)은 12mm 이하, 11.5mm 이하, 11mm 이하, 10.5mm 이하 또는 10mm 이하일 수 있다. 또한, 상기 고정부의 폭(7W)은 2mm 이상, 3mm 이상 또는 4mm 이상일 수 있다. 상기 고정부의 폭(7W)은 상기 범위에서 분리막(4, 5)에 고정되며, 고온에서도 분리막의 수축을 방지할 수 있다. 일 예에 따르면, 상기 고정부의 폭(7W)은 권심(80)의 외주면 대비 15% 내지 65%일 수 있다. 상기 고정부의 폭(7W)은 권심(80)의 외주면 대비 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상 또는 35% 이상일 수 있다. 상기 고정부의 폭(7W)은 권심(80)의 외주면 대비 65% 이하, 60% 이하, 55% 이하, 50% 이하, 45% 이하일 수 있다.
상기 권심(80)의 외주면은 전지의 크기에 따라 다르게 설정될 수 있으며, 이에 따라 고정부의 폭(7W)은 상기 범위에서 분리막(4, 5)에 고정되어 고온에서 분리막의 수축을 방지할 수 있다.
상기 고정부의 폭(7W)이란 상기 전극 조립체의 비권취 상태(1)에서 제2 전극(3)과 겹쳐지지 않는 부분의 길이를 의미한다. 상기 고정부의 폭(7W) 이내의 범위에서 고정부(7)가 분리막(4, 5)에 고정될 수 있고, 이에 따라 고온에 의한 분리막의 수축 현상을 방지할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 고정부(7)를 제외한 부분에서는 상기 제1 전극(2), 상기 분리막(4, 5) 및 상기 제2 전극(3)이 고정되어 있지 않을 수 있다(도 6 참조). 따라서, 권취 시에 주름 또는 구김의 발생을 억제하여 권취가 용이할 수 있다.
상기 제1 전극(2)은 음극이고, 상기 제2 전극(3)은 양극일 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 고정부(7)는 라미네이션 테이프일 수 있다. 상기 라미네이션 테이프는 적어도 일면에 라미네이션이 가능한 접착층을 갖는 테이프일 수 있으며, 양면에 라미네이션이 가능한 접착층을 갖는 테이프일 수 있다.
상기 라미네이션이란 고온에서 접착력을 갖는 것으로, 라미네이션 테이프의 접착층에 열을 가해 부드럽게 만들어서 접착력을 갖는 것을 의미한다.
상기 라미네이션 테이프는 상기 분리막(4, 5)의 적어도 일부에 고정될 수 있다.
상기 고정부(7)는 분리막에 고정되는 것이라면 그 크기, 형태 또는 종류는 제한되지 않으며, 예컨대 양면 테이프일 수 있다. 일 예에 따르면, 상기 양면 테이프는 양면이 모두 접착력을 가지는 것일 수 있으며, 상기 분리막의 적어도 일부에 접착하여 고정될 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 라미네이션 테이프의 열 분해 온도는 180℃ 이상, 190℃ 이상, 200℃ 이상, 210℃이상, 220℃이상, 230℃이상 또는 240℃ 이상일 수 있다. 상기 라미네이션 테이프의 열 분해 온도는 320℃ 이하, 310℃ 이하, 300℃ 이하, 290℃ 이하, 280℃ 이하 또는 270℃ 이하일 수 있다.
상기 라미네이션 테이프의 열 분해 온도는 기재의 종류에 따라 다르게 설정될 수 있으며, 상기 범위를 만족할 때 상기 라미네이션 테이프의 열 분해 온도가 분리막의 녹는점보다 높아 분리막이 용융되기 전까지 상기 라미네이션 테이프를 분리막에 고정하여, 분리막의 수축을 방지할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 라미네이션 테이프의 상온에서의 접착력은 20gf/100mm 내지 40gf/100mm, 23gf/100mm 내지 37gf/100mm 또는 25gf/100mm 내지 35gf/100mm일 수 있다. 예컨대, 상기 라미네이션 테이프의 상온에서의 접착력은 20gf/100mm 이상, 23gf/100mm 이상, 25gf/100mm 이상, 27gf/100mm 이상 또는 29gf/100mm 이상일 수 있다. 상기 라미네이션 테이프의 상온에서의 접착력은 40gf/100mm 이하, 37gf/100mm 이하, 35gf/100mm 이하, 33gf/100mm 이하 또는 31gf/100mm 이하일 수 있다. 상기 범위를 만족할 때, 상기 라미네이션 테이프가 상기 분리막(4, 5)에 고정되어 고온에 의한 분리막의 수축 현상을 방지할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 라미네이션 테이프는 일정 온도 이상에서 접착력을 갖는다. 일정 온도 이상에서 접착력을 갖는다는 것은 상기 라미네이션 테이프의 접착층에 열을 가해 부드럽게 만들어서 접착력을 갖는 것을 의미하며, 상기 접착력은 전극 공정성을 고려하여 조절될 수 있다. 이 때, 라미네이션 테이프는 상온 접착력보다 높은 접착력을 가질 수 있으며, 상기 분리막(4, 5)에 고정되어 고온에서도 분리막의 수축 현상을 방지할 수 있다.
상기 라미네이션 테이프는 약 40℃이상, 45℃이상, 50℃이상, 55℃이상, 60℃이상 또는 65℃이상에서 접착력을 가질 수 있다. 일 예에 따르면, 상기 라미네이션 테이프는 바람직하게는 약 50℃ 이상, 더 바람직하게는 60℃ 이상에서 접착력을 가질 수 있다. 상기 범위를 만족할 때, 상기 라미네이션 테이프의 접착력이 발휘될 수 있으며, 이는 배터리 셀 공정에서 고정부(7)가 분리막(4, 5)에 고정되는 온도 범위를 설정할 수 있어서 유리하다.
일 실시상태에 따르면, 상기 라미네이션 테이프의 접착력 변화율은 하기 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1]
0.8 ≤ [X1 / X2] x 100(%) ≤ 1.2
상기 식 1에 있어서, X1은 23℃ 에서 20분 방치 시의 라미네이션 테이프의 접착력이고, X2는 23℃ 에서 20분 방치 후 65℃ 에서 20분 보관 시의 라미네이션 테이프의 접착력이다.
상기 X1은 23℃ 에서 20분 방치 시의 라미네이션 테이프의 접착력으로서, 상온에서의 라미네이션 테이프의 접착력일 수 있다. 상기 X2는 23℃ 에서 20분 방치 후 65℃ 에서 20분 보관 시의 라미네이션 테이프의 접착력으로서, 라미네이션 이후의 라미네이션 테이프의 접착력일 수 있다.
상기 라미네이션은 라미네이션 테이프의 접착층에 열을 가해 부드럽게 만들어서 접착력을 갖는 것을 말하며, 라미네이션 공정에 의하여 진행될 수 있다.
상기 범위에서 라미네이션 테이프는 상기 라미네이션 전후에도 접착력을 유지할 수 있으며, 분리막(4, 5)에 고정되어 고온에 의한 분리막의 수축 현상을 방지할 수 있다.
라미네이션 테이프의 접착력 측정 방법에 관하여, 상기 X1은 23℃ 에서 20분 방치 시의 라미네이션 테이프의 접착력을 의미하고, SUS304 기판에 상기 라미네이션 테이프의 접착층을 2kg 고무 롤러로 1회 왕복하여 압착하고 23℃에서 20분 방치 후, 상기 유색 폴리이미드에서 백플레이트 필름을 180° 각도 및 300mm/분의 박리속도로 텍스춰 어넬라이져 (Texture analyzer (Stable Micro Systems 사)를 이용하여 측정할 수 있다.
또한, 상기 X2는 23℃ 에서 20분 방치 후 65℃ 에서 20분 보관 시의 라미네이션 테이프의 접착력을 의미하고, SUS304에 기판에 상기 라미네이션 테이프의 접착층을 2kg 고무 롤러로 1회 왕복하여 압착하고 23℃에서 20분 방치하고 65℃에서 20분 보관 후, 상기 유색 폴리이미드에서 백플레이트 필름을 180°각도 및 300mm/분의 박리속도로 텍스춰 어넬라이져 (Texture analyzer (Stable Micro Systems 사)를 이용하여 측정하였다.
일 실시상태에 따르면, 상기 고정부(7)는 상기 전극 조립체의 권취축 방향으로 서로 대향하는 가장자리부 측에 구비된 두 개의 점, 및 상기 두 개의 점 사이에 구비된 하나의 점에서 상기 분리막의 적어도 일부와 고정된다. 상기 고정부(7)에서 상기 두 개의 점 및 상기 하나의 점은 상기 분리막(4, 5)에 고정되기 위한 최소의 부분일 수 있으며, 분리막에 고정되는 것이라면 그 크기 및 형태는 제한되지 않는다.
일 예에 따르면, 상기 두 개의 점과 상기 하나의 점을 포함하는 세 개의 점은 상기 고정부(7) 내에 구비되며, 이격된 세 부분 이상의 부분을 포함하거나, 이격되지 않고 면적으로 이루어 지는 것이라도 상기 분리막(4, 5)에 고정되는 것이라면 위치나 면적에 특별히 한정되지 않는다.
일 실시상태에 따르면, 상기 고정부(7)는 상기 전극 조립체의 권취축 방향의 길이 40% 이상, 50% 이상 또는 60% 이상이 상기 분리막에 고정될 수 있다. 이 범위 내에서 상기 고정부(7)가 상기 분리막(4, 5)에 분리되지 않고 고정될 수 있으며, 고온에서의 분리막 수축을 방지할 수 있다.
상기 전극 조립체의 권취축 방향의 길이는 상기 권취축 방향의 가장자리부의 길이이거나, 상기 전극 조립체의 권취축 방향으로 서로 대향하는 가장자리부 사이의 길이일 수 있다. 또한, 상기 전극 조립체의 권취축 방향의 길이 40% 이상은 연속된 길이 범위이거나 연속되지 않은 길이 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 본 발명의 실시상태에 따른 전극 조립체(71); 상기 전극 조립체를 수납하는 일측에 개방부를 갖는 전지 캔(51); 상기 전지 캔의 바닥에 형성된 관통 홀을 통해 리벳팅된 전극 단자(50); 상기 전극 단자와 상기 관통 홀의 외경 사이에 구비된 가스켓(54); 및 상기 전지 캔의 개방부를 밀봉하는 밀봉체(74)를 포함하는 것인 배터리 셀(70)을 제공한다. 일 예로, 전지 캔의 바닥에 리벳팅된 전극 단자는 리벳팅 구조일 수 있다.
상기 배터리 셀(70)은 본 발명의 실시상태에 따른 전극 조립체(71)를 포함함으로써 고온에 의한 분리막의 수축 현상을 방지할 수 있으며, 고온 안전성 문제를 해결하여 배터리셀(70)의 크기를 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀(70)의 전극 단자 구조를 개선함으로써 전지 캔(51) 내의 공간 효율성을 증가시켜 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킴으로써 배터리 셀(70)의 크기를 증가를 구현할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극(2)은 상기 전지 캔(51)과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극(3)은 상기 전극 단자(50)와 전기적으로 연결되며, 상기 밀봉체(74)는 상기 전지 캔(51)으로부터 절연 가능하다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(50)의 리벳팅 구조를 나타낸 단면도이고, 도 9는 점선 원으로 표시된 부분의 확대 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 실시예에 따른 전극 단자(50)의 리벳팅 구조는, 일측이 개방된 원통형의 전지 캔(51)과, 전지 캔(51)의 바닥(52)에 형성된 관통 홀(53)을 통해 리벳팅된 전극 단자(50)와, 전극 단자(50)와 관통 홀(53)의 외경 사이에 구비된 가스켓(54)을 포함할 수 있다.
전지 캔(51)은 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 전지 캔(51)은 스틸 재질로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
전극 단자(50)는 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 전극 단자(50)는 알루미늄으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
가스켓(54)은 절연성 및 탄성이 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 가스켓(54)은 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리플루오르화에틸렌 등으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 전극 단자(50)는, 관통 홀(53)에 삽입된 몸체부(50a), 전지 캔(51) 바닥(52)의 외부면(52a)을 통해 노출된 몸체부(50a)의 일측 둘레로부터 외부면(52a)을 따라 연장된 외부 플랜지부(50b) 및 전지 캔(51) 바닥(52)의 내부면(52b)을 통해 노출된 몸체부(50a)의 타측 둘레로부터 내부면(52b)을 향해 연장된 내부 플랜지부(50c) 및 내부 플랜지부(50c)의 내측에 구비된 평탄부(50d)를 포함할 수 있다.
바람직하게, 평탄부(50d)와 전지 캔(51) 바닥(52)의 내부면(52b)은 서로 평행할 수 있다. 여기서, '평행'이라 함은 육안으로 관찰했을 때 실질적으로 평행한 것을 의미한다.
일 측면에 따르면, 내부 플랜지부(50c)와 전지 캔(51) 바닥(52)의 내부면(52b) 사이의 각도(θ)는 0° 내지 60° 이하일 수 있다. 각도의 크기는 콜킹 공법으로 전극 단자(50)가 전지 캔(51)의 관통 홀(53)에 설치될 때 콜킹 강도에 의해 결정된다. 일 예에서, 콜킹 강도가 증가할수록 각도(θ)는 0°까지 감소할 수 있다. 각도가 60°를 초과하면 가스켓(54)의 실링 효과가 저하될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 내부 플랜지부(50c)와 평탄부(50d) 사이에 리세스부(55)가 구비될 수 있다. 리세스부(55)는 비대칭 홈의 단면 구조를 가질 수 있다. 일 예에서, 비대칭 홈은 대략 V자형일 수 있다. 비대칭 홈은 평탄부(50d)의 측벽(55a)과 상기 측벽(55a)의 단부와 연결된 내부 플랜지부(50c)의 경사면(55b)을 포함할 수 있다. 상기 측벽(55a)은 전지 캔(51) 바닥(52)의 내부면(52b)과 실질적으로 수직일 수 있다. '수직'이라 함은 육안상으로 관찰했을 때 실질적으로 수직인 경우를 의미한다. 리세스부(55)는 콜킹 공법으로 전극 단자(50)가 전지 캔(51)의 관통 홀(53)에 설치될 때 콜킹 지그의 형상에 의해 만들어진 것이다.
바람직하게, 내부 플랜지부(50c)의 두께는 전극 단자(50)의 몸체부(50a)로부터 멀어질수록 감소할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 가스켓(54)은, 외부 플랜지부(50b)와 전지 캔(51) 바닥(52)의 외부면(52a) 사이에 개재된 외부 가스켓부(54a)과, 내부 플랜지부(50c)와 전지 캔(51) 바닥(52)의 내부면(52b) 사이에 개재된 내부 가스켓부(54b)을 포함할 수 있다.
외부 가스켓부(54a)과 내부 가스켓부(54b)은 두께가 위치에 따라 다를 수 있다. 바람직하게, 내부 가스켓부(54b)의 영역 중 전지 캔(51) 바닥(52)의 내부면(52b)과 연결된 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 내부 플랜지부(50c) 사이에 개재된 영역의 두께가 상대적으로 작을 수 있다. 바람직하게, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 내부 플랜지부(50c) 사이에 개재된 가스켓 영역에서 최소 두께 지점이 존재할 수 있다. 또한, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)는 내부 플랜지부(50c)와 마주보는 대향면(57)을 포함할 수 있다.
한편, 전지 캔(51)의 바닥(52)과 수직을 이루는 관통 홀(53) 내벽의 상단과 하단은 전극 단자(50)를 향해 테이퍼진 표면을 형성하도록 모따기(corner cutting)되어 있다. 하지만, 관통 홀(53) 내벽의 상단 및/또는 하단은 곡률을 가진 부드러운 곡면으로 변형될 수 있다. 이 경우, 관통 홀(53) 내벽의 상단 및/또는 하단 근처에서 가스켓(54)에 가해지는 스트레스를 보다 완화할 수 있다.
바람직하게, 내부 가스켓부(54b)은 전지 캔(51) 바닥(52)의 내부면(52b)과 0° 내지 60°의 각도를 이루며 내부 플랜지부(50c)보다 길게 연장될 수 있다.
또 다른 측면에서, 전지 캔(51) 바닥(52)의 내부면(52b)을 기준으로 평탄부(50d)의 높이(H1)가 내부 가스켓부(54b)의 단부 높이(H2)보다 같거나 클 수 있다.
또한, 전지 캔(51) 바닥(52)의 내부면(52b)을 기준으로 평탄부(50d)의 높이(H1)가 내부 플랜지부(50c)의 단부 높이(H3)보다 같거나 클 수 있다.
높이 파라미터인 H1, H2 및 H3가 상기 조건을 충족하면, 내부 플랜지부(50c)와 내부 가스켓부(54b)이 다른 부품과 간섭을 일으키는 것을 방지할 수 있다.
또 다른 측면에서, 전극 단자(50)의 몸체부(50a)의 중심으로부터 외부 플랜지부(50b)의 가장자리까지의 반경(R1)은 전지 캔(51) 바닥(52)의 반경(R2)을 기준으로 10% 내지 60%일 수 있다.
R1이 작아지면 전극 단자(50)에 전기 배선 부품(버스 바)을 용접할 때 용접 공간이 부족해 진다. 또한, R1이 커지면 전극 단자(50)를 제외한 전지 캔(51) 바닥(52)의 외부면(52a)에 전기 배선 부품(버스바)을 용접할 때 용접 공간이 감소한다.
비율 R1/R2를 10% 내지 60% 사이에서 조절하면 전극 단자(50) 및 전지 캔(51) 바닥(52)의 외부면에 대한 용접 공간을 적절하게 확보할 수 있다.
또한, 전극 단자(50)의 몸체부(50a)의 중심으로부터 평탄부(50d)의 가장자리까지의 반경(R3)은 전지 캔(51) 바닥(52)의 반경(R2)을 기준으로 4 내지 30%일 수 있다.
R3이 작아지면 전극 단자(50)의 평탄부(50d)에 집전 플레이트(도 14의 79 참조)를 용접할 때 용접 공간이 부족해 지고, 전극 단자(50)의 용접 면적이 감소하여 컨택 저항이 증가할 수 있다. 또한, R3은 R1보다는 작아야 하고 R3이 커지면 내부 플랜지부(50c)의 두께가 얇아져서 내부 플랜지부(50c)가 가스켓(54)을 압착하는 힘이 약해져 가스켓(54)의 실링 능력이 저하될 수 있다.
R3/R2를 4% 내지 30% 사이에서 조절하면 전극 단자(50)의 평탄부(50d)와 집전 플레이트(도 14의 79)의 용접 면적을 충분히 확보함으로써 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있을 뿐만 아니라 용접 영역의 컨택 저항을 감소시킬 수 있고 가스켓(54)의 실링 능력 저하를 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전극 단자(50)의 리벳팅 구조는 상하 운동을 하는 콜킹 지그를 이용하여 형성할 수 있다. 먼저, 전지 캔(51)의 바닥(52)에 형성된 관통 홀(53)에 가스켓(54)을 개재시켜 전극 단자(50)의 프리폼(미도시)을 삽입한다. 프리폼은 리벳팅 되기 전의 전극 단자를 지칭한다.
다음으로, 콜킹 지그를 전지 캔(51)의 내측 공간으로 삽입한다. 콜킹 지그는 프리폼을 리벳팅하여 전극 단자(50)를 형성하기 위해 프리폼과 대향하는 면에 전극 단자(50)의 최종 형상에 대응되는 홈과 돌기를 가진다.
다음으로, 콜킹 지그를 하부로 이동시켜 프리폼의 상부를 가압 포밍하여 프리폼을 리벳팅된 전극 단자(50)로 변형시킨다.
콜킹 지그에 의해 프리폼이 가압되는 동안, 외부 플랜지부(50b)와 전지 캔(51) 바닥(52)의 외부면(52a) 사이에 개재된 외부 가스켓부(54a)이 탄성적으로 압축되면서 그 두께가 감소한다. 또한, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 프리폼 사이에 개재된 내부 가스켓부(54b) 부위가 내부 플랜지부(50c)에 의해 탄성적으로 압축되면서 다른 영역보다 두께가 더욱 감소한다. 특히, 내부 가스켓부(54b)의 두께가 집중적으로 감소되는 영역은 도 9의 점선원으로 표시된 부분이다. 이에 따라, 리벳팅된 전극 단자(50)와 전지 캔(51) 사이의 실링성 및 밀폐성이 현저하게 향상된다.
바람직하게, 가스켓(54)은 프리폼이 리벳팅되는 과정에서 물리적으로 손상되지 않으면서 소망하는 실링 강도를 확보할 수 있도록 충분히 압축되는 것이 바람직하다.
일 예에서, 가스켓(54)이 폴리부틸렌테레프탈레이트로 이루어진 경우, 가스켓(54)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 50% 이상인 것이 바람직하다. 압축율은 압축전 두께에 대한 압축 전후의 두께 변화의 비율이다.
다른 예에서, 가스켓(54)이 폴리플루오르에틸렌으로 이루어진 경우, 가스켓(54)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 60% 이상인 것이 바람직하다.
또 다른 예에서, 가스켓(54)이 폴리플로필렌으로 이루어진 경우, 가스켓(54)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 60% 이상인 것이 바람직하다.
바람직하게, 콜킹 지그의 상하 이동을 적어도 2회 이상 실시하여 프리폼 상부의 가압 포밍을 단계적으로 진행할 수 있다. 즉, 프리폼을 단계적으로 가압 포밍하여 여러 번에 걸쳐 변형할 수 있다. 이 때, 콜킹 지그에 가해지는 압력을 단계적으로 증가시킬 수 있다. 이렇게 하면, 프리폼에 가해지는 응력을 여러 번으로 분산시킴으로써 콜킹 공정이 진행되는 동안 가스켓(54)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 프리폼 사이에 개재된 내부 가스켓부(54b) 부위가 내부 플랜지부(50c)에 의해 집중적으로 압축될 때 가스켓의 손상이 최소화된다.
콜킹 지그를 이용한 프리폼의 가압 포밍이 완료된 후, 콜킹 지그를 전지 캔(51)으로부터 분리시키면, 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(50)의 리벳팅 구조를 얻을 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 코킹 지그는 전지 캔(51)의 내부에서 상하 운동을 통해 프리폼의 상부를 가압 포밍한다. 경우에 따라, 프리폼의 가압 포밍을 위해 종래 기술에서 사용되는 로타리(rotary) 회전 지그가 사용될 수 있다.
다만, 로타리 회전 지그는 전지 캔(51)의 중심 축을 기준으로 소정 각도로 기울어진 상태에서 회전 운동을 한다. 따라서, 회전 반경이 큰 로타리 회전 지그는 전지 캔(51)의 내벽과 간섭을 일으킬 수 있다. 또한, 전지 캔(51)의 깊이가 큰 경우 로타리 회전 지그의 길이도 그만큼 길어진다. 이 경우, 로타리 회전 지그 단부의 회전반경이 커지면서 프리폼의 가압 포밍이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 콜킹 지그를 이용한 가압 포밍이 로타리 회전 지그를 이용한 방식보다 더욱 효과적이다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(50)의 리벳팅 구조는 배터리 셀에 적용이 가능하다.
일 예에서, 상기 배터리 셀은 전지 캔(51)을 포함할 수 있다. 상기 전지 캔은 원통형일 수 있다. 그 크기는 양단부의 원형의 직경이 30 mm 내지 55 mm, 높이가 60 mm 내지 120 mm일 수 있다. 바람직하게, 원통형 전지 캔의 원형 직경 x 높이는 46 mm x 60 mm, 46 mm x 80 mm, 46 mm x 90 mm 또는 46 mm x 120 mm 일 수 있다.
바람직하게, 원통형 배터리 셀은, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리 셀의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4보다 큰 원통형 배터리 셀일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리 셀의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀은, 예를 들어 46110 셀, 48750 셀, 48110 셀, 48800 셀, 46800 셀, 46900 셀일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 그 다음 숫자 2개는 셀의 높이를 나타내고, 마지막 숫자 0은 셀의 단면이 원형임을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 90mm이고, 폼 팩터의 비는 0.511인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리 셀들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 18650 셀, 21700 셀 등이 이용되었다. 18650셀의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 0.277이다. 21700셀의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 0.300이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(70)을 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 10을 참조하면, 실시예에 따른 배터리 셀(70)은 쉬트 형상의 제1전극판과 제2전극판이 분리막이 개재된 상태로 권취되고, 양측 단부로부터 연장되어 노출된 상기 제1전극판의 무지부(72)와 상기 제2전극판의 무지부(73)를 포함하는 전극 조립체(71)를 포함한다.
실시예에서, 제1전극판은 음극판이고 제2전극판은 양극판일 수 있다. 물론, 그 반대의 경우도 가능하다.
전극 조립체(71)의 권취 방법은 도 5를 참조하여 설명한 종래 기술에 따른 탭-리스 배터리 셀의 제조 시 사용되는 전극 조립체의 권취 방법과 실질적으로 동일하다.
전극 조립체(71)를 도시함에 있어서는 분리막 외측으로 노출되어 연장된 무지부(72, 73)만을 상세히 도시하고 제1전극판, 제2전극판 및 분리막의 권취 구조에 대한 도시는 생략하였다.
배터리 셀(70)은 또한 전극 조립체(71)를 수납하며 제1전극판의 무지부(72)와 전기적으로 연결된 전지 캔(51)을 포함한다.
바람직하게, 전지 캔(51)의 일 측(하부)은 개방되어 있다. 또한, 전지 캔(51)의 바닥(52)은 전극 단자(50)가 콜킹 공정을 통해 관통 홀(53)에 리벳팅된 구조를 가진다.
배터리 셀(70)은 또한 전극 단자(50)와 관통 홀(53)의 외경 사이에 구비된 가스켓(54)을 포함할 수 있다.
배터리 셀(70)은 또한 전지 캔(51)으로부터 절연 가능하도록 전지 캔(51)의 개방 단부를 밀봉하는 밀봉체(74)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 밀봉체(74)는 극성이 없는 캡 플레이트(74a) 및 캡 플레이트(74a)의 가장자리와 전지 캔(51)의 개방단부 사이에 개재된 밀봉 가스켓(74b)을 포함할 수 있다.
캡 플레이트(74a)는 알루미늄, 스틸, 니켈 등의 도전성 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 밀봉 가스켓(74b)은 절연성 및 탄성이 있는 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리플루오르화에틸렌 등으로 이루어질 수 있다. 하지만, 본 발명이 캡 플레이트(74a)와 밀봉 가스켓(74b)의 소재에 의해 한정되는 것은 아니다.
캡 플레이트(74a)는 전지 캔(51) 내부의 압력이 임계치를 초과했을 때 파열되는 벤트 노치(77)를 포함할 수 있다. 벤트 노치(77)는 캡 플레이트(74a)의 양면에 형성될 수 있다. 벤트 노치(77)는 캡 플레이트(74a)의 표면에서 연속적 또는 불연속적인 원형 패턴, 직선 패턴 또는 그 밖의 다른 패턴을 형성할 수 있다.
전지 캔(51)은, 밀봉체(74)를 고정하기 위해, 전지 캔(51)의 내측으로 연장및 절곡되어 밀봉 가스켓(74b)과 함께 캡 플레이트(74a)의 가장자리를 감싸서 고정하는 클림핑부(75)를 포함할 수 있다.
전지 캔(51)은 또한 개방 단부에 인접한 영역에 전지 캔(51)의 내측으로 압입된 비딩부(76)를 포함할 수 있다. 비딩부(76)는 밀봉체(74)가 클림핑부(75)에 의해 고정될 때, 밀봉체(74)의 가장자리, 특히 밀봉 가스켓(74b)의 외주 표면을 지지한다.
배터리 셀(70)은 또한 제1전극판의 무지부(72)와 용접되는 제1집전 플레이트(78)를 더 포함할 수 있다. 제1집전 플레이트(78)는 알루미늄, 스틸, 니켈 등의 도전성 금속 재질로 이루어진다. 바람직하게, 제1집전 플레이트(78)는 제1전극판의 무지부(72)와 접촉하지 않는 가장자리의 적어도 일부(78a)가 비딩부(76)와 밀봉 가스켓(74b) 사이에 개재되어 클림핑부(75)에 의해 고정될 수 있다. 선택적으로, 제1집전 플레이트(78)의 가장자리의 적어도 일부(78a)는 클림핑부(75)와 인접한 비딩부(76)의 내주면(76a)에 용접을 통해 고정될 수 있다.
배터리 셀(70)은 또한 제2전극판의 무지부(73)와 용접되는 제2집전 플레이트(79)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 제2집전 플레이트(79)의 적어도 일부, 예컨대 중앙부(79a)는 전극 단자(50)의 평탄부(50d)와 용접될 수 있다.
바람직하게, 제2집전 플레이트(79)가 용접될 때 용접 도구는 전극 조립체(71)의 코어에 존재하는 권심(80)을 통해 삽입되어 제2집전 플레이트(79)의 용접 지점까지 도달될 수 있다. 또한, 제2집전 플레이트(79)가 전극 단자(50)의 평탄부(50d)에 용접될 때 전극 단자(50)가 제2집전 플레이트(79)의 용접 영역을 지지하므로 용접 영역에 강한 압력을 인가하여 용접 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 전극 단자(50)의 평탄부(50d)는 면적이 넓으므로 용접 영역 또한 넓게 확보할 수 있다. 이로써, 용접 영역의 접촉 저항을 낮춤으로써 배터리 셀(70)의 내부 저항을 낮출 수 있다. 리벳팅된 전극 단자(50)와 제2집전 플레이트(79)의 면대면 용접 구조는 하이 씨레이트(c-rate) 전류를 이용한 급속 충전에 매우 유용하다. 전류가 흐르는 방향의 단면에서 단위 면적당 전류 밀도를 낮출 수 있으므로 전류 패스에서 발생되는 발열량을 종래보다 낮출 수 있기 때문이다.
전극 단자(50)의 평탄부(50d)와 제2집전 플레이트(79)의 용접 시에는 레이저 용접, 초음파 용접, 스폿 용접 및 저항 용접 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 평탄부(50d)의 면적은 용접 방식에 따라 다르게 조절할 수 있는데, 용접 강도와 용접 공정의 용이성을 위해 2mm 이상인 것이 바람직하다.
일 예에서, 평탄부(50d)와 제2집전 플레이트(79)가 레이저로 용접되고 원형 패턴의 형태로 연속적 또는 불연속적인 라인으로 용접될 경우 평탄부(50d)의 직경은 4mm 이상인 것이 바람직하다. 평탄부(50d)의 직경이 해당 조건을 충족할 경우 용접 강도 확보가 가능하고, 레이저 용접 도구를 전극 조립체(71)의 권심(80)에 삽입하여 용접 공정을 진행하는데 어려움이 없다.
다른 예에서, 평탄부(50d)와 제2집전 플레이트(79)가 초음파로 용접되고 원형 패턴으로 용접될 경우 평탄부(50d)의 직경은 2mm 이상인 것이 바람직하다. 평탄부(50d)의 직경이 해당 조건을 충족할 경우 용접 강도 확보가 가능하고, 초음파 용접 도구를 전극 조립체(71)의 권심(80)에 삽입하여 용접 공정을 진행하는데 어려움이 없다.
배터리 셀(70)은 또한 절연 캡(80')을 더 포함할 수 있다. 절연캡(80')은 제2집전 플레이트(79)와 전지 캔(51) 바닥(52)의 내부면(52a) 사이, 그리고 전지 캔(51) 측벽의 내주면(51a)과 전극 조립체(71) 사이에 개재될 수 있다. 바람직하게, 절연 캡(80')은 전극 단자(50)의 평탄부(50d)를 제2집전 플레이트(79) 측으로 노출시키는 용접 홀(80a)을 포함하고, 제2집전 플레이트(79)의 표면과 전극 조립체(71)의 일측(상부) 가장자리를 커버할 수 있다.
바람직하게, 제1전극판 및/또는 제2전극판의 무지부(72, 73)는 전극 조립체(71)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡됨으로써 전극 조립체(71)의 상부 및 하부에 절곡면을 형성할 수 있다. 또한, 제1집전 플레이트(78)는 제1전극판의 무지부(72)가 절곡되면서 형성된 절곡면에 용접되고, 제2집전 플레이트(79)는 제2전극판의 무지부(73)가 절곡되면서 형성된 절곡면에 용접될 수 있다.
무지부(72, 73)가 절곡될 때 생기는 응력을 완화하기 위해 제1전극판 및/또는 제2전극판은 종래의 전극판(도 4 참조)과 다른 개선된 구조를 가질 수 있다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극판(90) 구조를 예시적으로 나타낸 평면도이다.
도 11을 참조하면, 전극판(90)은 도전성 재질의 포일로 이루어진 쉬트 형상의 집전체(91)와, 집전체(91)의 적어도 일면에 형성된 활물질층(92)과, 집전체(91)의 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 무지부(93)를 포함한다.
바람직하게, 무지부(93)는 노칭 가공된 복수의 분절편(93a)을 포함할 수 있다. 복수의 분절편(93a)은 복수의 그룹을 이루며, 각 그룹에 속한 분절편(93a)들은 높이(Y방향 길이) 및/또는 폭(X 방향 길이) 및/또는 이격 피치가 동일할 수 있다. 각 그룹에 속한 분절편(93a)들의 수는 도시된 것보다 증가 또는 감소될 수 있다. 분절편(93a)은 사다리꼴 모양일 수 있는데, 사각형, 평형사변형, 반원형 또는 반타원형으로 변형될 수 있다.
바람직하게, 분절편(93a)의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 가면서 단계적으로 증가할 수 있다. 또한, 코어측과 인접한 코어측 무지부(93')는 분절편(93a)을 포함하지 않을 수 있고, 코어측 무지부(93')의 높이는 다른 무지부 영역보다 작을 수 있다.
선택적으로, 전극판(90)은 활물질층(92)과 무지부(93) 사이의 경계를 덮는 절연 코팅층(94)을 포함할 수 있다. 절연 코팅층(94)은 절연성이 있는 고분자 수지를 포함하며, 무기물 필러를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 절연 코팅층(94)은 활물질층(92)의 단부가 분리막을 통해 대향하고 있는 반대 극성의 활물질층과 접촉되는 것을 방지하고, 분절편(93a)의 절곡을 구조적으로 지지하는 역할을 한다. 이를 위해, 전극판(90)이 전극 조립체로 권취되었을 때, 절연 코팅층(94)은 적어도 일부가 분리막으로부터 외부로 노출되는 것이 바람직하다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전극판(90)의 무지부 분절구조를 제1전극판 및 제2전극판에 적용한 전극 조립체(100)를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 12를 참조하면, 전극 조립체(100)는 도 5를 통해 설명한 권취 공법으로 제조할 수 있다. 설명의 편의를 위해 분리막 밖으로 연장된 무지부(72, 73)의 돌출 구조를 상세하게 도시하고, 제1전극판, 제2전극판 및 분리막의 권취 구조에 대한 도시는 생략하였다. 하부로 돌출된 무지부(72)는 제1전극판으로부터 연장된 것이고, 상부로 돌출된 무지부(73)는 제2전극판으로부터 연장된 것이다.
무지부(72, 73)의 높이가 변화하는 패턴은 개략적으로 도시하였다. 즉, 단면이 잘리는 위치에 따라서 무지부(72, 73)의 높이는 불규칙하게 변화할 수 있다. 일 예로, 사다리꼴 분절편(93a)의 사이드 부분이 잘리면 단면에서의 무지부 높이는 분절편(93a)의 높이보다 낮아진다. 따라서, 전극 조립체(100)의 단면을 나타낸 도면에 도시된 무지부(72, 73)의 높이는 각 권취 턴에 포함된 무지부 높이의 평균에 대응한다고 이해하여야 한다.
무지부(72, 73)는 도 13에 도시된 것과 같이 전극 조립체(100)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡될 수 있다. 도 12에서, 절곡되는 부분(101)은 점선 박스로 표시하였다. 무지부(72, 73)가 절곡될 때, 반경 반향으로 인접하고 있는 분절편들이 여러 겹으로 서로 중첩되면서 전극 조립체(100)의 상부와 하부에 절곡면(102)이 형성된다. 이 때, 코어측 무지부(도 11의 93')는 높이가 낮아서 절곡되지 않으며, 가장 안쪽에서 절곡되는 분절편의 높이(h)는 분절편 구조가 없는 코어측 무지부(93')에 의해 형성된 권취 영역의 반경 방향 길이(r) 보다 같거나 작다. 따라서, 전극조립체(100)의 코어에 있는 권심(80)이 절곡된 분절편들에 의해 폐쇄되지 않는다. 권심(80)이 폐쇄되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 권심(80)을 통해 용접 도구를 삽입하여 전극 단자(50)와 제2 집전 플레이트(79)의 용접을 용이하게 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀(70)은 밀봉체(74)의 캡 플레이트(74a)가 극성을 갖지 않는다. 그 대신, 제1집전 플레이트(78)가 전지 캔(51)의 측벽에 연결되어 있어서 전지 캔(51) 바닥(52)의 외부면(52a)이 전극 단자(50)와는 반대 극성을 가진다. 따라서, 복수의 셀들을 직렬 및/또는 병렬 연결하고자 할 때, 전지 캔(51) 바닥(52)의 외부면(52a)과 전극 단자(50)를 이용하여 배터리 셀(70)의 상부에서 버스 바 연결 등의 배선을 수행할 수 있다. 이를 통해, 동일 공간에 탑재할 수 있는 셀들의 수를 증가시켜 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 양극판에 코팅되는 양극 활물질과 음극판에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
일 예에서, 양극 활물질은 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤ 2, ­0.1 ≤ z ≤ 2; x, y, z 및 M에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 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 LiaM1xFe1-xM2yP1-yM3zO4­z(M1은Ti, 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; a, x, y, z, M1, M2, 및 M3에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 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 단독 중합체, 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)O3-PbTiO3(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(γbutyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 배터리 셀을 적어도 하나 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
상술한 실시예에 따른 원통형 배터리 셀은 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 14은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(200)은 원통형 배터리 셀(201)이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(202)을 포함한다. 원통형 배터리 셀(201)은 상술한 실시예에 따른 배터리 셀이다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 배터리 셀(201)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 자동차를 제공한다.
배터리 팩(200)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 15는 도 14의 배터리 팩(200)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(200)을 포함한다. 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(200)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.
0: 권취 중심
1: 비권취 상태의 전극 조립체
2: 제1 전극
3: 제2 전극
4: 제1 분리막
5: 제2 분리막
6: 전극 조립체의 권취 중심부에 가장 가까운 가장자리부
7: 고정부
7W: 고정부의 폭
8: 제1 전극 무지부
9: 제2 전극 무지부
10: 양극판
10a: 양극판의 무지부
11: 음극판
11a: 음극판의 무지부
12: 분리막
20: 집전체
21: 활물질
22: 무지부
30, 31: 집전 플레이트
40: 탭-리스 배터리 셀
41: 전지 캔
42: 밀봉체
42a: 캡 플레이트
42b: 밀봉 가스켓
42c: 연결 플레이트
43: 클림핑부
44: 비딩부
45: 리드
46: 인슐레이터
50: 전극 단자
50a: 몸체부
50b: 외부 플랜지부
50c: 내부 플랜지부
50d: 평탄부
51: 일측이 개방된 원통형의 전지 캔
51a: 전지 캔 측벽의 내주면
52: 바닥
52a: 외부면
52b: 내부면
53: 관통 홀
54: 가스켓
54a: 외부 가스켓부
54b: 내부 가스켓부
55: 리세스부
55a: 평탄부의 측벽
55b: 내부 플랜지부의 경사면
56: 관통 홀의 내측 엣지
57: 내부 플랜지부와 마주보는 대향면
70: 배터리 셀
71: 전극 조립체
72: 제1 전극판의 무지부
73: 제2 전극판의 무지부
74: 밀봉체
74a: 캡 플레이트
74b: 밀봉 가스켓
75: 클림핑부
76: 비딩부
76a: 비딩부의 내주면
77: 벤트 노치
78: 제1집전 플레이트
78a: 제1집전 플레이트의 가장자리
79: 제2집전 플레이트
79a: 중앙부
80: 권심
80': 절연 캡
80a: 용접 홀
90: 전극판
91: 집전체
92: 활물질층
93: 무지부
93': 코어측 무지부
93a: 분절편
94: 절연 코팅층
100: 전극 조립체
101: 절곡되는 부분
102: 절곡면
200: 배터리 팩
201: 원통형 배터리 셀
202: 팩 하우징

Claims (18)

  1. 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 전극 조립체로서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 집전체 및 상기 집전체 상에 구비된 전극 활물질층을 포함하고,
    상기 제1 전극은, 상기 전극 활물질층에 구비되고 상기 전극 조립체의 권취 중심부에 가장 가까운 가장자리부에 구비되고 상기 분리막의 적어도 일부에 고정되는 고정부를 포함하는 것인 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 조립체의 권취축의 일 단부측에 구비된 상기 집전체의 가장자리부는 상기 전극 활물질층이 구비되지 않은 무지부를 포함하는 것인 전극 조립체.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 분리막은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비된 제1 분리막 및 상기 제1 전극의 상기 제1 분리막과 대향하는 면의 반대면에 구비된 제2 분리막을 포함하고,
    상기 제1 분리막 및 상기 제2 분리막의 적어도 하나는 상기 고정부와 고정되는 것인 전극 조립체.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 고정부는 상기 전극 조립체의 비권취 상태에서 상기 제2 전극과 겹쳐지지 않는 것인 전극 조립체.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 고정부의 폭은 12mm 이하인 것인 전극 조립체.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 고정부를 제외한 부분에서는 상기 제1 전극, 상기 분리막 및 상기 제2 전극이 고정되어 있지 않은 것인 전극 조립체.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전극은 음극이고, 상기 제2 전극은 양극인 것인 전극 조립체.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 고정부는 라미네이션 테이프인 것인 전극 조립체.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 라미네이션 테이프의 열 분해 온도는 180℃ 이상인 것인 전극 조립체.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 라미네이션 테이프의 상온 접착력은 20gf/100mm 내지 40gf/100mm인 것인 전극 조립체.
  11. 청구항 8에 있어서, 상기 라미네이션 테이프는 40℃ 이상에서 접착력을 갖는 것인 전극 조립체.
  12. 청구항 8에 있어서, 상기 라미네이션 테이프의 접착력 변화율이 하기 식 1을 만족하는 것인 전극 조립체:
    [식 1]
    0.8 ≤ [X2 / X1] x 100(%) ≤ 1.2
    상기 식 1에 있어서, X1은 23℃ 에서 20분 방치 시의 라미네이션 테이프의 접착력이고, X2는 23℃ 에서 20분 방치 후 65℃ 에서 20분 보관 시의 라미네이션 테이프의 접착력이다.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 고정부는 상기 전극 조립체의 권취축 방향으로 서로 대향하는 가장자리부 측에 구비된 두 개의 점, 및 상기 두 개의 점 사이에 구비된 하나의 점에서 상기 분리막의 적어도 일부에 고정되는 것인 전극 조립체.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 고정부는 상기 전극 조립체의 권취축 방향의 길이 40% 이상이 상기 분리막에 고정되어 있는 것인 전극 조립체.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하는 일측에 개방부를 갖는 전지 캔; 상기 전지 캔의 바닥에 형성된 관통 홀을 통해 리벳팅된 전극 단자; 상기 전극 단자와 상기 관통 홀의 외경 사이에 구비된 가스켓; 및 상기 전지 캔의 개방부를 밀봉하는 밀봉체를 포함하는 것인 배터리 셀.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 전지 캔과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극은 상기 전극 단자와 전기적으로 연결되며, 상기 밀봉체는 상기 전지 캔으로부터 절연 가능한 것인 배터리 셀.
  17. 청구항 15에 따른 배터리 셀을 적어도 하나 포함하는 것인 배터리 팩.
  18. 청구항 17에 따른 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 것인 자동차.
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