KR20230021581A - 전극 조립체, 원통형 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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

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KR20230021581A
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이관희
김수진
이윤주
류덕현
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 쉬트 형상을 가진 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입이며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부; 및 상기 무지부를 제외한 영역에 활물질층이 코팅되어 있는 유지부; 를 포함하고, 상기 제1 전극은, 상기 무지부의 적어도 일부 및 상기 유지부의 적어도 일부를 동시에 커버하는 적어도 하나의 절연층을 포함한다.

Description

전극 조립체, 원통형 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 {Electrode assembly, cylindrical battery cell, and battery pack and vehicle including the same}
본 발명은 전극 조립체, 원통형 배터리 셀, 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
원통형 이차전지에 있어서, 집전 효율의 극대화를 위해 전지 캔이 높이 방향을 따라 상하로 각각 양극 탭 및 음극 탭이 연장된 형태를 갖는 젤리롤 타입의 전극 조립체를 적용할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조에서는, 양극 또는 음극의 사행 등과 같은 유동이 발생할 가능성이 있다. 이 경우, 분리막의 말단 부근에 양극 또는 음극의 말단이 위치할 가능성이 있다. 따라서 양극 또는 음극의 사행 등과 같은 유동 발생으로 인해 양극 또는 음극이 분리막의 말단까지 위치하거나 또는 분리막의 말단보다 더 외측으로 돌출되는 경우에는, 양극과 음극의 전기적 접촉이 발생한다. 또는, 어떠한 이유에서 분리막이 손상될 경우, 양극과 음극의 전기적 접촉이 발생할 수 있다. 그 결과, 전지 내부에서 단락이 발생할 수 있다. 전지 내부에서 단락이 발생하면, 전지의 발열이나 폭발이 초래될 수 있다. 따라서, 양극과 음극 사이의 전기 접촉을 효과적으로 방지하기 위한 절연 부재의 제공이 필요하다.
그러므로, 배터리 셀의 내부 저항이 낮으면서도 동시에 단락 위험이 낮은 원통형 배터리 셀, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 원통형 이차전지의 내부 저항을 감소시키고, 동시에 내부 단락을 효과적으로 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 전극 조립체는, 쉬트 형상을 가진 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체로서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부; 및 상기 무지부를 제외한 영역에 활물질층이 코팅되어 있는 유지부; 를 포함한다.
상기 제1 전극은, 상기 무지부의 적어도 일부 및 상기 유지부의 적어도 일부를 동시에 커버하는 적어도 하나의 절연층을 포함한다.
바람직하게, 상기 절연층은, 상기 제1 전극의 양 면에 구비되어 있을 수 있다.
상기 제1 전극의 무지부는, 적어도 일부가 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 구조를 가질 수 있으며, 상기 절연층은 상기 제1 전극의 양 면 중 절곡 방향에 위치하는 일 면 상에만 구비될 수 있다.
한편, 상기 절연층의 권취 축 방향 일 단부는, 상기 분리막의 귄취 축 방향 일 단부와 동일한 높이 또는 일 단부의 외측에 위치되어 있을 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 절연층의 권취 축 방향 일 단부는, 상기 분리막의 귄취 축 방향 일 단부와 동일 높이에 위치되어 있을 수 있다.
일 측면에서, 상기 무지부는, 상기 절연층의 외측으로 더 돌출되어 있을 수 있다.
한편, 상기 유지부는, 상기 분리막보다 권취 축 방향으로 더 돌출되어 있지 않을 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 전극은, 양극일 수 있다.
일 측면에서, 상기 분리막을 사이에 두고 상기 절연층과 마주보는 상기 제2 전극의 일 단부는, 상기 분리막의 일 단부보다 외측으로 돌출되지 않을 수 있다.
한편, 상기 유지부는, 상기 유지부의 중앙 영역에 비해 상기 활물질층의 두께가 감소되어 있는 슬라이딩부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 슬라이딩부는, 상기 유지부와 상기 무지부의 경계 영역에 형성될 수 있다.
한편, 상기 슬라이딩부는, 상기 제1 전극의 일 단부 및 상기 제2 전극의 타 단부에 각각 구비될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 전극에 구비된 유지부의 슬라이딩부와, 상기 제2 전극에 구비된 유지부의 슬라이딩부는, 서로 반대 방향에 구비될 수 있따.
한편, 상기 분리막은, 상기 제1 전극의 타 단부 및 상기 제2 전극의 일 단부보다 외측으로 돌출되어 있을 수 있다.
일 측면에서, 상기 절연층은, 상기 슬라이딩부의 적어도 일부를 커버할 수 있다.
예를 들어, 상기 절연층은, 상기 무지부를 0.3 ~ 5 mm 커버할 수 있다.
바람직하게는, 상기 절연층은, 상기 무지부를 1.5 ~ 3 mm 커버할 수 있다.
예를 들어, 상기 절연층은, 상기 유지부를 0.1 ~ 3 mm 커버할 수 있다.
바람직하게는, 상기 절연층은, 상기 유지부를 0.2 ~ 0.5 mm 커버할 수 있다.
다른 측면에서, 상기 무지부의 적어도 일부 구간은, 복수의 분절편으로 분할되어 있을 수 있다.
여기서, 상기 복수의 분절편은, 상기 전극 조립체의 반경 방향으로 절곡될 수 있다.
이 때, 상기 무지부의 양 면 중, 절곡 방향을 향하는 면에는, 상기 절연층이 상기 무지부의 말단까지 연장되어 있을 수 있다.
여기서, 상기 절연층은, 상기 무지부의 말단을 감쌀 수 있다.
한편, 상기 무지부의 양 면 중, 절곡 방향을 향하는 면의 반대측 면에는, 상기 절연층이 상기 무지부의 절곡 지점까지 연장되어 있을 수 있다.
상기 절연층은, 상기 무지부의 양 면 중, 절곡 방향을 향하는 면 상에서 상기 무지부의 단부까지 연장되지 않을 수 있다.
상기 분절편은, 상기 전극 조립체의 높이 방향 일 면 상에서 일부 영역에만 구비될 수 있다.
상기 전극 조립체의 높이 방향 일 면 상에서 상기 분절편이 형성된 영역이 차지하는 면적은 상기 분절편이 형성되지 않은 영역이 차지하는 면적보다 더 클 수 있다.
상기 전극 조립체의 반경 방향으로 서로 인접한 복수의 분절편들은 전극 조립체의 반경 방향을 따라 중첩될 수 있다.
상기 무지부의 양 면 중 무지부의 절곡 방향에 위치하는 일 면 상에 구비되는 상기 절연층은, 분절편이 형성된 영역에서는 무지부의 단부까지 연장된 형태를 가지고, 분절편이 형성되지 않은 영역에서는 무지부의 단부까지 연장되지 않은 형태를 가질 수 있다.
일 측면에서, 상기 제1 전극에 구비된 무지부와, 상기 제2 전극에 구비된 무지부는, 서로 반대 방향으로 돌출되어 있을 수 있다.
한편, 상기 제1 전극에 구비된 유지부의 권취 축 방향 길이는, 상기 제2 전극에 구비된 유지부의 권취 축 방향의 길이보다 짧을 수 있다.
한편, 상기 제1 전극에 구비된 유지부는, 상기 제2 전극에 구비된 유지부보다, 권취 축 방향 내 측에 위치될 수 있다.
한편, 상기 절연층은, 상기 무지부와 상기 유지부의 경계 영역 상에 구비되는 절연 코팅층 또는 절연 테이프일 수 있다.
바람직하게, 상기 절연층은, 유계 SBR 바인더 및 알루미나 산화물을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 원통형 배터리 셀은, 상기 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 하나와 전기적으로 연결되는 전지 캔; 상기 전지 캔의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 다른 하나와 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 단자를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 원통형 이차전지는, 상기 제1 전극에 구비된 무지부와 전기적으로 결합된 제1 집전판을 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 무지부는, 상기 무지부의 전체 영역 중 상기 절연층에 의해 커버되지 않은 영역에서, 상기 제1 집전판과 전기적으로 결합될 수 있다.
여기서, 상기 무지부는, 상기 무지부의 전체 영역 중 상기 절연층에 의해 커버되지 않은 영역에서, 상기 제1 집전판과 용접에 의해 결합될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지; 및 복수의 상기 원통형 이차전지를 수용하는 팩 하우징; 을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명에 의하면, 원통형 이차전지의 내부 저항이 획기적으로 감소될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 전극 조립체의 양극과 음극 사이의 전기적 접촉을 방지함으로써, 원통형 이차전지 내부의 단락을 효과적으로 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 통상의 기술자에게 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 실시예를 따르는 원통형 이차전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 원통형 이차전지의 종단면도이다.
도 3은 도 1의 원통형 이차전지에 포함된 전극 조립체를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 전극 조립체의 종단면도의 일부를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 따르는 전극 조립체를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 전극 조립체의 종단면도의 일부를 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 도 6의 전극 조립체의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시에를 따르는 전극 조립체를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11은 도 9의 전극 조립체의 종단면도의 일부를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 전극 조립체의 비교예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 이차전지 내의 여러 단락 케이스들에서의 전력 분포를 설명하기 위한 그래프이다.
도 14는 도 1의 원통형 이차전지를 포함하는 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 도 11의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(1)는 전극 조립체(10), 전지 캔(20), 밀봉체(30) 및 단자(40)를 포함한다.
상기 원통형 이차전지(1)는, 상술한 구성요소들 이외에도 추가적으로 제1 집전판(50) 및/또는 인슐레이터(60) 및/또는 절연 가스켓(70) 및/또는 제2 집전판(80) 및/또는 실링 가스켓(90)을 더 포함할 수도 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 극성을 갖는 제1 전극(11), 제2 극성을 갖는 제2 전극(12), 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 개재되는 분리막(13) 및 제1 전극(11)의 적어도 일부를 커버하는 절연층(14)을 포함한다.
상기 제1 전극(11)은 양극 또는 음극이고, 제2 전극(12)은 제1 전극(11)과 반대되는 극성을 갖는 전극에 해당한다. 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12)은 쉬트 형상을 가질 수 있다. 상기 전극 조립체(10)는, 예를 들어 젤리-롤(jelly-roll) 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 전극(11), 분리막(13), 제2 전극(12), 분리막(13)을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 중심(C)을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(10)의 외주면 상에는 전지 캔(20)과의 절연을 위해 추가적인 분리막(13)이 구비될 수 있다.
상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12)은, 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부(11a, 12a)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12)은, 상기 무지부(11a, 12a)를 제외한 영역에 활물질층이 코팅되어 있는 유지부(11b, 12b)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 전극(11)은, 제1 전극 집전체 및 제1 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제1 전극 활물질을 포함한다. 제1 전극 집전체 상에 제1 전극 활물질이 도포된 영역을, 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)로 칭한다. 상기 제1 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측 단부에는 제1 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부(11a)가 존재할 수 있다. 상기 무지부(11a)의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용될 수 있다. 즉, 상기 무지부(11a)의 적어도 일부는, 제1 전극(11)에 구비된 제1 전극 탭으로서 기능할 수 있다. 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)는, 전지 캔(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 상부에 구비될 수 있다.
상기 제2 전극(12)은, 제2 전극 집전체 및 제2 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제2 전극 활물질을 포함한다. 제2 전극 집전체 상에 제2 전극 활물질이 도포된 영역을, 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b)로 칭한다. 상기 제2 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 타 측 단부에는 제2 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부(12a)가 존재할 수 있다. 상기 무지부(12a)의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용될 수 있다. 즉, 상기 무지부(12a)의 적어도 일부는, 제2 전극(12)에 구비된 전극 탭으로서 기능할 수 있다. 상기 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)는, 전지 캔(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 하부에 구비될 수 있다.
상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와, 상기 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)는, 서로 반대 방향으로 돌출된 형태일 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)는 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)의 상부를 향해 돌출될 수 있으며, 이 경우 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)는 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)의 하부를 향해 돌출될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극에 구비된 무지부(11a) 및 제2 전극에 구비된 무지부(12a)는, 전극 조립체(10)의 폭 방향, 즉 원통형 이차전지(1)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 서로 반대 방향으로 연장 돌출된 형태일 수 있다.
한편, 상기 유지부(11b, 12b)는, 상기 유지부(11b, 12b)의 중앙 영역에 비해 상기 활물질층의 두께가 감소되어 있는 슬라이딩부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 상기 제1 전극(11) 및 제2 전극(12) 각각은, 활물질층의 두께가 감소된 영역인 슬라이딩부를 일 단부 또는 타 단부에 구비할 수 있다.
상기 슬라이딩부는, 전극 집전체 상에 전극 활물질을 도포할 때, 유지부와 무지부의 경계 부근에서 발생하는 슬라이딩 현상에 의해 형성될 수 있다. 상기 슬라이딩 현상이란, 전극 활물질이 포함된 슬러리의 퍼짐에 의해, 슬러리 도포 경계 영역 외의 영역보다, 슬러리 도포 경계 영역에서, 전극 활물질이 더 적게 도포되어 도포 경계 영역의 슬러리가 대략 경사진 형태를 갖는 현상을 의미한다. 이러한 슬라이딩 현상에 의해, 유지부의 가장자리에서는 유지부로부터 무지부를 향하는 방향을 따라 대략 하향 경사진 형태를 갖는 슬라이딩부가 형성될 수 있다. 이처럼 활물질의 도포 과정에서 발생되는 슬라이딩 현상은 활물질의 건조 과정에서 더욱 심화될 수 있다. 즉, 이미 슬라이딩부가 형성된 전극을 전체적으로 건조하면, 슬러리에 포함된 용매가 증발하면서 슬러리 부피가 감소하면서, 전극 활물질이 도포된 영역과 도포되지 않은 영역의 경계 부근에서 슬라이딩 현상이 더 심화될 수 있다.
상기 슬라이딩부는, 상기 유지부(11b, 12b)와 상기 무지부(11a, 12a)의 경계 영역에 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 슬라이딩부는, 상기 제1 전극(11)의 일 단부 및 상기 제2 전극(12)의 타 단부에 각각 구비될 수 있다. 즉, 상기 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 슬라이딩부와, 상기 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b)의 슬라이딩부는, 서로 반대 방향에 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 제1 전극(11)의 슬라이딩부는, 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)의 상부에 형성될 수 있고, 제2 전극(12)의 슬라이딩부는, 그와 반대 방향인, 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)의 하부에 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 길이는, 상기 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)의 길이보다 짧을 수 있다. 또한, 상기 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)는, 상기 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b)보다, 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 내 측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 길이에 비해 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 길이가 크게 형성되어 있을 수 있다. 나아가, 도 4를 참조하면, 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 길이는, 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b) 중 슬라이딩부를 제외한 영역의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 길이보다도 짧게 형성되어 있을 수 있다. 이러한 구조는, 양/음극의 NP Ratio가 100% 이하로 감소되어 리튬 금속이 석출되는 것을 방지하기 위함이다.
한편, 상기 유지부(11b, 12b)는, 상기 분리막(13)보다 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)으로 더 돌출되어 있지 않을 수 있다. 즉, 상기 유지부(11b, 12b)가 분리막(13)보다 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)으로 돌출되어 있다면, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)이 접촉할 가능성이 커질 수 있다. 그렇게 되면, 접촉 영역에서 내부 단락이 발생하여 발화 리스크가 높아질 수 있다. 따라서, 상기 유지부(11b, 12b)는 분리막(13)보다 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)으로 돌출되지 않는 것이 중요하다. 즉, 상기 유지부(11b, 12b)는, 상기 분리막(13)의 내측에 위치하는 것이 바람직하다.
한편, 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 LiaM1 xFe1-xM2 yP1-yM3 zO4-z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; 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 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.
제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 접촉 가능성을 최소화하기 위해, 본 발명의 제1 전극(11)은, 상기 무지부의 적어도 일부 및 상기 유지부의 적어도 일부를 동시에 커버하는 적어도 하나의 절연층(14)을 포함할 수 있다. 상기 절연층(14)에 의해, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉이 효과적으로 방지될 수 있다. 보다 구체적으로는, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와, 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b)와의 전기적 접촉을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 절연층(14)은, 상기 제1 전극(11)의 적어도 일 면에 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층(14)은, 상기 제1 전극(11)의 양 면에 구비될 수 있다. 도 4 등에 도시되어 있지는 않지만, 도 4에서 제1 전극(11)의 우측뿐만 아니라 좌측에도 분리막(13)이 위치하고 있으며, 좌측에 위치한 분리막(13)의 좌측에는 또 다른 제2 전극(12)이 위치하고 있다. 따라서, 좌측 및 우측에 위치한 제2 전극(12)과의 전기적 접촉을 방지하기 위해서, 절연층(14)은 제1 전극(11)의 양 면에 모두 구비될 수 있다.
상기 절연층(14)은, 제1 전극(11)의 영역 중엥서, 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b)와 대면할 가능성이 있는 전 영역에 구비될 수 있다. 예를 들면, 상기 절연층(14)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 일 단부는, 상기 분리막(13)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 일 단부와 동일한 높이 또는 일 단부의 외측에 위치되어 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 도 4를 예로 들어 설명하면, 상기 절연층(14)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 일 단부는, 상기 분리막(13)의 귄취 축 방향 일 단부와 동일 높이에 위치할 수 있다. 분리막(13)은, 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에서 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)으로 제2 전극(12)의 말단과 동일한 높이 또는 그보다 더 높게 돌출될 수 있으며, 이에 따라 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이의 전기적 접촉을 어느 정도는 방지할 수 있다. 그러나, 원통형 이차전지(1) 내부에서 제1 전극(11) 또는 제2 전극(12)의 사행 등과 같은 유동이 발생할 가능성이 있기 때문에, 분리막(13)의 말단 부근에 제2 전극(12)이 위치할 가능성을 배제할 수 없다. 따라서 사행 등의 유동 발생으로 인해 제2 전극(12)이 분리막(13)의 말단까지 위치하거나 또는 제2 전극(12)이 분리막(13)의 말단보다 더 외측으로 돌출되는 경우에는, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉을 피할 수 없게 된다. 또는, 어떠한 이유에서 분리막(13)이 손상될 경우, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉을 피할 수 없게 된다. 특히, 제1 전극(11)의 무지부(11a)와 제2 전극(12)의 유지부(12b) 간의 접촉에 따른 내부 쇼트(internal short)가 발생되는 경우에는 발화의 가능성이 매우 높다. 따라서, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉을 방지하기 위해, 제1 전극(11)에 구비된 절연층(14)은 적어도 분리막(13)의 일 단부와 동일한 높이까지 또는 일 단부의 외측까지 연장되는 것이 바람직하다.
다만, 상기 절연층(14)이 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 전체를 커버할 경우, 제1 전극(11)은 전극의 역할을 할 수 없게 되기 때문에, 절연층(14)은 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 일부만을 커버해야 한다. 즉, 상기 무지부(11a)는, 상기 절연층(14)의 외측으로 더 돌출되는 형태를 가질 수 있다.
상기 절연층(14)은, 상기 무지부(11a)와 상기 유지부(11b)의 경계 영역 상에 구비되는 절연 코팅층 또는 절연 테이프일 수 있다. 다만, 절연층(14)의 형태가 이에 한정되는 것은 아니고 절연층(14)이 절연 성능을 확보하면서 제1 전극(11)에 부착될 수 있는 형태라면, 본 발명에 채용될 수 있다. 한편, 상기 절연층(14)은, 절연 성능을 확보하기 위해, 예를 들면 유계 SBR 바인더 및 알루미나 산화물을 포함할 수 있다.
상기 절연층(14)은, 상기 무지부(11a)의 적어도 일부 및 상기 유지부(11b)의 적어도 일부를 동시에 커버할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층(14)은, 상기 유지부(11b)와 상기 무지부(11a)의 경계 영역 상에 구비될 수 있다. 예를 들면, 상기 절연층(14)은, 상기 슬라이딩부의 적어도 일부를 커버할 수 있다.
예를 들면, 상기 절연층(14)은, 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 전체 영역 중에서, 상기 무지부(11a)와 유지부(11b)의 경계 지점으로부터 대략 0.3 ~ 5 mm 지점까지 연장될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 절연층(14)은, 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 전체 영역 중에서, 상기 무지부(11a)와 유지부(11b)의 경계 지점으로부터 대략 1.5 ~ 3 mm 지점까지 연장될 수 있다.
만약 절연층(14)이 없는 경우, 제1 전극(11)이 제2 전극(12)과의 접촉으로 인해 내부 단락이 발생할 가능성이 있기 때문에, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉이 일어나지 않을 정도의 위치까지 절연층(14)이 연장되어 있는 것이 바람직하다.
한편, 상기 절연층(14)은, 상기 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 전체 영역 중에서, 상기 무지부(11a)와 유지부(11b)의 경계 지점으로부터 대략 0.1 ~ 3 mm 지점까지 연장될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 절연층(14)은, 상기 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 전체 영역 중에서, 상기 무지부(11a)와 유지부(11b)의 경계 지점으로부터 대략 0.2 ~ 0.5 mm 지점까지 연장될 수 있다.
절연층(14)이 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 일부를 커버할 경우, 전지의 용량 손실이 발생하기 때문에 절연층(14)의 유지부 커버 길이를 최소화할 필요성이 있다. 그러나, 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)가 제2 전극(12)과 접촉할 가능성이 있기 때문에, 이를 방지하기 위해서 절연층(14)은 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 적어도 일부를 반드시 커버해야 한다.
한편, 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 분리막(13)은, 상기 제1 전극(11)의 타 단부 및 상기 제2 전극(12)의 일 단부보다 외측으로 돌출되어 있는 형태를 가질 수 있다. 편의상 도 4를 참조하여 설명하면, 도 4에서의 일 단부란, 도면 상에서 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)의 상부 방향의 단부를 의미하고, 타 단부란, 도면 상에서 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)의 하부 방향의 단부를 의미한다. 따라서, 상기 분리막(13)은, 제1 전극(11)의 하 단부보다 외측으로 돌출되어 있고, 제2 전극(12)의 상 단부보다 외측으로 돌출되어 있는 형태를 가질 수 있다. 한편, 상기 분리막(13)은 제1 전극(11)의 상 단부보다는 돌출되어 있지 않다. 이는 제1 전극(11)의 상 단부, 즉 무지부(11a)가 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)으로 기능하기 위함이다. 마찬가지로, 상기 분리막(13)은 제2 전극(12)의 하 단부보다는 돌출되어 있지 않다. 이는 제2 전극(12)의 하 단부, 즉 무지부(12a)가 제2 전극(12)에 구비된 전극 탭으로서 기능하기 위함이다. 본 발명에 있어서, 무지부(11a, 12a)가 전극 탭으로서 기능한다는 것은, 무지부(11a, 12a)가 집전판(50, 80), 전지 캔(20), 단자(40) 등의 다른 부품을 전극 조립체(10)에 전기적으로 연결시키기 위한 연결 단자에 해당함을 의미하는 것이다.
한편, 상기 분리막(13)을 사이에 두고 상기 절연층(14)과 마주보는 상기 제2 전극(12)의 일 단부는, 상기 분리막(13)의 일 단부보다 외측으로 돌출되지 않는 형태를 가질 수 있다. 예를 들어 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 제1 전극(11)의 일 단부에는 절연층(14)이 구비되어 있으며, 상기 절연층(14)과 마주보는 제2 전극(12)의 일 단부는 상기 분리막(13)보다 내측을 향해 위치하고 있다. 따라서, 제1 전극(11)의 일 단부가 분리막(13)의 외측으로 돌출되어 있다고 하더라도, 제2 전극(12)의 일 단부가 분리막(13)의 내측에 위치하고 있기 때문에, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 접촉 가능성이 현저히 감소하게 된다. 특히, 이 영역에서는 제2 전극(12)의 일 단부에 형성되는 유지부(12b)가 분리막(13)의 외측으로 노출되는 경우, 제1 전극(11)의 일 단부에 형성되는 무지부(11a)와 제2 전극(12)의 일 단부에 형성되는 유지부(12a) 간의 접촉이 발생할 수 있다. 이처럼 제1 전극(11)의 무지부(11a)와 제2 전극(12)의 유지부(12a) 간의 접촉이 발생하는 경우 발화의 위험성이 매우 높기 때문에, 상술한 바와 같이 제2 전극(12)이 분리막(13)의 외측으로 노출되지 않도록 구성할 필요성이 더욱 크다.
한편, 제2 전극(12)의 타 단부에 구비되는 무지부(12a)에 다른 부품을 결합시키기 용이하도록 제2 전극(12)의 무지부(12a)가 분리막(13)의 외측으로 노출될 수 있다. 이 경우, 제1 전극(11)의 타 단부에 구비되는 유지부(11b)와 제2 전극(12)의 타 단부에 구비되는 무지부(12a) 간의 접촉을 방지할 수 있도록, 제1 전극(11)의 타 단부는 분리막(13)의 내측에 위치할 수 있다. 다만, 본 발명의 전극 조립체(10)의 하부에서는 상부에서와는 달리 제2 전극(12) 상에 절연층(14)이 적용되지 않을 수도 있다.
특히, 제1 전극(11)이 양극이고 제2 전극(12)이 음극인 경우, 쇼트 발생 시의 위험성과 함께 공정성, 생산성 등을 모두 고려하여 제1 전극(11)의 무지부(11a) 상에는 절연층(14)을 형성하고 제2 전극(12)의 무지부(12a) 상에는 절연층(14)을 적용하지 않을 수 있다. 이는, 특히 양극 무지부와 음극 유지부 간의 접촉이 일어날 때의 위험성이 가장 크기 때문이다. 양극과 음극의 접촉이 발생되는 다양한 케이스에 있어서의 위험도 차이에 대해서는 도 10을 참조하여 상세히 후술하기로 한다. 한편, 본 발명이 제2 전극(12)의 무지부(12a) 상에 절연층(14)이 구비된 경우를 배제하는 것은 아니다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 전지 캔(20)은, 하단에 개방부가 형성된 대략 원통형의 수용체로서, 예를 들어 금속과 같은 도전성을 갖는 재질로 이루어진다. 상기 전지 캔(20)의 재질은, 예를 들어 알루미늄일 수 있다. 개방부가 구비된 상기 전지 캔(20)의 바닥부를 개방단(opened end)이라고 칭하기로 한다. 상기 전지 캔(20)의 측면(외주면)과 상면은 일체로 형성될 수 있다. 상기 전지 캔(20)의 상면(X-Y 평면에 나란한 면)은 대략 플랫(flat)한 형태를 갖는다. 상기 개방단의 반대편에 위치하는 상면을 폐쇄단(closed end)이라고 칭하기로 한다. 상기 전지 캔(20)은, 하방에 형성된 개방부를 통해 전극 조립체(10)를 수납하며, 전해질도 함께 수용한다.
상기 전지 캔(20)은, 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결된다. 상기 전지 캔(20)은, 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12) 중 하나와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어 상기 전지 캔은 전극 조립체(10)의 제2 전극(12)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 전지 캔(20)은, 제2 전극(12)과 동일한 극성을 가질 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 전지 캔(20)은, 그 하단에 형성된 비딩부(21) 및 크림핑부(22)를 구비할 수 있다. 상기 비딩부(21)는, 전극 조립체(10)의 하부에 위치한다. 상기 비딩부(21)는, 전지 캔(20)의 외주면 둘레를 압입하여 형성된다. 상기 비딩부(21)는, 전지 캔(20)의 폭과 대략 대응되는 사이즈를 가질 수 있는 전극 조립체(10)가 전지 캔(20)의 하단에 형성된 개방부를 통해 빠져나오지 않도록 하며, 밀봉체(30)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다.
상기 크림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하부에 형성된다. 상기 크림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하방에 배치되는 밀봉체(30)의 외주면, 그리고 밀봉체(30)의 하면의 일부를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다.
다만, 본 발명은, 전지 캔(20)이 이러한 비딩부(21) 및/또는 크림핑부(22)를 구비하지 않는 경우를 배제하지 않는다. 즉, 본 발명에 있어서 전지 캔(20)이 비딩부(21) 및/또는 크림핑부(22)를 구비하지 않는 경우, 전극 조립체(10)의 고정 및/또는 전지 캔(20)의 밀봉은, 예를 들어 전극 조립체(10)에 대한 스토퍼로서 기능할 수 있는 부품의 추가 적용 등을 통해 실현할 수 있다. 또한, 만약 본 발명의 원통형 이차전지(1)가 밀봉체(30)를 포함할 경우, 전극 조립체(10)의 고정 및/또는 전지 캔(20)의 밀봉은, 예를 들어 밀봉체(30)가 안착될 수 있는 구조물의 추가 적용 및/또는 전지 캔(20)과 밀봉체(30) 간의 용접 등을 통해 실현할 수 있다. 즉, 상기 밀봉체는, 상기 전지 캔의 개방단을 밀봉할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 밀봉체(30)는, 강성 확보를 위해, 예를 들어 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 밀봉체(30)는, 전지 캔(20)의 하단에 형성된 개방단을 커버할 수 있다. 즉, 상기 밀봉체(30)는, 원통형 이차전지(1)의 하면을 이룬다. 본 발명의 원통형 이차전지(1)에 있어서, 상기 밀봉체(30)는, 전도성을 갖는 금속 재질인 경우에도, 극성을 갖지 않는다. 극성을 갖지 않는다는 것은, 상기 밀봉체(30)가 전지 캔(20) 및 단자(40)와 전기적으로 절연되어 있음을 의미할 수 있다. 따라서, 상기 밀봉체(30)는, 양극 단자(40) 또는 음극 단자(40)로서 기능하지 않는다. 따라서, 상기 밀봉체(30)는, 전극 조립체(10) 및 전지 캔(20)과 전기적으로 연결될 필요가 없으며, 그 재질이 반드시 전도성 금속이어야 하는 것도 아니다.
본 발명의 전지 캔(20)이 비딩부(21)를 구비하는 경우, 상기 밀봉체(30)는, 전지 캔(20)에 형성된 비딩부(21) 상에 안착될 수 있다. 또한, 본 발명의 전지 캔(20)이 크림핑부(22)를 구비하는 경우, 상기 밀봉체(30)는, 크림핑부(22)에 의해 고정될 수 있다. 상기 밀봉체(30)와 전지 캔(20)의 크림핑부(22) 사이에는 전지 캔(20)의 기밀성을 확보하기 위해 실링 가스켓(90)이 개재될 수 있다. 한편, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 전지 캔(20)은 비딩부(21) 및/또는 크림핑부(22)를 구비하지 않을 수도 있으며, 이 경우 상기 실링 가스켓(90)은 전지 캔(20)의 기밀성 확보를 위해 전지 캔(20)의 개방부 측에 구비된 고정을 위한 구조물과 밀봉체(30) 사이에 개재될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 단자(40)는 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12) 중 다른 하나와 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 상기 단자(40)는, 상기 전지 캔(20)과 반대 극성을 띨 수 있다. 예를 들면, 상기 단자(40)는, 전극 조립체(10)의 제1 전극(11)과 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 상기 단자(40)는 표면이 외부로 노출될 수 있다.
상기 단자(40)는, 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 단자(40)는, 예를 들어 전지 캔(20)의 상단에 형성된 폐쇄단의 대략 중심부를 관통할 수 있다. 상기 단자(40)의 일부는 전지 캔(20)의 상부로 노출되고 나머지 일부는 전지 캔(20)의 내부에 위치할 수 있다. 상기 단자(40)는, 예를 들어 리벳팅(riveting)에 의해 전지 캔(20)의 폐쇄단의 내측면 상에 고정될 수 있다. 단자(40)는 인슐레이터(60)를 관통하여 제1 집전판(50) 또는 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와 결합할 수 있다. 이 경우, 상기 단자(40)는 제1 극성을 띨 수 있다. 따라서, 상기 단자(40)는, 본 발명의 원통형 이차전지(1)에 있어서 제1 전극 단자로서 기능할 수 있다. 상기 단자(40)가 이처럼 제1 극성을 갖는 경우, 단자(40)는 제2 극성을 갖는 전지 캔(20)과는 전기적으로 절연된다. 상기 단자(40)와 전지 캔(20) 간의 전기적 절연은, 다양한 방식으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 상기 단자(40)와 전지 캔(20) 사이에 후술할 바와 같은 절연 가스켓(70)을 개재시킴으로써 절연을 실현할 수 있다. 이와는 달리, 상기 단자(40)의 일부에 절연성 코팅층을 형성시킴으로써 절연을 실현할 수 있다. 또는, 상기 단자(40)와 전지 캔(20)의 접촉이 불가능하도록 단자(40)를 구조적으로 단단히 고정시키는 방식을 적용할 수도 있다. 또는, 앞서 설명한 방식들 중 복수의 방식을 함께 적용할 수도 있다.
도 2를 참조하면, 상기 제1 집전판(50)은, 전극 조립체(10)의 상부에 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 집전판(50)은, 상기 전극 조립체(10)의 상부에서 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)에 결합될 수 있다. 상기 제1 집전판(50)은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 제1 집전판(50)은, 그 하면에 방사상으로 형성된 복수의 요철을 구비할 수 있다. 상기 요철이 형성된 경우, 제1 집전판(50)을 눌러서 요철을 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)에 압입시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예를 따르는 원통형 이차전지(1)는, 제1 집전판(50)을 포함하지 않을 수도 있다. 이 경우, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)는 바로 단자(40)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 제1 집전판(50)은 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 단부에 결합될 수 있다. 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와 제1 집전판(50) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제1 집전판(50) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수도 있고, 제1 집전판(50)과 무지부(11a) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는, 제1 집전판(50) 및 무지부(11a)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 한편 레이저 용접 외에도, 저항 용접, 초음파 용접 등이 가능하나, 용접 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 집전판(50)은, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 단부가 제1 집전판(50)과 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 수도 있다. 상기 무지부(11a)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)을 향하는 방향일 수 있다. 상기 무지부(11a)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 무지부(11a)가 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 무지부(11a)와 제1 집전판(50) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 인슐레이터(60)는, 전극 조립체(10)의 상단과 전지 캔(20)의 내측 면 사이 또는 전극 조립체(10)의 상부에 결합된 제1 집전판(50)과 전지 캔(20)의 내측 면 사이에 구비될 수 있다. 상기 인슐레이터(60)는, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와 전지 캔(20) 사이의 접촉 및/또는 제1 집전판(50)과 전지 캔(20) 사이의 접촉을 방지한다. 즉, 상기 인슐레이터(60)는, 상기 전지 캔(20) 내부에 수용되며, 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와 상기 전지 캔(20) 사이의 전기적 연결을 차단하도록 구성된다. 따라서, 상기 인슐레이터(60)는 절연 성능을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 인슐레이터(60)는 폴리머 재질을 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 절연 가스켓(70)은, 전지 캔(20)과 단자(40) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 전지 캔(20) 과 단자(40)가 서로 접촉되는 것을 방지한다. 즉, 상기 절연 가스켓(70)은, 전지 캔(20)과 단자(40)의 전기적 연결을 차단한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 전지 캔(20)의 상면이 원통형 이차전지(1)의 제2 전극(12) 단자(40)로서 기능할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 제2 집전판(80)은, 전극 조립체(10)의 하부에 결합될 수 있다. 상기 제2 집전판(80)은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 제2 집전판(80)은 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)와 연결될 수 있다. 또한, 상기 제2 집전판(80)은, 전지 캔(20)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 집전판(80)은, 도 2에 도시된 바와 같이 전지 캔(20)의 내측 면과 실링 가스켓(90) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 이와는 달리, 상기 제2 집전판(80)은, 전지 캔(20)의 내벽 면에 용접될 수도 있다.
도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 제2 집전판(80)은, 그 일 면 상에 방사상으로 형성된 복수의 요철을 구비할 수 있다. 상기 요철이 형성된 경우, 제2 집전판(80)을 눌러서 요철을 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)에 압입시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 제2 집전판(80)은 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)의 단부에 결합될 수 있다. 상기 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)와 제2 집전판(80) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제2 집전판(80) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식을 이루어질 수도 있고, 제2 집전판(80)과 무지부(12a) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는 제2 집전판(80) 및 무지부(12a)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 한편, 레이저 용접 외에도, 저항 용접, 초음파 용접 등이 가능하나, 용접 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
도면에 도시되지는 않았으나, 상기 제2 집전판(80)은, 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)의 단부가 제2 집전판(80)과 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 수 있다. 상기 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)을 향하는 방향일 수 있다. 상기 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 무지부(12a)가 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 무지부(12a)와 제2 집전판(80) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 실링 가스켓(90)은, 상기 밀봉체(30)를 감싸는 대략 링 형상을 가질 수 있다. 상기 실링 가스켓(90)은, 밀봉체(30)의 하면, 상면 및 측면을 동시에 커버할 수 있다. 실링 가스켓(90)의 부위 중에서 밀봉체(30)의 상면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이는, 실링 가스켓(90)의 부위 중에서 상기 밀봉체(30)의 하면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이보다 작거나 같을 수 있다. 실링 가스켓(90)의 부위 중에서 밀봉체(30)의 상면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이가 지나치게 길면, 전지 캔(20)을 상하로 압축하는 사이징 공정에서 실링 가스켓(90)이 제2 집전판(80)을 가압하여, 제2 집전판(80)이 손상되거나 전지 캔(20)이 손상될 가능성이 있다. 따라서, 실링 가스켓(90)의 부위 중에서 밀봉체(30)의 상면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이를 일정 수준으로 작게 유지할 필요가 있다.
도 5의 실시예에 따른 전극 조립체(10)는, 앞선 도 3의 실시예의 전극 조립체(10)와 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체(10)는, 무지부(11a, 12a)의 적어도 일부가 전극 조립체(10)의 반경 방향으로 절곡된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 조립체(10)는, 무지부(11a, 12a)의 적어도 일부가 코어측으로 절곡되어 있는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 상기 무지부(11a, 12a)의 적어도 일부 구간은, 복수의 분절편(F)으로 분할되어 있을 수 있다. 여기서, 상기 복수의 분절편(F)은, 코어측으로 절곡되면서 여러 겹으로 중첩되는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 복수의 분절편(F)은 레이저로 노칭된 것일 수 있다. 분절편(F)은 초음파 커팅이나 타발 등 공지의 금속박 커팅 공정으로 형성할 수 있다. 전극 조립체(10)의 반경 방향으로 서로 인접한 복수의 분절편(F)들은 전극 조립체(10)의 반경 방향으로 절곡됨에 따라 서로 중첩될 수 있다. 이러한 분절편(F)들의 중첩 레이어 수는 반경 방향을 따라 변할 수 있으며, 일부 구간에서는 중첩 레이어 수가 유지될 수도 있다. 상기 분절편(F)은, 제1 전극(11)의 무지부(11a) 및/또는 제2 전극(12)의 무지부(12a)에 형성될 수 있다.
무지부(11a, 12a)의 절곡 가공시 활물질층 및/또는 절연층(14)이 손상되는 것을 방지하기 위해 분절편(F) 사이의 절단 라인 하단과 활물질층 사이에 소정의 갭을 두는 것이 바람직하다. 무지부(11a, 12a)가 절곡될 때 절단 라인 하단 근처에 응력이 집중되기 때문이다. 갭은 0.2 내지 4mm인 것이 바람직하다. 갭이 해당 수치범위로 조절되면, 무지부(11a, 12a)의 절곡 가공시 생기는 응력에 의해 절단 라인 하단 근처의 활물질층 및/또는 절연층(14)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 갭은 분절편(F)의 노칭 또는 커팅시 공차로 인한 활물질층 및/또는 절연층(14)의 손상을 방지할 수 있다.
상기 무지부(11a, 12a)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)을 향하는 방향일 수 있다. 상기 무지부(11a, 12a)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 무지부(11a, 12a)가 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 무지부(11a, 12a)와 집전판(50, 80) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)는 일 방향으로 절곡되어 있을 수 있다. 예를 들면, 도 6에서 +X 방향이 코어측을 향하는 방향일 수 있다. 이와 같이 무지부(11a)가 코어측으로 절곡되어 있는 경우, 제1 전극(11)의 무지부(11a)는 분리막(13)을 넘어 제2 전극(12) 측으로 근접하게 될 수 있다. 따라서, 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 양 면 중, 코어측을 향하는 면에는, 상기 절연층(14)이 상기 무지부(11a)의 말단까지 연장될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 무지부(11a)가 코어측으로 절곡되어 분리막(13)을 넘어 제2 전극(12) 측으로 근접하더라도, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉이 방지될 수 있다. 따라서 원통형 이차전지(1)의 내부 단락이 효과적으로 방지될 수 있다.
한편, 도 6 내지 도 8에 도시된 것과는 달리, 절연층(14)은 무지부(11a)의 양 면 중 절곡 방향에 위치하는 면 상에서는 무지부(11a)의 단부까지 연장되지 않을 수 있다. 즉, 절곡된 무지부(11a)의 내측면 중 적어도 일부는 절연층(14)에 의해 커버되지 않을 수 있다. 이는, 절곡된 분절편(F)(도 5 참조)들이 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 서로 중첩되는 경우에 있어서, 중첩된 분절편(F)들끼리 서로 전기적 연결될 수 있도록 하기 위함이다.
한편, 이처럼 제1 전극(11)의 무지부(11a)가 일 방향으로 절곡된 형태를 갖는 경우, 절연층(14)은 무지부(11a)의 양 면 중 절곡 방향쪽에 위치하는 일 면 상에만 구비될 수도 있다. 예를 들어, 무지부(11a)가 권취 중심(C)을 향하는 방향으로 절곡된 경우, 절연층(14)은 무지부(11a)의 양 면 중 권취 중심(C)을 향하 면 상에만 구비될 수 있다. 이는, 제1 전극(11)의 무지부(11a)가 일 방향으로 절곡된 경우, 절곡 방향에 위치하는 제2 전극(12)과 접촉될 가능성이 그 반대 방향에 위치하는 제2 전극(12)과 접촉될 가능성보다는 크기 때문이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제1 전극(11)의 무지부(11a)가 일 방향으로 절곡된 형태를 가지며 절연층(14)이 제1 전극(11)의 무지부(11a)의 양 면 상에 구비되는 경우에 있어서, 절곡 방향에 구비되는 절연층(14)이 그 반대 편에 구비되는 절연층(14)보다 더 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 얇은 금속 포일(foil)에 해당하는 무지부(11a)의 절곡 부위 부위에서 발생될 수 있는 강성 저하를 보완할 수 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 상기 무지부(11a)의 양 면 중, 코어측을 향하는 면의 반대측 면에는, 일부 영역에만 절연층(14)이 구비되어 있을 수 있다. 즉, 상기 무지부(11a)의 양 면 중, 코어측을 향하는 면의 반대측 면의 나머지 일부 영역에서는, 무지부(11a)가 외부로 노출되어 있을 수 있다. 따라서, 코어측을 향하는 면의 반대측 면의 노출된 무지부(11a)를 통해, 인접한 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a) 또는 제1 집전판(50)과 전기적으로 접촉이 가능하다. 즉, 상기 무지부(11a)는, 상기 무지부(11a)의 전체 영역 중 상기 절연층(14)에 의해 커버되지 않은 영역에서, 상기 제1 집전판(50)과 전기적으로 결합될 수 있다. 나아가, 상기 무지부(11a)는, 상기 무지부(11a)의 전체 영역 중 상기 절연층(14)에 의해 커버되지 않은 영역에서, 상기 제1 집전판(50)과 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 용접은 예를 들어 레이저 용접일 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제1 집전판(50) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수도 있고, 제1 집전판(50)과 무지부(11a) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는, 제1 집전판(50) 및 무지부(11a)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 한편 레이저 용접 외에도, 저항 용접, 초음파 용접 등이 가능하나, 용접 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7을 참조하면, 상기 절연층(14)은, 상기 무지부(11a)의 말단을 감싸는 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 절연층(14)은, 상기 무지부(11a)의 말단 면을 감싸는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 절곡된 무지부(11a)의 길이가 길 경우, 제2 전극(12)과 접촉할 가능성이 높아진다. 나아가, 절곡된 무지부(11a)가 유동이나 외압에 의해 추가로 절곡될 가능성이 있다. 이 때, 무지부(11a)의 말단 면이 제2 전극(12)과 접촉할 가능성이 증가하게 된다. 그러나, 본 발명의 상기와 같은 구조에 의하면, 무지부(11a)가 추가로 절곡되거나 변형되더라도, 절연층(14)이 무지부(11a)의 말단 면까지 커버하고 있기 때문에, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉이 방지될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 무지부(11a)의 양 면 중, 코어측을 향하는 면의 반대측 면에는, 상기 절연층(14)이 상기 무지부(11a)의 절곡 지점까지 연장되어 있을 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않지만, 도 8의 제1 전극(11)의 좌측에는 또 다른 분리막(13) 및 또 다른 제2 전극(12)이 위치하고 있다. 즉, 제1 전극(11)은, 제1 전극(11)의 우측에 위치한 제2 전극(12)뿐만 아니라, 제1 전극(11)의 좌측에 위치한 제2 전극(12)과도 전기적 접촉 가능성을 가지고 있다. 그러나, 본 발명의 상기와 같은 구조에 의하면, 제1 전극(11)의 양 측에 위치한 제2 전극(12)과의 전기적 접촉은 확실하게 방지될 수 있다.
한편, 도 9 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(10)에 따르면, 도 5에 도시된 전극 조립체(10)와는 달리 분절편(F)이 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 일 면 상에서 전체 영역에 걸쳐 구비되어 있지 않고 일부 영역에만 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 조립체(10)의 높이 방향 일 면 상에서 분절편(F)이 형성된 영역(A1)이 차지하는 면적은 분절편(F)이 형성되지 않은 영역(A2)이 차지하는 면적보다 더 클 수 있다. 한편, 분절편(F)이 형성되지 않은 영역(A2)에서는 분절편(F)이 형성된 영역과의 높이가 대략 유사해지도록 무지부(11a)의 일부가 컷팅되어 제거될 수도 있다. 이하에서는, 제1 전극(11)의 무지부(11a)에 분절편(F)이 형성된 경우를 예로 들어 설명을 하지만, 본 발명에 있어서 분절편(F)은 제1 전극(11)의 무지부(11a) 및/또는 제2 전극(12)의 무지부(12a)에 형성될 수 있다.
상기 분절편(F)은 제1 전극(11)의 권취 방향을 따라 불연속적으로 형성될 수 있다. 이 경우, 집전판(60)은 분절편(F)이 형성된 영역(A1)에 결합될 수 있다. 전극 조립체(10)의 반경 방향으로 서로 인접한 복수의 분절편(F)들은 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 중첩될 수 있다. 이 경우, 제1 전극(11)의 무지부(11a)의 양 면 중 무지부(11a)의 절곡 방향에 위치하는 일 면 상에 구비되는 절연층(14)은 분절편(F)이 형성된 영역(A1)에서는 무지부(11a)의 단부까지 연장된 형태를 가질 수 있고, 분절편(F)이 형성되지 않은 영역(A2)에서는 단부까지 연장되지 않은 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층(14)은, 분절편(F)이 형성된 영역에서는 무지부(11a)의 절곡 지점까지만 연장된 형태(도 11 참조)를 갖거나(도 11 참조) 또는 절곡 지점을 지나 전극 조립체(10)의 반경 방향으로 절곡된 무지부(11a)의 내측면 일부 영역만을 커버하도록 연장된 형태(도 10 참조)를 가질 수 있다.
한편, 도 9 내지 도 11에서는, 제1 전극(11)의 일 면 상에만 절연층(14)이 형성된 구조가 도시되어 있으나, 본 발명이 이로써 한정되는 것은 아니다. 즉, 도 9 내지 도 11에 도시된 전극 조립체(10)의 실시 형태에 있어서도, 앞서 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명된 전극 조립체(10)의 경우와 마찬가지로 절연층(14)이 무지부(11a)의 일 면 또는 양 면에 형성될 수 있는 것이다.
도 12는 본 발명의 비교예로서, 절연층(14)이 구비되지 않은 전극 조립체(10)의 단면을 도시한 도면이다. 도 12를 참조하면, 제1 전극(11)의 무지부(11a)와 유지부(11b)의 경계 영역에는 별도의 절연층(14)이 구비되어 있지 않다. 이와 같은 구조에 의하면, 제1 전극(11) 또는 제2 전극(12)의 사행 등으로 유동이 발생할 경우, 제2 전극(12)이 분리막(13)의 말단까지 위치하거나 또는 제2 전극(12)이 분리막(13)의 말단보다 더 외측으로 돌출되어 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉이 발생할 수 있다. 또는, 어떠한 이유에서 분리막(13)이 손상될 경우, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉이 발생할 수 있다. 이 경우, 도 12와 같은 구조를 갖는 전극 조립체(10)에서는, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉에 의해 내부 단락의 발생을 피할 수 없게 된다. 따라서, 발화 리스크가 증가하게 된다.
도 13은 원통형 이차전지(1) 내의 여러 단락 케이스들에서의 전력 분포를 설명하기 위한 그래프이다. 도 10을 참조하면, 원통형 이차전지(1) 내에서 발생할 수 있는 단락 케이스를 다음의 4가지로 상정할 수 있다.
(i) 양극에 구비된 유지부와 음극에 구비된 유지부가 전기적으로 접촉하는 경우, (ii) 양극에 구비된 유지부와 음극에 구비된 무지부가 전기적으로 접촉하는 경우, (iii) 음극에 구비된 유지부와 양극에 구비된 무지부가 전기적으로 접촉하는 경우, (iv) 양극에 구비된 무지부와 음극에 구비된 무지부가 전기적으로 접촉하는 경우이다.
도 13을 참조하면, 음극에 구비된 유지부와 양극에 구비된 무지부가 전기적으로 접촉하는 (iii)번 케이스에서 전력이 가장 높게 나타났음을 확인할 수 있다. 즉, 음극에 구비된 유지부와 양극에 구비된 무지부가 전기적으로 접촉하는 (iii)번 케이스에서 발화 발생 가능성이 매우 높게 나타났다. 이는 저항이 매우 낮아 단락 전류가 크고, 그로 인해 온도가 급격히 상승하기 때문이다.
따라서, 본 발명의 전극 조립체(10)의 구조를 고려할 때, 음극에 구비된 유지부와 양극에 구비된 무지부의 전기적 접촉을 방지할 수 있는 구조의 모색이 요청된다.
이러한 과제에 대하여 예의 검토한 결과, 본 발명자는 양극에 구비된 무지부의 적어도 일부 영역에 절연층(14)을 구비하면, 음극에 구비된 유지부와의 전기적 접촉을 효과적으로 방지할 수 있다는 결과를 도출하여 본 발명을 완성시켰다. 즉, 상기 제1 전극(11)은, 양극일 수 있다. 다만, 제1 전극(11)이 반드시 양극에 한정되는 것은 아니고, 음극이 될 수도 있다. 그리고, 본 발명에서 제2 전극(12)에 절연층(14)이 구비되는 것을 배제하는 것도 아니다. 즉, 양극과 음극 모두에 상기 절연층(14)이 구비될 수 있다. 이 경우, 발생 가능한 모든 단락 케이스를 방지할 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 0.4 보다 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 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 대략 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 대략 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 대략 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 대략 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 대략 0.575인 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 대략 0.277이다. 21700 셀의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.300이다.
상술한 실시예에 따른 원통형 배터리 셀은 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(3)은 원통형 이차전지(1)가 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(2)을 포함한다. 원통형 이차전지(1)는 상술한 실시예에 따른 배터리 셀이다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 이차전지(1)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자(40) 등의 부품의 도시는 생략되었다.
배터리 팩(3)은 자동차에 탑재될 수 있다. 자동차는 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차는 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함한다.
도 15는 도 11의 배터리 팩(3)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 포함한다. 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
5 자동차
3 배터리 팩
2 팩 하우징
1 원통형 이차전지
10 전극 조립체
C 권취 중심
11 제1 전극
11a 무지부
11b 유지부
12 제2 전극
12a 무지부
12b 유지부
13 분리막
14 절연층
F 분절편
20 전지 캔
21 비딩부
22 크림핑부
30 밀봉체
40 단자
50 제1 집전판
60 인슐레이터
70 절연 가스켓
80 제2 집전판
90 실링 가스켓

Claims (39)

  1. 쉬트 형상을 가진 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은,
    장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부; 및
    상기 무지부를 제외한 영역에 활물질층이 코팅되어 있는 유지부; 를 포함하고,
    상기 제1 전극은,
    상기 무지부의 적어도 일부 및 상기 유지부의 적어도 일부를 동시에 커버하는 적어도 하나의 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 제1 전극의 양 면에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극의 무지부는, 적어도 일부가 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 구조를 가지며,
    상기 절연층은, 상기 제1 전극의 양 면 중 절곡 방향쪽에 위치하는 일 면 상에만 구비되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연층의 권취 축 방향 일 단부는,
    상기 분리막의 귄취 축 방향 일 단부와 동일한 높이 또는 일 단부의 외측에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연층의 권취 축 방향 일 단부는,
    상기 분리막의 귄취 축 방향 일 단부와 동일 높이에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 무지부는,
    상기 절연층의 외측으로 더 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유지부는,
    상기 분리막보다 권취 축 방향으로 더 돌출되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은,
    양극인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 분리막을 사이에 두고 상기 절연층과 마주보는 상기 제2 전극의 일 단부는,
    상기 분리막의 일 단부보다 외측으로 돌출되지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유지부는,
    상기 유지부의 중앙 영역에 비해 상기 활물질층의 두께가 감소되어 있는 슬라이딩부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 슬라이딩부는,
    상기 유지부와 상기 무지부의 경계 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 슬라이딩부는,
    상기 제1 전극의 일 단부 및 상기 제2 전극의 타 단부에 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 전극에 구비된 유지부의 슬라이딩부와, 상기 제2 전극에 구비된 유지부의 슬라이딩부는,
    서로 반대 방향에 구비되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 분리막은,
    상기 제1 전극의 타 단부 및 상기 제2 전극의 일 단부보다 외측으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 슬라이딩부의 적어도 일부를 커버하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 무지부를 0.3 ~ 5 mm 커버하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 무지부를 1.5 ~ 3 mm 커버하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 유지부를 0.1 ~ 3 mm 커버하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 유지부를 0.2 ~ 0.5 mm 커버하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 무지부의 적어도 일부 구간은,
    복수의 분절편으로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 복수의 분절편은,
    상기 전극 조립체의 반경 방향으로 절곡되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 무지부의 양 면 중, 절곡 방향을 향하는 면에는, 상기 절연층이 상기 무지부의 말단까지 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 무지부의 말단을 감싸는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 무지부의 양 면 중, 절곡 방향을 향하는 면의 반대측 면에는, 상기 절연층이 상기 무지부의 절곡 지점까지 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 무지부의 양 면 중, 절곡 방향을 향하는 면 상에서 상기 무지부의 단부까지 연장되지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 분절편은, 상기 전극 조립체의 높이 방향 일 면 상에서 일부 영역에만 구비되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 높이 방향 일 면 상에서 상기 분절편이 형성된 영역이 차지하는 면적은 상기 분절편이 형성되지 않은 영역이 차지하는 면적보다 더 큰 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 반경 방향으로 서로 인접한 복수의 분절편들은 전극 조립체의 반경 방향을 따라 중첩되며,
    상기 무지부의 양 면 중 무지부의 절곡 방향에 위치하는 일 면 상에 구비되는 상기 절연층은 분절편이 형성된 영역에서는 무지부의 단부까지 연장된 형태를 가지고, 분절편이 형성되지 않은 영역에서는 무지부의 단부까지 연장되지 않은 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극에 구비된 무지부와, 상기 제2 전극에 구비된 무지부는,
    서로 반대 방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극에 구비된 유지부의 권취 축 방향 길이는,
    상기 제2 전극에 구비된 유지부의 권취 축 방향의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극에 구비된 유지부는,
    상기 제2 전극에 구비된 유지부보다, 권취 축 방향 내 측에 위치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  32. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 무지부와 상기 유지부의 경계 영역 상에 구비되는 절연 코팅층 또는 절연 테이프인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  33. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    유계 SBR 바인더 및 알루미나 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 기재된 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 수납되며, 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 전지 캔;
    상기 전지 캔의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 및
    상기 제1 전극과 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 원통형 이차전지는,
    상기 제1 전극에 구비된 무지부와 전기적으로 결합된 제1 집전판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 무지부는,
    상기 무지부의 전체 영역 중 상기 절연층에 의해 커버되지 않은 영역에서, 상기 제1 집전판과 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 무지부는,
    상기 무지부의 전체 영역 중 상기 절연층에 의해 커버되지 않은 영역에서, 상기 제1 집전판과 용접에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  38. 제34항에 따른 원통형 이차전지를 포함하는 배터리 팩.
  39. 제38항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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