KR20230021584A - 전극 조립체, 이차전지, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents
전극 조립체, 이차전지, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 전극 조립체는, 양극 및 음극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 양극 또는 음극인 전극은, 장변과 단변을 가진 쉬트 형상의 집전체로서 장변 단부에 무지부를 포함하는 집전체를 포함하고, 상기 무지부는 그 자체로서 전극탭으로 사용되는 전극탭 정의 구간과 전극탭으로 사용되지 않는 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간을 포함하고, 상기 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간에 대한 최대 전류 경로는 상기 집전체의 단변을 따르는 폭 방향 전류 경로와 상기 집전체의 장변을 따르는 길이 방향 전류 경로를 포함하고, 상기 폭 방향 전류 경로의 길이와 상기 길이 방향 전류 경로의 길이를 각각 L1 및 L2라고 할 때, 전류 경로 비율(L2/L1)은 11 이하인 것이다.
Description
본 발명은 전극 조립체, 이차전지, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 저저항 구현을 가능하게 하는 젤리-롤 형태의 전극 조립체, 이를 포함하는 원통형 이차전지, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
이차전지의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 이차전지가 알려져 있다. 원통형 이차전지의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리-롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전지 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극탭이 연결될 수 있으며, 전극탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적으로 연결시킨다.
원통형 이차전지는 셀의 크기를 증가시켜 용량을 증가시킬 수 있다. 이 때, 높은 전류 밀도에도 에너지 손실, 발열 등의 측면에서 우수한 품질을 나타낼 수 있는 저저항 셀 설계가 필요하다. 이러한 저저항 셀의 설계는, 결국 전류 경로(current path)를 최소화하는 것이 중요하다.
도 1은 종래의 원통형 이차전지에 적용되는 양극 및 음극을 펼쳐 놓은 상태를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 원통형 이차전지에 적용되는 전극으로, 양극(1) 및 음극(2)이 도시되어 있다. 양극(1)의 길이 방향 중간부에 형성된 무지부(1a)에는 스트립 형태의 양극탭(1b)이 폭 방향을 따라 상부로 돌출되게 연결되어 있고, 음극(2)의 길이 방향 양단에 형성된 무지부(2a)에는 스트립 형태의 음극탭(2b)이 폭 방향을 따라 하부로 돌출되게 연결되어 있다. 도 1의 (a)는 양극탭(1b)과 음극탭(2b)이 각각 1개인 경우이고, (b)는 양극탭(1b)이 1개, 음극탭(2b)이 2개인 경우이다.
도 2는 종래의 원통형 이차전지에 있어서, 이차전지 외부에서의 전류 또는 전자의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 3은 종래의 원통형 이차전지에 있어서, 전극 조립체를 구성하는 양극 및 음극에서의 전류 또는 전자의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전류 경로는 크게, 모듈 버스바 용접 위치에서 각 전극(1, 2)의 전극탭(1b, 2b)에 이르는 경로(이하, 제1 경로), 및 각 전극(1, 2)의 전극탭(1b, 2b)에서 전극 끝지점에 이르는 경로, 이렇게 두 가지로 나눌 수 있다.
도 2에는 제1 경로가 도시되어 있는데, 도 2에서 전류 시작점(원 표시)은 양극 단자(1c) 및 음극 단자(2c)에 위치한다. 양극 단자(1c)는 전지 캔(3)의 개방부를 밀봉하는 밀봉체의 캡이고, 음극 단자(2c)는 전지 캔(3)이다. 모듈 버스바 용접 위치가 원통형 이차전지의 상단에 위치하는 경우를 예로 들었다. 양극 단자(1c)에서 시작되어 양극탭(1b)으로 연결되는 전류 경로가 형성되고, 음극 단자(2c)에서 시작되어 음극탭(2b)으로 연결되는 전류 경로가 형성된다(연결 위치는 세모 표시). 이처럼 제1 경로는 셀 외관에 의해 결정된다.
전극의 활물질층에서 전기화학적 산화 반응이 일어나면, 활물질층의 전영역에서 금속 원자(Li)가 금속 양이온(Li+)으로 전환되면서 전자가 생성된다. 전자는 전극을 구성하는 집전체(포일)를 통해서 전극탭까지 이동한 후 제1 경로를 통해 외부로 흐른다. 이 때, 전류는 전자의 흐름과는 반대 방향으로 흐른다. 반면, 전극에서 전기화학적 환원 반응이 일어나면, 전자가 제1 경로부터 전극탭을 통해 전극을 구성하는 집전체(포일)로 유입되고 전극의 활물질층 전 영역으로 이동하여 양이온(예를 들어 Li+)과 결합하며 금속 양이온이 금속으로 전환된다. 이 때, 전류는 전자의 흐름과는 반대 방향으로 흐른다.
한편, 전극에서 산화 또는 환원 반응이 일어날 때, 전자가 이동하는 경로는 전류 경로에 대응한다. 전극의 최대 전류 경로는 전극을 구성하고 있는 집전체(포일)의 기하학적 구조와 전극탭의 위치 및 개수에 의존하여 결정된다. 전극의 최대 전류 경로는 전극탭으로부터 가장 멀리 떨어진 전극 지점과 전극탭 사이의 최장 거리로 정의될 수 있다. 전극탭으로부터 가장 멀리 떨어진 전극 지점에서 전기화학적 산화 환원 반응이 일어나면, 전자들은 해당 전극 지점과 전극탭 사이를 연결하는 복수의 경로를 통해 이동하며 전자들의 일부는 최대 전류 경로를 통해서도 이동한다. 따라서, 전극의 최대 전류 경로가 길어지면 전체 전극의 관점에서 전자의 평균 이동 거리가 증가하게 되어 전극의 저항도 증가한다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 전극의 기하학적 구조와 전극탭의 개수 및 위치에 따라 고유하게 결정되는 최대 전류 경로를 전극의 제2 경로라고 지칭한다. 도 3에는 전극의 최대 전류 경로인 제2 경로가 도시되어 있고, 전극탭(1b, 2b)의 형성 위치 및 개수에 따라 제2 경로의 길이가 달라짐을 나타내고 있다.
도 3의 (a)를 참조하면, 양극(1)의 제2 경로(최대 전류 경로)는 도 2의 양극 단자(1c)에서부터 원통형 이차전지 내부의 양극탭(1b)을 따라 이어지는 폭 방향 전류 경로와 양극(1)의 길이 방향으로 횡단하여 양극(1)의 우측 하단에서 종료되는 길이 방향 전류 경로를 포함한다(전극탭으로부터 가장 멀리 떨어진 전극 지점은 네모 표시). 음극(2)의 제2 경로(최대 전류 경로)는, 도 2의 음극 단자(2c)에서 시작되어 원통형 이차전지 내부의 음극탭(2b)을 따라 이어지는 폭 방향 전류 경로와 음극(2)의 길이 방향으로 횡단하여 음극(2)의 좌측 상단에서 종료되는 길이 방향 전류 경로를 포함한다.
도 3의 (b)를 참조하면, 양극(1)의 제2 경로는 도 2의 (a)와 동일하다. 음극(2)의 경우, 2개의 음극탭(2b)을 포함하므로 음극(2)의 제2 경로(최대 전류 경로)는 길이 방향 전류 경로가 1/2로 감소하므로 도 3의 (b)보다 짧아진다. 이와 같이 제2 경로는 전극탭의 개수가 증가하면 길이 방향 전류 경로의 감소로 인해 그 만큼 감소하게 된다.
현재 사용되는 1865(직경:18mm, 높이:65mm) 및/또는 2170(직경:21mm, 높이:70mm) 폼 팩터를 가진 소형 원통형 이차전지의 경우, 제2 경로에 따른 저항이 매우 크게 나타난다. 여기서, 폼 팩터란, 원통형 이차전지의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 나머지 숫자들은 셀의 높이를 나타낸다.
도 3에서 본 바와 같이, 종래의 원통형 이차전지는, 폭 방향 전류 경로 대비 길이 방향 전류 경로가 매우 길다. 전지의 저항은 전류 경로가 길수록 증가한다. 도 3의 (a)에 비해 (b)에서와 같이 음극탭(2b)의 개수를 늘린 것도 음극의 길이 방향 전류 경로를 줄여서 저항을 낮추기 위한 것이다.
원통형 이차전지의 저항은, 셀 외부에서의 제1 경로에 따른 저항과 셀 내부에서의 제2 경로에 따른 저항에 영향을 받는데, 이 중 특히 제2 경로에 따른 저항에 의해 지배적 영향을 받는다. 이는, 전극 조립체의 구조로 인한 전류(또는 전자)의 흐름 경로의 길이와 관련성이 있다. 따라서, 이러한 저항 상승의 주된 원인을 고려하여 원통형 이차전지에 있어서 저저항을 구현할 수 있는 방안의 모색이 요청된다. 저항이 작을수록 실 사용 환경에서 발열이 적게 나타나며, 급속 충전이나 고율 방전시에도 유리하다.
한편, 종래의 원통형 이차전지에 의하면, 무지부(1a, 2a)와 결합되는 스트립 형태의 전극탭(1b, 2b)에 전류가 집중되기 때문에 저항이 크고 열이 많이 발생하며 집전 효율이 좋지 않다는 문제점이 있다. 소형 원통형 이차전지는 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 이차전지를 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 저항과 발열은 발화 사고를 일으킬 수 있으므로 큰 문제점이 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 젤리-롤 타입의 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하도록 설계하고, 이러한 무지부에 집전판을 용접시켜 집전 효율이 개선된 구조를 갖는 원통형 이차전지(소위 탭-리스(Tab-less) 원통형 이차전지)가 제시되었다.
도 4 내지 도 6은 탭-리스 원통형 이차전지의 제조 과정을 보여주는 도면들이다. 도 4는 전극의 구조를 나타내고, 도 5는 전극의 권취 공정을 나타내고, 도 6은 무지부의 절곡 표면영역에 집전판이 용접되는 공정을 나타낸다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 양극(10)과 음극(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. 장변은 X축 방향과 평행한 방향으로서 길이가 상대적으로 긴 변을 의미한다.
전극 조립체(A)는 양극(10)과 음극(11)을 도 5에 도시된 것처럼 2장의 분리막(12)과 함께 순차적으로 적층시킨 후 일 방향(X)으로 권취시켜 제작한다. 이 때, 양극(10)과 음극(11)의 무지부는 서로 반대 방향으로 배치된다. 전극 조립체(A)의 상부에 전체적으로 양극 무지부(10a)가 형성되어 있고, 전극 조립체(A)의 하부에 전체적으로 음극 무지부(11a)가 형성되어 있다.
권취 공정 이후, 양극(10)의 무지부(10a)와 음극(11)의 무지부(11a)는 코어측으로 절곡된다. 그 이후에는, 무지부(10a, 11a)에 집전판(30, 31)을 각각 용접시켜 결합시킨다.
양극 무지부(10a)와 음극 무지부(11a)에는 별도의 전극탭이 결합되어 있지 않고, 집전판(30, 31)이 외부의 전극 단자와 연결되며, 전류 경로가 전극 조립체(A)의 권취축 방향(화살표 참조)을 따라 큰 단면적으로 형성되므로 이차전지의 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반비례하기 때문이다.
탭-리스 원통형 이차전지에서, 무지부(10a, 11a)와 집전판(30, 31)의 용접 특성을 향상시키기 위해서는 무지부(10a, 11a)의 용접 영역에 강한 압력을 가하여 최대한 평평하게 무지부(10a, 11a)를 절곡시켜야 한다. 그런데, 무지부(10a, 11a)의 용접 영역을 절곡시킬 때 무지부(10a, 11a)의 모양이 불규칙하게 일그러지면서 변형될 수 있다. 이 경우, 변형된 부위가 반대 극성의 전극과 접촉하여 내부 단락을 일으키거나 무지부(10a, 11a)에 미세한 크랙을 유발할 수 있다. 또한 전극 조립체(A)의 코어(33)에 인접한 무지부(32)가 절곡되면서 전극 조립체(A)의 코어에 있는 공동을 전부 또는 상당 부분 폐색한다. 이 경우, 전해액 주액 공정에서 문제를 일으킨다. 즉, 전극 조립체(A)의 코어(33)에 있는 공동은 전해액이 주입되는 통로로 사용된다. 그런데, 해당 통로가 폐색되면 전해액 주입이 어렵다. 또한, 전해액 주입기가 코어(33)에 있는 공동에 삽입되는 과정에서 코어(33) 근처의 무지부(32)와 간섭을 일으켜 무지부(32)가 찢어지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 집전판(30, 31)이 용접되는 무지부(10a, 11a)의 절곡 부위는 여러 겹으로 중첩되어 있어야 하고 빈 공간(빈틈)이 존재하면 안 된다. 그래야만, 충분한 용접 강도를 얻을 수 있고 레이저 용접 등의 최신 기술을 사용하더라도 레이저가 전극 조립체(A) 내부로 침투하여 분리막(12)이나 활물질(21)을 융발시키는 문제를 방지할 수 있다.
또한, 종래의 탭-리스 원통형 이차전지는 전극 조립체(A)의 상부에 전체적으로 양극 무지부(10a)가 형성되어 있어, 전지 캔 상단의 외주면을 내부로 압입하여 비딩부를 형성할 때, 전극 조립체(A)의 상단 가장자리 영역(34)이 전지 캔에 의한 압박을 받게 된다. 이러한 압박은, 전극 조립체(A)의 부분적인 변형을 발생시킬 수 있으며, 이 때 분리막(12)이 찢어지면서 내부 단락이 발생할 수 있다. 이차전지 내부에서 단락이 발생하면, 발열이나 폭발이 초래될 수 있다.
이러한 점들을 고려하면, 무지부(10a, 11a)가 지금처럼 전극 조립체(A)의 상부와 하부에 전체적으로 형성되어서는 안 되며, 일부 구간에서는 생략되어야 할 필요성이 발생한다. 무지부(10a, 11a)를 일부 구간에서 생략하는 경우, 앞서 언급한 전극 조립체 내부에서의 길이 방향 전류 경로에 따른 저항이 증가되기 때문에, 전류 경로를 최소화하는 저저항 셀 설계가 탭-리스 원통형 이차전지에서도 고려되어야 한다. 특히, 원통형 이차전지를 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 많은 열이 발생하면서 원통형 이차전지가 발화하는 문제가 발생할 수 있기 때문에, 전류 경로를 최소화하는 저저항 셀 설계는 더욱 중요해진다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 배경하에서 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 원통형 이차전지에 있어서 전류 경로, 특히 길이 방향 전류 경로를 최소화하여 저저항을 구현하고, 이로써 원통형 이차전지가 고용량 및/또는 고출력을 가지면서도 이에 따른 높은 전류 밀도로 인한 발열의 정도 등의 측면에서 우수한 품질을 나타낼 수 있도록 하는 전극 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 전류 경로가 최소화되도록 개선된 구조의 전극 조립체를 포함하는 이차전지와 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전극 조립체는, 양극 및 음극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 양극 또는 음극인 전극은, 장변과 단변을 가진 쉬트 형상의 집전체로서 장변 단부에 무지부를 포함하는 집전체를 포함하고, 상기 무지부는 그 자체로서 전극탭으로 사용되는 전극탭 정의 구간과 전극탭으로 사용되지 않는 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간을 포함하고, 상기 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간에 대한 최대 전류 경로는 상기 집전체의 단변을 따르는 폭 방향 전류 경로와 상기 집전체의 장변을 따르는 길이 방향 전류 경로를 포함하고, 상기 폭 방향 전류 경로의 길이와 상기 길이 방향 전류 경로의 길이를 각각 L1 및 L2라고 할 때, 전류 경로 비율(L2/L1)이 11 이하인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 전류 경로 비율(L2/L1)이 10.15 이하일 수 있다.
상기 전류 경로 비율(L2/L1)은 8.5 이하일 수도 있고, 2 내지 5일 수도 있다.
상기 전극탭 미정의 구간은 상기 전극탭 정의 구간에 비해 무지부의 높이가 작은 것일 수 있다.
상기 전극탭 미정의 구간의 길이의 최대값은 상기 양극 및 음극의 길이의 4% 내지 23%일 수 있다.
상기 전극탭 미정의 구간의 길이의 최대값은 상기 양극 및 음극의 폭의 2.5배 내지 11배일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 무지부는 상기 코어에 인접한 제1 부분, 상기 외주면에 인접한 제2 부분, 및 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이의 제3 부분을 포함하고, 상기 권취축 방향으로 상기 제1 부분이 상기 제3 부분보다 작은 높이를 가지는 것일 수 있다.
그리고, 상기 제3 부분이 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의될 수 있다.
상기 권취축 방향으로 상기 제2 부분은 상기 제3 부분과 같거나 작은 높이를 가질 수 있다.
그러면, 상기 제2 부분 및 상기 제3 부분이 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의될 수 있다.
상기 집전체의 단변 길이는 60mm-85mm이고 상기 집전체의 장변 길이는 3m-5m일 수 있다.
이 때, 상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이의 최대값은 상기 집전체의 장변 길이의 4% 내지 23%일 수 있다.
상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이는 660mm 이하일 수 있다.
상기 제1 부분이 상기 전극탭 미정의 구간에 대응될 수 있다.
상기 제1 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되지 않을 수 있다.
상기 제2 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되지 않을 수 있다.
상기 전극 조립체의 권취 방향으로, 상기 제3 부분의 길이가 상기 제1 부분의 길이 및 상기 제2 부분의 길이보다 더 길 수 있다.
상기 제1 부분은 상기 집전체의 코어측 단변으로부터 시작되고, 상기 제1 부분의 높이는 상기 권취 방향을 따라 일정하며, 상기 제1 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제3 부분의 적어도 일부 영역은 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있을 수 있다.
이 때, 상기 분절편은 절곡되어 상기 권취축 방향으로 겹쳐진다.
바람직하게, 상기 집전체의 단변 길이는 60mm-85mm이고 상기 집전체의 장변 길이는 3m-5m이며, 상기 집전체의 두께는 5㎛ 내지 25㎛이고, 상기 분절편의 폭은 3mm-10mm이며, 상기 분절편의 높이는 10mm 이하이다.
이 때, 상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이는 660mm 이하이다.
상기 전극 조립체는, 상기 권취축 방향에 따른 단면을 기준으로, 반경 방향을 따라 순차적으로, 분절편이 존재하지 않는 분절편 생략 구간, 분절편의 높이가 균일한 높이 균일 구간을 포함하고, 상기 복수의 분절편은 상기 높이 균일 구간에 배치되고 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되면서 절곡 표면영역을 형성한다.
다른 예로, 상기 전극 조립체는, 상기 분절편 생략 구간과 상기 높이 균일 구간 사이에 분절편의 높이가 가변되는 높이 가변 구간을 더 포함하고, 상기 복수의 분절편은 상기 높이 가변 구간 및 상기 높이 균일 구간에 배치되며, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되면서 절곡 표면영역을 형성할 수도 있다.
상기 분절편 생략 구간은 상기 전극탭 미정의 구간에 대응될 수 있다.
상기 제2 부분은 분절편들로 분할되어 있지 않고, 상기 제1 부분과 제2 부분의 높이는 동일할 수 있다.
상기 제3 부분은 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 분절편이 없는 분절편 생략 구간을 하나 이상 포함할 수도 있다.
이 , 상기 분절편 생략 구간에서의 무지부 높이는 상기 제1 부분의 높이와 동일할 수 있다.
상기 분절편은 상기 코어를 기준으로 원주 방향으로 배치되어 있는 2개 이상의 부채꼴 영역 또는 다각형 영역에 위치할 수 있다.
이 경우에도, 상기 분절편 생략 구간이 상기 전극탭 미정의 구간에 대응될 수 있다.
상기 코어에 공동이 구비되어 있으며, 상기 제3 부분이 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의되고, 상기 제3 부분은 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있으며, 절곡된 상기 분절편은 상기 공동을 가리지 않는 것일 수 있다.
그러한 경우, 상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이의 최대값은 상기 집전체의 장변 길이의 4% 내지 23%일 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 본 발명에 따른 전극 조립체; 일측에 형성된 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하며, 음극의 무지부와 연결된 원통형의 전지 하우징; 상기 전지 하우징으로부터 절연 가능하도록 상기 전지 하우징의 개방부를 밀봉하는 밀봉체; 및 상기 전지 하우징의 상기 개방부의 반대편에 위치하는 상기 전지 하우징의 바닥에 형성된 관통 홀을 통해 리벳팅되며, 양극의 무지부와 연결된 양극 단자를 포함한다.
바람직하게, 본 발명의 이차전지는, 상기 양극의 무지부가 분리막의 외부로 노출되고, 상기 음극의 무지부는 상기 양극의 무지부와 반대 방향으로 상기 분리막의 외부로 노출되며, 상기 양극의 무지부와 전기적으로 연결된 양극 집전판 및 상기 음극의 무지부와 전기적으로 연결된 음극 집전판을 더 포함한다.
상기 이차전지의 DC 저항은 4mΩ(milliohm) 이하이고 AC 저항은 3mΩ 이하일 수 있다.
바람직하게, 상기 이차전지의 AC 저항이 2mΩ 이하일 수 있다.
상기 이차전지는 높이 대비 직경의 비율이 0.4보다 클 수 있다.
상기 밀봉체는, 극성이 없는 캡 플레이트 및 상기 캡 플레이트의 가장자리와 상기 전지 하우징의 개방부 사이에 개재된 밀봉 가스켓을 포함할 수 있다.
상기 양극 단자는, 상기 관통 홀에 삽입된 몸체부; 상기 전지 하우징의 바닥의 외부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 일측 둘레로부터 상기 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부; 상기 전지 하우징의 바닥의 내부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 타측 둘레로부터 상기 내부면을 향해 연장된 내부 플랜지부; 및 상기 내부 플랜지부의 내측에 구비된 평탄부;를 포함할 수 있다.
상기 이차전지는 상기 양극의 무지부와 전기적으로 연결된 양극 집전판 및 상기 음극의 무지부와 전기적으로 연결된 음극 집전판을 더 포함하고, 상기 평탄부에서 상기 양극 단자는 상기 양극 집전판과 레이저 용접으로 결합될 수 있다.
전극탭 미정의 구간은 상기 음극 집전판 및 양극 집전판과 연결되지 않아 전류 경로를 형성하는 부위가 되지 못하는 부분일 수 있다.
본 발명의 다른 과제는 복수의 상술한 이차전지를 포함하는 배터리 팩에 의해 달성될 수 있다.
바람직하게, 복수의 이차전지는 소정 수의 열로 배열되고, 각 이차전지의 양극 단자와 전지 하우징 바닥의 외부면은 상부를 향하도록 배치된다.
본 발명의 다른 과제는 상기 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 자동차에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 최대 전류 경로에서 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 제시한다. 이러한 전류 경로 비율(L2/L1)이 갖는 범위는 전극 조립체가 고용량을 가지면서도 내부 저항을 최소화할 수 있는 범위에 해당하는 것이다. 따라서, 이러한 전극 조립체를 포함하는 이차전지는 고용량 및/또는 고출력을 가지면서도 이에 따른 높은 전류 밀도로 인한 발열의 정도 등의 측면에서 우수한 품질을 나타낼 수 있게 된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 상부 및 하부에 돌출된 무지부 자체를 전극탭으로서 사용함으로써 이차전지의 내부 저항을 감소시키고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 무지부가 찢어지는 현상을 방지하고 무지부의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시켜 집전판의 용접 강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극의 무지부에 분절편 구조를 적용하고 분절편의 디멘션(폭, 높이, 이격 피치)을 최적화시켜 용접 타겟 영역으로 사용되는 영역의 분절편 적층수를 충분히 증가시키는 것에 의해 집전판이 용접되는 영역의 물성을 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 분절편들의 절곡에 의해 형성된 절곡 표면영역에 집전판을 넓은 면적으로 용접시킨 구조를 적용함으로써 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소된 전극 조립체가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상부에서 전기적 배선을 수행할 수 있도록 디자인이 개선된 원통형 이차전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 원통형 이차전지의 양극 단자 구조를 개선하여 전류 경로의 단면적을 확대함으로써 급속 충전 시 생기는 내부 발열 문제를 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 코어에 인접한 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 전극 조립체의 코어에 있는 공동이 폐색되는 것을 방지하여 전해액 주입 공정과 전지 하우징(또는 양극 단자)과 집전판의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내부 저항이 낮고, 내부 단락이 방지되고, 집전판과 무지부의 용접 강도가 향상된 구조를 갖는 원통형 이차전지, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 DC 저항이 4mΩ 이하이고 AC 저항이 3mΩ 이하이며, 높이 대비 직경의 비율이 0.4 이상인 원통형 이차전지와 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시예에서 설명하거나, 통상의 기술자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 원통형 이차전지에 적용되는 양극 및 음극을 펼쳐 놓은 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 원통형 이차전지에 있어서, 이차전지 외부에서의 전류 또는 전자의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 원통형 이차전지에 있어서, 전극 조립체를 구성하는 양극 및 음극에서의 전류 또는 전자의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 종래의 탭-리스 원통형 이차전지의 제조에 사용되는 전극의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 5는 종래의 탭-리스 원통형 이차전지의 전극 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 6은 종래의 탭-리스 원통형 이차전지에 있어서 무지부의 절곡면에 집전판이 용접되는 공정을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 7의 전극 조립체에 포함되는 전극에서의 최대 전류 경로에 대한 전류 경로 비율을 일정 범위 이내로 설정하게 된 배경을 설명하기 위한 것으로, 가상의 전극 조립체를 구성하는 양극 및 음극에서의 전류 또는 전자의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 도 7의 전극 조립체에 포함될 수 있는 제1 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 10은 시뮬레이션에 사용된 전극탭 미정의 구간을 포함하는 전극의 모식도이다.
도 11은 시뮬레이션을 통해 확인한 용접 포인트 수에 따른 저항 그래프이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제2 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제3 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제4 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제5 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 제5 실시예에 따른 전극의 변형 구조를 나타낸 평면도이다.
도 18은 본 발명의 변형예에 따른 전극이 전극 조립체로 권취되었을 때 복수의 분절편이 위치할 수 있는 독립 영역을 나타낸 상부 평면도이다.
도 19는 본 발명의 제6 실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 20은 본 발명의 제6 실시예에 따른 전극에 포함된 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 21은 절곡 표면영역이 형성된 전극 조립체를 개략적으로 도시한 상부 사시도이다.
도 22는 제5 실시예 및 제6 실시예(이들의 변형예들)의 전극들 중 어느 하나를 양극 및 음극에 적용한 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 23은 본 발명의 제5 실시예에 따른 전극의 변형 구조를 나타낸 평면도이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 단면도이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 26은 도 25의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 1은 종래의 원통형 이차전지에 적용되는 양극 및 음극을 펼쳐 놓은 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 원통형 이차전지에 있어서, 이차전지 외부에서의 전류 또는 전자의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 원통형 이차전지에 있어서, 전극 조립체를 구성하는 양극 및 음극에서의 전류 또는 전자의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 종래의 탭-리스 원통형 이차전지의 제조에 사용되는 전극의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 5는 종래의 탭-리스 원통형 이차전지의 전극 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 6은 종래의 탭-리스 원통형 이차전지에 있어서 무지부의 절곡면에 집전판이 용접되는 공정을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 7의 전극 조립체에 포함되는 전극에서의 최대 전류 경로에 대한 전류 경로 비율을 일정 범위 이내로 설정하게 된 배경을 설명하기 위한 것으로, 가상의 전극 조립체를 구성하는 양극 및 음극에서의 전류 또는 전자의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 도 7의 전극 조립체에 포함될 수 있는 제1 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 10은 시뮬레이션에 사용된 전극탭 미정의 구간을 포함하는 전극의 모식도이다.
도 11은 시뮬레이션을 통해 확인한 용접 포인트 수에 따른 저항 그래프이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제2 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제3 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제4 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제5 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 제5 실시예에 따른 전극의 변형 구조를 나타낸 평면도이다.
도 18은 본 발명의 변형예에 따른 전극이 전극 조립체로 권취되었을 때 복수의 분절편이 위치할 수 있는 독립 영역을 나타낸 상부 평면도이다.
도 19는 본 발명의 제6 실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 20은 본 발명의 제6 실시예에 따른 전극에 포함된 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 21은 절곡 표면영역이 형성된 전극 조립체를 개략적으로 도시한 상부 사시도이다.
도 22는 제5 실시예 및 제6 실시예(이들의 변형예들)의 전극들 중 어느 하나를 양극 및 음극에 적용한 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 23은 본 발명의 제5 실시예에 따른 전극의 변형 구조를 나타낸 평면도이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 단면도이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 26은 도 25의 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.
또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 서로 다른 실시예에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여될 수 있다.
2 개의 비교 대상이 '동일'하다는 언급은 '실질적으로 동일'한 것을 의미한다. 따라서 실질적 동일은 당업계에서 낮은 수준으로 간주되는 편차, 예를 들어 5% 이내의 편차를 가지는 경우를 포함할 수 있다. 또한, 영역에서 어떠한 파라미터가 균일하다는 것은 해당 영역에서 평균적 관점에서 균일하다는 것을 의미할 수 있다.
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. 또한, 연결은 전기적 연결 또는 물리적 연결을 포함할 수 있다.
설명의 편의상 본 명세서에서 젤리-롤 형태로 감기는 전극 조립체의 권취축의 길이 방향을 따르는 방향을 권취축 방향(Y축 방향)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축을 둘러싸는 방향을 원주 방향 또는 둘레 방향(X축 방향)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축에 가까워지거나 권취축으로부터 멀어지는 방향을 반경 방향이라 지칭한다.
본 발명의 특징들 중 하나는, 원통형 이차전지에 있어서 저항을 최소화하기 위해, 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 구성하는 양극 및/또는 음극에서의 최대 전류 경로를 설정하는 것에 있다. 특히, 본 발명에서는 최대 전류 경로에서 집전체의 단변을 따르는 폭 방향 전류 경로의 길이(L1)와 상기 집전체의 장변을 따르는 길이 방향 전류 경로의 길이(L2)에 대해, 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 제시한다. 이러한 전류 경로 비율이 갖는 범위는 전극 조립체가 고용량을 가지면서도 내부 저항을 최소화할 수 있는 범위에 해당하는 것이며, 상기 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 넘어가면 이차전지의 최소 저항 요구 조건(이를 테면 DC 저항이 4mΩ 이하이고 AC 저항이 3mΩ 이하)을 만족할 수 없다.
먼저 본 발명의 전극 조립체에 관해 설명한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 전극 조립체(100)는 양극(40) 및 음극(50)과 이들 사이에 개재된 분리막(60)을 포함한다. 전극 조립체(100)는 양극(40), 음극(50) 및 분리막(60)이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리-롤 타입의 전극 조립체일 수 있다. 이러한 전극 조립체(100)는 양극(40), 분리막(60), 음극(50), 분리막(60)을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취축(B)을 중심으로 하여 일 방향(도면에서 X축 방향)으로 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 전극 조립체(100)의 가장 안쪽은 코어, 가장 바깥쪽은 외주면으로 정의된다. X축 방향이 권취 방향이다.
상기 코어에는 공동이 구비될 수 있다. 상기 공동의 직경은 예를 들어 2mm 이상 8mm 이하일 수 있다. 상기 공동은 권취축이 되는 권심을 빼낸 자리일 수 있다. 상기 공동의 직경이 작을수록 이러한 전극 조립체(100)를 포함하는 전지 하우징의 내부 공간 활용에 유리하나 권심을 이용해야 전극 조립체(100)를 제조할 수 있으므로, 상기 공동의 직경을 0으로 할 수는 없다. 또한 상기 공동은 전해액 주액시 전해액의 이동 통로이므로 전해액 함침을 원활히 달성할 수 있으려면 소정 크기 이상은 되어야 한다. 따라서, 허용되는 권취 공정의 수준에서 되도록이면 상기 공동의 직경은 2mm 이상으로 함이 바람직하고, 상기 공동의 직경이 8mm를 넘어가면 내부 공간 활용이 비효율적이어서 에너지 밀도의 관점에서 바람직하지 않다.
양극(40)은, 장변과 단변을 가진 쉬트 형상의 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질층(40b)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향을 따라 한쪽 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부(40a)를 포함한다. 여기서, 장변은 X축 방향과 평행한 방향으로서 길이가 상대적으로 긴 변을 의미한다. X축 방향은 길이 방향이라고 부를 수 있다. 단변은 도면에서 Y축 방향과 평행한 방향으로서 장변에 비해 길이가 짧은 변을 의미한다. Y축 방향은 폭 방향이라고 부를 수 있다.
양극 무지부(40a)가 그 자체로서 전극탭으로서 정의되어, 스트립 형태의 전극탭을 별도로 부착하는 종래 기술과 구별된다. 여기서, 전극탭으로서 정의된다는 의미는, 이차전지로 제조시 집전판과 결합되어 전류 경로를 형성하는 부위가 됨을 의미한다. 또한, 양극 무지부(40a)의 일부만 전극탭으로서 정의된다. 이러한 의미는, 양극 무지부(40a)의 일부는 전극탭으로서 사용되지 않는다는 것이다. 전극탭으로서 사용되지 않는 부분은 양극 무지부(40a)의 다른 부분에 비해 권취축 방향(Y축 방향) 높이가 작다거나 일부 구간에서 생략되거나 하여 집전판과 연결되지 않아, 전류 경로를 형성하는 부위가 되지 못하는 부분을 가리킬 수 있다. 이와 같이 양극 무지부(40a)의 일부만 전극탭으로서 정의된다는 점에서 종래 기술과 더욱 구별된다. 이와 같이, 양극 무지부(40a)는 그 자체로서 전극탭으로 사용되는 전극탭 정의 구간과 전극탭으로 사용되지 않는 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간을 포함할 수 있다.
음극(50)도, 장변과 단변을 가진 쉬트 형상의 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질층(50b)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향을 따라 한쪽 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 음극 무지부(50a)를 포함한다. 음극 무지부(50a)도 그 자체로서 전극탭으로서 정의된다. 또한, 음극 무지부(50a)의 일부만 전극탭으로서 정의된다. 이와 같이, 음극 무지부(50a)도 그 자체로서 전극탭으로 사용되는 전극탭 정의 구간과 전극탭으로 사용되지 않는 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간을 포함할 수 있다.
양극 무지부(40a)와 음극 무지부(50a)는 서로 반대 방향으로 배치되고, 권취 완료 후의 전극 조립체(100)는 대략 원기둥 모양이 된다. 전극 조립체(100)의 상단에는 양극 무지부(40a)가 위치하고, 전극 조립체(100)의 하단에는 음극 무지부(50a)가 위치한다. 이러한 전극 조립체(100)에서, 상부로 돌출된 양극 무지부(40a)의 일부와 하부에 돌출된 음극 무지부(50a)의 일부를 전극탭으로써 사용하고, 여기에 각각의 집전판을 용접시켜 연결하면, 집전 효율이 개선된 탭-리스 원통형 이차전지를 제조할 수 있다. 전극 조립체(100)의 상부 및 하부에 돌출된 무지부(40a, 50a) 자체를 전극탭으로써 사용함으로써 이차전지의 내부 저항을 감소시키고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는, 전극 조립체(100)에 포함되는 전극인 양극(40) 또는 음극(50)에서, 전극의 제2 경로(최대 전류 경로)를 구성하는 집전체의 단변을 따르는 폭 방향 전류 경로의 길이(L1) 대비 전극의 제2 경로를 구성하는 집전체의 장변을 따르는 길이 방향 전류 경로의 길이(L2)의 비(L2/L1, "전류 경로 비율")가 11 이하인 점에서 종래 기술과 더욱 더 구별된다.
전극 집전체의 단변과 장변은 각각 전극의 폭과 길이에 해당한다. 따라서, 양극(40) 또는 음극(50)의 최대 전류 경로에 있어서 폭 방향 전류 경로의 길이(L1) 대비 길이 방향 전류 경로의 길이(L2)의 비(ratio, L2/L1)는 11 이하이다.
본 발명에서 전극 조립체에 포함되는 전극에서의 최대 전류 경로에서의 전류 경로 비율을 상기와 같이 일정 범위 이내로 설정하게 된 배경을 도 8을 참조하여 설명한다. 도 8에는 가상의 전극 조립체를 구성하는 양극 및 음극에서의 전류 또는 전자의 흐름이 개략적으로 도시되어 있다(제1 경로와 제2 경로의 연결 위치는 세모 표시, 전극 끝지점은 네모 표시).
도 8에 도시한 양극(10')과 음극(11')은 예를 들어 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 종래기술에서 양극(10)의 무지부(10a)와 음극(11)의 무지부(11a)를 폭 방향으로 노칭함으로써 복수의 양극탭(10c)과 복수의 음극탭(11c)을 형성한 구조를 가진다.
도 8에 도시한 양극(10')과 음극(11')을 포함하는 전극 조립체를 원통형 이차전지로 제조하고, 모듈 버스바 용접 위치가 도 2를 참조하여 설명한 이차전지와 동일하다면, 각 전극(10', 11')의 전극탭(10c, 11c)에 이르는 경로인 제1 경로도 도 2를 참조하여 설명한 이차전지에서와 동일할 것이다. 하지만, 전극(10', 11')의 제2 경로(최대 전류 경로)는 도 8에 도시한 바와 같이 도 3과는 분명한 차이를 보인다.
도 8에서, 양극(10') 및 음극(11') 모두 폭 방향 전류 경로의 길이는 폭 방향 길이 수준으로 짧고, 거의 연속적으로 존재하는 무지부(10a, 11a)로 인해 길이 방향으로의 이동은 도 3에 도시한 종래의 제2 경로에 비하여 짧다. 특히 양극(10')의 양극탭(10c)과 음극(11')의 음극탭(11c)이 전극 조립체의 상부와 하부에서 서로에게 대응되는 위치에 놓이도록 하면 길이 방향의 이동은 도시한 바와 같이 거의 없거나 매우 짧다. 따라서, 전극(10', 11')의 최대 전류 경로는 전극의 폭 방향 전류 경로와 실질적으로 동일해진다.
즉, 양극(10')과 음극(11')이 도 8과 같은 전극 구조를 가진다면 최대 전류 경로의 폭 방향 전류 경로의 길이는 사실상 전극의 폭 방향 거리의 수준으로 짧으며, 전극 길이 방향으로의 전류 이동 경로는 매우 짧다. 따라서, 전류 경로 비율은 0에 가깝게 될 것이다.
하지만, 전극의 최대 전류 경로에 있어서의 길이 방향 전류 경로의 길이는 도 3을 참조하여 설명한 바와도 같이 전극탭(무지부 영역)의 구조에 따라 달라질 수 있다. 도 8에서는 전극(10', 11')의 길이 방향을 따라 대략 연속적으로 전극탭(10c, 11c)이 형성되어 있는 구조가 나타나 있으나, 바람직하게는, 전극탭이 제거된 영역이 존재할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체는 무지부가 코어를 향해 절곡된 형태를 가질 수 있는데, 이 경우 코어에 구비되는 공동을 절곡된 무지부가 가리는 현상을 방지하기 위해 코어에 가까운 무지부는 절곡을 하지 않거나, 권취 방향으로의 높이를 작게 하거나, 상당 부분을 제거하여 앞서 언급한 바와 같은 전극탭 미정의 구간으로 둘 수가 있다. 전극탭 미정의 구간은 전극을 권취하고 난 후에 전극 조립체의 코어측에 가깝게 형성될 수 있다. 또한, 전극탭 미정의 구간은 전극을 권취하기 전을 기준으로 볼 때 길이 방향 일측 단부와 타측 단부 사이에서 복수 개소에 구비될 수 있다. 또한, 전극탭 정의 구간의 권취 방향 길이는 전극탭 미정의 구간의 위치와 길이에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 전극이 복수의 전극탭 미정의 구간을 포함할 때, 전극의 최대 전류 경로는 권취 방향에서 최장 길이를 가진 전극탭 미정의 구간에서 정의될 수 있다. 전극탭 미정의 구간에서는 전자가 전극탭 정의 구간 쪽으로 이동해야 하므로 최장 길이를 가진 전극탭 미정의 구간에서 최대 전류 경로가 정의되는 것이다. 따라서, 전극탭 미정의 구간의 권취 방향 길이가 증가할수록 전류 경로 비율이 도 8에 도시한 경우보다는 길어질 수밖에 없다. 또한, 전류 경로 비율은 전극탭 정의 구간의 위치에 따라 달라질 수 있다.
전극탭 정의 구간의 위치를 어떻게 설정하느냐에 따라 최대 전류 경로가 달라지고, 최대 전류 경로가 작을수록 전극의 저항이 감소한다. 하지만, 전극 조립체의 설계 시 무지부의 일부 구간에는 전극탭 미정의 구간이 포함되어야 할 필요성이 발생하므로 저항 증가 요인이 있다. 따라서, 본 발명에서는 저저항 조건을 만족하도록 전극탭 미정의 구간에 대한 최대 전류 경로에서의 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 제한한다. 즉, 이차전지의 저항이 소정 범위 이상으로는 증가되지 않도록 전류 경로 비율(L2/L1)의 범위가 제한될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 무지부의 적어도 일부 구간에 전극탭 미정의 구간을 포함시키면서 전극탭 미정의 구간에 대한 최대 전류 경로에서의 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 소정 범위로 제한하는 것을 특징으로 한다. 바꾸어 말하면, 본 발명은 이차전지의 저항 증가를 최소로 하면서 전극탭 미정의 구간을 어느 정도의 길이로 설정할 수 있는지에 대한 가이드를 제공한다.
도 9는 도 7의 전극 조립체에 포함될 수 있는 제1 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 9를 참조하면, 도 7에 도시한 양극(40) 또는 음극(50)일 수 있는 전극(140)은 금속 포일로 이루어진 전극 집전체(141) 및 활물질층(142)을 포함한다. 금속 포일은 전도성이 있는 금속, 예컨대 알루미늄 또는 구리일 수 있으며, 전극(140)의 극성에 따라 적절하게 선택된다. 양극 집전체(포일)의 두께는 10㎛ 내지 20㎛이고 음극 집전체(포일)의 두께는 5㎛ 내지 15㎛일 수 있다.
집전체(141)의 단변 길이는 60mm-85mm이고 집전체(141)의 장변 길이는 3m-5m일 수 있다. 이 경우 집전체(141)의 장변 대비 단변의 비율은 1.2% 내지 2.8%일 수 있고, 이는 1865 또는 2170의 폼 팩터를 가진 원통형 이차전지에서의 6% 내지 11% 수준보다 현저하게 작다. 즉, 집전체(141)는 길이 방향으로 매우 길며 권취했을 때 권회턴의 개수가 매우 크다. 권회턴은 전극 조립체(100)의 코어측 단부를 기준으로 계수할 수 있다.
집전체(141)의 적어도 일면에 활물질층(142)이 형성된다. 활물질층(142)은 권취 방향(X축 방향)을 따라 형성된다. 전극(140)은 권취 방향의 장변 단부에 무지부(143)를 포함한다. 무지부(143)는 활물질이 코팅되지 않은 집전체(141)의 일부 영역이다. 무지부(143)는 권취 방향에서의 일부가 전극탭 미정의 구간으로 설정되고, 나머지는 전극탭 정의 구간으로 설정된다.
전극(140)은 집전체(141)에 활물질층(142)을 형성한 후 압착하여 제조한다. 바람직하게, 활물질층(142)과 무지부(143)의 경계에는 절연 코팅층(144)이 형성될 수 있다. 절연 코팅층(144)은 적어도 일부가 활물질층(142)과 무지부(143)의 경계와 중첩되도록 형성된다. 절연 코팅층(144)은 분리막(도 7의 60 참조)을 사이에 두고 대향하고 있는 극성이 다른 두 전극(140), 즉 양극(40)과 음극(50) 사이의 단락을 방지한다. 절연 코팅층(144)은 0.3mm 내지 5mm의 폭으로 활물질층(142)과 무지부(143)의 경계 부분을 덮을 수 있다. 절연 코팅층(144)의 폭은 전극(140)의 권취 방향을 따라 그 폭이 가변될 수 있다. 절연 코팅층(144)은 고분자 수지를 포함하고, Al2O3와 같은 무기물 필러를 포함할 수 있다. 절연 코팅층(144)이 덮고 있는 집전체(141) 부분은 활물질층이 코팅된 영역이 아니므로 무지부로서 간주될 수 있다.
무지부(143)는 전극 조립체(100)의 코어에 인접한 제1 부분(B1, 코어측 무지부), 전극 조립체(100)의 외주면에 인접한 제2 부분(B3, 외주측 무지부), 및 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3) 사이의 제3 부분(B2, 중간 무지부)을 포함한다.
B1/B2의 경계는 전극 조립체의 코어측으로부터 외주측으로 가면서 무지부의 높이(또는 변화 패턴)이 실질적으로 바뀌는 지점 또는 전극 조립체의 반경을 기준으로 소정 %의 지점(예컨대, 반경의 5%, 10%, 15% 지점 등)으로 적절하게 정의될 수 있다. B2/B3의 경계도 전극 조립체의 외주측으로부터 코어측으로 가면서 무지부의 높이(또는 변화 패턴)이 실질적으로 바뀌는 지점 또는 전극 조립체의 반경을 기준으로 소정 %의 지점(예컨대, 반경의 85%, 90%, 95% 지점 등)으로 정의될 수 있다. B1/B2의 경계와 B2/B3의 경계가 특정되면 제3 부분(B2)은 자동으로 특정될 수 있다.
제1 부분(B1)과 제3 부분(B2) 사이에 다른 구조가 개재되는 것을 배제하지 않는다. 또한, 제3 부분(B2)과 제2 부분(B3) 사이에 다른 구조가 개재되는 것을 배제하지 않는다.
본 실시예에서 무지부(143)의 높이는 일정하지 않고 권취 방향에서 상대적인 차이가 있다. 즉, 제1 부분(B1)은 제3 부분(B2)보다 권취축 방향으로 작은 높이를 갖는다. 높이가 일정하게 무지부(143)를 형성한 후 제1 부분(B1)의 무지부를 제3 부분(B2)의 무지부보다 더 잘라서 이러한 높이 차이를 가지도록 할 수 있다. 여기서, 각 부분의 높이는 평균 높이 또는 최대 높이일 수 있으며 이하 동일하다.
제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)의 권취축 방향의 높이는 0 이상이고, 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)의 높이는 동일하거나 서로 다를 수 있다. 본 실시예에서는 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)의 높이가 다르고, 제2 부분(B3)의 높이가 제3 부분(B2)의 높이와 같은 경우를 예로 들고 있다.
본 실시예에서 제1 부분(B1)은 전극탭 미정의 구간에 해당하고, 제3 부분(B2)이 전극탭 정의 구간에 해당한다. 제2 부분(B3)도 전극탭 정의 구간으로 설정될 수 있다. 제3 부분(B2)은 전극 조립체(100)의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의될 수 있다. 마찬가지로, 제2 부분(B3)도 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의될 수 있다. 제1 부분(B1)은 반경 방향을 따라 절곡되지 않으며, 이후에 설명될 집전판과 전기적 접촉을 하지 않으므로 제1 부분(B1)에서 산화 환원 반응이 일어날 때 전류(전자)는 인접하는 제1 부분(B2)을 통해서 우회하여 흐른다.
이러한 구조의 전극(140)에서 제2 부분(B3)은 절곡되어 용접 영역이 될 수 있다. 권취 방향에서, 제3 부분(B2)의 길이(dB2)가 제1 부분(B1)의 길이(dB1)보다 더 길 수 있다. 제3 부분(B2)의 길이(dB2)는 제2 부분(B3)의 길이(dB3)보다 더 길 수 있다. 제3 부분(B2)의 길이(dB2)를 길게 함으로써, 절곡시 절곡 부위가 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 제3 부분(B2)의 길이(dB2)를 길게 함으로써, 충분한 용접 영역을 확보할 수 있다.
바람직하게, 전극탭 미정의 구간에 해당하는 제1 부분(B1)은 코어측에 가깝다. 제1 부분(B1)이 가장 먼저 권취된 후에 제3 부분(B2)이 권취된다. 제3 부분(B2)은 제1 부분(B1)에 의해 코어보다 먼 쪽에 위치하므로 제3 부분(B2)을 절곡시킬 때에 제3 부분(B2)의 변형이 일어나지 않는다.
제1 부분(B1)의 높이가 작고, 절곡되지 않아 전극 조립체(100)의 코어에 있는 공동을 폐색하지 않는다. 코어의 공동이 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전판과 전지 하우징(또는 전극 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
높이가 일정하게 무지부(143)를 형성한 후 제1 부분(B1)의 무지부를 제3 부분(B2)의 무지부보다 더 잘라서 높이 차이를 가지도록 할 수 있고, 이에 따라 제1 부분(B1)이 전극탭으로써 사용되지 않는다. 이와 같이 무지부(143)에 전극탭 미정의 구간이 포함되면, 무지부 전체가 전극탭 정의 구간으로 설계되는 경우에 비해 최대 전류 경로가 증가함에 따라 저항이 증가한다.
바람직하게, 전극탭 정의 구간이 절곡되면서 코어의 공동을 폐색하지 않기 위하여 제1 부분(B1)이 필요하다. 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 길어지더라도 제3 부분(B2)의 길이(dB2)와 제2 부분(B3)의 길이(dB3)가 상대적으로 더 길거나 제3 부분(B2)에 의해 확보되는 용접 면적이 충분하다면 셀 전체의 저항(AC 저항과 DC 저항)은 크게 변화가 없을 수 있지만, 제1 부분(B1)에서의 저항은 증가하게 된다. 그러므로, 제1 부분(B1)에서의 저항 증가를 고려하여 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 한정해야 할 필요가 있다.
최대 전류 경로에 대한 전류 경로 비율(L2/L1)에 있어서 분모는 전극의 폭으로 일정하다. 따라서, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 최대 전류 경로의 전류 경로 비율(L2/L1)을 결정하는 팩터이다. 본 발명은 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 조절하여 최대 전류 경로의 전류 경로 비율(L2/L1)을 11 이하가 되도록 하여 코어의 공동 폐쇄는 방지하면서도 저항 증가를 최소화한다. 바람직하게, 최대 전류 경로의 전류 경로 비율(L2/L1)은 10.15 이하일 수 있다. 더욱 바람직하게, 최대 전류 경로의 전류 경로 비율(L2/L1)은 8.5 이하일 수 있다. 더욱 바람직하게, 최대 전류 경로의 전류 경로 비율(L2/L1)은 2 내지 5일 수 있다. 각 수치는 집전체(141) 및 활물질층(142)의 전기적, 물리적, 화학적 물성 조건, 이차전지의 저항 조건, 코어의 공동을 가리지 않기 위해 필요한 제1 부분(B1)의 길이(dB1), 적절한 중첩 레이어 수를 가질 수 있으면서 유효한 용접 면적을 확보하기 위해 필요한 제2 부분(B3)의 길이(dB3), 그리고 제3 부분(B2)의 길이(dB2) 등을 고려하여 임계적 효과를 가질 수 있도록 최적화한 값일 수 있다. 이와 같이 본 발명에서는 최대 전류 경로의 전류 경로 비율(L2/L1)을 소정 범위로 제한하면서 전극탭 미정의 구간의 개수와 길이를 조절하고 나머지를 전극탭 정의 구간으로 설계한다.
도 9에 일 실시예에 따른 최대 전류 경로를 나타내었다(제1 경로와 제2 경로의 연결 위치는 세모 표시, 전극 끝지점은 네모 표시). 최대 전류 경로는 전극탭 미정의 구간인 제1 부분(B1)에 포함된다. 최대 전류 경로는 제1 부분(B1)에서 전기화학적 산화 환원 반응이 일어날 때 전류(전자)가 흐르는 경로의 길이가 최대인 경로에 해당한다.
최대 전류 경로의 폭 방향 전류 경로의 길이(L1)는 집전체(141)나 전극(140)의 단변 길이 수준으로 짧다. 구체적으로, 폭 방향 전류 경로의 길이(L1)는 무지부(143)의 장변 일단에서부터 집전체(141)의 장변 타단까지의 최소 길이이다. 제2 부분(B3) 및 제3 부분(B2)의 높이는 동일하므로, 전극(140)의 폭 방향 전류 경로의 길이는 전극(140)의 단변 길이(폭)와 동일하며, 제2 부분(B3)의 무지부를 잘라내지 않았으므로 집전체(141)의 단변 길이와도 동일하다.
본 실시예에서 최대 전류 경로의 전류 경로 비율은 L2/L1이며, L1은 전극(140)의 폭에 대응하므로 전류 경로 비율은 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 이용하여 조절할 수 있다.
전류 경로 비율(L2/L1)의 상한은 전극 조립체(100)를 포함하는 이차전지의 DC 저항이 4mΩ 이하이고 AC 저항이 3mΩ 이하가 되도록 하는 값일 수 있다. 더욱 바람직하게, 상기 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한은 전극 조립체(100)를 포함하는 이차전지의 AC 저항이 2mΩ 이하가 되도록 하는 값일 수 있다.
이차전지의 저항은 집전체(141) 및 활물질층(142)의 전기적, 물리적, 화학적 물성 조건에 따라 달라질 수가 있고, 예를 들어 집전체(141)의 단변 길이가 60mm-85mm이고 집전체(141)의 장변 길이가 3m-5m이며 집전체(141)의 두께가 5㎛ 내지 20㎛일 때에, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 660mm 이하일 수 있다. 그러한 경우, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)의 최대값은 660mm이고, 집전체(141)의 장변 길이를 고려하면 제1 부분(B1)의 길이(dB1)의 최대값은 집전체(141)의 장변 길이의 13.2% 내지 22%를 나타낼 수 있다. 집전체(141)의 장변 길이나 두께가 달라지는 경우 제1 부분(B1)의 길이(dB1)의 최대값은 4% 내지 23%를 나타낼 수도 있다. 즉, 전극(140)에서 전극탭으로서 정의되지 않는 부분, 즉 전극탭 미정의 구간의 길이의 최대값이 660mm이고, 이는 집전체(141)의 장변 길이가 그대로 전극(140)의 장변 길이가 되는 점을 고려해, 전극(140)의 길이의 4% 내지 23%라고도 볼 수 있다. 또한, 집전체(141)의 단변 길이가 그대로 전극(140)의 단변 길이가 된다고 하면, 전극(140)에서 전극탭으로서 정의되지 않는 부분의 길이의 최대값인 660mm는 전극(140)의 폭의 9.4배 내지 11배임을 알 수 있다. 집전체(141)의 단변 길이나 두께가 달라지는 경우 제1 부분(B1)의 길이(dB1)의 최대값은 2.5배 내지 11배가 될 수도 있다.
또한, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 660mm인 경우, 집전체(141)의 장변 길이가 4mm라고 하면, 전류 경로 비율(L2/L1)은 10.15일 수 있다. 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 660mm보다 작게 하여 전류 경로 비율(L2/L1)을 더 감소시킬 수 있다.
상기 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한은 이차전지의 최소 저항 요구 조건을 만족하도록 하는 것일 수 있다. 즉, 이차전지 저항의 최대값보다 작은 이차전지 저항을 나타내도록 결정되는 것일 수 있다. 본 실시예에서 적용하고 있는 DC 저항의 최대값인 4mΩ와 AC 저항의 최대값인 3mΩ 수치는 이차전지의 사양에 따라 달라질 수 있다.
본 발명자들은 제1 부분(B1)과 같이 전극탭 미정의 구간의 길이가 증가함에 따라 이차전지의 저항이 증가하는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 하지만 전극탭 미정의 구간의 길이가 일정 수준 이상으로 커지면 더 이상 저항이 증가하지 않고 수렴되는 특징을 확인하였다. 전극탭 미정의 구간의 길이와 이차전지 저항과의 상관 관계를 조사해 이차전지의 최소 저항 요구 조건을 만족하도록 하는 전극탭 미정의 구간의 길이를 결정할 수 있었다.
도 10은 시뮬레이션에 사용된 전극탭 미정의 구간을 포함하는 전극의 모식도이고, 도 11은 시뮬레이션을 통해 확인한 용접 포인트 수에 따른 저항 그래프이다.
도 10은 전극탭(143a1)이 등간격으로 존재하는 경우를 도시하고, 제1 경로와 제2 경로의 연결 위치는 세모 표시, 전극 끝지점은 네모 표시하였다. 예를 들어 전극탭(143a1)의 개수가 6개이면 전극탭 미정의 구간(143a2)의 개수는 7개, 전극탭(143a1)의 개수가 7개이면 전극탭 미정의 구간(143a2)의 개수는 8개인 경우와 같이, 전극탭(143a1)의 개수가 Q일 때 전극탭 미정의 구간(143a2)의 개수가 Q+1이 되는 등간격 조건을 가정하였다. 각 전극탭(143a1)은 집전판과 용접되므로, 용접 포인트 수는 전극탭(143a1)의 개수와 동일하다.
시뮬레이션시 전극(140')에 포함되는 집전체(141')의 단변 길이는 60mm-85mm이고 집전체(141')의 장변 길이는 3m-5m이며 집전체(141')의 두께가 5㎛ 내지 20㎛라고 가정하였다.
이러한 전극(140')이 양극과 음극으로 포함되는 전극 조립체를 포함하는 이차전지의 AC 저항을, 전극탭(143a1)의 개수를 1개에서부터 50개까지 증가시키면서 시뮬레이션하였다. 그 결과에 해당하는 도 11을 참조하면, 전극탭(143a1) 개수가 증가하면서 저항이 수렴하는 것을 알 수 있으며, 시뮬레이션 조건 하에서 이차전지의 AC 저항이 2mΩ 이하가 되게 하는 전극탭(143a1) 개수는 6개가 된다는 결과를 얻었다.
전극탭(143a1) 개수는 전극탭 미정의 구간(143a2)의 길이로 환산될 수 있다. 전극탭(143a1)의 폭이 10mm일 때, 장변 길이가 3m-5m인 집전체(141')에서 등간격으로 존재하는 전극탭(143a1)이 6개인 경우, 전극탭 미정의 구간(143a2) 하나의 길이는 660mm이다. 전극탭(143a1)이 7개인 경우, 전극탭 미정의 구간(143a2) 하나의 길이는 564mm이다. 전극탭(143a1)이 7개인 경우 이차전지의 AC 저항은 1.7mΩ으로 시뮬레이션되었다.
이러한 시뮬레이션을 통해, 전극탭 미정의 구간(143a2)의 길이는 660mm 이하로 함이 바람직하다는 결과를 얻었다. 집전체(141')의 단변 길이가 60mm-85mm인 점을 고려하면, 길이 방향 전류 경로에 해당하는 전극탭 미정의 구간(143a2)의 길이와 폭 방향 전류 경로에 해당하는 집전체(141')의 단변 길이의 비가 11 이하가 된다. 따라서, 전극탭 미정의 구간을 포함하는 경우, 전류 경로 비율(L2/L1)을 11 이하로 하기만 하면, 이차전지의 AC 저항이 2mΩ 이하인 저저항 조건을 만족할 수 있다는 결과를 얻었다.
이러한 시뮬레이션 결과를 바탕으로, 본 실시예에서 제안하는 바와 같이 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 660mm 이하로 함이 바람직하다. 다시 말해, 전극탭 미정의 구간(143a2)의 길이가 660mm를 넘지 않게 관리하여 셀 저항이 이차전지의 최소 저항 요구 조건을 만족하도록 할 수 있다.
제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 길어지면 상기 전류 경로 비율(L2/L1)이 커지고 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 짧아지면 상기 전류 경로 비율(L2/L1)이 작아진다. 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 제3 부분(B2)의 무지부를 코어측으로 절곡시켰을 때 전극 조립체(100)의 코어에 구비된 공동을 가리지 않는 조건을 적용하여 상기 전류 경로 비율(L2/L1) 조건을 만족하는 조건 하에서 설계할 수 있다.
즉, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 660mm 이하에서 필요 조건에 따라 결정될 수 있으며, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 660mm이고 집전체(141)의 단변 길이가 65mm인 경우에 상기 전류 경로 비율(L2/L1)은 10.15일 수 있으므로, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)에 따라 상기 전류 경로 비율(L2/L1)이 10.15 이하를 만족할 수 있다. 바꾸어 말하면, 제1 부분(B1)을 포함하는 전극(140)을 설계하면 제1 부분(B1) 없이 모두 제3 부분(B2)과 같은 무지부를 포함하는 경우에 비해 전류 경로 비율이 증가하기는 하지만, 최소 저항을 만족하는 가이드로서 전류 경로 비율(L2/L1)이 10.15 이하가 될 때까지는 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 늘릴 수 있어 제3 부분(B2)의 무지부를 코어측으로 절곡시켰을 때 전극 조립체(100)의 코어에 구비된 공동을 가리지 않도록 할 수 있는 것이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제2 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 12에 도시한 전극(145a)은, 제1 실시예와 비교하여 제2 부분(B3)의 높이가 외주측으로 갈수록 점진적으로 감소하는 점만 다르고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다. 일 변형예에서, 제2 부분(B3)은 높이가 단계적으로 감소하는 스텝 형상(점선 참조)으로 변형이 가능하다. 이들에서, 제2 부분(B3)은 제3 부분(B2)보다 작은 높이를 가지게 된다. 제2 부분(B3)을 제3 부분(B2)보다 작은 높이로 함으로써, 제2 부분(B3)을 절곡하여 절곡된 제3 부분(B2) 위로 절곡할 때에 제3 부분(B2)의 변형을 더욱 억제할 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제3 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
제3 실시예의 전극(145b)은 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)의 높이가 0 이상이되, 제3 부분(B2)보다 상대적으로 작다. 또한, 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)의 높이는 동일하다. 제1 부분(B1)과 마찬가지로 제2 부분(B3)은 전극탭 미정의 구간에 대응되어, 제2 부분(B3)의 무지부는 전극탭으로서 정의되지 않고, 제3 부분(B2)이 전극탭으로서 정의된다. 권취 방향에서, 제2 부분(B3)의 길이는 제1 부분(B1)의 길이(dB1)보다 짧다. 제2 부분(B3)은 최외측 권회턴을 포함하는 전극 영역의 무지부일 수 있다. 제3 부분(B2)은 전극 조립체(100)의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의될 수 있다. 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)은 반경 방향을 따라 절곡되지 않는다. 본 실시예에 따르면, 전지 하우징에 전극 조립체를 삽입하고 전지 하우징의 외주면을 내부로 압입하여 비딩부를 형성할 때, 비딩부가 제2 부분(B3) 근처에서 가압되는 과정에서 비딩부와 제2 부분(B3)이 서로 접촉하면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제4 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
제4 실시예의 전극(150)은 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)의 높이가 0 이상이되, 제3 부분(B2)보다 상대적으로 작다. 또한, 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)의 높이는 동일하거나 서로 다를 수 있다.
바람직하게, 제3 부분(B2)의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 증가하는 스텝 형상을 가질 수 있다.
패턴1 내지 패턴7은 무지부(143)의 높이가 변화하는 위치를 중심으로 제3 부분(B2)을 구분한 것이다. 바람직하게, 패턴들의 수와 각 패턴의 높이(Y축 방향의 길이)와 폭(X축 방향의 길이)은 무지부(143)의 절곡 과정에서 응력을 최대한 분산시킬 수 있도록 조절될 수 있다. 응력 분산은 무지부(143)가 전극 조립체의 코어측으로 절곡될 때 무지부(143)의 찢어짐을 방지하기 위한 것이다.
제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 제3 부분(B2)의 패턴들을 코어측으로 절곡시켰을 때 코어에 구비되는 공동을 가리지 않는 조건을 적용하여 설계하되, 일 예에서, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 패턴1의 절곡 길이에 비례하여 증가할 수 있다. 절곡 길이는 패턴의 절곡 지점을 기준으로 한 패턴의 높이에 해당한다.
바람직하게, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 제1 부분(B1)이 형성하는 권회 턴들의 반경 방향 폭이 패턴1의 절곡 길이 이상이 되도록 설정할 수 있다. 변형예에서, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 패턴1의 절곡 길이로부터 제1 부분(B1)이 형성하는 권회 턴들의 반경 방향 폭을 차감한 값이 0보다 작거나 코어 반경의 10% 이하가 되도록 설정할 수 있다.
구체적인 예에서, 전극(150)이 폼 팩터가 4680인 원통형 이차전지의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 코어의 직경과 패턴1의 절곡 길이에 따라 180mm 내지 350mm로 설정할 수 있다. 이 경우, 전류 경로 비율(L2/L1)은 2.57 내지 5.83이 될 수 있다. 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 더 조절하면 전류 경로 비율(L2/L1)이 2 내지 5가 되도록 할 수 있는 것이다.
일 실시예에서, 각 패턴의 폭은 전극 조립체의 하나 또는 2개 이상의 권회턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다.
일 변형예에서, 제3 부분(B2)의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 가면서 증가했다가 감소하는 스텝 형상을 가질 수 있다.
다른 변형예에서, 제2 부분(B3)은 제2 실시예와 동일한 구조를 갖도록 변형될 수 있다.
또 다른 변형예에서, 제3 부분(B2)에 적용된 패턴 구조가 제2 부분(B3)까지 확장될 수 있다(점선 참조).
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제5 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
바람직하게, 전극(160)에서, 제3 부분(B2)은 복수의 분절편(161)을 포함할 수 있다. 다시 말해, 제3 부분(B2)의 적어도 일부 영역은 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편(161)으로 분할되어 있을 수 있다.
복수의 분절편(161)은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 높이가 단계적으로 증가할 수 있다. 복수의 분절편(161)은 하부에서 상부로 가면서 폭이 감소되는 기하학적 도형 형태를 가진다. 바람직하게, 기하학적 도형은 사다리꼴이다. 후술하겠지만, 기하학적 도형의 형태는 여러 가지로 변형이 가능하다.
분절편(161)은 레이저로 노칭된 것일 수 있다. 분절편(161)은 초음파 커팅이나 타발 등 공지의 금속박 커팅 공정으로 형성할 수 있다. 분절편(161)은 절곡되어 권취축 방향으로 겹쳐진다.
분절편(161)은 독립적으로 절곡 가능하므로, 분절편(161)을 절곡할 때에 무지부(143)의 변형을 더욱 억제할 수 있어 바람직하다. 또한, 분절편(161)을 절곡하고 여러 겹으로 중첩하면서, 빈 공간(빈틈)이 존재하지 않도록 제어하는 것이 가능한 이점이 있다. 분절편(161) 구조를 가짐으로써, 무지부(143)가 절곡될 때 무지부(143)가 찢어지는 현상을 방지할 수 있다.
제1 부분(B1)은 집전체(141)의 코어측 단변으로부터 시작되고, 제1 부분(B1)의 높이는 권취 방향을 따라 일정하며, 반경 방향을 따라 절곡되지 않는다. 제3 부분(B2)의 분절편(161)만 전극탭으로서 정의된다. 그러므로, 전극(160)에서, 집전체(141)의 단변을 따르는 폭 방향 전류 경로의 길이(L1) 대비 집전체(141)의 장변을 따르는 길이 방향 전류 경로의 길이(L2)의 비인 전류 경로 비율(L2/L1)이 11 이하로 되게 하기 위하여, 전극(160)의 코어측 단부에서부터 길이 방향으로 첫번째 위치한 분절편(161) 하단부까지의 길이, 여기서는 제1 부분(B1)의 길이(dB1)와 동일한 그 길이를 조절할 수 있다.
바람직하게, 집전체(141)의 두께가 5㎛ 내지 25㎛이고, 분절편(161)의 폭(도 16의 D 참조)은 3mm-10mm이며, 상기 분절편의 높이(도 16의 H 참조)는 10mm 이하일 수 있다.
일 측면에서, 복수의 분절편(161)은 코어측에서 외주측으로 가면서 복수의 분절편 그룹을 이룰 수 있다. 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치 중 적어도 하나 이상은 실질적으로 동일할 수 있다. 바람직하게, 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치는 서로 동일할 수 있다.
분절편(161)의 디멘션(폭, 높이, 이격 피치)는 저항, 가공 용이성(예를 들면 크랙 발생없이 레이저 노칭 적용할 수 있는지 여부), 절곡 용이성, 여러 분절편(161)끼리의 중첩 정도 등을 고려하여 조절될 수 있다.
바람직하게, 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편의 폭 및 높이는 실질적으로 동일할 수 있다.
도 16은 사다리꼴 분절편(161)의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)의 정의를 나타낸다.
도 16을 참조하면, 분절편(161)의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)는 무지부(143)의 절곡 가공 시 절곡 지점 근처의 무지부(143)가 찢어지는 것을 방지하고 충분한 용접 강도 확보를 위해 무지부(143)의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시키면서 무지부(143)의 비정상적 변형을 방지할 수 있도록 설계한다.
분절편(161)의 절곡은 절단홈(163)의 하단을 통과하는 라인(G) 또는 그 상부에서 이루어진다. 절단홈(163)은 전극 조립체의 반경 방향에서 분절편(161)의 스무드하고 용이한 절곡을 가능하게 한다.
분절편(161)의 폭(D)은 분절편(161)의 양측 측변(163b)로부터 연장한 2개의 직선과 절단홈(163)의 저부(163a)로부터 연장되는 직선이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 분절편(161)의 높이(H)는 분절편(161)의 최상단 변과 절단홈(163)의 저부(163a)로부터 연장된 직선 사이의 최단 거리로 정의된다. 분절편(161)의 이격 피치(P)는 절단홈(163)의 저부(163a)로부터 연장된 직선과 상기 저부(163a)와 연결된 2개의 측변(163b)으로부터 연장된 직선들이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 측변(163b) 및/또는 저부(163a)가 곡선일 때, 직선은 측변(163b) 및 저부(163a)가 만나는 교차점에서 측변(163b) 및/또는 저부(163a)로부터 연장되는 접선으로 대체 가능하다.
바람직하게, 분절편(161)의 폭(D)은 1mm 이상이다. D가 1mm 미만이면, 분절편(161)이 코어측으로 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(161)이 중첩되지 않는 영역이나 빈 공간(빈틈)이 발생할 수 있다.
바람직하게, 분절편(161)의 폭(D)은 분절편(161)이 코어측을 향해 절곡될 때 분절편(161)의 중첩이 반경 방향으로 잘 이루어지도록 분절편(161)이 위치하는 권회턴의 반경에 따라 폭(D)을 적응적으로 조절할 수 있다.
분절편(161)의 높이(H)는 2mm 이상일 수 있다. 분절편(161)의 높이(H)가 2mm 미만이면, 분절편(161)이 코어측으로 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(161)이 중첩되지 않는 영역이나 빈 공간(빈틈)이 발생할 수 있다.
분절편(161)의 높이(H)는 분절편(161)이 코어측으로 절곡되었을 때 코어의 공동을 폐색하지 않는 조건을 적용하여 결정할 수 있다. 바람직하게, 코어는 직경의 90% 이상이 외부로 개방될 수 있도록 분절편(161)의 높이(H)를 조절할 수 있다.
바람직하게, 분절편(161)의 높이(H)는 분절편(161)이 위치하는 권회턴의 반경과 코어의 반경에 의존하여 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 분절편(161)의 높이(H)가 권회턴의 반경이 증가함에 따라 h1 내지 hN까지 N 단계에 걸쳐서 단계적으로 증가할 수 있다.
일 예에서, 전극(160)의 전체 권회턴 반경이 22mm이고, 분절편(161)의 높이가 3mm부터 시작하되, 분절편(161)을 포함하는 권회턴의 반경이 1mm 증가할 때마다 분절편(161)의 높이가 3mm, 4mm, 5mm, 6mm로 순차적으로 증가하고, 나머지 권회턴에서는 높이가 6mm로 실질적으로 동일하게 유지될 수 있다. 즉, 전체 권회턴의 반경 중에서 분절편(161)의 높이 가변 구간의 반경 방향 폭은 3mm이고 나머지 반경 구간은 높이 균일 구간에 해당한다.
다른 예를 들어 코어의 변경(rc)이 3m일 때, 3mm(h1), 4mm(h2), 5mm(h3) 및 6mm(h4)의 높이를 가지는 분절편(161)이 포함된 권회턴의 시작 반경 r1, r2, r3 및 r4는 각각 6mm, 7mm, 8mm 및 9mm일 수 있으며, 반경 9mm부터 마지막 권회턴까지는 분절편(161)의 높이가 6mm로 유지될 수 있다. 또한, 6mm(r1) 보다 작은 반경을 가진 권회턴에는 분절편(161)이 포함되지 않을 수 있다. 이러한 예에서, 코어(C)와 가장 인접한 높이 3mm(h1)의 분절편(161)이 반경 6mm를 가진 권회턴부터 위치하므로 해당 분절편(161)이 코어(C)측으로 절곡되더라도 3mm 내지 6mm의 반경 구간만을 덮어서 실질적으로 코어의 공동을 차폐하지 않는다.
분절편(161)의 높이 가변 구간에서 분절편(161)의 높이(H)는 10mm 이하로 할 수 있다. 전기적 절연을 위해, 분리막(60)의 단부는 전극(160)의 단부로부터 절연 갭에 대응하는 길이로 외측으로 더 연장될 수 있다. 또한, 전극(160)과 분리막(60)이 권회될 때, 분리막(60)의 단부가 사행을 일으키는 점을 고려하여 분리막(60)의 최소 사행 마진에 해당하는 구간이 무지부(143)에 할당되어야 한다. 또한, 분절편(161)을 커팅하기 위해서는 집전체 포일의 단부에 최소한의 절단 스크랩 마진이 할당되어야 한다.
바람직하게, 상기 절연 갭은 상기 전극(160)이 양극일 때 0.2mm 내지 6mm일 수 있다. 또한, 상기 절연 갭은 상기 전극(160)이 음극일 때 0.1mm 내지 2mm일 수 있다. 바람직하게, 상기 분리막(60)의 최소 사행 마진은 0 내지 1mm일 수 있다. 바람직하게, 절단 스크랩 마진은 1.5mm 내지 8mm일 수 있다. 절단 스크랩 마진은 분절편(161)을 형성하는 공정에 따라 할당되지 않을 수 있다. 예를 들어, 분절편(161)의 상부변과 집전체 포일의 상부변이 서로 일치하도록 절단홈(163)을 형성할 수 있고, 이 경우 절단 스크랩 마진은 0이 될 수 있다.
상기 조건들을 고려하였을 때, 분절편(161)의 높이 가변 구간에서 분절편(161)의 최대 높이는 10mm로 설정할 수 있다. 따라서, 분절편(161)의 높이 가변 구간에서 분절편(161)의 높이는 2mm 내지 10mm 구간에서 전극 조립체의 반경 방향을 따라 단계적 또는 점진적으로 증가할 수 있다.
도 16을 참조하면, 분절편(161)의 이격 피치(P)는 0.05mm 내지 1mm의 범위에서 조절할 수 있다. 이격 피치(P)가 0.05mm 미만이면, 전극(160)이 권취 공정 등에서 주행될 때 응력에 의해 절단홈(163)의 하단 근처에서 무지부(143)에 크랙이 생길 수 있다. 반면, 이격 피치(P)가 1mm를 초과하면 분절편(161)이 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(161)들이 서로 중첩되지 않는 영역 또는 빈 공간(틈)이 발생할 수 있다.
한편, 전극(160)의 집전체(141)가 알루미늄으로 이루어질 경우, 이격 피치(P)는 0.5mm 이상으로 설정하는 것이 보다 바람직하다. 이격 피치(P)가 0.5mm 이상일 경우, 전극(160)이 권취 공정 등에서 300gf 이상의 장력(tension) 하에서 100mm/sec 이상의 속도로 주행하더라도, 절단홈(163)의 하부에서 크랙이 생기는 것을 방지할 수 있다.
도 16에 도시된 것처럼, 권취 방향으로 인접하는 2개의 분절편(161) 사이에는 절단홈(163)이 개재된다. 절단홈(163)은 무지부(143)가 제거되면서 생긴 공간에 해당한다. 바람직하게, 절단홈(163) 하부 양단의 모서리 부분은 라운드 모양을 가진다. 즉, 절단홈(163)은 실질적으로 평평한 저부(163a)와 라운드부(163c)를 포함한다. 라운드부(163c)는 저부(163a)와 분절편(161)의 측변(163b)을 연결한다. 변형 예에서, 절단홈(163)의 저부(163a)는 원호 모양으로 대체될 수 있다. 이 경우, 분절편(161)의 측변(163b)들은 저부(163a)의 원호 형상에 의해 부드럽게 연결될 수 있다.
복수의 분절편(161)은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 하부 내각(θ)이 증가할 수 있다. 일 예에서, 복수의 분절편(161)은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 하부 내각(θ)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다. 하부 내각(θ)은 절단홈(163)의 저부(163a)로부터 연장된 직선과 분절편(161)의 측부(153b)로부터 연장된 직선 사이의 각도이다. 분절편(161)이 좌우 대칭일 때 좌측과 우측의 하부 내각(θ)은 실질적으로 동일하다.
전극 조립체의 반경이 증가하면 곡률 반경이 증가한다. 만약, 분절편(161)의 하부 내각(θ)이 전극 조립체의 반경이 증가함에 따라 함께 증가하면 분절편(161)이 절곡될 때 반경 방향 및 원주 방향으로 생기는 응력을 완화시킬 수 있다. 또한, 하부 내각(θ)이 증가하면, 분절편(161)이 절곡되었을 때 안쪽의 분절편(161)과 중첩되는 면적 및 중첩 레이어 수도 함께 증가함으로써 반경 방향 및 원주 방향에서 용접 강도를 균일하게 확보할 수 있고 절곡 표면영역을 평탄하게 형성할 수 있다.
바람직하게, 하부 내각(θ)은 분절편(161)이 위치하는 권회턴의 반지름과 분절편(161)의 폭(D)에 의해 결정될 수 있다. 일 예에서, 전극(160)이 직경이 22mm이고 코어의 반경이 4mm인 권회 구조를 형성하는 경우, 분절편(161)의 하부 내각은 높이 가변 구간에서 60도 내지 85도 구간에서 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다.
다시 도 15를 참조하면, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 제3 부분(B2)의 분절편(161)을 코어측으로 절곡시켰을 때 코어가 그것의 직경을 기준으로 90% 이상 외부로 개방되도록 설계한다. 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 그룹 1의 분절편(161)의 절곡 길이에 비례하여 증가할 수 있다. 절곡 길이는 절곡 지점부터 분절편(161)의 상단변까지의 길이에 해당한다.
분절편(161)의 절곡 지점은 절단홈(163)의 하단을 통과하는 라인 또는 그 라인으로부터 상부로 소정 거리 이격된 지점에 설정될 수 있다. 절단홈(163)의 하단으로부터 소정 거리 이격된 지점에서 분절편(161)이 코어측으로 절곡되면 반경 방향으로의 분절편 중첩이 보다 잘 이루어진다. 분절편(161)들이 절곡될 때 코어의 중심을 기준으로 바깥쪽에 있는 분절편이 안쪽에 있는 분절편을 누른다. 이 때, 절곡 지점이 절단홈(163)의 하단으로부터 소정 거리 이격되어 있으면, 안쪽의 분절편이 바깥쪽 분절편에 의해 권취축 방향으로 눌리면서 분절편들의 중첩이 보다 잘 이루어진다. 절곡 지점의 이격 거리는 바람직하게 1mm 이하일 수 있다. 분절편의 최소 높이는 2mm이므로 최소 높이 대비 절곡 지점의 이격 거리의 비율은 50% 이하일 수 있다.
일 실시예에서, 각 분절편 그룹의 폭은 전극 조립체의 동일한 권회턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다. 여기서, 권회턴은 전극(160)이 권취된 상태에 있을 때 제1 부분(B1)의 단부를 기준으로 계수할 수 있다.
다른 변형예에서, 각 분절편 그룹의 폭은 전극 조립체의 적어도 하나 이상의 권회턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다.
그룹1 내지 그룹8은 제3 부분(B2)에 포함되는 분절편 그룹의 일 예시에 불과하다. 그룹들의 수, 각 그룹에 포함되는 분절편(161)의 수, 및 그룹의 폭은 무지부(143)의 절곡 과정에서 응력을 최대한 분산시키고 집전체와의 용접 강도를 충분히 확보할 수 있도록 분절편(161)이 여러 겹으로 중첩되도록 바람직하게 조절될 수 있다.
제3 부분(B2)에 있어서 전극(160)의 권취 방향을 기준으로 분절편(161)의 높이가 단계적으로 증가하는 구간(그룹1 내지 그룹7)은 분절편의 높이 가변 구간으로 정의되고, 마지막에 있는 분절편 그룹(그룹 8)은 분절편의 높이가 균일하게 유지되는 높이 균일 구간으로 정의될 수 있다.
즉, 제3 부분(B2)에서, 분절편(161)의 높이가 h1 내지 hN까지 단계적으로 증가할 때, h1 내지 hN-1(N은 높이 인덱스로서, 2 이상의 자연수)의 높이를 가진 분절편(161)이 배치된 구간은 높이 가변 구간에 해당하고, hN의 높이를 가진 분절편(161)이 배치된 구간은 높이 균일 구간에 해당한다.
그룹1의 폭은 제1 부분(B1)의 폭 대비 35~40%일 수 있다. 그룹2의 폭은 그룹1의 폭 대비 130~150%일 수 있다. 그룹3의 폭은 그룹2의 폭 대비 120~135%일 수 있다. 그룹4의 폭은 그룹 3의 폭 대비 85~90%일 수 있다. 그룹5의 폭은 그룹4의 폭 대비 120~130%일 수 있다. 그룹6의 폭은 그룹5의 폭 대비 100~120%일 수 있다. 그룹7의 폭은 그룹6의 폭 대비 90~120%일 수 있다. 그룹8의 폭은 그룹7의 폭 대비 115~130%일 수 있다. 제2 부분(B3)의 길이(dB3)는 제1 부분(B1)의 폭과 마찬가지로 180mm-350mm일 수 있다.
그룹1 내지 8의 폭이 일정한 증가 또는 감소 패턴을 보이지 않는 이유는, 분절편의 폭은 그룹1에서 그룹8로 갈수록 점차 증가하지만 그룹 내에 포함되는 분절편의 수는 정수 개로 제한되고 전극의 두께가 권취 방향으로 약간의 편차를 가지기 때문이다. 따라서, 특정 분절편 그룹에서는 분절편의 수가 감소될 수 있다. 따라서, 그룹의 폭은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 상기의 예시처럼 불규칙한 변화 양상을 나타낼 수 있다.
이상의 실시예들을 통하면, 분절편(161)의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시켜 집전판의 용접 강도를 향상시킬 수 있다. 분절편(161)의 디멘션(폭, 높이, 이격 피치)을 최적화시켜 용접 타겟 영역으로 사용되는 영역의 분절편(161) 적층수를 충분히 증가시키는 것에 의해 집전판이 용접되는 영역의 물성을 개선할 수 있다.
도 15에는 대표적인 전류 경로도 표시하였다. 제1 경로와 제2 경로의 연결 위치는 세모 표시, 전극 끝지점은 네모 표시하였다. 제1 경로와 제2 경로의 연결 위치는 제2 부분(B3) 및 제3 부분(B2) 임의 위치 어디나 될 수 있지만 도면에는 도시의 편의를 위해 그룹1의 1곳, 그룹8의 1곳에 표시하였다. 전극 끝지점도 임의 위치 어디나 될 수 있지만 폭 방향 전류 경로의 길이(L1)를 보여주기 위한 1곳과 최대 전류 경로에 위치하는 1곳을 표시하였다.
여기에서도 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 결정하는 L2는 전극탭으로서 정의된 제3 부분(B2)에서 전극 끝지점에 이르는 거리이고, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)에 해당한다. 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 조절함으로써 상기 전류 경로 비율(L2/L1)을 조절할 수가 있다. 이러한 전류 경로 비율(L2/L1)은 저항을 다소 증가시킬지라도 이차전지의 최소 저항 요구 조건은 만족시키게 되므로, 분절편(161)의 중첩 정도, 용접 강도 확보 등을 더 고려하는 경우에 11 이하, 10.15 이하, 8.5 이하, 또는 2 내지 5 범위로 낮아질 수 있다. 예를 들어, 제3 부분(B2)의 길이(dB2)를 충분히 길게 하여 분절편(161)을 더 크게 형성하거나 더 많이 형성하거나 하여 분절편(161)의 중첩 정도를 높이는 것이 필요하다면 상기 전류 경로 비율(L2/L1)은 8.5 이하, 또는 2 내지 5 범위로 낮아질 수 있는 것이다. 전류 경로를 최소화하는 저저항 셀 설계 관점에서 상기 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 정하였다는 점에 본 발명의 의의가 있다. 상기 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 넘어가면 이차전지의 최소 저항 요구 조건을 만족할 수 없다.
이러한 구조의 전극(140)에서 제3 부분(B2)은 절곡되어 용접 영역이 될 수 있다. 권취 방향에서, 제3 부분(B2)의 길이(dB2)가 제1 부분(B1)의 길이(dB1)보다 더 길 수 있다. 제3 부분(B2)의 길이(dB2)는 제2 부분(B3)의 길이(dB3)보다 더 길 수 있다. 제3 부분(B2)의 길이(dB2)를 길게 함으로써, 절곡시 절곡 부위가 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 제3 부분(B2)의 길이(dB2)를 길게 함으로써, 충분한 용접 영역을 확보할 수 있다.
또 다른 변형예에 따르면, 전극(160)의 무지부(143)가 분절편 구조를 가질 때, 전극(160)은 도 17에 도시된 바와 같이 복수의 분절편들 중 일부가 규칙적 또는 불규칙적으로 생략되어 있는 분절편 생략 구간(164)을 포함할 수 있다. 도 17은 본 발명의 제5 실시예에 따른 전극의 변형 구조를 나타낸 평면도이다.
도 17을 참조하면, 바람직하게, 분절편 생략 구간(164)은 복수일 수 있다. 일 예에서, 분절편 생략 구간(164)의 폭은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 일정할 수 있다. 다른 예에서, 분절편 생략 구간(164)의 폭은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 규칙적으로 또는 불규칙적으로 증가 또는 감소할 수 있다. 바람직하게, 분절편 생략 구간(164)에 존재하는 무지부의 높이는 제1 부분(B1) 및/또는 제2 부분(B3)의 높이와 대응할 수 있다.
분절편 생략 구간(164) 사이에 존재하는 분절편(161)의 수는 적어도 하나 이상일 수 있다. 전극(160)은 도 17에 도시된 것처럼 코어로부터 외주측으로 가면서 분절편 생략 구간(164) 사이에 존재하는 분절편(161)의 수가 증가하는 무지부 구간을 포함할 수 있다.
이렇게 무지부(143) 중간에 분절편 생략 구간(164)을 두는 경우에도, 분절편 생략 구간(164)이 전극탭 미정의 구간에 대응되는 것이므로, 분절편 생략 구간(164)의 길이는 전극탭 미정의 구간에서의 전류 경로 비율(L2/L1)이 11 이하가 되게 하여야 하는 조건을 고려하여 결정할 수 있다.
도 18은 본 발명의 변형예에 따른 전극이 전극 조립체로 권취되었을 때 복수의 분절편이 위치할 수 있는 독립 영역을 나타낸 상부 평면도이다.
바람직하게, 분절편 생략 구간(164)의 폭은, 도 18에 도시된 바와 같이 전극(160)이 권취되었을 때 각 권회턴에 위치한 분절편들이 전극 조립체(200)의 코어(C)를 기준으로 미리 설정된 독립 영역(166) 내에 위치할 수 있도록 설정될 수 있다.
즉, 복수의 분절편(161)은 전극 조립체(200)를 권취축 방향에서 보았을 때 코어(C)를 기준으로 복수의 독립 영역(166) 내에 위치할 수 있다. 독립 영역(166)의 수는 2개, 3개, 4개, 5개 등으로 변화시킬 수 있다.
바람직하게, 독립 영역(166)은 부채꼴 모양일 수 있다. 이 경우, 독립 영역(166) 사이의 각도는 실질적으로 동일할 수 있다. 또한, 독립 영역(166)의 원주각(δ)은 20도 이상, 선택적으로 25도 이상, 선택적으로 30도 이상, 선택적으로 35도 이상, 또는 선택적으로 40도 이상일 수 있다.
변형예에서, 독립 영역(166)은 정사각형, 직사각형, 평형사변형, 사다리꼴 등의 기하학적 도형의 형태를 가질 수 있다.
상기와 같이 하는 경우, 독립 영역(166)에만 집전판과의 용접부를 형성할 수 있고, 독립 영역(166)에 대응되는 레그 구조를 갖도록 집전판을 설계할 수 있어 집전 효율 측면에서 이점이 있다.
도 19는 본 발명의 제6 실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 19를 참조하면, 제6 실시예의 전극(170)은 분절편(161')의 형상이 전술한 실시예와 다른 점을 제외하고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다. 따라서, 별도의 언급이 없는 한, 제5 실시예의 구성은 제6 실시예에서도 동일하게 적용될 수 있다.
분절편(161')은 상부와 하부의 폭이 실질적으로 동일한 기하학적 도형의 형태를 가진다. 바람직하게, 분절편(161')은 사각형 형태를 가질 수 있다.
도 20은 본 발명의 제6 실시예에 따른 전극에 포함된 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 20을 참조하면, 분절편(161')의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)는 무지부(143)의 절곡 가공 시 무지부(143)가 찢어지는 것을 방지하고 집전체와의 용접 강도 향상을 위해 무지부(143)의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시키면서 무지부(143)의 비정상적 변형을 방지할 수 있도록 설정할 수 있다. 비정상적 변형은 절곡 지점 하부의 무지부가 직선 상태를 유지하지 못하고 주저 않으면서 불규칙하게 변형되는 것을 말한다.
분절편(161')의 폭(D)은 분절편(161')의 양측 측변으로부터 연장한 2개의 직선과 절단홈(163)의 저부(163a)로부터 연장되는 직선이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 분절편(161')의 높이(H)는 분절편(161')의 최상단 변과 절단홈(163)의 저부(163a)로부터 연장된 직선 사이의 최단 거리로 정의된다. 분절편(161')의 이격 피치(P)는 절단홈(163)의 저부(163a)로부터 연장된 직선과 상기 저부(163a)와 연결된 2개의 측변(163b)으로부터 연장된 직선들이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 측변(163b) 및/또는 저부(163a)가 곡선일 때, 직선은 측변(163b) 및 저부(163a)가 만나는 교차점에서 측변(163b) 및/또는 저부(163a)로부터 연장되는 접선으로 대체 가능하다.
바람직하게, 분절편(161')의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)에 관한 조건은 상술한 제5 실시예와 실질적으로 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다. 다만, 분절편(161')이 사각형 모양을 가지므로 분절편(161')의 하부 내각은 90도로 일정할 수 있다.
제5 실시예의 전극(160)과 유사하게 제6 실시예에 따른 전극(170)도 복수의 분절편들 중 일부가 규칙적 또는 불규칙적으로 생략되어 있는 분절편 생략 구간(164)을 포함할 수 있다.
제5 실시예 및 제6 실시예와 같이, 제3 부분(B2)이 복수의 분절편(161, 161')을 포함할 때, 각 분절편(161, 161')의 형상은 다양한 변형이 가능하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극(160, 170)이 전극 조립체로 권취된 이후에, 전극 조립체의 상부 및 하부에 노출되어 있는 분절편들은 전극 조립체의 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩되면서 절곡 표면영역을 형성할 수 있다.
분절편(161)이 전극 조립체(200)의 코어(C) 측으로 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역(F)은 전극 조립체(200)의 상부와 하부에 모두 형성될 수 있다. 도 21은 절곡 표면영역이 형성된 전극 조립체를 개략적으로 도시한 상부 사시도이다.
도 21을 참조하면, 절곡 표면영역(F)은 권취축 방향으로 분절편(161)들이 복수의 레이어들로 중첩된 구조를 가진다. 중첩 방향은 권취축 방향이다.
분절편(161)이 포함된 권회턴의 반경에 따라서 분절편(161)의 높이, 폭 및 이격 피치를 조절하여 절곡 표면영역(F)의 각 위치에서 분절편(161)의 적층수를 요구되는 집전판의 용접 강도에 맞게 최적화시킬 수 있다.
상술한 실시예들(변형예들)의 전극 구조는 젤리-롤 타입 또는 기술분야에 알려진 다른 타입의 전극 조립체에 포함된 양극과 음극에 적용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 양극에 코팅되는 양극 활물질과 음극에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
일 예에서, 양극 활물질은 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 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(1x)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.
도 22는 제5 실시예 및 제6 실시예(이들의 변형예들)의 전극들 중 어느 하나를 양극 및 음극에 적용한 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 22를 참조하면, 양극 무지부(143a)는, 전극 조립체(200)의 코어에 인접한 제1 부분(B1), 전극 조립체(200)의 외주 표면에 인접한 제2 부분(B3), 및 제1 부분(B1) 및 제2 부분(B3) 사이에 개재된 제3 부분(B2)을 포함한다.
제1 부분(B1)의 높이는 제3 부분(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 제3 부분(B2)에 있어서 최내측에 위치한 양극 무지부(143a)의 절곡 길이는 제1 부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 절곡 길이(H')는 양극 무지부(143a)가 절곡되는 지점부터 양극 무지부(143a) 상단까지의 거리에 해당한다. 변형예에서, 절곡 길이(H')는 제1 부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 코어(C) 반경의 10%를 합산한 값보다 작을 수 있다.
따라서, 제3 부분(B2)이 절곡되더라도 전극 조립체(200)의 코어(C)는 그 직경의 90% 이상이 외부로 개방된다. 코어(C)는 전극 조립체(200)의 중심에 있으며 공동을 구비한다. 코어(C)의 공동이 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(C)를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전판과 전지 하우징(또는 전극 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
제2 부분(B3)의 높이는 제3 부분(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 따라서, 전지 하우징의 비딩부가 제2 부분(B3) 근처에서 가압되는 과정에서 비딩부와 제2 부분(B3)이 서로 접촉하면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다.
음극 무지부(143b)는 양극 무지부(143a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 음극 무지부(143b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수도 있다.
일 변형예에서, 제2 부분(B3)의 높이는 도 22에 도시된 것과 달리 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다. 또한, 도 22에는, 제3 부분(B2)의 높이가 외주측 일부분이 동일하지만, 제3 부분(B2)의 높이는 제1 부분(B1)과 제3 부분(B2)의 경계부터 제3 부분(B2)과 제2 부분(B3)의 경계까지 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다. 제3 부분(B2)이 복수의 분절편으로 분할되어 있을 때 양극 무지부(143a)의 높이가 변하는 구간은 분절편의 높이 가변 구간(E2)에 해당한다.
좀 더 상세히 살펴보면, 전극 조립체(200)는, 권취축 방향에 따른 단면을 기준으로, 반경 방향을 따라 순차적으로, 분절편이 존재하지 않는 분절편 생략 구간(E1), 분절편의 높이가 가변되는 높이 가변 구간(E2), 분절편의 높이가 균일한 높이 균일 구간(E3)을 포함하고 있다.
양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)의 단부(201)는 전극 조립체(200)의 반경 방향, 예컨대 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)은 절곡되지 않는다.
앞서 설명한 복수의 분절편(161, 161')은 높이 가변 구간(E2)과 높이 균일 구간(E3)에 배치되고, 전극 조립체(200)의 반경 방향을 따라 절곡되면서 절곡 표면영역(도 21의 F)을 형성하게 된다. 분절편(161, 161')의 절곡에 의해 형성된 절곡 표면영역(F)에 집전판을 넓은 면적으로 용접시킨 구조를 적용할 수 있으므로, 이를 포함하는 전극 조립체(200)의 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소될 수 있다.
제3 부분(B2)이 복수의 분절편을 포함하는 경우 절곡 응력이 완화되어 절곡 지점 근처의 양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)가 찢어지거나 비정상적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분절편(161, 161')의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 상술한 실시예의 수치범위에 따라 조절될 경우, 분절편(161, 161')들이 코어(C) 측으로 절곡되면서 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡 표면영역에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
본 실시예에서 분절편 생략 구간(E1)은 제1 부분(B1)에 대응된다.
한편, 전극 조립체(200)에서 높이 가변 구간(E2)이 생략된 변형예도 가능하다.
도 23은 본 발명의 제5 실시예에 따른 전극의 변형 구조를 나타낸 평면도이다.
도 23에서, 변형예의 전극(180)은 분절편(161)의 높이가 균일해, 도 22과 같은 전극 조립체(200)로 제조시 높이 가변 구간(E2)이 없이 분절편 생략 구간(E1)과 높이 균일 구간(E3)만 포함하게 된다는 점을 제외하고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다. 따라서, 별도의 언급이 없는 한, 제5 실시예의 구성은 본 변형예에에서도 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 제2 부분(B3)이 분절편들로 분할되어 있지 않고, 제1 부분(B1)의 높이와 제2 부분(B3)의 높이는 동일하다.
도 23에 최대 전류 경로의 L1과 L2를 나타내었다(제1 경로와 제2 경로의 연결 위치는 세모 표시, 전극 끝지점은 네모 표시).
도 23과 같은 구조를 가지는 전극(180)에서, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 변화시켜 실시예 및 비교예의 이차전지를 제조한 다음, AC 저항과 DC 저항과 저온 사이클과 급속충전 사이클을 실험하였다. 분절편(161)의 개수는 115개였고, 분절편(161)의 폭은 제일 넓은 폭이 8mm, 분절편(161)의 높이는 6mm로 하였다. 음극 집전체는 구리로서 그 두께는 10㎛, 양극 집전체는 알루미늄으로서 그 두께는 15㎛이었고, 각 집전체에서 L1에 거의 가까운 단변 길이는 65mm, 장변 길이는 4m이었다. 양극 활물질은 리튬 복합 전이금속 산화물을 포함하는 것이었고, 음극 활물질은 흑연을 포함하는 것이었다. 분리막은 폴리올레핀 분리막으로 하였다. 전해액은 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC)를 20:70:10의 부피비로 혼합한 용매에 1.4M LiPF6가 용해된 것이었다.
예를 들어, AC 저항 평가는 일반적으로 이용하는 교류 임피던스(AC Impedence) 측정기를 사용하여 주파수 1kHz 의 교류를 인가해 측정할 수 있다. 본 실험에서는 200mA 전류(0.1C)로 포메이션(formation)을 진행한 이후로 4.2 V 666mA (0.3C, 0.05C cut-off)조건으로 CC/CV 충전과 2.5V 666 mA (0.3C) 조건으로 CC 방전을 3회 반복하였다. 이후 25℃ 온도 조건, SOC(State Of Charge) 50% 상태에서 Multi impedance analyzer(Biologic 社, 모델명: VMP3)를 이용하여 10mHz~100kHz의 범위로 AC 저항을 측정하였다.
예를 들어, DC 저항 평가는 일반적으로 이용하는 DC 저항 측정기를 이용하여 전극 표면에 탐침을 올려 전류가 전극 표면으로만 흐르게 하여 측정할 수 있다. 본 실험에서는 만충전된 이차전지를 상온에서 SOC 50%까지 방전하고 0.5C의 전류로 10초 동안 방전시키는 경우 발생하는 전압 강하를 기록하고, 옴의 법칙(R=V/I)을 이용하여 계산되는 DC 저항(DC-IR) 값을 측정하였다[방전 pulse(0.5C pulse를 10초 인가), DC-IR=(V0-V1)/I, V0는 방전 pulse 이전의 전압, V1은 방전 pulse 인가 후의 전압임.)
저온 사이클 성능(저온 수명 특성 평가)은 200mA 전류(0.1C)로 포메이션을 진행한 이후로 4.2 V 666mA (0.3C, 0.05C cut-off)조건으로 CC/CV 충전과 2.5V 666 mA(0.3C) 조건으로 CC 방전을 10℃에서 300회(cycle) 반복하였다. 이후, 1번째 방전 용량을 초기 용량으로 하여, 초기 용량 대비 300번째 방전 용량을 비교하여 용량 유지율 %로 계산하였다. 방전 용량 측정은 PNE-0506 충방전기(제조사: (주)PNE 솔루션, 5V, 6A)와 같은 기기를 이용할 수 있다.
급속 사이클 성능은 SOC 10%에서 SOC 80%가 될 때까지 25분 동안 급속 충전을 하고 SOC 10%까지 방전하는 과정을 500회 반복하였다. 모든 충전, 방전은 CC로 행하였다. 500회 사이클 이후, 충전 용량 변화율을 %로 계산하였다.
실시예 1의 이차전지는 L2를 결정하는 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 556mm이고, 비교예 1의 이차전지는 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 680mm이며, 비교예 3의 이차전지는 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 920mm이었다. 실시예 1은 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 556mm이어서 시뮬레이션을 통해 확인한 전극탭 미정의 구간(143a2)의 길이 660mm 이하를 만족한다. 비교예 1과 비교예 2는 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 시뮬레이션을 통해 확인한 전극탭 미정의 구간(143a2)의 길이 660mm보다 크다.
표 1은 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2의 조건과 실험 결과값을 정리한 것이다.
[표 1]
표 1을 참조하면, 실시예 1의 경우, AC 저항이 1.5mΩ, DC 저항이 3.6mΩ로 측정되었다. 시뮬레이션에서의 결과처럼 AC 저항이 2mΩ 이하를 만족하고 있으며, DC 저항도 이차전지의 최소 저항 요구 조건(DC 저항이 4mΩ 이하이고 AC 저항이 3mΩ 이하)를 만족한다.
비교예 1에서 측정된 DC 저항은 3.9mΩ이고 AC 저항은 1.7mΩ이어서 이차전지의 최소 저항 요구 조건을 만족하기는 하지만, 저온 사이클이 76%이고 급속 충전 사이클이 83%여서, 저온 사이클이 82%이고 급속 충전 사이클이 87%인 실시예 1 대비 성능 열위를 나타내었다. 특히 급속 충전 사이클의 관점에서 실시예 1과 같이 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 660mm 이하여야 유리하다는 것을 알 수 있다.
비교예 2에서 측정된 DC 저항은 4.3mΩ여서 이차전지의 최소 저항 요구 조건을 만족하지 못하며, 저온 사이클이 58%이고 급속 충전 사이클이 64%로 측정되어 비교예 1보다도 성능이 떨어졌다. 즉, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 660mm를 넘어 증가할수록(680mm → 920mm) 저항이 증가하고, 저온 사이클 및 급속 충전 사이클 성능이 떨어짐을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 소정 범위로 하여 전류 경로 비율(L2/L1)을 11 이하로 할 때에 이차전지의 최소 저항 요구 조건을 만족하는 저저항 셀 설계가 가능하고, 저온 사이클과 급속 충전 사이클 관점에서도 우수한 성능을 가질 수 있어, 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킨 원통형 이차전지로 제조하기 적합하다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다양한 전극 조립체 구조는 원통형 이차전지에 적용될 수 있다.
바람직하게, 원통형 이차전지는, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 이차전지의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4보다 큰 원통형 이차전지일 수 있다.
바람직하게, 원통형 이차전지의 직경은 40mm 내지 50mm일 수 있고, 높이는 60mm 내지 130mm일 수 있다. 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 폼 팩터는, 예를 들어 46110, 4875, 48110, 4880 또는 4680일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 이차전지의 직경을 나타내고, 나머지 숫자는 이차전지의 높이를 나타낸다.
폼 팩터의 비가 0.4를 초과하는 원통형 이차전지에 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. 특히 이러한 요구 조건은 전류 경로 비율(L2/L1)이 11 이하가 되게 하는 조건을 만족하면서 달성될 수 있어 저저항 설계가 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 이차전지로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 이차전지일 수 있다.
다른 실시예에 따른 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 이차전지로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 이차전지일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 이차전지로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.436인 원통형 이차전지일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 이차전지로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 이차전지일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 이차전지로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 이차전지일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 이차전지들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 18650 이차전지, 21700 이차전지 등이 이용되었다. 18650 이차전지의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 0.277이다. 21700 이차전지의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 0.300이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 이차전지에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 단면도이다. 도 24의 이차전지(300)는 제5 실시예 및 제6 실시예(이들의 변형예들)의 전극들 중 어느 하나를 양극 및 음극에 적용한 젤리-롤 타입의 전극 조립체인 전극 조립체(200)를 포함하고 있다. 도 24는 이러한 이차전지(300)를 권취축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 24를 참조하면, 전극 조립체(200)에서 양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)는 서로 반대 방향으로 배치된다. 그리고, 양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)는 분리막(도 7의 60 참조)의 외부로 노출된다. 이러한 전극 조립체(200)는 양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)의 일부만 전극탭으로서 정의되어 사용될 수 있다. 예를 들어 양극 무지부(143a)의 일부만 양극 전극탭으로써, 음극 무지부(143b)의 일부만 음극 전극탭으로써 사용될 수 있다.
이차전지(300)는 또한 전극 조립체(200)를 수납하며 음극 무지부(143b)와 연결된 원통형의 전지 하우징(305)을 포함한다. 전지 하우징(305)은 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 전지 하우징(305)은 철, 니켈-도금 철 또는 스테인레스 스틸(SUS) 재질로 이루어질 수 있고, 전지 캔일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 전지 하우징(305)의 일 측(본 실시예에서는 하부)은 개방되어 있어 개방부를 형성한다. 전지 하우징(305)에서 상기 개방부의 반대편은 폐쇄부이다. 본 실시예에서, 상기 폐쇄부는 전지 하우징(305)의 바닥(310)이다. 전지 하우징(305)의 바닥(310)은 원형이다. 전지 하우징(305)의 측면(외주면)과 바닥(310)은 일체로 형성될 수 있다. 전지 하우징(305)의 바닥(310)은 대략 플랫(flat)한 형태를 갖는다. 전지 하우징(305)은 상기 개방부를 통해 전극 조립체(200)를 수납하며, 전해질도 함께 수용한다. 전지 하우징(305)의 측면은 바닥(310)으로부터 일정 길이 연장되어 있다.
전지 하우징(305)의 바닥(310)은 양극 단자(315)가 콜킹 공정을 통해 관통 홀(320)에 리벳팅된 구조를 가진다. 또한, 이차전지(300)는 양극 단자(315)와 관통 홀(320) 사이에 개재된 리벳 가스켓(325)을 포함할 수 있다.
양극 단자(315)는 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 양극 단자(315)는 알루미늄을 주성분으로 하는 소재로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 양극 단자(315)는 리벳팅 가공이 용이하고 저항이 낮은 10계열 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다. 양극 단자(315)의 일부분은 전지 하우징(305) 내부에 삽입되어 있고 다른 일부분은 전지 하우징(305) 외부로 노출되어 있다.
리벳 가스켓(325)은 절연성 및 탄성이 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 리벳 가스켓(325)은 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리플루오르화에틸렌 등으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이차전지(300)는 양극 무지부(143a)와 연결되는 양극 집전판(330)을 포함한다. 양극 무지부(143a)와 양극 집전판(330)간의 연결은 용접 방식으로 수행할 수 있다. 양극 집전판(330)은 양극 무지부(143a)의 전극탭 정의 구간과 연결된다. 양극 집전판(330)은 양극 단자(315)와도 연결된다. 양극 집전판(330)과 양극 단자(315)간은 레이저 용접 방식에 의해 연결된다. 양극 집전판(330)은 양극 집전체 및/또는 양극 단자(315)와 동종 금속이거나, 이들과 용접이 잘 되는 재질일 수 있다. 예를 들어 양극 집전판(330)은 알루미늄을 주성분으로 하는 소재로 이루어질 수 있고, 철, 니켈-도금 철 또는 SUS 등일 수도 있다. 양극 단자(315)는 양극 집전판(330)을 통해 양극 무지부(143a)와 연결된다.
이차전지(300)는 또한 전지 하우징(305)으로부터 절연 가능하도록 전지 하우징(305)의 개방부를 밀봉하는 밀봉체(335)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 밀봉체(335)는 극성이 없는 캡 플레이트(340) 및 캡 플레이트(340)의 가장자리와 전지 하우징(305)의 개방부 사이에 개재된 밀봉 가스켓(345)을 포함할 수 있다.
캡 플레이트(340)는 알루미늄, 철, 니켈-도금 철 또는 SUS 등의 도전성 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 밀봉 가스켓(345)은 절연성 및 탄성이 있는 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리플루오르화에틸렌 등으로 이루어질 수 있다. 하지만, 본 발명이 캡 플레이트(340)와 밀봉 가스켓(345)의 소재에 의해 한정되는 것은 아니다. 캡 플레이트(340)는 전지 하우징(305)의 개방부를 커버할 수 있다. 캡 플레이트(340)는 전도성을 갖는 금속 재질인 경우에도, 극성을 갖지 않는다. 극성을 갖지 않는다는 것은, 캡 플레이트(340)가 전극 조립체(200)와 연결되지 않는다는 것을 의미할 수 있다. 또한, 전지 하우징(305) 및 양극 단자(315)와 전기적으로 절연되어 있음을 의미할 수 있다. 극성을 갖지 않으므로, 캡 플레이트(340)는 전극 단자로서 기능하지 않는다. 캡 플레이트(340)는 전극 조립체(200) 및 전지 하우징(305)과 연결될 필요가 없으며, 그 재질이 반드시 전도성 금속이어야 하는 것도 아니다.
캡 플레이트(340)는 전지 하우징(305) 내부의 압력이 임계치를 초과했을 때 파열되는 벤트 노치(350)를 포함할 수 있다. 벤트 노치(350)는 캡 플레이트(340)의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다. 벤트 노치(350)는 캡 플레이트(340)의 표면에서 연속적 또는 불연속적인 원형 패턴, 직선 패턴 또는 그 밖의 다른 패턴을 형성할 수 있다. 예를 들어 벤트 노치(350)는 일정 폭을 갖는 대략 원형의 링 형태로 형성될 수 있다. 이러한 원형 링 형태의 벤트 노치(350)는 캡 플레이트(340)의 중심과 동일한 중심을 가질 수 있으며, 캡 플레이트(340)의 반경보다 작은 반경을 갖는다.
벤트 노치(350)의 깊이와 폭 등을 제어하여 전지 하우징(305)의 파단압을 제어할 수 있다. 예를 들어 벤트 노치(350)는 전지 하우징(305) 내부의 압력이 15 내지 35kgf/cm2의 범위에 있을 때 파열될 수 있도록 설정될 수 있다. 벤트 노치(350)는 노칭을 하여 부분적으로 전지 하우징(305)의 두께를 감소시킴으로써 형성할 수 있다. 벤트 노치(350)는 두께 구배를 가질 수 있다. 두께 구배란 벤트 노치(350) 단면 확인시 미리 정해진 수평면을 기준으로 일정한 각도를 가지며 기울어져 형성되어 있다는 의미이다. 이러한 벤트 노치(350)는 전지 하우징(305) 내부의 압력이 비정상적으로 상승 시 파단되어, 내부의 가스를 모두 외부로 배출하게 된다.
전지 하우징(305)은, 밀봉체(335)를 고정하기 위해, 전지 하우징(305)의 내측으로 연장 및 절곡되어 있고 밀봉 가스켓(345)과 함께 캡 플레이트(340)의 가장자리를 감싸서 고정하는 크림핑부(crimping part, 355)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 캡 플레이트(340)의 하부면은 크림핑부(355)의 하단보다 상부에 위치할 수 있다. 그러면, 캡 플레이트(340)의 하부에 벤트 공간이 형성되어 벤트 노치(350)가 파열되었을 때 가스 배출이 원활하게 이루어질 수 있다.
전지 하우징(305)은 또한 개방부에 인접한 영역에 전지 하우징(305)의 내측을 향해 압입된 비딩부(beading part, 360)를 더 포함할 수 있다. 비딩부(360)는 전지 하우징(305)의 내측으로 함몰되어 있다. 비딩부(360)는 밀봉체(335)가 크림핑부(355)에 의해 고정될 때, 밀봉체(335)의 가장자리, 특히 밀봉 가스켓(345)의 외주 표면을 지지한다.
이차전지(300)는 또한 음극 무지부(143b)와 연결되는 음극 집전판(365)을 더 포함할 수 있다. 음극 무지부(143b)와 음극 집전판(365)간의 연결은 용접 방식으로 수행할 수 있다. 음극 집전판(365)은 음극 무지부(143b)의 전극탭 정의 구간과 연결된다. 음극 집전판(365)은 음극 집전체와 동종 금속이거나, 이것과 용접이 잘 되는 재질일 수 있다. 예를 들어, 구리 또는 구리 합금, 니켈 또는 니켈 합금, 철, SUS, 또는 이들의 복합 재질일 수 있다. 바람직하게, 음극 집전판(365)은 음극 무지부(143b)와 접촉하지 않는 가장자리의 적어도 일부(365a)가 비딩부(360)와 밀봉 가스켓(345) 사이에 개재되어 크림핑부(355)에 의해 고정될 수 있다. 선택적으로, 음극 집전판(365)의 가장자리의 적어도 일부(365a)는 크림핑부(355)와 인접한 비딩부(360)의 내주면(360a)에 용접을 통해 고정될 수 있다. 이로써, 음극 집전판(365)은 전지 하우징(305)과도 연결되고, 전지 하우징(305)은 음극 집전판(365)을 통해 음극 무지부(143b)와 연결된다. 또한, 음극 집전판(365)은 그 중심부에 집전판 홀(미도시)을 구비할 수 있다. 집전판 홀은 코어(C)의 공동을 막지 않는다. 음극 집전판(365)은 집전판 홀을 포함함으로써 양극 집전판(330)을 양극 단자(315)에 용접하는 단계에서 레이저 빔을 통과시켜 레이저 빔이 양극 집전판(330)에 도달될 수 있도록 한다.
각 집전판(330, 365)은 전극 조립체(200)의 각 전극에 발생된 전류를 양극 단자(315)와 전지 하우징(305)으로 유도하게 된다. 각 집전판(330, 365)은 각 전극의 단부인 양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)에서 전류를 도출하기 위하여 접속되는 부품인 것이다. 양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)에 각 집전판(330, 365)을 용접 방식 등으로 연결해 직접적으로 접속함으로써 전류를 도출입하는 구조이기 때문에 별도의 집전탭이 불필요하다. 따라서, 집전탭의 설치 공정이 불필요하기 때문에 생산성 향상을 도모할 수 있다. 또한, 집전탭을 수납하기 위한 공간을 줄일 수 있기 때문에 전지 구조 전체가 콤팩트해지며 공간 활용성이 좋아진다.
또한, 이차전지(300)는 양극 단자(315) 및 전지 하우징(305)의 외부면(310a) 중 양극 단자(315)가 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역을 각각 양극 단자 및 음극 단자로 이용할 수 있는 구조를 갖는다. 즉, 전지 하우징(305)의 개방부 반대편의 표면 대부분을 음극 단자로 이용 가능한 구조를 가진다. 따라서, 전기적 배선을 위해 버스바와 같은 연결을 위한 부품을 용접할 수 있는 충분한 면적의 확보가 가능한 장점을 갖는다.
양극 단자(315)에 의해, 전지 하우징(305) 내의 공간 효율성을 증킬 수 있다. 따라서, 이를 포함하는 이차전지(300)의 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. 양극 단자(315)는 전류 경로의 단면적을 확대하도록 개선된 것일 수 있다. 따라서, 이를 포함하는 이차전지(300)는 급속 충전 시 생기는 내부 발열 문제가 개선된다.
양극 단자(315)는, 관통 홀(320)에 삽입된 몸체부(315a)와, 전지 하우징(305)의 바닥(310)의 외부면(310a)을 통해 노출된 몸체부(315a)의 일측 둘레로부터 외부면(310a)을 따라 연장된 외부 플랜지부(315b)와, 전지 하우징(305) 의 바닥(310)의 내부면(310b)을 통해 노출된 몸체부(315a)의 타측 둘레로부터 내부면(310b)을 향해 연장된 내부 플랜지부(315c)와, 내부 플랜지부(315c)의 내측에 구비된 평탄부(315d)를 포함할 수 있다.
바람직하게, 양극 집전판(330)의 적어도 일부는 양극 단자(315)의 평탄부(315d)와 레이저 용접되어 결합될 수 있다. 바람직하게, 평탄부(315d)와 전지 하우징(305)의 바닥(310)의 내부면(310b)은 서로 평행할 수 있다. 여기서, '평행'이라 함은 육안으로 관찰했을 때 실질적으로 평행한 것을 의미한다.
평탄부(315d)의 직경은 3mm 내지 14mm일 수 있다. 평탄부(315d)는 용접 가능 영역의 크기를 결정지을 수 있다. 용접 가능 영역의 직경이 3mm보다 작으면, 적절한 용접 강도를 확보하기 어려울 수 있다. 용접 가능 영역의 직경이 14mm를 초과하면, 양극 단자(315)의 외부 플랜지부(315b)의 직경이 지나치게 커져서 음극 단자로 사용될 전지 하우징(305)의 바닥(310)의 외부면(310a) 면적을 충분하게 확보하기 어렵다.
평탄부(315d)를 양극 집전판(330)과 연결하는 데에 레이저 용접이 이용된다. 전지 하우징(305)의 개방부를 통해 전극 조립체(200)가 삽입된 상태에서 전지 하우징(305)의 개방부가 열려 있는 상태로 레이저 용접이 수행될 수 있다. 레이저 용접시 레이저 빔은 전극 조립체(200)의 코어(C)에 있는 공동을 통과해 양극 집전판(330)의 용접 영역에 도달될 수 있다. 양극 집전판(330)은 양극 단자(315)의 평탄부(315d)에 용접될 때 양극 단자(315)가 양극 집전판(330)의 용접 영역을 지지할 수 있다. 또한, 양극 단자(315)의 평탄부(315d)는 면적이 넓으므로 용접 영역 또한 넓게 확보할 수 있다. 이로써, 용접 영역의 접촉 저항을 낮춤으로써 이차전지(300)의 내부 저항을 낮출 수 있다. 리벳팅된 양극 단자(315)와 양극 집전판(330)의 면대면 용접 구조는 급속 충전에 매우 유용하다. 전류가 흐르는 방향의 단면에서 단위 면적당 전류 밀도를 낮출 수 있으므로 전류 경로에서 발생되는 발열량을 종래보다 낮출 수 있기 때문이다.
또한, 양극 단자(315))의 리벳팅 구조가 적용된 이차전지(300)는 한 쪽 방향에서 전기적 배선을 수행할 수 있다. 이차전지(300)는 밀봉체(335)의 캡 플레이트(340)가 극성을 갖지 않는다. 그 대신, 음극 집전판(365)이 전지 하우징(305)에 연결되어 있어서 전지 하우징(305) 바닥(310)의 외부면(310a)이 양극 단자(315)와는 반대 극성을 가진다. 따라서, 복수개의 이차전지(300)를 연결함에 있어서 일 방향에서 양극/음극을 모두 연결할 수 있어 연결 구조를 간소화할 수 있다. 따라서, 배터리 팩의 제조를 위해 복수개의 이차전지(300)를 직렬 및/또는 병렬 연결하고자 할 때, 전지 하우징(305) 바닥(310)의 외부면(310a)과 양극 단자(315)를 이용하여 이차전지(300)의 상부에서 버스바 연결 등의 배선을 수행할 수 있다. 이를 통해, 동일 공간에 탑재할 수 있는 이차전지 수를 증가시켜 에너지 밀도를 향상시킬 수 있고, 전기적 배선 작업을 용이하게 진행할 수 있다. 따라서, 공간 효율성이 좋고, 전기적 배선의 효율성이 높아 전기 자동차의 조립 과정, 그리고 배터리 팩의 조립 및 유지 보수 시에 상당한 작업 개선 효과가 있다.
뿐만 아니라, 전기적 배선은 전지 하우징(305) 바닥(310)의 외부면(310a)과 양극 단자(315)가 위치한 쪽에서 수행하고 그 반대편에 위치한 캡 플레이트(340)에는 전기적 배선을 두지 않을 수 있으므로, 캡 플레이트(340)에 형성된 벤트 노치(350)의 효과를 극대화할 수 있다. 또한, 캡 플레이트(340) 쪽에 히트싱크나 냉각판이나 트레이 등을 위치시키면 전기적 배선 연결 부위와 무관하게 조립 및 냉각 등의 목적을 효과적으로 달성할 수 있다. 뿐만 아니라 벤트 노치(350)가 하방으로 놓이게 조립함으로써 이차전지 내부로부터 배출되는 가스는 하방으로 배출되게 된다. 보통 이차전지는 EV 등 차량의 탑승자보다 낮은 위치에 탑재가 되므로, 이차전지로부터 상방으로 가스가 배출되면 탑승자에게 위해를 가할 수 있다. 본 발명의 이차전지(300)는 이차전지 내부의 고압 가스를 효과적으로 배출할 수 있을 뿐 아니라 상부의 전기적 배선 연결 부위와 무관하여 안전하며, 나아가 벤트 노치(350) 파단으로 가스 배출시 하방으로 배출되어 탑승자에 위해를 가하지 않는 것이므로, 안전성을 크게 향상시킨 것이다.
이차전지(300)는 전지 하우징(305)의 폐쇄부와 양극 집전판(330) 사이에 개재되는 인슐레이터(370)를 더 포함할 수 있다. 인슐레이터(370)는 양극 집전판(330)과 전지 하우징(305) 바닥(310)의 내부면(310b) 사이, 그리고 전지 하우징(305)의 측벽의 내주면(305a)과 전극 조립체(200) 사이에 개재될 수 있다.
바람직하게, 인슐레이터(370)는 양극 단자(315)의 평탄부(315d)를 양극 집전판(330) 측으로 노출시키는 용접 홀(370a)을 포함할 수 있다. 또한, 용접 홀(370a)은 전극 단자의 평탄부(315d)와 함께 내부 플랜지부(315c)와 내부 가스켓(325b)을 노출시킬 수 있다. 바람직하게 용접 홀(370a)은 코어(C)의 공동을 막지 않는다. 따라서, 이차전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우 코어(C)의 공동을 통해 캡 플레이트(340) 쪽으로 이동하려는 가스의 움직임을 방해하지 않는다. 따라서, 다량의 가스 발생시 벤트 노치(350)로 하여금 전지 내부 압력 제어하는 작용을 원활하게 할 수 있다. 캡 플레이트(340)는 또한 용접 홀(370 a)을 포함함으로써 양극 집전판(330)을 양극 단자(315)에 용접하는 단계에서 레이저 빔을 통과시켜 레이저 빔이 양극 집전판(330)에 도달될 수 있도록 한다.
바람직하게, 인슐레이터(370)는 적어도 양극 집전판(330)의 표면과 전극 조립체(200)의 일측(상부) 가장자리를 커버할 수 있다. 이를 통해, 전지 하우징(305)과 다른 극성을 가진 양극 집전판(330)과 양극 무지부(143a)가 서로 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
바람직하게, 인슐레이터(370)는 절연성 수지로 이루어지고, 상부 플레이트(370b)와 측면 슬리브(370c)를 포함할 수 있다. 일 예에서, 상부 플레이트(370b)와 측면 슬리브(370c)는 일체화된 사출 성형물일 수 있다. 대안적으로, 측면 슬리브(370c)는 절연 테이프 등으로 대체될 수 있다. 절연 테이프는 전극 조립체(200)의 외주면을 통해 노출된 양극 무지부(143a)와 함께 양극 집전판(330)의 바깥쪽 가장자리를 커버할 수 있다.
바람직하게, 인슐레이터(370)와 전지 하우징(305) 바닥(310)의 내부면(310b)은 서로 밀착될 수 있다. 여기서, '밀착'은 육안 상으로 확인되는 공간(갭)이 없음을 의미한다. 공간(갭)을 없애기 위해, 전지 하우징(305) 바닥(310)의 내부면(310b)으로부터 양극 단자(315)의 평탄부(315d)까지 이르는 거리는 인슐레이터(370)의 두께와 같거나 이보다 약간(slightly) 작은 값을 가질 수 있다.
한편, 도 24에 모듈 버스바 용접 위치에서 각 전극(140)의 전극탭인 양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)에 이르는 경로(제1 경로)를 나타내었다(전류 시작점은 원 표시, 연결 위치는 세모 표시). 전류 시작점은 양극 단자(315) 및 음극 단자에 위치한다. 음극 단자는 전지 하우징(305)이다. 모듈 버스바 용접 위치가 이차전지(300)의 상단에 위치한다. 양극 단자(315)에서 시작되어 양극 무지부(143a)으로 연결되는 전류 경로가 형성되고, 음극 단자에서 시작되어 음극 무지부(143b)으로 연결되는 전류 경로가 형성된다.
도 2에 도시된 종래의 원통형 이차전지와 비교하여 상기 제1 경로는 서로 유사하나, 전극 조립체(200)를 구성하는 전극(140)에서의 제2 경로는, 도 15에도 표시한 바와 같이 도 3을 참조하여 설명한 종래의 제2 경로 및 도 8을 참조하여 설명한 가상의 제2 경로와 유의미한 차이가 있고, 전류 경로 비율(L2/L1)을 11 이하로 하고, 이를 위해 전극탭 미정의 구간의 길이, 예를 들면 제1 부분(B1)의 길이(dB1)의 범위를 설정함에 본 발명의 특징이 있다.
본 발명에서는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 종래의 전극 구조와는 달리, 전극의 권취 전 펼쳐진 상태를 기준으로 볼 때, 전극의 장변 측에 무지부로 된 전극탭을 형성함으로써 전류가 전극의 길이 방향을 따라 이동할 일이 거의 없도록 하고, 폭 방향을 따라서 이동할 수 있도록 함으로써 전류 경로를 최소화할 수 있고, 이로써 저항을 감소시킬 수 있다. 그러면서도, 무지부의 일부 구간은 전극탭 미정의 구간으로 설정함으로써, 무지부의 용접 영역을 절곡시킬 때에 변형이 일어나지 않도록 하고, 전극 조립체의 코어에 있는 공동을 폐색하지 않도록 한다. 그러면서도, 이러한 구조의 전극을 이용하여 젤리-롤 타입의 전극 조립체 및 이를 포함하는 원통형 이차전지를 제조함에 있어서, 전극탭 미정의 구간의 길이 또는 인접한 분절편 사이의 간격 등을 조절하여, 상술한 바와 같이 최대 전류 경로에서의 전류 경로 비율(L2/L1)이 11 이하가 되도록 하였다.
상술한 실시예들(변형예들)에 따른 원통형 이차전지는 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 25를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(400)은 이차전지(401)가 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(402)을 포함한다. 이차전지(401)는 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 이차전지 중 어느 하나일 수 있다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 이차전지(401)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
배터리 팩(400)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 26은 도 25의 배터리 팩(400)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 26을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(400)을 포함한다. 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(400)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 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100, 200 : 전극 조립체
140, 150, 160, 170, 180 : 전극
141 : 집전체
142 : 활물질층
143 : 무지부
143a : 양극 무지부
143b : 음극 무지부
161, 161' : 분절편
164 : 분절편 생략 구간
166 : 독립 영역
300, 401 : 이차전지
305 : 전지 하우징
315 : 양극 단자
330 : 양극 집전판
335 : 밀봉체
340 : 캡 플레이트
345 : 밀봉 가스켓
365 : 음극 집전판
400 : 배터리 팩
140, 150, 160, 170, 180 : 전극
141 : 집전체
142 : 활물질층
143 : 무지부
143a : 양극 무지부
143b : 음극 무지부
161, 161' : 분절편
164 : 분절편 생략 구간
166 : 독립 영역
300, 401 : 이차전지
305 : 전지 하우징
315 : 양극 단자
330 : 양극 집전판
335 : 밀봉체
340 : 캡 플레이트
345 : 밀봉 가스켓
365 : 음극 집전판
400 : 배터리 팩
Claims (45)
- 양극 및 음극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서,
상기 양극 또는 음극인 전극은, 장변과 단변을 가진 쉬트 형상의 집전체로서 장변 단부에 무지부를 포함하는 집전체를 포함하고,
상기 무지부는 그 자체로서 전극탭으로 사용되는 전극탭 정의 구간과 전극탭으로 사용되지 않는 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간을 포함하고,
상기 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간에 대한 최대 전류 경로는 상기 집전체의 단변을 따르는 폭 방향 전류 경로와 상기 집전체의 장변을 따르는 길이 방향 전류 경로를 포함하고, 상기 폭 방향 전류 경로의 길이와 상기 길이 방향 전류 경로의 길이를 각각 L1 및 L2라고 할 때, 전류 경로 비율(L2/L1)은 11 이하인 것을 특징으로 하는 전극 조립체. - 제1항에 있어서, 상기 전류 경로 비율(L2/L1)이 10.15 이하인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제2항에 있어서, 상기 전류 경로 비율(L2/L1)이 8.5 이하인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제3항에 있어서, 상기 전류 경로 비율(L2/L1)이 2 내지 5인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 전극탭 미정의 구간은 상기 전극탭 정의 구간에 비해 무지부의 높이가 작은 것임을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 전극탭 미정의 구간의 길이의 최대값은 상기 양극 및 음극의 길이의 4% 내지 23%임을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 전극탭 미정의 구간의 길이의 최대값은 상기 양극 및 음극의 폭의 2.5배 내지 11배임을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제1항에 있어서, 상기 무지부는 상기 코어에 인접한 제1 부분, 상기 외주면에 인접한 제2 부분, 및 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이의 제3 부분을 포함하고,
상기 권취축 방향으로 상기 제1 부분이 상기 제3 부분보다 작은 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체. - 제8항에 있어서, 상기 제3 부분이 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제8항에 있어서, 상기 권취축 방향으로 상기 제2 부분은 상기 제3 부분과 같거나 작은 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제10항에 있어서, 상기 제2 부분 및 상기 제3 부분이 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제8항에 있어서, 상기 집전체의 단변 길이는 60mm-85mm이고 상기 집전체의 장변 길이는 3m-5m인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제12항에 있어서, 상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이의 최대값은 상기 집전체의 장변 길이의 4% 내지 23%임을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제12항에 있어서, 상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이는 660mm 이하인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제8항에 있어서, 상기 제1 부분이 상기 전극탭 미정의 구간에 대응되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제8항에 있어서, 상기 제1 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제8항에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제8항에 있어서, 상기 전극 조립체의 권취 방향으로, 상기 제3 부분의 길이가 상기 제1 부분의 길이 및 상기 제2 부분의 길이보다 더 긴 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제8항에 있어서, 상기 제1 부분은 상기 집전체의 코어측 단변으로부터 시작되고, 상기 제1 부분의 높이는 상기 권취 방향을 따라 일정하며, 상기 제1 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제8항에 있어서, 상기 제3 부분의 적어도 일부 영역은 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제20항에 있어서, 상기 분절편은 절곡되어 상기 권취축 방향으로 겹쳐진 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제20항에 있어서, 상기 집전체의 단변 길이는 60mm-85mm이고 상기 집전체의 장변 길이는 3m-5m이며, 상기 집전체의 두께는 5㎛ 내지 25㎛이고, 상기 분절편의 폭은 10mm 이하이며, 상기 분절편의 높이는 10mm 이하인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제22항에 있어서, 상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이는 660mm 이하인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제20항에 있어서, 상기 전극 조립체는, 상기 권취축 방향에 따른 단면을 기준으로, 반경 방향을 따라 순차적으로, 분절편이 존재하지 않는 분절편 생략 구간, 분절편의 높이가 균일한 높이 균일 구간을 포함하고, 상기 복수의 분절편은 상기 높이 균일 구간에 배치되고 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되면서 절곡 표면영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제24항에 있어서, 상기 전극 조립체는, 상기 분절편 생략 구간과 상기 높이 균일 구간 사이에 분절편의 높이가 가변되는 높이 가변 구간을 더 포함하고, 상기 복수의 분절편은 상기 높이 가변 구간 및 상기 높이 균일 구간에 배치되며, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되면서 절곡 표면영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제24항에 있어서, 상기 분절편 생략 구간이 상기 전극탭 미정의 구간에 대응되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제24항에 있어서, 상기 제2 부분은 분절편들로 분할되어 있지 않고, 상기 제1 부분과 제2 부분의 높이는 동일한 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제20항에 있어서, 상기 제3 부분은 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 분절편이 없는 분절편 생략 구간을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제28항에 있어서, 상기 분절편 생략 구간에서의 무지부 높이는 상기 제1 부분의 높이와 동일한 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제28항에 있어서, 상기 분절편은 상기 코어를 기준으로 원주 방향으로 배치되어 있는 2개 이상의 부채꼴 영역 또는 다각형 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제28항에 있어서, 상기 분절편 생략 구간이 상기 전극탭 미정의 구간에 대응되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제8항에 있어서, 상기 코어에 공동이 구비되어 있으며, 상기 제3 부분이 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의되고, 상기 제3 부분은 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있으며, 절곡된 상기 분절편은 상기 공동을 가리지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제32항에 있어서, 상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이의 최대값은 상기 집전체의 장변 길이의 4% 내지 23%임을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항의 기재에 따른 전극 조립체;
일측에 형성된 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하며, 음극의 무지부와 연결된 원통형 전지 하우징;
상기 전지 하우징으로부터 절연 가능하도록 상기 전지 하우징의 개방부를 밀봉하는 밀봉체; 및
상기 전지 하우징의 상기 개방부의 반대편에 위치하는 상기 전지 하우징의 바닥에 형성된 관통 홀을 통해 리벳팅되며, 양극의 무지부와 연결된 양극 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지. - 제34항에 있어서, 상기 양극의 무지부는 분리막의 외부로 노출되고, 상기 음극의 무지부는 상기 양극의 무지부와 반대 방향으로 상기 분리막의 외부로 노출되며,
상기 양극의 무지부와 전기적으로 연결된 양극 집전판 및 상기 음극의 무지부와 전기적으로 연결된 음극 집전판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지. - 제34항에 있어서, 상기 이차전지의 DC 저항이 4mΩ 이하이고 AC 저항이 3mΩ 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제34항에 있어서, 상기 이차전지의 AC 저항이 2mΩ 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제34항에 있어서, 상기 이차전지는 높이 대비 직경의 비율이 0.4보다 큰 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제34항에 있어서, 상기 밀봉체는, 극성이 없는 캡 플레이트 및 상기 캡 플레이트의 가장자리와 상기 전지 하우징의 개방부 사이에 개재된 밀봉 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제34항에 있어서, 상기 양극 단자는,
상기 관통 홀에 삽입된 몸체부;
상기 전지 하우징의 바닥의 외부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 일측 둘레로부터 상기 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부;
상기 전지 하우징의 바닥의 내부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 타측 둘레로부터 상기 내부면을 향해 연장된 내부 플랜지부; 및
상기 내부 플랜지부의 내측에 구비된 평탄부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지. - 제40항에 있어서, 상기 이차전지는 상기 양극의 무지부와 전기적으로 연결된 양극 집전판 및 상기 음극의 무지부와 전기적으로 연결된 음극 집전판을 더 포함하고,
상기 평탄부에서 상기 양극 단자는 상기 양극 집전판과 레이저 용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 이차전지. - 제35항에 있어서, 전극탭 미정의 구간은 상기 음극 집전판 및 양극 집전판과 연결되지 않아 전류 경로를 형성하는 부위가 되지 못하는 부분인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제34항에 기재된 복수의 이차전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제43항에 있어서, 복수의 이차전지는 소정 수의 열로 배열되고, 각 이차전지의 양극 단자와 전지 하우징 바닥의 외부면은 상부를 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제43항에 기재된 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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