KR20230058303A - 원통형 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

원통형 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 원통형 배터리는, 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체를 포함한다. 상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 권취 방향을 따라 제1 무지부 및 제2 무지부를 포함한다. 상기 제1무지부 및 상기 제2무지부 중 적어도 하나는, 그 자체로 전극 탭으로 정의되고 코어측 무지부, 외주측 무지부, 상기 코어측 무지부 및 상기 외주측 무지부 사이에 개재된 중간 무지부를 포함한다. 상기 코어측 무지부와 상기 외주측 무지부 중 적어도 하나는 상기 중간 무지부보다 권취 축 방향의 높이가 작다. 상기 원통형 배터리는, 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 배터리 하우징; 상기 제1 무지부와 결합되며 상기 하우징 내에 위치하는 제1 집전 플레이트; 상기 개방부를 커버하는 캡 플레이트; 상기 전극 조립체를 고정하고 상기 배터리 하우징을 밀봉하도록 상기 캡 플레이트와 상기 전극 조립체 사이에 배치되는 스페이서; 및 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결되는 외부 단자를 포함한다.

Description

원통형 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{Cylindrical battery, and battery pack and vehicle including the same}
본 발명은, 원통형 배터리, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
원통형 배터리에 있어서, 집전 효율의 극대화를 위해 배터리 하우징이 높이 방향을 따라 상하로 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 연장된 형태를 갖는 젤리롤을 적용할 수 있다. 이러한 구조를 갖는 젤리롤이 적용되는 원통형 배터리에 있어서, 양극 무지부 및 음극 무지부 각각을 외부 단자 및 배터리 하우징과 각각 연결시키기 위한 중간 매개체로서 집전 플레이트가 이용될 수 있다.
이 경우, 예를 들어, 양극 집전 플레이트는 젤리롤의 일 면을 커버하면서 양극 무지부와 결합되고, 음극 집전 플레이트는 젤리롤의 타 면을 커버하면서 음극 무지부와 결합될 수 있다. 또한, 상기 양극 집전 플레이트는 외부 단자와 전기적으로 연결되며, 음극 집전 플레이트는 배터리 하우징과 전기적으로 연결될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조를 갖는 원통형 배터리에서는, 특히 양극 집전 플레이트와 캡 플레이트 사이에 비교적 큰 빈 공간이 형성될 수 있다. 또한, 상기 캡 플레이트와 반대편에 위치하는 배터리 하우징의 바닥 면과 음극 집전 플레이트 사이에도 빈 공간이 형성될 수 있다.
이러한 빈 공간들은, 젤리롤이 배터리 하우징의 내부에서 특히 상하 방향, 즉 원통형 배터리의 높이 방향을 따라 움직이게 하는 원인이 될 수 있다. 상기 젤리롤이 이처럼 상하 방향으로 움직이는 경우, 집전 플레이트와 전극 탭 사이의 결합 부위에 손상이 발생될 수 있으며, 이에 더하여 집전 플레이트와 배터리 하우징 간의 결합 부위, 집전 플레이트와 외부 단자 간의 결합 부위 등에도 손상이 발생될 수 있다.
따라서, 이러한 젤리롤의 유동 공간을 최대한 축소시킬 필요가 있다. 또한, 젤리롤의 유동 공간 축소를 위해 적용하는 부가적인 부품을 사용하는 경우 공정 상의 번잡성이 증가되고, 제조 단가 또한 상승할 수 있으므로 기존에 이미 적용되던 부품을 활용하여 이러한 문제를 해소할 필요성이 있다.
한편, 제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지며 반복적인 충방전이 가능한 배터리(이차 전지)는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 배터리는 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.
이하의 설명에서 배터리는 반복적인 충방전이 가능한 이차 배터리를 지칭한다.
현재 널리 사용되는 배터리의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 단위 배터리의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리를 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리를 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 단위 배터리의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리가 알려져 있다. 원통형 배터리의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 배터리 하우징 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 상기 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극 탭이 연결될 수 있으며, 전극 탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 단자 사이를 전기적으로 연결시킨다. 참고로, 양극 단자는 배터리 하우징의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡 플레이트이고, 음극 단자는 배터리 하우징이다. 그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 원통형 배터리에 의하면, 양극 무지부 및/또는 음극 무지부와 결합되는 스트립 형태의 전극 탭에 전류가 집중되기 때문에 저항이 크고 열이 많이 발생하며 집전 효율이 좋지 않다는 문제점이 있었다.
1865이나 2170의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 배터리는 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 배터리를 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 원통형 배터리가 발화하는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 젤리롤 타입의 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하도록 설계하고, 이러한 무지부에 집전 플레이트를 용접시켜 집전 효율이 개선된 구조를 갖는 원통형 배터리(소위 탭-리스(Tab-less) 원통형 배터리)가 제시되었다.
도 1 내지 도 3은 탭-리스 원통형 배터리의 제조 과정을 보여주는 도면이다. 도 1은 전극의 구조를 나타내고, 도 2는 전극의 권취 공정을 나타내고, 도 3은 무지부의 절곡면에 집전 플레이트가 용접되는 공정을 나타낸다.
도 1 내지 도 3을 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.
전극 조립체(A)는 양극(10)과 음극(11)을 도 2에 도시된 것처럼 2장의 분리막(12)과 함께 순차적으로 적층시킨 후 일방향(X)으로 권취시켜 제작한다. 이 때, 양극(10)과 음극(11)의 무지부는 서로 반대 방향으로 배치된다.
권취 공정 이후, 양극(10)의 무지부(10a)와 음극(11)의 무지부(11a)는 코어측으로 절곡된다. 그 이후에는, 무지부(10a,11a)에 집전 플레이트(30, 31)를 각각 용접시켜 결합시킨다.
양극 무지부(10a)와 음극 무지부(11a)에는 별도의 전극 탭이 결합되어 있지 않으며, 집전 플레이트(30, 31)가 외부의 전극 단자와 연결되며, 전류 패스가 전극 조립체(A)의 권취 축 방향(화살표 참조)을 따라 큰 단면적으로 형성되므로 배터리의 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반비례하기 때문이다.
탭-리스 원통형 배터리에서, 무지부(10a,11a)와 집전 플레이트(30,31)의 용접 특성을 향상시키기 위해서는 무지부(10a,11a)의 용접 지점에 강한 압력을 가하여 최대한 평평하게 무지부(10a, 11a)를 절곡시켜야 한다.
그런데, 무지부(10a,11a)의 용접 지점을 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 코어에 인접한 무지부(32)가 절곡되면서 전극 조립체(A)의 코어에 있는 공동(33)을 전부 또는 상당 부분을 폐색한다. 이 경우, 전해액 주액 공정에서 문제를 일으킨다. 즉, 전극 조립체(A)의 코어에 있는 공동(33)은 전해액이 주입되는 통로로 사용된다. 그런데, 해당 통로가 폐색되면 전해액 주입이 어렵다. 또한, 전해액 주입기가 공동(33)에 삽입되는 과정에서 코어 근처의 무지부(32)와 간섭을 일으켜 무지부(32)가 찢어지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 집전 플레이트(30, 31)가 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 분리막이나 활물질을 융발시키는 문제를 방지할 수 있다.
한편, 종래의 탭-리스 원통형 배터리는 전극 조립체(A)의 상부에 전체적으로 양극 무지부(10a)가 형성되어 있다. 따라서, 배터리 하우징 상단의 외주면을 내부로 압입하여 비딩부를 형성할 때, 전극 조립체(A)의 상단 가장자리 영역(34)이 배터리 하우징에 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. 전지 내부에서 단락이 발생하면, 전지의 발열이나 폭발이 초래될 수 있다.
다른 한편으로, 종래의 2차 입자를 포함하는 양극 활물질을 적용하여 전극 제조 시 입자 깨짐이 발생하고 충방전 시의 내부 크랙 발생으로 인한 가스 발생량이 증가하여 전지 안정성에 문제가 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위해 1차 입자의 크기가 비교적 큰 단입자 또는 유사-단입자 형태의 양극 활물질이 개발되었으나, 상기 단입자 또는 유사-단입자 형태의 양극 활물질을 고로딩 전극에 적용하고 압연하는 경우 전극 공극률이 목표한 수준까지 달성되지 않은 상태에서 전극이 깨져버리는 문제점이 있었으며, 리튬 이차 전지의 저항 특성과 충방전 효율이 좋지 않은 문제가 있었다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 하우징 내에서 젤리롤이 움직임으로써 전기적 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 기술적 과제는, 원통형 배터리의 제조에 있어서, 기존에 적용되던 부품을 활용하여 젤리롤의 움직임을 방지함으로써, 추가 부품의 적용으로 인해 발생되는 제조 공정 복잡화 및 제조 비용 증가 등을 방지하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 전극 조립체의 양단에 노출된 무지부를 절곡시킬 때 무지부에 가해지는 응력 스트레스를 완화할 수 있도록 개선된 무지부 구조를 가진 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 무지부가 절곡되더라도 전해액 주입 통로가 폐색되지 않은 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 배터리 하우징의 상단이 비딩될 때 전극 조립체의 상단 가장자리와 배터리 하우징의 내면이 접촉되는 것을 방지할 수 있는 구조를 포함하는 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소된 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 개선된 구조의 전극 조립체를 포함하는 원통형 배터리와 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 양극 활물질로 단입자 또는 유사-단입자를 적용함으로써 우수한 열 안정성을 구현할 수 있고 전기 전도성이 높으며 압연특성이 높은 전기화학소자용 전극 및 이를 포함하는 전기화학소자용 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 음극에 실리콘계 음극 활물질이 적용되어 에너지 밀도가 개선된 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 리튬의 석출 우려 없이 양극 활물질부 구간이 증가된 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 부피가 증가하여도 우수한 열 안전성을 나타낼 수 있는 원통형 배터리를 제공하는데 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리는, 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체를 포함한다.
상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제1 무지부 및 제2 무지부를 포함한다.
상기 제1무지부 및 상기 제2무지부 중 적어도 하나는, 그 자체로 전극 탭으로 정의되고 상기 전극 조립체의 코어에 인접한 코어측 무지부, 상기 전극 조립체의 외주 표면에 인접한 외주측 무지부, 상기 코어측 무지부 및 상기 외주측 무지부 사이에 개재된 중간 무지부를 포함하되, 상기 코어측 무지부와 상기 외주측 무지부 중 적어도 하나는 상기 중간 무지부보다 권취 축 방향의 높이가 상대적으로 작다.
상기 원통형 배터리는, 하단에 형성된 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 배터리 하우징; 상기 제1 무지부와 결합되며 상기 하우징 내에 위치하는 제1 집전 플레이트; 상기 개방부를 커버하는 캡 플레이트; 상기 전극 조립체를 고정하고 상기 배터리 하우징을 밀봉하도록 상기 캡 플레이트와 상기 전극 조립체 사이에 배치되는 스페이서; 및 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결되는 외부 단자를 포함한다.
상기 스페이서는, 상기 제1 집전 플레이트와 상기 캡 플레이트 사이에 개재되는 유동 방지부; 상기 배터리 하우징과 상기 캡 플레이트 사이에 개재되는 실링부; 및 상기 유동 방지부와 상기 실링부 사이를 연결하는 연결부;를 포함할 수 있다.
상기 유동 방지부는, 상기 제1 집전 플레이트와 상기 캡 플레이트 사이의 거리와 대응되는 높이를 가질 수 있다.
상기 유동 방지부는, 상기 전극 조립체의 권취 축 방향 단부의 중심부에 위치할 수 있다.
상기 유동 방지부는, 상기 전극 조립체의 권취 중심 홀과 대응되는 위치에 형성되는 스페이서 홀을 구비할 수 있다.
상기 실링부는, 상기 배터리 하우징의 내주면 둘레를 따라 연장된 형태를 가질 수 있다.
상기 배터리 하우징은, 외주면 둘레가 압입되어 형성된 비딩부; 및 상기 비딩부의 하방에서 상기 개방부를 정의하는 끝단이 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸도록 연장 및 절곡된 클림핑부;를 포함할 수 있다.
상기 실링부는, 상기 클림핑부를 따라 절곡되어 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸도록 형성될 수 있다.
상기 연결부는, 상기 유동 방지부로부터 방사상, 십자형상 또는 이들이 조합된 형상으로 연장되는 복수의 연장 레그를 포함할 수 있다.
상기 복수의 연장 레그는, 상기 캡 플레이트와 접촉하지 않을 수 있다.
상기 제1 집전 플레이트는, 상기 전극 조립체의 권취 축 방향 단부의 중심부에 위치하는 지지부; 상기 지지부로부터 연장되며 상기 제1 무지부와 결합되는 무지부 결합부; 및 상기 지지부로부터 연장되거나 또는 상기 무지부 결합부의 단부로부터 연장되어 상기 배터리 하우징과 상기 실링부 사이에 개재되는 하우징 접촉부;를 포함할 수 있다.
상기 하우징 접촉부는, 상기 캡 플레이트와 대향하는 상기 비딩부의 일 면 상에 접촉할 수 있다.
상기 실링부는, 상기 클림핑부를 따라 절곡되어 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸면서 상기 하우징 접촉부와 상기 캡 플레이트 사이를 채우도록 구성될 수 있다.
상기 캡 플레이트는 극성이 없을 수 있다.
상기 유동 방지부는, 상기 지지부가 상기 유동 방지부의 외측으로 노출되지 않도록 상기 지지부를 커버할 수 있다.
상기 연결부는 상기 권취 축 방향을 따라 상기 하우징 접촉부와 중첩되지 않도록 위치할 수 있다.
상기 원통형 배터리는, 상기 제2 무지부와 결합되는 제2 집전 플레이트; 및 상기 배터리 하우징의 상단에 형성된 폐쇄부와 상기 제2 집전 플레이트 사이에 개재되는 인슐레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 외부 단자는 상기 인슐레이터를 통하여 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 외부 단자는 상기 폐쇄부의 중앙부에 형성된 관통 홀에 절연 가능하게 설치되고 상기 제2 무지부와 대향하는 단부의 가장자리가 상기 폐쇄부의 내측면을 향해 리벳팅되어 있는 리벳 단자일 수 있다.
상기 외부 단자의 상기 단부는 상기 제2 집전 플레이트에 용접될 수 있다.
상기 중간 무지부의 적어도 일부 구간은 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편을 포함할 수 있다.
상기 복수의 분절편의 권취 축 방향의 높이 및 권취 방향의 폭 중 적어도 하나는 개별적으로 또는 그룹별로 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 증가할 수 있다.
상기 복수의 분절편은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 복수의 분절편 그룹을 형성하며, 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편들은 권취 방향의 폭, 권취 축 방향의 높이 및 권취 방향의 이격 피치 중 적어도 하나 이상이 서로 동일할 수 있다.
동일한 분절편 그룹에 속한 분절편들은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 권취 방향의 폭, 권취 축 방향의 높이 및 권취 방향의 이격 피치 중 적어도 하나가 단계적으로 증가할 수 있다.
상기 복수의 분절편은 코어측으로 절곡되면서 상기 권취 축 방향을 따라서 여러 겹으로 중첩될 수 있다.
상기 코어측 무지부의 반경 방향 길이(R)와 상기 중간 무지부의 최내측 분절편의 절곡 길이(H)는 관계식 H≤R을 만족할 수 있다.
상기 분절편의 절단 라인 하단과 상기 활물질층 사이에 갭이 구비될 수 있다.
상기 제1전극의 유지부와 무지부의 경계 영역에 활물질층의 두께가 감소되어 있는 제1슬라이딩부를 포함하고, 상기 제2전극의 유지부와 무지부의 경계 영역에 활물질층의 두께가 감소되어 있는 제2슬라이딩부를 포함하고, 상기 제1슬라이딩부와 상기 제2슬라이딩부는 권취 축 방향에서 서로 반대 방향에 위치할 수 있다.
상기 제1전극의 유지부는 활물질의 로딩량이 감소하는 로딩 감소부를 포함하고, 상기 로딩 감소부의 위치는 상기 제2슬라이딩부의 위치에 대응될 수 있다.
상기 제1전극의 활물질층은, 단입자, 유사-단입자 또는 이들의 조합을 포함하는 양극 활물질을 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질의 체적 누적 분포에서 나타나는 최소 입자 크기인 Dmin은 1.0㎛ 이상일 수 있다.
상기 양극 활물질의 체적 누적 분포에서 체적 누적량이 50%일 때의 입자 크기인 D50이 5.0㎛ 이하일 수 있다.
상기 양극 활물질의 체적 누적 분포에서 나타나는 최대 입자 크기인 Dmax가 12㎛ 내지 17㎛일 수 있다.
상기 양극 활물질은 체적 누적 입도 분포 그래프에서 단일 피크(single peak)를 나타내는 유니모달 입도 분포를 가지며, 하기 식으로 표시되는 입도 분포(PSD, Particle Size Distribution)이 3 이하일 수 있다.
식: 입도 분포(PSD) = (Dmax - Dmin)/D50
상기 단입자, 유사-단입자 또는 이들의 조합은 상기 제1전극의 활물질층에 포함된 양극 활물질의 전체 중량을 기준으로 95wt% 내지 100wt%의 양으로 포함될 수 있다.
상기 양극 활물질은 전이금속 전체 몰수를 기준으로 Ni을 80몰% 이상으로 포함하는 리튬 니켈계 산화물을 포함할 수 있다.
상기 제1전극의 활물질층은 공극율이 15% 내지 23%일 수 있다.
상기 제1전극의 활물질층은 0.05wt% 내지 5wt%의 중량 비율로 인편상 흑연을 포함할 수 있다.
상기 제1전극의 활물질층은 탄소나노튜브를 더 포함할 수 있다.
상기 제2전극의 활물질층은, 실리콘계 음극 활물질 및 탄소계 음극 활물질을 포함할 수 있다.
상기 실리콘계 음극 활물질 및 탄소계 음극 활물질은 1 : 99 내지 20 : 80의 중량비로 상기 제2전극의 활물질층에 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 특징들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 복수의 원통형 배터리 및 이를 수용하는 팩 하우징을 포함한다.
본 발명에 따른 자동차는 상기 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 하우징 내에서 젤리롤의 움직임이 최소화되어 전기적 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 젤리롤의 유동 방지를 위한 부품을 추가적으로 적용하는 대신 기존에 적용되던 부품을 활용함으로써 제조 공정의 복잡화 및 제조 비용의 증가를 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 상부 및 하부에 돌출된 무지부 자체를 전극 탭으로서 사용함으로써 배터리의 내부 저항을 감소시키고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 배터리 하우징의 비딩부 형성 과정에서 전극 조립체와 배터리 하우징의 내주면이 간섭을 일으키지 않도록 함으로써 전극 조립체의 부분적 변형에 따른 원통형 배터리 내부의 단락을 방지할 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 용접 강도를 향상시킬 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 배터리 하우징과 집전 플레이트의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내부 저항이 낮고, 내부 단락이 방지되고, 집전 플레이트와 무지부의 용접 강도가 향상된 구조를 갖는 원통형 배터리, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 양극이, Dmin이 1.0㎛ 이상인 양극 활물질 분말을 포함함으로써, 전지의 열 안전성을 더욱 개선할 수 있다. 본 발명자들의 연구에 따르면, 양극 활물질로 단입자 및/또는 유사-단입자를 적용하더라도, 양극 활물질 분말의 입도에 따라 압연 후 입자 깨짐 억제 및 열 안전성 개선 효과가 상이한 것으로 나타났다. 특히, 양극 활물질 분말 내에 입경이 1.0㎛ 미만인 입자들이 포함될 경우, 압연 공정에서 선압이 증가하여 입자 깨짐이 증가하고 열 안정성이 저하되어 대형 원통형 전지 적용 시에 열 안전성을 충분히 확보할 수 없었다. 따라서, 본 발명에서는 최소 입자 크기(Dmin)가 1.0㎛ 이상으로 제어된 양극 활물질 분말을 사용함으로써, 열 안전성 개선 효과를 극대화할 수 있도록 하였다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 양극이, D50, Dmax, 및 입도 분포(PSD)가 적절하게 조절된 양극 활물질 분말을 포함함으로써, 단입자 적용으로 인한 저항 증가를 최소화할 수 있도록 함으로써, 우수한 용량 특성 및 출력 특성을 구현할 수 있도록 하였다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 양극은 도전성 코팅층이 피복된 단입자계 양극 활물질을 포함하거나 신규 CNT가 도전재로 함유됨으로써 전극의 도전성이 개선될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 양극 활물질층에 인편상 흑연이 포함되므로 양극 활물질층을 압연하는 경우, 상기 인편상 흑연이 상기 양극 활물질에 미끄러짐 효과를 제공하여 전극의 압연 특성이 향상되고, 전극 공극률을 목표하는 수준까지 낮출 수 있다. 이에 따라, 원통형 배터리의 안정성, 초기 저항 특성, 및 충방전 효율이 개선된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 음극에 용량이 큰 실리콘계 음극 활물질이 포함됨으로써 더 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부가 양극에 포함되므로 리튬의 석출 우려 없이 양극 활물질부의 구간을 늘릴 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 스트립 형태의 전극 탭을 구비한 종래의 배터리와 비교하여 배터리의 내부 발열을 효과적으로 감소시킬 수 있으므로 배터리의 열 안전성이 개선될 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 탭-리스 원통형 배터리의 제조에 사용되는 전극의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 2는 종래의 탭-리스 원통형 배터리의 전극 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 탭-리스 원통형 배터리에 있어서 무지부의 절곡면에 집전 플레이트가 용접되는 공정을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리의 내부 구조를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 집전 플레이트를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 일체형 스페이서가 적용된 영역을 나타내는 부분 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 일체형 스페이서의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리의 하부 평면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 인슐레이터가 적용된 영역을 나타내는 부분 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체와 집전 플레이트의 결합 구조를 개략적으로 나타낸 부분 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 개략도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 자동차를 나타내는 개략도이다.
도 14는 본 발명의 제1실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 15는 본 발명의 제2실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 16은 본 발명의 제3실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 17은 본 발명의 제4실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명의 제5실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 21은 제1실시예의 전극을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 22는 제2실시예의 전극을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 23은 제3실시예 내지 제5실시예(이들의 변형예들)의 전극들 중 어느 하나를 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 28은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 29는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 30은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 31은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 32는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 33은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 34는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 35는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 36은 종래에 일반적으로 사용되던 탄소나노튜브(기존 CNT)의 주사현미경 사진이다.
도 37은 본 발명의 실시예에 따른 신규 CNT의 주사현미경 사진이다.
도 38은 기준 CNT와 신규 CNT의 물성을 비교하여 나타낸 표이다.
도 39 내지 도 42는 양극 활물질로 단입자계 활물질 입자가 적용된 경우 도전재 비율별 면저항 및 고온 수명 특성을 보여주는 그래프들이다.
도 43은 BET 비표면적이 300m2/g 내지 500m2/g인 탄소나노튜브(신규 CNT)를 적용한 경우와 BET가 200m2/g 이상 300m2/g 미만인 탄소나노튜브(기존 CNT)를 적용한 경우의 양극 슬러리의 고형분 함량과 점도 및 MP 코팅층과 MP 계면층에서의 저항값을 비교하여 나타낸 표이다.
도 44a는 본 발명의 실시예 2-1에서 사용된 양극 활물질의 SEM 사진이다.
도 44b는 본 발명의 실시예 2-2에서 사용된 양극 활물질의 SEM 사진이다.
도 44c는 본 발명의 비교예 2-2에서 사용된 양극 활물질의 SEM 사진이다.
도 45a는 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 4680 셀의 핫 박스 테스트 결과를 보여주는 그래프이다.
도 45b는 본 발명의 비교예 1에 의해 제조된 4680 셀의 핫 박스 테스트 결과를 보여주는 그래프이다.
도 45c는 본 발명의 실시예 2-1의 샘플 1 및 비교예 2-1에 의해 제조된 4680 셀의 핫 박스 테스트 결과를 보여주는 그래프이다.
도 45d는 본 발명의 실시예 2-1의 샘플 2, 3, 실시예 2-2의 샘플 1, 2 및 비교예 2-2에 의해 제조된 4680 셀의 핫 박스 테스트 결과를 보여주는 그래프이다.
도 46a는 본 발명의 실시예 2-1에서 제조된 양극의 단면 SEM 사진이다.
도 46b는 비교예 2-1에서 제조된 양극의 단면 SEM 사진이다.
도 47a 본 발명의 실시예 3-3, 비교예 3-1, 및 비교예 3-2에 따른 양극을 포함하는 코인 하프 셀을 4.2V까지 충전하면서 SOC에 따른 저항 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 47b는 본 발명의 실시예 3-1, 실시예 3-3 및 비교예 3-1에 따른 4680 셀에 대한 충방전 사이클 실험을 통해 얻은 용량 유지율(Capacity Retention) 및 저항 증가율(DCIR increase)의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 48은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 도면이다.
도 49는 도 48의 절단선 A-A'를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 50 및 도 51은 본 발명의 일 실시예에 따라 음극을 제조하는 공정을 나타낸 도면들이다.
도 52는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극을 나타낸 사시도이다.
도 53 및 도 54는 본 발명의 일 실시예에 따라 양극을 제조하는 공정을 나타낸 도면들이다.
도 55는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극을 나타낸 사시도이다.
도 56은 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체를 나타낸 도면이다.
도 57은 도 56의 절단선 B-B'를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 58은 본 발명의 비교예에 따라 음극을 제조하는 공정을 나타낸 도면이다.
도 59는 본 발명의 비교예에 따라 양극을 제조하는 공정을 나타낸 도면이다.
도 60은 실리콘계 음극 활물질과 탄소계 음극 활물질의 혼합물을 음극 활물질로 사용한 배터리에서, 실리콘계 음극 활물질의 함량과 실리콘계 음극 활물질의 도핑 유무에 따른 에너지 밀도의 변화를 보여주는 그래프이다.
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.
도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리의 외관을 나타내는 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리의 내부 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(1)는, 전극 조립체(A), 배터리 하우징(BH), 제1 집전 플레이트(35), 캡 플레이트(40), 스페이서(50) 및 외부 단자(60)를 포함한다. 상기 원통형 배터리(1)는, 상술한 구성요소들 이 외에 절연 가스켓(G) 및/또는 제2 집전 플레이트(36) 및/또는 인슐레이터(80)를 더 포함할 수도 있다.
도 5, 도 7, 도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 전극 조립체(A)는, 제1 전극 탭(13) 및 제2 전극 탭(14)을 구비한다. 상기 전극 조립체(A)는, 제1 극성을 갖는 제1 전극, 제2 극성을 갖는 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 분리막을 포함한다. 상기 제1 전극은 음극 또는 양극이고, 제2 전극은 제1 전극과 반대되는 극성을 갖는 전극에 해당한다.
상기 전극 조립체(A)는, 예를 들어 젤리롤(jelly-roll) 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(A)는, 제1 전극, 분리막, 제2 전극을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 이러한 젤리롤 타입의 전극 조립체(A)는, 그 중심부에 형성되어 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 연장되는 권취 중심 홀(C)을 구비할 수 있다. 한편, 상기 전극 조립체(A)의 외주면 상에는 배터리 하우징(BH)과의 절연을 위해 추가적인 분리막이 구비될 수 있다.
상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 제1 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포되어 형성되는 제1 전극 활물질 층을 포함한다. 상기 제1 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측 단부에는 제1 전극 활물질이 도포되지 않은 제1 전극의 무지부(제1 무지부)가 존재한다. 상기 제1 무지부는, 제1 전극이 펼쳐진 상태를 기준으로 볼 때 제1 전극의 길이 방향을 따라 일 측 단부로부터 타 측 단부까지 연장된 형태를 갖는다. 상기 제1 무지부는, 상술한 바와 같은 제1 전극 탭(13)으로서 기능한다. 상기 제1 전극 탭(13)은, 전극 조립체(A)의 일 면 상에 구비된다. 좀 더 구체적으로, 상기 제1 전극 탭(13)은, 배터리 하우징(BH) 내에 수용된 전극 조립체(A)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 하부에 구비된다.
상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 제2 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포되어 형성되는 제2 전극 활물질 층을 포함한다. 상기 제2 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 타 측 단부에는 제2 전극 활물질이 도포되지 않은 제2 전극의 무지부(제2 무지부)가 존재한다. 상기 제2 무지부는, 제2 전극이 펼쳐진 상태를 기준으로 볼 때 제2 전극의 길이 방향을 따라 일 측 단부로부터 타 측 단부까지 연장된 형태를 갖는다. 상기 제2 무지부는, 상술한 바와 같은 제2 전극 탭(14)으로서 기능한다. 상기 제2 전극 탭(14)은, 전극 조립체(A)의 타 면 상에 구비된다. 좀 더 구체적으로, 상기 제2 전극 탭(14)은, 배터리 하우징(BH) 내에 수용된 전극 조립체(A)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 상부에 구비된다.
즉, 상기 제1 전극 탭(13)과 제2 전극 탭(14)은, 전극 조립체(A)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향), 즉 원통형 배터리(1)의 높이 방향을 따라 서로 반대 방향으로 연장 돌출된다.
도 4, 도 5, 도 7 및 도 10을 참조하면, 상기 배터리 하우징(BH)은, 그 하단에 형성된 개방부를 통해 전극 조립체(A)를 수용한다. 상기 배터리 하우징(BH)은, 그 하단에 개방부가 형성되고 상단에는 폐쇄부가 형성된 대략 원통형의 수용체이다. 상기 배터리 하우징(BH)은, 금속과 같은 도전성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 상기 배터리 하우징(BH)의 재질은, 예를 들어 알루미늄일 수 있다. 상기 배터리 하우징(BH)의 측면(외주면)과 상면은 일체로 형성될 수 있다. 상기 배터리 하우징(BH)의 상면(X-Y 평면에 나란한 면)은 대략 플랫(flat)한 형태를 가질 수 있다. 상기 배터리 하우징(BH)은, 하단에 형성된 개방부를 통해 전극 조립체(A)와 함께 전해질도 수용한다.
상기 배터리 하우징(BH)은, 전극 조립체(A)와 전기적으로 연결된다. 상기 배터리 하우징(BH)은, 전극 조립체(A)의 제1 전극 탭(13)과 연결된다. 따라서, 상기 배터리 하우징(BH)은, 전기적으로 제1 전극 탭(13)과 동일한 극성을 갖는다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 상기 배터리 하우징(BH)은, 그 하단에 형성되는 비딩부(23) 및 크림핑부(24)를 구비할 수 있다. 상기 비딩부(23)는, 배터리 하우징(BH)의 내부에 수용된 전극 조립체(A)의 하방에 위치한다. 상기 비딩부(23)는, 배터리 하우징(BH)이 외주면 둘레를 압입하여 형성된다. 상기 비딩부(23)는, 배터리 하우징(BH)의 내경을 부분적으로 감소시킴으로써, 배터리 하우징(BH)의 폭과 대략 대응되는 사이즈를 가질 수 있는 전극 조립체(A)가 배터리 하우징(BH)의 하단에 형성된 개방부를 통해 빠져나오지 않도록 한다. 상기 비딩부(23)는, 캡 플레이트(40)가 안착되는 지지부로서도 기능할 수 있다.
상기 크림핑부(24)는, 비딩부(23)의 하방에 형성된다. 상기 크림핑부(24)는, 스페이서(50)의 가장자리 둘레 부분이 개재된 상태로 캡 플레이트(40)의 가장자리 둘레 부분을 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다.
도 5 내지 도 7 및 도 11을 참조하면, 상기 제1 집전 플레이트(35)은, 전극 조립체(A)의 제1 전극 탭(13)과 결합되며 배터리 하우징(BH) 내에 위치한다. 상기 제1 집전 플레이트(35)은, 전극 조립체(A)의 하단 일 면의 적어도 일부를 커버한다. 상기 전극 조립체(A)와 제1 집전 플레이트(35)을 포함하는 결합체는 배터리 하우징(BH)의 하단에 형성되는 개방부를 통해 배터리 하우징(BH) 내에 삽입될 수 있다. 상기 제1 집전 플레이트(35)은, 배터리 하우징(BH)과 전기적으로 연결된다. 즉, 상기 제1 집전 플레이트(35)은, 전극 조립체(A)와 배터리 하우징(BH) 간의 전기적 연결을 위한 매개체로서 기능할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 제1 집전 플레이트(35)은, 예를 들어 지지부(35a), 무지부 결합부(35b) 및 하우징 접촉부(35c)를 포함할 수 있다. 상기 지지부(35a)는, 전극 조립체(A)의 하단에 형성되는 일 면 상에서 중심부에 위치한다. 상기 지지부(35a)에는 제1 집전 플레이트 홀(H1)이 구비될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 집전 플레이트 홀(H1)은, 전극 조립체(A)의 권취 중심 홀(C)과 대응되는 위치에 형성된다. 상기 제1 집전 플레이트 홀(H1)은, 후술할 외부 단자(60)와 제2 집전 플레이트(36) 간의 결합을 위한 용접봉의 삽입이나 레이저 조사를 위한 통로로서 기능할 수 있다. 그 밖에도, 상기 제1 집전 플레이트 홀(H1)은 전해액의 주액 시에 전극 조립체(A) 내부로 원활한 전해액 함침이 이루어질 수 있도록 하는 통로로서도 기능할 수 있다.
상기 무지부 결합부(35b)는, 지지부(35a)로부터 연장되며 제1 전극 탭(13)과 결합한다. 상기 무지부 결합부(35b)는, 예를 들어 복수개가 구비될 수 있다. 이 경우, 복수의 무지부 결합부(35b)들 각각은, 지지부(35a)로부터 방사상으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 하우징 접촉부(35c)는, 도 3에 도시된 바와 같이 지지부(35a)로부터 연장되거나 또는 도 3에 도시된 것과는 달리 무지부 결합부(35b)의 단부로부터 연장될 수 있다. 상기 하우징 접촉부(35c)의 단부는 후술할 스페이서(50)의 실링부(52)와 배터리 하우징(BH) 사이에 개재되어 배터리 하우징(BH)과 접촉할 수 있으며, 이로써 배터리 하우징(BH)과 제1 집전 플레이트(35) 간의 전기적 연결이 이루어질 수 있다.
상기 하우징 접촉부(35c)는, 예를 들어 복수개가 구비될 수 있다. 이 경우, 복수의 하우징 접촉부(35c)들은, 도 6에 도시된 바와 같이, 지지부(35a)로부터 방사상으로 연장된 형태를 가질 수 있고, 서로 이웃하는 무지부 결합부(35b) 사이에 적어도 하나의 하우징 접촉부(35c)가 위치할 수 있다. 또는, 상기 복수의 하우징 접촉부(35c)들은, 도 6에 도시된 것과는 달리, 복수의 무지부 결합부(35b) 각각의 단부로부터 연장된 형태를 가질 수도 있다.
도 5, 도 7 및 도 9를 참조하면, 상기 캡 플레이트(40)는, 배터리 하우징(BH)에 형성된 개방부를 커버한다. 상기 캡 플레이트(40)는, 강성 확보를 위해 예를 들어 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 캡 플레이트(40)는, 원통형 배터리(1)의 하면을 이룬다. 본 발명의 원통형 배터리(1)에 있어서, 캡 플레이트(40)는, 전도성을 갖는 금속 재질인 경우에도, 극성을 갖지 않을 수 있다. 극성을 갖지 않는다는 것은, 상기 캡 플레이트(40)가 배터리 하우징(BH) 및 단자(60)와 전기적으로 절연되어 있음을 의미할 수 있다. 따라서, 상기 캡 플레이트(40)는, 양극 단자 또는 음극 단자로서 기능하지 않는다. 따라서, 상기 캡 플레이트(40)는, 전극 조립체(A) 및 배터리 하우징(BH)과 전기적으로 연결될 필요가 없으며, 그 재질이 반드시 전도성 금속이어야 하는 것도 아니다.
본 발명의 배터리 하우징(BH)이 비딩부(23)를 구비하는 경우, 상기 캡 플레이트(40)는, 배터리 하우징(BH)에 형성된 비딩부(23) 상에 안착될 수 있다. 또한, 본 발명의 배터리 하우징(BH)이 크림핑부(24)를 구비하는 경우, 상기 캡 플레이트(40)는, 크림핑부(24)에 의해 고정된다. 상기 캡 플레이트(40)와 배터리 하우징(BH)의 크림핑부(24) 사이에는 배터리 하우징(BH)의 기밀성 확보를 위해 스페이서(50)의 가장자리 둘레 부분이 개재된다.
도 7 및 도 9를 참조하면, 상기 캡 플레이트(40)는, 배터리 하우징(BH)의 내부에 발생된 가스로 인해 내압이 기 설정된 수치를 넘어서 증가하는 것을 방지하기 위해 벤팅부(41)를 더 구비할 수 있다. 상기 벤팅부(41)는, 캡 플레이트(40) 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 상기 벤팅부(31)는, 주변 영여과 비교하여 구조적으로 취약하다. 따라서, 상기 원통형 배터리(1)에 이상이 발생하여 배터리 하우징(BH)의 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 벤팅부(41)가 파단되어 배터리 하우징(BH)의 내부에 생성된 가스가 배출될 수 있다. 상기 벤팅부(41)는, 예를 들어 캡 플레이트(40)의 어느 일 면 상에 또는 양 면 상에 노칭(notching)을 하여 부분적으로 배터리 하우징(BH)의 두께를 감소시킴으로써 형성될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 캡 플레이트(40)의 하단부는 배터리 하우징(BH)의 하단부보다 더 상방에 위치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 배터리 하우징(BH)의 하단부가 지면에 닿거나 또는 모듈이나 팩 구성을 위한 하우징의 바닥면에 닿더라도, 캡 플레이트(40)는 지면 또는 팩 하우징의 바닥면에 닿지 않게 된다. 따라서, 원통형 배터리(1)의 무게로 인해 벤팅부(41)의 파단에 요구되는 압력이 설계치와 달라지는 현상을 방지할 수 있으며, 이에 따라 벤팅부(41)의 파단 원활성이 확보될 수 있다.
한편, 상기 벤팅부(41)가 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이 폐루프 형태를 갖는 경우, 파단의 용이성 측면에서는 캡 플레이트(40)의 중심부로부터 벤팅부(41)에 이르는 거리가 멀수록 유리하다. 이는, 동일한 벤팅 압이 작용했을 때, 상기 캡 플레이트(40)의 중심부로부터 벤팅부(41)에 이르는 거리가 멀어질수록 벤팅부(41)에 작용하는 힘이 커져 파단이 용이해지기 때문이다. 또한, 벤팅 가스 배출의 원활성 측면에서도 캡 플레이트(40)의 중심부로부터 벤팅부(41)에 이르는 거리가 멀수록 유리하다. 이러한 관점에서 볼 때, 상기 벤팅부(41)는, 캡 플레이트(40)의 가장자리 둘레 영역으로부터 하방(도 7을 기준으로 아래를 향하는 방향)으로 돌출된 대략 플랫한 영역의 가장자리 둘레를 따라 형성되는 것이 유리할 수 있다.
도 7에서는, 상기 벤팅부(41)가 대략 원을 그리며 연속적으로 형성된 경우를 도시하고 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 벤팅부(41)는, 캡 플레이트(40) 상에 대략 원을 그리며 불연속적으로 형성될 수도 있고, 대략 직선 형태 또는 그 밖의 다른 형태로 형성될 수도 있다.
도 5, 도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 스페이서(50)는, 전극 조립체(A)의 유동을 방지하고, 배터리 하우징(BH)의 실링력을 강화하도록 구성된다. 상기 스페이서(50)는, 예를 들어 유동 방지부(51), 실링부(52) 및 연결부(53)를 포함할 수 있다. 상기 유동 방지부(51)는, 제1 집전 플레이트(35)와 캡 플레이트(40) 사이에 개재된다. 상기 유동 방지부(51)는, 제1 집전 플레이트(35)와 캡 플레이트(40) 사이의 거리와 대응되는 높이를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 유동 방지부(51)는, 제1 집전 플레이트(35)와 캡 플레이트(40) 사이에 형성되는 유격으로 인해 전극 조립체(A)가 배터리 하우징(BH) 내에서 움직이는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서, 상기 유동 방지부(51)는, 전극 조립체(A)와 제1 집전 플레이트(35) 간의 결합 부위 및/또는 제1 집전 플레이트(35)와 배터리 하우징(BH) 간의 결합 부위에 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
상기 유동 방지부(51)는, 전극 조립체(A) 하단의 일 면 상에서 대략 중심부에 위치할 수 있다. 상기 유동 방지부(51)는, 전극 조립체(A)의 권취 중심 홀(C)과 대응되는 위치에 형성되는 스페이서 홀(H2)을 구비할 수 있다. 상기 스페이서 홀(H2)은, 상술한 제1 집전 플레이트 홀(H1)과 마찬가지로 용접봉의 삽입 통로 또는 레이저 조사를 위한 통로로서 기능할 수 있다. 상기 스페이서 홀(H2)은, 상술한 제1 집전 플레이트 홀(H1)과 마찬가지로, 전해액의 주액 시에 전극 조립체(A) 내부로 원활한 전해액 함침이 이루어질 수 있도록 하는 통로로서도 기능할 수 있다.
상기 실링부(52)는, 배터리 하우징(BH)과 캡 플레이트(40)에 개재된다. 상기 실링부(52)는, 배터리 하우징(BH)의 내주면 둘레를 따라 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 배터리 하우징(BH)이 크림핑부(24)를 구비하는 경우, 상기 실링부(52)는, 크림핑부(24)의 절곡 형상을 따라 함께 절곡되어 캡 플레이트(40)의 가장자리 둘레 영역을 감쌀 수 있다. 이처럼, 상기 실링부(52)는, 캡 플레이트(40)의 고정력 향상 및 배터리 하우징(BH)의 실링력 향상을 위한 가스켓으로서 기능할 수 있다.
상기 연결부(53)는, 유동 방지부(51)와 실링부(52) 사이를 연결한다. 상기 연결부(53)는, 예를 들어 유동 방지부(51)로부터 방사상으로 연장되는 복수의 연장 레그(53a)를 포함할 수 있다. 상기 연결부(53)가 이와 같이 구성되는 경우, 서로 인접한 연장 레그(53a) 사이의 공간을 통해 전해액 주입이 원활하게 이루어질 수 있고, 내압 증가에 따른 벤팅 발생 시에 내부 가스가 원활하게 배출될 수 있다.
상기 복수의 연장 레그(53a)들은, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 집전 플레이트(35)의 하우징 접촉부(35c) 중 크림핑부(24)에 삽입된 부분을 제외한 나머지 부분 및/또는 캡 플레이트(40)와 접촉하지 않도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 연결부(53)는, 원통형 배터리(1)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 하우징 접촉부(35c)와 중첩되지 않도록 위치할 수 있다. 특히, 상기 연장 레그(53a)들이 유동 방지부(51)로부터 방사상으로 연장된 형태를 갖고, 복수의 상기 하우징 접촉부(35c)들이 지지부(35a)로부터 방사상으로 연장된 형태를 갖는 경우, 연장 레그(53a)들과 하우징 접촉부(35c)들은 서로 연직 방향을 따라 중첩되지 않도록 서로 엇갈린 위치에 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 배터리 하우징(BH)에 연직 방향의 압축력이 가해져 부품들의 형태 변형이 발생되더라도 연장 레그(53a)와 하우징 접촉부(35c) 간의 간섭 발생 가능성이 현저히 낮아질 수 있고, 이로써 부품들 간의 결합 부위가 파손되는 등의 문제가 발생할 가능성을 현저히 감소시킬 수 있다.
이 경우, 상기 원통형 배터리(1)를 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 압축시키는 사이징(sizing) 공정이나 그 밖의 다른 원인으로 인해 스페이서(50)의 형태 변형이 발생되더라도 스페이서(50)의 연결부(53)와 제1 집전 플레이트(35)의 하우징 접촉부(35c) 간의 간섭이 최소화될 수 있다. 특히, 상기 연장 레그(53a)가 캡 플레이트(40)와 접촉하지 않도록 구성되는 경우, 사이징 공정이나 외부 충격으로 인해 배터리 하우징(BH)에 형태 변형이 발생하더라도 연장 레그(53a)의 형태 변형이 발생될 가능성을 감소시킬 수 있다.
한편, 상기 스페이서(50)를 구성하는 각각의 구성요소들은 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 사출에 의해 유동 방지부(51), 실링부(52) 및 연결부(53)가 일체화된 스페이서(50)를 제조할 수 있다. 즉 본 발명의 원통형 배터리(1)는, 배터리 하우징(BH)의 개방부를 실링하기 위해 이용되는 가스켓 부품의 변형 제작을 통해 하나의 부품으로서 배터리 하우징(BH)의 개방부에 대한 실링력 강화 및 전극 조립체(A)의 유동 방지 효과를 모두 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 추가 부품의 적용으로 인해 발생되는 제조 공정의 복잡화 및 제조 비용 증가 등을 방지할 수 있다.
도 4, 도 5 및 도 10을 참조하면, 상기 외부 단자(60)는 전극 조립체(A)의 제2 전극 탭(14)과 전기적으로 연결된다. 상기 외부 단자(60)는, 예를 들어 배터리 하우징(BH)의 상단에 형성된 폐쇄부의 대략 중심부를 관통할 수 있다. 상기 외부 단자(60)의 일부는 배터리 하우징(BH)의 상부로 노출되고 나머지 일부는 배터리 하우징(BH)의 내부에 위치할 수 있다. 상기 외부 단자(60)는, 그것의 하단 가장자리 부분이 예를 들어 리벳팅(riveting)에 의해 배터리 하우징(BH)의 폐쇄부의 내측면 상에 고정될 수 있다. 리벳팅은, 콜킹 지그로 외부 단자(60)의 하부 가장자리 부분을 가압하여 상기 하부 가장자리 부분을 소성 변형시키는 것에 의해 구현된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 있어서 배터리 하우징(BH)은 전극 조립체(A)의 제1 전극 탭(13)과 전기적으로 연결이 되므로, 배터리 하우징(BH)의 상단에 형성된 폐쇄부는 제1 극성을 갖는 제1 전극 단자(E1)로서 기능할 수 있다. 반면, 상기 외부 단자(60)는, 전극 조립체(A)의 제2 전극 탭(14)과 전기적으로 연결이 되므로, 배터리 하우징(BH)의 외측으로 노출된 외부 단자(60)는 제2 전극 단자(E2)로서 기능할 수 있다.
즉, 본 발명의 원통형 배터리(1)는, 한 쌍의 전극 단자(E1, E2)가 동일 방향에 위치하는 구조를 갖는다. 따라서, 복수의 원통형 배터리(1)를 전기적으로 연결시키는 경우에 있어서, 버스바 등의 전기적 연결 부품을 원통형 배터리(1)의 일 측에만 배치시키는 것이 가능하다. 이는, 배터리 팩 구조의 단순화 및 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 원통형 배터리(1)는, 대략 플랫한 형태를 갖는 배터리 하우징(BH)의 일 면을 제1 전극 단자(E1)로 이용할 수 있는 구조를 가짐으로써 버스바 등의 전기적 연결 부품을 제1 전극 단자(E1)에 접합시키는데 있어서 충분한 접합 면적을 확보할 수 있다. 이에 따라, 상기 원통형 배터리(1)는, 전기적 연결 부품과 제1 전극 단자(E1) 간의 충분한 접합 강도를 확보할 수 있으며, 접합 부위에서의 저항을 바람직한 수준으로 낮출 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 외부 단자(60)가 제2 전극 단자(E2)로서 기능하는 경우, 외부 단자(60)는 제1 극성을 갖는 배터리 하우징(BH)과는 전기적으로 절연된다. 상기 배터리 하우징(BH)과 외부 단자(60) 간의 전기적 절연은 다양한 방식으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 상기 외부 단자(60)와 배터리 하우징(BH) 사이에 절연 가스켓(G)을 개재시킴으로써 절연을 실현할 수 있다. 이와는 달리, 상기 외부 단자(60)의 일부에 절연성 코팅층을 형성시킴으로써 절연을 실현할 수도 있다. 또는, 상기 외부 단자(60)와 배터리 하우징(BH)의 접촉이 불가능하도록 상호 이격된 상태로 배치를 하되, 외부 단자(60)를 구조적으로 단단히 고정시키는 방식을 적용할 수도 있다. 또는, 앞서 설명한 방식들 중 복수의 방식을 함께 적용할 수도 있다.
한편, 전기적 절연을 위해 절연 가스켓(G)을 적용하고 외부 단자(60)의 고정을 위해 리벳팅이 적용되는 경우, 절연 가스켓(G)은 도 10에 도시된 바와 같이 외부 단자(60)의 리벳팅 시에 함께 변형되어 배터리 하우징(BH)의 상단 폐쇄부의 내측면을 향해 절곡될 수 있다. 상기 절연 가스켓(G)이 수지 재질로 이루어지는 경우에 있어서, 절연 가스켓(G)은 열 융착에 의해 상기 배터리 하우징(BH) 및 외부 단자(60)와 결합될 수 있다. 이 경우, 절연 가스켓(G)과 외부 단자(60)의 결합 계면 및 절연 가스켓(G)과 배터리 하우징(BH)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다.
도 5, 도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 제2 집전 플레이트(36)은, 전극 조립체(A)의 상부에 결합된다. 상기 제2 집전 플레이트(36)은, 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제2 전극 탭(14)과 결합된다. 상기 제2 전극 탭(14)과 제2 집전 플레이트(36) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 도 11을 참조하면, 상기 제2 집전 플레이트(36)은, 제2 전극 탭(14)의 단부가 제2 집전 플레이트(36)과 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 수 있다. 상기 제2 전극 탭(14)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(A)의 권취 중심을 향하는 방향일 수 있다. 상기 제2 전극 탭(14)이 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 제2 전극 탭(14)이 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 제2 전극 탭(14)과 제2 집전 플레이트(36) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다. 한편, 상술한 바와 같은 제2 전극 탭(14)과 제2 집전 플레이트(36) 간의 결합 구조 및 결합 방식은 제1 전극 탭(13)과 제1 집전 플레이트(35) 간의 결합에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 5 및 도 10을 참조하면, 인슐레이터(80)는, 배터리 하우징(BH)의 상단에 형성된 폐쇄부와 전극 조립체(A)의 상단 사이 또는 상기 폐쇄부와 제2 집전 플레이트(36) 사이에 개재된다. 상기 인슐레이터(80)는, 예를 들어 절연성을 갖는 수지 재질로 이루어질 수 있다. 상기 인슐레이터(80)는, 전극 조립체(A)와 배터리 하우징(BH) 간의 접촉 및/또는 제2 집전 플레이트(36)와 배터리 하우징(BH) 간의 접촉을 방지한다.
상기 인슐레이터(80)는, 그 밖에도 전극 조립체(A)의 외주면의 상단과 배터리 하우징(BH)의 내측면 사이에도 개재될 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(A)의 제2 전극 탭(14)이 배터리 하우징(BH)의 측벽부의 내측면과 접촉하여 쇼트가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
상기 인슐레이터(80)는, 배터리 하우징(BH)의 상단에 형성된 폐쇄부와 전극 조립체(A) 사이의 거리 또는 상기 폐쇄부와 제2 집전 플레이트(36) 사이의 거리와 대응되는 높이를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(A)가 배터리 하우징(BH) 내부에서 움직이는 것을 방지할 수 있으며, 이로써 부품 간의 전기적 연결을 위한 결합부위가 파손될 위험성이 현저히 감소할 수 있다. 상기 인슐레이터(80)가, 전술한 스페이서(50)와 함께 적용되는 경우, 전극 조립체(A)의 유동 방지 효과가 극대화될 수 있다.
상기 인슐레이터(80)는, 전극 조립체(A)의 권취 중심 홀(C)과 대응되는 위치에 형성되는 개구를 구비할 수 있다. 상기 개구를 통해 외부 단자(60)는 제2 집전 플레이트(60)와 직접 접촉할 수 있다.
바람직하게, 원통형 배터리는, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 배터리일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리는, 예를 들어 46110 배터리, 4875 배터리, 48110 배터리, 4880 배터리, 4680 배터리 일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 배터리의 직경을 나타내고, 나머지 숫자들은 배터리의 높이를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.418인 원통형 배터리일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.640인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.436인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.600인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.575인 원통형 배터리일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 1865 배터리, 2170 배터리 등이 이용되었다. 1865 배터리의 우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.277이다. 2170 배터리의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.300이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 원통형 배터리(1)가 전기적으로 연결된 배터리 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(2)을 포함한다. 본 발명의 도면에서는, 도면 도시의 편의상 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 전력 단자 등의 부품은 생략되었다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는, 예를 들어 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 포함한다. 상기 자동차(5)는, 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함한다. 상기 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)으로부터 전력을 공급받아 동작한다.
이하에서는, 도 11 내지 도 35를 참조하여, 전극판, 전극 조립체 및 원통형 배터리에 관한 다양한 실시예를 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체에 관해 설명한다. 전극 조립체는 쉬트 형상을 가진 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체이다.
바람직하게, 제1전극 및 제2전극 중 적어도 하나는 권취 방향의 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 무지부를 포함한다. 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용된다. 무지부는, 전극 조립체의 코어에 인접한 코어측 무지부, 전극 조립체의 외주 표면에 인접한 외주측 무지부, 코어측 무지부 및 외주측 무지부 사이에 개재된 중간 무지부를 포함한다.
바람직하게, 코어측 무지부와 외주측 무지부 중 적어도 하나는 중간 무지부보다 높이가 상대적으로 낮다.
도 14는 본 발명의 제1실시예에 따른 전극(60a)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 14를 참조하면, 제1실시예의 전극(60a)은 금속 포일로 이루어진 집전체(61) 및 활물질층(62)을 포함한다. 금속 포일은 알루미늄 또는 구리일 수 있으며, 전극(60a)의 극성에 따라 적절하게 선택된다. 활물질층(62)은 집전체(61)의 적어도 일면에 형성되며, 권취 방향(X)의 장변 단부에 무지부(63)를 포함한다. 무지부(63)는 활물질이 코팅되지 않은 영역이다. 활물질층(62)과 무지부(63)의 경계에는 절연 코팅층(64)이 형성될 수 있다. 절연 코팅층(64)은 적어도 일부가 활물질층(62)과 무지부(63)의 경계와 중첩되도록 형성된다. 절연 코팅층(64)은 고분자 수지를 포함하고, Al2O3와 같은 무기물 필러를 포함할 수 있다.
무지부(63)는 전극 조립체의 코어측과 인접한 코어측 무지부(B1), 전극 조립체의 외주측과 인접한 외주측 무지부(B3), 및 코어측 무지부(B1)와 외주측 무지부(B3) 사이에 개재된 중간 무지부(B2)를 포함한다.
코어측 무지부(B1), 외주측 무지부(B3) 및 중간 무지부(B3)는 전극(60a)이 젤리롤 타입의 전극 조립체로 권취되었을 때 각각 코어 측에 인접한 영역의 무지부, 외주측에 인접한 영역의 무지부, 및 이들을 제외한 나머지 영역의 무지부로서 정의될 수 있다. 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 경계는 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 중간 무지부(B2)는 자동으로 특정될 수 있다. 만약, B1/B2의 경계만 특정되는 경우 B2/B3의 경계는 전극 조립체의 외주측 근처 지점에서 적절하게 선택 가능하다. 반대로, B2/B3의 경계만 특정되는 경우 B1/B2의 경계는 전극 조립체의 코어측 근처 지점에서 적절하게 선택 가능하다. 제1실시예에서, 무지부(63)의 높이는 일정하지 않고 권취 방향(X)에서 상대적인 차이가 있다. 즉 외주측 무지부(B3)의 높이(Y축 방향의 길이)는 코어측 무지부(B1) 및 중간 무지부(B2) 보다 상대적으로 작다.
도 15는 본 발명의 제2실시예에 따른 전극(60b)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 15를 참조하면, 제2실시예의 전극(60b)은 제1실시예와 비교하여 외주측 무지부(B3)의 높이가 외주측으로 갈수록 점진적으로 감소하는 점만 다르고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
일 변형예에서, 외주측 무지부(B3)는 높이가 단계적으로 감소하는 스텝 형상(점선 참조)으로 변형이 가능하다.
도 16은 본 발명의 제3실시예에 따른 전극(60c)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 16을 참조하면, 제3실시예의 전극(60c)은 코어측 무지부(B1)와 외주측 무지부(B3)의 높이는 중간 무지부(B2) 보다 상대적으로 작다. 또한, 코어측 무지부(B1)와 외주측 무지부(B3)의 높이는 동일하거나 서로 다를 수 있다.
바람직하게, 중간 무지부(B2)의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 증가하는 스텝 형상을 가질 수 있다.
패턴1 내지 패턴7은 무지부(63)의 높이가 변화하는 위치를 중심으로 중간 무지부(B2)를 구분한 것이다. 바람직하게, 패턴들의 수와 각 패턴의 높이(Y축 방향의 길이)와 폭(X축 방향의 길이)은 무지부(63)의 절곡 과정에서 응력을 최대한 분산시킬 수 있도록 조절될 수 있다. 응력 분산은 무지부(63)의 찢어짐을 방지하기 위한 것이다.
코어측 무지부(B1)의 폭(dB1)은 중간 무지부(B2)의 패턴들을 코어측으로 절곡시켰을 때 전극 조립체 코어의 공동을 가리지 않는 조건을 적용하여 설계한다.
일 예에서, 코어측 무지부(B1)의 폭(dB1)은 패턴1의 절곡 길이에 비례하여 증가할 수 있다. 절곡 길이는 패턴의 절곡 지점을 기준으로 한 패턴의 높이에 해당한다.
구체적인 예에서, 전극(60c)이 폼 팩터가 4680인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 코어측 무지부(B1)의 폭(dB1)은 전극 조립체 코어의 직경에 따라 180mm 내지 350mm로 설정할 수 있다.
일 실시예에서, 각 패턴의 폭은 전극 조립체의 동일한 권취 턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다.
일 변형예에서, 중간 무지부(B2)의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 가면서 증가했다가 감소하는 스텝 형상을 가질 수 있다.
다른 변형예에서, 외주측 무지부(B3)는 제2실시예와 동일한 구조를 갖도록 변형될 수 있다.
또 다른 변형예에서, 중간 무지부(B2)에 적용된 패턴 구조가 외주측 무지부(B3)까지 확장될 수 있다(점선 참조).
도 17은 본 발명의 제4실시예에 따른 전극(60d)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 17을 참조하면, 제4실시예의 전극(60d)은 코어측 무지부(B1)와 외주측 무지부(B3)의 높이가 중간 무지부(B2) 보다 상대적으로 작다. 또한, 코어측 무지부(B1)와 외주측 무지부(B3)의 높이는 동일하거나 다를 수 있다.
바람직하게, 중간 무지부(B2)는 적어도 일부 구간이 복수의 분절편(P)을 포함할 수 있다. 복수의 분절편(P)은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 높이가 단계적으로 증가할 수 있다.
분절편(P)은 레이저로 노칭된 것일 수 있다. 분절편(P)은 초음파 커팅이나 타발 등 공지의 금속박 커팅 공정으로 형성할 수 있다.
제4실시예에서, 무지부(63)의 절곡 가공시 활물질층(62) 및/또는 절연 코팅층(64)이 손상되는 것을 방지하기 위해 분절편(P) 사이의 절단 라인 하단과 활물질층(62) 사이에 소정의 갭을 두는 것이 바람직하다. 무지부(63)가 절곡될 때 절단 라인 하단 근처에 응력이 집중되기 때문이다. 갭은 0.2mm 내지 4mm인 것이 바람직하다. 갭이 해당 수치범위로 조절되면, 무지부(63)의 절곡 가공시 생기는 응력에 의해 절단 라인 하단 근처의 활물질층(62) 및/또는 절연 코팅층(64)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 갭은 분절편(P)의 노칭 또는 커팅시 공차로 인한 활물질층(62) 및/또는 절연 코팅층(64)의 손상을 방지할 수 있다. 바람직하게, 전극(60d)이 전극 조립체로 권취되었을 때, 절연 코팅층(64)의 적어도 일부는 분리막의 외측으로 노출될 수 있다. 이 경우, 분절편(P)이 절곡될 때 절연 코팅층(64)이 절곡 지점을 지지할 수 있다.
복수의 분절편(P)은 코어측에서 외주측으로 가면서 복수의 분절편 그룹을 이룰 수 있다. 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치는 실질적으로 동일할 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 분절편(P)의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 18을 참조하면, 분절편(P)의 폭(C1), 높이(C2) 및 이격 피치(C3)는 무지부(63)의 절곡 가공 시 무지부(63)가 찢어지는 것을 방지하고 용접 강도 향상을 위해 무지부(63)의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시키면서 무지부(63)의 비정상적 변형을 방지할 수 있도록 설계한다. 비정상적 변형은 절곡 지점(C4) 하부의 무지부가 직선 상태를 유지하지 못하고 주저 않으면서 불규칙하게 변형되는 것을 말한다.
바람직하게, 분절편(P)의 폭(C1)은 1mm 내지 6mm의 범위에서 조절할 수 있다. C1이 1mm 미만이면, 분절편(P)이 코어측으로 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 중첩되지 않는 영역 또는 빈 공간(틈)이 발생한다. 반면, C1이 6mm를 초과하면, 분절편(P)이 절곡될 때 절곡 지점(C4) 근처의 무지부(63)가 응력에 의해 찢어질 가능성이 있다. 또한, 분절편(P)의 높이는 2mm 내지 10mm의 범위에서 조절할 수 있다. C2가 2mm 미만이면, 분절편(P)이 코어측으로 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 중첩되지 않는 영역 또는 빈 공간(틈)이 발생한다. 반면, C2가 10mm를 넘으면 권취 방향(X)으로 무지부의 평탄도를 균일하게 유지하면서 전극을 제조하기 어렵다. 즉, 무지부의 높이가 커져서 너울이 생긴다. 또한, 분절편(P)의 이격 피치(C3)는 0.05mm 내지 1mm의 범위에서 조절할 수 있다. C3이 0.05mm 미만이면, 분절편(P)이 절곡될 때 응력에 의해 절곡 지점(C4) 근처의 무지부(63)가 찢어질 수 있다. 반면, C3이 1mm를 초과하면 분절편(P)이 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(P)들이 서로 중첩되지 않는 영역 또는 빈 공간(틈)이 발생할 수 있다.
다시 도 17을 참조하면, 코어측 무지부(B1)의 폭(dB1)은 중간 무지부(B2)의 분절편(P)을 코어측으로 절곡시켰을 때 전극 조립체 코어의 공동을 가리지 않는 조건을 적용하여 설계한다.
일 예에서, 코어측 무지부(B1)의 폭(dB1)은 그룹1의 분절편(P)의 절곡 길이에 비례하여 증가할 수 있다. 절곡 길이는 절곡 지점(도 18의 C4)을 기준으로 한 분절편(P)의 높이에 해당한다.
구체적인 예에서, 전극(60d)이 폼 팩터가 4680인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 코어측 무지부(B1)의 폭(dB1)은 전극 조립체 코어의 직경에 따라 180mm 내지 350mm로 설정할 수 있다.
일 실시예에서, 각 분절편 그룹의 폭은 전극 조립체의 동일한 권취 턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다.
일 변형예에서, 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편(P)의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치는 그룹 내에서 점진적으로 및/또는 단계적으로 및/또는 불규칙적으로 증가 또는 감소할 수 있다.
그룹1 내지 그룹7은 분절편 그룹의 일 예시에 불과하다. 그룹들의 수와 각 그룹에 포함되는 분절편(P)의 수는 무지부(63)의 절곡 과정에서 응력을 최대한 분산시키고 용접 강도를 충분히 확보할 수 있도록 분절편(P)이 여러 겹으로 중첩되도록 조절될 수 있다.
다른 변형예에서, 외주측 무지부(B3)의 높이는 제1실시예 및 제2실시예와 마찬가지로 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다. 또한, 중간 무지부(B2)의 분절구조는 외주측 무지부(B3)까지 확장 가능하다(점선 참조). 이 경우, 외주측 무지부(B3)도 중간 무지부(B2)와 마찬가지로 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 이 경우, 외주측 무지부(B3)의 분절편은 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 중간 무지부(B2)보다 더 클 수 있다.
구체적인 예에서, 전극(60d)이 폼팩터가 4680인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 8개의 그룹으로 분절편이 형성될 수 있다. 이 때, 그룹1 내지 7의 분절편들은 중간 무지부(B2)에 형성되고, 그룹8의 분절편들은 전술한 변형예처럼 외주측 무지부(B3)에 형성될 수 있다.
구체적인 예에서, 코어측 무지부(B1)의 폭(dB1)은 180mm~350mm일 수 있다. 그룹1의 폭은 코어측 무지부(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.
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 제한되기 때문이다. 따라서, 특정 분절편 그룹에서는 분절편의 수가 감소될 수 있다. 따라서, 그룹의 폭은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 상기의 예시처럼 불규칙한 변화 양상을 나타낼 수 있다.
즉, 전극 조립체의 반경 방향에서 연속해서 인접하는 3개의 분절편 그룹 각각에 대한 권취 방향의 폭을 각각 W1, W2 및 W3이라고 했을 때 W2/W1 보다 W3/W2가 작은 분절편 그룹의 조합을 포함할 수 있다.
상기 구체적인 예에서, 그룹4 내지 그룹6이 이에 해당한다. 그룹4에 대한 그룹5의 폭 비율은 120%~130%이고, 그룹5에 대한 그룹6의 폭 비율은 100%~120%로서 그 값이 120%~130%보다 작다.
도 19는 본 발명의 제5실시예에 따른 전극(60e)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 19를 참조하면, 제5실시예의 전극(60e)은 제4실시예와 비교하여 분절편(P')의 형상이 사각형에서 사다리꼴로 변경된 점을 제외하면 나머지 구성은 제4실시예(또는 변형예들)과 실질적으로 동일하다.
도 20은 사다리꼴 분절편(P')의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸다.
도 20을 참조하면, 분절편(P')의 폭(D1), 높이(D2) 및 이격 피치(D3)는 무지부(63)의 절곡 가공 시 절곡 지점(D4) 근처의 무지부(63)가 찢어지는 것을 방지하고 충분한 용접 강도 확보를 위해 무지부(63)의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시키면서 무지부(63)의 비정상적 변형을 방지할 수 있도록 설계한다.
바람직하게, 분절편(P')의 폭(D1)은 1mm 내지 6mm의 범위에서 조절할 수 있다. D1이 1mm 미만이면, 분절편(P')이 코어측으로 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(P')이 중첩되지 않는 영역이나 빈 공간(빈틈)이 발생할 수 있다. 반면, D1이 6mm를 초과하면, 분절편(P')이 절곡될 때 절곡 지점(D4) 근처의 무지부(63)가 응력에 의해 찢어질 가능성이 있다. 또한, 분절편(P')의 높이는 2mm 내지 10mm의 범위에서 조절할 수 있다. D2가 2mm 미만이면, 분절편(P')이 코어측으로 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(P')이 중첩되지 않는 영역이나 빈 공간(빈틈)이 발생할 수 있다. 반면, D2가 10mm를 넘으면 권취 방향으로 무지부(63)의 평탄도를 균일하게 유지하면서 전극을 제조하기 어렵다. 또한, 분절편(P')의 이격 피치(D3)는 0.05mm 내지 1mm의 범위에서 조절할 수 있다. D3이 0.05mm 미만이면, 분절편(P')이 절곡될 때 응력에 의해 절곡 지점(D4) 근처의 무지부(63)가 찢어질 수 있다. 반면, D3이 1mm를 초과하면 분절편(P')이 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(P')들이 서로 중첩되지 않는 영역이나 빈 공간(빈틈)이 발생할 수 있다.
제5실시예에 있어서 복수의 분절편(P')은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 사다리꼴의 하부 내각(θ)이 증가할 수 있다. 전극 조립체(A)의 반경이 증가하면 곡률이 증가한다. 만약, 분절편(P')의 하부 내각(θ)이 전극 조립체의 반경이 증가함에 따라 함께 증가하면 분절편(P')이 절곡될 때 반경 방향 및 원주 방향으로 생기는 응력을 완화시킬 수 있다. 또한, 하부 내각(θ)이 증가하면, 분절편(P')이 절곡되었을 때 안쪽의 분절편(P')과 중첩되는 면적 및 중첩 레이어 수도 함께 증가함으로써 반경 방향 및 원주 방향에서 용접 강도를 균일하게 확보할 수 있고 절곡면을 평탄하게 형성할 수 있다.
일 예에서, 전극(60e)이 폼 팩터가 4680인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 전극 조립체(A)의 반경이 4mm부터 22mm까지 증가할 때 분절편(P')의 내각은 60도 내지 85도 구간에서 단계적으로 증가할 수 있다.
일 변형예에서, 외주측 무지부(B3)의 높이는 제1실시예 및 제2실시예와 마찬가지로 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다. 또한, 중간 무지부(B2)의 분절구조는 외주측 무지부(B3)까지 확장 가능하다(점선 참조). 이 경우, 외주측 무지부(B3)도 중간 무지부(B2)와 마찬가지로 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 이 경우, 외주측 무지부(B3)의 분절편은 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 중간 무지부(B2)보다 더 클 수 있다.
제4실시예 및 제5실시예와 같이, 중간 무지부(B2)가 복수의 분절편(P, P')을 포함할 때, 각 분절편(P, P')의 형상은 삼각형, 반원형, 반타원형, 평형사변형 등으로 변경이 가능하다.
또한, 중간 무지부(B2)의 영역에 따라서 분절편(P, P')의 형상을 다르게 변경하는 것도 가능하다. 일 예에서, 응력이 집중되는 구간은 응력 분산에 유리한 라운드 형상(예컨대, 반원형, 반타원형 등)을 적용하고, 응력이 상대적으로 낮은 구간은 면적이 최대한 넓은 다각 형상(예컨대, 사각형, 사다리꼴, 평형 사변형 등)을 적용할 수 있다.
제4실시예 및 제5실시예에 있어서, 중간 무지부(B2)의 분절 구조는 코어측 무지부(B1)에도 적용이 가능하다. 다만, 코어측 무지부(B1)에 분절 구조가 적용되면, 코어의 곡률 반경에 따라 중간 무지부(B2)의 분절편(P, P')이 절곡될 때 코어측 무지부(B1)의 단부가 외주측으로 휘는 역포밍(reverse forming) 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 코어측 무지부(B1)에는 분절 구조가 없거나, 분절 구조를 적용하더라도 코어의 곡률 반경을 고려하여 분절편(P, P')의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치를 역포밍이 생기지 않는 수준으로 조절하는 것이 바람직하다.
상술한 실시예들(변형예들)의 전극 구조는 젤리롤 타입의 전극 조립체(A)에 포함된 극성이 다른 제1전극 및 제2전극 중 적어도 하나에 적용될 수 있다. 또한, 제1전극 및 제2전극 중 어느 하나에 실시예들(변형예들)의 전극 구조가 적용될 경우, 다른 하나에는 종래의 전극 구조가 적용될 수 있다. 또한, 제1전극 및 제2전극에 적용된 전극 구조는 서로 동일하지 않고 다를 수 있다.
일 예로, 제1전극과 제2음극이 각각 양극 및 음극일 때, 제1전극에는 실시예들(변형예들) 중 어느 하나가 적용되고 제2전극에는 종래의 전극 구조(도1 참조)가 적용될 수 있다.
다른 예로, 제1전극과 제2음극이 각각 양극 및 음극일 때, 제1전극에는 실시예들(변형예들) 중 어느 하나가 선택적으로 적용되고 제2전극에는 실시예들(변형예들) 중 어느 하나가 선택적으로 적용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 구조에 관해 상세히 설명한다.
도 21은 제1실시예의 전극(60a)을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체(A1)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
전극 조립체(A1)는 도 2를 통해 설명한 권취 공법으로 제조할 수 있다. 설명의 편의를 위해 분리막 밖으로 연장된 무지부(43a, 43b)의 돌출 구조를 상세하게 도시하고, 제1전극, 제2전극 및 분리막의 권취 구조에 대한 도시는 생략한다. 상부로 돌출된 무지부(43a)는 제1전극으로부터 연장된 것이고, 하부로 돌출된 무지부(43b)는 제2전극으로부터 연장된 것이다.
무지부(43a, 43b)의 높이가 변화하는 패턴은 개략적으로 도시하였다. 즉, 단면이 잘리는 위치에 따라서 무지부(43a, 43b)의 높이는 불규칙하게 변화할 수 있다. 일 예로, 사다리꼴 분절편(P, P')의 사이드 부분이 잘리면 단면에서의 무지부 높이는 분절편(P, P')의 높이보다 낮아진다. 따라서, 전극 조립체의 단면을 나타낸 도면들에 도시된 무지부(43a, 43b)의 높이는 각 권취 턴에 포함된 무지부 높이(도 18의 C2, 도 20의 D2)의 평균에 대응한다고 이해하여야 한다.
도 21을 참조하면, 제1전극의 무지부(43a)는, 전극 조립체(A1)의 코어에 인접한 코어측 무지부(B1), 전극 조립체(A1)의 외주 표면에 인접한 외주측 무지부(B3), 코어측 무지부(B1) 및 외주측 무지부(B3) 사이에 개재된 중간 무지부(B2)를 포함한다.
외주측 무지부(B3)의 높이(Y축 방향의 길이)는 중간 무지부(B2)의 높이 보다 상대적으로 작다. 따라서, 배터리 하우징의 비딩부에 외주측 무지부(B3)가 압박되면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다.
하부 무지부(43b)는 상부 무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 하부 무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
상부 무지부(43a)와 하부 무지부(43b)의 단부(81)은 전극 조립체(A1)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡될 수 있다. 이 때 외주측 무지부(B3)는 실질적으로 절곡되지 않을 수 있다.
도 22는 제2실시예의 전극(60b)을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체(A2)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 22를 참조하면, 제1전극의 무지부(43a)는, 전극 조립체(A2)의 코어에 인접한 코어측 무지부(B1), 전극 조립체(A2)의 외주 표면에 인접한 외주측 무지부(B3), 및 코어측 무지부(B1) 및 외주측 무지부(B3) 사이에 개재된 중간 무지부(B2)를 포함한다.
외주측 무지부(B3)의 높이는 중간 무지부(B2)의 높이보다 상대적으로 작으며 코어측으로부터 외주측으로 가면서 점진적으로 또는 단계적으로 감소한다. 따라서, 배터리 하우징의 비딩부에 외주측 무지부(B3)가 압박되면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다.
하부 무지부(43b)는 상부 무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 하부 무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
상부 무지부(43a)와 하부 무지부(43b)의 단부(91)은 전극 조립체(A2)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡될 수 있다. 이 때 외주측 무지부(B3)의 최외측(92)은 실질적으로 절곡되지 않을 수 있다.
도 23은 제3실시예 내지 제5실시예(이들의 변형예들)의 전극들(60c, 60d, 60e) 중 어느 하나를 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체(A3)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 23을 참조하면, 제1전극의 무지부(43a)는, 전극 조립체(A3)의 코어에 인접한 코어측 무지부(B1), 전극 조립체(A3)의 외주 표면에 인접한 외주측 무지부(B3), 및 코어측 무지부(B1) 및 외주측 무지부(B3) 사이에 개재된 중간 무지부(B2)를 포함한다.
코어측 무지부(B1)의 높이는 중간 무지부(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 중간 무지부(B2)에 있어서 최내측에 위치한 무지부(43a)의 절곡 길이는 코어측 무지부(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 절곡 길이(H)는 무지부(43a)가 절곡되는 지점(도 18의 C4, 도 20의 D4)을 기준으로 한 무지부(43a)의 높이에 해당한다.
따라서, 중간 무지부(B2)가 절곡되더라도 절곡 부위가 전극 조립체(A3) 코어의 공동(102)을 폐색하지 않는다. 공동(102)이 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 공동(102)을 통해 용접 지그를 삽입하여 음극측의 집전 플레이트와 배터리 하우징 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
외주측 무지부(B3)의 높이는 중간 무지부(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 따라서, 배터리 하우징의 비딩부에 외주측 무지부(B3)가 압박되면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다.
일 변형예에서, 외주측 무지부(B3)의 높이는 도 23에 도시된 것과 달리 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다. 또한, 도 23에는, 중간 무지부(B2)의 높이가 외주측 일부분이 동일하지만, 중간 무지부(B2)의 높이는 코어측 무지부(B1)와 중간 무지부(B2)의 경계부터 중간 무지부(B2)와 외주측 무지부(B3)의 경계까지 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다.
하부 무지부(43b)는 상부 무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 하부 무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
상부 무지부(43a)와 하부 무지부(43b)의 단부(101)는 전극 조립체(A3)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 코어측 무지부(B1)와 외주측 무지부(B3)는 실질적으로 절곡되지 않는다.
중간 무지부(B2)가 복수의 분절편을 포함하는 경우 절곡 응력이 완화되어 절곡 지점 근처의 무지부(43a)가 찢어지거나 비정상적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분절편의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 상술한 실시예의 수치범위에 따라 조절될 경우, 분절편들이 코어측으로 절곡되면서 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡면(Y축에서 바라본 표면)에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(A4)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 24를 참조하면, 전극 조립체(A4)는 도 23의 전극 조립체(A3)와 비교하여 외주측 무지부(B3)의 높이가 중간 무지부(B2)의 최외측 높이와 실질적으로 동일하다는 점을 제외하면 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
외주측 무지부(B3)는 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 복수의 분절편에 관한 구성에 대해서는 제4 및 제5실시예(변형예들)의 설명을 실질적으로 동일하게 원용한다.
전극 조립체(A4)에 있어서, 코어측 무지부(B1)의 높이는 중간 무지부(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 중간 무지부(B2)에 있어서 최내측에 위치한 무지부의 절곡 길이(H)는 코어측 무지부(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다.
따라서, 중간 무지부(B2)가 절곡되더라도 절곡 부위가 전극 조립체(A4) 코어의 공동(112)을 폐색하지 않는다. 공동(112)이 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 공동(112)을 통해 용접 지그를 삽입하여 음극측의 집전 플레이트와 배터리 하우징 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
일 변형예에서, 중간 무지부(B2)의 높이가 코어측으로부터 외주측을 향해 점진적으로 또는 단계적으로 증가하는 구조는, 외주측 무지부(B3)까지 확장될 수 있다. 이 경우, 무지부(43a)의 높이는 코어측 무지부(B1)와 중간 무지부(B2)의 경계부터 전극 조립체(A4)의 최외측 표면까지 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다.
하부 무지부(43b)는 상부 무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 하부 무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
상부 무지부(43a)와 하부 무지부(43b)의 단부(111)는 전극 조립체(A4)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 코어측 무지부(B1)는 실질적으로 절곡되지 않는다.
중간 무지부(B2) 및 외주측 무지부(B3)가 복수의 분절편을 포함하는 경우 절곡 응력이 완화되어 절곡 지점 근처의 무지부(43a, 43b)가 찢어지거나 비정상적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분절편의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 상술한 실시예의 수치범위에 따라 조절될 경우, 분절편들이 코어측으로 절곡되면서 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡면(Y축에서 바라본 표면)에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(A5)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 25를 참조하면, 전극 조립체(A5)는 도 23의 전극 조립체(A3)와 비교하여 중간 무지부(B2)의 높이가 점진적 또는 단계적으로 증가하였다가 감소하는 패턴을 가지는 점만 다르고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
이러한 중간 무지부(B2)의 높이 변화는 중간 무지부(B2)에 포함된 스텝 패턴(도 16 참조)이나 분절편(도 17 또는 도 19 참조)의 높이를 조절하는 것에 의해 구현할 수 있다.
전극 조립체(A5)에 있어서, 코어측 무지부(B1)의 높이는 중간 무지부(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 중간 무지부(B2)에 있어서 최내측에 위치한 무지부의 절곡 길이(H)는 코어측 무지부(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다.
따라서, 중간 무지부(B2)가 코어측을 향해 절곡되더라도 절곡 부위가 전극 조립체(A5) 코어의 공동(122)을 폐색하지 않는다. 공동(122)이 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 공동(122)을 통해 용접 지그를 삽입하여 음극측의 집전 플레이트와 배터리 하우징 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
또한, 외주측 무지부(B3)의 높이는 중간 무지부(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 따라서, 배터리 하우징의 비딩부에 외주측 무지부(B3)가 압박되면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다. 일 변형예에서, 외주측 무지부(B3)의 높이는 외주측을 향해 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다.
하부 무지부(43b)는 상부 무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 변형예에서, 하부 무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
상부 무지부(43a)와 하부 무지부(43b)의 단부(121)는 전극 조립체(A5)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 코어측 무지부(B1)와 외주측 무지부(B3)는 실질적으로 절곡되지 않는다.
중간 무지부(B2)가 복수의 분절편을 포함하는 경우 절곡 응력이 완화되어 무지부(43a, 43b)가 찢어지거나 비정상적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분절편의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 상술한 실시예의 수치범위에 따라 조절될 경우, 분절편들이 코어측으로 절곡되면서 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡면(Y축에서 바라본 표면)에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
도 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(A6)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 26을 참조하면, 전극 조립체(A6)는 도 25의 전극 조립체(A5)와 비교하여 외주측 무지부(B3)의 높이가 외주측 무지부(B3)와 중간 무지부(B2)의 경계 지점부터 전극 조립체(A6)의 최외측 표면을 향해 점진적으로 또는 단계적으로 감소하는 패턴을 가지는 점에서 차이가 있고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
이러한 외주측 무지부(B3)의 높이 변화는 중간 무지부(B2)에 포함된 스텝 패턴(도 16 참조)을 외주측 무지부(B3)까지 확장하면서 동시에 패턴의 높이를 외주측을 향해 점진적으로 또는 단계적으로 감소시켜 구현할 수 있다. 또한, 다른 변형 예에서, 외주측 무지부(B3)의 높이 변화는 중간 무지부(B2)의 분절편 구조를 외주측 무지부(B3)까지 확장하면서 동시에 분절편의 높이를 외주측을 향해 점진적으로 뜨는 단계적으로 감소시켜 구현할 수 있다.
전극 조립체(A6)에 있어서, 코어측 무지부(B1)의 높이는 중간 무지부(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 중간 무지부(B2)에 있어서 최내측에 위치한 무지부의 절곡 길이(H)는 코어측 무지부(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다.
따라서, 중간 무지부(B2)가 코어측을 향해 절곡되더라도 절곡 부위가 전극 조립체(A5) 코어의 공동(132)을 폐색하지 않는다. 공동(132)이 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 공동(132)을 통해 용접 지그를 삽입하여 음극측의 집전 플레이트와 배터리 하우징 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
하부 무지부(43b)는 상부 무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 하부 무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
상부 무지부(43a)와 하부 무지부(43b)의 단부(131)는 전극 조립체(A6)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 코어측 무지부(B1)는 실질적으로 절곡되지 않는다.
중간 무지부(B2) 및 외주측 무지부(B3)가 복수의 분절편을 포함하는 경우 절곡 응력이 완화되어 절곡 지점 근처의 무지부(43a, 43b)가 찢어지거나 비정상적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분절편의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 상술한 실시예의 수치범위에 따라 조절될 경우, 분절편들이 코어측으로 절곡되면서 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡면(Y축에서 바라본 표면)에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 다양한 전극 조립체 구조는 젤리롤 타입의 원통형 배터리에 적용될 수 있다.
바람직하게, 원통형 배터리는, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 배터리일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리는, 예를 들어 46110 배터리, 4875 배터리, 48110 배터리, 4880 배터리, 4680 배터리 일 수 있다.
폼 팩터의 비가 0.4를 초과하는 원통형 배터리에 탭-리스 구조를 가진 전극 조립체를 적용할 경우, 무지부를 절곡할 때 반경 방향으로 가해지는 응력이 커서 무지부가 찢어지기 쉽다. 또한, 무지부의 절곡면에 집전 플레이트를 용접할 때 용접 강도를 충분히 확보하고 저항을 낮추기 위해서는 무지부의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시켜야 한다. 이러한 요구 조건은 본 발명의 실시예들(변형예들)에 따른 전극과 전극 조립체에 의해 달성될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(140)을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 27을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(140)은 제1전극, 분리막 및 제2전극을 포함하는 전극 조립체(141), 전극 조립체(141)를 수납하는 배터리 하우징(142) 및 배터리 하우징(142)의 개방단부를 밀봉하는 밀봉체(143)를 포함한다.
배터리 하우징(142)은, 상방에 개구부가 형성된 원통형의 용기이다. 배터리 하우징(142)은 알루미늄이나 스틸과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 배터리 하우징(142)은 상단 개구부를 통해 내측 공간에 전극 조립체(141)를 수용하며 전해질도 함께 수용한다.
전극 조립체(141)는, 젤리롤 형상을 가질 수 있다. 전극 조립체(141)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 분리막, 제1전극, 상부 분리막 및 제2전극을 순차적으로 적어도 11회 적층하여 형성된 적층체를 권취 중심(C)을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다.
제1전극과 제2전극은 극성이 다르다. 즉 하나가 양의 극성을 띠면 다른 하나는 음의 극성을 띤다. 제1전극과 제2전극 중 적어도 하나는 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 전극 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1전극과 제2전극 중 다른 하나는 종래의 전극 구조 또는 실시예들(변형예들)에 따른 전극 구조를 가질 수 있다.
전극 조립체(141)의 상부와 하부에는 각각 제1전극의 무지부(146a)와 제2전극의 무지부(146b)가 돌출된다. 제1전극은 제1실시예(변형예)의 전극 구조를 가진다. 따라서, 제1전극의 무지부(146a)는 외주측 무지부(B3)의 높이가 다른 부분의 무지부 높이 보다 작다. 외주측 무지부(B3)는 배터리 하우징(142)의 내주면, 특히 비딩부(147)와 소정 간격 이격되어 있다. 따라서, 제1전극의 외주측 무지부(B3)는 제2전극과 전기적으로 연결된 배터리 하우징(142)과 접촉하지 않아 배터리(140)의 내부 단락이 방지된다.
제2전극의 무지부(146b)는 높이가 동일하다. 변형 예에서, 제2전극의 무지부(146b)는 제1전극의 무지부(146a)와 동일한 구조를 가질 수 있다. 다른 변형 예에서, 제2전극의 무지부(146b)는 실시예들(변형예들)에 따른 전극의 무지부 구조를 선택적으로 가질 수 있다.
밀봉체(143)는 캡 플레이트(143a), 캡 플레이트(143a)와 배터리 하우징(142) 사이에 기밀성을 제공하며 절연성을 가진 제1가스켓(143b) 및 상기 캡 플레이트(143a)와 전기적으로 및 기계적으로 결합된 연결 플레이트(143c)를 포함할 수 있다.
캡 플레이트(143a)는 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지는 부품이며, 배터리 하우징(142)의 상단 개구부를 커버한다. 캡 플레이트(143a)는, 제1전극의 무지부(146a)와 전기적으로 연결되며, 배터리 하우징(142)과는 제1가스켓(143b)을 통해 전기적으로 절연된다. 따라서 캡 플레이트(143a)는, 원통형 배터리(140)의 제1전극 단자로서 기능할 수 있다.
캡 플레이트(143a)는 배터리 하우징(142)에 형성된 비딩부(147) 상에 안착되며, 크림핑부(148)에 의해 고정된다. 캡 플레이트(143a)와 크림핑부(148) 사이에는, 배터리 하우징(142)의 기밀성을 확보하고 배터리 하우징(142)과 캡 플레이트(143a) 사이의 전기적 절연을 위해 제1가스켓(143b)이 개재될 수 있다. 캡 플레이트(143a)는 그 중심부로부터 상방으로 돌출 형성된 돌출부(143d)를 구비할 수 있다.
배터리 하우징(142)은 제2전극의 무지부(146b)와 전기적으로 연결된다. 따라서 배터리 하우징(142)은 제2전극과 동일한 극성을 갖는다. 만약, 제2전극이 음의 극성을 가지면, 배터리 하우징(142) 또한 음의 극성을 가진다.
배터리 하우징(142)은 상단에 비딩부(147) 및 크림핑부(148)를 구비한다. 비딩부(147)는 배터리 하우징(142)의 외주면 둘레를 압입하여 형성한다. 비딩부(147)는 배터리 하우징(142)의 내부에 수용된 전극 조립체(141)가 배터리 하우징(142)의 상단 개구부를 통해 빠져나오지 못하도록 하며, 밀봉체(143)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다.
비딩부(147)의 내주면은, 제1전극의 외주측 무지부(B3)와 소정 간격 이격되어 있다. 보다 구체적으로, 비딩부(147)의 내주면 하단이, 제1전극의 외주측 무지부(B3)와 소정 간격 이격되어 있다. 또한, 외주측 무지부(B3)는 높이가 낮기 때문에 비딩부(147)를 형성하기 위해 배터리 하우징(142)을 외부에서 압입할 때에도 외주측 무지부(B3)는 실질적으로 영향을 받지 않는다. 따라서, 외주측 무지부(B3)가 비딩부(147) 등의 다른 구성요소에 의해 압박되지 않으며, 이로써 전극 조립체(141)의 부분적 형태 변형이 발생되는 것이 방지되어, 원통형 배터리(140) 내부의 단락을 방지할 수 있다.
바람직하게, 비딩부(147)의 압입 깊이를 D1으로 정의하고, 배터리 하우징(142)의 내주면으로부터 외주측 무지부(B3)와 중간 무지부(B2)의 경계 지점까지의 반경 방향 길이를 D2라고 정의할 때, 관계식 D1 ≤ D2가 만족될 수 있다. 이 경우, 비딩부(147)를 형성하기 위해 배터리 하우징(142)을 압입할 때 외주측 무지부(B3)의 손상이 실질적으로 방지된다.
크림핑부(148)는 비딩부(147)의 상부에 형성된다. 크림핑부(148)는, 비딩부(147) 상에 배치되는 캡 플레이트(143a)의 외주면, 그리고 캡 플레이트(143a)의 상면 일부를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다.
원통형 배터리(140)은 제1집전 플레이트(144) 및/또는 제2집전 플레이트(145) 및/또는 인슐레이터(146)를 더 포함할 수 있다.
제1집전 플레이트(144)는 전극 조립체(141)의 상부에 결합된다. 제1집전 플레이트(144)는 알루미늄, 구리, 니켈 등과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제1전극의 무지부(146a)와 전기적으로 연결된다. 제1집전 플레이트(144)에는 리드(149)가 연결될 수 있다. 리드(149)는 전극 조립체(141)의 상방으로 연장되어 연결 플레이트(143c)에 결합되거나 캡 플레이트(143a)의 하면에 직접 결합될 수 있다. 리드(149)와 다른 부품의 결합은 용접을 통해 이루어질 수 있다.
바람직하게, 제1집전 플레이트(144)는 리드(149)와 일체로 형성될 수 있다. 이 경우, 리드(149)는 제1집전 플레이트(144)의 중심부로부터 외측으로 연장된 길다란 플레이트 형상을 가질 수 있다.
제1집전 플레이트(144)는, 그 하면에 방사상으로 형성된 복수의 요철(미도시)을 구비할 수 있다. 방사상 요철이 구비된 경우, 제1집전 플레이트(144)를 눌러서 요철을 제1전극의 무지부(146a)에 압입시킬 수 있다.
제1집전 플레이트(144)는 제1전극의 무지부(146a)의 단부에 결합된다. 무지부(146a)와 제1집전 플레이트(144) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 레이저 용접은, 집전 플레이트 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수 있다. 변형예에서, 제1집전 플레이트(144)와 무지부(146a) 사이의 용접은 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수 있다. 이 경우, 솔더는 제1집전 플레이트(144)와 무지부(146a)와 비교하여 더 낮은 융점을 가질 수 있다. 레이저 용접은 저항 용접, 초음파 용접 등으로 대체 가능하다.
전극 조립체(141)의 하면에는 제2집전 플레이트(145)가 결합될 수 있다. 제2집전 플레이트(145)의 일 면은 제2전극의 무지부(146b)와 용접에 의해 결합되며, 반대쪽 면은 배터리 하우징(142)의 내측 바닥 면 상에 용접에 의해 결합될 수 있다. 제2집전 플레이트(145)와 제2전극의 무지부(146b) 사이의 결합 구조는 제1집전 플레이트(144)와 제1전극의 무지부(146a) 사이의 결합 구조와 실질적으로 동일할 수 있다.
무지부(146a, 146b)는 도시된 구조에만 한정되지 않는다. 따라서, 무지부(146a, 146b)는 종래의 무지부 구조뿐만 아니라 실시예들(변형예들)에 따른 전극의 무지부 구조를 선택적으로 가질 수 있다.
인슐레이터(146)는 제1집전 플레이트(144)를 커버할 수 있다. 인슐레이터(146)는 제1집전 플레이트(144)의 상면에서 제1집전 플레이트(144)를 커버함으로써, 제1집전 플레이트(144)와 배터리 하우징(142)의 내주면 사이의 직접 접촉을 방지할 수 있다.
인슐레이터(146)는, 제1집전 플레이트(144)로부터 상방으로 연장되는 리드(149)가 인출될 수 있도록, 리드 홀(151)을 구비한다. 리드(149)는 리드 홀(151)을 통해 상방으로 인출되어 연결 플레이트(143c)의 하면 또는 캡 플레이트(143a)의 하면에 결합된다.
인슐레이터(146)의 가장자리 둘레 영역은, 제1집전 플레이트(144)와 비딩부(147) 사이에 개재되어, 전극 조립체(141) 및 제1집전 플레이트(144)의 결합체를 고정시킬 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(141) 및 제1집전 플레이트(144)의 결합체는, 배터리(140)의 높이 방향의 이동이 제한되어 배터리(140)의 조립 안정성이 향상될 수 있다.
인슐레이터(146)는 절연성이 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 인슐레이터(146)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트로 이루어질 수 있다.
배터리 하우징(142)은 그 하면에 형성된 벤팅부(152)를 더 구비할 수 있다. 벤팅부(152)는 배터리 하우징(142)의 하면 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 벤팅부(152)는, 주변 영역과 비교하여 구조적으로 취약하다. 따라서, 원통형 배터리(140)에 이상이 발생하여 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하면, 벤팅부(152)가 파열되어 배터리 하우징(142)의 내부에 생성된 가스가 외부로 배출될 수 있다.
벤팅부(152)가 배터리 하우징(142)의 하면에 원을 그리며 연속적으로 또는 불연속적으로 형성될 수 있다. 변형 예에서, 벤팅부(152)는 직선 패턴 또는 그 밖의 다른 패턴으로 형성될 수 있다.
도 28은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(150)을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 28을 참조하면, 원통형 배터리(150)은 도 27의 원통형 배터리(140)과 비교하여 제1전극의 무지부(146a)에 제2실시예(변형예)의 전극 구조가 채용된 점을 제외하면 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
도 28을 참조하면, 제1전극의 무지부(146a)는 외주측 무지부(B3)의 높이가 배터리 하우징(142)의 내주면을 향해 갈수록 점진적으로 또는 단계적으로 낮아지는 형태일 수 있다. 바람직하게, 외주측 무지부(B3)의 최상단을 연결한 가상의 선은 비딩부(147)의 내주면과 동일 또는 유사한 형상을 가질 수 있다.
외주측 무지부(B3)는 경사면을 형성하고 있다. 따라서, 비딩부(147)를 형성하기 위해 배터리 하우징(142)을 압입할 때 외주측 무지부(B3)가 비딩부(147)에 의해 압착되어 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 외주측 무지부(B3)가 극성이 다른 배터리 하우징(142)과 접촉하여 내부 단락을 일으키는 현상을 억제할 수 있다.
원통형 배터리(150)의 나머지 구성은 앞서 설명된 실시예(변형예)와 실질적으로 동일하다.
무지부(146a, 146b)는 도시된 구조에만 한정되지 않는다. 따라서, 무지부(146a, 146b)는 종래의 무지부 구조뿐만 아니라 실시예들(변형예들)에 따른 전극의 무지부 구조를 선택적으로 가질 수 있다.
도 29는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(160)을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 29를 참조하면, 원통형 배터리(160)은 앞서 설명된 원통형 배터리(140, 150)과 비교할 때, 제1집전 플레이트(144)에 연결된 리드(149)가 인슐레이터(146)의 리드 홀(151)을 통해 밀봉체(143)의 캡 플레이트(143a)에 직접 연결되고 인슐레이터(146)와 제1집전 플레이트(144)가 캡 플레이트(143a)의 하부면에 밀착된 구조를 가지는 점에서 차이가 있고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
원통형 배터리(160)에 있어서 제1집전 플레이트(144)의 지름과 중간 무지부(B2)의 최외측 지름은 배터리 하우징(142)의 최소 내경보다 작다. 또한, 제1집전 플레이트(144)의 지름은 중간 무지부(B2)의 최외측 지름과 같거나 더 클 수 있다.
구체적으로, 배터리 하우징(142)의 최소 내경은 비딩부(147)가 형성된 위치에서의 배터리 하우징(142)의 내경에 해당할 수 있다. 이 때, 제1집전 플레이트(144) 및 중간 무지부(B2)의 최외측 지름은 비딩부(147)가 형성된 위치에서의 배터리 하우징(142)의 내경보다 작다. 또한, 제1집전 플레이트(144)의 지름은 중간 무지부(B2)의 최외측 지름과 같거나 더 클 수 있다. 인슐레이터(146)의 가장자리 둘레 영역은, 하부로 절곡된 상태로 외주측 무지부(B3)과 비딩부(147) 사이에 개재되어, 전극 조립체(141) 및 제1집전 플레이트(144)의 결합체를 고정시킬 수 있다.
바람직하게, 인슐레이터(146)는, 외주측 무지부(B3)를 커버하는 부분과, 제1집전 플레이트(144)를 커버하는 부분을 포함하고, 이 두 부분을 연결하는 부분은 비딩부(147)의 굴곡 형상에 대응하여 함께 굴곡진 형태를 가질 수 있다. 인슐레이터(146)는, 외주측 무지부(B3)와 비딩부(147)의 내주면을 절연시킴과 동시에, 제1집전 플레이트(144)와 비딩부(147)의 내주면을 절연시킬 수 있다.
제1집전 플레이트(144)는, 비딩부(147)의 하단보다 더 높게 위치할 수 있고, 코어측 무지부(B1)와 중간 무지부(B2)에 결합되어 있을 수 있다. 이 때, 비딩부(147)의 압입 깊이(D1)는, 배터리 하우징(142)의 내주면으로부터 외주측 무지부(B3)와 중간 무지부(B2)의 경계까지의 거리(D2)보다 작거나 같다. 따라서, 코어측 무지부(B1)와 중간 무지부(B2) 및 이에 결합된 제1집전 플레이트(144)는, 비딩부(147)의 하단보다 높게 위치할 수 있다. 비딩부(147)의 하단이란, 배터리 하우징(142)에 있어서 전극 조립체(141)가 수용된 부분과 비딩부(147) 사이의 절곡 지점(B)을 의미한다.
코어측 무지부(B1)와 중간 무지부(B2)가 비딩부(147)의 반경 방향 내측 공간을 차지하므로, 전극 조립체(141)와 캡 플레이트(143a) 사이의 빈 공간은 최소화될 수 있다. 또한, 전극 조립체(141)와 캡 플레이트(143a) 사이의 빈 공간에 위치하고 있던 연결 플레이트(143c)가 생략되었다. 따라서, 제1전극 플레이트(144)의 리드(149)는, 캡 플레이트(143a)의 하면과 직접 결합할 수 있다. 위와 같은 구조에 의하면, 배터리 내의 빈 공간이 감소하고, 감소된 빈 공간만큼 에너지 밀도가 극대화될 수 있다.
원통형 배터리(160)에 있어서, 제1집전 플레이트(144) 및 제2집전 플레이트(145)는 상술한 실시예와 동일하게 무지부(146a, 146b)의 단부에 각각 용접될 수 있다.
무지부(146a, 146b)는 도시된 구조에만 한정되지 않는다. 따라서, 무지부(146a, 146b)는 종래의 무지부 구조뿐만 아니라 실시예들(변형예들)에 따른 전극의 무지부 구조를 선택적으로 가질 수 있다.
도 30은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(170)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 30을 참조하면, 원통형 배터리(170)은 도 27에 도시된 원통형 배터리(140)과 비교하여 전극 조립체의 구조는 실질적으로 동일하고, 전극 조립체를 제외한 나머지 구조가 변경된 점에서 차이가 있다.
구체적으로, 원통형 배터리(170)은 외부 단자(172)가 관통 설치된 배터리 하우징(171)을 포함한다. 외부 단자(172)는 배터리 하우징(171)의 폐쇄면(도면의 상부면)에 설치된다. 외부 단자(172)는 절연성이 있는 제2가스켓(173)이 개재된 상태에서 배터리 하우징(171)의 관통 홀에 리벳팅된다. 외부 단자(172)는 중력 방향과 반대 방향을 향해 외부로 노출된다.
외부 단자(172)는, 단자 노출부(172a) 및 단자 삽입부(172b)를 포함한다. 단자 노출부(172a)는, 배터리 하우징(171)의 폐쇄면의 외측으로 노출된다. 단자 노출부(172a)는, 배터리 하우징(171)의 폐쇄면의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 단자 노출부(172a)의 최대 지름은 배터리 하우징(171)에 형성된 관통 홀의 최대 지름보다 더 크게 형성될 수 있다. 단자 삽입부(172b)는, 배터리 하우징(171)의 폐쇄면의 대략 중심부를 관통하여 제1전극의 무지부(146a)와 전기적으로 연결될 수 있다. 단자 삽입부(172b)는, 배터리 하우징(171)의 내측 면 상에 리벳(rivet) 결합될 수 있다. 즉, 단자 삽입부(172b)의 하부의 가장자리는, 배터리 하우징(171)의 내측 면을 향해 휘어진 형태를 가질 수 있다. 단자 삽입부(172b)의 하부의 최대 지름은 배터리 하우징(171)의 관통 홀의 최대 지름보다 더 클 수 있다.
단자 삽입부(172b)의 하단면은 제1전극의 무지부(146a)에 연결된 제1집전 플레이트(144)와 용접될 수 있다. 제1집전 플레이트(144)와 배터리 하우징(171)의 내측면 사이에는 절연물질로 이루어진 인슐레이터(174)가 개재될 수 있다. 인슐레이터(174)는 제1집전 플레이트(144)의 상부와 전극 조립체(141)의 상단 가장자리 부분을 커버한다. 이로써, 전극 조립체(141)의 외주측 무지부(B3)가 다른 극성을 가진 배터리 하우징(171)의 내측면과 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있다. 외부 단자(172)의 단자 삽입부(172b)는 인슐레이터(174)를 관통하여 제1집전 플레이트(144)에 용접될 수 있다.
제2가스켓(173)은 배터리 하우징(171)과 외부 단자(172) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 배터리 하우징(171)과 외부 단자(172)가 전기적으로 서로 접촉되는 것을 방지한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 배터리 하우징(171)의 상면이 원통형 배터리(170)의 제2전극 단자로서 기능할 수 있다.
제2가스켓(173)은, 가스켓 노출부(173a) 및 가스켓 삽입부(173b)를 포함한다. 가스켓 노출부(173a)는 외부 단자(172)의 단자 노출부(172a)와 배터리 하우징(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는 외부 단자(172)의 단자 삽입부(172b)와 배터리 하우징(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는, 단자 삽입부(172b)의 리벳팅(reveting) 시에 함께 변형되어 배터리 하우징(171)의 내측 면에 밀착될 수 있다. 제2가스켓(173)은, 예를 들어 절연성을 갖는 고분자 수지로 이루어질 수 있다.
제2가스켓(173)의 가스켓 노출부(173a)는, 외부 단자(172)의 단자 노출부(172a)의 외주면을 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다. 제2가스켓(173)이 외부 단자(172)의 외주면을 커버하는 경우 버스바 등의 전기적 연결 부품을 배터리 하우징(171)의 상면 및/또는 외부 단자(172)에 결합시키는 과정에서 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 가스켓 노출부(173a)는, 단자 노출부(172a)의 외주면뿐만 아니라 상면의 일부도 함께 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다.
제2가스켓(173)이 고분자 수지로 이루어지는 경우에 있어서, 제2가스켓(173)은 열 융착에 의해 배터리 하우징(171) 및 외부 단자(172)와 결합될 수 있다. 이 경우, 제2가스켓(173)과 외부 단자(172)의 결합 계면 및 제2가스켓(173)과 배터리 하우징(171)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다. 한편, 제2가스켓(173)의 가스켓 노출부(173a)가 단자 노출부(172a)의 상면까지 연장된 형태를 갖는 경우에 있어서, 외부 단자(172)는 인서트 사출에 의해 제2가스켓(173)과 일체로 결합될 수 있다.
배터리 하우징(171)의 상면 중에서 외부 단자(172) 및 제2가스켓(173)이 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역(175)이 외부 단자(172)와 반대 극성을 갖는 제2전극 단자에 해당한다.
제2집전 플레이트(176)는, 전극 조립체(141)의 하부에 결합된다. 제2집전 플레이트(176)는 알루미늄, 스틸, 구리, 니켈 등의 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제2전극의 무지부(146b)와 전기적으로 연결된다.
바람직하게, 제2집전 플레이트(176)는, 배터리 하우징(171)과 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 제2집전 플레이트(176)는 가장 자리 부분의 적어도 일부가 배터리 하우징(171)의 내측 면과 제1가스켓(178b) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 일 예에서, 제2집전 플레이트(176)의 가장 자리 부분의 적어도 일부는 배터리 하우징(171) 하단에 형성된 비딩부(180)의 하단면에 지지된 상태에서 용접에 의해 비딩부(17)에 고정될 수 있다. 변형예에서, 제2집전 플레이트(176)의 가장 자리 부분의 적어도 일부는 배터리 하우징(171)의 내벽 면에 직접적으로 용접될 수 있다.
제2집전 플레이트(176)는, 무지부(146b)와 대향하는 면 상에 방사상으로 형성된 복수의 요철(미도시)을 구비할 수 있다. 요철이 형성된 경우, 제2집전 플레이트(176)를 눌러서 요철을 무지부(146b)에 압입시킬 수 있다.
바람직하게, 제2집전 플레이트(176)와 무지부(146b)의 단부는 용접, 예컨대 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다.
배터리 하우징(171)의 하부 개방단을 밀봉하는 밀봉체(178)는 캡 플레이트(178a)와 제1가스켓(178b)을 포함한다. 제1가스켓(178b)은 캡 플레이트(178a)와 배터리 하우징(171)을 전기적으로 분리시킨다. 크림핑부(181)는 캡 플레이트(178a)의 가장자리와 제1가스켓(178b)을 함께 고정시킨다. 캡 플레이트(178a)에는 벤트부(179)가 구비된다. 벤트부(179)의 구성은 상술한 실시예(변형예)와 실질적으로 동일하다.
바람직하게, 캡 플레이트(178a)는 도전성이 있는 금속 재질로 이루어진다. 하지만, 캡 플레이트(178a)와 배터리 하우징(171) 사이에 제1가스켓(178b)이 개재되어 있으므로 캡 플레이트(178a)는 전기적 극성을 띠지 않는다. 밀봉체(178)는 배터리 하우징(171) 하부의 개방단을 밀봉시키고 배터리(170)의 내부 압력이 임계치 이상 증가하였을 때 가스를 배출시키는 기능을 한다.
바람직하게, 제1전극의 무지부(146a)와 전기적으로 연결된 외부 단자(172)는 제1전극 단자로 사용된다. 또한, 제2집전 플레이트(176)를 통해 제2전극의 무지부(146b)와 전기적으로 연결된 배터리 하우징(171)의 상부 표면 중에서 외부 단자(172)를 제외한 부분(175)은 제1전극 단자와 극성이 다른 제2전극 단자로 사용된다. 이처럼, 2개의 전극 단자가 원통형 배터리(170)의 상부에 위치할 경우, 버스바 등의 전기적 연결 부품을 원통형 배터리(170)의 일 측에만 배치시키는 것이 가능하다. 이는, 배터리 팩 구조의 단순화 및 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 제2전극 단자로 사용되는 부분(175)은 대략 플랫한 형태를 가지므로 버스바 등의 전기적 연결 부품을 접합시키는데 있어서 충분한 접합 면적을 확보할 수 있다. 이에 따라, 원통형 배터리(170)은 전기적 연결 부품의 접합 부위에서의 저항을 바람직한 수준으로 낮출 수 있다.
전극 조립체(141)의 구조와 무지부 구조는 도시된 것에 한정되지 않고, 상술한 실시예들(변형예들)의 구조로 대체 가능하다.
도 31은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(180)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 31을 참조하면, 원통형 배터리(180)은 도 28에 도시된 원통형 배터리(150)과 비교하여 전극 조립체(141)의 구조는 실질적으로 동일하고, 전극 조립체(141)를 제외한 나머지 구성은 도 30에 도시된 원통형 배터리(170)과 실질적으로 동일하다.
따라서, 원통형 배터리(150, 170)에 관한 실시예(변형예)의 구성이 원통형 배터리(180)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 전극 조립체(141)의 구조와 무지부 구조는 도시된 것에 한정되지 않고, 상술한 실시예들(변형예들)의 구조로 대체 가능하다.
도 32는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(190)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 32를 참조하면, 원통형 배터리(190)은 도 24에 나타낸 전극 조립체(A4)를 포함하며, 전극 조립체(A4)를 제외한 나머지 구성은 도 27에 나타낸 원통형 배터리(140)과 실질적으로 동일하다.
도 32를 참조하면, 전극 조립체(A4)의 무지부(146a, 146b)는 외주측으로부터 코어측으로 절곡된다. 이 때, 코어측 무지부(B1)는 다른 부분보다 높이가 낮으므로 실질적으로 절곡되지 않는다. 제1집전 플레이트(144)는 무지부(146a)의 절곡면에 용접되고, 제2집전 플레이트(145)는 무지부(146b)의 절곡면에 용접될 수 있다. 절곡면은 무지부(146a, 146b)가 절곡될 때 Y 축 방향을 따라서 여러 겹으로 중첩되면서 전극 조립체(A4)의 상부와 하부에 각각 형성될 수 있다.
전극 조립체(A4)는 코어측 무지부(B1)의 높이가 다른 부분보다 상대적으로 작다. 또한, 도 24에 도시된 바와 같이, 중간 무지부(B2)에 있어서 최내측에 위치한 무지부의 절곡 길이(H)는 코어측 무지부(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다.
따라서, 무지부(146a)를 코어측을 향해 절곡시키더라도 전극 조립체(A4) 코어의 공동(112)이 폐색되지 않고 상부로 개방될 수 있다(점선원 참조).
공동(112)이 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 공동(112)을 통해 용접 지그를 삽입하여 제2집전 플레이트(145)와 배터리 하우징(142) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
무지부(146a, 146b)가 분절 구조를 가지는 경우 분절편들의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치를 상술한 실시예의 수치범위를 만족하도록 조절하면, 분절편들이 절곡될 때 분절편들이 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡면 상에 빈 공간(빈틈)을 형성하지 않는다.
무지부(146a, 146b)의 구조는 도면에 도시된 바와 다르게 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 구조로 얼마든지 변경될 수 있다. 또한, 무지부(146a, 146b) 중 어느 한쪽에 종래의 무지부 구조가 적용되는 것을 제한하지 않는다.
도 33은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(200)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 33을 참조하면, 원통형 배터리(200)은 도 24에 나타낸 전극 조립체(A4)를 포함하며, 전극 조립체(A4)를 제외한 나머지 구성은 도 31에 나타낸 원통형 배터리(180)과 실질적으로 동일하다.
도 33을 참조하면, 전극 조립체(A4)의 무지부(146a, 146b)는 외주측으로부터 코어측으로 절곡된다. 이 때, 코어측 무지부(B1)는 높이가 다른 부분보다 낮으므로 실질적으로 절곡되지 않는다. 제1집전 플레이트(144)는 무지부(146a)의 절곡면에 용접되고, 제2집전 플레이트(176)는 무지부(146b)의 절곡면에 용접될 수 있다.
전극 조립체(A4)는 코어측 무지부(B1)의 높이가 다른 부분보다 상대적으로 낮다. 또한, 도 24에 도시된 바와 같이, 중간 무지부(B2)에 있어서 최내측에 위치한 무지부의 절곡 길이(H)는 코어측 무지부(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다.
따라서, 무지부(146a, 146b)를 코어측을 향해 절곡시키더라도 전극 조립체(A4) 코어의 공동(112)이 폐색되지 않고 상부로 개방될 수 있다(점선원 참조).
공동(112)이 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 공동(112)을 통해 용접 지그를 삽입하여 제2집전 플레이트(176)와 배터리 하우징(171) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
무지부(146a, 146b)가 분절 구조를 가지는 경우 분절편들의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치를 상술한 실시예의 수치범위를 만족하도록 조절하면, 분절편들이 절곡될 때 분절편들이 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡면 상에 빈 공간(빈틈)을 형성하지 않는다.
무지부(146a, 146b)의 구조는 도면에 도시된 바와 다르게 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 구조로 얼마든지 변경될 수 있다. 또한, 무지부(146a, 146b) 중 어느 한쪽에 종래의 무지부 구조가 적용되는 것을 제한하지 않는다.
도 34는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(210)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 34를 참조하면, 원통형 배터리(210)은 도 23에 나타낸 전극 조립체(A3)를 포함하며, 전극 조립체(A3)를 제외한 나머지 구성은 도 27에 나타낸 원통형 배터리(140)과 실질적으로 동일하다.
바람직하게, 전극 조립체(A3)의 무지부(146a, 146b)는 외주측으로부터 코어측으로 절곡된다. 이 때, 무지부(146a)의 코어측 무지부(B1)와 외주측 무지부(B3)는 다른 부분보다 높이가 낮으므로 실질적으로 절곡되지 않는다. 이는 무지부(146b)의 경우도 동일하다. 제1집전 플레이트(144)는 무지부(146a)의 절곡면에 용접되고, 제2집전 플레이트(145)는 무지부(146b)의 절곡면에 용접될 수 있다.
코어측 무지부(B1)의 높이는 중간 무지부(B2)보다 상대적으로 낮다. 또한, 도 23에 도시된 바와 같이, 중간 무지부(B2)에 있어서 최내측에 위치한 무지부의 절곡 길이(H)는 코어측 무지부(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다.
따라서, 무지부(146a, 146b)를 코어측을 향해 절곡시키더라도 전극 조립체(A3) 코어의 공동(102)이 폐색되지 않고 상부로 개방될 수 있다(점선원 참조).
공동(102)이 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 공동을 통해 용접 지그를 삽입하여 제2집전 플레이트(145)와 배터리 하우징(142) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
또한, 외주측 무지부(B3)의 높이는 중간 무지부(B2)보다 상대적으로 낮다. 따라서, 무지부(146a)가 절곡될 때 외주측 무지부(B3)는 실질적으로 절곡되지 않는다. 또한, 외주측 무지부(B3)는 비딩부(147)와 충분히 이격되어 있으므로, 비딩부(147)가 압입되는 과정에서 외주측 무지부(B3)가 손상되는 문제를 해결할 수 있다.
무지부(146a, 146b)가 분절 구조를 가지는 경우 분절편들의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치를 상술한 실시예의 수치범위를 만족하도록 조절하면, 분절편들이 절곡될 때 분절편들이 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡면 상에 빈공간(빈틈)을 형성하지 않는다.
무지부(146a, 146b)의 구조는 도면에 도시된 바와 다르게 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 구조로 얼마든지 변경될 수 있다. 또한, 무지부(146a, 146b) 중 어느 한쪽에 종래의 무지부 구조가 적용되는 것을 제한하지 않는다.
도 35는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(220)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 35를 참조하면, 원통형 배터리(220)은 도 23에 나타낸 전극 조립체(A3)를 포함하며, 전극 조립체(A3)를 제외한 나머지 구성은 도 31에 나타낸 원통형 배터리(180)과 실질적으로 동일하다.
바람직하게, 전극 조립체(A3)의 무지부(146a, 146b)는 외주측으로부터 코어측으로 절곡된다. 이 때, 무지부(146a)의 코어측 무지부(B1)는 높이가 다른 부분보다 낮으므로 실질적으로 절곡되지 않는다. 이는 무지부(146b)의 경우도 마찬가지이다. 제1집전 플레이트(144)는 무지부(146a)의 절곡면에 용접되고, 제2집전 플레이트(176)는 무지부(146b)의 절곡면에 용접될 수 있다.
전극 조립체(A3)는 코어측 무지부(B1)의 높이가 중간 무지부(B2)보다 상대적으로 낮다. 또한, 도 23에 도시된 바와 같이, 중간 무지부(B2)에 있어서 최내측에 위치한 무지부의 절곡 길이(H)는 코어측 무지부(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다.
따라서, 무지부(146a)를 코어측을 향해 절곡시키더라도 전극 조립체(A3) 코어의 공동(102)이 폐색되지 않고 상부로 개방될 수 있다(점선원 참조).
공동(102)이 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 공동(102)을 통해 용접 지그를 삽입하여 제2집전 플레이트(176)와 배터리 하우징(171) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
또한, 무지부(146a)의 외주측 무지부(B3)는 높이가 중간 무지부(B2)보다 상대적으로 작다. 따라서, 무지부(146a)가 절곡될 때 외주측 무지부(B3)는 실질적으로 절곡되지 않는다. 이는 무지부(146b)도 마찬가지이다.
무지부(146a, 146b)가 분절 구조를 가지는 경우 분절편들의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치를 상술한 실시예의 수치범위를 만족하도록 조절하면, 분절편들이 절곡될 때 분절편들이 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡면 상에 빈공간(빈틈)을 형성하지 않는다.
무지부(146a, 146b)의 구조는 도면에 도시된 바와 다르게 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 구조로 얼마든지 변경될 수 있다. 또한, 무지부(146a, 146b) 중 어느 한쪽에 종래의 무지부 구조가 적용되는 것을 제한하지 않는다.
도면에 도시되지 않았지만, 도 30, 도 31, 도 33 및 도 35에 도시된 전극 조립체의 하부에는 도 5의 스페이서(50)가 구비될 수 있다. 이 경우, 원통형 배터리(170, 180, 200, 220)의 하부 구조는 도 5에 도시된 구조로 대체될 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 집전 플레이트(35) 구조가 제2집전 플레이트(176)에 적용될 수 있고, 제1가스켓(178b)은 스페이서(50)의 실링부(52)로 대체될 수 있다.
상술한 실시예들(변형예들)에 따른 원통형 배터리는 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있고(도 12 참조) 배터리 팩은 자동차에 탑재될 수 있다(도 13 참조).
본 발명에 따르면, 전극 조립체의 상부 및 하부에 돌출된 무지부 자체를 전극 탭으로서 사용함으로써 원통형 배터리의 내부 저항을 감소시키고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 배터리 하우징의 비딩부 형성 과정에서 전극 조립체와 배터리 하우징의 내주면이 간섭을 일으키지 않도록 함으로써 전극 조립체의 부분적 변형에 따른 원통형 배터리 내부의 단락을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 절곡 지점 근처의 무지부가 찢어지는 현상을 방지하고 무지부의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시켜 용접 강도를 향상시킬 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 배터리 하우징과 집전 플레이트의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내부 저항이 낮고, 내부 단락이 방지되고, 집전 플레이트와 무지부의 용접 강도가 향상된 구조를 갖는 원통형 배터리, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 원통형 배터리에 사용되는 양극 활물질의 실시예에 관하여 설명한다.
실시예에 있어서, "1차 입자"는 주사전자현미경 또는 후방산란전자 회전패턴 분석기(Electron Back Scatter Diffraction; EBSD)를 이용하여 5000배 내지 20000배의 시야에서 관찰했을 때 외관상 입계가 존재하지 않는 입자 단위를 의미한다. "1차 입자의 평균 입경"은 주사전자현미경 또는 EBSD 이미지에서 관찰되는 1차 입자들의 입경을 측정한 후 계산된 이들의 산술평균 값을 의미한다.
"2차 입자"는 복수개의 1차 입자들이 응집되어 형성된 입자이다. 본 발명에서는 1차 입자가 수십 ~ 수백 개 응집되어 형성되는 종래의 2차 입자와 구별하기 위해 1차 입자가 10개 이하로 응집된 2차 입자를 유사-단입자로 지칭하기로 한다.
본 발명에서 "비표면적"은 BET법에 의해 측정한 것으로서, 구체적으로는 BEL Japan사의 BELSORP-mino II를 이용하여 액체 질소 온도 하(77K)에서의 질소 가스 흡착량으로부터 산출될 수 있다.
본 발명에서 “Dmin”, “D50” 및 “Dmax”는 레이저 회절법(laser diffraction method)를 이용하여 측정된 양극 활물질의 체적 누적 분포의 입도 값이다. 구체적으로는 Dmin은 체적 누적 분포에서 나타나는 최소 입자 크기이며, D50은 체적 누적량이 50%일 때의 입자 크기이고, Dmax는 체적 누적 분포에서 나타나는 최대 입자 크기이다. 양극 활물질이 단입자인 경우 D50은 1차 입자의 평균 입경을 의미한다. 또한, 양극 활물질이 유사-단입자인 경우, D50은 1차 입자들이 응집되어 형성된 입자의 평균 입경을 의미한다.
상기 체적 누적 분포의 입도 값은, 예를 들면, 양극 활물질을 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들면, Microtrac MT 3000)에 도입하여 약 28kHz의 초음파를 출력 60W로 조사한 후, 체적 누적 입도 분포 그래프를 얻어 측정될 수 있다.
본 발명에서 “본질적으로 A로 이루어진다(consist essentially of A)”는, A 성분과 본 발명의 기본적이고 신규한 특징에 실질적으로 영향을 미치지 않는 언급되지 않은 임의의 성분들을 포함하는 것을 나타낸다. 본 발명의 기본적이고 신규한 특징은 전지 제조 시 입자 깨짐을 최소화하는 것, 이러한 입자 깨짐에 의해 발생하는 가스를 최소화하는 것 및 내부 크랙의 발생을 최소화하는 것 중 적어도 하나를 포함한다. 당해 기술 분야의 통상의 기술자라면 이러한 특성들의 물질적 영향을 인지할 수 있다.
본 발명자들은 높은 용량을 구현하면서도 안전성이 우수한 전기화학소자용 양극 및 이를 포함하는 전기화학소자를 개발하기 위해 연구를 거듭한 결과, 양극 활물질로 1개의 1차 입자로 이루어진 단입자 또는 10개 이하의 1차 입자들의 응집체인 유사-단입자 형태의 양극 활물질을 단독으로 사용하는 경우, 대형 원통형 배터리의 안전성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
일 측면에 따르면, 양극은 양극 집전체; 및 상기 양극 집전체의 적어도 일측면 상에 형성된 양극 활물질층;을 포함하고, 상기 양극 활물질층은 양극 활물질을 포함할 수 있고, 선택적으로, 도전재 및/또는 바인더를 포함할 수 있다.
양극은 긴 시트 형상의 양극 집전체의 적어도 일면 또는 양면에 양극 활물질층이 형성된 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 양극 활물질층은 양극 활물질 및 바인더를 포함할 수 있다.
구체적으로는 상기 양극은 긴 시트 형상의 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질, 도전재, 및 바인더를 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone), 물 등과 같은 용매에 분산시켜 제조된 양극 슬러리를 도포하고, 건조 공정을 통해 양극 슬러리의 용매를 제거한 후, 압연시키는 방법으로 제조될 수 있다. 한편, 상기 양극 슬러리 도포 시에 양극 집전체의 일부 영역, 예를 들면 양극 집전체의 일 단부에 양극 슬러리를 도포하지 않는 방법으로 무지부(미코팅부)를 포함하는 양극을 제조할 수 있다.
다른 측면에서, 상기 양극 활물질은 단입자계 활물질 입자를 포함한다. 일 실시양태에 있어서, 상기 단입자계 활물질 입자는 상기 양극 활물질 100wt% 대비 90wt% 이상, 95wt% 이상, 98wt% 이상, 또는 99wt% 이상일 수 있다. 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 양극 활물질은 상기 단입자계 활물질 입자만으로 구성될 수 있다.
본 명세서에서 상기 단입자계 활물질 입자는 단입자, 유사 단입자 또는 이 둘 모두를 모두 포함하는 것으로 지칭한다. 상기 단입자는 1개의 1차 입자로 이루어진 입자이며 상기 유사-단입자는 10개 이하의 1차 입자들의 응집체이다.
종래에는 리튬 배터리의 양극 활물질로 수십 ~ 수백개의 1차 입자들이 응집된 구형의 2차 입자를 사용하는 것이 일반적이었다. 그러나 이와 같이 많은 1차 입자들이 응집된 2차 입자 형태의 양극 활물질의 경우, 양극 제조 시에 압연 공정에서 1차 입자들이 떨어져나가는 입자 깨짐이 발생하기 쉽고, 충방전 과정에서 입자 내부에 크랙이 발생한다는 문제점이 있다. 양극 활물질의 입자 깨짐이나 입자 내부의 크랙이 발생할 경우, 전해액과의 접촉 면적이 증가하게 되기 때문에 전해액과의 부반응으로 인한 가스 발생이 증가한다는 문제점이 있다. 원통형 배터리 내부에서 가스 발생이 증가하면 전지 내부의 압력이 증가하여 전지 폭발이 발생될 위험이 있다. 특히, 원통형 배터리의 부피를 증가시킬 경우, 부피 증가에 따라 전지 내부의 활물질 양이 증가하고, 이로 인해 가스 발생량도 현저하게 증가하기 때문에 전지의 발화 및/또는 폭발 위험성이 더 커지게 된다.
이에 비해, 1개의 1차 입자로 이루어진 단입자나 1차 입자가 10개 이하로 응집된 유사-단입자 형태의 단입자계 활물질 입자는 1차 입자가 수십~수백개 응집되어 있는 기존의 2차 입자 형태의 양극 활물질에 비해 입자 강도가 높기 때문에 압연 시의 입자 깨짐이 거의 발생하지 않는다. 또한, 단입자계 활물질 입자의 경우, 입자를 구성하는 1차 입자들의 개수가 적기 때문에 충방전 시에 1차 입자들의 부피 팽창, 수축에 따른 변화가 적고, 이에 따라 입자 내부의 크랙 발생도 현저하게 감소한다.
따라서, 본 발명과 같이 단입자계 활물질 입자를 사용할 경우, 입자 깨짐 및 내부 크랙 발생으로 인한 가스 발생량을 현저하게 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 대형 원통형 배터리에 적용되는 경우 우수한 안전성을 구현할 수 있다.
한편, 상기 단입자 및/또는 유사-단입자는 양극에 포함되는 전체 양극 활물질의 중량을 기준으로 95wt% 내지 100wt%, 바람직하게는 98wt% 내지 100wt%, 더 바람직하게는 99wt% 내지 100wt%, 보다 더 바람직하게는 100wt%의 양으로 포함되는 것이 바람직하다.
단입자 및/또는 유사-단입자의 함량이 상기 범위를 만족할 때, 대형 전지 적용 시에 충분한 안전성을 얻을 수 있다. 2차 입자 형태의 양극 활물질이 전체 양극 활물질 중 5wt%를 초과하는 양으로 포함될 경우, 전극 제조 및 충방전 시에 2차 입자로부터 발생한 미분으로 인해 전해액과의 부반응이 증가하여 가스 발생 억제 효과가 떨어지고, 이로 인해 대형 전지에 적용 시에 안정성 개선 효과가 저하될 수 있기 때문이다.
한편, 본 발명에 따른 단입자 및/또는 유사-단입자를 포함하는 양극 활물질은 Dmin이 1.0㎛ 이상, 1.1㎛ 이상, 1.15㎛ 이상, 1.2㎛ 이상, 1.25㎛ 이상, 1.3㎛ 이상 또는 1.5㎛ 이상일 수 있다. 양극 활물질의 Dmin이 1.0㎛ 미만일 경우, 양극 압연 공정에서 선압이 증가하여 입자 깨짐이 발생하기 쉽고, 열 안정성이 저하되어 대형 원통형 전지 적용 시에 열 안전성을 충분히 확보할 수 없다.
한편, 저항 및 출력 특성을 고려할 때, 상기 양극 활물질의 Dmin은 3㎛ 이하, 2.5㎛ 이하 또는 2㎛ 이하일 수 있다. Dmin이 너무 크면, 입자 내 리튬 이온 확산 거리가 증가하여 저항 및 출력 특성이 저하될 수 있다.
예를 들면, 상기 양극 활물질의 Dmin은 1.0㎛ 내지 3㎛, 1.0㎛ 내지 2.5㎛, 또는 1.3㎛ 내지 2.0㎛일 수 있다.
한편, 상기 양극 활물질은, D50이 5㎛ 이하, 4㎛ 이하, 또는 3㎛ 이하일 수 있으며, 예를 들면, 0.5㎛ 내지 5㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 5㎛, 더 바람직하게는 2㎛ 내지 5㎛일 수 있다.
단입자 및/또는 유사-단입자 형태의 양극 활물질은 입자 내부에서 리튬 이온의 확산 경로가 되는 1차 입자들 사이의 계면이 적기 때문에 2차 입자 형태의 양극 활물질보다 리튬 이동성이 떨어지고, 이로 인해 저항이 증가한다는 문제점이 있다. 이러한 저항 증가는 입자의 크기가 커질수록 더욱 심화되며, 저항이 증가하면 용량 및 출력 특성이 악영향을 미친다. 따라서, 양극 활물질의 D50을 5㎛ 이하로 조절함으로써 양극 활물질 입자 내부에서의 리튬 이온 확산 거리를 최소화함으로써 저항 증가를 억제할 수 있다.
또한, 상기 양극 활물질은 Dmax가 12㎛ 내지 17㎛, 바람직하게는 12㎛ 내지 16㎛, 더 바람직하게는 12㎛ 내지 15㎛일 수 있다. 양극 활물질의 Dmax가 상기 범위를 만족할 때, 저항 특성 및 용량 특성이 더욱 우수하게 나타난다. 양극 활물질의 Dmax가 너무 큰 경우는 단입자들 간의 응집이 발생한 것으로, 응집된 입자 내부에서의 리튬 이동 경로가 길어져 리튬 이동성이 떨어지고, 이로 인해 저항이 증가할 수 있다. 한편, 양극 활물질의 Dmax가 너무 작은 경우는 과도한 해쇄 공정이 이루어진 경우로, 과도한 해쇄로 인해 Dmin이 1㎛ 미만으로 작아질 수 있어 압연 시 입자 깨짐이 유발되고 열 안정성이 저하될 수 있다.
한편, 상기 양극 활물질은, 하기 식 (1)로 표시되는 입도 분포(PSD, Particle Size Distribution)이 3 이하, 바람직하게는 2 내지 3, 더 바람직하게는 2.3 내지 3일 수 있다.
식 (1): 입도 분포(PSD) = (Dmax - Dmin)/D50
양극 활물질이 상기와 같은 입도 분포를 가질 때, 양극의 전극 밀도를 적절하게 유지할 수 있고, 입자 깨짐 및 저항 증가를 효과적으로 억제할 수 있다.
한편, 상기 양극 활물질은 1차 입자의 평균 입경이 5㎛ 이하, 4㎛ 이하, 3㎛ 이하, 또는 2㎛ 이하일 수 있으며, 예를 들면, 0.5㎛ 내지 5㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 5㎛, 더 바람직하게는 2㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 1차 입자의 평균 입경이 상기 범위를 만족할 경우, 전기 화학적 특성이 우수한 단입자 및/또는 유사-단입자 형태의 양극 활물질을 형성할 수 있다. 1차 입자의 평균 입경이 너무 작으면, 양극 활물질을 형성하는 1차 입자의 응집 개수가 많아져 압연 시에 입자 깨짐 발생 억제 효과가 떨어지고, 1차 입자의 평균 입경이 너무 크면 1차 입자 내부에서의 리튬 확산 경로가 길어져 저항이 증가하고 출력 특성이 떨어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 양극 활물질은 유니모달 입도 분포를 갖는 것이 바람직하다. 종래에는 양극 활물질층의 전극 밀도를 향상시키기 위해 평균 입경이 큰 대입경 양극 활물질과 평균 입경이 작은 소입경 양극 활물질을 혼합하여 사용하는 바이모달 양극 활물질이 많이 사용되어 왔다. 그러나, 단입자 또는 유사-단입자 형태의 양극 활물질의 경우, 입경이 증가하면 리튬 이동 경로가 길어져 저항이 현저하게 증가하기 때문에 대입경 입자를 혼합하여 사용할 경우, 용량 및 출력 특성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 유니모달 분포를 갖는 양극 활물질을 사용함으로써, 저항 증가를 최소화할 수 있도록 하였다.
한편, 상기 양극 활물질은 리튬 니켈계 산화물을 포함하는 것일 수 있으며, 구체적으로는, 전이금속 전체 몰수를 기준으로 Ni을 80몰% 이상으로 포함하는 리튬 니켈계 산화물을 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 리튬 니켈계 산화물은 Ni을 80몰% 이상 100몰% 미만, 82몰% 이상 100몰% 미만, 또는 83몰% 이상 100몰% 미만으로 포함할 수 있다. 상기와 같이 Ni 함량이 높은 리튬 니켈계 산화물을 사용할 경우, 높은 용량을 구현할 수 있다.
더 구체적으로는, 상기 양극 활물질은, 하기 [화학식 1]로 표시되는 리튬 니켈계 산화물을 포함하는 것일 수 있다.
[화학식 1]
LiaNibCocM1 dM2 eO2
상기 화학식 1에서, M1은 Mn, Al 또는 이들의 조합일 수 있으며, 바람직하게는 Mn 또는 Mn 및 Al일 수 있다.
상기 M2는 Zr, W, Y, Ba, Ca, Ti, Mg, Ta 및 Nb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며, 바람직하게는 Zr, Y, Mg, 및 Ti로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 더 바람직하게는 Zr, Y 또는 이들의 조합일 수 있다. M2 원소는 필수적으로 포함되는 것은 아니나, 적절한 양으로 포함될 경우, 소성 시의 입자 성장을 촉진하거나, 결정 구조 안정성을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.
상기 a는 리튬 니켈계 산화물 내의 리튬 몰비를 나타내는 것으로, 0.8≤a ≤1.2, 0.85≤a ≤1.15, 또는 0.9≤a ≤1.2일 수 있다. 리튬의 몰비가 상기 범위를 만족할 때, 리튬 니켈계 산화물의 결정 구조가 안정적으로 형성될 수 있다.
상기 b는 리튬 니켈계 산화물 내 리튬을 제외한 전체 금속 중 니켈의 몰비를 나타내는 것으로, 0.8≤b<1, 0.82≤b<1, 0.83≤b<1, 0.85≤b<1, 0.88≤b<1 또는 0.90≤b<1일 수 있다. 니켈의 몰비가 상기 범위를 만족할 때, 높은 에너지 밀도를 나타내어 고용량 구현이 가능하다.
상기 c는 리튬 니켈계 산화물 내의 리튬을 제외한 전체 금속 중 코발트 몰비를 나타내는 것으로, 0<c<0.2, 0<c<0.18, 0.01≤c≤0.17, 0.01≤c≤0.15, 0.01≤c≤0.12 또는 0.01≤c≤0.10일 수 있다. 코발트의 몰비가 상기 범위를 만족할 때, 양호한 저항 특성 및 출력 특성을 구현할 수 있다.
상기 d는 리튬 니켈계 산화물 내의 리튬을 제외한 전체 금속 중 M1 원소의 몰비를 나타내는 것으로, 0<d<0.2, 0<d<0.18, 0.01≤d≤0.17, 0.01≤d≤0.15, 0.01≤d≤0.12, 또는 0.01≤d≤0.10일 수 있다. M1 원소의 몰비가 상기 범위를 만족할 때, 양극 활물질의 구조 안정성이 우수하게 나타난다.
상기 e는 리튬 니켈계 산화물 내의 리튬을 제외한 전체 금속 중 M2 원소의 몰비를 나타내는 것으로, 0≤e≤0.1, 또는 0≤e≤0.05일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 양극 활물질은, 필요에 따라, 상기 리튬 니켈계 산화물 입자 표면에, Al, Ti, W, B, F, P, Mg, Ni, Co, Fe, Cr, V, Cu, Ca, Zn, Zr, Nb. Mo, Sr, Sb, Bi, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 코팅 원소를 포함하는 코팅층을 더 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 코팅 원소는 Al, B, Co 또는 이들의 조합일 수 있다.
리튬 니켈계 산화물 입자 표면에 코팅층이 존재할 경우, 코팅층에 의해 전해질과 리튬 니켈계 산화물의 접촉이 억제되며, 이로 인해 전해질과의 부반응으로 인한 전이금속 용출이나 가스 발생을 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.
상기 양극 활물질은 양극 활물질층 총 중량에 대하여 80 wt% 내지 99wt%, 바람직하게는 85wt% 내지 99wt%, 더 바람직하게는 90wt% 내지 99wt%로 포함될 수 있다.
한편, 상기 양극 집전체로는, 당해 기술 분야에서 사용되는 다양한 양극 집전체들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 집전체로는, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 상기 양극 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 양극 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 상기 양극 집전체는 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 단입자계 활물질 입자들 전부 또는 일부는 입자 표면이 전도성 코팅층으로 피복된 코어-쉘(Core-shell) 구조를 가질 수 있다. 상기 전도성 코팅층은 입자의 적어도 일부 또는 전부를 피복할 수 있다. 상기 전도성 코팅층은 전도성 나노 물질을 포함하는 것이다.
상기 단입자계 활물질 입자의 경우, 종래의 2차 입자 형태의 양극 활물질에 비해 저항이 높고, 도전재와의 접촉 면적이 작기 때문에 전기 전도도가 떨어진다는 문제점이 있다. 전기 전도도를 개선하기 위해 도전재를 과량으로 투입할 경우, 양극 슬러리 내에서 응집이 발생하여 점도가 증가하고, 이로 인해 코팅성이 떨어지는 문제가 발생한다. 따라서, 원활한 코팅성을 구현하기 위해서는 고형분 함량을 감소시켜 양극 슬러리의 점도를 낮춰야 하는데, 양극 슬러리 내 고형분 함량이 감소하면 활물질 함량이 감소하여 용량 특성이 떨어질 수 있다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 단입자계 활물질 입자 표면을 전도성 나노 물질로 코팅함으로써, 양극 슬러리에 별도의 도전재를 첨가하지 않더라도 우수한 전기 전도성을 구현할 수 있도록 하였다.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 단입자계 활물질 입자 표면에 전도성 나노 물질을 코팅한 양극 활물질을 적용할 경우, 상기 양극 활물질층은 도전성 코팅층을 제외한 부분에 도전재를 사용하지 않을 수 있다. 이와 같이 양극 슬러리의 응집을 유발하는 도전재를 추가적으로 사용하지 않아도 되기 때문에 양극 슬러리의 점도가 감소하고 고형분 함량을 증가시킬 수 있으며, 전극 코팅 공정성 및 전극 접착력이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서 상기 전도성 나노 물질은, 입자 상에 원활하게 코팅될 수 있도록 나노 사이즈의 크기를 가지고, 전도성이 있는 물질이면 되고, 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 전도성 나노 물질은 탄소나노튜브, 탄소나노입자 등일 수 있다.
상기 전도성 나노 물질은 다양한 형태를 가질 수 있으며, 예를 들면, 구상, 인편상, 또는 섬유상 등일 수 있다.
한편, 상기 전도성 코팅층은 코어부인 단입자계 활물질 입자와 전도성 나노 물질을 혼합한 후, 열처리하는 방법으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 혼합은 고상 혼합 또는 액상 혼합으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 양극 활물질층은 인편상 흑연을 포함한다. 양극 활물질로 상기 단입자계 활물질을 사용할 때, 양극 활물질층이 인편상 흑연을 포함하면, 양극 활물질층을 압연하는 경우, 상기 인편상 흑연이 상기 양극 활물질에 미끄러짐 효과를 제공하여 전극의 압연 특성이 향상되고, 전극 공극률을 목표하는 수준까지 낮출 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 양극이 적용된 배터리는 안정성, 초기 저항 특성, 및 충방전 효율이 개선될 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 인편상 흑연은 상기 양극 활물질층 100wt% 대비 0.1wt% 내지 5wt%로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 0.1wt% 내지 3wt%로 포함될 수 있다.
인편상 흑연의 함량이 상기 범위를 만족할 때, 양극 압연 특성이 개선되어 우수한 전극 밀도를 구현할 수 있다. 인편상 흑연 함량이 너무 적으면 압연 특성 개선 효과가 미미하고, 너무 많으면 슬러리 점도 상승 및 상안정성 저하를 유발할 수 있고, 도전재와의 결합을 통해 전극 균일성 저하로 저항이 증가할 가능성이 있다.
한편, 본 발명에서 사용되는 인편상 흑연은, 이로써 제한되는 것은 아니나, 평균 입경이 1㎛ 내지 20㎛, 바람직하게는 2㎛ 내지 10㎛, 더 바람직하게는 3㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 인편상 흑연의 크기가 너무 작으면, 원하는 공극률을 구현하기 어렵고, 전류 밀도를 낮춰 용량이 낮아질 수 있다. 이때, 상기 인편상 흑연의 평균 입경은 레이저 회절 방법(ISO 13320)으로 측정될 수 있다.
또한, 상기 인편상 흑연은 종횡비가 0.1 내지 500, 바람직하게는, 1 내지 100, 더 바람직하게는 1 내지 30일 수 있다. 인편상 흑연의 종횡비가 상기 범위를 만족할 경우, 전도성을 개선하여 전극 저항을 낮추는 효과가 발생한다.
또한, 상기 인편상 흑연은 밀도가 2.0g/cm3 내지 2.5g/cm3, 바람직하게는 2.1g/cm3 내지 2.4g/cm3, 더 바람직하게는 2.2g/cm3 내지 2.3g/cm3일 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 양극 활물질층의 공극률은 15% 내지 23%, 바람직하게는 17% 내지 23%, 더 바람직하게는 18% 내지 23%일 수 있다. 양극 활물질층의 공극률이 상기 범위를 만족할 때, 전극 밀도가 증가하여 우수한 용량을 구현할 수 있으며, 저항이 감소한다. 공극률이 너무 낮으면 전해액 함침성이 떨어져 전해액 미함침에 의한 리튬 석출이 발생할 수 있고, 너무 높으면 전극간의 접촉이 좋지 않아 저항이 증가되고 에너지 밀도가 감소하여 용량 개선 효과가 미미하다.
상기 양극 활물질층의 공극률 수치는 i) 상기 양극 활물질이 단입자계 활물질 입자를 포함하는 것과 ii) 상기 양극 활물질에 인편상 흑연을 첨가하는 것으로써 달성될 수 있다.
양극 활물질층의 로딩량이 비교적 높은 고로딩 전극을 구현함에 있어서, 본 발명과 같이 단입자 또는 유사-단입자 형태의 양극 활물질을 사용하는 경우, 종래 2차 입자 형태의 양극 활물질에 비해 압연 시의 활물질의 입자 깨짐이 현저히 감소되고, 양극 집전체(Al Foil)의 손상이 줄어들기 때문에 상대적으로 높은 선압으로 압연이 가능하여 양극 활물질층의 공극률은 상기와 같은 수치범위까지 감소하여 에너지밀도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명과 같이 양극 활물질층에 인편상 흑연이 포함되는 경우 압연 시 상기 인편상 흑연이 미끄러짐 효과를 제공하고 상기 양극 활물질층의 공극을 채울 수 있기 때문에 양극 활물질층의 공극률은 상기와 같은 수치범위까지 감소될 수 있다.
또한, 상기 양극은, 로딩량이 570mg/25cm2 이상, 바람직하게는 600mg/25cm2 내지 800g/25m2, 더 바람직하게는 600mg/25cm2 내지 750mg/25cm2일 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 리튬 이차 전지의 경우 단입자 및/또는 유사-단입자 양극 활물질 및 인편상 흑연을 적용함으로써 전극의 압연 특성이 향상되기 때문에 상기 양극의 로딩량이 비교적 높은 수준으로 확보될 수 있으며, 이를 통해 고용량 특성을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 양극 활물질층은 도전재를 더 포함할 수 있다. 상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 배터리 내부에서 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질층 총 중량에 대하여 1wt% 내지 30wt%, 바람직하게는 1wt% 내지 20wt%, 더 바람직하게는 1wt% 내지 10wt%로 포함될 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 도전재는 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 양극 활물질은 도전재로 비표면적이 높고 벽수(Wall number)가 작은 다중벽 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 상기 다중벽 탄소나노튜브는 도전재 100wt% 중 50wt% 이상, 70wt% 이상, 90wt% 이상 또는 99wt% 이상 포함될 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시예에서 상기 도전재는 상기 다중벽 탄소나노튜브만으로 구성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 다중벽 탄소나노튜브는 BET 비표면적이 300m2/g 내지 500m2/g인 것이다. 이를 종래 기술과 구별하기 위해서 '신규 CNT'라고 지칭한다.
종래에 일반적으로 사용되던 탄소나노튜브(기존 CNT)는 BET 비표면적이 300m2/g 미만이었다. 본 발명에서 사용되는 신규 CNT(도 36)와 기존 CNT(도 37)의 주사전자현미경 이미지 및 물성을 비교(도 38)하면 다음과 같다.
상기 SEM 이미지를 통해 알 수 있듯이, 본 발명에 적용되는 신규 CNT는 번들형 타입이며, 다중벽(multiwall) 구조이나, 기존 CNT 대비 BET가 높으며, Wall 수 및 직경이 작다.
2차 입자 형태의 양극 활물질을 사용할 경우, 기존 CNT를 0.4wt% ~ 0.6wt% 수준으로 사용하더라도 충분한 전기 전도성을 구현할 수 있었다. 그러나, 단입자 또는 유사-단입자 양극 활물질의 경우, 종래의 2차 입자 형태의 양극 활물질에 비해 저항이 높고, 도전재와의 접촉 면적이 작아 전기 전도도가 떨어지기 때문에, BET 비표면적이 300m2/g 미만인 기존 CNT를 사용하여 충분한 전기 전도성을 구현하기 위해서는 도전재 함량이 0.9wt% 이상이 되어야 한다.
도 39 내지 도 42는 양극 활물질로 단입자 또는 유사-단입자를 적용할 경우, 도전재 비율별 면저항 및 고온 수명 특성을 보여주는 그래프들이다.
상기 그래프들을 통해, 양극 활물질로 단입자 또는 유사-단입자를 적용할 경우, 기존의 2차 입자 형태의 양극 활물질을 적용하는 경우에 비해 도전재 사용량이 증가하여야 함을 알 수 있다.
그러나, 탄소나노튜브 함유량이 0.9wt% 이상으로 증가하면 양극 슬러리 내에서 응집이 발생하여 점도가 증가하고, 이로 인해 코팅성이 떨어진다. 따라서, 원활한 코팅성을 구현하기 위해서는 양극 슬러리 내 고형분 함량을 감소시켜 양극 슬러리의 점도를 낮춰야 하는데 양극 슬러리 내 고형분 함량이 감소하면 활물질 함량이 감소하여 용량 특성이 떨어진다는 문제점이 있다.
본 발명자들은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 연구를 거듭한 결과, 단입자계 활물질 입자인 양극 활물질과 함께 도전재로 BET 비표면적이 300m2/g 내지 500m2/g인 탄소나노튜브를 적용할 경우, 상대적으로 적은 양의 탄소나노튜브만으로도 충분한 전기 전도성을 확보할 수 있으며, 이에 따라 양극 슬러리의 고형분 함량을 70wt% ~ 80wt% 정도로 높게 형성하여도 슬러리 점도를 낮게 유지할 수 있음을 확인하였다.
구체적으로는, 본 발명에서 사용되는 상기 탄소나노튜브는 BET 비표면적이 300m2/g 내지 500m2/g, 바람직하게는 300m2/g 내지 450m2/g인 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다. BET 비표면적이 상기 범위를 만족할 때, 적은 양의 탄소나노튜브로도 충분한 전기 전도성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브는 벽수(wall number)가 2 내지 8, 바람직하게는 2 내지 6, 더 바람직하게는 3 ~ 6인 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브는 직경이 1nm ~ 8nm 바람직하게는 3nm ~ 8nm, 더 바람직하게는 3nm ~ 6nm 일 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 0.7wt% 이하, 바람직하게는 0.3wt% 내지 0.7wt%, 더 바람직하게는 0.4wt% 내지 0.6wt%로 포함될 수 있다. 탄소나노튜브의 함량이 상기 범위를 만족할 때, 충분한 전기 전도성을 구현할 수 있으며, 양극 슬러리 내에서의 고형분 함량을 높게 유지할 수 있어 양극 활물질층 내에서 양극 활물질의 함량을 높게 형성할 수 있고, 이로 인해 우수한 용량 특성을 구현할 수 있다.
도 43에 도시된 표는 BET 비표면적이 300m2/g 내지 500m2/g인 탄소나노튜브(신규 CNT)를 적용한 경우와 BET가 200m2/g 이상 300m2/g 미만인 탄소나노튜브(기존 CNT)를 적용한 경우의 양극 슬러리의 고형분 함량과 점도 및 MP 코팅층과 MP 계면층에서의 저항값을 비교한 것이다. 상기 표를 통해, 신규 CNT를 적용할 경우, 기존 CNT에 비해 양극 슬러리의 고형분 함량이 더 높은 경우에도 더 낮은 점도를 나타내며, 전기 전도성도 우수함을 확인할 수 있다.
상기 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 양극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 수행하는 것으로, 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무(EPDM rubber), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 1 wt% 내지 30 wt%, 바람직하게는 1 wt% 내지 20wt%, 더 바람직하게는 1 wt% 내지 10wt%로 포함될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 양극을 포함하는 전극 조립체 및 이를 포함하는 배터리에 대한 것이다. 상기 전극 조립체는 음극 및 양극을 포함하며, 상기 양극은 전술한 바와 같은 구성적 특징을 갖는 것이다.
상기 전극 조립체는 예를 들어서, 분리막이 음극과 양극 사이에 개재된 상태로 적층되어 스택형 또는 스택/폴딩의 구조체를 형성하거나 권취되어 젤리롤 구조체를 형성할 수 있다. 아울러, 젤리롤 구조체를 형성했을 때, 음극과 양극이 서로 접하는 것을 방지하기 위해 외측에 분리막이 추가 배치될 수 있다.
상기 음극은 음극 집전체; 및 상기 음극 집전체의 적어도 일측면상에 형성된 음극 활물질층;을 포함한다. 상기 음극은 긴 시트 형상의 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질층이 형성된 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 음극 활물질층은 음극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다.
구체적으로는 상기 음극은 긴 시트 형상의 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질, 도전재, 및 바인더를 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone), 물 등과 같은 용매에 분산시켜 제조된 음극 슬러리를 도포하고, 건조 공정을 통해 음극 슬러리의 용매를 제거한 후, 압연시키는 방법으로 제조될 수 있다. 상기 음극 슬러리 도포 시에 음극 집전체의 일부 영역, 예를 들면 음극 집전체의 일 단부에 음극 슬러리를 도포하지 않는 방법으로 무지부를 포함하는 음극을 제조할 수 있다.
상기 음극 활물질은 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 음극 활물질의 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질 탄소 등의 탄소질 재료; Si, Si-Me 합금(여기서, Me은 Al, Sn, Mg, Cu, Fe, Pb, Zn, Mn, Cr, Ti, 및 Ni로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상), SiOy(여기서, 0<y<2), Si-C 복합체 등과 같은 실리콘계 물질; 리튬 금속 박막; Sn, Al 등과 같이 리튬과 합금화가 가능한 금속 물질; 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서 상기 음극은 실리콘계 음극 활물질을 포함할 수 있다. 상기 실리콘계 음극 활물질은 Si, Si-Me 합금(여기서, Me은 Al, Sn, Mg, Cu, Fe, Pb, Zn, Mn, Cr, Ti, 및 Ni로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상), SiOy(여기서, 0<y<2), Si-C 복합체 또는 이들의 조합일 수 있으며, 바람직하게는 SiOy(여기서, 0<y<2)일 수 있다. 실리콘계 음극 활물질은 높은 이론 용량을 가지기 때문에 실리콘계 음극 활물질을 포함할 경우, 용량 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 실리콘계 음극 활물질은, Mb 금속으로 도핑된 것일 수 있으며, 이때, 상기 Mb 금속은 1족 금속 원소, 2족 금속 원소일 수 있으며, 구체적으로는, Li, Mg 등일 수 있다. 구체적으로는 상기 실리콘 음극 활물질은 Mb 금속으로 도핑된 Si, SiOy(여기서, 0<y<2), Si-C 복합체 등일 수 있다. 금속 도핑된 실리콘계 음극 활물질의 경우, 도핑 원소로 인해 활물질 용량은 다소 저하되나 높은 효율을 갖기 때문에, 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다.
도 60에는 실리콘계 음극 활물질과 탄소계 음극 활물질의 혼합물을 음극 활물질로 사용한 배터리에서, 실리콘계 음극 활물질의 함량과 실리콘계 음극 활물질의 도핑 유무에 따른 에너지 밀도의 변화를 보여주는 그래프가 도시되어 있다.
도 60에서 Low efficiency SiO는 미도핑 SiO이며, Ultra-High efficiency SiO는 Mg/Li 도핑된 SiO를 의미한다. 도 60을 통해, 전체 음극 활물질 중 실리콘계 음극 활물질의 함량이 증가할수록 에너지 밀도가 향상됨을 확인할 수 있다. 또한, 실리콘계 음극 활물질 중에서 도핑된 실리콘계 음극 활물질의 비율이 증가할수록 에너지 밀도의 개선 효과가 더 우수함을 확인할 수 있다.
상기 실리콘계 음극 활물질은 입자 표면에 탄소 코팅층을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 탄소 코팅량은 실리콘계 음극 활물질 전체 중량을 기준으로 20wt% 이하, 바람직하게는 1 ~ 20wt%일 수 있다. 상기 탄소 코팅층은, 건식 코팅, 습식 코팅, 화학기상증착(CVD), 물리기상증착(PVD), 원자층증착(ALD) 등의 방식을 통해 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 실리콘계 음극 활물질은 1000~4000mAh/g의 용량을 가질 수 있으며, 초기 효율이 60~95% 정도일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시양태에 있어서, 상기 실리콘계 음극 활물질의 D50은 3um 내지 8um일 수 있고, Dmin ~ Dmax는 0.5um~30um의 범위에 포함될 수 있다.
상기 음극은, 필요에 따라, 음극 활물질로 탄소계 음극 활물질을 더 포함할 수 있다. 상기 탄소계 음극 활물질은, 예를 들면, 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소, 연화탄소 (soft carbon), 경화탄소 (hard carbon) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
음극 활물질로 실리콘계 음극 활물질과 탄소계 음극 활물질의 혼합물을 사용할 경우, 상기 실리콘계 음극 활물질 및 탄소계 음극 활물질의 혼합비는 중량 비율로 1 : 99 내지 20 : 80, 바람직하게는 1 : 99 내지 15 : 85, 더 바람직하게는 1 : 99 내지 10 : 90일 수 있다.
상기 음극 활물질은 음극 활물질층 총 중량에 대하여 80wt% 내지 99wt%, 바람직하게는 85wt% 내지 99wt%, 더 바람직하게는 90wt% 내지 99wt%로 포함될 수 있다.
필요에 따라서, 상기 음극 활물질은 리튬 금속과 Sn, Al 등과 같이 리튬과 합금화가 가능한 금속 물질 중 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체로는, 당해 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 음극 집전체들이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 음극 집전체는 통상적으로 3㎛ 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 양극 집전체와 마찬가지로, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 음극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 도전재는 음극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 배터리 내부에서 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용 가능하다. 구체적인 도전재의 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 통상적으로 음극 활물질층 총 중량에 대하여 1wt% 내지 30 wt%, 바람직하게는 1wt% 내지 20wt%, 더 바람직하게는 1wt% 내지 10wt%로 포함될 수 있다.
상기 바인더는 음극 활물질 입자들 간의 부착 및 음극 활물질과 음극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 바인더의 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무(EPDM rubber), 술폰화-EPDM, 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더는 음극 활물질층 총 중량에 대하여 1wt% 내지 30 wt%, 바람직하게는 1wt% 내지 20wt%, 더 바람직하게는 1wt% 내지 10wt%로 포함될 수 있다.
상기 전극 조립체는 분리막을 더 포함하며 상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되는 방식으로 전극 조립체 내에 배치된다. 상기 분리막은 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 배터리에서 세퍼레이터로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용가능하다.
상기 분리막으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 분리막이 사용될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 전극 조립체를 포함하는 배터리에 대한 것이다. 상기 배터리는 전지 케이스에 전극 조립체와 전해액이 함께 수납되어 있는 것으로서 상기 전지 케이스로는 파우치 타입이나 금속 캔 타입 등 본 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별한 제한 없이 적절한 것이 선택될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 전해질로는 리튬 배터리에 사용 가능한 다양한 전해질들, 예를 들면, 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등이 사용될 수 있으며, 그 종류가 특별히 한정되는 것은 아니다.
구체적으로는, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone),ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다.
상기 리튬염은 리튬 배터리에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1M 내지 5.0M, 바람직하게는 0.1M 내지 3,0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명 특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가제로는 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사메틸인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1wt% 내지 10wt%, 바람직하게는 0.1wt% 내지 5 wt%로 포함될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시양태에 있어서, 상기 양극은 인접 영역보다 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부를 포함할 수 있다. 양극이 이와 같은 구조를 가지면 리튬의 석출 우려 없이 양극 활물질부의 구간을 늘릴 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
최근 높은 에너지 밀도의 구현과 비용 절감을 위해, 배터리의 사이즈를 증가시키는 방향으로 개발이 진행되고 있다. 배터리의 사이즈에 따라 에너지가 증가할수록 배터리 당 저항이 감소되어야 한다. 저항의 감소를 위해 전극에 전극 탭을 부착시키는 방식이 아닌 전극의 집전체를 전극 탭으로 활용하는 방식이 사용될 수 있다. 이 때, 전극 집전체 상에 전극 슬러리를 도포하는 전극 제조 공정의 특성 상, 음극 슬러리가 도포된 음극 활물질부와 음극 집전체의 경계 부분에 로딩량이 감소되는 부분이 발생한다. N/P ratio를 고려했을 때, 상기 로딩량이 감소되는 부분과 대면하는 양극 활물질부에 금속 리튬이 석출될 우려가 있다. 여기서, N/P ratio는 음극의 면적 및 질량당 용량을 감안하여 산출한 음극의 용량을, 양극의 면적 및 질량당 용량을 감안하여 얻은 양극의 용량으로 나눈 값인데, 일반적으로 1이상의 값을 갖는다. 즉, 음극의 용량을 많게 제작한다. 참고로 N/P ratio가 1이 되지 않으면, 충방전 시 금속 리튬이 석출되기 쉽고, 이는 고율 충방전 시에 전지의 안전성을 급격히 열화시키는 원인으로 작용한다. 다시 말해, N/P ratio는 전지의 안전성 및 용량에 중대한 영향을 미친다. 상기와 같이 금속 리튬의 석출 우려로, 음극의 로딩량이 감소되는 부분과 대면하는 양극 부분에 양극 활물질부를 위치시킬 수 없다. 이는 배터리의 에너지 밀도를 높이지 못하는 원인이 된다. 이에 본 발명은 양극 활물질부의 구간을 늘려 에너지 밀도를 개선하였다.
도 48은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 도면이고, 도 49는 도 48의 절단선 A-A'를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 48 및 도 49를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(300)는, 음극(400), 양극(500) 및 분리막(600)을 포함한다. 분리막(600)은, 음극(400)과 양극(500) 사이에 위치한다. 음극(400), 양극(500) 및 분리막(600)이 함께 권취되어 젤리롤 구조체(300S)를 형성한다. 여기서, 젤리롤 구조체(300S)는, 음극(400), 양극(500) 및 분리막(600)이 권취되어 형성된 구조물을 지칭한다. 아울러, 젤리롤 구조체(300S)를 형성했을 때, 음극(400)과 양극(500)이 서로 접하는 것을 방지하기 위해 외측에 분리막(600)이 추가 배치되는 것이 바람직하다.
음극(400)은, 음극 집전체(410) 및 음극 집전체(410) 상에 음극 활물질이 도포되어 형성된 음극 활물질부(420)를 포함한다. 특히, 도시된 바와 같이 음극 집전체(410)의 양면 모두에 음극 활물질이 도포되어 음극 활물질부(420)가 형성될 수 있다. 또한, 음극 집전체(410) 중 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 무지부(430)가 제1방향(d1)으로 연장된다. 음극 무지부(430)는 권취되는 음극(400)의 일 단부를 따라 이어진다. 또한, 음극 무지부(430)는 제1방향(d1)으로 분리막(600)보다 연장된다. 이에 따라, 젤리롤 구조체(300S)의 제1방향의 일 단부에는 음극 무지부(430)가 노출될 수 있다.
양극(500)은, 양극 집전체(510) 및 양극 집전체(510) 상에 양극 활물질이 도포되어 형성된 양극 활물질부(520)를 포함한다. 특히, 도시된 바와 같이 양극 집전체(510)의 양면 모두에 양극 활물질이 도포되어 양극 활물질부(520)가 형성될 수 있다. 또한, 양극 집전체(510) 중 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 무지부(530)가 제2방향(d2)으로 연장된다. 양극 무지부(530)는 권취되는 양극(500)의 일 단부를 따라 이어진다. 또한 양극 무지부(530)는 제2방향(d2)으로 분리막(600)보다 연장된다. 이에 따라, 젤리롤 구조체(300S)의 제2방향의 일 단부에는 양극 무지부(530)가 노출될 수 있다.
여기서 제1방향(d1)과 제2방향(d2)은 서로 대향하는 방향이다. 또한, 제1방향(d1)과 제2방향(d2)는 젤리롤 구조체(300S)의 높이 방향과 평행한 방향일 수 있다.
본 실시예에 따른 전극 조립체(300)는, 별도의 전극 탭을 부착하는 형태가 아니라, 저항 감소를 위해 음극 집전체(410)의 음극 무지부(430)와 양극 집전체(510)의 양극 무지부(530) 자체를 전극 탭으로 활용하는 형태이다.
도면에 도시하지 않았지만, 음극 무지부(430) 및/또는 양극 무지부(530)는 앞서 설명한 전극의 무지부 구조를 실질적으로 동일하게 구비할 수 있다.
일 실시 양태에서, 양극 활물질부(520)는, 인접 구역보다 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부(500D)를 포함하고, 로딩 감소부(500D)는, 양극(500)의 제1방향(d1)의 일 단부에 위치한다. 또한, 보다 구체적으로, 로딩 감소부(500D)는 제1방향(d1)으로 갈수록 상기 양극 활물질의 로딩량이 점차 감소할 수 있다.
여기서, 로딩량은 단위면적당 활물질의 도포량을 의미한다. 로딩량이 많은 부분은, 단위 면적에 많은 음극 활물질 또는 양극 활물질이 도포되어 음극 활물질부 또는 양극 활물질부의 두께가 상대적으로 두꺼울 수 있다. 로딩량이 적은 부분은, 단위 면적에 적은 음극 활물질 또는 양극 활물질이 도포되어 음극 활물질부 또는 양극 활물질부의 두께가 상대적으로 얇을 수 있다.
활물질을 포함하는 슬러리를 도포하여 활물질부를 형성할 수 있는데, 이러한 공정에서 무지부와 활물질부 사이에는 점차 로딩량이 감소하는 경계부가 형성될 수 있다.
구체적으로, 음극 활물질부(420)는, 음극 활물질부(420)와 음극 무지부(430)간의 경계를 형성하는 음극 경계부(420B)를 포함할 수 있다. 음극 경계부(420B)는 음극 무지부(430)가 위치한 방향으로 갈수록 로딩량이 감소할 수 있다.
마찬가지로, 양극 활물질부(520)는, 양극 활물질부(520)와 양극 무지부(530) 간의 경계를 형성하는 양극 경계부(520B)를 포함할 수 있다. 양극 경계부(520B)는 양극 무지부(530)가 위치한 방향으로 갈수록 로딩량이 감소할 수 있다.
위와 같이 로딩량이 점차 감소하는 음극 경계부(420B)나 양극 경계부(520B)는 활물질을 포함하는 슬러리를 음극 집전체(410)나 양극 집전체(510)에 도포하는 과정에서 자연히 발생한다.
이때, 제2방향(d2)과 수직한 방향을 기준으로, 양극 경계부(520B)와 대응하는 영역에서는, 양극 활물질의 양이 음극 활물질의 양보다 적을 수 있다. 이는 N/P ratio가 1보다 큰 값을 갖는 것이기 때문에 금속 리튬이 석출되는 문제 등이 발생하지 않는다.
문제는, 음극 경계부(420B)와 대응하는 영역이다. 제1방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 음극 경계부(420B)와 대응하는 영역에서는, 음극 활물질의 양이 양극 활물질의 양보다 적을 수 있다. 이는 N/P ratio가 1보다 작은 값을 갖는 것으로 금속 리튬이 석출되는 문제가 발생할 수 있다.
이에 본 실시예에서는 양극(500)에 로딩 감소부(500D)를 마련하였고, 제1방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 로딩 감소부(500D)와 대응하는 부분에 음극 활물질부(420)가 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 로딩 감소부(500D)와 대응하는 부분에 음극 경계부(420B)가 위치할 수 있다.
로딩량이 점차 감소하는 음극 경계부(420B)와 대응하는 위치에 인접 구역보다 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부(500D)를 마련하여, 리튬의 석출 우려 없이 양극 활물질이 도포된 구간을 늘릴 수 있다. 특히, 음극 무지부(430)가 위치한 방향으로 갈수록 로딩량이 점차 감소하는 음극 경계부(420B)의 형상과 대응하도록, 로딩 감소부(500D)가 제1방향(d1)으로 갈수록 상기 양극 활물질의 로딩량이 점차 감소하는 형태를 가질 수 있다. 따라서, 음극 경계부(420B)가 형성된 영역에서의 음극(400)과 양극(500)에 대한 N/P ratio를 높게 유지할 수 있어, 리튬의 석출을 방지할 수 있다.
이하에서는, 도 50 내지 도 55를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 50 및 도 51은 본 발명의 일 실시예에 따라 음극을 제조하는 과정을 나타낸 도면들이다. 구체적으로, 도 50은 음극 시트를 위에서 바라본 평면도이고, 도 51은 도 50의 음극 시트를 정면에서 바라본 정면도이다.
도 50 및 도 51을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법은, 음극 집전체(410) 상에 음극 활물질이 도포된 음극 활물질부(420)와 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 무지부(430)가 번갈아 위치하도록 음극 시트(400S)를 제조하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 음극 활물질을 제3 방향(d3)을 따라 이어지도록 도포하여 음극 활물질부(420)를 형성할 수 있다. 또한, 제3 방향(d3)과 수직한 제4 방향(d4)을 따라 도포 영역을 이격시켜 다수의 음극 활물질부(420)가 제4 방향(d4)을 따라 이격되게 위치시킬 수 있다. 즉, 다수의 음극 활물질부(420) 사이에 음극 무지부(430)가 위치하도록 도포 공정을 진행할 수 있다.
여기서 제3 방향(d3)과 제4 방향(d4)은 음극 시트(400S)를 기준으로 설명하기 위한 방향들로써, 앞서 설명한 젤리롤 구조체(300S)에서의 제1방향(d1) 및 제2방향(d2)과는 무관한 방향들이다.
이후, 음극 무지부(430)와 음극 활물질부(420)를 슬릿팅(Slitting)하여 음극(400)을 제조하는 단계가 이어질 수 있다. 도 52은 본 발명의 일 실시예에 따른 음극을 나타낸 사시도이다.
도 50 내지 도 52를 참고하면, 도 50 및 도 51에서 점선으로 표시한 부분과 같이, 음극 무지부(430)와 음극 활물질부(420) 각각에 대해 제3 방향(d3)과 나란한 방향으로 슬릿팅을 실시할 수 있다. 이에 따라 음극 시트(400S)로부터 도 52에 도시된 바와 같은 음극(400)을 여러 개 제조할 수 있다. 즉, 도 52의 음극(400)은 도 50 및 도 51의 음극 시트(400S)를 슬릿팅하여 제조된 여러 음극 중 하나에 해당한다. 음극 시트(400S) 중 음극 무지부(430)와 음극 활물질부(420)를 각각 슬릿팅함으로써, 일 측으로 음극 무지부(430)가 연장된 음극(400)이 제조될 수 있다.
음극 활물질부(420) 형성 시, 음극 활물질을 포함하는 슬러리를 음극 집전체(410) 상에 도포할 수 있는데, 이러한 슬러리 도포 과정에서, 음극 활물질부(420)와 음극 무지부(430) 사이의 경계에는 음극 무지부(430)가 위치한 방향으로 갈수록 로딩량이 감소하는 음극 경계부(420B)가 형성될 수 있다.
도 53 및 도 54는 본 발명의 일 실시예에 따라 양극을 제조하는 공정을 나타낸 도면들이다. 구체적으로, 도 53은 양극 시트를 위에서 바라본 평면도이고, 도 54는 도 53의 양극 시트를 정면에서 바라본 정면도이다.
도 53 및 도 54를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법은, 양극 집전체(510) 상에 양극 활물질이 도포된 양극 활물질부(520)와 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 무지부(530)가 번갈아 위치하도록 양극 시트(500S)를 제조하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 양극 활물질을 제3 방향(d3)을 따라 이어지도록 도포하여 양극 활물질부(520)를 형성할 수 있다. 또한, 제3 방향(d3)과 수직한 제4 방향(d4)을 따라 도포 간격을 조절하여 다수의 양극 활물질부(520)가 이격되게 위치시킬 수 있다. 즉, 다수의 양극 활물질부(520) 사이에 양극 무지부(530)가 위치하도록 도포 공정을 진행할 수 있다.
여기서 제3 방향(d3)과 제4 방향(d4)은 양극 시트(500S)를 기준으로 설명하기 위한 방향들로써, 앞서 설명한 젤리롤 구조체(300S)에서의 제1방향(d1) 및 제2방향(d2)과는 무관한 방향들이다.
이후, 양극 무지부(530)와 양극 활물질부(520)를 슬릿팅하여 양극(500)을 제조하는 단계가 이어질 수 있다. 도 55는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극(500)을 나타낸 사시도이다.
도 53 내지 도 55를 참고하면, 도 53 및 도 54에서 점선으로 표시한 부분과 같이, 양극 무지부(530)와 양극 활물질부(520) 각각에 대해 제3 방향(d3)과 나란한 방향으로 슬릿팅을 실시할 수 있다. 이에 따라 양극 시트(500S)로부터 도 55에 도시된 바와 같은 양극(500)을 여러 개 제조 할 수 있다. 즉, 도 55의 양극(500)은 도 53 및 도 54의 양극 시트(500S)를 슬릿팅하여 제조된 여러 양극 중 하나에 해당한다. 양극 시트(500S) 중 양극 무지부(530)와 양극 활물질부(520)를 각각 슬릿팅함으로써, 일 측으로 양극 무지부(530)가 연장된 양극(500)이 제조될 수 있다.
양극 활물질부(520) 형성 시, 양극 활물질을 포함하는 슬러리를 양극 집전체(510) 상에 도포할 수 있는데, 이러한 슬러리 도포 과정에서, 양극 활물질부(520)와 양극 무지부(530) 사이의 경계에는 양극 무지부(530)가 위치한 방향으로 갈수록 로딩량이 감소하는 양극 경계부(520B)가 형성될 수 있다.
도 48, 도 52 및 도 55를 함께 참고하면, 제조된 음극(400) 및 양극(500)을 분리막(600)과 함께 권취하여 젤리롤 구조체(300S)를 형성하는 단계가 이어질 수 있다. 이때, 젤리롤 구조체(300S)에서 음극 무지부(430)는 제1방향(d1)으로 분리막(600)보다 연장되고, 양극 무지부(530)는 제1방향(d1)과 대향하는 제2방향(d2)으로 분리막(600)보다 연장될 수 있다.
도 53 내지 도 55를 다시 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체의 제조 방법에 있어서, 양극 시트(500S)는, 인접 구역보다 상기 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소 영역(500DA)을 포함한다. 로딩 감소 영역(500DA)을 형성하는 방법에 특별한 제한은 없고, 일례로 슬러리의 도포 정도를 조절하여 형성할 수 있다.
상기 양극(500)을 제조하는 단계에서, 양극 활물질부(520) 중 로딩 감소 영역(500DA)을 슬릿팅한다. 슬릿팅된 로딩 감소 영역(500DA)이, 도 48 및 도 49에 나타난 젤리롤 구조체(300S)에서 인접 구역보다 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부(500D)를 형성한다.
구체적으로, 양극 시트(500S)에 형성된 양극 활물질부(520)에 인접 구역보다 상기 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소 영역(500DA)이 형성된다. 도 54에 나타난 바와 같이, 로딩 감소 영역(500DA)은 양극 활물질부(520)의 중앙에 형성될 수 있다. 한편, 로딩 감소 영역(500DA)은 로딩 감소 영역(500DA)의 중앙부(500C)로 갈수록 상기 양극 활물질의 로딩량이 점차 감소하도록 구성될 수 있고, 상기 양극(500)을 제조하는 단계에서, 로딩 감소 영역(500DA)의 중앙부(500C)를 슬릿팅함에 따라, 본 실시예에 따른 로딩 감소부(500D)가 마련될 수 있다.
즉, 양극 활물질을 포함하는 슬러리를 도포함에 있어 로딩 감소 영역(500DA)을 형성하고, 로딩 감소 영역(500DA)의 중앙부(500C)를 슬릿팅함으로써, 로딩 감소부(500D)가 형성된 양극(500)을 여러 개 제조할 수 있다.
도 55를 참고하면, 제조된 양극(500)의 일 단부에는 로딩 감소부(500D)가 마련될 수 있고, 상기 일 단부와 대향하는 상기 양극(500)의 타 단부에는 양극 무지부(530)가 마련될 수 있다.
도 48 및 도 49를 참고하면, 이러한 양극(500)이 권취되어 젤리롤 구조체(300S)를 형성할 때, 로딩 감소부(500D)는, 양극(500)의 제1방향(d1)의 일 단부에 위치하고, 양극 무지부(530)는 양극(500)의 제2방향(d2)의 일 단부에 위치할 수 있다.
또한, 로딩 감소 영역(500DA)의 중앙부(500C)를 슬릿팅함에 따라, 로딩 감소부(500D)는, 제1방향(d1)으로 갈수록 양극 활물질의 로딩량이 점차 감소할 수 있다.
또한, 젤리롤 구조체(300S)에서, 제1방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 로딩 감소부(500D)와 대응하는 부분에 음극 활물질부(420)가 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 젤리롤 구조체(300S)에서, 제1방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 로딩 감소부(500D)와 대응하는 부분에 음극 경계부(420B)가 위치할 수 있다.
로딩 감소부(500D)와 음극 경계부(420B) 간의 대응하는 위치 관계에 대해서는 앞서 설명한 내용과 중복이므로 생략하도록 한다.
이하에서는, 도 56내지 도 59를 참고하여, 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체에 대해 설명하고, 본 실시예에 따른 전극 조립체가 비교예에 따른 전극 조립체에 비해 갖는 장점을 설명하도록 한다.
도 56은 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체를 나타낸 도면이다. 도 57은 도 56의 절단선 B-B'를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 56 및 도 57을 참고하면, 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체(600)는, 음극(700), 양극(800) 및 분리막(900)을 포함하고, 음극(700), 양극(800) 및 분리막(900)이 권취되어 젤리롤 구조체(600S)를 형성한다.
음극(700)은, 음극 집전체(710), 음극 활물질부(720) 및 음극 무지부(730)를 포함할 수 있다. 또한, 음극 무지부(730)가 제1방향(d1)으로 연장될 수 있고, 음극 활물질부(720)는, 음극 활물질부(720)와 음극 무지부(730)의 경계를 형성하고 로딩량이 점차 감소하는 음극 경계부(720B)를 포함할 수 있다.
도 58은 본 발명의 비교예에 따라 음극(700)을 제조하는 공정을 나타낸 도면이다.
도 58을 참고하면, 음극 활물질부(720)와 음극 무지부(730)가 제4 방향(d4)을 따라 번갈아 위치하도록 음극 시트(700S)가 제조된 후, 음극 무지부(730)와 음극 활물질부(720)를 슬릿팅(Slitting)하여 다수의 음극(700)을 제조할 수 있다.
한편, 도 56 및 도 57을 다시 참고하면, 양극(800)은, 양극 집전체(810), 양극 활물질부(820) 및 양극 무지부(880)를 포함할 수 있다. 또한, 양극 무지부(830)가 제1방향(d1)과 대향하는 제2방향(d2)으로 연장될 수 있고, 양극 활물질부(820)는, 양극 활물질부(820)와 양극 무지부(830)의 경계를 형성하고 로딩량이 점차 감소하는 양극 경계부(820B)를 포함할 수 있다.
도 59는 본 발명의 비교예에 따라 양극(800)을 제조하는 공정을 나타낸 도면이다.
도 59를 참고하면, 양극 활물질부(820)와 양극 무지부(830)가 제4 방향(d4)을 따라 번갈아 위치하도록 양극 시트(800S)가 제조된 후, 양극 무지부(830)와 양극 활물질부(820)를 슬릿팅(Slitting)하여 다수의 양극(800)을 제조할 수 있다.
이후, 제조된 음극(700)과 양극(800)을 분리막(900)과 함께 권취하여 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체(600)를 제조할 수 있다.
즉, 본 발명의 비교예에 따른 전극 조립체(600)는 로딩 감소부(500D, 도 49 참고)를 제외하고 본 실시예에 따른 전극 조립체(300)와 유사한 구조를 가질 수 있다.
도 56 및 도 57을 참고하면, 본 비교예에 따른 전극 조립체(600)의 경우, 제1방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 음극 경계부(720B)와 대응하는 부분에 양극 활물질부(820)가 위치할 수 없다. 만일 양극 활물질부(820)가 음극 경계부(720B)와 대응하는 부분에까지 연장된다면 해당 부분은 낮은 N/P ratio 값을 보이는 부분이고, 금속 리튬이 석출될 가능성이 높다. 따라서, 리튬 석출을 방지하기 위해 양극 활물질부(820)의 길이를 제한할 수밖에 없다. 즉, 도시된 B1의 영역에만 양극 활물질부(820)를 형성할 수 있고, B2의 영역에는 양극 활물질부(820)를 형성할 수 없다. 이는, 음극 경계부(720B)로 인해 양극 활물질부(820)의 길이를 축소하는 결과가 된다.
반면, 도 48 및 도 49를 참고하면, 본 실시예에 따른 전극 조립체(300)의 경우, 제1방향(d1)과 수직한 방향을 기준으로, 음극 경계부(420B)와 대응하는 부분에 양극 활물질부(520), 특히 로딩 감소부(500D)가 위치할 수 있다. 음극 경계부(420B)와 대응하는 위치에 인접 구역보다 양극 활물질의 로딩량이 적은 로딩 감소부(500D)가 마련되기 때문에 해당 부분에서의 N/P ratio를 높게 유지할 수 있고, 리튬의 석출을 방지할 수 있다. 이에 따라, A1의 영역만큼 양극 활물질부(520)를 형성할 수 있고, 양극 활물질부(520)가 형성될 수 없는 A2의 영역을 줄일 수 있다. 일례로, 음극(400)의 높이 방향 폭 대비 양극(500)의 높이 방향 폭을 98% 이상으로 높일 수 있다.
도 48 및 도 49의 A1의 영역과 도 56 및 도 57의 B1의 영역을 비교하면, 본 실시예에 따른 전극 조립체(300)는 양극 활물질부의 길이를 로딩 감소부(500D)만큼 늘일 수 있기 때문에 비교예에 따른 전극 조립체(600)보다 한정된 공간에서 더 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가지는 젤리롤 타입의 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 수납되는 원통형 배터리 하우징; 및 상기 배터리 하우징의 상부에 배치되어 상기 배터리 하우징을 밀봉하는 밀봉체인 전지 캡을 포함하는 원통형 배터리에 대한 것이다. 여기에서 상기 양극은 본 발명에 따른 것으로서 양극 활물질로 평균 입경 D50이 5㎛ 이하인 단입자계 활물질 입자를 포함하는 것이다. 상기 원통형 배터리는 전해액을 더 포함할 수 있으며 전해액에 대해서는 전술한 내용을 참조할 수 있다.
상기 전극 조립체는 전술한 바와 같은 스택 타입, 스택/폴딩 타입 또는 젤리롤 타입의 구조를 가질 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 전극 조립체는 전술한 바와 같이 양극이 로딩 감소부를 갖는 것일 수 있다.
종래의 원통형 배터리의 경우, 스트립 형태의 전극 탭에 전류가 집중되어 저항이 크고, 열이 많이 발생하며, 집전 효율이 좋지 않다는 문제점이 있다.
최근 전기 자동차 기술의 발전에 따라 고용량 전지에 대한 요구가 증가함에 따라 부피가 큰 대형 원통형 배터리 개발이 요구되고 있다. 종래에 일반적으로 사용되던 소형 원통형 배터리, 즉, 1865이나 2170의 폼 팩터를 갖는 원통형 배터리의 경우, 용량이 작기 때문에 저항이나 발열이 전지 성능에 심각한 영향을 미치지 않았다. 그러나, 종래의 소형 원통형 배터리의 사양을 대형 원통형 배터리에 그대로 적용할 경우, 전지 안전성에 심각한 문제가 발생할 수 있다.
전지의 크기가 커지면 전지 내부에서 발생하는 열과 가스의 양도 함께 증가하게 되는데, 이러한 열과 가스로 인해 전지 내부의 온도 및 압력이 상승하여 전지가 발화하거나 폭발할 수 있기 때문이다. 이를 방지하기 위해서는 전지 내부의 열과 가스가 외부로 적절하게 배출되어야 하며, 이를 위해서는 전지 외부로 열을 배출하는 통로가 되는 전지의 단면적이 부피 증가에 맞게 증가하여야 한다. 그러나 통상 단면적의 증가분은 부피 증가분에 미치지 못하기 때문에 전지가 대형화될수록 전지 내부의 발열량이 증가하고 이로 인해 폭발 위험성이 커지고, 출력이 저하되는 등의 문제가 발생하게 된다. 또한, 고전압에서 급속 충전을 수행할 경우, 짧은 시간 동안 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 전지가 발화되는 문제도 발생할 수 있다. 이에 본 발명은 고용량을 구현할 수 있도록 큰 부피를 가지면서도 높은 안전성을 갖는 원통형 배터리를 제안하였다.
또한, 상기 단입자 또는 유사-단입자 형태의 양극 활물질이 적용된 고로딩 전극이 원통형 배터리에 적용될 수 있으므로 원통형 배터리의 초기 저항 특성과 충방전 효율을 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 원통형 배터리는, 단입자 또는 유사-단입자 형태의 양극 활물질을 적용하여 종래에 비해 가스 발생량을 현저하게 감소시켰으며, 이에 따라 폼 팩터의 비가 0.4 이상인 대형 원통형 배터리에서도 우수한 안전성을 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 원통형 배터리는, 바람직하게는, 전극 탭을 포함하지 않는 탭-리스(Tab-less) 구조의 배터리일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 탭-리스 구조의 배터리는, 예를 들면, 양극 및 음극이 각각 활물질층이 형성되지 않은 무지부를 포함하고, 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하고, 상기 양극 무지부 및 음극 무지부에 집전판이 결합되어 있고, 상기 집전판이 전극 단자와 연결되는 있는 구조일 수 있다.
원통형 배터리를 상기와 같이 탭-리스 구조로 형성할 경우, 전극 탭을 구비한 종래의 전지에 비해 전류 집중이 덜하기 때문에 전지 내부의 발열을 효과적으로 감소시킬 수 있고, 이에 따라 전지의 열 안전성이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 자세히 설명한다.
실시예 1
평균 입경 D50이 3 ㎛인 유니모달 입도 분포를 가지며, 단입자 형태인 양극 활물질 Li[Ni(0.9Co0.06Mn0.03Al0.01]O2 : 탄소나노튜브 : PVDF 바인더를 97.8 : 0.6 : 1.6의 중량비로 N-메틸피롤리돈 중에서 혼합하여 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 알루미늄 집전체 시트의 일면에 도포한 후, 120℃에서 건조 후, 압연하여 양극을 제조하였다.
음극 활물질 (graphite : SiO = 95 : 5 중량비 혼합물) : 도전재( super C), : 스티렌-부타디엔 고무(SBR) : 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)를 96 : 2 : 1.5 : 0.5의 중량비로 물 중에서 혼합하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 구리 집전체 시트의 일면에 도포한 후 150℃에서 건조 후 압연하여 음극을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 분리막/양극/분리막/음극 순서로 적층한 후 권취하여 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 제조하였다. 상기와 같이 제조된 전극 조립체를 원통형 전지 캔에 삽입한 후 전해액을 주입하여 4680 셀을 제조하였다.
비교예 1
양극 활물질로 대입경 평균 입경 D50이 9㎛이고, 소입경 평균 입경 D50이 4㎛인 바이모달 입도 분포를 가지며, 2차 입자 형태인 Li[Ni0.9Co0.05Mn0.04Al0.01]O2을 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 4680 셀을 제조하였다.
실험예 1
실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 4680 셀에 대하여 핫 박스 테스트(hot box test)를 실시하였다.
구체적으로는, 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 4680 셀 각각을 상온에서 핫 박스 챔버(hot box chamber)에 넣고, 5℃/min의 승온 속도로 130℃까지 승온시킨 후 30분 동안 유지시키는 핫 박스 평가를 진행하고, 시간에 따른 전지의 온도 변화를 측정하였다. 정확한 평가를 위해 실시예 1의 셀에 대해서는 2회의 핫 박스 평가를 실시하였다. 측정 결과는 도 45a 및 도 45b에 도시하였다.
도 45a는 실시예 1에 의해 제조된 4680 셀의 핫 박스 테스트 결과를 보여주는 그래프이며, 도 45b는 비교예 1에 의해 제조된 4680 셀의 핫 박스 테스트 결과를 보여주는 그래프이다.
도 45a 및 도 45b를 통해, 단입자 양극 활물질을 사용한 실시예 1의 리튬 이차 전지의 경우, 65분 경과 시까지 전지의 전압 및 온도가 안정적으로 유지되는데 반해, 비교예 1의 리튬 이차 전지는 35분 경과 후에 전지 온도가 급격하게 상승하였음을 확인할 수 있다.
실시예 2-1
유니모달 입도 분포를 가지며, Dmin = 1.78㎛, D50 = 4.23㎛, Dmax=13.1㎛이고, 단입자 및 유사-단입자가 혼합되어 있는 양극 활물질(조성: Li[Ni0.9Co0.06Mn0.03Al0.01]O2)을 준비하였다. 도 44a에는 실시예 2-1에서 사용된 양극 활물질의 SEM 사진이 도시되어 있다.
양극 활물질 : 탄소나노튜브 : PVDF 바인더를 97.8 : 0.6 : 1.6의 중량비로 N-메틸피롤리돈 중에서 혼합하여 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 알루미늄 집전체 시트의 일면에 도포한 후, 120℃에서 건조 후, 압연하여 양극을 제조하였다.
음극 활물질 (graphite : SiO = 95 : 5 중량비 혼합물) : 도전재(Super C), : 스티렌-부타디엔 고무(SBR) : 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)를 96 : 2 : 1.5 : 0.5의 중량비로 물 중에서 혼합하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 슬러리를 구리 집전체 시트의 일면에 도포한 후 150℃에서 건조 후 압연하여 음극을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 분리막/양극/분리막/음극 순서로 적층한 후 권취하여 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 제조하였다. 상기와 같이 제조된 전극 조립체를 전지 캔에 삽입한 후 전해액을 주입하여 4680 셀을 제조하였다.
실시예 2-2
양극 활물질로 유니모달 입도 분포를 가지며, Dmin = 1.38㎛, D50 = 4.69㎛, Dmax=18.5㎛이고, 단입자 및 유사-단입자가 혼합되어 있는 양극 활물질(조성: Li[Ni0.9Co0.06Mn0.03Al0.01]O2)을 사용한 점을 제외하고는, 실시예 2-1과 동일한 방법으로 4680 셀을 제조하였다. 도 44b에는 실시예 2-2에서 사용된 양극 활물질의 SEM 사진이 도시되어 있다.
비교예 2-1
양극 활물질로 대입경 평균 입경 D50이 9㎛이고, 소입경 평균 입경 D50이 4㎛인 바이모달 입도 분포를 가지며, 2차 입자 형태인 양극 활물질(조성: Li[Ni0.9Co0.05Mn0.04Al0.01]O2)을 사용한 점을 제외하고는, 실시예 2-1과 동일한 방법으로 4680 셀을 제조하였다.
비교예 2-2
양극 활물질로 유니모달 입도 분포를 가지며, Dmin = 0.892㎛, D50 = 3.02㎛, Dmax=11㎛이고, 단입자 및 유사-단입자가 혼합되어 있는 양극 활물질(조성: Li[Ni0.9Co0.06Mn0.03Al0.01]O2)을 사용한 점을 제외하고는, 실시예 2-1과 동일한 방법으로 4680 셀을 제조하였다.
도 44c에는 비교예 2-2에서 사용된 양극 활물질의 SEM 사진이 도시되어 있다.
실험예 2-1
실시예 2-1 ~ 2-2 및 비교예 2-1 ~ 2-2에 의해 제조된 4680 셀에 대하여 핫 박스 테스트(hot box test)를 실시하였다.
구체적으로는, 실시예 2-1 및 비교예 2-1에 의해 제조된 4680 셀 각각을 상온에서 핫 박스 챔버(hot box chamber)에 넣고, 5℃/min의 승온 속도로 130℃까지 승온시킨 후 30분 동안 유지시킨 후 전지의 온도 변화를 측정하였다. 테스트 중에 열 폭주 및 발화가 발생하지 않는 경우를 Pass, 열 폭주 및/또는 발화가 발생한 경우를 Fail로 표시하였다. 또한 테스트의 정확도를 위해, 실시예 2-1 ~ 2-2의 셀에 대해서는 테스트를 2회 이상 실시하였다.
측정 결과는 하기 표 1 및 도 45c, 도 45d에 도시하였다. 도 45c는 실시예 2-1의 샘플 1 및 비교예 2-1에 의해 제조된 4680 셀의 핫 박스 테스트 결과를 보여주는 그래프이며, 도 45d는 실시예 2-1의 샘플 2, 3, 실시예 2-2의 샘플 1, 2 및 비교예 2-2에 의해 제조된 4680 셀의 핫 박스 테스트 결과를 보여주는 그래프이다.
샘플 # Venting 시간(분) 최대 온도(℃) 핫 박스 테스트 결과
실시예 2-1 1 16 139 Pass
2 20.9 141 Pass
3 23.7 137 Pass
실시예 2-2 1 16.0 148 Pass
2 15.8 147 Pass
비교예 2-1 1 17 측정 불가 Fail
비교예 2-2 1 16.2 측정 불가 Fail
상기 표 1, 도 45c 및 도 45d를 참조하면, Dmin이 1.0㎛ 이상인 단입자/유사-단입자 형태의 양극 활물질을 적용한 실시예 2-1의 4680 셀의 경우, 65분 경과 시까지 전지의 전압 및 온도가 안정적으로 유지되는데 반해, 양극 활물질로 2차 입자를 적용한 비교예 2-1 및 Dmin이 1.0㎛ 미만인 단입자/유사-단입자 형태의 양극 활물질을 적용한 비교예 2-2의 4680 셀은 전지 온도가 급격하게 상승하였음을 확인할 수 있다.
실험예 2-2
실시예 2-1 및 비교예 2-1에서 제조된 양극의 압연 후 양극 활물질 입자 깨짐 정도를 확인하기 위해, 이온 밀링 장치로 양극을 절단한 후 단면을 SEM으로 촬영하였다. 도 46a에는 실시예 2-1에서 제조된 양극의 단면 SEM 사진이 도시되어 있으며, 도 46b에는 비교예 2-1에서 제조된 양극의 단면 SEM 사진이 도시되어 있다.
도 46a 및 도 46b를 통해, 실시예 2-1의 양극은 압연 후에도 양극 활물질의 입자 깨짐이 거의 없는데 반해, 2차 입자를 사용한 비교예 2-2의 양극은 압연 후 양극 활물질 입자 깨짐이 다수 관찰되었다.
실시예 3-1
유니모달 입도 분포를 가지며, Dmin = 1.78㎛, D50 = 4.23㎛, Dmax=13.1㎛이고, 단입자 및 유사-단입자가 혼합되어 있는 양극 활물질 분말(조성: Li[Ni0.9Co0.06Mn0.03Al0.01]O2), 인편상 흑연(SFG6L), 도전재(다중벽 탄소나노튜브), 및 PVDF 바인더를 96.3 : 1.5 : 0.4 : 1.8의 중량비로 N-메틸피롤리돈 중에서 혼합하여 양극 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 슬러리를 알루미늄 집전체 시트의 일면에 도포한 후 건조하고 3.0ton/cm의 선압으로 압연하여 양극을 제조하였다. 상기와 같이 제조된 양극의 양극 활물질층 공극률을 측정하였고, 공극률은 17.5%로 측정되었다.
실시예 3-2
양극 활물질, 인편상 흑연, 도전재, 및 바인더를 97.2 : 0.6 : 0.4 : 1.8의 중량비로 혼합한 점을 제외하고는 실시예 3-1과 동일하게 양극을 제조하고, 양극 활물질층의 공극률을 측정하였다. 상기 양극 활물질층의 공극률은 19%로 측정되었다.
실시예 3-3
양극 활물질, 인편상 흑연, 도전재, 및 바인더를 97.4 : 0.4 : 0.4 : 1.8의 중량비로 혼합한 점을 제외하고는 실시예 3-1과 동일하게 양극을 제조하고, 양극 활물질층의 공극률을 측정하였다. 상기 양극 활물질층의 공극률은 20%로 측정되었다.
실시예 3-4
양극 활물질, 인편상 흑연, 도전재, 및 바인더를 97.6 : 0.2 : 0.4 : 1.8의 중량비로 혼합한 점을 제외하고는 실시예 3-1과 동일하게 양극을 제조하고, 양극 활물질층의 공극률을 측정하였다. 상기 양극 활물질층의 공극률은 21%로 측정되었다.
비교예 3-1
인편상 흑연을 첨가하지 않고, 양극 활물질, 도전재, 및 바인더를 97.8 : 0.4 : 1.8의 중량비로 N-메틸피롤리돈 중에서 혼합하여 양극 슬러리를 제조한 점을 제외하고는 실시예 3-1과 동일하게 양극을 제조하고, 양극 활물질층의 공극률을 측정하였다. 상기 양극 활물질층의 공극률은 24%로 측정되었다.
비교예 3-2
인편상 흑연을 첨가하지 않고, 양극 활물질, 도전재, 및 바인더를 97.8 : 0.4 : 1.8의 중량비로 N-메틸피롤리돈 중에서 혼합하여 양극 슬러리를 제조하고, 2.0ton/cm의 선압으로 압연한 점을 제외하고는 실시예 3-1과 동일하게 양극을 제조하고, 양극 활물질층의 공극률을 측정하였다. 상기 양극 활물질층의 공극률은 30%로 측정되었다.
실험예 3-1 - 충방전 용량 및 충방전 효율 측정
실시예 3-1 내지 3-4 및 비교예 3-1 및 3-2에 따른 양극을 포함하는 코인 하프 셀을 제조하였고, 0.2C 전류 조건으로 4.25V까지 충전한 후, 0.2C 전류조건으로 2.5V까지 방전하여 각 코인 하프 셀의 충전 용량(mAh/g) 및 방전 용량(mAh/g)측정하였다. 측정 결과는 아래 표 2에 나타내었다.
인편상 흑연 첨가량(wt%) 공극률(%) 충전용량
(mAh/g)		 방전용량
(mAh/g)		 효율(%)
실시예 3-1 1.5 17.5 230.3 209.3 90.9
실시예 3-2 0.6 19 229.4 206.9 90.2
실시예 3-3 0.4 20 230.4 207.3 90.0
실시예 3-4 0.2 21 229.1 205.5 89.7
비교예 3-1 0 24 229.1 204.2 89.1
비교예 3-2 0 30 225.4 199.7 88.6
[표 2]를 통해, 인편상 흑연을 첨가한 양극을 사용한 실시예 3-1 ~ 3-4의 경우, 비교예 3-1 ~ 3-2에 비해 낮은 공극률을 나타냈으며, 우수한 용량 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
실험예 3-2 - 저항 특성 확인
실시예 3-3, 비교예 3-1, 및 비교예 3-2에 따른 양극을 포함하는 코인 하프 셀을 4.2V까지 충전하면서, SOC에 따른 저항 특성을 측정하였다. 실험 결과를 도 47a에 나타내었다.
도 47a를 참조하면, SOC10% 기준으로 양극 활물질층에 인편상 흑연을 첨가한 실시예 3-3의 저항 값이 인편상 흑연을 포함하지 않은 비교예 3-1 및 비교예 3-2보다 낮음을 확인할 수 있다. 이는 양극 활물질층에 인편상 흑연을 첨가할 경우, 낮은 SOC 에서의 저항 특성이 개선되는 효과가 있음을 보여준다.
실험예 3-3 - 고온 수명 특성 및 저항 증가율 측정
실시예 3-1, 실시예 3-3, 및 비교예 3-1에 따른 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 분리막/양극/분리막/음극 순서로 적층한 후 권취하여 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 제조하였다. 상기와 같이 제조된 전극 조립체를 원통형 전지 캔에 삽입한 후 전해액을 주입하여 4680 셀을 제조하였다.
이때, 상기 음극은, 음극 활물질 (graphite : SiO = 95 : 5 중량비 혼합물) : 도전재( super C), : 스티렌-부타디엔 고무(SBR) : 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC)를 96 : 2 : 1.5 : 0.5의 중량비로 물 중에서 혼합하여 음극 슬러리를 제조한 후. 상기 음극 슬러리를 구리 집전체 시트의 일면에 도포한 후 150℃에서 건조 후 압연하여 제조하였다.
상기와 같이 제조된 4680 셀을 40℃에서 0.5C으로 4.2V까지 충전한 후, 0.5C으로 2.5V까지 방전하는 것을 1 사이클로 하여 50 사이클을 충방전을 수행한 후 용량 유지율(Capacity Retention) 및 저항 증가율(DCIR increase)을 측정하였다. 측정 결과는 도 47b에 나타내었다.
도 47b를 참조하면, 실시예 3-1 및 3-3의 이차 전지의 경우, 비교예 3-1의 이차 전지에 비하여 사이클 수에 따른 용량 유지율의 변화가 작고, 사이클 수에 따른 저항 증가율의 변화도 작게 나타났다.
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.

Claims (32)

  1. 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제1 무지부 및 제2 무지부를 포함하고, 상기 제1무지부 및 상기 제2무지부 중 적어도 하나는, 그 자체로 전극 탭으로 정의되고 상기 전극 조립체의 코어에 인접한 코어측 무지부, 상기 전극 조립체의 외주 표면에 인접한 외주측 무지부, 상기 코어측 무지부 및 상기 외주측 무지부 사이에 개재된 중간 무지부를 포함하고, 상기 코어측 무지부와 상기 외주측 무지부 중 적어도 하나는 상기 중간 무지부보다 권취 축 방향의 높이가 상대적으로 작은, 전극 조립체;
    하단에 형성된 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 배터리 하우징;
    상기 제1 무지부와 결합되며 상기 하우징 내에 위치하는 제1 집전 플레이트;
    상기 개방부를 커버하는 캡 플레이트;
    상기 전극 조립체를 고정하고 상기 배터리 하우징을 밀봉하도록 상기 캡 플레이트와 상기 전극 조립체 사이에 배치되는 스페이서; 및
    상기 제2 무지부와 전기적으로 연결되는 외부 단자를 포함하는 원통형 배터리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스페이서는,
    상기 제1 집전 플레이트와 상기 캡 플레이트 사이에 개재되는 유동 방지부;
    상기 배터리 하우징과 상기 캡 플레이트 사이에 개재되는 실링부; 및
    상기 유동 방지부와 상기 실링부 사이를 연결하는 연결부;를 포함하는 원통형 배터리.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 유동 방지부는, 상기 제1집전 플레이트와 상기 캡 플레이트 사이의 거리와 대응되는 높이를 갖는, 원통형 배터리.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 유동 방지부는, 상기 전극 조립체의 권취 축 방향 단부의 중심부에 위치하는, 원통형 배터리.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 유동 방지부는, 상기 전극 조립체의 권취 중심 홀과 대응되는 위치에 형성되는 스페이서 홀을 구비하는, 원통형 배터리.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 실링부는, 상기 배터리 하우징의 내주면 둘레를 따라 연장된 형태를 갖는, 원통형 배터리.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 배터리 하우징은,
    외주면 둘레가 압입되어 형성된 비딩부; 및 상기 비딩부의 하방에서 상기 개방부를 정의하는 끝단이 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸도록 연장 및 절곡된 클림핑부;를 포함하고,
    상기 실링부는,
    상기 클림핑부를 따라 절곡되어 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸도록 형성된, 원통형 배터리.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 연결부는, 상기 유동 방지부로부터 방사상, 십자형상 또는 이들이 조합된 형상으로 연장되는 복수의 연장 레그를 포함하고,
    상기 복수의 연장 레그는, 상기 캡 플레이트와 접촉하지 않는, 원통형 배터리.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 집전 플레이트는, 상기 전극 조립체의 권취 축 방향 단부의 중심부에 위치하는 지지부; 상기 지지부로부터 연장되며 상기 제1 무지부와 결합되는 무지부 결합부; 및 상기 지지부로부터 연장되거나 또는 상기 무지부 결합부의 단부로부터 연장되어 상기 배터리 하우징과 상기 실링부 사이에 개재되는 하우징 접촉부;를 포함하고,
    상기 하우징 접촉부는, 상기 캡 플레이트와 대향하는 상기 비딩부의 일 면 상에 접촉하고,
    상기 실링부는, 상기 클림핑부를 따라 절곡되어 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸면서 상기 하우징 접촉부와 상기 캡 플레이트 사이를 채우도록 구성된, 원통형 배터리.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 캡 플레이트는 극성이 없는 원통형 배터리.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 유동 방지부는, 상기 지지부가 상기 유동 방지부의 외측으로 노출되지 않도록 상기 지지부를 커버하는, 원통형 배터리.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 연결부는 상기 권취 축 방향을 따라 상기 하우징 접촉부와 중첩되지 않도록 위치하는, 원통형 배터리.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 무지부와 결합되는 제2 집전 플레이트; 및
    상기 배터리 하우징의 상단에 형성된 폐쇄부와 상기 제2 집전 플레이트 사이에 개재되는 인슐레이터;를 더 포함하고,
    상기 외부 단자는 상기 인슐레이터를 통하여 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결된, 원통형 배터리.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 외부 단자는 상기 폐쇄부의 중앙부에 형성된 관통 홀에 절연 가능하게 설치되고 상기 제2 무지부와 대향하는 단부의 가장자리가 상기 폐쇄부의 내측면을 향해 리벳팅되어 있는 리벳 단자이고,
    상기 외부 단자의 상기 단부는 상기 제2 집전 플레이트에 용접된 원통형 배터리.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간 무지부의 적어도 일부 구간은 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편을 포함하는, 원통형 배터리.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 복수의 분절편의 권취 축 방향의 높이 및 권취 방향의 폭 중 적어도 하나는 개별적으로 또는 그룹별로 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 증가하는, 원통형 배터리.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 복수의 분절편은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 복수의 분절편 그룹을 형성하며, 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편들은 권취 방향의 폭, 권취 축 방향의 높이 및 권취 방향의 이격 피치 중 적어도 하나 이상이 서로 동일한 원통형 배터리.
  18. 청구항 17에 있어서,
    동일한 분절편 그룹에 속한 분절편들은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 권취 방향의 폭, 권취 축 방향의 높이 및 권취 방향의 이격 피치 중 적어도 하나가 단계적으로 증가하는, 원통형 배터리.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 복수의 분절편은 코어측으로 절곡되면서 상기 권취 축 방향을 따라서 여러 겹으로 중첩되는 원통형 배터리.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 코어측 무지부의 반경 방향 길이(R)와 상기 중간 무지부의 최내측 분절편의 절곡 길이(H)는 관계식 H≤R을 만족하는 원통형 배터리.
  21. 청구항 15에 있어서,
    상기 분절편의 절단 라인 하단과 상기 활물질층 사이에 갭이 구비되는 원통형 배터리.
  22. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1전극의 유지부와 무지부의 경계 영역에 활물질층의 두께가 감소되어 있는 제1슬라이딩부를 포함하고,
    상기 제2전극의 유지부와 무지부의 경계 영역에 활물질층의 두께가 감소되어 있는 제2슬라이딩부를 포함하고,
    상기 제1슬라이딩부와 상기 제2슬라이딩부는 권취 축 방향에서 서로 반대 방향에 위치하는, 원통형 배터리.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 제1전극의 유지부는 활물질의 로딩량이 감소하는 로딩 감소부를 포함하고,
    상기 로딩 감소부의 위치는 상기 제2슬라이딩부의 위치에 대응되는, 원통형 배터리.
  24. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1전극의 활물질층은, 단입자, 유사-단입자 또는 이들의 조합을 포함하는 양극 활물질을 포함하고,
    상기 양극 활물질의 체적 누적 분포에서 나타나는 최소 입자 크기인 Dmin은 1.0㎛ 이상이고,
    상기 양극 활물질의 체적 누적 분포에서 체적 누적량이 50%일 때의 입자 크기인 D50이 5.0㎛ 이하이고
    상기 양극 활물질의 체적 누적 분포에서 나타나는 최대 입자 크기인 Dmax가 12㎛ 내지 17㎛인, 원통형 배터리.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 양극 활물질은 체적 누적 입도 분포 그래프에서 단일 피크(single peak)를 나타내는 유니모달 입도 분포를 가지며, 하기 식으로 표시되는 입도 분포(PSD, Particle Size Distribution)이 3 이하인,
    입도 분포(PSD) = (Dmax - Dmin)/D50
    원통형 배터리.
  26. 청구항 24에 있어서,
    상기 단입자, 유사-단입자 또는 이들의 조합은 상기 제1전극의 활물질층에 포함된 양극 활물질의 전체 중량을 기준으로 95wt% 내지 100wt%의 양으로 포함된, 원통형 배터리.
  27. 청구항 24에 있어서,
    상기 양극 활물질은 전이금속 전체 몰수를 기준으로 Ni을 80몰% 이상으로 포함하는 리튬 니켈계 산화물을 포함하는, 원통형 배터리.
  28. 청구항 24에 있어서,
    상기 제1전극의 활물질층은 공극율이 15% 내지 23%이고,
    상기 제1전극의 활물질층은 0.05wt% 내지 5wt%의 중량 비율로 인편상 흑연을 포함하는, 원통형 배터리.
  29. 청구항 24에 있어서,
    상기 제1전극의 활물질층은 탄소나노튜브를 더 포함하는, 원통형 배터리.
  30. 청구항 24에 있어서,
    상기 제2전극의 활물질층은, 실리콘계 음극 활물질 및 탄소계 음극 활물질을 포함하고,
    상기 실리콘계 음극 활물질 및 탄소계 음극 활물질은 1 : 99 내지 20 : 80의 중량비로 포함되는, 원통형 배터리.
  31. 청구항 1 내지 청구항 30 중 적어도 하나에 기재된, 복수의 원통형 배터리를 포함하는 배터리 팩.
  32. 청구항 31에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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