KR20230062353A - 원통형 배터리 셀, 이를 포함하는 배터리 및 자동차 및 집전판 - Google Patents

원통형 배터리 셀, 이를 포함하는 배터리 및 자동차 및 집전판 Download PDF

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KR20230062353A
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Abstract

본 발명은 원통형 배터리 셀, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 개시한다. 원통형 배터리 셀은, 쉬트 형상을 가진 제1 전극판 및 제2 전극판과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤-타입의 전극 조립체에 있어서, 제1 전극판은 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 제1 무지부를 포함하고, 제1 무지부는 전극 조립체의 중심을 기준으로 복수의 권회 턴을 형성하면서 분리막의 외부로 노출되어 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되는 전극 조립체; 전극 조립체가 수납되는 개방부와 이와는 반대측에 부분적인 폐쇄부를 가지며 제2 전극판과 전기적으로 연결되는 전지 캔; 제1 전극판의 제1 무지부와 전기적으로 연결되며, 과전류가 흐르는 경우 끊어지는 퓨징부가 형성된 집전판; 및 전지 캔의 폐쇄부의 관통 홀을 통해 집전판과 연결되는 셀 단자를 포함한다.

Description

원통형 배터리 셀, 이를 포함하는 배터리 및 자동차 및 집전판{cylindrical battery cell, and battery pack including the same and vehicle including the same and Current Collector plate}
본 발명은 원통형 배터리 셀, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다.
따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수 및 전기적 연결 형태는, 요구되는 출력 전압과 충방전 용량 중 적어도 하나에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 이차 전지 셀의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리 셀이 알려져 있다. 원통형 배터리 셀의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전해질과 함께 전지 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다.
여기서, 전지 캔이 음극 또는 양극(통상적으로 음극)에 연결되어 극성을 가지는 경우 전지 캔과 젤리롤 형태의 전극 조립체 사이에도 절연이 필요하다.
한편, 최근 원통형 배터리 셀이 전기 자동차에 적용됨에 따라 원통형 배터리 셀의 폼 팩터가 증가하고 있다. 즉, 원통형 배터리 셀의 직경과 높이가 종래의 18650, 21700 등의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리 셀에 비해 증가하고 있다. 폼 팩터의 증가는 에너지 밀도의 증가, 열 폭주에 대한 안전성 증대, 그리고 냉각 효율의 향상을 가져온다.
여기서, 폼 팩터가 증가됨에 따라 과전류로부터 원통형 배터리 셀을 보호할 필요성 역시 증대되고 있으며, 하나의 예시로 집전판에 퓨징부가 형성될 수 있다. 하지만, 집전판에 퓨징부가 형성되면 과전류에 의해 집전판의 퓨징부가 끊어질 때 발생되는 이물질이 젤리롤 형태의 전극 조립체 내부로 유입될 수 있는데, 이 경우, 이물질에 의해 분리막이 훼손되거나, 이물질에 의한 내부 단락의 문제가 발생될 수 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 배경 하에 창안된 것으로서 집전판에서 퓨징부의 위치를 적절히 조절하여 퓨징부가 끊어질 때 발생되는 이물질이 젤리롤 형태의 전극 조립체 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있는 원통형 배터리 셀, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 개선된 구조를 가진 원통형 배터리 셀을 이용하여 제작된 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공하는데 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 원통형 배터리 셀은, 쉬트 형상을 가진 제1 전극판 및 제2 전극판과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤-타입의 전극 조립체에 있어서, 상기 제1 전극판은 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 제1 무지부를 포함하고, 상기 제1 무지부는 상기 전극 조립체의 중심을 기준으로 복수의 권회 턴을 형성하면서 상기 분리막의 외부로 노출되어 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되는 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되는 개방부와 이와는 반대측에 부분적인 폐쇄부를 가지며 상기 제2 전극판과 전기적으로 연결되는 전지 캔; 상기 제1 전극판의 제1 무지부와 전기적으로 연결되며, 과전류가 흐르는 경우 끊어지는 퓨징부가 형성된 집전판; 및 상기 전지 캔의 폐쇄부의 관통 홀을 통해 상기 집전판과 연결되는 셀 단자를 포함한다.
바람직하게, 상기 셀 단자의 바닥면에는 적어도 일부에 상기 전지 캔의 폐쇄부의 내부면과 평행한 평탄부가 형성되며, 상기 집전판은 상기 셀 단자의 평탄부와 결합될 수 있다.
바람직하게, 상기 집전판은, 상기 제1 무지부의 단부가 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 수 있다.
바람직하게, 상기 전극 조립체는 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 용접 타겟 영역을 구비하며, 상기 집전판은 상기 용접 타겟 영역 내에서 상기 제1 무지부와 결합될 수 있다.
일 측면에서, 상기 집전판은, 상기 전극 조립체의 상부에 배치되는 테두리부; 상기 상기 테두리부로부터 내측으로 연장되며 상기 제1 무지부와 결합되는 무지부 결합부; 상기 무지부 결합부로부터 이격되며 상기 셀 단자에 결합되는 단자 결합부; 및 상기 테두리부로부터 내측으로 연장되어 상기 단자 결합부와 연결되고, 상기 퓨징부가 형성된 연결부를 포함하고, 상기 퓨징부는 다른 영역에 비해 동일 전류가 흐르는 조건에서 큰 저항을 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 테두리부는, 내측 영역의 적어도 일부가 비어 있는 림 형태를 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 무지부 결합부 및 상기 단자 결합부는 상기 테두리부에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
바람직하게, 상기 단자 결합부는 상기 테두리부의 내측 공간의 중심부에 위치할 수 있다.
바람직하게, 상기 단자 결합부는 상기 전극 조립체의 코어에 존재하는 공동의 직경 대비 100% 내지 110%의 직경을 가질 수 있다.
일 측면에서, 상기 퓨징부는 상기 연결부에 형성된 적어도 하나의 노칭홈일 수 있다.
바람직하게, 상기 노칭홈은 상기 연결부의 폭방향 단부, 상기 연결부의 상부면 또는 상기 연결부의 하부면에 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 노칭홈은 상기 연결부의 폭 또는 두께를 단계적 또는 연속적으로 감소시키는 방향으로 상기 연결부의 내측을 향해 인입 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 퓨징부의 최소 폭은 0.5mm 내지 4.0mm일 수 있다.
다른 측면에서, 상기 퓨징부는 상기 연결부에 형성된 적어도 하나의 관통공일 수 있다.
바람직하게, 상기 관통공은 최장 폭이 0.2mm 내지 6mm일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 퓨징부가 테이프에 의해 감싸여질 수 있다.
바람직하게, 상기 테이프는 폴리이미드(polyimide, PI) 재질을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 퓨징부는 상기 전극 조립체의 중심으로부터 그 최대 반경의 40 내지 90%의 거리만큼 이격되도록 상기 연결부 상에 형성될 수 있다.
일 측면에서, 상기 제1 무지부의 적어도 일부 구간은, 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 복수의 분절편으로 분할될 수 있다.
바람직하게, 상기 복수의 분절편 중 적어도 일부는, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡될 수 있다.
바람직하게, 상기 복수의 분절편 중 적어도 일부는, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩될 수 있다.
다른 측면에서, 상기 복수의 분절편 중 나머지는 비절곡되어 있으며, 상기 퓨징부는 상기 복수의 분절편 중 비절곡된 분절편으로부터 벗어나서 상기 복수의 분절편 중 절곡된 분절편의 상측에 위치할 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 복수의 분절편 중 나머지는 커팅되어 있으며, 상기 퓨징부는 상기 복수의 분절편 중 커팅된 분절편으로부터 벗어나서 상기 복수의 분절편 중 절곡된 분절편의 상측에 위치할 수 있다.
바람직하게, 상기 집전판의 상기 단자 결합부의 일 면 상에 형성되는 용접 비드에 의해 그려지는 용접 패턴은, 상기 셀 단자의 바닥면의 중심부를 둘러싸는 형태로 그려질 수 있다.
바람직하게, 상기 용접 패턴은, 연속적 또는 불연속적으로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 집전판의 상기 단자 결합부와 상기 셀 단자의 바닥면 사이에 형성되는 용접부의 인장력은 2kgf 이상일 수 있다.
바람직하게, 상기 집전판의 상기 단자 결합부의 일 면 상에 형성되는 용접 비드에 의해 그려지는 용접 패턴의 환산 직경은 2mm 이상일 수 있다. 환산 직경은 용접 패턴의 면적을 원의 면적으로 환산했을 때 원의 직경을 의미한다.
일 측면에서, 상기 전지 캔의 상기 개방부를 밀폐하도록 구성되는 캡 플레이트를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 캡 플레이트는 상기 전극 조립체로부터 전기적으로 분리되어 비극성으로 마련될 수 있다.
바람직하게, 상기 폐쇄부에는 관통 홀이 형성되며, 상기 셀 단자는 상기 관통 홀에 결합될 수 있다.
바람직하게, 상기 폐쇄부와 상기 집전판 사이에 개재되는 인슐레이터를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 인슐레이터는 절연 폴리머 재질을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 인슐레이터는 탄성을 갖는 재질로 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 인슐레이터는 중심부에 미리 설정된 직경을 갖는 중심 홀을 구비할 수 있다.
바람직하게, 상기 인슐레이터는 상기 전지 캔의 폐쇄부의 내부면과 상기 집전판 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 인슐레이터의 상부면은 상기 전지 캔의 폐쇄부의 내부면에 접촉하고, 상기 인슐레이터의 하부면은 상기 집전판의 상부면에 접촉할 수 있다.
일 측면에서, 상기 셀 단자는 단자 삽입부를 구비하며, 상기 단자 삽입부는 상기 관통 홀을 통해 전지 캔 내로 삽입될 수 있다.
바람직하게, 상기 셀 단자는 상기 단자 삽입부의 하부 가장자리 부분이 상기 전지 캔 상단부의 내측면을 향해 리벳팅되면서 상기 관통 홀에 고정될 수 있다.
바람직하게, 상기 인슐레이터의 상기 중심 홀의 직경은 상기 단자 삽입부의 직경보다 크거나 같을 수 있다.
바람직하게, 상기 셀 단자의 단자 삽입부는 상기 인슐레이터의 상기 중심 홀을 관통할 수 있다.
바람직하게, 상기 셀 단자의 단자 삽입부는 상기 인슐레이터의 상기 중심 홀을 관통하여, 상기 집전판과 전기적으로 결합될 수 있다.
일 측면에서, 상기 캡 플레이트의 가장자리와 상기 전지 캔의 상기 개방부 사이에 개재된 밀봉 가스켓을 포함하고, 상기 전지 캔은 상기 개방부에 인접한 영역에 상기 전지 캔의 내측으로 압입된 비딩부를 포함하며, 상기 전지 캔은 상기 전지 캔의 내측으로 연장 및 절곡되어 상기 밀봉 가스켓과 함께 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸서 고정하는 클림핑부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 클림핑부는 상기 전지 캔의 배치 상태를 기준으로 상기 전지 캔의 하부에 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 캡 플레이트는 상기 전지 캔 내부의 압력이 임계치를 초과했을 때 파열되는 벤트 노치를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 벤트 노치는 상기 캡 플레이트의 양면에 형성되며, 상기 캡 플레이트의 표면에서 연속적 원형 패턴, 불연속적인 원형 패턴 및 직선 패턴 중 적어도 하나의 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
바람직하게, 상기 벤트 노치는 상기 전지 캔의 배치 상태를 기준으로 상기 전지 캔의 하부에 형성되며, 상기 벤트 노치가 파열되었을 때 상기 전지 캔 내부의 가스가 상기 전지 캔의 하부를 통해 배출될 수 있다.
다른 측면에서, 상기 전극 조립체의 하부에 결합되는 하부 집전판을 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 하부 집전판은, 가장자리의 적어도 일부가 상기 비딩부 상에 전기적으로 결합되고, 상기 가장자리를 제외한 나머지 부분의 적어도 일부가 상기 제2 전극판의 제2 무지부와 전기적으로 연결될 수 있다.
바람직하게, 상기 하부 집전판은, 가장자리의 적어도 일부가 상기 비딩부의 상면 및 하면 중 상기 클림핑부에 인접한 면에 전기적으로 결합될 수 있다.
바람직하게, 상기 하부 집전판과 상기 비딩부는 서로 레이저 용접될 수 있다.
본 발명의 기술적 과제는 전술한 원통형 배터리 셀을 적어도 하나 포함하는 배터리 팩과, 상기 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 자동차에 의해서도 달성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 집전판은, 원통형 배터리 셀의 전지 캔 폐쇄부 상의 셀 단자 및 전극 조립체를 전기적으로 연결하는 집전판으로서, 테두리부; 상기 테두리부로부터 내측으로 연장되며 상기 전극 조립체의 무지부와 결합되는 무지부 결합부; 상기 무지부 결합부와 공간을 사이에 두고 이격되어 위치하는 단자 결합부; 상기 테두리부로부터 내측으로 연장되어 상기 단자 결합부와 연결되는 연결부; 및 상기 연결부 상에 형성되고, 다른 영역에 비해 동일 전류의 인가 하에 큰 저항을 갖는 퓨징부를 포함한다.
바람직하게, 상기 테두리부는 내측에 공간을 갖는 림 형태를 가지며, 상기 무지부 결합부 및 단자 결합부는 상기 테두리부의 내측 공간에 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 무지부 결합부 및 상기 단자 결합부는 상기 테두리부 및 상기 연결부에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
바람직하게, 상기 단자 결합부는 상기 테두리부의 내측 공간의 중심부에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 집전판에서 퓨징부의 위치를 적절히 조절하여 퓨징부가 끊어질 때 발생되는 이물질이 젤리롤 형태의 전극 조립체 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 개선된 구조를 가진 원통형 배터리 셀을 이용하여 제작된 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀의 사시도이다.
도 2는 도 1에서 원통형 배터리 셀의 중심부의 단면을 도시한 단면 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀에서 전지 캔을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀에서 집전판의 평면도이다.
도 6은 도 5의 집전판의 일 측면의 변형 실시예이다.
도 7은 도 5의 집전판의 다른 측면의 변형 실시예이다.
도 8은 도 3의 원통형 배터리 셀에 대한 다른 실시예의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극판의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 10은 도 9에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극판의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 12은 도 11에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 16은 도 15의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀의 사시도이고, 도 2는 도 1에서 원통형 배터리 셀의 중심부의 단면을 도시한 단면 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀에서 전지 캔을 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀에서 집전판의 평면도이고, 도 6은 도 5의 집전판의 일 측면의 변형 실시예이며, 도 7은 도 5의 집전판의 다른 측면의 변형 실시예이고, 도 8은 도 3의 원통형 배터리 셀에 대한 다른 실시예의 단면도이다.
도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(10)에 대해 설명한다.
바람직하게, 원통형 배터리 셀(10)은, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리 셀의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 배터리 셀(10)일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리 셀(10)의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(10)은, 예를 들어 4분절편(61)10 셀, 48750 셀, 48110 셀, 48800 셀, 46800 셀일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 그 다음 숫자 2개는 셀의 높이를 나타내고, 마지막 숫자 0은 셀의 단면이 원형임을 나타낸다. 셀의 높이가 100mm를 초과할 때, 셀의 높이를 나타내기 위해 3자리의 숫자가 필요하므로 마지막 숫자 0은 생략될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리 셀(10)일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 배터리 셀(10)일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리 셀(10)일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 배터리 셀(10)일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 배터리 셀(10)일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리 셀들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 18650 셀, 21700 셀 등이 이용되었다. 18650셀의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 0.277이다. 21700 셀의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 0.300이다.
도 2 및 도 3를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(10)은, 전극 조립체(100)와, 원통형의 전지 캔(200)과, 집전판(300)과, 셀 단자(400)를 포함한다.
전극 조립체(100)는 쉬트 형상을 가진 제1 전극판 및 제2 전극판과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입으로 구성된다.
도 3을 참조하면, 제1 전극판은 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 제1 무지부(110)를 포함한다. 그리고, 제2 전극판 역시 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 제2 무지부(120)를 포함할 수 있다. 즉, 제1 전극판 및 제2 전극판 중 적어도 하나는 권취 방향의 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 무지부를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 무지부(110)는 전극 조립체(100)의 중심을 기준으로 복수의 권회 턴을 형성하면서 분리막의 외부로 노출되어 그 자체로서 전극 탭으로서 사용된다.
즉, 전극 조립체(100)는 쉬트 형상을 가진 제1 전극판과 제2 전극판이 분리막이 개재된 상태로 일 방향으로 권취되도록 마련되며, 제1 전극판은 양의 극성 또는 음의 극성을 가질 수 있고, 제2 전극판은 제1 전극판의 극성과 반대되는 극성을 가진다. 즉, 제1 전극판은 양극판 또는 음극판일 수 있고, 제2 전극판은 제1 전극판의 극성과 반대되도록 음극판 또는 양극판일 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1 전극판이 양극판이고, 제2 전극판이 음극판인 경우를 중심으로 설명한다.
제1 전극판에는 일면 또는 양면 상에 제1 전극 활물질이 도포되어 있다. 그리고, 제1 전극판의 단부에는 제1 전극 활물질이 도포되지 않은 제1 무지부(110)가 존재한다.
제2 전극판에는 일면 또는 양면 상에 제2 전극 활물질이 도포되어 있다. 그리고, 제2 전극판의 단부에는 제2 전극 활물질이 도포되지 않은 제2 무지부(120)가 존재한다.
그리고, 제1 전극판의 제1 무지부(110)와, 제2 전극판의 제2 무지부(120)는 서로 반대 방향을 향하도록 마련된다. 제1 무지부(110)는 전지 캔(200)의 폐쇄부(210)를 향해 연장되며, 제2 무지부(120)는 전지 캔(200)의 개방부(220)를 향해 연장된다.
본 발명에 있어서, 양극판에 코팅되는 양극 활물질과 음극판에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
일 예에서, 양극 활물질은 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤2, ­0.1 ≤ z ≤ 2; 화학량론 계수 x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2­(1­x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0≤x≤1)일 수 있다.
또 다른 예에서, 양극 활물질은, 일반 화학식 LiaM1 xFe1­xM2 yP1­yM3 zO4­z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; 화학량론 계수 a, x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 수 있다.
일 예에서, 음극 활물질은 탄소재, 리튬금속 또는 리튬금속화합물, 규소 또는 규소화합물, 주석 또는 주석 화합물 등을 사용할 수 있다. 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 음극 활물질로 사용 가능하다. 탄소재로는 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.
분리막은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 분리막은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.
분리막의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다. 또한 분리막 자체가 무기물 입자의 코팅층으로 이루어지는 것도 가능하다. 코팅층을 구성하는 입자들은 인접하는 입자 사이 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 존재하도록 바인더와 결합된 구조를 가질 수 있다.
무기물 입자는 유전율이 5이상인 무기물로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 상기 무기물 입자는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1­xLaxZr1­yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3­PbTiO3(PMN­PT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
전해질은 A+B-와 같은 구조를 갖는 염일 수 있다. 여기서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 그리고 B-는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- ,　CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN-　및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함한다.
전해질은 또한 유기 용매에 용해시켜 사용할 수 있다. 유기 용매로는, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드 (dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄 (dimethoxyethane), 디에톡시에탄 (diethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γ-butyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
전지 캔(200)은 원통형으로 형성되어 전극 조립체(100)가 수납되며 전극 조립체(100)의 제2 전극판과 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 전지 캔(200)은 제2 전극판과 동일한 극성을 가질 수 있다. 즉, 제2 전극판이 음극인 경우 전지 캔(200)도 음극을 가진다.
만약, 전지 캔(200)의 크기가 규격에 따라 정해진 상태에서 전극 조립체(100)의 크기를 증가시키면 배터리 셀의 전체 용량은 증가하지만, 전지 캔(200)과 전극 조립체(100) 사이의 간격은 감소한다.
즉, 배터리 셀의 전체 용량을 증가시키기 위해 전극 조립체(100)의 크기를 증가시키면 전지 캔(200)과 전극 조립체(100) 사이의 간격이 감소하므로, 배터리 셀의 용량 증가를 위해서는 전지 캔(200)과 전극 조립체(100) 사이의 줄어든 간격사이에 인슐레이터(600)가 개재될 수 있어야 하며, 이를 위해 인슐레이터(600)의 두께는 최대한 얇은 것이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 전지 캔(200)에는 서로 대향되도록 위치하는 폐쇄부(210)와 개방부(220)가 각각 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 4를 기준으로, 전지 캔(200)의 하부에는 개방부(220)가 형성될 수 있다. 전지 캔(200)은 하부에 형성된 개방부(220)를 통해 전극 조립체(100)가 수용되며, 또한, 전해질도 전지 캔(200)의 하부에 형성된 개방부(220)를 통해 주입된다.
즉, 전지 캔(200)은 하부에 개방부(220)가 형성된 대략 원통형의 수용체로서, 예를 들어 금속과 같은 도전성을 갖는 재질로 이루어진다. 전지 캔(200)의 재질은 도전성이 있는 금속, 예를 들어 알루미늄, 스틸, 스테인레스 스틸 등 일 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 전지 캔(200)의 표면에는 Ni 코팅층이 형성될 수 있다.
또한, 도 4를 기준으로, 전지 캔(200)의 상부에는 폐쇄부(210)가 형성될 수 있다. 폐쇄부(210)에는 관통 홀(211)이 형성되며, 도 3에서와 같이 셀 단자(400)가 관통 홀(211)에 결합될 수 있다.
인슐레이터(600)는 전극 조립체(100)의 상단과 전지 캔(200)의 내측 면 사이 또는 전극 조립체(100)의 상부에 결합된 집전판(300)과 전지 캔(200)의 폐쇄부(210)의 내측 면 사이에 구비된다. 도 3을 참조하면, 폐쇄부(210)와 집전판(300) 사이에 인슐레이터(600)가 개재될 수 있다. 인슐레이터(600)는 집전판(300)과 전지 캔(200) 사이의 접촉을 방지한다. 즉, 인슐레이터(600)는 전지 캔(200) 내부에 수용되고, 전극 조립체(100)의 적어도 일부를 커버하며, 제1 무지부(110)와 전지 캔(200) 사이의 전기적 연결, 또는 집전판(300)과 전지 캔(200) 사이의 전기적 연결을 차단하도록 구성된다. 인슐레이터(600)는 그 밖에도 전극 조립체(100)의 외주면의 상단과 전지 캔(200)의 측벽 사이에도 개재될 수 있다. 즉, 인슐레이터(600)는 제1 무지부(110)와 전지 캔(200)의 측벽부 사이에도 개재될 수 있다. 또는 후술하는 바와 같이, 전극 조립체(100)의 외주면의 상단과 전지 캔(200)의 측벽 사이에 인슐레이터(600) 대신 절연 테이프(500)가 결합될 수 있다. 따라서, 인슐레이터(600)는 절연 성능을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 인슐레이터(600)는 절연 폴리머 재질을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 인슐레이터(600)는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT) 또는 폴리프로필렌(polypropylene, PP)으로 제작될 수 있다.
인슐레이터(600)는 절연 테이프(500)와 함께 집전판(300)과 전지 캔(200) 사이의 접촉 및 제1 무지부(110)의 측면과 전지 캔(200) 사이의 접촉을 방지할 수 있다. 즉, 인슐레이터(600)는 집전판(300)과 전지 캔(200) 사이의 접촉을 방지하고, 절연 테이프(500)는 전극 조립체(100)의 측면, 즉, 제1 무지부(110)의 측면과 전지 캔(200) 사이의 접촉을 방지할 수 있다. 만약, 집전판(300)이 없는 구조라면 인슐레이터(600)는 제1 무지부(110)의 상측과 전지 캔(200) 사이의 접촉을 방지할 수 있다.
인슐레이터(600)는, 예를 들어 탄성을 갖는 재질을 포함할 수 있다. 따라서, 원통형 배터리 셀(10)에 진동 또는 외부 충격이 가해지는 경우, 인슐레이터(600)는 탄성에 의해 압축되었다가 다시 원상태로 복귀하는 과정에서 충격을 흡수할 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀에 진동 또는 외부 충격이 가해지더라도 배터리 셀의 내부 구성요소들의 손상이 최소화될 수 있다.
인슐레이터(600)는 중심부에 미리 설정된 직경을 갖는 중심 홀을 구비할 수 있다. 예를 들어 인슐레이터(600)는, 권취 중심에 인접하도록 대략 원형의 중심 홀을 구비할 수 있다. 중심 홀의 존재로 인해 셀 단자(400)가 집전판(300) 또는 제1 무지부(110)와 접촉할 수 있는 상태가 될 수 있다. 셀 단자(400)의 단자 삽입부(410)는 인슐레이터(600)에 형성된 중심 홀을 통해 집전판(300) 또는 제1 무지부(110)와 결합된다. 인슐레이터(600)에 형성된 중심 홀은 전극 조립체(100)의 권취 중심에 형성된 홀과 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
한편, 셀 단자(400)와 집전판(300)의 단자 결합부(330) 간의 용접 결합 부위가 전극 조립체(100)의 권취 중심에 형성된 홀의 내측에 위치하게 되면, 전극 조립체(100)의 손상 우려가 있다. 이를 방지하기 위해, 단자 결합부(330)와 결합되는 셀 단자(400)의 하단에 형성된 평탄부는, 인슐레이터(600)의 하면과 동일 높이에 위치하거나 또는 더 상방에 위치할 수 있다. 이 경우, 셀 단자(400)와 집전판(300) 간의 용접 결합 부위가 전극 조립체(100)의 권취 중심에 형성된 홀의 외측에 위치하게 된다.
이를 고려하여, 인슐레이터(600)의 두께는 전지 캔(200)의 폐쇄부(210)의 내부면으로부터 셀 단자(400)의 하단에 구비된 평탄부에 이르는 거리와 동일하거나 더 큰 두께를 가질 수 있다. 한편, 인슐레이터(600)는, 전지 캔(200)의 폐쇄부(210)의 내부면과 집전판(300) 사이의 공간을 높이 방향을 따라 채워 전극 조립체(100)가 상하로 유동될 수 있는 공간이 발생하지 않도록, 전지 캔(200)의 폐쇄부(210)의 내부면과 집전판(300) 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다.
다른 측면에서, 인슐레이터(600)의 상부면은 전지 캔(200)의 폐쇄부(210)의 내부면에 접촉하고, 인슐레이터(600)의 하부면은 집전판(300)의 상부면에 접촉할 수 있다.
전지 캔(200)은 하부에 비딩부(240)와 클림핑부(250)가 형성될 수 있다. 비딩부(240)는 전지 캔(200)의 개방부(220)에 인접한 영역에서 전지 캔(200)의 외주면 둘레가 내측으로 압입되어 형성된다.
비딩부(240)는 전지 캔(200)의 폭과 대략 대응되는 사이즈를 가지는 전극 조립체(100)가 전지 캔(200)의 하부에 형성된 개방부(220)를 통해 빠져나오지 않도록 전극 조립체(100)를 지지하며, 캡 플레이트(230)가 안착되는 지지부로서도 기능할 수 있다. 또한, 비딩부(240)는 밀봉 가스켓(260)의 외주 표면을 지지한다. 비딩부(240)는 최내측 지점을 통과하는 가상의 평면을 기준으로 비대칭일 수 있다. 비대칭 모양은 전지 캔(200)의 사이징 공정에서 만들어진다. 사이징 공정은 전지 캔(200)을 상하 방향으로 압축하여 셀의 높이를 폼 팩터에 맞추는 공정이다.
클림핑부(250)는 전지 캔(200)의 내측으로 연장 및 절곡되어 밀봉 가스켓(260)과 함께 캡 플레이트(230)의 가장자리를 감싸서 고정하도록 마련된다. 여기서, 클림핑부(250)는 전지 캔(200)의 배치 상태를 기준으로 전지 캔(200)의 하부에 형성된다. 예를 들어, 도 3에서와 같이 셀 단자(400)가 상부에 위치하도록 전지 캔(200)이 배치된 경우 클림핑부(250)는 도 3을 기준으로 전지 캔(200)의 하부에 형성된다. 그리고, 도 3에서와 같이 클림핑부(250)는 비딩부(240)의 하부에 형성된다.
다만, 본 발명은, 전지 캔(200)이 비딩부(240)와 클림핑부(250) 중 적어도 하나를 구비하지 않는 경우를 배제하지 않는다. 본 발명에 있어서 전지 캔(200)이 비딩부(240)와 클림핑부(250) 중 적어도 하나를 구비하지 않는 경우, 전극 조립체(100)의 고정 또는, 캡 플레이트(230)의 고정 또는, 전지 캔(200)의 밀봉은, 전극 조립체(100)에 대한 스토퍼로서 기능할 수 있는 부품의 추가 적용과, 캡 플레이트(230)가 안착될 수 있는 구조물의 추가 적용과, 전지 캔(200)과 캡 플레이트(230) 간의 용접 중 적어도 하나를 통해 실현될 수 있다.
도 3을 기준으로 클림핑부(250)는 비딩부(240)의 하부에 형성된다. 클림핑부(250)는 비딩부(240)의 하부에 배치되는 캡 플레이트(230)의 가장자리 둘레를 감싸도록 연장 및 밴딩(bending)된 형태를 갖는다. 이러한 접혀진 클림핑부(250)의 형상에 의해 캡 플레이트(230)는 비딩부(21) 상에 고정된다. 물론, 이러한 클림핑부(250)가 생략되고 다른 고정 구조를 통해 캡 플레이트(230)가 전지 캔(200)의 개방부를 커버하면서 고정되록 하는 것도 가능하다. 예를 들어, 본 출원인의 공개 특허 KR 10-2019-0030016 A 에서는 비딩부가 생략된 원통형 전지셀을 개시하고 있으며, 이와 같은 구조가 본 발명에 채용될 수도 있다.
집전판(300)은 전극 조립체(100)의 상부에서 제1 전극판과 전기적으로 연결된다. 즉, 집전판(300)은 원통형 배터리 셀(10)의 전지 캔(200) 폐쇄부(210) 상의 셀 단자(400) 및 전극 조립체(100)를 전기적으로 연결한다.
도 5를 참조하면, 집전판(300)에는 과전류가 흐르는 경우 끊어지는 퓨징부(350)가 형성된다. 퓨징부(350)는 연결부(340) 상에 형성되고, 다른 영역에 비해 동일 전류의 인가 하에 큰 저항을 갖도록 구성된다. 퓨징부의 최소 폭은 0.5mm 내지 4.0mm일 수 있다.
집전판(300)은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 전극 조립체(100)의 제1 무지부(110)와 연결된다.
집전판(300)은 제1 무지부(110)의 단부가 집전판(300)과 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합면 상부에 결합될 수 있다. 제1 무지부(110)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(100)의 권취 중심부를 향하는 방향일 수 있다.
제1 무지부(110)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 제1 무지부(110)가 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 제1 무지부(110)와 집전판(300) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.
도 5를 참조하면, 집전판(300)은 테두리부(310), 무지부 결합부(320), 단자 결합부(330) 및 연결부(340)를 포함할 수 있다.
테두리부(310)는 전극 조립체의 상부에 배치되며 내측 공간(S)이 형성된 대략 림(rim) 형태를 가질 수 있다. 도 5의 경우 테두리부(310)가 대략 원형의 림 형태를 갖는 경우에 대해 도시하고 있으나, 테두리부(310)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니다. 테두리부(310)는 도시된 것과는 달리 대략 사각의 림 형태, 육각의 림 형태, 팔각의 림 형태 또는 그 밖의 다른 형태를 가질 수도 있다. 테두리부(310)의 내측 공간에는 무지부 결합부(320)와 단자 결합부(330)가 형성될 수 있다. 그리고, 무지부 결합부(320)와 단자 결합부(330)는 테두리부(310)와 연결부(340)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 단자 결합부(330)는 테두리부(310)의 내측 공간의 중심부에 위치할 수 있다.
무지부 결합부(320)는 테두리부(310)로부터 내측으로 연장되며 전극 조립체(100)의 제1 무지부(110)와 결합된다. 무지부 결합부(320)는 다양한 방식으로 제1 무지부(110)에 결합될 수 있으며, 예를 들어 레이저 용접, 초음파 용접, 스폿 용접과 같은 용접으로 결합될 수 있다.
무지부 결합부(320)는 복수개 구비될 수 있다. 복수개의 무지부 결합부(320)는 테두리부(310)의 연장 방향을 따라 다양한 간격으로 배치되며, 바람직하게는 서로 동일한 간격으로 배치될 수 있다. 복수개의 무지부 결합부(320) 각각의 연장 길이는 서로 동일할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 복수개의 무지부 결합부(320)는 단자 결합부(330)를 둘러 싸도록 구성될 수 있다.
단자 결합부(330)는 무지부 결합부(320)와 공간을 사이에 두고 무지부 결합부(320)로부터 이격되어 테두리부(310)의 내측에 위치한다. 단자 결합부(330)는 후술할 셀 단자(400)와 용접에 의해 결합될 수 있다. 여기서, 단자 결합부(330)는 예를 들어 테두리부(310)의 내측 공간(S)의 중심부에 위치할 수 있다. 그리고, 단자 결합부(330)는 전극 조립체(100)의 권취 중심부에 형성된 홀과 대응되는 위치에 배치될 수 있다. 단자 결합부(330)는 전극 조립체(100)의 코어에 존재하는 공동의 직경 대비 100% 내지 110%의 직경을 가질 수 있다.
무지부 결합부(320)와 단자 결합부(330)는 직접적으로 연결되지 않고 서로 이격되도록 배치되며 테두리부(310)에 의해 전기적으로 연결된다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 집전판(300)은 무지부 결합부(320)와 단자 결합부(330)가 서로 직접 연결되어 있지 않고, 테두리부(310)를 통해서 연결된 구조를 가짐으로써 원통형 배터리 셀(10)에 충격 및/또는 진동이 발생되는 경우 무지부 결합부(320)와 제1 무지부 간의 결합 부위 및, 단자 결합부(330)와 셀 단자(400) 간의 결합 부위에 가해지는 충격을 분산시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 집전판(300)은 외부 충격으로 인한 용접부위의 파손을 최소화 또는 방지할 수 있다.
즉, 집전판(300)은 외부 충격이 가해졌을 때 테두리부(310)와 단자 결합부(330)의 연결 부위에 응력이 집중될 수 있는 구조를 갖는데, 이러한 연결 부위는 부품 간의 결합을 위한 용접부가 형성된 부위가 아니기 때문에 외부 충격으로 인한 용접부 파손에 따른 제품 불량 발생을 방지할 수 있는 것이다.
연결부(340)는 테두리부(310)로부터 내측으로 연장되어 단자 결합부(330)와 연결된다. 연결부(340)는 서로 인접한 한 쌍의 무지부 결합부(320) 사이에 위치할 수 있다. 이 경우, 연결부(340)로부터 테두리부(310)의 연장 방향을 따라 한 쌍의 무지부 결합부(320) 중 어느 하나에 이르는 거리는, 연결부(340)로부터 테두리부(310)의 연장 방향을 따라 한 쌍의 무지부 결합부(320) 중 나머지 하나에 이르는 거리와 동일할 수 있다.
그리고, 도면에 도시되지는 않았지만, 연결부(340)는 복수개 구비될 수 있다. 복수개의 연결부(340) 각각은, 서로 인접한 한 쌍의 무지부 결합부(320) 사이에 배치될 수 있다. 복수개의 연결부(340)는 테두리부(310)의 연장 방향을 따라 서로 동일한 간격으로 배치될 수 있다.
여기서, 무지부 결합부(320) 및/또는 연결부(340)가 복수개 구비되는 경우에 있어서, 무지부 결합부(320)들 간의 거리 및/또는 연결부(340)들 간의 거리 및/또는 무지부 결합부(320)와 연결부(340) 간의 거리가 일정하게 형성되면, 무지부 결합부(320)로부터 연결부(340)를 향하는 전류 또는 연결부(340)로부터 무지부 결합부(320)를 향하는 전류의 흐름이 원활하게 형성될 수 있다.
연결부(340)는 적어도 그 일부가 무지부 결합부(320)와 비교하여 그 폭이 더 작게 형성될 수 있고, 연결부(340)의 일측에는 퓨징부(350)가 형성될 수 있다. 연결부의 폭이 무지부 결합부(320)보다 작게 형성되면, 연결부(340)에서 전기 저항이 증가하여 연결부(340)를 통해 과전류가 흐를 때 다른 부위와 비교하여 저항이 커지면서 열이 증가한다. 여기서, 연결부(340)에 퓨징부(350)가 형성되어 있으므로, 과전류가 발생하여 연결부(340)에 열이 증가하는 경우 퓨징부(350)가 파단되면서 과전류의 흐름이 차단된다.
도 5를 참조하면, 퓨징부(350)는 연결부(340)에 형성된 적어도 하나의 노칭홈(351)일 수 있다. 저항은 면적에 반비례하므로, 이와 같이 연결부(340)에 노칭홈(351)이 형성되어 노칭홈(351)이 형성된 부분에서 면적이 감소하면 그 부분에서 저항은 증가하게 되고, 과전류가 흐를때 노칭홈(351) 부위에서 열이 증대되어 파단이 일어난다. 여기서, 노칭홈(351)은 연결부(340)의 폭방향양측 단부, 연결부(340)의 상부면 또는 연결부(340)의 하부면에 형성될 수 있다. 바람직하게, 노칭홈(351)은 연결부(340)의 폭 또는 두께를 단계적 또는 연속적으로 감소시키는 방향으로 연결부(340)의 내측을 향해 인입 형성될 수 있다. 대안적으로, 노칭홈(351)은 평면상에서 형성되지 않고, 연결부(340)의 두께 방향으로 형성되는 것도 가능하다.
다른 실시예로 도 6을 참조하면, 퓨징부(350)는 연결부(340)에 형성된 적어도 하나의 관통공(352)일 수 있다. 관통공(352)은 최장 폭이 0.2mm 내지 6mm일 수 있다. 구체적인 작용은 도 5와 공통되므로 상세한 설명은 전술한 설명으로 대체한다.
또 다른 실시예로 도 7을 참조하면, 퓨징부(350)에 테이프(353)가 결합될 수 있다. 연결부(340)의 퓨징부(350)에 테이프(353)가 결합되면, 연결부(340)에 열이 발생하는 경우 테이프(353)에 의해 방열이 방해를 받아서 열이 방출되지 못하므로, 테이프(353)가 부착된 부분에서 열이 상승한다. 그리고, 높아진 열에 의해 테이프(353)의 부착 부분에서 파단이 일어난다. 여기서, 테이프(353)는 다양한 재질로 제작될 수 있으며, 예를 들어, 열에 의해 쉽게 변형되지 않는 폴리이미드(polyimide, PI)로 제작될 수 있지만, 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.
후술하겠지만, 전극 조립체(100)의 제1 무지부(110)의 적어도 일부 구간은 복수의 분절편(61, 61')으로 분할되고, 복수의 분절편(61, 61') 중 적어도 일부는 미리 설정된 방향을 따라 절곡되며, 복수의 분절편(61, 61')이 절곡되면서 여러 겹으로 중첩되도록 구성될 수 있다. 이때, 복수의 분절편(61, 61') 중 나머지는 비절곡되도록, 즉, 복수의 분절편(61, 61') 중 일부는 절곡되고, 나머지는 절곡되지 않고 권취 축 방향을 따라서 돌출된 모양으로 유지될 수 있다. 또는, 복수의 분절편(61, 61') 중 절곡되지 않은 나머지 부분, 즉, 권취 축 방향을 따라서 돌출된 모양으로 유지되는 부분이 커팅될 수 있다.
복수의 분절편(61, 61')이 절곡되어 여러 겹으로 중첩되면 중첩된 복수의 분절편(61, 61') 사이에 간격이 형성되지 않으므로, 과전류에 의해 집전판(300)의 퓨징부(350)가 끊어질 때 발생되는 이물질이 젤리롤 형태의 전극 조립체(100) 내부로 유입되지 않는다. 하지만, 복수의 분절편(61, 61')중 일부가 절곡되지 않은채 유지되는 비절곡 형태이거나, 또는 복수의 분절편(61, 61')중 절곡되지 않은 부분이 커팅된 경우, 이 부분에서는 복수의 분절편(61, 61') 사이에 간격이 형성되므로 퓨징부(350)가 끊어질 때 발생되는 이물질이 젤리롤 형태의 전극 조립체(100) 내부로 유입될 수 있다. 만약, 이물질이 젤리롤 형태의 전극 조립체(100) 내부로 유입되면 이물질에 의해 분리막이 훼손되거나, 이물질에 의한 내부 단락의 문제가 발생될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(10)은, 연결부(340)에 형성된 퓨징부(350)의 위치를 적절히 조절하여 상기 문제를 해결하고 있다. 예를 들어, 퓨징부(350)가 복수의 분절편(61, 61') 중 비절곡된 분절편, 또는 커팅된 분절편으로부터 벗어나서 복수의 분절편(61, 61') 중 절곡된 분절편(61, 61')의 상측에 위치하도록 구성한다. 이에 의하면, 퓨징부(350)가 끊어지면서 이물질이 발생하더라도 상기 이물질은 복수의 분절편(61, 61') 중 절곡된 분절편(61, 61')의 상측으로 떨어지게 되며, 전술한 바와 같이, 복수의 분절편(61, 61')이 절곡되어 여러 겹으로 중첩되면 복수의 분절편(61, 61') 사이에 간격이 형성되어 있지 않으므로, 상기 이물질이 젤리롤 형태의 전극 조립체(100) 내부로 유입되지 않는다. 따라서, 이물질에 의한 분리막 훼손 및/또는 내부 단락을 방지하는 효과가 있다. 바람직하게, 퓨징부(350)는 전극 조립체(100)의 중심으로부터 그 최대 반경의 40 내지 90%의 거리만큼 이격되도록 연결부(340) 상에 형성될 수 있다.
집전판(300)은 셀 단자(400)의 단자 삽입부(410)와 결합될 수 있다. 즉, 셀 단자(400)의 단자 삽입부(410)의 바닥면의 적어도 일부에 전지 캔(200)의 폐쇄부(210)의 내부면과 평행한 평탄부가 형성되며, 집전판(300)은 셀 단자(400)의 평탄부와 결합될 수 있다.
전극 조립체(100)는 제1 무지부(110)의 분절편의 중첩 레이어 수가 전극 조립체(100)의 반경 방향을 따라 일정하게 유지되는 영역인 용접 타겟 영역을 구비할 수 있고, 집전판(300)은 용접 타겟 영역 내에서 제1 무지부(100)와 결합될 수 있다. 이 영역에서는, 중첩 레이어 수가 최대로 유지되므로, 후술할 집전판(300)과 제1 무지부(110)의 용접이 이 영역 내에서 이루어지는 것이 유리할 수 있다. 이는, 예를 들어 레이저 용접을 적용하는 경우에 있어서, 용접 품질의 향상을 위해 레이저의 출력을 높이는 경우 레이저 빔이 제1 무지부(110)를 관통하여 전극 조립체(100)를 손상시키는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 이는, 용접 스패터 등의 이물질이 전극 조립체(100)의 내부로 유입되는 것을 효과적으로 방지할 수 있도록 하기 위함이다.
단자 삽입부(410)의 전기적 연결부는 예를 들어 대략 원기둥 형태를 가질 수 있다. 물론, 단자 삽입부(410)의 전기적 연결부의 형상이 이로써 한정되는 것은 아니다. 단자 삽입부(410)의 전기적 연결부는 예를 들어 단면이 타원의 형상을 갖는 원기둥 형태 또는 사각 기둥 형태 또는 육각 기둥 형태 또는 팔각 기둥 형태 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 단자 삽입부(410)의 전기적 연결부의 바닥면은, 적어도 부분적으로 대략 평탄하게 형성될 수 있다.
단자 삽입부(410) 중심 영역의 바닥면과 집전판(300) 간의 결합은, 예를 들어 레이저 용접, 스폿 용접 또는 초음파 용접에 의해 이루어질 수 있다. 용접은 전극 조립체(100)의 권취 중심에 형성된 홀을 통해 레이저를 조사하거나 또는 초음파 용접이나 스폿 용접을 위한 도구를 삽입하여 집전판(300)의 일 면(전극 조립체(100)의 권취 중심에 형성된 홀을 향하는 면) 상에 용접 비드를 형성함으로써 이루어질 수 있다. 권취 중심에 형성된 홀 내에는 용접 작업을 위한 가이드 파이프(미도시)가 삽입될 수 있다. 가이드 파이프를 삽입한 상태에서 용접 작업이 진행되는 경우, 권취 중심에 형성된 홀의 내벽면을 이루는 분리막의 손상 우려를 감소시킬 수 있다.
집전판(300)의 단자 결합부(330)의 일 면 상에 형성되는 용접 비드에 의해 그려지는 용접 패턴은 단자 삽입부(410)의 전기적 연결부의 바닥면의 중심부를 둘러싸는 형태로 그려질 수 있다. 용접 패턴은, 예를 들어 대략 원형일 수 있으며, 이와는 달리 대략 타원형이나 대략 사각형, 육각형, 팔각형 등과 같은 다각형의 형태일 수도 있다. 용접 비드에 의해 형성되는 용접 패턴은, 연속적 또는 불연속적으로 형성될 수 있다. 용접 비드에 의해 형성되는 용접 패턴의 형상의 예시인 원형, 타원형, 다각형 등은 기하학적으로 완전한 원형, 타원형, 다각형 등을 의미하는 것은 아니다.
한편, 단자 삽입부(410)의 전기적 연결부의 바닥면에 형성되는 평탄부의 직경은, 집전판(300)과의 용접 강도를 고려하여 결정될 수 있다. 평탄부와 집전판(300) 사이의 용접부 인장력은 적어도 대략 2kgf 이상, 5kgf 이상, 또는 6kgf 이상, 또는 7kgf 이상, 또는 8kgf 이상, 또는 9kgf 이상, 또는 10kgf 이상일 수 있다. 용접부 인장력은 용접 방법을 최선으로 선책하여 허용되는 범위에서 최대한 증가시키는 것이 바람직하다.
용접부 인장력 조건의 충족을 위해 평탄부에 형성되는 용접 패턴의 직경(또는 최대 폭)은 최소 대략 2mm 일 수 있다. 용접 패턴의 직경은 용접 부위의 표면에 나타난 용접 비드의 면적(S)을 원의 면적(πr2)으로 변환했을 때 해당 원의 환산 지름(2*(S/π)0.5)으로 정의될 수 있다.
단자 삽입부(410)의 전기적 연결부의 바닥면에 형성되는 평탄부는 용접 가능 영역에 해당한다. 용접 가능 영역의 직경은 대략 3mm 내지 14mm 일 수 있다. 용접 가능 영역의 직경이 대략 3mm 보다 작으면, 직경(환산 지름)이 2mm 이상인 용접 패턴을 확보하기 어렵다. 특히, 레이저 용접을 이용하여 용접 패턴을 형성하는 경우, 레이저 빔의 간섭 때문에 직경이 2mm 이상인 용접 패턴을 확보하기 어렵다. 용접 가능 영역의 직경이 대략 14mm를 초과하면, 셀 단자(400)의 단자 노출부의 직경도 그 이상으로 커질 수 밖에 없고, 이로 인해 셀 단자(400)와 반대 극성을 갖는 전극 단자로서 사용할 전지 캔(200)의 외부 면의 면적을 충분하게 확보하기 어렵게 된다.
상기한 용접 패턴의 직경 조건과 용접 가능 영역의 직경 조건을 고려할 때, 적어도 대략 2kgf 이상의 용접부 인장력을 확보하기 위해 필요한 용접 가능 영역의 면적 대비 용접 패턴의 면적 비율은 대략 2.04%( π12/π72) 내지 44.4%( π12/π1.52) 인 것이 바람직하다.
일 예에서, 단자 삽입부(410)의 전기적 연결부의 바닥면에 형성된 평탄부와 집전판(300)이 레이저에 의해 용접되고, 용접 비드가 대략 원호 패턴의 형태로 연속적 또는 불연속적인 라인을 그리면서 용접되는 경우 원호 용접 패턴의 직경은 대략 2mm 이상, 바람직하게는 대략 4mm 이상인 것이 바람직하다. 원호 용접 패턴의 직경이 해당 조건을 충족시키는 경우 용접부 인장력을 대략 2kgf 이상으로 증가시켜 충분한 용접 강도의 확보가 가능하다.
다른 예에서, 단자 삽입부(410)의 전기적 연결부의 바닥면에 형성된 평탄부와 집전판(300)이 초음파에 의해 용접되고 원형 패턴으로 용접되는 경우 원형 용접 패턴의 직경은 대략 2mm 이상인 것이 바람직하다. 원형 용접 패턴의 직경이 해당 조건을 충족할 경우 용접부 인장력을 대략 2kgf 이상으로 증가시켜 충분한 용접 강도의 확보가 가능하다.
용접 가능 영역에 해당하는 셀 단자(400)의 바닥면에 형성된 평탄부의 직경은 대략 3mm 내지 14mm 범위에서 조절될 수 있다. 평탄부의 반경이 대략 3mm 보다 작으면, 레이저 용접 도구, 초음파 용접 도구 등을 이용하여 대략 2mm 이상의 직경을 가진 용접 패턴을 형성하는데 어려움이 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(10)은, 상술한 바와 같이 단자 삽입부(410)의 전기적 연결부의 바닥면을 집전판(300) 상에 용접하여 결합시킨 구조를 가지며, 이로써 집전판(300)과 셀 단자(400) 간의 결합 면적을 극대화 할 수 있다. 즉, 전기적 연결부의 바닥면의 적어도 일부는 평탄하게 형성되며, 이에 따라 셀 단자(400)와 집전판(300) 간의 결합 면적을 극대화 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(10)은, 급속 충전에 따른 많은 양의 전류가 흐르는 경우에 있어서, 집전판(300)과 셀 단자(400)의 결합 부위에서 원활한 전류 흐름을 보장할 수 있으며, 이로써 충전 시간의 단축, 발열량의 감소 등의 효과를 가져올 수 있다.
집전판(300)은, 전극 조립체(100)의 상부에 결합된다. 또한, 집전판(300)은, 셀 단자(400)에 결합된다. 즉, 집전판(300)은 전극 조립체(100)의 제1 무지부(110)와 셀 단자(400)를 적기적으로 연결시킨다. 집전판(300)은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며, 제1 무지부(110)와 연결된다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 집전판(300)은, 그 하면에 방사상으로 형성된 복수의 요철을 구비할 수 있다. 요철이 형성된 경우, 집전판(300)을 눌러서 요철을 제1 무지부(110)에 압입시킬 수 있다.
셀 단자(400)의 바닥면, 즉 단자 삽입부(410)의 전기적 연결부의 바닥면에는 적어도 일부에 전지 캔(200)의 폐쇄부(210)의 내부면과 대략 평행한 평탄부가 형성될 수 있으며, 집전판(300)은 이 평탄부와 결합된다.
집전판(300)은 제1 무지부(110)의 단부에 결합된다. 제1 무지부(110)와 집전판(300) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 레이저 용접은, 집전판(300) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수도 있고, 집전판(300)과 제1 무지부(110) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 솔더는, 집전판(300)과 제1 무지부(110)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다.
집전판(300)은, 제1 무지부(110)의 단부가 집전판(300)과 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 수 있다. 제1 무지부(110)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(100)의 권취 중심, 즉 코어를 향하는 방향일 수 있다. 제1 무지부(110)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 제1 무지부(110)가 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 제1 무지부(110)와 집전판(300) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.
셀 단자(400)는 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지며, 전지 캔(200)의 폐쇄부(210)에 형성된 관통 홀(211)에 결합되어 집전판(300)과 전기적으로 연결된다. 그리고, 셀 단자(400)는 집전판(300)을 통해 전극 조립체(100)의 제1 전극판과 전기적으로 연결되며 이에 의해 양의 극성을 갖는다. 즉, 셀 단자(400)는 제1 전극 단자인 양극 단자로서 기능할 수 있다. 그리고, 전지 캔(200)은 전술한 바와 같이 전극 조립체(100)의 제2 전극판과 전기적으로 연결되며, 이에 의해 음의 극성을 갖는다.
셀 단자(400)는 단자 삽입부(410)를 구비할 수 있다. 단자 삽입부(410)는 전지 캔(200)의 폐쇄부(210)에 형성된 관통 홀(211)을 통해 전지 캔(200) 내로 삽입되어 하단부가 제1 무지부(110)와 전기적으로 연결될 수 있다.
단자 삽입부(410)는 전지 캔(200) 및 인슐레이터(600)를 동시에 관통하여 집전판(300) 또는 제1 무지부(110)와 결합할 수 있다. 단자 삽입부(410)의 하측 가장자리 부분이 콜킹(caulking) 지그에 의해 가압되면서 전지 캔(200) 상단부의 내측면을 향해 리벳팅되면서 관통 홀에 고정될 수 있다.
즉, 단자 삽입부(410)의 하측 주변 단부는 콜킹 지그의 적용에 의해 전지 캔(200)의 내측 면을 향해 휘어진 형태를 가질 수 있다. 이를 위해, 단자 삽입부(410)의 단부의 최대 폭은 단자 삽입부(410)의 관통에 의해 형성된 전지 캔(200)의 홀의 최대 폭보다 더 크게 형성될 수 있다.
한편 다른 실시 형태로서, 단자 삽입부(410)는 전지 캔(200)의 내측 면을 향해 휘어진 형태를 갖지 않을 수도 있다. 예를 들어, 도 8을 참조하면, 단자 삽입부(410)는 전지 캔(200)의 상면의 대략 중심부에 위치한 홀을 관통하는 대략 원통 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서 단자 삽입부(410)는 그 평면 형상이 원형일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 단자 삽입부(410)는, 선택적으로 다각형, 별 형상, 중앙으로부터 연장되는 다리를 구비하는 형상 등을 가질 수 있다.
셀 단자(400)의 단자 삽입부(410)는 인슐레이터(600)의 중심 홀을 관통할 수 있다. 그리고, 인슐레이터(600)의 중심 홀의 직경은 단자 삽입부(410)의 직경보다 크거나 같도록 마련될 수 있다. 그리고, 셀 단자(400)의 단자 삽입부(410)는 인슐레이터(600)의 중심 홀을 관통하여 집전판(300)과 전기적으로 결합될 수 있다.
도 3을 참조하면, 캡 플레이트(230)는 전지 캔(200)의 개방부(220)를 밀폐하도록 구성된다. 캡 플레이트(230)는 강성 확보를 위해, 예를 들어 금속 재질로 이루어질 수 있다.
캡 플레이트(230)는 전지 캔(200)의 하단에 형성된 개방부(220)를 밀폐한다. 캡 플레이트(230)는 전극 조립체(100)로부터 분리되어 비극성으로 마련될 수 있다. 즉, 캡 플레이트(230)는 전도성을 금속 재질로 마련된 경우에도 극성을 갖지 않을 수 있다. 캡 플레이트(230)가 극성을 갖지 않는다는 것은 캡 플레이트(230)가 전지 캔(200) 및 셀 단자(400)와 전기적으로 절연되어 있음을 의미한다. 이처럼, 캡 플레이트(230)는 극성을 갖지 않아도 무방하며, 그 재질이 반드시 전도성 금속이어야 하는 것도 아니다.
캡 플레이트(230)는 전지 캔(200)에 형성된 비딩부(240) 상에 안착되어 지지될 수 있다. 또한, 캡 플레이트(230)는 클림핑부(250)에 의해 고정된다. 캡 플레이트(230)와 전지 캔(200)의 클림핑부(250) 사이에는 전지 캔(200)의 기밀성을 확보하기 위해 밀봉 가스켓(260)이 개재될 수 있다. 즉, 밀봉 가스켓(260)은 캡 플레이트(230)의 가장자리와 전지 캔(200)의 개방부(220) 사이에 개재되도록 마련될 수 있다.
한편, 본 발명의 전지 캔(200)은 비딩부(240)와 클림핑부(250) 중 적어도 하나를 구비하지 않을 수도 있으며, 이 경우 밀봉 가스켓(260)은 전지 캔(200)의 기밀성 확보를 위해 전지 캔(200)의 개방부(220) 측에 구비된 고정을 위한 구조물과 캡 플레이트(230) 사이에 개재될 수 있다.
벤트 노치(231)는 전지 캔(200) 내부의 압력이 임계치를 초과했을 때 파열되도록 캡 플레이트(230)에 형성될 수 있다.
예를 들어, 벤트 노치(231)는 캡 플레이트(230)의 양면에 형성될 수 있으며, 캡 플레이트(230)의 표면에서 연속적 원형 패턴, 불연속적인 원형 패턴 및 직선 패턴 중 적어도 하나의 패턴으로 형성될 수 있다. 또한, 벤트 노치(231)는 다양한 다른 패턴으로 형성될 수 있다.
벤트 노치(231)는 전지 캔(200)의 배치 상태를 기준으로 전지 캔(200)의 하부에 형성되며, 벤트 노치(231)가 파열되었을 때 전지 캔(200) 내부의 가스가 전지 캔(200)의 하부를 통해 배출되도록 마련될 수 있다.
예를 들어, 도 3에서와 같이 셀 단자(400)가 상부에 위치하도록 전지 캔(200)이 배치된 경우 벤트 노치(231)는 도 3을 기준으로 전지 캔(200)의 하부에 형성될 수 있다.
벤트 노치(231)는 캡 플레이트(230) 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역으로 형성될 수 있다.
벤트 노치(231)는 주변 영역과 비교하여 더 얇으므로, 주변 영역보다 더 쉽게 파단될 수 있으며, 전지 캔(200)의 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하면 벤트 노치(231)가 파단되어 전지 캔(200)의 내부에 생성된 가스가 배출될 수 있다.
예를 들어, 벤트 노치(231)는 캡 플레이트(230)의 어느 일면 상에, 또는 양면 상에 노칭(notching)을 통해 부분적으로 전지 캔(200)의 두께를 감소시킴으로써 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(10)은 상부에 양극 단자 및 음극 단자가 모두 존재하는 구조를 가질 수 있으며, 이로 인해 상부의 구조가 하부의 구조보다 더 복잡하다.
따라서, 전지 캔(200)의 내부에 발생된 가스의 원활한 배출을 위해 원통형 배터리 셀(10)의 하면을 이루는 캡 플레이트(230)에 벤트 노치(231)가 형성될 수 있다.
이와 같이, 원통형 배터리 셀(10)에 구비된 전지 캔(200)의 내부에서 발생된 가스가 하부로 배출되면 사용자의 안전에도 유리할 수 있다. 예를 들어, 원통형 배터리 셀(10)이 전기 자동차에서 운전석 바로 아래에 배치된 경우, 가스가 상부로 배출되면 운전자에게 안전사고의 위험이 있을 수 있다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(10)에서와 같이 가스가 전지 캔(200)의 하부로 배출된다면, 원통형 배터리 셀(10)이 전기 자동차에서 운전석 바로 아래에 배치되더라도 상기와 같은 문제가 발생하지 않는다.
도 3을 참조하면, 캡 플레이트(230)의 하단부는 전지 캔(200)의 하단부보다 더 상방에 배치되는 것이 바람직하다. 이 경우, 전지 캔(200)의 하단부가 지면에 닿거나 또는 모둘이나 팩 구성을 위한 하우징의 바닥면에 닿더라도, 캡 플레이트(230)는 지면 또는 모듈이나 팩 구성을 위한 하우징의 바닥면에 닿지 않게 된다.
따라서, 원통형 배터리 셀(10)의 무게로 인해 벤트 노치(231)의 파단에 요구되는 압력이 설계치와 달라지는 현상을 방지할 수 있으며, 이에 따라 벤트 노치(231)의 파단 원활성이 확보되는 효과가 있다.
도 3을 참조하면, 하부 집전판(700)은 전극 조립체(100)의 하부에 결합된다. 하부 집전판(700)은 알루미늄, 스틸, 구리, 니켈 등의 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제2 전극판의 제2 무지부(120)와 전기적으로 연결된다.
바람직하게, 하부 집전판(700)은 전지 캔(200)과 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 하부 집전판(700)은 가장 자리 부분의 적어도 일부가 전지 캔(200)의 내측 면과 밀봉 가스켓(260) 사이에 개재되어 고정될 수 있다.
하나의 실시예로 하부 집전판(700)의 가장 자리 부분의 적어도 일부는 전지 캔(200) 하단에 형성된 비딩부(240)의 하단면에 지지된 상태에서 용접에 의해 비딩부(240)에 고정될 수 있다. 변형 실시예에서, 하부 집전판(700)의 가장 자리 부분의 적어도 일부는 전지 캔(200)의 내벽 면에 직접적으로 용접될 수 있다.
바람직하게, 하부 집전판(700)의 비딩부 결합 부분을 제외한 나머지 부분의 적어도 일부는 제2 무지부(120)의 절곡면에 용접, 예컨대 레이저 용접을 통해 결합될 수 있다.
예를 들어, 하부 집전판(700)은 가장자리의 적어도 일부가 비딩부(240)의 상면 및 하면 중 클림핑부(250)에 인접한 면에 전기적으로 결합될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는 제1 전극판과 제2 전극판을 포함하며, 제1 전극판은 제1 무지부(110)를 포함하고, 제2 전극판은 제2 무지부(120)를 포함할 수 있다. 그리고, 제1 무지부(110) 및/또는 제2 무지부(120)의 적어도 일부 구간은 복수의 분절편으로 분할될 수 있는데, 이하에서는 분절편의 구조에 대해 상세히 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극판의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 9를 참조하면, 전극판(60)의 무지부(43)에 있어서 코어측 무지부(B1)와 외주측 무지부(B3)의 높이는 0 이상이되, 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(61)을 포함할 수 있다. 복수의 분절편(61)은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 높이가 단계적으로 증가할 수 있다.
분절편(61)은 레이저로 노칭된 것일 수 있다. 분절편(61)은 초음파 커팅이나 타발 등 공지의 금속박 커팅 공정으로 형성할 수 있다.
도 9에서 무지부(43)의 절곡 가공시 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)이 손상되는 것을 방지하기 위해 분절편(61) 사이의 절단 라인 하단(도 10의 C4)과 활물질층(42) 사이에 소정의 갭을 두는 것이 바람직하다. 무지부(43)가 절곡될 때 절단 라인 하단 근처에 응력이 집중되기 때문이다. 갭은 0.2 내지 4mm인 것이 바람직하다. 갭이 해당 수치범위로 조절되면, 무지부(43)의 절곡 가공시 생기는 응력에 의해 절단 라인 하단 근처의 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 갭은 분절편(61)의 노칭 또는 커팅시 공차로 인한 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)의 손상을 방지할 수 있다. 바람직하게, 전극판(60)이 권취될 때, 절연 코팅층(44)의 적어도 일부는 분리막의 외부로 노출될 수 있다. 이 경우, 절연 코팅층(44)은 분절편(61)이 절곡될 때 절곡 지점을 지지할 수 있다.
복수의 분절편(61)은 코어측에서 외주측으로 가면서 복수의 분절편 그룹을 이룰 수 있다. 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치 중 적어도 하나 이상은 실질적으로 동일할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 분절편(61)의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다. 도 10을 참조하면, 분절편(61)의 폭(C1), 높이(C2) 및 이격 피치(C3)는 무지부(43)의 절곡 가공 시 무지부(43)가 찢어지는 것을 방지하고 용접 강도 향상을 위해 무지부(43)의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시키면서 무지부(43)의 비정상적 변형을 방지할 수 있도록 설계한다. 비정상적 변형은 절곡 지점 하부의 무지부가 직선 상태를 유지하지 못하고 주저 않으면서 불규칙하게 변형되는 것을 말한다.
바람직하게, 분절편(61)의 폭(C1)은 1 내지 8mm의 범위에서 조절할 수 있다. C1이 1mm 미만이면, 분절편(61)이 코어측으로 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 중첩되지 않는 영역 또는 빈 공간(틈)이 발생한다. 반면, C1이 8mm를 초과하면, 분절편(61)이 절곡될 때 절곡 지점 근처의 무지부(43)가 응력에 의해 찢어질 가능성이 있다.
또한, 분절편(61)의 높이는 2 내지 10mm의 범위에서 조절할 수 있다. C2가 2mm 미만이면, 분절편(61)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 전극판을 제조하기 어렵다. 즉, 무지부의 높이가 커져서 너울이 생긴다. 또한, 분절편(61)의 이격 피치(C3)는 0.05 내지 1mm의 범위에서 조절할 수 있다. C3이 0.05mm 미만이면, 분절편(61)이 절곡될 때 응력에 의해 절곡 지점 근처의 무지부(43)가 찢어질 수 있다. 반면, C3이 1mm를 초과하면 분절편(61)이 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(61)들이 서로 중첩되지 않는 영역 또는 빈 공간(틈)이 발생할 수 있다.
도 10을 참조하면, 권취 방향(X) 방향으로 인접하는 2개의 분절편(61) 사이에는 절단부(62)가 개재된다. 절단부(62)는 무지부(43)가 제거되면서 생긴 공간에 해당한다. 바람직하게, 절단부(62)의 하단 코너 부분은 라운드 형상(부분 확대 참조)을 가질 수 있다. 라운드 형상은 전극판(60)의 권취 및/또는 분절편(61)의 절곡시 절단부(62) 하단에 인가되는 응력을 완화시킬 수 있다.
다시 도 9를 참조하면, 코어측 무지부(B1)의 폭(dB1)은 중간 무지부(B2)의 분절편(61)을 코어측으로 절곡시켰을 때 전극 조립체 코어의 공동을 가리지 않는 조건을 적용하여 설계한다.
일 예에서, 코어측 무지부(B1)의 폭(dB1)은 그룹1의 분절편(61)의 절곡 길이에 비례하여 증가할 수 있다. 절곡 길이는 절곡 지점(도 10의 63)을 기준으로 한 분절편(61)의 높이에 해당한다. 도 10을 참조하면, C4는 절곡이 가능한 위치의 최저점을 나타낸다. 절곡 지점은 C4로 지시된 위치 또는 C4의 상부에 적절하게 설정될 수 있다. 절곡 길이는 절곡 지점으로부터 분절편(61)의 상단까지의 길이이다. 구체적으로, 절곡 지점은 C4를 기준으로 분절편(61) 높이(C2)의 소정 지점에 설정될 수 있다. 소정 지점은, 분절편(61)의 절곡시 생기는 응력이 활물질층(42)이나 절연 코팅층(44)에 물리적 손상을 일으키는 것을 방지하고, 분절편(61)이 전극 조립체의 반향 방향으로 절곡될 때 반경 방향으로 중첩되는 레이어들의 수를 충분하게 확보함으로써 분절편(61)이 절곡된 영역에 집전 플레이트를 용접했을 때 충분한 용접 강도가 확보될 수 있도록 설정될 수 있다.
구체적인 예에서, 전극판(60)이 폼 팩터가 46800인 원통형 셀의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 코어측 무지부(B1)의 폭(dB1)은 전극 조립체 코어의 직경에 따라 180 내지 350mm로 설정할 수 있다.
일 실시예에서, 각 분절편 그룹의 폭은 전극 조립체의 동일한 권취 턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다.
여기서, 권취 턴은 전극판(60)이 권취된 상태에 있을 때 코어측 무지부(B1)의 단부를 기준으로 계수할 수 있다.
다른 변형예에서, 각 분절편 그룹의 폭은 전극 조립체의 적어도 하나 이상의 권취 턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다.
또 다른 변형예에서, 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편(61)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 그룹8은 분절편 그룹의 일 예시에 불과하다. 그룹들의 수, 각 그룹에 포함되는 분절편(61)의 수, 및 그룹의 폭은 무지부(43)의 절곡 과정에서 응력을 최대한 분산시키고 용접 강도를 충분히 확보할 수 있도록 분절편(61)이 여러 겹으로 중첩되도록 바람직하게 조절될 수 있다.
다른 변형예에서, 외주측 무지부(B3)의 높이는 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다.
또 다른 변형예에서, 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. 선택적으로, 외주측 무지부(B3)의 분절 구조는 중간 무지부(B2)의 최외측에 있는 분절편 그룹과 실질적으로 동일할 수 있다.
구체적인 구현예에서, 전극판(60)이 폼팩터가 46800인 원통형 셀의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 코어측 무지부(B1)의 폭(dB1)은 180~350mm일 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. 외주측 무지부(B3)의 폭(dB3)은 코어측 무지부(B1)의 폭과 마찬가지로 180~350mm일 수 있다.
그룹1 내지 8의 폭이 일정한 증가 또는 감소 패턴을 보이지 않는 이유는, 분절편의 폭은 그룹1에서 그룹8로 갈수록 점차 증가하지만 그룹 내에 포함되는 분절편의 수는 정수 개로 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 원주 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 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극판의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 12는 도 11에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 전극판(70)은 도 9와 비교하여 분절편(61')의 형상이 사각형에서 사다리꼴로 변경된 점을 제외하면 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
도 12는 사다리꼴 분절편(61')의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 분절편(61')의 폭(D1), 높이(D2) 및 이격 피치(D3)는 무지부(43)의 절곡 가공 시 절곡 지점 근처의 무지부(43)가 찢어지는 것을 방지하고 충분한 용접 강도 확보를 위해 무지부(43)의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시키면서 무지부(43)의 비정상적 변형을 방지할 수 있도록 설계한다.
바람직하게, 분절편(61')의 폭(D1)은 1 내지 8mm의 범위에서 조절할 수 있다. D1이 1mm 미만이면, 분절편(61')이 코어측으로 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(61')이 중첩되지 않는 영역이나 빈 공간(빈틈)이 발생할 수 있다. 반면, D1이 8mm를 초과하면, 분절편(61)이 절곡될 때 절곡 지점 근처의 무지부(43)가 응력에 의해 찢어질 가능성이 있다. 또한, 분절편(61')의 높이는 2 내지 10mm의 범위에서 조절할 수 있다. D2가 2mm 미만이면, 분절편(61')이 코어측으로 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(61')이 중첩되지 않는 영역이나 빈 공간(빈틈)이 발생할 수 있다. 반면, D2가 10mm를 넘으면 권취 방향으로 무지부(43)의 평탄도를 균일하게 유지하면서 전극판을 제조하기 어렵다. 또한, 분절편(61')의 이격 피치(D3)는 0.05 내지 1mm의 범위에서 조절할 수 있다. D3이 0.05mm 미만이면, 분절편(61')이 절곡될 때 응력에 의해 절곡 지점(D4) 근처의 무지부(43)가 찢어질 수 있다. 반면, D3이 1mm를 초과하면 분절편(61')이 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(61')들이 서로 중첩되지 않는 영역이나 빈 공간(빈틈)이 발생할 수 있다.
권취 방향(X) 방향으로 인접하는 2개의 분절편(61') 사이에는 절단부(62)가 개재된다. 절단부(62)는 무지부(43)가 제거되면서 생긴 공간에 해당한다. 바람직하게, 절단부(62) 하단의 코너 부분은 라운드 형상(부분 확대 참조)을 가질 수 있다. 라운드 형상은 분절편(61')이 절곡될 때 응력을 완화시킬 수 있다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 복수의 분절편(61')은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 사다리꼴의 하부 내각(θ)이 증가할 수 있다. 전극 조립체(70)의 반경이 증가하면 곡률이 증가한다. 만약, 분절편(61')의 하부 내각(θ)이 전극 조립체의 반경이 증가함에 따라 함께 증가하면 분절편(61')이 절곡될 때 반경 방향 및 원주 방향으로 생기는 응력을 완화시킬 수 있다. 또한, 하부 내각(θ)이 증가하면, 분절편(61')이 절곡되었을 때 안쪽의 분절편(61')과 중첩되는 면적 및 중첩 레이어 수도 함께 증가함으로써 반경 방향 및 원주 방향에서 용접 강도를 균일하게 확보할 수 있고 절곡면를 평탄하게 형성할 수 있다.
일 예에서, 전극판(70)이 폼 팩터가 46800인 원통형 셀의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 전극 조립체(70)의 반경이 4mm부터 22mm까지 증가할 때 분절편(61')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. 선택적으로, 외주측 무지부(B3)의 분절 구조는 중간 무지부(B2)의 최외측에 있는 분절편 그룹과 실질적으로 동일할 수 있다.
구체적인 구현예에서, 전극판(70)이 폼팩터가 46800인 원통형 셀의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 코어측 무지부(B1)의 폭(dB1)은 180~350mm일 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. 외주측 무지부(B3)의 폭(dB3)은 코어측 무지부(B1)의 폭과 마찬가지로 180~350mm일 수 있다.
그룹1 내지 8의 폭이 일정한 증가 또는 감소 패턴을 보이지 않는 이유는, 분절편의 폭은 그룹1에서 그룹8로 갈수록 점차 증가하지만 그룹 내에 포함되는 분절편의 수는 정수 개로 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 원주 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 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 13을 참조하면, 전극판의 무지부(43a)는, 전극 조립체(100)의 코어에 인접한 코어측 무지부(B1), 전극 조립체(100)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 10의 h, 도 12의 h)을 기준으로 한 무지부(43a)의 높이에 해당한다.
따라서, 중간 무지부(B2)가 절곡되더라도 절곡 부위가 전극 조립체(100) 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 음극(또는 양극)측의 집전판과 전지 캔(또는 리벳 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
외주측 무지부(B3)의 높이는 중간 무지부(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 따라서, 전지 캔의 비딩부가 외주측 무지부(B3) 근처에서 가압되는 과정에서 비딩부와 외주측 무지부(B3)가 서로 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
일 변형예에서, 외주측 무지부(B3)의 높이는 도 13에 도시된 것과 달리 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다. 또한, 도 13에는, 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 전극판 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극판 구조를 가질 수 있다.
상부 무지부(43a)와 하부 무지부(43b)의 단부(101)는 전극 조립체(100)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 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 14를 참조하면, 전극 조립체(110)는 도 13의 전극 조립체(100)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.
전극 조립체(110)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(110) 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 음극(또는 양극)측의 집전 플레이트와 전지 캔(또는 리벳 단자) 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(110)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 전극판 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극판 구조를 가질 수 있다.
상부 무지부(43a)와 하부 무지부(43b)의 단부(111)는 전극 조립체(110)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 15는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(800)은 원통형 배터리 셀(10)이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(810)을 포함한다. 원통형 배터리 셀(10)은 상술한 실시예에 따른 배터리 셀이다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 배터리 셀(10)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
배터리 팩(800)은 자동차(900)에 탑재될 수 있다. 자동차(900)는 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차(900)는 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함한다.
도 16은 도 15의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(900)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(800)을 포함한다. 자동차(900)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(800)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (56)

  1. 쉬트 형상을 가진 제1 전극판 및 제2 전극판과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤-타입의 전극 조립체에 있어서, 상기 제1 전극판은 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 제1 무지부를 포함하고, 상기 제1 무지부는 상기 전극 조립체의 중심을 기준으로 복수의 권회 턴을 형성하면서 상기 분리막의 외부로 노출되어 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 수납되는 개방부와 이와는 반대측에 부분적인 폐쇄부를 가지며 상기 제2 전극판과 전기적으로 연결되는 전지 캔;
    상기 제1 전극판의 제1 무지부와 전기적으로 연결되며, 과전류가 흐르는 경우 끊어지는 퓨징부가 형성된 집전판; 및
    상기 전지 캔의 폐쇄부의 관통 홀을 통해 상기 집전판과 연결되는 셀 단자를 포함하는 원통형 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 단자의 바닥면에는 적어도 일부에 상기 전지 캔의 폐쇄부의 내부면과 평행한 평탄부가 형성되며, 상기 집전판은 상기 셀 단자의 평탄부와 결합되는 것을 특징을 하는 원통형 배터리 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 집전판은,
    상기 제1 무지부의 단부가 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 용접 타겟 영역을 구비하며,
    상기 집전판은 상기 용접 타겟 영역 내에서 상기 제1 무지부와 결합되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 집전판은,
    상기 전극 조립체의 상부에 배치되는 테두리부;
    상기 상기 테두리부로부터 내측으로 연장되며 상기 제1 무지부와 결합되는 무지부 결합부;
    상기 무지부 결합부로부터 이격되며 상기 셀 단자에 결합되는 단자 결합부; 및
    상기 테두리부로부터 내측으로 연장되어 상기 단자 결합부와 연결되고, 상기 퓨징부가 형성된 연결부를 포함하고,
    상기 퓨징부는 다른 영역에 비해 동일 전류가 흐르는 조건에서 큰 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 테두리부는,
    내측 영역의 적어도 일부가 비어 있는 림 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 무지부 결합부 및 상기 단자 결합부는 상기 테두리부에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단자 결합부는 상기 테두리부의 내측 공간의 중심부에 위치하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단자 결합부는 상기 전극 조립체의 코어에 존재하는 공동의 직경 대비 100% 내지 110%의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 퓨징부는 상기 연결부에 형성된 적어도 하나의 노칭홈인 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 노칭홈은 상기 연결부의 폭방향 단부, 상기 연결부의 상부면 또는 상기 연결부의 하부면에 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 노칭홈은 상기 연결부의 폭 또는 두께를 단계적 또는 연속적으로 감소시키는 방향으로 상기 연결부의 내측을 향해 인입 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 퓨징부의 최소 폭은 0.5mm 내지 4.0mm임을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 퓨징부는 상기 연결부에 형성된 적어도 하나의 관통공인 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 관통공은 최장 폭이 0.2mm 내지 6mm임을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  16. 제5항에 있어서,
    상기 퓨징부가 테이프에 의해 감싸여진 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 테이프는 폴리이미드(polyimide, PI) 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 퓨징부는 상기 전극 조립체의 중심으로부터 그 최대 반경의 40 내지 90%의 거리만큼 이격되도록 상기 연결부 상에 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제1 무지부의 적어도 일부 구간은,
    상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 복수의 분절편으로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 분절편 중 적어도 일부는,
    상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 복수의 분절편 중 적어도 일부는,
    상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 복수의 분절편 중 나머지는 비절곡되어 있으며,
    상기 퓨징부는 상기 복수의 분절편 중 비절곡된 분절편으로부터 벗어나서 상기 복수의 분절편 중 절곡된 분절편의 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 복수의 분절편 중 나머지는 커팅되어 있으며,
    상기 퓨징부는 상기 복수의 분절편 중 커팅된 분절편으로부터 벗어나서 상기 복수의 분절편 중 절곡된 분절편의 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  24. 제5항에 있어서,
    상기 집전판의 상기 단자 결합부의 일 면 상에 형성되는 용접 비드에 의해 그려지는 용접 패턴은, 상기 셀 단자의 바닥면의 중심부를 둘러싸는 형태로 그려지는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 용접 패턴은,
    연속적 또는 불연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  26. 제5항에 있어서,
    상기 집전판의 상기 단자 결합부와 상기 셀 단자의 바닥면 사이에 형성되는 용접부의 인장력은 2kgf 이상인 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 집전판의 상기 단자 결합부의 일 면 상에 형성되는 용접 비드에 의해 그려지는 용접 패턴의 환산 직경은 2mm 이상인 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 전지 캔의 상기 개방부를 밀폐하도록 구성되는 캡 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는 상기 전극 조립체로부터 전기적으로 분리되어 비극성으로 마련되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 폐쇄부에는 관통 홀이 형성되며,
    상기 셀 단자는 상기 관통 홀에 결합되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 폐쇄부와 상기 집전판 사이에 개재되는 인슐레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 인슐레이터는 절연 폴리머 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  33. 제31항에 있어서,
    상기 인슐레이터는 탄성을 갖는 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  34. 제31항에 있어서,
    상기 인슐레이터는 중심부에 미리 설정된 직경을 갖는 중심 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  35. 제31항에 있어서,
    상기 인슐레이터는 상기 전지 캔의 폐쇄부의 내부면과 상기 집전판 사이의 거리와 대응되는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  36. 제31항에 있어서,
    상기 인슐레이터의 상부면은 상기 전지 캔의 폐쇄부의 내부면에 접촉하고, 상기 인슐레이터의 하부면은 상기 집전판의 상부면에 접촉하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  37. 제34항에 있어서,
    상기 셀 단자는 단자 삽입부를 구비하며,
    상기 단자 삽입부는 상기 관통 홀을 통해 전지 캔 내로 삽입되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 셀 단자는 상기 단자 삽입부의 하부 가장자리 부분이 상기 전지 캔 상단부의 내측면을 향해 리벳팅되면서 상기 관통 홀에 고정되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  39. 제37항에 있어서,
    상기 인슐레이터의 상기 중심 홀의 직경은 상기 단자 삽입부의 직경보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  40. 제37항에 있어서,
    상기 셀 단자의 단자 삽입부는 상기 인슐레이터의 상기 중심 홀을 관통하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  41. 제37항에 있어서,
    상기 셀 단자의 단자 삽입부는 상기 인슐레이터의 상기 중심 홀을 관통하여, 상기 집전판과 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  42. 제28항에 있어서,
    상기 캡 플레이트의 가장자리와 상기 전지 캔의 상기 개방부 사이에 개재된 밀봉 가스켓을 포함하고,
    상기 전지 캔은 상기 개방부에 인접한 영역에 상기 전지 캔의 내측으로 압입된 비딩부를 포함하며,
    상기 전지 캔은 상기 전지 캔의 내측으로 연장 및 절곡되어 상기 밀봉 가스켓과 함께 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸서 고정하는 클림핑부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 클림핑부는 상기 전지 캔의 배치 상태를 기준으로 상기 전지 캔의 하부에 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  44. 제28항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는 상기 전지 캔 내부의 압력이 임계치를 초과했을 때 파열되는 벤트 노치를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 벤트 노치는 상기 캡 플레이트의 양면에 형성되며, 상기 캡 플레이트의 표면에서 연속적 원형 패턴, 불연속적인 원형 패턴 및 직선 패턴 중 적어도 하나의 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  46. 제44항에 있어서,
    상기 벤트 노치는 상기 전지 캔의 배치 상태를 기준으로 상기 전지 캔의 하부에 형성되며, 상기 벤트 노치가 파열되었을 때 상기 전지 캔 내부의 가스가 상기 전지 캔의 하부를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  47. 제42항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 하부에 결합되는 하부 집전판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 하부 집전판은, 가장자리의 적어도 일부가 상기 비딩부 상에 전기적으로 결합되고, 상기 가장자리를 제외한 나머지 부분의 적어도 일부가 상기 제2 전극판의 제2 무지부와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 하부 집전판은, 가장자리의 적어도 일부가 상기 비딩부의 상면 및 하면 중 상기 클림핑부에 인접한 면에 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  50. 제49항에 있어서,
    상기 하부 집전판과 상기 비딩부는 서로 레이저 용접되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  51. 제1항 내지 제50항 중 어느 한 항에 따른 원통형 배터리 셀을 적어도 하나 포함하는 배터리 팩.
  52. 제51항에 따른 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 자동차.
  53. 원통형 배터리 셀의 전지 캔 폐쇄부 상의 셀 단자 및 전극 조립체를 전기적으로 연결하는 집전판으로서,
    테두리부;
    상기 테두리부로부터 내측으로 연장되며 상기 전극 조립체의 무지부와 결합되는 무지부 결합부;
    상기 무지부 결합부와 공간을 사이에 두고 이격되어 위치하는 단자 결합부;
    상기 테두리부로부터 내측으로 연장되어 상기 단자 결합부와 연결되는 연결부; 및
    상기 연결부 상에 형성되고, 다른 영역에 비해 동일 전류의 인가 하에 큰 저항을 갖는 퓨징부를 포함하는 집전판.
  54. 제53항에 있어서,
    상기 테두리부는 내측에 공간을 갖는 림 형태를 가지며,
    상기 무지부 결합부 및 단자 결합부는 상기 테두리부의 내측 공간에 형성되는 집전판.
  55. 제53항에 있어서,
    상기 무지부 결합부 및 상기 단자 결합부는 상기 테두리부 및 상기 연결부에 의해 전기적으로 연결되는 집전판.
  56. 제53항에 있어서,
    상기 단자 결합부는 상기 테두리부의 내측 공간의 중심부에 위치하는 집전판.
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