KR20230070167A - 분리막, 전극 조립체, 원통형 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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Abstract

분리막으로서, 상기 분리막은 다공성 고분자 기재; 및 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 형성되며, 바인더 고분자 및 무기물 입자를 포함하는 다공성 코팅층;을 포함하며, 상기 분리막의 최외측의 횡방향(TD, Transverse Direction) 양 단부에 절연코팅층을 각각 구비하고, 상기 절연코팅층이 절연코팅층용 필러 및 절연코팅층용 바인더를 포함하는 다공성 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 분리막이 제시된다.

Description

분리막, 전극 조립체, 원통형 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 {Separator, electrode assembly, cylindrical battery cell, and battery pack and vehicle including the same}
본 발명은 분리막, 전극 조립체, 원통형 배터리 셀, 및 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) 또는 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 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V 내지 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 단위 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 전지 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 상기 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극 탭이 연결될 수 있으며, 전극 탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적으로 연결시킨다. 참고로, 양극 전극 단자는 전지 캔의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡 플레이트이고, 음극 전극 단자는 전지 캔이다. 그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 원통형 배터리 셀에 의하면, 양극 무지부 및/또는 음극 무지부와 결합되는 스트립 형태의 전극 탭에 전류가 집중되기 때문에 저항이 크고 열이 많이 발생하며 집전 효율이 좋지 않다는 문제점이 있었다.
18650이나 21700의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 배터리 셀은 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 배터리 셀을 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 원통형 배터리 셀이 발화하는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 젤리롤 타입의 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하도록 설계하고, 이러한 무지부에 집전 플레이트를 용접시켜 집전 효율이 개선된 구조를 갖는 원통형 배터리 셀(소위 탭-리스(Tab-less) 원통형 배터리 셀)이 제시되었다.
도 4 내지 도 6은 탭-리스 원통형 배터리 셀의 제조 과정을 보여주는 도면이다. 도 4는 전극판의 구조를 나타내고, 도 5는 전극판의 권취 공정을 나타내고, 도 6은 무지부의 절곡면에 집전 플레이트가 용접되는 공정을 나타낸다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 양극판(10)과 음극판(11)은 쉬트 모양의 집전체(20)에 활물질(21)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향(X)을 따라 한쪽 장변 측에 무지부(22)를 포함한다.
전극 조립체(A)는 양극판(10)과 음극판(11)을 도 2에 도시된 것처럼 2장의 분리막(12)과 함께 순차적으로 적층시킨 후 일방향(X)으로 권취시켜 제작한다. 이 때, 양극판(10)과 음극판(11)의 무지부는 서로 반대 방향으로 배치된다.
권취 공정 이후, 양극판(10)의 무지부(10a)과 음극판(11)의 무지부(11a)는 코어측으로 절곡된다. 그 이후에는, 무지부(10a,11a)에 집전 플레이트(30, 31)를 각각 용접시켜 결합시킨다.
양극 무지부(10a)와 음극 무지부(11a)에는 별도의 전극 탭이 결합되어 있지 않으며, 집전 플레이트(30, 31)가 외부의 전극 단자와 연결되며, 전류 패스가 전극 조립체(A)의 권취 축 방향(화살표 참조)을 따라 큰 단면적으로 형성되므로 배터리 셀의 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반비례하기 때문이다.
탭-리스 원통형 배터리 셀에서, 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 전극판과 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 배터리 셀은 전극 조립체(A)의 상부에 전체적으로 양극 무지부(10a)가 형성되어 있다. 따라서, 전지 캔 상단의 외주면을 내부로 압입하여 비딩부를 형성할 때, 전극 조립체(A)의 상단 가장자리 영역(34)이 전지 캔에 의한 압박을 받게 된다. 이러한 압박은, 전극 조립체(A)의 부분적인 변형을 발생시킬 수 있으며, 이 때 분리막(12)이 찢어지면서 내부 단락이 발생할 수 있다. 전지 내부에서 단락이 발생하면, 전지의 발열이나 폭발이 초래될 수 있다.
종래의 분리막은 다공성 고분자 기재의 열수축 특성을 개선하기 위하여 무기물 입자를 포함하는 코팅층을 도입하였으나, 이때 다공성 고분자 기재의 일측에만 코팅층을 도입하는 단면 무기물 코팅 분리막이었다. 이러한 무기물 코팅 분리막은 젤리롤(J/R)내 전극 대면 시 한쪽이 원단, 다른 한쪽이 무기물(ceramic) 코팅층 이므로 전해액에 대한 함침 특성이 비대칭인 현상이 발생하였다. 이러한 전해액 함침 비대칭으로 양, 음극 설계시 분리막에 맞춰야 하는 관리상의 문제가 있었고, 젤리롤에 전해액을 함침 시 가압/진공 조건을 상향하여야 하므로 비용 상승의 문제가 있었으며, 적절한 함침 공정의 적용 없을시 성능이 저하하는 문제도 발생하였다.
또한, 종래의 단면 무기물 코팅 분리막은 분리막 한쪽 원단 노출되어 내열특성 한계 있음에 따라, 130℃ 이상의 고온에서 수축 폭이 커서 큰 문제가 있었다. 그 결과, 열 충격(130℃이상) 시 분리막 수축에 의한 내부 전극 단락이 유발되고, 이상반응(과충전, 외부단락)으로 셀 내부 온도 상승 시 발화 위험이 증가하였다.
또한, 분리막의 다공성 고분자 기재에 무기물 코팅층을 도입하여도 여전히 고온 조건에서 분리막의 열수축(shrinkage) 현상이 발생하여 양극과 음극간의 단략의 문제가 발생하고 있다. 또한, 미 노칭의 젤리롤의 경우 조립 후 집전체인 호일 접힘 등으로 내, 외부 폐쇄적인 구조 형성하여 주액 시 전해액이 젤리롤속 전극으로의 이동에 간섭 발생하며, 균일하지 않은 전해액 함침 특성을 보였다. 이는 전해액 함침 시 균일하지 않은 전해액 함침 경로(path) 발생에 기인한 것으로 파악되었다. 그에 따라, 함침 균일성 감소로 전지 간 편차가 증가하여 불안정한 고체전해질계면(SEI)층이 형성되고, 저항 산포가 증가하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 배경하에서 창안된 것으로서, 열수축율이 개선된 분리막을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 배경하에서 창안된 것으로서, 전해액 함침 특성이 개선된 전극 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는 전극 조립체의 양단에 노출된 무지부를 절곡시킬 때 무지부에 가해지는 응력 스트레스를 완화할 수 있도록 개선된 무지부 구조를 가진 전극 조립체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 무지부가 절곡되더라도 전해액 주입 통로가 폐색되지 않은 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 전지 캔의 상단이 비딩될 때 전극 조립체의 상단 가장자리와 전지 캔의 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 배터리 셀과 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 하기 구현예의 분리막이 제공된다.
본 발명의 제1 구현예에 따르면,
분리막으로서, 상기 분리막은 다공성 고분자 기재; 및 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 형성되며, 바인더 고분자 및 무기물 입자를 포함하는 다공성 코팅층;을 포함하며,
상기 분리막의 최외측의 횡방향(TD, Transverse Direction) 양 단부에 절연코팅층을 각각 구비하고,
상기 절연코팅층이 절연코팅층용 필러 및 절연코팅층용 바인더를 포함하는 다공성 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 분리막이 제공된다.
본 발명의 제2 구현예에 따르면, 제1 구현예에 있어서,
상기 절연코팅층 1개의 폭이 상기 분리막의 폭 방향 총 길이의 0.1 내지 10%일 수 있다.
본 발명의 제3 구현예에 따르면, 제1 구현예 또는 제2 구현예에 있어서,
상기 절연코팅층용 필러의 평균 입경이 상기 무기 필러의 평균 입경의 10 내지 90%일 수 있다.
본 발명의 제4 구현예에 따르면, 제1 구현예 내지 제3 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 절연코팅층의 수직 단면 형상이 사각형, 사다리꼴, 삼각형, 평형사변형, 반원형 또는 반타원형의 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 제5 구현예에 따르면,
쉬트 형상을 가진 제1전극판 및 제2전극판과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체에 있어서,
상기 분리막이 제1 구현예 내지 제4 구현예 중 어느 한 구현예의 분리막인 것을 특징으로 하는 전극 조립체가 제공된다.
본 발명의 제6 구현에 따르면,
양극판, 음극판, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가지는 젤리-롤 타입의 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되는 전지 캔; 및 상기 전지 캔의 개방 단부를 밀봉하는 밀봉체를 포함하고,
상기 분리막이 제1 구현예 내지 제4 구현예 중 어느 한 구현예의 분리막인 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀이 제공된다.
본 발명의 제7 구현예에 따르면, 제6 구현예에 있어서,
상기 원통형 배터리 셀은 폼 팩터의 비가 0.4 이상일 수 있다.
본 발명의 제8 구현예에 따르면, 제6 구현예 또는 제7 구현예에 있어서,
상기 원통형 배터리 셀은 46110 셀, 48750 셀, 48110 셀, 48800 셀 또는 46800 셀일 수 있다.
본 발명의 제9 구현예에 따르면, 제6 구현예 내지 제8 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 원통형 배터리 셀은 전극 탭을 포함하지 않는 탭-리스(Tab-less) 구조의 전지일 수 있다.
본 발명의 제10 구현예에 따르면, 제6 구현예 내지 제9 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 양극판 및 음극판은 각각 활물질층이 형성되지 않은 무지부를 포함하고, 상기 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극판 무지부 및 음극판 무지부가 위치하고, 상기 양극판 무지부 및 음극판 무지부에 집전 플레이트가 결합되어 있고, 상기 집전 플레이트가 전극 단자와 연결될 수 있다.
본 발명의 제11 구현예에 따르면,
쉬트 형상을 가진 제1전극판 및 제2전극판과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체에 있어서,
상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 중 적어도 하나는 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부를 포함하고,
상기 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되고,
상기 무지부는, 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 작고,
상기 중간 무지부의 적어도 일부 구간은 복수의 분절편으로 분할되어 있고,
상기 분리막은 제1 구현예 내지 제4 구현예 중 어느 한 구현예에 따른 분리막인 것을 특징으로 하는 전극 조립체가 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따른 전극 조립체는, 쉬트 형상을 가진 제1전극판 및 제2전극판과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체로서, 상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 중 적어도 하나는 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부를 포함한다.
바람직하게, 상기 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용될 수 있다. 또한, 상기 무지부는, 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 포함한다.
바람직하게, 상기 코어측 무지부와 상기 외주측 무지부 중 적어도 하나는 상기 중간 무지부보다 권취 축 방향의 높이가 상대적으로 작을 수 있다.
본 발명의 제12 구현예에 따르면, 제11 구현예에 있어서,
상기 중간 무지부의 적어도 일부 구간은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 권취 축 방향의 높이가 단계적으로 증가할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 중간 무지부의 적어도 일부 구간은 복수의 분절편으로 분할되어 있을 수 있다.
본 발명의 제13 구현예에 따르면, 제11 구현예 또는 제12 구현예에 있어서,
상기 복수의 분절편 각각은 사각형, 사다리꼴, 삼각형, 평형사변형, 반원형 또는 반타원형의 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 제14 구현예에 따르면, 제11 구현예 내지 제13 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 복수의 분절편 각각은 사다리꼴이고, 상기 복수의 분절편은 개별적으로 또는 그룹별로 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 사다리꼴의 하부 내각이 증가할 수 있다.
본 발명의 제15 구현예에 따르면, 제11 구현예 내지 제14 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 복수의 분절편의 권취 축 방향의 높이 및 권취 방향의 폭 중 적어도 하나는 개별적으로 또는 그룹별로 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 증가할 수 있다.
본 발명의 제16 구현예에 따르면, 제11 구현예 내지 제15 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 복수의 분절편 각각은, 권취 방향에서 1 내지 6mm의 폭 조건; 권취 축 방향에서 2 내지 10mm의 높이 조건; 및 권취 방향에서 0.05 내지 1mm의 이격 피치 조건 중에서 적어도 하나 이상의 조건을 충족할 수 있다.
본 발명의 제17 구현예에 따르면, 제11 구현예 내지 제16 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 분절편의 절단 라인 하단과 상기 활물질층 사이에 갭이 존재할 수 있다.
본 발명의 제18 구현예에 따르면, 제17 구현예에 있어서,
상기 갭은 0.2 내지 4mm일 수 있다.
본 발명의 제19 구현예에 따르면, 제11 구현예 내지 제18 구현예 중 어느 한 구현예에 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 동일할 수 있다.
본 발명의 제20 구현예에 따르면, 제11 구현예 내지 제19 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 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.
본 발명의 제21 구현예에 따르면, 제19 구현예 또는 제20 구현예에 있어서,
상기 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.
본 발명의 제22 구현예에 따르면, 제19 구현예 내지 제21 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 복수의 분절편 그룹 중에서 적어도 일부는 전극 조립체의 동일한 권회턴에 배치될 수 있다.
본 발명의 제23 구현예에 따르면, 제11 구현예 내지 제22 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 코어측 무지부는 무지부의 분절구조가 없을 수 있다.
본 발명의 제24 구현예에 따르면, 제11 구현예 내지 제23 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 외주측 무지부는 무지부의 분절구조가 없을 수 있다.
본 발명의 제25 구현예에 따르면, 제11 구현예 내지 제24 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 복수의 분절편은 코어측으로 절곡되면서 여러 겹으로 중첩될 수 있다.
본 발명의 제26 구현예에 따르면, 제25 구현예에 있어서,
상기 전극 조립체의 코어에 공동이 구비되고, 상기 공동은 상기 코어측으로 절곡된 복수의 분절편에 의해 폐색되지 않을 수 있다.
본 발명의 제27 구현예에 따르면, 제26 구현예에 있어서,
상기 코어측 무지부의 반경 방향 길이(R)와 상기 중간 무지부의 최내측 분절편의 절곡 길이(H)는 관계식 H≤R을 만족할 수 있다.
본 발명의 제28 구현예에 따르면, 제11 구현예 내지 제27 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 외주측 무지부는 코어측으로부터 외주측으로 가면서 높이가 단계적 또는 점진적으로 감소할 수 있다.
본 발명의 제29 구현예에 따르면, 제11 구현예 내지 제28 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 외주측 무지부는 복수의 분절편으로 분할되어 있고, 상기 외주측 무지부에 포함된 복수의 분절편은 상기 중간 무지부에 포함된 복수의 분절편보다 권취 방향의 폭, 권취 축 방향의 높이 및 권취 방향의 이격 피치 중 적어도 하나 이상이 더 클 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 제30 구현예에 따르면,
쉬트 형상을 가진 제1전극판 및 제2전극판과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체;
상기 전극 조립체가 수납되며, 상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 중 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 띠는 전지 캔;
상기 전지 캔의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 및
상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 중 다른 하나와 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 제2극성을 띠는 단자를 포함하고,
상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 중 적어도 하나는 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부를 포함하고,
상기 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되고,
상기 무지부는, 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 작고,
상기 중간 무지부의 적어도 일부 구간은 복수의 분절편으로 분할되어 있고,
상기 분리막은 제1 구현예 내지 제4 구현예 중 어느 한 구현예의 분리막인 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀이 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따른 원통형 배터리 셀은, 쉬트 형상을 가진 제1전극판 및 제2전극판과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되며, 상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 중 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 띠는 전지 캔; 상기 전지 캔의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 및 상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 중 다른 하나와 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 제2극성을 띠는 단자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 중 적어도 하나는 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되고, 상기 무지부는, 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 작을 수 있다.
본 발명의 제31 구현예에 따르면, 제30 구현예에 있어서,
상기 외주측 무지부는 상기 중간 무지부보다 권취 축 방향의 높이가 상대적으로 작고, 상기 전지 캔은 개방단에 인접한 단부에 내측을 향해 압입된 비딩부를 구비하고, 상기 전극 조립체의 상부 가장자리와 대향하는 상기 비딩부의 내주면과 상기 외주측 무지부는 소정 간격 이격되어 있을 수 있다.
본 발명의 제32 구현예에 따르면, 제30 구현예 또는 제31 구현예에 있어서,
상기 비딩부의 압입 깊이(D1)와 상기 전지 캔의 내주면으로부터 상기 외주측 무지부와 상기 중간 무지부의 경계 지점까지의 거리(D2)는 관계식 D1≤D2을 만족할 수 있다.
본 발명의 제33 구현예에 따르면, 제30 구현예 내지 제32 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 중간 무지부와 전기적으로 결합된 집전 플레이트; 및 상기 집전 플레이트를 커버하며, 가장자리가 상기 비딩부의 내주면과 상기 집전 플레이트 사이에 개재되어 고정된 인슐레이터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제34 구현예에 따르면, 제33 구현예에 있어서,
상기 집전 플레이트 및 상기 중간 무지부의 최외측 지름은 상기 비딩부 내주면의 최소 내경보다 작고, 상기 집전 플레이트의 지름은 상기 중간 무지부의 최외측 지름보다 같거나 더 클 수 있다.
본 발명의 제35 구현예에 따르면, 제33 구현예 또는 제34 구현예에 있어서,
상기 집전 플레이트는, 상기 비딩부보다 더 높게 위치할 수 있다.
본 발명의 제36 구현예에 따르면, 제30 구현예 내지 제35 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 중간 무지부의 적어도 일부 구간은 외주측으로부터 코어측으로 절곡되어 있고, 상기 전극 조립체의 코어에는 공동이 구비되고, 상기 공동은 상기 중간 무지부의 절곡 구조에 의해 폐색되지 않을 수 있다.
본 발명의 제37 구현예에 따르면, 제36 구현예에 있어서,
상기 중간 무지부는 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 분절된 복수의 분절편을 포함하고, 상기 복수의 분절편은 상기 외주측으로부터 상기 코어측으로 절곡되고, 상기 코어측 무지부의 반경 방향의 길이(R)와 상기 중간 무지부의 최내측에 위치한 분절편의 절곡 길이(H)는 관계식 H≤R을 만족할 수 있다.
본 발명의 제38 구현예에 따르면, 제37 구현예에 있어서,
상기 복수의 분절편 각각은 사각형, 사다리꼴, 삼각형, 평형사변형, 반원형 또는 반타원형의 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 제39 구현예에 따르면, 제37 구현예 또는 제38 구현예에 있어서,
상기 복수의 분절편 각각은 권취 방향에서 1 내지 6mm의 폭 조건; 권취 축 방향에서 2 내지 10mm의 높이 조건; 및 권취 방향에서 0.05 내지 1mm의 이격 피치 조건 중 적어도 하나 이상의 조건을 충족할 수 있다.
본 발명의 제40 구현예에 따르면, 제30 구현예 내지 제39 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 분절편의 절단 라인 하단과 상기 활물질층 사이에 갭이 구비될 수 있다.
본 발명의 제41 구현예에 따르면, 제40 구현예에 있어서,
상기 갭은 0.2 내지 4mm일 수 있다.
본 발명의 제42 구현예에 따르면, 제37 구현예 내지 제41 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 복수의 분절편은 복수의 그룹을 구성하고, 각 그룹에 속한 분절편들은 권취 방향의 폭, 권취 축 방향의 높이 및 권취 방향의 이격 피치 중에서 적어도 하나 이상이 동일하고, 상기 복수의 그룹 중 적어도 하나는 상기 전극 조립체의 동일한 권취 턴을 구성할 수 있다.
본 발명의 제43 구현예에 따르면, 제37 구현예 내지 제42 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 전극 조립체의 반경 방향에서 연속해서 인접하는 3개의 분절편 그룹에 대한 권취 방향의 폭을 각각 W1, W2 및 W3이라고 했을 때 W2/W1 보다 W3/W2가 작은 분절편 그룹의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 제44 구현예에 따르면, 제37 구현예 내지 제43 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 밀봉체는, 상기 전지 캔의 개방단을 밀폐하는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸며 상기 전지 캔의 상단부에 클림핑된 가스켓을 포함하며, 상기 제2극성을 띠는 단자는 상기 캡 플레이트일 수 있다.
본 발명의 제45 구현예에 따르면, 제37 구현예 내지 제44 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 제1극성을 띠는 제2전극판의 무지부와 전기적으로 연결되고 상기 전지 캔의 측벽에 가장자리의 적어도 일부가 결합된 집전 플레이트를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 밀봉체는, 극성이 없는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸며 상기 전지 캔의 상단부에 클림핑되는 가스켓을 포함하고, 상기 전지 캔은 폐쇄면의 중앙부에 형성된 관통 홀에 절연 가능하게 설치되고 상기 제1전극판과 전기적으로 연결되어 상기 제2극성을 띠는 리벳 단자를 포함할 수 있다.
본 발명의 제46 구현예에 따르면, 제30 구현예 내지 제45 구현예 중 어느 한 구현예의 원통형 배터리 셀을 적어도 하나 포함하는 배터리 팩이 제공된다.
본 발명의 제47 구현예에 따르면, 제46 구현예의 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 자동차가 제공된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 무기물 입자와 바인더 고분자를 구비하는 다공성 코팅층을 구비하는 분리막에서 상기 분리막의 최외측의 횡방향 양 단부에 절연코팅층을 각각 구비함으로써, 분리막의 내열성 및 내압축성을 개선하여 배터리 셀 내부의 단락 현상을 방지하고, 배터리 셀 내의 전극에의 전해액 함침성을 개선하고, 배터리 셀의 안정성을 강화할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전극 조립체의 상부 및 하부에 돌출된 무지부 자체를 전극 탭으로서 사용함으로써 배터리 셀의 내부 저항을 감소시키고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 전지 캔의 비딩부 형성 과정에서 전극 조립체와 전지 캔의 내주면이 간섭을 일으키지 않도록 함으로써 전극 조립체의 부분적 변형에 따른 원통형 배터리 셀 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 전지 캔과 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 셀, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시예에서 설명하거나, 통상의 기술자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막의 제조 단계를 나타낸 개략도이다.
도 4은 종래의 탭-리스 원통형 배터리 셀의 제조에 사용되는 전극판의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 5는 종래의 탭-리스 원통형 배터리 셀의 전극판 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 6은 종래의 탭-리스 원통형 배터리 셀에 있어서 무지부의 절곡면에 집전 플레이트가 용접되는 공정을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 전극판의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 8는 본 발명의 제2실시예에 따른 전극판의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 9은 본 발명의 제3실시예에 따른 전극판의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 10a는 본 발명의 제 4실시예에 따른 전극판의 구조를 나타낸 평면도이며, 도 10b 및 도 10c는 분절편 부분을 더욱 구체적으로 나타낸 확대도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 12a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 전극판의 구조를 나타낸 평면도이며, 도 12b 및 도 12c는 분절편 부분을 더욱 구체적으로 나타낸 확대도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 14은 제1실시예의 전극판을 제1전극판(양극판) 및 제2전극판(음극판)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 15는 제2실시예의 전극판을 제1전극판(양극판) 및 제2전극판(음극판)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 16은 제3실시예 내지 제5실시예(이들의 변형예들)의 전극판들 중 어느 하나를 제1전극판(양극판) 및 제2전극판(음극판)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 17는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 18는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 19은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 24은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 27는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 28는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 29은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 31은 실시예 1과 비교예 1의 분리막의 압축 특성을 나타낸 그래프이다.
도 32는 실시예 1과 비교예 1의 분리막을 구비한 원통형 배터리 셀의 저항 특성을 나타낸 그래프이다.
도 33은 실시예 1과 비교예 1의 분리막을 구비한 원통형 배터리 셀의 양극 및 음극의 전해액 함침량(함침성) 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 34는 실시예 1 및 비교예 1의 전극 조립체에서 함침 시료를 채취한 각 위치를 표시한 것이다.
도 35는 실시예 1과 비교예 1의 분리막을 구비한 원통형 배터리 셀의 전압 및 온도 특성을 나타낸 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 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.
본 발명의 일 측면에 따르면,
분리막으로서,
상기 분리막은 다공성 고분자 기재; 및 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 형성되며, 바인더 고분자 및 무기물 입자를 포함하는 다공성 코팅층;을 포함하며,
상기 분리막의 최외측의 횡방향(TD, Transverse Direction) 양 단부에 절연코팅층을 각각 구비하고,
상기 절연코팅층이 절연코팅층용 필러 및 절연코팅층용 바인더를 포함하는 다공성 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 분리막가 제공된다.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막을 도시한다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막은 다공성 고분자 기재(1)의 일면에 다공성 코팅층(2)을 구비하고, 상기 분리막의 최외측의 양단부에 각각 절연코팅층(3)을 구비한다. 이때, 상기 분리막의 다공성 기재의 일면에만 다공성 코팅층을 구비한 경우에는 분리막의 최외측은 (다공성 코팅층이 형성되지 않은) 다공성 고분자 기재의 일측과, 다공성 코팅층이 해당된다.
또한, 상기 분리막의 다공성 기재의 양면에 다공성 코팅층을 각각 구비한 경우에는 분리막의 최외측은 양측의 다공성 코팅층이 되고, 양측의 다공성 코팅층의 횡방향의 양단부에 각각 절연코팅층이 구비될 수 있다.
상기 다공성 고분자 기재는 폴리올레핀계 다공성 기재일 수 있다.
상기 폴리올레핀 다공성 기재는 필름(film) 또는 부직웹(non-woven web) 형태일 수 있다. 이와 같이 다공성 구조를 가짐으로써 양극과 음극 간의 전해액 이동이 원활하게 이루어질 수 있게 되고, 기재 자체의 전해액 함침성도 증가하게 되어 우수한 이온 전도성이 확보될 수 있으며, 전기화학소자 내부의 저항증가가 방지되어 전기화학소자의 성능저하가 방지될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 폴리올레핀 다공성 기재는 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 평면상의 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하며, 그 재질이나 형태는 목적하는 바에 따라 다양하게 선택할 수 있다.
폴리올레핀 다공성 기재는 비제한적으로 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 도는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성된 필름(film) 혹은 부직웹(non-woven web)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리올레핀 다공성 기재는 8 내지 30 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이는 단지 예시일 뿐 기계적인 물성이나 전지의 고율 충방전 특성을 고려하여 상기 범위를 벗어난 두께도 채택가능하다.
본 발명에 따른 부직포 시트는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 부직포 시트는 섬유 방사에 의해 제조된 것일 수 있다. 예컨대, 멜트 블로운(melt blown) 방법을 사용하여, 상기 소재의 섬유를 융점 이상에서 섬유 방사 형태로 만들어서 혼방 방사하여 제조된 것일 수 있다.
상기 부직포 시트는 200 내지 400 %, 보다 바람직하게는 300 내지 400 %의 연신율을 가질 수 있다. 상기 연신율이 200% 미만인 경우에는 못 관통시 전극과 전극 사이에 접촉할 확률이 증가하게 되고, 400 %보다 큰 경우에는 못 관통 주변 부위도 연신하게 되어 분리막이 얇아져서 barrier성(차단성)이 감소하게 된다.
상기 부직포 시트에는 0.1 내지 10 ㎛의 평균 직경을 갖는 기공이 복수개 형성되어 있다. 기공의 크기가 0.1 ㎛ 보다 작은 경우에는 리튬 이온 및/또는 전해액의 원활한 이동이 이루어지지 않을 수 있고, 기공의 크기가 10 ㎛ 보다 큰 경우에는 못 관통시에 부직포 시트의 연신에 의해 양극과 음극의 접촉을 방지하려는 본 발명의 효과가 달성되지 않을 수 있다.
또한, 상기 부직포 시트는 40 내지 70 %의 공극률을 가질 수 있다. 공극률이 40 % 미만인 경우에는 리튬 이온 및/또는 전해액의 원활한 이동이 이루어지지 않을 수 있고, 공극률이 70 %보다 큰 경우에는 못 관통시에 부직포 시트의 연신에 의해 양극과 음극의 접촉을 방지하려는 본 발명의 효과가 달성되지 않을 수 있다. 이와 같이 제조된 부직포 시트는 1 내지 20초/100 mL 의 통기도를 가질 수 있다.
또한, 상기 부직포 시트는 10 내지 20 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이는 단지 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다. 부직포 시트의 투과성에 따라 상기 범위를 벗어난 두께의 부직포 시트도 채택이 가능하다.
상기 부직포 시트는 라미네이션에 의해, 부직포 시트 아래에 놓인 분리막 구성요소에 결합될 수 있다. 상기 라미네이션은 100 내지 150 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있는데, 100 ℃ 보다 낮은 온도에서 라미네이션이 수행되는 경우에는 라미네이션 효과가 발생하지 않게 되고, 150 ℃ 보다 높은 온도에서 라미네이션이 수행되는 경우에는 부직포의 일부가 녹게 된다.
상기와 같은 조건하에 라미네이션 결합된, 본 발명의 일 양태에 따른 분리막은, 종래 부직포 시트로 이루어진 분리막과 비교할 때, 또한, 필름이나 부직포 시트의 적어도 일면에 무기물 입자를 포함하는 층이 형성되어 있는 분리막과 비교할 때 못 관통성에 대하여 향상된 저항성을 갖게 된다.
상기 다공성 코팅층에서 무기물 입자들은 서로 충전되어 접촉된 상태에서 상기 바인더 고분자에 의해 서로 결착될 수 있고, 이로 인해 무기물 입자들 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 형성되어 상기 무기물 입자들 사이의 인터스티셜 볼륨은 빈 공간이 되어 기공을 형성할 수 있다.
상기 다공성 코팅층 형성에 사용되는 무기물 입자로는 무기물 입자, 즉 전기화학소자의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 무기물 입자들을 더 첨가하여 사용할 수 있다. 특히, 이온 전달능력이 있는 무기물 입자를 사용하는 경우 전기화학소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있다. 또한, 무기물 입자로서 유전율이 높은 무기물 입자를 사용하는 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 유전율 상수가 5 이상, 바람직하게는 10 이상인 고유전율 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 또는 이들의 혼합체를 포함하는 것이 바람직하다.
유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자의 비제한적인 예로는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT), PB(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiC 또는 이들의 혼합체 등이 있다.
특히, 전술한 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT), PB(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT) 및 하프니아(HfO2)와 같은 무기물 입자들은 유전율 상수 100 이상인 고유전율 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 일정 압력을 인가하여 인장 또는 압축되는 경우 전하가 발생하여 양쪽 면 간에 전위차가 발생하는 압전성(piezoelectricity)을 가짐으로써, 외부 충격에 의한 양(兩) 전극의 내부 단락 발생을 방지하여 전기화학소자의 안전성 향상을 도모할 수 있다. 또한, 전술한 고유전율 무기물 입자와 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자들을 혼용할 경우 이들의 상승 효과는 배가될 수 있다.
리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬 원소를 함유하되 리튬을 저장하지 아니하고 리튬 이온을 이동시키는 기능을 갖는 무기물 입자를 지칭한다. 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 입자 구조 내부에 존재하는 일종의 결함(defect)으로 인해 리튬 이온을 전달 및 이동시킬 수 있기 때문에, 전지내 리튬 이온 전도도가 향상되고, 이로 인해 전지 성능 향상을 도모할 수 있다. 상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 비제한적인 예로는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0<x<2, 0<y<3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 1, 0 < z < 3), 14Li2O-9Al2O3-38TiO2-39P2O5 등과 같은 (LiAlTiP)xOy 계열 glass (0 < x < 4, 0 < y < 13), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0< x < 2, 0 < y < 3), Li3.25Ge0.25P0.75S4 등과 같은 리튬게르마니움티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0 < x < 4, 0 < y <1, 0 < z < 1, 0 < w < 5), Li3N 등과 같은 리튬나이트라이드(LixNy, 0 < x < 4, 0 < y < 2), Li3PO4-Li2S-SiS2 등과 같은 SiS2 계열 glass(LixSiySz, 0 < x < 3, 0 < y < 2, 0 < z < 4), LiI-Li2S-P2S5 등과 같은 P2S5 계열 glass(LixPySz, 0 < x < 3, 0 < y < 3, 0 < z < 7) 또는 이들의 혼합물 등이 있다.
다공성 코팅층의 무기물 입자 크기는 제한이 없으나, 균일한 두께의 코팅층 형성 및 적절한 공극률을 위하여, 0.001 내지 10㎛인 것이 바람직하다. 0.001㎛ 미만인 경우 무기물 입자의 분산성이 저하될 수 있고, 10㎛를 초과하는 경우 다공성 코팅층의 두께가 증가하여 기계적 물성이 저하될 수 있으며, 또한 지나치게 큰 기공 크기로 인해 전지 충방전시 내부 단락이 일어날 확률이 높아진다.
다공성 코팅층을 형성하는 바인더 고분자로는 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene: PVdF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌 (polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트 (polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드 (polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan) 및 카르복실메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 바인더 고분자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 다공성 코팅층에 사용되는 무기물 입자와 바인더 고분자의 조성비는 예를 들어 50:50 내지 99:1, 또는 70:30 내지 95:5일 수 있다. 바인더 고분자에 대한 무기물 입자의 함량비가 이러한 범위를 만족하는 경우, 분리막의 열적 안전성 개선될 수 있고, 무기물 입자들 사이에 형성되는 빈 공간이 충분히 확보되어 기공 크기 및 기공도가 유지되고, 최종 전지 성능이 개선될 수 있고, 바인더 고분자 함량이 적정 수준으로 포함되어 다공성 코팅층의 내필링성이 개선될 수 있다. 상기 다공성 코팅층의 두께는 특별한 제한이 없으나, 0.01 내지 20㎛ 범위가 바람직하다. 또한, 기공 크기 및 기공도 역시 특별한 제한이 없으나, 기공 크기는 0.001 내지 10㎛ 범위가 바람직하며, 기공도는 10 내지 90% 범위가 바람직하다. 기공 크기 및 기공도는 주로 무기물 입자의 크기에 의존하는데, 예컨대 입경이 1 ㎛ 이하인 무기물 입자를 사용하는 경우 형성되는 기공 역시 대략 1 ㎛ 이하를 나타내게 된다. 이와 같은 기공 구조는 추후 주액되는 전해액으로 채워지게 되고, 이와 같이 채워진 전해액은 이온 전달 역할을 하게 된다. 기공 크기 및 기공도가 이러한 범위를 만족하는 경우, 저항층으로 작용하지 않고, 기계적 물성이 개선될 수 있다.
상기 다공성 코팅층은 분산매에 바인더 고분자를 용해 혹은 분산시킨 후에 무기물 입자를 첨가하여 다공성 코팅층 형성을 위한 슬러리를 수득하고, 이러한 슬러리를 기재의 적어도 일면에 코팅, 건조시킴으로써 형성될 수 있다. 분산매로는 사용하고자 하는 바인더 고분자와 용해도 지수가 유사하며, 끓는점(boiling point)이 낮은 것이 바람직하다. 이는 균일한 혼합과 이후 분산매 제거를 용이하게 하기 위해서이다. 사용 가능한 분산매의 비제한적인 예로는 아세톤 (acetone), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드 (methylene chloride), 클로로포름 (chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산 (cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합체 등이 있다.
상기 바인더 고분자가 분산매에 분산되어 있는 분산액에 무기물 입자를 첨가한 후, 무기물 입자의 파쇄를 실시하는 것이 바람직하다. 이때 파쇄 시간은 1 내지 20 시간이 적절하며, 파쇄된 무기물 입자의 입도는 전술한 바와 같이 0.001 내지 10㎛가 바람직하다. 파쇄 방법으로는 통상적인 방법을 사용할 수 있으며, 특히 볼밀(ball mill)법이 바람직하다.
그런 다음, 무기물 입자가 분산된 바인더 고분자 분산액을 10 내지 80%의 습도 조건 하에서 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 코팅하고 건조시킨다. 상기 분산액을 다공성 고분자 기재 상에 코팅하는 방법은 당 업계에 알려진 통상적인 코팅 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면 딥(Dip) 코팅, 다이(Die) 코팅, 롤(roll) 코팅, 콤마(comma) 코팅 또는 이들의 혼합 방식 등 다양한 방식을 이용할 수 있다.
다공성 코팅층 성분으로 전술한 무기물 입자 및 바인더 고분자 이외에, 도전제 등의 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 최종 제작된 분리막은 1 내지 100 ㎛ 또는 5 내지 50 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 두께가 1 ㎛ 미만이면 분리막의 기능이 충분히 발휘되지 못하고 기계적 특성의 열화가 발생할 수 있으며, 100 ㎛ 초과이면 고율 충방전시 전지의 특성이 열화될 수 있다. 또한, 40 ~ 60% 공극률을 가질 수 있으며, 150 내지 300 초/100mL 의 통기도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 고분자 기재는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 계열을 사용할 수 있다. 또한, 다공성 코팅층에서 무기물 입자로는 Al 산화물, Si 산화물 계열의 코팅 물질을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 분리막을 사용하는 경우, 다공성 고분자 기재의 양측에 다공성 코팅층을 구비하고 있으므로, 전해액에 대한 함침 성능 향상으로 균일한 고체전해질계면층을 형성할 수 있고, 종래의 단면 무기물 코팅 분리막과 대비하여 우위의 통기도를 확보할 수 있다. 예를 들어 120s/100cc 이내 일 수 있다. 또한, 양면에 무기물 다공성 코팅층을 구비하여도 종래 단면 무기물 코팅 분리막 수준의 두께를 구현할 수 있다. 예를 들어 ~15.0㎛ 이내일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막을 사용하는 경우, 분리막의 안정성이 개선되어 내열 및 내압축 특성을 확보할 수 있다. 구체적으로 180℃ 기준 5% 이내의 열수축 특성을 갖는 내열 특성을 확보할 수 있고, 550gf 이상의 관통 강도(Puncture strength) 물성을 확보할 수 있으며, 이러한 분리막을 채용한 전지의 사이클 중 코어 변형(core deformation) 발생 시 단차 부에서 분리막의 손상 또는 관통이 방지될 수 있다.
상기 절연코팅층은 절연코팅층용 필러 및 절연코팅층용 바인더를 포함한다.
상기 절연코팅층용 필러는 전술한 다공성 코팅층에 포함되는 무기물 입자 중에서 선택하여 적용될 수 있고, 상기 절연코팅층용 바인더는 전술한 다공성 코팅층에 포함되는 바인더 고분자 중에서 선택하여 적용될 수 있다. 상기 절연코팅층용 필러 및 절연코팅층용 바인더는 각각 독립적으로 전술한 다공성 코팅층에 포함되는 무기물 입자 및 바인더 고분자와 그 종류가 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 절연코팅층용 필러의 비제한적인 예로는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT), PB(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiC 또는 이들의 혼합체 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 절연코팅층용 바인더의 비제한적인 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene: PVdF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌 (polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트 (polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드 (polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan) 및 카르복실메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 바인더 고분자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 절연코팅층에 사용되는 절연코팅층용 필러와 절연코팅층용 바인더의 조성비는 예를 들어 50:50 내지 99:1, 또는 70:30 내지 95:5일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 절연코팅층용 필러의 평균 입경이 상기 무기 필러의 평균 입경 보다 작을 수 있고, 구체적으로 상기 절연코팅층용 필러의 평균 입경이 상기 무기 필러의 평균 입경의 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 50% 이하, 60% 이하, 70% 이하, 80% 이하, 90% 이하일 수 있다. 상기 절연코팅층용 필러의 평균 입경이 상기 무기 필러의 평균 입경 보다 작거나, 또는 이러한 비율 조건을 만족하는 경우에, 상기 절연코팅층 내에 필러의 패킹 밀도가 증가하여 분리막의 열수축 현상을 더욱 억제할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 분리막에서 횡방향의 양단에 형성된 절연코팅층은 전극조립체 내에서 전극 (양극 및 음극)의 무지부와 대면하게 되고, 상기 절연코팅층이 전극의 활물질층과 직접 대면하지 않게 절연층의 폭을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연코팅층 1개의 폭이 상기 분리막의 폭 방향 총 길이의 0.1% 이상, 0.5% 이상, 1% 이상, 3% 이상, 5% 이하, 7% 이하, 9% 이하, 10% 이하일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 절연코팅층의 수직 단면 형상이 사각형, 사다리꼴, 삼각형, 평형사변형, 반원형 또는 반타원형의 구조를 가질 수 있다. 상기 절연코팅층은 전극의 무지부 영역과 대면하게 될 수 있으므로, 무지부 영역과의 밀착성을 높이기 위하여 사각형, 사다리꼴 평행사변형의 형태가 더 바람직할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막의 제조 단계를 나타낸 개략도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막의 제조방법은 다음과 같다.
먼저, 다공성 고분자 기재(1)(분리막 원단, 슬리팅(slitting) 되지 않은 큰 원단)를 준비한다(a 단계).
이후, 분산매에 바인더 고분자를 용해 혹은 분산시킨 후에 무기물 입자를 첨가하여 다공성 코팅층 형성을 위한 슬러리를 수득하고, 이러한 슬러리를 상기 다공성 기재(1)의 단면 또는 양면 상에 코팅 및 건조하여 다공성 코팅층을 형성한다 (단계 b).
이어서, 절연성코팅층용 분산매에 절연코팅층용 바인더를 용해 혹은 분산시킨 후에 절연코팅층용 필러를 첨가하여 절연성코팅층 형성을 위한 슬러리를 수득하고, 이 슬러리를 상기 분리막의 최외측의 횡방향의 양 단부에 소정의 폭을 갖도록 코팅하고 건조하여 절연코팅층을 형성한다 (단계 c).
다음에, 상기 절연코팅층이 형성된 분리막 원단에서 배터리 셀 조립을 위하여 요청되는 폭에 맞게 슬리팅하여 최종적으로 다공성 고분자 기재 상에, 다공성 코팅층 및 절연코팅층이 순차로 형성된 분리막을 제조한다(단계 d).
다음으로 본 발명에 따른 원통형 배터리 셀에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 원통형 배터리 셀은 양극판, 음극판, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가지는 젤리-롤 타입의 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되는 전지 캔; 및 상기 전지 캔의 개방 단부를 밀봉하는 밀봉체를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 원통형 배터리 셀은, 폼 팩터의 비(원통형전지의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Ф)의 비로 정의됨)가 0.4 이상인 대형 원통형 배터리 셀일 수 있다. 여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리 셀의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다.
본 발명에 따른 원통형 배터리 셀은, 예를 들면, 46110 셀(직경 46mm, 높이 110mm, 폼 팩터 비 0.418), 48750 셀(직경 48mm, 높이 75mm, 폼 팩터 비 0.640), 48110 셀(직경 48mm, 높이 110mm, 폼 팩터 비 0.418), 48800 셀(직경 48mm, 높이 80mm, 폼 팩터 비 0.600), 46800 셀((직경 46mm, 높이 80mm, 폼 팩터 비 0.575)일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 그 다음 수자 2개는 셀의 높이를 나타내며, 마지막 숫자 O은 셀의 단면이 원형임을 나타낸다.
본 발명에 따른 원통형 배터리 셀은, 단입자 또는 유사-단입자 형태의 양극 활물질을 적용하여 종래에 비해 가스 발생량을 현저하게 감소시켰으며, 이에 따라 폼 팩터의 비가 0.4 이상인 대형 원통형 배터리 셀에서도 우수한 안전성을 구현할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 원통형 배터리 셀은, 바람직하게는, 전극 탭을 포함하지 않는 탭-리스(Tab-less) 구조의 전지일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 탭-리스 구조의 전지는, 예를 들면, 양극판 및 음극판이 각각 활물질층이 형성되지 않은 무지부를 포함하고, 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극판 무지부 및 음극판 무지부가 위치하고, 상기 양극판 무지부 및 음극판 무지부에 집전 플레이트가 결합되어 있고, 상기 집전 플레이트가 전극 단자와 연결되는 있는 구조일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체는 쉬트 형상을 가진 제1전극판 및 제2전극판과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체이다.
바람직하게, 제1전극판 및 제2전극판 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.
설명의 편의상 본 명세서에서 젤리롤 형태로 감기는 전극조립체의 권취축의 길이방향을 따르는 방향을 축방향(Y)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축을 둘러싸는 방향을 원주방향 또는 둘레방향(X)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축에 가까워지거나 권취축으로부터 멀어지는 방향을 반경방향 또는 방사방향(Z)이라 지칭한다. 이들 중 특히 권취축에 가까워지는 방향을 구심방향, 권취축으로부터 멀어지는 방향을 원심방향이라 지칭한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체에 관해 설명한다.
상기 전극 조립체는 제1 전극판 및 제2 전극판과 이들 사이에 개재된 분리막을 포함하며, 상기 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막이 축을 중심으로 일 방향으로 권취되어 복수의 권회턴을 갖는 것이다. 또한, 상기 제1 및 제2 전극판은 각각 독립적으로 제1 측부(side) 및 제2 측부(side) 포함하고, 상기 제1측부 및 제2측부는 축 방향에 있어서 서로 반대측에 배치되어 있다.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극판은 장방형의 쉬트(sheet)형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 전극판은 종횡비가 1을 초과하는 쉬트 형상을 가질 수 있다. 이때 상기 각 전극판의 폭 방향의 말단의 각 변이 제1 측부 및 제2 측부에 해당된다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 전극판(40)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7을 참조하면 상기 제2 측부는 권취축 방향(Y)에서 전극 활물질부(42)의 최하단부를 따라 형성된 변이며, 상기 제1 측부는 권취축 방향(Y)에서 무지부(43)의 최상단부를 따라 형성된 변이다.
상기 제1 전극판 및 제2 전극판은 각각 독립적으로 적어도 일측 표면 또는 양측 표면에 전극 활물질로 피복된 전극 활물질부인 제1 부분을 포함한다. 상기 제1 부분은 제2 측부로부터 제1 측부의 방향으로 소정 길이 연장되어 있는 것이다. 도 4는 전극 조립체의 권취 전 전극판의 모양을 타나낸 것이다. 이를 참조하면 상기 전극 활물질부는 제2 측부로부터 축 방향으로 무지부가 시작되는 부분까지 전극판 전체 길이에 걸쳐 일정한 폭을 가질 수 있다.
상기 제2 부분은 전극 활물질이 코팅되어 있지 않은 무지부이다. 상기 제2 부분은 전극 탭을 형성하는 것으로서 상기 제1 측부로부터 제2 측부 방향으로 제1 부분의 전극 활물질부까지 연장되어 있는 것이다.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 무지부의 적어도 일부 구간은 소정 깊이의 절개홈에 의해서 복수의 분절편으로 분할되어 있다(미도시).
상기 분절편은 제1측부와 상응하는 제1 말단을 가진다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 분절편들의 전부 또는 적어도 일부는 상기 제1 말단 아래의 분절편 내 어느 한 지점인 절곡 지점에서 축에 대해서 방사형으로 절곡되어 있으며, 이때 상기 분리막의 어느 한 일측 말단이 상기 절곡 지점과 제1 부분 및 제2 부분의 경계선 사이에 위치할 수 있다. 본 발명의 더욱 구체적인 실시양태에 따르면, 상기 분리막의 어느 한 일측 말단은 상기 절곡 지점과 기준선 사이에 위치하거나 기준선 아래에 위치할 수 있다.
한편, 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 절곡 지점은 상기 제1 말단과 기준선 사이의 소정의 지점인 것일 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 집전체에서 무지부는 복수의 분절편을 포함하며, 이때, 상기 분리막은 상기 분절편 사이의 절개홈의 노칭골이 분리막으로 덮여 노출되지 않도록 배치될 수 있다. 이러한 분리막의 배치에 대해서는 아래 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 있어서, 상기 분절편들은 각각 제1 말단의 높이가 다를 수 있고, 절개홈들마다 그 형상이 다를 수 있으며, 절개홈들의 노칭골의 높이도 다를 수 있다. 즉 분절편들의 형상과 크기 자체, 절개홈들의 형상과 크기 자체가 서로 다를 수 있다.
한편, 상기 분절편의 높이는 해당 분절편을 규정하는 절개홈의 노칭골로부터 해당 분절편의 제1 말단에 이르는 축방향 거리(C2, D2)로 규정될 수 있다. 해당 분절편을 기준으로 양측의 절개홈의 노칭골의 높이가 다르다면, 해당 분절편의 높이는 상기 양측의 절개홈의 노칭골의 평균 높이에 해당되는 위치로부터 상기 분절편의 제1 말단에 이르는 축방향 거리로 규정될 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 기준선은 절개홈들의 노칭골에 대응하는 높이를 권취방향(X)으로 연장한 가상의 직선이다.
상기 제1 및 제2 전극판은 각각 독립적으로 전도성 박막인 집전체 및 상기 집전체의 일측 또는 양측 표면상에 배치된 전극 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 활물질층은 전극판에서 제1 부분을 형성한다.
상기 쉬트 형상을 가진 제1 및 제2 전극판은 종횡비가 1을 초과하는 것일 수 있다. 이때, 상기 무지부는 제1전극판 및 제2전극판 중 적어도 하나는 권취 방향의 장변 단부에 형성될 수 있다. 상기 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용된다.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 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 낮을 수 있다.
한편, 본 명세서에서 설명의 편의상 '높이'는 권취 방향(x)의 소정 위치에서 축방향으로 제1 측부까지의 거리(길이)를 의미할 수 있다. 본 명세서에서, 무지부/노칭골의 높이를 설명함에 있어서는, 이러한 높이의 절대값보다, 권취 방향에 있어서 서로 다른 위치에서 측정되는 높이의 상대적인 수치가 의미를 가지는 것이므로, 상기 무지부/노칭골의 높이를 측정함에 있어서 그 높이 측정의 기준이 되는 선(영점)에 대한 규정은 생략될 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 무지부의 높이는 권취축 방향에 대한 임의의 수선을 기준으로 한 특정 지점에서의 상대적인 거리가 될 수 있다. 예를 들어, 상기 높이 측정의 기준이 되는 선(영점)은 제2 측부일 수 있다.
한편, 더욱 구체적으로 상기 무지부의 높이에 있어서, 분절편이 형성되지 않은 구간에서는 제1 측부까지의 거리를 의미하며, 분절편이 형성된 구간에서는 상기 제1 측부는 분절편의 제1 말단과 상응하는 위치를 의미하며, 분절편 사이의 절개홈을 구성하는 부분은 분절편이 형성된 구간에서의 무지부의 높이를 측정할 때 고려되지 않는다.
또한, 상기 노칭골의 높이는 절개홈 중 가장 낮은 높이를 갖는 부분을 기준으로 측정되는 것이다.
도 7을 참조하면, 제1실시예의 전극판(40)은 금속 포일로 이루어진 집전체(41) 및 활물질층(42)을 포함한다. 금속 포일은 알루미늄 또는 구리일 수 있으며, 전극판(40)의 극성에 따라 적절하게 선택된다. 활물질층(42)은 집전체(41)의 적어도 일면에 형성되며, 권취 방향(X)의 장변 단부에 무지부(43)를 포함한다. 무지부(43)는 활물질이 코팅되지 않은 영역이다. 활물질층(42)과 무지부(43)의 경계에는 절연 코팅층(44)이 형성될 수 있다. 절연 코팅층(44)은 적어도 일부가 활물질층(42)과 무지부(43)의 경계와 중첩되도록 형성된다. 절연 코팅층(44)은 고분자 수지를 포함하고, Al2O3와 같은 무기물 필터를 포함할 수 있다.
무지부(43)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 전극판(40)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(43)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 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 전극판(45)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 8을 참조하면, 제2실시예의 전극판(45)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 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 전극판(50)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 9를 참조하면, 제3실시예의 전극판(50)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(43)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(43)의 절곡 과정에서 응력을 최대한 분산시킬 수 있도록 조절될 수 있다. 응력 분산은 무지부(43)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, 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 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 10a는 본 발명의 제4실시예에 따른 전극판(60)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 10a를 참조하면, 제4실시예의 전극판(60)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(61)을 포함할 수 있다. 복수의 분절편(61)은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 높이가 단계적으로 증가할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 분절편들은 이의 전부 또는 적어도 일부가 전극 조립체의 반경 방향(권취 중심 방향) 또는 반경과 반대 방향으로 절곡된다. 상기 분절편들의 절곡은 노칭골(절개홈의 바닥)으로부터 소정 높이 상방 이격된 위치에서 이루어질 수 있다. 본원 발명에 있어서, 상기 분절편이 외력에 의해서 실제로 중심 방향으로 구부러져 발생된 부분 중 접선의 기울기가 45°이하가 되기 시작하는 지점을 절곡 지점이라고 지칭한다. 상기 접선의 기울기는 절곡 지점에 대한 접선과 전극 조립체의 권취축에 대해 수직인 평면 사이의 각도를 의미하는 것이다. 한편, 상기 절곡 지점을 포함하며 기준선과 수평인 선을 절곡선이라고 지칭한다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 복수 개의 절개홈들의 노칭골에 대응하는 높이는 서로 동일하거나 또는 서로 다를 수도 있다.
상기 높이가 서로 동일한 경우에는 노칭골에 대응되는 높이를 권취방향(X)으로 연장한 가상의 직선을 기준선으로 한다.
만약 절개홈들의 노칭골의 대부분이 특정 높이에 위치하고, 일부 절개홈들의 노칭골의 높이만 상기 특정 높이와 차이가 있는 경우에는, 상기 기준선은 상기 특정 높이에 대응하는 높이로 결정될 수 있다. 예를 들어, 노칭골의 50% 이상이 특정 높이에 위치하는 경우에는 상기 기준선은 이들 노칭골의 높이에 대응하는 높이로 결정할 수 있다. 또는 권취방향으로 가장 많은 길이를 차지하는 절개홈의 노칭골의 높이를 기준으로 상기 기준선을 결정할 수 있다. 가령 권취방향으로 절개홈의 노칭골이 차지하는 전체 길이 중 2/3 정도가 제1높이를 가지고 있고, 권취방향으로 절개홈 노칭골이 차지하는 전체 길이 중 나머지 1/3에 해당하는 절개홈 노칭골의 높이가 제1 높이와 다르다면, 상기 기준선은 상기 제1 높이에 대응하는 위치로 규정될 수 있다.
만약 절개홈들의 노칭골의 높이가 특정 높이에 집중되어 있지 않다면(가장 많이 집중된 절개홈이 50% 미만인 경우), 상기 기준선은, 상기 절개홈들의 노칭골들의 높이들을 평균한 높이로 결정될 수 있다. 가령 절개홈의 노칭골 높이가 x인 것이 권취 방향으로 차지하는 길이가 30%, 절개홈의 노칭골의 높이가 y인 것이 권취방향으로 차지하는 30%, 절개홈 노칭골의 높이가 z 인 것이 권취 방향으로 차지하는 길이가 40%라면, 기준선은, x*0.3+y*0.3+z*0.4 가 될 수 있다. 상기 노칭골의 높이는 권취축 방향에 대한 임의의 수선을 기준으로 한 특정 지점에서의 상대적인 거리가 될 수 있다. 예를 들어 상기 절개홈들의 높이는 제2측부로부터의 절개홈까지의 거리를 기준으로 할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 절곡 지점은 상기 노칭골로부터 약 2mm 내지 3mm 상방에 위치할 수 있으며, 기준선과 평행하도록 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 기준선은 상기 무지부 중 가장 작은 높이를 갖는 지점을 권취 방향(Y)로 연장한 선과 동일하거나 또는 다를 수 있다. 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 기준선은 상기 무지부 중 최소 높이를 갖는 지점을 권취 방향으로 연장한 선과 동일할 수 있다.
분절편(61)은 레이저로 노칭된 것일 수 있다. 분절편(61)은 초음파 커팅이나 타발 등 공지의 금속박 커팅 공정으로 형성할 수 있다.
제4실시예에서, 무지부(43)의 절곡 가공시 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)이 손상되는 것을 방지하기 위해 분절편(61) 사이의 절단 라인 하단과 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(40)이 전극 조립체로 권취되었을 때, 절연 코팅층(44)의 적어도 일부는 분리막의 외측으로 노출될 수 있다. 이 경우, 분절편(61)이 절곡될 때 절연 코팅층(44)이 노칭골을 지지할 수 있다.
상기 분절편의 노칭골과 상기 활물질층 사이의 갭은, 바람직하게는 1.0mm 이상일 수 있다. 이는 해당 전극이 음극일 경우 더 유효할 수 있다.
상기 분절편의 노칭골과 상기 활물질층 사이의 갭은, 보다 바람직하게 2.0mm 이상일 수 있다. 이는 해당 전극이 양극일 경우 더 유효할 수 있다.
위 범위보다 작은 갭은 상술한 손상 방지 효과를 충분히 발휘하지 못하고, 위 범위보다 큰 캡은 손상 방지 효과는 증가하지 않으면서 전극의 용량만 감소하는 결과를 초래할 수 있다.
상기 활물질층이 코팅되지 않은 무지부 영역과 상기 활물질층이 코팅된 영역의 경계 부위는 절연층에 의해 커버될 수 있는데, 이때 상기 분절편의 노칭골과 상기 절연층 사이에도 소정의 갭이 구비될 수 있다.
이러한 갭은 0.2mm 내지 1.5mm일 수 있다.
위 범위보다 작은 갭은 상술한 손상 방지 효과를 충분히 발휘하지 못하고, 위 범위보다 큰 캡은 손상 방지 효과는 증가하지 않으면서 절연 코팅층의 분절편 절곡 지지 효과를 감소시키는 결과를 초래할 수 있다.
복수의 분절편(61)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 10a 및 도 12a에서, 제4실시예의 전극판(60)의 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)과 대면하는 분리막(SP)이 구비되어 전극 조립체로 형성될 수 있다.
도 10b, 도 10c, 도 11, 도 12b, 및 도 12c를 참조하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 전극 조립체에서 전극판의 무지부쪽에 분리막의 단부가 위치하는 지점을 이하 설명한다.
도 7b, 도 7c, 도 8, 도 9b, 및 도 9c를 참조하여, 본 발명의 전극 조립체에서 전극판의 무지부쪽에 분리막의 단부가 위치하는 지점을 더욱 구체적으로 설명한다.
상기 도면을 참조하여 본원 발명의 일 실시양태를 예를 들어 설명하면, 상기 무지부는 복수의 분절편을 포함할 수 있으며, 상기 복수의 분절편간 노칭골의 깊이는 서로 동일할 수 있다. 이때 상기 노칭골의 깊이에 대응되는 지점들을 연장한 선을 기준선으로 한다.
이때, 상기 기준선은 상기 코어측 무지부, 외주측 무지부, 및 중간 무지부 중에서 가장 작은 높이를 상기 무지부의 양단부으로 연결한 선에 대응될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 분리막의 폭 방향의 말단(SL)은 상기 절곡 지점과 기준선(DL) 사이에 위치하거나 기준선에서 전극조립체의 내측 방향으로 위치한다. 여기서 상기 전극조립체의 외측 방향은 전극판의 활물질층에서 무지부 쪽으로 향하는 방향, 즉 제1 측부로 향하는 방향을 말하며 내측 방향은 외측 방향의 반대 방향, 즉 제2 측부로 향하는 방향을 말한다.
또한, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 전극 조립체는 상기 절곡된 분절편 중 이웃하는 권회턴들의 분절편들이 반경 방향 또는 반대 방향으로 연속적으로 중첩되어 권취축 방향 상단 또는 하단에 형성된 표면 영역을 가질 수 있다. 이때, 상기 표면 영역 중 권취축 방향 최대 높이(최고점)과 상기 기준선 사이의 최단 거리를 표면 영역의 높이(HS)라고 할 때, 상기 분리막의 폭 방향 말단이 상기 기준선을 기준으로 상기 표면 영역의 높이(HS)의 90% 이내로 상기 전극조립체의 외측 방향으로 위치하거나 상기 전극조립체의 내측 방향으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 분리막의 폭 방향 끝단이 상기 기준선과 가깝게 위치하게 제어함으로써, 전해액이 노칭골(빈공간)을 따라 전극 조립체 내로 유입되므로 함침에 유리하다. 구체적으로, 전해액이 전극 조립체에 투입되고, 이때 전해액은 분절편간의 절개홈으로 이동하고, 이때 노칭골, 즉 상기 기준선에 근접하여 위치하는 분리막의 말단으로 다시 전해액이 함침되어 최종적으로 전극의 활물질층 내로 함침하게 된다. 그 결과, 전극 조립체 내에 전해액의 함침의 균일성이 증가하게 된다.
상기 분리막의 폭 방향의 말단이 젤리롤 바깥쪽, 즉 전극 조립체의 외측 방향으로 벗어날수록 용접 특성에 부정적인 영향을 주게 되고, 상기 분리막의 폭 방향의 말단이 젤리롤의 안쪽, 즉 전극 조립체의 내측 방향으로 들어올 수록 양극과 음극이 단락할 위험이 커지므로 문제가 될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기 분리막의 폭 방향의 말단이 상기 기준선을 기준으로 상기 전극조립체의 외측 방향으로 위치하거나, 또는 상기 분리막의 폭 방향의 말단이 상기 기준선을 기준으로 상기 전극조립체의 내측 방향으로 위치하도록 하며, 더욱 바람직하게는 표면 영역의 높이(HS) 대비 90% 이하로 배치되도록 제어한다.
한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 복수의 분절편 중 절곡된 분절편 중 가장 작은 높이를 갖는 분절편을 최소 절곡 분절편이라고 할 때, 상기 분리막의 폭 방향의 말단이 상기 기준선을 기준으로 상기 최소 절곡 분절편의 높이(Ha)의 50% 미만, 40% 이내, 30% 이내, 20% 이내 또는 10% 이내로 상기 전극 조립체의 외측 방향(1측부 방향)으로 위치할 수 있다. 바람직하게는 30% 이내로 전극 조립체의 외측 방향으로 위치할 수 있다. 이때, 상기 분리막은 상기 분절편 사이의 절개홈의 노칭골이 분리막으로 덮여 노출되지 않도록 배치될 수 있다.
분리막의 위치가 상기 범위를 초과하여 분절편의 제1 말단에 더욱 가깝게 배치되는 경우에는 이후 분절편들을 용접할 때 분리막이 열에 의해 손상될 우려가 있다. 또 다른 실시양태에 따르면, 상기 분리막의 폭 방향의 말단이 상기 기준선을 기준으로 상기 최소 절곡 분절편의 높이(Ha)의 30% 이내, 20% 이내 또는 10% 이내로 상기 전극조립체의 내측 방향(2측부 방향)으로 위치할 수 있다. 이와 같이 기준선 아래에 배치되는 경우에는 상기 노칭골(들) 전부 또는 적어도 일부가 분리막에 의해서 덮이지 않고 노출될 수 있다.
상기 도 7b, 도 7c, 도 9b 또는 9c에 따르면, 그룹 1의 분절편이 최소 절곡 분절편일 수 있으며, 분리막의 폭 방향의 일측 말단이 기준선을 기준으로 상기 최소 절곡 분절편의 높이(Ha)의 50% 미만 또는 30% 이내로 상기 전극 조립체의 외측 방향(1측부 방향)으로 위치하거나, 또는 상기 분리막의 폭 방향의 말단이 상기 기준선을 기준으로 상기 최소 절곡 분절편의 높이(Ha)의 30% 이내로 상기 전극조립체의 내측 방향(2측부 방향)으로 위치할 수 있다. 더욱 구체적으로는 상기 그룹 1의 분절편이 최소 절곡 분절편일 수 있으며, 분리막의 폭 방향의 일측 말단이 기준선을 기준으로 상기 최소 절곡 분절편의 높이(Ha)의 30% 이내로 상기 전극 조립체의 외측 방향(1측부 방향)으로 위치할 수 있다. 도 7b 또는 9b를 참조하면, 분리막의 일측 말단이 기준선 위쪽으로 배치되면, 분리막의 일측 말단은 Hb 사이에 위치한다. 여기에서 Hb의 최대 길이는 최소 절곡 분절편 높이(길이)의 50% 미만이다. 한편, 분리막의 일측 말단이 DL 아래로 위치하는 경우에는 Hb의 최대 길이는 최소 절곡 분절편의 높이의 30%이다.
즉, 본 발명에서 분리막을 배치하는 기준이 되는 분절편은 절곡(벤딩)이 이루어진 분절편들 중 그 높이가 최소인 분절편을 의미할 수 있으며, 이를 최소 절곡 분절편이라고 한다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 최소 절곡 분절편은 2mm 이상일 수 있으며, 이 때, 상기 최소 절곡 분절편의 높이는 절곡 지점의 높이보다 높은 것이다. 분절편의 높이가 2mm 미만인 경우, 분리막과 분절편의 간섭에 의해 분절편의 절곡이 원활하기 이루어지지 않을 가능성이 있다. 이에 상기 최소 분절편은, 2mm 이상의 높이를 가지는 분절편들 중에서 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에 따르면, 상기 최소 절곡 분절편에 있어서, 상기 절곡선을 기준으로 기준선에서 절곡선까지의 높이 A는 절곡선에서 분절편 높이 B까지의 길이와 같거나 길 수 있다. 또는 상기 최소 절곡 분절편에 있어서, 상기 절곡선을 기준으로 기준선에서 절곡선까지의 높이 A는 절곡선에서 분절편 높이 B까지의 길이와 같거나 짧을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 전극 조립체는 상기 최소 절곡 분절편보다 높이가 작은 분절편(분절편 A)을 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 분절편 A는 절곡되어 있지 않은 것이다. 구체적인 실시양태에 있어서, 상기 분절편 A는 복수의 분절편 중 다른 분절편에 비해서 코어부에 가깝게 배치되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 전극 조립체는 상기 최소 절곡 분절편보다 높이가 작은 분절편을 포함하지 않고 상기 최소 절곡 분절편이 최소 분절편일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 분리막의 폭 방향의 말단이 상기 기본선을 기준으로 1.5 mm 이내로 상기 전극조립체의 외측 방향으로 위치하거나, 또는 상기 분리막의 폭 방향의 말단이 상기 기본선을 기준으로 1.5 mm 이내로 상기 전극조립체의 내측 방향으로 위치할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 분절편(61)의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 11을 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(C4) 하부의 무지부가 직선 상태를 유지하지 못하고 주저 않으면서 불규칙하게 변형되는 것을 말한다.
본 발명의 일 실시양태에 따르면, 바람직하게, 분절편(61)의 폭(C1)은 1 내지 6mm의 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 6mm를 초과하면, 분절편(61)이 절곡될 때 절곡 지점(C4) 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(C4) 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.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 두 분절편의 코너 사이는 곧게 연결될 수 있다. 즉 상기 절개홈의 바닥 부위는 권취방향(X)으로 연장된 평평한 직선 형상을 구비할 수 있다. 상기 코너 부위에는 라운드 보강부가 부가될 수 있다.
상기 라운드 보강부의 반경(r)은 0.02mm 이상일 수 있다. 해당 반경이 이 이상 되면, 응력 분산의 효과를 확실히 가져올 수 있다. 상기 라운드 보강부의 반경은 0.1mm 이하일 수 있다. 해당 반경이 0.1mm를 초과하면 응력 분산의 효과는 더 이상 증가하지 않으면서, 절개홈의 바닥 부근의 공간이 줄어들어 전해액의 함침성이 저해될 수 있다.
다시 도 10a를 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 11의 C4)을 기준으로 한 분절편(61)의 높이에 해당한다.
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.
일 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 그룹7은 분절편 그룹의 일 예시에 불과하다. 그룹들의 수와 각 그룹에 포함되는 분절편(61)의 수는 무지부(43)의 절곡 과정에서 응력을 최대한 분산시키고 용접 강도를 충분히 확보할 수 있도록 분절편(61)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, 전극판(60)이 폼팩터가 46800인 원통형 셀의 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 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.
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 12a는 본 발명의 제5실시예에 따른 전극판(70)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 12a를 참조하면, 제5실시예의 전극판(70)은 제4실시예와 비교하여 분절편(61')의 형상이 사각형에서 사다리꼴로 변경된 점을 제외하면 나머지 구성은 제4실시예(또는 변형예들)과 실질적으로 동일하다.
도 13은 사다리꼴 분절편(61')의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸다.
도 13을 참조하면, 분절편(61')의 폭(D1), 높이(D2) 및 이격 피치(D3)는 무지부(43)의 절곡 가공 시 절곡 지점(D4) 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 6mm의 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 6mm를 초과하면, 분절편(61)이 절곡될 때 절곡 지점(D4) 근처의 무지부(43)가 응력에 의해 찢어질 가능성이 있다. 또한, 분절편(61')의 높이는 2내지10mm의 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.
상기 분절편이 사다리꼴 형태일 때, 이격 피치(D3)는 이웃하는 두 분절편(61')의 코너들 사이의 거리로 규정될 수 있다. 이웃하는 두 분절편의 코너 사이는 곧은 직선 형태로 연결될 수 있다. 즉 절개홈의 바닥 부위는 권취방향(X)으로 연장되는 평평한 직선 형상을 구비할 수 있다.
상기 코너 부위에는 라운드 보강부가 더 제공될 수 있다. 이로써 코너 부위에 발생할 수 있는 응력 집중 현상을 해소할 수 있다.
상기 라운드 보강부의 반경(r)은 0.02mm 이상일 수 있다. 해당 반경이 이 이상 되면, 응력 분산의 효과를 확실히 가져올 수 있다.
상기 라운드 보강부의 반경은 0.1mm 이하일 수 있다. 해당 반경이 0.1mm를 초과하면 응력 분산의 효과는 더 이상 증가하지 않으면서, 절개홈의 바닥 부근의 공간이 줄어들어 전해액의 함침성이 저해될 수 있다.
상기 이격 피치(C3, D3)는 이를 규정하는 이웃하는 분절편들(61, 61')의 권취 방향으로 측정되는 폭의 크기(C1, D1)와 관련되어 결정될 수 있다. 가령, 분절편들의 권취방향 폭이 증가할수록, 이들 간의 이격 피치도 증가하는 경향성을 가지는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 전극 조립체의 권취 방향을 따라 전해액의 함침성을 고르게 분포시킬 수 있다.
상기 분절편의 권취방향 폭은, 상기 전극조립체의 코어 측으로부터 외주 측으로 갈수록, 점차 증가하도록 설정할 수 있다. 상기 분절편의 권취방향 폭은, 상기 전극조립체의 코어 측으로부터 외주 측으로 갈수록, 점진적으로 증가하거나 단계적으로 증가할 수 있다. 가령, 상기 분절편의 권취방향 폭(C1, D1)은 1 내지 6mm 범위 내에 존재하며, 코어측으로 갈수록 작아지고, 외주측으로 갈수록 커질 수 있다.
이에 따라, 상기 이격 피치(C3, D3) 역시, 0.5 내지 1mm 범위 내에 존재하며, 상기 전극조립체의 코어 측으로부터 외주 측으로 갈수록, 점진적으로 증가하거나 단계적으로 증가할 수 있다.
제5실시예에 있어서 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.
제4실시예 및 제5실시예와 같이, 중간 무지부(B2)가 복수의 분절편(60, 60')을 포함할 때, 각 분절편(60, 60')의 형상은 삼각형, 반원형, 반타원형, 평형사변형 등으로 변경이 가능하다.
또한, 중간 무지부(B2)의 영역에 따라서 분절편(60, 60')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(60, 60')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(60, 60')의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치를 역포밍이 생기지 않는 수준으로 조절하는 것이 바람직하다.
이러한 역포밍이 발생할 수 있는 분절편의 높이는 대략 3mm 미만일 수 있다. 또한 분절편의 높이가 2mm 미만인 경우, 분절편과 분리막에 간섭이 발생하여 절곡이 어려울 수 있다. 아울러 분절편의 높이가 4mm 미만인 경우에는, 분절편의 용접 공정이 원활하지 않을 수 있다. 이에 절곡을 의도하여 분절편의 최소 높이(Hmin)는 2mm 이상, 또는 3mm 이상, 또는 4mm 이상 또는 5mm 이상일 수 있다. 이에 따라서 최소 절곡 분절편의 높이는 2mm 이상, 또는 3mm 이상, 또는 4mm 이상 또는 5mm 이상일 수 있다.
따라서 기준선(DL)을 기준으로, 무지부에서 절곡이 가능한 최소높이(Hmin, 가령 앞서 2mm 또는 3mm 또는 4mm 또는 5mm) 이상의 높이를 가지는 분절편들 중 절곡되는 최소 절곡 분절편의 높이(Ha)의 ±30% 범위(기준선 기준) 내에 분리막의 폭방향 말단(SL)이 존재하면, 함침성을 크게 높일 수 있다. 즉, 분리막의 폭방향 말단(SL)의 위치를 규정하는 최소 분절편을 결정함에 있어서, 역포밍이 발생할 우려가 있는 분절편이나 절곡을 하지 않는 분절편은 제외할 수 있다.
다른 관점에서 설명하면, 기준선(DL)을 기준으로, 무지부에 존재하는 최소 절곡 분절편의 높이(Ha) 및 상기 절곡 가능 최소높이(Hmin) 중 큰 높이{max(Ha, Hmin)}의 ±30% 범위 내에 분리막의 폭방향 말단(SL)이 존재하면, 함침성을 크게 높일 수 있다.
다른 관점에서 설명하면, 기준선(DL)을 기준으로, 상기 절곡 가능 최소 높이(Hmin)의 ±30% 범위 내에 분리막의 폭방향 말단(SL)이 존재하면, 전해액의 함침성을 크게 높일 수 있다. 이는 기준선(DL)±1.5mm 또는 기준선(DL)±1.2mm 또는 기준선(DL)±0.9mm 또는 기준선(DL)±0.6mm의 범위일 수 있다.
또는, 상기 분리막 폭 방향 말단의 위치는 DL±0.3Ha의 범위이면서 DL±1.5mm의 범위에 존재하거나, 상기 분리막 폭 방향 말단의 위치는 DL±0.3Ha의 범위이면서 DL±1.2mm의 범위에 존재하거나, 상기 분리막 폭 방향 말단의 위치는 DL±0.3Ha의 범위이면서 DL±0.9mm의 범위에 존재하거나, 상기 분리막 폭 방향 말단의 위치는 DL±0.3Ha의 범위이면서 DL±0.6mm의 범위에 존재할 수 있다.
상술한 실시예들(변형예들)의 전극판 구조는 젤리롤 타입의 전극 조립체에 포함된 극성이 다른 제1전극판 및 제2전극판 중 적어도 하나에 적용될 수 있다. 또한, 제1전극판 및 제2전극판 중 어느 하나에 실시예들(변형예들)의 전극 구조가 적용될 경우, 다른 하나에는 종래의 전극판 구조가 적용될 수 있다. 또한, 제1전극판 및 제2전극판에 적용된 전극판 구조는 서로 동일하지 않고 다를 수 있다.
일 예로, 제1전극판과 제2음극판이 각각 양극판 및 음극판일 때, 제1전극판에는 실시예들(변형예들) 중 어느 하나가 적용되고 제2전극판에는 종래의 전극판 구조(도1 참조)가 적용될 수 있다.
다른 예로, 제1전극판과 제2음극판이 각각 양극판 및 음극판일 때, 제1전극판에는 실시예들(변형예들) 중 어느 하나가 선택적으로 적용되고 제2전극판에는 실시예들(변형예들) 중 어느 하나가 선택적으로 적용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 양극판에 코팅되는 양극 활물질과 음극판에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물 또는 1종 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4(여기서, x 는 0 내지 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬망간 산화물(LiMnO2); 리튬구리 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga이고, x = 0.01 내지 0.3임)으로 표현되는 니켈사이트형 리튬 니켈 산화물(lithiated nickel oxide); 화학식 LiMn2-xMxO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta이고, x = 0.01 내지 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn임)로 표현되는 리튬망간 복합 산화물; 화학식의 리튬 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithium intercalation material)을 주성분으로 하며, 상기와 같은 종류들이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 양극 활물질은 1개의 1차 입자로 이루어진 단입자 또는 10개 이하의 1차 입자들의 응집체인 유사-단입자 형태이다.
종래에는 배터리 셀의 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 셀 내부에서 가스 발생이 증가하면 전지 내부의 압력이 증가하여 전지 폭발이 발생될 위험이 있다. 특히, 원통형 배터리 셀의 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 양극 활물질은 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, 단입자 또는 유사-단입자 형태의 양극 활물질의 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 단입자 또는 유사-단입자로 이루어진 양극 활물질을 사용할 경우, 입자 깨짐 및 내부 크랙 발생으로 인한 가스 발생량을 현저하게 감소시킬 수 있으며, 이에 따라, 대형 원통형 배터리 셀에서도 우수한 안전성을 구현할 수 있다. 본 발명에서는 양극 활물질로 단입자 또는 유사-단입자 형태의 양극 활물질만 사용하고, 2차 입자 형태의 양극 활물질은 사용하지 않는다. 2차 입자 형태의 양극 활물질이 포함될 경우, 가스 발생 억제 효과가 떨어져 대형 원통형 배터리 셀에 적용 시에 충분한 안전성을 얻을 수 없기 때문이다.
한편, 본 발명에 따른 단입자 또는 유사-단입자 형태의 양극 활물질은 평균 입경 D50이 5㎛ 이하, 바람직하게는 1㎛ 내지 5㎛, 더 바람직하게는 2㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 양극 활물질의 평균 입경 D50이 상기 범위를 만족할 때, 저항 증가를 최소화할 수 있다.
단입자 또는 유사-단입자 형태의 양극 활물질은 입자 내부에서 리튬 이온의 이동 경로가 되는 1차 입자들 사이의 계면에 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, 본 발명에서는 평균 입경 D50이 5㎛ 이하로 작은 단입자 또는 유사-단입자 양극 활물질을 적용하여 입자 내부에서의 리튬 이온 이동 거리를 최소화함으로써 저항 증가를 억제할 수 있도록 하였다.
상기 양극 활물질은 1차 입자 입경이 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 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, 상기한 바와 같이, 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 있어 유니모달 분포를 갖는 양극 활물질을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 양극 활물질은 리튬 니켈계 산화물을 포함하는 것일 수 있으며, 구체적으로는, 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 입 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, 또는 0.83≤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, 또는 0.01≤c≤0.17일 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, 또는 0.01≤d≤0.17일 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 표면, 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 복합전이금속 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 내지 99중량%, 바람직하게는 85 내지 99중량%, 더 바람직하게는 90 내지 99중량%로 포함될 수 있다.
상기 양극 집전체는 예컨대 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 양극 집전체는, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 전극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질 입자에는 도전재가 추가로 혼합될 수 있다. 이러한 도전재는 예컨대 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
또한, 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질 입자를 도포 및 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 도전재, 바인더, 용매 등과 같은 성분들이 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 예컨대 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은 예컨대 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8)의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 전극에 사용가능한 바인더 고분자는 전극 활물질 입자와 도전재 등의 결합과 전극 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 예를 들어 전극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더 고분자의 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene: PVdF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌 (polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트 (polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드 (polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan) 및 카르복실메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 바인더 고분자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전극 제조에 사용되는 용매의 비제한적인 예로는 아세톤(acetone), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산(cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합체 등이 있다. 이러한 용매들은 전극 집전체 표면에 대해 소망하는 수준으로 슬러리 도포 층이 만들어질 수 있도록 적정한 수준의 점도를 제공한다.
상기 음극은, 집전체; 및 상기 집전체의 적어도 일면에 위치하고, 음극활물질, 바인더 고분자, 및 도전재를 포함하는 음극활물질층을 구비하고, 상기 음극활물질층이 상기 집전체와 면접하는 하층 영역과 상기 하층 영역과 면접하면서 음극활물질층의 표면까지 연장되는 상층 영역으로 이루어지고, 상기 하층 영역 및 상층 영역이 각각 독립적으로 음극활물질로서 흑연 및 규소계 화합물 중 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 하층 영역이 음극활물질로서 천연흑연을 포함하고, 상기 상층 영역에는 음극활물질로서 인조흑연을 포함할 수 있다.
상기 하층 영역 및 상층 영역이 각각 독립적으로 음극활물질로서 규소계 화합물을 더 포함할 수 있다.
상기 규소계 화합물이 SiOx(0≤x≤2) 및 SiC 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 음극은 하층용 음극활물질로 포함하는 하층용 슬러리를 집전체에 도포 및 건조하여 하층 영역을 형성하고, 이후 하층 영역 상에 상층용 음극활물질로 포함하는 상층용 슬러리를 도포 및 건조하여 상층 영역을 형성하여 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 음극은 하층용 음극활물질을 포함하는 하층용 슬러리;와, 상층용 음극활물질 포함하는 상층용 슬러리;를 준비하는 단계;
음극 집전체의 일면에 상기 하층용 슬러리를 코팅하고, 동시에 또는 소정의 시간차를 두고 상기 하층용 슬러리 위에 상기 상층용 슬러리를 코팅하는 단계; 및
상기 코팅된 하층용 슬러리 및 상층용 슬러리를 동시에 건조하여 활물질층을 형성하는 단계;를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
이렇게 후자의 방법으로 제조되는 경우에, 상기 음극에서 하층 영역과 상층 영역이 맞닿는 부분에 이들 상이한 종류의 활물질들이 서로 혼재하는 혼합 영역(인터믹싱, intermixing)이 존재할 수 있다. 이는 하층 음극활물질로 포함하는 하층용 슬러리와 상층 음극활물질로 포함하는 상층용 슬러리를 집전체 상에 동시에 또는 매우 짧은 시간 차이를 두고 연속적으로 코팅을 하고, 이후 동시에 건조하는 방식으로 활물질층을 형성하는 경우에, 하층용 슬러리와 상층용 슬러리가 건조전에 맞닿은 계면 상에 소정의 혼합 구간이 발생하고 이후 건조되면서 이러한 혼합 구간이 혼합 영역의 층 형태로 형성되기 때문이다.
본 발명의 일 구현예의 음극의 활물질층에서, 상기 상층 영역과 상기 하층 영역의 중량비 (또는 단위 면적당 로딩양의 비)는 20:80 내지 50:50, 상세하게는 25:75 내지 50:50일 수 있다.
본 발명의 음극의 활물질층의 하층 영역 및 상층 영역의 두께는 상기 코팅된 하층용 슬러리 및 상기 코팅된 상층용 슬러리의 두께와 완전히 일치하지는 않을 수 있다. 하지만, 건조 또는 선택적인 압연 공정을 거친 결과, 최종 얻어지는 본 발명의 음극의 음극의 활물질층의 하층 영역 및 상층 영역의 두께의 비율은 상기 코팅된 하층용 슬러리 및 상기 코팅된 상층용 슬러리의 두께의 비율과는 일치할 수 있다.
상기 제1 슬러리를 코팅하고, 동시에 또는 소정의 시간차를 두고 상기 제1 슬러리 위에 상기 제2 슬러리를 코팅하고, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 소정의 시간차는 0.6초 이하, 또는 0.02초 내지 0.6초, 또는 0.02초 내지 0.06초, 또는 0.02초 내지 0.03초의 시간차일 수 있다. 이와 같이 제1 슬러리와 제2 슬러리의 코팅시에 시간차가 발생하는 것은 코팅 장비에 기인하는 것이므로, 상기 제1 슬러리와 제2 슬러리를 동시에 코팅하는 것이 더 바람직할 수 있다. 상기 제1 슬러리 상에 제2 슬러리를 코팅하는 방법은 이중 슬롯 다이(double slot die), 등의 장치를 이용할 수 있다.
상기 활물층을 형성하는 단계에서, 건조 단계 이후 활물질층을 압연시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 압연은 롤 프레싱(roll pressing)와 같이 당업 분야에서 통상적으로 사용되는 방법에 의해 수행될 수 있으며, 예컨대, 1 내지 20 MPa의 압력 및 15 내지 30℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 코팅된 하층용 슬러리 및 상층용 슬러리를 동시에 건조하여 활물질층을 형성하는 단계는, 열풍 건조 및 적외선 건조 장치가 조합한 장치를 이용하고, (당업 분야에서 통상적으로 사용되는 방법으로 실시될 수 있다.
상기 하층용 슬러리의 고형분에서 제1 바인더 고분자의 중량%가 상기 상층용 슬러리의 고형분에서 제2 바인더 고분자의 중량%과 동일하거나 더 많을 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따르며, 상기 하층용 슬러리의 고형분에서 제1 바인더 고분자의 중량%가 상기 상층용 슬러리의 고형분에서 제2 바인더 고분자의 중량%보다 1.0 내지 4.2배, 또는 1.5 내지 3.6배, 또는 1.5 내지 3 배 클 수 있다.
이때, 상기 코팅된 하층용 슬러리에서 제1 바인더의 중량% 및 상기 코팅된 상층용 슬러리에서 제2 바인더의 중량%의 비율이 이러한 범위를 만족하는 경우에 하층 영역의 바인더가 너무 적지 않아서 전극층의 탈리가 발생하지 않으며, 상층 영역의 바인더가 너무 많지 않아서 전극 상층부의 저항이 감소되고 급속충전성능이 유리할 수 있다.
상기 하층용 슬러리의 고형분에서 제1 바인더 고분자의 중량%가 2 내지 30 중량%, 또는 5 내지 20 중량%. 또는 5 내지 20 중량%일 수 있고, 상기 상층용 슬러리의 고형분에서 제2 바인더 고분자의 비율(중량%)이 0.5 내지 20 중량%, 또는 1 내지 15 중량%, 또는 1 내지 10 중량%, 또는 2 내지 5 중량%일 수 있다.
상기 하층용 슬러리 및 상기 상층용 슬러리 전체의 고형분에서 제1 바인더 고분자 및 제2 바인더 고분자의 총비율(중량%)이 2 내지 20 중량%, 또는 5 내지 15 중량%일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 구조에 관해 상세히 설명한다.
도 14는 제1실시예의 전극판(40)을 제1전극판(양극판) 및 제2전극판(음극판)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체(80)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
전극 조립체(80)는 도 2를 통해 설명한 권취 공법으로 제조할 수 있다. 설명의 편의를 위해 분리막 밖으로 연장된 무지부(43a, 43b)의 돌출 구조를 상세하게 도시하고, 제1전극판, 제2전극판 및 분리막의 권취 구조에 대한 도시는 생략한다. 상부로 돌출된 무지부(43a)는 제1전극판으로부터 연장된 것이고, 하부로 돌출된 무지부(43b)는 제2전극판으로부터 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(61, 61')의 사이드 부분이 잘리면 단면에서의 무지부 높이는 분절편(61, 61')의 높이보다 낮아진다. 따라서, 전극 조립체의 단면을 나타낸 도면들에 도시된 무지부(43a, 43b)의 높이는 각 권취 턴에 포함된 무지부 높이(도 11의 C2, 도 13의 D2)의 평균에 대응한다고 이해하여야 한다.
도 14를 참조하면, 제1전극판의 무지부(43a)는, 전극 조립체(80)의 코어에 인접한 코어측 무지부(B1), 전극 조립체(80)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, 전지 캔의 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 전극판 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극판 구조를 가질 수 있다.
상부 무지부(43a)와 하부 무지부(43b)의 단부(81)은 전극 조립체(80)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡될 수 있다. 이 때 외주측 무지부(B3)는 실질적으로 절곡되지 않을 수 있다.
도 15는 제2실시예의 전극판(45)을 제1전극판(양극판) 및 제2전극판(음극판)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체(90)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 15를 참조하면, 제1전극판의 무지부(43a)는, 전극 조립체(90)의 코어에 인접한 코어측 무지부(B1), 전극 조립체(90)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, 전지 캔의 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 전극판 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극판 구조를 가질 수 있다.
상부 무지부(43a)와 하부 무지부(43b)의 단부(91)은 전극 조립체(90)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡될 수 있다. 이 때 외주측 무지부(B3)의 최외측(92)은 실질적으로 절곡되지 않을 수 있다.
도 16은 제3실시예 내지 제5실시예(이들의 변형예들)의 전극판들(50, 60, 70) 중 어느 하나를 제1전극판(양극판) 및 제2전극판(음극판)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체(100)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 16을 참조하면, 제1전극판의 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 길이 내지는 코어측 무지부(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 절곡 길이(H)는 무지부(43a)가 절곡되는 지점(도 11의 C4, 도 13의 D4)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 음극측의 집전 플레이트와 전지 캔 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
외주측 무지부(B3)의 높이는 중간 무지부(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 따라서, 전지 캔의 비딩부에 외주측 무지부(B3)가 압박되면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다.
일 변형예에서, 외주측 무지부(B3)의 높이는 도 16에 도시된 것과 달리 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다. 또한, 도 16에는, 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 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(110)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 17을 참조하면, 전극 조립체(110)는 도 16의 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. 복수의 분절편에 관한 구성에 대해서는 제4 및 제5실시예(변형예들)의 설명을 실질적으로 동일하게 원용한다.
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 음극측의 집전 플레이트와 전지 캔 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 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(120)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 18을 참조하면, 전극 조립체(120)는 도 16의 전극 조립체(100)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 9 참조)이나 분절편(도 10a 또는 도 12a 참조)의 높이를 조절하는 것에 의해 구현할 수 있다.
전극 조립체(120)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(120) 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 전지 캔 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
또한, 외주측 무지부(B3)의 높이는 중간 무지부(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 따라서, 전지 캔의 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 전극판 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극판 구조를 가질 수 있다.
상부 무지부(43a)와 하부 무지부(43b)의 단부(121)는 전극 조립체(120)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 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(130)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 19를 참조하면, 전극 조립체(130)는 도 18의 전극 조립체(120)와 비교하여 외주측 무지부(B3)의 높이가 외주측 무지부(B3)와 중간 무지부(B2)의 경계 지점부터 전극 조립체(130)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 9 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(130)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(120) 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 전지 캔 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 전극판 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극판 구조를 가질 수 있다.
상부 무지부(43a)와 하부 무지부(43b)의 단부(131)는 전극 조립체(130)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 배터리 셀에 적용될 수 있다.
바람직하게, 원통형 배터리 셀은, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리 셀의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 배터리 셀일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리 셀의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀은, 예를 들어 46110 셀, 48750 셀, 48110 셀, 48800 셀, 46800 셀일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 그 다음 숫자 2개는 셀의 높이를 나타내고, 마지막 숫자 0은 셀의 단면이 원형임을 나타낸다.
폼 팩터의 비가 0.4를 초과하는 원통형 배터리 셀에 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 전극판과 전극 조립체에 의해 달성될 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 셀일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
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.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리 셀에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(140)을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(140)은 제1전극판, 분리막 및 제2전극판을 포함하는 전극 조립체(141), 전극 조립체(141)를 수납하는 전지 캔(142) 및 전지 캔(142)의 개방단부를 밀봉하는 밀봉체(143)를 포함한다.
전지 캔(142)은, 상방에 개구부가 형성된 원통형의 용기이다. 전지 캔(142)은 알루미늄이나 스틸과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 전지 캔(142)은 상단 개구부를 통해 내측 공간에 전극 조립체(10)를 수용하며 전해질도 함께 수용한다.
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.
전극 조립체(141)는, 젤리롤 형상을 가질 수 있다. 전극 조립체(141)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 하부 분리막, 제1전극판, 상부 분리막 및 제2전극판을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 중심(C)을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다.
제1전극판과 제2전극판은 극성이 다르다. 즉 하나가 양의 극성을 띠면 다른 하나는 음의 극성을 띤다. 제1전극판과 제2전극판 중 적어도 하나는 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 전극판 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1전극판과 제2전극판 중 다른 하나는 종래의 전극판 구조 또는 실시예들(변형예들)에 따른 전극판 구조를 가질 수 있다.
전극 조립체(141)의 상부와 하부에는 각각 제1전극판의 무지부(146a)와 제2전극판의 무지부(146b)가 돌출된다. 제1전극판은 제1실시예(변형예)의 전극판 구조를 가진다. 따라서, 제1전극판의 무지부(146a)는 외주측 무지부(B3)의 높이가 다른 부분의 무지부 높이 보다 작다. 외주측 무지부(B3)는 전지 캔(142)의 내주면, 특히 비딩부(147)와 소정 간격 이격되어 있다. 따라서, 제1전극판의 외주측 무지부(B3)는 제2전극판과 전기적으로 연결된 전지 캔(142)과 접촉하지 않아 배터리 셀(140)의 내부 단락이 방지된다.
제2전극판의 무지부(146b)는 높이가 동일하다. 변형 예에서, 제2전극판의 무지부(146b)는 제1전극판의 무지부(146a)와 동일한 구조를 가질 수 있다. 다른 변형 예에서, 제2전극판의 무지부(146b)는 실시예들(변형예들)에 따른 전극판의 무지부 구조를 선택적으로 가질 수 있다.
밀봉체(143)는 탑 플레이트(143a), 탑 플레이트(143a)와 전지 캔(142) 사이에 기밀성을 제공하며 절연성을 가진 제1가스켓(143b) 및 상기 탑 플레이트(143a)와 전기적으로 및 기계적으로 결합된 연결 플레이트(143c)를 포함할 수 있다.
캡 플레이트(143a)는 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지는 부품이며, 전지 캔(142)의 상단 개구부를 커버한다. 캡 플레이트(143a)는, 제1전극판의 무지부(146a)와 전기적으로 연결되며, 전지 캔(142)과는 제1가스켓(143b)을 통해 전기적으로 절연된다. 따라서 캡 플레이트(143a)는, 원통형 배터리 셀(140)의 제1전극 단자로서 기능할 수 있다.
캡 플레이트(143a)는 전지 캔(142)에 형성된 비딩부(147) 상에 안착되며, 크림핑부(148)에 의해 고정된다. 캡 플레이트(143a)와 크림핑부(148) 사이에는, 전지 캔(142)의 기밀성을 확보하고 전지 캔(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.
전지 캔(142)은 제2전극판의 무지부(146b)와 전기적으로 연결된다. 따라서 전지 캔(142)은 제2전극판과 동일한 극성을 갖는다. 만약, 제2전극판이 음의 극성을 가지면, 전지 캔(142) 또한 음의 극성을 가진다.
전지 캔(142)은 상단에 비딩부(147) 및 크림핑부(148)를 구비한다. 비딩부(147)는 전지 캔(142)의 외주면 둘레를 압입하여 형성한다. 비딩부(147)는 전지 캔(142)의 내부에 수용된 전극 조립체(141)가 전지 캔(142)의 상단 개구부를 통해 빠져나오지 못하도록 하며, 밀봉체(143)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다.
비딩부(147)의 내주면은, 제1전극판의 외주측 무지부(B3)와 소정 간격 이격되어 있다. 보다 구체적으로, 비딩부(147)의 내주면 하단이, 제1전극판의 외주측 무지부(B3)와 소정 간격 이격되어 있다. 또한, 외주측 무지부(B3)는 높이가 낮기 때문에 비딩부(147)를 형성하기 위해 전지 캔(12)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 셀(140) 내부의 단락을 방지할 수 있다.
바람직하게, 비딩부(147)의 압입 깊이를 D1으로 정의하고, 전지 캔(142)의 내주면으로부터 외주측 무지부(B3)와 중간 무지부(B2)의 경계 지점까지의 반경 향 길이를 D2라고 정의할 때, 관계식 D1 ≤ D2가 만족될 수 있다. 이 경우, 비딩부(147)를 형성하기 위해 전지 캔(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 셀(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 제1전극판의 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 제1전극판의 무지부(146a)에 압입시킬 수 있다.
제1집전 플레이트(144)는 제1전극판의 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 제2전극판의 무지부(146b)와 용접에 의해 결합되며, 반대쪽 면은 전지 캔(142)의 내측 바닥 면 상에 용접에 의해 결합될 수 있다. 제2집전 플레이트(145)와 제2전극판의 무지부(146b) 사이의 결합 구조는 제1집전 플레이트(144)와 제1전극판의 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 전극판의 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 전지 캔(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 셀(140)의 높이 방향의 이동이 제한되어 배터리 셀(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.
전지 캔(142)은 그 하면에 형성된 벤팅부(152)를 더 구비할 수 있다. 벤팅부(152)는 전지 캔(142)의 하면 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 벤팅부(152)는, 주변 영역과 비교하여 구조적으로 취약하다. 따라서, 원통형 배터리 셀(140)에 이상이 발생하여 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하면, 벤팅부(152)가 파열되어 전지 캔(142)의 내부에 생성된 가스가 외부로 배출될 수 있다.
벤팅부(152)가 전지 캔(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 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(150)을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 21을 참조하면, 원통형 배터리 셀(150)은 도 20의 원통형 배터리 셀(140)과 비교하여 제1전극판의 무지부(146a)에 제2실시예(변형예)의 전극판 구조가 채용된 점을 제외하면 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
도 21을 참조하면, 제1전극판의 무지부(146a)는 외주측 무지부(B3)의 높이가 전지 캔(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 전지 캔(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 전지 캔(142)과 접촉하여 내부 단락을 일으키는 현상을 억제할 수 있다.
원통형 배터리 셀(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 전극판의 무지부 구조를 선택적으로 가질 수 있다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(160)을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 22를 참조하면, 원통형 배터리 셀(160)은 앞서 설명된 원통형 배터리 셀(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 셀(160)에 있어서 제1집전 플레이트(144)의 지름과 중간 무지부(B2)의 최외측 지름은 전지 캔(142)의 최소 내경보다 작다. 또한, 제1집전 플레이트(144)의 지름은 중간 무지부(B2)의 최외측 지름과 같거나 더 클 수 있다.
구체적으로, 전지 캔(142)의 최소 내경은 비딩부(147)가 형성된 위치에서의 전지 캔(142)의 내경에 해당할 수 있다. 이 때, 제1집전 플레이트(144) 및 중간 무지부(B2)의 최외측 지름은 비딩부(147)가 형성된 위치에서의 전지 캔(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, 전지 캔(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, 전지 캔(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, 전지 셀 내의 빈 공간이 감소하고, 감소된 빈 공간만큼 에너지 밀도가 극대화될 수 있다.
원통형 배터리 셀(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 전극판의 무지부 구조를 선택적으로 가질 수 있다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(170)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 23을 참조하면, 원통형 배터리 셀(170)은 도 20에 도시된 원통형 배터리 셀(140)과 비교하여 전극 조립체의 구조는 실질적으로 동일하고, 전극 조립체를 제외한 나머지 구조가 변경된 점에서 차이가 있다.
구체적으로, 원통형 배터리 셀(170)은 리벳 단자(172)가 관통 설치된 전지 캔(171)을 포함한다. 리벳 단자(172)는 전지 캔(171)의 폐쇄면(도면의 상부면)에 설치된다. 리벳 단자(172)는 절연성이 있는 제2가스켓(173)이 개재된 상태에서 전지 캔(171)의 관통 홀에 리벳팅된다. 리벳 단자(172)는 중력 방향과 반대 방향을 향해 외부로 노출된다.
리벳 단자(172)는, 단자 노출부(172a) 및 단자 삽입부(172b)를 포함한다. 단자 노출부(172a)는, 전지 캔(171)의 폐쇄면의 외측으로 노출된다. 단자 노출부(172a)는, 전지 캔(171)의 폐쇄면의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 단자 노출부(172a)의 최대 지름은 전지 캔(171)에 형성된 관통 홀의 최대 지름보다 더 크게 형성될 수 있다. 단자 삽입부(172b)는, 전지 캔(171)의 폐쇄면의 대략 중심부를 관통하여 제1전극판의 무지부(146a)와 전기적으로 연결될 수 있다. 단자 삽입부(172b)는, 전지 캔(171)의 내측 면 상에 리벳(rivet) 결합될 수 있다. 즉, 단자 삽입부(172b)의 단부는, 전지 캔(171)의 내측 면을 향해 휘어진 형태를 가질 수 있다. 단자 삽입부(172b)의 단부의 최대 지름은 전지 캔(171)의 관통 홀의 최대 지름보다 더 클 수 있다.
단자 삽입부(172b)의 하단면은 제1전극판의 무지부(146a)에 연결된 제1집전 플레이트(144)와 용접될 수 있다. 제1집전 플레이트(144)와 전지 캔(171)의 내측면 사이에는 절연물질로 이루어진 절연 캡(174)이 개재될 수 있다. 절연 캡(174)은 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 전지 캔(171)의 내측면과 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있다. 리벳 단자(172)의 단자 삽입부(172b)는 절연 캡(174)을 관통하여 제1집전 플레이트(144)에 용접될 수 있다.
제2가스켓(173)은 전지 캔(171)과 리벳 단자(172) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 전지 캔(171)과 리벳 단자(172)가 전기적으로 서로 접촉되는 것을 방지한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 전지 캔(171)의 상면이 원통형 배터리 셀(170)의 제2전극 단자로서 기능할 수 있다.
제2가스켓(173)은, 가스켓 노출부(173a) 및 가스켓 삽입부(173b)를 포함한다. 가스켓 노출부(173a)는 리벳 단자(172)의 단자 노출부(172a)와 전지 캔(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는 리벳 단자(172)의 단자 삽입부(172b)와 전지 캔(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는, 단자 삽입부(172b)의 리벳팅(reveting) 시에 함께 변형되어 전지 캔(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, 리벳 단자(172)의 단자 노출부(172a)의 외주면을 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다. 제2가스켓(173)이 리벳 단자(172)의 외주면을 커버하는 경우 버스바 등의 전기적 연결 부품을 전지 캔(171)의 상면 및/또는 리벳 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 전지 캔(171) 및 리벳 단자(172)와 결합될 수 있다. 이 경우, 제2가스켓(173)과 리벳 단자(172)의 결합 계면 및 제2가스켓(173)과 전지 캔(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, 리벳 단자(172)는 인서트 사출에 의해 제2가스켓(173)과 일체로 결합될 수 있다.
전지 캔(171)의 상면 중에서 리벳 단자(172) 및 제2가스켓(173)이 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역(175)이 리벳 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 제2전극판의 무지부(146b)와 전기적으로 연결된다.
바람직하게, 제2집전 플레이트(176)는, 전지 캔(171)과 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 제2집전 플레이트(176)는 가장 자리 부분의 적어도 일부가 전지 캔(171)의 내측 면과 제1가스켓(178b) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 일 예에서, 제2집전 플레이트(176)의 가장 자리 부분의 적어도 일부는 전지 캔(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 전지 캔(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.
전지 캔(171)의 하부 개방단을 밀봉하는 밀봉체(178)는 캡 플레이트(178a)와 제1가스켓(178b)을 포함한다. 제1가스켓(178b)은 캡 플레이트(178a)와 전지 캔(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 전지 캔(171) 사이에 제1가스켓(178b)이 개재되어 있으므로 캡 플레이트(178a)는 전기적 극성을 띠지 않는다. 밀봉체(178)는 전지 캔(171) 하부의 개방단을 밀봉시키고 배터리 셀(170)의 내부 압력이 임계치 이상 증가하였을 때 가스를 배출시키는 기능을 한다.
바람직하게, 제1전극판의 무지부(146a)와 전기적으로 연결된 리벳 단자(172)는 제1전극 단자로 사용된다. 또한, 제2집전 플레이트(176)를 통해 제2전극판의 무지부(146b)와 전기적으로 연결된 전지 캔(171)의 상부 표면 중에서 리벳 단자(172)를 제외한 부분(175)은 제1전극 단자와 극성이 다른 제2전극 단자로 사용된다. 이처럼, 2개의 전극 단자가 원통형 배터리 셀(170)의 상부에 위치할 경우, 버스바 등의 전기적 연결 부품을 원통형 배터리 셀(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 셀(170)은 전기적 연결 부품의 접합 부위에서의 저항을 바람직한 수준으로 낮출 수 있다.
한편, 전극 조립체(141)의 구조와 무지부 구조는 도시된 것에 한정되지 않고, 상술한 실시예들(변형예들)의 구조로 대체 가능하다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(180)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 24를 참조하면, 원통형 배터리 셀(180)은 도 21에 도시된 원통형 배터리 셀(150)과 비교하여 전극 조립체(141)의 구조는 실질적으로 동일하고, 전극 조립체(141)를 제외한 나머지 구성은 도 23에 도시된 원통형 배터리 셀(170)과 실질적으로 동일하다.
따라서, 원통형 배터리 셀(150, 170)에 관한 실시예(변형예)의 구성이 원통형 배터리 셀(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 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(190)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 25를을 참조하면, 원통형 배터리 셀(190)은 도 17에 나타낸 전극 조립체(110)를 포함하며, 전극 조립체(110)를 제외한 나머지 구성은 도 20에 나타낸 원통형 배터리 셀(140)과 실질적으로 동일하다.
도 25를 참조하면, 전극 조립체(110)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 여러 겹으로 중첩되면서 전극 조립체(110)의 상부와 하부에 각각 형성될 수 있다.
전극 조립체(110)는 코어측 무지부(B1)의 높이가 다른 부분보다 상대적으로 작다. 또한, 도 17에 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(46a)를 코어측을 향해 절곡시키더라도 전극 조립체(110) 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 전지 캔(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 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(200)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 26을 참조하면, 원통형 배터리 셀(200)은 도 17에 나타낸 전극 조립체(110)를 포함하며, 전극 조립체(110)를 제외한 나머지 구성은 도 25에 나타낸 원통형 배터리 셀(180)과 실질적으로 동일하다.
도 26을 참조하면, 전극 조립체(110)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(110)는 코어측 무지부(B1)의 높이가 다른 부분보다 상대적으로 낮다. 또한, 도 17에 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(110) 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 전지 캔(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 27은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(210)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 27을 참조하면, 원통형 배터리 셀(210)은 도 16에 나타낸 전극 조립체(100)를 포함하며, 전극 조립체(100)를 제외한 나머지 구성은 도 20에 나타낸 원통형 배터리 셀(140)과 실질적으로 동일하다.
바람직하게, 전극 조립체(100)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 16에 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(100) 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 전지 캔(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 28은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(220)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 28을 참조하면, 원통형 배터리 셀(220)은 도 17에 나타낸 전극 조립체(100)를 포함하며, 전극 조립체(100)를 제외한 나머지 구성은 도 24에 나타낸 원통형 배터리 셀(180)과 실질적으로 동일하다.
바람직하게, 전극 조립체(100)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(100)는 코어측 무지부(B1)의 높이가 중간 무지부(B2)보다 상대적으로 낮다. 또한, 도 16에 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(100) 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 전지 캔(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.
상술한 실시예들(변형예들)에 따른 원통형 배터리 셀은 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 29는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 29를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(300)은 원통형 배터리 셀(301)이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(302)을 포함한다. 원통형 배터리 셀(301)은 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 배터리 셀 중 어느 하나일 수 있다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 배터리 셀(301)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
배터리 팩(300)은 자동차에 탑재될 수 있다. 자동차는 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차는 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함한다.
도 30은 도 29의 배터리 팩(300)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 30을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)을 포함한다. 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
본 발명에 따르면, 전극 조립체의 상부 및 하부에 돌출된 무지부 자체를 전극 탭으로서 사용함으로써 원통형 배터리 셀의 내부 저항을 감소시키고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 전지 캔의 비딩부 형성 과정에서 전극 조립체와 전지 캔의 내주면이 간섭을 일으키지 않도록 함으로써 전극 조립체의 부분적 변형에 따른 원통형 배터리 셀 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 전지 캔과 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 셀, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
실시예 1
(1) 분리막의 제조
폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체 (PVdF-HFP) 고분자를 테트라하이드로퓨란 (THF)에 약 5 중량% 첨가한 후, 50℃의 온도에서 약 12시간 이상 용해시켜 고분자 용액을 제조하였다. 이 고분자 용액에 입경이 약 400nm인 BaTiO3 분말을 전체 고형분 20 중량%로 첨가하고 분산시켜 혼합용액(BaTiO3/ PVdF-HFP = 80:20 (중량비))을 제조하였다. 닥터 블레이드(doctor blade)법을 이용하여 제조된 혼합 용액을 폴리프로필렌 소재의 다공성 고분자 기재 양면상에 코팅하였다. 코팅 후, THF를 건조시켜 상기 다공성 고분자 기재의 양면에 다공성 코팅층을 형성하였다.
이후, 절연코팅층용 필러로 Al2O3를 80 중량부, 절연코팅층용 바인더로 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)를 20 중량부, 용매(분산매)로 테트라하이드로퓨란 를 첨가하여 고형분 20 중량%의 절연코팅층용 조성물을 준비하였다. 상기 준비된 절연코팅층용 조성물을 상기 다공성 고분자 기재의 양면에 형성된 다공성 코팅층의 양단부에 코팅하고 건조하여 절연코팅층을 구비한 분리막을 제조하였다.
이때, 상기 절연코팅층의 폭은 1.25 mm이고, 높이는 0.3㎛이었다. 상기 다공성 고분자 기재의 두께는 10㎛이었고, 상기 다공성 코팅층의 두께는 양면에 각각 1.5㎛이었다. 기공율 측정 장치(porosimeter)로 측정한 결과, 제조된 분리막의 기공 크기 및 기공도는 각각 0.4㎛ 및 60% 였다.
(2) 집전체 준비
1)양극 집전체의 준비
아래 표 1과 같이 그룹 1과 그룹 2의 분절편이 형성될 무지부를 포함하는 알루미늄 소재의 집전체용 금속 박막(두께 15㎛)을 준비하였다.
상기 금속 박막은 권취 방향을 따르는 길이가 코어에서 외주까지(B1+B2+B3)4,000mm이고, 권취 축 방향을 따르는 폭이 75mm였다. 상기 금속 박막에 대해서 B1은 코어측 무지부, B3는 외주측 무지부, 상기 코어측부와 외측측부 사이인 B2는 중간 무지부로 영역을 구분하였다. 상기 B1의 길이는 350mm, B2의 길이는 3500mm 및 B3 길이는 150mm 였다.
상기 금속 박막의 폭 방향에서 제2 측부로부터 내측으로 소정 폭은 양극 활물질부로 하고 나머지는 무지부인 제1 부분으로 하였으며, 상기 코어측 무지부와 상기 외주측 무지부는 중간 무지부보다 권취 축 방향의 높이를 작게하였다.
2)음극 집전체의 준비
구리 박막(두께 10㎛)을 집전체의 소재로 하고 권취 축 방향을 따르는 폭이 80mm인 것을 제외하고는 양극 집전체와 동일한 방식으로 음극 집전체를 준비하였다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1
집전체 전체 길이(mm) (코어~외주까지 길이) 4000mm 4000mm 4000mm
집전체 전체 폭 (mm) 음극 80mm 80mm 80mm
양극 75mm 75mm 75mm
B1의 길이(mm) 350 mm 350 mm 350 mm
B2의 길이(mm) 3500 mm 3500 mm 3500 mm
각 그룹의 길이(mm)(그룹 1 내지 그룹 7) 500 mm 500 mm 500 mm
B2 분절편 높이(C2) (mm) 그룹 1 5mm 5mm 5mm
그룹 2 내지 그룹 7 6mm 6mm 6mm
B3의 길이(mm) 150mm 150 mm 150 mm
B2 분절편의 폭(C1) 5mm 5 mm 5 mm
분절편 사이의 간격(이격피치, C3) 0.5mm 0.5mm 0.5mm
(3) 음극의 제조
평균 입경(D50)이 11㎛인 천연 흑연, 카본블랙, 카르복실메틸셀룰로오스(CMC) 및 스티렌부타티엔러버(SBR)을 94:1.5:2:2.5의 중량비로 물과 혼합하여 물을 제외한 나머지 성분 50 wt% 농도의 음극 활물질층용 슬러리를 준비하였다. 다음으로 상기 슬러리를 상기에서 준비된 구리 소재의 집전체 표면의 음극 활물질부에 슬롯다이를 이용하여 주행속도 40m/min으로 도포하였다. 권취 축 방향을 기준으로 상기 음극 활물질부의 폭은 70mm이며, 무지부의 폭은 10mm였다. 상기 음극 활물질의 로딩량은 전극 면적을 기준으로 16 mg/cm2의 양으로 하였다. 상기 음극 활물질층용 슬러리가 도포된 구리 박막을 길이 60m의 열풍 오븐을 통과시켜 건조하였으며 이때 오븐의 온도는 130℃를 유지하도록 조절되었다. 이후 목표(target) 두께는 180㎛로 하여 롤 프레싱을 수행하여 밀도 3.45g/cc인 음극을 수득하였다.
다음으로 상기 중간 무지부 구간은 레이저로 노칭 가공하여 아래 표 1의 조건을 갖도록 분할하여 복수의 분절편을 형성하였다. 이때, 각 분절편의 노칭골 하단은 실질적으로 같은 높이를 갖도록 조절하였다.
(4) 양극의 제조
양극 활물질로서 Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2(NCM-622), 도전재로 카본블랙(carbon black) 및 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 96:2:2의 중량비로 분산매인 물에 첨가하여, 양극활물질층용 슬러리를 준비하였다. 상기 슬러리를 상기에서 준비된 알루미늄 집전체의 표면에 코팅하고, 상기 음극과 동일한 조건으로 건조 및 압연을 수행하여 양극을 제조하였다. 상기 양극에서 권취 축 방향을 기준으로 상기 양극 활물질부의 폭은 65mm이며, 무지부의 폭은 10mm였다.
이때, 양극 활물질층은 상기 NMC 622의 이론 방전 용량을 고려해서 전지의 NP ratio 1.18(118%, 약 27.7cm2)가 되도록 조절하였다.
다음으로 상기 중간 무지부 구간은 레이저로 노칭 가공하여 하래 표 1의 조건을 갖도록 분할하여 복수의 분절편을 형성하였다. 이때, 각 분절편의 노칭골 하단은 실질적으로 같은 높이를 갖도록 조절하였다.
(5) 전극 조립체의 준비
상기 준비된 음극/분리막/양극 순으로 적층하고 권취하여 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 제조하였다. 분리막의 폭 방향의 말단이 상기 기준선을 기준으로 상기 최소 절곡 분절편(그룹 1)의 높이의 30%(1.5mm)로 상기 전극조립체의 외측 방향으로 위치하도록 하였다.
(6) 원통형 배터리 셀(전지)의 제조(4680 타입)
전극 조립체의 상부 및 하부에 노출된 그룹 1 내지 7의 분절편들을 코어 측으로 절곡시킨 후 상부 절곡면 및 하부 절곡면에 양극 집전판 및 음극 집전판을 각각 용접하였다. 그런 다음, 도 28에 도시된 구조의 원통형 셀을 제작하였다. 즉, 양극 집전판 및 음극 집전판이 용접된 전극 조립체를 외부 단자가 미리 설치된 배터리 하우징에 삽입하고, 양극 집전판과 외부 단자를 용접하고, 음극 집전판의 가장자리를 비딩부에 용접하였다. 그런 다음, 배터리 하우징을 전해액 주입장치의 챔버로 인입시키고, 배터리 하우징의 개구부가 중력과 반대 방향을 향하도록 배터리 하우징을 기립시켰다. 이어서, 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸카보네이트(DMC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)를 1:2:1(부피비)의 조성으로 혼합한 유기 용매에 LiPF6를 1.0M의 농도가 되도록 용해시켜 비수성 전해액을 제조하였다. 그런 다음, 배터리 하우징의 개구부를 통해 전해액을 주입한 후 20초 동안 800kPa까지 챔버의 압력을 상승시켜 150초 동안 유지하고 다시 20초 동안 -90kPa까지 챔버의 압력을 낮추고 실질적인 진공 상태를 20초 동안 유지하였다. 전해액 함침 공정이 완료된 후, 가스켓을 이용하여 배터리 하우징의 개방부를 밀봉체로 실링하여 원통형 셀의 제작을 완료하였다.
비교예 1
(1) 분리막의 제조
폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체 (PVdF-HFP) 고분자를 테트라하이드로퓨란 (THF)에 약 5 중량% 첨가한 후, 50℃의 온도에서 약 12시간 이상 용해시켜 고분자 용액을 제조하였다. 이 고분자 용액에 입경이 약 400nm인 BaTiO3 분말을 전체 고형분 20 중량%로 첨가하고 분산시켜 혼합용액(BaTiO3/ PVdF-HFP = 80:20 (중량비))을 제조하였다. 닥터 블레이드(doctor blade)법을 이용하여 제조된 혼합 용액을 폴리프로필렌 소재의 다공성 고분자 기재 양면상에 코팅하였다. 코팅 후, THF를 건조시켜 상기 다공성 고분자 기재의 양면에 다공성 코팅층을 형성하여, 분리막을 제조하였다.
이때, 상기 다공성 고분자 기재의 두께는 10㎛이었고, 상기 다공성 코팅층의 두께는 양면에 각각 1.5㎛이었다. 기공율 측정 장치(porosimeter)로 측정한 결과, 제조된 분리막의 기공 크기 및 기공도는 각각 0.4㎛ 및 60% 였다.
비교예 1에서 제조된 분리막을 사용한 점을 제외하고는, 실시예 1에 제시된 방법과 동일하게 집전체, 양극, 음극, 및 원통형 배터리 셀을 각각 제조하였다.
분리막 및 원통형 배터리 셀의 평가
(1) 분리막의 압축 특성 평가
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 분리막의 압축 특성을 하기의 방법으로 평가하였다.
70mm x 100mm 규격의 A4용지 4장, 50mm x 50mm 규격의 Haze PET 2장, Haze PET 1장을 준비하고, 분리막을 50mm x 50mm 규격으로 타발기를 사용하여 3장 이상 타발하였다
상기 타발된 분리막의 압축 전 두께를 측정하였다. 3장을 적층한 후 가장자리에서 10cm 떨어진 안쪽 부분 3 x 3 포인트를 측정하였다. 준비된 분리막 원단과 PET film, A4 용지를 차례대로 적층하였다. 상단부터 A4 용지 2장, haze PET film 1장, 분리막 원단 1 장, haze PET film 2장, A4용지 2장을 차례로 적층하였다.
Hot press를 이용하여 2000kgf(7.8MPa), 70℃, 10sec 조건으로 설정하고, 적층이 완료된 샘플을 핫 프레스(hot press)로 가압하였다. 압축이 완료된 분리막의 두께를 압축 전과 동일한 방식으로 측정하여 두께 변화를 확인하였다.
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 분리막의 압축 특성 평가 결과를 도 31에 나타내었다.
도 31을 참조하면, 다공성 코팅층의 양 단부에 절연성 코팅층을 구비하는 실시예 1의 분리막이 절연성 코팅층을 구비하지 않는 비교예 1의 분리막과 비교하여 압축율이 약 1% 더 개선되는 것을 확인할 수 있다. 이는 분리막 양 단부에 코팅된 절연코팅층에 의한 분리막 압축시 지지하는 힘에 의한 이유 때문인 것으로 볼 수 있다.
(2) 원통형 배터리 셀의 저항 특성 평가
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 원통형 배터리 셀의 SOC에 따른 저항 특성을 하기의 방법으로 평가하였다.
충전전류와 방전전류를 번갈아 10초간 적용하여 각 전류에 의한 전압의 하강/상승분을 고려한 후 옴의 법칙을 이용하여 기울기로 구할 수 있고, 이를 DCIR(di- rect current internal resistance) 즉, 내부저항이라 정의하였다.
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 원통형 배터리 셀의 저항 특성 결과를 도 32에 나타내었다.
도 32를 참조하면, 다공성 코팅층의 양 단부에 절연성 코팅층을 구비하는 실시예 1의 분리막을 구비한 원통형 배터리 셀이 절연성 코팅층을 구비하지 않는 비교예 1의 분리막을 구비한 원통형 배터리 셀과 비교하여 저항이 더 낮은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 전해액 함침성의 개선을 통한 전류 인가시 리튬이온의 이동이 원활했기 때문인 것으로 볼 수 있다.
(3) 전해액 함침량(함침성) 평가
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 원통형 배터리 셀의 전해액 함침량(함침성)을 이하의 방법으로 평가하였고, 그 결과를 도 33에 나타내었다.
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 원통형 배터리 셀을 분해하여 각각의 양극과 음극을 얻었다. 이후 음극과 양극에 대해 총 9 개의 지점에서 10 cm2 크기의 시료를 잘라내서 얻었다. 9개의 시료는 전극을 펼쳐 놓았을 때 전극 조립체의 코어와 인접한 영역에서 3개(#1 내지 #3), 전극 조립체의 외주측과 인접한 영역에서 3개(#7 내지 #9는), 권취 방향을 기준으로 전극의 중앙 영역에서 3개(#4 내지 #6)의 시료를 채취하였다. 각 시료 채취 영역에서 3개의 시료를 채취함에 있어서는, 권취 축 방향을 따라서 활물질층의 하단, 중앙 및 상단에서 각각 하나씩 채취하였다. 한편, #1, #4 및 #7은 전극 폭 방향의 일측 말단 부근이고, #3, #6 및 #9는 전극 폭 방향의 타측 말단 부근이고, 한편, #2, #5 및 #8은 그 중간 부분을 나타낸 것이다. 도 34를 통해서 시료의 채취 부분을 참조할 수 있다. 단, 도 34는 도 10을 바탕으로 단지 시료 채취 부분을 표시한 것으로서, 시료 채취 부분 외의 모양이나 수치는 상기 표 1을 참조한다.
전해액 함침성은 대조 시료의 무게와 채취 시료의 무게 차이로부터 결정하였다. 대조 시료는 실시예 1 및 비교예 1에서 사용된 전극과 동일하게 제작되고 전해액을 함침시키지 않은 양극 및 음극으로부터 동일한 채취 위치로부터 얻었다.
실시예 1의 전극 조립체에서 양극의 #1 내지 #9의 각 부분에 대한 평균 전해액 함침량은 21.3mg이었고, 비교예 1의 전극 조립체에서 양극의 #1 내지 #9의 각 부분에 대한 평균 전해액 함침량은 18.3mg이었다. 또한, 실시예 1의 전극 조립체에서 음극의 #1 내지 #9의 각 부분에 대한 평균 전해액 함침량은 31.3mg이었고, 비교예 1의 전극 조립체에서 음극의 #1 내지 #9의 각 부분에 대한 평균 전해액 함침량은 27.7mg이었다. 실시예 1에서의 전해액 함침량이 비교예 1에 비해서 높은 것으로 확인되었다. 이는 분리막의 다공성 고분자 기재의 양면에 형성된 다공성 코팅층뿐만 아니라, 절연코팅층이 추가로 적용됨에 따라 전해액이 흡수될 수 있는 영역이 넓어지고, 또한 원통형 배터리 셀에 전해액을 주액할 때 위에서 아래로 주액이 이뤄지는데 절연코팅층에 제일 우선적으로 흡수가 이뤄져 함침성 개선되고 함침량이 많아졌음을 이유로 볼 수 있다.
(4) 원통형 배터리 셀의 전압 및 온도 특성 평가
실시예 1과 비교예 1의 분리막을 구비한 원통형 배터리 셀의 SOC에 따른 전압 및 온도 특성을 하기 방법으로 평가하였다.
방전 시, 전류 속도 (C-rate) 다르게 하게되면 셀에 열이 발생하게 되는데 이에 이 때 발생하는 열의 온도를 비교함으로써 발열특성을 확인 할 수 있다.
실시예 1과 비교예 1의 분리막을 구비한 원통형 배터리 셀의 SOC에 따른 전압 및 온도 특성 평가 결과를 도 35에 나타내었다.
도 35를 참조하면, 동일한 전류속도를 인가하였을 때, 각 전류속도 0.5C, 1.0C, 2.0C, 3.0C 에 따른 방전 진행시 본 발명의 분리막의 경우 발열특성이 기존 대비 낮은 것으로 확인이 되는데, 이는 앞서 내부저항(DC-IR)이 낮았던 점과 함침성 개선 때문인 것으로 볼 수 있다.

Claims (47)

  1. 분리막으로서,
    상기 분리막은 다공성 고분자 기재; 및 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 형성되며, 바인더 고분자 및 무기물 입자를 포함하는 다공성 코팅층;을 포함하며,
    상기 분리막의 최외측의 횡방향(TD, Transverse Direction) 양 단부에 절연코팅층을 각각 구비하고,
    상기 절연코팅층이 절연코팅층용 필러 및 절연코팅층용 바인더를 포함하는 다공성 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 분리막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연코팅층 1개의 폭이 상기 분리막의 폭 방향 총 길이의 0.1 내지 10%인 것을 특징으로 하는 분리막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연코팅층용 필러의 평균 입경이 상기 무기 필러의 평균 입경의 10 내지 90%인 것을 특징으로 하는 분리막.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연코팅층의 수직 단면 형상이 사각형, 사다리꼴, 삼각형, 평형사변형, 반원형 또는 반타원형의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 분리막.
  5. 쉬트 형상을 가진 제1전극판 및 제2전극판과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체에 있어서,
    상기 분리막이 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 분리막인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 양극판, 음극판, 상기 양극판과 음극판 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가지는 젤리-롤 타입의 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되는 전지 캔; 및 상기 전지 캔의 개방 단부를 밀봉하는 밀봉체를 포함하고,
    상기 분리막이 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 분리막인 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 원통형 배터리 셀은 폼 팩터의 비가 0.4 이상인 원통형 배터리 셀.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 원통형 배터리 셀은 46110 셀, 48750 셀, 48110 셀, 48800 셀 또는 46800 셀인 원통형 배터리 셀.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 원통형 배터리 셀은 전극 탭을 포함하지 않는 탭-리스(Tab-less) 구조의 전지인 원통형 배터리 셀.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 양극판 및 음극판은 각각 활물질층이 형성되지 않은 무지부를 포함하고,
    상기 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극판 무지부 및 음극판 무지부가 위치하고,
    상기 양극판 무지부 및 음극판 무지부에 집전 플레이트가 결합되어 있고,
    상기 집전 플레이트가 전극 단자와 연결되는 것인 원통형 배터리 셀.
  11. 쉬트 형상을 가진 제1전극판 및 제2전극판과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체에 있어서,
    상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 중 적어도 하나는 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부를 포함하고,
    상기 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되고,
    상기 무지부는, 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 작고,
    상기 중간 무지부의 적어도 일부 구간은 복수의 분절편으로 분할되어 있고,
    상기 분리막이 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 분리막인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 중간 무지부의 적어도 일부 구간은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 권취 축 방향의 높이가 단계적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 분절편 각각은 사각형, 사다리꼴, 삼각형, 평형사변형, 반원형 또는 반타원형의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 분절편 각각은 사다리꼴이고,
    상기 복수의 분절편은 개별적으로 또는 그룹별로 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 사다리꼴의 하부 내각이 증가하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 분절편의 권취 축 방향의 높이 및 권취 방향의 폭 중 적어도 하나는 개별적으로 또는 그룹별로 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 분절편 각각은, 권취 방향에서 1 내지 6mm의 폭 조건; 권취 축 방향에서 2 내지 10mm의 높이 조건; 및 권취 방향에서 0.05 내지 1mm의 이격 피치 조건 중에서 적어도 하나 이상의 조건을 충족하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 분절편의 절단 라인 하단과 상기 활물질층 사이에 소정의 갭이 구비되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 갭은 0.2 내지 4mm임을 특징으로 하는 전극 조립체.
  19. 제11항에 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 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 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 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 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 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 분절편 그룹 중에서 적어도 일부는 전극 조립체의 동일한 권회턴에 배치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  23. 제11항에 있어서,
    상기 코어측 무지부는 무지부의 분절구조가 없는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  24. 제11항에 있어서,
    상기 외주측 무지부는 무지부의 분절구조가 없는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  25. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 분절편은 코어측으로 절곡되면서 여러 겹으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 코어에 공동이 구비되고,
    상기 공동은 상기 코어측으로 절곡된 복수의 분절편에 의해 폐색되지 않은 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 코어측 무지부의 반경 방향 길이(R)와 상기 중간 무지부의 최내측 분절편의 절곡 길이(H)는 관계식 H≤R을 만족하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  28. 제11항에 있어서,
    상기 외주측 무지부는 코어측으로부터 외주측으로 가면서 높이가 단계적 또는 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  29. 제11항에 있어서,
    상기 외주측 무지부는 복수의 분절편으로 분할되어 있고,
    상기 외주측 무지부에 포함된 복수의 분절편은 상기 중간 무지부에 포함된 복수의 분절편보다 권취 방향의 폭, 권취 축 방향의 높이 및 권취 방향의 이격 피치 중 적어도 하나 이상이 더 큰 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  30. 쉬트 형상을 가진 제1전극판 및 제2전극판과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 수납되며, 상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 중 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 띠는 전지 캔;
    상기 전지 캔의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 및
    상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 중 다른 하나와 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 제2극성을 띠는 단자를 포함하고,
    상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 중 적어도 하나는 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부를 포함하고,
    상기 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되고,
    상기 무지부는, 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 작고,
    상기 중간 무지부의 적어도 일부 구간은 복수의 분절편으로 분할되어 있고,
    상기 분리막이 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 분리막인것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 외주측 무지부는 상기 중간 무지부보다 권취 축 방향의 높이가 상대적으로 작고,
    상기 전지 캔은 개방단에 인접한 단부에 내측을 향해 압입된 비딩부를 구비하고,
    상기 전극 조립체의 상부 가장자리와 대향하는 상기 비딩부의 내주면과 상기 외주측 무지부는 소정 간격 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 비딩부의 압입 깊이(D1)와 상기 전지 캔의 내주면으로부터 상기 외주측 무지부와 상기 중간 무지부의 경계 지점까지의 거리(D2)는 관계식 D1≤D2을 만족하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  33. 제31항에 있어서,
    상기 중간 무지부와 전기적으로 결합된 집전 플레이트; 및
    상기 집전 플레이트를 커버하며, 가장자리가 상기 비딩부의 내주면과 상기 집전 플레이트 사이에 개재되어 고정된 인슐레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 집전 플레이트 및 상기 중간 무지부의 최외측 지름은 상기 비딩부 내주면의 최소 내경보다 작고, 상기 집전 플레이트의 지름은 상기 중간 무지부의 최외측 지름보다 같거나 더 큰 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 집전 플레이트는,
    상기 비딩부 보다 더 높게 위치하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  36. 제30항에 있어서,
    상기 중간 무지부의 적어도 일부 구간은 외주측으로부터 코어측으로 절곡되어 있고,
    상기 전극 조립체의 코어에는 공동이 구비되고,
    상기 공동은 상기 중간 무지부의 절곡 구조에 의해 폐색되지 않는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 중간 무지부는 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 분절된 복수의 분절편을 포함하고,
    상기 복수의 분절편은 상기 외주측으로부터 상기 코어측으로 절곡되고,
    상기 코어측 무지부의 반경 방향의 길이(R)와 상기 중간 무지부의 최내측에 위치한 분절편의 절곡 길이(H)는 관계식 H≤R을 만족하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 복수의 분절편 각각은 사각형, 사다리꼴, 삼각형, 평형사변형, 반원형 또는 반타원형의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  39. 제37항에 있어서,
    상기 복수의 분절편 각각은 권취 방향에서 1 내지 6mm의 폭 조건; 권취 축 방향에서 2 내지 10mm의 높이 조건; 및 권취 방향에서 0.05 내지 1mm의 이격 피치 조건 중 적어도 하나 이상의 조건을 충족하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  40. 제30항에 있어서,
    상기 분절편의 절단 라인 하단과 상기 활물질층 사이에 갭이 구비되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 갭은 0.2 내지 4mm임을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  42. 제37항에 있어서,
    상기 복수의 분절편은 복수의 그룹을 구성하고,
    각 그룹에 속한 분절편들은 권취 방향의 폭, 권취 축 방향의 높이 및 권취 방향의 이격 피치 중에서 적어도 하나 이상이 동일하고,
    상기 복수의 그룹 중 적어도 하나는 상기 전극 조립체의 동일한 권취 턴을 구성하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  43. 제37항에 있어서,
    상기 복수의 분절편은 복수의 그룹을 구성하고,
    상기 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 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  44. 제30항에 있어서,
    상기 밀봉체는, 상기 전지 캔의 개방단을 밀폐하는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸며 상기 전지 캔의 상단부에 클림핑된 가스켓을 포함하며,
    상기 제2극성을 띠는 단자는 상기 캡 플레이트임을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  45. 제30항에 있어서,
    상기 제1극성을 띠는 제2전극판의 무지부와 전기적으로 연결되고 상기 전지 캔의 측벽에 가장자리의 적어도 일부가 결합된 집전 플레이트를 더 포함하고,
    상기 밀봉체는, 극성이 없는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸며 상기 전지 캔의 상단부에 클림핑되는 가스켓을 포함하고,
    상기 전지 캔은 폐쇄면의 중앙부에 형성된 관통 홀에 절연 가능하게 설치되고 상기 제1전극판과 전기적으로 연결되어 상기 제2극성을 띠는 리벳 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  46. 제30항 내지 제45항 중 어느 한 항에 기재된 배터리 셀;을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  47. 제46항에 기재된 배터리 팩;을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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