KR20230073959A - 전극 조립체, 배터리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전극 조립체, 배터리, 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 개시한다. 전극 조립체는, 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1활물질부와 활물질층이 코팅되지 않은 제1무지부를 포함하고, 상기 제1무지부는 권취 방향을 따라 마련된 복수의 절단홈에 의해 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 분절편 구간을 포함하고, 상기 분절편 구간은 상기 권취 방향을 따라 그룹간 이격 간격을 두고 배치된 복수의 분절편 그룹들을 포함하고, 상기 전극 조립체의 일측 단부는 상기 복수의 분절편 그룹들이 반경 방향을 따라 정렬된 복수의 분절편 정렬부와, 원주 방향으로 인접하는 분절편 정렬부 사이에 상기 제1활물질부의 단부가 분리막의 권회턴들 사이에서 노출된 전해질 함침부를 포함하고, 상기 분절편 정렬부에 포함된 분절편들은 상기 코어를 향해 절곡되어 절곡 표면영역을 형성하고, 상기 분리막의 단부는 상기 복수의 절단홈에 대응되는 위치를 따라 권취 축 방향으로 연장된 기준선으로부터 미리 설정된 거리 이하로 이격되어 있고, 상기 미리 설정된 거리는 상기 절곡 표면영역을 형성하는 분절편의 최소 높이의 30%일 수 있다.
Description
본 발명은 전극 조립체, 배터리, 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 주목받고 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, 즉, 단위 배터리의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리를 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리를 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 단위 이차 전지의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리가 알려져 있다. 원통형 배터리의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전지 하우징 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 전지 하우징은 당업계에서 전지 캔으로 불린다. 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 하우징의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡이고, 음극 전극 단자는 전지 하우징이다. 그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 원통형 배터리에 의하면, 양극 무지부 및/또는 음극 무지부와 결합되는 스트립 형태의 전극 탭에 전류가 집중되기 때문에 저항이 크고 열이 많이 발생하며 집전 효율이 좋지 않다는 문제점이 있었다.
1865(직경:18mm, 높이:65mm)나 2170(직경:21mm, 높이:70mm)의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 배터리는 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 배터리를 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 원통형 배터리가 발화하는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 젤리롤 타입의 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하도록 설계하고, 이러한 무지부에 집전체를 용접시켜 집전 효율이 개선된 구조를 갖는 원통형 배터리(소위 탭-리스(Tab-less) 원통형 배터리)가 제시되었다.
도 1 내지 도 3은 탭-리스 원통형 배터리의 제조 과정을 보여주는 도면이다. 도 1은 전극의 구조를 나타내고, 도 2는 전극의 권취 공정을 나타내고, 도 3은 무지부의 절곡 표면영역에 집전체가 용접되는 공정을 나타낸다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 양극(10)과 음극(11)은 집전체 시트(20)에 활물질(21)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향(X)을 따라 한쪽 장변 측에 무지부(22)를 포함한다. 장변은 x축 방향과 평행한 방향으로서 길이가 상대적으로 긴 변을 의미한다.
전극 조립체(A)는 양극(10)과 음극(11)을 도 2에 도시된 것처럼 2장의 분리막(12)과 함께 순차적으로 적층시킨 후 일방향(X)으로 권취시켜 제작한다. 이 때, 양극(10)과 음극(11)의 무지부는 서로 반대 방향으로 배치된다.
권취 공정 이후, 양극(10)의 무지부(10a)과 음극(11)의 무지부(11a)는 코어측으로 절곡된다. 그 이후에는, 무지부(10a,11a)에 집전체(30, 31)를 각각 용접시켜 결합시킨다.
양극 무지부(10a)와 음극 무지부(11a)에는 별도의 전극 탭이 결합되어 있지 않으며, 집전체(30, 31)가 외부의 전극 단자와 연결되며, 전류 패스가 전극 조립체(A)의 권취 축 방향(화살표 참조)을 따라 큰 단면적으로 형성되므로 배터리의 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반비례하기 때문이다.
탭-리스 원통형 배터리에서, 무지부(10a,11a)와 집전체(30,31)의 용접 특성을 향상시키기 위해서는 무지부(10a,11a)의 용접 영역에 강한 압력을 가하여 최대한 평평하게 무지부(10a, 11a)를 절곡시켜야 한다.
그런데, 무지부(10a,11a)의 용접 영역을 절곡시킬 때 무지부(10a,11a)의 모양이 불규칙하게 일그러지면서 변형될 수 있다. 이 경우, 변형된 부위가 반대 극성의 전극과 접촉하여 내부 단락을 일으키거나 무지부(10a,11a)에 미세한 크랙을 유발할 수 있다. 또한 전극 조립체(A)의 코어에 인접한 무지부(32)가 절곡되면서 전극 조립체(A)의 코어에 있는 공동(33)을 전부 또는 상당 부분을 폐색한다. 이 경우, 전해질 주액 공정에서 문제를 일으킨다. 즉, 전극 조립체(A)의 코어에 있는 공동(33)은 전해질이 주입되는 통로로 사용된다. 그런데, 해당 통로가 폐색되면 전해질 주입이 어렵다. 또한, 전해질 주입기가 공동(33)에 삽입되는 과정에서 코어 근처의 무지부(32)와 간섭을 일으켜 무지부(32)가 찢어지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 집전체(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, 전극 조립체(A)의 무지부(10a, 11a)가 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역은 권취축 방향으로 전해질이 통과할 수 있는 틈이 거의 없다. 무지부(10a, 11a)가 절곡되는 과정에서 권취 직후에 존재하고
있었던 권회턴 사이의 틈들이 대부분 사라지기 때문이다. 따라서, 무지부(10a, 11a)의 단부 전체를 절곡시킨 구조는 전해질 함침 시간을 증가시킬 수 있다.
또한, 종래의 탭-리스 원통형 배터리는 전극 조립체(A)의 상부에 전체적으로 양극 무지부(10a)가 형성되어 있다. 따라서, 전지 하우징 상단의 외주면을 내부로 압입하여 비딩부를 형성할 때, 전극 조립체(A)의 상단 가장자리 영역(34)이 전지 하우징에 의한 압박을 받게 된다. 이러한 압박은, 전극 조립체(A)의 부분적인 변형을 발생시킬 수 있으며, 이 때 분리막(12)이 찢어지면서 내부 단락이 발생할 수 있다. 전지 내부에서 단락이 발생하면, 전지의 발열이나 폭발이 초래될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 배경하에서 창안된 것으로서, 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 전해질 주입 통로가 폐색되지 않은 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 전지 하우징의 상단이 비딩될 때 전극 조립체의 상단 가장자리와 전지 하우징의 내면이 접촉되는 것을 방지할 수 있는 구조를 포함하는 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 전극의 무지부에 분절편 구조를 적용하고 분절편의 디멘션(폭, 높이, 이격 피치)을 최적화시켜 용접 타겟 영역으로 사용되는 영역의 분절편 적층수를 충분히 증가시키는 것에 의해 용접 영역의 물성을 개선한 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 분절편들의 절곡에 의해 형성된 절곡 표면영역에 집전체를 넓은 면적으로 용접시킨 구조를 적용함으로써 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소된 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 전극 조립체에 대한 집전체의 용접이 안정적으로 이루어질 수 있는 구조의 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 전해질 함침 특성이 개선된 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 상부에서 전기적 배선을 수행할 수 있도록 디자인이 개선된 단자 및 집전체를 포함하는 배터리를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 개선된 구조의 전극 조립체를 포함하는 배터리와 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 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전극 조립체는, 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 적어도 하나는 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 활물질부와 활물질층이 코팅되지 않은 무지부를 포함할 수 있다.
상기 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용될 수 있다.
상기 무지부는 상기 활물질층과의 경계 영역인 기단부에 상기 권취 방향을 따라 형성된 절연층을 포함할 수 있다.
상기 무지부는 권취 방향을 따라 마련된 복수의 절단홈에 의해 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 구간을 포함할 수 있다.
상기 절단홈의 저부와 상기 절연층 사이의 갭이 상기 권취 방향을 따라 가변될 수 있다.
상기 분절편을 절곡할 때, 상기 절연층이 상기 무지부의 기단부를 지지하여 무지부의 기단부가 변형되지 않도록 할 수 있다. 기단부의 강성이 보강되므로, 상기 분절편을 절곡할 때 분절편의 하단부를 기준으로 분절편이 정확히 절곡될 수 있다.
상기 절연층의 적어도 일부는 상기 분리막 외부로 노출될 수 있다. 상기 분절편을 절곡할 때 분리막보다 외부로 더 돌출되는 무지부 부분을 절연층으로 커버하여, 이웃하는 다른 극성의 전극 사이에 단락이 일어남을 방지할 수 있다.
상기 무지부 상에 형성된 절연층은 상기 활물질층보다 얇아 상기 분리막으로부터 이격되게 배치될 수 있다. 즉 상기 활물질층은 상기 분리막과 접하지만, 이에 비해 상기 무지부상의 절연층과 상기 분리막 사이에는 유격이 있을 수 있다. 상기 절연층은 이에 따라, 상기 분절편을 절곡할 때 그 절곡력에 의해 무지부의 기단부가 약간 변형되더라도 그 변형량이 상기 분리막에 영향을 미치는 것을 최소화할 수 있다.
전극의 소정 영역에서, 상기 갭은 나머지 영역보다 증가 또는 감소할 수 있다.
전극의 소정 영역에서, 상기 갭은, 상기 권취방향과 평행한 일 방향을 따라 일정하거나 상기 권취방향과 평행한 일 방향을 따라 점진적 또는 단계적으로 증가할 수 있다.
상기 갭은 0.2mm 내지 4mm일 수 있다.
상기 분절편들은, 하부에서 상부로 갈수록 권취방향 폭이 감소하는 기하학적 형태를 가지며, 코어측에서 외주측으로 갈수록 그 하부 내각이 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다.
상기 복수의 분절편들은 권취방향으로 이웃하는 분절편들끼리 분절편의 하부 내각이 동일한 분절편 그룹을 복수 개 구비할 수 있다. 분절편들을 그룹 지어 관리하면 설계 및 제조 관리가 용이하다.
어느 하나의 분절편 그룹에 속하는 분절편들 각각의 하부 내각(θ)은 그보다 코어 측에 배치된 분절편 그룹에 속하는 분절편들 각각의 하부 내각과 같거나 그보다 더 클 수 있다. 젤리롤 형태의 전극 조립체는 외주로 갈수록 곡률이 줄어든다. 따라서 외주에 가까이 배치되는 분절편일수록 그 하부 내각을 크게 하여 전극 조립체의 둘레 방향으로 이웃하는 분절편 사이의 틈을 최소화할 수 있고, 이는 후술할 집전체의 용접 강도 확보에 도움이 된다.
상기 복수의 분절편들은, 권취방향으로 이웃하는 분절편들끼리 분절편의 하부 내각(θ), 분절편의 축방향 높이(H), 분절편의 권취방향 폭(D), 분절편의 형상, 두 분절편 사이의 절단홈의 하단 높이, 및 두 분절편 사이의 이격 피치(P) 중에서 선택된 제1요소가 동일한 분절편 그룹을 복수 개 구비할 수 있다.
여기서, 서로 다른 분절편 그룹에 각각 속하는 분절편들 간에는, 상기 제1요소가 서로 다를 수 있다.
상기 제1요소가 분절편의 하부 내각일 때, 어느 하나의 분절편 그룹에 속하는 분절편들 각각의 하부 내각은 그보다 코어 측에 배치된 분절편 그룹에 속하는 분절편들 각각의 하부 내각보다 더 클 수 있다.
상기 제1요소가 분절편의 축(젤리롤 형상의 권취축)방향 높이일 때, 어느 하나의 분절편 그룹에 속하는 분절편들 각각의 높이는 그보다 코어 측에 배치된 분절편 그룹에 속하는 분절편들 각각의 높이보다 더 클 수 있다. 그러면, 외주 측에 배치된 분절편이 절곡되었을 때 그보다 코어 측에 배치된 분절편과 중첩되는 장수를 더욱 증가시킬 수 있고, 전극 조립체의 반경방향으로, 절곡된 분절편이 중첩되는 장수를 균일하게 유지하여, 집전체를 용접하기에 적합하고 용접이 용이한 절곡 표면영역을 확보할 수 있다.
상기 제1요소가 분절편의 권취방향 폭일 ??, 어느 하나의 분절편 그룹에 속하는 분절편들 각각의 권취방향 폭은 그보다 코어 측에 배치된 분절편 그룹에 속하는 분절편들 각각의 권취방향 폭보다 더 클 수 있다. 젤리롤 형태로 권취된 전극 조립체는 외주 측으로 갈수록 곡률반경이 커진다. 따라서, 분절편이 원활하게 절곡될 수 있도록 권취방향으로의 폭은 점진적으로 증가하는 것이 바람직하다.
동일한 분절편 그룹 내에 속하는 분절편들은, 상기 제1요소뿐만 아니라, 분절편의 하부 내각, 분절편의 축방향 높이, 분절편의 권취방향 폭, 분절편의 형상, 두 분절편 사이의 절단홈의 하단 높이, 및 두 분절편 사이의 이격 피치 중에서 상기 제1요소와 중복되지 않도록 선택된 제2요소도 서로 동일할 수 있다.
가령, 동일 분절편 그룹 내에 속하는 분절편들은, 분절편의 하부 내각, 분절편의 축방향 높이, 분절편의 권취방향 폭, 분절편의 형상, 두 분절편 사이의 절단홈의 하단 높이, 및 두 분절편 사이의 이격 피치가 모두 실질적으로 동일할 수 있다.
서로 다른 분절편 그룹에 각각 속하는 분절편들 간에는, 상기 제2요소가 서로 다를 수 있다. 가령, 서로 다른 분절편 그룹에 각각 속하는 분절편들 간에는, 분절편의 하부 내각, 분절편의 축방향 높이 및 분절편의 권취방향 폭이 서로 다를 수 있다.
상기 복수의 분절편 그룹들 사이에는, 상기 동일 분절편 그룹 내의 분절편들 간의 이격 피치보다 더 큰 그룹간 이격 간격(Db)이 존재할 수 있다.
상기 그룹간 이격 간격(Db)은 전극 조립체의 축방향과 수직인 표면에서 절곡된 분절편에 의해 덮이지 않는 전해질 함침부를 제공할 수 있다. 상기 전해질 함침부에 대응되는 영역은 집전체와 용접이 이루어지지 않으며, 전해질의 함침성을 향상시켜줄 수 있다.
상기 그룹간 이격 간격에 의해 분리된 상기 분절편 그룹들은 상기 전극 조립체의 중심에 대해 방사상으로 배치되어 복수의 분절편 정렬부를 형성할 수 있다. 또한, 상기 그룹간 이격 부위가 권취된 영역에 의해 형성되는 전해질 함침부도 상기 전극 조립체의 중심에 대해 방사상으로 배치될 수 있다. 이에 따라, 집전체와의 용접 영역을 확실히 확보하면서도, 전해질이 함침할 수 있는 통로를 확보할 수 있다.
상기 분절편 정렬부에 포함된 분절편들은 전극 조립체의 코어를 향해 반경 방향으로 절곡되어 복수의 분리 영역에서 절곡 표면영역을 형성할 수 있다.
상기 원주 방향으로 인접하는 분절편 정렬부들(또는 절곡 표면영역) 사이의 원주방향 각도는 실질적으로 30도이거나 40도이거나 45도이거나 60도이거나 72도이거나 90도이거나, 120도이거나 180도일 수 있다. 상기 각도는, 전극 조립체의 코어 중심으로부터 각 분절편 정렬부(또는 절곡 표면영역)의 기하학적 중심(geometric center)을 연결한 선을 각도 측정선이라고 정의할 때, 원주 방향으로 인접하는 각도 측정선 사이의 각도이다. 기하학적 중심은 분절편 정렬부(또는 절곡 표면영역)을 축방향에서 봤을 때 분절편 정렬부(또는 절곡 표면영역)의 가장자리에 의해 근사적으로 형성되는 도형의 기하학적 중심이다. 기하학적 중심은 상기 도형의 무게 중심일 수 있다.
집전체는 복수의 절곡 표면영역에 용접될 수 있다. 용접 개소는, 원주방향으로 등간격으로 12개소, 9개소, 8개소, 6개소, 5개소, 4개소, 3개소, 또는 2개소일 수 있다.
상기 그룹간 이격 간격들 및 상기 각 분절편 그룹의 권취방향 폭 중 적어도 어느 하나는 코어로부터 외주로 갈수록 점진적 또는 단계적으로 증가할 수 있다. 이에 따라 상기 분절편들이 절곡되어 형성되는 절곡 표면영역 및/또는 상기 분절편들이 커버하지 않는 전극 조립체의 축방향 표면의 형상은 실질적으로 중심 영역이 없는 부채꼴 형상을 이룰 수 있다.
상기 무지부는, 상기 전극 조립체의 코어에 인접한 제1부분, 상기 전극 조립체의 외주 표면에 인접한 제2부분, 상기 제1부분 및 상기 제2부분 사이에 개재된 제3부분을 포함할 수 있다.
상기 제3부분은 상기 분절편을 포함할 수 있다.
상기 제2부분은 분절구조가 없을 수 있다.
바람직하게, 상기 제1부분과 상기 제2부분 중 적어도 하나는 상기 제3부분보다 권취 축 방향의 높이가 상대적으로 작을 수 있다.
상기 제1부분과 제3부분은 이들을 연결하는 구간 없이 직접 연결되거나 이들을 연결하는 구간을 통해 연결될 수 있다.
상기 제3부분과 제2부분은 이들을 연결하는 구간 없이 직접 연결되거나 이들을 연결하는 구간을 통해 연결될 수 있다.
권취 방향으로, 상기 제1부분 구간은 코어측 단부로부터 시작될 수 있다.
권취 방향으로, 상기 제3부분의 길이가 상기 제1부분 및 상기 제2부분의 길이보다 더 길 수 있다.
권취 방향으로, 상기 제2부분은 적어도 전극 조립체의 최외곽으로 노출되는 마지막 1턴을 포함할 수 있다.
소정 구간의 무지부 높이는 해당 구간의 평균 높이를 의미하거나, 해당 구간 내에서 최대 높이를 의미할 수 있다.
상기 제1부분의 높이는, 권취 방향을 따라 일정할 수 있다. 즉 상기 제1부분은 분절편을 구비하지 않을 수 있다.
상기 제3부분의 적어도 일부 구간에서는, 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 상기 분절편의 높이가 증가할 수 있다.
이때, 상기 분절편의 높이는 단계적으로 증가할 수 있다.
그리고, 상기 높이가 단계적으로 증가할수록, 각 높이에 해당하는 구간의 권취방향 길이(폭)도 단계적으로 증가할 수 있다.
상기 제2부분도 상기 분절편을 포함할 수 있다.
상기 분절편은 전극 조립체의 반경방향으로 절곡될 수 있다.
상기 분절편은 전극 조립체의 중심축을 향하여 코어 쪽으로, 즉 구심 방향으로 절곡될 수 있다.
상기 제1부분은 분절편을 구비하지 않고, 이에 따라 절곡되지 않을 수 있다.
상기 마지막 1턴은 상기 분절편을 포함하지 않을 수 있다. 그리고 상기 마지막 1턴은 제3부분보다 낮은 높이일 수 있다. 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성함에 있어서, 마지막 1턴에 절곡을 예정한 분절편이 있는 경우, 분절편의 예기치 않은 변형을 방지해야 하므로 전극 조립체의 취급이 번거로울 수 있다. 만약 마지막 1턴의 분절편을 삭제한다면, 이러한 번거로움을 덜 수 있다.
상기 전극 조립체의 중심에는 축방향으로 연장된 중공부가 마련되고, 절곡된 상기 분절편은 코어측 방향으로 상기 중공부를 가리지 않을 수 있다.
절곡된 상기 제3부분은 축방향으로 겹쳐질 수 있다.
절곡된 상기 제3부분과 제2부분은 축방향으로 겹쳐질 수 있다.
상기 복수의 분절편 각각은 사다리꼴일 수 있다.
일 측면에서, 상기 제3부분의 적어도 일부 구간은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 권취 축 방향의 높이가 단계적으로 증가할 수 있다.
다른 측면에서, 상기 제3부분의 적어도 일부 구간은 복수의 분절편으로 분할되어 있을 수 있다.
상기 무지부는, 귄취 축의 축방향 단부로부터 축방향 내측(전극 조립체의 축방향 가장자리에서 축방향 중앙부를 향하는 방향)으로 연장 형성된 절단홈에 의해 분할될 수 있다. 절단홈의 형상은 절단홈의 양측에 위치한 분절편의 측부 형상에 의해 결정된다. 상기 무지부의 노칭을 통해 노칭 부위에서 상기 무지부의 적어도 일부를 제거하지 않고, 상기 무지부를 단순히 커팅한 경우 커팅 라인도 절단홈으로 간주될 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 복수의 분절편 각각은 사각형, 사다리꼴, 삼각형, 평형사변형, 반원형 또는 반타원형의 구조를 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 복수의 분절편 각각은 사다리꼴이고, 상기 복수의 분절편은 개별적으로 또는 그룹별로 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 사다리꼴의 하부 내각이 증가할 수 있다.
상기 분절편들에 의해, 상기 무지부의 축방향 연장길이는, 권취 방향을 따라 변화될 수 있다. 설명의 편의상, 권취 방향의 소정의 위치에서 무지부의 축방향 연장길이(축방향으로 선단부에 이르는 거리)를 간단히 높이라 지칭하면, 제1권취방향 위치에서 무지부의 높이가 제2권취방향 위치에서 무지부의 높이보다 더 높다는 의미가 무엇을 의미하는지 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
실시예에서 무지부의 높이를 설명함에 있어서는, 무지부의 높이의 절대값보다, 서로 다른 권취방향 위치에서 측정되는 무지부의 높이의 상대값이 의미를 가지는 것이므로, 무지부의 높이를 측정함에 있어서 그 높이 측정의 기준이 되는 선(영점)에 대한 규정은 생략하기로 한다.
상기 무지부의 높이는, 분절편의 상단부에 해당하는 부위, 분절편을 형성하기 위해 마련된 절단홈에 해당하는 부위, 상기 절단홈의 저부에 해당하는 부위에서 서로 다를 수 있다. 즉 분절편들의 형상과 크기, 절단홈들의 형상과 크기가 동일하다 하더라도, 축방향으로 측정되는 무지부의 높이는 권취 방향을 따라 결정된 그 측정위치에 따라 달라질 수 있다. 가령, 대략적으로, 분절편의 꼭대기에 대응하는 권취방향 위치에서의 무지부의 높이가, 절단홈의 저부에 대응하는 권취방향 위치에서의 무지부의 높이보다 더 높음이 명백할 것이다.
또한 분절편들마다 그 상단부의 높이가 다를 수 있고, 절단홈들마다 그 형상이 다를 수 있으며, 절단홈들의 저부의 높이도 다를 수 있다. 즉 분절편들의 형상과 크기, 절단홈들의 형상과 크기가 달라질 수 있기 때문에, 축방향으로 측정되는 무지부의 높이는 권취 방향을 따라 결정된 그 측정위치에 따라 달라질 수 있다.
한편, 상기 분절편의 높이는 해당 분절편을 규정하는 절단홈의 저부로부터 해당 분절편의 선단부에 이르는 축방향 거리(H)로 규정될 수 있다. 해당 분절편을 기준으로 양측의 절단홈의 저부의 높이가 다르다면, 해당 분절편의 높이는 상기 양측의 절단홈의 저부 높이의 평균 높이 지점으로부터 상기 분절편의 선단부에 이르는 축방향 거리로 규정될 수 있다.
바람직하게, 상기 복수의 분절편의 권취 축 방향의 높이 및 권취 방향의 폭 중 적어도 하나는 개별적으로 또는 그룹별로 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 증가할 수 있다.
바람직하게, 상기 복수의 분절편 각각은, 권취 방향에서 1mm 내지 11mm의 폭 조건; 권취 축 방향에서 2mm 내지 10mm의 높이 조건; 및 권취 방향에서 0.05mm 내지 1mm의 이격 피치 조건 중에서 적어도 하나 이상의 조건을 충족할 수 있다.
바람직하게, 상기 분절편의 절단홈 하단과 상기 활물질층 사이에 갭이 존재하되, 갭은 0.2mm 내지 4mm일 수 있다.
바람직하게, 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.
바람직하게, 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.
바람직하게, 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.
일 구현예에서, 복수의 분절편 그룹 중에서 적어도 일부는 전극 조립체의 동일한 권회턴에 배치될 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 제1부분 또는 상기 제2부분은 무지부의 분절구조가 없을 수 있다.
상기 분절편은 반경방향으로 절곡될 수 있다.
상기 복수의 분절편은, 모두 절곡될 수 있다.
상기 복수의 분절편 중 일부는, 절곡되지 않을 수 있다.
바람직하게, 상기 복수의 분절편은 코어측으로 절곡되면서 권취 축 방향을 따라 여러 겹으로 중첩될 수 있다.
바람직하게, 상기 전극 조립체의 코어에 공동이 구비되고, 상기 공동은 상기 코어측으로 절곡된 복수의 분절편에 의해 폐색되지 않고 개방될 수 있다.
이를 위해, 상기 제1부분의 반경 방향 길이(R)와 상기 제3부분의 최내측 분절편의 절곡 길이(H)는 관계식 H?R을 만족할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제2부분은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 높이가 단계적 또는 점진적으로 감소할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제2부분은 복수의 분절편으로 분할되어 있고, 상기 제2부분에 포함된 복수의 분절편은 상기 제3부분에 포함된 복수의 분절편보다 권취 방향의 폭, 권취 축 방향의 높이 및 권취 방향의 이격 피치 중 적어도 하나 이상이 더 클 수 있다.
상기 절단홈들의 저부에 대응하는 높이에 대응하도록 권취방향(둘레방향)을 따라 그은 가상의 곧은 선을 기준선(DL)이라 하면, 이러한 기준선은 상기 무지부의 권취방향(X)과 평행한 직선일 수 있다.
상기 기준선은 분절편을 형성하기 위해 이웃하는 두 분절편 사이에 마련된 절단홈의 저부와 대응하는 위치에 배치될 수 있다.
상기 복수의 절단홈들의 저부에 대응하는 높이는 권취 축 방향에서 서로 대응할 수 있다. 이와 같은 경우에는, 상기 기준선은 절단홈들의 저부에 대응하는 위치로 규정될 수 있다.
상기 복수의 절단홈들의 저부에 대응하는 높이는 서로 다를 수도 있다.
만약 절단홈들의 저부의 대부분(가령 50% 이상)이 특정 높이에 위치하고, 일부 절단홈들의 저부의 높이만 상기 특정 높이와 차이가 있는 경우에는, 상기 기준선은 상기 특정 높이에 대응하는 높이로 결정될 수 있다. 즉 이와 같은 경우에는, 권취방향으로 가장 많은 길이를 차지하는 절단홈 저부 높이를 기준으로 상기 기준선을 결정할 수 있다. 가령 권취방향으로 절단홈 저부가 차지하는 전체 길이 중 2/3 정도가 제1높이를 가지고 있고, 권취방향으로 절단홈 저부가 차지하는 전체 길이 중 나머지 1/3에 해당하는 절단홈 저부들의 높이가 제1높이와 다르다면, 상기 기준선은 상기 제1높이에 대응하는 위치로 규정될 수 있다.
만약 절단홈들의 저부의 높이가 특정 높이에 집중되어 있지 않다면(가장 빈도수가 많은 높이를 가진 절단홈이 형성된 무지부 구간이 차지하는 비율이 전극의 전체 길이 대비 50% 미만인 경우), 상기 기준선은, 상기 절단홈들의 저부들의 높이들을 평균한 높이에 위치하도록 설정될 수 있다. 가령 활물질층과 무지부의 경계 지점을 기준으로 높이를 측정했을 때, 절단홈 저부의 높이가 2mm인 무지부 구간이 차지하는 길이가 전극 전체 길이 대비 30%, 절단홈 저부의 높이가 3mm인 무지부 구간이 권취방향으로 차지하는 길이가 전극 전체 기링 대비 30%, 절단홈 저부의 높이가 4mm인 무지부 구간이 권취 방향으로 차지하는 길이가 전극 전체 길이 대비 40%라면, 기준선은, 2*0.3+3*0.3+4*0.4 인, 3.1mm 높이에 위치할 수 있다.
상기 분리막의 축방향(Y) 말단(SL)의 위치는, 상기 기준선(DL)과 관계하여 규제될 수 있다.
상기 복수의 분절편 중 가장 작은 높이를 갖는 분절편을 최소 분절편이라고 지칭한다.
가장 작은 높이를 가지는 분절편을 결정함에 있어서, 절곡이 이루어지지 않는 분절편들은 제외할 수 있다. 즉 상기 최소 분절편은, 절곡 표면영역에 포함된 절곡된 분절편들 중 그 높이가 최소인 분절편을 의미할 수 있다. 절곡 표면영역은 전극 조립체의 단부 표면 중에서 분절편들이 반경 방향으로 절곡되면서 권취 축 방향을 따라 복수의 겹으로 중첩된 영역을 지칭한다.
상기 최소 분절편은, 절곡이 이루어지는 분절편들 중에서 결정될 수 있다.
분절편의 높이가 2mm 미만인 경우, 분리막과 분절편의 간섭에 의해 분절편의 절곡이 원활하게 이루어지지 않을 가능성이 있다.
이에 상기 최소 분절편은, 2mm 이상의 높이를 가지는 분절편들 중에서 결정될 수 있다.
분절편의 높이가 3mm 미만인 경우, 절곡 과정에서 의도한 방향으로 절곡이 제대로 이루어지지 않거나 의도치 않은 방향으로 포밍이 이루어질 여지가 있다.
이에 상기 최소 분절편은, 3mm 이상의 높이를 가지는 분절편들 중에서 결정될 수 있다.
분절편의 높이가 4mm 미만인 경우, 분절편들 간의 용접 및/또는 집전체와 분절편 간의 용접이 불완전하게 이루어질 여지가 있다.
이에 상기 최소 분절편은, 4mm 이상의 높이를 가지는 분절편들 중에서 결정될 수 있다.
분절편의 높이가 5mm 이상인 경우, 제조 오차 등을 감안하더라도 절곡 공정에서 절곡이 확실히 이루어질 수 있다.
이에 상기 최소 분절편은, 5mm 이상의 높이를 가지는 분절편들 중에서 결정될 수 있다.
상기 분리막의 폭 방향의 말단(SL)은 상기 기준선(DL)을 기준으로 상기 최소 분절편의 높이(Ha)의 30% 이내로 상기 전극 조립체의 외측 방향으로 위치하거나, 또는 상기 분리막의 폭 방향의 말단(SL)이 상기 기준선(DL)을 기준으로 상기 최소 분절편의 높이의 30% 이내로 상기 전극 조립체의 내측 방향으로 위치할 수 있다.
즉 분리막 폭 방향 말단의 위치는 DL±0.3Ha의 범위에 존재할 수 있다.
상기 분리막의 폭 방향의 말단(SL)은 상기 기준선(DL)을 기준으로 1.5mm 이내로 상기 전극 조립체의 외측 방향으로 위치하거나, 또는 상기 분리막의 폭 방향의 말단(SL)이 상기 기준선(DL)을 기준으로 1.5mm 이내로 상기 전극 조립체의 내측 방향으로 위치할 수 있다.
즉 분리막의 폭 방향 말단(SL)의 위치는 DL±1.5mm의 범위에 존재할 수 있다.
상기 분리막의 폭 방향의 말단(SL)은 상기 기준선(DL)을 기준으로 1.2mm 이내로 상기 전극 조립체의 외측 방향으로 위치하거나, 또는 상기 분리막의 폭 방향의 말단(SL)이 상기 기준선(DL)을 기준으로 1.2mm 이내로 상기 전극 조립체의 내측 방향으로 위치할 수 있다.
즉 분리막의 폭 방향 말단(SL)의 위치는 DL±1.2mm의 범위에 존재할 수 있다.
상기 분리막의 폭 방향의 말단(SL)은 상기 기준선(DL)을 기준으로 0.9mm 이내로 상기 전극 조립체의 외측 방향으로 위치하거나, 또는 상기 분리막의 폭 방향의 말단(SL)이 상기 기준선(DL)을 기준으로 0.9mm 이내로 상기 전극 조립체의 내측 방향으로 위치할 수 있다.
즉 분리막의 폭 방향 말단(SL)의 위치는 DL±0.9mm의 범위에 존재할 수 있다.
상기 분리막의 폭 방향의 말단(SL)은 상기 기준선(DL)을 기준으로 0.6mm 이내로 상기 전극 조립체의 외측 방향으로 위치하거나, 또는 상기 분리막의 폭 방향의 말단(SL)이 상기 기준선(DL)을 기준으로 0.6mm 이내로 상기 전극 조립체의 내측 방향으로 위치할 수 있다.
즉 분리막의 폭 방향 말단(SL)의 위치는 DL±0.6mm의 범위에 존재할 수 있다.
상기 분리막의 폭 방향 말단(SL)의 위치는 DL±0.3Ha의 범위이면서 DL±1.5mm의 범위에 존재할 수 있다.
상기 분리막의 폭 방향 말단(SL)의 위치는 DL±0.3Ha의 범위이면서 DL±1.2mm의 범위에 존재할 수 있다.
상기 분리막의 폭 방향 말단(SL)의 위치는 DL±0.3Ha의 범위이면서 DL±0.9mm의 범위에 존재할 수 있다.
상기 분리막의 폭 방향 말단(SL)의 위치는 DL±0.3Ha의 범위이면서 DL±0.6mm의 범위에 존재할 수 있다.
상기 분리막은: 다공성 고분자 기재; 및 상기 다공성 고분자 기재의 표면 상에 위치하고, 무기물 입자 및 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층을 가질 수 있다.
상기 다공성 코팅층은 상기 다공성 고분자 기재의 양면 상에 위치할 수 있다.
상기 복수의 분절편들은 소정의 이격 피치를 가질 수 있다.
상기 이격 피치는 이웃하는 두 분절편의 하단 코너 간의 거리에 의해 규정될 수 있다.
상기 이격 피치는 0.5mm 이상일 수 있다. 이격 피치가 이보다 작을 때에는 응력 집중이 나타나 가공 또는 권취 또는 절곡 등의 과정에서 해당 절단홈의 저부 부위에 크랙이 발생할 여지가 있다.
상기 두 분절편의 하부 코너 사이는 곧게 연결될 수 있다. 즉 상기 절단홈의 저부 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 0.02mm 이상이 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, 절단홈의 저부 부근의 공간이 줄어들어 전해질의 함침성이 저해될 수 있다.
상기 이격 피치는 1mm 이하일 수 있다. 이격 피치가 이를 초과하면, 함침성은 증가하지 않으면서, 오히려 절곡된 분절편들 사이에 빈틈이 생겨 집전체의 용접이 제대로 이루어지지 않을 가능성이 증가할 수 있다.
상기 이격 피치는 이를 규정하는 이웃하는 분절편들의 권취방향으로 측정되는 폭의 크기와 관련되어 결정될 수 있다.
가령, 분절편들의 권취방향 폭이 증가할수록, 이들 간의 이격 피치도 증가하는 경향을 가질 수 있다. 이에 따라 전해질의 함침성을 고르게 분포시킬 수 있다.
상기 분절편의 권취방향 폭은, 상기 전극 조립체의 코어 측으로부터 외주 측으로 갈수록, 점차 증가하는 경향을 보일 수 있다.
상기 분절편의 권취방향 폭은, 상기 전극 조립체의 코어 측으로부터 외주 측으로 갈수록, 점진적으로 증가하거나 단계적으로 증가할 수 있다.
이에 따라, 상기 이격 피치 역시, 상기 전극 조립체의 코어 측으로부터 외주 측으로 갈수록, 점진적으로 증가하거나 단계적으로 증가할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리는, 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 띠는 전지 하우징; 상기 전지 하우징의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 및 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 다른 하나와 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 제2극성을 띠는 단자를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 적어도 하나는 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되고, 상기 무지부는, 상기 전극 조립체의 코어에 인접한 제1부분, 상기 전극 조립체의 외주 표면에 인접한 제2부분, 상기 제1부분 및 상기 제2부분 사이에 개재된 제3부분을 포함하고, 상기 제1부분과 상기 제2부분 중 적어도 하나는 상기 제3부분보다 권취 축 방향의 높이가 상대적으로 작을 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제2부분은 상기 제3부분보다 권취 축 방향의 높이가 상대적으로 작고, 상기 전지 하우징은 개방단에 인접한 단부에 내측을 향해 압입된 비딩부를 구비하고, 상기 전극 조립체의 상부 가장자리와 대향하는 상기 비딩부의 내주면과 상기 제2부분은 소정 간격 이격되어 있을 수 있다.
바람직하게, 상기 비딩부의 압입 깊이(D1)와 상기 전지 하우징의 내주면으로부터 상기 제2부분과 상기 제3부분의 경계 지점까지의 거리(D2)는 관계식 D1?D2을 만족할 수 있다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 배터리는, 상기 제3부분과 전기적으로 결합된 집전체; 및 상기 집전체를 커버하며, 가장자리가 상기 비딩부의 내주면과 상기 집전체 사이에 개재되어 고정된 인슐레이터를 더 포함할 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 집전체 및 상기 제3부분의 최외측 지름은 상기 비딩부 내주면의 최소 내경보다 작고, 상기 집전체의 지름은 상기 제3부분의 최외측 지름보다 같거나 더 클 수 있다.
또 다른 구현예에서, 상기 집전체는, 상기 비딩부보다 더 높게 위치할 수 있다.
바람직하게, 상기 제3부분의 적어도 일부 구간은 외주측으로부터 코어측으로 절곡되어 있고, 상기 전극 조립체의 코어에는 공동이 구비되고, 상기 공동은 상기 제3부분의 절곡 구조에 의해 폐색되지 않고 외부로 개방될 수 있다.
이를 위해, 상기 제3부분은 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 분절된 복수의 분절편을 포함하고, 상기 복수의 분절편은 상기 외주측으로부터 상기 코어측으로 절곡되고, 상기 제1부분의 반경 방향의 길이(R)와 상기 제3부분의 최내측에 위치한 분절편의 절곡 길이(H)는 관계식 H?R을 만족할 수 있다.
바람직하게, 상기 복수의 분절편 각각은 사각형, 사다리꼴, 삼각형, 평형사변형, 반원형 또는 반타원형의 구조를 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 복수의 분절편 각각은 권취 방향에서 1 내지 11mm의 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.
바람직하게, 상기 분절편의 절단홈 하단과 상기 활물질층 사이에 갭이 존재하되, 갭은 0.2 내지 4mm일 수 있다.
바람직하게, 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.
바람직하게, 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.
일 구현예에서, 상기 밀봉체는, 상기 전지 하우징의 개방단을 밀폐하는 캡과, 상기 캡의 가장자리를 감싸며 상기 전지 하우징의 상단부에 클림핑된 가스켓을 포함하며, 상기 제2극성을 띠는 단자는 상기 캡일 수 있다.
다른 구현예에서, 본 발명에 따른 배터리는, 상기 제1극성을 띠는 제2전극의 무지부와 전기적으로 연결되고 상기 전지 하우징의 측벽에 가장자리의 적어도 일부가 결합된 집전체를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 밀봉체는, 극성이 없는 캡과, 상기 캡의 가장자리를 감싸며 상기 전지 하우징의 상단부에 클림핑되는 가스켓을 포함하고, 상기 전지 하우징은 폐쇄면의 중앙부에 형성된 관통 홀에 절연 가능하게 설치되고 상기 제1전극과 전기적으로 연결되어 상기 제2극성을 띠는 리벳 단자를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 기술적 과제는 복수의 상술한 배터리를 포함하는 배터리 팩에 의해 달성될 수 있다.
바람직하게, 상기 배터리는 높이 대비 직경의 비율이 0.4 보다 클 수 있다.
바람직하게, 상기 배터리의 폼 팩터는 46110, 4875, 48110, 4880 또는 4680일 수 있다.
바람직하게, 상기 배터리의 저항은 4 miliohm 이하일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 배터리 팩에 있어서, 복수의 배터리는 소정 수의 열로 배열되고, 각 배터리의 전극 단자와 전지 하우징 저부의 외부면은 상부를 향하도록 배치될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 배터리 팩은, 복수의 배터리를 직렬 및 병렬로 연결하는 복수의 버스바를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 복수의 버스바는 상기 복수의 배터리들의 상부에 배치되고, 각 버스바는, 인접하는 배터리들의 전극 단자들 사이에서 연장되는 바디부; 상기 바디부의 일측 방향으로 연장되어 상기 일측 방향에 위치한 배터리의 전극 단자에 전기적으로 결합하는 복수의 제1버스바 단자; 및 상기 바디부의 타측 방향으로 연장되어 상기 타측 방향에 위치한 배터리의 전지 하우징 저부의 외부면에 전기적으로 결합하는 복수의 제2버스바 단자를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 기술적 과제는 상기 배터리 팩을 포함하는 자동차에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전극 조립체의 상부 및 하부에 돌출된 무지부 자체를 전극 탭으로서 사용함으로써 배터리의 내부 저항을 감소시키고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 전지 하우징의 비딩부 형성 과정에서 전극 조립체와 전지 하우징의 내주면이 간섭을 일으키지 않도록 함으로써 전극 조립체의 부분적 변형에 따른 원통형 배터리 내부의 단락을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 무지부가 찢어지는 현상을 방지하고 무지부의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시켜 집전체의 용접 강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극의 무지부에 분절편 구조를 적용하고 분절편의 디멘션(폭, 높이, 이격 피치)을 최적화시켜 용접 타겟 영역으로 사용되는 영역의 분절편 적층수를 충분히 증가시키는 것에 의해 집전체가 용접되는 영역의 물성을 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 분절편들의 절곡에 의해 형성된 절곡 표면영역에 집전체를 넓은 면적으로 용접시킨 구조를 적용함으로써 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소된 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상부에서 전기적 배선을 수행할 수 있도록 디자인이 개선된 원통형 배터리를 제공할 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 전해질 주입 공정과 전지 하우징(또는 단자)과 집전체의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 무지부의 분절편이 절곡되면서 형성되는 절곡 표면영역이 집전체와의 용접 부위에 대응하여 마련됨으로써, 집전체의 용접이 안정적으로 이루어지면서도 전해질의 함침성을 확보할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부를 절곡하더라도 전해질의 함침성을 충분히 확보할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내부 저항이 낮고, 내부 단락이 방지되고, 집전체와 무지부의 용접 강도가 향상된 구조를 갖는 원통형 배터리, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 높이 대비 직경의 비율이 0.4 이상이며 저항이 4 miliohm 이하인 원통형 배터리와 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 종래의 탭-리스 원통형 배터리의 제조에 사용되는 전극의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 2는 종래의 탭-리스 원통형 배터리의 전극 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 탭-리스 원통형 배터리에 있어서 무지부의 절곡 표면영역에 집전체가 용접되는 공정을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7a는 본 발명의 제4실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 7c는 본 발명의 실시예에 따라 전극이 권회되었을 때, 분절편의 폭이 정의되는 분절편의 하단이 형성하는 원호를 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 도시한 도면이다.
도 7d는 본 발명의 실시예에 따라 분절편의 높이 h1, h2, h3, h4, 코어 반경(rc) 및 분절편이 나타나기 시작하는 권회턴의 반경 r1, r2, r3, r4의 관계를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 7e는 분절편의 높이 가변 구간에서 분절편의 높이(H)에 대한 최대값(hmax)을 결정하기 위한 개념도이다.
도 7f는 분절편의 하부 내각(θ)을 결정하는 수식을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7g는 본 발명의 제4실시예에 따른 전극의 변형 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7h 및 도 7i는 본 발명의 변형예에 따른 전극이 전극 조립체로 권취되었을 때 전극 조립체의 일측 단부에 복수의 분절편 정렬부(절곡 표면영역)과 복수의 전해질 함침부가 방사상으로 형성된 예를 나타낸 상부 평면도들이다.
도 7j는 본 발명의 실시예에 따라 부채꼴 모양으로 형성된 분절편 정렬부에 포함된 분절편 그룹들이 서로 다른 권회턴에 배치된 구조를 나타낸 도면이다.
도 8a는 본 발명의 제5실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 8c는 본 발명의 제5실시예에 따른 전극의 변형 구조를 나타낸 평면도이다.
도 9는 본 발명의 다양한 변형예에 따른 분절편 구조를 나타낸 도면이다.
도 10a는 분절편이 전극 조립체의 코어 측으로 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 10b는 절곡 표면영역이 형성된 전극 조립체를 개략적으로 도시한 상부 사시도이다.
도 10c는 실시예 1-1 내지 1-7과 비교예에 따른 전극 조립체들의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역에서 반경 방향을 따라서 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 10d는 실시예 2-1 내지 2-5, 실시예 3-1 내지 3-4, 실시예 4-1 내지 4-3 및 실시예 5-1 내지 실시예 5-2에 대해 전극 조립체들의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 10e는 실시예 6-1 내지 6-6과 실시예 7-1 내지 7-6에 대해 전극 조립체의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 10f는 본 발명의 실시예에 따라 분절편의 절곡 표면영역에 적층수 균일구간(b1)과 적층수 감소구간(b2)을 나타낸 전극 조립체의 상부 평면도이다.
도 11은 제1실시예의 전극을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 12는 제2실시예의 전극을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 13은 제3실시예 내지 제5실시예(이들의 변형예들)의 전극들 중 어느 하나를 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1집전체의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2집전체의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 28은 복수의 원통형 배터리들이 전기적으로 연결된 상태를 나타낸 상부 평면도이다.
도 29는 도 28의 부분 확대도이다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 31은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1은 종래의 탭-리스 원통형 배터리의 제조에 사용되는 전극의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 2는 종래의 탭-리스 원통형 배터리의 전극 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 탭-리스 원통형 배터리에 있어서 무지부의 절곡 표면영역에 집전체가 용접되는 공정을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7a는 본 발명의 제4실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 7c는 본 발명의 실시예에 따라 전극이 권회되었을 때, 분절편의 폭이 정의되는 분절편의 하단이 형성하는 원호를 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 도시한 도면이다.
도 7d는 본 발명의 실시예에 따라 분절편의 높이 h1, h2, h3, h4, 코어 반경(rc) 및 분절편이 나타나기 시작하는 권회턴의 반경 r1, r2, r3, r4의 관계를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 7e는 분절편의 높이 가변 구간에서 분절편의 높이(H)에 대한 최대값(hmax)을 결정하기 위한 개념도이다.
도 7f는 분절편의 하부 내각(θ)을 결정하는 수식을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7g는 본 발명의 제4실시예에 따른 전극의 변형 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7h 및 도 7i는 본 발명의 변형예에 따른 전극이 전극 조립체로 권취되었을 때 전극 조립체의 일측 단부에 복수의 분절편 정렬부(절곡 표면영역)과 복수의 전해질 함침부가 방사상으로 형성된 예를 나타낸 상부 평면도들이다.
도 7j는 본 발명의 실시예에 따라 부채꼴 모양으로 형성된 분절편 정렬부에 포함된 분절편 그룹들이 서로 다른 권회턴에 배치된 구조를 나타낸 도면이다.
도 8a는 본 발명의 제5실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 8c는 본 발명의 제5실시예에 따른 전극의 변형 구조를 나타낸 평면도이다.
도 9는 본 발명의 다양한 변형예에 따른 분절편 구조를 나타낸 도면이다.
도 10a는 분절편이 전극 조립체의 코어 측으로 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 10b는 절곡 표면영역이 형성된 전극 조립체를 개략적으로 도시한 상부 사시도이다.
도 10c는 실시예 1-1 내지 1-7과 비교예에 따른 전극 조립체들의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역에서 반경 방향을 따라서 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 10d는 실시예 2-1 내지 2-5, 실시예 3-1 내지 3-4, 실시예 4-1 내지 4-3 및 실시예 5-1 내지 실시예 5-2에 대해 전극 조립체들의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 10e는 실시예 6-1 내지 6-6과 실시예 7-1 내지 7-6에 대해 전극 조립체의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 10f는 본 발명의 실시예에 따라 분절편의 절곡 표면영역에 적층수 균일구간(b1)과 적층수 감소구간(b2)을 나타낸 전극 조립체의 상부 평면도이다.
도 11은 제1실시예의 전극을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 12는 제2실시예의 전극을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 13은 제3실시예 내지 제5실시예(이들의 변형예들)의 전극들 중 어느 하나를 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1집전체의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2집전체의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 28은 복수의 원통형 배터리들이 전기적으로 연결된 상태를 나타낸 상부 평면도이다.
도 29는 도 28의 부분 확대도이다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 31은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 서로 다른 실시예에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여될 수 있다.
2 개의 비교 대상이 '동일'하다는 언급은 '실질적으로 동일'한 것을 의미한다. 따라서 실질적 동일은 당업계에서 낮은 수준으로 간주되는 편차, 예를 들어 5% 이내의 편차를 가지는 경우를 포함할 수 있다. 또한, 영역에서 어떠한 파라미터가 균일하다는 것은 해당 영역에서 평균적 관점에서 균일하다는 것을 의미할 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
설명의 편의상 본 명세서에서 젤리롤 형태로 감기는 전극 조립체의 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 방사방향이라 지칭한다. 이들 중 특히 권취축에 가까워지는 방향을 구심방향, 권취축으로부터 멀어지는 방향을 원심방향이라 지칭한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체에 관해 설명한다. 전극 조립체는 쉬트 형상을 가진 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체일 수 있다. 하지만 본 발명이 전극 조립체의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 제1전극 및 제2전극 중 적어도 하나는 권취 방향의 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 무지부를 포함한다. 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용된다. 무지부는, 전극 조립체의 코어에 인접한 코어측 무지부, 전극 조립체의 외주 표면에 인접한 외주측 무지부, 코어측 무지부 및 외주측 무지부 사이에 개재된 중간 무지부를 포함한다.
바람직하게, 코어측 무지부와 외주측 무지부 중 적어도 하나는 중간 무지부보다 높이가 상대적으로 낮다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 전극(40)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 4를 참조하면, 제1실시예의 전극(40)은 금속 포일로 이루어진 집전체(41) 및 활물질층(42)을 포함한다. 금속 포일은 전도성이 있는 금속, 예컨대 알루미늄 또는 구리일 수 있으며, 전극(40)의 극성에 따라 적절하게 선택된다. 집전체(41)의 적어도 일면에 활물질층(42)은 형성된다. 활물질층(42)은 권취 방향(X)을 따라 형성된다. 전극(40)은 권취 방향(X)의 장변 단부에 무지부(43)를 포함한다. 무지부(43)는 활물질이 코팅되지 않은 집전체(41)의 일부 영역이다. 활물질층(42)이 형성된 집전체(41)의 영역은 활물질부라고 명명될 수 있다.
전극(40)에 있어서, 집전체(141)의 단변 방향에서 활물질부의 폭은 50mm 내지 120mm일 수 있고, 집전체(41)의 장변 방향에서 활물질부의 길이는 3m 내지 5m일 수 있다. 따라서, 활물질부의 장변 대비 단변의 비율은 1.0% 내지 4.0%일 수 있다.
바람직하게, 전극(40)에 있어서, 집전체(141)의 단변 방향에서 활물질부의 폭은 60mm 내지 70mm일 수 있고, 집전체(41)의 장변 방향에서 활물질부의 길이는 3m 내지 5m일 수 있다. 따라서, 활물질부의 장변 대비 단변의 비율은 1.2% 내지 2.3%일 수 있다.
활물질부의 장변 대비 단변의 비율은 1865 또는 2170의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리에서 사용되는 전극의 활물질부의 장변 대비 단변 비율 6% 내지 11% 수준보다 현저하게 작다.
바람직하게, 집전체(41)는 연신율이 1.5% 내지 3.0%, 그리고 인장강도가 25gf/mm2 내지 35kgf/mm2일 수 있다. 연신율과 인장강도는 IPC-TM-650의 측정법에 따라 측정할 수 있다. 전극(40)은 집전체(41)에 활물질층(42)을 형성한 후 압착하여 제조한다. 압착시 무지부(43) 영역과 활물질층(42) 영역은 연신율이 다르다. 따라서 압착 후의 전극(40)에는 너울이 생지며, 전극(40)이 길어질수록 너울은 더 심해진다.
집전체(41)에 대한 연신율 및 인장강도에 대한 최적화는 전극(40)의 길이가 4m 수준일 때 압착 후의 캠버 길이를 20mm 미만으로 감소시킨다. 캠버 길이는 너울이 생긴 전극(20)을 펼쳐놓았을 때 권취 방향(X)에서 전극(20)의 최대 휘어짐량이다. 최대 휘어짐량은 외주측 끝단에서 측정할 수 있다. 집전체(41)의 연신율 및 인장강도가 최적화되어 있는 전극(40)은 캠버 길이가 작으므로 무지부(43)의 노칭 작업이나 전극(40)의 권취 공정시 사행 불량이 발생하지 않는다.
집전체(41)은 연신율이 작을수록 파단되기 쉽다. 집전체(41)의 연신율이 1.5% 미만인 경우 집전체(41)의 압연 공정성이 저하되어, 집전체(41)에 활물질층(42)을 코팅한 전극(40)을 압착할 때 집전체(41)에 단선이 생길 수 있다. 반면, 집전체(41)의 연신율이 3.0%를 초과할 경우 전극(40)의 활물질부의 연신이 커지면서 캠버 길이가 크게 증가한다. 집전체(41)의 인장강도가 25kgf/mm2 미만 또는 35kgf/mm2 초과이면, 전극(40)의 전극 공정성이 저하된다.
캠버 현상은 알루미늄 포일로 이루어진 양극 집전체에서 특히 문제가 된다. 본 발명에 따라 연신율이 1.5% 내지 3.0%, 그리고 인장강도가 25kgf/mm2 내지 35kgf/mm2인 알루미늄 포일을 집전체로 이용하면 캠버 현상을 억제할 수 있다. 이러한 집전체 위에 활물질층을 형성하여 양극으로 사용하면 바람직하다.
바람직하게, 활물질층(42)과 무지부(43)의 경계에는 절연 코팅층(44)이 형성될 수 있다. 이하, 절연 코팅층(44)을 설명의 편의 상 간략히 절연층(44)이라 지칭할 수 있다. 절연 코팅층(44)은 적어도 일부가 활물질층(42)과 무지부(43)의 경계와 중첩되도록 형성된다. 절연 코팅층(44)은 분리막을 사이에 두고 대향하고 있는 극성이 다른 두 전극 사이의 단락을 방지한다. 절연 코팅층(44)은 0.3mm 내지 5mm의 폭으로 활물질층(42)과 무지부(43)의 경계 부분을 덮을 수 있다. 절연코팅층(44)의 폭은 전극(40)의 권취 방향을 따라 그 폭이 가변될 수 있다. 절연 코팅층(44)은 고분자 수지를 포함하고, Al2O3와 같은 무기물 필러를 포함할 수 있다. 절연 코팅층(44)이 덮고 있는 집전체(41) 부분은 활물질층이 코팅된 영역이 아니므로 무지부로서 간주될 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 전극(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.
이하, 코어측 무지부(B1), 외주측 무지부(B3) 및 중간 무지부(B2)는 각각 제1부분, 제2부분 및 제3부분으로 명명한다.
일 예에서, 제1부분(B1)는 최내측 권회턴을 포함하는 전극 영역의 무지부이고, 제2부분은 최외측 권회턴을 포함하는 전극 영역의 무지부일 수 있다. 권회턴은 전극 조립체의 코어측 단부를 기준으로 계수할 수 있다.
다른 예에서, 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 제3부분(B2)는 자동으로 특정될 수 있다.
만약, B1/B2의 경계만 특정되는 경우 B2/B3의 경계는 전극 조립체의 외주측 근처 지점에서 적절하게 선택 가능하다. 일 예에서, 제2부분은 최외측 권회턴을 구성하는 전극 영역의 무지부로 정의될 수 있다. 반대로, B2/B3의 경계만 특정되는 경우 B1/B2의 경계는 전극 조립체의 코어측 근처 지점에서 적절하게 선택 가능하다. 일 예에서, 제1부분은 최내측 권회턴을 구성하는 전극 영역의 무지부로 정의될 수 있다.
제1부분(B1)과 제3부분(B2) 사이에 다른 구조가 개재되는 것을 배제하지 않는다. 또한, 제3부분(B2)과 제2부분(B3) 사이에 다른 구조가 개재되는 것을 배제하지 않는다.
제1실시예에서, 무지부(43)의 높이는 일정하지 않고 권취 방향(X)에서 상대적인 차이가 있다. 즉 제2부분(B3)의 높이(Y축 방향의 길이)는 0 이상이되 제1부분(B1) 및 제3부분(B2) 보다 상대적으로 작다. 여기서, 각 부분의 높이는 평균 높이 또는 최대 높이일 수 있으며 이하 동일하다. 권취 방향에서, 제3부분(B2)은 제1부분(B1) 및 제2부분(B3)보다 길이가 더 길다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 전극(45)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 5를 참조하면, 제2실시예의 전극(45)은 제1실시예와 비교하여 제2부분(B3)의 높이가 외주측으로 갈수록 점진적으로 감소하는 점만 다르고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
일 변형예에서, 제2부분(B3)는 높이가 단계적으로 감소하는 스텝 형상(점선 참조)으로 변형이 가능하다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 전극(50)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 6을 참조하면, 제3실시예의 전극(50)은 제1부분(B1)와 제2부분(B3)의 높이가 0 이상이되, 제3부분(B2) 보다 상대적으로 작다. 또한, 제1부분(B1)와 제2부분(B3)의 높이는 동일하거나 서로 다를 수 있다.
바람직하게, 제3부분(B2)의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 증가하는 스텝 형상을 가질 수 있다.
패턴1 내지 패턴7은 무지부(43)의 높이가 변화하는 위치를 중심으로 제3부분(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)가 전극 조립체의 코어측으로 절곡될 때 무지부(43)의 찢어짐을 방지하기 위한 것이다.
제1부분(B1)의 폭(dB1)은 제3부분(B2)의 패턴들을 코어측으로 절곡시켰을 때 전극 조립체의 코어를 가리지 않는 조건을 적용하여 설계한다. 코어는 전극 조립체의 권취 중심에 존재하는 공동(cavity)을 의미한다.
일 예에서, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 패턴1의 절곡 길이에 비례하여 증가할 수 있다. 절곡 길이는 패턴의 절곡 지점을 기준으로 한 패턴의 높이에 해당한다.
바람직하게, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 제1부분(B1)이 형성하는 권회 턴들의 반경 방향 폭이 패턴1의 절곡 길이 이상이 되도록 설정할 수 있다. 변형예에서, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 패턴1의 절곡 길이로부터 제1부분(B1)이 형성하는 권회 턴들의 반경 방향 폭을 차감한 값이 0보다 작거나 코어 반경의 10% 이하가 되도록 설정할 수 있다.
구체적인 예에서, 전극(60)이 폼 팩터가 4680인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 전극 조립체 코어의 직경과 패턴1의 절곡 길이에 따라 180mm 내지 350mm로 설정할 수 있다.
일 실시예에서, 각 패턴의 폭은 전극 조립체의 하나 또는 2개 이상의 권회턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다.
일 변형예에서, 제3부분(B2)의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 가면서 증가했다가 감소하는 스텝 형상을 가질 수 있다.
다른 변형예에서, 제2부분(B3)은 제2실시예와 동일한 구조를 갖도록 변형될 수 있다.
또 다른 변형예에서, 제3부분(B2)에 적용된 패턴 구조가 제2부분(B3)까지 확장될 수 있다(점선 참조).
상기 제3부분(B2)는 제1부분(B1)와 제2부분(B3)의 선단부를 권취방향으로 연결한 가상의 선을 기준으로 전극 조립체의 반경 방향으로 접힐 수 있다.
도 7a는 본 발명의 제4실시예에 따른 전극(60)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7a를 참조하면, 제4실시예의 전극(60)은 제1부분(B1)와 제2부분(B3)의 권취 축(Y) 방향의 높이는 0 이상이되, 제3부분(B2) 보다 상대적으로 작다. 또한, 제1부분(B1)와 제2부분(B3)의 권취 축(Y) 방향 높이는 동일하거나 다를 수 있다.
바람직하게, 제3부분(B2)는 적어도 일부 구간이 복수의 분절편(61)을 포함할 수 있다. 복수의 분절편(61)은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 높이가 단계적으로 증가할 수 있다. 복수의 분절편(61)은 하부에서 상부로 가면서 폭이 감소되는 기하학적 도형 형태를 가진다. 바람직하게, 기하학적 도형은 사다리꼴이다. 사다리꼴의 코너 즉 꼭지점 부위는 뾰족한 단부를 이루기보다, 둥글게 라운드 처리되거나 모따기와 같이 챔퍼 처리될 수 있다. 후술하겠지만, 기하학적 도형의 형태는 여러 가지로 변형이 가능하다.
분절편(61)은 레이저로 노칭된 것일 수 있다. 분절편(61)은 초음파 커팅이나 타발 등 공지의 금속박 커팅 공정으로 형성할 수 있다.
상기 제3부분(B2)는 제1부분(B1)와 제2부분(B3)의 선단부를 권취방향으로 연결한 가상의 선을 기준으로 전극 조립체의 반경 방향으로 절곡될 수 있다. 이 때 상기 분절편(61)은, 상기 절단홈의 저부를 기준으로 하여 절곡될 수 있다. 상기 분절편들 사이의 절단홈의 저부 높이는, 상기 제1부분(B1) 및/또는 제2부분(B3)의 높이와 대응할 수 있다.
제4실시예에서, 무지부(43)의 절곡 가공시 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)이 손상되는 것을 방지하기 위해 분절편(61) 사이의 절단홈 하단(도 7b의 G)과 활물질층(42) 사이에 소정의 갭을 두는 것이 바람직하다. 무지부(43)가 절곡될 때 절단홈(63) 하단 근처에 응력이 집중되기 때문이다.
갭은 전극(60)의 권취 방향을 따라 가변될 수 있다. 갭은 0.2mm 내지 4mm, 바람직하게는 1.5mm 내지 2.5mm이다.
전극(60)이 음극일 때 갭은 1.0mm 이상인 것이 보다 바람직하고, 전극(60)이 양극일 때 갭은 2.0mm 이상인 것이 보다 바람직하다.
갭이 해당 수치범위로 조절되면, 무지부(43)의 절곡 가공시 생기는 응력에 의해 절단홈(63) 하단 근처의 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
바람직하게, 전극(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 절곡 지점을 지지할 수 있다.
상기 갭은 분절편(61)의 노칭 또는 커팅시 공차로 인한 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)의 손상을 방지할 수 있다. 권취 방향과 평행한 일 방향에서, 갭은 실질적으로 동일할 수도 있고, 가변될 수도 있다. 후자의 경우, 복수의 분절편은 권취 방향과 평행한 일 방향을 따라 개별적으로, 그룹 단위로, 또는 2개 이상의 그룹 단위로 갭이 가변될 수 있다.
절단홈(63)에 의해 형성된 분절편(61)의 하단부는, 분절편(61)의 절곡 공정에서 절곡이 유도되는 부위일 수 있다. 즉 절곡 공정에서 절곡 저항능력은, 무지부(43)의 최하단으로부터 상기 절단홈(63) 하단 근처에 이를 때까지는 거의 일정하다가, 상기 절단홈(63)의 하단 근처에서 급격히 감소하고, 이후 분절편(61)의 상단부에 이를 때까지는 거의 일정하다.
절단홈(63)의 하단과 절연 코팅층(44)은 0.2mm 내지 2.0mm 이격될 수 있다. 이격 거리가 0.2mm 보다 작으면 상술한 손상 방지 효과를 충분히 발휘하지 못하고, 이격 거리가 2.0mm 보다 크면 손상 방지 효과는 증가시키지 않으면서 절연 코팅층(44)의 절곡 지지 효과를 감소시키는 결과를 초래할 수 있다.
권취 방향과 평행한 일 방향에서, 절단홈(63)의 하단과 절연 코팅층(44)의 이격 거리는 실질적으로 동일하거나 가변될 수 있다. 후자의 경우, 복수의 분절편은 상기 이격 거리가 권취 방향과 평행한 일 방향을 따라 개별적으로, 그룹 단위로 또는 2개 이상의 그룹 단위로 가변될 수 있다.
전극(60)이 권취될 때, 절연 코팅층(44)의 권취 축(Y) 방향의 단부는 분리막의 단부를 기준으로 권취 축 방향을 따라 -2mm 내지 2mm의 범위에 위치할 수 있다. 절연 코팅층(44)은 분리막을 사이에 두고 대향하고 있는 극성이 다른 두 전극간의 단락을 방지하고 분절편(61)이 절곡될 때 절곡 지점을 지지할 수 있다. 두 전극간의 단락 방지 효과를 향상시키기 위해 절연 코팅층(44)은 분리막의 외부로 노출될 수 있다. 또한, 두 전극간의 단락 방지 효과를 더욱 극대화하기 위해 절연 코팅층(44)의 권취 축(Y) 방향의 단부가 절단홈(63)의 하단보다 위에 위치하도록 절연 코팅층(44)의 폭을 증가시킬 수 있다. 일 실시예에서, 상기 절연 코팅층(44)의 권취 축 방향의 단부는 상기 절단홈(63)의 하단을 기준으로 -2mm 내지 +2mm의 범위 내에 위치할 수 있다. 상기 절연 코팅층(44)의 두께는 활물질층(42)의 두께보다 얇을 수 있다. 이에 따라, 전극(60)을 분리막과 적층하였을 때, 전극(60)의 활물질층(42)이 분리막과 밀착되는 정도에 비해 절연 코팅층(44)은 활물질층(42)보다 약하게 분리막에 접하거나 분리막으로부터 유격을 형성할 수 있다.
상기 절연 코팅층(44)은, 분절편(61)의 절곡 과정 중 무지부의 기단부가 변형되지 않도록 지지력을 제공한다. 그러나 상기 지지력이 절곡력을 이기지 못하고 약간 변형된다 하더라도, 절연 코팅층(44)과 분리막 사이에는 약간의 유격이 있기 때문에 절연 코팅층(44)의 변형이 곧바로 그리고 직접적으로 분리막에 영향을 미치지 않을 수 있다.
복수의 분절편(61)은 코어측에서 외주측으로 가면서 복수의 분절편 그룹을 이룰 수 있다. 상기 분절편 그룹은 권취방향으로 이웃하는 분절편들끼리 분절편의 하부 내각, 분절편의 축방향 높이, 분절편의 권취방향 폭, 분절편의 형상, 두 분절편 사이의 절단홈의 하단 높이, 및 두 분절편 사이의 이격 피치 중 적어도 어느 한 가지 요소가 동일할 수 있다.
도 7은 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치가 실질적으로 동일한 실시예를 예시한다.
서로 다른 분절편 그룹에 속하는 분절편들 간에는, 동일 그룹 내에서는 동일했던 요소 중 적어도 어느 하나가 서로 다를 수 있다.
다른 측면에서, 복수의 분절편은 그룹 단위로 또는 2개 이상의 그룹 단위로 이격 피치가 코어측에서 외주측으로 가면서 점진적으로 또는 단계적으로 증가하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편은 그룹 단위로 또는 2개 이상의 그룹 단위로 이격 피치가 코어측에서 외주측으로 가면서 점진적으로 또는 단계적으로 증가하다가 점진적으로 또는 단계적으로 감소하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편은 절단홈(63)의 하단과 절연 코팅층(44) 또는 활물질층(42) 사이의 갭이 코어측에서 외주측으로 가면서 점진적으로 또는 단계적으로 증가하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편은 절단홈(63)의 하단과 절연 코팅층(44) 또는 활물질층(42) 사이의 갭이 코어측에서 외주측으로 가면서 점진적으로 또는 단계적으로 증가하거나 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
도 7a의 실시예에서는 서로 다른 분절편 그룹 간에는 분절편의 높이가 서로 다르다. 전극 조립체에서, 분리막(SP)은 전극(60)의 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)과 대면할 수 있다. 바람직하게, 전해질의 함침성 개선을 위해 분리막(SP)의 단부 위치가 조절될 수 있다.
전극 조립체에서, 상기 제1부분(B1), 제2부분(B3), 및 제3부분(B2) 중에서 가장 작은 높이를 가진 지점을 기준으로 권취 방향(X)과 평행하게 연장한 선을 기준선(DL)이라고 정의하고, 상기 복수의 분절편 중에서 가장 작은 높이를 갖는 분절편을 최소 분절편이라고 할 때, 상기 분리막(SP)의 폭 방향의 말단(SL)은 상기 기준선(DL)을 기준으로 상기 최소 분절편의 높이(Ha)의 30% 이내로 상기 전극 조립체의 외측 방향으로 위치할 수 있다. 여기서 상기 전극 조립체의 외측 방향은 전극(60)의 활물질층(42)에서 무지부(43) 쪽으로 향하는 방향을 말한다.
또는 상기 분리막(SP0의 폭 방향의 말단(SL)은 상기 기준선(DL)을 기준으로 상기 최소 분절편의 높이(Ha)의 30% 이내로 상기 전극 조립체의 내측 방향으로 위치할 수 있다. 여기서 상기 전극 조립체의 내측 방향은 전극(60)의 무지부(43)에서 활물질층 쪽으로 향하는 방향을 말한다.
바람직하게, 상기 최소 분절편의 높이(Ha)는 실질적으로 전극 조립체의 반경 방향으로 절곡된 분절편들의 높이 값들 중에서 최소 값에 해당할 수 있다.
상기 제1부분(B1), 제2부분(B3), 및 제3부분(B2) 중에서 가장 작은 높이를 가진 지점으로부터 권취 방향(X)과 평행하게 연장한 선인 기준선(DL)은 이웃한 분절편 사이의 절단홈(63) 저부에 해당되고, 절단홈 저부는 노칭골이라고 칭할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 분리막(SP)의 폭 방향 끝단이 상기 기준선(DL)과 가깝게 위치하게 제어함으로써, 전해질이 노칭골(빈공간)을 따라 전극 조립체 내부로 유입되므로 함침 속도가 증가한다. 구체적으로, 전극 조립체가 삽입되어 있는 전지 하우징의 내부로 전해질이 주입되면, 전해질은 전극의 무지부의 분절편 간의 노칭골로 이동한다. 전해질은 또한 분절편 간의 노칭골, 즉 상기 기준선에 근접하여 위치하는 분리막의 말단으로 함침되어 최종적으로 전극의 활물질층 내로 함침하게 된다. 그 결과, 전극 조립체 내에서 전해질 함침의 균일성이 증가하게 된다.
상기 분리막(SP)의 폭 방향의 말단(SL)이 전극 조립체의 외측 방향으로 연장될수록 용접 특성에 부정적인 영향을 주게 되고, 상기 분리막(SP)의 폭 방향의 말단(SL)이 전극 조립체의 내측 방향으로 들어올수록 양극과 음극이 단락할 위험이 커지므로 문제가 될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기 분리막(SP)의 폭 방향의 말단(SL)이 상기 기준선(DL)을 기준으로 상기 최소 분절편의 높이의 30% 이내로 상기 전극 조립체의 외측 방향으로 위치하거나, 또는 상기 분리막(SP)의 폭 방향의 말단(SL)이 상기 기준선(DL)을 기준으로 상기 최소 분절편의 높이의 30% 이내로 상기 전극 조립체의 내측 방향으로 위치하도록 제어한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 분리막(SP)의 폭 방향의 말단(SL)이 상기 기준선(DL)을 기준으로 1.5 mm 이내로 상기 전극 조립체의 외측 방향으로 위치하거나, 또는 상기 분리막(SP)의 폭 방향의 말단(SL)이 상기 기준선(DL)을 기준으로 1.5 mm 이내로 상기 전극 조립체의 내측 방향으로 위치할 수 있다.
도 7b는 사다리꼴 분절편(61)의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)의 정의를 나타낸다.
도 7b를 참조하면, 분절편(61)의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)는 무지부(43)의 절곡 가공 시 절곡 지점 근처의 무지부(43)가 찢어지는 것을 방지하고 충분한 용접 강도 확보를 위해 무지부(43)의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시키면서 무지부(43)의 비정상적 변형을 방지할 수 있도록 설계한다.
분절편(61)의 절곡은 절단홈(63)의 하단을 통과하는 라인(G) 또는 그 상부에서 이루어진다. 절단홈(63)은 전극 조립체의 반경 방향에서 분절편(61)의 스무드하고 용이한 절곡을 가능하게 한다.
분절편(61)의 폭(D)은 분절편(61)의 양측 측변(63b)로부터 연장한 2개의 직선과 절단홈(63)의 저부(63a)로부터 연장되는 직선이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 분절편(61)의 높이(H)는 분절편(61)의 최상단 변과 절단홈(63)의 저부(63a)로부터 연장된 직선 사이의 최단 거리로 정의된다. 분절편(61)의 이격 피치(P)는 절단홈(63)의 저부(63a)로부터 연장된 직선과 상기 저부(63a)와 연결된 2개의 측변(63b)으로부터 연장된 직선들이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 측변(63b) 및/또는 저부(63a)가 곡선일 때, 직선은 측변(63b) 및 저부(63a)가 만나는 교차점에서 측변(63b) 및/또는 저부(63a)로부터 연장되는 접선으로 대체 가능하다.
바람직하게, 분절편(61)의 폭(D)은 1mm 이상이다. D가 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.
바람직하게, 분절편(61)의 폭(D)은 분절편(61)이 전극 조립체의 코어측을 향해 절곡될 때 분절편(61)의 중첩이 반경 방향으로 잘 이루어지도록 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경에 따라 폭(D)을 적응적으로 조절할 수 있다.
도 7c는 본 발명의 실시예에 따라 전극(60)이 권회되었을 때, 분절편(61)의 폭(D)이 정의되는 분절편(61)의 하단(도 7b의 선분 Dab)이 형성하는 원호(A1A2)를 전극 조립체의 코어 중심(O)을 기준으로 도시한 도면이다.
도 7c를 참조하면, 원호(A1A2)는 분절편(61)의 폭(D)에 대응되는 길이를 가지며, 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 원주각(Φ)를 가진다. 원주각(Φ)는 원호(A1A2)를 통과하는 권회 축과 수직인 평면 상에서 원호(A1A2)의 양쪽 끝단과 코어 중심(O)을 연결한 두 선분 사이의 각도로 정의될 수 있다.
분절편(61)의 원호(A1A2) 길이가 동일할 때, 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경(r)이 증가할수록 원주각(Φ)은 감소한다. 반대로, 분절편(61)의 원주각(Φ)가 동일할 때, 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경(r)이 증가할수록 원호(A1A2)의 길이는 비례적으로 증가한다.
원주각(Φ)은 분절편(61)의 절곡 품질에 영향을 미친다. 도면에서, 실선 화살표는 분절편(61)을 절곡시키기 위해 가해지는 힘의 방향을 나타내고 점선 화살표는 분절편(61)이 절곡되는 방향을 나타낸다. 절곡 방향은 코어 중심(O)을 향하는 방향이다.
분절편(61)의 원주각(Φ)은 절곡의 균일성을 향상시키고 크랙 발생을 방지하기 위해 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경(r)에 따라서 45도 이하, 바람직하게는 30도 이하일 수 있다.
일 측면에서, 분절편(61)의 원주각(Φ)은 상기 수치범위 이내에서 전극 조 립체의 반경 방향을 따라 점진적으로 또는 단계적으로 증가 또는 감소할 수 있다. 다른 측면에서, 분절편(61)의 원주각(Φ)은 상기 수치범위 이내에서 전극 조 립체의 반경 방향을 따라 점진적으로 또는 단계적으로 증가하가나 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있고, 그 반대의 경우(vice versa)도 가능하다. 또 다른 측면에서, 분절편(61)의 원주각(Φ)은 상기 수치범위 이내에서 전극 조립체의 반경 방향을 따라 실질적으로 동일할 수 있다.
실험에 의하면, 분절편(61)의 원주각(Φ)이 45도를 초과하면 분절편(61)의 절곡 모양이 균일해지지 않는다. 분절편(61)의 가운데 부분과 사이드 부분에 가해지는 힘의 차이가 커져서 분절편(61)의 눌림이 원주 방향에서 균일해지지 않는 것이다. 또한, 절곡의 균일성을 위해 누르는 힘을 증가시키면 절단홈(63) 근처의 무지부(43)에서 크랙이 생길 가능성이 있다.
일 실시예에서, 전극(60)에 포함된 분절편(61)들의 원주각(Φ)은 실질적으로 동일하고, 분절편(61)의 폭은 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경(r)이 증가할수록 비례적으로 증가할 수 있다. 실질적 동일하다는 것은 완전히 동일하거나 5% 미만의 편차가 있음을 의미한다.
예를 들어, 전극 조립체의 반경이 22mm이고 코어의 반경이 4mm이고 반경 7mm인 지점에 위치하는 권회턴부터 분절편(61)이 배치되기 시작할 때, 분절편(61)들의 원주각(Φ)이 28.6도로 일정할 경우 분절편(61)의 폭(D)은 다음 표 1과 같이 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경(r)에 따라 비례적으로 증가할 수 있다. 즉, 분절편(61)의 폭은 권회턴의 반경(r)이 1mm씩 증가할 때마다 0.5mm씩 실질적으로 동일한 비율로 증가할 수 있다.
| 권회턴 반지름(mm) | 7.0 | 8.0 | 9.0 | 10.0 | 11.0 | 12.0 | 13.0 | 14.0 | 15.0 | 16.0 | 17.0 | 18.0 | 19.0 | 20.0 | 21.0 | 22.0 |
| 분절편 폭(D,mm) | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.5 | 6.0 | 6.5 | 7.0 | 7.5 | 8.0 | 8.5 | 9.0 | 9.5 | 10.0 | 10.5 | 11.0 |
| 원주각(degree) | 28.6 | 28.6 | 28.6 | 28.6 | 28.6 | 28.6 | 28.6 | 28.6 | 28.6 | 28.6 | 28.6 | 28.6 | 28.6 | 28.6 | 28.6 | 28.6 |
바람직하게, 전극 조립체의 코어 중심(O)을 기준으로 반경이 r인 권회턴에 위치한 분절편(61)의 폭 D(r)은 다음 수식 1을 만족하는 범위에서 결정될 수 있다.
<수식 1>
1 ≤ D(r) ≤ (2*π*r/360°)*45°
바람직하게, 복수의 분절편(61)의 각각은 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 권회 방향의 폭 D(r)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
다른 측면에서, 복수의 분절편(61)의 각각은 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 1mm 내지 11mm의 범위에서 권회 방향의 폭 D(r)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편(61)의 각각은 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 권회 방향의 폭 D(r)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가했다가 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편(61)의 각각은 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 1mm 내지 11mm의 범위에서 권회 방향의 폭 D(r)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가했다가 점진적으로 또는 단계적으로 감소하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 분절편(61)의 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 분절편(61)의 폭 D(r)이 변화하는 비율은 동일하거나 다를 수 있다.
또 다른 측면에서, 분절편(61)의 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 1mm 내지 11mm 범위에서 분절편(61)의 폭 D(r)이 변화하는 비율은 동일하거나 다를 수 있다.
다시 도 7b를 참조하면, 분절편(61)의 높이(H)는 2mm 이상일 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.
분절편(61)의 높이(H)는 분절편(61)이 코어 측으로 절곡되었을 때 코어를 차폐하지 않는 조건을 적용하여 결정할 수 있다. 바람직하게, 코어는 직경의 90% 이상이 외부로 개방될 수 있도록 분절편(61)의 높이(H)를 조절할 수 있다.
바람직하게, 분절편(61)의 높이(H)는 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경과 코어의 반경에 의존하여 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 분절편(61)의 높이(H)가 권회턴의 반경이 증가함에 따라 h1 내지 hN까지 N 단계에 걸쳐서 단계적으로 증가한다고 할 때 분절편(61)의 k번째 높이 hk(k는 1 내지 N의 자연수), 높이 hk를 가지는 분절편(61)이 포함된 권회턴의 시작 반경을 rk, 코어의 반경을 rc 라고 할 때, 다음 수식 2가 충족되도록 분절편(61)의 높이 h1 내지 hN이 결정될 수 있다.
<수식 2>
2mm≤ hk ≤ rk - α*rc(바람직하게, α는 0.90 내지 1)
분절편(61)의 높이(hk)가 수식 2를 충족하면, 분절편(61)이 코어 측으로 절곡되더라도 코어는 직경의 90% 이상이 외부로 개방될 수 있다.
일 예에서, 전극(60)의 전체 권회턴 반경이 22mm이고, 분절편(61)의 높이가 3mm부터 시작하되, 분절편(61)을 포함하는 권회턴의 반경이 1mm 증가할 때마다 분절편(61)의 높이가 3mm, 4mm, 5mm, 6mm로 순차적으로 증가하고, 나머지 권회턴에서는 높이가 6mm로 실질적으로 동일하게 유지될 수 있다. 즉, 전체 권회턴의 반경 중에서 분절편(61)의 높이 가변 구간의 반경 방향 폭은 3mm이고 나머지 반경 구간은 높이 균일 구간에 해당한다.
이 경우, 전극 조립체 코어의 반경(rc)에 따라서 3mm, 4mm, 5mm 및 6mm의 높이를 가지는 분절편(61)이 포함된 권회턴의 시작 반경 r1, r2, r3, r4는, α가 1이고 우측 부등식에서 등호 조건이 적용되었을 때, 다음 표 2와 같을 수 있다.
| 분절편 높이(mm) | |||||
| 항목 | 3(h1) | 4(h2) | 5(h3) | 6(h4) | |
| 코어반경 (rc) (mm) |
2 | 5(r1) | 6(r2) | 7(r3) | 8(r4) |
| 2.5 | 5.5(r1) | 6.5(r2) | 7.5(r3) | 8.5(r4) | |
| 3 | 6(r1) | 7(r2) | 8(r3) | 9(r4) | |
| 3.5 | 6.5(r1) | 7.5(r2) | 8.5(r3) | 9.5(r4) | |
| 4 | 7(r1) | 8(r2) | 9(r3) | 10(r4) | |
분절편(61)들이 표 2에 나타낸 반경 위치에 배치될 때, 분절편(61)들이 코어측으로 절곡되더라도 분절편(61)에 의해 코어가 차폐되지 않는다. 한편, 표 2에 나타낸 r1, r2, r3, r4는 α 값에 따라서 코어 측으로 쉬프트될 수 있다. 일 예에서, α가 0.90일 때, r1, r2, r3, r4는 코어 반경의 10%만큼 코어 측으로 쉬프트될 수 있다. 이 경우, 분절편(61)이 코어측으로 절곡되었을 때 코어 반경의 10%가 분절편(61)에 의해 차폐된다. 표 2에 나타낸 r1, r2, r3, r4는 분절편(61)이 시작되는 위치의 리미트 값이다. 따라서, 분절편(61)의 위치는 표 2에 나타낸 반경보다 외주측으로 소정 거리 쉬프트될 수 있다.
도 7d는 분절편(61)의 높이 h1, h2, h3, h4, 코어 반경(rc), 분절편(61)이 나타나기 시작하는 권회턴의 반경 r1, r2, r3, r4의 관계를 모식적으로 나타낸 도면이다.
표 2와 도 7d를 함께 참조하면, 예를 들어 코어(C)의 변경(rc)이 3m일 때, 3mm(h1), 4mm(h2), 5mm(h3) 및 6mm(h4)의 높이를 가지는 분절편(61)이 포함된 권회턴의 시작 반경 r1, r2, r3 및 r4는 각각 6mm, 7mm, 8mm 및 9mm일 수 있으며, 반경 9mm부터 마지막 권회턴까지는 분절편(61)의 높이가 6mm로 유지될 수 있다. 또한, 6mm(r1) 보다 작은 반경을 가진 권회턴에는 분절편(61)이 포함되지 않을 수 있다. 이러한 예에서, 코어(C)와 가장 인접한 높이 3mm(h1)의 분절편(61)이 반경 6mm를 가진 권회턴부터 위치하므로 해당 분절편(61)이 코어(C)측으로 절곡되더라도 3mm 내지 6mm의 반경 구간만을 덮어서 실질적으로 코어(C)를 차폐하지 않는다. 수식 2의 α값에 따라, 분절편(61)의 위치는 코어 반경(rc)의 10% 이내에서 코어(C)측으로 쉬프트될 수 있다.
다른 실시예에서, 분절편(61)의 높이는 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 분절편(61)이 위치한 권회턴의 시작 반경 r이 증가함에 따라 동일 또는 상이한 비율로 증가할 수 있다.
바람직하게, 분절편(61)의 높이(H)는 수식2를 만족하면서 동시에 분절편(61)의 최대 높이가 제한될 수 있다.
도 7e는 분절편(61)의 높이 가변 구간에서 분절편(61)의 높이(H)에 대한 최대값(hmax)을 결정하기 위한 개념도이다.
도 7e를 참조하면, 전극 조립체의 권회 구조에서 분절편(61)을 포함하는 전극(E1)은 반경 방향에서 분리막(S)을 사이에 두고 반대 극성의 전극(E2)과 대향하고 있다. 전극(E1)의 양면에는 활물질층(E1,active)이 코팅되어 있고, 전극(E2)의 양면 또한 활물질층(E2,active)이 코팅되어 있다. 전기적 절연을 위해, 분리막(S)의 단부(Send)는 전극(E2)의 단부(E2,end)로부터 절연 갭(Wgap)에 대응하는 길이로 외측으로 더 연장될 수 있다. 또한, 전극(E1)의 단부는 전기적 절연을 위해 전극(E2)의 단부보다 외측으로 더 연장되지 않는다. 따라서, 무지부(43)의 하단에는 절연 갭(Wgap)에 대응하는 구간이 확보되어야 한다. 또한, 전극(E1, E2)과 분리막(S)이 권회될 때, 분리막(S)의 단부(Send)가 사행(meandering)을 일으킨다. 따라서, 분절편(61)이 분리막(S)의 외측으로 노출되기 위해서는 분리막(S)의 최소 사행 마진에 해당하는 구간(Wmargin,min)이 무지부(43)에 할당되어야 한다. 또한, 분절편(61)을 커팅하기 위해서는 집전체 포일의 단부에 최소한의 절단 스크랩 마진(Wscrap,min)이 할당되어야 한다. 따라서, 분절편(61)의 높이 가변 구간에서 분절편(61)의 최대 높이(hmax)는 다음 수식 3에 의해 결정될 수 있다. 수식 3에 있어서, Wfoil은 집전체 포일이 커팅되기 전의 집전체 포일의 폭에 해당한다.
<수식 3>
hmax = Wfoil - Wscrap,min- Wmargin,min - Wgap
바람직하게, 상기 절연 갭 Wgap은 상기 제1전극이 양극일 때 0.2mm 내지 6mm일 수 있다. 또한, 상기 절연 갭 Wgap은 상기 제1전극이 음극일 때 0.1mm 내지 2mm일 수 있다.
바람직하게, 상기 절단 최소 스크랩 마진 Wscrap,min은 1.5mm 내지 8mm일 수 있다. 최소 절단 스크랩 마진(Wscrap,min)은 분절편(61)을 형성하는 공정에 따라 할당되지 않을 수 있다. 예를 들어, 분절편(61)의 상부변과 집전체 포일의 상부변이 서로 일치하도록 절단홈(63)을 형성할 수 있다. 이 경우, 수식 3에 있어서, Wscrap,min은 0이 될 수 있다.
바람직하게, 상기 분리막의 최소 사행 마진 Wmargin,min은 0 내지 1mm일 수 있다.
일 예에서, 최소한의 절단 스크랩 마진(Wscrap,min)은 1.5mm이고, 분리막(S)의 최소 사행 마진(Wmargin,min)은 0.5mm일 수 있다. 이러한 조건에서, 분절편(61)을 형성하기 전의 집전체 포일 폭(Wfoil)이 8mm 내지 12mm이고, 절연 갭(Wgap)이 0.6mm, 0.8mm 및 1.0mm일 때, 상기 수식 3을 이용하여 분절편(61)의 최대 높이(hmax)를 계산한 결과는 다음 표 3과 같다.
| 항목 | 분리막↔음극 Gap(㎜) | |||
| 0.6 | 0.8 | 1 | ||
|
집전체
포일 폭 |
8 | 5.4 | 5.2 | 5 |
| (㎜) | 9 | 6.4 | 6.2 | 6 |
| 10 | 7.4 | 7.2 | 7 | |
| 11 | 8.4 | 8.2 | 8 | |
| 12 | 9.4 | 9.2 | 9 | |
상기 표 3을 참작할 때, 분절편(61)의 높이 가변 구간에서 분절편(61)의 최대 높이(hmax)는 10mm로 설정할 수 있다. 따라서, 분절편(61)의 높이 가변 구간에서 분절편(61)의 높이는 수식 2를 충족함과 동시에 2mm 내지 10mm 구간에서 전극 조립체의 반경 방향을 따라 단계적 또는 점진적으로 증가할 수 있다. 분절편(61)의 높이가 10mm를 넘는 설계 조건은 무지부에 너울을 발생시켜 무지부의 평탄도를 저하시킬 수 있다.
다시 도 7b를 참조하면, 분절편(61)의 이격 피치(P)는 0.05 내지 1mm의 범위에서 조절할 수 있다. 이격 피치(P)가 0.05mm 미만이면, 전극(60)이 권취 공정 등에서 주행될 때 응력에 의해 절단홈(63)의 하단 근처에서 무지부(43)에 크랙이 생길 수 있다. 반면, 이격 피치(P)가 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.
한편, 전극(60)의 집전체(41)가 알루미늄으로 이루어질 경우, 이격 피치(P)는 0.5mm 이상으로 설정하는 것이 보다 바람직하다. 이격 피치(P)가 0.5mm 이상일 경우, 전극(60)이 권취 공정 등에서 300gf 이상의 장력(tension) 하에서 100mm/sec 이상의 속도로 주행하더라도, 절단홈(63)의 하부에서 크랙이 생기는 것을 방지할 수 있다.
실험 결과에 따르면, 전극(60)의 집전체(41)가 15um 두께의 알루미늄 포일이고, 이격 피치(P)가 0.5mm 이상일 경우, 상기 주행 조건 하에서 전극(60)이 주행되었을 때 절단홈(63)의 하부에서 크랙이 생기지 않는다.
도 7b에 도시된 것처럼, 권취 방향(X)으로 인접하는 2개의 분절편(61) 사이에는 절단홈(63)이 개재된다. 절단홈(63)은 무지부(43)가 제거되면서 생긴 공간에 해당한다. 바람직하게, 절단홈(63) 하부 양단의 모서리 부분은 라운드 모양을 가진다. 즉, 절단홈(63)은 실질적으로 평평한 저부(63a)와 라운드부(63c)를 포함한다. 라운드부(63c)는 저부(63a)와 분절편(61)의 측변(63b)을 연결한다. 변형 예에서, 절단홈(63)의 저부(63a)는 원호 모양으로 대체될 수 있다. 이 경우, 분절편(61)의 측변(63b)들은 저부(63a)의 원호 형상에 의해 부드럽게 연결될 수 있다.
라운드부(63c)의 곡률 반경은 0 초과 0.5mm 이하, 바람직하게는 0 초과 0.1mm 이하, 보다 바람직하게 0.01mm 내지 0.05m일 수 있다. 라운드부(63c)의 곡률 반경이 상기 수치범위를 충족할 때, 전극(60)이 권취 공정 등에서 주행되는 동안 절단홈(63)의 하부에서 크랙이 생기는 것을 방지할 수 있다. 라운드부(63c)의 곡률 반경이 상기 수치범위의 상한을 초과하면, 절단홈(63)의 저부 공간이 줄어들어 전해질의 함침성에 부정적 영향을 미칠 수 있다.
복수의 분절편(61)은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 하부 내각(θ)이 증가할 수 있다. 일 예에서, 복수의 분절편(61)은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 하부 내각(θ)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다. 하부 내각(θ)은 절단홈(63)의 저부(63a)로부터 연장된 직선과 분절편(61)의 측부(53b)로부터 연장된 직선 사이의 각도이다. 분절편(61)이 좌우 대칭일 때 좌측과 우측의 하부 내각(θ)은 실질적으로 동일하다.
전극 조립체의 반경이 증가하면 곡률 반경이 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 절곡 표면영역을 평탄하게 형성할 수 있다.
바람직하게, 하부 내각(θ)은 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반지름과 분절편(61)의 폭(D)에 의해 결정될 수 있다.
도 7f는 분절편(61)의 하부 내각(θ)을 결정하는 수식을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7f를 참조하면, 분절편(61)의 측변은 분절편(61)의 폭(D)에 대응되는 선분 AD의 양쪽 끝점인 A 및 D와 코어 중심(E)을 연결하는 선분 AE 및 선분 DE와 일치하는 것이 이상적이다.
분절편(61)의 측변이 가장 이상적인 방향으로 연장될 때, 분절편(61)의 하부 내각(θrefer)은, 선분 EF가 선분 AE 및 선분 DE와 근사적으로 동일하다고 가정할 때, 하기 수식 4를 이용하여 분절편(61)의 폭(D)과 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반지름(r)로부터 근사적으로 결정될 수 있다.
<수식 4>
수식 4의 각도는 분절편(61)의 하부 내각(θrefer)에 대한 이상적인 기준 각도이다. 한편, 동일한 권회턴에 위치한 인접하는 분절편(61) 사이에는 이격 피치(P)가 존재한다. 이격 피치(P)의 길이는 p로 나타냈다. 이격 피치(P)가 인접하는 분절편(61) 사이에 존재하므로, 하부 내각(θ)에 대해 이격 피치(p)의 50%만큼 공차를 부여할 수 있다. 즉, 분절편(61)의 윗변 BC의 폭은 윗변 B'C'까지 최대 p/2만큼 증가될 수 있다. 공차가 반영된 하부 내각(θ')은 다음 수식 5로 나타낼 수 있다. 하부 내각(θrefer)는 이상적인 기준 각도 ∠BAG이고, 하부 내각(θ')는 이격 피치(p)에 따른 공차가 반영된 각도 ∠B'AG'이다. 수식 5에서, H는 분절편(61)의 높이이고, p는 이격 피치에 해당한다.
<수식 5>
바람직하게, 전극 조립체의 각 권회턴에 위치한 분절편(61)의 하부 내각(θ)는 다음 수식 6을 만족할 수 있다. 그러면, 분절편(61)들이 전극 조립체의 코어 중심을 향해 절곡될 때 원주 방향으로 인접하는 분절편(61)들이 서로 간섭을 일으키지 않고 절곡이 원활하게 이루어질 수 있다.
<수식 6>
일 예에서, 전극(60)이 직경이 22mm이고 코어의 반경이 4mm인 권회 구조를 형성하는 경우, 분절편(61)의 하부 내각은 높이 가변 구간에서 60도 내지 85도 구간에서 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다.
또 다른 예에서, 복수의 분절편(61)은 하나 또는 2개 이상의 그룹 단위로 코어측으로부터 외주측으로 가면서 하부 내각(θ)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다.
한편, 분절편(61)의 좌측 하부 내각 및 우측 하부 내각이 동일하지 않을 수 있다. 그럼에도, 어느 일 측의 하부 내각(θ)이 상술한 수식 6을 만족하도록 설계될 수 있다.
다시 도 7a를 참조하면, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 제3부분(B2)의 분절편(61)을 코어측으로 절곡시켰을 때 전극 조립체의 코어가 그것의 직경을 기준으로 90% 이상 외부로 개방되도록 설계한다. 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 그룹1의 분절편(61)의 절곡 길이에 비례하여 증가할 수 있다. 절곡 길이는 절곡 지점부터 분절편(61)의 상단변까지의 길이에 해당한다. 바람직하게, 전극(60)이 폼 팩터가 4680인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 전극 조립체 코어의 직경과 그룹1에 포함된 분절편(61)의 높이에 따라 180mm 내지 350mm로 설정할 수 있다.
분절편(61)의 절곡 지점은 절단홈(63)의 하단을 통과하는 라인 또는 그 라인으로부터 상부로 소정 거리 이격된 지점에 설정될 수 있다. 절단홈(63)의 하단으로부터 소정 거리 이격된 지점에서 분절편(61)이 코어측으로 절곡되면 반경 방향으로의 분절편 중첩이 보다 잘 이루어진다. 분절편(61)들이 절곡될 때 코어의 중심을 기준으로 바깥쪽에 있는 분절편이 안쪽에 있는 분절편을 누른다. 이 때, 절곡 지점이 절단홈(63)의 하단으로부터 소정 거리 이격되어 있으면, 안쪽의 분절편이 바깥쪽 분절편에 의해 권취 축 방향으로 눌리면서 분절편들의 중첩이 보다 잘 이루어진다. 절곡 지점의 이격 거리는 바람직하게 1mm 이하일 수 있다. 분절편의 최소 높이는 2mm이므로 최소 높이 대비 절곡 지점의 이격 거리의 비율은 50% 이하일 수 있다.
일 실시예에서, 각 분절편 그룹의 폭은 전극 조립체의 동일한 권회턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다. 여기서, 권회턴은 전극(60)이 권취된 상태에 있을 때 제1부분(B1)의 단부를 기준으로 계수할 수 있다.
다른 변형예에서, 각 분절편 그룹의 폭은 전극 조립체의 적어도 하나 이상의 권회턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다.
또 다른 변형예에서, 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편(61)의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치는 그룹 내에서 또는 인접하는 그룹 사이에서 점진적으로 및/또는 단계적으로 및/또는 불규칙적으로 증가 또는 감소할 수 있다.
그룹1 내지 그룹8은 제3부분(B2)에 포함되는 분절편 그룹의 일 예시에 불과하다. 그룹들의 수, 각 그룹에 포함되는 분절편(61)의 수, 및 그룹의 폭은 무지부(43)의 절곡 과정에서 응력을 최대한 분산시키고 집전체와의 용접 강도를 충분히 확보할 수 있도록 분절편(61)이 여러 겹으로 중첩되도록 바람직하게 조절될 수 있다.
다른 변형예에서, 제2부분(B3)의 높이는 제1실시예 및 제2실시예와 마찬가지로 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다.
또 다른 변형예에서, 제3부분(B2)의 분절구조는 제2부분(B3)까지 확장 가능하다(점선 참조). 이 경우, 제2부분(B3)도 제3부분(B2)와 마찬가지로 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 바람직하게, 제2부분(B3)의 분절 구조는 제3부분(B2)의 최외측에 있는 분절편 그룹과 실질적으로 동일할 수 있다. 이 경우, 제2부분(B3)과 제3부분(B2)에 포함된 분절편들은 폭, 높이 및 이격 피치가 실질적으로 동일할 수 있다. 변형 예에서, 제2부분(B3)의 분절편은 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 제3부분(B2)보다 더 클 수 있다. 선택적으로, 제2부분(B3)의 마지막 1 권회턴은 분절편이 제거된 형태일 수 있다.
제3부분(B2)에 있어서 전극(60)의 권취 방향을 기준으로 분절편(61)의 높이가 단계적으로 증가하는 구간(그룹1 내지 그룹7)은 분절편의 높이 가변 구간으로 정의되고, 마지막에 있는 분절편 그룹(그룹 8)은 분절편의 높이가 균일하게 유지되는 높이 균일 구간으로 정의될 수 있다.
즉, 제3부분(B2)에서, 분절편(61)의 높이가 h1 내지 hN까지 단계적으로 증가할 때, h1 내지 hN-1(N은 높이 인덱스로서, 2 이상의 자연수)의 높이를 가진 분절편(61)이 배치된 구간은 높이 가변 구간에 해당하고, hN의 높이를 가진 분절편(61)이 배치된 구간은 높이 균일 구간에 해당한다. 전극(60)의 권취 방향의 길이 대비 높이 가변 구간과 높이 균일 구간의 비율에 대해서는 구체적인 실시예들을 참조하여 후술하기로 한다.
전극(60)이 폼팩터가 4680인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 180~350mm일 수 있다. 그룹1의 폭은 제1부분(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. 제2부분(B3)의 폭(dB3)은 제1부분(B1)의 폭과 마찬가지로 180~350mm일 수 있다.
실시예에서, 그룹1 내지 8의 폭은 일정한 증가 또는 감소 패턴을 보이지 않는다. 그 이유는, 분절편의 폭은 그룹1에서 그룹8로 갈수록 점차 증가하지만 그룹 내에 포함되는 분절편의 수는 정수 개로 제한되고 전극의 두께가 권취 방향으로 약간의 편차를 가지기 때문이다. 따라서, 특정 분절편 그룹에서는 분절편의 수가 감소될 수 있다. 따라서, 그룹의 폭은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 상기의 예시처럼 불규칙한 변화 양상을 나타낼 수 있다. 물론, 분절편의 폭을 감소시킴으로써 그룹1 내지 8의 폭이 일정한 증가 패턴을 보이도록 설계하는 것도 가능하다.
즉, 전극 조립체의 원주 방향에서 연속해서 인접하는 3개의 분절편 그룹 각각에 대한 권취 방향의 폭을 각각 W1, W2 및 W3이라고 했을 때 W2/W1 보다 W3/W2가 작은 분절편 그룹의 조합을 포함할 수 있다.
상기 구체적인 예에서, 그룹4 내지 그룹6이 상기 케이스에 해당한다. 그룹4에 대한 그룹5의 폭 비율은 120~130%이고, 그룹5에 대한 그룹6의 폭 비율은 100~120%로서 그 값이 120~130%보다 작다.
또 다른 변형예에 따르면, 전극(60)의 무지부(43)가 복수의 분절편 그룹들을 가질 때, 분절편 그룹들(Gk-1, Gk, Gk+1)들은 도 7g에 도시된 바와 같이 그룹간 이격 간격(Db)을 두고 권취 방향(X)으로 상호 이격 배치될 수 있다. 그룹간 이격 간격(Db)에 대응되는 무지부의 높이는 제1부분(B1) 또는 제2부분(B2)과 실질적으로 동일할 수 있다.
일 측면에서, 코어측으로부터 외주측으로 갈수록, 각 분절편 그룹에 속하는 분절편(61)의 권취방향 폭(D)은 그룹 별로 단계적으로 증가하고, 분절편(61)의 높이(H)도 그룹 별로 단계적으로 증가하며, 하부 내각(θ)도 그룹 별로 단계적으로 증가할 수 있다.
다른 측면에서, 코어측으로부터 외주측으로 갈수록, 분절편 그룹의 권취 방향 폭(Dg)이 점진적 또는 단계적으로 증가할 수 있다. 상기 권취방향 폭(Dg)는 매 분절편 그룹마다 증가하거나, 2개 이상의 분절편 그룹들마다 증가할 수 있다.
또 다른 측면에서, 코어측으로부터 외주 측으로 갈수록 분절편 그룹들 간의 간격(Db)이 점진적 또는 단계적으로 증가할 수 있다. 상기 그룹간 이격 간격(Db)은 매 분절편 그룹 사이마다 증가해 나아가거나, 2개 이상의 분절편 그룹 사이들마다 증가해 나아갈 수 있다.
분절편 그룹의 권취방향 폭(Dg)과 그룹간 이격 간격(Db)을 조절하면, 도 7h 및 도 7i에 도시된 바와 같이, 분절편(61)들이 일부 영역에 방사상으로 배열되면서 하나 이상의 분절편 정렬부(61g)를 형성한다. 분절편 정렬부(61g)는 전극 조립체(JR)의 반경 방향을 따라 정렬된 분절편 그룹들(Gk-1, Gk, Gk+1)의 집합체이다.
도 7j에 도시된 바와 같이, 분절편 정렬부(61g)에 포함된 분절편 그룹들(Gk-1, Gk, Gk+1)의 양쪽 단부와 코어(C)의 중심(O)을 선으로 연결하면 각 분절편 그룹에 대해 부채꼴이 형성된다.
바람직하게, 분절편 정렬부(61g)에 포함된 분절편 그룹들(Gk-1, Gk, Gk+1)의 부채꼴들은 원주각(δ)의 크기와 원주각(δ)의 범위가 실질적으로 동일할 수 있다. 만약, 전극에 두께 공차가 있을 경우 분절편 정렬부(61g)에 포함된 분절편 그룹들(Gk-1, Gk, Gk+1)의 부채꼴들은 원주각(δ)의 크기는 실질적으로 동일하고 원 주각(δ)의 범위는 차이를 보일 수 있다.
원주각(δ)는 20도 이상, 선택적으로 25도 이상, 선택적으로 30도 이상, 선택적으로 35도 이상, 또는 선택적으로 40도 이상일 수 있다.
분절편 정렬부(61g)에 포함된 분절편(61)들을 코어(C)를 향해 절곡시키면 도 7h 및 도 7i에 도시된 바와 같이 권취축과 실질적으로 수직인 평면 상에 절곡 표면영역(F)이 형성된다. 또한, 원주 방향으로 인접하는 절곡 표면영역(F) 사이에는 전해질 함침부(Ep)가 형성된다.
전해질 함침부(Ep)에는 분절편(61)들의 절곡 구조가 존재하지 않으므로 분리막의 단부와 전극의 활물질층이 권취 축 방향(즉, 전해질이 주입되는 방향)에서 보았을 때 외부로 노출되어 있다. 따라서, 전해질이 전극 조립체(JR)의 권취 축 방향을 따라 주입되었을 때 전해질이 분리막 및 활물질층의 단부와 직접적으로 접촉하면서 전극 조립체(JR) 내부로 빠르게 침투하므로 전해질의 함침속도가 개선될 수 있다.
또한, 도 7a를 참조하여 설명한 바와 같이, 전해질의 함침속도를 더욱 개선하기 위해, 분리막(SP)의 권취 축 방향 단부(SL)가 최소 분절편 높이(Ha)의 30% 이하에 해당하는 거리만큼 기준선(DL)으로부터 이격되는 것이 바람직하다. 이 경우, 절단홈(63)의 하단을 통해서도 전해질이 함침됨으로써 전해질의 함침속도가 더욱 개선될 수 있고 전해질 함침의 균일성도 향상될 수 있다.
도 7h에는 상기 절곡 표면영역(F)이 90도 간격으로 배치되는 구조가 예시되고, 도 7i에는 상기 절곡 표면영역(F)이 180도 간격으로 배치되는 구조가 예시된다. 여기서, 절곡 표면영역(F)의 배치 각도는 절곡 표면영역(F)의 가장자리 형상에 근사적으로 대응되는 도형의 기하학적 중심을 통과하는 직선 사이의 각도로 정의될 수 있다. 즉, 전극 조립체의 코어 중심과 상기 절곡 표면영역(F)과 근사적으로 대응되는 도형의 기하학적 중심(geometric center)을 연결한 선을 각도 측정선이라고 정의할 때, 원주 방향으로 인접하는 절곡 표면영역(F)들의 각도 측정선을 이용하여 측정된 각도를 절곡 표면영역(F)의 배치 각도로 간주할 수 있다. 일 예에서, 절곡 표면영역(F)의 가장자리에 대응되는 도형의 기하학적 중심은 무게 중심일 수 있다.
상기 절곡 표면영역(F)을 구성하는 분절편 그룹들은, 전극 조립체(JR)의 코어 중심으로부터 방사상으로 배치될 수 있다. 또한, 전해질 함침부(Ep)를 구성하는 권회턴 부분의 무지부 역시 전극 조립체(JR)의 코어 중심으로부터 방사상으로 배치될 수 있다. 상기 절곡 표면영역(F)에 포함된 분절편 그룹들의 둘레방향 길이는 코어에서 외주 측으로 갈수록 점차 증가할 수 있다. 그리고, 전해질 함침부(Ep)를 구성하고 있는 권회턴 부분의 무지부 역시 둘레방향 길이가 코어로부터 외주 측으로 갈수록 증가한다. 상기 절곡 표면영역(F)의 가장자리가 형성하는 도형은 대략 중앙부가 삭제된 부채꼴과 유사한 형상을 가진다.
도 7h에 도시된 전극 조립체(JR)는, 90도 간격으로 4개소의 용접 영역이 방사상으로 설계된 집전체를 용접하기에 적합하고, 도 7i에 도시된 전극 조립체(JR)는 180도 간격으로 2개소의 용접 영역이 방사상으로 설계된 집전체를 용접하기에 적합하다.
실시예에서는 90도 간격으로 4개의 절곡 표면영역(F, 용접영역)이 존재하거나 180도 간격으로 2개의 절곡 표면영역(F)이 존재하는 구조를 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 가령 30도 간격으로 12개의 절곡 표면영역, 45도 간격으로 8개의 절곡 표면영역, 60도 간격으로 6개의 절곡 표면영역, 72도 간격으로 5개의 절곡 표면영역, 120도 간격으로 3개의 절곡 표면영역이 배치되는 등, 다양한 방사상 배치가 가능함은 물론이다.
다른 변형예에서, 절곡 표면영역(F)은 방사상으로 배치되지 않고, 집전체의 용접이 이루어져야 하는 영역에 대응하는 위치에 여러 가지 모양으로 형성할 수 있음은 물론이다. 절곡 표면영역(F)은 정사각형, 직사각형, 평형사변형, 사다리꼴 등의 기하학적 도형의 형태를 가질 수 있다. 이러한 절곡 표면영역(F)의 다양한 형상은 분절편 그룹의 권취방향 폭(Dg) 그리고 분절편 그룹들 간의 이격 간격(Db)을 조정하여 결정할 수 있다.
한편, 분절편 그룹을 권취 방향(X)을 따라 이격 배치하여 일부 영역에서 절곡 표면영역(F)이 형성되지 않도록 설계할 때, 전극의 두께 편차로 인해 코어로부터 외주 측으로 갈수록 분절편 그룹의 위치 편차가 발생할 수 있다. 이러한 분절편 그룹의 위치 편차는 외주 턴으로 갈수록 점차 누적된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 외주 턴으로 갈수록 분절편 그룹의 위치 편차가 누적되더라도 집전체의 용접이 가능한 영역을 확보하기 위해, 코어로부터 외주로 갈수록 점진적으로 또는 단계적으로 분절편 그룹의 폭이 증가할 수 있고, 그 결과 부채꼴과 같은 절곡 표면영역(F)이 형성된다.
따라서, 외주 측으로 갈수록 분절편 그룹의 위치 오차가 누적되어 절곡 표면영역(F)의 형상이 변형되더라도(도 7i를 참조하면, 전극 조립체가 시계 방향으로 권취됨에 따라 절곡 표면영역(F)의 형상도 시계 반향으로 변형됨) 도 7i의 화살표로 가리킨 변형 영역에서 확인할 수 있듯이, 여전히 소정의 용접 영역(w)을 충분히 확보할 수 있게 된다.
상기 절곡 표면영역(F)이 형성되는 부채꼴 형상의 원주각(도 7j의 δ 참조)은, 누적되는 오차의 양에 따라 결정될 수 있다. 실시예에서는 약 30도의 원주각을 가지는 부채꼴 형상을 예시한다. 부채꼴 형상의 원주각이 커질수록 허용되는 누적 오차의 양은 증가될 수 있다, 그러나. 그 반대급부로, 절곡 표면영역(F)이 형성되지 않은 전해질 함침부(Ep)의 면적은 줄어들게 된다.
한편, 분절편 그룹의 폭에 대응되는 영역이 하나의 분절편으로 이루어진 경우, 절곡 표면영역(F)에 대응되는 부채꼴 형상의 원주각이 커지면 커질수록 분절편들을 절곡할 때 원주 방향으로 변형이 생기면서 절곡이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명은 절곡 표면영역(F)을 부채꼴 형상으로 설계할 경우, 부채꼴 형상에 대응되는 권회턴 영역의 무지부 구간을 분절편 그룹으로 형성하여 해당 그룹에 속하는 각각의 분절편들을 절곡함으로써, 무지부의 절곡 가공이 원활하게 이루어지도록 한다.
실시예에 따르면, 절곡 표면영역(F)에 대응되는 부채꼴 형상 내에 위치하는 권회턴 부분의 원주각이 30도를 넘는 경우, 권회턴 부분의 무지부를 적어도 2 이상의 분절편으로 분할하여, 각 분절편에 대응되는 권회턴 부분의 원주각이 30도 이하가 되도록 한다.
본 발명에 있어서, 분절편(61)의 형상은 다양한 변형이 가능하다.
도 8a는 본 발명의 제5실시예에 따른 전극(70)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 8a를 참조하면, 제5실시예의 전극(70)은 분절편(61')의 형상이 전술한 실시예와 다른 점을 제외하고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다. 따라서, 별도의 언급이 없는 한, 제4실시예의 구성은 제5실시예에서도 동일하게 적용될 수 있다.
분절편(61')은 상부와 하부의 폭이 실질적으로 동일한 기하학적 도형의 형태를 가진다. 바람직하게, 분절편(61')은 사각형 형태를 가질 수 있다.
사각형의 코너 즉 꼭지점 부위는 뾰족한 단부를 이루기보다, 둥글게 라운드 처리되거나 모따기와 같이 챔퍼 처리될 수 있다.
도 8b는 사각형 분절편(61')의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 8b를 참조하면, 분절편(61')의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)는 무지부(43)의 절곡 가공 시 무지부(43)가 찢어지는 것을 방지하고 집전체와의 용접 강도 향상을 위해 무지부(43)의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시키면서 무지부(43)의 비정상적 변형을 방지할 수 있도록 설정할 수 있다. 비정상적 변형은 절곡 지점 하부의 무지부가 직선 상태를 유지하지 못하고 주저 않으면서 불규칙하게 변형되는 것을 말한다.
분절편(61')의 폭(D)은 분절편(61')의 양측 측변으로부터 연장한 2개의 직선과 절단홈(63)의 저부(63a)로부터 연장되는 직선이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 분절편(61')의 높이(H)는 분절편(61')의 최상단 변과 절단홈(63)의 저부(63a)로부터 연장된 직선 사이의 최단 거리로 정의된다. 분절편(61')의 이격 피치(P)는 절단홈(63)의 저부(63a)로부터 연장된 직선과 상기 저부(63a)와 연결된 2개의 측변(63b)으로부터 연장된 직선들이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 측변(63b) 및/또는 저부(63a)가 곡선일 때, 직선은 측변(63b) 및 저부(63a)가 만나는 교차점에서 측변(63b) 및/또는 저부(63a)로부터 연장되는 접선으로 대체 가능하다.
바람직하게, 분절편(61')의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)에 관한 조건은 상술한 제4실시예와 실질적으로 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다. 다만, 분절편(61')이 사각형 모양을 가지므로 분절편(61')의 하부 내각은 90도로 일정할 수 있다.
또한, 제5실시예에 따른 전극(70)도 도 8c에 도시된 바와 같이 복수의 분절편 그룹들(Gk-1, Gk, Gk+1)이 이격 간격(Dg)을 두고 권취 방향(X)으로 배치될 수 있다. 이 경우, 도 7h, 도 7i 및 도 7j를 참조하여 설명한 실시예들은 도 8c에 나타낸 전극(70)을 권취하여 제조한 전극 조립체에 대해서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 분절편 그룹에 포함된 분절편의 형상이 사다리꼴에서 사각형으로 변경된 점만 다르고 나머지 특징들은 도 7h, 도 7i 및 도 7j를 참조하여 설명한 실시예가 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
제4실시예 및 제5실시예와 같이, 제3부분(B2) 및 제2부분(B3)이 복수의 분절편(61, 61')을 포함할 때, 각 분절편(61, 61')의 형상은 다양한 변형이 가능하다.
바람직하게, 분절편은 하기 조건들 중 적어도 하나 이상을 충족하면서 여러 가지 모양으로 변형될 수 있다.
조건1: 하부의 폭이 상부의 폭보다 큼
조건2: 하부의 폭과 상부의 폭이 동일함
조건3: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 동일하게 유지됨
조건4: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 감소함
조건5: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 감소했다가 증가함
조건6: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 증가했다가 감소함
조건7: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 증가하다가 일정하게 유지됨
조건8: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 감소하다가 일정하게 유지됨
조건9: 하부의 일측 내각과 타측 내각은 서로 같음
여기서, 내각은 분절편 하부의 폭 방향을 기준으로 분절편의 측부가 이루는 각도로 정의될 수 있음. 측부가 곡선인 경우 내각은 곡선의 최하단 지점에서 그은 접선과 분절편 하부의 폭 방향 사이의 각도로 정의됨.
조건10: 하부의 일 측 내각과 타 측 내각은 서로 다름
조건11: 하부의 일 측 내각과 하부의 타측 내각은 각각 예각, 직각 또는 둔각을 가짐
조건12: 권취 축 방향을 기준으로 좌우 대칭임
조건13: 권취 축 방향을 기준으로 좌우 비대칭임
조건14: 측부는 직선 모양임
조건15: 측부는 곡선 모양임
조건16: 측부는 외측으로 볼록함
조건17: 측부는 내측으로 볼록함
조건18: 상부 및/또는 하부의 코너는 직선과 직선이 만나는 구조임
조건19: 상부 및/또는 하부의 코너는 직선과 곡선이 만나는 구조임
조건20: 상부 및/또는 하부의 코너는 곡선과 곡선이 만나는 구조임
조건21: 상부 및/또는 하부의 코너는 라운드 구조임
도 9는 본 발명의 변형예에 따른 분절편의 모양들을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이, 분절편은 양측의 절단홈 저부를 연결한 점선을 밑변으로 하는 다양한 기하학적 도형의 형태를 가질 수 있다. 기하학적 도형은 적어도 하나의 직선, 적어도 하나의 곡선 또는 이들의 결합이 연결된 구조를 가진다. 일 예에서, 분절편은 다각형 모양, 라운드 모양 또는 이들이 결합된 다양한 모양을 가질 수 있다.
구체적으로, 분절편은 좌우 대칭 사다리꼴 모양(ⓐ); 좌우 비대칭 사다리꼴 모양(ⓑ); 평행사변형 모양(ⓒ); 삼각형 모양(ⓛ); 오각형 모양(ⓚ); 원호 모양(ⓔ); 또는 타원 모양(ⓕ)일 수 있다.
분절편 모양은 도 9에 도시된 것에 한정되지 않으므로, 상술한 조건 1 내지 21 중에서 적어도 하나 이상을 충족하도록 다른 다각형, 다른 라운드 모양 또는 이들의 결합으로 변형될 수 있다.
분절편의 다각형 모양 ⓐ, ⓑ, ⓒ, ⓚ 및 ⓛ에 있어서, 상부 및/또는 하부의 코너는 직선과 직선이 만나는 모양이거나 라운드 모양(모양 ⓐ의 상부 및 하부 코너 확대 참조)일 수 있다.
분절편의 다각형 모양 ⓐ, ⓑ, ⓒ, ⓚ 및 ⓛ과 분절편의 곡선 모양 ⓔ 및 ⓕ에 있어서, 하부의 일측 내각(θ1)과 타측 내각(θ2)은 서로 동일하거나 서로 다를 수 있고, 하부의 일측 내각(θ1)과 타측 내각(θ2)은 각각 예각, 직각 또는 둔각 중 어느 하나일 수 있다. 내각은 기하학적 도형의 밑변과 측변이 만나는 각도이다. 측변이 곡선일 때, 직선은 밑변과 측변이 만나는 점에서 연장된 접선으로 대체될 수 있다.
다각형 모양을 가진 분절편의 측부 형상은 다양한 변형이 가능하다.
일 예에서, 분절편 모양 ⓐ의 측부는 모양 ⓓ와 같이 외부로 볼록한 곡선으로 변형되거나 모양 ⓖ 또는 ⓙ와 같이 분절편의 내측으로 만입된 곡선으로 변형 가능하다.
다른 예에서, 분절편 모양 ⓐ의 측부는 모양 ⓗ 또는 ⓘ와 같이 분절편의 내측으로 만입된 꺽인 직선으로 변형될 수 있다. 도시되지 않았지만, 분절편 모양 ⓐ의 측부는 외부로 볼록하게 꺽인 직선으로 변형될 수 있다.
측부가 다양하게 변형된 분절편 모양 ⓓ, ⓖ, ⓙ, ⓗ 및 ⓘ에 있어서, 하부의 일측 내각(θ1)과 타측 내각(θ2)은 서로 동일하거나 서로 다를 수 있고, 하부의 일측 내각(θ1)과 타측 내각(θ2)은 각각 예각, 직각 또는 둔각 중 어느 하나일 수 있다.
분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 다양한 변화 패턴을 가질 수 있다.
일 예에서, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 일정하게 유지될 수 있다(모양 ⓒ). 다른 예에서, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 감소할 수 있다(모양 ⓐ, ⓑ, ⓓ, ⓔ, ⓕ 및 ⓖ). 또 다른 예에서, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 감소했다가 증가할 수 있다(모양 ⓘ 및 ⓙ). 또 다른 예에서, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 증가하다가 감소할 수 있다(모양 ⓚ). 또 다른 예에서, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 감소하다가 일정하게 유지될 수 있다(모양 ⓗ). 도시되지 않았지만, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 증가하다가 일정하게 유지될 수 있다.
한편, 도 9에 예시된 분절편의 모양들 중에서 상부가 평평한 다각형 모양은 180도 회전될 수 있다. 일 예에서, 분절편 모양 ⓐ, ⓑ, ⓓ 또는 ⓖ가 180도 회전할 경우, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 증가할 수 있다. 다른 예에서, 분절편 모양 ⓗ가 180도 회전할 경우, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 일정하게 유지되다가 점차 증가할 수 있다.
상술한 실시예들(변형예들)에 있어서, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 제3부분(B2)의 영역에 따라서 분절편(61, 61')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.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편은 전극 조립체의 권취 방향과 평행한 일 방향을 따라서 개별적으로, 그룹 단위로 또는 2개 이상의 그룹 단위로 다른 모양을 가질 수 있다.
상술한 실시예들(변형예들)에 있어서, 제3부분(B2)의 분절 구조는 제1부분(B1)에도 적용이 가능하다. 다만, 제1부분(B1)에 분절 구조가 적용되면, 코어의 곡률 반경에 따라 제3부분(B2)의 분절편(61, 61')이 절곡될 때 제1부분(B1)의 단부가 외주측으로 휘는 역포밍(reverse forming) 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 제1부분(B1)에는 분절 구조가 없거나, 분절 구조를 적용하더라도 코어의 곡률 반경을 고려하여 분절편(61, 61')의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치를 역포밍이 생기지 않는 수준으로 가능한 작게 조절하는 것이 바람직하다.
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. 바람직하게 절곡을 의도하여 설계하는 분절편의 최소 높이(Hmin)은 5mm일 수 있다.
도 8a 및 도 9a를 참조하면, 기준선(DL)을 기준으로, 무지부에서 절곡이 가능한 최소높이(Hmin, 가령 앞서 2mm 또는 3mm 또는 4mm 또는 5mm) 이상의 높이를 가지는 분절편들 중 최소 분절편의 높이(Ha)의 ±30% 범위 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 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 최소높이(Hmin)의 ±30% 범위 내에 분리막의 폭방향 말단(SL)이 존재하면, 전해질의 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.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극(60, 70)이 전극 조립체로 권취된 이후에, 전극 조립체의 상부 및 하부에 노출되어 있는 분절편들은 전극 조립체의 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩되면서 절곡 표면영역을 형성할 수 있다.
이하에서 설명된 절곡 표면영역에 관한 설명은 분절편 정렬부의 분절편들이 절곡되면서 형성되는 절곡 표면영역에 대해서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 10a는 분절편(61)이 전극 조립체(80)의 코어(C) 측으로 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역(F)의 단면을 나타낸 모식도이다. 도 10a에서, 절곡 표면영역(F)의 단면은 전극 조립체(80)의 권회 축을 기준으로 좌측만 도시하였다. 절곡 표면영역(F)은 전극 조립체(80)의 상부와 하부에 모두 형성될 수 있다. 도 10b는 절곡 표면영역(F)이 형성된 전극 조립체(80)를 개략적으로 도시한 상부 사시도이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 절곡 표면영역(F)은 권회 축 방향으로 분절편(61)들이 복수의 레이어들로 중첩된 구조를 가진다. 중첩 방향은 권회 축 방향(Y)이다. 구간 ①은 분절편이 없는 분절편 생략 구간(제1부분 B1)이고, 구간 ② 및 ③은 분절편(61)이 포함되어 있는 권회턴이 위치하는 구간이다. 구간 ②는 분절편(61)의 높이가 가변되는 높이 가변 구간이고, 구간 ③은 전극 조립체의 외주까지 분절편의 높이가 균일하게 유지되는 높이 균일 구간이다. 후술하겠지만, 구간 ② 및 구간 ③의 반경 방향 길이는 가변될 수 있다. 한편, 최외곽 권회턴을 포함한 적어도 하나 이상의 권회턴에 포함된 무지부(제2부분 B3)는 분절편 구조를 포함하지 않을 수 있다. 이 경우, 구간 ③에서 제2부분(B3)은 제외될 수 있다.
구간 ②에서, 분절편(61)들의 높이는 전극 조립체(80)의 반경 r1 내지 rN 구간에서 최소 높이 h1(=hmin)부터 최대 높이 hN(=hmax)까지 단계적으로 변화될 수 있다. 분절편(61)들의 높이가 가변되는 높이 가변 구간은 r1 내지 rN이다. 반경 rN부터 전극 조립체(80)의 반경 R까지는 분절편(61)의 높이가 hN으로 균일하게 유지된다. 높이가 균일하다는 것은 높이의 편차가 5% 이내임을 의미한다.
구간 ② 및 구간 ③의 임의의 반경 위치에서, 분절편(61)의 적층수는 반경 위치에 따라 달라진다. 또한, 분절편(61)의 적층수는 구간 ②의 폭, 분절편(61)의 높이 가변 구간에서 분절편의 최소 높이(h1)와 최대 높이(hN-1), 그리고 분절편(61)의 높이 변화량(△h)에 의해 달라질 수 있다. 분절편(61)의 적층수는 전극 조립체(80)의 임의의 반경 위치에서 권회 축 방향으로 가상의 선을 그었을 때 가상의 선과 만나는 분절편의 수이다.
바람직하게, 분절편(61)이 포함된 권회턴의 반경에 따라서 분절편(61)의 높이, 폭 및 이격 피치를 조절하여 절곡 표면영역(F)의 각 위치에서 분절편(61)의 적층수를 요구되는 집전체의 용접 강도에 맞게 최적화시킬 수 있다.
먼저, 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)에서 분절편의 최소 높이(h1)가 동일할 때 분절편(61)의 최대 높이(hN) 변화에 따라 분절편(61)의 적층수가 절곡 표면영역(F)의 반경 방향을 따라 어떻게 변화하는지를 구체적인 실시예들을 통하여 설명하기로 한다.
실시예1-1 내지 실시예 1-7의 전극 조립체들이 준비되었다. 실시예들의 전극 조립체들은 반경이 22mm, 코어 직경이 4mm이다. 전극 조립체에 포함되는 양극과 음극은 도 7a에 도시된 전극 구조를 가진다. 즉, 분절편의 모양은 사다리꼴 형태를 가진다. 양극과 음극의 제2부분(B3)은 분절편을 포함하지 않는다. 제2부분(B3)의 길이는 전극의 총 길이 대비 3% 내지 4% 이다. 양극, 음극 및 분리막은 도 2를 통해 설명한 공법으로 권회되었다. 권회턴은 48턴 내지 56턴 사이인데, 실시예들의 권회턴은 51턴이다. 양극, 음극 및 분리막의 두께는 각각 149um, 193um 및 13um이다. 양극과 음극의 두께는 활물질층의 두께를 포함한 두께이다. 양극 집전판과 음극 집전판의 두께는 각각 15um 및 10um이다. 양극과 음극의 권취 방향 길이는 각각 3948mm 및 4045mm이다.
각 실시예에서, 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)은 반경 5mm부터 시작되도록 분절편(61)의 최소 높이를 3mm로 설정하였다. 또한, 각 실시예에서, 분절편(61)의 높이는 반경 1mm 증가당 1mm씩 증가시켰으며, 분절편(61)의 최대 높이는 4mm부터 10mm까지 다양하게 변화시켰다.
구체적으로, 실시예 1-1은 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 6mm이고, 분절편(61)의 높이는 반경 3mm부터 4mm까지 가변된다. 실시예 1-2는 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 7mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 5mm까지 가변된다. 실시예 1-3은 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 8mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 6mm까지 가변된다. 실시예 1-4는 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 9mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 7mm까지 가변된다. 실시예 1-5는 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 10mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 8mm까지 가변된다. 실시예 1-6은 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 11mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 9mm까지 가변된다. 실시예 1-7은 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 12mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 10mm까지 가변된다. 실시예 1-1 내지 1-7에서 높이 가변 구간(②)의 상한에 해당하는 반경부터 외주까지는 분절편(61)의 높이가 균일하다. 일 예에서, 실시예 1-7에서, 반경 12mm부터 22mm까지 분절편(61)의 높이는 10mm로 균일하다. 한편 비교예의 전극 조립체는 반경 5mm부터 반경 22mm까지 분절편(61)의 높이를 단일 높이인 3mm로 유지시켰다.
도 10c는 실시예 1-1 내지 1-7과 비교예에 따른 전극 조립체들의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역(F)에서 반경 방향을 따라서 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다. 음극의 절곡 표면영역도 실질적으로 동일한 결과를 보인다. 그래프의 가로 축은 코어 중심을 기준으로 한 반경이고, 그래프의 세로축은 각 반경 지점에서 카운트한 분절편의 적층수이고, 이후에 설명할 도 10d 및 도 10e에서도 동일하다.
도 10c를 참조하면, 분절편의 적층수 균일구간(b1)이 실시예1-1 내지 실시예1-7 그리고 비교예 1에서 공통적으로 나타난다. 적층수 균일구간(b1)은 각 그래프에서 플랫한 영역의 반경 구간이다. 적층수 균일구간(b1)의 길이는 분절편의 최대 높이가 감소할수록 증가하며, 비교예의 적층수 균일구간(b1')이 가장 길다. 한편, 분절편의 적층수는 분절편의 최대 높이(hN)가 증가할수록 증가한다. 즉, 분절편의 최대 높이(hN)가 증가하여 분절편의 높이 가변 구간(②)의 폭이 증가하면 분절편의 적층수는 증가하는 반면 적층수 균일구간(b1)의 폭은 감소한다. 적층수 균일구간(b1)의 외측에는 반경이 증가함에 따라 분절편의 적층수가 감소하는 적층수 감소구간(b2)이 나타난다. 적층수 감소구간(b2)은 전극 조립체의 반경이 증가함에 따라 분절편의 적층수가 감소하는 반경 구간이다. 적층수 균일구간(b1)과 적층수 감소구간(b2)은 반경 방향으로 인접해 있고 서로에 대해 상보적이다. 즉, 한쪽 구간의 길이가 증가하면 다른 한쪽 구간의 길이는 감소한다. 또한, 적층수 감소구간(b2)에서 적층수의 감소량은 적층수 균일구간(b1)으로부터 이격된 거리에 비례한다.
분절편의 적층수 관점에서 실시예1-1 내지 실시예1-7은 분절편의 적층수 균일구간(b1)에서 분절편의 적층수가 10 이상이다. 분절편의 적층수가 10 이상인 영역은 바람직한 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다. 용접 타겟 영역은 집전체의 적어도 일부가 용접될 수 있는 구간이다.
실시예 1-1 내지 실시예 1-7에서, 적층수 균일구간(b1)은 분절편의 높이 가변 구간(②)이 시작되는 반경 지점부터 시작된다. 즉, 높이 가변 구간(②)은 반경 5mm부터 시작하여 외주측으로 연장된다.
아래 표 4는, 실시예1-1 내지 실시예1-7과 비교예1에 있어서, 양극에 대해서, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경(b-a) 대비 분절편 생략 구간(c, 도 10a의 ①)의 길이 비율, 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(5mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이(f) 대비 적층수 균일구간(b1)의 길이 비율(e/f), 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(5mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이(f) 대비 분절편의 높이 가변 구간(d)의 길이 비율(d/f), 전극의 총 길이 대비 분절편 생략 구간(제1부분 B1)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율(h), 전극의 총 길이 대비 높이 가변 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율(i), 전극의 총 길이 대비 높이 균일 구간에 대응되는 전극 영역의 비율(i) 등을 산출한 결과를 나타낸다.
음극은 파라미터 h에 대해 0.1 내지 1.2%의 차이를 보이는 점을 제외하고 나머지 파라미터들은 양극과 실질적으로 동일하다. 비율 h, i 및 j의 합은 100%와 약간의 차이를 보인다. 그 이유는 전극의 외주측 무지부에 해당하는 제2부분(B3)에 분절편이 없는 구간이 존재하기 때문이다. 예를 들어, 실시예 1-1의 경우 전극 총 길이의 대략 4%에 해당하는 제2부분(B3)에 분절편이 존재하지 않는다. 표 4에서, a 내지 f는 반경 방향의 길이를 기준으로 한 파라미터들이고, h, i 및 j는 전극이 전극 조립체로 권회 되기 전 전극의 길이 방향을 기준으로 한 파라미터들이다. 또한, 비율(%)에 해당하는 파라미터들은 소수 첫째자리에 반올림한 값이다. 이러한 점들은 이후에 설명될 표 5 및 표 6에 있어서도 실질적으로 동일하다.
| Ref. | a. 코어 반경 (mm) |
b. 권회 구조 반경 (mm) |
c. 분절편 생략 구간 (mm) |
d. 높이 가변 구간 (mm) |
e. 적층수 균일 구간 (mm) |
f. 분절편 구간 (mm) |
g. 적층수 |
c/(b-a) (%) |
d/f (%) |
e/f (%) |
h. 분절편 생략 구간 비율 |
i. 높이 가변 구간 비율 |
j. 높이 균일 구간 비율 |
| 실시예 1-1 |
2 | 22 | 3 | 1 | 14 | 17 | 11 | 15% | 6% | 82% | 6% | 3% | 87% |
| 실시예1-2 | 2 | 22 | 3 | 2 | 13 | 17 | 13 | 15% | 12% | 76% | 6% | 7% | 83% |
| 실시예1-3 | 2 | 22 | 3 | 3 | 12 | 17 | 16 | 15% | 18% | 71% | 6% | 11% | 80% |
| 실시예1-4 | 2 | 22 | 3 | 4 | 11 | 17 | 18 | 15% | 24% | 65% | 6% | 15% | 75% |
| 실시예1-5 | 2 | 22 | 3 | 5 | 10 | 17 | 21 | 15% | 29% | 59% | 6% | 21% | 69% |
| 실시예1-6 | 2 | 22 | 3 | 6 | 9 | 17 | 24 | 15% | 35% | 53% | 6% | 25% | 65% |
| 실시예1-7 | 2 | 22 | 3 | 7 | 8 | 17 | 26 | 15% | 41% | 47% | 6% | 32% | 59% |
| 비교예1 | 2 | 22 | 3 | 0 | 15 | 17 | 8 | 15% | 0% | 88% | 6% | - | - |
표 4의 실시예1-1 내지 1-7을 참조하면, 분절편의 적층수는 11 내지 26이고, 분절편이 포함되는 반경 구간(f) 대비 높이 가변 구간(d)의 비율(d/f)은 6% 내지 41%이다. 또한, 분절편이 포함되어 있는 반경 구간(f) 대비 적층수 균일구간(e)의 비율(e/f)은 47% 내지 82%이다. 또한, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경(b-a) 대비 분절편 생략 구간(c, 도 10a의 ①)의 비율(c/(b-a))은 15%이다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편 생략 구간(제1부분 B1)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 6%, 전극의 총 길이 대비 높이 가변 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 3% 내지 32%, 및 전극의 총 길이 대비 높이 균일 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 59% 내지 87%이다.
적층수 균일구간의 적층수(g)는 실시예1-1 내지 1-7이 모두 10 이상이다. 적층수 균일구간(e)은 분절편의 높이 가변 구간(d)이 증가할수록 감소하지만 적층수 균일구간(e)에서 분절편의 적층수(g)는 증가한다. 바람직하게, 분절편의 적층수(g)가 10 이상인 적층수 균일구간(e)은 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
1865, 2170의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리는 전극 조립체의 반경이 대략 9mm 내지 10mm이다. 따라서, 종래의 원통형 배터리에 대해서는, 실시예1-1 내지 1-7과 같이, 분절편 구간(f)의 반경 방향 길이를 17mm 수준으로 확보할 수 없고, 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(e)의 길이를 8mm 내지 14mm 수준으로 확보할 수 없다. 종래의 원통형 배터리에서, 코어의 반경을 실시예1-1 내지 1-7과 동일한 2mm로 설계할 경우, 분절편을 배치할 수 있는 반경 구간은 실질적으로 7mm 내지 8mm에 불과하기 때문이다. 또한, 종래의 원통형 배터리에 있어서 전극의 권취 방향 길이는 600mm 내지 980mm 수준이다. 이러한 짧은 전극 길이는 실시예1-1 내지 실시예 1-7에서 사용된 전극의 길이(양극 3948mm, 음극 4045mm) 대비 대략 15% 내지 24% 수준에 불과하다. 따라서, 파라미터 h, i 및 j에 관한 수치범위도 종래의 원통형 배터리의 디자인 사양으로부터 용이하게 도출할 수 없다.
다음으로, 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)에서 분절편의 최대 높이(hN)가 동일할 때 분절편의 최소 높이(h1) 변화에 따라 분절편의 적층수가 절곡 표면영역(F)의 반경 방향을 따라 어떻게 변화하는지를 구체적인 실시예들을 통하여 설명하기로 한다.
실시예2-1 내지 2-5의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 직경은 4mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)에서 최소 높이(h1)는 4mm로 동일하고, 최대 높이(h-N)는 6mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예2-1 내지 2-5의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)의 폭이 각각 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm이며, 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)은 반경 2mm부터 6mm까지의 반경 구간이다.
실시예3-1 내지 3-4의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 직경은 4mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)에서 최소 높이(h1)는 5mm로 동일하고, 최대 높이(h-N)는 7mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예3-1 내지 3-4의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)의 폭이 각각 2mm, 3mm, 4mm, 5mm이며, 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)은 반경 2mm부터 7mm까지의 반경 구간이다.
실시예4-1 내지 4-3의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 직경은 4mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)에서 최소 높이(h1)는 6mm로 동일하고, 최대 높이(h-N)는 8mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예4-1 내지 4-3의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)의 폭이 각각 2mm, 3mm, 4mm이며, 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)은 반경 2mm부터 8mm까지의 반경 구간이다.
실시예5-1 내지 5-2의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 직경은 4mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)에서 최소 높이(h1)는 7mm로 동일하고, 최대 높이(h-N)는 9mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예5-1 내지 5-2의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)의 폭이 각각 2mm, 3mm이며, 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)은 반경 2mm부터 9mm까지의 반경 구간이다.
도 10d는 실시예 2-1 내지 2-5, 실시예 3-1 내지 3-4, 실시예 4-1 내지 4-3 및 실시예 5-1 내지 실시예 5-2에 대해 전극 조립체들의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역(F)에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다. 음극의 절곡 표면영역도 실질적으로 동일한 결과를 보인다.
도 10d에서, 그래프 (a)는 실시예 2-1 내지 2-5에 대해, 그래프 (b)는 실시예 3-1 내지 3-4에 대해, 그래프 (c)는 실시예 4-1 내지 4-3에 대해, 그래프 (d)는 실시예 5-1 내지 실시예 5-2에 대해, 절곡 표면영역(F)에서 반경 방향을 따라 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸다.
도 10d를 참조하면, 분절편의 적층수 균일구간(b1)이 전체 실시예들에서 공통적으로 나타난다. 적층수 균일구간(b1)은 그래프에서 플랫한 영역의 반경 구간이다. 적층수 균일구간(b1)의 길이는 분절편의 최소 높이(h1)가 동일할 때 분절편의 최대 높이(hN)가 감소할수록 증가한다. 또한, 적층수 균일구간(b1)의 길이는 분절편의 최대 높이(hN)가 동일할 때 분절편의 최소 높이(h1)가 감소할수록 증가한다. 한편, 적층수 균일구간(b1)에서, 분절편의 적층수는 분절편의 최대 높이(hN)가 증가할수록 증가한다. 실시예들에 있어서도, 적층수 균일구간(b1)과 인접하여 적층수 감소구간(b2)이 나타난다.
실시예들에 있어서, 적층수 균일구간(b1)에서 분절편의 적층수는 모두 10 이상이다. 바람직하게, 분절편의 적층수가 10 이상인 영역은 바람직한 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
실시예들에 있어서, 적층수 균일구간(b1)은 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)이 시작되는 반경 지점부터 시작된다. 실시예 2-1 내지 2-5에서, 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)은 6mm부터 시작하여 외주측으로 연장된다. 실시예 3-1 내지 3-4에서, 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)은 7mm부터 시작하여 외주측으로 연장된다. 실시예 4-3 내지 4-3에서, 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)은 8mm부터 시작하여 외주측으로 연장된다. 실시예 5-1 내지 5-2에서, 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)은 9mm부터 시작하여 외주측으로 연장된다.
아래 표 5는, 실시예 2-1 내지 2-5, 실시예 3-1 내지 3-4, 실시예 4-1 내지 4-3 및 실시예 5-1 내지 실시예 5-2에 대해, 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(6mm, 7mm, 8mm, 9mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이 대비 적층수 균일구간의 길이 비율(e/f), 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(6mm, 7mm, 8mm, 9mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이 대비 분절편의 높이 가변 구간(②)의 길이 비율(d/f) 등을 포함한 다양한 파라미터들을 산출한 결과를 나타낸다.
| 항목 | a. 코어 반경 (mm) |
b. 권회 구조 반경 (mm) |
c. 분절편 생략 구간 (mm) |
d. 높이 가변 구간 (mm) |
e. 적층수 균일 구간 (mm) |
f. 분절편 구간 (mm) |
g. 적층수 |
c/(b-a) (%) |
d/f (%) |
e/f (%) |
h. 분절편 생략 구간 비율 |
i. 높이 가변 구간 비율 |
j. 높이 균일 구간 비율 |
| 실시예 2-1 |
2 | 22 | 4 | 2 | 7 | 16 | 16 | 20% | 13% | 44% | 10% | 6% | 81% |
| 실시예2-2 | 2 | 22 | 4 | 3 | 8 | 16 | 18 | 20% | 19% | 50% | 10% | 11% | 77% |
| 실시예2-3 | 2 | 22 | 4 | 4 | 9 | 16 | 21 | 20% | 25% | 56% | 10% | 16% | 72% |
| 실시예2-4 | 2 | 22 | 4 | 5 | 10 | 16 | 24 | 20% | 31% | 63% | 10% | 20% | 68% |
| 실시예 2-5 |
2 | 22 | 4 | 6 | 11 | 16 | 26 | 20% | 38% | 69% | 10% | 25% | 65% |
| 실시예3-1 | 2 | 22 | 5 | 2 | 6 | 15 | 18 | 25% | 13% | 40% | 13% | 7% | 77% |
| 실시예3-2 | 2 | 22 | 5 | 3 | 7 | 15 | 21 | 25% | 20% | 47% | 13% | 12% | 72% |
| 실시예3-3 | 2 | 22 | 5 | 4 | 8 | 15 | 24 | 25% | 27% | 53% | 13% | 16% | 68% |
| 실시예3-4 | 2 | 22 | 5 | 5 | 9 | 15 | 26 | 25% | 33% | 60% | 13% | 22% | 62% |
| 실시예4-1 | 2 | 22 | 6 | 2 | 5 | 14 | 21 | 30% | 14% | 36% | 16% | 9% | 72% |
| 실시예4-2 | 2 | 22 | 6 | 3 | 6 | 14 | 24 | 30% | 21% | 43% | 16% | 13% | 68% |
| 실시예4-3 | 2 | 22 | 6 | 4 | 7 | 14 | 26 | 30% | 29% | 50% | 16% | 19% | 62% |
| 실시예5-1 | 2 | 22 | 7 | 2 | 4 | 13 | 24 | 35% | 15% | 31% | 20% | 9% | 68% |
| 실시예5-2 | 2 | 22 | 7 | 3 | 5 | 13 | 26 | 35% | 23% | 38% | 20% | 15% | 62% |
도 10a 및 도 10d와 함께 표 5의 실시예 2-5, 실시예 3-4, 실시예 4-3 및 실시예 5-2를 참조하면, 분절편의 높이 가변 구간(②)에서 분절편의 최대 높이(hN)는 10mm로 동일하지만 분절편의 최소 높이(h1)는 4mm, 5mm, 6mm, 7mm로 1mm씩 증가하고, 높이 가변 구간(②)의 길이는 6mm, 5mm, 4mm, 3mm로 1mm씩 감소한다. 4개의 실시예들에서, 적층수 균일구간의 비율(e/f)은 실시예 2-5가 69%로서 최대이고, 실시예 5-2이 38%로서 최소이고, 적층수 균일구간의 적층수는 모두 동일하다.
표 5에 나타낸 결과로부터, 분절편의 최대 높이(hN)가 동일할 때 분절편의 최소 높이(h1)가 감소하여 분절편의 높이 가변 구간(②)의 폭이 늘어날수록 적층수 균일구간의 폭도 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다. 그 이유는, 분절편의 최소 길이(h1)가 작을수록 분절편이 시작되는 반경 지점이 코어측과 가까워지면서 분절편이 적층되는 영역이 코어 측으로 확장되기 때문이다.
표 5를 참조하면, 분절편의 적층수는 16 내지 26이고, 분절편의 높이 가변 구간(②)의 비율(d/f)는 13% 내지 38%이고, 적층수 균일구간의 비율(e/f)는 31% 내지 69%임을 알 수 있다. 또한, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경(b-a) 대비 분절편 생략 구간(①)의 비율(c/(b-a))은 20% 내지 35%이다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편 생략 구간(①)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 10% 내지 20%, 전극의 총 길이 대비 높이 가변 구간(②)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 6% 내지 25%, 및 전극의 총 길이 대비 높이 균일 구간(③)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 62% 내지 81%이다.
1865, 2170의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리는 전극 조립체의 반경이 대략 9mm 내지 10mm이다. 따라서, 실시예들과 같이, 분절편 구간(f)의 반경 방향 길이를 13mm 내지 16mm수준으로 확보할 수 없고, 분절편 생략 구간(c, ①)의 길이를 4mm 내지 7mm 정도 확보하면서 동시에 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(e)의 길이를 5mm 내지 11mm 수준으로 확보할 수 없다. 종래의 원통형 배터리에서, 코어의 반경을 실시예들과 동일한 2mm로 설계할 경우, 분절편을 배치할 수 있는 반경 구간은 실질적으로 7mm 내지 8mm에 불과하기 때문이다. 또한, 종래의 원통형 배터리에 있어서 전극의 권취 방향 길이는 600mm 내지 980mm 수준이다. 이러한 짧은 전극 길이는 실시예들에서 전극의 길이(양극 3948mm, 음극 4045mm) 대비 대략 15% 내지 24% 수준에 불과하다. 따라서, 파라미터 h, i 및 j에 관한 수치범위도 종래의 원통형 배터리의 디자인 사양으로부터 용이하게 도출할 수 없다.
다음으로, 분절편의 높이 가변 구간(②)에서 분절편의 최소 높이(h1)와 최대 높이(hN)가 동일할 때 전극 조립체의 코어(C) 직경에 따라 분절편의 적층수가 절곡 표면영역(F)의 반경 방향을 따라 어떻게 변화하는지를 구체적인 실시예들을 통하여 설명하기로 한다.
실시예6-1 내지 6-6의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 반경은 4mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)에서 분절편의 최소 높이(h1)는 3mm로 동일하고, 분절편의 최대 높이(h-N)는 5mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예6-1 내지 6-6의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(②)의 폭이 각각 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm, 7mm이며, 분절편 생략 구간(①)은 반경 4mm부터 7mm까지의 반경 구간이다.
실시예7-1 내지 7-6의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 반경은 2mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)에서 분절편의 최소 높이(h1)는 3mm로 동일하고, 분절편의 최대 높이(h-N)는 5mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예7-1 내지 7-6의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(②)의 폭이 각각 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm, 7mm이며, 분절편 생략 구간(①)은 반경 2mm부터 5mm까지의 반경 구간으로 모두 동일하다.
도 10e는 실시예 6-1 내지 6-6과 실시예 7-1 내지 7-6에 대해 전극 조립체의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역(F)에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다. 음극의 절곡 표면영역에서도 실질적으로 동일한 결과가 나타난다.
도 10e에서, 그래프 (a)는 실시예 6-1 내지 6-6에 대해, 그래프 (b)는 실시예 7-1 내지 7-6에 대해, 절곡 표면영역(F)에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸다.
도 10e를 참조하면, 분절편의 적층수 균일구간(b1)이 전체 실시예들에서 공통적으로 나타난다. 적층수 균일구간(b1)은 그래프에서 플랫한 영역의 반경 구간이다. 적층수 균일구간(b1)의 반경 방향 길이는 분절편의 최소 높이(h1)가 동일할 때 분절편의 최대 높이(hN)가 감소할수록 증가한다. 한편, 적층수 균일구간(b1)에서, 분절편의 적층수는 분절편의 최대 높이(hN)가 증가할수록 증가한다. 실시예들에서, 적층수 균일구간(b1)과 인접하여 적층수 감수구간(b2)이 확인된다.
실시예들에 있어서, 적층수 균일구간(b1)에서 분절편의 적층수는 모두 10 이상이다. 바람직하게, 분절편의 적층수가 10 이상인 영역은 바람직한 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
실시예들에 있어서, 적층수 균일구간(b1)은 분절편의 높이 가변 구간(②)이 시작되는 반경 지점부터 시작된다. 실시예 6-1 내지 6-6의 경우 분절편의 높이 가변 구간(②)이 시작되는 반경은 7mm이고, 실시예 7-1 내지 7-6의 경우 분절편의 높이 가변 구간(②)이 시작되는 반경은 5mm이다.
아래 표 6은, 실시예 6-1 내지 6-6과 실시예 7-1 내지 7-6에 대해, 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(7mm, 5mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이 대비 적층수 균일구간의 길이 비율(e/f), 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(7mm, 5mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이 대비 분절편의 높이 가변 구간(②)의 길이 비율(d/f) 등을 포함하는 여러 가지 파라미터들의 산출 결과를 나타낸다.
| 항목 | a. 코어 반경 (mm) |
b. 권회 구조 반경 (mm) |
c. 분절편 생략 구간 (mm) |
d. 높이 가변 구간 (mm) |
e. 적층수 균일 구간 (mm) |
f. 분절편 구간 (mm) |
g. 적층수 |
c/(b-a) (%) |
d/f (%) |
e/f (%) |
h. 분절편 생략 구간 비율 |
i. 높이 가변 구간 비율 |
j. 높이 균일 구간 비율 |
| 실시예 6-1 |
4 | 22 | 3 | 2 | 11 | 15 | 13 | 17% | 13% | 73% | 6% | 7% | 83% |
| 실시예6-2 | 4 | 22 | 3 | 3 | 10 | 15 | 16 | 17% | 20% | 67% | 6% | 11% | 80% |
| 실시예6-3 | 4 | 22 | 3 | 4 | 9 | 15 | 18 | 17% | 27% | 60% | 6% | 15% | 75% |
| 실시예6-4 | 4 | 22 | 3 | 5 | 8 | 15 | 21 | 17% | 33% | 53% | 6% | 21% | 69% |
| 실시예6-5 | 4 | 22 | 3 | 6 | 7 | 15 | 24 | 17% | 40% | 47% | 6% | 25% | 65% |
| 실시예6-6 | 4 | 22 | 3 | 7 | 6 | 15 | 26 | 17% | 47% | 40% | 6% | 32% | 59% |
| 실시예7-1 | 2 | 22 | 3 | 2 | 13 | 17 | 13 | 15% | 12% | 76% | 6% | 7% | 83% |
| 실시예7-2 | 2 | 22 | 3 | 3 | 12 | 17 | 16 | 15% | 18% | 71% | 6% | 11% | 80% |
| 실시예7-3 | 2 | 22 | 3 | 4 | 11 | 17 | 18 | 15% | 24% | 65% | 6% | 15% | 75% |
| 실시예7-4 | 2 | 22 | 3 | 5 | 10 | 17 | 21 | 15% | 29% | 59% | 6% | 21% | 69% |
| 실시예7-5 | 2 | 22 | 3 | 6 | 9 | 17 | 24 | 15% | 35% | 53% | 6% | 25% | 65% |
| 실시예7-6 | 2 | 22 | 3 | 7 | 8 | 17 | 26 | 15% | 41% | 47% | 6% | 32% | 59% |
도 10a와 표 6의 실시예 6-6과 실시예 7-6을 참조하면, 분절편의 높이 가변 구간(②)에서 분절편의 최소 높이(h1) 및 최대 높이(hN)는 각각 3mm 및 10mm로 동일하다. 다만, 실시예 6-6은 실시예 7-6에 비해 코어의 반경이 2mm 더 크다. 따라서, 실시예 6-6은 실시예 7-6에 비해서 적층수 균일구간(e)과 분절편 구간(f)이 2mm 작으며, 적층수 균일구간에서 분절편의 적층수는 동일하다. 이러한 결과는 코어의 반경 차이로부터 비롯된 것이다. 표 6에 나타낸 결과로부터, 분절편의 높이 가변 구간(②)의 폭이 동일할 때, 코어의 반경(a)이 작을수록 높이 가변 구간(②)의 비율(d/f)은 감소하는데 반해, 적층수 균일구간의 비율(e/f)는 증가하는 것을 알 수 있다.
표 6을 참조하면, 분절편의 적층수는 13 내지 26이고, 분절편의 높이 가변 구간(②)의 비율(d/f)는 12% 내지 47%이고, 적층수 균일구간의 길이 비율(e/f)는 40% 내지 76%임을 알 수 있다. 또한, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경(b-a) 대비 분절편 생략 구간(①)의 비율(c/(b-a))은 15% 내지 17%이다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편 생략 구간(①)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 6%, 전극의 총 길이 대비 높이 가변 구간(②)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 7% 내지 32%, 및 전극의 총 길이 대비 높이 균일 구간(③)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 59% 내지 83%이다.
1865, 2170의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리는 전극 조립체의 반경이 대략 9mm 내지 10mm이다. 따라서, 실시예들과 같이, 분절편 구간(f)의 반경 방향 길이를 15mm 내지 17mm수준으로 확보하고 없고, 분절편 생략 구간(①)의 길이를 3mm 정도 확보 하면서 동시에 절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(e)의 길이를 6mm 내지 13mm 수준으로 확보할 수 없다. 종래의 원통형 배터리에서, 코어의 반경을 실시예들과 동일한 2mm 내지 4mm로 설계할 경우, 분절편을 배치할 수 있는 반경 구간은 실질적으로 5mm 내지 8mm에 불과하기 때문이다. 또한, 종래의 원통형 배터리에 있어서 전극의 권취 방향 길이는 600mm 내지 980mm 수준이다. 이러한 짧은 전극 길이는 실시예들에서 전극의 길이(양극 3948mm, 음극 4045mm) 대비 대략 15% 내지 24% 수준에 불과하다. 따라서, 파라미터 h, i 및 j에 관한 수치범위도 종래의 원통형 배터리의 디자인 사양으로부터 용이하게 도출할 수 없다.
표 4 내지 표 6의 데이터를 종합적으로 고려하면, 분절편의 적층수 균일구간에서 분절편의 적층수는 11 내지 26일 수 있다. 또한, 분절편의 높이 가변 구간(②)의 비율(d/f)는 6% 내지 47%일 수 있다. 또한, 적층수 균일구간의 비율(e/f)는 31% 내지 82%일 수 있다. 또한, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경 대비 분절편 생략 구간(①)의 길이 비율(c/(b-a))은 15% 내지 35%일 수 있다. 또한, 전극의 총 길이(권취 방향 길이) 대비 분절편 생략 구간(①)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 6% 내지 20%일 수 있다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편의 높이 가변 구간(②)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 3% 내지 32%일 수 있다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편의 높이 균일 구간(③)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 59% 내지 87%일 수 있다.
한편, 표 4 내지 표 6을 통해 설명한 파라미터들은 코어의 반경(a); 전극 조립체의 반경(b); 분절편의 높이 가변 구간(②)에서 최소 높이(h1)와 최대 높이(hN); 반경 1mm 증가당 분절편의 높이 변화량(△h); 양극, 음극 및 분리막의 두께 등을 포함하는 설계 팩터들에 따라 가변될 수 있다.
따라서, 분절편의 적층수 균일구간에서 분절편의 적층수는 10 내지 35까지 확장될 수 있다. 분절편의 높이 가변 구간(②)의 비율(d/f)는 1% 내지 50%로 확장될 수 있다. 또한, 적층수 균일구간의 비율(e/f)는 30% 내지 85%로 확장될 수 있다. 또한, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경 대비 분절편 생략 구간(①)의 길이 비율(c/(b-a))은 10% 내지 40%로 확장될 수 있다. 또한, 전극의 총 길이(권취 방향 길이) 대비 분절편 생략 구간(①)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 1% 내지 30%로 확장될 수 있다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편의 높이 가변 구간(②)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 1% 내지 40%로 확장될 수 있다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편의 높이 균일 구간(③)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 50% 내지 90%로 확장될 수 있다. 상기 실시예들에 있어서, 높이 가변 구간(②)과 높이 균일 구간(③)에 포함된 분절편의 최대 높이(hN)의 높이 인덱스 N은 2 내지 8이다. 예를 들어, 표 4를 참조하면, 실시예 1-1과 실시예 1-7에 대한 높이 인덱스 N은 각각 2 및 8이다. 하지만, 높이 인덱스 N은 전극 조립체의 반경 방향에서 분절편의 높이 변화량(△h)에 따라 달라질 수 있다. 높이 가변 구간(②)의 반경 방향 길이가 고정되어 있을 때, 분절편의 높이 변화량(△h)이 감소하면 그에 따라 높이 인덱스 N은 증가하고, 그 반대의 경우(vice versa)도 가능하다. 바람직하게, 높이 인덱스 N은 2 내지 20, 선택적으로는, 2 내지 30까지 추가로 확장 가능하다.
전극 조립체의 상부와 하부에 형성되는 절곡 표면영역(F)에 있어서, 적층수 균일구간은 집전체의 용접 타겟 영역으로 이용될 수 있다.
바람직하게, 집전체의 용접 영역은 전극 조립체의 반경 방향에서 적층수 균일구간과 적어도 50% 이상 중첩되는 것이 바람직하고, 중첩 비율이 높을수록 더욱 바람직하다.
바람직하게, 집전체의 용접 영역 중에서 적층수 균일구간과 중첩되지 않는 나머지 영역은 반경 방향에서 적층수 균일구간과 인접하는 적층수 감소구간과 중첩될 수 있다.
보다 바람직하게, 집전체의 용접 영역 중에서 적층수 균일구간과 중첩되지 않는 나머지 영역은 적층수 감소구간 중에서 분절편의 중첩수가 10 이상인 영역과 중첩될 수 있다.
분절편의 적층수가 10 이상인 영역에 집전체를 용접하면, 용접 강도의 측면, 그리고 용접 시 분리막이나 활물질층의 손상을 방지할 수 있다는 측면에서 바람직하다. 특히, 투과 특성이 높은 고출력 레이저를 이용하여 집전체를 용접할 때 유용성이 있다.
분절편이 10장 이상 적층된 적층수 균일구간과 집전체를 레이저로 용접하면 용접 품질의 향상을 위해 레이저의 출력을 증대시키더라도 적층수 균일구간이 레이저의 에너지를 대부분 흡수하여 용접 비즈를 형성하게 되므로 레이저에 의해 절곡 표면영역(F) 아래의 분리막과 활물질층이 손상되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 레이저가 조사되는 영역은 분절편의 적층수가 10 이상이므로 용접 비즈가 충분한 볼륨과 두께로 형성된다. 따라서, 용접 강도가 충분히 확보될 수 있고 용접 계면의 저항도 급속 충전에 적합한 수준으로 낮출 수 있다.
집전체의 용접 시 레이저의 출력은 절곡 표면영역(F)과 집전체 사이의 소망하는 용접 강도에 의해 결정될 수 있다. 용접 강도는 분절편의 적층수에 비례하여 증가한다. 적층수가 증가할수록 레이저에 의해 형성되는 용접 비즈의 볼륨이 커지기 때문이다. 용접 비즈는 집전체의 소재와 분절편의 소재가 함께 용융되면서 형성된다. 따라서 용접 비즈의 볼륨이 크면 집전체와 절곡 표면영역의 결합이 보다 강하게 이루어지고 용접 계면의 접촉 저항이 낮아지는 것이다.
바람직하게, 용접 강도는 2kgf/cm2 이상, 더욱 바람직하게는 4kgf/cm2이상일 수 있다. 최대 용접 강도는 레이저 용접 장비의 출력에 의존하여 달라질 수 있다. 일 예에서, 용접 강도는 바람직하게 8kgf/cm2 이하, 더욱 바람직하게 6kgf/cm2 이하로 설정될 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
용접 강도가 상기 수치범위를 충족할 경우, 권취 축 방향 및/또는 반경 방향을 따라 전극 조립체에 심한 진동이 인가되더라도 용접 계면의 물성이 저하되지 않으며, 용접 비즈의 볼륨이 충분하여 용접 계면의 저항도 감소시킬 수 있다.
용접 강도 조건을 충족시키기 위한 레이저의 출력은 레이저 장비에 따라 차이는 있는데, 250W 내지 320W의 범위 또는 해당 장비가 제공하는 레이저 최대 출력 사양의 40% 내지 100% 범위에서 적절하게 조절될 수 있다.
용접 강도는 집전체가 절곡 표면영역(F)으로부터 분리되기 시작할 때 집전체의 단위 면적당 인장력(kgf/cm2)으로서 정의될 수 있다. 구체적으로, 집전체의 용접을 완료한 후 집전체에 인장력을 가하되 그 크기를 점차 증가시킬 수 있다. 인장력이 임계치를 초과하면 용접 계면으로부터 분절편이 분리되기 시작한다. 이 때, 집전체에 가해진 인장력을 집전체의 면적으로 나눈 값이 용접 강도에 해당한다.
절곡 표면영역(F)은 분절편이 복수의 레이어로 적층되어 있으며, 전술한 실시예들에 따르면, 분절편의 적층수는 최소 10 장에서 최대 35장까지 증가할 수 있다.
무지부(43)을 구성하는 양극 집전체(포일)의 두께는 10um 내지 25um이고 무지부(43)을 구성하는 음극 집전체(포일)의 두께는 5um 내지 20um일 수 있다. 따라서, 양극의 절곡 표면영역(F)은 분절편의 총 적층두께가 100um 내지 875um인 영역을 포함할 수 있다. 또한, 음극의 절곡 표면영역(F)은 분절편의 총 적층 두께가 50um 내지 700um인 영역을 포함할 수 있다.
도 10f는 본 발명의 실시예에 따라 분절편(61, 61')의 절곡 표면영역(F)에 적층수 균일구간(b1)과 적층수 감소구간(b2)을 나타낸 전극 조립체의 상부 평면도이다.
도 10f를 참조하면, 굵은 실선으로 나타낸 2개의 원 사이의 영역은 분절편의 절곡 표면영역(F)에 해당하고, 일점 쇄선으로 나타낸 2개의 원 사이의 영역은 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(b1)에 해당하고, 적층수 균일구간(b1)의 외측 영역은 적층수 감소구간(b2)에 해당한다.
일 예에서, 집전체(Pc)가 절곡 표면영역(F)에 용접되면, 집전체(Pc)의 표면에 용접 패턴(Wp)이 생긴다. 용접 패턴(Wp)은 라인 패턴 또는 점 패턴의 배열일 수 있다. 용접 패턴(Wp)은 용접 영역에 해당하고, 반경 방향을 따라 분절편의 적층수 균일구간(b1)과 50% 이상 중첩될 수 있다. 따라서, 용접 패턴(Wp)의 일부는 적층수 균일구간(b1)에 포함되고, 용접 패턴(Wp)의 나머지는 적층수 균일구간(b1) 바깥쪽의 적층수 감소구간(b1)에 포함될 수 있다. 물론, 용접 강도를 최대화하고 용접 영역의 저항을 낮추기 위해 용접 패턴(Wp) 전체가 적층수 균일구간(b1)과 중첩될 수 있다.
절곡 표면영역(F)의 면적은 분절편의 적층수 균일구간(b1)의 면적과 적층수 감소구간(b2)의 면적을 합산한 면적으로 정의될 수 있다. 적층수 균일구간(b1)의 비율(e/f)은 30% 내지 85%, 바람직하게는 31% 내지 82%이므로, 절곡 표면영역(F)의 면적 대비 적층수 균일구간(b1)의 면적 비율은 9%(302/1002) 내지 72%(852/1002) 바람직하게는 10%(312/1002) 내지 67%(822/1002)일 수 있다.
바람직하게, 집전체(Pc)가 절곡 표면영역(F)과 접촉하는 부분의 가장자리는 높이 균일 구간(③)의 마지막 권회턴에서 코어(C) 측으로 절곡된 분절편(61,61')의 단부를 덮을 수 있다. 이 경우, 분절편(61,61')들이 집전체(Pc)에 의해 눌린 상태에서 용접 패턴(Wp)이 형성됨으로써, 집전체(Pc)와 절곡 표면영역(F)이 강하게 결합된다. 그 결과, 권회 축 방향으로 적층된 분절편들(61,61')이 서로 서로 긴밀하게 밀착됨으로써 용접 계면에서의 저항도 낮아지고 분절편(61,61')의 들뜸 현상을 방지할 수 있다.
한편, 분절편의 절곡 방향은 상술한 바와 반대가 될 수 있다. 즉, 분절편은 코어측로부터 외주측으로 절곡될 수 있다. 이 경우, 분절편의 높이가 권취 방향(X축) 방향을 따라 변화되는 패턴은 상술한 실시예들(변형예들)과 반대가 될 수 있다. 예를 들어, 분절편의 높이는 코어로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 낮아질 수 있다. 또한, 제1부분(B1)에 적용되는 구조와 제2부분(B3)에 적용되는 구조가 서로 스위치될 수 있다. 바람직하게, 분절편의 높이를 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 감소시키되, 전극 조립체의 외주와 가장 가까운 분절편이 외주측으로 절곡되었을 때 분절편의 단부가 전극 조립체의 외주 밖으로 돌출되지 않도록 분절편의 높이 변화 패턴이 설계될 수 있다.
상술한 실시예들(변형예들)의 전극 구조는 젤리롤 타입 또는 기술분야에 알려진 다른 타입의 전극 조립체에 포함된 극성이 다른 제1전극 및 제2전극 중 적어도 하나에 적용될 수 있다. 또한, 제1전극 및 제2전극 중 어느 하나에 실시예들(변형예들)의 전극 구조가 적용될 경우, 다른 하나에는 종래의 전극 구조가 적용될 수 있다. 또한, 제1전극 및 제2전극에 적용된 전극 구조는 서로 동일하지 않고 다를 수 있다.
일 예로, 제1전극과 제2음극이 각각 양극 및 음극일 때, 제1전극에는 실시예들(변형예들) 중 어느 하나가 적용되고 제2전극에는 종래의 전극 구조(도1 참조)가 적용될 수 있다.
다른 예로, 제1전극과 제2음극이 각각 양극 및 음극일 때, 제1전극에는 실시예들(변형예들) 중 어느 하나가 선택적으로 적용되고 제2전극에는 실시예들(변형예들) 중 어느 하나가 선택적으로 적용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 양극에 코팅되는 양극 활물질과 음극에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
일 예에서, 양극 활물질은 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x 
0, 1 ≤ x+y ≤2, 0.1 ≤ z ≤ 2; 화학량론 계수 x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2(1x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0
x≤1)일 수 있다.
또 다른 예에서, 양극 활물질은, 일반 화학식 LiaM1 xFe1-xM2 yP1-yM3 zO4-z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤ 2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; 화학량론 계수 a, x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
또 다른 예에서, 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, x는 0 내지 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물(LiMnO2); 리튬 구리 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 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 리튬 일부가 알칼리 토금속 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 할 수 있다.
상기 양극 집전체는 예컨대 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다. 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. 양극 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 도전 재는 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.
바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 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 다양 한 형태로 사용될 수 있다.
일 예에서, 음극 활물질은 탄소재, 리튬금속 또는 리튬금속화합물, 규소 또는 규소화합물, 주석 또는 주석 화합물 등을 사용할 수 있다. 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 음극 활물질로 사용 가능하다. 탄소재로는 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.
다른 예에서, 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.
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.
전극 제조에 사용되는 용매의 비제한적인 예로는 아세톤(acetone), 테 트라하이드로퓨란(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 음극 활물질층의 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 화 합물을 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 맞 닿은 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 섭씨 30도의 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 고분 자의 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.
상기 분리막은 다공성 고분자 기재; 및 상기 다공성 고분자 기재의 양면 상에 위치하고, 무기물 입자 및 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층;을 가진다.
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 전해질 이동이 원활하게 이루어질 수 있게 되고, 기재 자체의 전해질 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 전해질의 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 전해질의 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 mL의 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 섭씨 100 내지 150도의 온도 범위에서 수행될 수 있는데, 섭씨 100 도보다 낮은 온도에서 라미네이션이 수행되는 경우에는 라미네이션 효과가 발생하지 않게 되고, 십씨 150 도보다 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 전기 화학소자의 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 전해질의 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 고 유전율 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 P2S5계열glass(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), 폴리부틸 아크릴레이트(polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리 비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트부티레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스(cyanoethylsucrose), 풀루란(pullulan) 및 카르복실메틸 셀 룰로오스(carboxyl methyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 바인더 고분자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다공성 코팅층에 사용되는 무기물 입자와 바인더 고분자의 조성비는 예를 들어 50:50 내지 99:1 범위가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 70:30 내지 95:5이다. 바인더 고분자에 대한 무기물 입자의 함량비가 50:50 미만일 경우 바인더 고분자의 함량이 많아지게 되어 분리막의 열적 안전성 개선이 저하될 수 있다. 또한, 무기물 입자들 사이에 형성되는 빈 공간의 감소로 인한 기공 크기 및 기공도가 감소되어 최종 전지 성능 저하가 야기될 수 있다. 무기물 입자의 함량이 99 중량부를 초과할 경우 바인더 고분자 함량이 너무 적기 때문에 다공성 코팅층의 내필링성이 약화될 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 전해질로 채워지게 되고, 이와 같이 채워진 전해질은 이온 전달 역할을 하게 된다. 기공 크기 및 기공도가 각각 0.001㎛ 및 10% 미만일 경우 저항층으로 작용할 수 있으며, 기공 크기 및 기공도가 10㎛ 및 90%를 각각 초과할 경우에는 기계적 물성이 저하될 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 볼 밀(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 당업계에 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/100mL의 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, 전해질에 대한 함침 성능 향상으로 균일한 고체전해질계면층을 형성할 수 있고, 종래의 단면 무기물 코팅 분리막과 대비하여 우위의 통기도를 확보할 수 있다. 예를 들어 120s/100cc 이내일 수 있다. 또 한, 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 안정 성이 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.
분리막은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 분리막은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 구조에 관해 상세히 설명한다.
도 11은 제1실시예의 전극(40)을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)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 제1무지부(43a) 및 제2무지부(43b)의 돌출 구조를 상세하게 도시하고, 제1전극, 제2전극 및 분리막의 권취 구조에 대한 도시는 생략한다. 상부로 돌출된 제1무지부(43a)는 제1전극으로부터 연장된 것이고, 하부로 돌출된 제2무지부(43b)는 제2전극으로부터 연장된 것이다.
제1 및 제2무지부(43a, 43b)의 높이가 변화하는 패턴은 개략적으로 도시하였다. 즉, 단면이 잘리는 위치에 따라서 무지부의 높이는 불규칙하게 변화할 수 있다. 일 예로, 사다리꼴 분절편(61, 61')의 측변이나 절단홈(63)이 잘리면 단면에서의 무지부 높이는 분절편(61, 61')의 높이(H)보다 낮아진다. 따라서, 전극 조립체의 단면을 나타낸 도면들에 도시된 무지부의 높이는 각 권회턴에 포함된 무지부 높이(도7b 및 도 8b의 H)의 평균에 대응한다고 이해하여야 한다.
도 11을 참조하면, 제1무지부(43a)는, 전극 조립체(80)의 코어에 인접한 제1부분(B1), 전극 조립체(80)의 외주 표면에 인접한 제2부분(B3), 제1부분(B1) 및 제2부분(B3) 사이에 개재된 제3부분(B2)를 포함한다.
제2부분(B3)의 높이(Y축 방향의 길이)는 제3부분(B2)의 높이 보다 상대적으로 작다. 따라서, 전지 하우징의 비딩부가 제2부분(B3) 근처에서 가압되는 과정에서 비딩부와 제2부분(B3)가 서로 접촉하면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다.
제2무지부(43b)는 제1무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 제2무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
제1무지부(43a)와 제2무지부(43b)의 단부(81)은 전극 조립체(80)의 반경 방향, 예를 들어 외주측으로부터 코어측으로 절곡될 수 있다. 이 때 제2부분(B3)는 실질적으로 절곡되지 않을 수 있다.
도 12는 제2실시예의 전극(45)을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체(90)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 12를 참조하면, 제1전극의 제1무지부(43a)는, 전극 조립체(90)의 코어에 인접한 제1부분(B1), 전극 조립체(90)의 외주 표면에 인접한 제2부분(B3), 및 제1부분(B1) 및 제2부분(B3) 사이에 개재된 제3부분(B2)를 포함한다.
제2부분(B3)의 높이는 제3부분(B2)의 높이보다 상대적으로 작으며 코어측으로부터 외주측으로 가면서 점진적으로 또는 단계적으로 감소한다. 따라서, 전지 하우징의 비딩부가 제2부분(B3) 근처에서 가압되는 과정에서 비딩부와 제2부분(B3)가 서로 접촉하면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다.
제2무지부(43b)는 제1무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 제2무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
제1무지부(43a)와 제2무지부(43b)의 단부(91)은 전극 조립체(90)의 반경 방향, 예컨대 외주측으로부터 코어측으로 절곡될 수 있다. 이 때 제2부분(B3)의 최외측(92)은 실질적으로 절곡되지 않을 수 있다.
도 13은 제3실시예 내지 제5실시예(이들의 변형예들)의 전극들(50, 60, 70) 중 어느 하나를 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체(100)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 13을 참조하면, 제1전극의 무지부(43a)는, 전극 조립체(100)의 코어에 인접한 제1부분(B1), 전극 조립체(100)의 외주 표면에 인접한 제2부분(B3), 및 제1부분(B1) 및 제2부분(B3) 사이에 개재된 제3부분(B2)를 포함한다.
제1부분(B1)의 높이는 제3부분(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 제3부분(B2)에 있어서 최내측에 위치한 무지부(43a)의 절곡 길이는 제1부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 절곡 길이(H)는 무지부(43a)가 절곡되는 지점부터 무지부(43a) 상단까지의 거리에 해당한다. 변형예에서, 절곡 길이 H는 제1부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 코어(102) 반경의 10%를 합산한 값보다 작을 수 있다.
따라서, 제3부분(B2)가 절곡되더라도 전극 조립체(100)의 코어(102)는 그 직경의 90% 이상이 외부로 개방된다. 코어(102)는 전극 조립체(100)의 중심에 있는 공동(cavity)이다. 코어(102)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(102)를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전체와 전지 하우징(또는 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
제2부분(B3)의 높이는 제3부분(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 따라서, 전지 하우징의 비딩부가 제2부분(B3) 근처에서 가압되는 과정에서 비딩부와 제2부분(B3)가 서로 접촉하면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다.
일 변형예에서, 제2부분(B3)의 높이는 도 13에 도시된 것과 달리 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다. 또한, 도 13에는, 제3부분(B2)의 높이가 외주측 일부분이 동일하지만, 제3부분(B2)의 높이는 제1부분(B1)와 제3부분(B2)의 경계부터 제3부분(B2)와 제2부분(B3)의 경계까지 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다. 제3부분(B2)가 복수의 분절편으로 분할되어 있을 때 무지부(43a)의 높이가 변하는 구간은 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)에 해당한다.
제2무지부(43b)는 제1무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 제2무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
제1무지부(43a)와 제2무지부(43b)의 단부(101)는 전극 조립체(100)의 반경 방향, 예컨대 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 제1부분(B1)와 제2부분(B3)는 실질적으로 절곡되지 않는다.
제3부분(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 절곡 표면영역에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(110)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 14를 참조하면, 전극 조립체(110)는 도 13의 전극 조립체(100)와 비교하여 제2부분(B3)의 높이가 제3부분(B2)의 최외측 높이와 실질적으로 동일하다는 점을 제외하면 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
제2부분(B3)는 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 복수의 분절편에 관한 구성은 전극에 관한 제4 및 제5실시예(변형예들)과 실질적으로 동일하다.
전극 조립체(110)에 있어서, 제1부분(B1)의 높이는 제3부분(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 제3부분(B2)에 있어서 최내측에 위치한 무지부의 절곡 길이(H)는 제1부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 바람직하게, 제1부분(B1)는 분절편이 없는 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)일 수 있다. 변형예에서, 절곡 길이 H는 제1부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 코어(102) 반경의 10%를 합산한 값보다 작을 수 있다.
따라서, 제3부분(B2)가 절곡되더라도 전극 조립체(110)의 코어(112)는 그 직경의 90% 이상이 외부로 개방된다. 코어(112)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(112)를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전체와 전지 하우징(또는 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
일 변형예에서, 제3부분(B2)의 높이가 코어측으로부터 외주측을 향해 점진적으로 또는 단계적으로 증가하는 구조는, 제2부분(B3)까지 확장될 수 있다. 이 경우, 무지부(43a)의 높이는 제1부분(B1)와 제3부분(B2)의 경계부터 전극 조립체(110)의 최외측 표면까지 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다.
제2무지부(43b)는 제1무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 제2무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
제1무지부(43a)와 제2무지부(43b)의 단부(111)는 전극 조립체(110)의 반경 방향, 예를 들어 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 제1부분(B1)은 실질적으로 절곡되지 않는다.
제3부분(B2) 및 제2부분(B3)이 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 절곡 표면영역에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(120)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 15를 참조하면, 전극 조립체(120)는 도 13의 전극 조립체(100)와 비교하여 제3부분(B2)의 높이가 점진적 또는 단계적으로 증가하였다가 감소하는 패턴을 가지는 점만 다르고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다. 제3부분(B2)의 높이가 변화하는 반경 구간은 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)으로 간주될 수 있다. 이 경우에도, 분절편의 높이 가변 구간은 제3부분(B2)가 절곡되면서 형성되는 절곡 표면영역(F)에 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간이 앞서 설명된 바람직한 수치범위로 나타나도록 설계될 수 있다.
이러한 제3부분(B2)의 높이 변화는 제3부분(B2)에 포함된 스텝 패턴(도 6 참조)이나 분절편(도 7a 또는 도 8a 참조)의 높이를 조절하는 것에 의해 구현할 수 있다.
전극 조립체(120)에 있어서, 제1부분(B1)의 높이는 제3부분(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 제3부분(B2)에 있어서 최내측에 위치한 무지부의 절곡 길이(H)는 제1부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 제1부분(B1)에 대응되는 구간은 분절편이 없는 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)에 해당한다. 변형예에서, 절곡 길이 H는 제1부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 코어(102) 반경의 10%를 합산한 값보다 작을 수 있다.
따라서, 제3부분(B2)가 코어측을 향해 절곡되더라도 전극 조립체(120)의 코어(122)는 그 직경의 90% 이상의 외부로 개방된다. 코어(122)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(122)를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전체와 전지 하우징(또는 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
또한, 제2부분(B3)의 높이는 제3부분(B2)의 높이보다 상대적으로 작으며, 바람직하게는 제2부분(B3)에는 분절편이 형성되지 않을 수 있다. 따라서, 전지 하우징의 비딩부가 제2부분(B3) 근처에서 가압되는 과정에서 비딩부와 제2부분(B3)가 서로 접촉되면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다. 일 변형예에서, 제2부분(B3)의 높이는 외주측을 향해 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다.
제2무지부(43b)는 제1무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 변형예에서, 제2무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
제1무지부(43a)와 제2무지부(43b)의 단부(121)는 전극 조립체(120)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 제1부분(B1)와 제2부분(B3)는 실질적으로 절곡되지 않는다.
제3부분(B2)이 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 절곡 표면영역에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(130)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 16을 참조하면, 전극 조립체(130)는 도 15의 전극 조립체(120)와 비교하여 제2부분(B3)의 높이가 제2부분(B3)와 제3부분(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 제2부분(B3)의 높이 변화는 제3부분(B2)에 포함된 스텝 패턴(도 6 참조)을 제2부분(B3)까지 확장하면서 동시에 패턴의 높이를 외주측을 향해 점진적으로 또는 단계적으로 감소시켜 구현할 수 있다. 또한, 다른 변형 예에서, 제2부분(B3)의 높이 변화는 제3부분(B2)의 분절편 구조를 제2부분(B3)까지 확장하면서 동시에 분절편의 높이를 외주측을 향해 점진적으로 뜨는 단계적으로 감소시켜 구현할 수 있다.
전극 조립체(130)에 있어서, 제1부분(B1)의 높이는 제3부분(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 제3부분(B2)에 있어서 최내측에 위치한 무지부의 절곡 길이(H)는 제1부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 제1부분(B1)는 분절편이 없는 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)에 해당한다. 변형예에서, 절곡 길이 H는 제1부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 코어(102) 반경의 10%를 합산한 값보다 작을 수 있다.
따라서, 제3부분(B2)가 코어측을 향해 절곡되더라도 전극 조립체(130)의 코어(132)는 그 직경의 90% 이상이 외부로 개방된다. 코어(132)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(132)를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전체와 전지 하우징(또는 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
제2무지부(43b)는 제1무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 제2무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
제1무지부(43a)와 제2무지부(43b)의 단부(131)는 전극 조립체(130)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 제1부분(B1)은 실질적으로 절곡되지 않는다.
제3부분(B2) 및 제2부분(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 절곡 표면영역에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
한편, 상술한 실시예들(변형예들)에 있어서, 제1무지부(43a)와 제2무지부(43b)의 단부는 코어측으로부터 외주측으로 절곡될 수 있다. 이 경우, 제2부분(B3)은 분절편이 없는 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)으로 설계되고, 외주측을 향해 절곡되지 않는 것이 바람직하다. 또한, 제2부분(B3)의 반경 방향 폭은 제3부분(B2)의 최외측 무지부(또는 분절편)가 절곡되는 길이보다 같거나 클 수 있다. 그래야만, 제3부분(B2)의 최외측 무지부(또는 분절편)가 외주측으로 절곡될 때 절곡 부위의 단부가 전극 조립체의 외주면을 초과하여 전지 하우징의 내면을 향해 돌출되지 않는다. 또한, 분절편 구조의 변화 패턴은 상술한 실시예들(변형예들)과 반대가 될 수 있다. 예를 들어, 분절편의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적 또는 점진적으로 증가할 수 있다. 즉, 전극 조립체의 외주측으로부터 코어측으로 분절편 생략 구간(도 10a의 ①), 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②) 및 분절편의 높이 균일 구간(도 10a의 ③)을 순서대로 배치시킴으로써, 절곡 표면영역에 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간이 바람직한 수치범위로 나타나도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다양한 전극 조립체 구조는 원통형 배터리에 적용될 수 있다.
바람직하게, 원통형 배터리는, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 배터리일 수 있다. 여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다.
바람직하게, 원통형 배터리의 직경은 40mm 내지 50mm일 수 있고, 높이는 60mm 내지 130mm일 수 있다. 일 실시예에 따른 원통형 배터리의 폼 팩터는, 예를 들어 46110, 4875, 48110, 4880 또는 4680일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 배터리의 직경을 나타내고, 나머지 숫자는 배터리의 높이를 나타낸다.
폼 팩터의 비가 0.4를 초과하는 원통형 배터리에 탭-리스 구조를 가진 전극 조립체를 적용할 경우, 무지부를 절곡할 때 반경 방향으로 가해지는 응력이 커서 무지부가 찢어지기 쉽다. 또한, 무지부의 절곡 표면영역에 집전체를 용접할 때 용접 강도를 충분히 확보하고 저항을 낮추기 위해서는 절곡 표면영역에서 무지부의 적층수를 충분히 증가시켜야 한다. 이러한 요구 조건은 본 발명의 실시예들(변형예들)에 따른 전극과 전극 조립체에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.436인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 배터리일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 1865 배터리, 2170 배터리 등이 이용되었다. 1865 배터리의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 0.277이다. 2170 배터리의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 0.300이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(140)을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(140)은 제1전극, 분리막 및 제2전극을 포함하는 전극 조립체(141), 전극 조립체(141)를 수납하는 전지 하우징(142) 및 전지 하우징(142)의 개방단부를 밀봉하는 밀봉체(143)를 포함한다.
전지 하우징(142)은, 상방에 개구부가 형성된 원통형의 용기이다. 전지 하우징(142)은 알루미늄, 스틸, 스테인레스 스틸과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 전지 하우징(142)은 표면에는 니켈 코팅층이 형성될 수 있다. 전지 하우징(142)은 상단 개구부를 통해 내측 공간에 전극 조립체(141)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 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 전극 조립체(141)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 분리막, 제1전극, 상부 분리막 및 제2전극을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 축(C)을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다.
제1전극과 제2전극은 극성이 다르다. 즉 하나가 양의 극성을 띠면 다른 하나는 음의 극성을 띤다. 제1전극과 제2전극 중 적어도 하나는 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 전극 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1전극과 제2전극 중 다른 하나는 종래의 전극 구조 또는 실시예들(변형예들)에 따른 전극 구조를 가질 수 있다. 전극 조립체(141)에 포함되는 전극 쌍(pair)은 하나로 한정되지 않고 둘 이상일 수 있다.
전극 조립체(141)의 상부와 하부에는 각각 제1전극의 제1무지부(146a)와 제2전극의 제2무지부(146b)가 돌출된다. 제1전극은 제1실시예(변형예)의 전극 구조를 가진다. 따라서, 제1무지부(146a)는 제2부분(B3)의 높이가 다른 부분의 무지부 높이 보다 작다. 제2부분(B3)는 전지 하우징(142)의 내주면, 특히 비딩부(147)와 소정 간격 이격되어 있다. 따라서, 제1전극의 제2부분(B3)는 제2전극과 전기적으로 연결된 전지 하우징(142)과 접촉하지 않아 배터리(140)의 내부 단락이 방지된다.
제2전극의 제2무지부(146b)는 제1무지부(146a)와 동일한 구조를 가질 수 있다. 다른 변형 예에서, 제2무지부(146b)는 실시예들(변형예들)에 따른 전극의 무지부 구조를 선택적으로 가질 수 있다.
밀봉체(143)는 플레이트 형상을 가진 캡(143a), 캡(143a)와 전지 하우징(142) 사이에 기밀성을 제공하며 절연성을 가진 제1가스켓(143b) 및 상기 캡(143a)와 전기적으로 및 기계적으로 결합된 연결 플레이트(143c)를 포함할 수 있다.
캡(143a)는 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지는 부품이며, 전지 하우징(142)의 상단 개구부를 커버한다. 캡(143a)는, 제1전극의 무지부(146a)와 전기적으로 연결되며, 전지 하우징(142)과는 제1가스켓(143b)을 통해 전기적으로 절연된다. 따라서 캡(143a)는, 원통형 배터리(140)의 제1전극 단자(예컨대, 양극)로서 기능할 수 있다.
캡(143a)는 전지 하우징(142)에 형성된 비딩부(147) 상에 안착되며, 크림핑부(148)에 의해 고정된다. 캡(143a)와 크림핑부(148) 사이에는, 전지 하우징(142)의 기밀성을 확보하고 전지 하우징(142)과 캡(143a) 사이의 전기적 절연을 위해 제1가스켓(143b)이 개재될 수 있다. 캡(143a)는 그 중심부로부터 상방으로 돌출 형성된 돌출부(143d)를 구비할 수 있다.
전지 하우징(142)은 제2전극의 제2무지부(146b)와 전기적으로 연결된다. 따라서 전지 하우징(142)은 제2전극과 동일한 극성을 갖는다. 만약, 제2전극이 음의 극성을 가지면, 전지 하우징(142) 또한 음의 극성을 가진다.
전지 하우징(142)은 상단에 비딩부(147) 및 크림핑부(148)를 구비한다. 비딩부(147)는 전지 하우징(142)의 외주면 둘레를 압입하여 형성한다. 비딩부(147)는 전지 하우징(142)의 내부에 수용된 전극 조립체(141)가 전지 하우징(142)의 상단 개구부를 통해 빠져나오지 못하도록 하며, 밀봉체(143)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다.
비딩부(147)의 내주면은, 제1전극의 제2부분(B3)와 소정 간격 이격되어 있다. 보다 구체적으로, 비딩부(147)의 내주면 하단이, 제1전극의 제2부분(B3)와 소정 간격 이격되어 있다. 또한, 제2부분(B3)는 높이가 낮기 때문에 비딩부(147)를 형성하기 위해 전지 하우징(142)을 외부에서 압입할 때에도 제2부분(B3)는 실질적으로 영향을 받지 않는다. 따라서, 제2부분(B3)가 비딩부(147) 등의 다른 구성요소에 의해 압박되지 않으며, 이로써 전극 조립체(141)의 부분적 형태 변형이 발생되는 것이 방지되어, 원통형 배터리(140) 내부의 단락을 방지할 수 있다.
바람직하게, 비딩부(147)의 압입 깊이를 D1으로 정의하고, 전지 하우징(142)의 내주면으로부터 제2부분(B3)와 제3부분(B2)의 경계 지점까지의 반경 방향 길이를 D2라고 정의할 때, 관계식 D1 
D2가 만족될 수 있다. 이 경우, 비딩부(147)를 형성하기 위해 전지 하우징(142)을 압입할 때 제2부분(B3)의 손상이 실질적으로 방지된다.
크림핑부(148)는 비딩부(147)의 상부에 형성된다. 크림핑부(148)는, 비딩부(147) 상에 배치되는 캡(143a)의 외주면, 그리고 캡(143a)의 상면 일부를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다.
원통형 배터리(140)은 제1집전체(144) 및/또는 제2집전체(145) 및/또는 인슐레이터(146)를 더 포함할 수 있다.
제1집전체(144)는 전극 조립체(141)의 상부에 결합된다. 제1집전체(144)는 알루미늄, 구리, 스틸, 니켈 등과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제1전극의 제1무지부(146a)와 전기적으로 연결된다. 전기적 연결은 용접을 통해 이루어질 수 있다. 제1집전체(144)에는 리드(149)가 연결될 수 있다. 리드(149)는 전극 조립체(141)의 상방으로 연장되어 연결 플레이트(143c)에 결합되거나 캡(143a)의 하면에 직접 결합될 수 있다. 리드(149)와 다른 부품의 결합은 용접을 통해 이루어질 수 있다.
바람직하게, 제1집전체(144)는 리드(149)와 일체로 형성될 수 있다. 이 경우, 리드(149)는 제1집전체(144)의 중심부 근처로부터 외측으로 연장된 길다란 플레이트 형상을 가질 수 있다.
제1집전체(144)는, 그 하면에 방사상으로 형성된 복수의 요철(미도시)을 구비할 수 있다. 방사상 요철이 구비된 경우, 제1집전체(144)를 눌러서 요철을 제1전극의 제1무지부(146a)에 압입시킬 수 있다.
제1집전체(144)는 제1무지부(146a)의 단부에 결합된다. 제1무지부(146a)와 제1집전체(144) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 레이저 용접은, 집전체(144)의 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수 있다. 변형예에서, 제1집전체(144)와 제1무지부(146a) 사이의 용접은 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수 있다. 이 경우, 솔더는 제1집전체(144)와 제1무지부(146a)와 비교하여 더 낮은 융점을 가질 수 있다. 레이저 용접은 저항 용접, 초음파 용접, 스폿 용접 등으로 대체 가능하다.
전극 조립체(141)의 하면에는 제2집전체(145)가 결합될 수 있다. 제2집전체(145)의 일 면은 제2무지부(146b)와 용접에 의해 결합되며, 반대쪽 면은 전지 하우징(142)의 내측 저부 면 상에 용접에 의해 결합될 수 있다. 제2집전체(145)와 제2무지부(146b) 사이의 결합 구조는 제1집전체(144)와 제1무지부(146a) 사이의 결합 구조와 실질적으로 동일할 수 있다.
무지부(146a, 146b)는 도시된 구조에만 한정되지 않는다. 따라서, 무지부(146a, 146b)는 종래의 무지부 구조뿐만 아니라 실시예들(변형예들)에 따른 전극의 무지부 구조를 선택적으로 가질 수 있다.
인슐레이터(146)는 제1집전체(144)를 커버할 수 있다. 인슐레이터(146)는 제1집전체(144)의 상면에서 제1집전체(144)를 커버함으로써, 제1집전체(144)와 전지 하우징(142)의 내주면 사이의 직접 접촉을 방지할 수 있다.
인슐레이터(146)는, 제1집전체(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(143a)의 하면에 결합된다.
인슐레이터(146)의 가장자리 둘레 영역은, 제1집전체(144)와 비딩부(147) 사이에 개재되어, 전극 조립체(141) 및 제1집전체(144)의 결합체를 고정시킬 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(141) 및 제1집전체(144)의 결합체는, 배터리(140)의 권취축 방향(Y)의 이동이 제한되어 배터리(140)의 조립 안정성이 향상될 수 있다.
인슐레이터(146)는 절연성이 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 인슐레이터(146)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트로 이루어질 수 있다.
전지 하우징(142)은 그 하면에 형성된 벤팅부(152)를 더 구비할 수 있다. 벤팅부(152)는 전지 하우징(142)의 하면 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 벤팅부(152)는, 주변 영역과 비교하여 구조적으로 취약하다. 따라서, 원통형 배터리(140)에 이상이 발생하여 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하면, 벤팅부(152)가 파열되어 전지 하우징(142)의 내부에 생성된 가스가 외부로 배출될 수 있다. 벤트부(152)가 파열되는 내부 압력은 대략 15kgf/cm2 내지 35kgf/cm2일 수 있다.
벤팅부(152)가 전지 하우징(142)의 하면에 원을 그리며 연속적으로 또는 불연속적으로 형성될 수 있다. 변형 예에서, 벤팅부(152)는 직선 패턴 또는 그 밖의 다른 패턴으로 형성될 수 있다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(150)을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 18을 참조하면, 원통형 배터리(150)은 도 17의 원통형 배터리(140)과 비교하여 제1전극의 제1무지부(146a)에 제2실시예(변형예)의 전극 구조가 채용된 점을 제외하면 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
도 18을 참조하면, 제1전극의 제1무지부(146a)는 제2부분(B3)의 높이가 전지 하우징(142)의 내주면을 향해 갈수록 점진적으로 또는 단계적으로 낮아지는 형태일 수 있다. 바람직하게, 제2부분(B3)의 최상단을 연결한 가상의 선은 비딩부(147)의 내주면과 동일 또는 유사한 형상을 가질 수 있다.
제2부분(B3)는 경사면을 형성하고 있다. 따라서, 비딩부(147)를 형성하기 위해 전지 하우징(142)을 압입할 때 제2부분(B3)가 비딩부(147)에 의해 압착되어 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2부분(B3)가 극성이 다른 전지 하우징(142)과 접촉하여 내부 단락을 일으키는 현상을 억제할 수 있다.
원통형 배터리(150)의 나머지 구성은 앞서 설명된 실시예(변형예)와 실질적으로 동일하다.
무지부(146a, 146b)는 도시된 구조에만 한정되지 않는다. 따라서, 무지부(146a, 146b)는 종래의 무지부 구조뿐만 아니라 실시예들(변형예들)에 따른 전극의 무지부 구조를 선택적으로 가질 수 있다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(160)을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 19를 참조하면, 원통형 배터리(160)은 앞서 설명된 원통형 배터리(140, 150)과 비교할 때, 제1집전체(144)에 연결된 리드(149)가 인슐레이터(146)의 리드 홀(151)을 통해 밀봉체(143)의 캡(143a)에 직접 연결되고 인슐레이터(146)와 제1집전체(144)가 캡(143a)의 하부면에 밀착된 구조를 가지는 점에서 차이가 있고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
원통형 배터리(160)에 있어서 제1집전체(144)의 지름과 제3부분(B2)의 최외측 지름은 전지 하우징(142)의 최소 내경보다 작다. 또한, 제1집전체(144)의 지름은 제3부분(B2)의 최외측 지름과 같거나 더 클 수 있다.
구체적으로, 전지 하우징(142)의 최소 내경은 비딩부(147)가 형성된 위치에서의 전지 하우징(142)의 내경에 해당할 수 있다. 이 때, 제1집전체(144) 및 제3부분(B2)의 최외측 지름은 비딩부(147)가 형성된 위치에서의 전지 하우징(142)의 내경보다 작다. 또한, 제1집전체(144)의 지름은 제3부분(B2)의 최외측 지름과 같거나 더 클 수 있다. 인슐레이터(146)의 가장자리 둘레 영역은, 하부로 절곡된 상태로 제2부분(B3)과 비딩부(147) 사이에 개재되어, 전극 조립체(141) 및 제1집전체(144)의 결합체를 고정시킬 수 있다.
바람직하게, 인슐레이터(146)는, 제2부분(B3)를 커버하는 부분과, 제1집전체(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, 제2부분(B3)와 비딩부(147)의 내주면을 절연시킴과 동시에, 제1집전체(144)와 비딩부(147)의 내주면을 절연시킬 수 있다.
제1집전체(144)는, 비딩부(147)의 하단보다 더 높게 위치할 수 있고, 제1부분(B1)와 제3부분(B2)에 결합되어 있을 수 있다. 이 때, 비딩부(147)의 압입 깊이(D1)는, 전지 하우징(142)의 내주면으로부터 제2부분(B3)와 제3부분(B2)의 경계까지의 거리(D2)보다 작거나 같다. 따라서, 제1부분(B1)와 제3부분(B2) 및 이에 결합된 제1집전체(144)는, 비딩부(147)의 하단보다 높게 위치할 수 있다. 비딩부(147)의 하단이란, 전지 하우징(142)에 있어서 전극 조립체(141)가 수용된 부분과 비딩부(147) 사이의 절곡 지점(B)을 의미한다.
제1부분(B1)와 제3부분(B2)가 비딩부(147)의 반경 방향 내측 공간을 차지하므로, 전극 조립체(141)와 캡(143a) 사이의 빈 공간은 최소화될 수 있다. 또한, 전극 조립체(141)와 캡(143a) 사이의 빈 공간에 위치하고 있던 연결 플레이트(143c)가 생략되었다. 따라서, 제1집전체(144)의 리드(149)는, 캡(143a)의 하면과 직접 결합할 수 있다. 위와 같은 구조에 의하면, 배터리 내의 빈 공간이 감소하고, 감소된 빈 공간만큼 에너지 밀도가 극대화될 수 있다.
원통형 배터리(160)에 있어서, 제1집전체(144) 및 제2집전체(145)는 상술한 실시예와 동일하게 제1 및 제2무지부(146a, 146b)의 단부에 각각 용접될 수 있다.
무지부(146a, 146b)는 도시된 구조에만 한정되지 않는다. 따라서, 무지부(146a, 146b)는 종래의 무지부 구조뿐만 아니라 실시예들(변형예들)에 따른 전극의 무지부 구조를 선택적으로 가질 수 있다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(170)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 20을 참조하면, 원통형 배터리(170)은 도 17에 도시된 원통형 배터리(140)과 비교하여 전극 조립체의 구조는 실질적으로 동일하고, 전극 조립체를 제외한 나머지 구조가 변경된 점에서 차이가 있다.
구체적으로, 원통형 배터리(170)은 단자(172)가 관통 설치된 전지 하우징(171)을 포함한다. 단자(172)는 전지 하우징(171)의 폐쇄면(도면의 상부면)에 형성된 관통 홀을 통해 설치된다. 단자(172)는 절연성 물질로 이루어진 제2가스켓(173)이 개재된 상태에서 전지 하우징(171)의 관통 홀에 리벳팅된다. 단자(172)는 중력 방향과 반대 방향을 향해 외부로 노출된다.
단자(172)는, 단자 노출부(172a) 및 단자 삽입부(172b)를 포함한다. 단자 노출부(172a)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄면의 외측으로 노출된다. 단자 노출부(172a)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄면의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 단자 노출부(172a)의 최대 지름은 전지 하우징(171)에 형성된 관통 홀의 최대 지름보다 더 크게 형성될 수 있다. 단자 삽입부(172b)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄면의 대략 중심부를 관통하여 제1전극의 무지부(146a)와 전기적으로 연결될 수 있다. 단자 삽입부(172b)의 하부 가장자리는, 전지 하우징(171)의 내측 면 상에 리벳(rivet) 결합될 수 있다. 즉, 단자 삽입부(172b)의 하부 가장자리는, 전지 하우징(171)의 내측 면을 향해 휘어진 형태를 가질 수 있다. 단자 삽입부(172b)의 하부 가장자리 내측에는 평탄부(172c)가 포함된다. 리벳팅된 단자 삽입부(172b) 하부의 최대 지름은 전지 하우징(171)의 관통 홀의 최대 지름보다 더 클 수 있다.
단자 삽입부(172b)의 평탄부(172c)는 제1전극의 제1무지부(146a)에 연결된 제1집전체(144)의 중앙부에 용접될 수 있다. 용접 방법으로는 레이저 용접이 바람직하나, 초음파 용접 등의 다른 용접 방식으로 대체 가능하다.
제1집전체(144)와 전지 하우징(171)의 내측면 사이에는 절연물질로 이루어진 인슐레이터(174)가 개재될 수 있다. 인슐레이터(174)는 제1집전체(144)의 상부와 전극 조립체(141)의 상단 가장자리 부분을 커버한다. 이로써, 전극 조립체(141)의 제2부분(B3)가 다른 극성을 가진 전지 하우징(171)의 내측면과 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있다.
인슐레이터(174)의 두께는 제1집전체(144)의 상면과 전지 하우징(171)의 폐쇄부 내측면 사이의 거리에 대응하거나 약간(slightly) 더 크다. 따라서, 인슐레이터(174)는 제1집전체(144)의 상면과 전지 하우징(171) 폐쇄부의 내측면과 접촉할 수 있다.
단자(172)의 단자 삽입부(172b)는 인슐레이터(174)의 관통홀을 통해 제1집전체(144)에 용접될 수 있다. 인슐레이터(174)에 형성된 관통홀의 직경은 단자 삽입부(172b) 하단의 리벳팅부의 직경보다 클 수 있다. 바람직하게, 관통홀은 단자 삽입부(172b)의 하부와 제2가스켓(173)을 노출시킬 수 있다.
제2가스켓(173)은 전지 하우징(171)과 단자(172) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 전지 하우징(171)과 단자(172)가 전기적으로 서로 접촉되는 것을 방지한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 전지 하우징(171)의 상면이 원통형 배터리(170)의 제2전극 단자(예컨대, 음극)로서 기능할 수 있다.
제2가스켓(173)은, 가스켓 노출부(173a) 및 가스켓 삽입부(173b)를 포함한다. 가스켓 노출부(173a)는 단자(172)의 단자 노출부(172a)와 전지 하우징(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는 단자(172)의 단자 삽입부(172b)와 전지 하우징(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는, 단자 삽입부(172b)의 리벳팅(reveting) 시에 함께 변형되어 전지 하우징(171)의 내측 면에 밀착될 수 있다. 제2가스켓(173)은, 예를 들어 절연성을 갖는 고분자 수지로 이루어질 수 있다.
제2가스켓(173)의 가스켓 노출부(173a)는, 단자(172)의 단자 노출부(172a)의 외주면을 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다. 제2가스켓(173)이 단자(172)의 외주면을 커버하는 경우 버스바 등의 전기적 연결 부품을 전지 하우징(171)의 상면 및/또는 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 하우징(171) 및 단자(172)와 결합될 수 있다. 이 경우, 제2가스켓(173)과 단자(172)의 결합 계면 및 제2가스켓(173)과 전지 하우징(171)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다. 한편, 제2가스켓(173)의 가스켓 노출부(173a)가 단자 노출부(172a)의 상면까지 연장된 형태를 갖는 경우에 있어서, 단자(172)는 인서트 인젝션 몰딩에 의해 제2가스켓(173)과 일체로 결합될 수 있다.
전지 하우징(171)의 상면 중에서 단자(172) 및 제2가스켓(173)이 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역(175)이 단자(172)와 반대 극성을 갖는 제2전극 단자에 해당한다.
제2집전체(176)는, 전극 조립체(141)의 하부에 결합된다. 제2집전체(176)는 알루미늄, 스틸, 구리, 니켈 등의 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제2전극의 제2무지부(146b)와 전기적으로 연결된다.
바람직하게, 제2집전체(176)는, 전지 하우징(171)과 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 제2집전체(176)는 가장 자리 부분의 적어도 일부가 전지 하우징(171)의 내측 면과 제1가스켓(178b) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 일 예에서, 제2집전체(176)의 가장 자리 부분의 적어도 일부는 전지 하우징(171) 하단에 형성된 비딩부(180)의 하단면에 지지된 상태에서 용접에 의해 비딩부(180)에 고정될 수 있다. 변형예에서, 제2집전체(176)의 가장 자리 부분의 적어도 일부는 전지 하우징(171)의 내벽 면에 직접적으로 용접될 수 있다.
제2집전체(176)는, 제2무지부(146b)와 대향하는 면 상에 방사상으로 형성된 복수의 요철(미도시)을 구비할 수 있다. 요철이 형성된 경우, 제2집전체(176)를 눌러서 요철을 제2무지부(146b)에 압입시킬 수 있다.
바람직하게, 제2집전체(176)와 제2무지부(146b)의 단부는 용접, 예컨대 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다. 또한, 제2집전체(176)와 제2무지부(146b)의 용접 부위는 비딩부(180)의 내주면을 기준으로 코어(C) 측으로 소정 간격 이격될 수 있다.
전지 하우징(171)의 하부 개방단을 밀봉하는 밀봉체(178)는 플레이트 형상을 가진 캡(178a)와 제1가스켓(178b)을 포함한다. 제1가스켓(178b)은 캡(178a)와 전지 하우징(171)을 전기적으로 분리시킨다. 크림핑부(181)는 캡(178a)의 가장자리와 제1가스켓(178b)을 함께 고정시킨다. 캡(178a)에는 벤트부(179)가 구비된다. 벤트부(179)의 구성은 상술한 실시예(변형예)와 실질적으로 동일하다. 캡(178a)의 하부면은 클림핑부(181) 하단보다 상부에 위치할 수 있다. 이 경우, 캡(178a)의 하부에 공간이 형성되어 벤팅이 원활하게 이루어진다. 특히, 클림핑부(181)가 중력 방향을 향하도록 원통형 배터리(170)이 설치될 경우 유용하다.
바람직하게, 캡(178a)는 도전성이 있는 금속 재질로 이루어진다. 하지만, 캡(178a)와 전지 하우징(171) 사이에 제1가스켓(178b)이 개재되어 있으므로 캡(178a)는 전기적 극성을 띠지 않는다. 밀봉체(178)는 전지 하우징(171) 하부의 개방단을 밀봉시키고 배터리(170)의 내부 압력이 임계치 이상 증가하였을 때 가스를 배출시키는 기능을 주로 한다. 내부 압력의 임계치는 15kgf/cm2 내지 35kgf/cm2이다.
바람직하게, 제1전극의 제1무지부(146a)와 전기적으로 연결된 단자(172)는 제1전극 단자로 사용된다. 또한, 제2집전체(176)를 통해 제2전극의 제2무지부(146b)와 전기적으로 연결된 전지 하우징(171)의 상부 표면 중에서 단자(172)를 제외한 부분(175)은 제1전극 단자와 극성이 다른 제2전극 단자로 사용된다. 이처럼, 2개의 전극 단자가 원통형 배터리(170)의 상부에 위치할 경우, 버스바 등의 전기적 연결 부품을 원통형 배터리(170)의 일 측에만 배치시키는 것이 가능하다. 이는, 배터리 팩 구조의 단순화 및 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 제2전극 단자로 사용되는 부분(175)은 대략 플랫한 형태를 가지므로 버스바 등의 전기적 연결 부품을 연결시키는데 있어서 충분한 연결 면적을 확보할 수 있다. 이에 따라, 원통형 배터리(170)은 전기적 연결 부품의 연결 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 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(180)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 21을 참조하면, 원통형 배터리(180)은 도 18에 도시된 원통형 배터리(150)과 비교하여 전극 조립체(141)의 구조는 실질적으로 동일하고, 전극 조립체(141)를 제외한 나머지 구성은 도 20에 도시된 원통형 배터리(170)과 실질적으로 동일하다.
따라서, 원통형 배터리(150, 170)에 관한 실시예(변형예)의 구성이 원통형 배터리(180)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 전극 조립체(141)의 구조와 무지부 구조는 도시된 것에 한정되지 않고, 상술한 실시예들(변형예들)의 구조로 대체 가능하다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(190)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 22를 참조하면, 원통형 배터리(190)은 도 14에 나타낸 전극 조립체(110)를 포함하며, 전극 조립체(110)를 제외한 나머지 구성은 도 17에 나타낸 원통형 배터리(140)과 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 14 및 도 17을 참조하여 설명한 구성은 본 실시예에서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
도 10a 및 도 22를 참조하면, 전극 조립체(110)의 제1 및 제2무지부(146a, 146b)는 전극 조립체(110)의 반경 방향, 예컨대 외주측으로부터 코어측으로 절곡되면서 절곡 표면영역(F)을 형성한다.
제1부분(B1)은 다른 부분보다 높이가 낮고 분절편이 없는 분절편 생략 구간(a1)에 대응하므로 코어측을 향해 절곡되지 않는다.
바람직하게, 절곡 표면영역(F)은 코어측으로부터 외주측으로 분절편 생략 구간(a1), 분절편의 높이 가변 구간(a2) 및 분절편의 높이 균일 구간(a3)을 포함할 수 있다.
절곡 표면영역(F)은, 도 10c, 도 10d 및 도 10e에 도시된 바와 같이, 분절편 생략 구간(a1)과 인접하여 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(b1)을 포함한다.
절곡 표면영역(F)은 또한 전극 조립체(110)의 외주에 인접하여 분절편의 적층수가 외주측으로 갈수록 감소하는 적층수 감소구간(b2)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 적층수 균일구간(b1)은 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
절곡 표면영역(F)에 있어서, 분절편을 포함하는 반경 영역(c)에 대한 높이 가변 구간(a2)의 비율(a2/c), 분절편을 포함하는 반경 영역(c)에 대한 적층수 균일구간(b1)의 비율(b1/c), 그리고 절곡 표면영역(F)의 면적 대비 적층수 균일구간(b1) 면적 비율의 바람직한 수치범위는 이미 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략한다.
제1집전체(144)는 제1무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)에 레이저 용접되고, 제2집전체(145)는 제2무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)에 레이저 용접될 수 있다. 용접 방법은 초음파 용접, 저항 용접, 스폿 용접 등으로 대체 가능하다.
바람직하게, 제1집전체(144)와 제2집전체(145)의 용접 영역(W) 중에서 50% 이상의 영역은 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 중첩될수 있다. 선택적으로(optionally), 용접 영역(W)의 나머지 영역은 절곡 표면영역(F)의 적층수 감소구간(b2)과 중첩될 수 있다. 높은 용접 강도, 용접 계면의 낮은 저항, 분리막이나 활물질층의 손상 방지 등의 측면에서, 용접 영역(W)의 전체가 적층수 균일구간(b1)과 중첩되는 것이 보다 바람직하다.
바람직하게, 용접 영역(W)과 중첩되는 적층수 균일구간(b1) 및, 선택적으로(optionally) 적층수 감소구간(b2)에서, 분절편의 적층수는 10 내지 35일 수 있다.
선택적으로, 용접 영역(W)과 중첩되는 적층수 감소구간(b2)의 분절편 적층수가 10 미만인 경우, 적층수 감소구간(b2)의 용접을 위한 레이저 출력을 적층수 균일구간(b1)의 용접을 위한 레이저 출력보다 낮출 수 있다. 즉, 용접 영역(W)이 적층수 균일구간(b1) 및 적층수 감소구간(b2)과 동시에 중첩될 경우, 레이저의 출력을 분절편의 적층수에 따라 가변시킬 수 있다. 이 경우, 적층수 균일구간(b1)의 용접 강도가 적층수 감소구간(b2)의 용접 강도보다 더 클 수 있다.
전극 조립체(110)의 상부와 하부에 형성되는 절곡 표면영역(F)에 있어서 분절편 생략 구간(a1) 및/또는 분절편의 높이 가변 구간(a2) 및/또는 분절편의 높이 균일 구간(a3)의 반경 방향 길이는 서로 동일하거나 다를 수 있다.
전극 조립체(110)는 제1부분(B1)의 높이가 다른 부분보다 상대적으로 작다. 또한, 도 14에 도시된 바와 같이, 제3부분(B2)에 있어서 최내측에 위치한 무지부의 절곡 길이(H)는 제1부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 코어(112) 반경의 10%를 합산한 값보다 작다.
따라서, 제1무지부(146a)를 코어측을 향해 절곡시키더라도 전극 조립체(110)의 코어(112)는 그 직경의 90% 이상이 외부로 개방될 수 있다. 코어(112)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(112)를 통해 용접 지그를 삽입하여 제2집전체(145)와 전지 하우징(142) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
무지부(146a, 146b)가 분절 구조를 가지는 경우 분절편들의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치를 상술한 실시예의 수치범위를 만족하도록 조절하면, 분절편들이 절곡될 때 분절편들이 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡 표면영역(F)에 빈 공간(빈틈)을 형성하지 않는다.
바람직하게, 제1집전체(144)와 제2집전체(145)는 제1전극 및 제2전극의 높이 균일 구간(a3)의 마지막 권회턴에서 절곡된 분절편(도 10f의 61, 61' 참조)의 단부를 덮는 외경을 가질 수 있다. 이 경우, 절곡 표면영역(F)을 형성하는 분절편들이 집전체에 의해 균일하게 눌려진 상태에서 용접이 가능하고 용접 이후에도 분절편의 긴밀한 적층 상태가 잘 유지될 수 있다. 긴밀한 적층상태는 도 10a에 도시된 것처럼 분절편들 사이에 틈이 실질적으로 없는 상태를 의미한다. 긴밀한 적층상태는 원통형 배터리(190)의 저항을 급속 충전에 적합한 수준(예컨대 4miliohm) 이하로 낮추는데 기여한다.
무지부(146a, 146b)의 구조는 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 구조로 변경될 수 있다. 또한, 무지부(146a, 146b) 중 어느 한쪽에 종래의 무지부 구조가 적용되는 것을 제한하지 않는다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(200)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 23을 참조하면, 원통형 배터리(200)은 도 14에 나타낸 전극 조립체(110)를 포함하며, 전극 조립체(110)를 제외한 나머지 구성은 도 21에 나타낸 원통형 배터리(180)과 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 14 및 도 21을 참조하여 설명한 구성은 본 실시예에서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
도 10a 및 도 23을 참조하면, 전극 조립체(110)의 제1 및 제2무지부(146a, 146b)는 전극 조립체(110)의 반경 방향, 예컨대 외주측으로부터 코어측으로 절곡되면서 절곡 표면영역(F)을 형성한다.
제1부분(B1)은 다른 부분보다 높이가 낮고 분절편이 없는 분절편 생략 구간(a1)에 대응하므로 코어측을 향해 절곡되지 않는다.
바람직하게, 절곡 표면영역(F)은 코어측으로부터 외주측으로 분절편 생략 구간(a1), 분절편의 높이 가변 구간(a2) 및 분절편의 높이 균일 구간(a3)을 포함할 수 있다.
절곡 표면영역(F)은, 도 10c, 도 10d 및 도 10e에 도시된 바와 같이, 분절편 생략 구간(a1)과 인접하여 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(b1)을 포함한다.
절곡 표면영역(F)은 또한 전극 조립체(110)의 외주에 인접하여 분절편의 적층수가 외주측으로 갈수록 감소하는 적층수 감소구간(b2)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 적층수 균일구간(b1)은 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
절곡 표면영역(F)에 있어서, 분절편을 포함하는 반경 영역(c)에 대한 높이 가변 구간(a2)의 비율(a2/c)과 분절편을 포함하는 반경 영역(c)에 대한 적층수 균일구간(b1)의 비율(b1/c), 그리고 절곡 표면영역(F)의 면적 대비 적층수 균일구간(b1)의 면적 비율의 바람직한 수치범위는 이미 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략한다.
제1집전체(144)는 제1무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)에 레이저 용접되고, 제2집전체(176)는 제2무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)에 레이저 용접될 수 있다. 용접 방법은 초음파 용접, 저항 용접, 스폿 용접 등으로 대체 가능하다. 제2집전체(176)와 제2무지부(146b)의 용접 영역(W)은 비딩부(180)의 내면과 소정 간격 이격될 수 있다.
바람직하게, 제1집전체(144)와 제2집전체(176)의 용접 영역(W) 중에서 50% 이상의 영역은 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 중첩될수 있다. 선택적으로(optionally), 용접 영역(W)의 나머지 영역은 절곡 표면영역(F)의 적층수 감소구간(b2)과 중첩될 수 있다. 높은 용접 강도, 용접 계면의 낮은 저항, 분리막이나 활물질층의 손상 방지 등의 측면에서, 용접 영역(W)의 전체가 적층수 균일구간(b1)과 중첩되는 것이 보다 바람직하다.
바람직하게, 용접 영역(W)과 중첩되는 적층수 균일구간(b1) 및, 선택적으로(optionally) 적층수 감소구간(b2)에서, 분절편의 적층수는 10 내지 35일 수 있다.
선택적으로, 용접 영역(W)과 중첩되는 적층수 감소구간(b2)의 분절편 적층수가 10 미만인 경우, 적층수 감소구간(b2)의 용접을 위한 레이저 출력을 적층수 균일구간(b1)의 용접을 위한 레이저 출력보다 낮출 수 있다. 즉, 용접 영역(W)이 적층수 균일구간(b1) 및 적층수 감소구간(b2)과 동시에 중첩될 경우, 레이저의 출력을 분절편의 적층수에 따라 가변시킬 수 있다. 이 경우, 적층수 균일구간(b1)의 용접 강도가 적층수 감소구간(b2)의 용접 강도보다 더 클 수 있다.
전극 조립체(110)의 상부와 하부에 형성되는 절곡 표면영역(F)에 있어서 분절편 생략 구간(a1) 및/또는 분절편의 높이 가변 구간(a2) 및/또는 분절편의 높이 균일 구간(a3)의 반경 방향 길이는 서로 동일하거나 다를 수 있다.
전극 조립체(110)는 제1부분(B1)의 높이가 다른 부분보다 상대적으로 작다. 또한, 도 14에 도시된 바와 같이, 제3부분(B2)에 있어서 최내측에 위치한 무지부의 절곡 길이(H)는 제1부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 코어(112) 반경의 10%를 합산한 값보다 작다.
따라서, 무지부(146a)를 코어측을 향해 절곡시키더라도 전극 조립체(110)의 코어(112)는 그 직경의 90% 이상이 외부로 개방될 수 있다. 코어(112)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(112)를 통해 용접 지그를 삽입하여 제1집전체(144)와 단자(172) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
제1 및 제2무지부(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 절곡 표면영역(F)에 빈 공간(빈틈)을 형성하지 않는다.
바람직하게, 제1집전체(144)와 제2집전체(176)는 제1 및 제2무지부(146a, 146)와 접촉하는 영역이 제1전극 및 제2전극의 높이 균일 영역(a3)의 마지막 권회턴에서 절곡된 분절편(도 10f의 61, 61' 참조)의 단부를 덮는 외경을 가질 수 있다. 이 경우, 절곡 표면영역(F)을 형성하는 분절편들이 집전체에 의해 균일하게 눌려진 상태에서 용접이 가능하고 용접 이후에도 분절편의 긴밀한 적층 상태가 잘 유지될 수 있다. 긴밀한 적층상태는 도 10a에 도시된 것처럼 분절편들 사이에 틈이 실질적으로 없는 상태를 의미한다. 긴밀한 적층상태는 원통형 배터리(200)의 저항을 급속 충전에 적합한 수준(예컨대 4 miliohm) 이하로 낮추는데 기여한다.
무지부(146a, 146b)의 구조는 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 구조로 변경될 수 있다. 또한, 무지부(146a, 146b) 중 어느 한쪽에 종래의 무지부 구조가 적용되는 것을 제한하지 않는다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(210)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 24를 참조하면, 원통형 배터리(210)은 도 13에 나타낸 전극 조립체(100)를 포함하며, 전극 조립체(100)를 제외한 나머지 구성은 도 17에 나타낸 원통형 배터리(140)과 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 13 및 도 17을 참조하여 설명한 구성은 본 실시예에서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
바람직하게, 전극 조립체(100)의 제1 및 제2무지부(146a, 146b)는 복수의 분절편으로 분할되어 있으며, 복수의 분절편은 전극 조립체(100)의 반경 방향, 예컨대 외주측으로부터 코어측으로 절곡된다. 이 때, 제1무지부(146a)의 제1부분(B1)과 제2부분(B3)는 다른 부분보다 높이가 낮고 분절편을 포함하지 않으므로 실질적으로 절곡되지 않는다. 이는 제2무지부(146b)의 경우도 동일하다.
본 실시예에서도, 절곡 표면영역(F)은 코어측으로부터 외주측으로 분절편 생략 구간(a1), 분절편의 높이 가변 구간(a2) 및 분절편의 높이 균일 구간(a3)을 포함할 수 있다. 다만, 제2부분(B3)가 절곡되지 않으므로 절곡 표면영역(F)의 반경 방향 길이는 전술한 실시예의 경우보다 짧을 수 있다.
절곡 표면영역(F)은, 도 10c, 도 10d 및 도 10e에 도시된 바와 같이, 분절편 생략 구간(a1)과 인접하여 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(b1)을 포함한다.
절곡 표면영역(F)은 또한 전극 조립체(110)의 제2부분(B3)에 인접하여 분절편의 적층수가 외주측으로 갈수록 감소하는 적층수 감소구간(b2)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 적층수 균일구간(b1)은 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
절곡 표면영역(F)에 있어서, 분절편을 포함하는 반경 영역(c)에 대한 높이 가변 구간(a2)의 비율(a2/c)과 분절편을 포함하는 반경 영역(c)에 대한 적층수 균일구간(b1)의 비율(b1/c), 그리고 절곡 표면영역(F)의 면적 대비 적층수 균일구간(b1)의 면적 비율의 바람직한 수치범위는 이미 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략한다.
제1집전체(144)는 제1무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)에 용접되고, 제2집전체(145)는 제2무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)에 용접될 수 있다.
적층수 균일구간(b1) 및 적층수 감소구간(b2)과 용접 영역(W)의 중첩 관계, 제1집전체(144)와 제2집전체(145)의 외경, 제1부분(B1)이 코어를 그 직경의 10% 이상을 폐색하지 않는 구성 등은 상술한 바와 실질적으로 동일하다.
한편, 제2부분(B3)는 분절편을 포함하지 않고 높이가 제3부분(B2)보다 낮다. 따라서, 제1무지부(146a)가 절곡될 때 제2부분(B3)는 실질적으로 절곡되지 않는다. 또한, 제2부분(B3)은 비딩부(147)와 충분히 이격되어 있으므로, 비딩부(147)가 압입되는 과정에서 제2부분(B3)가 손상되는 문제를 해결할 수 있다.
무지부(146a, 146b)의 구조는 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 구조로 변경될 수 있다. 또한, 무지부(146a, 146b) 중 어느 한쪽에 종래의 무지부 구조가 적용되는 것을 제한하지 않는다.
도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(220)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 25를 참조하면, 원통형 배터리(220)은 도 24에 나타낸 전극 조립체(100)를 포함하며, 전극 조립체(100)를 제외한 나머지 구성은 도 21에 나타낸 원통형 배터리(180)과 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 21 및 도 24를 참조하여 설명한 구성은 본 실시예에서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
바람직하게, 전극 조립체(100)의 제1 및 제2무지부(146a, 146b)는 복수의 분절편으로 분할되어 있으며, 외주측으로부터 코어측으로 절곡된다. 이 때, 제1무지부(146a)의 제1부분(B1) 및 제2부분(B3)는 높이가 다른 부분보다 낮고 분절편 구조를 포함하지 않으므로 코어측으로 실질적으로 절곡되지 않는다. 이는 제2무지부(146b)의 경우도 마찬가지이다.
따라서, 본 실시예에서도, 도 24의 실시예와 마찬가지로, 절곡 표면영역(F)은 코어측으로부터 외주측으로 분절편 생략 구간(a1), 분절편의 높이 가변 구간(a2) 및 분절편의 높이 균일 구간(a3)을 포함할 수 있다. 다만, 제2부분(B3)가 절곡되지 않으므로 절곡 표면영역(F)의 반경 방향 길이는 전술한 실시예보다 짧을 수 있다.
절곡 표면영역(F)은, 도 10c, 도 10d 및 도 10e에 도시된 바와 같이, 분절편 생략 구간(a1)과 인접하여 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(b1)을 포함한다.
절곡 표면영역(F)은 또한 전극 조립체(110)의 제2부분(B3)에 인접하여 분절편의 적층수가 외주측으로 갈수록 감소하는 적층수 감소구간(b2)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 적층수 균일구간(b1)은 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
절곡 표면영역(F)에 있어서, 분절편을 포함하는 반경 영역(c)에 대한 높이 가변 구간(a2)의 비율(a2/c)과 분절편을 포함하는 반경 영역(c)에 대한 적층수 균일구간(b1)의 비율(b1/c), 그리고 절곡 표면영역(F)의 면적 대비 적층수 균일구간(b1)의 면적 비율의 바람직한 수치범위는 이미 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략한다.
제1집전체(144)는 제1무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)에 용접되고, 제2집전체(176)는 제2무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)에 용접될 수 있다.
적층수 균일구간(b1) 및 적층수 감소구간(b2)과 용접 영역(W)의 중첩 관계, 제1집전체(144)와 제2집전체(176)의 외경, 제1부분(B1)이 코어를 그 직경의 10% 이상을 폐색하지 않는 구성 등은 상술한 바와 실질적으로 동일하다.
무지부(146a, 146b)의 구조는 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 구조로 변경될 수 있다. 또한, 무지부(146a, 146b) 중 어느 한쪽에 종래의 무지부 구조가 적용되는 것을 제한하지 않는다.
상술한 실시예들(변형예들)에 있어서, 단자(172)를 포함하는 원통형 배터리(170,180,200,220)에 포함되어 있는 제1집전체(144)와 제2집전체(176)은 도 26 및 도 27에 도시된 바와 같은 개선된 구조를 가질 수 있다.
제1집전체(144)와 제2집전체(176)의 개선된 구조는 원통형 배터리의 저항을 낮추고 진동 내성을 향상시키며 에너지 밀도를 향상시키는데 기여할 수 있다. 특히 제1집전체(144)와 제2집전체(176)는 직경 대비 높이의 비율이 0.4 보다 큰 대형 원통형 배터리에 사용되었을 때 보다 효과적이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1집전체(144)의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 23과 도 26을 함께 참조하면, 제1집전체(144)은, 테두리부(144a), 제1 무지부 결합부(144b) 및 단자 결합부(144c)를 포함할 수 있다. 상기 테두리부(144a)는, 전극 조립체(110)의 상부에 배치된다. 상기 테두리부(144a)는, 그 내부에 빈 공간(Sopen)이 형성된 대략 림(rim) 형태를 가질 수 있다. 본 발명의 도면에서는 상기 테두리부(144a)가 대략 원형의 림 형태를 갖는 경우만을 도시하고 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 테두리부(144a)는, 도시된 것과는 달리 대략 사각의 림 형태, 육각의 림 형태, 팔각의 림 형태 또는 그 밖의 다른 림 형태를 가질 수도 있는 것이다. 상기 테두리부(144a)의 수는 2개 이상으로 증가시킬 수 있다. 이 경우, 상기 테두리부(144a)의 내측에 림 형태의 또 다른 테두리부가 포함될 수 있다.
상기 단자 결합부(144c)는, 단자(172)의 저부면에 형성된 평탄부(172 c)와의 결합을 위한 용접 면적 확보를 위해 상기 단자(172)의 저부면에 형성된 평탄부(172c)의 직경과 동일하거나 더 큰 직경을 가질 수 있다.
상기 제1 무지부 결합부(144b)는, 테두리부(144a)로부터 내측으로 연장되며 용접을 통해 무지부(146a)와 결합된다. 상기 단자 결합부(144c)는, 제1 무지부 결합부(144b)와 이격되어 테두리부(144a)의 내측에 위치한다. 상기 단자 결합부(144c)는, 단자(172)와 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 단자 결합부(144c)는, 예를 들어 테두리부(144a)에 의해 둘러싸인 내측 공간(Sopen)의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 상기 단자 결합부(144c)는, 전극 조립체(110)의 코어(C)에 형성된 홀과 대응되는 위치에 구비될 수 있다. 상기 단자 결합부(144c)는, 전극 조립체(110)의 코어(C)에 형성된 홀이 단자 결합부(144c)의 외측으로 노출되지 않도록 전극 조립체(110)의 코어(C)에 형성된 홀을 커버하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 단자 결합부(144c)는, 전극 조립체(110)의 코어(C)에 형성된 홀보다 더 큰 직경 또는 폭을 가질 수 있다.
상기 제1 무지부 결합부(144b)와 단자 결합부(144c)는, 직접적으로 연결되지 않고 서로 이격되도록 배치되며 테두리부(144a)에 의해 간접적으로 연결될 수 있다. 이처럼, 상기 제1집전체(144)은, 제1 무지부 결합부(144b)와 단자 결합부(144c)가 서로 직접 연결되어 있지 않고, 테두리부(144a)를 통해서 연결된 구조를 가짐으로써 원통형 배터리(200)에 충격 및/또는 진동이 발생하는 경우 제1 무지부 결합부(144b)와 제1 무지부(146a) 간의 결합 부위와 단자 결합부(144c)와 단자(172) 간의 결합 부위에 가해지는 충격을 분산시킬 수 있다. 본 발명의 도면에서는, 상기 제1 무지부 결합부(144b)가 4개인 경우만이 도시되어 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 무지부 결합부(144b)의 개수는 형상의 복잡성에 따른 제조의 난이도, 전기 저항, 전해질 함침성을 고려한 테두리부(144a)의 내측 공간(Sopen) 등을 고려하여 다양하게 결정될 수 있다.
상기 제1집전체(144)은, 테두리부(144a)로부터 내측으로 연장되며 단자 결합부(144c)와 연결되는 브릿지부(144d)를 더 포함할 수 있다. 상기 브릿지부(144d)는, 적어도 그 일부가 제1 무지부 결합부(144b) 및 테두리부(144a)와 비교하여 그 단면적이 더 작게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 브릿지부(144d)는, 적어도 그 일부가 제1 무지부 결합부(144b)와 비교하여 폭 및/또는 두께가 더 작게 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 브릿지부(144d)에서 전기 저항이 증가한다. 그 결과, 상기 브릿지부(144d)를 통해 전류가 흐를 때 상대적으로 큰 저항이 브릿지부(144d)의 일부에서 과전류 히팅(heating)으로 인한 용융을 일으킨다. 이로써, 과전류가 비가역적으로 차단된다. 상기 브릿지부(144d)는 이러한 과전류 차단 기능을 고려하여 그 단면적이 적절한 수준으로 조절될 수 있다.
상기 브릿지부(144d)는, 테두리부(144a)의 내측면으로부터 단자 결합부(144c)를 향하는 방향을 따라 그 폭이 점점 좁아지는 테이퍼부(144e)를 구비할 수 있다. 상기 테이퍼부(144e)가 구비되는 경우, 브릿지부(144d)와 테두리부(144a)의 연결 부위에서 부품의 강성이 향상될 수 있다. 상기 테이퍼부(144e)가 구비되는 경우, 원통형 배터리(200)의 제조 공정에 있어서, 예를 들어 이송 장비 및/또는 작업자가 테이퍼부(144e)를 파지함으로써 제1집전체(144) 및/또는 제1집전체(144)와 전극 조립체(110)의 결합체를 용이하고 안전하게 이송할 수 있다. 즉, 상기 테이퍼부(144e)가 구비되는 경우, 제1 무지부 결합부(144b) 및 단자 결합부(144c)와 같이 다른 부품과 용접이 이루어지는 부분을 파지함으로써 발생될 수 있는 제품의 불량 발생을 방지할 수 있다.
상기 제1 무지부 결합부(144b)는, 복수개가 구비될 수 있다. 복수의 상기 제1 무지부 결합부(144b)는, 테두리부(144a)의 연장 방향을 따라 서로 동일 간격으로 배치될 수 있다. 복수의 상기 제1 무지부 결합부(144b) 각각의 연장 길이는 서로 대략 동일할 수 있다. 상기 제1 무지부 결합부(144b)는, 무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)과 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다. 용접은 초음파 용접, 스폿 용접 등으로 대체될 수 있다.
제1 무지부 결합부(144b)와 절곡 표면영역(F) 사이의 용접에 의해 형성되는 용접 패턴(144f)은 전극 조립체(110)의 반경 방향을 따라 연장될 구조를 가질 수 있다. 용접 패턴(144f)은 라인 패턴 또는 점 패턴의 배열일 수 있다.
상기 용접 패턴(144f)은 용접 영역에 해당한다. 따라서, 상기 용접 패턴(144f)은 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 50% 이상 중첩되는 것이 바람직하다. 적층수 균일구간(b1)과 중첩되지 않는 용접 패턴(144f)은 적층수 감소구간(b2)과 중첩될 수 있다. 더욱 바람직하게, 용접 패턴(144f) 전체가 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 중첩될 수 있다. 용접 패턴(144f)이 형성되어 있는 지점의 하부에 있는 절곡 표면영역(F) 중에서 적층수 균일구간(b1) 및, 선택적으로, 적층수 감소구간(b2)은 분절편의 적층수가 10 이상인 것이 바람직하다.
상기 단자 결합부(144c)는, 복수의 상기 제1 무지부 결합부(144b)에 의해 둘러 싸이도록 배치될 수 있다. 상기 단자 결합부(144c)는, 단자(172)의 평탄부(172c)와 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 브릿지부(144d)는, 서로 인접한 한 쌍의 제1 무지부 결합부(144b) 사이에 위치할 수 있다. 이 경우, 상기 브릿지부(144d)로부터 테두리부(144a)의 연장 방향을 따라 상기 한 쌍의 제1 무지부 결합부(144b) 중 어느 하나에 이르는 거리는, 브릿지부(144d)로부터 테두리부(144a)의 연장 방향을 따라 상기 한 쌍의 제1 무지부 결합부(144b) 중 나머지 하나에 이르는 거리와 대략 동일할 수 있다. 복수의 상기 제1 무지부 결합부(144b) 각각의 단면적은 대략 동일하게 형성될 수 있다. 복수의 상기 제1 무지부 결합부(144b) 각각의 폭 및 두께는 대략 동일하게 형성될 수 있다.
도면에 도시되지는 않았으나, 상기 브릿지부(144d)는, 복수개가 구비될 수 있다. 복수의 브릿지부(144d) 각각은, 서로 인접한 한 쌍의 제1 무지부 결합부(144b) 사이에 배치될 수 있다. 복수의 상기 브릿지부(144d)는, 테두리부(144a)의 연장 방향을 따라 서로 대략 동일한 간격으로 배치될 수 있다. 복수의 상기 브릿지부(144d) 각각으로부터 테두리부(144a)의 연장 방향을 따라 서로 인접한 한 쌍의 제1 무지부 결합부(144b) 중 어느 하나에 이르는 거리는, 나머지 하나의 제1 무지부 결합부(144b)에 이르는 거리와 대략 동일할 수 있다.
상술한 바와 같이 제1 무지부 결합부(144b) 및/또는 브릿지부(144d)가 복수개 구비되는 경우에 있어서, 제1 무지부 결합부(144b)들 간의 거리 및/또는 브릿지부(144d)들 간의 거리 및/또는 제1 무지부 결합부(144b)와 브릿지부(144d) 간의 거리가 일정하게 형성되면, 제1 무지부 결합부(144b)로부터 브릿지부(144d)를 향하는 전류 또는 브릿지부(144d)로부터 제1 무지부 결합부(144b)를 향하는 전류의 흐름이 원활하게 형성될 수 있다.
브릿지부(144d)는, 브릿지부(144d)의 단면적을 부분적으로 감소시키도록 형성되는 노칭부(N)를 구비할 수 있다. 노칭부(N)의 단면적의 조절은, 예를 들어 브릿지부(144d)의 폭 및/또는 두께의 부분적인 감소를 통해 실현될 수 있다. 노칭부(N)가 구비되는 경우, 노칭부(N)가 형성된 영역에서의 전기 저항이 증가하게 되고, 이로써 과전류 발생 시에 신속한 전류 차단이 가능하게 된다.
노칭부(N)는, 파단 시에 발생되는 이물질이 전극 조립체(110)의 내부로 유입되는 것을 방지하기 위해, 전극 조립체(110)의 적층수 균일구간과 대응되는 영역에 구비되는 것이 바람직하다. 이는, 이 영역에서는 무지부(146a)의 분절편들의 적층수가 최대로 유지되고, 이로써 중첩된 분절편들이 마스크(mask)로서 기능할 수 있기 때문이다.
노칭부(N)는 절연 테이프로 감싸여질 수 있다. 그러면, 노칭부(N)에서 발생된 열이 외부로 발산되지 않으므로, 과전류가 브릿지부(144d)를 통해서 흐를 때 노칭부(N)의 파단이 보다 신속하게 이루어질 수 있다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2집전체(176)의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 23과 도 27을 함께 참조하면, 제2집전체(176)은, 전극 조립체(110)의 하부에 배치된다. 또한, 상기 제2집전체(176)은, 전극 조립체(110)의 무지부(146b)와 전지 하우징(171)을 전기적으로 연결시키도록 구성될 수 있다. 제2집전체(176)은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)과 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 제2집전체(176)은, 전지 하우징(171)과 전기적으로 연결된다. 상기 제2집전체(176)은, 가장자리 부분이 전지 하우징(171)의 내측 면과 제1가스켓(178b) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2집전체(176)은, 가장자리 부분이 전지 하우징(171)의 비딩부(180)의 하면과 제1가스켓(178b) 사이에 개재될 수 있다. 다만, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 이와는 달리, 상기 제2집전체(176)은, 가장자리 부분이 비딩부(180)가 형성되지 않은 영역에서 전지 하우징(171)의 내벽 면에 용접될 수도 있다.
상기 제2집전체(176)은, 전극 조립체(110)의 하부에 배치되는 지지부(176a), 상기 지지부(176a)로부터 대략 전극 조립체(110)의 반경 방향을 따라 연장되어 무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)에 결합되는 제2 무지부 결합부(176b) 및 상기 지지부(176a)로부터 대략 전극 조립체(110)의 반경 방향을 기준으로 경사 방향을 따라 전지 하우징(171)의 내측 면을 향해 연장되어 내측 면 상에 결합되는 하우징 결합부(176c)를 포함할 수 있다. 상기 제2 무지부 결합부(176b)와 하우징 결합부(176c)는, 지지부(176a)를 통해 간접적으로 연결되며, 서로 직접 연결되지 않는다. 따라서, 본 발명의 원통형 배터리(200)에 외부 충격이 가해졌을 때, 제2집전체(176)과 전극 조립체(110)의 결합 부위 및 제2집전체(176)과 전지 하우징(171)의 결합 부위에 손상 발생 가능성을 최소화 할 수 있다. 다만, 본 발명의 제2집전체(176)이 이처럼 제2 무지부 결합부(176b)와 하우징 결합부(176c)가 간접적으로만 연결된 구조를 갖는 경우로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제2집전체(176)은, 제2 무지부 결합부(176b)와 하우징 결합부(176c)를 간접적으로 연결시키는 지지부(176a)를 구비하지 않는 구조 및/또는 무지부(146b)와 하우징 결합부(176c)가 서로 직접 연결된 구조를 가질 수도 있는 것이다.
상기 지지부(176a) 및 제2 무지부 결합부(176b)는 전극 조립체(110)의 하부에 배치된다. 상기 제2 무지부 결합부(176b)는, 무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)과 결합된다. 상기 제2 무지부 결합부(176b) 뿐만 아니라, 상기 지지부(176a) 역시 무지부(146b)와 결합될 수 있다. 상기 제2 무지부 결합부(176b)와 무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)은 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다. 용접은 초음파 용접, 스폿 용접 등으로 대체 가능하다. 상기 지지부(176a) 및 제2 무지부 결합부(176b)는, 전지 하우징(171)에 비딩부(180)가 형성되는 경우에 있어서 비딩부(180)보다 상부에 위치한다.
상기 지지부(176a)는, 전극 조립체(110)의 코어(C)에 형성되는 홀과 대응되는 위치에 형성되는 집전체 홀(176d)을 구비한다. 서로 연통되는 상기 전극 조립체(110)의 코어(C)와 집전체 홀(176d)은, 단자(172)와 제1집전체(144)의 단자 결합부(144c) 간의 용접을 위한 용접봉의 삽입 또는 레이저 빔의 조사를 위한 통로로서 기능할 수 있다.
상기 집전체 홀(176d)은, 전극 조립체(110)의 코어(C)에 형성된 홀의 반경(rc) 대비 0.5rc 이상의 반경을 가질 수 있다. 상기 집전체 홀(176d)의 반경이 0.5rc 내지 1.0rc인 경우, 원통형 배터리(200)에서 벤트가 일어날 때 전극 조립체(110)의 코어(C) 근처에 있는 분리막이나 전극들의 권회 구조가 벤트 압력으로 인해 코어(C) 밖으로 밀려 나오는 현상이 방지된다. 상기 집전체 홀(176d)의 반경이 1.0rc보다 클 때, 코어(C)의 개방이 최대이므로 전해질 주입 공정에서 전해질의 주입이 용이하다.
상기 제2 무지부 결합부(176b)가 복수 개 구비되는 경우, 복수의 제2 무지부 결합부(176b)들은 제2집전체(176)의 지지부(176a)로부터 대략 방사상으로 전지 하우징(171)의 측벽을 향해 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 복수의 제2 무지부 결합부(176b)들 각각은 지지부(176a)의 둘레를 따라 상호 이격되어 위치할 수 있다.
상기 하우징 결합부(176c)는 복수 개가 구비될 수 있다. 이 경우, 복수의 하우징 결합부(176c)들은 제2집전체(176)의 중심부로부터 대략 방사상으로 전지 하우징(171)의 측벽을 향해 연장된 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제2집전체(176)과 전지 하우징(171) 간의 전기적 연결은 복수의 지점에서 이루어질 수 있다. 이처럼 복수의 지점에서 전기적 연결을 위한 결합이 이루어짐으로써 결합 면적을 극대화하여 전기 저항을 최소화 할 수 있다. 상기 복수의 하우징 결합부(176c)들 각각은 지지부(176a)의 둘레를 따라 상호 이격되어 위치할 수 있다. 서로 이웃하는 제2 무지부 결합부(176b) 사이에는 적어도 하나의 하우징 결합부(176c)가 위치할 수 있다. 상기 복수의 하우징 결합부(176c)들은, 전지 하우징(171)의 내측 면 중, 예를 들어 비딩부(180)에 결합될 수 있다. 상기 하우징 결합부(176c)들은, 특히 비딩부(180)의 하면에 레이저 용접을 통해 결합될 수 있다. 용접은, 초음파 용접, 스폿 용접 등으로 대체 가능하다. 이와 같이 비딩부(180) 상에 복수의 하우징 결합부(176c)를 용접 결합시킴으로써 전류 경로를 방사상으로 분산시켜 원통형 배터리(200)의 저항 수준을 대략 4 밀리옴(miliohm) 이하로 제한할 수 있다. 또한, 비딩부(180)의 하면이 전지 하우징(171)의 상면에 대략 나란한 방향, 즉 전지 하우징(171)의 측벽에 대략 수직한 방향을 따라 연장된 형태를 갖도록 하고 하우징 결합부(176c) 역시 동일한 방향, 즉 반경 방향 및 원주 방향을 따라 연장된 형태를 갖도록 함으로써 하우징 결합부(176c)가 비딩부(180) 상에 안정적으로 접촉하도록 할 수 있다. 또한, 이처럼 상기 하우징 결합부(176c)가 비딩부(180)의 평탄부 상에 안정적으로 접촉됨에 따라 두 부품 간의 용접이 원활하게 이루어질 수 있고, 이로써 두 부품 간의 결합력 향상 및 결합 부위에서의 저항 증가 최소화 효과를 얻을 수 있다.
상기 하우징 결합부(176c)는 전지 하우징(171)의 내측 면 상에 결합되는 접촉부(176e) 및 지지부(176a)와 접촉부(176e) 사이를 연결하는 연결부(176f)를 포함할 수 있다.
상기 접촉부(176e)는, 전지 하우징(171)의 내측 면 상에 결합된다. 상기 전지 하우징(171)에 비딩부(180)가 형성되는 경우에 있어서, 상기 접촉부(176e)는 상술한 바와 같이 비딩부(180) 상에 결합될 수 있다. 좀 더 구체적으로, 상기 접촉부(176e)는, 전지 하우징(171)에 형성된 비딩부(180)의 하면에 형성된 평탄부에 전기적으로 결합될 수 있으며, 비딩부(180)의 하면과 제1가스켓(178b) 사이에 개재될 수 있다. 이 경우, 안정적인 접촉 및 결합을 위해 접촉부(176e)는 비딩부(180)에서 전지 하우징(171)의 원주 방향을 따라 소정의 길이로 연장된 형태를 가질 수 있다.
연결부(176f)는 둔각으로 절곡될 수 있다. 절곡 지점은 연결부(176f)의 중간 지점보다 상부일 수 있다. 연결부(176f)가 절곡되면, 접촉부(176e)가 비딩부(180)의 평탄면에 안정적으로 지지될 수 있다. 연결부(176f)는 절곡 지점을 기준으로 하부와 상부로 나뉘며, 하부의 길이가 상부보다 더 클 수 있다. 또한, 지지부(176a)의 표면을 기준으로 한 경사각은 절곡 지점의 하부가 상부보다 더 클 수 있다. 연결부(176f)가 절곡되면, 전지 하우징(171)의 수직 방향으로 가해지는 압력(힘)을 버퍼링할 수 있다. 일 예로, 전지 하우징(171)의 사이징 공정에서 접촉부(176e)에 압력이 전달되어 접촉부(176e)가 지지부(176b)를 향해 수직 이동하는 경우 연결부(176f)의 절곡 지점이 상부로 이동하면서 연결부(176)의 모양이 변형되고 이를 통해 응력 스트레스를 완충시킬 수 있다.
한편, 상기 제2집전체(176)의 중심부에서 전극 조립체(110)의 반경 방향을 따라 제2 무지부 결합부(176b)의 단부에 이르는 최대 거리는, 비딩부(180)가 형성된 영역에서의 전지 하우징(171)의 내경, 즉 전지 하우징(171)의 최소 내경과 동일하거나 이보다 더 작게 형성됨이 바람직하다. 이는, 전지 하우징(171)을 높이 방향을 따라 압축시키는 사이징 공정 진행 시에 제2 무지부 결합부(176b)의 단부가 전극 조립체(110)의 가장자리를 누르는 현상을 방지하기 위함이다.
제2 무지부 결합부(176b)는 홀(176g)을 포함한다. 홀(176g)은 전해질이 이동할 수 있는 통로로 사용될 수 있다. 제2 무지부 결합부(176b)와 절곡 표면영역(F) 사이의 용접에 의해 형성되는 용접 패턴(176h)은 전극 조립체(110)의 반경 방향을 따라 연장될 구조를 가질 수 있다. 용접 패턴(176h)은 라인 패턴 또는 점 패턴의 배열일 수 있다.
상기 용접 패턴(176h)은 용접 영역에 해당한다. 따라서, 상기 용접 패턴(176h)은 전극 조립체(110)의 하부에 위치한 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 50% 이상 중첩되는 것이 바람직하다. 적층수 균일구간(b1)과 중첩되지 않는 용접 패턴(176h)은 적층수 감소구간(b2)과 중첩될 수 있다. 더욱 바람직하게, 용접 패턴(176h) 전체가 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 중첩될 수 있다. 용접 패턴(176h)이 형성되어 있는 지점의 상부에 있는 절곡 표면영역(F) 중에서 적층수 균일구간(b1) 및, 선택적으로, 적층수 감소구간(b2)은 분절편의 적층수가 10 이상인 것이 바람직하다.
상술한 제1집전체(144)와 제2집전체(176)의 외경은 서로 다르다. 외경은 절곡 표면영역(F)과 집전체간 접촉 영역의 바깥쪽 가장자리 외경이다. 외경은 전극 조립체의 코어(C) 중심을 통과하는 직선과 접촉 영역의 가장자리가 만나는 두 지점 사이의 거리 중 최대값으로 정의된다. 제2집전체(176)는 비딩부(180)의 내측에 위치하므로 외경이 제1집전체(144)의 외경보다 작다. 또한, 제1집전체(144)의 용접 패턴(144f)의 길이가 제2집전체(176)의 용접 패턴(176h)의 길이보다 더 길다. 바람직하게, 용접 패턴(144f)와 용접 패턴(176h)는 코어(C)의 중심을 기준으로 실질적으로 동일한 지점으로부터 외주측으로 연장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리(170,180,200,220)은 상부에서 전기적 연결을 수행할 수 있는 이점이 있다.
도 28은 복수의 원통형 배터리(200)들이 전기적으로 연결된 상태를 나타낸 상부 평면도이고, 도 29는 도 28의 부분 확대도이다. 원통형 배터리(200)은 다른 구조의 원통형 배터리(170,180,220)으로 대체 가능하다.
도 28 및 도 29를 참조하면, 복수의 원통형 배터리(200)들은 버스바(210)를 이용하여 원통형 배터리(200)의 상부에서 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다. 원통형 배터리(200)들의 수는 배터리 팩의 용량을 고려하여 증감될 수 있다.
각 원통형 배터리(200)에 있어서, 단자(172)는 양의 극성을 가지고 전지 하우징(171)의 단자(172) 주변의 평평한 면(171a)은 음의 극성을 가질 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.
바람직하게, 복수의 원통형 배터리(200)들은 복수의 열과 행으로 배치될 수 있다. 열들은 도면 상에서 상하 방향으로 제공되고, 행들은 도면 상에서 좌우 방향으로 제공된다. 또한, 공간 효율성을 최대화하기 위해, 원통형 배터리(200)들은 최밀 팩킹 구조(closest packing structure)로 배치될 수 있다. 최밀 팩킹 구조는, 전지 하우징(171)의 외부로 노출된 단자(172)의 중심을 서로 연결했을 때 정삼각형이 만들어질 때 형성된다. 바람직하게, 버스바(210)는, 동일 열에 배치된 원통형 배터리(200)들을 서로 병렬로 연결시키고, 인접하는 2개의 열에 배치된 원통형 배터리(200)들을 서로 직렬로 연결시킨다.
바람직하게, 버스바(210)는, 직렬 및 병렬 연결을 위해 바디부(211), 복수의 제1 버스바 단자(212) 및 복수의 제2 버스바 단자(213)를 포함할 수 있다.
상기 바디부(211)는, 인접하는 단자(172) 사이에서 원통형 배터리(200)들의 열을 따라 연장될 수 있다. 대안적으로, 상기 바디부(211)는, 원통형 배터리(200)들의 열을 따라 연장되되, 상기 바디부(211)는 지그재그 형상과 같이 규칙적으로 절곡될 수 있다.
복수의 제1 버스바 단자(212)는, 바디부(211)의 일측 방향으로 연장되며, 일측 방향에 위치한 원통형 배터리(200)의 단자(172)와 전기적으로 결합될 수 있다. 제1 버스바 단자(212)와 단자(172) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다.
복수의 제2 버스바 단자(213)는, 바디부(211)의 타측 방향으로부터 연장되며, 타측 방향에 위치한 단자(172) 주변의 평평한 면(171a)에 전기적으로 결합될 수 있다. 제2 버스바 단자(213)와 평평한 면(171a) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 바디부(211), 복수의 제1 버스바 단자(212) 및 복수의 제2 버스바 단자(213)는 하나의 도전성 금속판으로 이루어질 수 있다. 금속판은, 예를 들어 알루미늄 판 또는 구리 판일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 변형 예에서, 상기 바디부(211), 복수의 제1 버스바 단자(212) 및 제2 버스바 단자(213)는 별개의 피스 단위로 제작한 후 서로 용접 등을 통해 결합될 수도 있다.
상술한 본 발명의 원통형 배터리(200)은, 절곡 표면영역(F)을 통한 용접 면적 확대, 제2집전체(176)을 이용한 전류 패스(path)의 다중화, 전류 패스 길이의 최소화 등을 통해 저항이 최소화된 구조를 갖는다. 양극과 음극 사이, 즉 단자(172)와 그 주변의 평평한 면(171a) 사이에서의 저항 측정기를 통해 측정되는 원통형 배터리(200)의 AC 저항은 급속 충전에 적합한 0.5 밀리오옴(miliohm) 내지 4 밀리오옴(miliohm), 바람직하게는 1 밀리오옴(miliohm) 내지 4 밀리오옴(miliohm)일 수 있다.
본 발명에 따른 원통형 배터리(200)은, 양의 극성을 가진 단자(172)와 음의 극성을 가진 평평한 면(171a)이 동일한 방향에 위치하고 있으므로 버스바(210)를 이용하여 원통형 배터리(200)들의 전기적 연결을 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 원통형 배터리(200)의 단자(172)와 그 주변의 평평한 면(171a)은 면적이 넓으므로 버스바(210)의 결합 면적을 충분히 확보하여 원통형 배터리(200)을 포함하는 배터리 팩의 저항을 충분히 낮출 수 있다.
또한, 원통형 배터리(200)의 상부에서 전기적 배선을 수행할 수 있으므로 배터리 모듈/팩의 단위 부피당 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 이점이 있다.
상술한 실시예들(변형예들)에 따른 원통형 배터리는 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 30을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(300)은 원통형 배터리(301)이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(302)을 포함한다. 원통형 배터리(301)은 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 배터리 중 어느 하나일 수 있다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 배터리(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 31은 도 30의 배터리 팩(300)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 31을 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 공급받아 동작한다.
본 발명에 따르면, 전극 조립체의 상부 및 하부에 돌출된 무지부 자체를 전극 탭으로서 사용함으로써 배터리의 내부 저항을 감소시키고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 전지 하우징의 비딩부 형성 과정에서 전극 조립체와 전지 하우징의 내주면이 간섭을 일으키지 않도록 함으로써 전극 조립체의 부분적 변형에 따른 원통형 배터리 내부의 단락을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 무지부가 찢어지는 현상을 방지하고 무지부의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시켜 집전체의 용접 강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 분절편 그룹 간의 간격을 조절하여 미리 정의된 복수의 영역에 분절편 그룹들이 전극 조립체의 반경 방향을 따라 방사상으로 배열되도록 할 수 있다. 이 경우, 분절편들의 절곡 표면영역을 원주 방향으로 분리시켜 절곡 표면영역들 사이 영역을 통해 전해질을 함침시킴으로써 전해질 함침 속도를 개선할 수 있다
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극의 무지부에 분절편 구조를 적용하고 분절편의 디멘션(폭, 높이, 이격 피치)을 최적화시켜 용접 타겟 영역으로 사용되는 영역의 분절편 적층수를 충분히 증가시키는 것에 의해 집전체가 용접되는 영역의 물성을 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 분절편들의 절곡에 의해 형성된 절곡 표면영역에 집전체를 넓은 면적으로 용접시킨 구조를 적용함으로써 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소된 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상부에서 전기적 배선을 수행할 수 있도록 디자인이 개선된 원통형 배터리를 제공할 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 전해질 주입 공정과 전지 하우징(또는 단자)과 집전체의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내부 저항이 낮고, 내부 단락이 방지되고, 집전체와 무지부 사이의 용접 강도가 향상된 구조를 갖는 원통형 배터리, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 높이 대비 직경의 비율이 0.4 이상이며 저항이 4 miliohm 이하인 원통형 배터리와 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.
Claims (36)
- 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체에 있어서,
상기 제1전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1활물질부와 활물질층이 코팅되지 않은 제1무지부를 포함하고,
상기 제1무지부는 권취 방향을 따라 마련된 복수의 절단홈에 의해 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 분절편 구간을 포함하고,
상기 분절편 구간은 상기 권취 방향을 따라 그룹간 이격 간격을 두고 배치된 복수의 분절편 그룹들을 포함하고,
상기 전극 조립체의 일측 단부는 상기 복수의 분절편 그룹들이 반경 방향을 따라 정렬된 복수의 분절편 정렬부와, 원주 방향으로 인접하는 분절편 정렬부 사이에 상기 제1활물질부의 단부가 분리막의 권회턴들 사이에서 노출된 전해질 함침부를 포함하고,
상기 분절편 정렬부에 포함된 분절편들은 상기 코어를 향해 절곡되어 절곡 표면영역을 형성하고,
상기 분리막의 단부는 상기 복수의 절단홈에 대응되는 위치를 따라 권취 축 방향으로 연장된 기준선으로부터 미리 설정된 거리 이하로 이격되어 있고,
상기 미리 설정된 거리는 상기 절곡 표면영역을 형성하는 분절편의 최소 높이의 30%임을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제1항에 있어서,
상기 절곡 표면영역은 부채꼴 형상을 가지는, 전극 조립체.
- 제2항에 있어서,
상기 절곡 표면영역에 배치된 각 분절편 그룹의 권회 방향 폭은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 또는 점진적으로 증가하는, 전극 조립체.
- 제2항에 있어서,
상기 절곡 표면영역에 배치된 각 분절편 그룹에 포함된 분절편의 개수는 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 점진적으로 또는 단계적으로 증가하는, 전극 조립체.
- 제1항에 있어서,
동일한 분절편 그룹에 포함된 분절편들은 권취 방향 폭, 권취 축 방향 높이, 하부 내각 및 권취 방향의 이격 피치 중에서 선택된 하나 이상이 동일한, 전극 조립체.
- 제1항에 있어서,
제1권회턴에 위치한 분절편 그룹에 포함된 분절편들은 제1권회턴보다 외측에 위치한 제2권회턴에 위치한 분절편 그룹에 포함된 분절편보다 권취 방향 폭, 권취 축 방향 높이, 하부 내각 및 권취 방향의 이격 피치 중에서 선택된 하나 이상이 작은, 전극 조립체.
- 제1항에 있어서,
서로 다른 권회턴에 위치한 분절편 그룹에 포함된 분절편들의 권취 방향 폭, 권취 축 방향 높이, 하부 내각 및 권취 방향의 이격 피치 중에서 선택된 하나 이상이 권회턴의 반경이 증가함에 따라 점진적으로 또는 단계적으로 증가하는, 전극 조립체.
- 제1항에 있어서,
상기 절곡 표면영역은 사각형, 사다리꼴 또는 평형사변형의 형상을 가지는, 전극 조립체.
- 제1항에 있어서,
상기 절곡 표면영역과 상기 전해질 함침부는 상기 코어를 기준으로 방사상으로 연장된, 전극 조립체.
- 제1항에 있어서,
상기 코어의 중심과 상기 절곡 표면영역과 근사적으로 대응되는 도형의 기하학적 중심을 연결한 선을 각도 측정선이라고 정의할 때, 원주 방향으로 인접하는 절곡 표면영역들의 각도 측정선 사이의 각도는 실질적으로 동일한, 전극 조립체.
- 제10항에 있어서,
상기 각도는 실질적으로 30도, 40도, 45도, 60도, 72도, 90도, 120도 또는 180도인, 전극 조립체.
- 제1항에 있어서,
상기 분절편 정렬부에 포함된 분절편 그룹들의 적어도 일부는 권회턴의 반경이 증가함에 따라 상기 권취 축을 기준으로 시계 방향 또는 반시계 반향으로 회전한 상태에 있는, 전극 조립체.
- 제12항에 있어서,
상기 권취 축을 기준으로 시계 방향 또는 반시계 반향으로 회전한 상태에 있는 분절편 그룹의 회전량은 상기 권회턴의 반경이 증가함에 따라 증가하는 것인, 전극 조립체.
- 제1항에 있어서,
상기 권취 방향을 따라 상기 제1무지부와 상기 활물질층과의 경계 영역을 덮는 절연층을 더 포함하고,
상기 절연층과 상기 절단홈 사이에 갭이 구비되는, 전극 조립체.
- 제14항에 있어서,
상기 갭이 상기 권취 방향을 따라 가변되는, 전극 조립체.
- 제15항에 있어서,
상기 제1전극의 소정 영역에서 상기 갭은 나머지 영역보다 증가 또는 감소하는, 전극 조립체.
- 제15항에 있어서,
상기 제1전극의 소정 영역에서, 상기 갭은 상기 권취 방향과 평행한 일 방향을 따라 점진적 또는 단계적으로 증가하는, 전극 조립체.
- 제14항에 있어서,
상기 갭은 0.2mm 내지 4mm인, 전극 조립체.
- 제14항에 있어서,
상기 절연층은 상기 권취 축 방향을 따라 상기 분리막의 외부로 노출된, 전극 조립체.
- 제15항에 있어서,
상기 절연층은 상기 활물질층보다 얇아서 상기 분리막과 이격 배치된, 전극 조립체.
- 제1항에 있어서,
상기 분절편 정렬부는 상기 전극 조립체의 코어측으로부터 외주측으로 분절편의 높이가 제1높이(h1) 내지 제N-1높이(hN, N은 3 이상의 자연수)까지 단계적으로 증가하는 높이 가변 구간과 제N높이(hN, hN-1보다 큼)로 균일하게 유지되는 높이 균일 구간을 포함하는, 전극 조립체.
- 제21항에 있어서,
높이 hk(k는 1 내지 N의 자연수)를 가지는 분절편이 포함된 권회턴의 시작 반경을 rk라고 정의할 때, 상기 전극 조립체의 코어는 상기 rk에 위치한 분절편의 절곡부에 의해 직경의 90% 이상이 차폐되지 않는, 전극 조립체.
- 제21항에 있어서,
높이 hk(k는 1 내지 N의 자연수)를 가지는 분절편이 포함된 권회턴의 시작 반경을 rk, 코어의 반경을 rc 라고 할 때, 분절편의 높이 hk는 다음 수식을 만족하는,
2mm≤ hk ≤ rk - α*rc(α는 0.90 내지 1)
전극 조립체.
- 제1항에 있어서,
상기 분절편 정렬부는, 상기 권취 축 방향에 따른 단면을 기준으로, 반경 방향을 따라 순차적으로, 분절편이 존재하지 않는 분절편 생략 구간, 분절편의 높이가 가변되는 높이 가변 구간 및 분절편의 높이가 균일한 높이 균일 구간을 포함하고, 상기 복수의 분절편은 상기 높이 가변 구간 및 상기 높이 균일 구간에 배치되는 것인, 전극 조립체.
- 제24항에 있어서,
상기 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로, 상기 절곡 표면영역의 임의 반경 위치에서 상기 권취 축 방향과 평행한 가상의 선과 만나는 분절편 수를 해당 반경 위치에서의 분절편 적층수라고 정의할 때, 상기 절곡 표면영역은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 분절편의 적층수가 균일한 적층수 균일구간과 상기 적층수 균일구간의 외측에 위치하고 상기 분절편의 적층수가 상기 외주측으로 갈수록 감소하는 적층수 감소구간을 포함하는, 전극 조립체.
- 제25항에 있어서,
상기 적층수 균일구간에서 상기 분절편의 적층수는 10 내지 35인, 전극 조립체.
- 제25항에 있어서,
상기 제1전극은 양극이고, 상기 적층수 균일구간에서 상기 분절편의 적층두께는 100um 내지 875um인, 전극 조립체.
- 제25항에 있어서,
상기 제1전극은 음극이고, 상기 적층수 균일구간에서 상기 분절편의 적층두께는 50um 내지 700um인, 전극 조립체.
- 제1항에 있어서,
상기 제2전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제2활물질부와 활물질층이 코팅되지 않은 제2무지부를 포함하고,
상기 제2무지부는 권취 방향을 따라 마련된 복수의 절단홈에 의해 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 분절편 구간을 포함하고,
상기 제2무지부의 상기 분절편 구간은 상기 권취 방향을 따라 그룹간 이격 간격을 두고 배치된 복수의 분절편 그룹들을 포함하고,
상기 전극 조립체의 타측 단부는 상기 제2무지부의 상기 복수의 분절편 그룹들이 반경 방향을 따라 정렬된 복수의 분절편 정렬부와, 원주 방향으로 인접하는 상기 제2무지부의 분절편 정렬부 사이에 상기 제2활물질부의 단부가 분리막의 권회턴들 사이에서 노출된 전해질 함침부를 포함하고,
상기 제2무지부의 상기 분절편 정렬부에 포함된 분절편들은 상기 코어를 향해 절곡되어 절곡 표면영역을 형성하고,
상기 분리막의 단부는 상기 제2무지부의 상기 복수의 절단홈에 대응되는 위치를 따라 권취 축 방향으로 연장된 기준선으로부터 미리 설정된 거리 이하로 이격되어 있고,
상기 미리 설정된 거리는 상기 절곡 표면영역을 형성하는 상기 제2무지부의 분절편의 최소 높이의 30%임을 특징으로 하는 전극 조립체.
- 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1활물질부와 활물질층이 코팅되지 않은 제1무지부를 포함하고, 상기 제1무지부는 권취 방향을 따라 마련된 복수의 절단홈에 의해 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 분절편 구간을 포함하고, 상기 분절편 구간은 상기 권취 방향을 따라 그룹간 이격 간격을 두고 배치된 복수의 분절편 그룹들을 포함하고, 상기 전극 조립체의 일측 단부는 상기 복수의 분절편 그룹들이 반경 방향을 따라 정렬된 복수의 분절편 정렬부와, 원주 방향으로 인접하는 분절편 정렬부 사이에 상기 제1활물질부의 단부가 분리막의 권회턴들 사이에서 노출된 전해질 함침부를 포함하고, 상기 분절편 정렬부에 포함된 분절편들은 상기 코어를 향해 절곡되어 절곡 표면영역을 형성하고, 상기 분리막의 단부는 상기 복수의 절단홈에 대응되는 위치를 따라 권취 축 방향으로 연장된 기준선으로부터 미리 설정된 거리 이하로 이격되어 있고, 상기 미리 설정된 거리는 상기 절곡 표면영역을 형성하는 분절편의 최소 높이의 30%인 전극 조립체;
상기 전극 조립체가 수납되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 띠는 전지 하우징;
상기 전지 하우징의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 및
상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 다른 하나와 전기적으로 연결되고,
표면이 외부로 노출된 제2극성을 띠는 단자를 포함하는 배터리.
- 제30항에 있어서,
상기 전지 하우징의 개방단의 둘레 영역을 상기 전지 하우징의 내측으로 압입시켜 형성한 비딩부;
상기 절곡 표면영역과 전기적으로 결합된 집전체; 및
상기 집전체를 커버하며, 가장자리가 상기 비딩부의 내주면과 상기 집전체 사이에 개재되어 고정된 인슐레이터를 더 포함하는, 배터리.
- 제30항에 있어서,
상기 전극 조립체의 코어에는 공동이 구비되고,
상기 공동은 상기 절곡 표면영역에 의해 폐색되지 않고 외부로 개방되어 있는, 배터리.
- 제30항에 있어서,
상기 밀봉체는, 상기 전지 하우징의 개방단을 밀폐하는 캡과, 상기 캡의 가장자리를 감싸며 상기 전지 하우징의 상단부에 클림핑된 가스켓을 포함하며,
상기 제2극성을 띠는 단자는 상기 캡임을 특징으로 하는 배터리.
- 제30항에 있어서,
상기 제1극성을 띠는 제2전극의 무지부와 전기적으로 연결되고 상기 전지 하우징의 측벽에 가장자리의 적어도 일부가 결합된 집전체를 더 포함하고,
상기 밀봉체는, 극성이 없는 캡과, 상기 캡의 가장자리를 감싸며 상기 전지 하우징의 상단부에 클림핑되는 가스켓을 포함하고,
상기 전지 하우징은 폐쇄면의 중앙부에 형성된 관통 홀에 절연 가능하게 설치되고 상기 제1전극과 전기적으로 연결되어 상기 제2극성을 띠는 리벳 단자를 포함하는, 배터리.
- 제30항 내지 제34항 중 어느 한 항에 따른 복수의 배터리를 포함하는 배터리 팩.
- 제35의 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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