KR20230074006A - 절연테이프, 젤리롤, 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

절연테이프, 젤리롤, 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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KR20230074006A
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Abstract

본 발명은 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 구조를 갖는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 측면 중 적어도 일부와 상기 전극 조립체의 단부의 적어도 일부를 덮도록 구비된 절연테이프를 포함하고, 상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부의 적어도 일부를 덮는 영역에 구비된 적어도 하나의 노칭 패턴을 갖는 것인 젤리롤 및 이를 포함하는 이차 전지, 전지 모듈 및 배터리 팩을 제공한다.

Description

절연테이프, 젤리롤, 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차{INSULATION TAPE, JELLY ROLL, SECONDARY BATTERY, BATTERY PACK AND VEHICLE}
본 출원은 2021년 11월 19일 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2021-0160779호의 출원일의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 절연테이프, 젤리롤, 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
본 발명은 고에너지 밀도 구현이 가능한 젤리롤 및 이차 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 하나의 목적은 상기와 같은 젤리롤을 구현하기 위한 절연테이프를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시상태는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 구조를 갖는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 측면 중 적어도 일부와 상기 전극 조립체의 단부의 적어도 일부를 덮도록 구비된 절연테이프를 포함하고, 상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부의 적어도 일부를 덮는 영역에 구비된 적어도 하나의 노칭 패턴을 갖는 것인 젤리롤을 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 구조를 갖는 전극 조립체의 측면 중 적어도 일부 및 전극 조립체의 단부의 적어도 일부를 덮도록 부착하기 위한 절연테이프로서, 적어도 하나의 가장자리부에 적어도 하나의 노칭 패턴을 갖는 것인 절연테이프를 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 젤리롤을 포함하는 이차 전지를 제공한다.
기존의 절연테이프를 사용하여 전극 조립체의 측면과 단부를 모두 덮도록 하는 경우, 전극 조립체의 권취축에 수직인 단부에서 절연테이프가 중첩되는 부분이 발생하게 되며, 이에 의하여 단차가 생겨 전극 조립체의 단부측에 위치하는 부품들 사이에 들뜸 현상이 발생할 수 밖에 없다. 들뜸 현상이 발생하는 경우 전극 탭부와 전극 단자부의 전기적 연결에 불량이 발생할 수 있다.
본 발명의 실시상태들에 따르면, 전극 조립체의 단부에서 절연테이프가 중첩되는 영역을 최소화하거나, 바람직하게는 없도록 함으로써 상기 전극 조립체의 단부측에 구비되는 다른 부품, 예컨대 추가의 절연부재 또는 집전판과 전극 조립체 단부 사이의 공간이 생기는 들뜸 문제를 방지할 수 있다. 이에 따라, 상기 전극 탭부와 전극 단자부의 전기적 연결의 불량을 방지할 수 있다. 또한, 상기 전극 탭부를 전극 단자부와 직접 또는 집전판을 통하여 전기적 연결을 하기 위한 용접을 하는 경우 용접 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같이 전극 조립체 단부에서의 들뜸 문제를 해결함으로써, 전극 조립체에 포함되는 전극의 탭 구조를 집전체 상에 전극 활물질을 코팅하지 않은 무지부로 형성함으로써 전지에 인가되는 전류를 증가하게 할 수 있다. 이에 의하여, 전지 크기를 증가시킬 수 있으며, 고에너지 밀도 구현과 비용 절감이 가능하다.
도 1은 절연테이프를 부착한 경우(좌측)와 노칭 패턴을 갖는 절연테이프를 부착한 경우(우측)를 전극 조립체의 단부에서 비교한 사진이다.
도 2는 노칭 패턴을 갖지 않는 절연테이프를 부착한 경우(좌측)와 노칭 패턴을 갖는 절연테이프를 부착한 경우(우측)를 전극 조립체의 측면에서 비교한 사진이다.
도 3은 노칭 패턴을 갖지 않는 절연테이프를 부착한 경우(좌측)와 노칭 패턴을 갖는 절연테이프를 부착한 경우(우측), 전극 조립체의 상면에 추가의 절연부재를 위치시켰을 때 들뜸 현상의 발생 여부를 비교한 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연테이프의 노칭 패턴 형상 및 절연테이프 부착 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 이차 전지의 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 개략적인 구성을 나타낸 종단면도이고, (a)는 ㄷ자형 절연부재, (b)는 ㅡ자형 절연부재를 포함하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 5의 이차 전지에 포함된 전극 조립체의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 10은 절연테이프가 전극 조립체의 단부를 덮는 면적을 계산하기 위하여 전극 조립체의 단부를 나타낸 도면이다.
도 11은 실시예 1의 들뜸 확인을 나타내고, 도 12는 비교예 1의 들뜸 확인을 나타내며, 도 13은 비교예 3의 들뜸 확인을 각각 나타내는 사진이다.
도 14는 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3의 AC 저항 측정값을 비교한 그래프를 나타낸 도면이다.
도 15는 도 6의 이차 전지를 포함하는 배터리 팩의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 16은 도 15의 배터리 팩을 포함하는 자동차의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 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.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.이하, 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 구조를 갖는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 측면 중 적어도 일부와 상기 전극 조립체의 단부의 적어도 일부를 덮도록 구비된 절연테이프를 포함하고, 상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부의 적어도 일부를 덮는 영역에 구비된 적어도 하나의 노칭 패턴을 갖는 것인 젤리롤을 제공한다.
상기 절연테이프의 노칭 패턴이란 절연테이프의 가장자리로부터 잘려져 홈부가 형성된 패턴을 의미한다.
상기 전극 조립체의 단부란 전극 조립체의 권취축의 수직방향에서의 단부를 의미하고, 전극 조립체의 측면이란 전극 조립체의 외면 중 권취축에 수평한 면을 의미한다. 상기 절연테이프의 노칭 패턴에 의하여 상기 전극 조립체의 단부의 적어도 일부를 덮는 영역에서 절연테이프가 서로 중첩되는 영역을 최소화할 수 있다. 이에 전극 조립체의 단부에서 들뜸 현상을 방지하여 전극 조립체가 전지 캔 내에 컴팩트하게 팩킹될 수 있다. 뿐만 아니라, 전지의 특성상 전극 조립체의 단부에서 들뜸 현상을 방지하여 전극 탭부와 전극 단자부의 전기적 연결에 불량을 방지할 수 있고, 이에 저항이 낮아져서 높은 에너지 밀도를 유지할 수 있다.
상기 전극 탭부는 상기 전극 조립체의 제1 전극 탭부 또는 양극 탭부, 즉 제1 전극 무지부 또는 양극 무지부일 수 있다. 상기 전극 단자부는 제1 전극 단자부 또는 양극 단자부일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부를 덮는 전체 면적 중 상기 절연테이프끼리 서로 중첩되는 면적이 10% 이하이다.
상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부를 덮는 전체 면적 중 상기 절연테이프끼리 서로 중첩되는 면적이 9% 이하, 8% 이하, 또는 7% 이하일 수 있으며, 더 바람직하게는 상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부를 덮는 영역에서 상기 절연테이프끼리 서로 중첩되지 않을 수 있다.
도 1은 노칭 패턴을 갖지 않는 절연테이프를 부착한 경우(좌측)와 노칭 패턴을 갖는 절연테이프를 부착한 경우(우측)를 전극 조립체의 단부에서 비교한 사진이다. 좌측의 사진에서는 절연테이프가 중첩된 부분(원으로 표시)이 관찰되나, 우측의 사진에서는 절연테이프의 중첩이 발생하지 않는다.
도 2는 노칭 패턴을 갖지 않는 절연테이프를 부착한 경우(좌측)와 노칭 패턴을 갖는 절연테이프를 부착한 경우(우측)를 전극 조립체의 측면에서 비교한 사진이다. 좌측의 사진에서는 절연테이프가 중첩된 부분에 의하여 단차(원으로 표시)가 관찰되나, 우측의 사진에서는 절연테이프의 중첩에 의한 단차가 발생하지 않는다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 절연테이프는 2 이상의 노칭 패턴을 갖고, 인접한 2개의 노칭 패턴 사이에 구비된 플래그 형상은 사다리꼴, 사각형, 평행사변형, 삼각형 및 반원형 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 플래그 형상은 상기 절연테이프가 전극 조립체의 측면에서 연장되어 상기 전극 조립체의 단부를 덮는 영역에 구비될 수 있으며, 이들 플래그 형상은 전극 조립체의 단부에서 서로 겹치지 않도록 하는데 유리하다. 상기 플래그 형상은 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 전극 조립체의 단부에서 서로 겹치지 않도록 하는 것이라면 본 발명에 채용될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 절연테이프의 노칭 패턴의 형상은 형상은 사다리꼴, 사각형, 평행사변형, 삼각형 및 반원형 중 적어도 하나이다.
상기 노칭 패턴의 형상은 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 절연테이프가 상기 전극 조립체의 단부에서 서로 겹치지 않도록 하는 것이라면 본 발명에 채용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연테이프의 노칭 패턴 형상 및 절연테이프 부착 후의 상태를 나타내는 도면이다.
일 예로, 상기 노칭 패턴 형상(130)이 사다리꼴이고, 상기 플래그 형상(140)은 삼각형이며, 상기 전극 조립체의 단부에서 구비된 절연테이프의 형상은 삼각형인 것을 도시(위)한다. 다른 일 예로, 상기 노칭 패턴(130) 형상이 사다리꼴이고, 상기 플래그 형상(140)은 사다리꼴이며, 상기 전극 조립체의 단부에서 구비된 절연테이프(120)의 형상은 사다리꼴인 것을 도시(아래)한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 집전체 및 상기 접전체 상에 구비된 전극 활물질층을 포함하고, 상기 집전체는 상기 전극 활물질층이 구비되지 않은 무지부를 포함하며, 상기 전극 조립체의 측면에 상기 무지부의 적어도 일부가 노출되고, 상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 측면의 무지부를 덮도록 구비된다.
상기 전극 조립체의 측면에 구비된 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용될 수 있다.
상기 절연테이프는 무지부를 덮도록 구비됨으로써, 전지 캔과의 전기적 접촉을 방지할 수 있다. 상기 절연테이프의 노칭 패턴에 의하여 전극 조립체의 단부에서 들뜸 현상을 방지하여 전극 탭부와 전극 단자부의 전기적 연결에 불량을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부에 노출된 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 5% 내지 60%를 덮도록 구비된다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체의 단부에 상기 무지부의 적어도 일부가 노출되고, 상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부의 무지부의 5% 내지 60%를 덮도록 구비된다.
상기 전극 조립체의 단부에 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극이 노출될 수 있고, 구체적으로, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 전극 활물질층이 구비되지 않은 상기 무지부의 적어도 일부가 노출될 수 있다.
상기 전극 조립체의 단부에 구비된 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용될 수 있으며, 후술되는 바와 같이, 상기 전극 조립체의 단부 측에 구비된 집전판을 더 포함하여 전기적으로 연결될 수 있다.
이에 상기 전극 조립체의 단부에 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 상기 무지부 및/또는 이에 연결된 집전판의 적어도 일부가 노출될 수 있다.
상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부의 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극, 또는 상기 무지부의 5% 내지 60%를 덮도록 구비된다는 것은 상기 전극 조립체의 단부의 외주면에서부터 노출된 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극, 또는 상기 무지부의 5% 내지 60%를 덮는 것을 의미할 수 있다.
상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부의 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극, 또는 상기 무지부의 5% 이상, 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 또는 25% 이상을 덮도록 구비될 수 있다.
상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부의 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극, 또는 상기 무지부의 60% 이하, 55% 이하, 50% 이하, 45% 이하, 40% 이하, 또는 35% 이하를 덮도록 구비될 수 있다.
상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부의 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 무지부, 및/또는 이에 연결된 집전판의 5% 내지 60%를 덮도록 구비됨으로써, 전지 캔과의 전기적 접촉을 방지할 수 있다. 상기 절연테이프의 노칭 패턴에 의하여 전극 조립체의 단부에서 들뜸 현상을 방지하여 전극 탭부와 전극 단자부의 전기적 연결에 불량을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 절연테이프의 두께는 10 ㎛ 내지 100 ㎛이다.
상기 절연테이프의 두께는 10 ㎛ 이상, 13 ㎛ 이상, 15 ㎛ 이상, 또는 17 ㎛ 이상일 수 있다. 상기 절연테이프의 두께는 100 ㎛ 이하, 90 ㎛ 이하, 80 ㎛ 이하, 70 ㎛ 이하, 60 ㎛ 이하, 50 ㎛ 이하, 40 ㎛ 이하, 또는 30 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 범위를 만족하는 경우, 상기 절연테이프는 무지부를 덮어 전지 캔과의 전기적 접촉을 방지할 수 있으며, 전극 조립체의 단부에서 들뜸 현상을 방지하여 전극 탭부와 전극 단자부의 전기적 연결에 불량을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 절연테이프는 원단 및 점착층을 포함하고, 상기 원단의 두께는 3 ㎛ 내지 25 ㎛ 이고, 상기 점착층의 두께는 2 ㎛ 내지 20 ㎛이다.
상기 절연테이프는 원단 및 점착층을 포함할 수 있고, 상기 원단 및 점착층을 포함한 상기 절연테이프의 두께는 15 ㎛ 이상, 20 ㎛ 이상, 25 ㎛ 이상, 또는 30 ㎛ 이상일 수 있다. 상기 원단 및 점착층을 포함한 상기 절연테이프의 두께는 90 ㎛ 이하, 80 ㎛ 이하, 70 ㎛ 이하, 또는 60 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 절연테이프의 원단의 두께는 5 ㎛ 이상, 7 ㎛ 이상, 9 ㎛ 이상, 또는 11 ㎛ 이상일 수 있다. 상기 절연테이프의 원단의 두께는 23 ㎛ 이하, 21 ㎛ 이하, 19 ㎛ 이하, 또는 17 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 절연테이프의 점착층의 두께는 4 ㎛ 이상, 6 ㎛ 이상, 8 ㎛ 이상, 또는 10 ㎛ 이상일 수 있다. 상기 절연테이프의 점착층의 두께는 18 ㎛ 이하, 16 ㎛ 이하, 14 ㎛ 이하, 또는 12 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 범위를 만족하는 경우, 상기 전극 조립체의 단부에서 상기 노칭 패턴을 갖는 상기 절연테이프가 더 잘 붙을 수 있으며, 구체적으로 상기 절연테이프의 원단의 두께는 얇을수록 유리할 수 있고, 상기 절연테이프의 점착층의 두께는 두꺼울수록 상기 전극 조립체의 단부에서 더 잘 달라붙을 수 있다.
특히, 상기 절연테이프는 기존의 경우 대비 상기 원단의 두께는 약 50% 감소한 것일 수 있으며, 상기 점착층의 두께는 약 150% 증가된 것일 수 있다. 상기 범위에서 상기 절연테이프는 기존의 경우에 대비하여, 상기 절연테이프의 원단의 두께는 얇고, 상기 절연테이프의 점착층의 두께는 두꺼워서 상기 전극 조립체의 단부에서 접착에 유리할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 절연테이프는 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene Terephthalate) 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene Terephthalate) 로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함한다. 그 외에도 상기 절연테이프의 재료는 전해액에 의하여 용출되거나 부풀거나 부반응을 일으키지 않는 절연 소재라면 특별히 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체의 단부측에 구비된 집전판을 더 포함하고, 상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부를 덮는 영역에서 상기 집전판은 상기 절연테이프와 상기 전극 조립체 사이에 위치하거나, 상기 집전판은 전극 조립체가 상기 절연테이프에 대향하는 면의 반대면인 타단부 측에 위치할 수 있다.
상기 전극 조립체의 단부측에 구비된 집전판 중에서 상기 절연테이프와 상기 전극 조립체 사이에 위치하는 집전판은 제1 집전판일 수 있고, 상기 전극 조립체의 상기 절연테이프에 대향하는 면의 반대면인 타단부에 위치하는 집전판은 제2 집전판일 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 집전판은 상기 무지부와 전기적으로 연결되며, 반대면으로는 전극 단자와도 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때, 노칭 패턴에 의한 절연테이프를 구비함으로써 상기 전극 조립체의 단부에서 들뜸 현상을 방지하여 전극 단자부의 전기적 연결을 용이하게 할 수 있으며, 용접 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체의 단부측에 상기 전극 조립체의 단부 또는 상기 전극 조립체의 단부의 적어도 일부와 상기 전극 조립체의 측면의 적어도 일부를 덮도록 구비된 절연부재를 더 포함할 수 있다.
상기 절연부재는 인슐레이터일 수 있으며, 상기 인슐레이터는 젤리롤 전극 탭부와 전지 캔과의 전기적 접촉을 막아 전극의 단락을 방지할 수 있다.
상기 노칭 패턴을 갖는 절연테이프를 부착한 경우에 전극 조립체의 단부에서 절연테이프가 중첩되는 영역을 최소화하여 상기 절연부재와의 간격을 좁힐 수 있으며, 상기 전극 탭부와 상기 전극 단자부와의 전기적 연결의 불량을 방지할 수 있다.
도 3은 노칭 패턴을 갖지 않는 절연테이프를 부착한 경우(좌측)와 노칭 패턴을 갖는 절연테이프를 부착한 경우(우측), 전극 조립체의 상면에 추가의 절연부재를 위치시켰을 때 들뜸 현상의 발생 여부를 비교한 것이다.
노칭 패턴을 갖지 않는 절연테이프를 부착한 경우의 절연부재의 들뜸 현상이 노칭 패턴을 갖는 절연테이프를 부착한 경우보다 크게 나타났다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 개략적인 구성을 나타낸 종단면도이고, (a)는 ㄷ자형 절연부재, (b)는 ㅡ자형 절연부재를 포함하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 7 (a)를 참조하는 경우, 일 실시상태에 따르면 상기 절연부재(60)는 상기 전극 조립체의 단부의 적어도 일부와 상기 전극 조립체의 측면의 적어도 일부를 덮도록 구비될 수 있으며, 상기 절연부재(60)는 예컨대, ㄷ자형 절연부재일 수 있다.
도 7 (b)를 참조하는 경우, 다른 실시상태에 따르면 상기 절연부재(60)는 전극 조립체의 단부측에 상기 전극 조립체의 단부의 적어도 일부를 덮도록 구비될 수 있으며, 상기 절연부재(60)는 예컨대, ㅡ자형 절연부재일 수 있다.
상기 절연부재(60)를 포함하는 경우, 상기 노칭 패턴을 갖는 절연테이프(100)를 부착할 때 전극 조립체의 단부에서 절연테이프가 중첩되는 영역을 최소화하여 상기 절연부재(60)와의 간격을 좁힐 수 있으며, 상기 전극 탭부와 상기 전극 단자부와의 들뜸 현상을 방지하여, 전기적 연결의 불량을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 구조를 갖는 전극 조립체의 측면 중 적어도 일부 및 전극 조립체의 단부의 적어도 일부를 덮도록 부착하기 위한 절연테이프로서, 적어도 하나의 가장자리부에 적어도 하나의 노칭 패턴을 갖는 것인 절연테이프를 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 절연테이프는 2 이상의 노칭 패턴을 갖고, 인접한 2개의 노칭 패턴 사이에 구비된 플래그 형상은 사다리꼴, 사각형, 평행사변형, 삼각형 및 반원형 중 적어도 하나이고, 상기 절연테이프의 노칭 패턴의 형상은 사다리꼴, 사각형, 평행사변형, 삼각형 및 반원형 중 적어도 하나이다.
여기서, 절연테이프의 형상, 두께, 재료 및 노칭 패턴의 구조 등과 관련해서는 전술한 젤리롤과 관련하여 기재한 설명이 적용될 수 있다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 젤리롤; 상기 젤리롤을 수납하는 일측에 개방부를 갖는 전지 캔; 상기 전지 캔의 바닥에 형성된 관통 홀을 통해 리벳팅된 전극 단자; 상기 전극 단자와 상기 관통 홀의 외경 사이에 구비된 가스켓; 및 상기 전지 캔의 개방부를 밀봉하는 밀봉체를 포함하는 것인 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 상기 전극 단자와 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극은 상기 전지 캔과 전기적으로 연결되며, 상기 밀봉체는 상기 전지 캔으로부터 절연 가능하다.
여기서, 이차 전지에 포함되는 젤리롤에 포함되는 절연테이프의 형상, 두께, 재료 및 노칭 패턴의 구조 등과 관련해서는 전술한 젤리롤과 관련하여 기재한 설명이 적용될 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 양극 및 상기 제2 전극은 음극일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5의 이차 전지의 종단면도이며, 도 8은 도 5의 이차 전지에 포함된 전극 조립체의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 5, 도 6 및 도 8을 참조하면, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)는 전극 조립체(10), 전지 캔(20), 밀봉체(30) 및 전극 단자(40)를 포함한다. 상기 젤리롤은 상기 전극 조립체(10)를 포함할 수 있다. 상기 이차 전지(1)는, 상술한 구성요소들 이외에도 추가적으로 제1 집전판(50) 및/또는 절연부재(60) 및/또는 가스켓(70) 및/또는 제2 집전판(80) 및/또는 실링 가스켓(90)을 더 포함할 수도 있다.
도 5, 도 6 및 도 8을 참조하면, 상기 전극 조립체(10)는, 양극인 제1 전극(11), 음극인 제2 전극(12), 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 개재되는 분리막(13)을 포함한다. 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12)은 쉬트 형상을 가질 수 있다. 상기 전극 조립체(10)는, 예를 들어 젤리-롤(jellyroll) 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 전극(11), 분리막(13), 제2 전극(12), 분리막(13)을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 중심(C)을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(10)의 외주면 상에는 전지 캔(20)과의 절연을 위해 추가적인 분리막(13)이 구비될 수 있다.
상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12)은, 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부(11a, 12a)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12)은, 상기 무지부(11a, 12a)를 제외한 영역에 활물질층이 코팅되어 있는 유지부(11b, 12b)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 전극(11)은, 제1 전극 집전체 및 제1 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제1 전극 활물질을 포함한다. 제1 전극 집전체 상에 제1 전극 활물질이 도포된 영역을, 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)로 칭한다. 상기 제1 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측 단부에는 제1 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부(11a)가 존재할 수 있다. 상기 무지부(11a)의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용된다. 즉, 상기 무지부(11a)는, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)으로서 기능한다. 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)는, 전지 캔(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한방향) 상부에 구비된다. 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a) 및 유지부(11b)의 경계에는 추가로 절연층이 더 구비될 수 있다. 상기 절연층은 분리막이 수축되더라도 전극의 단락의 방지하는 효과가 있다.
상기 제2 전극(12)은, 제2 전극 집전체 및 제2 전극 집전체의 일 면 또는 양면 상에 도포된 제2 전극 활물질을 포함한다. 제2 전극 집전체 상에 제2 전극 활물질이 도포된 영역을, 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b)로 칭한다. 상기 제2 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 타 측 단부에는 제2 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부(12a)가 존재할 수 있다. 상기 무지부(12a)의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용된다. 즉, 상기 무지부(12a)는, 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)으로서 기능한다. 상기 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)는, 전지 캔(20)내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 하부에 구비된다.
상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와, 상기 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)는, 서로 반대 방향으로 돌출된 형태일 수 있다. 예를 들어, 도 8을 참조하면, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)는 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)의 상부를 향해 돌출되며, 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)는 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)의 하부를 향해 돌출될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극에 구비된 무지부(11a) 및 제2 전극에 구비된 무지부(12a)는, 전극 조립체(10)의 폭 방향, 즉 이차 전지(1)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 서로 반대 방향으로 연장 돌출된 형태일 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 양극 및 상기 제2 전극은 음극일 수 있다.
본 발명에 있어서, 양극판에 코팅되는 양극 활물질과 음극판에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극 활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합산화물을 사용할 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; x, y, z 및 M에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 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-(1-x)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(M1은Ti, 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; a, x, y, z, M1, M2, 및 M3에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 수 있다.
음극 활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극 활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬 금속 또는 리튬 합금, 탄소, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그래파이트(graphite) 또는 기타 탄소류 등과 같은 리튬 흡착물질 등이 사용 가능하다.
일 예에서, 음극 활물질은 탄소재, 리튬금속 또는 리튬금속화합물, 규소 또는 규소화합물, 주석 또는 주석 화합물 등을 사용할 수 있다. 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 음극 활물질로 사용 가능하다. 탄소재로는 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.
분리막은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독 중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 분리막은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.
분리막의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다. 또한 분리막 자체가 무기물 입자의 코팅층으로 이루어지는 것도 가능하다. 코팅층을 구성하는 입자들은 인접하는 입자 사이 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 존재하도록 바인더와 결합된 구조를 가질 수 있다.
무기물 입자는 유전율이 5이상인 무기물로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 상기 무기물 입자는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
전해질은 A+B-와 같은 구조를 갖는 염일 수 있다. 여기서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 그리고 B-는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3-, N(CN)2-, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3) 3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2 (CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함한다.
전해질은 또한 유기 용매에 용해시켜 사용할 수 있다. 유기 용매로는, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드 (dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄 (dimethoxyethane), 디에톡시에탄 (diethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γbutyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
도 5 및 도 6를 참조하면, 상기 전지 캔(20)은, 하단에 개방부가 형성된 대략 원통형의 수용체로서, 예를 들어 금속과 같은 도전성을 갖는 재질로 이루어진다. 상기 전지 캔(20)의 재질은, 예를 들어 알루미늄일 수 있다. 개방부가 구비된 상기 전지 캔(20)의 바닥부를 개방단(opened end)이라고 칭하기로 한다. 상기 전지 캔(20)의 측면(외주면)과 상면은 일체로 형성될 수 있다. 상기 전지 캔(20)의 상면(X-Y 평면에 나란한 면)은 대략 플랫(flat)한 형태를 갖는다. 상기 개방단의 반대편에 위치하는 상면을 폐쇄단(closed end)이라고 칭하기로 한다. 상기 전지 캔(20)은, 하방에 형성된 개방부를 통해 전극 조립체(10)를 수납하며, 전해질도 함께 수용한다.
상기 전지 캔(20)은, 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결된다. 상기 전지 캔(20)은, 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12) 중 하나와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어 상기 전지 캔은 전극 조립체(10)의 제2 전극(12)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 전지 캔(20)은, 제2 전극(12)과 동일한 극성을 가질 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 전지 캔(20)은, 그 하단에 형성된 비딩부(21) 및 크림핑부(22)를 구비할 수 있다. 상기 비딩부(21)는, 전극 조립체(10)의 하부에 위치한다. 상기 비딩부(21)는, 전지 캔(20)의 외주면 둘레를 압입하여 형성된다. 상기 비딩부(21)는, 전지 캔(20)의 폭과 대략 대응되는 사이즈를 가질 수 있는 전극 조립체(10)가 전지 캔(20)의 하단에 형성된 개방부를 통해 빠져나오지 않도록 하며, 밀봉체(30)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다.
상기 크림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하부에 형성된다. 상기 크림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하방에 배치되는 밀봉체(30)의 외주면, 그리고 밀봉체(30)의 하면의 일부를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다.
다만, 본 발명은, 전지 캔(20)이 이러한 비딩부(21) 및/또는 크림핑부(22)를 구비하지 않는 경우를 배제하지 않는다. 즉, 본 발명에 있어서 전지 캔(20)이 비딩부(21) 및/또는 크림핑부(22)를 구비하지 않는 경우, 전극 조립체(10)의 고정 및/또는 전지 캔(20)의 밀봉은, 예를 들어 전극 조립체(10)에 대한 스토퍼로서 기능할 수 있는 부품의 추가 적용 등을 통해 실현할 수 있다. 또한, 만약 본 발명의 이차 전지(1)가 밀봉체(30)를 포함할 경우, 전극 조립체(10)의 고정 및/또는 전지 캔(20)의 밀봉은, 예를 들어 밀봉체(30)가 안착될 수 있는 구조물의 추가 적용 및/또는 전지 캔(20)과 밀봉체(30) 간의 용접 등을 통해 실현할 수 있다. 즉, 상기 밀봉체는, 상기 전지 캔의 개방단을 밀봉할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 밀봉체(30)는, 강성 확보를 위해, 예를 들어 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 밀봉체(30)는, 전지 캔(20)의 하단에 형성된 개방단을 커버할 수 있다. 즉, 상기 밀봉체(30)는, 이차 전지(1)의 하면을 이룬다.
본 발명의 이차 전지(1)에 있어서, 상기 밀봉체(30)는, 전도성을 갖는 금속 재질인 경우에도, 극성을 갖지 않는다. 극성을 갖지 않는다는 것은, 상기 밀봉체(30)가 전지 캔(20) 및 전극 단자(40)와 전기적으로 절연되어 있음을 의미할 수 있다.
따라서, 상기 밀봉체(30)는, 전극 단자(40), 즉 양극 단자 또는 음극 단자로서 기능하지 않는다. 따라서, 상기 밀봉체(30)는, 전극 조립체(10) 및 전지 캔(20)과 전기적으로 연결될 필요가 없으며, 그 재질이 반드시 전도성 금속이어야 하는 것도 아니다.
본 발명의 전지 캔(20)이 비딩부(21)를 구비하는 경우, 상기 밀봉체(30)는, 전지 캔(20)에 형성된 비딩부(21) 상에 안착될 수 있다. 또한, 본 발명의 전지 캔(20)이 크림핑부(22)를 구비하는 경우, 상기 밀봉체(30)는, 크림핑부(22)에 의해 고정될 수 있다. 상기 밀봉체(30)와 전지 캔(20)의 크림핑부(22) 사이에는 전지 캔(20)의 기밀성을 확보하기 위해 실링 가스켓(90)이 개재될 수 있다. 한편, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 전지 캔(20)은 비딩부(21) 및/또는 크림핑부(22)를 구비하지 않을 수도 있으며, 이 경우 상기 실링 가스켓(90)은 전지 캔(20)의 기밀성 확보를 위해 전지 캔(20)의 개방부 측에 구비된 고정을 위한 구조물과 밀봉체(30) 사이에 개재될 수 있다.
도 5 및 도 6를 참조하면, 상기 전극 단자(40)는 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12) 중 다른 하나와 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 상기 전극 단자(40)는, 상기 전지 캔(20)과 반대 극성을 띨 수 있다. 예를 들면, 상기 전극 단자(40)는, 전극 조립체(10)의 제1 전극(11)과 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 상기 전극 단자(40)는 표면이 외부로 노출될 수 있다.
상기 전극 단자(40)는, 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 전극 단자(40)는, 예를 들어 전지 캔(20)의 상단에 형성된 폐쇄단의 대략 중심부를 관통할 수 있다. 상기 전극 단자(40)의 일부는 전지 캔(20)의 상부로 노출되고 나머지 일부는 전지 캔(20)의 내부에 위치할 수 있다. 상기 전극 단자(40)는, 예를 들어 리벳팅(riveting)에 의해 전지 캔(20)의 폐쇄단의 내측면 상에 고정될 수 있다. 전극 단자(40)는 절연부재(60)를 관통하여 제1 집전판(50) 또는 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와 결합할 수 있다. 이 경우, 상기 전극 단자(40)는 제1 극성을 띨 수 있다.
따라서, 상기 전극 단자(40)는, 본 발명의 이차 전지(1)에 있어서 제1 전극 단자로서 기능할 수 있다. 상기 전극 단자(40)가 이처럼 제1 극성을 갖는 경우, 전극 단자(40)는 제2 극성을 갖는 전지 캔(20)과는 전기적으로 절연된다. 상기 전극 단자(40)와 전지 캔(20) 간의 전기적 절연은, 다양한 방식으로 실현될 수 있다.
일 예로, 상기 제1 집전판(50) 또는 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 적어도 일부를 절연테이프가 덮도록 구비됨으로써, 상기 전지 캔과의 전기적 접촉을 방지할 수 있다. 상기 절연테이프의 노칭 패턴에 의하여 상기 전극 조립체의 단부에서 들뜸 현상을 방지하여 상기 제1 집전판(50) 또는 제1 전극(11)에 구비된 상기 무지부(11a)와 상기 전극 단자(40)의 전기적 연결에 불량을 방지할 수 있다.
상기와 같이 전극 조립체 단부에서의 들뜸 문제를 해결하여, 전극 조립체에 포함되는 전극의 탭 구조를 상기 무지부로 형성함으로써, 전지에 인가되는 전류를 증가하게 할 수 있다. 이에 의하여, 전지 크기가 증가될 수 있으며, 고에너지 밀도 구현과 비용 절감이 가능하다.
다른 예로, 상기 전극 단자(40)와 전지 캔(20) 사이에 후술할 바와 같은 가스켓(70)을 개재시킴으로써 절연을 실현할 수 있다. 이와는 달리, 상기 전극 단자(40)의 일부에 절연성 코팅층을 형성시킴으로써 절연을 실현할 수 있다. 또는, 상기 전극 단자(40)와 전지 캔(20)의 접촉이 불가능하도록 전극 단자(40)를 구조적으로 단단히 고정시키는 방식을 적용할 수도 있다. 또는, 앞서 설명한 방식들 중 복수의 방식을 함께 적용할 수도 있다.
도 6을 참조하면, 상기 제1 집전판(50)은, 전극 조립체(10)의 상부에 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 집전판(50)은, 상기 전극 조립체(10)의 상부에서 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)에 결합될 수 있다. 상기 제1 집전판(50)은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 제1 집전판(50)은, 그 하면에 방사상으로 형성된 복수의 요철을 구비할 수 있다.
상기 요철이 형성된 경우, 제1 집전판(50)을 눌러서 요철을 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)에 압입시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예를 따르는 이차 전지(1)는, 제1 집전판(50)을 포함하지 않을 수도 있다. 이 경우, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)는 바로 전극 단자(40)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 제1 집전판(50)은 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 단부에 결합될 수 있다. 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와 제1 집전판(50) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제1 집전판(50) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수도 있고, 제1 집전판(50)과 무지부(11a) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는, 제1 집전판(50) 및 무지부(11a)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 한편 레이저 용접 외에도, 저항 용접, 초음파 용접 등이 가능하나, 용접 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 상기 제1 집전판(50)은, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 단부가 제1 집전판(50)과 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 수도 있다. 상기 무지부(11a)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)을 향하는 방향일 수 있다. 상기 무지부(11a)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 무지부(11a)가 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 무지부(11a)와 제1 집전판(50) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 절연부재(60)는, 전극 조립체(10)의 상단과 전지 캔(20)의 내측면 사이, 전극 조립체(10)의 상부에 결합된 제1 집전판(50)과 전지 캔(20)의 내측면 사이 또는 전극 조립체(10)의 상부에 구비된 절연테이프(100)와 전지 캔(20)의 내측면 사이에 구비될 수 있다. 상기 절연부재(60)는, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와 전지 캔(20) 사이의 접촉, 제1 집전판(50)과 전지 캔(20) 사이의 접촉, 및/또는 절연테이프(100)와 전지 캔(20)의 접촉을 방지한다. 즉, 상기 절연부재(60)는, 상기 전지 캔(20) 내부에 수용되며, 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와 상기 전지 캔(20) 사이의 전기적 연결을 차단하도록 구성된다. 따라서, 상기 절연부재(60)는 절연 성능을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 절연부재(60)는 폴리머 재질을 포함할 수 있다. 상기 절연부재(60)는 ㄷ자형 절연부재 또는 ㅡ자형 절연부재를 포함할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 가스켓(70)은, 전지 캔(20)과 전극 단자(40) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 전지 캔(20) 과 전극 단자(40)가 서로 접촉되는 것을 방지한다. 즉, 상기 가스켓(70)은, 전지 캔(20)과 전극 단자(40)의 전기적 연결을 차단한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 전지 캔(20)의 상면이 이차 전지(1)의 제2 전극(12) 단자로서 기능할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 제2 집전판(80)은, 전극 조립체(10)의 하부에 결합될 수 있다. 상기 제2 집전판(80)은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 제2 집전판(80)은 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)와 연결될 수 있다. 또한, 상기 제2 집전판(80)은, 전지 캔(20)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 집전판(80)은, 도 2에 도시된 바와 같이 전지 캔(20)의 내측면과 실링 가스켓(90) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 이와는 달리, 상기 제2 집전판(80)은, 전지 캔(20)의 내벽 면에 용접될 수도 있다.
도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 제2 집전판(80)은, 그 일 면 상에 방사상으로 형성된 복수의 요철을 구비할 수 있다. 상기 요철이 형성된 경우, 제2 집전판(80)을 눌러서 요철을 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)에 압입시킬 수 있다.
도 6 및 8을 참조하면, 상기 제2 집전판(80)은 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)의 단부에 결합될 수 있다. 상기 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)와 제2 집전판(80) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제2 집전판(80) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식을 이루어질 수도 있고, 제2 집전판(80)과 무지부(12a) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는 제2 집전판(80) 및 무지부(12a)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 한편, 레이저 용접 외에도, 저항 용접, 초음파 용접 등이 가능하나, 용접 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
도면에 도시되지는 않았으나, 상기 제2 집전판(80)은, 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)의 단부가 제2 집전판(80)과 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합면 상에 결합될 수 있다. 상기 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)을 향하는 방향일 수 있다. 상기 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 무지부(12a)가 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 무지부(12a)와 제2 집전판(80) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.
도 9의 실시예에 따른 전극 조립체(10)는, 앞선 도 8의 실시예의 전극 조립체(10)와 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체(10)는, 무지부(11a, 12a)의 적어도 일부가 코어측으로 절곡되어 있는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 9를 참조하면, 상기 무지부(11a, 12a)의 적어도 일부 구간은, 복수의 분절편으로 분할되어 있을 수 있다. 여기서, 상기 복수의 분절편은, 코어측으로 절곡되면서 여러 겹으로 중첩되는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 복수의 분절편은 레이저로 노칭된 것일 수 있다. 분절편은 초음파 커팅이나 타발 등 공지의 금속박 커팅 공정으로 형성할 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 전극 조립체의 단부에 노출된 제1 전극 또는 제2 전극(11, 12), 또는 상기 전극의 무지부(11a, 12a)의 면적은 상기 전극 조립체의 단부의 전체 면적에서 권심부의 면적을 뺀 것일 수 있다.
무지부(11a, 12a)의 절곡 가공시 활물질층 및/또는 절연층이 손상되는 것을 방지하기 위해 분절편 사이의 절단 라인 하단과 활물질층 사이에 소정의 갭을 두는 것이 바람직하다. 무지부(11a, 12a)가 절곡될 때 절단 라인 하단 근처에 응력이 집중되기 때문이다. 갭은 0.2 내지 4mm인 것이 바람직하다. 갭이 해당 수치범위로 조절되면, 무지부(11a, 12a)의 절곡 가공시 생기는 응력에 의해 절단 라인 하단 근처의 활물질층이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 갭은 분절편의 노칭 또는 커팅시 공차로 인한 활물질층의 손상을 방지할 수 있다.
상기 무지부(11a, 12a)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)을 향하는 방향일 수 있다. 상기 무지부(11a, 12a)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 무지부(11a, 12a)가 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 무지부(11a, 12a)와 집전판(50, 80) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다. 따라서, 전지에 인가되는 전류를 증가하게 할 수 있다. 이에 의하여, 전지 크기를 증가시킬 수 있으며, 고에너지 밀도 구현과 비용 절감이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 이차 전지는 원통형 이차 전지이다. 일 예에서, 상기 이차 전지는 상기 젤리롤이 수용되는 전지 캔을 포함할 수 있다. 상기 전지 캔은 원통형일 수 있으며, 그 크기는 양단부의 원형의 직경이 30 mm 내지 55 mm, 높이가 60 mm 내지 120 mm일 수 있다. 예컨대, 원통형 전지 캔의 원형 직경 x 높이는 40 mm x 60 mm, 40 mm x 80 mm, 또는 40 mm x 90 mm, 40 mm x 120 mm 일 수 있다. 상기 이차 전지는 배터리 셀일 수 있다.
바람직하게, 원통형 배터리 셀은, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리 셀의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4보다 큰 원통형 배터리 셀일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리 셀의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀은, 예를 들어 46110 셀, 48750 셀, 48110 셀, 48800 셀, 46800 셀, 46900 셀일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 그 다음 숫자 2개는 셀의 높이를 나타내고, 마지막 숫자 0은 셀의 단면이 원형임을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 90mm이고, 폼 팩터의 비는 0.511인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리 셀들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 18650 셀, 21700 셀 등이 이용되었다. 18650셀의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 0.277이다. 21700셀의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 0.300이다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 이차 전지를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩을 제공한다.
상술한 실시예에 따른 이차 전지는 상기 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 15는 도 6의 이차 전지를 포함하는 배터리 팩의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(3)은 이차 전지(1)가 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(2)을 포함한다. 이차 전지(1)는 상술한 실시예에 따른 배터리 셀이다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 이차 전지(1)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공한다. 상기 배터리 팩(3)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 16은 도 15의 배터리 팩을 포함하는 자동차의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 포함한다. 상기 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
실시예
실시예 1.
(1) 젤리롤의 제조
음극(음극 집전체: Cu호일, 음극 활물질: 인조흑연 및 천연흑연 각각 50 중량부), 시트형의 폴리에틸렌 분리막, 양극(양극 집전체: Al 호일, 활물질: LiCoO2) 및 상기 폴리에틸렌 분리막을 차례로 적층하고 권취하여 전극 조립체를 제조하였다. 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 단부의 직경이 45 mm이다.
상기 전극 조립체의 측면 및 상기 전극 조립체의 단부에 노출된 양극 무지부를 덮도록 노칭 패턴을 갖는 폴리이미드 소재의 절연테이프(노칭 패턴 형상: 사다리꼴, 플래그 형상: 삼각형)를 부착하였다. 상기 노칭 패턴을 갖는 절연테이프는 상기 전극 조립체의 측면을 덮는 부분 및 단부를 덮는 부분을 포함하며 각각의 길이는 7 mm이고, 두께 17.5 ㎛(원단: 12.5 ㎛, 점착층: 5 ㎛)인 것을 사용하였다.
전극 조립체의 단부를 덮는 영역에서 상기 절연테이프끼리는 서로 중첩되지 않았다. 절연테이프가 전극 조립체의 단부를 덮는 면적은 후술되는 실험예 1에 따라 계산하였으며, 상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부의 양극 무지부의 약 26.7 %를 덮었다.
상기 절연테이프가 부착된 전극 조립체의 단부측에 상기 전극 조립체의 단부 및 측면의 일부를 덮는 절연부재(ㄷ자형 절연부재)를 포함하도록 젤리롤을 제조하였다.
(2) 이차 전지의 제조
제조된 젤리롤을 일측에 개방부를 갖는 전지 캔(직경: 45mm 내지 47mm, 재질: 스틸)에 삽입한 후, 에틸렌카보네이트(EC):에텔메틸카보네이트(EMC)를 30:70의 부피비로 혼합하여 LiPF6가 1.0M이 되도록 용해한 전해액을 주액하고, 밀봉체로 원통형 전지 캔을 밀봉하여 이차 전지를 제조하였다.
상기 전지 캔의 바닥에 형성된 관통 홀을 통해 전극 단자가 리벳팅되고, 상기 전극 단자와 상기 관통 홀의 외경 사이에 가스켓을 구비하여 전극 단자의 리벳팅 구조를 제조하였고, 이를 포함하는 이차 전지에서 상기 젤리롤의 음극과 전지 캔은 전기적으로 연결되고, 양극과 전극 단자는 전기적으로 연결되며, 밀봉체는 전지 캔으로부터 절연되도록 제조하였다.
실시예 2.
노칭 패턴을 갖는 두께 22.5 ㎛(원단: 12.5 ㎛, 점착층: 10 ㎛)의 절연테이프를 부착한 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 젤리롤 및 이차 전지를 제조하였다.
비교예 1.
전극 조립체의 측면 및 상기 전극 조립체의 단부의 적어도 일부를 덮도록 노칭 패턴을 갖지 않는 두께 30 ㎛(원단: 25 ㎛, 점착층: 5 ㎛)의 절연테이프를 부착한 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 젤리롤 및 이차 전지를 제조하였다.
비교예 2.
노칭 패턴을 갖지 않는 두께 17.5 ㎛(원단: 12.5 ㎛, 점착층: 5 ㎛)의 절연테이프를 부착한 점을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법으로 젤리롤 및 이차 전지를 제조하였다.
비교예 3.
노칭 패턴을 갖지 않는 두께 22.5 ㎛(원단: 12.5 ㎛, 점착층: 10 ㎛)의 절연테이프를 부착한 점을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법으로 젤리롤 및 이차 전지를 제조하였다.
실험예
실험예 1. 절연테이프가 전극 조립체의 단부를 덮는 면적
도 10은 절연테이프가 전극 조립체의 단부를 덮는 면적을 계산하기 위하여 전극 조립체의 단부를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 절연테이프가 전극 조립체의 단부에 노출된 제1 전극 또는 제2 전극, 또는 상기 전극의 무지부(11a)를 덮는 면적을 아래와 같이 계산하였다. 이 때, 전극 조립체의 권취축에 수직인 단부의 직경(D), 절연테이프에서 전극 조립체의 단부를 덮는 부분의 길이(120d) 및 권심부 직경(Cd)은 아래와 같이 표시하였다.
- 전극 조립체의 권취축에 수직인 단부의 직경: D(mm)
- 절연테이프에서 전극 조립체의 단부를 덮는 부분의 길이: 120d(mm)
- 권심부 직경: Cd(mm)
① 전극 조립체의 단부에 노출된 제1 전극 또는 제2 전극, 또는 무지부의 전체 면적(권심부 제외)
= {(D/2)2 - (Cd/2)2} * π
② 절연테이프가 전극 조립체의 단부를 덮는 부분의 면적
= {(D/2)2 - (D/2-120d)2} * π * 노칭 패턴 면적 비율(테이프 전체 면적 대비 노칭 패턴의 면적) 20 내지 80 %
③ 절연테이프가 전극 조립체의 단부에 노출된 제1 전극 또는 제2 전극, 또는 상기 전극의 무지부를 덮는 면적
= (② / ①) * 100 = 5 내지 60 %
실시예 1 및 2의 노칭 패턴을 갖는 절연테이프가 전극 조립체의 단부를 덮는 면적은 아래와 같이 계산되었다.
- 전극 조립체의 권취축에 수직인 단부의 직경: 45 mm
- 절연테이프에서 전극 조립체의 단부를 덮는 부분의 길이: 7 mm
- 권심부 직경: 6 mm
① 전극 조립체의 단부에 노출된 제1 전극 또는 제2 전극, 또는 무지부의 전체 면적(권심부 제외) = (22.52 - 32) * π = 1561.4
② 절연테이프가 전극 조립체의 단부를 덮는 부분의 면적 = (22.52 - 15.52) * π * 50 % = 835.2 * 0.5 = 417.6
③ 절연테이프가 전극 조립체의 단부에 노출된 제1 전극 또는 제2 전극, 또는 상기 전극의 무지부를 덮는 면적 = (417.6 / 1561.4) * 100 = 26.7 %
실험예 2. 절연테이프 두께에 따른 점착력 및 들뜸 개선
절연테이프의 점착력은 SUS304 기판에 상기 절연테이프의 접착층을 2kg 고무 롤러로 1회 왕복하여 압착하고 23 ℃에서 20분 방치 후, 상기 유색 폴리이미드에서 백플레이트 필름을 180° 각도 및 300 mm/분의 박리속도로 텍스춰 어넬라이져(Texture analyzer (Stable Micro Systems 사)를 이용하여 측정하였다.
젤리롤의 들뜸 정도 및 들뜸 확인은 전극 조립체의 단부로부터 들뜨는 절연테이프의 높이를 측정하였으며, 젤리롤의 상기 전극 조립체의 단부에서 절연테이프가 들뜨는 높이가 2 mm 이상인 경우 ○, 1 mm 내지 2 mm 인 경우 △, 1 mm 이하인 경우 Ⅹ로 표시하여 이를 하기 표 1에 기재하였다.
실시예 1의 들뜸 확인은 도 11에 나타내었고, 비교예 1의 들뜸 확인은 도 12에, 비교예 3의 들뜸 확인은 도 13에 각각 나타내었다. 실시예 2의 들뜸 확인은 실시예 1 대비 들뜸의 정도가 육안상으로는 구분되지 않아 도 11과 같을 수 있으며, 비교예 2의 들뜸 확인은 비교예 1 대비 들뜸의 정도가 육안상으로는 구분되지 않아 도 12와 같을 수 있다.
구분 비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예 1 실시예 2
테이프 노칭 X X X O O
원단 두께(㎛) 25 12.5 12.5 12.5 12.5
점착층 두께(㎛) 5 5 10 5 10
점착력(gf/25mm) (Avg.) 479 457 703 457 703
들뜸 정도(mm) 2.5~3.0 2 1.0~1.5 1 이하 1 이하
들뜸 확인 ○ ○ △ Ⅹ Ⅹ
표 1 및 도 11 내지 13을 참고하면, 실시예 1 및 2는 본 발명에 따른 노칭 패턴을 갖는 절연테이프를 포함하는 것으로, 상기 노칭 패턴을 갖지 않는 절연테이프를 포함하는 비교예 1 내지 3 대비 젤리롤의 상기 전극 조립체의 단부에서 들뜸이 적은 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 실시예 1 및 2는 비교예 1 내지 3 대비 전극 조립체의 단부에서 들뜸 현상을 방지하여 전극 탭부와 전극 단자부의 전기적 연결에 불량을 방지할 수 있다.
실시예 1 및 2는 절연테이프의 두께, 특히 점착층의 두께에 차이가 있는 것으로, 실시예 2는 실시예 1보다 점착층의 두께가 2배로 두꺼워 점착력이 높으며 전극 조립체의 단부에서 들뜸이 적은 것을 확인할 수 있었다.
비교예 1 및 2는 절연테이프의 두께, 특히 원단층의 두께에 차이가 있는 것으로, 비교예 2는 비교예 1보다 원단 두께가 1/2배이고 점착력이 작지만 들뜸 정도는 개선된 것을 확인할 수 있었다. 이로써 원단 두께 대비 점착층의 두께가 두꺼운 절연테이프를 사용하는 것이 들뜸 정도가 개선되는 것을 알 수 있다.
실시예 1과 비교예 2, 및 실시예 2와 비교예 3은 각각 절연테이프에서 원단 및 점착층의 두께는 같으나 노칭 여부에만 차이가 있는 것으로, 절연 테이프의 원단 및 점착층의 두께가 같더라도 노칭이 되어있는 실시예 1 및 2가 비교예 2 및 3 대비 전극 조립체의 단부에서 들뜸이 개선되는 것을 확인할 수 있으며, 이로써 전극 탭부와 전극 단자부의 전기적 연결에 불량을 방지할 수 있다.
따라서, 상기 전극 조립체의 단부에서 상기 노칭 패턴을 갖는 상기 절연테이프가 더 잘 붙을 수 있으며, 구체적으로 상기 절연테이프의 원단의 두께는 얇을수록 유리할 수 있고, 상기 절연테이프의 점착층의 두께는 두꺼울수록 상기 전극 조립체의 단부에서 더 잘 달라붙을 수 있음을 알 수 있다.
특히, 실시예 1은 비교예 1 대비 절연테이프의 원단의 두께는 약 50% 감소하였으며 상기 점착층의 두께는 약 150% 증가되어, 즉 상기 절연테이프의 원단의 두께는 얇고, 상기 절연테이프의 점착층의 두께는 두꺼워서 상기 전극 조립체의 단부에서 접착에 유리함을 확인할 수 있었다.
실험예 3. AC 저항 측정
이차 전지의 AC 저항은 상온 조건에서 배터리 테스터(HIOKI社 배터리 테스터 BT3554-51 장비)를 이용하여 측정하였다. 상기 배터리 테스터에서 2개의 리드를 각각 양극 단자부(리벳팅된 전극 단자)와 음극 단자부(전지 캔)에 접촉시켜 측정하였다.
이차 전지의 AC 저항 측정은 교류법에 의한 내부 저항을 측정하는 것으로서, 배터리에 미세한 교류 신호를 인가해 배터리의 저항을 측정하는 방법이다. 이를 측정하여 전극 탭부와 전극 단자부의 전기적 연결의 불량을 간접적으로 확인할 수 있다.
실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 이차 전지의 AC 저항을 10회 측정하여 평균을 내었고, 그 결과를 표 2 및 도 14에 나타내었다.
구분 비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예 1 실시예 2
1회 1.41 1.42 1.39 1.33 1.32
2 회 1.36 1.42 1.39 1.34 1.35
3 회 1.42 1.35 1.33 1.35 1.33
4 회 1.54 1.42 1.39 1.33 1.35
5 회 1.39 1.37 1.34 1.31 1.32
6 회 1.46 1.36 1.34 1.33 1.32
7 회 1.44 1.46 1.42 1.36 1.35
8 회 1.5 1.48 1.44 1.32 1.33
9 회 1.44 1.42 1.39 1.36 1.36
10 회 1.41 1.38 1.35 1.35 1.34
평균 1.437 1.408 1.378 1.338 1.337
표준 편차 0.053 0.043 0.037 0.017 0.015
표 2 및 도 14를 참고하면, 실시예 1은 본 발명에 따른 노칭 패턴을 갖고 두께가 비교적 얇은 절연테이프를 포함하는 것으로, 상기 노칭 패턴을 갖지 않고 두께가 비교적 두꺼운 절연테이프를 포함하는 비교예 1 대비 AC 저항값이 낮은 것을 확인할 수 있었다.
비교예 1 및 2는 절연테이프의 두께, 특히 원단층의 두께에 차이가 있는 것으로, 비교예 2는 비교예 1보다 원단 두께가 1/2배이고 점착력이 작지만 AC 저항이 개선된 것을 확인할 수 있었다. 이로써 원단 두께 대비 점착층의 두께가 두꺼운 절연테이프를 사용하는 것이 AC 저항이 개선되는 것을 알 수 있다.
또한, 비교예 2 및 3은 각각 실시예 1 및 2의 절연테이프와 원단 및 점착층의 두께가 같더라도, 노칭 패턴을 갖지 않는 절연테이프를 포함하여 실시예 1 및 2보다 AC 저항값이 높은 것을 확인할 수 있었다.
이는 절연테이프의 노칭 패턴에 의하여 상기 전극 조립체의 단부에서 절연테이프가 서로 중첩되는 영역을 최소화하고, 전극 조립체의 단부에서 들뜸 현상을 방지하여 전극 탭부와 전극 단자부의 전기적 연결에 불량을 방지할 수 있으며, 상기 절연테이프의 두께, 특히 점착층의 두께가 두꺼울수록 상기 전극 조립체의 단부에서 접착에 유리함을 확인할 수 있었다.
1: 이차 전지
2: 팩 하우징
3: 배터리 팩
5: 자동차
10: 전극 조립체
10': 젤리롤
C: 권심부
Cd: 권심부 직경
11: 제1 전극
11a: 무지부
11b: 유지부
12: 제2 전극
12a: 무지부
12b: 유지부
13: 분리막
20: 전지 캔
21: 비딩부
22: 크림핑부
30: 밀봉체
40: 전극 단자
45: 관통 홀
50: 제1 집전판
60: 절연부재
70: 가스켓
80: 제2 집전판
90: 실링 가스켓
100: 절연테이프
100': 절연테이프 들뜸 부위
110: 절연테이프에서 전극 조립체의 측면을 덮는 부분
120: 절연테이프에서 전극 조립체의 단부를 덮는 부분
120d: 절연테이프에서 전극 조립체의 단부를 덮는 부분의 길이
130: 노칭 패턴의 형상
140: 플래그 형상
D: 전극 조립체의 권취축에 수직인 단부의 직경

Claims (22)

  1. 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 구조를 갖는 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체의 측면 중 적어도 일부와 상기 전극 조립체의 단부의 적어도 일부를 덮도록 구비된 절연테이프를 포함하고,
    상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부의 적어도 일부를 덮는 영역에 구비된 적어도 하나의 노칭 패턴을 갖는 것인 젤리롤.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부를 덮는 전체 면적 중 상기 절연테이프끼리 서로 중첩되는 면적이 10% 이하인 것인 젤리롤.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부를 덮는 영역에서 상기 절연테이프끼리 서로 중첩되지 않는 것인 젤리롤.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 절연테이프는 2 이상의 노칭 패턴을 갖고, 인접한 2개의 노칭 패턴 사이에 구비된 플래그 형상은 사다리꼴, 사각형, 평행사변형, 삼각형 및 반원형 중 적어도 하나인 것인 젤리롤.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 절연테이프의 노칭 패턴의 형상은 사다리꼴, 사각형, 평행사변형, 삼각형 및 반원형 중 적어도 하나인 것인 젤리롤.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 집전체 및 상기 접전체 상에 구비된 전극 활물질층을 포함하고, 상기 집전체는 상기 전극 활물질층이 구비되지 않은 무지부를 포함하며,
    상기 전극 조립체의 측면에 상기 무지부의 적어도 일부가 노출되고,
    상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 측면의 무지부를 덮도록 구비된 것인 젤리롤.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부에 노출된 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 5% 내지 60%를 덮도록 구비된 것인 젤리롤.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 전극 조립체의 단부에 상기 무지부의 적어도 일부가 노출되고,
    상기 절연테이프는 상기 전극 조립체의 단부의 무지부의 5% 내지 60%를 덮도록 구비된 것인 젤리롤.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 절연테이프의 두께는 10 ㎛ 내지 100 ㎛인 것인 젤리롤.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 절연테이프는 원단 및 점착층을 포함하고,
    상기 원단의 두께는 3 ㎛ 내지 25 ㎛ 이고, 상기 점착층의 두께는 2 ㎛ 내지 20 ㎛인 것인 젤리롤.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 절연테이프는 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene Terephthalate) 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene Terephthalate)로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함하는 것인 젤리롤.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 조립체의 단부 측에 구비된 집전판을 더 포함하고,
    상기 집전판은 상기 절연테이프가 상기 전극 조립체의 단부를 덮는 영역에서 상기 절연테이프와 상기 전극 조립체 사이에 위치하거나, 상기 전극 조립체가 상기 절연테이프에 대향하는 면의 반대면인 타단부 측에 위치하는 것인 젤리롤.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 조립체의 단부측에 상기 전극 조립체의 단부 또는 상기 전극 조립체의 단부의 적어도 일부와 상기 전극 조립체의 측면의 적어도 일부를 덮도록 구비된 절연부재를 더 포함하는 것인 젤리롤.
  14. 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 적층되어 권취된 구조를 갖는 전극 조립체의 측면 중 적어도 일부 및 전극 조립체의 단부의 적어도 일부를 덮도록 부착하기 위한 절연테이프로서, 적어도 하나의 가장자리부에 적어도 하나의 노칭 패턴을 갖는 것인 절연테이프.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 절연테이프는 2 이상의 노칭 패턴을 갖고, 인접한 2개의 노칭 패턴 사이에 구비된 플래그 형상은 사다리꼴, 사각형, 평행사변형, 삼각형 및 반원형 중 적어도 하나인 것인 절연테이프.
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 절연테이프의 노칭 패턴의 형상은 사다리꼴, 사각형, 평행사변형, 삼각형 및 반원형 중 적어도 하나인 것인 절연테이프.
  17. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 따른 젤리롤;
    상기 젤리롤을 수납하는 일측에 개방부를 갖는 전지 캔;
    상기 전지 캔의 바닥에 형성된 관통 홀을 통해 리벳팅된 전극 단자;
    상기 전극 단자와 상기 관통 홀의 외경 사이에 구비된 가스켓; 및
    상기 전지 캔의 개방부를 밀봉하는 밀봉체를 포함하는 것인 이차 전지.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 이차 전지는 원통형인 것인 이차 전지.
  19. 청구항 17에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 전극 단자와 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극은 상기 전지 캔과 전기적으로 연결되며, 상기 밀봉체는 상기 전지 캔으로부터 절연 가능한 것인 이차 전지.
  20. 청구항 17에 따른 이차 전지를 포함하는 전지 모듈.
  21. 청구항 17에 따른 이차 전지를 포함하는 배터리 팩.
  22. 청구항 21에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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