KR20230074007A - 이차 전지, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시상태는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 순차적으로 적층되어 권취된 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체 및 전해질을 수용하는 전지 캔을 포함하는 이차 전지로서, 상기 전지 캔은 일측에 바닥부, 상기 바닥부에 대향하는 타측에 개방부, 및 원통을 이루는 측벽을 갖고, 상기 전극 조립체는 상기 제1 전극 탭이 인출된 제1 단부 및 상기 제2 전극 탭이 인출된 제2 단부를 갖고, 상기 제1 단부와 상기 전지 캔은 전기적으로 연결되고, 상기 전지 캔의 측벽은 상기 제2 단부에 대응하는 내면에 구비되는 절연 코팅층을 포함하며, 상기 제2 전극 탭과 전기적으로 연결되는 제2 집전판을 포함하고, 상기 제2 집전판과 상기 전지 캔의 바닥부 사이에 구비되는 절연 부재를 포함하는 것인 이차 전지를 제공하며, 전지 캔에 수용되는 전극 조립체가 확보할 수 있는 공간을 증가시키는 효과를 제공한다.

Description

이차 전지, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{SECONDARY BATTERY, BATTERY PACK COMPRISING SAME AND VEHICLE}
본 발명은 이차 전지, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2021년 11월 19일 한국 특허청에 제출된 한국특허출원 제10-2021-0160776호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용은 전부 본 명세서에 포함된다.
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 충, 방전 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 충, 방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 이차 전지 셀의 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 전해질과 함께 전지 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다.
이때, 원통형 이차 전지의 양극 단자로서, 기존의 전지 캔의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡 대신 전지 캔의 바닥 면을 관통하는 리벳 타입의 양극 단자로 적용하는 구조로 대체하고 있으며, 이에 따라 양극 단자와 전기적으로 연결된 부재(예: 양극 집전판 및 양극의 탭이 인출된 단부)와 반대 극성을 띄는 음극과 절연 가능하도록 인슐레이터를 적용하고 있다.
하지만, 인슐레이터가 양극 집전판 및 양극의 탭이 인출된 단부를 모두 감싸며 두꺼운 형태를 가지므로, 공간의 불필요한 손실이 발생한다.
따라서, 인슐레이터가 전지 캔 내부에 차지하는 비중이 크며, 동일 전지 캔 내 수용될 수 있는 전극 조립체가 작아지고, 이에 따라 이차 전지의 용량이 감소되는 문제가 있다.
본 발명은 절연성을 효율적으로 확보하면서, 전극 조립체의 직경 감소로 인한 용량 감소 문제를 개선하기 위해, 이차 전지를 제공하며, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하고자 한다.
본 발명은 공정 효율의 향상을 위해, 조립 과정이 단순화된 이차 전지를 제공하고자 한다.
본 발명자들은, 이차 전지에 포함되는 인슐레이터의 형태를 변경함으로써, 상기 문제를 해소할 수 있음을 발견하였다. 구체적으로, 본 발명자들은 전지 캔의 내부에서 반대 극성의 집전판이 맞닿는 부분과 전지 캔의 내부에서 반대 극성의 전극 탭과 맞닿는 부분에 서로 다른 절연 부재를 구비함으로써, 전극 조립체가 확보할 수 있는 공간을 추가적으로 마련할 수 있음을 발견하였다.
본 발명은 상기 기술적 특징을 포함하는 이차 전지, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 순차적으로 적층되어 권취된 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체 및 전해질을 수용하는 전지 캔을 포함하는 이차 전지로서, 상기 전지 캔은 일측에 바닥부, 상기 바닥부에 대향하는 타측에 개방부, 및 원통을 이루는 측벽을 갖고, 상기 전극 조립체는 상기 제1 전극 탭이 인출된 제1 단부 및 상기 제2 전극 탭이 인출된 제2 단부를 갖고, 상기 제1 단부와 상기 전지 캔은 전기적으로 연결되고, 상기 전지 캔의 측벽은 상기 제2 단부에 대응하는 내면에 구비되는 절연 코팅층을 포함하며, 상기 제2 전극 탭과 전기적으로 연결되는 제2 집전판을 포함하고, 상기 제2 집전판과 상기 전지 캔의 바닥부 사이에 구비되는 절연 부재를 포함하는 것인 이차 전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시상태는 상기 이차 전지를 하나 이상 포함하는 것인 배터리 팩을 제공한다.
마지막으로, 본 발명에 따른 일 실시상태는 상기 배터리 팩을 하나 이상 포함하는 것인 자동차를 제공한다.
본 발명의 실시상태에 따르면, 전지 캔과 반대 극성의 집전판과 전지 캔과 반대 극성의 전극 단부를 절연 부재(예: 인슐레이터)로 한번에 감싸서 절연하는 공정 및 상기 반대 극성의 전극 단부를 추가 절연 부재(예: 절연 테이프)로 1회 이상 감싸서 추가 절연하는 공정이 생략되므로, 절연에 대한 공정이 단순화되면서도 목적으로 하는 절연 효과를 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시상태에 따르면, 전지 캔과 반대 극성의 집전판과 전지 캔과 반대 극성의 전극 단부를 모두 하나의 두꺼운 절연 부재(예: 인슐레이터)로 감싸서 절연 시, 상대적으로 전극 조립체가 차지할 수 있는 공간이 감소하는 문제를 방지하므로, 동일 규격의 전지 캔에 수용될 수 있는 전극 조립체의 직경이 커질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시상태에 따르면, 절연 부재가 고내열성 재료를 포함하여 전지의 내부 온도 상승으로 인한 고온에 이를 때, 우수한 방열 효과를 발휘할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시상태에 따른 이차 전지는, 절연성을 용이한 수준으로 유지하면서, 전지 용량을 상승시킬 수 있고, 내부의 온도 상승으로 인한 방열 효과를 기대할 수 있으며, 고 에너지 밀도 구현과 비용 절감이 가능하다.
도 1은 종래의 이차 전지를 도시한 것이다.
도 2 및 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 이차 전지를 포함하는 배터리 팩의 개략적 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 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.
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, 본 발명의 일 실시상태에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 순차적으로 적층되어 권취된 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체 및 전해질을 수용하는 전지 캔을 포함하는 이차 전지로서, 상기 전지 캔은 일측에 바닥부, 상기 바닥부에 대향하는 타측에 개방부, 및 원통을 이루는 측벽을 갖고, 상기 전극 조립체는 상기 제1 전극 탭이 인출된 제1 단부 및 상기 제2 전극 탭이 인출된 제2 단부를 갖고, 상기 제1 단부와 상기 전지 캔은 전기적으로 연결되고, 상기 전지 캔의 측벽은 상기 제2 단부에 대응하는 내면에 구비되는 절연 코팅층을 포함하며, 상기 제2 전극 탭과 전기적으로 연결되는 제2 집전판을 포함하고, 상기 제2 집전판과 상기 전지 캔의 바닥부 사이에 구비되는 절연 부재를 포함하는 것인 이차 전지를 제공한다.
본 명세서에서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 서로 반대 극성의 전극으로서, 그 중 어느 하나가 양극이고, 다른 하나가 음극인 것을 의미한다. 본 명세서에서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 시트(Sheet) 형상을 가질 수 있으나, 당 업계에 공지된 전극이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
본 명세서에서, 상기 분리막은 서로 다른 극성의 제1 전극과 제2 전극 사이의 단락을 방지 및/또는 절연하도록 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재되는 절연체를 의미한다. 본 명세서에서, 상기 분리막은 시트 형상을 가질 수 있다. 본 명세서에서, 상기 분리막은 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 갖는 절연성의 얇은 박막일 수 있으나, 당 업계에 공지된 분리막이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
본 명세서에서, 상기 전해질은 리튬염 함유 비수계 전해질일 수 잇으며, 액상이 주로 사용되나, 당 업계에 공지된 전해질이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
본 명세서에서, 상기 전지 캔은, 철, 니켈 또는 이들의 합금을 포함할 수 있으며, 이들 재료로 도금된 상태일 수도 있으나, 당 업계에 공지된 전지 캔이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
본 명세서에서, 상기 전지 캔은 일측에 밀폐된 부분을 갖는 바닥부, 바닥부에 대향하는 타측에 개방된 부분을 갖는 개방부, 및 원통을 이루는 측벽을 갖는다. 상기 원통을 이루는 측벽은 상기 전극 조립체가 장착되는 부위에 대응하는 본체부와 그 외 부분에 비딩부 및 클림핑부가 형성될 수 있다.
본 명세서에서, 상기 절연 코팅층은 특정의 절연 성분을 포함하는 얇은 두께로 도포된 물질로, 서로 반대 극성의 전기적 접촉 또는 단락을 방지하기 위해, 극성을 띄는 부분에 도포되거나, 극성을 띄는 부분에 접촉되거나, 서로 반대 극성을 띄는 공간 사이에 접촉 또는 이격된 상태로 개재되는 방법 등으로 절연하는 판, 박막, 테이프 등일 수도 있다.
본 명세서에서, 전극 탭이 "인출된" 것은 분리막이 제1 및/또는 제2 전극 탭을 보호하고 있지 않는 상태를 의미한다. 이로써, 인출 또는 노출된 탭은 전지 캔의 내부에서 상기 탭과 서로 다른 극성을 갖는 전극과 접촉하여 단락이 발생할 수 있다. 본 발명의 절연 코팅층은, 예컨대, 제1 전극 탭이 인출된 제1 단부와 서로 다른 극성을 갖는 제2 전극 사이, 또는 제2 전극 탭이 인출된 제2 단부와 서로 다른 극성을 갖는 제1 전극 사이를 용이하게 절연할 수 있다.
본 명세서에서, 상기 전지 캔은 제1 전극(또는, 제1 단부)과 연결되어 전극 단자의 역할을 할 수 있다.
본 명세서에서, 상기 전지 캔은, 전극 조립체로서 젤리-롤 형태가 수용되는 원통형 이차 전지를 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 이차 전지는 폼 팩터의 비(원통형 배터리의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 0.4 보다 큰 원통형 이차 전지일 수 있다. 여기서, 폼 팩터란, 원통형 이차 전지의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 원통형 이차 전지는, 46110 셀, 48750 셀, 48110 셀, 48800 셀, 46800 셀일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 그 다음 숫자 2개는 셀의 높이를 나타내고, 마지막 숫자 0은 셀의 단면이 원형임을 나타낸다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 이차 전지는, 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 46mm이고, 그 높이는 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 이차 전지일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 이차 전지는, 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 48mm이고, 그 높이는 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 이차 전지일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 이차 전지는, 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 48mm이고, 그 높이는 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 이차 전지일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 이차 전지는, 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 48mm이고, 그 높이는 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 이차 전지일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 이차 전지는, 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 46mm이고, 그 높이는 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 이차 전지일 수 있다.
본 명세서에서, 전지 캔은 제1 단부와 전기적으로 연결되고, 상기 전지 캔은 상기 제2 단부에 대응하는 내면에 구비되는 절연 코팅층을 포함하므로, 전지 캔과 제2 단부가 서로 반대 극성을 갖는다. 이에 따라 서로 반대 극성을 갖는 전극 간에 불필요한 접촉 및/또는 단락을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전지 캔의 측벽은 상기 분리막에 대응하는 내면에 구비되는 절연 코팅층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전극은 집전체; 및 상기 집전체의 일면 또는 양면에 구비되는 전극 활물질층을 포함하며, 상기 제2 전극 탭은 상기 집전체 중 상기 전극 활물질층이 구비되지 않는 무지부일 수 있다.
본 발명의 다른 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극 탭 및/또는 제2 전극 탭은 무지부와 별도의 구성일 수 있으며, 상기 제1 전극 탭 및/또는 제2 전극 탭이 상기 무지부에 용접 등의 방법으로 연결될 수 있다.
본 명세서에서, 집전체는 용어 “집전체층”과 혼용될 수 있으며, 극성에 따라 다르나, 양극 집전체인 경우 알루미늄 등일 수 있고, 음극 집전체인 경우 구리 등일 수 있으나, 당 업계에 공지된 집전체라면 제한 없이 사용될 수 있다.
본 명세서에서, 전극 활물질층은 상기 집전체의 일면 또는 양면에 전극 활물질이 도포될 수 있다.
본 명세서에서, 전극 활물질의 종류는, 극성에 따라 다르며, 양극 활물질로 LiCoO2, LiMn2O5 등의 리튬 함유 금속 산화물이 주로 사용될 수 있으나, 당 업계에 공지된 활물질이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 음극 활물질로 탄소계 물질, 실리콘계 물질 등이 주로 사용될 수 있으나, 당 업계에 공지된 활물질이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
본 명세서에서, “전극 탭이 상기 집전체 중 상기 전극 활물질층이 구비되지 않는 무지부”라는 것은, 집전체 상의 무지부가 전극 탭의 역할을 한다는 의미이다. 다만, 무지부의 극성과 서로 다른 극성을 갖는 전극과 접촉하면 단락이 발생할 수 있다.
본 명세서에서, 상기 무지부(예: 제2 전극의 무지부)에 대응하는 전지 캔(예: 제1 전극)의 측벽에 절연 코팅층이 구비되어 있으므로, 단락을 방지할 수 있다.
본 명세서에서, 상기 제2 전극 탭은 무지부이며, 상기 무지부는 셀 저항 감소를 위해 스트라이프 패턴의 전극을 슬리팅하여 금속 포일을 포밍한 것을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 탭은 전극 조립체의 권취중심 방향 또는 외곽 방향으로 절곡될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전극 탭과 전기적으로 연결되는 제2 집전판을 더 포함하고, 상기 제2 집전판과 상기 전지 캔의 바닥부 사이에 구비되는 절연 부재를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 상기 제2 전극 탭(또는 무지부)가 제2 집전판과 용접하여 전기적으로 연결될 수 있다.
본 명세서에서, 상기 제2 집전판과 상기 전지 캔의 바닥부 사이에 절연 부재(예: 인슐레이터)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 절연 부재는 종래의 꺾이는 형태를 갖지 않고, 일자 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 절연 부재가 꺾여서 발생하는 공간의 낭비가 배제되어, 이에 따라 전극 조립체가 확보할 수 있는 공간이 증가될 수 있다.
상기 실시상태에 따른 이차 전지는, 종래의 절연 부재(추가로 절연 테이프)가 차지하는 공간 대비, 절연 부재와 절연 코팅층이 절연하는 위치를 각각 나누어 배정함으로써, 동일 규격의 전지 캔에 대해 수용될 수 있는 전극 조립체의 직경이 커질 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 단부는 상기 전지 캔의 바닥부에 인접하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전지 캔의 바닥부에 형성된 관통홀을 통해 리벳팅된 구조를 갖는 제2 전극 단자를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 상기 전극 단자의 상기 전지 캔의 외부로 노출되는 부분의 외경이, 상기 전지 캔의 관통홀의 외경보다 크게 되도록 전극 단자의 상면을 구부려서 전극 단자의 리벳팅 구조가 형성된다. 이때, 가스켓의 전지 캔의 외부로 노출되는 부분도 상기 압력으로 누르는 과정에 의해 전극 단자와 동일한 각도로 함께 구부러진다. 상기 관통홀의 외경은, 관통홀의 직경을 의미한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전지 캔과 상기 제2 전극 단자 사이에 개재되는 가스켓을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 절연 코팅층은 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화마그네슘(MgO), 질화붕소(BN), 탄화규소(SiC) 및 질화규소(Si3N4) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기와 같이, 절연 코팅층이 알루미나 등의 고내열성 재료를 포함하여 전지의 내부 온도 상승으로 인한 고온에 이를 때, 우수한 방열 효과를 발휘하여, 절연 코팅층의 우수한 절연성을 유지하여 전극 조립체의 제2 단부와 제1 단부와 연결된 전지 캔 사이를 효과적으로 절연시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 절연 코팅층의 두께는 200㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 절연 코팅층의 두께는 30㎛ 초과 200㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 절연 코팅층의 두께는 30㎛ 초과, 40㎛ 초과, 또는 50㎛ 초과일 수 있거나, 또는 200㎛ 이하, 190㎛ 이하, 또는 180㎛ 이하일 수 있다.
본 명세서에서, 상기와 같은 절연 코팅층의 두께 범위를 만족할 때, 전지 캔 내에 수용하는 전극 조립체의 직경을 크게 구성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 절연 부재의 두께는 500㎛ 초과 1,500㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 절연 부재의 부께는 500㎛ 초과, 600㎛ 초과, 또는 700㎛ 초과일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 절연 부재의 부께는 1500㎛ 이하, 1400㎛ 이하, 또는 1300㎛ 이하일 수 있다.
본 명세서에서, 상기와 같은 절연 부재의 두께 범위는 절연 코팅층보다 현저하게 두꺼우며, 이를 만족할 때 서로 다른 극성의 전지 캔과 집전판 사이를 효과적으로 절연할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 절연 코팅층의 두께는 권취 상태의 전극 조립체 직경 대비 0.45 % 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 절연 코팅층의 두께는 권취 상태의 전극 조립체 직경 대비 0.06 % 이상일 수 있다.
본 명세서에서, 권취 상태의 전극 조립체 직경 대비 절연 코팅층의 두께가 상기 범위를 만족할 때, 전지 캔 내에 수용하는 전극 조립체의 직경을 크게 구성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 단부는 상기 전지 캔의 개방부 측에 위치할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극 탭과 전기적으로 연결되는 제1 집전판을 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전지 캔의 개방부를 밀봉하는 밀봉체를 더 포함하고, 상기 밀봉체는 캡 플레이트 및 밀봉 가스켓을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 전지 캔의 개방부를 밀봉하는 캡 플레이트는 극성을 띄지 않으며, 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 절연성 및 탄성이 있는 밀봉 가스켓은 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리플루오로에틸렌 등으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서, 상기 제1 전극 탭(또는 무지부)가 제1 집전판과 용접하여 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 집전판은 알루미늄, 스틸, 니켈 등의 도전성 금속 재질로 이루질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서, 상기 전지 캔은, 밀봉체를 고정하기 위해, 전지 캔의 내측으로 연장 및 절곡되어 밀봉 가스켓과 캡 플레이트의 가장자리를 감싸서 고정하는 클림핑부를 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 개방 단부에 인접한 영역에 전지 캔의 내측으로 압입된 비딩부를 포함할 수 있다. 상기 비딩부는 상기 밀봉체가 상기 클림핑부에 의해 고정될 때, 밀봉체의 가장자리, 특히 밀봉 가스켓의 외주 표면을 지지한다.
본 명세서에서, 상기 제1 집전판은 제1 전극 탭(무지부)과 접촉하지 않는 가장자리의 적어도 일부가 비딩부와 밀봉 가스켓 사이에 개재되어 클림핑부에 의해 고정될 수 있다. 선택적으로, 제1 집전판의 가장자리의 적어도 일부는 클림핑부와 인접한 비딩부의 내주면에 용접을 통해 고정될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 음극이고, 상기 제2 전극은 양극일 수 있다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 이차 전지를 포함하는 전지 모듈 및/또는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시상태는, 전술한 실시상태에 따른 배터리 팩을 하나 이상 포함하는 자동차를 제공한다.
이하, 도면을 참고하여, 본 발명의 일 실시상태를 설명한다.
도 1은 종래 실시 상태로서, 약 1 mm(약 1000 μm)의 두께의 절연 부재(3)(예: 인슐레이터)가 전지 캔(1), 제2 전극 집전판(10) 및 제2 전극 단부(5)를 한번에 감싸고, 절연 테이프(4)와 같은 추가 절연 부재를 제2 전극 단부(5)의 주변부를 1회 이상 감싸는 방식으로 추가 절연하는 이차 전지(100)를 도시한 것이다. 상기와 같은 절연 방식은 전지의 조립 공정을 복잡하게 할 뿐만 아니라, 전지 캔 내에서 상기 절연 부재가 차지하는 부피가 크기 때문에, 전극 조립체가 차지할 수 있는 부피가 감소하여, 전지 용량이 감소한다는 문제가 있다.
도 2 및 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지를 도시한 것으로, 전지 캔(1)의 측벽은 제2 전극 단부(5)에 대응하는 내면에 구비되는 절연 코팅층(7)을 포함한다. 절연 코팅층(7)은, 도 2와 같이, 제2 전극 단부(5)에 대응하는 내면에만 구비될 수 있다. 또한, 절연 코팅층(7)은, 도 3과 같이, 제2 전극 단부(5)에 대응하는 내면을 포함하여 분리막에 대응하는 내면(또는, 전지 캔(1)의 내측벽 전체)에 추가로 구비될 수 있다.
상기 실시상태에 따른 이차 전지는 공정을 단순화하고, 전극 조립체의 직경을 증가시킬 수 있어 전지 용량이 증가될 수 있는 효과가 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(200)은 이차 전지 셀(201)이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(202)을 포함한다. 원통형 이차 전지 셀(201)은 상술한 실시예에 따른 이차 전지를 의미한다.
상기 도면에서는, 도면 도시의 편의상 이차 전지(201)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
상기 배터리 팩(200)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 5는 도 4의 배터리 팩(200)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 자동차(V)는, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 배터리 팩(200)을 포함한다. 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(200)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 상기 실시예는 본 기재를 예시하는 것일 뿐 본 기재의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
비교예 1
하기 표 1에 기재된 외경 및 두께를 갖는 전지 캔을 준비하였다. 상기 전지 캔의 바닥부에 꺾인 형태의 인슐레이터를 구비하고, 집전판의 두께는 생략하되, 인슐레이터의 안쪽에 양극 단부가 절연 테이프로 1회 감싸는 것을 가정하여, 절연 테이프를 구비하였다. 이에 따라, 전지 캔이 수용할 수 있는 전극 조립체(젤리-롤)의 직경은 표 1에 기재된 바와 같았다. 참고로, 상기 전극 조립체의 직경은 전지 캔의 측변만 고려한 것이다.
실시예 1
비교예 1과 동일 조건의 전지 캔을 준비하였다. 상기 전지 캔의 바닥부에 일자 형태의 인슐레이터를 구비하고, 집전판의 두께는 생략하였다. 상기 전지 캔의 측벽에 알루미나를 포함하는 절연 코팅층을 구비하였고, 이의 두께는 표 1에 기재된 바와 같다. 이에 따라, 전지 캔이 수용할 수 있는 전극 조립체(젤리-롤)의 직경은 표 1에 기재된 바와 같았다.
구분 비교예 1 실시예 1
전지 캔의 외경 (mm) 46.0 46.0
전지 캔의 두께 (mm) 0.5 0.5
인슐레이터 두께 (mm) 1.0 -
절연 테이프 두께 (mm) 0.03 -
절연 코팅층 두께 (mm) - 0.1 (100 μm)
전지 캔이 수용 가능한 전극 조립체의 권취 상태의 직경 (mm) 42.94 44.8
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 전지 캔이 수용 가능한 전극 조립체의 권취 상태의 직경은 비교예 1보다 컸다.
비교예 1이 절연 테이프를 1회만 감아주는 것으로 설정하였으므로, 절연 테이프를 2회 이상 감아주는 경우, 비교예 1의 전극 조립체의 권취 상태의 직경보다 더 작아질 것을 충분히 예상할 수 있다.
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.
1: 전지 캔
2: 전극 조립체
3: 절연 부재
4: 추가 절연 부재(절연 테이프)
5: 제2 전극 단부
6: 제1 집전판
7: 절연 코팅층
8: 제2 전극 단자
9: 가스켓
10: 제2 집전판
11: 전극 조립체의 코어부
100: 이차 전지
200: 배터리 팩
201: 이차 전지 셀
V: 자동차

Claims (18)

  1. 제1 전극, 분리막 및 제2 전극이 순차적으로 적층되어 권취된 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체 및 전해질을 수용하는 전지 캔을 포함하는 이차 전지로서,
    상기 전지 캔은 일측에 바닥부, 상기 바닥부에 대향하는 타측에 개방부, 및 원통을 이루는 측벽을 갖고,
    상기 전극 조립체는 상기 제1 전극의 탭이 인출된 제1 단부 및 상기 제2 전극 탭이 인출된 제2 단부를 갖고,
    상기 제1 단부와 상기 전지 캔은 전기적으로 연결되고,
    상기 전지 캔의 측벽은 상기 제2 단부에 대응하는 내면에 구비되는 절연 코팅층을 포함하며,
    상기 제2 전극 탭과 전기적으로 연결되는 제2 집전판을 포함하고,
    상기 제2 집전판과 상기 전지 캔의 바닥부 사이에 구비되는 절연 부재를 포함하는 것인 이차 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지 캔의 측벽은 상기 분리막에 대응하는 내면에 구비되는 절연 코팅층을 더 포함하는 것인 이차 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 전극은 집전체; 및 상기 집전체의 일면 또는 양면에 구비되는 전극 활물질층을 포함하며,
    상기 제2 전극 탭은 상기 집전체 중 상기 전극 활물질층이 구비되지 않는 무지부인 것인 이차 전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 단부는 상기 전지 캔의 바닥부에 인접하여 배치되는 것인 이차 전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지 캔의 바닥부에 형성된 관통홀을 통해 리벳팅된 구조를 갖는 제2 전극 단자를 더 포함하는 이차 전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전지 캔과 상기 제2 전극 단자 사이에 개재되는 가스켓을 포함하는 이차 전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연 코팅층은 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화마그네슘(MgO), 질화붕소(BN), 탄화규소(SiC) 및 질화규소(Si3N4) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 이차 전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연 코팅층의 두께는 200㎛ 이하인 것인 이차 전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연 코팅층의 두께는 30㎛ 초과 200㎛ 이하인 것인 이차 전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연 부재의 두께는 500㎛ 초과 1,500㎛ 이하인 이차 전지.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연 코팅층의 두께는 권취 상태의 전극 조립체 직경 대비 0.45 % 이하인 것인 이차 전지.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 전극 탭은 상기 전극 조립체의 권취 중심 방향 또는 외곽 방향으로 절곡되는 것인 이차 전지.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지 캔의 개방부를 밀봉하는 캡 플레이트를 더 포함하는 이차 전지.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극 탭과 전기적으로 연결되는 제1 집전판을 더 포함하는 이차 전지.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지 캔의 개방부를 밀봉하는 밀봉체를 더 포함하고,
    상기 밀봉체는 캡 플레이트 및 밀봉 가스켓을 포함하는 것인 이차 전지.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극은 음극이고, 상기 제2 전극은 양극인 것인 이차 전지.
  17. 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항에 따른 이차 전지를 하나 이상 포함하는 것인 배터리 팩.
  18. 청구항 17에 따른 배터리 팩을 하나 이상 포함하는 것인 자동차.
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