KR20230076735A - 전극 단자의 고정 구조 및 이를 포함하는 배터리, 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

전극 단자의 고정 구조 및 이를 포함하는 배터리, 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 단자의 고정 구조, 이를 포함하는 배터리, 배터리 팩 및 자동차를 개시한다. 전극 단자의 고정 구조는, 일측에 개방단부가 구비되고 타측에 관통홀이 형성된 바닥부가 구비된 전지 하우징; 상기 바닥부에 고정된 전극 단자; 및 상기 전극 단자와 바닥부 사이에 개재된 단자 가스켓을 포함한다. 상기 전극 단자는: 상기 관통 홀의 단면보다 작은 단면을 구비하고 상기 관통 홀에 삽입된 네크부; 상기 네크부의 일측 단부에 연결되고, 상기 관통 홀의 단면보다 큰 단면을 가지며 상기 바닥부의 일측 표면을 따라 연장된 헤드부; 상기 네크부의 타측 단부에 연결되고, 상기 바닥부의 타측 표면으로부터 상기 전지 하우징의 축방향을 따라 연장된 돌출부; 상기 돌출부로부터 원심방향으로 연장된 확경부; 및 상기 돌출부의 축방향 단부에 마련된 선단면;을 구비하고, 상기 확경부는, 상기 돌출부의 외주면에 물리적으로 결합되는 체결부재인 것을 특징으로 한다.

Description

전극 단자의 고정 구조 및 이를 포함하는 배터리, 배터리 팩 및 자동차{Fixing structure of Electrode terminal, and battery, battery pack and vehicle including the same}
본 발명은, 전극 단자의 고정 구조 및 이를 포함하는 배터리, 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이하에서, 전기 자동차는 EV, HEV, PHEV 등을 포함하는 개념으로 사용될 것이다.
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 이차 전지의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리를 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리를 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 배터리 팩에 포함되는 배터리의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 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 전해질과 함께 전지 하우징 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 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 단자는 전지 하우징의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡이고, 음극 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.
1865나 2170의 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 절곡면에 집전체가 용접되는 공정을 나타낸다. 도 4는 탭-리스 원통형 배터리를 길이 방향(Y)으로 자른 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 양극(10)과 음극(11)은 쉬트 모양의 집전체(20)에 활물질(21)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향(X)을 따라 한쪽 장변 측에 무지부(22)를 포함한다.
전극 조립체(A)는 양극(10)과 음극(11)을 도 2에 도시된 것처럼 2장의 분리막(12)과 함께 순차적으로 적층시킨 후 일방향(X)으로 권취시켜 제작한다. 이때, 양극(10)과 음극(11)의 무지부는 서로 반대 방향으로 배치된다.
권취 공정 이후, 양극(10)의 무지부(10a)와 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(도 3의 화살표 참조)을 따라 큰 단면적으로 형성되므로 배터리의 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반비례하기 때문이다.
하지만, 원통형 배터리의 폼 팩터가 증가하고 급속 충전 시 충전 전류의 크기가 커지면 탭-리스 원통형 배터리에서도 발열 문제가 또 다시 발생한다.
구체적으로, 종래의 탭-리스 원통형 배터리(40)은 도 4에 도시된 바와 같이 전지 하우징(41)과 밀봉체(42)를 포함한다. 밀봉체(42)는 캡(42a), 밀봉 가스켓(42b) 및 연결 플레이트(42c)를 포함한다. 밀봉 가스켓(42b)은 캡(42a)의 가장자리를 감싸며 클림핑부(43)에 의해 고정된다. 또한, 전극 조립체(A)는 상하 유동을 방지하기 위해 비딩부(44)에 의해 전지 하우징(41) 내에 고정된다.
통상적으로 양극 단자는 밀봉체(42)의 캡(42a)이고 음극 단자는 전지 하우징(41)이다. 따라서, 양극(10)의 무지부(10a)에 결합된 집전체(30)는 스트립 형태의 리드(45)를 통해 캡(42a)에 부착된 연결 플레이트(42c)에 전기적으로 연결된다. 또한, 음극(11)의 무지부(11a)에 결합된 집전체(31)는 전지 하우징(41)의 바닥에 전기적으로 연결된다.
인슐레이터(46)는 집전체(30)를 커버하여 극성이 다른 전지 하우징(41)과 양극(10)의 무지부(10a)가 서로 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지한다.
집전체(30)가 연결 플레이트(42c)에 연결될 때에는 스트립 형태의 리드(45)가 사용된다. 리드(45)는 집전체(30)에 별도로 부착하거나, 집전체(30)와 일체로 제작된다. 그런데, 리드(45)는 두께가 얇은 스트립 형태이므로 단면적이 작아서 급속충전 전류가 흐를 경우 열이 많이 발생한다. 또한, 리드(45)에서 발생한 과도한 열은 전극 조립체(A) 측으로 전달되어 분리막(12)을 수축시킴으로써 열 폭주의 주요 원인인 내부 단락을 일으킬 수 있다.
즉, 종래의 원통형 배터리 구조에 따르면, 전지 하우징(41)의 바닥과 마주하는 집전체(31) 부분은 전지 하우징(41)의 바닥과 직접 접하고 있어서 전류의 이동 방향으로 이미 충분히 큰 단면적이 확보되어 과열 등의 문제가 없다. 반면 전지 하우징(41)의 개방구에 클림핑되는 밀봉체(42)와 연결되는 집전체(30)는 스트립 형태의 리드(45)를 통해 밀봉체(42)와 연결되므로, 앞서 설명한 과열 문제의 원인이 될 수밖에 없다.
또한 제조 공정 상 리드(45)는 전지 하우징(41) 내에서 상당한 설치 공간을 차지한다. 따라서, 리드(45)가 포함된 원통형 배터리(40)은 공간 효율성이 낮아서 에너지 밀도를 증가시키는데 한계가 있다.
뿐만 아니라, 종래의 탭-리스 원통형 배터리(40)을 직렬 및/또는 병렬로 연결하기 위해서는 밀봉체(42)의 캡(42a)와 전지 하우징(41)의 바닥 면에 버스 바 부품을 연결해야 하므로 공간 효율성이 떨어진다. 전기 자동차에 탑재되는 배터리 팩은 수 백 개의 원통형 배터리(40)을 포함한다. 따라서, 전기적 배선의 비효율성은 전기 자동차의 조립 과정, 그리고 배터리 팩의 유지 보수 시에도 상당한 번거로움을 초래한다.
또한, 밀봉체(42)의 가장자리 쪽에 마련된 클림핑부(43)는 음의 극성을 띄는 부위로서 원통형 배터리(40)의 상부에 노출되어 있다. 도 4에는, 클림핑부(43)의 상부가 크게 나타나 있지만, 실제로는 상부로 노출되는 클림핑부(43)의 면적은 밀봉체(42)의 면적에 비해 매우 작다. 따라서, 안정적인 버스 바 부품 연결을 위해서는, 전지 하우징(41)의 개방구에 클림핑된 밀봉체(42)와 전지 하우징(41)의 바닥이 이용될 수밖에 없다.
JP1996-102313A JP2004-014173A
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 원통형 배터리의 전극 단자 구조를 개선하여 전지 하우징 내의 공간 효율성을 증가시킴으로써 원통형 배터리의 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시키는데 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 원통형 배터리의 전극 단자 구조를 개선하여 전류 패스의 단면적을 확대함으로써 급속 충전 시 생기는 내부 발열 문제를 개선하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 원통형 배터리의 직렬 및/또는 병렬 연결을 위한 전기적 배선 작업을 원통형 배터리의 한 쪽에서 수행할 수 있는 개선된 구조의 원통형 배터리를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 개선된 구조를 가진 원통형 배터리를 이용하여 제작된 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공하는데 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전극 단자의 고정 구조는, 일측에 개방단부가 구비되고 타측에 관통홀이 형성된 바닥부가 구비된 전지 하우징; 상기 바닥부에 고정된 전극 단자; 및 상기 전극 단자와 바닥부 사이에 개재된 단자 가스켓;을 포함할 수 있다.
상기 전극 단자는: 상기 관통 홀의 단면보다 작은 단면을 구비하고 상기 관통 홀에 삽입된 네크부; 상기 네크부의 일측 단부에 연결되고, 상기 관통 홀의 단면보다 큰 단면을 가지며 상기 바닥부의 일측 표면을 따라 연장된 헤드부; 상기 네크부의 타측 단부에 연결되고, 상기 바닥부의 타측 표면으로부터 상기 전지 하우징의 축방향을 따라 연장된 돌출부; 상기 돌출부로부터 원심방향으로 연장된 확경부; 및 상기 돌출부의 축방향 단부에 마련된 선단면;을 구비하고, 상기 확경부는, 상기 돌출부의 외주면에 물리적으로 결합된 체결부재일 수 있다.
상기 돌출부의 외주면에는 둘레방향을 따라 형성되고 구심 방향으로 함몰된 체결홈이 마련되고, 상기 체결부재는 상기 체결홈에 끼워져 고정될 수 있다.
상기 체결홈은 수나사산 형상이고, 상기 체결부재는 상기 수나사산과 체결되는 암나사산이 형성된 너트일 수 있다.
상기 체결홈은 O형 홈이고, 상기 체결부재는 상기 O형 홈에 끼워지는 C형 링일 수 있다.
상기 체결부재가 상기 바닥부를 바라보는 표면은, 반경방향 외측으로 갈수록 상기 바닥부로부터 점점 멀어지는 측벽면을 포함할 수 있다.
상기 체결부재가 상기 체결홈에 결합된 상태에 있을 때, 상기 측벽면은 상기 전지 하우징의 바닥부를 향해 상기 단자 가스켓을 압착시킬 수 있다.
상기 전극 단자의 고정 구조는, 상기 단자 가스켓과 상기 전지 하우징 바닥부 사이의 계면에 형성된 제1실링 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1실링 코팅층은, 실리콘 수지, 실리콘 아크릴레이트 또는 폴리아미드이미드를 포함할 수 있다.
상기 전극 단자의 고정 구조는, 상기 체결부재와 상기 단자 가스켓 사이의 외부 노출 계면을 덮는 제2실링 코팅층을 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 상기 제2실링 코팅층은 상기 단자 가스켓과 상기 바닥부 사이의 외부 노출 계면을 덮을 수 있다.
상기 제2실링 코팅층은, 실리콘 수지, 실리콘 아크릴레이트 또는 폴리아미드이미드를 포함할 수 있다.
상기 선단면은 상기 전지 하우징의 바닥면을 기준으로 상기 확경부보다 상기 전지 하우징의 축방향으로 더 돌출될 수 있다.
상기 선단면은 표면이 평평한 평탄부를 포함할 수 있다.
상기 체결부재는, 상기 돌출부로부터 원심 방향으로 연장됨에 따라 상기 전지 하우징의 바닥부로부터 점점 멀어지는 제1구간을 구비할 수 있다.
상기 제1구간에서 상기 체결부재가 상기 바닥부를 바라보는 면이 상기 바닥부와 이루는 각도는 0도 초과 60도 이하일 수 있다.
상기 확경부는 상기 전지 하우징의 중심축과 수직 방향으로 자른 단면의 직경이 상기 관통 홀의 직경보다 클 수 있다.
상기 확경부는 상기 전지 하우징의 중심축과 수직 방향으로 자른 단면의 직경이 상기 전지 하우징의 바닥부로부터 멀어질수록 점진적으로 증가할 수 있다.
상기 헤드부와 상기 전지 하우징의 바닥부 사이에 개재된 단자 가스켓의 부분이 압착된 상태를 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리는, 상술한 특징들 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 전극 단자의 고정 구조를 포함할 수 있다.
상기 배터리는, 제1전극과 제2전극이 분리막이 개재된 상태로 권취되고, 양측 단부로부터 연장되어 상기 분리막의 밖으로 노출된 상기 제1전극의 무지부와 상기 제2전극의 무지부를 포함하는 전극 조립체; 및 일측에 개방단부를 구비하고 상기 개방단부를 통해 상기 전극 조립체를 수납하며 상기 제1전극과 전기적으로 연결된 전지 하우징; 상기 전지 하우징의 바닥부에 형성된 관통 홀의 내벽과 접촉하지 않도록 상기 관통 홀을 통과하여 설치되며, 상기 제2전극과 전기적으로 연결된 전극 단자로서, 상기 관통 홀의 단면보다 작은 단면을 구비하고 상기 관통 홀에 삽입된 네크부; 상기 네크부의 일측 단부에 연결되고, 상기 관통 홀의 단면보다 큰 단면을 가지며 상기 바닥부의 일측 표면을 따라 연장된 헤드부; 상기 네크부의 타측 단부에 연결되고, 상기 바닥부의 타측 표면으로부터 상기 전지 하우징의 축방향을 따라 연장된 돌출부; 상기 돌출부로부터 원심방향으로 연장된 확경부; 및 상기 돌출부의 축방향 단부에 마련된 선단면;을 구비하고, 상기 확경부는, 상기 돌출부의 외주면에 물리적으로 결합되는 체결부재인, 전극 단자; 상기 전극 단자와 상기 관통 홀 사이에 개재된 단자 가스켓; 및 상기 전지 하우징으로부터 절연 가능하도록 상기 전지 하우징의 개방단부를 밀봉하는 밀봉체를 포함할 수 있다.
상기 전지 하우징은 상기 개방단부에 인접한 영역에 상기 전지 하우징의 내측으로 압입된 비딩부를 포함하고, 상기 밀봉체는, 극성이 없는 캡 및 상기 캡의 가장자리와 상기 전지 하우징의 개방단부 사이에 개재된 밀봉 가스켓을 포함할 수 있다.
상기 전지 하우징은, 상기 전지 하우징의 내측으로 연장 및 절곡되어 있고 상기 밀봉 가스켓과 함께 상기 캡의 가장자리를 감싸서 고정하는 클림핑부를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리는, 상기 제1전극의 무지부와 결합되는 제1집전체를 더 포함하고, 상기 제1집전체는 상기 제1전극의 무지부와 접촉하지 않는 가장자리의 적어도 일부가 상기 비딩부와 상기 밀봉 가스켓 사이에 개재되어 상기 클림핑부에 의해 고정될 수 있다.
상기 제1집전체의 가장자리의 적어도 일부는 상기 클림핑부와 인접한 상기 비딩부의 내주면에 용접을 통해 고정될 수 있다.
상기 배터리는, 상기 제2전극의 무지부와 결합되는 제2집전체를 더 포함하고, 상기 제2집전체의 적어도 일부는 상기 전극 단자의 선단면에 용접될 수 있다.
상기 배터리는, 상기 제2집전체와 상기 전지 하우징의 바닥부 내주면 사이, 그리고 상기 전지 하우징의 측벽의 내주면과 상기 전극 조립체 사이에 개재된 인슐레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리는 원통형이고, 상기 배터리의 직경을 높이로 나눈 폼 팩터의 비가 0.4 보다 클 수 있다.
상기 배터리의 상기 배터리의 전극 단자와 전지 하우징 바닥부의 외부면을 통해 측정한 AC 저항은 4밀리오옴(miliohm) 이하일 수 있다.
본 발명의 기술적 과제는 상술한 배터리를 복수개 포함하는 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 리드를 생략할 수 있도록 원통형 배터리의 전극 단자 구조를 개선하여 전지 하우징 내의 공간 효율성을 증가시킴으로써 원통형 배터리의 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 단자와 집전체가 직접 접속할 수 있도록 원통형 배터리의 전극 단자 구조를 개선하여 전류 패스의 단면적을 확대함으로써 급속 충전 시 생기는 내부 발열 문제를 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 원통형 배터리의 일측인 바닥부에 두 전극을 모두 배치함으로써, 원통형 배터리의 직렬 및/또는 병렬 연결을 위한 전기적 배선 작업을 원통형 배터리의 한 쪽에서 수행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 개선된 구조를 가진 원통형 배터리를 이용하여 제작된 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래의 탭-리스 원통형 배터리에 사용되는 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 2는 종래의 탭-리스 원통형 배터리에 포함되는 전극 조립체의 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 전극 조립체에서 무지부의 절곡면에 집전체가 용접되는 공정을 나타낸 도면이다.
도 4는 종래의 탭-리스 원통형 배터리를 길이 방향(Y)으로 자른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 전극 단자의 고정 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5에서 전극 단자 부분만을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 7은 도 5에서 점선 원으로 표시된 부분의 확대 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y-Z 평면으로 자른 단면도이다.
도 9는 제1실시예의 전극 단자의 변형예를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 10과 도 11은 제2실시예의 전극 단자를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 12 및 도 13은 제2실시예의 전극 단자를 포함하는 전극 단자의 고정 구조에 실링 코팅층이 적용된 경우의 단면을 나타낸 도면이다.
도 14는 제2실시예의 전극 단자의 변형예를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 15 및 도 16은 제2실시예의 변형예에 따른 전극 단자를 포함하는 전극 단자의 고정 구조에 실링 코팅층이 적용된 경우의 단면을 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극 구조를 예시적으로 나타낸 평면도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 전극의 무지부 분절구조를 제1전극 및 제2전극에 적용한 전극 조립체를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따라 무지부가 절곡된 전극 조립체를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리들을 포함하는 배터리 팩의 개략적 구성을 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
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.
이하에서 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.
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.
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 방사방향(Z)이라 지칭한다. 이들 중 특히 권취축에 가까워지는 방향을 구심방향, 권취축으로부터 멀어지는 방향을 원심방향이라 지칭한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 설명한다.
본 발명에 따른 전극 단자(50)의 고정 구조는, 원통형의 전지 하우징(H) 구조에 적용될 수 있다.
상기 원통형의 전지 하우징(H)은, 원통형의 측벽(51)과, 상기 측벽(51)의 단부에 연결되는 바닥부(52)를 구비할 수 있다. 이에 따라 상기 원통형의 전지 하우징(H)은 일측이 개방되고 타측이 바닥부(52)에 의해 막힌 구조를 가질 수 있다.
전극 조립체(71)는, 상기 전지 하우징(H)의 개방된 일측을 통해 전지 하우징(H) 내부로 삽입될 수 있으며, 상기 전극 조립체(71)의 선단부(먼저 삽입되는 전극조립체의 끝부분)가 상기 전지 하우징(H)의 바닥부(52)에 다다를 때까지 삽입될 수 있다.
상기 전지 하우징(H)의 바닥부(52)에는 관통 홀(53)이 형성된다.
상기 바닥부(52)는 서로 대향하는 제1면(52a)과 제2면(52b)을 포함하고, 상기 관통 홀(53)은 상기 제1면(52a)이 마주하는 제1공간과 상기 제2면(52b)이 마주하는 제2공간이 통하도록 상기 바닥부(52)를 관통하도록 형성된 홀이다.
상기 제1면(52a)은 전지 하우징(H)의 외부로 노출된 표면일 수 있고, 이에 따라 상기 제1공간은 전지 하우징(H)의 외부 공간일 수 있다. 상기 제2면(52b)은 전지 하우징(H)의 내부를 바라보는 표면일 수 있고, 이에 따라 상기 제2공간은 전지 하우징(H)의 내부 공간일 수 있다.
반대로, 상기 제2면(52b)은 전지 하우징(H)의 외부로 노출된 표면일 수 있고, 상기 제1면(52a)은 전지 하우징(H)의 내부를 바라보는 이면일 수 있다. 물론 이 때에는 제2공간이 전지 하우징(H)의 외부 공간이고, 제1공간이 전지 하우징(H)의 내부 공간일 수 있다.
상기 제1면(52a)과 상기 제2면(52b)은 각각 전지 하우징(H) 바닥부(52)의 외부면 및 내부면에 대응한다.
상기 관통 홀(53)은 상기 전지 하우징(H)의 바닥부(52)의 중심 부근에 마련될 수 있다.
상기 전극 조립체(71)를 상기 전지 하우징(H)에 수용하기 전에, 먼저 상기 관통 홀(53)에 전극 단자(50)를 삽입하고 상기 전극 단자(50)를 상기 전지 하우징(H)의 바닥부(52)에 고정한다.
일 예로, 전극 단자(50)는 소성 가공에 의해 형성된 소성가공부(50c1)에 의해 고정될 수 있다. 이러한 소성 가공은 리벳팅(riveting), 콜킹(caulking) 등을 포함할 수 있다.
다른 일 예로, 전극 단자(50)는 별도의 체결부재(도 10의 50c2 또는 도 14의 50c3)를 통해 고정될 수 있다. 이러한 체결부재(50c2, 50c3)는 너트, 스냅 링 등을 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 전극 단자(50)는 상기 관통 홀(53)의 단면보다 작은 단면을 구비하는 네크부(50a)와, 상기 네크부(50a)의 일측 단부에 마련되고 상기 관통 홀(53)의 단면보다 큰 단면을 가지는 헤드부(50b)를 포함할 수 있다. 상기 네크부(50a)의 타측 단부에는 상기 관통 홀(53)의 단면보다 작은 단면을 가지는 돌출부(50e)가 구비된다.
상기 전지 하우징(H)의 바닥부(52)의 제1면(52a) 쪽에서 상기 관통 홀(53)을 통해 상기 전극 단자(50)의 돌출부(50e)를 삽입한 뒤, 상기 전지 하우징(H)의 바닥부(52)의 제2면(52b) 쪽에서 상기 돌출부(50e)의 가장자리부를 소성 가공하여 소성가공부(50c1)를 형성하거나, 상기 돌출부(50e)에 체결부재(50c2 또는 도 14의 50c3)를 물리적으로 고정할 수 있다.
상기 소성가공부(50c1) 또는 상기 체결부재(50c2, 50c3)는 상기 돌출부(50e)의 단면적을 확장시키는 확경부(E)를 구성하게 된다. 이에 따라 상기 돌출부(50e)의 단면은 상기 관통 홀(53)의 단면보다 더 커지게 되고, 상기 전극 단자(50)는 상기 관통 홀(53)에 끼워져 고정된 상태를 유지하게 된다.
상기 전극 단자(50)는 상기 전지 하우징(H)의 외부에서 상기 바닥부(52)에 마련된 관통 홀(53)을 관통하여 삽입되고, 상기 전지 하우징(H)의 내부에서 돌출부(50e)가 소성 가공되거나 돌출부(50e)에 체결부재(50c2, 50c3)가 고정될 수 있다. 그러면 상기 전극 단자(50)의 헤드부(50b)는 전지 하우징(H)의 외부로 노출되고 상기 전극 단자(50)의 돌출부(50e)는 전지 하우징(H)의 내부에 배치될 수 있다.
대안적으로, 상기 전극 단자(50)는 상기 전지 하우징(H)의 내부에서 상기 바닥부(52)에 마련된 관통 홀(53)을 관통하여 삽입되고, 상기 전지 하우징(H)의 외부에서 돌출부(50e)가 소성 가공되거나 돌출부(50e)에 체결부재(50c2, 50c3)가 고정될 수 있다. 그러면 상기 전극 단자(50)의 헤드부(50b)는 전지 하우징(H)의 내부에 배치되고 상기 전극 단자(50)의 돌출부(50e)는 전지 하우징(H)의 외부로 노출될 수 있다.
상기 전극 단자(50)의 헤드부(50b)의 표면(축방향을 향하여 노출된 면)은 평평한 영역을 구비할 수 있다. 상기 평평한 영역은 버스 바 등의 접속 표면을 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전극 단자(50)의 돌출부(50e)는 리벳팅에 의해 단면의 확장이 이루어질 수 있다.
상기 전극 단자(50)의 돌출부(50e)는 리벳팅에 의해 소성 변형되어 형성된 소성가공부(50c1)와, 상기 돌출부(50e)의 선단부에 마련된 선단면(50d)을 구비할 수 있다.
상기 소성가공부(50c1)는 확경부(E)를 구성할 수 있다.
상기 선단면(50d)은 상기 소성가공부(50c1)보다 더 구심 쪽(반경방향 내측)에 배치될 수 있다.
상기 선단면(50d)은 표면이 평평한 평탄부(D)를 포함할 수 있다.
상기 선단면(50d)은 전체적으로 평평한 평탄부(D)를 이룰 수 있다.
상기 선단면(50d)은 리벳팅이 이루어지기 전에 이미 형성된 면일 수 있다. 즉 상기 선단면(50d)은 상기 리벳팅에 의해 변형되지 않는 영역일 수 있다.
상기 선단면(50d)은 상기 확경부(E)보다 축방향으로 더 돌출된 표면을 구비할 수 있다.
상기 소성가공부(50c1)는, 상기 돌출부(50e)로부터 원심 방향으로 연장됨에 따라 상기 전지 하우징(H)의 바닥부(52)로부터 점점 멀어지는 제1구간(501c)을 구비할 수 있다.
상기 제1구간(501c)에서 상기 소성가공부(50c1)가 상기 바닥부(52)를 바라보는 면이 상기 바닥부(52)와 이루는 각도는 0도 초과 60도 이하일 수 있다.
일 측면에서, 상기 소성가공부(50c1)는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1구간(501c)으로만 이루어질 수 있다. 다른 측면에서, 상기 소성가공부(50c1)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제1구간(501c)보다 더 원심 측에 배치되고 상기 제1구간(501c)과 연결되는 제2구간(502c)을 더 구비할 수 있다. 상기 제2구간(502c)은 원심 방향으로 연장됨에 따라 상기 전지 하우징(H)의 바닥부(52)로 점점 접근할 수 있다.
상기 제2구간(502c)에서 상기 소성가공부(50c1)가 상기 바닥부(52)를 바라보는 면이 상기 바닥부(52)와 이루는 각도(Φ)는 0도 초과 30도 이하일 수 있다.
상기 소성가공부(50c1)와 상기 선단면(50d) 사이에는, 축방향으로 함몰된 도랑부(55)가 마련될 수 있다. 상기 도랑부(55)는 둘레방향으로 상기 선단면(50d)을 둘러싸는 폐루프 형상일 수 있다.
바람직하게, 상기 도랑부(55)는, 비대칭 홈의 단면 구조를 가질 수 있다. 즉 상기 평탄부(D)의 측벽면(55a)과 상기 소성가공부(50c1)의 측벽면(55b)은 서로 평행하지 아니할 수 있다.
상기 도랑부(55)는 돌출부(50e)의 상부가 리벳팅을 통해 확경부(E)로 소성 변형될 때, 소성 변형을 위해 가하는 외력이 평탄부(D)에 영향을 주지 않도록 해준다. 따라서, 평탄부(D)의 치수와 형상은 리벳팅 이후에도 그대로 유지될 수 있다.
상기 도랑부(55)의 저부와 상기 평탄부(D)를 연결하는 측벽면(55a)은 상기 평탄부(D)를 포함하는 평면과 수직을 이룰 수 있다. 이에 따라, 평탄부(D)의 평평한 영역의 면적을 최대한 확보할 수 있다.
상기 평탄부(D)의 측벽면(55a)과 대향하는 상기 소성가공부(50c1)의 측벽면(55b)은 경사면을 이룰 수 있다.
바람직하게, 상기 확경부(E)의 두께는 상기 돌출부(50e)로부터 멀어질수록 감소할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 전극 단자(50)의 돌출부(50e)는 체결부재(50c2, 50c3)의 물리적 결합에 의해 단면의 확장이 이루어질 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 전극 단자(50)의 돌출부(50e)의 외주면에는 둘레방향을 따라 연장 형성된 체결홈(50g)이 마련될 수 있다. 상기 체결홈(50g)은 상기 돌출부(50e)의 단면이 감소되는 홈 형상일 수 있다. 즉 상기 체결홈(50g)은 상기 돌출부(50e)의 외주면에서 구심 방향으로 함몰된 형태일 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 체결홈(50g)에 체결부재(50c2)가 끼워져 고정됨에 따라, 상기 돌출부(50e)는 체결부재(50c2)와 일체화되고, 이에 따라 돌출부(50e)의 상부 영역에서 단면이 확대될 수 있다. 즉 상기 체결부재(50c2)는 상기 돌출부(50e)와 체결된 뒤 상기 돌출부(50e)의 확경부(E)를 구성할 수 있다. 일 예에서, 상기 체결홈(50g)은 O형 홈이고, 상기 체결부재(50c2)는 상기 O형 홈에 끼워지는 C형 링일 수 있다.
도 14를 참조하면, 상기 체결홈(50g)은 수나사산 형상이고, 상기 체결부재(50c3)는 암나사산이 형성된 너트일 수 있다.
상기 체결부재(50c2, 50c3)가 전지 하우징(H)의 바닥부(52)를 바라보는 표면은, 반경방향 외측으로 갈수록 상기 바닥부(52)로부터 점점 멀어지는 형상을 포함할 수 있다.
도 11 및 도 14를 참조하면, 상기 돌출부(50e)의 선단면(50d)은 평평한 평탄부(D)를 구비하며, 상기 평탄부(D)는 상기 체결부재(50c2, 50c3)의 체결에 영향을 받지 않고 치수와 형상을 유지할 수 있다.
상기 전극 단자(50)와 상기 전지 하우징(H)의 바닥부(52) 사이에는 단자 가스켓(54)이 개재될 수 있다.
상기 단자 가스켓(54)은 상기 전극 단자(50)의 헤드부(50b)와 상기 바닥부(52) 사이, 상기 전극 단자(50)의 네크부(50a)와 상기 관통 홀(53)의 내주면 사이, 상기 전극 단자(50)의 돌출부(50e)의 확경부(E)와 상기 바닥부(52) 사이에 개재될 수 있다. 이에 따라, 상기 단자 가스켓(54)은 상기 전극 단자(50)와 상기 바닥부(52)를 절연할 수 있고, 상기 전지 하우징(H)의 기밀성(Air tightness)을 제공할 수 있다.
상기 소성가공부(50c1) 또는 상기 체결부재(50c2, 50c3)의 측벽면(바닥부 52와 대향하는 면)은 단자 가스켓(54)을 압착하면서 상기 헤드부(50b)를 상기 바닥부(52)의 제1면(52a) 쪽으로 더욱 잡아당긴다. 이에 따라 상기 헤드부(50b)와 상기 바닥부(52)의 제1면(52a) 사이에 개재된 단자 가스켓(54) 부분은 강하게 압착된다.
또한 상기 소성가공부(50c1) 또는 상기 체결부재(50c2, 50c3)의 측벽면(바닥부 52와 대향하는 면)은 상기 관통 홀(53)의 내주면과 상기 바닥부(52)의 제2면(52b)이 연결되는 코너 부위에서 상기 단자 가스켓(54)을 강하게 압착한다.
도 12 및 도 15을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(50)의 고정 구조는 단자 가스켓(54)과 전지 하우징(H)의 바닥부(52) 사이에 형성된 제1실링 코팅층(f1)을 포함할 수 있다. 상기 제1실링 코팅층(f1)은 단자 가스켓(54)과 전지 하우징(H)의 바닥부(52) 사이에 개재되어 단자 가스켓(54)의 실링 성능을 향상시킬 수 있다.
도 13 및 도 16을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(50)의 고정 구조는 단자 가스켓(54)과 전지 하우징(H) 바닥부(52) 사이의 외부 노출 계면 및/또는 체결부재(50c2, 50c3)와 단자 가스켓(54) 사이의 외부 노출 계면을 덮는 제2실링 코팅층(f2)을 포함할 수 있다. 상기 제2실링 코팅층(f2)은 상기 제1실링 코팅층(f1)과 마찬가지로 단자 가스켓(54)의 실링 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1실링 코팅층(f1) 및/또는 상기 제2실링 코팅층(f2)은 필수적인 요소가 아니라, 선택적인 요소임을 당업자는 이해할 것이다.
상기 제1실링 코팅층(f1) 및/또는 상기 제2실링 코팅층(f2)은 실링성이 우수하고 전해질에 내성이 있는 소재로 이루어질 수 있다. 실링 코팅층(f1, f2) 소재로서 실리콘 수지, 실리콘 아크릴레이트 또는 폴리아미드이미드가 사용될 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 원통형 배터리는 전지 하우징의 바닥에 리벳팅된 전극 단자를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(50)의 리벳팅 구조를 나타낸 단면도이고, 도 6은 전극 단자(50)만을 확대하여 도시한 단면도이고, 도 7은 점선 원으로 표시된 부분의 확대 단면도이다.
도 5, 도 6 및 도 7을 참조하면, 실시예에 따른 전극 단자(50)의 리벳팅 구조는, 일측이 개방된 원통형의 전지 하우징(H)과, 전지 하우징(H)의 바닥부(52)에 형성된 관통 홀(53)을 통해 리벳팅된 전극 단자(50)와, 전극 단자(50)와 관통 홀(53) 사이에 개재된 단자 가스켓(54)을 포함할 수 있다.
전지 하우징(H)은 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 전지 하우징(H)은 스틸 또는 알루미늄 재질로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전지 하우징(H)은 원통형의 측벽(51)과, 상기 측벽의 단부와 연결되는 바닥부(52)를 포함한다. 상기 바닥부(52)는 상기 측벽(51)과 일체로 형성될 수 있다. 가령 상기 전지 하우징(H)은 판금을 프레스로 드로잉 가공하여 측벽(51)과 바닥부(52)를 일체로 성형할 수 있다.
상기 바닥부(52)에 형성된 관통 홀(53)은, 상기 측벽(51)과 바닥부(52)를 성형한 뒤 상기 바닥부(52)를 천공하여 제작할 수 있다.
전극 단자(50)는 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 전극 단자(50)는 알루미늄 또는 스틸 재질로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
단자 가스켓(54)은 절연성 및 탄성이 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 단자 가스켓(54)은 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리플루오르화에틸렌 등으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 전극 단자(50)는, 관통 홀(53)에 삽입된 네크부(50a), 바닥부(52)의 외부면(52a)을 통해 노출된 헤드부(50b), 전지 하우징(H) 바닥부(52)의 내부면(52b)을 통해 노출되어 축방향으로 연장된 돌출부(50e)를 포함한다.
상기 헤드부(50b)는 상기 네크부(50a)보다 반경방향 외측으로 더 연장될 수 있다. 상기 헤드부(50b)의 직경은 상기 관통 홀(53)의 직경보다 더 클 수 있다.
상기 돌출부(50e)는, 그 둘레로부터 반경방향 외측으로 연장된 확경부(E), 및 확경부(E)의 반경방향 내측에 구비된 평탄부(D)를 포함할 수 있다.
상기 확경부(E)는 상기 관통 홀(53)보다 작은 사이즈를 가진 상기 돌출부(50e)의 상단 가장자리 부분을 반경방향 외측으로 벌리는 소성 변형을 일으키는 성형 가공을 통해 형성될 수 있다. 즉 상기 확경부(E)는 소성가공부(50c1)일 수 있다.
일 예에서, 상기 소성가공부(50c1)는 콜킹(caulking) 지그를 이용한 리벳팅 공정에 의해 형성될 수 있다. 리벳팅 후, 상기 확경부(E)의 직경은 상기 관통 홀(53)의 직경보다 더 확대된다.
상기 돌출부(50e)의 선단면(50d)은 상기 돌출부(50e)의 단부에 마련된 표면이며, 축방향을 바라보는 평평한 평탄부(D)를 제공할 수 있다.
바람직하게, 평탄부(D)와 전지 하우징(H) 바닥부(52)의 내부면(52b)은 서로 평행할 수 있다. 여기서, '평행'이라 함은 육안으로 관찰했을 때 실질적으로 평행한 것을 의미한다.
일 측면에 따르면, 상기 확경부(E)는 도 6에 도시된 바와 같이 원심 쪽으로 갈수록 점차 상기 내부면(52b)으로부터 멀어지는 제1구간(501c)을 포함할 수 있다. 상기 바닥부(52)를 바라보는 상기 확경부(E)의 제1구간(501c)의 표면과 바닥부(52)의 내부면(52b) 사이의 각도(θ)는 0도 이상 60도 이하일 수 있다.
각도(θ)의 크기는 리벳팅 공법으로 전극 단자(50)가 전지 하우징(H)의 관통 홀(53)에 설치될 때 리벳팅 강도에 의해 결정된다. 일 예에서, 리벳팅 강도가 증가할수록 각도(θ)는 0도까지 감소할 수 있다. 각도가 60도를 초과하면 단자 가스켓(54)의 실링 효과가 저하될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 확경부(E)는 도 9에 도시된 바와 같이 원심 쪽으로 갈수록 점차 상기 내부면(52b)으로부터 멀어지는 제1구간(501c)을 포함하고, 상기 제1구간(501c)의 원심측 단부에 연결되고 원심 쪽으로 갈수록 점차 상기 내부면(52b)에 접근하는 제2구간(502c)을 포함하는 형상일 수 있다. 상기 바닥부(52)를 바라보는 상기 확경부(E)의 제2구간(502c)의 표면과 바닥부(52)의 내부면(52b) 사이의 각도(Φ)는 0도 초과 30도 이하일 수 있다.
상기 제2구간(502c)은 상기 제1구간(501c)의 성형 뒤 다시 성형될 수 있다.
상기 제2구간(502c)은 단자 가스켓(54)이 상기 바닥부(52)의 내부면(52b)으로부터 지나치게 세워지지 않고 바닥부(52)를 따라 누울 수 있도록 상기 단자 가스켓(54)을 눌러준다. 상기 각도가 30도를 초과하면 제1구간(501c)과 제2구간(502c)의 경계부가 과도하게 소성 변형될 우려가 있다.
상기 제2구간(502c)은, 확경부(E)가 평탄부(D)보다 축방향으로 더 돌출되지 않는 구조를 제공한다. 그러면 축방향으로 돌출된 평탄부(D)의 높이를 최대한 감소시켜 전지 하우징(H) 내부 공간의 활용도를 높일 수 있다.
상기 선단면(50d)은 상기 확경부(E)보다 축방향으로 더 돌출될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 확경부(E)와 평탄부(D) 사이에 도랑부(55)가 구비될 수 있다. 도랑부(55)는 비대칭 홈의 단면 구조를 가질 수 있다. 일 예에서, 비대칭 홈은 대략 "V"자형 내지 "U"자형일 수 있다. 비대칭 홈은 평탄부(D) 측의 측벽면(55a) 및 이와 마주하는 확경부(E) 측의 측벽면(55b)을 포함할 수 있다. 상기 측벽면(55a)은 전지 하우징(H) 바닥부(52)의 내부면(52b)과 실질적으로 수직일 수 있다. '수직'이라 함은 육안상으로 관찰했을 때 실질적으로 수직인 경우를 의미한다. 도랑부(55)는 전극 단자(50)가 전지 하우징(H)의 관통 홀(53)에 설치될 때 콜킹 지그의 형상에 의해 만들어질 수 있다.
바람직하게, 확경부(E)의 두께는 반경방향 외측으로 갈수록 점차 감소할 수 있다. 이러한 두께 감소 구조는 확경부(E)의 구심 방향에서 단자 가스켓(54)을 충분히 압착하면서도 확경부(E)의 원심 방향 단부가 평탄부(D)보다 돌출되지 않도록 하는 컴팩트한 구조를 제공한다. 그러면 축방향으로 돌출된 평탄부(D)의 높이를 최대한 낮게 할 수 있어 전지 하우징 내부 공간의 활용도를 높일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 단자 가스켓(54)은, 헤드부(50b)와 바닥부(52)의 외부면(52a) 사이에 개재된 외부 가스켓(54a)과, 확경부(E)와 바닥부(52)의 내부면(52b) 사이에 개재된 내부 가스켓(54b)을 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 외부 가스켓(54a)과 내부 가스켓(54b)은 위치에 따라 두께가 다를 수 있다. 바람직하게, 내부 가스켓(54b)의 영역 중 전지 하우징(H) 바닥부(52)의 내부면(52b)과 연결된 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 확경부(E) 사이에 개재된 영역의 두께가 상대적으로 작을 수 있다. 바람직하게, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 확경부(E) 사이에 개재된 가스켓 영역에 최소 두께 지점이 존재할 수 있다. 또한, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)는 확경부(E)와 마주보는 대향면(57)을 포함할 수 있다. 대향면(57)은 확경부(E)가 단자 가스켓(54)을 누르는 압력이 내측 엣지(56) 부분에 지나치게 집중되지 않도록 하는 챔퍼의 기능을 한다.
한편, 바닥부(52)과 수직을 이루는 관통 홀(53) 내주벽의 상단과 하단은 전극 단자(50)를 향해 테이퍼진 표면을 형성하도록 모따기(corner cutting) 되어 있다. 하지만, 관통 홀(53) 내벽의 상단 및/또는 하단은 곡률을 가진 부드러운 곡면으로 이루어질 수도 있음은 물론이다. 이 경우, 관통 홀(53) 내벽의 상단 및/또는 하단 근처에서 단자 가스켓(54)에 가해지는 스트레스를 보다 완화할 수 있다.
내부 가스켓(54b)은 전지 하우징(H) 바닥부(52)의 내부면(52b)과 0도 내지 60도의 각도를 이루며 확경부(E)보다 길게 연장될 수 있다. 이에 따라, 확경부(E)의 원심측 단부가 전지 하우징(H)의 바닥부(52)와 접촉하는 현상을 방지할 수 있다.
또 다른 측면에서, 전지 하우징(H) 바닥부(52)의 내부면(52b)을 기준으로 평탄부(D)의 높이(H1)가 내부 가스켓(54b)의 단부 높이(H2)보다 같거나 클 수 있다. 또한, 전지 하우징(H) 바닥부(52)의 내부면(52b)을 기준으로 평탄부(D)의 높이(H1)가 확경부(E)의 단부 높이(H3)보다 같거나 클 수 있다.
높이 파라미터인 H1, H2 및 H3가 상기 조건을 충족하면, 확경부(E)와 내부 가스켓(54b)이 다른 부품(가령, 후술할 제2집전체)과 간섭을 일으키는 것을 방지할 수 있다.
도 5를 참조하면, 전극 단자(50)의 중심으로부터 헤드부(50b)의 가장자리까지의 반경(R1)은 바닥부(52)의 반경(R2)을 기준으로 10% 내지 60%일 수 있다.
R1이 작아지면 전극 단자(50)에 전기 배선 부품(버스 바)을 용접할 때 용접공간이 부족해진다. 또한, R1이 커지면 전극 단자(50)를 제외한 전지 하우징(H) 바닥(52)의 외부면(52a)에 전기 배선 부품(버스바)을 용접할 때 용접 공간이 감소한다.
비율 R1/R2를 10% 내지 60% 사이에서 조절하면 전극 단자(50) 및 바닥부(52)의 외부면에 대한 용접 공간을 적절하게 확보할 수 있다.
또한, 전극 단자(50)의 중심으로부터 평탄부(D)의 가장자리까지의 반경(R3)은 바닥부(52)의 반경(R2)을 기준으로 4% 내지 30%일 수 있다.
R3이 작아지면 전극 단자(50)의 평탄부(D)에 집전체(도 8의 79 참조)를 용접할 때 용접 공간이 부족해지고, 전극 단자(50)의 용접 면적이 감소하여 컨택 저항이 증가할 수 있다.
또한, 전극 단자(50)를 관통 홀(53)에 삽입하기 위해 R3은 관통 홀(53)의 반경보다 작을 수밖에 없는데, 이러한 제약 내에서 R3이 커지면 커질수록 그만큼 확경부(E)의 두께가 얇아져서 확경부(E)가 단자 가스켓(54)을 압착하는 힘이 약해져 단자 가스켓(54)의 실링 능력이 저하될 수 있다.
R3/R2를 4% 내지 30% 사이에서 조절하면, 도 8에 도시된 바와 같이 전극 단자(50)의 평탄부(D)와 집전체(79)의 용접 면적을 충분히 확보함으로써 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있을 뿐만 아니라 용접 영역의 컨택 저항을 감소시킬 수 있고 단자 가스켓(54)의 실링 능력 저하를 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전극 단자(50)의 리벳팅 구조는 상하 운동을 하는 콜킹 지그를 이용하여 형성할 수 있다. 먼저, 전지 하우징(H)의 바닥부(52)에 형성된 관통 홀(53)에 단자 가스켓(54)을 개재시켜 전극 단자(50)의 프리폼(pre-form; 미도시)을 삽입한다. 프리폼은 리벳팅 되기 전의 전극 단자를 지칭한다.
다음으로, 콜킹 지그를 전지 하우징(H)의 내측 공간으로 삽입한다. 콜킹 지그는 프리폼을 리벳팅하여 전극 단자(50)를 형성하기 위해 프리폼과 대향하는 면에 전극 단자(50)의 최종 형상에 대응되는 홈과 돌기를 가진다.
다음으로, 콜킹 지그를 하부로 이동시켜 프리폼의 상부를 가압 포밍하여 프리폼을 리벳팅된 전극 단자(50)로 소성 변형시킨다.
상기 콜킹 지그의 압입 깊이는 상기 선단면(50d)에 의해 규제될 수 있다. 이에 따라 양산 과정에서도 소성 변형되는 확경부(E)의 형상을 일률적으로 제어할 수 있다.
또한 상기 선단면(50d)은 상기 콜킹 지그의 압입 과정에서 변형되지 않거나 거의 변형되지 않는다. 따라서, 선단면(50d) 역시 양산 과정에서 균일한 형상을 유지할 수 있다. 이는 선단면(50d)과 집전체(도 8의 79)의 용접 가공을 더욱 용이하게 하고, 이에 따라 제조 편차를 현저히 줄일 수 있다.
콜킹 지그에 의해 프리폼이 가압되는 동안, 헤드부(50b)와 바닥부(52)의 외부면(52a) 사이에 개재된 외부 가스켓(54a)이 탄성적으로 압축되면서 그 두께가 감소한다. 또한, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 프리폼 사이에 개재된 내부 가스켓(54b) 부위가 확경부(E)에 의해 탄성적으로 압축되면서 다른 영역보다 두께가 더욱 감소한다. 특히, 내부 가스켓(54b)의 두께가 집중적으로 감소되는 영역은 도 7의 일점쇄선원으로 표시된 부분이다. 이에 따라, 리벳팅된 전극 단자(50)와 전지 하우징(H) 사이의 실링성 및 밀폐성이 현저하게 향상된다.
바람직하게, 단자 가스켓(54)은 프리폼이 리벳팅되는 과정에서 물리적으로 손상되지 않으면서 소망하는 실링 강도를 확보할 수 있도록 충분히 압축되는 것이 바람직하다.
일 예에서, 단자 가스켓(54)이 폴리부틸렌테레프탈레이드로 이루어진 경우, 단자 가스켓(54)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 50% 이상인 것이 바람직하다. 압축율은 압축 전 두께에 대한 압축 전후의 두께 변화의 비율이다.
다른 예에서, 단자 가스켓(54)이 폴리플루오르에틸렌으로 이루어진 경우, 단자 가스켓(54)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 60% 이상인 것이 바람직하다.
또 다른 예에서, 단자 가스켓(54)이 폴리플로필렌으로 이루어진 경우, 단자 가스켓(54)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 60% 이상인 것이 바람직하다.
바람직하게, 콜킹 지그의 상하 이동을 적어도 2회 이상 실시하여 프리폼 상부의 가압 포밍을 단계적으로 진행할 수 있다. 즉, 프리폼을 단계적으로 가압 포밍하여 여러 번에 걸쳐 소성 변형할 수 있다. 이 때, 콜킹 지그에 가해지는 압력을 단계적으로 증가시킬 수 있다. 이렇게 하면, 프리폼에 가해지는 응력을 여러 번으로 분산시킴으로써 콜킹 공정이 진행되는 동안 단자 가스켓(54)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 프리폼 사이에 개재된 내부 가스 켓(54b) 부위가 확경부(E)에 의해 집중적으로 압축될 때 가스켓의 손상이 최소화된다.
콜킹 지그를 이용한 프리폼의 가압 포밍이 완료된 후, 콜킹 지그를 전지 하우징(H)으로부터 분리시키면, 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(50)의 고정 구조를 얻을 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 콜킹 지그는 전지 하우징(H)의 내부에서 상하 운동을 통해 프리폼의 상부를 가압 포밍한다. 경우에 따라, 프리폼의 가압 포밍을 위해 종래 기술에서 사용되는 로타리(rotary) 회전 지그가 사용될 수 있다.
다만, 로타리 회전 지그는 전지 하우징(H)의 중심 축을 기준으로 소정 각도로 기울어진 상태에서 회전 운동을 한다. 따라서, 회전 반경이 큰 로타리 회전 지그는 전지 하우징(H)의 내벽과 간섭을 일으킬 수 있다. 또한, 전지 하우징(H)의 깊이가 큰 경우 로타리 회전 지그의 길이도 그만큼 길어진다. 이 경우, 로타리 회전 지그 단부의 회전반경이 커지면서 프리폼의 가압 포밍이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 콜킹 지그를 이용한 가압 포밍이 로타리 회전 지그를 이용한 방식보다 더욱 효과적이다.
상기 확경부(E)는 앞서 설명한 소성가공을 통해 형성될 수 있을 뿐만 아니라, 물리적 체결부재(50c2, 50c3)를 사용하여 형성될 수도 있다.
도 10과 도 11을 참조하면, 상기 전극 단자(50)의 돌출부(50e)는 체결부재(50c2)의 결합에 의해 축방향으로의 단면 확장이 이루어질 수 있다. 상기 체결부재(50c2)는 C형 스냅링일 수 있다.
상기 전극 단자(50)의 돌출부(50e)의 외주면에는 둘레방향을 따라 연장 형성된 체결홈(50g)이 마련될 수 있다. 상기 체결홈(50g)은 상기 돌출부(50e)의 단면이 감소되는 환형 홈 형상일 수 있다.
상기 체결부재(50c2)는 도 10에 도시된 바와 같이 돌출부(50e)의 선단면(50d) 쪽에서 압입되어 상기 체결홈(50g)에 끼워질 수 있다. 이 과정에서 상기 C형 스냅링은 반경이 확장되도록 탄성 변형되고, 상기 체결홈(50g)에 끼워질 때 다시 반경이 축소되도록 탄성 복원되며 상기 체결홈(50g)에 견고하게 체결될 수 있다.
상기 체결홈(50g)에 체결부재(50c2)가 끼워져 고정되면, 상기 체결부재(50c2)는 상기 돌출부(50e)와 일체화된다. 이에 따라, 돌출부(50e)는 축방향을 따라서 단면이 반경방향으로 더 확대된 구조를 가질 수 있다. 즉 상기 체결부재(50c2)는 상기 돌출부(50e)와 체결된 뒤 상기 돌출부(50e)의 확경부(E)를 구성할 수 있다.
상기 체결부재(50c2)가 상기 바닥부(52)를 바라보는 표면은, 반경방향 외측으로 갈수록 상기 바닥부(52)로부터 멀어지는 형상을 가진다. 따라서, 상기 체결부재(50c2)는 소성가공부(50c1)의 제1구간(501c)과 마찬가지로 바닥부(52)에 대해 소정의 각도(θ)만큼 경사진 구조를 가진다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 전극 단자(50)의 실링성을 강화하기 위해, 제1실링 코팅층(f1)이 단자 가스켓(54)과 전지 하우징(H)의 바닥부(52) 사이에 구비될 수 있다. 상기 제1실링 코팅층(f1)은 전극 단자(50)를 관통 홀(53)에 설치하기 전에 전지 하우징(H)의 바닥부(52)와 관통 홀(53)에 미리 형성할 수 있다.
선택적으로, 전극 단자(50)의 실링성을 강화하기 위해, 제2실링 코팅층(f2)이 단자 가스켓(54)과 전지 하우징(H) 바닥부(52) 사이의 외부 노출 계면 및/또는 체결부재(50c2)와 단자 가스켓(54) 사이의 외부 노출 계면을 덮을 수 있다. 제2실링 코팅층(f2)은 전극 단자(50)의 설치가 완료된 이후에 스프레이 코팅 공법을 이용하여 형성할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1실링 코팅층(f1) 및/또는 상기 제2실링 코팅층(f2)은 필수적인 요소가 아니라, 선택적인 요소임을 당업자는 이해할 것이다.
상기 제1실링 코팅층(f1) 및/또는 상기 제2실링 코팅층(f2)은 실링성이 우수하고 전해질에 내성이 있는 소재로 이루어질 수 있다. 실링 코팅층(f1, f2) 소재로서 실리콘 수지, 실리콘 아크릴레이트 또는 폴리아미드이미드가 사용될 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 14를 참조하면, 상기 전극 단자(50)는 볼트/너트 결합 구조에 의해 형성된 확경부(E)를 포함할 수도 있다.
구체적으로, 상기 전극 단자(50)의 돌출부(50e)의 상부 외주면에는 수나사산 형상의 체결홈(50g)이 형성될 수 있다. 그리고 상기 체결부재(50c3)는 내주면에 암나사산이 형성된 너트일 수 있다.
상기 너트 구조를 가진 체결부재(50c3)가 전지 하우징(H)의 바닥부(52)를 바라보는 표면은, 반경방향 외측으로 갈수록 상기 바닥부(52)로부터 점점 멀어지는 형상을 포함할 수 있다. 따라서, 체결부재(50c3)는 소성가공부(50c1)의 제1구간(501c)과 마찬가지로 상기 바닥부(52)에 대해 소정의 각도(θ)만큼 경사진 구조를 가지므로 단자 가스켓(54)을 압착하여 실링성을 제공할 수 있다.
제2실시예에 있어서도, 상기 돌출부(50e)의 선단면(50d)은 평평한 평탄부(D)를 구비한다. 그리고 상기 평탄부(D)는 체결부재(50c3)보다 축방향으로 더 돌출될 수 있다. 또한 상기 평탄부(D) 역시 체결부재(50c3)의 체결에 영향을 받지 않고 치수와 형상을 유지할 수 있다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 전극 단자(50)의 실링성을 강화하기 위해, 제1실링 코팅층(f1)이 단자 가스켓(54)과 전지 하우징(H)의 바닥부(52) 사이에 구비될 수 있다. 상기 제1실링 코팅층(f1)은 전극 단자(50)를 관통 홀(53)에 설치하기 전에 전지 하우징(H)의 바닥부(52)와 관통 홀(53)에 미리 형성할 수 있다.
선택적으로, 전극 단자(50)의 실링성을 강화하기 위해, 제2실링 코팅층(f2)이 단자 가스켓(54)과 전지 하우징(H) 바닥부(52) 사이의 외부 노출 계면 및/또는 체결부재(50c3)와 단자 가스켓(54) 사이의 외부 노출 계면을 덮을 수 있다. 제2실링 코팅층(f2)은 전극 단자(50)의 설치가 완료된 이후에 스프레이 코팅 공법을 이용하여 형성할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1실링 코팅층(f1) 및/또는 상기 제2실링 코팅층(f2)은 필수적인 요소가 아니라, 선택적인 요소임을 당업자는 이해할 것이다.
상기 제1실링 코팅층(f1) 및/또는 상기 제2실링 코팅층(f2)은 실링성이 우수하고 전해질에 내성이 있는 소재로 이루어질 수 있다. 실링 코팅층(f1, f2) 소재로서 실리콘 수지, 실리콘 아크릴레이트 또는 폴리아미드이미드가 사용될 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(50)의 고정 구조는 원통형 배터리에 적용이 가능하다.
바람직하게, 원통형 배터리는, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리의 직경을 높이로 나눈 값으로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 배터리일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리의 직경 및 높이를 나타내는 숫자열을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리는, 예를 들어 46110 배터리, 4875 배터리, 48110 배터리, 4880 배터리, 4680 배터리일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 배터리의 직경을 나타내고, 나머지 숫자는 배터리의 높이를 나타낸다.
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 배터리 일 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.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(70)을 축방향(Y)과 반경방향(Z)을 포함하는 평면으로 자른 단면도이다.
도 8을 참조하면, 실시예에 따른 원통형 배터리(70)은 쉬트 형상의 제1전극 및 제2전극이 분리막이 개재된 상태로 권취되고, 하부에는 제1전극의 무지부(72)가 노출되고 상부에는 제2전극의 무지부(73)가 노출되어 있는 젤리롤 타입의 전극 조립체(71)를 포함한다.
실시예에서, 제1전극은 음극이고 제2전극은 양극일 수 있다. 물론, 그 반대의 경우도 가능하다.
전극 조립체(71)의 권취 방법은 도 2를 참조하여 설명한 종래 기술에 따른 탭-리스 원통형 배터리의 제조 시 사용되는 전극 조립체의 권취 방법과 실질적으로 동일하다.
전극 조립체(71)를 도시함에 있어서는 분리막 외측으로 노출되어 연장된 무지부(72, 73)만을 상세히 도시하고 제1전극, 제2전극 및 분리막의 권취 구조에 대한 도시는 생략하였다.
원통형 배터리(70)은 또한 전극 조립체(71)를 수납하며 제1전극의 무지부(72)와 전기적으로 연결된 원통형의 전지 하우징(H)을 포함한다.
바람직하게, 전지 하우징(H)의 일측(하부)은 개방되어 있다. 또한, 전지하우징(H)의 바닥부(52)는 전극 단자(50)가 콜킹 공정을 통해 관통 홀(53)에 리벳팅된 구조를 가진다.
원통형 배터리(70)은 또한 전극 단자(50)와 관통 홀(53) 사이에 개재된 단자 가스켓(54)을 포함할 수 있다.
원통형 배터리(70)은 또한 전지 하우징(H)으로부터 절연 가능하도록 전지 하우징(H)의 개방 단부를 밀봉하는 밀봉체(74)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 밀봉체(74)는 극성이 없는 캡(74a) 및 캡(74a)의 가장자리와 전지 하우징(H)의 개방단부 사이에 개재된 밀봉 가스켓(74b)을 포함할 수 있다.
캡(74a)는 알루미늄, 스틸, 니켈 등의 도전성 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 밀봉 가스켓(74b)은 절연성 및 탄성이 있는 폴리프로필렌, 폴리 부틸렌테레프탈레이드, 폴리플루오르화에틸렌 등으로 이루어질 수 있다. 하지만, 본 발명이 캡(74a)와 밀봉 가스켓(74b)의 소재에 의해 한정되는 것은 아니다.
캡(74a)는 전지 하우징(H) 내부의 압력이 임계치를 초과했을 때 파열되는 벤트 노치(77)를 포함할 수 있다. 벤트 노치(77)는 캡(74a)의 양면에 형성될 수 있다. 벤트 노치(77)는 캡(74a)의 표면에서 연속적 또는 불연속적인 원형 패턴, 직선 패턴 또는 그 밖의 다른 패턴을 형성할 수 있다.
전지 하우징(H)은, 밀봉체(74)를 고정하기 위해, 전지 하우징(H)의 내측으로 연장 및 절곡되어 밀봉 가스켓(74b)과 함께 캡(74a)의 가장자리를 감싸서 고정하는 클림핑부(75)를 포함할 수 있다.
전지 하우징(H)은 또한 개방 단부에 인접한 영역에 전지 하우징(H)의 내측으로 압입된 비딩부(76)를 포함할 수 있다. 비딩부(76)는 밀봉체(74)가 클림핑부(75)에 의해 고정될 때, 밀봉체(74)의 가장자리, 특히 밀봉 가스켓(74b)의 외주 표면을 지지한다.
원통형 배터리(70)은 또한 제1전극의 무지부(72)와 용접되는 제1집전체(78)를 더 포함할 수 있다. 제1집전체(78)는 알루미늄, 스틸, 니켈 등의 도전성 금속 재질로 이루어진다. 바람직하게, 제1집전체(78)는 제1전극의 무지부(72)와 접촉하지 않는 가장자리의 적어도 일부(78a)가 비딩부(76)와 밀봉 가스켓(74b) 사이에 개재되어 클림핑부(75)에 의해 고정될 수 있다. 선택적으로, 제1집전체(78)의 가장자리의 적어도 일부(78a)는 클림핑부(75)와 인접한 비딩부(76)의 내주면(76a)에 용접을 통해 고정될 수 있다.
원통형 배터리(70)은 또한 제2전극의 무지부(73)와 용접되는 제2집전체(79)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 제2집전체(79)의 적어도 일부, 예컨대 중앙부(79a)는 전극 단자(50)의 평탄부(D)와 용접될 수 있다.
바람직하게, 제2집전체(79)가 용접될 때 용접 도구는 전극 조립체(71)의 코어에 존재하는 공동(80)을 통해 삽입되어 제2집전체(79)의 용접 지점까지 도달될 수 있다. 또한, 제2집전체(79)가 전극 단자(50)의 평탄부(D)에 용접될 때 전극 단자(50)가 제2집전체(79)의 용접 영역을 지지하므로 용접 영역에 강한 압력을 인가하여 용접 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 전극 단자(50)의 평탄부(D)는 면적이 넓으므로 용접 영역 또한 넓게 확보할 수 있다. 이로써, 용접 영역의 접촉 저항을 낮춤으로써 원통형 배터리(70)의 내부 저항을 낮출 수 있다. 리벳팅된 전극 단자(50)와 제2집전체(79)의 면대면 용접 구조는 하이 씨레이트(c-rate) 전류를 이용한 급속 충전에 매우 유용하다. 전류가 흐르는 방향의 단면에서 단위 면적당 전류 밀도를 낮출 수 있으므로 전류 패스에서 발생되는 발열량을 종래보다 낮출 수 있기 때문이다.
전극 단자(50)의 평탄부(D)와 제2집전체(79)의 용접 시에는 레이저 용접, 초음파 용접, 스폿 용접 및 저항 용접 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 평탄부(D)의 면적은 용접 방식에 따라 다르게 조절할 수 있는데, 용접 강도와 용접 공정의 용이성을 위해 2mm 이상인 것이 바람직하다.
일 예에서, 평탄부(D)와 제2집전체(79)가 레이저로 용접되고 원호패턴의 형태로 연속적 또는 불연속적인 라인으로 용접될 경우 평탄부(D)의 직경은 4mm 이상인 것이 바람직하다. 평탄부(D)의 직경이 해당 조건을 충족할 경우 용접 강도 확보가 가능하고, 레이저 용접 도구를 전극 조립체(71)의 공동(80)에 삽입하여 용접 공정을 진행하는데 어려움이 없다.
다른 예에서, 평탄부(D)와 제2집전체(79)가 초음파로 용접되고 원형 패턴으로 용접될 경우 평탄부(D)의 직경은 2mm 이상인 것이 바람직하다. 평탄부(D)의 직경이 해당 조건을 충족할 경우 용접 강도 확보가 가능하고, 초음파 용접 도구를 전극 조립체(71)의 공동(80)에 삽입하여 용접 공정을 진행하는데 어려움이 없다.
원통형 배터리(70)은 또한 인슐레이터(80)을 더 포함할 수 있다. 인슐레이터(80)은 제2집전체(79)와 바닥부(52)의 내부면(52a) 사이, 그리고 전지 하우징(H) 측벽의 내주면(51a)과 전극 조립체(71) 사이에 개재될 수 있다. 바람직하게, 인슐레이터(80)은 전극 단자(50)의 평탄부(D)를 제2집전체(79) 측으로 노출시키는 용접 홀(80a)을 포함하고, 제2집전체(79)의 표면과 전극 조립체(71)의 일측(상부) 가장자리를 커버할 수 있다.
바람직하게, 제1전극 및/또는 제2전극의 무지부(72, 73)는 전극 조립체(71)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡됨으로써 전극 조립체(71)의 상부 및 하부에 절곡면을 형성할 수 있다. 또한, 제1집전체(78)는 제1전극의 무지부(72)가 절곡되면서 형성된 절곡면에 용접되고, 제2집전체(79)는 제2전극의 무지부(73)가 절곡되면서 형성된 절곡면에 용접될 수 있다.
무지부(72, 73)가 절곡될 때 생기는 응력을 완화하기 위해 제1전극 및/또는 제2전극은 종래의 전극(도 1 참조)과 다른 개선된 구조를 가질 수 있다.
도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극(90) 구조를 예시적으로 나타낸 평면도이다.
도 17을 참조하면, 전극(90)은 도전성 재질의 포일로 이루어진 쉬트 형상의 전극 집전체(91)와, 전극 집전체(91)의 적어도 일면에 형성된 활물질층(92)과, 전극 집전체(91)의 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 무지부(93)를 포함한다.
바람직하게, 무지부(93)는 노칭 가공된 복수의 분절편(93a)을 포함할 수 있다. 복수의 분절편(93a)은 복수의 그룹을 이루며, 각 그룹에 속한 분절편(93a)들은 높이(Y방향 길이) 및/또는 폭(X 방향 길이) 및/또는 이격 피치가 동일할 수 있다. 각 그룹에 속한 분절편(93a)들의 수는 도시된 것보다 증가 또는 감소될 수 있다. 분절편(93a)은 사다리꼴 모양일 수 있는데, 사각형, 평형사변형, 반원형 또는 반타원형으로 변형될 수 있다.
바람직하게, 분절편(93a)의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 가면서 단계적으로 증가할 수 있다. 또한, 코어측과 인접한 코어측 무지부(93')는 분절편(93a)을 포함하지 않을 수 있고, 코어측 무지부(93')의 높이는 다른 무지부 영역보다 작을 수 있다.
선택적으로, 전극(90)은 활물질층(92)과 무지부(93) 사이의 경계를 덮는 절연 코팅층(94)을 포함할 수 있다. 절연 코팅층(94)은 절연성이 있는 고분자 수지를 포함하며, 무기물 필러를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 절연 코팅층(94)은 활물질층(92)의 단부가 분리막을 통해 대향하고 있는 반대 극성의 활물질층과 접촉되는 것을 방지하고, 분절편(93a)의 절곡을 구조적으로 지지하는 역할을 한다. 이를 위해, 전극(90)이 전극 조립체로 권취되었을 때, 절연 코팅층(94)은 적어도 일부가 분리막으로부터 외부로 노출되는 것이 바람직하다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 전극(90)의 무지부 분절구조를 제1전극 및 제2전극에 적용한 전극 조립체(100)를 축방향(Y)과 반경방향(Z)을 포함하는 평면으로 자른 단면도이다.
도 18을 참조하면, 전극 조립체(100)는 도 2를 통해 설명한 권취 공법으로 제조할 수 있다. 설명의 편의를 위해 분리막 밖으로 연장된 무지부(72, 73)의 돌출 구조를 상세하게 도시하고, 제1전극, 제2전극 및 분리막의 권취 구조에 대한 도시는 생략하였다. 하부로 돌출된 무지부(72)는 제1전극으로부터 연장된 것이고, 상부로 돌출된 무지부(73)는 제2전극으로부터 연장된 것이다.
무지부(72, 73)의 높이가 변화하는 패턴은 개략적으로 도시하였다. 즉, 단면이 잘리는 위치에 따라서 무지부(72, 73)의 높이는 불규칙하게 변화할 수 있다. 일 예로, 사다리꼴 분절편(93a)의 사이드 부분이 잘리면 단면에서의 무지부 높이는 분절편(93a)의 높이보다 낮아진다. 따라서, 전극 조립체(100)의 단면을 나타낸 도면에 도시된 무지부(72, 73)의 높이는 각 권취 턴에 포함된 무지부 높이의 평균에 대응한다고 이해하여야 한다.
무지부(72, 73)는 도 19에 도시된 것과 같이 전극 조립체(100)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡될 수 있다. 도 18에서, 절곡되는 부분(101)은 점선 박스로 표시하였다. 무지부(72, 73)가 절곡될 때, 반경 반향으로 인접하고 있는 분절편들이 여러 겹으로 서로 중첩되면서 전극 조립체(100)의 상부와 하부에 절곡면(102)이 형성된다. 이 때, 코어측 무지부(도 17의 93')는 높이가 낮아서 절곡되지 않으며, 가장 안쪽에서 절곡되는 분절편의 높이(h)는 분절편 구조가 없는 코어측 무지부(93')에 의해 형성된 권취 영역의 반경 방향 길이(r) 보다 같거나 작다. 따라서, 전극 조립체(100)의 코어에 있는 공동(80)이 절곡된 분절편들에 의해 폐쇄되지 않는다. 공동(80)이 폐쇄되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 공동(80)을 통해 용접 도구를 삽입하여 전극 단자(50)와 제2집전체(79)의 용접을 용이하게 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리(70)은 밀봉체(74)의 캡(74a)가 극성을 갖지 않는다. 그 대신, 제1집전체(78)가 전지 하우징(H)의 측벽에 연결되어 있어서 바닥부(52)의 외부면(52a)이 전극 단자(50)와는 반대 극성을 가진다. 따라서, 복수의 셀들을 직렬 및/또는 병렬 연결하고자 할 때, 바닥부(52)의 외부면(52a)과 전극 단자(50)를 이용하여 원통형 배터리(70)의 한쪽 방향에서 버스 바 연결 등의 배선을 수행할 수 있다. 이를 통해, 동일 공간에 탑재할 수 있는 셀들의 수를 증가시켜 에너지 밀도를 향상시킬 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 포 함; 0≤x, 1≤x+y≤2, ­0.1≤z≤2; x, y, z 및 M에 포함된 성분의 화학 량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금 속 화합물을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리금속 화합물 xLiM1O2­(1­x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상 의 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 yP1­yM3 z O4-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 전 기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 수 있다.
일 예에서, 음극 활물질은 탄소재, 리튬금속 또는 리튬금속화합물, 규소 또는 규소화합물, 주석 또는 주석 화합물 등을 사용할 수 있다. 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 음극 활물질로 사용 가능하다. 탄소재로는 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.
분리막은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공 중합체 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. 코팅층 을 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)O3PbTiO3(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. 그리 고 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), 디메틸카 보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드 (dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄 (dimethoxyethane), 디에톡시에탄 (diethoxyethane), 테트라하이드로 퓨란(tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 에틸 메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γ- butyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
상술한 실시예에 따른 원통형 배터리는 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(200)은 원통형 배터리(201)이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(202)을 포함한다. 원통형 배터리(201)은 상술한 실시예에 따른 배터리일 수 있다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 배터리(201)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
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 21은 도 20의 배터리 팩(200)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 21을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(200)을 포함한다. 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(200)으로부터 전력을 공급받아 동작한다.
전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (39)

  1. 일측에 개방단부가 구비되고 타측에 관통홀이 형성된 바닥부가 구비된 전지 하우징;
    상기 바닥부에 고정된 전극 단자; 및
    상기 전극 단자와 바닥부 사이에 개재된 단자 가스켓;을 포함하는 전극 단자의 고정 구조로서,
    상기 전극 단자는:
    상기 관통 홀의 단면보다 작은 단면을 구비하고 상기 관통 홀에 삽입된 네크부;
    상기 네크부의 일측 단부에 연결되고, 상기 관통 홀의 단면보다 큰 단면을 가지며 상기 바닥부의 일측 표면을 따라 연장된 헤드부;
    상기 네크부의 타측 단부에 연결되고, 상기 바닥부의 타측 표면으로부터 상기 전지 하우징의 축방향을 따라 연장된 돌출부;
    상기 돌출부로부터 원심방향으로 연장된 확경부; 및
    상기 돌출부의 축방향 단부에 마련된 선단면;을 구비하고,
    상기 확경부는, 상기 돌출부의 외주면에 물리적으로 결합된 체결부재인, 전극 단자의 고정 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 돌출부의 외주면에는 둘레방향을 따라 형성되고 구심 방향으로 함몰된 체결홈이 마련되고,
    상기 체결부재는 상기 체결홈에 끼워져 고정되는, 전극 단자의 고정 구조.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 체결홈은 수나사산 형상이고, 상기 체결부재는 상기 수나사산과 체결되는 암나사산이 형성된 너트인, 전극 단자의 고정 구조.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 체결홈은 O형 홈이고, 상기 체결부재는 상기 O형 홈에 끼워지는 C형 링인, 전극 단자의 고정 구조.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 체결부재가 상기 바닥부를 바라보는 표면은, 반경방향 외측으로 갈수록 상기 바닥부로부터 점점 멀어지는 측벽면을 포함하는, 전극 단자의 고정 구조.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 체결부재가 상기 체결홈에 결합된 상태에 있을 때, 상기 측벽면은 상기 전지 하우징의 바닥부를 향해 상기 단자 가스켓을 압착시키는 것인, 전극 단자의 고정 구조.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 단자 가스켓과 상기 전지 하우징 바닥부 사이의 계면에 형성된 제1실링 코팅층을 더 포함하는, 전극 단자의 고정 구조.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1실링 코팅층은, 실리콘 수지, 실리콘 아크릴레이트 또는 폴리아미드이미드를 포함하는, 전극 단자의 고정 구조.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 체결부재와 상기 단자 가스켓 사이의 외부 노출 계면을 덮는 제2실링 코팅층을 더 포함하는, 전극 단자의 고정 구조.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2실링 코팅층은 상기 단자 가스켓과 상기 바닥부 사이의 외부 노출 계면을 덮는, 전극 단자의 고정 구조.
  11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 제2실링 코팅층은, 실리콘 수지, 실리콘 아크릴레이트 또는 폴리아미드이미드를 포함하는, 전극 단자의 고정 구조.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 선단면은 상기 전지 하우징의 바닥면을 기준으로 상기 확경부보다 상기 전지 하우징의 축방향으로 더 돌출된, 전극 단자의 고정 구조.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 선단면은 표면이 평평한 평탄부를 포함하는, 전극 단자의 고정 구조.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 체결부재는, 상기 돌출부로부터 원심 방향으로 연장됨에 따라 상기 전지 하우징의 바닥부로부터 점점 멀어지는 제1구간을 구비하는, 전극 단자의 고정 구조.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1구간에서 상기 체결부재가 상기 바닥부를 바라보는 면이 상기 바닥부와 이루는 각도는 0도 초과 60도 이하인, 전극 단자의 고정 구조.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 확경부는 상기 전지 하우징의 중심축과 수직 방향으로 자른 단면의 직경이 상기 관통 홀의 직경보다 큰 것인, 전극 단자의 고정 구조.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 확경부는 상기 전지 하우징의 중심축과 수직 방향으로 자른 단면의 직경이 상기 전지 하우징의 바닥부로부터 멀어질수록 점진적으로 증가하는, 전극 단자의 고정 구조.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 헤드부와 상기 전지 하우징의 바닥부 사이에 개재된 단자 가스켓의 부분이 압착된 상태를 가지는, 전극 단자의 고정 구조.
  19. 제1전극과 제2전극이 분리막이 개재된 상태로 권취되고, 양측 단부로부터 연장되어 상기 분리막의 밖으로 노출된 상기 제1전극의 무지부와 상기 제2전극의 무지부를 포함하는 전극 조립체; 및
    일측에 개방단부를 구비하고 상기 개방단부를 통해 상기 전극 조립체를 수납하며 상기 제1전극과 전기적으로 연결된 전지 하우징;
    상기 전지 하우징의 바닥부에 형성된 관통 홀의 내벽과 접촉하지 않도록 상기 관통 홀을 통과하여 설치되며, 상기 제2전극과 전기적으로 연결된 전극 단자로서, 상기 관통 홀의 단면보다 작은 단면을 구비하고 상기 관통 홀에 삽입된 네크부; 상기 네크부의 일측 단부에 연결되고, 상기 관통 홀의 단면보다 큰 단면을 가지며 상기 바닥부의 일측 표면을 따라 연장된 헤드부; 상기 네크부의 타측 단부에 연결되고, 상기 바닥부의 타측 표면으로부터 상기 전지 하우징의 축방향을 따라 연장된 돌출부; 상기 돌출부로부터 원심방향으로 연장된 확경부; 및 상기 돌출부의 축방향 단부에 마련된 선단면;을 구비하고, 상기 확경부는, 상기 돌출부의 외주면에 물리적으로 결합되는 체결부재인, 전극 단자;
    상기 전극 단자와 상기 관통 홀 사이에 개재된 단자 가스켓; 및
    상기 전지 하우징으로부터 절연 가능하도록 상기 전지 하우징의 개방단부를 밀봉하는 밀봉체를 포함하는 것인, 배터리.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 돌출부의 외주면에는 둘레방향을 따라 형성되고 구심 방향으로 함몰된 체결홈이 마련되고,
    상기 체결부재는 상기 체결홈에 끼워져 고정되는, 배터리.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 체결홈은 수나사산 형상이고, 상기 체결부재는 상기 수나사산과 체결되는 암나사산이 형성된 너트인, 배터리.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 체결홈은 O형 홈이고, 상기 체결부재는 상기 O형 홈에 끼워지는 C형 링인, 배터리.
  23. 청구항 20에 있어서,
    상기 체결부재가 상기 바닥부를 바라보는 표면은, 반경방향 외측으로 갈수록 상기 바닥부로부터 점점 멀어지는 측벽면을 포함하는, 배터리.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 체결부재가 상기 체결홈에 결합된 상태에 있을 때 상기 측벽면은 상기 전지 하우징의 바닥부를 향해 상기 단자 가스켓을 압착시키는 것인, 배터리.
  25. 청구항 19에 있어서,
    상기 단자 가스켓과 상기 전지 하우징 바닥부 사이의 계면에 형성된 제1실링 코팅층을 더 포함하는, 배터리.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 제1실링 코팅층은, 실리콘 수지, 실리콘 아크릴레이트 또는 폴리아미드이미드를 포함하는, 배터리.
  27. 청구항 19에 있어서,
    상기 체결부재와 상기 단자 가스켓 사이의 외부 노출 계면을 덮는 제2실링 코팅층을 더 포함하는, 배터리.
  28. 청구항 27에 있어서,
    상기 제2실링 코팅층은 상기 단자 가스켓과 상기 바닥부 사이의 외부 노출 계면을 덮는 것인, 배터리.
  29. 청구항 27 또는 청구항 28에 있어서,
    상기 제2실링 코팅층은, 실리콘 수지, 실리콘 아크릴레이트 또는 폴리아미드이미드를 포함하는, 배터리.
  30. 청구항 19에 있어서,
    상기 전지 하우징은 상기 개방단부에 인접한 영역에 상기 전지 하우징의 내측으로 압입된 비딩부를 포함하고,
    상기 밀봉체는, 극성이 없는 캡 및 상기 캡의 가장자리와 상기 전지 하우징의 개방단부 사이에 개재된 밀봉 가스켓을 포함하는, 배터리.
  31. 청구항 30에 있어서,
    상기 전지 하우징은, 상기 전지 하우징의 내측으로 연장 및 절곡되어 있고 상기 밀봉 가스켓과 함께 상기 캡의 가장자리를 감싸서 고정하는 클림핑부를 더 포함하는, 배터리.
  32. 청구항 31에 있어서,
    상기 제1전극의 무지부와 결합되는 제1집전체를 더 포함하고,
    상기 제1집전체는 상기 제1전극의 무지부와 접촉하지 않는 가장자리의 적어도 일부가 상기 비딩부와 상기 밀봉 가스켓 사이에 개재되어 상기 클림핑부에 의해 고정된, 배터리.
  33. 청구항 32에 있어서,
    상기 제1집전체의 가장자리의 적어도 일부는 상기 클림핑부와 인접한 상기 비딩부의 내주면에 용접을 통해 고정된, 배터리.
  34. 청구항 19에 있어서,
    상기 제2전극의 무지부와 결합되는 제2집전체를 더 포함하고,
    상기 제2집전체의 적어도 일부는 상기 전극 단자의 선단면에 용접된, 배터리.
  35. 청구항 34에 있어서,
    상기 제2집전체와 상기 전지 하우징의 바닥부 내주면 사이, 그리고 상기 전지 하우징의 측벽의 내주면과 상기 전극 조립체 사이에 개재된 인슐레이터를 더 포함하는, 배터리.
  36. 청구항 19에 있어서,
    상기 배터리의 직경을 높이로 나눈 폼 팩터의 비가 0.4 보다 큰 것인, 배터리.
  37. 청구항 19에 있어서,
    상기 배터리의 전극 단자와 전지 하우징 바닥부의 외부면을 통해 측정한 AC 저항은 4밀리오옴(miliohm) 이하인, 배터리.
  38. 청구항 19 내지 청구항 37 중 어느 한 항에 따른 복수의 배터리를 포함하는 배터리 팩.
  39. 청구항 38항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08102313A (ja) 1994-09-30 1996-04-16 Sony Corp 非水電解液二次電池
JP2004014173A (ja) 2002-06-04 2004-01-15 Japan Storage Battery Co Ltd 電池及び電池の製造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08102313A (ja) 1994-09-30 1996-04-16 Sony Corp 非水電解液二次電池
JP2004014173A (ja) 2002-06-04 2004-01-15 Japan Storage Battery Co Ltd 電池及び電池の製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102656887B1 (ko) * 2023-06-08 2024-04-12 동원시스템즈 주식회사 이차전지 제조설비 및 이를 이용한 이차전지 제조방법

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