KR20240033576A - 젤리롤 타입 배터리 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 젤리롤 타입 배터리 셀을 개시한다. 본 발명의 젤리롤 타입 배터리 셀은: 양극시트와 음극시트 및 분리막이 젤리롤 타입으로 권취되고, 외곽측에 활물질이 도포되지 않은 최외곽 무지부가 배치되는 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수용되는 전지캔; 및 상기 전극 조립체의 최외곽에 배치되고, 상기 전극 조립체와 상기 전지캔을 전기적으로 연결하는 전극 외주탭;을 포함하고, 상기 최외곽 무지부는 상기 전극 조립체의 수축 및 팽창시, 상기 전지캔의 반력에 의해 상기 전극 외주탭에 가해지는 응력을 완화시키도록 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 전극 외주탭의 외측면을 둘러싸도록 설치된다.

Description

젤리롤 타입 배터리 셀{JELLY ROLL TYPE BATTERY CELL}
본 발명은 전극 외주탭이나 전극에 크랙이 발생되는 것을 방지하고, 전극 조립체의 외주면에서 크랙이 축방향으로 진행하는 것을 방지할 수 있는 젤리롤 타입 배터리 셀에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지는 양극, 음극 및 전해질을 포함하고, 화학 반응을 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다. 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 장점이 있다. 이차 전지는 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 있다. 이 때문에 이차 전지는 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 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.
한편, 단위 이차 전지 셀의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리 셀이 알려져 있다. 원통형 배터리 셀의 경우, 양극시트와 음극시트 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전지캔 내부에 삽입하여 이차 전지를 구성한다.
상기 이차 전지에서 양극시트 및 음극시트 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극 탭이 연결될 수 있다. 전극 탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적으로 연결한다. 참고로, 양극 전극 단자는 전지캔의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡 플레이트이고, 음극 전극 단자는 전지캔이다.
이와 같은 구조를 갖는 종래의 원통형 배터리 셀에 의하면, 양극 무지부 및/또는 음극 무지부와 결합되는 스트립 형태의 전극 탭에 전류가 집중되기 때문에 저항이 크고 열이 많이 발생하며 집전 효율이 저하될 수 있다. 즉, 전극 탭의 단면적이 급격하게 감소되어 전류 흐름의 병목 현상을 일으킬 수 있다.
상기 원통형 배터리 셀에서 전극 탭의 개수를 증가시킬수록 저항은 감소되지만, 그 만큼 배터리 셀의 용량 손실이 증가될 수 있다. 또한, 전극 탭의 개수가 증가할수록 제조 공정이 복잡해지고 어려워질 수 있다.
상기 원통형 배터리 셀은 상기 양극시트의 무지부에 하나의 양극 탭을 연결하고, 음극시트의 무지부에 코어 전극탭과 전극 외주탭을 연결한다. 이때, 코어 전극탭은 전극 조립체의 코어부(중심부) 근처에 배치되고, 전극 외주탭은 전극 조립체의 최외곽에 배치되고, 전지캔의 바닥면에 용접된다. 또한, 전극 외주탭은 전극 조립체의 외주면에서 전극 외주탭의 두께만큼 돌출되어 전지캔의 내측면에 밀착된다. 게다가, 전극 외주탭과 전극 조립체의 외주면은 전극 외주탬의 두께만큼 단차진다.
이러한 원통형 배터리 셀이 충방전됨에 따라 배터리 셀이 반경방향으로 팽창 및 수축된다. 배터리 셀이 팽창되면, 전극 조립체의 외주면에서 돌출된 전극 외주탭이 전지캔의 내측면에 의해 압착된다. 이때, 전지캔의 반력이 전극 외주탭에 가해지므로, 전극 조립체의 외주면에서 전극 외주탭 근처 부분이 전극 외주탭과 의해 오목하게 변형된다. 또한, 배터리 셀이 반경방향으로 수축되면, 전극 외주탭에 가해지는 전지캔의 반력이 해제되고, 전극 외주탭의 외주면에서 전극 외주탭 근처 부분이 거의 원상태로 복원된다.
상기 원통형 배터리 셀이 팽창과 수축을 반복함에 따라 전극 조립체의 최외곽에 배치되는 전극 외주탭이나 전극 조립체의 외주면에서 전극 외주탭 근처 부분에 응력이 집중되므로, 전극 외주탭과 그 주변 부분에 크랙이 발생될 수 있다. 더욱이, 상기 전극 외주탭은 전지캔의 바닥면에 용접에 의해 고정되므로, 전극 외주탭과 그 주변의 음극시트 부분에 응력이 더욱 집중될 수 있다.
상기 전극 외주탭과 그 주변에 응력이 집중됨에 따라 전극 외주탭과 전극 조립체의 외주면에 크랙이 발생될 수 있다. 상기 전극 조립체의 외주면에서 크랙이 발생된 상태에서 상기 배터리 셀의 수축 및 팽창이 반복되면, 상기 크랙이 전극 조립체의 축방향으로 진행된다.
상기와 같이 전극 조립체에서 크랙이 발생되는 경우, 크랙 부위에 저항이 집중됨에 따라 발열량이 현저히 증가되고 화재 위험성이 현저히 증가될 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제2017-0036466호(2017.04.03. 공개)에는 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지가 개시된다. 원통형 이차전지는 멀티탭의 정렬 및 용접 용이성을 향상시키고, 전기 저항을 낮출 수 있다. 상기 원통형 이차전지는 양극 전극판에 복수의 양극탭이 연결되고, 음극 전극판에 하나의 음극탭이 연결되며, 음극 탭은 전극 조립체의 최외곽에 배치되는 구조를 갖는다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전극 외주탭이 최외곽 무지부의 가압력에 의해 눌려진 상태로 설치될 수 있는 젤리롤 타입 배터리 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전극 조립체의 수축 및 팽창시 전극 외주탭과 전극 조립체의 외주면에 가해지는 응력을 현저히 감소시킬 수 있는 젤리롤 타입 배터리 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전극 외주탭이나 전극 조립체의 외주면에서 전극 외주탭 근처 부분에 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있는 젤리롤 타입 배터리 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전극 조립체이 외주면에서 크랙이 축방향으로 진행되는 것 역시 방지할 수 있는 젤리롤 타입 배터리 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 최외곽 음극 무지부가 음극 전극 단자 역할을 하는 전지캔에 연결되더라도 최외곽 분리막의 길이를 연장하지 않을 수 있는 젤리롤 타입 배터리 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
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.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 젤리롤 타입 배터리 셀은: 양극시트와 음극시트 및 분리막이 젤리롤 타입으로 권취되고, 외곽측에 활물질이 도포되지 않은 최외곽 무지부가 배치되는 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수용되는 전지캔; 및 상기 전극 조립체의 최외곽에 배치되고, 상기 전극 조립체와 상기 전지캔을 전기적으로 연결하는 전극 외주탭;을 포함한다.
상기 최외곽 무지부는 상기 전극 조립체의 수축 및 팽창시, 상기 전지캔의 반력에 의해 상기 전극 외주탭에 가해지는 응력을 완화시키도록 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 전극 외주탭의 외측면을 둘러싸도록 설치된다.
상기 최외곽 무지부는 상기 전극 조립체의 외주면에 적어도 1회 이상 권취될 수 있다.
상기 최외곽 무지부는 상기 전극 외주탭으로부터 상기 전극 조립체의 외주면을 1회 이상 권취하는 길이로 연장될 수 있다.
상기 최외곽 무지부는 원주방향으로 상기 음극시트에 연결되는 최외곽 음극 무지부일 수 있다.
상기 전극 외주탭은 상기 최외곽 음극 무지부의 외측면에 연결될 수 있다.
상기 전극 외주탭은 상기 최외곽 음극 무지부에 의해 가압되어 상기 전극 조립체의 외주면에서 내측으로 일정 깊이 매립된 상태로 설치될 수 있다.
상기 최외곽 무지부가 상기 전지캔의 내주면과 절연되도록 상기 최외곽 무지부를 둘러싸도록 설치되는 절연막을 더 포함할 수 있다.
반경방향으로 상기 전극 외주탭과 상기 전지캔 사이에 상기 최외곽 무지부가 개재될 수 있다.
반경방향으로 상기 최외곽 무지부와 상기 전지캔 사이에 분리막이 개재될 수 있다.
상기 음극시트에는 상기 전극 조립체의 코어부 근처에 위치되도록 상 코어 음극 무지부가 형성되고, 상기 코어 음극 무지부에는 코어 음극탭이 연결될 수 있다.
상기 코어 음극 무지부와 상기 코어 음극탭에 부착되는 음극 보호 테이프를 더 포함할 수 있다.
상기 음극시트의 외측면에는 상기 최외곽 음극 무지부로부터 상기 전극 조립체의 코어부 측으로 음극 활물질이 도포되지 않는 미도포 영역이 형성될 수 있다.
상기 미도포 영역은 상기 전극 조립체에서 양극시트의 최외곽을 적어도 1회 이상 권취하는 길이만큼 형성될 수 있다.
상기 미도포 영역에는 상기 미도포 영역과 상기 분리막의 단차를 해소하는 외측 단차 해소부가 부착될 수 있다.
상기 최외곽 무지부의 내측면에는 상기 분리막의 단차를 해소하는 내측 단차 해소부가 부착될 수 있다.
본 발명에 의하면, 최외곽 무지부가 전극 외주탭의 외측면을 둘러싸는 구조로 제작되므로, 전극 외주탭이 최외곽 무지부의 가압력에 의해 눌려진 상태로 설치될 수 있다.
본 발명에 의하면, 전극 외주탭이 전극 조립체의 외주면과 거의 동일한 구면을 이루거나 전극 조립체의 외주면에서 미세하게 돌출될 수 있다. 이에 따라 상기 전극 조립체의 수축 및 팽창시, 전극 외주탭과 전극 조립체의 외측면의 변형량은 전극 외주탭의 두께보다 현저히 감소될 수 있다.
본 발명에 의하면, 전극 외주탭의 변형량이 감소되므로, 전극 외주탭과 전극 조립체의 외주면에 가해지는 응력을 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 전극 외주탭이나 전극 조립체의 외주면에서 전극 외주탭 근처 부분에 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전극 조립체이 외주면에서 크랙이 축방향으로 진행되는 것 역시 방지하고, 화재 위험성을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 최외곽 음극 무지부가 음극 전극 단자 역할을 하는 전지캔에 연결되므로, 최외곽 분리막의 길이를 연장하지 않아도 된다.
본 발명에 의하면, 최외곽 음극 무지부가 전지캔에 전기적으로 연결되므로, 전극 조립체의 최외곽에 실질적인 전극탭이 하나 더 추가될 수 있다. 또한, 최외곽 음극 무지부에 별도의 용접 공정을 추가하지 않을 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 젤리롤 타입 배터리 셀을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 젤리롤 타입 배터리 셀에서 양극시트, 음극시트 및 분리막을 전개한 상태를 개략적으로 도시한 전개도이다.
도 3은 본 발명에 따른 젤리롤 타입 배터리 셀에서 최외곽 무지부가 전극 외주탭의 외주면과 전극 조립체의 외주면을 둘러싸도록 설치된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 도 2의 전극 조립체가 팽창된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 도 2의 전극 조립체가 수축된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 젤리롤 타입 배터리 셀에서 양극시트, 음극시트 및 분리막을 전개한 상태에서 최외곽 분리막의 길이가 연장된 상태를 개략적으로 도시한 전개도이다.
도 7은 도 2의 전극 조립체의 최외곽 무지부와 전지캔의 내측면 사이에 분리막이 개재된 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 도 2의 전극 조립체의 최외곽 무지부와 전지캔의 내측면 사이에 절연층이 개재된 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 변경을 가할 수 있고 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 어느 하나의 실시예의 구성과 다른 실시예의 구성을 서로 치환하거나 부가하는 것은 물론 본 발명의 기술적 사상과 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께가 과장되게 크거나 작게 표현될 수 있으나, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 아니 될 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예나 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 그리고 단수의 표현은, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이다. 즉 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는. 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들이 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에 있다"거나 "하부에 있다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 배치되어 있는 것뿐만 아니라 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 젤리롤 타입 배터리 셀에 관해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 젤리롤 타입 배터리 셀을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 젤리롤 타입 배터리 셀에서 양극시트, 음극시트 및 분리막을 전개한 상태를 개략적으로 도시한 전개도이고, 도 3은 본 발명에 따른 젤리롤 타입 배터리 셀에서 최외곽 무지부가 전극 외주탭의 외주면과 전극 조립체의 외주면을 둘러싸도록 설치된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 4는 도 2의 전극 조립체가 팽창된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 5는 도 2의 전극 조립체가 수축된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 젤리롤 타입 배터리 셀(1)은 전극 조립체(100), 전지캔(200), 전극 외주탭(127)을 포함한다.
전극 조립체(100)는 양극시트(110), 음극시트(120) 및 분리막(130)이 젤리롤 타입으로 권취되어 이루어진다. 전극 조립체(100)는 양극시트(110)와 음극시트(120) 사이에 분리막(130)이 적층되어 이루어진다. 예들 들면, 전극 조립체(100)는 하나의 양극시트(110), 하나의 음극시트(120) 및 2개의 분리막(130)이 적층되어 이루어질 수 있다. 또한, 전극 조립체(100)는 2개 이상의 양극시트(110), 2개 이상의 음극시트(120) 및 3개 이상의 분리막(130)이 적층되어 이루어질 수도 있다. 이러한 전극 조립체(100)에서 양극시트(110), 음극시트(120) 및 분리막(130)이 적층되는 개수가 증가할수록 원하는 직경의 전극 조립체(100)의 권취 시간 및 제조 시간이 단축될 수 있다. 아래에서는 전극 조립체(100)가 하나의 양극시트(110), 하나의 음극시트(120) 및 2개의 분리막(130)이 적층되는 구조를 기준으로 설명하기로 한다.
양극시트(110)는 양극 집전체(111)의 내측면과 외측면에 양극 활물질(112)이 코팅되어 이루어진다. 또한, 음극시트(120)는 음극 집전체(121)의 그 내측면과 외측면에 음극 활물질(122)이 코팅되어 이루어진다. 양극시트(110)와 음극시트(120) 사이에는 하나의 분리막(130)이 적층되고, 음극시트(120)의 외측면에는 하나의 분리막(130)이 적층된다. 분리막(130)은 양극시트(110)와 음극시트(120)가 전기적으로 접속되는 것을 방지한다.
본 발명에 있어서, 양극시트(110)에 코팅되는 양극 활물질(112)과 음전극시트에 코팅되는 음극 활물질(122)은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질(112)은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물 또는 1종 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4(여기서, x는 0 내지 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물(LiMnO2); 리튬 구리 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga이고, x = 0.01 내지 0.3임)으로 표현되는 니켈사이트형 리튬 니켈 산화물(lithiated nickel oxide); 화학식 LiMn2-xMxO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta이고, x = 0.01 내지 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn임)로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 리튬 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithium intercalation material)을 주성분으로 할 수 있다. 양극 활물질(112)로는 상기와 같은 종류들이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 집전체(111)는 예컨대 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 양극 집전체(111)는, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 양극 집전체(111)는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 전극 집전체(111)는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질(112)의 접착력을 높일 수도 있다. 이러한 양극 집전체(111)는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질 입자에는 도전재가 추가로 혼합될 수 있다. 이러한 도전재는 예컨대 양극 활물질(112)을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
또한, 음극시트(120)는 음극 집전체(121) 상에 음극 활물질(122) 입자를 도포 및 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 도전재, 바인더, 용매 등과 같은 성분들이 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체(121)는 예컨대 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 음극 집전체(121)는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 음극 집전체(121)는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 음극 집전체(121)는 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양 한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질(122)은 예컨대 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8)의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 전극시트(11,12)에 사용가능한 바인더 고분자는 전극 활물질 입자와 도전재 등의 결합과 전극 집전체(111,121)에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 예를 들어 전극 활물질(112,122)을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더 고분자의 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene: PVdF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트(polybutylacrylate), 리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란(pullulan) 및 카르복실메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 바인더 고분자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전극 제조에 사용되는 용매의 비제한적인 예로는 아세톤(acetone), 테 트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산(cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합체 등이 있다. 이러한 용매들은 전극 집전체 표면에 대해 소망하는 수준으로 슬러리 도포 층이 만들어질 수 있도록 적정한 수준의 점도를 제공한다.
분리막(13)은 다공성 고분자 기재와, 상기 다공성 고분자 기재의 양면 상에 위치하고, 무기물 입자 및 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층을 가진다.
상기 다공성 고분자 기재는 폴리올레핀계 다공성 기재일 수 있다.
상기 폴리올레핀 다공성 기재는 필름(film) 또는 부직웹(non-woven web) 형태일 수 있다. 이와 같이 다공성 구조를 가짐으로써 양극과 음극 간의 전해액 이동이 원활하게 이루어질 수 있게 된다. 다공성 구조는 기재 자체의 전해액 함침성도 증가하게 되어 우수한 이온 전도성이 확보될 수 있으며, 전기화학소자 내부의 저항증가가 방지 되어 전기화학소자의 성능저하가 방지될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 폴리올레핀 다공성 기재는 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 평면상의 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하며, 그 재질이나 형태는 목적하는 바에 따라 다양하게 선택할 수 있다.
폴리올레핀 다공성 기재는 비제한적으로 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 도는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성된 필름(film) 혹은 부직웹(non-woven web)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리올레핀 다공성 기재는 8 내지 30 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이는 단지 예시일 뿐 기계적인 물성이나 전지의 고효율 충방전 특성을 고려하여 상기 범위를 벗어난 두께도 채택 가능하다.
본 발명에 따른 분리막(13)은 1 내지 100㎛ 또는 5 내지 50㎛의 두께를 가질 수 있다. 분리막(13)의 두께가 1㎛ 미만이면 분리막(13)의 기능이 충분히 발휘되지 못하고 기계적 특성의 열화가 발생할 수 있다. 분리막(13)의 두께가 100㎛ 초과이면 고율 충방전시 전지의 특성이 열화될 수 있다. 또한, 40 ~ 60% 공극률을 가질 수 있으며, 150 내지 300 초/100mL의 통기도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 분리막(13)을 사용하는 경우, 다공성 고분자 기재의 양측에 다공성 코팅층을 구비하고 있으므로, 전해액에 대한 함침 성능 향상으로 균일한 고체전해질계면층을 형성할 수 있고, 종래의 단면 무기물 코팅 분리막(13)과 대비하여 우위의 통기도를 확보할 수 있다. 예를 들어 120s/100cc 이내일 수 있다. 또 한, 양면에 무기물 다공성 코팅층을 구비하여도 종래 단면 무기물 코팅 분리막(13) 수준의 두께를 구현할 수 있다. 예를 들어 ~15.0㎛ 이내일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막(13)을 사용하는 경우, 분리막(13)의 안정 성이 개선되어 내열 및 내압축 특성을 확보할 수 있다. 구체적으로 180
Figure pat00001
기준 5% 이내의 열수축 특성을 갖는 내열 특성을 확보할 수 있고, 550gf 이상의 관통 강도(Puncture strength) 물성을 확보할 수 있으며, 이러한 분리막(13)을 채용한 전지의 사이클 중 코어 변형(core deformation) 발생 시 단차부에서 분리막(13)의 손상 또는 관통이 방지될 수 있다.
양극 활물질(112)은 양극시트(110)의 내측면과 외측면의 길이방향 전체에 코팅될 수 있다. 양극시트(110)는 전극 조립체(100)의 권취방향 내측에 배치된다.
양극시트(110)에는 전극 조립체(100)의 코어부(150) 근처에 위치되도록 코어 양극 무지부(113)가 형성되고, 코어 양극 무지부(113)에는 코어 양극탭(114)이 형성된다. 이때, 코어 양극 무지부(113)는 양극시트(110)의 코어부(150)측 단부(좌측 단부)에서 양극시트(110) 길이의 1/3 내지 1/2 지점에 배치될 수 있다. 이에 따라, 양극시트(110)에서 전류 패스는 양극시트(110)의 좌측 단부와 코어 양극탭(114) 사이의 구간, 양극시트(110)의 우측 단부와 코어 양극탭(114) 사이의 구간으로 분리될 수 있다. 이러한 양극시트(110)에서 전류 패스의 길이를 단축시켜 양극시트(110)에서 전기 저항을 감소시킬 수 있다.
이에 비해, 양극시트(110)의 일측 단부에 코어 양극 무지부(113)가 형성되고, 코어 양극 무지부(113)에 코어 양극탭(114)이 형성되는 경우, 전류 패스의 길이는 양극시트(110)의 길이만큼 길어진다. 이러한 양극시트(110)에서는 전류 패스가 상대적으로 길어짐에 따라 전기 저항이 증가될 수 있다.
음극 활물질(122)은 음극시트(120)의 내측면과 외측면에 양극시트(110)의 길이보다 길게 코팅된다. 이때, 음극시트(120)의 내측 에지부(도 2의 좌측)에는 일정 간격의 에지 무지부(미도시)가 형성된다. 또한, 음극시트(120)의 외곽측(도 2의 우측)에는 음극 활물질(122)이 도포되지 않는 최외곽 무지부(126)가 형성된다.
권취기(미도시)가 한 쌍의 분리막(130)의 일측 단부(도 1의 좌측 단부)를 권취하는 초기에 양극시트(110)가 분리막(130)의 내측에 개재되고 음극시트(120)가 한 쌍의 분리막(130) 사이에 개재될 수 있다. 물론, 양극시트(110)와 음극시트(120) 및 분리막(130)이 적층된 후 권취기(미도시)가 양극시트(110)와 음극시트(120) 및 분리막(130)을 권취할 수도 있다.
전지캔(200)의 내부에는 전극 조립체(100)가 수용된다. 전지캔(200)은 전류가 흐를 수 있도록 도전성 재질로 형성될 수 있다. 예들 들면, 전지캔(200)은 스테인리스 재질, 알루미늄 재질 등을 포함하는 재질로 제조될 수 있다.
전지캔(200)은 원통형으로 형성되는 전지캔 바디(210)와, 전지캔 바디(210)의 개방구를 밀봉하는 커버 플레이트(220)와, 전지캔 바디(210)와 커버 플레이트(220)를 절연하는 인슐레이터(230)를 포함한다.
전지캔 바디(210)의 바닥면(211)에는 음극탭 접속부가 돌출되게 형성될 수 있다. 전지캔 바디(210)의 개방구 둘레에는 내측으로 절곡되는 클램핑부(213)가 형성된다. 커버 플레이트(220)의 하측에는 양극탭 접속부(222)가 돌출되게 형성된다. 인슐레이터(230)는 클램핑부(213)와 캡 플레이트(220)의 둘레부 사이에 개재되어 전지캔 바디(210)와 커버 플레이트(220)를 전기적으로 격리시킨다. 양극 전극 단자는 커버 플레이트(220)이고, 음극 전극 단자는 전지캔 바디(210)이다. 전지캔(200)의 내부에는 전해액이 주입된다.
전극 외주탭(127)은 전극 조립체(100)의 최외곽에 배치되고, 전극 조립체(100)와 전지캔(200)을 전기적으로 연결한다. 전극 외주탭(127)은 직사각 스트립 형태로 형성될 수 있다. 전극 외주탭(127)은 전극 조립체(100)의 최외곽에서 전지캔(200)의 바닥면(211)과 나란하게 절곡되고, 전지캔(200)의 바닥면(211)에 용접된다. 전극 외주탭(127)의 폭과 길이는 젤리롤 타입 배터리 셀(1)의 크기와 용량에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
최외곽 무지부(126)는 전극 조립체(100)의 수축 및 팽창시, 전지캔(200)의 반력에 의해 전극 외주탭(127)에 가해지는 응력을 완화시키도록 전극 조립체(100)의 외주면과 전극 외주탭(127)의 외측면을 둘러싸도록 설치된다.
상기 전극 조립체(100)는 충방전될 때에 전극조립체가 반경방향으로 수축 및 팽창을 반복한다. 전극 조립체(100)의 팽창시 전극 조립체(100)의 외주면이 전지캔(200)의 내측면에 압착되고, 전극 조립체(100)의 수축시 전극 조립체(100)의 외주면이 전지캔(200)의 내측면에서 약간 이격된다.
종래의 전극 조립체(100)는 최외곽 무지부(126)가 전극 외주탭(127)의 외측면을 둘러싸지 않는 구조로 제작되므로, 전극 외주탭(127)이 전극 조립체(100)의 외주면에서 전극 외주탭(127)의 두께만큼 돌출된다. 이러한 전극 조립체(100)의 팽창시, 전극 외주탭(127)이 전지캔(200)의 내측면에 의해 가압됨에 따라 전극 조립체(100)의 외주면에서 전극 외주탭(127) 근처 부분이 내측으로 오목하게 변형된다. 또한, 상기 전극 조립체(100)의 수축시, 전극 외주탭(127)이 전극 조립체(100)의 외주면에서 외측으로 원상 복귀됨에 따라 전극 조립체(100)의 외주면이 거의 원상태로 복원된다. 이와 같이, 종래의 전극 조립체(100)는 전극 조립체(100)의 수축 및 팽창시 전극 외주탭(127)과 전극 조립체(100)의 변형량이 거의 전극 외주탭(127)의 두께만큼 증가된다. 그 결과, 전극 외주탭(127)과 전극 조립체(100)에 가해지는 응력이 현저히 증가되고, 응력이 반복적으로 전극 외주탭(127)과 전극 조립체(100)의 외주면에 가해짐에 따라 크랙이 발생될 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 전극 조립체(100)는 최외곽 무지부(126)가 전극 외주탭(127)의 외측면을 둘러싸는 구조로 제작되므로, 전극 외주탭(127)이 최외곽 무지부(126)의 가압력에 의해 눌려진 상태로 설치된다. 이에 따라, 상기 전극 외주탭(127)은 전극 조립체(100)의 외주면과 거의 동일한 구면을 이루거나 전극 조립체(100)의 외주면에서 미세하게 돌출될 수 있다. 상기 전극 조립체(100)의 수축 및 팽창시, 전극 외주탭(127)과 전극 조립체(100)의 외측면의 변형량(Q: 도 5 참조)은 전극 외주탭(127)의 두께보다 현저히 감소될 수 있다. 그 결과, 전극 외주탭(127)과 전극 조립체(100)의 외주면에 가해지는 응력을 현저히 감소시키고, 전극 외주탭(127)이나 전극 조립체(100)의 외주면에서 전극 외주탭(127) 근처 부분에 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전극 조립체(100)에서 크랙이 축방향으로 진행되는 것 역시 방지하고, 화재 위험성을 감소시킬 수 있다.
최외곽 무지부(126)는 전극 조립체(100)의 외주면에 적어도 1회 이상 권취될 수 있다. 최외곽 무지부(126)의 길이는 전극 조립체(100)의 직경에 따라 다양한 길이로 변경될 수 있다. 최외곽 무지부(126)가 전극 조립체(100)의 외주면을 1회 이상 권취하므로, 전극 외주탭(127)가 최외곽 무지부(126)에 의해 가압되어 전극 조립체(100)의 외주면에서 매립된 상태로 설치될 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(100)의 팽창시 전극 조립체(100)의 외주면이 전지캔(200)의 내측면에 밀착되더라도 전극 외주탭(127)과 그 근처 부분의 변형량(Q: 도 5 참조)이 현저히 감소될 수 있다.
최외곽 무지부(126)는 전극 외주탭(127)으로부터 전극 조립체(100)의 외주면을 1회 이상 권취하는 길이(L: 도 2 참조)로 연장될 수 있다. 도 2에서 최외곽 무지부(126) 중 외주면을 1회 이상 권취하는 길이를 "L"로 표시하였다. 이에 따라, 최외곽 무지부(126)가 전극 외주탭(127)의 외측면 전체와 전지캔(200)의 내측면 전체 사이에 개재될 수 있다. 또한, 최외곽 무지부(126)가 전극 조립체(100)의 외주면에서 풀리는 것을 방지하여 최외곽 무지부(126)의 가압력이 감소되는 것을 방지할 수 있다.
전극 외주탭(127)은 최외곽 음극 무지부(126)에 의해 가압되어 전극 조립체(100)의 외주면에서 내측으로 일정 깊이 매립된 상태로 설치된다. 이에 따라, 전극 조립체(100)의 팽창시 전극 조립체(100)의 외주면이 전지캔(200)의 내측면에 밀착되더라도 전극 외주탭(127)과 그 근처 부분의 변형량(Q: 도 5 참조)이 전극 조립체(100)의 매립 깊이만큼 감소될 수 있다.
최외곽 무지부(126)는 원주방향으로 음극시트(120)에 연결되는 최외곽 음극 무지부(126)이다. 음극 무지부(음극 집전체(121))의 두께는 대략 8㎛ 정도로 형성되는 경우, 양극 무지부(양극 집전체(111))의 두께는 대략 15㎛ 정도로 형성된다. 이처럼 음극 무지부의 두께가 양극 무지부의 두께의 대략 절반 정도로 형성되므로, 최외곽 음극 무지부(126)가 전극 조립체(100)의 외주면을 1회 이상 둘러싸더라도 전극 조립체(100)의 직경이 설계값 이상으로 증가되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 전지캔(200)의 사이즈가 배터리 셀의 표준 사이즈를 벗어나도록 제작되지 않아도 된다.
한편, 최외곽 무지부(126)가 양극시트(110)에 연결되는 최외곽 양극 무지부인 경우, 최외곽 양극 무지부가 음극 전극 단자 역할을 하는 전지캔(200)이 쇼트되는 것을 방지하도록 최외곽 분리막(130)의 길이를 연장해야 한다. 이에 따라, 전극 조립체(100)의 직경이 양극 무지부와 음극 무지부의 두께 차이와 분리막(130)의 두께만큼 증가될 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 최외곽 음극 무지부(126)가 적용되므로, 최외곽 음극 무지부(126)가 음극 전극 단자 역할을 하는 전지캔(200)에 연결되더라도 상관없다. 또한, 최외곽 음극 무지부(126)가 전지캔(200)에 연결되므로, 전극 조립체(100)의 최외곽에 실질적인 전극탭이 하나 더 추가될 수 있다. 또한, 실질적인 전극탭이 추가되더라도 음극 무지부에 용접 공정이 추가되지 않으므로, 배터리 셀의 제조 공정이 복잡해지는 것을 방지할 수 있다.
전극 외주탭(127)은 최외곽 음극 무지부(126)의 외측면에 연결된다. 이에 따라, 권취된 전극 조립체(100)에서 전극 외주탭(127)이 양극시트(110)와 음극시트(120) 사이의 분리막(130)을 가압하지 않으므로, 전극 외주탭(127)과 양극시트(110)의 거리가 설계치보다 가까워지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 양극시트(110)와 전극 외주탭(127)이 서로 쇼트되는 것을 방지할 수 있다.
만약, 전극 외주탭(127)이 최외곽 음극 무지부(126)의 내측면에 연결되는 경우, 전극 외주탭(127)이 양극시트(110)와 음극시트(120) 사이의 분리막(130)을 가압하므로, 전극 외주탭(127)과 양극시트(110)의 거리가 설계치보다 가까워짐에 따라 쇼트가 발생될 수 있다.
음극시트(120)에 전극 조립체(100)의 코어부(150) 근처에 위치되도록 코어 음극 무지부(123)가 배치되고, 코어 음극 무지부(123)에는 코어 음극탭(124)이 연결된다.
코어 음극 무지부(123)는 음극시트(120)의 코어부(150)측 단부(좌측 단부)에서 음극시트(120) 길이의 1/3 내지 1/2 지점에 배치될 수 있다. 이에 따라, 음극시트(120)에서 전류 패스는 음극시트(120)의 좌측 단부와 코어 음극탭(124) 사이의 구간, 음극시트(120)의 우측 단부와 코어 음극탭(124) 사이의 구간으로 분리될 수 있다. 이처럼 음극시트(120)에서 전류 패스의 길이를 단축시킴으로써 음극시트(120)에서 전기 저항을 감소시킬 수 있다.
이에 비해, 음극시트(120)의 일측 단부에 코어 음극 무지부(123)가 형성되고, 코어 음극 무지부(123)에 코어 음극탭(124)이 형성되는 경우, 전류 패스의 길이는 음극시트(120)의 기리만큼 길어진다. 이러한 음극시트(120)에서는 전류 패스가 상대적으로 길어짐에 따라 전기 저항이 증가될 수 있다.
상기와 같이, 양극시트(110)에 코어 양극탭(114)을 연결하고, 음극시트(120)에 코어 음극탭(124), 전극 외주탭(127) 및 전극 무지부를 연결하여, 양극 1탭 및 음극 3탭 구조를 구현할 수 있다. 음극시트(120)에 음극 3탭 구조가 구현됨에 따라 전기 저항이 낮아지고 출력이 증대될 수 있다.
음극시트(120)의 내측면에 코팅된 음극 활물질(122)은 양극시트(110)와 음극시트(120)를 동일한 횟수(n 번째)로 권취할 때에 음극시트(120)에 대응되는 영역이다. 또한, 음극시트(120)의 외측면에 코팅된 음극 활물질(122)은 양극시트(110)를 권취한 횟수보다 한 바퀴 더(n+1 번째) 권취할 때에 음극시트(120)에 대응되는 영역이다. 그리고, 음극시트(120)의 외측면에서 마지막 번째 감기는 영역은 음극시트(120)에서 전기의 충방전에 참여하지 못하는 부분이다.
음극시트(120)의 외측면에는 음극 무지부로부터 전극 조립체(100)의 코어부(150) 측으로 음극 활물질(122)이 도포되지 않는 미도포 영역(128)이 형성된다. 이때, 미도포 영역(128)은 (126)로부터 코어부(150) 측으로 양극시트(110)의 최외곽을 적어도 1회 이상 권취하는 길이만큼 형성된다.
본 발명에서는 음극시트(120)의 외측면에 음극 무지부로부터 코어부(150) 측으로 미도포 영역(128)을 형성하므로, 충방전에 참여하지 못하는 음극 활물질(122)이 음극시트(120)에 코팅되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 충방전에 참여하지 못하는 음극 활물질(122)(예: 리튬)이 이온화되어 전해액에 석출되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 음극 활물질(122)이 불필요하게 낭비되는 것을 방지하고, 배터리 셀의 성능 저하를 방지할 수 있다.
미도포 영역(128)에는 미도포 영역(128)과 분리막(130)의 단차를 해소하는 외측 단차 해소부(129a)가 부착된다. 외측 단차 해소부(129a)는 음극시트(120)의 외측면에 코팅된 음극 활물질(122)의 두께와 동일한 두께로 형성될 수 있다. 외측 단차 해소부(129a)로는 양면 테이프를 제시한다. 외측 단차 해소부(129a)는 전극 조립체(100)가 권취될 때에 분리막(130)이 부착되어 전극 조립체(100)의 외주면에 단차가 발생되는 것을 방지한다.
최외곽 무지부(126)의 내측면에는 분리막(130)의 단차를 해소하는 내측 단차 해소부(129b)가 부착된다. 내측 단차 해소부(129b)는 음극시트(120)의 내측면에 코팅된 음극 활물질(122)의 두께와 동일한 두께로 형성될 수 있다. 내측 단차 해소부(129b)로는 양면 테이프를 제시한다. 내측 단차 해소부(129b)는 전극 조립체(100)가 권취될 때에 분리막(130)이 부착되어 음극시트(120)의 음극 무지부에 단차가 발생되는 것을 방지한다.
분리막(130)의 최외곽 단부에는 분리막(130)과 음극 무지부가 전극 조립체(100)에서 풀리는 것을 방지하도록 실링 테이프(132)가 연결된다. 실링 테이프(132)는 최외곽 음극 무지부(126)를 전극 조립체(100)의 외주면에 부착시키도록 최외곽 음극 무지부(126)보다 길게 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 젤리롤 타입 배터리 셀에서 양극시트, 음극시트 및 분리막을 전개한 상태에서 최외곽 분리막의 길이가 연장된 상태를 개략적으로 도시한 전개도이고, 도 7은 도 2의 전극 조립체의 최외곽 무지부와 전지캔의 내측면 사이에 분리막이 개재된 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 젤리롤 타입 배터리 셀(1)은 반경방향으로 최외곽 무지부(126)와 전지캔(200) 사이에 분리막(130)이 개재될 수 있다. 이때, 최외곽 분리막(130)이 최외곽 무지부(126)보다 길게 형성된다. 도 6에서 최외곽 분리막의 연장 길이는 최외곽 음극 무지부(126)를 1회 이상 둘러싸는 길이(P) 이상으로 연장된다. 이에 따라, 최외곽 무지부(126)가 분리막(130)의 가압력에 의해 가압됨에 따라 전극 외주탭(127)이 최외곽 무지부(126)의 가압력와 분리막(130)의 가압력에 의해 매립된 상태를 유지할 수 있다.
도 8은 도 2의 전극 조립체의 최외곽 무지부와 전지캔의 내측면 사이에 절연층이 개재된 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 젤리롤 타입 배터리 셀(1)은 최외곽 무지부(126)가 전지캔(200)의 내주면과 절연되도록 최외곽 무지부(126)를 둘러싸도록 설치되는 절연막(140)을 더 포함할 수 있다. 절연막(140)은 분리막(130)과 다른 탄성 재질로 형성된다. 절연막(140)은 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 폴리올레핀계 수지일 수 있다. 이에 따라, 절연막(140)이 최외곽 무지부(126)의 외측면과 전지캔(200)을 전기적으로 격리하고, 최외곽 무지부(126)의 하단부가 전지캔(200)의 내측면과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 절연막(140)은 최외곽 무지부(126)와 전지캔(200)의 전류 패스가 불필요하게 증가되는 것을 제한한다.
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.
1: 젤리롤 타입 배터리 셀
100: 전극 조립체
110: 양극시트
111: 양극 집전체
112: 양극 활물질
113: 코어 양극 무지부
114: 코어 양극탭
115: 양극 보호 테이프
120: 음극시트
121: 음극 집전체
122: 음극 활물질
123: 코어 음극 무지부
124: 코어 음극탭
125: 음극 보호 테이프
126: 최외곽 음극 무지부
127: 전극 외주탭
128: 미도포 영역
129a: 외측 단차 해소부
129b: 내측 단차 해소부
130: 분리막
132: 실링 테이프
140: 절연막
150: 코어부
200: 전지캔
210: 전지캔 바디
211: 바닥면
213: 클램핑부
220: 커버 플레이트
222: 양극탭 접속부
230: 인슐레이터

Claims (15)

  1. 양극시트와 음극시트 및 분리막이 젤리롤 타입으로 권취되고, 외곽측에 활물질이 도포되지 않은 최외곽 무지부가 배치되는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 수용되는 전지캔; 및
    상기 전극 조립체의 최외곽에 배치되고, 상기 전극 조립체와 상기 전지캔을 전기적으로 연결하는 전극 외주탭;을 포함하고,
    상기 최외곽 무지부는 상기 전극 조립체의 수축 및 팽창시, 상기 전지캔의 반력에 의해 상기 전극 외주탭에 가해지는 응력을 완화시키도록 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 전극 외주탭의 외측면을 둘러싸도록 설치되는, 젤리롤 타입 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최외곽 무지부는 상기 전극 조립체의 외주면에 적어도 1회 이상 권취되는, 젤리롤 타입 배터리 셀.
  3. 제3항에 있어서,
    상기 최외곽 무지부는 상기 전극 외주탭으로부터 상기 전극 조립체의 외주면을 1회 이상 권취하는 길이로 연장되는, 젤리롤 타입 배터리 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 최외곽 무지부는 원주방향으로 상기 음극시트에 연결되는 최외곽 음극 무지부인, 젤리롤 타입 배터리 셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극 외주탭은 상기 최외곽 음극 무지부의 외측면에 연결되는, 젤리롤 타입 배터리 셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극 외주탭은 상기 최외곽 음극 무지부에 의해 가압되어 상기 전극 조립체의 외주면에서 내측으로 일정 깊이 매립된 상태로 설치되는, 젤리롤 타입 배터리 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 최외곽 무지부가 상기 전지캔의 내주면과 절연되도록 상기 최외곽 무지부를 둘러싸도록 설치되는 절연막을 더 포함하는, 젤리롤 타입 배터리 셀.
  8. 제1항에 있어서,
    반경방향으로 상기 전극 외주탭과 상기 전지캔 사이에 상기 최외곽 무지부가 개재되는, 젤리롤 타입 배터리 셀.
  9. 제1항에 있어서,
    반경방향으로 상기 최외곽 무지부와 상기 전지캔 사이에 분리막이 개재되는, 젤리롤 타입 배터리 셀.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 음극시트에는 상기 전극 조립체의 코어부 근처에 위치되도록 상 코어 음극 무지부가 형성되고,
    상기 코어 음극 무지부에는 코어 음극탭이 연결되는, 젤리롤 타입 배터리 셀.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 코어 음극 무지부와 상기 코어 음극탭에 부착되는 음극 보호 테이프를 더 포함하는, 젤리롤 타입 배터리 셀.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 음극시트의 외측면에는 상기 최외곽 음극 무지부로부터 상기 전극 조립체의 코어부 측으로 음극 활물질이 도포되지 않는 미도포 영역이 형성되는, 젤리롤 타입 배터리 셀.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 미도포 영역은 상기 전극 조립체에서 양극시트의 최외곽을 적어도 1회 이상 권취하는 길이만큼 형성되는, 젤리롤 타입 배터리 셀.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 미도포 영역에는 상기 미도포 영역과 상기 분리막의 단차를 해소하는 외측 단차 해소부가 부착되는, 젤리롤 타입 배터리 셀.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 최외곽 무지부의 내측면에는 상기 분리막의 단차를 해소하는 내측 단차 해소부가 부착되는, 젤리롤 타입 배터리 셀.
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