KR20240072732A - 젤리롤, 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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KR20240072732A
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Abstract

본 발명의 일 실시상태는 양극, 분리막 및 음극이 적층되어 권취된 구조를 갖는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 측면의 적어도 일부와 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 적어도 일부를 감싸도록 구비된 튜빙 구조를 포함하는 것인 젤리롤로서, 상기 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 중심부에 형성되는 홀을 포함하도록 구비되는 것인 젤리롤, 이를 포함하는 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차를 제공한다.

Description

젤리롤, 이차 전지, 배터리 팩 및 자동차{JELLYROLL, SECONDARY BATTARY, BATTARY PACK AND VEHICLE}
본 발명은 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), 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 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 이차 전지를 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 이차 전지를 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 이차 전지의 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 이차 전지가 알려져 있다. 상기 이차 전지는 원통형 이차 전지일 수 있다. 상기 이차 전지는 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전해질과 함께 전지 캔 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 전극 단자는 전지 캔의 개방부를 밀봉하는 밀봉체의 캡 플레이트이고, 음극 전극 단자는 전지 캔이다.
그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 이차 전지에 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.
18650이나 21700의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 이차 전지는 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 이차 전지를 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 원통형 이차 전지의 발화 문제가 발생할 수 있다. 이에 보다 폼 팩터가 증가된 원통형 이차 전지의 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명은 전극 조립체의 측면 및 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부를 감싸도록 구비된 튜빙 구조를 포함함으로써 고에너지 밀도 구현이 가능한 젤리롤 및 이차전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 하나의 목적은 상기와 같은 개선된 구조를 가진 이차 전지를 포함하는 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공하는데 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시상태는 양극, 분리막 및 음극이 적층되어 권취된 구조를 갖는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 측면의 적어도 일부와 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 적어도 일부를 감싸도록 구비된 튜빙 구조를 포함하는 것인 젤리롤로서, 상기 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 중심부에 형성되는 홀을 포함하도록 구비되는 것인 젤리롤을 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리롤; 및 상기 젤리롤을 수용하는 전지 캔을 포함하는 이차 전지로서, 상기 전지 캔은 상기 전지 캔의 바닥에 형성된 관통 홀을 통해 리벳팅된 전극 단자 및 상기 전극 단자와 상기 관통 홀의 외경 사이에 구비된 가스켓을 포함하는 것인 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 이차 전지를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공한다.
고용량 고출력을 요하는 이차 전지의 개발에 따라 젤리롤 타입의 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부 및 상기 일 단부의 반대면인 타 단부에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하도록 하고, 이러한 무지부에 집전판을 용접시켜 집전 효율을 개선할 수 있다. 이로써 이차 전지의 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
기존에는 전극 조립체의 양극 집전판을 양극 무지부에 레이저 용접한 후, 무지부와 집전판이 전지 캔이 맞닿는 부분에서의 절연을 위하여 상기 노출된 무지부 및 집전판에 절연 테이프를 부착하였다. 절연 테이프를 부착하는 경우, 외관 품질 및 공정상 불리하고, 주름지거나 들뜨는 문제로 인하여 전지 캔에 젤리롤을 삽입할 때 절연 테이프가 떨어지는 문제가 있다.
본 발명의 실시상태들에 따르면, 전극 조립체의 측면 및 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 적어도 일부를 감싸도록 구비된 튜빙 구조를 포함함으로써, 절연 테이프가 주름지거나 들뜨는 문제가 발생하지 않아 절연 품질이 향상되고, 제품 하나를 생산하는데 필요한 시간(tact time)이 단축되어 공정 능력이 향상될 수 있다. 또한, 전지 캔 삽입이 원활하며, 재작업성이 용이하여 비용 절감에도 유리하다.
이에 전지에 인가되는 전류를 안정적으로 증가하게 할 수 있고, 고에너지 밀도 구현이 가능하며, 고용량 고출력의 이차 전지를 제공할 수 있다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 유리한 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 튜빙 구조를 포함하는 젤리롤을 각각 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 젤리롤을 포함하는 이차 전지의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 비교예에 따른 절연 테이프가 부착된 젤리롤의 (a) 공정, (b) 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부, (c) 절연 테이프가 주름지고 들뜬 형태 및 (d) 전지 캔 삽입 시 절연 테이프가 떨어지는 형태를 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 비교예에 따른 21700의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 이차 전지의 튜빙 구조의 (a) 공정, (b) 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부 및 (c) 전극 조립체의 측면을 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지들을 포함하는 배터리 팩의 개략적 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 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.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시상태들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에 있어서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 특정 구성요소가 존재함을 설명하기 위한 것이며, 다른 구성요소들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
본 명세서에 있어서, 특정 구성요소의 "상"에 존재한다는 표현은 특정 구성요소의 일측에 존재함을 표현하기 위한 것이며, 상하 관계를 한정하기 위한 것은 아니며, 또한 상기 구성요소와 물리적으로 접촉하는 것으로 한정되지 아니하고, 상기 구성요소와의 사이에 다른 부재가 추가로 구비될 수 있음을 의미한다.
본 명세서에 있어서, "튜빙 구조"란 절연 테이프와 달리 이음매 없이 젤리롤을 감싸는 구조를 의미한다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 서로 다른 실시예에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여될 수 있다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는 양극, 분리막 및 음극이 적층되어 권취된 구조를 갖는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체의 측면의 적어도 일부와 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 적어도 일부를 감싸도록 구비된 튜빙 구조를 포함하는 것인 젤리롤로서, 상기 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 중심부에 형성되는 홀을 포함하도록 구비되는 것인 젤리롤을 제공한다.
상기 튜빙 구조는 절연 테이프와 차별화되는 구성으로, 이음매 없이 젤리롤을 감싸는 구조를 의미한다.
전극 조립체의 측면 및 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 적어도 일부를 감싸도록 구비된 튜빙 구조를 포함함으로써, 절연 테이프 대비 주름지거나 들뜨는 문제가 발생하지 않아 절연 품질이 향상되고, 제품 하나를 생산하는데 필요한 시간(tact time)이 단축되어 공정 능력이 향상될 수 있다. 또한, 전지 캔 삽입이 원활하며, 재작업성이 용이하여 비용 절감에도 유리하다.
상기 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 중심부에 형성되는 홀을 포함하여 상기 일 단부가 개방되어 있는 형상을 가지며, 이는 상기 전극 조립체에 상기 튜빙 구조를 적용하는데 용이하다. 구체적으로, 상기 튜빙 구조에 사용되는 튜브 원단은 릴타입으로 제공되기 때문에 커팅되어 투입이 가능하므로, 상기 홀을 포함하는 튜빙 구조를 생산하는 공정상 구현에 유리한 이점이 있다.
도 1의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 튜빙 구조를 포함하는 젤리롤을 각각 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1 의 (a) 및 (b)를 참조하면, 튜빙 구조(10)는 상기 전극 조립체의 측면(2)의 적어도 일부 및 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)의 적어도 일부를 감싸도록 구비될 수 있다.
고용량 고출력을 요하는 이차 전지에서는 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부 및 상기 일 단부의 반대면인 타 단부에 각각 양극 및 음극 무지부가 위치할 수 있으며, 상기 무지부에 집전판을 용접시켜 집전 효율을 개선할 수 있다. 이로써 이차 전지의 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. 전극 조립체(1)의 양극 집전판(7)을 양극 무지부(6)에 레이저 용접한 후, 상기 양극 무지부(6) 및 양극 집전판(7)이 전지 캔(31)이 맞닿는 부분에서의 절연을 위하여 상기 튜빙 구조(10)를 포함할 수 있다.
상기 양극 무지부(6) 및 양극 집전판(7)이 노출되어 상기 전지 캔(31)이 맞닿을 수 있는 전극 조립체의 측면(2) 및 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)를 감싸도록 구비된 튜빙 구조(10)를 포함함으로써, 절연 품질이 향상되고, 전극 조립체의 전지 캔 삽입이 원활할 수 있다.
도 1의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예는 상기 전극 조립체의 측면(2)의 적어도 일부와 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)의 적어도 일부를 감싸도록 구비된 튜빙 구조(10)는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 중심부에 형성되는 홀(11)을 포함하도록 구비된다. 상기 전극 조립체의 측면(2) 및 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)에서 상기 양극 무지부(6) 및 양극 집전판(7)이 노출되어 전지 캔(31)이 맞닿는 부분에서의 절연을 위하여 상기 튜빙 구조(10)가 구비될 수 있다. 또한, 절연 테이프 대비 주름지거나 들뜨는 문제가 발생하지 않아 절연 품질이 향상되고, 제품 하나를 생산하는데 필요한 시간(tact time)이 단축되어 테이핑 공정을 대체하여 공정 능력이 향상될 수 있다. 이에, 전지 캔 삽입이 원활하며, 재작업성이 용이하여 비용 절감에도 유리하다.
도 1의 (b)를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)의 적어도 일부를 감싸고, 상기 일 단부의 중심부에 홀(11)이 형성되며, 상기 전극 조립체의 측면(2)의 일부가 아닌 전부를 감싸도록 튜빙 구조(10)가 구비될 수 있다. 이로써, 상기 전극 조립체의 측면(2) 및 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)에서 상기 양극 무지부(6) 및 양극 집전판(7)이 노출되어 전지 캔(31)이 맞닿는 부분에서의 절연을 위하여 상기 튜빙 구조(10)가 구비될 수 있다. 이 경우, 전지 캔(31) 삽입 전에 젤리롤(20)을 고정하는 고정 테이프의 역할을 대체할 수 있어 공정상 유리하다.
본 발명의 일 실시상태에서, 상기 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 중심부에 형성되는 홀을 포함하도록 구비된다.
상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)의 중심부에 형성되는 홀이란 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 단면인 원의 중심점으로부터 형성되는 홀을 의미한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 젤리롤을 포함하는 이차 전지의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2에 따르면, 후술할 내용과 같이 본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지는 본 발명의 일 실시상태에 따른 젤리롤(20); 및 상기 젤리롤(20)을 수용하는 전지 캔(31)을 포함하는 이차 전지(30)로서, 상기 전지 캔(31)은 상기 전지 캔의 바닥(200)에 형성된 관통 홀(300)을 통해 리벳팅된 전극 단자(100) 및 상기 전극 단자(100)와 상기 관통 홀(300)의 외경 사이에 구비된 가스켓(400)을 포함할 수 있다.
전극 조립체에서 상기 양극 무지부(6)에 용접된 양극 집전판(7)은 상기 전지 캔의 바닥(200)에 형성된 관통 홀(300)을 통해 리벳팅된 전극 단자(100)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이를 위해 상기 양극 집전판(7)과 상기 리벳팅된 전극 단자(100)를 용접시켜야 하는데, 이는 상기 튜빙 구조(10)에 구비된 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)의 중심부에 형성되는 홀(11)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 나머지 전지 캔(31)과 맞닿는 부분의 전극 조립체(1)의 노출된 무지부(6) 및 집전판(7)은 상기 튜빙 구조(10)로 인하여 절연될 수 있다. 이로써, 전지에 인가되는 전류를 안정적으로 증가하게 할 수 있고, 고에너지 밀도 구현이 가능하며, 고용량 고출력의 이차 전지를 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 비교예에 따른 절연 테이프가 부착된 젤리롤의 (a) 공정, (b) 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부, (c) 절연 테이프가 주름지고 들뜬 형태 및 (d) 전지 캔 삽입 시 절연 테이프가 떨어지는 형태를 나타내는 사진이고, 도 4는 본 발명의 비교예에 따른 21700의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 이차 전지의 튜빙 구조의 (a) 공정, (b) 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부 및 (c) 전극 조립체의 측면을 나타내는 사진이다.
도 3의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 전극 조립체의 양극 집전판을 양극 무지부에 레이저 용접한 후, 상기 무지부 및 집전판과 전지 캔이 맞닿는 부분에서 절연을 위하여 상기 노출된 무지부 및 집전판에 절연 테이프를 부착할 수 있다. 절연 테이프를 부착하는 경우, 절연 테이프가 주름지거나 들뜨는 문제로 인하여 전지 캔에 젤리롤을 삽입할 때 절연 테이프가 떨어지는 문제가 있으며, 이에 외관 품질 및 공정상 불리하다.
또한, 도 4의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 21700의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 이차 전지의 튜빙 구조는 전지 캔의 외부에 구비되어, 본 발명의 실시상태인 전극 조립체에 구비된 튜빙 구조에 따라 절연 품질이 향상되고, 전지 캔 삽입이 원활하다는 효과를 가질 수 없다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 양극 및 상기 음극 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 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 측면의 무지부를 감싸도록 구비되는 것인 젤리롤을 제공한다.
이차 전지의 고용량 고출력을 위하여 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부 및 상기 일 단부의 반대면인 타 단부에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하도록 하여, 이차 전지의 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
이 때, 전극 조립체의 측면의 무지부를 감싸도록 구비된 튜빙 구조를 포함함으로써, 절연 테이프 대비 주름지거나 들뜨는 문제가 발생하지 않아 절연 품질이 향상되고, 제품 하나를 생산하는데 필요한 시간(tact time)이 단축되어 공정 능력이 향상될 수 있다. 또한, 전지 캔 삽입이 원활하며, 재작업성이 용이하여 비용 절감에도 유리할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 단부에 구비된 집전판을 더 포함하고, 상기 집전판은 상기 튜빙 구조와 상기 전극 조립체 사이에 위치하거나, 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 타 단부에 위치하는 것인 젤리롤을 제공한다.
상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 단부에 구비된 집전판 중에서 상기 튜빙 구조와 상기 전극 조립체 사이에 위치하는 집전판은 양극 집전판일 수 있고, 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 타 단부에 위치하는 집전판은 음극 집전판일 수 있다.
이차 전지의 고용량 고출력을 위하여 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부 및 상기 일 단부의 반대면인 타 단부에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하도록 하고, 이러한 무지부에 집전판을 용접시켜 집전 효율을 개선할 수 있다. 이로써 이차 전지의 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
전극 조립체의 측면의 집전판을 감싸도록 구비된 튜빙 구조를 포함함으로써, 절연 품질 및 공정 능력이 향상되고, 전극 조립체의 전지 캔 삽입이 원활할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 대향하는 타 단부에 연장되어 구비되지 않는 전극 조립체를 제공한다.
상기 튜빙 구조에서 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 대향하는 타 단부 전면에서 상기 전극 조립체가 노출되는 것일 수 있다. 즉, 상기 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 대향하는 타 단부에는 구비되지 않을 수 있다.
도 1의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 튜빙 구조(10)는 상기 전극 조립체의 측면(2)의 적어도 일부와 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)의 적어도 일부를 감싸도록 연장되어 구비될 수 있으나, 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)에 대향하는 타 단부(4)까지 연장되어 구비되지 않는다.
상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)에 대향하는 타 단부(4)는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)의 반대면일 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3) 및 상기 일 단부의 반대면인 타 단부(4)에 각각 양극 및 음극 무지부가 위치할 수 있으며, 상기 무지부에 집전판을 용접시켜 집전 효율을 개선할 수 있는데, 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)에 대향하는 타 단부(4)까지 상기 튜빙 구조(10)가 연장되어 구비된다면, 상기 전극 조립체(1)의 음극 무지부 및 음극 집전판이 전지 캔과 전기적으로 연결될 수 없거나 저항이 높아져서 에너지 밀도가 감소될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에서, 상기 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 외주면에서 상기 홀까지 연장되어 구비되고, 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 구비된 튜빙 구조의 면적은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 면적 100% 대비 50% 이하이다.
도 1의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 구비된 튜빙 구조의 면적(12A)은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 면적 100% 대비 45% 이하, 40% 이하, 35% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 또는 20% 이하일 수 있다.
상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 구비된 튜빙 구조의 면적(12A)은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 면적 100% 대비 5% 이상, 또는 10% 이상일 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 구비된 튜빙 구조의 면적은 이후 조립 공정에 영향이 없는 범위 내일 수 있고, 상기 범위에 제한되지 않을 수 있다.상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 면적은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 구비된 튜빙 구조의 면적(12A)과 상기 홀의 면적의 합일 수 있다. 상기 홀의 면적은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 면적 대비 50% 이상 일 수 있다.
상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 구비된 상기 홀의 면적은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 면적 100% 대비 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상, 또는 80% 이상일 수 있다. 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 구비된 상기 홀의 면적은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 면적 100% 대비 95% 이하, 또는 90% 이하일 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 구비된 튜빙 구조의 면적(12A)은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 면적 100% 대비 5% 내지 50%, 10% 내지 50%, 10% 내지 40%, 10% 내지 30%, 또는 10% 내지 20%일 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 구비된 상기 홀의 면적은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 면적 100% 대비 50% 내지 95%, 50% 내지 90%, 60% 내지 90%, 70% 내지 90%, 또는 80% 내지 90%일 수 있다.
상기 범위를 만족하는 경우, 상기 튜빙 구조(10)는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)에서 상기 양극 무지부 및 양극 집전판(7)이 노출되어 전지 캔이 맞닿는 부분에서 절연될 수 있고, 공정 능력이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에서, 상기 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 외주면에서 상기 홀까지 연장되어 구비되고, 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 구비된 상기 튜빙 구조의 폭은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 지름 100% 대비 30% 이하이다.
도 1의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)에 구비된 상기 튜빙 구조의 폭(12W)은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)의 지름 100% 대비 27% 이하, 24% 이하, 21% 이하, 또는 18% 이하일 수 있다. 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)에 구비된 상기 튜빙 구조의 폭(12W)은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)의 지름 100% 대비 9% 이상, 12% 이상, 또는 15% 이상일 수 있다.
일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 구비된 상기 튜빙 구조의 폭은 이후 조립 공정에 영향이 없는 범위 내일 수 있고, 상기 범위에 제한되지 않을 수 있다.
상기 범위를 만족하는 경우, 상기 튜빙 구조(10)는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부(3)에서 상기 양극 무지부 및 양극 집전판(7)이 노출되어 전지 캔이 맞닿는 부분에서 절연될 수 있고, 공정 능력이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에서, 상기 튜빙 구조는 신축성 재질을 포함하는 젤리롤을 제공한다.
상기 튜빙 구조가 신축성 재질을 포함하는 경우, 비신축성 재질을 포함하는 경우 대비 상기 전극 조립체가 전해액에 충전 및 방전을 반복하여 어느 정도 스웰링 되더라도 그 형태에 맞게 구비될 수 있다.
상기 비신축성 재질을 포함하는 경우란 신축성이 작거나 없는 재질을 포함하는 경우를 의미할 수 있다.
본 발명의 추가의 실시상태에 따르면, 상기 튜빙 구조는 절연성, 난연성 및 내열성을 포함하는 젤리롤을 제공할 수 있다. 상기 성질을 포함함으로써, 상기 튜빙 구조는 절연 테이프 대비 주름지거나 들뜨는 문제없이 절연 품질이 향상될 수 있으며, 제품 하나를 생산하는데 필요한 시간(tact time)이 단축되어 공정 능력이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에서, 상기 튜빙 구조는 폴리염화비닐계(PVC+EVE) 화합물을 포함한다. 다만, 상기 상기 튜빙 구조는 절연되는 것이라면 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 튜빙 구조가 상기 화합물을 포함함으로써, 절연 효과 및 스웰링 효과를 가질 수 있다. 특히, 상기 화합물을 포함함으로써, 일반 튜브 구조에 일반적으로 쓰이는 PET와는 달리 상온에서 수축이 가능하다. 상기 PET는 80 ℃이상의 고온에서 열수축으로 수축될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에서, 상기 튜빙 구조는 상온에서 수축되는 것인 젤리롤을 제공한다.
상기 상온이란 20 ℃ 내지 27 ℃에서 선택되는 하나의 온도, 예컨대, 22 ℃ 내지 26 ℃일 수 있고, 24 ℃ 내지 26 ℃일 수 있고, 또는 25 ℃일 수 있다.
상기 튜빙 구조가 상온에서 수축됨으로써, 80 ℃이상의 고온에서 열수축으로 구비되는 튜빙 구조 대비 제품 하나를 생산하는데 필요한 시간을 단축하여 공정 능력이 향상될 수 있으며, 재작업성이 용이하여 비용 절감에도 유리하다. 즉, 상기 튜빙 구조는 상온에서 수축됨으로써, 튜빙 구조에 열을 가하는 Tube Heating 공정 등을 생략할 수 있어, 기존 공정과는 다르게 간략한 공정으로 구현할 수 있다.
상기 튜빙 구조는 폴리염화비닐계(PVC+EVE) 화합물을 포함하여, 상온에서 수축되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에서, 상기 튜빙 구조의 상온 수축률이 30% 이하인 것인 젤리롤을 제공한다.
상기 상온 수축률이란 상온에서 튜빙 구조 100% 대비 수축되는 정도를 의미한다.
상기 튜빙 구조의 상온 수축률은 28% 이하, 26% 이하, 24% 이하, 22% 이하, 또는 20% 이하일 수 있다. 상기 튜빙 구조의 상온 수축률은 3% 이상, 5% 이상, 7% 이상, 9% 이상, 또는 11% 이상일 수 있다.
상기 범위를 만족하는 경우, 상기 튜빙 구조가 상온에서 수축되어 고온에서 열수축으로 구비되는 튜빙 구조 대비 제품 하나를 생산하는데 필요한 시간을 단축하여 공정 능력이 향상될 수 있고, 재작업성이 용이하여 비용 절감에도 유리하다.
본 발명의 일 실시상태에서, 상기 튜빙 구조는 절연 재질을 포함하는 것인 젤리롤을 제공한다.
상기 튜빙 구조는 절연 강도 14KV/mm이고, 절연상수는 9.0일 수 있다. 이 때, 상기 절연 강도는 KSC2105 시험 방법으로 측정될 수 있고, 상기 절연 상수는 AS1977 시험 방법으로 측정될 수 있다.
상기 범위에서 상기 튜빙 구조는 상기 양극 무지부 및 양극 집전판이 노출되어 상기 전지 캔이 맞닿을 수 있는 전극 조립체의 측면 및 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부를 감싸도록 구비되어 절연 품질을 향상시킬 수 있다.
전극 조립체의 측면 및 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부를 감싸도록 구비된 튜빙 구조가 절연 재질을 포함함으로써, 절연 테이프를 붙인 경우 대비 주름지거나 들뜨는 문제가 발생하지 않아 절연 품질이 향상되고, 제품 생산 시간을 단축하여 공정 능력이 향상될 수 있다. 또한, 전지 캔 삽입이 원활하며, 재작업성이 용이하여 비용 절감에도 유리하다.
본 발명의 일 실시상태에서, 상기 튜빙 구조의 두께는 3 mm 이하로 구비되는 것인 젤리롤을 제공한다.
상기 튜빙 구조의 두께는 2.5 mm 이하, 2 mm 이하, 1.5 mm 이하, 또는 1 mm 이하일 수 있다. 상기 튜빙 구조의 두께는 0.04 mm 이상, 또는 0.05 mm 이상일 수 있다.
상기 범위를 만족할 때, 본 발명의 튜빙 구조를 포함하는 젤리롤의 용량 확보에 유리할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 젤리롤; 및 상기 젤리롤을 수용하는 전지 캔을 포함하는 이차 전지로서, 상기 전지 캔은 상기 전지 캔의 바닥에 형성된 관통 홀을 통해 리벳팅된 전극 단자 및 상기 전극 단자와 상기 관통 홀의 외경 사이에 구비된 가스켓을 포함하는 것인 이차 전지를 제공한다.
도 2에 따르면, 전지 캔(31)의 일측 개방부의 반대편, 즉 전지 캔의 바닥(200)에서 양극 단자 및 음극 단자의 전기적 연결이 모두 이루어지는 구조를 갖는 이차 전지(30)가 도시된다.
이러한 이차 전지(30)는 상기 바닥(200)에 형성된 관통 홀(300)을 통해 리벳팅된 전극 단자(100) 및 상기 전극 단자(100)를 상기 전지 캔(31)과 절연시키기 위해 관통 홀(300)의 외경 사이에 구비된 가스켓(400)을 포함한다.
이러한 이차 전지는 원통형 이차 전지일 수 있으며, 이 경우 상기 바닥(200)에 음극 단자가 구비되고, 상기 리벳팅된 전극 단자(100)는 양극 단자일 수 있다.
전극 조립체(1)에서 양극 무지부(6)에 용접된 양극 집전판(7)은 상기 전지 캔의 바닥(200)에 형성된 관통 홀(300)을 통해 리벳팅된 전극 단자(100)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 전지 캔(31)과 맞닿는 부분의 전극 조립체(1)의 노출된 무지부(6) 및 집전판(7)은 상기 튜빙 구조(10)로 인하여 절연될 수 있다. 이로써, 전지에 인가되는 전류를 안정적으로 증가하게 할 수 있고, 고에너지 밀도 구현이 가능하며, 고용량 고출력의 이차 전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에서, 상기 전극 단자는 상기 관통 홀에 삽입된 몸체부; 상기 바닥의 외부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 일측 둘레로부터 상기 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부; 상기 바닥의 내부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 타측 둘레로부터 상기 내부면을 향해 연장된 내부 플랜지부; 및 상기 내부 플랜지부의 내측에 구비된 평탄부를 포함하는 것인 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 전지 캔은 전지 캔의 바닥에 리벳팅된 전극 단자를 포함할 수 있다. 일 예로, 전지 캔의 바닥에 리벳팅된 전극 단자는 리벳팅 구조일 수 있다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 전극 단자(100)의 리벳팅 구조는, 일측이 개방된 원통형의 전지 캔(31)과, 전지 캔의 바닥(200)에 형성된 관통 홀(300)을 통해 리벳팅된 전극 단자(100)와, 전극 단자(100)와 관통 홀(300)의 외경 사이에 구비된 가스켓(400)을 포함할 수 있다.
전지 캔(31)은 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 전지 캔(31)은 스틸 재질로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
전극 단자(100)는 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 전극 단자(100)는 알루미늄으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
가스켓(400)은 절연성 및 탄성이 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 가스켓(400)은 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리플루오르화에틸렌 등으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 전극 단자(100)는, 관통 홀(300)에 삽입된 몸체부(110), 전지 캔 바닥(200)의 외부면을 통해 노출된 몸체부(110)의 일측 둘레로부터 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부(120) 및 전지 캔 바닥(200)의 내부면을 통해 노출된 몸체부(110)의 타측 둘레로부터 내부면을 향해 연장된 내부 플랜지부(130) 및 내부 플랜지부(130)의 내측에 구비된 평탄부(140)를 포함할 수 있다.
바람직하게, 평탄부(140)와 전지 캔 바닥(200)의 내부면은 서로 평행할 수 있다. 여기서, '평행'이라 함은 육안으로 관찰했을 때 실질적으로 평행한 것을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전극 단자(100)의 리벳팅 구조는 상하 운동을 하는 콜킹 지그를 이용하여 형성할 수 있다. 먼저, 전지 캔의 바닥에 형성된 관통 홀(300)에 가스켓(400)을 개재시켜 전극 단자(100)의 프리폼(미도시)을 삽입한다. 프리폼은 리벳팅 되기 전의 전극 단자를 지칭한다.
다음으로, 콜킹 지그를 전지 캔의 내측 공간으로 삽입한다. 콜킹 지그는 프리폼을 리벳팅하여 전극 단자(100)를 형성하기 위해 프리폼과 대향하는 면에 전극 단자(100)의 최종 형상에 대응되는 홈과 돌기를 가진다.
다음으로, 콜킹 지그를 하부로 이동시켜 프리폼의 상부를 가압 포밍하여 프리폼을 리벳팅된 전극 단자(100)로 변형시킨다.
콜킹 지그에 의해 프리폼이 가압되는 동안, 외부 플랜지부(120)와 전지 캔 바닥의 외부면 사이에 개재된 가스켓(400) 부분이 탄성적으로 압축되면서 그 두께가 감소한다. 이에 따라, 리벳팅된 전극 단자(100)와 전지 캔 사이의 실링성 및 밀폐성이 현저하게 향상된다.
바람직하게, 가스켓(400)은 프리폼이 리벳팅되는 과정에서 물리적으로 손상되지 않으면서 소망하는 실링 강도를 확보할 수 있도록 충분히 압축되는 것이 바람직하다.
일 예에서, 가스켓(400)이 폴리부틸렌테레프탈레이드로 이루어진 경우, 가스켓(400)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 50% 이상인 것이 바람직하다. 압축율은 압축전 두께에 대한 압축 전후의 두께 변화의 비율이다.
다른 예에서, 가스켓(400)이 폴리플루오르에틸렌으로 이루어진 경우, 가스켓(400)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 60% 이상인 것이 바람직하다.
또 다른 예에서, 가스켓(400)이 폴리플로필렌으로 이루어진 경우, 가스켓(400)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 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 가스켓(400)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
콜킹 지그를 이용한 프리폼의 가압 포밍이 완료된 후, 콜킹 지그를 전지 캔으로부터 분리시키면, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(100)의 리벳팅 구조를 얻을 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 콜킹 지그는 전지 캔의 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 캔의 중심 축을 기준으로 소정 각도로 기울어진 상태에서 회전 운동을 한다. 따라서, 회전 반경이 큰 로타리 회전 지그는 전지 캔의 내벽과 간섭을 일으킬 수 있다. 또한, 전지 캔의 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.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(100)의 리벳팅 구조는 이차 전지(30)에 적용이 가능하다.
일 예에서, 상기 이차 전지(30)는 전지 캔(31)을 포함할 수 있다. 상기 전지 캔(31)은 원통형일 수 있다. 그 크기는 양단부의 원형의 지름이 30 mm 내지 55 mm, 높이가 60 mm 내지 120 mm일 수 있다. 바람직하게, 원통형 전지 캔(31)의 원형 지름 x 높이는 46 mm x 60 mm, 46 mm x 80 mm, 46 mm x 90 mm 또는 46 mm x 120 mm 일 수 있다.
바람직하게, 원통형 이차 전지는, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 이차 전지의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4보다 큰 원통형 이차 전지일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 이차 전지의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지는, 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 이차 전지는, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 이차 전지일 수 있다.
다른 실시예에 따른 이차 전지는, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 이차 전지일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 이차 전지일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 이차 전지일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 이차 전지일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 90mm이고, 폼 팩터의 비는 0.511인 원통형 이차 전지일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 이차 전지들이 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 일 실시상태에 따르면, 상기 이차 전지는 상기 전지 캔의 바닥에 구비된 음극 단자를 포함하고, 상기 리벳팅된 전극 단자는 양극 단자이며, 상기 양극 단자는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부와 전기적으로 연결되는 것인 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 조립체는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 구비된 양극 집전판을 더 포함하고, 상기 양극 단자는 상기 양극 집전판과 전기적으로 연결되는 것인 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 중심부에 형성되는 홀을 포함하도록 구비되며, 상기 홀을 통해 상기 양극 단자와 상기 양극 집전판이 전기적으로 연결되는 것인 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 이차 전지에서의 집전판 및 튜빙 구조는 전극 조립체에서 전술한 내용과 같다.
본 발명에 있어서, 양극판에 코팅되는 양극 활물질과 음극판에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
상기 양극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극활물질이 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 LiaM1xFe1-xM2yP1-yM3zO4-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.
음극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극활물질이 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.
양극집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 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.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 이차 전지를 적어도 하나 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
상술한 실시예에 따른 원통형 이차 전지는 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지들을 포함하는 배터리 팩의 개략적 구성을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(40)은 원통형 이차 전지가 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(50)을 포함한다. 원통형 이차 전지는 상술한 실시예에 따른 이차 전지(30)다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 이차 전지(30)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 자동차를 제공한다.
배터리 팩은 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 6은 도 5의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(60)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(40)을 포함한다. 자동차는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(40)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 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1: 전극 조립체
2: 전극 조립체의 측면
3: 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부
4: 전극 조립체의 권취축에 수직인 타 단부
6: 양극 무지부
7: 양극 집전판
10: 튜빙 구조
11: 튜빙 구조의 홀
12A: 전극 조립체의 권취축에 수직인 단부에 구비된 튜빙 구조의 면적
12W: 전극 조립체의 권취축에 수직인 단부에 구비된 튜빙 구조의 폭
20: 젤리롤
30: 이차 전지
31: 전지 캔
40: 배터리 팩
50: 팩 하우징
60: 자동차
100: 전극 단자
110: 몸체부
120: 외부 플랜지부
130: 내부 플랜지부
140: 평탄부
200: 전지 캔의 바닥
300: 관통 홀
400: 가스켓
C: 권취축

Claims (19)

  1. 양극, 분리막 및 음극이 적층되어 권취된 구조를 갖는 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체의 측면의 적어도 일부와 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 적어도 일부를 감싸도록 구비된 튜빙 구조를 포함하는 것인 젤리롤로서,
    상기 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 중심부에 형성되는 홀을 포함하도록 구비되는 것인 젤리롤.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 양극 및 상기 음극 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 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 측면의 무지부를 감싸도록 구비되는 것인 젤리롤.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 적어도 하나의 단부에 구비된 집전판을 더 포함하고,
    상기 집전판은 상기 튜빙 구조와 상기 전극 조립체 사이에 위치하거나, 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 타 단부에 위치하는 것인 젤리롤.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 대향하는 타 단부에 연장되어 구비되지 않는 것인 젤리롤.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 외주면에서 상기 홀까지 연장되어 구비되고,
    상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 구비된 튜빙 구조의 면적은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 면적 100% 대비 50% 이하인 것인 젤리롤.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 튜빙 구조는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 외주면에서 상기 홀까지 연장되어 구비되고,
    상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 구비된 상기 튜빙 구조의 폭은 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부의 지름 100% 대비 30% 이하인 것인 젤리롤.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 튜빙 구조는 신축성 재질을 포함하는 것인 젤리롤.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 튜빙 구조는 폴리염화비닐계(PVC+EVE) 화합물을 포함하는 것인 젤리롤.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 튜빙 구조는 상온에서 수축되는 것인 젤리롤.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 튜빙 구조의 상온 수축률은 30 % 이하인 것인 젤리롤.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 튜빙 구조는 절연 재질을 포함하는 것인 젤리롤.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 튜빙 구조의 두께는 3 mm 이하로 구비되는 것인 젤리롤.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 따른 젤리롤; 및
    상기 젤리롤을 수용하는 전지 캔을 포함하는 이차 전지로서,
    상기 전지 캔은 상기 전지 캔의 바닥에 형성된 관통 홀을 통해 리벳팅된 전극 단자 및 상기 전극 단자와 상기 관통 홀의 외경 사이에 구비된 가스켓을 포함하는 것인 이차 전지.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 전극 단자는 상기 관통 홀에 삽입된 몸체부;
    상기 바닥의 외부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 일측 둘레로부터 상기 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부;
    상기 바닥의 내부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 타측 둘레로부터 상기 내부면을 향해 연장된 내부 플랜지부; 및
    상기 내부 플랜지부의 내측에 구비된 평탄부를 포함하는 것인 이차 전지.
  15. 청구항 13에 있어서, 상기 이차 전지는 상기 전지 캔의 바닥에 구비된 음극 단자를 포함하고, 상기 리벳팅된 전극 단자는 양극 단자이며,
    상기 양극 단자는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부와 전기적으로 연결되는 것인 이차 전지.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 전극 조립체는 상기 전극 조립체의 권취축에 수직인 일 단부에 구비된 양극 집전판을 더 포함하고,
    상기 양극 단자는 상기 양극 집전판과 전기적으로 연결되는 것인 이차 전지.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 튜빙 구조의 홀을 통해 상기 양극 단자와 상기 양극 집전판이 전기적으로 연결되는 것인 이차 전지.
  18. 청구항 13에 따른 이차 전지를 적어도 하나 포함하는 배터리 팩.
  19. 청구항 18에 따른 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 것인 자동차.
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