WO2022182144A1 - 이차전지, 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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battery
secondary battery
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top cap
electrode
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조민기
김도균
황보광수
민건우
최수지
강보현
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery, a battery pack, and a vehicle.
  • Secondary batteries that are easy to apply according to product groups and have electrical characteristics such as high energy density are not only portable devices but also electric vehicles (EVs) or hybrid vehicles (HEVs) driven by an electric drive source. It is universally applied.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid vehicles
  • the types of secondary batteries currently widely used include a lithium ion battery, a lithium polymer battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a nickel zinc battery, and the like.
  • the operating voltage of the unit secondary battery secondary battery that is, the unit battery secondary battery is about 2.5V to 4.5V. Accordingly, when a higher output voltage is required, a battery pack may be configured by connecting a plurality of secondary battery batteries in series. In addition, a plurality of secondary battery batteries may be connected in parallel to form a battery pack according to the charge/discharge capacity required for the battery pack. Accordingly, the number and electrical connection types of secondary batteries included in the battery pack may be variously set according to a required output voltage and/or charge/discharge capacity.
  • a plurality of cylindrical secondary batteries are usually erected in a housing, and the upper and lower ends of the cylindrical secondary battery are used as positive and negative terminals, respectively, to form a plurality of cylindrical secondary batteries. electrically connect them to each other.
  • the negative electrode uncoated portion of the electrode assembly accommodated in the battery can extends downward to be electrically connected to the bottom surface of the battery can, and the positive uncoated portion extends upward and is electrically connected to the top cap. to be. That is, in a cylindrical secondary battery, it is common that the bottom surface of the battery can is used as the negative terminal, and the top cap that covers the upper opening of the battery can is used as the positive terminal.
  • the present invention has a structure in which the positive terminal and the negative terminal are applied in the same direction, and has a structure in which a top cap serving as a positive terminal and a part that can weld a tab from an electrode assembly are combined into one, so that high energy density is realized
  • An object of the present invention is to provide a possible secondary battery.
  • Another object of the present invention is to provide a battery pack and a vehicle including the secondary battery as described above.
  • One embodiment of the present invention is an electrode assembly having a first electrode tab and a second electrode tab; a battery can having an opening for accommodating the electrode assembly and electrically connected to the second electrode tab; a top cap covering the opening of the battery can and electrically connected to the first electrode tab; a conductive washer electrically connected to the battery can and in contact with at least a portion of the periphery of the opening; and an insulating member provided between the top cap and at least one of the battery can and the conductive washer electrically connected to the battery can, and electrically insulating the top cap from at least one of the battery can and the conductive washer and the top cap includes first and second surfaces facing each other, the first surface facing the electrode assembly and electrically connected to the first electrode tab, the second surface being the conductive washer It provides a secondary battery that has a protrusion exposed through a hole formed in the center of the.
  • Another embodiment of the present invention is a secondary battery according to the above-described embodiment; and a pack housing accommodating the secondary battery.
  • Another embodiment of the present invention provides a vehicle including the battery pack according to the above-described embodiment.
  • the top cap functioning as the positive terminal is used as the positive terminal to ensure that the conductive washer has a sufficiently wide width. It may be applied in a form including a protrusion formed to protrude outward.
  • the top cap including such a protrusion may be manufactured by a press, and a connection plate, which is an intermediate part for electrical connection with the electrode assembly, may be attached to a lower portion thereof.
  • the tab from the electrode assembly can be directly attached to the top cap including the protrusion by welding without attaching a separate connection plate to the top cap serving as the positive electrode terminal.
  • the number of components for electrical connection can be reduced, and component resistance can be reduced.
  • the rigidity of the top cap may be increased due to the top cap part manufactured through forging.
  • the energy density of the secondary battery may also be increased, thereby increasing the size of the battery.
  • FIG. 1 is a cylindrical secondary battery structure to which a top cap as a positive terminal and a conductive washer as a negative terminal according to a comparative example of the present invention are applied, a separate connection for connection with a tab drawn out from an electrode assembly under the top cap; It is a diagram showing a case where plate parts are applied.
  • FIG. 2 is a view showing the appearance of a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view illustrating an internal structure of a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a structure in which a connecting plate component is omitted through the application of a positive forged top cap in the secondary battery shown in FIG. 1 in the cylindrical secondary battery structure according to an embodiment of the present invention.
  • 5 to 8 are partial cross-sectional views illustrating an upper structure of a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 and 10 are views showing a current collecting plate applied to the present invention.
  • 11 and 12 are cross-sectional views illustrating a coupling structure of a current collecting plate and an electrode assembly applied to the present invention.
  • FIG. 13 is a partial cross-sectional view illustrating a lower structure of a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a view showing a lower surface of a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a schematic diagram illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a conceptual diagram illustrating a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • One embodiment of the present invention is an electrode assembly having a first electrode tab and a second electrode tab; a battery can having an opening for accommodating the electrode assembly and electrically connected to the second electrode tab; a top cap covering the opening of the battery can and electrically connected to the first electrode tab; a conductive washer electrically connected to the battery can and in contact with at least a portion of the periphery of the opening; and an insulating member provided between the top cap and the battery can and a conductive washer electrically connected to the battery can and electrically insulating the top cap from at least one of the battery can and the conductive washer, wherein
  • the top cap includes first and second surfaces facing each other, wherein the first surface faces the electrode assembly and is electrically connected to the first electrode tab, and the second surface is located at the center of the conductive washer. It provides a secondary battery that has a protrusion exposed through the formed hole.
  • the secondary battery includes the conductive washer, it is possible to implement a one-way electrical connection in which the positive terminal and the negative terminal are applied in the same direction.
  • the tab from the electrode assembly can be directly attached to the top cap by welding without attaching a separate connection plate to the top cap serving as the positive electrode terminal. Accordingly, it is possible to manufacture a top cap that reduces component resistance and increases the energy density of the secondary battery.
  • the rigidity of the top cap may be increased due to the top cap parts manufactured through forging.
  • the secondary battery may be a cylindrical secondary battery
  • the first electrode tab is an uncoated region in which the first electrode active material is not formed among the first electrode current collectors constituting the electrode assembly
  • the second electrode tab is the electrode Among the second electrode current collectors constituting the assembly, it may be an uncoated region in which the second electrode active material is not formed.
  • the first electrode tab and the second electrode tab may be bent toward a winding center of the electrode assembly.
  • a cylindrical secondary battery 1 includes an electrode assembly 10 , a battery can 20 , a top cap 30 , a conductive washer 40 , and insulation a member (55), wherein the top cap (30) includes a first surface (33) and a second surface (34) opposite to each other, the first surface (33) facing the electrode assembly and the It is electrically connected to the first electrode tab 11 , and the second surface 34 is provided in a protrusion exposed through a hole formed in the center of the conductive washer 40 .
  • the cylindrical secondary battery 1 may further include a current collecting plate 70 and/or an insulating plate 80 in addition to the above-described components.
  • the electrode assembly 10 includes a first electrode plate having a first polarity, a second electrode plate having a second polarity, and a separator provided between the first electrode plate and the second electrode plate.
  • the electrode assembly 10 may have a jelly-roll shape. That is, the electrode assembly 10 may be manufactured by winding a stack formed by sequentially stacking a first electrode plate, a separator, and a second electrode plate at least once with the winding center C as a reference. In this case, a separator may be provided on the outer peripheral surface of the electrode assembly 10 to insulate it from the battery can 20 .
  • the first electrode plate is a positive electrode plate or a negative electrode plate
  • the second electrode plate corresponds to an electrode plate having a polarity opposite to that of the first electrode plate.
  • the first electrode plate may be a positive electrode plate
  • the second electrode plate may be a negative electrode plate.
  • the first electrode plate includes a first electrode current collector and a first electrode active material coated on one or both surfaces of the first electrode current collector.
  • An uncoated region to which the first electrode active material is not applied is present at one end of the first electrode current collector in the width direction (parallel to the Z-axis).
  • the uncoated region functions as the first electrode tab 11 .
  • the first electrode tab 11 is provided above the electrode assembly 10 accommodated in the battery can 20 in the height direction (parallel to the Z-axis).
  • the second electrode plate includes a second electrode current collector and a second electrode active material coated on one or both surfaces of the second electrode current collector.
  • An uncoated region to which the second electrode active material is not applied is present at the other end of the second electrode current collector in the width direction (parallel to the Z-axis).
  • the uncoated region functions as the second electrode tab 12 .
  • the second electrode tab 12 is provided below the electrode assembly 10 accommodated in the battery can 20 in the height direction (parallel to the Z-axis).
  • first electrode tab 11 may be provided at one end of the electrode assembly, and the second electrode tab may be provided at the other end of the electrode assembly.
  • the battery can 20 may have a cylindrical shape, which is a cylindrical container having an opening formed therein, and is made of a conductive metal material.
  • the battery can 20 accommodates the electrode assembly 10 through the opening, and also accommodates the electrolyte.
  • the battery can 20 is electrically connected to the second electrode tab 12 of the electrode assembly 10 . Accordingly, the battery can 20 has the same polarity as the second electrode tab 12 .
  • the second electrode tab 12 may be welded to the battery can 20 .
  • the battery can 20 includes a beading portion 21 and a crimping portion 22 formed on the upper end thereof.
  • the crimping part 22 may be provided on the periphery of the opening of the battery can 20 .
  • the beading part 21 is formed on the electrode assembly 10 .
  • the beading part 21 is formed by press-fitting the outer peripheral surface of the battery can 20 .
  • the beading part 21 prevents the electrode assembly 10 having a size corresponding to the width of the battery can 20 from escaping through the upper opening of the battery can 20 , and a support part on which the top cap 30 is seated. can function as
  • the crimping part 22 is formed on the beading part 21 .
  • the crimping part 22 has an extended and bent shape so as to surround a portion of an outer peripheral surface of the top cap 30 disposed on the beading part 21 and a portion of an upper surface of the top cap 30 .
  • the battery can may have a cylindrical shape, and may have a diameter of 30 mm to 55 mm and a height of 60 mm to 120 mm at both ends.
  • the circular diameter x height of the cylindrical battery can may be 46 mm x 60 mm, 46 mm x 80 mm, or 46 mm x 90 mm, or 46 mm x 120 mm.
  • the cylindrical secondary battery is, for example, a cylindrical secondary battery having a form factor ratio (defined as the ratio of the diameter of the cylindrical secondary battery divided by the height, that is, the ratio of the height (H) to the diameter ( ⁇ )) is greater than about 0.4 can be
  • the form factor means a value indicating the diameter and height of the cylindrical secondary battery.
  • the cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention may be, for example, a 46110 cell, a 48750 cell, a 48110 cell, a 48800 cell, a 46800 cell, and a 46900 cell.
  • the first two numbers indicate the diameter of the cell
  • the next two numbers indicate the height of the cell
  • the last number 0 indicates that the cell has a circular cross section.
  • the cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention may be a cylindrical secondary battery having a substantially cylindrical cell shape, a diameter of about 46 mm, a height of about 110 mm, and a form factor ratio of about 0.418.
  • a cylindrical secondary battery according to another embodiment may be a battery cell having a substantially cylindrical shape, a diameter of about 48 mm, a height of about 75 mm, and a form factor ratio of about 0.640.
  • a cylindrical secondary battery according to another embodiment may be a cylindrical secondary battery having a substantially cylindrical cell shape, a diameter of about 48 mm, a height of about 110 mm, and a form factor ratio of about 0.418.
  • a cylindrical secondary battery according to another embodiment may be a battery cell having a substantially cylindrical shape, a diameter of about 48 mm, a height of about 80 mm, and a form factor ratio of about 0.600.
  • a cylindrical secondary battery according to another embodiment may be a battery cell having a substantially cylindrical shape, a diameter of about 46 mm, a height of about 80 mm, and a form factor ratio of about 0.575.
  • a cylindrical secondary battery according to another embodiment may be a cylindrical secondary battery having a substantially cylindrical shape, a diameter of about 46 mm, a height of about 90 mm, and a form factor ratio of 0.511.
  • the battery can 20 may further include a venting part 23 formed on a lower surface thereof.
  • the venting part 23 corresponds to a region having a thinner thickness compared to a peripheral region of the lower surface of the battery can 20 .
  • the venting part 23 is structurally weak compared to the surrounding area. Accordingly, when an abnormality occurs in the cylindrical secondary battery 1 and the internal pressure increases to a certain level or more, the venting part 23 is broken and the gas generated inside the battery can 20 is discharged.
  • the cylindrical secondary battery 1 has a structure in which both a positive terminal and a negative terminal are present on the upper part, and thus the upper structure is more complicated than the lower structure. Therefore, the venting part 23 may be included on the lower surface of the battery can 20 to smoothly discharge the gas generated inside the battery can 20 .
  • venting part 23 is continuously formed in a circle on the lower surface of the battery can 20 , but the present invention is not limited thereto.
  • the venting part 23 may be discontinuously formed while drawing a circle on the lower surface of the battery can 20 , or may be formed in a straight line or other shape.
  • the top cap 30 is a component made of a conductive metal material and covers the opening of the battery can 20 .
  • the top cap 30 is electrically connected to the first electrode tab 11 of the electrode assembly 10 and is electrically insulated from the battery can 20 . Accordingly, the top cap 30 may function as a first electrode terminal of the cylindrical secondary battery 1 .
  • the top cap 30 is seated on the beading part 21 formed on the battery can 20 , and is fixed by the crimping part 22 .
  • the top cap 30 includes a first surface 33 and a second surface 34 opposite to each other, the first surface 33 facing the electrode assembly and the first electrode tab 11 and It is electrically connected, and the second surface 34 is included in the protrusion 31 exposed through a hole formed in the center of the conductive washer 40 .
  • the first side 33 faces the inside of the battery can, and the second side 34 faces the outside of the battery can. That is, the top cap 30 may include a protrusion 31 protruding outwardly of the battery can, and the second surface 34 is a central portion of the conductive washer 40 from the protrusion 31 . It may be an exposed portion exposed through a hole formed in the .
  • the protrusion 31 may protrude higher than the upper surface of the conductive washer 40, which will be described later, so as to facilitate contact with an electrical connection component such as a bus bar.
  • the upper surface refers to the outer direction of the battery can of the cylindrical battery, that is, the direction in which the opening is located, and the lower surface refers to the direction in which the bottom surface of the battery can is located.
  • the first surface 33 of the top cap 30 may be a flat portion electrically connected to the first electrode tab 11 , and may be formed on the second surface 34 of the top cap 30 at the protrusion 31 . It may be an exposed portion exposed through the outer surface of the conductive washer 40 .
  • the first electrode tab 11 may be electrically connected to the first surface 33 of the top cap 30 without attaching a separate connection plate component.
  • the first electrode tab 11 may be welded to the first surface 33 of the top cap 30 . In this case, the number of components for electrical connection can be reduced, and thus component resistance can be reduced.
  • the top cap 30 is the first electrode terminal of the cylindrical secondary battery 1 by the second surface 34 having an exposed portion exposed through the outer surface of the conductive washer 40 electrically connected from the electrode assembly. can function as That is, the second surface of the protrusion 31 is exposed through a hole formed in the center of the conductive washer, which may function as a first electrode terminal.
  • the top cap 30 includes a non-projecting portion 32 that is not provided with the projection 31, and the height of the projection portion from the first surface 33 is the first surface ( 33) is formed higher than the height from
  • a height ratio of the protrusion 31 and the non-protrusion 32 from the first surface 33 may be set by a peripheral component.
  • the protrusion 31 may protrude higher than the upper surface of the conductive washer 40, which will be described later, so as to facilitate contact with an electrical connection component such as a bus bar.
  • the upper surface refers to the outer direction of the battery can of the cylindrical battery, that is, the direction in which the opening is located, and the lower surface refers to the direction in which the bottom surface of the battery can is located.
  • the height from the first surface 33 of the protruding portion is the height from the first surface 33 of the non-protruding portion 32 to the thickness T1 of the crimping portion 22 to be described later and the crimping portion ( 22) may be greater than the sum of the thickness T2 of the conductive washer 40 (see FIG. 6).
  • the thickness T1 of the crimping part 22 may be 0.1 mm or more, 0.15 mm or more, 0.2 mm or more, 0.25 mm or more, 0.3 mm or more, or 0.35 mm or more.
  • the thickness T1 of the crimping part 22 may be 0.75 mm or less, 0.7 mm or less, 0.65 mm or less, 0.6 mm or less, 0.55 mm or less, or 0.5 mm or less.
  • the thickness T2 of the conductive washer 40 in contact with the crimping part 22 may be 0.25 mm or more, 0.3 mm or more, 0.35 mm or more, or 0.4 mm or more.
  • the thickness T2 of the conductive washer 40 in contact with the crimping part 22 may be 0.65 mm or less, 0.6 mm or less, 0.55 mm or less, or 0.5 mm or less.
  • the sum of the thickness T1 of the crimping part 22 and the thickness T2 of the conductive washer 40 in contact with the crimping part 22 is 0.35 mm or more, 0.4 mm or more, 0.45 mm or more, 0.5 mm or more, It may be 0.55 mm or more, 0.6 mm or more, or 0.65 mm or more.
  • the sum of the thickness T1 of the crimping portion 22 and the thickness T2 of the conductive washer 40 in contact with the crimping portion 22 is 1.4mm or less, 1.35mm or less, 1.3mm or less, 1.25mm or less, It may be 1.2 mm or less, 1.15 mm or less, 1.1 mm or less, 1.05 mm or less, or 1 mm or less.
  • the height from the first surface 33 of the protrusion is 0.35 mm or more, 0.4 mm or more, 0.45 mm or more, 0.5 mm or more, respectively, from the height from the first surface 33 of the non-protrusion part 32 .
  • 0.55mm or more, 0.6mm or more, or 0.65mm or more, or 1.4mm or less, 1.35mm or less, 1.3mm or less, 1.25mm or less, 1.2mm or less, 1.15mm or less, 1.1mm or less, 1.05mm or less, or 1mm or less can be larger
  • the protruding portion 31 may be exposed through a hole formed in the center of the conductive washer. , which is advantageous in functioning as the first electrode terminal.
  • FIG. 1 is a cylindrical secondary battery structure to which a top cap as a positive terminal and a conductive washer as a negative terminal according to a comparative example of the present invention are applied, a separate connection for connection with a tab drawn out from an electrode assembly under the top cap; It is a diagram showing a case where plate parts are applied.
  • the positive electrode top cap 30 is pressed by pressing the protruding part of the positive electrode top cap ( 31) is configured in a shape that can be inserted into the central hole of the conductive washer 40, and a connection plate 90 component is attached to the lower surface thereof to form a current path with the electrode assembly.
  • a positive forged top cap may be applied in preparation for the case of applying the connecting plate 90 parts as described above.
  • FIG. 4 is a view showing a structure in which a connecting plate component is omitted through the application of a positive forged top cap in the secondary battery shown in FIG. 1 in the cylindrical secondary battery structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 a structure in which a component serving as an external terminal of a positive electrode and a component capable of welding a tab drawn from an electrode assembly are combined into one is presented.
  • the anode forged top cap made of such a single part is manufactured through forging, so that its rigidity can be increased compared to the existing top cap, and it is also possible to reduce the component resistance through the integrated application into one part.
  • the forged top cap 30 means a top cap manufactured by a forging method, and the forging method is a non-protruding portion ( 32) means to form the protrusion 31 by applying pressure.
  • the top cap 30 includes aluminum, and thus, compared with the existing top cap, its rigidity may be increased, and a space in which a tab drawn out from the electrode assembly may be welded may be secured.
  • the application of the anode forged top cap part of the present invention can perform both functions, that is, a function as an anode external terminal and a function as a part for attaching an internal tab, with one part. , and can exhibit lower component resistance compared to the case of applying the two components separately.
  • the conductive washer 40 is made of a metal material having conductivity, and is a component having a substantially disk shape with a hole formed in the center thereof.
  • the conductive washer 40 extends from the outer portion of the upper surface of the conductive washer 40 in contact with the periphery of the opening of the battery can toward the center, and the protrusion 31 of the top cap 30 is exposed at the center.
  • a hole is formed so that it can be
  • the upper surface refers to the outer direction of the battery can of the cylindrical battery, that is, the direction in which the opening is located, and the lower surface refers to the direction in which the bottom surface of the battery can is located.
  • the center refers to a central area of the upper and/or lower surfaces of the conductive washer 40 .
  • the conductive washer 40 is electrically connected to the battery can and may be in contact with at least a portion of the periphery of the opening, preferably on the crimping portion 22 of the battery can 20 . That is, the secondary battery has a crimping part on the periphery of the opening of the battery can, and the conductive washer 40 is in contact with the crimping part 22 .
  • the conductive washer 40 may have the same polarity as that of the battery can by being in contact with the crimping part 22 , and may function as a second electrode terminal having a second polarity.
  • the conductive washer 40 may be coupled to the crimping portion 22 , and the coupling may be performed, for example, by welding, and the welding may be laser welding.
  • the conductive washer 40 is electrically insulated from the top cap 30 .
  • the top cap 30 is exposed through a hole formed in the center of the conductive washer 40 , and the conductive washer 40 and the protrusion 31 of the top cap 30 are spaced apart from each other.
  • the conductive washer 40 is vertically spaced apart from the remaining portions except for the protrusion 31 of the top cap 30 . Accordingly, the conductive washer 40 is electrically connected to the second electrode tab 12 and the battery can 20 , and may function as a second electrode terminal of the cylindrical secondary battery 1 .
  • the cylindrical secondary battery 1 includes the conductive washer 40 so that both the first electrode terminal having the first polarity and the second electrode terminal having the second polarity are in the same direction. has a structure placed in
  • the width D2 of the conductive washer 40 is greater than the width D1 of the top surface of the crimping portion 22 of the battery can 20 .
  • the coupling area between the electrical connection component and the conductive washer 40 can be enlarged. in order to make it In this way, as the bonding area between the electrical connection part and the conductive washer 40 is enlarged, the welding process can be performed smoothly, the fastening force between the two parts can be improved, and the electrical resistance at the coupling part can be reduced. have.
  • the upper surface refers to the outer direction of the battery can of the cylindrical battery, that is, the direction in which the opening is located, and the lower surface refers to the direction in which the bottom surface of the battery can is located.
  • the width D2 of the conductive washer 40 means a length extending from the outer edge of the top surface of the conductive washer 40 in contact with the periphery of the opening of the battery can toward the center.
  • the width D1 of the upper surface of the crimping part 22 means a length extending from the outer edge of the upper surface of the battery can toward the center at the periphery of the opening of the battery can.
  • the upper surface of the crimping portion 22 means a portion at the end of the crimping portion 22 excluding the curved portion surrounding the side and corner portions of the crimping portion 22 .
  • the width D2 of the conductive washer 40 may be set differently according to the diameter of the secondary battery.
  • the cylindrical secondary battery is a cell in a substantially cylindrical shape, and for example, the width D2 of the conductive washer 40 may be 10% or more, 11% or more, 12% or more, or 13% or more of the maximum diameter of the cell.
  • the cylindrical secondary battery is a cell in a substantially cylindrical shape, and for example, the width D2 of the conductive washer 40 may be 50% or less, 45% or less, 43% or less, or 40% or less of the maximum diameter of the cell.
  • the width D1 of the upper surface of the crimping part 22 is smaller than the width D2 of the conductive washer 40 .
  • the cylindrical secondary battery is a cell having a substantially cylindrical shape, and for example, the width D1 of the upper surface of the crimping part 22 may be 1% or more, 2% or more, or 3% or more of the maximum diameter of the cell.
  • a cylindrical secondary battery is a cell in a substantially cylindrical shape, and for example, the width D1 of the upper surface of the crimping part 22 may be 13% or less, 12% or less, 11% or less, or 10% or less of the maximum diameter of the cell. have.
  • the sum of the thickness T1 of the crimping portion 22 at the portion in contact with the conductive washer 40 and the thickness T2 of the conductive washer 40 in contact with the crimping portion 22 is the 90% to 200% of the thickness T' of the conductive washer 40 not in contact with the crimping portion 22.
  • the thickness T1 of the crimping part 22 may be 0.1 mm or more, 0.15 mm or more, 0.2 mm or more, 0.25 mm or more, 0.3 mm or more, or 0.35 mm or more.
  • the thickness T1 of the crimping part 22 may be 0.75 mm or less, 0.7 mm or less, 0.65 mm or less, 0.6 mm or less, 0.55 mm or less, or 0.5 mm or less.
  • the thickness T2 of the conductive washer 40 in contact with the crimping part 22 may be 0.25 mm or more, 0.3 mm or more, 0.35 mm or more, or 0.4 mm or more.
  • the thickness T2 of the conductive washer 40 in contact with the crimping part 22 may be 0.65 mm or less, 0.6 mm or less, 0.55 mm or less, or 0.5 mm or less.
  • the thickness T' of the conductive washer 40 not in contact with the crimping part 22 may be 0.4 mm or more, 0.45 mm or more, or 0.5 mm or more.
  • the thickness T' of the conductive washer 40 not in contact with the crimping part 22 may be 0.7 mm or less, 0.65 mm or less, or 0.6 mm or less.
  • the thickness of the conductive washer is formed differently depending on the region, the thickness of the metal on all paths of the electric current becomes the same, thereby reducing the overall resistance.
  • the battery can 20 may include an insertion groove 22a provided on the upper surface of the crimping part 22 , and the conductive washer 40 may correspond to the insertion groove 22a. It has a shape and may include an insertion protrusion 41 coupled to the insertion groove 22a.
  • the insertion groove 22a and the insertion protrusion 41 may enlarge the contact area between the conductive washer 40 and the crimping part 22, thereby improving the fastening force and reducing the electrical resistance at the bonding site.
  • the insertion groove 22a and the insertion protrusion 41 guide the seating position of the conductive washer 40 in seating the crimping part 22 on the crimping part 22, so that the projection of the conductive washer 40 and the top cap 30 is provided. (31) can prevent contact between them.
  • the insertion groove 22a and the insertion protrusion 41 may improve fairness by preventing the conductive washer 40 from moving on the crimping part 22 during the welding process.
  • the insulating member 55 is provided between the top cap 30 and at least one of the battery can 20 and the conductive washer 40 electrically connected to the battery can. , at least one of the battery can 20 and the conductive washer 40 and the top cap 30 are electrically insulated. According to an example, the insulating member 55 may electrically insulate both the battery can 20 and the conductive washer 40 from the top cap 30 .
  • the insulating member 55 is provided between the conductive washer 40 and the top cap 30 and electrically insulates the conductive washer 40 and the top cap 30 from the first insulating member 60 . and a second insulating member 50 provided between the battery can and the top cap to electrically insulate the battery can and the top cap.
  • the insulating member 55 is made of an insulating material.
  • the second insulating member 50 is provided between the battery can 20 and the top cap 30 and electrically insulates the battery can and the top cap, for example, the second insulating member ( 50) may be a gasket.
  • the second insulating member 50 may be provided between the crimping part 22 of the battery can 20 and the top cap 30 , which secures airtightness of the battery can 20 and the battery can 20 . and the top cap 30 may be electrically insulated.
  • the top cap 30 functions as a first electrode terminal having a first polarity and the conductive washer 40 has a second polarity opposite to the first polarity. Since it functions as a second electrode terminal having a polarity, the top cap 30 and the conductive washer 40 must maintain an electrically insulating state. Accordingly, the first insulating member 60 may be applied to stably maintain the insulating state.
  • the first insulating member 60 may be provided between the lower surface of the conductive washer 40 and the top cap 30 .
  • the conductive washer 40 has a width D2 greater than the width D1 of the upper surface of the crimping portion 22, and the protrusion 31 of the top cap 30 from the crimping portion 22. It has a shape extending in the direction toward Therefore, the first insulating member 60 is formed in the center of the conductive washer 40 so that the inner surface of the hole formed in the conductive washer 40 and the protrusion 31 of the top cap 30 cannot contact each other. It may have an extended shape to cover the inner surface.
  • the first insulating member 60 When the first insulating member 60 is made of a resin material, the first insulating member 60 may be coupled to the conductive washer 40 and the top cap 30 by thermal fusion. In this case, airtightness at the bonding interface between the first insulating member 60 and the conductive washer 40 and at the bonding interface between the first insulating member 60 and the top cap 30 may be enhanced.
  • the first insulating member 60 is extended to cover an area of 1% or more, 2% or more, 3% or more, or 4% or more of the total area of the upper surface of the conductive washer 40.
  • the first insulating member 60 may extend to cover an area of 10% or less, 9% or less, 8% or less, or 7% or less of the total area of the upper surface of the conductive washer 40 .
  • the width C of which the first insulating member 60 extends to cover a portion of the upper surface of the conductive washer 40 is 0.1 mm or more, 0.15 mm or more, 0.2 mm or more, 0.25 mm or more, 0.3 mm or more, or 0.35 mm or more. mm or larger.
  • the width C of which the first insulating member 60 extends to cover a portion of the upper surface of the conductive washer 40 may be 3 mm or less, 2.5 mm or less, 2 mm or less, 1.5 mm or less, 1 mm or less, or 0.5 mm or less. have.
  • the width C at which the first insulating member 60 extends to cover a portion of the upper surface of the conductive washer 40 is the width C of the conductive washer 40 from the center direction to the outer portion direction of the width D2 of the conductive washer 40. 1 refers to the length of the portion covered by the insulating member 60 .
  • the width D2 of the conductive washer 40 may be set differently according to the diameter of the secondary battery.
  • the cylindrical secondary battery is a cell in a substantially cylindrical shape, and for example, the width D2 of the conductive washer 40 may be 10% or more, 11% or more, 12% or more, or 13% or more of the maximum diameter of the cell.
  • the cylindrical secondary battery is a cell in a substantially cylindrical shape, and for example, the width D2 of the conductive washer 40 may be 50% or less, 45% or less, 43% or less, or 40% or less of the maximum diameter of the cell.
  • the process of seating the conductive washer 40 on the crimping portion 22 is more accurate and faster. can be done After the first insulating member 60 is inserted through the hole of the conductive washer 40 and fixed to the conductive washer 60, the assembly composed of the conductive washer 40 and the first insulating member 60 is crimped. By seating on the 22 and the top cap 30, the conductive washer 40 can be naturally seated at the correct position. In this case, the protrusion 31 of the top cap 30 is exposed outwardly of the battery can through a hole formed in the center of the first insulating member 60 .
  • the combination of the first insulating member 60 and the conductive washer 40 shown in FIG. 8 may be manufactured by insert injection. That is, insert injection is performed so that the conductive washer 40 made of a metal material is inserted/fixed into the first insulating member 60 made of a resin material to manufacture a combination of the first insulating member 60 and the conductive washer 40, , by arranging this assembly on the crimping part 22 and the top cap 30, it is possible to bring about the effect of natural alignment.
  • the current collecting plate 70 is coupled to an upper portion of the electrode assembly 10 .
  • the current collecting plate 70 is made of a conductive metal material and is connected to the first electrode tab 11 .
  • a lead 72 may be connected to the current collecting plate 70 , and the lead 72 may extend upwardly of the electrode assembly 10 to be directly coupled to the first surface 33 of the top cap 30 . Since the top cap 30 has the first surface 33 capable of being electrically connected to the first electrode tab 11 , the lead 72 is attached to the first surface 33 of the top cap 30 . It is not coupled to the coupling plate 90 that can be coupled. Since the lead 72 is directly coupled to the first surface 33 of the top cap 30 without being coupled to the connection plate 90, the number of electrically connected components can be reduced, and component resistance can be reduced. can bring
  • the current collecting plate 70 may include a plurality of sub-plates 71 extending radially from the center.
  • the current collecting plate 70 and the lead 72 may be integrally formed.
  • the lead 72 may have an elongated plate shape extending outward from the center of the current collecting plate 70 , and may be formed between the sub-plates 71 adjacent to each other.
  • the structure of the current collecting plate 70 of the present invention is not limited thereto, and may have a shape corresponding to the upper surface of the electrode assembly 10 so as to completely cover the upper portion of the first electrode tab 11 .
  • the current collecting plate 70 may include a plurality of radially formed irregularities on a lower surface thereof. When the unevenness is formed, the unevenness may be press-fitted into the electrode tabs 11 and 12 by pressing the current collecting plate 70 .
  • the current collecting plate 70 is coupled to an end of the first electrode tab 11 .
  • the coupling between the first electrode tab 11 and the current collecting plate 70 may be performed, for example, by laser welding.
  • the laser welding may be performed by partially melting the base material of the current collecting plate 70 , or may be performed with solder for welding interposed between the current collecting plate 70 and the first electrode tab 11 .
  • the solder may have a lower melting point compared to the current collecting plate 70 and the first electrode tab 11 .
  • the current collecting plate 70 may be coupled to a coupling surface formed by bending an end of the first electrode tab 11 in a direction parallel to the current collecting plate 70 .
  • the bending direction of the first electrode tab 11 may be, for example, a direction toward a winding center of the electrode assembly 10 .
  • the current collecting plate 70 may also be coupled to the lower surface of the electrode assembly 10 .
  • one surface of the current collecting plate 70 is coupled to the second electrode tab 12 of the electrode assembly 10 by welding, and the opposite surface is welded to the inner bottom surface of the battery can 20 by welding. can be combined.
  • a coupling structure of the current collecting plate 70 coupled to the lower surface of the electrode assembly 10 and the second electrode tab 12 is substantially the same as the current collecting plate 70 coupled to the upper surface of the electrode assembly 10 described above. do.
  • the second electrode tab 12 may also have a shape bent in a direction toward the winding center of the electrode assembly 10 .
  • the insulating plate 80 is disposed between the upper end of the electrode assembly 10 and the beading portion 21 or between the current collecting plate 70 and the beading portion 21 coupled to the upper portion of the electrode assembly 10 to form the first electrode A contact between the tab 11 and the battery can 20 or between the current collecting plate 70 and the battery can 20 is prevented.
  • the insulating plate 80 has a lead hole 81 through which a lead 72 extending upwardly from the current collecting plate 70 or from the first electrode tab 11 can be drawn out.
  • the cylindrical secondary battery 1 includes a top cap 30 provided on one side of the battery can 20 in the longitudinal direction (a direction parallel to the Z axis in FIG. 2 ) and
  • the conductive washer 40 has a structure that can be used as a first electrode terminal and a second electrode terminal, respectively. Therefore, in the case of electrically connecting a plurality of cylindrical secondary batteries 1 according to an embodiment of the present invention, it is possible to arrange an electrical connection part such as a bus bar on only one side of the cylindrical secondary battery 1 . , thereby simplifying the structure and improving the energy density.
  • a battery pack 3 according to an embodiment of the present invention includes a secondary battery assembly to which the secondary battery 1 according to an embodiment of the present invention is electrically connected as described above, and a pack housing accommodating the same. (2) is included.
  • components such as a bus bar and a power terminal for electrical connection are omitted for convenience of illustration.
  • a vehicle 5 may be, for example, an electric vehicle, and includes a battery pack 3 according to an embodiment of the present invention.
  • the vehicle 5 operates by receiving power from the battery pack 3 according to an embodiment of the present invention.

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Abstract

본 발명은 제1 전극 탭 및 제2 전극 탭을 구비하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 개구부를 가지며 상기 제2 전극 탭과 전기적으로 연결되는 전지 캔; 상기 전지 캔의 개구부를 커버하며 상기 제1 전극 탭과 전기적으로 연결되는 탑 캡; 상기 전지 캔과 전기적으로 연결되며 상기 개구부의 둘레부의 적어도 일부에 접하는 전도성 와셔; 및 상기 전지 캔 및 상기 전지 캔과 전기적으로 연결되는 전도성 와셔와 상기 탑 캡 사이에 구비되며, 상기 전지 캔 및 상기 전도성 와셔 중 적어도 하나와 상기 탑 캡을 전기적으로 절연하는 절연 부재를 포함하고, 상기 탑 캡은 서로 대향하는 제1 면 및 제2 면을 포함하며, 상기 제1 면은 상기 전극 조립체와 대면하며 상기 제1 전극 탭과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 면은 상기 전도성 와셔의 중심부에 형성되는 홀을 통해 노출되는 돌출부를 갖는 것인 이차전지를 제공한다.

Description

이차전지, 배터리 팩 및 자동차
본 출원은 2021년 2월 23일 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2021-0024422호의 출원일의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 이차전지, 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차전지는 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 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 이차전지, 즉, 단위 배터리 이차전지의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 이차전지를 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 이차전지를 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 이차전지의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
원통형 이차전지를 이용하여 배터리 팩을 제작하고자 하는 경우, 통상적으로 복수의 원통형 이차전지들을 하우징 내에 기립 배치시키고, 원통형 이차전지의 상단과 하단을 각각 양극 단자 및 음극 단자로 활용하여 복수의 원통형 이차전지들 상호 간을 전기적으로 연결시킨다.
이는 원통형 이차전지에 있어서, 전지 캔의 내부에 수납되는 전극 조립체의 음극 무지부는 하방으로 연장되어 전지 캔의 바닥 면과 전기적으로 연결되고, 양극 무지부는 상방으로 연장되어 탑 캡과 전기적으로 연결되기 때문이다. 즉, 원통형 이차전지에 있어서, 전지 캔의 바닥면이 음극 단자로서 이용되고, 전지 캔의 상단 개구부를 커버하는 탑 캡이 양극 단자로서 이용되는 것이 일반적이다.
그러나, 이처럼 원통형 이차전지의 양극 단자와 음극 단자가 서로 반대 편에 위치하는 경우, 복수의 원통형 이차전지를 전기적으로 연결하기 위한 버스바 등의 전기적 연결 부품이 원통형 이차전지의 상부와 하부에 모두 적용되어야 한다. 이는, 배터리 팩이 전기적 연결 구조를 복잡하게 한다.
뿐만 아니라, 이와 같은 구조에서는, 절연을 위한 부품 및 방수성의 확보를 위한 부품 등이 배터리 팩의 상부와 하부에 개별적으로 적용되어야 하기 때문에 적용되는 부품 수의 증가 및 구조의 복잡화를 초래한다.
따라서, 복수의 원통형 이차전지의 전기적 연결 구조를 단순하게 할 수 있도록, 양극 단자와 음극 단자가 동일 방향에 적용된 구조를 갖는 원통형 이차전지에 대한 개발이 요구된다.
본 발명은 양극 단자와 음극 단자가 동일 방향에 적용된 구조를 갖고, 양극 단자 역할을 하는 탑 캡과 전극 조립체에서 나오는 탭을 용접할 수 있도록 하는 부품을 하나로 결합시킨 구조를 가짐으로써 고에너지 밀도 구현이 가능한 이차전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 하나의 목적은 상기와 같은 이차전지를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하고자 한다.
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 제1 전극 탭 및 제2 전극 탭을 구비하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 개구부를 가지며 상기 제2 전극 탭과 전기적으로 연결되는 전지 캔; 상기 전지 캔의 개구부를 커버하며 상기 제1 전극 탭과 전기적으로 연결되는 탑 캡; 상기 전지 캔과 전기적으로 연결되며 상기 개구부의 둘레부의 적어도 일부에 접하는 전도성 와셔; 및 상기 전지 캔 및 상기 전지 캔과 전기적으로 연결되는 전도성 와셔 중 적어도 하나와 상기 탑 캡 사이에 구비되며, 상기 전지 캔 및 상기 전도성 와셔 중 적어도 하나와 상기 탑 캡을 전기적으로 절연하는 절연 부재를 포함하고, 상기 탑 캡은 서로 대향하는 제1 면 및 제2 면을 포함하며, 상기 제1 면은 상기 전극 조립체와 대면하며 상기 제1 전극 탭과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 면은 상기 전도성 와셔의 중심부에 형성되는 홀을 통해 노출되는 돌출부를 갖는 것인 이차전지를 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 이차전지; 및 상기 이차전지를 수용하는 팩 하우징을 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 또 하나의 실시상태는 전술한 실시상태에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공한다.
양극 단자와 음극 단자가 동일한 방향에 적용된 구조를 갖는 원통형 이차전지의 적용을 위해 전도성 와셔가 적용되는 경우에 있어서, 전도성 와셔가 충분히 넓은 폭을 갖도록 하기 위하여 양극 단자로서 기능하는 탑 캡은 전지 캔의 외측 방향으로 돌출 형성된 돌출부를 포함하는 형태로 적용될 수 있다. 이러한 돌출부를 포함하는 탑 캡은 프레스에 의해 제조될 수 있으며 그 하부에 전극 조립체와의 전기적 연결을 위한 중간 부품인 연결 플레이트가 부착될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 양극 단자로서 기능하는 탑 캡에 별도의 연결 플레이트를 부착하지 않고 돌출부를 포함하는 탑 캡에 직접 전극 조립체에서 나오는 탭을 용접 부착할 수 있다. 이 경우에 전기적 연결을 위한 부품 수를 줄일 수 있으며, 부품 저항이 감소될 수 있다. 또한, 이와 같은 구성을 적용하는 경우에 단조를 통해 제조되는 탑 캡 부품으로 인한 탑 캡 강성 증가를 가져올 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 탑 캡에서의 저항의 감소로 인하여 양극 단자에서 낮은 전기저항을 확보하여, 이차전지의 에너지 밀도 역시 증가시킬 수 있으며, 이에 의하여 전지 크기가 증가될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 비교예에 따른 양극 단자로서의 탑 캡와 음극 단자로서의 전도성 와셔가 적용되는 원통형 이차전지 구조에 있어서, 탑 캡의 하부에 전극 조립체에서 인출되는 탭과의 연결을 위한 별도의 연결 플레이트 부품이 적용된 경우를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 외관을 나타내는 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 내부 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지 구조에 있어서, 도 1 에 도시된 이차전지에서 양극 단조 탑 캡의 적용을 통해 연결 플레이트 부품을 생략한 구조를 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 상부 구조를 나타내는 부분 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 적용되는 집전 플레이트를 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명에 적용되는 집전 플레이트와 전극 조립체의 결합 구조를 나타내는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 하부 구조를 나타내는 부분 단면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 하면을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 개략도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 나타내는 개념도이다.
[부호의 설명]
5: 자동차
3: 배터리 팩
2: 팩 하우징
1: 원통형 이차전지
10: 전극 조립체
11: 제1 전극 탭
12: 제2 전극 탭
20: 전지 캔
21: 비딩부
22: 크림핑부
22a: 삽입 홈
23: 벤팅부
30: 탑 캡
31: 돌출부
32: 비돌출부
33: 제1 면(평탄부)
34: 제2 면(노출부)
40: 전도성 와셔
41: 삽입 돌기
55: 절연 부재
50: 제2 절연부재
60: 제1 절연부재
70: 집전 플레이트
71: 서브 플레이트
72: 리드
80: 절연 플레이트
81: 리드 홀
90: 연결 플레이트
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부"는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다. 또한, 명세서 전체에서 "A 내지 B”라 함은 A 이상 B 이하를 의미하는 것으로서, A와 B를 모두 포함하는 수치범위를 의미한다. 이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는 제1 전극 탭 및 제2 전극 탭을 구비하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 개구부를 가지며 상기 제2 전극 탭과 전기적으로 연결되는 전지 캔; 상기 전지 캔의 개구부를 커버하며 상기 제1 전극 탭과 전기적으로 연결되는 탑 캡; 상기 전지 캔과 전기적으로 연결되며 상기 개구부의 둘레부의 적어도 일부에 접하는 전도성 와셔; 및 상기 전지 캔 및 상기 전지 캔과 전기적으로 연결되는 전도성 와셔와 상기 탑 캡 사이에 구비되며, 상기 전지 캔 및 상기 전도성 와셔 중 적어도 하나와 상기 탑 캡을 전기적으로 절연하는 절연 부재를 포함하고, 상기 탑 캡은 서로 대향하는 제1 면 및 제2 면을 포함하며, 상기 제1 면은 상기 전극 조립체와 대면하며 상기 제1 전극 탭과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 면은 상기 전도성 와셔의 중심부에 형성되는 홀을 통해 노출되는 돌출부를 갖는 것인 이차전지를 제공한다.
상기 이차전지는 상기 전도성 와셔를 포함함으로써, 양극 단자와 음극 단자가 동일 방향에 적용된 일 방향 전기적 연결을 구현할 수 있다. 이 경우에 양극 단자로서 기능하는 탑 캡에 별도의 연결 플레이트를 부착하지 않고 탑 캡에 직접 전극 조립체에서 나오는 탭을 용접 부착할 수 있다. 이에, 부품 저항이 감소되며 이차전지의 에너지 밀도를 증가시키는 탑 캡을 제조할 수 있다.
또한, 상기와 같은 구성을 적용하는 경우에 단조를 통해 제조되는 탑 캡 부품으로 인한 탑 캡 강성 증가를 가져올 수 있다.
상기 이차전지는 원통형 이차전지일 수 있으며, 상기 제1 전극 탭은 상기 전극 조립체를 구성하는 제1 전극 집전체 중 제1 전극 활물질이 형성되지 않은 무지부이고, 상기 제2 전극 탭은, 상기 전극 조립체를 구성하는 제2 전극 집전체 중 제2 전극 활물질이 형성되지 않은 무지부일 수 있다.
상기 제1 전극 탭 및 제2 전극 탭은 상기 전극 조립체의 권취 중심을 향해 절곡된 것일 수 있다.
상기 전극 탭이 절곡됨으로써 낮은 전기저항을 확보하는데 유리하며, 이차전지의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전 지(1)는 전극 조립체(10), 전지 캔(20), 탑 캡(30), 전도성 와셔(40), 절연 부재(55)를 포함하고, 상기 탑 캡(30)은 서로 대향하는 제1 면(33) 및 제2 면(34)을 포함하며, 상기 제1 면(33)은 상기 전극 조립체와 대면하며 상기 제1 전극 탭(11)과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 면(34)은 상기 전도성 와셔(40)의 중심부에 형성되는 홀을 통해 노출되는 돌출부에 구비된다.
상기 원통형 이차전지(1)는 상술한 구성요소들 이 외에도 추가적으로 집전 플레이트(70) 및/또는 절연 플레이트(80)를 더 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 상기 전극 조립체(10)는 제1 극성을 갖는 제1 전극판, 제2 극성을 갖는 제2 전극판 및 제1 전극판과 제2 전극판 사이에 구비되는 분리막을 포함한다. 상기 전극 조립체(10)는 젤리-롤(jelly-roll) 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 전극판, 분리막, 제2 전극판을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 중심(C)을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(10)의 외주면 상에는 전지 캔(20) 과의 절연을 위해 분리막이 구비될 수 있다. 상기 제1 전극판은 양극판 또는 음극판이고, 제2 전극판은 제1 전극판과 반대되는 극성을 갖는 전극판에 해당한다. 일 예로, 상기 제1 전극판은 양극판이고, 제2 전극판은 음극판일 수 있다.
상기 제1 전극판은 제1 전극 집전체 및 제1 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제1 전극 활물질을 포함한다. 상기 제1 전극 집전체의 폭 방향(Z축 에 나란한 방향) 일 측 단부에는 제1 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재 한다. 상기 무지부는 제1 전극 탭(11)으로서 기능한다. 상기 제1 전극 탭(11)은 전지 캔(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 상부에 구비된다.
상기 제2 전극판은 제2 전극 집전체 및 제2 전극 집전체의 일 면 또는 양면 상에 도포된 제2 전극 활물질을 포함한다. 상기 제2 전극 집전체의 폭 방향(Z축 에 나란한 방향) 타측 단부에는 제2 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재 한다. 상기 무지부는 제2 전극 탭(12)으로서 기능한다. 상기 제2 전극 탭(12)은 전지 캔(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 하부에 구비된다.
즉, 전극 조립체 일 단부에 제1 전극 탭(11)이 구비되고, 타측 단부에 제2 전극 탭이 구비될 수 있다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 상기 전지 캔(20)은 원통형일 수 있으며, 이는 개구부가 형성된 원통형의 수용체로서, 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 상기 전지 캔(20)은 개구부를 통해 전극 조립체(10)를 수용하며, 전해질도 함께 수용한다.
상기 전지 캔(20)은 전극 조립체(10)의 제2 전극 탭(12)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 상기 전지 캔(20)은 제2 전극 탭(12)과 동일한 극성을 갖는다. 일 예로, 상기 전지 캔(20)에 상기 제2 전극 탭(12)을 용접 부착할 수 있다.
상기 전지 캔(20)은 그 상단에 형성된 비딩부(21) 및 크림핑부(22)를 구비한다. 상기 크림핑부(22)는 상기 전지 캔(20)의 개구부의 둘레부에 구비될 수 있다.
상기 비딩부(21)는 전극 조립체(10)의 상부에 형성된다. 상기 비딩부(21)는 전지 캔(20)의 외주면 둘레를 압입하여 형성된다. 상기 비딩부(21)는 전지 캔(20)의 폭과 대응되는 사이즈를 갖는 전극 조립체(10)가 전지 캔(20)의 상단 개구부를 통해 빠져나오지 않도록 하며, 탑 캡(30)이 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다.
상기 크림핑부(22)는 비딩부(21)의 상부에 형성된다. 상기 크림핑부(22)는 비딩부(21) 상에 배치되는 탑 캡(30)의 외주면, 그리고 탑 캡(30)의 상면의 일부를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다.
상기 전지 캔은 원통형일 수 있으며, 그 크기는 양단부의 원형의 지름이 30 mm 내지 55 mm, 높이가 60 mm 내지 120 mm일 수 있다. 예컨대, 원통형 전지 캔의 원형 지름 x 높이는 46 mm x 60 mm, 46 mm x 80 mm, 또는 46 mm x 90 mm, 또는 46 mm x 120 mm 일 수 있다.
바람직하게, 원통형 이차전지는, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 이차전지 의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 이차전지일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란 원통형 이차전지의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지는, 예를 들어 46110 셀, 48750 셀, 48110 셀, 48800 셀, 46800 셀 및 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 원통형 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.418인 원통형 이차전지일 수 있다.
다른 실시예에 따른 원통형 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.640인 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 원통형 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.418인 원통형 이차전지일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 원통형 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.600인 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 원통형 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.575인 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 원통형 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 90mm이고, 폼 팩터의 비는 0.511인 원통형 원통형 이차전지일 수 있다.
도 13 및 도 14을 참조하면, 상기 전지 캔(20)은 그 하면에 형성된 벤팅부(23)를 더 포함할 수 있다. 상기 벤팅부(23)는 전지 캔(20)의 하면 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 상기 벤팅부(23)는 주변 영역과 비교하여 구조적으로 취약하다. 따라서, 상기 원통형 이차전지(1)에 이상이 발생하여 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 벤팅부(23)가 파단되어 전지 캔(20)의 내부에 생성된 가스가 배출된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(1)는 후술할 바와 같이 상부에 양극 단자 및 음극 단자가 모두 존재하는 구조를 가지며, 이로 인해 상부의 구조가 하부의 구조보다 더 복잡하다. 따라서, 상기 전지 캔(20)의 내부 발생된 가스의 원활한 배출을 위해 전지 캔(20)의 하면에 벤팅부(23)를 포함할 수 있다.
본 발명의 도면에서는, 상기 벤팅부(23)가 전지 캔(20)의 하면에 원을 그리며 연속적으로 형성된 경우만을 도시하고 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 벤팅부(23)는 전지 캔(20)의 하면에 원을 그리며 불연속적으로 형성될 수도 있고, 직선 형태 또는 그 밖의 다른 형태로 형성될 수도 있다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 상기 탑 캡(30)은 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지는 부품이며, 전지 캔(20)의 개구부를 커버한다. 상기 탑 캡(30)은 전극 조립체(10)의 제1 전극 탭(11)과 전기적으로 연결되며, 전지 캔(20)과는 전기적으로 절연된다. 따라서, 상기 탑 캡(30)은 원통형 이차전지(1)의 제1 전극 단자로서 기능할 수 있다.
상기 탑 캡(30)은 전지 캔(20)에 형성된 비딩부(21) 상에 안착되며, 크림핑부(22)에 의해 고정된다.
상기 탑 캡(30)은 서로 대향하는 제1 면(33) 및 제2 면(34)을 포함하며, 상기 제1 면(33)은 상기 전극 조립체와 대면하며 상기 제1 전극 탭(11)과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 면(34)은 상기 전도성 와셔(40)의 중심부에 형성되는 홀을 통해 노출되는 돌출부(31)에 포함된다.
상기 제1 면(33)은 상기 전지 캔의 내측을 향하고, 상기 제2 면(34)은 상기 전지 캔의 외측을 향한다. 즉, 상기 탑 캡(30)은 상기 전지 캔의 외측 방향으로 돌출 형성된 돌출부(31)를 구비할 수 있고, 상기 제2 면(34)은 상기 돌출부(31)에서 상기 전도성 와셔(40)의 중심부에 형성되는 홀을 통해 노출되는 노출부일 수 있다.
상기 돌출부(31)는 버스바 등의 전기적 연결 부품과의 접촉이 용이할 수 있도록 후술할 전도성 와셔(40)의 상면보다 더 높게 돌출될 수 있다. 상기 상면이란 원통형 전지의 전지 캔의 외측방향 즉, 개구부가 있는 방향을 의미하고, 하면이란 상기 전지 캔의 바닥면이 있는 방향을 의미한다.
상기 탑 캡(30)의 제1 면(33)은 제1 전극 탭(11)과 전기적으로 연결되는 평탄부일 수 있으며, 상기 탑 캡(30)의 제2 면(34) 상기 돌출부(31)에서 전도성 와셔(40)의 외부면을 통해 노출되는 노출부일 수 있다.
따라서, 상기 탑 캡(30)의 제1 면(33)에 별도의 연결 플레이트 부품을 부착하지 않고 상기 제1 전극 탭(11)을 전기적으로 연결할 수 있다. 일 예로, 상기 탑 캡(30)의 제1 면(33)에 상기 제1 전극 탭(11)을 용접 부착할 수 있다. 이 경우에 전기적 연결을 위한 부품 수를 줄일 수 있으며, 이에 부품 저항이 감소될 수 있다.
또한, 상기 탑 캡(30)은 전극 조립체로부터 전기적으로 연결된 전도성 와셔(40)의 외부면을 통해 노출되는 노출부가 구비된 제2 면(34)에 의하여 원통형 이차전지(1)의 제1 전극 단자로서 기능할 수 있다. 즉, 상기 돌출부(31)는 상기 전도성 와셔의 중심부에 형성되는 홀을 통해 상기 제2 면이 노출되며, 이는 제1 전극 단자로서 기능할 수 있다.
상기 탑 캡(30)은 상기 돌출부(31)가 구비되지 않은 비돌출부(32)를 포함하고, 상기 돌출부의 상기 제1 면(33)으로부터의 높이는 상기 비돌출부(32)의 상기 제1 면(33)으로부터의 높이보다 높게 형성된다.
상기 돌출부(31) 및 상기 비돌출부(32)의 상기 제1 면(33)으로부터의 높이 비는 주변 부품에 의해 설정될 수 있다. 상기 돌출부(31)는 버스바 등의 전기적 연결 부품과의 접촉이 용이할 수 있도록 후술할 전도성 와셔(40)의 상면보다 더 높게 돌출될 수 있다. 상기 상면이란 원통형 전지의 전지 캔의 외측방향 즉, 개구부가 있는 방향을 의미하고, 하면이란 상기 전지 캔의 바닥면이 있는 방향을 의미한다
즉, 상기 돌출부의 상기 제1 면(33)으로부터의 높이는 상기 비돌출부(32)의 상기 제1 면(33)으로부터의 높이에서 후술할 크림핑부(22)의 두께(T1) 및 상기 크림핑부(22)에 접하는 전도성 와셔(40)의 두께(T2)를 합한 값보다 클 수 있다(도 6 참조).
상기 크림핑부(22)의 두께(T1)는 0.1mm 이상, 0.15mm 이상, 0.2mm 이상, 0.25mm 이상, 0.3mm 이상 또는 0.35mm 이상일 수 있다. 상기 크림핑부(22)의 두께(T1)는 0.75mm 이하, 0.7mm 이하, 0.65mm 이하, 0.6mm 이하, 0.55mm 이하 또는 0.5mm 이하일 수 있다.
상기 크림핑부(22)에 접하는 전도성 와셔(40)의 두께(T2)는 0.25mm 이상, 0.3mm 이상, 0.35mm 이상 또는 0.4mm 이상일 수 있다. 상기 크림핑부(22)에 접하는 전도성 와셔(40)의 두께(T2)는 0.65mm 이하, 0.6mm 이하, 0.55mm 이하 또는 0.5mm 이하일 수 있다.
상기 크림핑부(22)의 두께(T1) 및 상기 크림핑부(22)에 접하는 전도성 와셔(40)의 두께(T2)를 합한 값은 0.35mm 이상, 0.4mm 이상, 0.45mm 이상, 0.5mm 이상, 0.55mm 이상, 0.6mm 이상 또는 0.65mm 이상일 수 있다. 상기 크림핑부(22)의 두께(T1) 및 상기 크림핑부(22)에 접하는 전도성 와셔(40)의 두께(T2)를 합한 값은 1.4mm 이하, 1.35mm 이하, 1.3mm 이하, 1.25mm 이하, 1.2mm 이하, 1.15mm 이하, 1.1mm 이하, 1.05mm 이하 또는 1mm 이하일 수 있다.
따라서, 상기 돌출부의 상기 제1 면(33)으로부터의 높이는, 상기 비돌출부(32)의 상기 제1 면(33)으로부터의 높이에서 각각 0.35mm 이상, 0.4mm 이상, 0.45mm 이상, 0.5mm 이상, 0.55mm 이상, 0.6mm 이상 또는 0.65mm 이상이거나 1.4mm 이하, 1.35mm 이하, 1.3mm 이하, 1.25mm 이하, 1.2mm 이하, 1.15mm 이하, 1.1mm 이하, 1.05mm 이하 또는 1mm 이하를 합한 값보다 클 수 있다.
상기 돌출부(31) 및 상기 비돌출부(32)의 상기 제1 면(33)으로부터의 높이 비에 의하여 상기 돌출부(31)는 상기 전도성 와셔의 중심부에 형성되는 홀을 통해 상기 제2 면이 노출될 수 있으며, 이는 제1 전극 단자로서 기능하는데 유리하다.
도 1은 본 발명의 일 비교예에 따른 양극 단자로서의 탑 캡와 음극 단자로서의 전도성 와셔가 적용되는 원통형 이차전지 구조에 있어서, 탑 캡의 하부에 전극 조립체에서 인출되는 탭과의 연결을 위한 별도의 연결 플레이트 부품이 적용된 경우를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 넓은 음극 터미널을 위해 전도성 와셔(40)가 적용된 원통형 이차전지 구조에 있어서, 원하는 전도성 와셔의 면적을 얻기 위해서는 양극 탑 캡(30)을 프레스 하여 돌출된 양극 탑 캡의 돌출부(31)가 전도성 와셔(40)의 중심부 홀에 삽입될 수 있는 형상으로 구성하고, 그 하면에 연결 플레이트(90) 부품을 붙여 전극 조립체와의 전류 패스(path)를 형성할 수 있다.
그러나, 이처럼 연결 플레이트(90) 부품을 적용하는 경우에 대비하여 부품 수를 감소시키고, 저항을 감소시키기 위해 양극 단조 탑 캡을 적용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지 구조에 있어서, 도 1 에 도시된 이차전지에서 양극 단조 탑 캡의 적용을 통해 연결 플레이트 부품을 생략한 구조를 나타내는 도면이다.
즉, 도 4를 참조하면, 양극의 외부 터미널 역할을 하는 부품과 전극 조립체로부터 인출되는 탭을 용접할 수 있는 부품을 하나로 결합한 구조가 제시되어 있다. 이러한 하나의 부품으로 이루어진 양극 단조 탑 캡은 단조를 통한 부품 제작이 이루어져 기존 탑 캡과 비교하여 그 강성이 증가할 수 있으며, 한가지 부품으로의 통합 적용을 통해 부품 저항 감소 역시 가능하게 한다.
상기 단조 탑 캡(30)이란 단조 공법에 의하여 제작된 탑 캡을 의미하고, 상기 단조 공법이란 탑 캡(30)의 상면에서 제2 면(34)에서 제1 면(33) 방향으로 비돌출부(32)에 압력을 가해 돌출부(31)를 형성하는 것을 의미한다.
상기 탑 캡(30)은 알루미늄을 포함하며 이에, 기존 탑 캡과 비교하여 그 강성이 증가될 수 있고, 전극 조립체에서 인출되는 탭이 용접될 수 있는 공간을 확보할 수 있다.
이처럼 본 발명의 양극 단조 탑 캡 부품의 적용은 한가지 부품으로 두 가지 기능 즉, 양극 외부 터미널로서의 기능 및 내부 탭 부착용 부품으로서의 기능을 모두 수행할 수 있으며, 단조 공법을 통해 기존 탑 캡 부품 대비 높은 강성을 가지고, 또한 두 가지 부품을 별도 적용하는 경우와 비교하여 더 낮은 부품 저항을 나타낼 수 있다.
도 2 내지 도 8을 참조하면, 상기 전도성 와셔(40)는 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지며, 그 중심부에 홀이 형성된 대략 원반 형상을 갖는 부품이다.
상기 전도성 와셔(40)는 전지캔의 개구부의 둘레부와 접하는 상기 전도성 와셔(40)의 상면의 외곽부로부터 중심부 방향으로 연장되며, 그 중심부에는 상기 탑 캡(30)의 돌출부(31)가 노출될 수 있도록 홀이 형성되어 있다.
상기 상면이란 원통형 전지의 전지 캔의 외측방향 즉, 개구부가 있는 방향을 의미하고, 하면이란 상기 전지 캔의 바닥면이 있는 방향을 의미한다. 상기 중심부란 상기 전도성 와셔(40)의 상면 및/또는 하면의 중앙영역을 의미한다.
상기 전도성 와셔(40)는 상기 전지 캔과 전기적으로 연결되며 상기 개구부의 둘레부의 적어도 일부, 바람직하게는 상기 전지 캔(20)의 크림핑부(22) 상에 접할 수 있다. 즉, 상기 이차전지는 상기 전지 캔의 개구부의 둘레부에 크림핑부를 구비하고, 상기 전도성 와셔(40)는 상기 크림핑부(22) 상에 접한다. 상기 전도성 와셔(40)는 상기 크림핑부(22) 상에 접함으로써, 전지 캔과 동일한 극성을 가질 수 있으며, 제2 극성을 갖는 제2 전극 단자로 기능할 수 있다.
상기 전도성 와셔(40)는 상기 크림핑부(22) 상에 결합될 수 있으며, 상기 결합은 예를 들어, 용접에 의해 이루어 질 수 있으며, 상기 용접은 레이저 용접일 수 있다.
상기 전도성 와셔(40)는 탑 캡(30)과는 전기적으로 절연된다. 상기 전도성 와셔(40)의 중심부에 형성된 홀을 통해 탑 캡(30)이 노출되며, 전도성 와셔(40)와 탑 캡(30)의 돌출부(31)는 서로 이격된다. 또한, 상기 전도성 와셔(40)는 탑 캡(30)의 돌출부(31)를 제외한 나머지 부분들과 상하로 이격된다. 따라서, 상기 전도성 와셔(40)는 제2 전극 탭(12) 및 전지 캔(20)과 전기적으로 연결되며, 원통형 이차전지(1)의 제2 전극 단자로서 기능할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(1)는 상기 전도성 와셔(40)를 포함함으로써, 제1 극성을 갖는 제1 전극 단자와 제2 극성을 갖는 제2 전극 단자가 모두 동일 방향에 배치된 구조를 갖는다.
도 5를 참조하면, 상기 전도성 와셔(40)의 폭(D2)은 전지 캔(20)의 크림핑부(22)의 상면이 갖는 폭(D1)보다 더 큰 것이다.
이는, 복수의 원통형 이차전지(1)를 연결하기 위해 버스바 등의 전기적 연결 부품을 전도성 와셔(40)에 결합시키는 경우에 있어서, 전기적 연결 부품과 전도성 와셔(40) 간의 결합 면적이 확대될 수 있도록 하기 위함이다. 이와 같이, 전기적 연결 부품과 전도성 와셔(40) 간의 결합 면적이 확대됨에 따라, 용접 공정이 원활하게 수행될 수 있으며, 두 부품 간의 체결력이 향상될 수 있고, 결합부위에서의 전기저항을 감소시킬 수 있다.
상기 상면이란 원통형 전지의 전지 캔의 외측방향 즉, 개구부가 있는 방향을 의미하고, 하면이란 상기 전지 캔의 바닥면이 있는 방향을 의미한다. 상기 전도성 와셔(40)의 폭(D2)이란 상기 전지캔의 개구부의 둘레부와 접하는 상기 전도성 와셔(40)의 상면 외곽부로부터 중심부 방향으로 연장된 길이를 의미한다. 상기 크림핑부(22)의 상면이 갖는 폭(D1)이란 상기 전지 캔의 개구부의 둘레부에서 전지 캔의 상면 외곽부로부터 중심부 방향으로 연장된 길이를 의미한다. 상기 크림핑부(22)의 상면이란 크림핑부(22)의 단부에서 크림핑부(22)의 측면 및 모서리부를 감싸는 굴곡부분을 제외한 부분을 의미한다.
상기 전도성 와셔(40)의 폭(D2)은 이차전지의 직경에 따라 다르게 설정될 수 있다. 원통형 이차전지는 대략 원기둥 형태의 셀로서, 예컨대, 상기 전도성 와셔(40)의 폭(D2)은 상기 셀의 최대 직경의 10% 이상, 11% 이상, 12% 이상 또는 13% 이상일 수 있다. 원통형 이차전지는 대략 원기둥 형태의 셀로서, 예컨대, 상기 전도성 와셔(40)의 폭(D2)은 상기 셀의 최대 직경의 50% 이하, 45% 이하, 43% 이하 또는 40% 이하일 수 있다.
상기 크림핑부(22)의 상면이 갖는 폭(D1)은 상기 전도성 와셔(40)의 폭(D2)보다 더 작다. 원통형 이차전지는 대략 원기둥 형태의 셀로서, 예컨대, 상기 크림핑부(22)의 상면이 갖는 폭(D1)은 상기 셀의 최대 직경의 1% 이상, 2% 이상 또는 3% 이상일 수 있다. 원통형 이차전지는 대략 원기둥 형태의 셀로서, 예컨대, 상기 크림핑부(22)의 상면이 갖는 폭(D1)은 상기 셀의 최대 직경의 13% 이하, 12% 이하, 11% 이하 또는 10% 이하일 수 있다.
도 6를 참조하면, 상기 전도성 와셔(40)와 접하는 부분에서의 크림핑부(22)의 두께(T1) 및 상기 크림핑부(22)에 접하는 전도성 와셔(40)의 두께(T2)의 합은 상기 크림핑부(22)에 접하지 않는 전도성 와셔(40)의 두께(T') 의 90% 내지 200%이다.
일 예로, 상기 크림핑부(22)의 두께(T1)는 0.1mm 이상, 0.15mm 이상, 0.2mm 이상, 0.25mm 이상, 0.3mm 이상 또는 0.35mm 이상일 수 있다. 상기 크림핑부(22)의 두께(T1)는 0.75mm 이하, 0.7mm 이하, 0.65mm 이하, 0.6mm 이하, 0.55mm 이하 또는 0.5mm 이하일 수 있다.
상기 크림핑부(22)에 접하는 전도성 와셔(40)의 두께(T2)는 0.25mm 이상, 0.3mm 이상, 0.35mm 이상 또는 0.4mm 이상일 수 있다. 상기 크림핑부(22)에 접하는 전도성 와셔(40)의 두께(T2)는 0.65mm 이하, 0.6mm 이하, 0.55mm 이하 또는 0.5mm 이하일 수 있다.
상기 크림핑부(22)에 접하지 않는 전도성 와셔(40)의 두께(T')는 0.4mm 이상, 0.45mm 이상 또는 0.5mm 이상일 수 있다. 상기 크림핑부(22)에 접하지 않는 전도성 와셔(40)의 두께(T')는 0.7mm 이하, 0.65mm 이하 또는 0.6mm 이하일 수 있다.
상기 전도성 와셔의 두께를 영역에 따라 다르게 형성하는 경우 전류의 모든 경로상에서의 금속 두께가 동일하게 되어 전체적인 저항을 감소시킬 수 있다.
한편, 도 8를 참조하면, 상기 전지 캔(20)은 크림핑부(22)의 상면에 구비된 삽입 홈(22a)을 포함할 수 있으며, 전도성 와셔(40)는 삽입 홈(22a)과 대응되는 형상을 가지며 삽입 홈(22a)과 결합되는 삽입 돌기(41)를 포함할 수 있다.
상기 삽입 홈(22a) 및 삽입 돌기(41)는 전도성 와셔(40)와 크림핑부(22) 간의 접촉 면적을 확대하여 체결력 향상 및 결합부위에서의 전기저항 감소를 가져올 수 있다. 또한, 상기 삽입 홈(22a) 및 삽입 돌기(41)는 전도성 와셔(40)를 크림핑부(22) 상에 안착시키는데 있어서 그 안착 위치를 가이드함으로써 전도성 와셔(40)와 탑 캡(30)의 돌출부(31) 간의 접촉을 방지할 수 있다. 또한, 상기 삽입 홈(22a) 및 삽입 돌기(41)는, 용접 공정을 수행함에 있어서 전도성 와셔(40)가 크림핑부(22) 상에서 움직이지 않도록 함으로써 공정성을 향상시킬 수 있다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 상기 절연 부재(55)는 상기 전지 캔(20) 및 상기 전지 캔과 전기적으로 연결되는 전도성 와셔(40) 중 적어도 하나와 상기 탑 캡(30) 사이에 구비되며, 상기 전지 캔(20) 및 상기 전도성 와셔(40) 중 적어도 하나와 상기 탑 캡(30)을 전기적으로 절연한다. 일 예에 따르면, 상기 절연 부재(55)는 상기 전지 캔(20) 및 상기 전도성 와셔(40) 둘 다와 상기 탑 캡(30)을 전기적으로 절연할 수 있다.
상기 절연 부재(55)는 상기 전도성 와셔(40)와 상기 탑 캡(30)과 사이에 구비되며 상기 전도성 와셔(40)와 상기 탑 캡(30)을 전기적으로 절연하는 제1 절연 부재(60) 및 상기 전지 캔과 상기 탑 캡 사이에 구비되며 상기 전지 캔과 상기 탑 캡을 전기적으로 절연하는 제2 절연 부재(50)를 포함한다. 상기 절연 부재(55)는 절연성을 갖는 재질로 이루어진다.
상기 제2 절연 부재(50)는 상기 전지 캔(20)과 상기 탑 캡(30) 사이에 구비되고, 상기 전지 캔과 상기 탑 캡을 전기적으로 절연하며, 예를 들어, 상기 제2 절연 부재(50)는 가스켓일 수 있다. 상기 제2 절연 부재(50)는 전지 캔(20)의 크림핑부(22)와 상기 탑 캡(30) 사이에 구비될 수 있으며, 이는 전지 캔(20)의 기밀성을 확보하고 전지 캔(20)과 탑 캡(30) 사이를 전기적 절연할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(1)에 있어서, 상기 탑 캡(30)은 제1 극성을 갖는 제1 전극 단자로서 기능하고 전도성 와셔(40)는 제1 극성과 반대되는 제2 극성을 갖는 제2 전극 단자로서 기능하기 때문에, 탑 캡(30)과 전도성 와셔(40)는 전기적 절연 상태를 유지해야 한다. 따라서, 이러한 절연 상태의 안정적 유지를 위해 제1 절연 부재(60)가 적용될 수 있다.
상기 제1 절연 부재(60)는 전도성 와셔(40)의 하면과 탑 캡(30) 사이에 구비될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 전도성 와셔(40)는 크림핑부(22)의 상면의 폭(D1)보다 더 큰 폭(D2)을 가지며, 크림핑부(22)로부터 탑 캡(30)의 돌출부(31)를 향하는 방향으로 연장된 형태를 갖는다. 따라서, 상기 제1 절연 부재(60)는, 전도성 와셔(40)에 형성된 홀의 내측면과 탑 캡(30)의 돌출부(31)가 서로 접촉할 수 없도록, 전도성 와셔(40)의 중심부에 형성된 홀의 내측면을 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다.
상기 제1 절연 부재(60)가 수지 재질로 이루어지는 경우에 있어서, 제1 절연 부재(60)는 열 융착에 의해 전도성 와셔(40) 및 탑 캡(30)과 결합될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 절연 부재(60)와 전도성 와셔(40)의 결합 계면 및 제1 절연 부재(60)와 탑 캡(30)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제1 절연 부재(60)는 상기 전도성 와셔(40)의 상면의 전체 면적 중 1% 이상, 2% 이상, 3% 이상 또는 4% 이상의 면적을 커버하도록 연장되는 형태를 가질 수 있다. 상기 제1 절연 부재(60)는 상기 전도성 와셔(40)의 상면의 전체 면적 중 10% 이하, 9% 이하, 8% 이하 또는 7% 이하의 면적을 커버하도록 연장되는 형태를 가질 수 있다. 상기 범위를 만족할 때, 상기 전도성 와셔(40)와 탑 캡(30) 간의 접촉 방지 효과가 더욱 향상될 수 있다.
상기 제1 절연 부재(60)가 상기 전도성 와셔(40)의 상면의 일부를 커버하도록 연장된 폭(C)은 0.1mm 이상, 0.15mm 이상, 0.2mm 이상, 0.25mm 이상, 0.3mm 이상 또는 0.35mm 이상일 수 있다. 상기 제1 절연 부재(60)가 상기 전도성 와셔(40)의 상면의 일부를 커버하도록 연장된 폭(C)은 3mm 이하, 2.5mm 이하, 2mm 이하, 1.5mm 이하, 1mm 이하 또는 0.5mm 이하일 수 있다.
상기 제1 절연 부재(60)가 상기 전도성 와셔(40)의 상면의 일부를 커버하도록 연장된 폭(C)이란 상기 전도성 와셔(40)의 폭(D2)의 중심부 방향에서 외곽부 방향으로 상기 제1 절연 부재(60)에 의하여 커버된 부분의 길이를 의미한다. 상기 전도성 와셔(40)의 폭(D2)은 이차전지의 직경에 따라 다르게 설정될 수 있다. 원통형 이차전지는 대략 원기둥 형태의 셀로서, 예컨대, 상기 전도성 와셔(40)의 폭(D2)은 상기 셀의 최대 직경의 10% 이상, 11% 이상, 12% 이상 또는 13% 이상일 수 있다. 원통형 이차전지는 대략 원기둥 형태의 셀로서, 예컨대, 상기 전도성 와셔(40)의 폭(D2)은 상기 셀의 최대 직경의 50% 이하, 45% 이하, 43% 이하 또는 40% 이하일 수 있다.
상기 제1 절연 부재(60)가 이처럼 전도성 와셔(40)의 상면의 가장자리 영역까지 연장된 형태를 갖는 경우, 전도성 와셔(40)를 크림핑부(22) 상에 안착시키는 공정이 더욱 정확하고 신속하게 이루어질 수 있다. 상기 제1 절연 부재(60)를 전도성 와셔(40)의 홀을 통해 삽입하여 전도성 와셔(60)에 고정시킨 후, 전도성 와셔(40) 와 제1 절연 부재(60)로 구성되는 결합체를 크림핑부(22) 및 탑 캡(30) 상에 안착시킴으로써 전도성 와셔(40)가 자연적으로 정확한 위치에 안착될 수 있다. 이 때, 상기 탑 캡(30)의 돌출부(31)는 제1 절연 부재(60)의 중심부에 형성된 홀을 통해 전지 캔의 외측 방향으로 노출된다.
도 8에 도시된 제1 절연 부재(60)와 전도성 와셔(40)의 결합체는 인서트 사출에 의해 제조될 수도 있다. 즉, 수지 재질의 제1 절연 부재(60)에 금속 재질의 전도성 와셔(40)가 삽입/고정되도록 인서트 사출을 함으로써 제1 절연 부재(60)와 전도성 와셔(40) 의 결합체를 제조할 수 있으며, 이 결합체를 크림핑부(22)와 탑 캡(30) 상에 배치 함으로써 자연적으로 정렬이 이루어지는 효과를 가져올 수 있다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 상기 집전 플레이트(70)는, 전극 조립체(10)의 상부에 결합된다. 상기 집전 플레이트(70)는 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며, 제1 전극 탭(11)과 연결된다. 상기 집전 플레이트(70)에는 리드(72)가 연결될 수 있으며, 리드(72)는 전극 조립체(10)의 상방으로 연장되어 탑 캡(30)의 제1 면(33)에 직접 결합될 수 있다. 상기 탑 캡(30)이 제1 전극 탭(11)과 전기적으로 연결될 수 있는 상기 제1 면(33)을 구비함으로써, 상기 리드(72)가 탑 캡(30)의 제1 면(33)에 결합될 수 있는 연결 플레이트(90)에 결합되지 않는다. 상기 리드(72)가 상기 연결 플레이트(90)에 결합되지 않고 상기 탑 캡(30)의 제1 면(33)에 직접 결합함으로써, 전기적으로 연결되는 부품의 수를 줄일 수 있으며, 부품 저항의 감소를 가져올 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 집전 플레이트(70)는, 중심부로부터 방사상으로 연장되는 복수의 서브 플레이트(71)를 포함할 수 있다. 상기 집전 플레이트(70)와 리드(72)는 일체로 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기 리드(72)는 서브 플레이트(71)와 마찬가지로 집전 플레이트(70)의 중심부로부터 외측으로 연장된 길다란 플레이트 형상을 가질 수 있으며, 서로 인접한 서브 플레이트(71) 사이에 형성될 수 있다. 그러나, 이로써 본 발명의 집전 플레이트(70)의 구조가 한정되는 것은 아니며, 제1 전극 탭(11)의 상부를 전체적으로 커버하도록 전극 조립체(10)의 상면과 대응되는 형상을 가질 수도 있다.
도면에 도시되지는 않았으나, 상기 집전 플레이트(70)는 그 하면에 방사상으로 형성된 복수의 요철을 구비할 수 있다. 상기 요철이 형성된 경우, 집전 플레이트(70)를 눌러서 요철을 전극 탭(11, 12)에 압입시킬 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 집전 플레이트(70)는 제1 전극 탭(11)의 단부에 결합된다. 상기 제1 전극 탭(11)과 집전 플레이트(70) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 집전 플레이트(70) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수도 있고, 집전 플레이트(70)와 제1 전극 탭(11) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는 집전 플레이트(70)와 제1 전극 탭(11)과 비교하여 더 낮은 융점을 가질 수 있다.
도 12을 참조하면, 상기 집전 플레이트(70)는 제1 전극 탭(11)의 단부가 집전 플레이트(70)와 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 수 있다. 상기 제1 전극 탭(11)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심을 향하는 방향일 수 있다. 상기 제1 전극 탭(11)이 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 제1 전극 탭(11)이 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다.
도 13를 참조하면, 상기 집전 플레이트(70)는 전극 조립체(10)의 하면에도 결합될 수 있다. 이 경우, 상기 집전 플레이트(70)의 일 면은 전극 조립체(10)의 제2 전극 탭(12)과 용접에 의해 결합되며, 반대쪽 면은 전지 캔(20)의 내측 바닥 면 상에 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 전극 조립체(10)의 하면에 결합되는 집전 플레이트(70)와 제2 전극 탭(12)의 결합 구조는, 앞서 설명한 전극 조립체(10) 의 상면에 결합되는 집전 플레이트(70)와 실질적으로 동일하다.
도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 제1 전극 탭(11)과 마찬가지로, 제2 전극 탭(12) 역시 전극 조립체(10)의 권취 중심을 향하는 방향으로 절곡된 형태를 가질 수 있다.
상기 절연 플레이트(80)는 전극 조립체(10)의 상단과 비딩부(21) 사이 또는 전극 조립체(10)의 상부에 결합된 집전 플레이트(70)와 비딩부(21) 사이에 배치되어 제1 전극 탭(11)과 전지 캔(20) 사이의 접촉 또는 집전 플레이트(70)와 전지 캔(20) 사이의 접촉을 방지한다.
상기 절연 플레이트(80)는 집전 플레이트(70)로부터 또는 제1 전극 탭(11) 으로부터 상방으로 연장되는 리드(72)가 인출될 수 있는 리드 홀(81)을 구비한다.
상기 리드(72)는 리드 홀(81)을 통해 상방으로 인출되어 연장 플레이트(90)의 하면 또는 탑 캡(30)의 하면에 결합된다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(1)는, 전지 캔(20)의 길이 방향(도 2의 Z축에 나란한 방향) 일 측에 구비된 탑 캡(30) 및 전도성 와셔(40)를 각각 제1 전극 단자 및 제2 전극 단자로 활용할 수 있는 구조를 갖는다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(1) 복수 개를 전기적으로 연결시키는 경우에 있어서, 버스바 등의 전기적 연결 부품을 원통형 이차전지(1)의 일 측에만 배치시키는 것이 가능하게 되고, 이로써 구조의 단순화 및 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)은 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(1)가 전기적으로 연결된 이차전지 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(2)을 포함한다. 본 발명의 도면에서는 도면 도시의 편의상 전기적 연결을 위한 버스바, 전력 단자 등의 부품은 생략되었다.
도 16를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는 예를 들어 전기 자동차일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 포함한다. 상기 자동차(5)는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (18)

  1. 제1 전극 탭 및 제2 전극 탭을 구비하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하기 위한 개구부를 가지며 상기 제2 전극 탭과 전기적으로 연결되는 전지 캔;
    상기 전지 캔의 개구부를 커버하며 상기 제1 전극 탭과 전기적으로 연결되는 탑 캡;
    상기 전지 캔과 전기적으로 연결되며 상기 개구부의 둘레부의 적어도 일부에 접하는 전도성 와셔; 및
    상기 전지 캔 및 상기 전지 캔과 전기적으로 연결되는 전도성 와셔 중 적어도 하나와 상기 탑 캡 사이에 구비되며, 상기 전지 캔 및 상기 전도성 와셔 중 적어도 하나와 상기 탑 캡을 전기적으로 절연하는 절연 부재를 포함하고,
    상기 탑 캡은 서로 대향하는 제1 면 및 제2 면을 포함하며, 상기 제1 면은 상기 전극 조립체와 대면하며 상기 제1 전극 탭과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 면은 상기 전도성 와셔의 중심부에 형성되는 홀을 통해 노출되는 돌출부를 갖는 것인 이차전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 탑 캡은 상기 돌출부가 구비되지 않은 비돌출부를 포함하고, 상기 돌출부의 상기 제1 면으로부터의 높이는 상기 비돌출부의 상기 제1 면으로부터의 높이보다 높게 형성되는 것인 이차전지.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 탑 캡은 알루미늄을 포함하는 것인 이차전지.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 전지 캔은 원통형인 것인 이차전지.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 절연 부재는 상기 전도성 와셔와 상기 탑 캡과 사이에 구비되며 상기 전도성 와셔와 상기 탑 캡을 전기적으로 절연하는 제1 절연 부재 및 상기 전지 캔과 상기 탑 캡 사이에 구비되며 상기 전지 캔과 상기 탑 캡을 전기적으로 절연하는 제2 절연 부재를 포함하는 것인 이차전지.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제1 절연 부재는 상기 전도성 와셔의 중심부에 형성된 홀의 내측면을 커버하는 것인 이차전지.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 절연 부재는 상기 전도성 와셔의 상면의 전체 면적 중 1% 이상이고, 10% 이하의 면적을 커버하도록 연장되는 것인 이차전지.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 제1 절연 부재는 열 융착에 의해 상기 전도성 와셔 및 상기 탑 캡과 결합되는 것인 이차전지.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 이차전지는 상기 전지 캔의 개구부의 둘레부에 크림핑부를 구비하고, 상기 전도성 와셔는 상기 크림핑부 상에 접하는 것인 이차전지.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 전도성 와셔의 폭은 상기 크림핑부의 상면이 갖는 폭보다 더 큰 것인 이차전지.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 전도성 와셔와 접하는 부분에서의 크림핑부의 두께 및 상기 크림핑부에 접하는 전도성 와셔의 두께의 합은 상기 크림핑부에 접하지 않는 전도성 와셔의 두께의 90% 내지 200%인 것인 이차전지.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 전지 캔은 상기 크림핑부의 상면에 구비된 삽입 홈을 포함하는 것인 이차전지.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 전도성 와셔는 상기 삽입 홈과 대응되는 형상을 가지며 상기 삽입 홈과 결합되는 삽입 돌기를 포함하는 것인 이차전지.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 전지 캔은 하면에 형성된 벤팅부를 포함하는 것인 이차전지.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전극 탭은 상기 전극 조립체를 구성하는 제1 전극 집전체 중 제1 전극 활물질이 형성되지 않은 무지부이고, 상기 제2 전극 탭은, 상기 전극 조립체를 구성하는 제2 전극 집전체 중 제2 전극 활물질이 형성되지 않은 무지부인 것인 이차전지.
  16. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전극 탭 및 제2 전극 탭은 상기 전극 조립체의 권취 중심을 향해 절곡된 것인 이차전지.
  17. 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항에 따른 이차전지; 및 상기 이차전지를 수용하는 팩 하우징을 포함하는 배터리 팩.
  18. 청구항 17에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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