WO2022216078A1 - 전극 조립체, 배터리 셀, 배터리 셀 가공장치, 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량 - Google Patents

전극 조립체, 배터리 셀, 배터리 셀 가공장치, 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량 Download PDF

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battery
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김민우
김도균
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly, an apparatus for cutting and bending the uncoated area of the electrode assembly, a battery cell including the electrode assembly, and a battery pack and vehicle including the battery cell.
  • a secondary battery in general, includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and generates electrical energy using a chemical reaction.
  • 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
  • Such a secondary battery has a primary advantage in that it can dramatically reduce the use of fossil fuels.
  • the secondary battery has an advantage in that no by-products are generated according to the use of energy. For this reason, secondary batteries are attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency.
  • 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 cell that is, the unit battery cell 100 is about 2.5V to 4.5V. Accordingly, when a higher output voltage is required, a plurality of battery cells are connected in series to form a battery pack. In addition, a plurality of battery cells 100 are connected in parallel to form a battery pack according to the charge/discharge capacity required for the battery pack. Accordingly, the number of battery cells included in the battery pack and an electrical connection type may be variously set according to a required output voltage and/or charge/discharge capacity.
  • a separator which is an insulator, is interposed between the positive electrode and the negative electrode and wound to form an electrode assembly in the form of a jelly roll, which is then inserted into the battery can to configure the battery.
  • a strip-shaped electrode tab may be connected to each of the uncoated regions of the positive electrode and the negative electrode. The electrode tab electrically connects the electrode assembly and the electrode terminal exposed to the outside.
  • the positive electrode terminal is a cap plate of a sealing body sealing the opening of the battery can
  • the negative electrode terminal is the battery can.
  • a cylindrical battery having a structure in which a positive electrode uncoated region and a negative electrode uncoated region are positioned at the top and bottom of the jelly roll type electrode assembly, respectively, and a current collecting plate is welded to the uncoated region to improve current collection efficiency.
  • a cell (so-called Tab-less cylindrical battery cell) is presented.
  • the first electrode sheet and the second electrode sheet have a structure in which an active material is coated on a current collector in the form of a sheet, and include an uncoated region on one long side along the winding direction.
  • the electrode assembly is manufactured by sequentially stacking a first electrode sheet and a second electrode sheet together with two separators and then winding them in one direction. At this time, the uncoated portions of the first electrode sheet and the second electrode sheet are arranged in opposite directions.
  • the uncoated portion of the first electrode sheet and the uncoated portion of the second electrode sheet are bent toward the core. After that, the current collecting plates are welded to each of the uncoated regions to be joined.
  • the current collecting plate is connected to the external electrode terminal, and the current path is formed with a large cross-sectional area along the winding axis of the electrode assembly, thereby reducing the resistance of the battery cell.
  • resistance is inversely proportional to the cross-sectional area of the path through which the current flows.
  • the uncoated region in order to improve the welding characteristics between the uncoated region and the current collecting plate, the uncoated region should be bent as flat as possible by applying strong pressure to the welding point of the uncoated region.
  • the shape of the uncoated area may be irregularly distorted and deformed.
  • the deformed portion may come into contact with the electrode plate having the opposite polarity to cause an internal short circuit or a fine crack in the uncoated region.
  • the uncoated region adjacent to the core of the electrode assembly is bent to block all or a substantial portion of the cavity in the core of the electrode assembly.
  • a problem arises in the electrolyte injection process. That is, the cavity in the core of the electrode assembly is used as a passage through which the electrolyte is injected. However, when the corresponding passage is blocked, it is difficult to inject the electrolyte.
  • the electrolyte injector is inserted into the cavity, it may interfere with the uncoated area near the core, resulting in tearing of the uncoated area.
  • the bent portion of the uncoated region to which the current collecting plate is welded should be overlapped in multiple layers and there should not be any empty spaces (gaps). Only in this way, sufficient welding strength can be obtained, and even when the latest technology such as laser welding is used, the problem that the laser penetrates into the electrode assembly and damages the separator or the active material can be prevented.
  • Republic of Korea Patent Publication No. 2022-0023100 discloses a cylindrical secondary battery with an improved current collecting structure. Since the cylindrical secondary battery is welded in a state in which the current collecting plate is in line contact with the end of the uncoated region, there is a problem in that a welding cross-sectional area of the current collecting plate and the uncoated region is reduced due to a gap between the uncoated region. Accordingly, since the electric resistance increases in the welding cross-sectional area that is the passage of the current, the amount of heat generated by the battery cell may increase and the possibility of ignition may increase.
  • Republic of Korea Patent Publication No. 2016-0110610 discloses a secondary battery and a cylindrical lithium secondary battery.
  • a configuration is disclosed in which a first current collector plate is electrically connected to be in direct contact with the first uncoated portion, and a second current collector plate is electrically connected to be in direct contact with the second uncoated portion.
  • the first and second current collecting plates are connected to the ends of the first and second uncoated parts in a state of being in line contact with each other, the contact cross-sectional area of the current collecting plate and the uncoated part is reduced due to the gap between the uncoated parts. there is There is a limit to increasing the contact cross-sectional area.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and the electrode assembly, battery cell, battery cell cutting device capable of expanding the current path by increasing the welding cross-sectional area of the electrode assembly and the current collecting plate, and a battery pack and vehicle including the same aims to provide
  • the present invention provides an electrode assembly, a battery cell, a battery cell cutting device capable of suppressing an increase in the amount of heat generated by the battery cell and reducing the possibility of ignition even when the electrode assembly is applied to a large-capacity battery cell, and a battery pack and vehicle including the same aim to do
  • Another object of the present invention is to provide an electrode assembly, a battery cell, a battery cell cutting device, and a battery pack and vehicle including the same, which can prevent the boundary between the forming part and the cutting surface from being torn or distorted irregularly. .
  • Another object of the present invention is to provide an electrode assembly structure capable of further increasing an electric capacity compared to a volume of a battery cell, a manufacturing method thereof, and a processing apparatus for manufacturing the same.
  • Another object of the present invention is to provide an electrode assembly, a battery cell, a battery cell cutting device, and a battery pack and vehicle including the same, which can reduce the amount of heat generated by the battery cell or significantly reduce the possibility of explosion.
  • the present invention provides an electrode assembly including a first electrode sheet and a second electrode sheet having different polarities, and a jelly-roll type electrode cell body in which a separator for insulation is laminated and wound therebetween. can be applied to
  • the sheet may be stacked in the order of a first electrode sheet, a separator, a second electrode sheet, and a separator.
  • the winding may be performed along a longitudinal direction of the stacked sheets.
  • the axial length of the jelly-roll-shaped electrode cell body portion thus formed may correspond to the width of the stacked sheets.
  • At least one of the first electrode sheet and the second electrode sheet is provided with an uncoated region on which an active material layer is not coated at an end in the width direction. Accordingly, the uncoated portion is provided at the axial end of the electrode cell body.
  • the uncoated portion may be provided on either one side of the axial end of the electrode cell body portion, or provided on both sides.
  • the uncoated portion of the electrode cell body portion of the electrode assembly includes a pair of cut surface portions formed by cutting out a portion of the uncoated portion.
  • the uncoated part remaining after the part is cut off constitutes the bending scheduled part.
  • the cut surface part is formed by cutting out both sides of the uncoated part in the radial direction around the core part.
  • the bending scheduled portion is disposed between a pair of cut surface portions.
  • the electrode assembly includes one forming part formed by bending the bending part.
  • the cut surface portion may have an inner end portion of the core portion formed in a straight line shape and an outer end portion formed in an arc shape.
  • the cut surface portion may have a central angle of 150° or more to less than 180° of the inner end of the core portion, and the outer end thereof may be formed in an arc shape.
  • the cut surface portion may be formed by cutting a portion spaced a predetermined distance outward in the axial direction from a boundary portion between the uncoated portion and the holding portion. That is, it can be said that the cut surface part cuts the uncoated part among the holding part and the uncoated part.
  • the forming part is formed along a radial direction of the core part.
  • the forming part may have a straight extension form.
  • the width of the forming portion may be substantially the same.
  • the forming part may be formed to have a width different from a width of the core part and an outer width.
  • the forming part may be formed in such a way that the bending scheduled part is laid down in a radial direction of the electrode cell body part.
  • the bent portion may be laid down toward the core portion.
  • the axial length of the electrode cell body part can be made more compact. In other words, it is possible to further secure the axial length of the holding part of the electrode cell body to be accommodated in a battery can of the same size. Accordingly, it is possible to secure more electric capacity compared to the volume of the battery cell.
  • the core part is formed in a hollow shape penetrating the center of the electrode cell body part.
  • the electrode cell body is formed in a cylindrical shape.
  • the uncoated part disposed close to the core part among the core part and the outer periphery of the electrode assembly may be removed. . Deletion of the uncoated region may be performed first before the winding process.
  • the uncoated portion may be removed in a predetermined section adjacent to the core portion.
  • the uncoated area near the core has already been removed before the cut surface portion is formed. That is, the bending scheduled portion is also not provided on the core side. Accordingly, even when the bent portion is bent toward the core, the laid-down forming portion does not cover the core portion of the electrode assembly.
  • the electrode assembly may further include a recess portion disposed on the core portion side in the uncoated portion of the electrode cell body portion and having a height recessed in the axial direction than the uncoated portion disposed radially outward therefrom.
  • the electrode assembly may further include a plurality of cutting lines provided in a radially outer portion of the uncoated portion of the electrode cell body portion than the recess portion and formed to a predetermined depth in the axial direction.
  • a radial width of the recess may correspond to an axial height of the planned bending portion measured from a lower end of the cutting line disposed adjacent to the recess in the radial direction.
  • the cutting depth of the cutting line may reach a predetermined portion spaced apart by a predetermined distance outward in the axial direction from the boundary portion between the uncoated portion and the holding portion.
  • the recess portion may have a height corresponding to the predetermined portion in an axial direction.
  • the present invention provides a battery cell including the electrode assembly.
  • the battery cell a battery can in which the electrode assembly is accommodated and electrically connected to any one of the first electrode sheet and the second electrode sheet to have a first polarity; a sealing cap for sealing the open end of the battery can; and a first current collecting plate having a second polarity electrically connected to the other one of the first electrode sheet and the second electrode sheet.
  • the first current collecting plate may be electrically connected by being fixed to the forming part of the electrode assembly by welding or the like.
  • any one of the first electrode sheet and the second electrode sheet and the battery can may be directly connected or connected through a second current collecting plate.
  • the battery can include a supporter that further protrudes inward from the inner periphery of the battery can in a radial direction.
  • the supporter part may support the sealing cap part.
  • the battery cell may further include an insulator for preventing short circuits of different polarities.
  • the insulator may be interposed between the battery can and the sealing cap to insulate them. More specifically, the insulator may be interposed between the outer circumferential surface of the sealing cap portion and the inner circumferential surface of the battery can, and may be interposed between the supporter portion and the sealing cap portion.
  • the insulator may be interposed between the battery can and the first current collecting plate to insulate them.
  • the insulator may be interposed between the first current collecting plate and the supporter part.
  • the present invention provides a battery pack including at least one of the battery cells.
  • the present invention provides a vehicle comprising at least one of the battery packs.
  • the present invention provides a cutting device for cutting the uncoated region provided at the axial end of the electrode cell body of the electrode assembly.
  • the cutting device includes: a first cutter part for forming a first cutting line in the axial direction on the uncoated part while moving in the axial direction of the electrode assembly; and a second cutter part forming a second cutting line.
  • the second cutter part forms a second cutting line for cutting a portion of the uncoated portion wound in the circumferential direction in the circumferential direction, and forms a cutting line such that the second cutting line is connected to the first cutting line.
  • the uncoated region surrounded by the first cutting line and the second cutting line may be cut off.
  • the present invention may provide a processing apparatus including the cutting apparatus and a press unit for bending the remaining bending scheduled portion cut out by the cutting apparatus.
  • the press part forms a forming part according to the laying down by pressing the bending part of the uncoated part.
  • the bending scheduled portion may be radially pressed by the pressing portion, and accordingly, the bending scheduled portion may be bent in a portion corresponding to the second cutting line and laid down in the radial direction.
  • the first cutter unit may include a pair of first blades disposed in parallel with the first cutter unit.
  • the first blade may extend in an axial direction and a blade may be formed at an axial tip.
  • the first cutter unit may further include a first vibration generating unit.
  • the first vibration generator may generate micro vibrations.
  • the second cutter part may be formed in a rectangular shape to cut a part of the uncoated part in a semicircular shape.
  • the front end of the second cutter may be formed in a straight shape.
  • a blade may be formed at the tip of the second cutter unit.
  • the front end of the second cutter may be formed to be inclined with respect to the center.
  • a blade may be formed on two sides provided at the tip of the second cutter unit.
  • the interior angle of the tip may be an obtuse angle of less than 180 degrees.
  • the interior angle of the front end may be 150 degrees or more.
  • the second cutter unit may further include a second vibration generating unit.
  • the second vibration generating unit may generate fine vibrations.
  • the press unit may be moved in the radial direction (radial direction) of the electrode cell body to lay down the bent portion of the uncoated portion toward the core of the electrode cell body.
  • the present invention provides a method for manufacturing the above-described battery cell.
  • Such a battery cell manufacturing method includes stacking a first electrode sheet, a second electrode sheet, and a separator, and winding them to fabricate an electrode assembly.
  • the electrode assembly may include an electrode cell body in which the electrode sheets and separators are wound together.
  • the electrode cell body may have a cylindrical shape.
  • the electrode cell body may include a hollow core.
  • At least one of the first electrode sheet and the second electrode sheet includes an uncoated region on which an active material layer is not applied at one end in the width direction.
  • these uncoated areas may be provided at both ends in the width direction, respectively.
  • the uncoated portion may be provided at the axial end of the electrode cell body in the form of extending in the axial direction.
  • the uncoated portion In the winding direction, in a predetermined section adjacent to the core portion, the uncoated portion may be deleted.
  • the deletion of the uncoated region may be performed after the electrode stack is formed and before the winding process. Such processing may be effected, for example, by laser processing.
  • the deletion of the uncoated region may have already been made in the step of providing the electrode sheet before forming the electrode stack.
  • the deletion of the uncoated portion may be made after the electrode cell body is formed by winding the electrode stack.
  • Such machining can be effected, for example, by means of a cutter with ultrasonically vibrating blades.
  • the battery cell manufacturing method includes removing a partial region of the uncoated region provided at the axial end of the electrode cell body.
  • the step of removing the uncoated area includes cutting the uncoated area by a predetermined depth in the axial direction while the first cutter unit moves in the axial direction of the battery cell, thereby forming a first cutting line in the uncoated area in the axial direction.
  • a pair of the first cutting line may be provided.
  • a pair of the first cutting lines may be arranged side by side in the radial direction.
  • the step of removing the uncoated area includes forming a second cutting line in the circumferential direction on the uncoated area while the second cutter moves radially inward from the outer periphery of the battery cell after the formation of the first cutting line do.
  • a pair of the second cutting line may be provided.
  • the second cutting line may extend in a circumferential direction, and a pair of the second cutting lines may be aligned in a radial direction.
  • the circumferential length of the pair of second cutting lines may gradually increase from the core side to the outer circumference side in the radial direction.
  • the second cutter part cuts the uncoated part so that the second cutting line is connected to two first cutting lines adjacent in the circumferential direction. Then, the uncoated region surrounded by the second cutting line formed in the circumferential direction and the pair of first cutting lines respectively connected to both ends of the second cutting line may be cut off.
  • the cut surface portion formed at the position where the uncoated portion is cut off may be formed in a semicircular shape on both sides of the core portion.
  • the cut surface portion may have an inner end of the core portion) formed in a straight line shape, and an outer end portion thereof may be formed in an arc shape.
  • the cut surface portion may have a central angle of 150° or more and less than 180° of the inner end of the core portion, and the outer end thereof may be formed in an arc shape.
  • the method of manufacturing the battery cell may further include a forming part forming step of radially bending and laying down a bent portion, which is an uncoated region remaining after being cut by the cutting lines.
  • the bending process may be performed by radially pressing the bending scheduled part with a press part.
  • the forming part may be formed parallel to a radial direction of the electrode cell body part.
  • the forming part may be formed in such a way that the bending scheduled part of the uncoated part is laid down toward the core part of the electrode cell body part.
  • the cut surface portion may be formed by cutting a portion spaced a predetermined distance outward in the axial direction from a boundary portion between the uncoated portion and the holding portion.
  • the first cutter part may cut the uncoated part while vibrating by the first vibration generating part.
  • the first cutter unit may be an ultrasonic cutter.
  • the second cutter part may cut the uncoated part while vibrating by the second vibration generating part.
  • the second cutter unit may be an ultrasonic cutter.
  • the current path between the electrode assembly and the current collecting plate may be relatively increased as the area of the forming part is increased.
  • the forming unit increases the current path by the sum of the distances between the uncoated regions, it is possible to suppress an increase in the amount of heat generated by the battery cell and reduce the possibility of ignition even when applied to a large-capacity battery cell.
  • the cutting scheduled portion is cut to form a cutting surface portion, and the forming portion is formed by pressing the bending scheduled portion to be laid down. Accordingly, when the forming portion is formed by pressing the bending scheduled portion, the boundary portion between the forming portion and the cut surface portion is torn or deformed while irregularly distorted can be prevented.
  • the present invention since it is possible to prevent tearing or deformation of the boundary portion of the forming portion and the cut surface portion, it is possible to prevent contact with the electrode sheet of the opposite polarity at the torn or deformed portion.
  • the boundary between the uncoated part and the holding part is prevented from being torn or deformed, it is possible to prevent the active material coated on the holding part from detaching from the holding part or from weakening the bonding force. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in the performance and capacity of the battery cell.
  • the present invention it is possible to prevent the edge of the separation membrane from being lifted or damaged by a torn or deformed portion of the boundary. Accordingly, a short circuit between the first electrode sheet and the second electrode sheet can be prevented. Furthermore, it is possible to reduce the amount of heat generated by the battery cell or significantly reduce the possibility of explosion.
  • the uncoated portion extending in the axial direction of the region not constituting the forming portion is cut to form the cut surface portion, the length occupied by the uncoated portion in the axial direction at both ends of the electrode cell body portion can be reduced. Accordingly, it is possible to further secure the axial volume of the electrode cell body part accommodated in the battery can. Accordingly, the electric capacity relative to the volume of the battery cell may be further increased.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing an electrode cell stack according to the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating a state in which the electrode cell stack of FIG. 1 is cut in the A-A direction.
  • FIG. 3 is a perspective view schematically illustrating a state in which an electrode cell body part is manufactured by winding the electrode cell stack of FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a schematic perspective view illustrating a state in which an electrode cell body is cut in a first embodiment of the first cutter according to the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view showing a first embodiment of the first cutter unit according to the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic plan view illustrating a state in which the first cutter unit cuts the electrode cell body according to the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view showing a second embodiment of the first cutter unit according to the present invention.
  • FIG 8 is a schematic plan view showing a state in which the electrode cell body is cut in the second embodiment of the first cutter part according to the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view illustrating a state before the second cutter part cuts the uncoated part of the electrode cell body according to the present invention.
  • FIG 10 is a side view illustrating a state in which the second cutter part cuts the uncoated part of the electrode cell body according to the present invention.
  • FIG. 11 is a perspective view illustrating a state in which the press unit presses the bending scheduled portion in a state in which the second cutter unit cuts the uncoated portion of the electrode cell body according to the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a state in which the pressing part according to the present invention forms a forming part by pressing the bending scheduled part.
  • FIG. 13 is a side view showing a state in which the pressing unit according to the present invention forms a forming unit for pressing the bending scheduled portion.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a battery cell according to the present invention.
  • 15 is a cross-sectional view illustrating an electrode assembly according to the present invention.
  • FIG. 16 is a perspective view illustrating a state in which the electrode assembly according to the present invention is accommodated in the pack housing.
  • FIG. 17 is a perspective view illustrating a state in which the battery pack according to the present invention is installed in a vehicle.
  • a direction along the longitudinal direction of the winding shaft of the electrode assembly 110 wound in the form of a jelly roll is referred to as an axial direction (Y).
  • the direction surrounding the winding shaft is referred to as a circumferential direction (X) or a circumferential direction.
  • a direction close to the winding axis or away from the winding axis is referred to as a radial direction or a radial direction (Z).
  • a direction closer to the take-up shaft is referred to as a centripetal direction
  • a direction away from the take-up shaft is referred to as a centrifugal direction.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing an electrode cell stack according to the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which the electrode cell stack of FIG. 1 is cut in the A-A direction
  • FIG. 3 is the electrode cell of FIG. It is a perspective view showing a state in which the electrode cell body part is manufactured by winding the laminate.
  • the electrode laminate 10 includes a first electrode sheet 11 , a second electrode sheet 12 , and a separator 13 .
  • the electrode laminate 10 is formed by laminating a separator 13 between the first electrode sheet 11 and the second electrode sheet 12 in the form of a sheet.
  • the electrode laminate 10 may be formed by stacking one first electrode sheet 11 , one second electrode sheet 12 , and two separators 13 .
  • the electrode laminate 10 may be formed by stacking two or more first electrode sheets 11 , two or more second electrode sheets 12 , and three or more separators 13 . As the number of stacked first electrode sheets 11, second electrode sheets 12, and separators 13 in the electrode stack 10 increases, the winding time and manufacturing time of the electrode assembly 110 having a desired diameter increases. can be shortened.
  • the first electrode sheet 11 and the second electrode sheet 12 each include a holding portion 14 coated with an active material and an uncoated portion 15 not coated with an active material.
  • the uncoated region 15 may be formed on one side of the first electrode sheet 11 and the second electrode sheet 12 in the width direction. At least a portion of the uncoated region 15 may be used as an electrode tap by itself.
  • the electrode assembly 110 is wound in a cylindrical shape, the uncoated portion 15 of the first electrode sheet 11 is disposed on one side in the axial direction (upper or lower side in FIG. 1 ), and the uncoated portion 15 of the second electrode sheet 12 is disposed on one side in the axial direction.
  • the part 15 may be disposed on the other side in the axial direction.
  • the uncoated area 15 of the first electrode sheet 11 and the uncoated area 15 of the second electrode sheet 12 may be formed to have the same width.
  • the uncoated area 15 of the first electrode sheet 11 and the uncoated area 15 of the second electrode sheet 12 may be formed to have different widths.
  • the first electrode sheet 11 may be a negative electrode sheet coated with a negative electrode active material
  • the second electrode sheet 12 may be a positive electrode sheet coated with a positive electrode active material
  • the first electrode sheet 11 may be a positive electrode sheet coated with a positive electrode active material
  • the second electrode sheet 12 may be a negative electrode sheet coated with a negative electrode active material.
  • the first electrode sheet 11 and the second electrode sheet 12 include a current collector (not shown) made of a metal foil and an active material layer (not shown).
  • the metal foil may be aluminum or copper.
  • the active material layer may be coated on one or both surfaces of the first electrode sheet 11 and the second electrode sheet 12 .
  • the width of the uncoated portion 15 is significantly narrower than the width of the holding portion 14 .
  • the uncoated region 15 may be formed in a narrow band shape.
  • the uncoated area 15 may be formed of a plurality of segments spaced apart along the longitudinal direction of the uncoated area 15 and formed in a sawtooth shape. The shape of the segment may be changed to a quadrangle, a triangle, a semicircle, a semiellipse, a parallelogram, or the like.
  • the uncoated region 15 may have a form in which a portion C close to the core is deleted.
  • the corresponding section may be removed through laser processing or the like before winding after the electrode stack 10 is formed.
  • the uncoated area of the corresponding section (C) may be deleted in advance, or the core-side uncoated area removal area 112a may be formed through post-processing after winding.
  • the positive active material coated on the first electrode sheet 11 and the negative active material coated on the second electrode sheet 12 may be used without limitation as long as the active material is known in the art.
  • the positive electrode current collector has a thickness of, for example, 3 to 500 ⁇ m.
  • the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery.
  • stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, or a surface treatment of aluminum or stainless steel with carbon, nickel, titanium, silver, or the like may be used as the positive electrode current collector.
  • the electrode current collector may increase the adhesion of the positive electrode active material by forming fine irregularities on the surface thereof.
  • Such an electrode current collector may have various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam body, a nonwoven body, and the like.
  • a conductive material may be additionally mixed with the positive active material particles.
  • the conductive material is added, for example, in an amount of 1 to 50% by weight based on the total weight of the mixture including the positive active material.
  • the conductive material is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing a chemical change in the battery.
  • the conductive material may include graphite such as natural graphite and artificial graphite; carbon black, such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder; conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; conductive oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
  • graphite such as natural graphite and artificial graphite
  • carbon black such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black
  • conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers
  • metal powders such as carbon fluoride, aluminum, and nickel powder
  • conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate
  • conductive oxides such as titanium oxide
  • Conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used.
  • the negative electrode sheet is manufactured by coating and drying negative electrode active material particles on the negative electrode current collector, and if necessary, the above-described components such as a conductive material, a binder, a solvent, etc. may be further included.
  • the negative electrode current collector has a thickness of, for example, 3 to 500 ⁇ m.
  • a negative current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing a chemical change in the battery.
  • the negative electrode current collector may be copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, a copper or stainless steel surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc., an aluminum-cadmium alloy, etc. can
  • the bonding strength of the negative electrode active material can be strengthened by forming fine irregularities on the surface, and it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous materials, foams, nonwovens, and the like.
  • the negative active material may include, for example, carbon such as non-graphitizable carbon or graphitic carbon; Li x Fe 2 O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1), Li x WO 2 (0 ⁇ x ⁇ 1), Sn x Me 1-x Me'yO z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, elements of Groups 1, 2, and 3 of the periodic table, halogen; lithium metal; lithium alloy; silicon-based alloys; tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , oxides such as Bi 2 O 5 ; conductive polymers such as polyacetylene; Li-Co-Ni-based materials and the like can be used.
  • carbon such as non-graphitizable carbon or
  • the binder polymer usable for the electrode sheets 11 and 12 is a component that assists in bonding of the electrode active material particles and the conductive material and bonding to the electrode current collector, for example, based on the total weight of the mixture containing the electrode active material. 1 to 50% by weight.
  • binder polymer examples include polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVdF), polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene, polymethyl methacrylate (polymethylmethacrylate), polybutylacrylate, lyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, polyvinylacetate, ethylene-co-vinyl acetate, Polyethylene oxide, polyarylate, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate, cyanoethylpullulan, Any one binder selected from the group consisting of cyanoethylpolyvinylalcohol, cyanoethylcellulose, cyanoethylsucrose, pullulan and carboxyl methyl cellulose A polymer or a mixture of two or more thereof may be used, but the present invention is not limited thereto.
  • PVdF polyvinylidene fluoride-co-
  • Non-limiting examples of the solvent used for preparing the electrode include acetone, tetrahydrofuran, methylene chloride, chloroform, dimethylformamide, N-methyl-2 -Pyrrolidone (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), cyclohexane (cyclohexane), water, or a mixture thereof, and the like. These solvents provide an appropriate level of viscosity so that the slurry application layer can be made at a desired level for the electrode current collector surface.
  • the separator 13 has a porous polymer substrate and a porous coating layer positioned on both sides of the porous polymer substrate and including inorganic particles and a binder polymer.
  • the porous polymer substrate may be a polyolefin-based porous substrate.
  • the polyolefin porous substrate may be in the form of a film or a non-woven web.
  • the electrolyte can be smoothly moved between the anode and the cathode.
  • the porous structure also increases the electrolyte impregnation property of the substrate itself, so that excellent ion conductivity can be secured, and resistance increase inside the electrochemical device is prevented, thereby preventing the performance degradation of the electrochemical device.
  • the polyolefin porous substrate used in the present invention can be used as long as it is a planar porous substrate commonly used in electrochemical devices, and the material or shape thereof can be variously selected according to the purpose.
  • the polyolefin porous substrate may be, but is not limited to, a film or a non-woven web formed of high-density polyethylene, low-density polyethylene, linear low-density polyethylene, ultra-high molecular weight polyethylene, polypropylene, or a mixture of two or more thereof, However, the present invention is not limited thereto.
  • the polyolefin porous substrate may have a thickness of 8 to 30 ⁇ m, but this is only an example, and a thickness outside the above range may be adopted in consideration of mechanical properties or high-efficiency charge/discharge characteristics of the battery.
  • the separator 13 according to the present invention may have a thickness of 1 to 100 ⁇ m or 5 to 50 ⁇ m. If the thickness of the separator 13 is less than 1 ⁇ m, the function of the separator 13 may not be sufficiently exhibited and deterioration of mechanical properties may occur. If the thickness of the separator 13 is greater than 100 ⁇ m, characteristics of the battery may be deteriorated during high-rate charge/discharge. In addition, it may have a porosity of 40 to 60%, and may have a permeability of 150 to 300 sec/100 mL.
  • the porous coating layer is provided on both sides of the porous polymer substrate, a uniform solid electrolyte interfacial layer can be formed by improving the impregnation performance with respect to the electrolyte. It is possible to secure superior air permeability compared to the single-sided inorganic coating separator 13 of the. For example, it may be within 120s/100cc. In addition, even if the inorganic porous coating layer is provided on both sides, the thickness of the conventional single-sided inorganic coating separator 13 can be realized. For example, it may be within ⁇ 15.0 ⁇ m.
  • the stability of the separator 13 is improved to ensure heat resistance and compression resistance. Specifically, it is possible to secure heat resistance characteristics having heat shrinkage characteristics within 5% based on 180 degrees Celsius, and to secure puncture strength properties of 550 gf or more, and core during the cycle of a battery employing such a separator 13 . When a core deformation occurs, damage or penetration of the separator 13 at the step portion can be prevented.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing a state in which the electrode cell body is cut in the first embodiment of the first cutter unit according to the present invention
  • FIG. 5 is a plan view showing the first embodiment of the first cutter unit according to the present invention
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing a state in which the first cutter unit according to the present invention cuts the electrode cell body
  • FIG. 7 is a plan view showing a second embodiment of the first cutter unit according to the present invention
  • FIG. 8 is a schematic plan view showing a state in which the electrode cell body is cut in the second embodiment of the first cutter unit according to the present invention
  • FIG. 9 is a state before the second cutter unit according to the present invention cuts the uncoated part of the electrode cell body.
  • FIG. 10 is a side view illustrating a state in which the second cutter unit cuts the uncoated region of the electrode cell body according to the present invention.
  • 11 is a perspective view illustrating a state in which the press unit presses the bending scheduled portion in a state in which the second cutter unit cuts the uncoated portion of the electrode cell body according to the present invention
  • FIG. It is a perspective view showing a state in which a part is formed
  • FIG. 13 is a side view showing a state in which the pressing part according to the present invention forms a forming part for pressing the bending scheduled part.
  • the electrode assembly 110 includes an electrode cell body part 111 , a plurality of cut surface parts 115 , and a plurality of forming parts 117 .
  • the electrode cell body 111 is a cylindrical portion wound in a jelly roll type in a state in which the separator 13 is stacked between the first electrode sheet 11 and the second electrode sheet 12 in the form of a sheet. to be.
  • the uncoated area 15 on which the active material layer is not coated is formed on the width direction ends of the first electrode sheet 11 and the second electrode sheet 12 , and these are the electrode cell body portions 111 , respectively. It is disposed on one side and the other side in the axial direction, respectively, and extends in the axial direction.
  • the electrode cell body portion 111 may be formed by winding the electrode stack body 10 elongated in the longitudinal direction around a winding rod (not shown), and taking the winding rod out of the electrode cell body portion 111 .
  • a winding rod not shown
  • the more the first electrode sheet 11 , the second electrode sheet 12 , and the separator 13 are stacked on the electrode stack 10 the shorter the winding time and the manufacturing time of the electrode assembly 110 .
  • a position from which the winding rod exits from the electrode cell body part 111 constitutes a hollow core part 112 .
  • the uncoated part 15 of the first electrode sheet 11 is exposed at a certain height on one side of the electrode cell body 111 in the axial direction, and the second electrode sheet 12 is on the other side of the electrode cell body 111 in the axial direction. of the uncoated area 15 is exposed at a predetermined height.
  • the recess portion 112a is provided in the uncoated area section adjacent to the core portion 112 by the uncoated area deletion region C described above.
  • the first cutter part 210 cuts the uncoated part 15 of the electrode cell body part 111 in the axial direction to separate the cutting scheduled part 115a and the bending scheduled part 117a in the circumferential direction.
  • a first cutting line 113 is formed between the cutting scheduled portion 115a and the bending scheduled portion 117a.
  • the first cutting line 113 is formed in a form (vertical form) extending from the axial end of the uncoated region 15 toward the electrode cell body 111 in the axial direction. At this time, the cutting scheduled portion 115a and the bending scheduled portion 117a maintain a standing state along the axial direction of the electrode cell body portion 111 as it is.
  • the second cutter part 220 removes the cut scheduled part 115a from the electrode cell body part 111 by radially cutting the axial lower part of the cut part 115a of the uncoated part 15 .
  • the second cutter part 220 forms a second cutting line 16a extending in the circumferential direction under the uncoated part 15 in the area corresponding to the part to be cut 115a.
  • the second cutting lines 16a are formed along the circumferential direction of the uncoated area 15 and are respectively provided below the uncoated areas adjacent to each other in the radial direction.
  • both ends of the second cutting line 116a in the circumferential direction are connected to the first cutting lines 13 on both sides of the cutting scheduled portion 115a in the circumferential direction, the pair of first cutting lines 13 and The cutting scheduled portion 115a surrounded by the second cutting line 116a is separated from the electrode cell body 111 .
  • the short uncoated region remaining after the cutting scheduled portion 115a constitutes the cut surface portion 115 .
  • the cut surface portion 115 and the bent portion 117a are provided in the uncoated portion 15 of the electrode cell body portion 111 .
  • An ultrasonic cutter may be used for the first cutter part 210 for cutting the first cutting line 113 to prevent buckling that may occur when the thin uncoated part 15 is cut in the axial direction. .
  • the first cutter unit 210 includes a pair of first blades 211 disposed side by side on both sides of a position corresponding to a diameter portion of the electrode cell body 111, and the first blade 211, respectively. and a pair of fixed first vibration generating units 213 .
  • One first blade 211 is fixed to each of the first vibration generating units 213 .
  • the first vibration generating unit 213 includes a plate and a vibration source for vibrating the plate.
  • the plate may be formed in a square shape.
  • the first blade 211 has a proximal end fixed to the plate surface of the first vibration generating unit 213, extending in a direction corresponding to the axial direction of the electrode cell body 110, and a sharp blade at the distal end. can be provided.
  • the pair of first blades 211 are disposed in the corresponding first vibration generating unit 213 symmetrically with respect to the diameter portion of the electrode cell body 110 . Examples related thereto will be described as follows.
  • a pair of first blades 211 defining the bent portion 117a are arranged in a straight line on both sides of the diameter based on the diameter portion of the electrode cell body portion 210 .
  • the pair of first blades 211 are disposed at the same distance from the diameter portion of the electrode cell body 210 . Accordingly, when the pair of first blades 211 cut the uncoated area 15 of the electrode cell body 210 , the first cutting line 113 of a straight line is formed on both sides of the diameter portion of the uncoated area 15 . can form.
  • the above embodiment exemplifies a structure in which a pair of first blades 211 defining the bent portion 117a are arranged parallel to each other.
  • the pair of first blades 211 are not necessarily parallel to each other.
  • the pair of first blades 211 may have a form that gradually moves away from each other toward the distal end, or a form that gradually moves away from each other toward the centripetal direction.
  • the first blade 211 is exemplified to be linear, the first blade 211 is not necessarily linear.
  • the first blade 211 may have a gentle curved shape.
  • a pair of first blades 211 defining the bending scheduled portion 117a exemplifies a structure in which each of the pair of first vibration generators 213 is fixed.
  • the pair of first blades 211 may be fixed together to one first vibration generating unit 213 .
  • a method is exemplified in which a pair of first blades 211 defining the bent portion 117a simultaneously cut the uncoated portion.
  • this does not exclude a method in which one first blade 211 processes either one of both sides of the diameter portion of the electrode cell body 210 first and then processes the other.
  • the embodiment illustrates that the first blade 211 is in the form of a single blade extending straight and continuously, the blade may be discontinuous in the section (eg, the core section) in which the uncoated section is not cut anyway. .
  • the pair of first blades 211 are disposed to be inclined at a predetermined angle based on the diameter of the electrode cell body 210 .
  • the outer inclination angle ⁇ 2 of the first blade 211 may be formed to be 150° or more and less than 180°. Accordingly, when the pair of first blades 211 cut the uncoated area 15 of the electrode cell body 210 , the first cutting line 113 is inclined on both sides of the diameter of the uncoated area 15 . can form.
  • the outer inclination angle ⁇ 2 of the first blade 211 may be formed to be greater than 180° and less than or equal to 210°.
  • the angle of the pair of first blades 211 may be appropriately selected according to the diameter of the electrode cell body 111 or the capacity of the battery pack, and the shape of the current collecting plates 130 and 140 to be welded thereto.
  • the above embodiment illustrates a structure in which a pair of first blades 211 defining the bent portion 117a are inclined symmetrically with respect to the center of the core portion 112 .
  • the pair of first blades 211 may be formed at different angles from the center of the core part 112 toward the centripetal side.
  • the first blade 211 is exemplified to be linear, the first blade 211 is not necessarily linear.
  • the first blade 211 may be in the form of a gentle curve toward the core 112 or the opposite side.
  • the first vibration generator 213 may include an ultrasonic vibrator.
  • the first vibration generating unit 213 is ultrasonically vibrated when the first blade 211 is moved in the axial direction of the electrode cell body 111 to cut the uncoated region 15 .
  • the uncoated area 15 When the first blade 211 presses the uncoated area 15 without the force of the first blade 211 pressing the uncoated area 15 in the axial direction to process the first cutting line 113 , the uncoated area 15 ) There is a possibility of buckling or deformation such as bending or folding of the uncoated region 15 near the first cutting line 113 .
  • the first blade 211 vibrates ultrasonically, when the first blade 211 cuts the uncoated area 15 , the above phenomenon is prevented and the cutting process is performed very smoothly. Accordingly, the cutting speed of the uncoated area 15 may be improved, and the first cutting line 113 of the uncoated area 15 may be smoothly formed. As long as the first vibration generating unit 213 vibrates the first blade 211, various vibration methods may be applied.
  • the second cutter unit 220 includes a second blade 221 that cuts the uncoated area 15 in a radial direction, and a second vibration generator to which the second blade 221 is fixed. (223).
  • the front end of the second blade 221 may be formed in a straight shape.
  • the tip may be provided with a blade.
  • the second blade 221 having such a straight tip portion cuts the second cutting line 16a of the cutting scheduled portion 115a
  • the bending scheduled portion 117a is moved in the radial direction of the electrode cell assembly 110 as shown in FIG. 11 . placed in a straight line with
  • the inner end 115b of the core portion 112 side is formed in a straight shape
  • the outer end 115c is formed in an arc shape.
  • the inner end portion 115b forms a boundary line between the bent portion 117a and the cut surface portion 115 .
  • the outer end 115c is disposed on the outer circumferential surface of the electrode cell body 111 .
  • the front end of the second blade 221 may be inclined to both sides with respect to the center thereof.
  • the central angle of the front end of the second blade 221 is formed to be 150° or more to less than 180°.
  • the second blade 221 may be double-edged. That is, the blade may be provided at positions corresponding to the two hypotenuses extending to the tip.
  • the second blade 221 having an inclined tip portion cuts the second cutting line 16a of the cutting scheduled portion 115a, as shown in FIG. It is formed narrower than the width of the side.
  • the cut surface portion 117a has a central angle ⁇ 1 of 150° to less than 180° of the inner end of the core portion 112 side, and the outer end thereof is formed in an arc shape.
  • the outer end of the cut surface portion 117a is formed in a circular arc shape.
  • the inner end portion 115b forms a boundary line between the bent portion 117a and the cut surface portion 115 .
  • the outer end 115c is disposed on the outer circumferential surface of the electrode cell body 111 .
  • the central angle of the front end of the second blade 221 may be formed to be greater than 180° to 210° or less.
  • the central angle of the front end of the second blade 221 is formed at the same angle as the central angle ⁇ 2 (refer to FIG. 7 ) of the first blade 211 described above. Accordingly, as the first blade 211 is moved in the axial direction, a first cutting line 113 is formed in the uncoated region 15 in a radial direction, and the second blade 221 is connected to the first cutting line 113 and When the second cutting line 16a of the cutting scheduled portion 115a is cut in the radial direction to meet, the cut surface portions 115 are formed close to a semicircular shape on both sides of the straight bending planned portion 117a.
  • the sharp tip of the second blade 221 is the first cut portion 115a of the uncoated portion 15.
  • the central part in the circumferential direction is cut and entered, and as the second blade 221 proceeds in the centripetal direction, the two blades expand the second cutting line 16a to both sides in the circumferential direction.
  • the second blade 221 applies a force to the side surface of the uncoated area 15 in the radial direction, the large area of the second blade 221 does not touch the side surface of the uncoated area 15 at once, and the force is applied to the sharp tip. It is concentrated and applied to the uncoated area 15 .
  • the uncoated area 15 is not deformed by being pressed laterally.
  • both edges of the second cutter part 220 press the second cutting line 16a in the circumferential direction. and proceed with incision.
  • the cutting method and cutting direction of the second cutter part 220 minimizes deformation of the uncoated part 15 .
  • the tip of the above-described second blade 221 may be formed in a shape corresponding to that of the first blade 211 .
  • the front end of the second blade 221 may also be formed in a straight shape.
  • the front end of the second blade 221 may also be formed at a predetermined angle.
  • the front end of the second blade 221 may also be formed to be rounded.
  • the second vibration generator 223 may include an ultrasonic vibrator.
  • the second vibration generating unit 223 is ultrasonically vibrated when the second blade 221 is moved in the radial direction of the electrode cell body 111 to cut the uncoated area 15 . Accordingly, the cutting speed of the uncoated area 15 may be improved, and the cut surface portion 115 may be formed smoothly. As long as the second vibration generating unit 223 vibrates the second blade 221 , various vibration methods may be applied.
  • a recess portion 112a is formed between the uncoated portion 15 and the core portion 112 on one or both sides of the electrode cell body portion 111 in the axial direction.
  • the recessed portion 112a is formed in an annular shape to surround the core portion 112 .
  • the radial width W2 of the recess portion 112a may be the same as the height W1 of the uncoated portion 15 , or may be slightly wider or narrower (see FIGS. 9 and 10 ).
  • the recessed portion 112a is formed to be concentric with the core portion 112 .
  • the recessed portion 112a may be formed flush with or slightly lower than the cut surface portion 115 .
  • the pair of cutting lines 113 may be provided in a radially outer portion of the uncoated portion 15 of the electrode cell body portion 111 than the recess portion 112a, and may be formed to a predetermined depth in the axial direction.
  • the radial width of the recess portion 112a is the axial height of the bent portion 117a measured from the lower end of the cutting line 113 disposed adjacent to the recess portion 112a in the radial direction.
  • the cutting depth of the cutting line 113 may reach a predetermined portion spaced apart by a predetermined distance outward in the axial direction from the boundary portion 16 between the uncoated portion 15 and the holding portion 14 .
  • the recess portion 112a may have a height corresponding to the predetermined portion in the axial direction.
  • the forming part 117 is formed by pressing and laying down the planned bending part 117a of the uncoated part 15 disposed between the pair of cut surface parts 115 in a direction crossing the axial direction, for example, in a radial direction. do.
  • the forming part 117 may be formed by pressing the bending part 117a of the uncoated part 15 using a press part 230 to be described below and then laying it down.
  • the forming unit 117 may be laid down while continuously overlapping a plurality of non-cut pieces constituting the planned bending unit 117a. Accordingly, the forming portion 117 may be formed to be inclined with respect to the axial direction of the electrode cell body portion 111 or to be completely flattened.
  • the width of the forming part 117 is formed to be the same.
  • the forming portion 117 may be formed to have the same width.
  • the forming part 117 may be formed to have a different width from the width of the core part 112 side.
  • the forming unit 117 is formed between the width and the outer edge of the core unit 112 . different widths are formed.
  • the forming part 117 is a part that is welded to the current collecting plates 130 and 140 to form a current path (current path). Additionally, a pair of cut surface portions 115 may also be welded to the current collecting plates 130 and 140 . However, since the cut surface part 115 is welded (eg, laser welding) to the current collecting plates 130 and 140 in a state of being in line contact with the current collecting plates 130 and 140 , the cut surface part 115 is a current path in comparison with the forming part 117 . The effect of increasing the On the other hand, since the forming portion 117 is formed by laying down the bending portion 117a in the radial direction, the forming portion 117 covers the gap between the uncoated portions 15 spaced apart by the thickness of the separator 13 .
  • the forming part 117 is welded in surface contact with the current collecting plates 130 and 140 , the current path between the electrode assembly 110 and the current collecting plates 130 and 140 is relatively increased as the area of the forming part 117 increases. can be Since the forming unit 117 increases the current path by the sum of the distances between the uncoated regions 15 , even when applied to the large-capacity battery cell 100 , the increase in the amount of heat generated by the battery cell 100 is suppressed and the possibility of ignition is reduced. can do it
  • the electrolyte impregnability may be increased when the electrolyte is injected into the electrode assembly 110 .
  • the impregnation of the electrolyte may be weakened in the forming portion 117, but the cut surface portion 115 is adjacent to the forming portion 117 and compensates for this. No problem.
  • the cutting scheduled portion 115a and the bending scheduled portion 117a are formed by the first cutter portion 210 forming a pair of first cutting lines 113 in the axial direction.
  • the lower end of the cut portion 115a is cut with the second cutter portion 220 to form the cut surface portion 115, and the forming portion ( 117) is formed. Accordingly, when the forming portion 117 is formed by pressing the bending portion 117a, the boundary portion 16 between the forming portion 117 and the cut surface portion 115 is torn or irregularly distorted to prevent deformation.
  • the boundary portion 16 of the forming portion 117 and the cut surface portion 115 can be prevented from being torn or deformed, it is prevented from contacting the electrode sheets 11 and 12 of the opposite polarity at the torn or deformed portion. can do.
  • the boundary portion 16 between the uncoated portion 15 and the holding portion 14 from being torn or deformed, it is possible to prevent the active material coated on the holding portion 14 from being detached from the holding portion 14 or from weakening the bonding force. can be prevented Accordingly, it is possible to suppress a decrease in performance and capacity of the battery cell 100 .
  • the forming part 117 is formed by pressing the bending part 117a in a state in which the cut surface parts 115 are removed on both sides of the bending part 117a, the non-cutting pieces of the bending part 117a are springs. It can be prevented from unfolding while erected at an angle due to the spring back phenomenon.
  • the bending portion 117a is pressed with a strong pressure using the press portion 230 , the forming portion 117 (non-cut pieces of the bending portion 117a) is as flat as possible on the cut surface portion 115 . It can be overlapped in a close state.
  • the welding cross-sectional area may be significantly increased.
  • the cross-sectional area of the welding is increased, the cross-sectional area of the current path is increased, so that the resistance of the battery cell 100 can be significantly reduced. This is because resistance is inversely proportional to the cross-sectional area of the path through which the current flows.
  • the cut surface portion 115 may be formed by cutting a portion 16a spaced a predetermined distance outward in the axial direction from the boundary portion 16 between the uncoated portion 15 and the holding portion 14 . Accordingly, since the second cutter part 220 cuts the uncoated part 15 at a position spaced apart from the holding part 14 , it is possible to prevent the active material coated on the holding part 14 from being detached. In addition, even if the uncoated portion 15 is slightly deformed and cut, it is possible to prevent the holding portion 14 from being damaged or deformed.
  • the central angle ⁇ 1 (refer to FIG. 8 ) of the cut surface portion 115 may be appropriately selected in consideration of the diameter of the electrode cell body portion 111 and the capacity of the battery cell 100 .
  • the central angle of the cut surface portion 115 may be formed closer to 150°. This is because the larger the diameter of the electrode cell body 111 is, the greater the cross-sectional area of the current path is to prevent heat generation or ignition. will make it
  • the central angle of the cut surface portion 115 may be formed closer to 150°.
  • the forming part 117 may be formed in such a way that the bent part 117a of the uncoated part 15 is laid down toward the core part 112 of the electrode cell body part 111 . Accordingly, since the forming part 117 is prevented from protruding outward from the outer circumferential surface of the electrode cell body part 111 , the electrode assembly 110 is smoothly installed inside the battery can 120 when the battery cell 100 is manufactured. can be put in In addition, it is possible to prevent the forming unit 117 from being caught in the battery can 120 .
  • the core portion 112 is covered when the bent portion 117a adjacent to the core portion 112 is laid down. This can happen. That is, as the uncoated area 15 adjacent to the core part 112 is laid down in a state in which a partial section of the uncoated area 15 is not cut as shown in FIG. 1A , the forming unit 117 forms the core.
  • the portion 112 may be covered.
  • the core part 112 may be a passage through which the electrolyte is injected, or in some cases, a passage through which the welding rod is inserted. Accordingly, it is preferable that the core part 112 is open in the axial direction. Accordingly, as shown in (b) of FIG. 1 , the electrode assembly 110 is removed as described above in a state in which the partial section C of the uncoated region 15 positioned on the core portion 112 side is cut in advance. When fabricated, as shown in FIG.
  • a recessed portion 112a in a form in which the uncoated portion 15 adjacent to the core portion 112 is removed is formed, and when the forming portion 117 is formed in this state, 12 , the innermost portion of the bent portion 117a overlaps the recess portion 112a so that the core portion 112 is not covered.
  • a core part 112 may be formed in the center of the electrode cell body part 111 .
  • the core part 112 is formed in a hollow shape penetrating the center of the electrode cell body part 111 .
  • the cross-section of the core part 112 may be circular. Since the core part 112 is formed in a hollow shape, after the electrode assembly 110 is put into the battery can 120 , an electrolyte injector (not shown) may inject an electrolyte solution through the core part 112 . Accordingly, since the electrolyte injection time can be shortened, the manufacturing time of the battery cell 100 can be shortened. In addition, when the electrolyte injector is inserted into the core part 112 , it is possible to prevent the electrode sheets 11 and 12 or the separator 13 near the core part 112 from being caught and torn or damaged.
  • the electrode cell body 111 may be formed in a cylindrical shape. Accordingly, it can be inserted so that the outer surface of the electrode cell body part 111 is in close contact with the inner surface of the cylindrical battery can 120 .
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a battery cell according to the present invention.
  • a separator 13 is laminated between the first electrode sheet 11 and the second electrode sheet 12 in the form of a sheet ( S11 ).
  • a structure in which the first electrode sheet 11 , the second electrode sheet 12 , and the separator 13 are stacked is referred to as an electrode laminate 10 .
  • the uncoated region 15 of the first electrode sheet 11 protrudes toward one side in the width direction of the electrode laminate 10
  • the uncoated region 15 of the second electrode sheet 12 is an electrode. It protrudes to the other side in the width direction of the laminated body 10 .
  • the first electrode sheet 11, the second electrode sheet 12, and the separator 13 are wound in a jelly roll type (S12).
  • the electrode stack 10 is wound around a winding rod to form the electrode assembly 110 , and the winding rod is separated from the electrode assembly 110 .
  • a hollow core part 112 is formed at a portion where the winding rod is removed.
  • the core part 112 is formed to pass through the axial direction of the electrode assembly 110 . The more the first electrode sheet 11 , the second electrode sheet 12 , and the separator 13 are stacked on the electrode stack 10 , the shorter the winding time and the manufacturing time of the electrode assembly 110 are.
  • the partial region C of the uncoated region shown in FIG. 1B may be removed after the electrode stack process ( S11 ) and before the winding process ( S12 ). This may be a process of cutting and removing a partial region of the uncoated region 15 by laser cutting.
  • the depth at which the uncoated region 15 is removed in the predetermined section C and the depth of the cutting line 113 may correspond to each other.
  • a recess portion 112a is formed between the uncoated portion 15 and the core portion 112 on one or both sides of the electrode cell body portion 111 in the axial direction.
  • the recessed portion 112a is formed in an annular shape to surround the core portion 112 .
  • the radial width W2 of the recess portion 112a may be the same as the height W1 of the uncoated portion 15 , or may be slightly wider or narrower (see FIGS. 9 and 10 ).
  • the recessed portion 112a is formed to be concentric with the core portion 112 .
  • the recessed portion 112a may be formed flush with or slightly lower than the cut surface portion 115 .
  • the first cutter part 210 moves in the axial direction of the battery cell 100, the uncoated part 15 of the first electrode sheet 11 and the second electrode sheet 12 is cut in parallel in the radial direction (S13). ). At this time, the first cutter part 210 cuts the uncoated part 15 of the electrode cell body part 111 in the axial direction to separate the cutting scheduled part 115a and the bending scheduled part 117a. A pair of first cutting lines 113 parallel to the radial direction are formed between the cutting scheduled portion 115a and the bending scheduled portion 117a. At this time, the cutting scheduled portion 115a and the bending scheduled portion 117a maintain a standing state along the axial direction of the electrode cell body portion 111 as it is.
  • the second cutter part 220 moves in the radial direction of the battery cell 100 , the second cutting line of the uncoated part 15 is cut to form the cut surface part 115 ( S14 ).
  • the second cutter part 220 cuts the cut part 115a of the uncoated part 15 in the radial direction and removes it from the electrode cell body part 111 .
  • the bent portion 117a is disposed in a straight line with the radial direction.
  • the cut surface portion 115 is formed in a semicircular shape on both sides of the bent portion (117a).
  • the pressing part 230 presses the bending part 117a of the uncoated part 15 to form the forming part 117 according to the laying down (S15).
  • the forming part 117 is disposed between the cut surface parts 115 and is formed by pressing and laying down the bending part 117a of the uncoated part 15 .
  • the forming part 117 may be formed by pressing the bending part 117a of the uncoated part 15 using a press part 230 to be described below and then laying it down. At this time, the plurality of non-cut pieces constituting the bending scheduled portion 117a may be continuously overlapped and laid down. Accordingly, the forming portion 117 may be formed to be slightly inclined in the axial direction of the electrode cell body portion 111 .
  • the cut surface part 115 Since the cut surface part 115 is laser-welded to the current collecting plates 130 and 140 in a state of being in line contact with the current collecting plates 130 and 140 , the cut surface part 115 hardly increases the current path.
  • the forming portion 117 is formed by laying the bending portion 117a in a radial direction, the forming portion 117 covers the gap between the uncoated portions 15 spaced apart by the thickness of the separator 13 . Since the forming part 117 is welded in surface contact with the current collecting plates 130 and 140 , the current path between the electrode assembly 110 and the current collecting plates 130 and 140 is relatively increased as the area of the forming part 117 increases.
  • the forming unit 117 increases the current path by an area that is the sum of the intervals between the uncoated regions 15 , even when applied to the large-capacity battery cell 100 , it is possible to suppress an increase in the amount of heat generated by the battery cell 100 and reduce the possibility of ignition.
  • the part to be cut 115a is cut to form a cut surface part 115 , and the part to be bent 117a is pressed. to form the forming part 117 according to the laying down. Accordingly, when the forming portion 117 is formed by pressing the bending portion 117a, the boundary portion 16 between the forming portion 117 and the cut surface portion 115 is torn or irregularly distorted to prevent deformation. can
  • the cut surface portion 115 may be formed in a semicircular shape on both sides of the forming portion 117 of the electrode cell body portion 111 . Since the cut surface portion 115 is formed in a semicircular shape, one forming portion 117 may be radially disposed between the pair of cut surface portions 115 .
  • the cut surface portion 115 has an inner end 115b on the side of the core 112 formed in a straight shape, and an outer end 115c formed in a circular arc shape.
  • the inner end portion 115b forms a boundary line between the bent portion 117a and the cut surface portion 115 .
  • the outer end 115c is disposed on the outer circumferential surface of the electrode cell body 111 .
  • the cut surface portion 117a has a central angle ⁇ 1 of 150° or more to less than 180° of the inner end of the core portion 112, and the outer end thereof is formed in an arc shape.
  • the outer end of the cut surface portion 117a is formed in a circular arc shape.
  • the inner end portion 115b forms a boundary line between the bent portion 117a and the cut surface portion 115 .
  • the outer end 115c is disposed on the outer circumferential surface of the electrode cell body 111 .
  • the cut surface portion 117a may have a central angle ⁇ 1 of an inner end of the core portion 112 that is greater than 180° to less than 210°, and an outer end thereof may be formed in an arc shape.
  • cut surface portion 117a may have an inner end of the core portion 112 rounded, and an outer end thereof may be formed in an arc shape.
  • the cut surface portion 115 may be formed by cutting the portion 16a spaced apart from the boundary portion 16 between the uncoated portion 15 and the holding portion 14 by a predetermined distance (H: see FIG. 10 ) in the axial direction. . Accordingly, since the second cutter part 220 cuts the uncoated part 15 at a position spaced apart from the holding part 14 , it is possible to prevent the active material coated on the holding part 14 from being detached. In addition, even if the uncoated portion 15 is slightly deformed and cut, it is possible to prevent the holding portion 14 from being damaged or deformed.
  • the forming portion 117 may be formed in such a way that the bent portion 117a of the uncoated portion 15 is laid down toward the core portion 112 of the electrode cell body portion 111 . Accordingly, since the forming part 117 is prevented from protruding outward from the outer circumferential surface of the electrode cell body part 111 , the electrode assembly 110 is smoothly installed inside the battery can 120 when the battery cell 100 is manufactured. can be put in In addition, it is possible to prevent the forming unit 117 from being caught in the battery can 120 .
  • the forming part 117 is formed by pressing and laying down the planned bending part 117a of the uncoated part 15 disposed between the pair of cut surface parts 115 in a direction crossing the axial direction, for example, in a radial direction. do.
  • the forming part 117 may be formed by pressing the bending part 117a of the uncoated part 15 by using the press part 230 and laying it down.
  • the forming unit 117 may be laid down while continuously overlapping a plurality of non-cut pieces constituting the planned bending unit 117a. Accordingly, the forming portion 117 may be formed to be inclined with respect to the axial direction of the electrode cell body portion 111 or to be completely flattened.
  • the width of the forming part 117 is formed to be the same.
  • the forming portion 117 may be formed to have the same width.
  • the forming part 117 may be formed to have a different width from the width of the core part 112 side.
  • the forming unit 117 is formed between the width and the outer edge of the core unit 112 . different widths are formed.
  • the first cutter unit 210 cuts the uncoated area 15 while being vibrated by the first vibration generating unit 213 .
  • the first vibration generator 213 may include an ultrasonic vibrator. Since the first cutter unit 210 cuts the uncoated area 15 while vibrating, the cutting performance and cutting speed of the uncoated area 15 may be improved.
  • the second cutter part 220 cuts the uncoated part 15 while being vibrated by the second vibration generator 223 .
  • the second vibration generator 223 may include an ultrasonic vibrator. Since the second cutter unit 220 cuts the uncoated area 15 while vibrating, the cutting performance and cutting speed of the uncoated area 15 may be improved.
  • the above-described cutting of the cut surface portion 115 is preferably processed by the first cutter portion 210 first, and then processed by the second cutter portion 220 .
  • a battery cell manufactured using the electrode assembly as described above will be described.
  • 15 is a cross-sectional view illustrating an electrode assembly according to the present invention.
  • the battery cell 100 includes an electrode assembly 110 , a battery can 120 , a sealing cap part 150 , and a first current collecting plate 130 .
  • the electrode assembly 110 is substantially the same as described above, a description thereof will be omitted.
  • the electrode assembly 110 is accommodated in the battery can 120 .
  • the battery can 120 is electrically connected to any one of the first electrode sheet 11 and the second electrode sheet 12 to have a first polarity.
  • the battery can 120 may be formed of a conductive material to allow current to flow.
  • the battery can 120 may be made of a material including a stainless material, an aluminum material, or the like.
  • the battery can 120 may be formed in a cylindrical shape with an open end formed on one side (upper side in FIG. 15 ).
  • the sealing cap part 150 seals the open end of the battery can 120 .
  • the sealing cap part 150 is installed to be insulated from the battery can 120 .
  • the sealing cap 150 prevents foreign substances or moisture from penetrating into the battery can 120 .
  • the first current collecting plate 130 has a second polarity electrically connected to the other one of the first electrode sheet 11 and the second electrode sheet 12 .
  • the first current collecting plate 130 may be disposed between the electrode assembly 110 and the sealing cap part 150 .
  • the first current collecting plate 130 is electrically connected to the sealing cap part 150 .
  • the first current collecting plate 130 may be welded to the uncoated region 15 of the other one of the first electrode sheet 11 and the second electrode sheet 12 .
  • the forming part 117 of the uncoated region 15 is welded in a state of being in surface contact with the first current collecting plate 130 , and the cut surface 115 of the uncoated region 15 is connected to the first current collecting plate 130 . It can be welded in a pre-contact state.
  • the welding cross-sectional area of the uncoated region 15 and the first current collecting plate 130 is increased, the cross-sectional area of the current path is increased, thereby remarkably reducing the electrical resistance of the battery cell 100 .
  • the amount of heat generated by the battery cell 100 may be reduced, and the possibility of ignition of the battery cell 100 may be reduced.
  • the first electrode sheet 11 may be a negative electrode sheet, and the second electrode sheet 12 may be a positive electrode sheet.
  • the first electrode sheet 11 may be a positive electrode sheet, and the second electrode sheet 12 may be a negative electrode sheet.
  • An electrolyte is injected into the battery can 120 through the core part 112 of the electrode assembly 110 .
  • the electrolyte may be a salt having the same structure as A + B - .
  • a + includes an ion composed of an alkali metal cation such as Li + , Na + , K + or a combination thereof.
  • B - is F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , AlO 4 - , AlCl 4 - , PF 6 - , SbF 6 - , AsF 6 - , BF 2 C 2 O 4 - , BC 4 O 8 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , C 4 F 9 SO 3 - ,
  • the electrolytic solution can also be used by dissolving it in an organic solvent.
  • organic solvent examples include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), dipropyl carbonate, DPC), dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone (N- methyl-2-pyrrolidone, NMP), ethyl methyl carbonate (EMC), gamma butyrolactone ( ⁇ -butyrolactone), or a mixture thereof may be used.
  • PC propylene carbonate
  • EC ethylene carbonate
  • DEC diethyl carbonate
  • DMC dimethyl carbonate
  • DPC dipropyl carbonate
  • dimethyl sulfoxide acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofur
  • the sealing cap part 150 may further include an insulator 157 that covers the first current collecting plate 130 and has an edge interposed between the inner circumferential surface of the supporter part 122 and the first current collecting plate 130 .
  • the insulator 157 electrically insulates the sealing cap 150 and the battery can 120 .
  • the insulator 157 may be made of an insulating polymer resin.
  • the insulator 157 may be made of polyethylene, polypropylene, polyimide, or polybutylene terephthalate.
  • the sealing cap part 150 includes a cap plate 151 installed to block the open end of the battery can 120 .
  • the cap plate 151 may be formed in a circular plate shape as a whole.
  • An external terminal 152 is formed in the center of the cap plate 151 to protrude outward (upper side in FIG. 13 ).
  • the sealing cap part 150 includes a vent plate 153 disposed below the cap plate 151 .
  • the vent plate 153 is damaged when the internal pressure of the battery can 120 exceeds a preset pressure.
  • the vent plate 153 prevents explosion of the battery cell 100 .
  • vent plate 153 and the first current collecting plate 130 are electrically connected by a lead part 155 .
  • the vent plate 153 is in contact with the cap plate 151 to form a part of the current path.
  • a supporter portion 122 recessed into the battery can 120 is formed below the open end of the battery can 120 .
  • a vent plate 153 and a cap plate 151 are stacked above the supporter part 122 .
  • An insulator 157 is interposed between the inner surface of the supporter part 122 and the periphery of the vent plate 153 and the cap plate 151 .
  • the insulator 157 covers the first current collecting plate 130 , and an edge is interposed between the inner peripheral surface of the supporter part 122 and the first current collecting plate 130 .
  • This insulator 157 constitutes a part of the sealing cap part 150 .
  • a clamping part 123 is formed at the open end of the battery can 120 to press the cap plate 151 and the insulator 157 .
  • the clamping part 123 bends the open end of the battery can 120 inward to seal the circumference of the cap plate 151 and the open end of the battery can 120 . Since the supporter part 122 fixes the clamping part 123 while pressing the circumferences of the first current collecting plate 130 and the vent plate 153 , the movement of the first current collecting plate 130 and the vent plate 153 is limited. As a result, assembly stability of the battery cell 100 may be improved. In addition, it is possible to prevent leakage of the airtightness of the battery can 120 due to an external impact.
  • any one of the first electrode sheet 11 and the second electrode sheet 12 may be electrically connected to the battery can 120 via the second current collecting plate 140 .
  • the second current collecting plate 140 may be welded to the uncoated region 15 formed on any one of the first electrode sheet 11 and the second electrode sheet 12 .
  • the cut surface portion 115 of the uncoated area 15 and the forming portion 117 and the second current collecting plate 140 may be welded by a laser. Accordingly, since the welding cross-sectional area of the uncoated region 15 and the second current collecting plate 140 is increased, the cross-sectional area of the current path is increased, thereby remarkably reducing the electrical resistance of the battery cell 100 . In addition, it is possible to reduce the amount of heat generated by the battery cell 100 and reduce the possibility of ignition of the battery cell 100 .
  • the uncoated area 15 formed on any one of the first electrode sheet 11 and the second electrode sheet 12 may be directly welded to the inner surface of the battery can 120 .
  • FIG. 16 is a perspective view illustrating a state in which the electrode assembly according to the present invention is accommodated in the pack housing.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention includes an assembly to which cylindrical battery cells 100 are electrically connected and a pack housing 101 accommodating them.
  • the cylindrical battery cell 100 may be any one of the battery cells 100 according to the above-described embodiment.
  • parts such as a bus bar (not shown), a cooling unit (not shown), and an external terminal (not shown) for electrical connection of the cylindrical battery cells 100 are omitted for convenience of illustration.
  • the battery pack may be mounted on the vehicle 300 .
  • the vehicle 300 may be, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a plug-in hybrid vehicle.
  • a vehicle includes a four-wheeled vehicle or a two-wheeled vehicle.
  • 17 is a view for explaining a vehicle including a battery pack according to the present invention.
  • a vehicle 300 includes a battery cell 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the vehicle is operated by receiving power from the battery cell 100 according to an embodiment of the present invention.

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Abstract

본 발명은 전극 조립체, 배터리 셀, 배터리 셀 가공장치, 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량을 개시한다. 본 발명은, 전극셀 바디부(111)의 코어부(112)를 중심으로 무지부(15)의 직경방향 양측을 절취해 냄에 따라 형성되는 한 쌍의 절단면부(115); 및 한 쌍의 절단면부(115) 사이에 배치되고, 무지부(15)를 절취하지 아니한 부분인 절곡예정부(117a)를 가압하여 눕힘에 따라 형성되는 포밍부(117);를 포함하는, 전극 조립체(110)를 제공한다.

Description

전극 조립체, 배터리 셀, 배터리 셀 가공장치, 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량
본 출원은 2021년 4월 9일자 대한민국 특허출원 제10-2021-0046802호 및 2022년 3월 31일자 대한민국 특허출원 제10-2022-0040635호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전극 조립체, 상기 전극 조립체의 무지부 커팅장치와 절곡 가공 장치, 상기 전극 조립체를 포함하는 배터리 셀, 및 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩 및 차량에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지는 양극, 음극 및 전해질을 포함하고, 화학 반응을 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다. 제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점이 있다. 이차 전지는 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점이 있다. 이 때문에 이차 전지는 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀(100)의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀(100)을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 단위 이차 전지 셀의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리 셀이 알려져 있다. 원통형 배터리 셀의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전지 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 상기 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극 탭이 연결될 수 있다. 전극 탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적으로 연결한다. 참고로, 양극 전극 단자는 전지 캔의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡 플레이트이고, 음극 전극 단자는 전지 캔이다. 그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 원통형 배터리 셀에 의하면, 양극 무지부 및/또는 음극 무지부와 결합되는 스트립 형태의 전극 탭에 전류가 집중되기 때문에 저항이 크고 열이 많이 발생하며 집전 효율이 좋지 않다는 문제점이 있었다. 즉, 전극 탭의 단면적이 급격하게 감소되어 전류 흐름의 병목 현상을 일으킬 수 있다.
18650이나 21700의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 배터리 셀은 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 배터리 셀을 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 원통형 배터리 셀이 발화하는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 젤리롤 타입의 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하도록 설계하고, 이러한 무지부에 집전 플레이트를 용접시켜 집전 효율이 개선된 구조를 갖는 원통형 배터리 셀(소위 탭-리스(Tab-less) 원통형 배터리 셀)이 제시되었다.
제1전극시트와 제2전극시트는 시트(sheet) 모양의 집전체에 활물질이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향을 따라 한쪽 장변 측에 무지부를 포함한다.
전극 조립체는 제1전극시트와 제2전극시트를 2장의 분리막과 함께 순차적으로 적층시킨 후 일방향으로 권취시켜 제작한다. 이 때, 제1전극시트와 제2전극시트의 무지부는 서로 반대 방향으로 배치된다.
권취 공정 이후, 제1전극시트의 무지부와 제2전극시트의 무지부는 코어 측으로 절곡된다. 그 이후에는, 무지부에 집전 플레이트를 각각 용접시켜 결합시킨다.
양극 무지부와 음극 무지부에는 별도의 전극 탭이 결합되어 있지 않으며, 집전 플레이트가 외부의 전극 단자와 연결되며, 전류 패스가 전극 조립체의 권취 축 방향을 따라 큰 단면적으로 형성되므로 배터리 셀의 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반 비례하기 때문이다.
탭-리스 원통형 배터리 셀에서, 무지부와 집전 플레이트의 용접 특성을 향상시키기 위해서는 무지부의 용접 지점에 강한 압력을 가하여 최대한 평평하게 무지부를 절곡시켜야 한다.
그런데, 무지부의 용접 지점을 절곡시킬 때 무지부의 모양이 불규칙하게 일그러지면서 변형될 수 있다. 이 경우, 변형된 부위가 반대 극성의 전극판과 접촉하여 내부 단락을 일으키거나 무지부에 미세한 크랙을 유발할 수 있다. 또한 전극 조립체의 코어에 인접한 무지부가 절곡되면서 전극 조립체의 코어에 있는 공동을 전부 또는 상당 부분을 폐색한다. 이 경우, 전해액 주액 공정에서 문제를 일으킨다. 즉, 전극 조립체의 코어에 있는 공동은 전해액이 주입되는 통로로 사용된다. 그런데, 해당 통로가 폐색되면 전해액 주입이 어렵다. 또한, 전해액 주입기가 공동에 삽입되는 과정에서 코어 근처의 무지부와 간섭을 일으켜 무지부가 찢어지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 집전 플레이트가 용접되는 무지부의 절곡 부위는 여러 겹으로 중첩되어 있어야 하고 빈 공간(빈틈)이 존재하면 안 된다. 그래야만, 충분한 용접 강도를 얻을 수 있고 레이저 용접 등의 최신 기술을 사용하더라도 레이저가 전극 조립체 내부로 침투하여 분리막이나 활물질을 손상시키는 문제를 방지할 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제2022-0023100호(2022.03.02. 공개)에는 집전 구조가 개선된 원통형 이차전지가 개시된다. 원통형 이차전지는 집전 플레이트가 무지부의 단부에 선접촉된 상태로 용접되므로, 집전 플레이트와 무지부의 용접 단면적이 무지부 사이의 틈새에 의해 감소되는 문제가 있다. 이에 따라, 전류의 통로인 용접 단면적에서 전기 저항이 증가하므로, 배터리 셀의 발열량이 증가되고, 발화 가능성이 증가될 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0110610(2016.09.22)에는 이차 전지 및 원통형 리튬 이차 전지가 개시된다. 이러한 이차 전지는 제1집전판이 제1무지부에 직접 접촉되게 전기적으로 연결되고, 제2집전판이 제2무지부에 직접 접촉되게 전기적으로 연결되는 구성이 개시된다. 이 또한, 제1집전판과 제2집전판이 제1무지부와 제2무지부의 단부에 선접촉된 상태로 각각 연결되므로, 집전 플레이트와 무지부의 접촉 단면적이 무지부 사이의 틈새에 의해 감소되는 문제가 있다. 접촉 단면적을 증가시킨 데에 한계가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전극 조립체와 집전 플레이트의 용접 단면적을 증가시켜 전류 패스를 확대할 수 있는 전극 조립체, 배터리 셀, 배터리 셀 커팅장치 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전극 조립체가 대용량의 배터리 셀에 적용되더라도 배터리 셀의 발열량 증가를 억제하고 발화 가능성을 감소시킬 수 있는 전극 조립체, 배터리 셀, 배터리 셀 커팅장치 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 포밍부와 절단면부의 경계부가 찢어지거나 불규칙하게 일그러지면서 변형되는 것을 방지할 수 있는 전극 조립체, 배터리 셀, 배터리 셀 커팅장치 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 배터리 셀의 체적 대비 전기용량을 더 증가시킬 수 있는 전극 조립체 구조 및 그 제작 방법과 제작을 위한 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 배터리 셀의 발열량을 감소시키거나 폭발 가능성을 현저히 감소시킬 수 있는 전극 조립체, 배터리 셀, 배터리 셀 커팅장치 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 서로 다른 극성을 가지는 제1전극시트와 제2전극시트 및 이들 간의 절연을 위한 분리막을 적층하고 권취한 젤리-롤 형태의 전극셀 바디부를 포함하는 전극 조립체에 적용될 수 있다.
상기 시트의 적층은, 제1전극시트, 분리막, 제2전극시트, 분리막의 순으로 적층될 수 있다.
상기 권취는 상기 적층된 시트들의 길이방향을 따라 이루어질 수 있다. 이에 따라 형성되는 젤리-롤 형태의 전극셀 바디부의 축방향 길이는 상기 적층된 시트들의 폭과 대응할 수 있다.
상기 제1전극시트와 제2전극시트 중 적어도 어느 한 시트에는 폭방향 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부가 마련된다. 이에 따라 상기 무지부는 전극셀 바디부의 축방향 단부에 마련된다. 상기 무지부는 전극셀 바디부의 축방향 단부 어느 일측에 마련되거나, 양측 모두에 마련될 수 있다.
상기 전극 조립체의 전극셀 바디부의 무지부는, 상기 무지부의 일부분을 절취해 냄에 따라 형성되는 한 쌍의 절단면부를 구비한다. 상기 일부분을 절취하고 남은 무지부 부분은 절곡예정부를 구성한다.
상기 절단면부는 코어부를 중심으로 상기 무지부의 직경방향 양측을 절취해 냄에 따라 형성된다. 상기 절곡예정부는 한 쌍의 절단면부 사이에 배치된다.
상기 전극 조립체는 상기 절곡예정부를 절곡 가공함에 따라 형성되는 하나의 포밍부를 포함한다.
상기 절단면부는 실질적으로 상기 코어부 측의 내측 단부가 직선 형태로 형성되고, 외측 단부가 원호 형태로 형성될 수 있다.
상기 절단면부는 상기 코어부 측의 내측 단부의 중심각이 150° 이상 내지 180° 미만으로 형성되고, 외측 단부가 원호 형태로 형성될 수 있다.
상기 절단면부는 상기 무지부와 유지부의 경계부에서 상기 축방향 외측으로 일정 거리 이격된 부분을 절단함에 따라 형성될 수 있다. 즉 상기 절단면부는 상기 유지부와 무지부 중 무지부를 커팅하는 것이라 할 수 있다.
상기 포밍부는 상기 코어부의 직경방향을 따라 형성된다.
상기 포밍부는 곧게 연장된 형태일 수 있다.
전극 조립체의 둘레방향으로, 상기 포밍부의 폭은 실질적으로 동일하게 형성될 수 있다.
전극 조립체의 둘레방향으로, 상기 포밍부는 상기 코어부 측의 폭과 외곽의 폭이 다르게 형성될 수 있다.
상기 포밍부는 상기 절곡예정부를 상기 전극셀 바디부의 반경방향으로 눕혀지는 형태로 형성될 수 있다. 상기 절곡예정부는 코어부 측으로 눕혀질 수 있다.
상기 포밍부가 눕혀짐으로 인해, 전극셀 바디부의 축방향 길이는 더 컴팩트 해질 수 있다. 이는 달리 설명하면, 그만큼 동일한 크기의 전지 캔에 수용될 전극셀 바디부의 유지부의 축방향 길이를 더 확보할 수 있다는 것이다. 따라서 배터리 셀의 체적 대비 전기 용량을 더 확보할 수 있게 된다.
상기 코어부는 상기 전극셀 바디부의 중심부를 관통하는 중공 형태로 형성된다.
상기 전극셀 바디부는 원통형으로 형성된다.
상기 절곡예정부가 코어부 쪽으로 눕혀질 때 상기 코어부가 절곡된 절곡예정부에 의해 폐색되는 것을 방지하기 위해, 전극 조립체의 코어부와 외주부 중 코어부 쪽에 가까이 배치되는 무지부 부분을 제거하여 삭제할 수 있다. 상기 무지부의 삭제는 권취 공정 전에 먼저 이루어질 수 있다.
즉, 권취 방향으로, 상기 코어부에 인접한 소정의 구간에서 상기 무지부는 제거된 형태일 수 있다.
이렇게 코어 측의 무지부가 제거된 형태의 시트 적층체를 권취하면, 상기 절단면부를 형성하기 전에 이미 코어 부근의 무지부 삭제되어 있는 상태가 된다. 즉 상기 절곡예정부도 코어 측에는 제공되지 않는다. 따라서, 절곡예정부를 코어 측으로 절곡하더라도, 눕혀진 포밍부가 전극 조립체의 코어부를 가리지 않는다.
상기 전극 조립체는, 전극셀 바디부의 무지부에서 코어부측에 배치되고, 그보다 반경 방향 외측에 배치되는 무지부보다 축방향으로 함몰된 높이를 구비하는 리세스부를 더 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체는, 상기 전극셀 바디부의 무지부에서 상기 리세스부보다 반경방향 외측 부위에 마련되고, 축방향으로 소정 깊이까지 형성되는 복수 개의 절단라인을 더 포함할 수 있다.
상기 리세스부의 반경방향 폭은, 반경방향으로 상기 리세스부와 인접하여 배치된 상기 절단라인의 하단부로부터 측정되는 상기 절곡예정부의 축방향 높이와 대응할 수 있다.
상기 절단라인의 절단 깊이는, 상기 무지부와 유지부의 경계부에서 상기 축방향 외측으로 일정 거리 이격된 소정 부분에 이를 수 있다.
상기 리세스부는 축방향으로 상기 소정 부분에 대응하는 높이를 가질 수 있다.
본 발명은, 상기 전극 조립체를 포함하는 배터리 셀을 제공한다.
상기 배터리 셀은; 상기 전극 조립체가 수용되며, 상기 제1전극시트 및 상기 제2전극시트 중 어느 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 띠는 전지캔; 상기 전지캔의 개방단을 밀봉하는 밀봉캡부; 및 상기 제1전극시트 및 상기 제2전극시트 중 다른 하나와 전기적으로 연결되는 제2극성을 띠는 제1집전 플레이트;를 포함한다.
상기 제1집전 플레이트는 상기 전극 조립체의 포밍부에 용접 등의 방식으로 고정되어 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1전극시트 및 상기 제2전극시트 중 어느 하나와 전지캔은 직접 연결되거나 제2집전 플레이트를 통해 연결될 수 있다.
상기 전지캔은 상기 전지캔의 내주에서 반경방향 내측으로 더 돌출된 서포터부를 포함할 수 있다. 상기 서포터부는 상기 밀봉캡부를 지지할 수 있다.
상기 배터리 셀은 서로 다른 극성의 단락 방지를 위한 인슐레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 인슐레이터는 상기 전지캔과 밀봉캡부 사이에 개재되어 이들 사이를 절연할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 인슐레이터는 상기 밀봉캡부의 외주면과 전지캔의 내주면 사이에 개재되고, 상기 서포터부와 상기 밀봉캡부 사이에 개재될 수 있다.
상기 인슐레이터는 전지캔과 상기 제1집전 플레이트 사이에 개재되어 이들 사이를 절연할 수 있다. 가령, 상기 인슐레이터는 상기 제1집전 플레이트와 상기 서포터부 사이에 개재될 수 있다.
본 발명은 상기 배터리 셀을 적어도 하나 포함하는, 배터리 팩을 제공한다.
본 발명은 상기 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는, 자동차를 제공한다.
본 발명은 상기 전극 조립체의 전극셀 바디부의 축방향 단부에 마련된 무지부를 절단하는 커팅장치를 제공한다.
상기 커팅장치는, 상기 전극 조립체의 축방향으로 이동하면서 상기 무지부에 축방향으로 제1절단라인을 형성하는 제1커터부와, 상기 전극 조립체의 반경방향으로 이동하면서 상기 무지부에 둘레방향으로 제2절단라인을 형성하는 제2커터부를 포함한다.
상기 제2커터부는 둘레 방향으로 권취된 상기 무지부의 일부 구간을 둘레방향으로 절단하는 제2절단라인을 형성하되, 상기 제2절단라인이 상기 제1절단라인과 연결되도록 절단라인을 형성한다.
상기 제1절단라인과 제2절단라인이 연결됨에 따라, 상기 제1절단라인과 제2절단라인에 의해 둘러싸인 무지부 부분은 절취될 수 있다.
본 발명은, 상기 커팅장치와, 커팅장치에 의해 절취되고 남은 절곡예정부를 절곡 가공하는 프레스부를 포함하는 가공장치를 제공할 수 있다.
상기 프레스부는 상기 무지부의 절곡예정부를 가압하여 눕힘에 따라 포밍부를 형성한다.
상기 절곡예정부는 상기 프레스부에 의해 반경방향으로 가압되고, 이에 따라 절곡예정부는 상기 제2절단라인과 대응하는 부위가 벤딩되며 반경방향으로 눕혀질 수 있다.
상기 제1커터부는 상기 제1커터부에 나란하게 배치되는 한 쌍의 제1블레이드를 포함할 수 있다.
상기 제1블레이드는 축방향으로 연장되고 축방향 선단부에 칼날이 형성될 수 있다.
상기 제1커터부는 제1진동 발생부를 더 포함할 수 있다. 상기 제1진동 발생부는 미세 진동을 일으킬 수 있다.
상기 제2커터부는 상기 무지부의 일부를 반원 형태로 절단하도록 사각 형태로 형성될 수 있다. 제2커터부의 선단부는 직선 형태로 형성될 수 있다. 제2커터부의 선단부에는 칼날이 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2커터부의 선단부는 중심부를 기준으로 경사지게 형태로 형성될 수 있다. 상기 제2커터부의 첨단부에 마련된 두 변에는 칼날이 형성될 수 있다.
상기 선단부의 내각은 180도 미만의 둔각일 수 있다.
상기 선단부의 내각은 150도 이상일 수 있다.
상기 제2커터부는 제2진동 발생부를 더 포함할 수 있다. 상기 제2진동 발생부는 미세 진동을 일으킬 수 있다.
상기 프레스부는 상기 전극셀 바디부의 반경방향(방사 방향)으로 이동되면서 상기 무지부의 절곡예정부를 상기 전극셀 바디부의 코어부 측으로 눕힐 수 있다.
본 발명은, 상술한 배터리 셀을 제조하는 방법을 제공한다.
이러한 배터리 셀 제조 방법은, 제1전극시트와 제2전극시트와 분리막을 적층하고, 이를 권취하여 전극 조립체를 제작하는 단계를 포함한다.
이에 따라 상기 전극 조립체는, 상기 전극시트들과 분리막들이 함께 권취된 전극셀 바디부를 포함할 수 있다.
상기 전극셀 바디부는 원통형일 수 있다.
상기 전극셀 바디부는 중공의 코어부를 구비할 수 있다.
상기 제1전극시트와 제2전극시트 중 적어도 어느 하나의 시트에는 폭방향의 어느 일 측 단부에 활물질층이 도포되지 않은 무지부를 포함한다. 제1전극시트와 제2전극시트가 모두 무지부를 구비할 때에는, 이들 무지부가 폭방향의 양측 단부에 각각 마련될 수 있다.
이에 따라 상기 전극셀 바디부의 축방향 단부에는 무지부가 축방향으로 연장 돌출된 형태로 제공될 수 있다.
상기, 권취 방향으로, 상기 코어부에 인접한 소정의 구간에서 상기 무지부는 삭제된 형태일 수 있다.
상기 무지부의 삭제는, 전극 적층체를 구성한 후 권취 공정 전 이루어질 수 있다. 이러한 가공은 가령 레이저 가공을 통해 이루어질 수 있다.
상기 무지부의 삭제는, 전극 적층체를 구성하기 전 전극시트를 제공하는 단계에서 이미 이루어져 있을 수도 있다.
상기 무지부의 삭제는, 전극 적층체를 권취하여 전극셀 바디부를 구성한 뒤 이루어질 수도 있다. 이러한 가공은 가령 초음파 진동하는 블레이드를 구비한 커터에 의해 이루어질 수 있다.
상기 배터리 셀 제조 방법은, 전극셀 바디부의 축방향 단부에 마련된 상기 무지부의 일부 영역을 제거하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 상기 무지부 제거 단계는 제1커터부가 상기 배터리 셀의 축방향으로 이동하면서 상기 무지부를 축방향으로 소정 깊이만큼 컷팅해 들어가, 상기 무지부에 축방향으로 제1절단라인을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1절단라인은 한 쌍이 마련될 수 있다. 한 쌍의 상기 제1절단라인들은 직경방향으로 나란하게 배치될 수 있다.
또한 상기 무지부 제거 단계는, 상기 제1절단라인 형성 후, 제2커터부가 상기 배터리 셀의 외주 측으로부터 반경방향 내측으로 이동하면서 상기 무지부에 둘레방향으로 제2절단라인을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제2절단라인은 한 쌍이 마련될 수 있다. 상기 제2절단라인은 둘레방향으로 연장되고, 한 쌍의 상기 제2절단라인은 반경방향으로 정렬될 수 있다.
한 쌍의 상기 제2절단라인의 둘레방향 길이는, 반경방향으로 코어 측에서 외주 측으로 갈수록 그 길이가 점점 커질 수 있다.
상기 제2커터부는 상기 제2절단라인이, 둘레방향으로 이웃하는 두 제1절단라인과 연결되도록 상기 무지부를 커팅한다. 그러면 원주방향으로 형성되는 제2절단라인 및 상기 제2절단라인의 양단부에 각각 연결되는 한 쌍의 제1절단라인들에 의해 둘러싸인 무지부 부위는 절취될 수 있다.
상기 무지부가 절취된 위치에 형성되는 절단면부는 상기 코어부의 양측에 반원 형태로 형성될 수 있다.
상기 절단면부는 상기 코어부 측의 내측 단부)가 직선 형태로 형성되고, 외측 단부가 원호 형태로 형성될 수 있다.
상기 절단면부는 상기 코어부 측의 내측 단부의 중심각이 150° 이상 180° 미만으로 형성되고, 외측 단부가 원호 형태로 형성될 수 있다.
상기 배터리 셀 제조 방법은, 상기 절단라인들에 의해 절취되고 남은 무지부 부위인 절곡예정부를 반경방향으로 절곡하여 눕히는 포밍부 형성 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 절곡 가공은 프레스부로 상기 절곡예정부를 반경방향으로 누름으로써 이루어질 수 있다.
상기 포밍부는 상기 전극셀 바디부의 직경방향과 나란하게 형성될 수 있다.
상기 포밍부는 상기 무지부의 절곡예정부가 상기 전극셀 바디부의 코어부 측으로 눕혀지는 형태로 형성될 수 있다.
상기 절단면부는 상기 무지부와 유지부의 경계부에서 상기 축방향 외측으로 일정 거리 이격된 부분을 절단함에 따라 형성될 수 있다.
상기 제1커터부는 제1진동 발생부에 의해 진동되면서 상기 무지부를 절단할 수 있다. 상기 제1커터부는 초음파 커터일 수 있다.
상기 제2커터부는 제2진동 발생부에 의해 진동되면서 상기 무지부를 절단할 수 있다. 상기 제2커터부는 초음파 커터일 수 있다.
본 발명에 의하면, 포밍부가 집전 플레이트에 면접촉된 상태로 용접되므로, 포밍부의 면적이 넓어질수록 전극 조립체와 집전 플레이트의 전류 패스가 상대적으로 증가될 수 있다.
본 발명에 의하면, 포밍부가 무지부 사이의 간격을 합한 면적만큼 전류 패스를 증가시키므로, 대용량의 배터리 셀에 적용되더라도 배터리 셀의 발열량 증가를 억제하고 발화 가능성을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 무지부에서 절단 예정부와 절곡예정부가 서로 분리된 후 절단 예정부를 절단하여 절단면부를 형성하고, 절곡예정부를 가압하여 눕힘에 따라 포밍부를 형성한다. 이에 따라, 절곡예정부를 가압하여 포밍부를 형성할 때에, 포밍부와 절단면부의 경계부가 찢어지거나 불규칙하게 일그러지면서 변형되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 포밍부와 절단면부의 경계부가 찢어지거나 변형되는 것을 방지할 수 있으므로, 찢어지거나 변형된 부위에서 반대 극성의 전극시트와 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 무지부와 유지부의 경계부가 찢어지거나 변형되는 것을 방지하므로, 유지부에 코팅된 활물질이 유지부로부터 탈리되거나 접합력이 약화되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀의 성능과 용량이 감소되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명에 의하면, 분리막의 가장자리가 경계부의 찢어지거나 변형된 부분에 의해 들뜨거나 손상되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 제1전극시트와 제2전극시트의 단락을 방지할 수 있다. 나아가, 배터리 셀의 발열량을 감소시키거나 폭발 가능성을 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 포밍부를 구성하지 않는 영역의 축방향으로 연장된 무지부를 절단하여 절단면부를 형성하므로, 전극셀 바디부의 양단에서 무지부가 축방향으로 차지하는 길이를 줄일 수 있다. 이에 따라, 전지캔에 수용되는 전극셀 바디부의 축방향 체적을 더 확보할 수 있다. 따라서 배터리 셀의 체적 대비 전기 용량을 더 높일 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 전극셀 적층체를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1의 전극셀 적층체를 A-A 방향으로 절단한 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 전극셀 적층체를 권취하여 전극셀 바디부를 제조한 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제1커터부의 제1실시예가 전극셀 바디부를 절단한 상태를 도시한 개략적으로 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제1커터부의 제1실시예를 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제1커터부가 전극셀 바디부를 절단한 상태를 도시한 개략적으로 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 제1커터부의 제2실시예를 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 제1커터부 제2실시예가 전극셀 바디부를 절단한 상태를 도시한 개략적으로 평면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 제2커터부가 전극셀 바디부의 무지부를 절단하기 이전 상태를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 제2커터부가 전극셀 바디부의 무지부를 절단하는 상태를 도시한 측면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 제2커터부가 전극셀 바디부의 무지부를 절단한 상태에서 프레스부가 절곡예정부를 가압하는 상태를 도시한 사시도이다.
도 12는 본 발명에 따른 프레스부가 절곡예정부를 가압하여 포밍부를 형성한 상태를 도시한 사시도이다.
도 13은 본 발명에 따른 프레스부가 절곡예정부를 가압하는 포밍부를 형성한 상태를 도시한 측면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 배터리 셀의 제조방법을 도시한 플로우차트이다.
도 15는 본 발명에 따른 전극 조립체를 도시한 단면도이다.
도 16은 본 발명에 따른 전극 조립체가 팩 하우징에 수용된 상태를 도시한 사시도이다.
도 17은 본 발명에 따른 배터리 팩이 차량에 설치된 상태를 도시한 사시도이다.
[부호의 설명]
10: 전극 적층체 11: 제1전극시트 12: 제2전극시트 13: 분리막 14: 유지부 15: 무지부 16: 경계부 16a: 제2절단라인 100: 배터리 셀 101: 팩 하우징 110: 전극 조립체 111: 전극셀 바디부 112: 코어부 112a: 리세스부 113: 제1절단라인 115: 절단면부 115a: 절단 예정부 117: 포밍부 117a: 절곡예정부 120: 전지캔 121: 전지캔 바디부 122: 서포터부 123: 클램핑부 130: 제1집전 플레이트 132: 중심홀부 140: 제2집전 플레이트 150: 밀봉캡부 151: 캡 플레이트 152: 외부 단자 153: 벤트 플레이트 155: 리드부 157: 인슐레이터 210: 제1커터부 211: 제1블레이드 213: 제1진동 발생부 215: 제1연통홀부 220: 제2커터부 221: 제2블레이드 223: 제2진동 발생부 230: 프레스부 300: 차량
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 변경을 가할 수 있고 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 어느 하나의 실시예의 구성과 다른 실시예의 구성을 서로 치환하거나 부가하는 것은 물론 본 발명의 기술적 사상과 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께가 과장되게 크거나 작게 표현될 수 있으나, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 아니 될 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예나 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 그리고 단수의 표현은, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이다. 즉 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는. 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들이 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에 있다"거나 "하부에 있다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 배치되어 있는 것뿐만 아니라 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체에 관해 설명하기로 한다.
설명의 편의를 위해, 본 명세서에서 젤리롤 형태로 감기는 전극 조립체(110)의 권취축의 길이방향을 따르는 방향을 축방향(Y)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축을 둘러싸는 방향을 원주방향(X) 또는 둘레방향이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축에 가까워지거나 권취축으로부터 멀어지는 방향을 반경방향 또는 방사방향(Z)이라 지칭한다. 이들 중 특히 권취축에 가까워지는 방향을 구심방향, 권취축으로부터 멀어지는 방향을 원심방향이라 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 전극셀 적층체를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1의 전극셀 적층체를 A-A 방향으로 절단한 상태를 도시한 단면도이고, 도 3은 도 1의 전극셀 적층체를 권취하여 전극셀 바디부를 제조한 상태를 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전극 적층체(10)는 제1전극시트(11), 제2전극시트(12) 및 분리막(13)을 포함한다. 전극 적층체(10)는 시트 형태의 제1전극시트(11)와 제2전극시트(12) 사이에 분리막(13)이 적층되어 이루어진다. 예들 들면, 전극 적층체(10)는 하나의 제1전극시트(11), 하나의 제2전극시트(12) 및 2개의 분리막(13)이 적층되어 이루어질 수 있다. 또한, 전극 적층체(10)는 2개 이상의 제1전극시트(11), 2개 이상의 제2전극시트(12) 및 3개 이상의 분리막(13)이 적층되어 이루어질 수도 있다. 이러한 전극 적층체(10)에서 제1전극시트(11), 제2전극시트(12) 및 분리막(13)이 적층되는 개수가 증가할수록 원하는 직경의 전극 조립체(110)의 권취 시간 및 제조 시간이 단축될 수 있다.
제1전극시트(11)와 제2전극시트(12)는 활물질이 코팅되는 유지부(14)와, 활물질이 코팅되지 않는 무지부(15)를 각각 포함한다. 무지부(15)는 제1전극시트(11)와 제2전극시트(12)의 폭방향 일측에 형성될 수 있다. 무지부(15)의 적어도 일부는 그 자체로서 전극탭(electrode tap)으로 사용될 수 있다. 전극 조립체(110)가 원통형으로 권취되는 경우, 제1전극시트(11)의 무지부(15)는 축방향 일측(도 1의 상측 또는 하측)에 배치되고, 제2전극시트(12)의 무지부(15)는 축방향 타측에 배치될 수 있다.
제1전극시트(11)의 무지부(15)와 제2전극시트(12)의 무지부(15)는 동일한 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 제1전극시트(11)의 무지부(15)와 제2전극시트(12)의 무지부(15)는 서로 다른 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
제1전극시트(11)는 음극 활물질이 코팅된 음극시트이고, 제2전극시트(12)는 양극 활물질이 코팅된 양극시트일 수 있다. 제1전극시트(11)는 양극 활물질이 코팅된 양극시트이고, 제2전극시트(12)는 음극 활물질이 코팅된 음극시트일 수 있음은 물론이다.
제1전극시트(11)와 제2전극시트(12)는 금속 포일로 이루어진 집전체(미도시)와 활물질층(미도시)을 포함한다. 금속 포일은 알루미늄 또는 구리일 수 있다. 활물질층은 제1전극시트(11)와 제2전극시트(12)의 일면 또는 양면에 코팅될 수 있다.
무지부(15)의 폭은 유지부(14)의 폭에 비해 현저히 좁게 형성된다. 무지부(15)는 폭이 좁은 밴드형태로 형성될 수 있다. 또한, 무지부(15)는 무지부(15)의 길이방향을 따라 이격되어 톱니 형태로 형성되는 복수의 분절편으로 이루어질 수도 있다. 분절편은 그 형상이 사각형, 삼각형, 반원형, 반타원형, 평행사변형 등으로 변경될 수 있다.
상기 무지부(15)는, 코어 측에 가까운 일부 구간(C)이 삭제된 형태일 수 있다. 해당 구간은, 전극 적층체(10)를 구성한 뒤 권취 전 레이저 가공 등을 통해 제거될 수 있다.
물론, 전극시트 제공단계에서 해당 구간(C)의 무지부가 미리 삭제된 형태일 수도 있고, 권취 후 후가공을 통해 코어측 무지부 제거부위(112a)를 형성할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 제1전극시트(11)에 코팅되는 양극 활물질과 제2전극시트(12)에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물 또는 1종 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4(여기서, x는 0 내지 0.33임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물(LiMnO2); 리튬 구리 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2(여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga이고, x = 0.01 내지 0.3임)으로 표현되는 니켈사이트형 리튬 니켈 산화물(lithiated nickel oxide); 화학식 LiMn2-xMxO2(여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta이고, x = 0.01 내지 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8(여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn임)로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 리튬 일부가 알칼리 토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithium intercalation material)을 주성분으로 할 수 있다. 양극 활물질로는 상기와 같은 종류들이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 집전체는 예컨대 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 양극 집전체는, 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 양극 집전체는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 전극 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 이러한 전극 집전체는 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질 입자에는 도전재가 추가로 혼합될 수 있다. 이러한 도전재는 예컨대 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 도전재는 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
또한, 음극시트는 음극 집전체 상에 음극 활물질 입자를 도포 및 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 도전재, 바인더, 용매 등과 같은 성분들이 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 예컨대 3 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 음극 집전체는 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양 한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은 예컨대 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8)의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 전극시트(11,12)에 사용가능한 바인더 고분자는 전극 활물질 입자와 도전재 등의 결합과 전극 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 예를 들어 전극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더 고분자의 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene: PVdF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트(polybutylacrylate), 리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란(pullulan) 및 카르복실메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 바인더 고분자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전극 제조에 사용되는 용매의 비제한적인 예로는 아세톤(acetone), 테 트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산(cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합체 등이 있다. 이러한 용매들은 전극 집전체 표면에 대해 소망하는 수준으로 슬러리 도포 층이 만들어질 수 있도록 적정한 수준의 점도를 제공한다.
분리막(13)은 다공성 고분자 기재와, 상기 다공성 고분자 기재의 양면 상에 위치하고, 무기물 입자 및 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층을 가진다.
상기 다공성 고분자 기재는 폴리올레핀계 다공성 기재일 수 있다.
상기 폴리올레핀 다공성 기재는 필름(film) 또는 부직웹(non-woven web) 형태일 수 있다. 이와 같이 다공성 구조를 가짐으로써 양극과 음극 간의 전해액 이동이 원활하게 이루어질 수 있게 된다. 다공성 구조는 기재 자체의 전해액 함침성도 증가하게 되어 우수한 이온 전도성이 확보될 수 있으며, 전기화학소자 내부의 저항증가가 방지 되어 전기화학소자의 성능저하가 방지될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 폴리올레핀 다공성 기재는 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 평면상의 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하며, 그 재질이나 형태는 목적하는 바에 따라 다양하게 선택할 수 있다.
폴리올레핀 다공성 기재는 비제한적으로 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 도는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성된 필름(film) 혹은 부직웹(non-woven web)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리올레핀 다공성 기재는 8 내지 30 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이는 단지 예시일 뿐 기계적인 물성이나 전지의 고효율 충방전 특성을 고려하여 상기 범위를 벗어난 두께도 채택 가능하다.
본 발명에 따른 분리막(13)은 1 내지 100㎛ 또는 5 내지 50㎛의 두께를 가질 수 있다. 분리막(13)의 두께가 1㎛ 미만이면 분리막(13)의 기능이 충분히 발휘되지 못하고 기계적 특성의 열화가 발생할 수 있다. 분리막(13)의 두께가 100㎛ 초과이면 고율 충방전시 전지의 특성이 열화될 수 있다. 또한, 40 ~ 60% 공극률을 가질 수 있으며, 150 내지 300 초/100mL의 통기도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 분리막(13)을 사용하는 경우, 다공성 고분자 기재의 양측에 다공성 코팅층을 구비하고 있으므로, 전해액에 대한 함침 성능 향상으로 균일한 고체전해질계면층을 형성할 수 있고, 종래의 단면 무기물 코팅 분리막(13)과 대비하여 우위의 통기도를 확보할 수 있다. 예를 들어 120s/100cc 이내일 수 있다. 또 한, 양면에 무기물 다공성 코팅층을 구비하여도 종래 단면 무기물 코팅 분리막(13) 수준의 두께를 구현할 수 있다. 예를 들어 ~15.0㎛ 이내일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막(13)을 사용하는 경우, 분리막(13)의 안정 성이 개선되어 내열 및 내압축 특성을 확보할 수 있다. 구체적으로 섭씨 180도 기준 5% 이내의 열수축 특성을 갖는 내열 특성을 확보할 수 있고, 550gf 이상의 관통 강도(Puncture strength) 물성을 확보할 수 있으며, 이러한 분리막(13)을 채용한 전지의 사이클 중 코어 변형(core deformation) 발생 시 단차부에서 분리막(13)의 손상 또는 관통이 방지될 수 있다.
상기한 전극 적층체(10)를 이용하여 제조되는 전극 조립체(110)에 관해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 제1커터부의 제1실시예가 전극셀 바디부를 절단한 상태를 도시한 개략적으로 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 제1커터부의 제1실시예를 도시한 평면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 제1커터부가 전극셀 바디부를 절단한 상태를 도시한 개략적으로 평면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 제1커터부의 제2실시예를 도시한 평면도이고, 도 8은 본 발명에 따른 제1커터부 제2실시예가 전극셀 바디부를 절단한 상태를 도시한 개략적으로 평면도이고, 도 9는 본 발명에 따른 제2커터부가 전극셀 바디부의 무지부를 절단하기 이전 상태를 도시한 사시도이고, 도 10은 본 발명에 따른 제2커터부가 전극셀 바디부의 무지부를 절단하는 상태를 도시한 측면도이다. 도 11은 본 발명에 따른 제2커터부가 전극셀 바디부의 무지부를 절단한 상태에서 프레스부가 절곡예정부를 가압하는 상태를 도시한 사시도이고, 도 12는 본 발명에 따른 프레스부가 절곡예정부를 가압하여 포밍부를 형성한 상태를 도시한 사시도이고, 도 13은 본 발명에 따른 프레스부가 절곡예정부를 가압하는 포밍부를 형성한 상태를 도시한 측면도이다.
도 4 내지 도 13을 참조하면, 전극 조립체(110)는 전극셀 바디부(111), 복수의 절단면부(115) 및 복수의 포밍부(117)를 포함한다.
전극셀 바디부(111)는 시트 형태의 제1전극시트(11)와 제2전극시트(12) 사이에 분리막(13)이 적층된 상태에서 젤리롤 타입(jelly roll type)으로 권취된 원통형 부위이다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1전극시트(11)와 제2전극시트(12)의 폭방향 단부에 활물질층이 코팅되지 않는 무지부(15)가 형성되고, 이들은 각각 전극셀 바디부(111)의 축방향 일측과 타측에 각각 배치되며, 축방향으로 연장된다.
전극셀 바디부(111)는 길이방향으로 길게 연장된 상기 전극 적층체(10)를 권취봉(미도시) 둘레에 감고, 권취봉을 전극셀 바디부(111)에서 빼냄으로써 형성할 수 있다. 이때, 전극 적층체(10)에 제1전극시트(11)와 제2전극시트(12) 및 분리막(13)이 많이 적층될수록 전극 조립체(110)의 권취 시간 및 제조 시간을 단축시킬 수 있다. 상기 전극셀 바디부(111)에서 상기 권취봉이 빠져나간 자리는 중공의 코어부(112)를 구성한다.
전극셀 바디부(111)의 축방향 일측에는 제1전극시트(11)의 무지부(15)가 일정 높이 노출되고, 전극셀 바디부(111)의 축방향 타측에는 제2전극시트(12)의 무지부(15)가 일정 높이 노출된다.
또한 앞서 설명한 무지부 삭제 부위(C)에 의해, 상기 코어부(112)와 인접하는 무지부 구간에는 리세스부(112a)가 마련된다.
제1커터부(210)가 전극셀 바디부(111)의 무지부(15)를 축방향으로 절단하여 절단 예정부(115a)와 절곡예정부(117a)를 둘레방향으로 분리시킨다. 절단 예정부(115a)와 절곡예정부(117a) 사이에는 제1절단라인(113)이 형성된다. 상기 제1절단라인(113)은 무지부(15)의 축방향 단부로부터 전극셀 바디부(111) 쪽으로 축방향으로 연장되는 형태(수직한 형태)로 형성된다. 이때, 절단 예정부(115a)와 절곡예정부(117a)는 전극셀 바디부(111)의 축방향을 따라 세워진 상태를 그대로 유지한다.
제2커터부(220)는 무지부(15)의 절단 예정부(115a)의 축방향 하부를 반경방향으로 절단하여 상기 절단 예정부(115a)를 전극셀 바디부(111)로부터 제거한다. 상기 제2커터부(220)는 절단 예정부(115a)에 해당하는 영역에 있는 무지부(15)의 하부에 원주방향으로 연장되는 제2절단라인(16a)을 형성한다. 상기 제2절단라인(16a)은 무지부(15)의 둘레방향을 따라 형성되고, 반경방향으로 이웃하여 배치되는 무지부 부위들 하부에 각각 마련된다. 상기 제2절단라인(116a)의 원주방향 양단부가 상기 절단 예정부(115a)의 원주방향 양 측에 있는 제1절단라인(13)과 연결되면, 상기 한 쌍의 제1절단라인(13)과 제2절단라인(116a)에 의해 둘러싸인 절단 예정부(115a)는 상기 전극셀 바디부(111)로부터 떨어져 나간다. 상기 절단 예정부(115a)가 절취되고 남은 짧은 무지부 부위는 절단면부(115)를 구성한다.
이에 따라, 상기 전극셀 바디부(111)의 무지부(15)에 절단면부(115)와 절곡예정부(117a)가 마련된다.
상기 제1절단라인(113)을 컷팅 가공하는 제1커터부(210)는, 얇은 무지부(15)를 축방향으로 컷팅할 때 발생할 수 있는 좌굴 현상을 방지하기 위해, 초음파 컷터가 사용될 수 있다.
상기 제1커터부(210)는, 전극셀 바디부(111)의 직경 부위와 대응하는 위치의 양측에 나란히 배치되는 한 쌍의 제1블레이드(211)와, 상기 제1블레이드(211)가 각각 고정되는 한 쌍의 제1진동 발생부(213)를 포함한다. 상기 제1진동 발생부(213)마다 제1블레이드(211)가 하나씩 고정된다.
상기 제1진동 발생부(213)는, 플레이트와, 상기 플레이트를 진동시키기 위한 진동원을 포함한다. 플레이트는 사각 형태로 형성될 수 있다.
상기 제1블레이드(211)는, 그 기단부가 제1진동 발생부(213)의 플레이트 표면에 고정되고, 전극셀 바디부(110)의 축방향과 대응하는 방향으로 연장되며, 선단부에 날카로운 칼날이 마련될 수 있다.
상기 한 쌍의 제1블레이드(211)는 해당 제1진동 발생부(213)에 전극셀 바디부(110)의 직경 부위를 기준으로 서로 대칭되게 배치된다. 이에 관한 실시예들을 설명하면 다음과 같다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 절곡예정부(117a)를 규정하게 되는 한 쌍의 제1블레이드(211)가 전극셀 바디부(210)의 직경 부위를 기준으로 직경의 양측에 직선 형태로 배치될 수 있다. 이때, 한 쌍의 제1블레이드(211)는 전극셀 바디부(210)의 직경 부위로부터 동일한 거리에 배치된다. 이에 따라, 한 쌍의 제1블레이드(211)가 전극셀 바디부(210)의 무지부(15)를 절단하면, 무지부(15)의 직경 부위 양측에 직선 형태의 제1절단라인(113)을 형성할 수 있다.
상기 실시예에서는 절곡예정부(117a)를 규정하는 한 쌍의 제1블레이드(211)가 서로 평행하게 배치된 구조를 예시하고 있다. 그러나 한 쌍의 제1블레이트(211)가 반드시 평행하게 배치될 필요는 없다. 가령, 한 쌍의 제1블레이드(211)는 원심 쪽으로 갈수록 점차 그 사이가 멀어지는 형태이거나, 구심 쪽으로 갈수록 점차 그 사이가 멀어지는 형태일 수도 있다. 또한 상기 제1블레이드(211)는 직선형인 것을 예시하고 있으나, 상기 제1블레이드(211)가 반드시 직선형이어야 하는 것도 아니다. 가령 상기 제1블레이드(211)는 완만한 곡선 형태일 수도 있다.
또한 상기 실시예에서는 절곡예정부(117a)를 규정하는 한 쌍의 제1블레이드(211)가 각각 한 쌍의 제1진동 발생부(213)에 고정된 구조를 예시하고 있다. 그러나 상기 한 쌍의 제1블레이드(211)는 하나의 제1진동 발생부(213)에 함께 고정될 수도 있다.
또한 상기 실시예에서는 절곡예정부(117a)를 규정하는 한 쌍의 제1블레이드(211)가 무지부를 동시에 커팅하는 방식이 예시되어 있다. 그러나 이는 하나의 제1블레이드(211)가 상기 전극셀 바디부(210)의 직경부위 양측 중 어느 한 쪽을 먼저 가공한 뒤 나머지 한 쪽을 가공하는 방식을 배제하지 않는다.
또한 상기 실시예에서는 제1블레이드(211)가 곧게 연속적으로 연장된 하나의 블레이드 형태임을 예시하고 있으나, 어차피 무지부를 커팅하지 않는 구간(가령, 코어부 구간)에서 상기 블레이드가 불연속적이어도 무방할 것이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 한 쌍의 제1블레이드(211)는 전극셀 바디부(210)의 직경을 기준으로 일정 각도 경사진 형태로 배치된다. 이때, 상기 제1블레이드(211)의 바깥쪽 경사각(θ2)은 150° 이상 180° 미만으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 한 쌍의 제1블레이드(211)가 전극셀 바디부(210)의 무지부(15)를 절단하면, 무지부(15)의 직경 양측에 경사진 형태의 제1절단라인(113)을 형성할 수 있다.
물론, 제1블레이드(211)의 바깥쪽 경사각(θ2)은 180° 초과 210° 이하로 형성될 수 있다. 상기 이러한 한 쌍의 제1블레이드(211)의 각도는 전극셀 바디부(111)의 직경이나 배터리 팩의 용량, 그리고 거기에 용접될 집전 플레이트(130,140)의 형상에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
상기 실시예에서는 절곡예정부(117a)를 규정하는 한 쌍의 제1블레이드(211)가 코어부(112)의 중심을 기준으로 서로 대칭되게 경사진 구조를 예시하고 있다. 그러나 한 쌍의 제1블레이트(211)가 코어부(112)의 중심을 기준으로 반드시 대칭되게 경사진 구조로 형성될 필요는 없다. 가령, 한 쌍의 제1블레이드(211)가 코어부(112)의 중심에서 구심 쪽으로 갈수록 서로 다른 각도로 형성될 수도 있다. 또한 상기 제1블레이드(211)는 직선형인 것을 예시하고 있으나, 상기 제1블레이드(211)가 반드시 직선형이어야 하는 것도 아니다. 가령 상기 제1블레이드(211)는 코어부(112) 측이나 그 반대 측으로 완만한 곡선 형태일 수도 있다.
제1진동 발생부(213)는 초음파 진동자를 포함할 수 있다. 제1진동 발생부(213)는 제1블레이드(211)가 전극셀 바디부(111)의 축방향으로 이동되면서 무지부(15)를 절단할 때에 초음파 진동된다.
제1블레이드(211)가 상기 무지부(15)를 축방향으로 누르는 힘이 제1절단라인(113)을 가공하는 데에 사용되지 않고 상기 무지부(15)를 누르게 되면, 무지부(15)가 좌굴되거나, 제1절단라인(113) 부근의 무지부(15) 부위가 휘거나 접히는 등의 변형이 발생할 여지가 있다.
제1블레이드(211)가 초음파 진동하게 되면, 제1블레이드(211)가 무지부(15)를 커팅할 때 위와 같은 현상을 방지하고 컷팅 가공이 매우 원활하게 이루어진다. 이에 따라, 무지부(15)의 절단 속도를 향상시키고, 무지부(15)의 제1절단라인(113)을 매끄럽게 형성할 수 있다. 이러한 제1진동 발생부(213)는 제1블레이드(211)를 진동시키는 한 다양한 진동 방식이 적용될 수 있다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 제2커터부(220)는 무지부(15)를 반경방향으로 절단하는 제2블레이드(221)와, 제2블레이드(221)가 고정되는 제2진동 발생부(223)를 포함한다.
제2블레이드(221)는 선단부가 직선 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 선단부에는 칼날이 구비될 수 있다. 이러한 직선형 선단부를 갖는 제2블레이드(221)가 절단 예정부(115a)의 제2절단라인(16a)을 절단하면, 도 11과 같이 절곡예정부(117a)가 전극셀 조립체(110)의 직경방향과 일직선을 이루도록 배치된다. 또한, 절단면부(115)는 코어부(112) 측의 내측 단부(115b)가 직선 형태로 형성되고, 외측 단부(115c)가 원호 형태로 형성된다. 상기 내측 단부(115b)는 절곡예정부(117a)와 절단면부(115)의 경계선을 이룬다. 상기 외측 단부(115c)는 전극셀 바디부(111)의 외주면 상에 배치된다.
또한, 제2블레이드(221)의 선단부는 그 중심부를 기준으로 양측으로 경사지게 형성될 수 있다. 이때, 제2블레이드(221) 선단부의 중심각이 150° 이상 내지 180° 미만으로 형성된다. 상기 제2블레이드(221)는 양날형일 수 있다. 즉 상기 선단부로 연장되는 두 빗변 부분에 해당하는 위치에 칼날이 구비될 수 있다. 이렇게 경사진 형태의 선단부를 갖는 제2블레이드(221)가 절단 예정부(115a)의 제2절단라인(16a)을 절단하면, 도 8과 같이 절곡예정부(117a)는 중심부 측의 폭이 외곽측의 폭보다 좁게 형성된다. 또한, 절단면부(117a)는 코어부(112) 측의 내측 단부의 중심각(θ1)이 150° 이상 내지 180° 미만으로 형성되고, 외측 단부가 원호 형태로 형성된다. 또한, 상기 절단면부(117a)의 외측 단부는 원호 형태로 형성된다. 상기 내측 단부(115b)는 절곡예정부(117a)와 절단면부(115)의 경계선을 이룬다. 상기 외측 단부(115c)는 전극셀 바디부(111)의 외주면 상에 배치된다.
물론, 상기 제2블레이드(221)의 선단부의 중심각은 180° 초과 내지 210° 이하로 형성될 수도 있다.
상기한 제2블레이드(221)의 선단부 중심각은 상술한 제1블레이드(211)의 중심각(θ2: 도 7 참조)과 동일한 각도로 형성된다. 이에 따라, 제1블레이드(211)가 축방향으로 이동되면서 무지부(15)에 직경방향으로 제1절단라인(113)을 형성하고, 제2블레이드(221)가 제1절단라인(113)과 만나되도록 절단 예정부(115a)의 제2절단라인(16a)을 반경방향으로 절단하면, 직선형 절곡예정부(117a)의 양측에 절단면부(115)가 반원 형태에 가깝게 형성된다.
상기 제2블레이드(221)가 반경방향으로 진행하며 제2절단라인(16a)을 형성할 때, 상기 제2블레이드(221)의 뾰족한 선단부가 먼저 무지부(15)의 절단 예정부(115a)의 둘레방향 중앙부를 커팅하여 들어가고, 제2블레이드(221)가 구심 방향으로 진행할수록 양날이 제2절단라인(16a)을 원주방향 양측으로 확대해 나아간다. 제2블레이드(221)가 반경방향으로 무지부(15)의 측면에 힘을 가할 때, 제2블레이드(221)의 넓은 면적이 한꺼번에 무지부(15)의 측면에 닿지 않고, 뾰족한 선단부에 힘이 집중되어 무지부(15)에 가해진다. 따라서 무지부(15)의 측면에 제2절단라인(16a)을 형성함에 있어서, 무지부(15)가 측방으로 눌려 변형되지 않게 된다. 일단 선단부가 무지부(15)를 절단하여 들어간 뒤에는, 제2커터부(220)가 구심 방향으로 이동함에 따라 제2커터부(220)의 양날이 제2절단라인(16a)을 둘레방향으로 가압하며 절개해 나아간다. 이러한 제2커터부(220)의 절개 방식과 절개 방향은 무지부(15)의 변형을 최소화한다.
상술한 제2블레이드(221)의 선단부는 제1블레이드(211)와 대응되는 형태로 형성될 수 있다. 가령, 제1블레이드(211)가 직선형으로 형성되는 경우, 제2블레이드(221)의 선단부도 직선형으로 형성될 수 있다. 또한, 제1블레이드(211)가 일정 각도로 형성되는 경우, 제2블레이드(221)의 선단부도 일정 각도로 형성될 수 있다. 제1블레이드(211)가 라운드지게 형성되는 경우, 제2블레이드(221)의 선단부도 라운드지게 형성될 수 있다.
제2진동 발생부(223)는 초음파 진동자를 포함할 수 있다. 제2진동 발생부(223)는 제2블레이드(221)가 전극셀 바디부(111)의 반경방향으로 이동되면서 무지부(15)를 절단할 때에 초음파 진동된다. 이에 따라, 무지부(15)의 절단 속도를 향상시키고, 절단면부(115)가 매끄럽게 형성될 수 있다. 이러한 제2진동 발생부(223)는 제2블레이드(221)를 진동시키는 한 다양한 진동 방식이 적용될 수 있다.
전극셀 바디부(111)의 축방향 일측 또는 양측에는 무지부(15)와 코어부(112) 사이에 리세스부(112a)가 형성된다. 리세스부(112a)는 코어부(112)를 둘러싸도록 환형으로 형성된다. 리세스부(112a)의 반경방향 폭(W2)은 무지부(15)의 높이(W1)와 동일하거나 약간 넓거나 좁게 형성될 수 있다(도 9 및 도 10 참조). 리세스부(112a)는 코어부(112)와 동심을 이루도록 형성된다. 리세스부(112a)는 절단면부(115)와 동일 평면을 이루거나 약간 낮게 형성될 수 있다.
한 쌍의 절단라인(113)은 전극셀 바디부(111)의 무지부(15)에서 리세스부(112a)보다 반경방향 외측 부위에 마련되고, 축방향으로 소정 깊이까지 형성될 수 있다.
상기 리세스부(112a)의 반경방향 폭은, 반경방향으로 상기 리세스부(112a)와 인접하여 배치된 상기 절단라인(113)의 하단부로부터 측정되는 상기 절곡예정부(117a)의 축방향 높이와 대응할 수 있다.
상기 절단라인(113)의 절단 깊이는, 상기 무지부(15)와 유지부(14)의 경계부(16)에서 상기 축방향 외측으로 일정 거리 이격된 소정 부분에 이를 수 있다.
상기 리세스부(112a)는 축방향으로 상기 소정 부분에 대응하는 높이를 가질 수 있다.
상기 포밍부(117)는, 한 쌍의 절단면부(115) 사이에 배치된 무지부(15)의 절곡예정부(117a)를 축방향에 교차하는 방향, 가령 반경방향으로 가압하여 눕힘에 따라 형성된다. 포밍부(117)는 아래에 설명할 프레스부(230)를 이용하여 무지부(15)의 절곡예정부(117a)를 가압하여 눕힘에 따라 형성될 수 있다. 이때, 포밍부(117)는 절곡예정부(117a)을 이루는 복수의 비절단편이 연속으로 겹쳐지면서 눕혀질 수 있다. 이에 따라, 포밍부(117)는 전극셀 바디부(111)의 축방향에 대해 경사지게 형성되거나 완전히 눕혀져서 평평하게 형성될 수 있다.
상기 포밍부(117)의 폭은 동일하게 형성된다. 예들 들면, 상기 제1블레이드(211)와 제2블레이드(221)의 선단부가 직선형으로 형성되는 경우, 포밍부(117)는 폭이 동일하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 포밍부(117)는 코어부(112) 측의 폭과 외곽의 폭이 다르게 형성될 수 있다. 예들 들면, 제1블레이드(211)의 중심각(θ2: 도 7 참조)과 제2블레이드(221)의 선단부가 경사지게 형성되는 경우, 포밍부(117)는 코어부(112) 측의 폭과 외곽의 폭이 다르게 형성된다.
상기한 포밍부(117)는 집전 플레이트(130,140)에 용접되어 전류 패스(전류 통로)를 형성하는 부분이다. 추가적으로, 한 쌍의 절단면부(115)도 집전 플레이트(130,140)와 용접될 수 있다. 다만 절단면부(115)는 집전 플레이트(130,140)와 선접촉된 상태로 집전 플레이트(130,140)에 용접(가령, 레이저 용접)되므로, 절단면부(115)는 상기 포밍부(117)와 대비하여 전류 패스를 증가시키는 효과가 그리 크지는 않다. 반면, 포밍부(117)는 절곡예정부(117a)를 반경방향으로 눕힘에 따라 형성되므로, 포밍부(117)가 분리막(13)의 두께만큼 이격된 무지부(15)의 간격을 덮어준다. 이러한 포밍부(117)는 집전 플레이트(130,140)에 면접촉된 상태로 용접되므로, 포밍부(117)의 면적이 넓어질수록 전극 조립체(110)와 집전 플레이트(130,140)의 전류 패스가 상대적으로 증가될 수 있다. 이러한 포밍부(117)는 무지부(15) 사이의 간격을 합한 면적만큼 전류 패스를 증가시키므로, 대용량의 배터리 셀(100)에 적용되더라도 배터리 셀(100)의 발열량 증가를 억제하고 발화 가능성을 감소시킬 수 있다.
상기 절단면부(115)가 집전 플레이트(130, 140)와 용접되지 않고 노출되면, 상기 전극 조립체(110)에 전해액을 주입할 때 전해액의 함침성이 증가될 수 있다. 비절단편을 절곡함으로 인해 상기 포밍부(117) 부위에서는 전해액의 함침성이 약해질 수 있지만, 상기 절단면부(115)가 상기 포밍부(117)와 이웃하며 이를 보완해주므로, 전해액의 함침에 별다른 문제가 없다.
본 발명에 따르면, 무지부(15)에서 절단 예정부(115a)와 절곡예정부(117a)가 축방향으로 한 쌍의 제1절단라인(113)을 형성하는 제1커터부(210)에 의해 직경방향으로 분리된 후, 절단 예정부(115a)의 하단부를 제2커터부(220)로 절단하여 절단면부(115)를 형성하고, 절곡예정부(117a)를 가압하여 눕힘에 따라 포밍부(117)를 형성한다. 이에 따라, 절곡예정부(117a)를 가압하여 포밍부(117)를 형성할 때에, 포밍부(117)와 절단면부(115)의 경계부(16)가 찢어지거나 불규칙하게 일그러지면서 변형되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 포밍부(117)와 절단면부(115)의 경계부(16)가 찢어지거나 변형되는 것을 방지할 수 있으므로, 찢어지거나 변형된 부위에서 반대 극성의 전극시트(11,12)와 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 무지부(15)와 유지부(14)의 경계부(16)가 찢어지거나 변형되는 것을 방지함으로써, 유지부(14)에 코팅된 활물질이 유지부(14)로부터 탈리되거나 접합력이 약화되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀(100)의 성능과 용량이 감소되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 분리막(13)의 가장자리가 경계부(16)의 찢어지거나 변형된 부분에 의해 들뜨거나 손상되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 제1전극시트(11)와 제2전극시트(12)의 단락을 방지할 수 있다. 나아가, 배터리 셀(100)의 발열량을 감소시키거나 폭발 가능성을 현저히 감소시킬 수 있다.
또한, 절곡예정부(117a)의 양측에 절단면부(115)가 제거된 상태에서 절곡예정부(117a)를 가압하여 포밍부(117)를 형성하므로, 절곡예정부(117a)의 비절단편들이 스프링백(spring back) 현상에 의해 경사지게 세워지면서 벌어지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 프레스부(230)를 이용하여 절곡예정부(117a)를 강한 압력으로 가압하면, 포밍부(117)(절곡예정부(117a)의 비절단편들)가 절단면부(115)에 최대한 평평하게 밀착된 상태로 중첩될 수 있다. 이에 따라, 포밍부(117)와 절단면부(115)가 집전 플레이트(130,140)에 면접촉된 상태로 용접됨에 따라 용접 단면적이 현저히 증가될 수 있다. 또한, 용접 단면적이 증가됨에 따라 전류 패스의 단면적이 증가되어 배터리 셀(100)의 저항을 현저히 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반비례하기 때문이다.
절단면부(115)는 무지부(15)와 유지부(14)의 경계부(16)에서 축방향 외측으로 일정 거리 이격된 부분(16a)을 절단함에 따라 형성될 수 있다. 이에 따라, 제2커터부(220)가 유지부(14)에서 이격된 위치에서 무지부(15)를 절단하므로, 유지부(14)에 코팅된 활물질이 탈리되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 무지부(15)가 약간 변형되면서 절단되더라도 유지부(14)가 손상되거나 변형되는 것을 방지할 수 있다.
상기한 절단면부(115)의 중심각(θ1: 도 8 참조)은 전극셀 바디부(111)의 직경, 배터리 셀(100)의 용량 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다. 예들 들면, 전극셀 바디부(111)의 직경이 커질수록 절단면부(115)의 중심각을 150°에 가깝게 형성할 수 있다. 이는 전극셀 바디부(111)의 직경이 커질수록 전류 패스의 단면적 확대가 발열이나 발화 방지에 유리하므로, 포밍부(117)의 면적을 증가시키기 위해 절단면부(115)의 중심각(θ1)을 감소시키는 것이다. 또한, 전극셀 바디부(111)의 용량이 증가될수록 절단면부(115)의 중심각을 150°에 가깝게 형성할 수 있다.
포밍부(117)는 무지부(15)의 절곡예정부(117a)를 전극셀 바디부(111)의 코어부(112) 측으로 눕혀지는 형태로 형성될 수 있다. 이에 따라, 포밍부(117)가 전극셀 바디부(111)의 외주면에서 바깥쪽으로 돌출되는 것을 방지하므로, 배터리 셀(100) 제조시 전극 조립체(110)가 전지캔(120)의 내부에 원활하게 투입될 수 있다. 또한, 포밍부(117)가 전지캔(120)에 걸리는 것을 방지할 수 있다.
절곡예정부(117a)를 전극셀 바디부(111)의 코어부(112) 측으로 눕히는 경우, 코어부(112)와 인접한 절곡예정부(117a)가 눕혀질 때 상기 코어부(112)를 가리는 현상이 발생할 수 있다. 즉, 도 1(a)에 도시된 바와 같이 무지부(15)의 일부 구간을 커팅하지 않은 상태에서 코어부(112)에 인접한 무지부(15)가 눕혀짐에 따라 포밍부(117)가 코어부(112)를 가릴 수 있다.
상기 코어부(112)는 전해액이 투입되는 통로가 되기도 하고, 경우에 따라서는 용접봉이 삽입되는 통로가 될 수도 있다. 이에 상기 코어부(112)는 축방향으로 오픈되어 있는 것이 바람직하다. 이에, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 코어부(112) 측에 위치하는 무지부(15)의 일부 구간(C)을 미리 커팅한 상태에서 앞서 설명한 바와 같이 전극 조립체(110)를 제작하면, 도 11에 도시된 바와 같이 코어부(112)와 인접하는 무지부(15)가 삭제된 형태의 리세스부(112a)가 형성되고, 이 상태에서 포밍부(117)를 형성하면, 도 12와 같이 절곡예정부(117a)의 최내측이 리세스부(112a)에 겹쳐져 코어부(112)가 가려지는 일이 없게 된다.
전극셀 바디부(111)의 중심부에는 코어부(112)가 형성될 수 있다. 코어부(112)는 전극셀 바디부(111)의 중심부를 관통하는 중공 형태로 형성된다. 코어부(112)의 단면은 원형일 수 있다. 코어부(112)가 중공 형태로 형성되므로, 전극 조립체(110)가 전지캔(120)에 투입된 후 전해액 주입기(미도시)가 코어부(112)를 통해 전해액을 주입할 수 있다. 이에 따라, 전해액 주입 시간을 단축할 수 있으므로, 배터리 셀(100)의 제조 시간을 단축할 수 있다. 또한, 전해액 주입기가 코어부(112)에 삽입될 때에, 코어부(112) 근처의 전극시트(11,12)나 분리막(13)이 걸려 찢어지거나 손상되는 것을 방지할 수 있다.
전극셀 바디부(111)는 원통형으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 원통형 전지캔(120)의 내측면에 전극셀 바디부(111)의 외측면이 밀착되도록 투입할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 배터리 셀의 제조방법에 관해 설명하기로 한다.
도 14는 본 발명에 따른 배터리 셀의 제조방법을 도시한 플로우차트이다.
도 14를 참조하면, 시트 형태의 제1전극시트(11)와 제2전극시트(12) 사이에 분리막(13)이 적층된다(S11). 이때, 제1전극시트(11), 제2전극시트(12) 및 분리막(13)이 적층된 구조물을 전극 적층체(10)라고 한다. 전극 적층체(10)에서 제1전극시트(11)의 무지부(15)는 전극 적층체(10)의 폭방향 일측으로 돌출되고, 제2전극시트(12)의 무지부(15)는 전극 적층체(10)의 폭방향 타측으로 돌출된다.
제1전극시트(11)와 제2전극시트(12) 및 분리막(13)이 젤리롤 타입으로 권취된다(S12). 이때, 전극 적층체(10)를 권취봉에 권취하여 전극 조립체(110)를 형성하고, 권취봉을 전극 조립체(110)에서 분리한다. 전극 조립체(110) 중심부에는 권취봉이 빠진 부분에 중공 형태의 코어부(112)가 형성된다. 코어부(112)는 전극 조립체(110)의 축방향을 관통하도록 형성된다. 상기 전극 적층체(10)에 제1전극시트(11)와 제2전극시트(12) 및 분리막(13)이 많이 적층될수록 전극 조립체(110)의 권취 시간 및 제조 시간을 단축시킬 수 있다.
도 1(b)에 도시된 무지부의 일부 영역(C) 제거는 전극 적층체 공정(S11) 후 권취 공정(S12) 전에 이루어질 수 있다. 이는 무지부(15)의 일부 영역을 레이저 커팅 가공으로 커팅하여 제거하는 과정일 수 있다.
상기 소정 구간(C)에서 무지부(15)가 제거된 깊이와, 상기 절단라인(113)의 깊이는 서로 대응할 수 있다.
전극셀 바디부(111)의 축방향 일측 또는 양측에는 무지부(15)와 코어부(112) 사이에 리세스부(112a)가 형성된다. 리세스부(112a)는 코어부(112)를 둘러싸도록 환형으로 형성된다. 리세스부(112a)의 반경방향 폭(W2)은 무지부(15)의 높이(W1)와 동일하거나 약간 넓거나 좁게 형성될 수 있다(도 9 및 도 10 참조). 리세스부(112a)는 코어부(112)와 동심을 이루도록 형성된다. 리세스부(112a)는 절단면부(115)와 동일 평면을 이루거나 약간 낮게 형성될 수 있다.
제1커터부(210)가 배터리 셀(100)의 축방향으로 이동되면서 제1전극시트(11)와 제2전극시트(12)의 무지부(15)를 직경방향으로 나란하게 절단한다(S13). 이때, 제1커터부(210)가 전극셀 바디부(111)의 무지부(15)를 축방향으로 절단하여 절단 예정부(115a)와 절곡예정부(117a)를 분리시킨다. 절단 예정부(115a)와 절곡예정부(117a) 사이에는 직경방향에 나란한 한 쌍의 제1절단라인(113)이 형성된다. 이때, 절단 예정부(115a)와 절곡예정부(117a)는 전극셀 바디부(111)의 축방향을 따라 세워진 상태를 그대로 유지한다.
제2커터부(220)가 배터리 셀(100)의 반경방향으로 이동되면서 무지부(15)의 제2절단라인을 절단하여 절단면부(115)를 형성한다(S14). 제2커터부(220)가 무지부(15)의 절단 예정부(115a)를 반경방향으로 절단하여 전극셀 바디부(111)에서 제거한다. 이에 따라, 전극셀 바디부(111)의 무지부(15)에는 절곡예정부(117a)가 직경방향과 일직선상에 배치된다. 또한, 절단면부(115)는 절곡예정부(117a)의 양측에 반원 형태로 형성된다.
프레스부(230)가 무지부(15)의 절곡예정부(117a)를 가압하여 눕힘에 따라 포밍부(117)를 형성한다(S15). 포밍부(117)는 절단면부(115) 사이에 배치되고, 무지부(15)의 절곡예정부(117a)를 가압하여 눕힘에 따라 형성된다. 포밍부(117)는 아래에 설명할 프레스부(230)를 이용하여 무지부(15)의 절곡예정부(117a)를 가압하여 눕힘에 따라 형성될 수 있다. 이때, 절곡예정부(117a)을 이루는 복수의 비절단편이 연속으로 겹쳐지면서 눕혀질 수 있다. 이에 따라, 포밍부(117)는 전극셀 바디부(111)의 축방향에 약간 경사지게 형성될 수 있다.
절단면부(115)는 집전 플레이트(130,140)와 선접촉된 상태로 집전 플레이트(130,140)에 레이저 용접되므로, 절단면부(115)는 전류 패스를 거의 증가시키지 못한다. 반면, 포밍부(117)는 절곡예정부(117a)를 반경방향으로 눕혀 형성하므로, 포밍부(117)가 분리막(13)의 두께만큼 이격된 무지부(15)의 간격을 덮어준다. 이러한 포밍부(117)는 집전 플레이트(130,140)에 면접촉된 상태로 용접되므로, 포밍부(117)의 면적이 넓어질수록 전극 조립체(110)와 집전 플레이트(130,140)의 전류 패스가 상대적으로 증가될 수 있다. 이러한 포밍부(117)는 무지부(15)의 간격을 합한 면적만큼 전류 패스를 증가시키므로, 대용량의 배터리 셀(100)에 적용되더라도 배터리 셀(100)의 발열량 증가를 억제하고 발화 가능성을 감소시킬 수 있다.
무지부(15)에서 절단 예정부(115a)와 절곡예정부(117a)가 서로 분리된 후 절단 예정부(115a)를 절단하여 절단면부(115)를 형성하고, 절곡예정부(117a)를 가압하여 눕힘에 따라 포밍부(117)를 형성한다. 이에 따라, 절곡예정부(117a)를 가압하여 포밍부(117)를 형성할 때에, 포밍부(117)와 절단면부(115)의 경계부(16)가 찢어지거나 불규칙하게 일그러지면서 변형되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 분리막(13)의 가장자리가 경계부(16)의 찢어지거나 변형된 부분에 의해 들뜨거나 손상되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 제1전극시트(11)와 제2전극시트(12)의 단락을 방지할 수 있다. 나아가, 배터리 셀(100)의 발열량을 감소시키거나 폭발 가능성을 현저히 감소시킬 수 있다.
절단면부(115)는 전극셀 바디부(111)의 포밍부(117) 양측에 반원 형태로 형성될 수 있다. 절단면부(115)가 반원 형태로 형성되므로, 하나의 포밍부(117)가 한 쌍의 절단면부(115) 사이에 방사상으로 배치될 수 있다.
절단면부(115)는 코어부(112) 측의 내측 단부(115b)가 직선 형태로 형성되고, 외측 단부(115c)가 원호 형태로 형성된다. 상기 내측 단부(115b)는 절곡예정부(117a)와 절단면부(115)의 경계선을 이룬다. 상기 외측 단부(115c)는 전극셀 바디부(111)의 외주면 상에 배치된다.
절단면부(117a)는 코어부(112) 측의 내측 단부의 중심각(θ1)이 150° 이상 내지 180° 미만으로 형성되고, 외측 단부가 원호 형태로 형성된다. 또한, 상기 절단면부(117a)의 외측 단부는 원호 형태로 형성된다. 상기 내측 단부(115b)는 절곡예정부(117a)와 절단면부(115)의 경계선을 이룬다. 상기 외측 단부(115c)는 전극셀 바디부(111)의 외주면 상에 배치된다.
또한, 절단면부(117a)는 코어부(112) 측의 내측 단부의 중심각(θ1)이 180° 초과 내지 210° 미만으로 형성되고, 외측 단부가 원호 형태로 형성될 수도 있다.
또한, 절단면부(117a)는 코어부(112) 측의 내측 단부가 라운드지게 형성되고, 외측 단부가 원호 형태로 형성될 수도 있다.
절단면부(115)는 무지부(15)와 유지부(14)의 경계부(16)에서 축방향 외측으로 일정 거리(H: 도 10 참조) 이격된 부분(16a)을 절단함에 따라 형성될 수 있다. 이에 따라, 제2커터부(220)가 유지부(14)에서 이격된 위치에서 무지부(15)를 절단하므로, 유지부(14)에 코팅된 활물질이 탈리되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 무지부(15)가 약간 변형되면서 절단되더라도 유지부(14)가 손상되거나 변형되는 것을 방지할 수 있다.
포밍부(117)는 무지부(15)의 절곡예정부(117a)가 전극셀 바디부(111)의 코어부(112) 측으로 눕혀지는 형태로 형성될 수 있다. 이에 따라, 포밍부(117)가 전극셀 바디부(111)의 외주면에서 바깥쪽으로 돌출되는 것을 방지하므로, 배터리 셀(100) 제조시 전극 조립체(110)가 전지캔(120)의 내부에 원활하게 투입될 수 있다. 또한, 포밍부(117)가 전지캔(120)에 걸리는 것을 방지할 수 있다.
상기 포밍부(117)는, 한 쌍의 절단면부(115) 사이에 배치된 무지부(15)의 절곡예정부(117a)를 축방향에 교차하는 방향, 가령 반경방향으로 가압하여 눕힘에 따라 형성된다. 포밍부(117)는 프레스부(230)를 이용하여 무지부(15)의 절곡예정부(117a)를 가압하여 눕힘에 따라 형성될 수 있다. 이때, 포밍부(117)는 절곡예정부(117a)을 이루는 복수의 비절단편이 연속으로 겹쳐지면서 눕혀질 수 있다. 이에 따라, 포밍부(117)는 전극셀 바디부(111)의 축방향에 대해 경사지게 형성되거나 완전히 눕혀져서 평평하게 형성될 수 있다.
상기 포밍부(117)의 폭은 동일하게 형성된다. 예들 들면, 상기 제1블레이드(211)와 제2블레이드(221)의 선단부가 직선형으로 형성되는 경우, 포밍부(117)는 폭이 동일하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 포밍부(117)는 코어부(112) 측의 폭과 외곽의 폭이 다르게 형성될 수 있다. 예들 들면, 제1블레이드(211)의 중심각(θ2: 도 7 참조)과 제2블레이드(221)의 선단부가 경사지게 형성되는 경우, 포밍부(117)는 코어부(112) 측의 폭과 외곽의 폭이 다르게 형성된다.
제1커터부(210)는 제1진동 발생부(213)에 의해 진동되면서 무지부(15)를 절단한다. 제1진동 발생부(213)는 초음파 진동자를 포함할 수 있다. 제1커터부(210)가 진동되면서 무지부(15)를 절단하므로, 무지부(15)의 절단 성능 및 절단 속도가 향상될 수 있다.
제2커터부(220)는 제2진동 발생부(223)에 의해 진동되면서 무지부(15)를 절단한다. 제2진동 발생부(223)는 초음파 진동자를 포함할 수 있다. 제2커터부(220)가 진동되면서 무지부(15)를 절단하므로, 무지부(15)의 절단 성능 및 절단 속도가 향상될 수 있다.
상술한 절단면부(115)의 가공은, 제1커터부(210)에 의한 가공을 먼저 한 뒤, 제2커터부(220)에 의한 가공을 하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 전극 조립체를 이용하여 제조되는 배터리 셀에 관해 설명하기로 한다.
도 15는 본 발명에 따른 전극 조립체를 도시한 단면도이다.
도 15를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 셀(100)은 전극 조립체(110), 전지캔(120), 밀봉캡부(150) 및 제1집전 플레이트(130)를 포함한다.
전극 조립체(110)는 상술한 바와 실질적으로 동일하므로 그 설명을 생략하기로 한다.
전지캔(120)의 내부에는 전극 조립체(110)가 수용된다. 전지캔(120)은 제1전극시트(11) 및 제2전극시트(12) 중 어느 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 띤다. 전지캔(120)은 전류가 흐를 수 있도록 도전성 재질로 형성될 수 있다. 예들 들면, 전지캔(120)은 스테인리스 재질, 알루미늄 재질 등을 포함하는 재질로 제조될 수 있다. 전지캔(120)은 일측(도 15의 상측)에 개방단이 형성되는 원통형으로 형성될 수 있다.
밀봉캡부(150)는 전지캔(120)의 개방단을 밀봉한다. 밀봉캡부(150)는 전지캔(120)과 절연되도록 설치된다. 밀봉캡부(150)는 외부의 이물질이나 습기가 전지캔(120) 내부로 침투되는 것을 방지한다.
제1집전 플레이트(130)는 제1전극시트(11) 및 제2전극시트(12) 중 다른 하나와 전기적으로 연결되는 제2극성을 띤다. 제1집전 플레이트(130)는 전극 조립체(110)와 밀봉캡부(150) 사이에 배치될 수 있다. 제1집전 플레이트(130)는 밀봉캡부(150)에 전기적으로 연결된다. 제1집전 플레이트(130)는 제1전극시트(11) 및 제2전극시트(12) 중 다른 하나의 무지부(15)와 용접될 수 있다. 이때, 무지부(15)의 포밍부(117)는 제1집전 플레이트(130)에 면접촉된 상태로 용접되고, 무지부(15)의 절단면부(115)는 제1집전 플레이트(130)에 선접촉된 상태로 용접될 수 있다. 이에 따라, 무지부(15)와 제1집전 플레이트(130)의 용접 단면적이 증가되므로, 전류 패스의 단면적이 증가되어 배터리 셀(100)의 전기 저항을 현저히 감소시킬 수 있다. 또한, 배터리 셀(100)의 발열량을 감소시키고, 배터리 셀(100)의 발화 가능성을 낮출 수 있다.
제1전극시트(11)는 음극시트이고, 제2전극시트(12)는 양극시트일 수 있다. 또한, 제1전극시트(11)는 양극시트이고, 제2전극시트(12)는 음극시트일 수 있다.
상기한 전지캔(120)의 내부에는 전극 조립체(110)의 코어부(112)를 통해 전해액을 주입한다.
전해액은 A +B-와 같은 구조를 갖는 염일 수 있다. 여기서, A+는 Li +, Na+, K+ 와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 그리 고 B-는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2) 2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN-및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루 어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함한다.
전해액은 또한 유기 용매에 용해시켜 사용할 수 있다. 유기 용매로는, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이 트(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), 에틸 메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γ-butyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
밀봉캡부(150)는, 제1집전 플레이트(130)를 커버하며, 가장자리가 서포터부(122)의 내주면과 제1집전 플레이트(130) 사이에 개재된 인슐레이터(157)를 더 포함할 수 있다. 인슐레이터(157)는 밀봉캡부(150)와 전지캔(120)을 전기적으로 절연시킨다.
인슐레이터(157)는 절연성이 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 인슐레이터(157)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트로 이루어질 수 있다.
밀봉캡부(150)는 전지캔(120)의 개방단을 차단하도록 설치되는 캡 플레이트(151)를 포함한다. 캡 플레이트(151)는 전체적으로 원판 형태로 형성될 수 있다. 캡 플레이트(151)의 중심부에는 외부 단자(152)가 외측(도 13의 상측)으로 돌출되게 형성된다.
밀봉캡부(150)는 캡 플레이트(151)의 하측에 배치되는 벤트 플레이트(153)를 포함한다. 벤트 플레이트(153)(vent plate)는 전지캔(120)의 내부 압력이 기 설정된 압력 이상이 되면 파손된다. 이러한 벤트 플레이트(153)는 배터리 셀(100)의 폭발을 방지한다.
벤트 플레이트(153)와 제1집전 플레이트(130)는 리드부(155)에 의해 전기적으로 연결된다. 또한, 벤트 플레이트(153)는 캡 플레이트(151)와 접촉되어 전류 패스의 일부를 형성한다.
전지캔(120)의 개방단의 하측에는 전지캔(120)의 내측으로 함몰되는 서포터부(122)가 형성된다. 서포터부(122)의 상측에는 벤트 플레이트(153)와 캡 플레이트(151)가 적층된다.
서포터부(122)의 내측면과 벤트 플레이트(153)와 캡 플레이트(151)의 둘레부에는 인슐레이터(157)가 개재된다. 인슐레이터(157)는 제1집전 플레이트(130)를 커버하며, 가장자리가 서포터부(122)의 내주면과 제1집전 플레이트(130) 사이에 개재한다. 이러한 인슐레이터(157)는 밀봉캡부(150)의 일부를 구성한다.
전지캔(120)의 개방단에는 캡 플레이트(151)와 인슐레이터(157)를 가압하도록 클램핑부(123)가 형성된다. 클램핑부(123)를 전지캔(120)의 개방단을 내측으로 절곡하여 캡 플레이트(151)의 둘레와 전지캔(120)의 개방단 사이를 밀봉한다. 서포터부(122)가 클램핑부(123)가 제1집전 플레이트(130)와 벤트 플레이트(153)의 둘레를 압착하면서 고정시키므로, 제1집전 플레이트(130)와 벤트 플레이트(153)의 이동이 제한되어 배터리 셀(100)의 조립 안정성이 향상될 수 있다. 또한, 외부 충격에 의해 전지캔(120)의 기밀이 누설되는 것을 방지할 수 있다.
제1전극시트(11) 및 제2전극시트(12) 중 어느 하나가 전지캔(120)은 제2집전 플레이트(140)를 매개로 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 제2집전 플레이트(140)는 제1전극시트(11) 및 제2전극시트(12) 중 어느 하나에 형성된 무지부(15)와 용접될 수 있다. 무지부(15)의 절단면부(115) 및 포밍부(117)와 제2집전 플레이트(140)가 레이저에 의해 용접될 수 있다. 이에 따라, 무지부(15)와 제2집전 플레이트(140)의 용접 단면적이 증가되므로, 전류 패스의 단면적이 증가되어 배터리 셀(100)의 전기 저항을 현저히 감소시킬 수 있다. 또한, 배터리 셀(100)의 발열량을 감소시키고, 배터리 셀(100)의 발화 가능성을 낮출 수 있다.
또한, 제1전극시트(11) 및 제2전극시트(12) 중 어느 하나에 형성된 무지부(15)는 전지캔(120)의 내측면에 직접 용접될 수 있음은 물론이다.
도 16은 본 발명에 따른 전극 조립체가 팩 하우징에 수용된 상태를 도시한 사시도이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩은 원통형 배터리 셀(100)이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(101)을 포함한다. 원통형 배터리 셀(100)은 상술한 실시예에 따른 배터리 셀(100) 중 어느 하나일 수 있다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 배터리 셀(100)들의 전기적 연결을 위한 버스바(미도시), 냉각 유닛(미도시), 외부 단자(미도시) 등의 부품의 도시는 생략되었다.
배터리 팩은 차량(300)에 탑재될 수 있다. 차량(300)은 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차는 4륜 자 동차 또는 2륜 자동차를 포함한다.
도 17은 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함하는 차량을 설명하기 위한 도면이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량(300)은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(100)을 포함한다. 자동차는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(100)로부터 전력을 공급받아 운행된다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (36)

  1. 시트 형태의 제1전극시트(11)와 제2전극시트(12)와 분리막(13)이 적층된 상태로 권취되며, 상기 제1전극시트(11)와 상기 제2전극시트(12) 중 적어도 어느 한 시트의 폭방향 단부에 활물질층이 코팅되지 않는 무지부(15)가 구비된 전극 조립체(110)의 무지부(15)의 적어도 일 부분을 절단하는 커팅장치로서,
    상기 전극 조립체(110)의 축방향으로 이동하면서 축방향으로 연장된 상기 무지부(15)를 축방향으로 절단하여 상기 무지부(15)의 직경방향에 나란하도록 한 쌍의 제1절단라인(113)을 형성하는 제1커터부(210); 및
    상기 전극 조립체(110)의 반경방향으로 이동하면서 둘레방향으로 권취된 상기 무지부(15)에 둘레방향으로 한 쌍의 제2절단라인(16a)을 형성하되, 한 쌍의 상기 제2절단라인(116a)이 해당 제1절단라인(113)에 각각 연결되도록 하여 상기 제1절단라인(113)과 상기 제2절단라인(116a)에 의해 둘러싸인 무지부 부분을 절취해 냄으로써 상기 무지부(15)의 한 쌍의 제1절단라인(113)의 외측에 한 쌍의 절단면부(115)를 형성하는 제2커터부(220);를 포함하는, 커팅장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1커터부(210)는 상기 무지부(15)의 직경방향 양측에 배치되고 축방향으로 연장된 한 쌍의 제1블레이드(211)를 포함하는, 커팅장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1커터부(210)는 제1진동 발생부(213)를 더 포함하는, 커팅장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2커터부(220)는 상기 무지부(15)의 제1절단라인(113)의 외측을 절단하도록 단부에 칼날이 형성된 사각 형태로 형성되는, 커팅장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2커터부(220)는 제2진동 발생부(223)를 더 포함하는, 커팅장치.
  6. 제1항의 커팅장치; 및
    상기 무지부(15)가 절취되지 않은 절곡예정부(117a)를 가압하여 눕힘으로써 포밍부(117)를 형성하는 프레스부(230);를 포함하는 전극 조립체 가공 장치로서,
    상기 프레스부(230)는 상기 전극셀 바디부(111)의 반경방향으로 이동되어 상기 무지부(15)의 한 쌍의 제1절단라인(113) 사이의 절곡예정부(117a)를 상기 전극셀 바디부(111)의 반경방향으로 눕히는, 전극 조립체 가공 장치.
  7. 시트 형태의 제1전극시트(11)와 제2전극시트(12)와 분리막(13)을 적층하고 권취하는 단계;
    제1커터부(210)가 상기 배터리 셀(100)의 축방향으로 이동하면서 상기 제1전극시트(11)와 상기 제2전극시트(12)의 무지부(15)를 축방향으로 절단하여 한 쌍의 제1절단라인(113)을 형성하는 단계;
    제2커터부(220)가 상기 배터리 셀(100)의 반경방향으로 이동하면서 둘레방향으로 권취된 상기 무지부(15)에 둘레방향으로 한 쌍의 제2절단라인(16a)을 형성하되, 한 쌍의 상기 제2절단라인(16a)이 해당 제1절단라인(113)에 각각 연결되도록 하여 상기 제1절단라인(113)과 상기 제2절단라인(16a)에 의해 둘러싸인 무지부 부분을 절취해 냄으로써 상기 무지부(15)의 한 쌍의 제1절단라인(113)의 외측에 절단면부(115)를 형성하는 단계; 및
    프레스부(230)가 상기 무지부(15)의 한 쌍의 상기 제1절단라인(113) 사이의 절곡예정부(117a)를 가압하여 반경방향으로 눕힘에 따라 포밍부(117)를 형성하는 단계를 포함하는, 배터리 셀(100)의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 절단면부(115)는 상기 코어부(112) 측의 내측 단부(115b)가 직선 형태로 형성되고, 외측 단부(115c)가 원호 형태로 형성되는, 배터리 셀(100)의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 절단면부(115)는 상기 코어부(112) 측의 내측 단부(115b)의 중심각(θ1)이 150° 이상 180° 미만으로 형성되고, 외측 단부(115c)가 원호 형태로 형성되는, 배터리 셀(100)의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 포밍부(117)는 상기 코어부(112)를 중심으로 직경방향을 따라 형성되는, 배터리 셀(100)의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 포밍부(117)의 폭은 동일하게 형성되는, 배터리 셀(100)의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 포밍부(117)는 상기 코어부(112) 측의 폭과 외곽의 폭이 다르게 형성되는, 배터리 셀(100)의 제조방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 포밍부(117)는 상기 포밍부(117)의 외곽 양측에서 상기 코어부(112) 측을 향하여 눕혀지는 형태로 형성되는, 배터리 셀(100)의 제조방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 절단면부(115)는 상기 무지부(15)와 유지부(14)의 경계부(16)에서 상기 축방향 외측으로 일정 거리 이격된 부분을 절단함에 따라 형성되는, 배터리 셀(100)의 제조방법.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 제1커터부(210)는 제1진동 발생부(213)에 의해 진동되면서 상기 무지부(15)를 절단하는, 배터리 셀(100)의 제조방법.
  16. 제7항에 있어서,
    상기 제2커터부(220)는 제2진동 발생부(223)에 의해 진동되면서 상기 무지부(15)를 절단하는, 배터리 셀(100)의 제조방법.
  17. 시트 형태의 제1전극시트(11), 제2전극시트(12) 및 분리막(13)이 적층되어 젤리롤 타입으로 권취되고, 상기 제1전극시트(11)와 상기 제2전극시트(12) 중 적어도 어느 한 시트의 폭방향 단부에 활물질층이 코팅되지 않는 무지부(15)가 형성되는 전극셀 바디부(111);
    상기 전극셀 바디부(111)의 코어부(112)를 중심으로 상기 무지부(15)의 직경방향 양측을 절취해 냄에 따라 형성되는 한 쌍의 절단면부(115); 및
    한 쌍의 상기 절단면부(115) 사이에 배치되고, 상기 무지부(15)를 절취하지 아니한 부분인 절곡예정부(117a)를 가압하여 눕힘에 따라 형성되는 포밍부(117);를 포함하는, 전극 조립체(110).
  18. 제17항에 있어서,
    상기 절단면부(115)는 상기 코어부(112) 측의 내측 단부(115b)가 직선 형태로 형성되고, 외측 단부(115c)가 원호 형태로 형성되는, 전극 조립체(110).
  19. 제17항에 있어서,
    상기 절단면부(115)는 상기 코어부(112) 측의 내측 단부(115b)의 중심각(θ1)이 150° 이상 내지 180° 미만으로 형성되고, 외측 단부(115c)가 원호 형태로 형성되는, 전극 조립체(110).
  20. 제17항에 있어서,
    상기 포밍부(117)는 상기 코어부(112)의 직경방향을 따라 형성되는, 전극 조립체(110).
  21. 제17항에 있어서,
    상기 포밍부(117)의 폭은 동일하게 형성되는, 전극 조립체(110).
  22. 제17항에 있어서,
    상기 포밍부(117)는 상기 코어부(112) 측의 폭과 외곽의 폭이 다르게 형성되는, 전극 조립체(110).
  23. 제17항에 있어서,
    상기 포밍부(117)는 상기 절곡예정부(117a)를 상기 전극셀 바디부(111)의 반경방향으로 눕혀지는 형태로 형성되는, 전극 조립체(110).
  24. 제17항에 있어서,
    상기 포밍부(117)는 상기 포밍부(117)의 외곽 양측에서 상기 코어부(112) 측을 향하여 눕혀지는 형태로 형성되는, 전극 조립체(110).
  25. 제17항에 있어서,
    상기 절단면부(115)는 상기 무지부(15)와 유지부(14)의 경계부(16)에서 상기 축방향 외측으로 일정 거리 이격된 부분을 절단함에 따라 형성되는, 전극 조립체(110).
  26. 제17항에 있어서,
    상기 코어부(112)는 상기 전극셀 바디부(111)의 중심부를 관통하는 중공 형태로 형성되는, 전극 조립체(110).
  27. 제17항에 있어서,
    상기 전극셀 바디부(111)는 원통형으로 형성되는, 전극 조립체(110).
  28. 제17항에 있어서,
    상기 전극셀 바디부(111)의 무지부(15)에서 코어부(112)측에 배치되고, 그보다 반경 방향 외측에 배치되는 무지부(15)보다 축방향으로 함몰된 높이를 구비하는 리세스부(112a)를 더 포함하는, 전극 조립체(110).
  29. 제28항에 있어서,
    상기 전극셀 바디부(111)의 무지부(15)에서 상기 리세스부(112a)보다 반경방향 외측 부위에 마련되고, 축방향으로 소정 깊이까지 형성되는 한 쌍의 절단라인(113)을 더 포함하는, 전극 조립체(110).
  30. 제28항에 있어서,
    상기 리세스부(112a)의 반경방향 폭은, 반경방향으로 상기 리세스부(112a)와 인접하여 배치된 상기 절단라인(113)의 하단부로부터 측정되는 상기 절곡예정부(117a)의 축방향 높이와 대응하는, 전극 조립체(110).
  31. 제28항에 있어서,
    상기 절단라인(113)의 절단 깊이는, 상기 무지부(15)와 유지부(14)의 경계부(16)에서 상기 축방향 외측으로 일정 거리 이격된 소정 부분에 이르는, 전극 조립체(110).
  32. 제28항에 있어서,
    상기 리세스부(112a)는 축방향으로 상기 소정 부분에 대응하는 높이를 가지는, 전극 조립체(110).
  33. 제17항 내지 제32항 중 어느 한 항의 전극 조립체(110);
    상기 전극 조립체(110)가 수용되며, 상기 제1전극시트(11) 및 상기 제2전극시트(12) 중 어느 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 띠는 전지캔(120);
    상기 전지캔(120)의 개방단을 밀봉하는 밀봉캡부(150); 및
    상기 제1전극시트(11) 및 상기 제2전극시트(12) 중 다른 하나와 전기적으로 연결되는 제2극성을 띠는 제1집전 플레이트(130);를 포함하는, 배터리 셀(100).
  34. 제33항에 있어서,
    상기 밀봉캡부(150)의 외주와 상기 전지캔(120)의 내주 사이에 개재되고, 상기 밀봉캡부(150)와 상기 제1집전 플레이트(130) 사이에 개재된 인슐레이터(157);를 더 포함하는, 배터리 셀(100).
  35. 제33항에 기재된 배터리 셀(100);을 적어도 하나 포함하는, 배터리 팩.
  36. 제33항에 기재된 배터리 팩;을 적어도 하나 포함하는, 차량.
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