WO2023014018A1 - 전극 조립체, 이차전지, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

전극 조립체, 이차전지, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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WO2023014018A1
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이관희
류덕현
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly, a secondary battery, and a battery pack and a vehicle including the same, and more particularly, to a jelly-roll type electrode assembly enabling low resistance implementation, a cylindrical secondary battery including the same, and the same It relates to battery packs and automobiles.
  • This application is an application claiming priority to Korean Patent Application No. 10-2021-0103378 filed on August 5, 2021 and Korean Patent Application No. 10-2022-0089230 filed on July 19, 2022 , All contents disclosed in the specification and drawings of the corresponding application are incorporated into this application by reference.
  • Secondary batteries which are highly applicable to each product group and have electrical characteristics such as high energy density, are used not only in portable devices but also in electric vehicles (EVs) or hybrid electric vehicles (HEVs) driven by an electrical driving source. It is universally applied. These secondary batteries have not only the primary advantage of significantly reducing the use of fossil fuels, but also the advantage of not generating any by-products due to the use of energy, so they are attracting attention as a new energy source for eco-friendliness and energy efficiency improvement.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • a separator which is an insulator, is interposed between a positive electrode and a negative electrode, and the separator is wound to form a jelly-roll type electrode assembly, which is then inserted into a battery can to form a battery.
  • strip-shaped electrode tabs may be connected to the uncoated portions of the positive electrode and the negative electrode, and the electrode tab electrically connects the electrode assembly and the electrode terminal exposed to the outside.
  • the capacity of the cylindrical secondary battery can be increased by increasing the size of the cell. At this time, it is necessary to design a low-resistance cell that can exhibit excellent quality in terms of energy loss and heat generation even at high current density. In the design of such a low-resistance cell, it is important to minimize the current path.
  • FIG. 1 is a view showing a state in which a positive electrode and a negative electrode applied to a conventional cylindrical secondary battery are spread out.
  • an anode 1 and a cathode 2 are shown.
  • a strip-shaped positive electrode tab 1b is connected to the uncoated portion 1a formed at the middle portion of the positive electrode 1 in the longitudinal direction so as to protrude upward along the width direction, and the uncoated portion formed at both ends of the negative electrode 2 in the longitudinal direction.
  • a negative electrode tab (2b) in the form of a strip is connected to protrude downward along the width direction.
  • 1(a) shows a case where there are one positive electrode tab 1b and one negative electrode tab 2b
  • (b) shows a case where there is one positive electrode tab 1b and two negative electrode tabs 2b.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the flow of current or electrons outside the secondary battery in a conventional cylindrical secondary battery.
  • 3 is a view schematically showing the flow of current or electrons in an anode and a cathode constituting an electrode assembly in a conventional cylindrical secondary battery.
  • the current path is largely a path from the module bus bar welding position to the electrode tabs 1b and 2b of each electrode 1 and 2 (hereinafter, a first path), and each electrode ( The path from the electrode tabs 1b and 2b of 1 and 2) to the end point of the electrode can be divided into two types.
  • the first path is shown in FIG. 2, and in FIG. 2, the starting point of the current (marked with a circle) is located at the positive terminal 1c and the negative terminal 2c.
  • the positive terminal 1c is a cap of a sealing body that seals the open portion of the battery can 3, and the negative terminal 2c is the battery can 3.
  • a current path starting from the positive terminal 1c and connected to the positive tab 1b is formed, and a current path starting from the negative terminal 2c and connecting to the negative tab 2b is formed (the connection position is indicated by a triangle). .
  • the first path is determined by the cell appearance.
  • a path through which electrons move corresponds to a current path.
  • the maximum current path of the electrode is determined depending on the geometry of the current collector (foil) constituting the electrode and the location and number of electrode tabs.
  • the maximum current path of the electrode may be defined as the longest distance between the electrode point farthest from the electrode tab and the electrode tab.
  • the maximum current path uniquely determined according to the geometry of the electrode and the number and position of electrode tabs is referred to as the second path of the electrode.
  • 3 shows the second path, which is the maximum current path of the electrode, and shows that the length of the second path varies according to the formation position and number of electrode tabs 1b and 2b.
  • the second path (maximum current path) of the positive electrode 1 is a width direction current path extending from the positive electrode terminal 1c of FIG. 2 along the positive electrode tab 1b inside the cylindrical secondary battery. and a longitudinal current path that traverses the longitudinal direction of the anode 1 and terminates at the lower right corner of the anode 1 (the electrode point furthest from the electrode tab is indicated by a square).
  • the second path (maximum current path) of the negative electrode 2 is a width direction current path that starts from the negative electrode terminal 2c in FIG. 2 and continues along the negative electrode tab 2b inside the cylindrical secondary battery and the length of the negative electrode 2 and a longitudinal current path that traverses the direction and terminates at the upper left corner of the cathode 2.
  • the second path of the anode 1 is the same as that of FIG. 3(a).
  • the second path (maximum current path) of the negative electrode 2 is shorter than that of FIG. 3 (a) because the longitudinal current path is reduced by half. lose As such, when the number of electrode tabs increases, the second path decreases correspondingly due to a decrease in the longitudinal current path.
  • the form factor means a value representing the diameter and height of the cylindrical secondary battery.
  • the first two numbers indicate the diameter of the cell, and the remaining numbers indicate the height of the cell.
  • the conventional cylindrical secondary battery has a very long current path in the longitudinal direction compared to the current path in the width direction.
  • the resistance of a battery increases as the current path lengthens.
  • the reason why the number of negative electrode tabs 2b is increased as shown in (b) compared to (a) of FIG. 3 is to reduce resistance by reducing a longitudinal current path of the negative electrode.
  • the resistance of the cylindrical secondary battery is affected by the resistance along the first path outside the cell and the resistance along the second path inside the cell, and among these, the resistance along the second path is predominantly affected. This is related to the length of the current (or electron) flow path due to the structure of the electrode assembly. Therefore, in consideration of the main cause of this increase in resistance, it is required to find a way to realize low resistance in a cylindrical secondary battery. The smaller the resistance, the less heat is generated in the actual use environment, and is also advantageous during rapid charging or high rate discharging.
  • the jelly-roll type electrode assembly is designed so that the positive electrode uncoated portion and the negative electrode uncoated portion are located at the top and bottom, respectively, and a cylindrical shape having a structure with improved current collection efficiency by welding a current collector plate to the uncoated portion.
  • a secondary battery (a so-called tab-less cylindrical secondary battery) has been proposed.
  • FIGS. 4 to 6 are diagrams showing a manufacturing process of a tab-less cylindrical secondary battery. 4 shows the structure of the electrode, FIG. 5 shows the winding process of the electrode, and FIG. 6 shows the process of welding the collector plate to the bent surface area of the uncoated portion.
  • the positive electrode 10 and the negative electrode 11 have a structure in which an active material 21 is coated on a sheet-shaped current collector 20, and a long side of one side along a winding direction X. It includes an uncoated portion 22 .
  • the long side is a direction parallel to the X-axis direction and means a side having a relatively long length.
  • the electrode assembly (A) is manufactured by sequentially stacking the positive electrode 10 and the negative electrode 11 together with two sheets of separator 12 as shown in FIG. 5 and then winding them in one direction (X). At this time, the uncoated portions of the positive electrode 10 and the negative electrode 11 are disposed in opposite directions.
  • the positive electrode uncoated portion 10a is formed entirely on the upper portion of the electrode assembly A, and the negative electrode uncoated portion 11a is formed entirely on the lower portion of the electrode assembly A.
  • the uncoated portion 10a of the positive electrode 10 and the uncoated portion 11a of the negative electrode 11 are bent toward the core. After that, the current collector plates 30 and 31 are welded and coupled to the uncoated portions 10a and 11a, respectively.
  • the current collector plates 30 and 31 are connected to external electrode terminals, and the current path winds the electrode assembly A. Since it is formed with a large cross-sectional area along the axial direction (see arrow), it has the advantage of lowering the resistance of the secondary battery. This is because resistance is inversely proportional to the cross-sectional area of the path through which current flows.
  • bent portions of the uncoated portions 10a and 11a where the current collector plates 30 and 31 are welded must overlap several layers and must not have empty spaces (gaps). In this way, sufficient welding strength can be obtained, and even if the latest technology such as laser welding is used, the laser penetrates into the electrode assembly A to prevent the separator 12 or the active material 21 from melting.
  • the positive electrode uncoated portion 10a is formed as a whole on the upper part of the electrode assembly A, so when the outer circumferential surface of the top of the battery can is press-fitted to form the beading portion, the electrode assembly ( The top edge area 34 of A) is pressed by the battery can. Such pressure may cause partial deformation of the electrode assembly A, and at this time, an internal short circuit may occur as the separator 12 is torn. When a short circuit occurs inside the secondary battery, heat generation or explosion may occur.
  • the non-coated portions 10a and 11a should not be entirely formed on the upper and lower portions of the electrode assembly A as now, and need to be omitted in some sections arises.
  • a low-resistance cell design that minimizes the current path is a tap-less cylindrical secondary Batteries should also be considered.
  • the form factor of the cylindrical secondary battery is increased to apply it to an electric vehicle, a problem of ignition of the cylindrical secondary battery while generating a lot of heat during the rapid charging process may occur. Design a low-resistance cell to minimize the current path becomes more important.
  • the present invention has been devised under the background of the prior art as described above, and the problem to be solved by the present invention is to implement low resistance by minimizing the current path, in particular, the longitudinal current path in a cylindrical secondary battery, thereby realizing a cylindrical secondary battery. It is to provide an electrode assembly capable of exhibiting excellent quality in terms of the degree of heat generation due to high current density while having high capacity and/or high output.
  • Another object to be solved by the present invention is to provide a secondary battery including an electrode assembly having an improved structure to minimize a current path, a battery pack including the same, and a vehicle including the battery pack.
  • the electrode assembly of the present invention for solving the above problems is an electrode assembly in which a core and an outer circumferential surface are defined by winding a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed therebetween around a winding axis.
  • a maximum current path for the at least one electrode tab undefined section includes a width direction current path along a short side of the current collector and a longitudinal current path along a long side of the current collector, and the width
  • the current path ratio (L2/L1) is 11 or less.
  • the current path ratio (L2/L1) may be 10.15 or less.
  • the current path ratio (L2/L1) may be 8.5 or less, or may be 2 to 5.
  • the electrode tab undefined section may have a smaller height than the electrode tab definition section.
  • a maximum value of the length of the electrode tab undefined section may be 4% to 23% of the lengths of the positive and negative electrodes.
  • the maximum value of the length of the electrode tab undefined section may be 2.5 to 11 times the widths of the anode and cathode.
  • the uncoated portion includes a first portion adjacent to the core, a second portion adjacent to the outer circumferential surface, and a third portion between the first portion and the second portion, and the winding axis direction
  • the first portion may have a height smaller than that of the third portion.
  • the third portion may be defined as an electrode tab in a bent state along the radial direction of the electrode assembly.
  • the second portion may have a height equal to or smaller than that of the third portion in the direction of the winding axis.
  • the second part and the third part may be defined as an electrode tab in a bent state along the radial direction of the electrode assembly.
  • the length of the short side of the current collector may be 60 mm to 85 mm, and the length of the long side of the current collector may be 3 m to 5 m.
  • the maximum value of the length along the long side of the current collector in the first portion may be 4% to 23% of the length of the long side of the current collector.
  • a length along a long side of the current collector in the first portion may be 660 mm or less.
  • the first part may correspond to the electrode tab undefined section.
  • the first portion may not be bent along the radial direction of the electrode assembly.
  • the second part may not be bent along the radial direction of the electrode assembly.
  • a length of the third portion may be longer than a length of the first portion and a length of the second portion.
  • the first part may start from a short side of the current collector on the core side, the height of the first part may be constant along the winding direction, and the first part may not be bent along the radial direction of the electrode assembly.
  • At least some regions of the third portion may be divided into a plurality of independently bendable segments.
  • the segments are bent and overlapped in the direction of the winding axis.
  • the length of the short side of the current collector is 60 mm-85 mm
  • the length of the long side of the current collector is 3 m-5 m
  • the thickness of the current collector is 5 ⁇ m to 25 ⁇ m
  • the width of the segment is 3 mm-10 mm
  • Segment height is less than 10 mm.
  • the length along the long side of the current collector in the first portion is 660 mm or less.
  • the electrode assembly includes a segment segment omission section in which segment segments do not exist and a height uniform segment in which segment segments are uniform in height sequentially along a radial direction based on a cross section along the winding axis direction, and the plurality of segments The segment is disposed in the uniform height section and is bent along the radial direction of the electrode assembly to form a bending surface area.
  • the electrode assembly further includes a height variable section in which the height of the segment segment is varied between the segment omission section and the height uniform section, and the plurality of segment segments are arranged in the height variable section and the height uniform section. disposed, and may be bent along the radial direction of the electrode assembly to form a bent surface area.
  • the segment omission section may correspond to the electrode tab undefined section.
  • the second part may not be divided into segments, and the heights of the first part and the second part may be the same.
  • the third part may include one or more segment segment omission sections without segment segments along the winding direction of the electrode assembly.
  • the height of the uncoated part in the segment skip section may be the same as the height of the first part.
  • the segments may be located in two or more fan-shaped areas or polygonal areas arranged in a circumferential direction based on the core.
  • segment omission section may correspond to the electrode tab undefined section.
  • a cavity is provided in the core, the third portion is defined as an electrode tab in a bent state along the radial direction of the electrode assembly, and the third portion is divided into a plurality of independently bendable segments, The bent segments may not cover the cavity.
  • the maximum value of the length along the long side of the current collector in the first portion may be 4% to 23% of the length of the long side of the current collector.
  • a secondary battery according to the present invention for solving the above other problems includes an electrode assembly according to the present invention; a cylindrical battery housing accommodating the electrode assembly through an opening formed on one side and connected to an uncoated portion of the negative electrode; a sealing body sealing the open portion of the battery housing so as to be insulated from the battery housing; and a positive electrode terminal riveted through a through hole formed in a bottom of the battery housing opposite to the open portion of the battery housing and connected to an uncoated portion of the positive electrode.
  • the uncoated portion of the positive electrode is exposed to the outside of the separator
  • the uncoated portion of the negative electrode is exposed to the outside of the separator in the opposite direction to the uncoated portion of the positive electrode
  • the uncoated portion of the positive electrode is exposed to the outside of the separator. It further includes a positive electrode current collector electrically connected and a negative electrode current collector electrically connected to the uncoated portion of the negative electrode.
  • the secondary battery may have a DC resistance of 4 m ⁇ (milliohm) or less and an AC resistance of 3 m ⁇ or less.
  • AC resistance of the secondary battery may be 2 m ⁇ or less.
  • the secondary battery may have a height-to-diameter ratio greater than 0.4.
  • the sealing body may include a cap plate having no polarity and a sealing gasket interposed between an edge of the cap plate and an opening of the battery housing.
  • the positive electrode terminal may include a body portion inserted into the through hole; an outer flange portion extending from the circumference of one side of the body portion exposed through the outer surface of the bottom of the battery housing along the outer surface; an inner flange portion extending from the circumference of the other side of the body portion exposed through the inner surface of the bottom of the battery housing toward the inner surface; and a flat portion provided inside the inner flange portion.
  • the secondary battery further includes a positive electrode current collector plate electrically connected to the uncoated portion of the positive electrode and a negative electrode current collector plate electrically connected to the uncoated portion of the negative electrode, and the positive electrode terminal on the flat portion is formed by laser welding with the positive electrode current collector plate.
  • the electrode tab undefined section may be a portion that is not connected to the negative current collector plate and the positive current collector plate and thus does not form a current path.
  • Another object of the present invention can be achieved by a battery pack including a plurality of the above-described secondary batteries.
  • the plurality of secondary batteries are arranged in a predetermined number of rows, and the positive terminal of each secondary battery and the outer surface of the bottom of the battery housing are disposed to face upward.
  • Another object of the present invention can also be achieved by a vehicle including at least one of the battery packs.
  • an upper limit of the current path ratio (L2/L1) in the maximum current path is proposed.
  • the range of the current path ratio (L2/L1) corresponds to a range in which the electrode assembly has high capacity while minimizing internal resistance. Therefore, a secondary battery including such an electrode assembly can exhibit excellent quality in terms of heat generation due to high current density while having high capacity and/or high output.
  • the internal resistance of the secondary battery can be reduced and the energy density can be increased by using the uncoated portion itself protruding from the top and bottom of the electrode assembly as an electrode tab.
  • the structure of the uncoated portion of the electrode assembly is improved to prevent the uncoated portion from being torn when the uncoated portion is bent, and the welding strength of the current collector plate can be improved by sufficiently increasing the number of overlapping layers in the uncoated portion. .
  • the segment structure is applied to the uncoated area of the electrode and the dimension (width, height, separation pitch) of the segment is optimized to sufficiently increase the number of stacked segment segments in the region used as the welding target region. As a result, the physical properties of the region where the current collector plate is welded can be improved.
  • an electrode assembly having improved energy density and reduced resistance is provided by applying a structure in which a current collector plate is welded to a large area on a bent surface area formed by bending segments.
  • the problem of internal heat generated during rapid charging can be improved by improving the structure of the cathode terminal of the cylindrical secondary battery to enlarge the cross-sectional area of the current path.
  • the electrolyte injection process and the battery housing It is possible to easily proceed with a welding process between the current collector plate and the current collector plate.
  • a cylindrical secondary battery having a structure with low internal resistance, prevention of internal short circuit, and improved welding strength between a current collector plate and an uncoated region, a battery pack including the same, and an automobile can be provided.
  • the present invention can provide a cylindrical secondary battery having a DC resistance of 4 m ⁇ or less, an AC resistance of 3 m ⁇ or less, and a height-to-diameter ratio of 0.4 or more, a battery pack including the same, and a vehicle.
  • the present invention may have various other effects, which will be described in each embodiment, or descriptions of effects that can be easily inferred by those skilled in the art will be omitted.
  • FIG. 1 is a view showing a state in which a positive electrode and a negative electrode applied to a conventional cylindrical secondary battery are spread out.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the flow of current or electrons outside the secondary battery in a conventional cylindrical secondary battery.
  • FIG 3 is a view schematically showing the flow of current or electrons in an anode and a cathode constituting an electrode assembly in a conventional cylindrical secondary battery.
  • FIG. 4 is a plan view showing the structure of an electrode used in manufacturing a conventional tab-less cylindrical secondary battery.
  • FIG. 5 is a view showing an electrode winding process of a conventional tab-less cylindrical secondary battery.
  • FIG. 6 shows a process of welding a current collector plate to a curved surface of a non-coated portion in a conventional tab-less cylindrical secondary battery.
  • FIG. 7 is a view for explaining an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is for explaining the background of setting the current path ratio to the maximum current path in the electrode included in the electrode assembly of FIG. 7 within a certain range, and the current in the anode and cathode constituting the virtual electrode assembly It is a diagram schematically showing the flow of electrons.
  • FIG. 9 is a plan view illustrating an electrode structure of the first embodiment that may be included in the electrode assembly of FIG. 7 .
  • FIG. 10 is a schematic diagram of an electrode including an electrode tab undefined section used in simulation.
  • 11 is a resistance graph according to the number of welding points confirmed through simulation.
  • FIG. 12 is a plan view illustrating an electrode structure of a second embodiment that may be included in an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a plan view illustrating an electrode structure of a third embodiment that may be included in an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a plan view illustrating an electrode structure of a fourth embodiment that may be included in an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a plan view illustrating an electrode structure of a fifth embodiment that may be included in an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • 16 is a diagram illustrating definitions of width, height, and separation pitch of segments according to an embodiment of the present invention.
  • 17 is a plan view showing a deformed structure of an electrode according to a fifth embodiment of the present invention.
  • 18 is an upper plan view illustrating independent regions in which a plurality of segment segments may be located when an electrode according to a modified embodiment of the present invention is wound into an electrode assembly.
  • 19 is a plan view showing the structure of an electrode according to a sixth embodiment of the present invention.
  • 20 is a diagram illustrating definitions of width, height, and separation pitch of segments included in an electrode according to a sixth embodiment of the present invention.
  • 21 is an upper perspective view schematically illustrating an electrode assembly having a bent surface area.
  • FIG. 23 is a plan view showing a deformed structure of an electrode according to a fifth embodiment of the present invention.
  • 24 is a cross-sectional view of a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • 25 is a diagram schematically illustrating the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 26 is a diagram for explaining a vehicle including the battery pack of FIG. 25 .
  • references to two comparables being 'the same' means that they are 'substantially the same'.
  • substantially the same may include a case having a deviation that is considered low in the art, for example, a deviation of 5% or less.
  • uniformity of a certain parameter in a region may mean uniformity in terms of an average in the corresponding region.
  • Arrangement of an arbitrary element on the "upper (or lower)" or “upper (or lower)” of a component means that an arbitrary element is disposed in contact with the upper (or lower) surface of the component, as well as , may mean that other components may be interposed between the component and any component disposed on (or under) the component.
  • connection may include an electrical connection or a physical connection.
  • a direction along the longitudinal direction of the winding shaft of the electrode assembly that is wound in a jelly-roll shape is referred to as a winding axis direction (Y-axis direction).
  • a direction surrounding the winding shaft is referred to as a circumferential direction or a circumferential direction (X-axis direction).
  • a direction closer to or away from the winding axis is referred to as a radial direction.
  • One of the characteristics of the present invention is to set the maximum current path in the positive electrode and/or negative electrode constituting the jelly-roll type electrode assembly in order to minimize resistance in the cylindrical secondary battery.
  • the current path ratio (L2/ The upper limit of L1) is given.
  • the range of this current path ratio corresponds to the range in which the electrode assembly has a high capacity while minimizing the internal resistance, and if the upper limit of the current path ratio (L2 / L1) is exceeded, the minimum resistance requirement of the secondary battery ( For example, DC resistance is 4m ⁇ or less and AC resistance is 3m ⁇ or less).
  • FIG. 7 is a view for explaining an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly 100 includes an anode 40 and a cathode 50 and a separator 60 interposed therebetween.
  • the electrode assembly 100 may be a jelly-roll type electrode assembly having a structure in which the positive electrode 40, the negative electrode 50, and the separator 60 are wound in one direction.
  • the electrode assembly 100 is a laminate formed by sequentially stacking the positive electrode 40, the separator 60, the negative electrode 50, and the separator 60 at least once in one direction (with the winding axis B as the center) It can be manufactured by winding in the X-axis direction in the drawing).
  • the innermost part of the electrode assembly 100 is defined as the core, and the outermost part is defined as the outer circumferential surface.
  • the X-axis direction is the winding direction.
  • a cavity may be provided in the core.
  • the diameter of the cavity may be, for example, 2 mm or more and 8 mm or less.
  • the cavity may be a location from which a winding core serving as a winding shaft is removed.
  • the diameter of the cavity is smaller, it is advantageous to utilize the inner space of the battery housing including the electrode assembly 100, but since the electrode assembly 100 can be manufactured only by using a winding core, the diameter of the cavity cannot be set to 0. does not exist.
  • the cavity is a passage through which the electrolyte is moved when the electrolyte is injected, it must have a predetermined size or more to achieve smooth electrolyte impregnation.
  • the diameter of the cavity be 2 mm or more if possible at the level of the winding process allowed, and if the diameter of the cavity exceeds 8 mm, utilization of the internal space is inefficient, which is not preferable from the viewpoint of energy density.
  • the positive electrode 40 has a structure in which a positive electrode active material layer 40b is coated on one or both sides of a sheet-shaped positive electrode current collector having long and short sides, and the positive electrode plain material is not coated with the active material on one long side end along the winding direction. It includes part 40a.
  • the long side refers to a side having a relatively long length in a direction parallel to the X-axis direction.
  • the X-axis direction may be referred to as a longitudinal direction.
  • the short side is a direction parallel to the Y-axis direction in the drawing and means a side shorter than the long side.
  • the Y-axis direction may be referred to as a width direction.
  • the anode uncoated portion 40a is itself defined as an electrode tab, which is different from the prior art in which strip-shaped electrode tabs are separately attached.
  • the meaning of being defined as an electrode tab means that it is a part that is combined with a current collector plate to form a current path when manufacturing a secondary battery.
  • only a part of the positive electrode uncoated portion 40a is defined as an electrode tab. This means that a part of the positive electrode uncoated portion 40a is not used as an electrode tab.
  • the portion that is not used as an electrode tab has a smaller height in the winding axis direction (Y-axis direction) than other portions of the positive electrode uncoated portion 40a or is omitted in some sections, so it is not connected to the current collector and forms a current path It can point to the part that cannot be reached. In this way, it is further distinguished from the prior art in that only a part of the anode uncoated portion 40a is defined as an electrode tab. In this way, the positive electrode uncoated portion 40a itself may include an electrode tab defined section used as an electrode tab and at least one electrode tab undefined section not used as an electrode tab.
  • the negative electrode 50 also has a structure in which the negative electrode active material layer 50b is coated on one or both sides of a sheet-shaped negative electrode current collector having long and short sides, and a negative electrode plain with no active material coated on one long side end along the winding direction. It includes part 50a.
  • the negative electrode uncoated portion 50a is itself defined as an electrode tab.
  • only a part of the negative electrode uncoated portion 50a is defined as an electrode tab. In this way, the negative electrode uncoated portion 50a itself may include an electrode tab defined section used as an electrode tab and at least one electrode tab undefined section not used as an electrode tab.
  • the positive electrode uncoated portion 40a and the negative electrode uncoated portion 50a are disposed in opposite directions, and the electrode assembly 100 after winding is completed has a substantially cylindrical shape.
  • the positive electrode uncoated portion 40a is positioned at the upper end of the electrode assembly 100
  • the negative electrode uncoated portion 50a is positioned at the lower end of the electrode assembly 100.
  • a portion of the positive electrode uncoated portion 40a protruding upward and a portion of the negative electrode uncoated portion 50a protruding downward are used as electrode tabs, and each current collector plate is welded thereto to be connected. If so, it is possible to manufacture a tab-less cylindrical secondary battery with improved current collection efficiency.
  • the non-coated portions 40a and 50a protruding from the upper and lower portions of the electrode assembly 100 as electrode tabs, internal resistance of the secondary battery may be reduced and energy density may be increased.
  • the electrode assembly 100 is a house constituting the second path (maximum current path) of the electrode in the anode 40 or the cathode 50, which are electrodes included in the electrode assembly 100.
  • the ratio of the length (L1) of the current path in the width direction along the short side of the whole to the length (L2) of the current path in the longitudinal direction along the long side of the current collector constituting the second path of the electrode (L2/L1, “current path ratio”) ) is 11 or less, which further distinguishes it from the prior art.
  • the short side and the long side of the current collector correspond to the width and length of the electrode, respectively. Therefore, in the maximum current path of the anode 40 or the cathode 50, the ratio (ratio, L2/L1) of the length L2 of the longitudinal current path to the length L1 of the width direction current path is 11 or less.
  • FIG. 8 schematically shows the flow of current or electrons in the anode and cathode constituting the virtual electrode assembly (the connection position of the first path and the second path is indicated by a triangle, and the end point of the electrode is indicated by a square).
  • the positive electrode 10' and the negative electrode 11' shown in FIG. 8 are, for example, the uncoated portion 10a of the positive electrode 10 and the uncoated portion of the negative electrode 11 in the prior art described with reference to FIGS. 4 to 6 . It has a structure in which a plurality of positive electrode tabs 10c and a plurality of negative electrode tabs 11c are formed by notching 11a in the width direction.
  • each electrode ( The first path, which is a path leading to the electrode tabs 10c and 11c of 10' and 11', may be the same as that of the secondary battery described with reference to FIG. 2 .
  • the second path (maximum current path) of the electrodes 10' and 11' shows a clear difference from FIG. 3 as shown in FIG.
  • the length of the current path in the width direction of both the positive electrode 10' and the negative electrode 11' is as short as the length in the width direction, and movement in the longitudinal direction due to the almost continuously existing non-coated portions 10a and 11a It is shorter than the conventional second path shown in FIG. 3 .
  • the positive electrode tab 10c of the positive electrode 10' and the negative electrode tab 11c of the negative electrode 11' are placed at positions corresponding to each other at the top and bottom of the electrode assembly, the movement in the longitudinal direction is as shown in the figure. little or very short Accordingly, the maximum current path of the electrodes 10' and 11' becomes substantially the same as the current path of the electrodes in the width direction.
  • the length of the current path in the width direction of the maximum current path is virtually as short as the distance of the electrode in the width direction, and in the length direction of the electrode The current travel path is very short. Therefore, the current path ratio will be close to zero.
  • the length of the longitudinal current path in the maximum current path of the electrode may vary depending on the structure of the electrode tab (unpainted region).
  • 8 shows a structure in which electrode tabs 10c and 11c are formed substantially continuously along the longitudinal direction of the electrodes 10' and 11', but preferably, there may be a region where the electrode tabs are removed.
  • the electrode assembly according to an embodiment of the present invention may have a shape in which the uncoated portion is bent toward the core.
  • the uncoated portion close to the core is prevented from covering the cavity provided in the core by the bent uncoated portion. It is possible to leave the electrode tab undefined section as described above by not bending, reducing the height in the winding direction, or removing a significant portion.
  • the electrode tab undefined section may be formed close to the core side of the electrode assembly after winding the electrode.
  • the electrode tab undefined section may be provided at a plurality of locations between one end and the other end in the longitudinal direction when viewed before winding the electrode.
  • the length of the electrode tab definition section in the winding direction may be set in various ways according to the location and length of the electrode tab undefined section.
  • the maximum current path of the electrode may be defined in the electrode tab undefined section having the longest length in the winding direction.
  • the maximum current path is defined in the electrode tab undefined section with the longest length. Therefore, as the length of the electrode tab undefined section in the winding direction increases, the current path ratio inevitably becomes longer than that shown in FIG. 8 .
  • the current path ratio may vary according to the position of the electrode tab definition section.
  • the maximum current path varies depending on how the position of the electrode tab definition section is set, and the resistance of the electrode decreases as the maximum current path decreases.
  • the upper limit of the current path ratio (L2/L1) in the maximum current path for the electrode tab undefined section is limited to satisfy the low resistance condition. That is, the range of the current path ratio (L2/L1) may be limited so that the resistance of the secondary battery does not increase beyond a predetermined range.
  • the upper limit of the current path ratio (L2/L1) in the maximum current path for the electrode tab undefined section is limited to a predetermined range while including the electrode tab undefined section in at least a part of the undefined section.
  • the present invention provides a guide for how long the electrode tab undefined section can be set to while minimizing an increase in the resistance of the secondary battery.
  • FIG. 9 is a plan view illustrating an electrode structure of the first embodiment that may be included in the electrode assembly of FIG. 7 .
  • the electrode 140 which may be the positive electrode 40 or the negative electrode 50 shown in FIG. 7 , includes an electrode current collector 141 made of a metal foil and an active material layer 142 .
  • the metal foil may be a conductive metal, such as aluminum or copper, and is appropriately selected according to the polarity of the electrode 140 .
  • the thickness of the cathode current collector (foil) may be 10 ⁇ m to 20 ⁇ m, and the thickness of the anode current collector (foil) may be 5 ⁇ m to 15 ⁇ m.
  • the length of the short side of the current collector 141 may be 60 mm to 85 mm, and the length of the long side of the current collector 141 may be 3 m to 5 m.
  • the ratio of the short side to the long side of the current collector 141 may be 1.2% to 2.8%, which is significantly smaller than the 6% to 11% level of a cylindrical secondary battery having a 1865 or 2170 form factor. That is, the current collector 141 is very long in the longitudinal direction, and the number of winding turns is very large when wound. Winding turns may be counted based on the core-side end of the electrode assembly 100 .
  • An active material layer 142 is formed on at least one surface of the current collector 141 .
  • the active material layer 142 is formed along the winding direction (X-axis direction).
  • the electrode 140 includes an uncoated portion 143 at an end of the long side in the winding direction.
  • the uncoated portion 143 is a partial area of the current collector 141 that is not coated with an active material.
  • a portion of the uncoated portion 143 in the winding direction is set as an electrode tab undefined section, and the rest is set as an electrode tab definition section.
  • the electrode 140 is manufactured by forming the active material layer 142 on the current collector 141 and then pressing it.
  • an insulating coating layer 144 may be formed at a boundary between the active material layer 142 and the uncoated portion 143 . At least a portion of the insulating coating layer 144 overlaps the boundary between the active material layer 142 and the uncoated portion 143 .
  • the insulating coating layer 144 prevents a short circuit between the two opposing electrodes 140 having different polarities, that is, the anode 40 and the cathode 50, with a separator (see 60 in FIG. 7) interposed therebetween.
  • the insulating coating layer 144 may cover a boundary between the active material layer 142 and the uncoated portion 143 with a width of 0.3 mm to 5 mm.
  • the width of the insulating coating layer 144 may vary along the winding direction of the electrode 140 .
  • the insulating coating layer 144 may include a polymer resin and may include an inorganic filler such as Al 2 O 3 . Since the portion of the current collector 141 covered by the insulating coating layer 144 is not a region coated with an active material layer, it may be regarded as a non-coating portion.
  • the uncoated portion 143 includes a first portion adjacent to the core of the electrode assembly 100 (B1, core-side uncoated portion), a second portion adjacent to the outer circumferential surface of the electrode assembly 100 (B3, outer circumferential uncoated portion), and a second portion adjacent to the outer peripheral surface of the electrode assembly 100.
  • a third portion (B2, middle uncoated area) between the first portion (B1) and the second portion (B3) is included.
  • the boundary between B1/B2 is the point at which the height (or change pattern) of the uncoated region substantially changes from the core side of the electrode assembly to the outer circumferential side, or a point at a predetermined % based on the radius of the electrode assembly (eg, 5% or 10% of the radius). , the 15% point, etc.).
  • the boundary of B2/B3 is also the point where the height (or change pattern) of the uncoated region substantially changes from the outer circumferential side of the electrode assembly to the core side, or a point of a predetermined % based on the radius of the electrode assembly (eg, 85%, 90% of the radius) , the 95% point, etc.).
  • the third portion B2 may be automatically specified.
  • the height of the uncoated portion 143 is not constant and there is a relative difference in the winding direction. That is, the first portion B1 has a smaller height in the winding axis direction than the third portion B2. After the uncoated portion 143 is formed with a constant height, the uncoated portion of the first portion B1 may be cut more than the uncoated portion of the third portion B2 to have such a difference in height.
  • the height of each part may be an average height or a maximum height, which is the same hereafter.
  • the heights of the first part B1 and the second part B3 in the direction of the winding axis are greater than 0, and the heights of the first part B1 and the second part B3 may be the same or different.
  • a case in which the heights of the first part B1 and the second part B3 are different and the height of the second part B3 is equal to the height of the third part B2 is taken as an example.
  • the first part B1 corresponds to the electrode tab undefined section
  • the third part B2 corresponds to the electrode tab definition section.
  • the second part B3 may also be set as an electrode tab definition section.
  • the third portion B2 may be defined as an electrode tab in a bent state along the radial direction of the electrode assembly 100 .
  • the second part B3 may also be defined as an electrode tab in a bent state along the radial direction. Since the first portion B1 is not bent along the radial direction and does not make electrical contact with a current collector plate, which will be described later, when a redox reaction occurs in the first portion B1, current (electrons) is transferred to an adjacent third portion. It flows bypassing through (B2).
  • the second portion B3 may be bent to become a welding area.
  • the length d B2 of the third portion B2 may be longer than the length d B1 of the first portion B1.
  • the length d B2 of the third portion B2 may be longer than the length d B3 of the second portion B3.
  • the bent portion may be overlapped in several layers during bending. By lengthening the length d B2 of the third portion B2, a sufficient welding area can be secured.
  • the first portion B1 corresponding to the electrode tab undefined section is close to the core side.
  • the first part B1 is wound first, followed by the third part B2. Since the third portion B2 is located farther from the core by the first portion B1, deformation of the third portion B2 does not occur when the third portion B2 is bent.
  • the first portion B1 has a small height and is not bent, so that the cavity in the core of the electrode assembly 100 is not blocked. If the cavity of the core is not blocked, there is no difficulty in the electrolyte injection process, and the electrolyte injection efficiency is improved. In addition, by inserting a welding jig through the core, a welding process between the negative electrode (or positive electrode) side current collector plate and the battery housing (or electrode terminal) can be easily performed.
  • the uncoated portion of the first portion B1 may be cut more than the uncoated portion of the third portion B2 to have a height difference. Accordingly, the first portion B1 ) is not used as an electrode tab. In this way, when the electrode tab undefined section is included in the uncoated portion 143, the resistance increases as the maximum current path increases, compared to the case where the entire uncoated portion is designed as the electrode tab defining section.
  • the first part B1 is required to prevent blocking the cavity of the core while the electrode tab definition section is bent. Even if the length (d B1 ) of the first portion (B1) becomes longer, the length (d B2) of the third portion ( B2 ) and the length (d B3) of the second portion ( B3 ) are relatively longer or the third portion ( If the welding area secured by B2) is sufficient, the resistance (AC resistance and DC resistance) of the entire cell may not change significantly, but the resistance in the first portion B1 increases. Therefore, it is necessary to limit the length (d B1 ) of the first portion (B1) in consideration of the increase in resistance in the first portion (B1).
  • the denominator is constant as the width of the electrode. Therefore, the length (d B1 ) of the first portion (B1) is a factor determining the current path ratio (L2/L1) of the maximum current path.
  • the present invention adjusts the length (d B1 ) of the first portion (B1) so that the current path ratio (L2/L1) of the maximum current path is 11 or less, thereby minimizing resistance increase while preventing core cavity closure.
  • the current path ratio (L2/L1) of the maximum current path may be 10.15 or less. More preferably, the current path ratio (L2/L1) of the maximum current path may be 8.5 or less.
  • the current path ratio (L2/L1) of the maximum current path may be 2 to 5.
  • Each numerical value is the electrical, physical and chemical properties of the current collector 141 and the active material layer 142, the resistance condition of the secondary battery, the length of the first part B1 required to not cover the cavity of the core (d B1 ),
  • the critical effect is determined by considering the length (d B3 ) of the second portion (B3) and the length (d B2 ) of the third portion (B2) necessary to secure an effective welding area while having an appropriate number of overlapping layers. It may be an optimized value to have.
  • the current path ratio (L2/L1) of the maximum current path is adjusted, and the rest is designed as the electrode tab definition section.
  • the maximum current path is included in the first portion B1, which is an electrode tab undefined section.
  • the maximum current path corresponds to a path having a maximum length of a path through which current (electrons) flow when an electrochemical redox reaction occurs in the first portion B1 .
  • the length L1 of the current path in the width direction of the maximum current path is as short as the length of the short side of the current collector 141 or the electrode 140 .
  • the length L1 of the current path in the width direction is the minimum length from one end of the long side of the uncoated portion 143 to the other end of the long side of the current collector 141 . Since the heights of the second portion B3 and the third portion B2 are the same, the length of the current path in the width direction of the electrode 140 is equal to the length (width) of the short side of the electrode 140, and the second portion B3 Since the uncoated portion of is not cut off, it is also the same as the short side length of the current collector 141 .
  • the current path ratio of the maximum current path is L2/L1, and since L1 corresponds to the width of the electrode 140, the current path ratio can be adjusted using the length d B1 of the first part B1. .
  • the upper limit of the current path ratio (L2/L1) may be a value such that the DC resistance of the secondary battery including the electrode assembly 100 is 4 m ⁇ or less and the AC resistance is 3 m ⁇ or less. More preferably, the upper limit of the current path ratio (L2/L1) may be such that the AC resistance of the secondary battery including the electrode assembly 100 is 2 m ⁇ or less.
  • the resistance of the secondary battery may vary depending on the electrical, physical, and chemical properties of the current collector 141 and the active material layer 142. For example, if the length of the short side of the current collector 141 is 60 mm-85 mm, ) is 3m-5m and the thickness of the current collector 141 is 5 ⁇ m to 20 ⁇ m, the length (d B1 ) of the first portion B1 may be 660 mm or less.
  • the maximum value of the length (d B1 ) of the first portion (B1) is 660 mm, and considering the length of the long side of the current collector 141, the maximum value of the length (d B1 ) of the first portion (B1) is It may represent 13.2% to 22% of the long side length of the entire 141 .
  • the maximum value of the length d B1 of the first portion B1 may be 4% to 23%.
  • the maximum value of the length of the portion of the electrode 140 that is not defined as an electrode tab, that is, the electrode tab undefined section is 660 mm, which means that the long side length of the current collector 141 is the long side length of the electrode 140 as it is. Considering the point, it can also be seen as 4% to 23% of the length of the electrode 140. In addition, if the length of the short side of the current collector 141 is the length of the short side of the electrode 140 as it is, 660 mm, which is the maximum length of the portion of the electrode 140 that is not defined as an electrode tab, is the width of the electrode 140. It can be seen that it is 9.4 times to 11 times. When the length or thickness of the short side of the current collector 141 is varied, the maximum value of the length d B1 of the first portion B1 may be 2.5 to 11 times greater.
  • the current path ratio L2/L1 may be 10.15.
  • the current path ratio L2/L1 may be further reduced by making the length d B1 of the first portion B1 smaller than 660 mm.
  • the upper limit of the current path ratio (L2/L1) may satisfy a minimum resistance requirement of a secondary battery. That is, it may be determined to indicate a secondary battery resistance smaller than the maximum value of the secondary battery resistance.
  • the values of 4 m ⁇ , which is the maximum value of DC resistance, and 3 m ⁇ , which is the maximum value of AC resistance, which are applied in this embodiment, may vary depending on the specifications of the secondary battery.
  • the present inventors confirmed through simulation that the resistance of the secondary battery increases as the length of the electrode tab undefined section increases, as in the first part B1. However, when the length of the electrode tab undefined section increases beyond a certain level, the resistance no longer increases and convergence is confirmed. By examining the correlation between the length of the electrode tab undefined section and the secondary battery resistance, it was possible to determine the length of the electrode tab undefined section that satisfies the minimum resistance requirement of the secondary battery.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of an electrode including an electrode tab undefined section used in simulation
  • FIG. 11 is a resistance graph according to the number of welding points confirmed through simulation.
  • FIG. 10 shows a case where the electrode tabs 143a1 exist at equal intervals, and the connecting positions of the first path and the second path are indicated by triangles, and the end points of the electrodes are indicated by squares.
  • the number of electrode tabs 143a1 is 6, the number of electrode tab undefined sections 143a2 is 7, and if the number of electrode tabs 143a1 is 7, the number of electrode tab undefined sections 143a2 is As in the case of eight, an equal interval condition in which the number of electrode tab undefined sections 143a2 is Q+1 when the number of electrode tabs 143a1 is Q is assumed. Since each electrode tab 143a1 is welded to the current collector plate, the number of welding points is equal to the number of electrode tabs 143a1.
  • the length of the short side of the current collector 141' included in the electrode 140' is 60 mm to 85 mm
  • the length of the long side of the current collector 141' is 3 m to 5 m
  • the thickness of the current collector 141' is 5 ⁇ m to 5 ⁇ m. It was assumed to be 20 ⁇ m.
  • the AC resistance of the secondary battery including the electrode assembly including the electrode 140' as a positive electrode and a negative electrode was simulated while increasing the number of electrode tabs 143a1 from 1 to 50. 11 corresponding to the result, it can be seen that the resistance converges as the number of electrode tabs 143a1 increases, and the number of electrode tabs 143a1 that makes the AC resistance of the secondary battery less than 2 m ⁇ under simulation conditions is The result was that there were 6 of them.
  • the number of electrode tabs 143a1 may be converted into the length of the electrode tab undefined section 143a2.
  • the width of the electrode tab 143a1 is 10 mm and the number of electrode tabs 143a1 existing at equal intervals in the current collector 141' having a long side length of 3 m to 5 m is 6, one electrode tab undefined section 143a2 is 660 mm long.
  • the length of one electrode tab undefined section 143a2 is 564 mm.
  • the AC resistance of the secondary battery is simulated to be 1.7 m ⁇ .
  • the length of the electrode tab undefined section 143a2 is preferably 660 mm or less.
  • the length of the short side of the current collector 141' is 60 mm to 85 mm
  • the length of the electrode tab undefined section 143a2 corresponding to the longitudinal current path and the current collector 141' corresponding to the width direction current path The ratio of the short side lengths of is 11 or less. Accordingly, when the electrode tab undefined section is included, it is possible to satisfy the low resistance condition that the AC resistance of the secondary battery is 2 m ⁇ or less as long as the current path ratio (L2/L1) is 11 or less.
  • the length (d B1 ) of the first portion (B1) is preferably 660 mm or less.
  • the length of the electrode tab undefined section 143a2 may be managed not to exceed 660 mm so that the cell resistance satisfies the minimum resistance requirement of the secondary battery.
  • the length (d B1 ) of the first part (B1) is the current path ratio ( It can be designed under conditions that satisfy L2/L1) conditions.
  • the length (d B1 ) of the first portion (B1) may be determined according to the necessary conditions at 660 mm or less, and the length (d B1 ) of the first portion (B1) is 660 mm and the length of the short side of the current collector 141 is In the case of 65 mm, since the current path ratio (L2/L1) may be 10.15, the current path ratio (L2/L1) may satisfy 10.15 or less depending on the length (d B1 ) of the first portion (B1). In other words, if the electrode 140 including the first part B1 is designed, the current path ratio increases compared to the case where all of the electrodes 140 include the same unpainted parts as the third part B2 without the first part B1.
  • the length (d B1 ) of the first portion (B1) can be increased until the current path ratio (L2/L1) is 10.15 or less, so that the uncoated portion of the third portion (B2) is toward the core. When bent, it is possible not to cover the cavity provided in the core of the electrode assembly 100.
  • FIG. 12 is a plan view illustrating an electrode structure of a second embodiment that may be included in an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • the electrode 145a shown in FIG. 12 differs from the first embodiment only in that the height of the second portion B3 gradually decreases toward the outer circumference, and the rest of the configuration is substantially the same.
  • the second portion B3 may be deformed into a step shape (see dotted line) in which the height decreases step by step.
  • the second portion B3 has a height smaller than that of the third portion B2.
  • FIG. 13 is a plan view illustrating an electrode structure of a third embodiment that may be included in an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • the heights of the first part B1 and the second part B3 are 0 or more, but are relatively smaller than that of the third part B2. Also, the heights of the first portion B1 and the second portion B3 are the same.
  • the second part (B3) corresponds to the electrode tab undefined section, the non-coated area of the second part (B3) is not defined as an electrode tab, and the third part (B2) is an electrode tab. is defined In the winding direction, the length of the second portion B3 is shorter than the length d B1 of the first portion B1.
  • the second portion B3 may be an uncoated portion of an electrode area including an outermost winding turn.
  • the third portion B2 may be defined as an electrode tab in a bent state along the radial direction of the electrode assembly 100 .
  • the first part B1 and the second part B3 are not bent along the radial direction. According to the present embodiment, when the electrode assembly is inserted into the battery housing and the outer circumferential surface of the battery housing is press-fitted to form the beading part, the beading part and the second part ( B3) can prevent the occurrence of internal short circuit while contacting each other.
  • FIG. 14 is a plan view illustrating an electrode structure of a fourth embodiment that may be included in an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • the heights of the first part B1 and the second part B3 are 0 or more, but are relatively smaller than those of the third part B2. Also, the heights of the first portion B1 and the second portion B3 may be the same or different.
  • the height of the third portion B2 may have a step shape in which the height gradually increases from the core side to the outer circumferential side.
  • the third portion B2 is divided around the position where the height of the uncoated portion 143 changes.
  • the number of patterns and the height (length in the Y-axis direction) and width (length in the X-axis direction) of each pattern may be adjusted to maximize stress dispersion during the bending process of the uncoated portion 143 .
  • the stress distribution is to prevent tearing of the uncoated portion 143 when the uncoated portion 143 is bent toward the core of the electrode assembly.
  • the length (d B1 ) of the first part (B1) is designed by applying the condition that the cavity provided in the core is not covered when the patterns of the third part (B2) are bent toward the core, but in one example, the first part ( The length (d B1 ) of B1) may increase in proportion to the bending length of pattern 1.
  • the bending length corresponds to the height of the pattern based on the bending point of the pattern.
  • the length d B1 of the first portion B1 may be set so that the radial width of the turns formed by the first portion B1 is equal to or greater than the bending length of the pattern 1 .
  • the length (d B1 ) of the first portion (B1) is a value obtained by subtracting the radial width of the winding turns formed by the first portion (B1) from the bending length of pattern 1, which is less than 0 or the core radius. It can be set to be less than 10%.
  • the length (d B1 ) of the first portion (B1) depends on the diameter of the core and the bending length of pattern 1. It can be set from 180mm to 350mm according to the In this case, the current path ratio (L2/L1) may be 2.57 to 5.83. By further adjusting the length (d B1 ) of the first portion (B1), the current path ratio (L2/L1) can be set to 2 to 5.
  • the width of each pattern may be designed to configure one or more than two winding turns of the electrode assembly.
  • the height of the third portion B2 may have a step shape in which the height increases and then decreases while going from the core side to the outer circumferential side.
  • the second portion B3 may be modified to have the same structure as the second embodiment.
  • the pattern structure applied to the third portion B2 may extend to the second portion B3 (see dotted line).
  • FIG. 15 is a plan view illustrating an electrode structure of a fifth embodiment that may be included in an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • the third portion B2 may include a plurality of segment segments 161.
  • at least a portion of the third portion B2 may be divided into a plurality of independently bendable segment segments 161 .
  • the plurality of segment segments 161 may increase in height step by step from the core side to the outer circumference side.
  • the plurality of segments 161 have a geometric shape in which the width decreases from the bottom to the top.
  • the geometric figure is a trapezoid. As will be described later, the shape of the geometric figure can be modified in various ways.
  • the segmental fragment 161 may be laser notched.
  • the segment pieces 161 can be formed by a known metal foil cutting process such as ultrasonic cutting or punching.
  • the segment pieces 161 are bent and overlapped in the direction of the winding axis.
  • segment pieces 161 can be bent independently, deformation of the uncoated portion 143 can be further suppressed when the segment pieces 161 are bent, which is preferable.
  • segment 161 so that no empty space (gap) exists while bending and overlapping the segments 161 in multiple layers.
  • the first portion B1 starts from the short side of the current collector 141 on the core side, and the height of the first portion B1 is constant along the winding direction and is not bent along the radial direction. Only the segments 161 of the third portion B2 are defined as electrode tabs. Therefore, in the electrode 160, the current path ratio is the ratio of the length L1 of the current path in the width direction along the short side of the current collector 141 to the length L2 of the current path in the longitudinal direction along the long side of the current collector 141.
  • the thickness of the current collector 141 is 5 ⁇ m to 25 ⁇ m
  • the width of the segmented piece 161 is 3mm-10mm
  • the height of the segmented piece is It may be 10 mm or less.
  • the plurality of segment segments 161 may form a plurality of segment segment groups going from the core side to the outer circumference side. At least one of a width, a height, and a spaced pitch of segments belonging to the same segment group may be substantially the same. Preferably, segments belonging to the same segment group may have the same width, height, and pitch.
  • the dimensions (width, height, spacing pitch) of the segments 161 are resistance, ease of processing (for example, whether laser notching can be applied without cracking), ease of bending, degree of overlap between several segment segments 161, etc. can be adjusted taking into account
  • segment segments belonging to the same segment group may have substantially the same width and height.
  • the width (D), height (H), and distance pitch (P) of the segments 161 are determined to prevent the uncoated portion 143 from being torn near the bending point during bending of the uncoated portion 143. It is designed to prevent abnormal deformation of the uncoated portion 143 while sufficiently increasing the number of overlapping layers of the uncoated portion 143 to secure sufficient welding strength.
  • the segment piece 161 is bent at a line G passing through the lower end of the cutting groove 163 or at an upper portion thereof.
  • the cutting groove 163 enables smooth and easy bending of the segment segment 161 in the radial direction of the electrode assembly.
  • the width (D) of the segmental segment 161 is the length between two points where two straight lines extending from both sides 163b of the segmental segment 161 and a straight line extending from the bottom 163a of the cutting groove 163 meet. is defined as
  • the height H of the segment segment 161 is defined as the shortest distance between the uppermost side of the segment segment 161 and a straight line extending from the bottom portion 163a of the cut groove 163 .
  • the separation pitch P of the segments 161 is the distance between two points where a straight line extending from the bottom 163a of the cutting groove 163 and the straight lines extending from the two side sides 163b connected to the bottom 163a meet. defined by length.
  • the straight line can be replaced with a tangent extending from the side 163b and/or the bottom 163a at the intersection where the side 163b and the bottom 163a meet.
  • the width D of the segmental piece 161 is 1 mm or more. If D is less than 1 mm, when the segment segment 161 is bent toward the core, a region where the segment segment 161 does not overlap or an empty space (gap) may occur to the extent that welding strength can be sufficiently secured.
  • the width (D) of the segment piece 161 is such that the segment piece 161 is well overlapped in the radial direction when the segment piece 161 is bent toward the core.
  • the width D may be adaptively adjusted according to the radius of the turn.
  • the height H of the segmental fragment 161 may be 2 mm or more. If the height (H) of the segment segment 161 is less than 2 mm, a region or empty space (gap) where the segment segment 161 does not overlap to the extent that welding strength can be sufficiently secured when the segment segment 161 is bent toward the core. ) can occur.
  • the height (H) of the segment segment 161 may be determined by applying a condition in which the cavity of the core is not blocked when the segment segment 161 is bent toward the core.
  • the height H of the segment 161 may be adjusted so that more than 90% of the diameter of the core is open to the outside.
  • the height H of the segment piece 161 may increase from the core side to the outer circumference side depending on the radius of the winding turn where the segment piece 161 is located and the radius of the core.
  • the height H of the segment 161 may increase stepwise over N steps from h 1 to h N as the radius of the winding turn increases.
  • the entire winding turn radius of the electrode 160 is 22 mm, and the height of the segment segment 161 starts from 3 mm, but the segment segment segment 161 is increased every time the radius of the winding turn including the segment segment 161 increases by 1 mm.
  • the height of 161 is sequentially increased to 3mm, 4mm, 5mm, and 6mm, and the height may remain substantially the same at 6mm in the remaining winding turns. That is, among the radii of the entire winding turn, the radial width of the variable height section of the segment piece 161 is 3 mm, and the remaining radius sections correspond to the uniform height section.
  • segment segments 161 having heights of 3 mm (h 1 ), 4 mm (h 2 ), 5 mm (h 3 ) and 6 mm (h 4 ) are included.
  • the starting radii r 1 , r 2 , r 3 , and r 4 of the winding turn may be 6 mm, 7 mm, 8 mm, and 9 mm, respectively, and the height of the segment segment 161 may be maintained at 6 mm from the radius 9 mm to the last winding turn. there is.
  • the segment segment 161 may not be included in a winding turn having a radius smaller than 6 mm (r 1 ).
  • segmental segment 161 with a height of 3mm (h 1 ) closest to the core C is located from the winding turn having a radius of 6mm, even if the segmental segment 161 is bent toward the core C, it is 3mm to 6mm Covering only the radial section of the core does not substantially shield the cavity of the core.
  • the height H of the segment segment 161 may be 10 mm or less.
  • the end of the separator 60 may extend outward from the end of the electrode 160 to a length corresponding to the insulating gap.
  • the section corresponding to the minimum meandering margin of the separator 60 is allocated to the uncoated portion 143 in consideration of the fact that the end of the separator 60 causes meandering. It should be.
  • a minimum cutting scrap margin should be allocated to the end of the current collector foil.
  • the insulating gap may be 0.2 mm to 6 mm when the electrode 160 is an anode. Also, the insulating gap may be 0.1 mm to 2 mm when the electrode 160 is a negative electrode.
  • the minimum meandering margin of the separator 60 may be 0 to 1 mm.
  • the cutting scrap margin may be 1.5 mm to 8 mm.
  • the cutting scrap margin may not be allocated according to the process of forming the fragment 161 .
  • the cutting groove 163 may be formed so that the upper side of the segment piece 161 and the upper side of the current collector foil coincide with each other, and in this case, the cutting scrap margin may be zero.
  • the maximum height of the segment segment 161 in the variable height section may be set to 10 mm. Accordingly, in the height variable section of the segment 161, the height of the segment 161 may increase stepwise or gradually along the radial direction of the electrode assembly in the range of 2 mm to 10 mm.
  • the spaced pitch P of segment segments 161 may be adjusted in the range of 0.05 mm to 1 mm. If the spacing P is less than 0.05 mm, cracks may occur in the uncoated portion 143 near the lower end of the cut groove 163 due to stress when the electrode 160 runs in a winding process or the like. On the other hand, if the separation pitch (P) exceeds 1 mm, a region or empty space (gaps) in which the segment segments 161 do not overlap each other may occur to the extent that the segment segments 161 can sufficiently secure welding strength when the segment segments 161 are bent. there is.
  • the separation pitch P is 0.5 mm or more.
  • the separation pitch P is 0.5 mm or more, even when the electrode 160 travels at a speed of 100 mm/sec or more under a tension of 300 gf or more in a winding process or the like, it is possible to prevent cracks from occurring at the bottom of the cutting groove 163. there is.
  • a cut groove 163 is interposed between two segment pieces 161 adjacent in the winding direction.
  • the cut groove 163 corresponds to a space created when the uncoated portion 143 is removed.
  • the corners of both ends of the lower end of the cutting groove 163 have a round shape. That is, the cut groove 163 includes a substantially flat bottom portion 163a and a round portion 163c.
  • the round part 163c connects the bottom part 163a and the side part 163b of the segmental piece 161.
  • the bottom portion 163a of the cutting groove 163 may be replaced with an arc shape.
  • the side edges 163b of the segmental piece 161 may be smoothly connected by the circular arc shape of the bottom portion 163a.
  • the plurality of segment segments 161 may have lower interior angles ⁇ that increase from the core side toward the outer circumference.
  • the lower interior angles ⁇ of the plurality of segments 161 may gradually or stepwise increase from the core side to the outer circumferential side.
  • the lower interior angle ⁇ is an angle between a straight line extending from the bottom 163a of the cutting groove 163 and a straight line extending from the side 163b of the segmental piece 161 .
  • the radius of curvature increases. If the lower interior angle ⁇ of the segment segment 161 increases as the radius of the electrode assembly increases, stress generated in the radial and circumferential directions when the segment segment 161 is bent can be relieved. In addition, when the lower interior angle ⁇ increases, when the segment segment 161 is bent, the area overlapping with the inner segment segment 161 and the number of overlapping layers also increase, thereby ensuring uniform welding strength in the radial and circumferential directions. and the bending surface area can be formed flat.
  • the lower interior angle ⁇ may be determined by the radius of the winding turn where the segment segment 161 is located and the width D of the segment segment 161 .
  • the lower interior angle of the segment segment 161 is gradually or stepwise in a range of 60 degrees to 85 degrees in a height variable section. can increase to
  • the length (d B1 ) of the first part B1 is determined when the segment 161 of the third part B2 is bent toward the core so that the core is outside by 90% or more based on its diameter. designed to be open to
  • the length d B1 of the first portion B1 may increase in proportion to the bending length of the segment segment 161 of group 1.
  • the bending length corresponds to the length from the bending point to the upper end of the segment segment 161 .
  • the bending point of the segment piece 161 may be set at a line passing through the lower end of the cutting groove 163 or at a point spaced a predetermined distance upward from the line.
  • the segment segment 161 is bent toward the core at a point spaced apart from the lower end of the cutting groove 163 by a predetermined distance, the segment segment overlapping in the radial direction is better achieved.
  • the segment pieces 161 are bent, the segment pieces on the outside press against the segment pieces on the inside based on the center of the core. At this time, if the bending point is spaced apart from the lower end of the cutting groove 163 by a predetermined distance, the inner segment pieces are pressed in the winding axis direction by the outer segment pieces, and the overlapping of the segment pieces is better achieved.
  • the separation distance between the bending points may be preferably 1 mm or less. Since the minimum height of the fragment is 2 mm, the ratio of the minimum height to the distance between the bending points may be 50% or less.
  • the width of each segment group can be designed to configure the same winding turn of the electrode assembly.
  • the winding turns may be counted based on the end of the first portion B1 when the electrode 160 is in a wound state.
  • the width of each segment group can be designed to configure at least one or more winding turns of the electrode assembly.
  • Groups 1 to 8 are only examples of segment groups included in the third portion B2.
  • the number of groups, the number of segments 161 included in each group, and the width of the groups are such that the stress in the process of bending the uncoated portion 143 is maximally distributed and the segment segments can sufficiently secure welding strength with the current collector. (161) can be preferably adjusted to overlap in several layers.
  • the section in which the height of the segment 161 increases step by step based on the winding direction of the electrode 160 is defined as a variable height section
  • a segment group (group 8) with a segment segment may be defined as a height uniform section in which the height of segment segments is maintained uniformly.
  • the height of h 1 to h N-1 (N is a height index and is a natural number greater than or equal to 2).
  • a section in which the segment 161 having a height is disposed corresponds to a height variable section, and a section in which a segment segment 161 having a height of h N is arranged corresponds to a uniform height section.
  • the width of group 1 may be 35 to 40% of the width of the first portion B1.
  • the width of group 2 may be 130 to 150% of the width of group 1.
  • the width of group 3 may be 120 to 135% of the width of group 2.
  • the width of group 4 may be 85 to 90% of the width of group 3.
  • the width of group 5 may be 120 to 130% of the width of group 4.
  • the width of group 6 may be 100 to 120% of the width of group 5.
  • the width of group 7 may be 90 to 120% of the width of group 6.
  • the width of group 8 may be 115 to 130% of the width of group 7.
  • the length d B3 of the second portion B3 may be 180 mm to 350 mm similarly to the width of the first portion B1.
  • the reason why the width of groups 1 to 8 does not show a constant increase or decrease pattern is that the width of segment segments gradually increases from group 1 to group 8, but the number of segment segments included in a group is limited to an integer number and the thickness of the electrode is in the winding direction. This is because there is a slight variance in Accordingly, the number of segment segments may be reduced in a specific segment group. Accordingly, the width of the group may exhibit an irregular change pattern as shown in the above example while going from the core side to the outer circumferential side.
  • the welding strength of the current collector plate can be improved by sufficiently increasing the number of overlapping layers of the segment segments 161 .
  • the physical properties of the region where the current collector plate is welded can be improved. there is.
  • connection position of the first path and the second path is indicated by a triangle, and the end point of the electrode is indicated by a square.
  • the connection location of the first path and the second path can be anywhere in the second part (B3) and the third part (B2), but in the drawing, one place in group 1 and one place in group 8 are shown for convenience of illustration.
  • the electrode end point can be anywhere, but one place to show the length (L1) of the current path in the width direction and one place located in the maximum current path are marked.
  • L2 which determines the upper limit of the current path ratio (L2/L1), is the distance from the third part (B2) defined as an electrode tab to the end point of the electrode, and the length (d B1 ) of the first part (B1) applicable
  • the current path ratio (L2/L1) can be adjusted by adjusting the length (d B1 ) of the first part (B1).
  • this current path ratio (L2/L1) increases the resistance slightly, it satisfies the minimum resistance requirement of the secondary battery, so when considering the degree of overlapping of the segments 161 and securing the welding strength, 11 or less, 10.15 or less, 8.5 or less, or as low as 2 to 5.
  • the current The path ratio (L2/L1) may be as low as 8.5 or less, or in the range of 2 to 5.
  • the significance of the present invention is that the upper limit of the current path ratio (L2/L1) is determined from the viewpoint of designing a low-resistance cell that minimizes the current path. If the upper limit of the current path ratio (L2/L1) is exceeded, the minimum resistance requirement of the secondary battery cannot be satisfied.
  • the third portion B2 may be bent to become a welding area.
  • the length d B2 of the third portion B2 may be longer than the length d B1 of the first portion B1.
  • the length d B2 of the third portion B2 may be longer than the length d B3 of the second portion B3.
  • the bent portion may be overlapped in several layers during bending. By lengthening the length d B2 of the third portion B2, a sufficient welding area can be secured.
  • FIG. 17 is a plan view showing a deformed structure of an electrode according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the segment omission section 164 may be plural.
  • the width of the segment skip section 164 may be constant from the core side to the outer circumference side.
  • the width of the segment skip section 164 may increase or decrease regularly or irregularly from the core side to the outer circumferential side.
  • the height of the non-coated portion present in the segment skip section 164 may correspond to the height of the first portion B1 and/or the second portion B3.
  • the number of segment segments 161 existing between the segment segment skipping sections 164 may be at least one.
  • the electrode 160 may include an uncoated section in which the number of segment segments 161 existing between the segment omitted sections 164 increases from the core toward the outer circumference.
  • the length of the segment omitted section 164 is the electrode tab. It can be determined in consideration of the condition that the current path ratio (L2/L1) in the undefined section must be 11 or less.
  • 18 is an upper plan view illustrating independent regions in which a plurality of segment segments may be located when an electrode according to a modified embodiment of the present invention is wound into an electrode assembly.
  • the width of the segment omission section 164 is such that, as shown in FIG. 18, when the electrode 160 is wound, the segment segments located in each winding turn are based on the core C of the electrode assembly 200. It may be set to be located within the preset independent area 166 .
  • the plurality of segment pieces 161 may be located in the plurality of independent regions 166 based on the core C when the electrode assembly 200 is viewed in the direction of the winding axis.
  • the number of independent regions 166 can be changed to 2, 3, 4, 5 or the like.
  • the independent area 166 may be fan-shaped. In this case, angles between the independent regions 166 may be substantially the same. Also, the circumferential angle ⁇ of the independent region 166 may be 20 degrees or more, optionally 25 degrees or more, 30 degrees or more, 35 degrees or more, or 40 degrees or more.
  • the free area 166 may have the shape of a geometric figure such as a square, rectangle, parallelogram, trapezoid, or the like.
  • a welding portion with the current collector plate can be formed only in the independent region 166 and the current collector plate can be designed to have a leg structure corresponding to the independent region 166, which is advantageous in terms of current collection efficiency.
  • 19 is a plan view showing the structure of an electrode according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the electrode 170 of the sixth embodiment has substantially the same configuration except for the difference in the shape of the segment 161′ from the previous embodiment. Therefore, the configuration of the fifth embodiment can be equally applied to the sixth embodiment unless otherwise noted.
  • the segmental segment 161' has the shape of a geometric figure in which upper and lower widths are substantially equal.
  • the segment 161' may have a rectangular shape.
  • 20 is a diagram illustrating definitions of width, height, and separation pitch of segments included in an electrode according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the width (D), height (H), and separation pitch (P) of the segments 161' prevent the uncoated portion 143 from being torn when the uncoated portion 143 is bent and collected.
  • the number of overlapping layers of the uncoated portion 143 may be sufficiently increased while preventing abnormal deformation of the uncoated portion 143 .
  • Abnormal deformation means that the uncoated portion under the bending point does not maintain a straight state and is irregularly deformed without hesitation.
  • the width D of the segment segment 161' is the length between two points where two straight lines extending from both sides of the segment segment 161' and a straight line extending from the bottom 163a of the cutting groove 163 meet.
  • the height (H) of the segment segment 161' is defined as the shortest distance between the uppermost side of the segment segment 161' and a straight line extending from the bottom portion 163a of the cut groove 163.
  • the separation pitch P of the segments 161' is between two points where a straight line extending from the bottom 163a of the cutting groove 163 and the straight lines extending from the two side sides 163b connected to the bottom 163a meet.
  • the straight line can be replaced with a tangent extending from the side 163b and/or the bottom 163a at the intersection where the side 163b and the bottom 163a meet.
  • conditions for the width (D), height (H), and separation pitch (P) of the segments 161' are substantially the same as those of the fifth embodiment described above, and thus repetitive descriptions are omitted.
  • the segmental segment 161' has a rectangular shape, the lower interior angle of the segmental segment 161' may be constant at 90 degrees.
  • the electrode 170 according to the sixth embodiment may also include a segment omission section 164 in which some of the plurality of segment segments are regularly or irregularly omitted.
  • each segment segment 161 and 161' can be variously modified. do.
  • the segment segments exposed to the upper and lower portions of the electrode assembly are bent while overlapping in several layers along the radial direction of the electrode assembly.
  • a surface area can be formed.
  • the bent surface area F formed by bending the segment 161 toward the core C of the electrode assembly 200 may be formed on both the upper and lower portions of the electrode assembly 200 .
  • 21 is an upper perspective view schematically illustrating an electrode assembly having a bent surface area.
  • the bending surface area F has a structure in which segment segments 161 are overlapped in a plurality of layers in the winding axis direction.
  • the overlapping direction is the direction of the winding axis.
  • the height, width and spacing of the segment segments 161 are adjusted according to the radius of the winding turn including the segment segments 161 so that the number of stacked segment segments 161 stacked at each position of the bending surface area F is required. It can be optimized according to the welding strength of the current collector plate.
  • the electrode structure of the above-described embodiments may be applied to an anode and a cathode included in a jelly-roll type or other type of electrode assembly known in the art.
  • the positive electrode active material coated on the positive electrode and the negative electrode active material coated on the negative electrode may be used without limitation as long as they are known in the art.
  • the cathode active material has the general formula A[A x M y ]O 2+z (A includes at least one element of Li, Na, and K; M is Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, including at least one element selected from Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Mo, Sc, Zr, Ru, and Cr; x ⁇ 0, 1 ⁇ x+y ⁇ 2, -0.1 ⁇ z ⁇ 2; the stoichiometric coefficients x, y and z are selected such that the compound remains electrically neutral).
  • the cathode active material is an alkali metal compound disclosed in US6,677,082, US6,680,143, etc. xLiM 1 O 2 - (1-x)Li 2 M 2 O 3 (M 1 is at least one element having an average oxidation state of 3). contains; M 2 contains at least one element having an average oxidation state of 4; 0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the cathode active material has the general formula Li a M 1 x Fe 1 - x M 2 y P 1 - y M 3 z O 4 -z
  • M 1 is Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Includes at least one element selected from Cr, Mo, Ni, Nd, Al and Mg
  • M 2 is Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, As, Sb , Si, Ge, includes at least one element selected from V and S
  • M 3 includes a halogen group element optionally including F; 0 ⁇ a ⁇ 2, 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1; stoichiometric coefficients a, x, y and z are chosen such that the compound remains electrically neutral), or Li 3 M 2 (PO 4 ) 3 [M is Ti, Si, Mn, Fe, Co, V , including at least one element selected from Cr
  • the cathode active material may include primary particles and/or secondary particles in which the primary particles are aggregated.
  • the negative electrode active material may use a carbon material, lithium metal or a lithium metal compound, silicon or a silicon compound, tin or a tin compound, or the like.
  • Metal oxides such as TiO 2 and SnO 2 having a potential of less than 2 V can also be used as an anode active material.
  • the carbon material both low crystalline carbon and high crystalline carbon may be used.
  • the separator is a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of polyolefin-based polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer. Alternatively, they may be laminated and used. As another example, the separator may use a conventional porous nonwoven fabric, for example, a nonwoven fabric made of high melting point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, or the like.
  • At least one surface of the separator may include a coating layer of inorganic particles. It is also possible that the separation membrane itself is made of a coating layer of inorganic particles. Particles constituting the coating layer may have a structure combined with a binder so that an interstitial volume exists between adjacent particles.
  • the inorganic particles may be made of an inorganic material having a permittivity of 5 or more.
  • the inorganic particles are Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), Pb 1 - x La x Zr 1 - y Ti y O 3 (PLZT), PB(Mg 3 Nb 2/3 )O 3 - PbTiO 3 (PMN-PT), BaTiO 3 , hafnia(HfO 2 ), SrTiO 3 , TiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, CaO, ZnO and Y 2 O 3 It may include at least one or more materials selected from the group consisting of.
  • the positive electrode uncoated portion 143a includes a first portion B1 adjacent to the core of the electrode assembly 200, a second portion B3 adjacent to the outer circumferential surface of the electrode assembly 200, and a first portion B3 adjacent to the outer surface of the electrode assembly 200.
  • a third portion B2 is interposed between the portion B1 and the second portion B3.
  • the height of the first part B1 is relatively smaller than the height of the third part B2.
  • the bending length of the anode uncoated portion 143a positioned at the innermost side of the third portion B2 is equal to or smaller than the radial length R of the first portion B1.
  • the bending length H' corresponds to the distance from the point where the anode uncoated portion 143a is bent to the upper end of the anode uncoated portion 143a.
  • the bending length H′ may be smaller than the sum of the radial length R of the first portion B1 and 10% of the radius of the core C.
  • the core C is at the center of the electrode assembly 200 and has a cavity. If the cavity of the core C is not blocked, there is no difficulty in the electrolyte injection process, and the electrolyte injection efficiency is improved. In addition, by inserting a welding jig through the core C, a welding process between the current collector plate on the negative (or positive) side and the battery housing (or electrode terminal) can be easily performed.
  • the height of the second portion B3 is relatively smaller than the height of the third portion B2. Therefore, when the beading part of the battery housing is pressed near the second part B3, it is possible to prevent an internal short circuit from occurring while the beading part and the second part B3 contact each other.
  • the cathode uncoated portion 143b has the same structure as the anode uncoated portion 143a.
  • the cathode uncoated portion 143b may have a conventional electrode structure or an electrode structure of other embodiments (modifications).
  • the height of the second portion B3 may gradually or stepwise decrease, unlike that shown in FIG. 22 .
  • the height of the third portion B2 is the same for the outer peripheral portion, but the height of the third portion B2 is the third portion ( B2) and the second portion (B3) may be gradually or gradually increased to the boundary.
  • the third portion B2 is divided into a plurality of segments, the section in which the height of the anode uncoated portion 143a changes corresponds to the height variable section E2 of the segment segment.
  • the electrode assembly 200 sequentially along the radial direction, based on the cross section along the direction of the winding axis, has a segment segment omission section E1 in which segment segments do not exist, and a variable height in which the segment segment height is variable. It includes a section E2 and a uniform height section E3 in which the heights of segments are uniform.
  • the ends 201 of the positive electrode uncoated portion 143a and the negative electrode uncoated portion 143b may be bent in a radial direction of the electrode assembly 200, for example, from the outer circumferential side to the core side. At this time, the first part B1 and the second part B3 are not bent.
  • the plurality of segment segments 161 and 161' described above are disposed in the height variable section E2 and the height uniform section E3, and are bent along the radial direction of the electrode assembly 200 and have a bending surface area (F in FIG. 21). ) is formed. Since a structure in which a current collector plate is welded to a large area can be applied to the bent surface area F formed by bending the segments 161 and 161', the energy density of the electrode assembly 200 including the same can be improved and the resistance this may be reduced.
  • the bending stress is alleviated, and the anode uncoated portion 143a and the cathode uncoated portion 143b near the bending point may be prevented from being torn or abnormally deformed.
  • the width and/or height and/or spacing pitch of the segments 161 and 161' are adjusted according to the numerical range of the above-described embodiment, the segments 161 and 161' are bent toward the core C. It is overlapped in several layers to ensure sufficient welding strength and does not form voids (gaps) in the bending surface area.
  • segment skip section E1 corresponds to the first part B1.
  • FIG. 23 is a plan view showing a deformed structure of an electrode according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the height of the segment 161 is uniform, and when manufactured as the electrode assembly 200 as shown in FIG. Except for the fact that only the height uniform section E3 is included, the rest of the configuration is substantially the same. Therefore, unless otherwise noted, the configuration of the fifth embodiment can be equally applied to the present modified example. Also, the second portion B3 is not divided into segments, and the height of the first portion B1 and the second portion B3 are the same.
  • the secondary batteries of Examples and Comparative Examples were prepared by changing the length (d B1 ) of the first part (B1), and then AC resistance, DC resistance, low temperature cycle and rapid The charging cycle was tested.
  • the number of segment segments 161 was 115, the width of the segment segment 161 was 8 mm at its widest, and the height of segment segment 161 was 6 mm.
  • the anode current collector was copper and had a thickness of 10 ⁇ m, and the cathode current collector was aluminum and had a thickness of 15 ⁇ m. In each current collector, the length of the short side close to L1 was 65 mm and the length of the long side was 4 m.
  • the cathode active material included lithium composite transition metal oxide, and the anode active material included graphite.
  • the separator was a polyolefin separator.
  • the electrolyte was 1.4M LiPF6 dissolved in a solvent in which ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethylmethyl carbonate (EMC) were mixed in a volume ratio of 20:70:10.
  • AC resistance evaluation can be measured by applying alternating current with a frequency of 1 kHz using a commonly used AC impedance measuring instrument.
  • a commonly used AC impedance measuring instrument For example, AC resistance evaluation can be measured by applying alternating current with a frequency of 1 kHz using a commonly used AC impedance measuring instrument.
  • CC/CV charging under 4.2 V 666mA (0.3C, 0.05C cut-off) conditions and CC under 2.5V 666 mA (0.3C) conditions. Discharge was repeated 3 times.
  • the AC resistance was measured in the range of 10 mHz to 100 kHz using a multi impedance analyzer (Biologic, model name: VMP3) under a temperature condition of 25 ° C and a state of charge (SOC) of 50%.
  • DC resistance evaluation can be measured by placing a probe on the electrode surface using a commonly used DC resistance meter and allowing current to flow only to the electrode surface.
  • Low-temperature cycle performance evaluation of low-temperature life characteristics was performed with 200mA current (0.1C), CC/CV charging under 4.2 V 666mA (0.3C, 0.05C cut-off) conditions and 2.5V 666 mA (0.3C). ) conditions, CC discharge was repeated 300 times (cycle) at 10 ° C. Thereafter, with the first discharge capacity as the initial capacity, the capacity retention rate % was calculated by comparing the 300th discharge capacity to the initial capacity.
  • a device such as PNE-0506 charger/discharger (manufacturer: PNE Solution Co., Ltd., 5V, 6A) can be used to measure discharge capacity.
  • the process of rapid charging for 25 minutes from SOC 10% to SOC 80% and discharging to SOC 10% was repeated 500 times. All charging and discharging were performed in CC. After 500 cycles, the charge capacity change rate was calculated as %.
  • the length (d B1 ) of the first part (B1) determining L2 is 556 mm
  • the length (d B1 ) of the first part ( B1 ) is 680 mm
  • the length (d B1 ) of the first part (B1) was 920 mm.
  • the length (d B1 ) of the first part B1 is 556 mm
  • the length of the electrode tab undefined section 143a2 confirmed through simulation is 660 mm or less.
  • the length (d B1 ) of the first part B1 is greater than the length of 660 mm of the electrode tab undefined section 143a2 confirmed through simulation.
  • Table 1 summarizes the conditions and experimental results of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2.
  • Example 1 AC resistance was measured as 1.5 m ⁇ and DC resistance as 3.6 m ⁇ . As shown in the simulation results, the AC resistance satisfies 2m ⁇ or less, and the DC resistance also satisfies the minimum resistance requirements of the secondary battery (DC resistance 4m ⁇ or less and AC resistance 3m ⁇ or less).
  • the DC resistance measured in Comparative Example 1 was 3.9 m ⁇ and the AC resistance was 1.7 m ⁇ , which satisfies the minimum resistance requirement of the secondary battery, but the low temperature cycle was 76% and the fast charge cycle was 83%, so the low temperature cycle was 82%. and showed a performance inferiority compared to Example 1 in which the rapid charge cycle was 87%.
  • the length (d B1 ) of the first part (B1) is 660 mm or less, as in Example 1, from the viewpoint of a rapid charging cycle.
  • the DC resistance measured in Comparative Example 2 was 4.3 m ⁇ , which did not satisfy the minimum resistance requirement of the secondary battery, and the low temperature cycle was 58% and the rapid charge cycle was measured at 64%, which was lower than that of Comparative Example 1. That is, as the length (d B1 ) of the first portion B1 increases beyond 660 mm (680 mm ⁇ 920 mm), resistance increases, and it can be seen that low-temperature cycle and fast-charge cycle performance deteriorates.
  • the minimum resistance requirement of the secondary battery is satisfied
  • Electrode assembly structures according to embodiments of the present invention may be applied to cylindrical secondary batteries.
  • the cylindrical secondary battery for example, has a form factor ratio (defined as the ratio of the diameter of the cylindrical secondary battery divided by the height, that is, the ratio of the diameter ( ⁇ ) to the height (H)) of greater than about 0.4.
  • a form factor ratio defined as the ratio of the diameter of the cylindrical secondary battery divided by the height, that is, the ratio of the diameter ( ⁇ ) to the height (H)
  • the cylindrical secondary battery may have a diameter of 40 mm to 50 mm and a height of 60 mm to 130 mm.
  • the form factor of the cylindrical secondary battery according to an embodiment may be, for example, 46110, 4875, 48110, 4880 or 4680.
  • the first two numbers represent the diameter of the secondary battery, and the remaining numbers represent the height of the secondary battery.
  • a secondary battery according to an embodiment of the present invention may be a cylindrical secondary battery having a diameter of about 46 mm, a height of about 110 mm, and a form factor ratio of 0.418.
  • a secondary battery according to another embodiment may be a cylindrical secondary battery having a diameter of about 48 mm, a height of about 75 mm, and a form factor ratio of 0.640.
  • a secondary battery according to another embodiment may be a cylindrical secondary battery having a diameter of about 48 mm, a height of about 110 mm, and a form factor ratio of 0.436.
  • a secondary battery according to another embodiment may be a cylindrical secondary battery having a diameter of about 48 mm, a height of about 80 mm, and a form factor ratio of 0.600.
  • a secondary battery according to another embodiment may be a cylindrical secondary battery having a diameter of about 46 mm, a height of about 80 mm, and a form factor ratio of 0.575.
  • secondary batteries having a form factor ratio of about 0.4 or less have been used. That is, conventionally, for example, 18650 secondary batteries and 21700 secondary batteries have been used.
  • 18650 secondary battery the diameter is approximately 18 mm
  • the height is approximately 65 mm
  • the form factor ratio is 0.277.
  • the diameter is approximately 21 mm
  • the height is approximately 70 mm
  • the form factor ratio is 0.300.
  • the secondary battery 300 of FIG. 24 is an electrode assembly 200, which is a jelly-roll type electrode assembly in which any one of the electrodes of the fifth and sixth embodiments (modifications thereof) is applied to the positive and negative electrodes.
  • contains 24 is a cross-sectional view of the secondary battery 300 cut along the winding axis direction.
  • the positive electrode uncoated portion 143a and the negative electrode uncoated portion 143b are disposed in opposite directions. Also, the positive electrode uncoated portion 143a and the negative electrode uncoated portion 143b are exposed to the outside of the separator (see 60 in FIG. 7 ).
  • only parts of the positive electrode uncoated portion 143a and the negative electrode uncoated portion 143b may be defined and used as electrode tabs. For example, only a portion of the positive uncoated portion 143a may be used as a positive electrode tab, and only a portion of the negative electrode uncoated portion 143b may be used as a negative electrode tab.
  • the secondary battery 300 also includes a cylindrical battery housing 305 that accommodates the electrode assembly 200 and is connected to the negative electrode uncoated portion 143b.
  • the battery housing 305 is made of a conductive metal material.
  • the battery housing 305 may be made of iron, nickel-plated iron, or stainless steel (SUS), and may be a battery can, but the present invention is not limited thereto.
  • one side (bottom in this embodiment) of the cell housing 305 is open to form an opening.
  • the opposite side of the open portion in the battery housing 305 is a closed portion.
  • the closure is the bottom 310 of the cell housing 305 .
  • the bottom 310 of the cell housing 305 is circular.
  • the side (outer circumferential surface) of the battery housing 305 and the bottom 310 may be integrally formed.
  • the bottom 310 of the battery housing 305 has a substantially flat shape.
  • the battery housing 305 accommodates the electrode assembly 200 through the opening and also accommodates the electrolyte.
  • the side of the battery housing 305 extends a certain length from the bottom 310 .
  • the bottom 310 of the battery housing 305 has a structure in which the cathode terminal 315 is riveted to the through hole 320 through a caulking process.
  • the secondary battery 300 may include a rivet gasket 325 interposed between the cathode terminal 315 and the through hole 320 .
  • the positive terminal 315 is made of a conductive metal material.
  • the cathode terminal 315 may be made of a material containing aluminum as a main component, but the present invention is not limited thereto.
  • the positive terminal 315 may be made of a 10 series aluminum alloy that is easy to riveting and has low resistance. A portion of the positive electrode terminal 315 is inserted into the battery housing 305 and the other portion is exposed to the outside of the battery housing 305 .
  • the rivet gasket 325 may be made of a polymer resin having insulation and elasticity.
  • the rivet gasket 325 may be made of polypropylene, polybutylene terephthalate, polyfluorinated ethylene, etc., but the present invention is not limited thereto.
  • the secondary battery 300 includes a positive electrode current collector 330 connected to the positive electrode uncoated portion 143a.
  • the connection between the positive electrode uncoated portion 143a and the positive current collector plate 330 may be performed by welding.
  • the positive electrode current collector 330 is connected to the electrode tab definition section of the positive electrode uncoated portion 143a.
  • the positive current collector 330 is also connected to the positive terminal 315 .
  • the positive current collector 330 and the positive terminal 315 are connected by laser welding.
  • the positive current collector plate 330 may be the same metal as the positive current collector and/or the positive electrode terminal 315 or may be made of a material that can be easily welded thereto.
  • the positive current collector 330 may be made of a material containing aluminum as a main component, and may also be made of iron, nickel-plated iron, or SUS.
  • the positive electrode terminal 315 is connected to the positive electrode uncoated portion 143a through the positive current collector plate 330 .
  • the secondary battery 300 may also include a sealing body 335 sealing an open portion of the battery housing 305 to be insulated from the battery housing 305 .
  • the sealing body 335 may include a non-polarized cap plate 340 and a sealing gasket 345 interposed between an edge of the cap plate 340 and an opening of the battery housing 305 .
  • the cap plate 340 may be made of a conductive metal material such as aluminum, iron, nickel-plated iron, or SUS.
  • the sealing gasket 345 may be made of insulating and elastic polypropylene, polybutylene terephthalate, polyfluorinated ethylene, or the like.
  • the present invention is not limited by the materials of the cap plate 340 and the sealing gasket 345.
  • the cap plate 340 may cover the opening of the battery housing 305 . Even when the cap plate 340 is made of a conductive metal material, it does not have a polarity. Having no polarity may mean that the cap plate 340 is not connected to the electrode assembly 200 .
  • the cap plate 340 may mean that it is electrically insulated from the battery housing 305 and the positive electrode terminal 315 . Since it has no polarity, the cap plate 340 does not function as an electrode terminal. The cap plate 340 does not need to be connected to the electrode assembly 200 and the battery housing 305, and the material does not necessarily have to be a conductive metal.
  • the cap plate 340 may include a vent notch 350 that is ruptured when the pressure inside the battery housing 305 exceeds a critical value.
  • the vent notch 350 may be formed on one side or both sides of the cap plate 340 .
  • the bent notch 350 may form a continuous or discontinuous circular pattern, straight line pattern, or other pattern on the surface of the cap plate 340 .
  • the vent notch 350 may be formed in a substantially circular ring shape having a predetermined width.
  • the circular ring-shaped bent notch 350 may have the same center as the center of the cap plate 340 and have a smaller radius than the radius of the cap plate 340 .
  • the breaking pressure of the battery housing 305 may be controlled by controlling the depth and width of the vent notch 350 .
  • the vent notch 350 may be set to burst when the pressure inside the battery housing 305 is in the range of 15 to 35 kgf/cm 2 .
  • the vent notch 350 may be formed by partially reducing the thickness of the battery housing 305 by notching.
  • the bent notch 350 may have a thickness gradient. The thickness gradient means that the bent notch 350 is formed inclined at a predetermined angle with respect to a predetermined horizontal plane when checking the cross section. The vent notch 350 is broken when the pressure inside the battery housing 305 abnormally rises, and all of the internal gas is discharged to the outside.
  • the battery housing 305 is a crimping portion that extends and bends inside the battery housing 305 to fix the sealing body 335 and surrounds and fixes the edge of the cap plate 340 together with the sealing gasket 345. (crimping part, 355) may be included.
  • the lower surface of the cap plate 340 may be located above the lower surface of the crimping part 355 . Then, since a vent space is formed under the cap plate 340, gas can be discharged smoothly when the vent notch 350 is ruptured.
  • the battery housing 305 may also include a beading part 360 press-fitted toward the inside of the battery housing 305 in an area adjacent to the opening.
  • the beading portion 360 is recessed into the battery housing 305 .
  • the beading portion 360 supports the edge of the sealing body 335, particularly the outer circumferential surface of the sealing gasket 345, when the sealing body 335 is secured by the crimping portion 355.
  • the secondary battery 300 may further include a negative electrode current collector 365 connected to the negative electrode uncoated portion 143b.
  • the connection between the negative electrode uncoated portion 143b and the negative current collector plate 365 may be performed by welding.
  • the negative current collector 365 is connected to the electrode tab definition section of the negative electrode uncoated portion 143b.
  • the anode current collector 365 may be a metal of the same type as the anode current collector or a material that can be easily welded thereto. For example, it may be copper or copper alloy, nickel or nickel alloy, iron, SUS, or a composite material thereof.
  • the negative electrode current collector plate 365 at least a portion 365a of an edge not in contact with the negative electrode uncoated portion 143b is interposed between the beading portion 360 and the sealing gasket 345 to be crimped by the crimping portion 355. can be fixed
  • at least a portion 365a of an edge of the negative current collector plate 365 may be fixed to the inner circumferential surface 360a of the beading portion 360 adjacent to the crimping portion 355 by welding.
  • the negative current collector 365 is also connected to the battery housing 305, and the battery housing 305 is connected to the negative electrode uncoated portion 143b through the negative current collector 365.
  • the negative current collector 365 may have a current collector hole (not shown) in the center thereof.
  • the collector plate hole does not block the cavity of the core (C).
  • the negative current collector plate 365 includes a current collector hole so that the laser beam can reach the positive current collector plate 330 by passing the laser beam in the step of welding the positive current collector plate 330 to the positive electrode terminal 315. .
  • Each of the current collector plates 330 and 365 guides current generated in each electrode of the electrode assembly 200 to the positive electrode terminal 315 and the battery housing 305 .
  • Each of the current collector plates 330 and 365 is a component connected to draw current from the anode uncoated portion 143a and the cathode uncoated portion 143b, which are ends of each electrode.
  • a separate current collecting tab is not required because it is a structure in which current is drawn in and out by directly connecting the current collector plates 330 and 365 to the positive uncoated region 143a and the negative uncoated region 143b by welding or the like. Therefore, since the process of installing the current collecting tab is unnecessary, productivity can be improved. In addition, since the space for accommodating the current collecting tab can be reduced, the overall structure of the battery becomes compact and space utilization is improved.
  • the secondary battery 300 has a structure in which the remaining area except for the area occupied by the positive terminal 315 among the positive terminal 315 and the outer surface 310a of the battery housing 305 can be used as the positive terminal and the negative terminal, respectively. have That is, it has a structure in which most of the surface of the battery housing 305 opposite the open portion can be used as a negative electrode terminal. Therefore, it has the advantage of being able to secure a sufficient area for welding parts for connection such as bus bars for electrical wiring.
  • the positive electrode terminal 315 Due to the positive electrode terminal 315, space efficiency within the battery housing 305 can be increased. Accordingly, internal resistance of the secondary battery 300 including the same may be lowered and energy density may be increased. The positive terminal 315 may be improved to enlarge the cross-sectional area of the current path. Therefore, the secondary battery 300 including the same is improved in the internal heat generation problem that occurs during rapid charging.
  • the positive electrode terminal 315 includes the body portion 315a inserted into the through hole 320 and one circumference of the body portion 315a exposed through the outer surface 310a of the bottom 310 of the battery housing 305. From the outer flange portion 315b extending along the outer surface 310a, and the inner surface from the other circumference of the body portion 315a exposed through the inner surface 310b of the bottom 310 of the battery housing 305 ( It may include an inner flange portion 315c extending toward 310b) and a flat portion 315d provided inside the inner flange portion 315c.
  • the positive current collector plate 330 may be coupled to the flat portion 315d of the positive electrode terminal 315 by laser welding.
  • the flat portion 315d and the inner surface 310b of the bottom 310 of the battery housing 305 may be parallel to each other.
  • 'parallel' means substantially parallel when observed with the naked eye.
  • the diameter of the flat portion 315d may be 3 mm to 14 mm.
  • the flat portion 315d may determine the size of the weldable region. If the diameter of the weldable region is smaller than 3 mm, it may be difficult to secure adequate welding strength. When the diameter of the weldable area exceeds 14 mm, the diameter of the outer flange portion 315b of the positive electrode terminal 315 becomes too large to reduce the area of the outer surface 310a of the bottom 310 of the battery housing 305 to be used as the negative terminal. It is difficult to secure enough.
  • Laser welding is used to connect the flat portion 315d to the positive current collector plate 330 .
  • Laser welding may be performed in a state where the electrode assembly 200 is inserted through the opening of the battery housing 305 and the opening of the battery housing 305 is open.
  • the laser beam may pass through the cavity in the core C of the electrode assembly 200 and reach the welding area of the positive current collector 330 .
  • the positive terminal 315 may support the welding area of the positive current collector 330.
  • the area of the flat portion 315d of the positive electrode terminal 315 is large, a wide welding area can also be secured.
  • the internal resistance of the secondary battery 300 may be lowered by lowering the contact resistance of the welding region.
  • the face-to-face welding structure of the riveted positive electrode terminal 315 and the positive current collector plate 330 is very useful for rapid charging. This is because the current density per unit area can be lowered in the cross section in the direction in which the current flows, so that the amount of heat generated in the current path can be lowered than before.
  • the secondary battery 300 to which the riveting structure of the cathode terminal 315 is applied may perform electrical wiring in one direction.
  • the cap plate 340 of the sealing body 335 does not have a polarity.
  • the negative current collector plate 365 is connected to the battery housing 305 so that the outer surface 310a of the bottom 310 of the battery housing 305 has a polarity opposite to that of the positive terminal 315 . Therefore, when connecting the plurality of secondary batteries 300, both the anode and the cathode can be connected in one direction, thereby simplifying the connection structure.
  • the outer surface 310a of the bottom 310 of the battery housing 305 and the positive terminal 315 are used to Wiring such as bus bar connection may be performed on the upper part of the secondary battery 300 .
  • energy density can be improved by increasing the number of secondary batteries that can be mounted in the same space, and electrical wiring work can be easily performed. Therefore, the space efficiency is good and the efficiency of electrical wiring is high, so there is a significant work improvement effect in assembling an electric vehicle and assembling and maintaining a battery pack.
  • vent notch 350 is performed on the outer surface 310a of the bottom 310 of the battery housing 305 and the side where the positive terminal 315 is located, and the cap plate 340 located on the opposite side may not have electrical wiring, An effect of the vent notch 350 formed on the cap plate 340 may be maximized.
  • a heat sink, a cooling plate, or a tray is placed on the side of the cap plate 340, it is possible to effectively achieve the purpose of assembling and cooling regardless of the electrical wiring connection part.
  • the vent notch 350 by assembling the vent notch 350 downward, the gas discharged from the inside of the secondary battery is discharged downward.
  • the secondary battery 300 of the present invention can not only effectively discharge the high-pressure gas inside the secondary battery, but also is safe as it is independent of the upper part of the electrical wiring connection, and furthermore, when the vent notch 350 is broken, when the gas is discharged, it is discharged downward. Since it does not harm the occupants, safety is greatly improved.
  • the secondary battery 300 may further include an insulator 370 interposed between the closed portion of the battery housing 305 and the positive electrode current collector 330 .
  • the insulator 370 is formed between the positive current collector plate 330 and the inner surface 310b of the bottom 310 of the battery housing 305, and between the inner circumferential surface 305a of the sidewall of the battery housing 305 and the electrode assembly 200. may be intervened.
  • the insulator 370 may include a welding hole 370a exposing the flat portion 315d of the positive electrode terminal 315 toward the positive current collector plate 330 .
  • the welding hole 370a may expose the inner flange portion 315c and the inner gasket 325b together with the flat portion 315d of the electrode terminal.
  • the weld hole 370a does not block the cavity of the core C. Therefore, when a large amount of gas is generated due to an abnormality of the secondary battery, the movement of the gas to move toward the cap plate 340 through the cavity of the core C is not hindered. Accordingly, when a large amount of gas is generated, the vent notch 350 can smoothly control the internal pressure of the battery.
  • the cap plate 340 also includes a welding hole 370 a so that the laser beam can pass through and reach the positive current collector 330 in the step of welding the positive current collector plate 330 to the positive terminal 315. make it possible
  • the insulator 370 may cover at least the surface of the positive current collector 330 and one side (upper) edge of the electrode assembly 200 . Through this, it is possible to prevent contact between the positive current collector plate 330 having a polarity different from that of the battery housing 305 and the positive electrode uncoated portion 143a.
  • the insulator 370 is made of an insulating resin and may include an upper plate 370b and a side sleeve 370c.
  • the upper plate 370b and the side sleeve 370c may be an integrated injection molding product.
  • the side sleeve 370c may be replaced with insulating tape or the like. The insulating tape may cover the outer edge of the positive electrode current collector 330 together with the positive electrode uncoated portion 143a exposed through the outer circumferential surface of the electrode assembly 200 .
  • the insulator 370 and the inner surface 310b of the bottom 310 of the battery housing 305 may come into close contact with each other.
  • 'adherence' means that there is no space (gap) visually confirmed.
  • the distance from the inner surface 310b of the bottom 310 of the battery housing 305 to the flat portion 315d of the positive terminal 315 is equal to or slightly less than the thickness of the insulator 370 ( may have a slightly) small value.
  • FIG. 24 shows a path (first path) from the module bus bar welding position to the anode uncoated portion 143a and the cathode uncoated portion 143b, which are the electrode tabs of each electrode 140 (current starting point is indicated by a circle). , the connection location is indicated by a triangle). Current starting points are located at the positive terminal 315 and the negative terminal. The negative terminal is the cell housing 305 . The welding position of the module bus bar is located at the top of the secondary battery 300 . A current path starting from the positive terminal 315 and connected to the positive uncoated portion 143a is formed, and a current path starting from the negative terminal and connected to the negative uncoated portion 143b is formed.
  • the first path is similar to each other, but the second path in the electrode 140 constituting the electrode assembly 200, as shown in FIG. 15, FIG.
  • the current path ratio (L2/L1) is set to 11 or less, and for this purpose, the length of the electrode tab undefined section , for example, there is a feature of the present invention in setting the range of the length (d B1 ) of the first portion (B1).
  • the current A current path can be minimized by making it rarely move along the longitudinal direction and allowing it to move along the width direction, thereby reducing resistance. Nevertheless, by setting a partial section of the uncoated portion as an electrode tab undefined section, deformation does not occur when the welding region of the uncoated portion is bent, and the cavity in the core of the electrode assembly is not blocked.
  • the length of the electrode tab undefined section or the interval between adjacent segments is adjusted, as described above.
  • the current path ratio (L2/L1) in the maximum current path was made to be 11 or less.
  • the cylindrical secondary battery according to the above-described embodiments (modifications) may be used to manufacture a battery pack.
  • 25 is a diagram schematically illustrating the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • a battery pack 400 includes an assembly to which secondary batteries 401 are electrically connected and a pack housing 402 accommodating them.
  • the secondary battery 401 may be any one of the secondary batteries according to the above-described embodiments (modifications).
  • parts such as a bus bar, a cooling unit, and external terminals for electrically connecting the secondary batteries 401 are omitted.
  • the battery pack 400 may be mounted on a vehicle.
  • vehicle may be, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a plug-in hybrid vehicle.
  • Vehicles include four-wheeled vehicles or two-wheeled vehicles.
  • FIG. 26 is a diagram for explaining a vehicle including the battery pack 400 of FIG. 25 .
  • a vehicle V according to an embodiment of the present invention includes a battery pack 400 according to an embodiment of the present invention.
  • the vehicle V operates by receiving power from the battery pack 400 according to an embodiment of the present invention.

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Abstract

본 발명의 전극 조립체는, 양극 및 음극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 양극 또는 음극인 전극은, 장변과 단변을 가진 쉬트 형상의 집전체로서 장변 단부에 무지부를 포함하는 집전체를 포함하고, 상기 무지부는 그 자체로서 전극탭으로 사용되는 전극탭 정의 구간과 전극탭으로 사용되지 않는 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간을 포함하고, 상기 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간에 대한 최대 전류 경로는 상기 집전체의 단변을 따르는 폭 방향 전류 경로와 상기 집전체의 장변을 따르는 길이 방향 전류 경로를 포함하고, 상기 폭 방향 전류 경로의 길이와 상기 길이 방향 전류 경로의 길이를 각각 L1 및 L2라고 할 때, 전류 경로 비율(L2/L1)은 11 이하인 것이다.

Description

전극 조립체, 이차전지, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
본 발명은 전극 조립체, 이차전지, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 저저항 구현을 가능하게 하는 젤리-롤 형태의 전극 조립체, 이를 포함하는 원통형 이차전지, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다. 본 출원은 2021년 8월 5일자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2021-0103378호 및 2022년 7월 19일자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2022-0089230호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
이차전지의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 이차전지가 알려져 있다. 원통형 이차전지의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리-롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전지 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극탭이 연결될 수 있으며, 전극탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적으로 연결시킨다.
원통형 이차전지는 셀의 크기를 증가시켜 용량을 증가시킬 수 있다. 이 때, 높은 전류 밀도에도 에너지 손실, 발열 등의 측면에서 우수한 품질을 나타낼 수 있는 저저항 셀 설계가 필요하다. 이러한 저저항 셀의 설계는, 결국 전류 경로(current path)를 최소화하는 것이 중요하다.
도 1은 종래의 원통형 이차전지에 적용되는 양극 및 음극을 펼쳐 놓은 상태를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 원통형 이차전지에 적용되는 전극으로, 양극(1) 및 음극(2)이 도시되어 있다. 양극(1)의 길이 방향 중간부에 형성된 무지부(1a)에는 스트립 형태의 양극탭(1b)이 폭 방향을 따라 상부로 돌출되게 연결되어 있고, 음극(2)의 길이 방향 양단에 형성된 무지부(2a)에는 스트립 형태의 음극탭(2b)이 폭 방향을 따라 하부로 돌출되게 연결되어 있다. 도 1의 (a)는 양극탭(1b)과 음극탭(2b)이 각각 1개인 경우이고, (b)는 양극탭(1b)이 1개, 음극탭(2b)이 2개인 경우이다.
도 2는 종래의 원통형 이차전지에 있어서, 이차전지 외부에서의 전류 또는 전자의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 3은 종래의 원통형 이차전지에 있어서, 전극 조립체를 구성하는 양극 및 음극에서의 전류 또는 전자의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전류 경로는 크게, 모듈 버스바 용접 위치에서 각 전극(1, 2)의 전극탭(1b, 2b)에 이르는 경로(이하, 제1 경로), 및 각 전극(1, 2)의 전극탭(1b, 2b)에서 전극 끝지점에 이르는 경로, 이렇게 두 가지로 나눌 수 있다.
도 2에는 제1 경로가 도시되어 있는데, 도 2에서 전류 시작점(원 표시)은 양극 단자(1c) 및 음극 단자(2c)에 위치한다. 양극 단자(1c)는 전지 캔(3)의 개방부를 밀봉하는 밀봉체의 캡이고, 음극 단자(2c)는 전지 캔(3)이다. 모듈 버스바 용접 위치가 원통형 이차전지의 상단에 위치하는 경우를 예로 들었다. 양극 단자(1c)에서 시작되어 양극탭(1b)으로 연결되는 전류 경로가 형성되고, 음극 단자(2c)에서 시작되어 음극탭(2b)으로 연결되는 전류 경로가 형성된다(연결 위치는 세모 표시). 이처럼 제1 경로는 셀 외관에 의해 결정된다.
전극의 활물질층에서 전기화학적 산화 반응이 일어나면, 활물질층의 전영역에서 금속 원자(Li)가 금속 양이온(Li+)으로 전환되면서 전자가 생성된다. 전자는 전극을 구성하는 집전체(포일)를 통해서 전극탭까지 이동한 후 제1 경로를 통해 외부로 흐른다. 이 때, 전류는 전자의 흐름과는 반대 방향으로 흐른다. 반면, 전극에서 전기화학적 환원 반응이 일어나면, 전자가 제1 경로부터 전극탭을 통해 전극을 구성하는 집전체(포일)로 유입되고 전극의 활물질층 전 영역으로 이동하여 양이온(예를 들어 Li+)과 결합하며 금속 양이온이 금속으로 전환된다. 이 때, 전류는 전자의 흐름과는 반대 방향으로 흐른다.
한편, 전극에서 산화 또는 환원 반응이 일어날 때, 전자가 이동하는 경로는 전류 경로에 대응한다. 전극의 최대 전류 경로는 전극을 구성하고 있는 집전체(포일)의 기하학적 구조와 전극탭의 위치 및 개수에 의존하여 결정된다. 전극의 최대 전류 경로는 전극탭으로부터 가장 멀리 떨어진 전극 지점과 전극탭 사이의 최장 거리로 정의될 수 있다. 전극탭으로부터 가장 멀리 떨어진 전극 지점에서 전기화학적 산화 환원 반응이 일어나면, 전자들은 해당 전극 지점과 전극탭 사이를 연결하는 복수의 경로를 통해 이동하며 전자들의 일부는 최대 전류 경로를 통해서도 이동한다. 따라서, 전극의 최대 전류 경로가 길어지면 전체 전극의 관점에서 전자의 평균 이동 거리가 증가하게 되어 전극의 저항도 증가한다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 전극의 기하학적 구조와 전극탭의 개수 및 위치에 따라 고유하게 결정되는 최대 전류 경로를 전극의 제2 경로라고 지칭한다. 도 3에는 전극의 최대 전류 경로인 제2 경로가 도시되어 있고, 전극탭(1b, 2b)의 형성 위치 및 개수에 따라 제2 경로의 길이가 달라짐을 나타내고 있다.
도 3의 (a)를 참조하면, 양극(1)의 제2 경로(최대 전류 경로)는 도 2의 양극 단자(1c)에서부터 원통형 이차전지 내부의 양극탭(1b)을 따라 이어지는 폭 방향 전류 경로와 양극(1)의 길이 방향으로 횡단하여 양극(1)의 우측 하단에서 종료되는 길이 방향 전류 경로를 포함한다(전극탭으로부터 가장 멀리 떨어진 전극 지점은 네모 표시). 음극(2)의 제2 경로(최대 전류 경로)는, 도 2의 음극 단자(2c)에서 시작되어 원통형 이차전지 내부의 음극탭(2b)을 따라 이어지는 폭 방향 전류 경로와 음극(2)의 길이 방향으로 횡단하여 음극(2)의 좌측 상단에서 종료되는 길이 방향 전류 경로를 포함한다.
도 3의 (b)를 참조하면, 양극(1)의 제2 경로는 도 3의 (a)와 동일하다. 음극(2)의 경우, 2개의 음극탭(2b)을 포함하므로 음극(2)의 제2 경로(최대 전류 경로)는 길이 방향 전류 경로가 1/2로 감소하므로 도 3의 (a)보다 짧아진다. 이와 같이 제2 경로는 전극탭의 개수가 증가하면 길이 방향 전류 경로의 감소로 인해 그 만큼 감소하게 된다.
현재 사용되는 1865(직경:18mm, 높이:65mm) 및/또는 2170(직경:21mm, 높이:70mm) 폼 팩터를 가진 소형 원통형 이차전지의 경우, 제2 경로에 따른 저항이 매우 크게 나타난다. 여기서, 폼 팩터란, 원통형 이차전지의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 나머지 숫자들은 셀의 높이를 나타낸다.
도 3에서 본 바와 같이, 종래의 원통형 이차전지는, 폭 방향 전류 경로 대비 길이 방향 전류 경로가 매우 길다. 전지의 저항은 전류 경로가 길수록 증가한다. 도 3의 (a)에 비해 (b)에서와 같이 음극탭(2b)의 개수를 늘린 것도 음극의 길이 방향 전류 경로를 줄여서 저항을 낮추기 위한 것이다.
원통형 이차전지의 저항은, 셀 외부에서의 제1 경로에 따른 저항과 셀 내부에서의 제2 경로에 따른 저항에 영향을 받는데, 이 중 특히 제2 경로에 따른 저항에 의해 지배적 영향을 받는다. 이는, 전극 조립체의 구조로 인한 전류(또는 전자)의 흐름 경로의 길이와 관련성이 있다. 따라서, 이러한 저항 상승의 주된 원인을 고려하여 원통형 이차전지에 있어서 저저항을 구현할 수 있는 방안의 모색이 요청된다. 저항이 작을수록 실 사용 환경에서 발열이 적게 나타나며, 급속 충전이나 고율 방전시에도 유리하다.
한편, 종래의 원통형 이차전지에 의하면, 무지부(1a, 2a)와 결합되는 스트립 형태의 전극탭(1b, 2b)에 전류가 집중되기 때문에 저항이 크고 열이 많이 발생하며 집전 효율이 좋지 않다는 문제점이 있다. 소형 원통형 이차전지는 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 이차전지를 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 저항과 발열은 발화 사고를 일으킬 수 있으므로 큰 문제점이 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 젤리-롤 타입의 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하도록 설계하고, 이러한 무지부에 집전판을 용접시켜 집전 효율이 개선된 구조를 갖는 원통형 이차전지(소위 탭-리스(Tab-less) 원통형 이차전지)가 제시되었다.
도 4 내지 도 6은 탭-리스 원통형 이차전지의 제조 과정을 보여주는 도면들이다. 도 4는 전극의 구조를 나타내고, 도 5는 전극의 권취 공정을 나타내고, 도 6은 무지부의 절곡 표면영역에 집전판이 용접되는 공정을 나타낸다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 양극(10)과 음극(11)은 쉬트 모양의 집전체(20)에 활물질(21)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향(X)을 따라 한쪽 장변 측에 무지부(22)를 포함한다. 장변은 X축 방향과 평행한 방향으로서 길이가 상대적으로 긴 변을 의미한다.
전극 조립체(A)는 양극(10)과 음극(11)을 도 5에 도시된 것처럼 2장의 분리막(12)과 함께 순차적으로 적층시킨 후 일 방향(X)으로 권취시켜 제작한다. 이 때, 양극(10)과 음극(11)의 무지부는 서로 반대 방향으로 배치된다. 전극 조립체(A)의 상부에 전체적으로 양극 무지부(10a)가 형성되어 있고, 전극 조립체(A)의 하부에 전체적으로 음극 무지부(11a)가 형성되어 있다.
권취 공정 이후, 양극(10)의 무지부(10a)와 음극(11)의 무지부(11a)는 코어측으로 절곡된다. 그 이후에는, 무지부(10a, 11a)에 집전판(30, 31)을 각각 용접시켜 결합시킨다.
양극 무지부(10a)와 음극 무지부(11a)에는 별도의 전극탭이 결합되어 있지 않고, 집전판(30, 31)이 외부의 전극 단자와 연결되며, 전류 경로가 전극 조립체(A)의 권취축 방향(화살표 참조)을 따라 큰 단면적으로 형성되므로 이차전지의 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반비례하기 때문이다.
탭-리스 원통형 이차전지에서, 무지부(10a, 11a)와 집전판(30, 31)의 용접 특성을 향상시키기 위해서는 무지부(10a, 11a)의 용접 영역에 강한 압력을 가하여 최대한 평평하게 무지부(10a, 11a)를 절곡시켜야 한다. 그런데, 무지부(10a, 11a)의 용접 영역을 절곡시킬 때 무지부(10a, 11a)의 모양이 불규칙하게 일그러지면서 변형될 수 있다. 이 경우, 변형된 부위가 반대 극성의 전극과 접촉하여 내부 단락을 일으키거나 무지부(10a, 11a)에 미세한 크랙을 유발할 수 있다. 또한 전극 조립체(A)의 코어(33)에 인접한 무지부(32)가 절곡되면서 전극 조립체(A)의 코어에 있는 공동을 전부 또는 상당 부분 폐색한다. 이 경우, 전해액 주액 공정에서 문제를 일으킨다. 즉, 전극 조립체(A)의 코어(33)에 있는 공동은 전해액이 주입되는 통로로 사용된다. 그런데, 해당 통로가 폐색되면 전해액 주입이 어렵다. 또한, 전해액 주입기가 코어(33)에 있는 공동에 삽입되는 과정에서 코어(33) 근처의 무지부(32)와 간섭을 일으켜 무지부(32)가 찢어지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 집전판(30, 31)이 용접되는 무지부(10a, 11a)의 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(A) 내부로 침투하여 분리막(12)이나 활물질(21)을 융발시키는 문제를 방지할 수 있다.
또한, 종래의 탭-리스 원통형 이차전지는 전극 조립체(A)의 상부에 전체적으로 양극 무지부(10a)가 형성되어 있어, 전지 캔 상단의 외주면을 내부로 압입하여 비딩부를 형성할 때, 전극 조립체(A)의 상단 가장자리 영역(34)이 전지 캔에 의한 압박을 받게 된다. 이러한 압박은, 전극 조립체(A)의 부분적인 변형을 발생시킬 수 있으며, 이 때 분리막(12)이 찢어지면서 내부 단락이 발생할 수 있다. 이차전지 내부에서 단락이 발생하면, 발열이나 폭발이 초래될 수 있다.
이러한 점들을 고려하면, 무지부(10a, 11a)가 지금처럼 전극 조립체(A)의 상부와 하부에 전체적으로 형성되어서는 안 되며, 일부 구간에서는 생략되어야 할 필요성이 발생한다. 무지부(10a, 11a)를 일부 구간에서 생략하는 경우, 앞서 언급한 전극 조립체 내부에서의 길이 방향 전류 경로에 따른 저항이 증가되기 때문에, 전류 경로를 최소화하는 저저항 셀 설계가 탭-리스 원통형 이차전지에서도 고려되어야 한다. 특히, 원통형 이차전지를 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 많은 열이 발생하면서 원통형 이차전지가 발화하는 문제가 발생할 수 있기 때문에, 전류 경로를 최소화하는 저저항 셀 설계는 더욱 중요해진다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 배경하에서 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 원통형 이차전지에 있어서 전류 경로, 특히 길이 방향 전류 경로를 최소화하여 저저항을 구현하고, 이로써 원통형 이차전지가 고용량 및/또는 고출력을 가지면서도 이에 따른 높은 전류 밀도로 인한 발열의 정도 등의 측면에서 우수한 품질을 나타낼 수 있도록 하는 전극 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 전류 경로가 최소화되도록 개선된 구조의 전극 조립체를 포함하는 이차전지와 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전극 조립체는, 양극 및 음극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 양극 또는 음극인 전극은, 장변과 단변을 가진 쉬트 형상의 집전체로서 장변 단부에 무지부를 포함하는 집전체를 포함하고, 상기 무지부는 그 자체로서 전극탭으로 사용되는 전극탭 정의 구간과 전극탭으로 사용되지 않는 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간을 포함하고, 상기 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간에 대한 최대 전류 경로는 상기 집전체의 단변을 따르는 폭 방향 전류 경로와 상기 집전체의 장변을 따르는 길이 방향 전류 경로를 포함하고, 상기 폭 방향 전류 경로의 길이와 상기 길이 방향 전류 경로의 길이를 각각 L1 및 L2라고 할 때, 전류 경로 비율(L2/L1)이 11 이하인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 전류 경로 비율(L2/L1)이 10.15 이하일 수 있다.
상기 전류 경로 비율(L2/L1)은 8.5 이하일 수도 있고, 2 내지 5일 수도 있다.
상기 전극탭 미정의 구간은 상기 전극탭 정의 구간에 비해 무지부의 높이가 작은 것일 수 있다.
상기 전극탭 미정의 구간의 길이의 최대값은 상기 양극 및 음극의 길이의 4% 내지 23%일 수 있다.
상기 전극탭 미정의 구간의 길이의 최대값은 상기 양극 및 음극의 폭의 2.5배 내지 11배일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 무지부는 상기 코어에 인접한 제1 부분, 상기 외주면에 인접한 제2 부분, 및 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이의 제3 부분을 포함하고, 상기 권취축 방향으로 상기 제1 부분이 상기 제3 부분보다 작은 높이를 가지는 것일 수 있다.
그리고, 상기 제3 부분이 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의될 수 있다.
상기 권취축 방향으로 상기 제2 부분은 상기 제3 부분과 같거나 작은 높이를 가질 수 있다.
그러면, 상기 제2 부분 및 상기 제3 부분이 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의될 수 있다.
상기 집전체의 단변 길이는 60mm-85mm이고 상기 집전체의 장변 길이는 3m-5m일 수 있다.
이 때, 상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이의 최대값은 상기 집전체의 장변 길이의 4% 내지 23%일 수 있다.
상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이는 660mm 이하일 수 있다.
상기 제1 부분이 상기 전극탭 미정의 구간에 대응될 수 있다.
상기 제1 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되지 않을 수 있다.
상기 제2 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되지 않을 수 있다.
상기 전극 조립체의 권취 방향으로, 상기 제3 부분의 길이가 상기 제1 부분의 길이 및 상기 제2 부분의 길이보다 더 길 수 있다.
상기 제1 부분은 상기 집전체의 코어측 단변으로부터 시작되고, 상기 제1 부분의 높이는 상기 권취 방향을 따라 일정하며, 상기 제1 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제3 부분의 적어도 일부 영역은 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있을 수 있다.
이 때, 상기 분절편은 절곡되어 상기 권취축 방향으로 겹쳐진다.
바람직하게, 상기 집전체의 단변 길이는 60mm-85mm이고 상기 집전체의 장변 길이는 3m-5m이며, 상기 집전체의 두께는 5㎛ 내지 25㎛이고, 상기 분절편의 폭은 3mm-10mm이며, 상기 분절편의 높이는 10mm 이하이다.
이 때, 상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이는 660mm 이하이다.
상기 전극 조립체는, 상기 권취축 방향에 따른 단면을 기준으로, 반경 방향을 따라 순차적으로, 분절편이 존재하지 않는 분절편 생략 구간, 분절편의 높이가 균일한 높이 균일 구간을 포함하고, 상기 복수의 분절편은 상기 높이 균일 구간에 배치되고 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되면서 절곡 표면영역을 형성한다.
다른 예로, 상기 전극 조립체는, 상기 분절편 생략 구간과 상기 높이 균일 구간 사이에 분절편의 높이가 가변되는 높이 가변 구간을 더 포함하고, 상기 복수의 분절편은 상기 높이 가변 구간 및 상기 높이 균일 구간에 배치되며, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되면서 절곡 표면영역을 형성할 수도 있다.
상기 분절편 생략 구간은 상기 전극탭 미정의 구간에 대응될 수 있다.
상기 제2 부분은 분절편들로 분할되어 있지 않고, 상기 제1 부분과 제2 부분의 높이는 동일할 수 있다.
상기 제3 부분은 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 분절편이 없는 분절편 생략 구간을 하나 이상 포함할 수도 있다.
이 떄, 상기 분절편 생략 구간에서의 무지부 높이는 상기 제1 부분의 높이와 동일할 수 있다.
상기 분절편은 상기 코어를 기준으로 원주 방향으로 배치되어 있는 2개 이상의 부채꼴 영역 또는 다각형 영역에 위치할 수 있다.
이 경우에도, 상기 분절편 생략 구간이 상기 전극탭 미정의 구간에 대응될 수 있다.
상기 코어에 공동이 구비되어 있으며, 상기 제3 부분이 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의되고, 상기 제3 부분은 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있으며, 절곡된 상기 분절편은 상기 공동을 가리지 않는 것일 수 있다.
그러한 경우, 상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이의 최대값은 상기 집전체의 장변 길이의 4% 내지 23%일 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 본 발명에 따른 전극 조립체; 일측에 형성된 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하며, 음극의 무지부와 연결된 원통형의 전지 하우징; 상기 전지 하우징으로부터 절연 가능하도록 상기 전지 하우징의 개방부를 밀봉하는 밀봉체; 및 상기 전지 하우징의 상기 개방부의 반대편에 위치하는 상기 전지 하우징의 바닥에 형성된 관통 홀을 통해 리벳팅되며, 양극의 무지부와 연결된 양극 단자를 포함한다.
바람직하게, 본 발명의 이차전지는, 상기 양극의 무지부가 분리막의 외부로 노출되고, 상기 음극의 무지부는 상기 양극의 무지부와 반대 방향으로 상기 분리막의 외부로 노출되며, 상기 양극의 무지부와 전기적으로 연결된 양극 집전판 및 상기 음극의 무지부와 전기적으로 연결된 음극 집전판을 더 포함한다.
상기 이차전지의 DC 저항은 4mΩ(milliohm) 이하이고 AC 저항은 3mΩ 이하일 수 있다.
바람직하게, 상기 이차전지의 AC 저항이 2mΩ 이하일 수 있다.
상기 이차전지는 높이 대비 직경의 비율이 0.4보다 클 수 있다.
상기 밀봉체는, 극성이 없는 캡 플레이트 및 상기 캡 플레이트의 가장자리와 상기 전지 하우징의 개방부 사이에 개재된 밀봉 가스켓을 포함할 수 있다.
상기 양극 단자는, 상기 관통 홀에 삽입된 몸체부; 상기 전지 하우징의 바닥의 외부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 일측 둘레로부터 상기 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부; 상기 전지 하우징의 바닥의 내부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 타측 둘레로부터 상기 내부면을 향해 연장된 내부 플랜지부; 및 상기 내부 플랜지부의 내측에 구비된 평탄부;를 포함할 수 있다.
상기 이차전지는 상기 양극의 무지부와 전기적으로 연결된 양극 집전판 및 상기 음극의 무지부와 전기적으로 연결된 음극 집전판을 더 포함하고, 상기 평탄부에서 상기 양극 단자는 상기 양극 집전판과 레이저 용접으로 결합될 수 있다.
전극탭 미정의 구간은 상기 음극 집전판 및 양극 집전판과 연결되지 않아 전류 경로를 형성하는 부위가 되지 못하는 부분일 수 있다.
본 발명의 다른 과제는 복수의 상술한 이차전지를 포함하는 배터리 팩에 의해 달성될 수 있다.
바람직하게, 복수의 이차전지는 소정 수의 열로 배열되고, 각 이차전지의 양극 단자와 전지 하우징 바닥의 외부면은 상부를 향하도록 배치된다.
본 발명의 다른 과제는 상기 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 자동차에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 최대 전류 경로에서 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 제시한다. 이러한 전류 경로 비율(L2/L1)이 갖는 범위는 전극 조립체가 고용량을 가지면서도 내부 저항을 최소화할 수 있는 범위에 해당하는 것이다. 따라서, 이러한 전극 조립체를 포함하는 이차전지는 고용량 및/또는 고출력을 가지면서도 이에 따른 높은 전류 밀도로 인한 발열의 정도 등의 측면에서 우수한 품질을 나타낼 수 있게 된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 상부 및 하부에 돌출된 무지부 자체를 전극탭으로서 사용함으로써 이차전지의 내부 저항을 감소시키고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 무지부가 찢어지는 현상을 방지하고 무지부의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시켜 집전판의 용접 강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극의 무지부에 분절편 구조를 적용하고 분절편의 디멘션(폭, 높이, 이격 피치)을 최적화시켜 용접 타겟 영역으로 사용되는 영역의 분절편 적층수를 충분히 증가시키는 것에 의해 집전판이 용접되는 영역의 물성을 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 분절편들의 절곡에 의해 형성된 절곡 표면영역에 집전판을 넓은 면적으로 용접시킨 구조를 적용함으로써 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소된 전극 조립체가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상부에서 전기적 배선을 수행할 수 있도록 디자인이 개선된 원통형 이차전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 원통형 이차전지의 양극 단자 구조를 개선하여 전류 경로의 단면적을 확대함으로써 급속 충전 시 생기는 내부 발열 문제를 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 코어에 인접한 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 전극 조립체의 코어에 있는 공동이 폐색되는 것을 방지하여 전해액 주입 공정과 전지 하우징(또는 양극 단자)과 집전판의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내부 저항이 낮고, 내부 단락이 방지되고, 집전판과 무지부의 용접 강도가 향상된 구조를 갖는 원통형 이차전지, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 DC 저항이 4mΩ 이하이고 AC 저항이 3mΩ 이하이며, 높이 대비 직경의 비율이 0.4 이상인 원통형 이차전지와 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시예에서 설명하거나, 통상의 기술자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 원통형 이차전지에 적용되는 양극 및 음극을 펼쳐 놓은 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 원통형 이차전지에 있어서, 이차전지 외부에서의 전류 또는 전자의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 원통형 이차전지에 있어서, 전극 조립체를 구성하는 양극 및 음극에서의 전류 또는 전자의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 종래의 탭-리스 원통형 이차전지의 제조에 사용되는 전극의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 5는 종래의 탭-리스 원통형 이차전지의 전극 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 6은 종래의 탭-리스 원통형 이차전지에 있어서 무지부의 절곡면에 집전판이 용접되는 공정을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 7의 전극 조립체에 포함되는 전극에서의 최대 전류 경로에 대한 전류 경로 비율을 일정 범위 이내로 설정하게 된 배경을 설명하기 위한 것으로, 가상의 전극 조립체를 구성하는 양극 및 음극에서의 전류 또는 전자의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 도 7의 전극 조립체에 포함될 수 있는 제1 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 10은 시뮬레이션에 사용된 전극탭 미정의 구간을 포함하는 전극의 모식도이다.
도 11은 시뮬레이션을 통해 확인한 용접 포인트 수에 따른 저항 그래프이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제2 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제3 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제4 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제5 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 제5 실시예에 따른 전극의 변형 구조를 나타낸 평면도이다.
도 18은 본 발명의 변형예에 따른 전극이 전극 조립체로 권취되었을 때 복수의 분절편이 위치할 수 있는 독립 영역을 나타낸 상부 평면도이다.
도 19는 본 발명의 제6 실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 20은 본 발명의 제6 실시예에 따른 전극에 포함된 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 21은 절곡 표면영역이 형성된 전극 조립체를 개략적으로 도시한 상부 사시도이다.
도 22는 제5 실시예 및 제6 실시예(이들의 변형예들)의 전극들 중 어느 하나를 양극 및 음극에 적용한 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 23은 본 발명의 제5 실시예에 따른 전극의 변형 구조를 나타낸 평면도이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 단면도이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 26은 도 25의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 서로 다른 실시예에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여될 수 있다.
2 개의 비교 대상이 '동일'하다는 언급은 '실질적으로 동일'한 것을 의미한다. 따라서 실질적 동일은 당업계에서 낮은 수준으로 간주되는 편차, 예를 들어 5% 이내의 편차를 가지는 경우를 포함할 수 있다. 또한, 영역에서 어떠한 파라미터가 균일하다는 것은 해당 영역에서 평균적 관점에서 균일하다는 것을 의미할 수 있다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다. 또한, 연결은 전기적 연결 또는 물리적 연결을 포함할 수 있다.
설명의 편의상 본 명세서에서 젤리-롤 형태로 감기는 전극 조립체의 권취축의 길이 방향을 따르는 방향을 권취축 방향(Y축 방향)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축을 둘러싸는 방향을 원주 방향 또는 둘레 방향(X축 방향)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축에 가까워지거나 권취축으로부터 멀어지는 방향을 반경 방향이라 지칭한다.
본 발명의 특징들 중 하나는, 원통형 이차전지에 있어서 저항을 최소화하기 위해, 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 구성하는 양극 및/또는 음극에서의 최대 전류 경로를 설정하는 것에 있다. 특히, 본 발명에서는 최대 전류 경로에서 집전체의 단변을 따르는 폭 방향 전류 경로의 길이(L1)와 상기 집전체의 장변을 따르는 길이 방향 전류 경로의 길이(L2)에 대해, 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 제시한다. 이러한 전류 경로 비율이 갖는 범위는 전극 조립체가 고용량을 가지면서도 내부 저항을 최소화할 수 있는 범위에 해당하는 것이며, 상기 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 넘어가면 이차전지의 최소 저항 요구 조건(이를 테면 DC 저항이 4mΩ 이하이고 AC 저항이 3mΩ 이하)을 만족할 수 없다.
먼저 본 발명의 전극 조립체에 관해 설명한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 전극 조립체(100)는 양극(40) 및 음극(50)과 이들 사이에 개재된 분리막(60)을 포함한다. 전극 조립체(100)는 양극(40), 음극(50) 및 분리막(60)이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리-롤 타입의 전극 조립체일 수 있다. 이러한 전극 조립체(100)는 양극(40), 분리막(60), 음극(50), 분리막(60)을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취축(B)을 중심으로 하여 일 방향(도면에서 X축 방향)으로 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 전극 조립체(100)의 가장 안쪽은 코어, 가장 바깥쪽은 외주면으로 정의된다. X축 방향이 권취 방향이다.
상기 코어에는 공동이 구비될 수 있다. 상기 공동의 직경은 예를 들어 2mm 이상 8mm 이하일 수 있다. 상기 공동은 권취축이 되는 권심을 빼낸 자리일 수 있다. 상기 공동의 직경이 작을수록 이러한 전극 조립체(100)를 포함하는 전지 하우징의 내부 공간 활용에 유리하나 권심을 이용해야 전극 조립체(100)를 제조할 수 있으므로, 상기 공동의 직경을 0으로 할 수는 없다. 또한 상기 공동은 전해액 주액시 전해액의 이동 통로이므로 전해액 함침을 원활히 달성할 수 있으려면 소정 크기 이상은 되어야 한다. 따라서, 허용되는 권취 공정의 수준에서 되도록이면 상기 공동의 직경은 2mm 이상으로 함이 바람직하고, 상기 공동의 직경이 8mm를 넘어가면 내부 공간 활용이 비효율적이어서 에너지 밀도의 관점에서 바람직하지 않다.
양극(40)은, 장변과 단변을 가진 쉬트 형상의 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질층(40b)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향을 따라 한쪽 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부(40a)를 포함한다. 여기서, 장변은 X축 방향과 평행한 방향으로서 길이가 상대적으로 긴 변을 의미한다. X축 방향은 길이 방향이라고 부를 수 있다. 단변은 도면에서 Y축 방향과 평행한 방향으로서 장변에 비해 길이가 짧은 변을 의미한다. Y축 방향은 폭 방향이라고 부를 수 있다.
양극 무지부(40a)가 그 자체로서 전극탭으로서 정의되어, 스트립 형태의 전극탭을 별도로 부착하는 종래 기술과 구별된다. 여기서, 전극탭으로서 정의된다는 의미는, 이차전지로 제조시 집전판과 결합되어 전류 경로를 형성하는 부위가 됨을 의미한다. 또한, 양극 무지부(40a)의 일부만 전극탭으로서 정의된다. 이러한 의미는, 양극 무지부(40a)의 일부는 전극탭으로서 사용되지 않는다는 것이다. 전극탭으로서 사용되지 않는 부분은 양극 무지부(40a)의 다른 부분에 비해 권취축 방향(Y축 방향) 높이가 작다거나 일부 구간에서 생략되거나 하여 집전판과 연결되지 않아, 전류 경로를 형성하는 부위가 되지 못하는 부분을 가리킬 수 있다. 이와 같이 양극 무지부(40a)의 일부만 전극탭으로서 정의된다는 점에서 종래 기술과 더욱 구별된다. 이와 같이, 양극 무지부(40a)는 그 자체로서 전극탭으로 사용되는 전극탭 정의 구간과 전극탭으로 사용되지 않는 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간을 포함할 수 있다.
음극(50)도, 장변과 단변을 가진 쉬트 형상의 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 활물질층(50b)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향을 따라 한쪽 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 음극 무지부(50a)를 포함한다. 음극 무지부(50a)도 그 자체로서 전극탭으로서 정의된다. 또한, 음극 무지부(50a)의 일부만 전극탭으로서 정의된다. 이와 같이, 음극 무지부(50a)도 그 자체로서 전극탭으로 사용되는 전극탭 정의 구간과 전극탭으로 사용되지 않는 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간을 포함할 수 있다.
양극 무지부(40a)와 음극 무지부(50a)는 서로 반대 방향으로 배치되고, 권취 완료 후의 전극 조립체(100)는 대략 원기둥 모양이 된다. 전극 조립체(100)의 상단에는 양극 무지부(40a)가 위치하고, 전극 조립체(100)의 하단에는 음극 무지부(50a)가 위치한다. 이러한 전극 조립체(100)에서, 상부로 돌출된 양극 무지부(40a)의 일부와 하부에 돌출된 음극 무지부(50a)의 일부를 전극탭으로써 사용하고, 여기에 각각의 집전판을 용접시켜 연결하면, 집전 효율이 개선된 탭-리스 원통형 이차전지를 제조할 수 있다. 전극 조립체(100)의 상부 및 하부에 돌출된 무지부(40a, 50a) 자체를 전극탭으로써 사용함으로써 이차전지의 내부 저항을 감소시키고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체(100)는, 전극 조립체(100)에 포함되는 전극인 양극(40) 또는 음극(50)에서, 전극의 제2 경로(최대 전류 경로)를 구성하는 집전체의 단변을 따르는 폭 방향 전류 경로의 길이(L1) 대비 전극의 제2 경로를 구성하는 집전체의 장변을 따르는 길이 방향 전류 경로의 길이(L2)의 비(L2/L1, "전류 경로 비율")가 11 이하인 점에서 종래 기술과 더욱 더 구별된다.
전극 집전체의 단변과 장변은 각각 전극의 폭과 길이에 해당한다. 따라서, 양극(40) 또는 음극(50)의 최대 전류 경로에 있어서 폭 방향 전류 경로의 길이(L1) 대비 길이 방향 전류 경로의 길이(L2)의 비(ratio, L2/L1)는 11 이하이다.
본 발명에서 전극 조립체에 포함되는 전극에서의 최대 전류 경로에서의 전류 경로 비율을 상기와 같이 일정 범위 이내로 설정하게 된 배경을 도 8을 참조하여 설명한다. 도 8에는 가상의 전극 조립체를 구성하는 양극 및 음극에서의 전류 또는 전자의 흐름이 개략적으로 도시되어 있다(제1 경로와 제2 경로의 연결 위치는 세모 표시, 전극 끝지점은 네모 표시).
도 8에 도시한 양극(10')과 음극(11')은 예를 들어 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 종래기술에서 양극(10)의 무지부(10a)와 음극(11)의 무지부(11a)를 폭 방향으로 노칭함으로써 복수의 양극탭(10c)과 복수의 음극탭(11c)을 형성한 구조를 가진다.
도 8에 도시한 양극(10')과 음극(11')을 포함하는 전극 조립체를 원통형 이차전지로 제조하고, 모듈 버스바 용접 위치가 도 2를 참조하여 설명한 이차전지와 동일하다면, 각 전극(10', 11')의 전극탭(10c, 11c)에 이르는 경로인 제1 경로도 도 2를 참조하여 설명한 이차전지에서와 동일할 것이다. 하지만, 전극(10', 11')의 제2 경로(최대 전류 경로)는 도 8에 도시한 바와 같이 도 3과는 분명한 차이를 보인다.
도 8에서, 양극(10') 및 음극(11') 모두 폭 방향 전류 경로의 길이는 폭 방향 길이 수준으로 짧고, 거의 연속적으로 존재하는 무지부(10a, 11a)로 인해 길이 방향으로의 이동은 도 3에 도시한 종래의 제2 경로에 비하여 짧다. 특히 양극(10')의 양극탭(10c)과 음극(11')의 음극탭(11c)이 전극 조립체의 상부와 하부에서 서로에게 대응되는 위치에 놓이도록 하면 길이 방향의 이동은 도시한 바와 같이 거의 없거나 매우 짧다. 따라서, 전극(10', 11')의 최대 전류 경로는 전극의 폭 방향 전류 경로와 실질적으로 동일해진다.
즉, 양극(10')과 음극(11')이 도 8과 같은 전극 구조를 가진다면 최대 전류 경로의 폭 방향 전류 경로의 길이는 사실상 전극의 폭 방향 거리의 수준으로 짧으며, 전극 길이 방향으로의 전류 이동 경로는 매우 짧다. 따라서, 전류 경로 비율은 0에 가깝게 될 것이다.
하지만, 전극의 최대 전류 경로에 있어서의 길이 방향 전류 경로의 길이는 도 3을 참조하여 설명한 바와도 같이 전극탭(무지부 영역)의 구조에 따라 달라질 수 있다. 도 8에서는 전극(10', 11')의 길이 방향을 따라 대략 연속적으로 전극탭(10c, 11c)이 형성되어 있는 구조가 나타나 있으나, 바람직하게는, 전극탭이 제거된 영역이 존재할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체는 무지부가 코어를 향해 절곡된 형태를 가질 수 있는데, 이 경우 코어에 구비되는 공동을 절곡된 무지부가 가리는 현상을 방지하기 위해 코어에 가까운 무지부는 절곡을 하지 않거나, 권취 방향으로의 높이를 작게 하거나, 상당 부분을 제거하여 앞서 언급한 바와 같은 전극탭 미정의 구간으로 둘 수가 있다. 전극탭 미정의 구간은 전극을 권취하고 난 후에 전극 조립체의 코어측에 가깝게 형성될 수 있다. 또한, 전극탭 미정의 구간은 전극을 권취하기 전을 기준으로 볼 때 길이 방향 일측 단부와 타측 단부 사이에서 복수 개소에 구비될 수 있다. 또한, 전극탭 정의 구간의 권취 방향 길이는 전극탭 미정의 구간의 위치와 길이에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 전극이 복수의 전극탭 미정의 구간을 포함할 때, 전극의 최대 전류 경로는 권취 방향에서 최장 길이를 가진 전극탭 미정의 구간에서 정의될 수 있다. 전극탭 미정의 구간에서는 전자가 전극탭 정의 구간 쪽으로 이동해야 하므로 최장 길이를 가진 전극탭 미정의 구간에서 최대 전류 경로가 정의되는 것이다. 따라서, 전극탭 미정의 구간의 권취 방향 길이가 증가할수록 전류 경로 비율이 도 8에 도시한 경우보다는 길어질 수밖에 없다. 또한, 전류 경로 비율은 전극탭 정의 구간의 위치에 따라 달라질 수 있다.
전극탭 정의 구간의 위치를 어떻게 설정하느냐에 따라 최대 전류 경로가 달라지고, 최대 전류 경로가 작을수록 전극의 저항이 감소한다. 하지만, 전극 조립체의 설계 시 무지부의 일부 구간에는 전극탭 미정의 구간이 포함되어야 할 필요성이 발생하므로 저항 증가 요인이 있다. 따라서, 본 발명에서는 저저항 조건을 만족하도록 전극탭 미정의 구간에 대한 최대 전류 경로에서의 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 제한한다. 즉, 이차전지의 저항이 소정 범위 이상으로는 증가되지 않도록 전류 경로 비율(L2/L1)의 범위가 제한될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 무지부의 적어도 일부 구간에 전극탭 미정의 구간을 포함시키면서 전극탭 미정의 구간에 대한 최대 전류 경로에서의 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 소정 범위로 제한하는 것을 특징으로 한다. 바꾸어 말하면, 본 발명은 이차전지의 저항 증가를 최소로 하면서 전극탭 미정의 구간을 어느 정도의 길이로 설정할 수 있는지에 대한 가이드를 제공한다.
도 9는 도 7의 전극 조립체에 포함될 수 있는 제1 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 9를 참조하면, 도 7에 도시한 양극(40) 또는 음극(50)일 수 있는 전극(140)은 금속 포일로 이루어진 전극 집전체(141) 및 활물질층(142)을 포함한다. 금속 포일은 전도성이 있는 금속, 예컨대 알루미늄 또는 구리일 수 있으며, 전극(140)의 극성에 따라 적절하게 선택된다. 양극 집전체(포일)의 두께는 10㎛ 내지 20㎛이고 음극 집전체(포일)의 두께는 5㎛ 내지 15㎛일 수 있다.
집전체(141)의 단변 길이는 60mm-85mm이고 집전체(141)의 장변 길이는 3m-5m일 수 있다. 이 경우 집전체(141)의 장변 대비 단변의 비율은 1.2% 내지 2.8%일 수 있고, 이는 1865 또는 2170의 폼 팩터를 가진 원통형 이차전지에서의 6% 내지 11% 수준보다 현저하게 작다. 즉, 집전체(141)는 길이 방향으로 매우 길며 권취했을 때 권회턴의 개수가 매우 크다. 권회턴은 전극 조립체(100)의 코어측 단부를 기준으로 계수할 수 있다.
집전체(141)의 적어도 일면에 활물질층(142)이 형성된다. 활물질층(142)은 권취 방향(X축 방향)을 따라 형성된다. 전극(140)은 권취 방향의 장변 단부에 무지부(143)를 포함한다. 무지부(143)는 활물질이 코팅되지 않은 집전체(141)의 일부 영역이다. 무지부(143)는 권취 방향에서의 일부가 전극탭 미정의 구간으로 설정되고, 나머지는 전극탭 정의 구간으로 설정된다.
전극(140)은 집전체(141)에 활물질층(142)을 형성한 후 압착하여 제조한다. 바람직하게, 활물질층(142)과 무지부(143)의 경계에는 절연 코팅층(144)이 형성될 수 있다. 절연 코팅층(144)은 적어도 일부가 활물질층(142)과 무지부(143)의 경계와 중첩되도록 형성된다. 절연 코팅층(144)은 분리막(도 7의 60 참조)을 사이에 두고 대향하고 있는 극성이 다른 두 전극(140), 즉 양극(40)과 음극(50) 사이의 단락을 방지한다. 절연 코팅층(144)은 0.3mm 내지 5mm의 폭으로 활물질층(142)과 무지부(143)의 경계 부분을 덮을 수 있다. 절연 코팅층(144)의 폭은 전극(140)의 권취 방향을 따라 그 폭이 가변될 수 있다. 절연 코팅층(144)은 고분자 수지를 포함하고, Al2O3와 같은 무기물 필러를 포함할 수 있다. 절연 코팅층(144)이 덮고 있는 집전체(141) 부분은 활물질층이 코팅된 영역이 아니므로 무지부로서 간주될 수 있다.
무지부(143)는 전극 조립체(100)의 코어에 인접한 제1 부분(B1, 코어측 무지부), 전극 조립체(100)의 외주면에 인접한 제2 부분(B3, 외주측 무지부), 및 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3) 사이의 제3 부분(B2, 중간 무지부)을 포함한다.
B1/B2의 경계는 전극 조립체의 코어측으로부터 외주측으로 가면서 무지부의 높이(또는 변화 패턴)이 실질적으로 바뀌는 지점 또는 전극 조립체의 반경을 기준으로 소정 %의 지점(예컨대, 반경의 5%, 10%, 15% 지점 등)으로 적절하게 정의될 수 있다. B2/B3의 경계도 전극 조립체의 외주측으로부터 코어측으로 가면서 무지부의 높이(또는 변화 패턴)이 실질적으로 바뀌는 지점 또는 전극 조립체의 반경을 기준으로 소정 %의 지점(예컨대, 반경의 85%, 90%, 95% 지점 등)으로 정의될 수 있다. B1/B2의 경계와 B2/B3의 경계가 특정되면 제3 부분(B2)은 자동으로 특정될 수 있다.
제1 부분(B1)과 제3 부분(B2) 사이에 다른 구조가 개재되는 것을 배제하지 않는다. 또한, 제3 부분(B2)과 제2 부분(B3) 사이에 다른 구조가 개재되는 것을 배제하지 않는다.
본 실시예에서 무지부(143)의 높이는 일정하지 않고 권취 방향에서 상대적인 차이가 있다. 즉, 제1 부분(B1)은 제3 부분(B2)보다 권취축 방향으로 작은 높이를 갖는다. 높이가 일정하게 무지부(143)를 형성한 후 제1 부분(B1)의 무지부를 제3 부분(B2)의 무지부보다 더 잘라서 이러한 높이 차이를 가지도록 할 수 있다. 여기서, 각 부분의 높이는 평균 높이 또는 최대 높이일 수 있으며 이하 동일하다.
제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)의 권취축 방향의 높이는 0 이상이고, 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)의 높이는 동일하거나 서로 다를 수 있다. 본 실시예에서는 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)의 높이가 다르고, 제2 부분(B3)의 높이가 제3 부분(B2)의 높이와 같은 경우를 예로 들고 있다.
본 실시예에서 제1 부분(B1)은 전극탭 미정의 구간에 해당하고, 제3 부분(B2)이 전극탭 정의 구간에 해당한다. 제2 부분(B3)도 전극탭 정의 구간으로 설정될 수 있다. 제3 부분(B2)은 전극 조립체(100)의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의될 수 있다. 마찬가지로, 제2 부분(B3)도 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의될 수 있다. 제1 부분(B1)은 반경 방향을 따라 절곡되지 않으며, 이후에 설명될 집전판과 전기적 접촉을 하지 않으므로 제1 부분(B1)에서 산화 환원 반응이 일어날 때 전류(전자)는 인접하는 제3 부분(B2)을 통해서 우회하여 흐른다.
이러한 구조의 전극(140)에서 제2 부분(B3)은 절곡되어 용접 영역이 될 수 있다. 권취 방향에서, 제3 부분(B2)의 길이(dB2)가 제1 부분(B1)의 길이(dB1)보다 더 길 수 있다. 제3 부분(B2)의 길이(dB2)는 제2 부분(B3)의 길이(dB3)보다 더 길 수 있다. 제3 부분(B2)의 길이(dB2)를 길게 함으로써, 절곡시 절곡 부위가 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 제3 부분(B2)의 길이(dB2)를 길게 함으로써, 충분한 용접 영역을 확보할 수 있다.
바람직하게, 전극탭 미정의 구간에 해당하는 제1 부분(B1)은 코어측에 가깝다. 제1 부분(B1)이 가장 먼저 권취된 후에 제3 부분(B2)이 권취된다. 제3 부분(B2)은 제1 부분(B1)에 의해 코어보다 먼 쪽에 위치하므로 제3 부분(B2)을 절곡시킬 때에 제3 부분(B2)의 변형이 일어나지 않는다.
제1 부분(B1)의 높이가 작고, 절곡되지 않아 전극 조립체(100)의 코어에 있는 공동을 폐색하지 않는다. 코어의 공동이 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전판과 전지 하우징(또는 전극 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
높이가 일정하게 무지부(143)를 형성한 후 제1 부분(B1)의 무지부를 제3 부분(B2)의 무지부보다 더 잘라서 높이 차이를 가지도록 할 수 있고, 이에 따라 제1 부분(B1)이 전극탭으로써 사용되지 않는다. 이와 같이 무지부(143)에 전극탭 미정의 구간이 포함되면, 무지부 전체가 전극탭 정의 구간으로 설계되는 경우에 비해 최대 전류 경로가 증가함에 따라 저항이 증가한다.
바람직하게, 전극탭 정의 구간이 절곡되면서 코어의 공동을 폐색하지 않기 위하여 제1 부분(B1)이 필요하다. 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 길어지더라도 제3 부분(B2)의 길이(dB2)와 제2 부분(B3)의 길이(dB3)가 상대적으로 더 길거나 제3 부분(B2)에 의해 확보되는 용접 면적이 충분하다면 셀 전체의 저항(AC 저항과 DC 저항)은 크게 변화가 없을 수 있지만, 제1 부분(B1)에서의 저항은 증가하게 된다. 그러므로, 제1 부분(B1)에서의 저항 증가를 고려하여 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 한정해야 할 필요가 있다.
최대 전류 경로에 대한 전류 경로 비율(L2/L1)에 있어서 분모는 전극의 폭으로 일정하다. 따라서, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 최대 전류 경로의 전류 경로 비율(L2/L1)을 결정하는 팩터이다. 본 발명은 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 조절하여 최대 전류 경로의 전류 경로 비율(L2/L1)을 11 이하가 되도록 하여 코어의 공동 폐쇄는 방지하면서도 저항 증가를 최소화한다. 바람직하게, 최대 전류 경로의 전류 경로 비율(L2/L1)은 10.15 이하일 수 있다. 더욱 바람직하게, 최대 전류 경로의 전류 경로 비율(L2/L1)은 8.5 이하일 수 있다. 더욱 바람직하게, 최대 전류 경로의 전류 경로 비율(L2/L1)은 2 내지 5일 수 있다. 각 수치는 집전체(141) 및 활물질층(142)의 전기적, 물리적, 화학적 물성 조건, 이차전지의 저항 조건, 코어의 공동을 가리지 않기 위해 필요한 제1 부분(B1)의 길이(dB1), 적절한 중첩 레이어 수를 가질 수 있으면서 유효한 용접 면적을 확보하기 위해 필요한 제2 부분(B3)의 길이(dB3), 그리고 제3 부분(B2)의 길이(dB2) 등을 고려하여 임계적 효과를 가질 수 있도록 최적화한 값일 수 있다. 이와 같이 본 발명에서는 최대 전류 경로의 전류 경로 비율(L2/L1)을 소정 범위로 제한하면서 전극탭 미정의 구간의 개수와 길이를 조절하고 나머지를 전극탭 정의 구간으로 설계한다.
도 9에 일 실시예에 따른 최대 전류 경로를 나타내었다(제1 경로와 제2 경로의 연결 위치는 세모 표시, 전극 끝지점은 네모 표시). 최대 전류 경로는 전극탭 미정의 구간인 제1 부분(B1)에 포함된다. 최대 전류 경로는 제1 부분(B1)에서 전기화학적 산화 환원 반응이 일어날 때 전류(전자)가 흐르는 경로의 길이가 최대인 경로에 해당한다.
최대 전류 경로의 폭 방향 전류 경로의 길이(L1)는 집전체(141)나 전극(140)의 단변 길이 수준으로 짧다. 구체적으로, 폭 방향 전류 경로의 길이(L1)는 무지부(143)의 장변 일단에서부터 집전체(141)의 장변 타단까지의 최소 길이이다. 제2 부분(B3) 및 제3 부분(B2)의 높이는 동일하므로, 전극(140)의 폭 방향 전류 경로의 길이는 전극(140)의 단변 길이(폭)와 동일하며, 제2 부분(B3)의 무지부를 잘라내지 않았으므로 집전체(141)의 단변 길이와도 동일하다.
본 실시예에서 최대 전류 경로의 전류 경로 비율은 L2/L1이며, L1은 전극(140)의 폭에 대응하므로 전류 경로 비율은 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 이용하여 조절할 수 있다.
전류 경로 비율(L2/L1)의 상한은 전극 조립체(100)를 포함하는 이차전지의 DC 저항이 4mΩ 이하이고 AC 저항이 3mΩ 이하가 되도록 하는 값일 수 있다. 더욱 바람직하게, 상기 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한은 전극 조립체(100)를 포함하는 이차전지의 AC 저항이 2mΩ 이하가 되도록 하는 값일 수 있다.
이차전지의 저항은 집전체(141) 및 활물질층(142)의 전기적, 물리적, 화학적 물성 조건에 따라 달라질 수가 있고, 예를 들어 집전체(141)의 단변 길이가 60mm-85mm이고 집전체(141)의 장변 길이가 3m-5m이며 집전체(141)의 두께가 5㎛ 내지 20㎛일 때에, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 660mm 이하일 수 있다. 그러한 경우, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)의 최대값은 660mm이고, 집전체(141)의 장변 길이를 고려하면 제1 부분(B1)의 길이(dB1)의 최대값은 집전체(141)의 장변 길이의 13.2% 내지 22%를 나타낼 수 있다. 집전체(141)의 장변 길이나 두께가 달라지는 경우 제1 부분(B1)의 길이(dB1)의 최대값은 4% 내지 23%를 나타낼 수도 있다. 즉, 전극(140)에서 전극탭으로서 정의되지 않는 부분, 즉 전극탭 미정의 구간의 길이의 최대값이 660mm이고, 이는 집전체(141)의 장변 길이가 그대로 전극(140)의 장변 길이가 되는 점을 고려해, 전극(140)의 길이의 4% 내지 23%라고도 볼 수 있다. 또한, 집전체(141)의 단변 길이가 그대로 전극(140)의 단변 길이가 된다고 하면, 전극(140)에서 전극탭으로서 정의되지 않는 부분의 길이의 최대값인 660mm는 전극(140)의 폭의 9.4배 내지 11배임을 알 수 있다. 집전체(141)의 단변 길이나 두께가 달라지는 경우 제1 부분(B1)의 길이(dB1)의 최대값은 2.5배 내지 11배가 될 수도 있다.
또한, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 660mm인 경우, 집전체(141)의 장변 길이가 4mm라고 하면, 전류 경로 비율(L2/L1)은 10.15일 수 있다. 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 660mm보다 작게 하여 전류 경로 비율(L2/L1)을 더 감소시킬 수 있다.
상기 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한은 이차전지의 최소 저항 요구 조건을 만족하도록 하는 것일 수 있다. 즉, 이차전지 저항의 최대값보다 작은 이차전지 저항을 나타내도록 결정되는 것일 수 있다. 본 실시예에서 적용하고 있는 DC 저항의 최대값인 4mΩ와 AC 저항의 최대값인 3mΩ 수치는 이차전지의 사양에 따라 달라질 수 있다.
본 발명자들은 제1 부분(B1)과 같이 전극탭 미정의 구간의 길이가 증가함에 따라 이차전지의 저항이 증가하는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 하지만 전극탭 미정의 구간의 길이가 일정 수준 이상으로 커지면 더 이상 저항이 증가하지 않고 수렴되는 특징을 확인하였다. 전극탭 미정의 구간의 길이와 이차전지 저항과의 상관 관계를 조사해 이차전지의 최소 저항 요구 조건을 만족하도록 하는 전극탭 미정의 구간의 길이를 결정할 수 있었다.
도 10은 시뮬레이션에 사용된 전극탭 미정의 구간을 포함하는 전극의 모식도이고, 도 11은 시뮬레이션을 통해 확인한 용접 포인트 수에 따른 저항 그래프이다.
도 10은 전극탭(143a1)이 등간격으로 존재하는 경우를 도시하고, 제1 경로와 제2 경로의 연결 위치는 세모 표시, 전극 끝지점은 네모 표시하였다. 예를 들어 전극탭(143a1)의 개수가 6개이면 전극탭 미정의 구간(143a2)의 개수는 7개, 전극탭(143a1)의 개수가 7개이면 전극탭 미정의 구간(143a2)의 개수는 8개인 경우와 같이, 전극탭(143a1)의 개수가 Q일 때 전극탭 미정의 구간(143a2)의 개수가 Q+1이 되는 등간격 조건을 가정하였다. 각 전극탭(143a1)은 집전판과 용접되므로, 용접 포인트 수는 전극탭(143a1)의 개수와 동일하다.
시뮬레이션시 전극(140')에 포함되는 집전체(141')의 단변 길이는 60mm-85mm이고 집전체(141')의 장변 길이는 3m-5m이며 집전체(141')의 두께가 5㎛ 내지 20㎛라고 가정하였다.
이러한 전극(140')이 양극과 음극으로 포함되는 전극 조립체를 포함하는 이차전지의 AC 저항을, 전극탭(143a1)의 개수를 1개에서부터 50개까지 증가시키면서 시뮬레이션하였다. 그 결과에 해당하는 도 11을 참조하면, 전극탭(143a1) 개수가 증가하면서 저항이 수렴하는 것을 알 수 있으며, 시뮬레이션 조건 하에서 이차전지의 AC 저항이 2mΩ 이하가 되게 하는 전극탭(143a1) 개수는 6개가 된다는 결과를 얻었다.
전극탭(143a1) 개수는 전극탭 미정의 구간(143a2)의 길이로 환산될 수 있다. 전극탭(143a1)의 폭이 10mm일 때, 장변 길이가 3m-5m인 집전체(141')에서 등간격으로 존재하는 전극탭(143a1)이 6개인 경우, 전극탭 미정의 구간(143a2) 하나의 길이는 660mm이다. 전극탭(143a1)이 7개인 경우, 전극탭 미정의 구간(143a2) 하나의 길이는 564mm이다. 전극탭(143a1)이 7개인 경우 이차전지의 AC 저항은 1.7mΩ으로 시뮬레이션되었다.
이러한 시뮬레이션을 통해, 전극탭 미정의 구간(143a2)의 길이는 660mm 이하로 함이 바람직하다는 결과를 얻었다. 집전체(141')의 단변 길이가 60mm-85mm인 점을 고려하면, 길이 방향 전류 경로에 해당하는 전극탭 미정의 구간(143a2)의 길이와 폭 방향 전류 경로에 해당하는 집전체(141')의 단변 길이의 비가 11 이하가 된다. 따라서, 전극탭 미정의 구간을 포함하는 경우, 전류 경로 비율(L2/L1)을 11 이하로 하기만 하면, 이차전지의 AC 저항이 2mΩ 이하인 저저항 조건을 만족할 수 있다는 결과를 얻었다.
이러한 시뮬레이션 결과를 바탕으로, 본 실시예에서 제안하는 바와 같이 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 660mm 이하로 함이 바람직하다. 다시 말해, 전극탭 미정의 구간(143a2)의 길이가 660mm를 넘지 않게 관리하여 셀 저항이 이차전지의 최소 저항 요구 조건을 만족하도록 할 수 있다.
제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 길어지면 상기 전류 경로 비율(L2/L1)이 커지고 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 짧아지면 상기 전류 경로 비율(L2/L1)이 작아진다. 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 제3 부분(B2)의 무지부를 코어측으로 절곡시켰을 때 전극 조립체(100)의 코어에 구비된 공동을 가리지 않는 조건을 적용하여 상기 전류 경로 비율(L2/L1) 조건을 만족하는 조건 하에서 설계할 수 있다.
즉, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 660mm 이하에서 필요 조건에 따라 결정될 수 있으며, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 660mm이고 집전체(141)의 단변 길이가 65mm인 경우에 상기 전류 경로 비율(L2/L1)은 10.15일 수 있으므로, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)에 따라 상기 전류 경로 비율(L2/L1)이 10.15 이하를 만족할 수 있다. 바꾸어 말하면, 제1 부분(B1)을 포함하는 전극(140)을 설계하면 제1 부분(B1) 없이 모두 제3 부분(B2)과 같은 무지부를 포함하는 경우에 비해 전류 경로 비율이 증가하기는 하지만, 최소 저항을 만족하는 가이드로서 전류 경로 비율(L2/L1)이 10.15 이하가 될 때까지는 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 늘릴 수 있어 제3 부분(B2)의 무지부를 코어측으로 절곡시켰을 때 전극 조립체(100)의 코어에 구비된 공동을 가리지 않도록 할 수 있는 것이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제2 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 12에 도시한 전극(145a)은, 제1 실시예와 비교하여 제2 부분(B3)의 높이가 외주측으로 갈수록 점진적으로 감소하는 점만 다르고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다. 일 변형예에서, 제2 부분(B3)은 높이가 단계적으로 감소하는 스텝 형상(점선 참조)으로 변형이 가능하다. 이들에서, 제2 부분(B3)은 제3 부분(B2)보다 작은 높이를 가지게 된다. 제2 부분(B3)을 제3 부분(B2)보다 작은 높이로 함으로써, 제2 부분(B3)을 절곡하여 절곡된 제3 부분(B2) 위로 절곡할 때에 제3 부분(B2)의 변형을 더욱 억제할 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제3 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
제3 실시예의 전극(145b)은 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)의 높이가 0 이상이되, 제3 부분(B2)보다 상대적으로 작다. 또한, 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)의 높이는 동일하다. 제1 부분(B1)과 마찬가지로 제2 부분(B3)은 전극탭 미정의 구간에 대응되어, 제2 부분(B3)의 무지부는 전극탭으로서 정의되지 않고, 제3 부분(B2)이 전극탭으로서 정의된다. 권취 방향에서, 제2 부분(B3)의 길이는 제1 부분(B1)의 길이(dB1)보다 짧다. 제2 부분(B3)은 최외측 권회턴을 포함하는 전극 영역의 무지부일 수 있다. 제3 부분(B2)은 전극 조립체(100)의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의될 수 있다. 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)은 반경 방향을 따라 절곡되지 않는다. 본 실시예에 따르면, 전지 하우징에 전극 조립체를 삽입하고 전지 하우징의 외주면을 내부로 압입하여 비딩부를 형성할 때, 비딩부가 제2 부분(B3) 근처에서 가압되는 과정에서 비딩부와 제2 부분(B3)이 서로 접촉하면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제4 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
제4 실시예의 전극(150)은 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)의 높이가 0 이상이되, 제3 부분(B2)보다 상대적으로 작다. 또한, 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)의 높이는 동일하거나 서로 다를 수 있다.
바람직하게, 제3 부분(B2)의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 증가하는 스텝 형상을 가질 수 있다.
패턴1 내지 패턴7은 무지부(143)의 높이가 변화하는 위치를 중심으로 제3 부분(B2)을 구분한 것이다. 바람직하게, 패턴들의 수와 각 패턴의 높이(Y축 방향의 길이)와 폭(X축 방향의 길이)은 무지부(143)의 절곡 과정에서 응력을 최대한 분산시킬 수 있도록 조절될 수 있다. 응력 분산은 무지부(143)가 전극 조립체의 코어측으로 절곡될 때 무지부(143)의 찢어짐을 방지하기 위한 것이다.
제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 제3 부분(B2)의 패턴들을 코어측으로 절곡시켰을 때 코어에 구비되는 공동을 가리지 않는 조건을 적용하여 설계하되, 일 예에서, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 패턴1의 절곡 길이에 비례하여 증가할 수 있다. 절곡 길이는 패턴의 절곡 지점을 기준으로 한 패턴의 높이에 해당한다.
바람직하게, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 제1 부분(B1)이 형성하는 권회 턴들의 반경 방향 폭이 패턴1의 절곡 길이 이상이 되도록 설정할 수 있다. 변형예에서, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 패턴1의 절곡 길이로부터 제1 부분(B1)이 형성하는 권회 턴들의 반경 방향 폭을 차감한 값이 0보다 작거나 코어 반경의 10% 이하가 되도록 설정할 수 있다.
구체적인 예에서, 전극(150)이 폼 팩터가 4680인 원통형 이차전지의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 코어의 직경과 패턴1의 절곡 길이에 따라 180mm 내지 350mm로 설정할 수 있다. 이 경우, 전류 경로 비율(L2/L1)은 2.57 내지 5.83이 될 수 있다. 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 더 조절하면 전류 경로 비율(L2/L1)이 2 내지 5가 되도록 할 수 있는 것이다.
일 실시예에서, 각 패턴의 폭은 전극 조립체의 하나 또는 2개 이상의 권회턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다.
일 변형예에서, 제3 부분(B2)의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 가면서 증가했다가 감소하는 스텝 형상을 가질 수 있다.
다른 변형예에서, 제2 부분(B3)은 제2 실시예와 동일한 구조를 갖도록 변형될 수 있다.
또 다른 변형예에서, 제3 부분(B2)에 적용된 패턴 구조가 제2 부분(B3)까지 확장될 수 있다(점선 참조).
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체에 포함될 수 있는 제5 실시예의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
바람직하게, 전극(160)에서, 제3 부분(B2)은 복수의 분절편(161)을 포함할 수 있다. 다시 말해, 제3 부분(B2)의 적어도 일부 영역은 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편(161)으로 분할되어 있을 수 있다.
복수의 분절편(161)은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 높이가 단계적으로 증가할 수 있다. 복수의 분절편(161)은 하부에서 상부로 가면서 폭이 감소되는 기하학적 도형 형태를 가진다. 바람직하게, 기하학적 도형은 사다리꼴이다. 후술하겠지만, 기하학적 도형의 형태는 여러 가지로 변형이 가능하다.
분절편(161)은 레이저로 노칭된 것일 수 있다. 분절편(161)은 초음파 커팅이나 타발 등 공지의 금속박 커팅 공정으로 형성할 수 있다. 분절편(161)은 절곡되어 권취축 방향으로 겹쳐진다.
분절편(161)은 독립적으로 절곡 가능하므로, 분절편(161)을 절곡할 때에 무지부(143)의 변형을 더욱 억제할 수 있어 바람직하다. 또한, 분절편(161)을 절곡하고 여러 겹으로 중첩하면서, 빈 공간(빈틈)이 존재하지 않도록 제어하는 것이 가능한 이점이 있다. 분절편(161) 구조를 가짐으로써, 무지부(143)가 절곡될 때 무지부(143)가 찢어지는 현상을 방지할 수 있다.
제1 부분(B1)은 집전체(141)의 코어측 단변으로부터 시작되고, 제1 부분(B1)의 높이는 권취 방향을 따라 일정하며, 반경 방향을 따라 절곡되지 않는다. 제3 부분(B2)의 분절편(161)만 전극탭으로서 정의된다. 그러므로, 전극(160)에서, 집전체(141)의 단변을 따르는 폭 방향 전류 경로의 길이(L1) 대비 집전체(141)의 장변을 따르는 길이 방향 전류 경로의 길이(L2)의 비인 전류 경로 비율(L2/L1)이 11 이하로 되게 하기 위하여, 전극(160)의 코어측 단부에서부터 길이 방향으로 첫번째 위치한 분절편(161) 하단부까지의 길이, 여기서는 제1 부분(B1)의 길이(dB1)와 동일한 그 길이를 조절할 수 있다.
바람직하게, 집전체(141)의 두께가 5㎛ 내지 25㎛이고, 분절편(161)의 폭(도 16의 D 참조)은 3mm-10mm이며, 상기 분절편의 높이(도 16의 H 참조)는 10mm 이하일 수 있다.
일 측면에서, 복수의 분절편(161)은 코어측에서 외주측으로 가면서 복수의 분절편 그룹을 이룰 수 있다. 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치 중 적어도 하나 이상은 실질적으로 동일할 수 있다. 바람직하게, 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치는 서로 동일할 수 있다.
분절편(161)의 디멘션(폭, 높이, 이격 피치)는 저항, 가공 용이성(예를 들면 크랙 발생없이 레이저 노칭 적용할 수 있는지 여부), 절곡 용이성, 여러 분절편(161)끼리의 중첩 정도 등을 고려하여 조절될 수 있다.
바람직하게, 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편의 폭 및 높이는 실질적으로 동일할 수 있다.
도 16은 사다리꼴 분절편(161)의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)의 정의를 나타낸다.
도 16을 참조하면, 분절편(161)의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)는 무지부(143)의 절곡 가공 시 절곡 지점 근처의 무지부(143)가 찢어지는 것을 방지하고 충분한 용접 강도 확보를 위해 무지부(143)의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시키면서 무지부(143)의 비정상적 변형을 방지할 수 있도록 설계한다.
분절편(161)의 절곡은 절단홈(163)의 하단을 통과하는 라인(G) 또는 그 상부에서 이루어진다. 절단홈(163)은 전극 조립체의 반경 방향에서 분절편(161)의 스무드하고 용이한 절곡을 가능하게 한다.
분절편(161)의 폭(D)은 분절편(161)의 양측 측변(163b)로부터 연장한 2개의 직선과 절단홈(163)의 저부(163a)로부터 연장되는 직선이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 분절편(161)의 높이(H)는 분절편(161)의 최상단 변과 절단홈(163)의 저부(163a)로부터 연장된 직선 사이의 최단 거리로 정의된다. 분절편(161)의 이격 피치(P)는 절단홈(163)의 저부(163a)로부터 연장된 직선과 상기 저부(163a)와 연결된 2개의 측변(163b)으로부터 연장된 직선들이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 측변(163b) 및/또는 저부(163a)가 곡선일 때, 직선은 측변(163b) 및 저부(163a)가 만나는 교차점에서 측변(163b) 및/또는 저부(163a)로부터 연장되는 접선으로 대체 가능하다.
바람직하게, 분절편(161)의 폭(D)은 1mm 이상이다. D가 1mm 미만이면, 분절편(161)이 코어측으로 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(161)이 중첩되지 않는 영역이나 빈 공간(빈틈)이 발생할 수 있다.
바람직하게, 분절편(161)의 폭(D)은 분절편(161)이 코어측을 향해 절곡될 때 분절편(161)의 중첩이 반경 방향으로 잘 이루어지도록 분절편(161)이 위치하는 권회턴의 반경에 따라 폭(D)을 적응적으로 조절할 수 있다.
분절편(161)의 높이(H)는 2mm 이상일 수 있다. 분절편(161)의 높이(H)가 2mm 미만이면, 분절편(161)이 코어측으로 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(161)이 중첩되지 않는 영역이나 빈 공간(빈틈)이 발생할 수 있다.
분절편(161)의 높이(H)는 분절편(161)이 코어측으로 절곡되었을 때 코어의 공동을 폐색하지 않는 조건을 적용하여 결정할 수 있다. 바람직하게, 코어는 직경의 90% 이상이 외부로 개방될 수 있도록 분절편(161)의 높이(H)를 조절할 수 있다.
바람직하게, 분절편(161)의 높이(H)는 분절편(161)이 위치하는 권회턴의 반경과 코어의 반경에 의존하여 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 분절편(161)의 높이(H)가 권회턴의 반경이 증가함에 따라 h1 내지 hN까지 N 단계에 걸쳐서 단계적으로 증가할 수 있다.
일 예에서, 전극(160)의 전체 권회턴 반경이 22mm이고, 분절편(161)의 높이가 3mm부터 시작하되, 분절편(161)을 포함하는 권회턴의 반경이 1mm 증가할 때마다 분절편(161)의 높이가 3mm, 4mm, 5mm, 6mm로 순차적으로 증가하고, 나머지 권회턴에서는 높이가 6mm로 실질적으로 동일하게 유지될 수 있다. 즉, 전체 권회턴의 반경 중에서 분절편(161)의 높이 가변 구간의 반경 방향 폭은 3mm이고 나머지 반경 구간은 높이 균일 구간에 해당한다.
다른 예를 들어 코어의 변경(rc)이 3m일 때, 3mm(h1), 4mm(h2), 5mm(h3) 및 6mm(h4)의 높이를 가지는 분절편(161)이 포함된 권회턴의 시작 반경 r1, r2, r3 및 r4는 각각 6mm, 7mm, 8mm 및 9mm일 수 있으며, 반경 9mm부터 마지막 권회턴까지는 분절편(161)의 높이가 6mm로 유지될 수 있다. 또한, 6mm(r1) 보다 작은 반경을 가진 권회턴에는 분절편(161)이 포함되지 않을 수 있다. 이러한 예에서, 코어(C)와 가장 인접한 높이 3mm(h1)의 분절편(161)이 반경 6mm를 가진 권회턴부터 위치하므로 해당 분절편(161)이 코어(C)측으로 절곡되더라도 3mm 내지 6mm의 반경 구간만을 덮어서 실질적으로 코어의 공동을 차폐하지 않는다.
분절편(161)의 높이 가변 구간에서 분절편(161)의 높이(H)는 10mm 이하로 할 수 있다. 전기적 절연을 위해, 분리막(60)의 단부는 전극(160)의 단부로부터 절연 갭에 대응하는 길이로 외측으로 더 연장될 수 있다. 또한, 전극(160)과 분리막(60)이 권회될 때, 분리막(60)의 단부가 사행을 일으키는 점을 고려하여 분리막(60)의 최소 사행 마진에 해당하는 구간이 무지부(143)에 할당되어야 한다. 또한, 분절편(161)을 커팅하기 위해서는 집전체 포일의 단부에 최소한의 절단 스크랩 마진이 할당되어야 한다.
바람직하게, 상기 절연 갭은 상기 전극(160)이 양극일 때 0.2mm 내지 6mm일 수 있다. 또한, 상기 절연 갭은 상기 전극(160)이 음극일 때 0.1mm 내지 2mm일 수 있다. 바람직하게, 상기 분리막(60)의 최소 사행 마진은 0 내지 1mm일 수 있다. 바람직하게, 절단 스크랩 마진은 1.5mm 내지 8mm일 수 있다. 절단 스크랩 마진은 분절편(161)을 형성하는 공정에 따라 할당되지 않을 수 있다. 예를 들어, 분절편(161)의 상부변과 집전체 포일의 상부변이 서로 일치하도록 절단홈(163)을 형성할 수 있고, 이 경우 절단 스크랩 마진은 0이 될 수 있다.
상기 조건들을 고려하였을 때, 분절편(161)의 높이 가변 구간에서 분절편(161)의 최대 높이는 10mm로 설정할 수 있다. 따라서, 분절편(161)의 높이 가변 구간에서 분절편(161)의 높이는 2mm 내지 10mm 구간에서 전극 조립체의 반경 방향을 따라 단계적 또는 점진적으로 증가할 수 있다.
도 16을 참조하면, 분절편(161)의 이격 피치(P)는 0.05mm 내지 1mm의 범위에서 조절할 수 있다. 이격 피치(P)가 0.05mm 미만이면, 전극(160)이 권취 공정 등에서 주행될 때 응력에 의해 절단홈(163)의 하단 근처에서 무지부(143)에 크랙이 생길 수 있다. 반면, 이격 피치(P)가 1mm를 초과하면 분절편(161)이 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(161)들이 서로 중첩되지 않는 영역 또는 빈 공간(틈)이 발생할 수 있다.
한편, 전극(160)의 집전체(141)가 알루미늄으로 이루어질 경우, 이격 피치(P)는 0.5mm 이상으로 설정하는 것이 보다 바람직하다. 이격 피치(P)가 0.5mm 이상일 경우, 전극(160)이 권취 공정 등에서 300gf 이상의 장력(tension) 하에서 100mm/sec 이상의 속도로 주행하더라도, 절단홈(163)의 하부에서 크랙이 생기는 것을 방지할 수 있다.
도 16에 도시된 것처럼, 권취 방향으로 인접하는 2개의 분절편(161) 사이에는 절단홈(163)이 개재된다. 절단홈(163)은 무지부(143)가 제거되면서 생긴 공간에 해당한다. 바람직하게, 절단홈(163) 하부 양단의 모서리 부분은 라운드 모양을 가진다. 즉, 절단홈(163)은 실질적으로 평평한 저부(163a)와 라운드부(163c)를 포함한다. 라운드부(163c)는 저부(163a)와 분절편(161)의 측변(163b)을 연결한다. 변형 예에서, 절단홈(163)의 저부(163a)는 원호 모양으로 대체될 수 있다. 이 경우, 분절편(161)의 측변(163b)들은 저부(163a)의 원호 형상에 의해 부드럽게 연결될 수 있다.
복수의 분절편(161)은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 하부 내각(θ)이 증가할 수 있다. 일 예에서, 복수의 분절편(161)은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 하부 내각(θ)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다. 하부 내각(θ)은 절단홈(163)의 저부(163a)로부터 연장된 직선과 분절편(161)의 측변(163b)로부터 연장된 직선 사이의 각도이다. 분절편(161)이 좌우 대칭일 때 좌측과 우측의 하부 내각(θ)은 실질적으로 동일하다.
전극 조립체의 반경이 증가하면 곡률 반경이 증가한다. 만약, 분절편(161)의 하부 내각(θ)이 전극 조립체의 반경이 증가함에 따라 함께 증가하면 분절편(161)이 절곡될 때 반경 방향 및 원주 방향으로 생기는 응력을 완화시킬 수 있다. 또한, 하부 내각(θ)이 증가하면, 분절편(161)이 절곡되었을 때 안쪽의 분절편(161)과 중첩되는 면적 및 중첩 레이어 수도 함께 증가함으로써 반경 방향 및 원주 방향에서 용접 강도를 균일하게 확보할 수 있고 절곡 표면영역을 평탄하게 형성할 수 있다.
바람직하게, 하부 내각(θ)은 분절편(161)이 위치하는 권회턴의 반지름과 분절편(161)의 폭(D)에 의해 결정될 수 있다. 일 예에서, 전극(160)이 직경이 22mm이고 코어의 반경이 4mm인 권회 구조를 형성하는 경우, 분절편(161)의 하부 내각은 높이 가변 구간에서 60도 내지 85도 구간에서 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다.
다시 도 15를 참조하면, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 제3 부분(B2)의 분절편(161)을 코어측으로 절곡시켰을 때 코어가 그것의 직경을 기준으로 90% 이상 외부로 개방되도록 설계한다. 제1 부분(B1)의 길이(dB1)는 그룹 1의 분절편(161)의 절곡 길이에 비례하여 증가할 수 있다. 절곡 길이는 절곡 지점부터 분절편(161)의 상단변까지의 길이에 해당한다.
분절편(161)의 절곡 지점은 절단홈(163)의 하단을 통과하는 라인 또는 그 라인으로부터 상부로 소정 거리 이격된 지점에 설정될 수 있다. 절단홈(163)의 하단으로부터 소정 거리 이격된 지점에서 분절편(161)이 코어측으로 절곡되면 반경 방향으로의 분절편 중첩이 보다 잘 이루어진다. 분절편(161)들이 절곡될 때 코어의 중심을 기준으로 바깥쪽에 있는 분절편이 안쪽에 있는 분절편을 누른다. 이 때, 절곡 지점이 절단홈(163)의 하단으로부터 소정 거리 이격되어 있으면, 안쪽의 분절편이 바깥쪽 분절편에 의해 권취축 방향으로 눌리면서 분절편들의 중첩이 보다 잘 이루어진다. 절곡 지점의 이격 거리는 바람직하게 1mm 이하일 수 있다. 분절편의 최소 높이는 2mm이므로 최소 높이 대비 절곡 지점의 이격 거리의 비율은 50% 이하일 수 있다.
일 실시예에서, 각 분절편 그룹의 폭은 전극 조립체의 동일한 권회턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다. 여기서, 권회턴은 전극(160)이 권취된 상태에 있을 때 제1 부분(B1)의 단부를 기준으로 계수할 수 있다.
다른 변형예에서, 각 분절편 그룹의 폭은 전극 조립체의 적어도 하나 이상의 권회턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다.
그룹1 내지 그룹8은 제3 부분(B2)에 포함되는 분절편 그룹의 일 예시에 불과하다. 그룹들의 수, 각 그룹에 포함되는 분절편(161)의 수, 및 그룹의 폭은 무지부(143)의 절곡 과정에서 응력을 최대한 분산시키고 집전체와의 용접 강도를 충분히 확보할 수 있도록 분절편(161)이 여러 겹으로 중첩되도록 바람직하게 조절될 수 있다.
제3 부분(B2)에 있어서 전극(160)의 권취 방향을 기준으로 분절편(161)의 높이가 단계적으로 증가하는 구간(그룹1 내지 그룹7)은 분절편의 높이 가변 구간으로 정의되고, 마지막에 있는 분절편 그룹(그룹 8)은 분절편의 높이가 균일하게 유지되는 높이 균일 구간으로 정의될 수 있다.
즉, 제3 부분(B2)에서, 분절편(161)의 높이가 h1 내지 hN까지 단계적으로 증가할 때, h1 내지 hN-1(N은 높이 인덱스로서, 2 이상의 자연수)의 높이를 가진 분절편(161)이 배치된 구간은 높이 가변 구간에 해당하고, hN의 높이를 가진 분절편(161)이 배치된 구간은 높이 균일 구간에 해당한다.
그룹1의 폭은 제1 부분(B1)의 폭 대비 35~40%일 수 있다. 그룹2의 폭은 그룹1의 폭 대비 130~150%일 수 있다. 그룹3의 폭은 그룹2의 폭 대비 120~135%일 수 있다. 그룹4의 폭은 그룹 3의 폭 대비 85~90%일 수 있다. 그룹5의 폭은 그룹4의 폭 대비 120~130%일 수 있다. 그룹6의 폭은 그룹5의 폭 대비 100~120%일 수 있다. 그룹7의 폭은 그룹6의 폭 대비 90~120%일 수 있다. 그룹8의 폭은 그룹7의 폭 대비 115~130%일 수 있다. 제2 부분(B3)의 길이(dB3)는 제1 부분(B1)의 폭과 마찬가지로 180mm-350mm일 수 있다.
그룹1 내지 8의 폭이 일정한 증가 또는 감소 패턴을 보이지 않는 이유는, 분절편의 폭은 그룹1에서 그룹8로 갈수록 점차 증가하지만 그룹 내에 포함되는 분절편의 수는 정수 개로 제한되고 전극의 두께가 권취 방향으로 약간의 편차를 가지기 때문이다. 따라서, 특정 분절편 그룹에서는 분절편의 수가 감소될 수 있다. 따라서, 그룹의 폭은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 상기의 예시처럼 불규칙한 변화 양상을 나타낼 수 있다.
이상의 실시예들을 통하면, 분절편(161)의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시켜 집전판의 용접 강도를 향상시킬 수 있다. 분절편(161)의 디멘션(폭, 높이, 이격 피치)을 최적화시켜 용접 타겟 영역으로 사용되는 영역의 분절편(161) 적층수를 충분히 증가시키는 것에 의해 집전판이 용접되는 영역의 물성을 개선할 수 있다.
도 15에는 대표적인 전류 경로도 표시하였다. 제1 경로와 제2 경로의 연결 위치는 세모 표시, 전극 끝지점은 네모 표시하였다. 제1 경로와 제2 경로의 연결 위치는 제2 부분(B3) 및 제3 부분(B2) 임의 위치 어디나 될 수 있지만 도면에는 도시의 편의를 위해 그룹1의 1곳, 그룹8의 1곳에 표시하였다. 전극 끝지점도 임의 위치 어디나 될 수 있지만 폭 방향 전류 경로의 길이(L1)를 보여주기 위한 1곳과 최대 전류 경로에 위치하는 1곳을 표시하였다.
여기에서도 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 결정하는 L2는 전극탭으로서 정의된 제3 부분(B2)에서 전극 끝지점에 이르는 거리이고, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)에 해당한다. 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 조절함으로써 상기 전류 경로 비율(L2/L1)을 조절할 수가 있다. 이러한 전류 경로 비율(L2/L1)은 저항을 다소 증가시킬지라도 이차전지의 최소 저항 요구 조건은 만족시키게 되므로, 분절편(161)의 중첩 정도, 용접 강도 확보 등을 더 고려하는 경우에 11 이하, 10.15 이하, 8.5 이하, 또는 2 내지 5 범위로 낮아질 수 있다. 예를 들어, 제3 부분(B2)의 길이(dB2)를 충분히 길게 하여 분절편(161)을 더 크게 형성하거나 더 많이 형성하거나 하여 분절편(161)의 중첩 정도를 높이는 것이 필요하다면 상기 전류 경로 비율(L2/L1)은 8.5 이하, 또는 2 내지 5 범위로 낮아질 수 있는 것이다. 전류 경로를 최소화하는 저저항 셀 설계 관점에서 상기 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 정하였다는 점에 본 발명의 의의가 있다. 상기 전류 경로 비율(L2/L1)의 상한을 넘어가면 이차전지의 최소 저항 요구 조건을 만족할 수 없다.
이러한 구조의 전극(160)에서 제3 부분(B2)은 절곡되어 용접 영역이 될 수 있다. 권취 방향에서, 제3 부분(B2)의 길이(dB2)가 제1 부분(B1)의 길이(dB1)보다 더 길 수 있다. 제3 부분(B2)의 길이(dB2)는 제2 부분(B3)의 길이(dB3)보다 더 길 수 있다. 제3 부분(B2)의 길이(dB2)를 길게 함으로써, 절곡시 절곡 부위가 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 제3 부분(B2)의 길이(dB2)를 길게 함으로써, 충분한 용접 영역을 확보할 수 있다.
또 다른 변형예에 따르면, 전극(160)의 무지부(143)가 분절편 구조를 가질 때, 전극(160)은 도 17에 도시된 바와 같이 복수의 분절편들 중 일부가 규칙적 또는 불규칙적으로 생략되어 있는 분절편 생략 구간(164)을 포함할 수 있다. 도 17은 본 발명의 제5 실시예에 따른 전극의 변형 구조를 나타낸 평면도이다.
도 17을 참조하면, 바람직하게, 분절편 생략 구간(164)은 복수일 수 있다. 일 예에서, 분절편 생략 구간(164)의 폭은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 일정할 수 있다. 다른 예에서, 분절편 생략 구간(164)의 폭은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 규칙적으로 또는 불규칙적으로 증가 또는 감소할 수 있다. 바람직하게, 분절편 생략 구간(164)에 존재하는 무지부의 높이는 제1 부분(B1) 및/또는 제2 부분(B3)의 높이와 대응할 수 있다.
분절편 생략 구간(164) 사이에 존재하는 분절편(161)의 수는 적어도 하나 이상일 수 있다. 전극(160)은 도 17에 도시된 것처럼 코어로부터 외주측으로 가면서 분절편 생략 구간(164) 사이에 존재하는 분절편(161)의 수가 증가하는 무지부 구간을 포함할 수 있다.
이렇게 무지부(143) 중간에 분절편 생략 구간(164)을 두는 경우에도, 분절편 생략 구간(164)이 전극탭 미정의 구간에 대응되는 것이므로, 분절편 생략 구간(164)의 길이는 전극탭 미정의 구간에서의 전류 경로 비율(L2/L1)이 11 이하가 되게 하여야 하는 조건을 고려하여 결정할 수 있다.
도 18은 본 발명의 변형예에 따른 전극이 전극 조립체로 권취되었을 때 복수의 분절편이 위치할 수 있는 독립 영역을 나타낸 상부 평면도이다.
바람직하게, 분절편 생략 구간(164)의 폭은, 도 18에 도시된 바와 같이 전극(160)이 권취되었을 때 각 권회턴에 위치한 분절편들이 전극 조립체(200)의 코어(C)를 기준으로 미리 설정된 독립 영역(166) 내에 위치할 수 있도록 설정될 수 있다.
즉, 복수의 분절편(161)은 전극 조립체(200)를 권취축 방향에서 보았을 때 코어(C)를 기준으로 복수의 독립 영역(166) 내에 위치할 수 있다. 독립 영역(166)의 수는 2개, 3개, 4개, 5개 등으로 변화시킬 수 있다.
바람직하게, 독립 영역(166)은 부채꼴 모양일 수 있다. 이 경우, 독립 영역(166) 사이의 각도는 실질적으로 동일할 수 있다. 또한, 독립 영역(166)의 원주각(δ)은 20도 이상, 선택적으로 25도 이상, 선택적으로 30도 이상, 선택적으로 35도 이상, 또는 선택적으로 40도 이상일 수 있다.
변형예에서, 독립 영역(166)은 정사각형, 직사각형, 평형사변형, 사다리꼴 등의 기하학적 도형의 형태를 가질 수 있다.
상기와 같이 하는 경우, 독립 영역(166)에만 집전판과의 용접부를 형성할 수 있고, 독립 영역(166)에 대응되는 레그 구조를 갖도록 집전판을 설계할 수 있어 집전 효율 측면에서 이점이 있다.
도 19는 본 발명의 제6 실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 19를 참조하면, 제6 실시예의 전극(170)은 분절편(161')의 형상이 전술한 실시예와 다른 점을 제외하고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다. 따라서, 별도의 언급이 없는 한, 제5 실시예의 구성은 제6 실시예에서도 동일하게 적용될 수 있다.
분절편(161')은 상부와 하부의 폭이 실질적으로 동일한 기하학적 도형의 형태를 가진다. 바람직하게, 분절편(161')은 사각형 형태를 가질 수 있다.
도 20은 본 발명의 제6 실시예에 따른 전극에 포함된 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 20을 참조하면, 분절편(161')의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)는 무지부(143)의 절곡 가공 시 무지부(143)가 찢어지는 것을 방지하고 집전체와의 용접 강도 향상을 위해 무지부(143)의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시키면서 무지부(143)의 비정상적 변형을 방지할 수 있도록 설정할 수 있다. 비정상적 변형은 절곡 지점 하부의 무지부가 직선 상태를 유지하지 못하고 주저 않으면서 불규칙하게 변형되는 것을 말한다.
분절편(161')의 폭(D)은 분절편(161')의 양측 측변으로부터 연장한 2개의 직선과 절단홈(163)의 저부(163a)로부터 연장되는 직선이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 분절편(161')의 높이(H)는 분절편(161')의 최상단 변과 절단홈(163)의 저부(163a)로부터 연장된 직선 사이의 최단 거리로 정의된다. 분절편(161')의 이격 피치(P)는 절단홈(163)의 저부(163a)로부터 연장된 직선과 상기 저부(163a)와 연결된 2개의 측변(163b)으로부터 연장된 직선들이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 측변(163b) 및/또는 저부(163a)가 곡선일 때, 직선은 측변(163b) 및 저부(163a)가 만나는 교차점에서 측변(163b) 및/또는 저부(163a)로부터 연장되는 접선으로 대체 가능하다.
바람직하게, 분절편(161')의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)에 관한 조건은 상술한 제5 실시예와 실질적으로 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다. 다만, 분절편(161')이 사각형 모양을 가지므로 분절편(161')의 하부 내각은 90도로 일정할 수 있다.
제5 실시예의 전극(160)과 유사하게 제6 실시예에 따른 전극(170)도 복수의 분절편들 중 일부가 규칙적 또는 불규칙적으로 생략되어 있는 분절편 생략 구간(164)을 포함할 수 있다.
제5 실시예 및 제6 실시예와 같이, 제3 부분(B2)이 복수의 분절편(161, 161')을 포함할 때, 각 분절편(161, 161')의 형상은 다양한 변형이 가능하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극(160, 170)이 전극 조립체로 권취된 이후에, 전극 조립체의 상부 및 하부에 노출되어 있는 분절편들은 전극 조립체의 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩되면서 절곡 표면영역을 형성할 수 있다.
분절편(161)이 전극 조립체(200)의 코어(C) 측으로 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역(F)은 전극 조립체(200)의 상부와 하부에 모두 형성될 수 있다. 도 21은 절곡 표면영역이 형성된 전극 조립체를 개략적으로 도시한 상부 사시도이다.
도 21을 참조하면, 절곡 표면영역(F)은 권취축 방향으로 분절편(161)들이 복수의 레이어들로 중첩된 구조를 가진다. 중첩 방향은 권취축 방향이다.
분절편(161)이 포함된 권회턴의 반경에 따라서 분절편(161)의 높이, 폭 및 이격 피치를 조절하여 절곡 표면영역(F)의 각 위치에서 분절편(161)의 적층수를 요구되는 집전판의 용접 강도에 맞게 최적화시킬 수 있다.
상술한 실시예들(변형예들)의 전극 구조는 젤리-롤 타입 또는 기술분야에 알려진 다른 타입의 전극 조립체에 포함된 양극과 음극에 적용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 양극에 코팅되는 양극 활물질과 음극에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
일 예에서, 양극 활물질은 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤2, -0.1 ≤ z ≤ 2; 화학량론 계수 x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2 -(1-x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0≤x≤1)일 수 있다.
또 다른 예에서, 양극 활물질은, 일반 화학식 LiaM1 xFe1 - xM2 yP1 - yM3 zO4 -z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al 및 Mg에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; 화학량론 계수 a, x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al 및 Mg에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 수 있다.
일 예에서, 음극 활물질은 탄소재, 리튬금속 또는 리튬금속화합물, 규소 또는 규소화합물, 주석 또는 주석 화합물 등을 사용할 수 있다. 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 음극 활물질로 사용 가능하다. 탄소재로는 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.
분리막은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 분리막은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.
분리막의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다. 또한 분리막 자체가 무기물 입자의 코팅층으로 이루어지는 것도 가능하다. 코팅층을 구성하는 입자들은 인접하는 입자 사이 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 존재하도록 바인더와 결합된 구조를 가질 수 있다.
무기물 입자는 유전율이 5 이상인 무기물로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 상기 무기물 입자는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1 - xLaxZr1 - yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3 - PbTiO3(PMN-PT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
도 22는 제5 실시예 및 제6 실시예(이들의 변형예들)의 전극들 중 어느 하나를 양극 및 음극에 적용한 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 22를 참조하면, 양극 무지부(143a)는, 전극 조립체(200)의 코어에 인접한 제1 부분(B1), 전극 조립체(200)의 외주 표면에 인접한 제2 부분(B3), 및 제1 부분(B1) 및 제2 부분(B3) 사이에 개재된 제3 부분(B2)을 포함한다.
제1 부분(B1)의 높이는 제3 부분(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 제3 부분(B2)에 있어서 최내측에 위치한 양극 무지부(143a)의 절곡 길이는 제1 부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 절곡 길이(H')는 양극 무지부(143a)가 절곡되는 지점부터 양극 무지부(143a) 상단까지의 거리에 해당한다. 변형예에서, 절곡 길이(H')는 제1 부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 코어(C) 반경의 10%를 합산한 값보다 작을 수 있다.
따라서, 제3 부분(B2)이 절곡되더라도 전극 조립체(200)의 코어(C)는 그 직경의 90% 이상이 외부로 개방된다. 코어(C)는 전극 조립체(200)의 중심에 있으며 공동을 구비한다. 코어(C)의 공동이 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(C)를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전판과 전지 하우징(또는 전극 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
제2 부분(B3)의 높이는 제3 부분(B2)의 높이보다 상대적으로 작다. 따라서, 전지 하우징의 비딩부가 제2 부분(B3) 근처에서 가압되는 과정에서 비딩부와 제2 부분(B3)이 서로 접촉하면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다.
음극 무지부(143b)는 양극 무지부(143a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 음극 무지부(143b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수도 있다.
일 변형예에서, 제2 부분(B3)의 높이는 도 22에 도시된 것과 달리 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다. 또한, 도 22에는, 제3 부분(B2)의 높이가 외주측 일부분이 동일하지만, 제3 부분(B2)의 높이는 제1 부분(B1)과 제3 부분(B2)의 경계부터 제3 부분(B2)과 제2 부분(B3)의 경계까지 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다. 제3 부분(B2)이 복수의 분절편으로 분할되어 있을 때 양극 무지부(143a)의 높이가 변하는 구간은 분절편의 높이 가변 구간(E2)에 해당한다.
좀 더 상세히 살펴보면, 전극 조립체(200)는, 권취축 방향에 따른 단면을 기준으로, 반경 방향을 따라 순차적으로, 분절편이 존재하지 않는 분절편 생략 구간(E1), 분절편의 높이가 가변되는 높이 가변 구간(E2), 분절편의 높이가 균일한 높이 균일 구간(E3)을 포함하고 있다.
양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)의 단부(201)는 전극 조립체(200)의 반경 방향, 예컨대 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 제1 부분(B1)과 제2 부분(B3)은 절곡되지 않는다.
앞서 설명한 복수의 분절편(161, 161')은 높이 가변 구간(E2)과 높이 균일 구간(E3)에 배치되고, 전극 조립체(200)의 반경 방향을 따라 절곡되면서 절곡 표면영역(도 21의 F)을 형성하게 된다. 분절편(161, 161')의 절곡에 의해 형성된 절곡 표면영역(F)에 집전판을 넓은 면적으로 용접시킨 구조를 적용할 수 있으므로, 이를 포함하는 전극 조립체(200)의 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소될 수 있다.
제3 부분(B2)이 복수의 분절편을 포함하는 경우 절곡 응력이 완화되어 절곡 지점 근처의 양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)가 찢어지거나 비정상적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분절편(161, 161')의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 상술한 실시예의 수치범위에 따라 조절될 경우, 분절편(161, 161')들이 코어(C) 측으로 절곡되면서 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡 표면영역에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
본 실시예에서 분절편 생략 구간(E1)은 제1 부분(B1)에 대응된다.
한편, 전극 조립체(200)에서 높이 가변 구간(E2)이 생략된 변형예도 가능하다.
도 23은 본 발명의 제5 실시예에 따른 전극의 변형 구조를 나타낸 평면도이다.
도 23에서, 변형예의 전극(180)은 분절편(161)의 높이가 균일해, 도 22과 같은 전극 조립체(200)로 제조시 높이 가변 구간(E2)이 없이 분절편 생략 구간(E1)과 높이 균일 구간(E3)만 포함하게 된다는 점을 제외하고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다. 따라서, 별도의 언급이 없는 한, 제5 실시예의 구성은 본 변형예에에서도 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 제2 부분(B3)이 분절편들로 분할되어 있지 않고, 제1 부분(B1)의 높이와 제2 부분(B3)의 높이는 동일하다.
도 23에 최대 전류 경로의 L1과 L2를 나타내었다(제1 경로와 제2 경로의 연결 위치는 세모 표시, 전극 끝지점은 네모 표시).
도 23과 같은 구조를 가지는 전극(180)에서, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 변화시켜 실시예 및 비교예의 이차전지를 제조한 다음, AC 저항과 DC 저항과 저온 사이클과 급속충전 사이클을 실험하였다. 분절편(161)의 개수는 115개였고, 분절편(161)의 폭은 제일 넓은 폭이 8mm, 분절편(161)의 높이는 6mm로 하였다. 음극 집전체는 구리로서 그 두께는 10㎛, 양극 집전체는 알루미늄으로서 그 두께는 15㎛이었고, 각 집전체에서 L1에 거의 가까운 단변 길이는 65mm, 장변 길이는 4m이었다. 양극 활물질은 리튬 복합 전이금속 산화물을 포함하는 것이었고, 음극 활물질은 흑연을 포함하는 것이었다. 분리막은 폴리올레핀 분리막으로 하였다. 전해액은 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸메틸 카보네이트(EMC)를 20:70:10의 부피비로 혼합한 용매에 1.4M LiPF6가 용해된 것이었다.
예를 들어, AC 저항 평가는 일반적으로 이용하는 교류 임피던스(AC Impedence) 측정기를 사용하여 주파수 1kHz 의 교류를 인가해 측정할 수 있다. 본 실험에서는 200mA 전류(0.1C)로 포메이션(formation)을 진행한 이후로 4.2 V 666mA (0.3C, 0.05C cut-off)조건으로 CC/CV 충전과 2.5V 666 mA (0.3C) 조건으로 CC 방전을 3회 반복하였다. 이후 25℃ 온도 조건, SOC(State Of Charge) 50% 상태에서 Multi impedance analyzer(Biologic 社, 모델명: VMP3)를 이용하여 10mHz~100kHz의 범위로 AC 저항을 측정하였다.
예를 들어, DC 저항 평가는 일반적으로 이용하는 DC 저항 측정기를 이용하여 전극 표면에 탐침을 올려 전류가 전극 표면으로만 흐르게 하여 측정할 수 있다. 본 실험에서는 만충전된 이차전지를 상온에서 SOC 50%까지 방전하고 0.5C의 전류로 10초 동안 방전시키는 경우 발생하는 전압 강하를 기록하고, 옴의 법칙(R=V/I)을 이용하여 계산되는 DC 저항(DC-IR) 값을 측정하였다[방전 pulse(0.5C pulse를 10초 인가), DC-IR=(V0-V1)/I, V0는 방전 pulse 이전의 전압, V1은 방전 pulse 인가 후의 전압임.)
저온 사이클 성능(저온 수명 특성 평가)은 200mA 전류(0.1C)로 포메이션을 진행한 이후로 4.2 V 666mA (0.3C, 0.05C cut-off)조건으로 CC/CV 충전과 2.5V 666 mA(0.3C) 조건으로 CC 방전을 10℃에서 300회(cycle) 반복하였다. 이후, 1번째 방전 용량을 초기 용량으로 하여, 초기 용량 대비 300번째 방전 용량을 비교하여 용량 유지율 %로 계산하였다. 방전 용량 측정은 PNE-0506 충방전기(제조사: (주)PNE 솔루션, 5V, 6A)와 같은 기기를 이용할 수 있다.
급속 사이클 성능은 SOC 10%에서 SOC 80%가 될 때까지 25분 동안 급속 충전을 하고 SOC 10%까지 방전하는 과정을 500회 반복하였다. 모든 충전, 방전은 CC로 행하였다. 500회 사이클 이후, 충전 용량 변화율을 %로 계산하였다.
실시예 1의 이차전지는 L2를 결정하는 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 556mm이고, 비교예 1의 이차전지는 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 680mm이며, 비교예 2의 이차전지는 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 920mm이었다. 실시예 1은 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 556mm이어서 시뮬레이션을 통해 확인한 전극탭 미정의 구간(143a2)의 길이 660mm 이하를 만족한다. 비교예 1과 비교예 2는 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 시뮬레이션을 통해 확인한 전극탭 미정의 구간(143a2)의 길이 660mm보다 크다.
표 1은 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2의 조건과 실험 결과값을 정리한 것이다.
[표 1]
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표 1을 참조하면, 실시예 1의 경우, AC 저항이 1.5mΩ, DC 저항이 3.6mΩ로 측정되었다. 시뮬레이션에서의 결과처럼 AC 저항이 2mΩ 이하를 만족하고 있으며, DC 저항도 이차전지의 최소 저항 요구 조건(DC 저항이 4mΩ 이하이고 AC 저항이 3mΩ 이하)를 만족한다.
비교예 1에서 측정된 DC 저항은 3.9mΩ이고 AC 저항은 1.7mΩ이어서 이차전지의 최소 저항 요구 조건을 만족하기는 하지만, 저온 사이클이 76%이고 급속 충전 사이클이 83%여서, 저온 사이클이 82%이고 급속 충전 사이클이 87%인 실시예 1 대비 성능 열위를 나타내었다. 특히 급속 충전 사이클의 관점에서 실시예 1과 같이 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 660mm 이하여야 유리하다는 것을 알 수 있다.
비교예 2에서 측정된 DC 저항은 4.3mΩ여서 이차전지의 최소 저항 요구 조건을 만족하지 못하며, 저온 사이클이 58%이고 급속 충전 사이클이 64%로 측정되어 비교예 1보다도 성능이 떨어졌다. 즉, 제1 부분(B1)의 길이(dB1)가 660mm를 넘어 증가할수록(680mm → 920mm) 저항이 증가하고, 저온 사이클 및 급속 충전 사이클 성능이 떨어짐을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제1 부분(B1)의 길이(dB1)를 소정 범위로 하여 전류 경로 비율(L2/L1)을 11 이하로 할 때에 이차전지의 최소 저항 요구 조건을 만족하는 저저항 셀 설계가 가능하고, 저온 사이클과 급속 충전 사이클 관점에서도 우수한 성능을 가질 수 있어, 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킨 원통형 이차전지로 제조하기 적합하다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다양한 전극 조립체 구조는 원통형 이차전지에 적용될 수 있다.
바람직하게, 원통형 이차전지는, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 이차전지의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4보다 큰 원통형 이차전지일 수 있다.
바람직하게, 원통형 이차전지의 직경은 40mm 내지 50mm일 수 있고, 높이는 60mm 내지 130mm일 수 있다. 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 폼 팩터는, 예를 들어 46110, 4875, 48110, 4880 또는 4680일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 이차전지의 직경을 나타내고, 나머지 숫자는 이차전지의 높이를 나타낸다.
폼 팩터의 비가 0.4를 초과하는 원통형 이차전지에 탭-리스 구조를 가진 전극 조립체를 적용할 경우, 무지부를 절곡할 때 반경 방향으로 가해지는 응력이 커서 무지부가 찢어지기 쉽다. 또한, 무지부의 절곡 표면영역에 집전체를 용접할 때 용접 강도를 충분히 확보하고 저항을 낮추기 위해서는 절곡 표면영역에서 무지부의 적층수를 충분히 증가시켜야 한다. 이러한 요구 조건은 본 발명의 실시예들(변형예들)에 따른 전극과 전극 조립체에 의해 달성될 수 있다. 특히 이러한 요구 조건은 전류 경로 비율(L2/L1)이 11 이하가 되게 하는 조건을 만족하면서 달성될 수 있어 저저항 설계가 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 이차전지로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 이차전지일 수 있다.
다른 실시예에 따른 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 이차전지로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 이차전지일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 이차전지로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.436인 원통형 이차전지일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 이차전지로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 이차전지일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 이차전지는, 대략 원기둥 형태의 이차전지로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 이차전지일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 이차전지들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 18650 이차전지, 21700 이차전지 등이 이용되었다. 18650 이차전지의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 0.277이다. 21700 이차전지의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 0.300이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 이차전지에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 단면도이다. 도 24의 이차전지(300)는 제5 실시예 및 제6 실시예(이들의 변형예들)의 전극들 중 어느 하나를 양극 및 음극에 적용한 젤리-롤 타입의 전극 조립체인 전극 조립체(200)를 포함하고 있다. 도 24는 이러한 이차전지(300)를 권취축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 24를 참조하면, 전극 조립체(200)에서 양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)는 서로 반대 방향으로 배치된다. 그리고, 양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)는 분리막(도 7의 60 참조)의 외부로 노출된다. 이러한 전극 조립체(200)는 양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)의 일부만 전극탭으로서 정의되어 사용될 수 있다. 예를 들어 양극 무지부(143a)의 일부만 양극 전극탭으로써, 음극 무지부(143b)의 일부만 음극 전극탭으로써 사용될 수 있다.
이차전지(300)는 또한 전극 조립체(200)를 수납하며 음극 무지부(143b)와 연결된 원통형의 전지 하우징(305)을 포함한다. 전지 하우징(305)은 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 전지 하우징(305)은 철, 니켈-도금 철 또는 스테인레스 스틸(SUS) 재질로 이루어질 수 있고, 전지 캔일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 전지 하우징(305)의 일 측(본 실시예에서는 하부)은 개방되어 있어 개방부를 형성한다. 전지 하우징(305)에서 상기 개방부의 반대편은 폐쇄부이다. 본 실시예에서, 상기 폐쇄부는 전지 하우징(305)의 바닥(310)이다. 전지 하우징(305)의 바닥(310)은 원형이다. 전지 하우징(305)의 측면(외주면)과 바닥(310)은 일체로 형성될 수 있다. 전지 하우징(305)의 바닥(310)은 대략 플랫(flat)한 형태를 갖는다. 전지 하우징(305)은 상기 개방부를 통해 전극 조립체(200)를 수납하며, 전해질도 함께 수용한다. 전지 하우징(305)의 측면은 바닥(310)으로부터 일정 길이 연장되어 있다.
전지 하우징(305)의 바닥(310)은 양극 단자(315)가 콜킹 공정을 통해 관통 홀(320)에 리벳팅된 구조를 가진다. 또한, 이차전지(300)는 양극 단자(315)와 관통 홀(320) 사이에 개재된 리벳 가스켓(325)을 포함할 수 있다.
양극 단자(315)는 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 양극 단자(315)는 알루미늄을 주성분으로 하는 소재로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 양극 단자(315)는 리벳팅 가공이 용이하고 저항이 낮은 10계열 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다. 양극 단자(315)의 일부분은 전지 하우징(305) 내부에 삽입되어 있고 다른 일부분은 전지 하우징(305) 외부로 노출되어 있다.
리벳 가스켓(325)은 절연성 및 탄성이 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 리벳 가스켓(325)은 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리플루오르화에틸렌 등으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이차전지(300)는 양극 무지부(143a)와 연결되는 양극 집전판(330)을 포함한다. 양극 무지부(143a)와 양극 집전판(330)간의 연결은 용접 방식으로 수행할 수 있다. 양극 집전판(330)은 양극 무지부(143a)의 전극탭 정의 구간과 연결된다. 양극 집전판(330)은 양극 단자(315)와도 연결된다. 양극 집전판(330)과 양극 단자(315)간은 레이저 용접 방식에 의해 연결된다. 양극 집전판(330)은 양극 집전체 및/또는 양극 단자(315)와 동종 금속이거나, 이들과 용접이 잘 되는 재질일 수 있다. 예를 들어 양극 집전판(330)은 알루미늄을 주성분으로 하는 소재로 이루어질 수 있고, 철, 니켈-도금 철 또는 SUS 등일 수도 있다. 양극 단자(315)는 양극 집전판(330)을 통해 양극 무지부(143a)와 연결된다.
이차전지(300)는 또한 전지 하우징(305)으로부터 절연 가능하도록 전지 하우징(305)의 개방부를 밀봉하는 밀봉체(335)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 밀봉체(335)는 극성이 없는 캡 플레이트(340) 및 캡 플레이트(340)의 가장자리와 전지 하우징(305)의 개방부 사이에 개재된 밀봉 가스켓(345)을 포함할 수 있다.
캡 플레이트(340)는 알루미늄, 철, 니켈-도금 철 또는 SUS 등의 도전성 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 밀봉 가스켓(345)은 절연성 및 탄성이 있는 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리플루오르화에틸렌 등으로 이루어질 수 있다. 하지만, 본 발명이 캡 플레이트(340)와 밀봉 가스켓(345)의 소재에 의해 한정되는 것은 아니다. 캡 플레이트(340)는 전지 하우징(305)의 개방부를 커버할 수 있다. 캡 플레이트(340)는 전도성을 갖는 금속 재질인 경우에도, 극성을 갖지 않는다. 극성을 갖지 않는다는 것은, 캡 플레이트(340)가 전극 조립체(200)와 연결되지 않는다는 것을 의미할 수 있다. 또한, 전지 하우징(305) 및 양극 단자(315)와 전기적으로 절연되어 있음을 의미할 수 있다. 극성을 갖지 않으므로, 캡 플레이트(340)는 전극 단자로서 기능하지 않는다. 캡 플레이트(340)는 전극 조립체(200) 및 전지 하우징(305)과 연결될 필요가 없으며, 그 재질이 반드시 전도성 금속이어야 하는 것도 아니다.
캡 플레이트(340)는 전지 하우징(305) 내부의 압력이 임계치를 초과했을 때 파열되는 벤트 노치(350)를 포함할 수 있다. 벤트 노치(350)는 캡 플레이트(340)의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다. 벤트 노치(350)는 캡 플레이트(340)의 표면에서 연속적 또는 불연속적인 원형 패턴, 직선 패턴 또는 그 밖의 다른 패턴을 형성할 수 있다. 예를 들어 벤트 노치(350)는 일정 폭을 갖는 대략 원형의 링 형태로 형성될 수 있다. 이러한 원형 링 형태의 벤트 노치(350)는 캡 플레이트(340)의 중심과 동일한 중심을 가질 수 있으며, 캡 플레이트(340)의 반경보다 작은 반경을 갖는다.
벤트 노치(350)의 깊이와 폭 등을 제어하여 전지 하우징(305)의 파단압을 제어할 수 있다. 예를 들어 벤트 노치(350)는 전지 하우징(305) 내부의 압력이 15 내지 35kgf/cm2의 범위에 있을 때 파열될 수 있도록 설정될 수 있다. 벤트 노치(350)는 노칭을 하여 부분적으로 전지 하우징(305)의 두께를 감소시킴으로써 형성할 수 있다. 벤트 노치(350)는 두께 구배를 가질 수 있다. 두께 구배란 벤트 노치(350) 단면 확인시 미리 정해진 수평면을 기준으로 일정한 각도를 가지며 기울어져 형성되어 있다는 의미이다. 이러한 벤트 노치(350)는 전지 하우징(305) 내부의 압력이 비정상적으로 상승 시 파단되어, 내부의 가스를 모두 외부로 배출하게 된다.
전지 하우징(305)은, 밀봉체(335)를 고정하기 위해, 전지 하우징(305)의 내측으로 연장 및 절곡되어 있고 밀봉 가스켓(345)과 함께 캡 플레이트(340)의 가장자리를 감싸서 고정하는 크림핑부(crimping part, 355)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 캡 플레이트(340)의 하부면은 크림핑부(355)의 하단보다 상부에 위치할 수 있다. 그러면, 캡 플레이트(340)의 하부에 벤트 공간이 형성되어 벤트 노치(350)가 파열되었을 때 가스 배출이 원활하게 이루어질 수 있다.
전지 하우징(305)은 또한 개방부에 인접한 영역에 전지 하우징(305)의 내측을 향해 압입된 비딩부(beading part, 360)를 더 포함할 수 있다. 비딩부(360)는 전지 하우징(305)의 내측으로 함몰되어 있다. 비딩부(360)는 밀봉체(335)가 크림핑부(355)에 의해 고정될 때, 밀봉체(335)의 가장자리, 특히 밀봉 가스켓(345)의 외주 표면을 지지한다.
이차전지(300)는 또한 음극 무지부(143b)와 연결되는 음극 집전판(365)을 더 포함할 수 있다. 음극 무지부(143b)와 음극 집전판(365)간의 연결은 용접 방식으로 수행할 수 있다. 음극 집전판(365)은 음극 무지부(143b)의 전극탭 정의 구간과 연결된다. 음극 집전판(365)은 음극 집전체와 동종 금속이거나, 이것과 용접이 잘 되는 재질일 수 있다. 예를 들어, 구리 또는 구리 합금, 니켈 또는 니켈 합금, 철, SUS, 또는 이들의 복합 재질일 수 있다. 바람직하게, 음극 집전판(365)은 음극 무지부(143b)와 접촉하지 않는 가장자리의 적어도 일부(365a)가 비딩부(360)와 밀봉 가스켓(345) 사이에 개재되어 크림핑부(355)에 의해 고정될 수 있다. 선택적으로, 음극 집전판(365)의 가장자리의 적어도 일부(365a)는 크림핑부(355)와 인접한 비딩부(360)의 내주면(360a)에 용접을 통해 고정될 수 있다. 이로써, 음극 집전판(365)은 전지 하우징(305)과도 연결되고, 전지 하우징(305)은 음극 집전판(365)을 통해 음극 무지부(143b)와 연결된다. 또한, 음극 집전판(365)은 그 중심부에 집전판 홀(미도시)을 구비할 수 있다. 집전판 홀은 코어(C)의 공동을 막지 않는다. 음극 집전판(365)은 집전판 홀을 포함함으로써 양극 집전판(330)을 양극 단자(315)에 용접하는 단계에서 레이저 빔을 통과시켜 레이저 빔이 양극 집전판(330)에 도달될 수 있도록 한다.
각 집전판(330, 365)은 전극 조립체(200)의 각 전극에 발생된 전류를 양극 단자(315)와 전지 하우징(305)으로 유도하게 된다. 각 집전판(330, 365)은 각 전극의 단부인 양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)에서 전류를 도출하기 위하여 접속되는 부품인 것이다. 양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)에 각 집전판(330, 365)을 용접 방식 등으로 연결해 직접적으로 접속함으로써 전류를 도출입하는 구조이기 때문에 별도의 집전탭이 불필요하다. 따라서, 집전탭의 설치 공정이 불필요하기 때문에 생산성 향상을 도모할 수 있다. 또한, 집전탭을 수납하기 위한 공간을 줄일 수 있기 때문에 전지 구조 전체가 콤팩트해지며 공간 활용성이 좋아진다.
또한, 이차전지(300)는 양극 단자(315) 및 전지 하우징(305)의 외부면(310a) 중 양극 단자(315)가 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역을 각각 양극 단자 및 음극 단자로 이용할 수 있는 구조를 갖는다. 즉, 전지 하우징(305)의 개방부 반대편의 표면 대부분을 음극 단자로 이용 가능한 구조를 가진다. 따라서, 전기적 배선을 위해 버스바와 같은 연결을 위한 부품을 용접할 수 있는 충분한 면적의 확보가 가능한 장점을 갖는다.
양극 단자(315)에 의해, 전지 하우징(305) 내의 공간 효율성을 증킬 수 있다. 따라서, 이를 포함하는 이차전지(300)의 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. 양극 단자(315)는 전류 경로의 단면적을 확대하도록 개선된 것일 수 있다. 따라서, 이를 포함하는 이차전지(300)는 급속 충전 시 생기는 내부 발열 문제가 개선된다.
양극 단자(315)는, 관통 홀(320)에 삽입된 몸체부(315a)와, 전지 하우징(305)의 바닥(310)의 외부면(310a)을 통해 노출된 몸체부(315a)의 일측 둘레로부터 외부면(310a)을 따라 연장된 외부 플랜지부(315b)와, 전지 하우징(305) 의 바닥(310)의 내부면(310b)을 통해 노출된 몸체부(315a)의 타측 둘레로부터 내부면(310b)을 향해 연장된 내부 플랜지부(315c)와, 내부 플랜지부(315c)의 내측에 구비된 평탄부(315d)를 포함할 수 있다.
바람직하게, 양극 집전판(330)의 적어도 일부는 양극 단자(315)의 평탄부(315d)와 레이저 용접되어 결합될 수 있다. 바람직하게, 평탄부(315d)와 전지 하우징(305)의 바닥(310)의 내부면(310b)은 서로 평행할 수 있다. 여기서, '평행'이라 함은 육안으로 관찰했을 때 실질적으로 평행한 것을 의미한다.
평탄부(315d)의 직경은 3mm 내지 14mm일 수 있다. 평탄부(315d)는 용접 가능 영역의 크기를 결정지을 수 있다. 용접 가능 영역의 직경이 3mm보다 작으면, 적절한 용접 강도를 확보하기 어려울 수 있다. 용접 가능 영역의 직경이 14mm를 초과하면, 양극 단자(315)의 외부 플랜지부(315b)의 직경이 지나치게 커져서 음극 단자로 사용될 전지 하우징(305)의 바닥(310)의 외부면(310a) 면적을 충분하게 확보하기 어렵다.
평탄부(315d)를 양극 집전판(330)과 연결하는 데에 레이저 용접이 이용된다. 전지 하우징(305)의 개방부를 통해 전극 조립체(200)가 삽입된 상태에서 전지 하우징(305)의 개방부가 열려 있는 상태로 레이저 용접이 수행될 수 있다. 레이저 용접시 레이저 빔은 전극 조립체(200)의 코어(C)에 있는 공동을 통과해 양극 집전판(330)의 용접 영역에 도달될 수 있다. 양극 집전판(330)은 양극 단자(315)의 평탄부(315d)에 용접될 때 양극 단자(315)가 양극 집전판(330)의 용접 영역을 지지할 수 있다. 또한, 양극 단자(315)의 평탄부(315d)는 면적이 넓으므로 용접 영역 또한 넓게 확보할 수 있다. 이로써, 용접 영역의 접촉 저항을 낮춤으로써 이차전지(300)의 내부 저항을 낮출 수 있다. 리벳팅된 양극 단자(315)와 양극 집전판(330)의 면대면 용접 구조는 급속 충전에 매우 유용하다. 전류가 흐르는 방향의 단면에서 단위 면적당 전류 밀도를 낮출 수 있으므로 전류 경로에서 발생되는 발열량을 종래보다 낮출 수 있기 때문이다.
또한, 양극 단자(315))의 리벳팅 구조가 적용된 이차전지(300)는 한 쪽 방향에서 전기적 배선을 수행할 수 있다. 이차전지(300)는 밀봉체(335)의 캡 플레이트(340)가 극성을 갖지 않는다. 그 대신, 음극 집전판(365)이 전지 하우징(305)에 연결되어 있어서 전지 하우징(305) 바닥(310)의 외부면(310a)이 양극 단자(315)와는 반대 극성을 가진다. 따라서, 복수개의 이차전지(300)를 연결함에 있어서 일 방향에서 양극/음극을 모두 연결할 수 있어 연결 구조를 간소화할 수 있다. 따라서, 배터리 팩의 제조를 위해 복수개의 이차전지(300)를 직렬 및/또는 병렬 연결하고자 할 때, 전지 하우징(305) 바닥(310)의 외부면(310a)과 양극 단자(315)를 이용하여 이차전지(300)의 상부에서 버스바 연결 등의 배선을 수행할 수 있다. 이를 통해, 동일 공간에 탑재할 수 있는 이차전지 수를 증가시켜 에너지 밀도를 향상시킬 수 있고, 전기적 배선 작업을 용이하게 진행할 수 있다. 따라서, 공간 효율성이 좋고, 전기적 배선의 효율성이 높아 전기 자동차의 조립 과정, 그리고 배터리 팩의 조립 및 유지 보수 시에 상당한 작업 개선 효과가 있다.
뿐만 아니라, 전기적 배선은 전지 하우징(305) 바닥(310)의 외부면(310a)과 양극 단자(315)가 위치한 쪽에서 수행하고 그 반대편에 위치한 캡 플레이트(340)에는 전기적 배선을 두지 않을 수 있으므로, 캡 플레이트(340)에 형성된 벤트 노치(350)의 효과를 극대화할 수 있다. 또한, 캡 플레이트(340) 쪽에 히트싱크나 냉각판이나 트레이 등을 위치시키면 전기적 배선 연결 부위와 무관하게 조립 및 냉각 등의 목적을 효과적으로 달성할 수 있다. 뿐만 아니라 벤트 노치(350)가 하방으로 놓이게 조립함으로써 이차전지 내부로부터 배출되는 가스는 하방으로 배출되게 된다. 보통 이차전지는 EV 등 차량의 탑승자보다 낮은 위치에 탑재가 되므로, 이차전지로부터 상방으로 가스가 배출되면 탑승자에게 위해를 가할 수 있다. 본 발명의 이차전지(300)는 이차전지 내부의 고압 가스를 효과적으로 배출할 수 있을 뿐 아니라 상부의 전기적 배선 연결 부위와 무관하여 안전하며, 나아가 벤트 노치(350) 파단으로 가스 배출시 하방으로 배출되어 탑승자에 위해를 가하지 않는 것이므로, 안전성을 크게 향상시킨 것이다.
이차전지(300)는 전지 하우징(305)의 폐쇄부와 양극 집전판(330) 사이에 개재되는 인슐레이터(370)를 더 포함할 수 있다. 인슐레이터(370)는 양극 집전판(330)과 전지 하우징(305) 바닥(310)의 내부면(310b) 사이, 그리고 전지 하우징(305)의 측벽의 내주면(305a)과 전극 조립체(200) 사이에 개재될 수 있다.
바람직하게, 인슐레이터(370)는 양극 단자(315)의 평탄부(315d)를 양극 집전판(330) 측으로 노출시키는 용접 홀(370a)을 포함할 수 있다. 또한, 용접 홀(370a)은 전극 단자의 평탄부(315d)와 함께 내부 플랜지부(315c)와 내부 가스켓(325b)을 노출시킬 수 있다. 바람직하게 용접 홀(370a)은 코어(C)의 공동을 막지 않는다. 따라서, 이차전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우 코어(C)의 공동을 통해 캡 플레이트(340) 쪽으로 이동하려는 가스의 움직임을 방해하지 않는다. 따라서, 다량의 가스 발생시 벤트 노치(350)로 하여금 전지 내부 압력 제어하는 작용을 원활하게 할 수 있다. 캡 플레이트(340)는 또한 용접 홀(370 a)을 포함함으로써 양극 집전판(330)을 양극 단자(315)에 용접하는 단계에서 레이저 빔을 통과시켜 레이저 빔이 양극 집전판(330)에 도달될 수 있도록 한다.
바람직하게, 인슐레이터(370)는 적어도 양극 집전판(330)의 표면과 전극 조립체(200)의 일측(상부) 가장자리를 커버할 수 있다. 이를 통해, 전지 하우징(305)과 다른 극성을 가진 양극 집전판(330)과 양극 무지부(143a)가 서로 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
바람직하게, 인슐레이터(370)는 절연성 수지로 이루어지고, 상부 플레이트(370b)와 측면 슬리브(370c)를 포함할 수 있다. 일 예에서, 상부 플레이트(370b)와 측면 슬리브(370c)는 일체화된 사출 성형물일 수 있다. 대안적으로, 측면 슬리브(370c)는 절연 테이프 등으로 대체될 수 있다. 절연 테이프는 전극 조립체(200)의 외주면을 통해 노출된 양극 무지부(143a)와 함께 양극 집전판(330)의 바깥쪽 가장자리를 커버할 수 있다.
바람직하게, 인슐레이터(370)와 전지 하우징(305) 바닥(310)의 내부면(310b)은 서로 밀착될 수 있다. 여기서, '밀착'은 육안 상으로 확인되는 공간(갭)이 없음을 의미한다. 공간(갭)을 없애기 위해, 전지 하우징(305) 바닥(310)의 내부면(310b)으로부터 양극 단자(315)의 평탄부(315d)까지 이르는 거리는 인슐레이터(370)의 두께와 같거나 이보다 약간(slightly) 작은 값을 가질 수 있다.
한편, 도 24에 모듈 버스바 용접 위치에서 각 전극(140)의 전극탭인 양극 무지부(143a)와 음극 무지부(143b)에 이르는 경로(제1 경로)를 나타내었다(전류 시작점은 원 표시, 연결 위치는 세모 표시). 전류 시작점은 양극 단자(315) 및 음극 단자에 위치한다. 음극 단자는 전지 하우징(305)이다. 모듈 버스바 용접 위치가 이차전지(300)의 상단에 위치한다. 양극 단자(315)에서 시작되어 양극 무지부(143a)으로 연결되는 전류 경로가 형성되고, 음극 단자에서 시작되어 음극 무지부(143b)으로 연결되는 전류 경로가 형성된다.
도 2에 도시된 종래의 원통형 이차전지와 비교하여 상기 제1 경로는 서로 유사하나, 전극 조립체(200)를 구성하는 전극(140)에서의 제2 경로는, 도 15에도 표시한 바와 같이 도 3을 참조하여 설명한 종래의 제2 경로 및 도 8을 참조하여 설명한 가상의 제2 경로와 유의미한 차이가 있고, 전류 경로 비율(L2/L1)을 11 이하로 하고, 이를 위해 전극탭 미정의 구간의 길이, 예를 들면 제1 부분(B1)의 길이(dB1)의 범위를 설정함에 본 발명의 특징이 있다.
본 발명에서는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 종래의 전극 구조와는 달리, 전극의 권취 전 펼쳐진 상태를 기준으로 볼 때, 전극의 장변 측에 무지부로 된 전극탭을 형성함으로써 전류가 전극의 길이 방향을 따라 이동할 일이 거의 없도록 하고, 폭 방향을 따라서 이동할 수 있도록 함으로써 전류 경로를 최소화할 수 있고, 이로써 저항을 감소시킬 수 있다. 그러면서도, 무지부의 일부 구간은 전극탭 미정의 구간으로 설정함으로써, 무지부의 용접 영역을 절곡시킬 때에 변형이 일어나지 않도록 하고, 전극 조립체의 코어에 있는 공동을 폐색하지 않도록 한다. 그러면서도, 이러한 구조의 전극을 이용하여 젤리-롤 타입의 전극 조립체 및 이를 포함하는 원통형 이차전지를 제조함에 있어서, 전극탭 미정의 구간의 길이 또는 인접한 분절편 사이의 간격 등을 조절하여, 상술한 바와 같이 최대 전류 경로에서의 전류 경로 비율(L2/L1)이 11 이하가 되도록 하였다.
상술한 실시예들(변형예들)에 따른 원통형 이차전지는 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 25를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(400)은 이차전지(401)가 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(402)을 포함한다. 이차전지(401)는 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 이차전지 중 어느 하나일 수 있다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 이차전지(401)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
배터리 팩(400)은 자동차에 탑재될 수 있다. 자동차는 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차는 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함한다.
도 26은 도 25의 배터리 팩(400)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 26을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(400)을 포함한다. 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(400)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
[부호의 설명]
100, 200 : 전극 조립체
140, 150, 160, 170, 180 : 전극
141 : 집전체
142 : 활물질층
143 : 무지부
143a : 양극 무지부
143b : 음극 무지부
161, 161' : 분절편
164 : 분절편 생략 구간
166 : 독립 영역
300, 401 : 이차전지
305 : 전지 하우징
315 : 양극 단자
330 : 양극 집전판
335 : 밀봉체
340 : 캡 플레이트
345 : 밀봉 가스켓
365 : 음극 집전판
400 : 배터리 팩

Claims (45)

  1. 양극 및 음극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서,
    상기 양극 또는 음극인 전극은, 장변과 단변을 가진 쉬트 형상의 집전체로서 장변 단부에 무지부를 포함하는 집전체를 포함하고,
    상기 무지부는 그 자체로서 전극탭으로 사용되는 전극탭 정의 구간과 전극탭으로 사용되지 않는 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간을 포함하고,
    상기 적어도 하나 이상의 전극탭 미정의 구간에 대한 최대 전류 경로는 상기 집전체의 단변을 따르는 폭 방향 전류 경로와 상기 집전체의 장변을 따르는 길이 방향 전류 경로를 포함하고, 상기 폭 방향 전류 경로의 길이와 상기 길이 방향 전류 경로의 길이를 각각 L1 및 L2라고 할 때, 전류 경로 비율(L2/L1)은 11 이하인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 경로 비율(L2/L1)이 10.15 이하인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전류 경로 비율(L2/L1)이 8.5 이하인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전류 경로 비율(L2/L1)이 2 내지 5인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전극탭 미정의 구간은 상기 전극탭 정의 구간에 비해 무지부의 높이가 작은 것임을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전극탭 미정의 구간의 길이의 최대값은 상기 양극 및 음극의 길이의 4% 내지 23%임을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전극탭 미정의 구간의 길이의 최대값은 상기 양극 및 음극의 폭의 2.5배 내지 11배임을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 무지부는 상기 코어에 인접한 제1 부분, 상기 외주면에 인접한 제2 부분, 및 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이의 제3 부분을 포함하고,
    상기 권취축 방향으로 상기 제1 부분이 상기 제3 부분보다 작은 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제3 부분이 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 제8항에 있어서, 상기 권취축 방향으로 상기 제2 부분은 상기 제3 부분과 같거나 작은 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 부분 및 상기 제3 부분이 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 제8항에 있어서, 상기 집전체의 단변 길이는 60mm-85mm이고 상기 집전체의 장변 길이는 3m-5m인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이의 최대값은 상기 집전체의 장변 길이의 4% 내지 23%임을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이는 660mm 이하인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  15. 제8항에 있어서, 상기 제1 부분이 상기 전극탭 미정의 구간에 대응되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  16. 제8항에 있어서, 상기 제1 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  17. 제8항에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  18. 제8항에 있어서, 상기 전극 조립체의 권취 방향으로, 상기 제3 부분의 길이가 상기 제1 부분의 길이 및 상기 제2 부분의 길이보다 더 긴 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  19. 제8항에 있어서, 상기 제1 부분은 상기 집전체의 코어측 단변으로부터 시작되고, 상기 제1 부분의 높이는 상기 권취 방향을 따라 일정하며, 상기 제1 부분은 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  20. 제8항에 있어서, 상기 제3 부분의 적어도 일부 영역은 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  21. 제20항에 있어서, 상기 분절편은 절곡되어 상기 권취축 방향으로 겹쳐진 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  22. 제20항에 있어서, 상기 집전체의 단변 길이는 60mm-85mm이고 상기 집전체의 장변 길이는 3m-5m이며, 상기 집전체의 두께는 5㎛ 내지 25㎛이고, 상기 분절편의 폭은 10mm 이하이며, 상기 분절편의 높이는 10mm 이하인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이는 660mm 이하인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  24. 제20항에 있어서, 상기 전극 조립체는, 상기 권취축 방향에 따른 단면을 기준으로, 반경 방향을 따라 순차적으로, 분절편이 존재하지 않는 분절편 생략 구간, 분절편의 높이가 균일한 높이 균일 구간을 포함하고, 상기 복수의 분절편은 상기 높이 균일 구간에 배치되고 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되면서 절곡 표면영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  25. 제24항에 있어서, 상기 전극 조립체는, 상기 분절편 생략 구간과 상기 높이 균일 구간 사이에 분절편의 높이가 가변되는 높이 가변 구간을 더 포함하고, 상기 복수의 분절편은 상기 높이 가변 구간 및 상기 높이 균일 구간에 배치되며, 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡되면서 절곡 표면영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  26. 제24항에 있어서, 상기 분절편 생략 구간이 상기 전극탭 미정의 구간에 대응되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  27. 제24항에 있어서, 상기 제2 부분은 분절편들로 분할되어 있지 않고, 상기 제1 부분과 제2 부분의 높이는 동일한 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  28. 제20항에 있어서, 상기 제3 부분은 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 분절편이 없는 분절편 생략 구간을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  29. 제28항에 있어서, 상기 분절편 생략 구간에서의 무지부 높이는 상기 제1 부분의 높이와 동일한 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  30. 제28항에 있어서, 상기 분절편은 상기 코어를 기준으로 원주 방향으로 배치되어 있는 2개 이상의 부채꼴 영역 또는 다각형 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  31. 제28항에 있어서, 상기 분절편 생략 구간이 상기 전극탭 미정의 구간에 대응되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  32. 제8항에 있어서, 상기 코어에 공동이 구비되어 있으며, 상기 제3 부분이 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 상태로 전극탭으로서 정의되고, 상기 제3 부분은 독립적으로 절곡 가능한 복수의 분절편으로 분할되어 있으며, 절곡된 상기 분절편은 상기 공동을 가리지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  33. 제32항에 있어서, 상기 제1 부분에서 상기 집전체의 장변을 따르는 길이의 최대값은 상기 집전체의 장변 길이의 4% 내지 23%임을 특징으로 하는 전극 조립체.
  34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항의 기재에 따른 전극 조립체;
    일측에 형성된 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하며, 음극의 무지부와 연결된 원통형 전지 하우징;
    상기 전지 하우징으로부터 절연 가능하도록 상기 전지 하우징의 개방부를 밀봉하는 밀봉체; 및
    상기 전지 하우징의 상기 개방부의 반대편에 위치하는 상기 전지 하우징의 바닥에 형성된 관통 홀을 통해 리벳팅되며, 양극의 무지부와 연결된 양극 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  35. 제34항에 있어서, 상기 양극의 무지부는 분리막의 외부로 노출되고, 상기 음극의 무지부는 상기 양극의 무지부와 반대 방향으로 상기 분리막의 외부로 노출되며,
    상기 양극의 무지부와 전기적으로 연결된 양극 집전판 및 상기 음극의 무지부와 전기적으로 연결된 음극 집전판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  36. 제34항에 있어서, 상기 이차전지의 DC 저항이 4mΩ 이하이고 AC 저항이 3mΩ 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  37. 제34항에 있어서, 상기 이차전지의 AC 저항이 2mΩ 이하인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  38. 제34항에 있어서, 상기 이차전지는 높이 대비 직경의 비율이 0.4보다 큰 것을 특징으로 하는 이차전지.
  39. 제34항에 있어서, 상기 밀봉체는, 극성이 없는 캡 플레이트 및 상기 캡 플레이트의 가장자리와 상기 전지 하우징의 개방부 사이에 개재된 밀봉 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  40. 제34항에 있어서, 상기 양극 단자는,
    상기 관통 홀에 삽입된 몸체부;
    상기 전지 하우징의 바닥의 외부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 일측 둘레로부터 상기 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부;
    상기 전지 하우징의 바닥의 내부면을 통해 노출된 상기 몸체부의 타측 둘레로부터 상기 내부면을 향해 연장된 내부 플랜지부; 및
    상기 내부 플랜지부의 내측에 구비된 평탄부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  41. 제40항에 있어서, 상기 이차전지는 상기 양극의 무지부와 전기적으로 연결된 양극 집전판 및 상기 음극의 무지부와 전기적으로 연결된 음극 집전판을 더 포함하고,
    상기 평탄부에서 상기 양극 단자는 상기 양극 집전판과 레이저 용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  42. 제35항에 있어서, 전극탭 미정의 구간은 상기 음극 집전판 및 양극 집전판과 연결되지 않아 전류 경로를 형성하는 부위가 되지 못하는 부분인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  43. 제34항에 기재된 복수의 이차전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  44. 제43항에 있어서, 복수의 이차전지는 소정 수의 열로 배열되고, 각 이차전지의 양극 단자와 전지 하우징 바닥의 외부면은 상부를 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  45. 제43항에 기재된 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4307446A1 (en) * 2022-06-03 2024-01-17 LG Energy Solution, Ltd. Cylindrical battery cell, and battery pack and vehicle including same
WO2024197452A1 (zh) * 2023-03-24 2024-10-03 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池单体、电池及用电设备

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001148238A (ja) 1999-11-19 2001-05-29 Sony Corp ２次電池
US6677082B2 (en) 2000-06-22 2004-01-13 The University Of Chicago Lithium metal oxide electrodes for lithium cells and batteries
US6680143B2 (en) 2000-06-22 2004-01-20 The University Of Chicago Lithium metal oxide electrodes for lithium cells and batteries
KR20050121904A (ko) * 2004-06-23 2005-12-28 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체
JP2006012834A (ja) * 2004-06-23 2006-01-12 Samsung Sdi Co Ltd 二次電池
CN1309105C (zh) 2003-12-24 2007-04-04 松下电器产业株式会社 卷式电化学元件用极板组和电池
JP4401634B2 (ja) * 2002-09-04 2010-01-20 パナソニック株式会社 蓄電池およびその製造方法
CN201781028U (zh) 2010-07-30 2011-03-30 比亚迪股份有限公司 一种二次电池
KR101743136B1 (ko) * 2014-07-16 2017-06-02 주식회사 엘지화학 내부 저항이 감소된 이차전지 및 그의 제조방법
CN206461019U (zh) 2017-02-13 2017-09-01 山东巨维新能源股份有限公司 端面引流结构的铝壳圆柱电池
WO2021020237A1 (ja) 2019-07-30 2021-02-04 株式会社村田製作所 二次電池、電池パック、電子機器、電動工具、電動式航空機及び電動車両
KR102264701B1 (ko) * 2016-07-20 2021-06-11 삼성에스디아이 주식회사 이차전지
CN113193165A (zh) 2021-05-28 2021-07-30 微宏动力系统（湖州）有限公司 极耳极片及卷绕电池
KR20210103378A (ko) 2020-02-13 2021-08-23 한양대학교 에리카산학협력단 자성 입자 및 이의 제조 방법
KR20220089230A (ko) 2020-12-21 2022-06-28 엘지디스플레이 주식회사 데이터구동부를 포함하는 표시장치

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3960877B2 (ja) * 2002-08-05 2007-08-15 三洋電機株式会社 電池の製造方法
EP3832750B1 (en) * 2018-07-31 2024-07-10 SANYO Electric Co., Ltd. Power supply device and vehicle equipped with same
US20240145883A1 (en) * 2021-02-26 2024-05-02 Panasonic Energy Co., Ltd. Cylindrical battery and manufacturing method for same

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001148238A (ja) 1999-11-19 2001-05-29 Sony Corp ２次電池
US6677082B2 (en) 2000-06-22 2004-01-13 The University Of Chicago Lithium metal oxide electrodes for lithium cells and batteries
US6680143B2 (en) 2000-06-22 2004-01-20 The University Of Chicago Lithium metal oxide electrodes for lithium cells and batteries
JP4401634B2 (ja) * 2002-09-04 2010-01-20 パナソニック株式会社 蓄電池およびその製造方法
CN1309105C (zh) 2003-12-24 2007-04-04 松下电器产业株式会社 卷式电化学元件用极板组和电池
KR20050121904A (ko) * 2004-06-23 2005-12-28 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체
JP2006012834A (ja) * 2004-06-23 2006-01-12 Samsung Sdi Co Ltd 二次電池
CN201781028U (zh) 2010-07-30 2011-03-30 比亚迪股份有限公司 一种二次电池
KR101743136B1 (ko) * 2014-07-16 2017-06-02 주식회사 엘지화학 내부 저항이 감소된 이차전지 및 그의 제조방법
KR102264701B1 (ko) * 2016-07-20 2021-06-11 삼성에스디아이 주식회사 이차전지
CN206461019U (zh) 2017-02-13 2017-09-01 山东巨维新能源股份有限公司 端面引流结构的铝壳圆柱电池
WO2021020237A1 (ja) 2019-07-30 2021-02-04 株式会社村田製作所 二次電池、電池パック、電子機器、電動工具、電動式航空機及び電動車両
KR20210103378A (ko) 2020-02-13 2021-08-23 한양대학교 에리카산학협력단 자성 입자 및 이의 제조 방법
KR20220089230A (ko) 2020-12-21 2022-06-28 엘지디스플레이 주식회사 데이터구동부를 포함하는 표시장치
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