WO2023085665A1 - 전해액 함침성이 우수한 젤리-롤 및 이를 포함하는 원통형 배터리 셀, 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

전해액 함침성이 우수한 젤리-롤 및 이를 포함하는 원통형 배터리 셀, 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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roll
electrode
slits
electrode tab
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이윤주
류덕현
이관희
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
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Definitions

  • the present invention relates to a jelly-roll having excellent electrolyte impregnability, and a cylindrical battery cell, battery pack, and automobile including the same.
  • 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 battery pack may be configured by connecting a plurality of battery cells in series.
  • a battery pack may be configured by connecting a plurality of battery cells in parallel according to a charge/discharge capacity required for the battery pack. Accordingly, the number of battery cells included in the battery pack may be variously set according to a required output voltage and/or charge/discharge capacity.
  • electrolyte impregnation is a very important factor affecting the lifespan and capacity of a battery, and the higher the electrolyte impregnation rate, the more advantageous it is.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, by forming a slit through which the electrolyte can pass through an electrode tab of a cylindrical battery cell, so that the electrolyte is applied to the entire jelly-roll type electrode assembly accommodated inside the cylindrical battery cell.
  • One object is to improve the electrolyte impregnability of the cylindrical battery cell by uniformly impregnating it.
  • the present invention for another purpose, is to bend one end of the electrode tab to secure a wide contact area between the electrode tab of the jelly-roll type electrode assembly and the current collecting plate, thereby reducing the internal resistance of the cylindrical battery cell. do.
  • Another object of the present invention is to improve the bonding strength between the jelly-roll-type electrode assembly and the current-collecting plate by ensuring a wide contact area between the electrode tab of the jelly-roll-type electrode assembly and the current-collecting plate.
  • a jelly-roll according to an aspect of the present invention for achieving the above object includes a first electrode having a first electrode tab having a first polarity; a second electrode having a second electrode tab having a second polarity; and a separator interposed between the first electrode and the second electrode.
  • a laminate comprising is a jelly-roll having a structure wound in one direction.
  • At least one of the first electrode tab and the second electrode tab has a plurality of slits formed along the winding direction of the jelly-roll, and the distance between the plurality of slits is It may gradually increase from the core side to the outer circumferential side.
  • the plurality of slits may have a shape extending in a direction parallel to the winding direction.
  • the plurality of slits may be formed on the same line.
  • the plurality of slits may be formed on a straight line parallel to a winding direction of the first electrode or the second electrode.
  • the length of the slit in the winding direction may gradually increase from the core side to the outer circumferential side of the jelly-roll.
  • slits adjacent to each other along the radial direction of the jelly-roll may overlap at least a portion of each other to form an impregnation path through which the electrolyte may pass along the radial direction.
  • the impregnation path may be formed from the outer circumferential surface of the jelly-roll to a predetermined depth along the radial direction.
  • At least one of the first electrode tab and the second electrode tab includes a plurality of sections formed spaced apart from each other along the winding direction of the jelly-roll and formed at a predetermined depth from an end of the electrode tab. It may be provided with a plurality of bent parts partitioned by improvement.
  • the plurality of bent parts may be bent in a direction toward the winding axis of the jelly-roll to cover at least a portion of one side surface of the jelly-roll perpendicular to the winding axis.
  • the plurality of bent parts may be bent in a direction toward the winding axis of the jelly-roll, so as to entirely cover one side surface of the jelly-roll perpendicular to the winding axis.
  • slits adjacent to each other along the radial direction of the jelly-roll overlap each other at least partially to form an impregnation path through which the electrolyte solution can pass along the radial direction, and the impregnation path is , It is formed from the outer circumferential surface of the jelly-roll to a predetermined depth along the radial direction, and the formation depth of the impregnation path is the area covered by the bent part among one side of the jelly-roll perpendicular to the winding axis. may be greater than or equal to the radial length of
  • the incision line and the slit may be spaced apart from each other by a predetermined distance.
  • cylindrical battery cell according to an embodiment of the present invention includes a jelly-roll according to the above-described embodiments.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention includes at least one cylindrical battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • a vehicle according to an embodiment of the present invention includes at least one battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention it is possible to improve the electrolyte impregnability of the jelly-roll electrode assembly. More specifically, according to the present invention, it is possible to shorten the electrolyte impregnation time into the jelly-roll electrode assembly and improve the uniformity of electrolyte impregnation. Accordingly, it is possible to achieve an increase in initial efficiency.
  • a uniform solid electrolyte interphase (SEI) layer may be formed at the interface of the electrode.
  • the cylindrical battery cell Electrolyte impregnability can be improved.
  • the contact area between the electrode tab of the jelly-roll type electrode assembly and the current collecting plate is secured widely, thereby reducing the internal resistance of the cylindrical battery cell.
  • the present invention by ensuring a wide contact area between the electrode tab of the jelly-roll-shaped electrode assembly and the current-collecting plate, it is possible to improve the bonding strength between the jelly-roll-shaped electrode assembly and the current-collecting plate.
  • 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 for explaining a jelly-roll according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining a state in which the first electrode applied to the jelly-roll of FIG. 1 is spread out.
  • Figure 3 is a plan view of the jelly-roll of Figure 1;
  • Figure 4 is a view for explaining the impregnation path of the jelly-roll of Figure 3.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the impregnation path of a jelly-roll according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a front cross-sectional view of the jelly-roll of Figure 1;
  • FIG. 7 is a plan view of a jelly-roll having a different shape from the jelly-roll shown in FIG. 3 .
  • Figure 8 is a front cross-sectional view of the jelly-roll of Figure 7;
  • FIG. 9 is a view for explaining a battery pack including at least one cylindrical battery cell including the jelly-roll of FIG. 1 .
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a vehicle including the battery pack of FIG. 9 .
  • FIG. 1 is a view for explaining a jelly-roll according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view for explaining a first electrode applied to the jelly-roll of FIG. 1 in an unfolded state.
  • the electrode assembly is an electrode assembly having a jelly-roll shape in which a laminate including a first electrode, a second electrode, and a separator is wound.
  • an electrode assembly having a jelly-roll shape will be referred to as a jelly-roll (1).
  • the first electrode includes a first electrode tab having a first polarity
  • the second electrode includes a second electrode tab having a second polarity
  • the first electrode may be an anode or a cathode
  • the second electrode may be an electrode having a polarity opposite to that of the first electrode.
  • a separator is interposed between the first electrode and the second electrode.
  • a laminate in which the first electrode, the separator, the second electrode, and the separator are sequentially laminated at least once has a width direction of the first electrode and a second electrode, that is, a height direction of the jelly-roll 1 (direction parallel to the Z axis). ) to form a jelly-roll (1). That is, the jelly-roll 1 has a structure in which a laminate including a first electrode, a second electrode, and a separator interposed between the first electrode and the second electrode is wound in one direction.
  • the 1st electrode and the 2nd electrode are respectively equipped with an electrode tab and a holding part.
  • the first electrode includes a first electrode current collector and a first electrode active material coated on one or both surfaces of the first electrode current collector. At one end of the first electrode current collector in the width direction (direction parallel to the Z-axis), there is a non-coated portion to which the first electrode active material is not applied.
  • the uncoated portion functions as the first electrode tab 10 by itself. That is, the first electrode tab 10 is a first uncoated portion.
  • the first electrode tab 10 is provided above the height direction (direction parallel to the Z-axis) of the electrode assembly accommodated in the battery can.
  • On the opposite side of the uncoated portion of the first electrode current collector there is a holding portion 20 coated with the first electrode active material.
  • the second electrode includes a second electrode current collector and a second electrode active material coated on one or both surfaces of the second electrode current collector.
  • a non-coated portion to which the second electrode active material is not applied.
  • the uncoated portion itself functions as a second electrode tab. That is, the second electrode tab is a second uncoated portion.
  • the second electrode tab is provided below the electrode assembly accommodated in the battery can in the height direction.
  • On the opposite side of the uncoated portion of the second electrode current collector there is a holding portion coated with the second electrode active material.
  • the positive active material coated on the positive electrode plate and the negative active material coated on the negative electrode plate 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, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, and Cr; x ⁇ 0, 1 ⁇ x+y ⁇ 2, - 0.1 ⁇ z ⁇ 2; the stoichiometric coefficients of the components included in x, y, z and M 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, Mg, and Al
  • M 2 is Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al , As, Sb, Si, Ge, including at least one element selected from V and S
  • M 3 contains a halogen group element optionally including F; 0 ⁇ a ⁇ 2, 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1; the stoichiometric coefficients of the components included in a, x, y, z, M 1 , M 2 , and M 3 are selected such that the compound remains electrically neutral), or Li 3 M 2 It may be a lithium metal
  • 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 dielectric constant 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 electrolyte may be a salt having a structure such as A + B - .
  • a + includes alkali metal cations such as Li + , Na + , and K + or ions made of combinations thereof.
  • B - is F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , AlO 4 - , AlCl 4 - , PF 6 - , SbF 6 - , AsF 6 - , BF 2 C 2 O 4 - , BC 4 O 8 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , C 4 F 9 SO 3 - , CF 3 CF 2
  • the electrolyte can also be used by dissolving it in an organic solvent.
  • organic solvent propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), dipropyl carbonate (DPC) , dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone 2-pyrrolidone (NMP), ethyl methyl carbonate (EMC), ⁇ -butyrolactone, or mixtures thereof may be used.
  • the first electrode and the second electrode extend in opposite directions along the height direction of the jelly-roll 1 (direction parallel to the Z-axis).
  • the structure of the first electrode is specifically described. However, this is only an exemplary description, and the structure of the first electrode to be described below may be applied to both the first electrode and the second electrode, or may be applied only to the second electrode.
  • the first electrode tab 10 includes a plurality of slits 10a.
  • the first electrode tab 10 may further include a plurality of incision lines 10b and a bent portion 10c partitioned by the incision lines 10b.
  • the plurality of slits 10a may be formed by, for example, die punching or laser notching.
  • a plurality of slits 10a are formed in plurality along the circumferential direction of the jelly-roll 1, that is, along the winding direction of the jelly-roll 1.
  • the plurality of slits 10a may be formed on the same line.
  • the plurality of slits 10a may be formed on a straight line parallel to the winding direction of the first electrode and/or the second electrode. That is, the longitudinal extension lines of the slits 10a adjacent to each other along the winding direction may overlap each other.
  • the distance between the plurality of slits 10a may gradually increase from the core side of the jelly-roll 1 to the outer circumferential side. That is, the plurality of slits 10a may be provided in a gradient pattern.
  • the sheet-like first electrode and/or second electrode has a structure in which it is wound in one direction.
  • a plurality of slits 10a are provided along the winding direction.
  • the distance between the slits 10a may be relatively close on the core side of the first electrode and/or the second electrode, and the distance between the slits 10a may gradually increase toward the outer circumference.
  • the radius of the jelly-roll 1 increases, and the length of the circumference formed by the layers constituting the jelly-roll 1 increases toward the outer circumference. because it keeps increasing.
  • the distance between the slit 10a must be increased toward the outer circumference, so that the slit 10a provided in the previous layer and the next layer
  • the slits 10a provided in face each other to form an impregnation path IP.
  • the distance between the slits 10a must increase as the number of turns increases.
  • the distance between the slits 10a should increase as the number of turns increases.
  • the exact position of the slits 10a for forming the impregnation path IP may vary depending on the number of slits 10a per circumference, the thickness of the first electrode, the thickness of the second electrode, and the thickness of the separator.
  • the slit 10a can be provided at a point of a specific angle of the jelly-roll 1, the impregnation path IP can be formed effectively. Accordingly, the property of impregnating the electrolyte at the center of the electrode of the jelly-roll 1 can be improved.
  • the impregnation path IP can be reliably formed. Accordingly, it is possible to minimize a decrease in strength of the first electrode tab 10 and/or the second electrode tab.
  • the strength of the first electrode tab 10 can be secured at a certain level.
  • the impregnation path (IP) in the radial direction of the jelly-roll 1 it will be necessary to form long winding direction lengths of the plurality of slits 10a.
  • IP impregnation path
  • the strength of the first electrode tab 10 at the position where the plurality of slits 10a are formed may be very weak. That is, the first electrode tab 10 is a cross section at the position where the slit 10a is formed, that is, a cross section cut along a direction perpendicular to the winding axis of the jelly-roll 1 (direction parallel to the X-Y plane) area will decrease. Therefore, damage to the first electrode tab 10 may occur due to shock, vibration, etc. applied during the use of the cylindrical battery cell, which causes poor performance of the cylindrical battery cell and/or safety such as ignition due to an internal short circuit. Issues may arise.
  • the first electrode tab 10 is cut along the cross section at the position where the slit 10a is formed, that is, in a direction substantially perpendicular to the winding axis of the jelly-roll 1 (direction parallel to the X-Y plane) It is possible to minimize the reduction of the area of one cross section.
  • the tensile strength of the first electrode tab 10 in the direction of the winding axis can be improved. Therefore, in this case, even if an external force is applied to the first electrode tab 10, the first electrode tab 10 is not easily broken.
  • Figure 3 is a plan view of the jelly-roll of Figure 1; 4 is a view for explaining the impregnation path of the jelly-roll of FIG. 3, and FIG. 5 is a view for explaining the impregnation path of the jelly-roll according to another embodiment of the present invention.
  • the slit 10a may have a constant length in the winding direction, regardless of the location where the slit 10a is provided.
  • the width of the impregnation path (IP) can be formed constant.
  • the length of the slit 10a in the winding direction may gradually increase from the core side of the jelly-roll 1 to the outer circumferential side. there is. Accordingly, as can be seen in FIG. 5 , the width of the impregnation path IP may gradually increase toward the outer circumference of the jelly-roll 1 . In this case, the center of the length of the slit 10a provided in the previous layer in the winding direction may coincide with the center of the length of the slit 10a provided in the next layer in the winding direction.
  • the jelly-roll 1 is smoothly impregnated with the electrolyte.
  • the area of the slit 10a provided on the core side is formed small, the area of the cross section cut along the direction perpendicular to the winding axis of the jelly-roll 1 (direction parallel to the X-Y plane) is reduced. can be minimized
  • the tensile strength of the first electrode tab 10 in the direction of the winding axis can be improved. Therefore, in this case, even if an external force is applied to the first electrode tab 10, the first electrode tab 10 is not easily broken.
  • the slit 10a is formed in the direction of extension of the incision 10b and the winding axis (parallel to the Z axis), which will be described later. direction) may be arranged so as to be spaced apart from each other by a predetermined distance. Accordingly, the possibility of breakage of the first electrode tab 10 due to an external force such as shock or vibration that may be applied during manufacturing and using the cylindrical battery cell may be further reduced.
  • the slit 10a is provided in the first electrode for convenience of description, but the slit 10a is provided only in the second electrode, or the first electrode and the second electrode are provided. Of course, it can be provided in all.
  • FIG. 3 is a plan view of the jelly-roll of FIG. 1
  • FIG. 6 is a front cross-sectional view of the jelly-roll of FIG.
  • the first electrode tabs 10 are formed spaced apart from each other along the winding direction of the jelly-roll 1 and extend to a predetermined depth from the end of the first electrode tab 10.
  • a plurality of bent portions 10c partitioned by a plurality of cut lines 10b formed may be provided. Accordingly, the bent portion 10c is provided at one end of the first electrode tab 10 . That is, the first electrode tab 10 may include a plurality of segments divided along the circumferential direction of the jelly-roll 1 by, for example, notching, and these segment segments are jelly-rolls. It can be bent along the radial direction of the roll (1). Each segment piece bent in this way corresponds to the above-described bent portion 10c.
  • the plurality of bent portions 10c are, for example, bent in a direction toward the winding axis of the jelly-roll 1 to cover at least a portion of one side surface of the jelly-roll 1 substantially perpendicular to the winding axis. can do.
  • the plurality of bent parts 10c may entirely cover one side surface of the jelly-roll 1 perpendicular to the winding axis.
  • the bent portion 10c provided at one end of the first electrode tab 10 is bent to cover one side surface of the jelly-roll 1 perpendicular to the winding axis, so that the jelly-roll 1 A contact area between the first electrode tab 10 and a current collecting plate (not shown) to be coupled on one side of the ) may be secured. Accordingly, internal resistance of the cylindrical battery cell may be reduced. Also, the bonding strength between the jelly-roll 1 and the current collecting plate can be improved.
  • an electrolyte solution may be injected through an upper opening of the battery can.
  • the electrolyte solution since the plurality of bent parts 10c cover the whole surface of one side of the jelly-roll 1 perpendicular to the winding axis, the electrolyte solution is not smoothly impregnated through the top of the jelly-roll 1. may not be In particular, in the case of a medium-large sized cylindrical battery cell, the electrolyte may not be impregnated up to the center of the jelly-roll 1.
  • the slits 10a adjacent to each other along the radial direction of the jelly-roll 1 are at least partially overlapped with each other, thereby impregnating the electrolyte through which the electrolyte solution can pass along the radial direction.
  • a route (IP) can be formed.
  • the impregnation path IP may be formed from the outer circumferential surface of the jelly-roll 1 to a predetermined depth along the radial direction.
  • the plurality of bent portions 10c provided at one end of the first electrode tab 10 are bent in a direction toward the winding axis and perpendicular to the winding axis, the jelly-roll ( One side of 1) can be covered entirely.
  • the slits 10a adjacent to each other along the radial direction of the jelly-roll 1 at least partially overlap each other, so that the electrolyte solution can pass along the radial direction (IP). ) can be formed.
  • an impregnation path IP is formed along the radial direction from the outer peripheral surface of the jelly-roll 1 to the winding center C.
  • the electrolyte solution can move to the center of the jelly-roll 1 through the impregnation path IP penetrating the jelly-roll 1 .
  • the electrolyte solution flowing into the impregnation path IP may flow down under a force in the direction of gravity. Therefore, the entire area of the jelly-roll 1 of the present invention in its height direction (direction parallel to the Z-axis) and its entire radial direction can be uniformly impregnated with the electrolyte.
  • the slit 10a may be provided in an area other than the area where the bent portion 10c is formed. Accordingly, the slit 10a may be provided on the outer circumferential surface of the jelly-roll 1 .
  • FIG. 7 is a plan view of a jelly-roll having a different shape from the jelly-roll shown in FIG. 3, and FIG. 8 is a front cross-sectional view of the jelly-roll of FIG.
  • the plurality of bent parts 10c are bent in a direction toward the winding axis of the jelly-roll 1, and one side of the jelly-roll 1 perpendicular to the winding axis. It may cover only part of the surface.
  • the length of the first electrode tab 10 in the area adjacent to the winding center C of the jelly-roll 1 and the length of the first electrode tab 10 in the area adjacent to the outer circumferential surface of the jelly-roll 1 may have different lengths.
  • the length of the first electrode tab 10 in the area adjacent to the winding center C of the jelly-roll 1 is the length of the first electrode tab 10 in the area adjacent to the outer circumferential surface of the jelly-roll 1 It may be shorter than the length.
  • the first electrode tab 10 in the region adjacent to the winding center C of the jelly-roll 1 may not have the cut line 10b and the bent portion 10c. That is, only the first electrode tab 10 in the region adjacent to the outer circumferential surface of the jelly-roll 1 may be provided with a plurality of cut lines 10b and bent portions 10c.
  • the first electrode tab 10 may have a structure in which the first electrode tab 10 is not bent and opened upward in a region adjacent to the winding center C of the jelly-roll 1 .
  • a first area A1 an area whose upper side is not covered by the bent portion 10c will be referred to as a first area A1.
  • D1 the radial length of the first area A1 is referred to as D1.
  • the plurality of bent portions 10c provided on the first electrode tab 10 in the region adjacent to the outer circumferential surface of the jelly-roll 1 are bent in a direction toward the winding axis, and the jelly-roll perpendicular to the winding axis. It covers only a part of one side surface of the roll 1.
  • the area whose upper side is covered by the bent portion 10c will be referred to as a second area A2.
  • the radial length of the second area A2 is referred to as D2.
  • the electrolyte flowing through the upper opening of the battery can smoothly flows into the first area A1. can be infiltrated. Therefore, the electrolyte impregnability can be further improved.
  • the impregnation rate of the second area A2 the upper portion of which is covered due to the core-side bending of the plurality of bent portions 10c provided in the first electrode tab 10, is the first It may be slightly lower than the impregnation rate of region A1. Therefore, it is necessary to improve the impregnation rate of the second area A2. Therefore, in the present invention, the formation depth (P) of the impregnation path (IP) is, among the one side surface of the jelly-roll (1) perpendicular to the winding axis, the area covered by the bent portion (10c) It can be greater than or equal to the radial length. That is, referring to FIG. 8 , the formation depth P of the impregnation path IP may be greater than or equal to the radial length D2 of the second region A2.
  • the electrolyte may move through the impregnation path IP to at least a boundary point between the second area A2 and the first area A1.
  • the electrolyte may move beyond the second area A2 to the first area A1.
  • the electrolyte solution can flow down under the force in the direction of gravity. Therefore, the inside of the jelly-roll 1 of the present invention can be uniformly impregnated with the electrolyte solution.
  • the first electrode is provided with the incision 10b and the bent portion 10c has been described, but these incisions 10b and the bent portion 10c are Of course, it may be provided only on the two electrodes, or may be provided on both the first electrode and the second electrode.
  • the electrolyte impregnability of the jelly-roll of the present invention was evaluated.
  • a drop test and a vibration test were conducted to evaluate the strength of the electrode tab.
  • a jelly-roll with slits for electrolyte impregnation is prepared. Thereafter, the jelly-roll is accommodated through an upper or lower opening of the battery can, and then an electrolyte solution is injected into the battery can. After the electrolyte is injected and aged for 24 hours, the impregnation level of the electrolyte (confirmation of the presence of non-impregnated regions) is analyzed.
  • the jelly-roll and the current collector plate After welding the jelly-roll and the current collector plate, it is put into a battery can to fabricate a cylindrical battery cell. Then, the cylindrical battery cell fully discharged to 2.5V is vibrated.
  • the vibration method is to repeat 12 times in each direction of the X-axis, Y-axis, and Z-axis by changing the frequency at 7Hz ⁇ 200HZ every 15 minutes. After the vibration test is completed, it is checked whether an internal short and/or ignition of the cylindrical battery cell has occurred.
  • a plurality of slits were formed on the same line, and the jelly roll was manufactured so that the distance between the plurality of slits gradually increased from the core side of the jelly roll to the outer circumferential side (gradient pattern type).
  • a jelly-roll was prepared in the same manner as in Example 1 except that no slits were provided.
  • a jelly-roll was manufactured in the same manner as in Example 1 except that a plurality of slits were provided at regular intervals.
  • the jelly-roll was manufactured so that the slits adjacent to each other along the winding direction were not formed on the same line but provided at staggered positions (zigzag type).
  • Table 1 summarizes the results of evaluating the electrolyte impregnability and the strength of the electrode tab for each jelly-roll obtained as described above.
  • Comparative Example 1 doesn't exist X O O Comparative Example 2 collinear, evenly spaced O X X Comparative Example 3 zig-zag, evenly spaced O X X Example 1 collinear, gradient pattern O O O
  • Example 1 the electrolyte solution impregnability was excellent and there was no non-impregnated region in the jelly-roll. In addition, it was confirmed that the jelly-roll of Example 1 passed the drop test and the vibration test and secured excellent strength of the electrode tab.
  • Comparative Example 2 Although the electrolyte impregnability was satisfactory, the strength of the electrode tab could not be secured because a plurality of slits formed long in the winding direction were provided at regular intervals on the same line. Specifically, in the jelly-roll of Comparative Example 2, part of the electrode tab was damaged as a result of the drop test and the vibration test. That is, in the jelly-roll of Comparative Example 2, the strength of the electrode tab was low, and the quality and safety of the battery could not be secured.
  • Comparative Example 3 Although the electrolyte impregnability was satisfactory, the strength of the electrode tab could not be secured because a plurality of slits formed long in the winding direction were provided in a zigzag pattern at positions staggered from each other. Specifically, in the jelly-roll of Comparative Example 3, part of the electrode tab was damaged as a result of the drop test and the vibration test. That is, in the jelly-roll of Comparative Example 3, the strength of the electrode tab was low, and the quality and safety of the battery could not be secured.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • a battery pack 3 includes an assembly of cylindrical battery cells electrically connected to each other and a pack housing 2 accommodating them.
  • the cylindrical battery cell is a battery cell according to the above-described embodiment.
  • parts such as a bus bar, a cooling unit, and external terminals for electrically connecting cylindrical battery cells are omitted.
  • the battery pack 3 may be mounted in a vehicle.
  • the 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. 10 is a diagram for explaining a vehicle including the battery pack of FIG. 9 .
  • a vehicle 5 according to an embodiment of the present invention includes a battery pack 3 according to an embodiment of the present invention.
  • the vehicle 5 operates by receiving power from the battery pack 3 according to an embodiment of the present invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 젤리-롤은, 제 1 극성을 갖는 제 1 전극 탭을 구비하는 제 1 전극; 제 2 극성을 갖는 제 2 전극 탭을 구비하는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 개재되는 분리막; 을 포함하는 적층체가 일 방향으로 권취된 구조를 갖는 젤리-롤이고, 상기 제 1 전극 탭 및 상기 제 2 전극 탭 중 적어도 어느 하나는, 상기 젤리-롤의 권취 방향을 따라 형성되는 복수의 슬릿을 구비하며, 상기 복수의 슬릿 사이의 거리는, 상기 젤리-롤의 코어측으로부터 외주측으로 갈수록, 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 한다.

Description

전해액 함침성이 우수한 젤리-롤 및 이를 포함하는 원통형 배터리 셀, 배터리 팩 및 자동차
본 발명은 전해액 함침성이 우수한 젤리-롤 및 이를 포함하는 원통형 배터리 셀, 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은, 2021년11월09일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0153452호에 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 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 통상적으로 이차 전지에서는, 전극 조립체에 전해액이 함침됨으로써, 리튬 이온이 원활하게 이동하여 전류를 발생시킬 수 있다. 이 때, 전해액 함침성은 전지의 수명 및 용량에 영향을 미치는 매우 중요한 요소로서, 전해액 함침율이 높을수록 유리하다.
한편, 최근 전기 자동차용 원통형 이차 전지의 수요가 증가하면서 에너지 밀도를 향상시키기 위해 기존의 18650 또는 21700 등의 사이즈가 아닌 중대형 크기의 원통형 배터리 셀에 대한 개발의 중요도가 더욱 커졌다. 하지만, 원통형 배터리 셀의 사이즈가 커지면, 젤리-롤(jelly-roll)의 전극 중앙부에서의 전해액 함침 특성이 저하될 수 있으며, 이에 따라 전지의 성능이 저하될 수 있는 문제점이 있다. 즉, 기존의 전극 조립체의 구조로는, 중대형 사이즈의 원통형 배터리 셀의 전해액 함침성 개선에 제한적인 측면이 있다.
따라서, 원통형 배터리 셀의 전극 조립체의 전해액 함침성을 개선할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 원통형 배터리 셀의 전극 탭에, 전해액이 통과할 수 있는 슬릿을 형성하여, 원통형 배터리 셀 내부에 수용된 젤리-롤 형태의 전극 조립체 전체에 전해액을 균일하게 함침시킴으로써, 원통형 배터리 셀의 전해액 함침성을 향상시키는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 전극 탭의 일 측 단부를 절곡하여, 젤리-롤 형태의 전극 조립체의 전극 탭과 집전 플레이트 간의 접촉 면적을 넓게 확보하여, 원통형 배터리 셀의 내부 저항을 감소시키는 것을 다른 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은, 젤리-롤 형태의 전극 조립체의 전극 탭과 집전 플레이트 간의 접촉 면적을 넓게 확보함으로써, 젤리-롤 형태의 전극 조립체와 집전 플레이트 사이의 결합 강도를 향상시키는 것을 또 다른 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 젤리-롤은, 제 1 극성을 갖는 제 1 전극 탭을 구비하는 제 1 전극; 제 2 극성을 갖는 제 2 전극 탭을 구비하는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 개재되는 분리막; 을 포함하는 적층체가 일 방향으로 권취된 구조를 갖는 젤리-롤이다.
한편, 상기 제 1 전극 탭 및 상기 제 2 전극 탭 중 적어도 어느 하나는, 상기 젤리-롤의 권취 방향을 따라 형성되는 복수의 슬릿을 구비하며, 상기 복수의 슬릿 사이의 거리는, 상기 젤리-롤의 코어측으로부터 외주측으로 갈수록, 점진적으로 증가할 수 있다.
이 때, 상기 복수의 슬릿은, 상기 권취 방향과 나란한 방향으로 연장된 형상을 가질 수 있다.
한편, 상기 복수의 슬릿은, 동일한 선 상에 형성될 수 있다.
한편, 상기 복수의 슬릿은, 상기 제 1 전극 또는 제 2 전극의 권취 방향과 나란한 일직선 상에 형성될 수 있다.
한편, 상기 슬릿의 권취 방향 길이는, 상기 젤리-롤의 코어측으로부터 외주측으로 갈수록, 점진적으로 증가할 수 있다.
한편, 상기 복수의 슬릿 중, 상기 젤리-롤의 반경 방향을 따라 서로 인접한 슬릿은, 서로 적어도 일부가 겹쳐짐으로써 상기 반경 방향을 따라 전해액이 통과할 수 있는 함침 경로를 형성할 수 있다.
여기서, 상기 함침 경로는, 상기 젤리-롤의 외주면으로부터 상기 반경 방향을 따라 소정의 깊이까지 형성될 수 있다.
한편, 상기 제 1 전극 탭 및 상기 제 2 전극 탭 중 적어도 어느 하나의 전극 탭은, 상기 젤리-롤의 권취 방향을 따라 서로 이격되어 형성되며 상기 전극 탭의 단부로부터 소정 깊이로 형성되는 복수의 절개선에 의해 구획된 복수의 절곡부를 구비할 수 있다.
이 때, 상기 복수의 절곡부는, 상기 젤리-롤의 권취 축을 향하는 방향으로 절곡되어, 상기 권취 축과 수직한 상기 젤리-롤의 일측 면을 적어도 일부 커버할 수 있다.
또는, 상기 복수의 절곡부는, 상기 젤리-롤의 권취 축을 향하는 방향으로 절곡되어, 상기 권취 축과 수직한 상기 젤리-롤의 일측 면을 전부 커버할 수 있다.
한편, 상기 복수의 슬릿 중, 상기 젤리-롤의 반경 방향을 따라 서로 인접한 슬릿은, 서로 적어도 일부가 겹쳐짐으로써 상기 반경 방향을 따라 전해액이 통과할 수 있는 함침 경로를 형성하고, 상기 함침 경로는, 상기 젤리-롤의 외주면으로부터 상기 반경 방향을 따라 소정의 깊이까지 형성되며, 상기 함침 경로의 형성 깊이는, 상기 권취 축과 수직한 상기 젤리-롤의 일측 면 중에서 상기 절곡부에 의해 커버된 영역의 반경 방향 길이보다 크거나 같을 수 있다.
한편, 상기 절개선과 상기 슬릿은 서로 소정 간격 이격될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀은, 전술한 실시예들에 따른 젤리-롤을 포함한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀을 적어도 하나 포함한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 적어도 하나 포함한다.
본 발명에 의하면, 젤리-롤 전극 조립체의 전해액 함침성을 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 의하면, 젤리-롤 전극 조립체로의 전해액 함침 시간을 단축시키고, 전해액 함침의 균일성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 초기 효율의 증가를 달성할 수 있다. 또한, 전극의 계면에 균일한 SEI(Solid electrolyte interphase) 레이어를 형성할 수 있다.
특히, 본 발명에 의하면, 원통형 배터리 셀의 전극 탭에, 전해액이 통과할 수 있는 경로를 형성하여, 원통형 배터리 셀 내부에 수용된 젤리-롤 전극 조립체 전체에 전해액을 균일하게 함침시킴으로써, 원통형 배터리 셀의 전해액 함침성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 젤리-롤 형태의 전극 조립체의 전극 탭과 집전 플레이트 간의 접촉 면적을 넓게 확보하여, 원통형 배터리 셀의 내부 저항을 감소시킬 수 있다.
나아가, 본 발명에 의하면, 젤리-롤 형태의 전극 조립체의 전극 탭과 집전 플레이트 간의 접촉 면적을 넓게 확보함으로써, 젤리-롤 형태의 전극 조립체와 집전 플레이트 사이의 결합 강도를 향상시킬 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 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 젤리-롤을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 젤리-롤에 적용되는 제 1 전극을 펼친 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 젤리-롤의 평면도이다.
도 4는 도 3의 젤리-롤의 함침 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 따르는 젤리-롤의 함침 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 도 1의 젤리-롤의 정면 단면도이다.
도 7은 도 3에 도시된 젤리-롤과는 다른 형태를 갖는 젤리-롤의 평면도이다.
도 8은 도 7의 젤리-롤의 정면 단면도이다.
도 9는 도 1의 젤리-롤을 포함하는 원통형 배터리 셀을 적어도 하나 포함하는 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 9의 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 안 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 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 젤리-롤을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 젤리-롤에 적용되는 제 1 전극을 펼친 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 전극 조립체는 제 1 전극, 제 2 전극 및 분리막을 포함하는 적층체를 권취한 젤리-롤 형상을 갖는 전극 조립체이다. 이하에서는, 젤리-롤 형상을 갖는 전극 조립체를 젤리-롤(1)이라 칭하기로 한다.
상기 제 1 전극은 제 1 극성을 갖는 제 1 전극 탭을 구비하고, 제 2 전극은 제 2 극성을 갖는 제 2 전극 탭을 구비한다. 예를 들어, 제 1 전극은 양극 또는 음극이고, 제 2 전극은 제 1 전극과 반대되는 극성을 갖는 전극이 될 수 있다.
상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에는, 분리막이 개재된다. 제 1 전극, 분리막, 제 2 전극, 분리막을 순차적으로 적어도 1회 적층한 적층체는, 제 1 전극 및 제 2 전극의 폭 방향, 즉 젤리-롤(1)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 연장된 권취 중심(C)을 기준으로 권취되어 젤리-롤(1)을 형성한다. 즉, 상기 젤리-롤(1)은, 제 1 전극, 제 2 전극 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 적층체가 일 방향으로 권취된 구조를 갖는다.
제 1 전극 및 제 2 전극은, 각각, 전극 탭 및 유지부를 구비한다.
상기 제 1 전극은, 제 1 전극 집전체 및 제 1 전극 집전체의 일 면 또는 양 면상에 도포된 제 1 전극 활물질을 포함한다. 상기 제 1 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측 단부에는, 제 1 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 상기 무지부는, 그 자체로서 제 1 전극 탭(10)으로서 기능한다. 즉, 상기 제 1 전극 탭(10)은 제 1 무지부이다. 상기 제 1 전극 탭(10)은, 전지 캔 내에 수용된 전극 조립체의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 상부에 구비된다. 상기 제 1 전극 집전체의 무지부의 반대 측에는, 제 1 전극 활물질이 도포된 유지부(20)가 존재한다.
한편, 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 제 2 전극은, 제 2 전극 집전체 및 제 2 전극 집전체의 일 면 또는 양 면상에 도포된 제 2 전극 활물질을 포함한다. 상기 제 2 전극 집전체의 폭 방향 타 측 단부에는, 제 2 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 상기 무지부는, 그 자체로서 제 2 전극 탭으로서 기능한다. 즉, 상기 제 2 전극 탭은 제 2 무지부이다. 상기 제 2 전극 탭은 전지 캔 내에 수용된 전극 조립체의 높이 방향 하부에 구비된다. 상기 제 2 전극 집전체의 무지부의 반대 측에는, 제 2 전극 활물질이 도포된 유지부가 존재한다.
한편, 본 발명에 있어서, 양극판에 코팅되는 양극 활물질과 음극판에 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, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤2, - 0.1 ≤ z ≤ 2; x, y, z 및 M에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2-(1-x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0≤x≤1)일 수 있다.
또 다른 예에서, 양극 활물질은, 일반 화학식 LiaM1 xFe1 - xM2 yP1 - yM3 zO4 -z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; a, x, y, z, M1, M2, 및 M3에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 수 있다.
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 5이상인 무기물로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 상기 무기물 입자는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1 - xLaxZr1 - yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3 - PbTiO3(PMN - PT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
전해질은 A+B-와 같은 구조를 갖는 염일 수 있다. 여기서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 그리고 B-는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- ,　CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -,SCN-　및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함한다.
전해질은 또한 유기 용매에 용해시켜 사용할 수 있다. 유기 용매로는, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드 (dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄 (dimethoxyethane), 디에톡시에탄 (diethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γ-butyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
본 발명의 젤리-롤(1)에 있어서, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은, 젤리-롤(1)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 서로 반대 방향으로 연장된다. 이하의 설명에서는 제 1 전극의 구조에 대해서 구체적으로 설명하고 있다. 그러나, 이는 예시적인 설명일 뿐이며, 이하 설명될 제 1 전극의 구조는 제 1 전극 및 제 2 전극에 모두 적용될 수도 있고, 제 2 전극에만 적용될 수도 있다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 상기 제 1 전극 탭(10)은, 복수의 슬릿(10a)을 구비한다. 상기 제 1 전극 탭(10)은, 그 밖에도 복수의 절개선(10b) 및 절개선(10b)에 의해 구획된 절곡부(10c)를 더 구비할 수도 있다.
상기 복수의 슬릿(10a)은 예를 들어, 금형 타발 또는 레이저 노칭(notching) 등에 의해 형성될 수 있다.
복수의 슬릿(10a)은 상기 젤리-롤(1)의 원주 방향, 즉 젤리-롤(1)의 권취 방향을 따라 복수 개 형성된다. 이 때, 복수의 슬릿(10a)은, 동일한 선 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 슬릿(10a)은, 상기 제 1 전극 및/또는 제 2 전극의 권취 방향과 나란한 일직선 상에 형성될 수 있다. 즉, 상기 권취 방향을 따라 서로 인접하는 슬릿(10a) 각각의 길이 방향 연장 선은, 서로 중첩될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 복수의 슬릿(10a) 사이의 거리는, 상기 젤리-롤(1)의 코어측으로부터 외주측으로 갈수록, 점진적으로 증가하는 형태를 가질 수 있다. 즉, 상기 복수의 슬릿(10a)은 그라디언트(gradient, 구배) 패턴으로 구비될 수 있다.
도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 쉬트 형상의 제 1 전극 및/또는 제 2 전극은 일 방향으로 권취되는 구조를 갖는다. 이 때, 복수의 슬릿(10a)은 권취 방향을 따라 구비된다. 제 1 전극 및/또는 제 2 전극의 코어측에서는 슬릿(10a) 사이의 거리가 상대적으로 가깝게 구성되고, 외주측으로 갈수록 슬릿(10a) 사이의 거리가 점진적으로 증가하도록 구성될 수 있다. 이는 상기 제 1 전극 및/또는 제 2 전극이 일 방향으로 권취됨에 따라 젤리-롤(1)의 반경이 증가하게 되고, 젤리-롤(1)을 구성하는 레이어가 형성하는 원주의 길이가 외주측으로 갈수록 증가하기 때문이다. 즉, 제 1 전극 및/또는 제 2 전극을 일 방향으로 권취할수록, 최외곽에 위치하는 레이어의 원주의 크기는 점점 증가한다. 따라서, 쉬트 형상의 제 1 전극 및/또는 제 2 전극에 슬릿(10a)을 형성할 때에는, 외주 측으로 갈수록 슬릿(10a) 사이의 거리를 증가시켜야만, 이전 레이어에 구비된 슬릿(10a)과 다음 레이어에 구비된 슬릿(10a)이 서로 대면하여 함침 경로(IP)를 형성할 수 있게 된다. 달리 말하면, 젤리-롤(1)의 특정 각도의 지점에 슬릿(10a)을 구비하기 위해서는, 권취 횟수가 늘어날수록 슬릿(10a) 사이의 거리도 증가해야 한다. 예를 들어, 젤리-롤(1)의 원주를 따라 대략 90° 간격으로 슬릿(10a)을 형성할 경우, 권취 횟수가 늘어날수록 슬릿(10a) 사이의 거리도 증가해야 한다. 함침 경로(IP)를 형성하기 위한 슬릿(10a)의 정확한 위치는, 1 원주 당 슬릿(10a)의 개수, 제 1 전극의 두께, 제 2 전극의 두께, 분리막의 두께 등에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 이와 같은 구조에 의하면, 젤리-롤(1)의 특정 각도의 지점에 슬릿(10a)을 구비할 수 있기 때문에, 함침 경로(IP)의 형성이 효과적으로 이루어질 수 있다. 따라서, 젤리-롤(1)의 전극 중앙부에서의 전해액 함침 특성이 개선될 수 있다.
또한, 본 발명의 상기와 같은 구조에 의하면, 슬릿(10a)의 크기를 과도하게 크게 형성할 필요가 없으며, 슬릿(10a)의 크기를 비교적 작게 형성하더라도 함침 경로(IP)가 확실하게 형성될 수 있다. 따라서, 제 1 전극 탭(10) 및/또는 제 2 전극 탭의 강도가 약화되는 것을 최소화할 수 있다.
즉, 상기와 같은 구조에 의해, 본 발명에서는, 상기 제 1 전극 탭(10)의 강도를 일정 수준으로 확보할 수 있다.
예를 들어, 복수의 슬릿(10a)을 그라디언트(gradient, 구배) 패턴으로 구비하지 않고, 일정 간격으로 구비하거나 또는 무작위 간격으로 구비할 경우, 젤리-롤(1)의 반경 방향으로 함침 경로(IP)를 형성하기 위해서는, 복수의 슬릿(10a)의 권취 방향 길이를 길게 형성해야만 할 것이다. 복수의 슬릿(10a)의 권취 방향 길이를 길게 형성해야, 이전 레이어에 구비된 슬릿(10a)과 다음 레이어에 구비된 슬릿(10a)이 대면할 가능성이 높아지기 때문이다. 이와 같은 구조는, 권취 횟수의 증가에 따른 원주 길이의 증가가 고려되지 않은 설계인 점에서 기인한 것이다. 따라서 이러한 구조에 의하면, 복수의 슬릿(10a)이 형성된 위치에서의 상기 제 1 전극 탭(10)의 강도가 매우 약해질 수 있다. 즉, 상기 제 1 전극 탭(10)은, 슬릿(10a)이 형성된 위치에서의 횡 단면, 즉 젤리-롤(1)의 권취 축에 수직한 방향(X-Y 평면과 나란한 방향)을 따라 절단한 단면의 면적이 감소하게 된다. 따라서, 원통형 배터리 셀의 사용 과정에서 가해지는 충격, 진동 등에 의해 제 1 전극 탭(10)에 파손이 발생될 수 있으며, 이로 인해 원통형 배터리 셀 성능상의 불량 및/또는 내부 쇼트로 인한 발화 등의 안전성 이슈가 발생할 수 있다.
반면에, 본 발명에 의하면, 이전 레이어에 구비된 슬릿(10a)과 다음 레이어에 구비된 슬릿(10a)이 대면하기 때문에, 슬릿(10a)의 권취 방향 길이를 비교적 작게 형성하더라도 함침 경로(IP)가 확실하게 형성될 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 제 1 전극 탭(10)은 슬릿(10a)이 형성된 위치에서의 횡 단면, 즉 젤리-롤(1)의 권취 축에 대략 수직한 방향(X-Y 평면과 나란한 방향)을 따라 절단한 단면의 면적이 감소되는 것을 최소화 할 수 있다. 따라서, 제 1 전극 탭(10)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)의 인장 강도가 향상될 수 있다. 그러므로, 이 경우, 상기 제 1 전극 탭(10)에 외력을 가해도 제 1 전극 탭(10)은 쉽게 파단되지 않는다.
도 3은 도 1의 젤리-롤의 평면도이다. 도 4는 도 3의 젤리-롤의 함침 경로를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예를 따르는 젤리-롤의 함침 경로를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예로서, 도 4를 참조하면, 상기 슬릿(10a)은, 상기 슬릿(10a)이 구비된 위치와 무관하게, 권취 방향 길이가 일정하게 형성될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 함침 경로(IP)의 폭이 일정하게 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태로서, 도 5를 참조하면, 상기 슬릿(10a)의 권취 방향 길이는, 상기 젤리-롤(1)의 코어측으로부터 외주측으로 갈수록, 점진적으로 증가하는 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 함침 경로(IP)의 폭은 젤리-롤(1)의 외주를 향할수록 점진적으로 증가될 수 있다. 이 경우, 이전 레이어에 구비된 슬릿(10a)의 권취 방향 길이의 중심은 다음 레이어에 구비된 슬릿(10a)의 권취 방향 길이의 중심과 일치할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 전해액이 젤리-롤(1)로 함침되기 시작하는 부위인 최외곽 레이어에 구비된 슬릿(10a)의 면적이 크기 때문에, 젤리-롤(1) 내부로의 전해액 함침이 원활하게 이루어질 수 있다. 동시에, 코어측에 구비된 슬릿(10a)의 면적은 작게 형성되기 때문에, 젤리-롤(1)의 권취 축에 수직한 방향(X-Y 평면과 나란한 방향)을 따라 절단한 단면의 면적이 감소되는 것을 최소화 할 수 있다. 따라서, 제 1 전극 탭(10)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)의 인장 강도가 향상될 수 있다. 그러므로, 이 경우, 상기 제 1 전극 탭(10)에 외력을 가해도 제 1 전극 탭(10)은 쉽게 파단되지 않는다.
한편, 상술한 바와 같은 슬릿(10a)이 형성된 위치에서의 횡 단면의 면적 감소 최소화와 동일한 취지에서, 상기 슬릿(10a)은, 후술할 절개선(10b)과 권취 축의 연장 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 서로 소정 간격 이격되도록 배치될 수 있다. 이에 따라 원통형 배터리 셀의 사용 제조 및 사용 과정에서 가해질 수 있는 충격, 진동 등의 외력으로 인한 제 1 전극 탭(10)의 파단 가능성은 더욱 낮아질 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 앞서 설명한 바와 같이, 서술의 편의상 제 1 전극에 슬릿(10a)이 구비된 경우만을 설명하였지만, 이러한 슬릿(10a)은 제 2 전극에만 구비되거나, 또는 제 1 전극과 제 2 전극 모두에 구비될 수 있음은 물론이다.
도 3은 도 1의 젤리-롤의 평면도이고, 도 6은 도 1의 젤리-롤의 정면 단면도이다.
도 3 및 도 6을 참조하면, 상기 제 1 전극 탭(10)은, 상기 젤리-롤(1)의 권취 방향을 따라 서로 이격되어 형성되며 상기 제 1 전극 탭(10)의 단부로부터 소정 깊이로 형성되는 복수의 절개선(10b)에 의해 구획된 복수의 절곡부(10c)를 구비할 수 있다. 이에 따라, 상기 절곡부(10c)는 제 1 전극 탭(10)의 일 측 단부에 구비된다. 즉, 상기 제 1 전극 탭(10)은, 예를 들어 노칭(notching)에 의해 젤리-롤(1)의 원주 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 구비할 수 있으며, 이러한 분절편은 젤리-롤(1)의 반경 방향을 따라 절곡될 수 있다. 이처럼 절곡된 개개의 분절편이 상술한 절곡부(10c)에 해당한다.
상기 복수의 절곡부(10c)는, 예를 들어 상기 젤리-롤(1)의 권취 축을 향하는 방향으로 절곡되어, 상기 권취 축과 대략 수직한 상기 젤리-롤(1)의 일측 면을 적어도 일부 커버할 수 있다. 예를 들어 도 3 및 도 6을 참조하면, 복수의 절곡부(10c)는 상기 권취 축과 수직한 상기 젤리-롤(1)의 일측 면을 전부 커버할 수 있다.
이와 같이, 제 1 전극 탭(10)의 일 측 단부에 구비된 절곡부(10c)가 절곡되어, 권취 축과 수직한 젤리-롤(1)의 일측 면을 커버함으로써, 상기 젤리-롤(1)의 일측 면 상에 결합될 집전 플레이트(미도시)와 제 1 전극 탭(10) 간의 접촉 면적이 넓게 확보될 수 있다. 이에 따라, 원통형 배터리 셀의 내부 저항이 감소할 수 있다. 또한, 젤리-롤(1)과 집전 플레이트 사이의 결합 강도가 향상될 수 있다.
한편, 상기 젤리-롤(1)을 전지 캔에 수용한 후, 전해액을 전지 캔의 상단 개구부를 통해 주입할 수 있다. 이 때, 복수의 절곡부(10c)가 권취 축과 수직한 상기 젤리-롤(1)의 일측 면을 전부 커버하고 있기 때문에, 젤리-롤(1)의 상단을 통한 전해액 함침이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 특히, 중대형 사이즈의 원통형 배터리 셀일 경우, 젤리-롤(1)의 중앙부까지 전해액이 함침되지 못할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는, 복수의 슬릿(10a) 중, 젤리-롤(1)의 반경 방향을 따라 서로 인접한 슬릿(10a)이 서로 적어도 일부 겹쳐짐으로써, 반경 방향을 따라 전해액이 통과할 수 있는 함침 경로(IP)를 형성할 수 있다. 이 때, 상기 함침 경로(IP)는, 상기 젤리-롤(1)의 외주면으로부터 상기 반경 방향을 따라 소정의 깊이까지 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 6을 참조하면, 제 1 전극 탭(10)의 일 측 단부에 구비된 복수의 절곡부(10c)는, 권취 축을 향하는 방향으로 절곡되어 권취 축과 수직한 상기 젤리-롤(1)의 일측 면을 전부 커버할 수 있다. 이 때, 복수의 슬릿(10a) 중, 젤리-롤(1)의 반경 방향을 따라 서로 인접한 슬릿(10a)이 서로 적어도 일부 겹쳐짐으로써, 반경 방향을 따라 전해액이 통과할 수 있는 함침 경로(IP)가 형성될 수 있다. 도 6에서는, 함침 경로(IP)가, 상기 젤리-롤(1)의 외주면에서부터 권취 중심(C)에 이르기까지 반경 방향을 따라 형성되어 있다. 따라서, 전해액은 젤리-롤(1)을 관통하는 함침 경로(IP)를 통과하여 젤리-롤(1)의 중심부까지 이동할 수 있다. 함침 경로(IP)로 유입된 전해액은, 중력 방향의 힘을 받아 아래로 흘러내릴 수 있다. 따라서, 본 발명의 젤리-롤(1)은 그 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 전 영역 및 그 반경 방향 전 영역이 전해액에 의해 균일하게 함침될 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서 제 1 전극 탭(10)에 상술한 바와 같은 절곡부(10c)가 구비되는 경우, 슬릿(10a)은 절곡부(10c)가 형성된 영역 이 외의 영역에 구비될 수 있다. 이에 따라, 상기 슬릿(10a)은, 젤리-롤(1)의 외주면 상에 구비될 수 있다.
도 7은 도 3에 도시된 젤리-롤과는 다른 형태를 갖는 젤리-롤의 평면도이고, 도 8은 도 7의 젤리-롤의 정면 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 복수의 절곡부(10c)는, 상기 젤리-롤(1)의 권취 축을 향하는 방향으로 절곡되어, 상기 권취 축과 수직한 상기 젤리-롤(1)의 일측 면을 일부만 커버할 수도 있다.
이 경우에는, 젤리-롤(1)의 권취 중심(C)에 인접한 영역에서의 제 1 전극 탭(10) 길이와, 젤리-롤(1)의 외주면에 인접한 영역에서의 제 1 전극 탭(10) 길이가 서로 상이할 수 있다. 구체적으로, 젤리-롤(1)의 권취 중심(C)에 인접한 영역에서의 제 1 전극 탭(10) 길이는, 젤리-롤(1)의 외주면에 인접한 영역에서의 제 1 전극 탭(10) 길이보다 짧을 수 있다. 이 때, 젤리-롤(1)의 권취 중심(C)에 인접한 영역에서의 제 1 전극 탭(10)에는, 절개선(10b) 및 절곡부(10c)가 구비되지 않을 수 있다. 즉, 젤리-롤(1)의 외주면에 인접한 영역에서의 제 1 전극 탭(10)에만, 복수의 절개선(10b) 및 절곡부(10c)가 구비되어 있을 수 있다.
따라서 위와 같은 실시예에 의하면, 젤리-롤(1)의 권취 중심(C)에 인접한 영역에서는 제 1 전극 탭(10)이 절곡되지 않고 상방을 향해 열려 있는 구조를 가질 수 있다. 이하에서는, 이와 같이 절곡부(10c)에 의해 상방이 커버되지 않은 영역을 제 1 영역(A1)이라고 지칭하기로 한다. 이 때, 제 1 영역(A1)의 반경 방향 길이를 D1이라고 한다.
한편, 젤리-롤(1)의 외주면에 인접한 영역에서의 제 1 전극 탭(10)에 구비된 복수의 절곡부(10c)는, 권취 축을 향하는 방향으로 절곡되어, 권취 축과 수직한 상기 젤리-롤(1)의 일측 면의 일부만을 커버하게 된다. 이하에서는, 이와 같이 절곡부(10c)에 의해 상방이 커버된 영역을 제 2 영역(A2)이라고 지칭하기로 한다. 이 때, 제 2 영역(A2)의 반경 방향 길이를 D2라고 한다.
이러한 구조에 의하면, 제 1 영역(A1)은 절곡부(10c)에 의해 커버되지 않고 상방을 향해 열려있는 구조이기 때문에, 전지 캔의 상단 개구부를 통해 유입되는 전해액이 제 1 영역(A1)으로 원활하게 유입될 수 있게 된다. 따라서, 전해액 함침성이 보다 개선될 수 있다.
다만, 이 경우, 제 1 전극 탭(10)에 구비된 복수의 절곡부(10c)의 코어측 절곡으로 인해 상방이 커버된 제 2 영역(A2)의 함침율은, 상방이 커버되지 않은 제 1 영역(A1)의 함침율에 비해 다소 낮을 수 있다. 따라서, 제 2 영역(A2)의 함침율을 개선할 필요가 있다. 따라서, 본 발명에서는, 상기 함침 경로(IP)의 형성 깊이(P)가, 상기 권취 축과 수직한 상기 젤리-롤(1)의 일측 면 중에서, 상기 절곡부(10c)에 의해 커버된 영역의 반경 방향 길이보다 크거나 같도록 할 수 있다. 즉, 도 8을 참조하여 설명하면, 함침 경로(IP)의 형성 깊이(P)가, 제 2 영역(A2)의 반경 방향 길이(D2)보다 크거나 또는 같도록 형성될 수 있다.
이러한 구조에 의하면, 전해액은 함침 경로(IP)를 통하여, 적어도 제 2 영역(A2)과 제 1 영역(A1) 사이의 경계 지점까지 이동할 수 있다. 또는, 전해액은 제 2 영역(A2)을 넘어서 제 1 영역(A1)까지 이동할 수도 있다. 그 후, 전해액은, 중력 방향의 힘을 받아 아래로 흘러내릴 수 있다. 따라서, 본 발명의 젤리-롤(1)은 그 내부까지도 전해액에 의해 균일하게 함침될 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 앞서 설명한 바와 같이, 서술의 편의상 제 1 전극에 절개선(10b) 및 절곡부(10c)가 구비된 경우만을 설명하였지만, 이러한 절개선(10b) 및 절곡부(10c)는 제 2 전극에만 구비되거나, 또는 제 1 전극과 제 2 전극 모두에 구비될 수 있음은 물론이다.
<함침성 및 내구성 테스트>
본 발명의 젤리-롤의 전해액 함침성에 대한 평가를 실시하였다. 또한, 전극 탭의 강도 평가를 위해 낙하 테스트(Drop test) 및 진동 테스트(Vibration test)를 실시하였다.
1) 전해액 함침성 평가
전해액 함침을 위한 슬릿이 형성된 젤리-롤을 제작한다. 그 후, 상기 젤리-롤을 전지 캔의 상단 혹은 하단 개구부를 통해 수용한 후, 전지 캔에 전해액을 주입한다. 전해액 주입 후 24시간 동안 에이징(aging)을 거친 뒤, 전해액의 함침 수준(미함침 영역의 존재 여부 확인)을 분석한다.
O (합격) : 미함침 영역 부존재
X (불합격) : 미함침 영역 존재
2) 전극 탭의 강도 평가 - 낙하 테스트(Drop test)
젤리-롤과 집전 플레이트를 용접한 후, 이것을 전지 캔에 넣어 원통형 배터리 셀을 제작한다. 그 후, 1.0m 높이에서, 4.2V까지 만충전된 원통형 배터리 셀을 콘크리트 바닥에 자유낙하 시킨 뒤, 원통형 배터리 셀의 내부 쇼트 및/또는 발화 발생 여부를 확인한다.
O (합격) : 전지 내부의 쇼트 및/또는 발화 없음
X (불합격) : 전지 내부의 쇼트 및/또는 발화 발생
3) 전극 탭의 강도 평가 - 진동 테스트(Vibration test)
젤리-롤과 집전 플레이트를 용접한 후, 이것을 전지 캔에 넣어 원통형 배터리 셀을 제작한다. 그 후, 2.5V까지 만방전된 원통형 배터리 셀을 진동시킨다. 진동 방법은, 7Hz ↔ 200HZ 로 15분마다 진동수를 변경하는 것을, X축, Y축, Z축 각각의 방향으로 12회 반복하는 것이다. 진동 테스트가 완료된 후, 원통형 배터리 셀의 내부 쇼트 및/또는 발화 발생 여부를 확인한다.
O (합격) : 전지 내부의 쇼트 및/또는 발화 없음
X (불합격) : 전지 내부의 쇼트 및/또는 발화 발생
실시예 1
복수의 슬릿은, 동일한 선 상에 형성되며, 복수의 슬릿 사이의 거리가, 젤리-롤의 코어측으로부터 외주측으로 갈수록, 점진적으로 증가하도록, 젤리-롤을 제작하였다(구배 패턴 타입).
비교예 1
슬릿이 전혀 구비되지 않은 점 외에는, 나머지 조건은 실시예 1과 동일한 젤리-롤을 제작하였다.
비교예 2
복수의 슬릿이 일정 간격으로 구비되는 점 외에는, 나머지 조건은 실시예 1과 동일한 젤리-롤을 제작하였다.
비교예 3
복수의 슬릿 중, 권취 방향을 따라 서로 인접한 슬릿은, 동일한 선 상에 형성되지 않고 엇갈린 위치에 구비되도록, 젤리-롤을 제작하였다(지그재그 타입).
상기와 같이 하여 얻어진 각 젤리-롤에 대하여, 전해액 함침성 및 전극 탭의 강도를 평가한 결과를 표 1에 정리하여 나타낸다.
구분 슬릿이 구비된 형상 전해액 함침성 테스트 낙하
테스트 		진동
테스트
비교예 1 없음 X O O
비교예 2 동일 선상, 일정 간격 O X X
비교예 3 지그재그, 일정 간격 O X X
실시예 1 동일 선상, 구배(gradient) 패턴 O O O
동 표로부터 다음의 사항이 분명히 나타난다.
실시예 1에서는, 전해액 함침성이 우수하여 젤리-롤 내에 미함침 영역이 존재하지 않았다. 또한 실시예 1의 젤리-롤은 낙하 테스트 및 진동 테스트를 통과하여, 전극 탭의 우수한 강도를 확보하였음을 확인할 수 있었다.
비교예 1에서는 슬릿이 구비되지 않았기 때문에 전해액 함침성이 불량하여 젤리-롤 내에 미함침 영역이 존재하였다.
비교예 2에서는 전해액 함침성은 만족하였지만, 권취 방향 길이가 길게 형성된 복수의 슬릿이 동일 선 상에 일정 간격으로 구비되어 있기 때문에, 전극 탭의 강도는 확보하지 못하였다. 구체적으로, 비교예 2의 젤리-롤은 낙하 테스트 및 진동 테스트 실시 결과, 전극 탭의 일부에 파손이 발생하였다. 즉, 비교예 2의 젤리-롤은, 전극 탭의 강도가 낮아, 전지의 품질 및 안전성을 확보하지 못하였다.
비교예 3에서는 전해액 함침성은 만족하였지만, 권취 방향 길이가 길게 형성된 복수의 슬릿이 서로 엇갈린 위치에 지그 재그 패턴으로 구비되어 있기 때문에, 전극 탭의 강도는 확보하지 못하였다. 구체적으로, 비교예 3의 젤리-롤은 낙하 테스트 및 진동 테스트 실시 결과, 전극 탭의 일부에 파손이 발생하였다. 즉, 비교예 3의 젤리-롤은, 전극 탭의 강도가 낮아, 전지의 품질 및 안전성을 확보하지 못하였다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(3)은 원통형 배터리 셀이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(2)을 포함한다. 원통형 배터리 셀은 상술한 실시예에 따른 배터리 셀이다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 배터리 셀들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
배터리 팩(3)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 10은 도 9의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 포함한다. 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 통상의 기술자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
[도면참조부호의 설명]
1 젤리-롤
10 제 1 전극 탭(무지부)
10a 슬릿
10b 절개선
10c 절곡부
20 유지부
IP 함침 경로
P 함침 경로의 형성 깊이
C 권취 중심
A1 제 1 영역
A2 제 2 영역
D1 제 1 영역의 반경 방향 길이
D2 제 2 영역의 반경 방향 길이
2 팩 하우징
3 배터리 팩
5 자동차

Claims (15)

  1. 제 1 극성을 갖는 제 1 전극 탭을 구비하는 제 1 전극; 제 2 극성을 갖는 제 2 전극 탭을 구비하는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 개재되는 분리막; 을 포함하는 적층체가 일 방향으로 권취된 구조를 갖는 젤리-롤에 있어서,
    상기 제 1 전극 탭 및 상기 제 2 전극 탭 중 적어도 어느 하나는, 상기 젤리-롤의 권취 방향을 따라 형성되는 복수의 슬릿을 구비하며,
    상기 복수의 슬릿 사이의 거리는, 상기 젤리-롤의 코어측으로부터 외주측으로 갈수록, 점진적으로 증가하는, 젤리-롤.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 슬릿은,
    상기 권취 방향과 나란한 방향으로 연장된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 슬릿은,
    동일한 선 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 슬릿은,
    상기 제 1 전극 또는 제 2 전극의 권취 방향과 나란한 일직선 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬릿의 권취 방향 길이는,
    상기 젤리-롤의 코어측으로부터 외주측으로 갈수록, 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 슬릿 중, 상기 젤리-롤의 반경 방향을 따라 서로 인접한 슬릿은, 서로 적어도 일부가 겹쳐짐으로써 상기 반경 방향을 따라 전해액이 통과할 수 있는 함침 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 함침 경로는,
    상기 젤리-롤의 외주면으로부터 상기 반경 방향을 따라 소정의 깊이까지 형성되는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 탭 및 상기 제 2 전극 탭 중 적어도 어느 하나의 전극 탭은,
    상기 젤리-롤의 권취 방향을 따라 서로 이격되어 형성되며 상기 전극 탭의 단부로부터 소정 깊이로 형성되는 복수의 절개선에 의해 구획된 복수의 절곡부를 구비하는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 절곡부는,
    상기 젤리-롤의 권취 축을 향하는 방향으로 절곡되어,
    상기 권취 축과 수직한 상기 젤리-롤의 일측 면을 적어도 일부 커버하는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 절곡부는,
    상기 젤리-롤의 권취 축을 향하는 방향으로 절곡되어,
    상기 권취 축과 수직한 상기 젤리-롤의 일측 면을 전부 커버하는 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 슬릿 중, 상기 젤리-롤의 반경 방향을 따라 서로 인접한 슬릿은, 서로 적어도 일부가 겹쳐짐으로써 상기 반경 방향을 따라 전해액이 통과할 수 있는 함침 경로를 형성하고,
    상기 함침 경로는, 상기 젤리-롤의 외주면으로부터 상기 반경 방향을 따라 소정의 깊이까지 형성되며,
    상기 함침 경로의 형성 깊이는, 상기 권취 축과 수직한 상기 젤리-롤의 일측 면 중에서 상기 절곡부에 의해 커버된 영역의 반경 방향 길이보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 절개선과 상기 슬릿은 서로 소정 간격 이격된 것을 특징으로 하는 젤리-롤.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항에 기재된 젤리-롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
  14. 제 13 항에 기재된 원통형 배터리 셀;을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제 14 항에 기재된 배터리 팩;을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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