WO2023171991A1 - 원통형 배터리 셀, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시에에 따른 원통형 배터리 셀은, 제1 극성을 갖는 제1 전극 탭 및 제2 극성을 갖는 제2 전극 탭을 구비하는 전극 조립체; 하단에 형성된 개방부 및 상단에 형성된 폐쇄부를 구비하며, 상기 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하며 상기 제2 전극 탭과 전기적으로 연결되는 전지 캔; 상기 제1 전극 탭과 전기적으로 연결되며, 상기 전지 캔의 폐쇄부를 통해 상기 전지 캔의 외부로 노출되고, 상기 전지 캔과 전기적으로 절연되는 셀 단자; 제1 면 및 상기 제1 면의 반대측 면인 제2 면을 구비하며, 상기 제1 면은 상기 제1 전극 탭과 결합되고 상기 제2 면은 상기 셀 단자와 결합되는 제1 집전판; 및 상기 셀 단자와 상기 제1 집전판을 기계적으로 체결시키는 단자 체결 부재; 를 포함한다.

Description

원통형 배터리 셀, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차

본 발명은, 원통형 배터리 셀, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로는, 본 발명은 종래의 원통형 배터리 셀의 구조를 크게 변형시키지 않으면서 양극 단자와 음극 단자가 모두 원통형 배터리 셀의 일 측에 인접 배치된 구조를 갖는 원통형 배터리 셀, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.

본 출원은 2022년 03월 08일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제 10-2022-0029614호에 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 전기 자동차(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.

이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.

현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

한편, 이차 전지 셀의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리 셀이 알려져 있다. 원통형 배터리 셀의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전해질과 함께 전지 캔 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극 탭이 연결될 수 있으며, 전극 탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적으로 연결시킨다. 참고로, 양극 전극 단자는 전지 캔의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡 플레이트이고, 음극 전극 단자는 전지 캔이다.

그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 원통형 배터리 셀에 의하면, 양극 무지부 및/또는 음극 무지부와 결합되는 스트립 형태의 전극 탭에 전류가 집중되기 때문에 저항이 크고 열이 많이 발생하며 집전 효율이 좋지 않다는 문제점이 있었다.

18650이나 21700의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 배터리 셀은 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 배터리 셀을 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 원통형 배터리 셀이 발화하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있도록 개선된 구조를 갖는 배터리 셀의 개발이 요구된다.

또한, 전기 자동차에 탑재되는 배터리 팩은 다수의 원통형 배터리 셀을 포함한다. 따라서, 전기적 배선의 비효율성은 전기 자동차의 조립 과정, 그리고 배터리 팩의 유지 보수 시에도 상당한 번거로움을 초래한다.

한편, 최근 원통형 배터리 셀이 전기 자동차에 적용됨에 따라 원통형 배터리 셀의 폼 팩터가 증가하고 있다. 즉, 원통형 배터리 셀의 직경과 높이가 종래의 18650, 21700 등의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리 셀에 비해 증가하고 있다. 폼 팩터의 증가는 에너지 밀도의 증가, 열 폭주에 대한 안전성 증대, 그리고 냉각 효율의 향상을 가져온다.

원통형 배터리 셀의 에너지 밀도는 폼 팩터의 증가와 함께 전지 캔 내부의 불필요한 공간이 최소화될 때 더욱 증가될 수 있다. 따라서, 전극 조립체와 전지 캔 사이의 전기적 절연을 위해 사용되는 부품이나 양극판과 음극판으로부터 전류를 집전하기 위해 사용되는 부품도 배터리 셀의 용량을 증대시키고 배터리 셀 전체의 저항을 낮출 수 있도록 최적으로 설계될 필요가 있다.

본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 양극 단자와 음극 단자가 동일 방향에 적용된 구조를 갖는 원통형 배터리 셀를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

본 발명은, 일 방향에서 복수의 원통형 배터리 셀을 전기적으로 연결하고자 하는 경우에 있어서, 전지 캔의 폐쇄부의 넓은 면을 전극 단자로 활용할 수 있도록 함으로써 배터리 팩 제조를 위한 버스바 등의 전기적 연결 부품과 원통형 배터리 셀의 전극 단자가 용접될 수 있는 충분한 면적을 확보하는 것을 일 목적으로 한다.

다른 측면에서, 본 발명은, 집전판(제1 집전판)과 셀 단자 간의 결합에 있어서 공정서을 개선시키고 결합부위에서의 저항을 감소시키는 것을 일 목적으로 한다.

다른 측면에서, 본 발명은, 셀 단자(제1 전극 단자)의 상면이 차지하는 면적과 폐쇄부의 외부면(제2 전극 단자)이 차지하는 면적이 버스바와 결합에 충분한 면적이 될 수 있도록 최적 설계를 하는 것을 일 목적으로 한다.

또 다른 측면에서, 본 발명은, 전극 조립체의 무지부 구조의 개선을 통해 전극 조립체와 집전판(제1 집전판)의 접촉 면적 및/또는 셀 단자와 집전판(제1 집전판)의 접촉 면적을 확대함으로써 원통형 배터리 셀이 갖는 저항을 최소화하는 것을 일 목적으로 한다.

또 다른 측면에서, 본 발명은, 집전판(제2 집전판)과 전지 캔의 전기적 연결 구조를 개선하여 전류 패스(path)를 다중화 하고, 접촉 면적을 극대화함으로써 원통형 배터리 셀이 갖는 저항을 최소화하는 것을 일 목적으로 한다.

또 다른 측면에서, 본 발명은, 집전판(제2 집전판)과 전지 캔의 전기적 연결 구조를 개선하여 전류 패스를 감소시키고, 이로써 원통형 배터리 셀이 갖는 저항을 최소화하는 것을 일 목적으로 한다.

또 다른 측면에서, 본 발명은, 전극 조립체의 무지부 구조 개선 및/또는 셀 단자 높이의 최적 설계 및/또는 전지 캔의 두께의 최적 설계 등을 통해 데드 스페이스를 최소화하고, 이로써 에너지 밀도를 극대화하는 것을 일 목적으로 한다.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시에에 따른 원통형 배터리 셀은, 제1 극성을 갖는 제1 전극 탭 및 제2 극성을 갖는 제2 전극 탭을 구비하는 전극 조립체; 하단에 형성된 개방부 및 상단에 형성된 폐쇄부를 구비하며, 상기 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하며 상기 제2 전극 탭과 전기적으로 연결되는 전지 캔; 상기 제1 전극 탭과 전기적으로 연결되며, 상기 전지 캔의 폐쇄부를 통해 상기 전지 캔의 외부로 노출되고, 상기 전지 캔과 전기적으로 절연되는 셀 단자; 제1 면 및 상기 제1 면의 반대측 면인 제2 면을 구비하며, 상기 제1 면은 상기 제1 전극 탭과 결합되고 상기 제2 면은 상기 셀 단자와 결합되는 제1 집전판; 및 상기 셀 단자와 상기 제1 집전판을 기계적으로 체결시키는 단자 체결 부재; 를 포함한다.

상기 단자 체결 부재는, 상기 제1 집전판 및 셀 단자의 내측으로 압입되어 상기 셀 단자와 상기 제1 집전판을 체결시킬 수 있다.

상기 단자 체결 부재는, 베이스부; 및 상기 베이스부로부터 상기 제1 집전판을 향해 연장되어 상기 제1 집전판의 표면으로부터 상기 제1 집전판 및 셀 단자의 내측으로 압입되는 체결부; 를 포함할 수 있다.

상기 셀 단자 및 상기 제1 집전판은 알루미늄을 포함할 수 있다.

상기 단자 체결 부재는, 붕소를 0.001wt% 내지 0.008wt% 함유하는 보론강을 포함할 수 있다.

상기 체결부의 외측 및 상기 체결부의 내측에서 상기 제1 집전판의 적어도 일부가 상기 체결부의 압입에 따라 상기 셀 단자의 내측으로 내일될 수 있다.

상기 단자 체결 부재의 최대 직경 또는 최대 폭은, 상기 전극 조립체의 권취 중심 홀의 직경보다 작게 형성될 수 있다.

상기 원통형 배터리 셀은, 상기 전지 캔의 상기 개방부를 밀폐하는 캡 플레이트를 더 포함할 수 있다.

상기 캡 플레이트는, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되지 않으며, 이로써 극성을 갖지 않을 수 있다.

상기 원통형 배터리 셀은, 상기 제2 전극 탭과 상기 전지 캔 사이를 전기적으로 연결하는 제2 집전판을 더 포함할 수 있다.

상기 제2 집전판은, 상기 제2 전극 탭과 결합되는 탭 결합부; 및 상기 전지 캔과 전기적으로 결합되는 캔 결합부; 를 포함할 수 있다.

상기 캔 결합부는, 상기 전지 캔의 측벽의 내측면 상에 전기적으로 결합될 수 있다.

상기 전지 캔은, 상기 개방부 측에서 상기 전지 캔의 외주면 둘레를 압입하여 형성되는 비딩부를 구비할 수 있고, 상기 캔 결합부는 상기 비딩부의 하면 상에 전기적으로 결합될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 상기 원통형 배터리 셀을 복수개 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 상기 배터리 팩을 포함한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 집전판(제1 집전판)과 셀 단자 간의 결합에 있어서 공정서을 개선시킬 수 있으며, 결합부위에서의 저항을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 원통형 배터리 셀의 전극 단자 구조를 개선하여 전지 캔 내의 공간 효율성을 증가시킴으로써 원통형 배터리 셀의 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 원통형 배터리 셀의 전극 단자 구조를 개선하여 전류 패스의 단면적을 확대함으로써 급속 충전 시 생기는 내부 발열 문제를 개선할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 원통형 배터리 셀의 직렬 및/또는 병렬 연결을 위한 전기적 배선 작업을 원통형 배터리 셀의 한 쪽에서 수행할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 일 방향에서 복수의 원통형 배터리 셀을 전기적으로 연결하고자 하는 경우에 있어서, 전지 캔의 폐쇄부의 넓은 면을 전극 단자로 활용할 수 있게 되며, 이로써 배터리 팩 제조를 위한 버스바 등의 전기적 연결 부품과 원통형 배터리 셀의 전극 단자가 용접될 수 있는 충분한 면적을 확보할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 셀 단자(제1 전극 단자)의 상면이 차지하는 면적과 폐쇄부의 외부면(제2 전극 단자)이 차지하는 면적이 버스바와 결합에 충분한 면적이 될 수 있도록 최적 설계를 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조의 개선을 통해 전극 조립체와 집전판(제1 집전판)의 접촉 면적 및/또는 셀 단자와 집전판(제1 집전판)의 접촉 면적을 확대할 수 있고, 이로써 원통형 배터리 셀이 갖는 저항을 최소화할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 집전판(제2 집전판)과 전지 캔의 전기적 연결 구조의 개선을 통한 전류 패스(path) 다중화가 가능하며, 이들 부품 간의 접촉 면적이 극대화되어 원통형 배터리 셀이 갖는 저항을 최소화 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 집전판(제2 집전판)과 전지 캔의 전기적 연결 구조의 개선을 통해 전류 패스를 감소시킬 수 있고, 이로써 원통형 배터리 셀이 갖는 저항을 최소활 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조 개선 및/또는 셀 단자 높이의 최적 설계 및/또는 전지 캔의 두께의 최적 설계 등을 통해 데드 스페이스를 최소화할 수 있고, 이로써 에너지 밀도를 극대화할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 개선된 구조를 가진 원통형 배터리 셀을 이용하여 제작된 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀의 외관을 나타내는 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 무지부가 절곡된 전극 조립체의 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀의 내부 구조를 나타내는 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀의 상부 구조를 나타내는 부분 단면도 및 체결 부재가 적용된 영역을 확대하여 나타내는 부분 확대도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀의 단면도로서, 체결 부재를 이용하여 제1 집전판과 셀 단자를 결합시키는 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 체결 부재를 이용하여 제1 집전판과 셀 단자를 결합시키는 공정을 단계별로 설명하기 위한 개념도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 집전판을 나타내는 도면이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀의 하부 구조를 나타내는 부분 단면도이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀의 하면을 나타내는 평면도이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀 복수 개를 버스바를 이용하여 직렬 및 병렬로 연결한 모습을 나타낸 상부 평면도이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리 셀들을 포함하는 배터리 팩의 개략적 구성을 나타낸 도면이다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차의 개략적인 구성을 나타낸 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 동일하다는 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, 소정의 영역에서 어떠한 파라미터가 균일하다는 것은 평균적 관점에서 균일하다는 것을 의미할 수 있다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(1)은 전극 조립체(10), 전지 캔(20), 셀 단자(40), 제1 집전판(50) 및 단자 체결 부재(60)를 포함한다. 상기 원통형 배터리 셀(1)은, 상술한 구성요소들 이 외에도 추가적으로 캡 플레이트(30) 및/또는 인슐레이터(70) 및/또는 절연 가스켓(G1) 및/또는 실링 가스켓(G2) 및/또는 제2 집전판(80)을 더 포함할 수도 있다.

상기 전극 조립체(10)는, 제1 극성을 갖는 제1 전극 탭(11) 및 제2 극성을 갖는 제2 전극 탭(12)을 구비한다. 상기 제1 전극 탭(11) 및 제2 전극 탭(12)은 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 서로 반대 방향으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극 탭(11)은 상방으로, 제2 전극 탭(12)은 하방으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 즉, 상기 제1 전극 탭(11)은, 전지 캔(20)의 하단에 형성된 개방부의 반대편에 위치하는 폐쇄부를 향해 연장될 수 있고, 제2 전극 탭(12)은 전지 캔(20)의 개방부를 향해 연장될 수 있다.

상기 전극 조립체(10)는, 제1 극성을 갖는 제1 전극, 제2 극성을 갖는 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 분리막을 포함한다. 상기 제1 전극은 양극 또는 음극이고, 제2 전극은 제1 전극과 반대되는 극성을 갖는 전극에 해당한다.

상기 전극 조립체(10)는, 예를 들어 젤리-롤(jelly-roll) 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(10)는, 대략 쉬트 형상을 가진 제1 전극 및 제2 전극을 그 사이에 분리막을 개재시킨 상태로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 코어부를 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 이처럼 권취된 전극 조립체(10)의 코어부에는 권취 중심 홀(C)이 형성될 수 있다. 상기 전극 조립체(10)의 외주면 상에는 전지 캔(20)과의 절연을 위해 추가적인 분리막이 구비될 수 있다. 당업계에서 알려진 젤리롤 구조라면 본 발명에 제한 없이 적용 가능하다.

상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 제1 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제1 전극 활물질을 포함한다. 상기 제1 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측 단부에는 제1 전극 활물질이 도포되지 않은 제1 무지부가 존재한다. 전극 탭으로서 기능하는 상기 제1 무지부를 이하 제1 전극 탭(11)으로 칭하기로 한다. 상기 제1 전극 탭(11)은, 전지 캔(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 상부에 구비된다. 즉, 상기 제1 전극 집전체는, 그 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측 단부에 형성되며 그 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라 연장된 형태를 갖는 제1 무지부, 즉 활물질 층이 코팅되지 않은 부분을 가지며, 이러한 제1 무지부는 분리막의 외부로 노출된다. 상기 제1 무지부는, 그 자체로서 전극 탭으로서 사용된다. 상기 제1 전극 탭(11)은, 예를 들어 양극 탭일 수 있다.

한편, 도 2에 도시된 본 발명의 전극 조립체(10)의 예시적 형태를 참조하면, 상기 제1 전극 탭(11)의 적어도 일부는, 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편(11a)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 분절편(11a)은, 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 밴딩될 수 있다. 밴딩된 상기 복수의 분절편(11a)은, 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 이 경우, 후술할 제1 집전판(50)의 제1 탭 결합부(52)는, 복수의 분절편(11a)이 여러 겹으로 중첩되어 있는 영역에 결합될 수 있다. 한편, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 전극 탭(11)의 분절편(11a)의 중첩 레이어 수가 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 대략 최대치로 일정하게 유지되는 영역인 적층 수 균일 영역을 구비할 수 있다. 이 영역에서는, 중첩 레이어 수가 최대로 유지되므로, 후술할 제1 집전판(50)과 제1 전극 탭(11)의 용접이 이 영역 내에서 이루어지는 것이 유리할 수 있다. 이는, 예를 들어 레이저 용접을 적용하는 경우에 있어서, 용접 품질의 향상을 위해 레이저의 출력을 높이는 경우 레이저 빔이 제1 전극 탭(11)을 관통하여 전극 조립체(10)를 손상시키는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 이는, 용접 스패터 등의 이물질이 전극 조립체(10)의 내부로 유입되는 것을 효과적으로 방지할 수 있도록 하기 위함이다.

상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 제2 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제2 전극 활물질을 포함한다. 상기 제2 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 타 측 단부에는 제2 전극 활물질이 도포되지 않은 제2 무지부가 존재한다. 전극 탭으로서 기능하는 상기 제2 무지부를 이하 제2 전극 탭(12)으로 칭하기로 한다. 상기 제2 전극 탭(12)은, 전지 캔(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 하부에 구비된다. 즉, 상기 제2 전극 집전체는, 그 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 타 측 단부에 형성되며 그 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라 연장된 형태를 갖는 제2 무지부, 즉 활물질 층이 코팅되지 않은 부분을 가지며, 이러한 제2 무지부는 분리막의 외부로 노출된다. 상기 제2 전극 탭(12)은, 예를 들어 음극 탭일 수 있다.

한편, 앞서 설명한 제1 전극 탭(11)의 경우와 마찬가지로, 상기 제2 전극 탭(12)의 적어도 일부는, 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 분절편은, 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 밴딩될 수 있다. 밴딩된 상기 복수의 분절편은, 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 이 경우, 후술할 제2 집전판(80)의 제2 탭 결합부(82)는, 복수의 분절편이 여러 겹으로 중첩되어 있는 영역에 결합될 수 있다. 한편, 상기 전극 조립체(10)는, 제2 전극 탭(12)의 분절편의 중첩 레이어 수가 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 대략 최대치로 일정하게 유지되는 영역인 적층 수 균일 영역을 구비할 수 있다. 이 영역에서는, 중첩 레이어 수가 최대로 유지되므로, 후술할 제2 집전판(80)과 제2 전극 탭(12)의 용접이 이 영역 내에서 이루어지는 것이 유리할 수 있다. 이는, 예를 들어 레이저 용접을 적용하는 경우에 있어서, 용접 품질의 향상을 위해 레이저의 출력을 높이는 경우 레이저 빔이 제2 전극 탭(12)을 관통하여 전극 조립체(10)를 손상시키는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 이는, 용접 스패터 등의 이물질이 전극 조립체(10)의 내부로 유입되는 것을 효과적으로 방지할 수 있도록 하기 위함이다.

도 3, 도 4 및 도 8을 참조하면, 상기 전지 캔(20)은, 하방에 개방부가 형성되며 내부에 빈 공간이 구비된 대략 원통형의 수용체로서, 예를 들어 금속과 같은 도전성을 갖는 재질로 이루어진다. 상기 전지 캔(20)의 재질로는, 예를 들어 철(steel) 또는 스테인리스 스틸(stainless steel) 또는 니켈이 도금된 철 등이 적용될 수 있다. 이처럼 철을 기반으로 하는 강성이 우수한 재질이 이용되는 경우, 전지 캔(20)의 강성의 측면에서 매우 유리할 수 있다. 특히, 후술할 상기 단자 체결 부재(60)를 이용하여 셀 단자(40)와 제1 집전판(50)을 결합시키는 공정을 진행함에 있어서 전지 캔(20)의 형태 변형을 방지하기 위해서는 전지 캔(20)의 강성이 충분히 확보될 필요가 있다. 다만, 이로써 상기 전지 캔(20)의 재질이 한정되는 것은 아니며, 도전성을 갖는 금속 재질이라면 사용 가능하다. 상기 전지 캔(20)은, 하방에 형성된 개방부를 통해 전극 조립체(10)를 수용하며, 전해질도 함께 수용한다.

상기 전지 캔(20)은, 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결된다. 상기 전지 캔(20)은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 제2 전극 탭(12)과 전기적으로 결합될 수 있다. 이 경우, 상기 전지 캔(20)은, 제2 전극 탭(12)과 동일한 제2 극성을 갖는다.

상기 전지 캔(20)은, 그 하단 부근에 형성된 비딩부(21)를 구비할 수 있다. 상기 비딩부(21)는, 전지 캔(20)의 개방부 측에서 전지 캔(20)의 외주면 둘레를 압입하여 형성된다. 이로써, 상기 비딩부(21)가 형성된 영역에서 전지 캔(20)은 내측으로 소정의 깊이로 만입된 형태를 갖는다. 상기 비딩부(21)는, 전지 캔(20)의 내경과 대략 대응되는 사이즈를 가질 수 있는 전극 조립체(10)가 전지 캔(20)의 하단에 형성된 개구부를 통해 빠져나오지 않도록 하며, 캡 플레이트(30)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다. 도 8을 참조하면, 상기 전지 캔(20)의 내측 면 상에서, 비딩부(21)의 상면은 전극 조립체(10)가 안착될 수 있도록 하는 지지면으로서 기능할 수 있다. 또한, 상기 전지 캔(20)의 내측 면 상에서, 비딩부(21)의 하면은 캡 플레이트(30)가 안착될 수 있도록 하는 지지면으로서 기능할 수 있다. 한편, 상기 전지 캔(20)의 내측 면 상에서, 비딩부(21)의 하면은, 후술할 제2 집전판(80)의 캔 결합부(83)가 안착될 수 있도록 하는 지지면으로서 기능할 수도 있다.

상기 전지 캔(20)은, 비딩부(21)의 하부에 형성되는 클림핑부(22)를 구비할 수 있다. 상기 클림핑부(22)는, 비딩부(21)로부터 하방으로 연장된 형태를 갖는다. 상기 클림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하방에 배치되는 캡 플레이트(30)의 외주면, 그리고 캡 플레이트(30)의 하면의 일부를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다. 상기 클림핑부(22)는, 캡 플레이트(30) 외에도 실링 가스켓(G2)을 고정시킬 수 있다.

도 3 및 도 8을 참조하면, 상기 캡 플레이트(30)는, 강성 확보를 위해, 예를 들어 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 캡 플레이트(30)는, 전지 캔(20)의 하단에 형성된 개방부를 밀폐한다. 상기 캡 플레이트(30)의 하면은, 원통형 배터리 셀(1)의 하면을 이룬다. 본 발명의 원통형 배터리 셀(1)에 있어서, 상기 캡 플레이트(30)는, 전도성을 갖는 금속 재질인 경우에도, 극성을 갖지 않을 수도 있다. 극성을 갖지 않는다는 것은, 상기 캡 플레이트(30)가 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결되어 있지 않음을 의미한다. 이처럼 상기 캡 플레이트(30)가 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결되지 않는 경우, 캡 플레이트(30)는 양극 단자 또는 음극 단자로서 기능하지 않는다. 즉, 본 발명에 있어서, 상기 캡 플레이트(30)는, 전극 조립체(10) 및 전지 캔(20)과 전기적으로 연결될 필요가 없으며, 그 재질이 반드시 전도성 금속이어야 하는 것도 아니다.

본 발명의 전지 캔(20)이 비딩부(21)를 구비하는 경우, 상기 캡 플레이트(30)는, 전지 캔(20)에 형성된 비딩부(21)의 하면에 의해 지지될 수 있다. 또한, 본 발명의 전지 캔(20)이 클림핑부(22)를 구비하는 경우, 상기 캡 플레이트(30)는, 클림핑부(22)에 의해 고정된다. 즉, 상기 캡 플레이트(30)의 상면은 비딩부(21)에 의해 지지되고, 외주면 및 하면은 비딩부(21)에 의해 지지될 수 있다. 상기 캡 플레이트(30)와 전지 캔(20)의 클림핑부(22) 사이에는 전지 캔(20)의 기밀성을 확보하기 위해 기밀 가스켓(G2)이 개재될 수 있다. 한편, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 전지 캔(20)은 비딩부(21) 및/또는 클림핑부(22)를 구비하지 않을 수도 있으며, 이 경우 상기 실링 가스켓(90)은 전지 캔(20)의 기밀성 확보를 위해 전지 캔(20)의 개방부 측에 구비된 고정을 위한 구조물과 캡 플레이트(30) 사이에 개재될 수 있다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 캡 플레이트(30)는, 전지 캔(20) 내부에 발생된 가스로 인해 내압이 기 설정된 수치를 넘어서 증가하는 것을 방지하기 위해 형성되는 벤팅부(31)를 더 구비할 수 있다. 상기 벤팅부(31)는, 캡 플레이트(30) 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 상기 벤팅부(31)는, 주변 영역과 비교하여 구조적으로 취약하다. 따라서, 상기 원통형 배터리 셀(1)에 이상이 발생하여 전지 캔(20)의 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 벤팅부(31)가 파단되어 전지 캔(20)의 내부에 생성된 가스가 배출된다. 상기 벤팅부(31)는, 예를 들어, 캡 플레이트(30)의 어느 일 면 상에 또는 양 면 상에 노칭(noching)을 하여 부분적으로 전지 캔(20)의 두께를 감소시킴으로써 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(1)은, 후술할 바와 같이 상부에 양극 단자 및 음극 단자가 모두 존재하는 구조를 가지며, 이로 인해 상부의 구조가 하부의 구조보다 더 복잡하다. 따라서, 상기 전지 캔(20)의 내부에 발생된 가스의 원활한 배출을 위해, 원통형 배터리 셀(1)의 하단에서 전지 캔(20)의 개방부를 밀폐하는 캡 플레이트(30)에 벤팅부(31)가 형성될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 캡 플레이트(30)의 하단부는 전지 캔(20)의 하단부보다 더 상방에 위치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 전지 캔(20)의 하단부가 지면에 닿거나 또는 모듈이나 팩 구성을 위한 하우징의 바닥면에 닿더라도, 캡 플레이트(30)는 지면 또는 모듈이나 팩 구성을 위한 하우징의 바닥면에 닿지 않게 된다. 따라서, 상기 원통형 배터리 셀(1)의 무게로 인해 벤팅부(31)의 파단에 요구되는 압력이 설계치와 달라지는 현상을 방지할 수 있으며, 이에 따라 벤팅부(31)의 파단 원활성이 확보될 수 있다.

한편, 상기 벤팅부(31)는, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 캡 플레이트(30)의 중앙 영역을 둘러싸도록 연속적 또는 불연속적으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 내압 증가에 따른 벤팅부(31)의 파단의 용이성 측면에서는 캡 플레이트(30)의 중심부로부터 벤팅부(31)에 이르는 거리가 클수록 유리하다. 이는, 동일한 내압이 작용했을 때, 상기 캡 플레이트(30)의 중심점으로부터 벤팅부(31)에 이르는 거리가 커질수록 벤팅부(31)에 작용하는 힘이 커져 파단이 용이해지기 때문이다. 또한, 벤팅 가스의 배출 원활성의 측면에서도, 캡 플레이트(30)의 중심점으로부터 벤팅부(31)에 이르는 거리가 클수록 벤팅에 의해 개방되는 면적이 커지게 되므로 유리하다. 이러한 관점에서 볼 때, 상기 벤팅부(31)는, 캡 플레이트(30)의 전체 영역 중에서, 하방(도 8을 기준으로 아래를 향하는 방향)으로 돌출되며 대략 플랫한 형상을 갖는 중심 영역의 가장 자리 둘레를 따라 형성되는 것이 유리할 수 있다.

본 발명의 도 8 및 도 9에서는, 상기 벤팅부(31)가 캡 플레이트(30) 상에 대략 원을 그리며 연속적으로 형성된 경우를 도시하고 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 벤팅부(31)는 캡 플레이트(30)의 중심점을 내측에 포함하도록 형성되는 대략 타원형, 또는 그 밖의 다른 기하학적 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 벤팅부(31)는, 연속적으로 형성되지 않고 불연속적으로 형성될 수도 있다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 셀 단자(40)는, 상기 제1 전극 탭(11)과 전기적으로 연결된다. 상기 제1 전극 탭(11)과 셀 단자(40) 사이의 전기적 연결은 제1 집전판(50)을 통해 이루어진다. 상기 셀 단자(40)는, 전지 캔(20)의 폐쇄부를 통해 전지 캔(20)의 외부로 노출될 수 있다.

상기 셀 단자(40)는, 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 상기 셀 단자(40)는, 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 셀 단자(40)의 재질은 알루미늄일 수 있다. 상기 셀 단자(40)의 재질이 알루미늄인 경우 후술할 바와 같은 셀 단자(40)를 전지 캔(20)의 폐쇄부 내측 면 상에 고정시키기 위한 리벳 가공 및/또는 단자 체결 부재(60)를 이용한 압입이 용이해질 수 있다. 상기 셀 단자(40)의 재질이 알루미늄인 경우에 있어서, 가공의 용이성을 극대화하고 또한, 전기 저항을 최소화하기 위해 10계열의 알루미늄이 적용될 수 있다.

상기 셀 단자(40)는, 전극 조립체(10)의 제1 전극 탭(11)과 동일하게 제1 극성을 갖는다. 따라서, 상기 셀 단자(40)는, 본 발명의 원통형 배터리 셀(1)에 있어서 제1 전극 단자로서 기능할 수 있다. 상기 셀 단자(40)가 이처럼 제1 극성을 갖는 경우, 셀 단자(40)는 제2 극성을 갖는 전지 캔(20)과는 전기적으로 절연된다. 상기 셀 단자(40)와 전지 캔(20) 간의 전기적 절연은, 다양한 방식으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 상기 셀 단자(40)와 전지 캔(20) 사이에 절연 가스켓(G1)을 개재시킴으로써 절연을 실현할 수 있다. 이와는 달리, 상기 셀 단자(40)의 일부에 절연성 코팅층을 형성시킴으로써 절연을 실현할 수 있다. 또는, 상기 셀 단자(40)와 전지 캔(20)의 접촉이 불가능하도록 셀 단자(40)를 구조적으로 단단히 고정시키는 방식을 적용할 수도 있다. 또는, 앞서 설명한 방식들 중 복수의 방식을 함께 적용할 수도 있다.

도 4를 참조하면, 상기 셀 단자(40)는, 단자 노출부(41) 및 단자 삽입부(42)를 포함한다. 상기 단자 삽입부(42)는, 전기적 연결부(42a) 및 플랜지부(42b)를 포함할 수 있다. 상기 단자 노출부(41)는, 전지 캔(20)의 외측으로 노출된다. 상기 단자 노출부(41)는, 전지 캔(20)의 폐쇄부의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 상기 단자 노출부(41)의 최대 폭은, 셀 단자(40)의 삽입을 위해 전지 캔(20)에 형성된 홀의 최대 폭보다 더 크게 형성될 수 있다. 상기 단자 삽입부(42)는, 전지 캔(20)의 폐쇄부의 대략 중심부를 통과하며, 상기 단자 삽입부(42)의 전기적 연결부(42a)는, 제1 전극 탭(11)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 셀 단자(40)의 바닥면, 즉 전기적 연결부(42a)으 바닥면은 적어도 일부 영역이 전지 캔(20)의 폐쇄부와 대략 나란한 대략 플랫한 형상을 가질 수 있다. 이처럼 셀 단자(40)의 바닥면의 일부 또는 전부가 대략 플랫한 형상을 갖는 경우, 셀 단자(40)와 제1 전극 탭(11) 간의 전기적 연결을 위해 적용되는 제1 집전판(50)과 셀 단자(40) 간의 접촉 면적이 극대화될 수 있고 이로써 접촉 저항을 최소화할 수 있다. 이처럼 전극 조립체(10)와 셀 단자(40) 간의 전기적 연결 부위에서의 접촉 면적의 극대화 및 이로 인한 접촉 저항의 최소화는, 급속 충전에 따른 많은 양의 전류가 흐르는 경우에 있어서, 셀 단자(40)와 집전판(50)의 결합 부위에서 원활한 전류 흐름을 보장할 수 있으며, 이로써 충전 시간의 단축, 발열량의 감소 등의 효과를 가져올 수 있다.

상기 단자 삽입부(42)의 플랜지부(42b)는, 상기 전기적 연결부(42a)의 둘레에 형성되며, 전지 캔(20)의 페쇄부의 내부면 상에 리벳(rivet) 결합될 수 있다. 즉, 상기 단자 삽입부(42)의 플랜지부(42b)는, 전지 캔(20)의 폐쇄부의 내부면을 향해 휘어진 형태를 가질 수 있다. 따라서, 상기 셀 단자(40)의 고정을 위한 리벳팅 공정이 수행된 이 후의 단자 삽입부(42)의 최대 폭은, 단자 삽입부(42)가 통과되도록 전지 캔(20)에 형성된 홀의 최대 폭보다 더 크게 형성될 수 있다.

상기 단자 삽입부(42)의 전기적 연결부(42a)는 후술할 제1 집전판(50)과 결합될 수 있다. 상기 단자 삽입부(42)의 전기적 연결부(42a)는, 예를 들어 대략 원기둥 형태를 가질 수 있다. 물론, 상기 단자 삽입부(42)의 전기적 연결부(42a)의 형상이 이로써 한정되는 것은 아니다. 상기 단자 삽입부(42)의 전기적 연결부(42a)는, 예를 들어 단면이 타원의 형상을 갖는 원기둥 형태 또는 사각 기둥 형태 또는 육각 기둥 형태 또는 팔각 기둥 형태 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 상기 단자 삽입부(42)의 전기적 연결부(42a)의 바닥면은, 적어도 부분적으로 대략 평탄하게 형성될 수 있다.

상기 절연 가스켓(G1)은, 전지 캔(20)과 셀 단자(40) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 전지 캔(20) 과 셀 단자(40)가 서로 접촉되는 것을 방지한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 전지 캔(20)의 폐쇄부의 외부면(20a)이 원통형 배터리 셀(1)의 제2 전극 단자로서 기능할 수 있다.

상기 절연 가스켓(G1)은, 가스켓 노출부(G1A) 및 가스켓 삽입부(G1B)를 포함한다. 상기 가스켓 노출부(G1A)는 셀 단자(40)의 단자 노출부(41)와 전지 캔(20) 사이에 개재된다. 상기 가스켓 노출부(G1A)는, 절연성을 극대화하기 위해, 전지 캔(20)의 폐쇄부와 대략 나란한 방향을 따라 단자 노출부(41)보다 더 길게 연장될 수 있다. 이로써 원통형 배터리 셀(1)을 상부에서 바라봤을 때 가스켓 노출부(G1A)의 일부가 단자 노출부(41)의 외측으로 노출될 수 있다. 상기 가스켓 삽입부(G1A)는 셀 단자(40)의 단자 삽입부(42)와 전지 캔(20) 사이에 개재된다. 상기 가스켓 삽입부(G1A)는, 단자 삽입부(42)의 플랜지부(42b)를 이용한 리벳팅(reveting) 시에 함께 변형되어 전지 캔(20)의 폐쇄부의 내측 면에 밀착될 수 있다. 상기 절연 가스켓(G1)은, 예를 들어 절연성 및 탄성을 갖는 수지 재질로 이루어질 수 있다.

상기 절연 가스켓(G1)이 수지 재질로 이루어지는 경우에 있어서, 절연 가스켓(G1)은 열 융착에 의해 상기 전지 캔(20) 및 셀 단자(40)와 결합될 수 있다. 이 경우, 절연 가스켓(G1)과 셀 단자(40)의 결합 계면 및 절연 가스켓(G1)과 전지 캔(20)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다. 한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 절연 가스켓(G1)의 가스켓 노출부(G1A)는 단자 노출부(41)의 외주면을 커버하도록 연장된 형태를 갖거나, 또는 단자 노출부(41)의 외주면뿐만 아니라 상면의 일부까지도 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 절연 가스켓(G1)의 가스켓 노출부(G1A)가 단자 노출부(41)의 외주면 및 상면의 일부까지도 커버하도록 연장된 형태를 갖는 경우에 있어서, 셀 단자(40)는 예를 들어 인서트 사출에 의해 절연 가스켓(G1)과 일체로 형성될 수도 있다.

상기 원통형 배터리 셀(1)의 상부에서 바라본 전지 캔(20)의 상면 전체 면적 중에서, 상기 셀 단자(40) 및 상기 절연 가스켓(G1)이 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역 전체, 즉 전지 캔(20)의 폐쇄부의 외부면(20a)이 차지하는 영역이 상기 셀 단자(제1 전극 단자)(40)와 반대 극성을 갖는 제2 전극 단자에 해당한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제1 집전판(50)은, 전극 조립체(10)의 상부에 결합된다. 또한, 상기 제1 집전판(50)은, 셀 단자(40)와 결합된다. 좀 더 구체적으로, 상기 제1 집전판(50)은, 제1 면 및 상기 제2 면의 반대측 면인 제2 면을 구비하고, 제1 면은 제1 전극 탭(11)과 결합되고, 제2 면은 셀 단자(40)와 결합된다. 이에 따라, 상기 제1 집전판(50)은 전극 조립체(10)의 제1 전극 탭(11)과 셀 단자(40)를 전기적으로 연결시킨다. 상기 제1 집전판(50)은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며, 제1 전극 탭(11)과 결합된다. 상기 제1 전극 탭(11)이 양극 탭인 경우, 제1 집전판(50)은 예를 들어 알루미늄을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 제1 집전판(50)은, 알루미늄 재질일 수 있다.

상기 셀 단자(40)의 바닥면, 즉 단자 삽입부(42)의 전기적 연결부(42a)의 바닥면에는 적어도 일부에 전지 캔(20)의 폐쇄부의 내부면과 대략 평행한 평탄부가 형성될 수 있으며, 제1 집전판(50)은 이 평탄부와 결합된다.

상기 제1 집전판(50)은 제1 전극 탭(11)의 단부에 결합된다. 상기 제1 전극 탭(11)과 제1 집전판(50) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제1 집전판(50) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수도 있고, 제1 집전판(50)과 제1 전극 탭(11) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는, 제1 집전판(50)과 제1 전극 탭(11)과 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다.

상기 제1 집전판(50)은, 제1 전극 탭(11)의 단부가 제1 집전판(50)과 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 수 있다. 상기 제1 전극 탭(11)의 절곡은 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 이루어질 수 있다. 상기 제1 전극 탭(11)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심부, 즉 코어를 향하는 방향일 수 있다. 상기 제1 전극 탭(11)이 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 제1 전극 탭(11)이 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 제1 전극 탭(11)이 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 제1 전극 탭(11)과 제1 집전판(50) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다. 한편, 상기 제1 전극 탭(11)의 단부가 절곡된 형상을 갖고 제1 집전판(50)이 제1 전극 탭(11)의 절곡에 의해 형성되는 결합 면 상에 결합되는 경우에 있어서, 제1 집전판(50)과 제1 전극 탭(11)의 결합은 적층 수 균일 영역 내에서 이루어지는 것이 유리함은 앞서 설명한 바와 같다.

다음은, 도 3 및 도 4와 함께 도 7을 참조하여 본 발명의 제1 집전판(50)의 예시적 형태에 대해서 설명하기로 한다. 도 3 및 도 4와 함께 도 7을 참조하면, 본 발명에 적용되는 제1 집전판(50)은, 제1 전극 탭(11)과 결합되는 제1 탭 결합부(52) 및 셀 단자(40)와 결합되는 단자 결합부(53)를 포함한다. 상기 제1 집전판(50)은, 그 밖에도 테두리부(51)를 더 포함할 수도 있다.

상기 테두리부(51)는, 전극 조립체(10)의 상부에 배치된다. 상기 테두리부(51)는, 그 내부에 빈 공간(S)이 형성된 대략 림(rim) 형태를 가질 수 있다. 본 발명의 도면에서는 상기 테두리부(51)가 대략 원형의 림 형태를 갖는 경우만을 도시하고 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 테두리부(51)는, 도시된 것과는 달리 대략 사각의 림 형태, 육각의 림 형태, 팔각의 림 형태 또는 그 밖의 다른 림 형태를 가질 수도 있는 것이다.

상기 단자 결합부(53)는, 예를 들어, 셀 단자(40)의 바닥면에 형성된 평탄부와의 결합을 위한 면적 확보를 위해 상기 셀 단자(40)의 바닥면에 형성된 평탄부의 직경과 실질적으로 동일하거나 더 큰 직경을 가질 수 있다. 다만, 이로써 상기 단자 결합부(53)의 면적을 한정하는 것은 아니다.

상기 제1 탭 결합부(52)는, 테두리부(51)로부터 내측으로 연장되며 제1 전극 탭(11)과 결합된다. 상기 단자 결합부(53)는, 제1 탭 결합부(52)와 이격되어 테두리부(51)의 내측에 위치한다. 후술할 바와 같이, 상기 단자 결합부(53)는, 셀 단자(40)와 기계적 체결 방식에 의해 결합될 수 있다. 상기 단자 결합부(53)는, 예를 들어 테두리부(51)에 의해 둘러싸인 내측 공간의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 상기 단자 결합부(53)는, 전극 조립체(10)의 코어부에 형성된 권취 중심 홀(C)과 대응되는 위치에 구비될 수 있다. 상기 단자 결합부(53)는, 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(C)이 단자 결합부(53)의 외측으로 노출되지 않도록 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(C)을 커버하도록 구성될 수 있다. 이처럼, 상기 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(C)이 가려지는 경우, 홀 내를 통과하는 전해액의 유속으로 인해 홀 내측에 위치하는 분리막이 손상되고, 이로써 전극이 노출되는 현상을 방지할 수 있다. 이를 위해, 상기 단자 결합부(53)는, 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(C)보다 더 큰 직경 또는 폭을 가질 수 있다.

상기 제1 탭 결합부(52)와 단자 결합부(53)는, 직접적으로 연결되지 않고 서로 이격되도록 배치되며 테두리부(51)에 의해 간접적으로 연결될 수 있다. 이처럼, 상기 제1 집전판(50)은, 제1 탭 결합부(52)와 단자 결합부(53)가 서로 직접 연결되어 있지 않고, 테두리부(51)를 통해서 간접적으로만 연결된 구조를 가짐으로써 충격을 분산시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 원통형 배터리 셀(1)에 충격 및/또는 진동이 발생하는 경우 제1 탭 결합부(52)와 제1 전극 탭(11) 간의 결합 부위와 단자 결합부(53)와 셀 단자(40) 간의 결합 부위에 가해지는 충격을 분산시킬 수 있다. 본 발명의 도면에서는, 상기 제1 탭 결합부(52)가 4개인 경우만이 도시되어 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 탭 결합부(52)의 개수는 형상의 복잡성에 따른 제조의 난이도, 전기 저항, 전해액 함침성을 고려한 테두리부(51) 내측의 공간 등을 고려하여 다양하게 결정될 수 있다.

상기 제1 집전판(50)은, 테두리부(51)로부터 내측으로 연장되며 단자 결합부(53)와 연결되는 브릿지부(54)를 더 포함할 수 있다. 상기 브릿지부(54)는, 브릿지부(54)의 단면적을 부분적으로 감소시키도록 형성되는 전류 차단부(N)를 구비할 수 있다. 상기 전류 차단부(N)의 단면적의 조절은, 예를 들어 브릿지부(54)의 폭 및/또는 두께의 부분적인 감소를 통해 실현될 수 있다. 상기 전류 차단부(N)가 구비되는 경우, 전류 차단부(N)가 형성된 영역에서의 전기 저항이 증가하게 되고, 이로써 과전류 발생 시에 신속한 전류 차단이 가능하게 된다. 상기 전류 차단부(N)는, 브릿지부(54)의 적어도 일 면 상에 형성되는 노치, 홈, 홀 등의 형태를 가질 수 있다.

한편, 상기 전류 차단부(N)는, 파단 시에 발생되는 이물질이 전극 조립체(10)의 내부로 유입되어 내부 단락 등의 문제가 발생되는 것을 방지하기 위해, 앞서 설명한 전극 조립체(10)의 적층 수 균일 영역과 대응되는 영역에 구비되는 것이 바람직하다. 이는, 이 영역에서는 제1 전극 탭(11)의 분절편(11a)(도 2 참조)들의 중첩 레이어 수가 최대로 유지되고, 이로써 중첩된 분절편들이 마스크(mask)로서 기능할 수 있기 때문이다. 예들 들어, 상기 전류 차단부(N)는, 전극 조립체(10)의 반경 방향의 대략 중심부와 대응되는 영역에 구비될 수 있다.

상기 제1 탭 결합부(52)는, 복수개가 구비될 수 있다. 복수의 상기 제1 탭 결합부(52)는, 테두리부(51)의 연장 방향을 따라 서로 실질적으로 동일 간격으로 배치될 수 있다. 복수의 상기 제1 탭 결합부(52) 각각의 연장 길이는 서로 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 제1 탭 결합부(52)는, 제1 전극 탭(11)과 예를 들어 용접에 의해 결합될 수 있다.

상기 단자 결합부(53)는, 복수의 상기 제1 탭 결합부(52)에 의해 둘러 싸이도록 배치될 수 있다. 상기 단자 결합부(53)는, 단자 체결 부재(60)에 의해 셀 단자(40)와 결합될 수 있다. 상기 브릿지부(54)는, 서로 인접한 한 쌍의 제1 탭 결합부(52) 사이에 위치할 수 있다. 이 경우, 상기 브릿지부(54)로부터 테두리부(51)의 연장 방향을 따라 상기 한 쌍의 제1 탭 결합부(52) 중 어느 하나에 이르는 거리는, 브릿지부(54)로부터 테두리부(51)의 연장 방향을 따라 상기 한 쌍의 제1 탭 결합부(52) 중 나머지 하나에 이르는 거리와 실질적으로 동일할 수 있다. 복수의 상기 제1 탭 결합부(52) 각각의 단면적은 실질적으로 동일하게 형성될 수 있다. 복수의 상기 제1 탭 결합부(52) 각각의 폭 및 두께는 실질적으로 동일하게 형성될 수 있다.

도면에 도시되지는 않았으나, 상기 브릿지부(54)는, 복수개가 구비될 수 있다. 이 경우, 복수의 브릿지부(54) 각각은, 서로 인접한 한 쌍의 제1 탭 결합부(52) 사이에 배치될 수 있다. 복수의 상기 브릿지부(54)는, 테두리부(51)의 연장 방향을 따라 서로 실질적으로 동일한 간격으로 배치될 수 있다. 복수의 상기 브릿지부(54) 각각으로부터 테두리부(51)의 연장 방향을 따라 서로 인접한 한 쌍의 제1 탭 결합부(52) 중 어느 하나에 이르는 거리는, 나머지 하나의 제1 탭 결합부(52)에 이르는 거리와 실질적으로 동일할 수 있다.

상술한 바와 같이 제1 탭 결합부(52) 및/또는 브릿지부(54)가 복수개 구비되는 경우에 있어서, 제1 탭 결합부(52)들 간의 거리 및/또는 브릿지부(54)들 간의 거리 및/또는 제1 탭 결합부(52)와 브릿지부(54) 간의 거리가 일정하게 형성되면, 제1 탭 결합부(52)로부터 브릿지부(54)를 향하는 전류 또는 브릿지부(54)로부터 제1 탭 결합부(52)를 향하는 전류의 흐름이 원활하게 형성될 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 단자 체결 부재(60)는, 셀 단자(40)와 제1 집전판(50)을 결합시킨다. 즉, 본 발명에 있어서, 셀 단자(40)와 제1 집전판(50) 간의 결합은 용접에 의하지 않고 체결을 위한 별도의 부재를 이용하는 기계적 체결 방식에 의해 이루어질 수 있다. 상기 셀 단자(40)와 제1 집전판(50) 간의 결합을 위해 용접을 적용하는 경우, 용접 스패터(spatter)(레이저 용접의 경우)나 스플레쉬(splash)가 발생하여 전극 조립체(10)의 내부로 금속 이물이 유입되는 현상이 발생할 수 있다. 금속 이물은, 전해액이 주액되면 전해액을 따라 이동하다가 내부 단락을 발생시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 셀 단자(40)와 제1 집전판(50)을 결합시키는데 있어서, 기계적 체결 방식을 적용할 수 있으며, 이로써 이러한 문제점을 해소할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 원통형 배터리 셀(1)은, 셀 단자(40)가 전지 캔(20)의 폐쇄부 측에 위치하고 있고, 이에 따라 셀 단자(40)와 제1 집전판(50) 간의 결합을 위한 공정이 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(C)을 통해서 도 5의 화살표 방향을 따라 이루어져야 한다. 상기 셀 단자(40)와 제1 집전판(50) 간의 결합을 위해 용접을 적용하는 경우 권취 중심 홀(C)의 내부에서 용접 스패터나 스플레쉬에 의한 금속 이물로 인해 권취 중심 홀(C)의 내벽면을 구성하는 분리막을 손상시킬 위험이 존재한다. 따라서, 이러한 본 발명의 원통형 배터리 셀(1) 구조를 고려할 때, 셀 단자(40)와 제1 집전판(50) 간의 결합에 기계적 체결 방식을 적용하는 것은 그 의미가 크다. 상기 단자 체결 부재(60)는, 예를 들어 SPR(셀프 피어싱 리벳: Self Percing Rivet) 방식으로 셀 단자(40)와 제1 집전판(50)을 결합시킬 수 있다. 상기 단자 체결 부재(60)는, 제1 집전판(50)과 셀 단자(40)의 내측으로 압입되어 셀 단자(40)와 제1 집전판(50)을 체결시킬 수 있다. 상기 단자 체결 부재(60)는, 베이스부(61) 및 체결부(62)를 포함할 수 있다. 상기 베이스부(61)는, 제1 집전판(50)과 대략 나란하게 배치될 수 있다. 상기 체결부(62)는, 베이스부(61)로부터 제1 집전판(50)을 향해 연장되어 제1 집전판(50)의 표면으로부터 제1 집전판(50) 및 셀 단자(40)의 내측으로 압입될 수 있다. 좀 더 구체적으로, 상기 체결부(62)는, 제1 집전판(50)에 구비된 단자 결합부(53)의 하면(단자 결합부(53)의 양 면 중 권취 중심 홀(C)의 내측을 향하는 면) 및 셀 단자(40)의 바닥면에 압입될 수 있다.

상기 제1 집전판(50)의 단자 결합부(53)는 압입 과정에서 셀 단자(40)의 바닥면을 통해 내측으로 파고 들 수 있으며, 이로써 제1 집전판(50)은 셀 단자(40)와의 접촉 면적을 극대화 하면서 셀 단자(40)에 밀착될 수 있다. 상기 단자 체결 부재(60)의 체결부(62)는 셀 단자(40)의 바닥 면으로부터 소정의 깊이만큼 압입된 위치에서 단자 결합부(53)를 관통할 수 있다. 물론, 이와는 달리 상기 단자 체결 부재(60)의 체결부(62)는, 최대 압입 깊이에 이르기까지 제1 집전판(50)을 관통하지 않을 수도 있다.

상기 체결부(62)는, 그 내측에 공간을 형성하도록 구성될 수 있으며, 상기 빈 공간을 연속적으로 또는 불연속적으로 둘러싸는 측벽 형태를 가질 수 있다. 상기 체결부(62)의 외측 및 내측에서 제1 집전판(50)의 적어도 일부가 체결부(62)의 압입에 따라 셀 단자(40)의 바닥면으로부터 셀 단자(40)의 내측으로 내입될 수 있다. 상기 단자 체결 부재(60)에 의한 압입이 완료된 상태에서, 제1 집전판(50)은 체결부(62)의 외측에서 베이스부(61) 및 체결부(62)와 모두 접할 수 있고 체결부(62)의 내측에 형성된 공간 내에서도 베이스부(61) 및 체결부(62)와 모두 접할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 단자 체결 부재(60)는, 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(C)을 통해 삽입되어 제1 전극 집전판(50)과 셀 단자(40)를 결합시킨다. 또한, 상기 권취 중심 홀(C) 내에는 단자 체결 부재(60)의 삽입을 가이드 하고 또한 권취 중심 홀(C)의 내벽면을 이루는 분리막의 보호를 위한 블랭크 홀더(B)를 먼저 삽입하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 단자 체결 부재(60)의 최대 직경 또는 최대 폭은, 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(C)의 직경보다는 작게 형성되어야 한다.

상기 단자 체결 부재(60)는, 대략 0.001~0.008wt% 범위의 미량의 붕소가 첨가된 보론강(붕소강) 소재일 수 있다. 이러한 보론강은, 경도가 매우 높은 편이어서 내마모성이 우수하다는 장점이 있다. 본 발명자들은, 알루미늄 소재의 셀 단자(40) 및 제1 집전판(50)을, 보론강 소재의 단자 체결 부재(60)를 이용하여 셀프 피어싱 리벳 방식으로 체결한 경우(실시예)와 레이저 용접에 의해 체결한 경우(비교예)에 있어서, 제1 집전판(50)의 제1 탭 결합부(52) 와 셀 단자(40)의 상면 사이에서 측정되는 저항(대략 0.2 미리옴)과 비교하여 단자 체결 부재(60)의 바닥면과 셀 단자(40)의 상면 사이에서 측정되는 저항(대략 0.12~0.22 미리옴)이 더 낮거나 또는 유사한 수준인 것을 확인하였다.

SPR 체결 테스트를 위해, 3mm 두께의 알루미늄 플레이트(셀 단자(40)에 대응되는 요소1) 및 0.2mm 두께의 알루미늄 플레이트(제1 집전판(50)에 대응되는 요소2), 그리고 보론강으로 제작된 리벳(단자 체결 부재(60)에 대응되는 요소3)을 준비하였다. 상기 요소2를 상부에 놓고 요소1을 하부에 위치시킨 뒤, SPR 설비 내에 요소3을 투입하여 15~25N의 체결 압력 및 서로 상이한 3가지 형상의 지그를 적용하여 샘플을 제조하였다(실시예1~6).

도 6을 참조하면, 상기 샘플의 제조를 위한 공정이 나타나 있다. 상기 샘플의 제조를 위한 SPR 공정은, 셀 단자(40)를 대신하는 제1 알루미늄 플레이트와 제1 집전판(50)을 대신하는 제2 알루미늄 플레이트를 이용하여 수행되었다. 상기 제1 알루미늄 플레이트와 제2 알루미늄 플레이트를 겹쳐놓은 상태에서 제1 알루미늄 플레이트의 하부를 지그(D)로 지지하고 제2 알루미늄 플레이트의 상부로부터 단자 체결 부재(60)를 대신하는 보론강 소재의 압입 부재를 이용하여 압입을 수행하였다. 상기 압입 부재를 이용한 압입은, 블랭크 홀더(B) 내에 압입 부재를 투입하고 압입 부재의 상부로부터 펀치(P)를 이용하여 압입 부재를 하방으로 누르는 방식으로 수행되었다.

(실시예 1):

실시예 1~3의 경우, SPR 체결 테스트를 위해, 3mm 두께의 알루미늄 플레이트(셀 단자(40)에 대응되는 요소1) 및 0.2mm 두께의 알루미늄 플레이트(제1 집전판(50)에 대응되는 요소2), 그리고 보론강으로 제작된 리벳(단자 체결 부재(60)에 대응되는 요소3)을 준비하였다. 상기 요소2를 상부에 놓고 요소1을 하부에 위치시킨 뒤, SPR 설비 내에 요소3을 투입하여 15~25N의 체결 압력 및 서로 상이한 3가지 형상의 지그를 적용하여 샘플을 제조하였다.

(비교예 1~4)

비교예 1~3의 경우, 요소3으로서 NiCu 코팅 보론강을 적용한 것 외에는 실시예1~3과 각각 동일한 조건을 적용하였다.

비교예 4의 경우, 앞서 설명한 바와 같이 요소1과 요소2의 결합을 위해 SPR 방식의 적용 대신 레이저 용접 방식을 적용하였다.

(저항 테스트):

각각의 실험예에 있어서, 셀 단자(40)에 대응되는 알루미늄 플레이트(요소1)의 표면과 제1 집전판(50)에 대응되는 알루미늄 플레이트(요소2)의 표면 사이의 저항을 측정하였다. 저항의 측정은 Hioki의 미세저항 측정기를 이용하여 수행하였다. 저항의 측정 결과, 실시예 1의 경우 0.125±0.008mΩ 이 측정되었고, 실시예 2의 경우 0.134±0.025mΩ 이 측정되었으며, 실시예 3의 경우 0.221±0.047mΩ 이 측정되었다.

한편, 비교예 1의 경우 0.159±0.018mΩ 이 측정되었고, 비교예 2의 경우 0.134±0.008mΩ 이 측정되었으며, 비교예 3의 경우 0.203±0.038mΩ 이 측정되었다. 또한, 비교예 4의 경우 앞서 언급한 바와 같이 대략 0.2 mΩ 수준의 저항이 측정되었다.

이러한 실험 결과를 참조하면, 셀 단자(40)와 제1 집전판(50)의 결합에 있어서 레이저 용접을 적용하는 경우와 비교하여 본 발명의 기계적 체결 방식을 적용한 경우가 더 작은 저항 값을 나타내거나 또는 유사한 수준의 저항 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 따라서, 용접 시에 발생될 수 있는 금속 이물로 인한 문제점을 감안할 때 본 발명의 기계적 체결 방식을 채용하는 것이 더 유리할 수 있음을 알 수 있다(실시예1~3과 비교예4의 비교). 한편, 보론강 재질이 적용된 단자 체결 부재(60)를 적용한 실시예1~3과 비교하여 보론강 재질의 단자 체결 부재(60)의 표면에 NiCu 코팅층이 형성된 단자 체결 부재(60)를 적용한 비교예 1~3의 경우 상대적으로 저항 값이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 단자 체결 부재(60)의 재질의 측면에서는 보론강 재질을 적용하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 인슐레이터(70)는, 전극 조립체(10)의 상부에 결합된 제1 집전판(50)과 전지 캔(20)의 폐쇄부의 내측 면 사이에 구비된다. 상기 인슐레이터(70)는, 제1 집전판(50)과 전지 캔(20) 사이의 접촉을 방지한다. 상기 인슐레이터(70)는, 그 밖에도 전극 조립체(10)의 외주면의 상단과 전지 캔(20)의 측벽 사이에도 개재될 수 있다. 즉, 상기 인슐레이터(70)는, 제1 전극 탭(11)과 전지 캔(20)의 측벽의 내측면 사이에도 개재될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(1)이 인슐레이터(70)를 구비하는 경우, 셀 단자(40)의 단자 삽입부(42)는 인슐레이터(70)에 형성된 홀을 통해 제1 집전판(50)의 단자 결합부(53)와 결합된다. 상기 인슐레이터(70)에 형성된 홀은 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(C)과 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 또한, 상기 인슐레이터(70)에 형성된 홀은, 제1 집전판(50)의 단자 결합부(53)와 대응되는 위치에 형성될 수 있다.

상기 인슐레이터(70)는, 전지 캔(20)의 폐쇄부의 내부면과 제1 집전판(50) 사이의 공간을 높이 방향을 따라 채워 전극 조립체(10)가 상하로 유동될 수 있는 공간이 발생하지 않도록, 전지 캔(20)의 폐쇄부의 내부면과 제1 집전판(50) 사이의 거리와 대응되는 두께를 가질 수 있다. 다른 측면에서, 상기 인슐레이터(70)의 상부면은 전지 캔(20)의 폐쇄부의 내부면에 접촉하고, 인슐레이터(70)의 하부면은 제1 집전판(50)의 상부면에 접촉할 수 있다.

도 8을 참조하면, 상기 제2 집전판(80)은, 전극 조립체(10)의 하부에 배치된다. 또한, 상기 제2 집전판(80)은, 전극 조립체(10)의 제2 전극 탭(12)과 전지 캔(20)을 전기적으로 연결시키도록 구성될 수 있다. 상기 제2 집전판(80)은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제2 전극 탭(12)과 연결된다. 또한, 상기 제2 집전판(80)은, 전지 캔(20)과 전기적으로 연결된다. 상기 제2 집전판(80)은, 전지 캔(20)의 내측 면과 실링 가스켓(G2) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 상기 제2 집전판(80)은, 예를 들어 전지 캔(20)에 구비된 비딩부(21)의 하면과 실링 가스켓(G2) 사이에 개재될 수 있다.

상기 제2 집전판(80)은 제2 전극 탭(12)의 단부에 결합된다. 상기 제2 전극 탭(12)과 제2 집전판(80) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제2 집전판(80) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식을 이루어질 수도 있고, 제2 집전판(80)과 제2 전극 탭(12) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는 제2 집전판(80)과 제2 전극 탭(12)과 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다.

상기 제2 집전판(80)은, 제2 전극 탭(12)의 단부가 제2 집전판(80)과 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 수 있다. 상기 제2 전극 탭(12)의 절곡은, 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 이루어질 수 있다. 상기 제2 전극 탭(12)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 코어를 향하는 방향일 수 있다. 상기 제2 전극 탭(12)이 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 제2 전극 탭(12)이 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 제2 전극 탭(12)이 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 제2 전극 탭(12)과 제2 집전판(80) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다. 한편, 상기 제2 전극 탭(12)의 단부가 절곡된 형상을 갖고 제2 집전판(80)이 제2 전극 탭(12)의 절곡에 의해 형성되는 결합 면 상에 결합되는 경우에 있어서, 제2 집전판(80)과 제2 전극 탭(12)의 결합은 적층 수 균일 영역 내에서 이루어지는 것이 유리함은 앞서 설명한 바와 같다.

상기 제2 집전판(80)은, 전극 조립체(10)의 코어부에 형성되는 권취 중심 홀(C)과 대응되는 위치에 형성되는 집전판 홀(80a)을 구비할 수 있다. 서로 연통되는 상기 전극 조립체(10)의 권취 중심 홀(C)과 집전판 홀(80a)은, 셀 단자(40)와 제1 집전판(50)의 단자 결합부(53) 간의 결합을 위한 단자 체결 부재(60)의 삽입 및 단자 체결 부재(60)를 제1 집전판(50)과 셀 단자(40)에 압입시키기 위한 도구를 삽입하는 통로로서 기능할 수 있다. 이러한 기능을 고려하여, 상기 집전판 홀(80a)은, 전극 조립체(10)의 권취 중심부에 형성된 홀과 실질적으로 동일하거나 이보다 더 큰 직경을 가질 수 있다. 상기 집전판 홀(80a)은, 전해액의 주입을 위한 통로로서 활용될 수도 있다.

상기 캔 결합부(83)은 전지 캔(20)과 복수의 지점에서 전기적으로 결합될 수 있다. 이 경우, 제2 집전판(80)과 전지 캔(20)의 결합 면적을 극대화할 수 있으며, 또한 전류 패스(path)를 다중화 할 수 있고, 이로써 제2 집전판(80)과 전지 캔(20)이 결합 부위에서의 전기 저항을 최소화할 수 있다. 상기 캔 결합부(83)는, 예를 들어 비딩부(21)의 하면 상에 결합될 수 있다.

좀 더 구체적으로, 상기 캔 결합부(83)는, 전지 캔(20)에 형성된 비딩부(21)의 하면에 형성된 평탄부에 전기적으로 결합될 수 있으며, 비딩부(21)의 하면과 실링 가스켓(G2) 사이에 개재될 수 있다. 이 경우, 안정적인 접촉 및 결합을 위해 캔 결합부(83)는 비딩부(21) 상에서 전지 캔(20)의 원주 방향을 따라 소정의 길이로 연장된 형태를 가질 수 있다.

한편, 상기 제2 집전판(80)의 중심부에서 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 제2 탭 결합부(82)의 단부에 이르는 최대 거리에 2를 곱한 길이는, 비딩부(21)가 형성된 영역에서의 전지 캔(20)의 내경, 즉 전지 캔(20)의 최소 내경과 실질적으로 동일하거나 이보다 더 작게 형성됨이 바람직하다. 이는, 전지 캔(20)을 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 압축시키는 사이징 공정 진행 시에 비딩부(21)에 의해 제2 집전판(80) 간의 간섭이 발생하는 것을 방지하고 이에 따라 제2 집전판(80)에 의해 전극 조립체(10)가 눌리는 현상을 방지하기 위함이다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리 셀(1)은, 앞서 설명한 바와 같이, 캡 플레이트(30)가 반드시 극성을 갖지 않아도 무방한 구조이다. 상기 캡 플레이트(30)가 극성을 갖지 않는 경우, 제2 집전판(80)이 전지 캔(20)의 측벽에 연결되어 있어서 전지 캔(20)의 폐쇄부의 외부면(20a)이 셀 단자(40)와는 반대의 극성을 갖는다. 따라서, 복수의 원통형 배터리 셀(1)들을 직렬 및/또는 병렬 연결하고자 할 때, 전지 캔(20)의 폐쇄부의 외부면(20a)과 셀 단자(40)를 이용하여 원통형 배터리 셀(1)의 상부에서 버스바 연결 등의 배선 작업을 수행할 수 있다. 이를 통해, 동일 공간에 탑재할 수 있는 원통형 배터리 셀(1)들의 수를 증가시켜 에너지 밀도를 향상시킬 수 있고, 전기적 배선 작업을 용이하게 진행할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 원통형 배터리 셀(1)에 있어서, 전지 캔(20)의 외측으로 노출된 셀 단자(40)는 제1 전극 단자로서 기능할 수 있으며, 전지 캔(20)의 페쇄부의 외부면(20a) 중 제1 전극 단자의 상면과 대략 평행한 노출면이 차지하는 영역은 제2 전극 단자로서 기능할 수 있다. 따라서, 복수의 원통형 배터리 셀(1)들을 전기적으로 연결하고자 하는 경우, 전지 캔(20)의 외측으로 노출된 셀 단자(40)의 상면에는 제1 버스바가 결합될 수 있고, 전지 캔(20)의 폐쇄부의 외부면(20a) 중 제1 전극 단자의 상면과 대략 평행한 노출면이 차지하는 영역에는 제2 버스바가 결합될 수 있다.

도 10을 참조하면, 복수의 원통형 배터리 셀(1)들은 버스바(150)를 이용하여 원통형 배터리 셀(1)의 상부에서 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다. 원통형 배터리 셀(1)들의 수는 배터리 팩의 용량을 고려하여 증감될 수 있다.

각 원통형 배터리 셀(1)에 있어서, 셀 단자(40)는 양의 극성을 가지고 전지 캔(20)의 폐쇄부의 외부면(20a)은 음의 극성을 가질 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.

바람직하게, 복수의 원통형 배터리 셀(1)들은 복수의 열과 행으로 배치될 수 있다. 열은 도 10을 기준으로 상하 방향이고, 행은 도 10을 기준으로 좌우 방향이다. 또한, 공간 효율성을 최대화하기 위해, 원통형 배터리 셀(1)들은 최밀 팩킹 구조(closest packing structure)로 배치될 수 있다. 최밀 팩킹 구조는, 전지 캔(20)의 외부로 노출된 셀 단자(40)의 단자 노출부(41)들의 중심을 서로 연결하는 경우에 있어서 정삼각형이 만들어질 때 형성된다. 바람직하게, 버스바(150)는 복수의 원통형 배터리 셀(1)의 상부, 보다 바람직하게는 인접하는 열들 사이에 배치될 수 있다. 대안적으로, 버스바(150)는 인접하는 행 사이에 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 버스바(150)는, 동일 열에 배치된 셀(1)들을 서로 병렬로 연결시키고, 인접하는 2개의 열에 배치된 원통형 배터리 셀(1)들을 서로 직렬로 연결시킬 수 있다.

상기 버스바(150)는, 직렬 및 병렬 연결을 위해 바디부(151), 복수의 제1 버스바 단자(152) 및 복수의 제2 버스바 단자(153)를 포함할 수 있다.

상기 바디부(151)는, 인접하는 원통형 배터리 셀(1)들의 셀 단자(40)들 사이에서, 바람직하게는 원통형 배터리 셀(1)들의 열들 사이에서 연장될 수 있다. 대안적으로, 상기 바디부(151)는, 원통형 배터리 셀(1)들의 열을 따라 연장되되, 지그재그 형상과 같이 규칙적으로 절곡될 수 있다.

복수의 제1 버스바 단자(152)는, 바디부(151)의 일측으로부터 각 원통형 배터리 셀(1)의 셀 단자(40)를 향해 돌출 연장되고, 셀 단자(40)에 전기적으로 결합될 수 있다. 제1 버스바 단자(152)와 셀 단자(40) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 복수의 제2 버스바 단자(153)는 바디부(151)의 타측으로부터 각 원통형 배터리 셀(1)의 외부면(20a)에 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 제2 버스바 단자(153)와 외부면(20a) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 바디부(151), 복수의 제1 버스바 단자(152) 및 복수의 제2 버스바 단자(153)는 하나의 도전성 금속판으로 이루어질 수 있다. 금속판은, 예를 들어 알루미늄 판 또는 구리 판일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 변형 예에서, 상기 바디부(151), 복수의 제1 버스바 단자(152) 및 제2 버스바 단자(153)는 별개의 피스 단위로 제작한 후 서로 용접 등을 통해 결합될 수도 있다.

본 발명에 따른 원통형 배터리 셀(1)은, 양의 극성을 가진 셀 단자(40)와 음의 극성을 가진 전지 캔(20)의 폐쇄부의 외부면(20a)이 동일한 방향에 위치하고 있으므로 버스바(150)를 이용하여 원통형 배터리 셀(1)들의 전기적 연결을 용이하게 구현할 수 있다.

또한, 원통형 배터리 셀(1)의 셀 단자(40)와 전지 캔(20)의 폐쇄부의 외부면(20a)은 면적이 넓으므로 버스바(150)의 결합 면적을 충분히 확보하여 원통형 배터리 셀(1)을 포함하는 배터리 팩의 저항을 충분히 낮출 수 있다.

바람직하게, 원통형 배터리 셀은, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리 셀의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 배터리 셀일 수 있다.

여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리 셀의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀은, 예를 들어 46110 셀, 48750 셀, 48110 셀, 48800 셀, 46800 셀일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 그 다음 숫자 2개는 셀의 높이를 나타내고, 마지막 숫자 0은 셀의 단면이 원형임을 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.418인 원통형 배터리 셀일 수 있다.

다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.640인 원통형 배터리 셀일 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.418인 원통형 배터리 셀일 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.600인 원통형 배터리 셀일 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.575인 원통형 배터리 셀일 수 있다.

종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리 셀들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 18650 셀, 21700 셀 등이 이용되었다. 18650셀의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.277이다. 21700 셀의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.300이다.

본 발명의 원통형 배터리 셀(1)은, 상술한 바와 같이, 부품 간의 접촉 면적 확대, 전류 패스(path)의 다중화, 전류 패스 길이의 최소화 등을 통해 저항이 최소화된 구조를 갖는다. 제품의 완성 후 양극과 음극 사이, 즉 셀 단자(40)의 상면과 전지 캔(20)의 폐쇄부의 외부면(20a) 사이에서의 저항 측정기를 통해 측정되는 원통형 배터리 셀(1)의 AC 저항은 대략 4밀리옴(mohm) 이하일 수 있다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 원통형 배터리 셀(1)이 전기적으로 연결된 이차전지 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(2)을 포함한다. 본 발명의 도 11에서는, 도면 도시의 편의상 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 전력 단자 등의 부품은 생략되었다. 상기 배터리 팩(3)의 제조를 위한 복수의 배터리 셀(1)들의 전기적 연결 구조에 대해서는 앞서 도 10을 참조하여 예시적으로 설명한 바 있다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는, 예를 들어 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 포함한다. 상기 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)으로부터 전력을 공급받아 동작한다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

[부호의 설명]

5: 자동차

3: 배터리 팩

2: 팩 하우징

1: 원통형 배터리 셀

150: 버스바

151: 바디부

152: 제1 버스바 단자

153: 제2 버스바 단자

10: 전극 조립체

C: 권취 중심 홀(코어 홀)

11: 제1 전극 탭(제1 무지부)

11a: 분절편

12: 제2 전극 탭(제2 무지부)

20: 전지 캔

20a: 폐쇄부의 외부면(제2 전극 단자)

21: 비딩부

22: 클림핑부

30: 캡 플레이트

31: 벤팅부

40: 셀 단자(제1 전극 단자)

41: 단자 노출부

42: 단자 삽입부

42a: 전기적 연결부

42b: 플랜지부

G1: 절연 가스켓

G1A: 가스켓 노출부

G1B: 가스켓 삽입부

50: 제1 집전판

51: 테두리부

52: 제1 탭 결합부

53: 단자 결합부

54: 브릿지부

N: 전류 차단부

60: 단자 체결 부재

61: 베이스부

62: 체결부

70: 인슐레이터

80: 제2 집전판

80a: 집전판 홀

82: 제2 탭 결합부

83: 캔 결합부

H: 주액 홀

W: 용접 패턴

G2: 실링 가스켓

Claims (15)

1. 제1 극성을 갖는 제1 전극 탭 및 제2 극성을 갖는 제2 전극 탭을 구비하는 전극 조립체;

   하단에 형성된 개방부 및 상단에 형성된 폐쇄부를 구비하며, 상기 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하며 상기 제2 전극 탭과 전기적으로 연결되는 전지 캔;

   상기 제1 전극 탭과 전기적으로 연결되며, 상기 전지 캔의 폐쇄부를 통해 상기 전지 캔의 외부로 노출되고, 상기 전지 캔과 전기적으로 절연되는 셀 단자;

   제1 면 및 상기 제1 면의 반대측 면인 제2 면을 구비하며, 상기 제1 면은 상기 제1 전극 탭과 결합되고 상기 제2 면은 상기 셀 단자와 결합되는 제1 집전판; 및

   상기 셀 단자와 상기 제1 집전판을 기계적으로 체결시키는 단자 체결 부재;

   를 포함하는 원통형 배터리 셀.
2. 제1항에 있어서,

   상기 단자 체결 부재는,

   상기 제1 집전판 및 셀 단자의 내측으로 압입되어 상기 셀 단자와 상기 제1 집전판을 체결시키는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
3. 제1항에 있어서,

   상기 단자 체결 부재는,

   베이스부; 및

   상기 베이스부로부터 상기 제1 집전판을 향해 연장되어 상기 제1 집전판의 표면으로부터 상기 제1 집전판 및 셀 단자의 내측으로 압입되는 체결부;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
4. 제1항에 있어서,

   상기 셀 단자 및 상기 제1 집전판은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
5. 제4항에 있어서,

   상기 단자 체결 부재는,

   붕소를 0.001wt% 내지 0.008wt% 함유하는 보론강을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
6. 제3항에 있어서,

   상기 체결부의 외측 및 상기 체결부의 내측에서 상기 제1 집전판의 적어도 일부가 상기 체결부의 압입에 따라 상기 셀 단자의 내측으로 내입되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
7. 제1항에 있어서,

   상기 단자 체결 부재의 최대 직경 또는 최대 폭은,

   상기 전극 조립체의 권취 중심 홀의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
8. 제1항에 있어서,

   상기 원통형 배터리 셀은,

   상기 전지 캔의 상기 개방부를 밀폐하는 캡 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
9. 제8항에 있어서,

   상기 캡 플레이트는,

   상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되지 않으며, 이로써 극성을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
10. 제1항에 있어서,

    상기 원통형 배터리 셀은, 상기 제2 전극 탭과 상기 전지 캔 사이를 전기적으로 연결하는 제2 집전판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
11. 제10항에 있어서,

    상기 제2 집전판은,

    상기 제2 전극 탭과 결합되는 탭 결합부; 및

    상기 전지 캔과 전기적으로 결합되는 캔 결합부;

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
12. 제11항에 있어서,

    상기 캔 결합부는,

    상기 전지 캔의 측벽의 내측면 상에 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
13. 제12항에 있어서,

    상기 전지 캔은,

    상기 개방부 측에서 상기 전지 캔의 외주면 둘레를 압입하여 형성되는 비딩부를 구비하고,

    상기 캔 결합부는,

    상기 비딩부의 하면 상에 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 셀.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 원통형 배터리 셀을 복수개 포함하는 배터리 팩.
15. 제14항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.

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