WO2024019568A1 - 전극 조립체, 배터리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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

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WO2024019568A1
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박종식
임재원
김상열
김학균
이재은
이제준
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly, a battery, and a battery pack and automobile including the same.
  • Secondary batteries which are easy to apply depending on the product group and have electrical characteristics such as high energy density, are used not only in portable devices but also in electric vehicles (EV, Electric Vehicle) or hybrid vehicles (HEV, Hybrid Electric Vehicle) that are driven by an electrical drive source. It is universally applied.
  • EV Electric Vehicle
  • HEV Hybrid Electric Vehicle
  • Types of secondary batteries currently widely used include lithium ion batteries, lithium polymer batteries, nickel cadmium batteries, nickel hydrogen batteries, and nickel zinc batteries.
  • the operating voltage of this unit secondary battery that is, the unit battery, is approximately 2.5V to 4.5V. Therefore, when a higher output voltage is required, a battery pack is formed by connecting a plurality of batteries in series. Additionally, a battery pack may be constructed by connecting multiple batteries in parallel depending on the charge/discharge capacity required for the battery pack. Accordingly, the number of batteries included in the battery pack and the type of electrical connection can be set in various ways depending on the required output voltage and/or charge/discharge capacity.
  • cylindrical, prismatic, and pouch-type batteries are known as types of unit secondary batteries.
  • an insulating separator is interposed between the anode and the cathode and wound to form a jelly roll-shaped electrode assembly, which is then inserted into the battery housing to form a battery.
  • the battery housing is called a battery can in the art.
  • a strip-shaped electrode tab may be connected to the uncoated portion of each of the anode and the cathode, and the electrode tab electrically connects the electrode assembly and the electrode terminal exposed to the outside.
  • the positive electrode terminal is a cap of a sealant that seals the opening of the battery housing
  • the negative electrode terminal is the battery housing.
  • the current is concentrated on the strip-shaped electrode tab connected to the positive electrode uncoated area and/or the negative electrode uncoated area, so the resistance is large, a lot of heat is generated, and the current collection efficiency is poor. There was a problem.
  • a cylindrical battery is designed so that the anode uncoated area and the negative electrode uncoated area are located at the top and bottom of the jelly roll type electrode assembly, respectively, and a current collector is welded to these uncoated areas to improve current collection efficiency. (So-called tab-less cylindrical battery) was presented.
  • FIGS. 1 to 3 are diagrams showing the manufacturing process of a tab-less cylindrical battery.
  • Figure 1 shows the structure of the electrode
  • Figure 2 shows the winding process of the electrode
  • Figure 3 shows the process of welding the current collector to the bent surface area of the uncoated area.
  • the positive electrode 10 and the negative electrode 11 have a structure in which the active material 21 is coated on a sheet-shaped current collector 20, and are located on one long side along the winding direction (X). Includes the uncoated area (22).
  • the long side refers to a side that is parallel to the x-axis direction and is relatively long in length.
  • the electrode assembly (A) is manufactured by sequentially stacking the anode 10 and the cathode 11 together with two separators 12 as shown in FIG. 2 and then winding them in one direction (X). At this time, the uncoated portions of the anode 10 and the cathode 11 are arranged in opposite directions.
  • the uncoated portion 10a of the positive electrode 10 and the uncoated portion 11a of the negative electrode 11 are bent toward the core. After that, the current collectors 30 and 31 are welded and joined to the uncoated portions 10a and 11a, respectively.
  • No separate electrode tabs are coupled to the positive electrode uncoated area 10a and the negative electrode uncoated area 11a, and the current collectors 30 and 31 are connected to external electrode terminals, and the current pass through the winding of the electrode assembly A. Since it is formed with a large cross-sectional area along the axial direction (see arrow), it has the advantage of lowering the resistance of the battery. This is because resistance is inversely proportional to the cross-sectional area of the path through which the current flows.
  • the shapes of the uncoated areas 10a and 11a may become irregularly distorted and deformed.
  • the deformed portion may contact an electrode of opposite polarity, causing an internal short circuit or causing fine cracks in the uncoated portions 10a and 11a.
  • the uncoated portion 32 adjacent to the core of the electrode assembly (A) is bent to completely or substantially block the cavity 33 in the core of the electrode assembly (A).
  • a phenomenon may occur in which the core shape of the electrode assembly (A) fails to maintain its original shape and collapses. In this case, problems arise during the electrolyte injection process.
  • the cavity 33 in the core of the electrode assembly (A) is used as a passage through which the electrolyte solution is injected.
  • the passage is blocked, it is difficult to inject electrolyte.
  • interference with the uncoated portion 32 near the core may cause the uncoated portion 32 to be torn.
  • bent portions of the uncoated portions 10a and 11a where the current collectors 30 and 31 are welded must overlap in multiple layers and there must not be any empty space (gap). Only then can sufficient welding strength be obtained and the problem of the laser penetrating into the electrode assembly (A) and melting the separator or active material even when using the latest technology such as laser welding can be prevented.
  • a positive electrode uncoated area 10a is formed entirely on the upper part of the electrode assembly A. Therefore, when the outer peripheral surface of the top of the battery housing is pressed in to form the beading portion, the top edge area 34 of the electrode assembly (A) is pressed by the battery housing. This pressure may cause partial deformation of the electrode assembly (A), and at this time, the separator 12 may tear and an internal short circuit may occur. If a short circuit occurs inside the battery, heat generation or explosion of the battery may occur.
  • the present invention was created under the background of the prior art as described above, and provides an electrode assembly with an improved structure of the uncoated region to relieve the stress applied to the uncoated region when bending the uncoated region exposed at both ends of the electrode assembly. There is a purpose to doing so.
  • Another technical object of the present invention is to provide an electrode assembly in which the electrolyte injection passage is not blocked even if the uncoated portion is bent.
  • Another technical object of the present invention is to provide an electrode assembly that includes a structure that can prevent the top edge of the electrode assembly from contacting the inner surface of the battery housing when the top of the battery housing is beaded.
  • Another technical task of the present invention is to sufficiently increase the number of segmented pieces in the area used as the welding target area by applying a segmented piece structure to the uncoated area of the electrode and optimizing the dimensions (width, height, and pitch) of the segmented pieces.
  • the aim is to provide an electrode assembly with improved physical properties of the welding area.
  • Another technical problem of the present invention is to form a plurality of segmented piece structures by repeatedly forming cutting grooves along the winding direction on the uncoated portion of the electrode, and to optimize the lower structure of the cutting grooves to improve the notching quality of the cutting grooves.
  • the purpose is to provide an assembly.
  • Another technical problem of the present invention is to form a plurality of segmented piece structures by repeatedly forming cutting grooves along the winding direction on the uncoated portion of the electrode, and the height of the uncoated portion below the cutting groove and the uncoated portion in the area adjacent to the core of the electrode assembly are
  • the goal is to provide an electrode assembly in which the core shape does not collapse by relatively adjusting the height of the parts.
  • Another technical problem of the present invention is to provide an electrode assembly with improved energy density and reduced resistance by applying a structure in which a current collector is welded to a large area on a bent surface area formed by bending segment pieces.
  • Another technical object of the present invention is to provide a battery including a terminal and a current collector with an improved design to enable electrical wiring to be performed at the top.
  • Another technical object of the present invention is to provide a battery including an electrode assembly with an improved structure, a battery pack including the same, and a vehicle including the battery pack.
  • the electrode assembly according to the present invention for achieving the above technical problem is an electrode assembly in which a core and an outer peripheral surface are defined by winding a first electrode and a second electrode and a separator interposed between them around a winding axis, wherein the first electrode is It includes a first active material portion coated with an active material layer along the winding direction and a first non-coated portion not coated with the active material layer and exposed to the outside of the separator, wherein the first non-coated portion is a first non-coated portion adjacent to the core of the electrode assembly.
  • the third portion comprising a plurality of portions along the winding axis direction along the winding direction. It includes a plurality of segment pieces spaced apart by a cutting groove, and the height of the first portion may be relatively lower than the height of the uncoated portion at the bottom of the cutting groove.
  • the height difference is a relative difference.
  • the reference point for height measurement may be selected arbitrarily.
  • the height measurement reference point may be an end of the active material layer.
  • An insulating coating layer may be provided at the boundary between the first uncoated region and the active material layer.
  • the height measurement reference point may be an end of the insulating coating layer.
  • the height of the first portion may be 0% to 95% of the height of the uncoated portion at the bottom of the cutting groove.
  • the height of the first portion may be 37.5% to 62.5% of the height of the uncoated portion at the bottom of the cutting groove.
  • the height of the second portion may be relatively lower than the height of the uncoated portion at the bottom of the cutting groove.
  • the height of the second portion may be 0% to 95% of the height of the uncoated portion at the bottom of the cutting groove.
  • the height of the second portion may be 37.5% to 62.5% of the height of the uncoated portion at the bottom of the cutting groove.
  • the current collector of the first electrode may be thinner than the current collector of the second electrode.
  • the current collector of the first electrode may be a copper foil, and the current collector of the second electrode may be an aluminum foil.
  • the first electrode may be a cathode.
  • An electrode assembly including at least one of the above-described features;
  • a battery housing comprising an open end and a bottom opposite thereto, storing the electrode assembly in a space between the open end and the bottom, and having a first polarity by being electrically connected to one of the first electrode and the second electrode.
  • a sealing body sealing the open end of the battery housing; And it may include a terminal electrically connected to the other one of the first electrode and the second electrode and having a second polarity whose surface is exposed to the outside.
  • the sealing body includes a cap plate that seals the open end of the battery housing, a gasket surrounding an edge of the cap plate and crimped to the open end of the battery housing, and the terminal having the second polarity is the It may be a cap plate.
  • the battery may further include a current collector that is electrically connected to the uncoated portion of the first electrode having the first polarity and at least a portion of an edge is coupled to the sidewall of the battery housing.
  • the sealing body a cap plate, and a gasket that surrounds an edge of the cap plate and is clamped to an open end of the battery housing, wherein the battery housing is insulatingly installed in a through hole formed in the center of the bottom portion and is connected to the second electrode and the second electrode. It may include a rivet terminal that is electrically connected and has the second polarity.
  • the cap plate may not have polarity.
  • the technical problem according to the present invention can also be achieved by a battery pack including a plurality of the above-described batteries and a vehicle including the same.
  • the internal resistance of the battery can be reduced and the energy density can be increased by using the uncoated portion itself protruding from the top and bottom of the electrode assembly as an electrode tab.
  • the uncoated structure of the electrode assembly is improved to prevent interference between the electrode assembly and the inner peripheral surface of the battery housing during the formation of the beading portion of the battery housing, thereby causing short circuit inside the cylindrical battery due to partial deformation of the electrode assembly. can be prevented.
  • the structure of the uncoated portion of the electrode assembly is improved to prevent the uncoated portion from being torn when the uncoated portion is bent, and the number of overlapping layers of the uncoated portion can be sufficiently increased to improve the welding strength of the current collector. .
  • a segmented piece structure is applied to the uncoated portion of the electrode and the dimensions (width, height, pitch) of the segmented pieces are optimized to sufficiently increase the number of segmented pieces in the area used as the welding target area. This can improve the physical properties of the area where the current collector is welded.
  • the quality of the cutting grooves can be improved by optimizing the bottom structure of the cutting grooves.
  • Another technical problem of the present invention is to form a plurality of segmented piece structures by repeatedly forming cutting grooves along the winding direction on the uncoated portion of the electrode, and the height of the uncoated portion below the cutting groove and the uncoated portion in the area adjacent to the core of the electrode assembly are By relatively adjusting the height of the parts, the core shape can be prevented from collapsing.
  • an electrode assembly with improved energy density and reduced resistance is provided by applying a structure in which a current collector is welded over a large area to a bent surface area formed by bending segment pieces.
  • the structure of the uncoated portion adjacent to the core of the electrode assembly is improved to prevent the cavity in the core of the electrode assembly from being blocked when the uncoated portion is bent, thereby improving the electrolyte injection process and the battery housing (or terminal).
  • the welding process of the current collector can be easily performed.
  • a cylindrical battery having a structure with low internal resistance, preventing internal short circuit, and improving welding strength between the current collector and the uncoated area, a battery pack including the same, and a vehicle can be provided.
  • the present invention can provide a cylindrical battery with a diameter-to-height ratio of 0.4 or more and a resistance of 4 miliohm or less, a battery pack including the same, and a vehicle.
  • the present invention may have various other effects, and these will be described in each embodiment, or the description of effects that can be easily inferred by a person skilled in the art will be omitted.
  • 1 is a plan view showing the structure of an electrode used in the manufacture of a conventional tab-less cylindrical battery.
  • Figure 2 is a diagram showing the electrode winding process of a conventional tab-less cylindrical battery.
  • Figure 3 shows a process in which a current collector is welded to the bent surface area of the uncoated portion in a conventional tab-less cylindrical battery.
  • Figure 4 is a plan view showing the structure of an electrode according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5a is a diagram showing definitions of the width, height, and spacing pitch of a segment according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5b is a partially enlarged view showing the lower structure of the cutting groove according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5c is a partial plan view showing the structure of an electrode in which the height of the uncoated area near the core of the electrode assembly is adjusted to be smaller than the height of the uncoated area at the bottom of the cutting groove according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5d is a partial plan view showing the structure of an electrode in which the height of the uncoated area near the outer periphery of the electrode assembly is adjusted to be smaller than the height of the uncoated area at the bottom of the cutting groove according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5e is a photograph showing the collapse of the core shape of the electrode assembly when the height of the uncoated area near the core of the electrode assembly was designed to be substantially the same as the height of the uncoated area at the bottom of the cutting groove according to a comparative example of the present invention.
  • Figure 5f is a photograph showing the shape of the core of the electrode assembly being normally maintained when the height of the uncoated area near the core of the electrode assembly was designed to be smaller than the height of the uncoated area at the bottom of the cutting groove according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a diagram illustrating the arc formed by the lower end of the segment where the width of the segment is defined when the electrode is wound according to an embodiment of the present invention, with respect to the center of the core of the electrode assembly.
  • Figure 6b shows the height h 1 , h 2 , h 3 , h 4 , core radius (r c ), and radius r 1 , r 2 , r 3 of the winding turn at which the segment begins to appear, according to an embodiment of the present invention.
  • This is a diagram schematically showing the relationship between r 4 .
  • Figure 6c is a conceptual diagram for determining the maximum value (h max ) for the height (H) of a segment in a section where the height of the segment is variable.
  • Figure 6d is a schematic diagram for explaining the formula for determining the lower internal angle ( ⁇ ) of the segmental piece.
  • Figure 7a is a plan view showing an electrode structure according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7B is a top plan view showing independent areas where a plurality of segmented pieces can be located when the electrode shown in FIG. 7A is wound into an electrode assembly.
  • Figure 8a is a plan view showing the structure of an electrode according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 8b is a diagram showing definitions of the width, height, and spacing pitch of a segmental piece according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 8c is a partially enlarged view showing the lower structure of the cutting groove according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 8d is a partial plan view showing the structure of an electrode in which the height of the uncoated area near the core of the electrode assembly is adjusted to be smaller than the height of the uncoated area at the bottom of the cutting groove according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 8e is a partial plan view showing the structure of an electrode in which the height of the uncoated area near the outer periphery of the electrode assembly is adjusted to be smaller than the height of the uncoated area at the bottom of the cutting groove according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 8f is a plan view showing an electrode structure according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing the segment structure according to various modifications of the present invention.
  • Figure 10a is a schematic diagram showing a cross section of a bent surface area formed when a segmented piece is bent toward the core of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 10b is a top perspective view schematically showing an electrode assembly in which a bent surface area is formed according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11A is a graph showing the results of counting the number of stacked segments along the radial direction in the bent surface area of the anode formed on the upper part of the electrode assemblies according to Examples 1-1 to 1-7 and Comparative Examples.
  • 11B shows the top of the electrode assemblies for Examples 2-1 to 2-5, Examples 3-1 to 3-4, Examples 4-1 to 4-3, and Examples 5-1 to 5-2. These are graphs showing the results of counting the number of stacked segments measured along the radial direction in the bent surface area of the anode formed in .
  • Figure 11c shows the results of counting the number of stacked segments measured along the radial direction in the bent surface area of the anode formed on the top of the electrode assembly for Examples 6-1 to 6-6 and Examples 7-1 to 7-6. These are graphs showing .
  • Figure 12 is a top plan view of an electrode assembly showing a section where the number of layers is uniform (b1) and a section where the number of layers is reduced (b2) in the bent surface area of the segmented piece according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a cross-sectional view taken along the Y-axis direction (winding axis direction) of the jelly roll-type electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 14 is a cross-sectional view taken along the Y-axis direction (winding axis direction) of a jelly roll-type electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 15 is a cross-sectional view taken along the Y-axis direction (winding axis direction) of a jelly roll-type electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 16 is a cross-sectional view taken along the Y-axis direction (winding axis direction) of a jelly roll-type electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 17 is a cross-sectional view of a cylindrical battery according to an embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction.
  • Figure 18 is a cross-sectional view of a cylindrical battery according to another embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction.
  • Figure 19 is a cross-sectional view of a cylindrical battery according to another embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction.
  • Figure 20 is a cross-sectional view of a cylindrical battery according to another embodiment of the present invention cut along the Y axis.
  • Figure 21 is a top plan view showing the structure of the first current collector plate according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 22 is a perspective view showing the structure of a second current collector according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 23 is a top plan view showing a state in which a plurality of cylindrical batteries are electrically connected.
  • Figure 24 is a partial enlarged view of Figure 23.
  • Figure 25 is a diagram schematically showing the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 26 is a diagram schematically showing a vehicle including a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • substantially identical may include a deviation that is considered low in the art, for example, a deviation of less than 5%. Additionally, uniformity of a parameter in a region may mean that it is uniform from an average perspective in the region.
  • first, second, etc. are used to describe various components, these components are of course not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another component, and unless specifically stated to the contrary, the first component may also be a second component.
  • top (or bottom) of a component or the arrangement of any component on the “top (or bottom)” of a component means that any component is disposed in contact with the top (or bottom) of the component. , may mean that other components may be interposed between the component and any component disposed on (or under) the component.
  • each component when a component is described as being “connected,” “coupled,” or “connected” to another component, the components may be directly connected or connected to each other, but the other component is “interposed” between each component. It should be understood that “or, each component may be “connected,” “combined,” or “connected” through other components.
  • the direction along the longitudinal direction of the winding axis of the electrode assembly wound in the form of a jelly roll is referred to as the axial direction (Y).
  • the direction surrounding the winding axis is referred to as the circumferential direction or circumferential direction (X).
  • the direction approaching or moving away from the winding axis is referred to as the radial direction.
  • the direction approaching the winding axis is called the centripetal direction
  • the direction moving away from the winding axis is called the centrifugal direction.
  • the electrode assembly may be a jelly roll type electrode assembly having a structure in which first and second electrodes having a sheet shape and a separator interposed between them are wound in one direction.
  • the present invention is not limited by the type of electrode assembly.
  • At least one of the first electrode and the second electrode includes an uncoated portion that is not coated with an active material at a long side end in the winding direction. At least a portion of the uncoated portion is itself used as an electrode tab.
  • the uncoated area includes a core-side uncoated area adjacent to the core of the electrode assembly, an outer uncoated area adjacent to the outer peripheral surface of the electrode assembly, and an intermediate uncoated area interposed between the core-side uncoated area and the outer uncoated area.
  • At least one of the core-side uncoated area and the outer peripheral-side uncoated area has a relatively lower height than the middle uncoated area.
  • Figure 4 is a plan view showing the structure of the electrode 60 according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode 60 of the embodiment includes a current collector 41 and an active material layer 42 made of metal foil.
  • the metal foil may be a conductive metal, such as aluminum or copper, and is appropriately selected depending on the polarity of the electrode 60.
  • the active material layer 42 is formed on at least one surface of the current collector 41.
  • the active material layer 42 is formed along the winding direction (X).
  • the electrode 60 includes an uncoated portion 43 at an end of the long side in the winding direction (X).
  • the uncoated region 43 is a portion of the current collector 41 that is not coated with an active material.
  • the area of the current collector 41 where the active material layer 42 is formed may be called an active material portion.
  • the width of the active material portion in the short side direction of the current collector 41 may be 50 mm to 120 mm, and the length of the active material portion in the long side direction of the current collector 41 may be 3 m to 5 m. Therefore, the ratio of the short side to the long side of the active material portion may be 1.0% to 4.0%.
  • the width of the active material portion in the short side direction of the current collector 41 may be 60 mm to 70 mm, and the length of the active material portion in the long side direction of the current collector 41 may be 3 m to 5 m. Therefore, the ratio of the short side to the long side of the active material portion may be 1.2% to 2.3%.
  • the ratio of the short side to the long side of the active material portion is significantly smaller than the 6% to 11% ratio of the short side to the long side of the active material portion of an electrode used in a cylindrical battery with a form factor of 1865 or 2170.
  • an insulating coating layer 44 may be formed at the boundary between the active material layer 42 and the uncoated region 43.
  • the insulating coating layer 44 is formed so that at least a portion overlaps the boundary between the active material layer 42 and the uncoated region 43.
  • the insulating coating layer 44 prevents short circuit between two electrodes of different polarities facing each other with a separator in between.
  • the insulating coating layer 44 may cover the boundary between the active material layer 42 and the uncoated region 43 with a width of 0.3 mm to 5 mm. The width of the insulating coating layer 44 may vary along the winding direction of the electrode 60.
  • the insulating coating layer 44 includes a polymer resin and may include an inorganic filler such as SiO 2 or Al 2 O 3 .
  • the portion of the current collector 41 covered by the insulating coating layer 44 is not an area coated with the active material layer and can therefore be regarded as an uncoated region.
  • the uncoated area 43 includes a core side uncoated area B1 adjacent to the core side of the electrode assembly, an outer uncoated area B3 adjacent to the outer peripheral side of the electrode assembly, and a core side uncoated area B1 and an outer uncoated area ( It includes an intermediate uncoated region (B2) interposed between B3).
  • the core-side uncoated area (B1), the outer peripheral-side uncoated area (B3), and the middle uncoated area (B2) are the uncoated area and the outer peripheral side of the area adjacent to the core side, respectively, when the electrode 60 is wound with a jelly roll-type electrode assembly. It can be defined as an uncoated area in the area adjacent to and an uncoated area in the remaining area excluding these areas.
  • the core side uncoated area B1, the outer peripheral side uncoated area B3, and the middle uncoated area B2 are referred to as the first part, the second part, and the third part, respectively.
  • the first portion B1 may be an uncoated portion of the electrode region including the innermost winding turn
  • the second portion B3 may be an uncoated portion of the electrode region including the outermost winding turn.
  • the winding turns can be counted based on the core side end of the electrode assembly.
  • the boundary of B1/B2 is a point at which the height (or change pattern) of the uncoated area substantially changes as it goes from the core side of the electrode assembly to the outer circumference side, or a point at a predetermined percentage based on the radius of the electrode assembly (e.g., 5 of the radius). %, 10%, 15% points, etc.).
  • the boundary of B2/B3 is a point where the height (or change pattern) of the uncoated area substantially changes as it goes from the outer peripheral side of the electrode assembly to the core side, or a point at a predetermined percentage based on the radius of the electrode assembly (e.g., 85%, 90% of the radius) , 95% point, etc.).
  • the third part (B2) can be automatically specified.
  • the boundary of B2/B3 can be appropriately selected at a point near the outer circumference of the electrode assembly.
  • the second portion may be defined as the uncoated portion of the electrode region constituting the outermost winding turn.
  • the boundary of B1/B2 can be appropriately selected at a point near the core side of the electrode assembly.
  • the first portion B1 may be defined as an uncoated portion of the electrode region constituting the innermost winding turn.
  • the height of the uncoated portion 43 is not constant and there is a relative difference in the winding direction (X). That is, the height (length in the Y-axis direction) of the second part (B3) may be greater than 0, but may be relatively smaller than that of the first part (B1) and/or the third part (B2). Here, the height of each part may be the average height or the maximum height, and the following will be the same. In the winding direction, the third part B2 is longer than the first part B1 and the second part B3.
  • the height of the first part (B1) and the second part (B3) of the electrode 60 is 0 or more, but is relatively smaller than the third part (B2). Additionally, the heights of the first part (B1) and the second part (B3) may be the same or different from each other.
  • the width d B1 of the first portion B1 is designed under the condition that the core of the electrode assembly is not obscured when the uncoated portion of the third portion B2 is bent toward the core.
  • the core refers to a cavity that exists in the center of the winding of the electrode assembly.
  • the width d B1 of the first portion B1 may increase in proportion to the bending length of the uncoated portion closest to the core.
  • the width d B1 of the first part B1 may be set so that the radial width of the winding turns formed by the first part B1 is equal to or greater than the bending length of the uncoated region closest to the core.
  • the width d B1 of the first part B1 is less than 0 by subtracting the radial width of the winding turns formed by the first part B1 from the bending length of the uncoated region closest to the core. It can be set to be small or less than 10% of the core radius.
  • the width d B1 of the first portion B1 is equal to the diameter of the electrode assembly core and the plain plate closest to the core.
  • it can be set to 180mm to 350mm.
  • At least a portion of the uncoated portion of the third portion (B2) may include a plurality of segment pieces 61.
  • the height of the plurality of segment pieces 61 may gradually increase from the core side to the outer circumference side.
  • the plurality of segment pieces 61 may remain the same in height going from the core side to the outer circumference side.
  • the plurality of segment pieces 61 have a geometric shape whose width decreases from the bottom to the top.
  • the geometric shape is a trapezoid.
  • the shape of the geometric figure can be modified in various ways, such as a square or a parallelogram.
  • the segment piece 61 may be notched with a laser.
  • the segment piece 61 can be formed by a known metal foil cutting process such as ultrasonic cutting or punching.
  • the bottom of the cutting groove (G in FIG. 5A) between the segment pieces 61 and the active material layer 42 ) It is desirable to leave a predetermined gap between them. This is because stress is concentrated near the bottom of the cutting groove 63 when the uncoated portion 43 is bent.
  • the gap may vary along the winding direction of the electrode 60.
  • the gap is preferably 0.2 mm to 4 mm, preferably 1.5 mm to 2.5 mm.
  • the gap When the gap is adjusted to the corresponding numerical range, the active material layer 42 and/or the insulating coating layer 44 near the bottom of the cutting groove 63 are prevented from being damaged by the stress generated during bending processing of the uncoated portion 43. can do. Additionally, the gap can prevent damage to the active material layer 42 and/or the insulating coating layer 44 due to tolerance when notching or cutting the segment piece 61.
  • the gap In one direction parallel to the winding direction, the gap may be substantially the same or may vary. In the latter case, the gap of the plurality of segment pieces may be varied individually, in groups, or in units of two or more groups along a direction parallel to the winding direction.
  • the bottom of the cutting groove 63 and the insulating coating layer 44 may be spaced apart from 0.5 mm to 2.0 mm.
  • the distance between the lower end of the cutting groove 63 and the insulating coating layer 44 may be substantially the same or may vary. In the latter case, the separation distance of the plurality of segment pieces may vary individually, in groups, or in units of two or more groups along one direction parallel to the winding direction.
  • the end of the insulating coating layer 44 in the winding axis (Y) direction may be located in a range of -2 mm to 2 mm along the winding axis direction based on the end of the separator.
  • the insulating coating layer 44 prevents a short circuit between two electrodes of different polarities facing each other with a separator in between and can support the bending point when the segment piece 61 is bent.
  • the insulating coating layer 44 may be exposed to the outside of the separator.
  • the width of the insulating coating layer 44 can be increased so that the end of the insulating coating layer 44 in the direction of the winding axis (Y) is located above the bottom of the cutting groove 63. there is.
  • the end of the insulating coating layer 44 in the winding axis direction may be located within a range of -2 mm to +2 mm based on the bottom of the cutting groove 63.
  • the thickness of the insulating coating layer 44 may be thinner than the active material layer. In this case, there may be a gap between the surface of the insulating coating layer 44 and the separator.
  • the plurality of segment pieces 61 may form a plurality of segment groups going from the core side to the outer circumference side. At least one of the width, height, and spacing pitch of the segments belonging to the same segment group may be substantially the same. Preferably, the width, height, and spacing pitch of the segments belonging to the same segment group may be the same.
  • the width and height of the segments belonging to the same segment group may be substantially the same.
  • the plurality of segment pieces may be grouped or in groups of two or more, with the spacing pitch increasing gradually or stepwise from the core side to the outer circumference side, or vice versa.
  • the plurality of segment pieces may be grouped or in groups of two or more, with the spacing pitch gradually or stepwise increasing from the core side to the outer periphery and then gradually or stepwise decreasing, or vice versa. You can.
  • the plurality of segmented pieces are such that the gap between the bottom of the cutting groove 63 and the insulating coating layer 44 or the active material layer 42 increases gradually or stepwise from the core side to the outer circumference side, or vice versa (vice versa). versa).
  • the plurality of segmented pieces have a gap between the bottom of the cutting groove 63 and the insulating coating layer 44 or the active material layer 42, which gradually or stepwise increases or gradually or stepwise increases as it goes from the core side to the outer circumference side. It can be reduced to or vice versa.
  • FIG. 5A shows definitions of the width (D), height (H), and separation pitch (P) of the trapezoidal segment piece 61
  • FIG. 5B is a partially enlarged view of the lower part of the cutting groove 63.
  • the width (D), height (H), and separation pitch (P) of the segment piece 61 are determined by the uncoated portion 43 near the bending point during bending processing of the uncoated portion 43.
  • the number of overlapping layers of the uncoated area 43 is sufficiently increased and the uncoated area 43 is designed to prevent abnormal deformation.
  • the bending of the segment piece 61 is performed at or above the line G passing through the lower end of the cutting groove 63.
  • the cutting groove 63 enables smooth and easy bending of the segment piece 61 in the radial direction of the electrode assembly.
  • the cutting groove 63 includes a side portion 63a and a round portion 63b of the segment piece 61.
  • the side portion 63a extends in a straight line.
  • the side portion 63a forms an acute angle with the winding direction.
  • the round portion 63b may have a radius of curvature. Both ends of the round portion 63b are smoothly connected to the side portion 63a.
  • the width (D) of the segmental piece (61) is the intersection of two straight lines extending from the side portion (63a) of the segmental piece (61) and a straight line (G) extending in the winding direction through the lower end of the round portion (63b). It is defined as the length between points.
  • the height H of the segmental piece 61 is defined as the shortest distance between the uppermost side of the segmental piece 61 and a straight line extending in the winding direction through the lower end of the round portion 63b.
  • the spacing pitch (P) of the segment piece 61 is from the straight line (L 1 ) connecting both ends of the round portion (63b) and the side portions (63a) on both sides of the cutting groove (63). It is defined as the length between two points where an extended straight line (L 2 ) meets. That is, the distance between the two points where the radius of curvature begins to change at the lower part of the side portion 63 on both sides of the cutting groove 63 corresponds to the separation pitch P.
  • the spacing pitch (P) of the segment pieces 61 may be 0.05 mm to 2.0 mm, and preferably 0.5 mm to 1.0 mm.
  • the round portion 63b may be substantially the same as a circle with a spacing pitch (P) as its diameter.
  • the round portion 63b can approximately estimate the shape of a circle with the spacing pitch (P) as its diameter.
  • the round portion 63b connects the sides of the segment pieces 61 located on both sides of the cutting groove 63, and the radius of curvature of the round portion 63b is divided from the side of one segment 61 to the other side. It may gradually increase and then gradually decrease towards the side of the segment 61.
  • the cutting groove 63 there is a round part 63b that is substantially the same as a circle with a spacing pitch (P) as a diameter, a round part 63b that approximately follows the circle, or the radius of curvature gradually increases. If the gradually decreasing round portion 63b is provided, the notching quality can be improved during the notching process of the segment piece 61.
  • the fact that the round part 63b approximately follows a circle means that the radius of curvature of the round part 63b gradually decreases within 20% of the radius of the circle with the separation pitch P as its diameter. This means smoothly connecting the lower ends of the side parts 63a on both sides of the cutting groove 63 while changing.
  • the width D of the segment 61 is 1 mm or more. If D is less than 1 mm, an area or empty space (gap) in which the segment pieces 61 do not overlap may occur to the extent that sufficient welding strength can be secured when the segment pieces 61 are bent toward the core.
  • the width D of the segmental piece 61 is such that the segmental piece 61 overlaps well in the radial direction when the segmental piece 61 is bent toward the core side of the electrode assembly.
  • the width (D) can be adaptively adjusted depending on the radius of the located winding turn.
  • FIG. 6A shows the lower end of the segment 61 (line segment D ab in FIG. 5A ), where the width D of the segment 61 is defined, when the electrode 60 is wound according to an embodiment of the present invention.
  • This is a drawing showing an arc (A 1 A 2 ) based on the core center (O) of the electrode assembly.
  • the circular arc (A 1 A 2 ) has a length corresponding to the width (D) of the segment piece 61 and has a circumferential angle ( ⁇ ) based on the core center of the electrode assembly.
  • the circumferential angle ( ⁇ ) can be defined as the angle between two line segments connecting both ends of the circular arc (A 1 A 2 ) and the core center (O) on a plane perpendicular to the winding axis passing through the circular arc (A 1 A 2 ). there is.
  • the circumferential angle ⁇ affects the bending quality of the segment piece 61.
  • a solid arrow indicates the direction of force applied to bend the segmented piece 61
  • a dotted arrow indicates the direction in which the segmented piece 61 is bent.
  • the bending direction is toward the core center (O).
  • the circumferential angle ( ⁇ ) of the segmental piece 61 is 45 degrees or less, preferably 30 degrees, depending on the radius (r) of the winding turn where the segmental piece 61 is located in order to improve the uniformity of bending and prevent cracks from occurring. It may be below.
  • the circumferential angle ⁇ of the segment piece 61 may gradually or stepwise increase or decrease along the radial direction of the electrode assembly within the above numerical range. In another aspect, the circumferential angle ⁇ of the segment piece 61 may gradually or stepwise increase or gradually or stepwise decrease along the radial direction of the electrode assembly within the above numerical range, and vice versa. (vice versa) is also possible. In another aspect, the circumferential angle ⁇ of the segment piece 61 may be substantially the same along the radial direction of the electrode assembly within the above numerical range.
  • the circumferential angles ⁇ of the segment pieces 61 included in the electrode 60 are substantially the same, and the width of the segment pieces 61 is the radius (r) of the turn at which the segment pieces 61 are located. ) can increase proportionally as it increases. Substantially identical means that they are completely identical or have a difference of less than 5%.
  • the circumferential angle ⁇ of the segment pieces 61 is 28.6.
  • the width D of the segment piece 61 may increase proportionally according to the radius r of the turn where the segment piece 61 is located, as shown in Table 1 below. That is, the width of the segment piece 61 may increase at substantially the same rate by 0.5 mm for each 1 mm increase in the radius r of the winding turn.
  • the width D(r) of the segment piece 61 located in a winding turn with a radius r based on the core center O of the electrode assembly can be determined in a range that satisfies the following equation 1.
  • each of the plurality of segment pieces 61 has a width D(r) in the winding direction gradually or It can be increased step by step or vice versa.
  • each of the plurality of segment pieces 61 has a width D in the winding direction in the range of 1 mm to 11 mm as the radius r of the winding turn at which the segment pieces 61 are located relative to the core center of the electrode assembly increases. (r) may increase gradually or stepwise or vice versa.
  • each of the plurality of segment pieces 61 gradually has a width D(r) in the winding direction as the radius r of the winding turn at which the segment piece 61 is located relative to the core center of the electrode assembly increases. It may increase gradually or stepwise and then decrease gradually or stepwise, or vice versa.
  • each of the plurality of segment pieces 61 has a width in the winding direction in the range of 1 mm to 11 mm as the radius r of the winding turn at which the segment piece 61 is located relative to the core center of the electrode assembly increases. D(r) may increase gradually or stepwise and then decrease gradually or stepwise, or vice versa.
  • the rate at which the width D(r) of the segmental piece 61 changes as the radius r of the winding turn where the segmental piece 61 is located increases may be the same or different.
  • the rate at which the width D(r) of the segmental piece 61 changes in the range of 1 mm to 11 mm may be the same or different.
  • the height H of the segment piece 61 may be 2 mm or more. If D2 is less than 2 mm, an area or empty space (gap) in which the segment pieces 61 do not overlap may occur to the extent that sufficient welding strength can be secured when the segment pieces 61 are bent toward the core.
  • the height H of the segmental piece 61 can be determined by applying the condition that the core is not shielded when the segmental piece 61 is bent toward the core.
  • the core can adjust the height (H) of the segment piece 61 so that more than 90% of the diameter can be opened to the outside.
  • the height H of the segmental piece 61 may increase from the core side to the outer periphery depending on the radius of the core and the radius of the turn where the segmental piece 61 is located.
  • the kth height h of the segmental piece 61 k (k is a natural number from 1 to N)
  • the starting radius of the winding turn containing the segmental piece 61 with a height h k is r k and the radius of the core is r c , divide so that the following equation 2 is satisfied:
  • the height h 1 to h N of the segment 61 can be determined.
  • Equation 2 If the height h k of the segmental piece 61 satisfies Equation 2, more than 90% of the diameter of the core can be opened to the outside even if the segmental piece 61 is bent toward the core.
  • the overall turn radius of the electrode 60 is 22 mm, and the height of the segment piece 61 starts from 3 mm, but for each 1 mm increase in the radius of the turn including the segment piece 61, the segment piece 61 increases in height.
  • the height of (61) increases sequentially to 3mm, 4mm, 5mm, and 6mm, and in the remaining turns, the height can be kept substantially the same at 6mm. That is, among the radii of the entire winding turn, the radial width of the height variable section of the segment piece 61 is 3 mm, and the remaining radial section corresponds to the height uniform section.
  • the starting radii r 1 , r 2 , r 3 , r 4 of the winding turn containing segment pieces 61 with heights of 3 mm, 4 mm, 5 mm and 6 mm depending on the radius (r c ) of the electrode assembly core are , when ⁇ is 1 and the equality condition is applied in the right-hand inequality, it can be as shown in Table 2 below.
  • r 1 , r 2 , r 3 , and r 4 shown in Table 2 may be shifted toward the core depending on the value of ⁇ .
  • ⁇ is 0.90
  • r 1 , r 2 , r 3 , r 4 may be shifted toward the core by 10% of the core radius. In this case, 10% of the core radius is shielded by the segmental piece 61 when the segmental piece 61 is bent toward the core.
  • r 1 , r 2 , r 3 , and r 4 shown in Table 2 are limit values of the position where the segment piece 61 starts. Accordingly, the position of the segment piece 61 can be shifted a certain distance toward the outer circumference from the radius shown in Table 2.
  • Figure 6b shows the heights h 1 , h 2 , h 3 , h 4 , and core radius of the segment piece 61 ( r c ), a diagram schematically showing the relationship between the radii r 1 , r 2 , r 3 , and r 4 of the winding turn where the segmental piece 61 begins to appear.
  • the starting radii r 1 , r 2 , r 3 , and r 4 of the winding turn containing the segment piece 61 having a height of ) may be 6 mm, 7 mm, 8 mm, and 9 mm, respectively, and from the radius of 9 mm to the last winding turn, The height of the fragment 61 can be maintained at 6 mm. Additionally, the segment piece 61 may not be included in a winding turn with a radius smaller than 6 mm (r 1 ).
  • the segmental piece 61 with a height of 3mm (h 1 ) closest to the core C is located from the winding turn with a radius of 6mm, so even if the segmental piece 61 is bent toward the core C, it is 3mm to 6mm. It covers only the radius section and does not substantially shield the core (C). According to the value of ⁇ in Equation 2, the position of the segment piece 61 may be shifted toward the core C within 10% of the core radius r c .
  • the height of the segment piece 61 may increase at the same or different rates as the starting radius r of the winding turn at which the segment piece 61 is located relative to the core center of the electrode assembly increases.
  • the height H of the segmental piece 61 satisfies Equation 2 and at the same time, the maximum height of the segmental piece 61 may be limited.
  • FIG. 6C is a conceptual diagram for determining the maximum value (h max ) for the height (H) of the segmental piece 61 in the height variable section of the segmental piece 61.
  • the electrode E 1 including the segment piece 61 faces the electrode E 2 of opposite polarity in the radial direction with the separator S interposed therebetween.
  • Both sides of the electrode (E 1 ) are coated with an active material layer (E 1, active ), and both sides of the electrode (E 2 ) are also coated with an active material layer (E 2, active ).
  • the end (S end ) of the separator (S) may extend further outward from the end (E 2 ,end ) of the electrode (E 2 ) to a length corresponding to the insulation gap (W gap ). Additionally, the end of the electrode E 1 does not extend further outward than the end of the electrode E 2 for electrical insulation.
  • a section corresponding to the insulation gap (W gap ) must be secured at the bottom of the uncoated region 43.
  • the end S end of the separator S causes meandering. Therefore, in order for the segment piece 61 to be exposed to the outside of the separator S, a section W margin,min corresponding to the minimum meandering margin of the separator S must be allocated to the uncoated region 43. Additionally, in order to cut the segment piece 61, a minimum cutting scrap margin (W scrap,min ) must be allocated to the end of the current collector foil.
  • the maximum height (h max ) of the segmental piece 61 in the height variable section of the segmental piece 61 can be determined by the following equation 3. In Equation 3, W foil corresponds to the width of the current collector foil before the current collector foil is cut.
  • h max W foil - W scrap,min - W margin,min - W gap
  • the insulation gap W gap may be 0.2 mm to 6 mm when the first electrode is an anode. Additionally, the insulation gap W gap may be 0.1 mm to 2 mm when the first electrode is a cathode.
  • the cutting minimum scrap margin W scrap,min may be 1.5 mm to 8 mm.
  • the minimum cutting scrap margin (W scrap,min ) may not be allocated depending on the process of forming the segment piece 61.
  • the cutting groove 63 may be formed so that the upper side of the segment piece 61 and the upper side of the current collector foil coincide with each other. In this case, in Equation 3, W scrap,min can be 0.
  • the minimum meander margin W margin,min of the separator may be 0 to 1 mm.
  • the minimum cutting scrap margin (W scrap,min ) may be 1.5 mm
  • the minimum serpentine margin (W margin,min ) of the separator (S) may be 0.5 mm.
  • the maximum height (h max ) of the segmental piece 61 in the height variable section of the segmental piece 61 can be set to 10 mm. Therefore, in the height variable section of the segmental piece 61, the height of the segmental piece 61 satisfies Equation 2 and can increase stepwise or gradually along the radial direction of the electrode assembly in the 2mm to 10mm section.
  • the spacing pitch (P) of the segment pieces 61 can be adjusted in the range of 0.05 to 2 mm, preferably 0.5 mm to 1.0 mm.
  • the spacing pitch (P) is less than 0.05 mm, cracks may occur in the uncoated portion 43 near the bottom of the cutting groove 63 due to stress when the electrode 60 runs in a winding process, etc.
  • the spacing pitch (P) exceeds 2 mm, an area or an empty space (gap) may occur where the segment pieces 61 do not overlap each other enough to ensure sufficient welding strength when the segment pieces 61 are bent. there is.
  • the spacing pitch P when the current collector 41 of the electrode 60 is made of aluminum, it is more preferable to set the spacing pitch P to 0.5 mm or more.
  • the spacing pitch (P) is 0.5 mm or more, cracks can be prevented from forming at the bottom of the cutting groove 63 even if the electrode 60 runs at a speed of 100 mm/sec or more under a tension of 300 gf or more during the winding process, etc. there is.
  • the lower inner angle ⁇ of the plurality of segment pieces 61 may increase from the core side to the outer circumference side. In one example, the lower inner angle ⁇ of the plurality of segment pieces 61 may gradually or stepwise increase from the core side to the outer circumference side.
  • the lower internal angle ⁇ is the angle between a straight line extending from the lower end of the cutting groove 63 and a straight line extending from the side portion 63a of the segment piece 61.
  • the radius of curvature increases. If the lower inner angle ⁇ of the segmental piece 61 increases as the radius of the electrode assembly increases, stress generated in the radial and circumferential directions when the segmental piece 61 is bent can be alleviated. In addition, as the lower inner angle ⁇ increases, the area overlapping with the inner segment 61 and the number of overlapping layers also increase when the segment 61 is bent, thereby ensuring uniform welding strength in the radial and circumferential directions. and the bending surface area can be formed flat.
  • the lower internal angle ⁇ may be determined by the radius of the turn at which the segmental piece 61 is located and the width D of the segmental piece 61.
  • Figure 6d is a schematic diagram for explaining the formula for determining the lower internal angle ( ⁇ ) of the segment piece 61.
  • the side sides of the segment piece 61 are the line segment AE and the line segment DE connecting A and D, which are both end points of the line segment AD corresponding to the width D of the segment piece 61, and the core center E. It is ideal to match .
  • the lower interior angle ( ⁇ refer ) of the segment piece 61 is expressed by the following formula, assuming that the line segment EF is approximately equal to the line segment AE and the line segment DE Using 4, it can be approximately determined from the width (D) of the segment piece 61 and the radius (r) of the turn at which the segment piece 61 is located.
  • the angle in Equation 4 is an ideal reference angle for the lower internal angle ( ⁇ refer ) of the segment piece 61.
  • a spacing pitch (P) exists between adjacent segment pieces 61 located on the same winding turn.
  • the length of the separation pitch (P) is expressed as p. Since the spacing pitch (P) exists between adjacent segment pieces 61, a tolerance equal to 50% of the spacing pitch (p) can be given to the lower internal angle ( ⁇ ). That is, the width of the upper side BC of the segment piece 61 can be increased by a maximum of p/2 up to the upper side B'C'.
  • the lower interior angle ( ⁇ ') in which the tolerance is reflected can be expressed by the following equation 5.
  • the lower interior angle ( ⁇ refer ) is the ideal reference angle ⁇ BAG
  • the lower interior angle ( ⁇ ') is the angle ⁇ B'AG' in which the tolerance according to the separation pitch (p) is reflected.
  • H is the height of the segment piece 61
  • p corresponds to the separation pitch.
  • the lower internal angle ⁇ of the segment piece 61 located at each turn of the electrode assembly may satisfy the following equation 6. Then, when the segment pieces 61 are bent toward the center of the core of the electrode assembly, the segment pieces 61 adjacent in the circumferential direction do not interfere with each other and the bending can be performed smoothly.
  • the lower inner angle of the segment piece 61 is gradually or stepwise in the range of 60 degrees to 85 degrees in the height variable section. can increase.
  • the lower inner angle ⁇ of the plurality of segment pieces 61 may gradually or stepwise increase from the core side to the outer circumference in one or two or more groups.
  • the left lower internal angle and the right lower internal angle of the segment piece 61 may not be the same. Nevertheless, the lower interior angle ( ⁇ ) on either side can be designed to satisfy the above-mentioned equation 6.
  • the width d B1 of the first part B1 is such that when the segment 61 of the third part B2 is bent toward the core, the core of the electrode assembly is 90 degrees based on its diameter. Designed to be open to the outside at least %.
  • the width d B1 of the first portion B1 may increase in proportion to the bending length of the segment 61 of group 1.
  • the bending length corresponds to the length from the bending point to the upper side of the segment piece 61.
  • the width d B1 of the first portion B1 is equal to the diameter of the electrode assembly core and the part included in group 1. Depending on the height of the fragment 61, it can be set to 180 mm to 350 mm.
  • the bending point of the segment piece 61 may be set at a line passing through the bottom of the cutting groove 63 or at a point spaced a predetermined distance upward from the line.
  • the segment pieces 61 are bent toward the core at a predetermined distance from the bottom of the cutting groove 63, the overlap of the segments in the radial direction is better achieved.
  • the outer segment presses the inner segment based on the center of the core. At this time, if the bending point is spaced a predetermined distance from the bottom of the cutting groove 63, the inner segment is pressed in the direction of the winding axis by the outer segment, so that the segments overlap more easily.
  • the separation distance between the bending points may preferably be 1 mm or less. Since the minimum height of the segment is 2mm, the ratio of the separation distance between the bending points to the minimum height may be 50% or less.
  • the width of each segment group can be designed to form identical turns of the electrode assembly.
  • the winding turn can be counted based on the end of the first portion B1 when the electrode 60 is in a wound state.
  • the width of each segment group may be designed to configure at least one or more turns of the electrode assembly.
  • the width and/or height and/or spacing pitch of the segments 61 belonging to the same segment group may be varied gradually and/or stepwise and/or irregularly within the group or between adjacent groups. It can increase or decrease.
  • Groups 1 to 8 are just examples of segment groups included in the third part (B2).
  • the number of groups, the number of segment pieces 61 included in each group, and the width of the group are adjusted to disperse stress as much as possible during the bending process of the uncoated region 43 and ensure sufficient welding strength with the current collector. (61) can be preferably adjusted to overlap in multiple layers.
  • the height of the segment fragments 61 in the third portion B2 may be uniform.
  • the segmental structure of the third part (B2) can be extended to the second part (B3) (see dotted line).
  • the second part (B3) may also include a plurality of segments like the third part (B2).
  • the segment structure of the second portion (B3) may be substantially the same as the outermost segment group of the third portion (B2).
  • the segment pieces included in the second part (B3) and the third part (B2) may have substantially the same width, height, and pitch.
  • the segment of the second portion (B3) may be larger in width and/or height and/or spacing apart than that of the third portion (B2).
  • the section (group 1 to group 7) in which the height of the segmental piece 61 increases step by step based on the winding direction of the electrode 60 is defined as the section where the height of the segmental piece is variable, and at the end,
  • the segment group (group 8) can be defined as a height uniform section in which the height of the segment is maintained uniformly.
  • the height of h 1 to h N-1 (N is a height index, a natural number of 2 or more)
  • the section in which the segment 61 with a height is arranged corresponds to a height variable section, and the section in which the segment 61 with a height of h N is placed corresponds to a height uniform section.
  • the ratio of the height variable section and the height uniform section to the length in the winding direction of the electrode 60 will be described later with reference to specific embodiments.
  • the width d B1 of the first portion B1 may be 180 to 350 mm.
  • the width of group 1 may be 35 to 40% of the width of the first part (B1).
  • the width of group 2 may be 130 to 150% of the width of group 1.
  • the width of Group 3 may be 120 to 135% of the width of Group 2.
  • the width of Group 4 may be 85-90% of the width of Group 3.
  • the width of Group 5 may be 120 to 130% of the width of Group 4.
  • the width of group 6 may be 100 to 120% of the width of group 5.
  • the width of Group 7 may be 90 to 120% of the width of Group 6.
  • the width of Group 8 may be 115 to 130% of the width of Group 7.
  • the width d B3 of the second part B3 may be 180 to 350 mm, similar to the width of the first part B1.
  • the reason why the width of groups 1 to 8 does not show a consistent increase or decrease pattern is that the width of the segment gradually increases from group 1 to group 8, but the number of segments included in the group is limited to an integer and the thickness of the electrode is This is because there is some deviation. Accordingly, the number of segments may be reduced in a specific segment group. Accordingly, the width of the group may show irregular changes as shown in the example above as it moves from the core side to the outer periphery.
  • groups 4 to 6 correspond to the above cases.
  • the width ratio of group 5 to group 4 is 120 to 130%, and the width ratio of group 6 to group 5 is 100 to 120%, which is less than 120 to 130%.
  • the height (H B1 ) of the uncoated area of the first portion (B1) of the electrode 60 may be relatively lower than the height (H g ) of the uncoated area at the bottom of the cutting groove (63).
  • the difference between heights H B1 and H g is a relative difference.
  • the height measurement reference point can be set arbitrarily.
  • the heights H B1 and H g can be measured based on the end of the insulating coating layer 44 or the end of the active material layer 42.
  • the height (H g ) of the uncoated area at the bottom of the cutting grooves 63 is not constant, the height (H g ) may be the average value, median value, maximum value, or minimum value for the height of the uncoated area at the bottom of the cutting grooves 63. there is.
  • the height (H B1 ) of the uncoated area of the first portion (B1) is smaller than the height (H g ) of the uncoated area at the bottom of the cutting groove (63), when the electrode 60 is wound into the electrode assembly, the material near the core It is possible to prevent the shape of the core from collapsing as the uncoated portion of part 1 (B1) is bent irregularly.
  • the height (H B1 ) may be 95% or less, 90% or less, 85% or less, 80% or less, 75% or less, 70% or less, 65% or less, or 63% or less compared to the height (H g ).
  • the height (H B1 ) may be 0% or more, 5% or more, 10% or more, 15% or more, 20% or more, 25% or more, 30% or more, or 37% or more compared to the height (H g ).
  • the upper and lower limits of the height (HB 1 ) can be selectively combined from the above ranges. If the height (H g ) changes, the height (H B1 ) may also change.
  • the height (H g ) when the height (H g ) is 0.8 mm based on the end of the active material layer 42 or the insulating coating layer 44, the height (H B1 ) is 0 or more, 0.1 mm (12.5%) or more, 0.15 mm. It may be (18.8%) or more, 0.2 mm (25.0%) or more, 0.25 mm (31.3%) or more, 0.3 mm (37.5%) or more, 0.35 mm (43.8%) or more, or 0.4 mm (50.0%) or more.
  • the height (H g ) when the height (H g ) is 0.8 mm based on the active material layer 42 or the insulating coating layer 44, the height (H B1 ) is 0.75 mm (93.8%) or less, 0.70 mm (87.5%) or less. , may be 0.65mm (81.3%) or less, 0.60mm (75.0%) or less, 0.55mm (68.8%) or less, 0.50mm (62.5%) or less, or 0.45mm (56.3%) or less.
  • the upper and lower limits of the height H B1 may be selectively combined from the above ranges. If the height (H g ) changes, the height (H B1 ) may also change.
  • the height (H g ) is 0.8 mm based on the end of the active material layer 42 or the insulating coating layer 44
  • the height (H B1 ) is 0.3 mm (37.5%) to 0.5 mm (62.5%). ) can be.
  • the height of the uncoated area (H B3 ) of the second part ( B3 ) of the electrode 60 is the height of the uncoated area (H g ) at the bottom of the cutting groove 63, like the first part (B1 ) . ) may be smaller than
  • the difference between heights H B1 and H g is a relative difference.
  • the height measurement reference point can be set arbitrarily.
  • the heights H B3 and H g can be measured based on the end of the insulating coating layer 44 or the end of the active material layer 42.
  • the height (H B3 ) may be 95% or less, 90% or less, 85% or less, 80% or less, 75% or less, 70% or less, 65% or less, or 63% or less compared to the height (H g).
  • the height (H B3 ) may be 0% or more, 5% or more, 10% or more, 15% or more, 20% or more, 25% or more, 30% or more, or 37% or more compared to the height (H g).
  • the upper and lower limits of the height (HB 3 ) can be selectively combined from the above ranges. If the height H g changes, the height H B3 may also change.
  • the height (H g ) is 0.8 mm based on the active material layer 42 or the insulating coating layer 44
  • the height (H B3 ) is 0 or more, 0.1 mm (12.5%) or more, 0.15 mm (18.8 mm). %) or more, 0.2 mm (25.0%) or more, 0.25 mm (31.3%) or more, 0.3 mm (37.5%) or more, 0.35 mm (43.8%) or more, or 0.4 mm (50.0%) or more.
  • the height (H g ) when the height (H g ) is 0.8 mm based on the active material layer 42 or the insulating coating layer 44, the height (H B3 ) is 0.75 mm (93.8%) or less, 0.70 mm (87.5%) or less. , may be 0.65mm (81.3%) or less, 0.60mm (75.0%) or less, 0.55mm (68.8%) or less, 0.50mm (62.5%) or less, or 0.45mm (56.3%) or less.
  • the upper and lower limits of the height H B3 may be selectively combined from the above ranges. If the height H g changes, the height H B3 may also change.
  • the height (H g ) is 0.8 mm based on the active material layer 42 or the insulating coating layer 44
  • the height (H B3 ) is 0.3 mm (37.5%) to 0.5 mm (62.5%). You can.
  • Figure 5e shows that the electrode 60 according to an embodiment of the present invention is a cathode, the height (H g ) of the uncoated area at the bottom of the cutting groove 63 is 0.8 mm based on the end of the active material layer, and the uncoated area of the first part (B1) is 0.8 mm.
  • This photo shows the winding shape of the electrode assembly when the part height (H B1 ) is 0.8 mm based on the end of the active material layer and the uncoated structure of the first part (B1) when the cathode near the core is unwinded.
  • Figure 5f shows that the electrode 60 according to an embodiment of the present invention is a cathode, the height (H g ) of the uncoated area at the bottom of the cutting groove 63 is 0.8 mm based on the end of the active material layer, and the uncoated area of the first portion (B1) is 0.8 mm.
  • This photo shows the winding shape of the electrode assembly and the structure of the uncoated area when the negative electrode near the core is unwound when the part height (H B1 ) is 0.4 mm based on the end of the active material layer.
  • a structure in which the height (H B1 ) of the uncoated area of the first portion (B1) is smaller than the height (H g ) of the uncoated area at the bottom of the cutting groove (63) can be applied to the cathode.
  • the current collector of the negative electrode and the positive electrode are copper foil and aluminum foil, respectively
  • the thickness of the copper foil is designed to be thinner than the thickness of the aluminum foil.
  • the length of the cathode is longer than the anode, winding starts from the cathode, so the radius of curvature at the part where the winding of the cathode begins is the smallest.
  • the uncoated portion of the first portion B1 at the cathode near the core of the electrode assembly is more vulnerable to stress applied in the radial direction than at the anode. Accordingly, the uncoated portion of the first portion B1, which is vulnerable to stress, may be bent irregularly. However, such a phenomenon can be prevented by making the height (H B1 ) of the first portion (B1) smaller than the height (H g ) of the uncoated portion at the bottom of the cutting groove (63). Meanwhile, the present invention does not exclude applying the structure shown in FIGS. 5C and 5D to the anode.
  • the uncoated portion 43 of the electrode 60 has a segmented piece structure
  • some of the plurality of segmented pieces of the electrode 60 are omitted regularly or irregularly as shown in FIG. 7A. It may include a segment omission section 64.
  • segment omission sections 64 there may be multiple segment omission sections 64.
  • the width of the segment omission section 64 may be constant going from the core side to the outer circumference side.
  • the width of the segment omission section 64 may increase or decrease regularly or irregularly from the core side to the outer circumference side.
  • the height of the uncoated portion present in the section 64 omitted may correspond to the height of the first portion B1 and/or the second portion B3.
  • the number of segment pieces 61 existing between the segment omission sections 64 may be at least one. As shown in FIG. 7A , the electrode 60 may include an uncoated section in which the number of segment pieces 61 existing between the segment segment omission sections 64 increases as it goes from the core to the outer periphery.
  • the width of the segment omission section 64 is such that when the electrode 60 is wound, as shown in FIG. 7B, the segment pieces located at each winding turn are based on the core center C of the electrode assembly 65. It can be set to be located within a preset independent area 66.
  • the plurality of segment pieces 61 may be located within the plurality of independent regions 66 based on the core center C when the electrode assembly 65 is viewed from the winding axis direction.
  • the number of independent areas 66 can be changed to 2, 3, 4, or 5.
  • the independent area 66 may be fan-shaped.
  • the angles between the independent regions 66 may be substantially the same.
  • the circumferential angle ⁇ of the independent region 66 may be 20 degrees or more, optionally 25 degrees or more, optionally 30 degrees or more, optionally 35 degrees or more, or optionally 40 degrees or more.
  • the independent area 66 may have the shape of a geometric shape such as a square, rectangle, quadrilateral, trapezoid, or the like.
  • the shape of the segment piece 61 can be modified in various ways.
  • Figure 8a is a plan view showing the structure of the electrode 70 according to another embodiment of the present invention.
  • the remaining configuration of the electrode 70 is substantially the same except that the shape of the segment piece 61' is different from the above-described embodiment.
  • the segment piece 61' has the shape of a geometric figure whose upper and lower widths are substantially equal.
  • the segment piece 61' may have a rectangular shape.
  • FIG. 8B is a diagram showing definitions of the width, height, and spacing pitch of the rectangular segment piece 61'
  • FIG. 8C is a partial enlarged view showing the lower part of the cutting groove 63.
  • the width (D), height (H), and spacing pitch (P) of the segment piece 61' prevent the uncoated portion 43 from being torn during bending processing of the uncoated portion 43.
  • the number of overlapping layers of the uncoated region 43 can be sufficiently increased while preventing abnormal deformation of the uncoated region 43.
  • Abnormal deformation refers to the non-coated portion below the bending point failing to maintain a straight state and deforming irregularly without hesitation.
  • the width (D) of the segmental piece (61') is determined by two straight lines ( L2 ) extending from both sides (63a) of the segmental piece (61') and the winding direction from the bottom of the round portion (63b) of the cutting groove (63). It is defined as the length between two points where a straight line (G) extending along meets.
  • the height (H) of the segmental piece (61') is the shortest distance between the uppermost side of the segmental piece (61') and the straight line (G) extending along the winding direction from the bottom of the round portion (63b) of the cutting groove (63). is defined.
  • the spacing pitch (P) of the segment piece (61') is a straight line (L 1 ) connecting both ends of the round portion (63b) and two straight lines (L 2 ) extending from the side portion (63a) of the segment piece (61'). It is defined as the length between two meeting points.
  • the conditions regarding the width (D), height (H), and separation pitch (P) of the segment piece 61' are substantially the same as those of the above-described embodiment, and thus repetitive description is omitted.
  • the segmental piece 61' has a square shape, the lower interior angle of the segmental piece 61' may be constant at 90 degrees.
  • the height of the uncoated area (H B1 ) of the first part ( B1 ) and/or the height of the uncoated area (H B3 ) of the second part ( B3 ) of the electrode 70 is It may be relatively lower than the height (H g ) of the uncoated area at the bottom of the cutting groove 63.
  • the effect that can be obtained by adjusting the height of the uncoated portion is substantially the same as the above-described embodiment.
  • the height of the uncoated area H B1 of the first part B1 and/or the height of the uncoated area H B3 of the second part B3 may be set substantially the same as the above-described embodiment.
  • the height (H B1 ) and/or height (H B3 ) is 95% or less , 90% or less, 85% or less, 80% or less, 75% or less, 70% or less, 65% or less of the height (H g ). It may be less than 63%.
  • Height (H B1 ) and/or height (H B3 ) is greater than 0%, greater than 5%, greater than 10%, greater than 15%, greater than 20%, greater than 25%, greater than 30% or greater than 37% compared to height (H g ). It may be more than %.
  • the upper and lower limits of the height (HB 1 ) and/or the height (H B3 ) may be selectively combined from the above ranges. If the height H g changes, the height H B1 and/or the height H B3 may also change.
  • the height (H g ) is 0.8 mm based on the end of the active material layer 42 or the insulating coating layer 44
  • the height (H B1 ) and/or height (H B3 ) is 0 or more, 0.1 mm. (12.5%) or more, 0.15mm (18.8%) or more, 0.2mm (25.0%) or more, 0.25mm (31.3%) or more, 0.3mm (37.5%) or more, 0.35mm (43.8%) or more, or 0.4mm (50.0%) or more. %) or more.
  • the height (H g ) is 0.8 mm based on the end of the active material layer 42 or the insulating coating layer 44
  • the height (H B1 ) and/or height (H B3 ) is 0.75 mm (93.8%) ) or less, 0.70mm (87.5%) or less, 0.65mm (81.3%) or less, 0.60mm (75.0%) or less, 0.55mm (68.8%) or less, 0.50mm (62.5%) or less, or 0.45mm (56.3%) or less. You can.
  • the upper and lower limits of the height HB 1 and/or H B3 may be selectively combined from the above ranges. If the height H g changes, the height H B1 and/or the height H B3 may also change.
  • the height (H g ) is 0.8 mm based on the end of the active material layer 42 or the insulating coating layer 44
  • the height (H B1 ) and/or height (H B3 ) is 0.3 mm (37.5 mm). %) to 0.5 mm (62.5%).
  • the electrode 70 may also include a segment omission section 64 in which some of the plurality of segments are regularly or irregularly omitted, as shown in FIG. 8F.
  • the segment segments may be located within a plurality of independent regions 66 as shown in FIG. 7B.
  • each segment piece (61, 61') has various shapes. Transformation is possible.
  • the segment can be deformed into various shapes while satisfying at least one of the following conditions.
  • Condition 1 The width of the lower part is larger than the width of the upper part.
  • Condition 2 The width of the lower part is the same as the width of the upper part.
  • Condition 3 The width remains the same from the bottom to the top.
  • Condition 5 The width decreases and then increases from the bottom to the top.
  • Condition 7 The width increases from the bottom to the top and remains constant.
  • Condition 8 The width decreases from the bottom to the top and remains constant.
  • Condition 9 The interior angles on one side and the interior angles on the other side of the lower part are equal.
  • the internal angle can be defined as the angle formed by the side of the segment based on the width direction of the lower part of the segment. If the side is curved, the internal angle is defined as the angle between the tangent line drawn at the lowest point of the curve and the width direction of the lower part of the segment.
  • Condition 10 The interior angles on one side of the lower part are different from the interior angles on the other side.
  • the interior angle on one side of the lower part and the interior angle on the other side of the lower part have an acute angle, a right angle, or an obtuse angle, respectively.
  • Condition 12 Left and right symmetry based on the winding axis direction
  • Figure 9 is a diagram illustrating the shapes of segmented pieces according to a modified example of the present invention.
  • the segmental piece may have the form of various geometric figures whose base is a dotted line connecting the bottoms of the cutting grooves on both sides.
  • a geometric figure has a structure in which at least one straight line, at least one curve, or a combination thereof are connected.
  • the segment may have a polygonal shape, a round shape, or various combinations thereof.
  • the segment fragment has a bilaterally symmetrical trapezoidal shape (a); Left and right asymmetric trapezoidal shape (b); Parallelogram shape (c); Triangular shape (l); Pentagon shape (k); Arc shape (e); Or it may be oval shaped (f).
  • segment shape is not limited to that shown in FIG. 9, it can be transformed into another polygon, another round shape, or a combination thereof to satisfy at least one of the conditions 1 to 21 described above.
  • the upper and/or lower corners have a shape where a straight line meets a straight line or a round shape (see enlargement of the upper and lower corners of shape a, see Figures 5b and 8b) ) can be.
  • one inner angle ( ⁇ 1 ) and the other inner angle ( ⁇ 2 ) of the lower part may be the same or different from each other, and the lower part of the polygonal shapes a, b, c, k and l
  • One interior angle ( ⁇ 1 ) and the other interior angle ( ⁇ 2 ) may each be one of an acute angle, a right angle, or an obtuse angle.
  • An interior angle is the angle where the base and side of a geometric figure meet. When the side is curved, the straight line can be replaced by a tangent extending from the point where the base and side meet.
  • the side shape of the polygonal segment can be modified in various ways.
  • the side of the segmental piece shape a can be transformed into a curve that is convex outward, such as shape d, or a curve that is indented into the inside of the segmental piece, such as shape g or j.
  • the sides of segment shape a can be transformed into curved straight lines indented into the inside of the segment, such as shape h or i.
  • the side of the segment shape a can be transformed into a straight line curved convexly outward.
  • one inner angle of the lower side ( ⁇ 1 ) and the other inner angle ( ⁇ 2 ) may be the same or different from each other, and one inner angle of the lower side ( ⁇ 1 ) and the other interior angle ⁇ 2 may each be one of an acute angle, a right angle, or an obtuse angle.
  • the width of the segment may have various change patterns from the bottom to the top.
  • the width of the segment may remain constant from the bottom to the top (shape c). In other examples, the width of the segment may gradually decrease from the bottom to the top (shapes a, b, d, e, f and g). In another example, the width of the segment may gradually decrease and then increase from the bottom to the top (shapes i and j). In another example, the width of the segment may gradually increase and then decrease from the bottom to the top (shape k). In another example, the width of the segment gradually decreases from the bottom to the top and then remains constant (shape h). Although not shown, the width of the segment may gradually increase from the bottom to the top and then remain constant.
  • the polygonal shape with a flat top can be rotated 180 degrees.
  • the width of the segment may gradually increase from the bottom to the top.
  • the width of the segment may remain constant from the bottom to the top and then gradually increase.
  • a round shape e.g., semicircular, oval, etc.
  • a polygonal shape e.g., square, trapezoid, balanced quadrilateral, etc. with the largest area is applied to the section where stress is relatively low. etc.
  • the plurality of segment pieces may have different shapes individually, in groups, or in groups of two or more along a direction parallel to the winding direction of the electrode assembly.
  • the segmental structure of the third portion (B2) can also be applied to the first portion (B1).
  • the segmental structure when the segmental structure is applied to the first part (B1), when the segment pieces (61, 61') of the third part (B2) are bent according to the radius of curvature of the core, the ends of the first part (B1) are A side-bending reverse forming phenomenon may occur. Therefore, there is no segmental structure in the first part (B1), or even if a segmental structure is applied, reverse forming of the width and/or height and/or spacing pitch of the segment pieces 61 and 61' does not occur in consideration of the radius of curvature of the core. It is desirable to adjust it as small as possible.
  • the segmental pieces exposed at the top and bottom of the electrode assembly are bent while overlapping in several layers along the radial direction of the electrode assembly.
  • a surface area can be formed.
  • FIG. 10A is a schematic diagram showing a cross section of the bent surface area F formed when the segmental piece 61 is bent toward the core C of the electrode assembly 80.
  • the cross section of the bent surface area F is shown only on the left side with respect to the winding axis of the electrode assembly 80.
  • the bent surface area F may be formed on both the top and bottom of the electrode assembly 80.
  • FIG. 10B is a top perspective view schematically showing the electrode assembly 80 in which the bent surface area F is formed.
  • the bent surface area F has a structure in which a plurality of layers of segment pieces 61 are overlapped in the winding axis direction.
  • the overlapping direction is the winding axis direction (Y).
  • Section 1 is a segment-omitting section (first part B1) without a segment piece, and sections 2 and 3 are sections where a winding turn containing a segment piece 61 is located.
  • Section 2 is a height variable section in which the height of the segment 61 is variable, and section 3 is a height uniform section in which the height of the segment is maintained uniformly up to the outer periphery of the electrode assembly.
  • the radial lengths of section 2 and section 3 may be variable.
  • the uncoated region (second portion B3) included in at least one winding turn including the outermost winding turn may not include a segmented piece structure. In this case, the second part (B3) can be excluded from section 3.
  • the height variable section in which the heights of the segment pieces 61 are variable is r 1 to r N .
  • the height of the segment piece 61 is maintained uniformly at h N from the radius r N to the radius R of the electrode assembly 80 . Uniform height means that the height deviation is within 5%.
  • the number of stacks of segment pieces 61 varies depending on the radial position.
  • the number of stacked segments 61 is determined by the width of section 2, the minimum height (h 1 ) and maximum height (h N-1 ) of the segment in the height variable section of the segment 61, and the segment 61 It can vary depending on the height change amount ( ⁇ h).
  • the number of segments 61 stacked is the number of segments that meet an imaginary line when drawn from an arbitrary radial position of the electrode assembly 80 in the winding axis direction.
  • the height, width, and spacing pitch of the segment pieces 61 are adjusted according to the radius of the winding turn including the segment pieces 61, so that the number of stacks of the segment pieces 61 at each position of the bent surface area F is adjusted. can be optimized to suit the required welding strength of the current collector.
  • Electrode assemblies of Examples 1-1 to 1-7 were prepared.
  • the electrode assemblies of the embodiments have a radius of 22 mm and a core diameter of 4 mm.
  • the anode and cathode included in the electrode assembly have the electrode structure shown in FIG. 4. In other words, the shape of the segment is trapezoidal.
  • the second portion (B3) of the anode and cathode does not include a segment.
  • the length of the second part (B3) is 3% to 4% of the total length of the electrode.
  • the anode, cathode, and separator were wound by the method described in Figure 2.
  • the winding turn is between 48 and 56 turns, and the winding turn in the embodiments is 51 turns.
  • the thickness of the anode, cathode, and separator are 149um, 193um, and 13um, respectively.
  • the thickness of the anode and cathode includes the thickness of the active material layer.
  • the thickness of the positive and negative current collector plates is 15um and 10um, respectively.
  • the winding direction lengths of the anode and cathode are 3948 mm and 4045 mm, respectively.
  • the minimum height of the segment 61 was set to 3 mm so that the height variable section 2 of the segment 61 starts from a radius of 5 mm. Additionally, in each example, the height of the segment 61 was increased by 1 mm per 1 mm increase in radius, and the maximum height of the segment 61 was varied from 4 mm to 10 mm.
  • the height variable section 2 of the segmental piece 61 is 5mm to 6mm, and the height of the segmental piece 61 is variable from a radius of 3mm to 4mm.
  • the height variable section 2 of the segmental piece 61 is 5mm to 7mm, and the height of the segmental piece 61 is variable from 3mm to 5mm.
  • the height variable section 2 of the segmental piece 61 is 5mm to 8mm, and the height of the segmental piece 61 is variable from 3mm to 6mm.
  • the height variable section 2 of the segmental piece 61 is 5mm to 9mm, and the height of the segmental piece 61 is variable from 3mm to 7mm.
  • the height variable section 2 of the segmental piece 61 is 5mm to 10mm, and the height of the segmental piece 61 is variable from 3mm to 8mm.
  • the height variable section 2 of the segmental piece 61 is 5mm to 11mm, and the height of the segmental piece 61 is variable from 3mm to 9mm.
  • the height variable section 2 of the segmental piece 61 is 5mm to 12mm, and the height of the segmental piece 61 is variable from 3mm to 10mm.
  • the height of the segment piece 61 is uniform from the radius corresponding to the upper limit of the height variable section 2 to the outer circumference.
  • the height of the segment 61 is uniform at 10 mm from a radius of 12 mm to 22 mm. Meanwhile, in the electrode assembly of the comparative example, the height of the segment pieces 61 was maintained at a single height of 3 mm from a radius of 5 mm to a radius of 22 mm.
  • Figure 11a is a graph showing the results of counting the number of stacked segments along the radial direction in the bent surface area (F) of the anode formed on the upper part of the electrode assemblies according to Examples 1-1 to 1-7 and Comparative Examples.
  • the bent surface area of the cathode also shows substantially the same results.
  • the horizontal axis of the graph is the radius based on the center of the core, and the vertical axis of the graph is the number of stacked segments counted at each radius point, and the same is true in FIGS. 11B and 11C, which will be described later.
  • the uniform section (b1) of the number of plies of segmented pieces is commonly seen in Examples 1-1 to 1-7 and Comparative Example 1.
  • the stacked number uniform section (b1) is the radius section of the flat area in each graph.
  • the length of the uniform number of layers section (b1) increases as the maximum height of the segment decreases, and the uniform section (b1') of the number of layers in the comparative example is the longest.
  • the number of stacked segments increases as the maximum height (h N ) of the segment increases. In other words, when the maximum height (h N ) of the segment increases and the width of the height variable section (2) of the segment increases, the number of stacks of the segment increases, while the width of the stacked number uniform section (b1) decreases.
  • the stacking number reduction section (b2) is a radius section in which the stacking number of segment pieces decreases as the radius of the electrode assembly increases.
  • the stacking number uniform section (b1) and the stacking number decreasing section (b2) are adjacent in the radial direction and are complementary to each other. In other words, when the length of one section increases, the length of the other section decreases. Additionally, the amount of decrease in the number of stacks in the stack number reduction section (b2) is proportional to the distance from the stack number uniform section (b1).
  • the number of stacked segments is 10 or more in the uniform section (b1) for the number of segmented segments.
  • An area where the number of stacked segments is 10 or more can be set as a desirable welding target area.
  • the welding target area is a section where at least a portion of the current collector can be welded.
  • the uniform number of plies section (b1) starts from the radius point where the height variable section (2) of the segment begins. That is, the height variable section 2 starts from a radius of 5 mm and extends to the outer circumference.
  • Table 4 below shows the segment omitted section (c, 1 in FIG. 10A) compared to the radius (b-a) of the electrode assembly excluding the core for the positive electrode in Examples 1-1 to 1-7 and Comparative Example 1.
  • Length ratio ratio of the length of the stacked number uniform section (b1) to the length (f) from the radius point where the stacked number uniform section starts (5mm) to the outermost point of the electrode assembly (22mm) (e/f), stacked Ratio (d/f) of the height variable section (d) of the segment compared to the length (f) from the radius point where the number uniform section starts (5 mm) to the outermost point of the electrode assembly (22 mm), compared to the total length of the electrode.
  • Length ratio of the electrode area corresponding to the segment omission section (first part B1) (h), length ratio of the electrode area corresponding to the height variable section to the total length of the electrode (i), height uniform section to the total length of the electrode The result of calculating the ratio (i) of the electrode area corresponding to is shown.
  • Example 1-1 2 22 3 One 14 17 11 15% 6% 82% 6% 3% 87%
  • the number of stacks of segment pieces is 11 to 26, and the ratio (d/f) of the height variable section (d) to the radius section (f) containing the segment pieces is It is 6% to 41%.
  • the ratio (e/f) of the uniform section (e) of the number of layers to the radius section (f) containing the segmented pieces is 47% to 82%.
  • the ratio (c/(b-a)) of the segment omission section (c, 1 in FIG. 10A) to the radius (b-a) of the electrode assembly excluding the core is 15%.
  • the ratio of the length of the electrode area corresponding to the segment segment omission section (first part B1) to the total length of the electrode is 6%
  • the ratio of the length of the electrode area corresponding to the height variable section to the total length of the electrode is 3% to 32. %
  • the ratio of the length of the electrode area corresponding to the height uniform section to the total length of the electrode is 59% to 87%.
  • the number of layers (g) in the uniform section is 10 in all of Examples 1-1 to 1-7. That's it.
  • the uniform number of layers (e) decreases as the height variable section (d) of the segment increases, but the number of layers (g) of the segments increases in the uniform number of layers (e).
  • the uniform stacking number section (e) in which the stacking number (g) of the segment pieces is 10 or more can be set as the welding target area.
  • Cylindrical batteries with form factors of 1865 and 2170 have an electrode assembly radius of approximately 9 mm to 10 mm. Therefore, for conventional cylindrical batteries, as in Examples 1-1 to 1-7, the radial length of the segment section f cannot be secured at the level of 17 mm, and a uniform section with a stacked number of segment sections of 10 or more is used. The length of (e) cannot be secured at the level of 8mm to 14mm. In a conventional cylindrical battery, when the core radius is designed to be 2 mm, the same as in Examples 1-1 to 1-7, the radius section in which the segment pieces can be placed is substantially only 7 mm to 8 mm. Additionally, in a conventional cylindrical battery, the length of the electrode in the winding direction is about 600 mm to 980 mm.
  • This short electrode length is only approximately 15% to 24% of the length of the electrodes (anode 3948 mm, cathode 4045 mm) used in Examples 1-1 to 1-7. Therefore, the numerical ranges for parameters h, i, and j cannot be easily derived from the design specifications of a conventional cylindrical battery.
  • the electrode assemblies of Examples 2-1 to 2-5 had a radius of 22 mm and a diameter of the core C of 4 mm.
  • the minimum height (h 1 ) was the same at 4 mm, and the maximum height (h- N ) varied from 6 mm to 10 mm in 1 mm increments. Therefore, in the electrode assemblies of Examples 2-1 to 2-5, the width of the height variable section of the segment (2 in FIG. 10A) is 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, and 6 mm, respectively, and the width of the segment omission section (1 in FIG. 10A) is 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, and 6 mm, respectively. ) is the radius section from 2mm to 6mm.
  • the electrode assemblies of Examples 3-1 to 3-4 had a radius of 22 mm and a core (C) diameter of 4 mm.
  • the minimum height (h 1 ) was the same at 5 mm, and the maximum height (h- N ) varied from 7 mm to 10 mm in 1 mm increments.
  • the width of the height variable section of the segment (2 in FIG. 10A) is 2 mm, 3 mm, 4 mm, and 5 mm, respectively, and the segment omission section (1 in FIG. 10A) is The radius ranges from 2mm to 7mm.
  • the electrode assemblies of Examples 4-1 to 4-3 had a radius of 22 mm and a core (C) diameter of 4 mm.
  • the minimum height (h 1 ) was the same at 6 mm, and the maximum height (h- N ) varied from 8 mm to 10 mm in 1 mm increments. Therefore, in the electrode assemblies of Examples 4-1 to 4-3, the width of the height variable section of the segment (2 in FIG. 10A) is 2 mm, 3 mm, and 4 mm, respectively, and the segment omission section (1 in FIG. 10A) has a radius of 2 mm. The radius ranges from to 8mm.
  • the electrode assemblies of Examples 5-1 and 5-2 had a radius of 22 mm and a core (C) diameter of 4 mm.
  • the minimum height (h 1 ) was the same at 7 mm, and the maximum height (h- N ) varied from 9 mm to 10 mm in 1 mm increments. Therefore, in the electrode assemblies of Examples 5-1 to 5-2, the width of the height variable section of the segment (2 in FIG. 10A) is 2 mm and 3 mm, respectively, and the segment omission section (1 in FIG. 10A) has a radius of 2 mm to 9 mm. This is the radius section up to.
  • 11B shows the top of the electrode assemblies for Examples 2-1 to 2-5, Examples 3-1 to 3-4, Examples 4-1 to 4-3, and Examples 5-1 to 5-2. These are graphs showing the results of counting the number of stacked segments measured along the radial direction in the bent surface area (F) of the anode formed in .
  • the bent surface area of the cathode also shows substantially the same results.
  • graph (a) is for Examples 2-1 to 2-5
  • graph (b) is for Examples 3-1 to 3-4
  • graph (c) is for Examples 4-1 to 4.
  • graph (d) shows the results of counting the number of stacked segments along the radial direction in the bent surface area (F) for Examples 5-1 to 5-2.
  • a section (b1) in which the number of stacked segments is uniform is common to all embodiments.
  • the stacked number uniform section (b1) is the radius section of the flat area in the graph.
  • the length of the stacked number uniform section (b1) increases as the maximum height (h N ) of the segment decreases when the minimum height (h 1 ) of the segment is the same.
  • the length of the stacked number uniform section (b1) increases as the minimum height (h 1 ) of the segment decreases when the maximum height (h N ) of the segment is the same.
  • the number of stacks of the segment increases as the maximum height (h N ) of the segment increases.
  • a section where the number of layers is reduced (b2) appears adjacent to the section where the number of layers is uniform (b1).
  • the number of stacks of the segment pieces in the uniform number of stacks section (b1) is all 10 or more.
  • an area where the number of stacked segments is 10 or more can be set as a preferred welding target area.
  • the stacked number uniform section b1 starts from the radius point where the height variable section of the segment (2 in FIG. 10A) begins.
  • the height variable section of the segment (2 in FIG. 10A) starts from 6 mm and extends toward the outer circumference.
  • the height variable section of the segment (2 in FIG. 10A) starts from 7 mm and extends to the outer circumference.
  • the height variable section of the segment (2 in FIG. 10A) starts from 8 mm and extends toward the outer circumference.
  • the height variable section of the segment (2 in FIG. 10A) starts from 9 mm and extends to the outer circumference.
  • Table 5 shows the lamination for Examples 2-1 to 2-5, Examples 3-1 to 3-4, Examples 4-1 to 4-3, and Examples 5-1 to 5-2.
  • the maximum height of the segment in the height variable section (2) of the segment (h N ) is the same at 10mm, but the minimum height of the segment (h 1 ) increases by 1mm to 4mm, 5mm, 6mm, and 7mm, and the length of the height variable section (2) increases by 1mm to 6mm, 5mm, 4mm, and 3mm. decreases.
  • the ratio (e/f) of the uniform lamination number section is the maximum at 69% in Example 2-5, and the minimum at 38% in Example 5-2, and the number of plies in the uniform lamination number section are all the same.
  • the number of stacks of the segment pieces is 16 to 26, the ratio (d/f) of the height variable section (2) of the segment pieces is 13% to 38%, and the ratio (e/f) of the section where the number of stacks is uniform is 13% to 38%. It can be seen that is 31% to 69%.
  • the ratio (c/(b-a)) of the segment omission section (1) to the radius (b-a) of the electrode assembly excluding the core is 20% to 35%.
  • the ratio of the length of the electrode area corresponding to the segment omission section (1) to the total length of the electrode is 10% to 20%, and the ratio of the length of the electrode area corresponding to the height variable section (2) to the total length of the electrode is 6. % to 25%, and the ratio of the length of the electrode area corresponding to the height uniformity section (3) to the total length of the electrode is 62% to 81%.
  • Cylindrical batteries with form factors of 1865 and 2170 have an electrode assembly radius of approximately 9 mm to 10 mm. Therefore, as in the embodiments, it is not possible to secure the radial length of the segment section (f) at the level of 13 mm to 16 mm, and while securing the length of the section (c, 1) where the segment is omitted, about 4 mm to 7 mm, The length of the uniform section (e) with a stack number of 10 or more cannot be secured at the level of 5 mm to 11 mm. In a conventional cylindrical battery, when the radius of the core is designed to be 2 mm, the same as in the embodiments, the radius section in which the segment pieces can be placed is actually only 7 mm to 8 mm.
  • the length of the electrode in the winding direction is about 600 mm to 980 mm. This short electrode length is only approximately 15% to 24% of the electrode length (anode 3948 mm, cathode 4045 mm) in the embodiments. Therefore, the numerical ranges for parameters h, i, and j cannot be easily derived from the design specifications of a conventional cylindrical battery.
  • the minimum height (h 1 ) and maximum height (h N ) of the segment fragment are the same in the height variable section (2) of the segment fragment, the number of stacked segments according to the diameter of the core (C) of the electrode assembly is determined by the bending surface area (F ) How it changes along the radial direction will be explained through specific examples.
  • the electrode assemblies of Examples 6-1 to 6-6 had a radius of 22 mm, and the radius of the core C was 4 mm.
  • the minimum height (h 1 ) of the segment was the same at 3 mm, and the maximum height (h- N ) of the segment was varied from 5 mm to 10 mm in 1 mm increments. Therefore, in the electrode assemblies of Examples 6-1 to 6-6, the width of the height variable section 2 of the segment piece is 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, and 7 mm, respectively, and the segment omission section 1 has a radius of 4 mm. It is a radius section from to 7mm.
  • the electrode assemblies of Examples 7-1 to 7-6 had a radius of 22 mm, and the radius of the core C was 2 mm.
  • the minimum height (h 1 ) of the segment was the same at 3 mm, and the maximum height (h- N ) of the segment was varied from 5 mm to 10 mm in 1 mm increments. Therefore, in the electrode assemblies of Examples 7-1 to 7-6, the width of the height variable section 2 of the segment piece is 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, and 7 mm, respectively, and the segment omission section 1 has a radius of 2 mm.
  • the radius sections from 0 to 5 mm are all the same.
  • Figure 11c shows the number of stacked segments measured along the radial direction in the bent surface area (F) of the anode formed on the upper part of the electrode assembly for Examples 6-1 to 6-6 and Examples 7-1 to 7-6. These are graphs showing the counting results. Substantially the same results appear in the bent surface area of the cathode.
  • graph (a) is for Examples 6-1 to 6-6
  • graph (b) is for Examples 7-1 to 7-6, measured along the radial direction in the bending surface area (F). It shows the result of counting the number of layers of one segment.
  • a section (b1) in which the number of stacked segments is uniform is common to all embodiments.
  • the stacked number uniform section (b1) is the radius section of the flat area in the graph.
  • the radial length of the stacked number uniform section (b1) increases as the maximum height (h N ) of the segment decreases when the minimum height (h 1 ) of the segment is the same.
  • the number of stacks of the segment increases as the maximum height (h N ) of the segment increases.
  • a stack number reduction section (b2) is identified adjacent to the stack number uniform section (b1).
  • the number of stacks of the segment pieces in the uniform number of stacks section (b1) is all 10 or more.
  • an area where the number of stacked segments is 10 or more can be set as a preferred welding target area.
  • the uniform number of stacks section b1 starts from a radius point where the height variable section 2 of the segment begins.
  • the radius at which the height variable section (2) of the segment fragment begins is 7 mm
  • the radius at which the height variable section (2) of the segment fragment begins is 7 mm. is 5mm.
  • Table 6 shows, for Examples 6-1 to 6-6 and Examples 7-1 to 7-6, the distance from the radius point (7 mm, 5 mm) where the stacked number uniform section starts to the outermost point (22 mm) of the electrode assembly. ), the ratio of the length of the section where the number of layers is uniform compared to the length up to (e/f), the height of the segment compared to the length from the radius point where the section where the number of layers starts (7mm, 5mm) to the outermost point of the electrode assembly (22mm) is variable. It shows the calculation results of various parameters including the length ratio (d/f) of the section (2).
  • Example 6-6 and Example 7-6 of FIG. 10A and Table 6 the minimum height (h 1 ) and maximum height (h N ) of the segment in the height variable section (2) of the segment are 3 mm and 10 mm, respectively. is the same as However, the core radius of Example 6-6 is 2 mm larger than that of Example 7-6. Therefore, in Example 6-6, compared to Example 7-6, the uniform section (e) and the segment section (f) are 2 mm smaller, and the number of sections in the section where the number of layers is uniform is the same. This result comes from the difference in core radius.
  • the ratio (c/(ba)) of the segment omission section (1) to the radius (ba) of the electrode assembly excluding the core is 15% to 17%.
  • the ratio of the length of the electrode area corresponding to the segment omission section (1) to the total length of the electrode is 6%
  • the ratio of the length of the electrode area corresponding to the height variable section (2) to the total length of the electrode is 7% to 32%.
  • the ratio of the length of the electrode area corresponding to the height uniform section (3) to the total length of the electrode is 59% to 83%.
  • Cylindrical batteries with form factors of 1865 and 2170 have an electrode assembly radius of approximately 9 mm to 10 mm. Therefore, as in the embodiments, the radial length of the segment segment section (f) is secured at the level of 15 mm to 17 mm, the length of the segment segment omission section (1) is secured at about 3 mm, and at the same time, the number of segments laminated is 10 or more. The length of the number uniform section (e) cannot be secured at the level of 6mm to 13mm. In a conventional cylindrical battery, when the core radius is designed to be 2 mm to 4 mm, the same as in the embodiments, the radius section in which the segment pieces can be placed is substantially only 5 mm to 8 mm.
  • the length of the electrode in the winding direction is about 600 mm to 980 mm. This short electrode length is only approximately 15% to 24% of the electrode length (anode 3948 mm, cathode 4045 mm) in the embodiments. Therefore, the numerical ranges for parameters h, i, and j cannot be easily derived from the design specifications of a conventional cylindrical battery.
  • the number of stacked pieces in the section where the number of stacked pieces is uniform may be 11 to 26. Additionally, the ratio (d/f) of the height variable section 2 of the segment may be 6% to 47%. Additionally, the ratio (e/f) of the uniform section of the number of stacks may be 31% to 82%. Additionally, the ratio (c/(b-a)) of the length of the segment omission section (1) to the radius of the electrode assembly excluding the core may be 15% to 35%. In addition, the ratio of the length of the electrode area corresponding to the segment omission section (1) to the total length of the electrode (length in the winding direction) may be 6% to 20%.
  • the ratio of the length of the electrode area corresponding to the height variable section (2) of the segment to the total length of the electrode may be 3% to 32%.
  • the ratio of the length of the electrode area corresponding to the height uniform section (3) of the segment to the total length of the electrode may be 59% to 87%.
  • the parameters described through Tables 4 to 6 include the radius of the core (a); Radius (b) of the electrode assembly; Minimum height (h 1 ) and maximum height (h N ) in the height variable section (2) of the segment; The amount of change in height of the segment per 1 mm increase in radius ( ⁇ h); It may vary depending on design factors including the thickness of the anode, cathode, and separator.
  • the number of stacked pieces can be expanded from 10 to 35.
  • the ratio (d/f) of the height variable section (2) of the segment can be expanded from 1% to 50%.
  • the ratio (e/f) of the uniform section of the number of stacks can be expanded to 30% to 85%.
  • the ratio (c/(ba)) of the length of the segment omission section (1) to the radius of the electrode assembly excluding the core (c/(ba)) can be expanded to 10% to 40%.
  • the ratio of the length of the electrode area corresponding to the segment omission section (1) to the total length of the electrode (length in the winding direction) can be expanded to 1% to 30%.
  • the ratio of the length of the electrode area corresponding to the height variable section (2) of the segment compared to the total length of the electrode can be expanded from 1% to 40%.
  • the ratio of the length of the electrode area corresponding to the height uniformity section (3) of the segment to the total length of the electrode may be expanded to 50% to 90%.
  • the height index N of the maximum height (h N ) of the segment included in the height variable section 2 and the height uniform section 3 is 2 to 8.
  • the height indices N for Examples 1-1 and 1-7 are 2 and 8, respectively.
  • the height index N may vary depending on the amount of change in height ( ⁇ h) of the segment in the radial direction of the electrode assembly.
  • the height index N is further extendable from 2 to 20, optionally from 2 to 30.
  • the section where the number of layers is uniform can be used as a welding target area for the current collector.
  • the welding area of the current collector overlaps at least 50% of the uniform number of stacks in the radial direction of the electrode assembly, and the higher the overlap ratio, the more preferable it is.
  • the remaining area among the welding areas of the current collector that does not overlap with the uniform stacking number section may overlap with the stacking number reduction section adjacent to the uniform stacking number section in the radial direction.
  • the remaining area in the welded area of the current collector that does not overlap with the section where the number of stacks is uniform may overlap with the area where the number of overlapping segments is 10 or more in the section where the number of layers is reduced.
  • Welding a current collector in an area where the number of stacked segments is 10 or more is desirable in terms of welding strength and in terms of preventing damage to the separator or active material layer during welding. In particular, it is useful when welding a current collector using a high-power laser with high transmission characteristics.
  • the section with a uniform number of layers absorbs most of the energy of the laser and forms welding beads, even if the output of the laser is increased to improve welding quality. It is possible to prevent the separator and active material layer under the bending surface area (F) from being damaged by the laser.
  • weld beads are formed with sufficient volume and thickness. Therefore, sufficient welding strength can be secured and the resistance of the welding interface can be reduced to a level suitable for rapid charging.
  • the output of the laser may be determined by the desired welding strength between the bent surface area (F) and the current collector.
  • Welding strength increases in proportion to the number of layers of segmented pieces. This is because as the number of layers increases, the volume of welding beads formed by the laser increases. Welding beads are formed when the current collector material and the segment material are melted together. Therefore, when the volume of the welding bead is large, the bond between the current collector and the bent surface area is stronger, and the contact resistance of the welding interface is lowered.
  • the weld strength may be 2 kgf/cm 2 or more, more preferably 4 kgf/cm 2 or more.
  • Maximum weld strength may vary depending on the output of the laser welding equipment.
  • the weld strength may be preferably set to 8 kgf/cm 2 or less, more preferably 6 kgf/cm 2 or less.
  • the present invention is not limited to this.
  • the physical properties of the welding interface do not deteriorate even if severe vibration is applied to the electrode assembly along the winding axial direction and/or the radial direction, and the volume of the welding beads is sufficient to reduce the resistance of the welding interface. can be reduced.
  • the output of the laser to meet the welding strength conditions varies depending on the laser equipment, and can be appropriately adjusted in the range of 250W to 320W or 40% to 100% of the maximum laser output specification provided by the equipment.
  • Weld strength can be defined as the tensile force per unit area of the current collector (kgf/cm 2 ) when the current collector begins to separate from the bent surface area (F). Specifically, after completing welding of the current collector, tension may be applied to the current collector, but its size may be gradually increased. When the tensile force exceeds a critical value, the segment begins to separate from the weld interface. At this time, the tensile force applied to the current collector divided by the area of the current collector corresponds to the welding strength.
  • the bent surface area F has a plurality of segments stacked in layers, and according to the above-described embodiments, the number of segment segments stacked can increase from a minimum of 10 to a maximum of 35.
  • the thickness of the positive electrode current collector (foil) constituting the uncoated area 43 may be 10 um to 25 um, and the thickness of the negative electrode current collector (foil) constituting the uncoated area 43 may be 5 um to 20 um. Accordingly, the bent surface area (F) of the anode may include a region where the total stacked thickness of the segmented pieces is 100 um to 875 um. Additionally, the bent surface area (F) of the cathode may include a region where the total stacked thickness of the segmented pieces is 50 um to 700 um.
  • FIG. 12 is a top plan view of an electrode assembly showing a section in which the number of layers is uniform (b1) and a section in which the number of layers is reduced (b2) in the bent surface area (F) of the segment pieces (61, 61') according to an embodiment of the present invention.
  • the area between two circles indicated by a thick solid line corresponds to the bent surface area (F) of the segmented piece, and the area between the two circles shown by a dashed line corresponds to a uniform section in which the number of stacked segments is 10 or more. It corresponds to (b1), and the area outside the stacked number uniform section (b1) corresponds to the stacked number reduced section (b2).
  • a welding pattern (W p ) is created on the surface of the current collector (P c ).
  • the welding pattern (W p ) may be an array of line patterns or dot patterns.
  • the welding pattern (W p ) corresponds to the welding area and may overlap by more than 50% with the uniform section (b1) of the number of stacks of segment pieces along the radial direction. Therefore, part of the welding pattern (W p ) is included in the stack number uniform section (b1), and the remainder of the weld pattern (W p ) is included in the stack number reduction section (b1) outside the stack number uniform section (b1). You can. Of course, in order to maximize welding strength and lower the resistance of the welding area, the entire welding pattern (W p ) may overlap with the uniform number of stacks section (b1).
  • the area of the bent surface area (F) can be defined as the area of the sum of the area of the section where the number of layers is uniform (b1) and the area where the number of layers is reduced (b2) of the segmented piece.
  • the ratio (e/f) of the laminated number uniform section (b1) is 30% to 85%, preferably 31% to 82%, so the area ratio of the laminated number uniform section (b1) to the area of the bent surface area (F) It may be 9% (30 2 /100 2 ) to 72% (85 2 /100 2 ), preferably 10% (31 2 /100 2 ) to 67% (82 2 /100 2 ).
  • the edge of the portion where the current collector (P c ) contacts the bent surface area (F) is the segmental piece (61, 61') bent toward the core (C) at the last winding turn of the height uniform section (3).
  • the ends can be covered.
  • the welding pattern (W p ) is formed while the segment pieces (61, 61') are pressed by the current collector (P c ), so that the current collector (P c ) and the bent surface area (F) are strongly bonded. .
  • the segment pieces 61 and 61' stacked in the winding axis direction are brought into close contact with each other, thereby lowering the resistance at the welding interface and preventing the segment pieces 61 and 61' from lifting.
  • the bending direction of the segment may be opposite to that described above. That is, the segment piece can be bent from the core side to the outer circumference side.
  • the pattern in which the height of the segment changes along the winding direction (X-axis) may be opposite to the above-described embodiments (modifications). For example, the height of the segment may gradually decrease from the core to the outer periphery.
  • the structure applied to the first part (B1) and the structure applied to the second part (B3) may be switched with each other.
  • the height of the segment is gradually reduced from the core side to the outer periphery, but the height change pattern of the segment is changed so that the end of the segment does not protrude outside the outer periphery of the electrode assembly when the segment closest to the outer periphery of the electrode assembly is bent toward the outer periphery. can be designed.
  • the electrode structures of the above-described embodiments can be applied to at least one of the first and second electrodes with different polarities included in a jelly roll type or other type of electrode assembly known in the art. Additionally, when the electrode structure of the embodiments (modification examples) is applied to one of the first electrode and the second electrode, a conventional electrode structure may be applied to the other electrode. Additionally, the electrode structures applied to the first electrode and the second electrode may not be the same and may be different.
  • first electrode and the second cathode are an anode and a cathode, respectively
  • one of the embodiments is applied to the first electrode and a conventional electrode structure (see Figure 1) is applied to the second electrode. It can be applied.
  • first electrode and the second cathode are an anode and a cathode, respectively
  • one of the embodiments (variations) is selectively applied to the first electrode and one of the embodiments (variations) is selectively applied to the second electrode. Any one of these may be selectively applied.
  • the positive electrode active material coated on the positive electrode and the negative electrode active material coated on the negative electrode can be used without limitation as long as they are active materials known in the art.
  • the positive electrode active material has the general formula A[ A Contains 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 x, y and z are selected so that the compound remains electrically neutral.
  • the positive electrode active material is an alkali metal compound xLiM 1 O 2 -(1-x)Li 2 M 2 O 3 disclosed in US6,677,082, US6,680,143, etc.
  • M 1 is at least one element having an average oxidation state of 3
  • M 2 may include at least one element having an average oxidation state of 4; 0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the positive electrode 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, Contains 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, V and S
  • M 3 includes a halogen element optionally including F; 0 ⁇ a ⁇ 2, 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1; the stoichiometric coefficients a, x, y and z are chosen so that the compound remains electrically neutral), or Li 3 M 2 (PO 4 ) 3 [M is Ti, Si, Mn, Fe , Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg and Al. It may be a lithium metal
  • the positive electrode active material may include primary particles and/or secondary particles in which primary particles are aggregated.
  • the negative electrode active material may be carbon material, lithium metal or lithium metal compound, silicon or silicon compound, tin or tin compound, etc.
  • Metal oxides such as TiO 2 and SnO 2 with a potential of less than 2V can also be used as negative electrode active materials.
  • carbon materials both low-crystalline carbon and high-crystalline carbon can be used.
  • the separator is a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of polyolefin polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, ethylene/methacrylate copolymer, etc. Alternatively, they can be used by stacking them.
  • the separator may be a conventional porous nonwoven fabric, for example, a nonwoven fabric made of high melting point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, etc.
  • At least one surface of the separator may include a coating layer of inorganic particles. It is also possible that the separator itself is made of a coating layer of inorganic particles. The particles constituting the coating layer may have a structure combined with a binder such that an interstitial volume exists between adjacent particles.
  • the inorganic particles may be made of an inorganic material with a dielectric constant of 5 or more.
  • the inorganic particles include Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), Pb 1x La x Zr 1y 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 selected from the group consisting of It may contain at least one or more substances.
  • Figure 13 is a cross-sectional view taken along the Y-axis direction (winding axis direction) of the jelly roll type electrode assembly 100 in which the electrode 60 of the embodiment is applied to the first electrode (anode) and the second electrode (cathode).
  • the uncoated portion 43a of the first electrode includes a first portion B1 adjacent to the core of the electrode assembly 100, a second portion B3 adjacent to the outer peripheral surface of the electrode assembly 100, and and a third part (B2) interposed between the first part (B1) and the second part (B3).
  • the height of the uncoated portion of the first portion (B1) is relatively smaller than the height of the segment pieces (61). Additionally, the height of the first portion B1 is lower than the height of the uncoated portion at the bottom of the cutting groove between the segment pieces. Additionally, the bending length of the segmental piece 61 located at the innermost side of the third portion B2 is equal to or smaller than the radial length R of the first portion B1.
  • the bending length (H) corresponds to the distance from the point where the innermost segment 61 is bent to the top of the segment 61. In a variation, the bending length H may be less than the sum of the radial length R of the winding turn formed by the first portion B1 and 10% of the radius of the core 102.
  • Core 102 is a cavity at the center of electrode assembly 100. If the core 102 is not blocked, there is no difficulty in the electrolyte injection process, and the electrolyte injection efficiency is improved. Additionally, the welding process between the current collector plate on the negative electrode (or positive electrode) side and the battery housing (or rivet terminal) can be easily performed by inserting a welding jig through the core 102.
  • the height of the uncoated portion of the second portion B3 is relatively smaller than the height of the segment piece 61. Accordingly, it is possible to prevent an internal short circuit occurring when the beading portion of the battery housing is pressed near the winding turn of the second portion B3 and the beading portion and the upper edge of the electrode assembly 100 contact each other.
  • the height of the second portion B3 may be lower than the height of the uncoated portion at the bottom of the cutting groove between the segment pieces.
  • the second part (B3) may include a segmental piece (61), and the height of the segmental piece (61) of the second part (B3) may gradually or stepwise decrease, unlike that shown in FIG. 13. You can. Additionally, in Fig. 13, the height of the segmental piece 61 is the same at a portion of the outer peripheral side. However, the height of the segment piece 61 may gradually or stepwise increase from the boundary between the first part (B1) and the third part (B2) to the border between the third part (B2) and the second part (B3). The section in which the height of the segmental piece 61 changes corresponds to the height variable section of the segmental piece (2 in FIG. 10A).
  • the second uncoated portion 43b has the same structure as the first uncoated portion 43a.
  • the second uncoated portion 43b may have a conventional electrode structure or an electrode structure of other embodiments (modifications).
  • the ends 101 of the segment pieces 61 may be bent in the radial direction of the electrode assembly 100, for example, from the outer peripheral side to the core side. At this time, the uncoated portions of the first portion (B1) and the second portion (B3) are not substantially bent. Additionally, the height of the first portion B1 is lower than the height of the uncoated portion at the bottom of the cutting groove between the segment pieces. Accordingly, it is possible to prevent the uncoated portion of the first portion B1 from being deformed when the segment pieces 61 are bent.
  • the third part (B2) includes a plurality of segment pieces 61 arranged in the radial direction, the bending stress can be alleviated to prevent the uncoated portions 43a and 43b near the bending point from being torn or abnormally deformed. there is.
  • the segment pieces 61 are bent toward the core to a degree that sufficiently secures welding strength. It overlaps in several layers and does not form empty holes (gaps) in the bending surface area (F).
  • Figure 14 is a cross-sectional view of the electrode assembly 110 according to another embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction (winding axis direction).
  • the electrode assembly 110 compared to the electrode assembly 100 of FIG. 13, the electrode assembly 110 includes segment pieces 61 in the second part (B3) and the segment pieces 61 in the second part (B3).
  • the rest of the configuration is substantially the same except that the height is substantially the same as the height of the outermost segment piece 61 of the third portion B2.
  • the height of the uncoated portion of the first portion (B1) is relatively smaller than the height of the segment pieces 61 included in the third portion (B2).
  • the bending length H of the innermost segment 61 in the third portion B2 is equal to or smaller than the radial length R of the winding turns formed by the first portion B1.
  • the winding turns formed by the first portion (B1) may be a segment-omitting section (1 in FIG. 10A) where there is no segment segment.
  • the bending length H may be less than the sum of the radial length R of the winding turns formed by the first portion B1 and 10% of the radius of the core 112.
  • the segment pieces 61 included in the third portion B2 are bent, more than 90% of the diameter of the core 112 of the electrode assembly 110 is open to the outside. If the core 112 is not blocked, there is no difficulty in the electrolyte injection process, and the electrolyte injection efficiency is improved. Additionally, by inserting a welding jig through the core 112, the welding process between the current collector plate on the negative electrode (or positive electrode) side and the battery housing (or rivet terminal) can be easily performed.
  • the structure in which the height of the segment piece 61 included in the third part B2 increases gradually or stepwise from the core side to the outer circumference side is formed by the second part B3. It can be extended to even loops. In this case, the height of the segment pieces 61 may gradually or stepwise increase from the boundary between the first part B1 and the third part B2 to the outermost surface of the electrode assembly 110.
  • the second uncoated portion 43b has the same structure as the first uncoated portion 43a.
  • the second uncoated portion 43b may have a conventional electrode structure or an electrode structure of other embodiments (modifications).
  • the ends 111 of the segment pieces 61 included in the third portion B2 may be bent in the radial direction of the electrode assembly 110, for example, from the outer peripheral side to the core side. At this time, the uncoated portion of the first portion B1 is not substantially bent.
  • the third part (B2) includes a plurality of segment pieces 61 arranged in the radial direction, the bending stress is alleviated to prevent the uncoated portions 43a and 43b near the bending point from being torn or abnormally deformed. there is.
  • the segment pieces 61 are bent toward the core to a degree that sufficiently secures welding strength. It overlaps in several layers and does not form empty holes (gaps) in the bending surface area.
  • Figure 15 is a cross-sectional view of the electrode assembly 120 according to another embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction (winding axis direction).
  • the electrode assembly 120 has a pattern in which the height of the segment pieces 61 included in the third portion B2 gradually or stepwise increases and then decreases compared to the electrode assembly 100 of FIG. 13. The only difference is that it has , and the rest of the configuration is substantially the same.
  • the radius section in which the heights of the segment pieces 61 change can be regarded as a height variable section (2 in FIG. 10A) of the segment pieces.
  • the height variable section of the segment pieces 61 is a section in which the number of stacks of the segment pieces 61 is equal to 10 or more in the bent surface area F formed by bending the segment pieces 61, as described above. It can be designed to appear as a numerical range.
  • the height of the uncoated portion of the first portion B1 is relatively smaller than the height of the segment pieces 61.
  • the bending length H of the segment 61 closest to the core 122 is equal to or smaller than the radial length R of the winding turns formed by the first portion B1.
  • the section corresponding to the winding turns formed by the first part (B1) corresponds to the segmental piece omitted section (1 in FIG. 10A) where there is no segmental piece.
  • the bending length H may be less than the sum of the radial length R of the winding turns formed by the first portion B1 and 10% of the radius of the core 102.
  • the core 122 of the electrode assembly 120 is open to the outside by more than 90% of its diameter. If the core 122 is not blocked, there is no difficulty in the electrolyte injection process, and the electrolyte injection efficiency is improved. Additionally, a welding jig can be inserted through the core 122 to easily perform a welding process between the current collector plate on the negative electrode (or positive electrode) side and the battery housing (or rivet terminal).
  • the height of the uncoated portion of the second portion B3 is relatively smaller than the height of the segment pieces 61, and preferably, the segment pieces 61 may not be formed in the second portion B3. Therefore, in the process where the beading part of the battery housing is pressed near the winding turns formed by the second part B3, the beading part and the end edge of the electrode assembly 120 contact each other, thereby preventing an internal short circuit from occurring.
  • the second portion B3 may include segment pieces, and the height of the segment pieces of the second portion B3 may gradually or stepwise decrease toward the outer circumference.
  • the second uncoated portion 43b has the same structure as the first uncoated portion 43a.
  • the second uncoated portion 43b may have a conventional electrode structure or an electrode structure of other embodiments (modified examples).
  • the ends 121 of the segment pieces 61 included in the third portion B2 may be bent from the outer peripheral side of the electrode assembly 120 to the core side. At this time, the uncoated portions of the first portion (B1) and the second portion (B3) are not substantially bent.
  • the third portion B2 includes a plurality of segment pieces 61 arranged in the radial direction, bending stress is alleviated to prevent the uncoated portions 43a and 43b from being torn or abnormally deformed.
  • the segment pieces 61 are bent toward the core to a degree that sufficiently secures welding strength. It overlaps in several layers and does not form empty holes (gaps) in the bending surface area (F).
  • Figure 16 is a cross-sectional view cut along the Y-axis direction (winding axis direction) so as to pass through the electrode assembly 130 according to another embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly 130 includes segment pieces 61 in the second part B3, and the height of the segment pieces 61 is lower than that of the second part (B3).
  • the difference is that it has a pattern that gradually or stepwise decreases from the boundary point between B3) and the third portion B2 toward the outermost surface of the electrode assembly 130, and the remaining configurations are substantially the same.
  • the height of the uncoated portion of the first portion B1 is relatively smaller than the height of the segment pieces 61.
  • the bending length H of the segment 61 closest to the core 132 is equal to or smaller than the radial length R of the winding turns formed by the first portion B1.
  • the winding turns formed by the first part (B1) correspond to the segmental piece-omitted section (1 in FIG. 10a) where there is no segmental piece.
  • the bending length H may be less than the sum of the radial length R of the winding turns formed by the first portion B1 and 10% of the radius of the core 102.
  • a welding jig can be inserted through the core 132 to easily perform a welding process between the current collector plate on the negative electrode (or positive electrode) side and the battery housing (or rivet terminal).
  • the second uncoated portion 43b has the same structure as the first uncoated portion 43a.
  • the second uncoated portion 43b may have a conventional electrode structure or an electrode structure of other embodiments (modifications).
  • the ends 131 of the segment pieces 61 included in the third portion B2 may be bent from the outer peripheral side of the electrode assembly 130 to the core side. At this time, the uncoated portion of the first portion B1 is not substantially bent.
  • the third part (B2) includes a plurality of segment pieces 61 arranged in the radial direction, the bending stress is alleviated to prevent the uncoated portions 43a and 43b near the bending point from being torn or abnormally deformed. there is.
  • the segment pieces 61 are bent toward the core to a degree that sufficiently secures welding strength. It overlaps in several layers and does not form empty holes (gaps) in the bending surface area (F).
  • the ends of the segment pieces 61 included in the third portion B2 may be bent from the core side to the outer circumference side.
  • the winding turns formed by the second portion B3 are designed as segment-omitting sections (1 in FIG. 10A) without segment pieces and are not bent toward the outer circumference.
  • the radial width of the winding turns formed by the second portion B3 may be equal to or greater than the length at which the outermost segment is bent. Only then, when the outermost segment is bent toward the outer circumference, the end of the bent portion does not protrude toward the inner surface of the battery housing beyond the outer circumferential surface of the electrode assembly.
  • the structural change pattern of the segments included in the third portion B2 may be opposite to the above-described embodiments (modifications).
  • the height of the segment may gradually or gradually decrease from the core side to the outer circumference side. That is, by arranging the segment omission section (1 in FIG. 10A), the height variable section of the segment (2 in FIG. 10A), and the uniform height section (3 in FIG. 10A) in that order from the outer peripheral side of the electrode assembly to the core side, In the bent surface area (F), a uniform section in which the number of layers of segment pieces is 10 or more can be displayed in a desirable numerical range.
  • Various electrode assembly structures according to embodiments of the present invention can be applied to jelly roll-type cylindrical batteries.
  • the cylindrical battery may be, for example, a cylindrical battery with a form factor ratio (defined as the diameter of the cylindrical battery divided by the height, i.e. the ratio of the diameter ( ⁇ ) to the height (H)) greater than approximately 0.4.
  • the form factor refers to values representing the diameter and height of the cylindrical battery.
  • the diameter of the cylindrical battery may be 35 mm or more, preferably 40 mm to 50 mm.
  • the height of the cylindrical battery may be 70 mm or more, preferably 75 mm to 90 mm.
  • the cylindrical battery according to one embodiment may be, for example, a 46110 battery, a 4875 battery, a 48110 battery, a 4880 battery, or a 4680 battery.
  • the first two numbers represent the diameter of the battery, and the remaining numbers represent the height of the battery.
  • the battery according to an embodiment of the present invention may be a cylindrical battery with a diameter of approximately 46 mm, a height of approximately 110 mm, and a form factor ratio of 0.418.
  • a battery according to another embodiment may be a cylindrical battery with a diameter of approximately 48 mm, a height of approximately 75 mm, and a form factor ratio of 0.640.
  • a battery according to another embodiment may be a cylindrical battery with a diameter of approximately 48 mm, a height of approximately 110 mm, and a form factor ratio of 0.436.
  • a battery according to another embodiment may be a cylindrical battery with a diameter of approximately 48 mm, a height of approximately 80 mm, and a form factor ratio of 0.600.
  • a battery according to another embodiment may be a cylindrical battery with a diameter of approximately 46 mm, a height of approximately 80 mm, and a form factor ratio of 0.575.
  • batteries with a form factor ratio of approximately 0.4 or less have been used. That is, conventionally, for example, 1865 batteries, 2170 batteries, etc. were used.
  • 1865 battery its diameter is approximately 18 mm
  • its height is approximately 65 mm
  • its form factor ratio is 0.277
  • the form factor ratio is 0.300.
  • Figure 17 is a cross-sectional view of the cylindrical battery 190 according to an embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction.
  • the cylindrical battery 190 includes an electrode assembly 110 including a first electrode, a separator, and a second electrode, and a battery housing 142 that accommodates the electrode assembly 110. ) and a sealing body 143 that seals the open end of the battery housing 142.
  • the battery housing 142 is a cylindrical container with an opening formed at the top.
  • the battery housing 142 is made of a conductive metal material such as aluminum, steel, or stainless steel.
  • a nickel coating layer may be formed on the surface of the battery housing 142.
  • the battery housing 142 accommodates the electrode assembly 110 in the inner space through the upper opening and also accommodates the electrolyte.
  • the electrolyte may be a salt with a structure such as A + B -- .
  • a + includes alkali metal cations such as Li + , Na + , K + or ions consisting of a combination thereof.
  • B - is F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , AlO 4 - , AlCl 4 - , PF 6 - , SbF 6 - , AsF 6 - , BF 2 C 2 O 4 - , BC 4 O 8 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , C 4 F 9 SO 3 - , CF 3 CF
  • the electrolyte can also be used by dissolving it in an organic solvent.
  • Organic solvents include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and dipropyl carbonate (DPC). , dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone (N-methyl- 2-pyrrolidone (NMP), ethyl methyl carbonate (EMC), gamma butyrolactone ( ⁇ -butyrolactone), or mixtures thereof may be used.
  • PC propylene carbonate
  • EC ethylene carbonate
  • DEC diethyl carbonate
  • DMC dimethyl carbonate
  • DPC dipropyl carbonate
  • dimethyl sulfoxide acetonitrile
  • dimethoxyethane dimethoxyethane
  • the electrode assembly 110 may have a jelly roll shape. As shown in FIG. 2, the electrode assembly 110 is formed by sequentially stacking a lower separator, a first electrode, an upper separator, and a second electrode at least once, and is wound around the winding center C. It can be manufactured by:
  • the first electrode and the second electrode have different polarities. That is, if one has positive polarity, the other has negative polarity. At least one of the first electrode and the second electrode may have an electrode structure according to the above-described embodiments (modification examples). Additionally, the other of the first electrode and the second electrode may have a conventional electrode structure or an electrode structure according to embodiments (modifications).
  • the electrode pair included in the electrode assembly 110 is not limited to one, but may be two or more.
  • the segmented pieces included in the third portion B2 are bent in the radial direction of the electrode assembly 110, for example, from the outer circumference to the core, forming a bent surface area F.
  • the first part (B1) has a lower height than the other parts and corresponds to the segment omission section (a1) where there is no segment segment, so it is not bent toward the core side.
  • the height of the uncoated portion of the first portion B1 may be lower than that of the uncoated portion below the cutting groove between the segment pieces.
  • the bent surface area (F) may include a section where the segment is omitted (a1), a section where the height of the segment is variable (a2), and a section where the height of the segment is uniform (a3), from the core side to the outer periphery.
  • the bent surface area F includes a section with uniform stacking number b1 where the number of stacks of segment pieces is 10 or more adjacent to the segment omission section a1.
  • the bent surface area F may also include a lamination number reduction section b2 adjacent to the outer periphery of the electrode assembly 110 in which the lamination number of segment pieces decreases toward the outer circumference.
  • the stacked number uniformity section b1 may be set as the welding target area.
  • the ratio (a2/c) to the height variable section (a2) of the segment and the uniform section (b1) of the number of stacks of the segment In the bending surface area (F), based on the radial length (c) where the segment exists, the ratio (a2/c) to the height variable section (a2) of the segment and the uniform section (b1) of the number of stacks of the segment.
  • the ratio (b1/c) and the preferred numerical range of the ratio of the area of the stacked number uniform section (b1) to the area of the bent surface area (F) have already been described in detail, so repeated explanations will be omitted.
  • the first current collector plate 144 is laser welded to the bent surface area (F) of the first non-coated portion (146a), and the second current collector plate 145 is laser welded to the bent surface area (F) of the second non-coated portion (146b).
  • Can be laser welded. Welding methods can be replaced by ultrasonic welding, resistance welding, spot welding, etc.
  • an area of 50% or more of the welded area W of the first current collector plate 144 and the second current collector plate 145 may overlap with the laminated number uniform section b1 of the bent surface area F.
  • the remaining area of the welded area (W) may overlap with the stack number reduction section (b2) of the bent surface area (F).
  • the number of layers of the segment pieces may be 10 to 35.
  • the laser power of the stack number reduction section (b2) is lowered than the laser power of the stack number uniform section (b1).
  • the output of the laser can be varied according to the number of stacks of the segment pieces.
  • the welding strength of the section where the number of layers is uniform (b1) may be greater than the welding strength of the section where the number of layers is reduced (b2).
  • segment omission section (a1) and/or a segment height variable section (a2) and/or a segment height uniform section (a3) there is a segment omission section (a1) and/or a segment height variable section (a2) and/or a segment height uniform section (a3).
  • the radial lengths may be the same or different from each other.
  • bent surface areas F formed at the upper and lower portions of the electrode assembly 110 may form a plane-symmetric structure. Accordingly, when the upper bent surface area F is projected toward the lower bent surface area F, they may substantially overlap each other.
  • the height of the uncoated portion of the first portion B1 is relatively smaller than that of other portions.
  • the bending length (H) of the segment closest to the core is 10% of the radius of the core 112 and the radial length (R) of the winding turns formed by the first portion (B1). It is smaller than the summed value.
  • the segments included in the third portion B2 are bent toward the core, more than 90% of the diameter of the core 112 of the electrode assembly 110 may be open to the outside. If the core 112 is not blocked, there is no difficulty in the electrolyte injection process, and the electrolyte injection efficiency is improved. Additionally, the welding process between the second current collector plate 145 and the battery housing 142 can be easily performed by inserting a welding jig through the core 112.
  • width and/or height and/or spacing pitch of the segment pieces are adjusted to satisfy the numerical range of the above-described embodiment, when the segment pieces are bent, they overlap and bend in multiple layers enough to sufficiently secure welding strength. No empty space (gap) is formed in the surface area (F).
  • the first current collector plate 144 and the second current collector plate 145 may have an outer diameter that covers the end of the segmental piece (see 61 in FIG. 12) bent at the last winding turn of the first electrode and the second electrode. there is.
  • welding is possible while the segments forming the bent surface area F are uniformly pressed by the current collector, and the close stacking state of the segments can be well maintained even after welding.
  • a close stacking state means a state in which there are substantially no gaps between the segments, as shown in FIG. 10A. The close stacking state contributes to lowering the resistance of the cylindrical battery 190 to a level below a level suitable for fast charging (e.g., 4 milliohms).
  • the seal 143 provides airtightness between the cap plate 143a, the cap plate 143a, and the battery housing 142, and is electrically and mechanically connected to the insulating first gasket 143b and the cap plate 143a. It may include a connection plate 143c coupled with .
  • the cap plate 143a is a component made of a conductive metal material and covers the upper opening of the battery housing 142.
  • the cap plate 143a is electrically connected to the bent surface area F of the first electrode, and is electrically insulated from the battery housing 142 through the first gasket 143b. Accordingly, the cap plate 143a may function as a first electrode terminal (eg, anode) of the cylindrical battery 190.
  • the cap plate 143a is seated on the beading portion 147 formed in the battery housing 142 and is fixed by the crimping portion 148.
  • a first gasket 143b will be interposed between the cap plate 143a and the crimping portion 148 to ensure airtightness of the battery housing 142 and to provide electrical insulation between the battery housing 142 and the cap plate 143a. You can.
  • the cap plate 143a may have a protrusion 143d protruding upward from its center.
  • the battery housing 142 is electrically connected to the bent surface area (F) of the second electrode. Accordingly, the battery housing 142 has the same polarity as the second electrode. If the second electrode has a negative polarity, the battery housing 142 also has a negative polarity.
  • the battery housing 142 has a beading portion 147 and a crimping portion 148 at the top.
  • the beading portion 147 is formed by press fitting around the outer peripheral surface of the battery housing 142.
  • the beading portion 147 prevents the electrode assembly 110 accommodated inside the battery housing 142 from coming out through the top opening of the battery housing 142, and may function as a support portion on which the seal 143 is seated. .
  • the second part (B3) of the first electrode may not include a segment and may be notched to have the same structure as the first part (B1).
  • the inner peripheral surface of the beading portion 147 may be spaced apart from the winding turns formed by the second portion B3 of the first electrode by a predetermined distance. This is because the second part (B3) is notched like the first part (B1). More specifically, the lower end of the inner peripheral surface of the beading portion 147 is spaced apart from the winding turns formed by the second portion B3 of the first electrode by a predetermined distance.
  • the winding turns of the second portion (B3) are not substantially affected even when the battery housing 142 is press-fitted from the outside to form the beading portion 147. No. Accordingly, the winding turns of the second portion B3 are not pressed by other components such as the beading portion 147, and thus partial shape deformation of the electrode assembly 110 is prevented from occurring, thereby maintaining the cylindrical battery 190. Internal short circuit can be prevented.
  • the press-fitting depth of the beading portion 147 is defined as D1, and the radial length from the inner peripheral surface of the battery housing 142 to the boundary point between the second part (B3) and the third part (B2) is defined as D2.
  • D1 ⁇ D2 the relationship D1 ⁇ D2 can be satisfied.
  • damage to the winding turns formed by the second portion B3 is substantially prevented when the battery housing 142 is press-fitted to form the beading portion 147.
  • the crimping part 148 is formed on the upper part of the beading part 147.
  • the crimping portion 148 has an extended and bent shape to surround the outer peripheral surface of the cap plate 143a disposed on the beading portion 147 and a portion of the upper surface of the cap plate 143a.
  • the cylindrical battery 190 may further include a first current collector plate 144 and/or a second current collector plate 145 and/or an insulator 146.
  • the first current collector plate 144 is coupled to the upper part of the electrode assembly 110.
  • the first current collector plate 144 is made of a conductive metal material such as aluminum, copper, steel, nickel, etc., and is electrically connected to the bent surface area F of the first electrode. Electrical connections can be made through welding.
  • a lead 149 may be connected to the first current collector plate 144.
  • the lead 149 may extend upward from the electrode assembly 110 and be coupled to the connection plate 143c or directly coupled to the lower surface of the cap plate 143a.
  • the lead 149 and other components may be joined through welding.
  • the first current collector plate 144 may be formed integrally with the lead 149.
  • the lead 149 may have a long plate shape extending outward from near the center of the first current collector plate 144.
  • the bonding between the first current collector plate 144 and the bent surface area F of the first electrode may be achieved, for example, by laser welding.
  • Laser welding can be performed by partially melting the current collector base material.
  • welding between the first current collector plate 144 and the bent surface area F may be performed with solder interposed.
  • the solder may have a lower melting point compared to the first current collector plate 144 and the first uncoated portion 146a.
  • Laser welding can be replaced by resistance welding, ultrasonic welding, and spot welding.
  • a second current collector plate 145 may be coupled to the lower surface of the electrode assembly 110.
  • One side of the second current collector plate 145 may be joined to the bent surface area F of the second electrode by welding, and the opposite side may be joined to the inner bottom surface of the battery housing 142 by welding.
  • the bonding structure between the second current collector plate 145 and the bent surface area (F) of the second electrode may be substantially the same as the bonding structure between the first current collector plate 144 and the bent surface area (F) of the first electrode. You can.
  • the insulator 146 may cover the first current collector 144.
  • the insulator 146 covers the first current collector plate 144 on the upper surface of the first current collector plate 144, thereby preventing direct contact between the first current collector plate 144 and the inner peripheral surface of the battery housing 142. .
  • the insulator 146 has a lead hole 151 so that the lead 149 extending upward from the first current collector plate 144 can be extracted.
  • the lead 149 is pulled upward through the lead hole 151 and coupled to the lower surface of the connection plate 143c or the lower surface of the cap plate 143a.
  • the area around the edge of the insulator 146 may be interposed between the first current collector plate 144 and the beading portion 147 to fix the combination of the electrode assembly 110 and the first current collector plate 144. Accordingly, the combination of the electrode assembly 110 and the first current collector plate 144 may limit movement in the height direction of the battery 140, thereby improving assembly stability of the battery 140.
  • the insulator 146 may be made of an insulating polymer resin.
  • the insulator 146 may be made of polyethylene, polypropylene, polyimide, or polybutylene terephthalate.
  • the battery housing 142 may further include a venting portion 152 formed on its lower surface.
  • the venting portion 152 corresponds to an area of the lower surface of the battery housing 142 that has a thinner thickness compared to the surrounding area.
  • the venting portion 152 is structurally weak compared to the surrounding area. Therefore, if an abnormality occurs in the cylindrical battery 190 and the internal pressure increases above a certain level, the venting portion 152 may rupture and the gas generated inside the battery housing 142 may be discharged to the outside.
  • the internal pressure at which the vent portion 152 ruptures may be approximately 15 kgf/cm 2 to 35 kgf/cm 2 .
  • the venting portion 152 may be formed continuously or discontinuously in a circle on the lower surface of the battery housing 142. In a variation, the venting portion 152 may be formed in a straight pattern or any other pattern.
  • Figure 18 is a cross-sectional view of a cylindrical battery 200 according to another embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction.
  • the structure of the electrode assembly of the cylindrical battery 200 is substantially the same as that of the cylindrical battery 190 shown in FIG. 17, but the structure is different except for the electrode assembly.
  • the cylindrical battery 200 includes a battery housing 171 through which a rivet terminal 172 is installed.
  • the rivet terminal 172 is installed through a through hole formed in the closed surface (upper surface in the drawing) of the battery housing 171.
  • the rivet terminal 172 is riveted into a through hole of the battery housing 171 with a second gasket 173 made of an insulating material interposed therebetween.
  • the rivet terminal 172 is exposed to the outside in a direction opposite to the direction of gravity.
  • the rivet terminal 172 includes a terminal exposure portion 172a and a terminal insertion portion 172b.
  • the terminal exposed portion 172a is exposed to the outside of the closed surface of the battery housing 171.
  • the terminal exposed portion 172a may be located approximately at the center of the closed surface of the battery housing 171.
  • the maximum diameter of the terminal exposed portion 172a may be larger than the maximum diameter of the through hole formed in the battery housing 171.
  • the terminal insertion portion 172b may penetrate approximately the center of the closed surface of the battery housing 171 and be electrically connected to the uncoated portion 146a of the first electrode.
  • the lower edge of the terminal insertion portion 172b may be riveted on the inner surface of the battery housing 171.
  • the lower edge of the terminal insertion portion 172b may have a shape curved toward the inner surface of the battery housing 171.
  • a flat portion 172c is included inside the lower edge of the terminal insertion portion 172b.
  • the maximum diameter of the lower part of the riveted terminal insertion portion 172b may be larger than the maximum diameter of the through hole of the battery housing 171.
  • the flat portion 172c of the terminal insertion portion 172b may be welded to the central portion of the first current collector plate 144 connected to the bent surface area F of the first electrode.
  • Laser welding is preferred as a welding method, but it can be replaced with other welding methods such as ultrasonic welding.
  • An insulator 174 made of an insulating material may be interposed between the first current collector plate 144 and the inner surface of the battery housing 171.
  • the insulator 174 covers the top of the first current collector plate 144 and the top edge of the electrode assembly 110.
  • the thickness of the insulator 174 corresponds to or is slightly larger than the distance between the upper surface of the first current collector plate 144 and the inner surface of the closed portion of the battery housing 171. Accordingly, the insulator 174 may contact the upper surface of the first current collector plate 144 and the inner surface of the closed portion of the battery housing 171.
  • the terminal insertion portion 172b of the rivet terminal 172 may be welded to the first current collector plate 144 through the through hole of the insulator 174.
  • the diameter of the through hole formed in the insulator 174 may be larger than the diameter of the riveting portion at the bottom of the terminal insertion portion 172b.
  • the through hole may expose the lower portion of the terminal insertion portion 172b and the second gasket 173.
  • the second gasket 173 is interposed between the battery housing 171 and the rivet terminal 172 to prevent the battery housing 171 and the rivet terminal 172, which have opposite polarities, from electrically contacting each other.
  • the upper surface of the battery housing 171 which has a substantially flat shape, can function as a second electrode terminal (eg, negative electrode) of the cylindrical battery 200.
  • the second gasket 173 includes a gasket exposed portion 173a and a gasket insertion portion 173b.
  • the gasket exposed portion 173a is interposed between the terminal exposed portion 172a of the rivet terminal 172 and the battery housing 171.
  • the gasket insertion portion 173b is interposed between the terminal insertion portion 172b of the rivet terminal 172 and the battery housing 171.
  • the gasket insertion portion 173b may be deformed together and come into close contact with the inner surface of the battery housing 171 during riveting of the terminal insertion portion 172b.
  • the second gasket 173 may be made of, for example, a polymer resin having insulating properties.
  • the gasket exposed portion 173a of the second gasket 173 may have an extended shape to cover the outer peripheral surface of the terminal exposed portion 172a of the rivet terminal 172.
  • a short circuit may occur in the process of coupling electrical connection parts such as a bus bar to the upper surface of the battery housing 171 and/or the rivet terminal 172. can be prevented.
  • the gasket exposed portion 173a may have an extended shape to cover not only the outer peripheral surface of the terminal exposed portion 172a but also a portion of the upper surface.
  • the second gasket 173 may be coupled to the battery housing 171 and the rivet terminal 172 by heat fusion. In this case, airtightness at the bonding interface between the second gasket 173 and the rivet terminal 172 and the bonding interface between the second gasket 173 and the battery housing 171 can be strengthened. Meanwhile, in the case where the gasket exposed portion 173a of the second gasket 173 extends to the upper surface of the terminal exposed portion 172a, the rivet terminal 172 is formed by insert injection molding into the second gasket 173. ) can be integrally combined with.
  • the second current collector plate 176 is coupled to the lower part of the electrode assembly 141.
  • the second current collector plate 176 is made of a conductive metal material such as aluminum, steel, copper, or nickel, and is electrically connected to the bent surface area F of the second electrode.
  • the second current collector plate 176 is electrically connected to the battery housing 171.
  • the second current collector plate 176 may be fixed with at least a portion of its edge portion interposed between the inner surface of the battery housing 171 and the first gasket 178b.
  • at least a portion of the edge portion of the second current collector plate 176 is fixed to the beading portion 180 by welding while being supported on the lower surface of the beading portion 180 formed at the bottom of the battery housing 171. It can be.
  • at least a portion of the edge portion of the second current collector plate 176 may be directly welded to the inner wall surface of the battery housing 171.
  • the bent surface area F of the second current collector plate 176 and the second electrode may be joined by, for example, laser welding. Additionally, the welded portions of the second current collector plate 176 and the bent surface area F may be spaced apart from each other at a predetermined distance toward the core C based on the inner peripheral surface of the beading portion 180.
  • the seal 178 that seals the lower open end of the battery housing 171 includes a cap plate 178a and a first gasket 178b.
  • the first gasket 178b electrically separates the cap plate 178a and the battery housing 171.
  • the crimping portion 181 fixes the edge of the cap plate 178a and the first gasket 178b together.
  • the cap plate 178a is provided with a vent portion 179.
  • the configuration of the vent portion 179 is substantially the same as the above-described embodiment (modified example).
  • the lower surface of the cap plate 178a may be located above the lower end of the crimping portion 181. In this case, a space is formed at the bottom of the cap plate 178a to allow smooth venting. In particular, it is useful when the cylindrical battery 200 is installed so that the crimping portion 181 faces the direction of gravity.
  • the cap plate 178a is made of a conductive metal material.
  • the first gasket 178b is interposed between the cap plate 178a and the battery housing 171, the cap plate 178a does not have electrical polarity.
  • the seal 178 mainly functions to seal the open end of the lower part of the battery housing 171 and discharge gas when the internal pressure of the battery 200 increases above a critical value.
  • the critical value of the internal pressure is 15 kgf/cm 2 to 35 kgf/cm 2 .
  • the rivet terminal 172 electrically connected to the bent surface area F of the first electrode is used as the first electrode terminal.
  • the portion 175 excluding the rivet terminal 172 of the upper surface of the battery housing 171, which is electrically connected to the bent surface area F of the second electrode through the second current collector plate 176 is the first electrode terminal. It is used as a second electrode terminal with a different polarity. In this way, when the two electrode terminals are located at the top of the cylindrical battery 200, it is possible to place electrical connection components such as a bus bar only on one side of the cylindrical battery 200. This can result in simplification of the battery pack structure and improvement in energy density.
  • the portion 175 used as the second electrode terminal has a substantially flat shape, a sufficient bonding area can be secured when bonding electrical connection components such as a bus bar. Accordingly, the cylindrical battery 200 can lower the resistance at the junction of the electrical connection components to a desirable level.
  • Figure 19 is a cross-sectional view of a cylindrical battery 210 according to another embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction.
  • the cylindrical battery 210 includes the electrode assembly 100 shown in FIG. 13, and the remaining configuration except for the electrode assembly 100 is substantially the same as the cylindrical battery 190 shown in FIG. 17. Therefore, the configuration described with reference to FIGS. 13 and 17 can be applied substantially the same to this embodiment.
  • the first and second uncoated portions 146a and 146b of the electrode assembly 100 include a plurality of segment pieces 61 .
  • the segment pieces 61 are bent in the radial direction of the electrode assembly 100, for example, from the outer peripheral side to the core side.
  • the uncoated portions of the first portion B1 and the second portion B3 of the first uncoated portion 146a are lower in height than other portions and do not include segment pieces, so they are not substantially bent. This is the same for the second uncoated portion 146b.
  • the bent surface area F formed by the segment pieces 61 includes a segment omission section a1, a height variable section a2 of the segment piece, and a height uniform section of the segment piece from the core side to the outer circumference ( a3) may be included.
  • the radial length of the bent surface area F may be shorter than that in the above-described embodiment.
  • the bent surface area F includes a section with uniform stacking number b1 where the number of stacks of segment pieces is 10 or more adjacent to the section a1 where the segment pieces are omitted.
  • the bent surface area F may also include a lamination number reduction section b2 adjacent to the winding turns of the second portion B3 of the electrode assembly 100 in which the lamination number of the segment pieces decreases toward the outer circumference.
  • the stacked number uniformity section b1 may be set as the welding target area.
  • the ratio (a2/c) to the height variable section (a2) of the segment and the uniform section (b1) of the number of stacks of the segment In the bending surface area (F), based on the radial length (c) where the segment exists, the ratio (a2/c) to the height variable section (a2) of the segment and the uniform section (b1) of the number of stacks of the segment.
  • the ratio (b1/c) and the preferred numerical range of the ratio of the area of the stacked number uniform section (b1) to the area of the bent surface area (F) have already been described in detail, so repeated explanations will be omitted.
  • the first current collector plate 144 is welded to the bent surface area (F) of the first uncoated portion 146a, and the second current collector plate 145 is welded to the bent surface area F of the second uncoated portion 146b. It can be.
  • the overlap relationship between the lamination number uniformity section (b1) and the lamination number reduction section (b2) and the welding area (W), the outer diameters of the first current collector plates 144 and 145, and the first portion (B1) The configuration for not blocking the core, etc. is substantially the same as described above.
  • the second part (B3) does not include a segment and the height of the uncoated area is lower than that of the segments of the third part (B2). Accordingly, when the segments of the third portion B2 are bent, the second portion B3 is not substantially bent.
  • the winding turns of the second part (B3) are sufficiently spaced apart from the beading part 147, the problem of the winding turns of the second part (B3) being damaged during the process of press-fitting the beading part 147 can be solved. .
  • Figure 20 is a cross-sectional view of a cylindrical battery 220 according to another embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction.
  • the cylindrical battery 220 includes the electrode assembly 100 shown in FIG. 13, and the remaining configuration except for the electrode assembly 100 is substantially the same as the cylindrical battery 200 shown in FIG. 18. Accordingly, the configuration described with reference to FIGS. 13 and 18 can be applied substantially the same to this embodiment.
  • the first and second uncoated portions 146a and 146b of the electrode assembly 100 include a plurality of segment pieces 61 .
  • the segment pieces 61 are bent from the outer peripheral side of the electrode assembly 100 to the core side to form a bent surface area F.
  • the first portion B1 and the second portion B3 of the first uncoated portion 146a are not substantially bent toward the core because the height of the uncoated portion is lower than that of other portions and do not include segment pieces. This is also the case for the second blank section 146b.
  • the bent surface area (F) is divided from the core side to the outer periphery by a section where the segment is omitted (a1), a section where the height of the section is variable (a2), and a section where the height of the section is uniform ( a3) may be included.
  • the radial length of the bent surface area F may be shorter than that of the above-described embodiment.
  • the bent surface area F includes a section with uniform stacking number b1 where the number of stacks of segment pieces is 10 or more adjacent to the section a1 where the segment pieces are omitted.
  • the bent surface area F may also include a lamination number reduction section b2 adjacent to the winding turns of the second portion B3 of the electrode assembly 100 in which the lamination number of the segment pieces decreases toward the outer circumference.
  • the stacked number uniform section b1 may be set as the welding target area.
  • the ratio (a2/c) to the height variable section (a2) of the segment and the uniform section (b1) of the number of stacks of the segment In the bending surface area (F), based on the radial length (c) where the segment exists, the ratio (a2/c) to the height variable section (a2) of the segment and the uniform section (b1) of the number of stacks of the segment.
  • the ratio (b1/c) and the preferred numerical range of the ratio of the area of the stacked number uniform section (b1) to the area of the bent surface area (F) have already been described in detail, so repeated explanations will be omitted.
  • the first current collector plate 144 is welded to the bent surface area (F) of the first non-coated portion (146a), and the second current collector plate (176) is welded to the bent surface area (F) of the second non-coated portion (146b). It can be.
  • the overlap relationship between the lamination number uniformity section (b1) and the lamination number reduction section (b2) and the welding area (W), the outer diameters of the first and second current collector plates 144 and 176, and the first portion (B1) The configuration for not blocking the core, etc. is substantially the same as described above.
  • the first current collector plate 144 and the second current collector plate 176 included in the cylindrical batteries 200 and 220 including the rivet terminal 172 are shown in FIGS. 21 and 21. It may have an improved structure as shown in Figure 22.
  • the improved structure of the first current collector plate 144 and the second current collector plate 176 can contribute to lowering the resistance of the cylindrical battery, improving vibration resistance, and improving energy density.
  • the first and second current collector plates 144 and 176 are more effective when used in a large cylindrical battery with a height-to-diameter ratio greater than 0.4.
  • Figure 21 is a top plan view showing the structure of the first current collector plate 144 according to an embodiment of the present invention.
  • the first current collector plate 144 may include an edge portion 144a, a first uncoated region coupling portion 144b, and a terminal coupling portion 144c.
  • the edge portion 144a is disposed at the top of the electrode assembly 100.
  • the edge portion 144a may have an approximate rim shape with an empty space (S open ) formed therein.
  • S open empty space
  • the edge portion 144a unlike what is shown, may have a substantially square rim shape, a hexagonal rim shape, an octagonal rim shape, or any other rim shape.
  • the number of edge portions 144a can be increased to two or more. In this case, another rim-shaped edge portion may be included inside the edge portion 144a.
  • the terminal coupling portion 144c is a flat portion 172c formed on the bottom of the rivet terminal 172 to secure a welding area for coupling with the flat portion 172c formed on the bottom of the rivet terminal 172. It may have a diameter equal to or larger than the diameter of .
  • the first uncoated area engaging portion 144b extends inward from the edge portion 144a and is coupled to the bent surface area F of the uncoated area 146a through welding.
  • the terminal coupling portion 144c is spaced apart from the first uncoated region coupling portion 144b and is located inside the edge portion 144a.
  • the terminal coupling portion 144c may be coupled to the rivet terminal 172 by welding.
  • the terminal coupling portion 144c may be located, for example, at approximately the center of the inner space S open surrounded by the edge portion 144a.
  • the terminal coupling portion 144c may be provided at a position corresponding to a hole formed in the core C of the electrode assembly 100.
  • the terminal coupling portion 144c covers the hole formed in the core C of the electrode assembly 100 so that the hole formed in the core C of the electrode assembly 100 is not exposed to the outside of the terminal coupling portion 144c. It can be configured to do so. To this end, the terminal coupling portion 144c may have a larger diameter or width than the hole formed in the core C of the electrode assembly 100.
  • the first uncoated portion coupling portion 144b and the terminal coupling portion 144c are not directly connected but are arranged to be spaced apart from each other and may be indirectly connected by the edge portion 144a.
  • the first current collector plate 144 has a structure in which the first uncoated coupling portion 144b and the terminal coupling portion 144c are not directly connected to each other, but are connected through the edge portion 144a, thereby forming a cylindrical battery.
  • first uncoated coupling portions 144b In the drawing of the present invention, only the case where there are four first uncoated coupling portions 144b is shown, but the present invention is not limited thereto.
  • the number of the first uncoated coupling portions 144b can be determined in various ways by considering the difficulty of manufacturing according to the complexity of the shape, electrical resistance, and the inner space (S open ) of the edge portion 144a considering electrolyte impregnation, etc. there is.
  • the first current collector plate 144 may further include a bridge portion 144d that extends inward from the edge portion 144a and is connected to the terminal coupling portion 144c. At least a portion of the bridge portion 144d may be formed to have a smaller cross-sectional area compared to the first non-coated portion coupling portion 144b and the edge portion 144a. For example, at least a portion of the bridge portion 144d may be formed to have a smaller width and/or thickness than the first uncoated portion coupling portion 144b. In this case, electrical resistance increases in the bridge portion 144d. As a result, when current flows through the bridge portion 144d, a relatively large resistance causes melting of a portion of the bridge portion 144d due to overcurrent heating. As a result, overcurrent is irreversibly blocked.
  • the cross-sectional area of the bridge portion 144d can be adjusted to an appropriate level in consideration of this overcurrent blocking function.
  • the bridge portion 144d may include a tapered portion 144e whose width gradually narrows along the direction from the inner surface of the edge portion 144a toward the terminal coupling portion 144c.
  • the rigidity of the component may be improved at the connection portion between the bridge portion 144d and the edge portion 144a.
  • transfer equipment and/or an operator holds the tapered portion 144e to form the first current collector plate 144 and/or The combination of the first current collector plate 144 and the electrode assembly 100 can be easily and safely transported.
  • the tapered portion 144e when the tapered portion 144e is provided, defects in the product that may be caused by holding parts that are welded to other parts, such as the first non-coating portion 144b and the terminal coupling portion 144c, are prevented. It can be prevented.
  • a plurality of first uncoated coupling portions 144b may be provided.
  • the plurality of first uncoated portion coupling portions 144b may be arranged at equal intervals from each other along the extending direction of the edge portion 144a.
  • the extension lengths of each of the plurality of first uncoated coupling portions 144b may be approximately equal to each other.
  • the first uncoated area coupling portion 144b may be joined to the bent surface area F of the uncoated area 146a by laser welding. Welding can be replaced by ultrasonic welding, spot welding, etc.
  • the welding pattern 144f formed by welding between the first non-coating portion 144b and the bent surface area F may have a structure extending along the radial direction of the electrode assembly 100.
  • the welding pattern 144f may be an array of line patterns or dot patterns.
  • the welding pattern 144f corresponds to the welding area. Therefore, it is preferable that the welding pattern 144f overlaps the uniform number of layers b1 of the bent surface area F by more than 50%.
  • the welding pattern 144f that does not overlap with the stack number uniformity section b1 may overlap with the stack number reduction section b2. More preferably, the entire welding pattern 144f may overlap with the stacked number uniformity section b1 of the bent surface area F.
  • the number of stacks in the uniform section b1 and, optionally, in the section in which the number of layers decreases b2 is 10 or more. .
  • the terminal coupling portion 144c may be arranged to be surrounded by a plurality of first uncoated region coupling portions 144b.
  • the terminal coupling portion 144c may be coupled to the flat portion 172c of the rivet terminal 172 by welding.
  • the bridge portion 144d may be located between a pair of adjacent first uncoated portion coupling portions 144b. In this case, the distance from the bridge portion 144d to one of the pair of first uncoated portions 144b along the extending direction of the edge portion 144a is the distance from the bridge portion 144d to the edge portion 144a. ) may be approximately equal to the distance to the remaining one of the pair of first uncoated coupling portions 144b along the extension direction.
  • the cross-sectional area of each of the plurality of first uncoated coupling portions 144b may be formed to be approximately the same.
  • the width and thickness of each of the plurality of first uncoated region coupling portions 144b may be formed to be approximately the same.
  • a plurality of bridge parts 144d may be provided. Each of the plurality of bridge portions 144d may be disposed between a pair of adjacent first uncoated portion coupling portions 144b. The plurality of bridge parts 144d may be arranged at approximately equal intervals from each other along the extending direction of the edge part 144a. The distance from each of the plurality of bridge portions 144d to one of a pair of first uncoated portions 144b adjacent to each other along the extending direction of the edge portion 144a is the distance from the remaining first uncoated portion coupling portion. It may be approximately equal to the distance to (144b).
  • the distance between the first non-coated coupling portions 144b and/or bridge portions 144d When the distance between and/or the distance between the first uncoated coupling portion 144b and the bridge portion 144d is formed constant, the current or bridge portion ( The flow of current from 144d) toward the first uncoated coupling portion 144b can be smoothly formed.
  • the bridge portion 144d may include a notched portion N formed to partially reduce the cross-sectional area of the bridge portion 144d. Adjustment of the cross-sectional area of the notched portion N may be realized, for example, through partial reduction of the width and/or thickness of the bridge portion 144d.
  • the electrical resistance in the area where the notched portion (N) is formed increases, thereby making it possible to quickly cut off the current when an overcurrent occurs.
  • the notching portion N is preferably provided in an area corresponding to a section where the number of stacks is uniform in the electrode assembly 100 in order to prevent foreign substances generated during breakage from entering the interior of the electrode assembly 100. This is because, in this area, the number of stacked segments of the uncoated region 146a is maintained at the maximum, and thus the overlapping segments can function as a mask.
  • the notched portion N may be wrapped with an insulating tape. Then, since the heat generated in the notched portion N is not dissipated to the outside, the notched portion N can be broken more quickly when an overcurrent flows through the bridge portion 144d.
  • Figure 22 is a top plan view showing the structure of the second current collector 176 according to an embodiment of the present invention.
  • the second current collector plate 176 is disposed at the lower portion of the electrode assembly 100. Additionally, the second current collector plate 176 may be configured to electrically connect the uncoated portion 146b of the electrode assembly 100 and the battery housing 171.
  • the second current collector plate 176 is made of a conductive metal material and is electrically connected to the bent surface area F of the uncoated region 146b. Additionally, the second current collector plate 176 is electrically connected to the battery housing 171.
  • the edge portion of the second current collector plate 176 may be sandwiched between the inner surface of the battery housing 171 and the first gasket 178b and fixed thereon.
  • the edge portion of the second current collector plate 176 may be interposed between the lower surface of the beading portion 180 of the battery housing 171 and the first gasket 178b.
  • the present invention is not limited by this, and alternatively, the second current collector plate 176 may be welded to the inner wall surface of the battery housing 171 in an area where the edge portion of the beading portion 180 is not formed. there is.
  • the second current collector plate 176 includes a support portion 176a disposed at the lower portion of the electrode assembly 100, and extends from the support portion 176a approximately along the radial direction of the electrode assembly 100 to form a non-coated portion 146b.
  • the inner surface of the battery housing 171 is formed from the second non-coupled portion 176b coupled to the bent surface area F and the support portion 176a along an inclined direction approximately based on the radial direction of the electrode assembly 100. It may include a housing coupling portion 176c that extends toward and is coupled to the inner surface.
  • the second uncoated portion coupling portion 176b and the housing coupling portion 176c are indirectly connected through the support portion 176a and are not directly connected to each other.
  • the coupling portion between the second current collector plate 176 and the electrode assembly 100 and the coupling between the second current collector plate 176 and the battery housing 171 The possibility of damage to the area can be minimized.
  • the second current collector plate 176 of the present invention is not limited to having a structure in which the second uncoated region coupling portion 176b and the housing coupling portion 176c are only indirectly connected.
  • the second current collector plate 176 has a structure without a support portion 176a that indirectly connects the second uncoated portion coupling portion 176b and the housing coupling portion 176c and/or an uncoated portion ( 146b) and the housing coupling portion 176c may have a structure in which they are directly connected to each other.
  • the support portion 176a and the second uncoated portion coupling portion 176b are disposed at the lower portion of the electrode assembly 100.
  • the second uncoated area engaging portion 176b is coupled to the bent surface area F of the uncoated area 146b.
  • the support portion 176a may also be coupled to the uncoated portion 146b.
  • the second uncoated area coupling portion 176b and the bent surface area F of the uncoated area 146b may be joined by laser welding. Welding can be replaced by ultrasonic welding, spot welding, etc.
  • the support portion 176a and the second uncoated portion coupling portion 176b are located above the beading portion 180 when the beading portion 180 is formed in the battery housing 171.
  • the support portion 176a includes a current collector hole 176d formed at a position corresponding to the hole formed in the core C of the electrode assembly 100.
  • the core C of the electrode assembly 100 and the current collector hole 176d which are in communication with each other, are inserted into the welding rod for welding between the rivet terminal 172 and the terminal coupling portion 144c of the first current collector plate 144.
  • it may function as a passage for irradiation of a laser beam.
  • the current collector hole 176d may have a radius of 0.5r c or more compared to the radius (r c ) of the hole formed in the core C of the electrode assembly 100.
  • the radius of the current collector hole 176d is 0.5r c to 1.0r c
  • the winding structure of the separator or electrodes near the core C of the electrode assembly 100 is The phenomenon of being pushed out of the core (C) due to vent pressure is prevented.
  • the radius of the current collector hole 176d is greater than 1.0r c , the opening of the core C is maximum, making it easy to inject the electrolyte in the electrolyte injection process.
  • the plurality of second uncoated area coupling parts 176b are connected to the battery housing 171 approximately radially from the support part 176a of the second current collector plate 176. It may have a shape extending toward the side wall. Each of the plurality of second uncoated coupling portions 176b may be positioned spaced apart from each other along the circumference of the support portion 176a.
  • the plurality of housing coupling portions 176c may have a shape extending approximately radially from the center of the second current collector plate 176 toward the side wall of the battery housing 171. Accordingly, electrical connection between the second current collector plate 176 and the battery housing 171 can be made at multiple points. In this way, by combining electrical connections at multiple points, the combined area can be maximized and electrical resistance can be minimized.
  • Each of the plurality of housing coupling parts 176c may be positioned spaced apart from each other along the circumference of the support part 176a. At least one housing coupling part 176c may be located between adjacent second uncoated coupling parts 176b.
  • the plurality of housing coupling parts 176c may be coupled to, for example, the beading part 180 of the inner surface of the battery housing 171.
  • the housing coupling portions 176c may be coupled to the lower surface of the beading portion 180 through laser welding. Welding can be replaced by ultrasonic welding, spot welding, etc. In this way, by welding and combining the plurality of housing coupling parts 176c on the beading part 180, the current path is distributed radially, and the resistance level of the cylindrical battery 220 can be limited to approximately 4 milliohms (mohm) or less. .
  • the lower surface of the beading portion 180 has a shape extending in a direction approximately parallel to the upper surface of the battery housing 171, that is, a direction approximately perpendicular to the side wall of the battery housing 171, and the housing coupling portion 176c is also By having a shape extending in the same direction, that is, the radial direction and the circumferential direction, the housing coupling portion 176c can be made to stably contact the beading portion 180.
  • welding between the two parts can be performed smoothly, thereby improving the bonding force between the two parts and increasing resistance at the bonding area. Minimization effect can be achieved.
  • the housing coupling portion 176c may include a contact portion 176e coupled to the inner surface of the battery housing 171 and a connection portion 176f connecting the support portion 176a and the contact portion 176e.
  • the contact portion 176e is coupled to the inner surface of the battery housing 171.
  • the contact portion 176e may be coupled to the beading portion 180 as described above. More specifically, the contact portion 176e may be electrically coupled to the flat portion formed on the lower surface of the beading portion 180 formed in the battery housing 171, and the lower surface of the beading portion 180 and the first gasket ( 178b).
  • the contact portion 176e may have a shape extending from the beading portion 180 to a predetermined length along the circumferential direction of the battery housing 171.
  • connection portion 176f may be bent at an obtuse angle.
  • the bending point may be higher than the midpoint of the connection portion 176f.
  • the contact portion 176e can be stably supported on the flat surface of the beading portion 180.
  • the connection portion 176f is divided into a lower part and an upper part based on the bending point, and the length of the lower part may be longer than the upper part. Additionally, the inclination angle based on the surface of the support portion 176a may be larger at the lower part of the bending point than at the upper part.
  • the maximum distance from the center of the second current collector plate 176 to the end of the second uncoated region coupling portion 176b along the radial direction of the electrode assembly 100 is the battery in the area where the beading portion 180 is formed.
  • the inner diameter of the housing 171, that is, the minimum inner diameter of the battery housing 171 is preferably equal to or smaller than this. This is to prevent the end of the second non-coated coupling portion 176b from pressing against the edge of the electrode assembly 100 during the sizing process of compressing the battery housing 171 along the height direction.
  • the second uncoated coupling portion 176b includes a hole 176g.
  • the hole 176g can be used as a passage through which electrolyte can move.
  • the welding pattern 176h formed by welding between the second non-coating portion 176b and the bent surface area F may have a structure extending along the radial direction of the electrode assembly 100.
  • the welding pattern 176h may be an array of line patterns or dot patterns.
  • the welding pattern 176h corresponds to the welding area. Therefore, it is preferable that the welding pattern 176h overlaps the stacked number uniformity section b1 of the bent surface area F located at the bottom of the electrode assembly 100 by more than 50%.
  • the welding pattern 176h that does not overlap with the stack number uniformity section b1 may overlap with the stack number reduction section b2. More preferably, the entire welding pattern 176h may overlap with the stacked number uniformity section b1 of the bent surface area F.
  • the number of stacks in the uniform section b1 and, optionally, in the section in which the number of layers decreases b2 is 10 or more. .
  • the outer diameters of the above-described first current collector plate 144 and the second current collector plate 176 are different from each other.
  • the outer diameter is the outer diameter of the contact area between the bent surface area (F) and the current collector plate.
  • the outer diameter is defined as the maximum value of the distance between two points where a straight line passing through the center of the core (C) of the electrode assembly meets the edge of the contact area. Since the second current collector plate 176 is located inside the beading portion, its outer diameter is smaller than that of the first current collector plate 144.
  • the length of the welding pattern 144f of the first current collector plate 144 is longer than the length of the welding pattern 176h of the second current collector plate 176.
  • the welding pattern 144f and the welding pattern 176h may extend toward the outer circumference from substantially the same point based on the center of the core C.
  • the cylindrical batteries 200 and 220 according to embodiments of the present invention have the advantage of being able to make electrical connections at the top.
  • FIG. 23 is a top plan view showing a state in which a plurality of cylindrical batteries 200 are electrically connected
  • FIG. 24 is a partial enlarged view of FIG. 23.
  • the cylindrical battery 200 can be replaced with a cylindrical battery 220 of a different structure.
  • a plurality of cylindrical batteries 200 may be connected in series and parallel at the top of the cylindrical battery 200 using a bus bar 210.
  • the number of cylindrical batteries 200 can be increased or decreased considering the capacity of the battery pack.
  • the rivet terminal 172 may have a positive polarity and the flat surface 171a around the rivet terminal 172 of the battery housing 171 may have a negative polarity.
  • the opposite is also possible.
  • the plurality of cylindrical batteries 200 may be arranged in a plurality of columns and rows. Columns are oriented up and down with respect to the page, and rows are oriented left and right with respect to the page. Additionally, to maximize space efficiency, the cylindrical batteries 200 may be arranged in a closest packing structure. The tight packing structure is formed when the centers of the rivet terminals 172 exposed to the outside of the battery housing 171 are connected to each other to form an equilateral triangle.
  • the bus bar 210 connects the cylindrical batteries 200 arranged in the same row in parallel to each other, and connects the cylindrical batteries 200 arranged in two adjacent rows in series.
  • the bus bar 210 may include a body portion 211, a plurality of first bus bar terminals 212, and a plurality of second bus bar terminals 213 for serial and parallel connection.
  • the body portion 211 may extend along the row of cylindrical batteries 200 between adjacent rivet terminals 172. Alternatively, the body portion 211 may extend along the row of cylindrical batteries 200 and be bent regularly, such as in a zigzag shape.
  • the plurality of first bus bar terminals 212 extend in one direction of the body portion 211 and may be electrically coupled to the rivet terminal 172 of the cylindrical battery 200 located in one direction. Electrical coupling between the first bus bar terminal 212 and the rivet terminal 172 may be achieved by laser welding, ultrasonic welding, etc.
  • the plurality of second bus bar terminals 213 extend from the other side of the body portion 211 and may be electrically coupled to the flat surface 171a around the rivet terminal 172 located on the other side. Electrical coupling between the second bus bar terminal 213 and the flat surface 171a may be achieved by laser welding, ultrasonic welding, etc.
  • the body portion 211, the plurality of first bus bar terminals 212, and the plurality of second bus bar terminals 213 may be made of one conductive metal plate.
  • the metal plate may be, for example, an aluminum plate or a copper plate, but the present invention is not limited thereto.
  • the body portion 211, the plurality of first bus bar terminals 212, and the second bus bar terminals 213 may be manufactured as separate pieces and then connected to each other through welding or the like.
  • the cylindrical battery 200 of the present invention described above has resistance through expansion of the welding area through the bent surface area F, multiplexing of the current path using the second current collector 176, and minimization of the current path length. It has this minimized structure.
  • the AC resistance of the cylindrical battery 200 measured using a resistance meter between the positive and negative electrodes, that is, between the rivet terminal 172 and the flat surface 171a around it, is approximately 4 milliohms (mohm) or less, suitable for fast charging. You can.
  • the rivet terminal 172 with positive polarity and the flat surface 171a with negative polarity are located in the same direction, so the cylindrical battery 200 is formed using the bus bar 210. ) can be easily implemented.
  • Cylindrical batteries according to the above-described embodiments (variations) can be used to manufacture battery packs.
  • Figure 25 is a diagram schematically showing the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 300 includes an assembly in which cylindrical batteries 301 are electrically connected and a pack housing 302 accommodating the same.
  • the cylindrical battery 301 may be any one of the batteries according to the above-described embodiments (modifications).
  • parts such as a bus bar, cooling unit, and external terminals for electrical connection of the cylindrical batteries 301 are omitted.
  • the battery pack 300 may be mounted in a vehicle.
  • vehicle may be, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a plug-in hybrid vehicle.
  • Motor vehicles include four-wheeled vehicles or two-wheeled vehicles.
  • FIG. 26 is a diagram for explaining a vehicle including the battery pack 300 of FIG. 25.
  • a vehicle V according to an embodiment of the present invention includes a battery pack 300 according to an embodiment of the present invention.
  • the vehicle V operates by receiving power from the battery pack 300 according to an embodiment of the present invention.
  • the internal resistance of the battery can be reduced and the energy density can be increased by using the uncoated portion itself protruding from the top and bottom of the electrode assembly as an electrode tab.
  • the uncoated structure of the electrode assembly is improved to prevent interference between the electrode assembly and the inner peripheral surface of the battery housing during the formation of the beading portion of the battery housing, thereby causing short circuit inside the cylindrical battery due to partial deformation of the electrode assembly. can be prevented.
  • the structure of the uncoated portion of the electrode assembly is improved to prevent the uncoated portion from being torn when the uncoated portion is bent, and the number of overlapping layers of the uncoated portion can be sufficiently increased to improve the welding strength of the current collector plate. .
  • a plurality of segment pieces are formed on the uncoated portion of the electrode, and when the electrode is wound, the plurality of segment pieces are aligned and arranged in a predetermined direction, and the active material formed on the electrode is in the area where the segment pieces are not disposed.
  • the impregnability (speed and uniformity) of the electrolyte can be increased by exposing the end of the layer between turns of the separator.
  • the segmented piece structure is applied to the uncoated portion of the electrode and the dimensions (width, height, pitch) of the segmented piece are optimized to sufficiently increase the number of segmented pieces stacked in the area used as the welding target area. This can improve the physical properties of the area where the current collector plate is welded.
  • the notching quality of the cutting grooves is improved by optimizing the lower structure of the cutting grooves.
  • the height of the uncoated portion below the cutting groove and the area adjacent to the core of the electrode assembly are uncoated.
  • an electrode assembly with improved energy density and reduced resistance is provided by applying a structure in which a current collector plate is welded over a large area to the bent surface area formed by bending the segment pieces.
  • the structure of the uncoated portion adjacent to the core of the electrode assembly is improved to prevent the cavity in the core of the electrode assembly from being blocked when the uncoated portion is bent, thereby improving the electrolyte injection process and the battery housing (or rivet terminal).
  • the welding process of the and current collector plates can be easily performed.
  • a cylindrical battery having a structure with low internal resistance, preventing internal short circuit, and improving welding strength between a current collector plate and an uncoated portion, a battery pack including the same, and a vehicle can be provided.
  • the present invention can provide a cylindrical battery with a diameter-to-height ratio of 0.4 or more and a resistance of 4mohm or less, a battery pack including the same, and a vehicle.

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Abstract

본 발명은 전극 조립체, 배터리, 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 개시한다. 전극 조립체의 제1전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1활물질부와 활물질층이 코팅되지 않으며 상기 분리막의 외부로 노출된 제1무지부를 포함한다. 상기 제1무지부는, 상기 전극 조립체의 코어에 인접한 제1부분, 상기 전극 조립체의 외주 표면에 인접한 제2부분, 상기 제1부분 및 상기 제2부분 사이의 제3부분을 포함한다. 상기 제3부분은, 상기 권취 방향을 따라 상기 권취 축 방향을 따르는 복수의 절단홈을 의해 이격된 복수의 분절편을 포함한다. 상기 제1부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이보다 상대적으로 낮을 수 있다.

Description

전극 조립체, 배터리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
본 발명은 전극 조립체, 배터리, 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 대한민국에 2022년 7월 20일자에 출원된 특허출원 제10-2022-0089945호에 대해 우선권을 주장하며, 우선권 주장의 기초가 된 출원서에 기재된 내용은 본 명세서의 일부로서 합체될 수 있다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지, 즉, 단위 배터리의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리를 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리를 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 단위 이차 전지의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리가 알려져 있다. 원통형 배터리의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전지 하우징 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 전지 하우징은 당업계에서 전지 캔으로 불린다. 그리고 상기 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 하우징의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡이고, 음극 전극 단자는 전지 하우징이다. 그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 원통형 배터리에 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.
1865(직경:18mm, 높이:65mm)나 2170(직경:21mm, 높이:70mm)의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 배터리는 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 배터리를 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 원통형 배터리가 발화하는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 젤리롤 타입의 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하도록 설계하고, 이러한 무지부에 집전체를 용접시켜 집전 효율이 개선된 구조를 갖는 원통형 배터리(소위 탭-리스(Tab-less) 원통형 배터리)가 제시되었다.
도 1 내지 도 3은 탭-리스 원통형 배터리의 제조 과정을 보여주는 도면이다. 도 1은 전극의 구조를 나타내고, 도 2는 전극의 권취 공정을 나타내고, 도 3은 무지부의 절곡 표면영역에 집전체가 용접되는 공정을 나타낸다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 양극(10)과 음극(11)은 쉬트 모양의 집전체(20)에 활물질(21)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향(X)을 따라 한쪽 장변 측에 무지부(22)를 포함한다. 장변은 x축 방향과 평행한 방향으로서 길이가 상대적으로 긴 변을 의미한다.
전극 조립체(A)는 양극(10)과 음극(11)을 도 2에 도시된 것처럼 2장의 분리막(12)과 함께 순차적으로 적층시킨 후 일방향(X)으로 권취시켜 제작한다. 이 때, 양극(10)과 음극(11)의 무지부는 서로 반대 방향으로 배치된다.
권취 공정 이후, 양극(10)의 무지부(10a)과 음극(11)의 무지부(11a)는 코어측으로 절곡된다. 그 이후에는, 무지부(10a,11a)에 집전체(30, 31)를 각각 용접시켜 결합시킨다.
양극 무지부(10a)와 음극 무지부(11a)에는 별도의 전극 탭이 결합되어 있지 않으며, 집전체(30, 31)가 외부의 전극 단자와 연결되며, 전류 패스가 전극 조립체(A)의 권취 축 방향(화살표 참조)을 따라 큰 단면적으로 형성되므로 배터리의 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반비례하기 때문이다.
탭-리스 원통형 배터리에서, 무지부(10a,11a)와 집전체(30,31)의 용접 특성을 향상시키기 위해서는 무지부(10a,11a)의 용접 영역에 강한 압력을 가하여 최대한 평평하게 무지부(10a, 11a)를 절곡시켜야 한다.
그런데, 무지부(10a,11a)의 용접 영역을 절곡시킬 때 무지부(10a,11a)의 모양이 불규칙하게 일그러지면서 변형될 수 있다. 이 경우, 변형된 부위가 반대 극성의 전극과 접촉하여 내부 단락을 일으키거나 무지부(10a,11a)에 미세한 크랙을 유발할 수 있다. 또한 전극 조립체(A)의 코어에 인접한 무지부(32)가 절곡되면서 전극 조립체(A)의 코어에 있는 공동(33)을 전부 또는 상당 부분을 폐색한다. 뿐만 아니라, 전극 조립체(A)의 코어 형상이 원형을 유지하지 못하고 붕괴되는 현상이 발생할 수 있다. 이 경우, 전해액 주액 공정에서 문제를 일으킨다. 즉, 전극 조립체(A)의 코어에 있는 공동(33)은 전해액이 주입되는 통로로 사용된다. 그런데, 해당 통로가 폐색되면 전해액 주입이 어렵다. 또한, 전해액 주입기가 공동(33)에 삽입되는 과정에서 코어 근처의 무지부(32)와 간섭을 일으켜 무지부(32)가 찢어지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 집전체(30, 31)가 용접되는 무지부(10a, 11a)의 절곡 부위는 여러 겹으로 중첩되어 있어야 하고 빈 공간(빈틈)이 존재하면 안 된다. 그래야만, 충분한 용접 강도를 얻을 수 있고 레이저 용접 등의 최신 기술을 사용하더라도 레이저가 전극 조립체(A) 내부로 침투하여 분리막이나 활물질을 융발시키는 문제를 방지할 수 있다.
한편, 종래의 탭-리스 원통형 배터리는 전극 조립체(A)의 상부에 전체적으로 양극 무지부(10a)가 형성되어 있다. 따라서, 전지 하우징 상단의 외주면을 내부로 압입하여 비딩부를 형성할 때, 전극 조립체(A)의 상단 가장자리 영역(34)이 전지 하우징에 의한 압박을 받게 된다. 이러한 압박은, 전극 조립체(A)의 부분적인 변형을 발생시킬 수 있으며, 이 때 분리막(12)이 찢어지면서 내부 단락이 발생할 수 있다. 전지 내부에서 단락이 발생하면, 전지의 발열이나 폭발이 초래될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 배경하에서 창안된 것으로서, 전극 조립체의 양단에 노출된 무지부를 절곡시킬 때 무지부에 가해지는 응력 스트레스를 완화할 수 있도록 개선된 무지부 구조를 가진 전극 조립체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 무지부가 절곡되더라도 전해액 주입 통로가 폐색되지 않은 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 전지 하우징의 상단이 비딩될 때 전극 조립체의 상단 가장자리와 전지 하우징의 내면이 접촉되는 것을 방지할 수 있는 구조를 포함하는 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 전극의 무지부에 분절편 구조를 적용하고 분절편의 디멘션(폭, 높이, 이격 피치)을 최적화시켜 용접 타겟 영역으로 사용되는 영역의 분절편 적층수를 충분히 증가시키는 것에 의해 용접 영역의 물성을 개선한 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 전극의 무지부에 권취 방향을 따라 절단홈을 반복적으로 형성하여 복수의 분절편 구조를 형성함에 있어서 절단홈의 하부 구조를 최적화시켜 절단홈의 노칭 품질을 형상시킨 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 전극의 무지부에 권취 방향을 따라 절단홈을 반복적으로 형성하여 복수의 분절편 구조를 형성함에 있어서 절단홈 하부의 무지부 높이와 전극 조립체의 코어에 인접한 영역의 무지부 높이를 상대적으로 조절함으로써 코어 형상이 붕괴되지 않는 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 분절편들의 절곡에 의해 형성된 절곡 표면영역에 집전체를 넓은 면적으로 용접시킨 구조를 적용함으로써 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소된 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 상부에서 전기적 배선을 수행할 수 있도록 디자인이 개선된 단자 및 집전체를 포함하는 배터리를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 개선된 구조의 전극 조립체를 포함하는 배터리와 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는데 있다.
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.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극 조립체는, 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1활물질부와 활물질층이 코팅되지 않으며 상기 분리막의 외부로 노출된 제1무지부를 포함하고, 상기 제1무지부는, 상기 전극 조립체의 코어에 인접한 제1부분, 상기 전극 조립체의 외주 표면에 인접한 제2부분, 상기 제1부분 및 상기 제2부분 사이의 제3부분을 포함하고, 상기 제3부분은, 상기 권취 방향을 따라 상기 권취 축 방향을 따르는 복수의 절단홈을 의해 이격된 복수의 분절편을 포함하고, 상기 제1부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이보다 상대적으로 낮을 수 있다.
본 발명에 있어서, 높이 차이는 상대적인 차이이다. 높이 측정의 기준 점은 임의로 선택될 수 있다.
일 측면에서, 높이 측정 기준점은 상기 활물질층의 단부일 수 있다.
상기 제1무지부와 상기 활물질층의 경계에 절연 코팅층이 구비될 수 있다.
다른 측면에서, 높이 측정 기준점은 상기 절연 코팅층의 단부일 수 있다.
상기 활물질층 또는 상기 절연 코팅층의 단부를 기준으로, 상기 제1부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이 대비 0% 내지 95%일 수 있다.
상기 활물질층 또는 상기 절연 코팅층의 단부를 기준으로, 상기 제1부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이 대비 37.5% 내지 62.5%일 수 있다.
상기 제2부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이보다 상대적으로 낮을 수 있다.
상기 활물질층 또는 상기 절연 코팅층의 단부를 기준으로, 상기 제2부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이 대비 0% 내지 95%일 수 있다.
상기 활물질층 또는 상기 절연 코팅층의 단부를 기준으로, 상기 제2부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이 대비 37.5% 내지 62.5%일 수 있다.
상기 제1전극의 집전체가 상기 제2전극의 집전체보다 얇을 수 있다.
상기 제1전극의 집전체는 구리 포일이고, 상기 제2전극의 집전체는 알루미늄 포일일 수 있다.
상기 제1전극은 음극일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리는. 상술한 특징들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 전극 조립체; 개방단과 이와 대향하는 바닥부를 포함하고, 상기 개방단과 상기 바닥부 사이의 공간에 상기 전극 조립체를 수납하고, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 가지며 배터리 하우징; 상기 배터리 하우징의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 및 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 다른 하나와 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 제2극성을 띠는 단자를 포함할 수 있다.
상기 밀봉체는, 상기 배터리 하우징의 개방 단부를 밀폐하는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸며 상기 배터리 하우징의 개방 단부에 클림핑된 가스켓을 포함하며, 상기 제2극성을 띠는 단자는 상기 캡 플레이트일 수 있다.
상기 배터리는, 상기 제1극성을 띠는 제1전극의 무지부와 전기적으로 연결되고 상기 배터리 하우징의 측벽에 가장자리의 적어도 일부가 결합된 집전체를 더 포함할 수 있다 이 경우, 상기 밀봉체는, 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸며 상기 배터리 하우징의 개방 단부에 클림핑되는 가스켓을 포함하고, 상기 배터리 하우징은 상기 바닥부의 중앙부에 형성된 관통 홀에 절연 가능하게 설치되고 상기 제2전극과 전기적으로 연결되어 상기 제2극성을 띠는 리벳 단자를 포함할 수 있다.
상기 캡 플레이트는 극성을 갖지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 기술적 과제는 복수의 상술한 배터리를 포함하는 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전극 조립체의 상부 및 하부에 돌출된 무지부 자체를 전극 탭으로서 사용함으로써 배터리의 내부 저항을 감소시키고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 전지 하우징의 비딩부 형성 과정에서 전극 조립체와 전지 하우징의 내주면이 간섭을 일으키지 않도록 함으로써 전극 조립체의 부분적 변형에 따른 원통형 배터리 내부의 단락을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 무지부가 찢어지는 현상을 방지하고 무지부의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시켜 집전체의 용접 강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극의 무지부에 분절편 구조를 적용하고 분절편의 디멘션(폭, 높이, 이격 피치)을 최적화시켜 용접 타겟 영역으로 사용되는 영역의 분절편 적층수를 충분히 증가시키는 것에 의해 집전체가 용접되는 영역의 물성을 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극의 무지부에 권취 방향을 따라 절단홈을 반복적으로 형성하여 복수의 분절편 구조를 형성함에 있어서 절단홈의 하단 구조를 최적화시켜 절단홈의 품질을 형상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 전극의 무지부에 권취 방향을 따라 절단홈을 반복적으로 형성하여 복수의 분절편 구조를 형성함에 있어서 절단홈 하부의 무지부 높이와 전극 조립체의 코어에 인접한 영역의 무지부 높이를 상대적으로 조절함으로써 코어 형상이 붕괴되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 분절편들의 절곡에 의해 형성된 절곡 표면영역에 집전체를 넓은 면적으로 용접시킨 구조를 적용함으로써 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소된 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상부에서 전기적 배선을 수행할 수 있도록 디자인이 개선된 원통형 배터리를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 코어에 인접한 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 전극 조립체의 코어에 있는 공동이 폐색되는 것을 방지하여 전해액 주입 공정과 전지 하우징(또는 단자)과 집전체의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내부 저항이 낮고, 내부 단락이 방지되고, 집전체와 무지부의 용접 강도가 향상된 구조를 갖는 원통형 배터리, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 높이 대비 직경의 비율이 0.4 이상이며 저항이 4 miliohm 이하인 원통형 배터리와 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시예에서 설명하거나, 통상의 기술자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래의 탭-리스 원통형 배터리의 제조에 사용되는 전극의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 2는 종래의 탭-리스 원통형 배터리의 전극 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 탭-리스 원통형 배터리에 있어서 무지부의 절곡 표면영역에 집전체가 용접되는 공정을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 절단홈의 하부 구조를 부분적으로 확대하여 도시한 도면이다.
도 5c는 본 발명의 실시예에 따라 전극 조립체의 코어 근처의 무지부 높이를 절단홈 하단의 무지부 높이보다 작게 조절한 전극의 구조를 나타낸 부분 평면도이다.
도 5d는 본 발명의 실시예에 따라 전극 조립체의 외주 근처의 무지부 높이를 절단홈 하단의 무지부 높이보다 작게 조절한 전극의 구조를 나타낸 부분 평면도이다.
도 5e는 본 발명의 비교예에 따라 전극 조립체의 코어 근처의 무지부 높이를 절단홈 하단의 무지부 높이와 실질적으로 동일하게 설계했을 때 전극 조립체의 코어 형상이 붕괴된 모습을 나타낸 사진이다.
도 5f는 본 발명의 실시예에 따라 전극 조립체의 코어 근처의 무지부 높이를 절단홈 하단의 무지부 높이보다 작게 설계했을 때 전극 조립체의 코어 형상이 정상적으로 유지된 모습을 나타낸 사진이다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따라 전극이 권회되었을 때, 분절편의 폭이 정의되는 분절편의 하단이 형성하는 원호를 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 도시한 도면이다.
도 6b는 본 발명의 실시예에 따라 분절편의 높이 h1, h2, h3, h4, 코어 반경(rc) 및 분절편이 나타나기 시작하는 권회턴의 반경 r1, r2, r3, r4의 관계를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6c는 분절편의 높이 가변 구간에서 분절편의 높이(H)에 대한 최대값(hmax)을 결정하기 위한 개념도이다.
도 6d는 분절편의 하부 내각(θ)을 결정하는 수식을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 전극이 전극 조립체로 권취되었을 때 복수의 분절편이 위치할 수 있는 독립 영역을 나타낸 상부 평면도이다.
도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이다.
도 8c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절단홈의 하부 구조를 부분적으로 확대하여 도시한 도면이다.
도 8d는 본 발명의 다른 실시예에 따라 전극 조립체의 코어 근처의 무지부 높이를 절단홈 하단의 무지부 높이보다 작게 조절한 전극의 구조를 나타낸 부분 평면도이다.
도 8e는 본 발명의 다른 실시예에 따라 전극 조립체의 외주 근처의 무지부 높이를 절단홈 하단의 무지부 높이보다 작게 조절한 전극의 구조를 나타낸 부분 평면도이다.
도 8f는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 구조를 나타낸 평면도이다.
도 9는 본 발명의 다양한 변형예에 따른 분절편 구조를 나타낸 도면이다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따라 분절편이 전극 조립체의 코어 측으로 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 10b는 본 발명의 실시예에 따라 절곡 표면영역이 형성된 전극 조립체를 개략적으로 도시한 상부 사시도이다.
도 11a는 실시예 1-1 내지 1-7과 비교예에 따른 전극 조립체들의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역에서 반경 방향을 따라서 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 11b는 실시예 2-1 내지 2-5, 실시예 3-1 내지 3-4, 실시예 4-1 내지 4-3 및 실시예 5-1 내지 실시예 5-2에 대해 전극 조립체들의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 11c는 실시예 6-1 내지 6-6과 실시예 7-1 내지 7-6에 대해 전극 조립체의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 분절편의 절곡 표면영역에 적층수 균일구간(b1)과 적층수 감소구간(b2)을 나타낸 전극 조립체의 상부 평면도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 젤리롤 타입의 전극 조립체를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1집전판의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2집전판의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 23은 복수의 원통형 배터리들이 전기적으로 연결된 상태를 나타낸 상부 평면도이다.
도 24는 도 23의 부분 확대도이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 개략적으로 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 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. 또한, 서로 다른 실시예에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여될 수 있다.
2 개의 비교 대상이 '동일'하다는 언급은 '실질적으로 동일'한 것을 의미한다. 따라서 실질적 동일은 당업계에서 낮은 수준으로 간주되는 편차, 예를 들어 5% 이내의 편차를 가지는 경우를 포함할 수 있다. 또한, 영역에서 어떠한 파라미터가 균일하다는 것은 해당 영역에서 평균적 관점에서 균일하다는 것을 의미할 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
설명의 편의상 본 명세서에서 젤리롤 형태로 감기는 전극 조립체의 권취축의 길이방향을 따르는 방향을 축방향(Y)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축을 둘러싸는 방향을 원주방향 또는 둘레방향(X)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축에 가까워지거나 권취축으로부터 멀어지는 방향을 반경방향이라 지칭한다. 이들 중 특히 권취축에 가까워지는 방향을 구심방향, 권취축으로부터 멀어지는 방향을 원심방향이라 지칭한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체에 관해 설명한다. 전극 조립체는 쉬트 형상을 가진 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체일 수 있다. 하지만 본 발명이 전극 조립체의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 제1전극 및 제2전극 중 적어도 하나는 권취 방향의 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 무지부를 포함한다. 무지부의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용된다. 무지부는, 전극 조립체의 코어에 인접한 코어측 무지부, 전극 조립체의 외주 표면에 인접한 외주측 무지부, 코어측 무지부 및 외주측 무지부 사이에 개재된 중간 무지부를 포함한다.
바람직하게, 코어측 무지부와 외주측 무지부 중 적어도 하나는 중간 무지부보다 높이가 상대적으로 낮다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전극(60)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 4를 참조하면, 실시예의 전극(60)은 금속 포일로 이루어진 집전체(41) 및 활물질층(42)을 포함한다. 금속 포일은 전도성이 있는 금속, 예컨대 알루미늄 또는 구리일 수 있으며, 전극(60)의 극성에 따라 적절하게 선택된다. 집전체(41)의 적어도 일면에 활물질층(42)은 형성된다. 활물질층(42)은 권취 방향(X)을 따라 형성된다. 전극(60)은 권취 방향(X)의 장변 단부에 무지부(43)를 포함한다. 무지부(43)는 활물질이 코팅되지 않은 집전체(41)의 일부 영역이다. 활물질층(42)이 형성된 집전체(41)의 영역은 활물질부라고 명명될 수 있다.
전극(60)에 있어서, 집전체(41)의 단변 방향에서 활물질부의 폭은 50mm 내지 120mm일 수 있고, 집전체(41)의 장변 방향에서 활물질부의 길이는 3m 내지 5m일 수 있다. 따라서, 활물질부의 장변 대비 단변의 비율은 1.0% 내지 4.0%일 수 있다.
바람직하게, 전극(60)에 있어서, 집전체(41)의 단변 방향에서 활물질부의 폭은 60mm 내지 70mm일 수 있고, 집전체(41)의 장변 방향에서 활물질부의 길이는 3m 내지 5m일 수 있다. 따라서, 활물질부의 장변 대비 단변의 비율은 1.2% 내지 2.3%일 수 있다.
활물질부의 장변 대비 단변의 비율은 1865 또는 2170의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리에서 사용되는 전극의 활물질부의 장변 대비 단변 비율 6% 내지 11% 수준보다 현저하게 작다.
바람직하게, 활물질층(42)과 무지부(43)의 경계에는 절연 코팅층(44)이 형성될 수 있다. 절연 코팅층(44)은 적어도 일부가 활물질층(42)과 무지부(43)의 경계와 중첩되도록 형성된다. 절연 코팅층(44)은 분리막을 사이에 두고 대향하고 있는 극성이 다른 두 전극 사이의 단락을 방지한다. 절연 코팅층(44)은 0.3mm 내지 5mm의 폭으로 활물질층(42)과 무지부(43)의 경계 부분을 덮을 수 있다. 절연코팅층(44)의 폭은 전극(60)의 권취 방향을 따라 그 폭이 가변될 수 있다. 절연 코팅층(44)은 고분자 수지를 포함하고, SiO2, Al2O3와 같은 무기물 필러를 포함할 수 있다. 절연 코팅층(44)이 덮고 있는 집전체(41) 부분은 활물질층이 코팅된 영역이 아니므로 무지부로서 간주될 수 있다.
무지부(43)는 전극 조립체의 코어측과 인접한 코어측 무지부(B1), 전극 조립체의 외주측과 인접한 외주측 무지부(B3), 및 코어측 무지부(B1)와 외주측 무지부(B3) 사이에 개재된 중간 무지부(B2)를 포함한다.
코어측 무지부(B1), 외주측 무지부(B3) 및 중간 무지부(B2)는 전극(60)이 젤리롤 타입의 전극 조립체로 권취되었을 때 각각 코어 측에 인접한 영역의 무지부, 외주측에 인접한 영역의 무지부, 및 이들을 제외한 나머지 영역의 무지부로서 정의될 수 있다.
이하, 코어측 무지부(B1), 외주측 무지부(B3) 및 중간 무지부(B2)는 각각 제1부분, 제2부분 및 제3부분으로 명명한다.
일 예에서, 제1부분(B1)는 최내측 권회턴을 포함하는 전극 영역의 무지부이고, 제2부분(B3)은 최외측 권회턴을 포함하는 전극 영역의 무지부일 수 있다. 권회턴은 전극 조립체의 코어측 단부를 기준으로 계수할 수 있다.
다른 예에서, B1/B2의 경계는 전극 조립체의 코어측으로부터 외주측으로 가면서 무지부의 높이(또는 변화 패턴)이 실질적으로 바뀌는 지점 또는 전극 조립체의 반경을 기준으로 소정 %의 지점(예컨대, 반경의 5%, 10%, 15% 지점 등)으로 적절하게 정의될 수 있다.
B2/B3의 경계는 전극 조립체의 외주측으로부터 코어측으로 가면서 무지부의 높이(또는 변화 패턴)이 실질적으로 바뀌는 지점 또는 전극 조립체의 반경을 기준으로 소정 %의 지점(예컨대, 반경의 85%, 90%, 95% 지점 등)으로 정의될 수 있다. B1/B2의 경계와 B2/B3의 경계가 특정되면 제3부분(B2)는 자동으로 특정될 수 있다.
만약, B1/B2의 경계만 특정되는 경우 B2/B3의 경계는 전극 조립체의 외주측 근처 지점에서 적절하게 선택 가능하다. 일 예에서, 제2부분은 최외측 권회턴을 구성하는 전극 영역의 무지부로 정의될 수 있다. 반대로, B2/B3의 경계만 특정되는 경우 B1/B2의 경계는 전극 조립체의 코어측 근처 지점에서 적절하게 선택 가능하다. 일 예에서, 제1부분(B1)은 최내측 권회턴을 구성하는 전극 영역의 무지부로 정의될 수 있다.
제1부분(B1)과 제3부분(B2) 사이에 다른 구조가 개재되는 것을 배제하지 않는다. 또한, 제3부분(B2)과 제2부분(B3) 사이에 다른 구조가 개재되는 것을 배제하지 않는다.
무지부(43)의 높이는 일정하지 않고 권취 방향(X)에서 상대적인 차이가 있다. 즉 제2부분(B3)의 높이(Y축 방향의 길이)는 0 이상이되 제1부분(B1) 및/또는 제3부분(B2) 보다 상대적으로 작을 수 있다. 여기서, 각 부분의 높이는 평균 높이 또는 최대 높이일 수 있으며 이하 동일하다. 권취 방향에서, 제3부분(B2)은 제1부분(B1) 및 제2부분(B3)보다 길이가 더 길다.
전극(60)은 제1부분(B1)와 제2부분(B3)의 높이가 0 이상이되, 제3부분(B2) 보다 상대적으로 작다. 또한, 제1부분(B1)와 제2부분(B3)의 높이는 동일하거나 서로 다를 수 있다.
제1부분(B1)의 폭(dB1)은 제3부분(B2)의 무지부를 코어측으로 절곡시켰을 때 전극 조립체의 코어를 가리지 않는 조건을 적용하여 설계한다. 코어는 전극 조립체의 권취 중심에 존재하는 공동(cavity)을 의미한다.
일 예에서, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 코어와 가장 인접한 무지부의 절곡 길이에 비례하여 증가할 수 있다.
바람직하게, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 제1부분(B1)이 형성하는 권회 턴들의 반경 방향 폭이 코어와 가장 인접한 무지부 영역의 절곡 길이 이상이 되도록 설정할 수 있다. 변형예에서, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 코어와 가장 인접한 무지부 영역의 절곡 길이로부터 제1부분(B1)이 형성하는 권회 턴들의 반경 방향 폭을 차감한 값이 0보다 작거나 코어 반경의 10% 이하가 되도록 설정할 수 있다.
구체적인 예에서, 전극(60)이 폼 팩터가 4680인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 전극 조립체 코어의 직경과 코어와 가장 인접한 무지부 영역의 절곡 길이에 따라 180mm 내지 350mm로 설정할 수 있다.
제3부분(B2)의 무지부는 적어도 일부 구간이 복수의 분절편(61)을 포함할 수 있다. 복수의 분절편(61)은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 높이가 단계적으로 증가할 수 있다. 대안적으로, 복수의 분절편(61)은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 높이가 동일하게 유지될 수 있다. 복수의 분절편(61)은 하부에서 상부로 가면서 폭이 감소되는 기하학적 도형 형태를 가진다. 바람직하게, 기하학적 도형은 사다리꼴이다. 후술하겠지만, 기하학적 도형의 형태는 사각형, 평형사변형 등 여러 가지로 변형이 가능하다.
분절편(61)은 레이저로 노칭된 것일 수 있다. 분절편(61)은 초음파 커팅이나 타발 등 공지의 금속박 커팅 공정으로 형성할 수 있다.
무지부(43)의 절곡 가공시 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)이 손상되는 것을 방지하기 위해 분절편(61) 사이의 절단홈 하단(도 5a의 G)과 활물질층(42) 사이에 소정의 갭을 두는 것이 바람직하다. 무지부(43)가 절곡될 때 절단홈(63) 하단 근처에 응력이 집중되기 때문이다. 갭은 전극(60)의 권취 방향을 따라 가변될 수 있다. 갭은 0.2mm 내지 4mm, 바람직하게는 1.5mm 내지 2.5mm인 것이 바람직하다. 갭은 갭이 해당 수치범위로 조절되면, 무지부(43)의 절곡 가공시 생기는 응력에 의해 절단홈(63) 하단 근처의 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 갭은 분절편(61)의 노칭 또는 커팅시 공차로 인한 활물질층(42) 및/또는 절연 코팅층(44)의 손상을 방지할 수 있다. 권취 방향과 평행한 일 방향에서, 갭은 실질적으로 동일할 수도 있고, 가변될 수도 있다. 후자의 경우, 복수의 분절편은 권취 방향과 평행한 일 방향을 따라 개별적으로, 그룹 단위로, 또는 2개 이상의 그룹 단위로 갭이 가변될 수 있다. 절단홈(63)의 하단과 절연 코팅층(44)은 0.5mm 내지 2.0mm 이격될 수 있다. 권취 방향과 평행한 일 방향에서, 절단홈(63)의 하단과 절연 코팅층(44)의 이격 거리는 실질적으로 동일하거나 가변될 수 있다. 후자의 경우, 복수의 분절편은 상기 이격 거리가 권취 방향과 평행한 일 방향을 따라 개별적으로, 그룹 단위로 또는 2개 이상의 그룹 단위로 가변될 수 있다. 전극(60)이 권취될 때, 절연 코팅층(44)의 권취 축(Y) 방향의 단부는 분리막의 단부를 기준으로 권취 축 방향을 따라 -2mm 내지 2mm의 범위에 위치할 수 있다. 절연 코팅층(44)은 분리막을 사이에 두고 대향하고 있는 극성이 다른 두 전극간의 단락을 방지하고 분절편(61)이 절곡될 때 절곡 지점을 지지할 수 있다. 두 전극간의 단락 방지 효과를 향상시키기 위해 절연 코팅층(44)은 분리막의 외부로 노출될 수 있다. 또한, 두 전극간의 단락 방지 효과를 더욱 극대화하기 위해 절연 코팅층(44)의 권취 축(Y) 방향의 단부가 절단홈(63)의 하단보다 위에 위치하도록 절연 코팅층(44)의 폭을 증가시킬 수 있다. 일 실시예에서, 상기 절연 코팅층(44)의 권취 축 방향의 단부는 상기 절단홈(63)의 하단을 기준으로 -2mm 내지 +2mm의 범위 내에 위치할 수 있다. 절연 코팅층(44)의 두께는 활물질층보다 얇을 수 있다. 이 경우, 절연 코팅층(44)의 표면과 분리막 사이에는 유격이 존재할 수 있다.
일 측면에서, 복수의 분절편(61)은 코어측에서 외주측으로 가면서 복수의 분절편 그룹을 이룰 수 있다. 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치 중 적어도 하나 이상은 실질적으로 동일할 수 있다. 바람직하게, 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편의 폭, 높이 및 이격 피치는 서로 동일할 수 있다.
바람직하게, 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편의 폭 및 높이는 실질적으로 동일할 수 있다.
다른 측면에서, 복수의 분절편은 그룹 단위로 또는 2개 이상의 그룹 단위로 이격 피치가 코어측에서 외주측으로 가면서 점진적으로 또는 단계적으로 증가하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편은 그룹 단위로 또는 2개 이상의 그룹 단위로 이격 피치가 코어측에서 외주측으로 가면서 점진적으로 또는 단계적으로 증가하다가 점진적으로 또는 단계적으로 감소하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편은 절단홈(63)의 하단과 절연 코팅층(44) 또는 활물질층(42) 사이의 갭이 코어측에서 외주측으로 가면서 점진적으로 또는 단계적으로 증가하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편은 절단홈(63)의 하단과 절연 코팅층(44) 또는 활물질층(42) 사이의 갭이 코어측에서 외주측으로 가면서 점진적으로 또는 단계적으로 증가하거나 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
도 5a는 사다리꼴 분절편(61)의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)의 정의를 나타내고, 도 5b는 절단홈(63)의 하부를 부분적으로 확대하여 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 분절편(61)의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)는 무지부(43)의 절곡 가공 시 절곡 지점 근처의 무지부(43)가 찢어지는 것을 방지하고 충분한 용접 강도 확보를 위해 무지부(43)의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시키면서 무지부(43)의 비정상적 변형을 방지할 수 있도록 설계한다.
분절편(61)의 절곡은 절단홈(63)의 하단을 통과하는 라인(G) 또는 그 상부에서 이루어진다. 절단홈(63)은 전극 조립체의 반경 방향에서 분절편(61)의 스무드하고 용이한 절곡을 가능하게 한다.
절단홈(63)의 양측에는 분절편(61)이 배치된다. 절단홈(63)은 분절편(61)의 측부(63a)와 라운드부(63b)를 포함한다. 측부(63a)는 직선상으로 연장된다. 측부(63a)는 권취 방향과 예각을 이룬다. 라운드부(63b)는 곡률 반경을 가질 수 있다. 라운드부(63b)의 양단부는 측부(63a)와 스무드하게 연결된다.
분절편(61)의 폭(D)은 분절편(61)의 측부(63a)로부터 연장한 2개의 직선과 라운드부(63b)의 하단을 통과하여 권취 방향으로 연장된 직선(G)이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다.
분절편(61)의 높이(H)는 분절편(61)의 최상단 변과 라운드부(63b)의 하단을 통과하여 권취 방향으로 연장된 직선 사이의 최단 거리로 정의된다.
분절편(61)의 이격 피치(P)는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 라운드부(63b)의 양측 단부를 연결하는 직선(L1)과 절단홈(63) 양측의 측부(63a)로부터 연장된 직선(L2)이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 즉, 절단홈(63)의 양쪽에 있는 측부(63)의 하부에서 곡률 반경이 변화하기 시작하는 두 지점 사이의 거리가 이격 피치(P)에 해당한다.
분절편(61)의 이격 피치(P)는 0.05mm 내지 2.0mm일 수 있고, 바람직하게는 0.5mm 내지 1.0mm일 수 있다.
라운드부(63b)는 이격 피치(P)를 지름으로 하는 원과 실질적으로 동일할 수 있다. 대안적으로, 라운드부(63b)는 이격 피치(P)를 지름으로 하는 원의 모양을 근사적으로 추정할 수 있다. 대안적으로, 라운드부(63b)는 절단홈(63)의 양측에 위치한 분절편(61)들의 측부를 연결하고, 라운드부(63b)의 곡률 반경은 일측 분절편(61)의 측부로부터 타측 분절편(61)의 측부로 가면서 점진적으로 증가했다가 점진적으로 감소할 수 있다.
절단홈(63)의 하부에 이격 피치(P)를 지름으로 하는 원과 실질적으로 동일한 라운드부(63b), 상기 원을 근사적으로 추종하는 라운드부(63b) 또는 곡률 반경이 점진적으로 증가했다가 점진적으로 감소하는 라운드부(63b)가 구비되면 분절편(61)의 노칭 공정시 노칭 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 라운드부(63b)가 원을 근사적으로 추종한다는 것은 라운드부(63b)의 곡률 반경이 이격 피치(P)를 지름으로 하는 원의 반경을 기준으로 20% 이내의 범위에서 서서히 변화하면서 절단홈(63)의 양측에 있는 측부(63a)의 하단을 부드럽게(smoothly) 연결하는 것을 의미한다.
다시 도 5a를 참조하면, 바람직하게, 분절편(61)의 폭(D)은 1mm 이상이다. D가 1mm 미만이면, 분절편(61)이 코어측으로 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(61)이 중첩되지 않는 영역이나 빈 공간(빈틈)이 발생할 수 있다.
바람직하게, 분절편(61)의 폭(D)은 분절편(61)이 전극 조립체의 코어측을 향해 절곡될 때 분절편(61)의 중첩이 반경 방향으로 잘 이루어지도록 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경에 따라 폭(D)을 적응적으로 조절할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따라 전극(60)이 권회되었을 때, 분절편(61)의 폭(D)이 정의되는 분절편(61)의 하단(도 5a의 선분 Dab)이 형성하는 원호(A1A2)를 전극 조립체의 코어 중심(O)을 기준으로 도시한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 원호(A1A2)는 분절편(61)의 폭(D)에 대응되는 길이를 가지며, 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 원주각(Φ)를 가진다. 원주각(Φ)는 원호(A1A2)를 통과하는 권회 축과 수직인 평면 상에서 원호(A1A2)의 양쪽 끝단과 코어 중심(O)을 연결한 두 선분 사이의 각도로 정의될 수 있다.
분절편(61)의 원호(A1A2) 길이가 동일할 때, 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경(r)이 증가할수록 원주각(Φ)은 감소한다. 반대로, 분절편(61)의 원주각(Φ)가 동일할 때, 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경(r)이 증가할수록 원호(A1A2)의 길이는 비례적으로 증가한다.
원주각(Φ)은 분절편(61)의 절곡 품질에 영향을 미친다. 도면에서, 실선 화살표는 분절편(61)을 절곡시키기 위해 가해지는 힘의 방향을 나타내고 점선 화살표는 분절편(61)이 절곡되는 방향을 나타낸다. 절곡 방향은 코어 중심(O)을 향하는 방향이다.
분절편(61)의 원주각(Φ)은 절곡의 균일성을 향상시키고 크랙 발생을 방지하기 위해 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경(r)에 따라서 45도 이하, 바람직하게는 30도 이하일 수 있다.
일 측면에서, 분절편(61)의 원주각(Φ)은 상기 수치범위 이내에서 전극 조 립체의 반경 방향을 따라 점진적으로 또는 단계적으로 증가 또는 감소할 수 있다. 다른 측면에서, 분절편(61)의 원주각(Φ)은 상기 수치범위 이내에서 전극 조 립체의 반경 방향을 따라 점진적으로 또는 단계적으로 증가하가나 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있고, 그 반대의 경우(vice versa)도 가능하다. 또 다른 측면에서, 분절편(61)의 원주각(Φ)은 상기 수치범위 이내에서 전극 조립체의 반경 방향을 따라 실질적으로 동일할 수 있다.
실험에 의하면, 분절편(61)의 원주각(Φ)이 45도를 초과하면 분절편(61)의 절곡 모양이 균일해지지 않는다. 분절편(61)의 가운데 부분과 사이드 부분에 가해지는 힘의 차이가 커져서 분절편(61)의 눌림이 원주 방향에서 균일해지지 않는 것이다. 또한, 절곡의 균일성을 위해 누르는 힘을 증가시키면 절단홈(63) 근처의 무지부(43)에서 크랙이 생길 가능성이 있다.
일 실시예에서, 전극(60)에 포함된 분절편(61)들의 원주각(Φ)은 실질적으로 동일하고, 분절편(61)의 폭은 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경(r)이 증가할수록 비례적으로 증가할 수 있다. 실질적 동일하다는 것은 완전히 동일하거나 5% 미만의 편차가 있음을 의미한다.
예를 들어, 전극 조립체의 반경이 22mm이고 코어의 반경이 4mm이고 반경 7mm인 지점에 위치하는 권회턴부터 분절편(61)이 배치되기 시작할 때, 분절편(61)들의 원주각(Φ)이 28.6도로 일정할 경우 분절편(61)의 폭(D)은 다음 표 1과 같이 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경(r)에 따라 비례적으로 증가할 수 있다. 즉, 분절편(61)의 폭은 권회턴의 반경(r)이 1mm씩 증가할 때마다 0.5mm씩 실질적으로 동일한 비율로 증가할 수 있다.
권회턴 반지름(mm) 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 22.0
분절편 폭(D,mm) 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0
원주각(degree) 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6 28.6
바람직하게, 전극 조립체의 코어 중심(O)을 기준으로 반경이 r인 권회턴에 위치한 분절편(61)의 폭 D(r)은 다음 수식 1을 만족하는 범위에서 결정될 수 있다.
<수식 1>
1 ≤ D(r) ≤ (2*π*r/360°)*45°
바람직하게, 복수의 분절편(61)의 각각은 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 권회 방향의 폭 D(r)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
다른 측면에서, 복수의 분절편(61)의 각각은 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 1mm 내지 11mm의 범위에서 권회 방향의 폭 D(r)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편(61)의 각각은 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 권회 방향의 폭 D(r)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가했다가 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편(61)의 각각은 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 1mm 내지 11mm의 범위에서 권회 방향의 폭 D(r)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가했다가 점진적으로 또는 단계적으로 감소하거나 그 반대(vice versa)일 수 있다.
또 다른 측면에서, 분절편(61)의 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 분절편(61)의 폭 D(r)이 변화하는 비율은 동일하거나 다를 수 있다.
또 다른 측면에서, 분절편(61)의 위치하는 권회턴의 반경 r이 증가함에 따라 1mm 내지 11mm 범위에서 분절편(61)의 폭 D(r)이 변화하는 비율은 동일하거나 다를 수 있다.
다시 도 5a를 참조하면, 분절편(61)의 높이(H)는 2mm 이상일 수 있다. D2가 2mm 미만이면, 분절편(61)이 코어측으로 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(61)이 중첩되지 않는 영역이나 빈 공간(빈틈)이 발생할 수 있다.
분절편(61)의 높이(H)는 분절편(61)이 코어 측으로 절곡되었을 때 코어를 차폐하지 않는 조건을 적용하여 결정할 수 있다. 바람직하게, 코어는 직경의 90% 이상이 외부로 개방될 수 있도록 분절편(61)의 높이(H)를 조절할 수 있다.
바람직하게, 분절편(61)의 높이(H)는 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반경과 코어의 반경에 의존하여 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 분절편(61)의 높이(H)가 권회턴의 반경이 증가함에 따라 h1 내지 hN까지 N 단계에 걸쳐서 단계적으로 증가한다고 할 때 분절편(61)의 k번째 높이 hk(k는 1 내지 N의 자연수), 높이 hk를 가지는 분절편(61)이 포함된 권회턴의 시작 반경을 rk, 코어의 반경을 rc 라고 할 때, 다음 수식 2가 충족되도록 분절편(61)의 높이 h1 내지 hN이 결정될 수 있다.
<수식 2>
2mm≤ hk ≤ rk - α*rc(바람직하게, α는 0.90 내지 1)
분절편(61)의 높이(hk)가 수식 2를 충족하면, 분절편(61)이 코어 측으로 절곡되더라도 코어는 직경의 90% 이상이 외부로 개방될 수 있다.
일 예에서, 전극(60)의 전체 권회턴 반경이 22mm이고, 분절편(61)의 높이가 3mm부터 시작하되, 분절편(61)을 포함하는 권회턴의 반경이 1mm 증가할 때마다 분절편(61)의 높이가 3mm, 4mm, 5mm, 6mm로 순차적으로 증가하고, 나머지 권회턴에서는 높이가 6mm로 실질적으로 동일하게 유지될 수 있다. 즉, 전체 권회턴의 반경 중에서 분절편(61)의 높이 가변 구간의 반경 방향 폭은 3mm이고 나머지 반경 구간은 높이 균일 구간에 해당한다.
이 경우, 전극 조립체 코어의 반경(rc)에 따라서 3mm, 4mm, 5mm 및 6mm의 높이를 가지는 분절편(61)이 포함된 권회턴의 시작 반경 r1, r2, r3, r4는, α가 1이고 우측 부등식에서 등호 조건이 적용되었을 때, 다음 표 2와 같을 수 있다.
분절편 높이(mm)
항목 3(h1) 4(h2) 5(h3) 6(h4)
코어반경
(rc)
(mm)		 2 5(r1) 6(r2) 7(r3) 8(r4)
2.5 5.5(r1) 6.5(r2) 7.5(r3) 8.5(r4)
3 6(r1) 7(r2) 8(r3) 9(r4)
3.5 6.5(r1) 7.5(r2) 8.5(r3) 9.5(r4)
4 7(r1) 8(r2) 9(r3) 10(r4)
분절편(61)들이 표 2에 나타낸 반경 위치에 배치될 때, 분절편(61)들이 코어측으로 절곡되더라도 분절편(61)에 의해 코어가 차폐되지 않는다. 한편, 표 2에 나타낸 r1, r2, r3, r4는 α 값에 따라서 코어 측으로 쉬프트될 수 있다. 일 예에서, α가 0.90일 때, r1, r2, r3, r4는 코어 반경의 10%만큼 코어 측으로 쉬프트될 수 있다. 이 경우, 분절편(61)이 코어측으로 절곡되었을 때 코어 반경의 10%가 분절편(61)에 의해 차폐된다. 표 2에 나타낸 r1, r2, r3, r4는 분절편(61)이 시작되는 위치의 리미트 값이다. 따라서, 분절편(61)의 위치는 표 2에 나타낸 반경보다 외주측으로 소정 거리 쉬프트될 수 있다.도 6b는 분절편(61)의 높이 h1, h2, h3, h4, 코어 반경(rc), 분절편(61)이 나타나기 시작하는 권회턴의 반경 r1, r2, r3, r4의 관계를 모식적으로 나타낸 도면이다.
표 2와 도 6b를 함께 참조하면, 예를 들어 코어(C)의 변경(rc)이 3m일 때, 3mm(h1), 4mm(h2), 5mm(h3) 및 6mm(h4)의 높이를 가지는 분절편(61)이 포함된 권회턴의 시작 반경 r1, r2, r3 및 r4는 각각 6mm, 7mm, 8mm 및 9mm일 수 있으며, 반경 9mm부터 마지막 권회턴까지는 분절편(61)의 높이가 6mm로 유지될 수 있다. 또한, 6mm(r1) 보다 작은 반경을 가진 권회턴에는 분절편(61)이 포함되지 않을 수 있다. 이러한 예에서, 코어(C)와 가장 인접한 높이 3mm(h1)의 분절편(61)이 반경 6mm를 가진 권회턴부터 위치하므로 해당 분절편(61)이 코어(C)측으로 절곡되더라도 3mm 내지 6mm의 반경 구간만을 덮어서 실질적으로 코어(C)를 차폐하지 않는다. 수식 2의 α값에 따라, 분절편(61)의 위치는 코어 반경(rc)의 10% 이내에서 코어(C)측으로 쉬프트될 수 있다.
다른 실시예에서, 분절편(61)의 높이는 전극 조립체의 코어 중심을 기준으로 분절편(61)이 위치한 권회턴의 시작 반경 r이 증가함에 따라 동일 또는 상이한 비율로 증가할 수 있다.
바람직하게, 분절편(61)의 높이(H)는 수식2를 만족하면서 동시에 분절편(61)의 최대 높이가 제한될 수 있다.
도 6c는 분절편(61)의 높이 가변 구간에서 분절편(61)의 높이(H)에 대한 최대값(hmax)을 결정하기 위한 개념도이다.
도 6c를 참조하면, 전극 조립체의 권회 구조에서 분절편(61)을 포함하는 전극(E1)은 반경 방향에서 분리막(S)을 사이에 두고 반대 극성의 전극(E2)과 대향하고 있다. 전극(E1)의 양면에는 활물질층(E1,active)이 코팅되어 있고, 전극(E2)의 양면 또한 활물질층(E2,active)이 코팅되어 있다. 전기적 절연을 위해, 분리막(S)의 단부(Send)는 전극(E2)의 단부(E2,end)로부터 절연 갭(Wgap)에 대응하는 길이로 외측으로 더 연장될 수 있다. 또한, 전극(E1)의 단부는 전기적 절연을 위해 전극(E2)의 단부보다 외측으로 더 연장되지 않는다. 따라서, 무지부(43)의 하단에는 절연 갭(Wgap)에 대응하는 구간이 확보되어야 한다. 또한, 전극(E1, E2)과 분리막(S)이 권회될 때, 분리막(S)의 단부(Send)가 사행(meandering)을 일으킨다. 따라서, 분절편(61)이 분리막(S)의 외측으로 노출되기 위해서는 분리막(S)의 최소 사행 마진에 해당하는 구간(Wmargin,min)이 무지부(43)에 할당되어야 한다. 또한, 분절편(61)을 커팅하기 위해서는 집전체 포일의 단부에 최소한의 절단 스크랩 마진(Wscrap,min)이 할당되어야 한다. 따라서, 분절편(61)의 높이 가변 구간에서 분절편(61)의 최대 높이(hmax)는 다음 수식 3에 의해 결정될 수 있다. 수식 3에 있어서, Wfoil은 집전체 포일이 커팅되기 전의 집전체 포일의 폭에 해당한다.
<수식 3>
hmax = Wfoil - Wscrap,min- Wmargin,min - Wgap
바람직하게, 상기 절연 갭 Wgap은 상기 제1전극이 양극일 때 0.2mm 내지 6mm일 수 있다. 또한, 상기 절연 갭 Wgap은 상기 제1전극이 음극일 때 0.1mm 내지 2mm일 수 있다.
바람직하게, 상기 절단 최소 스크랩 마진 Wscrap,min은 1.5mm 내지 8mm일 수 있다. 최소 절단 스크랩 마진(Wscrap,min)은 분절편(61)을 형성하는 공정에 따라 할당되지 않을 수 있다. 예를 들어, 분절편(61)의 상부변과 집전체 포일의 상부변이 서로 일치하도록 절단홈(63)을 형성할 수 있다. 이 경우, 수식 3에 있어서, Wscrap,min은 0이 될 수 있다.
바람직하게, 상기 분리막의 최소 사행 마진 Wmargin,min은 0 내지 1mm일 수 있다.
일 예에서, 최소한의 절단 스크랩 마진(Wscrap,min)은 1.5mm이고, 분리막(S)의 최소 사행 마진(Wmargin,min)은 0.5mm일 수 있다. 이러한 조건에서, 분절편(61)을 형성하기 전의 집전체 포일 폭(Wfoil)이 8mm 내지 12mm이고, 절연 갭(Wgap)이 0.6mm, 0.8mm 및 1.0mm일 때, 상기 수식 3을 이용하여 분절편(61)의 최대 높이(hmax)를 계산한 결과는 다음 표 3과 같다.
　항목 분리막↔음극 Gap(㎜)
0.6 0.8 1
집전체
포일 폭 		8 5.4 5.2 5
(㎜) 9 6.4 6.2 6
　 10 7.4 7.2 7
　 11 8.4 8.2 8
　 12 9.4 9.2 9
상기 표 3을 참작할 때, 분절편(61)의 높이 가변 구간에서 분절편(61)의 최대 높이(hmax)는 10mm로 설정할 수 있다. 따라서, 분절편(61)의 높이 가변 구간에서 분절편(61)의 높이는 수식 2를 충족함과 동시에 2mm 내지 10mm 구간에서 전극 조립체의 반경 방향을 따라 단계적 또는 점진적으로 증가할 수 있다.다시 도 5a를 참조하면, 분절편(61)의 이격 피치(P)는 0.05 내지 2mm의 범위, 바람직하게는 0.5mm 내지 1.0mm에서 조절할 수 있다. 이격 피치(P)가 0.05mm 미만이면, 전극(60)이 권취 공정 등에서 주행될 때 응력에 의해 절단홈(63)의 하단 근처에서 무지부(43)에 크랙이 생길 수 있다. 반면, 이격 피치(P)가 2mm를 초과하면 분절편(61)이 절곡되었을 때 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 분절편(61)들이 서로 중첩되지 않는 영역 또는 빈 공간(틈)이 발생할 수 있다.
한편, 전극(60)의 집전체(41)가 알루미늄으로 이루어질 경우, 이격 피치(P)는 0.5mm 이상으로 설정하는 것이 보다 바람직하다. 이격 피치(P)가 0.5mm 이상일 경우, 전극(60)이 권취 공정 등에서 300gf 이상의 장력(tension) 하에서 100mm/sec 이상의 속도로 주행하더라도, 절단홈(63)의 하부에서 크랙이 생기는 것을 방지할 수 있다.
실험 결과에 따르면, 전극(60)의 집전체(41)가 15um 두께의 알루미늄 포일이고, 이격 피치(P)가 0.5mm 이상일 경우, 상기 주행 조건 하에서 전극(60)이 주행되었을 때 절단홈(63)의 하부에서 크랙이 생기지 않는다.
복수의 분절편(61)은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 하부 내각(θ)이 증가할 수 있다. 일 예에서, 복수의 분절편(61)은 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 하부 내각(θ)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다. 하부 내각(θ)은 절단홈(63)의 하단으로부터 연장된 직선과 분절편(61)의 측부(63a)로부터 연장된 직선 사이의 각도이다. 분절편(61)이 좌우 대칭일 때 좌측과 우측의 하부 내각(θ)은 실질적으로 동일하다.
전극 조립체의 반경이 증가하면 곡률 반경이 증가한다. 만약, 분절편(61)의 하부 내각(θ)이 전극 조립체의 반경이 증가함에 따라 함께 증가하면 분절편(61)이 절곡될 때 반경 방향 및 원주 방향으로 생기는 응력을 완화시킬 수 있다. 또한, 하부 내각(θ)이 증가하면, 분절편(61)이 절곡되었을 때 안쪽의 분절편(61)과 중첩되는 면적 및 중첩 레이어 수도 함께 증가함으로써 반경 방향 및 원주 방향에서 용접 강도를 균일하게 확보할 수 있고 절곡 표면영역을 평탄하게 형성할 수 있다.
바람직하게, 하부 내각(θ)은 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반지름과 분절편(61)의 폭(D)에 의해 결정될 수 있다.
도 6d는 분절편(61)의 하부 내각(θ)을 결정하는 수식을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6d를 참조하면, 분절편(61)의 측변은 분절편(61)의 폭(D)에 대응되는 선분 AD의 양쪽 끝점인 A 및 D와 코어 중심(E)을 연결하는 선분 AE 및 선분 DE와 일치하는 것이 이상적이다.
분절편(61)의 측변이 가장 이상적인 방향으로 연장될 때, 분절편(61)의 하부 내각(θrefer)은, 선분 EF가 선분 AE 및 선분 DE와 근사적으로 동일하다고 가정할 때, 하기 수식 4를 이용하여 분절편(61)의 폭(D)과 분절편(61)이 위치하는 권회턴의 반지름(r)로부터 근사적으로 결정될 수 있다.
<수식 4>
Figure PCTKR2023010526-appb-img-000001
수식 4의 각도는 분절편(61)의 하부 내각(θrefer)에 대한 이상적인 기준 각도이다. 한편, 동일한 권회턴에 위치한 인접하는 분절편(61) 사이에는 이격 피치(P)가 존재한다. 이격 피치(P)의 길이는 p로 나타냈다. 이격 피치(P)가 인접하는 분절편(61) 사이에 존재하므로, 하부 내각(θ)에 대해 이격 피치(p)의 50%만큼 공차를 부여할 수 있다. 즉, 분절편(61)의 윗변 BC의 폭은 윗변 B'C'까지 최대 p/2만큼 증가될 수 있다. 공차가 반영된 하부 내각(θ')은 다음 수식 5로 나타낼 수 있다. 하부 내각(θrefer)는 이상적인 기준 각도 ∠BAG이고, 하부 내각(θ')는 이격 피치(p)에 따른 공차가 반영된 각도 ∠B'AG'이다. 수식 5에서, H는 분절편(61)의 높이이고, p는 이격 피치에 해당한다.
<수식 5>
Figure PCTKR2023010526-appb-img-000002
바람직하게, 전극 조립체의 각 권회턴에 위치한 분절편(61)의 하부 내각(θ)는 다음 수식 6을 만족할 수 있다. 그러면, 분절편(61)들이 전극 조립체의 코어 중심을 향해 절곡될 때 원주 방향으로 인접하는 분절편(61)들이 서로 간섭을 일으키지 않고 절곡이 원활하게 이루어질 수 있다.
<수식 6>
Figure PCTKR2023010526-appb-img-000003
일 예에서, 전극(60)이 직경이 22mm이고 코어의 반경이 4mm인 권회 구조를 형성하는 경우, 분절편(61)의 하부 내각은 높이 가변 구간에서 60도 내지 85도 구간에서 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다.
또 다른 예에서, 복수의 분절편(61)은 하나 또는 2개 이상의 그룹 단위로 코어측으로부터 외주측으로 가면서 하부 내각(θ)이 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다.
한편, 분절편(61)의 좌측 하부 내각 및 우측 하부 내각이 동일하지 않을 수 있다. 그럼에도, 어느 일 측의 하부 내각(θ)이 상술한 수식 6을 만족하도록 설계될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 제3부분(B2)의 분절편(61)을 코어측으로 절곡시켰을 때 전극 조립체의 코어가 그것의 직경을 기준으로 90% 이상 외부로 개방되도록 설계한다. 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 그룹1의 분절편(61)의 절곡 길이에 비례하여 증가할 수 있다. 절곡 길이는 절곡 지점부터 분절편(61)의 상단변까지의 길이에 해당한다. 바람직하게, 전극(60)이 폼 팩터가 4680인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 전극 조립체 코어의 직경과 그룹1에 포함된 분절편(61)의 높이에 따라 180mm 내지 350mm로 설정할 수 있다.
분절편(61)의 절곡 지점은 절단홈(63)의 하단을 통과하는 라인 또는 그 라인으로부터 상부로 소정 거리 이격된 지점에 설정될 수 있다. 절단홈(63)의 하단으로부터 소정 거리 이격된 지점에서 분절편(61)이 코어측으로 절곡되면 반경 방향으로의 분절편 중첩이 보다 잘 이루어진다. 분절편(61)들이 절곡될 때 코어의 중심을 기준으로 바깥쪽에 있는 분절편이 안쪽에 있는 분절편을 누른다. 이 때, 절곡 지점이 절단홈(63)의 하단으로부터 소정 거리 이격되어 있으면, 안쪽의 분절편이 바깥쪽 분절편에 의해 권취 축 방향으로 눌리면서 분절편들의 중첩이 보다 잘 이루어진다. 절곡 지점의 이격 거리는 바람직하게 1mm 이하일 수 있다. 분절편의 최소 높이는 2mm이므로 최소 높이 대비 절곡 지점의 이격 거리의 비율은 50% 이하일 수 있다.
일 실시예에서, 각 분절편 그룹의 폭은 전극 조립체의 동일한 권회턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다. 여기서, 권회턴은 전극(60)이 권취된 상태에 있을 때 제1부분(B1)의 단부를 기준으로 계수할 수 있다.
다른 변형예에서, 각 분절편 그룹의 폭은 전극 조립체의 적어도 하나 이상의 권회턴을 구성할 수 있도록 설계될 수 있다.
또 다른 변형예에서, 동일한 분절편 그룹에 속한 분절편(61)의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치는 그룹 내에서 또는 인접하는 그룹 사이에서 점진적으로 및/또는 단계적으로 및/또는 불규칙적으로 증가 또는 감소할 수 있다.
그룹1 내지 그룹8은 제3부분(B2)에 포함되는 분절편 그룹의 일 예시에 불과하다. 그룹들의 수, 각 그룹에 포함되는 분절편(61)의 수, 및 그룹의 폭은 무지부(43)의 절곡 과정에서 응력을 최대한 분산시키고 집전체와의 용접 강도를 충분히 확보할 수 있도록 분절편(61)이 여러 겹으로 중첩되도록 바람직하게 조절될 수 있다.
분절편 그룹의 수가 하나일 때, 제3부분(B2)에서 분절편(61)의 높이는 균일할 수 있다.
제3부분(B2)의 분절구조는 제2부분(B3)까지 확장 가능하다(점선 참조). 이 경우, 제2부분(B3)도 제3부분(B2)와 마찬가지로 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 바람직하게, 제2부분(B3)의 분절 구조는 제3부분(B2)의 최외측에 있는 분절편 그룹과 실질적으로 동일할 수 있다. 이 경우, 제2부분(B3)과 제3부분(B2)에 포함된 분절편들은 폭, 높이 및 이격 피치가 실질적으로 동일할 수 있다. 변형 예에서, 제2부분(B3)의 분절편은 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 제3부분(B2)보다 더 클 수 있다.
제3부분(B2)에 있어서 전극(60)의 권취 방향을 기준으로 분절편(61)의 높이가 단계적으로 증가하는 구간(그룹1 내지 그룹7)은 분절편의 높이 가변 구간으로 정의되고, 마지막에 있는 분절편 그룹(그룹 8)은 분절편의 높이가 균일하게 유지되는 높이 균일 구간으로 정의될 수 있다.
즉, 제3부분(B2)에서, 분절편(61)의 높이가 h1 내지 hN까지 단계적으로 증가할 때, h1 내지 hN-1(N은 높이 인덱스로서, 2 이상의 자연수)의 높이를 가진 분절편(61)이 배치된 구간은 높이 가변 구간에 해당하고, hN의 높이를 가진 분절편(61)이 배치된 구간은 높이 균일 구간에 해당한다. 전극(60)의 권취 방향의 길이 대비 높이 가변 구간과 높이 균일 구간의 비율에 대해서는 구체적인 실시예들을 참조하여 후술하기로 한다.
전극(60)이 폼팩터가 4680인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 180~350mm일 수 있다. 그룹1의 폭은 제1부분(B1)의 폭 대비 35~40%일 수 있다. 그룹2의 폭은 그룹1의 폭 대비 130~150%일 수 있다. 그룹3의 폭은 그룹2의 폭 대비 120~135%일 수 있다. 그룹4의 폭은 그룹 3의 폭 대비 85~90%일 수 있다. 그룹5의 폭은 그룹4의 폭 대비 120~130%일 수 있다. 그룹6의 폭은 그룹5의 폭 대비 100~120%일 수 있다. 그룹7의 폭은 그룹6의 폭 대비 90~120%일 수 있다. 그룹8의 폭은 그룹7의 폭 대비 115~130%일 수 있다. 제2부분(B3)의 폭(dB3)은 제1부분(B1)의 폭과 마찬가지로 180~350mm일 수 있다.
그룹1 내지 8의 폭이 일정한 증가 또는 감소 패턴을 보이지 않는 이유는, 분절편의 폭은 그룹1에서 그룹8로 갈수록 점차 증가하지만 그룹 내에 포함되는 분절편의 수는 정수 개로 제한되고 전극의 두께가 권취 방향으로 약간의 편차를 가지기 때문이다. 따라서, 특정 분절편 그룹에서는 분절편의 수가 감소될 수 있다. 따라서, 그룹의 폭은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 상기의 예시처럼 불규칙한 변화 양상을 나타낼 수 있다.
즉, 전극 조립체의 원주 방향에서 연속해서 인접하는 3개의 분절편 그룹 각각에 대한 권취 방향의 폭을 각각 W1, W2 및 W3이라고 했을 때 W2/W1 보다 W3/W2가 작은 분절편 그룹의 조합을 포함할 수 있다.
상기 구체적인 예에서, 그룹4 내지 그룹6이 상기 케이스에 해당한다. 그룹4에 대한 그룹5의 폭 비율은 120~130%이고, 그룹5에 대한 그룹6의 폭 비율은 100~120%로서 그 값이 120~130%보다 작다.
한편, 도 5c를 참조하면, 전극(60)의 제1부분(B1)의 무지부 높이(HB1)는 절단홈(63) 하단의 무지부 높이(Hg)보다 상대적으로 낮을 수 있다. 높이 HB1과 Hg의 차이는 상대적인 차이이다. 높이의 측정 기준점은 임의로 설정할 수 있다. 바람직하게, 높이 HB1과 Hg는 절연 코팅층(44)의 단부 또는 활물질층(42)의 단부를 기준으로 측정할 수 있다. 절단홈(63) 하단의 무지부 높이(Hg)가 일정하지 않을 때, 높이(Hg)는 절단홈(63)들 하단의 무지부 높이에 대한 평균값, 중간값, 최대값 또는 최소값일 수 있다.
제1부분(B1)의 무지부 높이(HB1)가 절단홈(63) 하단의 무지부 높이(Hg)보다 작으면, 전극(60)이 전극 조립체로 권취되었을 때, 코어 근처에 있는 제1부분(B1)의 무지부가 불규칙하게 절곡되면서 코어의 형상이 붕괴되는 것을 방지할 수 있다.
높이(HB1)은 높이(Hg) 대비 95% 이하, 90% 이하, 85% 이하, 80% 이하, 75% 이하, 70% 이하, 65% 이하 또는 63% 이하일 수 있다.
높이(HB1)은 높이(Hg) 대비 0% 이상, 5% 이상, 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상 또는 37% 이상일 수 있다.
높이(HB1)의 상한과 하한은 상기의 범위들 중에서 선택적으로 조합될 수 있다. 높이(Hg)가 변화하면, 높이(HB1) 또한 변화할 수 있다.
실시예에서, 높이(Hg)가 활물질층(42) 또는 절연 코팅층(44)의 단부를 기준으로 0.8mm일 때, 높이(HB1)은 0 이상, 0.1mm (12.5%)이상, 0.15mm (18.8%)이상, 0.2mm(25.0%) 이상, 0.25mm(31.3%) 이상, 0.3mm(37.5%) 이상, 0.35mm(43.8%) 이상 또는 0.4mm(50.0%)이상일 수 있다.
실시예에서, 높이(Hg)가 활물질층(42) 또는 절연 코팅층(44)를 기준으로 0.8mm일 때, 높이(HB1)은 0.75mm(93.8%) 이하, 0.70mm(87.5%) 이하, 0.65mm(81.3%) 이하, 0.60mm (75.0%)이하, 0.55mm(68.8%) 이하, 0.50mm(62.5%) 이하 또는 0.45mm(56.3%) 이하일 수 있다.
실시예에서, 높이(HB1)의 상한과 하한은 상기의 범위들 중에서 선택적으로 조합될 수 있다. 높이(Hg)가 변화하면, 높이(HB1) 또한 변화할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 높이(Hg)가 활물질층(42) 또는 절연 코팅층(44)의 단부를 기준으로 0.8mm일 때, 높이(HB1)는 0.3mm(37.5%) 내지 0.5mm(62.5%)일 수 있다.
도 5d를 참조하면, 선택적으로, 전극(60)의 제2부분(B3)의 무지부 높이(HB3)는 제1부분(B1)과 마찬가지로 절단홈(63) 하단의 무지부 높이(Hg)보다 작을 수 있다. 높이 HB1과 Hg의 차이는 상대적인 차이이다. 높이의 측정 기준점은 임의로 설정할 수 있다. 바람직하게, 높이 HB3과 Hg는 절연 코팅층(44)의 단부 또는 활물질층(42)의 단부를 기준으로 측정할 수 있다.
높이(HB3)은 높이(Hg) 대비 95% 이하, 90% 이하, 85% 이하, 80% 이하, 75% 이하, 70% 이하, 65% 이하 또는 63% 이하일 수 있다.
높이(HB3)은 높이(Hg) 대비 0% 이상, 5% 이상, 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상 또는 37% 이상일 수 있다.
높이(HB3)의 상한과 하한은 상기의 범위들 중에서 선택적으로 조합될 수 있다. 높이(Hg)가 변화하면, 높이(HB3) 또한 변화할 수 있다.
실시예에서, 높이(Hg)가 활물질층(42) 또는 절연 코팅층(44)을 기준으로 0.8mm일 때, 높이(HB3)은 0 이상, 0.1mm (12.5%)이상, 0.15mm (18.8%)이상, 0.2mm(25.0%) 이상, 0.25mm(31.3%) 이상, 0.3mm(37.5%) 이상, 0.35mm(43.8%) 이상 또는 0.4mm(50.0%)이상일 수 있다.
실시예에서, 높이(Hg)가 활물질층(42) 또는 절연 코팅층(44)을 기준으로 0.8mm일 때, 높이(HB3)은 0.75mm(93.8%) 이하, 0.70mm(87.5%) 이하, 0.65mm(81.3%) 이하, 0.60mm (75.0%)이하, 0.55mm(68.8%) 이하, 0.50mm(62.5%) 이하 또는 0.45mm(56.3%) 이하일 수 있다.
실시예에서, 높이(HB3)의 상한과 하한은 상기의 범위들 중에서 선택적으로 조합될 수 있다. 높이(Hg)가 변화하면, 높이(HB3) 또한 변화할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 높이(Hg)가 활물질층(42) 또는 절연 코팅층(44)을 기준으로 0.8mm일 때, 높이(HB3)는 0.3mm(37.5%) 내지 0.5mm(62.5%)일 수 있다.
도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 전극(60)이 음극이고 절단홈(63) 하단의 무지부 높이(Hg)가 활물질층의 단부를 기준으로 0.8mm이고 제1부분(B1)의 무지부 높이(HB1) 또한 활물질층의 단부를 기준으로 0.8mm일 때, 전극 조립체의 권취 모양과 코어 근처의 음극을 언와인딩했을 때 제1부분(B1)의 무지부 구조를 나타낸 사진이다.
도 5e에 도시된 바와 같이, 절단홈(63) 하단의 무지부 높이(Hg)와 제1부분(B1)의 무지부 높이(HB1)이 동일할 때, 코어 근처의 무지부가 불규칙하게 절곡되면서 코어의 형상이 붕괴된 것을 확인할 수 있다.
도 5f는 본 발명의 실시예에 따른 전극(60)이 음극이고 절단홈(63) 하단의 무지부 높이(Hg)가 활물질층의 단부를 기준으로 0.8mm이고 제1부분(B1)의 무지부 높이(HB1)가 활물질층의 단부를 기준으로 0.4mm일 때, 전극 조립체의 권취 모양과 코어 근처의 음극을 언와인딩했을 때 무지부의 구조를 나타낸 사진이다.
도 5f에 도시된 바와 같이, 절단홈(63) 하단의 무지부 높이(Hg)보다 제1부분(B1)의 무지부 높이(HB1)이 작을 때, 코어 근처의 무지부가 불규칙하게 절곡되지 않으며 코어의 형상이 붕괴되지 않았음을 확인할 수 있다.
바람직하게, 제1부분(B1)의 무지부 높이(HB1)를 절단홈(63) 하단의 무지부 높이(Hg)보다 작게 하는 구조는 음극에 적용할 수 있다. 음극의 집전체와 양극의 집전체가 각각 구리 포일 및 알루미늄 포일일 때, 알루미늄 포일의 두께보다 구리 포일의 두께를 얇게 설계한다. 또한, 음극의 길이가 양극보다 길기 때문에 음극부터 권취되기 시작하므로 음극의 권취가 시작되는 부분의 곡률 반경이 가장 작다. 따라서, 분절편(61)들을 절곡시킬 때, 전극 조립체의 코어 근처에서 양극보다는 음극에서 제1부분(B1)의 무지부가 반경 방향으로 가해지는 응력에 취약하다. 따라서, 응력에 취약한 제1부분(B1)의 무지부가 불규칙하게 절곡되는 현상이 나타날 수 있다. 하지만, 제1부분(B1)의 높이(HB1)를 절단홈(63) 하단의 무지부 높이(Hg)보다 작게 하면 그러한 현상을 방지할 수 있다. 한편, 본 발명은 도 5c 및 도 5d에 도시된 구조를 양극에 적용하는 것을 배제하지 않는다.
또 다른 변형예에 따르면, 전극(60)의 무지부(43)가 분절편 구조를 가질 때, 전극(60)은 도 7a에 도시된 바와 같이 복수의 분절편들 중 일부가 규칙적 또는 불규칙적으로 생략되어 있는 분절편 생략 구간(64)을 포함할 수 있다.
바람직하게, 분절편 생략 구간(64)은 복수일 수 있다. 일 예에서, 분절편 생략 구간(64)의 폭은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 일정할 수 있다. 다른 예에서, 분절편 생략 구간(64)의 폭은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 규칙적으로 또는 불규칙적으로 증가 또는 감소할 수 있다. 바람직하게, 분절편 생략 구간(64)에 존재하는 무지부의 높이는 제1부분(B1) 및/또는 제2부분(B3)의 높이와 대응할 수 있다.
분절편 생략 구간(64) 사이에 존재하는 분절편(61)의 수는 적어도 하나 이상일 수 있다. 전극(60)은 도 7a에 도시된 것처럼 코어로부터 외주측으로 가면서 분절편 생략 구간(64) 사이에 존재하는 분절편(61)의 수가 증가하는 무지부 구간을 포함할 수 있다.
바람직하게, 분절편 생략 구간(64)의 폭은, 도 7b에 도시된 바와 같이 전극(60)이 권취되었을 때 각 권회턴에 위치한 분절편들이 전극 조립체(65)의 코어 중심(C)을 기준으로 미리 설정된 독립 영역(66) 내에 위치할 수 있도록 설정될 수 있다.
즉, 복수의 분절편(61)은 전극 조립체(65)를 권취 축 방향에서 보았을 때 코어 중심(C)을 기준으로 복수의 독립 영역(66) 내에 위치할 수 있다. 독립 영역(66)의 수는 2개, 3개, 4개, 5개 등으로 변화시킬 수 있다.
바람직하게, 독립 영역(66)은 부채꼴 모양일 수 있다. 이 경우, 독립 영역(66) 사이의 각도는 실질적으로 동일할 수 있다. 또한, 독립 영역(66)의 원주각(δ)은 20도 이상, 선택적으로 25도 이상, 선택적으로 30도 이상, 선택적으로 35도 이상, 또는 선택적으로 40도 이상일 수 있다.
변형예에서, 독립 영역(66)은 정사각형, 직사각형, 평형사변형, 사다리꼴 등의 기하학적 도형의 형태를 가질 수 있다.
본 발명에 있어서, 분절편(61)의 형상은 다양한 변형이 가능하다.
도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극(70)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 8a를 참조하면, 전극(70)은 분절편(61')의 형상이 전술한 실시예와 다른 점을 제외하고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
분절편(61')은 상부와 하부의 폭이 실질적으로 동일한 기하학적 도형의 형태를 가진다. 바람직하게, 분절편(61')은 사각형 형태를 가질 수 있다.
도 8b는 사각형 분절편(61')의 폭, 높이 및 이격 피치의 정의를 나타낸 도면이고, 도 8c는 절단홈(63)의 하부를 확대하여 도시한 부분 확대도이다.
도 8b 및 도 8c를 참조하면, 분절편(61')의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)는 무지부(43)의 절곡 가공 시 무지부(43)가 찢어지는 것을 방지하고 집전체와의 용접 강도 향상을 위해 무지부(43)의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시키면서 무지부(43)의 비정상적 변형을 방지할 수 있도록 설정할 수 있다. 비정상적 변형은 절곡 지점 하부의 무지부가 직선 상태를 유지하지 못하고 주저 않으면서 불규칙하게 변형되는 것을 말한다.
분절편(61')의 폭(D)은 분절편(61')의 양측 측부(63a)로부터 연장한 2개의 직선(L2)과 절단홈(63)의 라운드부(63b) 하단으로부터 권취 방향을 따라 연장되는 직선(G)이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다. 분절편(61')의 높이(H)는 분절편(61')의 최상단 변과 절단홈(63)의 라운드부(63b) 하단으로부터 권취 방향을 따라 연장된 직선(G) 사이의 최단 거리로 정의된다. 분절편(61')의 이격 피치(P)는 라운드부(63b)의 양단을 연결하는 직선(L1)과 분절편(61')의 측부(63a)로부터 연장된 2개의 직선(L2)이 만나는 두 지점 사이의 길이로 정의된다.
바람직하게, 분절편(61')의 폭(D), 높이(H) 및 이격 피치(P)에 관한 조건은 상술한 실시예와 실질적으로 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다. 다만, 분절편(61')이 사각형 모양을 가지므로 분절편(61')의 하부 내각은 90도로 일정할 수 있다.
한편, 도 8d 및 도 8e에 도시된 바와 같이, 전극(70)의 제1부분(B1)의 무지부 높이(HB1) 및/또는 제2부분(B3)의 무지부 높이(HB3)는 절단홈(63) 하단의 무지부 높이(Hg)보다 상대적으로 낮을 수 있다. 이러한 무지부의 높이 조절을 통해 얻을 수 있는 효과는 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다.
제1부분(B1)의 무지부 높이(HB1) 및/또는 제2부분(B3)의 무지부 높이(HB3)는 전술한 실시예와 실질적으로 동일하게 설정할 수 있다.
즉, 높이(HB1) 및/또는 높이(HB3)은 높이(Hg) 대비 95% 이하, 90% 이하, 85% 이하, 80% 이하, 75% 이하, 70% 이하, 65% 이하 또는 63% 이하일 수 있다.
높이(HB1)은 및/또는 높이(HB3)은 높이(Hg) 대비 0% 이상, 5% 이상, 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상 또는 37% 이상일 수 있다.
높이(HB1) 및/또는 높이(HB3)의 상한과 하한은 상기의 범위들 중에서 선택적으로 조합될 수 있다. 높이(Hg)가 변화하면, 높이(HB1) 및/또는 높이(HB3)도 변화할 수 있다.
실시예에서, 높이(Hg)가 활물질층(42) 또는 절연 코팅층(44)의 단부를 기준으로 0.8mm일 때, 높이(HB1) 및/또는 높이(HB3)은 0 이상, 0.1mm (12.5%)이상, 0.15mm (18.8%)이상, 0.2mm(25.0%) 이상, 0.25mm(31.3%) 이상, 0.3mm(37.5%) 이상, 0.35mm(43.8%) 이상 또는 0.4mm(50.0%)이상일 수 있다.
실시예에서, 높이(Hg)가 활물질층(42) 또는 절연 코팅층(44)의 단부를 기준으로 0.8mm일 때, 높이(HB1) 및/또는 높이(HB3)은 0.75mm(93.8%) 이하, 0.70mm(87.5%) 이하, 0.65mm(81.3%) 이하, 0.60mm (75.0%)이하, 0.55mm(68.8%) 이하, 0.50mm(62.5%) 이하 또는 0.45mm(56.3%) 이하일 수 있다.
실시예에서, 높이(HB1) 및/또는 높이(HB3)의 상한과 하한은 상기의 범위들 중에서 선택적으로 조합될 수 있다. 높이(Hg)가 변화하면, 높이(HB1) 및/또는 높이(HB3)도 변화할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 높이(Hg)가 활물질층(42) 또는 절연 코팅층(44)의 단부를 기준으로 0.8mm일 때, 높이(HB1) 및/또는 높이(HB3)는 0.3mm(37.5%) 내지 0.5mm(62.5%)일 수 있다.
전극(60)과 유사하게 전극(70)도 도 8f에 도시된 바와 같이 복수의 분절편들 중 일부가 규칙적 또는 불규칙적으로 생략되어 있는 분절편 생략 구간(64)을 포함할 수 있다.
또한, 분절편 생략 구간(64)이 포함된 전극(70)이 전극 조립체로 권취되었을 때 분절편들은 도 7b에 도시된 것처럼 복수의 독립 영역(66) 내에 위치할 수 있다.
상술한 실시예들과 같이, 제3부분(B2) 및 제2부분(B3)이 복수의 분절편(61, 61')을 포함할 때, 각 분절편(61, 61')의 형상은 다양한 변형이 가능하다.
바람직하게, 분절편은 하기 조건들 중 적어도 하나 이상을 충족하면서 여러 가지 모양으로 변형될 수 있다.
조건1: 하부의 폭이 상부의 폭보다 큼
조건2: 하부의 폭과 상부의 폭이 동일함
조건3: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 동일하게 유지됨
조건4: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 감소함
조건5: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 감소했다가 증가함
조건6: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 증가했다가 감소함
조건7: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 증가하다가 일정하게 유지됨
조건8: 하부로부터 상부로 가면서 폭이 감소하다가 일정하게 유지됨
조건9: 하부의 일측 내각과 타측 내각은 서로 같음
여기서, 내각은 분절편 하부의 폭 방향을 기준으로 분절편의 측부가 이루는 각도로 정의될 수 있음. 측부가 곡선인 경우 내각은 곡선의 최하단 지점에서 그은 접선과 분절편 하부의 폭 방향 사이의 각도로 정의됨.
조건10: 하부의 일 측 내각과 타 측 내각은 서로 다름
조건11: 하부의 일 측 내각과 하부의 타측 내각은 각각 예각, 직각 또는 둔각을 가짐
조건12: 권취 축 방향을 기준으로 좌우 대칭임
조건13: 권취 축 방향을 기준으로 좌우 비대칭임
조건14: 측부는 직선 모양임
조건15: 측부는 곡선 모양임
조건16: 측부는 외측으로 볼록함
조건17: 측부는 내측으로 볼록함
조건18: 상부 및/또는 하부의 코너는 직선과 직선이 만나는 구조임
조건19: 상부 및/또는 하부의 코너는 직선과 곡선이 만나는 구조임
조건20: 상부 및/또는 하부의 코너는 곡선과 곡선이 만나는 구조임
조건21: 상부 및/또는 하부의 코너는 라운드 구조임
도 9는 본 발명의 변형예에 따른 분절편의 모양들을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이, 분절편은 양측의 절단홈 저부를 연결한 점선을 밑변으로 하는 다양한 기하학적 도형의 형태를 가질 수 있다. 기하학적 도형은 적어도 하나의 직선, 적어도 하나의 곡선 또는 이들의 결합이 연결된 구조를 가진다. 일 예에서, 분절편은 다각형 모양, 라운드 모양 또는 이들이 결합된 다양한 모양을 가질 수 있다.
구체적으로, 분절편은 좌우 대칭 사다리꼴 모양(ⓐ); 좌우 비대칭 사다리꼴 모양(ⓑ); 평행사변형 모양(ⓒ); 삼각형 모양(ⓛ); 오각형 모양(ⓚ); 원호 모양(ⓔ); 또는 타원 모양(ⓕ)일 수 있다.
분절편 모양은 도 9에 도시된 것에 한정되지 않으므로, 상술한 조건 1 내지 21 중에서 적어도 하나 이상을 충족하도록 다른 다각형, 다른 라운드 모양 또는 이들의 결합으로 변형될 수 있다.
분절편의 다각형 모양 ⓐ, ⓑ, ⓒ, ⓚ 및 ⓛ에 있어서, 상부 및/또는 하부의 코너는 직선과 직선이 만나는 모양이거나 라운드 모양(모양 ⓐ의 상부 및 하부 코너 확대 참조, 도 5b 및 도 8b 참조)일 수 있다.
분절편의 다각형 모양 ⓐ, ⓑ, ⓒ, ⓚ 및 ⓛ과 분절편의 곡선 모양 ⓔ 및 ⓕ에 있어서, 하부의 일측 내각(θ1)과 타측 내각(θ2)은 서로 동일하거나 서로 다를 수 있고, 하부의 일측 내각(θ1)과 타측 내각(θ2)은 각각 예각, 직각 또는 둔각 중 어느 하나일 수 있다. 내각은 기하학적 도형의 밑변과 측변이 만나는 각도이다. 측변이 곡선일 때, 직선은 밑변과 측변이 만나는 점에서 연장된 접선으로 대체될 수 있다.
다각형 모양을 가진 분절편의 측부 형상은 다양한 변형이 가능하다.
일 예에서, 분절편 모양 ⓐ의 측부는 모양 ⓓ와 같이 외부로 볼록한 곡선으로 변형되거나 모양 ⓖ 또는 ⓙ와 같이 분절편의 내측으로 만입된 곡선으로 변형 가능하다.
다른 예에서, 분절편 모양 ⓐ의 측부는 모양 ⓗ 또는 ⓘ와 같이 분절편의 내측으로 만입된 꺽인 직선으로 변형될 수 있다. 도시되지 않았지만, 분절편 모양 ⓐ의 측부는 외부로 볼록하게 꺽인 직선으로 변형될 수 있다.
측부가 다양하게 변형된 분절편 모양 ⓓ, ⓖ, ⓙ, ⓗ 및 ⓘ에 있어서, 하부의 일측 내각(θ1)과 타측 내각(θ2)은 서로 동일하거나 서로 다를 수 있고, 하부의 일측 내각(θ1)과 타측 내각(θ2)은 각각 예각, 직각 또는 둔각 중 어느 하나일 수 있다.
분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 다양한 변화 패턴을 가질 수 있다.
일 예에서, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 일정하게 유지될 수 있다(모양 ⓒ). 다른 예에서, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 감소할 수 있다(모양 ⓐ, ⓑ, ⓓ, ⓔ, ⓕ 및 ⓖ). 또 다른 예에서, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 감소했다가 증가할 수 있다(모양 ⓘ 및 ⓙ). 또 다른 예에서, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 증가하다가 감소할 수 있다(모양 ⓚ). 또 다른 예에서, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 감소하다가 일정하게 유지될 수 있다(모양 ⓗ). 도시되지 않았지만, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 증가하다가 일정하게 유지될 수 있다.
한편, 도 9에 예시된 분절편의 모양들 중에서 상부가 평평한 다각형 모양은 180도 회전될 수 있다. 일 예에서, 분절편 모양 ⓐ, ⓑ, ⓓ 또는 ⓖ가 180도 회전할 경우, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 점차 증가할 수 있다. 다른 예에서, 분절편 모양 ⓗ가 180도 회전할 경우, 분절편의 폭은 하부에서 상부로 가면서 일정하게 유지되다가 점차 증가할 수 있다.
상술한 실시예들(변형예들)에 있어서, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 제3부분(B2)의 영역에 따라서 분절편(61, 61')의 형상을 다르게 변경하는 것도 가능하다. 일 예에서, 응력이 집중되는 구간은 응력 분산에 유리한 라운드 형상(예컨대, 반원형, 타원형 등)을 적용하고, 응력이 상대적으로 낮은 구간은 면적이 최대한 넓은 다각 형상(예컨대, 사각형, 사다리꼴, 평형 사변형 등)을 적용할 수 있다.
또 다른 측면에서, 복수의 분절편은 전극 조립체의 권취 방향과 평행한 일 방향을 따라서 개별적으로, 그룹 단위로 또는 2개 이상의 그룹 단위로 다른 모양을 가질 수 있다.
상술한 실시예들(변형예들)에 있어서, 제3부분(B2)의 분절 구조는 제1부분(B1)에도 적용이 가능하다. 다만, 제1부분(B1)에 분절 구조가 적용되면, 코어의 곡률 반경에 따라 제3부분(B2)의 분절편(61, 61')이 절곡될 때 제1부분(B1)의 단부가 외주측으로 휘는 역포밍(reverse forming) 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 제1부분(B1)에는 분절 구조가 없거나, 분절 구조를 적용하더라도 코어의 곡률 반경을 고려하여 분절편(61, 61')의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치를 역포밍이 생기지 않는 수준으로 가능한 작게 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극(60, 70)이 전극 조립체로 권취된 이후에, 전극 조립체의 상부 및 하부에 노출되어 있는 분절편들은 전극 조립체의 반경 방향을 따라 여러 겹으로 중첩되면서 절곡 표면영역을 형성할 수 있다.
도 10a는 분절편(61)이 전극 조립체(80)의 코어(C) 측으로 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역(F)의 단면을 나타낸 모식도이다. 도 10a에서, 절곡 표면영역(F)의 단면은 전극 조립체(80)의 권회 축을 기준으로 좌측만 도시하였다. 절곡 표면영역(F)은 전극 조립체(80)의 상부와 하부에 모두 형성될 수 있다. 도 10b는 절곡 표면영역(F)이 형성된 전극 조립체(80)를 개략적으로 도시한 상부 사시도이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 절곡 표면영역(F)은 권회 축 방향으로 분절편(61)들이 복수의 레이어들로 중첩된 구조를 가진다. 중첩 방향은 권회 축 방향(Y)이다. 구간 ①은 분절편이 없는 분절편 생략 구간(제1부분 B1)이고, 구간 ② 및 ③은 분절편(61)이 포함되어 있는 권회턴이 위치하는 구간이다. 구간 ②는 분절편(61)의 높이가 가변되는 높이 가변 구간이고, 구간 ③은 전극 조립체의 외주까지 분절편의 높이가 균일하게 유지되는 높이 균일 구간이다. 후술하겠지만, 구간 ② 및 구간 ③의 반경 방향 길이는 가변될 수 있다. 한편, 최외곽 권회턴을 포함한 적어도 하나 이상의 권회턴에 포함된 무지부(제2부분 B3)는 분절편 구조를 포함하지 않을 수 있다. 이 경우, 구간 ③에서 제2부분(B3)은 제외될 수 있다.
구간 ②에서, 분절편(61)들의 높이는 전극 조립체(80)의 반경 r1 내지 rN 구간에서 최소 높이 h1(=hmin)부터 최대 높이 hN(=hmax)까지 단계적으로 변화될 수 있다. 분절편(61)들의 높이가 가변되는 높이 가변 구간은 r1 내지 rN이다. 반경 rN부터 전극 조립체(80)의 반경 R까지는 분절편(61)의 높이가 hN으로 균일하게 유지된다. 높이가 균일하다는 것은 높이의 편차가 5% 이내임을 의미한다.
구간 ② 및 구간 ③의 임의의 반경 위치에서, 분절편(61)의 적층수는 반경 위치에 따라 달라진다. 또한, 분절편(61)의 적층수는 구간 ②의 폭, 분절편(61)의 높이 가변 구간에서 분절편의 최소 높이(h1)와 최대 높이(hN-1), 그리고 분절편(61)의 높이 변화량(△h)에 의해 달라질 수 있다. 분절편(61)의 적층수는 전극 조립체(80)의 임의의 반경 위치에서 권회 축 방향으로 가상의 선을 그었을 때 가상의 선과 만나는 분절편의 수이다.
바람직하게, 분절편(61)이 포함된 권회턴의 반경에 따라서 분절편(61)의 높이, 폭 및 이격 피치를 조절하여 절곡 표면영역(F)의 각 위치에서 분절편(61)의 적층수를 요구되는 집전체의 용접 강도에 맞게 최적화시킬 수 있다.
먼저, 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)에서 분절편의 최소 높이(h1)가 동일할 때 분절편(61)의 최대 높이(hN) 변화에 따라 분절편(61)의 적층수가 절곡 표면영역(F)의 반경 방향을 따라 어떻게 변화하는지를 구체적인 실시예들을 통하여 설명하기로 한다.
실시예1-1 내지 실시예 1-7의 전극 조립체들이 준비되었다. 실시예들의 전극 조립체들은 반경이 22mm, 코어 직경이 4mm이다. 전극 조립체에 포함되는 양극과 음극은 도 4에 도시된 전극 구조를 가진다. 즉, 분절편의 모양은 사다리꼴 형태를 가진다. 양극과 음극의 제2부분(B3)은 분절편을 포함하지 않는다. 제2부분(B3)의 길이는 전극의 총 길이 대비 3% 내지 4% 이다. 양극, 음극 및 분리막은 도 2를 통해 설명한 공법으로 권회되었다. 권회턴은 48턴 내지 56턴 사이인데, 실시예들의 권회턴은 51턴이다. 양극, 음극 및 분리막의 두께는 각각 149um, 193um 및 13um이다. 양극과 음극의 두께는 활물질층의 두께를 포함한 두께이다. 양극 집전판과 음극 집전판의 두께는 각각 15um 및 10um이다. 양극과 음극의 권취 방향 길이는 각각 3948mm 및 4045mm이다.
각 실시예에서, 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)은 반경 5mm부터 시작되도록 분절편(61)의 최소 높이를 3mm로 설정하였다. 또한, 각 실시예에서, 분절편(61)의 높이는 반경 1mm 증가당 1mm씩 증가시켰으며, 분절편(61)의 최대 높이는 4mm부터 10mm까지 다양하게 변화시켰다.
구체적으로, 실시예 1-1은 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 6mm이고, 분절편(61)의 높이는 반경 3mm부터 4mm까지 가변된다. 실시예 1-2는 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 7mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 5mm까지 가변된다. 실시예 1-3은 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 8mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 6mm까지 가변된다. 실시예 1-4는 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 9mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 7mm까지 가변된다. 실시예 1-5는 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 10mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 8mm까지 가변된다. 실시예 1-6은 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 11mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 9mm까지 가변된다. 실시예 1-7은 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)이 5mm 내지 12mm이고, 분절편(61)의 높이는 3mm부터 10mm까지 가변된다. 실시예 1-1 내지 1-7에서 높이 가변 구간(②)의 상한에 해당하는 반경부터 외주까지는 분절편(61)의 높이가 균일하다. 일 예에서, 실시예 1-7에서, 반경 12mm부터 22mm까지 분절편(61)의 높이는 10mm로 균일하다. 한편 비교예의 전극 조립체는 반경 5mm부터 반경 22mm까지 분절편(61)의 높이를 단일 높이인 3mm로 유지시켰다.
도 11a는 실시예 1-1 내지 1-7과 비교예에 따른 전극 조립체들의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역(F)에서 반경 방향을 따라서 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다. 음극의 절곡 표면영역도 실질적으로 동일한 결과를 보인다. 그래프의 가로 축은 코어 중심을 기준으로 한 반경이고, 그래프의 세로축은 각 반경 지점에서 카운트한 분절편의 적층수이고, 이후에 설명할 도 11b 및 도 11c에서도 동일하다.
도 11a를 참조하면, 분절편의 적층수 균일구간(b1)이 실시예1-1 내지 실시예1-7 그리고 비교예 1에서 공통적으로 나타난다. 적층수 균일구간(b1)은 각 그래프에서 플랫한 영역의 반경 구간이다. 적층수 균일구간(b1)의 길이는 분절편의 최대 높이가 감소할수록 증가하며, 비교예의 적층수 균일구간(b1')이 가장 길다. 한편, 분절편의 적층수는 분절편의 최대 높이(hN)가 증가할수록 증가한다. 즉, 분절편의 최대 높이(hN)가 증가하여 분절편의 높이 가변 구간(②)의 폭이 증가하면 분절편의 적층수는 증가하는 반면 적층수 균일구간(b1)의 폭은 감소한다. 적층수 균일구간(b1)의 외측에는 반경이 증가함에 따라 분절편의 적층수가 감소하는 적층수 감소구간(b2)이 나타난다. 적층수 감소구간(b2)은 전극 조립체의 반경이 증가함에 따라 분절편의 적층수가 감소하는 반경 구간이다. 적층수 균일구간(b1)과 적층수 감소구간(b2)은 반경 방향으로 인접해 있고 서로에 대해 상보적이다. 즉, 한쪽 구간의 길이가 증가하면 다른 한쪽 구간의 길이는 감소한다. 또한, 적층수 감소구간(b2)에서 적층수의 감소량은 적층수 균일구간(b1)으로부터 이격된 거리에 비례한다.
분절편의 적층수 관점에서 실시예1-1 내지 실시예1-7은 분절편의 적층수 균일구간(b1)에서 분절편의 적층수가 10 이상이다. 분절편의 적층수가 10 이상인 영역은 바람직한 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다. 용접 타겟 영역은 집전체의 적어도 일부가 용접될 수 있는 구간이다.
실시예 1-1 내지 실시예 1-7에서, 적층수 균일구간(b1)은 분절편의 높이 가변 구간(②)이 시작되는 반경 지점부터 시작된다. 즉, 높이 가변 구간(②)은 반경 5mm부터 시작하여 외주측으로 연장된다.
아래 표 4는, 실시예1-1 내지 실시예1-7과 비교예1에 있어서, 양극에 대해서, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경(b-a) 대비 분절편 생략 구간(c, 도 10a의 ①)의 길이 비율, 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(5mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이(f) 대비 적층수 균일구간(b1)의 길이 비율(e/f), 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(5mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이(f) 대비 분절편의 높이 가변 구간(d)의 길이 비율(d/f), 전극의 총 길이 대비 분절편 생략 구간(제1부분 B1)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율(h), 전극의 총 길이 대비 높이 가변 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율(i), 전극의 총 길이 대비 높이 균일 구간에 대응되는 전극 영역의 비율(i) 등을 산출한 결과를 나타낸다.
음극은 파라미터 h에 대해 0.1 내지 1.2%의 차이를 보이는 점을 제외하고 나머지 파라미터들은 양극과 실질적으로 동일하다. 비율 h, i 및 j의 합은 100%와 약간의 차이를 보인다. 그 이유는 전극의 외주측 무지부에 해당하는 제2부분(B3)에 분절편이 없는 구간이 존재하기 때문이다. 예를 들어, 실시예 1-1의 경우 전극 총 길이의 대략 4%에 해당하는 제2부분(B3)에 분절편이 존재하지 않는다. 표 4에서, a 내지 f는 반경 방향의 길이를 기준으로 한 파라미터들이고, h, i 및 j는 전극이 전극 조립체로 권회 되기 전 전극의 길이 방향을 기준으로 한 파라미터들이다. 또한, 비율(%)에 해당하는 파라미터들은 소수 첫째자리에 반올림한 값이다. 이러한 점들은 이후에 설명될 표 5 및 표 6에 있어서도 실질적으로 동일하다.
Ref. a.
코어
반경
(mm)		 b.
권회
구조
반경
(mm)		 c.
분절편
생략
구간
(mm)		 d.
높이
가변
구간
(mm)		 e.
적층수
균일
구간
(mm)		 f.
분절편
구간
(mm)		 g.
적층수		 c/(b-a)
(%)		 d/f
(%)		 e/f
(%)		 h.
분절편
생략
구간
비율		 i.
높이
가변
구간
비율		 j.
높이
균일
구간
비율
실시예
1-1		 2 22 3 1 14 17 11 15% 6% 82% 6% 3% 87%
실시예1-2 2 22 3 2 13 17 13 15% 12% 76% 6% 7% 83%
실시예1-3 2 22 3 3 12 17 16 15% 18% 71% 6% 11% 80%
실시예1-4 2 22 3 4 11 17 18 15% 24% 65% 6% 15% 75%
실시예1-5 2 22 3 5 10 17 21 15% 29% 59% 6% 21% 69%
실시예1-6 2 22 3 6 9 17 24 15% 35% 53% 6% 25% 65%
실시예1-7 2 22 3 7 8 17 26 15% 41% 47% 6% 32% 59%
비교예1 2 22 3 0 15 17 8 15% 0% 88% 6% - -
표 4의 실시예1-1 내지 1-7을 참조하면, 분절편의 적층수는 11 내지 26이고, 분절편이 포함되는 반경 구간(f) 대비 높이 가변 구간(d)의 비율(d/f)은 6% 내지 41%이다. 또한, 분절편이 포함되어 있는 반경 구간(f) 대비 적층수 균일구간(e)의 비율(e/f)은 47% 내지 82%이다. 또한, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경(b-a) 대비 분절편 생략 구간(c, 도 10a의 ①)의 비율(c/(b-a))은 15%이다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편 생략 구간(제1부분 B1)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 6%, 전극의 총 길이 대비 높이 가변 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 3% 내지 32%, 및 전극의 총 길이 대비 높이 균일 구간에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 59% 내지 87%이다.적층수 균일구간의 적층수(g)는 실시예1-1 내지 1-7이 모두 10 이상이다. 적층수 균일구간(e)은 분절편의 높이 가변 구간(d)이 증가할수록 감소하지만 적층수 균일구간(e)에서 분절편의 적층수(g)는 증가한다. 바람직하게, 분절편의 적층수(g)가 10 이상인 적층수 균일구간(e)은 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
1865, 2170의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리는 전극 조립체의 반경이 대략 9mm 내지 10mm이다. 따라서, 종래의 원통형 배터리에 대해서는, 실시예1-1 내지 1-7과 같이, 분절편 구간(f)의 반경 방향 길이를 17mm 수준으로 확보할 수 없고, 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(e)의 길이를 8mm 내지 14mm 수준으로 확보할 수 없다. 종래의 원통형 배터리에서, 코어의 반경을 실시예1-1 내지 1-7과 동일한 2mm로 설계할 경우, 분절편을 배치할 수 있는 반경 구간은 실질적으로 7mm 내지 8mm에 불과하기 때문이다. 또한, 종래의 원통형 배터리에 있어서 전극의 권취 방향 길이는 600mm 내지 980mm 수준이다. 이러한 짧은 전극 길이는 실시예1-1 내지 실시예 1-7에서 사용된 전극의 길이(양극 3948mm, 음극 4045mm) 대비 대략 15% 내지 24% 수준에 불과하다. 따라서, 파라미터 h, i 및 j에 관한 수치범위도 종래의 원통형 배터리의 디자인 사양으로부터 용이하게 도출할 수 없다.
다음으로, 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)에서 분절편의 최대 높이(hN)가 동일할 때 분절편의 최소 높이(h1) 변화에 따라 분절편의 적층수가 절곡 표면영역(F)의 반경 방향을 따라 어떻게 변화하는지를 구체적인 실시예들을 통하여 설명하기로 한다.
실시예2-1 내지 2-5의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 직경은 4mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)에서 최소 높이(h1)는 4mm로 동일하고, 최대 높이(h-N)는 6mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예2-1 내지 2-5의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)의 폭이 각각 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm이며, 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)은 반경 2mm부터 6mm까지의 반경 구간이다.
실시예3-1 내지 3-4의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 직경은 4mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)에서 최소 높이(h1)는 5mm로 동일하고, 최대 높이(h-N)는 7mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예3-1 내지 3-4의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)의 폭이 각각 2mm, 3mm, 4mm, 5mm이며, 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)은 반경 2mm부터 7mm까지의 반경 구간이다.
실시예4-1 내지 4-3의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 직경은 4mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)에서 최소 높이(h1)는 6mm로 동일하고, 최대 높이(h-N)는 8mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예4-1 내지 4-3의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)의 폭이 각각 2mm, 3mm, 4mm이며, 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)은 반경 2mm부터 8mm까지의 반경 구간이다.
실시예5-1 내지 5-2의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 직경은 4mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)에서 최소 높이(h1)는 7mm로 동일하고, 최대 높이(h-N)는 9mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예5-1 내지 5-2의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)의 폭이 각각 2mm, 3mm이며, 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)은 반경 2mm부터 9mm까지의 반경 구간이다.
도 11b는 실시예 2-1 내지 2-5, 실시예 3-1 내지 3-4, 실시예 4-1 내지 4-3 및 실시예 5-1 내지 실시예 5-2에 대해 전극 조립체들의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역(F)에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다. 음극의 절곡 표면영역도 실질적으로 동일한 결과를 보인다.
도 11b에서, 그래프 (a)는 실시예 2-1 내지 2-5에 대해, 그래프 (b)는 실시예 3-1 내지 3-4에 대해, 그래프 (c)는 실시예 4-1 내지 4-3에 대해, 그래프 (d)는 실시예 5-1 내지 실시예 5-2에 대해, 절곡 표면영역(F)에서 반경 방향을 따라 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸다.
도 11b를 참조하면, 분절편의 적층수 균일구간(b1)이 전체 실시예들에서 공통적으로 나타난다. 적층수 균일구간(b1)은 그래프에서 플랫한 영역의 반경 구간이다. 적층수 균일구간(b1)의 길이는 분절편의 최소 높이(h1)가 동일할 때 분절편의 최대 높이(hN)가 감소할수록 증가한다. 또한, 적층수 균일구간(b1)의 길이는 분절편의 최대 높이(hN)가 동일할 때 분절편의 최소 높이(h1)가 감소할수록 증가한다. 한편, 적층수 균일구간(b1)에서, 분절편의 적층수는 분절편의 최대 높이(hN)가 증가할수록 증가한다. 실시예들에 있어서도, 적층수 균일구간(b1)과 인접하여 적층수 감소구간(b2)이 나타난다.
실시예들에 있어서, 적층수 균일구간(b1)에서 분절편의 적층수는 모두 10 이상이다. 바람직하게, 분절편의 적층수가 10 이상인 영역은 바람직한 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
실시예들에 있어서, 적층수 균일구간(b1)은 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)이 시작되는 반경 지점부터 시작된다. 실시예 2-1 내지 2-5에서, 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)은 6mm부터 시작하여 외주측으로 연장된다. 실시예 3-1 내지 3-4에서, 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)은 7mm부터 시작하여 외주측으로 연장된다. 실시예 4-3 내지 4-3에서, 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)은 8mm부터 시작하여 외주측으로 연장된다. 실시예 5-1 내지 5-2에서, 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)은 9mm부터 시작하여 외주측으로 연장된다.
아래 표 5는, 실시예 2-1 내지 2-5, 실시예 3-1 내지 3-4, 실시예 4-1 내지 4-3 및 실시예 5-1 내지 실시예 5-2에 대해, 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(6mm, 7mm, 8mm, 9mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이 대비 적층수 균일구간의 길이 비율(e/f), 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(6mm, 7mm, 8mm, 9mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이 대비 분절편의 높이 가변 구간(②)의 길이 비율(d/f) 등을 포함한 다양한 파라미터들을 산출한 결과를 나타낸다.
항목 a. 코어
반경
(mm)		 b.
권회
구조
반경
(mm)		 c.
분절편
생략
구간
(mm)		 d.
높이
가변
구간
(mm)		 e.
적층수
균일
구간
(mm)		 f.
분절편
구간
(mm)		 g.
적층수		 c/(b-a)
(%)		 d/f
(%)		 e/f
(%)		 h.
분절편
생략
구간
비율		 i.
높이
가변
구간
비율		 j.
높이
균일
구간
비율
실시예
2-1		 2 22 4 2 7 16 16 20% 13% 44% 10% 6% 81%
실시예2-2 2 22 4 3 8 16 18 20% 19% 50% 10% 11% 77%
실시예2-3 2 22 4 4 9 16 21 20% 25% 56% 10% 16% 72%
실시예2-4 2 22 4 5 10 16 24 20% 31% 63% 10% 20% 68%
실시예
2-5		 2 22 4 6 11 16 26 20% 38% 69% 10% 25% 65%
실시예3-1 2 22 5 2 6 15 18 25% 13% 40% 13% 7% 77%
실시예3-2 2 22 5 3 7 15 21 25% 20% 47% 13% 12% 72%
실시예3-3 2 22 5 4 8 15 24 25% 27% 53% 13% 16% 68%
실시예3-4 2 22 5 5 9 15 26 25% 33% 60% 13% 22% 62%
실시예4-1 2 22 6 2 5 14 21 30% 14% 36% 16% 9% 72%
실시예4-2 2 22 6 3 6 14 24 30% 21% 43% 16% 13% 68%
실시예4-3 2 22 6 4 7 14 26 30% 29% 50% 16% 19% 62%
실시예5-1 2 22 7 2 4 13 24 35% 15% 31% 20% 9% 68%
실시예5-2 2 22 7 3 5 13 26 35% 23% 38% 20% 15% 62%
도 10a 및 도 11b와 함께 표 5의 실시예 2-5, 실시예 3-4, 실시예 4-3 및 실시예 5-2를 참조하면, 분절편의 높이 가변 구간(②)에서 분절편의 최대 높이(hN)는 10mm로 동일하지만 분절편의 최소 높이(h1)는 4mm, 5mm, 6mm, 7mm로 1mm씩 증가하고, 높이 가변 구간(②)의 길이는 6mm, 5mm, 4mm, 3mm로 1mm씩 감소한다. 4개의 실시예들에서, 적층수 균일구간의 비율(e/f)은 실시예 2-5가 69%로서 최대이고, 실시예 5-2이 38%로서 최소이고, 적층수 균일구간의 적층수는 모두 동일하다. 표 5에 나타낸 결과로부터, 분절편의 최대 높이(hN)가 동일할 때 분절편의 최소 높이(h1)가 감소하여 분절편의 높이 가변 구간(②)의 폭이 늘어날수록 적층수 균일구간의 폭도 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다. 그 이유는, 분절편의 최소 길이(h1)가 작을수록 분절편이 시작되는 반경 지점이 코어측과 가까워지면서 분절편이 적층되는 영역이 코어 측으로 확장되기 때문이다.
표 5를 참조하면, 분절편의 적층수는 16 내지 26이고, 분절편의 높이 가변 구간(②)의 비율(d/f)는 13% 내지 38%이고, 적층수 균일구간의 비율(e/f)는 31% 내지 69%임을 알 수 있다. 또한, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경(b-a) 대비 분절편 생략 구간(①)의 비율(c/(b-a))은 20% 내지 35%이다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편 생략 구간(①)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 10% 내지 20%, 전극의 총 길이 대비 높이 가변 구간(②)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 6% 내지 25%, 및 전극의 총 길이 대비 높이 균일 구간(③)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 62% 내지 81%이다.
1865, 2170의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리는 전극 조립체의 반경이 대략 9mm 내지 10mm이다. 따라서, 실시예들과 같이, 분절편 구간(f)의 반경 방향 길이를 13mm 내지 16mm수준으로 확보할 수 없고, 분절편 생략 구간(c, ①)의 길이를 4mm 내지 7mm 정도 확보하면서 동시에 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(e)의 길이를 5mm 내지 11mm 수준으로 확보할 수 없다. 종래의 원통형 배터리에서, 코어의 반경을 실시예들과 동일한 2mm로 설계할 경우, 분절편을 배치할 수 있는 반경 구간은 실질적으로 7mm 내지 8mm에 불과하기 때문이다. 또한, 종래의 원통형 배터리에 있어서 전극의 권취 방향 길이는 600mm 내지 980mm 수준이다. 이러한 짧은 전극 길이는 실시예들에서 전극의 길이(양극 3948mm, 음극 4045mm) 대비 대략 15% 내지 24% 수준에 불과하다. 따라서, 파라미터 h, i 및 j에 관한 수치범위도 종래의 원통형 배터리의 디자인 사양으로부터 용이하게 도출할 수 없다.
다음으로, 분절편의 높이 가변 구간(②)에서 분절편의 최소 높이(h1)와 최대 높이(hN)가 동일할 때 전극 조립체의 코어(C) 직경에 따라 분절편의 적층수가 절곡 표면영역(F)의 반경 방향을 따라 어떻게 변화하는지를 구체적인 실시예들을 통하여 설명하기로 한다.
실시예6-1 내지 6-6의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 반경은 4mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)에서 분절편의 최소 높이(h1)는 3mm로 동일하고, 분절편의 최대 높이(h-N)는 5mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예6-1 내지 6-6의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(②)의 폭이 각각 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm, 7mm이며, 분절편 생략 구간(①)은 반경 4mm부터 7mm까지의 반경 구간이다.
실시예7-1 내지 7-6의 전극 조립체는 반경은 22mm, 코어(C)의 반경은 2mm이다. 분절편(61)의 높이 가변 구간(②)에서 분절편의 최소 높이(h1)는 3mm로 동일하고, 분절편의 최대 높이(h-N)는 5mm부터 10mm까지 1mm 단위로 변화를 주었다. 따라서, 실시예7-1 내지 7-6의 전극 조립체는 분절편의 높이 가변 구간(②)의 폭이 각각 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm, 7mm이며, 분절편 생략 구간(①)은 반경 2mm부터 5mm까지의 반경 구간으로 모두 동일하다.
도 11c는 실시예 6-1 내지 6-6과 실시예 7-1 내지 7-6에 대해 전극 조립체의 상부에 형성된 양극의 절곡 표면영역(F)에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸 그래프들이다. 음극의 절곡 표면영역에서도 실질적으로 동일한 결과가 나타난다.
도 11c에서, 그래프 (a)는 실시예 6-1 내지 6-6에 대해, 그래프 (b)는 실시예 7-1 내지 7-6에 대해, 절곡 표면영역(F)에서 반경 방향을 따라 측정한 분절편의 적층수를 카운트한 결과를 나타낸다.
도 11c를 참조하면, 분절편의 적층수 균일구간(b1)이 전체 실시예들에서 공통적으로 나타난다. 적층수 균일구간(b1)은 그래프에서 플랫한 영역의 반경 구간이다. 적층수 균일구간(b1)의 반경 방향 길이는 분절편의 최소 높이(h1)가 동일할 때 분절편의 최대 높이(hN)가 감소할수록 증가한다. 한편, 적층수 균일구간(b1)에서, 분절편의 적층수는 분절편의 최대 높이(hN)가 증가할수록 증가한다. 실시예들에서, 적층수 균일구간(b1)과 인접하여 적층수 감수구간(b2)이 확인된다.
실시예들에 있어서, 적층수 균일구간(b1)에서 분절편의 적층수는 모두 10 이상이다. 바람직하게, 분절편의 적층수가 10 이상인 영역은 바람직한 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
실시예들에 있어서, 적층수 균일구간(b1)은 분절편의 높이 가변 구간(②)이 시작되는 반경 지점부터 시작된다. 실시예 6-1 내지 6-6의 경우 분절편의 높이 가변 구간(②)이 시작되는 반경은 7mm이고, 실시예 7-1 내지 7-6의 경우 분절편의 높이 가변 구간(②)이 시작되는 반경은 5mm이다.
아래 표 6은, 실시예 6-1 내지 6-6과 실시예 7-1 내지 7-6에 대해, 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(7mm, 5mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이 대비 적층수 균일구간의 길이 비율(e/f), 적층수 균일구간이 시작되는 반경 지점(7mm, 5mm)부터 전극 조립체의 최외측 지점(22mm)까지의 길이 대비 분절편의 높이 가변 구간(②)의 길이 비율(d/f) 등을 포함하는 여러 가지 파라미터들의 산출 결과를 나타낸다.
항목 a. 코어
반경
(mm)		 b.
권회
구조
반경
(mm)		 c.
분절편
생략
구간
(mm)		 d.
높이
가변
구간
(mm)		 e.
적층수
균일
구간
(mm)		 f.
분절편
구간
(mm)		 g.
적층수		 c/(b-a)
(%)		 d/f
(%)		 e/f
(%)		 h.
분절편
생략
구간
비율		 i.
높이
가변
구간
비율		 j.
높이
균일
구간
비율
실시예
6-1		 4 22 3 2 11 15 13 17% 13% 73% 6% 7% 83%
실시예6-2 4 22 3 3 10 15 16 17% 20% 67% 6% 11% 80%
실시예6-3 4 22 3 4 9 15 18 17% 27% 60% 6% 15% 75%
실시예6-4 4 22 3 5 8 15 21 17% 33% 53% 6% 21% 69%
실시예6-5 4 22 3 6 7 15 24 17% 40% 47% 6% 25% 65%
실시예6-6 4 22 3 7 6 15 26 17% 47% 40% 6% 32% 59%
실시예7-1 2 22 3 2 13 17 13 15% 12% 76% 6% 7% 83%
실시예7-2 2 22 3 3 12 17 16 15% 18% 71% 6% 11% 80%
실시예7-3 2 22 3 4 11 17 18 15% 24% 65% 6% 15% 75%
실시예7-4 2 22 3 5 10 17 21 15% 29% 59% 6% 21% 69%
실시예7-5 2 22 3 6 9 17 24 15% 35% 53% 6% 25% 65%
실시예7-6 2 22 3 7 8 17 26 15% 41% 47% 6% 32% 59%
도 10a와 표 6의 실시예 6-6과 실시예 7-6을 참조하면, 분절편의 높이 가변 구간(②)에서 분절편의 최소 높이(h1) 및 최대 높이(hN)는 각각 3mm 및 10mm로 동일하다. 다만, 실시예 6-6은 실시예 7-6에 비해 코어의 반경이 2mm 더 크다. 따라서, 실시예 6-6은 실시예 7-6에 비해서 적층수 균일구간(e)과 분절편 구간(f)이 2mm 작으며, 적층수 균일구간에서 분절편의 적층수는 동일하다. 이러한 결과는 코어의 반경 차이로부터 비롯된 것이다. 표 6에 나타낸 결과로부터, 분절편의 높이 가변 구간(②)의 폭이 동일할 때, 코어의 반경(a)이 작을수록 높이 가변 구간(②)의 비율(d/f)은 감소하는데 반해, 적층수 균일구간의 비율(e/f)는 증가하는 것을 알 수 있다.표 6을 참조하면, 분절편의 적층수는 13 내지 26이고, 분절편의 높이 가변 구간(②)의 비율(d/f)는 12% 내지 47%이고, 적층수 균일구간의 길이 비율(e/f)는 40% 내지 76%임을 알 수 있다. 또한, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경(b-a) 대비 분절편 생략 구간(①)의 비율(c/(b-a))은 15% 내지 17%이다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편 생략 구간(①)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 6%, 전극의 총 길이 대비 높이 가변 구간(②)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 7% 내지 32%, 및 전극의 총 길이 대비 높이 균일 구간(③)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 59% 내지 83%이다.
1865, 2170의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리는 전극 조립체의 반경이 대략 9mm 내지 10mm이다. 따라서, 실시예들과 같이, 분절편 구간(f)의 반경 방향 길이를 15mm 내지 17mm수준으로 확보하고 없고, 분절편 생략 구간(①)의 길이를 3mm 정도 확보하면서 동시에 절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(e)의 길이를 6mm 내지 13mm 수준으로 확보할 수 없다. 종래의 원통형 배터리에서, 코어의 반경을 실시예들과 동일한 2mm 내지 4mm로 설계할 경우, 분절편을 배치할 수 있는 반경 구간은 실질적으로 5mm 내지 8mm에 불과하기 때문이다. 또한, 종래의 원통형 배터리에 있어서 전극의 권취 방향 길이는 600mm 내지 980mm 수준이다. 이러한 짧은 전극 길이는 실시예들에서 전극의 길이(양극 3948mm, 음극 4045mm) 대비 대략 15% 내지 24% 수준에 불과하다. 따라서, 파라미터 h, i 및 j에 관한 수치범위도 종래의 원통형 배터리의 디자인 사양으로부터 용이하게 도출할 수 없다.
표 4 내지 표 6의 데이터를 종합적으로 고려하면, 분절편의 적층수 균일구간에서 분절편의 적층수는 11 내지 26일 수 있다. 또한, 분절편의 높이 가변 구간(②)의 비율(d/f)는 6% 내지 47%일 수 있다. 또한, 적층수 균일구간의 비율(e/f)는 31% 내지 82%일 수 있다. 또한, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경 대비 분절편 생략 구간(①)의 길이 비율(c/(b-a))은 15% 내지 35%일 수 있다. 또한, 전극의 총 길이(권취 방향 길이) 대비 분절편 생략 구간(①)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 6% 내지 20%일 수 있다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편의 높이 가변 구간(②)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 3% 내지 32%일 수 있다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편의 높이 균일 구간(③)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 59% 내지 87%일 수 있다.
한편, 표 4 내지 표 6을 통해 설명한 파라미터들은 코어의 반경(a); 전극 조립체의 반경(b); 분절편의 높이 가변 구간(②)에서 최소 높이(h1)와 최대 높이(hN); 반경 1mm 증가당 분절편의 높이 변화량(△h); 양극, 음극 및 분리막의 두께 등을 포함하는 설계 팩터들에 따라 가변될 수 있다.
따라서, 분절편의 적층수 균일구간에서 분절편의 적층수는 10 내지 35까지 확장될 수 있다. 분절편의 높이 가변 구간(②)의 비율(d/f)는 1% 내지 50%로 확장될 수 있다. 또한, 적층수 균일구간의 비율(e/f)는 30% 내지 85%로 확장될 수 있다. 또한, 코어를 제외한 전극 조립체의 반경 대비 분절편 생략 구간(①)의 길이 비율(c/(b-a))은 10% 내지 40%로 확장될 수 있다. 또한, 전극의 총 길이(권취 방향 길이) 대비 분절편 생략 구간(①)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 1% 내지 30%로 확장될 수 있다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편의 높이 가변 구간(②)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 1% 내지 40%로 확장될 수 있다. 또한, 전극의 총 길이 대비 분절편의 높이 균일 구간(③)에 대응되는 전극 영역의 길이 비율은 50% 내지 90%로 확장될 수 있다. 상기 실시예들에 있어서, 높이 가변 구간(②)과 높이 균일 구간(③)에 포함된 분절편의 최대 높이(hN)의 높이 인덱스 N은 2 내지 8이다. 예를 들어, 표 4를 참조하면, 실시예 1-1과 실시예 1-7에 대한 높이 인덱스 N은 각각 2 및 8이다. 하지만, 높이 인덱스 N은 전극 조립체의 반경 방향에서 분절편의 높이 변화량(△h)에 따라 달라질 수 있다. 높이 가변 구간(②)의 반경 방향 길이가 고정되어 있을 때, 분절편의 높이 변화량(△h)이 감소하면 그에 따라 높이 인덱스 N은 증가하고, 그 반대의 경우(vice versa)도 가능하다. 바람직하게, 높이 인덱스 N은 2 내지 20, 선택적으로는, 2 내지 30까지 추가로 확장 가능하다.
전극 조립체의 상부와 하부에 형성되는 절곡 표면영역(F)에 있어서, 적층수 균일구간은 집전체의 용접 타겟 영역으로 이용될 수 있다.
바람직하게, 집전체의 용접 영역은 전극 조립체의 반경 방향에서 적층수 균일구간과 적어도 50% 이상 중첩되는 것이 바람직하고, 중첩 비율이 높을수록 더욱 바람직하다.
바람직하게, 집전체의 용접 영역 중에서 적층수 균일구간과 중첩되지 않는 나머지 영역은 반경 방향에서 적층수 균일구간과 인접하는 적층수 감소구간과 중첩될 수 있다.
보다 바람직하게, 집전체의 용접 영역 중에서 적층수 균일구간과 중첩되지 않는 나머지 영역은 적층수 감소구간 중에서 분절편의 중첩수가 10 이상인 영역과 중첩될 수 있다.
분절편의 적층수가 10 이상인 영역에 집전체를 용접하면, 용접 강도의 측면, 그리고 용접 시 분리막이나 활물질층의 손상을 방지할 수 있다는 측면에서 바람직하다. 특히, 투과 특성이 높은 고출력 레이저를 이용하여 집전체를 용접할 때 유용성이 있다.
분절편이 10장 이상 적층된 적층수 균일구간과 집전체를 레이저로 용접하면 용접 품질의 향상을 위해 레이저의 출력을 증대시키더라도 적층수 균일구간이 레이저의 에너지를 대부분 흡수하여 용접 비즈를 형성하게 되므로 레이저에 의해 절곡 표면영역(F) 아래의 분리막과 활물질층이 손상되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 레이저가 조사되는 영역은 분절편의 적층수가 10 이상이므로 용접 비즈가 충분한 볼륨과 두께로 형성된다. 따라서, 용접 강도가 충분히 확보될 수 있고 용접 계면의 저항도 급속 충전에 적합한 수준으로 낮출 수 있다.
집전체의 용접 시 레이저의 출력은 절곡 표면영역(F)과 집전체 사이의 소망하는 용접 강도에 의해 결정될 수 있다. 용접 강도는 분절편의 적층수에 비례하여 증가한다. 적층수가 증가할수록 레이저에 의해 형성되는 용접 비즈의 볼륨이 커지기 때문이다. 용접 비즈는 집전체의 소재와 분절편의 소재가 함께 용융되면서 형성된다. 따라서 용접 비즈의 볼륨이 크면 집전체와 절곡 표면영역의 결합이 보다 강하게 이루어지고 용접 계면의 접촉 저항이 낮아지는 것이다.
바람직하게, 용접 강도는 2kgf/cm2 이상, 더욱 바람직하게는 4kgf/cm2이상일 수 있다. 최대 용접 강도는 레이저 용접 장비의 출력에 의존하여 달라질 수 있다. 일 예에서, 용접 강도는 바람직하게 8kgf/cm2 이하, 더욱 바람직하게 6kgf/cm2 이하로 설정될 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
용접 강도가 상기 수치범위를 충족할 경우, 권취 축 방향 및/또는 반경 방향을 따라 전극 조립체에 심한 진동이 인가되더라도 용접 계면의 물성이 저하되지 않으며, 용접 비즈의 볼륨이 충분하여 용접 계면의 저항도 감소시킬 수 있다.
용접 강도 조건을 충족시키기 위한 레이저의 출력은 레이저 장비에 따라 차이는 있는데, 250W 내지 320W의 범위 또는 해당 장비가 제공하는 레이저 최대 출력 사양의 40% 내지 100% 범위에서 적절하게 조절될 수 있다.
용접 강도는 집전체가 절곡 표면영역(F)으로부터 분리되기 시작할 때 집전체의 단위 면적당 인장력(kgf/cm2)으로서 정의될 수 있다. 구체적으로, 집전체의 용접을 완료한 후 집전체에 인장력을 가하되 그 크기를 점차 증가시킬 수 있다. 인장력이 임계치를 초과하면 용접 계면으로부터 분절편이 분리되기 시작한다. 이 때, 집전체에 가해진 인장력을 집전체의 면적으로 나눈 값이 용접 강도에 해당한다.
절곡 표면영역(F)은 분절편이 복수의 레이어로 적층되어 있으며, 전술한 실시예들에 따르면, 분절편의 적층수는 최소 10 장에서 최대 35장까지 증가할 수 있다.
무지부(43)을 구성하는 양극 집전체(포일)의 두께는 10um 내지 25um이고 무지부(43)을 구성하는 음극 집전체(포일)의 두께는 5um 내지 20um일 수 있다. 따라서, 양극의 절곡 표면영역(F)은 분절편의 총 적층두께가 100um 내지 875um인 영역을 포함할 수 있다. 또한, 음극의 절곡 표면영역(F)은 분절편의 총 적층 두께가 50um 내지 700um인 영역을 포함할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 분절편(61, 61')의 절곡 표면영역(F)에 적층수 균일구간(b1)과 적층수 감소구간(b2)을 나타낸 전극 조립체의 상부 평면도이다.
도 12를 참조하면, 굵은 실선으로 나타낸 2개의 원 사이의 영역은 분절편의 절곡 표면영역(F)에 해당하고, 일점 쇄선으로 나타낸 2개의 원 사이의 영역은 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(b1)에 해당하고, 적층수 균일구간(b1)의 외측 영역은 적층수 감소구간(b2)에 해당한다.
일 예에서, 집전체(Pc)가 절곡 표면영역(F)에 용접되면, 집전체(Pc)의 표면에 용접 패턴(Wp)이 생긴다. 용접 패턴(Wp)은 라인 패턴 또는 점 패턴의 배열일 수 있다. 용접 패턴(Wp)은 용접 영역에 해당하고, 반경 방향을 따라 분절편의 적층수 균일구간(b1)과 50% 이상 중첩될 수 있다. 따라서, 용접 패턴(Wp)의 일부는 적층수 균일구간(b1)에 포함되고, 용접 패턴(Wp)의 나머지는 적층수 균일구간(b1) 바깥쪽의 적층수 감소구간(b1)에 포함될 수 있다. 물론, 용접 강도를 최대화하고 용접 영역의 저항을 낮추기 위해 용접 패턴(Wp) 전체가 적층수 균일구간(b1)과 중첩될 수 있다.
절곡 표면영역(F)의 면적은 분절편의 적층수 균일구간(b1)의 면적과 적층수 감소구간(b2)의 면적을 합산한 면적으로 정의될 수 있다. 적층수 균일구간(b1)의 비율(e/f)은 30% 내지 85%, 바람직하게는 31% 내지 82%이므로, 절곡 표면영역(F)의 면적 대비 적층수 균일구간(b1)의 면적 비율은 9%(302/1002) 내지 72%(852/1002) 바람직하게는 10%(312/1002) 내지 67%(822/1002)일 수 있다.
바람직하게, 집전체(Pc)가 절곡 표면영역(F)과 접촉하는 부분의 가장자리는 높이 균일 구간(③)의 마지막 권회턴에서 코어(C) 측으로 절곡된 분절편(61,61')의 단부를 덮을 수 있다. 이 경우, 분절편(61,61')들이 집전체(Pc)에 의해 눌린 상태에서 용접 패턴(Wp)이 형성됨으로써, 집전체(Pc)와 절곡 표면영역(F)이 강하게 결합된다. 그 결과, 권회 축 방향으로 적층된 분절편들(61,61')이 서로 서로 긴밀하게 밀착됨으로써 용접 계면에서의 저항도 낮아지고 분절편(61,61')의 들뜸 현상을 방지할 수 있다.
한편, 분절편의 절곡 방향은 상술한 바와 반대가 될 수 있다. 즉, 분절편은 코어측로부터 외주측으로 절곡될 수 있다. 이 경우, 분절편의 높이가 권취 방향(X축) 방향을 따라 변화되는 패턴은 상술한 실시예들(변형예들)과 반대가 될 수 있다. 예를 들어, 분절편의 높이는 코어로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 낮아질 수 있다. 또한, 제1부분(B1)에 적용되는 구조와 제2부분(B3)에 적용되는 구조가 서로 스위치될 수 있다. 바람직하게, 분절편의 높이를 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 감소시키되, 전극 조립체의 외주와 가장 가까운 분절편이 외주측으로 절곡되었을 때 분절편의 단부가 전극 조립체의 외주 밖으로 돌출되지 않도록 분절편의 높이 변화 패턴이 설계될 수 있다.
상술한 실시예들(변형예들)의 전극 구조는 젤리롤 타입 또는 기술분야에 알려진 다른 타입의 전극 조립체에 포함된 극성이 다른 제1전극 및 제2전극 중 적어도 하나에 적용될 수 있다. 또한, 제1전극 및 제2전극 중 어느 하나에 실시예들(변형예들)의 전극 구조가 적용될 경우, 다른 하나에는 종래의 전극 구조가 적용될 수 있다. 또한, 제1전극 및 제2전극에 적용된 전극 구조는 서로 동일하지 않고 다를 수 있다.
일 예로, 제1전극과 제2음극이 각각 양극 및 음극일 때, 제1전극에는 실시예들(변형예들) 중 어느 하나가 적용되고 제2전극에는 종래의 전극 구조(도1 참조)가 적용될 수 있다.
다른 예로, 제1전극과 제2음극이 각각 양극 및 음극일 때, 제1전극에는 실시예들(변형예들) 중 어느 하나가 선택적으로 적용되고 제2전극에는 실시예들(변형예들) 중 어느 하나가 선택적으로 적용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 양극에 코팅되는 양극 활물질과 음극에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
일 예에서, 양극 활물질은 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤2, -0.1 ≤ z ≤ 2; 화학량론 계수 x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2-(1-x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0≤x≤1)일 수 있다.
또 다른 예에서, 양극 활물질은, 일반 화학식 LiaM1 xFe1-xM2 yP1-yM3 zO4-z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, 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; 화학량론 계수 a, x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, 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), Pb1­xLaxZr1­yTiyO3(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.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체의 구조에 관해 상세히 설명한다.
도 13은 실시예의 전극(60)을 제1전극(양극) 및 제2전극(음극)에 적용한 젤리롤 타입의 전극 조립체(100)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 13을 참조하면, 제1전극의 무지부(43a)는, 전극 조립체(100)의 코어에 인접한 제1부분(B1), 전극 조립체(100)의 외주 표면에 인접한 제2부분(B3), 및 제1부분(B1) 및 제2부분(B3) 사이에 개재된 제3부분(B2)를 포함한다.
제1부분(B1)의 무지부 높이는 분절편(61)들의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 제1부분(B1)의 높이는 분절편들 사이의 절단홈 하단의 무지부 높이보다 낮다. 또한, 제3부분(B2)에 있어서 최내측에 위치한 분절편(61)의 절곡 길이는 제1부분(B1)의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 절곡 길이(H)는 최내측 분절편(61)이 절곡되는 지점부터 분절편(61) 상단까지의 거리에 해당한다. 변형예에서, 절곡 길이 H는 제1부분(B1)에 의해 형성되는 권회턴의 반경 방향 길이(R)와 코어(102) 반경의 10%를 합산한 값보다 작을 수 있다.
따라서, 분절편(61)들이 절곡되더라도 전극 조립체(100)의 코어(102)는 직경의 90% 이상이 외부로 개방된다. 코어(102)는 전극 조립체(100)의 중심에 있는 공동(cavity)이다. 코어(102)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(102)를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전판과 전지 하우징(또는 리벳 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
제2부분(B3)의 무지부 높이는 분절편(61)의 높이보다 상대적으로 작다. 따라서, 전지 하우징의 비딩부가 제2부분(B3)의 권회턴 근처에서 가압되는 과정에서 비딩부와 전극 조립체(100)의 상단 가장자리가 서로 접촉하면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다. 선택적으로, 제2부분(B3)의 높이는 분절편들 사이의 절단홈 하단의 무지부 높이보다 낮을 수 있다.
일 변형예에서, 제2부분(B3)은 분절편(61)을 포함할 수 있고, 제2부분(B3)의 분절편(61) 높이는 도 13에 도시된 것과 달리 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다. 또한, 도 13에는, 분절편(61) 높이가 외주측 일부분이 동일하다. 하지만 분절편(61) 높이는 제1부분(B1)와 제3부분(B2)의 경계부터 제3부분(B2)와 제2부분(B3)의 경계까지 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다. 분절편(61)의 높이가 변하는 구간은 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)에 해당한다.
제2무지부(43b)는 제1무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 제2무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
분절편(61)들의 단부(101)는 전극 조립체(100)의 반경 방향, 예컨대 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 제1부분(B1)과 제2부분(B3)의 무지부는 실질적으로 절곡되지 않는다. 또한, 제1부분(B1)의 높이는 분절편들 사이의 절단홈 하부의 무지부 높이보다 낮다. 따라서, 분절편들(61)이 절곡될 때 제1부분(B1)의 무지부가 변형되는 것을 방지할 수 있다.
제3부분(B2)는 반경 방향으로 배열된 복수의 분절편(61)을 포함하고 있으므로 절곡 응력이 완화되어 절곡 지점 근처의 무지부(43a, 43b)가 찢어지거나 비정상적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분절편(61)의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 상술한 실시예의 수치범위에 따라 조절될 경우, 분절편(61)들이 코어측으로 절곡되면서 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡 표면영역(F)에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(110)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 14를 참조하면, 전극 조립체(110)는 도 13의 전극 조립체(100)와 비교하여 제2부분(B3)에도 분절편(61)들이 포함되고 제2부분(B3)의 분절편(61) 높이가 제3부분(B2)의 최외측에 있는 분절편(61) 높이와 실질적으로 동일하다는 점을 제외하면 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
전극 조립체(110)에 있어서, 제1부분(B1)의 무지부 높이는 제3부분(B2)에 포함된 분절편(61)들의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 제3부분(B2)에 있어서 최내측에 위치한 분절편(61)의 절곡 길이(H)는 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 바람직하게, 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들은 분절편이 없는 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)일 수 있다. 변형예에서, 절곡 길이 H는 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 길이(R)와 코어(112) 반경의 10%를 합산한 값보다 작을 수 있다.
따라서, 제3부분(B2)에 포함된 분절편(61)들이 절곡되더라도 전극 조립체(110)의 코어(112)는 직경의 90% 이상이 외부로 개방된다. 코어(112)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(112)를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전판과 전지 하우징(또는 리벳 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
일 변형예에서, 제3부분(B2)에 포함된 분절편(61)의 높이가 코어측으로부터 외주측을 향해 점진적으로 또는 단계적으로 증가하는 구조는, 제2부분(B3)에 의해 형성되는 권회턴들까지 확장될 수 있다. 이 경우, 분절편(61)들의 높이는 제1부분(B1)와 제3부분(B2)의 경계부터 전극 조립체(110)의 최외측 표면까지 점진적으로 또는 단계적으로 증가할 수 있다.
제2무지부(43b)는 제1무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 제2무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
제3부분(B2)에 포함된 분절편(61)들의 단부(111)는 전극 조립체(110)의 반경 방향, 예를 들어 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 제1부분(B1)의 무지부는 실질적으로 절곡되지 않는다.
제3부분(B2)은 반경 방향으로 배열된 복수의 분절편(61)을 포함하고 있으므로 절곡 응력이 완화되어 절곡 지점 근처의 무지부(43a, 43b)가 찢어지거나 비정상적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분절편(61)의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 상술한 실시예의 수치범위에 따라 조절될 경우, 분절편(61)들이 코어측으로 절곡되면서 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡 표면영역에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(120)를 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 15를 참조하면, 전극 조립체(120)는 도 13의 전극 조립체(100)와 비교하여 제3부분(B2)에 포함된 분절편(61)들의 높이가 점진적 또는 단계적으로 증가하였다가 감소하는 패턴을 가지는 점만 다르고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다. 분절편(61)들의 높이가 변화하는 반경 구간은 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②)으로 간주될 수 있다. 이 경우에도, 분절편(61)의 높이 가변 구간은 분절편(61)들이 절곡되면서 형성되는 절곡 표면영역(F)에 분절편(61)의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간이 앞서 설명된 바람직한 수치범위로 나타나도록 설계될 수 있다.
전극 조립체(120)에 있어서, 제1부분(B1)의 무지부 높이는 분절편(61)들의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 코어(122)와 가장 인접한 분절편(61)의 절곡 길이(H)는 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들에 대응되는 구간은 분절편이 없는 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)에 해당한다. 변형예에서, 절곡 길이 H는 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 길이(R)와 코어(102) 반경의 10%를 합산한 값보다 작을 수 있다.
따라서, 제3부분(B2)에 포함된 분절편(61)들이 코어측을 향해 절곡되더라도 전극 조립체(120)의 코어(122)는 직경의 90% 이상의 외부로 개방된다. 코어(122)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(122)를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전판과 전지 하우징(또는 리벳 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
또한, 제2부분(B3)의 무지부 높이는 분절편(61)들의 높이보다 상대적으로 작으며, 바람직하게는 제2부분(B3)에는 분절편(61)이 형성되지 않을 수 있다. 따라서, 전지 하우징의 비딩부가 제2부분(B3)에 의해 형성된 권회턴들의 근처에서 가압되는 과정에서 비딩부와 전극 조립체(120)의 단부 가장자리가 서로 접촉되면서 내부 단락이 일어나는 현상을 방지할 수 있다. 일 변형예에서, 제2부분(B3)은 분절편들을 포함할 수 있고, 제2부분(B3)의 분절편 높이는 외주측을 향해 점진적으로 또는 단계적으로 감소할 수 있다.
제2무지부(43b)는 제1무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 변형예에서, 제2무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
제3부분(B2)에 포함된 분절편(61)들의 단부(121)는 전극 조립체(120)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 제1부분(B1)와 제2부분(B3)의 무지부는 실질적으로 절곡되지 않는다.
제3부분(B2)는 반경 방향으로 배열된 복수의 분절편(61)을 포함하고 있으므로 절곡 응력이 완화되어 무지부(43a, 43b)가 찢어지거나 비정상적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분절편(61)의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 상술한 실시예의 수치범위에 따라 조절될 경우, 분절편(61)들이 코어측으로 절곡되면서 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡 표면영역(F)에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(130)를 통과하도록 Y축 방향(권취 축 방향)을 따라 자른 단면도이다.
도 16을 참조하면, 전극 조립체(130)는 도 15의 전극 조립체(120)와 비교하여 제2부분(B3)에 분절편(61)들이 포함되어 있고 분절편(61) 높이가 제2부분(B3)와 제3부분(B2)의 경계 지점부터 전극 조립체(130)의 최외측 표면을 향해 점진적으로 또는 단계적으로 감소하는 패턴을 가지는 점에서 차이가 있고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
전극 조립체(130)에 있어서, 제1부분(B1)의 무지부 높이는 분절편(61)들의 높이보다 상대적으로 작다. 또한, 코어(132)와 가장 인접한 분절편(61)의 절곡 길이(H)는 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 길이(R)와 같거나 작다. 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들은 분절편이 없는 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)에 해당한다. 변형예에서, 절곡 길이 H는 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 길이(R)와 코어(102) 반경의 10%를 합산한 값보다 작을 수 있다.
따라서, 제3부분(B2)에 포함된 분절편(61)들이 코어측을 향해 절곡되더라도 전극 조립체(130)의 코어(132)는 직경의 90% 이상이 외부로 개방된다. 코어(132)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(132)를 통해 용접 지그를 삽입하여 음극(또는 양극)측의 집전판과 전지 하우징(또는 리벳 단자) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
제2무지부(43b)는 제1무지부(43a)와 동일한 구조를 가진다. 일 변형예에서, 제2무지부(43b)는 종래의 전극 구조나 다른 실시예들(변형예들)의 전극 구조를 가질 수 있다.
제3부분(B2)에 포함된 분절편(61)들의 단부(131)는 전극 조립체(130)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡 가공될 수 있다. 이 때 제1부분(B1)의 무지부는 실질적으로 절곡되지 않는다.
제3부분(B2)는 반경 방향으로 배열된 복수의 분절편(61)을 포함하고 있으므로 절곡 응력이 완화되어 절곡 지점 근처의 무지부(43a, 43b)가 찢어지거나 비정상적으로 변형되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분절편(61)의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치가 상술한 실시예의 수치범위에 따라 조절될 경우, 분절편(61)들이 코어측으로 절곡되면서 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡 표면영역(F)에 빈 구멍(빈틈)을 형성하지 않는다.
한편, 상술한 실시예들(변형예들)에 있어서, 제3부분(B2)에 포함된 분절편(61)들의 단부는 코어측으로부터 외주측으로 절곡될 수 있다. 이 경우, 제2부분(B3)에 의해 형성된 권회턴들은 분절편이 없는 분절편 생략 구간(도 10a의 ①)으로 설계되고, 외주측을 향해 절곡되지 않는 것이 바람직하다. 또한, 제2부분(B3)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 폭은 최외측의 분절편이 절곡되는 길이보다 같거나 클 수 있다. 그래야만, 최외측 분절편이 외주측으로 절곡될 때 절곡 부위의 단부가 전극 조립체의 외주면을 초과하여 전지 하우징의 내면을 향해 돌출되지 않는다. 또한, 제3부분(B2)에 포함된 분절편들의 구조 변화 패턴은 상술한 실시예들(변형예들)과 반대가 될 수 있다. 예를 들어, 분절편의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적 또는 점진적으로 감소할 수 있다. 즉, 전극 조립체의 외주측으로부터 코어측으로 분절편 생략 구간(도 10a의 ①), 분절편의 높이 가변 구간(도 10a의 ②) 및 분절편의 높이 균일 구간(도 10a의 ③)을 순서대로 배치시킴으로써, 절곡 표면영역(F)에서 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간이 바람직한 수치범위로 나타나도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다양한 전극 조립체 구조는 젤리롤 타입의 원통형 배터리에 적용될 수 있다.
바람직하게, 원통형 배터리는, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 배터리일 수 있다. 여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다.
원통형 배터리의 직경은 35mm 이상, 바람직하게는 40mm 내지 50mm일 수 있다. 원통형 배터리의 높이는 70mm 이상, 바람직하게는 75mm 내지 90mm일 수 있다. 일 실시예에 따른 원통형 배터리는, 예를 들어 46110 배터리, 4875 배터리, 48110 배터리, 4880 배터리, 4680 배터리 일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 배터리의 직경을 나타내고, 나머지 숫자는 배터리의 높이를 나타낸다.
폼 팩터의 비가 0.4를 초과하는 원통형 배터리에 탭-리스 구조를 가진 전극 조립체를 적용할 경우, 무지부를 절곡할 때 반경 방향으로 가해지는 응력이 커서 무지부가 찢어지기 쉽다. 또한, 무지부의 절곡 표면영역에 집전판을 용접할 때 용접 강도를 충분히 확보하고 저항을 낮추기 위해서는 절곡 표면영역에서 무지부의 적층수를 충분히 증가시켜야 한다. 이러한 요구 조건은 본 발명의 실시예들(변형예들)에 따른 전극과 전극 조립체에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.436인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 대략 원기둥 형태의 배터리로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 배터리일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 1865 배터리, 2170 배터리 등이 이용되었다. 1865 배터리의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 0.277이다. 2170 배터리의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 0.300이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(190)을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(190)은 제1전극, 분리막 및 제2전극을 포함하는 전극 조립체(110), 전극 조립체(110)를 수납하는 전지 하우징(142) 및 전지 하우징(142)의 개방단을 밀봉하는 밀봉체(143)를 포함한다.
전지 하우징(142)은, 상방에 개구부가 형성된 원통형의 용기이다. 전지 하우징(142)은 알루미늄, 스틸, 스테인레스 스틸과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 전지 하우징(142)은 표면에는 니켈 코팅층이 형성될 수 있다. 전지 하우징(142)은 상단 개구부를 통해 내측 공간에 전극 조립체(110)를 수용하며 전해질도 함께 수용한다.
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.
전극 조립체(110)는, 젤리롤 형상을 가질 수 있다. 전극 조립체(110)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 분리막, 제1전극, 상부 분리막 및 제2전극을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 중심(C)을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다.
제1전극과 제2전극은 극성이 다르다. 즉 하나가 양의 극성을 띠면 다른 하나는 음의 극성을 띤다. 제1전극과 제2전극 중 적어도 하나는 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 전극 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1전극과 제2전극 중 다른 하나는 종래의 전극 구조 또는 실시예들(변형예들)에 따른 전극 구조를 가질 수 있다. 전극 조립체(110)에 포함되는 전극 쌍(pair)은 하나로 한정되지 않고 둘 이상일 수 있다.
제3부분(B2)에 포함된 분절편들은 전극 조립체(110)의 반경 방향, 예컨대 외주측으로부터 코어측으로 절곡되면서 절곡 표면영역(F)을 형성한다.
제1부분(B1)은 다른 부분보다 높이가 낮고 분절편이 없는 분절편 생략 구간(a1)에 대응하므로 코어측을 향해 절곡되지 않는다. 제1부분(B1)의 무지부 높이는 분절편들 사이의 절단홈 하부의 무지부보다 낮을 수 있다.
바람직하게, 절곡 표면영역(F)은 코어측으로부터 외주측으로 분절편 생략 구간(a1), 분절편의 높이 가변 구간(a2) 및 분절편의 높이 균일 구간(a3)을 포함할 수 있다.
절곡 표면영역(F)은, 도 11a, 도 11b 및 도 11c에 도시된 바와 같이, 분절편 생략 구간(a1)과 인접하여 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(b1)을 포함한다.
절곡 표면영역(F)은 또한 전극 조립체(110)의 외주에 인접하여 분절편의 적층수가 외주측으로 갈수록 감소하는 적층수 감소구간(b2)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 적층수 균일구간(b1)은 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
절곡 표면영역(F)에 있어서, 분절편이 존재하는 반경 방향 길이(c)를 기준으로 분절편의 높이 가변 구간(a2)에 대한 비율(a2/c)과 분절편의 적층수 균일구간(b1)에 대한 비율(b1/c), 그리고 절곡 표면영역(F)의 면적 대비 적층수 균일구간(b1) 면적 비율의 바람직한 수치범위는 이미 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략한다.
제1집전판(144)는 제1무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)에 레이저 용접되고, 제2집전판(145)는 제2무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)에 레이저 용접될 수 있다. 용접 방법은 초음파 용접, 저항 용접, 스폿 용접 등으로 대체 가능하다.
바람직하게, 제1집전판(144)와 제2집전판(145)의 용접 영역(W) 중에서 50% 이상의 영역은 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 중첩될수 있다. 선택적으로(optionally), 용접 영역(W)의 나머지 영역은 절곡 표면영역(F)의 적층수 감소구간(b2)과 중첩될 수 있다. 높은 용접 강도, 용접 계면의 낮은 저항, 분리막이나 활물질층의 손상 방지 등의 측면에서, 용접 영역(W)의 전체가 적층수 균일구간(b1)과 중첩되는 것이 보다 바람직하다.
바람직하게, 용접 영역(W)과 중첩되는 적층수 균일구간(b1) 및, 선택적으로(optionally) 적층수 감소구간(b2)에서, 분절편의 적층수는 10 내지 35일 수 있다.
선택적으로, 용접 영역(W)과 중첩되는 적층수 감소구간(b2)의 분절편 적층수가 10 미만인 경우, 적층수 감소구간(b2)의 레이저 출력을 적층수 균일구간(b1)의 레이저 출력보다 낮출 수 있다. 즉, 용접 영역(W)이 적층수 균일구간(b1) 및 적층수 감소구간(b2)과 동시에 중첩될 경우, 레이저의 출력을 분절편의 적층수에 따라 가변시킬 수 있다. 이 경우, 적층수 균일구간(b1)의 용접 강도가 적층수 감소구간(b2)의 용접 강도보다 더 클 수 있다.
전극 조립체(110)의 상부와 하부에 형성되는 절곡 표면영역(F)에 있어서 분절편 생략 구간(a1) 및/또는 분절편의 높이 가변 구간(a2) 및/또는 분절편의 높이 균일 구간(a3)의 반경 방향 길이는 서로 동일하거나 다를 수 있다.
또한, 전극 조립체(110)의 상부와 하부에 형성되는 절곡 표면영역(F)은 면대칭 구조를 형성할 수 있다. 따라서, 상부의 절곡 표면영역(F)을 하부의 절곡 표면영역(F)을 향해 투영했을 때 실질적으로 서로 중첩될 수 있다.
전극 조립체(110)는 제1부분(B1)의 무지부 높이가 다른 부분보다 상대적으로 작다. 또한, 도 14에 도시된 바와 같이, 코어와 가장 인접한 분절편의 절곡 길이(H)는 제1부분(B1)에 의해 형성된 권회턴들의 반경 방향 길이(R)와 코어(112) 반경의 10%를 합산한 값보다 작다.
따라서, 제3부분(B2)에 포함된 분절편들을 코어측을 향해 절곡시키더라도 전극 조립체(110)의 코어(112)는 직경의 90% 이상이 외부로 개방될 수 있다. 코어(112)가 폐색되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해질 주액 효율이 향상된다. 또한, 코어(112)를 통해 용접 지그를 삽입하여 제2집전판(145)와 전지 하우징(142) 사이의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
분절편들의 폭 및/또는 높이 및/또는 이격 피치를 상술한 실시예의 수치범위를 만족하도록 조절하면, 분절편들이 절곡될 때 분절편들이 용접 강도를 충분히 확보할 수 있을 정도로 여러 겹으로 중첩되며 절곡 표면영역(F)에 빈 공간(빈틈)을 형성하지 않는다.
바람직하게, 제1집전판(144)와 제2집전판(145)는 제1전극 및 제2전극의 마지막 권회턴에서 절곡된 분절편(도 12의 61 참조)의 단부를 덮는 외경을 가질 수 있다. 이 경우, 절곡 표면영역(F)을 형성하는 분절편들이 집전판에 의해 균일하게 눌려진 상태에서 용접이 가능하고 용접 이후에도 분절편의 긴밀한 적층 상태가 잘 유지될 수 있다. 긴밀한 적층상태는 도 10a에 도시된 것처럼 분절편들 사이에 틈이 실질적으로 없는 상태를 의미한다. 긴밀한 적층상태는 원통형 배터리(190)의 저항을 급속 충전에 적합한 수준(예컨대 4밀리오옴) 이하로 낮추는데 기여한다.
밀봉체(143)는 캡 플레이트(143a), 캡 플레이트(143a)와 전지 하우징(142) 사이에 기밀성을 제공하며 절연성을 가진 제1가스켓(143b) 및 상기 캡 플레이트(143a)와 전기적으로 및 기계적으로 결합된 연결 플레이트(143c)를 포함할 수 있다.
캡 플레이트(143a)는 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지는 부품이며, 전지 하우징(142)의 상단 개구부를 커버한다. 캡 플레이트(143a)는, 제1전극의 절곡 표면영역(F)과 전기적으로 연결되며, 전지 하우징(142)과는 제1가스켓(143b)을 통해 전기적으로 절연된다. 따라서 캡 플레이트(143a)는, 원통형 배터리(190)의 제1전극 단자(예컨대, 양극)로서 기능할 수 있다.
캡 플레이트(143a)는 전지 하우징(142)에 형성된 비딩부(147) 상에 안착되며, 크림핑부(148)에 의해 고정된다. 캡 플레이트(143a)와 크림핑부(148) 사이에는, 전지 하우징(142)의 기밀성을 확보하고 전지 하우징(142)과 캡 플레이트(143a) 사이의 전기적 절연을 위해 제1가스켓(143b)이 개재될 수 있다. 캡 플레이트(143a)는 그 중심부로부터 상방으로 돌출 형성된 돌출부(143d)를 구비할 수 있다.
전지 하우징(142)은 제2전극의 절곡 표면영역(F)과 전기적으로 연결된다. 따라서 전지 하우징(142)은 제2전극과 동일한 극성을 갖는다. 만약, 제2전극이 음의 극성을 가지면, 전지 하우징(142) 또한 음의 극성을 가진다.
전지 하우징(142)은 상단에 비딩부(147) 및 크림핑부(148)를 구비한다. 비딩부(147)는 전지 하우징(142)의 외주면 둘레를 압입하여 형성한다. 비딩부(147)는 전지 하우징(142)의 내부에 수용된 전극 조립체(110)가 전지 하우징(142)의 상단 개구부를 통해 빠져나오지 못하도록 하며, 밀봉체(143)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다.
제1전극의 제2부분(B3)은 분절편을 포함하지 않고 제1부분(B1)과 동일한 구조로 노칭되어 있을 수 있다. 바람직하게, 비딩부(147)의 내주면은, 제1전극의 제2부분(B3)에 의해 형성된 권회턴들과 소정 간격 이격될 수 있다. 제2부분(B3)이 제1부분(B1)처럼 노칭되어 있기 때문이다. 보다 구체적으로, 비딩부(147)의 내주면 하단이, 제1전극의 제2부분(B3)에 의해 형성된 권회턴들과 소정 간격 이격되어 있다. 또한, 제2부분(B3)의 무지부는 높이가 낮기 때문에 비딩부(147)를 형성하기 위해 전지 하우징(142)을 외부에서 압입할 때에도 제2부분(B3)의 권회턴들은 실질적으로 영향을 받지 않는다. 따라서, 제2부분(B3)의 권회턴들이 비딩부(147) 등의 다른 구성요소에 의해 압박되지 않으며, 이로써 전극 조립체(110)의 부분적 형태 변형이 발생되는 것이 방지되어, 원통형 배터리(190) 내부의 단락을 방지할 수 있다.
바람직하게, 비딩부(147)의 압입 깊이를 D1으로 정의하고, 전지 하우징(142)의 내주면으로부터 제2부분(B3)와 제3부분(B2)의 경계 지점까지의 반경 방향 길이를 D2라고 정의할 때, 관계식 D1 ≤ D2가 만족될 수 있다. 이 경우, 비딩부(147)를 형성하기 위해 전지 하우징(142)을 압입할 때 제2부분(B3)에 의해 형성된 권회턴들의 손상이 실질적으로 방지된다.
크림핑부(148)는 비딩부(147)의 상부에 형성된다. 크림핑부(148)는, 비딩부(147) 상에 배치되는 캡 플레이트(143a)의 외주면, 그리고 캡 플레이트(143a)의 상면 일부를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다.
원통형 배터리(190)은 제1집전판(144) 및/또는 제2집전판(145) 및/또는 인슐레이터(146)를 더 포함할 수 있다.
제1집전판(144)는 전극 조립체(110)의 상부에 결합된다. 제1집전판(144)는 알루미늄, 구리, 스틸, 니켈 등과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제1전극의 절곡 표면영역(F)과 전기적으로 연결된다. 전기적 연결은 용접을 통해 이루어질 수 있다. 제1집전판(144)에는 리드(149)가 연결될 수 있다. 리드(149)는 전극 조립체(110)의 상방으로 연장되어 연결 플레이트(143c)에 결합되거나 캡 플레이트(143a)의 하면에 직접 결합될 수 있다. 리드(149)와 다른 부품의 결합은 용접을 통해 이루어질 수 있다.
바람직하게, 제1집전판(144)는 리드(149)와 일체로 형성될 수 있다. 이 경우, 리드(149)는 제1집전판(144)의 중심부 근처로부터 외측으로 연장된 길다란 플레이트 형상을 가질 수 있다.
제1집전판(144)과 제1전극의 절곡 표면영역(F)간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 레이저 용접은, 집전판 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수 있다. 변형예에서, 제1집전판(144)와 절곡 표면영역(F) 사이의 용접은 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수 있다. 이 경우, 솔더는 제1집전판(144)와 제1무지부(146a)와 비교하여 더 낮은 융점을 가질 수 있다. 레이저 용접은 저항 용접, 초음파 용접, 스폿 용접 등으로 대체 가능하다.
전극 조립체(110)의 하면에는 제2집전판(145)가 결합될 수 있다. 제2집전판(145)의 일 면은 제2전극의 절곡 표면영역(F)와 용접에 의해 결합되며, 반대쪽 면은 전지 하우징(142)의 내측 바닥 면 상에 용접에 의해 결합될 수 있다. 제2집전판(145)와 제2전극의 절곡 표면영역(F) 사이의 결합 구조는 제1집전판(144)와 제1전극의 절곡 표면영역(F) 사이의 결합 구조와 실질적으로 동일할 수 있다.
인슐레이터(146)는 제1집전판(144)를 커버할 수 있다. 인슐레이터(146)는 제1집전판(144)의 상면에서 제1집전판(144)를 커버함으로써, 제1집전판(144)와 전지 하우징(142)의 내주면 사이의 직접 접촉을 방지할 수 있다.
인슐레이터(146)는, 제1집전판(144)로부터 상방으로 연장되는 리드(149)가 인출될 수 있도록, 리드 홀(151)을 구비한다. 리드(149)는 리드 홀(151)을 통해 상방으로 인출되어 연결 플레이트(143c)의 하면 또는 캡 플레이트(143a)의 하면에 결합된다.
인슐레이터(146)의 가장자리 둘레 영역은, 제1집전판(144)와 비딩부(147) 사이에 개재되어, 전극 조립체(110) 및 제1집전판(144)의 결합체를 고정시킬 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(110) 및 제1집전판(144)의 결합체는, 배터리(140)의 높이 방향의 이동이 제한되어 배터리(140)의 조립 안정성이 향상될 수 있다.
인슐레이터(146)는 절연성이 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 인슐레이터(146)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트로 이루어질 수 있다.
전지 하우징(142)은 그 하면에 형성된 벤팅부(152)를 더 구비할 수 있다. 벤팅부(152)는 전지 하우징(142)의 하면 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 벤팅부(152)는, 주변 영역과 비교하여 구조적으로 취약하다. 따라서, 원통형 배터리(190)에 이상이 발생하여 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하면, 벤팅부(152)가 파열되어 전지 하우징(142)의 내부에 생성된 가스가 외부로 배출될 수 있다. 벤트부(152)가 파열되는 내부 압력은 대략 15kgf/cm2 내지 35kgf/cm2일 수 있다.
벤팅부(152)가 전지 하우징(142)의 하면에 원을 그리며 연속적으로 또는 불연속적으로 형성될 수 있다. 변형 예에서, 벤팅부(152)는 직선 패턴 또는 그 밖의 다른 패턴으로 형성될 수 있다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(200)을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 18을 참조하면, 원통형 배터리(200)은 도 17에 도시된 원통형 배터리(190)과 비교하여 전극 조립체의 구조는 실질적으로 동일하고, 전극 조립체를 제외한 나머지 구조가 변경된 점에서 차이가 있다.
구체적으로, 원통형 배터리(200)은 리벳 단자(172)가 관통 설치된 전지 하우징(171)을 포함한다. 리벳 단자(172)는 전지 하우징(171)의 폐쇄면(도면의 상부면)에 형성된 관통 홀을 통해 설치된다. 리벳 단자(172)는 절연성 물질로 이루어진 제2가스켓(173)이 개재된 상태에서 전지 하우징(171)의 관통 홀에 리벳팅된다. 리벳 단자(172)는 중력 방향과 반대 방향을 향해 외부로 노출된다.
리벳 단자(172)는, 단자 노출부(172a) 및 단자 삽입부(172b)를 포함한다. 단자 노출부(172a)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄면의 외측으로 노출된다. 단자 노출부(172a)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄면의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 단자 노출부(172a)의 최대 지름은 전지 하우징(171)에 형성된 관통 홀의 최대 지름보다 더 크게 형성될 수 있다. 단자 삽입부(172b)는, 전지 하우징(171)의 폐쇄면의 대략 중심부를 관통하여 제1전극의 무지부(146a)와 전기적으로 연결될 수 있다. 단자 삽입부(172b)의 하부 가장자리는, 전지 하우징(171)의 내측 면 상에 리벳(rivet) 결합될 수 있다. 즉, 단자 삽입부(172b)의 하부 가장자리는, 전지 하우징(171)의 내측 면을 향해 휘어진 형태를 가질 수 있다. 단자 삽입부(172b)의 하부 가장자리 내측에는 평탄부(172c)가 포함된다. 리벳팅된 단자 삽입부(172b) 하부의 최대 지름은 전지 하우징(171)의 관통 홀의 최대 지름보다 더 클 수 있다.
단자 삽입부(172b)의 평탄부(172c)는 제1전극의 절곡 표면영역(F)에 연결된 제1집전판(144)의 중앙부에 용접될 수 있다. 용접 방법으로는 레이저 용접이 바람직하나, 초음파 용접 등의 다른 용접 방식으로 대체 가능하다.
제1집전판(144)와 전지 하우징(171)의 내측면 사이에는 절연물질로 이루어진 인슐레이터(174)가 개재될 수 있다. 인슐레이터(174)는 제1집전판(144)의 상부와 전극 조립체(110)의 상단 가장자리 부분을 커버한다. 이로써, 전극 조립체(110)의 제2부분(B3)가 다른 극성을 가진 전지 하우징(171)의 내측면과 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있다.
인슐레이터(174)의 두께는 제1집전판(144)의 상면과 전지 하우징(171)의 폐쇄부 내측면 사이의 거리에 대응하거나 약간(slightly) 더 크다. 따라서, 인슐레이터(174)는 제1집전판(144)의 상면과 전지 하우징(171) 폐쇄부의 내측면과 접촉할 수 있다.
리벳 단자(172)의 단자 삽입부(172b)는 인슐레이터(174)의 관통홀을 통해 제1집전판(144)에 용접될 수 있다. 인슐레이터(174)에 형성된 관통홀의 직경은 단자 삽입부(172b) 하단의 리벳팅부의 직경보다 클 수 있다. 바람직하게, 관통홀은 단자 삽입부(172b)의 하부와 제2가스켓(173)을 노출시킬 수 있다.
제2가스켓(173)은 전지 하우징(171)과 리벳 단자(172) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 전지 하우징(171)과 리벳 단자(172)가 전기적으로 서로 접촉되는 것을 방지한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 전지 하우징(171)의 상면이 원통형 배터리(200)의 제2전극 단자(예컨대, 음극)로서 기능할 수 있다.
제2가스켓(173)은, 가스켓 노출부(173a) 및 가스켓 삽입부(173b)를 포함한다. 가스켓 노출부(173a)는 리벳 단자(172)의 단자 노출부(172a)와 전지 하우징(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는 리벳 단자(172)의 단자 삽입부(172b)와 전지 하우징(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는, 단자 삽입부(172b)의 리벳팅(reveting) 시에 함께 변형되어 전지 하우징(171)의 내측 면에 밀착될 수 있다. 제2가스켓(173)은, 예를 들어 절연성을 갖는 고분자 수지로 이루어질 수 있다.
제2가스켓(173)의 가스켓 노출부(173a)는, 리벳 단자(172)의 단자 노출부(172a)의 외주면을 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다. 제2가스켓(173)이 리벳 단자(172)의 외주면을 커버하는 경우 버스바 등의 전기적 연결 부품을 전지 하우징(171)의 상면 및/또는 리벳 단자(172)에 결합시키는 과정에서 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 가스켓 노출부(173a)는, 단자 노출부(172a)의 외주면뿐만 아니라 상면의 일부도 함께 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다.
제2가스켓(173)이 고분자 수지로 이루어지는 경우에 있어서, 제2가스켓(173)은 열 융착에 의해 전지 하우징(171) 및 리벳 단자(172)와 결합될 수 있다. 이 경우, 제2가스켓(173)과 리벳 단자(172)의 결합 계면 및 제2가스켓(173)과 전지 하우징(171)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다. 한편, 제2가스켓(173)의 가스켓 노출부(173a)가 단자 노출부(172a)의 상면까지 연장된 형태를 갖는 경우에 있어서, 리벳 단자(172)는 인서트 인젝션 몰딩에 의해 제2가스켓(173)과 일체로 결합될 수 있다.
전지 하우징(171)의 상면 중에서 리벳 단자(172) 및 제2가스켓(173)이 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역(175)이 리벳 단자(172)와 반대 극성을 갖는 제2전극 단자에 해당한다.
제2집전판(176)은, 전극 조립체(141)의 하부에 결합된다. 제2집전판(176)은 알루미늄, 스틸, 구리, 니켈 등의 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제2전극의 절곡 표면영역(F)과 전기적으로 연결된다.
바람직하게, 제2집전판(176)은, 전지 하우징(171)과 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 제2집전판(176)는 가장 자리 부분의 적어도 일부가 전지 하우징(171)의 내측 면과 제1가스켓(178b) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 일 예에서, 제2집전판(176)의 가장 자리 부분의 적어도 일부는 전지 하우징(171) 하단에 형성된 비딩부(180)의 하단면에 지지된 상태에서 용접에 의해 비딩부(180)에 고정될 수 있다. 변형예에서, 제2집전판(176)의 가장 자리 부분의 적어도 일부는 전지 하우징(171)의 내벽 면에 직접적으로 용접될 수 있다.
바람직하게, 제2집전판(176)과 제2전극의 절곡 표면영역(F)은, 예컨대 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다. 또한, 제2집전판(176)과 절곡 표면영역(F)의 용접 부위는 비딩부(180)의 내주면을 기준으로 코어(C) 측으로 소정 간격 이격될 수 있다.
전지 하우징(171)의 하부 개방단을 밀봉하는 밀봉체(178)는 캡 플레이트(178a)와 제1가스켓(178b)을 포함한다. 제1가스켓(178b)은 캡 플레이트(178a)와 전지 하우징(171)을 전기적으로 분리시킨다. 크림핑부(181)는 캡 플레이트(178a)의 가장자리와 제1가스켓(178b)을 함께 고정시킨다. 캡 플레이트(178a)에는 벤트부(179)가 구비된다. 벤트부(179)의 구성은 상술한 실시예(변형예)와 실질적으로 동일하다. 캡 플레이트(178a)의 하부면은 클림핑부(181) 하단보다 상부에 위치할 수 있다. 이 경우, 캡 플레이트(178a)의 하부에 공간이 형성되어 벤팅이 원활하게 이루어진다. 특히, 클림핑부(181)가 중력 방향을 향하도록 원통형 배터리(200)이 설치될 경우 유용하다.
바람직하게, 캡 플레이트(178a)는 도전성이 있는 금속 재질로 이루어진다. 하지만, 캡 플레이트(178a)와 전지 하우징(171) 사이에 제1가스켓(178b)이 개재되어 있으므로 캡 플레이트(178a)는 전기적 극성을 띠지 않는다. 밀봉체(178)는 전지 하우징(171) 하부의 개방단을 밀봉시키고 배터리(200)의 내부 압력이 임계치 이상 증가하였을 때 가스를 배출시키는 기능을 주로 한다. 내부 압력의 임계치는 15kgf/cm2 내지 35kgf/cm2이다.
바람직하게, 제1전극의 절곡 표면영역(F)과 전기적으로 연결된 리벳 단자(172)는 제1전극 단자로 사용된다. 또한, 제2집전판(176)을 통해 제2전극의 절곡 표면영역(F)과 전기적으로 연결된 전지 하우징(171)의 상부 표면 중에서 리벳 단자(172)를 제외한 부분(175)은 제1전극 단자와 극성이 다른 제2전극 단자로 사용된다. 이처럼, 2개의 전극 단자가 원통형 배터리(200)의 상부에 위치할 경우, 버스바 등의 전기적 연결 부품을 원통형 배터리(200)의 일 측에만 배치시키는 것이 가능하다. 이는, 배터리 팩 구조의 단순화 및 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 제2전극 단자로 사용되는 부분(175)은 대략 플랫한 형태를 가지므로 버스바 등의 전기적 연결 부품을 접합시키는데 있어서 충분한 접합 면적을 확보할 수 있다. 이에 따라, 원통형 배터리(200)은 전기적 연결 부품의 접합 부위에서의 저항을 바람직한 수준으로 낮출 수 있다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(210)을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 19를 참조하면, 원통형 배터리(210)은 도 13에 나타낸 전극 조립체(100)를 포함하며, 전극 조립체(100)를 제외한 나머지 구성은 도 17에 나타낸 원통형 배터리(190)과 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 13 및 도 17을 참조하여 설명한 구성은 본 실시예에서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
바람직하게, 전극 조립체(100)의 제1 및 제2무지부(146a, 146b)는 복수의 분절편(61)을 포함한다. 분절편(61)들은 전극 조립체(100)의 반경 방향, 예컨대 외주측으로부터 코어측으로 절곡된다. 이 때, 제1무지부(146a)의 제1부분(B1)과 제2부분(B3)의 무지부는 다른 부분보다 높이가 낮고 분절편을 포함하지 않으므로 실질적으로 절곡되지 않는다. 이는 제2무지부(146b)의 경우도 동일하다.
본 실시예에서도, 분절편(61)들에 의해 형성되는 절곡 표면영역(F)은 코어측으로부터 외주측으로 분절편 생략 구간(a1), 분절편의 높이 가변 구간(a2) 및 분절편의 높이 균일 구간(a3)을 포함할 수 있다. 다만, 제2부분(B3)의 무지부가 절곡되지 않으므로 절곡 표면영역(F)의 반경 방향 길이는 전술한 실시예의 경우보다 짧을 수 있다.
절곡 표면영역(F)은, 도 11a, 도 11b 및 도 11c에 도시된 바와 같이, 분절편 생략 구간(a1)과 인접하여 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(b1)을 포함한다.
절곡 표면영역(F)은 또한 전극 조립체(100)의 제2부분(B3)의 권회턴들에 인접하여 분절편의 적층수가 외주측으로 갈수록 감소하는 적층수 감소구간(b2)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 적층수 균일구간(b1)은 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
절곡 표면영역(F)에 있어서, 분절편이 존재하는 반경 방향 길이(c)를 기준으로 분절편의 높이 가변 구간(a2)에 대한 비율(a2/c)과 분절편의 적층수 균일구간(b1)에 대한 비율(b1/c), 그리고 절곡 표면영역(F)의 면적 대비 적층수 균일구간(b1) 면적 비율의 바람직한 수치범위는 이미 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략한다.
제1집전판(144)는 제1무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)에 용접되고, 제2집전판(145)는 제2무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)에 용접될 수 있다.
적층수 균일구간(b1) 및 적층수 감소구간(b2)과 용접 영역(W)의 중첩 관계, 제1집전판(144)와 제1집전판(145)의 외경, 제1부분(B1)이 코어를 폐색하지 않는 구성 등은 상술한 바와 실질적으로 동일하다.
한편, 제2부분(B3)는 분절편을 포함하지 않고 무지부 높이가 제3부분(B2)의 분절편들보다 낮다. 따라서, 제3부분(B2)의 분절편들이 절곡될 때 제2부분(B3)는 실질적으로 절곡되지 않는다. 또한, 제2부분(B3)의 권회턴들은 비딩부(147)와 충분히 이격되어 있으므로, 비딩부(147)가 압입되는 과정에서 제2부분(B3)의 권회턴들이 손상되는 문제를 해결할 수 있다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(220)을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 20을 참조하면, 원통형 배터리(220)은 도 13에 나타낸 전극 조립체(100)를 포함하며, 전극 조립체(100)를 제외한 나머지 구성은 도 18에 나타낸 원통형 배터리(200)과 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 13 및 도 18을 참조하여 설명한 구성은 본 실시예에서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
바람직하게, 전극 조립체(100)의 제1 및 제2무지부(146a, 146b)는 복수의 분절편(61)을 포함한다. 분절편(61)들은 전극 조립체(100)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡되어 절곡 표면영역(F)을 형성한다. 이 때, 제1무지부(146a)의 제1부분(B1) 및 제2부분(B3)는 무지부 높이가 다른 부분보다 낮고 분절편을 포함하지 않으므로 코어측으로 실질적으로 절곡되지 않는다. 이는 제2무지부(146b)의 경우도 마찬가지이다.
따라서, 본 실시예에서도, 도 19의 실시예와 마찬가지로, 절곡 표면영역(F)은 코어측으로부터 외주측으로 분절편 생략 구간(a1), 분절편의 높이 가변 구간(a2) 및 분절편의 높이 균일 구간(a3)을 포함할 수 있다. 다만, 제2부분(B3)의 무지부가 절곡되지 않으므로 절곡 표면영역(F)의 반경 방향 길이는 전술한 실시예보다 짧을 수 있다.
절곡 표면영역(F)은, 도 11a, 도 11b 및 도 11c에 도시된 바와 같이, 분절편 생략 구간(a1)과 인접하여 분절편의 적층수가 10 이상인 적층수 균일구간(b1)을 포함한다.
절곡 표면영역(F)은 또한 전극 조립체(100)의 제2부분(B3)의 권회턴들에 인접하여 분절편의 적층수가 외주측으로 갈수록 감소하는 적층수 감소구간(b2)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 적층수 균일구간(b1)은 용접 타겟 영역으로 설정될 수 있다.
절곡 표면영역(F)에 있어서, 분절편이 존재하는 반경 방향 길이(c)를 기준으로 분절편의 높이 가변 구간(a2)에 대한 비율(a2/c)과 분절편의 적층수 균일구간(b1)에 대한 비율(b1/c), 그리고 절곡 표면영역(F)의 면적 대비 적층수 균일구간(b1) 면적 비율의 바람직한 수치범위는 이미 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략한다.
제1집전판(144)는 제1무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)에 용접되고, 제2집전판(176)은 제2무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)에 용접될 수 있다.
적층수 균일구간(b1) 및 적층수 감소구간(b2)과 용접 영역(W)의 중첩 관계, 제1집전판(144)와 제2집전판(176)의 외경, 제1부분(B1)이 코어를 폐색하지 않는 구성 등은 상술한 바와 실질적으로 동일하다.
상술한 실시예들(변형예들)에 있어서, 리벳 단자(172)를 포함하는 원통형 배터리(200,220)에 포함되어 있는 제1집전판(144)와 제2집전판(176)은 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같은 개선된 구조를 가질 수 있다.
제1집전판(144)와 제2집전판(176)의 개선된 구조는 원통형 배터리의 저항을 낮추고 진동 내성을 향상시키며 에너지 밀도를 향상시키는데 기여할 수 있다. 특히 제1집전판(144)와 제2집전판(176)는 직경 대비 높이의 비율이 0.4 보다 큰 대형 원통형 배터리에 사용되었을 때 보다 효과적이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1집전판(144)의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 20과 도 21을 함께 참조하면, 제1집전판(144)은, 테두리부(144a), 제1 무지부 결합부(144b) 및 단자 결합부(144c)를 포함할 수 있다. 상기 테두리부(144a)는, 전극 조립체(100)의 상부에 배치된다. 상기 테두리부(144a)는, 그 내부에 빈 공간(Sopen)이 형성된 대략 림(rim) 형태를 가질 수 있다. 본 발명의 도면에서는 상기 테두리부(144a)가 대략 원형의 림 형태를 갖는 경우만을 도시하고 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 테두리부(144a)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 테두리부(144a)의 수는 2개 이상으로 증가시킬 수 있다. 이 경우, 상기 테두리부(144a)의 내측에 림 형태의 또 다른 테두리부가 포함될 수 있다.
상기 단자 결합부(144c)는, 리벳 단자(172)의 바닥면에 형성된 평탄부(172 c)와의 결합을 위한 용접 면적 확보를 위해 상기 리벳 단자(172)의 바닥면에 형성된 평탄부(172c)의 직경과 동일하거나 더 큰 직경을 가질 수 있다.
상기 제1 무지부 결합부(144b)는, 테두리부(144a)로부터 내측으로 연장되며 용접을 통해 무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)과 결합된다. 상기 단자 결합부(144c)는, 제1 무지부 결합부(144b)와 이격되어 테두리부(144a)의 내측에 위치한다. 상기 단자 결합부(144c)는, 리벳 단자(172)와 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 단자 결합부(144c)는, 예를 들어 테두리부(144a)에 의해 둘러싸인 내측 공간(Sopen)의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 상기 단자 결합부(144c)는, 전극 조립체(100)의 코어(C)에 형성된 홀과 대응되는 위치에 구비될 수 있다. 상기 단자 결합부(144c)는, 전극 조립체(100)의 코어(C)에 형성된 홀이 단자 결합부(144c)의 외측으로 노출되지 않도록 전극 조립체(100)의 코어(C)에 형성된 홀을 커버하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 단자 결합부(144c)는, 전극 조립체(100)의 코어(C)에 형성된 홀보다 더 큰 직경 또는 폭을 가질 수 있다.
상기 제1 무지부 결합부(144b)와 단자 결합부(144c)는, 직접적으로 연결되지 않고 서로 이격되도록 배치되며 테두리부(144a)에 의해 간접적으로 연결될 수 있다. 이처럼, 상기 제1집전판(144)은, 제1 무지부 결합부(144b)와 단자 결합부(144c)가 서로 직접 연결되어 있지 않고, 테두리부(144a)를 통해서 연결된 구조를 가짐으로써 원통형 배터리(220)에 충격 및/또는 진동이 발생하는 경우 제1 무지부 결합부(144b)와 제1 무지부(146a) 간의 결합 부위와 단자 결합부(144c)와 리벳 단자(172) 간의 결합 부위에 가해지는 충격을 분산시킬 수 있다. 본 발명의 도면에서는, 상기 제1 무지부 결합부(144b)가 4개인 경우만이 도시되어 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 무지부 결합부(144b)의 개수는 형상의 복잡성에 따른 제조의 난이도, 전기 저항, 전해질 함침성을 고려한 테두리부(144a)의 내측 공간(Sopen) 등을 고려하여 다양하게 결정될 수 있다.
상기 제1집전판(144)은, 테두리부(144a)로부터 내측으로 연장되며 단자 결합부(144c)와 연결되는 브릿지부(144d)를 더 포함할 수 있다. 상기 브릿지부(144d)는, 적어도 그 일부가 제1 무지부 결합부(144b) 및 테두리부(144a)와 비교하여 그 단면적이 더 작게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 브릿지부(144d)는, 적어도 그 일부가 제1 무지부 결합부(144b)와 비교하여 폭 및/또는 두께가 더 작게 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 브릿지부(144d)에서 전기 저항이 증가한다. 그 결과, 상기 브릿지부(144d)를 통해 전류가 흐를 때 상대적으로 큰 저항이 브릿지부(144d)의 일부에서 과전류 히팅(heating)으로 인한 용융을 일으킨다. 이로써, 과전류가 비가역적으로 차단된다. 상기 브릿지부(144d)는 이러한 과전류 차단 기능을 고려하여 그 단면적이 적절한 수준으로 조절될 수 있다.
상기 브릿지부(144d)는, 테두리부(144a)의 내측면으로부터 단자 결합부(144c)를 향하는 방향을 따라 그 폭이 점점 좁아지는 테이퍼부(144e)를 구비할 수 있다. 상기 테이퍼부(144e)가 구비되는 경우, 브릿지부(144d)와 테두리부(144a)의 연결 부위에서 부품의 강성이 향상될 수 있다. 상기 테이퍼부(144e)가 구비되는 경우, 원통형 배터리(220)의 제조 공정에 있어서, 예를 들어 이송 장비 및/또는 작업자가 테이퍼부(144e)를 파지함으로써 제1집전판(144) 및/또는 제1집전판(144)와 전극 조립체(100)의 결합체를 용이하고 안전하게 이송할 수 있다. 즉, 상기 테이퍼부(144e)가 구비되는 경우, 제1 무지부 결합부(144b) 및 단자 결합부(144c)와 같이 다른 부품과 용접이 이루어지는 부분을 파지함으로써 발생될 수 있는 제품의 불량 발생을 방지할 수 있다.
상기 제1 무지부 결합부(144b)는, 복수개가 구비될 수 있다. 복수의 상기 제1 무지부 결합부(144b)는, 테두리부(144a)의 연장 방향을 따라 서로 동일 간격으로 배치될 수 있다. 복수의 상기 제1 무지부 결합부(144b) 각각의 연장 길이는 서로 대략 동일할 수 있다. 상기 제1 무지부 결합부(144b)는, 무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)과 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다. 용접은 초음파 용접, 스폿 용접 등으로 대체될 수 있다.
제1 무지부 결합부(144b)와 절곡 표면영역(F) 사이의 용접에 의해 형성되는 용접 패턴(144f)은 전극 조립체(100)의 반경 방향을 따라 연장될 구조를 가질 수 있다. 용접 패턴(144f)은 라인 패턴 또는 점 패턴의 배열일 수 있다.
상기 용접 패턴(144f)은 용접 영역에 해당한다. 따라서, 상기 용접 패턴(144f)은 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 50% 이상 중첩되는 것이 바람직하다. 적층수 균일구간(b1)과 중첩되지 않는 용접 패턴(144f)은 적층수 감소구간(b2)과 중첩될 수 있다. 더욱 바람직하게, 용접 패턴(144f) 전체가 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 중첩될 수 있다. 용접 패턴(144f)이 형성되어 있는 지점의 하부에 있는 절곡 표면영역(F) 중에서 적층수 균일구간(b1) 및, 선택적으로, 적층수 감소구간(b2)은 분절편의 적층수가 10 이상인 것이 바람직하다.
상기 단자 결합부(144c)는, 복수의 상기 제1 무지부 결합부(144b)에 의해 둘러 싸이도록 배치될 수 있다. 상기 단자 결합부(144c)는, 리벳 단자(172)의 평탄부(172c)와 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 브릿지부(144d)는, 서로 인접한 한 쌍의 제1 무지부 결합부(144b) 사이에 위치할 수 있다. 이 경우, 상기 브릿지부(144d)로부터 테두리부(144a)의 연장 방향을 따라 상기 한 쌍의 제1 무지부 결합부(144b) 중 어느 하나에 이르는 거리는, 브릿지부(144d)로부터 테두리부(144a)의 연장 방향을 따라 상기 한 쌍의 제1 무지부 결합부(144b) 중 나머지 하나에 이르는 거리와 대략 동일할 수 있다. 복수의 상기 제1 무지부 결합부(144b) 각각의 단면적은 대략 동일하게 형성될 수 있다. 복수의 상기 제1 무지부 결합부(144b) 각각의 폭 및 두께는 대략 동일하게 형성될 수 있다.
도면에 도시되지는 않았으나, 상기 브릿지부(144d)는, 복수개가 구비될 수 있다. 복수의 브릿지부(144d) 각각은, 서로 인접한 한 쌍의 제1 무지부 결합부(144b) 사이에 배치될 수 있다. 복수의 상기 브릿지부(144d)는, 테두리부(144a)의 연장 방향을 따라 서로 대략 동일한 간격으로 배치될 수 있다. 복수의 상기 브릿지부(144d) 각각으로부터 테두리부(144a)의 연장 방향을 따라 서로 인접한 한 쌍의 제1 무지부 결합부(144b) 중 어느 하나에 이르는 거리는, 나머지 하나의 제1 무지부 결합부(144b)에 이르는 거리와 대략 동일할 수 있다.
상술한 바와 같이 제1 무지부 결합부(144b) 및/또는 브릿지부(144d)가 복수개 구비되는 경우에 있어서, 제1 무지부 결합부(144b)들 간의 거리 및/또는 브릿지부(144d)들 간의 거리 및/또는 제1 무지부 결합부(144b)와 브릿지부(144d) 간의 거리가 일정하게 형성되면, 제1 무지부 결합부(144b)로부터 브릿지부(144d)를 향하는 전류 또는 브릿지부(144d)로부터 제1 무지부 결합부(144b)를 향하는 전류의 흐름이 원활하게 형성될 수 있다.
브릿지부(144d)는, 브릿지부(144d)의 단면적을 부분적으로 감소시키도록 형성되는 노칭부(N)를 구비할 수 있다. 노칭부(N)의 단면적의 조절은, 예를 들어 브릿지부(144d)의 폭 및/또는 두께의 부분적인 감소를 통해 실현될 수 있다. 노칭부(N)가 구비되는 경우, 노칭부(N)가 형성된 영역에서의 전기 저항이 증가하게 되고, 이로써 과전류 발생 시에 신속한 전류 차단이 가능하게 된다.
노칭부(N)는, 파단 시에 발생되는 이물질이 전극 조립체(100)의 내부로 유입되는 것을 방지하기 위해, 전극 조립체(100)의 적층수 균일구간과 대응되는 영역에 구비되는 것이 바람직하다. 이는, 이 영역에서는 무지부(146a)의 분절편들의 적층수가 최대로 유지되고, 이로써 중첩된 분절편들이 마스크(mask)로서 기능할 수 있기 때문이다.
노칭부(N)는 절연 테이프로 감싸여질 수 있다. 그러면, 노칭부(N)에서 발생된 열이 외부로 발산되지 않으므로, 과전류가 브릿지부(144d)를 통해서 흐를 때 노칭부(N)의 파단이 보다 신속하게 이루어질 수 있다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2집전판(176)의 구조를 나타낸 상부 평면도이다.
도 20과 도 22를 함께 참조하면, 제2집전판(176)은, 전극 조립체(100)의 하부에 배치된다. 또한, 상기 제2집전판(176)은, 전극 조립체(100)의 무지부(146b)와 전지 하우징(171)을 전기적으로 연결시키도록 구성될 수 있다. 제2집전판(176)은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)과 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 제2집전판(176)은, 전지 하우징(171)과 전기적으로 연결된다. 상기 제2집전판(176)은, 가장자리 부분이 전지 하우징(171)의 내측 면과 제1가스켓(178b) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2집전판(176)은, 가장자리 부분이 전지 하우징(171)의 비딩부(180)의 하면과 제1가스켓(178b) 사이에 개재될 수 있다. 다만, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 이와는 달리, 상기 제2집전판(176)은, 가장자리 부분이 비딩부(180)가 형성되지 않은 영역에서 전지 하우징(171)의 내벽 면에 용접될 수도 있다.
상기 제2집전판(176)은, 전극 조립체(100)의 하부에 배치되는 지지부(176a), 상기 지지부(176a)로부터 대략 전극 조립체(100)의 반경 방향을 따라 연장되어 무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)에 결합되는 제2 무지부 결합부(176b) 및 상기 지지부(176a)로부터 대략 전극 조립체(100)의 반경 방향을 기준으로 경사 방향을 따라 전지 하우징(171)의 내측 면을 향해 연장되어 내측 면 상에 결합되는 하우징 결합부(176c)를 포함할 수 있다. 상기 제2 무지부 결합부(176b)와 하우징 결합부(176c)는, 지지부(176a)를 통해 간접적으로 연결되며, 서로 직접 연결되지 않는다. 따라서, 본 발명의 원통형 배터리(220)에 외부 충격이 가해졌을 때, 제2집전판(176)과 전극 조립체(100)의 결합 부위 및 제2집전판(176)과 전지 하우징(171)의 결합 부위에 손상 발생 가능성을 최소화 할 수 있다. 다만, 본 발명의 제2집전판(176)이 이처럼 제2 무지부 결합부(176b)와 하우징 결합부(176c)가 간접적으로만 연결된 구조를 갖는 경우로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제2집전판(176)은, 제2 무지부 결합부(176b)와 하우징 결합부(176c)를 간접적으로 연결시키는 지지부(176a)를 구비하지 않는 구조 및/또는 무지부(146b)와 하우징 결합부(176c)가 서로 직접 연결된 구조를 가질 수도 있는 것이다.
상기 지지부(176a) 및 제2 무지부 결합부(176b)는 전극 조립체(100)의 하부에 배치된다. 상기 제2 무지부 결합부(176b)는, 무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)과 결합된다. 상기 제2 무지부 결합부(176b) 뿐만 아니라, 상기 지지부(176a) 역시 무지부(146b)와 결합될 수 있다. 상기 제2 무지부 결합부(176b)와 무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)은 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다. 용접은 초음파 용접, 스폿 용접 등으로 대체 가능하다. 상기 지지부(176a) 및 제2 무지부 결합부(176b)는, 전지 하우징(171)에 비딩부(180)가 형성되는 경우에 있어서 비딩부(180)보다 상부에 위치한다.
상기 지지부(176a)는, 전극 조립체(100)의 코어(C)에 형성되는 홀과 대응되는 위치에 형성되는 집전판 홀(176d)을 구비한다. 서로 연통되는 상기 전극 조립체(100)의 코어(C)와 집전판 홀(176d)은, 리벳 단자(172)와 제1집전판(144)의 단자 결합부(144c) 간의 용접을 위한 용접봉의 삽입 또는 레이저 빔의 조사를 위한 통로로서 기능할 수 있다.
상기 집전판 홀(176d)은, 전극 조립체(100)의 코어(C)에 형성된 홀의 반경(rc) 대비 0.5rc 이상의 반경을 가질 수 있다. 상기 집전판 홀(176d)의 반경이 0.5rc 내지 1.0rc인 경우, 원통형 배터리(220)에서 벤트가 일어날 때 전극 조립체(100)의 코어(C) 근처에 있는 분리막이나 전극들의 권회 구조가 벤트 압력으로 인해 코어(C) 밖으로 밀려 나오는 현상이 방지된다. 상기 집전판 홀(176d)의 반경이 1.0rc보다 클 때, 코어(C)의 개방이 최대이므로 전해질 주입 공정에서 전해질의 주입이 용이하다.
상기 제2 무지부 결합부(176b)가 복수 개 구비되는 경우, 복수의 제2 무지부 결합부(176b)들은 제2집전판(176)의 지지부(176a)로부터 대략 방사상으로 전지 하우징(171)의 측벽을 향해 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 복수의 제2 무지부 결합부(176b)들 각각은 지지부(176a)의 둘레를 따라 상호 이격되어 위치할 수 있다.
상기 하우징 결합부(176c)는 복수 개가 구비될 수 있다. 이 경우, 복수의 하우징 결합부(176c)들은 제2집전판(176)의 중심부로부터 대략 방사상으로 전지 하우징(171)의 측벽을 향해 연장된 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제2집전판(176)과 전지 하우징(171) 간의 전기적 연결은 복수의 지점에서 이루어질 수 있다. 이처럼 복수의 지점에서 전기적 연결을 위한 결합이 이루어짐으로써 결합 면적을 극대화 하여 전기 저항을 최소화 할 수 있다. 상기 복수의 하우징 결합부(176c)들 각각은 지지부(176a)의 둘레를 따라 상호 이격되어 위치할 수 있다. 서로 이웃하는 제2 무지부 결합부(176b) 사이에는 적어도 하나의 하우징 결합부(176c)가 위치할 수 있다. 상기 복수의 하우징 결합부(176c)들은, 전지 하우징(171)의 내측 면 중, 예를 들어 비딩부(180)에 결합될 수 있다. 상기 하우징 결합부(176c)들은, 특히 비딩부(180)의 하면에 레이저 용접을 통해 결합될 수 있다. 용접은, 초음파 용접, 스폿 용접 등으로 대체 가능하다. 이와 같이 비딩부(180) 상에 복수의 하우징 결합부(176c)를 용접 결합시킴으로써 전류 경로를 방사상으로 분산시켜 원통형 배터리(220)의 저항 수준을 대략 4 밀리옴(mohm) 이하로 제한할 수 있다. 또한, 비딩부(180)의 하면이 전지 하우징(171)의 상면에 대략 나란한 방향, 즉 전지 하우징(171)의 측벽에 대략 수직한 방향을 따라 연장된 형태를 갖도록 하고 하우징 결합부(176c) 역시 동일한 방향, 즉 반경 방향 및 원주 방향을 따라 연장된 형태를 갖도록 함으로써 하우징 결합부(176c)가 비딩부(180) 상에 안정적으로 접촉하도록 할 수 있다. 또한, 이처럼 상기 하우징 결합부(176c)가 비딩부(180)의 평탄부 상에 안정적으로 접촉됨에 따라 두 부품 간의 용접이 원활하게 이루어질 수 있고, 이로써 두 부품 간의 결합력 향상 및 결합 부위에서의 저항 증가 최소화 효과를 얻을 수 있다.
상기 하우징 결합부(176c)는 전지 하우징(171)의 내측 면 상에 결합되는 접촉부(176e) 및 지지부(176a)와 접촉부(176e) 사이를 연결하는 연결부(176f)를 포함할 수 있다.
상기 접촉부(176e)는, 전지 하우징(171)의 내측 면 상에 결합된다. 상기 전지 하우징(171)에 비딩부(180)가 형성되는 경우에 있어서, 상기 접촉부(176e)는 상술한 바와 같이 비딩부(180) 상에 결합될 수 있다. 좀 더 구체적으로, 상기 접촉부(176e)는, 전지 하우징(171)에 형성된 비딩부(180)의 하면에 형성된 평탄부에 전기적으로 결합될 수 있으며, 비딩부(180)의 하면과 제1가스켓(178b) 사이에 개재될 수 있다. 이 경우, 안정적인 접촉 및 결합을 위해 접촉부(176e)는 비딩부(180)에서 전지 하우징(171)의 원주 방향을 따라 소정의 길이로 연장된 형태를 가질 수 있다.
연결부(176f)는 둔각으로 절곡될 수 있다. 절곡 지점은 연결부(176f)의 중간 지점보다 상부일 수 있다. 연결부(176f)가 절곡되면, 접촉부(176e)가 비딩부(180)의 평탄면에 안정적으로 지지될 수 있다. 연결부(176f)는 절곡 지점을 기준으로 하부와 상부로 나뉘며, 하부의 길이가 상부보다 더 클 수 있다. 또한, 지지부(176a)의 표면을 기준으로 한 경사각은 절곡 지점의 하부가 상부보다 더 클 수 있다. 연결부(176f)가 절곡되면, 전지 하우징(171)의 수직 방향으로 가해지는 압력(힘)을 버퍼링할 수 있다. 일 예로, 전지 하우징(171)의 사이징 공정에서 접촉부(176e)에 압력이 전달되어 접촉부(176e)가 지지부(176b)를 향해 수직 이동하는 경우 연결부(176f)의 절곡 지점이 상부로 이동하면서 연결부(176)의 모양이 변형되고 이를 통해 응력 스트레스를 완충시킬 수 있다.
한편, 상기 제2집전판(176)의 중심부에서 전극 조립체(100)의 반경 방향을 따라 제2 무지부 결합부(176b)의 단부에 이르는 최대 거리는, 비딩부(180)가 형성된 영역에서의 전지 하우징(171)의 내경, 즉 전지 하우징(171)의 최소 내경과 동일하거나 이보다 더 작게 형성됨이 바람직하다. 이는, 전지 하우징(171)을 높이 방향을 따라 압축시키는 사이징 공정 진행 시에 제2 무지부 결합부(176b)의 단부가 전극 조립체(100)의 가장자리를 누르는 현상을 방지하기 위함이다.
제2 무지부 결합부(176b)는 홀(176g)을 포함한다. 홀(176g)은 전해질이 이동할 수 있는 통로로 사용될 수 있다. 제2 무지부 결합부(176b)와 절곡 표면영역(F) 사이의 용접에 의해 형성되는 용접 패턴(176h)은 전극 조립체(100)의 반경 방향을 따라 연장될 구조를 가질 수 있다. 용접 패턴(176h)은 라인 패턴 또는 점 패턴의 배열일 수 있다.
상기 용접 패턴(176h)은 용접 영역에 해당한다. 따라서, 상기 용접 패턴(176h)은 전극 조립체(100)의 하부에 위치한 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 50% 이상 중첩되는 것이 바람직하다. 적층수 균일구간(b1)과 중첩되지 않는 용접 패턴(176h)은 적층수 감소구간(b2)과 중첩될 수 있다. 더욱 바람직하게, 용접 패턴(176h) 전체가 절곡 표면영역(F)의 적층수 균일구간(b1)과 중첩될 수 있다. 용접 패턴(176h)이 형성되어 있는 지점의 상부에 있는 절곡 표면영역(F) 중에서 적층수 균일구간(b1) 및, 선택적으로, 적층수 감소구간(b2)은 분절편의 적층수가 10 이상인 것이 바람직하다.
상술한 제1집전판(144)와 제2집전판(176)의 외경은 서로 다르다. 외경은 절곡 표면영역(F)과 집전판간 접촉 영역의 외경이다. 외경은 전극 조립체의 코어(C) 중심을 통과하는 직선과 접촉 영역의 가장자리가 만나는 두 지점 사이의 거리 중 최대값으로 정의된다. 제2집전판(176)는 비딩부의 내측에 위치하므로 외경이 제1집전판(144)의 외경보다 작다. 또한, 제1집전판(144)의 용접 패턴(144f)의 길이가 제2집전판(176)의 용접 패턴(176h)의 길이보다 더 길다. 바람직하게, 용접 패턴(144f)와 용접 패턴(176h)는 코어(C)의 중심을 기준으로 실질적으로 동일한 지점으로부터 외주측으로 연장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리(200,220)은 상부에서 전기적 연결을 수행할 수 있는 이점이 있다.
도 23은 복수의 원통형 배터리(200)들이 전기적으로 연결된 상태를 나타낸 상부 평면도이고, 도 24는 도 23의 부분 확대도이다. 원통형 배터리(200)은 다른 구조의 원통형 배터리(220)으로 대체 가능하다.
도 23 및 도 24를 참조하면, 복수의 원통형 배터리(200)들은 버스바(210)를 이용하여 원통형 배터리(200)의 상부에서 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다. 원통형 배터리(200)들의 수는 배터리 팩의 용량을 고려하여 증감될 수 있다.
각 원통형 배터리(200)에 있어서, 리벳 단자(172)는 양의 극성을 가지고 전지 하우징(171)의 리벳 단자(172) 주변의 평평한 면(171a)은 음의 극성을 가질 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.
바람직하게, 복수의 원통형 배터리(200)들은 복수의 열과 행으로 배치될 수 있다. 열은 지면을 기준으로 상하 방향이고, 행은 지면을 기준으로 좌우 방향이다. 또한, 공간 효율성을 최대화하기 위해, 원통형 배터리(200)들은 최밀 팩킹 구조(closest packing structure)로 배치될 수 있다. 최밀 팩킹 구조는, 전지 하우징(171)의 외부로 노출된 리벳 단자(172)의 중심을 서로 연결했을 때 정삼각형이 만들어질 때 형성된다. 바람직하게, 버스바(210)는, 동일 열에 배치된 원통형 배터리(200)들을 서로 병렬로 연결시키고, 인접하는 2개의 열에 배치된 원통형 배터리(200)들을 서로 직렬로 연결시킨다.
바람직하게, 버스바(210)는, 직렬 및 병렬 연결을 위해 바디부(211), 복수의 제1 버스바 단자(212) 및 복수의 제2 버스바 단자(213)를 포함할 수 있다.
상기 바디부(211)는, 인접하는 리벳 단자(172) 사이에서 원통형 배터리(200)들의 열을 따라 연장될 수 있다. 대안적으로, 상기 바디부(211)는, 원통형 배터리(200)들의 열을 따라 연장되되, 지그재그 형상과 같이 규칙적으로 절곡될 수 있다.
복수의 제1 버스바 단자(212)는, 바디부(211)의 일측 방향으로 연장되며, 일측 방향에 위치한 원통형 배터리(200)의 리벳 단자(172)와 전기적으로 결합될 수 있다. 제1 버스바 단자(212)와 리벳 단자(172) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다.
복수의 제2 버스바 단자(213)는, 바디부(211)의 타측 방향으로부터 연장되며, 타측 방향에 위치한 리벳 단자(172) 주변의 평평한 면(171a)에 전기적으로 결합될 수 있다. 제2 버스바 단자(213)와 평평한 면(171a) 간의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등으로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 바디부(211), 복수의 제1 버스바 단자(212) 및 복수의 제2 버스바 단자(213)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(211), 복수의 제1 버스바 단자(212) 및 제2 버스바 단자(213)는 별개의 피스 단위로 제작한 후 서로 용접 등을 통해 결합될 수도 있다.
상술한 본 발명의 원통형 배터리(200)은, 절곡 표면영역(F)을 통한 용접 면적 확대, 제2집전판(176)을 이용한 전류 패스(path)의 다중화, 전류 패스 길이의 최소화 등을 통해 저항이 최소화된 구조를 갖는다. 양극과 음극 사이, 즉 리벳 단자(172)와 그 주변의 평평한 면(171a) 사이에서의 저항 측정기를 통해 측정되는 원통형 배터리(200)의 AC 저항은 급속 충전에 적합한 대략 4 밀리옴(mohm) 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 원통형 배터리(200)은, 양의 극성을 가진 리벳 단자(172)와 음의 극성을 가진 평평한 면(171a)이 동일한 방향에 위치하고 있으므로 버스바(210)를 이용하여 원통형 배터리(200)들의 전기적 연결을 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 원통형 배터리(200)의 리벳 단자(172)와 그 주변의 평평한 면(171a)은 면적이 넓으므로 버스바(210)의 결합 면적을 충분히 확보하여 원통형 배터리(200)을 포함하는 배터리 팩의 저항을 충분히 낮출 수 있다.
또한, 원통형 배터리(200)의 상부에서 전기적 배선을 수행할 수 있으므로 배터리 모듈/팩의 단위 부피당 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 이점이 있다.
상술한 실시예들(변형예들)에 따른 원통형 배터리는 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 25를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(300)은 원통형 배터리(301)이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(302)을 포함한다. 원통형 배터리(301)은 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 배터리 중 어느 하나일 수 있다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 배터리(301)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
배터리 팩(300)은 자동차에 탑재될 수 있다. 자동차는 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차는 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함한다.
도 26은 도 25의 배터리 팩(300)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 26을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)을 포함한다. 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)으로부터 전력을 공급받아 동작한다.
본 발명에 따르면, 전극 조립체의 상부 및 하부에 돌출된 무지부 자체를 전극 탭으로서 사용함으로써 배터리의 내부 저항을 감소시키고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 전지 하우징의 비딩부 형성 과정에서 전극 조립체와 전지 하우징의 내주면이 간섭을 일으키지 않도록 함으로써 전극 조립체의 부분적 변형에 따른 원통형 배터리 내부의 단락을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 무지부가 찢어지는 현상을 방지하고 무지부의 중첩 레이어 수를 충분히 증가시켜 집전판의 용접 강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극의 무지부에 복수의 분절편을 형성하고 전극이 권취되었을 때 복수의 분절편이 소정의 방향으로 정렬되어 배치되도록 하고 분절편이 배치되는 않은 영역에서 전극에 형성된 활물질층의 단부를 분리막의 권회턴 사이에서 노출시켜 전해질의 함침성(속도 및 균일성)을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극의 무지부에 분절편 구조를 적용하고 분절편의 디멘션(폭, 높이, 이격 피치)을 최적화시켜 용접 타겟 영역으로 사용되는 영역의 분절편 적층수를 충분히 증가시키는 것에 의해 집전판이 용접되는 영역의 물성을 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극의 무지부에 권취 방향을 따라 절단홈을 반복적으로 형성하여 복수의 분절편 구조를 형성함에 있어서 절단홈의 하부 구조를 최적화시켜 절단홈의 노칭 품질을 형상시킨 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극의 무지부에 권취 방향을 따라 절단홈을 반복적으로 형성하여 복수의 분절편을 형성함에 있어서 절단홈 하부의 무지부 높이와 전극 조립체의 코어에 인접한 영역의 무지부 높이를 상대적으로 조절함으로써 분절편들이 절곡되는 과정에서 코어 형상이 붕괴되지 않는 전극 조립체를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 분절편들의 절곡에 의해 형성된 절곡 표면영역에 집전판을 넓은 면적으로 용접시킨 구조를 적용함으로써 에너지 밀도가 향상되고 저항이 감소된 전극 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상부에서 전기적 배선을 수행할 수 있도록 디자인이 개선된 원통형 배터리를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체의 코어에 인접한 무지부 구조를 개선하여 무지부가 절곡될 때 전극 조립체의 코어에 있는 공동이 폐색되는 것을 방지하여 전해질 주입 공정과 전지 하우징(또는 리벳 단자)과 집전판의 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 내부 저항이 낮고, 내부 단락이 방지되고, 집전판과 무지부의 용접 강도가 향상된 구조를 갖는 원통형 배터리, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 높이 대비 직경의 비율이 0.4 이상이며 저항이 4mohm 이하인 원통형 배터리와 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있다.
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.

Claims (19)

  1. 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취됨으로써 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체에 있어서,
    상기 제1전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1활물질부와 활물질층이 코팅되지 않으며 상기 분리막의 외부로 노출된 제1무지부를 포함하고,
    상기 제1무지부는, 상기 전극 조립체의 코어에 인접한 제1부분, 상기 전극 조립체의 외주 표면에 인접한 제2부분, 상기 제1부분 및 상기 제2부분 사이의 제3부분을 포함하고,
    상기 제3부분은, 상기 권취 방향을 따라 상기 권취 축 방향을 따르는 복수의 절단홈을 의해 이격된 복수의 분절편을 포함하고,
    상기 제1부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이보다 상대적으로 낮은, 전극 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 활물질층의 단부를 기준으로, 상기 제1부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이 대비 0% 내지 95%인, 전극 조립체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이 대비 37.5% 내지 62.5%인, 전극 조립체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1무지부와 상기 활물질층의 경계를 덮는 절연 코팅층을 더 포함하고,
    상기 절연 코팅층의 단부를 기준으로, 상기 제1부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이 대비 0% 내지 95%인, 전극 조립체.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이 대비 37.5% 내지 62.5%인, 전극 조립체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이보다 상대적으로 낮은, 전극 조립체.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 활물질층의 단부를 기준으로, 상기 제2부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이 대비 0% 내지 95%인, 전극 조립체.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이 대비 37.5% 내지 62.5%인, 전극 조립체.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1무지부와 상기 활물질층의 경계를 덮는 절연 코팅층을 더 포함하고,
    상기 절연 코팅층의 단부를 기준으로, 상기 제2부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이 대비 0% 내지 95%인, 전극 조립체.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2부분의 높이는 상기 절단홈 하단의 무지부 높이 대비 37.5% 내지 62.5%인, 전극 조립체.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1전극의 집전체가 상기 제2전극의 집전체보다 얇은, 전극 조립체.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1전극의 집전체는 구리 포일이고, 상기 제2전극의 집전체는 알루미늄 포일인, 전극 조립체.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1전극은 음극인, 전극 조립체.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 따른 전극 조립체;
    개방단과 이와 대향하는 바닥부를 포함하고, 상기 개방단과 상기 바닥부 사이의 공간에 상기 전극 조립체를 수납하고, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 가지며 배터리 하우징;
    상기 배터리 하우징의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 및
    상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 다른 하나와 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 제2극성을 띠는 단자를 포함하는, 배터리.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 밀봉체는, 상기 배터리 하우징의 개방 단부를 밀폐하는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸며 상기 배터리 하우징의 개방 단부에 클림핑된 가스켓을 포함하며,
    상기 제2극성을 띠는 단자는 상기 캡 플레이트인, 배터리.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1극성을 띠는 제1전극의 무지부와 전기적으로 연결되고 상기 배터리 하우징의 측벽에 가장자리의 적어도 일부가 결합된 집전체를 더 포함하고,
    상기 밀봉체는, 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 가장자리를 감싸며 상기 배터리 하우징의 개방 단부에 클림핑되는 가스켓을 포함하고,
    상기 배터리 하우징은 상기 바닥부의 중앙부에 형성된 관통 홀에 절연 가능하게 설치되고 상기 제2전극과 전기적으로 연결되어 상기 제2극성을 띠는 리벳 단자를 포함하는, 배터리.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 캡 플레이트는 극성을 갖지 않는, 배터리.
  18. 청구항 14 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 따른 복수의 배터리를 포함하는 배터리 팩.
  19. 청구항 18의 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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