WO2024019592A1

WO2024019592A1 - 전극 단자의 고정 구조 및 이를 포함하는 배터리, 배터리 팩 및 자동차

Info

Publication number: WO2024019592A1
Application number: PCT/KR2023/010607
Authority: WO
Inventors: 오정섭; 강보현; 김도균; 임구민; 조민기; 황보광수; 이선민; 정구진
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2023-07-21
Publication date: 2024-01-25
Also published as: KR20240013078A; CN118020202A; US20240322316A1; EP4383414A1

Abstract

본 발명은 전극 단자의 고정 구조, 이를 포함하는 배터리, 배터리 팩 및 자동차를 개시한다. 전극 단자의 고정 구조는, 일측이 개방되고 타측에 관통홀이 형성된 바닥부를 구비하는 전지 하우징; 상기 관통 홀의 내벽과 접촉하지 않도록 상기 관통 홀을 통과하여 설치된 전극 단자; 및 상기 전극 단자와 상기 관통 홀 사이에 개재된 단자 가스켓;을 포함하고, 상기 전극 단자와 상기 단자 가스켓 사이의 계면 또는 상기 단자 가스켓과 상기 전지 하우지의 계면에 핫멜트층이 개재될 수 있다.

Description

전극 단자의 고정 구조 및 이를 포함하는 배터리, 배터리 팩 및 자동차

본 발명은, 전극 단자의 고정 구조 및 이를 포함하는 배터리, 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.

본 출원은 대한민국에 2022년 7월 21일자에 출원된 특허출원 제10-2022-0090644호에 대해 우선권을 주장하며, 우선권의 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), 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 전지의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리를 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리를 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 배터리 팩에 포함되는 배터리의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

한편, 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 전해질과 함께 전지 하우징 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극 탭이 연결될 수 있으며, 전극 탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적으로 연결시킨다. 참고로, 양극 전극 단자는 전지 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:16mm, 높이:65mm)이나 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 절곡면에 집전체가 용접되는 공정을 나타낸다. 도 4는 탭-리스 원통형 배터리를 길이 방향(Y)으로 자른 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 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.

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)와 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.

하지만, 원통형 배터리의 폼 팩터가 증가하고 급속 충전 시 충전 전류의 크기가 커지면 탭-리스 원통형 배터리에서도 발열 문제가 또 다시 발생한다.

구체적으로, 종래의 탭-리스 원통형 배터리(40)은 도 4에 도시된 바와 같이 전지 하우징(41)과 밀봉체(42)를 포함한다. 전지 하우징(41)은 전지 캔을로 불린다. 밀봉체(42)는 캡(42a), 밀봉 가스켓(42b) 및 연결 플레이트(42c)를 포함한다. 밀봉 가스켓(42b)은 캡(42a)의 가장자리를 감싸며 클림핑부(43)에 의해 고정된다. 또한, 전극 조립체(A)는 상하 유동을 방지하기 위해 비딩부(44)에 의해 전지 하우징(41) 내에 고정된다.

통상적으로 양극 단자는 밀봉체(42)의 캡(42a)이고 음극 단자는 전지 하우징(41)이다. 따라서, 양극(10)의 무지부(10a)에 결합된 집전체(30)는 스트립 형태의 리드(45)를 통해 캡(42a)에 부착된 연결 플레이트(42c)에 전기적으로 연결된다. 또한, 음극(11)의 무지부(11a)에 결합된 집전체(31)는 전지 하우징(41)의 바닥부에 전기적으로 연결된다. 인슐레이터(46)는 집전체(30)를 커버하여 극성이 다른 전지 하우징(41)과 양극(10)의 무지부(10a)가 서로 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지한다.

집전체(30)가 연결 플레이트(42c)에 연결될 때에는 스트립 형태의 리드(45)가 사용된다. 리드(45)는 집전체(30)에 별도로 부착하거나, 집전체(30)와 일체로 제작된다. 그런데, 리드(45)는 두께가 얇은 스트립 형태이므로 단면적이 작아서 급속충전 전류가 흐를 경우 열이 많이 발생한다. 또한, 리드(45)에서 발생한 과도한 열은 전극 조립체(A) 측으로 전달되어 분리막(12)을 수축시킴으로써 열 폭주의 주요 원인인 내부 단락을 일으킬 수 있다.

리드(45)는 또한 전지 하우징(41) 내에서 상당한 설치 공간을 차지한다. 따라서, 리드(45)가 포함된 원통형 배터리(40)은 공간 효율성이 낮아서 에너지 밀도를 증가시키는데 한계가 있다.

또한, 클림핑부(43)의 상단은 음의 극성을 갖지만 면적이 작다. 도면에서는 클림핑부(43)를 크게 도시하였는데, 실제로는 밀봉체(42)에 비해서 클림핑부(43)의 상단은 면적이 매우 작다. 따라서, 안정적으로 버스 바 부품을 연결하기 위해서는, 전지 하우징(40)의 개방단부에 클림핑된 밀봉체(42)에 양극을 연결하고 전지 하우징(40)의 바닥부에 음극을 연결할 수밖에 없다.

이처럼, 종래의 탭-리스 원통형 배터리(40)을 직렬 및/또는 병렬로 연결하기 위해서는 밀봉체(42)의 캡(42a)와 전지 하우징(41)의 바닥부 면에 버스 바 부품을 연결해야 하므로 공간 효율성이 떨어진다. 전기 자동차에 탑재되는 배터리 팩은 수 백 개의 원통형 배터리(40)을 포함한다. 따라서, 전기적 배선의 비효율성은 전기 자동차의 조립 과정, 그리고 배터리 팩의 유지 보수 시에도 상당한 번거로움을 초래한다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 배경 하에 창안된 것으로서 원통형 배터리의 전극 단자 구조를 개선하여 전지 하우징 내의 공간 효율성을 증가시킴으로써 원통형 배터리의 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시키는데 있다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 원통형 배터리의 전극 단자 구조를 개선하여 전류 패스의 단면적을 확대함으로써 급속 충전 시 생기는 내부 발열 문제를 개선하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 원통형 배터리의 전극 단자 구조에 대한 개선과 함께 실링성도 향상시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 원통형 배터리의 직렬 및/또는 병렬 연결을 위한 전기적 배선 작업을 원통형 배터리의 한 쪽에서 수행할 수 있는 개선된 구조의 원통형 배터리를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 개선된 구조를 가진 원통형 배터리를 이용하여 제작된 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공하는데 있다.

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

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극 단자의 고정 구조는, 일측이 개방되고 타측에 관통홀이 형성된 바닥부를 구비하는 전지 하우징; 상기 관통 홀의 내벽과 접촉하지 않도록 상기 관통 홀을 통과하여 설치된 전극 단자; 및 상기 전극 단자와 상기 관통 홀 사이에 개재된 단자 가스켓;을 포함하고, 상기 전극 단자와 상기 단자 가스켓 사이의 계면 또는 상기 단자 가스켓과 상기 전지 하우지의 계면에 핫멜트층이 개재될 수 있다.

상기 전극 단자는, 상기 관통 홀에 삽입된 몸체부; 상기 몸체부의 제1측으로부터 상기 전지 하우징 바닥부의 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부; 및 상기 몸체부의 제2측으로부터 적어도 일부가 전지 하우징 바닥부의 내부면과 마주하도록 연장된 내부 플랜지부; 를 포함할 수 있다.

상기 전극 단자는, 상기 내부 플랜지부의 내측에 용접부를 구비할 수 있다.

상기 용접부는 평탄면을 포함할 수 있다.

상기 단자 가스켓은, 상기 외부 플랜지부와 상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면이 위치한 제1평면 사이에 개재된 외부 가스켓; 상기 내부 플랜지부와 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면이 위치한 제2평면 사이에 개재된 내부 가스켓; 및 상기 몸체부와 상기 관통홀 사이에 개재되고, 상기 외부 가스켓과 상기 내부 가스켓을 연결하는 중간 가스켓을 포함할 수 있다.

상기 핫멜트층은 상기 내부 플랜지부와 상기 내부 가스켓 사이의 계면에 개재되고 적어도 일부가 노출될 수 있다.

상기 핫멜트층은 상기 외부 플랜지부와 상기 외부 가스켓 사이에 개재되고 적어도 일부가 노출될 수 있다.

상기 핫멜트층은 상기 외부 가스켓과 상기 제1평면 사이의 계면에 개재되고 적어도 일부가 노출될 수 있다.

상기 핫멜트층은 상기 내부 가스켓과 제2평면 사이의 계면에 개재되고 적어도 일부가 노출될 수 있다.

상기 핫멜트층은, 핫멜트 필름을 열로 경화시켜 형성한 것일 수 있다.

상기 핫멜트층은, 핫멜트 코팅층을 열로 경화시켜 형성한 것일 수 있다.

상기 핫멜트층은, 실리콘계, 에폭시계, 아크릴계 또는 우레탄계 핫멜트 소재로 이루어질 수 있다.

상기 핫멜트층은 수 um 내지 수백 um의 두께를 가질 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리는, 제1전극과 제2전극이 분리막이 개재된 상태로 권취된 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수납하며 상기 제1전극과 전기적으로 연결된 전지 하우징; 상기 전지 하우징의 바닥부에 형성된 관통 홀의 내벽과 접촉하지 않도록 상기 관통 홀을 통과하여 설치되며, 상기 제2전극과 전기적으로 연결된 전극 단자로서, 상기 관통홀에 삽입된 몸체부, 상기 몸체부의 제1측으로부터 상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부, 및 상기 몸체부의 제2측으로부터 적어도 일부가 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면과 마주하도록 연장된 내부 플랜지부를 포함하는 전극 단자; 상기 전극 단자와 상기 관통 홀 사이에 개재된 단자 가스켓; 및 상기 전지 하우징으로부터 절연 가능하도록 상기 전지 하우징의 개방단부를 밀봉하는 밀봉체를 포함하고, 상기 전극 단자와 상기 단자 가스켓 사이의 계면 또는 상기 단자 가스켓과 상기 전지 하우지의 계면에 핫멜트층이 개재될 수 있다.

상기 전극 단자는, 상기 내부 플랜지부의 내측에 용접부를 구비할 수 있다. 상기 용접부는 평탄면을 포함할 수 있다.

본 발명의 기술적 과제는 상기 배터리를 복수 개 포함하는 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차에 의해서도 달성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리의 전극 단자 구조를 개선하여 전지 하우징 내의 공간 효율성을 증가시킴으로써 배터리의 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극 단자 구조에 핫멜트층을 적용하여 전극 단자의 실링성을 개선할 수 있다.

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

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

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

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

도 1은 종래의 탭-리스 원통형 배터리에 사용되는 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.

도 2는 종래의 탭-리스 원통형 배터리에 포함되는 전극 조립체의 권취 공정을 나타낸 도면이다.

도 3은 도 2의 전극 조립체에서 무지부의 절곡면에 집전체가 용접되는 공정을 나타낸 도면이다.

도 4는 종래의 탭-리스 원통형 배터리를 길이 방향(Y)으로 자른 단면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자의 고정 구조를 나타낸 단면도이다.

도 6a는 도 5의 점선 원으로 표시된 부분의 확대 단면도이다.

도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 단자의 고정 구조를 나타낸 부분 확대 단면도이다.

도 6c는 본 발명의 실시예에 따라 전극 단자의 평탄부에 형성되는 용접 패턴을 모식적으로 나타낸 평면도이다.

도 6d는 열 충격 사이클 시험을 수행한 이후에 전극 단자가 노출된 원통형 배터리의 표면을 촬영한 사진이다.

도 6e는 열 충격 사이클 시험의 전과 후를 기준으로 단자 가스켓과 전극 단자 사이의 간격을 측정한 결과를 나타낸 사진이다.

도 6f는 열 충격 사이클 실험에서 확인된 전해질 누설 문제를 해결하기 위한 전극 단자의 개선 구조를 나타낸 단면도이다.

도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.

도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극 구조를 예시적으로 나타낸 평면도이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전극의 무지부 분절구조를 제1전극 및 제2전극에 적용한 전극 조립체를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.

도 10a는 본 발명의 실시예에 따라 무지부가 절곡된 전극 조립체를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.

도 10b는 본 발명의 실시예에 따라 무지부가 절곡된 전극 조립체의 사시도이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 복수의 원통형 배터리를 버스바를 이용하여 직렬 및 병렬로 연결한 모습을 나타낸 상부 평면도이다.

도 12a는 도 11의 일부를 확대하여 도시한 도면이다.

도 12b 및 도 12c는 본 발명의 실시예에 따라 전극 단자의 직경과 전지 하우징 바닥부의 외부면의 노출폭을 정의하는데 사용되는 파라미터들을 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리들을 포함하는 배터리 팩의 개략적 구성을 나타낸 도면이다.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 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 동일하다는 언급은 '실질적으로 동일'한 것을 의미한다. 따라서 '실질적 동일'은 당업계에서 낮은 수준으로 간주되는 편차, 예를 들어 5% 이내의 편차를 가지는 경우를 포함할 수 있다. 또한, 소정 영역에서 어떠한 파라미터가 균일하다는 것은 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.

본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리는 전지 하우징의 바닥부에 형성된 관통 홀에 설치된 전극 단자를 포함할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(50)의 고정 구조를 나타낸 단면도이고, 도 6a는 도 5의 점선 원으로 표시된 부분의 확대 단면도이다.

도 5 및 도 6a를 참조하면, 전극 단자(50)는, 상부면, 하부면 및 외측면을 포함하는 몸체부(50a)와, 상기 몸체부(50a)의 외측면으로부터 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a)을 따라 연장되는 외부 플랜지부(50b)와, 상기 몸체부(50a)의 외측면으로부터 적어도 일부가 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)과 마주하도록 연장된 내부 플랜지부(50c)를 포함할 수 있다. 몸체부(50a)의 상부면은 평평하여 집전체와 연결될 수 있으며, 내부 플랜지부(50c)보다 위쪽에 위치한다.

본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(50)의 고정 구조는, 원통형의 전지 하우징(51) 구조에 적용될 수 있다. 구체적으로, 전극 단자(50)의 고정 구조는 일측이 개방된 전지 하우징(51)과, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)에 형성된 관통 홀(53)을 통해 고정된 전극 단자(50)와, 전극 단자(50)와 관통 홀(53) 사이에 개재된 단자 가스켓(54)을 포함할 수 있다.

전지 하우징(51)은 원통형의 측벽과 측벽의 단부에 연결되는 바닥부(52)를 포함할 수 있다. 바닥부(52)에는 관통 홀(53)이 형성되어 있으므로, 전지 하우징(51)은 일측이 개방되고 타측은 바닥부(52)에 의해 부분적으로 폐쇄되는 구조를 가진다. 전지 하우징(51)은 원통형 이외에도 다른 형상, 예컨대 단면이 사각형인 각형의 형상을 가질 수 있다.

전지 하우징(51)은 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 전지 하우징(51)은 스틸 재질로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 전지 하우징(51)의 내면과 외면은 Ni 도금층으로 코팅되어 있을 수 있다.

전극 단자(50)는 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 전극 단자(50)는 알루미늄으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 전극 단자(50)는 소성 가공이 용이하고 저항이 낮은 10계열 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다. 소성 가공은 금속에 물리적인 힘을 가하여 소망하는 형상으로 변형시키는 공법으로서, 리벳팅, 콜킹 등을 포함할 수 있다.

단자 가스켓(54)은 절연성 및 탄성이 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 단자 가스켓(54)은 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리플루오르화에틸렌 등으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

바람직하게, 전극 단자(50)는, 관통 홀(53)의 내벽과 접촉하지 않도록 관통홀(53)에 설치된다.

전극 단자(50)는 관통 홀(53)에 삽입된 몸체부(50a)를 포함한다. 몸체부(50a)는 상부면, 하부면 및 이들을 서로 연결하는 외측면을 포함할 수 있다.

전극 단자(50)는 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 외부면(52a)을 통해 노출된 몸체부(50a)의 제1측 둘레로부터 외부면(52a)을 따라 연장된 외부 플랜지부(50b) 및 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 내부면(52b)을 통해 노출된 몸체부(50a)의 제2측 둘레로부터 적어도 일부가 내부면(52b)과 마주하도록 연장된 내부 플랜지부(50c)를 포함할 수 있다.

전극 단자(50)는 내부 플랜지부(50c)의 내측에 평탄부(50d)를 포함할 수 있다. 평탄부(50d)는 용접부의 일 예시이다. 용접부는 다른 부재와 용접되는 부분이다. 평탄부(50d)는 내부 플랜지부(50c)에 의해 둘러싸일 수 있다.

평탄부(50d)는 몸체부(50a)의 상부면에 대응한다. 평탄부(50d)는 적어도 일부 영역에 평탄면을 포함할 수 있다. 평탄부(50d)는 적어도 일부 영역이 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 내부면(52b)은 서로 평행할 수 있다. 여기서, '평행'이라 함은 육안으로 관찰했을 때 실질적으로 평행한 것을 의미한다. 평탄부(50d)는 전극 단자(50)가 소성 가공되기 전에 이미 형성된 면일 수 있다. 즉 평탄부(50d)는 소성 가공에 의해 변형되지 않는 영역일 수 있다.

바람직하게, 전극 단자(50)는 금속으로 이루어지고, 상기 내부 플랜지부(50c)는 상기 몸체부(50a)의 상부 둘레를 소성 가공하여 형성될 수 있다. 소성 가공은 콜킹(caulking)일 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 전극 단자(50)는 내부 플랜지부(50c)에 의해서 관통 홀(53)을 통해 리벳팅된 리벳 단자일 수 있다.

내부 플랜지부(50c)는 전지 하우징(51)의 바닥부(52)로부터 점차 멀어지는 방향으로 연장된다. 내부 플랜지부(50c)가 전지 하우징(51)의 바닥부(52)를 바라보는 면과 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b) 사이의 각도(θ)는 0도 내지 60도 이하일 수 있다.

상기 각도(θ)의 크기는 콜킹 공법으로 전극 단자(50)가 전지 하우징(51)의 관통 홀(53)에 설치될 때 콜킹 강도에 의해 결정된다. 일 예에서, 콜킹 강도가 증가할수록 각도(θ)는 0도까지 감소할 수 있다. 각도(θ)가 60도를 초과하면 단자 가스켓(54)의 실링 효과가 저하될 수 있다.

한편, 외부 플랜지부(50b)는 전지 하우징(51)의 바닥부(52)와 실질적으로 평행하므로 내부 플랜지부(50c)와 외부 플랜지부(50b) 사이의 각도 또한 0도 내지 60도 이하일 수 있다.

다른 측면에 따르면, 내부 플랜지부(50c)와 평탄부(50d) 사이에 리세스부(55)가 구비될 수 있다. 리세스부(55)는 몸체부(50a)의 중심축 방향으로 함몰된 홈이다. 홈은 몸체부(50a)의 중심축 방향에서 바라봤을 때, 폐루프 형상을 가질 수 있다. 리세스부(55)는 비대칭 단면을 가질 수 있다. 일 예에서, 비대칭 단면은 대략 V자형 또는 U자형일 수 있다. 비대칭 단면은 평탄부(50d)의 측벽(55a)과 상기 측벽(55a)의 단부와 연결되고 내부 플랜지부(50c)의 상부면에 의해 형성되는 경사면(55b)을 포함할 수 있다. 상기 측벽(55a)을 통해 노출된 몸체부(50a)의 외측면은 제1면, 그리고 상기 경사면(55b)은 제2면으로 명명될 수 있다. 제1면과 제2면은 서로 비대칭이다. 상기 측벽(55a)은 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 내부면(52b)과 실질적으로 수직일 수 있다. '수직'이라 함은 육안상으로 관찰했을 때 실질적으로 수직인 경우를 의미한다. 후술하겠지만, 상기 측벽(55a)은 상기 평탄부(50d)를 향해 경사져 있을 수 있다. 리세스부(55)는 콜킹 공법으로 전극 단자(50)가 전지 하우징(51)의 관통 홀(53)에 설치될 때 콜킹 지그의 형상에 의해 만들어진 것이다.

바람직하게, 내부 플랜지부(50c)의 두께는 전극 단자(50)의 몸체부(50a)로부터 멀어질수록 감소할 수 있다.

다른 측면에 따르면, 단자 가스켓(54)은, 외부 플랜지부(50b)와 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a)이 위치한 제1평면(P1) 사이에 개재된 외부 가스켓(54a)과, 내부 플랜지부(50c)와 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)이 위치한 제2평면(P2) 사이에 개재된 내부 가스켓(54b)과, 상기 몸체부(50a)와 상기 관통홀(53) 사이에 개재되고, 외부 가스켓(54a)과 내부 가스켓(54b)을 연결하는 중간 가스켓(54c)을 포함할 수 있다.

외부 가스켓(54a) 및/또는 내부 가스켓(54b) 및/또는 중간 가스켓(54c)은 두께가 위치에 따라 다를 수 있다.

바람직하게, 중간 가스켓(54c)은 위치에 따라 두께가 변할 수 있고, 단자 가스켓(54)은 중간 가스켓(54c)에서 최소 두께를 가질 수 있다.

일 측면에서, 중간 가스켓(54c)의 제1평면(P1)과 인접한 영역은 제1평면(P1)과 가까워질수록 두께가 증가할 수 있다. 유사하게, 중간 가스켓(54c)의 제2평면(P2)과 인접한 영역은 제2평면(P2)과 가까워질수록 두께가 증가할 수 있다. 또한, 제1평면(P1)과 제2평면(P2) 사이에 위치한 중간 가스켓(54c)의 중앙 영역은 두께가 균일할 수 있다.

바람직하게, 중간 가스켓(54c)의 영역 중 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)과 연결된 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 내부 플랜지부(50c) 사이에 개재된 영역의 두께가 상대적으로 작을 수 있다. 바람직하게, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 내부 플랜지부(50c) 사이에 개재된 중간 가스켓(54c) 영역에서 최소 두께 지점이 존재할 수 있다. 또한, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)는 내부 플랜지부(50c)와 마주보는 대향면(57)을 포함할 수 있다.

한편, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)과 수직을 이루는 관통 홀(53) 내벽의 상단과 하단은 전극 단자(50)를 향해 테이퍼진 표면을 형성하도록 모따기(corner cutting) 되어 있다. 하지만, 관통 홀(53) 내벽의 상단 및/또는 하단은 곡률을 가진 부드러운 곡면으로 변형될 수 있다. 이 경우, 관통 홀(53) 내벽의 상단 및/또는 하단 근처에서 가스켓(54)에 가해지는 스트레스를 보다 완화할 수 있다.

바람직하게, 내부 가스켓(54b)은 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)과 0도 내지 60도의 각도(θ)를 이루며 내부 플랜지부(50c)보다 길게 연장될 수 있다.

또 다른 측면에서, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)을 기준으로 평탄부(50d)의 높이(H1)가 내부 가스켓(54b)의 단부 높이(H2)보다 같거나 클 수 있다. 또한, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)을 기준으로 평탄부(50d)의 높이(H1)가 내부 플랜지부(50c)의 단부 높이(H3)보다 같거나 클 수 있다. 여기서, 높이 H2는 내부면(52b)을 기준으로 측정한 내부 가스켓(54b) 단부의 최대 높이이다. 또한, 높이 H3은 내부면(52b)을 기준으로 측정한 내부 플랜지부(50c)의 상부면의 최대 높이이다.

높이 파라미터인 H1, H2 및 H3가 상기 조건을 충족하면, 내부 플랜지부(50c)와 내부 가스켓(54b)이 다른 부품과 간섭을 일으키는 것을 방지할 수 있다.

바람직하게, 내부 플랜지부(50c)의 높이(H3)는 0.5mm 내지 3.0mm일 수 있다. 내부 플랜지부(50c)의 높이(H3)가 0.5mm 미만이면, 충분한 실링성이 확보되지 않는다. 또한, 내부 플랜지부(50c)의 높이(H3)가 3mm를 초과하면, 전극 조립체에 의해 점유될 수 있는 전지 하우징(51)의 내부 공간이 감소한다.

바람직하게, 전극 단자(50)의 높이(H4)는 1.5mm 내지 7mm일 수 있다. 전극 단자(50)의 높이(H4)는 외부 플랜지부(50b)의 하부면으로부터 평탄부(50d)까지 이르는 거리에 해당한다. 전극 단자(50)의 높이(H4)가 1.5mm 미만이면, 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 두께로 인해 내부 플랜지부(50c)의 높이를 실링성을 확보할 수 있을 정도로 증가시키기 어렵다. 참고로, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 두께는 대략 0.5mm 내지 1mm이다. 또한, 전극 단자(50)의 높이(H4)가 7mm를 초과하면, 전극 조립체에 의해 점유될 수 있는 전지 하우징(51)의 내부 공간이 감소하고 배터리의 높이가 증가되면서 단위 부피당 에너지 밀도가 그 만큼 낮아진다. H3 및 H4가 상기 수치범위를 충족하면, 전지 하우징(51) 내부의 공간을 줄이지 않으면서 전극 단자(50)의 실링성을 충분히 확보할 수 있다.

다른 측면에서, 전지 하우징(51)의 바닥부(54)의 외부면(52a)를 기준으로 외부 플랜지부(50b)의 높이(H5)는 0.8mm 이상일 수 있다. 외부 플랜지부(50b)의 높이(H5)가 0.8mm 보다 작으면, 전극 단자(50)가 리벳팅될 때 외부 플랜지부(50b)가 변형될 수 있다. 외부 가스켓(54a)의 두께는 절연성과 실링성을 감안하여 0.3mm 이상의 두께를 가진다. 이러한 외부 가스켓(54a)의 두께를 고려했을 때, 외부 플랜지부(50b)의 높이가 0.8mm 보다 작으면, 외부 플랜지부(50b)의 두께가 기계적 강성을 충분히 확보하기 어려운 수준으로 얇아진다. 특히, 전극 단자(50)가 알루미늄으로 이루어진 경우 더욱 그러하다. 한편, 외부 플랜지부(50b)의 높이는 배터리 상부의 공간 마진을 고려하여 적절하게 설정할 수 있다. 일 예에서, 외부 플랜지부(50b)의 높이는 2mm 이하, 또는 3mm 이하, 또는 4mm 이하, 또는 5mm 이하로 설정될 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

또 다른 측면에서, 외부 가스켓(54a)은 전극 단자(50)의 외부 플랜지부(50b)의 외측으로 적어도 일부가 노출될 수 있다. 외부 가스켓(54a)의 노출 목적은 전극 단자(50)와 반대의 극성을 가지는 외부면(52a)과 전극 단자(50)를 서로 절연시키기 위해서이다. 전극 단자(50)와 외부면(52a)의 전기적 절연을 위해 외부 가스켓(54a)의 노출 폭(G)은 0.1mm 내지 1mm일 수 있다. 노출 폭(G)이 0.1mm 보다 작으면, 300A 이상의 고율(high c-rate) 충방전이 이루어질 때 평면상에서 전극 단자(50)와 외부면(42a)의 전기적 절연이 파괴될 수 있다. 또한, 노출 폭(G)이 1mm 보다 크면, 전기적 절연 효과가 더 증대되지 않고 오히려 음극 영역으로 사용되는 외부면(52a)의 면적이 줄어듦으로써 전기적 연결에 사용되는 부품(e.g., 버스바)의 접촉 면적이 감소한다.

또 다른 측면에서, 전극 단자(50)의 평탄부(50d) 직경은 집전체와 평탄부(50d) 사이의 용접 강도를 고려하여 결정될 수 있다. 평탄부(50d)와 집전체 사이의 용접부 인장력은 적어도 2kgf 이상, 또는 5kgf 이상, 또는 6kgf 이상, 또는 7kgf 이상, 또는 8kgf 이상, 또는 9kgf 이상, 또는 10kgf 이상일 수 있다. 용접부 인장력은 용접 방법을 최선으로 선택하여 허용되는 범위에서 최대한 증가시키는 것이 바람직하다.

도 6c를 참조하면, 용접부의 인장력 조건의 충족을 위해 평탄부(50d)에 형성되는 용접 패턴(Wp)의 직경은 최소 2mm 일 수 있다. 용접 패턴(Wp)의 직경은 용접 부위의 표면에 나타난 용접 패턴(Wp)의 면적(S)을 원의 면적(πr²)으로 변환했을 때 해당 원의 환산 지름(2*(S/π)^0.5)으로 정의될 수 있다. 용접 패턴(Wp)은 연속적 또는 불연속적일 수 있다. 용접 패턴(Wp)은 원이 아닐 수 있다. 용접 패턴(Wp)이 원이 아닐 때, 평탄부(50d)의 중심으로부터 용접 패턴(Wp)의 가장자리에 이르는 거리의 최대값으로부터 환산 지름(최대값*2)을 결정할 수 있다.

전극 단자(50)의 평탄부(50d)는 용접이 가능한 영역을 포함한다. 용접 가능 영역의 직경은 3mm 내지 14mm일 수 있다. 용접 가능 영역의 직경이 3mm 보다 작으면, 직경이 2mm 이상인 용접 패턴을 확보하기 어렵다. 특히, 레이저 용접을 이용하여 용접 패턴을 형성할 경우, 레이저 빔의 간섭 때문에 직경이 2mm 이상인 용접 패턴을 확보하기 어렵다. 용접 가능 영역의 직경이 14mm를 초과하면, 전극 단자(50)의 외부 플랜지부(50b)의 직경이 지나치게 커져서 음극 영역으로 사용될 전지 하우징 바닥부(52)의 외부면(52a) 면적을 충분하게 확보하기 어렵다.

상기한 용접 패턴의 직경 조건과 용접 가능 영역의 직경 조건을 고려할 때, 적어도 2kgf 이상의 용접부 인장력을 확보하기 위해 필요한 용접 가능 영역의 면적 대비 용접 패턴의 면적 비율은 2.04%(π1²/π7²) 내지 44.4%(ð1²/π1.5²)인 것이 바람직하다.

다른 측면에서, 몸체부(50a)의 중심으로부터 외부 플랜지부(50b)의 가장자리까지의 반경(R1)은 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 반경(R2)을 기준으로 10 내지 70%일 수 있다.

R1이 작아지면 전극 단자(50)의 전기적 연결에 사용되는 부품(버스바)을 용접할 때 용접 공간이 부족해진다. 또한, R1이 커지면 전극 단자(50)를 제외한 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 외부면(52a)에 전기적 연결을 위한 부품(버스바)을 용접할 때 용접 공간이 감소한다.

비율 R1/R2를 10 내지 70% 사이에서 조절하면 전극 단자(50) 및 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a)에 대한 용접 공간을 적절하게 확보할 수 있다.

또한, 전극 단자(50)의 몸체부(50a)의 중심으로부터 평탄부(50d)의 가장자리까지의 반경(R3)은 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 반경(R2)을 기준으로 4 내지 30%일 수 있다.

R3이 작아지면 전극 단자(50)의 평탄부(50d)에 집전체를 용접할 때 용접 공간이 부족해지고, 전극 단자(50)의 용접 면적이 감소하여 컨택 저항이 증가할 수 있다. 또한, R3은 R1보다는 작아야 하고 R3이 커지면 내부 플랜지부(50c)의 두께가 얇아져서 내부 플랜지부(50c)가 단자 가스켓(54)을 압착하는 힘이 약해져 단자 가스켓(54)의 실링 능력이 저하될 수 있다.

R3/R2를 4 내지 30% 사이에서 조절하면 전극 단자(50)의 평탄부(50d)와 집전체의 용접 면적을 충분히 확보함으로써 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있을 뿐만 아니라 용접 영역의 컨택 저항을 감소시킬 수 있고 단자 가스켓(54)의 실링 능력 저하를 방지할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 전극 단자(50)의 고정 구조는 상하 운동을 하는 콜킹 지그를 이용하여 형성할 수 있다. 먼저, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)에 형성된 관통 홀(53)에 단자 가스켓(54)을 개재시켜 전극 단자(50)의 프리폼(미도시)을 삽입한다. 프리폼은 콜킹 공정이 진행되기 전의 전극 단자를 지칭한다.

다음으로, 콜킹 지그를 전지 하우징(51)의 내측 공간으로 삽입한다. 콜킹 지그는 프리폼을 가압 포밍하여 전극 단자(50)를 형성하기 위해 프리폼과 대향하는 면에 전극 단자(50)의 최종 형상에 대응되는 홈과 돌기를 가진다.

다음으로, 콜킹 지그를 하부로 이동시켜 프리폼의 상부를 가압 포밍하여 프리폼을 전지 하우징(51)의 관통 홀(53)에 리벳팅된 전극 단자(50)로 변형시킨다. 콜킹 지그의 압입 깊이는 평탄부(50d)에 의해 규제될 수 있다. 평탄부(50d)는 몸체부(50a)에 미리 형성되어 있던 것으로서, 콜킹 지그는 평탄부(50d)가 인입되는 그루브를 가진다. 따라서, 프리폼이 가압 포밍되는 동안, 평탄부(50d)가 그루브의 바닥에 접촉되면 가압 포밍이 중단된다. 이에 따라 양산 과정에서도 소성 변형을 통해 형성되는 내부 플랜지부(50c)와 리세스부(55)의 형상을 균일하게 만들 수 있다. 또한, 평탄부(50d)는 프리폼이 콜킹 지그에 의해 가압되는 동안 변형되지 않거나 거의 변형되지 않는다. 따라서 평탄부(50d) 역시 양산 과정에서 균일한 형상을 유지할 수 있다. 이는 후술할 평탄부(50d)와 집전체의 용접 가공을 더욱 용이하게 하고, 이에 따라 제조 편차를 현저히 줄일 수 있다.

콜킹 지그에 의해 프리폼이 가압되면서 형상이 변형되는 동안, 외부 플랜지부(50b)와 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a) 사이에 개재된 외부 가스켓(54a)이 탄성적으로 압축되면서 그 두께가 감소한다. 또한, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 프리폼 사이에 개재된 중간 가스켓(54c) 부위가 내부 플랜지부(50c)에 의해 탄성적으로 압축되면서 다른 영역보다 두께가 더욱 감소한다. 특히, 중간 가스켓(54c)의 두께가 집중적으로 감소되는 영역은 도 6a의 점선원으로 표시된 부분이다. 이에 따라, 리벳팅된 전극 단자(50)와 전지 하우징(51) 사이의 실링성 및 밀폐성이 현저하게 향상된다.

바람직하게, 단자 가스켓(54)은 프리폼이 콜킹이라는 소성 공정을 통해 리벳팅되는 과정에서 물리적으로 손상되지 않으면서 소망하는 실링 강도를 확보할 수 있도록 충분히 압축되는 것이 바람직하다.

바람직하게, 단자 가스켓(54)의 압축율은 30% 내지 90%일 수 있다. 최소 압축율은 전극 단자(50)의 실링성(밀봉성)을 보장하기 위한 최소 수준의 압축율에 해당한다. 최대 압축율은 단자 가스켓(54)을 물리적으로 손상시키지 않으면서 달성할 수 있는 최대 수준의 압축율에 해당한다.

일 예에서, 단자 가스켓(54)이 폴리부틸렌테레프탈레이드로 이루어진 경우, 단자 가스켓(54)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 50% 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 압축율은 단자 가스켓(54)의 압축 전 두께 대비 최대 압축 지점의 두께 변화량에 대한 비율로서 정의될 수 있다. 내부 가스켓(54b)과 중간 가스켓(54c)의 압축 전 두께는 균일할 수 있고, 내측 엣지(56) 부분의 근처에 최대 압축 지점이 존재할 수 있다. 바람직하게, 압축율은 내부 가스켓(54b)과 중간 가스켓(54c)의 균일 두께를 기준으로 산출할 수 있다.

다른 예에서, 단자 가스켓(54)이 폴리플루오르에틸렌으로 이루어진 경우, 단자 가스켓(54)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 60% 이상인 것이 바람직하다. 바람직하게, 압축율은 내부 가스켓(54b)과 중간 가스켓(54c)의 균일 두께를 기준으로 산출할 수 있다.

또 다른 예에서, 단자 가스켓(54)이 폴리프로필렌으로 이루어진 경우, 단자 가스켓(54)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 60% 이상인 것이 바람직하다. 바람직하게, 압축율은 내부 가스켓(54b)과 중간 가스켓(54c)의 균일 두께를 기준으로 산출할 수 있다.

바람직하게, 콜킹 지그의 상하 이동을 적어도 2회 이상 실시하여 프리폼 상부의 가압 포밍을 단계적으로 진행할 수 있다. 즉, 프리폼을 단계적으로 가압 포밍하여 여러 번에 걸쳐 변형할 수 있다. 이 때, 콜킹 지그에 가해지는 압력을 단계적으로 증가시킬 수 있다. 이렇게 하면, 프리폼에 가해지는 응력을 여러 번으로 분산시킴으로써 콜킹 공정이 진행되는 동안 단자 가스켓(54)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 프리폼 사이에 개재된 중간 가스켓(54c) 부위가 내부 플랜지부(50c)에 의해 집중적으로 압축될 때 가스켓의 손상이 최소화된다.

콜킹 지그를 이용한 프리폼의 가압 포밍이 완료된 후, 콜킹 지그를 전지 하우징(51)으로부터 분리시키면, 도 6a에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(50)의 고정 구조를 얻을 수 있다.

상술한 실시예에 따르면, 콜킹 지그는 전지 하우징(51)의 내부에서 상하 운동을 통해 프리폼의 상부를 가압 포밍한다. 경우에 따라, 프리폼의 가압 포밍을 위해 종래 기술에서 사용되는 로타리(rotary) 회전 지그가 사용될 수 있다.

다만, 로타리 회전 지그는 전지 하우징(51)의 중심 축을 기준으로 소정 각도로 기울어진 상태에서 회전 운동을 한다. 따라서, 회전 반경이 큰 로타리 회전 지그는 전지 하우징(51)의 내벽과 간섭을 일으킬 수 있다. 또한, 전지 하우징(51)의 깊이가 큰 경우 로타리 회전 지그의 길이도 그만큼 길어진다. 이 경우, 로타리 회전 지그 단부의 회전반경이 커지면서 프리폼의 가압 포밍이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 콜킹 지그를 이용한 가압 포밍이 로타리 회전 지그를 이용한 방식보다 더욱 효과적이다.

한편, 전극 단자(50)의 구조는 프리폼 및/또는 콜킹 지그 및/또는 단자 가스켓(54)의 디자인과 콜킹 공정 시 프리폼에 가해지는 압력의 크기에 따라 다양한 구조를 가질 수 있다.

도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 단자(50')의 구조를 도시한 부분 확대 단면도이다.

도 6b를 참조하면, 다른 실시예에 따른 전극 단자(50')는 내부 플랜지부(50c)가 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)을 향해 리벳팅된 구조를 가진다.

내부 플랜지부(50c)는 전지 하우징(51)의 바닥부(52)로부터 점차 멀어지는 방향으로 연장된 제1구간(50c1)과, 상기 제1구간(50c1)과 연결되고 전지 하우징(51)의 바닥부(52)를 향해 연장된 제2구간(50c2)을 포함한다.

제2구간(50c2)이 전지 하우징(51)의 바닥부(52)를 바라보는 면과 바닥부(52)의 내부면(52b) 사이의 각도(δ)는 0도 내지 30 이하일 수 있다.

바람직하게, 상기 각도(δ)는 단자 가스켓(54)의 실링성을 최대로 증가시키기 위해 실질적으로 0에 가까울 수 있다. 제2구간(50c2)는 내부 가스켓(54b)을 강하게 압착하므로 단자 가스켓(54)의 밀봉성을 증가시킬 수 있다. 이러한 효과는 상기 각도(δ)가 0에 가까울수록 더 증대된다.

내부 플랜지부(53c)의 높이(H3)는 내부 가스켓(54b)의 높이(H2)보다 크다. 또한, 관통 홀(53)의 내측 엣지는 소정의 곡률을 가진 원호 형상을 갖는다. 또한, 평탄부(50d)의 가장자리 부분의 측벽(55a)은 평탄부(50d)를 향하여 경사진 구조를 가진다.

단자 가스켓(54)은 외부 플랜지부(50b)와 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a)이 위치한 제1평면(P1) 사이에 개재된 외부 가스켓(54a); 내부 플랜지부(50c)와 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)이 위치한 제2평면(P2) 사이에 개재된 내부 가스켓(54b); 및 몸체부(50a)와 관통 홀(53) 사이에 개재되고 외부 가스켓(54a)과 내부 가스켓(54b)을 연결하는 중간 가스켓(54c)을 포함할 수 있다.

바람직하게, 중간 가스켓(54c)의 두께는 외부 가스켓(54a)으로부터 멀어지는 방향으로 가면서 점진적으로 감소한다. 또한, 내부 가스켓(54b)는 내부 플랜지부(54b)의 단부 근처에서 최소 두께까지 감소하였다가 최상부 말단으로 가면서 두께가 살짝(slightly) 증가할 수 있다. 이러한 내부 가스켓(54b)의 압축 구조는 전극 단자(50')의 실링성을 더욱 향상시킬 수 있다. 내부 가스켓(54b)의 압축율은 내부 플랜지부(50c) 단부 근처의 최소 두께 지점에서 계산될 수 있다.

한편, 본 발명자의 실험에 따르면, 전극 단자(50, 50')가 적용된 원통형 배터리에 대해 열 충격 사이클 실험을 반복했을 때 단자 가스켓(54)과 전극 단자(50, 50') 사이에 갭(Gap)이 발생하여 전해질이 외부로 누설되는 현상을 확인하였다.

열 충격 사이클 시험은, 원통형 배터리의 충전상태를 50% 상태로 조절한 후 -30도부터 60도 사이의 온도에 원통형 배터리를 노출시키는 과정을 반복하는 실험이다.

각각의 열 충격 사이클에서, 최저온도 유지 시간은 60분이고, 최대 온도 유지 시간 또한 60분이다. 또한, 최저 온도에서 최고 온도까지 온도를 변화시키는 속도 또는 최고 온도에서 최저 온도까지 온도를 변화시키는 속도는 1분당 2.5도 이하로 설정하였다. 원통형 배터리에 대한 열 충격 사이클은 총 200 회 반복하였다.

도 6d는 열 충격 사이클 시험을 수행한 이후에 전극 단자(50, 50')가 노출된 원통형 배터리의 표면을 촬영한 사진이다. 원통형 배터리의 표면에서 얼룩이 관찰되었다. 해당 얼룩은 전해질의 누설을 뒷받침한다. 얼룩의 성분을 분석한 결과 전해질 성분이 확인되었다.

도 6e는 열 충격 사이클 시험의 전과 후를 기준으로 단자 가스켓(54)과 전극 단자(50, 50') 사이의 간격을 측정한 결과를 나타낸 사진이다.

도 6e의 (a)는 열 충격 사이클 시험을 진행하기 전에 촬영한 전극 단자(50, 50')와 단자 가스켓(54)의 단면 사진이다. 전극 단자(50, 50')가 설치된 관통 홀의 코너와 전극 단자(50, 50') 사이의 간격은 0.25mm 내지 0.35mm로 측정되었다.

도 6e의 (b)는 열 충격 사이클 시험을 진행한 이후에 총 4 곳의 지점에서 촬영한 전극 단자(50, 50')와 단자 가스켓(54)의 단면 사진이다. 전극 단자(50, 50')가 설치된 관통 홀의 코너와 전극 단자(50, 50') 사이의 간격이 0.264mm 내지 0.409mm로 증가하였고, 전지 하우징과 단자 가스켓(54)의 계면에는 갭도 확인된다.

위와 같은, 간격의 증가와 갭의 존재는 전해질 누설의 원인으로 분석되었다. 열 충격 사이클 실험을 진행한 이후에 원통형 배터리의 무게가 감소되었다. 원통형 배터리의 무게 감소로부터 추정되는 전해질의 유출량은 대략 180mg 내지 270mg 정도이다.

도 6f는 열 충격 사이클 실험에서 확인된 전해질 누설 문제를 해결하기 위한 전극 단자(50, 50')의 개선 구조를 나타낸 단면도이다.

전극 단자의 개선 구조는 도 6a에 도시된 실시예에도 적용될 수 있다.

전극 단자(50, 50')와 단자 가스켓(54) 사이에는 제1핫멜트층(HM₁)이 개재될 수 있다.

전지 하우징과 단자 가스켓(54) 사이에는 제2핫멜트층(HM₂)이 개재될 수 있다.

제1핫멜트층(HM₁)과 제2핫멜트층(HM₂)은 어느 한 쪽을 형성하지 않아도 무방하다.

상기 핫멜트층은 수 um 내지 수백 um의 두께를 가질 수 있다.

상기 제1핫멜트층(HM₁)은 내부 플랜지부(50c)와 내부 가스켓(54b) 사이의 계면에 개재되고 적어도 일부가 노출될 수 있다.

상기 제1핫멜트층(HM₁)은 외부 플랜지부(50b)와 외부 가스켓(54a) 사이에 개재되고 적어도 일부가 노출될 수 있다.

상기 제2핫멜트층(HM₂)은 외부 가스켓(54a)와 제1평면(P1) 사이의 계면에 개재되고 적어도 일부가 노출될 수 있다.

상기 제2핫멜트층(HM₂)은 내부 가스켓(54b)과 제2평면(P2) 사이의 계면에 개재되고 적어도 일부가 노출될 수 있다.

제1 및 제2핫멜트층(HM₁, HM₂)은 핫멜트 필름이나 핫멜트 코팅액을 이용하여 형성할 수 있다. 핫멜트 필름은 제1핫멜트층(HM₁) 및/또는 제2핫멜트층(HM₂)이 개재되는 2개의 부재 중 적어도 어느 하나의 부재 표면에 국소적으로 부착될 수 있다.핫멜트 코팅액은 제1핫멜트층(HM₁) 및/또는 제2핫멜트층(HM₂)이 개재되는 2개의 부재 중 적어도 어느 하나의 부재 표면에 국소적으로 분사될 수 있다. 분사된 핫멜트 코팅액은 표면에서 핫멜트 코팅층을 형성한다.

일 예에서, 핫멜트 필름은 단자 가스켓(54)의 표면 중 전극 단자(50)와 대향하는 표면 및/또는 전지 하우징(51)과 대향하는 표면에 국소적으로 부착될 수 있다.

다른 예에서, 핫멜트 코팅액은 단자 가스켓(54)의 표면 중 전극 단자(50, 50')와 대향하는 표면 및/또는 전지 하우징(51)과 대향하는 표면에 국소적으로 분사될 수 있다.

또 다른 예에서, 핫멜트 필름은 단자 가스켓(54)과 대향하는 전극 단자(50, 50')의 표면에 부착될 수 있다. 또는, 핫멜트 코팅액은 단자 가스켓(54)과 대향하는 전극 단자(50, 50')의 표면에 분사될 수 있다.

또 다른 예에서, 핫멜트 필름은 단자 가스켓(54)과 대향하는 전지 하우징(51)의 표면에 부착될 수 있다. 또는, 핫멜트 코팅액은 단자 가스켓(54)과 대향하는 전지 하우징(51)의 표면에 분사될 수 있다.

제1 및 제2핫멜트층(HM₁, HM₂)은 핫멜트 필름 또는 핫멜트 코팅층이 가열됨으로써 형성될 수 있다. 핫멜트 필름 또는 핫멜트 코팅층은 가열을 통해 경화될 수 있다.

제1 및 제2핫멜트층(HM₁, HM₂)은 당업계에 알려진 공지의 핫멜트 소재로 형성할 수 있다. 핫멜트 소재는, 예컨대 실리콘계, 에폭시계, 아크릴계, 우레탄계 등의 소재라면 제한없이 사용할 수 있다.

제1 및 제2핫멜트층(HM₁, HM₂)은 단자 가스켓(54)과 전극 단자(50, 50') 사이의 계면, 그리고 단자 가스켓(54)과 전지 하우징 사이의 계면에 존재하는 미세한 요철을 채움으로써 단자 가스켓(54)의 실링 특성을 개선할 수 있고, 특히 단자 가스켓(54)의 들뜸(계면 박리)을 방지할 수 있다.

이로써, 원통형 배터리가 저온 또는 고온 환경에서 반복적으로 충방전되더라도 전해질이 누설되는 현상을 방지할 수 있다.

바람직하게, 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 전극 단자(50,50')의 고정 구조는 폼 팩터가 2170 보다 큰 원통형 배터리에 적용될 수 있다.

최근 원통형 배터리가 전기 자동차에 적용됨에 따라 원통형 배터리의 폼 팩터가 종래의 1865, 2170 등보다 증가하고 있다. 폼 팩터의 증가는 에너지 밀도의 증가, 열 폭주에 대한 안전성 증대, 그리고 냉각 효율의 향상을 가져온다.

또한, 이후에 설명하겠지만, 전극 단자(50,50')의 고정 구조가 적용된 원통형 배터리는 한 쪽 방향에서 전기적 배선을 수행할 수 있다. 또한, 전극 단자(50,50')는 단면적이 커서 저항이 낮으므로 급속 충전에 매우 적합하다.

바람직하게, 본 발명의 전극 단자(50,50') 구조가 적용되는 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. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리의 폼 팩터는, 예를 들어 4611, 4875, 48110, 4880, 4680일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 배터리의 직경을 나타내고, 나머지 숫자는 배터리의 높이를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리는, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리일 수 있다.

다른 실시예에 따른 배터리는, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 배터리일 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 배터리는, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.436인 원통형 배터리일 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 배터리는, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 배터리일 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 배터리는, 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, 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.

도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(70)을 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.

도 7a를 참조하면, 실시예에 따른 원통형 배터리(70)은 쉬트 형상의 제1전극 및 제2전극이 분리막이 개재된 상태로 권취되고, 하부에는 제1전극의 제1부분으로서 제1전극의 무지부(72)가 노출되고 상부에는 제2전극의 제2부분으로서 제2전극의 무지부(73)가 노출되어 있는 젤리롤 타입의 전극 조립체(71)를 포함한다.

여기서, 제1부분과 제2부분은 무지부가 아닌 전극의 다른 부분일 수 있다. 다른 부분은 전극의 무지부에 전기적으로 결합된 금속 탭일 수 있다. 또한, 전극 조립체(71)는 젤리롤 형상 이외에 다른 형상을 가지는 것을 배제하지 않는다. 또한 배터리는 원통형뿐만 아니라 각형 등의 다른 형상을 가질 수 있음은 자명하다.

실시예에서, 제1전극은 음극이고 제2전극은 양극일 수 있다. 물론, 그 반대의 경우도 가능하다.

전극 조립체(71)의 권취 방법은 도 2를 참조하여 설명한 종래 기술에 따른 탭-리스 원통형 배터리의 제조 시 사용되는 전극 조립체의 권취 방법과 실질적으로 동일하다.

전극 조립체(71)를 도시함에 있어서는 분리막 외측으로 노출되어 연장된 무지부(72, 73)만을 상세히 도시하고 제1전극, 제2전극 및 분리막의 권취 구조에 대한 도시는 생략하였다.

원통형 배터리(70)은 또한 전극 조립체(71)를 수납하며 제1전극의 무지부(72)와 전기적으로 연결된 원통형의 전지 하우징(51)을 포함한다.

바람직하게, 전지 하우징(51)의 일 측(하부)은 개방되어 있다. 또한, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)는 전극 단자(50)가 소성(예컨대, 콜킹) 공정을 통해 관통 홀(53)에 리벳팅된 구조를 가진다.

구체적으로, 전극 단자(50)는 관통 홀(53)에 삽입된 몸체부(50a)와, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a)을 통해 노출된 몸체부(50a)의 제1측 둘레로부터 외부면(52a)을 따라 연장된 외부 플랜지부(50b)와, 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 내부면(52b)을 통해 노출된 몸체부(50a)의 제2측 둘레로부터 내부면(52b)을 향해 연장된 내부 플랜지부(50c)와, 선택적으로, 내부 플랜지부(50c)의 내측에 구비되고 내부 플랜지부(50c)에 의해 둘러싸인 평탄부(50d)를 포함할 수 있다.

전극 단자(50)는 도 6b에 도시된 전극 단자(50') 구조로 대체될 수 있다.

원통형 배터리(70)은 또한 전극 단자(50)와 관통 홀(53) 사이에 개재된 단자 가스켓(54)을 포함할 수 있다.

원통형 배터리(70)은 또한 전지 하우징(51)으로부터 절연 가능하도록 전지 하우징(51)의 개방 단부를 밀봉하는 밀봉체(74)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 밀봉체(74)는 극성이 없고 플레이트 형상을 가진 캡(74a) 및 캡(74a)의 가장자리와 전지 하우징(51)의 개방단부 사이에 개재된 밀봉 가스켓(74b)을 포함할 수 있다.

캡(74a)는 알루미늄, 스틸, 니켈 등의 도전성 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 밀봉 가스켓(74b)은 절연성 및 탄성이 있는 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리플루오르화에틸렌 등으로 이루어질 수 있다. 하지만, 본 발명이 캡(74a)와 밀봉 가스켓(74b)의 소재에 의해 한정되는 것은 아니다.

캡(74a)는 전지 하우징(51) 내부의 압력이 임계치를 초과했을 때 파열되는 벤트 노치(77)를 포함할 수 있다. 벤트 노치(77)는 캡(74a)의 양면에 형성될 수 있다. 벤트 노치(77)는 캡(74a)의 표면에서 연속적 또는 불연속적인 원형 패턴, 직선 패턴 또는 그 밖의 다른 패턴을 형성할 수 있다. 벤트 노치(77)의 깊이와 폭 등은 전지 하우징(51) 내부의 압력이 15kgf/cm² 내지 35kgf/cm²의 범위에 있을 때 파열될 수 있도록 설정될 수 있다.

전지 하우징(51)은, 밀봉체(74)를 고정하기 위해, 전지 하우징(51)의 내측으로 연장 및 절곡되어 밀봉 가스켓(74b)과 함께 캡(74a)의 가장자리를 감싸서 고정하는 클림핑부(75)를 포함할 수 있다.

바람직하게, 캡(74a)의 하부면은 클림핑부(75)의 하단보다 상부에 위치할 수 있다. 그러면, 캡(74a)의 하부에 벤트 공간이 형성되어 벤트 노치(77)가 파열되었을 때 가스 배출이 원활하게 이루어질 수 있다.

전지 하우징(51)은 또한 개방 단부에 인접한 영역에 전지 하우징(51)의 내측으로 압입된 비딩부(76)를 포함할 수 있다. 비딩부(76)는 밀봉체(74)가 클림핑부(75)에 의해 고정될 때, 밀봉체(74)의 가장자리, 특히 밀봉 가스켓(74b)의 외주 표면을 지지한다.

원통형 배터리(70)은 또한 제1전극의 무지부(72)와 용접되는 제1집전체(78)를 더 포함할 수 있다. 제1집전체(78)는 알루미늄, 스틸, 니켈 등의 도전성 금속 재질로 이루어진다. 바람직하게, 제1집전체(78)는 제1전극의 무지부(72)와 접촉하지 않는 가장자리의 적어도 일부(78a)가 비딩부(76)와 밀봉 가스켓(74b) 사이에 개재되어 클림핑부(75)에 의해 고정될 수 있다. 선택적으로, 제1집전체(78)의 가장자리의 적어도 일부(78a)는 클림핑부(75)와 인접한 비딩부(76)의 내주면(76a)에 용접을 통해 고정될 수 있다.

원통형 배터리(70)은 또한 제2전극의 무지부(73)와 용접되는 제2집전체(79)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 제2집전체(79)의 적어도 일부, 예컨대 중앙부(79a)는 전극 단자(50)의 평탄부(50d)와 용접될 수 있다.

바람직하게, 제2집전체(79)가 용접될 때 용접 도구는 전극 조립체(71)의 코어에 존재하는 공동(80)을 통해 삽입되어 제2집전체(79)의 용접 지점까지 도달될 수 있다. 또한, 제2집전체(79)가 전극 단자(50)의 평탄부(50d)에 용접될 때 전극 단자(50)가 제2집전체(79)의 용접 영역을 지지하므로 용접 영역에 강한 압력을 인가하여 용접 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 전극 단자(50)의 평탄부(50d)는 면적이 넓으므로 용접 영역 또한 넓게 확보할 수 있다. 이로써, 용접 영역의 접촉 저항을 낮춤으로써 원통형 배터리(70)의 내부 저항을 낮출 수 있다. 리벳팅된 전극 단자(50)와 제2집전체(79)의 면대면 용접 구조는 하이 씨레이트(c-rate) 전류를 이용한 급속 충전에 매우 유용하다. 전류가 흐르는 방향의 단면에서 단위 면적당 전류 밀도를 낮출 수 있으므로 전류 패스에서 발생되는 발열량을 종래보다 낮출 수 있기 때문이다.

전극 단자(50)의 평탄부(50d)와 제2집전체(79)의 용접 시에는 레이저 용접, 초음파 용접, 스폿 용접 및 저항 용접 중 어느 하나를 사용할 수 있다.

일 예에서, 평탄부(50d)와 제2집전체(79)가 레이저로 용접되고 원호 패턴의 형태로 연속적 또는 불연속적인 라인으로 용접될 경우 원호 용접 패턴의 직경은 2mm 이상, 바람직하게는 4mm 이상인 것이 바람직하다. 원호 용접 패턴의 직경이 해당 조건을 충족할 경우 용접부 인장력을 2kgf 이상으로 증가시켜 충분한 용접 강도의 확보가 가능하다.

다른 예에서, 평탄부(50d)와 제2집전체(79)가 초음파로 용접되고 원형 패턴으로 용접될 경우 원형 용접 패턴의 직경은 2mm 이상인 것이 바람직하다. 원형 용접 패턴의 직경이 해당 조건을 충족할 경우 용접부 인장력을 2kgf 이상으로 증가시켜 충분한 용접 강도의 확보가 가능하다.

용접 가능 영역에 해당하는 평탄부(50d)의 직경은 3mm 내지 14mm의 범위에서 조절될 수 있다. 평탄부(50d)의 반경이 3mm 보다 작으면, 레이저 용접 도구, 초음파 용접 도구 등을 이용하여 2mm 이상의 직경을 가진 용접 패턴을 형성하는데 어려움이 있다. 또한, 평탄부(50d)의 반경이 14mm를 초과하면 전극 단자(50)의 사이즈가 지나치게 커져서 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a)이 차지하는 면적이 감소하여 외부면(52a)을 통해 전기적 연결 부품(버스바)을 연결하는데 어려움이 있다.

바람직하게, 용접부 인장력을 2kgf 이상으로 확보하기 위한 용접 패턴의 직경이 2mm 이상이고 용접 가능 영역의 직경은 3mm 내지 14mm이므로, 용접 가능 영역의 면적 대비 용접 패턴의 면적 비율은 2.04(100*π1²/π7²)% 내지 44.4(100*π1²/π1.5²)%일 수 있다.

원통형 배터리(70)은 또한 인슐레이터(80)를 더 포함할 수 있다. 인슐레이터(80)는 제2집전체(79)와 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b) 사이, 그리고 전지 하우징(51) 측벽의 내주면(51a)과 전극 조립체(71) 사이에 개재될 수 있다.

바람직하게, 인슐레이터(80)는 전극 단자(50)의 평탄부(50d)를 제2집전체(79) 측으로 노출시키는 용접 홀(80a)을 포함할 수 있다. 또한, 용접 홀(80a)은 전극 단자의 평탄부(50d)와 함께 내부 플랜지부(50c)와 내부 가스켓(54b)을 노출시킬 수 있다.

바람직하게, 인슐레이터(80)는 적어도 제2집전체(79)의 표면과 전극 조립체(71)의 일측(상부) 가장자리를 커버할 수 있다. 이를 통해, 전지 하우징(51)과 다른 극성을 가진 제2집전체(79)와 제2전극의 무지부(73)가 서로 접촉하는 것을 방지할 수 있다.

바람직하게, 인슐레이터(80)는 절연성 수지로 이루어지고, 상부 플레이트(80b)와 측면 슬리브(80c)를 포함할 수 있다. 일 예에서, 상부 플레이트(80b)와 측면 슬리브(80c)는 일체화된 사출 성형물일 수 있다. 대안적으로, 측면 슬리브(80c)는 절연 테이프 등으로 대체될 수 있다. 절연 테이프는 전극 조립체(71)의 외주면을 통해 노출된 제2전극의 무지부(73)와 함께 제2집전체(79)의 바깥쪽 가장자리를 커버할 수 있다.

바람직하게, 인슐레이터(80)와 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)은 도 7b에 도시된 바와 같이 서로 밀착될 수 있다. 여기서, '밀착'은 육안 상으로 확인되는 공간(갭)이 없음을 의미한다. 공간(갭)을 없애기 위해, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)으로부터 전극 단자(50)의 평탄부(50d)까지 이르는 거리는 인슐레이터(80)의 두께와 같거나 이보다 약간(slightly) 작은 값을 가질 수 있다.

바람직하게, 제1전극 및/또는 제2전극의 무지부(72, 73)는 전극 조립체(71)의 반경 방향, 예를 들어 외주측으로부터 코어측으로 절곡됨으로써 전극 조립체(71)의 상부 및 하부에 절곡면을 형성할 수 있다. 또한, 제1집전체(78)는 제1전극의 무지부(72)가 절곡되면서 형성된 절곡면에 용접되고, 제2집전체(79)는 제2전극의 무지부(73)가 절곡되면서 형성된 절곡면에 용접될 수 있다.

무지부(72, 73)가 절곡될 때 생기는 응력을 완화하기 위해 제1전극 및/또는 제2전극은 종래의 전극(도 1 참조)과 다른 개선된 구조를 가질 수 있다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극(90) 구조를 예시적으로 나타낸 평면도이다.

도 8을 참조하면, 전극(90)은 도전성 재질의 포일로 이루어진 쉬트 형상의 집전체(91)와, 집전체(91)의 적어도 일면에 형성된 활물질층(92)과, 집전체(91)의 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 무지부(93)를 포함한다.

바람직하게, 무지부(93)는 노칭 가공된 복수의 분절편(93a)을 포함할 수 있다. 복수의 분절편(93a)은 복수의 그룹을 이루며, 각 그룹에 속한 분절편(93a)들은 높이(Y방향 길이) 및/또는 폭(X 방향 길이) 및/또는 이격 피치가 동일할 수 있다. 각 그룹에 속한 분절편(93a)들의 수는 도시된 것보다 증가 또는 감소될 수 있다. 분절편(93a)은 적어도 하나의 직선 및/또는 적어도 하나의 곡선이 조합된 기하학적 도형의 형상을 가진다. 바람직하게, 분절편(93a)은 사다리꼴 모양일 수 있는데, 사각형, 평형사변형, 반원형 또는 반타원형 등으로 얼마든지 변형될 수 있다.

바람직하게, 분절편(93a)의 높이는 전극 조립체의 권취 방향과 평행한 일 방향을 따라, 예를 들어 코어측으로부터 외주측으로 가면서 단계적으로 증가할 수 있다. 또한, 코어측과 인접한 코어측 무지부(93')는 분절편(93a)을 포함하지 않을 수 있고, 코어측 무지부(93')의 높이는 다른 무지부 영역보다 작을 수 있다. 또한, 외주측과 인접한 외주측 무지부(93'')는 분절편(93a)을 포함하지 않을 수 있고, 외주측 무지부(93'')의 높이는 다른 무지부 영역보다 작을 수 있다.

선택적으로, 전극(90)은 활물질층(92)과 무지부(93) 사이의 경계를 덮는 절연 코팅층(94)을 포함할 수 있다. 절연 코팅층(94)은 절연성이 있는 고분자 수지를 포함하며, 무기물 필러를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 절연 코팅층(94)은 활물질층(92)의 단부가 분리막을 통해 대향하고 있는 반대 극성의 활물질층과 접촉되는 것을 방지하고, 분절편(93a)의 절곡을 구조적으로 지지하는 역할을 한다. 이를 위해, 전극(90)이 전극 조립체로 권취되었을 때, 절연 코팅층(94)은 적어도 일부가 분리막으로부터 외부로 노출되는 것이 바람직하다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전극(90)의 무지부 분절구조를 제1전극 및 제2전극에 적용한 전극 조립체(100)를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.

도 9를 참조하면, 전극 조립체(100)는 도 2를 통해 설명한 권취 공법으로 제조할 수 있다. 설명의 편의를 위해 분리막 밖으로 연장된 무지부(72, 73)의 돌출 구조를 상세하게 도시하고, 제1전극, 제2전극 및 분리막의 권취 구조에 대한 도시는 생략하였다. 하부로 돌출된 무지부(72)는 제1전극으로부터 연장된 것이고, 상부로 돌출된 무지부(73)는 제2전극으로부터 연장된 것이다.

무지부(72, 73)의 높이가 변화하는 패턴은 개략적으로 도시하였다. 즉, 단면이 잘리는 위치에 따라서 무지부(72, 73)의 높이는 불규칙하게 변화할 수 있다. 일 예로, 사다리꼴 분절편(93a)의 사이드 부분이 잘리면 단면에서의 무지부 높이는 분절편(93a)의 높이보다 낮아진다. 따라서, 전극 조립체(100)의 단면을 나타낸 도면에 도시된 무지부(72, 73)의 높이는 각 권취 턴에 포함된 무지부 높이의 평균에 대응한다고 이해하여야 한다.

무지부(72, 73)는 도 10a 및 도 10b에 도시된 것과 같이 전극 조립체(100)의 반경 방향을 따라, 예를 들어 외주측으로부터 코어측으로 절곡될 수 있다. 도 9에서, 절곡되는 부분(101)은 점선 박스로 표시하였다. 무지부(72, 73)가 절곡될 때, 반경 반향으로 인접하고 있는 분절편들이 여러 겹으로 서로 중첩되면서 전극 조립체(100)의 상부와 하부에 절곡면(102)이 형성된다. 이 때, 코어측 무지부(도 8의 93')는 높이가 낮아서 절곡되지 않으며, 가장 안쪽에서 절곡되는 분절편의 높이(h)는 분절편 구조가 없는 코어측 무지부(93')에 의해 형성된 권취 영역의 반경 방향 길이(r) 보다 같거나 작다. 따라서, 전극 조립체(100)의 코어에 있는 공동(80)이 절곡된 분절편들에 의해 폐쇄되지 않는다. 공동(80)이 폐쇄되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 공동(80)을 통해 용접 도구를 삽입하여 전극 단자(50)와 제2집전체(79)의 용접을 용이하게 수행할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리(70)은 밀봉체(74)의 캡(74a)가 극성을 갖지 않는다. 그 대신, 제1집전체(78)가 전지 하우징(51)의 측벽에 연결되어 있어서 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a)이 전극 단자(50)와는 반대 극성을 가진다. 따라서, 복수의 배터리들을 직렬 및/또는 병렬 연결하고자 할 때, 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 외부면(52a)과 전극 단자(50)를 이용하여 원통형 배터리(70)의 상부에서 버스바 연결 등의 배선을 수행할 수 있다. 이를 통해, 동일 공간에 탑재할 수 있는 배터리들의 수를 증가시켜 에너지 밀도를 향상시킬 수 있고, 전기적 배선 작업을 용이하게 진행할 수 있다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리(70)들을 버스바(150)를 이용하여 전기적으로 연결한 상태를 나타낸 도면이다.

도 11을 참조하면, 복수의 원통형 배터리(70)들은 버스바(150)를 이용하여 상부에서 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다. 원통형 배터리(70)들의 수는 배터리 팩의 용량을 고려하여 증감될 수 있다.

각 원통형 배터리(70)에 있어서, 전극 단자(50)는 양의 극성을 가지고, 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 외부면(52a)은 음의 극성을 가질 수 있고, 그 반대의 경우도 가능하다.

바람직하게, 복수의 원통형 배터리(70)들은 복수의 열과 행으로 배치될 수 있다. 열은 지면을 도면을 기준으로 상하 방향이고 행은 도면을 기준으로 좌우 방향이다. 또한, 공간 효율성을 최대화하기 위해, 원통형 배터리(70)들은 최밀 팩킹 구조(closest packing structure)로 배치될 수 있다. 최밀 팩킹 구조는 전극 단자(50)들의 중심을 서로 연결했을 때 정삼각형이 만들어질 때 형성된다.

바람직하게, 버스바(150)는 복수의 배터리(70)의 상부, 보다 바람직하게는 인접하는 열들 사이에 배치될 수 있다. 대안적으로, 버스바(150)는 인접하는 행 사이에 배치될 수 있다.

바람직하게, 버스바(150)는 동일 열에 배치된 배터리들을 서로 병렬로 연결시키고, 인접하는 2개의 열에 배치된 배터리들을 서로 직렬로 연결시킨다.

바람직하게, 버스바(150)는 직렬 및 병렬 연결을 위해 바디부(151), 복수의 제1버스바 단자(152) 및 복수의 제2버스바 단자(153)를 포함할 수 있다.

바디부(151)는 인접하는 원통형 배터리(70)들의 전극 단자들(50) 사이에서, 바람직하게는 원통형 배터리(70)들의 열들 사이에서 연장될 수 있다. 대안적으로, 바디부(151)는 원통형 배터리(70)들의 열을 따라 연장되되, 바디부(151)는 지그재그 형상과 같이 규칙적으로 절곡될 수 있다.

복수의 제1버스바 단자(152)는 바디부(151)의 일측으로부터 각 원통형 배터리(70)의 전극 단자(50)를 향해 돌출 연장되고 전극 단자(50)에 전기적으로 결합될 수 있다. 전극 단자(50)와의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등을 통해 이루어질 수 있다. 또한, 복수의 제2버스바 단자(153)는 바디부(151)의 타측으로부터 각 원통형 배터리(70)의 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 외부면(52a)을 향해 돌출 연장되고, 외부면(52a)에 전기적으로 결합될 수 있다. 외부면(52a)과의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접으로 이루어질 수 있다.

바람직하게, 바디부(151), 복수의 제1버스바 단자(152) 및 복수의 제2버스바 단자(153)는 하나의 도전성 금속판으로 이루어질 수 있다. 금속판은 알루미늄판 또는 구리판일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 변형 예에서, 바디부(151), 복수의 제1버스바 단자(152) 및 복수의 제2버스바 단자(153)는 별개의 피스 단위로 제작한 후 서로 용접 등을 통해 결합될 수 있다.

본 발명에 따른 원통형 배터리(70)은 양의 극성을 가진 전극 단자(50)와 음의 극성을 가진 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 외부면(52a)이 동일한 방향에 위치하고 있으므로 버스바(150)를 이용하여 원통형 배터리(70)들의 전기적 연결을 용이하게 구현할 수 있다.

또한, 원통형 배터리(70)의 전극 단자(50)와 외부면(52a)은 면적이 넓으므로 버스바(150)의 결합 면적을 충분히 확보하여 원통형 배터리(70)을 포함하는 배터리 팩의 저항을 충분히 낮출 수 있다.

도 12a는 버스바(150)와 원통형 배터리(70)의 전기적 연결 부위를 부분적으로 확대하여 도시한 도면이고, 도 12b 및 도 12c는 버스바 단자들(152, 153)의 사이즈를 고려하여 전극 단자(50)의 직경과 외부면(52a)의 노출폭에 대한 상한과 하한을 디자인하기 위해 여러 가지 파라미터의 정의를 나타낸 도면이다.

도 12a, 도 12b 및 도 12c를 참조하면, 원통형 배터리(70)에 있어서 전극 단자(50)의 직경(E₁)과 링 형상을 가진 외부면(52a)의 폭(E₂)은 버스바 단자들(152, 153)의 접촉 영역의 디멘젼(dimension)을 감안하여 적응적으로 조절될 수 있다.

여기서, 외부면(52a)의 폭(E2)은 전극 단자(50)의 표면과 평행한 노출 표면의 폭이다. 구체적으로, 외부면(52a)의 폭(E2)은 전극 단자(50)의 중심(C)으로부터 라디얼 방향으로 드로잉한 직선(L₁)이 외부면(52a)의 내측 및 외측 바운더리와 교차하는 2개의 지점 사이를 연결한 선분의 폭으로 정의된다. 외부면(52a)의 폭(E2)은 바닥부(52)의 가장자리에 존재하는 라운드 영역과 외부 가스켓(54a)의 노출 영역(54a')을 제외한 평평한 노출 표면의 폭이다.

전지 하우징(51)의 바닥부(52)는 상부에서 봤을 때, 전극 단자(50), 단자 가스켓(54)의 노출 영역(54a'), 외부면(52a) 가장자리의 라운드 영역(R)으로 구분될 수 있다. 라운드 영역(R)은 전지 하우징(51)의 바닥부(52)과 전지 하우징(51)의 측벽을 부드럽게 연결하기 위한 가공 처리 영역(도 7a 및 도 7b 참조)이며, 평면상에서 폭(R_d)를 가진다.

버스바(150)의 제1버스바 단자(152)는 바디부(151)의 진행 방향과 다른 일 측으로 분기되어 전극 단자(50)에 전기적으로 결합된다. 이 때, 전극 단자(50)와 제1버스바 단자(152)는 평면상에서 제1중첩 영역(해칭 표시)을 형성하고, 제1중첩 영역은 제1폭(W₁)을 가진다. 여기서, 제1중첩 영역은 전극 단자(50)와 제1버스바 단자(152)가 평면상에서 중첩되는 영역이다.

제1폭(W₁)은 제1중첩 영역의 가장자리에서 선택된 임의의 두 지점 사이의 거리 중에서 최대값으로 정의된다. 제1폭(W₁)의 정의는 제1중첩 영역이 전극 단자(50)의 중심을 포함하는 경우(도 12b) 및 제1중첩 영역이 전극 단자(50)의 중심을 포함하지 않는 경우(도 12c)에 동일하게 적용된다. 도 12b 및 도 12c를 참조하면, W₁이 나타내는 거리는 제1중첩 영역의 가장자리에서 선택된 임의의 두 지점 사이의 거리 중에서 최대값에 해당한다.

버스바(150)의 제2버스바 단자(153)는 바디부(151)의 진행 방향을 기준으로 상기 제1버스바 단자(152)와 반대 방향으로 연장되어 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 외부면(52a)에 전기적으로 결합된다. 이 때, 제2버스바 단자(153)와 외부면(52a)은 평면상에서 제2중첩 영역(해칭 표시)을 형성하고, 제2중첩 영역은 제2폭(W₂)을 가진다. 여기서, 제2중첩 영역은 외부면(52a)과 제2버스바 단자(153)가 평면상에서 중첩되는 영역이다.

제2폭(W₂)은 제2중첩 영역을 통과하도록 전극 단자(50)의 중심(C)으로부터 복수의 직선(L₃)을 드로잉했을 때 각 직선과 제2중첩 영역의 가장자리가 만나는 2개 지점들 사이의 폭 중에서 최대값으로 정의된다.

바람직하게, 전극 단자(50)의 직경(E₁)은 적어도 제1버스바 단자(152)의 제1폭(W₁)과 같거나 커야 한다. 제1버스바 단자(152)와 전극 단자(50)의 제1중첩 영역이 평면상에서 전극 단자(50)의 외측으로 벗어나지 않아야 하기 때문이다. 또한, 전극 단자(50)의 직경(E₁)은 전극 단자(50)의 바운더리와 제2버스바 단자(153)의 거리가 외부 가스켓(54a) 노출영역(54a')의 폭(G)에 대응될 때까지 최대로 증가할 수 있다. 따라서, 전극 단자(50)의 직경(E₁)의 최대값은 'D-2*R_d-2*G-2*W₂'이다.

바람직하게, 외부면(52a)의 폭(E₂)은 전극 단자(50)의 직경(E₁)에 의존하는 팩터이며, 최소한 제2버스바 단자(153)의 제2폭(W₂)과 같거나 커야 한다. 그래야만, 제2버스바 단자(153)와 외부면(52a)의 중첩 영역이 형성될 수 있다. 또한, 외부면(52a)의 폭(E₂)은 전지 하우징(51)의 외경(D)으로부터 전극 단자(50)의 직경(E₁), 외부 가스켓(54a)의 노출영역 폭(2*G), 및 라운드 영역의 폭(2*R_d)을 차감한 값인 'D-2*R_d-2*G-E₁'의 50%까지 최대한 증가할 수 있다.

결론적으로, 본 발명에 따른 원통형 배터리(70)에 있어서, 전극 단자(50)의 직경(E₁)과 외부면(52a)의 폭(E₂)은 하기의 관계식을 충족하도록 설계되는 것이 바람직하다.

W₁≤ E₁ ≤ D-2R_d-2G-2W₂

E₂ = 0.5*(D-2R_d-2G-E₁)

(E-₁: 전극 단자(50)의 직경, E₂: 외부면(52a)의 폭, D: 전지 하우징(51)의 외경, R_d: 평면상에서 측정한 라운드 영역(R)의 폭, G: 외부 가스켓(54a)의 노출 영역(54a')의 폭, W₁: 제1버스바 단자(152)의 폭, W₂: 제2버스바 단자(153)의 폭)

구체적인 예에서, D가 46mm이고, W₁ 및 W₂가 6mm이고, G가 0.5mm이고, R이 1mm일 때, 전극 단자(50)의 직경(E₁)은 6mm 내지 31mm이고 외부면(52a)의 폭(E₂)은 6mm 내지 18.5mm 내지이다.

또 다른 예로서, D가 46mm이고, W₁ 및 W₂가 6mm 이고, G가 0.5mm 이고, R_d이 1.5mm일 때, 단자 노출부(41)의 직경(E1)은 6mm 내지 30mm 이고 외부면(20a)의 폭(E2)은 6mm 내지 18mm 이다.

상술한 본 발명의 원통형 배터리(70)은, 절곡면을 통한 용접 면적 확대, 제1집전체를 이용한 전류 패스(path)의 다중화, 전류 패스 길이의 최소화 등을 통해 저항이 최소화된 구조를 갖는다. 양극과 음극 사이, 즉 전극 단자(50)와 그 주변의 평평한 면(52a) 사이에서의 저항 측정기를 통해 측정되는 원통형 배터리(70)의 AC 저항은 급속 충전에 적합한 0.5 밀리오옴(miliohm) 내지 4 밀리오옴(miliohm), 바람직하게는 1 밀리오옴(miliohm) 내지 4 밀리오옴(miliohm)일 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[A_xM_y]O_2+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; 0 ≤ x , 1 ≤ x+y ≤2, -0.1 ≤ z ≤ 2; x, y, z 및 M에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다.

다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM¹O₂-(1-x)Li₂M²O₃(M¹은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M²는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0≤x≤1)일 수 있다.

또 다른 예에서, 양극 활물질은, 일반 화학식 Li_aM¹ _xFe_1-xM² _yP_1-yM³ _zO_4-z(M¹은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M²는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M³는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤ 2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; a, x, y, z, M¹, M², 및 M³에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li₃M₂(PO₄)₃[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.

바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 수 있다.

일 예에서, 음극 활물질은 탄소재, 리튬금속 또는 리튬금속화합물, 규소 또는 규소화합물, 주석 또는 주석 화합물 등을 사용할 수 있다. 전위가 2V 미만인 TiO₂, SnO₂와 같은 금속 산화물도 음극 활물질로 사용 가능하다. 탄소재로는 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.

분리막은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 분리막은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.

분리막의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다. 또한 분리막 자체가 무기물 입자의 코팅층으로 이루어지는 것도 가능하다. 코팅층을 구성하는 입자들은 인접하는 입자 사이 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 존재하도록 바인더와 결합된 구조를 가질 수 있다.

무기물 입자는 유전율이 5이상인 무기물로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 상기 무기물 입자는 Pb(Zr,Ti)O₃(PZT), Pb_1-xLa_xZr_1-yTi_yO₃(PLZT), PB(Mg₃Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT), BaTiO₃, hafnia(HfO₂), SrTiO₃, TiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, SnO₂, CeO₂, MgO, CaO, ZnO 및 Y₂O₃로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.

전해질은 A⁺B^-와 같은 구조를 갖는 염일 수 있다. 여기서, A⁺는 Li⁺, Na⁺, K⁺와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 그리고 B^-는 F^-, Cl^-, Br^-, I^-, NO₃ ^-, N(CN)₂ ^-, BF₄ ^-, ClO₄ ^-, AlO₄ ^-, AlCl₄ ^-, PF₆ ^-, SbF₆ ^-, AsF₆ ^-, BF₂C₂O₄ ^-, BC₄O₈ ^-, (CF₃)₂PF₄ ^-, (CF₃)₃PF₃ ^-, (CF₃)₄PF₂ ^-, (CF₃)₅PF^-, (CF₃)₆P^-, CF₃SO₃ ^-, C₄F₉SO₃ ^-, CF₃CF₂SO₃ ^-, (CF₃SO₂)₂N^-, (FSO₂)₂N^- _,CF₃CF₂(CF₃)₂CO^-, (CF₃SO₂)₂CH^-, (SF₅)₃C^-, (CF₃SO₂)₃C^-, CF₃(CF₂)₇SO₃ ^-, CF₃CO₂ ^-, CH₃CO₂ ^-, SCN^-　및 (CF₃CF₂SO₂)₂N^-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함한다.

전해질은 또한 유기 용매에 용해시켜 사용할 수 있다. 유기 용매로는, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드 (dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄 (dimethoxyethane), 디에톡시에탄 (diethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γ-butyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.

상술한 실시예에 따른 원통형 배터리(70)은 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(200)은 원통형 배터리(201)이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(202)을 포함한다. 원통형 배터리(201)은 상술한 실시예에 따른 배터리다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 배터리(201)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.

배터리 팩(200)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 14는 도 13의 배터리 팩(200)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(200)을 포함한다. 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(200)으로부터 전력을 공급받아 동작한다.

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

Claims

일측이 개방되고 타측에 관통홀이 형성된 바닥부를 구비하는 전지 하우징;

상기 관통 홀의 내벽과 접촉하지 않도록 상기 관통 홀을 통과하여 설치된 전극 단자; 및

상기 전극 단자와 상기 관통 홀 사이에 개재된 단자 가스켓;을 포함하고,

상기 전극 단자와 상기 단자 가스켓 사이의 계면 또는 상기 단자 가스켓과 상기 전지 하우지의 계면에 핫멜트층이 개재된, 전극 단자의 고정 구조.
제1항에 있어서,

상기 전극 단자는,

상기 관통홀에 삽입된 몸체부;

상기 몸체부의 제1측으로부터 상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부; 및

상기 몸체부의 제2측으로부터 적어도 일부가 상기 전지 하우징의 바닥부와 마주보도록 연장되어 상가 가스켓을 압착하는 내부 플랜지부; 를 포함하는, 전극 단자의 고정 구조.
제2항에 있어서,

상기 내부 플랜지부의 내측에 용접부;를 포함하는, 전극 단자의 고정 구조.
제3항에 있어서,

상기 용접부는 평탄면을 구비하는, 전극 단자의 구정 구조.
제1항에 있어서,

상기 단자 가스켓은,

상기 외부 플랜지부와 상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면이 위치한 제1평면 사이에 개재된 외부 가스켓;

상기 내부 플랜지부와 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면이 위치한 제2평면 사이에 개재된 내부 가스켓; 및

상기 몸체부와 상기 관통홀 사이에 개재되고, 상기 외부 가스켓과 상기 내부 가스켓을 연결하는 중간 가스켓을 포함하는, 전극 단자의 고정 구조.
제5항에 있어서,

상기 핫멜트층은 상기 외부 가스켓과 상기 제1평면 사이의 계면에 개재되고 적어도 일부가 노출된, 전극 단자의 고정 구조.
제5항에 있어서,

상기 핫멜트층은 상기 내부 가스켓과 상기 제2평면 사이의 계면에 개재되고 적어도 일부가 노출된, 전극 단자의 고정 구조.
제5항에 있어서,

상기 핫멜트층은, 상기 내부 플랜지부와 상기 내부 가스켓 사이의 계면에 개재되고 적어도 일부가 노출된, 전극 단자의 고정 구조.
제5항에 있어서,

상기 핫멜트층은, 상기 외부 플랜지부와 상기 외부 가스켓 사이의 계면에 개재되고 적어도 일부가 노출된, 전극 단자의 고정 구조.
제1항에 있어서,

상기 핫멜트층은, 핫멜트 필름을 열로 경화시켜 형성한 것인, 전극 단자의 고정 구조.
제1항에 있어서,

상기 핫멜트층은, 핫멜트 코팅층을 열로 경화시켜 형성한 것인, 전극 단자의 고정 구조.
제10항 또는 제11항에 있어서,

상기 핫멜트층은, 실리콘계, 에폭시계, 아크릴계 또는 우레탄계 핫멜트 소재로 이루어진, 전극 단자의 고정 구조.
제1전극과 제2전극이 분리막이 개재된 상태로 권취된 전극 조립체; 및

상기 전극 조립체를 수납하며 상기 제1전극과 전기적으로 연결된 전지 하우징;

상기 전지 하우징의 바닥부에 형성된 관통 홀의 내벽과 접촉하지 않도록 상기 관통 홀을 통과하여 설치되며, 상기 제2전극과 전기적으로 연결된 전극 단자로서,

상기 관통홀에 삽입된 몸체부;

상기 몸체부의 제1측으로부터 상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부; 및

상기 몸체부의 제2측으로부터 적어도 일부가 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면과 마주하도록 연장된 내부 플랜지부;를 포함하는 전극 단자;

상기 전극 단자와 상기 관통 홀 사이에 개재된 단자 가스켓; 및

상기 전지 하우징으로부터 절연 가능하도록 상기 전지 하우징의 개방단부를 밀봉하는 밀봉체를 포함하고,

상기 전극 단자와 상기 단자 가스켓 사이의 계면 또는 상기 단자 가스켓과 상기 전지 하우지의 계면에 핫멜트층이 개재된, 배터리.
제13항에 있어서,

상기 전극 단자는, 상기 내부 플랜지부의 내측에 용접부;를 구비하는, 배터리.
제14항에 있어서,

상기 용접부는 평탄면을 포함하는, 배터리.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 복수의 배터리를 포함하는 배터리 팩.
제16항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.