WO2024043767A1 - 압력 센서를 포함하는 원통형 배터리, 스웰링 압력 모니터링 장치 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템 - Google Patents

압력 센서를 포함하는 원통형 배터리, 스웰링 압력 모니터링 장치 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a cylindrical battery and a swelling pressure monitoring device, and more specifically, to a cylindrical battery including a pressure sensor capable of sensing the swelling pressure applied to the battery housing by an electrode assembly and transmitting it to the outside through wireless communication. , relates to a swelling pressure monitoring device and a battery management system 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 motor-driven electric vehicles (EVs) and hybrid vehicles (HEVs). ), plug-in hybrid vehicles, etc. are universally applied.
  • EVs motor-driven electric vehicles
  • HEVs hybrid vehicles
  • plug-in hybrid vehicles, etc. are universally applied.
  • electric vehicle will be used as a term to refer to a vehicle that includes a motor driven by electricity, such as EV, HEV, PHEV, etc.
  • Secondary batteries have the primary advantage of being able to dramatically reduce the use of fossil fuels, as well as the advantage of not generating any by-products from energy use, so they are attracting attention as a new energy source for eco-friendliness and improving energy efficiency.
  • 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 a unit secondary 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 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 together with the electrolyte to form a battery.
  • a strip-shaped electrode tab may be connected to the uncoated portion of each of the positive and negative electrodes, and the electrode tab electrically connects the electrode assembly and the electrode terminal exposed to the outside.
  • the positive terminal is a cap of a sealant that seals the opening of the battery housing
  • the negative terminal is the battery housing.
  • 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.
  • FIG. 1A to 1C are diagrams showing the manufacturing process of a tab-less cylindrical battery.
  • FIG. 1A shows the structure of the electrode
  • FIG. 1B shows the winding process of the electrode
  • FIG. 1C shows the process of welding the current collector to the curved surface of the uncoated area.
  • Figure 1d is a cross-sectional view of a tab-less cylindrical battery cut in the longitudinal direction (Y).
  • 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 disposed on one long side along the winding direction (X). Includes the uncoated area (22).
  • 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. 1B 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 electrode assembly (A) is inserted into the battery housing (32).
  • the current collector 31 is welded to the bottom surface of the battery housing 32.
  • the outer peripheral surface of the battery housing 32 is press-fitted to form a beading portion 33.
  • the inner surface of the beading portion 33 presses the edge of the current collector 30.
  • the electrode assembly (A) is firmly fixed inside the battery housing (32).
  • the electrode assembly (A) is fixed inside the battery housing 32, electrolyte is injected into the battery housing 32. Afterwards, the cap assembly 34 is coupled to the open portion of the battery housing 32.
  • the cap assembly 34 includes a cap 34a, a connection plate 34c coupled to the lower part of the cap 34a, and a sealing gasket 34b that seals the circumference of the cap 34a and the opening of the battery housing 32. may include.
  • the upper part of the beading portion 33 includes a crimping portion 35.
  • the crimping portion 35 is formed by bending the open portion of the battery housing 32 inward, and seals the open portion of the battery housing 32 by pressing the sealing gasket 34b toward the edge surface of the cap 34a.
  • the current collector 30 and the connection plate 34c may be electrically connected by a lead 30a.
  • the lead 30a may be manufactured as a separate part and coupled to the current collector 30, or may be manufactured integrally with the current collector 30 and extended to be coupled to the connection plate 34c.
  • An insulator 36 is disposed on the top of the current collector 30.
  • the edge of the insulator 36 may be interposed between the beading portion 33 and the current collector 30. Accordingly, the beading portion 33 presses the electrode assembly A toward the bottom of the battery housing 32 through the insulator 36.
  • the swelling phenomenon refers to a phenomenon in which the volume of the active material coated on the positive electrode 10 and the negative electrode 11 increases as charging and discharging are repeated.
  • the degree of swelling is relatively greater on the cathode 11 side.
  • a cavity exists in the core of the electrode assembly (A) manufactured through the winding process as a trace of where the core member was inserted. Therefore, when the internal pressure of the cylindrical battery 37 increases due to the swelling phenomenon, stress is concentrated in the direction of the core of the electrode assembly (A). This is because the battery housing is made of a highly rigid metal, so most of the stress is concentrated toward the core of the electrode assembly (A) where empty space exists.
  • the stress When stress occurs in the electrode assembly (A) due to the swelling phenomenon, the stress also acts in the circumferential direction, so the anode 10 and the cathode 11 rotate slightly while sliding across the separator. Additionally, as the charge/discharge cycle increases, the amount of rotation of the anode 10 and the cathode 11 accumulates, and a fine gap is created between the anode 10 and the cathode 11 near the core, causing the curvature to change locally. Therefore, even if the electrode assembly (A) immediately after winding has good symmetry and circularity, if a swelling phenomenon occurs, the symmetry and circularity of the electrode assembly (A) change unlike the first time.
  • FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views of the electrode assembly (A) schematically showing the process in which the core of the electrode assembly (A) collapses.
  • Each cross-sectional view shows a side cut perpendicular to the axial direction of the electrode assembly (A).
  • Figure 2a shows the core structure of the electrode assembly (A) when the cylindrical battery 37 is in a BOL (Beginning Of Life) state.
  • a step is formed at the ends of the cathode and anode, so the circularity decreases near the ends.
  • straight lines L1 and L2 are drawn from the center of the core through the end of the anode and the end of the cathode, respectively, the turns of the electrodes located between L1 and L2 along the circumferential direction are not constant in curvature and show changes.
  • Figure 2b shows a state in which rotation of the cathode and anode near the core occurs as the volume of the electrodes, especially the cathode, increases as the charge and discharge cycle progresses for the cylindrical battery 37.
  • the change in the volume of the cathode is greatest during the first charge during the activation process for the cylindrical battery 37. This is because the chemicals that cause the electrochemical reaction move from the anode to the cathode and are inserted into the cathode.
  • the core of the electrode assembly (A) has a hollow portion. Therefore, rotation of the electrode occurs mainly in the core.
  • the electrodes are slightly rotated on the outer periphery of the electrode assembly (B), but the degree is not significant compared to the core side. This is because a hollow portion exists in the core of the electrode assembly (A), so when rotational stress occurs, the rotational freedom of the electrode is greater than the outer circumference of the electrode assembly (A).
  • the increase in volume of the cathode is relatively larger than that of the anode. Additionally, since the positive electrode is sandwiched between turns of the negative electrode near the core of the electrode assembly (A), a relatively greater frictional force acts on the surface of the positive electrode than the surface of the negative electrode. Therefore, the rotation amount of the cathode is greater than that of the anode. This is because the larger the volume increase, the more rotational stress occurs, and the smaller the friction force, the more sliding occurs.
  • the rotation of the anode and cathode can be seen from the fact that the core side ends of the anode and cathode rotate clockwise. The direction in which the electrode ends rotate in the core of the electrode assembly is opposite to the winding direction.
  • Figure 2c shows the core structure when the swelling phenomenon intensifies as the cylindrical battery 37 is subjected to hundreds of charge and discharge cycles. Due to the deepening of the swelling phenomenon, the end of the cathode rotated to the point where the end of the anode was located. As a result, collapse occurred in the core portion. When the core collapses, the structure of the winding turn, which has the shape of an arc convex outward like the winding turns of the electrode located in the 3 o'clock to 6 o'clock direction, is transformed into a shape that is convex toward the core.
  • a technology is needed that can efficiently monitor the swelling pressure applied by the swollen electrode assembly (A) toward the inner peripheral surface of the battery housing 32 while the cylindrical battery 37 is charging and discharging.
  • the present invention was made under the background of the above-described prior art, and provides a cylindrical battery including a pressure sensor to monitor the swelling pressure applied by the swollen electrode assembly to the inner peripheral surface of the battery housing while the cylindrical battery is charging and discharging. There is a purpose to doing so.
  • Another technical object of the present invention is to provide a cylindrical battery including a pressure sensor capable of wirelessly transmitting a pressure sensing signal to the outside and a device capable of quantitatively monitoring the swelling pressure of the cylindrical battery using this pressure sensor. There is a purpose.
  • Another technical object of the present invention is to provide a battery pack including a cylindrical battery including a pressure sensor and a vehicle including the same.
  • Another technical object of the present invention is to provide a battery management system including a device for monitoring the swelling pressure of a cylindrical battery.
  • a cylindrical battery according to the present invention for achieving the above technical problem includes an electrode assembly in which a first electrode and a second electrode and a separator interposed between them are wound around a winding axis to define a core and an outer peripheral surface;
  • a battery housing including an open end and a closed portion opposing the open end, storing the electrode assembly in a space between the open end and the closed portion, 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; a terminal electrically connected to the other of the first electrode and the second electrode and having a second polarity whose surface is exposed to the outside; And a pressure sensor interposed between the outer peripheral surface of the electrode assembly and the inner peripheral surface of the battery housing to sense the swelling pressure applied by the outer peripheral surface of the electrode assembly to the inner peripheral surface of the battery housing and output a pressure sensing signal to the outside.
  • the pressure sensor is made in a sheet shape and may be bonded to the outer circumferential surface of the electrode assembly along the shape of the outer circumferential surface of the electrode assembly.
  • the first electrode includes a first active material portion coated with an active material layer along the winding direction and a first uncoated portion not coated with the active material layer
  • the second electrode includes a second electrode coated with an active material layer along the winding direction. It may include an active material portion and a second uncoated portion that is not coated with the active material layer.
  • the first uncoated portion and the second uncoated portion are exposed to the outside of the separator so as to face each other along the winding axis direction, and may themselves be defined as electrode tabs.
  • a winding turn portion disposed between the center of the core and two straight lines connecting the core side end of the first active material portion and the core side end of the second active material portion.
  • the stress amplification section may be spaced apart from the stress weak section along the circumferential direction of the electrode assembly on the cross section.
  • the pressure sensor may be interposed between the outer peripheral surface of the electrode assembly and the inner peripheral surface of the battery housing to cover at least a portion of the stress amplification section.
  • the first electrode and the second electrode may be an anode and a cathode, respectively.
  • the outer circumferential end of the second electrode is disposed closer to the outer circumference of the electrode assembly than the outer circumferential end of the first electrode.
  • the separator may be interposed between the outer peripheral end of the second electrode and the outer peripheral end of the first electrode.
  • the outer peripheral end of the second electrode may extend to pass the outer peripheral end of the first electrode along the winding direction of the electrode assembly in the circumferential direction of the electrode assembly.
  • the pressure sensor may be interposed between the outer peripheral surface of the electrode assembly and the inner peripheral surface of the battery housing so as to intersect a straight line connecting the center of the core and the outer peripheral end of the first electrode.
  • the pressure sensor may output the pressure sensing signal to the outside through wireless communication.
  • the pressure sensor includes an energy conversion unit that converts mechanical energy caused by the swelling pressure into electrical energy; An energy storage unit that stores the converted electrical energy as DC voltage; A pulse generator that receives the DC voltage from the energy storage unit and generates a surface acoustic wave in the form of a pulse; A sensing unit whose capacitance varies depending on the pressure; And a transponder that generates a reference surface acoustic wave having the same amplitude as the surface acoustic wave and a sensing surface acoustic wave having an amplitude different from the reference surface acoustic wave according to the capacitance of the sensing unit, and outputs the reference surface acoustic wave and the sensing surface acoustic wave through an antenna. May include ;.
  • the cylindrical battery includes a first bent surface area formed by bending a first plain portion of the first electrode toward the core; a first current collector coupled to the first bent surface area; a second bent surface area formed by bending a second plain portion of the second electrode toward the core; and a second current collector coupled to the second bent surface area.
  • the sealant includes a cap electrically connected to the first current collector; a crimping part that surrounds an edge of the cap and is bent in the centripetal direction of the electrode assembly to secure the edge of the cap to the open end of the battery housing; And it may include a sealing gasket interposed between the crimping part and an edge of the cap to seal the open end of the battery housing.
  • the cylindrical battery includes a rivet terminal riveted to an inner surface of the closed portion of the battery housing through a through hole formed in the closed portion; and an insulating gasket interposed between the rivet terminal and the inner peripheral surface of the through hole to electrically insulate the rivet terminal and the battery housing.
  • the terminal having a second polarity may be the rivet terminal.
  • the cylindrical battery further includes a beading portion in which an outer peripheral surface of the battery housing adjacent to the open end of the battery housing is recessed in the winding axis direction, and at least a portion of the edges of the second current collector may be in contact with the beading portion.
  • the cylindrical battery may further include a crimping portion formed by bending an open end of the battery housing in the winding axis direction.
  • the sealant includes a cap mounted on the beading portion; and a sealing gasket interposed between an edge of the cap and an open end of the battery housing, wherein one side of the sealing gasket is in close contact with the edge of the cap by the crimping portion, and the other side of the sealing gasket is in close contact with the edge of the cap. It may come into close contact with the edge of the second current collector coupled to the beading portion by the crimping portion.
  • the ratio of the diameter to the height of the battery may be greater than 0.4.
  • the form factor of the battery may be 46110, 4875, 48110, 4880, or 4680.
  • a battery pack including a cylindrical battery including at least one of the above-described features and a vehicle including the same.
  • a swelling monitoring device for a cylindrical battery for achieving the above technical problem includes a receiving unit that receives a pressure sensing signal transmitted through wireless communication from a pressure sensor included in the cylindrical battery; a signal processor that demodulates the pressure sensing signal into an original signal; and a control unit that determines the swelling pressure from the demodulated pressure sensing signal and generates time series data of the swelling pressure.
  • the pressure sensor may be configured to transmit a sensing surface acoustic wave whose amplitude is different from the reference surface acoustic wave according to the reference surface acoustic wave and the swelling pressure through wireless communication.
  • the control unit is configured to determine an amplitude difference between the reference surface acoustic wave and the sensing surface acoustic wave, and determine a swelling pressure corresponding to the determined amplitude difference using a predefined correlation between the amplitude difference and the swelling pressure. It can be.
  • the control unit generates a swelling pressure profile from time series data of the swelling pressure, and when at least one minimal peak is identified in the swelling pressure profile, diagnoses that there is a sign of core collapse of the electrode assembly, and provides a diagnosis result. It can be configured to output.
  • the control unit generates a swelling pressure profile from time series data of the swelling pressure, generates a differential swelling pressure profile through time differentiation of the swelling pressure profile, and generates at least one swelling pressure profile in the differential swelling pressure profile. If a peak is identified, it may be configured to diagnose that there are signs of core collapse of the electrode assembly and output a diagnosis result.
  • the device for monitoring the swelling pressure of the cylindrical battery may further include a voltage measuring unit that measures the voltage of the cylindrical battery.
  • the control unit periodically receives voltage measurement values from the voltage measurement unit, generates a voltage profile, generates a differential voltage profile through time or charge state differentiation with respect to the voltage profile, and the swelling pressure of the cylindrical battery is If it is greater than the threshold and at least one peak is identified in the differential voltage profile, it may be configured to diagnose that there is a sign of core collapse of the electrode assembly and output a diagnosis result.
  • the device for monitoring the swelling pressure of the cylindrical battery may further include a display unit and/or a communication unit operably coupled to the control unit.
  • the control unit may be configured to output the diagnosis result through the display unit.
  • the control unit may be configured to transmit the diagnosis result to a computer system through the communication unit.
  • the diagnosis result may include a warning message or an inspection request message.
  • a battery management system including a swelling pressure monitoring device for a cylindrical battery including at least one or more of the above-described features.
  • the relative positions of the anode end and the cathode end are adjusted on the core side and the outer circumference side to maintain the symmetry and circularity of the electrode assembly even if swelling occurs. Collapse can be prevented or mitigated.
  • a pressure sensor capable of transmitting a pressure sensing signal through wireless communication is included inside the cylindrical battery to continuously monitor changes in the swelling pressure applied by the outer peripheral surface of the electrode assembly to the inner peripheral surface of the battery housing. Signs of core collapse can be easily detected.
  • a battery pack manufactured using a cylindrical battery including a pressure sensor and a vehicle including the same can be provided.
  • a device capable of monitoring the change in swelling pressure applied by the outer peripheral surface of the electrode assembly to the inner peripheral surface of the battery housing and detecting signs of core collapse of the electrode assembly, and comprising the same.
  • a battery management system that can be provided can be provided.
  • Figure 1a is a plan view showing the structure of an electrode used in a conventional tab-less cylindrical battery.
  • Figure 1b is a diagram showing a winding process of an electrode assembly included in a conventional tab-less cylindrical battery.
  • FIG. 1C is a diagram illustrating a process in which a current collector is welded to a curved surface of an uncoated portion in the electrode assembly of FIG. 1B.
  • Figure 1d is a cross-sectional view of a conventional tab-less cylindrical battery cut in the axial direction (Y).
  • FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views schematically showing the process in which the core of an electrode assembly according to the prior art collapses.
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the electrode assembly according to an embodiment of the present invention cut perpendicular to the axial direction (Y).
  • Figure 4 is a diagram for explaining the relative positional relationship between the stress vulnerable section D1 and the stress amplified section D2 according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5A shows the core side end (A inner ) and the outer peripheral end (A outer ) of the cathode, and the core side end (B inner ) and the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode (B) according to an embodiment of the present invention. This is a drawing showing the relative position of .
  • Figure 5b shows the core side end (A inner ) and the outer peripheral end (A outer ) of the cathode, and the core side end (B inner ) and the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode (B) according to another embodiment of the present invention. This is a drawing showing the relative position of .
  • Figure 5c shows the core side end (A inner ) and the outer peripheral end (A outer ) of the cathode, and the core side end (B inner) and the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode (B) according to another embodiment of the present invention .
  • ) is a diagram showing the relative positions of
  • Figure 6a is a diagram schematically showing a cross-section cut perpendicular to the axial direction of a cylindrical battery including a pressure sensor (P sensor ) according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6b is a diagram schematically showing a portion of a cross section cut along the axial direction of a cylindrical battery including a pressure sensor (P sensor ) according to an embodiment of the present invention.
  • P sensor pressure sensor
  • Figure 6c is a configuration diagram schematically showing the configuration of a pressure sensor (P sensor ) according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6d is a circuit diagram showing the circuit configuration of the energy storage unit according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6e is a block diagram schematically showing the configuration of a swelling pressure monitoring device for a cylindrical battery according to an embodiment of the present invention.
  • 6F is a graph illustrating the swelling pressure profile f(t,p) according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6g is a graph illustrating the voltage profile g(t,V) according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6h is a graph illustrating the voltage profile h(SOC,V) according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 7a is a plan view showing the structure of an electrode according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7b is a plan view showing the structure of an electrode according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 7c is a plan view showing the structure of an electrode according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 7d is a plan view showing the structure of an electrode according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 7e is a plan view showing a modified structure of an electrode according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7f is a top plan view showing independent areas where a plurality of segment pieces can be located when the electrode according to a modified example of the present invention is wound into an electrode assembly.
  • Figure 8 is a schematic diagram showing a cross section of a bent surface area formed when a segmental piece is bent toward the core of an electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a cross-sectional view of a cylindrical battery according to an embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction.
  • Figure 10 is a cross-sectional view of a cylindrical battery according to another embodiment of the present invention cut along the Y-axis direction.
  • Figure 11 is a top plan view showing a state in which a plurality of cylindrical batteries are electrically connected.
  • Figure 12 is a partial enlarged view of Figure 11.
  • Figure 13 is a diagram schematically showing the configuration of a battery pack and a battery management system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 14 is a diagram schematically showing a vehicle including a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • 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 placed in contact with the top (or bottom) of the component. Additionally, it 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 or radial direction (Z).
  • the direction approaching the winding axis is called the centripetal direction
  • the direction moving away from the winding axis is called the centrifugal direction.
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the electrode assembly (JR) cut perpendicular to the axial direction (Y) according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly JR has a jelly roll structure in which the cathode A and the anode B are wound around one axis with a separator S interposed therebetween.
  • the winding direction (X) is counterclockwise, but clockwise can be substituted.
  • a hollow portion is formed in the core C of the electrode assembly JR.
  • the hollow space is an empty space.
  • separators (S) There are two separators (S), and are indicated by dotted lines and double-dashed lines, respectively.
  • the arrangement structure of the separator (S) can be modified in many ways as long as it can insulate the cathode (A) and the anode (B).
  • the winding structure of the cathode (A), anode (B), and separator (S) in the electrode assembly (JR) is schematically shown.
  • the cathode (A), anode (B), and separator (S) are in close contact with each other.
  • the cathode A has a longer length in the winding direction X than the anode B.
  • the winding turn of the cathode (A) starts before the winding turn of the positive electrode (B).
  • the winding turns of the positive electrode (B) begin after the winding turns of the negative electrode (A) increase by a predetermined number of turns.
  • the number of turns of the cathode (A) that does not face the anode (B) may be 1 to 5 turns.
  • winding turns in which only the cathode (A) exists do not contribute to the capacity of the cylindrical battery. Therefore, the number of turns of the cathode (A) alone can be appropriately selected by considering the reinforcing aspect of structural rigidity and the capacity aspect.
  • a winding turn consisting of only the cathode (A) a plurality of winding turns consisting of only the separator (S) may be provided inside the winding turn consisting of only the cathode (A).
  • a winding turn consisting of only a separator (S) can also reinforce the structural rigidity of the core.
  • the ends of the cathode (A) and the anode (B) refer to the core end and the outer circumference end of the winding structure of the cathode (A) and the anode (B).
  • the present invention applies a two-dimensional polar coordinate system on a cross section perpendicular to the axial direction of the electrode assembly (JR) to determine the end positions of the cathode (A) and the anode (B).
  • JR axial direction of the electrode assembly
  • the position within the cross-sectional structure is determined by the distance (r) measured from the center of the polar coordinate system to the corresponding position and the circumferential direction (counterclockwise) to the corresponding position based on the x-axis. It can be expressed as an angle measured by .
  • the angle of the core side end (A inner ) and the outer peripheral end (A outer ) of the cathode (A) can be expressed as ⁇ A,inner and ⁇ A,outer , respectively.
  • the angle of the core side end (B inner ) and the outer peripheral end (B outer ) of the anode (B) can be expressed as ⁇ B,inner and ⁇ B,outer, respectively.
  • the core side end (A inner ) of the negative electrode (A) and the core side end of the positive electrode (B) (B inner ) rotates clockwise.
  • the rotation amount is relatively large during the initial charge/discharge cycle (particularly, full charge in the activation process), and in subsequent charge/discharge cycles, the rotation amount gradually decreases and converges close to 0.
  • the amount of swelling at the cathode (A) is relatively larger than at the anode (B). Therefore, the rotation amount of the core side end (A inner ) of the cathode (A) is greater than the rotation amount of the core side end (B inner ) of the anode (B).
  • the rotation amount of the core-side end (A inner ) of the cathode (A) may be several tens of degrees, and the rotation amount of the core-side end (B inner ) of the anode (B) may be less than ten degrees.
  • the outer end (A outer ) of the cathode (A) and the outer end (B outer ) of the anode (B) rotate counterclockwise.
  • the rotation amount is relatively large during the initial charge/discharge cycle, and is small to less than a few degrees in subsequent charge/discharge cycles.
  • the amount of swelling at the cathode (A) is relatively larger than at the anode (B). Therefore, the rotation amount of the outer peripheral end (A outer ) of the cathode (A) is greater than the rotation amount of the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode (B).
  • the winding part located between the straight lines (L B,inner ) connecting inner ) loses circularity near the core (C), so it is affected by the stress applied to the core (C) when the electrode assembly (JR) is swollen. weak.
  • the straight line (L A,outer) connecting the center of the core (C) of the electrode assembly (JR) to the outer peripheral end (A outer ) of the cathode (A) and the outer peripheral end of the positive electrode (B) amplifies the stress applied to the core (C) when the electrode assembly (JR) swells.
  • the winding part where the outer peripheral end (B outer ) of the anode (B) is located contains the most layers of electrodes and separators in the radial direction, so when the electrode assembly (JR) is swollen, the anode (B The winding part where the outer peripheral end (B outer ) of This is because it increases the stress in the core (C) direction.
  • the outer end (B outer ) of the positive electrode (B) is already located when 1 to 3 charging and discharging cycles have been performed.
  • the winding portion begins to contact the inner peripheral surface of the battery housing (H).
  • the winding part where the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode (B) is located begins to contact the battery housing (H)
  • the swelling of the electrode assembly (JR) becomes more severe, the winding part is closer to the battery housing. It is gradually pressed toward the inner circumference of (H).
  • the outer peripheral end (A outer ) of the negative electrode (A) and the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode (B) do not rotate significantly and are substantially fixed.
  • the degree of compression (compression) at the outer end (B outer ) of the anode (B) becomes more severe, and thus the stress is amplified at that point the most.
  • the winding part located between the straight lines L A,inner and L B,inner is defined as the stress vulnerable section (D1)
  • the part located between the straight lines L A,outer and L B,outer is defined as the stress vulnerable section (D1).
  • the winding part is defined as the stress amplification section (D2).
  • the stress vulnerable section (D1) and the stress amplified section (D2) changes its angle and position.
  • EOL can be defined as the number of charge/discharge cycles.
  • the EOL may be 200 cycles, 300 cycles, 400 cycles, 500 cycles, 600 cycles, 700 cycles, 800 cycles, 900 cycles or more.
  • EOL can be defined as capacity retention rate.
  • EOL can be defined as a capacity retention rate of 90%, a capacity retention rate of 85%, a capacity retention rate of 80%, or less.
  • Cylindrical batteries that have reached their EOL can be replaced or repurposed.
  • the stress vulnerable section (D1) and the stress amplified section (D2) are spaced apart at a predetermined angle in the circumferential direction. It is desirable to optimally design the relative positions of (D1) and the stress amplification section (D2).
  • the outer peripheral end B outer of the positive electrode B in the stress amplification section D2 is oriented along the circumferential direction. It is desirable to optimally design the relative positions of the stress vulnerable section (D1) and the stress amplified section (D2) so that they can be spaced apart from the stress vulnerable section (D1) at a predetermined angle.
  • optimization of the relative positions of the stress vulnerable section (D1) and the stress amplified section (D2) is the location of the core side end (A inner ) of the cathode (A) and the core side end (B inner ) of the anode (B), and This is possible by adjusting the positions of the outer end (A outer ) of the cathode (A) and the outer end (B outer ) of the anode (B).
  • the total amount of rotation about the ends (A inner , B inner ) of both electrodes can be taken into consideration. there is.
  • the total rotation amount can be determined in advance through charging and discharging cycle experiments of a cylindrical battery.
  • the core side end (A inner) of the cathode (A) and the anode (A inner ) are connected to maintain an angle of 120 degrees or less, 130 degrees or less, 140 degrees or less, 150 degrees or less, 160 degrees or less, 170 degrees or less, or 180 degrees or less.
  • the location of the core side end (B inner ) of B) can be designed appropriately.
  • ⁇ A,inner - ⁇ B,inner is 30 degrees, 40 degrees, 50 degrees, 60 degrees, 70 degrees, 80 degrees, 90 degrees, 100 degrees, 110 degrees during the effective use period of the cylindrical battery.
  • ⁇ A,inner - ⁇ B,inner is in the range of 110 degrees to 130 degrees, more preferably in the range of 115 degrees to 125 degrees, more preferably in the range of 120 degrees, during the effective use period of the cylindrical battery.
  • the positions of the core side end (A inner ) of the cathode (A) and the core side end (B inner ) of the anode (B) can be appropriately designed so that they converge.
  • the cathode (A) is longer than the anode (B) in the winding direction (X), and the anode (B) is located inside the cathode (A) in the winding direction (X). Therefore, the angle ⁇ A ,outer of the outer peripheral end (A outer ) of the cathode (A) is greater than the angle ⁇ A,outer of the outer peripheral end (B outer ) of the anode (B).
  • the outer peripheral end (A outer ) of the cathode (A) is located closer to the outer circumference of the electrode assembly (JR) than the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode (B), and the positive electrode along the winding direction (X) in the circumferential direction. It may extend longer by passing through the outer peripheral end (B outer ) of (B).
  • a separator (S) is interposed between the outer peripheral end (A outer ) of the cathode (A) and the outer peripheral end (B outer ) of the anode (B).
  • ⁇ A,outer - ⁇ B,outer is, during the effective use period of the cylindrical battery, 90 degrees or less, 80 degrees or less, 70 degrees or less, 60 degrees or less, 50 degrees or less, 40 degrees or less, 30 degrees.
  • the positions of the outer peripheral end (A outer ) of the cathode (A) and the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode (B) may be designed so as to maintain an angle of less than or equal to 20 degrees.
  • Figure 4 is a diagram for explaining the relative positional relationship between the stress vulnerable section D1 and the stress amplified section D2 according to an embodiment of the present invention.
  • the stress vulnerable section D1 has a circumferential angle ⁇ 1 . Additionally, the stress amplification section D2 has a circumferential angle ⁇ 2 .
  • the line segment that divides the circumferential angle ( ⁇ 1 ) of the stress vulnerable section (D1) into two equal angles is defined as L a
  • the diametric line segment that is perpendicular to the line segment L a and passes through the center of the core (C) of the electrode assembly (JR) is defined as L a.
  • O 1 O 2 the cross section of the electrode assembly (JR) can be divided into a first semicircular region (CL 1 ) and a second semicircular region (CL 2 ) opposing each other based on the diameter line segment O 1 O 2 there is.
  • the stress amplification section D2 may be located within the second semicircular region CL 2 defined based on the stress vulnerable section D1 even if the stress vulnerable section D1 rotates during the effective use period of the cylindrical battery. So that the core side end (A inner ) of the cathode (A), the core side end (B inner ) of the anode (B), the outer circumferential end (A outer ) of the cathode (A), and the outer circumferential end of the anode (B) The relative position of (B outer ) can be set in advance at the winding stage of the electrode assembly (JR).
  • the critical level may be a stress level that causes collapse of the core (C) in the stress vulnerable section (D1).
  • the location of the stress amplification section (D2) is the difference between the stress applied to the core (C) from the stress vulnerable section (D1) and the stress applied to the core (C) from the stress amplification section (D2). It is desirable to set at least some of them to face each other.
  • the stress amplification section D2 is a stress vulnerable section even if the core side end (A inner ) of the negative electrode (A) and the core side end (B inner ) of the positive electrode (B) rotate during the effective use period of the cylindrical battery.
  • the relative position of the outer peripheral end (B outer ) can be set in advance at the winding stage of the electrode assembly (JR).
  • the stress amplification section D2 is the stress amplification section D2, even if the core side end A inner of the cathode A and the core side end B inner of the anode B rotate during the effective use period of the cylindrical battery. It is located within the second semicircular area (CL 2 ) defined based on the vulnerable section (D1), and the outer end (B outer ) of the anode (B) is located on the arc of the fan-shaped area (R * ) and overlaps,
  • the core side end (A inner ) of the cathode (A), the core side end (B inner ) of the anode (B), the outer end (A outer ) of the cathode (A), and the outer end (B outer ) of the anode (B). ) can be set in advance at the winding stage of the electrode assembly (JR).
  • the stress amplification section D2 is such that even if the core side end (A inner ) of the negative electrode (A) and the core side end (B inner ) of the positive electrode (B) rotate during the effective use period of the cylindrical battery, It is located within the second semicircular area (CL 2 ) defined based on the stress vulnerable section (D1), and the cathode (A) is positioned so that the stress amplification section (D2) overlaps the straight line dividing the circumferential angle of the fan-shaped area (R * ) by 2.
  • the position can be set in advance at the winding stage of the electrode assembly (JR).
  • the stress amplification section D2 is stress amplified even if the core side end (A inner ) of the negative electrode (A) and the core side end (B inner ) of the positive electrode (B) rotate during the effective use period of the cylindrical battery. It is located within the second semicircular area (CL 2 ) defined based on the vulnerable section (D1), and the outer peripheral end (B outer ) of the anode (B) is a straight line dividing the circumferential angle of the fan-shaped area (R * ) into two equal angles.
  • the relative position of the end (B outer ) can be set in advance at the winding stage of the electrode assembly (JR).
  • the core (C) By improving the symmetry of the stress applied to the side, it is possible to prevent the core C from collapsing or to further alleviate the phenomenon of the core C collapsing.
  • the core side end (A inner ) and the outer peripheral end (A outer ) of the cathode, and the core side end (B inner ) and the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode (B) are relative to each other.
  • the speed at which the outer region of the electrode assembly corresponding to the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode (B) contacts the inner peripheral surface of the battery housing may vary.
  • 5A to 5C show the relative positions of the core side end (A inner ) and the outer peripheral end (A outer ) of the cathode, and the core side end (B inner ) and the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode (B). These are cross-sectional views of a cylindrical battery showing three different embodiments.
  • the electrode assembly JR shown in FIGS. 5A to 5C has specifications that can be used in a cylindrical battery with a form factor of 4680 (diameter: 46 mm, height: 80 mm).
  • the core side end (A inner ) of the negative electrode (A) and the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode (B) are located on the same line in the radial direction of the electrode assembly (JR). .
  • the core side end (B inner ) of the positive electrode (B) and the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode (B) are located on the same line in the radial direction of the electrode assembly (JR). .
  • the stress amplification area (D2) when in the BOL state, is located within the second semicircular area (CL 2 ) defined based on the stress vulnerable area (D1), but forms point symmetry with the stress vulnerable area (D1). It is located to overlap approximately the center of the fan-shaped area (R * ).
  • the outer peripheral end (B outer ) of the anode (B) is connected to the battery housing. It begins to contact the medial surface of (H).
  • the delay in the point in time at which the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode (B) contacts the inner surface of the battery housing (H) means that the circularity of the cross section of the electrode assembly (JR) decreases. This means that it is relatively well maintained.
  • the cylindrical battery according to the present invention senses the swelling pressure applied by the outer peripheral surface of the electrode assembly (JR) to the inner peripheral surface of the battery housing (H) when the electrode assembly (JR) is swollen, and provides a pressure sensing signal to the outside. It may include a pressure sensor (P sensor ) that can
  • Figure 6a is a diagram schematically showing a cross-section cut perpendicular to the axial direction of a cylindrical battery including a pressure sensor (P sensor ) according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6b is a diagram schematically showing a portion of a cross section cut along the axial direction of a cylindrical battery including a pressure sensor (P sensor ) according to an embodiment of the present invention.
  • the pressure sensor P sensor may be interposed between the outer peripheral surface of the electrode assembly JR and the battery housing H.
  • the pressure sensor P sensor may be attached to the outer circumferential surface of the electrode assembly JR using adhesive or adhesive tape along the shape of the outer circumferential surface of the electrode assembly JR.
  • the area where the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode is located is the first to contact the inner peripheral surface of the battery housing (H) when the electrode assembly (JR) is swollen, so the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode is in contact with the battery housing.
  • the greatest swelling pressure is applied to the inner peripheral surface of (H).
  • the pressure sensor (P sensor ) is connected to the outer peripheral surface of the electrode assembly (JR) and the battery housing (H) so as to intersect a straight line connecting the core center of the electrode assembly (JR) and the outer peripheral end (B outer ) of the positive electrode. It may be interposed between inner surfaces.
  • the pressure sensor (S sensor ) is an electrode assembly that simultaneously intersects the straight line connecting the core center of the electrode assembly (JR) and the outer peripheral end of the anode (B outer ) and the outer peripheral end of the cathode (A outer ), respectively. It may be interposed between the outer circumferential surface of (JR) and the inner circumferential surface of the battery housing (H).
  • the pressure sensor (S sensor ) may be interposed between the outer peripheral surface of the electrode assembly (JR) and the inner peripheral surface of the battery housing (H) so that at least part of the stress amplification section (D2 in FIG. 3) overlaps.
  • the pressure sensor measures the swelling pressure applied by the outer circumference of the electrode assembly (JR) to the inner circumference of the battery housing (H) and can transmit a pressure sensing signal to the outside through wireless communication.
  • Figure 6c is a configuration diagram schematically showing the configuration of a pressure sensor (P sensor ) according to an embodiment of the present invention.
  • the pressure sensor (P sensor ) is made in a sheet shape and includes an energy conversion unit 101, an energy storage unit 102, a pulse generator 103, a detection unit 104, and a transponder. It may include (105).
  • the pressure sensor (P sensor ) may be wrapped by a thin, transparent insulating film.
  • the pressure sensor (P sensor ) may be sandwiched between the upper and lower insulating films.
  • the insulating film may be a polyethylene terephthalate (PET) film or a polyimide (PI) film.
  • the energy conversion unit 101 is a piezoelectric generator that converts mechanical energy due to pressure into electrical energy, and generates voltage by force applied to the piezoelectric material. The magnitude of the voltage is proportional to the magnitude of the applied force. The voltage generated in the energy conversion unit 101 is applied to the energy storage unit 102.
  • the piezoelectric generator can alternatively use conventionally used piezoelectric elements.
  • the energy storage unit 102 transforms the voltage generated in the energy conversion unit 101 to an appropriate level, rectifies it, and stores it as a DC voltage.
  • Figure 6d is a circuit diagram showing the circuit configuration of the energy storage unit 102 in more detail.
  • the voltage generated in the energy conversion unit 101 is lowered to an appropriate level in the transformer 102a and then full-wave rectified through the bridge rectifier 102b to be converted to a DC voltage in the capacitor C1, 102c) is charged.
  • the voltage charged in the capacitor C1 is boosted in the boosting circuit 102d and then adjusted by the voltage adjusting unit 102e to a voltage (Vcc) capable of driving the pulse generating unit 103 to be supplied to the pulse generating unit 103. It is output.
  • Vcc voltage
  • the pulse generator 103 is a voltage controlled oscillator (VCO: Voltage Controlled Oscillator) that generates an RF signal with an oscillation frequency adjusted according to the voltage (Vcc) output from the energy storage unit 102.
  • VCO Voltage Controlled Oscillator
  • Vcc Voltage Controlled Oscillator
  • the pulse generator 103 induces surface acoustic waves by generating an RF signal on its own without receiving a wireless RF signal from the outside.
  • transponder 105 may be a SAW transponder.
  • the detection unit 104 is a variable capacitance type pressure sensing means using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology.
  • the capacitance varies depending on the pressure applied from the outside, and the sensor IDT (IDT) of the transponder 105 varies depending on the degree of variation.
  • 105b InterDigital Transducer
  • the impedance of the sensor IDT (105b) changes according to the pressure applied to the sensing unit 104, and the amplitude of the surface acoustic wave passing through the sensor IDT (105b) changes according to the change in impedance. Therefore, it is possible to know the pressure applied to the sensing unit 40 by calculating how much the amplitude has changed.
  • the pressure sensor P sensor
  • the transponder 105 receives an RF signal from the pulse generator 103, generates a surface acoustic wave, and outputs a pressure sensing signal measured by the surface acoustic wave as a wireless signal through the antenna 105e.
  • the transponder 105 does not generate surface acoustic waves by receiving an RF signal from the outside like a conventional transponder, but generates electrical energy using the energy conversion unit 101 provided in the sensor and then converts the electrical energy into energy. It generates surface acoustic waves by internally generating RF signals.
  • the transponder 105 may include a plurality of IDT metal electrodes arranged in parallel on a substrate (LiNbO 3 ) having piezoelectric properties.
  • the transponder 105 includes a launching IDT (105a), a sensor IDT (105b), a reference IDT (105c), an output IDT (105d), and an antenna (105e).
  • the oscillation IDT (105a) receives the RF signal from the pulse generator 103, converts it into surface acoustic waves, and outputs it to the sensor IDT (105b).
  • the sensor IDT (105b) is electrically connected to the detection unit 104, and the surface acoustic wave generated by the oscillation IDT (105a) between the oscillation IDT (105a) and the output IDT (105d) is the wave applied to the output IDT (105d). It is installed on the progress path. That is, the surface acoustic wave generated by the oscillating IDT (105a) passes through the sensor IDT (105b) and is applied to the output IDT (105d). At this time, swelling pressure is applied to the sensing unit 104 to increase the capacitance of the sensing unit 104. When this changes, the impedance of the sensor IDT (105b) changes accordingly. Accordingly, the amplitude of the surface acoustic wave passing through the sensor IDT 105b changes.
  • the reference IDT (105c) is installed in the opposite direction to the oscillation IDT (105a) centered on the output IDT (105d), and when it receives the RF signal from the pulse generator 103, it converts it into a surface acoustic wave and outputs it to the output IDT (105d). do. At this time, the surface acoustic wave generated by the reference IDT (105c) has the same amplitude as the surface acoustic wave generated by the oscillating IDT (105a).
  • the surface acoustic wave generated by the reference IDT (105c) is a standard for comparing the extent to which the amplitude of the surface acoustic wave generated by the oscillation IDT (105a) has changed in the sensor IDT (105b) according to the swelling pressure applied to the detection unit (104). This is a surface acoustic wave. Therefore, the oscillating IDT (105a) and the reference IDT (105c) are designed so that the surface acoustic waves generated by the two IDTs (105a and 105c) have the same amplitude. And, the distance between the reference IDT (105c) and the output IDT (105d) is designed to be closer than the distance between the oscillation IDT (105a) and the output IDT (105d).
  • the output IDT (105d) converts the surface acoustic waves applied from the reference IDT (105c) and the sensor IDT (105b) into RF signals, and the converted RF signals are wirelessly transmitted to an external swelling pressure monitoring device through the antenna (105e). is transmitted to
  • the external swelling pressure monitoring device (300 in FIG. 6e) sequentially receives the RF signal corresponding to the surface acoustic wave generated by the reference IDT (105c) and the RF signal corresponding to the surface acoustic wave generated by the oscillating IDT (105a). Afterwards, the magnitude of the swelling pressure applied to the detection unit 104 can be quantitatively detected by processing the received RF signals and comparing the magnitude of the amplitude.
  • the pressure sensor (P sensor ) operates as follows. When swelling pressure is applied to the energy conversion unit 101, the energy conversion unit 101 converts the mechanical energy caused by the swelling pressure into electrical energy and outputs it. The electrical energy generated in the energy conversion unit 101 is charged to the capacitor C1 of the energy storage unit 102. When the capacitor C1 is charged with a predetermined level of voltage, the energy storage unit 102 releases the stored electric energy to the pulse generator 103 to drive the pulse generator 103.
  • the pulse generator 103 When the pulse generator 103 receives electrical energy from the energy storage unit 102, it adjusts the oscillation frequency according to the voltage level of the supplied electrical energy and generates an RF signal according to the corresponding frequency.
  • the RF signal generated from the pulse generator 103 is applied to the reference IDT 105c and the oscillation IDT 105a, respectively.
  • the reference IDT (105c) and the oscillation IDT (105a) convert it into a surface acoustic wave and output it.
  • the surface acoustic waves generated by the reference IDT 105c hereinafter referred to as 'reference surface acoustic waves'
  • the surface acoustic waves generated by the oscillating IDT 105a hereinafter referred to as 'sensing surface acoustic waves'
  • the reference surface acoustic wave and the sensing surface acoustic wave generated by the reference IDT 105c and the oscillation IDT 105a, respectively, are applied to the output IDT 105d. That is, the reference surface acoustic wave generated in the reference IDT (105c) is directly applied to the output IDT (105d), and the surface acoustic wave generated in the oscillation IDT (105a) is applied to the output IDT (105d) through the sensor IDT (105b). .
  • the distance between the reference IDT (105c) and the output IDT (105d) (the travel distance of the reference surface acoustic wave) is shorter than the distance between the oscillation IDT (105a) and the output IDT (105d) (the travel distance of the sensing surface acoustic wave)
  • the reference surface acoustic wave is applied to the output IDT (105d) before the sensing surface acoustic wave.
  • the reference surface acoustic wave generated by the reference IDT (105c) is first converted into a reference RF signal by the output IDT (105d) and then wirelessly transmitted to the external swelling pressure monitoring device 300 through the antenna 105e. do. At this time, since the reference surface acoustic wave does not pass through other IDT metals during its progress, the waveform generated by the reference IDT (105c) is maintained.
  • the sensing surface acoustic wave generated by the oscillation IDT (105a) is applied to the output IDT (105d), converted into a sensing RF signal, and then wirelessly transmitted to the external swelling pressure monitoring device 300 through the antenna (105e). do. Since the sensor IDT (105b) exists between the oscillation IDT (105a) and the output IDT (105d), the sensing surface acoustic wave, unlike the reference surface acoustic wave, passes through the sensor IDT (105b) on the way to the output IDT (105d) and has an amplitude of The size changes.
  • the degree of change in amplitude varies depending on the impedance of the sensor IDT (105b), that is, the size of the capacitance that varies depending on the swelling pressure applied to the sensing unit (104). That is, the capacitance of the sensing unit 104 changes depending on the magnitude of the swelling pressure applied to the sensing unit 104, and the amplitude of the sensing surface acoustic wave changes depending on the degree of change.
  • the sensing surface acoustic wave whose amplitude is varied by the sensor IDT (105b) is converted into a sensing RF signal at the output IDT (105d) and transmitted to the external swelling pressure monitoring device 300 through the antenna (105e).
  • the external swelling pressure monitoring device 300 processes the sensing RF signal corresponding to the sensing surface acoustic wave and the reference RF signal corresponding to the previously arrived reference surface acoustic wave, and then compares the amplitude of the two signals to calculate the difference. By doing so, the magnitude of the swelling pressure applied to the sensing unit 104 can be quantitatively calculated.
  • Figure 6e is a block diagram schematically showing the configuration of the swelling pressure monitoring device 300 of a cylindrical battery according to an embodiment of the present invention.
  • the swelling pressure monitoring device 300 of a cylindrical battery includes a receiving unit 301, a signal processing unit 302, a control unit 303, a storage unit 304, a display unit 305, and a communication unit 306. may include.
  • the receiving unit 301 is a circuit capable of receiving an RF signal through an antenna, and receives a pressure sensing signal transmitted wirelessly from a pressure sensor (P sensor ) and transmits it to the signal processing unit 302.
  • the pressure sensing signal includes a reference RF signal and a sensing RF signal that sequentially arrive at the antenna.
  • the pressure sensing signal can be repeatedly received whenever electrical energy above a certain level is stored in the energy storage unit 102 of the pressure sensor (P sensor ).
  • the signal processing unit 302 is a circuit that removes noise from a signal received through wireless communication and restores the original signal. It generates a sensing surface acoustic wave and a reference surface acoustic wave by demodulating the reference RF signal and the sensing RF signal, respectively, and is operated by the control unit ( 303). Sensing surface acoustic waves and reference surface acoustic waves correspond to signals generated from a pressure sensor (P sensor ).
  • P sensor a pressure sensor
  • RF circuit technology for demodulating an RF signal into an original signal is widely known in the art, so detailed description is omitted.
  • the control unit 303 is a circuit that generally controls the swelling pressure monitoring device 300 of the cylindrical battery.
  • the control unit 303 may determine the amplitude of the sensing surface acoustic wave and the amplitude of the reference surface acoustic wave through signal processing and determine the difference between the two amplitudes. Additionally, the control unit 303 may refer to a look-up table that predefines the swelling pressure according to the amplitude difference between the sensing surface acoustic wave and the reference surface acoustic wave and determine the swelling pressure corresponding to the difference between the two amplitudes.
  • the lookup table may be previously recorded in the storage unit 304 and referenced by the control unit 303.
  • the control unit 303 may also generate time series data of the swelling pressure in the storage unit 304 by accumulating and recording the determined swelling pressure along with a time stamp in the storage unit 304.
  • the length of the time section in which time series data of swelling pressure is generated can be arbitrarily set.
  • the control unit 303 may generate a swelling pressure profile using time series data of the swelling pressure generated in the storage unit 304.
  • 6F is a graph illustrating the swelling pressure profile f(t,p) according to an embodiment of the present invention.
  • f(t,p) t is a variable representing time and p is a swelling pressure.
  • the swelling pressure profile f(t,p) shown in Figure 6f the swelling pressure gradually increases over time and reaches a saturation state.
  • the section in which the swelling pressure increases is a section in which the outer diameter of the battery housing (H) increases as the battery housing (H) is elastically deformed as the electrode assembly (JR) swells.
  • the section after the swelling pressure reaches saturation is a section in which the battery housing (H) undergoes plastic deformation as the swelling of the electrode assembly (JR) becomes more severe. If the battery housing (H) undergoes plastic deformation, the battery housing (H) is not restored to its original shape even if the electrode assembly (JR) is removed from the battery housing (H).
  • Core collapse of the electrode assembly (JR) may occur after the swelling pressure reaches saturation in the swelling pressure profile f(t,p). If there are signs of collapse of the core of the electrode assembly (JR), an abnormal pattern may appear where the swelling pressure suddenly decreases for a short period of time and then slowly increases again, as shown in the dotted line profile. That is, if at least one minimal peak is identified in the swelling pressure profile f(t,p), it can be diagnosed that there are signs of core collapse of the electrode assembly JR. This is because if there is a sign of the core of the electrode assembly (JR) collapsing, the stress within the electrode assembly (JR) slightly decreases and the swelling pressure suddenly and slightly decreases for a short period of time. Accordingly, the control unit 303 may detect signs of core collapse of the electrode assembly JR in advance using the swelling pressure profile f(t,p).
  • control unit 303 may generate a swelling pressure profile f(t,p) as shown in FIG. 6F using time series data of the swelling pressure periodically generated in the storage unit 304. there is. Additionally, when at least one minimal peak is identified in the swelling pressure profile f(t,p), the control unit 303 may diagnose that there is a sign of core collapse of the electrode assembly JR and output a diagnosis result.
  • the controller 303 may generate a differential swelling pressure profile f'(t,p) through time differentiation with respect to the swelling pressure profile f(t,p) as shown in FIG. 6F. . If a minimal peak appears at the time t diag in the swelling pressure profile f(t,p), a minimal peak appears at the time t diag ,1 around the time t diag in the differential swelling pressure profile f'(t,p), and t A maximum peak may appear at diag,2 . This is because, in the swelling pressure profile f(t,p), inflection points occur at time t diag ,1 and t diag,2 around the time t diag where the minimum peak appears.
  • the control unit 303 may diagnose that there is a sign of core collapse of the electrode assembly JR and output a diagnosis result. According to this embodiment, signs of core collapse of the electrode assembly JR can be detected at time t diag,1, which is earlier than time t diag .
  • control unit 303 may monitor the voltage of the battery as well as the swelling pressure at the same time to detect signs of core collapse of the electrode assembly JR in advance.
  • the swelling monitoring device 300 of a cylindrical battery may further include a voltage measuring unit 307.
  • the voltage measurement unit 307 includes a voltage measurement circuit known in the art.
  • the control unit 303 can generate voltage time series data in the storage unit 304 by periodically receiving voltage measurement values from the voltage measurement unit 307 and accumulating and storing them in the storage unit 304 along with a time stamp.
  • the length of the time section in which voltage time series data is generated can be arbitrarily set.
  • the control unit 303 may periodically generate a voltage profile g(t,V) using time series data of the voltage generated in the storage unit 304.
  • g(t,V) t is a variable representing time and V is voltage.
  • Figure 6g is a graph illustrating the voltage profile g(t,V) according to an embodiment of the present invention.
  • the control unit 303 may generate a differential voltage profile g'(t,V) through time differentiation of the voltage profile g(t,V).
  • the control unit 303 may detect signs of core collapse of the electrode assembly JR in advance using the periodically generated differential voltage profile g'(t,V).
  • control unit 303 refers to the time series data of the swelling pressure generated in the storage unit 304, determines that the swelling pressure at the current time is more than a preset threshold, and determines that the swelling pressure at the current time is greater than or equal to a preset threshold, and at least one If the conditions for identifying the above peaks are met, it can be diagnosed that there are signs of core collapse of the electrode assembly (JR), and the diagnosis result can be output.
  • JR core collapse of the electrode assembly
  • the electrode assembly (JR) is detected sooner than if signs of core collapse of the electrode assembly (JR) are detected using the swelling pressure profile f(t,p) or the differential swelling pressure profile f'(t,p). ) can detect signs of core collapse in advance. If there are signs of collapse of the core of the electrode assembly (JR), the adhesion between the electrode and the separator near the core worsens before the swelling pressure change appears, and the effective area where electrochemical reactions occur decreases, causing the battery voltage to increase as shown in the dotted line profile in Figure 6g. This is because changes may occur, such as a slight decrease and then an increase.
  • the above subtle voltage changes can be detected by monitoring whether a peak appears in the differential voltage profile g'(t,V). For example, as shown in Figure 6g, if a subtle voltage decrease pattern occurs in the voltage profile g(t,V) at the time t * diag , the differential voltage profile g'(t,V) shows a pattern before and after the time t * diag . A minimal peak may appear at time t * diag,1 and a maximum peak may appear at time t * diag,2 . This is because, in the voltage profile g(t,V), inflection points occur at the time t * diag ,1 and t * diag,2 around the time t * diag where the minimum peak appears.
  • the time t * diag is the time t diag or t diag at which signs of core collapse of the electrode assembly (JR) are detected based on the swelling pressure profile f(t,p) or the differential swelling pressure profile f'(t, p). This is considerably earlier than 1 . Therefore, the method of monitoring both swelling pressure and minute voltage changes over time is more effective in diagnosing signs of core collapse of the electrode assembly (JR) in advance.
  • the voltage profile g(t,V), which represents the voltage change over time, can be replaced with the voltage profile h(SOC, V), which represents the voltage change according to the state of charge (SOC) of the battery.
  • SOC is a variable representing the state of charge
  • V is a variable representing the voltage.
  • the swelling pressure monitoring device 300 of a cylindrical battery may further include a current measurement unit 308 to generate a voltage profile h(SOC, V).
  • the current measurement unit 308 may include a current measurement circuit known in the art.
  • the control unit 303 measures the charging current or discharging current using the current measuring unit 308, determines the charging state of the battery using the ampere counting method, and records the battery's charging state with a time stamp in the storage unit 304. Time series data of the charging state is generated in the storage unit 304 by accumulating and storing it.
  • the control unit 303 may use the time series data of the voltage and the time series data of the charging state periodically generated in the storage unit 304 to generate a voltage profile h(SOC, V) indicating the voltage change according to the charging state.
  • Figure 6h is a graph illustrating the voltage profile h(SOC,V) according to another embodiment of the present invention.
  • the control unit 303 may periodically generate a differential voltage profile g'(SOC,V) through differentiation of the state of charge with respect to the voltage profile h(SOC,V).
  • the control unit 303 may detect in advance signs of core collapse of the electrode assembly JR using the periodically generated differential voltage profile h'(SOC,V), similar to the above-described embodiment.
  • control unit 303 refers to the time series data of the swelling pressure generated in the storage unit 304, determines that the swelling pressure at the current time is greater than or equal to a preset threshold, and determines that the swelling pressure at the current time is greater than or equal to a preset threshold and is determined by at least one of the differential voltage profile h'(SOC,V). If the conditions for identifying the above peaks are met, it can be diagnosed that there are signs of core collapse of the electrode assembly (JR), and the diagnosis result can be output.
  • JR core collapse of the electrode assembly
  • the electrode assembly (JR) is detected sooner than if signs of core collapse of the electrode assembly (JR) are detected using the swelling pressure profile f(t,p) or the differential swelling pressure profile f'(t,p). ) can detect signs of core collapse in advance. If there are signs of collapse of the core of the electrode assembly (JR), the adhesion between the electrode and the separator near the core deteriorates before the swelling pressure change appears, and the effective area where electrochemical reactions occur decreases, causing the battery voltage to increase as shown in the dotted line profile in Figure 6h. This is because there may be a slight decrease or increase depending on the state of charge.
  • the above subtle voltage changes can be detected by monitoring whether a peak appears in the differential voltage profile h'(SOC,V). For example, as shown in Figure 6h, if a subtle voltage decrease pattern occurs in the voltage profile h(SOC,V) at the time t * diag , the differential voltage profile h'(SOC,V) changes before and after the time t * diag . A minimal peak may appear at time t * diag,1 and a maximum peak may appear at time t * diag,2 . This is because, in the voltage profile h(SOC,V), inflection points occur at the time t * diag ,1 and t * diag,2 around the time t * diag when the minimum peak appears.
  • the time t * diag is the time t diag or t diag at which signs of core collapse of the electrode assembly (JR) are detected based on the swelling pressure profile f(t,p) or the differential swelling pressure profile f'(t, p); This is considerably earlier than 1 . Therefore, the method of simultaneously monitoring the swelling pressure and minute voltage changes according to the state of charge is more effective in diagnosing signs of core collapse of the electrode assembly (JR) in advance.
  • control unit 303 can visually output the diagnosis results of the above embodiments through the display unit 305.
  • the display unit 305 is provided in a device that receives power from a battery, and may be a known display such as LCD or OLED.
  • the device may be an electric vehicle, and the display unit 305 may be an integrated display provided in the electric vehicle.
  • the present invention is not limited by the type of device.
  • control unit 303 may transmit the diagnosis results of the above embodiments to another computer system 310 through the communication unit 306.
  • the communication unit 306 is a communication interface that can exchange data signals with an external device and may be a communication modem.
  • a communication modem may support wired communication or wireless communication.
  • the computer system 310 may be a diagnostic device.
  • the diagnostic device may be provided at a service center that can professionally perform battery inspection and diagnosis.
  • the diagnosis result may include a warning message or a diagnosis request message.
  • the warning message may include information notifying the user that a safety problem has occurred in the battery.
  • the inspection request message may include a request for the user to diagnose the safety of the battery. If the user receives a warning message or a diagnosis request message, the user can visit a service center that specializes in inspecting devices equipped with batteries, inspect the battery closely, and replace the battery if it is confirmed that the core of the electrode assembly has collapsed. there is.
  • the control unit 303 can read the time series data of the swelling pressure from the storage unit 304 according to the control command and output it through the display unit 305 or transmit it to another computer system through the communication unit 306.
  • the control command may be input from the battery diagnosis device through the communication unit 306.
  • the display unit 305 is a display including a touch sensor, the control command can be input directly through the display unit 305.
  • control unit 303 optionally includes a processor, application-specific integrated circuit (ASIC), other chipset, logic circuit, register, communication modem, data processing device, etc. known in the art to execute control logic. can do.
  • control logic when the control logic is implemented as software, the control unit 303 may be implemented as a set of program modules.
  • the program module is stored in memory and can be executed by the processor.
  • the memory may be internal or external to the processor and may be connected to the processor through a variety of well-known computer components. Additionally, the memory may be included in the storage unit 304 of the present invention. Additionally, the memory refers to a general term for devices in which information is stored regardless of the type of device, and does not refer to a specific memory device.
  • At least one of the various control logics of the control unit 303 is combined, and the combined control logics can be written in a computer-readable code system and recorded on a computer-readable recording medium.
  • the recording medium includes at least one selected from the group including ROM, RAM, register, CD-ROM, magnetic tape, hard disk, floppy disk, and optical data recording device.
  • the code system can be distributed, stored and executed on computers connected to a network. Additionally, functional programs, codes, and code segments for implementing the combined control logics can be easily deduced by programmers in the technical field to which the present invention pertains.
  • the storage unit 304 is a flash memory type, hard disk type, SSD type (Solid State Disk type), SDD type (Silicon Disk Drive type), and multimedia card.
  • Multimedia card micro type random access memory (RAM), static random access memory (SRAM), read-only memory (ROM), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), and programmable memory (PROM) It may include at least one type of storage medium among read-only memory.
  • the storage unit 304 can store data and programs required for calculation operations by the control unit 303.
  • the storage unit 304 can store data representing the results of calculation operations by the control unit 303.
  • the control unit 303 processes the RF signal transmitted from the pressure sensor (P sensor ) to determine time series data of the swelling pressure and/or time series data of the voltage of the battery and/or time series data of the charge and discharge current of the battery. And/or time series data on the charging state of the battery may be accumulated and recorded in the storage unit 304.
  • a plurality of cylindrical batteries including a pressure sensor (P sensor ) may be connected in series and/or parallel to form a battery pack.
  • the swelling pressure monitoring device 300 of a cylindrical battery may be included in a battery management system that generally controls charging and discharging of a battery pack.
  • the battery management system uses the swelling pressure monitoring device 300 to monitor changes in swelling pressure over time for cylindrical battery(s) including a pressure sensor among the cylindrical batteries included in the battery pack and, optionally, over time.
  • the voltage change according to the state of charge can be periodically monitored to diagnose signs of core collapse of the electrode assembly in advance, and the diagnosis result can be output through the display unit 305 or transmitted to another computer system through the communication unit 306.
  • the components named ' ⁇ part' may be implemented as electronic circuits.
  • the components of the device should be understood as functionally distinct elements rather than physically distinct elements. Accordingly, each component may be selectively integrated with other components or each component may be divided into sub-components for efficient execution of the control logic(s).
  • the integrated or divided components should also be interpreted as being within the scope of the present invention.
  • Figure 7a is a plan view showing the structure of the electrode 40 included in the electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode 40 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 40.
  • 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 40 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 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 uncoated area (B1), the outer uncoated area (B3), and the middle uncoated area (B3) are the uncoated area and the outer peripheral side of the area adjacent to the core side, respectively, when the electrode 40 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 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) is greater than 0, but is relatively smaller than that of the first part (B1) and the third part (B2). In the winding direction X, the third part B2 is longer than the first part B1 and the second part B3.
  • Figure 7b is a plan view showing the structure of the electrode 45 according to another embodiment of the present invention.
  • the electrode 45 differs only in that the height of the second portion B3 gradually decreases toward the outer circumference, and the remaining structure is substantially the same as that of the electrode 40 described above.
  • the second part B3 can be transformed into a step shape (see dotted line) whose height gradually decreases.
  • Figure 7c is a plan view showing the structure of the electrode 50 according to another embodiment of the present invention.
  • the height of the first part (B1) and the second part (B3) of the electrode 50 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 height of the third portion B2 may have a step shape that gradually increases from the core side to the outer circumference side.
  • Patterns 1 to 7 divide the third portion B2 around the position where the height of the uncoated portion 43 changes.
  • the number of patterns and the height (length in the Y-axis direction) and width (length in the X-axis direction) of each pattern can be adjusted to maximize stress distribution during the bending process of the uncoated portion 43.
  • the stress distribution is to prevent tearing of the uncoated portion 43 when the uncoated portion 43 is bent toward the core of the electrode assembly.
  • the width d B1 of the first part B1 is designed by applying the condition that the core of the electrode assembly is not obscured when the patterns of the third part B2 are 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 pattern 1.
  • the bending length corresponds to the height of the pattern relative to the bending point of the pattern.
  • the width d B1 of the first part B1 can 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 pattern 1.
  • the width d B1 of the first portion B1 is the diameter of the electrode assembly core and the bending length of pattern 1. Depending on the size, it can be set to 180mm to 350mm.
  • the height of the third portion B2 may have a step shape that increases and then decreases from the core side to the outer circumference side.
  • the second portion B3 may be modified to have the electrode 45 structure of FIG. 7B.
  • the pattern structure applied to the third portion B2 may be extended to the second portion B3 (see dotted line).
  • Figure 7d is a plan view showing the structure of the electrode 60 according to another embodiment of the present invention.
  • the height of the first part (B1) and the second part (B3) in the direction of the winding axis (Y) of the electrode 60 is 0 or more, but is relatively smaller than that of the third part (B2). Additionally, the height of the first part (B1) and the second part (B3) in the winding axis (Y) direction may be the same or different.
  • 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 have a geometric shape whose width decreases from the bottom to the top.
  • the geometric shape is a trapezoid.
  • the shape of a geometric figure can be modified in many ways, such as a square, a parallelogram, a semicircle, or a semielliptic shape.
  • 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 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 electrode 60 When the uncoated portion 43 of the electrode 60 has a segmented piece structure, the electrode 60 has a segmented section omitted section in which some of the plurality of segmented pieces are regularly or irregularly omitted, as shown in FIG. 7E. 64) may be included.
  • 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. 7E, 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. 7F, 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 center of the core 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 segmental pieces exposed at the top and bottom of the electrode assembly overlap in several layers along the radial direction of the electrode assembly to form a bent surface area. can be formed.
  • Figure 8 is a schematic diagram showing a cross section of the bent surface area (F) formed when the segment piece 61 is bent toward the core (C) of the electrode assembly 80 according to an embodiment of the present invention.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the electrode structures of the above-described embodiments may be applied to at least one of the first electrode and the second electrode having different polarities included in the jelly roll-type electrode assembly. 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.
  • the other one may be applied selectively.
  • 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 1-x La x Zr 1-y Ti y O 3 (PLZT), PB(Mg 3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), BaTiO 3 , hafnia(HfO 2 ), SrTiO 3 , TiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, CaO, ZnO and Y 2 O 3 It may contain at least one or more substances selected from the group consisting of
  • the cylindrical battery is, for example, a cylindrical battery with a form factor ratio (defined as the diameter of the cylindrical battery divided by the height, that is, 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 40 mm to 50 mm, and the height may be 60 mm to 130 mm.
  • the form factor of the cylindrical battery may be, for example, 46110, 4875, 48110, 4880, or 4680.
  • the first two numbers represent the diameter of the battery, and the remaining numbers represent the height of the battery.
  • the number of turns of the electrode assembly may be 50 to 60 turns.
  • Figure 9 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 seal 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 electrode assembly 110 is formed by sequentially stacking the lower separator, the first electrode, the upper separator, and the second electrode at least once, and is wound around the winding axis 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.
  • a pressure sensor may be interposed between the outer peripheral surface of the electrode assembly 110 and the inner peripheral surface of the battery housing 142.
  • the detailed configuration and installation location of the pressure sensor (P sensor ) have already been described in detail.
  • the pressure sensor (P sensor ) senses the swelling pressure applied by the outer peripheral surface of the electrode assembly 110 to the inner peripheral surface of the battery housing 142 and transmits the pressure sensing signal to an external swelling pressure monitoring device (see Figure 6e) through wireless communication. 300).
  • a first uncoated portion 146a of the first electrode and a second uncoated portion 146b of the second electrode protrude from the upper and lower portions of the electrode assembly 110, respectively.
  • the first uncoated portion 146a and the second uncoated portion 146b may be bent toward the core of the electrode assembly 110 to form a bent surface area F.
  • the second portion B3 of the first electrode is spaced apart from the inner peripheral surface of the battery housing 142, particularly the beading portion 147, by a predetermined distance. Accordingly, the second portion B3 of the first electrode does not contact the battery housing 142 that is electrically connected to the second electrode, thereby preventing an internal short circuit.
  • the second uncoated portion 146b of the second electrode may have substantially the same structure as the first uncoated portion 146a.
  • the second uncoated portion 146b may optionally have the uncoated portion structure of the electrode according to the embodiments (modified examples).
  • the seal 143 includes a plate-shaped cap 143a, a sealing gasket 143b that provides airtightness between the cap 143a and the battery housing 142, and an insulating sealing gasket 143b, and is electrically and mechanically connected to the cap 143a. It may include a connection plate 143c coupled with .
  • the cap 143a is a component made of a conductive metal material and covers the top opening of the battery housing 142.
  • the cap 143a is electrically connected to the uncoated portion 146a of the first electrode, and is electrically insulated from the battery housing 142 through a sealing gasket 143b. Accordingly, the cap 143a may function as a first electrode terminal (eg, anode) of the cylindrical battery 190.
  • the cap 143a is seated on the beading portion 147 formed in the battery housing 142 and is fixed by the crimping portion 148.
  • a sealing gasket 143b may be interposed between the cap 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 143a.
  • the cap 143a may have a protrusion 143d protruding upward from its center.
  • the battery housing 142 is electrically connected to the second uncoated portion 146b 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 inner peripheral surface of the beading portion 147 is spaced apart from the second portion B3 of the first electrode by a predetermined distance. More specifically, the lower end of the inner peripheral surface of the beading portion 147 is spaced apart from the second portion B3 of the first electrode by a predetermined distance. Additionally, because the second part B3 has a low height, the second part B3 is not substantially affected even when the battery housing 142 is press-fitted from the outside to form the beading portion 147. Accordingly, the second portion B3 is not pressed by other components such as the beading portion 147, thereby preventing partial shape deformation of the electrode assembly 110 from occurring, thereby preventing a short circuit inside the cylindrical battery 190. can be prevented.
  • the indentation 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 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 143a disposed on the beading portion 147 and a portion of the upper surface of the cap 143a.
  • the cylindrical battery 190 may further include a first current collector 144 and/or a second current collector 145 and/or an insulator 146.
  • the first current collector 144 is coupled to the upper part of the electrode assembly 110.
  • the first current collector 144 is made of a conductive metal material such as aluminum, copper, steel, nickel, etc., and is electrically connected to the first uncoated portion 146a of the first electrode. Electrical connections can be made through welding.
  • a lead 149 may be connected to the first current collector 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 143a.
  • the lead 149 and other components may be joined through welding.
  • the first current collector 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 144.
  • the first current collector 144 is coupled to the bent surface area F of the first uncoated portion 146a.
  • the bonding between the bent surface area F of the first uncoated portion 146a and the first current collector 144 may be achieved, for example, by laser welding.
  • Laser welding may be performed by partially melting the base material of the current collector 144.
  • Laser welding can be replaced by resistance welding, ultrasonic welding, and spot welding.
  • a second current collector 145 may be coupled to the lower surface of the electrode assembly 110.
  • One side of the second current collector 145 is bonded to the bent surface area F of the second uncoated portion 146b by welding, and the opposite side is bonded to the inner bottom surface of the battery housing 142 by welding. It can be.
  • the coupling structure between the second current collector 145 and the second uncoated region 146b may be substantially the same as the coupling structure between the first current collector 144 and the first uncoated region 146a.
  • the electrode assembly 110 swells. It can prevent the electrodes from rotating when ringed. This effect appears equally in the embodiments described later.
  • the uncoated portions 146a and 146b are not limited to the structure shown. Accordingly, the uncoated portions 146a and 146b may optionally have the uncoated portion structure of the electrode according to the embodiments (modification examples) as well as the conventional uncoated portion structure.
  • the insulator 146 may cover the first current collector 144.
  • the insulator 146 covers the first current collector 144 on the upper surface of the first current collector 144, thereby preventing direct contact between the first current collector 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 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 143a.
  • the area around the edge of the insulator 146 may be interposed between the first current collector 144 and the beading portion 147 to fix the combination of the electrode assembly 110 and the first current collector 144. Accordingly, the movement of the combination of the electrode assembly 110 and the first current collector 144 in the winding axis direction (Y) of the battery 190 is limited, and the assembly stability of the battery 190 can be improved.
  • 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 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 10 is a cross-sectional view of a cylindrical battery 200 according to another embodiment of the present invention cut along the Y axis.
  • 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. 9 , but the structure is different except for the electrode assembly.
  • the cylindrical battery 200 includes a pressure sensor (P sensor ).
  • the pressure sensor (P sensor ) may be interposed between the outer peripheral surface of the electrode assembly 110 and the inner peripheral surface of the battery housing 171. The detailed configuration and installation location of the pressure sensor (P sensor ) have already been described in detail.
  • the pressure sensor (P sensor ) senses the swelling pressure applied by the outer peripheral surface of the electrode assembly 110 to the inner peripheral surface of the battery housing 171 and transmits the pressure sensing signal to an external swelling pressure monitoring device (see Figure 6e) through wireless communication. 300).
  • the cylindrical battery 200 includes a battery housing 171 through which a terminal 172 is installed.
  • the terminal 172 is installed through a through hole formed on the closed surface (upper surface in the drawing) of the battery housing 171.
  • the terminal 172 is riveted into a through hole of the battery housing 171 with an insulating gasket 173 made of an insulating material interposed therebetween.
  • the terminal 172 is exposed to the outside in a direction opposite to the direction of gravity.
  • the terminal 172 may be a rivet terminal including a terminal exposed 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 exposure 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 onto 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 144 connected to the first non-coated portion 146a 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 144 and the inner surface of the battery housing 171.
  • the insulator 174 covers the top of the first current collector 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 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 144 and the inner surface of the closed portion of the battery housing 171.
  • the terminal insertion portion 172b of the terminal 172 may be welded to the first current collector 144 through a 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 insulating gasket 173.
  • the insulating gasket 173 is interposed between the battery housing 171 and the terminal 172 to prevent the battery housing 171 and the 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 insulating 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 terminal 172 and the battery housing 171.
  • the gasket insertion portion 173b is interposed between the terminal insertion portion 172b of the 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 when the terminal insertion portion 172b is riveted.
  • the insulating gasket 173 may be made of, for example, a polymer resin having insulating properties.
  • the gasket exposed portion 173a of the insulating gasket 173 may have an extended shape to cover the outer peripheral surface of the terminal exposed portion 172a of the terminal 172. If the insulating gasket 173 covers the outer peripheral surface of the terminal 172, short circuiting can be prevented 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 terminal 172. You can. Although not shown in the drawing, 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 insulating gasket 173 may be coupled to the battery housing 171 and the terminal 172 by heat fusion. In this case, airtightness at the bonding interface between the insulating gasket 173 and the terminal 172 and the bonding interface between the insulating gasket 173 and the battery housing 171 can be strengthened. Meanwhile, in the case where the gasket exposed portion 173a of the insulating gasket 173 extends to the upper surface of the terminal exposed portion 172a, the terminal 172 is integrated with the insulating gasket 173 by insert injection molding. can be combined.
  • the remaining area 175 of the upper surface of the battery housing 171 excluding the area occupied by the terminal 172 and the insulating gasket 173 corresponds to a second electrode terminal having an opposite polarity to the terminal 172.
  • the second current collector 176 is coupled to the lower part of the electrode assembly 110.
  • the second current collector 176 is made of a conductive metal material such as aluminum, steel, copper, or nickel, and is electrically connected to the second uncoated portion 146b of the second electrode.
  • the second current collector 176 is electrically connected to the battery housing 171.
  • the second current collector 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 sealing gasket 178b.
  • at least a portion of the edge portion of the second current collector 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 176 may be directly welded to the inner peripheral surface of the battery housing 171.
  • the bent surface area F of the second current collector 176 and the second uncoated portion 146b may be joined by welding, for example, laser welding. Additionally, the welded portions of the second current collector 176 and the second uncoated portion 146b may be spaced apart from each other by 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 178a having a plate shape and a sealing gasket 178b.
  • the sealing gasket 178b electrically separates the cap 178a and the battery housing 171.
  • the crimping portion 181 secures the edge of the cap 178a and the sealing gasket 178b together.
  • the cap 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 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 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 178a is made of a conductive metal material.
  • the sealing gasket 178b is interposed between the cap 178a and the battery housing 171, the cap 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 terminal 172 electrically connected to the first uncoated portion 146a of the first electrode is used as the first electrode terminal.
  • the portion 175 excluding the terminal 172 of the upper surface of the battery housing 171 that is electrically connected to the second uncoated portion 146b of the second electrode through the second current collector 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, sufficient connection area can be secured when connecting electrical connection components such as a bus bar. Accordingly, the cylindrical battery 200 can lower the resistance at the connection portion of the electrical connection components to a desirable level.
  • the cylindrical battery 200 according to an embodiment of the present invention has the advantage of being able to make electrical connections at the top.
  • FIG. 11 is a top plan view showing a state in which a plurality of cylindrical batteries 200 are electrically connected according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is a partial enlarged view of FIG. 11.
  • 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 terminal 172 may have a positive polarity and the flat surface 171a around the 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 provided in a vertical direction on the drawing, and rows are provided in a left-right direction on the drawing. 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 externally exposed terminals 172 of the battery housing 171 are connected 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 terminals 172 .
  • the body portion 211 may extend along the row of cylindrical batteries 200, but the body portion 211 may be bent regularly, such as 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 terminal 172 of the cylindrical battery 200 located in one direction. Electrical coupling between the first bus bar terminal 212 and the 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 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 by expanding the welding area through the bent surface area F, multiplexing the current path using the second current collector 176, and minimizing the current path length. It has this minimized structure.
  • the AC resistance of the cylindrical battery 200 measured through a resistance meter between the anode and the cathode, that is, between the terminal 172 and the flat surface 171a around it, is 0.5 milliohm to 4 milliohm, which is suitable for fast charging. It may be ohm (miliohm), preferably 1 miliohm (miliohm) to 4 miliohm (miliohm).
  • the 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 connected using the bus bar 210. Their electrical connection can be easily implemented.
  • Cylindrical batteries according to the above-described embodiments (variations) can be used to manufacture battery packs.
  • Figure 13 is a diagram schematically showing the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • a battery pack 400 includes an assembly in which a plurality of cylindrical batteries 401 are electrically connected and a pack housing 402 accommodating the same.
  • the cylindrical battery 401 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 401 are omitted.
  • the plurality of cylindrical batteries 401 may include a pressure sensor (P sensor ) according to an embodiment of the present invention.
  • P sensor pressure sensor
  • only some of the plurality of cylindrical batteries 401 may include a pressure sensor (P sensor ) according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 400 may be operably coupled to a battery management system (BMS).
  • BMS battery management system
  • the battery management system (BMS) controls the charging and discharging of the battery pack 400 and calculates and monitors operating parameters such as state of charge (SOC), state of health (SOH), and available power. And, protection operations such as overcurrent/overcharge/overdischarge blocking can be performed.
  • a battery management system may include a swelling pressure monitoring device 300 according to an embodiment of the present invention.
  • the swelling pressure monitoring device 300 collects a pressure sensing signal through wireless communication from a cylindrical battery containing a pressure sensor (P sensor ) and provides time series data of the swelling pressure applied by the outer peripheral surface of the electrode assembly to the inner peripheral surface of the battery housing. generates, diagnoses signs of core collapse of the electrode assembly using time series data of swelling pressure and, optionally, voltage time series data, and outputs the diagnosis results visually through a display unit or transmits them to another computer system through a communication unit.
  • P sensor pressure sensor
  • the battery pack 400 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. 14 is a diagram for explaining a vehicle including the battery pack 400 of FIG. 13.
  • a vehicle V according to an embodiment of the present invention includes a battery pack 400 according to an embodiment of the present invention.
  • the vehicle V operates by receiving power from the battery pack 400 according to an embodiment of the present invention.
  • the relative positions of the anode end and the cathode end are adjusted on the core side and the outer circumference side to maintain the symmetry and circularity of the electrode assembly even if swelling occurs. Collapse can be prevented or mitigated.
  • a pressure sensor capable of transmitting a pressure sensing signal through wireless communication is included inside the cylindrical battery to continuously monitor changes in the swelling pressure applied by the outer peripheral surface of the electrode assembly to the inner peripheral surface of the battery housing. Signs of core collapse can be easily detected.
  • a battery pack manufactured using a cylindrical battery including a pressure sensor and a vehicle including the same can be provided.
  • a device capable of monitoring the change in swelling pressure applied by the outer peripheral surface of the electrode assembly to the inner peripheral surface of the battery housing and detecting signs of core collapse of the electrode assembly, and comprising the same.
  • a battery management system that can be provided can be provided.

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Abstract

본 발명은 압력 센서를 포함하는 원통형 배터리 및 스웰링 압력 모니터링 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 원통형 배터리는, 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체; 개방단과 이와 대향하는 폐쇄부를 포함하고, 상기 개방단과 상기 폐쇄부 사이의 공간에 상기 전극 조립체를 수납하고, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 가지는 배터리 하우징; 상기 배터리 하우징의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 다른 하나와 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 제2극성을 띠는 단자; 및 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 배터리 하우징의 내주면 사이에 개재되어 상기 전극 조립체의 외주면이 상기 배터리 하우징의 내주면에 가하는 스웰링 압력을 센싱하여 압력 센싱 신호를 외부로 출력하는 압력 센서를 포함할 수 있다.

Description

압력 센서를 포함하는 원통형 배터리, 스웰링 압력 모니터링 장치 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템
본 발명은, 원통형 배터리 및 스웰링 압력 모니터링 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 조립체가 배터리 하우징에 인가하는 스웰링 압력을 센싱하여 무선 통신을 통해 외부로 전송할 수 있는 압력 센서를 포함하는 원통형 배터리, 스웰링 압력 모니터링 장치 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
본 출원은 한국 특허청에 2022년 8월 26일에 출원된 한국 특허출원 제2022-0107706호 및 2023년 8월 25일에 출원된 한국 특허출원 제2023-0112248호 각각에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지(배터리)는 휴대용 디바이스뿐만 아니라 모터에 의해 구동하는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드 자동차 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이하, 전기 자동차는 EV, HEV, PHEV 등과 같이 전기로 구동되는 모터를 포함하는 자동차를 지칭하는 용어로 사용될 것이다.
이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점을 가지므로 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. 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 배터리 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, 1865, 2170 등의 폼 팩터를 가진 원통형 배터리에 있어서, 양극 단자는 배터리 하우징의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡이고, 음극 단자는 배터리 하우징이다.
그런데, 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, 2170 등의 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 1a 내지 도 1c는 탭-리스 원통형 배터리의 제조 과정을 보여주는 도면이다. 도 1a는 전극의 구조를 나타내고, 도 1b는 전극의 권취 공정을 나타내고, 도 1c는 무지부의 절곡면에 집전체가 용접되는 공정을 나타낸다. 도 1d는 탭-리스 원통형 배터리를 길이 방향(Y)으로 자른 단면도이다.
도 1a 내지 도 1d를 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 1b에 도시된 것처럼 2장의 분리막(12)과 함께 순차적으로 적층시킨 후 일방향(X)으로 권취시켜 제작한다. 이때, 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.
전극 조립체(A)는 배터리 하우징(32)에 삽입된다. 집전체(31)은 배터리 하우징(32)의 바닥면에 용접된다. 집전체(30) 가장자리의 상부에서는 배터리 하우징(32)의 외주면이 압입되면서 비딩부(33)가 형성된다. 비딩부(33)의 내부면은 집전체(30)의 가장자리를 누른다. 이로써, 전극 조립체(A)가 배터리 하우징(32) 내부에서 견고하게 고정된다.
전극 조립체(A)가 배터리 하우징(32)의 내부에 고정된 후 배터리 하우징(32) 내부로 전해질이 주입된다. 그 이후, 배터리 하우징(32)의 개방부에는 캡 조립체(34)가 결합된다.
캡 조립체(34)는 캡(34a)과, 캡(34a)의 하부에 결합된 연결 플레이트(34c)와, 캡(34a)의 둘레와 배터리 하우징(32)의 개방부를 밀폐하는 실링 가스켓(34b)을 포함할 수 있다.
비딩부(33)의 상부는 클림핑부(35)를 포함한다. 클림핑부(35)는 배터리 하우징(32)의 개방부를 내측으로 절곡시켜 형성한 것으로서, 실링 가스켓(34b)을 캡(34a)의 가장자리 표면을 향해 압착함으로써 배터리 하우징(32)의 개방부를 밀폐시킨다.
집전체(30)와 연결 플레이트(34c)는 리드(30a)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 리드(30a)는 별도 부품으로 제작되어 집전체(30)에 결합되거나, 집전체(30)와 일체로 제작되어 연결 플레이트(34c)로 연장되어 결합될 수 있다.
집전체(30)의 상부에는 인슐레이터(36)가 배치된다. 인슐레이터(36)의 가장자리는 비딩부(33)와 집전체(30) 사이에 개재될 수 있다. 이로써, 비딩부(33)는 인슐레이터(36)를 통해서 전극 조립체(A)를 배터리 하우징(32)의 바닥을 향해 가압한다.
한편, 원통형 배터리(37)는 충방전 사이클이 증가함에 따라 스웰링 현상이 발생하여 내부 압력이 증가한다. 스웰링 현상은 충방전이 반복되면서 양극(10) 및 음극(11)에 코팅된 활물질의 체적이 증가하는 현상을 일컫는다. 스웰링 정도는 음극(11)측이 상대적으로 더 크다. 권취 공정을 통해 제작된 전극 조립체(A)의 코어에는 권심 부재가 삽입되어 있었던 흔적으로 공동이 존재한다. 따라서, 스웰링 현상으로 원통형 배터리(37)의 내부 압력이 증가하면, 전극 조립체(A)의 코어 방향으로 응력이 집중된다. 배터리 하우징은 강성이 높은 금속으로 이루어지므로 대부분의 응력은 빈 공간이 존재하는 전극 조립체(A)의 코어 방향으로 집중되기 때문이다.
스웰링 현상에 의해 전극 조립체(A)에 응력이 발생하면, 원주 방향으로도 응력이 작용하므로 양극(10)과 음극(11)이 분리막을 사이에 두고 슬라이딩 되면서 약간 회전한다. 또한, 충방전 사이클이 증가함에 따라 양극(10)과 음극(11)의 회전량이 누적되면서 코어 근처에서 양극(10)과 음극(11) 사이에 미세한 갭이 생기면서 곡률이 국소적으로 변화된다. 따라서, 권취 직후의 전극 조립체(A)가 양호한 대칭성과 원형도를 가지고 있더라도, 스웰링 현상이 생기면 처음과 달리 전극 조립체(A)의 대칭성과 원형도가 변화하게 된다.
또한, 전극 조립체(A)의 대칭성과 원형도가 변화된 상태에서 스웰링 현상이 심화되면 전극 조립체(A) 코어의 일부 영역이 응력을 견디지 못하고 붕괴(collapse)하게 된다. 그 과정에서, 붕괴 영역 근처의 분리막이 찢어지거나 전극에 미세한 크랙이 발생되며, 이로 인해 원통형 배터리의 내부에서 발화 사고의 주요 원인으로 주목되는 내부 단락을 일으키게 된다.
도 2a 내지 도 2c는 전극 조립체(A)의 코어가 붕괴되는 과정을 개략적으로 보여주는 전극 조립체(A)의 단면도이다. 각 단면도는 전극 조립체(A)의 축방향과 수직으로 자른 면을 보여준다.
도 2a는 원통형 배터리(37)가 BOL(Beginning Of Life) 상태에 있을 때 전극 조립체(A)의 코어 구조를 보여준다. 음극과 양극의 단부 부분에는 단차가 형성되므로 단부 근처에서 원형도나 낮아진다. 또한, 코어 중심에서 양극의 단부와 음극의 단부를 각각 통과하는 직선 L1과 L2를 그었을 때, 원주 방향을 따라 L1과 L2 사이에 위치하는 전극들의 권회턴들은 곡률이 일정하지 않고 변화를 보인다.
도 2b는 원통형 배터리(37)에 대해 충방전 사이클이 진행됨에 따라 전극, 특히 음극의 부피가 증가하면서 코어 근처에서 음극과 양극의 회전이 발생한 상태를 보여준다. 음극의 부피 변화는 원통형 배터리(37)에 대한 활성화 공정에서 최초 충전 시 가장 크다. 전기화학 반응을 일으키는 케미컬이 양극에서 음극으로 이동하여 음극에 삽입되기 때문이다.
전극 조립체(A)의 코어에는 중공부가 있다. 따라서, 전극의 회전은 주로 코어에서 생긴다. 물론, 전극 조립체(B)의 외주에서도 전극이 약간 회전되나 그 정도는 코어측에 비해 의미 있는 수준은 아니다. 전극 조립체(A)의 코어에는 중공부가 존재하여 회전 응력이 생겼을 때 전극의 회전자유도가 전극 조립체(A)의 외주보다 더 크기 때문이다.
음극의 부피 증가가 양극보다 상대적으로 크다. 또한, 전극 조립체(A)의 코어 근처에서 양극은 음극의 권회턴 사이에 끼어 있으므로 양극의 표면에는 음극의 표면보다 상대적으로 큰 마찰력이 작용한다. 따라서, 음극의 회전량이 양극의 회전량보다 크다. 부피 증가가 클수록 회전 응력이 더 생기고 마찰력이 작을수록 슬라이딩이 많이 일어나기 때문이다. 도 2b에서, 양극과 음극의 회전은 양극과 음극의 코어측 단부가 시계 방향으로 회전한 것으로부터 알 수 있다. 전극 조립체의 코어에서 전극 단부가 회전하는 방향은 권취 방향과 반대이다.
도 2c는 원통형 배터리(37)에 대한 충방전 사이클이 수백 회 진행됨에 따라 스웰링 현상이 심화되었을 때의 코어 구조를 보여준다. 스웰링 현상의 심화로 인해 음극의 단부는 양극의 단부가 위치한 지점까지 회전하였다. 그 결과, 코어 부분에서 붕괴 현상이 발생하였다. 코어가 붕괴되면, 3시부터 6시 방향에 위치한 전극의 권회턴들처럼 외부로 볼록한 원호의 형상을 가진 권회턴의 구조가 코어를 향해 볼록한 형상으로 변형된다.
전극 조립체(A)의 코어가 도 2c에 도시된 것과 같이 붕괴되면, 양극(10)과 음극(11)의 밀착 상태가 유지되지 못하고 전극간 계면에 미세한 틈이 발생하면서 배터리의 용량이 갑자기 낮아진다. 또한, 붕괴 영역 근처에서 전극과 분리막이 코어 측으로 함몰되면서 분리막이 찢어지거나 전극에 미세한 크랙이 발생되며, 이로 인해 양극(10)과 음극(11)이 서로 접촉하여 내부 단락을 일으키게 된다.
전극 조립체(A)의 코어가 붕괴되면 원통형 배터리(B)의 용량 저하뿐만 아니라 내부 단락으로 인한 발화 가능성이 높아진다. 따라서, 전극 조립체(A)의 코어가 붕괴된 원통형 배터리는 그 사용을 즉각 중단하는 것이 바람직하다.
이를 위해서는, 원통형 배터리(37)가 충방전되는 동안 스웰링된 전극 조립체(A)가 배터리 하우징(32)의 내주면을 향해 인가하는 스웰링 압력을 효율적으로 모니터할 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 배경 하에서 안출된 것으로서, 원통형 배터리가 충방전되는 동안 스웰링된 전극 조립체가 배터리 하우징의 내주면에 가하는 스웰링 압력을 모니터할 수 있도록 압력 센서를 포함하는 원통형 배터리를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 압력 센싱 신호를 외부로 무선 송출할 수 있는 압력 센서를 포함하는 원통형 배터리와 이러한 압력 센서를 이용하여 원통형 배터리의 스웰링 압력을 정량적으로 모니터링할 수 있는 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 압력 센서를 포함하는 원통형 배터리를 포함하는 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 원통형 배터리의 스웰링 압력을 모니터링하는 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 원통형 배터리는, 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체; 개방단과 이와 대향하는 폐쇄부를 포함하고, 상기 개방단과 상기 폐쇄부 사이의 공간에 상기 전극 조립체를 수납하고, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 가지는 배터리 하우징; 상기 배터리 하우징의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 다른 하나와 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 제2극성을 띠는 단자; 및 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 배터리 하우징의 내주면 사이에 개재되어 상기 전극 조립체의 외주면이 상기 배터리 하우징의 내주면에 가하는 스웰링 압력을 센싱하여 압력 센싱 신호를 외부로 출력하는 압력 센서를 포함할 수 있다.
상기 압력 센서는 시트 형상으로 이루어지고, 상기 전극 조립체의 외주면 형상을 따라 상기 전극 조립체의 외주면에 접합될 수 있다.
상기 제1전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1활물질부와 활물질층이 코팅되지 않은 제1무지부를 포함하고, 상기 제2전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제2활물질부와 활물질층이 코팅되지 않은 제2무지부를 포함할 수 있다.
상기 제1무지부와 상기 제2무지부는 각각 상기 권취 축 방향을 따라 서로 대향하도록 상기 분리막의 외부로 노출되어 그 자체로서 전극 탭으로서 정의될 수 있다.
상기 권취 축 방향과 수직인 상기 전극 조립체의 단면 상에서, 상기 코어의 중심과 상기 제1활물질부의 코어측 단부와 상기 제2활물질부의 코어측 단부를 연결한 2개의 직선 사이에 배치된 권회턴 부분을 응력 취약 구간이라 정의하고, 상기 코어의 중심과 상기 제1활물질부의 외주측 단부와 상기 제2활물질부의 외주측 단부를 연결한 2개의 직선 사이에 배치된 권회턴 부분을 응력 증폭 구간이라고 정의할 때, 상기 응력 증폭 구간은 상기 단면 상에서 상기 전극 조립체의 원주 방향을 따라 상기 응력 취약 구간과 이격되어 있을 수 있다.
상기 압력 센서는 상기 응력 증폭 구간의 적어도 일부를 커버하도록 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 배터리 하우징의 내주면 사이에 개재될 수 있다.
상기 제1전극과 상기 제2전극은 각각 양극 및 음극일 수 있다. 상기 제2전극의 외주측 단부가 상기 제1전극의 외주측 단부보다 상기 전극 조립체의 외주에 가깝게 배치되어 있다. 상기 제2전극의 외주측 단부와 상기 제1전극의 외주측 단부 사이에 상기 분리막이 개재될 수 있다. 상기 제2전극의 외주측 단부가 상기 전극 조립체의 원주 방향에서 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 상기 제1전극의 외주측 단부를 통과하도록 연장될 수 있다.
상기 압력 센서는 상기 코어의 중심과 상기 제1전극의 외주측 단부를 연결한직선과 교차하도록 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 배터리 하우징의 내주면 사이에 개재될 수 있다.
상기 압력 센서는 상기 압력 센싱 신호를 무선 통신을 통해 외부로 출력할 수 있다.
상기 압력 센서는, 상기 스웰링 압력에 의한 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지변환부; 상기 변환된 전기적 에너지를 DC 전압으로 저장하는 에너지저장부; 상기 에너지저장부로부터 상기 DC 전압을 입력 받아 펄스 형태의 표면탄성파를 생성하는 펄스발생부; 상기 압력에 따라 정전 용량이 가변되는 감지부; 및 상기 표면탄성파와 진폭이 동일한 기준 표면탄성파와 상기 감지부의 정전 용량에 따라 상기 기준 표면탄성파와 진폭이 다른 센싱 표면탄성파를 생성하고 상기 기준 표면탄성파와 상기 센싱 표면탄성파를 안테나를 통해 출력하는 트랜스폰더;를 포함할 수 있다.
상기 원통형 배터리는, 상기 제1전극의 제1무지부가 상기 코어 측으로 절곡되어 형성된 제1절곡 표면영역; 상기 제1절곡 표면영역에 결합된 제1집전체; 상기 제2전극의 제2무지부가 상기 코어 측으로 절곡되어 형성된 제2절곡 표면영역; 및 상기 제2절곡 표면영역에 결합된 제2집전체;를 더 포함할 수 있다.
상기 밀봉체는, 상기 제1집전체와 전기적으로 연결된 캡; 상기 캡의 가장자리를 감싸면서 상기 전극 조립체의 구심 방향으로 절곡되어 상기 캡의 가장자리를 상기 배터리 하우징의 개방단에 고정하는 클림핑부; 및 상기 클림핑부와 상기 캡의 가장자리 사이에 개재되어 상기 배터리 하우징의 개방단을 밀봉하는 실링 가스켓을 포함할 수 있다.
상기 원통형 배터리는, 상기 배터리 하우징의 폐쇄부에 형성된 관통홀을 통과하여 상기 폐쇄부의 내측면에 리벳팅된 리벳 단자; 및 상기 리벳 단자와 상기 관통홀의 내주면 사이에 개재되어 상기 리벳 단자와 상기 배터리 하우징을 전기적으로 절연시키는 절연 가스켓을 더 포함하고, 제2극성을 띠는 단자는 상기 리벳 단자일 수 있다.
상기 원통형 배터리는, 상기 배터리 하우징의 개방단에 인접한 배터리 하우징의 외주면이 상기 권취 축 방향으로 만입된 비딩부를 더 포함하고, 상기 제2집전체의 가장자리 중에서 적어도 일부는 상기 비딩부와 접촉할 수 있다.
상기 원통형 배터리는, 상기 배터리 하우징의 개방단이 상기 권취 축 방향으로 절곡되면서 형성된 클림핑부를 더 포함할 수 있다.
상기 밀봉체는, 상기 비딩부 상에 안착되는 캡; 및 상기 캡의 가장자리와 상기 배터리 하우징의 개방단 사이에 개재된 실링 가스켓을 포함하고, 상기 실링 가스켓의 일 면은 상기 클림핑부에 의해 상기 캡의 가장자리를 향해 밀착되고, 상기 실링 가스켓의 타 면은 상기 클림핑부에 의해 상기 비딩부에 결합된 상기 제2집전체의 가장자리를 향해 밀착될 수 있다.
상기 배터리의 높이 대비 직경의 비율이 0.4 보다 클 수 있다.
상기 배터리의 폼 팩터는 46110, 4875, 48110, 4880 또는 4680일 수 있다.
상기 기술적 과제는, 전술한 특징들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 원통형 배터리를 포함하는 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차에 의해 달성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 원통형 배터리의 스웰링 모니터링 장치는, 상기 원통형 배터리에 포함된 압력 센서로부터 무선 통신을 통해 전송되는 압력 센싱 신호를 수신하는 수신부; 상기 압력 센싱 신호를 원래의 신호로 복조하는 신호 처리부; 및 상기 복조된 압력 센싱 신호로부터 상기 스웰링 압력을 결정하고 스웰링 압력의 시계열 데이터를 생성하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 압력 센서는 기준 표면탄성파와 상기 스웰링 압력에 따라 상기 기준 표면탄성파와 진폭이 다른 센싱 표면탄성파를 무선 통신을 통해 전송하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 기준 표면탄성파와 상기 센싱 표면탄성파의 진폭 차이를 결정하고, 진폭 차이와 스웰링 압력 사이의 미리 정의된 상관 관계를 이용하여 상기 결정된 진폭 차이에 대응되는 스웰링 압력을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 스웰링 압력의 시계열 데이터로부터 스웰링 압력 프로파일을 생성하고, 상기 스웰링 압력 프로파일에서 적어도 하나의 극소 피크가 식별되면, 상기 전극 조립체의 코어 붕괴 징후가 있다고 진단하고, 진단 결과를 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 스웰링 압력의 시계열 데이터로부터 스웰링 압력 프로파일을 생성하고, 상기 스웰링 압력 프로파일에 대한 시간 미분을 통해 미분 스웰링 압력 프로파일을 생성하고, 상기 미분 스웰링 압력 프로파일에서 적어도 하나의 피크가 식별되면, 상기 전극 조립체의 코어 붕괴 징후가 있다고 진단하고, 진단 결과를 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치는, 상기 원통형 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 전압 측정부로부터 주기적으로 전압 측정값을 입력 받아 전압 프로파일을 생성하고, 상기 전압 프로파일에 대한 시간 또는 충전상태 미분을 통해 미분 전압 프로파일을 생성하고, 상기 원통형 배터리의 스웰링 압력이 임계치 이상이고, 상기 미분 전압 프로파일에서 적어도 하나 이상의 피크가 식별되면, 상기 전극 조립체의 코어 붕괴 징후가 있다고 진단하고 진단 결과를 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치는, 상기 제어부와 동작 가능하게 결합된 표시부 및/또는 통신부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 진단 결과를 상기 표시부를 통해 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는 상기 진단 결과를 상기 통신부를 통해 컴퓨터 시스템으로 전송하도록 구성될 수 있다.
상기 진단 결과는, 경고 메시지 또는 점검 요청 메시지를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제는 상술한 특징들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 원통형 배터리의 전극 조립체에 있어서 코어 측과 외주 측에서 양극 단부와 음극 단부의 상대적 위치를 조절하여 스웰링 현상이 생기더라도 전극 조립체의 대칭도와 원형도를 유지하여 코어의 붕괴를 방지하거나 완화시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 원통형 배터리의 내부에 무선 통신을 통해 압력 센싱 신호를 전송할 수 있는 압력 센서를 포함시켜 전극 조립체의 외주면이 배터리 하우징의 내주면에 가하는 스웰링 압력의 변화를 지속적으로 모니터링함으로써 코어의 붕괴 징후를 용이하게 검출할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 압력 센서가 포함된 원통형 배터리를 이용하여 제작된 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 원통형 배터리가 충방전되는 동안 전극 조립체의 외주면이 배터리 하우징의 내주면에 가하는 스웰링 압력의 변화를 모니터링하고 전극 조립체의 코어 붕괴 징후를 검출할 수 있는 장치 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템을 제공할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
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 1a은 종래의 탭-리스 원통형 배터리에 사용되는 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 1b는 종래의 탭-리스 원통형 배터리에 포함되는 전극 조립체의 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 1c는 도 1b의 전극 조립체에서 무지부의 절곡면에 집전체가 용접되는 공정을 나타낸 도면이다.
도 1d는 종래의 탭-리스 원통형 배터리를 축방향(Y)으로 자른 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 따른 전극 조립체의 코어가 붕괴되는 과정을 개략적으로 보여주는 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체를 축방향(Y)과 수직으로 자른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 응력 취약 구간(D1)과 응력 증폭 구간(D2)의 상대적 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극의 코어측 단부(Ainner)와 외주측 단부(Aouter), 그리고 양극(B)의 코어측 단부(Binner) 및 외주측 단부(Bouter)의 상대적 위치를 나타낸 도면이다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음극의 코어측 단부(Ainner)와 외주측 단부(Aouter), 그리고 양극(B)의 코어측 단부(Binner) 및 외주측 단부(Bouter)의 상대적 위치를 나타낸 도면이다.
도 5c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음극의 코어측 단부(Ainner)와 외주측 단부(Aouter), 그리고 양극(B)의 코어측 단부(Binner) 및 외주측 단부(Bouter)의 상대적 위치를 나타낸 도면이다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(Psensor)를 포함하는 원통형 배터리를 축방향과 수직으로 자른 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(Psensor)를 포함하는 원통형 배터리를 축방향을 따라 자른 단면의 일부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(Psensor)의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 6d는 본 발명의 실시예에 따른 에너지저장부의 회로구성을 나타낸 회로도이다.
도 6e는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치에 대한 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 6f는 본 발명의 실시예에 따른 스웰링 압력 프로파일 f(t,p)을 예시한 그래프이다.
도 6g는 본 발명의 실시예에 따른 전압 프로파일 g(t,V)을 예시한 그래프이다.
도 6h는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 프로파일 h(SOC,V)을 예시한 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7e는 본 발명의 실시예에 따른 전극의 변형 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7f는 본 발명의 변형예에 따른 전극이 전극 조립체로 권취되었을 때 복수의 분절편이 위치할 수 있는 독립 영역을 나타낸 상부 평면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 분절편이 전극 조립체의 코어 측으로 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 11은 복수의 원통형 배터리들이 전기적으로 연결된 상태를 나타낸 상부 평면도이다.
도 12는 도 11의 부분 확대도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩과 배터리 관리 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 개략적으로 나타낸 도면이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
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.
이하에서 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.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
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 권취 축의 길이방향을 따르는 방향을 축방향(Y)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취 축을 둘러싸는 방향을 원주방향 또는 둘레방향(X)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취 축에 가까워지거나 권취 축으로부터 멀어지는 방향을 반경방향 또는 방사방향(Z)이라 지칭한다. 이들 중 특히 권취 축에 가까워지는 방향을 구심방향, 권취 축으로부터 멀어지는 방향을 원심방향이라 지칭한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체(JR)를 축방향(Y)과 수직으로 자른 단면도이다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 전극 조립체(JR)는 음극(A) 및 양극(B)이 분리막(S)이 개재된 상태로 일 축을 중심으로 권취된 젤리롤 구조를 가진다. 권취 방향(X)은 반시계 반향이나, 시계 반향으로 대체 가능하다.
전극 조립체(JR)의 코어(C)에는 중공부가 형성된다. 중공부는 빈 공간이다. 분리막(S)은 2장이며, 점선과 이점 쇄선으로 각각 나타냈다. 분리막(S)의 배치 구조는 음극(A)와 양극(B) 사이를 절연시킬 수 있다면 여러 가지 변형이 가능하다.
전극 조립체(JR)에 있어서 음극(A), 양극(B) 및 분리막(S)의 권회 구조는 개략적으로 나타냈다. 전극 조립체(JR)의 실제 권회 구조에서는 음극(A), 양극(B) 및 분리막(S)이 서로 긴밀하게 밀착되어 있다.
전극 조립체(JR)에 있어서, 음극(A)이 양극(B)보다 권취 방향(X)으로의 길이가 더 길다.
음극(A)의 권회턴이 양극(B)의 권회턴보다 먼저 시작한다. 양극(B)의 권회턴은 음극(A)의 권회턴이 소정 턴 수 증가한 이후에 시작된다. 양극(B)과 대향하지 않는 음극(A)의 권회턴은 1턴 내지 5턴일 수 있다. 음극(A)만 권취된 코어(C) 근처의 권회턴들은 코어의 구조적 강성을 보강한다. 다만, 음극(A)만 존재하는 권회턴들은 원통형 배터리의 용량에 기여하지 못한다. 따라서, 음극(A)만의 권회턴 수는 구조적 강성의 보강 측면과 용량 측면을 고려하여 적절하게 선택할 수 있다. 음극(A)만으로 이루어진 권회턴의 내측에는 분리막(S)만으로 이루어진 복수의 권회턴이 구비될 수 있다. 분리막(S)만으로 이루어진 권회턴도 코어의 구조적 강성을 보강할 수 있다.
먼저, 스웰링 현상에서 비롯되는 회전 응력에 의해 전극 조립체(JR)의 코어가 붕괴되는 것을 방지 또는 완화하기 위하여 음극(A)와 양극(B)의 단부 위치를 최적화시킨 구조를 개시한다.
음극(A)과 양극(B)의 단부는 음극(A)와 양극(B)의 권회턴 구조에서 코어측 단부와 외주측 단부를 의미한다.
본 발명은, 설명의 편의를 위해, 전극 조립체(JR)의 축방향과 수직인 단면 상에 2차원 극좌표계(Polar Coordinate System)를 적용하여 음극(A)과 양극(B)의 단부 위치에 대한 최적화 실시예를 설명한다.
2차원 극좌표계가 전극 조립체(JR)의 단면 구조에 적용되면, 단면 구조 내의 위치는 극좌표계의 중심으로부터 해당 위치까지 측정한 거리(r)과 x축을 기준으로 해당 위치까지 원주 방향(반시계방향)으로 측정한 각도로 나타낼 수 있다.
상기 위치의 각도 측정방향이 시계 방향으로 변경되어도 본 발명의 기술적 사상은 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)의 각도와 외주측 단부(Aouter)의 각도는 각각 θA,inner 및 θA,outer로 나타낼 수 있다.
유사하게, 양극(B)의 코어측 단부(Binner)의 각도와 외주측 단부(Bouter)의 각도는 각각 θB,inner 및 θB,outer로 나타낼 수 있다.
일 측면에 따르면, 음극(A)과 양극(B)이 반시계 방향으로 권취된 경우, 충방전 사이클이 반복될수록 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)와 양극(B)의 코어측 단부(Binner)는 시계 방향으로 회전한다. 회전량은 초기 충방전 사이클(특히, 활성화 공정에서의 만충전)이 진행될 때 상대적으로 크고 그 이후의 충방전 사이클에서는 회전량이 서서히 감소하여 0에 가깝게 수렴한다.
스웰링량은 음극(A)이 양극(B)보다 상대적으로 크다. 따라서, 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)의 회전량이 양극(B)의 코어측 단부(Binner)의 회전량보다 크다.
일 예에서, 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)의 회전량은 수십도이고, 양극(B)의 코어측 단부(Binner)의 회전량은 십도 미만일 수 있다.
충방전 사이클이 반복됨에 따라, 음극(A)의 외주측 단부(Aouter)와 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)는 반시계 방향으로 회전한다. 회전량은 초기 충방전 사이클이 진행될 때 상대적으로 크고 그 이후의 충방전 사이클에서는 수도 미만으로 작다.
스웰링량은 음극(A)이 양극(B)보다 상대적으로 크다. 따라서, 음극(A)의 외주측 단부(Aouter)의 회전량이 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)의 회전량보다 크다.
다른 측면에 따르면, 전극 조립체(JR)의 코어(C) 중심으로부터 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)를 연결한 직선(LA,inner)과 양극(B)의 코어측 단부(Binner)를 연결한 직선(LB,inner) 사이에 위치하는 권회턴 부분은 코어(C) 근처에서 원형도가 떨어지므로 전극 조립체(JR)가 스웰링되었을 때 코어(C) 측으로 가해지는 응력에 취약하다.
또 다른 측면에 따르면, 전극 조립체(JR)의 코어(C) 중심으로부터 음극(A)의 외주측 단부(Aouter)를 연결한 직선(LA,outer)과 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)를 연결한 직선(LB,outer) 사이에 위치하는 권회턴 부분은 전극 조립체(JR)가 스웰링되었을 때 코어(C) 측으로 가해지는 응력을 증폭시킨다. 그 이유는, 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)가 위치하는 권회턴 부분이 반경 방향으로 가장 많은 전극과 분리막의 레이어들을 포함하고 있으므로 전극 조립체(JR)가 스웰링되었을 때 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)가 위치하는 권회턴 부분과 이와 인접된 음극(A)의 외주측 단부(Aouter) 부분이 다른 외주 영역보다 먼저 배터리 하우징(H)과 접촉하면서 가장 많이 눌리므로 그 만큼 코어(C) 방향으로의 응력을 증가시키기 때문이다.
실험에 의하면, 전극 조립체(JR)와 배터리 하우징(H) 사이에 갭이 매우 작으므로 1회 내지 3회의 충방전 사이클이 진행되었을 때 이미 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)가 위치하는 권회턴 부분이 배터리 하우징(H)의 내주면과 접촉하기 시작한다. 또한, 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)가 위치하는 권회턴 부분이 일단 배터리 하우징(H)과 접촉하기 시작하면 전극 조립체(JR)의 스웰링이 심화될수록 해당 권회턴 부분이 배터리 하우징(H)의 내주면을 향해 점점 눌리게 된다. 따라서, 충방전 사이클이 반복되면, 음극(A)의 외주측 단부(Aouter)와 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)는 의미 있는 회전을 하지 않고 실질적으로는 고정된다. 또한, 충방전 사이클이 계속 반복되면, 양극(B) 외주측 단부(Bouter) 지점의 눌림(압축) 정도가 더 심화되므로 해당 지점이 응력을 가장 많이 증폭시킨다.
이하, 설명의 편의를 위해, 직선 LA,inner와 LB,inner 사이에 위치하는 권회턴 부분을 응력 취약 구간(D1)으로 정의하고, 직선 LA,outer와 LB,outer 사이에 위치하는 권회턴 부분을 응력 증폭 구간(D2)으로 정의한다.
또 다른 측면에 따르면, 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안, 즉 BOL(Beginning Of Life, 출하시점)부터 EOL(End Of Life, 고객사가 요구하는 수명)까지 응력 취약 구간(D1)과 응력 증폭 구간(D2)은 그것의 각도와 위치가 변화한다.
EOL은 충방전 사이클 수로 정의될 수 있다. EOL은 200 사이클, 300 사이클, 400 사이클, 500 사이클, 600 사이클, 700 사이클, 800 사이클, 900 사이클 또는 그 이상의 사이클일 수 있다.
EOL은 용량 유지율로 정의될 수 있다. EOL은 90%의 용량 유지율, 85%의 용량 유지율, 80%의 용량 유지율 또는 그 이하의 용량 유지율로 정의될 수 있다.
EOL에 도달된 원통형 배터리는 교체되거나 다른 용도로 사용될 수 있다.
원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안, 코어(C)의 붕괴를 방지하거나 완화하기 위해서는, 응력 취약 구간(D1)과 응력 증폭 구간(D2)이 원주 방향에서 소정의 각도로 이격될 수 있도록, 응력 취약 구간(D1)과 응력 증폭 구간(D2)의 상대적 위치를 최적으로 설계하는 것이 바람직하다.
대안적으로, 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안, 코어(C)의 붕괴를 방지하거나 완화하기 위해서, 응력 증폭 구간(D2)에 있어서 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)가 원주 방향을 따라서 응력 취약 구간(D1)과 소정의 각도로 이격될 수 있도록, 응력 취약 구간(D1)과 응력 증폭 구간(D2)의 상대적 위치를 최적으로 설계하는 것이 바람직하다.
응력 취약 구간(D1)과 응력 증폭 구간(D2)의 상대적 위치에 대한 최적화는, 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)와 양극(B)의 코어측 단부(Binner)의 위치, 그리고, 음극(A)의 외주측 단부(Aouter)와 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)의 위치를 조절하는 것에 의해 가능하다.
일 실시예에서, 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)와 양극(B)의 코어측 단부(Binner) 사이의 원주 방향 각도(원주각)에 해당하는 |θA,inner- θB,inner|는 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안, 30도 내지 150도 사이의 각도를 유지하도록 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)와 양극(B)의 코어측 단부(Binner) 위치를 적절하게 설계할 수 있다.
음극(A)의 코어측 단부(Ainner)와 양극(B)의 코어측 단부(Binner) 위치를 설계함에 있어서 양 전극의 단부(Ainner, Binner)에 대한 총 회전량을 참작할 수 있다. 총 회전량은 원통형 배터리의 충방전 사이클 실험을 통해 사전에 결정할 수 있다.
구체적인 예에서, |θA,inner- θB,inner|는 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안, 40도 이하, 50도 이하, 60도 이하, 70도 이하, 80도 이하, 90도 이하, 100도 이하, 120도 이하, 130도 이하, 140도 이하, 150도 이하, 160도 이하, 170도 이하, 또는 180도 미만의 각도를 유지하도록 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)와 양극(B)의 코어측 단부(Binner) 위치를 적절하게 설계할 수 있다.
다른 실시예에서, 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)와 양극(B)의 코어측 단부(Binner) 사이의 원주 방향 각도(원주각)에 해당하는 |θA,inner- θB,inner|는 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안, 30도 이상 180도 미만의 범위에서 선택된 특정한 각도로 수렴할 수 있도록 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)와 양극(B)의 코어측 단부(Binner) 위치를 적절하게 설계할 수 있다.
구체적인 예에서, |θA,inner- θB,inner|는 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안, 30도, 40도, 50도, 60도, 70도, 80도, 90도, 100도, 110도, 120도, 130도, 140도, 150도, 160도 또는 170도로 수렴할 수 있도록 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)와 양극(B)의 코어측 단부(Binner) 위치를 적절하게 설계할 수 있다.
바람직한 예에서, |θA,inner- θB,inner|는 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안, 110도 내지 130도 범위로, 보다 바람직하게는 115도 내지 125도 범위로, 보다 바람직하게는 120도로 수렴할 수 있도록 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)와 양극(B)의 코어측 단부(Binner) 위치를 적절하게 설계할 수 있다.
상술했듯이, 음극(A)은 양극(B)보다 권취 방향(X)의 길이가 길고 양극(B)은 권취 방향(X)에서 음극(A)의 내측에 위치한다. 따라서, 음극(A)의 외주측 단부(Aouter)의 각도 θA,outer는 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)의 각도 θA,outer 보다는 크다.
즉, 음극(A)의 외주측 단부(Aouter)는 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)보다 전극 조립체(JR)의 외주에 가깝게 위치하고, 원주 방향에서 권취 방향(X)을 따라 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)를 통과하여 더 길게 연장될 수 있다. 음극(A)의 외주측 단부(Aouter)와 양극(B)의 외주측 단부(Bouter) 사이에는 분리막(S)이 개재된다.
실시예에서, 음극(A)의 외주측 단부(Aouter)의 각도 θA,outer와 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)의 각도 θA,outer 의 차이에 해당하는 |θA,outer- θB,outer|는, 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안, 10도 내지 90도의 범위를 유지할 수 있도록 음극(A)의 외주측 단부(Aouter)와 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)의 위치가 설계될 수 있다.
전극 조립체(JR)가 스웰링되었을 때, 코어(C)측으로 가해지는 응력의 불균형을 완화하기 위해, |θA,outer- θB,outer|는 |θA,inner- θB,inner|보다 작게 설계할 수 있다.
구체적인 예에서, |θA,outer- θB,outer|는, 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안, 90도 이하, 80도 이하, 70도 이하, 60도 이하, 50도 이하, 40도 이하, 30도 이하 또는 20도 이하의 각도를 유지할 수 있도록 음극(A)의 외주측 단부(Aouter)와 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)의 위치가 설계될 수 있다.
다른 실시예에서, 음극(A)의 외주측 단부(Aouter)의 각도 θA,outer와 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)의 각도 θB,outer 의 차이에 해당하는 |θA,outer- θB,outer|는, 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안, 100도 내지 90도의 범위에서 선택된 특정한 각도로 수렴하도록 음극(A)의 외주측 단부(Aouter)와 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)의 위치가 설계될 수 있다.
구체적인 예에서, |θA,outer- θB,outer|는, 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안, 90도, 80도, 70도, 60도, 50도, 40도, 30도, 20도 또는 10도의 각도로 수렴할 수 있도록 음극(A)의 외주측 단부(Aouter)와 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)의 위치가 설계될 수 있다.
보다 구체적인 예에서, |θA,outer- θB,outer|는, 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안, 10도 내지 40도 사이의 각도를 유지하거나, 10도 내지 40도에서 선택된 특정한 각도로 수렴할 수 있도록, 음극(A)의 외주측 단부(Aouter)와 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)의 위치가 설계될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 응력 취약 구간(D1)과 응력 증폭 구간(D2)의 상대적 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 응력 취약 구간(D1)은 원주각(θ1)을 가진다. 또한, 응력 증폭 구간(D2)는 원주각(θ2)를 가진다.
응력 취약 구간(D1)의 원주각(θ1)을 등각으로 2 분할하는 선분을 La라고 정의하고, 선분 La와 수직을 이루며 전극 조립체(JR)의 코어(C) 중심을 통과하는 직경 선분을 O1O2라고 정의할 때, 전극 조립체(JR)에 단면은 직경 선분 O1O2를 기준으로 서로 대향하는 제1반원 영역(CL1) 및 제2반원영역(CL2)로 구분될 수 있다.
응력 증폭 구간(D2)이 원주 방향으로 응력 취약 구간(D1)과 가까워질수록 응력 취약 구간(D1)에서 코어(C)의 붕괴 가능성이 증가한다.
따라서, 응력 증폭 구간(D2)는, 응력 취약 구간(D1)이 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안 회전을 하더라도, 응력 취약 구간(D1)을 기준으로 정의되는 제2반원영역(CL2) 내에 위치할 수 있도록, 음극(A)의 코어측 단부(Ainner) 및 양극(B)의 코어측 단부(Binner)와 음극(A)의 외주측 단부(Aouter) 및 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)의 상대적 위치를 전극 조립체(JR)의 권취 단계에서 미리 설정할 수 있다.
이러한 설계에 따르면, 응력 취약 구간(D1)에서 코어(C) 측으로 인가되는 응력과 응력 증폭 구간(D2)에서 코어(C) 측으로 인가되는 응력이 중첩되면서 임계 수준 이상으로 증가하는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 임계 수준은 응력 취약 구간(D1)에서 코어(C)의 붕괴를 유발하는 응력 수준일 수 있다.
바람직하게, 응력의 분산 측면에서, 응력 증폭 구간(D2)의 위치는 응력 취약 구간(D1)에서 코어(C) 측으로 인가되는 응력과 응력 증폭 구간(D2)에서 코어(C) 측으로 인가되는 응력의 적어도 일부가 서로 대향되도록 설정하는 것이 바람직하다.
따라서, 응력 증폭 구간(D2)은, 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)와 양극(B)의 코어측 단부(Binner)가 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안 회전을 하더라도, 응력 취약 구간(D1)을 기준으로 정의되는 제2반원영역(CL2) 내에 위치하되, 응력 증폭 구간(D2)의 일부 또는 전부가 코어(C)를 중심으로 응력 취약 구간(D1)과 점대칭을 이루는 부채꼴 영역(R*)과 중첩되도록, 음극(A)의 코어측 단부(Ainner) 및 양극(B)의 코어측 단부(Binner)와 음극(A)의 외주측 단부(Aouter) 및 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)의 상대적 위치를 전극 조립체(JR)의 권취 단계에서 미리 설정할 수 있다.
대안적으로, 응력 증폭 구간(D2)은, 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)와 양극(B)의 코어측 단부(Binner)가 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안 회전을 하더라도, 응력 취약 구간(D1)을 기준으로 정의되는 제2반원영역(CL2) 내에 위치하되, 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)가 부채꼴 영역(R*)의 원호 상에 위치하여 중첩되도록, 음극(A)의 코어측 단부(Ainner) 및 양극(B)의 코어측 단부(Binner)와 음극(A)의 외주측 단부(Aouter) 및 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)의 상대적 위치를 전극 조립체(JR)의 권취 단계에서 미리 설정할 수 있다.
보다 바람직하게는, 응력 증폭 구간(D2)은, 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)와 양극(B)의 코어측 단부(Binner)가 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안 회전을 하더라도, 응력 취약 구간(D1)을 기준으로 정의되는 제2반원영역(CL2) 내에 위치하되, 응력 증폭 구간(D2)이 부채꼴 영역(R*)의 원주각을 2 분할하는 직선과 중첩되도록, 음극(A)의 코어측 단부(Ainner) 및 양극(B)의 코어측 단부(Binner)와 음극(A)의 외주측 단부(Aouter) 및 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)의 상대적 위치를 전극 조립체(JR)의 권취 단계에서 미리 설정할 수 있다.
보다 바람직하게, 응력 증폭 구간(D2)은, 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)와 양극(B)의 코어측 단부(Binner)가 원통형 배터리의 유효 사용 기간 동안 회전을 하더라도, 응력 취약 구간(D1)을 기준으로 정의되는 제2반원영역(CL2) 내에 위치하되, 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)가 부채꼴 영역(R*)의 원주각을 등각으로 2분할하는 직선과 중첩되도록, 음극(A)의 코어측 단부(Ainner) 및 양극(B)의 코어측 단부(Binner)와 음극(A)의 외주측 단부(Aouter) 및 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)의 상대적 위치를 전극 조립체(JR)의 권취 단계에서 미리 설정할 수 있다.
위와 같은 설계에 따르면, 응력 취약 구간(D1)에서 코어(C) 측으로 인가되는 응력에 대해 응력 증폭 구간(D2)에서 코어(C) 측으로 인가되는 응력의 적어도 일부가 서로 대향함에 따라 코어(C) 측으로 인각되는 응력의 대칭성이 향상됨으로써 코어(C)가 붕괴되는 것을 방지하거나 코어(C)가 붕괴되는 현상을 보다 더 완화할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 음극의 코어측 단부(Ainner)와 외주측 단부(Aouter), 그리고 양극(B)의 코어측 단부(Binner) 및 외주측 단부(Bouter)의 상대적 위치에 따라 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)에 대응되는 전극 조립체의 외주 영역이 배터리 하우징의 내주면과 접촉하는 속도가 달라질 수 있다.
도 5a 내지 도5c는 음극의 코어측 단부(Ainner)와 외주측 단부(Aouter), 그리고 양극(B)의 코어측 단부(Binner) 및 외주측 단부(Bouter)의 상대적 위치에 대한 3가지 다른 실시예를 나타낸 원통형 배터리의 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5c에 도시된 전극 조립체(JR)는 4680의 폼 팩터(직경: 46mm, 높이:80mm)를 가진 원통형 배터리에 사용될 수 있는 사양을 가진다.
도 5a의 원통형 배터리는 BOL 상태일 때 음극(A)의 코어측 단부(Ainner)와 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)가 전극 조립체(JR)의 반경 방향에서 동일선상에 위치한다.
도 5b의 원통형 배터리는 BOL 상태일 때 양극(B)의 코어측 단부(Binner)와 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)가 전극 조립체(JR)의 반경 방향에서 동일선상에 위치한다.
도 5c의 원통형 배터리는 BOL 상태일 때 응력 증폭 영역(D2)이 응력 취약 영역(D1)을 기준으로 정의되는 제2반원영역(CL2) 내에 위치하되, 응력 취약 영역(D1)과 점대칭을 형성하는 부채꼴 영역(R*)의 대략 중앙부와 중첩되게 위치한다.
도 5a의 원통형 배터리와 도 5b의 원통형 배터리는, 충방전을 반복적으로 진행했을 때, 음극(A)의 부피가 약 2.5% 증가한 시점에 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)가 배터리 하우징(H)의 내측면과 접촉하기 시작한다.
반면, 도 5c의 원통형 배터리는, 충방전을 반복했을 때, 음극(A)의 부피가 약 5% 증가하였을 때 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)가 배터리 하우징(H)의 내측면과 접촉하기 시작한다.
도 5c의 원통형 배터리와 같이, 양극(B)의 외주측 단부(Bouter)가 배터리 하우징(H)의 내측면과 접촉하는 시점이 늦어진다는 것은 전극 조립체(JR) 단면의 원형도(circularity)가 상대적으로 잘 유지되는 것을 의미한다.
도 5c의 원통형 배터리와 같이, 전극 조립체 단면의 원형도가 상대적으로 양호하게 유지되면, 충방전 사이클을 증가시키더라도, 도 5a 및 도 5b의 원통형 배터리와 비교하여 코어의 붕괴 가능성을 낮출 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 원통형 배터리는 전극 조립체(JR)가 스웰링되었을 때 전극 조립체(JR)의 외주면이 배터리 하우징(H)의 내주면에 가하는 스웰링 압력을 센싱하고, 압력 센싱 신호를 외부로 제공할 수 있는 압력 센서(Psensor)를 포함할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(Psensor)를 포함하는 원통형 배터리를 축방향과 수직으로 자른 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 그리고, 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(Psensor)를 포함하는 원통형 배터리를 축방향을 따라 자른 단면의 일부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 압력 센서(Psensor)는 전극 조립체(JR)의 외주면과 배터리 하우징(H) 사이에 개재될 수 있다. 압력 센서(Psensor)는 전극 조립체(JR)의 외주면 형상을 따라 접착제 또는 접착 테이프를 이용하여 전극 조립체(JR)의 외주면에 부착될 수 있다.
양극의 외주측 단부(Bouter)가 위치하는 영역은 전극 조립체(JR)가 스웰링되었을 때 배터리 하우징(H)의 내주면과 가장 먼저 접촉되므로, 양극의 외주측 단부(Bouter)가 맞닿는 배터리 하우징(H)의 내주면에 가장 큰 스웰링 압력이 인가된다.
일 측면에서, 압력 센서(Psensor)는 전극 조립체(JR)의 코어 중심과 양극의 외주측 단부(Bouter)를 연결하는 직선과 교차하도록 전극 조립체(JR)의 외주면과 배터리 하우징(H)의 내주면 사이에 개재될 수 있다.
다른 측면에서, 압력 센서(Sensor)는 전극 조립체(JR)의 코어 중심과 양극의 외주측 단부(Bouter) 및 음극의 외주측 단부(Aouter)를 각각 연결한 직선과 동시에 교차하도록 전극 조립체(JR)의 외주면과 배터리 하우징(H)의 내주면 사이에 개재될 수 있다.
또 다른 측면에서, 압력 센서(Sensor)는 응력 증폭 구간(도 3의 D2)과 적어도 일부가 중첩되도록 전극 조립체(JR)의 외주면과 배터리 하우징(H)의 내주면 사이에 개재될 수 있다.
압력 센서(Psensor)는 외부에서 전원이 인가되지 않더라도 전극 조립체(JR)의 외주면이 배터리 하우징(H)의 내주면에 인가하는 스웰링 압력을 측정하여 무선 통신을 통해 외부로 압력 센싱 신호를 전송할 수 있다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서(Psensor)의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 6c를 참조하면, 압력 센서(Psensor)는 시트 형상으로 이루어지고 에너지변환부(101), 에너지저장부(102), 펄스발생부(103), 감지부(104) 및 트랜스폰더(transponder)(105)를 포함할 수 있다.
압력 센서(Psensor)는 얇고 투명한 절연 필름에 의해 감싸여져 있을 수 있다. 바람직하게, 압력 센서(Psensor)는 상부 절연 필름과 하부 절연 필름 사이에 협지될 수 있다. 절연 필름은 투명하고 절연성이 있는 재질이라면 특별히 제한이 없다. 절연 필름은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 또는 폴리이미드(PI) 필름일 수 있다.
에너지변환부(101)는 압력에 의한 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 압전 발전기(Piezo Power Generator)로서, 압전체에 가해지는 힘에 의해 전압을 발생시킨다. 전압의 크기는 인가된 힘의 크기에 비례한다. 에너지변환부(101)에서 생성된 전압은 에너지저장부(102)로 인가된다. 압전 발전기는 종래 사용되고 있는 압전 소자들을 택일적으로 이용할 수 있다.
에너지저장부(102)는 에너지변환부(101)에서 발생된 전압을 적당한 수준의 전압으로 변압시킨 후 이를 정류하여 DC 전압으로 저장한다.
도 6d는 에너지저장부(102)의 회로구성을 보다 상세하게 나타낸 회로도이다.
도 6d를 참조하면, 에너지변환부(101)에서 발생된 전압은 트랜스퍼머(102a)에서 적정 레벨로 다운된 후 브릿지정류기(102b)를 통해 전파(full wave) 정류되어 DC 전압으로 캐패시터(C1, 102c)에 충전된다. 캐패시터(C1)에 충전된 전압은 승압회로(102d)에서 승압된 후 전압조정부(102e)에 의해 펄스발생부(103)를 구동시킬 수 있는 전압(Vcc)으로 조정되어 펄스발생부(103)로 출력된다. 에너지저장부(102)는 캐패시터(C1)에 미리 설정된 레벨만큼 충전이 되면 저장된 전기 에너지를 방출시켜 펄스발생부(103)를 구동시킨다. 따라서, 펄스발생부(103)는 시간 간격을 두고 반복적으로 구동될 수 있다.
다시 도 6c를 참조하면, 펄스발생부(103)는 전압제어발진기(VCO:Voltage Controlled Oscillator)로서 에너지저장부(102)로부터 출력되는 전압(Vcc)에 따라 조정되는 발진주파수로 RF 신호를 발생시켜 트랜스폰더(105)로 인가함으로써 트랜스폰더(105)에서 표면탄성파가 발생되도록 유도한다. 펄스발생부(103)는 외부로부터 무선으로 RF 신호를 인가받지 않고 자체적으로 RF 신호를 발생시켜 표면탄성파를 유도한다. 바람직하게, 트랜스폰더(105)는 SAW 트랜스폰더일 수 있다.
감지부(104)는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용한 가변 정전 용량형 압력감지 수단으로서 외부에서 가해지는 압력에 따라 정전용량이 가변되며 그 가변정도에 따라 트랜스폰더(105)의 센서 IDT(105b, InterDigital Transducer)에 대한 임피던스를 가변시킨다. 즉, 감지부(104)에 가해진 압력에 따라 센서 IDT(105b)에 대한 임피던스가 가변되고 그 임피던스의 변화에 따라 센서 IDT(105b)를 통과하는 표면탄성파의 진폭이 변화된다. 따라서 그 진폭이 어느정도 변했는지를 계산함으로써 감지부(40)에 가해진 압력을 알 수 있게 된다. 압력 센서(Psensor)가 배치될 때, 감지부(104)의 표면은 스웰링 압력이 인가되는 방향과 수직을 이루도록 하는 것이 바람직하다.
트랜스폰더(105)는 펄스발생부(103)로부터 RF 신호를 인가받아 표면탄성파를 발생시키고 표면탄성파에 의해 계측된 압력 센싱 신호를 안테나(105e)를 통해 무선신호로 출력한다. 즉, 트랜스폰더(105)는 종래의 트랜스폰더와 같이 외부로부터 RF 신호를 입력받아 표면탄성파를 생성하는 것이 아니라, 센서 내에 구비되는 에너지변환부(101)를 이용해 전기 에너지를 생성한 후 그 전기 에너지를 이용해 내부적으로 RF 신호를 발생시켜 표면탄성파를 생성한다. 트랜스폰더(105)는 압전특성(Piezoelectricity)을 갖는 기판(LiNbO3) 위에 병렬되게 배열된 다수의 IDT 금속 전극들을 구비할 수 있다.
트랜스폰더(105)는 발진(Launching) IDT(105a), 센서 IDT(105b), 기준 IDT(105c), 출력 IDT(105d) 및 안테나(105e)를 구비한다.
발진 IDT(105a)는 펄스발생기(103)로부터 RF 신호를 인가받아 이를 표면탄성파로 변환하여 센서 IDT(105b)로 출력한다.
센서 IDT(105b)는 감지부(104)와 전기적으로 연결되며 발진 IDT(105a)와 출력 IDT(105d) 사이에서 발진 IDT(105a)에서 생성된 표면탄성파가 출력 IDT(105d)로 인가되는 파의 진행경로상에 설치된다. 즉, 발진 IDT(105a)에서 생성된 표면탄성파는 센서 IDT(105b)를 통과하여 출력 IDT(105d)로 인가되며, 이때 감지부(104)에 스웰링 압력이 가해져 감지부(104)의 정전용량이 변화되면 이에 따라 센서 IDT(105b)의 임피던스가 가변된다. 이에 따라, 센서 IDT(105b)를 통과하는 표면탄성파의 진폭 크기가 변화한다.
기준 IDT(105c)는 출력 IDT(105d)를 중심으로 발진 IDT(105a)와 반대 방향에 설치되며, 펄스발생기(103)로부터 RF 신호를 인가받으면 이를 표면탄성파로 변환시켜 출력 IDT(105d)로 출력한다. 이때, 기준 IDT(105c)에서 생성되는 표면탄성파는 발진 IDT(105a)에서 생성되는 표면탄성파와 동일한 진폭을 가진다. 기준 IDT(105c)에서 생성되는 표면탄성파는 발진 IDT(105a)에서 생성된 표면탄성파의 진폭이 감지부(104)에 가해진 스웰링 압력에 따라 센서 IDT(105b)에서 어느 정도로 변화되었는지 비교하기 위한 기준이 되는 표면탄성파이다. 따라서, 발진 IDT(105a)와 기준 IDT(105c)는 두 IDT(105a, 105c)에서 생성되는 표면탄성파가 동일한 크기의 진폭을 갖도록 설계된다. 그리고, 기준 IDT(105c)와 출력 IDT(105d) 사이의 거리가 발진 IDT(105a)와 출력 IDT(105d) 사이의 거리보다 가깝도록 설계된다.
출력 IDT(105d)는 기준 IDT(105c)와 센서 IDT(105b)로부터 인가되는 표면탄성파를 각각 RF 신호로 변환하며, 변환된 RF 신호는 안테나(105e)를 통해 무선으로 외부의 스웰링 압력 모니터링 장치로 전송된다.
외부의 스웰링 압력 모니터링 장치(도 6e의 300)에서는 기준 IDT(105c)에서 발생된 표면탄성파에 대응되는 RF 신호와 발진 IDT(105a)에서 발생된 표면탄성파에 대응되는 RF 신호를 순차적으로 수신한 후, 수신된 RF 신호들을 신호 처리하여 진폭의 크기를 비교함으로써 상기 감지부(104)에 가해진 스웰링 압력의 크기를 정량적으로 검출할 수 있다.
압력 센서(Psensor)는 다음과 같이 동작한다. 에너지변환부(101)에 스웰링 압력이 가해지면, 에너지변환부(101)는 스웰링 압력에 의한 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 출력한다. 에너지변환부(101)에서 발전된 전기 에너지는 에너지저장부(102)의 캐패시터(C1)에 충전된다. 에너지저장부(102)는 캐패시터(C1)에 미리 규정된 레벨의 전압이 충전되면 저장된 전기 에너지를 펄스발생기(103)로 방출시켜 펄스발생기(103)를 구동시킨다.
펄스발생기(103)는 에너지저장부(102)로부터 전기 에너지를 공급받으면 공급받은 전기 에너지의 전압 크기에 따라 발진주파수를 조절하고 해당 주파수에 따른 RF 신호를 발생시킨다. 펄스발생기(103)에서 발생된 RF 신호는 기준 IDT(105c)와 발진 IDT(105a)로 각각 인가된다.
기준 IDT(105c)와 발진 IDT(105a)는 RF 신호가 인가되면 이를 표면탄성파로 변환시켜 출력한다. 이때, 기준 IDT(105c)에서 생성된 표면탄성파(이하, '기준 표면탄성파'라 함)와 발진 IDT(105a)에서 생성된 표면탄성파(이하, '센싱 표면탄성파'라 함)는 동일한 크기의 진폭을 갖는다.
기준 IDT(105c)와 발진 IDT(105a)에서 각각 생성된 기준 표면탄성파와 센싱 표면탄성파는 출력 IDT(105d)로 인가된다. 즉, 기준 IDT(105c)에서 생성된 기준 표면탄성파는 곧바로 출력 IDT(105d)로 인가되고, 발진 IDT(105a)에서 생성된 표면탄성파는 센서 IDT(105b)를 거쳐 출력 IDT(105d)로 인가된다. 이때, 기준 IDT(105c)와 출력 IDT(105d) 사이의 거리(기준 표면탄성파의 진행거리)가 발진 IDT(105a)와 출력 IDT(105d) 사이의 거리(센싱 표면탄성파의 진행거리)보다 짧기 때문에 기준 표면탄성파가 센싱 표면탄성파보다 먼저 출력 IDT(105d)로 인가된다.
이에 따라, 기준 IDT(105c)에서 생성된 기준 표면탄성파가 먼저 출력 IDT(105d)에서 기준 RF 신호로 변환된 후, 안테나(105e)를 통해 무선으로 외부의 스웰링 압력 모니터링 장치(300)로 전송된다. 이때, 기준 표면탄성파는 진행도중 다른 IDT 금속을 경유하지 않으므로 기준 IDT(105c)에서 생성된 파형을 유지하게 된다.
다음에, 발진 IDT(105a)에서 생성된 센싱 표면탄성파가 출력 IDT(105d)에 인가되어 센싱 RF 신호로 변환된 후 안테나(105e)를 통해 무선으로 외부의 스웰링 압력 모니터링 장치(300)로 전송된다. 발진 IDT(105a)와 출력 IDT(105d) 사이에 센서 IDT(105b)가 존재하므로, 센싱 표면탄성파는 기준 표면탄성파와 달리 출력 IDT(105d)로 진행하는 도중에 센서 IDT(105b)를 통과하면서 진폭의 크기가 변화된다. 진폭의 변화정도는 센서 IDT(105b)의 임피던스 즉 감지부(104)에 가해진 스웰링 압력에 따라 가변되는 정전용량의 크기에 따라 달라진다. 즉, 감지부(104)에 가해지는 스웰링 압력의 크기에 따라 감지부(104)의 정전용량이 변화되고 그 변화정도에 따라 센싱 표면탄성파의 진폭의 크기가 달라진다.
센서 IDT(105b)에 의해 진폭의 크기가 가변된 센싱 표면탄성파는 출력 IDT(105d)에서 센싱 RF 신호로 변환되어 안테나(105e)를 통해 외부의 스웰링 압력 모니터링 장치(300)로 전송된다. 외부의 스웰링 압력 모니터링 장치(300)는 센싱 표면탄성파에 대응되는 센싱 RF 신호와 먼저 도착된 기준 표면탄성파에 대응되는 기준 RF 신호를 각각 신호처리한 후 두 신호의 진폭을 비교하여 그 차이를 계산함으로써 감지부(104)에 가해진 스웰링 압력의 크기를 정량적으로 산출할 수 있다.
도 6e는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치(300)에 대한 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 6e를 참조하면, 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치(300)는, 수신부(301), 신호처리부(302), 제어부(303), 저장부(304), 표시부(305) 및 통신부(306)를 포함할 수 있다.
수신부(301)는 안테나를 통해 RF 신호를 수신할 수 있는 회로로서, 압력 센서(Psensor)로부터 무선 전송되는 압력 센싱 신호를 수신하여 신호 처리부(302)로 전달한다. 압력 센싱 신호는 안테나에 순차적으로 도달되는 기준 RF 신호와 센싱 RF 신호를 포함한다. 압력 센싱 신호는 압력 센서(Psensor)의 에너지저장부(102)에 일정 레벨 이상의 전기적 에너지가 저장될 때마다 반복적으로 수신될 수 있다.
신호 처리부(302)는 무선 통신을 통해 수신된 신호로부터 잡음을 제거하고 원래의 신호로 복원하는 회로로서, 기준 RF 신호와 센싱 RF 신호를 각각 복조함으로써 센싱 표면탄성파와 기준 표면탄성파를 생성하여 제어부(303)로 입력한다. 센싱 표면탄성파와 기준 표면탄성파는 압력 센서(Psensor)에서 생성된 신호에 해당한다. 여기서, RF 신호를 원래의 신호로 복조하기 위한 RF 회로 기술은 당업계에 널리 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
제어부(303)는 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치(300)를 전반적으로 제어하는 회로이다. 제어부(303)는 신호 처리를 통해 센싱 표면탄성파의 진폭과 기준 표면탄성파의 진폭을 결정하고 두 진폭의 차이를 결정할 수 있다. 또한, 제어부(303)는 센싱 표면탄성파와 기준 표면탄성파의 진폭 차이에 따라 스웰링 압력을 미리 정의하고 있는 룩업 테이블을 참조하여 두 진폭의 차이에 해당하는 스웰링 압력을 결정할 수 있다. 상기 룩업 테이블은 저장부(304)에 미리 기록되고 제어부(303)에 의해 참조될 수 있다.
제어부(303)는 또한 결정된 스웰링 압력을 타임 스탬프와 함께 저장부(304)에 누적해서 기록함으로써 저장부(304)에 스웰링 압력의 시계열 데이터를 생성할 수 있다. 스웰링 압력의 시계열 데이터가 생성되는 시간 구간의 길이는 임의로 설정될 수 있다. 또한, 제어부(303)는 저장부(304)에 생성된 스웰링 압력의 시계열 데이터를 이용하여 스웰링 압력 프로파일을 생성할 수 있다.
도 6f는 본 발명의 실시예에 따른 스웰링 압력 프로파일 f(t,p)을 예시한 그래프이다. f(t,p)에 있어서, t는 시간을 p는 스웰링 압력을 나타내는 변수이다.
도 6f에 나타낸 스웰링 압력 프로파일 f(t,p)을 참조하면, 스웰링 압력은 시간이 경과함에 따라 서서히 증가하다가 포화 상태에 도달된다. 스웰링 압력이 증가하는 구간은 전극 조립체(JR)가 스웰링됨에 따라 배터리 하우징(H)이 탄성적으로 변형되면서 배터리 하우징(H)의 외경이 증가하는 구간이다. 반면, 스웰링 압력이 포화상태에 도달된 이후의 구간은 전극 조립체(JR)의 스웰링이 더 심화됨에 따라 배터리 하우징(H)이 소성 변형을 일으키는 구간이다. 배터리 하우징(H)이 소성 변형을 일으키면 배터리 하우징(H)으로부터 전극 조립체(JR)가 제거되더라도 배터리 하우징(H)이 원래의 형상으로 복원되지 않는다.
전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 현상은 스웰링 압력 프로파일 f(t,p)에서 스웰링 압력이 포화 상태에 도달된 이후에 일어날 수 있다. 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후가 있으면 점선 프로파일과 같이 스웰링 압력이 짧은 시간 동안 갑자기 감소하였다가 다시 서서히 증가하는 이상 패턴이 나타날 수 있다. 즉, 스웰링 압력 프로파일 f(t,p)에서 적어도 하나의 극소 피크가 식별되면, 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 조짐이 있다고 진단할 수 있다. 전극 조립체(JR)의 코어가 붕괴될 조짐이 있으면, 전극 조립체(JR) 내의 응력이 약간 감소하면서 스웰링 압력이 짧은 시간 동안 갑자기 미세하게 낮아지기 때문이다. 따라서, 제어부(303)는 스웰링 압력 프로파일 f(t,p)을 이용하여 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후를 미리 검출할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(303)는 주기적으로 저장부(304)에 생성된 스웰링 압력의 시계열 데이터를 이용하여 도 6f에 도시된 것과 같은 스웰링 압력 프로파일 f(t,p)을 생성할 수 있다. 또한, 제어부(303)는 스웰링 압력 프로파일 f(t,p)에서 적어도 하나의 극소 피크가 식별되면, 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후가 있다고 진단하고 진단 결과를 출력할 수 있다.
다른 실시예에서, 제어부(303)는 도 6f에 도시된 것과 같은 스웰링 압력 프로파일 f(t,p)에 대한 시간 미분을 통해 미분 스웰링 압력 프로파일 f'(t,p)을 생성할 수 있다. 스웰링 압력 프로파일 f(t,p)에서 tdiag 시점에 극소 피크가 나타나면, 미분 스웰링 압력 프로파일 f'(t,p)에서는 tdiag 시점을 전후로 하여 tdiag,1 시점에는 극소 피크가 나타나고 tdiag,2 시점에는 극대 피크가 나타날 수 있다. 스웰링 압력 프로파일 f(t,p)에 있어서, 극소 피크가 나타나는 tdiag 시점을 전후로 하여 tdiag,1 시점 및 tdiag,2 시점에 변곡점이 발생하기 때문이다. 따라서, 제어부(303)는 미분 스웰링 압력 프로파일 f'(t,p)에서 적어도 하나의 피크가 식별되면, 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후가 있다고 진단하고 진단 결과를 출력할 수 있다. 이러한 실시예에 의하면, tdiag 시점보다 빠른 tdiag,1 시점에 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후를 검출할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 제어부(303)는 스웰링 압력 뿐만 아니라 배터리의 전압을 동시에 모니터하여 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후를 미리 검출할 수 있다. 이를 위해, 원통형 배터리의 스웰링 모니터링 장치(300)는 전압 측정부(307)를 더 포함할 수 있다. 전압 측정부(307)는 당업계에 공지된 전압 측정 회로를 포함한다.
제어부(303)는 전압 측정부(307)로부터 주기적으로 전압 측정값을 입력 받아 타임 스탬프와 함께 저장부(304)에 누적해서 저장함으로써 저장부(304)에 전압의 시계열 데이터를 생성할 수 있다. 전압의 시계열 데이터가 생성되는 시간 구간의 길이는 임의로 설정될 수 있다.
제어부(303)는 주기적으로 저장부(304)에 생성된 전압의 시계열 데이터를 이용하여 전압 프로파일 g(t,V)을 생성할 수 있다. g(t,V)에 있어서, t는 시간을 V는 전압을 나타내는 변수이다.
도 6g는 본 발명의 실시예에 따른 전압 프로파일 g(t,V)을 예시한 그래프이다.
제어부(303)는 전압 프로파일 g(t,V)에 대한 시간 미분을 통해 미분 전압 프로파일 g'(t,V)을 생성할 수 있다.
제어부(303)는 주기적으로 생성되는 미분 전압 프로파일 g'(t,V)을 이용하여 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후를 미리 검출할 수 있다.
즉, 제어부(303)는 저장부(304)에 생성된 스웰링 압력의 시계열 데이터를 참조하여 현재 시점의 스웰링 압력이 미리 설정된 임계치 이상이고, 미분 전압 프로파일 g'(t,V)에서 적어도 하나 이상의 피크가 식별되는 조건이 충족되면, 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후가 있다고 진단하고 진단 결과를 출력할 수 있다.
이러한 실시예의 경우, 스웰링 압력 프로파일 f(t,p)이나 미분 스웰링 압력 프로파일 f'(t,p)을 이용하여 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후를 검출하는 경우보다 빨리 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후를 미리 검출할 수 있다. 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후가 생기면 스웰링 압력 변화가 나타나기 전에 코어 근처에서 전극과 분리막의 밀착 상태가 나빠지면서 전기화학반응이 일어나는 유효 면적이 감소함으로써 도 6g의 점선 프로파일처럼 배터리의 전압이 미세하게 감소했다가 증가하는 변화가 생길 수 있기 때문이다.
위와 같은 미세한 전압 변화는 미분 전압 프로파일 g'(t,V)에서 피크가 나타나는지 여부를 모니터하여 검출할 수 있다. 예를 들어, 도 6g에 도시된 바와 같이, t* diag 시점에 전압 프로파일 g(t,V)에서 미세한 전압 감소 패턴이 생기면 미분 전압 프로파일 g'(t,V)에서는 t* diag 시점을 전후로 하여 t* diag,1 시점에 극소 피크가 나타나고 t* diag,2 시점에 극대 피크가 나타날 수 있다. 전압 프로파일 g(t,V)에 있어서, 극소 피크가 나타나는 t* diag 시점을 전후로 하여 t* diag,1 시점 및 t* diag,2 시점에 변곡점이 생기기 때문이다. t* diag 시점은 스웰링 압력 프로파일 f(t,p)이나 미분 스웰링 압력 프로파일 f'(t,p)에 기초하여 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후가 검출되는 시점 tdiag 또는 tdiag,1 보다 상당히 빠른 시점이다. 따라서, 스웰링 압력과 시간에 따른 미세한 전압 변화를 함께 모니터하는 방식은, 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후를 사전 진단하는데 보다 효과적이다.
시간에 따른 전압 변화를 나타내는 전압 프로파일 g(t,V)는 배터리의 충전 상태(State Of Charge, SOC)에 따른 전압 변화를 나타내는 전압 프로파일 h(SOC, V)로 대체될 수 있다. h(SOC, V)에 있어서, SOC는 충전상태를 V는 전압을 나타내는 변수이다.
원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치(300)는 전압 프로파일 h(SOC, V)을 생성하기 위해 전류 측정부(308)를 더 포함할 수 있다. 전류 측정부(308)는 당업계에 알려진 전류 측정 회로를 포함할 수 있다.
제어부(303)는 배터리가 충방전되는 동안 전류 측정부(308)를 이용하여 충전전류 또는 방전전류를 측정하고 암페어 카운팅법을 이용하여 배터리의 충전상태를 결정하고 타임 스탬프와 함께 저장부(304)에 누적해서 저장함으로써 저장부(304)에 충전상태의 시계열 데이터를 생성한다.
제어부(303)는 주기적으로 저장부(304)에 생성되는 전압의 시계열 데이터와 충전상태의 시계열 데이터를 이용하여 충전상태에 따른 전압 변화를 나타내는 전압 프로파일 h(SOC, V)를 생성할 수 있다.
도 6h는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 프로파일 h(SOC,V)을 예시한 그래프이다.
제어부(303)는 전압 프로파일 h(SOC,V)에 대한 충전상태 미분을 통해 미분 전압 프로파일 g'(SOC,V)을 주기적으로 생성할 수 있다.
제어부(303)는 상술한 실시예와 유사하게 주기적으로 생성되는 미분 전압 프로파일 h'(SOC,V)을 이용하여 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후를 미리 검출할 수 있다.
즉, 제어부(303)는 저장부(304)에 생성된 스웰링 압력의 시계열 데이터를 참조하여 현재 시점의 스웰링 압력이 미리 설정된 임계치 이상이고, 미분 전압 프로파일 h'(SOC,V)에서 적어도 하나 이상의 피크가 식별되는 조건이 충족되면, 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후가 있다고 진단하고 진단 결과를 출력할 수 있다.
이러한 실시예의 경우, 스웰링 압력 프로파일 f(t,p)이나 미분 스웰링 압력 프로파일 f'(t,p)을 이용하여 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후를 검출하는 경우보다 빨리 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후를 미리 검출할 수 있다. 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후가 생기면 스웰링 압력 변화가 나타나기 전에 코어 근처에서 전극과 분리막의 밀착 상태가 나빠지면서 전기화학반응이 일어나는 유효 면적이 감소함으로써 도 6h의 점선 프로파일처럼 배터리의 전압이 충전상태에 따라 미세하게 감소했다가 증가하는 변화가 생길 수 있기 때문이다.
위와 같은 미세한 전압 변화는 미분 전압 프로파일 h'(SOC,V)에서 피크가 나타나는지 여부를 모니터하여 검출할 수 있다. 예를 들어, 도 6h에 도시된 바와 같이, t* diag 시점에 전압 프로파일 h(SOC,V)에서 미세한 전압 감소 패턴이 생기면 미분 전압 프로파일 h'(SOC,V)에서는 t* diag 시점을 전후로 하여 t* diag,1 시점에 극소 피크가 나타나고 t* diag,2 시점에 극대 피크가 나타날 수 있다. 전압 프로파일 h(SOC,V)에 있어서, 극소 피크가 나타나는 t* diag 시점을 전후로 하여 t* diag,1 시점 및 t* diag,2 시점에 변곡점이 생기기 때문이다. t* diag 시점은 스웰링 압력 프로파일 f(t,p)이나 미분 스웰링 압력 프로파일 f'(t,p)에 기초하여 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후가 검출되는 시점 tdiag 또는 tdiag,1 보다 상당히 빠른 시점이다. 따라서, 스웰링 압력과 충전상태에 따른 미세한 전압 변화를 함께 모니터하는 방식은, 전극 조립체(JR)의 코어 붕괴 징후를 사전 진단하는데 보다 효과적이다.
또 다른 측면에서, 제어부(303)는 상기 실시예들의 진단 결과를 표시부(305)를 통해 시각적으로 출력할 수 있다. 상기 표시부(305)는 배터리로부터 전력을 공급받는 디바이스에 구비되는 것으로서, LCD, OLED 등 공지된 디스플레이일 수 있다. 상기 디바이스는 전기 자동차일 수 있고, 상기 표시부(305)는 전기 자동차에 구비된 통합 디스플레이일 수 있다. 하지만 본 발명이 디바이스의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.
또 다른 측면에서, 제어부(303)는 상기 실시예들의 진단 결과를 통신부(306)를 통해 다른 컴퓨터 시스템(310)으로 전송할 수 있다. 상기 통신부(306)는 외부의 디바이스와 데이터 신호를 주고받을 수 있는 통신 인터페이스로서 통신 모뎀일 수 있다. 통신 모뎀은 유선 통신 또는 무선 통신을 지원할 수 있다. 상기 컴퓨터 시스템(310)은 진단 디바이스일 수 있다. 진단 디바이스는 배터리의 검사 및 진단을 전문적으로 실시할 수 있는 서비스 센터에 구비될 수 있다.
상기 진단 결과는, 경고 메시지 또는 진단 요청 메시지를 포함할 수 있다. 상기 경고 메시지는 배터리에 안전상 문제가 발생했음을 사용자에게 알리는 정보를 포함할 수 있다. 상기 점검 요청 메시지는 사용자에게 배터리의 안전성을 진단하라는 요청을 포함할 수 있다. 사용자가 경고 메시지 또는 진단 요청 메시지를 제공받을 경우, 배터리가 탑재된 디바이스의 점검을 전문적으로 실시하는 서비스 센터에 방문하여 배터리를 정밀 검사하고 전극 조립체의 코어가 붕괴된 것이 확인되면 배터리를 교체할 수 있다.
제어부(303)는 제어 명령에 따라 스웰링 압력의 시계열 데이터를 저장부(304)로부터 독출하여 표시부(305)를 통해 출력하거나 통신부(306)를 통해서 다른 컴퓨터 시스템으로 전송할 수 있다. 상기 제어 명령은 배터리 진단 디바이스로부터 통신부(306)를 통해 입력될 수 있다. 상기 표시부(305)가 터치 센서를 포함하는 디스플레이인 경우 상기 제어 명령은 상기 표시부(305)를 통해서 직접 입력될 수 있다.
본 발명에 있어서, 제어부(303)는 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 제어부(303)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 컴퓨터 부품으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 본 발명의 저장부(304)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
제어부(303)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명에 있어서, 저장부(304)는, 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory) 및 PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
저장부(304)는, 제어부(303)에 의한 연산 동작에 요구되는 데이터 및 프로그램을 저장할 수 있다. 저장부(304)는 제어부(303)에 의한 연산 동작의 결과를 나타내는 데이터를 저장할 수 있다. 특히, 제어부(303)는 압력 센서(Psensor)로부터 전송된 RF 신호를 처리하여 결정한 스웰링 압력의 시계열 데이터 및/또는 배터리의 전압에 대한 시계열 데이터 및/또는 배터리의 충방전 전류에 대한 시계열 데이터 및/또는 배터리의 충전상태에 대한 시계열 데이터를 저장부(304)에 누적해서 기록할 수 있다.
본 발명에 있어서, 압력 센서(Psensor)를 포함하는 복수의 원통형 배터리들은 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 배터리 팩을 구성할 수 있다.
비용 절감을 위해, 압력 센서(Psensor)는 배터리 팩을 구성하는 원통형 배터리들 중에서 일부에만 포함시키는 것도 가능하다.
원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치(300)는 배터리 팩의 충전과 방전을 전반적으로 제어하는 배터리 관리 시스템에 포함될 수 있다.
배터리 관리 시스템은 스웰링 압력 모니터링 장치(300)를 이용하여 배터리 팩에 포함된 원통형 배터리들 중에서 압력 센서를 포함하는 원통형 배터리(들)에 대해 시간에 따른 스웰링 압력의 변화 및, 선택적으로, 시간 또는 충전상태에 따른 전압 변화를 주기적으로 모니터하여 전극 조립체의 코어 붕괴 징후를 사전에 진단하고, 진단 결과를 표시부(305)를 통해 출력하거나 통신부(306)를 통해 다른 컴퓨터 시스템으로 전송할 수 있다.
상술한 실시예에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 전자회로로서 구현될 수 있다. 당업자라면 구성 요소들의 기능을 인식하여 전자회로를 용이하게 설계할 수 있다. 또한, 장치의 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리의 나머지 특징들을 상세히 설명하기로 한다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 전극 조립체에 포함된 전극(40)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7a를 참조하면, 전극(40)은 금속 포일로 이루어진 집전체(41) 및 활물질층(42)을 포함한다. 금속 포일은 전도성이 있는 금속, 예컨대 알루미늄 또는 구리일 수 있으며, 전극(40)의 극성에 따라 적절하게 선택된다. 집전체(41)의 적어도 일면에 활물질층(42)은 형성된다. 활물질층(42)은 권취 방향(X)을 따라 형성된다. 전극(40)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(40)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(40)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.
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(B3)는 전극(40)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.
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 제3부분(B2) 보다 상대적으로 작다. 권취 방향(X)에서, 제3부분(B2)은 제1부분(B1) 및 제2부분(B3)보다 길이가 더 길다.
도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극(45)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7b를 참조하면, 전극(45)은 제2부분(B3)의 높이가 외주측으로 갈수록 점진적으로 감소하는 점만 다르고 나머지 구성은 전술한 전극(40)의 구조와 실질적으로 동일하다.
일 변형예에서, 제2부분(B3)는 높이가 단계적으로 감소하는 스텝 형상(점선 참조)으로 변형이 가능하다.
도 7c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극(50)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7c를 참조하면, 전극(50)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.
바람직하게, 제3부분(B2)의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 갈수록 단계적으로 증가하는 스텝 형상을 가질 수 있다.
패턴1 내지 패턴7은 무지부(43)의 높이가 변화하는 위치를 중심으로 제3부분(B2)를 구분한 것이다. 바람직하게, 패턴들의 수와 각 패턴의 높이(Y축 방향의 길이)와 폭(X축 방향의 길이)은 무지부(43)의 절곡 과정에서 응력을 최대한 분산시킬 수 있도록 조절될 수 있다. 응력 분산은 무지부(43)가 전극 조립체의 코어측으로 절곡될 때 무지부(43)의 찢어짐을 방지하기 위한 것이다.
제1부분(B1)의 폭(dB1)은 제3부분(B2)의 패턴들을 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 패턴1의 절곡 길이에 비례하여 증가할 수 있다. 절곡 길이는 패턴의 절곡 지점을 기준으로 한 패턴의 높이에 해당한다.
바람직하게, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 제1부분(B1)이 형성하는 권회 턴들의 반경 방향 폭이 패턴1의 절곡 길이 이상이 되도록 설정할 수 있다.
구체적인 예에서, 전극(50)이 폼 팩터가 4680인 원통형 배터리의 전극 조립체를 제조하는데 사용되는 경우, 제1부분(B1)의 폭(dB1)은 전극 조립체 코어의 직경과 패턴1의 절곡 길이에 따라 180mm 내지 350mm로 설정할 수 있다.
일 변형예에서, 제3부분(B2)의 높이는 코어측으로부터 외주측으로 가면서 증가했다가 감소하는 스텝 형상을 가질 수 있다.
다른 변형예에서, 제2부분(B3)은 도 7b의 전극(45) 구조를 갖도록 변형될 수 있다.
또 다른 변형예에서, 제3부분(B2)에 적용된 패턴 구조가 제2부분(B3)까지 확장될 수 있다(점선 참조).
도 7d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극(60)의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 7d를 참조하면, 전극(60)은 제1부분(B1)과 제2부분(B3)의 권취 축(Y) 방향의 높이는 0 이상이되, 제3부분(B2) 보다 상대적으로 작다. 또한, 제1부분(B1)과 제2부분(B3)의 권취 축(Y) 방향 높이는 동일하거나 다를 수 있다.
바람직하게, 제3부분(B2)는 적어도 일부 구간이 복수의 분절편(61)을 포함할 수 있다. 복수의 분절편(61)은 코어측으로부터 외주측으로 가면서 높이가 단계적으로 증가할 수 있다. 복수의 분절편(61)은 하부에서 상부로 가면서 폭이 감소되는 기하학적 도형 형태를 가진다. 바람직하게, 기하학적 도형은 사다리꼴이다. 기하학적 도형의 형태는 사각형, 평형사변형, 반원형, 반타원형 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.
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.
전극(60)의 무지부(43)가 분절편 구조를 가질 때, 전극(60)은 도 7e에 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 7e에 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 7f에 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(C)의 중심을 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 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전극(60)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 8은 본 발명의 실시예에 따라 분절편(61)이 전극 조립체(80)의 코어(C) 측으로 절곡되면서 형성된 절곡 표면영역(F)의 단면을 나타낸 모식도이다. 도 8에서, 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 8을 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.
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 최소 10장 이상으로 설계할 수 있다.
상술한 실시예들(변형예들)의 전극 구조는 젤리롤 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 다른 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), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 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.
바람직하게, 원통형 배터리의 직경은 40mm 내지 50mm일 수 있고, 높이는 60mm 내지 130mm일 수 있다. 일 실시예에 따른 원통형 배터리의 폼 팩터는, 예를 들어 46110, 4875, 48110, 4880 또는 4680일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 배터리의 직경을 나타내고, 나머지 숫자는 배터리의 높이를 나타낸다. 전극 조립체의 권회턴 수는 50턴 내지 60턴일 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(190)을 Y축 방향을 따라 자른 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(190)은 제1전극, 분리막 및 제2전극을 포함하는 전극 조립체(110), 전극 조립체(110)를 수납하는 배터리 하우징(142) 및 배터리 하우징(142)의 개방단부를 밀봉하는 밀봉체(143)를 포함한다.
배터리 하우징(142)은, 상방에 개구부가 형성된 원통형의 용기이다. 배터리 하우징(142)은 알루미늄, 스틸, 스테인레스 스틸과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 배터리 하우징(142)은 표면에는 니켈 코팅층이 형성될 수 있다. 배터리 하우징(142)은 상단 개구부를 통해 내측 공간에 전극 조립체(110)를 수용하며 전해질도 함께 수용한다.
전극 조립체(110)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 분리막, 제1전극, 상부 분리막 및 제2전극을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 축(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.
전극 조립체(110)의 외주면과 배터리 하우징(142)의 내주면 사이에는 압력 센서(Psensor)가 개재될 수 있다. 압력 센서(Psensor)의 상세 구성과 설치 위치에 대해서는 이미 상술하였다. 압력 센서(Psensor)는 전극 조립체(110)의 외주면이 배터리 하우징(142)의 내주면에 인가하는 스웰링 압력을 센싱하여 압력 센싱 신호를 무선 통신을 통해서 외부의 스웰링 압력 모니터링 장치(도 6e의 300)로 전송할 수 있다.
전극 조립체(110)의 상부와 하부에는 각각 제1전극의 제1무지부(146a)와 제2전극의 제2무지부(146b)가 돌출된다. 제1무지부(146a)와 제2무지부(146b)는 전극 조립체(110)의 코어 측으로 절곡되어 절곡 표면영역(F)을 형성할 수 있다. 제1전극의 제2부분(B3)는 배터리 하우징(142)의 내주면, 특히 비딩부(147)와 소정 간격 이격되어 있다. 따라서, 제1전극의 제2부분(B3)는 제2전극과 전기적으로 연결된 배터리 하우징(142)과 접촉하지 않아 내부 단락이 방지된다.
제2전극의 제2무지부(146b)는 제1무지부(146a)와 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 다른 변형 예에서, 제2무지부(146b)는 실시예들(변형예들)에 따른 전극의 무지부 구조를 선택적으로 가질 수 있다.
밀봉체(143)는 플레이트 형상을 가진 캡(143a), 캡(143a)와 배터리 하우징(142) 사이에 기밀성을 제공하며 절연성을 가진 실링 가스켓(143b) 및 상기 캡(143a)와 전기적으로 및 기계적으로 결합된 연결 플레이트(143c)를 포함할 수 있다.
캡(143a)는 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지는 부품이며, 배터리 하우징(142)의 상단 개구부를 커버한다. 캡(143a)는, 제1전극의 무지부(146a)와 전기적으로 연결되며, 배터리 하우징(142)과는 실링 가스켓(143b)을 통해 전기적으로 절연된다. 따라서 캡(143a)는, 원통형 배터리(190)의 제1전극 단자(예컨대, 양극)로서 기능할 수 있다.
캡(143a)는 배터리 하우징(142)에 형성된 비딩부(147) 상에 안착되며, 크림핑부(148)에 의해 고정된다. 캡(143a)와 크림핑부(148) 사이에는, 배터리 하우징(142)의 기밀성을 확보하고 배터리 하우징(142)과 캡(143a) 사이의 전기적 절연을 위해 실링 가스켓(143b)이 개재될 수 있다. 캡(143a)는 그 중심부로부터 상방으로 돌출 형성된 돌출부(143d)를 구비할 수 있다.
배터리 하우징(142)은 제2전극의 제2무지부(146b)와 전기적으로 연결된다. 따라서 배터리 하우징(142)은 제2전극과 동일한 극성을 갖는다. 만약, 제2전극이 음의 극성을 가지면, 배터리 하우징(142) 또한 음의 극성을 가진다.
배터리 하우징(142)은 상단에 비딩부(147) 및 크림핑부(148)를 구비한다. 비딩부(147)는 배터리 하우징(142)의 외주면 둘레를 압입하여 형성한다. 비딩부(147)는 배터리 하우징(142)의 내부에 수용된 전극 조립체(110)가 배터리 하우징(142)의 상단 개구부를 통해 빠져나오지 못하도록 하며, 밀봉체(143)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다.
비딩부(147)의 내주면은, 제1전극의 제2부분(B3)와 소정 간격 이격되어 있다. 보다 구체적으로, 비딩부(147)의 내주면 하단이, 제1전극의 제2부분(B3)와 소정 간격 이격되어 있다. 또한, 제2부분(B3)는 높이가 낮기 때문에 비딩부(147)를 형성하기 위해 배터리 하우징(142)을 외부에서 압입할 때에도 제2부분(B3)는 실질적으로 영향을 받지 않는다. 따라서, 제2부분(B3)가 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, 배터리 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 배터리 하우징(142)을 압입할 때 제2부분(B3)의 손상이 실질적으로 방지된다.
크림핑부(148)는 비딩부(147)의 상부에 형성된다. 크림핑부(148)는, 비딩부(147) 상에 배치되는 캡(143a)의 외주면, 그리고 캡(143a)의 상면 일부를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다.
원통형 배터리(190)은 제1집전체(144) 및/또는 제2집전체(145) 및/또는 인슐레이터(146)를 더 포함할 수 있다.
제1집전체(144)는 전극 조립체(110)의 상부에 결합된다. 제1집전체(144)는 알루미늄, 구리, 스틸, 니켈 등과 같은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제1전극의 제1무지부(146a)와 전기적으로 연결된다. 전기적 연결은 용접을 통해 이루어질 수 있다. 제1집전체(144)에는 리드(149)가 연결될 수 있다. 리드(149)는 전극 조립체(110)의 상방으로 연장되어 연결 플레이트(143c)에 결합되거나 캡(143a)의 하면에 직접 결합될 수 있다. 리드(149)와 다른 부품의 결합은 용접을 통해 이루어질 수 있다.
바람직하게, 제1집전체(144)는 리드(149)와 일체로 형성될 수 있다. 이 경우, 리드(149)는 제1집전체(144)의 중심부 근처로부터 외측으로 연장된 길다란 플레이트 형상을 가질 수 있다.
제1집전체(144)는 제1무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)에 결합된다. 제1무지부(146a)의 절곡 표면영역(F)과 제1집전체(144) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 레이저 용접은, 집전체(144)의 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수 있다. 레이저 용접은 저항 용접, 초음파 용접, 스폿 용접 등으로 대체 가능하다.
전극 조립체(110)의 하면에는 제2집전체(145)가 결합될 수 있다. 제2집전체(145)의 일 면은 제2무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)과 용접에 의해 결합되며, 반대쪽 면은 배터리 하우징(142)의 내측 바닥 면 상에 용접에 의해 결합될 수 있다. 제2집전체(145)와 제2무지부(146b) 사이의 결합 구조는 제1집전체(144)와 제1무지부(146a) 사이의 결합 구조와 실질적으로 동일할 수 있다.
제1집전체(144)와 제2집전체(145)가 각각 제1무지부(146a) 및 제2무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)에 용접되면, 전극 조립체(110)가 스웰링되었을 때 전극들이 회전하는 것을 저지할 수 있다. 이러한 효과는 이후에 설명되는 실시예들에 있어서도 동일하게 나타난다.
무지부(146a, 146b)는 도시된 구조에만 한정되지 않는다. 따라서, 무지부(146a, 146b)는 종래의 무지부 구조뿐만 아니라 실시예들(변형예들)에 따른 전극의 무지부 구조를 선택적으로 가질 수 있다.
인슐레이터(146)는 제1집전체(144)를 커버할 수 있다. 인슐레이터(146)는 제1집전체(144)의 상면에서 제1집전체(144)를 커버함으로써, 제1집전체(144)와 배터리 하우징(142)의 내주면 사이의 직접 접촉을 방지할 수 있다.
인슐레이터(146)는, 제1집전체(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(143a)의 하면에 결합된다.
인슐레이터(146)의 가장자리 둘레 영역은, 제1집전체(144)와 비딩부(147) 사이에 개재되어, 전극 조립체(110) 및 제1집전체(144)의 결합체를 고정시킬 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(110) 및 제1집전체(144)의 결합체는, 배터리(190)의 권취축 방향(Y)의 이동이 제한되어 배터리(190)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.
배터리 하우징(142)은 그 하면에 형성된 벤팅부(152)를 더 구비할 수 있다. 벤팅부(152)는 배터리 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 배터리 하우징(142)의 내부에 생성된 가스가 외부로 배출될 수 있다.
벤팅부(152)가 배터리 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 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리(200)을 Y 축을 따라 자른 단면도이다.
도 10을 참조하면, 원통형 배터리(200)은 도 9에 도시된 원통형 배터리(190)과 비교하여 전극 조립체의 구조는 실질적으로 동일하고, 전극 조립체를 제외한 나머지 구조가 변경된 점에서 차이가 있다.
원통형 배터리(200)는 압력 센서(Psensor)를 포함한다. 압력 센서(Psensor)는 전극 조립체(110)의 외주면과 배터리 하우징(171)의 내주면 사이에 개재될 수 있다. 압력 센서(Psensor)의 상세 구성과 설치 위치에 대해서는 이미 상술하였다. 압력 센서(Psensor)는 전극 조립체(110)의 외주면이 배터리 하우징(171)의 내주면에 인가하는 스웰링 압력을 센싱하여 압력 센싱 신호를 무선 통신을 통해서 외부의 스웰링 압력 모니터링 장치(도 6e의 300)로 전송할 수 있다.
원통형 배터리(200)은 단자(172)가 관통 설치된 배터리 하우징(171)을 포함한다. 단자(172)는 배터리 하우징(171)의 폐쇄면(도면의 상부면)에 형성된 관통 홀을 통해 설치된다. 단자(172)는 절연성 물질로 이루어진 절연 가스켓(173)이 개재된 상태에서 배터리 하우징(171)의 관통 홀에 리벳팅된다. 단자(172)는 중력 방향과 반대 방향을 향해 외부로 노출된다.
단자(172)는, 단자 노출부(172a) 및 단자 삽입부(172b)를 포함하는 리벳 단자일 수 있다. 단자 노출부(172a)는, 배터리 하우징(171)의 폐쇄면의 외측으로 노출된다. 단자 노출부(172a)는, 배터리 하우징(171)의 폐쇄면의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 단자 노출부(172a)의 최대 지름은 배터리 하우징(171)에 형성된 관통 홀의 최대 지름보다 더 크게 형성될 수 있다. 단자 삽입부(172b)는, 배터리 하우징(171)의 폐쇄면의 대략 중심부를 관통하여 제1전극의 무지부(146a)와 전기적으로 연결될 수 있다. 단자 삽입부(172b)의 하부 가장자리는, 배터리 하우징(171)의 내측 면 상에 리벳(rivet) 결합될 수 있다. 즉, 단자 삽입부(172b)의 하부 가장자리는, 배터리 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 배터리 하우징(171)의 관통 홀의 최대 지름보다 더 클 수 있다.
단자 삽입부(172b)의 평탄부(172c)는 제1전극의 제1무지부(146a)에 연결된 제1집전체(144)의 중앙부에 용접될 수 있다. 용접 방법으로는 레이저 용접이 바람직하나, 초음파 용접 등의 다른 용접 방식으로 대체 가능하다.
제1집전체(144)와 배터리 하우징(171)의 내측면 사이에는 절연물질로 이루어진 인슐레이터(174)가 개재될 수 있다. 인슐레이터(174)는 제1집전체(144)의 상부와 전극 조립체(110)의 상단 가장자리 부분을 커버한다. 이로써, 서로 다른 극성을 가지는 전극 조립체(110)의 제1무지부(146a)와 배터리 하우징(171)의 내주면이 서로 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있다.
인슐레이터(174)의 두께는 제1집전체(144)의 상면과 배터리 하우징(171)의 폐쇄부 내측면 사이의 거리에 대응하거나 약간(slightly) 더 크다. 따라서, 인슐레이터(174)는 제1집전체(144)의 상면과 배터리 하우징(171) 폐쇄부의 내측면과 접촉할 수 있다.
단자(172)의 단자 삽입부(172b)는 인슐레이터(174)의 관통홀을 통해 제1집전체(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 절연 가스켓(173)을 노출시킬 수 있다.
절연 가스켓(173)은 배터리 하우징(171)과 단자(172) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 배터리 하우징(171)과 단자(172)가 전기적으로 서로 접촉되는 것을 방지한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 배터리 하우징(171)의 상면이 원통형 배터리(200)의 제2전극 단자(예컨대, 음극)로서 기능할 수 있다.
절연 가스켓(173)은, 가스켓 노출부(173a) 및 가스켓 삽입부(173b)를 포함한다. 가스켓 노출부(173a)는 단자(172)의 단자 노출부(172a)와 배터리 하우징(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는 단자(172)의 단자 삽입부(172b)와 배터리 하우징(171) 사이에 개재된다. 가스켓 삽입부(173b)는, 단자 삽입부(172b)의 리벳팅(reveting) 시에 함께 변형되어 배터리 하우징(171)의 내측 면에 밀착될 수 있다. 절연 가스켓(173)은, 예를 들어 절연성을 갖는 고분자 수지로 이루어질 수 있다.
절연 가스켓(173)의 가스켓 노출부(173a)는, 단자(172)의 단자 노출부(172a)의 외주면을 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다. 절연 가스켓(173)이 단자(172)의 외주면을 커버하는 경우 버스바 등의 전기적 연결 부품을 배터리 하우징(171)의 상면 및/또는 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.
절연 가스켓(173)이 고분자 수지로 이루어지는 경우에 있어서, 절연 가스켓(173)은 열 융착에 의해 배터리 하우징(171) 및 단자(172)와 결합될 수 있다. 이 경우, 절연 가스켓(173)과 단자(172)의 결합 계면 및 절연 가스켓(173)과 배터리 하우징(171)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다. 한편, 절연 가스켓(173)의 가스켓 노출부(173a)가 단자 노출부(172a)의 상면까지 연장된 형태를 갖는 경우에 있어서, 단자(172)는 인서트 인젝션 몰딩에 의해 절연 가스켓(173)과 일체로 결합될 수 있다.
배터리 하우징(171)의 상면 중에서 단자(172) 및 절연 가스켓(173)이 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역(175)이 단자(172)와 반대 극성을 갖는 제2전극 단자에 해당한다.
제2집전체(176)는, 전극 조립체(110)의 하부에 결합된다. 제2집전체(176)는 알루미늄, 스틸, 구리, 니켈 등의 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제2전극의 제2무지부(146b)와 전기적으로 연결된다.
바람직하게, 제2집전체(176)는, 배터리 하우징(171)과 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 제2집전체(176)는 가장 자리 부분의 적어도 일부가 배터리 하우징(171)의 내측 면과 실링 가스켓(178b) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 일 예에서, 제2집전체(176)의 가장 자리 부분의 적어도 일부는 배터리 하우징(171) 하단에 형성된 비딩부(180)의 하단면에 지지된 상태에서 용접에 의해 비딩부(180)에 고정될 수 있다. 변형예에서, 제2집전체(176)의 가장 자리 부분의 적어도 일부는 배터리 하우징(171)의 내주면에 직접적으로 용접될 수 있다.
바람직하게, 제2집전체(176)와 제2무지부(146b)의 절곡 표면영역(F)은 용접, 예컨대 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다. 또한, 제2집전체(176)와 제2무지부(146b)의 용접 부위는 비딩부(180)의 내주면을 기준으로 코어(C) 측으로 소정 간격 이격될 수 있다.
배터리 하우징(171)의 하부 개방단을 밀봉하는 밀봉체(178)는 플레이트 형상을 가진 캡(178a)와 실링 가스켓(178b)을 포함한다. 실링 가스켓(178b)은 캡(178a)와 배터리 하우징(171)을 전기적으로 분리시킨다. 크림핑부(181)는 캡(178a)의 가장자리와 실링 가스켓(178b)을 함께 고정시킨다. 캡(178a)에는 벤트부(179)가 구비된다. 벤트부(179)의 구성은 상술한 실시예(변형예)와 실질적으로 동일하다. 캡(178a)의 하부면은 클림핑부(181) 하단보다 상부에 위치할 수 있다. 이 경우, 캡(178a)의 하부에 공간이 형성되어 벤팅이 원활하게 이루어진다. 특히, 클림핑부(181)가 중력 방향을 향하도록 원통형 배터리(200)이 설치될 경우 유용하다.
바람직하게, 캡(178a)는 도전성이 있는 금속 재질로 이루어진다. 하지만, 캡(178a)와 배터리 하우징(171) 사이에 실링 가스켓(178b)이 개재되어 있으므로 캡(178a)는 전기적 극성을 띠지 않는다. 밀봉체(178)는 배터리 하우징(171) 하부의 개방단을 밀봉시키고 배터리(200)의 내부 압력이 임계치 이상 증가하였을 때 가스를 배출시키는 기능을 주로 한다.
바람직하게, 제1전극의 제1무지부(146a)와 전기적으로 연결된 단자(172)는 제1전극 단자로 사용된다. 또한, 제2집전체(176)를 통해 제2전극의 제2무지부(146b)와 전기적으로 연결된 배터리 하우징(171)의 상부 표면 중에서 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 연결시키는데 있어서 충분한 연결 면적을 확보할 수 있다. 이에 따라, 원통형 배터리(200)은 전기적 연결 부품의 연결 부위에서의 저항을 바람직한 수준으로 낮출 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리(200)은 상부에서 전기적 연결을 수행할 수 있는 이점이 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 복수의 원통형 배터리(200)들이 전기적으로 연결된 상태를 나타낸 상부 평면도이고, 도 12는 도 11의 부분 확대도이다.
도 11 및 도 12를 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, 단자(172)는 양의 극성을 가지고 배터리 하우징(171)의 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. 열들은 도면 상에서 상하 방향으로 제공되고, 행들은 도면 상에서 좌우 방향으로 제공된다. 또한, 공간 효율성을 최대화하기 위해, 원통형 배터리(200)들은 최밀 팩킹 구조(closest packing structure)로 배치될 수 있다. 최밀 팩킹 구조는, 배터리 하우징(171)의 외부로 노출된 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 단자(172) 사이에서 원통형 배터리(200)들의 열을 따라 연장될 수 있다. 대안적으로, 상기 바디부(211)는, 원통형 배터리(200)들의 열을 따라 연장되되, 상기 바디부(211)는 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 단자(172)와 전기적으로 결합될 수 있다. 제1 버스바 단자(212)와 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 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, 제2집전체(176)을 이용한 전류 패스(path)의 다중화, 전류 패스 길이의 최소화 등을 통해 저항이 최소화된 구조를 갖는다. 양극과 음극 사이, 즉 단자(172)와 그 주변의 평평한 면(171a) 사이에서의 저항 측정기를 통해 측정되는 원통형 배터리(200)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 따른 원통형 배터리(200)은, 양의 극성을 가진 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 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 13은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(400)은 복수의 원통형 배터리(401)이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(402)을 포함한다. 원통형 배터리(401)은 상술한 실시예들(변형예들)에 따른 배터리 중 어느 하나일 수 있다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 배터리(401)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
복수의 원통형 배터리(401)은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(Psensor)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 복수의 원통형 배터리(401)들 중에서 일부만 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(Psensor)를 포함할 수 있다.
배터리 팩(400)은 배터리 관리 시스템(Battery Management System: BMS)와 동작 가능하게 결합될 수 있다. 배터리 관리 시스템(BMS)는 배터리 팩(400)의 충전과 방전을 제어하고, 충전상태(State Of Charge: SOC), 건강상태(State Of Health: SOH), 가용 파워 등의 동작 파라미터를 계산하여 모니터하고, 과전류/과충전/과방전 차단과 같은 보호 동작을 수행할 수 있다.
배터리 관리 시스템(BMS)은 본 발명의 실시예에 따른 스웰링 압력 모니터링 장치(300)를 포함할 수 있다. 스웰링 압력 모니터링 장치(300)는 압력 센서(Psensor)가 포함되어 있는 원통형 배터리로부터 무선 통신을 통해 압력 센싱 신호를 수집하여 전극 조립체의 외주면이 배터리 하우징의 내주면에 인가하는 스웰링 압력의 시계열 데이터를 생성하고, 스웰링 압력의 시계열 데이터 및, 선택적으로, 전압 시계열 데이터를 이용하여 전극 조립체의 코어 붕괴 징후를 진단하고 진단 결과를 표시부를 통해 시각으로 출력하거나 통신부를 통해 다른 컴퓨터 시스템으로 전송할 수 있다.
배터리 팩(400)은 자동차에 탑재될 수 있다. 자동차는 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차는 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함한다.
도 14는 도 13의 배터리 팩(400)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(400)을 포함한다. 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(400)으로부터 전력을 공급받아 동작한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 원통형 배터리의 전극 조립체에 있어서 코어 측과 외주 측에서 양극 단부와 음극 단부의 상대적 위치를 조절하여 스웰링 현상이 생기더라도 전극 조립체의 대칭도와 원형도를 유지하여 코어의 붕괴를 방지하거나 완화시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 원통형 배터리의 내부에 무선 통신을 통해 압력 센싱 신호를 전송할 수 있는 압력 센서를 포함시켜 전극 조립체의 외주면이 배터리 하우징의 내주면에 가하는 스웰링 압력의 변화를 지속적으로 모니터링함으로써 코어의 붕괴 징후를 용이하게 검출할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 압력 센서가 포함된 원통형 배터리를 이용하여 제작된 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 원통형 배터리가 충방전되는 동안 전극 조립체의 외주면이 배터리 하우징의 내주면에 가하는 스웰링 압력의 변화를 모니터링하고 전극 조립체의 코어 붕괴 징후를 검출할 수 있는 장치 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템을 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 (24)

  1. 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체;
    개방단과 이와 대향하는 폐쇄부를 포함하고, 상기 개방단과 상기 폐쇄부 사이의 공간에 상기 전극 조립체를 수납하고, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 가지는 배터리 하우징;
    상기 배터리 하우징의 개방단을 밀봉하는 밀봉체;
    상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 다른 하나와 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 제2극성을 띠는 단자; 및
    상기 전극 조립체의 외주면과 상기 배터리 하우징의 내주면 사이에 개재되어 상기 전극 조립체의 외주면이 상기 배터리 하우징의 내주면에 가하는 스웰링 압력을 센싱하여 압력 센싱 신호를 외부로 출력하는 압력 센서를 포함하는, 원통형 배터리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력 센서는 시트 형상으로 이루어지고, 상기 전극 조립체의 외주면 형상을 따라 상기 전극 조립체의 외주면에 접합된, 원통형 배터리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제1활물질부와 활물질층이 코팅되지 않은 제1무지부를 포함하고, 상기 제2전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있는 제2활물질부와 활물질층이 코팅되지 않은 제2무지부를 포함하고,
    상기 제1무지부와 상기 제2무지부는 각각 상기 권취 축 방향을 따라 서로 대향하도록 상기 분리막의 외부로 노출되어 그 자체로서 전극 탭으로서 정의되고,
    상기 권취 축 방향과 수직인 상기 전극 조립체의 단면 상에서, 상기 코어의 중심과 상기 제1활물질부의 코어측 단부와 상기 제2활물질부의 코어측 단부를 연결한 2개의 직선 사이에 배치된 권회턴 부분을 응력 취약 구간이라 정의하고, 상기 코어의 중심과 상기 제1활물질부의 외주측 단부와 상기 제2활물질부의 외주측 단부를 연결한 2개의 직선 사이에 배치된 권회턴 부분을 응력 증폭 구간이라고 정의할 때, 상기 응력 증폭 구간은 상기 단면 상에서 상기 전극 조립체의 원주 방향을 따라 상기 응력 취약 구간과 이격되어 있는, 원통형 배터리.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 압력 센서는 상기 응력 증폭 구간의 적어도 일부를 커버하도록 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 배터리 하우징의 내주면 사이에 개재되는, 원통형 배터리.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1전극과 상기 제2전극은 각각 양극 및 음극이고,
    상기 제2전극의 외주측 단부가 상기 제1전극의 외주측 단부보다 상기 전극 조립체의 외주에 가깝게 배치되어 있고,
    상기 제2전극의 외주측 단부와 상기 제1전극의 외주측 단부 사이에 상기 분리막이 개재되고,
    상기 제2전극의 외주측 단부가 상기 전극 조립체의 원주 방향에서 상기 전극 조립체의 권취 방향을 따라 상기 제1전극의 외주측 단부를 통과하도록 연장되어 있고,
    상기 압력 센서는 상기 코어의 중심과 상기 제1전극의 외주측 단부를 연결한직선과 교차하도록 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 배터리 하우징의 내주면 사이에 개재된, 원통형 배터리.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력 센서는 상기 압력 센싱 신호를 무선 통신을 통해 외부로 출력하는, 원통형 배터리.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1전극의 제1무지부가 상기 코어 측으로 절곡되어 형성된 제1절곡 표면영역;
    상기 제1절곡 표면영역에 결합된 제1집전체;
    상기 제2전극의 제2무지부가 상기 코어 측으로 절곡되어 형성된 제2절곡 표면영역; 및
    상기 제2절곡 표면영역에 결합된 제2집전체;를 더 포함하는, 원통형 배터리.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 밀봉체는,
    상기 제1집전체와 전기적으로 연결된 캡;
    상기 캡의 가장자리를 감싸면서 상기 전극 조립체의 구심 방향으로 절곡되어 상기 캡의 가장자리를 상기 배터리 하우징의 개방단에 고정하는 클림핑부; 및
    상기 클림핑부와 상기 캡의 가장자리 사이에 개재되어 상기 배터리 하우징의 개방단을 밀봉하는 실링 가스켓을 포함하는, 원통형 배터리.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 원통형 배터리는,
    배터리 하우징의 폐쇄부에 형성된 관통홀을 통과하여 상기 폐쇄부의 내측면에 리벳팅된 리벳 단자; 및
    상기 리벳 단자와 상기 관통홀의 내주면 사이에 개재되어 상기 리벳 단자와 상기 배터리 하우징을 전기적으로 절연시키는 절연 가스켓을 더 포함하고,
    제2극성을 띠는 단자는 상기 리벳 단자인, 원통형 배터리.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 배터리 하우징의 개방단에 인접한 배터리 하우징의 외주면이 상기 권취 축 방향으로 만입된 비딩부를 더 포함하고,
    상기 제2집전체의 가장자리 중에서 적어도 일부는 상기 비딩부와 접촉하는 것인, 원통형 배터리.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 배터리 하우징의 개방단이 상기 권취 축 방향으로 절곡되면서 형성된 클림핑부를 더 포함하고,
    상기 밀봉체는, 상기 비딩부 상에 안착되는 캡; 및 상기 캡의 가장자리와 상기 배터리 하우징의 개방단 사이에 개재된 실링 가스켓을 포함하고,
    상기 실링 가스켓의 일 면은 상기 클림핑부에 의해 상기 캡의 가장자리를 향해 밀착되고, 상기 실링 가스켓의 타 면은 상기 클림핑부에 의해 상기 비딩부와 접촉하는 상기 제2집전체의 가장자리를 향해 밀착되는 것인, 원통형 배터리.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 원통형 배터리의 높이 대비 직경의 비율이 0.4 보다 큰, 원통형 배터리.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 원통형 배터리의 폼 팩터가 46110, 4875, 48110, 4880 또는 4680인, 원통형 배터리.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 따른 원통형 배터리를 포함하는 배터리 팩.
  15. 청구항 14항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
  16. 제1전극 및 제2전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체; 개방단과 이와 대향하는 폐쇄부를 포함하고, 상기 개방단과 상기 폐쇄부 사이의 공간에 상기 전극 조립체를 수납하고, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 하나와 전기적으로 연결되어 제1극성을 가지는 배터리 하우징; 상기 배터리 하우징의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 다른 하나와 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 제2극성을 띠는 단자; 및 상기 전극 조립체의 외주면과 상기 배터리 하우징의 내주면 사이에 개재되어 상기 전극 조립체의 외주면이 상기 배터리 하우징의 내주면에 가하는 스웰링 압력을 센싱하여 압력 센싱 신호를 무선 통신을 통해 외부로 출력하는 압력 센서를 포함하는 원통형 배터리의 스웰링 모니터링 장치에 있어서,
    상기 압력 센서로부터 무선 통신을 통해 전송되는 상기 압력 센싱 신호를 수신하는 수신부;
    상기 압력 센싱 신호를 원래의 신호로 복조하는 신호 처리부; 및
    상기 복조된 압력 센싱 신호로부터 스웰링 압력을 결정하고, 스웰링 압력의 시계열 데이터를 생성하는 제어부;를 포함하는 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 압력 센서는 기준 표면탄성파와 상기 스웰링 압력에 따라 상기 기준 표면탄성파와 진폭이 다른 센싱 표면탄성파를 무선 통신을 통해 전송하도록 구성되고,
    상기 제어부는, 상기 기준 표면탄성파와 상기 센싱 표면탄성파의 진폭 차이를 결정하고, 진폭 차이와 스웰링 압력 사이의 미리 정의된 상관 관계를 이용하여 상기 결정된 진폭 차이에 대응되는 스웰링 압력을 결정하도록 구성된, 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 스웰링 압력의 시계열 데이터로부터 스웰링 압력 프로파일을 생성하고, 상기 스웰링 압력 프로파일에서 적어도 하나의 극소 피크가 식별되면, 상기 전극 조립체의 코어 붕괴 징후가 있다고 진단하고, 진단 결과를 출력하도록 구성된, 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 스웰링 압력의 시계열 데이터로부터 스웰링 압력 프로파일을 생성하고, 상기 스웰링 압력 프로파일에 대한 시간 미분을 통해 미분 스웰링 압력 프로파일을 생성하고, 상기 미분 스웰링 압력 프로파일에서 적어도 하나의 피크가 식별되면, 상기 전극 조립체의 코어 붕괴 징후가 있다고 진단하고, 진단 결과를 출력하도록 구성된, 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치.
  20. 청구항 16에 있어서,
    상기 원통형 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부를 더 포함하고,
    상기 제어부는:
    상기 전압 측정부로부터 주기적으로 전압 측정값을 입력 받아 전압 프로파일을 생성하고,
    상기 전압 프로파일에 대한 시간 또는 충전상태 미분을 통해 미분 전압 프로파일을 생성하고,
    상기 스웰링 압력이 임계치 이상이고, 상기 미분 전압 프로파일에서 적어도 하나 이상의 피크가 식별되면, 상기 전극 조립체의 코어 붕괴 징후가 있다고 진단하고, 진단 결과를 출력하도록 구성된, 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치.
  21. 청구항 18 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부와 동작 가능하게 결합된 표시부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 진단 결과를 상기 표시부를 통해 출력하도록 구성된, 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치.
  22. 청구항 18 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부와 동작 가능하게 결합된 통신부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 진단 결과를 상기 통신부를 통해 컴퓨터 시스템으로 전송하도록 구성된, 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치.
  23. 청구항 18 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진단 결과는, 경고 메시지 또는 점검 요청 메시지를 포함하는, 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치.
  24. 청구항 16 내지 청구항 23 중 어느 한 항에 따른 원통형 배터리의 스웰링 압력 모니터링 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템.
PCT/KR2023/012736 2022-08-26 2023-08-28 압력 센서를 포함하는 원통형 배터리, 스웰링 압력 모니터링 장치 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템 WO2024043767A1 (ko)

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