WO2024091065A1 - 전지 캔과 캡의 용접 구조 및 이를 적용한 배터리 셀 - Google Patents

전지 캔과 캡의 용접 구조 및 이를 적용한 배터리 셀 Download PDF

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WO2024091065A1
WO2024091065A1 PCT/KR2023/016891 KR2023016891W WO2024091065A1 WO 2024091065 A1 WO2024091065 A1 WO 2024091065A1 KR 2023016891 W KR2023016891 W KR 2023016891W WO 2024091065 A1 WO2024091065 A1 WO 2024091065A1
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WO
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cap
peripheral surface
current collector
side wall
wall member
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PCT/KR2023/016891
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황동성
신항수
조성민
홍태림
박정호
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/538—Connection of several leads or tabs of wound or folded electrode stacks

Definitions

  • the present invention relates to a welded structure of a battery can and a cap and a battery cell to which the same is applied.
  • the process of manufacturing a battery cell using a cylindrical can is to deep draw a metal sheet to form a circular bottom member and a circular tubular side wall member connected to the circular bottom member, and to accommodate the electrode assembly therein. It consists of finishing by covering the open end of the side wall member with a cap.
  • a current collector plate is provided at both axial ends of the electrode assembly, at an end facing the open end, in contact with the electrode tab of the electrode assembly and electrically connected thereto.
  • the current collector plate is connected to the cap or the side wall member by welding or the like so as to be electrically connected to the cap or the side wall member.
  • the current collector plate 32 is in close contact with the cap 40 or the side wall member 10.
  • a jig is required to bring the current collector plate 32 and the cap 40 or the current collector plate 32 and the side wall member 10 into close contact, and in addition, the welding area is exposed. You need a mask to do it.
  • the present invention was developed to solve the above-mentioned problems, and is a battery can that can be designed to increase the energy density per unit volume of the can without wasting the internal space of the can by welding the current collector provided at the open end of the can to the can.
  • the aim is to provide a welded structure of a cap and a battery cell using the same.
  • the present invention provides a battery can that can increase the production efficiency of cylindrical battery cells and lower the production cost by integrating the process of welding the current collector to the can and the process of welding the cap to the side wall member into a single welding process.
  • the aim is to provide a cap welding structure and a battery cell to which it is applied.
  • the present invention allows the cap to function as a jig for pressurizing the current collector plate, so that there is no need for a separate jig to press the current collector plate for welding the current collector plate.
  • the present invention seeks to provide a welded structure of a can and a cap that can minimize damage to the electrode assembly due to heat by allowing the heat generated when welding the can and the cap to be discharged through a current collector, and a battery cell to which the same is applied.
  • the present invention for solving the above-described problems includes a can including a bottom member and a side wall member connected to the bottom member and extending in the axial direction, an electrode assembly accommodated inside the can, and one axial side of the side wall member. It can be applied to a battery cell including a cap covering an open end provided at the end.
  • the bottom member may have a flat circular shape, and the side wall member may have a circular tube shape.
  • the can may be formed by deep drawing a metal sheet with nickel (Ni) plated on both surfaces of steel.
  • the electrode assembly may be manufactured in the form of a jelly-roll in which the first electrode, separator, second electrode, and separator are sequentially stacked and wound around the core axis.
  • the electrode assembly may have a cylindrical shape.
  • the cap may be a circular plate made of metal.
  • a current collector plate connected to the second electrode of the electrode assembly may be installed at one end of the electrode assembly in the axial direction.
  • the current collector plate is disposed on the open end side of the can.
  • a terminal connection portion extending outward in the axial direction and electrically connected to the inner peripheral surface of the side wall member is provided at the radial outer edge of the current collector.
  • terminal connection part extends in the axial direction, a sufficient contact area between the terminal connection part and the side wall member can be secured.
  • the battery cell has a welded portion formed by welding the inner peripheral surface of the side wall member and the outer peripheral surface of the cap in a state in which at least a portion of the terminal connection portion in the axial direction is interposed between the inner peripheral surface of the side wall member and the outer peripheral surface of the cap.
  • the current collector plate may have an electrode connection portion connected to the second electrode of the electrode assembly and extending in a radial direction.
  • the terminal connection portion may be disposed further outward in the radial direction than the electrode connection portion.
  • the terminal connection part and the electrode connection part may be connected through a bending roll provided at the lower end of the terminal connection part and changing the extension direction of the current collector plate.
  • the terminal connection portion may be provided at a portion of the current collector plate extending outward in the axial direction from the bent portion.
  • the side wall member may extend further outward in the axial direction than the terminal connection portion of the current collector plate.
  • the side wall member portion extending further outward in the axial direction may penetrate into the weld zone during welding, thereby increasing the strength and volume of the weld zone.
  • the inner diameter of the inner peripheral surface of the section of the side wall member extending further outward in the axial direction than the terminal connection portion of the current collector plate may be larger than the inner diameter of the inner peripheral surface of the terminal connecting portion.
  • the side wall member does not obscure the front end surface provided at the axially outer end of the terminal connection portion of the current collector in the axial direction in the axial direction.
  • This provides a path through which the axially irradiated laser can directly reach the terminal connection part, making welding of the cap, can, and current collector more smooth.
  • the inner peripheral surface of the side wall member of the can first guides the insertion of the cap, and then the inner peripheral surface of the terminal connection part of the current collector guides the insertion of the cap, so that center alignment and insertion of the cap can be performed smoothly.
  • the outer peripheral surface of the cap may be in contact with the inner peripheral surface of the terminal connection part. Accordingly, the center of the cap with respect to the can can be aligned, and the terminal connection portion can be electrically connected to the cap.
  • an abutting portion extending in the axial direction may be provided so that its outer peripheral surface faces the inner peripheral surface of the side wall member in the radial direction.
  • the butt portion may extend further outward in the axial direction than the terminal connection portion of the current collector plate.
  • the butt portion extending further outward in the axial direction may penetrate into the weld zone during welding, thereby increasing the strength and volume of the weld zone.
  • the outer diameter of the outer peripheral surface of the section in the butt portion extending further outward in the axial direction than the terminal connection portion of the current collector plate may be smaller than the outer diameter of the outer peripheral surface of the terminal connection portion.
  • the abutting portion does not obscure the front end surface provided at the axially outer end of the terminal connection portion of the current collector in the axial direction in the axial direction.
  • This provides a path through which the axially irradiated laser can directly reach the terminal connection part, making welding of the cap, can, and current collector more smooth.
  • the axial outer edge of the terminal connection portion may be disposed further inward in the axial direction than the axial outer edge of the side wall member and the axial outer edge of the butt portion.
  • the inner peripheral surface of the side wall member and the outer peripheral surface of the butt portion may face each other in the radial direction with a slight gap.
  • the welded portion may be formed by welding at least an axial outer edge of the inner peripheral surface of the side wall member, an axial outer edge of the outer peripheral surface of the abutting portion, and an axial outer edge of the terminal connection portion.
  • a curved portion having a curved shape that is convex inward in the axial direction may be connected to an axial inner end of the butt portion.
  • This curved portion provides an elastic force that allows the butt portion to elastically deform in the radial direction. Accordingly, the curved portion of the cap can elastically compress the terminal connection portion of the current collector plate to the side wall member.
  • the cap may be inserted into the can until the axially inner end of the curved portion axially interferes with the current collector plate. Accordingly, the insertion depth of the cap into the open end can be regulated.
  • the cap is press-fitted in an interference fit form on the radial inner side of the terminal connection portion of the current collector, the curved portion can strongly press the current collector plate in the axial direction.
  • the cap can function as a jig that presses and secures the current collector plate in both the axial and radial directions before welding.
  • a support portion extending flatly in the radial direction may be provided radially inside the curved portion of the cap.
  • the curved portion and the support portion may be connected through a first inclined portion extending axially outward toward the radial inward direction.
  • the first inclined portion additionally provides elastic force to the abutting portion.
  • the axially outer surface of the support portion may protrude further axially outward than the abutment portion with the side wall member. Accordingly, the support portion protects the welding portion and can function as a support surface of the battery cell.
  • a centripetal portion extending radially is provided on a radial inner side of the support portion, and the support portion and the centripetal portion may be connected through a second inclined roll that extends axially inward toward the radial inner portion.
  • the overall rigidity of the cap can be further increased.
  • the second slope may have a gentler slope than the first slope.
  • the steep slope of the first slope provides radial elastic force, while the gentle slope of the second slope is advantageous for securing the rigidity of the cap.
  • the present invention further provides a method for manufacturing the above-described battery cell.
  • This includes inserting the current collector plate into the can so that the outer peripheral surface of the terminal connection portion of the current collector plate is in contact with the inner peripheral surface of the side wall member, and the outer peripheral surface of the cap is in contact with the inner peripheral surface of the terminal connection portion of the current collector plate inserted into the can. Inserting the cap into the can, and forming a welding portion by irradiating a laser in an axial direction to an area where the outer peripheral surface of the side wall member and the inner peripheral surface of the can face each other.
  • a current collector plate is connected to an electrode tab provided at an end facing the open end among both axial ends of the electrode assembly.
  • the current collector plate includes: an electrode connection portion extending in a radial direction and electrically connected to the electrode tab; and a terminal connection portion extending axially outward from the radial outer edge of the second electrode connection portion and electrically connected to the inner peripheral surface of the side wall member.
  • the inner peripheral surface of the side wall member and the outer peripheral surface of the cap are welded with at least a portion of the second terminal connection portion in the axial direction interposed between the inner peripheral surface of the side wall member and the outer peripheral surface of the cap.
  • the can and the cap are seam-welded, and the terminal connection part of the current collector is brought into contact with the side wall member and/or the cap to electrically connect them. You can connect.
  • the cap may have an abutting portion extending in the axial direction so that its outer peripheral surface faces the inner peripheral surface of the side wall member in the radial direction.
  • the terminal connection portion of the current collector plate may be interposed between the inner peripheral surface of the side wall member and the outer peripheral surface of the butt portion.
  • the axial outer edge of the inner peripheral surface of the side wall member and the axial outer edge of the outer peripheral surface of the abutting portion 4 may be laser welded with the second terminal connection portion interposed therebetween.
  • the axial outer edge of the inner peripheral surface of the side wall member, the axial outer edge of the outer peripheral surface of the abutting portion, and the axial outer edge of the second terminal connection portion may be laser welded together.
  • a curved portion may be connected to the axial inner end of the butt portion, which extends radially inward as it goes axially inward, but the slope of the tangent line on its outer peripheral surface gradually decreases.
  • the insertion depth of the cap into the open end may be regulated by the axial inner end of the curved portion interfering with the electrode connection portion of the current collector plate.
  • a support portion extending flatly in the radial direction may be provided on a radial inner side of the curved portion, and a first inclined portion extending axially outward toward the radial inner side may be provided between the curved portion and the support portion.
  • the curved portion and the first inclined portion can be easily elastically deformed in the radial direction and form a goose neck shape with excellent elastic restoring force. Then, when the cap is pressed into the open end, the curved portion is elastically deformed and allows displacement of the abutting portion radially inward, and the abutting portion can strongly press the terminal connection portion of the current collector plate radially outward. That is, the butt portion may serve as a jig that brings the terminal connection portion into close contact with the side wall member.
  • a centripetal portion extending flatly in the radial direction may be provided on a radial inner side of the support portion, and a second inclined portion extending axially inward toward the radial inner portion may be provided between the support portion and the centripetal portion.
  • the slope of the first slope may be greater than the slope of the second slope. Accordingly, when the cap receives a load radially inward, the deformation is more concentrated on the first inclined portion than on the second inclined portion, so that the butt portion can more reliably perform the jig function of pressing the terminal connection portion toward the side wall member. You can.
  • the axial outer edge of the terminal connection portion may be disposed further inward in the axial direction than the axial outer edge of the side wall member and the axial outer edge of the butt portion.
  • the side wall member and the cap may be made of the same metal material, such as aluminum or steel.
  • the current collector plate may be made of the same metal material as the side wall member and the cap.
  • the current collector plate may be made of a different metal material than the side wall member and the cap, such as copper.
  • the axial ends of the side wall member and the cap can be welded to each other, and the current collector plate can be maintained interposed between them.
  • the cap when welding the current collector provided at the open end of the can to the can, the cap can also serve as a jig, so that a separate space for accommodating the jig may not be provided, thereby avoiding wasting the internal space of the can. Accordingly, the energy density compared to the volume of the battery cell can be increased.
  • a process of welding the current collector plate to the can by welding the axial end of the side wall member and the cap while the current collector plate is interposed between the side wall member and the cap, and welding the cap to the side wall member.
  • the current collector plate is strongly adhered to the welding area of the can and the cap, the heat generated when welding the can and the cap is discharged through the current collector plate, and the welding heat is conducted through the side wall member to heat the electrode assembly. Heat damage to the separator can be prevented or minimized.
  • welding is performed with the current collector plate strongly pressed between the can and the cap, so the current collector plate functions as a barrier that prevents the welding laser from entering the cap.
  • FIG. 1 is a perspective view of an embodiment cylindrical battery cell.
  • Figure 2 is an exploded perspective view of the electrode assembly accommodated inside the can of Figure 1 before winding.
  • Figure 3 is a perspective view of the electrode assembly of Figure 2 in a laminated state before winding.
  • Figure 4 is a perspective view of a cylindrical jelly-roll shaped electrode assembly assembled by winding the laminate of Figure 3.
  • Figure 5 is a perspective view showing a state in which the first current collector plate is bonded to the electrode tab of the first electrode of the electrode assembly.
  • Figure 6 is a perspective view showing a state in which the second current collector plate is bonded to the electrode tab of the second electrode of the electrode assembly.
  • Figure 7 is a side cross-sectional view showing the process of accommodating the electrode assembly to which the current collector plate is bonded inside the can.
  • Figure 8 is a side cross-sectional view showing the joining process of the first current collector plate and the first electrode terminal of the electrode assembly accommodated in the can.
  • Figure 9 is a side cross-sectional view showing the process of covering the open end of the can containing the electrode assembly with a cap.
  • Figure 10 is an enlarged cross-sectional view of the open end of a battery cell with the open end of the can covered with a cap.
  • Figure 11 is an enlarged cross-sectional view of the edge of the cap.
  • Figure 12 is an enlarged cross-sectional view showing a state in which a cap is inserted into a can.
  • FIG. 13 is an enlarged view of the side wall member, current collector, and cap portions to be welded in the battery cell of FIG. 10.
  • FIG. 14 is a view showing a state in which a welded portion is formed by welding the side wall member, the current collector plate, and the cap portion in FIG. 13.
  • Figure 15 is a diagram showing the combined structure of a can and a current collector plate of a battery cell of a comparative example.
  • Figure 16 is a flow chart of the battery cell manufacturing process according to the present invention.
  • 17 and 18 show a battery pack to which the battery cells of the embodiment are applied and a vehicle equipped with such a battery pack.
  • 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 axial direction refers to the direction in which the axis forming the winding center of the jelly-roll type electrode assembly extends
  • the radial direction refers to the direction approaching (centripetal) or moving away (centrifugal) from the axis.
  • the circumferential direction refers to the direction surrounding the axis.
  • the battery cell of the embodiment may be, for example, a cylindrical battery cell with a form factor ratio (defined as the diameter of the cylindrical battery cell divided by the height, i.e., the ratio of the diameter ( ⁇ ) to the height (H)) greater than approximately 0.4. .
  • the form factor refers to values representing the diameter and height of a cylindrical battery cell.
  • the cylindrical battery cells may be, for example, 46110 cells, 48750 cells, 48110 cells, 48800 cells, or 46800 cells.
  • the first two numbers indicate the diameter of the cell
  • the next two numbers indicate the height of the cell
  • the last number 0 indicates that the cross section of the cell is circular.
  • the battery cell may be a cylindrical battery cell with a diameter of approximately 46 mm, a height of approximately 110 mm, and a form factor ratio of 0.418.
  • a battery cell according to another embodiment may be a cylindrical battery cell with a diameter of approximately 48 mm, a height of approximately 75 mm, and a form factor ratio of 0.640.
  • a battery cell according to another embodiment may be a cylindrical battery cell with a diameter of approximately 48 mm, a height of approximately 110 mm, and a form factor ratio of 0.418.
  • a battery cell according to another embodiment may be a cylindrical battery cell with a diameter of approximately 48 mm, a height of approximately 80 mm, and a form factor ratio of 0.600.
  • a battery cell according to another embodiment may be a cylindrical battery cell with a diameter of approximately 46 mm, a height of approximately 80 mm, and a form factor ratio of 0.575.
  • the present invention may be applied to battery cells with a form factor ratio of approximately 0.4 or less, for example, 18650 cells, 21700 cells, etc.
  • 18650 cell its diameter is approximately 18 mm
  • its height is approximately 65 mm
  • the form factor ratio is 0.277.
  • 21700 cell its diameter is approximately 21 mm
  • its height is approximately 70 mm
  • the form factor ratio is 0.300.
  • the battery cell of the embodiment includes an electrode assembly 20, current collector plates 31 and 32 electrically connected to the electrode assembly 20, and a can that accommodates the electrode assembly 20 and the current collector plates 31 and 32. Includes (10).
  • the can 10 includes a bottom member 12 and a side wall member 11 connected to the bottom member 12 and extending in the axial direction.
  • the open end provided at one axial end of the side wall member 11 accommodates the electrode assembly 20 in the can 10 and is then sealed by covering it with a cap 16.
  • the bottom member 12 may have a disk shape with a hole formed in the center, and the side wall member 11 may have a circular tube shape.
  • the bottom member 12 and the side wall member 11 are formed by forming a metal sheet with a nickel-plated steel surface through a deep drawing process, and trimming the front end of the side wall member 11 with a punch while holding it with a blank holder. It can be manufactured through processing.
  • the material of the can 10 is not limited to this.
  • the first electrode terminal 13 may be fitted into the hole.
  • the first electrode terminal 13 may be riveted and fixed to the floor member 12 with a gasket 14 interposed therebetween.
  • the gasket 14 is interposed between the first electrode terminal 13 and the bottom member 12, seals the inside and outside of the can 10 to prevent electrolyte leakage, and connects the first electrode terminal 13 ) and the floor member 12 can be electrically insulated.
  • connection method between the first electrode terminal 13 and the floor member 12 is not limited to this.
  • various other fixing methods may be used, such as bolts.
  • various other methods such as nut coupling method, glass seal method, or chrome coating & PP-MAH heat bonding method are also applicable.
  • the first electrode terminal 13 may have a first polarity
  • the can 10 may have a second polarity. That is, the bottom member 12 of the can 10, the side wall member 11 connected thereto, and the cap 16 to be described later connected to the side wall member 11 may all have a second polarity.
  • the battery cell may have both the first electrode terminal 13 and the second electrode terminal 15 disposed at the axial end where the bottom member 12 is provided, that is, at the closed end. Then, in the battery cell, both the bus bar connected to the first electrode terminal 13 and the bus bar connected to the second electrode terminal 15 may be located at the top of the battery cell.
  • the first electrode terminal 13 may be a positive electrode terminal
  • the second electrode terminal 15 may be a negative terminal.
  • it could be the other way around.
  • An electrode assembly 20 is accommodated in the can 10.
  • the electrode assembly 20 is prepared by preparing a first electrode 21, a second electrode 22, and a separator 28 extending in the longitudinal direction with a predetermined width, as shown in FIG. 2, and as shown in FIG. 3.
  • a laminate is formed by stacking the first electrode 21, the separator 28, the second electrode 22, and the separator 28 in that order, and then wraps it around the core axis as shown in Figure 4. It is manufactured in the form of a jelly-roll wound.
  • the first electrode 21 may be an anode, and the second electrode 22 may be a cathode. Of course, it could be the other way around.
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 are manufactured in the form of a sheet.
  • the electrode sheet is manufactured by applying an active material layer 24 to the surface of a metal foil 23.
  • the electrode sheet includes a holding portion 25 region to which the active material layer 24 is applied, and an uncoated portion 26 region to which the active material layer 24 is not applied.
  • the positive electrode sheet is provided with an uncoated area 26 on one side in the width direction
  • the negative electrode sheet is provided with an uncoated area 26 on the other side in the width direction.
  • the uncoated region 26 is exposed or protrudes from the laminate in the width direction.
  • the uncoated portion 26 itself functions as an electrode tab 27.
  • Notches may be formed at predetermined intervals in the uncoated portion 26 to form flag-shaped notched tabs 27.
  • the notching tabs 27 are illustrated in the shape of an equilateral trapezoid. However, their shape can be various, such as semicircular, semielliptical, triangular, rectangular, parallelogram, etc.
  • the notching tabs 27 arranged along the longitudinal direction have the same width.
  • the width of the notching tabs may gradually or gradually widen from the core side to the outer circumference side.
  • the height of the notching tabs 27 gradually increases from the core side to the outer circumference side.
  • the height of these notching tabs may be implemented as constant or gradually lowered.
  • the notched tab 27 is deleted in a predetermined section of the centripetal end and the distal end of the uncoated region 26 .
  • the notching tab may not be deleted from the distal end of the uncoated portion, and the notching tab may not be deleted from the distal end of the uncoated portion.
  • the notched tab 27 can be bent in the radial direction and flattened, as shown in FIG. 4.
  • the notching tab 27 may be bent inward or outward in the radial direction.
  • a structure in which the notched tab 27 is bent radially inward is illustrated.
  • the notched tabs 27 may be bent one by one in the process of forming the jelly roll-shaped electrode assembly 20 by winding the laminate. Alternatively, the notched tab 27 may be formed by winding the laminate to form a jelly roll-shaped electrode assembly and then bending it all at once.
  • the notched tabs 27 of the first electrode 21 and the notched tabs 27 of the second electrode 22, which are bent and overlapped in the radial direction in this way, are axially formed at both ends of the electrode assembly 20 in the axial direction. It is possible to provide a plane that is practically perpendicular to .
  • the substantially flat surface provided by bending the notched tabs 27 exposed at both axial ends of the electrode assembly 20 has a first current collector plate 31 and a second current collector plate as shown in FIGS. 5 and 6. (32) can each be conjugated.
  • the first current collector plate 31 is a positive electrode current collector plate, and the second current collector plate 32 is a negative current collector plate.
  • the first current collector plate 31 may be made of aluminum, and the second current collector plate 32 may be made of copper.
  • the current collector plates 31 and 32 may be manufactured by punching, trimming, piercing, and bending a metal sheet.
  • the first current collector plate 31 includes a first terminal connection portion 312 extending radially from the center, and a ring portion connecting the distal edge of the first terminal connection portion 312 in the circumferential direction. 313) and a first electrode connection part 314 that extends centripetally from the ring part 313 but is not connected to the first terminal connection part 312.
  • the center of the first terminal connection portion 312 covers at least a portion of the core hollow portion of the electrode assembly 20.
  • the first electrode connection part 314 is formed by laser welding or the like on the notched tab 27 of the first electrode 21 of the electrode assembly 20. It is joined.
  • the welding line of the laser may extend radially.
  • the second current collector plate 32 defines a hole 322 corresponding to the core hollow portion of the electrode assembly 20 and has an inner ring portion 321 provided to surround the core hollow portion. , a second electrode connection part 323 extending radially from the inner ring part 321, and a second terminal connection part 324 disposed on a more distal side than the second electrode connection part 323 and connected to the inner ring part 321. Includes.
  • the second terminal connection portion 324 has an outer ring shape surrounding the edge of the second current collector plate 32.
  • the second electrode connection portion 323 is formed by laser welding or the like on the notched tab 27 of the second electrode 22 of the electrode assembly 20. can be joined.
  • the welding line of the laser may extend radially.
  • the electrode assembly 20 is aligned with the first current collector plate 31 toward the bottom member 12 of the can 10. is accepted in At this time, an insulator 19 is interposed between the first current collector plate 31 and the bottom member 12 of the can 10 to electrically insulate the first current collector plate 31 and the bottom member 12. do.
  • the first terminal connection portion 312 of the first current collector plate 31 is joined to the first electrode terminal 13 fixed to the can 10 by resistance welding, ultrasonic welding, or laser welding.
  • the welding device for welding the first current collector plate 31 and the first electrode terminal 13 connects the first current collector plate 31 from the open end of the can 10 through the core hollow portion of the electrode assembly 20. Welding can be performed by approaching the back side of the center of the first terminal connection portion 312.
  • the first current collector plate 31 and the first electrode terminal 13 may be joined by brazing or soldering methods, etc. That is, various coupling methods can be applied to the first current collector plate 31 and the first electrode terminal 13 as long as they are electrically connected and fixed to each other.
  • the present invention does not exclude a structure in which the positive electrode tab is directly electrically connected to the positive terminal while omitting the positive electrode current collector plate.
  • the electrode tab 27 of the second electrode 22 and the second current collector plate 32 are opened by the side wall member 11. It is arranged to face the end.
  • an electrolyte solution can be injected into the can 10. After injecting the electrolyte solution, the open end of the side wall member 11 is covered and closed with a cap 16, as shown in FIG. 9.
  • the welding structure of the present invention can also be applied to a method of first covering the cap 16, then injecting electrolyte and closing the liquid injection port of the cap 16.
  • the edge of the cap 16 is seam-welded and joined to the edge of the side wall member 11 by laser, and thus the can 10 can be sealed.
  • the second current collector plate 32 includes a second electrode connection portion 323 electrically connected to the electrode tab 27 of the second electrode 22 of the electrode assembly 20, and the side wall member 11. ) is provided with a second terminal connection portion 324 that is electrically connected by contacting the inner peripheral surface of the terminal.
  • the second electrode connection part 323 may have a circular plate structure extending in the radial direction.
  • the bottom of the second electrode connection portion 323 may be welded to the surface of the second electrode tab 27 using a method such as laser welding.
  • the second terminal connection portion 324 extends outward in the axial direction from the bent portion 328 provided at the radial outer edge of the second electrode connection portion 323.
  • the material of the second current collector plate 32 may be softer than the material of the side wall member 11.
  • the bent portion 328 is elastic during the process of inserting the second current collector plate 32. It is deformed and the second terminal connection part 324 is pressed into the inner peripheral surface of the side wall member 11, so that the second terminal connection part 324 and the side wall member 11 are in close contact with each other in the radial direction. Accordingly, when the second current collector plate 32 is inserted, the outer diameter of the second terminal connection portion 324 may correspond to the inner diameter of the side wall member 11.
  • the second electrode tab 27 and the second current collector plate 32 are arranged to face the open end of the side wall member 11. do.
  • the side wall member 11 extends further outward in the axial direction than the second terminal connection portion 324 of the second current collector plate 32. Then, as shown in FIG. 12, the inner peripheral surface of the side wall member 11 of the can 10 first guides the insertion of the cap 40, and then the second terminal connection portion 324 of the second current collector plate 32 The inner peripheral surface may guide insertion of the cap 40. That is, the above structure is not only advantageous for welding, which will be described later, but also guides the insertion of the cap 40 and facilitates center alignment of the cap.
  • the open end of the side wall member 11 is covered and closed by a cap 40.
  • the cap 40 is a cover of the open end that has a substantially disk shape. Referring to FIG. 11, the cap 40 includes, from the radial outside to the inside, an abutting portion 49, a curved portion 48, a first inclined portion 47, a support portion 45, and a second inclined portion. (43), and the centripetal portion (41) in that order.
  • an abutting portion 49 is provided that extends in the axial direction so that its outer peripheral surface faces the inner peripheral surface of the side wall member 11 of the can 10 in the radial direction.
  • the axial outer edge of the inner peripheral surface of the side wall member 11 and the axial outer edge of the outer peripheral surface of the abutting portion 49 have heights corresponding to each other. can be placed.
  • At least a portion of the second terminal connection portion 324 in the axial direction is radially pressed and interposed between the side wall member 11 and the abutting portion 49 in the radial direction.
  • the axial outer edge of the second terminal connecting portion 324 is disposed axially further inward than the axial outer edge of the side wall member 11 and the axial outer edge of the abutting portion 49. do.
  • the present invention is not necessarily limited to this height relationship.
  • the height of the axial outer edge of the second terminal connection portion 324 may correspond to the height of the axial outer edge of the side wall member 11 and/or the axial outer edge of the abutting portion 49, and may be necessary. Of course, it may protrude higher than that depending on the condition.
  • the side wall member A kind of groove is provided between the axial outer edge of the side wall member 11 and the axial outer edge of the abutting portion 49, and the axial outer edge of the side wall member 11 and the axial outer edge of the abutting portion 49 are provided. Molten metal penetrates and welds into these grooves, so that the axial outer edge of the second terminal connection portion 324 is not exposed to the outside after welding.
  • a curved portion 48 extending radially inward toward the axial direction is connected to the axial inner end of the butt portion 49.
  • the curved portion 48 may be convex downward, that is, the slope of the tangent line on its outer peripheral surface gradually decreases as the distance from the butt portion 49 increases. Since the abutting portion 49 extends vertically in the axial direction, the slope of the tangent to the outer peripheral surface of the curved portion 48 may gradually decrease from 90 degrees as the distance from the abutting portion 49 increases.
  • the curved portion 48 may extend to a point where the slope of the tangent line is 0 degrees. More preferably, the curved portion 48 may extend beyond 0 degrees to an angle in which the inclination of the tangent line corresponds to the first inclination of the first inclined portion 47, which will be described later.
  • the point in the curved portion 48 where the slope of the tangent line is 0 degrees may be a portion that extends to the innermost part of the curved portion 48 in the axial direction.
  • the insertion depth of the cap 40 with respect to the open end is such that the axial inner end of the curved portion 48, that is, the point where the slope of the tangent line is 0 degrees, is the second electrode connection portion of the current collector plate 32 ( 323) can be regulated by interfering with the surface.
  • the cap 40 presses the second terminal connection portion 324 of the second current collector plate 32 in the centrifugal direction and also presses the distal edge of the second electrode connection portion 323 of the second current collector plate 32. Press the area axially inward. Accordingly, the second terminal connection portion 324 of the second current collector plate 32 is tightly fixed between the side wall member 11 and the cap 40.
  • the second current collector plate 32 itself, unlike the cap 40, may not have enough rigidity to exert an elastic force that strongly presses its second terminal connection portion 324 to the side wall member 11. there is.
  • the cap 40 which has higher rigidity than the second current collector plate 32, is designed to have elastic force, the cap 40 is strongly pressed against the side wall member 11, and the The second current collector plate 32, which must be strongly pressed for welding to the side wall member 11, is strongly pressed against the side wall member 11 by the cap 40, thereby attaching the cap 40 to the second collector plate 32. It can also function as a jig for welding the front plate 32 to the side wall member 11.
  • a support portion 45 extending horizontally in the radial direction is provided radially inside the curved portion 48. Since the surface of the support portion 45 has a flat ring shape, it acts as a foot for the battery cell shown in FIG. 1 when the battery cell is turned over.
  • the axial outer surface of the support portion 45 is disposed at the same height as the axial outer end of the abutting portion 49, as shown, or is disposed axially further outer than it. Therefore, even if the battery cell shown in FIG. 1 is turned over and the cap 40 touches the floor and the battery cell is placed, the welded portion of the cap 40 and the can 10 directly supports the load of the battery cell. By not doing so, you can protect the welding area.
  • a first inclined portion 47 is provided that extends axially outward toward the radial inward direction, but whose inclination is substantially constant at the first inclination.
  • the first tilt is exemplified to be approximately 45 degrees.
  • the angle between the first inclined portion 47 and the butt portion 49 may be approximately 45 degrees.
  • a centripetal portion 41 extending horizontally in the radial direction is provided radially inside the support portion 45.
  • the axial inner surface of the centripetal portion 41 is disposed axially further outward than the axial inner end of the curved portion 48.
  • the press-fitting depth of the cap 40 may be regulated by interference between the curved portion 48 and the second electrode connection portion 323 of the second current collector plate 32.
  • a second inclined portion 43 is provided that extends axially inward as it goes radially inward, but whose inclination is substantially constant at the second inclination.
  • the second tilt is approximately 22.5 degrees.
  • the second slope may be smaller than the first slope. Accordingly, when the cap 40 receives a load in the radial direction, both radial ends of the first inclined portion 47 may be more deformed than both radial ends of the second inclined portion 43. This difference in inclination allows the abutting portion 49 of the cap 40 to more reliably function as a jig that presses the second terminal connection portion 324 of the second current collector plate 32.
  • the radial length of the support portion 45 may be more than twice the length of the section occupied by the abutting portion 49, the curved portion 48, and the first inclined portion 47 in the radial direction. Then, since the support portion 45 has relatively higher rigidity in the radial direction, the radial load applied to the cap 40 from the outer peripheral surface of the cap 40 is greater than that of the support portion 45. It can act intensively on the outer section. This difference in length also ensures that the abutting portion 49 of the cap 40 functions as a jig that presses the second terminal connection portion 324 of the second current collector plate 32.
  • the curved portion 48 when a load is applied to the abutting portion 49 in the radial direction, the curved portion 48 is mainly elastically deformed, and the connection portion between the first inclined portion 47 and the support portion 45 can be mainly elastically deformed.
  • the elastic deformation section since the elastic deformation section is large, the elastic force applied in the direction in which the abutting portion 49 is restored to the radial outer side also acts significantly.
  • the elastic force of the cap 40 acts in a direction to restore the abutting portion 49 radially outward, and the second house
  • the second terminal connection portion 324 of the front plate 32 is strongly pressed while interposed between the side wall member 11 and the abutting portion 49, as shown in FIG. 13.
  • the axial end of the side wall member 11 and the axial end of the butt portion 49 are welded by a laser L irradiated in the axial direction, as shown in FIG. 13.
  • the irradiation direction of the laser may be parallel to the axial direction.
  • the second terminal connection portion 324 is interposed between the inner peripheral surface of the side wall member 11 and the outer peripheral surface of the cap 40, and the inner peripheral surface of the side wall member 11 and the The outer peripheral surface of the cap 40 is welded to form a welded portion (W). Some sections of the second terminal connection portion 324 may also be fused into this welded portion W.
  • the side wall member 11 and the cap 40 may be made of the same metal material, such as aluminum or steel.
  • the second current collector plate 32 may be made of the same metal material as the side wall member 11 and the cap 40. Then, the second current collector plate 32 can be welded together in the process of welding the side wall member 11 and the cap 40.
  • the second current collector plate 32 may be made of a different metal material from the side wall member 11 and the cap 40, such as copper.
  • the second current collector plate 32 can be welded together in the process of welding the side wall member 11 and the cap 40, and due to the fact that it is made of a different material, the second current collector plate 32 can be welded together in the process of welding the side wall member 11 and the cap 40. Even if the welding of (32) is somewhat poor, the axial ends of the side wall member 11 and the cap 40 are welded to each other, and the current collector plate can be maintained sandwiched between them, so that the current collector plate and the can There is no problem with the electrical connection between them.
  • the first electrode terminal 13 is fixed to the hole provided in the bottom member 12 of the can 10.
  • a gasket 14 is interposed between the bottom member 12 and the electrode terminal 13 to ensure electrical insulation and sealing between them.
  • the first electrode terminal 13 is fixed by riveting with the gasket 14 interposed, but various methods can be used to fix the first electrode terminal 13 to the floor member 12 while insulating and sealing. Of course, other notification methods may be applied.
  • the electrode assembly 20 with current collector plates 31 and 32 welded on both ends is inserted into the can.
  • the first current collector plate 31 faces and comes into contact with the first electrode terminal 13
  • the second electrode connection portion 323 of the second current collector plate 32 faces the open end
  • the second current collector plate 32 faces the open end.
  • the second terminal connection portion 324 of (32) is in contact with the inner peripheral surface of the side wall member 11 of the can 10. In this state, the first current collector plate 31 and the first electrode terminal 13 are welded.
  • the cap 40 is press-fitted into the open end of the can 10. Since the outer peripheral surface of the cap 40 is provided with a curved portion 48 whose outer diameter gradually decreases as it goes inward in the axial direction, the inner surface of the outer axial end of the second terminal connection portion 324 of the second current collector plate 32 As the edge naturally begins to be pressed by the curved portion 48, the second terminal connecting portion 324 comes into contact with the butting portion 49 of the cap 40 and is pressed radially outward. The cap 40 may be inserted until the curved portion 48 of the cap 40 touches and interferes with the second electrode connection portion 323 in the axial direction.
  • the cap 40 serves as a jig when welding the second current collector plate 32 to the can 10, so that the inside of the can There is no need to prepare a separate space to accommodate the jig. Therefore, the energy density compared to the volume of the battery cell can be increased without wasting the internal space of the can 10.
  • the battery cell of the embodiment unlike the battery cell of the comparative example shown in FIG. 15, has the second current collector plate 32 interposed between the side wall member 11 and the cap 40 in the axial direction of the side wall member and the cap.
  • the process of welding the second current collector plate 32 to the can 10 and the process of welding the cap 40 to the side wall member 11 are solved in one welding process. Therefore, the production efficiency of cylindrical battery cells can be increased and the production cost can be reduced.
  • the battery cell 72 manufactured through the welded structure and welding process described above can be accommodated in the housing 71 of the battery pack 70, as shown in FIG. 17.
  • the battery pack 70 may be constructed using a battery module, which is an intermediate form of assembly, or, as shown, the battery pack 70 may be constructed directly without a battery module.
  • the battery cell 72 itself has a large volume, there is no particular difficulty in implementing the battery pack 70 even without using an intermediate structure called a battery module. And the battery cell 72 has less internal resistance and higher energy density. Accordingly, the energy density of the battery pack 70 including the battery cells 72 can be realized to be higher.
  • the battery pack 70 with increased energy density in this way can store the same energy, while reducing its volume and load. Therefore, if the battery pack 70 to which such battery cells 72 are applied is mounted on a vehicle such as a car 80 that uses electricity as an energy source, as shown in FIG. 18, the mileage of the vehicle compared to energy can be further expanded. there is.

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Abstract

본 발명은 전지 캔과 캡의 용접 구조 및 이를 적용한 배터리 셀에 관한 것이다. 상기 배터리 셀은, 바닥부재 및 상기 바닥부재에 연결되고 축방향으로 연장되는 측벽부재를 포함하는 캔과, 상기 캔의 내부에 수용된 전극조립체와, 상기 측벽부재의 축방향 일측 단부에 마련된 개방 단부를 덮는 캡을 포함한다. 상기 전극조립체의 전극에 연결되고 상기 개방 단부 측에 배치된 집전판의 반경방향 외측 가장자리에는, 축방향 외측으로 연장되고 상기 측벽부재의 내주면에 접촉하여 전기적으로 연결되는 단자연결부가 마련된다. 축방향으로 상기 단자연결부의 적어도 일부 구간이 상기 측벽부재의 내주면과 상기 캡의 외주면 사이에 개재된 상태에서 상기 측벽부재의 내주면과 상기 캡의 외주면이 용접되어 용접부가 형성된다.

Description

전지 캔과 캡의 용접 구조 및 이를 적용한 배터리 셀
본 출원은 2022. 10. 27. 자 대한민국 특허출원 제10-2022-0140254호 및 2023. 6. 2. 자 대한민국 특허출원 제10-2023-0071732호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 특허출원의 문헌에 기재된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 캔과 캡의 용접 구조 및 이를 적용한 배터리 셀에 관한 것이다.
원통형 캔을 적용한 배터리 셀을 제작하는 과정은, 금속 시트를 딥 드로잉(deep drawing)하여 원형의 바닥부재 및 이에 연결된 원형 관 형상의 측벽부재를 성형하고, 그 내부에 전극조립체를 수용한 뒤, 상기 측벽부재의 개방 단부를 캡으로 덮어 마감하는 단계로 이루어진다.
한편, 상기 전극조립체의 축방향 양단부 중 상기 개방 단부를 바라보는 단부에는, 전극조립체의 전극탭과 접촉하여 이와 전기적으로 연결되는 집전판이 마련된다. 상기 집전판은 상기 캡 또는 상기 측벽부재와 접촉하여 전기적으로 연결되도록 상기 캡 또는 상기 측벽부재와 용접 등의 방식으로 연결된다.
도 15를 참조하면, 상기 집전판(32)을 상기 캡(40)이나 측벽부재(10)에 용접하는 공정에서, 상기 집전판(32)은 상기 캡(40)이나 측벽부재(10)에 밀착된 상태를 유지해야 하는데, 이를 위해서는 상기 집전판(32)과 상기 캡(40) 또는 상기 집전판(32)과 상기 측벽부재(10)를 밀착하기 위한 지그가 필요하고, 이와 더불어 용접 부위를 노출시키기 위한 마스크가 필요하다.
상기 마스크나 지그를 통해 상기 집전판을 상기 캡이나 측벽부재에 밀착시키기 위해서는, 상기 캔의 내부에 상기 마스크나 지그를 수용하기 위한 공간을 마련해야 한다. 그런데 이러한 공간은, 상기 마스크나 지그를 제거한 뒤 빈 공간으로 남게 되어, 결과적으로 캔의 내부 체적을 효율적으로 활용하지 못하는 문제점이 있었다. 이는 캔의 단위체적 당 에너지 밀도를 높이는 설계를 저해하는 요인이 된다.
또한, 원통형 캔의 개방 단부를 마감함에 있어서는, 상기 집전판을 상기 캡 또는 상기 측벽부재와 연결하는 공정과, 상기 캡을 상기 측벽부재에 연결하는 공정이 각각 이루어졌다. 이러한 공수의 증가는, 원통형 배터리 셀의 생산 효율을 떨어뜨리고 생산 단가를 높이는 요인이 된다.
한편, 캔과 캡을 용접할 때 발생하는 용접 열이 캔 내부에 수용된 전극조립체에 전달되면, 분리막의 열화, 내부구조의 변형 내지 분해가 발생할 우려가 있다. 따라서 이러한 용접 열이 전극조립체에 전달되지 않도록 해야 한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 캔의 개방 단부 쪽에 마련된 집전판을 캔에 용접함에 있어서 캔의 내부 공간을 낭비하지 않고 캔의 단위체적 당 에너지 밀도를 높이는 설계가 가능한 전지 캔과 캡의 용접 구조 및 이를 적용한 배터리 셀을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은, 상기 집전판을 캔에 용접하는 공정과 상기 캡을 상기 측벽부재에 용접하는 공정을 한 번의 용접 공정으로 통합하여 원통형 배터리 셀의 생산 효율을 높이고 생산 단가를 낮출 수 있는 전지 캔과 캡의 용접 구조 및 이를 적용한 배터리 셀을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 캡이 집전판을 가압하는 지그의 기능을 함께 하도록 하여, 집전판의 용접을 위해 집전판을 가압하는 별도의 지그를 구비할 필요가 없는 캔과 캡의 용접 구조 및 이를 적용한 배터리 셀을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은, 캔과 캡을 용접할 때 발생하는 열이 집전판을 통해 배출되도록 하여 열에 의한 전극조립체의 손상을 최소화할 수 있는 캔과 캡의 용접 구조 및 이를 적용한 배터리 셀을 제공하고자 한다.
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.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 바닥부재 및 상기 바닥부재에 연결되고 축방향으로 연장되는 측벽부재를 포함하는 캔과, 상기 캔의 내부에 수용된 전극조립체와, 상기 측벽부재의 축방향 일측 단부에 마련된 개방 단부를 덮는 캡을 포함한 배터리 셀에 적용될 수 있다.
상기 바닥부재는 평판 원형의 형상이고, 상기 측벽부재는 원형 관 형상일 수 있다. 상기 캔은 철(steel)의 양 표면에 니켈(Ni)이 도금된 금속 시트를 딥 드로잉하여 형성될 수 있다.
상기 전극조립체는, 제1전극, 분리막, 제2전극, 분리막을 순차적으로 적층하여 권심축 둘레로 권취한 젤리-롤 형태로 제작될 수 있다.
상기 전극조립체는 원통 형상일 수 있다.
상기 캡은 금속 재질의 원형의 플레이트일 수 있다.
상기 전극조립체의 축방향 일측 단부에는, 상기 전극조립체의 제2전극에 연결되는 집전판이 설치될 수 있다.
상기 집전판은 상기 캔의 개방 단부 측에 배치된다.
상기 집전판의 반경방향 외측 가장자리에는, 축방향 외측으로 연장되고 상기 측벽부재의 내주면에 접촉하여 전기적으로 연결되는 단자연결부가 마련된다.
상기 단자연결부가 축방향으로 연장되므로, 단자연결부와 측벽부재의 접촉 면적을 충분히 확보할 수 있다.
상기 배터리 셀은, 축방향으로 상기 단자연결부의 적어도 일부 구간이 상기 측벽부재의 내주면과 상기 캡의 외주면 사이에 개재된 상태에서 상기 측벽부재의 내주면과 상기 캡의 외주면이 용접되어 형성된 용접부를 구비한다.
상기 집전판은, 상기 전극조립체의 제2전극에 연결되고 반경방향으로 연장되는 전극연결부를 구비할 수 있다.
상기 단자연결부는 상기 전극연결부보다 반경방향으로 더 외측에 배치될 수 있다.
상기 단자연결부와 상기 전극연결부는, 상기 단자연결부의 하단부에 마련되고 상기 집전판의 연장 방향을 전환시키는 절곡부롤 통해 연결될 수 있다.
상기 단자연결부는 상기 집전판이 상기 절곡부로부터 축방향 외측으로 연장된 부분에 제공될 수 있다.
상기 측벽부재는 상기 집전판의 단자연결부보다 축방향으로 더 외측까지 연장될 수 있다.
축방향으로 더 외측까지 연장된 측벽부재 부위는 용접 시 용접부에 용입되어 용접부의 강도와 체적을 증가시킬 수 있다.
상기 측벽부재에서 상기 집전판의 단자연결부보다 축방향으로 더 외측까지 연장된 구간의 내주면의 내경은, 상기 단자연결부의 내주면의 내경보다 클 수 있다.
이에 따라 상기 측벽부재는, 상기 집전판의 단자연결부의 축방향 외측 단부에 마련된 선단면보다 축방향 외측에서 축방향으로 상기 선단면을 가리지 않는다.
이는 축방향으로 조사되는 레이저가 단자연결부에 직접 도달할 수 있는 경로를 제공하여 캡과 캔과 집전판의 용접을 보다 원활하게 해준다. 또한, 이는 캔의 측벽부재의 내주면이 먼저 캡의 삽입을 안내하고, 이어서 집전판의 단자연결부의 내주면이 캡의 삽입을 안내하여, 캡의 중심 정렬과 삽입이 원활하게 이루어질 수 있다.
상기 캡의 외주면은 상기 단자연결부의 내주면과 접할 수 있다. 이에 따라 캔에 대한 캡의 중심이 정렬될 수 있고, 단자연결부가 캡과도 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 캡의 가장자리에는, 그 외주면이 상기 측벽부재의 내주면과 반경방향으로 서로 마주하도록 축방향으로 연장되는 맞댐부가 마련될 수 있다.
상기 맞댐부가 축방향으로 연장되므로, 단자연결부와 맞댐부의 접촉 면적을 충분히 확보할 수 있다.
상기 맞댐부는, 상기 집전판의 단자연결부보다 축방향으로 더 외측까지 연장될 수 있다.
축방향으로 더 외측까지 연장된 맞댐부 부위는 용접 시 용접부에 용입되어 용접부의 강도와 체적을 증가시킬 수 있다.
상기 맞댐부에서 상기 집전판의 단자연결부보다 축방향으로 더 외측까지 연장된 구간의 외주면의 외경은, 상기 단자연결부의 외주면의 외경보다 작을 수 있다.
이에 따라 상기 맞댐부는, 상기 집전판의 단자연결부의 축방향 외측 단부에 마련된 선단면보다 축방향 외측에서 축방향으로 상기 선단면을 가리지 않는다.
이는 축방향으로 조사되는 레이저가 단자연결부에 직접 도달할 수 있는 경로를 제공하여 캡과 캔과 집전판의 용접을 보다 원활하게 해준다.
상기 단자연결부의 축방향 외측 가장자리는 상기 측벽부재의 축방향 외측 가장자리와 상기 맞댐부의 축방향 외측 가장자리보다 축방향으로 더 내측에 배치될 수 있다.
이에 따라 상기 단자연결부의 선단면보다 축방향 외측에서, 상기 측벽부재의 내주면과 맞댐부의 외주면은 약간의 간극을 두고 반경방향으로 서로 마주할 수 있다.
상기 용접부는, 적어도, 상기 측벽부재의 내주면의 축방향 외측 가장자리와, 상기 맞댐부의 외주면의 축방향 외측 가장자리와, 상기 단자연결부의 축방향 외측 가장자리가 용접되어 형성될 수 있다.
상기 맞댐부의 축방향 내측 단부에는 축방향 내측으로 볼록한 곡면 형상의 곡면부가 연결될 수 있다.
이러한 곡면부는, 맞댐부가 반경방향으로 탄성 변형할 수 있는 탄성력을 부여한다. 이에 따라 캡의 곡면부가 집전판의 단자연결부를 측벽부재에 탄성적으로 압착할 수 있다.
상기 캡은 상기 곡면부의 축방향 내측 단부가 상기 집전판과 축방향으로 간섭될 때까지 상기 캔에 삽입될 수 있다. 이에 따라 상기 개방 단부에 대한 상기 캡의 삽입 깊이가 규제될 수 있다.
아울러 상기 캡은 집전판의 단자연결부보다 반경방향 내측에서 억지 끼움 형태로 압입되므로, 상기 곡면부가 상기 집전판을 축방향으로도 강하게 가압할 수 있다.
즉 상기 캡은, 용접 전 상기 집전판을 축방향과 반경방향으로 모두 가압하여 고정하는 지그의 역할을 할 수 있다.
상기 캡에서 상기 곡면부보다 반경방향 내측에는 반경방향으로 평평하게 연장되는 받침부가 마련될 수 있다.
상기 곡면부와 상기 받침부는, 반경방향 내측으로 갈수록 축방향 외측으로 연장되는 제1경사부를 통해 연결될 수 있다.
상기 제1경사부는 맞댐부에 대한 탄성력을 추가적으로 부여한다.
상기 받침부의 축방향 외측 표면은 상기 측벽부재와 맞댐부보다 축방향 외측으로 더 돌출될 수 있다. 이에 따라 상기 받침부가 용접부를 보호하며 상기 배터리 셀의 받침면의 기능을 할 수 있다.
상기 캡에서 상기 받침부보다 반경방향 내측에는 반경방향으로 연장되는 구심부가 마련되고, 상기 받침부과 구심부는, 반경방향 내측으로 갈수록 축방향 내측으로 연장되는 제2경사부롤 통해 연결될 수 있다.
이에 따라 상기 캡의 전체적인 강성을 더 높일 수 있다.
상기 제2경사부가 상기 제1경사부보다 완만한 기울기를 가질 수 있다.
제1경사부의 가파른 기울기는 반경방향의 탄성력을 제공하는 반면, 제2경사부의 완만한 기울기는 캡의 강성 확보에 유리하다.
본 발명은, 상술한 배터리 셀의 제조 방법을 더 제공한다.
이는, 상기 집전판의 단자연결부의 외주면이 상기 측벽부재의 내주면에 접촉하도록 상기 집전판을 상기 캔에 삽입하는 단계, 상기 캡의 외주면이 상기 캔에 삽입된 집전판의 단자연결부의 내주면에 접촉하도록 상기 캡을 상기 캔에 삽입하는 단계, 및 상기 측벽부재의 외주면과 상기 캔의 내주면이 마주하는 영역에 축방향으로 레이저를 조사하여 용접부를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은, 상기 전극조립체의 축방향 양단부 중 상기 개방 단부를 바라보는 단부에 마련된 전극탭에 집전판이 연결된다.
상기 집전판은: 반경방향으로 연장되고, 상기 전극탭에 접촉하여 전기적으로 연결되는 전극연결부; 및 상기 제2전극연결부의 반경방향 외측 가장자리에서 축방향 외측으로 연장되고, 상기 측벽부재의 내주면에 접촉하여 전기적으로 연결되는 단자연결부;를 구비한다.
그리고, 축방향으로 상기 제2단자연결부의 적어도 일부 구간을 상기 측벽부재의 내주면과 상기 캡의 외주면 사이에 개재한 상태에서, 상기 측벽부재의 내주면과 상기 캡의 외주면을 용접한다.
그러면, 측벽부재의 내주면과 상기 캡의 외주면을 용접하는 하나의 공정으로, 캔과 캡을 심 용접함은 물론, 상기 집전판의 단자연결부를 상기 측벽부재 및/또는 상기 캡에 접촉시켜 이들을 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 캡은, 그 외주면이 상기 측벽부재의 내주면과 반경방향으로 서로 마주하도록 축방향으로 연장되는 맞댐부를 구비할 수 있다.
상기 집전판의 단자연결부는 상기 측벽부재의 내주면과 상기 맞댐부의 외주면 사이에 개재될 수 있다.
측벽부재의 내주면의 축방향 외측 가장자리와 상기 맞댐부(4)의 외주면의 축방향 외측 가장자리는, 상기 제2단자연결부가 개재된 상태에서 레이저 용접될 수 있다.
이때, 측벽부재의 내주면의 축방향 외측 가장자리와, 상기 맞댐부의 외주면의 축방향 외측 가장자리와, 상기 제2단자연결부의 축방향 외측 가장자리가 함께 레이저 용접될 수 있다.
상기 맞댐부의 축방향 내측 단부에는 축방향 내측으로 갈수록 반경방향 내측으로 연장되되 그 외주면의 접선의 기울기가 점차 작아지는 곡면부가 연결될 수 있다.
상기 개방 단부에 대한 상기 캡의 삽입 깊이는, 상기 곡면부의 축방향 내측 단부가 상기 집전판의 전극연결부와 간섭됨으로써 규제될 수 있다.
상기 캡에서 상기 곡면부보다 반경방향 내측에는 반경방향으로 평평하게 연장되는 받침부가 마련되고, 상기 곡면부과 상기 받침부 사이에는, 반경방향 내측으로 갈수록 축방향 외측으로 연장되는 제1경사부가 마련될 수 있다.
이에 따라, 상기 곡면부와 상기 제1경사부는 반경방향으로 탄성 변형이 용이하게 이루어지되 탄성 복원력이 우수한 거위 목(goose neck) 형상을 이룰 수 있다. 그러면 상기 캡을 개방 단부에 압입할 때, 상기 곡면부가 탄성 변형되며 반경방향 내측으로 상기 맞댐부의 변위를 허용하고, 상기 맞댐부가 상기 집전판의 단자연결부를 반경방향 외측으로 강하게 압착하도록 할 수 있다. 즉 상기 맞댐부는 상기 단자연결부를 상기 측벽부재에 밀착시키는 지그의 역할을 할 수 있다.
상기 캡에서 상기 받침부보다 반경방향 내측에는 반경방향으로 평평하게 연장되는 구심부가 마련되고, 상기 받침부와 구심부 사이에는, 반경방향 내측으로 갈수록 축방향 내측으로 연장되는 제2경사부가 마련될 수 있다.
상기 제1경사부의 기울기는 상기 제2경사부의 기울기보다 더 클 수 있다. 이에 따라 캡이 반경방향 내측으로 하중을 받을 때 제2경사부 쪽보다 제1경사부 쪽에 변형이 더 집중되어, 상기 맞댐부가 상기 단자연결부를 상기 측벽부재 쪽으로 압착되도록 하는 지그의 기능을 더욱 확실히 발휘할 수 있다.
상기 단자연결부의 축방향 외측 가장자리는 상기 측벽부재의 축방향 외측 가장자리와 상기 맞댐부의 축방향 외측 가장자리보다 축방향으로 더 내측에 배치될 수 있다.
상기 측벽부재와 캡은 동종의 금속재질, 가령 알루미늄이나 스틸 재질로 이루어질 수 있다.
상기 집전판은 상기 측벽부재 및 캡과 동종의 금속재질일 수 있다.
이와 달리, 상기 집전판은 상기 측벽부재 및 캡과 이종의 금속재질, 가령 구리 재질로 이루어질 수도 있다.
그러면 이종 재질이라 하더라도, 상기 측벽부재와 캡의 축방향 단부가 상호 용접되고, 상기 집전판이 이들 사이에 개재된 상태를 유지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 캔의 개방 단부 쪽에 마련된 집전판을 캔에 용접함에 있어서 캡이 지그의 역할을 함께 하도록 하여 지그를 수용하기 위한 별도의 공간을 마련하지 않을 수 있어, 캔의 내부 공간을 낭비하지 않고, 이에 따라 배터리 셀의 체적 대비 에너지 밀도를 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 집전판이 측벽부재와 캡 사이에 개재된 상태에서 상기 측벽부재와 캡의 축방향 단부를 용접하여, 상기 집전판을 캔에 용접하는 공정과 상기 캡을 상기 측벽부재에 용접하는 공정을 한 번의 용접 공정으로 해결하여, 원통형 배터리 셀의 생산 효율을 높이고 생산 단가를 낮출 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 집전판이 캔과 캡의 용접부 부위에 강하게 밀착되어 있으므로, 캔과 캡을 용접할 때 발생하는 열이 집전판을 통해 배출되도록 하여 용접 열이 측벽부재를 통해 전도되어 전극조립체의 분리막을 열 손상시키는 현상을 방지하거나 최소화할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 집전판이 캔과 캡 사이에 강하게 압착 개재된 상태로 용접이 진행되므로, 집전판이 용접 레이저가 캡 내부로 입사되는 것을 막아주는 배리어의 기능을 한다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 실시예의 원통형 배터리 셀의 사시도이다.
도 2는 도 1의 캔 내부에 수용되는 전극조립체의 권취 전 분해사시도이다.
도 3은 도 2의 전극조립체의 권취 전 적층 상태의 사시도이다.
도 4는 도 3의 적층체를 권취하여 원통형 젤리-롤 형태의 전극조립체를 조립한 상태의 사시도이다.
도 5는 전극조립체의 제1전극의 전극탭에 제1집전판이 접합된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 6은 전극조립체의 제2전극의 전극탭에 제2집전판이 접합된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 7은 집전판이 접합된 전극조립체를 캔 내부에 수용하는 과정을 나타낸 측면 단면도이다.
도 8은 캔에 수용된 전극조립체의 제1집전판과 제1전극단자의 접합 과정을 나타낸 측면 단면도이다.
도 9는 전극조립체가 수용된 캔의 개방 단부를 캡으로 덮는 과정을 나타낸 측면 단면도이다.
도 10은 캔의 개방 단부를 캡으로 덮은 배터리 셀의 개방 단부 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 11은 캡의 가장자리의 확대 단면도이다.
도 12는 캔에 캡이 삽입되는 상태를 나타낸 확대 단면도이다.
도 13은 도 10의 배터리 셀에서 용접이 이루어질 측벽부재와 집전판과 캡 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 14는 도 13에서 측벽부재와 집전판과 캡 부분을 용접하여 용접부를 형성한 상태를 나타낸 도면이다.
도 15는 비교예의 배터리 셀의 캔과 집전판의 결합 구조를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명에 따른 배터리 셀 제조 공정의 순서도이다.
도 17과 도 18은 실시예의 배터리 셀이 적용된 배터리 팩과, 이러한 배터리 팩을 탑재한 자동차를 도시한다.
[부호의 설명]
10: 캔 11: 측벽부재 12: 바닥부재 13: 제1전극단자 14: 가스켓 15: 제2전극단자 19: 인슐레이터 20: 전극조립체 21: 제1전극 22: 제2전극 23: 금속포일 24: 활물질층 25: 유지부 26: 무지부 27: 전극탭(노칭탭) 28: 분리막 31: 제1집전판(양극집전판) 312: 제1단자연결부 313: 링부 314: 제1전극연결부 32: 제2집전판 321: 이너링부 322: 홀 323: 제2전극연결부 324: 제2단자연결부 328: 절곡부 40: 캡 41: 구심부 43: 제2경사부 45: 받침부 47: 제1경사부 48: 곡면부 49: 맞댐부 70: 배터리 팩 71: 하우징 72: 배터리 셀 80: 차량 W: 용접부
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 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
실시예를 설명함에 있어서 축방향이라 함은 젤리-롤 형태의 전극조립체의 권취 중심을 이루는 축이 연장되는 방향을 지칭하고, 반경방향이라 함은 상기 축에서 가까워지거나(구심) 멀어지는(원심) 방향을 지칭하고, 둘레(원주)방향이라 함은 상기 축을 둘러싸는 방향을 지칭한다.
이하 도 1 내지 도13을 참조하여 본 발명의 용접 구조가 적용된 배터리 셀의 실시예를 상세하게 설명한다.
실시예의 배터리 셀은, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리 셀의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 배터리 셀일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리 셀의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 상기 원통형 배터리 셀은, 예를 들어 46110 셀, 48750 셀, 48110 셀, 48800 셀, 46800 셀일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 그 다음 숫자 2개는 셀의 높이를 나타내고, 마지막 숫자 0은 셀의 단면이 원형임을 나타낸다.
상기 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 배터리 셀 일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
본 발명은, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리 셀들, 예를 들어 18650 셀, 21700 셀 등에 적용될 수도 있음은 물론이다. 18650셀의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 0.277이다. 21700 셀의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 0.300이다.
실시예의 배터리 셀은, 전극조립체(20)와, 상기 전극조립체(20)에 전기적으로 연결된 집전판(31, 32)과, 상기 전극조립체(20)와 집전판(31, 32)을 수용하는 캔(10)을 포함한다.
상기 캔(10)은, 바닥부재(12)와, 상기 바닥부재(12)에 연결되고 축방향으로 연장되는 측벽부재(11)를 포함한다.
상기 측벽부재(11)의 축방향 일측 단부에 마련된 개방 단부는 상기 캔(10)에 전극조립체(20)를 수용한 후 캡(16)으로 덮어 밀봉한다.
상기 바닥부재(12)는 중앙부에 홀이 형성된 원반 형태를 이루고, 상기 측벽부재(11)는 원형의 관 형상일 수 있다.
상기 바닥부재(12)와 측벽부재(11)는 스틸의 표면에 니켈이 도금된 금속 시트를 딥 드로잉 공정으로 성형 가공하고, 측벽부재(11)의 선단부를 블랭크 홀더로 파지한 상태에서 펀치로 트리밍 가공하여 제작될 수 있다. 물론 캔(10)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 홀에는 제1전극단자(13)가 끼움 결합될 수 있다. 상기 제1전극단자(13)는, 가스켓(14)을 개재한 상태에서 상기 바닥부재(12)에 리벳팅되어 고정될 수 있다. 상기 가스켓(14)은 상기 제1전극단자(13)와 상기 바닥부재(12) 사이에 개재되어, 캔(10)의 내부와 외부를 밀봉하여 전해액의 누액을 방지하고, 제1전극단자(13)와 바닥부재(12)를 전기적으로 절연할 수 있다.
다만, 상기 제1전극단자(13)와 바닥부재(12)의 연결 방식이 이에 한정되는 것은 아니다. 가령 제1전극단자(13)와 바닥부재(12) 사이를 밀봉하고, 제1전극단자(13)와 바닥부재(12)를 전기적으로 절연할 수 있는 구조라면, 이 외에도 다양한 고정 방법, 가령 볼트-너트 결합 방식, 글라스 씰(glass seal) 방식, 또는 크롬코팅 & PP-MAH 열접합 방식과 같은 다양한 다른 방식 역시 적용 가능하다.
상기 제1전극단자(13)는 제1극성을 띄고, 상기 캔(10)은 제2극성을 띌 수 있다. 즉, 상기 캔(10)의 바닥부재(12), 이와 연결되는 측벽부재(11), 및 상기 측벽부재(11)와 연결되는 후술할 캡(16)은 모두 제2극성을 띌 수 있다.
이에 따라, 상기 배터리 셀은, 바닥부재(12)가 구비된 축방향 단부, 즉 폐쇄 단부에 제1전극단자(13)와 제2전극단자(15)가 모두 배치될 수 있다. 그러면, 상기 배터리 셀은 제1전극단자(13)에 연결되는 버스바와 제2전극단자(15)에 연결되는 버스바가 모두 배터리 셀의 상부에 위치할 수 있다.
일 예에서, 상기 제1전극단자(13)는 양극단자이고, 상기 제2전극단자(15)는 음극단자일 수 있다. 물론 그 반대일 수도 있다.
상기 캔(10) 내에는 전극조립체(20)가 수용된다. 상기 전극조립체(20)는, 도 2에 도시된 바와 같이 소정의 폭을 가지고 길이방향으로 연장된 제1전극(21), 제2전극(22) 및 분리막(28)을 준비하고, 도 3에 도시된 바와 같이 제1전극(21), 분리막(28), 제2전극(22), 분리막(28)의 순으로 적층한 적층체를 형성한 뒤, 이를 도 4에 도시된 바와 같이 권심축 둘레로 권취한 젤리-롤 형태로 제작된다.
상기 제1전극(21)은 양극일 수 있고, 상기 제2전극(22)은 음극일 수 있다. 물론 그 반대일 수도 있다.
상기 제1전극(21)과 제2전극(22)은 시트 형태로 제작된다. 상기 전극시트는, 금속포일(23)의 표면에 활물질층(24)이 도포된 형태로 제작된다. 상기 전극시트는, 활물질층(24)이 도포된 유지부(25) 영역과, 활물질층(24)을 도포하지 않은 무지부(26) 영역을 구비한다. 양극시트는 폭방향 일측에 무지부(26) 영역이 구비되고, 음극시트는 폭방향 타측에 무지부(26) 영역이 구비된다.
무지부(26) 영역은 적층체에서 폭방향으로 노출 또는 돌출된다. 상기 무지부(26)는 그 자체가 전극탭(27)으로서 기능한다.
상기 무지부(26)에는 소정의 간격을 두고 노치를 형성하여 플래그(flag) 형태의 노칭탭(27)들을 형성할 수 있다.
실시예에서는 상기 노칭탭(27)들이 등변 사다리꼴 형태임이 예시된다. 그러나 이들의 형태는 반원형, 반타원형, 삼각형, 직사각형, 평행사변형 등 다양한 형태일 수 있다.
또한 실시예에서는 길이방향을 따라 배열되는 상기 노칭탭(27)들이 동일한 너비를 가지는 형태가 예시된다. 그러나 노칭탭들의 너비는, 권심 측에서 외주 측으로 갈수록 점진적으로 또는 단계적으로 넓어지는 형태일 수도 있다.
또한 실시예에서는 권심 측에서 외주 측으로 갈수록 상기 노칭탭(27)들의 높이가 단계적으로 높아지는 형태가 예시된다. 그러나 이러한 노칭탭들의 높이는 일정하거나 점차 낮아지는 형태로 구현될 수도 있다.
또한 실시예에서는 상기 무지부(26)의 구심측 단부의 소정 구간과 원심측 단부의 소정 구간에 노칭탭(27)이 삭제된 구조가 예시된다. 그러나 무지부의 구심측 단부에서 노칭탭이 삭제되지 않을 수도 있고, 무지부의 원심측 단부에서 노칭탭이 삭제되지 않을 수도 있음은 물론이다.
젤리롤 형태의 전극조립체(20)에서, 상기 노칭탭(27)은 도 4에 도시된 바와 같이 반경방향으로 절곡되어 평탄화될 수 있다. 상기 노칭탭(27)은 반경방향 내측으로 절곡되거나 외측으로 절곡될 수 있다. 실시예에서는 노칭탭(27)이 반경방향 내측으로 절곡된 구조가 예시된다.
상기 노칭탭(27)은, 적층체를 권취하여 젤리롤 형태의 전극조립체(20)를 형성하는 과정에서 하나씩 절곡 가공될 수 있다. 이와 달리 상기 노칭탭(27)은, 적층체를 권취하여 젤리롤 형태의 전극조립체를 형성한 뒤, 한꺼번에 절곡 가공될 수도 있다.
이렇게 반경방향으로 절곡되며 포개어진 제1전극(21)의 노칭탭(27)들과 제2전극(22)의 노칭탭(27)들은, 각각 전극조립체(20)의 축방향 양측 단부에서 축방향에 대해 실직적으로 수직한 평면을 제공할 수 있다.
상기 전극조립체(20)의 축방향 양단부로 노출된 노칭탭(27)이 절곡되어 제공되는 실질적으로 평평한 표면에는 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이 제1집전판(31)과 제2집전판(32)이 각각 접합될 수 있다.
실시예에서, 상기 제1집전판(31)은 양극 집전판이고, 상기 제2집전판(32)은 음극 집전판임이 예시된다. 상기 제1집전판(31)은 알루미늄 재질일 수 있고, 상기 제2집전판(32)은 구리 재질일 수 있다.
상기 집전판(31, 32)은, 금속 시트를 펀칭하고 트리밍하고 피어싱하고 절곡하여 제작될 수 있다.
도 5를 참조하면 상기 제1집전판(31)은, 중심부로부터 방사상으로 연장되는 제1단자연결부(312)와, 상기 제1단자연결부(312)의 원심측 가장자리를 원주방향으로 연결하는 링부(313)와, 상기 링부(313)로부터 구심측으로 연장되되 상기 제1단자연결부(312)와는 연결되지 않는 제1전극연결부(314)를 구비한다. 상기 제1단자연결부(312)의 중심부는 전극조립체(20)의 권심 중공부의 적어도 일부를 덮는다.
상기 제1전극연결부(314)는, 상기 전극조립체(20)를 캔(10)에 넣기 전에, 전극조립체(20)의 제1전극(21)의 노칭탭(27)에 레이저 용접 등의 방식으로 접합된다. 상기 레이저의 용접 라인은 방사상으로 연장될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 제2집전판(32)은, 전극조립체(20)의 권심 중공부와 대응하는 홀(322)을 규정하고 상기 권심 중공부를 둘러싸는 형태로 제공되는 이너링부(321), 상기 이너링부(321)로부터 방사상으로 연장된 제2전극연결부(323), 상기 제2전극연결부(323)보다 원심 측에 배치되고 상기 이너링부(321)에 연결되는 제2단자연결부(324)를 포함한다. 제2단자연결부(324)는 상기 제2집전판(32)의 가장자리를 둘러싸는 아우터 링 형태를 구비한다.
상기 제2전극연결부(323)는, 상기 전극조립체(20)를 캔(10)에 넣기 전에, 전극조립체(20)의 제2전극(22)의 노칭탭(27)에 레이저 용접 등의 방식으로 접합될 수 있다. 상기 레이저의 용접 라인은 방사상으로 연장될 수 있다.
도 7과 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 전극조립체(20)는, 상기 제1집전판(31)이 캔(10)의 바닥부재(12)를 향하도록 정렬된 상태에서 상기 캔(10)에 수용된다. 이 때, 제1집전판(31)과 캔(10)의 바닥부재(12) 사이에 인슐레이터(19)를 개재하여 상기 제1집전판(31)과 상기 바닥부재(12)를 전기적으로 절연되도록 한다.
그리고, 상기 제1집전판(31)의 제1단자연결부(312)는 상기 캔(10)에 고정된 제1전극단자(13)와 저항 용접, 초음파 용접 또는 레이저 용접 등의 방식으로 접합된다. 상기 제1집전판(31)과 제1전극단자(13)의 용접을 위한 용접장치는 캔(10)의 개방 단부로부터 상기 전극조립체(20)의 권심 중공부를 통해 상기 제1집전판(31)의 제1단자연결부(312) 중심의 이면에 접근하여 용접을 진행할 수 있다. 물론 이 외에도 브레이징이나 솔더링 방식 등에 의해 제1집전판(31)과 제1전극단자(13)가 접합될 수도 있음은 물론이다. 즉 상기 제1집전판(31)과 제1전극단자(13)는 이들을 전기적으로 연결하며 상호 고정할 수 있는 결합 방식이라면 다양한 방식이 적용 가능하다.
다만 본 발명은 양극집전판을 생략한 상태에서 양극탭이 직접 양극단자에 전기적으로 연결되는 구조를 배제하지 않는다.
상기 전극조립체(20)가 상기 캔(10)의 내부에 수용된 상태에서, 상기 제2전극(22)의 전극탭(27)과 상기 제2집전판(32)은 상기 측벽부재(11)의 개방 단부를 바라보도록 배치된다.
상기 제1집전판(31)과 제1전극단자(13)의 접합이 이루어진 후, 상기 캔(10) 내부에 전해액을 주입할 수 있다. 전해액을 주입한 뒤, 상기 측벽부재(11)의 개방단부는, 도 9에 도시된 바와 같이 캡(16)에 의해 덮이며 마감된다.
물론 본 발명의 용접 구조는, 캡(16)을 먼저 덮은 뒤, 전해액을 주입하고 캡(16)의 주액구를 마감하는 방식에도 적용 가능하다.
상기 캡(16)의 가장자리는 도 10에 도시된 바와 같이 측벽부재(11)의 가장자리와 레이저로 심 용접되며 접합되고, 이에 따라 상기 캔(10)은 밀봉될 수 있다.
이하 도 10 내지 도 14를 참조하여, 본 발명에 따른 캔과 캡의 용접 구조를 상세히 설명한다.
상기 제2집전판(32)은, 상기 전극조립체(20)의 제2전극(22)의 전극탭(27)에 접촉하여 전기적으로 연결되는 제2전극연결부(323)와, 상기 측벽부재(11)의 내주면에 접촉하여 전기적으로 연결되는 제2단자연결부(324)를 구비한다.
상기 제2전극연결부(323)는 반경방향으로 연장되는 원형의 평판 구조일 수 있다. 상기 제2전극연결부(323)의 저면은 상기 제2전극탭(27)의 표면에 레이저 용접 등의 방식으로 용접될 수 있다.
상기 제2단자연결부(324)는, 상기 제2전극연결부(323)의 반경방향 외측 가장자리에 마련된 절곡부(328)로부터 축방향 외측으로 연장된다.
상기 제2집전판(32)의 재질은 상기 측벽부재(11)의 재질보다 무를 수 있다.
상기 제2단자연결부(324)의 외경을 상기 측벽부재(11)의 내주면의 내경보다 아주 약간 크도록 설정하면, 상기 제2집전판(32)을 삽입하는 과정에서 상기 절곡부(328)가 탄성 변형되며 상기 제2단자연결부(324)가 상기 측벽부재(11)의 내주면에 압입되어, 상기 제2단자연결부(324)와 측벽부재(11)가 반경방향으로 밀착된다. 이에 따라, 제2집전판(32)을 삽입한 상태에서, 상기 제2단자연결부(324)의 외경은 상기 측벽부재(11)의 내경과 대응할 수 있다.
상기 전극조립체(20)가 상기 캔(10)의 내부에 수용된 상태에서, 상기 제2전극탭(27)과 상기 제2집전판(32)은 상기 측벽부재(11)의 개방단부를 바라보도록 배치된다.
상기 측벽부재(11)는 상기 제2집전판(32)의 제2단자연결부(324)보다 축방향으로 더 외측까지 연장된다. 그러면 도 12에 도시된 바와 같이, 캔(10)의 측벽부재(11)의 내주면이 먼저 캡(40)의 삽입을 안내하고, 이어서 제2집전판(32)의 제2단자연결부(324)의 내주면이 캡(40)의 삽입을 안내할 수 있다. 즉 위와 같은 구조는 후술할 용접에도 유리할 뿐만 아니라, 캡(40)을 삽입할 때 캡의 삽입을 안내하고 캡의 중심 정렬도 용이하게 해준다.
상기 측벽부재(11)의 개방단부는, 캡(40)에 의해 덮이며 마감된다. 상기 캡(40)은, 실질적으로 원반 형상을 가지는 개방단부의 덮개이다. 도 11을 참조하면, 상기 캡(40)은, 반경방향 외측으로부터 내측으로, 맞댐부(49), 곡면부(48), 제1경사부(47), 받침부(45), 제2경사부(43), 및 구심부(41)를 순서대로 포함한다.
상기 캡(40)의 반경방향 외측 가장자리에는, 그 외주면이 상기 캔(10)의 측벽부재(11)의 내주면과 반경방향으로 마주하도록 축방향으로 연장되는 맞댐부(49)가 마련된다.
캔(10)에 캡(40)이 삽입된 상태에서, 상기 측벽부재(11)의 내주면의 축방향 외측 가장자리와, 상기 맞댐부(49)의 외주면의 축방향 외측 가장자리는 그 높이가 서로 상응하도록 배치될 수 있다.
축방향으로 상기 제2단자연결부(324)의 적어도 일부 구간은, 반경방향으로 상기 측벽부재(11)와 맞댐부(49) 사이에서 이들에 의해 반경방향으로 압착 개재된다.
일실시예에서, 상기 제2단자연결부(324)의 축방향 외측 가장자리는 상기 측벽부재(11)의 축방향 외측 가장자리와 상기 맞댐부(49)의 축방향 외측 가장자리보다 축방향으로 더 내측에 배치된다.
그러나, 본 발명이 반드시 이러한 높이 관계에 한정되는 것은 아니다. 가령 상기 제2단자연결부(324)의 축방향 외측 가장자리의 높이는, 상기 측벽부재(11)의 축방향 외측 가장자리 및/또는 상기 맞댐부(49)의 축방향 외측 가장자리의 높이와 대응할 수 있고, 필요에 따라 그보다 더 높게 돌출될 수도 있음은 물론이다.
다만 상기 제2단자연결부(324)의 축방향 외측 가장자리의 높이가 상기 측벽부재(11)의 축방향 외측 가장자리 및 상기 맞댐부(49)의 축방향 외측 가장자리의 높이보다 약간 낮으면, 측벽부재(11)의 축방향 외측 가장자리 및 상기 맞댐부(49)의 축방향 외측 가장자리 사이에 일종의 그루브가 제공되고, 측벽부재(11)의 축방향 외측 가장자리 및 상기 맞댐부(49)의 축방향 외측 가장자리의 용융 금속이 이러한 그루브에 용입되고 용착되어, 용접 후 상기 제2단자연결부(324)의 축방향 외측 가장자리가 외부로 노출되지 않도록 할 수 있다.
상기 맞댐부(49)의 축방향 내측 단부에는 축방향 내측으로 갈수록 반경방향 내측으로 연장되는 곡면부(48)가 연결된다.
상기 곡면부(48)는 아래로 볼록한 형태, 즉 상기 맞댐부(49)로부터 멀어질수록 점점 그 외주면의 접선의 기울기가 점차 작아지는 형태일 수 있다. 상기 맞댐부(49)는 축방향으로 수직으로 연장되므로, 상기 맞댐부(49)으로부터 멀어질수록 상기 곡면부(48)의 외주면의 접선의 기울기는 90도로부터 점차 줄어들 수 있다.
상기 곡면부(48)는 상기 접선의 기울기가 0도가 되는 지점까지 연장될 수 있다. 보다 바람직하게 상기 곡면부(48)는, 0도를 더 지나, 접선의 기울기가 후술할 상기 제1경사부(47)의 제1기울기와 대응하는 각도까지 더 연장될 수 있다.
상기 곡면부(48)에서 상기 접선의 기울기가 0도가 되는 지점은, 곡면부(48)에서 축방향으로 가장 내측까지 연장되는 부위일 수 있다.
상기 개방 단부에 대한 상기 캡(40)의 삽입 깊이는, 상기 곡면부(48)의 축방향 내측 단부, 즉 접선의 기울기가 0도가 되는 상기 지점이 상기 집전판(32)의 제2전극연결부(323)의 표면과 간섭됨으로써 규제될 수 있다.
상기 캡(40)은 상기 제2집전판(32)의 제2단자연결부(324)를 원심방향으로 가압하고, 또한 상기 제2집전판(32)의 제2전극연결부(323)의 원심측 가장자리 부근을 축방향 내측으로 가압한다. 이에 따라, 상기 제2집전판(32)의 제2단자연결부(324)는 상기 측벽부재(11)와 캡(40) 사이에 강하게 밀착 고정된다.
상기 제2집전판(32) 자체는, 상기 캡(40)과 달리, 스스로 자신의 제2단자연결부(324)를 상기 측벽부재(11)에 강하게 압착되도록 하는 탄성력을 발휘할 만한 강성을 갖지 않을 수 있다.
이에, 상기 제2집전판(32)보다 높은 강성을 가지는 캡(40)의 형상이 탄성력을 가지도록 설계하면, 상기 캡(40)이 상기 측벽부재(11)에 강하게 압착되도록 함은 물론, 상기 측벽부재(11)에 용접하기 위해 강하게 압착되어야 하는 제2집전판(32)이 상기 캡(40)에 의해 상기 측벽부재(11)에 강하게 압착되도록 함으로써, 상기 캡(40)을 상기 제2집전판(32)을 상기 측벽부재(11)에 용접하기 위한 지그의 기능도 함께 하도록 할 수 있다.
상기 캡(40)에서 상기 곡면부(48)보다 반경방향 내측에는 반경방향으로 수평하게 연장되는 받침부(45)가 마련된다. 상기 받침부(45)의 표면은 평평한 링 형상을 가지므로, 도 1에 도시된 배터리 셀을 뒤집었을 때 상기 배터리 셀의 발 역할을 하게 된다.
상기 받침부(45)의 축방향 외측면은, 도시된 바와 같이 상기 맞댐부(49)의 축방향 외측 단부와 같은 높이에 배치되거나, 그보다 축방향으로 더 외측에 배치된다. 따라서 도 1에 도시된 배터리 셀을 뒤집어, 상기 캡(40)이 바닥에 닿으며 상기 배터리 셀이 놓이도록 하더라도, 캡(40)과 캔(10)의 용접부위가 배터리 셀의 하중을 직접적으로 지지하지 않도록 하여, 용접 부위를 보호할 수 있다.
상기 곡면부(48)와 상기 받침부(45) 사이에는, 반경방향 내측으로 갈수록 축방향 외측으로 연장되되 그 기울기가 실질적으로 제1기울기로 일정한 제1경사부(47)가 마련된다. 실시예에서 상기 제1기울기는 약 45도 내외임이 예시된다. 그러면 상기 제1경사부(47)과 상기 맞댐부(49)의 사이각은 약 45도 내외가 될 수 있다.
상기 캡(40)에서 상기 받침부(45)보다 반경방향 내측에는 반경방향으로 수평하게 연장되는 구심부(41)가 마련된다. 상기 구심부(41)의 축방향 내측면은 상기 곡면부(48)의 축방향 내측 단부보다 축방향으로 더 외측에 배치된다.
이에 따라, 상기 캡(40)을 압입하면, 상기 구심부(41)의 축방향 내측면이 상기 제2집전판(32)에 닿기 전에 상기 곡면부(48)가 상기 제2집전판(32)에 닿을 수 있다. 즉, 실시예에 따르면, 상기 캡(40)의 압입 깊이는 상기 곡면부(48)와 상기 제2집전판(32)의 제2전극연결부(323) 간의 간섭에 의해 규제될 수 있다.
상기 받침부(45)과 구심부(41) 사이에는, 반경방향 내측으로 갈수록 축방향 내측으로 연장되되 그 기울기가 실질적으로 제2기울기로 일정한 제2경사부(43)가 마련된다. 실시예에서 상기 제2기울기는 약 22.5도 내외임이 예시된다.
상기 제2기울기는 상기 제1기울기보다 작을 수 있다. 이에 따라 캡(40)이 반경방향으로 하중을 받을 때, 상기 제2경사부(43)의 반경방향 양단부보다 상기 제1경사부(47)의 반경방향 양단부가 더 잘 변형될 수 있다. 이러한 기울기의 차이는, 상기 캡(40)의 맞댐부(49)가 상기 제2집전판(32)의 제2단자연결부(324)를 가압하는 지그의 기능을 더욱 확실히 하도록 해준다.
상기 받침부(45)의 반경방향 길이는, 상기 맞댐부(49), 상기 곡면부(48) 및 상기 제1경사부(47)가 반경방향으로 차지하는 구간의 길이보다 2배 이상 길 수 있다. 그러면, 상기 받침부(45)가 반경방향으로 상대적으로 더욱 높은 강성을 가지게 되므로, 상기 캡(40)의 외주면에서 상기 캡(40)에 가해지는 반경방향 하중은 상기 받침부(45)보다 반경방향 외측 구간에 집중적으로 작용할 수 있다. 이러한 길이의 차이 역시 상기 캡(40)의 맞댐부(49)가 상기 제2집전판(32)의 제2단자연결부(324)를 가압하는 지그의 기능을 더욱 확실히 하도록 해준다.
도 12를 참조하면, 반경방향 내측으로 맞댐부(49)에 하중이 가해질 때, 상기 곡면부(48)가 주로 탄성 변형되고, 제1경사부(47)와 상기 받침부(45)의 연결 부위가 주로 탄성 변형될 수 있다. 또한 이러한 거위 목 구조에 따르면, 탄성 변형 구간이 크기 때문에, 맞댐부(49)가 다시 반경방향 외측으로 복원되는 방향으로 가해지는 탄성력 역시 크게 작용한다.
이에 따라, 상기 캡(40)을 캔(10)의 개방부위로 압입하면, 상기 캡(40)의 탄성력이 상기 맞댐부(49)를 반경방향 외측으로 복원시키는 방향으로 작용하고, 상기 제2집전판(32)의 제2단자연결부(324)는 도 13에 도시된 바와 같이 상기 측벽부재(11)와 맞댐부(49)에 개재된 상태에서 강하게 압착된다.
이러한 상태에서, 상기 측벽부재(11)의 축방향 단부와 맞댐부(49)의 축방향 단부는, 도 13에 도시된 바와 같이 축방향으로 조사되는 레이저(L)에 의해 용접된다. 상기 레이저의 조사 방향은 축방향과 나란할 수 있다.
이에 따라 축방향으로 상기 제2단자연결부(324)의 적어도 일부 구간이 상기 측벽부재(11)의 내주면과 상기 캡(40)의 외주면 사이에 개재된 상태에서 상기 측벽부재(11)의 내주면과 상기 캡(40)의 외주면이 용접되어 용접부(W)가 형성된다. 이러한 용접부(W)에는 제2단자연결부(324)의 일부 구간도 함께 용입될 수 있다.
축방향으로 더 외측까지 연장된 측벽부재(11) 부위와 맞댐부(49) 부위는 약간의 간극을 두고 반경방향으로 서로 마주하여, 축방향으로 조사되는 레이저가 제2단자연결부(324)에 직접 도달할 수 있는 경로를 제공하여, 과도한 열이 발생하기 전에 제2집전판(32)도 가열할 수 있어, 캡(40)과 캔(10)과 제2집전판(32)의 3중용접을 보다 원활하게 해준다.
또한, 축방향으로 더 외측까지 연장된 측벽부재(11) 부위와 맞댐부(49) 부위는 용접 시 용접부(W)에 용입되어 용접부(W)의 강도와 체적을 증가시킨다.
상기 측벽부재(11)와 캡(40)은 동종의 금속재질, 가령 알루미늄이나 스틸 재질로 이루어질 수 있다.
상기 제2집전판(32)은 상기 측벽부재(11) 및 캡(40)과 동종의 금속재질일 수 있다. 그러면, 상기 제2집전판(32)은 상기 측벽부재(11)와 캡(40)을 용접하는 공정에서 함께 용접될 수 있다.
이와 달리 상기 제2집전판(32)은 상기 측벽부재(11) 및 캡(40)과 이종의 금속재질, 가령 구리 재질로 이루어질 수 있다.
그러면 이종 재질이라 하더라도, 상기 제2집전판(32)은 상기 측벽부재(11)와 캡(40)을 용접하는 공정에서 함께 용접될 수 있고, 가사 이종 재질이라는 점에 기인하여 상기 제2집전판(32)의 용접이 다소 미진하다 하더라도, 상기 측벽부재(11)와 캡(40)의 축방향 단부가 상호 용접되고, 상기 집전판이 이들 사이에 개재된 상태를 유지할 수 있게 되므로, 집전판과 캔 간의 전기적 연결에 아무런 지장이 없다.
이하 도 16을 참조하여 본 발명에 따른 배터리 셀의 제조 방법의 실시예를 설명한다.
먼저 캔(10)의 바닥부재(12)에 마련된 홀에 제1전극단자(13)를 고정한다. 이때, 바닥부재(12)와 전극단자(13) 사이에 가스켓(14)을 개재하여 이들 간의 전기적 절연 및 밀봉이 이루어지도록 한다. 실시예에서는 가스켓(14)을 개재하며 리벳팅으로 제1전극단자(13)를 고정한 형태를 예시하나, 절연 밀봉을 하며 바닥부재(12)에 제1전극단자(13)를 고정할 수 있는 다양한 다른 공지의 방식이 적용될 수 있음은 물론이다.
다음으로 캔 내부에, 양단부에 집전판(31, 32)이 용접된 전극조립체(20)를 삽입한다. 그러면, 제1집전판(31)은 제1전극단자(13)와 마주하며 접하게 되고, 제2집전판(32)의 제2전극연결부(323)는 개방 단부를 바라보게 되며, 제2집전판(32)의 제2단자연결부(324)는 상기 캔(10)의 측벽부재(11)의 내주면에 접하게 된다. 이 상태에서, 상기 제1집전판(31)과 상기 제1전극단자(13)를 용접한다.
다음으로, 캔(10)의 개방단부에 캡(40)을 압입한다. 캡(40)의 외주면은 축방향 내측으로 갈수록 외경이 점차 줄어드는 형태의 곡면부(48)가 마련되어 있으므로, 상기 제2집전판(32)의 제2단자연결부(324)의 축방향 외측 단부의 내측 가장자리가 상기 곡면부(48)에 의해 자연스럽게 눌리기 시작하면서, 상기 제2단자연결부(324)는 상기 캡(40)의 맞댐부(49)과 접하며 반경방향 외측으로 가압된다. 상기 캡(40)의 삽입은 상기 캡(40)의 곡면부(48)가 축방향으로 상기 제2전극연결부(323)에 닿아 간섭될 때까지 이루어질 수 있다.
다음으로, 캔(10)의 측벽부재(11)의 축방향 단부와 캡(40)의 맞댐부(49)의 축방향 단부를 용접한다.
이와 같은 실시예의 배터리 셀은, 도 15에 도시된 비교예의 배터리 셀과 달리, 제2집전판(32)을 캔(10)에 용접함에 있어서 캡(40)이 지그의 역할을 함께 하므로, 캔 내부에 지그를 수용하기 위한 별도의 공간을 마련할 필요가 없다. 따라서 캔(10)의 내부 공간을 낭비하지 않고 배터리 셀의 체적 대비 에너지 밀도를 높일 수 있다.
또한 실시예의 배터리 셀은, 도 15에 도시된 비교예의 배터리 셀과 달리, 제2집전판(32)이 측벽부재(11)와 캡(40) 사이에 개재된 상태에서 측벽부재와 캡의 축방향 단부를 용접하여, 제2집전판(32)을 캔(10)에 용접하는 공정과 상기 캡(40)을 상기 측벽부재(11)에 용접하는 공정을 한 번의 용접 공정으로 해결한다. 따라서, 원통형 배터리 셀의 생산 효율을 높이고 생산 단가를 낮출 수 있다.
앞서 설명한 용접 구조와 용접 공정을 통해 제작된 배터리 셀(72)은, 도 17에 도시된 바와 같이 배터리 팩(70)의 하우징(71)에 수용될 수 있다. 상기 배터리 팩(70)은 조립의 중간 형태인 배터리 모듈을 사용하여 구성될 수도 있고, 도시된 바와 같이 배터리 모듈 없이 직접 배터리 팩(70)을 구성할 수도 있다.
상술한 배터리 셀(72)은 그 자체적으로 체적이 크기 때문에, 배터리 모듈이라는 중간 구조물을 사용하지 않더라도 배터리 팩(70)을 구현함에 별다른 어려움이 없다. 그리고 상기 배터리 셀(72)은, 내부 저항도 적고 에너지 밀도도 더욱 높다. 이에 따라, 상기 배터리 셀(72)을 구비한 배터리 팩(70)의 에너지 밀도는 더욱 높게 구현될 수 있다.
이렇게 에너지 밀도를 높인 배터리 팩(70)은 동일한 에너지를 저장할 수 있으면서도, 그 체적과 하중을 줄일 수 있다. 따라서 이러한 배터리 셀(72)이 적용된 배터리 팩(70)을, 도 18에 도시된 바와 같이 전기를 에너지원으로 하는 자동차(80)와 같은 차량에 탑재하면, 에너지 대비 차량의 마일리지를 더욱 확대할 수 있다.
전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (16)

  1. 축방향으로 연장되는 측벽부재를 포함하는 캔과, 상기 캔의 내부에 수용된 전극조립체와, 상기 측벽부재의 축방향 일측 단부에 마련된 개방 단부를 덮는 캡을 포함한 배터리 셀로서,
    상기 전극조립체의 전극에 연결되고 상기 개방 단부 측에 배치된 집전판의 반경방향 외측 가장자리에는, 축방향 외측으로 연장되고 상기 측벽부재의 내주면에 접촉하여 전기적으로 연결되는 단자연결부가 마련되고,
    축방향으로 상기 단자연결부의 적어도 일부 구간이 상기 측벽부재의 내주면과 상기 캡의 외주면 사이에 개재된 상태에서 상기 측벽부재의 내주면과 상기 캡의 외주면이 용접되어 용접부가 형성된, 배터리 셀.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 집전판은, 상기 전극조립체의 전극에 연결되고 반경방향으로 연장되는 전극연결부를 구비하고,
    상기 단자연결부는 상기 전극연결부보다 반경방향으로 더 외측에 배치되고,
    상기 단자연결부와 상기 전극연결부는, 상기 단자연결부의 하단부에 마련되고 상기 집전판의 연장 방향을 전환시키는 절곡부롤 통해 연결된, 배터리 셀.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 측벽부재는 상기 집전판의 단자연결부보다 축방향으로 더 외측까지 연장된, 배터리 셀.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 측벽부재에서 상기 집전판의 단자연결부보다 축방향으로 더 외측까지 연장된 구간의 내주면의 내경은, 상기 단자연결부의 내주면의 내경보다 큰, 배터리 셀.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캡의 외주면은 상기 단자연결부의 내주면과 접하는, 배터리 셀.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 캡의 가장자리에는, 그 외주면이 상기 측벽부재의 내주면과 반경방향으로 서로 마주하도록 축방향으로 연장되는 맞댐부가 마련된, 배터리 셀.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 맞댐부는, 상기 집전판의 단자연결부보다 축방향으로 더 외측까지 연장된, 배터리 셀.
  8. 청구항 6 또는 7에 있어서,
    상기 맞댐부에서 상기 집전판의 단자연결부보다 축방향으로 더 외측까지 연장된 구간의 외주면의 외경은, 상기 단자연결부의 외주면의 외경보다 작은, 배터리 셀.
  9. 청구항 6 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접부는, 적어도, 상기 측벽부재의 내주면의 축방향 외측 가장자리와, 상기 맞댐부의 외주면의 축방향 외측 가장자리와, 상기 단자연결부의 축방향 외측 가장자리가 용접되어 형성된, 배터리 셀.
  10. 청구항 6 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 맞댐부의 축방향 내측 단부에는 축방향 내측으로 볼록한 곡면 형상의 곡면부가 연결되고,
    상기 곡면부의 축방향 내측 단부가 상기 집전판과 축방향으로 간섭되어 상기 개방 단부에 대한 상기 캡의 삽입 깊이가 규제되는, 배터리 셀.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 캡에서 상기 곡면부보다 반경방향 내측에는 반경방향으로 평평하게 연장되는 받침부가 마련되고,
    상기 곡면부와 상기 받침부는, 반경방향 내측으로 갈수록 축방향 외측으로 연장되는 제1경사부를 통해 연결되는, 배터리 셀.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 받침부의 축방향 외측 표면은 상기 측벽부재와 맞댐부보다 축방향 외측으로 더 돌출된, 배터리 셀.
  13. 청구항 11 또는 12에 있어서,
    상기 캡에서 상기 받침부보다 반경방향 내측에는 반경방향으로 연장되는 구심부가 마련되고,
    상기 받침부과 구심부는, 반경방향 내측으로 갈수록 축방향 내측으로 연장되는 제2경사부롤 통해 연결된, 배터리 셀.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제2경사부가 상기 제1경사부보다 완만한 기울기를 가지는, 배터리 셀.
  15. 청구항 6 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단자연결부의 축방향 외측 가장자리는 상기 측벽부재의 축방향 외측 가장자리와 상기 맞댐부의 축방향 외측 가장자리보다 축방향으로 더 내측에 배치된, 배터리 셀.
  16. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항의 배터리 셀의 제조 방법으로서,
    상기 집전판의 단자연결부의 외주면이 상기 측벽부재의 내주면에 접촉하도록 상기 집전판을 상기 캔에 삽입하는 단계;
    상기 캡의 외주면이 상기 캔에 삽입된 집전판의 단자연결부의 내주면에 접촉하도록 상기 캡을 상기 캔에 삽입하는 단계; 및
    상기 측벽부재의 외주면과 상기 캔의 내주면이 마주하는 영역에 축방향으로 레이저를 조사하여 용접부를 형성하는 단계;를 포함하는, 배터리 셀의 제조 방법.
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