WO2024143874A1 - 배터리 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

배터리 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 Download PDF

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WO2024143874A1
WO2024143874A1 PCT/KR2023/017918 KR2023017918W WO2024143874A1 WO 2024143874 A1 WO2024143874 A1 WO 2024143874A1 KR 2023017918 W KR2023017918 W KR 2023017918W WO 2024143874 A1 WO2024143874 A1 WO 2024143874A1
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housing
battery
battery cell
current collector
electrode
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PCT/KR2023/017918
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French (fr)
Inventor
이병구
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574—Devices or arrangements for the interruption of current
    • H01M50/583—Devices or arrangements for the interruption of current in response to current, e.g. fuses
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to battery cells, battery modules, battery packs, and automobiles including the same.
  • Secondary batteries which are easy to apply depending on the product group and have electrical characteristics such as high energy density, are used not only in portable devices but also in electric vehicles (EV, Electric Vehicle) or hybrid vehicles (HEV, Hybrid Electric Vehicle) that are driven by an electrical drive source. It is universally applied. These secondary batteries not only have the primary advantage of being able to dramatically reduce the use of fossil fuels, but also have the advantage of not generating any by-products due to energy use, so they are attracting attention as a new energy source for eco-friendliness and improving energy efficiency.
  • EV Electric Vehicle
  • HEV Hybrid Electric Vehicle
  • the current collector plate and foil tab are welded for low resistance design, and since the positive current collector plate and rivet are directly welded, there is no separate electrode tab, making it easy to implement fusing. Even if the design of the positive electrode current collector is changed to allow for fusing, there is a problem in that this increases the internal resistance of the battery cell.
  • an object of the present invention is to provide a current collector capable of blocking current under conditions where a high current flows while minimizing the increase in internal resistance of a battery cell.
  • the housing coupling portion includes a contact portion coupled to the inner surface of the battery housing; And it may include a connection part connecting the support part and the contact part.
  • the fractured portion may have the form of a notch forming line including a plurality of notches.
  • At least a portion of the housing coupling portion may have a rim shape with an empty center.
  • the radial length of the venting portion may be configured to be larger than the radial length of the support portion.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 10 is a diagram for explaining a current collector according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 17 is a diagram for explaining a battery cell according to another embodiment of the present invention.
  • substantially identical may include a deviation that is considered low in the art, for example, a deviation of less than 5%. Additionally, uniformity of a parameter in a certain area may mean uniformity from an average perspective.
  • 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.
  • the direction along the longitudinal direction of the winding axis of the electrode assembly 10 wound in a jelly roll shape is referred to as the axial direction (Y).
  • the direction surrounding the winding axis is referred to as the circumferential direction or circumferential direction (X).
  • the direction approaching or moving away from the winding axis is referred to as the radial direction.
  • the direction approaching the winding axis is called the centripetal direction, and the direction moving away from the winding axis is called the centrifugal direction.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a battery cell 1 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional perspective view of FIG. 1
  • FIG. 3 is a longitudinal cross-sectional view of the battery cell 1 of FIG. 1.
  • the electrode assembly 10 includes a first uncoated portion 11 and a second uncoated portion 12. More specifically, the electrode assembly 10 has a structure in which a first electrode and a second electrode and a separator sandwiched between them are wound around a winding axis to define a core and an outer peripheral surface, with a separator interposed therebetween.
  • the electrode assembly 10 applied to the present invention may be a jelly-roll type electrode assembly 10.
  • an additional separator may be provided on the outer peripheral surface of the electrode assembly 10 to insulate it from the battery housing 20.
  • the electrode assembly 10 may have a winding structure well known in the art, without limitation.
  • the first electrode includes a first electrode current collector and a first electrode active material applied on one or both sides of the first electrode current collector.
  • An uncoated portion in which the first electrode active material is not applied exists at one end of the first electrode in the width direction (a direction parallel to the height direction of the battery cell 1 shown in FIG. 1). That is, the first electrode is not coated with an active material on a long side end along the winding direction and includes an uncoated portion exposed to the outside of the separator.
  • the uncoated portion functioning as the first electrode tab will hereinafter be referred to as the first uncoated portion 11.
  • the first uncoated portion 11 is provided on the top of the electrode assembly 10 accommodated in the battery housing 20 in the height direction (a direction parallel to the height direction of the battery cell 1 shown in FIG. 1).
  • the first electrode includes a first uncoated region 11 that is not coated with an active material layer at the long side end and is exposed to the outside of the separator, and at least a portion of the first uncoated region 11 is itself an electrode. It is used as a tab.
  • the first uncoated portion 11 may be, for example, a negative electrode tab.
  • the first uncoated portion 11 may include a plurality of segments divided along the winding direction of the electrode assembly 10.
  • the plurality of segment pieces may be bent along the radial direction of the electrode assembly 10.
  • the plurality of segmented pieces of the first uncoated portion 11 that are bent may be overlapped in multiple layers to form a bent surface.
  • the tab coupling portion 32 of the current collector 30, which will be described later, may be coupled to the bent surface.
  • the tab coupling portion 32 may be coupled to an area where a plurality of segment pieces overlap in multiple layers.
  • welding may be performed on a certain area while the tab coupling portion 32 is seated on the curved surface of the first uncoated portion 11. That is, the tab coupling portion 32 may be coupled to an area where a plurality of segment pieces of the first uncoated portion 11 overlap in multiple layers.
  • the tab coupling portion 32 while seated on the curved surface of the first uncoated portion 11, has a welded portion TW welded to a certain area. You can have at least one.
  • the second electrode includes a second electrode current collector and a second electrode active material applied on one or both sides of the second electrode current collector.
  • At the other end of the second electrode in the width direction (a direction parallel to the height direction of the battery cell 1 shown in FIG. 1), there is an uncoated portion where the second electrode active material is not applied. That is, the second electrode is not coated with an active material on a long side end along the winding direction and includes an uncoated portion exposed to the outside of the separator.
  • the uncoated portion functioning as the second electrode tab will hereinafter be referred to as the second uncoated portion 12.
  • the second uncoated portion 12 is provided at a lower portion in the height direction of the electrode assembly 10 accommodated in the battery housing 20.
  • the second electrode includes a second uncoated region 12 that is not coated with an active material layer at the long side end and is exposed to the outside of the separator, and at least a portion of the second uncoated region 12 is itself an electrode. It is used as a tab.
  • the second uncoated portion 12 may be, for example, an anode tab.
  • the positive electrode active material coated on the positive electrode plate and the negative electrode active material coated on the negative electrode plate can be used without limitation as long as they are active materials known in the art.
  • the battery housing 20 is a substantially cylindrical receptor with an opening formed on one side, and is made of a conductive metal material.
  • the side of the battery housing 20 and the lower surface located on the opposite side of the opening are generally formed as one piece. That is, the battery housing 20 generally has an open top in the height direction and a closed bottom.
  • the lower surface of the battery housing 20 may have a substantially flat shape.
  • the battery housing 20 accommodates the electrode assembly 10 through an opening formed on one side in the height direction.
  • the battery housing 20 can also accommodate electrolyte through the opening.
  • the battery housing 20 may include a beading portion 21 formed at an end adjacent to an opening provided at the top of the battery housing 20.
  • the battery housing 20 may further include a crimping portion 22 formed on the beading portion 21.
  • the beading portion 21 has a shape in which the outer peripheral surface of the battery housing 20 is press-fitted to a predetermined depth. More specifically, the beading portion 21 may have a shape press-fitted toward the inside in an area between an opening formed on one side of the battery housing 20 and a receiving portion that accommodates the electrode assembly 10.
  • the beading portion 21 is formed on the upper part of the electrode assembly 10.
  • the inner diameter of the battery housing 20 in the area where the beading portion 21 is formed is smaller than the diameter of the electrode assembly 10.
  • At least one tab coupling portion 32 of the current collector 30, which will be described later, may be located lower than the beading portion 21.
  • the beading portion 21 provides a support surface on which the housing cover 40 can be seated.
  • the beading portion 21 may provide a support surface on which at least a portion of the edge of the current collector 30, which will be described later, can be seated and coupled. That is, at least a portion of the edge of the current collector 30 of the present invention and/or the edge of the housing cover 40 may be seated on the upper surface of the beading portion 21.
  • the upper surface of the beading portion 21 is attached to the lower surface of the battery housing 20. It may have a shape that extends along a substantially parallel direction, that is, along a direction approximately perpendicular to the side wall of the battery housing 20.
  • the beading portion 21 prevents the electrode assembly 10, which may have a size approximately corresponding to the inner diameter of the battery housing 20, from coming out through the opening formed at the top of the battery housing 20, and covers the housing cover ( 40) can function as a support on which it is seated.
  • the upper beading portion 21 may function as a support portion for fixing not only the housing cover 40 but also the contact portion 33a of the current collector 30 and the sealing gasket G1.
  • the crimping part 22 is formed on the upper part of the beading part 21.
  • the crimping part 22 has a shape that is extended and bent to surround the edge of the housing cover 40 disposed on the top of the beading part 21.
  • the housing cover 40 is fixed on the beading portion 21 by the shape of the crimping portion 22.
  • the current collector 30 according to an embodiment of the present invention will be described in detail by comparing it with a conventional current collector.
  • the current collector 30 according to an embodiment of the present invention is accommodated inside the battery housing 20, is electrically connected to the electrode assembly 10, and is also connected to the battery housing. It is electrically connected to (20). That is, the current collector 30 electrically connects the electrode assembly 10 and the battery housing 20.
  • the current collector 30 includes a support portion 31 located on one side of the electrode assembly 10, a plurality of support portions 31 extending from the support portion 31 and coupled to the first uncoated portion 11. It includes a tab coupling portion 32 and a plurality of housing coupling portions 33 extending from the support portion 31 and coupled to the inner surface of the battery housing 20.
  • the tab coupling portion 32 and the housing coupling portion 33 are indirectly connected through the support portion 31 and are not directly connected to each other. Therefore, when an external impact is applied to the battery cell 1 of the present invention, damage occurs at the joining site between the current collector 30 and the electrode assembly 10 and the joining site between the current collector 30 and the battery housing 20. The possibility can be minimized.
  • At least one tab coupling portion 32 and/or housing coupling portion 33 may be provided. At least one of the tab coupling portions 32 and at least one housing coupling portion 33 may be arranged, for example, in a substantially radial shape, a cross shape, or a combination thereof with respect to the center of the current collector 30. . In another aspect, each of the plurality of housing coupling parts 33 may be disposed between adjacent tab coupling parts 32.
  • the support portion 31 and the plurality of tab coupling portions 32 are disposed on the upper part of the electrode assembly 10.
  • the tab coupling portion 32 is coupled to the first uncoated portion 11 of the electrode assembly 10.
  • the tab coupling portion 32 may be coupled to the first uncoated portion 11 along the radial direction of the electrode assembly 10 by welding, for example.
  • the tab coupling portion 32 may be welded to the first uncoated portion 11 in a state substantially parallel to the lower surface of the battery housing 20.
  • the welded portion TW formed between the first uncoated portion 11 and the tab coupling portion 32 is, for example, a substantially straight line extending along the radial direction of the electrode assembly 10.
  • a welding pattern can be formed.
  • the tab coupling portion 32 may be coupled to the first uncoated portion 11.
  • the tab coupling portion 32 and the first uncoated portion 11 may be joined by welding.
  • the support part 31 and the tab coupling part 32 are located lower than the beading part 21 when the beading part 21 is formed in the battery housing 20.
  • the support portion 31 may include a current collector 30 hole H2 formed at a position corresponding to the winding hole H1 formed at approximately the center of the electrode assembly 10.
  • the winding hole H1 and the current collector 30 hole H2 that communicate with each other are welded between the terminal 50 and the second current collector 60, which will be described later, or welded between the terminal 50 and the lead tab (not shown). It can function as a passage for insertion of a welding rod or irradiation of a laser beam.
  • the hole H2 of the current collector 30 has a diameter substantially the same as or larger than the winding hole H1 of the electrode assembly 10 so as not to obscure the winding hole H1 formed in the core of the electrode assembly 10.
  • the plurality of tab coupling portions 32 may have a shape extending approximately radially from the support portion 31 of the current collector 30 toward the side wall of the battery housing 20 . Each of the plurality of tab coupling portions 32 may be positioned spaced apart from each other along the circumference of the support portion 31 .
  • the plurality of housing coupling portions 33 may have a shape extending approximately radially from the support portion 31 of the current collector 30 toward the side wall of the battery housing 20 . Each of the plurality of housing coupling portions 33 may be positioned spaced apart from each other along the circumference of the support portion 31 . At least one housing coupling part 33 may be located between adjacent tab coupling parts 32.
  • the housing coupling portion 33 may extend from the support portion 31 and be electrically coupled to the inner surface of the battery housing 20 .
  • the housing coupling portion 33 may be coupled to the inner surface of the battery housing 20, for example, to the beading portion 21.
  • the housing coupling portion 33 may be coupled to the upper surface of the beading portion 21.
  • the electrode assembly 10 with the current collector 30 coupled thereto is accommodated in the battery housing 20 to form the housing coupling portion 33.
  • the current collector 30 may include at least one weld portion BW that is welded to the inner surface of the battery housing 20.
  • Welding for joining the battery housing 20 and the current collector 30 may include, for example, laser welding, ultrasonic welding, or spot welding.
  • the housing coupling portion 33 includes a contact portion 33a coupled to the inner surface of the battery housing 20 and a connection portion 33b connecting the support portion 31 and the contact portion 33a.
  • the first tab coupling portion 32 may have a larger width than the connecting portion 33b.
  • the contact portion 33a may have a larger width than the connecting portion 33b.
  • the contact portion 33a is coupled to the inner surface of the battery housing 20.
  • the contact portion 33a may be coupled to the beading portion 21 as described above.
  • both the beading portion 21 and the contact portion 33a extend in a direction approximately parallel to the lower surface of the battery housing 20, that is, in a direction approximately perpendicular to the side wall of the battery housing 20. It can have a shape.
  • At least a portion of the contact portion 33a may have an arc shape extending in the circumferential direction along the beading portion 21 of the battery housing 20. Accordingly, the circumferential extension length of the contact portion 33a can be formed to be longer than the width of the connection portion 33b. In this case, in order to maximize the contact area, the current collector 30 is such that the sum of the circumferential extension lengths of each contact portion 33a of the plurality of housing coupling portions 33 is substantially equal to the inner circumference of the battery housing 20. It can be configured to be the same or slightly shorter.
  • the contact portion 33a may have an arc shape extending in opposite directions along the circumferential direction on the beading portion 21 from the intersection point of the connecting portion 33b and the contact portion 33a.
  • the current collector 30 of the present invention may be provided with at least one liquid injection hole (H3).
  • the liquid injection hole H3 may be provided, for example, in the tab coupling portion 32.
  • the liquid injection hole H3 may be provided in at least one tab coupling portion 32.
  • the liquid injection hole H3 may be provided on one side or both sides of at least one welding portion TW formed on the tab coupling portion 32.
  • a combination including an electrode assembly 10 and a current collector 30 is accommodated in the battery housing 20. After doing so, the electrolyte can be injected.
  • liquid injection ability can be improved due to the liquid injection hole (H3).
  • a plurality of liquid injection holes H3 may be provided.
  • the plurality of liquid injection holes H3 may be arranged to be approximately symmetrical left and right with respect to the center of the tab coupling portion 32 in the width direction.
  • a welding portion (TW) for coupling the tab coupling portion 32 and the first uncoated portion 11 may be formed between the liquid injection holes H3 arranged to be approximately left and right symmetrical.
  • the distance A from the center of the current collector 30 to the end of the tab coupling portion 32 is the distance from the center of the winding hole H1 of the electrode assembly 10 to the battery housing 20. It may be formed to be substantially the same as or shorter than the distance B reaching the innermost part of the beading portion 21 formed in . In this case, it is possible to prevent the beading portion 21 from interfering with the current collector 30 during the sizing process, whereby the beading portion 21 presses the current collector 30 to form the current collector 30 and/ Alternatively, it is possible to prevent the electrode assembly 10 from being damaged. Additionally, as will be described later, when venting gas is generated inside the battery cell 1, the current collector 30 may be detached upward due to the venting gas.
  • a flat portion may be provided on the beading portion 21 as described above.
  • at least one welding portion (BW) formed between the beading portion 21 and the contact portion 33a is an arc-shaped weld extending approximately along the circumferential direction on the beading portion 21. Patterns can be formed.
  • the welding portion BW formed on the contact portion 33a may have a shape extending along the circumferential direction.
  • the total number of welding portions (BW) formed on the contact portion 33a may be less than or equal to the number of tab coupling portions 32.
  • the number of welded portions (BW) formed on the contact portion 33a will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 6.
  • the number of welding portions (BW) formed on the contact portion 33a is the same as the number of tab coupling portions 32. can do. That is, according to the present invention, the number of welded portions (BW) is reduced compared to the conventional current collector 30.
  • one welding portion (BW) may be provided on each contact portion (33a), for a total of four. Meanwhile, four tab coupling portions 32 may be provided.
  • the binding force may decrease. Accordingly, when venting of the battery cell 1 occurs, the current collector 30 can be more easily deformed upward. That is, when venting of the battery cell 1 occurs, the upward movement distance of the current collector 30 may further increase. For example, because the bonding force between the contact portion 33a and the beading portion 21 decreases, the contact portion 33a may be separated from the beading portion 21 to which it was welded by the venting gas ejected upward. .
  • FIGS. 6 and 7 only correspond to one embodiment of the present invention, and the number of welding portions (BW) and the number of tab joints 32 are not limited to the numbers shown in FIGS. 6 or 7. am.
  • Figure 8 corresponds only to one embodiment of the present invention, and the number of housing coupling parts 33 and the number of tab coupling parts 32 are of course not limited to the numbers shown in Figure 8.
  • the shape of the current collector 30 is symmetrical with respect to a straight line passing through the center of the current collector 30.
  • two housing coupling parts 33 are provided as shown in FIG. 8, it is preferable that they are symmetrically configured by providing one on each side with respect to a straight line passing through the center of the current collector 30.
  • an embodiment in which three housing coupling portions 33 and three tab coupling portions 32 are configured may be assumed.
  • the connecting portion 33b and the contact portion 33a may be configured to have substantially the same width along the extending direction.
  • connection portion 33b and the contact portion 33a are configured to have substantially the same width along the extending direction, and at the same time, a welding portion (BW) formed on the contact portion 33a ) may be configured to be smaller than the number of tab coupling portions 32.
  • a welding portion (BW) formed on the contact portion 33a ) may be configured to be smaller than the number of tab coupling portions 32.
  • the distance from the center of the current collector 30 to the outermost point of the support part 31 is the distance from the center of the housing cover 40 to the venting part 41. It can be configured to be smaller. According to this structure, when venting occurs in the battery cell 1, the inner area of the venting portion 41 is separated, so that the process of turning the current collector 30 over to the outside of the battery cell 1 is smooth. It can be done. Preferably, when the radial length of the venting portion 41 is configured to be larger than the distance A from the center of the current collector 30 to the end of the tab coupling portion 32, the current collector 30 The process of turning the battery cell 1 outward can be accomplished more easily. This will be described in detail below with reference to FIGS. 15 and 16.
  • the insulator (S) may have a shape that matches the inner surface of the beading portion (21).
  • an insulator 70 may be interposed between the second uncoated portion 12 and the battery housing 20 and/or between the second current collector 60 and the battery housing 20.
  • the terminal 50 may penetrate the insulator 70 for electrical connection with the second uncoated portion 12.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀은, 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 제1 전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제1 무지부를 포함하는 전극 조립체, 일 측에 개방부를 구비하고 개방부를 통해 전극 조립체를 수용하는 전지 하우징, 전극 조립체의 상부에 배치되는 지지부, 지지부로부터 연장되어 제1 무지부와 결합되는 탭 결합부 및 지지부로부터 연장되어 전지 하우징의 내면 상에 전기적으로 결합되며 전지 하우징의 내면 상에 용접 결합되는 용접부를 적어도 하나 포함하는 하우징 결합부를 포함하는 집전체, 및 개방부를 커버하는 하우징 커버를 포함하고, 용접부의 개수는, 탭 결합부의 개수보다 더 적거나 같거나; 또는 상기 지지부와 상기 하우징 결합부의 경계에는, 주변 영역보다 강도가 낮게 구성된 파단부가 구비된다.

Description

배터리 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차
본 발명은 배터리 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2022년 12월 28일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2022-0187775호 및 2023년 05월 30일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2023-0069489호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 종래의 배터리 셀의 경우 양극에 알루미늄 탭을 이용하여 전류가 흐르는 구조를 이용하여, 순간적으로 높은 전류가 흐르는 경우에도 알루미늄 탭의 퓨징을 유도하여 안전성 향상을 설계할 수 있었다.
한편, 본 발명의 구조를 갖는 배터리 셀의 경우 저저항 설계를 위해 집전판과 포일 탭의 용접을 하고, 양극 집전판과 리벳을 직접 용접하기 때문에 전극 탭이 별도로 존재하지 않아 퓨징을 구현하는 것이 용이하지 않으며, 양극 집전판의 디자인을 변경하여 퓨징되도록 설계하더라도, 이로 인한 배터리 셀 내부 저항 증가가 수반된다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 배터리 셀의 내부 저항 증가를 최소화하면서, 높은 전류가 흐르는 조건에서의 전류 차단이 가능한 집전체를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀은, 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제1 무지부를 포함하는 전극 조립체; 일 측에 개방부를 구비하고 상기 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 하우징; 상기 전극 조립체의 상부에 배치되는 지지부, 상기 지지부로부터 연장되어 상기 제1 무지부와 결합되는 탭 결합부 및 상기 지지부로부터 연장되어 상기 전지 하우징의 내면 상에 전기적으로 결합되며 상기 전지 하우징의 내면 상에 용접 결합되는 용접부를 적어도 하나 포함하는 하우징 결합부를 포함하는 집전체; 및 상기 개방부를 커버하는 하우징 커버를 포함하고, 상기 용접부의 개수는, 상기 탭 결합부의 개수보다 더 적거나 같거나; 또는 상기 지지부와 상기 하우징 결합부의 경계에는, 주변 영역보다 강도가 낮게 구성된 파단부가 구비될 수 있다.
바람직하게, 상기 하우징 결합부의 개수는, 상기 탭 결합부의 개수보다 더 적게 구성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 상기 하우징 결합부는, 상기 전지 하우징의 내면 상에 결합되는 접촉부; 및 상기 지지부와 상기 접촉부 사이를 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 연결부 및 접촉부는 연장 방향을 따라 동일한 폭을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 상기 지지부와 상기 하우징 결합부의 경계에는, 주변 영역보다 강도가 낮게 구성된 파단부가 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 파단부는, 복수의 노치를 포함하는 노치 성형 라인의 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 하우징 결합부는, 그 길이가 연신 가능하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 하우징 결합부의 적어도 일부는, 중심부가 비어 있는 림 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 하우징 커버는, 상기 전지 하우징의 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 파단되도록 구성되는 벤팅부를 구비할 수 있다.
바람직하게, 상기 벤팅부의 반경 방향 길이는, 상기 지지부의 반경 방향 길이보다 더 크도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 전지 하우징은, 상기 개방부에 인접한 단부에 형성되며 내측을 향해 압입된 비딩부를 구비할 수 있다.
여기서, 상기 배터리 셀은, 상기 비딩부와 상기 전극 조립체 사이에 개재된 인슐레이터를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 인슐레이터는, 상기 비딩부의 내면과 정합되는 형상을 갖도록 구성될 수 있다.
한편, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
아울러, 본 발명은, 자동차로서, 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공한다.
본 발명에 의하면, 배터리 셀의 내부 저항 증가를 최소화하면서, 높은 전류가 흐르는 조건에서의 전류 차단이 가능한 집전체의 제공이 가능해진다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 효과는 상술한 효과들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적인 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 종단면 사시도이다.
도 3은 도 1의 배터리 셀의 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예를 따르는 집전체를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 비교예에 해당하는 집전체를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예를 따르는 집전체를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 따르는 집전체를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 집전체를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 집전체를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 집전체를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 집전체를 설명하기 위한 도면이다.
도 12은 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 집전체를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 집전체를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 도 13의 집전체가 연신된 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 셀에서 벤팅이 일어난 후의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 도 15의 배터리 셀을 외부에서 바라본 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예를 따르는 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 도 19의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 서로 다른 실시예에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여될 수 있다.
2 개의 비교 대상이 동일하다는 언급은 '실질적으로 동일'한 것을 의미한다. 따라서 실질적 동일은 당업계에서 낮은 수준으로 간주되는 편차, 예를 들어 5% 이내의 편차를 가지는 경우를 포함할 수 있다. 또한, 소정 영역에서 어떠한 파라미터가 균일하다는 것은 평균적 관점에서 균일하다는 것을 의미할 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
설명의 편의상 본 명세서에서 젤리롤 형태로 감기는 전극 조립체(10)의 권취축의 길이방향을 따르는 방향을 축방향(Y)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축을 둘러싸는 방향을 원주방향 또는 둘레방향(X)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축에 가까워지거나 권취축으로부터 멀어지는 방향을 반경방향이라 지칭한다. 이들 중 특히 권취축에 가까워지는 방향을 구심방향, 권취축으로부터 멀어지는 방향을 원심방향이라 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 셀(1)을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 종단면 사시도이다. 도 3은 도 1의 배터리 셀(1)의 종단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(1)은 전극 조립체(10), 전지 하우징(20), 집전체(30) 및 하우징 커버(40)를 포함한다. 상기 배터리 셀(1)은, 그 밖에도 인슐레이터(S) 및/또는 단자(50) 및/또는 실링 가스켓(G1) 및/또는 절연 가스켓(G2) 및/또는 제2 집전체(60) 및/또는 절연체(70)를 더 포함할 수도 있다. 본 발명은 전지의 형상에 의해 제한되지 않으며, 다른 형상의 전지, 예컨대 각형 전지에도 적용 가능하다.
상기 전극 조립체(10)는, 제1 무지부(11) 및 제2 무지부(12)를 구비한다. 좀 더 구체적으로는, 상기 전극 조립체(10)는 그 사이에 분리막을 개재시킨 상태로 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 구조를 갖는다. 즉, 본 발명에 적용되는 전극 조립체(10)는, 젤리-롤 타입의 전극 조립체(10)일 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(10)의 외주면 상에는 전지 하우징(20)과의 절연을 위해 추가적인 분리막이 구비될 수도 있다. 상기 전극 조립체(10)는, 제한 없이, 당업계에서 잘 알려진 권취 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 제1 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제1 전극 활물질을 포함한다. 상기 제1 전극의 폭 방향(도 1에 도시된 배터리 셀(1)의 높이 방향과 나란한 방향) 일 측 단부에는 제1 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 즉, 상기 제1 전극은 권취 방향을 따라 장변 단부에 활물질이 코팅되어 있지 않으며 분리막의 외부로 노출된 무지부를 포함한다. 제1 전극 탭으로서 기능하는 상기 무지부를 이하 제1 무지부(11)로 칭하기로 한다. 상기 제1 무지부(11)는, 전지 하우징(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(도 1에 도시된 배터리 셀(1)의 높이 방향과 나란한 방향) 상부에 구비된다. 즉, 상기 제1 전극은, 장변 단부에 활물질 층이 코팅되어 있지 않으며 분리막의 외부로 노출된 제1 무지부(11)를 포함하고, 제1 무지부(11)의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되는 것이다. 상기 제1 무지부(11)는, 예를 들어 음극 탭일 수 있다.
한편, 상기 제1 무지부(11)의 적어도 일부는, 전극 조립체(10)의 권취 방향을 따라 분할된 복수의 분절편을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 분절편은, 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 밴딩될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 밴딩된 상기 제1 무지부(11)의 복수의 분절편은, 여러 겹으로 중첩되어 절곡면을 형성할 수 있다. 이 경우, 후술할 집전체(30)의 탭 결합부(32)는, 상기 절곡면 상에 결합될 수 있다. 상기 탭 결합부(32)는, 복수의 분절편이 여러 겹으로 중첩되어 있는 영역에 결합될 수 있다. 이 경우, 상기 탭 결합부(32)가 제1 무지부(11)의 절곡면 상에 안착된 상태에서, 일정 영역에 대한 용접이 실시될 수 있다. 즉, 상기 탭 결합부(32)는, 제1 무지부(11)의 복수의 분절편들이 여러 겹으로 중첩되어 있는 영역에 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 탭 결합부(32)는, 제1 무지부(11)의 절곡면 상에 안착된 상태에서, 일정 영역에 대해 용접된 용접부(TW)를 적어도 하나 구비할 수 있다.
상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 제2 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제2 전극 활물질을 포함한다. 상기 제2 전극의 폭 방향(도 1에 도시된 배터리 셀(1)의 높이 방향과 나란한 방향) 타 측 단부에는 제2 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 즉, 상기 제2 전극은 권취 방향을 따라 장변 단부에 활물질이 코팅되어 있지 않으며 분리막의 외부로 노출된 무지부를 포함한다. 제2 전극 탭으로서 기능하는 상기 무지부를 이하 제2 무지부(12)로 칭하기로 한다. 상기 제2 무지부(12)는, 전지 하우징(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향 하부에 구비된다. 즉, 상기 제2 전극은, 장변 단부에 활물질 층이 코팅되어 있지 않으며 분리막의 외부로 노출된 제2 무지부(12)를 포함하고, 제2 무지부(12)의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용되는 것이다. 상기 제2 무지부(12)는, 예를 들어 양극 탭일 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 양극판에 코팅되는 양극 활물질과 음극판에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 전지 하우징(20)은, 일 측에 개방부가 형성된 대략 원통형의 수용체로서, 도전성을 갖는 금속 재질이다. 상기 전지 하우징(20)의 측면, 그리고 상기 개방부의 반대 편에 위치하는 하면은 일체로 형성되는 것이 일반적이다. 즉, 상기 전지 하우징(20)은, 그 높이 방향 상단은 개방되어 있고, 하단은 폐쇄된 형태를 갖는 것이 일반적이다. 상기 전지 하우징(20)의 하면은 대략 플랫한 형태를 가질 수 있다. 상기 전지 하우징(20)은, 그 높이 방향 일 측에 형성된 개방부를 통해 전극 조립체(10)를 수용한다. 상기 전지 하우징(20)은, 상기 개방부를 통해 전해질도 함께 수용할 수 있다.
상기 전지 하우징(20)은, 전지 하우징(20)의 상단에 구비된 개방부에 인접한 단부에 형성되는 비딩부(21)를 구비할 수 있다. 상기 전지 하우징(20)은, 비딩부(21) 상에 형성되는 클림핑부(22)를 더 구비할 수도 있다. 상기 비딩부(21)는, 전지 하우징(20)의 외주면 둘레가 소정의 깊이로 압입된 형태를 갖는다. 좀 더 구체적으로, 상기 비딩부(21)는 전지 하우징(20)의 일 측에 형성된 개방부와 전극 조립체(10)를 수용하는 수용부 사이의 영역에서 내측을 향해 압입된 형태를 가질 수 있다.
상기 비딩부(21)는, 전극 조립체(10)의 상부에 형성된다. 상기 비딩부(21)가 형성된 영역에서의 전지 하우징(20)의 내경은, 전극 조립체(10)의 직경보다 더 작게 형성된다. 후술할 집전체(30)의 적어도 하나의 탭 결합부(32)는, 비딩부(21)보다 더 하측에 위치할 수 있다.
상기 비딩부(21)는, 하우징 커버(40)가 안착될 수 있는 지지 면을 제공한다. 또한, 상기 비딩부(21)는, 후술할 집전체(30)의 가장자리 둘레 중 적어도 일부가 안착 및 결합될 수 있는 지지 면을 제공할 수 있다. 즉, 상기 비딩부(21)의 상면에는, 본 발명의 집전체(30)의 가장자리 둘레 중 적어도 일부 및/또는 하우징 커버(40)의 가장자리 둘레가 안착될 수 있다. 상기 집전체(30)의 가장자리 둘레 중 적어도 일부 및/또는 하우징 커버(40)의 가장자리 둘레를 안정적으로 지지할 수 있도록 하기 위해, 상기 비딩부(21)의 상면은 전지 하우징(20)의 하면에 대략 나란한 방향을 따라, 즉 전지 하우징(20)의 측벽에 대략 수직한 방향을 따라 연장된 형태를 가질 수 있다.
상기 비딩부(21)는, 전지 하우징(20)의 내경과 대략 대응되는 사이즈를 가질 수 있는 전극 조립체(10)가 전지 하우징(20)의 상단에 형성된 개구부를 통해 빠져나오지 않도록 하며, 하우징 커버(40)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다. 상기 상부 비딩부(21)는 하우징 커버(40)뿐만 아니라 집전체(30)의 접촉부(33a), 실링 가스켓(G1) 등을 고정시키기 위한 지지부로서 기능할 수 있다.
상기 클림핑부(22)는, 비딩부(21)의 상부에 형성된다. 상기 클림핑부(22)는, 비딩부(21)의 상부에 배치되는 하우징 커버(40)의 가장자리 둘레를 감싸도록 연장 및 밴딩된 형태를 갖는다. 이러한 클림핑부(22)의 형상에 의해 하우징 커버(40)는 비딩부(21) 상에 고정된다.
다음은, 도 1 내지 도 14를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 집전체(30)를 종래의 집전체와 비교하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 집전체(30)는, 전지 하우징(20) 내부에 수용되며, 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결되고, 또한 전지 하우징(20)과 전기적으로 연결된다. 즉, 상기 집전체(30)는, 전극 조립체(10)와 전지 하우징(20) 사이를 전기적으로 연결한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예를 따르는 집전체(30)를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 집전체(30)는, 전극 조립체(10)의 일 면 상에 위치하는 지지부(31), 상기 지지부(31)로부터 연장되어 제1 무지부(11)와 결합되는 복수의 탭 결합부(32) 및 상기 지지부(31)로부터 연장되어 전지 하우징(20)의 내면 상에 결합되는 복수의 하우징 결합부(33)를 포함한다.
상기 탭 결합부(32)와 하우징 결합부(33)는, 지지부(31)를 통해 간접적으로 연결되며, 서로 직접 연결되지 않는다. 따라서, 본 발명의 배터리 셀(1)에 외부 충격이 가해졌을 때, 집전체(30)와 전극 조립체(10)의 결합 부위 및 집전체(30)와 전지 하우징(20)의 결합 부위에 손상 발생 가능성을 최소화 할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 탭 결합부(32) 및/또는 하우징 결합부(33)는 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 적어도 하나의 상기 탭 결합부(32)와 적어도 하나의 상기 하우징 결합부(33)는 집전체(30)의 중심부를 기준으로 예를 들어 대략 방사형, 십자형, 또는 이들이 조합된 헝태로 배치될 수 있다. 다른 측면에서, 복수의 상기 하우징 결합부(33) 각각은, 서로 인접하는 탭 결합부(32) 사이에 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 지지부(31) 및 복수의 탭 결합부(32)는 전극 조립체(10)의 상부에 배치된다. 상기 탭 결합부(32)는, 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)와 결합된다. 상기 탭 결합부(32)는, 예를 들어 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 제1 무지부(11)와 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 탭 결합부(32)는, 예를 들어 전지 하우징(20)의 하면과 대략 평행한 상태로 제1 무지부(11)에 용접 결합될 수 있다. 도 4를 참조하면, 상기 제1 무지부(11)와 탭 결합부(32) 사이에 형성되는 용접부(TW)는, 예를 들어 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 연장된 대략 직선 형상의 용접 패턴을 형성할 수 있다.
한편, 상기 탭 결합부(32) 뿐만 아니라, 상기 지지부(31) 역시 제1 무지부(11)와 결합될 수도 있다. 상기 탭 결합부(32)와 제1 무지부(11)는 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 지지부(31) 및 탭 결합부(32)는, 전지 하우징(20)에 비딩부(21)가 형성되는 경우에 있어서 비딩부(21)보다 하부에 위치한다.
상기 지지부(31)는, 전극 조립체(10)의 대략 중심부에 형성되는 권취 홀(H1)과 대응되는 위치에 형성되는 집전체(30) 홀(H2)을 구비할 수 있다. 서로 연통되는 권취 홀(H1) 및 집전체(30) 홀(H2)은, 후술할 단자(50)와 제2 집전체(60) 간의 용접 또는 단자(50)와 리드 탭(미도시) 간의 용접을 위한 용접봉의 삽입 또는 레이저 빔의 조사를 위한 통로로서 기능할 수 있다. 상기 집전체(30) 홀(H2)은, 전극 조립체(10)의 코어에 형성되는 권취 홀(H1)을 가리지 않도록 전극 조립체(10)의 권취 홀(H1)이 실질적으로 동일하거나 이보다 더 큰 직경을 가질 수 있다. 만약, 상기 집전체(30) 홀(H2)의 직경이 권취 홀(H1)의 직경보다 과도하게 작다면 권취 홀(H1)에 형성된 홀이 가려져서 주액성이 저하될 수 있고, 또한 용접을 위한 장치의 삽입이나 레이저 조사를 위한 공간이 충분히 확보되기 어려울 수 있다.
복수의 탭 결합부(32)들은 집전체(30)의 지지부(31)로부터 대략 방사상으로 전지 하우징(20)의 측벽을 향해 연장된 형태를 가질 수 있다. 복수의 탭 결합부(32)들 각각은 지지부(31)의 둘레를 따라 상호 이격되어 위치할 수 있다.
복수의 하우징 결합부(33)들은 집전체(30)의 지지부(31)로부터 대략 방사상으로 전지 하우징(20)의 측벽을 향해 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 복수의 하우징 결합부(33)들 각각은 지지부(31)의 둘레를 따라 상호 이격되어 위치할 수 있다. 서로 이웃하는 탭 결합부(32) 사이에는 적어도 하나의 하우징 결합부(33)가 위치할 수 있다.
상기 하우징 결합부(33)는, 상기 지지부(31)로부터 연장되어 상기 전지 하우징(20)의 내면 상에 전기적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 하우징 결합부(33)는, 전지 하우징(20)의 내면 중, 예를 들어 비딩부(21)에 결합될 수 있다. 특히, 상기 하우징 결합부(33)는, 비딩부(21)의 상면에 결합될 수 있다.
본 발명의 배터리 셀(1)에 있어서, 이러한 구조를 적용하는 경우, 집전체(30)가 결합된 상태의 전극 조립체(10)를 전지 하우징(20) 내에 수용시키는 공정을 통해 하우징 결합부(33)가 비딩부(21) 상에 안착될 수 있다. 따라서, 전지 하우징(20)과 집전체(30)의 용접 공정이 수월하게 진행될 수 있다. 예를 들어, 도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 비딩부(21)와 하우징 결합부(33) 사이에는 용접부(BW)가 적어도 하나 포함될 수 있다. 즉, 상기 집전체(30)는, 전지 하우징(20)의 내면 상에 용접 결합되는 용접부(BW)를 적어도 하나 포함할 수 있다. 상기 전지 하우징(20)과 집전체(30)의 결합을 위한 용접은, 예를 들어 레이저 용접, 초음파 용접 또는 스폿 용접 등이 적용될 수 있다. 또한, 비딩부(21)의 상면이 전지 하우징(20)의 하면에 대략 나란한 방향, 즉 전지 하우징(20)의 측벽에 대략 수직한 방향을 따라 연장된 형태를 갖도록 하고, 하우징 결합부(33) 역시 동일한 방향, 즉 반경 방향 및 원주 방향을 따라 연장된 형태를 갖도록 함으로써 하우징 결합부(33)가 비딩부(21) 상에 안정적으로 접촉하도록 할 수 있다. 또한, 이처럼 상기 하우징 결합부(33)가 비딩부(21) 상에 안정적으로 접촉됨에 따라 두 부품 간의 용접이 원활하게 이루어질 수 있고, 이로써 두 부품 간의 결합력 향상 및 결합 부위에서의 저항 증가 최소화 효과를 얻을 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 하우징 결합부(33)는 전지 하우징(20)의 내면 상에 결합되는 접촉부(33a) 및 지지부(31)와 접촉부(33a) 사이를 연결하는 연결부(33b)를 포함한다. 본 발명의 일 측면에서, 상기 제1 탭 결합부(32)는 연결부(33b)보다 큰 폭을 가질 수 있다. 본 발명의 다른 측면에서, 상기 접촉부(33a)는 연결부(33b)보다 큰 폭을 가질 수 있다.
상기 접촉부(33a)는, 전지 하우징(20)의 내면 상에 결합된다. 상기 전지 하우징(20)에 비딩부(21)가 형성되는 경우에 있어서, 상기 접촉부(33a)는 상술한 바와 같이 비딩부(21) 상에 결합될 수 있다. 이 경우, 안정적인 접촉 및 결합을 위해 비딩부(21) 및 접촉부(33a)는 모두 전지 하우징(20)의 하면에 대략 나란한 방향, 즉 전지 하우징(20)의 측벽에 대략 수직한 방향을 따라 연장된 형태를 가질 수 있다.
한편, 상기 접촉부(33a)는, 비딩부(21)의 상면에 용접 결합될 수 있다. 즉 용접부(BW)는 상기 비딩부(21)의 상면 영역에 형성될 수 있다. 상기 접촉부(33a)와 비딩부(21) 사이에 형성되는 용접부(BW)는, 비딩부(21)의 상면보다 좁게 형성될 수 있다.
접촉부(33a)는 적어도 일부가 전지 하우징(20)의 비딩부(21)를 따라 원주 방향으로 연장된 호 형태를 가질 수 있다. 이로써, 상기 접촉부(33a)의 원주 방향 연장 길이는 연결부(33b)의 폭보다 더 길게 형성될 수 있다. 이 경우, 접촉 면적의 극대화를 위해, 상기 집전체(30)는, 복수의 하우징 결합부(33) 각각의 접촉부(33a)의 원주방향 연장 길이의 합이 전지 하우징(20)의 내주와 실질적으로 동일하거나 약간 짧도록 구성될 수 있다. 다른 측면에서, 상기 접촉부(33a)는, 연결부(33b)와 접촉부(33a)의 교차 지점으로부터 비딩부(21) 상에서 원주 방향을 따라 서로 반대 방향으로 연장된 호 형태를 가질 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 집전체(30)는 적어도 하나의 주액 홀(H3)을 구비할 수 있다. 상기 주액 홀(H3)은, 예를 들어 탭 결합부(32)에 구비될 수 있다. 상기 탭 결합부(32)가 복수개 구비되는 경우에 있어서, 적어도 하나의 탭 결합부(32)에 상기 주액 홀(H3)이 구비될 수 있다. 상기 주액 홀(H3)은, 예를 들어 탭 결합부(32) 상에 형성되는 적어도 하나의 용접부(TW)의 일 측에 구비되거나 또는 양 측에 각각 구비될 수 있다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(1)을 제조함에 있어서, 전극 조립체(10)와 집전체(30)를 포함하는 결합체를 전지 하우징(20) 내에 수용시킨 후 전해액을 주액할 수 있다. 이 때, 상기 주액 홀(H3)로 인해 주액성이 향상될 수 있다. 하나의 탭 결합부(32)에 있어서, 상기 주액 홀(H3)은, 복수 개가 구비될 수 있다. 복수의 상기 주액 홀(H3)은, 탭 결합부(32)의 폭 방향 중심부를 기준으로 좌우로 대략 대칭되도록 배치될 수 있다. 이처럼 대략 좌우 대칭이 되도록 배치된 주액 홀(H3) 사이에는 탭 결합부(32)와 제1 무지부(11)의 결합을 위한 용접부(TW)가 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 집전체(30)의 중심부로부터 탭 결합부(32)의 단부에 이르는 거리(A)는, 전극 조립체(10)의 권취 홀(H1)의 중심부로부터 전지 하우징(20)에 형성된 비딩부(21)의 최 내측부에 이르는 거리(B)와 실질적으로 동일하거나 더 짧게 형성될 수 있다. 이 경우, 사이징 공정 시에 비딩부(21)가 집전체(30)와 간섭을 일으키는 현상을 방지할 수 있으며, 이로써 비딩부(21)가 집전체(30)를 눌러 집전체(30) 및/또는 전극 조립체(10)가 손상되는 것을 방지할 수 있게 된다. 또한, 후술할 바와 같이 배터리 셀(1) 내부에서 벤팅 가스가 발생할 경우, 벤팅 가스에 의해 집전체(30)가 상방을 향해 탈리될 수 있다. 이 때, 집전체(30)의 중심부로부터 탭 결합부(32)의 단부에 이르는 거리(A)는, 전극 조립체(10)의 권취 홀(H1)의 중심부로부터 전지 하우징(20)에 형성된 비딩부(21)의 최 내측부에 이르는 거리(B)와 실질적으로 동일하거나 더 짧게 형성되어야 집전체(30)가 배터리 셀(1)의 상방을 향해 원활하게 탈리될 수 있다. 즉 이와 같은 구조에 의하면 집전체(30)의 상방 이동 거리가 극대화될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 용접부(TW)는 각각의 탭 결합부(32)마다 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 상기 용접부(TW)는, 탭 결합부(32) 뿐만 아니라 집전체(30)의 지지부(31)에도 형성될 수 있다
상기 비딩부(21) 상에는 상술한 바와 같이 평탄부가 구비될 수 있다. 상기 비딩부(21)와 접촉부(33a) 사이에 형성되는 용접부(BW)는, 적어도 하나 이상이다. 적어도 하나의 상기 용접부(BW)는 비딩부(21) 상에서 대략 원주 방향을 따라 연장되는 직선 형상의 용접 패턴을 형성할 수 있다. 또는 본 발명의 다른 실시 형태로서, 상기 비딩부(21)와 접촉부(33a) 사이에 형성되는 적어도 하나의 용접부(BW)는, 비딩부(21) 상에서 대략 원주 방향을 따라 연장되는 호 형상의 용접 패턴을 형성할 수 있다. 상기 접촉부(33a) 상에 형성되는 용접부(BW)는, 원주 방향을 따라 연장된 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 상기 접촉부(33a) 상에 형성되는 용접부(BW)의 총 개수는, 탭 결합부(32)의 개수보다 더 적거나 같을 수 있다. 이하, 접촉부(33a) 상에 형성되는 용접부(BW)의 개수에 관해 도 4 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 비교예에 해당하는 종래의 집전체(30)를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예를 따르는 집전체(30)를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 종래의 집전체(30)에서는, 접촉부(33a) 상에 형성되는 용접부(BW)의 개수가, 탭 결합부(32)의 개수보다 더 많게 구성되어 있다. 이로써, 전지 하우징(20)과 집전체(30) 사이의 결합력이 향상될 수 있다. 그러나, 이와 같은 경우에는, 배터리 셀(1) 내에서 벤팅이 일어날 경우, 전지 하우징(20)과 집전체(30) 사이의 결합력이 강하기 때문에, 집전체(30)의 탈리가 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 있었다. 즉, 집전체(30)의 하우징 결합부(33)가 전지 하우징(20)의 비딩부(21) 상에 강력하게 결합되어 있기 때문에, 집전체(30)의 상방 이동 거리의 증가에 대한 제한이 있었다.
반면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 집전체(30)를 도시한 도 6을 참조하면, 접촉부(33a) 상에 형성되는 용접부(BW)의 개수는, 탭 결합부(32)의 개수와 동일할 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면 종래의 집전체(30)에 비해 용접부(BW)의 개수가 감소된다. 예를 들어 도 6에서는, 접촉부(33a) 상에 용접부(BW)가 1개씩 구비되어 총 4개가 구비될 수 있다. 한편, 탭 결합부(32)는 4개로 구비될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 따르는 집전체(30)를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 접촉부(33a) 상에 형성되는 용접부(BW)의 개수는, 탭 결합부(32)의 개수보다 더 적게 구성될 있다. 예를 들어 도 7에서는, 접촉부(33a) 상에 용접부(BW)가 총 2개 구비될 수 있다. 한편, 탭 결합부(32)는 4개 구비될 수 있다.
이와 같이, 접촉부(33a) 상에 형성되는 용접부(BW)의 개수가 탭 결합부(32)의 개수보다 더 적거나 같게 구성되는 구조에 의하면, 하우징 결합부(33)와 전지 하우징(20) 사이의 결합력이 감소할 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀(1)의 벤팅이 일어날 때, 집전체(30)가 상방으로 더 용이하게 변형될 수 있다. 즉, 배터리 셀(1)의 벤팅이 일어날 때, 집전체(30)의 상방 이동 거리가 더 증가할 수 있다. 예를 들어, 접촉부(33a)와 비딩부(21) 사이의 결합력이 감소하기 때문에, 상방으로 분출되는 벤팅 가스에 의해, 접촉부(33a)는 용접 결합되어 있던 비딩부(21)로부터 떨어져 나갈 수 있다. 동시에, 집전체(30)와 용접되어 있던 제1 무지부(11)와 집전체(30) 사이의 용접 결합이 해제될 수 있다. 이에 따라, 집전체(30)의 형상이 상방을 향해 휘어지도록 변형되면서 집전체(30)의 상방으로 이동할 수 있다. 따라서, 집전체(30)가 제1 무지부(11)로부터 원활하게 탈리될 수 있다. 결국, 배터리 셀(1) 내에서 퓨징 특성이 강화될 수 있다.
한편, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 해당할 뿐이며, 용접부(BW)의 개수 및 탭 결합부(32)의 개수가 도 6 또는 도 7에 도시된 개수로 한정되지 않음은 물론이다.
한편, 비딩부(21) 상에 결합된 하우징 결합부(33)는 용접부(BW)의 개수가 상대적으로 적게 구성되더라도, 어느 정도의 저항을 일정 수준으로 유지할 수 있다. 반면, 제1 무지부(11)와 탭 결합부(32) 사이의 용접부(TW)의 개수가 감소하게 되면, 배터리 셀(1) 내부 저항이 급격하게 증가하고 저항 산포도가 증가하는 정도가 심하기 때문에, 제1 무지부(11)와 탭 결합부(32) 사이의 용접부(TW) 개수를 감소시키는 것은 공정상 바람직하지 않다. 따라서, 전지 하우징(20)의 내면과 하우징 결합부(33) 사이의 용접부(BW)의 개수 감소를 통해 퓨징 특성을 확보하는 것이 바람직하다.
도 8 내지 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 집전체(30)를 설명하기 위한 도면이고, 도 14는 도 13의 집전체(30)가 연신된 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 14에 따른 집전체(30)는 앞선 실시예의 집전체(30) 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.
본 발명의 다른 측면에서, 상기 하우징 결합부(33)의 개수는, 상기 탭 결합부(32)의 개수보다 더 적게 구성될 수 있다.
예를 들어 도 8을 참조하면, 상기 하우징 결합부(33)의 개수가, 상기 탭 결합부(32)의 개수보다 더 적게 구성될 수 있다. 도 8에서는 상기 하우징 결합부(33)가 2개로 구성될 수 있다. 한편 탭 결합부(32)는 4개로 구성될 수 있다.
이와 같이, 하우징 결합부(33)의 개수가, 상기 탭 결합부(32)의 개수보다 더 적게 구성되는 구조에 의하면, 하우징 결합부(33)와 전지 하우징(20) 사이의 결합력이 감소될 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀(1)의 벤팅이 일어날 때, 집전체(30)가 상방으로 더 용이하게 변형될 수 있다 즉, 배터리 셀(1)의 벤팅이 일어날 때, 집전체(30)의 상방 이동 거리가 더 증가할 수 있다. 이와 같이, 집전체(30)가 상방으로 뒤집어지면서 변형됨에 따라, 집전체(30)와 용접되어 있던 제1 무지부(11)와 집전체(30) 사이의 결합이 용이하게 해제될 수 있다. 즉, 집전체(30)가 제1 무지부(11)로부터 원활하게 탈리될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(1) 내에서 퓨징 특성이 강화될 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 해당할 뿐이며, 하우징 결합부(33)의 개수 및 탭 결합부(32)의 개수가 도 8에 도시된 개수로 한정되지 않음은 물론이다. 다만, 집전체(30)의 형상이 집전체(30)의 중심을 지나는 직선에 대해 대칭인 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 8처럼 하우징 결합부(33)가 2개 구비될 경우에는, 집전체(30)의 중심을 지나는 직선을 기준으로 양 쪽에 각각 1개씩 구비됨으로써, 대칭으로 구성되는 것이 바람직하다. 또는, 다른 실시예로서 하우징 결합부(33)와 탭 결합부(32)가 3개씩 구성되는 실시예를 상정할 수 있다. 이 경우에도 집전체(30)의 중심을 지나는 직선을 기준으로 대칭이 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 따라서, 이와 같은 실시예에서는, 3개의 하우징 결합부(33)가 하우징 결합부(33)끼리 120도 간격으로 형성되고, 3개의 탭 결합부(32)가 탭 결합부(32)끼리 120도 간격으로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 연결부(33b) 및 접촉부(33a)는 연장 방향을 따라 실질적으로 동일한 폭을 갖도록 구성될 수 있다.
예를 들어 도 9를 참조하면, 연결부(33b) 및 접촉부(33a)의 폭이 실질적으로 동일하다. 이와 같은 구조에 의하면, 도 6 등에 개시된 집전체(30)의 연결부(33b)보다 그 폭이 좁아지게 된다. 즉, 비딩부(21) 상에 결합되는 접촉부(33a)의 면적이 감소하기 때문에, 접촉부(33a)와 비딩부(21) 사이의 결합력도 감소하게 된다. 따라서 하우징 결합부(33)와 전지 하우징(20) 사이의 결합력이 감소할 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀(1)의 벤팅이 일어날 때, 집전체(30)가 상방으로 더 용이하게 변형될 수 있다 즉, 배터리 셀(1)의 벤팅이 일어날 때, 집전체(30)의 상방 이동 거리가 더 증가할 수 있다. 즉, 집전체(30)가 전극 조립체(10)로부터 원활하게 탈리될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(1) 내에서 퓨징 특성이 강화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예로서 도 10을 참조하면, 상기 연결부(33b) 및 접촉부(33a)는 연장 방향을 따라 실질적으로 동일한 폭을 갖도록 구성되면서, 동시에 접촉부(33a) 상에 형성되는 용접부(BW)의 개수가 탭 결합부(32)의 개수보다 더 적게 구성될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면 도 9의 집전체(30)에 비해 하우징 결합부(33)와 전지 하우징(20) 사이의 결합력이 추가적으로 감소할 수 있다. 이에 따라 퓨징 특성은 추가적으로 강화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 지지부(31)와 상기 하우징 결합부(33)의 경계에는, 주변 영역보다 강도가 낮게 구성된 파단부(NL)가 구비될 수 있다. 즉, 상기 파단부(NL)는, 주변 영역보다 구조적으로 취약하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 파단부(NL)는, 주변 영역보다 그 두께가 작도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 파단부(NL)는, 주변 영역보다 밀도가 작게 구성될 수도 있다.
도 11을 참조하면, 상기 지지부(31)와 상기 하우징 결합부(33)의 경계에 파단부(NL)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 파단부(NL)는 복수의 노치를 포함하는 노치 성형 라인의 형태를 가질 수 있다. 즉, 상기 파단부(NL)는 대략 직선 형상으로 구비될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 지지부(31)와 상기 연결부(33b)의 경계에 파단부(NL)가 구비될 수 있다. 도면에 도시되지는 않았으나, 다른 실시 형태로서, 상기 파단부(NL)는 연결부(33b) 상에 구비될 수도 있다. 또는, 상기 파단부(NL)는, 연결부(33b)와 접촉부(33a)의 경계에 구비될 수도 있다.
이와 같이, 지지부(31)와 하우징 결합부(33)의 경계에 파단부(NL)가 구비되는 구조에 의하면, 배터리 셀(1)의 벤팅이 일어나면서, 집전체(30)가 상방으로 휘어지면서 그 형태가 변형될 때, 파단부(NL)에 강한 압력이 가해져서 파단부(NL) 부분에서 파단이 일어날 수 있다. 이에 따라, 집전체(30)의 지지부(31)가 하우징 결합부(33)와 분리될 수 있다. 이 때, 제1 무지부(11)와 용접 결합되어 있던 탭 결합부(32)도 하우징 결합부(33)로부터 함께 분리될 수 있다. 즉, 벤팅이 일어나면, 파단부(NL) 부위가 뜯어지면서, 집전체(30)가, 지지부(31) 및 탭 결합부(32)를 포함하는 한 부분과, 하우징 결합부(33)에 해당하는 다른 부분으로 나눠질 수 있다. 결과적으로, 파단부(NL) 부위의 파단으로 인해 퓨징 특성이 강화될 수 있다.
한편, 이 경우, 후술할 인슐레이터(S)가 비딩부(21)와 전극 조립체(10) 사이에 개재될 수 있다. 이 때, 상기 인슐레이터(S)에 의해, 비딩부(21)를 통해 전극 조립체(10)와 전지 하우징(20)의 전기적 연결이 지속되는 것을 더욱 확실하게 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 지지부(31)와 상기 탭 결합부(32)의 경계에는, 주변 영역보다 강도가 낮게 구성된 파단부(NL)가 구비될 수 있다.
예를 들어, 도 12를 참조하면, 지지부(31)와 하우징 결합부(33)의 경계뿐만 아니라 지지부(31)와 탭 결합부(32)의 경계에도 파단부(NL)가 구비될 수 있다.
이와 같은 구조에 의하면, 벤팅이 일어나면서 집전체(30)가 상방으로 변형될 때, 파단부(NL)에 강한 압력이 가해져서 파단부(NL) 부분에서 파단이 일어남으로써 집전판의 지지부(31)만 지지부(31)의 주변 영역으로부터 분리될 수 있다. 지지부(31)가 탭 결합부(32)와 하우징 결합부(33)를 간접적으로 연결해주는 역할을 하고 있기 때문에, 지지부(31)가 집전체(30)로부터 분리되면, 탭 결합부(32)와 하우징 결합부(33) 사이의 전기적 연결은 차단될 수 있다. 더욱이, 본 실시예에서는 파단부(NL)가 지지부(31)의 둘레를 따라 구비되어 있기 때문에, 벤팅 시 지지부(31)의 이탈 확률은 더 높아질 수 있다. 이에 따라 퓨징 특성이 추가적으로 강화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 하우징 결합부(33)는, 그 길이가 연신 가능하도록 구성될 수 있다.
도 13 및 도 14를 참조하여 설명하면, 즉, 하우징 결합부(33)는, 하우징 결합부(33)를 잡아당겼을 때의 길이가 하우징 결합부(33)를 잡아당기지 않았을 때의 길이보다 길게 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 하우징 결합부(33)의 적어도 일부는 중심부가 비어 있는 림(Rim) 형태를 갖도록 구성될 수 있다. 특히, 하우징 결합부(33)의 연결부(33b)는, 중심부가 비어 있는 림(Rim) 형태를 갖도록 구성될 수 있다.
여기서, 림(rim) 형태란, 원형을 포함하지만, 반드시 원형으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명에서 의미하는 림 형태는, 삼각형, 사각형과 같은 다각형 구조일 수도 있으며, 테두리가 굴곡진 특정 형상을 의미할 수도 있다. 즉, 본 발명에서 말하는 림 형태란, 중심부가 비어 있고 테두리가 연속된 형상을 갖는 모든 형태를 포함한다고 할 것이다.
예를 들어 본 발명의 일 실시 형태로서, 상기 하우징 결합부(33)의 적어도 일부는 도 13과 같이 평면 형상이 타원형의 링 형태를 갖도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 하우징 결합부(33)의 연결부(33b)의 평면 형상은 타원형의 링 형태일 수 있다. 여기서, 연결부(33b)의 연신에 의해 타원의 장축이 길어지고 단축이 짧아질 수 있다. 또는, 도면에 도시되지는 않았으나, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 상기 하우징 결합부(33)는 평면 형상이 마름모 꼴을 가질 수도 있다.
이와 같은 구조에 의하면, 집전체(30)를 배터리 셀(1)에 조립할 때, 연결부(33b)가 용이하게 연신될 수 있다. 즉, 별도의 구조물의 필요 없이, 하나의 판재로 구성된 집전체(30)가 주름이나 파손 없이 연신될 수 있다. 구체적으로, 도 3을 참조하면, 집전체(30)의 지지부(31)는 집전체(30)의 하우징 결합부(33)의 접촉부(33a)와 배터리 셀(1)의 중심축 방향으로 소정 거리 이격된 상태를 갖는다. 그렇게 되기 위해서는 도 13의 평면 형상의 집전체(30)가 상하 방향으로 연신되면서 변형되어야 한다. 예를 들어, 지지부(31)와 연결부(33b)의 경계와 연결부(33b)의 접촉부(33a)의 경계에서 각각 절곡이 이루어질 수 있다. 이 때, 집전체(30)의 중심으로부터 하우징 결합부(33)의 말단까지의 반경 방향 길이가 일정하게 유지되기 위해서는 연결부(33b)의 길이가 길어져야 한다. 따라서, 도 14와 같이 하우징 결합부(33)의 절곡이 발생할 때, 타원형의 링 형상이 변형되면서 하우징 결합부(33)는 그 연장 방향을 따라 연신될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 하우징 커버(40)는, 전지 하우징(20) 내부에 발생된 가스로 인한 내압 증가를 방지하기 위해 형성되는 벤팅부(41)를 구비할 수 있다. 상기 벤팅부(41)는, 상기 전지 하우징(20)의 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 파단되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 벤팅부(41)는, 하우징 커버(40)의 일부에 형성되며 내부 압력이 가해졌을 때 용이하게 파단될 수 있도록 주변 영역보다 구조적으로 취약한 영역일 수 있다. 상기 벤팅부(41)는, 예를 들어 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역일 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 벤팅부(41)는 대략 원형의 폐루프를 구성할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 상기 벤팅부(41)의 반경 방향 길이는, 상기 지지부(31)의 반경 방향 길이보다 더 크게 구성될 수 있다. 바람직하게, 상기 벤팅부(41)의 반경 방향 길이는, 집전체(30)의 중심부로부터 탭 결합부(32)의 단부에 이르는 거리(A)보다 더 크게 구성될 수 있다.
예를 들어 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 집전체(30)의 중심으로부터 지지부(31)의 최외측 지점까지 이르는 거리는, 상기 하우징 커버(40)의 중심으로부터 벤팅부(41)까지 이르는 거리보다 더 작게 구성될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 배터리 셀(1)에서 벤팅이 일어났을 때, 벤팅부(41)의 내측 영역이 탈리되어 나감으로써, 집전체(30)가 배터리 셀(1) 외부로 뒤집어지는 과정이 원활하게 이루어질 수 있다. 바람직하게, 상기 벤팅부(41)의 반경 방향 길이는, 집전체(30)의 중심부로부터 탭 결합부(32)의 단부에 이르는 거리(A)보다 더 크게 구성될 경우, 집전체(30)가 배터리 셀(1) 외부로 뒤집어지는 과정이 보다 더 수월하게 이루어질 수 있다. 이에 대해서는 이하 도 15 및 도 16을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예를 따르는 배터리 셀(1)에서 벤팅이 일어난 후의 상태를 설명하기 위한 도면이고, 도 16은 도 15의 배터리 셀(1)을 외부에서 바라본 모습을 설명하기 위한 도면이다.
어떠한 이유로 배터리 셀(1)의 내부에서 열적 이벤트가 발생하여 벤팅 가스가 발생할 수 있고, 벤팅 가스에 의해 전지 하우징(20) 내부의 압력이 높아질 수 있다. 이 때, 벤팅부(41)는, 배터리 셀(1)의 내부 압력이 증가할 때 용이하게 파단될 수 있도록 주변 영역보다 구조적으로 취약한 영역에 해당하기 때문에, 벤팅부(41)에서 파단이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 하우징 커버(40) 중 벤팅부(41)의 내측 영역에 해당하는 부분이 상방을 향해 뜯어져 나갈 수 있다. 즉, 배터리 셀(1)의 상부에서 보았을 때, 벤팅부(41)의 내측 영역이 뚫린 상태가 될 수 있다. 동시에, 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 상방으로 분출된 고압의 벤팅 가스에 의해, 하우징 커버(40) 중 벤팅부(41)의 외측 영역에 해당하는 부분이 상방을 향해 휘어질 수 있다.
한편, 상방으로 분출된 고압의 벤팅 가스에 의해, 벤팅 가스에 의해 집전체(30)도 상방을 향해 탈리될 수 있다. 즉, 집전체(30)와 제1 무지부(11) 사이의 용접부(TW)가 뜯어질 수 있다. 결국, 도 15 및 도 16과 같이 집전체(30)가 상방을 향해 이동할 수 있다. 집전체(30)의 여러 부위 중에서 특히 지지부(31)의 이동 거리가 가장 크기 때문에, 지지부(31)가 배터리 셀(1) 외부로 원활하게 이동하기 위해서는 하우징 커버(40)의 탈리된 영역이 지지부(31)의 크기보다 더 크거나 같은 것이 바람직하다. 즉, 본 발명의 상기 벤팅부(41)의 반경 방향 길이가 상기 지지부(31)의 반경 방향 길이보다 더 크거나 같은 구조에 의하면 집전체(30)의 상방 이동 거리가 극대화될 수 있다.
한편, 본 발명과 같이 접촉부(33a) 상에 형성되는 용접부(BW)의 총 개수가, 탭 결합부(32)의 개수보다 더 적거나 같도록 구성되는 구조에 의하면, 하우징 결합부(33)와 전지 하우징(20) 사이의 결합력이 감소할 수 있다. 예를 들어, 집전체(30)가 전지 하우징(20)의 내면으로부터 탈리될 수 있다. 특히, 접촉부(33a)가 도 15에 도시된 화살표 방향을 향해 비딩부(21)의 상면으로부터 탈리될 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀(1)의 벤팅이 일어날 때, 집전체(30)가 상방으로 더 용이하게 변형될 수 있다. 즉, 배터리 셀(1)의 벤팅이 일어날 때, 집전체(30)의 상방 이동 거리가 더 증가할 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예를 따르는 배터리 셀(1)을 설명하기 위한 도면이고, 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 배터리 셀(1)을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 도 17을 참조하면, 상기 배터리 셀(1)은, 상기 비딩부(21)와 상기 전극 조립체(10) 사이에 개재된 인슐레이터(S)를 포함할 수 있다. 상기 인슐레이터(S)는 절연 성능을 갖는 소재를 포함할 수 있다. 상기 인슐레이터(S)는 예를 들어 테이프 또는 시트 형상을 가질 수 있다.
이와 같이 절연 성능을 갖는 인슐레이터(S)가 비딩부(21)와 전극 조립체(10) 사이에 개재된 구조에 의하면, 집전체(30)가 탈리된 후에도 잔여 접촉부(33a)가 발생하여 퓨징이 확실히 이루어지지 않는 현상을 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 인슐레이터(S)가 도 17과 같이 비딩부(21)와 전극 조립체(10) 사이에 개재됨으로써, 전류 패스(path)가 형성되는 것을 차단할 수 있다.
바람직하게, 상기 인슐레이터(S)는, 상기 비딩부(21)의 내면과 정합되는 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 도 18을 참조하면, 인슐레이터(S)가 비딩부(21)를 향해 상방으로 절곡 연장된 형태를 가질 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 제1 무지부(11)와 전지 하우징(20)의 접촉을 확실하게 차단할 수 있다. 즉, 도 18과 같이 벤팅 가스의 압력에 의해 집전체(30)가 상방으로 이동하면서, 집전체(30)와 용접되어 있던 제1 무지부(11)도 상방으로 휘어지도록 변형될 수 있다. 이에 따라, 상방으로 휘어진 제1 무지부(11)가 전지 하우징(20)의 내면과 접촉할 가능성이 증가한다. 특히, 비딩부(21)는 전지 하우징(20)의 내측으로 내입된 구조를 갖기 때문에, 상방으로 휘어진 제1 무지부(11)와 접촉할 확률이 더 높아질 수 있다. 즉, 제1 무지부(11)와 전지 하우징(20)의 접촉에 의해 전류 패스가 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명과 같이 인슐레이터(S)가 비딩부(21)의 내면과 정합되는 형상을 가지는 구조에 의하면, 인슐레이터(S)가 비딩부(21)의 내면을 감싸주기 때문에, 제1 무지부(11)가 비딩부(21)와 맞닿는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 전류 패스가 형성되는 것을 확실하게 차단할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 하우징 커버(40)는, 전지 하우징(20)의 일 측에 형성된 상기 개방부를 커버한다. 상기 하우징 커버(40)는, 전지 하우징(20) 상단에 형성되는 클림핑부(22)에 의해 고정될 수 있다. 이 경우, 고정력의 향상 및 전지 하우징(20)의 밀폐성 향상을 위해 전지 하우징(20)과 하우징 커버(40) 사이 및 집전체(30)와 하우징 커버(40) 사이에는 실링 가스켓(G1)이 개재될 수도 있다. 이 경우, 상기 접촉부(33a) 및/또는 제2 접촉부는, 전지 하우징(20)의 비딩부(21)와 실링 가스켓(G1) 사이에 개재될 수 있다. 이처럼 비딩부(21)와 실링 가스켓(G1) 사이에 개재된 접촉부(33a) 및/또는 제2 접촉부는, 비딩부(21)로부터 상방으로 연장되는 클림핑부(22)의 절곡에 의해 고정될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 단자(50)는, 전지 하우징(20)의 개방부의 반대 편에서 전지 하우징(20)을 관통하여 전극 조립체(10)의 제2 무지부(12)와 전기적으로 연결된다. 상기 단자(50)는, 전지 하우징(20)의 하면의 대략 중심부를 관통할 수 있다. 상기 단자(50)는, 예를 들어 제2 무지부(12)에 결합되는 제2 집전체(60)와 결합되거나 또는 제2 무지부(12)에 결합되는 리드 탭(미도시)과 결합됨으로써 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 상기 단자(50)는 전극 조립체(10)의 제2 전극과 동일한 극성을 가지며, 제2 전극 단자(T2)로서 기능할 수 있다. 상기 제2 무지부(12)가 양극 탭인 경우, 단자(50)는 양극 단자로서 기능할 수 있다.
이러한 단자(50)의 극성 및 기능을 고려할 때, 단자(50)는 이와 반대 극성을 갖는 전지 하우징(20)과는 절연 상태를 유지해야 한다. 이를 위해, 단자(50)와 전지 하우징(20) 사이에는 절연 가스켓(G2)이 적용될 수 있다. 이와는 달리, 단자(50)의 표면 중 일부에 절연성 물질로 코팅을 함으로써 절연을 실현할 수도 있다.
마찬가지 이유에서, 제2 무지부(12) 및/또는 제2 집전체(60)는 전지 하우징(20)과 절연 상태를 유지해야 한다. 이를 위해, 상기 제2 무지부(12)와 전지 하우징(20) 사이 및/또는 제2 집전체(60)와 전지 하우징(20) 사이에는 절연체(70)가 개재될 수 있다. 상기 절연체(70)가 적용되는 경우, 제2 무지부(12)와의 전기적 연결을 위해 단자(50)는 절연체(70)를 관통할 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 전지 하우징(20)의 상단에 구비된 개방부의 반대편에 위치하는 폐쇄부의 외부면(20a)은 제1 전극 단자(T1)로서 기능할 수 있다. 상기 제1 무지부(11)가 음극 탭인 경우, 제1 전극 단자(T1)는 음극 단자일 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 셀(1)은, 이처럼 전지 하우징(20)의 개방부 반대 편에 위치하는 하면 상에 노출되는 단자(50)를 제2 전극 단자(T2)로서 이용할 수 있고, 전지 하우징(20)의 하면 중 단자(50)가 차지하는 영역(절연 가스켓(G2)이 폐쇄부의 외부면(20a) 상에서 단자(50)의 외측으로 노출된 경우에는 절연 가스켓(G2)이 노출된 영역도 포함)을 제외한 나머지 영역을 제1 전극 단자(T1)로 이용할 수 있는 구조를 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 셀(1)은, 복수의 배터리 셀(1)을 전기적으로 연결함에 있어서 일 방향에서 양극/음극을 모두 연결할 수 있어 전기적 연결 구조를 간소화 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 셀(1)은, 전지 하우징(20)의 개방부 반대 편에 위치한 하면의 대부분을 전극 단자로 이용 가능한 구조를 가지므로, 전기적 연결을 위한 부품을 용접할 수 있는 충분한 면적의 확보가 가능한 장점을 갖는다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 제2 집전체(60)는, 전극 조립체(10)의 하부에 결합된다. 상기 제2 집전체(60)는, 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며, 제2 무지부(12)와 전기적으로 결합된다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 배터리 셀(1)이 전기적으로 연결된 전지 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(2)을 포함한다. 본 발명의 도면에서는, 도면 도시의 편의상 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 전력 단자 등의 부품은 생략되었다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는, 예를 들어 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 포함한다. 상기 자동차(5)는, 4륜 자동차 및 2륜 자동차를 포함한다. 상기 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구 범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
[부호의 설명]
5: 자동차
3: 배터리 팩
2: 팩 하우징
1: 배터리 셀
10: 전극 조립체
11: 제1 무지부
12: 제2 무지부
H1: 권취 홀
20: 전지 하우징
20a: 폐쇄부의 외부면
T1: 제1 전극 단자
21: 비딩부
22: 클림핑부
30: 집전체(제1 집전체)
H2: 집전체 홀
31: 지지부
32: 탭 결합부
H3: 주액 홀
33: 하우징 결합부
33a: 접촉부
33b: 연결부
NL: 파단부
40: 하우징 커버
41: 벤팅부
G1: 실링 가스켓
S: 인슐레이터
50: 단자
T2: 제2 전극 단자
G2: 절연 가스켓
60: 제2 집전체
N: 전류 차단부
70: 절연체

Claims (15)

  1. 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 권취 축을 중심으로 권취되어 코어와 외주면을 정의한 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 권취 방향을 따라 활물질층이 코팅되어 있지 않은 제1 무지부를 포함하는 전극 조립체;
    일 측에 개방부를 구비하고 상기 개방부를 통해 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 하우징;
    상기 전극 조립체의 상부에 배치되는 지지부, 상기 지지부로부터 연장되어 상기 제1 무지부와 결합되는 탭 결합부 및 상기 지지부로부터 연장되어 상기 전지 하우징의 내면 상에 전기적으로 결합되며 상기 전지 하우징의 내면 상에 용접 결합되는 용접부를 적어도 하나 포함하는 하우징 결합부를 포함하는 집전체; 및
    상기 개방부를 커버하는 하우징 커버
    를 포함하고,
    상기 용접부의 개수는, 상기 탭 결합부의 개수보다 더 적거나 같거나; 또는 상기 지지부와 상기 하우징 결합부의 경계에는, 주변 영역보다 강도가 낮게 구성된 파단부가 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징 결합부의 개수는, 상기 탭 결합부의 개수보다 더 적은 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징 결합부는,
    상기 전지 하우징의 내면 상에 결합되는 접촉부; 및
    상기 지지부와 상기 접촉부 사이를 연결하는 연결부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 연결부 및 접촉부는 연장 방향을 따라 동일한 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 파단부는,
    복수의 노치를 포함하는 노치 성형 라인의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지부와 상기 탭 결합부의 경계에는, 주변 영역보다 강도가 낮게 구성된 파단부가 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징 결합부는,
    그 길이가 연신 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징 결합부의 적어도 일부는,
    중심부가 비어 있는 림 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징 커버는,
    상기 전지 하우징의 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 파단되도록 구성되는 벤팅부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 벤팅부의 반경 방향 길이는,
    상기 지지부의 반경 방향 길이보다 더 큰 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지 하우징은,
    상기 개방부에 인접한 단부에 형성되며 내측을 향해 압입된 비딩부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은,
    상기 비딩부와 상기 전극 조립체 사이에 개재된 인슐레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 인슐레이터는,
    상기 비딩부의 내면과 정합되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 배터리 셀을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제 14 항에 기재된 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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