WO2025249697A1 - 이차 전지 - Google Patents

이차 전지

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WO2025249697A1
WO2025249697A1 PCT/KR2025/000561 KR2025000561W WO2025249697A1 WO 2025249697 A1 WO2025249697 A1 WO 2025249697A1 KR 2025000561 W KR2025000561 W KR 2025000561W WO 2025249697 A1 WO2025249697 A1 WO 2025249697A1
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electrode
electrode assembly
plate
secondary battery
paragraph
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PCT/KR2025/000561
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조윤종
최우혁
김명섭
유관현
유윤선
배현수
정용훈
김은지
고성귀
전우태
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Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Samsung SDI Co Ltd
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    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0587—Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/147—Lids or covers
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    • H01M50/559—Terminals adapted for cells having curved cross-section, e.g. round, elliptic or button cells
    • 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
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • 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
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present disclosure relates to a secondary battery.
  • Secondary batteries are power storage systems that offer superior energy density by converting electrical energy into chemical energy and storing it. Compared to non-rechargeable primary batteries, secondary batteries are rechargeable and are widely used in IT devices such as smartphones, cellphones, laptops, and tablet PCs. Recently, interest in electric vehicles has grown to prevent environmental pollution, leading to the adoption of high-capacity secondary batteries in electric vehicles. These secondary batteries require high density, high output, and stability.
  • the upper and lower surfaces of the electrode assembly have surface roughness, a protrusion with increased surface roughness is provided on the surface of the current collector plate that comes into contact with the upper and lower surfaces of the electrode assembly, thereby improving contact force and reducing contact resistance.
  • a secondary battery includes an electrode assembly having a first electrode plate, a separator, and a second electrode plate, a case in which the electrode assembly is accommodated, a terminal penetrating the case, and a first collector plate interposed between an upper surface of the electrode assembly and the case and electrically connecting the first electrode plate and the terminal, wherein the first collector plate includes a lower surface in contact with the upper surface of the electrode assembly and an upper surface opposite to the lower surface, and the lower surface of the first collector plate has a protrusion protruding in the direction of the electrode assembly, and a surface roughness of the protrusion may be greater than a surface roughness of the upper surface of the first collector plate.
  • the first collector plate may include a terminal connection portion in a circular plate shape that contacts and is electrically connected to the lower surface of the terminal, and a plate connection portion that contacts and is electrically connected to the first electrode tab exposed to the upper surface of the electrode assembly and is located on the outside of the terminal connection portion.
  • the above electrode plate connecting portion extends in the diametric direction, has a welding area welded to the upper surface of the electrode assembly, and has a protrusion provided in an area other than the welding area, and at least two of the protrusions may be provided in the diametric direction of the electrode plate connecting portion.
  • the upper surface of the above-mentioned plate connection part may be a flat plane.
  • the upper surface of the above-mentioned plate connection part may be provided with a concave portion corresponding to the above-mentioned protrusion.
  • the lower surface of the above-mentioned electrode plate connection part is roughened, so that the surface roughness may be greater than that of the upper surface of the above-mentioned electrode plate connection part.
  • the height of the above-mentioned protrusion may be equal to or lower than the height of the winding end protrusion that comes into contact with the winding end region of the electrode assembly and the height of the winding end protrusion that comes into contact with the winding end of the electrode assembly, which is located in the middle region other than the above-mentioned region.
  • the first electrode plate further includes a plurality of first electrode tabs that protrude upward from the upper surface of the electrode assembly and are bent and pressed in the winding axis direction of the electrode assembly,
  • the second electrode plate may further include a plurality of second electrode tabs that protrude downward from the lower surface of the electrode assembly and are bent and pressed in the direction of the winding axis of the electrode assembly.
  • the above electrode assembly may have a cumulative thickness, which is a height at which the first electrode tab is bent and compacted, that is, a central region higher than the winding leading edge and winding ending.
  • the electrode assembly may further include a second collector plate in the shape of a circular plate corresponding to the lower surface of the electrode assembly, and in contact with and electrically connected to the second electrode tab exposed to the lower surface of the electrode assembly.
  • the second collector plate has a circular flat surface in contact with the lower surface of the electrode assembly
  • It may include an extension extending downward from the edge of the above-mentioned flat portion and contacting the case.
  • the above-mentioned flat portion includes a plurality of protrusions protruding toward the lower surface of the electrode assembly on the upper surface of the second collector plate, and the surface roughness of the protrusions may be greater than the surface roughness of the lower surface of the second collector plate.
  • the surface roughness of the upper surface of the second collector plate may be greater than the surface roughness of the lower surface of the second collector plate.
  • the case includes an upper portion; and a body portion extending downward from an edge of the upper portion, wherein the terminal penetrates the upper portion of the case and can be coupled to the first collector plate.
  • the above case may further include a cap plate that seals the lower end of the body portion.
  • the case may further include a lower portion; and a body portion extending upward from an edge of the lower portion, and a cap plate sealing an upper end of the body portion.
  • the terminal can be coupled to the first collector plate by penetrating the cap plate.
  • the surface roughness of the lower surface of the above electrode assembly may be greater than the surface roughness of the upper surface.
  • the plurality of first electrode tabs may be arranged in a plurality of places spaced apart from each other along the winding direction, in the first bare portion where no electrode active material is applied on the first electrode plate.
  • the above plurality of first electrode tabs may not be provided at the winding tip and winding end of the first electrode plate.
  • a protrusion having a high surface roughness is provided on the surface of the current collector plate that comes into contact with the upper and lower surfaces of the electrode assembly, thereby improving contact force and thereby reducing contact resistance, a secondary battery can be provided.
  • Figure 1 is a perspective view illustrating a secondary battery according to the present invention.
  • Figure 2 is a cross-sectional view of the secondary battery illustrated in Figure 1.
  • Figure 3 is a perspective view illustrating an electrode assembly in the secondary battery of Figure 1.
  • Figure 4 is a cross-sectional view of the electrode assembly of Figure 3.
  • Figure 5 is an exploded perspective view of the secondary battery of Figure 1, with the electrode assembly and the collector plate disassembled.
  • Fig. 6 is a cross-sectional view of the electrode assembly and the collector plate combined in Fig. 5.
  • Figure 7 is a plan view showing four areas randomly selected from the upper and lower surfaces of the electrode assembly in Figure 5.
  • Figure 8 is a bottom view of the first collector plate of the secondary battery illustrated in Figure 1.
  • Figures 9 to 12 are various examples of cross-sectional views taken along line A-A' in the first collector plate of the secondary battery of Figure 8.
  • FIGS. 13 to 16 are plan views illustrating various examples of the first collector plate in the secondary batteries illustrated in FIGS. 1 to 6.
  • Figure 17 is a cross-sectional view illustrating a secondary battery according to the present invention.
  • FIGS. 18A and 18B are perspective views illustrating a battery pack including an exemplary secondary battery according to the present invention.
  • FIGS. 19A and 19B are perspective and side views illustrating a vehicle including an exemplary battery pack according to the present invention.
  • first and second are used to describe various components, these components are not limited by these terms. These terms are used solely to distinguish one component from another, and unless otherwise specified, a “first” component may also be a “second” component.
  • Any configuration being placed “on (or under)” or “above (or below)” a component may mean not only that any configuration is placed in contact with the upper surface (or lower surface) of said component, but also that other configurations may intervene between said component and any configuration placed on (or below) said component.
  • a component is “connected,” “coupled,” or “connected” to another component
  • the components may be directly connected or connected to each other, but that other components may also be “interposed” between the components, or that each component may be “connected,” “coupled,” or “connected” through another component.
  • a part is electrically coupled to another part, this includes not only cases where they are directly connected, but also cases where they are connected with another element in between.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a secondary battery according to the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the secondary battery illustrated in FIG. 1.
  • a secondary battery (100) may include an electrode assembly (110), a case (120) that accommodates the electrode assembly (110) and an electrolyte (optional) therein, and a terminal (150) coupled to a terminal hole (122a) provided at one end of the case (120), for example, an upper end.
  • the secondary battery (100) may include a cap plate (160) that seals the other end of the case (110), for example, a lower end.
  • the cap plate (160) is coupled with the case (120) to accommodate the electrode assembly (110) therein, and thus may be viewed as a part of the case (120).
  • the secondary battery (100) may further include a first collector plate (130) that electrically connects the first electrode (111) of the electrode assembly (110) and the terminal (150) and a second collector plate (140) that electrically connects the second electrode (112) of the electrode assembly (110) and the case (120).
  • the electrode assembly (110) may include a separator (113), a first electrode plate (111) and a second electrode plate (112) positioned with the separator (113) between them, and may be wound in a jelly-roll shape.
  • the first electrode plate (111) may include a first substrate and a first active material layer positioned on the first substrate.
  • a first electrode tab (111b) may extend outward from a first electrode non-conductive portion (111a) of the first substrate where the first active material layer is not positioned, and the first electrode tab (111b) may be electrically connected to a terminal (150) via a first current collector (130).
  • the second electrode plate (112) may include a second substrate and a second active material layer positioned on the second substrate.
  • a second electrode tab (112b) may extend outward from a second electrode non-conductive portion (112a) of the second substrate where the second active material layer is not positioned, and the second electrode tab (112b) may be electrically connected to a case (120) via a second current collector (140).
  • the first electrode tab (111b) and the second electrode tab (112b) may be positioned in opposite directions in the electrode assembly (110).
  • the first electrode plate (111) may function as an anode.
  • the first substrate may be composed of, for example, aluminum foil, and the first active material layer may include, for example, a transition metal oxide.
  • the second electrode plate (112) may function as an anode.
  • the second substrate may be composed of, for example, copper foil or nickel foil, and the second active material layer may include, for example, graphite.
  • the separator (113) functions to prevent short circuiting between the first electrode (111) and the second electrode (112) while allowing the movement of lithium ions.
  • the separator (113) may be composed of, for example, a polyethylene film, a polypropylene film, a polyethylene-polypropylene film, etc.
  • a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium may be used as the cathode active material.
  • a lithiated intercalation compound a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium
  • one or more of a composite oxide of lithium and a metal selected from the group consisting of cobalt, manganese, nickel, and combinations thereof may be used.
  • the above composite oxide may be a lithium transition metal composite oxide, and specific examples thereof include lithium nickel-based oxide, lithium cobalt-based oxide, lithium manganese-based oxide, lithium iron phosphate-based compound, cobalt-free nickel-manganese-based oxide, or a combination thereof.
  • A is Ni, Co, Mn, or a combination thereof
  • X is Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, a rare earth element, or a combination thereof
  • D is O, F, S, P, or a combination thereof
  • G is Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, or a combination thereof
  • L1 is Mn, Al, or a combination thereof.
  • a positive electrode for a lithium secondary battery may include a current collector (e.g., a first substrate) and a positive electrode active material layer formed on the current collector.
  • the positive electrode active material layer includes a positive electrode active material and may further include a binder and/or a conductive material.
  • the content of the positive electrode active material may be 90 wt% to 99.5 wt% with respect to 100 wt% of the positive electrode active material layer, and the contents of the binder and conductive material may be 0.5 wt% to 5 wt%, respectively, with respect to 100 wt% of the positive electrode active material layer.
  • Aluminum may be used as the current collector, but is not limited thereto.
  • the negative electrode active material includes a material capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions, lithium metal, an alloy of lithium metal, a material capable of doping and dedoping lithium, or a transition metal oxide.
  • the material capable of reversibly intercalating/deintercalating the lithium ions may include a carbon-based negative electrode active material, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a combination thereof.
  • crystalline carbon include graphite such as natural graphite or artificial graphite
  • amorphous carbon include soft carbon or hard carbon, mesophase pitch carbide, calcined coke, and the like.
  • a Si-based negative electrode active material or a Sn-based negative electrode active material can be used as the material capable of doping and dedoping the lithium.
  • the Si-based negative electrode active material can be silicon, a silicon-carbon composite, SiOx (0 ⁇ x ⁇ 2), a Si-based alloy, or a combination thereof.
  • the above silicon-carbon composite may be a composite of silicon and amorphous carbon.
  • the silicon-carbon composite may be in the form of silicon particles and amorphous carbon coated on the surface of the silicon particles.
  • the silicon-carbon composite may further comprise crystalline carbon.
  • the silicon-carbon composite may comprise a core comprising crystalline carbon and silicon particles and an amorphous carbon coating layer positioned on the surface of the core.
  • a negative electrode for a lithium secondary battery may include a current collector (e.g., a second substrate) and a negative electrode active material layer formed on the current collector.
  • the negative electrode active material layer includes a negative electrode active material and may further include a binder and/or a conductive material.
  • the negative electrode active material layer may include 90 to 99 wt% of the negative electrode active material, 0.5 to 5 wt% of the binder, and 0 to 5 wt% of the conductive material.
  • the above binder may be a non-aqueous binder, an aqueous binder, a dry binder, or a combination thereof.
  • a cellulose-based compound capable of imparting viscosity may be further included.
  • the current collector may be selected from copper foil, nickel foil, stainless steel foil, titanium foil, nickel foam, copper foam, a polymer substrate coated with a conductive metal, and a combination thereof.
  • An electrolyte for a lithium secondary battery may include a non-aqueous organic solvent and a lithium salt.
  • the above non-aqueous organic solvent acts as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move.
  • the above non-aqueous organic solvent may be a carbonate-based, ester-based, ether-based, ketone-based, or alcohol-based solvent, an aprotic solvent, or a combination thereof, and may be used alone or in combination of two or more thereof.
  • a mixture of cyclic carbonate and chain carbonate can be used.
  • a lithium secondary battery may have a separator between the positive and negative electrodes.
  • a separator may be a multilayer film of polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, or two or more layers thereof.
  • the above separator may include a porous substrate and a coating layer comprising an organic material, an inorganic material, or a combination thereof, positioned on one or both sides of the porous substrate.
  • the above organic material may include a polyvinylidene fluoride-based antibody or a (meth)acrylic polymer.
  • the above inorganic material may include inorganic particles selected from, but not limited to, Al2O3, SiO2, TiO2, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, GaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, SrTiO3, BaTiO3, Mg(OH)2, boehmite, and combinations thereof.
  • the organic and inorganic substances may be mixed and present in one coating layer, or a coating layer including an organic substance and a coating layer including an inorganic substance may be present in a laminated form.
  • the case (120) accommodates the electrode assembly (110) and the electrolyte, and together with the terminal (150) and the cap plate (160), can form the outer shape of the secondary battery (100).
  • the case (120) can include a body portion (121) having a roughly cylindrical shape, and an upper portion (122) connected to one side of the body portion (121). That is, the body portion (121) can extend downward from an edge of the upper portion (122).
  • a beading portion (123) deformed toward the inside can be positioned in the body portion (121), and a crimping portion (124) bent toward the inside can be positioned at an end on the opening side of the body portion (121).
  • a terminal hole (122a) passing through the center can be provided in the upper portion (122).
  • the upper part (122) can be connected by inserting a terminal (150) into a terminal hole (122a).
  • a terminal gasket (125) for sealing and electrical insulation may be further interposed between the terminal hole (122a) and the terminal (150).
  • the beading portion (123) can prevent the electrode assembly (110) from moving inside the case (120) and can facilitate the fixing of the cap gasket (127) and the cap plate (160).
  • the crimping portion (124) can firmly fix the cap plate (160) by pressing the edge of the cap plate (160) through the cap gasket (127).
  • the case (123) can be made of, for example, nickel-plated iron, aluminum, an aluminum alloy, or stainless steel.
  • the first collector plate (130) may have one surface (e.g., the lower surface) that is in contact with and coupled to the first electrode tab (111b) of the electrode assembly (110), and the other surface (e.g., the upper surface) opposite the one surface may be in contact with and coupled to the terminal (150).
  • the first collector plate (130) may be welded to and electrically connected to the first electrode tab (111b) of the electrode assembly (110).
  • the first collector plate (130) may be welded and electrically connected while the other surface is in contact with the terminal (150).
  • the first collector plate (130) may further include a protrusion (139) protruding in the direction of the electrode assembly (110) on one surface.
  • the second collector plate (140) may generally have a central portion (141) that contacts and is coupled with the second electrode tab (112b) of the electrode assembly (110), and an edge portion (142) that contacts and is coupled with the body portion (121) of the case (120).
  • the second collector plate (140) may be electrically connected by welding the central portion (141) to the second electrode tab (112b) of the electrode assembly (110).
  • the second collector plate (140) may be electrically connected by welding the edge portion (142) in a state in which it contacts the beading portion (123) of the case (120).
  • the second collector plate (140) may further include a protrusion (149) that protrudes in the direction of the electrode assembly (110) at the central portion (141).
  • the terminal (150) may include a head (151) positioned on the outside of the case (120), and a fastening portion (152) extending inwardly from the center of the head (151) toward the inside of the case (120).
  • the terminal (150) may be fixed and sealed by having the fastening portion (152) coupled to a terminal hole (122a) together with a terminal gasket (125) so as to pressurize the upper portion (122) of the case (120) from the inside through the terminal gasket (125).
  • the terminal (150) may further be provided with a terminal groove (153) extending from the center of the head (151) toward the fastening portion (152).
  • the terminal (150) may be welded to the first collector plate (130) from the outside through the terminal groove (153).
  • the terminal (150) can be electrically connected to the first electrode (111) of the electrode assembly (110) through the first collector plate (130).
  • the terminal (150) and the case (120) can have different polarities.
  • the cap plate (160) can be secured to the inside of the crimping portion (124) via the cap gasket (127) to seal the case (120).
  • the cap plate (160) can include a safety vent (165) that is thinner than other areas due to a notch.
  • the safety vent (165) provided in the cap plate (160) can be cut along the notch. The cut safety vent (165) can prevent an explosion of the secondary battery (100) by releasing the gas to the outside.
  • Fig. 3 is a perspective view illustrating an electrode assembly in the secondary battery of Fig. 1
  • Fig. 4 is a cross-sectional view of the electrode assembly of Fig. 3.
  • the electrode assembly (110) is illustrated before the first electrode tab (111b) protruding upward and the second electrode tab (112b) protruding downward are bent.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the electrode assembly (110) illustrated in FIG. 3 after the first electrode tab (111b) and the second electrode tab (112b) are bent toward the core.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view showing the electrode assembly (110) and the first collector plate (130) and the second collector plate (140) of the secondary battery of FIG. 1, in which they are exploded, and
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of FIG. 5.
  • the first electrode plate (111) may be provided with a first electrode non-coated portion (111a) on the upper portion thereof, which is not coated with a first electrode active material. This first electrode non-coated portion (111a) may protrude upward from the electrode assembly (110).
  • the first electrode non-coated portion (111a) may include a plurality of first electrode tabs (111b).
  • the plurality of first electrode tabs (111b) may be positioned on the upper portion of the first electrode non-coated portion (111a) and may be arranged to be spaced apart from each other in one direction before winding.
  • the plurality of first electrode tabs (111b) may not be provided at the winding leading end and/or the winding ending end.
  • the plurality of first electrode tabs (111b) may be formed on the first electrode non-coated portion (111a) by laser notching, ultrasonic cutting, or punching.
  • the above first electrode tab (111b) may protrude further upward than the second electrode plate (112) and separator (113) in the electrode assembly (110).
  • the second electrode plate (112) may be provided with a second electrode non-coated portion (112a) on the lower portion where the second electrode active material is not coated.
  • the second electrode non-coated portion (112a) may include a plurality of second electrode tabs (112b).
  • the plurality of second electrode tabs (112b) may be positioned on the lower portion of the second electrode non-coated portion (112a) and may be arranged to be spaced apart from each other in one direction before winding.
  • the plurality of second electrode tabs (112b) may not be provided at the winding leading end and/or the winding ending end.
  • the plurality of second electrode tabs (112b) may be formed on the second electrode non-coated portion (112a) by laser notching, ultrasonic cutting, or punching. A plurality of second electrode tabs (112b) like this may protrude further downward in the electrode assembly (110) compared to the first electrode plate (111) and the separator (113).
  • the electrode assembly (110) may have a first electrode tab (111b) that protrudes upward, and a second electrode tab (112b) that protrudes downward.
  • the first electrode tab (111b) and the second electrode tab (112b) may be bent toward the core. That is, a plurality of first electrode tabs (111b) and a plurality of second electrode tabs (112b) may be bent and pressed from the winding end region toward the core. At this time, the first electrode tab (111b) and the second electrode tab (112b) may not be provided in some regions of the winding end so as not to cover the core hole (e.g., core) of the electrode assembly (110).
  • the electrode assembly (110) may have surface roughness due to the step of the tabs on each of the upper surface (110a) and the lower surface (110b) by bending and compacting the first electrode tab (111b) and the second electrode tab (112b).
  • a first electrode tab (111b) may be positioned on the upper surface (110a) of the electrode assembly (110), and a second electrode tab (112b) may be positioned on the lower surface (110b).
  • Fig. 7 shows four regions arbitrarily selected from the upper surface (110a) and the lower surface (110b) of the electrode assembly (110).
  • the four arbitrarily selected regions are shown as being symmetrical to each other with the core as the center, but any region may be selected as long as it has the same area.
  • the four arbitrarily selected regions be regions that come into contact with the first collector plate (130) and the second collector plate (140).
  • the four arbitrarily selected regions may be regions that are not welded to the first collector plate (130) and the second collector plate (140).
  • the surface roughness data which is the result of the maximum height (Sz) and the average height (Sa) measured in the first region (a1), the second region (a2), the third region (a3), and the fourth region (a4) of the upper surface (110a) of the electrode assembly (110), and the maximum height (Sz) and the average height (Sa) measured in the first region (b1), the second region (b2), the third region (b3), and the fourth region (b4) of the lower surface (110b), may be as shown in Table 1 below.
  • the maximum height (Sz) is the height from the lowest point to the highest point (peak) within the area of each region
  • the average height (Sa) may be the average roughness in the area of each region.
  • the surface roughness may be measured through a contact-type or non-contact-type roughness measuring device.
  • the surface roughness data for the upper surface (110a) and the lower surface (110b) of the electrode assembly (110) were measured for a total of three electrode assemblies (110), and Table 1 shows the experimental results for the first electrode assembly, Table 2 shows the experimental results for the second electrode assembly, and Table 3 shows the experimental results for the third electrode assembly.
  • the first electrode assembly, the second electrode assembly, and the third electrode assembly may be electrode assemblies having the same structure manufactured through the same process.
  • the unit may be ⁇ m.
  • the average height (Sa) measured for each region may be 12 ⁇ m to 36 ⁇ m, and the maximum height (Sz) may be 123 ⁇ m to 520 ⁇ m.
  • the average height (Sa) measured for each region may be 18 ⁇ m to 41 ⁇ m, and the maximum height (Sz) may be 147 ⁇ m to 236 ⁇ m.
  • the upper surface (110a) and the lower surface (110b) of the electrode assembly (110) may have surface roughness due to uneven steps caused by the bending and compaction of the first electrode tab (111b) and the second electrode tab (112b).
  • the surface roughness of the lower surface (110b) of the electrode assembly (110) may be greater than that of the upper surface (110a).
  • the contact area can be increased through a protrusion (139) protruding downward on the lower surface of the first collector plate (130) facing the upper surface (110a) of the electrode assembly (110).
  • the protrusion (139) can contact and press the first electrode tab (111b) located on the upper surface (110a) of the electrode assembly (100).
  • the contact area can be increased through a protrusion (149) protruding upward on the upper surface (140a) of the second collector plate (140) opposite the lower surface (110b) of the electrode assembly (110).
  • the protrusion (149) can contact and press the second electrode tab (112b) located on the lower surface (110b) of the electrode assembly (100).
  • FIG. 8 it is a bottom view of the first collector plate (130) of the secondary battery (100) illustrated in Fig. 1.
  • Fig. 9 is a cross-sectional view taken along line A-A' of Fig. 8.
  • the first collector plate (130) will be described with reference to Figs. 8 and 9.
  • the first collector plate (130) may be a circular metal plate having a shape corresponding to the upper surface (110a) of the electrode assembly (110).
  • the planar size of the first collector plate (130) may be equal to or smaller than the size of the upper surface (110a) of the electrode assembly (110).
  • the first collector plate (130) may be fixed and electrically connected to the first electrode tab (111b) of the electrode assembly (110) by welding while the lower surface (130b) is in contact with the upper surface (110a) of the electrode assembly (110).
  • the first collector plate (130) may be fixed and electrically connected to the terminal (150) by welding while the upper surface (130a) is in contact with the lower surface of the terminal (150).
  • the first collector plate (130) serves as a passage for current flow between the first electrode plate (111) of the electrode assembly (110) and the terminal (150).
  • the first collector plate (130) may include a terminal connection portion (131), a plate connection portion (132), and a fuse portion (135).
  • the terminal connection portion (131) is located at the center of the first collector plate (130) and may be formed in a substantially circular shape.
  • the lower surface of the fastening portion (152) of the terminal (150) may be welded to the upper surface of the terminal connection portion (131).
  • the plate connection portion (132) is located on the outer side of the terminal connection portion (131) and may be in contact with and electrically connected to the first electrode tab (111b) of the electrode assembly (110).
  • the first electrode tab (111b) exposed to the upper surface (110a) of the electrode assembly (110) may be welded to the lower surface of the plate connection portion (132).
  • the fuse part (135) may be formed between the terminal connection part (131) and the plate connection part (132).
  • the fuse part (135) may include a fuse hole (136) and a plate connection part (137).
  • the fuse part (135) may melt and cut the plate connection part (137) by the heat generated, thereby blocking the current flowing in the secondary battery (100).
  • the fuse hole (136) is formed in a roughly 'C' shape along a portion of the outer periphery of the terminal connection portion (131), so that both ends of the fuse hole (136) can face each other.
  • the fuse hole (136) can separate the terminal connection portion (131) and the plate connection portion (132). That is, the terminal connection portion (131) and the plate connection portion (132) can be separated from each other by the fuse hole (136).
  • the plate connector (137) can connect the terminal connector (131) and the plate connector (132). When a short circuit or overcurrent occurs in the secondary battery (100), the plate connector (137) can melt and cut due to the generated heat to block the current, thereby improving safety.
  • the shape of the first collector plate (130) can be changed into various forms, for example, having a terminal connection portion (131), a polar plate connection portion (132), and a fuse portion (135).
  • the plate connection portion (132) may include a welding area (138) and a protrusion (139).
  • the welding area (138) may be provided in a diametric direction outward from the center of the plate connection portion (132).
  • the welding area (138) may be of a uniform width, dividing the electrode plate connection portion (132) into uniform areas.
  • the number of welding areas (138) is illustrated as four, the number may be three or less, and the number of welding areas (138) is not limited here.
  • the welding area (138) may be an area welded to the upper surface (110a) of the electrode assembly (110) by welding.
  • the plate connection portion (132) may be provided with a protrusion (139) on the lower surface (130b) of an area other than the welding area (138). That is, the protrusion (139) may not be provided on the lower surface of the welding area (138).
  • the electrode plate connection portion (132) of the first collector plate (130) may have an area where a protrusion (139) is formed on the lower surface (130b) and a welding area (138) that is welded to the upper surface (110a) of the electrode assembly (110) by welding.
  • the protrusion (139) may be provided to protrude downward from the lower surface (130b) of the first collector plate (130).
  • a plurality of protrusions (139) may be provided on the lower surface (130b) of the first collector plate (130) so as to be spaced apart from each other.
  • the protrusions (139) are illustrated in three rows in the diametric direction, but there may be at least two or more in the diametric direction.
  • the protrusions (139) may be circular in plan view and may protrude in an approximately hemispherical shape.
  • the diameter of the protrusions (139) in plan view may be approximately 1 mm to approximately 15 mm.
  • the maximum height of the protrusions (139) may be approximately 0.4 mm to approximately 2.9 mm.
  • the protrusions (139) may be highest at the center of the protrusion, and the height may become smaller as they go toward the edge.
  • the height of the protrusion (139) may be the height from the lower surface (130b) of the first collector plate (130).
  • the upper surface (130a) of the first collector plate (130) may be in the shape of a flat plate.
  • planar diameter of the protrusion (139) is less than about 1 mm, the height of the protrusion (139) cannot be increased to more than about 0.4 mm, so that the protrusion (139) may not easily contact the upper surface (110a) of the electrode assembly (110).
  • planar diameter of the protrusion (139) exceeds about 15 mm, the number of protrusions (139) that can be provided on the lower surface (130b) of the first collector plate (130) is reduced, so that the area in contact with the upper surface (110a) of the electrode assembly (110) may not actually increase.
  • the protrusion (139) may be difficult to provide and form if its maximum height is less than approximately 0.4 mm. If the maximum height of the protrusion (139) exceeds approximately 2.9 mm, the height of the protrusion (139) may cause it to come into contact with the second electrode plate (112) within the electrode assembly (110), resulting in a short circuit.
  • the plane shape of such a protrusion (139) may have an elliptical or polygonal shape, and the shape may be changed in various ways.
  • the protrusion (139) can increase the contact area with the upper surface (110a) of the electrode assembly (110) by making the surface rougher than other areas through roughening treatment. That is, the first collector plate (130) can make easier contact with the upper surface (110a) of the electrode assembly (110) through surface roughness compared to when it only has the protrusion (139), thereby reducing the contact resistance.
  • a greater surface roughness may mean that the average height and/or maximum height in a plane and/or in a one-way line is larger through roughening treatment.
  • the protrusion (139) can increase the surface roughness through roughening treatment.
  • the roughening treatment may be blasting, polishing, etching, or carbon high-temperature heat treatment.
  • the protrusion (139) may have a maximum height (Ry) of surface roughness of about 7 ⁇ m to about 9 ⁇ m, and an average height (Ra) of surface roughness of about 0.6 ⁇ m to about 0.9 ⁇ m. If the average height of the surface roughness of the protrusion (139) is less than about 0.6 ⁇ m, it may be difficult to increase the contact area with the upper surface (110a) of the electrode assembly (110) compared to when only the protrusion (139) is provided. If the average height of the surface roughness of the protrusion (139) is greater than about 0.9 ⁇ m or the maximum height is greater than about 9 ⁇ m, the electron movement path along the surface may be reduced due to the roughness, which may increase the resistance. The maximum height of the surface roughened protrusion (139) may be less than about 2.9 mm.
  • FIGS. 10 to 12 another example of a cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. 8 is illustrated.
  • FIGS. 10 to 12 illustrate another example of a cross-sectional view of the first collector plate (130).
  • the first collector plate (130) may have a surface roughness not only on the surface of the protrusion (139), but also on the entire lower surface (130a) of the electrode plate connection portion (132) of the first collector plate (130).
  • the entire lower surface (130a) of the electrode plate connection portion (132) of the first collector plate (130) may be roughened, thereby increasing contact with the upper surface (110a) of the electrode assembly (110).
  • the entire lower surface (130a) of the first collector plate (130) may be roughened, thereby increasing the surface roughness of the lower surface (130a) of the terminal connection portion (131).
  • the first collector plate (130) may further have a concave portion (139a) formed at a position corresponding to the position of the protrusion (139) on the upper surface (130a). That is, the protrusion (139) of the first collector plate (130) may be formed by pressing the flat first collector plate (130), so that the concave portion (139a) may be formed on the upper surface (130a) opposite to the surface on which the protrusion (139) is formed.
  • the height of the protrusion (139) of the first collector plate (130) may be different.
  • the height (H1) of the winding tip protrusion (139x) that comes into contact with the winding tip region of the electrode assembly (110) adjacent to the terminal connection portion (131) and the height (H2) of the winding end protrusion (139y) that comes into contact with the winding end of the electrode assembly (110) may be equal to or lower than the height (H3) of the protrusion (139z) located in the intermediate region, which is another region.
  • the electrode assembly (110) may have a cumulative thickness, which is a height at which the first electrode tab (111b) is bent and compacted, higher in the central region than at the winding tip and the winding end.
  • the electrode assembly (110) may have a cumulative thickness of the first electrode tab (111b) of approximately 0.2 mm or less at the winding tip and the winding end, and may be approximately 0.5 mm or less in the central region.
  • the heights (H1, H2) of the winding tip protrusion (139x) and the winding end protrusion (139x) of the first collector plate (130) may be equal to or smaller than the height (H3) of the central region protrusion (139z).
  • the height (H3) of the central region protrusion (139z) may be approximately 0.4 mm to approximately 2.9 mm, and the heights (H1, H2) of the winding tip protrusion (139x) and the winding end protrusion (139x) may be approximately 0.4 mm to approximately 2.4 mm.
  • the second collector plate (140) may include a circular flat portion (141) corresponding to the lower surface (110b) of the electrode assembly (110), and an extension portion (142) extending downward from the edge of the flat portion (141).
  • Such a second collector plate (140) may further be provided with a protrusion (149) on the upper surface (140a) of the flat portion (141).
  • the protrusion (149) may be provided to protrude upward from the upper surface (140a) of the flat portion (141) of the second collector plate (140).
  • a plurality of protrusions (139) may be provided on the upper surface (140a) of the flat portion (141) of the second collector plate (140) so as to be spaced apart from each other.
  • the shape and size of the protrusion (149) may be similar to the shape and size of the protrusion (139) of the first collector plate (130).
  • the protrusion (149) can increase the surface roughness through roughening treatment.
  • the protrusion (149) can have a greater surface roughness than other areas of the second collector plate (140).
  • the protrusion (149) can have a maximum roughness height (Ry) of about 4.6 ⁇ m to about 5.6 ⁇ m and an average roughness height (Ra) of about 0.39 ⁇ m to about 0.44 ⁇ m.
  • Ry maximum roughness height
  • Ra average roughness height
  • the electron movement path along the surface may be reduced, thereby increasing resistance.
  • the upper surface of the flat portion (141) of the second collector plate (140) can be in contact with and electrically connected to the lower surface (110b) of the electrode assembly (110).
  • the upper surface of the flat portion (141) can be fixed and electrically connected to the second electrode tab (112b) exposed to the lower portion of the electrode assembly (110) by welding while in contact with the lower surface (110b) of the electrode assembly (110).
  • the flat portion (141) may not be provided with a protrusion (149) in the welding area where it is welded to the lower surface (110b) of the electrode assembly (110).
  • the extension portion (142) may extend downward from the edge of the flat portion (141).
  • a plurality of extension portions (142) may be provided so as to be spaced apart from each other along the edge of the flat portion (141).
  • the extension portion (142) may be in contact with the inner surface of the beading portion (123). That is, the extension portion (142) may be rounded or bent along the beading portion (123).
  • the inner surface may be the inner surface of the case (120).
  • the end of the extension portion (142) may be positioned between the beading portion (123) and the cap gasket (127). Such an extension portion (142) may be in contact with and joined to the beading portion (123) of the case (120).
  • the extension portion (142) may be joined by welding while in contact with the inner surface of the beading portion (123) of the case (120).
  • the above second collector plate (140) serves as a current flow path between the second electrode plate (112) of the electrode assembly (110) and the case (120). That is, the case (120) may be a negative terminal.
  • the second collector plate (140) may increase surface roughness by roughening only the area where the flat portion (141) is located on the upper surface (140a).
  • the surface roughness of the upper surface of the flat portion (141) and the surface of the protrusion (149) of the second collector plate (140) may be greater than that of the extended portion (142). That is, the surface roughness of the flat portion (141) and the protrusion (149) of the second collector plate (140) on the upper surface (140a) may be greater than or equal to that of the extended portion (142).
  • the height of the protrusion (149) of the second collector plate (140) may be similar to that of the first collector plate (130) illustrated in FIG. 12, and the formation of the protrusion (149) may be formed by pressing, so that a groove corresponding to the protrusion (149) may be provided on the lower surface of the second collector plate (140).
  • the contact resistance between the electrode assembly (110) and the first collector plate (130) and between the electrode assembly (110) and the second collector plate (140) can be reduced by providing protrusions (139, 149) in the area where the electrode assembly (110) comes into contact with the first collector plate (130) and the second collector plate (140) to increase contact.
  • Figures 13 to 16 are plan views illustrating various examples of the first collector plate in the secondary batteries illustrated in Figures 1 to 6.
  • the first current collector (230) may include a terminal connection portion (131), a plate connection portion (132), and a fuse portion (235).
  • the fuse portion (235) may include a fuse hole (136), a plate connection portion (137), and a protrusion hole (236a).
  • the protrusion hole (236a) may be formed at one end and the other end of the fuse hole (136), respectively.
  • the protrusion holes (236a) formed at both ends of the fuse hole (136) may protrude in a direction approaching each other.
  • the width of the protrusion hole (236a) may be smaller than the width of the fuse hole (136).
  • the protrusion hole (236a) may reduce the width (W2) of the plate connection portion (137), i.e., the cross-sectional area through which current flows, thereby improving the function of the fuse portion (235).
  • the first collector plate (330) may include a terminal connection portion (131), a plate connection portion (132), and a fuse portion (335).
  • the fuse portion (335) may include a fuse hole (136), a plate connection portion (337), a protrusion hole (236a), and an extension hole (336b).
  • the extension holes (336b) may extend from both ends of the fuse hole (136) toward the outside of the first collector plate (330) by the length of the plate connection portion (337).
  • the extension holes (336b) formed at both ends of the fuse hole (136) may be parallel to each other.
  • the extension holes (336b) may increase the length (L) of the plate connection portion (337), i.e., the length through which current flows, thereby improving the function of the fuse portion (335).
  • the first collector plate (430) may include a terminal connection portion (131), a plate connection portion (132), and a fuse portion (435).
  • the fuse portion (435) may include two fuse holes (436) spaced apart from each other, and two plate connection portions (437) positioned between the fuse holes (436).
  • the two fuse holes (436) are positioned concentrically with respect to the center of the first collector plate (430) and may be symmetrical to each other.
  • the angle (b) formed by the plate connection portion (437) with respect to the center of the first collector plate (430) may be about 30 to 50 degrees.
  • the first collector plate (530) may include a terminal connection portion (131), a plate connection portion (132), and a fuse portion (535).
  • the fuse portion (535) may include three fuse holes (536) spaced apart from each other, and three plate connection portions (537) positioned between the fuse holes (536).
  • the three fuse holes (536) may be positioned concentrically with respect to the center of the first collector plate (530) and may be formed to have the same size.
  • the angle (c) formed by the plate connection portions (537) with respect to the center of the first collector plate (530) may be about 8 to 15 degrees.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating an exemplary secondary battery (100') according to the present disclosure.
  • the secondary battery (100') illustrated in FIG. 17 may have a terminal (150) coupled to a cap plate (160). Additionally, a second electrode tab (112b) of an electrode assembly (110) may be directly welded to a lower portion (122') of a case (120').
  • the case (120') may include a lower portion (122') and a body portion (121) extending upward from the edge of the lower portion (122').
  • the lower portion (122') may include a safety vent (122a) that is thinner than other areas due to a notch.
  • the safety vent (122a) provided in the case (120') may be cut along the notch. The cut safety vent (122a) may release gas to the outside to prevent an explosion of the secondary battery (100').
  • the cap plate (160') can be joined by welding to the upper end, which is the end of the body part (121).
  • a terminal (150) can be joined to a terminal hole provided in the cap plate (160').
  • the cap plate (160') and the terminal (150) can be electrically separated by a terminal gasket (125).
  • the other configuration of the secondary battery (100') can be similar to the secondary battery (100) illustrated in FIGS. 1 and 2.
  • the secondary battery according to the above-described embodiment can be used to manufacture a battery pack.
  • FIGS. 18A and 18B are perspective views illustrating a battery pack including an exemplary secondary battery (100) according to the present invention.
  • the battery pack (300) may include a plurality of battery modules (200) and a housing (310) for accommodating the plurality of battery modules (200).
  • the housing (310) may include first and second housings (311, 312) that are coupled in a direction facing each other with the plurality of battery modules (200) interposed therebetween.
  • the plurality of battery modules (200) may be electrically connected to each other using a bus bar (251), and the plurality of battery modules (200) may be electrically connected to each other in a series/parallel or series-parallel hybrid manner to obtain a required electrical output.
  • the battery pack (300) may be mounted on a vehicle.
  • the vehicle may be, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a plug-in hybrid vehicle.
  • the vehicle may include a four-wheeled vehicle or a two-wheeled vehicle.
  • FIGs 19a and 19b are perspective views and side views illustrating a vehicle (400, 500) including an exemplary battery pack (300) according to the present invention.
  • the battery pack (300) may include a battery pack cover (311) (which may correspond to the first housing) which is a part of a vehicle underbody (410) and a pack frame (312) (which may correspond to the second housing) which is disposed at a lower portion of the vehicle underbody (410).
  • the battery pack cover (311) and the pack frame (312) may be formed integrally with the vehicle floor (420).
  • the vehicle underbody (410) separates the interior and exterior of the vehicle, and the pack frame (312) may be disposed at the exterior of the vehicle.
  • the vehicle (500) may be formed by combining additional components, such as a hood (510) at the front of the vehicle and fenders (520) positioned at the front and rear of the vehicle, respectively, with the vehicle body (400).
  • the vehicle (500) includes a battery pack (300) including a battery pack cover (311) and a pack frame (312), and the battery pack (300) may be combined with the vehicle body component (400).

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Abstract

본 발명은 전극 조립체의 상면과 하면이 표면 거칠기를 가지므로, 집전판에서 상기 전극 조립체의 상면과 하면과 접촉되는 면에 표면 거칠기를 높인 돌기부가 구비되어, 접촉력을 향상시킴으로써 접촉 저항을 감소시킬 수 있는 이차 전지에 관한 것이다. 일예로, 본 발명은 제1전극판, 세퍼레이터 및 제2전극판을 갖는 전극 조립체와, 전극 조립체가 수용된 케이스와, 케이스를 관통하는 단자 및, 전극 조립체의 상면과 케이스 사이에 개재되며, 제1전극판과 단자 사이를 전기적으로 연결하는 제1집전판을 포함하며, 제1집전판은 전극 조립체의 상면과 접촉되는 하면과 하면의 반대인 상면을 포함하고, 제1집전판의 하면은 전극 조립체의 방향으로 돌출된 돌기부를 구비하고, 돌기부의 표면 거칠기가 제1집전판의 상면의 표면 거칠기에 비해서 더 큰 이차 전지를 개시한다.

Description

이차 전지
본 개시는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장할 수 있는 우수한 에너지 밀도를 제공하는 전력 저장 시스템이다. 재충전이 불가능한 일차 전지에 비해 이차 전지는 재충전이 가능하여 스마트폰, 셀룰러폰, 노트북, 타블렛 PC 등 IT 기기에 많이 사용되고 있다. 최근에는 환경 오염 방지를 위해 전기 자동차에 대한 관심이 높아졌고, 이에 따라 전기 자동차에 고용량의 이차 전지가 채택되고 있다. 이러한 이차 전지는 고밀도, 고출력, 안정성 등의 특성이 요구되고 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명은 전극 조립체의 상면과 하면이 표면 거칠기를 가지므로, 집전판에서 상기 전극 조립체의 상면과 하면과 접촉되는 면에 표면 거칠기를 높인 돌기부가 구비되어, 접촉력을 향상시킴으로써 접촉 저항을 감소시킬 수 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 제1전극판, 세퍼레이터 및 제2전극판을 갖는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 수용된 케이스와, 상기 케이스를 관통하는 단자 및, 상기 전극 조립체의 상면과 상기 케이스 사이에 개재되며, 상기 제1전극판과 상기 단자 사이를 전기적으로 연결하는 제1집전판을 포함하며, 상기 제1집전판은 상기 전극 조립체의 상면과 접촉되는 하면과 상기 하면의 반대인 상면을 포함하고, 상기 제1집전판의 상기 하면은 상기 전극 조립체의 방향으로 돌출된 돌기부를 구비하고, 상기 돌기부의 표면 거칠기가 상기 제1집전판의 상기 상면의 표면 거칠기에 비해서 더 클 수 있다.
상기 제1집전판은 원형 판 형상으로 상기 단자의 하면에 접촉 및 전기적으로 접속된 단자 접속부 및, 상기 전극 조립체의 상면으로 노출된 제1전극 탭과 접촉 및 전기적으로 접속되며, 상기 단자 접속부의 외측에 위치하는 극판 접속부를 포함할 수 있다.
상기 극판 접속부는 직경방향으로 연장되며, 상기 전극 조립체의 상면에 용접되는 용접영역과, 상기 용접 영역 이외의 영역에 상기 돌기부가 구비되며, 상기 돌기부는 상기 극판 접속부의 직경 방향으로 적어도 2개 이상 구비될 수 있다.
상기 극판 접속부의 상면은 평평한 평면일 수 있다.
상기 극판 접속부의 상면은 상기 돌기부와 대응되는 오목부가 구비될 수 있다.
상기 극판 접속부의 하면은 거칠기 처리되어, 표면 거칠기가 상기 극판 접속부의 상면에 비해서 더 클 수 있다.
상기 돌기부는 상기 전극 조립체의 권취 선단 영역과 접촉되는 권취 선단 돌기부의 높이와 상기 전극 조립체의 권취 종단과 접촉되는 권취 종단 돌기부의 높이가 그 이외의 영역인 중간영역에 위치하는 중간 영역 돌기부의 높이와 같거나, 더 낮을 수 있다.
상기 제1전극판은 상기 전극 조립체의 상면으로부터 상부 방향으로 돌출되고, 상기 전극 조립체의 권취축 방향으로 절곡 및 다져진 다수의 제1전극탭을 더 포함하고,
상기 제2전극판은 상기 전극 조립체의 하면으로부터 하부 방향으로 돌출되고, 상기 전극 조립체의 권취축 방향으로 절곡 및 다져진 다수의 제2전극탭을 더 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체는 상기 제1전극탭이 절곡되어 다짐된 높이인 누적 두께가 권취 선단과 권취 종단에 비해서 중심 영역이 더 높을 수 있다.
상기 전극 조립체의 하면과 대응되는 원형 판 형상으로, 상기 전극 조립체의 하면으로 노출된 상기 제2전극탭과 접촉 및 전기적으로 접속된 제2집전판을 더 포함할 수 있다.
상기 제2집전판은 상기 전극 조립체의 하면에 접촉된 원형의 평면부; 및
상기 평면부의 가장자리로부터 하부 방향으로 연장되어 상기 케이스에 접촉된 연장부를 포함할 수 있다.
상기 평면부는 상기 제2집전판의 상면에 상기 전극 조립체의 하면 방향으로 돌출된 다수의 돌기부를 포함하며, 상기 돌기부의 표면 거칠기는 상기 제2집전판의 하면의 표면 거칠기에 비해 더 클 수 있다.
상기 제2집전판의 상면의 표면 거칠기가 상기 제2집전판의 하면의 표면 거칠기에 비해서 더 클 수 있다.
상기 케이스는 상측부; 및 상기 상측부의 가장자리로부터 하부 방향으로 연장된 몸통부를 포함하며, 상기 단자는 상기 케이스의 상기 상측부를 관통하여, 상기 제1집전판과 결합될 수 있다.
상기 케이스는 상기 몸통부의 하측단을 밀봉하는 캡 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 케이스는 하측부; 및 상기 하측부의 가장자리로부터 상부 방향으로 연장된 몸통부를 포함하고, 상기 몸통부의 상측단을 밀봉하는 캡 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 단자는 상기 캡 플레이트를 관통하여 상기 제1집전판과 결합될 수 있다.
상기 전극 조립체는 하면의 표면 거칠기가 상면의 표면 거칠기에 비해서 더 클 수 있다.
상기 다수의 제1전극 탭은 상기 제1전극판에서 전극 활물질이 도포되지 않은 제1무지부로, 권취 방향을 따라 서로 이격되도록 다수개가 배치될 수 있다.
상기 다수의 제1전극 탭은 상기 제1전극판에서 권취 선단과 권취 종단에는 구비되지 않을 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극 조립체의 상면과 하면이 표면 거칠기를 가지므로, 집전판에서 상기 전극 조립체의 상면과 하면과 접촉되는 면에 표면 거칠기를 높인 돌기부가 구비되어, 접촉력을 향상시킴으로써 접촉 저항을 감소시킬 수 있는 이차 전지를 제공할 수 있다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 효과는 상술한 효과들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적인 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이차 전지의 단면도이다.
도 3은 도 1의 이차 전지에서 전극 조립체를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 전극 조립체의 단면도이다.
도 5는 도 1의 이차 전지에서 전극 조립체와 집전판이 분해된 분해사시도이다.
도 6은 도 5에서 전극 조립체와 집전판이 결합된 단면도이다.
도 7은 도 5에서 전극 조립체의 상면과 하면에서 임의로 선택된 4개의 영역을 표시한 평면도이다.
도 8은 도 1에 도시된 이차 전지의 제1집전판의 저면도이다.
도 9 내지 도 12는 도 8의 이차 전지의 제1집전판에서 A-A'선을 절단한 단면도의 다양한 예이다.
도 13 내지 도 16은 도 1 내지 도 6에 도시된 이차 전지에서 제1집전판의 다양한 예를 도시한 평면도이다.
도 17은 본 발명에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명에 따른 예시적 이차 전지를 포함하는 배터리 팩을 도시한 사시도이다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명에 따른 예시적 배터리 팩을 포함하는 자동차를 도시한 사시도 및 측면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 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, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면을 실제 축척 대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시 될 수 있다. 또한, 서로 다른 실시예에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여될 수 있다.
2개의 비교 대상이 '동일'하다는 언급은 '실질적으로 동일'한 것을 의미한다. 따라서 실질적 동일은 당업계에서 낮은 수준으로 간주되는 편차, 예를 들어 5% 이내의 편차를 가지는 경우를 포함할 수 있다. 또한, 소정 영역에서 어떠한 파라미터가 균일하다는 것은 평균적 관점에서 균일하다는 것을 의미할 수 있다.
비록 제1, 제2등이 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, 제1구성요소는 제2구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 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 것 뿐만 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 접솔될 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. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결(electrically coupled)되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서 "A 및/또는 B"라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B를 의미한다. 즉, "및/또는"은 열거된 복수의 항목들의 모든 조합 또는 임의의 조합을 포함한다. "C 내지 D"라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 개시의 실시 예를 기술하기 위한 것이며, 본 개시의 제한을 의도하지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 이차 전지의 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(110)와, 전극 조립체(110)와 전해액(옵션)을 내부에 수용하는 케이스(120)와, 케이스(120)의 일측 단, 예를 들어 상측 단에 구비된 단자홀(122a)에 결합된 단자(150)를 포함할 수 있다. 또한 이차 전지(100)는 케이스(110)의 타측 단, 예를 들어 하측 단을 밀봉하는 캡 플레이트(160)를 포함할 수 있다. 여기서 캡플레이트(160)는 케이스(120)와 결합하여 전극 조립체(110)를 내부에 수용하므로, 케이스(120)의 일부 구성으로 볼 수 있다.
이차 전지(100)는 전극 조립체(110)의 제1전극(111)과 단자(150)사이를 전기적으로 연결하는 제1집전판(130)과 전극 조립체(110)의 제2전극(112)과 케이스(120) 사이를 전기적으로 연결하는 제2집전판(140)을 더 포함할 수 있다.
전극 조립체(110)는 세퍼레이터(113)와, 세퍼레이터(113)를 사이에 두고 위치하는 제1전극판(111)과 제2전극판(112)을 포함할 수 있으며, 젤리-롤(jelly-roll) 형태로 권취될 수 있다.
제1전극판(111)은 제1기재와, 제1기재에 위치하는 제1활물질층을 포함할수 있다. 제1기재 중 제1활물질층이 위치하지 않는 제1전극 무지부(111a)에서 제1전극 탭(111b)이 외측으로 연장될 수 있으며, 제1전극 탭(111b)은 제1집전판(130)을 통해 단자(150)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제2전극판(112)은 제2기재와, 제2기재에 위치하는 제2활물질층을 포함할 수 있다. 제2기재 중 제2활물질층이 위치하지 않는 제2전극 무지부(112a)에서 제2전극 탭(112b)이 외측으로 연장될 수 있으며, 제2전극 탭(112b)은 제2집전판(140)을 통해 케이스(120)에 전기적으로 연결될 수 있다.
제1전극 탭(111b)과 제2전극 탭(112b)은 전극 조립체(110)에서 서로 반대 방향에 위치할 수 있다. 제1전극판(111)은 양극으로 기능할 수 있다. 이 경우 제1기재는 예를 들어 알루미늄 포일로 구성될 수 있고, 제1활물질층은 예를 들어 전이금속 산화물을 포함할 수 있다. 제2전극판(112)은 음극으로 기능할 수 있다. 이 경우 제2기재는 예를 들어 구리 포일 또는 니켈 포일로 구성될 수 있고, 제2활물질층은 예를 들어 흑연을 포함할 수 있다.
세퍼레이터(113)는 리튬 이온의 이동을 허용하면서 제1전극(111)과 제2전극(112)의 단락을 방지하는 기능을 한다. 세퍼레이터(113)는 예를 들어 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리에틸렌-폴리프로필렌 필름 등으로 구성될 수 있다.
일부 예들에서, 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 구체적으로는 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합에서 선택되는 금속과 리튬과의 복합 산화물 중 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
상기 복합 산화물은 리튬 전이금속 복합 산화물일 수 있으며, 구체적인 예로는 리튬 니켈계 산화물, 리튬 코발트계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬인산철계 화합물, 코발트-프리 니켈-망간계 산화물, 또는 이들의 조합을 들 수 있다.
일 예로는 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다. LiaA1-bXbO2-cDc(0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); LiaMn2-bXbO4-cDc(0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.05); LiaNi1-b-cCobXcO2-αDα(0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.5, 0<α<2); LiaNi1-b-cMnbXcO2-αDα(0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.5, 0≤c≤0.5, 0<α<2); LiaNibCocL1dGeO2(0.90≤a≤1.8, 0≤b≤0.9, 0≤c≤0.5, 0≤d≤0.5, 0≤e≤0.1); LiaNiGbO2(0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); LiaCoGbO2(0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); LiaMn1-bGbO2(0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); LiaMn2GbO4(0.90≤a≤1.8, 0.001≤b≤0.1); LiaMn1-gGgPO4(0.90≤a≤1.8, 0≤g≤0.5); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0≤f≤2); LiaFePO4(0.90≤a≤1.8).
상기 화학식에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합이고; X는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합이고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합이고; G는 Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, 또는 이들의 조합이고; L1은 Mn, Al 또는 이들의 조합이다.
리튬 이차 전지용 양극은 전류 집전체(예를 들면, 제1기재) 및 이 전류 집전체 상에 형성되는 양극 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 양극 활물질층은 양극 활물질을 포함하고, 바인더 및/또는 도전재를 더 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질의 함량은 양극 활물질층 100 중량%에 대하여 90 중량% 내지 99.5 중량%이고, 상기 바인더 및 도전재의 함량은 양극 활물질층 100 중량%에 대하여 각각 0.5 중량% 내지 5 중량%일 수 있다.
상기 전류 집전체로는 알루미늄을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
음극 활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질 또는 전이 금속 산화물을 포함한다.
상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션/디인터칼레이션할 수 있는 물질로는 탄소계 음극 활물질로, 예를 들어 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 결정질 탄소의 예로는 천연 흑연 또는 인조 흑연과 같은 흑연을 들 수 있고, 상기 비정질 탄소의 예로는 소프트 카본 또는 하드 카본, 메조페이스 피치 탄화물, 소성된 코크스 등을 들 수 있다.
상기 리튬에 도프 및 탈도프 가능한 물질로는 Si계 음극 활물질 또는 Sn계 음극 활물질을 사용할 수 있다. 상기 Si계 음극 활물질은 실리콘, 실리콘-탄소 복합체, SiOx(0 < x < 2), Si계 합금 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 실리콘-탄소 복합체는 실리콘과 비정질 탄소의 복합체일 수 있다. 일 구현예에 따르면, 상기 실리콘-탄소 복합체는 실리콘 입자 및 상기 실리콘 입자의 표면에 비정질 탄소가 코팅된 형태일 수 있다.
상기 실리콘-탄소 복합체는 결정질 탄소를 더욱 포함할 수도 있다. 예를 들어, 상기 실리콘-탄소 복합체는 결정질 탄소 및 실리콘 입자를 포함하는 코어 및 이 코어 표면에 위치하는 비정질 탄소 코팅층을 포함할 수 있다.
리튬 이차 전지용 음극은 전류 집전체(예를 들면, 제2기재) 및 이 전류 집전체 상에 형성되는 음극 활물질층을 포함할 수 있다. 상기 음극 활물질층은 음극 활물질을 포함하고, 바인더 및/또는 도전재를 더 포함할 수 있다.
예를 들어 음극 활물질층은 음극 활물질을 90 중량% 내지 99 중량%, 바인더를 0.5 중량% 내지 5 중량%, 도전재를 0 중량% 내지 5 중량%로 포함할 수 있다.
상기 바인더로는 비수계 바인더, 수계 바인더, 건식 바인더 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 상기 음극 바인더로 수계 바인더를 사용하는 경우, 점성을 부여할 수 있는 셀룰로즈 계열 화합물을 더욱 포함할 수 있다.
상기 전류 집전체로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 및 이들의 조합에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
리튬 이차 전지용 전해액은 비수성 유기용매 및 리튬염을 포함할 수 있다.
상기 비수성 유기용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다.
상기 비수성 유기용매는 카보네이트계, 에스터계, 에터계, 케톤계, 또는 알코올계 용매, 비양자성 용매 또는 이들의 조합일 수 있으며, 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 카보네이트계 용매를 사용하는 경우, 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트를 혼합하여 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이 리튬 이차 전지는 양극과 음극 사이에 세퍼레이터가 존재할 수도 있다. 이러한 세퍼레이터로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있다.
상기 세퍼레이터는 다공성 기재, 그리고 다공성 기재의 일면 또는 양면에 위치하는 유기물, 무기물 또는 이들의 조합을 포함하는 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 유기물은 폴리비닐리덴플루오라이드계 중항체 또는 (메타)아크릴계 중합체를 포함할 수 있다.
상기 무기물은 Al2O3, SiO2, TiO2, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, GaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, SrTiO3, BaTiO3, Mg(OH)2, 보헤마이트(boehmite) 및 이들의 조합에서 선택되는 무기 입자를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기물과 무기물은 하나의 코팅층에 혼합되어 존재하거나 유기물을 포함하는 코팅층과 무기물을 포함하는 코팅층이 적층된 형태로 존재할 수 있다.
케이스(120)는 전극 조립체(110)와 전해액을 수용하며, 단자(150) 및 캡 플레이트(160)와 함께 이차 전지(100)의 외형을 구성할 수 있다. 케이스(120)는 대략적인 원통 모양의 몸통부(121)와, 몸통부(121)의 일측에 연결된 상측부(122)를 포함할 수 있다. 즉 몸통부(121)는 상측부(122)의 가장자리로부터 하부 방향으로 연장될 수 있다. 몸통부(121)에는 내측을 향해 변형된 비딩부(123)가 위치할 수 있고, 몸통부(121)의 개구측 단부에는 내측을 향해 절곡된 크림핑부(124)가 위치할 수 있다. 상측부(122)에는 중심을 관통하는 단자홀(122a)이 구비될 수 있다. 상측부(122)는 단자 홀(122a)에 단자(150)가 삽입되어 결합될 수 있다. 단자 홀(122a)과 단자(150) 사이에는 밀봉 및 전기적 절연을 위한 단자 가스켓(125)이 더 개재될 수 있다.
비딩부(123)는 케이스(120)의 내부에서 전극 조립체(110)가 움직이는 것을 억제할 수 있으며, 캡 가스켓(127)과 캡 플레이트(160)의 안착을 용이하게 할 수 있다. 크림핑부(124)는 캡 가스켓(127)을 통해 캡 플레이트(160)의 가장자리를 가압하여 캡 플레이트(160)를 견고하게 고정시킬 수 있다. 케이스(123)는 예를 들어 니켈로 도금된 철, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 스테인리스 스틸로 구성될 수 있다.
제1집전판(130)은 일면(예를 들면, 하면)이 전극 조립체(110)의 제1전극 탭(111b)과 접촉 및 결합되고, 일면의 반대인 타면(예를 들면, 상면)이 단자(150)에 접촉 및 결합될 수 있다. 제1집전판(130)은 전극 조립체(110)의 제1전극 탭(111b)에 용접되어, 전기적으로 접속될 수 있다. 제1집전판(130)은 타면이 단자(150)에 접촉된 상태에서, 용접되어 전기적으로 접속될 수 있다. 제1집접판(130)은 일면에 전극 조립체(110)의 방향으로 돌출된 돌기부(139)를 더 포함할 수 있다.
제2집전판(140)은 대체로 중심부(141)가 전극 조립체(110)의 제2전극 탭(112b)과 접촉 및 결합되고, 가장자리부(142)가 케이스(120)의 몸통부(121)에 접촉 및 결합될 수 있다. 제2집전판(140)은 중심부(141)가 전극 조립체(110)의 제2전극 탭(112b)에 용접되어, 전기적으로 접속될 수 있다. 제2집전판(140)은 가장자리부(142)가 케이스(120)의 비딩부(123)에 접촉된 상태에서 용접되어 전기적으로 접속될 수 있다. 제2집전판(140)은 중심부(141)에 전극 조립체(110)의 방향으로 돌출된 돌기부(149)를 더 포함할 수 있다.
단자(150)는 케이스(120)의 외측에 위치하는 헤드(151), 헤드(151)의 중심부로부터 케이스(120)의 내측 방향으로 연장된 체결부(152)를 포함할 수 있다. 단자(150)는 체결부(152)가 단자 가스켓(125)과 함께 단자 홀(122a)에 결합되어, 단자 가스켓(125)을 통해 케이스(120)의 상측부(122)를 내측에서 가압하여 고정 및 밀봉시킬 수 있다. 단자(150)는 헤드(151)의 중심으로부터 체결부(152)의 방향으로 단자 홈(153)이 더 구비될 수 있다. 단자(150)는 단자 홈(153)을 통해 제1집전판(130)과 외부에서 용접될 수 있다. 단자(150)는 제1집전판(130)을 통해 전극 조립체(110)의 제1전극(111)과 전기적으로 연결될 수 있다. 단자(150)와 케이스(120)는 서로 다른 극성을 가질 수 있다.
캡 플레이트(160)는 캡 가스켓(127)을 통해 크림핑부(124)의 내측에 고정되어 케이스(120)를 밀봉시킬 수 있다. 캡 플레이트(160)는 노치에 의해 다른 영역에 비해서 두께가 더 얇은 안전 벤트(165)를 포함할 수 있다. 이차 전지(100)의 과충전 또는 이상 작동 등에 의해 가스가 발생하는 경우, 캡플레이트(160)에 구비된 안전 벤트(165)는 노치를 따라 절개될 수 있다. 절개된 안전 벤트(165)는 가스를 외부로 방출하여 이차 전지(100)의 폭발을 방지할 수 있다.
도 3은 도 1의 이차 전지에서 전극 조립체를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 전극 조립체의 단면도이다. 도 3 및 도 4에서 전극 조립체(110)는 상단으로 돌출된 제1전극 탭(111b)과 하단으로 돌출된 제2전극 탭(112b)이 절곡되기 이전을 도시한 것이다.
또한 도 5는 도 3에 도시된 전극 조립체(110)에서 제1전극 탭(111b)과 제2전극 탭(112b)이 권심을 향해 절곡된 후를 도시한 사시도이다. 또한 도 5는 도 1의 이차 전지에서 전극 조립체(110)와 제1집전판(130) 및 제2집전판(140)이 분해된 분해 사시도이고, 도 6은 도 5의 단면도이다.
이하에서는 도 3 내지 도 6을 참조하여, 전극 조립체(110), 제1집전판(130)과 제2집전판(140)의 구조 및 관계를 설명하고자 한다.
제1전극판(111)은 상단부에 제1전극 활물질이 코팅되지 않은 제1전극 무지부(111a)가 구비될 수 있다. 이와같은 제1전극 무지부(111a)는 전극 조립체(110)의 상부 방향으로 돌출될 수 있다. 또한 제1전극 무지부(111a)는 다수의 제1전극탭(111b)을 포함할 수 있다. 다수의 제1전극탭(111b)은 제1전극 무지부(111a)의 상단부에 위치할 수 있으며, 권취 이전에 일방향으로 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 이와같은 다수의 제1전극탭(111b)은 권취 선단 및/또는 권취 종단에 구비되지 않을 수 있다. 이와같은 다수의 제1전극탭(111b)은 제1전극 무지부(111a) 상에 레이저 노칭, 초음파 커팅 또는 타발 등에 의해서 형성될 수 있다. 상기 제1전극탭(111b)은 전극 조립체(110)에서 제2전극판(112) 및 세퍼레이터(113)에 비해서 상부 방향으로 더 돌출될 수 있다.
제2전극판(112)은 하단부에 제2전극 활물질이 코팅되지 않은 제2전극 무지부(112a)가 구비될 수 있다. 또한 제2전극 무지부(112a)는 다수의 제2전극탭(112b)을 포함할 수 있다. 다수의 제2전극탭(112b)은 제2전극 무지부(112a)의 하단부에 위치할 수 있으며, 권취 이전에 일방향으로 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 다수의 제2전극탭(112b)은 권취 선단 및/또는 권취 종단에 구비되지 않을 수 있다. 다수의 제2전극탭(112b)은 제2전극 무지부(112a)에 레이저 노칭, 초음파 커팅 또는 타발 등에 의해서 형성될 수 있다. 이와같은 다수의 제2전극탭(112b)은 전극 조립체(110)에서 제1전극판(111) 및 세퍼레이터(113)에 비해서 하부 방향으로 더 돌출될 수 있다.
전극 조립체(110)는 제1전극탭(111b)이 상부방향으로 돌출될 수 있으며, 제2전극탭(112b)이 하부 방향으로 돌출될 수 있다. 이와 같은 제1전극탭(111b)과 제2전극탭(112b)은 권심을 향해 절곡될 수 있다. 즉, 다수의 제1전극탭(111b)과 다수의 제2전극탭(112b)은 권취 선단 영역부터 권심을 향해 절곡 및 다져질 수 있다. 이때 제1전극탭(111b)과 제2전극탭(112b)이 전극 조립체(110)의 권심홀(예를 들면, 코어)을 덮지 않도록, 권취 선단의 일부 영역에는 구비되지 않을 수 있다. 전극 조립체(110)는 제1전극탭(111b)과 제2전극탭(112b)의 절곡 및 다짐에 의해서, 상면(110a)과 하면(110b) 각각에 탭들의 단차로 인한 표면 거칠기를 가질 수 있다.
전극 조립체(110)의 상면(110a)에 제1전극탭(111b)이 위치하고, 하면(110b)에 제2전극탭(112b)이 위치할 수 있다. 도 7은 전극 조립체(110)의 상면(110a)과 하면(110b)에서 임의로 선택된 4개의 영역을 표시하고 있다. 여기서 임의로 선택된 4개의 영역은 권심을 중심으로 서로 대칭되는 것으로 표시하였으나, 동일한 넓이를 갖는 영역이라면 어떤 영역이라도 선택가능 할 수 있다. 다만, 임의로 선택된 4개의 영역은 제1집전판(130) 및 제2집전판(140)에 접촉되는 영역으로 선택하는 것이 바람직하다. 또한 임의로 선택된 4개의 영역은 제1집전판(130) 및 제2집전판(140)과 용접되지 않는 영역일 수 있다.
또한 전극 조립체(110)의 상면(110a)의 제1영역(a1), 제2영역(a2), 제3영역(a3) 및 제4영역(a4)에서 측정된 최대 높이(Sz)와 평균 높이(Sa)와, 하면(110b)의 제1영역(b1), 제2영역(b2), 제3영역(b3), 제4영역(b4)에서 측정된 최대 높이(Sz)와 평균 높이(Sa)의 결과인 표면 거칠기 데이터는 아래의 표 1과 같을 수 있다. 여기서 최대 높이(Sz)는 각각의 영역의 면적내에서 최저점에서 최고점까지(피크)의 높이이고, 여기서 평균 높이(Sa)는 각각의 영역의 면적에서 평균 거칠기일 수 있다. 표면 거칠기는 접촉식 또는 비접촉식의 거칠기 측정 장비를 통해 측정될 수 있다.
여기서, 전극 조립체(110)의 상면(110a) 및 하면(110b)에 대한 표면 거칠기 데이터는 총 3개의 전극 조립체(110)에 대해서 측정하였으며, 표 1은 제1전극 조립체에 대한 실험 결과이고, 표2는 제2전극 조립체에 대한 실험 결과이며, 표3은 제3전극 조립체에 대한 실혐 결과이다. 여기서 제1전극 조립체, 제2전극 조립체 및 제3 전극 조립체는 동일한 공정을 통해 제조된 동일한 구조의 전극 조립체일 수 있다. 이하에서 단위는 ㎛일 수 있다.
상면(110a) Sa Sz 하면(110b) Sa Sz
제1영역(a1) 14.895 177.730 제1영역(b1) 39.596 191.190
제2영역(a2) 14.140 127.890 제2영역(b2) 20.413 154.590
제3영역(a3) 12.433 123.550 제3영역(b3) 35.470 164.840
제4영역(a4) 14.658 281.420 제4영역(b4) 38.031 217.630
평균 14.031 177.648 평균 33.373 182.063
표준편차 0.963 63.583 표준편차 7.627 24.493
상면(110a) Sa Sz 하면(110b) Sa Sz
제1영역(a1) 13.076 128.230 제1영역(b1) 21.683 156.060
제2영역(a2) 15.564 133.240 제2영역(b2) 36.667 231.280
제3영역(a3) 16.712 158.220 제3영역(b3) 18.696 147.390
제4영역(a4) 36.595 502.330 제4영역(b4) 36.895 182.140
평균 19.971 230.505 평균 24.485 179.218
표준편차 8.509 157.349 표준편차 8.363 32.666
상면(110a) Sa Sz 하면(110b) Sa Sz
제1영역(a1) 15.553 165.060 제1영역(b1) 41.026 214.340
제2영역(a2) 18.525 250.980 제2영역(b2) 37.204 211.560
제3영역(a3) 13.827 141.380 제3영역(b3) 29.711 156.110
제4영역(a4) 24.906 520.360 제4영역(b4) 38.648 236.500
평균 18.203 269.445 평균 36.647 204.628
표준편차 4.219 150.496 표준편차 4.231 29.632
표 1 내지 표 3에서 전극 조립체(110)의 상면(110a)에 대한 표면 거칠기 데이터를 참조하면, 각 영역별로 측정된 평균 높이(Sa)는 12㎛ 내지 36㎛일 수 있고, 최대 높이(Sz)는 123㎛ 내지 520㎛일 수 있다. 또한 전극 조립체(110)의 하면(110b)에 대한 표면 거칠기 데이터를 참조하면, 각 영역별로 측정된 평균 높이(Sa)는 18㎛ 내지 41㎛일 수 있고, 최대 높이(Sz)는 147㎛ 내지 236㎛일 수 있다. 표 1 내지 표 3의 전극 조립체(110)의 표면 거칠기 데이터를 참조하면, 전극 조립체(110)의 상면(110a) 및 하면(110b)은 제1전극탭(111b)과 제2전극탭(112b)의 절곡 및 다짐에 의해서 불균일한 단차로 인해 표면 거칠기를 가질 수 있다. 또한 전극 조립체(110)는 상면(110a)에 비해서 하면(110b)의 표면 거칠기가 더 클 수 있다. 이와같은 표면 거칠기를 갖는 전극 조립체(110)의 상면(110a)에 평평한 제1집전판(130)이 접촉될 경우, 거칠기의 차이로 인한 들뜸이 발생되어, 낮은 접촉 면적으로 인해 전기 저항이 증가될 수 있다. 이를 방지하기 위해서, 제1집전판(130)에서 전극 조립체(110)의 상면(110a)과 대향한 하면에 하부 방향으로 돌출된 돌기부(139)를 통해 접촉 면적을 증대시킬 수 있다. 돌기부(139)는 전극 조립체(100)의 상면(110a)에 위치하는 제1전극탭(111b)에 접촉 및 가압할 수 있다.
또한 표면 거칠기를 갖는 전극 조립체(110)의 하면(110b)에 평평한 제2집전판(140)이 접촉될 경우, 거칠기의 차이로 인한 들뜸이 발생되어, 낮은 접촉 면적으로 인해 전기 저항이 증가될 수 있다. 이를 방지하기 위해서, 제2집전판(140)에서 전극 조립체(110)의 하면(110b)과 대향한 상면(140a)에 상부 방향으로 돌출된 돌기부(149)를 통해 접촉 면적을 증대시킬 수 있다. 돌기부(149)는 전극 조립체(100)의 하면(110b)에 위치하는 제2전극탭(112b)에 접촉 및 가압할 수 있다.
도 8을 참조하면, 도 1에 도시된 이차 전지(100)의 제1집전판(130)의 저면도이다. 도 9는 도 8의 A-A'선을 절단한 단면도이다. 이하에서는 도 8 및 도 9를 참조하여, 제1집전판(130)을 설명하고자 한다.
우선 제1집전판(130)은 전극 조립체(110)의 상면(110a)과 대응되는 형상인, 원형 금속 판일 수 있다. 제1집전판(130)의 평면크기는 전극 조립체(110)의 상면(110a)의 크기와 같거나 더 작을 수 있다. 제1집전판(130)은 하면(130b)이 전극 조립체(110)의 상면(110a)에 접촉된 상태에서 용접에 의해, 전극 조립체(110)의 제1전극탭(111b)에 고정 및 전기적으로 접속될 수 있다. 제1집전판(130)은 상면(130a)이 단자(150)의 하면에 접촉된 상태에서, 용접에 의해, 단자(150)에 고정 및 전기적으로 접속될 수 있다. 제1집전판(130)은 전극 조립체(110)의 제1전극판(111)과 단자(150)사이의 전류 흐름의 통로가 된다.
제1집전판(130)은 단자 접속부(131), 극판 접속부(132) 및 퓨즈부(135)를 포함할 수 있다. 단자 접속부(131)는 제1집전판(130)의 중심에 위치하며, 대략 원형으로 형성될 수 있다. 단자 접속부(131)의 상면에는 단자(150)의 체결부(152)의 하면이 용접될 수 있다. 극판 접속부(132)는 단자 접속부(131)의 외측에 위치하며, 전극 조립체(110)의 제1전극탭(111b)에 접촉 및 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 극판 접속부(132)의 하면에는 전극 조립체(110)의 상면(110a)으로 노출된 제1전극탭(111b)이 용접될 수 있다.
퓨즈부(135)는 단자 접속부(131)와 극판 접속부(132) 사이에 형성될 수 있다. 퓨즈부(135)는 퓨즈홀(136) 및 극판 연결부(137)를 포함할 수 있다. 퓨즈부(135)는 이차 전지(100)의 단락 또는 과전류 발생 시, 발생된 열에 의해 극판 연결부(137)를 용융 및 절단함으로써 이차 전지(100)에 흐르는 전류를 차단할 수 있다.
퓨즈홀(136)은 단자 접속부(131)의 외주연의 일부를 따라서 대략 'C'자 형태로 형성되어, 퓨즈홀(136)의 양단은 서로 마주할 수 있다. 퓨즈홀(136)은 단자 접속부(131)와 극판 접속부(132)를 분리시킬 수 있다. 즉, 단자 접속부(131)와 극판 접속부(132)는 퓨즈홀(136)에 의해 서로 이격될 수 있다.
극판 연결부(137)는 단자 접속부(131)와 극판 접속부(132)를 연결시킬 수 있다. 극판 연결부(137)는 이차 전지(100)의 단락 또는 과전류 발생 시, 발생된 열에 의해 용융 및 절단되어 전류를 차단함으로써, 안전성을 향상시킬 수 있다.
이와같은 제1집전판(130)의 형상은 일예로, 단자 접속부(131)와 극판 접속부(132) 및 퓨즈부(135)를 갖는 다양한 형태로 변경 가능 할 수 있다.
극판 접속부(132)는 용접 영역(138) 및 돌기부(139)를 포함할 수 있다. 용접영역(138)은 극판 접속부(132)의 중심으로 외측 방향인 직경 방향으로 구비될 수 있다. 여기서, 용접 영역(138)은 균일한 폭으로, 극판 접속부(132)를 균일한 넓이로 분할할 수 있다. 예를 들어, 용접 영역(138)은 4개로 도시하였으나 3개 또는 그 이하일 수 있으며 여기서 용접 영역(138)의 개수를 한정하는 것은 아니다. 여기서 용접영역(138)은 용접에 의해, 전극 조립체(110)의 상면(110a)에 용접되는 영역일 수 있다.
또한 극판 접속부(132)는 용접 영역(138) 이외의 영역의 하면(130b)에 돌기부(139)가 구비될 수 있다. 즉, 용접 영역(138)의 하면에는 돌기부(139)가 구비되지 않을 수 있다.
이와 같은 제1집전판(130)의 극판 접속부(132)는 하면(130b)에 돌기부(139)가 형성된 영역과, 용접에 의해 전극 조립체(110)의 상면(110a)과 용접되는 용접 영역(138)을 구비할 수 있다.
돌기부(139)는 제1집전판(130)의 하면(130b)으로부터 하부 방향으로 돌출되도록 구비될 수 있다. 돌기부(139)는 제1집전판(130)의 하면(130b)에 서로 이격되도록 다수개가 구비될 수 있다. 도 8에서 돌기부(139)는 직경방향으로 3열로 도시하였으나, 직경방향으로 적어도 2개 이상일 수 있다. 돌기부(139)는 평면상 원형일 수 있으며, 대략 반구 형상으로 돌출될 수 있다. 돌기부(139)의 평면상 직경은 대략 1mm 내지 대략 15mm일 수 있다. 또한 돌기부(139)의 최대 높이는 대략 0.4mm 내지 대략 2.9mm일 수 있다. 돌기부(139)는 돌기 중심에서 가장 높을 수 있으며, 가장자리로 갈수록 그 높이가 더 작아질 수 있다. 돌기부(139)의 높이는 제1집전판(130)의 하면(130b)으로부터의 높이일 수 있다. 또한 제1집전판(130)의 상면(130a)은 평평한 판 형상일 수 있다.
돌기부(139)의 평면상 직경이 대략 1mm 미만일 경우, 돌기부(139)의 높이를 대략 0.4mm이상으로 높일 수 없어, 돌기부(139)가 전극 조립체(110)의 상면(110a)에 접촉이 용이하지 않을 수 있다. 또한 돌기부(139)의 평면상 직경이 대략 15mm를 초과할 경우, 제1집전판(130)의 하면(130b)에 제공할 수 있는 돌기부(139)의 개수가 감소되어, 실질적으로 전극 조립체(110)의 상면(110a)과 접촉되는 면적은 증가되지 않을 수 있다.
돌기부(139)는 최대 높이가 대략 0.4mm미만으로 제공 및 성형이 어려울 수 있다. 돌기부(139)의 최대 높이가 대략 2.9mm를 초과할 경우, 돌기부(139)의 높이로 인해 전극 조립체(110)내에 제2전극판(112)과 접촉되어 단락이 발생될 수 있다.
이와같은 돌기부(139)의 평면 형상은 타원형 또는 다각형 형상을 가질 수 있으며, 그 형상은 다양하게 변경 가능할 수 있다.
또한 돌기부(139)는 거칠기 처리를 통해, 표면 거칠기가 다른 영역에 비해서 더 크도록 하여, 전극 조립체(110)의 상면(110a)과의 접촉 면적을 보다 증가 시킬 수 있다. 즉, 제1집전판(130)은 돌기부(139)만 구비할 때에 비해서, 표면 거칠기를 통해 전극 조립체(110)의 상면(110a)과 접촉이 보다 용이하여, 접촉 저항을 감소시킬 수 있다. 여기서 표면 거칠기가 더 크다는 것은, 거칠기 처리를 통해 평면상 및/또는 일방향 선에서 평균 높이 및/또는 최대 높이가 더 큰 것을 의미할 수 있다. 돌기부(139)는 거칠기 처리를 통해 표면 거칠기를 증가시킬 수 있다. 하나 이상의 실시예들에서, 거칠기 처리는 블라스트, 연마, 에칭 또는 탄소 고온 열처리 등일 수 있다.
돌기부(139)는 표면 거칠기의 최대 높이(Ry)가 대략 7㎛ 내지 대략 9㎛이고, 표면 거칠기의 평균 높이(Ra)가 대략 0.6㎛ 내지 대략 0.9㎛일 수 있다. 돌기부(139)의 표면 거칠기의 평균 높이가 대략 0.6㎛보다 작으면, 돌기부(139)만 구비할 때 보다 전극 조립체(110)의 상면(110a)과 접촉 면적이 증가되기 어려울 수 있다. 돌기부(139)의 표면 거칠기의 평균 높이가 대략 0.9㎛보다 더 크거나 최대 높이가 대략 9㎛보다 더 클 경우, 거칠기로 인해 표면을 따라 이동하는 전자 이동 경로가 감소되어, 저항이 증가될 수 있다. 표면 거칠기 처리된 돌기부(139)의 최대 높이는 대략 2.9mm 이하일 수 있다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 도 8의 A-A'선을 절단한 단면도의 다른예가 도시되어 있다. 도 10 내지 도 12는 제1집전판(130)의 단면도의 다른예가 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 제1집전판(130)은 거칠기 처리가 돌기부(139)의 표면 이외에도, 제1집전판(130)의 극판 접속부(132)의 하면(130a) 전체가 거칠기 처리되어, 표면 거칠기를 가질 수 있다. 제1집전판(130)의 극판 접속부(132)의 하면(130a) 전체에 거칠기 처리가 되어, 전극 조립체(110)의 상면(110a)과의 접촉을 더 증대시킬 수 있다. 다른 예로, 제1집전판(130)은 하면(130a) 전체가 거칠기 처리되어, 단자 접속부(131)의 하면(130a)도 표면 거칠기를 증가시킬 수 있다.
도 11을 참조하면, 제1집전판(130)은 상면(130a)에 돌기부(139)의 위치와 대응되는 위치에 오목부(139a)가 더 구비될 수 있다. 즉, 제1집전판(130)의 돌기부(139)는 평평한 제1집전판(130)에 가압에 의해 형성되어, 돌기부(139)가 형성된 면의 반대면인 상면(130a)에 오목부(139a)가 구비될 수 있다.
도 12를 참조하면 제1집전판(130)의 돌기부(139)의 높이가 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1집전판(130)의 돌기부(139)는 단자 접속부(131)와 인접한 전극 조립체(110)의 권취 선단 영역과 접촉되는 권취 선단 돌기부(139x)의 높이(H1)와 전극 조립체에(110)의 권취 종단과 접촉되는 권취 종단 돌기부(139y)의 높이(H2)가 그 이외의 영역인 중간영역에 위치하는 돌기부(139z)의 높이(H3)와 같거나, 더 낮을 수 있다.
이는, 전극 조립체(110)는 제1전극탭(111b)이 절곡되어 다짐된 높이인 누적두께가 권취 선단과 권취 종단에 비해서 중심영역이 더 높을 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체(110)는 제1전극탭(111b)의 누적 두께가 권취 선단과 권취 종단에서 대략 0.2mm이하일 수 있고, 중심영역에서 대략 0.5mm이하일 수 있다. 따라서, 제1집전판(130)은 권취 선단 돌기부(139x)와 권취 종단 돌기부(139x)의 높이(H1, H2)는 중심 영역 돌기부(139z)의 높이(H3)와 같거나, 더 작을 수 있다. 예를 들어, 중심 영역 돌기부(139z)의 높이(H3)는 대략 0.4mm 내지 대략 2.9mm이고, 권취 선단 돌기부(139x)와 권취 종단 돌기부(139x)의 높이(H1, H2)는 대략 0.4mm 내지 대략 2.4mm일 수 있다.
제2집전판(140)은 전극 조립체(110)의 하면(110b)과 대응되는 원형의 평면부(141)와, 평면부(141)의 가장자리로부터 하부 방향으로 연장된 연장부(142)를 포함할 수 있다.
이와같은 제2집전판(140)은 평면부(141)의 상면(140a)에 돌기부(149)가 더 구비될 수 있다. 돌기부(149)는 제2집전판(140)의 평면부(141)의 상면(140a)으로부터 상부 방향으로 돌출되도록 구비될 수 있다. 돌기부(139)는 제2집전판(140)의 평면부(141)의 상면(140a)에 서로 이격되도록 다수개가 구비될 수 있다. 돌기부(149)는 직경방향으로 적어도 2개 이상일 수 있다. 돌기부(149)의 형상 및 크기는 제1집전판(130)의 돌기부(139)의 형상 및 크기와 유사할 수 있다.
돌기부(149)는 거칠기 처리를 통해 표면 거칠기를 증가시킬 수 있다. 돌기부(149)는 표면 거칠기가 제2집전판(140)의 다른 영역에 비해서 더 클 수 있다. 돌기부(149)는 거칠기가 최대 높이(Ry)가 대략 4.6㎛ 내지 대략 5.6㎛이고, 평균 높이(Ra)가 대략 0.39㎛ 내지 대략 0.44㎛일 수 있다. 제2집전판(140)은 돌기부(149)의 거칠기의 평균 높이가 대략 0.39㎛보다 작으면, 제2집전판(140)과 전극 조립체(110)의 하면(110b) 사이에 접촉 면적이 돌기부(149)만 구비할 때 보다 증가되기 어려울 수 있다. 제2집전판(140)의 돌기부(149)의 거칠기의 평균 높이가 대략 0.44㎛보다 더 크거나, 최대 높이(Ry)가 대략 5.6㎛보다 크면, 표면을 따라 이동하는 전자 이동 경로가 감소되어, 저항이 증가될 수 있다.
제2집전판(140)의 평면부(141)는 상면이 전극 조립체(110)의 하면(110b)과 접촉 및 전기적을 접속될 수 있다. 평면부(141)의 상면은 전극 조립체(110)의 하면(110b)에 접촉된 상태에서 용접에 의해, 전극 조립체(110)의 하부로 노출된 제2전극탭(112b)에 고정 및 전기적으로 접속될 수 있다. 여기서 평면부(141)는 전극 조립체(110)의 하면(110b)과 용접되는 용접 영역에는 돌기부(149)가 구비되지 않을 수 있다.
연장부(142)는 평면부(141)의 가장자리로부터 하부 방향으로 연장될 수 있다. 일예로 연장부(142)는 평면부(141)의 가장자리를 따라 서로 이격되도록 다수개 구비될 수 있다. 또한 연장부(142)는 비딩부(123)의 내표면에 접촉될 수 있다. 즉, 연장부(142)는 비딩부(123)를 따라 라운드 또는 절곡될 수 있다. 여기서 내표면은 케이스(120)의 내측 표면일 수 있다. 연장부(142)는 끝단부가 비딩부(123)와 캡 가스켓(127)사이에 위치할 수 있다. 이와같은 연장부(142)는 케이스(120)의 비딩부(123)에 접촉 및 결합될 수 있다. 일예로 연장부(142)는 케이스(120)의 비딩부(123)의 내표면에 접촉된 상태로 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 제2집전판(140)은 전극 조립체(110)의 제2전극판(112)과 케이스(120)사이의 전류의 흐름 통로가 된다. 즉, 케이스(120)는 음극 단자일 수 있다.
다른예로 제2집전판(140)은 상면(140a)에서 평면부(141)가 위치하는 영역에만 거칠기 처리를 하여, 표면 거칠기를 증가시킬 수 있다. 이때, 제2집전판(140)은 연장부(142)에 비해서 평면부(141)의 상면과 돌기부(149)의 표면의 표면 거칠기가 더 클 수 있다. 즉, 제2집전판(140)은 상면(140a)에서 표면 거칠기가 평면부(141)와 돌기부(149)가 연장부(142)에 비해 더 크거나 같을 수 있다. 또한 제2집전판(140)의 돌기부(149)는 그 높이가 도 12에 도시된 제1집전판(130)과 유사할 수 있으며, 돌기부(149) 형성은 가압에 의해 형성되어 제2집전판(140)의 하면에 돌기부(149)와 대응되는 홈이 구비될 수 있다.
이와같은 이차 전지(100)는 전극 조립체(110)의 제1전극탭(111b)과 제2전극탭(112b)의 절곡 및 다짐에 의해서 상면(110a)과 하면(110b)의 표면 거칠기를 가지므로, 제1집전판(130) 및 제2집전판(140)에서 전극 조립체(110)에 접촉되는 영역에 돌기부(139, 149)가 구비되어 접촉을 증가시킴으로써, 전극 조립체(110)와 제1집전판(130)사이, 전극 조립체(110)와 제2집전판(140)사이의 접촉 저항을 감소시킬 수 있다.
도 13 내지 도 16은 도 1 내지 도 6에 도시된 이차 전지에서 제1집전판의 다양한 예를 도시한 평면도가 도시되어 있다.
도 13을 참조하면, 제1집전판(230)은 단자 접속부(131), 극판 접속부(132) 및 퓨즈부(235)를 포함할 수 있다. 퓨즈부(235)는 퓨즈홀(136), 극판 연결부(137) 및 돌기홀(236a)을 포함할 수 있다. 돌기홀(236a)은 퓨즈홀(136)의 일단과 타단에 각각 형성될 수 있다. 퓨즈홀(136)의 양단에 형성된 돌기홀(236a)은 서로를 향해 가까워지는 방향으로 돌출될 수 있다. 돌기홀(236a)의 너비는 퓨즈홀(136)의 너비보다 작을 수 있다. 돌기홀(236a)은 극판 연결부(137)의 너비(W2), 즉 전류가 흐르는 단면적을 줄여주어, 퓨즈부(235)의 기능을 향상시킬 수 있다.
도 14을 참조하면, 제1집전판(330)은 단자 접속부(131), 극판 접속부(132) 및 퓨즈부(335)를 포함할 수 있다. 퓨즈부(335)는 퓨즈홀(136), 극판 연결부(337), 돌기홀(236a) 및 연장홀(336b)을 포함할 수 있다. 연장홀(336b)은 퓨즈홀(136)의 양단에서 극판 연결부(337)의 길이만큼 각각 제1집전판(330)의 외측을 향해 연장될 수 있다. 퓨즈홀(136)의 양단에 형성된 연장홀(336b)은 서로 평행할 수 있다. 연장홀(336b)은 극판 연결부(337)의 길이(L), 즉 전류가 흐르는 길이를 늘려주어, 퓨즈부(335)의 기능을 향상시킬 수 있다.
도 15를 참조하면, 제1집전판(430)은 단자 접속부(131), 극판 접속부(132) 및 퓨즈부(435)를 포함할 수 있다. 퓨즈부(435)는 서로 이격된 2개의 퓨즈홀(436)과, 퓨즈홀(436) 사이에 위치한 2개의 극판 연결부(437)를 포함할 수 있다. 2개의 퓨즈홀(436)은 제1집전판(430)의 중심을 기준으로 동심원 상에 위치하며, 서로 대칭일 수 있다. 제1집전판(430)의 중심에 대해 극판 연결부(437)가 이루는 각(b)은 약 30도 내지 50도 일 수 있다.
도 16을 참조하면, 제1집전판(530)은 단자 접속부(131), 극판 접속부(132) 및 퓨즈부(535)를 포함할 수 있다. 퓨즈부(535)는 서로 이격된 3개의 퓨즈홀(536)과, 퓨즈홀(536) 사이에 위치한 3개의 극판 연결부(537)를 포함할 수 있다. 3개의 퓨즈홀(536)은 제1집전판(530)의 중심을 기준으로 동심원 상에 위치할 수 있으며, 동일한 크기로 형성될 수 있다. 제1집전판(530)의 중심에 대해 극판 연결부(537)가 이루는 각(c)은 약 8도 내지 15도일 수 있다.
도 17 본 개시에 따른 예시적인 이차 전지(100')를 도시한 단면도이다. 도 17에 도시된 이차전지(100')는 단자(150)가 캡플레이트(160)에 결합될 수 있다. 또한 전극 조립체(110)의 제2전극탭(112b)가 케이스(120')의 하측부(122')에 직접 용접될 수 있다.
케이스(120')는 하측부(122')와 하측부(122')의 가장자리로부터 상측방향으로 연장된 몸통부(121)를 포함할 수 있다. 또한 하측부(122')는 노치에 의해 다른 영역에 비해서 두께가 더 얇은 안전 벤트(122a)를 포함할 수 있다. 이차 전지(100')의 과충전 또는 이상 작동 등에 의해 가스가 발생하는 경우, 케이스(120')에 구비된 안전 벤트(122a)는 노치를 따라 절개될 수 있다. 절개된 안전 벤트(122a)는 가스를 외부로 방출하여 이차 전지(100')의 폭발을 방지할 수 있다.
캡플레이트(160')는 몸통부(121)의 끝단인 상단에 용접에 의해 결합될 수 있다. 또한 캡플레이트(160')에 구비된 단자홀에 단자(150)가 결합될 수 있다. 물론 캡플레이트(160')와 단자(150) 사이는 단자 가스켓(125)에 의해 전기적으로 분리될 수 있다. 이차 전지(100')의 그 이외의 구성은 도 1 및 도 2에 도시된 이차 전지(100)와 유사할 수 있다.
상술한 실시예에 따른 이차 전지는 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명에 따른 예시적 이차 전지(100)를 포함하는 배터리 팩을 도시한 사시도이다. 도 18a 및 도 18b를 참조하면, 배터리 팩(300)은 다수의 배터리 모듈(200)과 다수의 배터리 모듈(200)을 수용하기 위한 하우징(310)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하우징(310)은 다수의 배터리모듈(200)을 개재하여 서로 마주하는 방향으로 결합되는 제1, 제2 하우징(311,312)을 포함할 수 있다. 상기 다수의 배터리 모듈(200)은 버스 바(251)를 이용하여 서로 전기적으로 연결될 수 있고, 다수의 배터리 모듈(200)이 직렬/병렬 또는 직병렬 혼합 방식으로 서로 전기적으로 연결되어 요구되는 전기적인 출력을 얻을 수 있다. 도면에서는, 도시의 편의상 배터리 셀들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다. 일부 예들에서, 배터리 팩(300)은 자동차에 탑재될 수 있다. 자동차는 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차는 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함할 수 있다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명에 따른 예시적 배터리 팩(300)을 포함하는 자동차(400,500)를 도시한 사시도 및 측면도이다. 도 19a에서 배터리 팩(300)은 차량 언더 바디(410)의 일 부분인 배터리 팩 커버(311)(상기 제1하우징에 대응할 수 있음)와 상기 차량 언더 바디(410)의 하부에 배치되는 팩 프레임(312)(상기 제2하우징에 대응할 수 있음)을 포함할 수 있다. 배터리 팩 커버(311) 및 팩 프레임(312)은 차량 바닥부(420)와 일체로 형성된 구조일 수 있다. 상기 차량 언더 바디(410)는 차량의 내부와 외부를 분리하며, 상기 팩 프레임(312)은 차량의 외부에 배치될 수 있다.
도 19b에 도시된 바와 같이 차량(500)은 차체(400)에 차량 전방의 후드(510) 및 차량의 전후방에 각각 위치된 펜더(520)와 같은 추가적인 부품들이 결합되어 이루어질 수 있다. 차량(500)은 배터리 팩 커버(311) 및 팩 프레임(312)을 포함하는 배터리 팩(300)을 포함하며, 배터리 팩(300)은 차체 부품(400)에 결합될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (20)

  1. 제1전극판, 세퍼레이터 및 제2전극판을 갖는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 수용된 케이스;
    상기 케이스를 관통하는 단자; 및
    상기 전극 조립체의 상면과 상기 케이스 사이에 개재되며, 상기 제1전극판과 상기 단자 사이를 전기적으로 연결하는 제1집전판을 포함하며,
    상기 제1집전판은 상기 전극 조립체의 상면과 접촉되는 하면과 상기 하면의 반대인 상면을 포함하고, 상기 제1집전판의 상기 하면은 상기 전극 조립체의 방향으로 돌출된 돌기부를 구비하고, 상기 돌기부의 표면 거칠기가 상기 제1집전판의 상기 상면의 표면 거칠기에 비해서 더 큰 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1집전판은 원형 판 형상으로
    상기 단자의 하면에 접촉 및 전기적으로 접속된 단자 접속부; 및
    상기 전극 조립체의 상면으로 노출된 제1전극 탭과 접촉 및 전기적으로 접속되며, 상기 단자 접속부의 외측에 위치하는 극판 접속부를 포함하는 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 극판 접속부는 직경방향으로 연장되며, 상기 전극 조립체의 상면에 용접되는 용접영역과,
    상기 용접 영역 이외의 영역에 상기 돌기부가 구비되며,
    상기 돌기부는 상기 극판 접속부의 직경 방향으로 적어도 2개 이상 구비된 이차 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 극판 접속부의 상면은 평평한 평면인 이차 전지.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 극판 접속부의 상면은 상기 돌기부와 대응되는 오목부가 구비된 이차 전지.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 극판 접속부의 하면은 거칠기 처리되어, 표면 거칠기가 상기 극판 접속부의 상면에 비해서 더 큰 이차 전지.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 돌기부는 상기 전극 조립체의 권취 선단 영역과 접촉되는 권취 선단 돌기부의 높이와 상기 전극 조립체의 권취 종단과 접촉되는 권취 종단 돌기부의 높이가 그 이외의 영역인 중간영역에 위치하는 중간 영역 돌기부의 높이와 같거나, 더 낮은 이차 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전극판은 상기 전극 조립체의 상면으로부터 상부 방향으로 돌출되고, 상기 전극 조립체의 권취축 방향으로 절곡 및 다져진 다수의 제1전극탭을 더 포함하고,
    상기 제2전극판은 상기 전극 조립체의 하면으로부터 하부 방향으로 돌출되고, 상기 전극 조립체의 권취축 방향으로 절곡 및 다져진 다수의 제2전극탭을 더 포함하는 이차 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 상기 제1전극탭이 절곡되어 다짐된 높이인 누적 두께가 권취 선단과 권취 종단에 비해서 중심 영역이 더 높은 이차 전지.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 하면과 대응되는 원형 판 형상으로, 상기 전극 조립체의 하면으로 노출된 상기 제2전극탭과 접촉 및 전기적으로 접속된 제2집전판을 더 포함하는 이차 전지.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제2집전판은 상기 전극 조립체의 하면에 접촉된 원형의 평면부; 및
    상기 평면부의 가장자리로부터 하부 방향으로 연장되어 상기 케이스에 접촉된 연장부를 포함하는 이차 전지.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 평면부는 상기 제2집전판의 상면에 상기 전극 조립체의 하면 방향으로 돌출된 다수의 돌기부를 포함하며, 상기 돌기부의 표면 거칠기는 상기 제2집전판의 하면의 표면 거칠기에 비해 더 큰 이차 전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제2집전판의 상면의 표면 거칠기가 상기 제2집전판의 하면의 표면 거칠기에 비해서 더 큰 이차 전지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스는 상측부; 및 상기 상측부의 가장자리로부터 하부 방향으로 연장된 몸통부를 포함하며,
    상기 단자는 상기 케이스의 상기 상측부를 관통하여, 상기 제1집전판과 결합된 이차 전지.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 케이스는 상기 몸통부의 하측단을 밀봉하는 캡 플레이트를 더 포함하는 이차 전지.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스는 하측부; 및 상기 하측부의 가장자리로부터 상부 방향으로 연장된 몸통부를 포함하고,
    상기 몸통부의 상측단을 밀봉하는 캡 플레이트를 더 포함하는 이차 전지.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 단자는 상기 캡 플레이트를 관통하여 상기 제1집전판과 결합된 이차 전지.
  18. 제 8 항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 하면의 표면 거칠기가 상면의 표면 거칠기에 비해서 더 큰 이차 전지.
  19. 제 8 항에 있어서,
    상기 다수의 제1전극 탭은 상기 제1전극판에서 전극 활물질이 도포되지 않은 제1무지부로, 권취 방향을 따라 서로 이격되도록 다수개가 배치된 이차 전지.
  20. 제 8 항에 있어서,
    상기 다수의 제1전극 탭은 상기 제1전극판에서 권취 선단과 권취 종단에는 구비되지 않는 이차 전지.
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