WO2022158864A2 - 전극 단자의 고정 구조 및 이를 포함하는 배터리, 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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

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    • 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 invention relates to a fixing structure of an electrode terminal and a battery, a battery pack, and a vehicle including the same.
  • Korean Patent Application No. 10-2021-0142196 filed on October 22, 2021, Korean Patent Application No. 10-2021-0153472, filed on November 9, 2021, November 2021 Korean Patent Application No. 10-2021-0160823 filed on March 19, Korean Patent Application No. 10-2021-0163809 filed on November 24, 2021 Korean Patent filed on November 26, 2021 Application No. 10-2021-0165866, Korean Patent Application No. 10-2021-0172446, filed on December 3, 2021, Korean Patent Application No. 10-2021-0177091, filed on December 10, 2021 No., Korean Patent Application No. 10-2021-0194593, filed on December 31, 2021, Korean Patent Application No. 10-2021-0194610, filed on December 31, 2021, December 31, 2021 Korean Patent Application No. 10-2021-0194572, filed on December 31, 2021, Korean Patent Application No.
  • Secondary batteries that are easy to apply according to product groups and have electrical characteristics such as high energy density are not only portable devices, but also electric vehicles (EVs) and hybrid vehicles (HEVs) driven by an electric drive source. It is universally applied.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid vehicles
  • Such a secondary battery is attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency because it has the primary advantage of being able to dramatically reduce the use of fossil fuels as well as the advantage that no by-products are generated from the use of energy.
  • the types of secondary batteries currently widely used include a lithium ion battery, a lithium polymer battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a nickel zinc battery, and the like.
  • the operating voltage of such a unit secondary battery is about 2.5V to 4.5V. Accordingly, when a higher output voltage is required, a plurality of batteries are connected in series to form a battery pack. In addition, a plurality of batteries may be connected in parallel to form a battery pack according to the charge/discharge capacity required for the battery pack. Accordingly, the number of batteries included in the battery pack and the type of electrical connection may be variously set according to a required output voltage and/or charge/discharge capacity.
  • a separator which is an insulator, is interposed between the positive electrode and the negative electrode and wound to form an electrode assembly in the form of a jelly roll, which is inserted into the battery housing together with the electrolyte to configure the battery.
  • a strip-shaped electrode tab may be connected to each uncoated region of the positive electrode and the negative electrode, and the electrode tab electrically connects the electrode assembly and the externally exposed electrode terminal.
  • the positive electrode terminal is a cap of a sealing body sealing the opening of the battery housing
  • the negative electrode terminal is the battery housing.
  • a small cylindrical battery with a form factor of 1865 (diameter: 16 mm, height: 65 mm) or 2170 (diameter: 21 mm, height: 70 mm) is not a big issue with resistance and heat generation.
  • a problem that the cylindrical battery ignites may occur as a lot of heat is generated around the electrode tab during the rapid charging process.
  • FIG. 1 to 3 are views showing a manufacturing process of a tab-less cylindrical battery.
  • 1 shows the structure of the electrode
  • FIG. 2 shows the winding process of the electrode
  • FIG. 3 shows the process of welding the current collector to the bent surface of the uncoated area.
  • 4 is a cross-sectional view of a tab-less cylindrical battery cut in the longitudinal direction (Y).
  • the positive electrode 10 and the negative electrode 11 have a structure in which an active material 21 is coated on a sheet-shaped current collector 20, and on one long side along the winding direction (X). It includes an uncoated region 22 .
  • the electrode assembly (A) is manufactured by sequentially stacking the positive electrode 10 and the negative electrode 11 together with two separators 12 as shown in FIG. 2 , and then winding them in one direction (X). In this case, the uncoated regions of the positive electrode 10 and the negative electrode 11 are disposed in opposite directions.
  • the uncoated area 10a of the positive electrode 10 and the uncoated area 11a of the negative electrode 11 are bent toward the core. After that, the current collectors 30 and 31 are welded to the uncoated regions 10a and 11a, respectively, to be coupled thereto.
  • a separate electrode tab is not coupled to the positive uncoated region 10a and the negative uncoated region 11a, the current collectors 30 and 31 are connected to external electrode terminals, and a current path is used to wind the electrode assembly A. Since it is formed with a large cross-sectional area along the axial direction (refer to the arrow), there is an advantage in that the resistance of the battery can be lowered. This is because resistance is inversely proportional to the cross-sectional area of the path through which the current flows.
  • the conventional tab-less cylindrical battery 40 includes a battery housing 41 and a sealing body 42 as shown in FIG. 4 .
  • the battery housing 41 is referred to as a battery can.
  • the sealing body 42 includes a cap 42a, a sealing gasket 42b, and a connecting plate 42c.
  • the sealing gasket 42b surrounds the edge of the cap 42a and is fixed by the crimping portion 43 .
  • the electrode assembly (A) is fixed in the battery housing 41 by the beading portion 44 to prevent vertical flow.
  • the positive terminal is the cap 42a of the sealing body 42 and the negative terminal is the battery housing 41 .
  • the current collector 30 coupled to the uncoated region 10a of the positive electrode 10 is electrically connected to the connection plate 42c attached to the cap 42a through the strip-shaped lead 45 .
  • the current collector 31 coupled to the uncoated portion 11a of the negative electrode 11 is electrically connected to the bottom portion of the battery housing 41 .
  • the insulator 46 covers the current collector 30 to prevent the battery housing 41 having different polarities and the uncoated portion 10a of the positive electrode 10 from contacting each other and causing a short circuit.
  • the lead 45 in the form of a strip is used.
  • the lead 45 is separately attached to the current collector 30 or is manufactured integrally with the current collector 30 .
  • the cross-sectional area is small, so that when a rapid charging current flows, a lot of heat is generated.
  • excessive heat generated from the lead 45 may be transferred to the electrode assembly A side and contract the separator 12 to cause an internal short circuit, which is a major cause of thermal runaway.
  • the lid 45 also occupies a significant installation space within the battery housing 41 . Therefore, the cylindrical battery 40 including the lead 45 has low space efficiency, and thus there is a limit in increasing the energy density.
  • the upper end of the crimping portion 43 has a negative polarity, but has a small area.
  • the figure shows the crimping part 43 large, in reality, the area of the upper end of the crimping part 43 is very small compared to the sealing body 42 . Therefore, in order to stably connect the bus bar components, the positive electrode is connected to the sealing body 42 crimped to the open end of the battery housing 40 and the negative electrode is connected to the bottom of the battery housing 40 .
  • a battery pack mounted on an electric vehicle includes hundreds of cylindrical batteries 40 . Accordingly, the inefficiency of the electrical wiring causes considerable inconvenience in the assembly process of the electric vehicle and the maintenance of the battery pack.
  • the present invention has been devised under the background of the above-described prior art, and is to improve the electrode terminal structure of the cylindrical battery to increase the space efficiency in the battery housing, thereby lowering the internal resistance of the cylindrical battery and increasing the energy density.
  • Another technical object of the present invention is to improve the structure of the electrode terminal of the cylindrical battery to increase the cross-sectional area of the current path, thereby improving the internal heating problem that occurs during rapid charging.
  • Another technical object of the present invention is to provide a cylindrical battery having an improved structure in which electrical wiring for serial and/or parallel connection of the cylindrical battery can be performed on one side of the cylindrical battery.
  • Another technical object of the present invention is to provide a battery pack manufactured using a cylindrical battery having an improved structure and a vehicle including the same.
  • the fixing structure of the electrode terminal according to the present invention for achieving the above technical object includes: a battery housing having a bottom portion with one side open and a through hole formed on the other side; an electrode terminal installed through the through hole so as not to contact the inner wall of the through hole; and a terminal gasket interposed between the electrode terminal and the through hole, wherein the electrode terminal includes: a body part inserted into the through hole; an outer flange portion extending from the first side of the body portion along an outer surface of the battery housing bottom portion; an inner flange portion extending from the second side of the body toward the inner surface of the bottom of the battery housing; and a flat portion provided inside the inner flange portion.
  • the inner surfaces of the flat portion and the bottom portion may be parallel to each other.
  • the electrode terminal may be formed of a metal, and the inner flange portion may be formed by plastically processing the first side of the body portion.
  • the electrode terminal may be a rivet terminal riveted through the through hole by the inner flange portion.
  • the angle between the inner surface of the inner flange facing the bottom of the battery housing and the inner surface of the bottom of the battery housing may be 0 degrees to 60 degrees or less.
  • the inner flange portion includes a first section gradually moving away from the bottom of the battery housing, and a second section connected to the first section and extending toward the bottom of the battery housing, the second section
  • the angle between the surface facing the bottom of the section and the inner surface of the bottom may be 0 degrees to 30 or less.
  • a recess portion may be provided between the inner flange portion and the flat portion.
  • the recess portion may be a groove having a closed loop shape recessed in a central axis direction of the body portion.
  • the recess portion may have an asymmetrical cross-section.
  • the asymmetric cross-section may include a sidewall of the flat portion and an inclined surface of the inner flange portion connected to an end of the sidewall.
  • the side wall may be perpendicular to the inner surface of the bottom part.
  • the sidewall may be inclined toward the flat portion.
  • the thickness of the inner flange portion may decrease as the distance from the body portion increases.
  • the terminal gasket includes: an outer gasket interposed between the outer flange portion and a first plane on which an outer surface of the bottom portion of the battery housing is located; an inner gasket interposed between the inner flange portion and a second plane on which the inner surface of the bottom portion of the battery housing is located; and an intermediate gasket interposed between the body portion and the through hole and connecting the outer gasket and the inner gasket.
  • the intermediate gasket may have a different thickness depending on the location.
  • the terminal gasket may have a minimum thickness at the intermediate gasket.
  • the thickness of the region adjacent to the first plane of the intermediate gasket may increase as it approaches the first plane.
  • the thickness of the region adjacent to the second plane of the intermediate gasket may increase as it approaches the second plane.
  • a central region positioned between the first plane and the second plane of the intermediate gasket may have a uniform thickness.
  • a thickness of a region interposed between the inner flange portion and the inner edge of the through hole connected to the bottom inner surface of the intermediate gasket region may be relatively smaller than the remaining region of the intermediate gasket.
  • the intermediate gasket may have a thickness that gradually decreases in a direction away from the outer flange portion.
  • the thickness of a region interposed near the inner surface of the bottom part and the end of the inner flange part among the regions of the inner gasket may be the thinnest.
  • the inner edge of the through hole may include an opposite surface facing the inner flange portion.
  • the inner gasket may extend longer than the inner flange portion to expose an end thereof.
  • the height of the flat portion with respect to the inner surface of the bottom portion may be equal to or greater than the height of the end portion of the inner gasket.
  • the height of the flat portion with respect to the inner surface of the bottom portion may be equal to or greater than the height of the inner flange portion.
  • a height of the inner flange portion with respect to an inner surface of the bottom portion may be greater than a height of an end portion of the inner gasket.
  • the height of the inner flange portion may be 0.5 mm to 3.0 mm based on the inner surface of the bottom of the battery housing.
  • the height of the electrode terminal from the lower surface of the outer flange part to the surface of the flat part may be 4 mm to 7 mm.
  • the height of the outer flange portion based on the outer surface of the bottom portion of the battery housing may be 0.8 mm or more.
  • the outer gasket is exposed to the outside of the outer flange portion, and the exposed width of the outer gasket measured in a direction parallel to the outer surface of the bottom of the battery housing may be 0.1 mm to 1 mm.
  • a radius from the center of the body to the edge of the outer flange may be 10% to 70% based on the radius of the bottom of the battery housing.
  • the radius from the center of the body portion to the edge of the flat portion may be 4% to 30% based on the radius of the bottom portion.
  • the compression ratio of the terminal gasket may be 30% to 90%.
  • the terminal gasket may include polybutylene terephthalate, polyfluoroethylene or polypropylene, and the terminal gasket may have a compression ratio of 50% to 90%.
  • the thickness of the intermediate gasket of the terminal gasket and the inner gasket before compression is substantially the same, and the compression ratio of the intermediate gasket and the inner gasket may be 50% to 90%.
  • a first electrode and a second electrode are wound with a separator interposed therebetween, and a first portion of the first electrode extending from both ends and exposed to the outside of the separator and an electrode assembly including a second portion of the second electrode; and a cylindrical battery housing accommodating the electrode assembly and electrically connected to the first electrode.
  • an electrode terminal installed through the through hole so as not to contact the inner wall of the through hole formed at the bottom of the battery housing and electrically connected to the second electrode, the body portion being inserted into the through hole; an outer flange portion extending from the first side of the body portion along an outer surface of the bottom portion of the battery housing; an inner flange portion extending from the second side of the body portion toward the inner surface of the bottom portion of the battery housing; and a flat portion provided inside the inner flange portion; a terminal gasket interposed between the electrode terminal and the through hole; and a sealing body sealing the open end of the battery housing to be insulated from the battery housing.
  • the battery housing includes a beading portion press-fitted to the inside of the battery housing in an area adjacent to the open end, and the sealing body includes a non-polar cap and an edge of the cap and the open end of the battery housing. It may include an interposed sealing gasket.
  • the battery housing may further include a crimping part extending and bent inside the battery housing and enclosing and fixing an edge of the cap together with the sealing gasket.
  • the cap may include a vent notch that ruptures when the pressure inside the battery housing exceeds a threshold.
  • the vent notch may be ruptured when the pressure inside the battery housing becomes 15 to 35 kgf/cm 2 .
  • the battery according to the present invention further comprises a first current collector coupled to the first portion of the first electrode, wherein the first current collector is not in contact with the first portion of the first electrode At least a portion of an edge may be interposed between the beading part and the sealing gasket and fixed by the crimping part.
  • At least a portion of an edge of the first current collector may be fixed to an inner circumferential surface of the beading portion adjacent to the crimping portion through welding.
  • the battery according to the present invention further includes a second current collector coupled to a second portion of the second electrode, wherein at least a portion of the second current collector is coupled to the flat portion of the electrode terminal.
  • the second current collector and the flat portion of the electrode terminal are coupled through welding, and a tensile force of the welding portion between the second current collector and the flat portion of the electrode terminal may be 2 kgf or more.
  • the converted diameter of the welding pattern exposed on the surface of the second current collector may be 2 mm or more.
  • the diameter of the flat portion of the electrode terminal may be 3 mm to 14 mm.
  • the area ratio of the welding pattern exposed on the surface of the second current collector to the area of the flat portion of the electrode terminal may be 2.04% to 44.4%.
  • the battery according to the present invention may further include an insulator interposed between the second current collector and the inner peripheral surface of the bottom of the battery housing, and between the inner peripheral surface of the side wall of the battery housing and the electrode assembly.
  • the insulator may include a welding hole for exposing a flat portion of the electrode terminal toward the second current collector, and may cover a surface of the second current collector and one edge of the electrode assembly.
  • the height from the inner surface of the bottom of the battery housing to the flat part of the electrode terminal may be equal to or smaller than the thickness of the insulator.
  • the terminal gasket includes: an outer gasket interposed between the outer flange portion and a first plane on which an outer surface of the bottom portion of the battery housing is located; an inner gasket interposed between the inner flange portion and a second plane on which the inner surface of the bottom portion of the battery housing is located; and an intermediate gasket interposed between the body portion and the through hole and connecting the outer gasket and the inner gasket.
  • the end of the inner gasket may be exposed to the outside of the inner flange portion.
  • the welding hole may expose a flat portion and an inner flange portion of the electrode terminal.
  • the welding hole may expose a flat portion and an inner flange portion of the electrode terminal, and the inner gasket.
  • a first bus bar terminal may be electrically coupled to a surface of the electrode terminal, and a second bus bar terminal may be electrically coupled to an outer surface of the bottom of the battery housing.
  • the first bus bar terminal overlaps the electrode terminal on a plane to form a first overlapping region
  • the second bus bar terminal overlaps the outer surface of the battery housing bottom on a plane to form a second overlapping region
  • the diameter of the electrode terminal and the width of the outer surface of the bottom of the battery housing may satisfy the following relational expression.
  • E 2 0.5*(D-2R d -2G-E 1 )
  • E 1 the diameter of the electrode terminal
  • E 2 the width of the exposed surface parallel to the surface of the electrode terminal among the outer surfaces of the bottom of the battery housing
  • D the outer diameter of the battery housing
  • R d the round of the edge of the battery housing measured on a plane
  • G the exposed width of the outer gasket through the edge of the electrode terminal
  • W 1 the maximum value between any two points selected from the edge of the first overlapping region
  • W 2 the plurality of passing through the center of the electrode terminal the maximum value among the distances between two points where a straight line of
  • the ratio of the form factor divided by the diameter of the battery by the height may be greater than 0.4.
  • the technical problem of the present invention may be achieved by a battery pack including a plurality of batteries described above.
  • the plurality of batteries are arranged in a predetermined number of rows,
  • the electrode terminal of each battery and the outer surface of the bottom of the battery housing may be disposed to face upward.
  • the battery pack according to the present invention includes a plurality of bus bars connecting a plurality of batteries in series and in parallel, wherein the plurality of bus bars are disposed on top of the plurality of batteries, and each bus bar is adjacent to a body portion extending between the electrode terminals of the batteries; a plurality of first bus bar terminals extending in one direction of the body portion and electrically coupled to electrode terminals of the battery located in the one direction; and a plurality of second bus bar terminals extending in the other direction of the body portion and electrically coupled to the outer surface of the bottom of the battery housing of the battery located in the other direction.
  • the AC resistance measured between the electrode terminal of the battery and the outer surface of the bottom of the battery housing is 0.5 milliohm to 4 milliohm, preferably 1 milliohm to 4 milliohm (miliohm).
  • the technical problem according to the present invention can be achieved by a vehicle including the above-described battery pack.
  • the present invention it is possible to lower the internal resistance of the battery and increase the energy density by improving the electrode terminal structure of the battery to increase the space efficiency in the battery housing.
  • electrical wiring for series and/or parallel connection of the batteries may be performed on one side of the battery.
  • 1 is a plan view showing the structure of an electrode used in a conventional tab-less cylindrical battery.
  • FIG. 2 is a view illustrating a winding process of an electrode assembly included in a conventional tab-less cylindrical battery.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a process in which a current collector is welded to a bent surface of an uncoated region in the electrode assembly of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional tab-less cylindrical battery cut in the longitudinal direction (Y).
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a fixing structure of an electrode terminal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is an enlarged cross-sectional view of a portion indicated by a dotted circle in FIG. 5 .
  • 6B is a partially enlarged cross-sectional view illustrating a fixing structure of an electrode terminal according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • 6C is a plan view schematically illustrating a welding pattern formed on a flat portion of an electrode terminal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view taken along the longitudinal direction (Y) of a cylindrical battery according to an embodiment of the present invention.
  • 7B is a cross-sectional view taken along the longitudinal direction (Y) of a cylindrical battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a plan view illustrating an electrode structure according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the longitudinal direction (Y) of an electrode assembly in which an uncoated segmental structure of an electrode according to an embodiment of the present invention is applied to a first electrode and a second electrode.
  • 10A is a cross-sectional view of an electrode assembly in which an uncoated region is bent according to an embodiment of the present invention, taken along the longitudinal direction (Y).
  • 10B is a perspective view of an electrode assembly in which an uncoated region is bent according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a top plan view showing a state in which a plurality of cylindrical batteries according to an embodiment of the present invention are connected in series and in parallel using a bus bar.
  • FIG. 12A is an enlarged view of a part of FIG. 11 .
  • 12B and 12C are diagrams exemplarily showing parameters used to define a diameter of an electrode terminal and an exposed width of an outer surface of a bottom of a battery housing according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a schematic configuration of a battery pack including cylindrical batteries according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a view showing a schematic configuration of a vehicle including a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • 'substantially identical' may include deviations considered to be low in the art, for example, deviations within 5%.
  • uniformity of a certain parameter in a predetermined region may mean uniformity in terms of an average.
  • first, second, etc. are used to describe various elements, these elements are not limited by these terms, of course. These terms are only used to distinguish one component from other components, and unless otherwise stated, the first component may be the second component, of course.
  • top (or bottom) of a component or “top (or below)” of a component means that any component is disposed in contact with the top (or bottom) surface of the component, as well as , may mean that other components may be interposed between the component and any component disposed on (or under) the component.
  • each component when it is described that a component is “connected”, “coupled” or “connected” to another component, the components may be directly connected or connected to each other, but other components are “interposed” between each component. It is to be understood that “or, each component may be “connected”, “coupled” or “connected” through another component.
  • a direction along the longitudinal direction of the winding axis of the electrode assembly wound in a jelly roll shape is referred to as an axial direction (Y).
  • the direction surrounding the winding shaft is referred to as a circumferential direction or a circumferential direction (X).
  • a direction close to or away from the take-up shaft is referred to as a radial direction.
  • a direction closer to the take-up shaft is referred to as a centripetal direction
  • a direction away from the take-up shaft is referred to as a centrifugal direction.
  • the cylindrical battery according to the embodiment of the present invention may include an electrode terminal installed in a through hole formed in the bottom of the battery housing.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a fixing structure of an electrode terminal 50 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6A is an enlarged cross-sectional view of a portion indicated by a dotted circle in FIG. 5 .
  • the electrode terminal 50 includes a body portion 50a including an upper surface, a lower surface and an outer surface, and a battery housing 51 from the outer surface of the body portion 50a.
  • An outer flange portion 50b extending along the outer surface 52a of the bottom portion 52, and an inner surface 52b of the bottom portion 52 of the battery housing 51 from the outer surface of the body portion 50a It may include an inner flange portion (50c) extending toward the.
  • the upper surface of the body portion 50a is flat and can be connected to the current collector, and is located above the inner flange portion 50c.
  • the fixing structure of the electrode terminal 50 may be applied to the cylindrical battery housing 51 structure.
  • the fixing structure of the electrode terminal 50 includes the battery housing 51 having one side open and the electrode terminal 50 fixed through the through hole 53 formed in the bottom part 52 of the battery housing 51 . and a terminal gasket 54 interposed between the electrode terminal 50 and the through hole 53 .
  • the battery housing 51 may include a cylindrical sidewall and a bottom portion 52 connected to an end of the sidewall. Since a through hole 53 is formed in the bottom part 52 , the battery housing 51 has a structure in which one side is opened and the other side is partially closed by the bottom part 52 .
  • the battery housing 51 may have a shape other than a cylindrical shape, for example, a rectangular shape having a rectangular cross-section.
  • the battery housing 51 is made of a conductive metal material.
  • the battery housing 51 may be made of a steel material, but the present invention is not limited thereto.
  • the inner and outer surfaces of the battery housing 51 may be coated with a Ni plating layer.
  • the electrode terminal 50 is made of a conductive metal material.
  • the electrode terminal 50 may be made of aluminum, but the present invention is not limited thereto.
  • the electrode terminal 50 may be made of a 10-series aluminum alloy that is easy to plastically process and has a low resistance.
  • Plastic working is a method of deforming a metal into a desired shape by applying a physical force, and may include riveting, caulking, and the like.
  • the terminal gasket 54 may be made of a polymer resin having insulation and elasticity.
  • the terminal gasket 54 may be made of polypropylene, polybutylene terephthalate, polyethylene fluoride, or the like, but the present invention is not limited thereto.
  • the electrode terminal 50 is installed in the through hole 53 so as not to contact the inner wall of the through hole 53 .
  • the electrode terminal 50 includes a body portion 50a inserted into the through hole 53 .
  • the body portion 50a may include an upper surface, a lower surface, and an outer surface connecting them to each other.
  • the electrode terminal 50 also has an outer flange portion extending along the outer surface 52a from the periphery of the first side of the body portion 50a exposed through the outer surface 52a of the bottom portion 52 of the battery housing 51 . (50b), an inner flange portion 50c extending from the periphery of the second side of the body portion 50a exposed through the inner surface 52b of the bottom portion 52 of the battery housing 51 toward the inner surface 52b. , and a flat portion 50d provided on the inside of the inner flange portion 50c and surrounded by the inner flange portion 50c.
  • the flat portion 50d corresponds to the upper surface of the body portion 50a.
  • the flat part 50d and the inner surface 52b of the bottom part 52 of the battery housing 51 may be parallel to each other.
  • 'parallel' means substantially parallel when observed with the naked eye.
  • the flat portion 50d may be a surface already formed before the electrode terminal 50 is plastically machined. That is, the flat portion 50d may be a region that is not deformed by plastic working.
  • the electrode terminal 50 is made of metal, and the inner flange portion 50c may be formed by plastically processing the upper periphery of the body portion 50a.
  • the plastic working may be caulking.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the electrode terminal 50 may be a rivet terminal riveted through the through hole 53 by the inner flange portion 50c.
  • the inner flange portion 50c extends in a direction gradually away from the bottom portion 52 of the battery housing 51 .
  • the angle ⁇ between the surface of the inner flange portion 50c facing the bottom portion 52 of the battery housing 51 and the inner surface 52b of the bottom portion 52 of the battery housing 51 is 0 degrees to It may be 60 degrees or less.
  • the size of the angle ⁇ is determined by the caulking strength when the electrode terminal 50 is installed in the through hole 53 of the battery housing 51 by the caulking method. In one example, as the caulking strength increases, the angle ⁇ may decrease to 0 degrees. When the angle ⁇ exceeds 60 degrees, the sealing effect of the terminal gasket 54 may be deteriorated.
  • the angle between the inner flange portion 50c and the outer flange portion 50b may also be 0 degrees to 60 degrees or less. .
  • a recess portion 55 may be provided between the inner flange portion 50c and the flat portion 50d.
  • the recessed portion 55 is a groove recessed in the central axis direction of the body portion 50a.
  • the groove may have a closed loop shape when viewed from the central axis direction of the body portion 50a.
  • the recessed portion 55 may have an asymmetrical cross-section.
  • the asymmetric cross-section may be approximately V-shaped or U-shaped.
  • the asymmetrical cross-section may include a sidewall 55a of the flat portion 50d and an inclined surface 55b connected to an end of the sidewall 55a and formed by an upper surface of the inner flange portion 50c.
  • the outer surface of the body portion 50a exposed through the sidewall 55a may be referred to as a first surface, and the inclined surface 55b may be referred to as a second surface.
  • the first surface and the second surface are asymmetric to each other.
  • the sidewall 55a may be substantially perpendicular to the inner surface 52b of the bottom part 52 of the battery housing 51 .
  • the term 'vertical' means a case that is substantially vertical when observed with the naked eye.
  • the sidewall 55a may be inclined toward the flat portion 50d.
  • the recess portion 55 is formed by the shape of a caulking jig when the electrode terminal 50 is installed in the through hole 53 of the battery housing 51 by a caulking method.
  • the thickness of the inner flange portion 50c may decrease as the distance from the body portion 50a of the electrode terminal 50 increases.
  • the terminal gasket 54 is an outer gasket interposed between the outer flange portion 50b and the first plane P1 in which the outer surface 52a of the bottom portion 52 of the battery housing 51 is located. (54a), an inner gasket (54b) interposed between the inner flange portion (50c) and the second plane (P2) on which the inner surface (52b) of the bottom portion (52) of the battery housing (51) is located, and the body; An intermediate gasket 54c interposed between the portion 50a and the through hole 53 and connecting the outer gasket 54a and the inner gasket 54b may be included.
  • the outer gasket 54a and/or the inner gasket 54b and/or the intermediate gasket 54c may have different thicknesses depending on the location.
  • the intermediate gasket 54c may have a different thickness depending on the position, and the terminal gasket 54 may have a minimum thickness in the intermediate gasket 54c.
  • the thickness of the region adjacent to the first plane P1 of the intermediate gasket 54c may increase as it approaches the first plane P1.
  • a region adjacent to the second plane P2 of the intermediate gasket 54c may have an increased thickness as it approaches the second plane P2.
  • the central region of the intermediate gasket 54c positioned between the first plane P1 and the second plane P2 may have a uniform thickness.
  • the inner edge 56 of the through hole 53 and the inner flange portion 50c connected to the inner surface 52b of the bottom portion 52 of the battery housing 51 in the region of the intermediate gasket 54c.
  • the thickness of the intervening region may be relatively small.
  • the inner edge 56 of the through hole 53 may include an opposite surface 57 facing the inner flange portion 50c.
  • the upper end and lower end of the inner wall of the through hole 53 that is perpendicular to the bottom portion 52 of the battery housing 51 is chamfered to form a surface tapered toward the electrode terminal (50).
  • the upper end and/or lower end of the inner wall of the through hole 53 may be deformed into a smooth curved surface having a curvature. In this case, the stress applied to the gasket 54 near the upper end and/or lower end of the inner wall of the through hole 53 may be further alleviated.
  • the inner gasket 54b forms an angle ⁇ of 0 to 60 degrees with the inner surface 52b of the bottom portion 52 of the battery housing 51 and may extend longer than the inner flange portion 50c. .
  • the height H1 of the flat portion 50d with respect to the inner surface 52b of the bottom portion 52 of the battery housing 51 is equal to or greater than the height H2 of the end portion of the inner gasket 54b can be large
  • the height H1 of the flat portion 50d based on the inner surface 52b of the bottom portion 52 of the battery housing 51 may be equal to or greater than the height H3 of the end portion of the inner flange portion 50c.
  • the height H2 is the maximum height of the end of the inner gasket 54b measured with respect to the inner surface 52b.
  • the height H3 is the maximum height of the upper surface of the inner flange portion 50c measured with respect to the inner surface 52b.
  • the height H3 of the inner flange portion 50c may be 0.5 mm to 3.0 mm.
  • the height H3 of the inner flange portion 50c is less than 0.5 mm, sufficient sealing property is not ensured.
  • the height H3 of the inner flange portion 50c exceeds 3 mm, the inner space of the battery housing 51 that can be occupied by the electrode assembly is reduced.
  • the height H4 of the electrode terminal 50 may be 1.5 mm to 7 mm.
  • the height H4 of the electrode terminal 50 corresponds to a distance from the lower surface of the outer flange portion 50b to the flat portion 50d. If the height H4 of the electrode terminal 50 is less than 1.5 mm, it is difficult to increase the height of the inner flange portion 50c to the extent that sealability can be ensured due to the thickness of the bottom portion 52 of the battery housing 51 . .
  • the thickness of the bottom part 52 of the battery housing 51 is about 0.5 mm to 1 mm.
  • the sealing property of the electrode terminal 50 may be sufficiently secured without reducing the space inside the battery housing 51 .
  • the height H5 of the outer flange portion 50b with respect to the outer surface 52a of the bottom portion 54 of the battery housing 51 may be 0.8 mm or more. If the height H5 of the outer flange portion 50b is less than 0.8 mm, the outer flange portion 50b may be deformed when the electrode terminal 50 is riveted.
  • the thickness of the outer gasket 54a has a thickness of 0.3 mm or more in consideration of insulation and sealing properties. Considering the thickness of the outer gasket 54a, if the height of the outer flange portion 50b is less than 0.8 mm, the thickness of the outer flange portion 50b becomes thin to a level difficult to secure sufficient mechanical rigidity. In particular, this is especially true when the electrode terminal 50 is made of aluminum.
  • the height of the outer flange portion 50b may be appropriately set in consideration of the space margin of the upper part of the battery.
  • the height of the outer flange portion 50b may be set to 2 mm or less, or 3 mm or less, or 4 mm or less, or 5 mm or less, but the present invention is not limited thereto.
  • the outer gasket 54a may be exposed to the outside of the outer flange portion 50b of the electrode terminal 50 .
  • the purpose of exposing the outer gasket 54a is to insulate the electrode terminal 50 from the outer surface 52a having a polarity opposite to that of the electrode terminal 50 .
  • the exposed width G of the outer gasket 54a may be 0.1 mm to 1 mm. When the exposure width G is smaller than 0.1 mm, electrical insulation between the electrode terminal 50 and the outer surface 42a may be broken on a plane when a high c-rate charge/discharge of 300A or more is performed.
  • the exposed width G is greater than 1 mm, the electrical insulation effect is not further increased, but rather the area of the outer surface 52a used as the cathode region is reduced, so that the contact of the component (e.g., bus bar) used for electrical connection area decreases.
  • the component e.g., bus bar
  • the diameter of the flat portion 50d of the electrode terminal 50 may be determined in consideration of welding strength between the current collector and the flat portion 50d.
  • the weld tension between the flat portion 50d and the current collector may be at least 2 kgf or more, or 5 kgf or more, or 6 kgf or more, or 7 kgf or more, or 8 kgf or more, or 9 kgf or more, or 10 kgf or more. It is desirable to increase the tensile strength of the weld joint as much as possible within an allowable range by selecting the best welding method.
  • the diameter of the welding pattern Wp formed on the flat portion 50d may be at least 2 mm in order to satisfy the tensile force condition of the welding portion.
  • the diameter of the welding pattern (Wp) is the converted diameter (2*(S/ ⁇ )) of the circle when the area (S) of the welding pattern (Wp) appearing on the surface of the welding site is converted to the area of a circle ( ⁇ r 2 ) ) can be defined as
  • the welding pattern Wp may be continuous or discontinuous.
  • the welding pattern Wp may not be a circle.
  • the converted diameter (maximum value * 2) may be determined from the maximum value of the distance from the center of the flat portion 50d to the edge of the welding pattern Wp.
  • the flat portion 50d of the electrode terminal 50 corresponds to a weldable region.
  • the diameter of the weldable region may be between 3 mm and 14 mm. If the diameter of the weldable region is smaller than 3 mm, it is difficult to secure a welding pattern having a diameter of 2 mm or more. In particular, when a welding pattern is formed using laser welding, it is difficult to secure a welding pattern having a diameter of 2 mm or more due to interference of a laser beam. When the diameter of the weldable region exceeds 14 mm, the diameter of the outer flange portion 50b of the electrode terminal 50 becomes too large to sufficiently secure the area of the outer surface 52a of the battery housing bottom 52 to be used as the negative electrode region. hard to do
  • the ratio of the area of the weld pattern to the area of the weldable area required to secure the tensile force of the welded portion of at least 2 kgf is 2.04% ( ⁇ 1 2 / ⁇ 7 2 ) to It is preferably 44.4% ( ⁇ 1 2 / ⁇ 1.5 2 ).
  • the radius R1 from the center of the body portion 50a to the edge of the outer flange portion 50b is 10 to 70% based on the radius R2 of the bottom portion 52 of the battery housing 51.
  • the radius R3 from the center of the body portion 50a of the electrode terminal 50 to the edge of the flat portion 50d is 4 based on the radius R2 of the bottom portion 52 of the battery housing 51 . to 30%.
  • R3 When R3 decreases, a welding space becomes insufficient when the current collector is welded to the flat portion 50d of the electrode terminal 50 , and the welding area of the electrode terminal 50 decreases, thereby increasing contact resistance.
  • R3 should be smaller than R1, and when R3 becomes larger, the thickness of the inner flange portion 50c becomes thinner, so that the force that the inner flange portion 50c compresses the terminal gasket 54 becomes weak, and the sealing ability of the terminal gasket 54 decreases.
  • the fixing structure of the electrode terminal 50 may be formed using a caulking jig that moves up and down.
  • a preform (not shown) of the electrode terminal 50 is inserted by interposing the terminal gasket 54 in the through hole 53 formed in the bottom part 52 of the battery housing 51 .
  • the preform refers to an electrode terminal before a caulking process is performed.
  • the caulking jig is inserted into the inner space of the battery housing 51 .
  • the caulking jig has grooves and protrusions corresponding to the final shape of the electrode terminal 50 on a surface opposite to the preform to form the electrode terminal 50 by pressing the preform.
  • the caulking jig downward to press-form the upper part of the preform, the preform is transformed into the electrode terminal 50 riveted to the through hole 53 of the battery housing 51 .
  • the press-fitting depth of the caulking jig may be regulated by the flat portion 50d.
  • the flat portion 50d is previously formed in the body portion 50a, and the caulking jig has a groove into which the flat portion 50d is introduced. Therefore, while the preform is press-forming, if the flat portion 50d comes into contact with the bottom of the groove, the press forming is stopped. Accordingly, even in the mass production process, the shape of the inner flange portion 50c and the recess portion 55 formed through plastic deformation can be made uniform.
  • the flat portion 50d is not deformed or hardly deformed while the preform is pressed by the caulking jig. Accordingly, the flat portion 50d may also maintain a uniform shape during mass production. This makes it easier to weld the flat portion 50d and the current collector, which will be described later, and thus can significantly reduce manufacturing deviation.
  • the outer gasket 54a interposed between the outer flange portion 50b and the outer surface 52a of the bottom portion 52 of the battery housing 51 is elastic. As it is compressed, its thickness decreases.
  • the intermediate gasket 54c interposed between the inner edge 56 of the through hole 53 and the preform is elastically compressed by the inner flange portion 50c, the thickness is further reduced than other regions.
  • a region in which the thickness of the intermediate gasket 54c is intensively reduced is indicated by a dotted line circle in FIG. 6A . Accordingly, sealing properties and sealing properties between the riveted electrode terminal 50 and the battery housing 51 are remarkably improved.
  • the terminal gasket 54 is compressed sufficiently to secure a desired sealing strength without being physically damaged while the preform is riveted through a firing process called caulking.
  • the compression ratio of the terminal gasket 54 may be 30% to 90%.
  • the minimum compression ratio corresponds to the minimum compression ratio for ensuring the sealing property (sealability) of the electrode terminal 50 .
  • the maximum compression ratio corresponds to the maximum level of compression that can be achieved without physically damaging the terminal gasket 54 .
  • the terminal gasket 54 when the terminal gasket 54 is made of polybutylene terephthalate, the terminal gasket 54 preferably has a compression ratio of 50% or more at the point where it is compressed to a minimum thickness.
  • the compression ratio may be defined as a ratio of the thickness change at the maximum compression point to the thickness before compression of the terminal gasket 54 .
  • the pre-compression thickness of the inner gasket 54b and the intermediate gasket 54c may be uniform, and there may be a point of maximum compression near the inner edge 56 portion.
  • the compression ratio can be calculated based on the uniform thickness of the inner gasket 54b and the intermediate gasket 54c.
  • the terminal gasket 54 when the terminal gasket 54 is made of polyfluoroethylene, it is preferable that the terminal gasket 54 has a compression ratio of 60% or more at the point where it is compressed to a minimum thickness.
  • the compression ratio can be calculated based on the uniform thickness of the inner gasket 54b and the intermediate gasket 54c.
  • the terminal gasket 54 when the terminal gasket 54 is made of polypropylene, it is preferable that the terminal gasket 54 has a compression ratio of 60% or more at the point where it is compressed to a minimum thickness.
  • the compression ratio can be calculated based on the uniform thickness of the inner gasket 54b and the intermediate gasket 54c.
  • the pressure forming of the upper part of the preform can be performed in stages. That is, the preform can be deformed several times by pressure forming step by step. At this time, the pressure applied to the caulking jig may be increased in stages. In this way, it is possible to prevent the terminal gasket 54 from being damaged during the caulking process by dispersing the stress applied to the preform several times. In particular, when the portion of the intermediate gasket 54c interposed between the inner edge 56 of the through hole 53 and the preform is intensively compressed by the inner flange portion 50c, damage to the gasket is minimized.
  • the fixing structure of the electrode terminal 50 according to the embodiment of the present invention can be obtained as shown in FIG. 6a. .
  • the caulking jig presses and forms the upper part of the preform through vertical movement inside the battery housing 51 .
  • a rotary jig used in the prior art for pressure forming of a preform may be used.
  • the rotary rotary jig rotates in a state inclined at a predetermined angle with respect to the central axis of the battery housing 51 . Accordingly, the rotary jig having a large rotation radius may interfere with the inner wall of the battery housing 51 . In addition, when the depth of the battery housing 51 is large, the length of the rotary rotary jig is increased that much. In this case, as the rotation radius of the end of the rotary rotary jig increases, the pressure forming of the preform may not be properly performed. Therefore, pressure forming using a caulking jig is more effective than a method using a rotary rotary jig.
  • the structure of the electrode terminal 50 may have various structures depending on the design of the preform and/or the caulking jig and/or the terminal gasket 54 and the magnitude of the pressure applied to the preform during the caulking process.
  • 6B is a partially enlarged cross-sectional view illustrating the structure of the electrode terminal 50' according to another embodiment of the present invention.
  • the electrode terminal 50 ′ has a structure in which the inner flange portion 50c is riveted toward the inner surface 52b of the bottom portion 52 of the battery housing 51 . .
  • the inner flange portion 50c includes a first section 50c1 extending in a direction gradually away from the bottom portion 52 of the battery housing 51 , and is connected to the first section 50c1 and is connected to the bottom of the battery housing 51 .
  • a second section 50c2 extending toward the portion 52 is included.
  • the angle ⁇ between the surface of the second section 50c2 facing the bottom part 52 of the battery housing 51 and the inner surface 52b of the bottom part 52 may be 0 degrees to 30 or less.
  • the angle ⁇ may be substantially close to zero in order to maximize the sealability of the terminal gasket 54 . Since the second section 50c2 strongly compresses the inner gasket 54b, sealing properties of the terminal gasket 54 may be increased. This effect is further increased as the angle ⁇ is closer to zero.
  • the height H3 of the inner flange portion 53c is greater than the height H2 of the inner gasket 54b.
  • the inner edge of the through hole 53 has an arc shape with a predetermined curvature.
  • the sidewall 55a of the edge portion of the flat portion 50d has a structure inclined toward the flat portion 50d.
  • the terminal gasket 54 includes an outer gasket 54a interposed between the outer flange portion 50b and the first plane P1 on which the outer surface 52a of the bottom portion 52 of the battery housing 51 is located; an inner gasket 54b interposed between the inner flange portion 50c and the second plane P2 on which the inner surface 52b of the bottom portion 52 of the battery housing 51 is located; and an intermediate gasket 54c interposed between the body portion 50a and the through hole 53 and connecting the outer gasket 54a and the inner gasket 54b.
  • the thickness of the intermediate gasket 54c gradually decreases in the direction away from the outer gasket 54a.
  • the inner gasket 54b may decrease to a minimum thickness near the end of the inner flange portion 54b and then increase slightly toward the uppermost end.
  • the compression structure of the inner gasket 54b may further improve the sealing properties of the electrode terminal 50'.
  • the compressibility of the inner gasket 54b may be calculated at a point of minimum thickness near the end of the inner flange portion 50c.
  • the fixing structure of the electrode terminals 50 and 50' according to the above-described embodiments of the present invention may be applied to a cylindrical battery having a form factor greater than 2170.
  • the form factor of the cylindrical battery is increasing compared to the conventional 1865, 2170, and the like.
  • An increase in the form factor leads to an increase in energy density, increased safety against thermal runaway, and improved cooling efficiency.
  • the cylindrical battery to which the fixing structure of the electrode terminals 50 and 50 ′ is applied may perform electrical wiring in one direction.
  • the electrode terminals 50 and 50' have a large cross-sectional area and low resistance, they are very suitable for rapid charging.
  • the cylindrical battery to which the electrode terminal (50, 50') structure of the present invention is applied is, for example, a ratio of a form factor (a value obtained by dividing a diameter of a cylindrical battery by a height, that is, a height (H) to a diameter ( ⁇ )) defined as the ratio of ) may be greater than approximately 0.4.
  • the form factor means a value indicating the diameter and height of the cylindrical battery.
  • the form factor of the cylindrical battery according to an embodiment of the present invention may be, for example, 4611, 4875, 48110, 4880, or 4680.
  • the first two numbers represent the diameter of the battery, and the remaining numbers represent the height of the battery.
  • the battery according to an embodiment of the present invention may be a cylindrical battery having a diameter of about 46 mm, a height of about 110 mm, and a form factor ratio of 0.418.
  • the battery according to another embodiment may be a cylindrical battery having a diameter of about 48 mm, a height of about 75 mm, and a form factor ratio of 0.640.
  • a battery according to another embodiment may be a cylindrical battery having a diameter of approximately 48 mm, a height of approximately 110 mm, and a form factor ratio of 0.436.
  • a battery according to another embodiment may be a cylindrical battery having a diameter of approximately 48 mm, a height of approximately 80 mm, and a form factor ratio of 0.600.
  • a battery according to another embodiment may be a cylindrical battery having a diameter of approximately 46 mm, a height of approximately 80 mm, and a form factor ratio of 0.575.
  • batteries having a form factor ratio of about 0.4 or less have been used. That is, conventionally, for example, 1865, 2170 batteries and the like have been used. For an 1865 battery, its diameter is approximately 18 mm, its height is approximately 65 mm, and the form factor ratio is 0.277. For a 2170 battery, its diameter is approximately 21 mm, its height is approximately 70 mm, and the form factor ratio is 0.300.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view taken along the longitudinal direction (Y) of the cylindrical battery 70 according to an embodiment of the present invention.
  • a sheet-shaped first electrode and a second electrode are wound with a separator interposed therebetween, and the lower portion of the first electrode is a first portion of the first electrode. and a jelly roll type electrode assembly 71 in which the uncoated area 72 is exposed and the uncoated area 73 of the second electrode is exposed as a second portion of the second electrode.
  • the first part and the second part may be different parts of the electrode other than the uncoated part.
  • the other portion may be a metal tab electrically coupled to the uncoated portion of the electrode.
  • the electrode assembly 71 has a shape other than the jelly roll shape.
  • the battery may have other shapes such as a prismatic shape as well as a cylindrical shape.
  • the first electrode may be a cathode and the second electrode may be an anode.
  • the reverse is also possible.
  • the winding method of the electrode assembly 71 is substantially the same as the winding method of the electrode assembly used in manufacturing the tab-less cylindrical battery according to the prior art described with reference to FIG. 2 .
  • the electrode assembly 71 In the illustration of the electrode assembly 71, only the uncoated regions 72 and 73 that are exposed and extended to the outside of the separator are illustrated in detail, and the winding structure of the first electrode, the second electrode, and the separator is omitted.
  • the cylindrical battery 70 also includes a cylindrical battery housing 51 housing the electrode assembly 71 and electrically connected to the uncoated region 72 of the first electrode.
  • one side (lower portion) of the battery housing 51 is open.
  • the bottom part 52 of the battery housing 51 has a structure in which the electrode terminal 50 is riveted to the through hole 53 through a firing (eg, caulking) process.
  • the electrode terminal 50 includes a body part 50a inserted into the through hole 53 and a body part 50a exposed through the outer surface 52a of the bottom part 52 of the battery housing 51 .
  • an outer flange portion 50b extending along the outer surface 52a from the circumference of the first side of may include an inner flange portion 50c extending from the periphery of the two sides toward the inner surface 52b, and a flat portion 50d provided inside the inner flange portion 50c and surrounded by the inner flange portion 50c. have.
  • the electrode terminal 50 may be replaced with the structure of the electrode terminal 50 ′ shown in FIG. 6B .
  • the cylindrical battery 70 may also include a terminal gasket 54 interposed between the electrode terminal 50 and the through hole 53 .
  • the cylindrical battery 70 may also include a seal 74 that seals the open end of the battery housing 51 to be insulated from the battery housing 51 .
  • the sealing body 74 may include a cap 74a having no polarity and having a plate shape and a sealing gasket 74b interposed between the edge of the cap 74a and the open end of the battery housing 51 . .
  • the cap 74a may be made of a conductive metal material such as aluminum, steel, or nickel.
  • the sealing gasket 74b may be made of insulating and elastic polypropylene, polybutylene terephthalate, polyethylene fluoride, or the like.
  • the present invention is not limited by the materials of the cap 74a and the sealing gasket 74b.
  • the cap 74a may include a vent notch 77 that ruptures when the pressure inside the battery housing 51 exceeds a threshold.
  • the vent notch 77 may be formed on both sides of the cap 74a.
  • the vent notches 77 may form a continuous or discontinuous circular pattern, a straight pattern, or some other pattern on the surface of the cap 74a.
  • the depth and width of the vent notch 77 may be set to be ruptured when the pressure inside the battery housing 51 is in the range of 15 kgf/cm 2 to 35 kgf/cm 2 .
  • the battery housing 51 extends and bends inside the battery housing 51 in order to fix the sealing body 74, and wraps and fixes the edge of the cap 74a together with the sealing gasket 74b. ) may be included.
  • the lower surface of the cap 74a may be located above the lower end of the crimping part 75 . Then, a vent space is formed in the lower portion of the cap 74a so that gas can be smoothly discharged when the vent notch 77 is ruptured.
  • the battery housing 51 may also include a beading portion 76 press-fitted into the battery housing 51 in an area adjacent the open end.
  • the beading portion 76 supports the edge of the sealing body 74, particularly the outer peripheral surface of the sealing gasket 74b, when the sealing body 74 is fixed by the crimping portion 75 .
  • the cylindrical battery 70 may further include a first current collector 78 welded to the uncoated portion 72 of the first electrode.
  • the first current collector 78 is made of a conductive metal material such as aluminum, steel, or nickel.
  • at least a portion 78a of an edge not in contact with the uncoated portion 72 of the first electrode is interposed between the beading portion 76 and the sealing gasket 74b to form a crimping portion ( 75) can be fixed.
  • at least a portion 78a of the edge of the first current collector 78 may be fixed to the inner circumferential surface 76a of the beading portion 76 adjacent to the crimping portion 75 by welding.
  • the cylindrical battery 70 may also include a second current collector 79 that is welded to the uncoated region 73 of the second electrode.
  • a second current collector 79 that is welded to the uncoated region 73 of the second electrode.
  • the central portion 79a may be welded to the flat portion 50d of the electrode terminal 50 .
  • the welding tool is inserted through the cavity 80 present in the core of the electrode assembly 71 to reach the welding point of the second current collector 79 . .
  • the electrode terminal 50 supports the welding region of the second current collector 79 , so that a strong pressure is applied to the welding region. It is possible to improve the welding quality by application.
  • the flat portion 50d of the electrode terminal 50 has a large area, a wide welding area can also be secured. Accordingly, it is possible to lower the internal resistance of the cylindrical battery 70 by lowering the contact resistance of the welding region.
  • the face-to-face welding structure of the riveted electrode terminal 50 and the second current collector 79 is very useful for rapid charging using a high c-rate current. This is because the current density per unit area can be lowered in the cross section in the direction in which the current flows, so that the amount of heat generated in the current path can be lower than that of the prior art.
  • any one of laser welding, ultrasonic welding, spot welding, and resistance welding may be used.
  • the diameter of the arc welding pattern is 2 mm or more, preferably 4 mm or more. It is preferable When the diameter of the arc welding pattern satisfies the corresponding condition, it is possible to secure sufficient welding strength by increasing the tensile force of the weld to 2kgf or more.
  • the diameter of the circular welding pattern is preferably 2 mm or more.
  • the diameter of the circular welding pattern satisfies the corresponding condition, it is possible to secure sufficient welding strength by increasing the tensile force of the weld to 2kgf or more.
  • the diameter of the flat portion 50d corresponding to the weldable region may be adjusted in the range of 3 mm to 14 mm. If the radius of the flat portion 50d is less than 3 mm, it is difficult to form a welding pattern having a diameter of 2 mm or more using a laser welding tool, an ultrasonic welding tool, or the like. In addition, when the radius of the flat portion 50d exceeds 14 mm, the size of the electrode terminal 50 becomes excessively large, so that the area occupied by the outer surface 52a of the bottom portion 52 of the battery housing 51 decreases, so that the outer surface ( 52a), there is a difficulty in connecting the electrical connection part (bus bar).
  • the area ratio of the welding pattern to the area of the weldable area is 2.04 (100* ⁇ 1 2 / ⁇ 7 2 )% to 44.4 (100* ⁇ 1 2 / ⁇ 1.5 2 )%.
  • the cylindrical battery 70 may further include an insulator 80 .
  • the insulator 80 is disposed between the second current collector 79 and the inner surface 52b of the bottom part 52 of the battery housing 51 , and the inner peripheral surface 51a of the sidewall of the battery housing 51 and the electrode assembly 71 . may be interposed between them.
  • the insulator 80 may include a welding hole 80a exposing the flat portion 50d of the electrode terminal 50 toward the second current collector 79 .
  • the welding hole 80a may expose the inner flange portion 50c and the inner gasket 54b together with the flat portion 50d of the electrode terminal.
  • the insulator 80 may cover at least the surface of the second current collector 79 and one (upper) edge of the electrode assembly 71 . Accordingly, it is possible to prevent the second current collector 79 having a polarity different from that of the battery housing 51 and the uncoated portion 73 of the second electrode from contacting each other.
  • the insulator 80 is made of an insulating resin, and may include an upper plate 80b and a side sleeve 80c.
  • the upper plate 80b and the side sleeve 80c may be integrally formed by injection molding.
  • the side sleeve 80c may be replaced with an insulating tape or the like. The insulating tape may cover the outer edge of the second current collector 79 together with the uncoated portion 73 of the second electrode exposed through the outer peripheral surface of the electrode assembly 71 .
  • the insulator 80 and the inner surface 52b of the bottom part 52 of the battery housing 51 may be in close contact with each other as shown in FIG. 7B .
  • 'close' means that there is no space (gap) that can be visually confirmed.
  • the distance from the inner surface 52b of the bottom part 52 of the battery housing 51 to the flat part 50d of the electrode terminal 50 is equal to or smaller than the thickness of the insulator 80 . It can have a slightly smaller value.
  • the uncoated regions 72 and 73 of the first electrode and/or the second electrode are bent in the radial direction of the electrode assembly 71, for example, from the outer peripheral side to the core side, so that the upper and lower portions of the electrode assembly 71 are formed.
  • a curved surface can be formed.
  • the first current collector 78 is welded to the curved surface formed by bending the uncoated portion 72 of the first electrode
  • the second current collector 79 is formed by bending the uncoated portion 73 of the second electrode. It can be welded to the bent surface.
  • the first electrode and/or the second electrode may have an improved structure different from that of the conventional electrode (refer to FIG. 1 ).
  • FIG 8 is a plan view illustrating an electrode 90 structure according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the electrode 90 includes a sheet-shaped current collector 91 made of a foil of a conductive material, an active material layer 92 formed on at least one surface of the current collector 91 , and the current collector 91 .
  • An uncoated region 93 on which an active material is not coated is included at the long side end.
  • the uncoated region 93 may include a plurality of notched segment pieces 93a.
  • the plurality of segment segments 93a form a plurality of groups, and the segment segments 93a belonging to each group may have the same height (length in the Y direction) and/or width (length in the X direction) and/or the spacing pitch.
  • the number of segments 93a belonging to each group may be increased or decreased than illustrated.
  • the segment 93a has a geometric shape in which at least one straight line and/or at least one curved line are combined.
  • the segment 93a may have a trapezoidal shape, and may be freely deformed into a quadrangle, a flat quadrilateral, a semi-circle, or a semi-ellipse.
  • the height of the segment 93a may be increased stepwise along one direction parallel to the winding direction of the electrode assembly, for example, from the core side to the outer circumferential side.
  • the core-side uncoated region 93 ′ adjacent to the core may not include the segment 93a , and the height of the core-side uncoated region 93 ′ may be smaller than that of other uncoated regions.
  • the outer periphery uncoated region 93 ′′ adjacent to the outer periphery may not include the segment 93a, and the height of the outer periphery uncoated region 93 ′′ may be smaller than that of other uncoated regions.
  • the electrode 90 may include an insulating coating layer 94 covering the boundary between the active material layer 92 and the uncoated region 93 .
  • the insulating coating layer 94 includes an insulating polymer resin, and may optionally further include an inorganic filler.
  • the insulating coating layer 94 prevents the end of the active material layer 92 from coming into contact with the opposite polarity active material layer through the separator, and serves to structurally support the bending of the fragment 93a.
  • at least a portion of the insulating coating layer 94 is preferably exposed to the outside from the separator.
  • FIG 9 is a cross-sectional view taken along the longitudinal direction Y of the electrode assembly 100 in which the uncoated segmental structure of the electrode 90 is applied to the first electrode and the second electrode according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly 100 may be manufactured by the winding method described with reference to FIG. 2 .
  • the protrusion structure of the uncoated regions 72 and 73 extending out of the separator is illustrated in detail, and the illustration of the winding structure of the first electrode, the second electrode, and the separator is omitted.
  • a pattern in which the heights of the uncoated regions 72 and 73 change is schematically illustrated. That is, the heights of the uncoated regions 72 and 73 may vary irregularly depending on the position at which the cross-section is cut. For example, when the side portion of the trapezoidal segment 93a is cut, the height of the uncoated region in the cross section is lower than the height of the segment 93a. Therefore, it should be understood that the heights of the uncoated areas 72 and 73 shown in the drawing showing the cross-section of the electrode assembly 100 correspond to the average of the heights of the uncoated areas included in each winding turn.
  • the uncoated regions 72 and 73 may be bent from the outer peripheral side to the core side along the radial direction of the electrode assembly 100 .
  • the bent portion 101 is indicated by a dotted line box.
  • the curved surfaces 102 are formed on the upper and lower portions of the electrode assembly 100 while radially adjacent segments overlap each other in multiple layers.
  • the core-side uncoated region 93 ′ in FIG. 8 has a low height and is not bent, and the height h of the innermost bent segment is formed by the core-side uncoated region 93 ′ having no segment structure. less than or equal to the radial length r of the winding area.
  • the cavity 80 in the core of the electrode assembly 100 is not closed by the bent fragments. If the cavity 80 is not closed, there is no difficulty in the electrolyte injection process, and the electrolyte injection efficiency is improved. Also, by inserting a welding tool through the cavity 80 , welding of the electrode terminal 50 and the second current collector 79 may be easily performed.
  • the cap 74a of the sealing body 74 has no polarity.
  • the first current collector 78 is connected to the sidewall of the battery housing 51 so that the outer surface 52a of the bottom part 52 of the battery housing 51 has a polarity opposite to that of the electrode terminal 50 . . Therefore, when a plurality of batteries are to be connected in series and/or in parallel, a bus is placed at the top of the cylindrical battery 70 using the outer surface 52a of the bottom part 52 of the battery housing 51 and the electrode terminal 50 . Wiring such as bar connection can be performed. Through this, energy density can be improved by increasing the number of batteries that can be mounted in the same space, and electrical wiring can be easily performed.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a state in which cylindrical batteries 70 according to an embodiment of the present invention are electrically connected using a bus bar 150 .
  • a plurality of cylindrical batteries 70 may be connected in series and in parallel at the top using a bus bar 150 .
  • the number of cylindrical batteries 70 may be increased or decreased in consideration of the capacity of the battery pack.
  • the electrode terminal 50 may have a positive polarity, and the outer surface 52a of the bottom part 52 of the battery housing 51 may have a negative polarity, and vice versa. is also possible
  • the plurality of cylindrical batteries 70 may be arranged in a plurality of columns and rows. Columns are up and down with respect to the drawing, and rows are left and right with respect to the drawing.
  • the cylindrical batteries 70 may be arranged in a closest packing structure. The densest packing structure is formed when an equilateral triangle is formed when the centers of the electrode terminals 50 are connected to each other.
  • the bus bar 150 may be disposed above the plurality of batteries 70 , more preferably between adjacent rows. Alternatively, the bus bars 150 may be disposed between adjacent rows.
  • the bus bar 150 connects the batteries disposed in the same row in parallel to each other, and connects the batteries disposed in two adjacent rows in series with each other.
  • the bus bar 150 may include a body portion 151 , a plurality of first bus bar terminals 152 , and a plurality of second bus bar terminals 153 for serial and parallel connection.
  • the body portion 151 may extend between electrode terminals 50 of adjacent cylindrical batteries 70 , preferably between rows of cylindrical batteries 70 . Alternatively, the body portion 151 may extend along the row of the cylindrical batteries 70 , and the body portion 151 may be regularly bent like a zigzag shape.
  • the plurality of first bus bar terminals 152 may protrude from one side of the body portion 151 toward the electrode terminal 50 of each cylindrical battery 70 and may be electrically coupled to the electrode terminal 50 . Electrical coupling with the electrode terminal 50 may be achieved through laser welding, ultrasonic welding, or the like.
  • the plurality of second bus bar terminals 153 protrude from the other side of the body 151 toward the outer surface 52a of the bottom 52 of the battery housing 51 of each cylindrical battery 70, It may be electrically coupled to the outer surface 52a. Electrical coupling with the outer surface 52a may be performed by laser welding or ultrasonic welding.
  • the body portion 151, the plurality of first bus bar terminals 152 and the plurality of second bus bar terminals 153 may be formed of one conductive metal plate.
  • the metal plate may be an aluminum plate or a copper plate, but the present invention is not limited thereto.
  • the body portion 151 , the plurality of first bus bar terminals 152 , and the plurality of second bus bar terminals 153 may be manufactured as separate pieces and then coupled to each other through welding or the like.
  • the bus bar Electrical connection of the cylindrical batteries 70 can be easily implemented using 150 .
  • the coupling area of the bus bar 150 is sufficiently secured to sufficiently increase the resistance of the battery pack including the cylindrical battery 70 . can be lowered
  • FIGS. 12A and 12C are electrode terminals in consideration of the size of the bus bar terminals 152 and 153. It is a diagram showing the definition of various parameters in order to design the upper and lower limits for the diameter of 50 and the exposure width of the outer surface 52a.
  • the diameter E 1 of the electrode terminal 50 and the width E 2 of the outer surface 52a having a ring shape are the bus bar terminals. It can be adaptively adjusted in consideration of the dimension (dimension) of the contact area of the elements (152, 153).
  • the width E2 of the outer surface 52a is the width of the exposed surface parallel to the surface of the electrode terminal 50 .
  • the width E2 of the outer surface 52a is a straight line L 1 drawn in the radial direction from the center C of the electrode terminal 50 intersects the inner and outer boundaries of the outer surface 52a. It is defined as the width of a line segment connecting two points.
  • the width E2 of the outer surface 52a is the width of the flat exposed surface excluding the round area existing at the edge of the bottom part 52 and the exposed area 54a' of the outer gasket 54a.
  • the bottom part 52 of the battery housing 51 When viewed from the top, the bottom part 52 of the battery housing 51 is divided into an electrode terminal 50 , an exposed area 54a ′ of the terminal gasket 54 , and a round area R at the edge of the outer surface 52a .
  • the round region R is a processing region (refer to FIGS. 7A and 7B ) for smoothly connecting the bottom part 52 of the battery housing 51 and the sidewall of the battery housing 51 , and the width R d in plan view.
  • the first bus bar terminal 152 of the bus bar 150 is branched to one side different from the moving direction of the body portion 151 and is electrically coupled to the electrode terminal 50 .
  • the electrode terminal 50 and the first bus bar terminal 152 form a first overlapping region (hatched display) on a plane, and the first overlapping region has a first width W 1 .
  • the first overlapping region is a region where the electrode terminal 50 and the first bus bar terminal 152 overlap on a plane.
  • the first width W 1 is defined as a maximum value among the distances between two arbitrary points selected from the edge of the first overlapping region.
  • the definition of the first width W 1 is defined when the first overlapping region includes the center of the electrode terminal 50 ( FIG. 12B ) and when the first overlapping region does not include the center of the electrode terminal 50 ( FIG. 12B ).
  • 12B and 12C the distance indicated by W 1 corresponds to the maximum value among the distances between two arbitrary points selected from the edge of the first overlapping region.
  • the second bus bar terminal 153 of the bus bar 150 extends in the opposite direction to the first bus bar terminal 152 with respect to the moving direction of the body part 151 to thereby extend the battery housing 51 and the bottom part 52 of the battery housing 51 .
  • ) is electrically coupled to the outer surface 52a.
  • the second bus bar terminal 153 and the outer surface 52a form a second overlapping area (hatched mark) in a plan view, and the second overlapping area has a second width W 2 .
  • the second overlapping area is an area in which the outer surface 52a and the second bus bar terminal 153 overlap on a plane.
  • each straight line meets the two edges of the second overlapping region. It is defined as the maximum of the widths between points.
  • the diameter E 1 of the electrode terminal 50 should be at least equal to or greater than the first width W 1 of the first bus bar terminal 152 . This is because the first overlapping region of the first bus bar terminal 152 and the electrode terminal 50 should not deviate to the outside of the electrode terminal 50 on a plane.
  • the diameter E 1 of the electrode terminal 50 is the boundary of the electrode terminal 50 and the distance between the second bus bar terminal 153 is the width G of the exposed area 54a' of the outer gasket 54a. It can be increased to a maximum until it corresponds. Accordingly, the maximum value of the diameter E 1 of the electrode terminal 50 is 'D-2*R d -2*G-2*W 2 '.
  • the width E 2 of the outer surface 52a is a factor dependent on the diameter E 1 of the electrode terminal 50, at least the second width W 2 of the second bus bar terminal 153 and must be equal to or greater than Only then, an overlapping region between the second bus bar terminal 153 and the outer surface 52a can be formed.
  • the width E 2 of the outer surface 52a is the diameter E 1 of the electrode terminal 50 from the outer diameter D of the battery housing 51, the width of the exposed area of the outer gasket 54a (2*G) ), and the width (2*R d ) of the round region can be increased to the maximum by 50% of 'D-2*R d -2*GE 1 '.
  • the diameter E 1 of the electrode terminal 50 and the width E 2 of the outer surface 52a are designed to satisfy the following relational expression .
  • E 2 0.5*(D-2R d -2G-E 1 )
  • E 1 the diameter of the electrode terminal 50
  • E 2 the width of the outer surface 52a
  • D the outer diameter of the battery housing 51
  • R d the width of the round region R measured on a plane
  • G Width of the exposed region 54a' of the outer gasket 54a
  • W 1 Width of the first bus bar terminal 152
  • W 2 Width of the second bus bar terminal 153
  • D is 46 mm
  • W 1 and W 2 are 6 mm
  • G is 0.5 mm
  • R d is 1.5 mm
  • the diameter E1 of the terminal exposed portion 41 is 6 mm to 30 mm
  • the width E2 of the face 20a is 6 mm to 18 mm.
  • the above-described cylindrical battery 70 of the present invention has a structure in which resistance is minimized through enlargement of a welding area through a curved surface, multiplexing of current paths using the first current collector, and minimization of current path lengths.
  • the AC resistance of the cylindrical battery 70 measured through a resistance meter between the positive and negative electrodes, that is, between the electrode terminal 50 and the flat surface 52a around it, is 0.5 milliohm to 4 suitable for fast charging. It may be a milliohm (miliohm), preferably 1 milliohm (miliohm) to 4 milliohm (miliohm).
  • the positive active material coated on the positive electrode and the negative active material coated on the negative electrode may be used without limitation as long as the active material is known in the art.
  • the positive active material has the general formula A[A x M y ]O 2+z (A includes at least one element of Li, Na, and K; M is Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, at least one element selected from Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, and Cr; x ⁇ 0, 1 ⁇ x+y ⁇ 2, 0.1 ⁇ z ⁇ 2; stoichiometric coefficients x, y and z are selected such that the compound remains electrically neutral).
  • the positive active material includes an alkali metal compound xLiM 1 O 2 (1x)Li 2 M 2 O 3 (M 1 comprising at least one element having an average oxidation state 3; M; 2 includes at least one element having an average oxidation state 4; 0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the positive active material may have the general formula Li a M 1 x Fe 1x M 2 y P 1y M 3 z O 4z (M 1 is Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, At least one element selected from Nd, Al, Mg and Al M 2 is Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si , Ge, contains at least one element selected from V and S; M 3 contains a halogen element optionally including F; 0 ⁇ a ⁇ 2, 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1; stoichiometric coefficients a, x, y and z are chosen such that the compound remains electrically neutral), or Li 3 M 2 (PO 4 ) 3 [M is Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr , Mo, Ni, Al, including at least one element selected from Mg
  • the positive electrode active material may include primary particles and/or secondary particles in which the primary particles are aggregated.
  • the negative active material may be a carbon material, lithium metal or a lithium metal compound, silicon or a silicon compound, tin or a tin compound.
  • a metal oxide having a potential of less than 2V, such as TiO 2 and SnO 2 may also be used as the negative electrode active material.
  • the carbon material all of low-crystalline carbon, high-crystalline carbon, and the like may be used.
  • the separator is a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of a polyolefin-based polymer such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene/butene copolymer, an ethylene/hexene copolymer, or an ethylene/methacrylate copolymer. Or they can be used by laminating them.
  • the separator may be a conventional porous nonwoven fabric, for example, a nonwoven fabric made of high melting point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, or the like.
  • At least one surface of the separator may include a coating layer of inorganic particles. It is also possible that the separation membrane itself is made of a coating layer of inorganic particles. Particles constituting the coating layer may have a structure combined with a binder so that an interstitial volume exists between adjacent particles.
  • the inorganic particles may be formed of an inorganic material having a dielectric constant of 5 or more.
  • the inorganic particles are Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), Pb 1x La x Zr 1y Ti y O 3 (PLZT), PB(Mg 3 Nb 2/3 )O 3 PbTiO 3 ( PMNPT), BaTiO 3 , hafnia(HfO 2 ), SrTiO 3 , TiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, CaO, ZnO and Y 2 O 3 At least one selected from the group consisting of material may be included.
  • the electrolyte may be a salt having a structure such as A + B -- .
  • a + includes an ion composed of an alkali metal cation such as Li + , Na + , K + or a combination thereof.
  • B - is F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N(CN) 2 - , BF 4 - , ClO 4 - , AlO 4 - , AlCl 4 - , PF 6 - , SbF 6 - , AsF 6 - , BF 2 C 2 O 4 - , BC 4 O 8 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , C 4 F 9 SO 3 - , CF 3
  • the electrolyte can also be used by dissolving it in an organic solvent.
  • organic solvent propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), dipropyl carbonate (DPC) , dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone (N-methyl- 2-pyrrolidone, NMP), ethyl methyl carbonate (EMC), gamma butyrolactone ( ⁇ -butyrolactone), or a mixture thereof may be used.
  • PC propylene carbonate
  • EC ethylene carbonate
  • DEC diethyl carbonate
  • DMC dimethyl carbonate
  • DPC dipropyl carbonate
  • dimethyl sulfoxide acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofur
  • the cylindrical battery 70 according to the above-described embodiment may be used to manufacture a battery pack.
  • FIG. 13 is a diagram schematically illustrating a configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • a battery pack 200 includes an assembly to which a cylindrical battery 201 is electrically connected and a pack housing 202 for accommodating the assembly.
  • the cylindrical battery 201 is a battery according to the above-described embodiment.
  • parts such as a bus bar, a cooling unit, and an external terminal for electrical connection of the cylindrical batteries 201 are omitted for convenience of illustration.
  • the battery pack 200 may be mounted in a vehicle.
  • the vehicle may be, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a plug-in hybrid vehicle.
  • the automobile includes a four-wheeled vehicle or a two-wheeled vehicle.
  • FIG. 14 is a view for explaining a vehicle including the battery pack 200 of FIG. 13 .
  • a vehicle V according to an embodiment of the present invention includes a battery pack 200 according to an embodiment of the present invention.
  • the vehicle V operates by receiving power from the battery pack 200 according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention it is possible to lower the internal resistance of the battery and increase the energy density by improving the electrode terminal structure of the battery to increase the space efficiency in the battery housing.
  • electrical wiring for series and/or parallel connection of the batteries may be performed on one side of the battery.

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Abstract

본 발명은 전극 단자의 고정 구조, 이를 포함하는 배터리, 배터리 팩 및 자동차를 개시한다. 전극 단자의 고정 구조는, 일측이 개방되고 타측에 관통 홀이 형성된 바닥부를 구비하는 전지 하우징; 상기 관통 홀의 내벽과 접촉하지 않도록 상기 관통 홀을 통과하여 설치된 전극 단자; 및 상기 전극 단자와 상기 관통 홀 사이에 개재된 단자 가스켓;을 포함하고, 상기 전극 단자는, 상기 관통 홀에 삽입된 몸체부; 상기 몸체부의 제1측으로부터 상기 전지 하우징 바닥부의 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부; 상기 몸체부의 제2측으로부터 전지 하우징 바닥부의 내부면을 향해 연장된 내부 플랜지부; 및 상기 내부 플랜지부의 내측에 구비된 평탄부;를 포함할 수 있다.

Description

전극 단자의 고정 구조 및 이를 포함하는 배터리, 배터리 팩 및 자동차
본 발명은, 전극 단자의 고정 구조 및 이를 포함하는 배터리, 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은, 2021년1월19일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0007278호, 2021년2월19일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0022897호, 2021년2월19일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0022894호, 2021년2월19일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0022891호, 2021년2월19일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0022881호, 2021년2월23일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0024424호, 2021년3월8일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0030300호, 2021년3월8일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0030291호, 2021년4월9일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0046798호, 2021년5월4일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0058183호, 2021년6월14일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0077046호, 2021년6월28일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0084326호, 2021년10월1일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0131225호, 2021년10월1일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0131215호, 2021년10월1일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0131205호, 2021년10월1일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0131208호, 2021년10월1일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0131207호, 2021년10월14일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0137001호, 2021년10월15일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0137856호, 2021년10월22일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0142196호, 2021년11월9일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0153472호, 2021년11월19일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0160823호, 2021년11월24일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0163809호, 2021년11월26일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0165866호, 2021년12월3일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0172446호, 2021년12월10일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0177091호, 2021년12월31일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0194593호, 2021년12월31일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0194610호, 2021년12월31일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0194572호, 2021년12월31일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0194612호, 2021년12월31일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0194611호, 및 2022년1월5일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2022-0001802호에 대한 우선권 주장출원으로서, 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 전기 자동차(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리를 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리를 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 배터리 팩에 포함되는 배터리의 개수 및 전기적 연결 형태는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 이차 전지의 종류로서, 원통형, 각형 및 파우치형 배터리가 알려져 있다. 원통형 배터리의 경우, 양극과 음극 사이에 절연체인 분리막을 개재하고 이를 권취하여 젤리롤 형태의 전극 조립체를 형성하고, 이를 전해질과 함께 전지 하우징 내부에 삽입하여 전지를 구성한다. 그리고 양극 및 음극 각각의 무지부에는 스트립 형태의 전극 탭이 연결될 수 있으며, 전극 탭은 전극 조립체와 외부로 노출되는 전극 단자 사이를 전기적으로 연결시킨다. 참고로, 양극 전극 단자는 전지 하우징의 개방구를 밀봉하는 밀봉체의 캡이고, 음극 전극 단자는 전지 하우징이다.
그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 원통형 배터리에 의하면, 양극 무지부 및/또는 음극 무지부와 결합되는 스트립 형태의 전극 탭에 전류가 집중되기 때문에 저항이 크고 열이 많이 발생하며 집전 효율이 좋지 않다는 문제점이 있었다.
1865(직경:16mm, 높이:65mm)이나 2170(직경:21mm, 높이:70mm)의 폼 팩터를 가진 소형 원통형 배터리는 저항과 발열이 큰 이슈가 되지 않는다. 하지만, 원통형 배터리를 전기 자동차에 적용하기 위해 폼 팩터를 증가시킬 경우, 급속 충전 과정에서 전극 탭 주변에서 많은 열이 발생하면서 원통형 배터리가 발화하는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 젤리롤 타입의 전극 조립체의 상단 및 하단에 각각 양극 무지부 및 음극 무지부가 위치하도록 설계하고, 이러한 무지부에 집전체를 용접시켜 집전 효율이 개선된 구조를 갖는 원통형 배터리(소위 탭-리스(Tab-less) 원통형 배터리)가 제시되었다.
도 1 내지 도 3은 탭-리스 원통형 배터리의 제조 과정을 보여주는 도면이다. 도 1은 전극의 구조를 나타내고, 도 2는 전극의 권취 공정을 나타내고, 도 3은 무지부의 절곡면에 집전체가 용접되는 공정을 나타낸다. 도 4는 탭-리스 원통형 배터리를 길이 방향(Y)으로 자른 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 양극(10)과 음극(11)은 쉬트 모양의 집전체(20)에 활물질(21)이 코팅된 구조를 가지며, 권취 방향(X)을 따라 한쪽 장변 측에 무지부(22)를 포함한다.
전극 조립체(A)는 양극(10)과 음극(11)을 도 2에 도시된 것처럼 2장의 분리막(12)과 함께 순차적으로 적층시킨 후 일방향(X)으로 권취시켜 제작한다. 이 때, 양극(10)과 음극(11)의 무지부는 서로 반대 방향으로 배치된다.
권취 공정 이후, 양극(10)의 무지부(10a)와 음극(11)의 무지부(11a)는 코어측으로 절곡된다. 그 이후에는, 무지부(10a, 11a)에 집전체(30, 31)를 각각 용접시켜 결합시킨다.
양극 무지부(10a)와 음극 무지부(11a)에는 별도의 전극 탭이 결합되어 있지 않으며, 집전체(30, 31)가 외부의 전극 단자와 연결되며, 전류 패스가 전극 조립체(A)의 권취 축 방향(화살표 참조)을 따라 큰 단면적으로 형성되므로 배터리의 저항을 낮출 수 있는 장점이 있다. 저항은 전류가 흐르는 통로의 단면적에 반비례하기 때문이다.
하지만, 원통형 배터리의 폼 팩터가 증가하고 급속 충전 시 충전 전류의 크기가 커지면 탭-리스 원통형 배터리에서도 발열 문제가 또 다시 발생한다.
구체적으로, 종래의 탭-리스 원통형 배터리(40)은 도 4에 도시된 바와 같이 전지 하우징(41)과 밀봉체(42)를 포함한다. 전지 하우징(41)은 전지 캔을로 불린다. 밀봉체(42)는 캡(42a), 밀봉 가스켓(42b) 및 연결 플레이트(42c)를 포함한다. 밀봉 가스켓(42b)은 캡(42a)의 가장자리를 감싸며 클림핑부(43)에 의해 고정된다. 또한, 전극 조립체(A)는 상하 유동을 방지하기 위해 비딩부(44)에 의해 전지 하우징(41) 내에 고정된다.
통상적으로 양극 단자는 밀봉체(42)의 캡(42a)이고 음극 단자는 전지 하우징(41)이다. 따라서, 양극(10)의 무지부(10a)에 결합된 집전체(30)는 스트립 형태의 리드(45)를 통해 캡(42a)에 부착된 연결 플레이트(42c)에 전기적으로 연결된다. 또한, 음극(11)의 무지부(11a)에 결합된 집전체(31)는 전지 하우징(41)의 바닥부에 전기적으로 연결된다. 인슐레이터(46)는 집전체(30)를 커버하여 극성이 다른 전지 하우징(41)과 양극(10)의 무지부(10a)가 서로 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지한다.
집전체(30)가 연결 플레이트(42c)에 연결될 때에는 스트립 형태의 리드(45)가 사용된다. 리드(45)는 집전체(30)에 별도로 부착하거나, 집전체(30)와 일체로 제작된다. 그런데, 리드(45)는 두께가 얇은 스트립 형태이므로 단면적이 작아서 급속충전 전류가 흐를 경우 열이 많이 발생한다. 또한, 리드(45)에서 발생한 과도한 열은 전극 조립체(A) 측으로 전달되어 분리막(12)을 수축시킴으로써 열 폭주의 주요 원인인 내부 단락을 일으킬 수 있다.
리드(45)는 또한 전지 하우징(41) 내에서 상당한 설치 공간을 차지한다. 따라서, 리드(45)가 포함된 원통형 배터리(40)은 공간 효율성이 낮아서 에너지 밀도를 증가시키는데 한계가 있다.
또한, 클림핑부(43)의 상단은 음의 극성을 갖지만 면적이 작다. 도면에서는 클림핑부(43)를 크게 도시하였는데, 실제로는 밀봉체(42)에 비해서 클림핑부(43)의 상단은 면적이 매우 작다. 따라서, 안정적으로 버스 바 부품을 연결하기 위해서는, 전지 하우징(40)의 개방단부에 클림핑된 밀봉체(42)에 양극을 연결하고 전지 하우징(40)의 바닥부에 음극을 연결할 수밖에 없다.
이처럼, 종래의 탭-리스 원통형 배터리(40)을 직렬 및/또는 병렬로 연결하기 위해서는 밀봉체(42)의 캡(42a)와 전지 하우징(41)의 바닥부 면에 버스 바 부품을 연결해야 하므로 공간 효율성이 떨어진다. 전기 자동차에 탑재되는 배터리 팩은 수 백 개의 원통형 배터리(40)을 포함한다. 따라서, 전기적 배선의 비효율성은 전기 자동차의 조립 과정, 그리고 배터리 팩의 유지 보수 시에도 상당한 번거로움을 초래한다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 배경 하에 창안된 것으로서 원통형 배터리의 전극 단자 구조를 개선하여 전지 하우징 내의 공간 효율성을 증가시킴으로써 원통형 배터리의 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시키는데 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 원통형 배터리의 전극 단자 구조를 개선하여 전류 패스의 단면적을 확대함으로써 급속 충전 시 생기는 내부 발열 문제를 개선하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 원통형 배터리의 직렬 및/또는 병렬 연결을 위한 전기적 배선 작업을 원통형 배터리의 한 쪽에서 수행할 수 있는 개선된 구조의 원통형 배터리를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 개선된 구조를 가진 원통형 배터리를 이용하여 제작된 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공하는데 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극 단자의 고정 구조는, 일측이 개방되고 타측에 관통 홀이 형성된 바닥부를 구비하는 전지 하우징; 상기 관통 홀의 내벽과 접촉하지 않도록 상기 관통 홀을 통과하여 설치된 전극 단자; 및 상기 전극 단자와 상기 관통 홀 사이에 개재된 단자 가스켓;을 포함하고, 상기 전극 단자는, 상기 관통 홀에 삽입된 몸체부; 상기 몸체부의 제1측으로부터 상기 전지 하우징 바닥부의 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부; 상기 몸체부의 제2측으로부터 전지 하우징 바닥부의 내부면을 향해 연장된 내부 플랜지부; 및 상기 내부 플랜지부의 내측에 구비된 평탄부;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 평탄부와 상기 바닥부의 내부면은 서로 평행할 수 있다.
바람직하게, 상기 전극 단자는 금속으로 이루어지고, 상기 내부 플랜지부는 상기 몸체부의 상기 제1측을 소성 가공하여 형성될 수 있다.
일 측면에서, 상기 전극 단자는 상기 내부 플랜지부에 의해서 상기 관통 홀을 통해 리벳팅된 리벳 단자일 수 있다.
다른 측면에서, 상기 내부 플랜지부의 상기 전지 하우징의 바닥부를 바라보는 면과 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면 사이의 각도는 0도 내지 60도 이하일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 내부 플랜지부는, 상기 전지 하우징의 바닥부로부터 점차 멀어지는 제1구간과, 상기 제1구간과 연결되고 상기 전지 하우징의 바닥부를 향해 연장된 제2구간을 포함하고, 상기 제2구간의 상기 바닥부를 바라보는 면과 상기 바닥부의 내부면 사이의 각도는 0도 내지 30 이하일 수 있다.
바람직하게, 상기 내부 플랜지부와 상기 평탄부 사이에 리세스부가 구비될 수 있다.
일 측면에서, 상기 리세스부는 상기 몸체부의 중심축 방향으로 함몰된 폐루프 형상을 가진 홈일 수 있다.
다른 측면에서, 상기 리세스부는, 비대칭 단면을 가질 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 비대칭 단면은 상기 평탄부의 측벽과 상기 측벽의 단부와 연결된 상기 내부 플랜지부의 경사면을 포함할 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 측벽은 상기 바닥부의 내부면과 수직일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 측벽은 상기 평탄부를 향해 경사져 있을 수 있다.
바람직하게, 상기 내부 플랜지부의 두께는 상기 몸체부로부터 멀어질수록 감소할 수 있다.
바람직하게, 상기 단자 가스켓은, 상기 외부 플랜지부와 상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면이 위치한 제1평면 사이에 개재된 외부 가스켓; 상기 내부 플랜지부와 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면이 위치한 제2평면 사이에 개재된 내부 가스켓; 및 상기 몸체부와 상기 관통홀 사이에 개재되고, 상기 외부 가스켓과 상기 내부 가스켓을 연결하는 중간 가스켓을 포함할 수 있다.
일 측면에서, 상기 중간 가스켓은 위치에 따라 두께가 다를 수 있다.
다른 측면에서, 상기 단자 가스켓은 상기 중간 가스켓에서 최소 두께를 가질 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 중간 가스켓의 상기 제1평면과 인접한 영역은 상기 제1평면과 가까워질수록 두께가 증가할 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 중간 가스켓의 상기 제2평면과 인접한 영역은 상기 제2평면과 가까워질수록 두께가 증가할 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 중간 가스켓의 상기 제1평면과 상기 제2평면 사이에 위치한 중앙 영역은 두께가 균일할 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 중간 가스켓의 영역 중 상기 바닥부 내부면과 연결된 상기 관통 홀의 내측 엣지와 상기 내부 플랜지부 사이에 개재된 영역의 두께가 상기 중간 가스켓의 나머지 영역보다 상대적으로 작을 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 중간 가스켓은 상기 외부 플랜지부로부터 멀어지는 방향에서 점진적으로 감소하는 두께를 가질 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 내부 가스켓의 영역 중 상기 바닥부 내부면과 상기 내부 플랜지부의 단부 근처에 개재된 영역의 두께가 가장 얇을 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 관통 홀의 내측 엣지는 상기 내부 플랜지부와 마주보는 대향면을 포함할 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 내부 가스켓은 상기 내부 플랜지부보다 길게 연장되어 단부가 노출될 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 바닥부의 내부면을 기준으로 상기 평탄부의 높이가 상기 내부 가스켓의 단부 높이보다 같거나 클 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 바닥부의 내부면을 기준으로 상기 평탄부의 높이가 상기 내부 플랜지부의 높이보다 같거나 클 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 바닥부의 내부면을 기준으로 상기 내부 플랜지부의 높이가 상기 내부 가스켓 단부의 높이보다 클 수 있다.
바람직하게, 상기 내부 플랜지부의 높이는 상기 전지 하우징 바닥부의 내부면을 기준으로 0.5mm 내지 3.0mm일 수 있다.
바람직하게, 상기 외부 플랜지부의 하부면으로부터 상기 평탄부의 표면까지 이르는 상기 전극 단자의 높이는 4mm 내지 7mm일 수 있다.
바람직하게, 상기 전지 하우징 바닥부의 외부면을 기준으로 상기 외부 플랜지부의 높이는 0.8mm 이상일 수 있다.
바람직하게, 상기 외부 가스켓의 적어도 일부는 상기 외부 플랜지부의 외측으로 노출되고, 상기 전지 하우징 바닥부의 외부면과 평행한 방향에서 측정한 상기 외부 가스켓의 노출폭은 0.1mm 내지 1mm일 수 있다.
바람직하게, 상기 몸체부의 중심으로부터 상기 외부 플랜지부의 가장자리까지의 반경은 상기 전지 하우징 바닥부의 반경을 기준으로 10% 내지 70%일 수 있다.
바람직하게, 상기 몸체부의 중심으로부터 상기 평탄부의 가장자리까지의 반경은 상기 바닥부의 반경을 기준으로 4% 내지 30%일 수 있다.
바람직하게, 가스켓의 압축 전 두께 대비 최대 압축 지점의 두께 변화량의 비율을 압축율이라고 정의할 때, 상기 단자 가스켓의 압축율은 30% 내지 90%일 수 있다.
더욱 바람직하게, 상기 단자 가스켓은 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리플루오르에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함하고, 상기 단자 가스켓의 압축율은 50% 내지 90%일 수 있다.
바람직하게, 상기 단자 가스켓의 중간 가스켓과 내부 가스켓의 압축 전 두께는 실질적으로 동일하고, 상기 중간 가스켓과 상기 내부 가스켓의 압축율은 50% 내지 90%일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리는, 제1전극과 제2전극이 분리막이 개재된 상태로 권취되고, 양측 단부로부터 연장되어 상기 분리막의 밖으로 노출된 상기 제1전극의 제1부분과 상기 제2전극의 제2부분을 포함하는 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수납하며 상기 제1전극과 전기적으로 연결된 원통형의 전지 하우징; 상기 전지 하우징의 바닥부에 형성된 관통 홀의 내벽과 접촉하지 않도록 상기 관통 홀을 통과하여 설치되며, 상기 제2전극과 전기적으로 연결된 전극 단자로서, 상기 관통홀에 삽입된 몸체부; 상기 몸체부의 제1측으로부터 상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부; 상기 몸체부의 제2측으로부터 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면을 향해 연장된 내부 플랜지부; 및 상기 내부 플랜지부의 내측에 구비된 평탄부;를 포함하는 전극 단자; 상기 전극 단자와 상기 관통 홀 사이에 개재된 단자 가스켓; 및 상기 전지 하우징으로부터 절연 가능하도록 상기 전지 하우징의 개방단부를 밀봉하는 밀봉체를 포함할 수 있다.
일 측면에서, 상기 전지 하우징은 개방단부에 인접한 영역에 상기 전지 하우징의 내측으로 압입된 비딩부를 포함하고, 상기 밀봉체는, 극성이 없는 캡 및 상기 캡의 가장자리와 상기 전지 하우징의 개방단부 사이에 개재된 밀봉 가스켓을 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 상기 전지 하우징은, 상기 전지 하우징의 내측으로 연장 및 절곡되어 있고 상기 밀봉 가스켓과 함께 상기 캡의 가장자리를 감싸서 고정하는 클림핑부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 캡은 상기 전지 하우징 내부의 압력이 임계치를 초과했을 때 파열되는 벤트 노치를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 벤트 노치는 상기 전지 하우징 내부의 압력이 15 내지 35kgf/cm2이 되었을 때 파열될 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명에 따른 배터리는, 상기 제1전극의 제1부분과 결합되는 제1집전체를 더 포함하고, 상기 제1집전체는 상기 제1전극의 제1부분과 접촉하지 않는 가장자리의 적어도 일부가 상기 비딩부와 상기 밀봉 가스켓 사이에 개재되어 상기 클림핑부에 의해 고정될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1집전체의 가장자리의 적어도 일부는 상기 클림핑부와 인접한 상기 비딩부의 내주면에 용접을 통해 고정될 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명에 따른 배터리는, 상기 제2전극의 제2부분과 결합되는 제2집전체를 더 포함하고, 상기 제2집전체의 적어도 일부는 상기 전극 단자의 평탄부와 결합될 수 있다.
바람직하게, 상기 제2집전체와 상기 전극 단자의 평탄부는 용접을 통해 결합되고, 상기 제2집전체와 상기 전극 단자의 평탄부 사이의 용접부 인장력은 2kgf 이상일 수 있다.
바람직하게, 상기 제2집전체의 표면에 노출된 용접 패턴의 환산 직경은 2mm 이상일 수 있다.
바람직하게, 상기 전극 단자의 평탄부의 직경은 3mm 내지 14mm일 수 있다.
바람직하게, 상기 전극 단자의 평탄부의 면적 대비 상기 제2집전체의 표면에 노출된 용접 패턴의 면적 비율은 2.04% 내지 44.4%일 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명에 따른 배터리는, 상기 제2집전체와 상기 전지 하우징의 바닥부 내주면 사이, 그리고 상기 전지 하우징 측벽의 내주면과 상기 전극 조립체 사이에 개재된 인슐레이터를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 인슐레이터는 상기 전극 단자의 평탄부를 상기 제2집전체 측으로 노출시키는 용접 홀을 포함하고, 상기 제2집전체의 표면과 상기 전극 조립체의 일측 가장자리를 커버할 수 있다.
바람직하게, 상기 전지 하우징 바닥부의 내부면으로부터 상기 전극 단자의 평탄부에 이르는 높이는 상기 인슐레이터의 두께와 같거나 이보다 작은 값을 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 단자 가스켓은, 상기 외부 플랜지부와 상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면이 위치한 제1평면 사이에 개재된 외부 가스켓; 상기 내부 플랜지부와 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면이 위치한 제2평면 사이에 개재된 내부 가스켓; 및 상기 몸체부와 상기 관통홀 사이에 개재되고, 상기 외부 가스켓과 상기 내부 가스켓을 연결하는 중간 가스켓을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 내부 가스켓의 단부는 상기 내부 플랜지부의 외측으로 노출될 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 용접 홀은 상기 전극 단자의 평탄부 및 내부 플랜지부를 노출시킬 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 용접 홀은 상기 전극 단자의 평탄부 및 내부 플랜지부, 및 상기 내부 가스켓을 노출시킬 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명에 따른 배터리는, 상기 전극 단자의 표면에 제1버스바 단자가 전기적으로 결합되고, 상기 전지 하우징 바닥부의 외부면에 제2버스바 단자가 전기적으로 결합될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1버스바 단자는 상기 전극 단자와 평면 상에서 중첩되어 제1중첩 영역을 형성하고, 상기 제2버스바 단자는 상기 전지 하우징 바닥부의 외부면과 평면 상에 중첩되어 제2중첩 영역을 형성하고, 상기 전극 단자의 직경과, 상기 전지 하우징 바닥부의 외부면의 폭은 하기 관계식을 만족할 수 있다.
W1≤ E1 ≤ D-2Rd-2G-2W2
E2 = 0.5*(D-2Rd-2G-E1)
(E1: 전극 단자의 직경, E2: 전지 하우징 바닥부의 외부면 중에서 전극 단자의 표면과 평행한 노출면의 폭, D: 전지 하우징의 외경, Rd: 평면상에서 측정한 전지 하우징 가장자리의 라운드 영역의 폭, G: 전극 단자의 가장자리를 통한 외부 가스켓의 노출 폭, W1: 상기 제1중첩 영역의 가장자리에서 선택된 임의의 두 지점 사이의 최대값; W2: 전극 단자의 중심을 통과하는 복수의 직선이 상기 제2중첩 영역의 가장자리와 만나는 두 지점 사이의 거리 중에서 최대값)
또 다른 측면에서, 상기 배터리의 직경을 높이로 나눈 폼 팩터의 비가 0.4 보다 클 수 있다.
본 발명의 기술적 과제는 상술한 복수의 배터리를 포함하는 배터리 팩에 의해 달성될 수 있다.
바람직하게, 복수의 배터리는 소정 수의 열로 배열되고,
각 배터리의 전극 단자와 전지 하우징 바닥부의 외부면은 상부를 향하도록 배치될 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 복수의 배터리를 직렬 및 병렬로 연결하는 복수의 버스바를 포함하고, 상기 복수의 버스바는 상기 복수의 배터리의 상부에 배치되고, 각 버스바는, 인접하는 배터리들의 전극 단자들 사이에서 연장되는 바디부; 상기 바디부의 일측 방향으로 연장되어 상기 일측 방향에 위치한 배터리의 전극 단자에 전기적으로 결합하는 복수의 제1버스바 단자; 및 상기 바디부의 타측 방향으로 연장되어 상기 타측 방향에 위치한 배터리의 전지 하우징 바닥부의 외부면에 전기적으로 결합하는 복수의 제2버스바 단자를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 배터리의 전극 단자와 상기 전지 하우징 바닥부의 외부면 사이에서 측정한 AC 저항은 0.5 밀리오옴(miliohm) 내지 4 밀리오옴(miliohm), 바람직하게는 1 밀리오옴(miliohm) 내지 4 밀리오옴(miliohm)일 수 있다.
본 발명에 따른 기술적 과제는 상술한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리의 전극 단자 구조를 개선하여 전지 하우징 내의 공간 효율성을 증가시킴으로써 배터리의 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리의 전극 단자 구조를 개선하여 전류 패스의 단면적을 확대함으로써 급속 충전 시 생기는 내부 발열 문제를 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 배터리의 직렬 및/또는 병렬 연결을 위한 전기적 배선 작업을 배터리의 한 쪽에서 수행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 개선된 구조를 가진 배터리를 이용하여 제작된 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 탭-리스 원통형 배터리에 사용되는 전극의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 2는 종래의 탭-리스 원통형 배터리에 포함되는 전극 조립체의 권취 공정을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 전극 조립체에서 무지부의 절곡면에 집전체가 용접되는 공정을 나타낸 도면이다.
도 4는 종래의 탭-리스 원통형 배터리를 길이 방향(Y)으로 자른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자의 고정 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6a는 도 5의 점선 원으로 표시된 부분의 확대 단면도이다.
도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 단자의 고정 구조를 나타낸 부분 확대 단면도이다.
도 6c는 본 발명의 실시예에 따라 전극 단자의 평탄부에 형성되는 용접 패턴을 모식적으로 나타낸 평면도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 배터리를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극 구조를 예시적으로 나타낸 평면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전극의 무지부 분절구조를 제1전극 및 제2전극에 적용한 전극 조립체를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따라 무지부가 절곡된 전극 조립체를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 10b는 본 발명의 실시예에 따라 무지부가 절곡된 전극 조립체의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 복수의 원통형 배터리를 버스바를 이용하여 직렬 및 병렬로 연결한 모습을 나타낸 상부 평면도이다.
도 12a는 도 11의 일부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 12b 및 도 12c는 본 발명의 실시예에 따라 전극 단자의 직경과 전지 하우징 바닥부의 외부면의 노출폭을 정의하는데 사용되는 파라미터들을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리들을 포함하는 배터리 팩의 개략적 구성을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 서로 다른 실시예에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여될 수 있다.
2 개의 비교 대상이 동일하다는 언급은 '실질적으로 동일'한 것을 의미한다. 따라서 '실질적 동일'은 당업계에서 낮은 수준으로 간주되는 편차, 예를 들어 5% 이내의 편차를 가지는 경우를 포함할 수 있다. 또한, 소정 영역에서 어떠한 파라미터가 균일하다는 것은 평균적 관점에서 균일하다는 것을 의미할 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
설명의 편의상 본 명세서에서 젤리롤 형태로 감기는 전극 조립체의 권취축의 길이방향을 따르는 방향을 축방향(Y)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축을 둘러싸는 방향을 원주방향 또는 둘레방향(X)이라 지칭한다. 그리고 상기 권취축에 가까워지거나 권취축으로부터 멀어지는 방향을 반경방향이라 지칭한다. 이들 중 특히 권취축에 가까워지는 방향을 구심방향, 권취축으로부터 멀어지는 방향을 원심방향이라 지칭한다.
본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리는 전지 하우징의 바닥부에 형성된 관통 홀에 설치된 전극 단자를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(50)의 고정 구조를 나타낸 단면도이고, 도 6a는 도 5의 점선 원으로 표시된 부분의 확대 단면도이다.
도 5 및 도 6a를 참조하면, 전극 단자(50)는, 상부면, 하부면 및 외측면을 포함하는 몸체부(50a)와, 상기 몸체부(50a)의 외측면으로부터 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a)을 따라 연장되는 외부 플랜지부(50b)와, 상기 몸체부(50a)의 외측면으로부터 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)을 향해 연장된 내부 플랜지부(50c)를 포함할 수 있다. 몸체부(50a)의 상부면은 평평하여 집전체와 연결될 수 있으며, 내부 플랜지부(50c)보다 위쪽에 위치한다.
본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(50)의 고정 구조는, 원통형의 전지 하우징(51) 구조에 적용될 수 있다. 구체적으로, 전극 단자(50)의 고정 구조는 일측이 개방된 전지 하우징(51)과, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)에 형성된 관통 홀(53)을 통해 고정된 전극 단자(50)와, 전극 단자(50)와 관통 홀(53) 사이에 개재된 단자 가스켓(54)을 포함할 수 있다.
전지 하우징(51)은 원통형의 측벽과 측벽의 단부에 연결되는 바닥부(52)를 포함할 수 있다. 바닥부(52)에는 관통 홀(53)이 형성되어 있으므로, 전지 하우징(51)은 일측이 개방되고 타측은 바닥부(52)에 의해 부분적으로 폐쇄되는 구조를 가진다. 전지 하우징(51)은 원통형 이외에도 다른 형상, 예컨대 단면이 사각형인 각형의 형상을 가질 수 있다.
전지 하우징(51)은 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 전지 하우징(51)은 스틸 재질로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 전지 하우징(51)의 내면과 외면은 Ni 도금층으로 코팅되어 있을 수 있다.
전극 단자(50)는 도전성 금속 재질로 이루어진다. 일 예에서, 전극 단자(50)는 알루미늄으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 전극 단자(50)는 소성 가공이 용이하고 저항이 낮은 10계열 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다. 소성 가공은 금속에 물리적인 힘을 가하여 소망하는 형상으로 변형시키는 공법으로서, 리벳팅, 콜킹 등을 포함할 수 있다.
단자 가스켓(54)은 절연성 및 탄성이 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 단자 가스켓(54)은 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리플루오르화에틸렌 등으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 전극 단자(50)는, 관통 홀(53)의 내벽과 접촉하지 않도록 관통홀(53)에 설치된다.
전극 단자(50)는 관통 홀(53)에 삽입된 몸체부(50a)를 포함한다. 몸체부(50a)는 상부면, 하부면 및 이들을 서로 연결하는 외측면을 포함할 수 있다. 전극 단자(50)는 또한 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 외부면(52a)을 통해 노출된 몸체부(50a)의 제1측 둘레로부터 외부면(52a)을 따라 연장된 외부 플랜지부(50b), 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 내부면(52b)을 통해 노출된 몸체부(50a)의 제2측 둘레로부터 내부면(52b)을 향해 연장된 내부 플랜지부(50c), 및 내부 플랜지부(50c)의 내측에 구비되고 내부 플랜지부(50c)에 의해 둘러싸인 평탄부(50d)를 포함할 수 있다.
바람직하게, 평탄부(50d)는 몸체부(50a)의 상부면에 대응한다. 평탄부(50d)와 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 내부면(52b)은 서로 평행할 수 있다. 여기서, '평행'이라 함은 육안으로 관찰했을 때 실질적으로 평행한 것을 의미한다. 평탄부(50d)는 전극 단자(50)가 소성 가공되기 전에 이미 형성된 면일 수 있다. 즉 평탄부(50d)는 소성 가공에 의해 변형되지 않는 영역일 수 있다.
바람직하게, 전극 단자(50)는 금속으로 이루어지고, 상기 내부 플랜지부(50c)는 상기 몸체부(50a)의 상부 둘레를 소성 가공하여 형성될 수 있다. 소성 가공은 콜킹(caulking)일 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 전극 단자(50)는 내부 플랜지부(50c)에 의해서 관통 홀(53)을 통해 리벳팅된 리벳 단자일 수 있다.
내부 플랜지부(50c)는 전지 하우징(51)의 바닥부(52)로부터 점차 멀어지는 방향으로 연장된다. 내부 플랜지부(50c)가 전지 하우징(51)의 바닥부(52)를 바라보는 면과 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b) 사이의 각도(θ)는 0도 내지 60도 이하일 수 있다.
상기 각도(θ)의 크기는 콜킹 공법으로 전극 단자(50)가 전지 하우징(51)의 관통 홀(53)에 설치될 때 콜킹 강도에 의해 결정된다. 일 예에서, 콜킹 강도가 증가할수록 각도(θ)는 0도까지 감소할 수 있다. 각도(θ)가 60도를 초과하면 단자 가스켓(54)의 실링 효과가 저하될 수 있다.
한편, 외부 플랜지부(50b)는 전지 하우징(51)의 바닥부(52)와 실질적으로 평행하므로 내부 플랜지부(50c)와 외부 플랜지부(50b) 사이의 각도 또한 0도 내지 60도 이하일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 내부 플랜지부(50c)와 평탄부(50d) 사이에 리세스부(55)가 구비될 수 있다. 리세스부(55)는 몸체부(50a)의 중심축 방향으로 함몰된 홈이다. 홈은 몸체부(50a)의 중심축 방향에서 바라봤을 때, 폐루프 형상을 가질 수 있다. 리세스부(55)는 비대칭 단면을 가질 수 있다. 일 예에서, 비대칭 단면은 대략 V자형 또는 U자형일 수 있다. 비대칭 단면은 평탄부(50d)의 측벽(55a)과 상기 측벽(55a)의 단부와 연결되고 내부 플랜지부(50c)의 상부면에 의해 형성되는 경사면(55b)을 포함할 수 있다. 상기 측벽(55a)을 통해 노출된 몸체부(50a)의 외측면은 제1면, 그리고 상기 경사면(55b)은 제2면으로 명명될 수 있다. 제1면과 제2면은 서로 비대칭이다. 상기 측벽(55a)은 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 내부면(52b)과 실질적으로 수직일 수 있다. '수직'이라 함은 육안상으로 관찰했을 때 실질적으로 수직인 경우를 의미한다. 후술하겠지만, 상기 측벽(55a)은 상기 평탄부(50d)를 향해 경사져 있을 수 있다. 리세스부(55)는 콜킹 공법으로 전극 단자(50)가 전지 하우징(51)의 관통 홀(53)에 설치될 때 콜킹 지그의 형상에 의해 만들어진 것이다.
바람직하게, 내부 플랜지부(50c)의 두께는 전극 단자(50)의 몸체부(50a)로부터 멀어질수록 감소할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 단자 가스켓(54)은, 외부 플랜지부(50b)와 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a)이 위치한 제1평면(P1) 사이에 개재된 외부 가스켓(54a)과, 내부 플랜지부(50c)와 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)이 위치한 제2평면(P2) 사이에 개재된 내부 가스켓(54b)과, 상기 몸체부(50a)와 상기 관통홀(53) 사이에 개재되고, 외부 가스켓(54a)과 내부 가스켓(54b)을 연결하는 중간 가스켓(54c)을 포함할 수 있다.
외부 가스켓(54a) 및/또는 내부 가스켓(54b) 및/또는 중간 가스켓(54c)은 두께가 위치에 따라 다를 수 있다.
바람직하게, 중간 가스켓(54c)은 위치에 따라 두께가 변할 수 있고, 단자 가스켓(54)은 중간 가스켓(54c)에서 최소 두께를 가질 수 있다.
일 측면에서, 중간 가스켓(54c)의 제1평면(P1)과 인접한 영역은 제1평면(P1)과 가까워질수록 두께가 증가할 수 있다. 유사하게, 중간 가스켓(54c)의 제2평면(P2)과 인접한 영역은 제2평면(P2)과 가까워질수록 두께가 증가할 수 있다. 또한, 제1평면(P1)과 제2평면(P2) 사이에 위치한 중간 가스켓(54c)의 중앙 영역은 두께가 균일할 수 있다.
바람직하게, 중간 가스켓(54c)의 영역 중 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)과 연결된 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 내부 플랜지부(50c) 사이에 개재된 영역의 두께가 상대적으로 작을 수 있다. 바람직하게, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 내부 플랜지부(50c) 사이에 개재된 중간 가스켓(54c) 영역에서 최소 두께 지점이 존재할 수 있다. 또한, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)는 내부 플랜지부(50c)와 마주보는 대향면(57)을 포함할 수 있다.
한편, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)과 수직을 이루는 관통 홀(53) 내벽의 상단과 하단은 전극 단자(50)를 향해 테이퍼진 표면을 형성하도록 모따기(corner cutting) 되어 있다. 하지만, 관통 홀(53) 내벽의 상단 및/또는 하단은 곡률을 가진 부드러운 곡면으로 변형될 수 있다. 이 경우, 관통 홀(53) 내벽의 상단 및/또는 하단 근처에서 가스켓(54)에 가해지는 스트레스를 보다 완화할 수 있다.
바람직하게, 내부 가스켓(54b)은 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)과 0도 내지 60도의 각도(θ)를 이루며 내부 플랜지부(50c)보다 길게 연장될 수 있다.
또 다른 측면에서, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)을 기준으로 평탄부(50d)의 높이(H1)가 내부 가스켓(54b)의 단부 높이(H2)보다 같거나 클 수 있다. 또한, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)을 기준으로 평탄부(50d)의 높이(H1)가 내부 플랜지부(50c)의 단부 높이(H3)보다 같거나 클 수 있다. 여기서, 높이 H2는 내부면(52b)을 기준으로 측정한 내부 가스켓(54b) 단부의 최대 높이이다. 또한, 높이 H3은 내부면(52b)을 기준으로 측정한 내부 플랜지부(50c)의 상부면의 최대 높이이다.
높이 파라미터인 H1, H2 및 H3가 상기 조건을 충족하면, 내부 플랜지부(50c)와 내부 가스켓(54b)이 다른 부품과 간섭을 일으키는 것을 방지할 수 있다.
바람직하게, 내부 플랜지부(50c)의 높이(H3)는 0.5mm 내지 3.0mm일 수 있다. 내부 플랜지부(50c)의 높이(H3)가 0.5mm 미만이면, 충분한 실링성이 확보되지 않는다. 또한, 내부 플랜지부(50c)의 높이(H3)가 3mm를 초과하면, 전극 조립체에 의해 점유될 수 있는 전지 하우징(51)의 내부 공간이 감소한다.
바람직하게, 전극 단자(50)의 높이(H4)는 1.5mm 내지 7mm일 수 있다. 전극 단자(50)의 높이(H4)는 외부 플랜지부(50b)의 하부면으로부터 평탄부(50d)까지 이르는 거리에 해당한다. 전극 단자(50)의 높이(H4)가 1.5mm 미만이면, 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 두께로 인해 내부 플랜지부(50c)의 높이를 실링성을 확보할 수 있을 정도로 증가시키기 어렵다. 참고로, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 두께는 대략 0.5mm 내지 1mm이다. 또한, 전극 단자(50)의 높이(H4)가 7mm를 초과하면, 전극 조립체에 의해 점유될 수 있는 전지 하우징(51)의 내부 공간이 감소하고 배터리의 높이가 증가되면서 단위 부피당 에너지 밀도가 그 만큼 낮아진다. H3 및 H4가 상기 수치범위를 충족하면, 전지 하우징(51) 내부의 공간을 줄이지 않으면서 전극 단자(50)의 실링성을 충분히 확보할 수 있다.
다른 측면에서, 전지 하우징(51)의 바닥부(54)의 외부면(52a)를 기준으로 외부 플랜지부(50b)의 높이(H5)는 0.8mm 이상일 수 있다. 외부 플랜지부(50b)의 높이(H5)가 0.8mm 보다 작으면, 전극 단자(50)가 리벳팅될 때 외부 플랜지부(50b)가 변형될 수 있다. 외부 가스켓(54a)의 두께는 절연성과 실링성을 감안하여 0.3mm 이상의 두께를 가진다. 이러한 외부 가스켓(54a)의 두께를 고려했을 때, 외부 플랜지부(50b)의 높이가 0.8mm 보다 작으면, 외부 플랜지부(50b)의 두께가 기계적 강성을 충분히 확보하기 어려운 수준으로 얇아진다. 특히, 전극 단자(50)가 알루미늄으로 이루어진 경우 더욱 그러하다. 한편, 외부 플랜지부(50b)의 높이는 배터리 상부의 공간 마진을 고려하여 적절하게 설정할 수 있다. 일 예에서, 외부 플랜지부(50b)의 높이는 2mm 이하, 또는 3mm 이하, 또는 4mm 이하, 또는 5mm 이하로 설정될 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 측면에서, 외부 가스켓(54a)은 전극 단자(50)의 외부 플랜지부(50b)의 외측으로 적어도 일부가 노출될 수 있다. 외부 가스켓(54a)의 노출 목적은 전극 단자(50)와 반대의 극성을 가지는 외부면(52a)과 전극 단자(50)를 서로 절연시키기 위해서이다. 전극 단자(50)와 외부면(52a)의 전기적 절연을 위해 외부 가스켓(54a)의 노출 폭(G)은 0.1mm 내지 1mm일 수 있다. 노출 폭(G)이 0.1mm 보다 작으면, 300A 이상의 고율(high c-rate) 충방전이 이루어질 때 평면상에서 전극 단자(50)와 외부면(42a)의 전기적 절연이 파괴될 수 있다. 또한, 노출 폭(G)이 1mm 보다 크면, 전기적 절연 효과가 더 증대되지 않고 오히려 음극 영역으로 사용되는 외부면(52a)의 면적이 줄어듦으로써 전기적 연결에 사용되는 부품(e.g., 버스바)의 접촉 면적이 감소한다.
또 다른 측면에서, 전극 단자(50)의 평탄부(50d) 직경은 집전체와 평탄부(50d) 사이의 용접 강도를 고려하여 결정될 수 있다. 평탄부(50d)와 집전체 사이의 용접부 인장력은 적어도 2kgf 이상, 또는 5kgf 이상, 또는 6kgf 이상, 또는 7kgf 이상, 또는 8kgf 이상, 또는 9kgf 이상, 또는 10kgf 이상일 수 있다. 용접부 인장력은 용접 방법을 최선으로 선택하여 허용되는 범위에서 최대한 증가시키는 것이 바람직하다.
도 6c를 참조하면, 용접부의 인장력 조건의 충족을 위해 평탄부(50d)에 형성되는 용접 패턴(Wp)의 직경은 최소 2mm 일 수 있다. 용접 패턴(Wp)의 직경은 용접 부위의 표면에 나타난 용접 패턴(Wp)의 면적(S)을 원의 면적(πr2)으로 변환했을 때 해당 원의 환산 지름(2*(S/π)0.5)으로 정의될 수 있다. 용접 패턴(Wp)은 연속적 또는 불연속적일 수 있다. 용접 패턴(Wp)은 원이 아닐 수 있다. 용접 패턴(Wp)이 원이 아닐 때, 평탄부(50d)의 중심으로부터 용접 패턴(Wp)의 가장자리에 이르는 거리의 최대값으로부터 환산 지름(최대값*2)을 결정할 수 있다.
전극 단자(50)의 평탄부(50d)는 용접 가능 영역에 해당한다. 용접 가능 영역의 직경은 3mm 내지 14mm일 수 있다. 용접 가능 영역의 직경이 3mm 보다 작으면, 직경이 2mm 이상인 용접 패턴을 확보하기 어렵다. 특히, 레이저 용접을 이용하여 용접 패턴을 형성할 경우, 레이저 빔의 간섭 때문에 직경이 2mm 이상인 용접 패턴을 확보하기 어렵다. 용접 가능 영역의 직경이 14mm를 초과하면, 전극 단자(50)의 외부 플랜지부(50b)의 직경이 지나치게 커져서 음극 영역으로 사용될 전지 하우징 바닥부(52)의 외부면(52a) 면적을 충분하게 확보하기 어렵다.
상기한 용접 패턴의 직경 조건과 용접 가능 영역의 직경 조건을 고려할 때, 적어도 2kgf 이상의 용접부 인장력을 확보하기 위해 필요한 용접 가능 영역의 면적 대비 용접 패턴의 면적 비율은 2.04%(π12/π72) 내지 44.4%(ð12/π1.52)인 것이 바람직하다.
다른 측면에서, 몸체부(50a)의 중심으로부터 외부 플랜지부(50b)의 가장자리까지의 반경(R1)은 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 반경(R2)을 기준으로 10 내지 70%일 수 있다.
R1이 작아지면 전극 단자(50)의 전기적 연결에 사용되는 부품(버스바)을 용접할 때 용접 공간이 부족해진다. 또한, R1이 커지면 전극 단자(50)를 제외한 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 외부면(52a)에 전기적 연결을 위한 부품(버스바)을 용접할 때 용접 공간이 감소한다.
비율 R1/R2를 10 내지 70% 사이에서 조절하면 전극 단자(50) 및 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a)에 대한 용접 공간을 적절하게 확보할 수 있다.
또한, 전극 단자(50)의 몸체부(50a)의 중심으로부터 평탄부(50d)의 가장자리까지의 반경(R3)은 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 반경(R2)을 기준으로 4 내지 30%일 수 있다.
R3이 작아지면 전극 단자(50)의 평탄부(50d)에 집전체를 용접할 때 용접 공간이 부족해지고, 전극 단자(50)의 용접 면적이 감소하여 컨택 저항이 증가할 수 있다. 또한, R3은 R1보다는 작아야 하고 R3이 커지면 내부 플랜지부(50c)의 두께가 얇아져서 내부 플랜지부(50c)가 단자 가스켓(54)을 압착하는 힘이 약해져 단자 가스켓(54)의 실링 능력이 저하될 수 있다.
R3/R2를 4 내지 30% 사이에서 조절하면 전극 단자(50)의 평탄부(50d)와 집전체의 용접 면적을 충분히 확보함으로써 용접 공정을 용이하게 진행할 수 있을 뿐만 아니라 용접 영역의 컨택 저항을 감소시킬 수 있고 단자 가스켓(54)의 실링 능력 저하를 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전극 단자(50)의 고정 구조는 상하 운동을 하는 콜킹 지그를 이용하여 형성할 수 있다. 먼저, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)에 형성된 관통 홀(53)에 단자 가스켓(54)을 개재시켜 전극 단자(50)의 프리폼(미도시)을 삽입한다. 프리폼은 콜킹 공정이 진행되기 전의 전극 단자를 지칭한다.
다음으로, 콜킹 지그를 전지 하우징(51)의 내측 공간으로 삽입한다. 콜킹 지그는 프리폼을 가압 포밍하여 전극 단자(50)를 형성하기 위해 프리폼과 대향하는 면에 전극 단자(50)의 최종 형상에 대응되는 홈과 돌기를 가진다.
다음으로, 콜킹 지그를 하부로 이동시켜 프리폼의 상부를 가압 포밍하여 프리폼을 전지 하우징(51)의 관통 홀(53)에 리벳팅된 전극 단자(50)로 변형시킨다. 콜킹 지그의 압입 깊이는 평탄부(50d)에 의해 규제될 수 있다. 평탄부(50d)는 몸체부(50a)에 미리 형성되어 있던 것으로서, 콜킹 지그는 평탄부(50d)가 인입되는 그루브를 가진다. 따라서, 프리폼이 가압 포밍되는 동안, 평탄부(50d)가 그루브의 바닥에 접촉되면 가압 포밍이 중단된다. 이에 따라 양산 과정에서도 소성 변형을 통해 형성되는 내부 플랜지부(50c)와 리세스부(55)의 형상을 균일하게 만들 수 있다. 또한, 평탄부(50d)는 프리폼이 콜킹 지그에 의해 가압되는 동안 변형되지 않거나 거의 변형되지 않는다. 따라서 평탄부(50d) 역시 양산 과정에서 균일한 형상을 유지할 수 있다. 이는 후술할 평탄부(50d)와 집전체의 용접 가공을 더욱 용이하게 하고, 이에 따라 제조 편차를 현저히 줄일 수 있다.
콜킹 지그에 의해 프리폼이 가압되면서 형상이 변형되는 동안, 외부 플랜지부(50b)와 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a) 사이에 개재된 외부 가스켓(54a)이 탄성적으로 압축되면서 그 두께가 감소한다. 또한, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 프리폼 사이에 개재된 중간 가스켓(54c) 부위가 내부 플랜지부(50c)에 의해 탄성적으로 압축되면서 다른 영역보다 두께가 더욱 감소한다. 특히, 중간 가스켓(54c)의 두께가 집중적으로 감소되는 영역은 도 6a의 점선원으로 표시된 부분이다. 이에 따라, 리벳팅된 전극 단자(50)와 전지 하우징(51) 사이의 실링성 및 밀폐성이 현저하게 향상된다.
바람직하게, 단자 가스켓(54)은 프리폼이 콜킹이라는 소성 공정을 통해 리벳팅되는 과정에서 물리적으로 손상되지 않으면서 소망하는 실링 강도를 확보할 수 있도록 충분히 압축되는 것이 바람직하다.
바람직하게, 단자 가스켓(54)의 압축율은 30% 내지 90%일 수 있다. 최소 압축율은 전극 단자(50)의 실링성(밀봉성)을 보장하기 위한 최소 수준의 압축율에 해당한다. 최대 압축율은 단자 가스켓(54)을 물리적으로 손상시키지 않으면서 달성할 수 있는 최대 수준의 압축율에 해당한다.
일 예에서, 단자 가스켓(54)이 폴리부틸렌테레프탈레이드로 이루어진 경우, 단자 가스켓(54)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 50% 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 압축율은 단자 가스켓(54)의 압축 전 두께 대비 최대 압축 지점의 두께 변화량에 대한 비율로서 정의될 수 있다. 내부 가스켓(54b)과 중간 가스켓(54c)의 압축 전 두께는 균일할 수 있고, 내측 엣지(56) 부분의 근처에 최대 압축 지점이 존재할 수 있다. 바람직하게, 압축율은 내부 가스켓(54b)과 중간 가스켓(54c)의 균일 두께를 기준으로 산출할 수 있다.
다른 예에서, 단자 가스켓(54)이 폴리플루오르에틸렌으로 이루어진 경우, 단자 가스켓(54)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 60% 이상인 것이 바람직하다. 바람직하게, 압축율은 내부 가스켓(54b)과 중간 가스켓(54c)의 균일 두께를 기준으로 산출할 수 있다.
또 다른 예에서, 단자 가스켓(54)이 폴리프로필렌으로 이루어진 경우, 단자 가스켓(54)은 그것이 최소 두께로 압축되는 지점에서 압축율이 60% 이상인 것이 바람직하다. 바람직하게, 압축율은 내부 가스켓(54b)과 중간 가스켓(54c)의 균일 두께를 기준으로 산출할 수 있다.
바람직하게, 콜킹 지그의 상하 이동을 적어도 2회 이상 실시하여 프리폼 상부의 가압 포밍을 단계적으로 진행할 수 있다. 즉, 프리폼을 단계적으로 가압 포밍하여 여러 번에 걸쳐 변형할 수 있다. 이 때, 콜킹 지그에 가해지는 압력을 단계적으로 증가시킬 수 있다. 이렇게 하면, 프리폼에 가해지는 응력을 여러 번으로 분산시킴으로써 콜킹 공정이 진행되는 동안 단자 가스켓(54)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 관통 홀(53)의 내측 엣지(56)와 프리폼 사이에 개재된 중간 가스켓(54c) 부위가 내부 플랜지부(50c)에 의해 집중적으로 압축될 때 가스켓의 손상이 최소화된다.
콜킹 지그를 이용한 프리폼의 가압 포밍이 완료된 후, 콜킹 지그를 전지 하우징(51)으로부터 분리시키면, 도 6a에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전극 단자(50)의 고정 구조를 얻을 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 콜킹 지그는 전지 하우징(51)의 내부에서 상하 운동을 통해 프리폼의 상부를 가압 포밍한다. 경우에 따라, 프리폼의 가압 포밍을 위해 종래 기술에서 사용되는 로타리(rotary) 회전 지그가 사용될 수 있다.
다만, 로타리 회전 지그는 전지 하우징(51)의 중심 축을 기준으로 소정 각도로 기울어진 상태에서 회전 운동을 한다. 따라서, 회전 반경이 큰 로타리 회전 지그는 전지 하우징(51)의 내벽과 간섭을 일으킬 수 있다. 또한, 전지 하우징(51)의 깊이가 큰 경우 로타리 회전 지그의 길이도 그만큼 길어진다. 이 경우, 로타리 회전 지그 단부의 회전반경이 커지면서 프리폼의 가압 포밍이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 콜킹 지그를 이용한 가압 포밍이 로타리 회전 지그를 이용한 방식보다 더욱 효과적이다.
한편, 전극 단자(50)의 구조는 프리폼 및/또는 콜킹 지그 및/또는 단자 가스켓(54)의 디자인과 콜킹 공정 시 프리폼에 가해지는 압력의 크기에 따라 다양한 구조를 가질 수 있다.
도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 단자(50')의 구조를 도시한 부분 확대 단면도이다.
도 6b를 참조하면, 다른 실시예에 따른 전극 단자(50')는 내부 플랜지부(50c)가 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)을 향해 리벳팅된 구조를 가진다.
내부 플랜지부(50c)는 전지 하우징(51)의 바닥부(52)로부터 점차 멀어지는 방향으로 연장된 제1구간(50c1)과, 상기 제1구간(50c1)과 연결되고 전지 하우징(51)의 바닥부(52)를 향해 연장된 제2구간(50c2)을 포함한다.
제2구간(50c2)이 전지 하우징(51)의 바닥부(52)를 바라보는 면과 바닥부(52)의 내부면(52b) 사이의 각도(δ)는 0도 내지 30 이하일 수 있다.
바람직하게, 상기 각도(δ)는 단자 가스켓(54)의 실링성을 최대로 증가시키기 위해 실질적으로 0에 가까울 수 있다. 제2구간(50c2)는 내부 가스켓(54b)을 강하게 압착하므로 단자 가스켓(54)의 밀봉성을 증가시킬 수 있다. 이러한 효과는 상기 각도(δ)가 0에 가까울수록 더 증대된다.
내부 플랜지부(53c)의 높이(H3)는 내부 가스켓(54b)의 높이(H2)보다 크다. 또한, 관통 홀(53)의 내측 엣지는 소정의 곡률을 가진 원호 형상을 갖는다. 또한, 평탄부(50d)의 가장자리 부분의 측벽(55a)은 평탄부(50d)를 향하여 경사진 구조를 가진다.
단자 가스켓(54)은 외부 플랜지부(50b)와 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a)이 위치한 제1평면(P1) 사이에 개재된 외부 가스켓(54a); 내부 플랜지부(50c)와 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)이 위치한 제2평면(P2) 사이에 개재된 내부 가스켓(54b); 및 몸체부(50a)와 관통 홀(53) 사이에 개재되고 외부 가스켓(54a)과 내부 가스켓(54b)을 연결하는 중간 가스켓(54c)을 포함할 수 있다.
바람직하게, 중간 가스켓(54c)의 두께는 외부 가스켓(54a)으로부터 멀어지는 방향으로 가면서 점진적으로 감소한다. 또한, 내부 가스켓(54b)는 내부 플랜지부(54b)의 단부 근처에서 최소 두께까지 감소하였다가 최상부 말단으로 가면서 두께가 살짝(slightly) 증가할 수 있다. 이러한 내부 가스켓(54b)의 압축 구조는 전극 단자(50')의 실링성을 더욱 향상시킬 수 있다. 내부 가스켓(54b)의 압축율은 내부 플랜지부(50c) 단부 근처의 최소 두께 지점에서 계산될 수 있다.
바람직하게, 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 전극 단자(50,50')의 고정 구조는 폼 팩터가 2170 보다 큰 원통형 배터리에 적용될 수 있다.
최근 원통형 배터리가 전기 자동차에 적용됨에 따라 원통형 배터리의 폼 팩터가 종래의 1865, 2170 등보다 증가하고 있다. 폼 팩터의 증가는 에너지 밀도의 증가, 열 폭주에 대한 안전성 증대, 그리고 냉각 효율의 향상을 가져온다.
또한, 이후에 설명하겠지만, 전극 단자(50,50')의 고정 구조가 적용된 원통형 배터리는 한 쪽 방향에서 전기적 배선을 수행할 수 있다. 또한, 전극 단자(50,50')는 단면적이 커서 저항이 낮으므로 급속 충전에 매우 적합하다.
바람직하게, 본 발명의 전극 단자(50,50') 구조가 적용되는 원통형 배터리는, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 배터리일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리의 폼 팩터는, 예를 들어 4611, 4875, 48110, 4880, 4680일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 배터리의 직경을 나타내고, 나머지 숫자는 배터리의 높이를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리는, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.418인 원통형 배터리일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리는, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 0.640인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 0.436인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.600인 원통형 배터리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리는, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 0.575인 원통형 배터리일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 1865, 2170 배터리 등이 이용되었다. 1865 배터리의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 0.277이다. 2170 배터리의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 0.300이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리(70)을 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 7a를 참조하면, 실시예에 따른 원통형 배터리(70)은 쉬트 형상의 제1전극 및 제2전극이 분리막이 개재된 상태로 권취되고, 하부에는 제1전극의 제1부분으로서 제1전극의 무지부(72)가 노출되고 상부에는 제2전극의 제2부분으로서 제2전극의 무지부(73)가 노출되어 있는 젤리롤 타입의 전극 조립체(71)를 포함한다.
여기서, 제1부분과 제2부분은 무지부가 아닌 전극의 다른 부분일 수 있다. 다른 부분은 전극의 무지부에 전기적으로 결합된 금속 탭일 수 있다. 또한, 전극 조립체(71)는 젤리롤 형상 이외에 다른 형상을 가지는 것을 배제하지 않는다. 또한 배터리는 원통형뿐만 아니라 각형 등의 다른 형상을 가질 수 있음은 자명하다.
실시예에서, 제1전극은 음극이고 제2전극은 양극일 수 있다. 물론, 그 반대의 경우도 가능하다.
전극 조립체(71)의 권취 방법은 도 2를 참조하여 설명한 종래 기술에 따른 탭-리스 원통형 배터리의 제조 시 사용되는 전극 조립체의 권취 방법과 실질적으로 동일하다.
전극 조립체(71)를 도시함에 있어서는 분리막 외측으로 노출되어 연장된 무지부(72, 73)만을 상세히 도시하고 제1전극, 제2전극 및 분리막의 권취 구조에 대한 도시는 생략하였다.
원통형 배터리(70)은 또한 전극 조립체(71)를 수납하며 제1전극의 무지부(72)와 전기적으로 연결된 원통형의 전지 하우징(51)을 포함한다.
바람직하게, 전지 하우징(51)의 일 측(하부)은 개방되어 있다. 또한, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)는 전극 단자(50)가 소성(예컨대, 콜킹) 공정을 통해 관통 홀(53)에 리벳팅된 구조를 가진다.
구체적으로, 전극 단자(50)는 관통 홀(53)에 삽입된 몸체부(50a)와, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a)을 통해 노출된 몸체부(50a)의 제1측 둘레로부터 외부면(52a)을 따라 연장된 외부 플랜지부(50b)와, 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 내부면(52b)을 통해 노출된 몸체부(50a)의 제2측 둘레로부터 내부면(52b)을 향해 연장된 내부 플랜지부(50c)와, 내부 플랜지부(50c)의 내측에 구비되고 내부 플랜지부(50c)에 의해 둘러싸인 평탄부(50d)를 포함할 수 있다.
전극 단자(50)는 도 6b에 도시된 전극 단자(50') 구조로 대체될 수 있다.
원통형 배터리(70)은 또한 전극 단자(50)와 관통 홀(53) 사이에 개재된 단자 가스켓(54)을 포함할 수 있다.
원통형 배터리(70)은 또한 전지 하우징(51)으로부터 절연 가능하도록 전지 하우징(51)의 개방 단부를 밀봉하는 밀봉체(74)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 밀봉체(74)는 극성이 없고 플레이트 형상을 가진 캡(74a) 및 캡(74a)의 가장자리와 전지 하우징(51)의 개방단부 사이에 개재된 밀봉 가스켓(74b)을 포함할 수 있다.
캡(74a)는 알루미늄, 스틸, 니켈 등의 도전성 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 밀봉 가스켓(74b)은 절연성 및 탄성이 있는 폴리프로필렌, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리플루오르화에틸렌 등으로 이루어질 수 있다. 하지만, 본 발명이 캡(74a)와 밀봉 가스켓(74b)의 소재에 의해 한정되는 것은 아니다.
캡(74a)는 전지 하우징(51) 내부의 압력이 임계치를 초과했을 때 파열되는 벤트 노치(77)를 포함할 수 있다. 벤트 노치(77)는 캡(74a)의 양면에 형성될 수 있다. 벤트 노치(77)는 캡(74a)의 표면에서 연속적 또는 불연속적인 원형 패턴, 직선 패턴 또는 그 밖의 다른 패턴을 형성할 수 있다. 벤트 노치(77)의 깊이와 폭 등은 전지 하우징(51) 내부의 압력이 15kgf/cm2 내지 35kgf/cm2의 범위에 있을 때 파열될 수 있도록 설정될 수 있다.
전지 하우징(51)은, 밀봉체(74)를 고정하기 위해, 전지 하우징(51)의 내측으로 연장 및 절곡되어 밀봉 가스켓(74b)과 함께 캡(74a)의 가장자리를 감싸서 고정하는 클림핑부(75)를 포함할 수 있다.
바람직하게, 캡(74a)의 하부면은 클림핑부(75)의 하단보다 상부에 위치할 수 있다. 그러면, 캡(74a)의 하부에 벤트 공간이 형성되어 벤트 노치(77)가 파열되었을 때 가스 배출이 원활하게 이루어질 수 있다.
전지 하우징(51)은 또한 개방 단부에 인접한 영역에 전지 하우징(51)의 내측으로 압입된 비딩부(76)를 포함할 수 있다. 비딩부(76)는 밀봉체(74)가 클림핑부(75)에 의해 고정될 때, 밀봉체(74)의 가장자리, 특히 밀봉 가스켓(74b)의 외주 표면을 지지한다.
원통형 배터리(70)은 또한 제1전극의 무지부(72)와 용접되는 제1집전체(78)를 더 포함할 수 있다. 제1집전체(78)는 알루미늄, 스틸, 니켈 등의 도전성 금속 재질로 이루어진다. 바람직하게, 제1집전체(78)는 제1전극의 무지부(72)와 접촉하지 않는 가장자리의 적어도 일부(78a)가 비딩부(76)와 밀봉 가스켓(74b) 사이에 개재되어 클림핑부(75)에 의해 고정될 수 있다. 선택적으로, 제1집전체(78)의 가장자리의 적어도 일부(78a)는 클림핑부(75)와 인접한 비딩부(76)의 내주면(76a)에 용접을 통해 고정될 수 있다.
원통형 배터리(70)은 또한 제2전극의 무지부(73)와 용접되는 제2집전체(79)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 제2집전체(79)의 적어도 일부, 예컨대 중앙부(79a)는 전극 단자(50)의 평탄부(50d)와 용접될 수 있다.
바람직하게, 제2집전체(79)가 용접될 때 용접 도구는 전극 조립체(71)의 코어에 존재하는 공동(80)을 통해 삽입되어 제2집전체(79)의 용접 지점까지 도달될 수 있다. 또한, 제2집전체(79)가 전극 단자(50)의 평탄부(50d)에 용접될 때 전극 단자(50)가 제2집전체(79)의 용접 영역을 지지하므로 용접 영역에 강한 압력을 인가하여 용접 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 전극 단자(50)의 평탄부(50d)는 면적이 넓으므로 용접 영역 또한 넓게 확보할 수 있다. 이로써, 용접 영역의 접촉 저항을 낮춤으로써 원통형 배터리(70)의 내부 저항을 낮출 수 있다. 리벳팅된 전극 단자(50)와 제2집전체(79)의 면대면 용접 구조는 하이 씨레이트(c-rate) 전류를 이용한 급속 충전에 매우 유용하다. 전류가 흐르는 방향의 단면에서 단위 면적당 전류 밀도를 낮출 수 있으므로 전류 패스에서 발생되는 발열량을 종래보다 낮출 수 있기 때문이다.
전극 단자(50)의 평탄부(50d)와 제2집전체(79)의 용접 시에는 레이저 용접, 초음파 용접, 스폿 용접 및 저항 용접 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
일 예에서, 평탄부(50d)와 제2집전체(79)가 레이저로 용접되고 원호 패턴의 형태로 연속적 또는 불연속적인 라인으로 용접될 경우 원호 용접 패턴의 직경은 2mm 이상, 바람직하게는 4mm 이상인 것이 바람직하다. 원호 용접 패턴의 직경이 해당 조건을 충족할 경우 용접부 인장력을 2kgf 이상으로 증가시켜 충분한 용접 강도의 확보가 가능하다.
다른 예에서, 평탄부(50d)와 제2집전체(79)가 초음파로 용접되고 원형 패턴으로 용접될 경우 원형 용접 패턴의 직경은 2mm 이상인 것이 바람직하다. 원형 용접 패턴의 직경이 해당 조건을 충족할 경우 용접부 인장력을 2kgf 이상으로 증가시켜 충분한 용접 강도의 확보가 가능하다.
용접 가능 영역에 해당하는 평탄부(50d)의 직경은 3mm 내지 14mm의 범위에서 조절될 수 있다. 평탄부(50d)의 반경이 3mm 보다 작으면, 레이저 용접 도구, 초음파 용접 도구 등을 이용하여 2mm 이상의 직경을 가진 용접 패턴을 형성하는데 어려움이 있다. 또한, 평탄부(50d)의 반경이 14mm를 초과하면 전극 단자(50)의 사이즈가 지나치게 커져서 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a)이 차지하는 면적이 감소하여 외부면(52a)을 통해 전기적 연결 부품(버스바)을 연결하는데 어려움이 있다.
바람직하게, 용접부 인장력을 2kgf 이상으로 확보하기 위한 용접 패턴의 직경이 2mm 이상이고 용접 가능 영역의 직경은 3mm 내지 14mm이므로, 용접 가능 영역의 면적 대비 용접 패턴의 면적 비율은 2.04(100*π12/π72)% 내지 44.4(100*π12/π1.52)%일 수 있다.
원통형 배터리(70)은 또한 인슐레이터(80)를 더 포함할 수 있다. 인슐레이터(80)는 제2집전체(79)와 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b) 사이, 그리고 전지 하우징(51) 측벽의 내주면(51a)과 전극 조립체(71) 사이에 개재될 수 있다.
바람직하게, 인슐레이터(80)는 전극 단자(50)의 평탄부(50d)를 제2집전체(79) 측으로 노출시키는 용접 홀(80a)을 포함할 수 있다. 또한, 용접 홀(80a)은 전극 단자의 평탄부(50d)와 함께 내부 플랜지부(50c)와 내부 가스켓(54b)을 노출시킬 수 있다.
바람직하게, 인슐레이터(80)는 적어도 제2집전체(79)의 표면과 전극 조립체(71)의 일측(상부) 가장자리를 커버할 수 있다. 이를 통해, 전지 하우징(51)과 다른 극성을 가진 제2집전체(79)와 제2전극의 무지부(73)가 서로 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
바람직하게, 인슐레이터(80)는 절연성 수지로 이루어지고, 상부 플레이트(80b)와 측면 슬리브(80c)를 포함할 수 있다. 일 예에서, 상부 플레이트(80b)와 측면 슬리브(80c)는 일체화된 사출 성형물일 수 있다. 대안적으로, 측면 슬리브(80c)는 절연 테이프 등으로 대체될 수 있다. 절연 테이프는 전극 조립체(71)의 외주면을 통해 노출된 제2전극의 무지부(73)와 함께 제2집전체(79)의 바깥쪽 가장자리를 커버할 수 있다.
바람직하게, 인슐레이터(80)와 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)은 도 7b에 도시된 바와 같이 서로 밀착될 수 있다. 여기서, '밀착'은 육안 상으로 확인되는 공간(갭)이 없음을 의미한다. 공간(갭)을 없애기 위해, 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 내부면(52b)으로부터 전극 단자(50)의 평탄부(50d)까지 이르는 거리는 인슐레이터(80)의 두께와 같거나 이보다 약간(slightly) 작은 값을 가질 수 있다.
바람직하게, 제1전극 및/또는 제2전극의 무지부(72, 73)는 전극 조립체(71)의 반경 방향, 예를 들어 외주측으로부터 코어측으로 절곡됨으로써 전극 조립체(71)의 상부 및 하부에 절곡면을 형성할 수 있다. 또한, 제1집전체(78)는 제1전극의 무지부(72)가 절곡되면서 형성된 절곡면에 용접되고, 제2집전체(79)는 제2전극의 무지부(73)가 절곡되면서 형성된 절곡면에 용접될 수 있다.
무지부(72, 73)가 절곡될 때 생기는 응력을 완화하기 위해 제1전극 및/또는 제2전극은 종래의 전극(도 1 참조)과 다른 개선된 구조를 가질 수 있다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극(90) 구조를 예시적으로 나타낸 평면도이다.
도 8을 참조하면, 전극(90)은 도전성 재질의 포일로 이루어진 쉬트 형상의 집전체(91)와, 집전체(91)의 적어도 일면에 형성된 활물질층(92)과, 집전체(91)의 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않은 무지부(93)를 포함한다.
바람직하게, 무지부(93)는 노칭 가공된 복수의 분절편(93a)을 포함할 수 있다. 복수의 분절편(93a)은 복수의 그룹을 이루며, 각 그룹에 속한 분절편(93a)들은 높이(Y방향 길이) 및/또는 폭(X 방향 길이) 및/또는 이격 피치가 동일할 수 있다. 각 그룹에 속한 분절편(93a)들의 수는 도시된 것보다 증가 또는 감소될 수 있다. 분절편(93a)은 적어도 하나의 직선 및/또는 적어도 하나의 곡선이 조합된 기하학적 도형의 형상을 가진다. 바람직하게, 분절편(93a)은 사다리꼴 모양일 수 있는데, 사각형, 평형사변형, 반원형 또는 반타원형 등으로 얼마든지 변형될 수 있다.
바람직하게, 분절편(93a)의 높이는 전극 조립체의 권취 방향과 평행한 일 방향을 따라, 예를 들어 코어측으로부터 외주측으로 가면서 단계적으로 증가할 수 있다. 또한, 코어측과 인접한 코어측 무지부(93')는 분절편(93a)을 포함하지 않을 수 있고, 코어측 무지부(93')의 높이는 다른 무지부 영역보다 작을 수 있다. 또한, 외주측과 인접한 외주측 무지부(93'')는 분절편(93a)을 포함하지 않을 수 있고, 외주측 무지부(93'')의 높이는 다른 무지부 영역보다 작을 수 있다.
선택적으로, 전극(90)은 활물질층(92)과 무지부(93) 사이의 경계를 덮는 절연 코팅층(94)을 포함할 수 있다. 절연 코팅층(94)은 절연성이 있는 고분자 수지를 포함하며, 무기물 필러를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 절연 코팅층(94)은 활물질층(92)의 단부가 분리막을 통해 대향하고 있는 반대 극성의 활물질층과 접촉되는 것을 방지하고, 분절편(93a)의 절곡을 구조적으로 지지하는 역할을 한다. 이를 위해, 전극(90)이 전극 조립체로 권취되었을 때, 절연 코팅층(94)은 적어도 일부가 분리막으로부터 외부로 노출되는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전극(90)의 무지부 분절구조를 제1전극 및 제2전극에 적용한 전극 조립체(100)를 길이 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다.
도 9를 참조하면, 전극 조립체(100)는 도 2를 통해 설명한 권취 공법으로 제조할 수 있다. 설명의 편의를 위해 분리막 밖으로 연장된 무지부(72, 73)의 돌출 구조를 상세하게 도시하고, 제1전극, 제2전극 및 분리막의 권취 구조에 대한 도시는 생략하였다. 하부로 돌출된 무지부(72)는 제1전극으로부터 연장된 것이고, 상부로 돌출된 무지부(73)는 제2전극으로부터 연장된 것이다.
무지부(72, 73)의 높이가 변화하는 패턴은 개략적으로 도시하였다. 즉, 단면이 잘리는 위치에 따라서 무지부(72, 73)의 높이는 불규칙하게 변화할 수 있다. 일 예로, 사다리꼴 분절편(93a)의 사이드 부분이 잘리면 단면에서의 무지부 높이는 분절편(93a)의 높이보다 낮아진다. 따라서, 전극 조립체(100)의 단면을 나타낸 도면에 도시된 무지부(72, 73)의 높이는 각 권취 턴에 포함된 무지부 높이의 평균에 대응한다고 이해하여야 한다.
무지부(72, 73)는 도 10a 및 도 10b에 도시된 것과 같이 전극 조립체(100)의 반경 방향을 따라, 예를 들어 외주측으로부터 코어측으로 절곡될 수 있다. 도 9에서, 절곡되는 부분(101)은 점선 박스로 표시하였다. 무지부(72, 73)가 절곡될 때, 반경 반향으로 인접하고 있는 분절편들이 여러 겹으로 서로 중첩되면서 전극 조립체(100)의 상부와 하부에 절곡면(102)이 형성된다. 이 때, 코어측 무지부(도 8의 93')는 높이가 낮아서 절곡되지 않으며, 가장 안쪽에서 절곡되는 분절편의 높이(h)는 분절편 구조가 없는 코어측 무지부(93')에 의해 형성된 권취 영역의 반경 방향 길이(r) 보다 같거나 작다. 따라서, 전극 조립체(100)의 코어에 있는 공동(80)이 절곡된 분절편들에 의해 폐쇄되지 않는다. 공동(80)이 폐쇄되지 않으면, 전해질 주액 공정에 어려움이 없고, 전해액 주액 효율이 향상된다. 또한, 공동(80)을 통해 용접 도구를 삽입하여 전극 단자(50)와 제2집전체(79)의 용접을 용이하게 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리(70)은 밀봉체(74)의 캡(74a)가 극성을 갖지 않는다. 그 대신, 제1집전체(78)가 전지 하우징(51)의 측벽에 연결되어 있어서 전지 하우징(51)의 바닥부(52)의 외부면(52a)이 전극 단자(50)와는 반대 극성을 가진다. 따라서, 복수의 배터리들을 직렬 및/또는 병렬 연결하고자 할 때, 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 외부면(52a)과 전극 단자(50)를 이용하여 원통형 배터리(70)의 상부에서 버스바 연결 등의 배선을 수행할 수 있다. 이를 통해, 동일 공간에 탑재할 수 있는 배터리들의 수를 증가시켜 에너지 밀도를 향상시킬 수 있고, 전기적 배선 작업을 용이하게 진행할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 배터리(70)들을 버스바(150)를 이용하여 전기적으로 연결한 상태를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 복수의 원통형 배터리(70)들은 버스바(150)를 이용하여 상부에서 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다. 원통형 배터리(70)들의 수는 배터리 팩의 용량을 고려하여 증감될 수 있다.
각 원통형 배터리(70)에 있어서, 전극 단자(50)는 양의 극성을 가지고, 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 외부면(52a)은 음의 극성을 가질 수 있고, 그 반대의 경우도 가능하다.
바람직하게, 복수의 원통형 배터리(70)들은 복수의 열과 행으로 배치될 수 있다. 열은 지면을 도면을 기준으로 상하 방향이고 행은 도면을 기준으로 좌우 방향이다. 또한, 공간 효율성을 최대화하기 위해, 원통형 배터리(70)들은 최밀 팩킹 구조(closest packing structure)로 배치될 수 있다. 최밀 팩킹 구조는 전극 단자(50)들의 중심을 서로 연결했을 때 정삼각형이 만들어질 때 형성된다.
바람직하게, 버스바(150)는 복수의 배터리(70)의 상부, 보다 바람직하게는 인접하는 열들 사이에 배치될 수 있다. 대안적으로, 버스바(150)는 인접하는 행 사이에 배치될 수 있다.
바람직하게, 버스바(150)는 동일 열에 배치된 배터리들을 서로 병렬로 연결시키고, 인접하는 2개의 열에 배치된 배터리들을 서로 직렬로 연결시킨다.
바람직하게, 버스바(150)는 직렬 및 병렬 연결을 위해 바디부(151), 복수의 제1버스바 단자(152) 및 복수의 제2버스바 단자(153)를 포함할 수 있다.
바디부(151)는 인접하는 원통형 배터리(70)들의 전극 단자들(50) 사이에서, 바람직하게는 원통형 배터리(70)들의 열들 사이에서 연장될 수 있다. 대안적으로, 바디부(151)는 원통형 배터리(70)들의 열을 따라 연장되되, 바디부(151)는 지그재그 형상과 같이 규칙적으로 절곡될 수 있다.
복수의 제1버스바 단자(152)는 바디부(151)의 일측으로부터 각 원통형 배터리(70)의 전극 단자(50)를 향해 돌출 연장되고 전극 단자(50)에 전기적으로 결합될 수 있다. 전극 단자(50)와의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접 등을 통해 이루어질 수 있다. 또한, 복수의 제2버스바 단자(153)는 바디부(151)의 타측으로부터 각 원통형 배터리(70)의 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 외부면(52a)을 향해 돌출 연장되고, 외부면(52a)에 전기적으로 결합될 수 있다. 외부면(52a)과의 전기적 결합은 레이저 용접, 초음파 용접으로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 바디부(151), 복수의 제1버스바 단자(152) 및 복수의 제2버스바 단자(153)는 하나의 도전성 금속판으로 이루어질 수 있다. 금속판은 알루미늄판 또는 구리판일 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 변형 예에서, 바디부(151), 복수의 제1버스바 단자(152) 및 복수의 제2버스바 단자(153)는 별개의 피스 단위로 제작한 후 서로 용접 등을 통해 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 원통형 배터리(70)은 양의 극성을 가진 전극 단자(50)와 음의 극성을 가진 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 외부면(52a)이 동일한 방향에 위치하고 있으므로 버스바(150)를 이용하여 원통형 배터리(70)들의 전기적 연결을 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 원통형 배터리(70)의 전극 단자(50)와 외부면(52a)은 면적이 넓으므로 버스바(150)의 결합 면적을 충분히 확보하여 원통형 배터리(70)을 포함하는 배터리 팩의 저항을 충분히 낮출 수 있다.
도 12a는 버스바(150)와 원통형 배터리(70)의 전기적 연결 부위를 부분적으로 확대하여 도시한 도면이고, 도 12b 및 도 12c는 버스바 단자들(152, 153)의 사이즈를 고려하여 전극 단자(50)의 직경과 외부면(52a)의 노출폭에 대한 상한과 하한을 디자인하기 위해 여러 가지 파라미터의 정의를 나타낸 도면이다.
도 12a, 도 12b 및 도 12c를 참조하면, 원통형 배터리(70)에 있어서 전극 단자(50)의 직경(E1)과 링 형상을 가진 외부면(52a)의 폭(E2)은 버스바 단자들(152, 153)의 접촉 영역의 디멘젼(dimension)을 감안하여 적응적으로 조절될 수 있다.
여기서, 외부면(52a)의 폭(E2)은 전극 단자(50)의 표면과 평행한 노출 표면의 폭이다. 구체적으로, 외부면(52a)의 폭(E2)은 전극 단자(50)의 중심(C)으로부터 라디얼 방향으로 드로잉한 직선(L1)이 외부면(52a)의 내측 및 외측 바운더리와 교차하는 2개의 지점 사이를 연결한 선분의 폭으로 정의된다. 외부면(52a)의 폭(E2)은 바닥부(52)의 가장자리에 존재하는 라운드 영역과 외부 가스켓(54a)의 노출 영역(54a')을 제외한 평평한 노출 표면의 폭이다.
전지 하우징(51)의 바닥부(52)는 상부에서 봤을 때, 전극 단자(50), 단자 가스켓(54)의 노출 영역(54a'), 외부면(52a) 가장자리의 라운드 영역(R)으로 구분될 수 있다. 라운드 영역(R)은 전지 하우징(51)의 바닥부(52)과 전지 하우징(51)의 측벽을 부드럽게 연결하기 위한 가공 처리 영역(도 7a 및 도 7b 참조)이며, 평면상에서 폭(Rd)를 가진다.
버스바(150)의 제1버스바 단자(152)는 바디부(151)의 진행 방향과 다른 일 측으로 분기되어 전극 단자(50)에 전기적으로 결합된다. 이 때, 전극 단자(50)와 제1버스바 단자(152)는 평면상에서 제1중첩 영역(해칭 표시)을 형성하고, 제1중첩 영역은 제1폭(W1)을 가진다. 여기서, 제1중첩 영역은 전극 단자(50)와 제1버스바 단자(152)가 평면상에서 중첩되는 영역이다.
제1폭(W1)은 제1중첩 영역의 가장자리에서 선택된 임의의 두 지점 사이의 거리 중에서 최대값으로 정의된다. 제1폭(W1)의 정의는 제1중첩 영역이 전극 단자(50)의 중심을 포함하는 경우(도 12b) 및 제1중첩 영역이 전극 단자(50)의 중심을 포함하지 않는 경우(도 12c)에 동일하게 적용된다. 도 12b 및 도 12c를 참조하면, W1이 나타내는 거리는 제1중첩 영역의 가장자리에서 선택된 임의의 두 지점 사이의 거리 중에서 최대값에 해당한다.
버스바(150)의 제2버스바 단자(153)는 바디부(151)의 진행 방향을 기준으로 상기 제1버스바 단자(152)와 반대 방향으로 연장되어 전지 하우징(51) 바닥부(52)의 외부면(52a)에 전기적으로 결합된다. 이 때, 제2버스바 단자(153)와 외부면(52a)은 평면상에서 제2중첩 영역(해칭 표시)을 형성하고, 제2중첩 영역은 제2폭(W2)을 가진다. 여기서, 제2중첩 영역은 외부면(52a)과 제2버스바 단자(153)가 평면상에서 중첩되는 영역이다.
제2폭(W2)은 제2중첩 영역을 통과하도록 전극 단자(50)의 중심(C)으로부터 복수의 직선(L3)을 드로잉했을 때 각 직선과 제2중첩 영역의 가장자리가 만나는 2개 지점들 사이의 폭 중에서 최대값으로 정의된다.
바람직하게, 전극 단자(50)의 직경(E1)은 적어도 제1버스바 단자(152)의 제1폭(W1)과 같거나 커야 한다. 제1버스바 단자(152)와 전극 단자(50)의 제1중첩 영역이 평면상에서 전극 단자(50)의 외측으로 벗어나지 않아야 하기 때문이다. 또한, 전극 단자(50)의 직경(E1)은 전극 단자(50)의 바운더리와 제2버스바 단자(153)의 거리가 외부 가스켓(54a) 노출영역(54a')의 폭(G)에 대응될 때까지 최대로 증가할 수 있다. 따라서, 전극 단자(50)의 직경(E1)의 최대값은 'D-2*Rd-2*G-2*W2'이다.
바람직하게, 외부면(52a)의 폭(E2)은 전극 단자(50)의 직경(E1)에 의존하는 팩터이며, 최소한 제2버스바 단자(153)의 제2폭(W2)과 같거나 커야 한다. 그래야만, 제2버스바 단자(153)와 외부면(52a)의 중첩 영역이 형성될 수 있다. 또한, 외부면(52a)의 폭(E2)은 전지 하우징(51)의 외경(D)으로부터 전극 단자(50)의 직경(E1), 외부 가스켓(54a)의 노출영역 폭(2*G), 및 라운드 영역의 폭(2*Rd)을 차감한 값인 'D-2*Rd-2*G-E1'의 50%까지 최대한 증가할 수 있다.
결론적으로, 본 발명에 따른 원통형 배터리(70)에 있어서, 전극 단자(50)의 직경(E1)과 외부면(52a)의 폭(E2)은 하기의 관계식을 충족하도록 설계되는 것이 바람직하다.
W1≤ E1 ≤ D-2Rd-2G-2W2
E2 = 0.5*(D-2Rd-2G-E1)
(E1: 전극 단자(50)의 직경, E2: 외부면(52a)의 폭, D: 전지 하우징(51)의 외경, Rd: 평면상에서 측정한 라운드 영역(R)의 폭, G: 외부 가스켓(54a)의 노출 영역(54a')의 폭, W1: 제1버스바 단자(152)의 폭, W2: 제2버스바 단자(153)의 폭)
구체적인 예에서, D가 46mm이고, W1 및 W2가 6mm이고, G가 0.5mm이고, R이 1mm일 때, 전극 단자(50)의 직경(E1)은 6mm 내지 31mm이고 외부면(52a)의 폭(E2)은 6mm 내지 18.5mm 내지이다.
또 다른 예로서, D가 46mm이고, W1 및 W2가 6mm 이고, G가 0.5mm 이고, Rd이 1.5mm일 때, 단자 노출부(41)의 직경(E1)은 6mm 내지 30mm 이고 외부면(20a)의 폭(E2)은 6mm 내지 18mm 이다.
상술한 본 발명의 원통형 배터리(70)은, 절곡면을 통한 용접 면적 확대, 제1집전체를 이용한 전류 패스(path)의 다중화, 전류 패스 길이의 최소화 등을 통해 저항이 최소화된 구조를 갖는다. 양극과 음극 사이, 즉 전극 단자(50)와 그 주변의 평평한 면(52a) 사이에서의 저항 측정기를 통해 측정되는 원통형 배터리(70)의 AC 저항은 급속 충전에 적합한 0.5 밀리오옴(miliohm) 내지 4 밀리오옴(miliohm), 바람직하게는 1 밀리오옴(miliohm) 내지 4 밀리오옴(miliohm)일 수 있다.
본 발명에 있어서, 양극에 코팅되는 양극 활물질과 음극에 코팅되는 음극 활물질은 당업계에 공지된 활물질이라면 제한없이 사용될 수 있다.
일 예에서, 양극 활물질은 일반 화학식 A[AxMy]O2+z(A는 Li, Na 및 K 중 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M은 Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Al, Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, 및 Cr에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; x ≥ 0, 1 ≤ x+y ≤2, ­0.1 ≤ z ≤ 2; 화학량론 계수 x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2­(1­x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0≤x≤1)일 수 있다.
또 다른 예에서, 양극 활물질은, 일반 화학식 LiaM1 xFe1­xM2 yP1­yM3 zO4­z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; 화학량론 계수 a, x, y 및 z는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 수 있다.
일 예에서, 음극 활물질은 탄소재, 리튬금속 또는 리튬금속화합물, 규소 또는 규소화합물, 주석 또는 주석 화합물 등을 사용할 수 있다. 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 음극 활물질로 사용 가능하다. 탄소재로는 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.
분리막은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 분리막은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.
분리막의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다. 또한 분리막 자체가 무기물 입자의 코팅층으로 이루어지는 것도 가능하다. 코팅층을 구성하는 입자들은 인접하는 입자 사이 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 존재하도록 바인더와 결합된 구조를 가질 수 있다.
무기물 입자는 유전율이 5이상인 무기물로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 상기 무기물 입자는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1­xLaxZr1­yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3­PbTiO3(PMN­PT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
전해질은 A+B--와 같은 구조를 갖는 염일 수 있다. 여기서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 그리고 B-는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- ,　CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN-　및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함한다.
전해질은 또한 유기 용매에 용해시켜 사용할 수 있다. 유기 용매로는, 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylenecarbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트(dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드 (dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄 (dimethoxyethane), 디에톡시에탄 (diethoxyethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γ-butyrolactone) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
상술한 실시예에 따른 원통형 배터리(70)은 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(200)은 원통형 배터리(201)이 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(202)을 포함한다. 원통형 배터리(201)은 상술한 실시예에 따른 배터리다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 배터리(201)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자 등의 부품의 도시는 생략되었다.
배터리 팩(200)은 자동차에 탑재될 수 있다. 자동차는 일 예로 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있다. 자동차는 4륜 자동차 또는 2륜 자동차를 포함한다.
도 14는 도 13의 배터리 팩(200)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(200)을 포함한다. 자동차(V)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(200)으로부터 전력을 공급받아 동작한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리의 전극 단자 구조를 개선하여 전지 하우징 내의 공간 효율성을 증가시킴으로써 배터리의 내부 저항을 낮추고 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리의 전극 단자 구조를 개선하여 전류 패스의 단면적을 확대함으로써 급속 충전 시 생기는 내부 발열 문제를 개선할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 배터리의 직렬 및/또는 병렬 연결을 위한 전기적 배선 작업을 배터리의 한 쪽에서 수행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 개선된 구조를 가진 배터리를 이용하여 제작된 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (70)

  1. 일측이 개방되고 타측에 관통홀이 형성된 바닥부를 구비하는 전지 하우징;
    상기 관통 홀의 내벽과 접촉하지 않도록 상기 관통 홀을 통과하여 설치된 전극 단자; 및
    상기 전극 단자와 상기 관통 홀 사이에 개재된 단자 가스켓;을 포함하고,
    상기 전극 단자는,
    상기 관통홀에 삽입된 몸체부;
    상기 몸체부의 제1측으로부터 상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부;
    상기 몸체부의 제2측으로부터 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면을 향해 연장되어 상가 가스켓을 압착하는 내부 플랜지부; 및
    상기 내부 플랜지부의 내측에 구비된 평탄부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 평탄부와 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면은 서로 평행한 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 단자는 금속으로 이루어지고, 상기 내부 플랜지부는 상기 몸체부의 상기 제1측을 소성 가공하여 형성된 것임을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극 단자는 상기 내부 플랜지부에 의해서 상기 관통 홀을 통해 리벳팅된 리벳 단자임을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내부 플랜지부의 상기 전지 하우징의 바닥부를 바라보는 면과 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면 사이의 각도는 0도 내지 60도 이하임을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 내부 플랜지부는, 상기 전지 하우징의 바닥부로부터 점차 멀어지는 제1구간과, 상기 제1구간과 연결되고 상기 전지 하우징의 바닥부를 향해 연장된 제2구간을 포함하고, 상기 제2구간의 상기 바닥부를 바라보는 면과 상기 바닥부의 내부면 사이의 각도는 0도 내지 30 이하임을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 내부 플랜지부와 상기 평탄부 사이에 리세스부가 구비되는 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 리세스부는 상기 몸체부의 중심축 방향으로 함몰된 폐루프 형상을 가진 홈인 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 리세스부는, 비대칭 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 비대칭 단면은 상기 평탄부의 측벽과 상기 평탄부의 측벽 단부와 연결된 상기 내부 플랜지부의 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 측벽은 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면과 수직임을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 측벽은 상기 평탄부를 향해 경사져 있는 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 내부 플랜지부는 상기 몸체부로부터 멀어지는 방향으로 점차 감소하는 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 단자 가스켓은,
    상기 외부 플랜지부와 상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면이 위치한 제1평면 사이에 개재된 외부 가스켓;
    상기 내부 플랜지부와 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면이 위치한 제2평면 사이에 개재된 내부 가스켓; 및
    상기 몸체부와 상기 관통홀 사이에 개재되고, 상기 외부 가스켓과 상기 내부 가스켓을 연결하는 중간 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 중간 가스켓은 위치에 따라 두께가 변하는 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 단자 가스켓은 상기 중간 가스켓에서 최소 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 중간 가스켓의 상기 제1평면과 인접한 영역은 상기 제1평면과 가까워질수록 두께가 증가하는 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 중간 가스켓의 상기 제2평면과 인접한 영역은 상기 제2평면과 가까워질수록 두께가 증가하는 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 중간 가스켓의 상기 제1평면과 상기 제2평면 사이에 위치한 중앙 영역은 두께가 균일한 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 중간 가스켓의 영역 중 상기 바닥부 내부면과 연결된 상기 관통 홀의 내측 엣지와 상기 내부 플랜지부 사이에 개재된 영역은 상기 중간 가스켓의 나머지 영역보다 상대적으로 작은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 중간 가스켓은 상기 외부 플랜지부로부터 멀어지는 방향에서 점진적으로 감소하는 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 내부 가스켓의 영역 중 상기 바닥부 내부면과 상기 내부 플랜지부의 단부 근처에 개재된 영역이 가장 얇은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  23. 제14항에 있어서,
    상기 관통 홀의 내측 엣지는 상기 내부 플랜지부와 마주보는 대향면을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  24. 제14항에 있어서,
    상기 내부 가스켓은 상기 내부 플랜지부보다 길게 연장되어 단부가 노출된 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  25. 제14항에 있어서,
    상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면을 기준으로 상기 평탄부의 높이가 상기 내부 가스켓의 단부 높이보다 같거나 큰 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면을 기준으로 상기 평탄부의 높이가 상기 내부 플랜지부의 높이보다 같거나 큰 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  27. 제14항에 있어서,
    상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면을 기준으로 상기 내부 플랜지부의 높이가 상기 내부 가스켓 단부의 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 내부 플랜지부의 높이는 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면을 기준으로 0.5mm 내지 3.0mm임을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 외부 플랜지부의 하부면으로부터 상기 평탄부의 표면까지 이르는 상기 전극 단자의 높이는 4mm 내지 7mm임을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면을 기준으로 상기 외부 플랜지부의 높이는 적어도 0.8mm 이상임을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  31. 제14항에 있어서,
    상기 외부 가스켓의 일부는 상기 외부 플랜지부의 외측으로 노출되고,
    상기 전지 하우징 바닥부의 외부면과 평행한 방향에서 측정한 상기 외부 가스켓의 노출부의 폭은 0.1mm 내지 1mm임을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  32. 제14항에 있어서,
    상기 몸체부의 중심으로부터 상기 외부 플랜지부의 가장자리까지의 반경은 상기 전지 하우징의 바닥부의 반경을 기준으로 10% 내지 70%임을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  33. 제1항에 있어서,
    상기 몸체부의 중심으로부터 상기 평탄부의 가장자리까지의 반경은 상기 전지 하우징의 바닥부의 반경을 기준으로 4 내지 30%임을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  34. 제14항에 있어서,
    상기 단자 가스켓의 압축 전 두께 대비 최대 압축 지점의 두께 변화량의 비율을 압축율이라고 정의할 때,
    상기 단자 가스켓의 압축율은 30% 내지 90%임을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 단자 가스켓은 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리플루오르에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함하고,
    상기 단자 가스켓의 압축율은 50% 내지 90%임을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 단자 가스켓의 중간 가스켓과 내부 가스켓의 압축 전 두께는 실질적으로 동일하고, 상기 중간 가스켓과 상기 내부 가스켓의 압축율은 50% 내지 90%임을 특징으로 하는 전극 단자의 고정 구조.
  37. 제1전극과 제2전극이 분리막이 개재된 상태로 권취되고, 양측 단부로부터 연장되어 상기 분리막의 밖으로 노출된 상기 제1전극의 제1부분과 상기 제2전극의 제2부분을 포함하는 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체를 수납하며 상기 제1전극과 전기적으로 연결된 전지 하우징;
    상기 전지 하우징의 바닥부에 형성된 관통 홀의 내벽과 접촉하지 않도록 상기 관통 홀을 통과하여 설치되며, 상기 제2전극과 전기적으로 연결된 전극 단자로서,
    상기 관통홀에 삽입된 몸체부;
    상기 몸체부의 제1측으로부터 상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면을 따라 연장된 외부 플랜지부;
    상기 몸체부의 제2측으로부터 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면을 향해 연장된 내부 플랜지부; 및
    상기 내부 플랜지부의 내측에 구비된 평탄부;를 포함하는 전극 단자;
    상기 전극 단자와 상기 관통 홀 사이에 개재된 단자 가스켓; 및
    상기 전지 하우징으로부터 절연 가능하도록 상기 전지 하우징의 개방단부를 밀봉하는 밀봉체를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 전지 하우징은 개방단부에 인접한 영역에 상기 전지 하우징의 내측으로 압입된 비딩부를 포함하고,
    상기 밀봉체는, 극성이 없는 캡 및 상기 캡의 가장자리와 상기 전지 하우징의 개방단부 사이에 개재된 밀봉 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 전지 하우징은, 상기 전지 하우징의 내측으로 연장 및 절곡되어 있고 상기 밀봉 가스켓과 함께 상기 캡의 가장자리를 감싸서 고정하는 클림핑부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  40. 제38항에 있어서,
    상기 캡은 상기 전지 하우징 내부의 압력이 임계치를 초과했을 때 파열되는 벤트 노치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 벤트 노치는 상기 전지 하우징 내부의 압력이 15kgf/cm2 내지 35kgf/cm2이 되었을 때 파열되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  42. 제38항에 있어서,
    상기 제1전극의 제1부분과 결합되는 제1집전체를 더 포함하고,
    상기 제1집전체는 상기 제1전극의 제1부분과 접촉하지 않는 가장자리의 적어도 일부가 상기 비딩부와 상기 밀봉 가스켓 사이에 개재되어 상기 클림핑부에 의해 고정된 것을 특징으로 하는 배터리.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 제1집전체의 가장자리의 적어도 일부는 상기 클림핑부와 인접한 상기 비딩부의 내주면에 용접을 통해 고정된 것을 특징으로 하는 배터리.
  44. 제37항에 있어서,
    상기 제2전극의 제2부분과 결합되는 제2집전체를 더 포함하고,
    상기 제2집전체의 적어도 일부는 상기 전극 단자의 평탄부와 결합된 것을 특징으로 하는 배터리.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 제2집전체와 상기 전극 단자의 평탄부는 용접을 통해 결합되고,
    상기 제2집전체와 상기 전극 단자의 평탄부 사이의 용접부 인장력은 2kgf 이상임을 특징으로 하는 배터리.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 제2집전체의 표면에 노출된 용접 패턴의 환산 직경은 2mm 이상임을 특징으로 하는 배터리.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 전극 단자의 평탄부의 직경은 3mm 내지 14mm임을 특징으로 하는 배터리.
  48. 제45항에 있어서,
    상기 전극 단자의 평탄부의 면적 대비 상기 제2집전체의 표면에 노출된 용접 패턴의 면적 비율은 2.04% 내지 44.4%임을 특징으로 하는 배터리.
  49. 제44항에 있어서,
    상기 제2집전체와 상기 전지 하우징의 바닥부 내주면 사이, 그리고 상기 전지 하우징의 측벽의 내주면과 상기 전극 조립체 사이에 개재된 인슐레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  50. 제49항에 있어서,
    상기 인슐레이터는 상기 전극 단자의 평탄부를 상기 제2집전체 측으로 노출시키는 용접 홀을 포함하고, 상기 제2집전체의 표면과 상기 전극 조립체의 일측 가장자리를 커버하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  51. 제50항에 있어서,
    상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면으로부터 상기 전극 단자의 평탄부에 이르는 높이는 상기 인슐레이터의 두께와 같거나 이보다 작은 값을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리.
  52. 제50항에 있어서,
    상기 단자 가스켓은,
    상기 외부 플랜지부와 상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면이 위치한 제1평면 사이에 개재된 외부 가스켓;
    상기 내부 플랜지부와 상기 전지 하우징의 바닥부의 내부면이 위치한 제2평면 사이에 개재된 내부 가스켓; 및
    상기 몸체부와 상기 관통홀 사이에 개재되고, 상기 외부 가스켓과 상기 내부 가스켓을 연결하는 중간 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  53. 제52항에 있어서,
    상기 내부 가스켓의 단부는 상기 내부 플랜지부의 외측으로 노출된 것을 특징으로 하는 배터리.
  54. 제52항에 있어서,
    상기 용접 홀은 상기 전극 단자의 평탄부 및 상기 내부 플랜지부를 노출시키는 것을 특징으로 하는 배터리.
  55. 제53에 있어서,
    상기 용접 홀은 상기 전극 단자의 평탄부 및 내부 플랜지부, 및 상기 내부 가스켓을 노출시키는 것을 특징으로 하는 배터리.
  56. 제37항에 있어서,
    상기 전극 단자의 표면에 제1버스바 단자가 전기적으로 결합되고, 상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면에 제2버스바 단자가 전기적으로 결합된 것을 특징으로 하는 배터리.
  57. 제56항에 있어서,
    상기 제1버스바 단자는 상기 전극 단자와 평면 상에서 중첩되어 제1중첩 영역을 형성하고, 상기 제2버스바 단자는 상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면과 평면 상에 중첩되어 제2중첩 영역을 형성하고,
    상기 전극 단자의 직경과, 상기 전지 하우징의 바닥부의 외부면의 폭은 하기 관계식을 만족하는 것인,
    W1≤ E1 ≤ D-2Rd-2G-2W2
    E2 = 0.5*(D-2Rd-2G-E1)
    (E1: 상기 전극 단자의 외부 플랜지부의 직경, E2: 전지 하우징 바닥부의 외부면 중에서 전극 단자의 표면과 평행한 노출면의 폭, D: 전지 하우징의 외경, Rd: 평면상에서 측정한 전지 하우징 가장자리의 라운드 영역의 폭, G: 전극 단자의 가장자리를 통한 외부 가스켓의 노출 폭, W1: 상기 제1중첩 영역의 가장자리에서 선택된 임의의 두 지점 사이의 거리 중에서 최대값; W2: 전극 단자의 중심을 통과하는 복수의 직선이 상기 제2중첩 영역의 가장자리와 만나는 두 지점 사이의 거리 중에서 최대값)
    배터리.
  58. 제37항에 있어서,
    상기 배터리의 직경을 높이로 나눈 폼 팩터의 비가 0.4 보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리.
  59. 제37항 내지 제58항 중 어느 한 항에 따른 복수의 배터리를 포함하는 배터리 팩.
  60. 제59항에 있어서,
    복수의 배터리는 소정 수의 열로 배열되고,
    복수의 배터리의 각 배터리의 전극 단자와 전지 하우징 바닥부의 외부면은 상부를 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  61. 제60항에 있어서,
    복수의 배터리를 직렬 및 병렬로 연결하는 복수의 버스바를 포함하고,
    상기 복수의 버스바는 상기 복수의 배터리들의 상부에 배치되고,
    각 버스바는,
    인접하는 배터리들의 전극 단자들 사이에서 연장되는 바디부;
    상기 바디부의 일측 방향으로 연장되어 상기 일측 방향에 위치한 배터리의 전극 단자에 전기적으로 결합하는 복수의 제1버스바 단자; 및
    상기 바디부의 타측 방향으로 연장되어 상기 타측 방향에 위치한 배터리의 전지 하우징의 바닥부의 외부면에 전기적으로 결합하는 복수의 제2버스바 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  62. 제59항에 있어서,
    상기 배터리의 전극 단자와 전지 하우징 바닥부의 외부면을 통해 측정한 AC 저항은 4밀리오옴(miliohm) 이하인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  63. 제59항 내지 제62항에 따른 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 자동차.
  64. 상부면, 하부면 및 외측면을 포함하는 몸체부;
    상기 몸체부의 외측면으로부터 전지 하우징의 바닥부의 외부면을 따라 연장되는 외부 플랜지부; 및
    상기 몸체부의 외측면으로부터 상기 전지 하우징의 바닥부의 내면을 향해 연장된 내측 플랜지부를 포함하고,
    상기 몸체부의 상부면은 집전체와 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 전극 단자.
  65. 제64항에 있어서,
    상기 몸체부의 상부면은 상기 내부 플랜지부보다 윗쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 단자.
  66. 제64항에 있어서,
    상기 몸체부의 상부면은 평평한 것을 특징으로 하는 전극 단자.
  67. 제64항에 있어서,
    상기 몸체부와 상기 내부 플랜지부 사이에 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 단자.
  68. 제64항에 있어서,
    상기 홈은 상기 몸체부의 외측면에 의해 형성되는 제1면과 상기 내부 플랜지부의 상부면에 의해 형성되는 제2면을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 단자.
  69. 제68항에 있어서,
    상기 제1면과 상기 제2면은 서로 비대칭인 것을 특징으로 하는 전극 단자.
  70. 제64항에 있어서,
    상기 내부 플랜지부와 상기 외부 플랜지부 사이의 각도는 0도 내지 60도임을 특징으로 하는 전극 단자.
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