WO2023013933A1 - 전극 조립체, 원통형 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

전극 조립체, 원통형 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an electrode assembly, a cylindrical battery cell, and a battery pack and automobile including the same.
  • a jelly roll type electrode assembly having a shape in which a positive electrode tab and a negative electrode tab are respectively extended upward and downward along a height direction of a battery can may be applied to maximize current collection efficiency.
  • the present invention has been devised in consideration of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to reduce the internal resistance of a cylindrical secondary battery and effectively prevent an internal short circuit at the same time.
  • An electrode assembly according to an embodiment of the present invention for solving the above problems is a jelly roll type having a structure in which a first electrode and a second electrode having a sheet shape and a separator interposed therebetween are wound in one direction.
  • An electrode assembly, wherein the first electrode and the second electrode include: a non-coated portion on a long side end of which the active material layer is not coated; and a holding portion coated with an active material layer except for the uncoated portion.
  • the first electrode includes at least one insulating layer simultaneously covering at least a portion of the uncoated portion and at least a portion of the holding portion.
  • the insulating layer may be provided on both surfaces of the first electrode.
  • At least a portion of the non-coated portion of the first electrode may have a structure in which at least a portion is bent along a radial direction of the electrode assembly, and the insulating layer may be provided only on one surface of both surfaces of the first electrode positioned in a bending direction.
  • one end of the insulating layer in the winding axial direction may be located at the same height as or outside one end of the winding axial direction of the separation membrane.
  • one end of the insulating layer in the winding axial direction may be positioned at the same height as one end of the separation membrane in the winding axial direction.
  • the uncoated portion may further protrude outward from the insulating layer.
  • the holding part may not protrude further in the direction of the winding axis than the separation membrane.
  • the first electrode may be an anode.
  • one end of the second electrode facing the insulating layer with the separator interposed therebetween may not protrude outward more than one end of the separator.
  • the holding part may include a sliding part in which a thickness of the active material layer is reduced compared to a central region of the holding part.
  • the sliding part may be formed in a boundary region between the holding part and the uncoated part.
  • the sliding part may be provided at one end of the first electrode and the other end of the second electrode, respectively.
  • the sliding part of the holding part provided in the first electrode and the sliding part of the holding part provided in the second electrode may be provided in opposite directions.
  • the separator may protrude outward from the other end of the first electrode and one end of the second electrode.
  • the insulating layer may cover at least a portion of the sliding portion.
  • the insulating layer may cover the uncoated portion by 0.3 to 5 mm.
  • the insulating layer may cover the uncoated portion by 1.5 to 3 mm.
  • the insulating layer may cover the holding portion by 0.1 to 3 mm.
  • the insulating layer may cover the holding portion by 0.2 to 0.5 mm.
  • At least a portion of the uncoated region may be divided into a plurality of segments.
  • the plurality of segments may be bent in a radial direction of the electrode assembly.
  • the insulating layer may extend to an end of the uncoated portion on a surface facing the bending direction among both surfaces of the uncoated portion.
  • the insulating layer may cover an end of the uncoated portion.
  • the insulating layer may extend to a bending point of the uncoated portion on a surface opposite to a surface facing the bending direction among both surfaces of the uncoated portion.
  • the insulating layer may not extend to an end of the uncoated portion on a surface facing a bending direction among both surfaces of the uncoated portion.
  • the segment pieces may be provided only in a partial area on one surface of the electrode assembly in the height direction.
  • an area occupied by the region where the segment segments are formed may be larger than an area occupied by an area where the segment segments are not formed.
  • a plurality of segments adjacent to each other in the radial direction of the electrode assembly may overlap along the radial direction of the electrode assembly.
  • the insulating layer provided on one side of both surfaces of the uncoated portion located in the bending direction of the uncoated portion has a form extending to the end of the uncoated portion in the region where segment segments are formed, and extends to the end of the uncoated portion in the region where segment segments are not formed. It may have an unextended shape.
  • the uncoated portion provided on the first electrode and the uncoated portion provided on the second electrode may protrude in opposite directions.
  • a length of the holding part provided in the first electrode in the winding axial direction may be shorter than a length in the winding axial direction of the holding part provided in the second electrode.
  • the holding part provided in the first electrode may be located on the inner side of the holding part provided in the second electrode in the direction of the winding axis.
  • the insulating layer may be an insulating coating layer or an insulating tape provided on a boundary region between the uncoated portion and the holding portion.
  • the insulating layer may include an oil-based SBR binder and alumina oxide.
  • a cylindrical battery cell for achieving the above technical problem includes the electrode assembly; a battery can in which the electrode assembly is accommodated and electrically connected to the second electrode; a sealing body sealing the open end of the battery can; and a terminal electrically connected to the first electrode and having a surface exposed to the outside.
  • the cylindrical secondary battery may further include a first current collector plate electrically coupled to the uncoated portion provided on the first electrode.
  • the uncoated portion may be electrically coupled to the first current collector in an area not covered by the insulating layer among the entire area of the uncoated portion.
  • the uncoated portion may be coupled to the first current collector plate by welding in an area not covered by the insulating layer among the entire area of the uncoated portion.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention includes a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention as described above; and a pack housing accommodating a plurality of the cylindrical secondary batteries.
  • An automobile according to an embodiment of the present invention includes the battery pack according to an embodiment of the present invention as described above.
  • the internal resistance of the cylindrical secondary battery can be drastically reduced.
  • FIG. 1 is a view for explaining a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of the cylindrical secondary battery of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a view for explaining an electrode assembly included in the cylindrical secondary battery of FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a view showing a part of a longitudinal cross-sectional view of the electrode assembly of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a view for explaining an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a part of a longitudinal cross-sectional view of the electrode assembly of FIG. 5 .
  • FIG. 7 and 8 are views for explaining a modified example of the electrode assembly of FIG. 6 .
  • FIG. 9 is a view for explaining an electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 and 11 are views showing part of a longitudinal cross-sectional view of the electrode assembly of FIG. 9 .
  • FIG. 12 is a view for explaining a comparative example of an electrode assembly of the present invention.
  • 13 is a graph for explaining power distribution in several short-circuit cases in a secondary battery.
  • FIG. 14 is a view for explaining a battery pack including the cylindrical secondary battery of FIG. 1 .
  • FIG. 15 is a diagram for explaining a vehicle including the battery pack of FIG. 11 .
  • the cylindrical secondary battery 1 according to an embodiment of the present invention includes an electrode assembly 10, a battery can 20, a sealing body 30, and a terminal 40. .
  • the cylindrical secondary battery 1 additionally includes a first collector plate 50 and/or an insulator 60 and/or an insulating gasket 70 and/or a second collector plate 80 and/or Alternatively, a sealing gasket 90 may be further included.
  • the electrode assembly 10 includes a first electrode 11 having a first polarity, a second electrode 12 having a second polarity, the first electrode 11 and the second electrode 11. It includes a separator 13 interposed between the electrodes 12 and an insulating layer 14 covering at least a portion of the first electrode 11 .
  • the first electrode 11 is an anode or a cathode
  • the second electrode 12 corresponds to an electrode having a polarity opposite to that of the first electrode 11 .
  • the first electrode 11 and the second electrode 12 may have a sheet shape.
  • the electrode assembly 10 may have, for example, a jelly-roll shape. That is, in the electrode assembly 10, a laminate formed by sequentially stacking the first electrode 11, the separator 13, the second electrode 12, and the separator 13 at least once is wound around the center (C). It can be manufactured by winding based on. In this case, an additional separator 13 may be provided on the outer circumferential surface of the electrode assembly 10 to insulate it from the battery can 20 .
  • the first electrode 11 and the second electrode 12 may include uncoated portions 11a and 12a on long sides of which the active material layer is not coated.
  • the first electrode 11 and the second electrode 12 may include holding portions 11b and 12b coated with an active material layer except for the uncoated portions 11a and 12a.
  • the first electrode 11 includes a first electrode current collector and a first electrode active material coated on one or both surfaces of the first electrode current collector.
  • a region where the first electrode active material is applied on the first electrode current collector is referred to as a holding portion 11b provided in the first electrode 11 .
  • An uncoated portion 11a to which the first electrode active material is not coated may be present at one end of the first electrode current collector in the width direction (direction parallel to the Z-axis). At least a part of the uncoated portion 11a can be used as an electrode tab by itself. That is, at least a part of the uncoated portion 11a may function as a first electrode tab provided on the first electrode 11 .
  • the uncoated portion 11a provided on the first electrode 11 may be provided above the height direction (direction parallel to the Z-axis) of the electrode assembly 10 accommodated in the battery can 20 .
  • the second electrode 12 includes a second electrode current collector and a second electrode active material coated on one or both surfaces of the second electrode current collector.
  • a region where the second electrode active material is applied on the second electrode current collector is referred to as a holding portion 12b provided in the second electrode 12 .
  • An uncoated portion 12a to which the second electrode active material is not coated may exist at the other end of the second electrode current collector in the width direction (direction parallel to the Z-axis).
  • At least a part of the uncoated portion 12a can be used as an electrode tab by itself. That is, at least a part of the uncoated portion 12a may function as an electrode tab provided on the second electrode 12 .
  • the uncoated portion 12a provided on the second electrode 12 may be provided below the height direction (direction parallel to the Z-axis) of the electrode assembly 10 accommodated in the battery can 20 .
  • the uncoated portion 11a provided on the first electrode 11 and the uncoated portion 12a provided on the second electrode 12 may protrude in opposite directions.
  • the uncoated portion 11a provided on the first electrode 11 may protrude upward in the height direction (direction parallel to the Z-axis) of the electrode assembly 10.
  • the uncoated portion 12a provided on the second electrode 12 may protrude downward in the height direction (direction parallel to the Z-axis) of the electrode assembly 10 .
  • the uncoated portion 11a provided on the first electrode and the uncoated portion 12a provided on the second electrode are formed in the width direction of the electrode assembly 10, that is, in the height direction (Z) of the cylindrical secondary battery 1. It may be a form extending and protruding in opposite directions along the direction parallel to the axis).
  • the holding parts 11b and 12b may include sliding parts having a reduced thickness of the active material layer compared to a central region of the holding parts 11b and 12b.
  • each of the first electrode 11 and the second electrode 12 may have a sliding portion, which is a region in which the thickness of the active material layer is reduced, at one end or the other end.
  • the sliding part may be formed by a sliding phenomenon that occurs near the boundary between the holding part and the uncoated part when the electrode active material is applied on the electrode current collector.
  • the sliding phenomenon is a phenomenon in which the slurry in the application boundary area has a substantially inclined shape in which less electrode active material is applied in the slurry application boundary area than in areas other than the slurry application border area due to the spread of the slurry containing the electrode active material means Due to this sliding phenomenon, a sliding portion having an approximate downward slope along a direction from the holding portion toward the uncoated portion may be formed at an edge of the holding portion.
  • the sliding phenomenon generated during the coating process of the active material may be further intensified during the drying process of the active material. That is, when the electrode with the sliding portion is completely dried, the slurry volume decreases as the solvent contained in the slurry evaporates, and the sliding phenomenon may be further intensified near the boundary between the electrode active material-coated region and the non-coated region.
  • the sliding part may be formed in a boundary region between the holding parts 11b and 12b and the uncoated parts 11a and 12a.
  • the sliding part may be provided at one end of the first electrode 11 and the other end of the second electrode 12 , respectively. That is, the sliding part of the holding part 11b provided in the first electrode 11 and the sliding part of the holding part 12b provided in the second electrode 12 may be provided in opposite directions.
  • the sliding portion of the first electrode 11 may be formed above the winding axis direction (direction parallel to the Z-axis), and the sliding portion of the second electrode 12 may be formed therewith. It may be formed at the bottom of the winding axis direction (parallel to the Z axis), which is the opposite direction.
  • the length of the holding portion 11b provided in the first electrode 11 in the direction of the winding axis is in the direction of the winding axis of the holding portion 12b provided in the second electrode 12. It may be shorter than the length of (direction parallel to the Z axis).
  • the holding portion 11b provided in the first electrode 11 is positioned closer to the winding axis direction (parallel to the Z-axis) than the holding portion 12b provided in the second electrode 12. can do. For example, referring to FIG.
  • the holding portion provided on the second electrode 12 ( 12b) may have a large length in the winding axis direction (direction parallel to the Z axis). Furthermore, referring to FIG. 4 , the length of the holding portion 11b provided in the first electrode 11 in the winding axis direction (direction parallel to the Z-axis) is equal to the length of the holding portion 12b provided in the second electrode 12. It may be formed shorter than the length of the winding axis direction (direction parallel to the Z-axis) of the region excluding the middle sliding portion. This structure is to prevent the precipitation of lithium metal as the NP ratio of the anode/cathode is reduced to 100% or less.
  • the holding portions 11b and 12b may not protrude more in the winding axis direction (direction parallel to the Z axis) than the separation membrane 13 . That is, if the holding portions 11b and 12b protrude in the direction of the winding axis (parallel to the Z-axis) than the separator 13, the possibility of contact between the first electrode 11 and the second electrode 12 increases. can If so, an internal short circuit may occur in the contact area, increasing the risk of ignition. Therefore, it is important that the holding portions 11b and 12b do not protrude in the direction of the winding axis (parallel to the Z-axis) than the separation membrane 13 . That is, the holding parts 11b and 12b are preferably located inside the separation membrane 13 .
  • the positive active material coated on the positive electrode plate and the negative active material coated on the negative electrode plate may be used without limitation as long as they are known in the art.
  • the cathode 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, including at least one element selected from Ti, Si, Fe, Mo, V, Zr, Zn, Cu, Al, Mo, Sc, Zr, Ru, and Cr; x ⁇ 0, 1 ⁇ x+y ⁇ 2, - 0.1 ⁇ z ⁇ 2; the stoichiometric coefficients of the components included in x, y, z and M are selected such that the compound remains electrically neutral).
  • the cathode active material is an alkali metal compound disclosed in US6,677,082, US6,680,143, etc. xLiM 1 O 2 -(1-x)Li 2 M 2 O 3 (M 1 is at least one element having an average oxidation state of 3). contains; M 2 contains at least one element having an average oxidation state of 4; 0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the cathode active material has the general formula Li a M 1 x Fe 1-x M 2 y P 1-y M 3 z O 4-z
  • M 1 is Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Includes at least one element selected from Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, and Al
  • M 2 is Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al , As, Sb, Si, Ge, including at least one element selected from V and S
  • M 3 contains a halogen group element optionally including F; 0 ⁇ a ⁇ 2, 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1; the stoichiometric coefficients of the components included in a, x, y, z, M 1 , M 2 , and M 3 are selected such that the compound remains electrically neutral), or Li 3 M 2 It may be a lithium metal phosphate represented by (PO 4
  • the cathode active material may include primary particles and/or secondary particles in which the primary particles are aggregated.
  • the negative electrode active material may use a carbon material, lithium metal or a lithium metal compound, silicon or a silicon compound, tin or a tin compound, or the like.
  • Metal oxides such as TiO 2 and SnO 2 having a potential of less than 2 V can also be used as an anode active material.
  • the carbon material both low crystalline carbon and high crystalline carbon may be used.
  • the separator is a porous polymer film, for example, a porous polymer film made of polyolefin-based polymers such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer, and ethylene/methacrylate copolymer. Alternatively, they may be laminated and used. As another example, the separator may use 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 made of an inorganic material having a dielectric constant of 5 or more.
  • the inorganic particles are Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), Pb 1 - x La x Zr 1 - y Ti y O 3 (PLZT), PB(Mg 3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), BaTiO 3 , hafnia(HfO 2 ), SrTiO 3 , TiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, CaO, ZnO and Y 2 O 3 It may include at least one or more materials selected from the group consisting of.
  • the electrolyte may be a salt having a structure such as A + B - .
  • a + includes alkali metal cations such as Li + , Na + , and K + or ions made of combinations 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 CF 2
  • 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 2-pyrrolidone (NMP), ethyl methyl carbonate (EMC), ⁇ -butyrolactone, or mixtures thereof may be used.
  • the first electrode 11 of the present invention includes at least one electrode covering at least a portion of the uncoated portion and at least a portion of the holding portion at the same time.
  • An insulating layer 14 may be included. Electrical contact between the first electrode 11 and the second electrode 12 can be effectively prevented by the insulating layer 14 . More specifically, electrical contact between the non-coated portion 11a of the first electrode 11 and the holding portion 12b of the second electrode 12 can be effectively prevented.
  • the insulating layer 14 may be provided on at least one surface of the first electrode 11 .
  • the insulating layer 14 may be provided on both sides of the first electrode 11 .
  • a separator 13 is located on the left side as well as on the right side of the first electrode 11, and another second electrode 12 is located on the left side of the separator 13 located on the left side. is located Therefore, in order to prevent electrical contact with the second electrodes 12 located on the left and right sides, the insulating layer 14 may be provided on both sides of the first electrode 11.
  • the insulating layer 14 may be provided in the entire region that may face the holding portion 12b provided on the second electrode 12 in the middle of the region of the first electrode 11 .
  • one end of the insulating layer 14 in the direction of the winding axis is at the same height as one end of the winding axis of the separation membrane 13 (direction parallel to the Z-axis) or at one end. It may be located outside. More specifically, referring to FIG. 4 as an example, one end of the winding axis direction (parallel to the Z-axis) of the insulating layer 14 may be located at the same height as one end of the separation membrane 13 in the winding axis direction.
  • the separator 13 may protrude between the first electrode 11 and the second electrode 12 at the same height as or higher than the end of the second electrode 12 in the winding axis direction (direction parallel to the Z axis). Accordingly, electrical contact between the first electrode 11 and the second electrode 12 can be prevented to some extent. However, since flow such as meandering of the first electrode 11 or the second electrode 12 may occur inside the cylindrical secondary battery 1, the second electrode 12 is installed near the end of the separator 13. The possibility of a location cannot be ruled out.
  • the first electrode Electrical contact between (11) and the second electrode (12) becomes unavoidable.
  • the separator 13 is damaged for some reason, electrical contact between the first electrode 11 and the second electrode 12 cannot be avoided.
  • the insulating layer 14 provided on the first electrode 11 is at least up to the same height as one end of the separator 13. Or it is preferable to extend to the outside of one end.
  • the insulating layer 14 covers the entire uncoated portion 11a provided on the first electrode 11, the first electrode 11 cannot function as an electrode, so the insulating layer ( 14) should cover only a part of the uncoated portion 11a provided on the first electrode 11. That is, the uncoated portion 11a may have a shape that further protrudes outward from the insulating layer 14 .
  • the insulating layer 14 may be an insulating coating layer or an insulating tape provided on a boundary region between the uncoated portion 11a and the holding portion 11b.
  • the shape of the insulating layer 14 is not limited thereto, and any form in which the insulating layer 14 can be attached to the first electrode 11 while ensuring insulating performance can be employed in the present invention.
  • the insulating layer 14 may include, for example, an oil-based SBR binder and alumina oxide in order to secure insulating performance.
  • the insulating layer 14 may simultaneously cover at least a portion of the uncoated portion 11a and at least a portion of the holding portion 11b.
  • the insulating layer 14 may be provided on a boundary region between the holding portion 11b and the uncoated portion 11a.
  • the insulating layer 14 may cover at least a portion of the sliding portion.
  • the insulating layer 14 is approximately 0.3 from the boundary between the uncoated portion 11a and the holding portion 11b in the entire area of the uncoated portion 11a provided in the first electrode 11. It can be extended to a point of ⁇ 5 mm. More preferably, the insulating layer 14 is formed approximately from the boundary between the uncoated portion 11a and the holding portion 11b in the entire area of the uncoated portion 11a provided on the first electrode 11. It can be extended to a point of 1.5 to 3 mm.
  • the insulating layer 14 extends to a position where electrical contact does not occur.
  • the insulating layer 14 is about 0.1 to 3 from the boundary between the uncoated portion 11a and the holding portion 11b in the entire area of the holding portion 11b provided in the first electrode 11. It can be extended to the mm point. More preferably, the insulating layer 14 is formed approximately from the boundary between the uncoated portion 11a and the holding portion 11b in the entire area of the holding portion 11b provided in the first electrode 11. It can be extended to a point of 0.2 to 0.5 mm.
  • the battery loses capacity, so there is a need to minimize the length of the holding part cover length of the insulating layer 14. there is.
  • the insulating layer 14 provided on the first electrode 11 At least part of the holding portion 11b must be covered.
  • the separator 13 may have a shape protruding outward from the other end of the first electrode 11 and one end of the second electrode 12 .
  • one end in FIG. 4 means an end in the upper direction of the winding axis direction (parallel to the Z axis) on the drawing, and the other end means the end in the winding axis direction (Z axis) on the drawing. direction parallel to) means the end of the lower direction.
  • the separator 13 may protrude outward from the lower end of the first electrode 11 and protrude outward from the upper end of the second electrode 12 . Meanwhile, the separator 13 does not protrude beyond the upper end of the first electrode 11 .
  • the uncoated portion 11a and 12a function as electrode tabs means that the uncoated portions 11a and 12a are the current collector plates 50 and 80, the battery can 20, and other components such as the terminal 40. It means that it corresponds to a connection terminal for electrically connecting to the electrode assembly 10.
  • one end of the second electrode 12 facing the insulating layer 14 with the separator 13 therebetween may have a shape that does not protrude outward more than one end of the separator 13. there is.
  • an insulating layer 14 is provided at one end of the first electrode 11, and one end of the second electrode 12 facing the insulating layer 14. is located toward the inside of the separation membrane 13. Therefore, even if one end of the first electrode 11 protrudes to the outside of the separator 13, since one end of the second electrode 12 is located inside the separator 13, the first electrode 11 ) and the possibility of contact between the second electrode 12 is significantly reduced.
  • the uncoated portion 11a formed at one end of the first electrode 11 may occur. Since the risk of ignition is very high when contact occurs between the uncoated portion 11a of the first electrode 11 and the holding portion 12a of the second electrode 12, as described above, the second electrode 12 There is a greater need to configure the separation membrane 13 so that it is not exposed to the outside.
  • the uncoated portion 12a of the second electrode 12 may be exposed to the outside of the separator 13 to facilitate coupling of other components to the uncoated portion 12a provided at the other end of the second electrode 12.
  • the first electrode ( The other end of 11) may be located inside the separator 13.
  • the insulating layer 14 may not be applied on the second electrode 12 in the lower part of the electrode assembly 10 of the present invention.
  • the first electrode 11 is the positive electrode and the second electrode 12 is the negative electrode
  • the insulating layer 14 may be formed and the insulating layer 14 may not be applied on the uncoated portion 12a of the second electrode 12 .
  • the risk is greatest when contact between the positive electrode uncoated portion and the negative electrode holding portion occurs.
  • the risk difference in various cases in which contact between the positive electrode and the negative electrode occurs will be described later in detail with reference to FIG. 10 .
  • the present invention does not exclude the case where the insulating layer 14 is provided on the uncoated portion 12a of the second electrode 12 .
  • the battery can 20 is a substantially cylindrical container having an opening formed at a lower end thereof, and is made of, for example, a conductive material such as metal.
  • the material of the battery can 20 may be aluminum, for example.
  • the bottom portion of the battery can 20 provided with the open portion will be referred to as an open end.
  • a side surface (outer circumferential surface) and an upper surface of the battery can 20 may be integrally formed.
  • An upper surface (parallel to the X-Y plane) of the battery can 20 has a substantially flat shape.
  • An upper surface located on the opposite side of the open end is referred to as a closed end.
  • the battery can 20 accommodates the electrode assembly 10 through an opening formed at the bottom and also accommodates the electrolyte.
  • the battery can 20 is electrically connected to the electrode assembly 10 .
  • the battery can 20 may be electrically connected to one of the first electrode 11 and the second electrode 12 .
  • the battery can may be electrically connected to the second electrode 12 of the electrode assembly 10 .
  • the battery can 20 may have the same polarity as the second electrode 12 .
  • the battery can 20 may include a beading portion 21 and a crimping portion 22 formed at a lower end thereof.
  • the beading part 21 is located below the electrode assembly 10 .
  • the beading part 21 is formed by press fitting around the outer circumferential surface of the battery can 20 .
  • the beading part 21 prevents the electrode assembly 10, which may have a size substantially corresponding to the width of the battery can 20, from escaping through the opening formed at the lower end of the battery can 20, and the sealing body ( 30) can function as a support to be seated.
  • the crimping part 22 is formed below the beading part 21 .
  • the crimping part 22 has an extended and bent shape so as to cover the outer circumferential surface of the sealing body 30 disposed below the beading unit 21 and a part of the lower surface of the sealing body 30 .
  • the present invention does not exclude the case where the battery can 20 does not have such a beading part 21 and/or crimping part 22. That is, in the present invention, when the battery can 20 does not include the beading portion 21 and/or the crimping portion 22, the electrode assembly 10 is fixed and/or the battery can 20 is sealed, For example, it can be realized through the additional application of a part that can function as a stopper for the electrode assembly 10 . In addition, if the cylindrical secondary battery 1 of the present invention includes the sealing body 30, the electrode assembly 10 is fixed and/or the battery can 20 is sealed, for example, the sealing body 30 It can be realized through the additional application of a structure that can be seated and/or welding between the battery can 20 and the sealing body 30. That is, the sealing body may seal the open end of the battery can.
  • the sealing body 30 may be made of, for example, a metal material to ensure rigidity.
  • the sealing body 30 may cover an open end formed at a lower end of the battery can 20 . That is, the sealing body 30 forms the lower surface of the cylindrical secondary battery 1 .
  • the sealing body 30 does not have polarity even when it is made of a metal material having conductivity. Having no polarity may mean that the sealing body 30 is electrically insulated from the battery can 20 and the terminal 40 . Therefore, the sealing body 30 does not function as the positive terminal 40 or the negative terminal 40 . Therefore, the sealing body 30 does not need to be electrically connected to the electrode assembly 10 and the battery can 20, and the material does not necessarily have to be a conductive metal.
  • the sealing body 30 When the battery can 20 of the present invention includes the beading part 21 , the sealing body 30 may be seated on the beading part 21 formed in the battery can 20 . In addition, when the battery can 20 of the present invention includes the crimping portion 22 , the sealing body 30 may be fixed by the crimping portion 22 . A sealing gasket 90 may be interposed between the sealing body 30 and the crimping portion 22 of the battery can 20 to ensure airtightness of the battery can 20 . Meanwhile, as described above, the battery can 20 of the present invention may not have the beading part 21 and/or the crimping part 22. In this case, the sealing gasket 90 is the battery can 20 It may be interposed between the structure for fixing provided on the open side of the battery can 20 and the sealing body 30 to ensure airtightness.
  • the terminal 40 may be electrically connected to the other one of the first electrode 11 and the second electrode 12 . That is, the terminal 40 may have a polarity opposite to that of the battery can 20 .
  • the terminal 40 may be electrically connected to the first electrode 11 of the electrode assembly 10 .
  • the surface of the terminal 40 may be exposed to the outside.
  • the terminal 40 may be made of a conductive metal material.
  • the terminal 40 may pass through, for example, a substantially central portion of a closed end formed at an upper end of the battery can 20 . A portion of the terminal 40 may be exposed to the upper portion of the battery can 20 and the remaining portion may be located inside the battery can 20 .
  • the terminal 40 may be fixed on the inner surface of the closed end of the battery can 20 by, for example, riveting.
  • the terminal 40 may pass through the insulator 60 and be coupled to the uncoated portion 11a provided on the first current collector 50 or the first electrode 11 . In this case, the terminal 40 may have a first polarity. Therefore, the terminal 40 can function as a first electrode terminal in the cylindrical secondary battery 1 of the present invention.
  • the terminal 40 When the terminal 40 has the first polarity, the terminal 40 is electrically insulated from the battery can 20 having the second polarity. Electrical insulation between the terminal 40 and the battery can 20 may be realized in various ways. For example, insulation may be realized by interposing an insulation gasket 70, which will be described later, between the terminal 40 and the battery can 20. Alternatively, insulation may be realized by forming an insulating coating layer on a portion of the terminal 40 . Alternatively, a method of structurally firmly fixing the terminal 40 may be applied so that contact between the terminal 40 and the battery can 20 is impossible. Alternatively, a plurality of methods among the methods described above may be applied together.
  • the first current collector 50 may be coupled to an upper portion of the electrode assembly 10 .
  • the first collector plate 50 may be coupled to the uncoated portion 11a provided on the first electrode 11 at the top of the electrode assembly 10 .
  • the first current collector 50 may be made of a conductive metal material.
  • the first current collector 50 may have a plurality of radially formed irregularities on its lower surface. When the unevenness is formed, the unevenness may be pressed into the uncoated portion 11a provided in the first electrode 11 by pressing the first current collecting plate 50 .
  • the cylindrical secondary battery 1 may not include the first current collector 50 .
  • the uncoated portion 11a provided on the first electrode 11 may be directly electrically connected to the terminal 40 .
  • the first current collector 50 may be coupled to an end of the uncoated portion 11a provided on the first electrode 11 .
  • the coupling between the uncoated portion 11a of the first electrode 11 and the first current collector 50 may be performed by, for example, laser welding.
  • the laser welding may be performed by partially melting the base material of the first current collector 50, or may be performed in a state where solder for welding is interposed between the first current collector 50 and the uncoated portion 11a. there is.
  • the solder preferably has a lower melting point than that of the first current collector 50 and the uncoated portion 11a.
  • resistance welding, ultrasonic welding, etc. are possible, but the welding method is not limited thereto.
  • the first collector plate 50 is formed on a coupling surface formed by bending an end portion of the uncoated portion 11a provided in the first electrode 11 in a direction parallel to the first collector plate 50 . may be coupled to.
  • the bending direction of the uncoated portion 11a may be, for example, a direction toward the winding center C of the electrode assembly 10 .
  • the uncoated portion 11a has such a bent shape, the space occupied by the uncoated portion 11a is reduced, thereby improving energy density.
  • an effect of improving bonding force and reducing resistance may be obtained.
  • the insulator 60 includes a first collector plate 50 coupled between the top of the electrode assembly 10 and the inner surface of the battery can 20 or the top of the electrode assembly 10 and the battery. It may be provided between the inner surface of the can 20.
  • the insulator 60 prevents contact between the uncoated portion 11a provided on the first electrode 11 and the battery can 20 and/or the contact between the first current collector 50 and the battery can 20. prevent. That is, the insulator 60 is accommodated inside the battery can 20 and is configured to block electrical connection between the uncoated portion 11a provided on the first electrode 11 and the battery can 20. do. Therefore, the insulator 60 may be made of a material having insulation performance.
  • the insulator 60 may include a polymer material.
  • the insulating gasket 70 is interposed between the battery can 20 and the terminal 40 so that the battery can 20 and the terminal 40 having opposite polarities are in contact with each other prevent that That is, the insulating gasket 70 blocks electrical connection between the battery can 20 and the terminal 40 .
  • the upper surface of the battery can 20 having a substantially flat shape can function as the terminal 40 of the second electrode 12 of the cylindrical secondary battery 1 .
  • the second current collector 80 may be coupled to a lower portion of the electrode assembly 10 .
  • the second current collector 80 may be made of a conductive metal material.
  • the second collector plate 80 may be connected to the uncoated portion 12a provided on the second electrode 12 .
  • the second current collector 80 may be electrically connected to the battery can 20 .
  • the second collector plate 80 may be interposed and fixed between the inner surface of the battery can 20 and the sealing gasket 90 .
  • the second current collector 80 may be welded to the inner wall surface of the battery can 20 .
  • the second current collector 80 may include a plurality of radially formed irregularities on one surface thereof. When the unevenness is formed, the second current collector 80 may be pressed to press-fit the unevenness into the uncoated portion 12a provided in the second electrode 12 .
  • the second current collector 80 may be coupled to an end of the uncoated portion 12a provided on the second electrode 12 .
  • the coupling between the uncoated portion 12a of the second electrode 12 and the second current collector 80 may be performed by, for example, laser welding.
  • the laser welding may be performed by partially melting the base material of the second current collector 80, or may be performed in a state where solder for welding is interposed between the second current collector plate 80 and the uncoated portion 12a. there is.
  • the solder preferably has a lower melting point than that of the second current collector 80 and the uncoated portion 12a.
  • resistance welding, ultrasonic welding, etc. are possible, but the welding method is not limited thereto.
  • the second collector plate 80 is formed by bending the end of the uncoated portion 12a provided on the second electrode 12 in a direction parallel to the second collector plate 80. can be bonded onto.
  • a bending direction of the uncoated portion 12a provided in the second electrode 12 may be, for example, a direction toward the winding center C of the electrode assembly 10 .
  • the sealing gasket 90 may have a substantially ring shape surrounding the sealing body 30 .
  • the sealing gasket 90 may simultaneously cover the lower surface, the upper surface, and the side surface of the sealing body 30 .
  • the radial length of the part covering the upper surface of the sealing body 30 is greater than the radial length of the part covering the lower surface of the sealing body 30 among the parts of the sealing gasket 90. can be less than or equal to If the radial length of a portion of the sealing gasket 90 that covers the upper surface of the sealing body 30 is too long, the sealing gasket 90 is the second collector plate in the sizing process of vertically compressing the battery can 20.
  • the second current collector 80 may be damaged or the battery can 20 may be damaged by pressing the 80 . Accordingly, it is necessary to keep the radial length of the portion of the sealing gasket 90 covering the upper surface of the sealing body 30 small at a certain level.
  • the electrode assembly 10 according to the embodiment of FIG. 5 is similar to the electrode assembly 10 of the embodiment of FIG. 3, redundant descriptions of components substantially the same as or similar to those of the previous embodiment will be omitted. , The differences from the previous embodiment will be mainly described.
  • the electrode assembly 10 may have a structure in which at least some of the uncoated portions 11a and 12a are bent in the radial direction of the electrode assembly 10 .
  • the electrode assembly 10 may have a structure in which at least a portion of the uncoated portions 11a and 12a are bent toward the core.
  • at least some sections of the uncoated regions 11a and 12a may be divided into a plurality of segments F.
  • the plurality of segments (F) may have a structure that is overlapped in several layers while being bent toward the core.
  • the plurality of segments F may be notched with a laser.
  • the segment F can be formed by a known metal foil cutting process such as ultrasonic cutting or punching.
  • a plurality of segment segments F adjacent to each other in the radial direction of the electrode assembly 10 may overlap each other as they are bent in the radial direction of the electrode assembly 10 .
  • the number of overlapping layers of the segments F may change along the radial direction, and the number of overlapping layers may be maintained in some sections.
  • the segment F may be formed on the uncoated portion 11a of the first electrode 11 and/or the uncoated portion 12a of the second electrode 12 .
  • the gap is preferably 0.2 to 4 mm.
  • the gap may prevent damage to the active material layer and/or the insulating layer 14 due to tolerances during notching or cutting of the fragment F.
  • the bending direction of the uncoated portions 11a and 12a may be, for example, a direction toward the winding center C of the electrode assembly 10 .
  • the space occupied by the uncoated portions 11a and 12a is reduced, thereby improving energy density.
  • an effect of improving bonding strength and reducing resistance may be obtained.
  • the uncoated portion 11a provided on the first electrode 11 may be bent in one direction.
  • the +X direction in FIG. 6 may be a direction toward the core side.
  • the uncoated portion 11a of the first electrode 11 may pass over the separator 13 and come closer to the second electrode 12 side. Therefore, among both surfaces of the uncoated portion 11a provided in the first electrode 11, the insulating layer 14 may extend to the end of the uncoated portion 11a on the surface facing the core. According to this structure, electrical contact between the first electrode 11 and the second electrode 12 is prevented even when the uncoated portion 11a is bent toward the core and crosses the separator 13 to approach the second electrode 12. It can be. Accordingly, internal short circuit of the cylindrical secondary battery 1 can be effectively prevented.
  • the insulating layer 14 may not extend to the end of the uncoated portion 11a on the side located in the bending direction among both surfaces of the uncoated portion 11a. That is, at least a part of the inner surface of the bent uncoated portion 11a may not be covered by the insulating layer 14 . This is to electrically connect the overlapping segment segments F to each other when the bent segment segments F (see FIG. 5 ) overlap each other along the radial direction of the electrode assembly 10 .
  • the insulating layer 14 is formed only on one side of the uncoated portion 11a located in the bending direction side. may be provided.
  • the insulating layer 14 may be provided only on the surface facing the winding center C among both sides of the uncoated portion 11a.
  • the uncoated portion 11a of the first electrode 11 has a shape bent in one direction, and the insulating layer 14 is the amount of the uncoated portion 11a of the first electrode 11.
  • the insulating layer 14 provided in the bending direction may have a thicker thickness than the insulating layer 14 provided on the opposite side. In this case, it is possible to compensate for a reduction in rigidity that may occur at the bent portion of the uncoated portion 11a corresponding to the thin metal foil.
  • the insulating layer 14 may be provided only in a partial region on a surface opposite to the surface facing the core. That is, among both surfaces of the non-coated portion 11a, the non-coated portion 11a may be exposed to the outside in a partial area of the surface opposite to the surface facing the core. Therefore, through the exposed uncoated portion 11a on the surface opposite to the surface facing the core, electrical contact with the uncoated portion 11a provided on the adjacent first electrode 11 or the first collector plate 50 is possible. do. That is, the uncoated portion 11a may be electrically coupled to the first current collector 50 in an area not covered by the insulating layer 14 among the entire area of the uncoated portion 11a.
  • the uncoated portion 11a may be coupled to the first current collector 50 by welding in an area not covered by the insulating layer 14 among the entire area of the uncoated portion 11a.
  • the welding may be, for example, laser welding.
  • the laser welding may be performed by partially melting the base material of the first current collector 50, or may be performed in a state where solder for welding is interposed between the first current collector 50 and the uncoated portion 11a. there is.
  • the solder preferably has a lower melting point than that of the first current collector 50 and the uncoated portion 11a.
  • resistance welding, ultrasonic welding, etc. are possible, but the welding method is not limited thereto.
  • the insulating layer 14 may have a shape surrounding an end of the uncoated portion 11a. Specifically, the insulating layer 14 may have a structure surrounding an end surface of the uncoated portion 11a. For example, when the length of the bent uncoated portion 11a is long, the possibility of contact with the second electrode 12 increases. Furthermore, there is a possibility that the bent uncoated portion 11a is further bent by flow or external pressure. At this time, the possibility that the distal surface of the uncoated portion 11a contacts the second electrode 12 increases.
  • the insulating layer 14 covers up to the end surface of the uncoated portion 11a, the first electrode 11 ) and the second electrode 12 may be prevented from being electrically contacted.
  • the insulating layer 14 may extend to a bending point of the uncoated portion 11a on a surface opposite to the surface facing the core.
  • another separator 13 and another second electrode 12 are located on the left side of the first electrode 11 in FIG. 8 . That is, the first electrode 11 has the possibility of electrical contact not only with the second electrode 12 located on the right side of the first electrode 11, but also with the second electrode 12 located on the left side of the first electrode 11. Have.
  • electrical contact with the second electrodes 12 located on both sides of the first electrode 11 can be prevented reliably.
  • the segment F is the electrode assembly 10 ) on one surface in the height direction (direction parallel to the Z-axis), it may not be provided over the entire area and may be provided only in some areas.
  • the area occupied by the region A1 on which the segment fragments F are formed is larger than the area occupied by the region A2 on which the segment fragments F are not formed.
  • a portion of the uncoated portion 11a may be cut and removed so that the height of the segment F is substantially similar to that of the region where the segment fragment F is formed.
  • the segment F is formed on the uncoated portion 11a of the first electrode 11 as an example, but in the present invention, the segment F is the uncoated portion of the first electrode 11. (11a) and/or the uncoated portion 12a of the second electrode 12.
  • the segments F may be discontinuously formed along the winding direction of the first electrode 11 .
  • the current collecting plate 60 may be coupled to the area A1 where the segment F is formed.
  • a plurality of segment segments F adjacent to each other in the radial direction of the electrode assembly 10 may overlap along the radial direction of the electrode assembly 10 .
  • the insulating layer 14 provided on one side of the uncoated portion 11a of the first electrode 11 located in the bending direction of the uncoated portion 11a is the region where the segment segment F is formed.
  • (A1) it may have a shape extending to the end of the uncoated portion 11a, and in the region A2 where the segmental segment F is not formed, it may have a shape that does not extend to the end.
  • the insulating layer 14 has a shape extending only to the bending point of the uncoated portion 11a (see FIG. 11) in the region where the segment F is formed (see FIG. 11) or the bending point It may have an extended shape (see FIG. 10) to cover only a partial area of the inner surface of the uncoated portion 11a bent in the radial direction of the electrode assembly 10.
  • FIGS. 9 to 11 a structure in which the insulating layer 14 is formed only on one surface of the first electrode 11 is shown, but the present invention is not limited thereto. That is, in the embodiment of the electrode assembly 10 shown in FIGS. 9 to 11, as in the case of the electrode assembly 10 described above with reference to FIGS. 5 to 8, the insulating layer 14 is the uncoated portion ( It can be formed on one side or both sides of 11a).
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of an electrode assembly 10 without an insulating layer 14 as a comparative example of the present invention.
  • a separate insulating layer 14 is not provided in a boundary region between the uncoated portion 11a of the first electrode 11 and the holding portion 11b.
  • the second electrode 12 when flow occurs due to meandering of the first electrode 11 or the second electrode 12, the second electrode 12 is located up to the end of the separator 13 or the second electrode 12 ) protrudes outward more than the end of the separator 13, and electrical contact between the first electrode 11 and the second electrode 12 may occur.
  • the separator 13 is damaged for some reason, electrical contact between the first electrode 11 and the second electrode 12 may occur.
  • an internal short circuit cannot be avoided due to electrical contact between the first electrode 11 and the second electrode 12 . Therefore, the risk of ignition increases.
  • FIG. 13 is a graph for explaining power distribution in several short-circuit cases in the cylindrical secondary battery 1 . Referring to FIG. 10 , the following four short circuit cases that may occur in the cylindrical secondary battery 1 may be assumed.
  • the electrode assembly 10 of the present invention considering the structure of the electrode assembly 10 of the present invention, it is required to find a structure capable of preventing electrical contact between the holding part provided in the negative electrode and the uncoated part provided in the positive electrode.
  • the present inventors have found that if the insulating layer 14 is provided in at least a portion of the uncoated portion provided on the anode, electrical contact with the holding portion provided on the cathode can be effectively prevented.
  • the present invention was completed. That is, the first electrode 11 may be an anode.
  • the first electrode 11 is not necessarily limited to an anode, and may be a cathode.
  • the second electrode 12 is provided with the insulating layer 14 . That is, the insulating layer 14 may be provided on both the anode and the cathode. In this case, all possible short-circuit cases can be prevented.
  • the cylindrical battery cell is, for example, a cylindrical battery cell having a form factor ratio (defined as the diameter of a cylindrical battery cell divided by its height, i.e., the ratio of the height (H) to the diameter ( ⁇ )) of greater than about 0.4.
  • a form factor ratio defined as the diameter of a cylindrical battery cell divided by its height, i.e., the ratio of the height (H) to the diameter ( ⁇ )
  • the form factor means a value representing the diameter and height of a cylindrical battery cell.
  • Cylindrical battery cells may be, for example, 46110 cells, 48750 cells, 48110 cells, 48800 cells, or 46800 cells.
  • the first two numbers indicate the diameter of the cell
  • the next two numbers indicate the height of the cell
  • the last number 0 indicates that the cross section of the cell is circular.
  • a battery cell according to an embodiment of the present invention may be a cylindrical battery cell having a diameter of about 46 mm, a height of about 110 mm, and a form factor ratio of about 0.418.
  • a battery cell according to another embodiment may be a cylindrical battery cell having a diameter of about 48 mm, a height of about 75 mm, and a form factor ratio of about 0.640.
  • a battery cell according to another embodiment may be a cylindrical battery cell having a substantially cylindrical shape, a diameter of about 48 mm, a height of about 110 mm, and a form factor ratio of about 0.418.
  • a battery cell according to another embodiment may be a cylindrical battery cell having a substantially cylindrical shape, a diameter of about 48 mm, a height of about 80 mm, and a form factor ratio of about 0.600.
  • a battery cell according to another embodiment may be a cylindrical battery cell having a substantially cylindrical shape, a diameter of about 46 mm, a height of about 80 mm, and a form factor ratio of about 0.575.
  • battery cells having a form factor ratio of approximately 0.4 or less have been used. That is, conventionally, for example, 18650 cells, 21700 cells, etc. have been used. For an 18650 cell, its diameter is approximately 18mm, its height is approximately 65mm, and the form factor ratio is approximately 0.277. For a 21700 cell, its diameter is approximately 21 mm, its height is approximately 70 mm, and the form factor ratio is approximately 0.300.
  • the cylindrical battery cell according to the above-described embodiment may be used to manufacture a battery pack.
  • FIG. 14 is a diagram schematically showing the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • a battery pack 3 includes an assembly to which cylindrical secondary batteries 1 are electrically connected and a pack housing 2 accommodating them.
  • the cylindrical secondary battery 1 is a battery cell according to the above-described embodiment.
  • parts such as a bus bar, a cooling unit, and an external terminal 40 for electrically connecting the cylindrical secondary batteries 1 are omitted.
  • the battery pack 3 may be mounted in a vehicle.
  • the vehicle may be, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a plug-in hybrid vehicle. Vehicles include four-wheeled vehicles or two-wheeled vehicles.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining a vehicle including the battery pack 3 of FIG. 11 .
  • a vehicle 5 according to an embodiment of the present invention includes a battery pack 3 according to an embodiment of the present invention.
  • the vehicle 5 operates by receiving power from the battery pack 3 according to an embodiment of the present invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 쉬트 형상을 가진 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입이며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부; 및 상기 무지부를 제외한 영역에 활물질층이 코팅되어 있는 유지부; 를 포함하고, 상기 제1 전극은, 상기 무지부의 적어도 일부 및 상기 유지부의 적어도 일부를 동시에 커버하는 적어도 하나의 절연층을 포함한다.

Description

전극 조립체, 원통형 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
본 발명은 전극 조립체, 원통형 배터리 셀, 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은, 2021년08월05일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제 10-2021-0103388호, 2021년10월15일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제 10-2021-0137200호 및 2022년07월18일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제 10-2022-0088574호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원들의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
원통형 이차전지에 있어서, 집전 효율의 극대화를 위해 전지 캔이 높이 방향을 따라 상하로 각각 양극 탭 및 음극 탭이 연장된 형태를 갖는 젤리롤 타입의 전극 조립체를 적용할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조에서는, 양극 또는 음극의 사행 등과 같은 유동이 발생할 가능성이 있다. 이 경우, 분리막의 말단 부근에 양극 또는 음극의 말단이 위치할 가능성이 있다. 따라서 양극 또는 음극의 사행 등과 같은 유동 발생으로 인해 양극 또는 음극이 분리막의 말단까지 위치하거나 또는 분리막의 말단보다 더 외측으로 돌출되는 경우에는, 양극과 음극의 전기적 접촉이 발생한다. 또는, 어떠한 이유에서 분리막이 손상될 경우, 양극과 음극의 전기적 접촉이 발생할 수 있다. 그 결과, 전지 내부에서 단락이 발생할 수 있다. 전지 내부에서 단락이 발생하면, 전지의 발열이나 폭발이 초래될 수 있다. 따라서, 양극과 음극 사이의 전기 접촉을 효과적으로 방지하기 위한 절연 부재의 제공이 필요하다.
그러므로, 배터리 셀의 내부 저항이 낮으면서도 동시에 단락 위험이 낮은 원통형 배터리 셀, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 원통형 이차전지의 내부 저항을 감소시키고, 동시에 내부 단락을 효과적으로 방지하는 것을 목적으로 한다.
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.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체는, 쉬트 형상을 가진 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체로서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부; 및 상기 무지부를 제외한 영역에 활물질층이 코팅되어 있는 유지부; 를 포함한다.
상기 제1 전극은, 상기 무지부의 적어도 일부 및 상기 유지부의 적어도 일부를 동시에 커버하는 적어도 하나의 절연층을 포함한다.
바람직하게, 상기 절연층은, 상기 제1 전극의 양 면에 구비되어 있을 수 있다.
상기 제1 전극의 무지부는, 적어도 일부가 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 구조를 가질 수 있으며, 상기 절연층은 상기 제1 전극의 양 면 중 절곡 방향에 위치하는 일 면 상에만 구비될 수 있다.
한편, 상기 절연층의 권취 축 방향 일 단부는, 상기 분리막의 귄취 축 방향 일 단부와 동일한 높이 또는 일 단부의 외측에 위치되어 있을 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 절연층의 권취 축 방향 일 단부는, 상기 분리막의 귄취 축 방향 일 단부와 동일 높이에 위치되어 있을 수 있다.
일 측면에서, 상기 무지부는, 상기 절연층의 외측으로 더 돌출되어 있을 수 있다.
한편, 상기 유지부는, 상기 분리막보다 권취 축 방향으로 더 돌출되어 있지 않을 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 전극은, 양극일 수 있다.
일 측면에서, 상기 분리막을 사이에 두고 상기 절연층과 마주보는 상기 제2 전극의 일 단부는, 상기 분리막의 일 단부보다 외측으로 돌출되지 않을 수 있다.
한편, 상기 유지부는, 상기 유지부의 중앙 영역에 비해 상기 활물질층의 두께가 감소되어 있는 슬라이딩부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 슬라이딩부는, 상기 유지부와 상기 무지부의 경계 영역에 형성될 수 있다.
한편, 상기 슬라이딩부는, 상기 제1 전극의 일 단부 및 상기 제2 전극의 타 단부에 각각 구비될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 전극에 구비된 유지부의 슬라이딩부와, 상기 제2 전극에 구비된 유지부의 슬라이딩부는, 서로 반대 방향에 구비될 수 있따.
한편, 상기 분리막은, 상기 제1 전극의 타 단부 및 상기 제2 전극의 일 단부보다 외측으로 돌출되어 있을 수 있다.
일 측면에서, 상기 절연층은, 상기 슬라이딩부의 적어도 일부를 커버할 수 있다.
예를 들어, 상기 절연층은, 상기 무지부를 0.3 ~ 5 mm 커버할 수 있다.
바람직하게는, 상기 절연층은, 상기 무지부를 1.5 ~ 3 mm 커버할 수 있다.
예를 들어, 상기 절연층은, 상기 유지부를 0.1 ~ 3 mm 커버할 수 있다.
바람직하게는, 상기 절연층은, 상기 유지부를 0.2 ~ 0.5 mm 커버할 수 있다.
다른 측면에서, 상기 무지부의 적어도 일부 구간은, 복수의 분절편으로 분할되어 있을 수 있다.
여기서, 상기 복수의 분절편은, 상기 전극 조립체의 반경 방향으로 절곡될 수 있다.
이 때, 상기 무지부의 양 면 중, 절곡 방향을 향하는 면에는, 상기 절연층이 상기 무지부의 말단까지 연장되어 있을 수 있다.
여기서, 상기 절연층은, 상기 무지부의 말단을 감쌀 수 있다.
한편, 상기 무지부의 양 면 중, 절곡 방향을 향하는 면의 반대측 면에는, 상기 절연층이 상기 무지부의 절곡 지점까지 연장되어 있을 수 있다.
상기 절연층은, 상기 무지부의 양 면 중, 절곡 방향을 향하는 면 상에서 상기 무지부의 단부까지 연장되지 않을 수 있다.
상기 분절편은, 상기 전극 조립체의 높이 방향 일 면 상에서 일부 영역에만 구비될 수 있다.
상기 전극 조립체의 높이 방향 일 면 상에서 상기 분절편이 형성된 영역이 차지하는 면적은 상기 분절편이 형성되지 않은 영역이 차지하는 면적보다 더 클 수 있다.
상기 전극 조립체의 반경 방향으로 서로 인접한 복수의 분절편들은 전극 조립체의 반경 방향을 따라 중첩될 수 있다.
상기 무지부의 양 면 중 무지부의 절곡 방향에 위치하는 일 면 상에 구비되는 상기 절연층은, 분절편이 형성된 영역에서는 무지부의 단부까지 연장된 형태를 가지고, 분절편이 형성되지 않은 영역에서는 무지부의 단부까지 연장되지 않은 형태를 가질 수 있다.
일 측면에서, 상기 제1 전극에 구비된 무지부와, 상기 제2 전극에 구비된 무지부는, 서로 반대 방향으로 돌출되어 있을 수 있다.
한편, 상기 제1 전극에 구비된 유지부의 권취 축 방향 길이는, 상기 제2 전극에 구비된 유지부의 권취 축 방향의 길이보다 짧을 수 있다.
한편, 상기 제1 전극에 구비된 유지부는, 상기 제2 전극에 구비된 유지부보다, 권취 축 방향 내 측에 위치될 수 있다.
한편, 상기 절연층은, 상기 무지부와 상기 유지부의 경계 영역 상에 구비되는 절연 코팅층 또는 절연 테이프일 수 있다.
바람직하게, 상기 절연층은, 유계 SBR 바인더 및 알루미나 산화물을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 원통형 배터리 셀은, 상기 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되며, 상기 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 전지 캔; 상기 전지 캔의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 및 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 단자를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 원통형 이차전지는, 상기 제1 전극에 구비된 무지부와 전기적으로 결합된 제1 집전판을 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 무지부는, 상기 무지부의 전체 영역 중 상기 절연층에 의해 커버되지 않은 영역에서, 상기 제1 집전판과 전기적으로 결합될 수 있다.
여기서, 상기 무지부는, 상기 무지부의 전체 영역 중 상기 절연층에 의해 커버되지 않은 영역에서, 상기 제1 집전판과 용접에 의해 결합될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지; 및 복수의 상기 원통형 이차전지를 수용하는 팩 하우징; 을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명에 의하면, 원통형 이차전지의 내부 저항이 획기적으로 감소될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 전극 조립체의 양극과 음극 사이의 전기적 접촉을 방지함으로써, 원통형 이차전지 내부의 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 효과는 상술한 효과들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적인 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 따르는 원통형 이차전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 원통형 이차전지의 종단면도이다.
도 3은 도 1의 원통형 이차전지에 포함된 전극 조립체를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 전극 조립체의 종단면도의 일부를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 따르는 전극 조립체를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 전극 조립체의 종단면도의 일부를 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 도 6의 전극 조립체의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시에를 따르는 전극 조립체를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11은 도 9의 전극 조립체의 종단면도의 일부를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 전극 조립체의 비교예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 이차전지 내의 여러 단락 케이스들에서의 전력 분포를 설명하기 위한 그래프이다.
도 14는 도 1의 원통형 이차전지를 포함하는 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 도 11의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(1)는 전극 조립체(10), 전지 캔(20), 밀봉체(30) 및 단자(40)를 포함한다.
상기 원통형 이차전지(1)는, 상술한 구성요소들 이외에도 추가적으로 제1 집전판(50) 및/또는 인슐레이터(60) 및/또는 절연 가스켓(70) 및/또는 제2 집전판(80) 및/또는 실링 가스켓(90)을 더 포함할 수도 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 극성을 갖는 제1 전극(11), 제2 극성을 갖는 제2 전극(12), 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 개재되는 분리막(13) 및 제1 전극(11)의 적어도 일부를 커버하는 절연층(14)을 포함한다.
상기 제1 전극(11)은 양극 또는 음극이고, 제2 전극(12)은 제1 전극(11)과 반대되는 극성을 갖는 전극에 해당한다. 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12)은 쉬트 형상을 가질 수 있다. 상기 전극 조립체(10)는, 예를 들어 젤리-롤(jelly-roll) 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 전극(11), 분리막(13), 제2 전극(12), 분리막(13)을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 중심(C)을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(10)의 외주면 상에는 전지 캔(20)과의 절연을 위해 추가적인 분리막(13)이 구비될 수 있다.
상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12)은, 장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부(11a, 12a)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12)은, 상기 무지부(11a, 12a)를 제외한 영역에 활물질층이 코팅되어 있는 유지부(11b, 12b)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 전극(11)은, 제1 전극 집전체 및 제1 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제1 전극 활물질을 포함한다. 제1 전극 집전체 상에 제1 전극 활물질이 도포된 영역을, 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)로 칭한다. 상기 제1 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측 단부에는 제1 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부(11a)가 존재할 수 있다. 상기 무지부(11a)의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용될 수 있다. 즉, 상기 무지부(11a)의 적어도 일부는, 제1 전극(11)에 구비된 제1 전극 탭으로서 기능할 수 있다. 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)는, 전지 캔(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 상부에 구비될 수 있다.
상기 제2 전극(12)은, 제2 전극 집전체 및 제2 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제2 전극 활물질을 포함한다. 제2 전극 집전체 상에 제2 전극 활물질이 도포된 영역을, 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b)로 칭한다. 상기 제2 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 타 측 단부에는 제2 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부(12a)가 존재할 수 있다. 상기 무지부(12a)의 적어도 일부는 그 자체로서 전극 탭으로서 사용될 수 있다. 즉, 상기 무지부(12a)의 적어도 일부는, 제2 전극(12)에 구비된 전극 탭으로서 기능할 수 있다. 상기 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)는, 전지 캔(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 하부에 구비될 수 있다.
상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와, 상기 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)는, 서로 반대 방향으로 돌출된 형태일 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)는 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)의 상부를 향해 돌출될 수 있으며, 이 경우 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)는 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)의 하부를 향해 돌출될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극에 구비된 무지부(11a) 및 제2 전극에 구비된 무지부(12a)는, 전극 조립체(10)의 폭 방향, 즉 원통형 이차전지(1)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 서로 반대 방향으로 연장 돌출된 형태일 수 있다.
한편, 상기 유지부(11b, 12b)는, 상기 유지부(11b, 12b)의 중앙 영역에 비해 상기 활물질층의 두께가 감소되어 있는 슬라이딩부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 상기 제1 전극(11) 및 제2 전극(12) 각각은, 활물질층의 두께가 감소된 영역인 슬라이딩부를 일 단부 또는 타 단부에 구비할 수 있다.
상기 슬라이딩부는, 전극 집전체 상에 전극 활물질을 도포할 때, 유지부와 무지부의 경계 부근에서 발생하는 슬라이딩 현상에 의해 형성될 수 있다. 상기 슬라이딩 현상이란, 전극 활물질이 포함된 슬러리의 퍼짐에 의해, 슬러리 도포 경계 영역 외의 영역보다, 슬러리 도포 경계 영역에서, 전극 활물질이 더 적게 도포되어 도포 경계 영역의 슬러리가 대략 경사진 형태를 갖는 현상을 의미한다. 이러한 슬라이딩 현상에 의해, 유지부의 가장자리에서는 유지부로부터 무지부를 향하는 방향을 따라 대략 하향 경사진 형태를 갖는 슬라이딩부가 형성될 수 있다. 이처럼 활물질의 도포 과정에서 발생되는 슬라이딩 현상은 활물질의 건조 과정에서 더욱 심화될 수 있다. 즉, 이미 슬라이딩부가 형성된 전극을 전체적으로 건조하면, 슬러리에 포함된 용매가 증발하면서 슬러리 부피가 감소하면서, 전극 활물질이 도포된 영역과 도포되지 않은 영역의 경계 부근에서 슬라이딩 현상이 더 심화될 수 있다.
상기 슬라이딩부는, 상기 유지부(11b, 12b)와 상기 무지부(11a, 12a)의 경계 영역에 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 슬라이딩부는, 상기 제1 전극(11)의 일 단부 및 상기 제2 전극(12)의 타 단부에 각각 구비될 수 있다. 즉, 상기 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 슬라이딩부와, 상기 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b)의 슬라이딩부는, 서로 반대 방향에 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 제1 전극(11)의 슬라이딩부는, 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)의 상부에 형성될 수 있고, 제2 전극(12)의 슬라이딩부는, 그와 반대 방향인, 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)의 하부에 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 길이는, 상기 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)의 길이보다 짧을 수 있다. 또한, 상기 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)는, 상기 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b)보다, 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 내 측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 길이에 비해 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 길이가 크게 형성되어 있을 수 있다. 나아가, 도 4를 참조하면, 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 길이는, 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b) 중 슬라이딩부를 제외한 영역의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 길이보다도 짧게 형성되어 있을 수 있다. 이러한 구조는, 양/음극의 NP Ratio가 100% 이하로 감소되어 리튬 금속이 석출되는 것을 방지하기 위함이다.
한편, 상기 유지부(11b, 12b)는, 상기 분리막(13)보다 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)으로 더 돌출되어 있지 않을 수 있다. 즉, 상기 유지부(11b, 12b)가 분리막(13)보다 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)으로 돌출되어 있다면, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)이 접촉할 가능성이 커질 수 있다. 그렇게 되면, 접촉 영역에서 내부 단락이 발생하여 발화 리스크가 높아질 수 있다. 따라서, 상기 유지부(11b, 12b)는 분리막(13)보다 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)으로 돌출되지 않는 것이 중요하다. 즉, 상기 유지부(11b, 12b)는, 상기 분리막(13)의 내측에 위치하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 있어서, 양극판에 코팅되는 양극 활물질과 음극판에 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; x, y, z 및 M에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨)로 표시되는 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 양극 활물질은 US6,677,082, US6,680,143 등에 개시된 알칼리 금속 화합물 xLiM1O2-(1-x)Li2M2O3(M1은 평균 산화 상태 3을 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 평균 산화 상태 4를 갖는 적어도 하나 이상의 원소를 포함; 0≤x≤1)일 수 있다.
또 다른 예에서, 양극 활물질은, 일반 화학식 LiaM1 xFe1-xM2 yP1-yM3 zO4-z(M1은 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M2는 Ti, Si, Mn, Co, Fe, V, Cr, Mo, Ni, Nd, Al, Mg, Al, As, Sb, Si, Ge, V 및 S에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 포함; M3는 F를 선택적으로 포함하는 할로겐족 원소를 포함; 0 < a ≤2, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1; a, x, y, z, M1, M2, 및 M3에 포함된 성분의 화학량론적 계수는 화합물이 전기적 중성을 유지하도록 선택됨), 또는 Li3M2(PO4)3[M은 Ti, Si, Mn, Fe, Co, V, Cr, Mo, Ni, Al, Mg 및 Al에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함]로 표시되는 리튬 금속 포스페이트일 수 있다.
바람직하게, 양극 활물질은 1차 입자 및/또는 1차 입자가 응집된 2차 입자를 포함할 수 있다.
일 예에서, 음극 활물질은 탄소재, 리튬금속 또는 리튬금속화합물, 규소 또는 규소화합물, 주석 또는 주석 화합물 등을 사용할 수 있다. 전위가 2V 미만인 TiO2, SnO2와 같은 금속 산화물도 음극 활물질로 사용 가능하다. 탄소재로는 저결정 탄소, 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다.
분리막은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 이들을 적층하여 사용할 수 있다. 다른 예시로서, 분리막은 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있다.
분리막의 적어도 한 쪽 표면에는 무기물 입자의 코팅층을 포함할 수 있다. 또한 분리막 자체가 무기물 입자의 코팅층으로 이루어지는 것도 가능하다. 코팅층을 구성하는 입자들은 인접하는 입자 사이 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 존재하도록 바인더와 결합된 구조를 가질 수 있다.
무기물 입자는 유전율이 5이상인 무기물로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 상기 무기물 입자는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1 - xLaxZr1 - yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), BaTiO3, hafnia(HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO 및 Y2O3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
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.
제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 접촉 가능성을 최소화하기 위해, 본 발명의 제1 전극(11)은, 상기 무지부의 적어도 일부 및 상기 유지부의 적어도 일부를 동시에 커버하는 적어도 하나의 절연층(14)을 포함할 수 있다. 상기 절연층(14)에 의해, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉이 효과적으로 방지될 수 있다. 보다 구체적으로는, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와, 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b)와의 전기적 접촉을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 절연층(14)은, 상기 제1 전극(11)의 적어도 일 면에 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층(14)은, 상기 제1 전극(11)의 양 면에 구비될 수 있다. 도 4 등에 도시되어 있지는 않지만, 도 4에서 제1 전극(11)의 우측뿐만 아니라 좌측에도 분리막(13)이 위치하고 있으며, 좌측에 위치한 분리막(13)의 좌측에는 또 다른 제2 전극(12)이 위치하고 있다. 따라서, 좌측 및 우측에 위치한 제2 전극(12)과의 전기적 접촉을 방지하기 위해서, 절연층(14)은 제1 전극(11)의 양 면에 모두 구비될 수 있다.
상기 절연층(14)은, 제1 전극(11)의 영역 중엥서, 제2 전극(12)에 구비된 유지부(12b)와 대면할 가능성이 있는 전 영역에 구비될 수 있다. 예를 들면, 상기 절연층(14)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 일 단부는, 상기 분리막(13)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 일 단부와 동일한 높이 또는 일 단부의 외측에 위치되어 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 도 4를 예로 들어 설명하면, 상기 절연층(14)의 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향) 일 단부는, 상기 분리막(13)의 귄취 축 방향 일 단부와 동일 높이에 위치할 수 있다. 분리막(13)은, 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에서 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)으로 제2 전극(12)의 말단과 동일한 높이 또는 그보다 더 높게 돌출될 수 있으며, 이에 따라 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이의 전기적 접촉을 어느 정도는 방지할 수 있다. 그러나, 원통형 이차전지(1) 내부에서 제1 전극(11) 또는 제2 전극(12)의 사행 등과 같은 유동이 발생할 가능성이 있기 때문에, 분리막(13)의 말단 부근에 제2 전극(12)이 위치할 가능성을 배제할 수 없다. 따라서 사행 등의 유동 발생으로 인해 제2 전극(12)이 분리막(13)의 말단까지 위치하거나 또는 제2 전극(12)이 분리막(13)의 말단보다 더 외측으로 돌출되는 경우에는, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉을 피할 수 없게 된다. 또는, 어떠한 이유에서 분리막(13)이 손상될 경우, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉을 피할 수 없게 된다. 특히, 제1 전극(11)의 무지부(11a)와 제2 전극(12)의 유지부(12b) 간의 접촉에 따른 내부 쇼트(internal short)가 발생되는 경우에는 발화의 가능성이 매우 높다. 따라서, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉을 방지하기 위해, 제1 전극(11)에 구비된 절연층(14)은 적어도 분리막(13)의 일 단부와 동일한 높이까지 또는 일 단부의 외측까지 연장되는 것이 바람직하다.
다만, 상기 절연층(14)이 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 전체를 커버할 경우, 제1 전극(11)은 전극의 역할을 할 수 없게 되기 때문에, 절연층(14)은 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 일부만을 커버해야 한다. 즉, 상기 무지부(11a)는, 상기 절연층(14)의 외측으로 더 돌출되는 형태를 가질 수 있다.
상기 절연층(14)은, 상기 무지부(11a)와 상기 유지부(11b)의 경계 영역 상에 구비되는 절연 코팅층 또는 절연 테이프일 수 있다. 다만, 절연층(14)의 형태가 이에 한정되는 것은 아니고 절연층(14)이 절연 성능을 확보하면서 제1 전극(11)에 부착될 수 있는 형태라면, 본 발명에 채용될 수 있다. 한편, 상기 절연층(14)은, 절연 성능을 확보하기 위해, 예를 들면 유계 SBR 바인더 및 알루미나 산화물을 포함할 수 있다.
상기 절연층(14)은, 상기 무지부(11a)의 적어도 일부 및 상기 유지부(11b)의 적어도 일부를 동시에 커버할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층(14)은, 상기 유지부(11b)와 상기 무지부(11a)의 경계 영역 상에 구비될 수 있다. 예를 들면, 상기 절연층(14)은, 상기 슬라이딩부의 적어도 일부를 커버할 수 있다.
예를 들면, 상기 절연층(14)은, 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 전체 영역 중에서, 상기 무지부(11a)와 유지부(11b)의 경계 지점으로부터 대략 0.3 ~ 5 mm 지점까지 연장될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 절연층(14)은, 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 전체 영역 중에서, 상기 무지부(11a)와 유지부(11b)의 경계 지점으로부터 대략 1.5 ~ 3 mm 지점까지 연장될 수 있다.
만약 절연층(14)이 없는 경우, 제1 전극(11)이 제2 전극(12)과의 접촉으로 인해 내부 단락이 발생할 가능성이 있기 때문에, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉이 일어나지 않을 정도의 위치까지 절연층(14)이 연장되어 있는 것이 바람직하다.
한편, 상기 절연층(14)은, 상기 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 전체 영역 중에서, 상기 무지부(11a)와 유지부(11b)의 경계 지점으로부터 대략 0.1 ~ 3 mm 지점까지 연장될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 절연층(14)은, 상기 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 전체 영역 중에서, 상기 무지부(11a)와 유지부(11b)의 경계 지점으로부터 대략 0.2 ~ 0.5 mm 지점까지 연장될 수 있다.
절연층(14)이 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 일부를 커버할 경우, 전지의 용량 손실이 발생하기 때문에 절연층(14)의 유지부 커버 길이를 최소화할 필요성이 있다. 그러나, 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)가 제2 전극(12)과 접촉할 가능성이 있기 때문에, 이를 방지하기 위해서 절연층(14)은 제1 전극(11)에 구비된 유지부(11b)의 적어도 일부를 반드시 커버해야 한다.
한편, 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 분리막(13)은, 상기 제1 전극(11)의 타 단부 및 상기 제2 전극(12)의 일 단부보다 외측으로 돌출되어 있는 형태를 가질 수 있다. 편의상 도 4를 참조하여 설명하면, 도 4에서의 일 단부란, 도면 상에서 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)의 상부 방향의 단부를 의미하고, 타 단부란, 도면 상에서 권취 축 방향(Z축에 나란한 방향)의 하부 방향의 단부를 의미한다. 따라서, 상기 분리막(13)은, 제1 전극(11)의 하 단부보다 외측으로 돌출되어 있고, 제2 전극(12)의 상 단부보다 외측으로 돌출되어 있는 형태를 가질 수 있다. 한편, 상기 분리막(13)은 제1 전극(11)의 상 단부보다는 돌출되어 있지 않다. 이는 제1 전극(11)의 상 단부, 즉 무지부(11a)가 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)으로 기능하기 위함이다. 마찬가지로, 상기 분리막(13)은 제2 전극(12)의 하 단부보다는 돌출되어 있지 않다. 이는 제2 전극(12)의 하 단부, 즉 무지부(12a)가 제2 전극(12)에 구비된 전극 탭으로서 기능하기 위함이다. 본 발명에 있어서, 무지부(11a, 12a)가 전극 탭으로서 기능한다는 것은, 무지부(11a, 12a)가 집전판(50, 80), 전지 캔(20), 단자(40) 등의 다른 부품을 전극 조립체(10)에 전기적으로 연결시키기 위한 연결 단자에 해당함을 의미하는 것이다.
한편, 상기 분리막(13)을 사이에 두고 상기 절연층(14)과 마주보는 상기 제2 전극(12)의 일 단부는, 상기 분리막(13)의 일 단부보다 외측으로 돌출되지 않는 형태를 가질 수 있다. 예를 들어 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 제1 전극(11)의 일 단부에는 절연층(14)이 구비되어 있으며, 상기 절연층(14)과 마주보는 제2 전극(12)의 일 단부는 상기 분리막(13)보다 내측을 향해 위치하고 있다. 따라서, 제1 전극(11)의 일 단부가 분리막(13)의 외측으로 돌출되어 있다고 하더라도, 제2 전극(12)의 일 단부가 분리막(13)의 내측에 위치하고 있기 때문에, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 접촉 가능성이 현저히 감소하게 된다. 특히, 이 영역에서는 제2 전극(12)의 일 단부에 형성되는 유지부(12b)가 분리막(13)의 외측으로 노출되는 경우, 제1 전극(11)의 일 단부에 형성되는 무지부(11a)와 제2 전극(12)의 일 단부에 형성되는 유지부(12a) 간의 접촉이 발생할 수 있다. 이처럼 제1 전극(11)의 무지부(11a)와 제2 전극(12)의 유지부(12a) 간의 접촉이 발생하는 경우 발화의 위험성이 매우 높기 때문에, 상술한 바와 같이 제2 전극(12)이 분리막(13)의 외측으로 노출되지 않도록 구성할 필요성이 더욱 크다.
한편, 제2 전극(12)의 타 단부에 구비되는 무지부(12a)에 다른 부품을 결합시키기 용이하도록 제2 전극(12)의 무지부(12a)가 분리막(13)의 외측으로 노출될 수 있다. 이 경우, 제1 전극(11)의 타 단부에 구비되는 유지부(11b)와 제2 전극(12)의 타 단부에 구비되는 무지부(12a) 간의 접촉을 방지할 수 있도록, 제1 전극(11)의 타 단부는 분리막(13)의 내측에 위치할 수 있다. 다만, 본 발명의 전극 조립체(10)의 하부에서는 상부에서와는 달리 제2 전극(12) 상에 절연층(14)이 적용되지 않을 수도 있다.
특히, 제1 전극(11)이 양극이고 제2 전극(12)이 음극인 경우, 쇼트 발생 시의 위험성과 함께 공정성, 생산성 등을 모두 고려하여 제1 전극(11)의 무지부(11a) 상에는 절연층(14)을 형성하고 제2 전극(12)의 무지부(12a) 상에는 절연층(14)을 적용하지 않을 수 있다. 이는, 특히 양극 무지부와 음극 유지부 간의 접촉이 일어날 때의 위험성이 가장 크기 때문이다. 양극과 음극의 접촉이 발생되는 다양한 케이스에 있어서의 위험도 차이에 대해서는 도 10을 참조하여 상세히 후술하기로 한다. 한편, 본 발명이 제2 전극(12)의 무지부(12a) 상에 절연층(14)이 구비된 경우를 배제하는 것은 아니다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 전지 캔(20)은, 하단에 개방부가 형성된 대략 원통형의 수용체로서, 예를 들어 금속과 같은 도전성을 갖는 재질로 이루어진다. 상기 전지 캔(20)의 재질은, 예를 들어 알루미늄일 수 있다. 개방부가 구비된 상기 전지 캔(20)의 바닥부를 개방단(opened end)이라고 칭하기로 한다. 상기 전지 캔(20)의 측면(외주면)과 상면은 일체로 형성될 수 있다. 상기 전지 캔(20)의 상면(X-Y 평면에 나란한 면)은 대략 플랫(flat)한 형태를 갖는다. 상기 개방단의 반대편에 위치하는 상면을 폐쇄단(closed end)이라고 칭하기로 한다. 상기 전지 캔(20)은, 하방에 형성된 개방부를 통해 전극 조립체(10)를 수납하며, 전해질도 함께 수용한다.
상기 전지 캔(20)은, 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결된다. 상기 전지 캔(20)은, 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12) 중 하나와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어 상기 전지 캔은 전극 조립체(10)의 제2 전극(12)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 전지 캔(20)은, 제2 전극(12)과 동일한 극성을 가질 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 전지 캔(20)은, 그 하단에 형성된 비딩부(21) 및 크림핑부(22)를 구비할 수 있다. 상기 비딩부(21)는, 전극 조립체(10)의 하부에 위치한다. 상기 비딩부(21)는, 전지 캔(20)의 외주면 둘레를 압입하여 형성된다. 상기 비딩부(21)는, 전지 캔(20)의 폭과 대략 대응되는 사이즈를 가질 수 있는 전극 조립체(10)가 전지 캔(20)의 하단에 형성된 개방부를 통해 빠져나오지 않도록 하며, 밀봉체(30)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다.
상기 크림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하부에 형성된다. 상기 크림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하방에 배치되는 밀봉체(30)의 외주면, 그리고 밀봉체(30)의 하면의 일부를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다.
다만, 본 발명은, 전지 캔(20)이 이러한 비딩부(21) 및/또는 크림핑부(22)를 구비하지 않는 경우를 배제하지 않는다. 즉, 본 발명에 있어서 전지 캔(20)이 비딩부(21) 및/또는 크림핑부(22)를 구비하지 않는 경우, 전극 조립체(10)의 고정 및/또는 전지 캔(20)의 밀봉은, 예를 들어 전극 조립체(10)에 대한 스토퍼로서 기능할 수 있는 부품의 추가 적용 등을 통해 실현할 수 있다. 또한, 만약 본 발명의 원통형 이차전지(1)가 밀봉체(30)를 포함할 경우, 전극 조립체(10)의 고정 및/또는 전지 캔(20)의 밀봉은, 예를 들어 밀봉체(30)가 안착될 수 있는 구조물의 추가 적용 및/또는 전지 캔(20)과 밀봉체(30) 간의 용접 등을 통해 실현할 수 있다. 즉, 상기 밀봉체는, 상기 전지 캔의 개방단을 밀봉할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 밀봉체(30)는, 강성 확보를 위해, 예를 들어 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 밀봉체(30)는, 전지 캔(20)의 하단에 형성된 개방단을 커버할 수 있다. 즉, 상기 밀봉체(30)는, 원통형 이차전지(1)의 하면을 이룬다. 본 발명의 원통형 이차전지(1)에 있어서, 상기 밀봉체(30)는, 전도성을 갖는 금속 재질인 경우에도, 극성을 갖지 않는다. 극성을 갖지 않는다는 것은, 상기 밀봉체(30)가 전지 캔(20) 및 단자(40)와 전기적으로 절연되어 있음을 의미할 수 있다. 따라서, 상기 밀봉체(30)는, 양극 단자(40) 또는 음극 단자(40)로서 기능하지 않는다. 따라서, 상기 밀봉체(30)는, 전극 조립체(10) 및 전지 캔(20)과 전기적으로 연결될 필요가 없으며, 그 재질이 반드시 전도성 금속이어야 하는 것도 아니다.
본 발명의 전지 캔(20)이 비딩부(21)를 구비하는 경우, 상기 밀봉체(30)는, 전지 캔(20)에 형성된 비딩부(21) 상에 안착될 수 있다. 또한, 본 발명의 전지 캔(20)이 크림핑부(22)를 구비하는 경우, 상기 밀봉체(30)는, 크림핑부(22)에 의해 고정될 수 있다. 상기 밀봉체(30)와 전지 캔(20)의 크림핑부(22) 사이에는 전지 캔(20)의 기밀성을 확보하기 위해 실링 가스켓(90)이 개재될 수 있다. 한편, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 전지 캔(20)은 비딩부(21) 및/또는 크림핑부(22)를 구비하지 않을 수도 있으며, 이 경우 상기 실링 가스켓(90)은 전지 캔(20)의 기밀성 확보를 위해 전지 캔(20)의 개방부 측에 구비된 고정을 위한 구조물과 밀봉체(30) 사이에 개재될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 단자(40)는 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(12) 중 다른 하나와 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 상기 단자(40)는, 상기 전지 캔(20)과 반대 극성을 띨 수 있다. 예를 들면, 상기 단자(40)는, 전극 조립체(10)의 제1 전극(11)과 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 상기 단자(40)는 표면이 외부로 노출될 수 있다.
상기 단자(40)는, 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 단자(40)는, 예를 들어 전지 캔(20)의 상단에 형성된 폐쇄단의 대략 중심부를 관통할 수 있다. 상기 단자(40)의 일부는 전지 캔(20)의 상부로 노출되고 나머지 일부는 전지 캔(20)의 내부에 위치할 수 있다. 상기 단자(40)는, 예를 들어 리벳팅(riveting)에 의해 전지 캔(20)의 폐쇄단의 내측면 상에 고정될 수 있다. 단자(40)는 인슐레이터(60)를 관통하여 제1 집전판(50) 또는 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와 결합할 수 있다. 이 경우, 상기 단자(40)는 제1 극성을 띨 수 있다. 따라서, 상기 단자(40)는, 본 발명의 원통형 이차전지(1)에 있어서 제1 전극 단자로서 기능할 수 있다. 상기 단자(40)가 이처럼 제1 극성을 갖는 경우, 단자(40)는 제2 극성을 갖는 전지 캔(20)과는 전기적으로 절연된다. 상기 단자(40)와 전지 캔(20) 간의 전기적 절연은, 다양한 방식으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 상기 단자(40)와 전지 캔(20) 사이에 후술할 바와 같은 절연 가스켓(70)을 개재시킴으로써 절연을 실현할 수 있다. 이와는 달리, 상기 단자(40)의 일부에 절연성 코팅층을 형성시킴으로써 절연을 실현할 수 있다. 또는, 상기 단자(40)와 전지 캔(20)의 접촉이 불가능하도록 단자(40)를 구조적으로 단단히 고정시키는 방식을 적용할 수도 있다. 또는, 앞서 설명한 방식들 중 복수의 방식을 함께 적용할 수도 있다.
도 2를 참조하면, 상기 제1 집전판(50)은, 전극 조립체(10)의 상부에 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 집전판(50)은, 상기 전극 조립체(10)의 상부에서 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)에 결합될 수 있다. 상기 제1 집전판(50)은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 제1 집전판(50)은, 그 하면에 방사상으로 형성된 복수의 요철을 구비할 수 있다. 상기 요철이 형성된 경우, 제1 집전판(50)을 눌러서 요철을 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)에 압입시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예를 따르는 원통형 이차전지(1)는, 제1 집전판(50)을 포함하지 않을 수도 있다. 이 경우, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)는 바로 단자(40)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 제1 집전판(50)은 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 단부에 결합될 수 있다. 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와 제1 집전판(50) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제1 집전판(50) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수도 있고, 제1 집전판(50)과 무지부(11a) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는, 제1 집전판(50) 및 무지부(11a)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 한편 레이저 용접 외에도, 저항 용접, 초음파 용접 등이 가능하나, 용접 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 집전판(50)은, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 단부가 제1 집전판(50)과 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 수도 있다. 상기 무지부(11a)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)을 향하는 방향일 수 있다. 상기 무지부(11a)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 무지부(11a)가 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 무지부(11a)와 제1 집전판(50) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 인슐레이터(60)는, 전극 조립체(10)의 상단과 전지 캔(20)의 내측 면 사이 또는 전극 조립체(10)의 상부에 결합된 제1 집전판(50)과 전지 캔(20)의 내측 면 사이에 구비될 수 있다. 상기 인슐레이터(60)는, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와 전지 캔(20) 사이의 접촉 및/또는 제1 집전판(50)과 전지 캔(20) 사이의 접촉을 방지한다. 즉, 상기 인슐레이터(60)는, 상기 전지 캔(20) 내부에 수용되며, 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)와 상기 전지 캔(20) 사이의 전기적 연결을 차단하도록 구성된다. 따라서, 상기 인슐레이터(60)는 절연 성능을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 인슐레이터(60)는 폴리머 재질을 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 절연 가스켓(70)은, 전지 캔(20)과 단자(40) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 전지 캔(20) 과 단자(40)가 서로 접촉되는 것을 방지한다. 즉, 상기 절연 가스켓(70)은, 전지 캔(20)과 단자(40)의 전기적 연결을 차단한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 전지 캔(20)의 상면이 원통형 이차전지(1)의 제2 전극(12) 단자(40)로서 기능할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 제2 집전판(80)은, 전극 조립체(10)의 하부에 결합될 수 있다. 상기 제2 집전판(80)은 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 제2 집전판(80)은 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)와 연결될 수 있다. 또한, 상기 제2 집전판(80)은, 전지 캔(20)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 집전판(80)은, 도 2에 도시된 바와 같이 전지 캔(20)의 내측 면과 실링 가스켓(90) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 이와는 달리, 상기 제2 집전판(80)은, 전지 캔(20)의 내벽 면에 용접될 수도 있다.
도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 제2 집전판(80)은, 그 일 면 상에 방사상으로 형성된 복수의 요철을 구비할 수 있다. 상기 요철이 형성된 경우, 제2 집전판(80)을 눌러서 요철을 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)에 압입시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 제2 집전판(80)은 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)의 단부에 결합될 수 있다. 상기 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)와 제2 집전판(80) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제2 집전판(80) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식을 이루어질 수도 있고, 제2 집전판(80)과 무지부(12a) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는 제2 집전판(80) 및 무지부(12a)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 한편, 레이저 용접 외에도, 저항 용접, 초음파 용접 등이 가능하나, 용접 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
도면에 도시되지는 않았으나, 상기 제2 집전판(80)은, 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)의 단부가 제2 집전판(80)과 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 수 있다. 상기 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)을 향하는 방향일 수 있다. 상기 제2 전극(12)에 구비된 무지부(12a)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 무지부(12a)가 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 무지부(12a)와 제2 집전판(80) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 실링 가스켓(90)은, 상기 밀봉체(30)를 감싸는 대략 링 형상을 가질 수 있다. 상기 실링 가스켓(90)은, 밀봉체(30)의 하면, 상면 및 측면을 동시에 커버할 수 있다. 실링 가스켓(90)의 부위 중에서 밀봉체(30)의 상면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이는, 실링 가스켓(90)의 부위 중에서 상기 밀봉체(30)의 하면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이보다 작거나 같을 수 있다. 실링 가스켓(90)의 부위 중에서 밀봉체(30)의 상면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이가 지나치게 길면, 전지 캔(20)을 상하로 압축하는 사이징 공정에서 실링 가스켓(90)이 제2 집전판(80)을 가압하여, 제2 집전판(80)이 손상되거나 전지 캔(20)이 손상될 가능성이 있다. 따라서, 실링 가스켓(90)의 부위 중에서 밀봉체(30)의 상면을 커버하는 부위의 반경 방향 길이를 일정 수준으로 작게 유지할 필요가 있다.
도 5의 실시예에 따른 전극 조립체(10)는, 앞선 도 3의 실시예의 전극 조립체(10)와 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 조립체(10)는, 무지부(11a, 12a)의 적어도 일부가 전극 조립체(10)의 반경 방향으로 절곡된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 조립체(10)는, 무지부(11a, 12a)의 적어도 일부가 코어측으로 절곡되어 있는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 상기 무지부(11a, 12a)의 적어도 일부 구간은, 복수의 분절편(F)으로 분할되어 있을 수 있다. 여기서, 상기 복수의 분절편(F)은, 코어측으로 절곡되면서 여러 겹으로 중첩되는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 복수의 분절편(F)은 레이저로 노칭된 것일 수 있다. 분절편(F)은 초음파 커팅이나 타발 등 공지의 금속박 커팅 공정으로 형성할 수 있다. 전극 조립체(10)의 반경 방향으로 서로 인접한 복수의 분절편(F)들은 전극 조립체(10)의 반경 방향으로 절곡됨에 따라 서로 중첩될 수 있다. 이러한 분절편(F)들의 중첩 레이어 수는 반경 방향을 따라 변할 수 있으며, 일부 구간에서는 중첩 레이어 수가 유지될 수도 있다. 상기 분절편(F)은, 제1 전극(11)의 무지부(11a) 및/또는 제2 전극(12)의 무지부(12a)에 형성될 수 있다.
무지부(11a, 12a)의 절곡 가공시 활물질층 및/또는 절연층(14)이 손상되는 것을 방지하기 위해 분절편(F) 사이의 절단 라인 하단과 활물질층 사이에 소정의 갭을 두는 것이 바람직하다. 무지부(11a, 12a)가 절곡될 때 절단 라인 하단 근처에 응력이 집중되기 때문이다. 갭은 0.2 내지 4mm인 것이 바람직하다. 갭이 해당 수치범위로 조절되면, 무지부(11a, 12a)의 절곡 가공시 생기는 응력에 의해 절단 라인 하단 근처의 활물질층 및/또는 절연층(14)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 갭은 분절편(F)의 노칭 또는 커팅시 공차로 인한 활물질층 및/또는 절연층(14)의 손상을 방지할 수 있다.
상기 무지부(11a, 12a)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)을 향하는 방향일 수 있다. 상기 무지부(11a, 12a)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 무지부(11a, 12a)가 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 무지부(11a, 12a)와 집전판(50, 80) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)는 일 방향으로 절곡되어 있을 수 있다. 예를 들면, 도 6에서 +X 방향이 코어측을 향하는 방향일 수 있다. 이와 같이 무지부(11a)가 코어측으로 절곡되어 있는 경우, 제1 전극(11)의 무지부(11a)는 분리막(13)을 넘어 제2 전극(12) 측으로 근접하게 될 수 있다. 따라서, 상기 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a)의 양 면 중, 코어측을 향하는 면에는, 상기 절연층(14)이 상기 무지부(11a)의 말단까지 연장될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 무지부(11a)가 코어측으로 절곡되어 분리막(13)을 넘어 제2 전극(12) 측으로 근접하더라도, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉이 방지될 수 있다. 따라서 원통형 이차전지(1)의 내부 단락이 효과적으로 방지될 수 있다.
한편, 도 6 내지 도 8에 도시된 것과는 달리, 절연층(14)은 무지부(11a)의 양 면 중 절곡 방향에 위치하는 면 상에서는 무지부(11a)의 단부까지 연장되지 않을 수 있다. 즉, 절곡된 무지부(11a)의 내측면 중 적어도 일부는 절연층(14)에 의해 커버되지 않을 수 있다. 이는, 절곡된 분절편(F)(도 5 참조)들이 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 서로 중첩되는 경우에 있어서, 중첩된 분절편(F)들끼리 서로 전기적 연결될 수 있도록 하기 위함이다.
한편, 이처럼 제1 전극(11)의 무지부(11a)가 일 방향으로 절곡된 형태를 갖는 경우, 절연층(14)은 무지부(11a)의 양 면 중 절곡 방향쪽에 위치하는 일 면 상에만 구비될 수도 있다. 예를 들어, 무지부(11a)가 권취 중심(C)을 향하는 방향으로 절곡된 경우, 절연층(14)은 무지부(11a)의 양 면 중 권취 중심(C)을 향하 면 상에만 구비될 수 있다. 이는, 제1 전극(11)의 무지부(11a)가 일 방향으로 절곡된 경우, 절곡 방향에 위치하는 제2 전극(12)과 접촉될 가능성이 그 반대 방향에 위치하는 제2 전극(12)과 접촉될 가능성보다는 크기 때문이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제1 전극(11)의 무지부(11a)가 일 방향으로 절곡된 형태를 가지며 절연층(14)이 제1 전극(11)의 무지부(11a)의 양 면 상에 구비되는 경우에 있어서, 절곡 방향에 구비되는 절연층(14)이 그 반대 편에 구비되는 절연층(14)보다 더 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 얇은 금속 포일(foil)에 해당하는 무지부(11a)의 절곡 부위 부위에서 발생될 수 있는 강성 저하를 보완할 수 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 상기 무지부(11a)의 양 면 중, 코어측을 향하는 면의 반대측 면에는, 일부 영역에만 절연층(14)이 구비되어 있을 수 있다. 즉, 상기 무지부(11a)의 양 면 중, 코어측을 향하는 면의 반대측 면의 나머지 일부 영역에서는, 무지부(11a)가 외부로 노출되어 있을 수 있다. 따라서, 코어측을 향하는 면의 반대측 면의 노출된 무지부(11a)를 통해, 인접한 제1 전극(11)에 구비된 무지부(11a) 또는 제1 집전판(50)과 전기적으로 접촉이 가능하다. 즉, 상기 무지부(11a)는, 상기 무지부(11a)의 전체 영역 중 상기 절연층(14)에 의해 커버되지 않은 영역에서, 상기 제1 집전판(50)과 전기적으로 결합될 수 있다. 나아가, 상기 무지부(11a)는, 상기 무지부(11a)의 전체 영역 중 상기 절연층(14)에 의해 커버되지 않은 영역에서, 상기 제1 집전판(50)과 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 용접은 예를 들어 레이저 용접일 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제1 집전판(50) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수도 있고, 제1 집전판(50)과 무지부(11a) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는, 제1 집전판(50) 및 무지부(11a)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 한편 레이저 용접 외에도, 저항 용접, 초음파 용접 등이 가능하나, 용접 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7을 참조하면, 상기 절연층(14)은, 상기 무지부(11a)의 말단을 감싸는 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 절연층(14)은, 상기 무지부(11a)의 말단 면을 감싸는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 절곡된 무지부(11a)의 길이가 길 경우, 제2 전극(12)과 접촉할 가능성이 높아진다. 나아가, 절곡된 무지부(11a)가 유동이나 외압에 의해 추가로 절곡될 가능성이 있다. 이 때, 무지부(11a)의 말단 면이 제2 전극(12)과 접촉할 가능성이 증가하게 된다. 그러나, 본 발명의 상기와 같은 구조에 의하면, 무지부(11a)가 추가로 절곡되거나 변형되더라도, 절연층(14)이 무지부(11a)의 말단 면까지 커버하고 있기 때문에, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉이 방지될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 무지부(11a)의 양 면 중, 코어측을 향하는 면의 반대측 면에는, 상기 절연층(14)이 상기 무지부(11a)의 절곡 지점까지 연장되어 있을 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않지만, 도 8의 제1 전극(11)의 좌측에는 또 다른 분리막(13) 및 또 다른 제2 전극(12)이 위치하고 있다. 즉, 제1 전극(11)은, 제1 전극(11)의 우측에 위치한 제2 전극(12)뿐만 아니라, 제1 전극(11)의 좌측에 위치한 제2 전극(12)과도 전기적 접촉 가능성을 가지고 있다. 그러나, 본 발명의 상기와 같은 구조에 의하면, 제1 전극(11)의 양 측에 위치한 제2 전극(12)과의 전기적 접촉은 확실하게 방지될 수 있다.
한편, 도 9 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 조립체(10)에 따르면, 도 5에 도시된 전극 조립체(10)와는 달리 분절편(F)이 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 일 면 상에서 전체 영역에 걸쳐 구비되어 있지 않고 일부 영역에만 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 조립체(10)의 높이 방향 일 면 상에서 분절편(F)이 형성된 영역(A1)이 차지하는 면적은 분절편(F)이 형성되지 않은 영역(A2)이 차지하는 면적보다 더 클 수 있다. 한편, 분절편(F)이 형성되지 않은 영역(A2)에서는 분절편(F)이 형성된 영역과의 높이가 대략 유사해지도록 무지부(11a)의 일부가 컷팅되어 제거될 수도 있다. 이하에서는, 제1 전극(11)의 무지부(11a)에 분절편(F)이 형성된 경우를 예로 들어 설명을 하지만, 본 발명에 있어서 분절편(F)은 제1 전극(11)의 무지부(11a) 및/또는 제2 전극(12)의 무지부(12a)에 형성될 수 있다.
상기 분절편(F)은 제1 전극(11)의 권취 방향을 따라 불연속적으로 형성될 수 있다. 이 경우, 집전판(60)은 분절편(F)이 형성된 영역(A1)에 결합될 수 있다. 전극 조립체(10)의 반경 방향으로 서로 인접한 복수의 분절편(F)들은 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 중첩될 수 있다. 이 경우, 제1 전극(11)의 무지부(11a)의 양 면 중 무지부(11a)의 절곡 방향에 위치하는 일 면 상에 구비되는 절연층(14)은 분절편(F)이 형성된 영역(A1)에서는 무지부(11a)의 단부까지 연장된 형태를 가질 수 있고, 분절편(F)이 형성되지 않은 영역(A2)에서는 단부까지 연장되지 않은 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층(14)은, 분절편(F)이 형성된 영역에서는 무지부(11a)의 절곡 지점까지만 연장된 형태(도 11 참조)를 갖거나(도 11 참조) 또는 절곡 지점을 지나 전극 조립체(10)의 반경 방향으로 절곡된 무지부(11a)의 내측면 일부 영역만을 커버하도록 연장된 형태(도 10 참조)를 가질 수 있다.
한편, 도 9 내지 도 11에서는, 제1 전극(11)의 일 면 상에만 절연층(14)이 형성된 구조가 도시되어 있으나, 본 발명이 이로써 한정되는 것은 아니다. 즉, 도 9 내지 도 11에 도시된 전극 조립체(10)의 실시 형태에 있어서도, 앞서 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명된 전극 조립체(10)의 경우와 마찬가지로 절연층(14)이 무지부(11a)의 일 면 또는 양 면에 형성될 수 있는 것이다.
도 12는 본 발명의 비교예로서, 절연층(14)이 구비되지 않은 전극 조립체(10)의 단면을 도시한 도면이다. 도 12를 참조하면, 제1 전극(11)의 무지부(11a)와 유지부(11b)의 경계 영역에는 별도의 절연층(14)이 구비되어 있지 않다. 이와 같은 구조에 의하면, 제1 전극(11) 또는 제2 전극(12)의 사행 등으로 유동이 발생할 경우, 제2 전극(12)이 분리막(13)의 말단까지 위치하거나 또는 제2 전극(12)이 분리막(13)의 말단보다 더 외측으로 돌출되어 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉이 발생할 수 있다. 또는, 어떠한 이유에서 분리막(13)이 손상될 경우, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉이 발생할 수 있다. 이 경우, 도 12와 같은 구조를 갖는 전극 조립체(10)에서는, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 전기적 접촉에 의해 내부 단락의 발생을 피할 수 없게 된다. 따라서, 발화 리스크가 증가하게 된다.
도 13은 원통형 이차전지(1) 내의 여러 단락 케이스들에서의 전력 분포를 설명하기 위한 그래프이다. 도 10을 참조하면, 원통형 이차전지(1) 내에서 발생할 수 있는 단락 케이스를 다음의 4가지로 상정할 수 있다.
(i) 양극에 구비된 유지부와 음극에 구비된 유지부가 전기적으로 접촉하는 경우, (ii) 양극에 구비된 유지부와 음극에 구비된 무지부가 전기적으로 접촉하는 경우, (iii) 음극에 구비된 유지부와 양극에 구비된 무지부가 전기적으로 접촉하는 경우, (iv) 양극에 구비된 무지부와 음극에 구비된 무지부가 전기적으로 접촉하는 경우이다.
도 13을 참조하면, 음극에 구비된 유지부와 양극에 구비된 무지부가 전기적으로 접촉하는 (iii)번 케이스에서 전력이 가장 높게 나타났음을 확인할 수 있다. 즉, 음극에 구비된 유지부와 양극에 구비된 무지부가 전기적으로 접촉하는 (iii)번 케이스에서 발화 발생 가능성이 매우 높게 나타났다. 이는 저항이 매우 낮아 단락 전류가 크고, 그로 인해 온도가 급격히 상승하기 때문이다.
따라서, 본 발명의 전극 조립체(10)의 구조를 고려할 때, 음극에 구비된 유지부와 양극에 구비된 무지부의 전기적 접촉을 방지할 수 있는 구조의 모색이 요청된다.
이러한 과제에 대하여 예의 검토한 결과, 본 발명자는 양극에 구비된 무지부의 적어도 일부 영역에 절연층(14)을 구비하면, 음극에 구비된 유지부와의 전기적 접촉을 효과적으로 방지할 수 있다는 결과를 도출하여 본 발명을 완성시켰다. 즉, 상기 제1 전극(11)은, 양극일 수 있다. 다만, 제1 전극(11)이 반드시 양극에 한정되는 것은 아니고, 음극이 될 수도 있다. 그리고, 본 발명에서 제2 전극(12)에 절연층(14)이 구비되는 것을 배제하는 것도 아니다. 즉, 양극과 음극 모두에 상기 절연층(14)이 구비될 수 있다. 이 경우, 발생 가능한 모든 단락 케이스를 방지할 수 있다.
바람직하게, 원통형 배터리 셀은, 예를 들어 폼 팩터의 비(원통형 배터리 셀의 직경을 높이로 나눈 값, 즉 높이(H) 대비 직경(Φ)의 비로 정의됨)가 대략 0.4 보다 큰 원통형 배터리 셀일 수 있다.
여기서, 폼 팩터란, 원통형 배터리 셀의 직경 및 높이를 나타내는 값을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 셀은, 예를 들어 46110 셀, 48750 셀, 48110 셀, 48800 셀, 46800 셀일 수 있다. 폼 팩터를 나타내는 수치에서, 앞의 숫자 2개는 셀의 직경을 나타내고, 그 다음 숫자 2개는 셀의 높이를 나타내고, 마지막 숫자 0은 셀의 단면이 원형임을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.418인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 75mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.640인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 110mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.418인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 48mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.600인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 배터리 셀은, 대략 원기둥 형태의 셀로서, 그 직경이 대략 46mm이고, 그 높이는 대략 80mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.575인 원통형 배터리 셀일 수 있다.
종래에는, 폼 팩터의 비가 대략 0.4 이하인 배터리 셀들이 이용되었다. 즉, 종래에는, 예를 들어 18650 셀, 21700 셀 등이 이용되었다. 18650셀의 경우, 그 직경이 대략 18mm이고, 그 높이는 대략 65mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.277이다. 21700 셀의 경우, 그 직경이 대략 21mm이고, 그 높이는 대략 70mm이고, 폼 팩터의 비는 대략 0.300이다.
상술한 실시예에 따른 원통형 배터리 셀은 배터리 팩을 제조하는데 사용될 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(3)은 원통형 이차전지(1)가 전기적으로 연결된 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(2)을 포함한다. 원통형 이차전지(1)는 상술한 실시예에 따른 배터리 셀이다. 도면에서는, 도면 도시의 편의상 원통형 이차전지(1)들의 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 외부 단자(40) 등의 부품의 도시는 생략되었다.
배터리 팩(3)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 15는 도 11의 배터리 팩(3)을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 포함한다. 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
[부호의 설명]
5 자동차
3 배터리 팩
2 팩 하우징
1 원통형 이차전지
10 전극 조립체
C 권취 중심
11 제1 전극
11a 무지부
11b 유지부
12 제2 전극
12a 무지부
12b 유지부
13 분리막
14 절연층
F 분절편
20 전지 캔
21 비딩부
22 크림핑부
30 밀봉체
40 단자
50 제1 집전판
60 인슐레이터
70 절연 가스켓
80 제2 집전판
90 실링 가스켓

Claims (39)

  1. 쉬트 형상을 가진 제1 전극 및 제2 전극과 이들 사이에 개재된 분리막이 일 방향으로 권취된 구조를 가진 젤리롤 타입의 전극 조립체에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은,
    장변 단부에 활물질층이 코팅되지 않은 무지부; 및
    상기 무지부를 제외한 영역에 활물질층이 코팅되어 있는 유지부; 를 포함하고,
    상기 제1 전극은,
    상기 무지부의 적어도 일부 및 상기 유지부의 적어도 일부를 동시에 커버하는 적어도 하나의 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 제1 전극의 양 면에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극의 무지부는, 적어도 일부가 상기 전극 조립체의 반경 방향을 따라 절곡된 구조를 가지며,
    상기 절연층은, 상기 제1 전극의 양 면 중 절곡 방향쪽에 위치하는 일 면 상에만 구비되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연층의 권취 축 방향 일 단부는,
    상기 분리막의 귄취 축 방향 일 단부와 동일한 높이 또는 일 단부의 외측에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연층의 권취 축 방향 일 단부는,
    상기 분리막의 귄취 축 방향 일 단부와 동일 높이에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 무지부는,
    상기 절연층의 외측으로 더 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유지부는,
    상기 분리막보다 권취 축 방향으로 더 돌출되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은,
    양극인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 분리막을 사이에 두고 상기 절연층과 마주보는 상기 제2 전극의 일 단부는,
    상기 분리막의 일 단부보다 외측으로 돌출되지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유지부는,
    상기 유지부의 중앙 영역에 비해 상기 활물질층의 두께가 감소되어 있는 슬라이딩부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 슬라이딩부는,
    상기 유지부와 상기 무지부의 경계 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 슬라이딩부는,
    상기 제1 전극의 일 단부 및 상기 제2 전극의 타 단부에 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 전극에 구비된 유지부의 슬라이딩부와, 상기 제2 전극에 구비된 유지부의 슬라이딩부는,
    서로 반대 방향에 구비되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 분리막은,
    상기 제1 전극의 타 단부 및 상기 제2 전극의 일 단부보다 외측으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 슬라이딩부의 적어도 일부를 커버하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 무지부를 0.3 ~ 5 mm 커버하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 무지부를 1.5 ~ 3 mm 커버하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 유지부를 0.1 ~ 3 mm 커버하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 유지부를 0.2 ~ 0.5 mm 커버하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 무지부의 적어도 일부 구간은,
    복수의 분절편으로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 복수의 분절편은,
    상기 전극 조립체의 반경 방향으로 절곡되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 무지부의 양 면 중, 절곡 방향을 향하는 면에는, 상기 절연층이 상기 무지부의 말단까지 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 무지부의 말단을 감싸는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 무지부의 양 면 중, 절곡 방향을 향하는 면의 반대측 면에는, 상기 절연층이 상기 무지부의 절곡 지점까지 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 무지부의 양 면 중, 절곡 방향을 향하는 면 상에서 상기 무지부의 단부까지 연장되지 않는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 분절편은, 상기 전극 조립체의 높이 방향 일 면 상에서 일부 영역에만 구비되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 높이 방향 일 면 상에서 상기 분절편이 형성된 영역이 차지하는 면적은 상기 분절편이 형성되지 않은 영역이 차지하는 면적보다 더 큰 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 반경 방향으로 서로 인접한 복수의 분절편들은 전극 조립체의 반경 방향을 따라 중첩되며,
    상기 무지부의 양 면 중 무지부의 절곡 방향에 위치하는 일 면 상에 구비되는 상기 절연층은 분절편이 형성된 영역에서는 무지부의 단부까지 연장된 형태를 가지고, 분절편이 형성되지 않은 영역에서는 무지부의 단부까지 연장되지 않은 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극에 구비된 무지부와, 상기 제2 전극에 구비된 무지부는,
    서로 반대 방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극에 구비된 유지부의 권취 축 방향 길이는,
    상기 제2 전극에 구비된 유지부의 권취 축 방향의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극에 구비된 유지부는,
    상기 제2 전극에 구비된 유지부보다, 권취 축 방향 내 측에 위치되는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  32. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    상기 무지부와 상기 유지부의 경계 영역 상에 구비되는 절연 코팅층 또는 절연 테이프인 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  33. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은,
    유계 SBR 바인더 및 알루미나 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 조립체.
  34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 기재된 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 수납되며, 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 전지 캔;
    상기 전지 캔의 개방단을 밀봉하는 밀봉체; 및
    상기 제1 전극과 전기적으로 연결되고, 표면이 외부로 노출된 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 원통형 이차전지는,
    상기 제1 전극에 구비된 무지부와 전기적으로 결합된 제1 집전판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  36. 제30항에 있어서,
    상기 무지부는,
    상기 무지부의 전체 영역 중 상기 절연층에 의해 커버되지 않은 영역에서, 상기 제1 집전판과 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 무지부는,
    상기 무지부의 전체 영역 중 상기 절연층에 의해 커버되지 않은 영역에서, 상기 제1 집전판과 용접에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  38. 제34항에 따른 원통형 이차전지를 포함하는 배터리 팩.
  39. 제38항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
PCT/KR2022/010644 2021-08-05 2022-07-20 전극 조립체, 원통형 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Ceased WO2023013933A1 (ko)

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