WO2023018154A1 - 원통형 이차전지, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

원통형 이차전지, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a cylindrical secondary battery, a battery pack including the same, and a vehicle. More specifically, the present invention provides a cylindrical secondary battery having a structure in which both a positive terminal and a negative terminal are disposed adjacent to one side of a cylindrical secondary battery without significantly modifying the structure of a conventional cylindrical secondary battery, and including the same It relates to battery packs and automobiles.
  • a plurality of cylindrical secondary batteries are usually placed upright in a housing, and the upper and lower ends of the cylindrical secondary batteries are used as positive and negative terminals, respectively, to form a plurality of cylindrical secondary batteries. electrically connect them to each other.
  • the negative electrode uncoated portion of the electrode assembly accommodated inside the battery can extends downward and is electrically connected to the bottom of the battery can, and the positive electrode uncoated portion extends upward and is electrically connected to the top cap. Because. That is, in a cylindrical secondary battery, it is common that the bottom surface of the battery can is used as a negative terminal, and the top cap covering the top opening of the battery can is used as a positive terminal.
  • the present invention has been devised in consideration of the above problems, and an object of the present invention is to provide a cylindrical secondary battery structure having a structure in which a positive terminal and a negative terminal are applied in the same direction.
  • the present invention secures a sufficient area for welding electrical connection parts such as bus bars for battery pack manufacturing and electrode terminals of the cylindrical secondary battery. aims to do
  • An object of the present invention is to improve the sealing force of the battery can by adjusting the thickness of the battery can for each position.
  • An object of the present invention is to improve energy density by adjusting the thickness of a battery can for each position.
  • a cylindrical secondary battery for solving the above problems includes an electrode assembly having a first uncoated portion having a first polarity and a second uncoated portion having a second polarity; a battery can accommodating the electrode assembly, electrically connected to the second uncoated portion, and configured to have different thicknesses according to positions; a through terminal penetrating one surface of the battery can and electrically connected to the first uncoated portion; and a cap plate configured to seal the open portion of the battery can.
  • the battery can may include: a beading portion formed at an opening side of the battery can and having a press-fitting shape around an outer circumferential surface of the battery can; and a crimping portion formed below the beading portion and configured to fix the cap plate. can be provided.
  • the crimping part may have an extended and bent shape to surround an edge region of the cap plate and cover a portion of a lower surface of the cap plate.
  • the cylindrical secondary battery may further include an airtight gasket interposed between the crimping portion of the battery can and the cap plate.
  • a thickness of an area covering the lower surface of the cap plate among the crimping parts may be thicker than a thickness of the rest of the crimping parts.
  • An area covering the lower surface of the cap plate among the crimping parts may include a flat part.
  • An entire area of the crimping portion surrounding the edge area of the cap plate may have a greater thickness than the remaining sidewall portion of the battery can.
  • the beading portion and the crimping portion may have a thicker thickness than the remaining sidewall portions of the battery can.
  • the thickness of the sidewall of the battery can may be thinner than the thickness of the closing portion of the battery can.
  • the through terminal may be located in the center of one side of the battery can located on the opposite side of the opening.
  • the through terminal may include a terminal exposed portion extending to the outside of the battery can; and a terminal insert penetrating the upper surface of the battery can.
  • the cylindrical secondary battery may further include an insulating gasket interposed between the battery can and the through-terminal to insulate the through-terminal from the battery can.
  • the insulating gasket may include a gasket exposed portion extending to the outside of the battery can; and a gasket insertion portion penetrating the upper surface of the battery can. can include
  • the through-terminal may be riveted to the inner surface of the battery can.
  • the cylindrical secondary battery may further include a first current collecting plate having a first surface coupled to the first uncoated portion and a second surface coupled to the through terminal.
  • the through terminal may include a terminal exposed portion extending to the outside of the battery can; and a terminal insert penetrating the upper surface of the battery can.
  • a central region of the terminal insertion part may be coupled to the first current collecting plate.
  • the cylindrical secondary battery may further include an insulator interposed between the first current collecting plate and the battery can.
  • the through terminal may pass through the insulator and be coupled to the first current collecting plate.
  • At least one of the first uncoated portion and the second uncoated portion may be bent toward the winding center of the electrode assembly.
  • the cap plate may include a venting part configured to be broken to discharge gas when the internal pressure of the battery can increases to a predetermined level or higher.
  • the cap plate may be insulated from the electrode assembly and may not have a polarity.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention includes a plurality of cylindrical secondary cells according to an embodiment of the present invention; and a pack housing accommodating the plurality of cylindrical secondary batteries.
  • a vehicle according to an embodiment of the present invention includes a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • a cylindrical secondary battery structure having a structure in which a positive terminal and a negative terminal are applied in the same direction is provided, and accordingly, an electrical connection structure of a plurality of cylindrical secondary batteries can be simplified.
  • the electrode terminal of the cylindrical secondary battery has a sufficient area to be welded with electrical connection parts such as bus bars, it is possible to sufficiently secure the bonding strength between the electrode terminal and the electrical connection parts, and electrical connection parts and electrodes The resistance at the junction of the terminals can be lowered to a desirable level.
  • the sealing force of the battery can be improved by adjusting the thickness of the battery can for each position.
  • the energy density can be improved by adjusting the thickness of the battery can for each position.
  • FIG. 1 is a view showing the appearance of a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the internal structure of a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • 3 and 4 are partial cross-sectional views showing the upper structure of a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 5 and 6 are diagrams illustrating a coupling structure of a first current collecting plate and an electrode assembly applied to the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view of an electrode assembly in which an uncoated portion is bent according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view illustrating a process of welding a current collecting plate to a bent surface of an uncoated portion in the electrode assembly of FIG. 7 .
  • FIG. 9 is a partial cross-sectional view showing a lower structure of a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing a lower surface of a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing a second current collecting plate applied to the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • the cylindrical secondary battery 1 according to an embodiment of the present invention includes an electrode assembly 10, a battery can 20, a cap plate 30, and a through terminal 40. do.
  • the cylindrical secondary battery 1 includes an insulating gasket 50 and/or a first current collecting plate 60 and/or an insulator 70 and/or a second current collecting plate 80 and/or / or a sealing gasket 90 may be further included.
  • the electrode assembly 10 includes a first electrode having a first polarity, a second electrode having a second polarity, and a separator interposed between the first electrode and the second electrode.
  • the first electrode is an anode or a cathode
  • the second electrode corresponds to an electrode having a polarity opposite to that of the first electrode.
  • the electrode assembly 10 may have, for example, a jelly-roll shape. That is, the electrode assembly 10 may be manufactured by winding a laminate formed by sequentially stacking the first electrode, the separator, and the second electrode at least once around the winding center C. In this case, an additional separator may be provided on the outer circumferential surface of the electrode assembly 10 to insulate it from the battery can 20 .
  • the first electrode 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 first uncoated portion 11 to which the first electrode active material is not applied is present at one end of the first electrode current collector in the width direction (direction parallel to the Z-axis).
  • the first uncoated portion 11 may function as a first electrode tab.
  • the first uncoated portion 11 is provided above the electrode assembly 10 accommodated in the battery can 20 in the height direction (direction parallel to the Z-axis).
  • the second electrode 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 second uncoated portion 12 to which the second electrode active material is not coated is present at the other end of the second electrode current collector in the width direction (direction parallel to the Z-axis).
  • the second uncoated portion 12 may function as a second electrode tab.
  • the second uncoated portion 12 is provided below the electrode assembly 10 accommodated in the battery can 20 in the height direction (direction parallel to the Z-axis).
  • first uncoated portion 11 and the second uncoated portion 12 are opposite to each other along the width direction of the electrode assembly 10, that is, the height direction of the cylindrical secondary battery 1 (direction parallel to the Z-axis). extends in the direction of
  • the positive electrode active material coated on the positive electrode plate and the negative electrode 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 , -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; may be (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, includes at least one element selected from V and S
  • M 3 includes 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 battery can 20 is a substantially cylindrical container having an opening formed at a lower side 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.
  • 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.
  • a closed portion is provided on the opposite side of the open portion of the battery can 20 .
  • the outer surface of the closure corresponds to the upper surface of the battery can 20 .
  • 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 is, for example, electrically connected to the second uncoated portion 12 of the electrode assembly 10 .
  • the battery can 20 has the same polarity as the second uncoated portion 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 portion 21 is formed on the side of the open portion of the battery can 20, and has a shape in which the outer peripheral surface of the battery can 20 is press-fitted.
  • the beading portion 21 prevents the electrode assembly 10, which may have a size substantially corresponding to the width of the battery can 20, from escaping through an opening formed at the bottom of the battery can 20, and the cap plate ( 30) can function as a support to be seated.
  • the crimping part 22 is formed below the beading part 21 .
  • the crimping part 22 extends and bends from the beading part 21 to cover a part of the lower surface of the cap plate 30 while covering the outer circumferential surface of the cap plate 30 disposed below the beading part 21 .
  • An area 22a of the crimping portion 22 covering the lower surface of the cap plate 30 may include a flat portion.
  • the upper beading part 21a and the lower beading part 21b located at the top and bottom, respectively, based on the innermost part 21c of the beading part 21 located at the innermost side along the press-in direction have asymmetrical shapes.
  • can have Such an asymmetric shape may be formed in a process in which the battery can 20 is compressed along the height direction (direction parallel to the Z-axis) through a sizing process.
  • the sizing process is a process of adjusting the height of the cylindrical battery 1 to the design form factor by pressing the housing 20 along the direction of the winding axis of the electrode assembly 10 .
  • the lower beading portion 21b may have a flat portion substantially parallel to the closed portion of the battery can 20 .
  • the upper beading portion 21a may have a shape inclined upward at least partially along a direction toward the innermost portion 21c. Accordingly, the upper beading portion 21a may press and fix the lower portion of the electrode assembly 10 .
  • the beading part 21 prevents the electrode assembly 10 having a size substantially corresponding to the inner diameter of the battery can 20 from escaping through the opening formed at the lower end of the housing 20, and the cap plate 30 It can function as a support to be seated.
  • the lower beading portion 21b may function as a support portion for seating and fixing the can coupling portion 80b of the second current collector 80 as well as the cap plate 30 .
  • the battery can 20 may be configured to have a different thickness for each position.
  • the thickness of the side wall portion may be formed thinner than the thickness of the closing portion. Since the diameter of the electrode assembly 10 can be formed larger, it can be advantageous in terms of energy density.
  • the battery can 20 may have a thickness in the range of about 0.5 mm to 1.0 mm, and more preferably a thickness in the range of about 0.6 mm to 0.8 mm.
  • the battery can 20 may have a thickness of a side wall portion constituting an outer circumferential surface of about 0.3 mm to about 0.8 mm, more preferably about 0.40 mm to about 0.60 mm.
  • a plating layer may be formed on the battery can 20 .
  • the plating layer may include, for example, nickel (Ni).
  • the plating layer may have a thickness of about 1.5 ⁇ m to about 6.0 ⁇ m.
  • the battery can 20 may be formed to have a different thickness for each position within the region where the crimping part 22 is formed.
  • the thickness of the region 22a covering the lower surface of the cap plate 30 of the crimping portion 22 may be thicker than the thickness of the rest of the crimping portion 22 . This is to prevent the area 22a covering the lower surface of the cap plate 30 from being easily deformed in order to seal the battery can 20 .
  • the thickness of the region 22a covering the lower surface of the cap plate 30 of the crimping portion 22 is made thicker than the peripheral thickness, it is possible to prevent the venting portion 31, which will be described later, from not operating normally.
  • the venting operation may be performed normally.
  • the thickness of the sidewall of the battery can 20 is approximately 0.45 mm
  • the thickness of the region 22a covering the lower surface of the cap plate 30 among the crimping portions 22 is set to approximately 0.70 mm. It can be.
  • the entire area of the crimping portion 22 surrounding the edge area of the cap plate 30 may have a thicker thickness than the rest of the sidewall portion of the battery can 20 .
  • the beading portion 21 and the crimping portion 22 may have a thicker thickness compared to the remaining sidewall portions of the battery can 20 .
  • the battery can 20 supporting the cap plate 30 it is possible to maximize the prevention effect against the phenomenon in which venting is not normally performed due to the deformation of the battery can, and the accommodating space of the electrode assembly 10 may not be reduced despite the increase in the thickness of the battery can 20.
  • the beading part 21 and/or the crimping part 22 are formed below the accommodation space of the electrode assembly 10 (downward along the Z-axis direction), the beading part 21 and/or Alternatively, even if the thickness of the crimping portion 22 is partially or entirely increased, the accommodation space of the electrode assembly 10 may not be reduced, and thus the energy density may not be reduced.
  • the cap plate 30 may be made of, for example, a metal material to secure rigidity.
  • the cap plate 30 is configured to seal an opening formed at a lower end of the battery can 20 .
  • the cap plate 30 forms the lower surface of the cylindrical secondary battery 1 .
  • the cap plate 30 does not have a polarity even if it is made of a conductive metal material. Having no polarity may mean that the cap plate 30 is electrically insulated from the battery can 20 and the through terminal 40 . Accordingly, the cap plate 30 does not function as a positive or negative terminal. Accordingly, the cap plate 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 cap plate 30 When the battery can 20 of the present invention includes the beading part 21 , the cap plate 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 part 22 , the cap plate 30 is fixed by the crimping part 22 . An airtight gasket 90 may be interposed between the cap plate 30 and the crimping portion 22 of the battery can 20 to ensure airtightness of the battery can 20 .
  • the cap plate 30 includes a venting portion 31 formed to prevent internal pressure from increasing beyond a predetermined value due to gas generated inside the battery can 20. more can be provided.
  • the bent portion 31 corresponds to an area of the cap plate 30 having a smaller thickness than the surrounding area.
  • the venting part 31 is structurally weak compared to the surrounding area. Therefore, when an abnormality occurs in the cylindrical secondary battery 1 and the internal pressure of the battery can 20 increases to a certain level or more, the venting part 31 is broken and the gas generated inside the battery can 20 is released. It is discharged.
  • the venting portion 31 may be formed, for example, by notching one or both surfaces of the cap plate 30 to partially reduce the thickness of the battery can 20. .
  • the cylindrical secondary battery 1 has a structure in which both a positive terminal and a negative terminal are present on the upper part, and therefore, the upper structure is more complicated than the lower structure. Accordingly, a venting part 31 may be formed on the cap plate 30 forming the lower surface of the cylindrical secondary battery 1 to smoothly discharge the gas generated inside the battery can 20 .
  • the lower end of the cap plate 30 is preferably positioned higher than the lower end of the battery can 20 . In this case, even if the lower end of the battery can 20 touches the ground or the bottom surface of the housing for module or pack configuration, the cap plate 30 is on the ground or the bottom surface of the housing for module or pack configuration. do not reach Therefore, it is possible to prevent a phenomenon in which the pressure required for breaking the bent part 31 differs from the design value due to the weight of the cylindrical secondary battery 1, and accordingly, the smoothness of breaking the bent part 31 can be secured. there is.
  • the venting part 31 is formed along the periphery of a substantially flat area protruding downward from the edge circumferential area of the cap plate 30 (in a downward direction with reference to FIG. 9 ). It can be advantageous to be
  • venting part 31 is continuously formed on the cap plate 30 in a substantially circular shape, but the present invention is not limited thereto.
  • the venting portion 31 may be discontinuously formed on the cap plate 30 in a substantially circular shape, or may be formed in a substantially straight line shape or other shapes.
  • the through terminal 40 is made of a metal material having conductivity, and is located on the upper surface of the battery can 20, that is, on the opposite side of the opening of the battery can 20 ( plane parallel to the X-Y plane).
  • the through terminal 40 is, for example, electrically connected to the first uncoated portion 11 of the electrode assembly 10 .
  • the through terminal 40 has a first polarity. Therefore, the through terminal 40 can function as a first electrode terminal in the cylindrical secondary battery 1 of the present invention.
  • the through terminal 40 has the first polarity
  • the through terminal 40 is electrically insulated from the battery can 20 having the second polarity. Electrical insulation between the through terminal 40 and the battery can 20 may be realized in various ways.
  • insulation may be realized by interposing an insulation gasket 50, which will be described later, between the through terminal 40 and the battery can 20.
  • insulation may be realized by forming an insulating coating layer on a portion of the through terminal 40 .
  • a method of structurally firmly fixing the through terminal 40 may be applied so that contact between the through terminal 40 and the battery can 20 is impossible.
  • a plurality of methods among the methods described above may be applied together.
  • the through terminal 40 includes a terminal exposed portion 41 and a terminal inserted portion 42 .
  • the terminal exposed portion 41 is exposed to the outside of the battery can 20 .
  • the terminal exposed portion 41 may be located at a substantially central portion of the upper surface of the battery can 20 .
  • the maximum width of the terminal exposed portion 41 may be greater than the maximum width of a hole formed in the battery can 20 due to the penetration of the through terminal 40 .
  • the terminal insertion portion 42 may be electrically connected to the first uncoated portion 11 through a substantially central portion of the upper surface of the battery can 20 .
  • An area around the edge of the terminal insertion part 42 may be rivet-bonded to the inner surface of the battery can 20 .
  • the edge circumferential area of the terminal insertion part 42 may have a shape curved toward the inner surface of the battery can 20, whereby the maximum width of the end of the terminal insertion part 42 is the terminal insertion part 42. ) It may be formed larger than the maximum width of the hole of the battery can 20 formed by the penetration.
  • the central region of the terminal insertion part 42 may be coupled to the first current collecting plate 60 .
  • a central area of the terminal insertion part 42 may have, for example, a substantially cylindrical shape.
  • the diameter of the bottom surface of the central area of the terminal insertion part 42 may be set to about 6.2 mm.
  • connection between the bottom surface of the central region of the terminal insertion part 42 and the first current collecting plate 60 may be performed by, for example, laser welding or ultrasonic welding.
  • the laser welding may be performed by irradiating a laser through a hole formed in the winding center C of the electrode assembly 10 to form a laser welding line on one surface of the first current collecting plate 60 .
  • the laser welding line may be formed in a shape drawing a substantially concentric circle with a bottom surface of a central region of the terminal insertion portion 42 of one surface of the first collector plate 60 .
  • the welding line may be formed continuously or partially discontinuously.
  • the concentric welding line may have a diameter of approximately 60% to 80% of the diameter of the bottom surface of the central region of the terminal insertion part 42 .
  • the diameter of the circle drawn by the welding line may preferably be approximately 4.0 mm or more.
  • the diameter of the circle drawn by the welding line is formed too small, bonding strength by welding may be insufficient.
  • the diameter of the circle drawn by the welding line is too large, the risk of damage to the electrode assembly 10 due to heat and/or welding spatter may increase. It can be performed by inserting a welding rod for ultrasonic welding through a hole formed in the center (C).
  • the weld portion formed by the ultrasonic welding is formed in the contact interface between the bottom surface of the central region of the terminal insertion portion 42 and the first current collector plate 60 .
  • the welding portion formed by the ultrasonic welding may be entirely formed within a concentric circle having a diameter of approximately 30% to 80% of the bottom surface of the central region of the terminal insertion portion 42 .
  • the diameter of the circle drawn by the ultrasonic welding portion may be approximately 2.0 mm or more.
  • the diameter of the circle drawn by the ultrasonic welding is formed too small, bonding strength by welding may be insufficient.
  • the diameter of the circle drawn by the ultrasonic welding is too large, the risk of damage to the electrode assembly 10 due to heat and/or vibration may increase.
  • the upper surface of the battery can 20 and the through terminal 40 exposed to the outside of the battery can 20 have polarities opposite to each other and face the same direction.
  • a step may be formed between the through terminal 40 and the upper surface of the battery can 20 .
  • the terminal exposed portion 41 of the through terminal 40 is the battery can 20 It may protrude more upward than the upper surface.
  • the upper surface of the battery can 20 has a concave recessed shape downward from the center, that is, in a direction toward the electrode assembly 10, the upper surface of the battery can 20 is the electrode terminal 40. ) may protrude more upward than the terminal exposed portion 41 of the.
  • the upper surface of the battery can 20 has a recessed shape downward from its center, that is, in a direction toward the electrode assembly 10, the recessed depth and terminal exposure of the electrode terminal 40 Depending on the thickness of the portion 41, the upper surface of the battery can 20 and the upper surface of the terminal exposed portion 41 may form the same plane. In this case, a step may not be formed between the upper surface of the battery can 20 and the terminal exposed portion 41 .
  • the insulating gasket 50 is interposed between the battery can 20 and the through terminal 40 to prevent the battery can 20 and the through terminal 40 having opposite polarities from contacting each other.
  • the upper surface of the battery can 20 having a substantially flat shape can function as the second electrode terminal of the cylindrical secondary battery 1 .
  • the insulating gasket 50 includes a gasket exposed portion 51 and a gasket inserted portion 52 .
  • the gasket exposed portion 51 is interposed between the terminal exposed portion 41 of the through terminal 40 and the battery can 20 .
  • the gasket insertion part 52 is interposed between the terminal insertion part 42 of the through terminal 40 and the battery can 20 .
  • the gasket insertion part 52 may be deformed together during riveting of the terminal insertion part 42 and adhered to the inner surface of the battery can 20 .
  • the insulating gasket 50 may be made of, for example, an insulating resin material.
  • the gasket exposed portion 51 of the insulating gasket 50 may have an extended shape to cover an outer circumferential surface of the terminal exposed portion 41 of the through terminal 40 .
  • the gasket exposed portion 51 of the insulating gasket 50 may have an extended shape to cover not only the outer circumferential surface of the terminal exposed portion 41 but also a part of the upper surface thereof.
  • the insulating gasket 50 may be coupled to the battery can 20 and the through terminal 40 by thermal fusion. In this case, airtightness at the bonding interface between the insulating gasket 50 and the through terminal 40 and at the bonding interface between the insulating gasket 50 and the battery can 20 may be enhanced.
  • the gasket exposed portion 51 of the insulating gasket 50 has a shape extending to the upper surface of the terminal exposed portion 41, the through terminal 40 is inserted into the insulating gasket 50 and the may be combined.
  • the insulating gasket 50, the insulator 70, and the sealing gasket 90 may be formed of the same material. However, this is not essential.
  • the insulation gasket 50 and the insulator 70 may have the same thickness. However, this is not essential. If they have different thicknesses, the insulator 70 may be thinner than the thickness of the insulating gasket 50, and vice versa.
  • the entire area except for the area occupied by the through terminal 40 and the insulating gasket 50 is attached to the second electrode terminal 20a having a polarity opposite to that of the through terminal 40.
  • the through-terminal 40 having the insulating coating layer on the upper surface of the battery can 20 may function as the second electrode terminal 20a.
  • the cylindrical sidewall of the battery can 20 may be formed in one piece with the second electrode terminal 20a so that there is no discontinuous portion between the second electrode terminal 20a and the second electrode terminal 20a.
  • a connection from the sidewall of the battery can 20 to the second electrode terminal 20a may be a smooth curve.
  • the connection portion may include at least one corner having a predetermined angle.
  • the first current collecting plate 60 may be coupled to an upper portion of the electrode assembly 10 .
  • the first current collecting plate 60 is made of a conductive metal material and is connected to the first uncoated portion 11 .
  • the first current collecting plate 60 may have a plurality of radially formed irregularities on its lower surface. When the irregularities are formed, the irregularities may be pressed into the first uncoated portion 11 by pressing the first current collecting plate 60 .
  • the first current collecting plate 60 is coupled to an end of the first uncoated portion 11 .
  • the coupling between the first uncoated portion 11 and the first current collecting plate 60 may be performed by, for example, laser welding.
  • the laser welding may be performed by partially melting the base material of the first current collecting plate 60, or in a state where solder for welding is interposed between the first current collecting plate 60 and the first uncoated portion 11. may be done In this case, the solder preferably has a lower melting point than that of the first current collecting plate 60 and the first uncoated portion 11 .
  • the first current collecting plate 60 may be coupled to a coupling surface formed by bending an end of the first uncoated portion 11 in a direction parallel to the first current collecting plate 60 .
  • the bending direction of the first uncoated portion 11 may be, for example, a direction toward the winding center C of the electrode assembly 10 .
  • the uncoated portion 11 has such a bent shape, the space occupied by the first uncoated portion 11 is reduced, resulting in an improvement in energy density.
  • bonding force may be improved and resistance may be reduced.
  • FIG. 7 shows an exemplary form of a structure in which the uncoated portions 11 and 12 of the electrode assembly 10 of the present invention are bent.
  • the first electrode among the first and second electrodes described above will be described as an example, but the structure of the first electrode may be substantially equally applied to the second electrode.
  • the first electrode includes a sheet-shaped first electrode current collector made of a foil of a conductive material, a first active material layer formed on at least one surface of the first electrode current collector, and a first electrode.
  • a first uncoated portion 11 formed by not coating an active material on a long side end of the current collector may be included.
  • the first uncoated portion 11 may include a plurality of notched segment pieces 11a.
  • the first uncoated portion 11 may be bent, for example, from the outer circumferential side to the core side along the radial direction of the electrode assembly 10 .
  • the segment pieces 11a of the uncoated portion 11 are formed by notching the first uncoated portion 11, the plurality of segment pieces 11a form, for example, the electrode assembly 10 It can be bent from the outer circumferential side to the core side.
  • the current collecting plates 60 and 80 may be coupled to coupling surfaces formed by bending the uncoated portions 11 and 12 .
  • the bent segments 11a may be overlapped in several layers.
  • the current collecting plates 60 and 80 may be coupled to regions where the plurality of segment segments 11a are stacked in multiple layers.
  • the electrode assembly 10 may include a welding target region, which is an area in which the number of overlapping layers of the segments 11a of the first uncoated portion 11 is kept constant along the radial direction of the electrode assembly 10. there is. In this region, the number of overlapping layers can be kept to about the maximum, and welding of the current collecting plates 60 and 80 and the uncoated portions 11 and 12 may be advantageously performed in this region.
  • the insulator 70 includes a first current collecting plate 60 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 inner surface of the battery can 20.
  • the insulator 70 prevents contact between the first uncoated portion 11 and the battery can 20 and/or prevents contact between the first current collecting plate 60 and the battery can 20 .
  • the insulator 70 may also be interposed between the upper end of the outer circumferential surface of the electrode assembly 10 and the inner surface of the battery can 20 .
  • the first current collecting plate 60 may be a plate extending completely across the upper end of the outer circumferential surface of the electrode assembly 10 . However, the present invention is not limited thereto, and the first current collecting plate 60 may be formed to extend only partially across the upper end of the outer circumferential surface of the electrode assembly 10 .
  • the terminal insertion portion 42 of the penetrating terminal 40 passes through the insulator 70 to form the first collector plate 60. ) or combined with the first uncoated portion 11.
  • the insulator 70 may have an opening adjacent to the winding center C. The opening allows the terminal insertion portion 42 of the through terminal 40 to directly contact the first current collecting plate 60 .
  • the terminal insertion portion 42 may have a circular shape in plan, but is not limited thereto.
  • the terminal insertion part 42 may optionally have a polygonal shape, a star shape, a shape having a leg extending from the center, or the like.
  • the second current collecting plate 80 may be coupled to a lower portion of the electrode assembly 10 .
  • the second current collecting plate 80 is made of a conductive metal material and may be connected to the second uncoated portion 12 .
  • the second current collecting plate 80 is electrically connected to the battery can 20 .
  • the second current collecting plate 80 may be interposed and fixed between the inner surface of the battery can 20 and the sealing gasket 90 .
  • the second current collecting plate 80 may be welded to the inner wall surface of the battery can 20 .
  • the second current collecting plate 80 may include an uncoated portion coupling portion 80a and a can coupling portion 80b.
  • the uncoated portion coupling portion 80a may be coupled to the second uncoated portion 12 and electrically connected to the electrode assembly 10 .
  • the can coupling part 80b may be coupled to the battery can 20 by, for example, welding.
  • the can coupling part 80b may be coupled to the beading part 21 of the battery can 20, for example.
  • the can coupling part 80b may be coupled to a flat part formed in the lower beading part 21b.
  • the can coupling part 80b may be interposed between the lower beading part 21b and the airtight gasket 90.
  • the second current collecting plate 80 may include a plurality of radially formed irregularities on one surface thereof. When the unevenness is formed, the second current collecting plate 80 may be pressed to press-fit the unevenness into the second uncoated portion 12 .
  • the second current collecting plate 80 is coupled to an end of the second uncoated portion 12 .
  • the coupling between the second uncoated portion 12 and the second current collecting plate 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 plate 80, and in a state where solder for welding is interposed between the second current collector plate 80 and the second uncoated portion 12. may be done In this case, the solder preferably has a lower melting point than that of the second current collecting plate 80 and the second uncoated portion 12 .
  • the second current collecting plate 80 may be coupled to a coupling surface formed by bending an end of the second uncoated portion 12 in a direction parallel to the second current collecting plate 80 .
  • the bending direction of the second uncoated portion 12 may be, for example, a direction toward the winding center C of the electrode assembly 10 .
  • the space occupied by the second uncoated portion 12 is reduced, thereby improving energy density.
  • bonding force may be improved and resistance may be reduced.
  • the second current collecting plate 80 may include a plurality of sub-plates 81 extending radially from the center and spaced apart from each other.
  • the plurality of sub-plates 81 are coupled to the second uncoated portion 12 and the battery can 20, respectively.
  • the second current collecting plate 80 When the second current collecting plate 80 includes a plurality of sub-plates 81 spaced apart from each other, the second current collecting plate 80 partially covers the lower surface of the electrode assembly 10 . Thus, a sufficient space is secured for the gas generated from the electrode assembly 10 to move toward the top plate 30, and gas venting downward from the cylindrical secondary battery 1 can be smoothly performed. Meanwhile, as described above, the structure of the second current collecting plate 80 including the plurality of sub-plates 81 may also be applied to the first current collecting plate 60 described above.
  • a cylindrical secondary battery 1 includes a through-terminal 40 having a first polarity on one side of its longitudinal direction (direction parallel to the Z-axis) and through-through terminals.
  • a second electrode terminal 20a electrically insulated from the terminal 40 and having a second polarity is provided together. That is, since the pair of electrode terminals 30 and 20a are located in the same direction in the cylindrical secondary battery 1 according to an embodiment of the present invention, when a plurality of cylindrical secondary batteries 1 are electrically connected, In this case, it is possible to place an electrical connection component such as a bus bar on only one side of the cylindrical secondary battery (1). This can lead to simplification of the battery pack structure and improvement of energy density.
  • the cylindrical secondary battery 1 has a structure in which one surface of the battery can 20 having a substantially flat shape can be used as the second electrode terminal 20a, thereby providing electrical connection parts such as bus bars When bonding to the two-electrode terminal 20a, a sufficient bonding area can be secured. Accordingly, in the cylindrical secondary battery 1, sufficient bonding strength between the electrical connection component and the second electrode terminal 20a may be secured, and resistance at the bonding portion may be reduced to a desired level.
  • a bus bar B is connected to each of the first electrode terminal 40 and the second electrode terminal 20a of the cylindrical secondary battery 1 of the present invention.
  • the battery can 20 among the first electrode terminals 40 The area exposed to the outside, that is, the width D1 of the upper surface of the terminal exposed portion 41 is approximately 10% to 60% of the width D2 of the upper surface of the second electrode terminal 20a, that is, the battery can 20. can be set.
  • 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.
  • a battery pack 3 is a secondary battery assembly in which a plurality of cylindrical secondary batteries 1 according to an embodiment of the present invention are electrically connected, as described above, and It includes a pack housing (2) for accommodating.
  • a pack housing (2) for accommodating.
  • components such as a bus bar, a cooling unit, and a power terminal for electrical connection are omitted for convenience of illustration.
  • a vehicle 5 may be, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a plug-in hybrid vehicle, and includes a battery pack 3 according to an embodiment of the present invention.
  • the automobile 5 includes a four-wheeled automobile and a two-wheeled automobile.
  • 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 원통형 이차전지는, 제1 극성을 갖는 제1 무지부 및 제2 극성을 갖는 제2 무지부를 구비하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하며 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결되며, 위치별로 두께가 상이하도록 구성되는 전지 캔; 상기 전지 캔의 일 면을 관통하며 상기 제1 무지부와 전기적으로 연결되는 관통 단자; 및 상기 전지 캔의 개방부를 밀폐하도록 구성되는 캡 플레이트; 를 포함한다.

Description

원통형 이차전지, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
본 발명은, 원통형 이차전지, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로는, 본 발명은 종래의 원통형 이차전지의 구조를 크게 변형시키지 않으면서 양극 단자와 음극 단자가 모두 원통형 이차전지의 일 측에 인접 배치된 구조를 갖는 원통형 이차전지, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
본 출원은, 2021년08월13일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0107670호, 2021년10월29일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0147361호 및 2022년07월19일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2022-0089206호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
원통형 이차전지를 이용하여 배터리 팩을 제작하고자 하는 경우, 통상적으로 복수의 원통형 이차전지들을 하우징 내에 기립 배치시키고, 원통형 이차전지의 상단과 하단을 각각 양극 단자 및 음극 단자로 활용하여 복수의 원통형 이차전지들 상호 간을 전기적으로 연결시킨다.
이는, 원통형 이차전지에 있어서, 전지 캔의 내부에 수납되는 전극 조립체의 음극 무지부는 하방으로 연장되어 전지 캔의 바닥 면과 전기적으로 연결되고, 양극 무지부는 상방으로 연장되어 탑 캡과 전기적으로 연결되기 때문이다. 즉, 원통형 이차전지에 있어서, 전지 캔의 바닥면이 음극 단자로서 이용되고, 전지 캔의 상단 개방부를 커버하는 탑 캡이 양극 단자로서 이용되는 것이 일반적이다.
그러나, 이처럼 원통형 이차전지의 양극 단자와 음극 단자가 서로 반대 편에 위치하는 경우, 복수의 원통형 이차전지를 전기적으로 연결하기 위한 버스바 등의 전기적 연결 부품이 원통형 이차전지의 상부와 하부에 모두 적용되어야 한다. 이는, 배터리 팩이 전기적 연결 구조를 복잡하게 한다.
뿐만 아니라, 이와 같은 구조에서는, 절연을 위한 부품 및 방수성이나 밀폐성의 확보를 위한 부품 등이 배터리 팩의 상부와 하부에 개별적으로 적용되어야 하기 때문에 적용되는 부품 수의 증가 및 구조의 복잡화를 초래한다.
따라서, 복수의 원통형 이차전지의 전기적 연결 구조를 단순하게 할 수 있도록, 양극 단자와 음극 단자가 동일 방향에 적용된 구조를 갖는 원통형 이차전지에 대한 개발이 요구된다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 양극 단자와 음극 단자가 동일 방향에 적용된 구조를 갖는 원통형 이차전지 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 일 방향에서 복수의 원통형 이차전지를 전기적으로 연결하고자 하는 경우에 있어서, 배터리 팩 제조를 위한 버스바 등의 전기적 연결 부품과 원통형 이차전지의 전극 단자가 용접될 수 있는 충분한 면적을 확보하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 전지 캔의 두께를 위치별로 조절하여 전지 캔의 밀폐력을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 전지 캔의 두께를 위치별로 조절하여 에너지 밀도를 향상시키는 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 원통형 이차전지는, 제1 극성을 갖는 제1 무지부 및 제2 극성을 갖는 제2 무지부를 구비하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하며 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결되며, 위치별로 두께가 상이하도록 구성되는 전지 캔; 상기 전지 캔의 일 면을 관통하며 상기 제1 무지부와 전기적으로 연결되는 관통 단자; 및 상기 전지 캔의 개방부를 밀폐하도록 구성되는 캡 플레이트; 를 포함한다.
상기 전지 캔은, 상기 전지 캔의 개방부 측에 형성되며, 전지 캔의 외주면 둘레가 압입된 형태를 갖는 비딩부; 및 상기 비딩부의 하부에 형성되며, 상기 캡 플레이트를 고정시키도록 구성되는 크림핑부; 를 구비할 수 있다.
상기 크림핑부는, 상기 캡 플레이트의 가장자리 영역을 감싸며, 상기 캡 플레이트의 하면의 일부를 커버하도록 연장 및 절곡된 형태를 가질 수 있다.
상기 원통형 이차전지는, 상기 전지 캔의 상기 크림핑부와 상기 캡 플레이트 사이에 개재되는 기밀 가스켓을 더 포함할 수 있다.
상기 크림핑부 중 상기 캡 플레이트의 하면을 커버하는 영역의 두께는, 상기 크림핑부의 나머지 영역의 두께보다 더 두껍게 형성될 수 있다.
상기 크림핑부 중 상기 캡 플레이트의 하면을 커버하는 영역은 평탄부를 포함할 수 있다.
상기 캡 플레이트의 가장자리 영역을 감싸는 상기 크림핑부의 전체 영역이 상기 전지 캔의 나머지 측벽부와 비교하여 더 두꺼운 두께를 가질 수 있다.
상기 비딩부 및 크림핑부는, 상기 전지 캔의 나머지 측벽부와 비교하여 더 두꺼운 두께를 가질 수 있다.
상기 전지 캔의 측벽부의 두께는 상기 전지 캔의 폐쇄부의 두께보다 더 얇게 형성될 수 있다.
상기 관통 단자는 상기 개방부의 반대 편에 위치하는 전지 캔의 일 면의 중심부에 위치할 수 있다.
상기 관통 단자는, 상기 전지 캔의 외측으로 연장되는 단자 노출부; 및 상기 전지 캔의 상면을 관통하는 단자 삽입부; 를 포함할 수 있다.
상기 원통형 이차전지는, 상기 전지 캔과 상기 관통 단자 사이에 개재되어 상기 관통 단자와 전지 캔을 절연시키는 절연 가스켓을 더 포함할 수 있다.
상기 절연 가스켓은, 상기 전지 캔의 외측으로 연장되는 가스켓 노출부; 및 상기 전지 캔의 상면을 관통하는 가스켓 삽입부; 를 포함할 수 있다.
상기 관통 단자는, 상기 전지 캔의 내측 면 상에 리벳 결합될 수 있다.
상기 원통형 이차전지는, 제1 면이 상기 제1 무지부와 결합되고 제2 면이 관통 단자와 결합되는 제1 집전 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 관통 단자는, 상기 전지 캔의 외측으로 연장되는 단자 노출부; 및 상기 전지 캔의 상면을 관통하는 단자 삽입부; 를 포함할 수 있다.
상기 단자 삽입부의 중심 영역은 상기 제1 집전 플레이트와 결합될 수 있다.
상기 원통형 이차전지는, 상기 제1 집전 플레이트와 전지 캔 사이에 개재되는 인슐레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 관통 단자는, 상기 인슐레이터를 통과하여 상기 제1 집전 플레이트와 결합될 수 있다.
상기 제1 무지부 및 제2 무지부 중 적어도 어느 하나는, 상기 전극 조립체의 권취 중심을 향해 절곡될 수 있다.
상기 캡 플레이트는, 상기 전지 캔의 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하는 경우 파단되어 가스를 배출하도록 구성되는 벤팅부를 구비할 수 있다.
상기 캡 플레이트는, 상기 전극 조립체와 절연되며 극성을 갖지 않을 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 원통형 이차전지; 및 상기 복수의 원통형 이차전지를 수용하는 팩 하우징; 을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명에 따르면, 양극 단자와 음극 단자가 동일 방향에 적용된 구조를 갖는 원통형 이차전지 구조를 제공되며, 이에 따라 복수의 원통형 이차전지의 전기적 연결 구조가 단순화 될 수 있다.
본 발명에 따르면, 원통형 이차전지의 전극 단자가 버스바 등의 전기적 연결 부품과 용접될 수 있는 충분한 면적을 가짐으로써 전극 단자와 전기적 연결 부품 간의 접합 강도를 충분히 확보할 수 있고, 전기적 연결 부품과 전극 단자의 접합 부위에서의 저항을 바람직한 수준으로 낮출 수 있다.
본 발명에 따르면, 전지 캔의 두께를 위치별로 조절하여 전지 캔의 밀폐력을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 전지 캔의 두께를 위치별로 조절하여 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
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 실시예에 따른 원통형 이차전지의 외관을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 내부 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 상부 구조를 나타내는 부분 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 적용되는 제1 집전 플레이트와 전극 조립체의 결합 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 무지부가 절곡된 전극 조립체의 사시도이다.
도 8은 도 7의 전극 조립체에서 무지부의 절곡면에 집전 플레이트가 용접되는 공정을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 하부 구조를 나타내는 부분 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 하면을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명에 적용되는 제2 집전 플레이트를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 개략도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 나타내는 개념도이다.
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), 캡 플레이트(30) 및 관통 단자(40)를 포함한다. 상기 원통형 이차전지(1)는, 상술한 구성요소들 이 외에도 추가적으로 절연 가스켓(50) 및/또는 제1 집전 플레이트(60) 및/또는 인슐레이터(70) 및/또는 제2 집전 플레이트(80) 및/또는 실링 가스켓(90)을 더 포함할 수도 있다.
상기 전극 조립체(10)는, 제1 극성을 갖는 제1 전극, 제2 극성을 갖는 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 분리막을 포함한다. 상기 제1 전극은 양극 또는 음극이고, 제2 전극은 제1 전극과 반대되는 극성을 갖는 전극에 해당한다.
상기 전극 조립체(10)는, 예를 들어 젤리-롤(jelly-roll) 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 전극, 분리막, 제2 전극을 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 분리막이 구비될 수 있다.
상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 제1 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제1 전극 활물질을 포함한다. 상기 제1 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측 단부에는 제1 전극 활물질이 도포되지 않은 제1 무지부(11)가 존재한다. 상기 제1 무지부(11)는, 제1 전극 탭으로서 기능할 수 있다. 상기 제1 무지부(11)는, 전지 캔(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 상부에 구비된다.
상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 제2 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제2 전극 활물질을 포함한다. 상기 제2 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 타 측 단부에는 제2 전극 활물질이 도포되지 않은 제2 무지부(12)가 존재한다. 상기 제2 무지부(12)는, 제2 전극 탭으로서 기능할 수 있다. 상기 제2 무지부(12)는, 전지 캔(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 하부에 구비된다.
즉, 상기 제1 무지부(11) 및 제2 무지부(12)는, 전극 조립체(10)의 폭 방향, 즉 원통형 이차전지(1)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 서로 반대 방향으로 연장 돌출된다.
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 , -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.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 전지 캔(20)은, 하방에 개방부가 형성된 대략 원통형의 수용체로서, 예를 들어 금속과 같은 도전성을 갖는 재질로 이루어진다. 상기 전지 캔(20)의 재질은, 예를 들어 알루미늄일 수 있다. 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 전지 캔(20)의 개방부의 반대편에는 폐쇄부가 구비된다. 상기 폐쇄부의 외측 면은 전지 캔(20)의 상면에 해당한다. 상기 전지 캔(20)은, 하방에 형성된 개방부를 통해 전극 조립체(10)를 수용하며, 전해질도 함께 수용한다.
상기 전지 캔(20)은, 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결된다. 상기 전지 캔(20)은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 제2 무지부(12)와 전기적으로 연결된다. 이 경우, 상기 전지 캔(20)은, 제2 무지부(12)와 동일한 극성을 갖는다.
도 2 및 도 9를 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 개방부 측에 형성되며, 전지 캔(20)의 외주면 둘레가 압입된 형태를 갖는다. 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, 캡 플레이트(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 캡 플레이트(30)의 외주면을 감싸며 캡 플레이트(30)의 하면의 일부를 커버하도록 비딩부(21)로부터 연장 및 절곡된 형태를 갖는다. 상기 크림핑부(22) 중 캡 플레이트(30)의 하면을 커버하는 영역(22a)은, 평탄부를 포함할 수 있다.
압입 방향을 따라 최 내측에 위치하는 상기 비딩부(21)의 최 내측부(21c)를 기준으로 각각 상부와 하부에 위치하는 상부 비딩부(21a) 및 하부 비딩부(21b)는 서로 비대칭적 형상을 가질 수 있다. 이러한 비대칭적 형상은, 사이징(sizing) 공정을 통해 전지 캔(20)이 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 압축되는 과정에서 형성될 수 있다. 사이징 공정은 하우징(20)을 전극 조립체(10)의 권취 축 방향을 따라 가압하여 원통형 배터리(1)의 높이를 설계 폼 팩터에 맞추는 공정이다.
상기 하부 비딩부(21b)는 전지 캔(20)의 폐쇄부와 대략 나란한 평탄부를 구비할 수 있다. 반면, 비대칭적 형성으로 인해 상부 비딩부(21a)는 최 내측부(21c)를 향하는 방향을 따라 적어도 부분적으로 상향 경사진 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 상부 비딩부(21a)는 전극 조립체(10)의 하부를 압박하여 고정시킬 수 있다. 상기 비딩부(21)는, 전지 캔(20)의 내경과 대략 대응되는 사이즈를 갖는 전극 조립체(10)가 하우징(20)의 하단에 형성된 개구부를 통해 빠져나오지 않도록 하며, 캡 플레이트(30)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다. 상기 하부 비딩부(21b)는 캡 플레이트(30)뿐만 아니라 제2 집전체(80)의 캔 결합부(80b)를 안착 및 고정시키기 위한 지지부로서 기능할 수 있다.
한편, 상기 전지 캔(20)은, 위치별로 그 두께가 상이하도록 구성될 수 있다. 상기 전지 캔(20)은, 그 측벽부의 두께가 폐쇄부의 두께보다 더 얇게 형성될 수 있다. 이 전극 조립체(10)의 직경을 더 크게 형성할 수 있기 때문에 에너지 밀도의 측면에서 유리할 수 있다.
예를 들어, 상기 전지 캔(20)은 그 폐쇄부, 즉 상면을 이루는 영역이 대략 0.5mm 내지 1.0mm 범위의 두께를 가질 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 대략 0.6mm 내지 0.8mm 범위의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 전지 캔(20)은, 그 외주면을 이루는 측벽부가 대략 0.3mm 내지 0.8mm 범위의 두께를 가질 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 대략 0.40mm 내지 0.60mm 범위를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전지 캔(20)에는 도금 층이 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 도금 층은, 예를 들어 니켈(Ni)을 포함할 수 있다. 상기 도금 층의 두께는 대략 1.5㎛ 내지 6.0㎛ 범위일 수 있다.
상기 전지 캔(20)의 두께는 얇을수록 내부 공간이 커지게 되고, 이로써 에너지 밀도가 향상되어 큰 용량을 갖는 원통형 이차전지(1)를 제조할 수 있게 된다. 반대로 두께가 두꺼울수록 폭발 테스트 시 인접 셀로 화염이 연쇄적으로 전파되지 않아 안전성의 측면에서는 유리할 수 있다.
한편, 도 9를 참조하면, 상기 전지 캔(20)은, 크림핑부(22)가 형성된 영역 내에서 위치별로 그 두께가 상이하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 크림핑부(22) 중 캡 플레이트(30)의 하면을 커버하는 영역(22a)의 두께는, 크림핑부(22)의 나머지 영역의 두께보다 더 두껍게 형성될 수 있다. 이는, 상기 전지 캔(20)의 밀폐를 위해 캡 플레이트(30)의 하면을 커버하는 영역(22a)이 쉽게 변형되지 않도록 하기 위함이다. 상기 크림핑부(22) 중 캡 플레이트(30)의 하면을 커버하는 영역(22a)의 두께를 주변 두께보다 더 두껍게 하는 경우, 후술할 벤팅부(31)가 정상적으로 동작하지 못하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 전지 캔(20)의 내압 증가 시에 벤팅부(31)가 파단되기 이 전에 캡 플레이트(30)의 고정 부위가 파손되는 경우 정상적인 벤팅 동작이 수행될 수 없다. 따라서, 상기 크림핑부(22) 중 캡 플레이트(30)의 하면을 커버하는 영역(22a)의 두께를 주변 두께보다 더 두껍게 하는 경우, 크림핑부(22)에 의한 캡 플레이트(30)의 고정력이 증가하여 벤팅 동작이 정상적으로 수행되도록 할 수 있다. 예를 들어, 상기 전지 캔(20)의 측벽부의 두께가 대략 0.45mm 정도일 때, 상기 크림핑부(22) 중 캡 플레이트(30)의 하면을 커버하는 영역(22a)의 두께는 대략 0.70mm 정도로 설정될 수 있다.
한편, 도 9에 도시된 것과는 달리, 캡 플레이트(30)의 가장자리 영역을 감싸는 크림핑부(22)의 전체 영역이 전지 캔(20)의 나머지 측벽부와 비교하여 더 두꺼운 두께를 가질 수도 있다. 또는, 비딩부(21) 및 크림핑부(22)는 전지 캔(20)의 나머지 측벽부와 비교하여 더 두꺼운 두께를 가질 수도 있다. 이처럼 크림핑부(22)의 전체 영역 또는 비딩부(21)와 크림핑부(22)의 전체 영역이 나머지 측벽부보다 더 두꺼운 두께를 갖도록 구성되는 경우, 캡 플레이트(30)를 지지하는 전지 캔(20)의 변형으로 인해 벤팅이 정상적으로 이루어지지 않는 현상에 대한 방지 효과를 극대화 할 수 있을 뿐만 아니라, 전지 캔(20)의 두께 증가에도 불구하고 전극 조립체(10)의 수용 공간을 축소시키지 않을 수 있다. 즉, 상기 비딩부(21) 및/또는 크림핑부(22)는 그 형성 위치가 전극 조립체(10)의 수용 공간보다 하방(Z축 방향을 따라 아래 방향)에 위치하므로 비딩부(21) 및/또는 크림핑부(22)의 두께를 부분적으로 또는 전체적으로 증가시키더라도 전극 조립체(10)의 수용 공간을 감소시키지 않을 수 있고, 이로서 에너지 밀도를 감소시키지 않을 수 있다.
도금 층의 두께는 얇을수록 부식에 취약하고, 두꺼울수록 제조공정이 어렵거나 도금 박리가 발생할 수 있는 가능성이 높아진다. 이러한 조건을 모두 고려하여 최적의 전지 캔(20)의 두께를 설정하고 최적의 도금 층의 두께를 설정할 필요가 있다. 더욱이, 이러한 조건을 모두 고려하여 전지 캔(20)의 폐쇄부의 두께 및 측벽부의 두께를 각각 제어할 필요가 있다.
도 2 및 도 9를 참조하면, 상기 캡 플레이트(30)는, 강성 확보를 위해, 예를 들어 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 캡 플레이트(30)는, 전지 캔(20)의 하단에 형성된 개방부을 밀폐하도록 구성된다. 상기 캡 플레이트(30)는, 원통형 이차전지(1)의 하면을 이룬다. 본 발명의 원통형 이차전지(1)에 있어서, 상기 캡 플레이트(30)는, 전도성을 갖는 금속 재질인 경우에도, 극성을 갖지 않는다. 극성을 갖지 않는다는 것은, 상기 캡 플레이트(30)가 전지 캔(20) 및 관통 단자(40)와 전기적으로 절연되어 있음을 의미할 수 있다. 따라서, 상기 캡 플레이트(30)는, 양극 단자 또는 음극 단자로서 기능하지 않는다. 따라서, 상기 캡 플레이트(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 캡 플레이트(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 캡 플레이트(30)는, 크림핑부(22)에 의해 고정된다. 상기 캡 플레이트(30)와 전지 캔(20)의 크림핑부(22) 사이에는 전지 캔(20)의 기밀성을 확보하기 위해 기밀 가스켓(90)이 개재될 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 캡 플레이트(30)는, 전지 캔(20) 내부에 발생된 가스로 인해 내압이 기 설정된 수치를 넘어서 증가하는 것을 방지하기 위해 형성되는 벤팅부(31)를 더 구비할 수 있다. 상기 벤팅부(31)는, 캡 플레이트(30) 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 상기 벤팅부(31)는, 주변 영역과 비교하여 구조적으로 취약하다. 따라서, 상기 원통형 이차전지(1)에 이상이 발생하여 전지 캔(20)의 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 벤팅부(31)가 파단되어 전지 캔(20)의 내부에 생성된 가스가 배출된다. 상기 벤팅부(31)는, 예를 들어, 캡 플레이트(30)의 어느 일 면 상에 또는 양 면 상에 노칭(noching)을 하여 부분적으로 전지 캔(20)의 두께를 감소시킴으로써 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(1)는, 후술할 바와 같이 상부에 양극 단자 및 음극 단자가 모두 존재하는 구조를 가지며, 이로 인해 상부의 구조가 하부의 구조보다 더 복잡하다. 따라서, 상기 전지 캔(20)의 내부 발생된 가스의 원활한 배출을 위해 원통형 이차전지(1)의 하면을 이루는 캡 플레이트(30)에 벤팅부(31)가 형성될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 캡 플레이트(30)의 하단부는 전지 캔(20)의 하단부보다 더 상방에 위치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 전지 캔(20)의 하단부가 지면에 닿거나 또는 모듈이나 팩 구성을 위한 하우징의 바닥면에 닿더라도, 캡 플레이트(30)는 지면 또는 모듈이나 팩 구성을 위한 하우징의 바닥면에 닿지 않게 된다. 따라서, 상기 원통형 이차전지(1)의 무게로 인해 벤팅부(31)의 파단에 요구되는 압력이 설계치와 달라지는 현상을 방지할 수 있으며, 이에 따라 벤팅부(31)의 파단 원활성이 확보될 수 있다.
한편, 상기 벤팅부(31)가 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 폐루프 형태를 갖는 경우, 파단의 용이성 측면에서는 캡 플레이트(30)의 중심부로부터 벤팅부(31)에 이르는 거리가 클수록 유리하다. 이는, 동일한 벤팅 압이 작용했을 때, 상기 캡 플레이트(30)의 중심부로부터 벤팅부(31)에 이르는 거리가 커질수록 벤팅부(31)에 작용하는 힘이 커져 파단이 용이해지기 때문이다. 또한, 벤팅 가스의 배출 원활성의 측면에서도 캡 플레이트(30)의 중심부로부터 벤팅부(31)에 이르는 거리가 클수록 유리하다. 이러한 관점에서 볼 때, 상기 벤팅부(31)는, 캡 플레이트(30)의 가장 자리 둘레 영역으로부터 하방(도 9를 기준으로 아래를 향하는 방향)으로 돌출된 대략 플랫한 영역의 가장자리 둘레를 따라 형성되는 것이 유리할 수 있다.
본 발명의 도 10에서는, 상기 벤팅부(31)가 캡 플레이트(30) 상에 대략 원을 그리며 연속적으로 형성된 경우를 도시하고 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 벤팅부(31)는 캡 플레이트(30) 상에 대략 원을 그리며 불연속적으로 형성될 수도 있고, 대략 직선 형태 또는 그 밖의 다른 형태로 형성될 수도 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 관통 단자(40)는, 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지며, 전지 캔(20)의 상면, 즉 전지 캔(20)의 개방부의 반대 측에 위치하는 면(X-Y 평면에 나란한 면)을 통과한다. 상기 관통 단자(40)는, 예를 들어 전극 조립체(10)의 제1 무지부(11)와 전기적으로 연결된다. 이 경우, 상기 관통 단자(40)는 제1 극성을 갖는다. 따라서, 상기 관통 단자(40)는, 본 발명의 원통형 이차전지(1)에 있어서 제1 전극 단자로서 기능할 수 있다. 상기 관통 단자(40)가 이처럼 제1 극성을 갖는 경우, 관통 단자(40)는 제2 극성을 갖는 전지 캔(20)과는 전기적으로 절연된다. 상기 관통 단자(40)와 전지 캔(20) 간의 전기적 절연은, 다양한 방식으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 상기 관통 단자(40)와 전지 캔(20) 사이에 후술할 바와 같은 절연 가스켓(50)을 개재시킴으로써 절연을 실현할 수 있다. 이와는 달리, 상기 관통 단자(40)의 일부에 절연성 코팅층을 형성시킴으로써 절연을 실현할 수 있다. 또는, 상기 관통 단자(40)와 전지 캔(20)의 접촉이 불가능하도록 관통 단자(40)를 구조적으로 단단히 고정시키는 방식을 적용할 수도 있다. 또는, 앞서 설명한 방식들 중 복수의 방식을 함께 적용할 수도 있다.
상기 관통 단자(40)는, 단자 노출부(41) 및 단자 삽입부(42)를 포함한다. 상기 단자 노출부(41)는, 전지 캔(20)의 외측으로 노출된다. 상기 단자 노출부(41)는, 전지 캔(20)의 상면의 대략 중심부에 위치할 수 있다. 상기 단자 노출부(41)의 최대 폭은 관통 단자(40)의 관통으로 인해 전지 캔(20)에 형성된 홀의 최대 폭보다 더 크게 형성될 수 있다. 상기 단자 삽입부(42)는, 전지 캔(20)의 상면의 대략 중심부를 관통하여 제1 무지부(11)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 단자 삽입부(42)의 가장자리 둘레 영역은, 전지 캔(20)의 내측 면 상에 리벳(rivet) 결합될 수 있다. 즉, 상기 단자 삽입부(42)의 가장자리 둘레 영역은, 전지 캔(20)의 내측 면을 향해 휘어진 형태를 가질 수 있으며, 이로써 단자 삽입부(42)의 단부의 최대 폭은 단자 삽입부(42)의 관통에 의해 형성된 전지 캔(20)의 홀의 최대 폭보다 더 크게 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 원통형 이차전지(1)가 제1 집전 플레이트(60)를 구비하는 경우, 단자 삽입부(42) 중심 영역은 제1 집전 플레이트(60)와 결합될 수 있다. 상기 단자 삽입부(42) 중심 영역은, 예를 들어 대략 원기둥 형태를 가질 수 있다. 상기 단자 삽입부(42) 중심 영역의 바닥면의 직경은 대략 6.2mm 로 설정될 수 있다.
상기 단자 삽입부(42) 중심 영역의 바닥면과 제1 집전 플레이트(60) 간의 결합은, 예를 들어 레이저 용접 또는 초음파 용접에 의해 이루어질 수 있다.
상기 레이저 용접은, 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)에 형성된 홀을 통해 레이저를 조사하여 제1 집전 플레이트(60)의 일 면 상에 레이저 용접 라인을 형성함으로써 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접 라인은, 제1 집전 플레이트(60)의 일 면 중 단자 삽입부(42) 중심 영역의 바닥면과 대략 동심원을 그리는 형태로 형성될 수 있다. 상기 용접 라인은 연속적 또는 부분적으로 불연속적으로 형성될 수 있다.
상기 동심원 형태의 용접 라인은, 단자 삽입부(42) 중심 영역의 바닥면의 직경 대비 대략 60% 내지 80%의 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 단자 삽입부(42) 중심 영역의 바닥면의 직경이 대략 6.2mm인 경우에 있어서 용접 라인이 그리는 원의 직경은 바람직하게 대략 4.0mm 이상일 수 있다. 상기 용접 라인이 그리는 원의 직경이 너무 작게 형성되는 경우 용접에 의한 결합력이 부족할 수 있다. 반대로, 상기 용접 라인이 그리는 원의 직경이 너무 크게 형성되는 경우 열 및/또는 용접 스패터 등에 의한 전극 조립체(10)의 손상 우려가 커질 수 있다.상기 초음파 용접은, 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)에 형성된 홀을 통해 초음파 용접을 위한 용접봉을 삽입하여 수행될 수 있다. 상기 초음파 용접에 의해 형성되는 용접부는, 단자 삽입부(42) 중심 영역의 바닥면과 제1 집전 플레이트(60)의 접촉 계면 내에 형성된다. 상기 초음파 용접에 의해 형성되는 용접부는, 단자 삽입부(42) 중심 영역의 바닥면 대비 대략 30% 내지 80%의 직경을 갖는 동심원 내에 전체적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 단자 삽입부(42) 중심 영역의 바닥면의 직경이 대략 6.2mm인 경우에 있어서 초음파 용접에 의한 용접부가 그리는 원의 직경은 바람직하게 대략 2.0mm 이상일 수 있다. 상기 초음파 용접에 의한 용접부가 그리는 원의 직경이 너무 작게 형성되는 경우 용접에 의한 결합력이 부족할 수 있다. 반대로, 상기 초음파 용접에 의한 용접부가 그리는 원의 직경이 너무 크게 형성되는 경우 열 및/또는 진동 등에 의한 전극 조립체(10)의 손상 우려가 커질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전지 캔(20)의 상면과 상기 전지 캔(20)의 외측으로 노출된 관통 단자(40)는 서로 반대의 극성을 가지고 서로 동일한 방향을 향한다. 또한, 상기 관통 단자(40)와 전지 캔(20)의 상면 사이에는 단차가 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 전지 캔(20)의 상면 전체가 플랫한 형상을 갖거나 그 중심부에서 상방으로 돌출된 형상을 갖는 경우에는 관통 단자(40)의 단자 노출부(41)가 전지 캔(20)의 상면보다 상부로 더 돌출될 수 있다. 이와는 반대로, 상기 전지 캔(20)의 상면이 그 중심부에서 하방으로, 즉 전극 조립체(10)를 향하는 방향으로 오목하게 만입된 형상을 갖는 경우에는, 전지 캔(20)의 상면이 전극 단자(40)의 단자 노출부(41)보다 상부로 더 돌출될 수 있다.
한편, 상기 전지 캔(20)의 상면이 그 중심부에서 하방으로, 즉 전극 조립체(10)를 향하는 방향으로 오목하게 만입된 형상을 갖는 경우에 있어서, 만입된 깊이 및 전극 단자(40)의 단자 노출부(41)가 갖는 두께에 따라 전지 캔(20)의 상면과 단자 노출부(41)의 상면이 동일 평면을 이룰 수 있다. 이 경우에는, 상기 전지 캔(20)의 상면과 단자 노출부(41) 간에 단차가 형성되지 않을 수 있다.
상기 절연 가스켓(50)은, 전지 캔(20)과 관통 단자(40) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 전지 캔(20) 과 관통 단자(40)가 서로 접촉되는 것을 방지한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 전지 캔(20)의 상면이 원통형 이차전지(1)의 제2 전극 단자로서 기능할 수 있다.
상기 절연 가스켓(50)은, 가스켓 노출부(51) 및 가스켓 삽입부(52)를 포함한다. 상기 가스켓 노출부(51)는 관통 단자(40)의 단자 노출부(41)와 전지 캔(20) 사이에 개재된다. 상기 가스켓 삽입부(52)는 관통 단자(40)의 단자 삽입부(42)와 전지 캔(20) 사이에 개재된다. 상기 가스켓 삽입부(52)는, 단자 삽입부(42)의 리벳팅(reveting) 시에 함께 변형되어 전지 캔(20)의 내측 면에 밀착될 수 있다. 상기 절연 가스켓(50)은, 예를 들어 절연성을 갖는 수지 재질로 이루어질 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 절연 가스켓(50)의 가스켓 노출부(51)는, 관통 단자(40)의 단자 노출부(41)의 외주면을 커버하도록 연장된 형태를 가질 수 있다. 이처럼 절연 가스켓(50)이 관통 단자(40)의 외주면을 커버하는 경우 버스바 등의 전기적 연결 부품을 전지 캔(20)의 상면 및/또는 관통 단자(40)에 결합시키는 과정에서 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 절연 가스켓(50)의 가스켓 노출부(51)는, 단자 노출부(41)의 외주면 뿐만 아니라 상면의 일부도 함께 커버하도록 연장된 형태를 가질 수도 있다.
상기 절연 가스켓(50)이 수지 재질로 이루어지는 경우에 있어서, 절연 가스켓(50)은 열 융착에 의해 상기 전지 캔(20) 및 관통 단자(40)와 결합될 수 있다. 이 경우, 절연 가스켓(50)과 관통 단자(40)의 결합 계면 및 절연 가스켓(50)과 전지 캔(20)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다. 한편, 상기 절연 가스켓(50)의 가스켓 노출부(51)가 단자 노출부(41)의 상면까지 연장된 형태를 갖는 경우에 있어서, 관통 단자(40)는 인서트 사출에 의해 절연 가스켓(50)과 결합될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 절연 가스켓(50), 인슐레이터(70) 및 실링 가스켓(90)은 서로 동일한 재질로 형성될 수 있다. 다만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 절연 가스켓(50) 및 인슐레이터(70)의 두께는 서로 동일할 수 있다. 다만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 이들이 두께가 서로 상이하다면, 인슐레이터(70)가 절연 가스켓(50)의 두께보다 더 얇을 수 있으며, 그 반대도 가능하다.
상기 전지 캔(20)의 상면 중에서 상기 관통 단자(40) 및 상기 절연 가스켓(50)이 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역 전체가 상기 관통 단자(40)와 반대 극성을 갖는 제2 전극 단자(20a)에 해당한다. 이와는 달리, 본 발명에 있어서, 상기 절연 가스켓(50)이 생략되고 관통 단자(40)에 부분적으로 절연 코팅층이 구비된 경우에는, 전지 캔(20)의 상면 중에서 절연 코팅층을 구비하는 관통 단자(40)가 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역 전체가 제2 전극 단자(20a)로서 기능할 수 있다.
상기 전지 캔(20)의 원통형 측벽은, 제2 전극 단자(20a)와의 사이에 불연속되는 부분이 없도록 제2 전극 단자(20a)와 원피스(one piece)로 형성될 수 있다. 상기 전지 캔(20)의 측벽으로부터 제2 전극 단자(20a)로의 연결은 부드러운 곡선일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 연결부위는 소정 각도를 갖는 모서리를 적어도 하나 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 4을 참조하면, 상기 제1 집전 플레이트(60)는, 전극 조립체(10)의 상부에 결합될 수 있다. 상기 제1 집전 플레이트(60)는 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며, 제1 무지부(11)와 연결된다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 제1 집전 플레이트(60)는, 그 하면에 방사상으로 형성된 복수의 요철을 구비할 수 있다. 상기 요철이 형성된 경우, 제1 집전 플레이트(60)를 눌러서 요철을 제1 무지부(11)에 압입시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 집전 플레이트(60)는 제1 무지부 (11)의 단부에 결합된다. 상기 제1 무지부 (11)와 제1 집전 플레이트(60) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제1 집전 플레이트(60) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식으로 이루어질 수도 있고, 제1 집전 플레이트(60)와 제1 무지부 (11) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는, 제1 집전 플레이트(60)와 제1 무지부 (11)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다.
도 6을 참조하면, 상기 제1 집전 플레이트(60)는, 제1 무지부 (11)의 단부가 제1 집전 플레이트(60)와 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 수 있다. 상기 제1 무지부 (11)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)을 향하는 방향일 수 있다. 상기 무지부 (11)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 제1 무지부 (11)가 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 제1 무지부 (11)와 제1 집전 플레이트(60) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.
도 7에는 본 발명의 전극 조립체(10)의 무지부(11, 12)가 절곡된 구조의 예시적인 형태가 나타나 있다. 이하의 설명에서는 앞서 설명한 바 있는 제1 전극 및 제2 전극 중 제1 전극을 예로 들어 설명을 하지만, 이러한 제1 전극의 구조는 제2 전극에도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
도 2 및 도 7을 참조하면, 상기 제1 전극은 도전성 재질의 포일로 이루어진 쉬트 형상의 제1 전극 집전체와, 제1 전극 집전체의 적어도 일 면에 형성된 제1 활물질 층과, 제1 전극 집전체의 장변 단부에 활물질이 코팅되지 않음으로써 형성되는 제1 무지부(11)를 포함할 수 있다.
상기 제1 무지부(11)는, 노칭 가공된 복수의 분절편(11a)을 포함할 수 있다. 상기 제1 무지부(11)는, 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 예를 들어 외주측으로부터 코어측으로 절곡될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 제1 무지부(11)가 노칭 가공됨으로써 무지부(11)의 분절편(11a)이 형성되는 경우, 복수의 분절편(11a)들은 예를 들어 전극 조립체(10)의 외주측으로부터 코어측으로 절곡될 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 집전 플레이트(60, 80)는 무지부(11, 12)가 절곡되어 형성된 결합면 상에 결합될 수 있다. 이 때, 절곡된 분절편(11a)들은 여러 겹으로 중첩될 수 있다. 이 경우, 집전 플레이트(60, 80)는 복수의 분절편(11a)이 여러 겹으로 중츱되어 있는 영역에 결합될 수 있다. 한편, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 무지부(11)의 분절편(11a)의 중첩 레이어 수가 전극 조립체(10)의 반경 방향을 따라 일정하게 유지되는 영역인 용접 타겟 영역을 구비할 수 있다. 이 영역에서는, 중첩 레이어 수가 대략 최대로 유지될 수 있으며, 집전 플레이트(60, 80)와 무지부(11, 12)의 용접은 이 영역 내에서 이루어지는 것이 유리할 수 있다. 이는, 예를 들어 레이저 용접을 적용하는 경우에 있어서, 용접 품질의 향상을 위해 레이저의 출력을 높이는 경우 레이저 빔이 무지부(11, 12)를 관통하여 전극 조립체(10)를 손상시키는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 이는, 용접 스패터 등의 이물질이 전극 조립체(10)의 내부로 유입되는 것을 효과적으로 방지할 수 있도록 하기 위함이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 인슐레이터(70)는, 전극 조립체(10)의 상단과 전지 캔(20)의 내측 면 사이 또는 전극 조립체(10)의 상부에 결합된 제1 집전 플레이트(60)와 전지 캔(20)의 내측 면 사이에 구비된다. 상기 인슐레이터(70)는, 제1 무지부 (11)와 전지 캔(20) 사이의 접촉 및/또는 제1 집전 플레이트(60)와 전지 캔(20) 사이의 접촉을 방지한다. 상기 인슐레이터(70)는, 그 밖에도 전극 조립체(10)의 외주면의 상단과 전지 캔(20)의 내측 면 사이에도 개재될 수 있다. 상기 제1 집전 플레이트(60)는, 전극 조립체(10)의 외주면 상단을 완전히 가로질러 연장되는 플레이트일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 집전 플레이트(60)는 전극 조립체(10)의 외주면 상단을 부분적으로만 가로질러 연장되도록 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(1)가 인슐레이터(70)를 구비하는 경우, 관통 단자(40)의 단자 삽입부(42)는 인슐레이터(70)를 통과하여 제1 집전 플레이트(60) 또는 제1 무지부 (11)와 결합된다.
상기 인슐레이터(70)는, 권취 중심(C)에 인접한 개구를 구비할 수 있다. 상기 개구는 관통 단자(40)의 단자 삽입부(42)가 제1 집전 플레이트(60)와 직접 접촉할 수 있도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단자 삽입부(42)는, 그 평면 형상이 원형일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 단자 삽입부(42)는, 선택적으로 다각형, 별 형상, 중앙으로부터 연장되는 다리를 구비하는 형상 등을 가질 수 있다.
도 2 및 도 9를 참조하면, 상기 제2 집전 플레이트(80)는, 전극 조립체(10)의 하부에 결합될 수 있다. 상기 제2 집전 플레이트(80)는 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어지며 제2 무지부 (12)와 연결될 수 있다. 또한, 상기 제2 집전 플레이트(80)는, 전지 캔(20)과 전기적으로 연결된다. 상기 제2 집전 플레이트(80)는, 도 9에 도시된 바와 같이 전지 캔(20)의 내측 면과 실링 가스켓(90) 사이에 개재되어 고정될 수 있다. 이와는 달리, 상기 제2 집전 플레이트(80)는, 전지 캔(20)의 내벽 면에 용접될 수도 있다.
예를 들어, 상기 제2 집전 플레이트(80)는, 무지부 결합부(80a) 및 캔 결합부(80b)를 포함할 수 있다. 상기 무지부 결합부(80a)는 제2 무지부(12)와 결합되어 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 캔 결합부(80b)는 전지 캔(20)과 예를 들어 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 캔 결합부(80b)는 예를 들어 전지 캔(20)의 비딩부(21)에 결합될 수 있다. 상기 캔 결합부(80b)는 하부 비딩부(21b)에 형성되는 평탄부에 결합될 수 있다. 상기 캔 결합부(80b)는 하부 비딩부(21b)와 기밀 가스켓(90) 사이에 개재될 수 있다.
도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 제2 집전 플레이트(80)는, 그 일 면 상에 방사상으로 형성된 복수의 요철을 구비할 수 있다. 상기 요철이 형성된 경우, 제2 집전 플레이트(80)를 눌러서 요철을 제2 무지부 (12)에 압입시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제2 집전 플레이트(80)는 제2 무지부 (12)의 단부에 결합된다. 상기 제2 무지부 (12)와 제2 집전 플레이트(80) 간의 결합은 예를 들어 레이저 용접에 의해 이루어질 수 있다. 상기 레이저 용접은, 제2 집전 플레이트(80) 모재를 부분적으로 용융시키는 방식을 이루어질 수도 있고, 제2 집전 플레이트(80)와 제2 무지부 (12) 사이에 용접을 위한 솔더를 개재시킨 상태에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 솔더는 제2 집전 플레이트(80)와 제2 무지부 (12)와 비교하여 더 낮은 융점을 갖는 것이 바람직하다.
도 6을 참조하면, 상기 제2 집전 플레이트(80)는, 제2 무지부 (12)의 단부가 제2 집전 플레이트(80)와 나란한 방향으로 절곡되어 형성된 결합 면 상에 결합될 수 있다. 상기 제2 무지부 (12)의 절곡 방향은, 예를 들어 전극 조립체(10)의 권취 중심(C)을 향하는 방향일 수 있다. 상기 제2 무지부 (12)가 이처럼 절곡된 형태를 갖는 경우, 제2 무지부 (12)이 차지하는 공간이 축소되어 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 또한, 상기 제2 무지부 (12)와 제2 집전 플레이트(80) 간의 결합 면적의 증가로 인해 결합력 향상 및 저항 감소 효과를 가져올 수 있다.
도 9 및 도 11을 참조하면, 상기 제2 집전 플레이트(80)는, 중심부로부터 방사상으로 연장되며 서로 이격된 복수의 서브 플레이트(81)를 포함할 수 있다. 이 경우, 복수의 서브 플레이트(81)들은 각각 제2 무지부 (12) 및 전지 캔(20)과 결합된다.
상기 제2 집전 플레이트(80)가 이처럼 서로 이격된 복수의 서브 플레이트(81)를 포함하는 경우, 제2 집전 플레이트(80)는 전극 조립체(10)의 하면을 부분적으로 커버하게 된다. 따라서, 상기 전극 조립체(10)에서 발생된 가스가 탑 플레이트(30)를 향해 이동할 수 있는 공간이 충분히 확보되며, 원통형 이차전지(1)의 하방으로의 가스 벤팅이 원활하게 이루어질 수 있다. 한편, 상술한 바와 같이 복수의 서브 플레이트(81)를 구비하는 제2 집전 플레이트(80)의 구조는 앞서 설명한 제1 집전 플레이트(60)에도 동일하게 적용될 수도 있다.
도 3 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(1)는, 그 길이 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측에 제1 극성을 갖는 관통 단자(40) 및 관통 단자(40)와 전기적으로 절연되며 제2 극성을 갖는 제2 전극 단자(20a)가 함께 구비된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(1)는, 한 쌍의 전극 단자(30, 20a)가 동일 방향에 위치하므로, 복수 개의 원통형 이차전지(1)를 전기적으로 연결시키는 경우에 있어서, 버스바 등의 전기적 연결 부품을 원통형 이차전지(1)의 일 측에만 배치시키는 것이 가능하다. 이는, 배터리 팩 구조의 단순화 및 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다.
또한, 상기 원통형 이차전지(1)는, 대략 플랫한 형태를 갖는 전지 캔(20)의 일 면을 제2 전극 단자(20a)로 이용할 수 있는 구조를 가짐으로써 버스바 등의 전기적 연결 부품을 제2 전극 단자(20a)에 접합시키는데 있어서 충분한 접합 면적을 확보할 수 있다. 이에 따라, 상기 원통형 이차전지(1)는, 전기적 연결 부품과 제2 전극 단자(20a) 간의 충분한 접합 강도를 확보할 수 있으며, 접합 부위에서의 저항을 바람직한 수준으로 낮출 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 원통형 이차전지(1)의 제1 전극 단자(40) 및 제2 전극 단자(20a) 각각에 버스바(B)가 연결되어 있다. 상기 제1 전극 단자(40) 및 제2 전극 단자(20a) 각각에 있어서, 버스바(B)의 결합을 위한 면적을 충분히 확보하기 위해, 제1 전극 단자(40) 중 전지 캔(20)의 외측으로 노출된 영역, 즉 단자 노출부(41)의 상면의 폭(D1)은 제2 전극 단자(20a), 즉 전지 캔(20)의 상면의 폭(D2)의 대략 10% 내지 60%로 설정될 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.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 원통형 이차전지(1)가 전기적으로 연결된 이차전지 집합체 및 이를 수용하는 팩 하우징(2)을 포함한다. 본 발명의 도면에서는, 도면 도시의 편의상 전기적 연결을 위한 버스바, 냉각 유닛, 전력 단자 등의 부품은 생략되었다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(5)는, 예를 들어 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)을 포함한다. 상기 자동차(5)는, 4륜 자동차 및 2륜 자동차를 포함한다. 상기 자동차(5)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(3)으로부터 전력을 공급 받아 동작한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 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 무지부
12: 제2 무지부
20: 전지 캔
21: 비딩부
22: 크림핑부
30: 캡 플레이트
31: 벤팅부
40: 관통 단자
41: 단자부
42: 삽입부
50: 절연 가스켓
60: 제1 집전 플레이트
70: 인슐레이터
80: 제2 집전 플레이트
81: 서브 플레이트
90: 기밀 가스켓

Claims (24)

  1. 제1 극성을 갖는 제1 무지부 및 제2 극성을 갖는 제2 무지부를 구비하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하며 상기 제2 무지부와 전기적으로 연결되며, 위치별로 두께가 상이하도록 구성되는 전지 캔;
    상기 전지 캔의 일 면을 관통하며 상기 제1 무지부와 전기적으로 연결되는 관통 단자; 및
    상기 전지 캔의 개방부를 밀폐하도록 구성되는 캡 플레이트;
    를 포함하는 원통형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지 캔은,
    상기 전지 캔의 개방부 측에 형성되며, 전지 캔의 외주면 둘레가 압입된 형태를 갖는 비딩부; 및
    상기 비딩부의 하부에 형성되며, 상기 캡 플레이트를 고정시키도록 구성되는 크림핑부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 크림핑부는,
    상기 캡 플레이트의 가장자리 영역을 감싸며, 상기 캡 플레이트의 하면의 일부를 커버하도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 원통형 이차전지는,
    상기 전지 캔의 상기 크림핑부와 상기 캡 플레이트 사이에 개재되는 기밀 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 크림핑부 중 상기 캡 플레이트의 하면을 커버하는 영역의 두께는, 상기 크림핑부의 나머지 영역의 두께보다 더 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 크림핑부 중 상기 캡 플레이트의 하면을 커버하는 영역은 평탄부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 캡 플레이트의 가장자리 영역을 감싸는 상기 크림핑부의 전체 영역이 상기 전지 캔의 나머지 측벽부와 비교하여 더 두꺼운 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 비딩부 및 크림핑부는,
    상기 전지 캔의 나머지 측벽부와 비교하여 더 두꺼운 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전지 캔의 측벽부의 두께는 상기 전지 캔의 폐쇄부의 두께보다 더 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 관통 단자는 상기 개방부의 반대 편에 위치하는 전지 캔의 일 면의 중심부에 위치하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 관통 단자는,
    상기 전지 캔의 외측으로 연장되는 단자 노출부; 및
    상기 전지 캔의 상면을 관통하는 단자 삽입부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 이차전지는,
    상기 전지 캔과 상기 관통 단자 사이에 개재되어 상기 관통 단자와 전지 캔을 절연시키는 절연 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 절연 가스켓은,
    상기 전지 캔의 외측으로 연장되는 가스켓 노출부; 및
    상기 전지 캔의 상면을 관통하는 가스켓 삽입부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 관통 단자는,
    상기 전지 캔의 내측 면 상에 리벳 결합되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 이차전지는,
    제1 면이 상기 제1 무지부와 결합되고 제2 면이 관통 단자와 결합되는 제1 집전 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 관통 단자는,
    상기 전지 캔의 외측으로 연장되는 단자 노출부; 및
    상기 전지 캔의 상면을 관통하는 단자 삽입부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 단자 삽입부의 중심 영역은 상기 제1 집전 플레이트와 결합되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 원통형 이차전지는,
    상기 제1 집전 플레이트와 전지 캔 사이에 개재되는 인슐레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 관통 단자는,
    상기 인슐레이터를 통과하여 상기 제1 집전 플레이트와 결합되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제1 무지부 및 제2 무지부 중 적어도 어느 하나는,
    상기 전극 조립체의 권취 중심을 향해 절곡된 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는,
    상기 전지 캔의 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하는 경우 파단되어 가스를 배출하도록 구성되는 벤팅부를 구비하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는,
    상기 전극 조립체와 절연되며 극성을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  23. 복수의 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 원통형 이차전지; 및
    복수의 상기 원통형 이차전지를 수용하는 팩 하우징;
    을 포함하는 배터리 팩.
  24. 제23항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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